专利名称：直线压缩机组件的制作方法
技术领域：
本申请涉及一种压缩机，并且更具体地涉及一种被电驱动的线性致动压缩机。
背景技术：
线性致动器系统被用于移位如铁道那样多变化的元件以及闭环和延伸系统中的精密位移机械。被线性致动器推进的元件的位置已经被显示为由通过各个驱动线圈的电流和电压的变化确定。例如，在其中一个驱动线圈中的低压将表明邻近该驱动线圈的活塞通过。控制电动线性致动泵或压缩机是非常复杂的设计难题。因此，重要的是具有一种传感器，它是可靠的、简单的并且能够响应于变化的条件(例如温度、不同的工作流体和腐蚀材料)，同时快速和可重复地示意活塞位置和速度以做出响应。问题在于仅仅基于测量到的通过驱动线圈的电压和电流精确地关于任何驱动线圈定位活塞，因为温度和工作流体中的变化对电压和电流产生影响。
以前的直线压缩机设计没有解决热量积累的问题。在中等和更大尺寸的电动直线压缩机中，热量积累引起如此问题，从而成为压缩机设计中的限制因素。
发明内容
在一个实施例中，本发明提供一种设备，包括在其中形成有沿着第一轴线轴向定位的孔的外壳、可往复地设置在该孔中的活塞，以及邻近该孔的多个驱动线圈，从而对该驱动线圈通电以产生能够基本沿着第一轴线在孔中移位活塞的磁场。控制器被用于选择性地控制对驱动线圈的通电。该直线压缩机也包括至少部分地设置在该外壳中的冷却系统，并且该冷却系统用于冷却该设备。
在另一实施例中，本发明提供一种设备，包括在其中形成有沿着第一轴线轴向定位的孔的外壳、可往复地设置在该孔中的活塞，以及邻近该孔设置的多个驱动线圈，从而对该驱动线圈通电以产生能够基本平行于第一轴线在孔中移位活塞的磁场。该设备还包括在驱动线圈和该外壳之间定位的冷却容器，其中该冷却容器降低该设备的压缩热量。传感器确定活塞相对于该外壳的位置和速度，其中该传感器独立于该驱动线圈发挥作用，并且控制器响应于来自该传感器的信号选择性地控制对驱动线圈的通电。
在又一实施例中，本发明提供一种设备，包括具有中央部分和两个端部的外壳，该两个端部安装在该中央部分的相对端处，其中该中央部分形成孔。活塞被可往复地设置在该孔中，并且多个驱动线圈邻近该孔设置，从而对该驱动线圈通电以产生能够在孔中移位活塞的磁场。该设备也包括至少部分地设置在该外壳中的冷却系统，该冷却系统用于降低该设备的压缩热量。传感器关于该两个端部中的一个定位，该传感器能够测量在传感器和活塞之间的相对距离和速度。控制器响应于来自该传感器的信号选择性地控制对驱动线圈的通电。
结合附图通过在下而对本发明的详细描述，可以清楚前面的和其它的方面。
图1是根据本发明一个实施例的电线性致动压缩机的局部侧截面视图；
图2是在压缩机的外壳中含有冷却容器的电线性致动压缩机的局部侧截面视图；图3是图2所示的压缩机的局部侧截面视图，其中热交换器流体连接到冷却容器。
具体实施例方式
在详细解释本发明的任何实施例之前，需要理解本发明在其应用中不限于在下面的描述中提出的或者在附图中示意的构造和构件布置的细节。本发明能够具有其它实施例并且以各种方式实施或执行。而且，应该理解在这里使用的措辞和术语是用于描述的目的并且不应被认为是用于限制。
在本公开中，术语压缩机或泵将被可互换地用作一种被设计成将工作流体从一个位置移位到另一位置的机构。
图1示意出一种电线性致动压缩机10。压缩机10包括外壳14、控制器18和传感器22。外壳14包括柱形中央部分26和位于中央部分26的相对端处的两个端部30和34。中央部分26形成被端部30、34包围的孔38，并且孔38围绕压缩机10的纵向轴线42轴向地定位。外壳14包括外壁46和从外壁46径向向内间隔的内壁50，从而孔38被外壳14的内壁50限定。外壁46和内壁50相互间隔以在其间形成间隙54。
活塞58被可往复地和滑动地设置在孔38中。通常，活塞58由任何材料或组合材料形成，它可以在磁场的影响下加速和减速。在所示意的实施例中，活塞58由铁磁材料形成，然而，在其它实施例中，活塞58由多个永久磁体形成，如图2所示。在孔38中，活塞58形成靠近第一端部30的第一压力部分62和靠近第二端部34的第二压力部分66。
