WO2020161210A1 - Verfahren zum betreiben eines linearmotorverdichters sowie linearmotorverdichter - Google Patents

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Burckhardt Compression AG
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    • F04B2203/04—Motor parameters of linear electric motors

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a
  • the invention further relates to a
  • Reciprocating compressor is designed, wherein the linear motor is designed with two poles, and wherein the entire free-piston linear motor compressor is operated at a resonance frequency.
  • This linear motor compressor is used to compress a gaseous process fluid, in particular natural gas.
  • This linear motor compressor is operated continuously and with a sinusoidal resonance frequency while a natural gas vehicle is being refueled. The operating possibilities of this linear motor compressor are extremely limited and economically disadvantageous.
  • the object of the invention is a linear motor compressor with a
  • Claim 1 solved.
  • the dependent claims 2 to 18 relate to further advantageous method steps.
  • the object is further achieved with a linear motor compressor having the features of claim 19.
  • the dependent claims 20 and 21 relate to further advantageous ones
  • the object is achieved in particular with a method for operating a linear motor compressor comprising an electric linear motor, a cylinder and a linearly movable free piston arrangement with a piston, the cylinder and the piston forming a compression chamber, the free piston arrangement directly from the linear motor
  • a fluid is supplied to the compression chamber from the outside, the fluid supplied being compressed or expanded in the compression chamber and then released back to the outside, the
  • Linear motor compressor at least one state variable is specified, and wherein the linear motor is controlled in such a way that the
  • Linear motor compressor has the specified state variable.
  • a linear motor compressor comprising at least one electric linear motor, a cylinder and a linearly movable free piston arrangement with at least one piston, the cylinder and the piston forming at least one compression chamber, the free piston arrangement being directly from the linear motor
  • the compression chamber is driven, wherein the compression chamber is fluidly connected to the outside via an outlet valve and an inlet valve, wherein a
  • Control device controlled the linear motor in such a way that the
  • Free piston assembly is moved back and forth with a predetermined state variable between a top dead center and a bottom dead center.
  • At least one stroke path point along the stroke or at least one stroke path time and one associated therewith is assigned as the state variable Target speed or a target acceleration or a target force
  • a relationship between the stroke path of the free piston arrangement and its speed is preferably specified as a predetermined state variable, hereinafter also referred to as the speed-path curve.
  • This speed-path curve can include at least one point, a stroke path and a predetermined, assigned speed, and preferably comprises a plurality of points, with each point having a point along the stroke path and one assigned to this point
  • Partial section of the entire stroke path and preferably a path-setpoint curve to be maintained along the entire stroke path, that is to say a
  • a stroke time required during a part-time duration or a partial section of the entire stroke path and preferably a stroke time required during the period of the entire stroke path
  • Time-setpoint curve to be observed that is to say pertaining to a setpoint profile
  • the linear motor compressor is advantageously operated with a control strategy in which the free piston arrangement changes due to the forces acting in the compression chamber
  • the linear motor is a
  • this force profile during the operation of the Linear motor compressor can be modified by a control intervention to ensure that the free piston arrangement has the specified state variable, or that the behavior of the
  • Free piston arrangement approximates the predetermined state variable due to the control intervention.
  • the path-time dependency of the movement of the free piston assembly and thus the path-time dependency of the piston movement is not controlled directly, that is, there is no predetermined path-time curve for the movement of the free piston assembly, but the movement curve of the The free-piston arrangement or the piston results as a consequence of the force profile used or resulting from the forces acting.
  • the predefined state variable is ultimately achieved by specifying a force profile.
  • the force profile used is particularly adapted to the corresponding application and the corresponding operating method of the linear motor compressor.
  • the linear motor compressor can be operated as an application, for example, as a compressor or as an expander of a gas.
  • the linear motor compressor is preferably operated to compress a gas. When used as a compressor, it can
  • Compression phase of the gas is moved relatively quickly, in particular at a higher average speed, and that the free piston assembly is moved during the subsequent discharge phase of the gas at a reduced speed, in particular at a lower average speed, which reduces the flow resistance when the gas flows out of the compression chamber. It is thus possible, for example, to keep the time constant for a complete cycle of compression, but by running through the compression phase more quickly and the discharge phase more slowly, the flow resistance of the gas when it flows out can be reduced, and thus also the energy that is required is to push the gas out of the compression chamber.
  • the free piston arrangement and thus the entire linear motor compressor can be operated in the most varied of ways, depending on the desired size to be optimized.
  • the state variable can be selected, for example, in such a way that the maximum force to be output by the linear motor or the maximum power to be output by the linear motor is limited, or the energy required to operate the linear motor compressor is minimized by adding energy to the linear motor in sections during the cycle is withdrawn and delayed again
  • Linear motor is fed.
  • the method according to the invention therefore has the advantage that the linear motor compressor can be operated with a large number of possible, predetermined state variables.
  • Piston drive is driven via a cross head, has the disadvantage that the movement of the piston is rigidly coupled to the speed of the crankshaft, and that the speed of the piston is determined as a function of the angle of rotation of the crankshaft in particular by the geometric arrangement of the crankshaft and cross head .
  • the linear motor compressor according to the invention can be operated in a wide variety of ways and in particular independently of motion sequences predetermined by a crankshaft by appropriately specifying a state variable such as the target speed, the target acceleration or the target force as a function of the stroke.
  • the operating method depending on requirements, can be reduced to a size such as energy consumption, maximum linear motor power or maximum
  • Linear motor power can be optimized.
  • the linear motor compressor can include a single compression chamber.
  • the linear motor compressor particularly advantageously comprises two
  • the free piston arrangement preferably has a piston on each of the two end faces spaced apart in the stroke direction, these two pistons being operated in opposite directions or in opposite directions by the free piston arrangement, so that alternately in one compression chamber, for example the first compression chamber, a compression and then a
  • the linear motor or the free piston arrangement particularly preferably has a stroke length in the range between 50 mm and 500 mm.
  • the linear motor has at least three actively controllable magnetic poles arranged one after the other in the stroke direction, and preferably between 5 to 50 actively controllable magnetic poles, and particularly advantageously between 10 and 20 controllable magnetic poles. Such a number of actively controllable
  • switched magnetic poles is controllable.
  • the braking effect or the braking power output can also be controlled as a function of the stroke.
