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特許7528101リニアモータコンプレッサを動作させるための方法およびリニアモータコンプレッサ
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-07-26
(45)【発行日】2024-08-05
(54)【発明の名称】リニアモータコンプレッサを動作させるための方法およびリニアモータコンプレッサ
(51)【国際特許分類】
F04B 17/03 20060101AFI20240729BHJP
F04B 35/04 20060101ALI20240729BHJP
【ＦＩ】
F04B17/03
F04B35/04
【請求項の数】
20
(21)【出願番号】P 2021544651
(86)(22)【出願日】2020-02-05
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2022-03-16
(86)【国際出願番号】 EP2020052913
(87)【国際公開番号】W WO2020161210
(87)【国際公開日】2020-08-13
【審査請求日】2023-02-02
(31)【優先権主張番号】19155631.5
(32)【優先日】2019-02-05
(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP
(73)【特許権者】
【識別番号】592229502
【氏名又は名称】ブルクハルト コンプレッション アーゲー
(74)【代理人】
【識別番号】100116322
【弁理士】
【氏名又は名称】桑垣 衛
(72)【発明者】
【氏名】ファレー、エイドリアン ルーツィ
【審査官】丹治 和幸
(56)【参考文献】
【文献】特開平０９－２９１８８９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－１４８３３９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭５９－２２１４０１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－００３４０８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－１２７８７９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０５－１７２０５３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０８－０６８３７９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－０４６２１９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－０５３３５９（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ０４Ｂ ４９／００－５１／００
Ｆ０４Ｂ １７／００－１９／２４
Ｆ０４Ｂ ２５／００－３７／２０、
４１／００－４１／０６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
リニアモータコンプレッサ（１）を動作させるための方法であって、前記リニアモータコンプレッサ（１）は、電気リニアモータ（１４）と、シリンダ（２）と、ピストン（３）を備えた線形移動可能なフリーピストン構成（１６）と、を備え、前記シリンダ（２）および前記ピストン（３）は圧縮チャンバ（５）を形成し、前記フリーピストン構成（１６）は、前記リニアモータ（１４）によって直接駆動され、上死点（ＸＯＴＰ）と下死点（ＸＵＴＰ）との間をストローク経路（Ｘ）に沿って往復して移動し、流体が外部から前記圧縮チャンバ（５）に供給され、供給された前記流体は、前記圧縮チャンバ（５）において圧縮されまたは膨張し、続いて前記外部に再び排出され、１つ以上の状態変数（Ｚｓｏｌｌ）が前記リニアモータコンプレッサ（１）用に予め定められ、前記リニアモータ（１４）は、前記リニアモータコンプレッサ（１）が予め定められた前記状態変数（Ｚｓｏｌｌ）を有するように制御され、前記フリーピストン構成（１６）は、前記下死点（ＸＵＴＰ）から開始して出口バルブ（６）の開放点（Ｂ）までの圧縮段階（ＡＢ）中に、また続いて前記出口バルブ（６）の閉止点（Ｃ）まで至る放出段階（ＢＣ）中に、予め定められた状態変数（Ｚｓｏｌｌ）、すなわち予め定められた速度－変位曲線により、前記圧縮段階（ＡＢ）中の平均速度（Ｖｍ１）が前記放出段階（ＢＣ）中の平均速度（Ｖｍ２）よりも速くなるように駆動され、前記上死点（Ｘ
ＯＴＰ
）から開始して入口バルブ（７）の開放点（Ｄ）までの膨張段階（ＣＤ）中に、また続いて前記入口バルブ（７）の閉止点（Ａ）まで至る吸入段階（ＤＡ）中に、前記フリーピストン構成（１６）は、予め定められた状態変数（Ｚ
ｓｏｌｌ
）、すなわち予め定められた速度－変位曲線により、膨張段階（ＣＤ）中の平均速度（Ｖ
ｍ３
）が前記吸入段階（ＤＡ）中の平均速度（Ｖ
ｍ４
）よりも速くなるように駆動される、方法。
【請求項2】
前記出口バルブ（６）の前記開放点（Ｂ）の領域における前記フリーピストン構成（１６）の速度は、前記圧縮段階（ＡＢ）中の前記平均速度（Ｖｍ１）よりも遅い速度まで減少する、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記入口バルブ（７）の前記開放点（Ｄ）の領域における前記フリーピストン構成（１６）の速度は、前記膨張段階（ＣＤ）中の前記平均速度（Ｖｍ３）よりも遅い速度まで減少する、請求項１に記載の方法。
【請求項4】
前記フリーピストン構成（１６）が前記出口バルブ（６）の前記開放点（Ｂ）の後に再び加速するか、前記フリーピストン構成（１６）が前記入口バルブ（７）の前記開放点（Ｄ）の後に再び加速するか、またはその両方である、請求項２または３に記載の方法。
【請求項5】
前記フリーピストン構成（１６）には、まずストロークの端に向かって、すなわち前記下死点（ＸＵＴＰ）に向かってより大きい負の加速度により制動がかかり、続いて、減少した負の加速度により制動がかかり、前記フリーピストン構成（１６）には前記下死点（ＸＵＴＰ）にて減少した負の加速度により前記フリーピストン構成（１６）が静止するまで制動がかかる、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項6】
前記フリーピストン構成（１６）には、まずストロークの端に向かって、すなわち前記上死点（ＸＯＴＰ）に向かってより大きい負の加速度により制動がかかり、続いて、減少した負の加速度により制動がかかり、前記フリーピストン構成（１６）には前記上死点（ＸＯＴＰ）にて減少した負の加速度により前記フリーピストン構成（１６）が静止するまで制動がかかる、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項7】
前記フリーピストン構成（１６）のストローク行程点（Ｘ１）と該ストローク行程点（Ｘ１）に割り当てられた名目速度（Ｖｓｏｌｌ）とが、前記状態変数（Ｚｓｏｌｌ）として指定される、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項8】
前記ストローク経路（Ｘ）の少なくとも部分的区間に沿って維持される名目プロファイル（Ｓｓｏｌｌ）が、状態変数（Ｚｓｏｌｌ）として指定される、請求項１～７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項9】
前記ストローク経路全体（ＸＬ）に必要とされるストローク時間（ＴＬ）中に維持される名目プロファイル（Ｓｓｏｌｌ）が、前記状態変数（Ｚｓｏｌｌ）として指定される、請求項８に記載の方法。
【請求項10】
前記リニアモータコンプレッサ（１）は、前記フリーピストン構成（１６）によって反対方向に動作する第１および第２圧縮チャンバ（５ａ，５ｂ）を備える、請求項１～９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項11】
前記下死点（ＸＵＴＰ）と前記上死点（ＸＯＴＰ）との間、前記上死点（ＸＯＴＰ）と前記下死点（ＸＵＴＰ）との間、またはその両方の速度－変位曲線であって、該速度－変位曲線に従ってフリーピストン構成（１６）が往復して移動する速度－変位曲線が、状態変数（Ｚｓｏｌｌ）として予め定められる、請求項１～１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項12】
前記フリーピストン構成（１６）は、前記下死点（ＸＵＴＰ）から開始して前記出口バルブ（６）の前記開放点（Ｂ）までの圧縮段階（ＡＢ）中に、予め定められた速度－変位曲線により、前記リニアモータ（１４）が一定のまたはほぼ一定の動力を時間の関数として運ぶように移動する、請求項１～１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項13】
前記予め定められた状態変数（Ｚｓｏｌｌ）、すなわち、少なくとも前記出口バルブ（６）の開放点（Ｂ）、
前記出口バルブ（６）の閉止点（Ｃ）、
前記入口バルブ（７）の開放点（Ｄ）、
前記入口バルブ（７）の閉止点（Ａ）、
のうちの１つの範囲における予め定められた速度－変位曲線は、前記出口または入口バルブ（６，７）が減少した速度にて移動するように、前記速度－変位曲線の残り部分と比較して減少した速度を有する、請求項１～１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項14】
前記リニアモータ（１４）は、前記下死点（ＸＵＴＰ）に向かう方向に作用する前記フリーピストン構成（１６）に対する正の力を、前記膨張段階（ＣＤ）全体中に加える、請求項１～１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項15】