第一端部30包括两个腔室、进口腔室70和出口腔室74。进口阀78将第一压力部分62和进口腔室70流体连接并且出口阀82将第一压力部分62和出口腔室74流体连接。进口导管86与端部30的进口腔室70流体连通并且通过进口阀78向第一压力部分62提供流体，并且出口导管90与端部30的出口腔室74流体连通并且通过出口阀82从第一压力部分62排放流体。第二端部34也包括类似于上述入口和出口腔室的入口腔室(未示出)和出口腔室(未示出)。进口阀102将第二压力部分66和进口腔室流体连接，并且出口阀106将第二压力部分66和出口腔室流体连接。进口导管110与端部34的进口腔室流体连通并且通过进口阀102向第二压力部分66提供流体，并且出口导管114与端部34的出口腔室流体连通并且通过出口阀114从第二压力部分66排放流体。
进口阀78、102和出口阀82、106安装在相应的端部30、34中。进口阀78、102和出口阀82、106允许流体从高压侧流到低压侧，如本领域所公知。例如，该阀可以是挡板阀型、单槽阀型和提升阀型。在其它实施例中，该阀可被弹簧偏压，由此在阀打开之前，高压侧需要以所需的量提高到高于低压侧，如本领域所公知。
在图1中，当活塞58被从左向右驱动时，在第一压力部分62中的压力增加(高压侧)而第二压力部分66中的压力降低(低压侧)。在第一压力部分62中的更高的压力利用流体压力迫使进口阀78关闭并且出口阀82打开，由此允许从第一压力部分62通过出口导管90的流体通道并且防止从进口导管86到第一压力部分62的流体通道。同时地，活塞58从左向右的运动降低了第二压力部分66中的压力。在第二压力部分66中压力的降低打开进口阀102并且关闭出口阀106，由此允许从进口导管110到第二压力部分66的流体通道并且防止从第二压力部分66到出口导管114的流体通道。
在图1中，当活塞58从右向左行进时，第一压力部分62中的压力降低从而第一压力部分62成为低压侧而第二压力部分66中的压力升高从而第二压力部分66成为高压。在第二压力部分66中的更高的压力利用流体压力迫使进口阀102关闭并且出口阀106打开，由此允许从第二压力部分66通过出口导管114的流体通道并且防止从进口导管110到第二压力部分66的流体通道。同时地，在第一压力部分62中压力的降低打开进口阀78并且关闭出口阀82，由此允许从进口导管86到第一压力部分62的流体通道并且防止从第一压力部分62到出口导管90的流体通道。由此，允许低压从进口导管86进入第一压力部分62并且允许高压从第二压力部分66离开以到达出口导管114。
滑动和密封环118围绕活塞58的周边安装以在第一压力部分62和第二压力部分66之间沿着外壳14的内壁50密封流体通道。在一个实施例中，利用来自E.I.du Pont Nemours and Company公司(Wilmington，DE)的Teflon聚合物材料或类似的材料形成环118。在所示意的实施例中，压缩机10未被润滑，即不含油。
为了实现活塞58的往复运动，驱动线圈122被安装在由外壳14的外壁46、内壁50形成的间隙54中。各个驱动线圈122围绕孔38的外圆周延伸。多个驱动线圈122沿着孔38的长度定位并且相互间轴向间隔。驱动线圈122被选择性地通电以产生能够基本沿着纵向轴线42在孔38中移位活塞58的磁场。
各个驱动线圈122利用非传导性的非磁性元件126从相邻的驱动线圈122分离。驱动线圈122能够输送正、负或中性的单独电流。在所示意的实施例中，驱动线圈122被热绝缘体130围绕以限制或防止当驱动线圈122变热时对外壳14和活塞58的一些部分造成热损坏。本领域技术人员易于理解，在其它实施例中，可以提供其它的绝缘体以防止对外壳14和活塞58造成热损坏。
控制器18和传感器22控制驱动线圈122的充电和放电以驱动活塞58。控制器18选择性地控制驱动线圈122的充电，传感器22确定活塞58关于外壳14的位置和速度。第一端部30包括在孔38和压缩机10的外部之间的通道134。在所示意的实施例中，传感器22定位在通道134中并且对准驱动线圈122，并且电连接到控制器18。传感器22能够精确地感应活塞58关于外壳14的位置和速度，而与温度、压力和被压缩流体的不利影响无关。传感器22可以是微波或光学类型。一些传感器对于在这种环境中常见的温度和压力中的变化非常敏感，并且不应被用于压缩机10。