  • the linear motor can thus only be driving, or driving and braking, or in a combination of at least two of the
  • the electrical power dissipated by the linear motor is temporarily stored in an electrical memory and then fed back to the linear motor with a time delay. This enables particularly energy-efficient operation of the linear motor compressor according to the invention.
  • the linear motor compressor is preferably running at a speed in the range operated between 200 to 1000 revolutions per minute or with a stroke frequency of 200 to 1000 periods or back and forth
  • a period of the movement of the free piston arrangement is a complete cycle of a movement beginning from a starting point, the top dead center and the bottom dead center of the piston movement being passed through once.
  • a period of a piston movement comprises a compression phase in the for the movement from bottom dead center to top dead center
  • Compression chamber and then an exhaust phase includes the movement from top dead center to bottom
  • the starting point is basically arbitrary.
  • the starting point is bottom dead center.
  • the free piston arrangement is preferably with a predetermined
  • the free piston arrangement is moved with a predetermined speed-displacement curve in such a way that the linear motor has to deliver a constant or essentially constant power.
  • the free piston arrangement is driven with a predetermined speed-displacement curve in such a way that the mean speed during the
  • Compression phase is higher than during the exhaust phase and / or that the mean speed during the relaxation phase is higher than during the suction phase.
  • the predetermined speed-path curve or the predetermined speed-time curve has the
  • Free piston arrangement at least in the area of one of the switching points: opening the outlet valve, closing the outlet valve, opening the
  • the inlet valve and the closing of the inlet valve have a reduced speed compared to the rest of the speed-path curve, so that the outlet or inlet valve that opens or closes at a reduced speed of the free piston arrangement is moved at a reduced speed.
  • the reduced speed of the opening or closing valve preferably results in reduced wear on the valve, which advantageously results in a longer service life or service life of the valve.
  • the compression chamber has between a closing point of the outlet valve and the opening point of the
  • the volume conveyed by the linear motor compressor is changed by changing the maximum stroke of the linear motor or the location of the top dead center and / or the location of the bottom dead center, so that the conveyed volume can be changed for a short or long term, e.g. is reduced or increased.
  • the free piston arrangement is braked at least in sections during the back and forth movement between the top dead center and the bottom dead center by operating the linear motor as a generator. This makes it a particularly fast one
  • the released braking energy is converted into electrical energy and temporarily stored for later use.
  • the linearly movable piston arrangement is operated as an expander for a fluid, and the linear motor is operated as a generator at least during a partial section of a movement in the stroke direction X, in that the compression chamber of the linear motor compressor is now used as an expansion chamber by opening the expansion chamber via the outlet valve Pressurized fluid is supplied, the fluid is expanded in the compression chamber operated as an expansion chamber, and is then expelled via the inlet valve, and by the free piston arrangement of the linear motor operated as a generator with a predetermined speed-path profile or a predetermined speed-time profile. and is moved.
  • the opening and closing of the outlet valve and / or inlet valve is actively controlled as a function of the position of the free piston arrangement.
  • the linear motor compressor advantageously comprises at least one electric linear motor, a cylinder and a linearly movable one
  • Free piston arrangement with at least one piston, wherein the cylinder and the piston form at least one compression chamber, the
  • Free piston arrangement is driven directly by the linear motor, the compression chamber being fluidly connected to the outside via an outlet valve and an inlet valve, a control device controlling the linear motor in such a way that the free piston arrangement preferably has a predetermined motor and / or generator power curve between a top dead center and a bottom dead center is moved back and forth.
  • the linear motor compressor advantageously comprises a first and a second compression chamber, which with respect to the free piston arrangement
  • the linear motor of the linear motor compressor can advantageously be operated as a motor and / or as a generator, the control device being the
  • the linear motor comprises at least three pole pairs, and preferably between 5 and 50 distributed in the longitudinal direction of the linear motor or mutually
  • the linear motor compressor comprises at least one electric linear motor, a cylinder and a linearly movable free piston arrangement
  • the cylinder and the piston forming at least one compression chamber, the free piston arrangement being driven directly by the linear motor, the compression chamber via a
  • the outlet valve and an inlet valve are fluidly connected to the outside, a control device controlling the linear motor in such a way that the free piston arrangement is moved back and forth between a top dead center and a bottom dead center with a predetermined state variable Z soii .
  • the linear motor compressor according to the invention has the advantage that, in a preferred embodiment, with the exception of the valves and the free piston arrangement, it has no moving parts, which improves the service life and efficiency of the linear motor compressor, and also reduces manufacturing costs, installation and maintenance.
  • the linear motor compressor is preferably designed to be oil-free, which means that no oil is required for lubrication purposes.
  • the linear motor compressor is particularly suitable for compressing gases such as natural gas, other hydrocarbons, hydrogen or air.
  • gases such as natural gas, other hydrocarbons, hydrogen or air.
  • linear motor compressor according to the invention is also suitable for expanding pressurized gases, in particular when
  • the linear motor compressor according to the invention also suitable to compress a gas and to relax or expand a gas at the same time by releasing a gas in one chamber of the linear motor compressor and at the same time in the other chamber of the
  • Linear motor compressor a gas is compressed.
  • a combination of the linear motor in a free piston compressor enables the construction of a compact linear motor compressor. Due to the direct mechanical connection of the two systems, this is static and
  • the linear motor compressor can preferably be achieved if the compressor and linear motor are designed in such a way that they cooperate optimally and are preferably operated in the range of a resonant frequency.
  • the free piston compressor can fully exploit its advantages.
  • An advantage in addition to the compact design is the fact that the piston can be hermetically sealed from the outside in a relatively simple manner and therefore also inexpensively, because the two cylinders in which the two pistons are located can be designed in a cost-effective manner tight against the outside, which a compression of gases with high demands on ambient conditions enables, since the linear motor compressor only an extremely small or no leakage of the conveyed gas occurs.
  • the two cylinders and the stator of the linear motor advantageously form a gas-tight outer shell.
  • FIG. 1 schematically shows a linear motor compressor and the associated pressure-volume diagram
  • FIG. 3 schematically shows a longitudinal section along the section line F-F through the linear motor of the linear motor compressor according to FIG. 2;
  • FIG. 4 schematically shows a cross section along the section line E-E through the linear motor of the linear motor compressor according to FIG. 3;
  • Linear motor compressor showing stroke, speed,
  • Fig. 7 is a speed-displacement diagram of the two pistons of the
  • FIG. 10 shows a control device for a linear motor compressor according to FIG.