前記リニアモータコンプレッサ（１）によって運ばれる体積は、前記リニアモータ（１４）の最大ストローク（ＸＬ）、または前記上死点（ＸＯＴＰ）の位置、前記下死点（ＸＵＴＰ）の位置、もしくはその両方を変化させることによって変化する、請求項１～１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項16】
前記フリーピストン構成（１６）には、少なくとも部分的には、前記上死点（ＸＯＴＰ）と前記下死点（ＸＵＴＰ）との間のレシプロ移動中に、前記リニアモータ（１４）をジェネレータとして動作させることによって制動がかかる、請求項１～１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項17】
前記リニアモータ（１４）は、加圧された流体を前記出口バルブ（６）を介して前記圧縮チャンバ（５）に供給することと、前記圧縮チャンバ（５）における前記流体を膨張させることと、また続いて該流体を前記入口バルブ（７）を介して排出することと、によってジェネレータとして動作し、ジェネレータとして動作する前記リニアモータ（１４）の前記フリーピストン構成（１６）は、予め定められた速度－変位進路により往復して移動する、請求項１～１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項18】
リニアモータコンプレッサ（１）であって、１つ以上の電気リニアモータ（１４）と、シリンダ（２）と、１つ以上のピストン（３）を備えた線形移動可能なフリーピストン構成（１６）と、を備え、前記シリンダ（２）および前記ピストン（３）は１つ以上の圧縮チャンバ（５）を形成し、前記フリーピストン構成（１６）は前記リニアモータ（１４）によって直接駆動され、前記圧縮チャンバ（５）は出口バルブ（６）および入口バルブ（７）を介して流体を通すように外部に接続され、制御デバイス（２０）は、前記フリーピストン構成（１６）が上死点（ＸＯＴＰ）と下死点（ＸＵＴＰ）との間を予め定められた状態変数（Ｚｓｏｌｌ）により往復して移動するように、前記リニアモータ（１４）を制御し、前記制御デバイス（２０）は、前記フリーピストン構成（１６）を、予め定められた速度－変位曲線により、前記下死点（ＸＵＴＰ）から開始して前記出口バルブ（６）の開放点（Ｂ）までの圧縮段階（ＡＢ）中に、また続いて前記出口バルブ（６）の閉止点（Ｃ）まで至る放出段階（ＢＣ）中に、前記圧縮段階（ＡＢ）中の平均速度（Ｖｍ１）が前記放出段階（ＢＣ）中の平均速度（Ｖｍ２）よりも速くなるように、制御し、前記上死点（Ｘ
ＯＴＰ
）から開始して前記入口バルブ（７）の開放点（Ｄ）までの膨張段階（ＣＤ）中に、また続いて前記入口バルブ（７）の閉止点（Ａ）まで至る吸入段階（ＤＡ）中に、前記フリーピストン構成（１６）は、予め定められた状態変数（Ｚ
ｓｏｌｌ
）、すなわち予め定められた速度－変位曲線により、膨張段階（ＣＤ）中の平均速度（Ｖ
ｍ３
）が前記吸入段階（ＤＡ）中の平均速度（Ｖ
ｍ４
）よりも速くなるように駆動される、リニアモータコンプレッサ（１）。
【請求項19】
前記リニアモータ（１４）は、モータとしておよびジェネレータとして動作可能であり、前記制御デバイス（２０）は、前記フリーピストン構成（１６）が上死点（ＸＯＴＰ）と下死点（ＸＵＴＰ）との間を移動するときに予め定められた速度－変位曲線により駆動するように前記リニアモータ（１４）を駆動させる、請求項１８に記載のリニアモータコンプレッサ（１）。
【請求項20】
前記制御デバイス（２０）は、前記リニアモータ（１４）を、ストローク経路（Ｘ）に沿って上死点（ＸＯＴＰ）と下死点（ＸＵＴＰ）との間または下死点（ＸＵＴＰ）と上死点（ＸＯＴＰ）との間を、部分的にはジェネレータとしておよび部分的にはモータとして動作させるように設計され、前記制御デバイス（２０）は、前記ジェネレータによって取得された電気エネルギーを一時的に貯蔵するためのエネルギー貯蔵部を備える、請求項１８または１９に記載のリニアモータコンプレッサ（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、リニアモータコンプレッサを動作させる方法に関する。本発明はさらにリニアモータコンプレッサに関する。
【背景技術】
【0002】
気体をリニアモータコンプレッサによって圧縮することが知られている。特許文献１は、コンプレッサがレシプロピストンコンプレッサとして設計され、これによってリニアモータが２つの極を有するように設計され、またこれによってフリーピストンリニアモータコンプレッサ全体が共振周波数にて動作する、フリーピストンリニアモータコンプレッサを開示している。リニアモータコンプレッサは、気体状処理流体（特に、天然ガス）を圧縮するために用いられる。このリニアモータコンプレッサは、天然ガス自動車の燃料補給中、連続的に、また正弦波共振周波数にて動作する。このリニアモータコンプレッサの動作可能性は、極度に限定され、経済的に不利である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】米国特許出願公開第２０１８／００５１６９０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
気体状処理流体を圧縮するおよび／または膨張させるためのより有利な動作方法によりリニアモータコンプレッサを動作させることが本発明の課題である。これに加えて、気体状処理流体を圧縮するおよび／または膨張させるための経済的により有利なリニアモータコンプレッサを設計することが本発明の課題である。
【課題を解決するための手段】
【0005】
この課題は、請求項１の特徴を有する方法によって解決される。従属請求項２～１８は、さらに有利な処理工程に関する。課題は、請求項１９の特徴を有するリニアモータコンプレッサによりさらに解決される。従属請求項２０および２１は、さらに有利な実施形態に関する。
【0006】
課題は、特に、電気リニアモータと、シリンダと、ピストンを備えた線形移動可能なフリーピストン構成と、を備えたリニアモータコンプレッサを動作させるための方法であって、前記シリンダおよび前記ピストンは圧縮チャンバを形成し、前記フリーピストン構成は、前記リニアモータによって直接駆動され、上死点と下死点との間をストローク経路に沿って往復して移動し、流体が外部から圧縮チャンバに供給され、供給された前記流体は、前記圧縮チャンバにおいて圧縮されまたは膨張し、次いで外部に再び排出され、１つ以上の状態変数は、リニアモータコンプレッサ用に予め定められ、前記リニアモータは、前記リニアモータコンプレッサが、前記予め定められた状態変数を有するように制御される、方法により解決される。
【0007】
課題は、特に、リニアモータコンプレッサであって、１つ以上の電気リニアモータと、シリンダと、１つ以上のピストンを備えた線形移動可能なフリーピストン構成と、を備え、前記シリンダおよび前記ピストンは１つ以上の圧縮チャンバを形成し、前記フリーピストン構成は前記リニアモータによって直接駆動され、前記圧縮チャンバは出口バルブおよび入口バルブを介して流体を通すように前記外部に接続され、制御デバイスは、前記フリーピストン構成が上死点と下死点との間を予め定められた状態変数により往復して移動するように、前記リニアモータを制御する、リニアモータコンプレッサによりさらに解決される。
【0008】
好ましくは、ストロークに沿った１つ以上のストローク経路点または１つ以上のストローク経路時間と、これに割り当てられた、名目速度または名目加速度または名目力とが、状態変数として指定される。好ましくは、フリーピストン構成のストローク経路とフリーピストン構成の速度との間の関係は、予め定められた状態変数（以下、速度－変位曲線とも呼ばれる）として指定される。速度－変位曲線は、１つ以上の点、すなわちストローク経路および予め定められた関連する速度を含んでよく、好ましくは、複数の点であって、各点がストローク経路に沿った位置およびその位置に関連付けられた速度を含む、点を含んでよい。
【0009】
有利には、ストローク経路全体のうちの少なくとも一部分に沿って、また好ましくは全ストローク経路に沿って維持される行程名目曲線（すなわち、ストローク経路および名目速度および／または名目力に関する名目プロファイル）が、状態変数として指定される。
【0010】
有利には、時間名目曲線、すなわち、ストローク全体のうちの部分的な期間または部分的区間の間維持される、ストローク時間の関数としての名目速度、名目加速度および／または名目力に関する名目プロファイル、また好ましくはストローク全体の期間中に必要とされるストローク時間が、状態変数として指定される。
【0011】
リニアモータコンプレッサの動作中に予め定められた状態変数を達成するように、リニアモータコンプレッサは、有利には、フリーピストン構成が圧縮チャンバにおいて作用する力と、必要な場合にはこれに加えて作用する摩擦力とに基づいて「自由に」移動することが可能である制御戦略により動作し、これによって、リニアモータは制御可能な力をフリーピストン構成に対し加えることが可能であり、外部からの、また好ましくは予め定められた手法によるフリーピストン構成の自由な移動に影響を及ぼす。好ましくは、リニアモータには、変位依存性または時間依存性において速度プロファイルまたは力プロファイルが与えられ、これによって、この力プロファイルは、フリーピストン構成が予め定められた状態変数を有すること、またはフリーピストン構成の挙動が制御介入により予め定められた状態変数に近づくことを保証するように、リニアモータコンプレッサの動作中に制御介入によって変更されることが可能である。
【0012】