在所示意的实施例中，传感器22独立于可能基于温度、压力或其它某个标准以及活塞58关于驱动线圈122的位置变化的驱动线圈122中的电流或电压发挥作用。因此，传感器22将更加准确地和直接地进行位置和速度测量。在其中在相邻驱动线圈122之间具有较大距离的压缩机中，依赖于基于活塞位置的通过驱动线圈122的电流和电压的传感器在确定准确活塞位置方面具有有限的准确度。在所示意的实施例中，基于在活塞58和驱动线圈122或多个驱动线圈122之间的相对位置，传感器22的速度测量不受限制。例如，本发明的活塞位置和速度传感器22将发挥良好，如果仅有两个驱动线圈122设置在孔38的相对的轴向端部上。通过比较，在其它压缩机中，依赖于驱动线圈中的电流和电压的活塞位置和速度感应系统的准确度将受到影响，如果驱动线圈邻近孔的相对的远端设置。而且，在本发明中，当传感器22独立于驱动线圈122中的电流或电压发挥作用并且其中的一个驱动线圈122失灵，则驱动线圈122的故障不会导致活塞循环的中断或者损坏压缩机10。在一个实施例中，该传感器通过利用超过1千兆赫的电磁辐射而进行操作。
控制器18包括电子定序器(未示出)并且可被操作用于控制驱动线圈122的选择性通电和断电。控制器18基于活塞58在形成于外壳14中的孔38中如与活塞58在孔38中的理想速度和行程相比的相对速度和位置控制驱动线圈122。基于活塞58的所需行进方向，驱动线圈122利用正极性或负极性通电。利用预编程的定序器，驱动线圈122能够被相继地通电，或者磁化。在所示意的实施例中，控制器18可以有助于活塞58的可变速度。通过对驱动线圈122的电流调节而改变速度并且可变负载不会影响压缩机性能，因为定序器能够确定活塞58被定位的位置。因此，定序器速度和线圈电流被编程以补偿这些变化。
在一个实施例中，传感器22向孔38中发射频率以用于确定活塞位置和速度。控制器18从传感器22接收反馈，并且负载因素和/或往复速度得以补偿从而定序器速度和电流被调节以适于由压缩机10执行的工作。
在所示意的实施例中，压缩机10包括电连接到控制器18的操作员接口138。使用操作员接口138，操作者可以设定控制器18将操作压缩机10和活塞58所用的所需速度(每分钟循环)和所需行程(每冲程长度)。允许操作者向控制器18输入所需速度和行程的任何设备可被用作接口138，如本领域所公知。
使用图1所示压缩机10的一个因素在于控制压缩热量(即，在压缩工作流体的过程中由压缩机10产生的热量)和通电热量(即，由于驱动线圈122的通电和断电产生的热量)。随着在压缩机10中的温度升高，由驱动线圈122在活塞58上施加的力降低。在一个实施例中，散热系统被用于消除压缩热量和通电热量，这进一步将压缩机10的温度降低至更加有效率的水平并且由驱动线圈122在活塞58上施加的力增加。当压缩机10的尺寸增加时，由于由更大的压缩机产生的大量的压缩热量以及对于这种压缩机所需的大的驱动线圈产生的大量通电热量，散热系统是很重要的。
驱动线圈122的提高的温度通常导致通过驱动线圈122的电流增加以利用驱动线圈122在活塞58上产生相同的力。因此，保持活塞58处于较高的行程长度和频率，特别是如果工作流体非常粘性，可以导致压缩机10的操作温度逐渐升高，这由此因为过热而导致压缩机10受到损坏或者发生故障。
可以用于降低压缩机中的通电热量的一种系统是使用由超导材料形成的驱动线圈122。超导材料在超导温度下将呈现出最小的电阻，因此，与由非超导驱动线圈产生的热量相比，由超导体驱动线圈产生的热量将非常低。散热系统，或者冷却系统，仍然被用于从压缩机消除压缩热量，同时保持超导体处于超导温度(即，其中驱动线圈继续呈现超导特性的温度)。如在这里定义的超导体涵盖当材料温度被降低至低于该材料所特有的超导温度时，电阻显示为被显著降低至极低水平的所有材料。