  • Figure 1 shows schematically a linear motor compressor 1 comprising a
  • Linear motor 14 as well as comprising a double-acting reciprocating compressor 15.
  • the reciprocating piston compressor 15 comprises a cylinder 2 in which a linearly movable piston 3 is arranged, which is directly connected to the linear motor 14 via a piston rod 9 and is driven directly by the latter. Directly connected or directly driven is understood here to mean that there is no transmission between the piston 3 and the linear motor 14
  • Linear motor 14 can also have a flexible coupling, which preferably allows the piston 3 and linear motor 14 to be aligned independently.
  • the cylinder interior 5 is divided by the piston 3 into a first compression chamber 5a and a second compression chamber 5b, the first and second compression chambers 5a, 5b being operated in opposite directions during operation due to the geometric arrangement.
  • the first and second compression chambers 5a, 5b are each connected in a fluid-conducting manner via an inlet valve 7a, 7b and an outlet valve 6a, 6b to an outer space outside the cylinder interior 5.
  • fluid lines arranged, which forward the fluid to downstream devices or upstream
  • FIG. 1 shows three exemplary positions of the piston 3, a first
  • the associated, idealized pV diagram also referred to as a pressure-volume diagram, is shown, which shows the pressure P of the reciprocating compressor 15 in the first Compression chamber 5a shows compressed gas as a function of the volume of the first compression chamber 5a.
  • the first compression chamber 5a has a stroke volume VH, a suction volume Vs and a dead space volume V tot , the volume V increasing towards the right.
  • the same diagram also shows the pressure P of the gas in the first compression chamber 5a in FIG.
  • Figure 1 shows the piston 3 in the first piston position 3a, in which the piston 3 is in the lower
  • Dead center XUTP is located, wherein the gas in the first compression chamber 5a has a suction pressure Ps. The following is the course of the
  • Compression phase BA is compressed to an outlet pressure Pa, the outlet valve 6a at outlet pressure Pa, that is to say idealized at
  • Opening point B opens automatically.
  • the piston 3 is moved to the top dead center XOTP so that the gas in the first compression chamber 5a is expelled through the outlet valve 6a until the piston 3 has reached the top dead center XOTP position, and the outlet valve 6a is idealized closed at the closing point C.
  • Residual gas located in the compression chamber 5a is expanded to a suction pressure Ps, so that the inlet valve 7a is automatically opened at the opening point D, idealized.
  • gas is sucked into the first compression chamber 5a via the inlet valve 7a until the piston 3 has reached bottom dead center XUTP, and that
  • Inlet valve 7a is idealized at closing point A is closed.
  • the term idealized in connection with the points A, B, C and D expresses that these points in real operation, conditioned for example by Existing frictions of the valves are not exactly at the positions indicated in FIG. 1 but in a close area around the points.
  • the inlet valves 7a, 7b and the outlet valves 6a, 6b open and close automatically.
  • Compression chamber 5a, 5b operated as shown in FIG. Of the
  • the cycle in the direction of the successive points A, D, C and B has the advantage that the linear motor 14 can be operated as a linear generator, so that mechanical energy can be converted into electrical energy by the described expansion of the gas.
  • the linear motor compressor 1 can thus be operated depending on requirements for compressing or relaxing a fluid, or in a mixed mode with temporary compression and two-way decompression of the fluid, with the linear motor 15 being supplied with electrical energy or electrical energy depending on the operating mode Energy is dissipated.
  • the linear motor compressor 1 can also be operated in such a way that one fluid in each case is in the first
  • Compression chamber 5a compressed and a fluid in the second
  • Compression chamber 5b is relaxed, so that in the first
  • Compression chamber 5a released relaxation energy can be used to compress the fluid located in the second compression chamber 5b.
  • the linear motor compressor 1 can also be operated in reverse, by compressing a fluid in the first compression chamber 5a and expanding it in the second compression chamber 5b, as required for compression or for decompression.
  • the linear motor 15 can be supplied with electrical energy or removed depending on the operating mode , or can be operated in idle mode without supplying electrical energy.
  • the second compression chamber 5b could be dispensed with, so that the reciprocating compressor 15 only has a first compression chamber 5a but no second compression chamber 5b that can be operated in opposite directions.
  • Figures 2 to 4 show a further embodiment of a
  • This linear motor compressor 1 includes a
  • Free piston assembly 16 comprising a linear motor rotor 10 and a first piston 3 and a second piston 4.
  • a stator 8 together with the linear motor rotor 10 forms a linear permanent magnet synchronous motor 14.
  • the linear motor compressor 1 comprises a cylinder 2 with two cylinder interiors 5, with a first compression chamber 5a by a first cylinder 2a and the first Piston 3 is formed, and wherein a second compression chamber 5b is formed by a second cylinder 2b and the second piston 4.
  • the first compression chamber 5a is connected via a first outlet valve 6a and a first inlet valve 7a to conduct fluid to the outside.
  • the second compression chamber 5b is connected via a second outlet valve 6b and a second inlet valve 7b to conduct fluid to the outside.
  • the first and second compression chambers 5a, 5b are operated in opposite directions via the free piston arrangement 16. Sealing rings and / or bearing rings are also preferably arranged on the first and second pistons 3, 4 for mounting the free piston arrangement 16 within the
  • Linear motor compressor 1 as well as for sealing the pistons 3, 4 with respect to the compression chambers 5a, 5b, such rings being generally known and not shown in FIG.
  • the piston 3.4 could also as
  • Labyrinth piston be designed so that sealing rings can be dispensed with because the labyrinth structure on the surface of the piston 3, 4 effects the sealing function.
  • Figure 3 shows a longitudinal section along the line F-F through the linear permanent magnet synchronous motor 14 comprising a stator 8 with laminated stator segments 8a, comprising a plurality of preferably individually controllable stator windings 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f for generating actively controllable
  • Linear motor rotor 10 with a plurality of mutually spaced apart permanent magnets 10a in the longitudinal direction, wherein the
  • Linear motor rotor 10 forms part of the piston rod 9.