有利な制御戦略では、フリーピストン構成の移動の経路－時間依存性および従ってピストン移動の経路－時間依存性は、直接制御されない（すなわち、フリーピストン構成の移動についての予め定められた経路－時間曲線が指定されない）ものの、フリーピストン構成またはピストンの移動曲線は、用いられるまたは力の作用から生じる力プロファイルの結果として生じる。この実施形態では、指定された状態変数は、したがって、力プロファイルを指定することによって最終的に達成される。用いられる力プロファイルは、特に、リニアモータコンプレッサの対応する応用および対応する動作方法に合わせられる。ある応用として、リニアモータコンプレッサは、例えば、気体のコンプレッサとしてまたはエキスパンダとして動作することが可能である。好ましくは、リニアモータコンプレッサは、気体を圧縮するように動作する。コンプレッサとしての応用では、その動作方法または力プロファイルは、例えば、フリーピストン構成が比較的速く（特に、より速い平均速度により）気体の圧縮段階中に移動する点、またフリーピストン構成が減少した速度により（特に、より遅い平均速度により）後続の気体の排除段階中に移動し、これによって気体が圧縮チャンバから流出するときに流れ抵抗を減少させる点において、最適化されることが可能である。したがって、例えば、圧縮の全サイクルについての時間を一定に保つことが可能であるが、圧縮段階をより早く、放出段階をより遅く走り抜けることによって、放出中の気体の流れ抵抗が減少することが可能であり、したがって、気体を圧縮チャンバから押すのに必要とされるエネルギーも減少することが可能である。
【0013】
予め定められた状態変数により、フリーピストン構成およびしたがってリニアモータコンプレッサ全体は、最適化される所望の変数に応じて多様に動作することが可能である。すでに記載された例に加えて、状態変数は、例えば、リニアモータによって運ばれる最大力またはリニアモータによって運ばれる最大動力が制限されるように、またリニアモータコンプレッサを動作させるのに必要なエネルギーが、エネルギーをリニアモータから部分的にはサイクル中に抽出することと、エネルギーをリニアモータに時間遅延を伴って再び供給することとによっても最小化されるように、選択されることが可能である。本発明に係る方法は、したがって、リニアモータコンプレッサが、多数の可能な予め定められた状態変数により動作することが可能であるという利点を有する。先行技術から知られている、ピストンがクロスヘッドを介してピストン駆動部によって駆動されるレシプロコンプレッサは、ピストンの移動がクランクシャフトの速度に対し厳格に結合されており、特にクランクシャフトおよびクロスヘッドの形状的構造によっても、ピストンの速度がクランクシャフトの回転の角度の関数として決定されるという欠点を有する。対照的に、本発明に係るリニアモータコンプレッサは、状態変数の対応する指定、例えば、この指定に従うストロークの関数としての名目速度、名目加速度または名目力などによって、多様に、特にクランクシャフトによって決定されるモーションシーケンスから独立して動作することが可能である。これに加えて、動作方法は、エネルギー消費、最大リニアモータ動力または最大リニアモータ力などの変数について、要求に応じて最適化されることが可能である。
【0014】
リニアモータコンプレッサは、単一の圧縮チャンバを有してよい。特に有利には、リニアモータコンプレッサは、２つの圧縮チャンバ、すなわち第１および第２圧縮チャンバを備える。フリーピストン構成は、好ましくは、ストローク方向に離間した２つの端面の各々にピストンを有し、これらの２つのピストンはフリーピストン構成によって反対方向にまたは反対方向に動作し、その結果、１つの圧縮チャンバ（例えば、第１圧縮チャンバ）において交互に、流体の圧縮および次いで放出が行われ、その他の圧縮チャンバ（例えば、第２圧縮チャンバ）において、同時に流体の膨張および次いで吸気が行われ、また、１つの圧縮チャンバ（例えば、第１圧縮チャンバ）において交互に、流体の膨張および次いで吸気が行われ、その他の圧縮チャンバ（例えば、第２圧縮チャンバ）において、同時に流体の圧縮および次いで放出が行われる。
【0015】
リニアモータまたはフリーピストン構成は、特に好ましくは、５０ｍｍと５００ｍｍとの間の範囲にあるストローク長を有する。リニアモータは、ストローク方向に連続して配置された３つ以上の動的に制御可能な磁極を、好ましくは５個と５０個との間の動的に制御可能な磁極を、特に有利には１０個と２０個との間の制御可能な磁極を有する。そうした複数の動的に制御可能な磁極は、リニアモータによってフリーピストン構成に対しストローク経路に沿った移動中に加えられた力が、個々にまたはグループにより接続された磁極の対応する選択的励起によって、ストローク経路の関数としてまたは時間の関数として制御されることが可能であるという利点を生じる。動作の有利な方法では、正の電力しかリニアモータには供給されず、それによってフリーピストン構成を駆動する。さらに有利な動作方法では、電力はストローク経路全体のうちの少なくとも部分的区間に沿ってリニアモータから散逸し、その結果、リニアモータがこの部分的区間内において制動効果を発生させることによって、リニアモータがフリーピストン構成に制動をかける。有利には、制動効果または制動動力出力は、ストローク距離の関数として制御されることも可能である。リニアモータは、したがって、駆動するようにしか動作可能でない、または駆動および制動するように動作可能である、または特性駆動と、制動と、リニアモータが駆動力も制動力ももたらさないことを意味するように理解されるニュートラルとのうちの２つ以上の組み合わせにより動作可能である。特に有利な動作方法では、リニアモータによって散逸した電力は、電気蓄積装置に一時的に貯蔵され、また続いて時間遅延を伴ってリニアモータに戻るように供給される。これは、特に、本発明に係るリニアモータコンプレッサのエネルギー効率の高い動作を可能にする。リニアモータコンプレッサは、好ましくは、毎分２００回転と１０００回転との間の範囲における速度にて、または毎分２００～１０００周期もしくは往復運動のストローク周波数にて動作する。
【0016】
フリーピストン構成の移動の周期は、開始点から開始しピストン移動の上死点と下死点とを１度通過する移動の全サイクルである。ピストン移動の周期は、下死点から上死点までの移動については、圧縮チャンバにおける圧縮段階と、次いで放出段階とを含み、次いで、上死点から下死点までの移動については、圧縮チャンバにおける膨張段階と、次いで運搬される流体についての吸入段階とを含む。開始点は、基本的には任意である。例えば、開始点は下死点である。
【0017】
フリーピストンアセンブリは、好ましくは、上死点と下死点との間を予め定められた速度－変位曲線により往復して移動する。
好ましくは、フリーピストン構成は、下死点から圧縮段階中に排気バルブの開放点まで、予め定められた速度－変位曲線により、リニアモータが一定のまたは本質的に一定の動力を運ぶ必要があるように移動する。これは、高いおよび生じ得る予測不可能な電流ピークがリニアモータの電気供給中に生じない利点を有する。
好ましくは、フリーピストン構成は、下死点から圧縮段階中に排気バルブの開放点まで、予め定められた速度－変位曲線により、リニアモータが一定のまたは本質的に一定の動力を運ぶ必要があるように移動する。これは、高いおよび生じ得る予測不可能な電流ピークがリニアモータの電気供給中に生じない利点を有する。
【0018】
好ましくは、フリーピストン構成は、予め定められた速度－変位曲線により、圧縮段階中の平均速度が排気段階中よりも速くなる、および／または膨張段階中の平均速度が吸入段階中よりも速くなるように、下死点から圧縮段階中に排気バルブの開放点まで、次いで排気段階中に排気バルブの閉止点まで駆動する。
【0019】
有利な方法では、フリーピストン構成の予め定められた速度－変位曲線または予め定められた速度－時間曲線は、少なくとも切替点のうちの一方の領域において、減少した速度を有する。排気バルブの開放、排気バルブの閉止、入口バルブの開放、および入口バルブの閉止は、速度－変位曲線の残り部分と比較して減少した速度を有し、その結果、フリーピストン構成の減少した速度にて開放または閉止する排気バルブまたは入口バルブは、減少した速度にて移動する。開放または閉止バルブの減少した速度は、好ましくは、バルブの摩耗を減少させ、これは有利にはバルブの耐用年数を増加させる。
【0020】
有利な方法では、圧縮チャンバは、排気バルブの閉止点と吸入バルブの開放点との間の膨張段階を有し、リニアモータは、フリーピストン構成を膨張段階を通じて動的に駆動させるように制御される。
【0021】
有利な方法では、リニアモータコンプレッサによって運ばれる体積は、リニアモータの最大ストロークまたは上死点の位置と下死点の位置との一方もしくは両方を変化させることによって変化し、その結果、運ばれる体積は、例えば、その体積を減少させるまたは増加させることによって、短期間にまたは長期間においても変化することが可能である。
【0022】
有利な方法では、フリーピストン構成には、少なくとも部分的には、上死点と下死点との間の往復移動中に、リニアモータをジェネレータとして動作させることによって制動がかかる。これは、フリーピストン構成の速度を特に素早く減少させることを可能にする。好ましくは、解放された制動エネルギーは電気エネルギーへと変換され、後の使用のために一時的に貯蔵される。
【0023】
有利な方法では、線形移動可能なピストン構成は流体用のエキスパンダとして動作し、リニアモータコンプレッサの圧縮チャンバがこれより膨張チャンバとして用いられるため、加圧された流体が出口バルブを介して膨張チャンバに供給され、流体が膨張チャンバとして動作する圧縮チャンバにおいて膨張し、続いて入口バルブを介して吐き出されるため、またジェネレータとして動作するリニアモータのフリーピストン構成が予め定められた速度－距離進路または予め定められた速度－時間進路により往復して移動するため、リニアモータはそれによって少なくともストローク方向Ｘにおける移動の部分的区間中はジェネレータとして動作する。有利な処理では、排気バルブおよび／または吸入バルブの開放および閉鎖は、フリーピストン構成の位置の関数として動的に制御される。