图2示意出根据本发明一个实施例的电线性致动压缩机150。压缩机150类似于在图1中示出的压缩机10，并且相同的元件将利用相同的参考数字引用。压缩机150包括用于降低压缩机150中的压缩热量的冷却系统154并且使用如上所述的超导驱动线圈156，以降低压缩机150中的通电热量。
压缩机外壳14包括形成被端部30、34围绕的孔38的中央部分26。外壳14包括外壁158、从外壁158径向向内间隔的中间壁162、和从中间壁162径向向内间隔的内壁166，从而孔38由外壳14的内壁166形成。三个壁158、162、166相互间隔以在其间形成第一和第二间隙170、174。
在所示意的实施例中，活塞178可往复地并且滑动地设置在孔38中。活塞178至少部分地由围绕活塞178的周边定位的多个永久磁体182形成。活塞178在磁场的影响下加速和减速，如上关于图1所述。为了实现活塞的往复运动，类似于如上关于图1描述的驱动线圈122，驱动线圈156被安装在由外壳14的中间壁162和内壁166形成的第二间隙174中。驱动线圈156由超导材料形成，这降低了由于驱动线圈156的通电和断电产生的通电热量。各个驱动线圈156利用非传导性的非磁性元件186从相邻的驱动线圈156分离。而且，各个驱动线圈156被热绝缘体190围绕以进一步限制当驱动线圈156变热时对外壳14和活塞178的一些部分造成的损坏，但是可以设置其它的已知绝缘体。
为了允许使用超导驱动线圈156，图2示意出冷却系统154，包括冷却泵194、外壳14中的冷却容器198、进口导管202和出口导管206。导管202、206将冷却泵194和冷却容器198流体连接。冷却容器198由第一间隙170形成，第一间隙170由外壳14的外壁158和中间壁162形成。冷却容器198包括从外壳14的中间壁162径向向外延伸的叶片210。为了冷却压缩机10和驱动线圈156，冷却流体经由进口导管202从冷却泵194被泵送到冷却容器198。叶片210促进了在压缩机150和冷却流体之间的热交换并且还引导冷却流体的流动以保证冷却流体围绕外壳14的周边到达所有位置。而且，叶片210用于减缓冷却流体在关键位置处的流动以保证适当的热传递。冷却流体通过出口导管206被排放回冷却泵194以进行再利用。
可被用于该冷却系统的冷却流体的实例包括来自E.I.du PontNemours and Company(Wilmington，DE)公司的Freon氯氟烃，和氩，它们是比较廉价的和易得的。本领域技术人员易于理解，在冷却领域中公知的其它的低温流体和设备类型可以用于该冷却系统中。
图2限制冷却流体向容纳于外壳中的冷却容器198的流通。图3示意出图2所示的压缩机150的另一个实施例，包括热交换器214以用于进一步限制由压缩机150产生的压缩热量。冷却流体在返回到冷却泵194(经由出口导管206)之前进一步流经热交换器214。在所示意的实施例中，热交换器214在由端部30的进口导管86和出口导管90形成的压缩机150的进口部分和出口部分中形成。本领域技术人员易于理解，热交换器214可以在压缩机150定位在任何位置处或者位于压缩机的外部。
在下面的权利要求中给出本发明的各种特征和优点。
权利要求
1.一种设备，包括在其中形成有沿着第一轴线轴向定位的孔的外壳；可往复地设置在该孔中的活塞；邻近该孔的多个驱动线圈，从而对该驱动线圈通电以产生能够基本沿着第一轴线在孔中移位活塞的磁场；用于选择性地控制对驱动线圈通电的控制器；和至少部分地设置在该外壳中的冷却系统，该冷却系统用于冷却该设备。
2.根据权利要求1的设备，并且还包括传感器，它关于外壳的一个端部定位，该传感器能够测量在传感器和活塞之间的相对距离和速度，其中控制器响应于来自该传感器的信号选择性地对驱动线圈通电。
3.根据权利要求1的设备，其中，该冷却系统包括在驱动线圈和外壳之间定位的冷却容器。
4.根据权利要求3的设备，其中该冷却系统包括构造成泵送冷却流体通过冷却容器的泵和用于将该泵与冷却容器流体连接的导管。
5.根据权利要求3的设备，其中，该冷却容器包括在其中形成的叶片。
6.根据权利要求5的设备，其中该叶片影响冷却流体流动通过冷却容器。
7.根据权利要求5的设备，其中该叶片促进了在由该设备产生的热量和在冷却容器中容纳的冷却流体之间的热交换。