  • the piston rod 9 comprises fastening sections 9a to which the first and the second piston 3, 4 are connected.
  • the linear permanent magnet synchronous motor 14 advantageously comprises two radial bearings 11 for guiding the piston rod 9.
  • Figure 4 shows a section along the section line EE through the linear permanent magnet synchronous motor 14, with a section through the
  • the linear motor 14 and thus also the driven pistons 3, 4 advantageously have a maximum stroke XL in the range between 50 mm to 500 mm.
  • Linear motor 14 thus allows relatively long-stroke movements.
  • the linear motor 14 shown in FIGS. 2 to 4 comprises six actively controllable magnetic poles 13a-13f, each pole being surrounded by a stator winding 12a-12f, each stator winding 12a-12f preferably being individually controllable.
  • the linear motor 14 preferably has between three and ten actively controllable magnetic poles 13a-13f, or preferably between 10 to 50 actively controllable magnetic poles 13a-13f.
  • the number of actively controllable magnetic poles 13a-13f is particularly dependent on the length of the maximum stroke XL.
  • the number of actively controllable magnetic poles 13a-13f can also have an influence on how precisely the force exerted by the stator 8 on the linear motor rotor 10 can be controlled as a function of time or as a function of the stroke X.
  • FIG. 5 shows, by way of example, characteristic curves 30 to 33 of a possible control of a linear motor 14 as shown in FIG. 1 or in FIG is operated by the reciprocating compressor 15.
  • the characteristic curve 30 shows the stroke X of the linear motor 14 as a function of the time t during a complete cycle from bottom dead center XUTP to top dead center XOTP and back.
  • the characteristic curve 31 shows the speed of the linear motor rotor 10 as a function of time t, the linear motor 14 being controlled in such a way that the speed of the linear motor rotor 10 as a function of time in
  • Section 31a increases linearly, is constant in section 31b, in section 13c linearly decreases and is zero in section 13d, so that the linear motor rotor 10 is at a standstill.
  • the linear motor rotor 10 is at a standstill, as can be seen from the characteristic curve 30, it has reached the top dead center XOTP.
  • the speed of the linear motor rotor 10 increases linearly in section 31e with a negative sign, remains constant in section 3 lf, and decreases linearly in section 13g until the linear motor rotor 10 comes to a standstill at bottom dead center XUTP.
  • the characteristic curve 32 shows the acceleration of the linear motor rotor 10 as a function of time t, the linear motor rotor 10 being accelerated in sections 32a and 32g with constant, positive acceleration, in sections 32c, 32e being decelerated with constant negative acceleration, and in the sections 32b, 32d and 32f is moved without acceleration.
  • the characteristic curve 33 shows the force exerted by the linear motor 14 on the linear motor rotor 10 as a function of time t, with a constant acceleration force being applied in section 33a, with a low constant force being applied in section 33b to overcome the force when moving
  • the linear motor rotor 10 is accelerated again in section 33e by a constant force, kept in motion by the small constant force acting in section 33f to overcome the applied frictional forces, and by the constant force acting in section 33g at bottom dead center XUTP until it comes to a standstill braked.
  • the linear motor 14 brakes the linear motor rotor 10, whereby the energy released can be converted into heat, the linear motor 14 preferably being operated as a generator during sections 33c and 33g, and the electrical energy released in one Energy store, is preferably temporarily stored in the control device.
  • the linear motor 14 can be controlled via a corresponding control through a variety of possibilities in function of the time t or the stroke X, with preferably at least one of the characteristics of stroke, Speed, acceleration and motor force is specified as a function of time t, the control device controlling the linear motor 14 in such a way that it moves at least approximately in accordance with the
  • FIG. 6 shows a further example of a control of the linear motor 14.
  • the characteristic curve 34 shows the stroke X of the linear motor 14 as a function of the time t during a complete cycle.
  • the characteristic 35 shows the speed, the characteristic 36 the acceleration and the characteristic 37 the motor force of the linear motor 14 as a function of time t.
  • the course of the characteristic curve according to FIG. 6 shows a course similar to the course of the characteristic curve according to FIG. 5, the time axis in FIG. 6 being significantly shorter, i.e. the movement in FIG. 6 runs much faster, which can also be seen from the fact that the values for speed, acceleration and motor power in FIG. 6 are much higher than in FIG.
  • Control method has the advantage that all characteristics 34, 35, 36, and 37 change continuously between time t2 and time t3 and have no kinks, which means that the linear motor 14 is operated more gently, since kinks usually cause a sudden change in the operating behavior, which results in increased mechanical stress.
  • the control example shown in FIG. 6 is only one example of a large number of possibilities for controlling the linear motor 14.
  • the possibility of operating the linear motor 14 with a large number of different characteristic curves as a function of time has the advantage that a reciprocating piston compressor 15, which is driven by such a linear motor 14, can be operated in a large number of ways.
  • the linear motor 14 is preferably operated in such a way that the linearly movable free piston arrangement 16 has at least one
  • State variable Z soii is specified as a function of time t or as a function of stroke X, the linear motor 14 being controlled in such a way that the free piston arrangement 16 has the specified state variable Z soii or at least approximately assumes it.
  • This Control method allows the operation of the linear motor compressor 1 to be optimized, for example, with regard to specifiable key figures by
  • the maximum force to be output by the linear motor 14, the maximum power required to operate the linear compressor 1, the maximum acceleration and / or the maximum speed is specified, which must not be exceeded during operation.
  • the linear motor compressor 1 comprises an electric linear motor 14 and a reciprocating compressor 15 driven by this.
  • the overall dynamics of the movement of the linear motor compressor 1 comprises an electric linear motor 14 and a reciprocating compressor 15 driven by this.
  • Linear motor compressor 1 is thus essentially determined by the dynamics of the linear motor 14 in combination with the dynamics of the reciprocating compressor 15 connected to the linear motor 14, the
  • the overall dynamics are essentially determined by the acting inertial forces, by the electromagnetic forces caused by the linear motor 14, by those caused by the reciprocating compressor 15 or in the
  • Reciprocating compressor 15 acting gas forces, as well as frictional forces caused by the movement of the piston and the linear motor 14.
  • Linear motor 14 produced a force in a reciprocating motion in the direction of stroke X.