【0024】
有利には、リニアモータコンプレッサは、１つ以上の電気リニアモータと、シリンダと、１つ以上のピストンを備えた線形移動可能なフリーピストン構成と、を備え、前記シリンダおよび前記ピストンは１つ以上の圧縮チャンバを形成し、前記フリーピストン構成は前記リニアモータによって直接駆動され、前記圧縮チャンバは出口バルブおよび入口バルブを介して流体を通すように外部に接続され、制御デバイスは、前記フリーピストン構成が好ましくは予め定められたモータおよび／またはジェネレータ動力曲線により上死点と下死点との間を往復して移動するように、前記リニアモータを制御する。
【0025】
有利には、リニアモータコンプレッサは、反対方向に作用するようにフリーピストン構成に対し反対方向に配置された第１および第２圧縮チャンバを備える。
有利には、リニアモータコンプレッサのリニアモータは、モータとしておよび／またはジェネレータとして動作可能であり、制御デバイスは、フリーピストン構成が上死点と下死点との間の移動中に予め定められた速度－変位曲線または予め定められた速度－時間曲線を有するように、リニアモータを制御する。
有利には、リニアモータコンプレッサのリニアモータは、モータとしておよび／またはジェネレータとして動作可能であり、制御デバイスは、フリーピストン構成が上死点と下死点との間の移動中に予め定められた速度－変位曲線または予め定められた速度－時間曲線を有するように、リニアモータを制御する。
【0026】
リニアモータは、リニアモータの長手方向に分布したまたは相互に離間した３つ以上の極の対、また好ましくは５個と５０個の極の対を備える。
リニアモータコンプレッサは、１つ以上の電気リニアモータと、シリンダと、１つ以上のピストンを備えた線形移動可能なフリーピストン構成と、を備え、前記シリンダおよび前記ピストンは１つ以上の圧縮チャンバを形成し、前記フリーピストン構成は前記リニアモータによって直接駆動され、前記圧縮チャンバは出口バルブおよび入口バルブを介して流体を通すように外部に接続され、制御デバイスは、前記フリーピストン構成が予め定められた状態変数Ｚｓｏｌｌにより上死点と下死点との間を往復して移動するように、前記リニアモータを制御する。
リニアモータコンプレッサは、１つ以上の電気リニアモータと、シリンダと、１つ以上のピストンを備えた線形移動可能なフリーピストン構成と、を備え、前記シリンダおよび前記ピストンは１つ以上の圧縮チャンバを形成し、前記フリーピストン構成は前記リニアモータによって直接駆動され、前記圧縮チャンバは出口バルブおよび入口バルブを介して流体を通すように外部に接続され、制御デバイスは、前記フリーピストン構成が予め定められた状態変数Ｚｓｏｌｌにより上死点と下死点との間を往復して移動するように、前記リニアモータを制御する。
【0027】
本発明に係るリニアモータコンプレッサは、好ましい実施形態では、バルブとフリーピストン構成を除き、移動する部品を有さず、これによってリニアモータコンプレッサの耐用年数および効率を向上させ、また製造コスト、設置およびメンテナンスも減少させる利点を有する。これに加えて、リニアモータコンプレッサは、好ましくは、潤滑目的のためにオイルを必要としないことを意味する、オイルフリーであるように設計される。本発明に係るリニアモータコンプレッサは、天然ガス、他の炭化水素、水素または空気などの気体を圧縮するのに特に適する。しかしながら、本発明に係るリニアモータコンプレッサは、加圧された気体を膨張させるのにも適し、これによって、特に膨張中、リニアモータは少なくとも一時的にジェネレータとして動作することが可能である。さらに、本発明に係るリニアモータコンプレッサは、リニアモータコンプレッサの一方のチャンバにおいて気体を膨張させ、同時にリニアモータコンプレッサの他方のチャンバにおいて気体を圧縮することによって、同時に気体を圧縮するとともに気体を膨張させるのにも適する。
【0028】
リニアモータのフリーピストンコンプレッサへの組合せは、小型のリニアモータコンプレッサの構築を可能にする。２つのシステムの直接の機械的接続により、静的および動的挙動が結合される。したがって、コンプレッサおよびリニアモータがともに最適に作動するように設計され、共振周波数の範囲において好ましくは動作する場合、リニアモータコンプレッサの優れた性能および高い効率が、好ましくは達成される。好ましくは、そうした動作条件の下では、フリーピストンコンプレッサは、自身の利点を完全に利用することが可能である。小型設計に加えての利点は、比較的単純に、したがって低コストにて、ピストンが外部に対し気密に封止されることが可能であることである。これは、２つのピストンが位置することが可能である２つのシリンダが、低コストにて外部に対し気密に封止されるように設計されることがかのうであるためであり、これによって、リニアモータコンプレッサにて汲み上げられた気体の極度に低い漏出しか存在しない、または漏出が存在しないため、周囲条件に対する高い要求の下において気体を圧縮することを可能にする。有利には、リニアモータの２つのシリンダおよびステータは、気密な外殻を形成する。これに加えて、従来のピストンコンプレッサの場合に存在するようなクランク機構が必要ない。これは、機械的エネルギー変換損失を有する、潤滑を必要とする部品を取り除く。潤滑を不要にする性能によって、本発明に係るリニアモータコンプレッサは、高い清潔要求を伴う応用にも適する。
【0029】
本発明は、以下で有利な実施形態および添付の図面を参照してより詳細に説明される。
主として、同一の部分には、図面において同一の参照符号が与えられる。
主として、同一の部分には、図面において同一の参照符号が与えられる。
【図面の簡単な説明】
【0030】
【図1】リニアモータコンプレッサおよび関連する圧力－体積図の概略的に示す図。
【図2】別の複動式リニアモータコンプレッサの長手方向部分を概略的に示す図。
【図5】ストローク、速度、加速度およびモータ力を時間の関数として示す、リニアモータコンプレッサをアイドリングさせる動作方法の４つの図。
【図6】ストローク、速度、加速度およびモータ力を時間の関数として示す、リニアモータコンプレッサをアイドリングさせるさらなる動作方法の４つの図。
【図8】第２の動作方法に係る速度－距離図。
【図9】第３の動作方法に係る速度－距離図。
【図9a】第３の動作方法の詳細な態様を示す図。
【図9b】第３の動作方法の別の詳細な態様を示す図。
【発明を実施するための形態】
【0031】
図１は、リニアモータ１４と複動式レシプロピストンコンプレッサ１５とを備えるリニアモータコンプレッサ１を概略的に示す。レシプロピストンコンプレッサはシリンダ２を備え、シリンダ２には直線移動可能なピストン３が配置され、ピストン３は、ピストンロッド９を介してリニアモータ１４に対し直接接続され、リニアモータ１４によって直接駆動される。直接接続されるまたは直接駆動されることは、本明細書において、ピストン３とリニアモータ１４との間にギアが配置されておらず、その結果、リニアモータ１４とピストン３との間において力が直接伝わり、したがって任意のギアが挿入されていないことを意味するように理解される。可能な実施形態では、フレキシブル結合器が、ピストン３とリニアモータ１４との間に配置されることも可能であり、それによって、好ましくは、ピストン３とリニアモータ１４との独立した配置が可能になる。シリンダ内部５は、ピストン３によって、第１圧縮チャンバ５ａと第２圧縮チャンバ５ｂとに分割され、第１および第２圧縮チャンバ５ａ，５ｂは、幾何学的配置によって、動作中に反対方向に動作する。第１および第２圧縮チャンバ５ａ，５ｂは各々、流体を通すように、入口バルブ７ａ，７ｂおよび出口バルブ６ａ，６ｂを介してシリンダ内部５の外部の外部空間に接続されている。通常、流体ラインは、図１に示されるように、バルブ６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂの下流に配置されており、下流デバイスに対し流体を渡すまたは上流デバイスの上流に流体を供給する。ピストン３がその動作中にシリンダ内部５において差し出ることが可能である、複数の可能なピストン位置から、図１はピストン３の３つの例示的な位置、すなわち下死点ＸＵＴＰにおける第１ピストン位置３ａ、上死点ＸＯＰＴにおける第２ピストン位置３ｃ、および第３ピストン位置３ｂを示し、これによって、第３ピストン位置３ｂは、排気バルブ６ａが理想的には開放点Ｂにて開放される位置に対応する。下死点ＸＵＴＰにおける第１ピストン位置３ａ、上死点ＸＯＰＴにおける第２ピストン位置３ｃ、および上死点ＸＯＰＴにおける第３ピストン位置３ｂ。実在する摩擦によって、排気バルブ６ａは、通常、図１に示される（すなわち、示される開放点Ｂのエリアにおける）圧力Ｐａよりもわずかに遅れてまたはわずかに高い圧力にて開放される。
【0032】