8.根据权利要求1的设备，还包括用于进一步降低该设备的压缩热量的热交换器。
9.根据权利要求8的设备，其中该热交换器位于该外壳的进口部分中。
10.根据权利要求8的设备，其中该热交换器位于该外壳的出口部分中。
11.根据权利要求1的设备，其中驱动线圈由超导材料形成以促进设备冷却。
12.根据权利要求11的设备，其中该冷却系统足以保持驱动线圈的温度处于超导温度。
13.一种设备，包括在其中形成有沿着第一轴线轴向定位的孔的外壳；可往复地设置在该孔中的活塞；邻近该孔设置的多个驱动线圈，从而对该驱动线圈通电以产生能够基本平行于第一轴线在孔中移位活塞的磁场；在驱动线圈和该外壳之间定位的冷却容器，其中该冷却容器降低该设备的压缩热量；用于确定活塞相对于该外壳的位置和速度的传感器，其中该传感器独立于该驱动线圈发挥作用；以及用于响应于来自该传感器的信号选择性地控制对驱动线圈通电的控制器。
14.根据权利要求13的设备，其中该活塞由铁磁材料形成。
15.根据权利要求13的设备，其中该活塞包括多个永久磁体。
16.根据权利要求13的设备，其中驱动线圈由超导材料形成。
17.根据权利要求13的设备，其中冷却流体循环通过冷却容器。
18.根据权利要求17的设备，还包括用于泵送冷却流体通过冷却容器的泵。
19.根据权利要求17的设备，还包括用于进一步降低该设备压缩热量的热交换器，其中该压缩机与冷却容器流体连接。
20.根据权利要求13的设备，其中该冷却容器包括在冷却容器中形成的叶片。
21.根据权利要求13的设备，其中向驱动线圈施加电流产生磁场并且传感器独立于电流发挥作用。
22.根据权利要求13的设备，其中传感器独立于磁场发挥作用。
23.根据权利要求13的设备，其中传感器独立于在活塞和孔之间形成的任何感应发挥作用。
24.根据权利要求13的设备，其中该设备是直线压缩机。
25.一种设备，包括具有中央部分和两个端部的外壳，该两个端部安装在该中央部分的相对端处，其中该中央部分形成孔；活塞，它被可往复地设置在该孔中；多个驱动线圈，它们邻近该孔设置，从而对该驱动线圈通电以产生能够在孔中移位活塞的磁场；至少部分地设置在该外壳中的冷却系统，该冷却系统用于降低该设备的压缩热量；传感器，它关于该两个端部中的一个定位，该传感器能够测量在传感器和活塞之间的相对距离和速度；以及控制器，它响应于来自该传感器的信号选择性地控制对驱动线圈的通电。
26.根据权利要求25的设备，其中，该冷却系统包括在驱动线圈和外壳之间定位的冷却容器；构造成泵送冷却流体通过冷却容器的泵；和用于将该泵与冷却容器流体连接的导管。
27.根据权利要求26的设备，其中，该冷却容器包括在其中形成的叶片。
28.根据权利要求26的设备，其中该冷却系统包括设置在冷却容器的出口和泵之间的热交换器，该热交换器用于进一步降低该设备的压缩热量。
29.根据权利要求25的设备，还包括用于进一步降低该设备压缩热量的热交换器。
30.根据权利要求25的设备，还包括操作员接口，以用于输入活塞关于外壳的理想冲程和速度，其中控制器基于在传感器和活塞之间的测得距离和速度操作保持活塞处于理想冲程和速度。
31.根据权利要求25的设备，其中控制器包括定序器以控制驱动线圈的致动和解除致动。
32.根据权利要求25的设备，其中该传感器利用超过1千兆赫的电磁辐射而进行操作。
33.根据权利要求25的设备，其中该传感器是微波传感器。
34.根据权利要求25的设备，其中该传感器是光学传感器。
35.根据权利要求25的设备，其中该设备是直线压缩机。
全文摘要
一种直线压缩机组件，包括在其中形成有沿着第一轴线轴向定位的孔的外壳；可往复地设置在该孔中的活塞；以及邻近该孔的多个驱动线圈，从而对该驱动线圈通电以产生能够基本沿着第一轴线在孔中移位活塞的磁场。控制器用于选择性地控制对驱动线圈通电。冷却系统至少部分地设置在该外壳中，并且该冷却系统用于冷却该设备。
文档编号H02K9/19GK101042126SQ20071008573
公开日2007年9月26日 申请日期2007年3月8日 优先权日2006年3月24日
发明者罗伯特·K·哈斯里 申请人:英格索尔-兰德公司