  • the first piston 3 moves back and forth in a positive stroke direction X in the area between the bottom dead center XUTP and the top dead center XOTP.
  • the second piston 4 moves
  • F pr and F pi are the forces which act on the first and second pistons 3, 4 due to the gas pressure in the right, second and left, first compression chambers 5b, 5a, and F & and Fn are the frictional forces of the right, second piston 4 and the left, first piston 3, respectively.
  • the force caused by the gas pressure on the first or second piston 3, 4 can be calculated according to the following equation:
  • the control device can be given a state variable Z soii , the control device controlling the linear motor 14 in such a way that the linear motor compressor 1 at least approximately has the given state variable Z soii .
  • a stroke path point Xi i.e. a defined point along the stroke X
  • a setpoint speed v soii and / or a setpoint acceleration asoii and / or a setpoint force F soii of the free piston arrangement 16 can be specified as the state variable Z so u.
  • a travel time TLI could also be specified, that is to say a defined point in time within the
  • Total cycle time T the bottom dead center XUTP preferably being used as the reference for the time measurement.
  • the state variable Z soii can thus be im
  • a travel time point T LI and a setpoint speed v soii and / or a setpoint acceleration a soii and / or a setpoint force F so n of the free piston arrangement 16 associated therewith can also be specified. If, for example, as shown in FIG. 9, it is a matter of ensuring that the
  • Hubwegtician Xi specifies the speed v soii and at the Hubweg gleich X2 the speed -v Soii .
  • a setpoint acceleration a soii and / or a setpoint force F soii could of course also be specified at a point of travel path.
  • the state variable Z soii is a course of the state variable Z soii to be maintained during part of the total cycle time T and preferably during the total cycle time T
  • a speed- displacement curve between bottom dead center XUTP and top dead center XOTP and / or top dead center XOTP and bottom dead center XUTP is specified as the state variable Z soii , according to which the free piston arrangement 16 during operation of the in Figure 2 shown linear motor compressor 1 is moved back and forth.
  • FIG. 7 shows an example of such an operating method of the linear motor compressor 1, including both the linear motor 14 and the reciprocating compressor 15.
  • FIG. 7 shows the state variable Z soii
  • FIG. 7 shows on the left-hand side, to the left of point A, the movement of the first piston 3, which, starting from point A, the bottom dead center Xpru, moves according to the curve Gi via point B shown in FIG. 1 to point C. moves, the top dead center XOTP, and the according to the course G 2 via point D back to point A, the bottom dead center XFTU.
  • the diagram according to FIG. 7 shows on the right side, to the right of point A, the state variable Z so n
  • the curves G 2 and G 4 also have an identical curve, with the exception of the different sign of the speed.
  • the linear motor compressor 1 is preferably moved between the bottom dead center XUTP and the top dead center XOTP and on the way back between the top dead center XOTP and the bottom dead center XUTP with the same state variable Zsoii or with the same speed-path curve, so that all courses, with the exception of different signs relate to speed, have the same profile Gi, G 2 , G 3 , G 4 .
  • the first piston 3 has a first average speed V mi between points A and B, the compression phase AB, and the piston 3 has a second average speed between points B and C, the ejection phase BC V m2 on, the first being middle
  • Speed V mi is greater than the second mean speed V m2 .
  • the mean speed is understood to mean the mean speed value of the piston 3 or 4 between two points.
  • the first mean speed V mi thus corresponds to the mean speed between points A and B, or the first mean speed V mi corresponds to the time integral of the speed V (t) between points A and B, divided by the time it took to move of the piston 3 between points A and B is required, or corresponds the first mean speed V mi is the integral of the speed V (X) along the path X between points A and B divided by the
  • Speed V m 2 thus corresponds to the mean speed between points B and C, or the second mean speed
  • Speed V m 2 is the integral of the speed V (t) or V (X) between points B and C, divided by the time or distance BC, which is required to move piston 3 between points B and C.
  • Speed V m 3 is greater than the fourth mean speed V m 4.
  • the third mean speed V m 3 thus corresponds to the mean
  • Speed between points C and D, or the third mean speed Vm3 corresponds to the integral of the speed V (t) or V (X) between points C and D, divided by time
  • the fourth mean speed V m 4 thus corresponds to the averaged speed between points D and A, or the fourth mean speed V m 4 corresponds to the integral of the speed V (t) or V (X) between points D and A, divided by the time or the distance DA which is required to move the piston 3 between points D and A.
  • the linear motor compressor 1 is preferably operated in such a way that the pistons 3 and 4 are identical in their to-and-fro movement, apart from the reflections required on the axes according to FIG. 7
  • Speed-distance curves Gi and G4 or identical Have speed-distance curves G2 and G3.
  • the two pistons 3 and 4 each have a different speed-path curve when they move back and forth, for example a different, different speed-path curve when they move from right to left than when moving them from left to right.
  • Reciprocating compressor 15 understandable. Starting from point A to stroke point X3, curve Gi exhibits a relatively rapid rise, which is due in particular to the fact that small forces are still required in reciprocating compressor 15 at the beginning of the compression phase.
  • the second compression chamber 5b or the gas located therein is in a relaxation phase, so that this gas drives the second piston 4, so that the combination of driving force of the
  • top dead center XOTP which is preferably done in that the linear motor 14 generates a braking force and is advantageously operated as a generator, wherein the generated electrical energy is preferably temporarily stored in a control device, for example in order to accelerate the free piston arrangement 16 in section AX 3 again.
  • FIG. 7 shows a speed-path diagram (vx diagram) as the state variable Z so n.
  • vx diagram speed-path diagram
  • one of the characteristic curves 30 to 37 shown in FIGS. 5 or 6 could also be specified as the state variable Z soii , for example stroke, speed, acceleration or force as a function of time.
  • a combination of several of the characteristic curves 30 to 37 shown in FIGS. 5 or 6 could also be specified, for example by selecting the state variable Z such that, for example, a maximum speed and / or acceleration and / or the force to be output by the linear motor 14 and / or electrical energy consumed by the linear motor 14 is not exceeded.
  • the free piston arrangement 16 is moved from bottom dead center XUTP during a compression phase AB to the opening point B of the exhaust valve 6 with a predetermined speed-travel curve Gi such that the linear motor 14 can deliver a constant or essentially constant power Has.