レシプロコンプレッサ１５の上には、圧力－体積図とも呼ばれる、関連する理想化されたｐ－Ｖ図が示され、図は、第１圧縮チャンバ５ａにおけるレシプロコンプレッサ１５によって圧縮された気体の圧力Ｐを、第１圧縮チャンバ５ａの体積の関数として示す。第１圧縮チャンバ５ａは、排気量体積ＶＨ、吸気体積ＶＳおよび死空間体積Ｖｔｏｔを有し、体積Ｖは右に向かって増加する。同一の図はまた、第１圧縮チャンバ５ａにおける気体の圧力Ｐをピストン３のストロークＸの関数として示し、ここで、示される図におけるストロークＸは左に向かって正に増加し、その結果、ストロークＸの正方向は左を向く。図１は、ピストン３が下死点ＸＵＴＰにある第１ピストン位置３ａにおけるピストン３を示し、これによって、第１圧縮チャンバ５ａにおける気体は吸気圧力ＰＳを有する。理想化されたｐ－Ｖ図の進路は、以下に簡単に説明される。下死点ＸＵＴＰから開始して、ピストン３は正Ｘ方向に移動し、これによって、入口バルブ７ａは、第１圧縮チャンバ５ａにおける増加する圧力により閉止点Ａにて自動的に閉止され、理想化され、第１圧縮チャンバ５ａにおける気体は、圧縮段階ＢＡ中に出口圧力Ｐａまで圧縮され、これによって、出口バルブ６ａは、出口気圧Ｐａ（すなわち、開放点Ｂにて理想化される）にて自動的に開放される。後続の放出または拡張段階ＢＣ中、ピストン３が上死点にＸＯＴＰの位置に達するまで、第１圧縮チャンバ５ａにある気体が出口バルブ６ａを介して放出されるように、ピストン３は上死点ＸＯＴＰに向かって移動し、出口バルブ６ａは閉止する（閉止点Ｃにて理想化される）。後続の膨張段階ＣＤ中、ピストン３は下死点ＸＵＴＰに向かって移動し、第１圧縮チャンバ５ａにまだある残余気体は吸気圧力Ｐｓまで膨張し、その結果、入口バルブ７ａが理想化された開放点Ｄにて自動的に開放される。後続の吸入段階ＤＡ中、ピストン３が下死点ＸＵＴＰに達するまで、気体は入口バルブ７ａを介して第１圧縮チャンバ５ａへと引き込まれ、入口バルブ７ａは理想化された閉止点Ａにて閉止される。点Ａ，Ｂ，ＣおよびＤに関して理想化されるという用語は、現実の動作におけるこれらの点（例えば、バルブの実在する摩擦によって生じる）が、正確には図１に示される位置にないがその点の周りの近い範囲にあることを表す。
【0033】
レシプロコンプレッサ１５の動作中、点Ａ，Ｂ，ＣおよびＤの間において行われる図１に示される処理は、常に繰り返される。第１圧縮チャンバ５ａが圧縮段階または排出段階にある間、第２圧縮チャンバ５ｂが緩和段階または吸気段階にあるように、また、第１圧縮チャンバ５ａが緩和段階または吸気段階にある間、第２圧縮チャンバ５ｂが圧縮段階または排出段階にあるように、同一の処理が、第２圧縮チャンバ５ｂにおいても反対方向に行われる。
【0034】
特に有利な実施形態では、入口バルブ７ａ，７ｂおよび出口バルブ６ａ，６ｂは、自動的に開閉する。しかしながら、入口バルブ７ａ，７ｂおよび／または出口バルブ６ａ，６ｂを制御して開閉することが有利であることも示され得る。これは、リニアモータコンプレッサ１が、図１に示されるサイクルを逆にすることによって、すなわち、制御下にある排出バルブ６ａを開放することによって点Ａに戻るように点Ａ，Ｄ，ＣおよびＢに沿って、圧力Ｐａ下において気体を膨張させるように用いられるときに特に必要である。圧力Ｐａ下における気体は、排気バルブ６が点Ｂにて閉止されるまで、線ＣＢに沿ってピストン３を移動させることによって第１圧縮チャンバ５ａに入るおよび第１圧縮チャンバ５ａを膨張させ、第１圧縮チャンバ５ａに存在する気体は、ピストン３がより低い低点ＸＵＴＰに達するまで、線ＢＡに沿って膨張し、それぞれ入口バルブ７ａは点Ａにて制御下において開放される。次いで、ピストン３は線ＡＤに沿って移動し、気体は第１圧縮チャンバ５ａから吐き出され、入口バルブ７ａは点Ｄにて制御下において閉止される。第１圧縮チャンバ５ａにある残余気体は、線ＤＣに沿って圧力Ｐａまで圧縮され、出口バルブ６は制御されて点Ｃにて開放され、その結果、気体は圧力Ｐａ下において第１圧縮チャンバ５ａへと再び流れ込む。特に有利には、上記のサイクル処理は、図１に示される第１および第２圧縮チャンバ５ａ，５ｂを備える複動式レシプロコンプレッサ１５により、連続する点Ａ，Ｄ，ＣおよびＢの方向に動作する。連続する点Ａ，Ｄ，ＣおよびＢの方向における循環処理は、リニアモータ１４がリニアジェネレータとして動作することが可能であり、その結果、機械エネルギーが、気体の記載された膨張によって電気エネルギーへと変換されることが可能であるという利点を有する。さらに有利な実施形態では、リニアモータコンプレッサ１は、したがって、流体を圧縮するもしくは膨張させるのに必要とされるように、または流体の断続的な圧縮と２方向の膨張との混合モードにおいて動作することが可能であり、これによって、動作のモードに応じて、電気エネルギーがリニアモータ１５に供給される、または電気エネルギーが散逸する。さらに有利な実施形態では、リニアモータコンプレッサ１は、各々、流体が第１圧縮チャンバ５ａにおいて圧縮され、流体が第２圧縮チャンバ５ｂにおいて膨張するように動作することも可能であり、その結果、第１圧縮チャンバ５ａに解放された膨張エネルギーが第２圧縮チャンバ５ｂにある流体を圧縮するように用いられることが可能である。
リニアモータコンプレッサ１は、圧縮または膨張の必要に応じて、戻って動作し、第１圧縮チャンバ５ａにおける流体を圧縮し、第２圧縮チャンバ５ｂにおける流体を膨張させることも可能である。リニアモータ１５には、動作のモードに応じて、電気エネルギーが供給される、または電気エネルギーが排出されることが可能であり、または電気エネルギーを供給することなくアイドリング状態で動作することが可能である。
リニアモータコンプレッサ１は、圧縮または膨張の必要に応じて、戻って動作し、第１圧縮チャンバ５ａにおける流体を圧縮し、第２圧縮チャンバ５ｂにおける流体を膨張させることも可能である。リニアモータ１５には、動作のモードに応じて、電気エネルギーが供給される、または電気エネルギーが排出されることが可能であり、または電気エネルギーを供給することなくアイドリング状態で動作することが可能である。
【0035】
レシプロコンプレッサ１５の別の可能な実施形態では、第２圧縮チャンバ５ｂは省略され、その結果、レシプロコンプレッサ１５は、第１圧縮チャンバ５ａしか有さず、反対方向に動作することが可能である第２圧縮チャンバ５ｂを有しない。
【0036】
図２～図４は、リニアモータコンプレッサ１の別の実施形態を示す。リニアモータコンプレッサ１は、リニアモータロータ１０と第１ピストン３および第２ピストン４とを備える、フリーピストン構成１６を備える。ステータ８は、リニアモータロータ１０とともにリニア永久磁石同期モータ１４を形成する。リニアモータコンプレッサ１は、２つのシリンダ内部５を有するシリンダ２を備え、第１圧縮チャンバ５ａは第１シリンダ２ａと第１ピストン３とによって形成され、第２圧縮チャンバ５ｂは第２シリンダ２ｂと第２ピストン４とによって形成される。第１圧縮チャンバ５ａは、第１排気バルブ６ａおよび第１入口バルブ７ａを介して外部に流体接続される。第２圧縮チャンバ５ｂは、流体を通す第２出口バルブ６ｂおよび第２入口バルブ７ｂを介して外部に接続される。第１および第２圧縮チャンバ５ａ，５ｂは、フリーピストン構成１６により反対方向に動作する。好ましくは、封止リングおよび／または軸受リングも、フリーピストン構成１６をリニアモータコンプレッサ１内に支持するように、およびピストン３，４を圧縮チャンバ５ａ，５ｂに対し封止するように、第１および第２ピストン３，４に配置され、そうしたリングは一般に既知であり、図２には示されない。ピストン３，４はラビリンスピストンとして設計されることも可能であり、その結果、ピストン３，４の表面におけるラビリンス構造が封止機能を提供するため、封止リングを不要にすることが可能である。図３はリニア永久磁石同期モータ１４を通る交差部分の線Ｆ－Ｆに沿った長手方向部分を示し、リニア永久磁石同期モータ１４は積層ステータ区画８ａを有するステータ８を備え、ステータ８は、動的に制御可能な磁極１３ａ～１３ｆをそれぞれ発生させるための好ましくは個々に制御可能な複数のステータ巻線１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆを備え、また複数の相互に長手方向に離間した永久磁石１０ａを有するリニアモータロータ１０を備え、リニアモータロータ１０はピストンロッド９の一部を形成する。ピストンロッド９は、第１および第２のピストン３，４がそれぞれ接続される取付部分９ａを備える。これに加えて、リニア永久磁石同期モータ１４は、有利には、ピストンロッド９を案内するための２つの径方向軸受１１を備える。
【0037】
図４は、ステータ区画８および第２ステータ巻線１２ｂを通る部分とピストンロッド９および永久磁石１０ａとを通る部分を伴う、リニア永久磁石同期モータ１４を通る切断線Ｅ－Ｅに沿った断面を示す。
【0038】
例えば、永久磁石モータ、非同期モータまたはリラクタンスモータも、リニアモータ１４として適している。リニアモータ１４は、したがって駆動されるピストン３，４も、有利には、５０ｍｍと５００ｍｍとの間の範囲にある最大ストロークＸＬを有する。リニアモータ１４は、したがって、比較的ロングストロークの移動を可能にする。
【0039】
図２～図４に示されるリニアモータ１４は、６つの動的に制御可能な磁極１３ａ～１３ｆを備え、各極はステータ巻線１２ａ～１２ｆによって囲まれ、好ましくは各ステータ巻線１２ａ～１２ｆは個々に制御可能である。リニアモータ１４は、好ましくは、３～１０個の動的に制御可能な磁極１３ａ～１３ｆ、または好ましくは１０～５０個の動的に制御可能な磁極１３ａ～１３ｆを有する。動的に制御可能な磁極１３ａ～１３ｆの個数は、特に最大ストロークＸＬの長さに依存する。動的に制御可能な磁極１３ａ～１３ｆの個数は、ステータ８によってリニアモータロータ１０に対し加えられる力が、時間の関数としてまたはストロークＸの関数としてどれくらい精密に制御されることが可能であるかに影響を及ぼすことも可能である。
【0040】
図５は、図１または図２に示されるリニアモータ１４の可能な制御の例示的な特性曲線３０～３３を示し、これによって、示される特性曲線は、リニアモータ１４がレシプロコンプレッサ１５に接続されないが、単独でおよびレシプロコンプレッサ１５から独立してしか動作しない場合を示す。特性曲線３０は、下死点ＸＵＴＰから上死点ＸＯＴＰおよび逆方向の全サイクル中の、リニアモータ１４のストロークＸを時間ｔの関数として示す。特性曲線３１は、リニアモータロータ１０の速度を時間ｔの関数として示し、リニアモータロータ１０の時間の関数としての速度が、区間３１ａにおいて線形に増加し、区間１３ｃにおいて線形に減少し、区間１３ｄにおいて０でありその結果リニアモータロータ１０が静止しているように、リニアモータ１４は制御される。リニアモータロータ１０が静止しているとき、特性曲線３０から理解されるように、リニアモータロータ１０は上死点ＸＯＴＰに達している。下死点ＸＵＴＰへの復帰移動中、リニアモータロータ１０の速度は、区間３１ｅにおいて負の符号により線形に増加し、区間３１ｆにおいて一定のままであり、リニアモータロータ１０が下死点ＸＵＴＰにて静止するまで区間１３ｇにおいて線形に減少する。特性曲線３２は、リニアモータロータ１０の加速度を時間ｔの関数として示し、ここで、リニアモータロータ１０は、区間３２ａおよび３２ｇにおいて一定の正の加速度により加速し、区間３２ｃ、３２ｅにおいて一定の負の加速度により減速し、区間３２ｂ，３２ｄおよび３２ｆにおいて加速せずに移動する。特性曲線３３は、リニアモータロータ１４によってリニアモータロータ１０に対し加えられる力を時間ｔの関数として示し、一定の加速力が区間３３ａにおいて加えられ、リニアモータロータ１０の移動中に加えられる摩擦力に打ち勝つように小さい一定の力が区画３３ｂにおいて加えられ、リニアモータロータ１０を上死点ＸＯＴＰにて静止させるように負の力が区画３３ｃにおいて加えられる。静止中、すなわち区間３３ｄ中、加速度は適用されない。その後、リニアモータロータ１０は、一定の力によって区間３３ｅにおいて再び加速し、加えられる摩擦力に打ち勝つように区間３３ｆにおいて作用する小さい一定の力によって運動し続け、区間３３ｇにおいて作用する一定の力によって下死点ＸＵＴＰにて停止するように制動がかかる。区間３３ｃおよび３３ｇ中、リニアモータ１４はリニアモータロータ１０に制動をかけ、この処理において解放されたエネルギーは熱へと変換されることが可能であり、リニアモータ１４は、好ましくは、区間３３ｃおよび３３ｇ中ジェネレータとして動作し、この処理において解放された電気エネルギーは、一時的にエネルギー貯蔵部に、好ましくは駆動デバイスに貯蔵される。
【0041】
リニアモータ１４は、時間ｔまたはストロークＸの関数における複数の可能性によって対応する制御部により制御されることが可能であり、好ましくは、ストローク、速度、加速度およびモータ力の特性曲線のうちの１つ以上は、時間ｔの関数において予め定められ、制御デバイスは、リニアモータ１４が予め定められた特性曲線に少なくともほぼ従って移動するようにリニアモータ１４を制御する。図６は、リニアモータ１４の制御の別の例を示す。特性曲線３４は、全サイクル中のリニアモータ１４のストロークＸを時間ｔの関数として示す。特性曲線３５はリニアモータ１４の速度を、特性曲線３６はリニアモータ１４の加速度を、特性曲線３７はリニアモータ１４のモータ力を、時間ｔの関数として示す。時刻ｔ１まで、図６に係る特性曲線は、図５に係る特性曲線と同様の進路を示し、これによって、図６における時間軸はかなり短く、すなわち、図６における移動はかなり速く、これは、図６における速度、加速度およびモータ力についての値が図５と比較してかなり高いことからも理解される。
図６において時刻ｔ１と合計サイクル時間Ｔ（全サイクルの完了）との間に示される特性曲線は、リニアモータ１４のさらなる制御の例を示す。この制御方法は、すべての特性曲線３４，３５，３６および３７が時刻ｔ２と時刻ｔ３との間においてよじれることなく連続的に変化する利点を有する。これは、よじれは通常、動作挙動における不意の変化を生じ、増加した機械的荷重を生じるため、リニアモータ１４がより緩やかに動作することを意味する。図６に示される制御の例は、リニアモータ１４を制御するための多数の可能性のうちの一例でしかない。時間の関数としての複数の様々な特性曲線によりリニアモータ１４を動作させる可能性は、そうしたリニアモータ１４によって駆動されるレシプロコンプレッサ１５が複数通りに動作することが可能であるという利点を生じる。好ましくは、リニアモータ１４は、線形移動可能なフリーピストン構成１６が、時間ｔの関数またはストロークＸの関数として１つ以上の状態変数Ｚｓｏｌｌにて与えられるように動作し、リニアモータ１４は、フリーピストン構成１６がその状態変数Ｚｓｏｌｌを有するかまたは少なくともほぼ想定するように、規則的に制御される。この制御方法は、例えばリニアモータ１４によって出力される最大力、リニアコンプレッサ１を動作するのに必要な最大動力、生じる最大加速度および／または生じる最大速度が予め定められる（動作中に超過することがない）点において、例えば予め定められた重要な数に関してリニアモータコンプレッサ１の動作を最適化することを可能とする。
図６において時刻ｔ１と合計サイクル時間Ｔ（全サイクルの完了）との間に示される特性曲線は、リニアモータ１４のさらなる制御の例を示す。この制御方法は、すべての特性曲線３４，３５，３６および３７が時刻ｔ２と時刻ｔ３との間においてよじれることなく連続的に変化する利点を有する。これは、よじれは通常、動作挙動における不意の変化を生じ、増加した機械的荷重を生じるため、リニアモータ１４がより緩やかに動作することを意味する。図６に示される制御の例は、リニアモータ１４を制御するための多数の可能性のうちの一例でしかない。時間の関数としての複数の様々な特性曲線によりリニアモータ１４を動作させる可能性は、そうしたリニアモータ１４によって駆動されるレシプロコンプレッサ１５が複数通りに動作することが可能であるという利点を生じる。好ましくは、リニアモータ１４は、線形移動可能なフリーピストン構成１６が、時間ｔの関数またはストロークＸの関数として１つ以上の状態変数Ｚｓｏｌｌにて与えられるように動作し、リニアモータ１４は、フリーピストン構成１６がその状態変数Ｚｓｏｌｌを有するかまたは少なくともほぼ想定するように、規則的に制御される。この制御方法は、例えばリニアモータ１４によって出力される最大力、リニアコンプレッサ１を動作するのに必要な最大動力、生じる最大加速度および／または生じる最大速度が予め定められる（動作中に超過することがない）点において、例えば予め定められた重要な数に関してリニアモータコンプレッサ１の動作を最適化することを可能とする。
【0042】
図１および図２に示されるように、リニアモータコンプレッサ１は、電気リニアモータ１４とそのリニアモータ１４によって駆動されるレシプロコンプレッサ１５とを備える。リニアモータコンプレッサ１の移動の動力学全体は、したがって、リニアモータ１４に接続されたレシプロピストンコンプレッサ１５の動力学と組み合わせたリニアモータ１４の動力学によって本質的には決定され、動力学全体は、慣性力作用によって、リニアモータ１４によって生じた電磁力によって、レシプロピストンコンプレッサ１５によって生じたまたはレシプロピストンコンプレッサ１５において作用する気体力によって、およびレシプロコンプレッサ１５におけるレシプロピストンコンプレッサ１５において作用する気体力によって、およびピストンとリニアモータ１４との移動によって生じた摩擦力によって、本質的には決定される。
【0043】
以下では、フリーピストン構成１６の移動の動力学が、運動方程式を立てることによってより詳細に記載される。
図２に示されるように、２つのピストン３，４は、ストローク方向Ｘに走るレシプロ運動においてリニアモータ１４によって生じた力によって駆動される。第１ピストン３は、下死点ＸＵＴＰと上死点ＸＯＴＰとの間の範囲において正ストローク方向Ｘに移動する。第１ピストン３は、下死点ＸＵＴＰと上死点ＸＯＴＰとの間の範囲において正ストローク方向Ｘに往復して移動する。第２ピストン４は、第１ピストン３とは反対方向に、また図２に示されるように、上死点ＸＯＴＰと下死点ＸＵＴＰとの間の範囲において正ストローク方向Ｘに移動する。２つのピストン３，４は反対方向に移動するため、フリーピストン構成１６の運動解析を、下死点ＸＵＴＰから上死点ＸＯＴＰまで正Ｘ方向におよび下死点ＸＵＴＰに戻って移動するピストン３のサイクルについてのみ考える。この単純化されたモデルによれば、リニアモータ１４によってフリーピストンアセンブリ１６を移動させるように加えられる駆動力ＦＬＭについての式は、以下の通りである。
図２に示されるように、２つのピストン３，４は、ストローク方向Ｘに走るレシプロ運動においてリニアモータ１４によって生じた力によって駆動される。第１ピストン３は、下死点ＸＵＴＰと上死点ＸＯＴＰとの間の範囲において正ストローク方向Ｘに移動する。第１ピストン３は、下死点ＸＵＴＰと上死点ＸＯＴＰとの間の範囲において正ストローク方向Ｘに往復して移動する。第２ピストン４は、第１ピストン３とは反対方向に、また図２に示されるように、上死点ＸＯＴＰと下死点ＸＵＴＰとの間の範囲において正ストローク方向Ｘに移動する。２つのピストン３，４は反対方向に移動するため、フリーピストン構成１６の運動解析を、下死点ＸＵＴＰから上死点ＸＯＴＰまで正Ｘ方向におよび下死点ＸＵＴＰに戻って移動するピストン３のサイクルについてのみ考える。この単純化されたモデルによれば、リニアモータ１４によってフリーピストンアセンブリ１６を移動させるように加えられる駆動力ＦＬＭについての式は、以下の通りである。
【0044】
ｍｇ¨ｘ＝ＦＬＭ＋Ｆｐｒ－Ｆｐｌ－Ｆｆｒ－Ｆｆｌ
ここで、それぞれ、ｍｇはフリーピストンアセンブリ１６の合計質量であり、ｘはフリーピストンアセンブリの変位およびストロークであり、ＦｐｒおよびＦｐｌはそれぞれ右の第２および左の第１圧縮チャンバ５ｂ，５ａにおける気圧により第１および第２のピストン３，４に対し作用する力、ＦｆｒおよびＦｆｌはそれぞれ右の第２ピストン４および左の第１ピストン３の摩擦力である。
ここで、それぞれ、ｍｇはフリーピストンアセンブリ１６の合計質量であり、ｘはフリーピストンアセンブリの変位およびストロークであり、ＦｐｒおよびＦｐｌはそれぞれ右の第２および左の第１圧縮チャンバ５ｂ，５ａにおける気圧により第１および第２のピストン３，４に対し作用する力、ＦｆｒおよびＦｆｌはそれぞれ右の第２ピストン４および左の第１ピストン３の摩擦力である。
【0045】
第１および第２ピストン３，４それぞれに対し気圧によって生じる力は、以下の式に従って計算されることが可能である。
【0046】
【数1】
【0047】