  • the power is calculated from that to be generated by the linear motor 14
  • the linear motor 14 can be operated as a generator, at least along a section of the relaxation phase CD, by the linear motor 14 being driven by the relaxation forces Caused movement of the piston 3.4 brakes by a generator operation, the electrical energy generated thereby preferably
  • the linear motor 14 along at least a portion of the
  • This method ensures that the energy released by the gas located in the dead space Vtot during the expansion along the expansion phase CD is preferably completely converted into kinetic energy of the free piston arrangement 16, which is a
  • Figure 8 shows a further advantageous method of operating the linear motor compressor 1 shown in Figure 2.
  • Figure 8 shows a more schematic, i.e. A slightly idealized speed-travel diagram of the first piston 3, the diagram showing the speed of the first piston 3 as a function of the stroke X during phase AC for a simplified illustration of the process in progress, and the diagram then pointing to the right the speed of the first Piston 3 in
  • Compression phase AB is going at a relatively high rate, in particular with a relatively high first average speed V mi , and thus traversed relatively quickly in time.
  • the speed v is reduced so that the
  • Compression phase AB lower second mean speed V m 2 is moved.
  • the free piston assembly 16 is starting from bottom dead center XUTP during a compression phase AB to the opening point B des
  • Linear motor compressor this is advantageously operated in such a way that the first average speed V mi during the compression phase AB high, preferably as high as possible, and that the second mean speed V m 2 is preset to be lower than the first mean speed V mi , preferably as low as possible, but in such a way that the preset cycle time Tz of a complete back and forth movement is maintained.
  • the duration of the discharge phase BC can be lengthened or the outflow speed of the gas from the
  • Cylinder interior can be reduced at the exhaust valve 6a, which is the
  • the linear motor 8 drives the
  • Free piston assembly 16 at least during a portion of the
  • Free piston assembly 16 at least during a portion of the
  • Decelerates exhaust phase BC and is preferably operated as a generator, which releases electrical energy, which is preferably
  • Compression phase AB This short-term intermediate storage of electrical energy allows the linear motor compressor to be operated particularly efficiently and in particular to ensure that the first average speed V mi during the compression phase AB is higher than the second average speed V m 2 during the exhaust phase BC.
  • the state variable Z soii according to the course G2 shows the movement of the
  • FIG. 9 shows a further operating method of the one shown in FIG.
  • Gradients Gi and G2 are selected such that the first and the second piston 3, 4 in the area of the points A, B, C and D move at a low or reduced speed v, the speed at the points C and A increasing 0 m / s is reduced because the free piston arrangement is attached to this
  • Reversal points comes to a standstill for a short time.
  • the speed is in the region of points C and A, i. in particular
  • Figures 9a and 9b show the speed of Figure 9 in the area of point C and A in detail.
  • the speed at points C and A is very low, and is, for example, less than 0.1 m / s.
  • the reduced speed in points C and A has the consequence that the inlet valve 7a and the outlet valve 6a are closed at low speed, which means that these valves are only slightly mechanically stressed by this gentle closing, so that the valves during can be operated reliably and preferably maintenance-free for a long time.
  • the free piston arrangement 16 is braked towards the end of the stroke, towards bottom dead center XUTP, first with a greater negative acceleration, and then braked with a reduced negative acceleration, the
  • a state variable Z so u can only consist of a single point, for example, as shown in FIG. 9, the stroke path point Xi with the value v so n.
  • the control is therefore such that the free piston arrangement 16 has the speed v soii at the stroke path point Xi . This ensures that the
  • Speed of the free piston arrangement 16 at the stroke path point Xi has the desired, low speed v soii .
  • FIG. 10 shows a control device 20 for operating a
  • Linear motor compressor 1 A control device 27 detects an actual state variable 29a with at least one sensor 21 via a signal line, at least one actual state variable of the linear motor compressor 1,
  • the setpoint is a
  • the control device 27 calculates from the actual state variable 29a and the target state variable Z soii 29e
  • Control signal 29b which is fed to an inverter control device 26.
  • the inverter control device 26 controls a power supply 23 and an inverter 22 via control lines 29c, 29d, the inverter 22 comprising a plurality of controls in order to use electrical conductors 24a, 24b, 24c, 24d to generate a plurality of stator windings 12a, 12b, 12c, 12d to be controlled individually.
  • the power supply 23 is via a
  • Power line 25 is connected to the inverter 22.
  • the energy supply 23 comprises a
  • the inverter 22 being controllable in such a way that electrical energy can be withdrawn from the linear motor compressor 1 and can be fed via the inverter 22 to the energy supply 23 in which the electrical energy is stored, preferably for a short time, for a period of preferably less than one second or less than a minute.

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Abstract

Das Verfahren zum Betreiben eines Linearmotorverdichters (1) umfasst einen elektrischen Linearmotor (14), einen Zylinder (2) sowie eine linearbewegliche Freikolbenanordnung (16) mit einem Kolben (3), wobei der Zylinder (2) und der Kolben (3) eine Verdichtungskammer (5) ausbilden, wobei die Freikolbenanordnung (16) direkt vom Linearmotor (14) angetrieben wird und entlang eines Hubwegs (X) zwischen einem oberen Totpunkt (XOTP) und einem unteren Totpunkt (XUTP) hin- und herbewegt wird, wobei der Verdichtungskammer (5) von Aussen ein Fluid zugeführt wird, wobei das zugeführte Fluid in der Verdichtungskammer (5) verdichtet oder entspannt wird und anschliessend wieder nach Aussen abgegeben wird, wobei dem Linearmotorverdichter (1) zumindest eine Zustandsgrösse (Zsoll) vorgegeben wird, und dass der Linearmotor (14) derart angesteuert wird, dass der Linearmotorverdichter (1) die vorgegebene Zustandsgrösse (Zsoll) aufweist.

Description

VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINES LINEARMOTOR VERDICHTERS SOWIE LINEARMOTORVERDICHTER
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines
Linearmotorverdichters. Die Erfindung betrifft weiter einen
Linearmotorverdichter.
Stand der Technik Es ist bekannt ein Gas mittels eines Linearmotorverdichters zu verdichten.