リニアモータコンプレッサ１の既知の運動力学全体を考慮して、状態変数Ｚｓｏｌｌは制御デバイスによって指定されることが可能であり、これによって、制御デバイスは、リニアモータコンプレッサ１が指定された状態変数Ｚｓｏｌｌを少なくとも近似的に有するように、リニアモータ１４を制御する。
【0048】
最も単純な場合では、ストローク行程点Ｘ１（すなわち、ストロークＸに沿って定められた点）と、フリーピストン構成１６の名目速度ｖｓｏｌｌおよび／または名目加速度ａｓｏｌｌおよび／または名目力Ｆｓｏｌｌは、状態変数Ｚｓｏｌｌとして指定されることが可能である。ストローク行程点Ｘ１の代わりに、ストローク行程時間ＴＬ１（すなわち、合計サイクル時間Ｔ内に定められた時間）が、好ましくは時間測定基準として用いられる下死点ＸＵＴＰにより、指定されることも可能である。したがって、最も単純な場合では、ストローク時間ＴＬ１およびそのストローク時間ＴＬ１に割り当てられた、フリーピストン構成１６の名目速度ｖｓｏｌｌおよび／または名目加速度ａｓｏｌｌおよび／または名目力Ｆｓｏｌｌが状態変数Ｚｓｏｌｌとして指定されることも可能である。図９に示されるように、例えば、フリーピストン構成１６の速度が点ＢとＤとの範囲において減少するのを保証する問題がある場合、ストローク経路点Ｘ１における速度ｖｓｏｌｌとストローク経路点Ｘ２における速度－ｖｓｏｌｌとを指定する状態変数Ｚｓｏｌｌは十分である。同様に、目標加速度ａｓｏｌｌおよび／または目標の力Ｆｓｏｌｌが、当然ながら、ストローク経路点にて指定されることも可能である。
【0049】
有利には、ストローク経路Ｘの少なくとも部分的区間に沿って、また好ましくはストローク経路全体ＸＬに沿って維持される状態変数Ｚｓｏｌｌの進路が、状態変数Ｚｓｏｌｌとして指定される。
【0050】
さらに有利な方法では、合計サイクル時間Ｔの一部の間、また好ましくは合計サイクル時間Ｔの間維持される状態変数Ｚｓｏｌｌの曲線が、状態変数Ｚｓｏｌｌとして指定される。
【0051】
さらに有利な方法では、下死点ＸＵＴＰと上死点ＸＯＴＰとの間および／または上死点ＸＯＴＰと下死点ＸＵＴＰとの間の速度－変位曲線（その速度－変位曲線に従って、フリーピストン構成１６が、図２に示されるリニアモータコンプレッサ１の動作中に往復して移動する）が、状態変数Ｚｓｏｌｌとして指定される。図７は、リニアモータ１４と複動式レシプロピストンコンプレッサ１５とを備えるリニアモータコンプレッサ１のそうした動作方法の一例を示す。図７は、状態変数Ｚｓｏｌｌとして、図２の補助により説明される本発明の動作方法に係る速度－変位曲線Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４を示す。図７に係る図は、左側に、点Ａの左への、曲線Ｇ１に従って図１における点Ｂを介して点Ｃ（上死点ＸＯＴＰ）まで移動し、また曲線Ｇ２に従って、点Ｄを介して点Ａ（下死点ＸＵＴＰ）まで戻る、点Ａ（下死点ＸＵＴＰ）から開始する第１ピストン３の移動を示す。図７に係る図は、右側に、点Ａの右への、第２ピストン４の速度－変位曲線Ｇ３，Ｇ４を、状態変数Ｚｓｏｌｌとして示す。第２ピストン４は第１ピストン３とは反対方向に移動するため、第２ピストン４が、曲線Ｇ３に従って、点Ｃ（上死点ＸＯＴＰ）から図１に示される点Ｄを介して点Ａ（下死点ＸＵＴＰ）まで移動し、曲線Ｇ４に従って、点Ｂを介して点Ｃ（上死点ＸＯＴＰ）まで移動する点において、第２ピストン４は第１ピストン３とは反対方向に移動する。第１および第２ピストン３，４は互いに固定されており、したがって同一の速度を有するため、異符号の速度を除き、軌跡Ｇ１およびＧ３は同一の進路を有する。同一の理由から、曲線Ｇ２およびＧ４も、異符号の速度を除き、同一の進路を示す。好ましくは、リニアモータコンプレッサ１は、下死点ＸＵＴＰと上死点ＸＯＴＰとの間において、および上死点ＸＯＴＰと下死点ＸＵＴＰとの間の復帰経路において、同一の状態変数Ｚｓｏｌｌによりまたは同一の速度－変位曲線により移動し、その結果、すべての曲線が、速度に関する異符号を除き、同一の曲線Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４を有する。図７に示されるように、第１ピストン３は点ＡとＢとの間（圧縮段階ＡＢ）において第１平均速度Ｖｍ１を有し、ピストン３は点ＢとＣとの間（放出段階ＢＣ）において第２平均速度Ｖｍ２を有し、第１平均速度Ｖｍ１は第２平均速度Ｖｍ２よりも大きい。平均速度は、ピストン３または４の２点間の平均化された速度値であるように理解される。したがって、第１平均速度Ｖｍ１は点ＡとＢとの間の平均速度に対応し、第１平均速度Ｖｍ１は点ＡとＢとの間の速度Ｖ（ｔ）の時間積分を、ピストン３を点ＡとＢとの間において移動させるのに必要な時間により除算したものに対応し、第１平均速度Ｖｍ１は点ＡとＢとの間の経路Ｘに沿った速度Ｖ（Ｘ）の積分を、ピストン３を点ＡとＢとの間において移動させるのに必要な経路距離Ａ－Ｂにより除算したものに対応する。同様に、第２平均速度Ｖｍ２は、したがって、点ＢとＣとの間の平均速度に対応し、第２平均速度Ｖｍ２は点ＢとＣとの間の速度Ｖ（ｔ）またはＶ（Ｘ）の積分を、ピストン３を点ＢとＣとの間において移動させるのに必要な時間または経路距離Ａ－Ｂによりそれぞれ除算したものに対応する。
【0052】
図７に示されるように、点Ｃから点Ａまでの復帰移動中、第１ピストン３は点ＣとＤとの間（緩和段階ＣＤ）において第３平均速度Ｖｍ３を有し、点ＤとＡとの間（吸気段階ＤＡ）において、ピストン３は第４平均速度Ｖｍ４を有し、第３平均速度Ｖｍ３は第４平均速度Ｖｍ４よりも大きい。したがって、第３平均速度Ｖｍ３は点ＣとＤとの間の平均速度に対応し、第３平均速度Ｖｍ３は点ＣとＤとの間の速度Ｖ（ｔ）またはＶ（Ｘ）の積分を、ピストン３を点ＣとＤとの間において移動させるのに必要な時間または距離Ｃ－Ｄにより除算したものに対応する。同様に、第４平均速度Ｖｍ４は、したがって、点ＤとＡとの間の平均速度に対応し、第４平均速度Ｖｍ４は点ＤとＡとの間の速度Ｖ（ｔ）またはＶ（Ｘ）の積分を、ピストン３を点ＤとＡとの間において移動させるのに必要な時間または経路距離Ｄ－Ａによりそれぞれ除算したものに対応する。
【0053】
リニアモータコンプレッサ１は、好ましくは、ピストン３および４が自身のレシプロ移動において、図７に係る軸に必要なミラーリングを除き、同一の速度－変位曲線Ｇ１およびＧ４、または同一の速度－変位曲線Ｇ２およびＧ３を有するように動作する。動作の別の可能なモードでは、２つのピストン３および４が各々、自身のレシプロ移動において、異なる速度－変位曲線、例えば、異なる、左から右への自身の移動においてとは異なる右から左への自身の移動における速度－変位曲線を有することも可能である。
【0054】
リニアモータ１４とレシプロコンプレッサ１５との相互作用は、例えば、図７に示される速度－変位曲線Ｇ１から理解されることも可能である。点Ａから開始してストローク点Ｘ３まで、進路Ｇ１は比較的急速な増加を示す。これは、特に、圧縮段階の最初では、レシプロコンプレッサ１５には小さい力しかまだ必要とされないということに起因する。これに加えて、第２圧縮チャンバ５ｂまたは第２圧縮チャンバ５ｂにおける気体は緩和段階にあり、その結果、リニアモータ１４の駆動力と第２ピストン４に対し作用する緩和力との組合せによって急速な移動（すなわち、フリーピストン構成１６の増加する速度Ｖまたは加速度）を生じるように、この気体は第２ピストン４を駆動させる。さらに有利な方法では、フリーピストン構成１６はリニアモータ１４によって非常に素早く駆動するため、緩和力はフリーピストン構成１６の移動に対し無視できる寄与しか生じないまたは少しも寄与を生じない。ストローク点Ｘ３後のストローク方向Ｘにおいて、レシプロコンプレッサ１５によって吸収された圧縮力は着々と増加し、その結果、フリーピストン構成１６の速度は減少し、これは、リニアモータ１４が一定の動力にて動作する場合が特に当てはまる。点Ｂ後、排出バルブ６ａは開放され、排出バルブ６ａにて生じる流れ抵抗によりフリーピストン構成１６の速度はさらに減少する。ストローク点Ｘ４により開始し、フリーピストン構成１６には必ず制動がかかり、フリーピストン構成１６は上死点ＸＯＴＰまでに静止させられ、これは好ましくは制動力を発生させるリニアモータ１４によって行われ、有利にはジェネレータとして動作し、発生した電気エネルギーは、例えば、フリーピストン構成１６を区間Ａ－Ｘ３において再び加速させるように、好ましくは、制御デバイスに一時的に貯蔵される。
【0055】
図７は、速度－変位図（ｖ－ｘ図）を状態変数Ｚｓｏｌｌとして示す。速度－距離図の代わりに、図５または図６に示される特性曲線３０～３７のうちの１つ、例えば、時間の関数としてのストローク、速度、加速度または力が、状態変数Ｚｓｏｌｌとして指定されることも可能である。これに加えて、図５または図６に示される特性曲線３０～３７のうちのいくつかの組合せが、例えば、リニアモータ１４によって出力される最大速度および／または加速度および／または力および／またはリニアモータ１４によって消費される電力が超過しないように、例えば、状態変数Ｚｓｏｌｌを選択することによって指定されることも可能である。
【0056】
有利な方法では、フリーピストン構成１６は、下死点ＸＵＴＰから圧縮段階ＡＢ中に排気バルブ６の開放点Ｂまで、予め定められた速度－変位曲線Ｇ１により、リニアモータ１４が一定のまたは本質的に一定の動力を出力する必要があるように移動する。動力は、リニアモータ１４によって加えられる駆動力ＦＬＭにフリーピストン構成１６の速度Ｖを乗算したものから計算される。予め定められた一定の動力により、したがって、予め定められた速度－変位曲線Ｇ１が計算されることが可能である。この方法は、リニアモータコンプレッサが低動力により安全に動作することが可能である利点を有する。
【0057】
リニアモータコンプレッサ１の連続動作中、その方法は点ＣとＤとの間において膨張段階ＣＤを有し、膨張段階ＣＤ中、死体積Ｖｔｏｔにある気体が膨張する。１つの可能な方法では、リニアモータ１４がジェネレータ動作による膨張力によって生じたピストン３，４の移動に制動をかけるため、リニアモータ１４は、少なくとも膨張段階ＣＤの部分的区間に沿ってジェネレータとして動作することが可能であり、処理において発生した電気エネルギーは好ましくは一時的に貯蔵される。特に有利な方法では、リニアモータ１４が動的な制動効果をフリーピストン構成１６に対し緩和段階ＣＤ全体中において加えないように、好ましくは、リニアモータ１４が正の制動効果をフリーピストン構成１６に対し緩和段階ＣＤ全体中および点ＣとＡとの間（すなわち、段階ＣＡ全体）において加えないように、リニアモータ１４は、緩和段階ＣＤの少なくとも部分的区間に沿って、好ましくは緩和段階ＣＤ全体中において制御される。フリーピストン構成１６に対する下死点ＸＵＴＰに向かう方向における正の力を加える。この方法は、死空間Ｖｔｏｔにある気体によって膨張段階ＣＤに沿った膨張中に解放されたエネルギーが、好ましくはフリーピストン構成１６の運動エネルギーへと完全に変換され、フリーピストン構成１６の運動エネルギーを第２ピストン４を介して気体に移行することによる第２圧縮チャンバ５ｂにある気体の圧縮を補助することを保証する。
【0058】
図８は、図２に示されるリニアモータコンプレッサ１のさらなる有利な動作方法を示す。図８は、幾分概略的な図、すなわち、第１ピストン３のわずかに理想化された速度－距離図を示し、ここで図は、行われる処理の単純化された図示のため、段階ＡＣ中のストロークＸの関数としての第１ピストン３の速度を示し、また図は、続けて右に段階ＣＡ中のストロークＸの関数としての第１ピストン３の速度を示し、より良い図示のため、段階ＣＡ中のストロークＸは、図７とは対照的に右に走るように示される。それ自体、第１ピストン３は、図８に示される図の開始と終了との両方にて下死点ＸＵＴＰにある。予め定められた状態変数Ｚｓｏｌｌは、フリーピストン構成１６についての曲線Ｇ１およびＧ２、すなわち、図８に示される速度－変位曲線である。圧縮段階ＡＢは、比較的速い速度にて、特に、比較的速い第１平均速度Ｖｍ１にて、したがって時間の観点から比較的素早く走り抜ける。出口バルブ６の開放点Ｂの領域では、速度ｖは減少し、その結果、フリーピストン構成１６は、放出段階ＢＣ中、減少した速度にて、または圧縮段階ＡＢと比較して遅い第２平均速度Ｖｍ２にて移動する。下死点ＸＵＴＰから開始して、フリーピストン構成１６は、排気バルブ６の開放点Ｂまでの圧縮段階ＡＢ中に、また続いて排気バルブ６の閉止点Ｃまで至る放出段階ＢＣ中に、圧縮段階ＡＢ中の第１平均速度Ｖｍ１が放出段階ＢＣ中の第２平均速度Ｖｍ２よりも速くなるように、および／または圧縮段階ＡＢの期間が放出段階ＢＣの期間よりも短くなるように、予め定められた状態変数Ｚｓｏｌｌ、予め定められた速度－変位曲線または予め定められた速度－時間曲線により移動する。特に、この方法は、放出段階ＢＣの期間を増加させることを可能にする利点を有する。この方法は、フリーピストン構成１６が、減少した速度にて放出段階ＢＣ中（すなわち、出口バルブ６ａからの気体の流出中）に動作することが可能であり、これによって、出口バルブ６ａにより生じる流出抵抗が減少し、したがって、流出により生じる損失エネルギーも減少する。圧縮段階ＡＢ中には流出が行われないため、圧縮段階ＡＢは、追加のエネルギーを伴わないまたは極度に少ない追加のエネルギーしか伴わない、増加した速度にてまたはより速い平均速度にて走り抜けることが可能であり、その結果、放出段階ＢＣは、好ましくは、放出段階ＢＣを圧縮段階ＡＢと比較して遅い平均速度にて走り抜けることによって、時間において拡張されることが可能である。この方法は、排気バルブを通じて流出する気体によって生じるエネルギー損失が減少する利点を有する。リニアモータコンプレッサの完全なレシプロ運動の与えられたサイクル時間ＴＺでは、リニアモータコンプレッサは、有利には、圧縮段階ＡＢ中の第１平均速度Ｖｍ１が速く、好ましくは可能な限り速く設定されるように、また第２平均速度Ｖｍ２が第１平均速度Ｖｍ１よりも遅く、好ましくは可能な限り遅く設定されるように、しかしながら完全なレシプロ運動の与えられたサイクル時間ＴＺが維持されるように、動作する。したがって、与えられたサイクル時間ＴＺにより、この方法は、放出段階ＢＣの期間を拡張し、または排気バルブ６ａにおけるシリンダ内部からの気体の流量を減少させ、これによって、排気バルブにて生じるエネルギー散逸を減少させることを可能にする。この処理は、リニアモータコンプレッサの効率を増加させることを可能にする。特に有利な方法では、リニアモータ８は、少なくとも圧縮段階ＡＢの部分的な区間中にフリーピストン構成１６をモータによって駆動させ、リニアモータ８は、少なくとも排出段階ＢＣの部分的区間中にフリーピストン構成１６に制動をかけ、その際、好ましくは、圧縮段階ＡＢ中にリニアモータ８に電気エネルギーを供給するように好ましくは一時的に貯蔵され好ましくは再利用される電気エネルギーを放出するジェネレータとして動作する。電気エネルギーのこの短期間の中間貯蔵は、リニアモータコンプレッサが特に効率的に動作することを可能にし、特に、圧縮段階ＡＢ中の第１平均速度Ｖｍ１が排出段階ＢＣ中の第２平均速度Ｖｍ２よりも速くなることを保証する。曲線Ｇ２に係る状態変数Ｚｓｏｌｌは、フリーピストン構成１６の段階ＣＡ中の移動、第１ピストン３の上死点ＸＯＴＰから下死点ＸＵＴＰまでの移動を示す。リニアモータコンプレッサ１が、図２に示されるように二重反転ピストン３，４によって圧縮される第１および第２圧縮チャンバ５ａ，５ｂを有する場合、２つの曲線Ｇ１，Ｇ２は、図８に示されるように、速度の符号を除き、同一の進路を有する。リニアモータコンプレッサ１は、単一の第１圧縮チャンバ５ａしか有さず、２つの曲線Ｇ１，Ｇ２は異なる曲線を有することも可能である。膨張段階ＣＤの平均速度Ｖｍ３は、図８に示されるように、吸気段階ＤＡの平均速度Ｖｍ４よりも速い。
【0059】
図９は、図２に示されるリニアモータコンプレッサ１のさらなる動作方法を示す。図９は、第１ピストン３の速度－変位図を示す。予め定められた状態変数Ｚｓｏｌｌとして、進行Ｇ１およびＧ２が、フリーピストン構成１６について指定される。これらの進行Ｇ１，Ｇ２は、第１および第２ピストン３，４が点Ａ，Ｂ，ＣおよびＤの領域において低いまたは減少した速度ｖにてそれぞれ移動するように選択され、フリーピストン構成がこれらの戻り点にて短時間静止することになるため、点ＣおよびＡにおける速度は０ｍ／ｓまで減少する。好ましくは、点ＣおよびＡの領域（すなわち、特に点ＣおよびＡに達する直前）における速度は、この速度は点ＢおよびＤにおけるよりも遅くなるように、特に大きく減少する。図９ａおよび図９ｂは、点ＣおよびＡの領域における図９の速度を詳細にそれぞれ示す。有利な処理では、点Ｃおよび点Ａにおける速度は、非常に遅く、例えば０．１ｍ／ｓ未満である。点ＣおよびＡにおける減少した速度は、入口バルブ７ａおよび出口バルブ６ａがそれぞれ低速にて閉止される効果を有する。これによって、これらのバルブは、この緩やかな閉止によって機械的にわずかにしか応力を受けず、その結果、信頼性をもって、また好ましくは長期間メンテナンスフリーで動作することが可能であるという効果を有する。図９ｂに示されるように、フリーピストン構成１６は、最初に大きい負の加速度によりストロークの端に向かって（下死点ＸＵＴＰに向かって）減速し、次いで減少した負の加速度により減速し、これによって、フリーピストン構成１６は、静止するまで死点ＸＵＴＰにて減少した負の加速度により減速し、次いで反対方向に再び加速する。図９ａに示されるように、フリーピストン構成１６は、最初に大きい負の加速度によりストロークの端に向かって（上死点ＸＯＴＰに向かって）減速し、次いで減少した負の加速度により減速し、これによって、フリーピストン構成１６は、上死点ＸＯＴＰにて静止するまで減少した負の加速度により減速し、次いで反対方向に再び加速する。最も単純な場合では、状態変数Ｚｓｏｌｌは、単一の点、例えば図９に示される値ｖｓｏｌｌを有するストローク経路点Ｘ１のみからなることが可能である。この制御は、したがって、フリーピストン構成１６がストローク経路点Ｘ１にて速度ｖｓｏｌｌを有するように行われる。これは、ストローク経路点Ｘ１におけるフリーピストン構成の速度が、所望の低速ｖｓｏｌｌを有するようことを保証する。
【0060】
図１０は、リニアモータコンプレッサ１の動作用の制御デバイス２０を示す。制御デバイス２７は、１つ以上のセンサ２１により信号線を介して実際の状態変数２９ａ（リニアモータコンプレッサ１の１つ以上の実際の状態変数）、好ましくは、フリーピストン構成１６のストロークＸおよび／または速度ｖおよび／または加速度および／または加えられる力Ｆを検出する。状態変数Ｚｓｏｌｌの名目値は、設定点プリセットデバイスによりプリセットされる。制御デバイス２７は、実際の状態変数２９ａおよび名目状態変数Ｚｓｏｌｌ２９ｅから制御信号２９ｂを計算し、制御信号２９ｂはインバータ制御デバイス２６に送られる。インバータ駆動デバイス２６は、制御線２９ｃ，２９ｄを介して電源２３およびインバータ２２を駆動し、インバータ２２は、電気伝導体２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄを介して複数のステータ巻線１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを個々に駆動させるための複数の駆動部を備える。電源２３は、電力線２５を介してインバータ２２に接続されている。特に有利な実施形態では、エネルギー供給源２３はエネルギー貯蔵デバイスを備え、インバータ２２は、電気エネルギーがリニアモータコンプレッサ１から抽出され、インバータ２２を介してエネルギー供給源２３に供給されることが可能であるように、制御可能であり、エネルギー供給源２３には電気エネルギーが、好ましくは短時間、好ましくは１秒未満または１分未満の期間貯蔵される。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図9a】
【図9b】
【図10】