Das Dokument US2018/0051690A1 offenbart einen Freikolben- Linearmotorverdichter, bei welchem der Verdichter als ein
Hubkolbenverdichter ausgestaltet ist, wobei der Linearmotor zweipolig ausgestaltet ist, und wobei der ganze Freikolben-Linearmotorverdichter bei einer Resonanzfrequenz betrieben wird. Dieser Linearmotorverdichter dient zum Verdichten eines gasförmigen Prozessfluides, insbesondere Erdgas. Dieser Linearmotorverdichter wird während des Betankens eines Erdgasfahrzeuges kontinuierlich und mit einer sinusförmigen Resonanzfrequenz betrieben. Die Betriebsmöglichkeiten dieses Linearmotorverdichters sind äusserst beschränkt und wirtschaftlich nachteilig.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es einen Linearmotorverdichter mit einem
vorteilhafteren Betriebsverfahren zum Verdichten und / oder Expandieren eines gasförmigen Prozessfluides zu betreiben. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung einen wirtschaftlich vorteilhafteren Linearmotorverdichter zum Verdichten und/oder Expandieren eines gasförmigen Prozessfluides auszubilden. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren aufweisend die Merkmale von
Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche 2 bis 18 betreffen weitere vorteilhafte Verfahrensschritte. Die Aufgabe wird weiter gelöst mit einem Linearmotorverdichter aufweisend die Merkmale von Anspruch 19. Die davon abhängigen Ansprüche 20 und 21 betreffen weitere, vorteilhafte
Ausgestaltungen.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst mit einem Verfahren zum Betreiben eines Linearmotorverdichters umfassend einen elektrischen Linearmotor, einen Zylinder sowie eine linearbewegliche Freikolbenanordnung mit einem Kolben, wobei der Zylinder und der Kolben eine Verdichtungskammer ausbilden, wobei die Freikolbenanordnung direkt vom Linearmotor
angetrieben wird und entlang eines Hubwegs zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt hin- und herbewegt wird, wobei der
Verdichtungskammer von Aussen ein Fluid zugeführt wird, wobei das zugeführte Fluid in der Verdichtungskammer verdichtet oder entspannt wird und anschliessend wieder nach Aussen abgegeben wird, wobei dem
Linearmotorverdichter zumindest eine Zustandsgrösse vorgegeben wird, und wobei der Linearmotor derart angesteuert wird, dass der
Linearmotorverdichter die vorgegebene Zustandsgrösse aufweist.
Die Aufgabe wird weiter insbesondere gelöst mit einem Linearmotorverdichter umfassend zumindest einen elektrischen Linearmotor, einen Zylinder sowie eine linearbewegliche Freikolbenanordnung mit zumindest einem Kolben, wobei der Zylinder und der Kolben zumindest eine Verdichtungskammer ausbilden, wobei die Freikolbenanordnung direkt vom Linearmotor
angetrieben ist, wobei die Verdichtungskammer über ein Auslassventil und ein Einlassventil Fluid leitend nach Aussen verbunden ist, wobei eine
Ansteuervorrichtung den Linearmotor derart angesteuert, dass die
Freikolbenanordnung mit einer vorgegebenen Zustandsgrösse zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt hin- und herbewegt wird.
Vorzugsweise wird als Zustandsgrösse zumindest ein Hubwegpunkt entlang des Hubs oder zumindest ein Hubwegzeitpunkt und diesem zugeordnet eine Sollgeschwindigkeit oder eine Sollbeschleunigung oder eine Sollkraft
vorgegeben. Vorzugsweise wird als vorbestimmte Zustandsgrösse eine Relation zwischen dem Hubweg der Freikolbenanordnung und deren Geschwindigkeit vorgegeben, nachfolgend auch als Geschwindigkeits-Weg-Verlauf bezeichnet. Dieser Geschwindigkeits-Weg-Verlauf kann zumindest einen Punkt umfassen, einen Hubweg und eine vorgegebene, zugeordnete Geschwindigkeit, und umfasst vorzugsweise eine Mehrzahl von Punkten, wobei jeder Punkt einen Stelle entlang des Hubwegs und eine dieser Stelle zugeordnete
Geschwindigkeit umfasst.
Vorteilhafterweise wird als Zustandsgrösse ein entlang zumindest eines
Teilabschnittes des gesamten Hubweges, und vorzugsweise ein entlang des gesamten Hubwegs einzuhaltender Weg-Sollwert-Verlauf, das heisst ein
Sollprofil betreffend Hubweg und Sollgeschwindigkeit, Sollbeschleunigung und/oder Sollkraft vorgegeben.
Vorteilhafterweise wird als Zustandsgrösse ein während einer Teilzeitdauer bzw. eines Teilabschnittes des gesamten Hubwegs, und vorzugsweise eine währen der Zeitdauer des gesamten Hubwegs erforderlichen Hubzeit
einzuhaltender Zeit- Sollwertverlauf, das heisst ein Sollprofil betreffend
Sollgeschwindigkeit, Sollbeschleunigung und/ oder Sollkraft in Funktion der Hubzeit vorgegeben.
Um während des Betriebes des Linearmotorverdichters die vorgegebene
Zustandsgrösse zu erlangen wird der Linearmotorverdichter vorteilhafterweise mit einer Regelungsstrategie betrieben, bei welcher die Freikolbenanordnung sich aufgrund der in der Verdichtungskammer wirkenden Kräfte und
gegebenenfalls zusätzlich noch einwirkenden Reibungskräften "frei” bewegen lässt, wobei der Linearmotor eine ansteuerbare Kraft auf die
Freikolbenanordnung ausüben kann und dadurch die freie Bewegung der Freikolbenanordnung von Aussen beeinflusst und vorzugsweise auf eine vorgegebene Weise beeinflusst. Vorzugsweise wird dem Linearmotor ein
Geschwindigkeitsprofil oder Kraftprofil in einer Wegabhängigkeit bzw. in einer Zeitabhängigkeit vorgegeben, wobei dieses Kraftprofil während dem Betrieb des Linearmotorverdichters durch einen Regelungseingriff modifiziert werden kann, um sicherzu stellen, dass die Freikolbenanordnung die vorgegebene Zustandsgrösse aufweist, bzw. dass sich das Verhalten der
Freikolbenanordnung auf Grund des Regelungseingriffs der vorgegebenen Zustandsgrösse annähert.
Bei einer vorteilhaften Regelstrategie wird die Weg-Zeit- Abhängigkeit der Bewegung der Freikolbenanordnung und somit die Weg-Zeit Abhängigkeit der Kolbenbewegung nicht direkt geregelt, das heisst es wird kein vorgegebener Weg-Zeit-Verlauf für die Bewegung der Freikolbenanordnung vorgegeben, sondern der Bewegungsverlauf der Freikolbenanordnung bzw. des Kolbens ergibt sich als Konsequenz aus dem verwendeten bzw. sich auf Grund der einwirkenden Kräfte ergebenden Kraftprofil. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird somit über die Vorgabe eines Kraftprofils letztendlich die vorgegebene Zustandsgrösse erreicht. Das verwendete Kraftprofil ist insbesondere an die entsprechende Anwendung und das entsprechende Betriebsverfahren des Linearmotorverdichters angepasst. Der Linearmotorverdichter kann als Anwendung beispielsweise als Verdichter oder als Expander eines Gases betrieben werden. Bevorzugt wird der Linearmotorverdichter zum Verdichten eines Gases betrieben. Bei der Anwendung als Verdichter kann das
Betriebsverfahren beziehungsweise das Kraftprofil beispielsweise dahingehend optimiert werden, dass die Freikolbenanordnung während der
Verdichtungsphase des Gases relativ schnell, insbesondere mit einer höheren mittleren Geschwindigkeit bewegt wird, und dass die Freikolbenanordnung während der anschliessenden Ausstossphase des Gases mit reduzierter Geschwindigkeit, insbesondere mit einer tieferen mittlere Geschwindigkeit bewegt wird, was den Strömungswiderstand beim Ausströmen des Gases aus der Verdichtungskammer reduziert. Somit ist es beispielweise möglich die Zeit für einen kompletten Zyklus der Verdichtung konstant zu halten, aber, indem die Verdichtungsphase schneller durchlaufen wird und die Ausstossphase langsamer durchlaufen wird, kann der Strömungswiderstand des Gases beim Ausströmen reduziert werden, und damit auch die Energie, welche erforderlich ist, um das Gas aus der Verdichtungskammer zu drücken. Auf Grund der vorgegebenen Zustandsgrösse kann die Freikolbenanordnung und somit der gesamte Linearmotorverdichter, abhängig von der erwünschten, zu optimierenden Grösse, auf unterschiedlichste Weise betrieben werden.
Nebst dem bereit beschriebenen Ausführungsbeispiel kann die Zustandsgrösse beispielsweise derart gewählt sei, dass die maximal vom Linearmotor abzugebende Kraft oder die maximal vom Linearmotor abzugebende Leistung begrenzt ist, oder die zum Betrieb des Linearmotorverdichters erforderliche Energie minimiert wird, indem dem Linearmotor während des Zyklus abschnittweise auch Energie entzogen wird und zeitversetzt wieder dem
Linearmotor zugeführt wird. Das erfindungsgemässe Verfahren weist daher den Vorteil auf, dass der Linearmotorverdichter mit einer Vielzahl möglicher, vorgegebener Zustandsgrössen betrieben werden kann. Ein aus dem Stand der Technik bekannter Hubkolbenverdichter, dessen Kolben von einem
Kolbentrieb über einen Kreuzkopf angetrieben wird, weist den Nachteil auf, dass die Bewegung des Kolbens starr an die Drehzahl der Kurbelwelle gekoppelt ist, und dass die Geschwindigkeit des Kolbens in Funktion des Drehwinkels der Kurbelwelle insbesondere auch durch die geometrische Anordnung von Kurbelwelle und Kreuzkopf bestimmt wird. Im Gegensatz dazu kann der erfindungsgemässe Linearmotorverdichter durch eine entsprechende Vorgabe einer Zustandsgrösse wie beispielsweise die Sollgeschwindigkeit, die Sollbeschleunigung oder die Sollkraft in Abhängigkeit des Hubs entsprechend dieser Vorgabe auf unterschiedlichste Weise und insbesondere unabhängig von durch eine Kurbelwelle vorgegebene Bewegungsabläufe betrieben werden. Zudem kann das Betriebsverfahren, je nach Erfordernis, auf eine Grösse wie Energieverbrauch, maximale Linearmotorleistung oder maximale
Linearmotorkraft optimiert werden.
Der Linearmotorverdichter kann eine einzige Verdichtungskammer umfassen. Besonders vorteilhaft umfasst der Linearmotorverdichter zwei
Verdichtungskammern, eine erste und eine zweite Verdichtungskammer. Die Freikolbenanordnung weist vorzugsweise an jeder der zwei in Hubrichtung beabstandeten Stirnseiten einen Kolben auf, wobei diese beiden Kolben von der Freikolbenanordnung gegenläufig bzw. gegengleich betrieben werden, sodass abwechslungsweise in der einen Verdichtungskammer, beispielsweise der erste Verdichtungskammer, ein Verdichten und anschliessend ein
Ausstossen eines Fluides, und in der anderen Verdichtungskammer, beispielsweise der zweiten Verdichtungskammer, gleichzeitig ein Entspannen und anschliessend ein Ansaugen des Fluides stattfindet, und umgekehrt.
Der Linearmotor bzw. die Freikolbenanordnung weist besonders bevorzugt eine Hublänge im Bereich zwischen 50 mm und 500 mm auf. Der Linearmotor weist in Hubrichtung nacheinander folgend angeordnet zumindest drei aktiv ansteuerbare Magnetpole auf, und vorzugsweise zwischen 5 bis 50 aktiv ansteuerbare Magnetpole, und besonders vorteilhaft zwischen 10 und 20 an steuerbare Magnetpole. Eine derartige Anzahl aktiv an steuerbarer
Magnetpole ergibt den Vorteil, dass die vom Linearmotor auf die
Freikolbenanordnung bewirkte Kraft während der Bewegung entlang des Hubweges in Funktion des Hubweges oder in Funktion der Zeit durch eine entsprechende selektive Anregung der einzelnen oder gruppenweise
geschalteten Magnetpole ansteuerbar ist. In einem vorteilhaften
Betriebsverfahren wird dem Linearmotor nur positive elektrische Leistung zugeführt, um dadurch die Freikolbenanordnung anzutreiben. In einem weiteren vorteilhaften Betriebsverfahren wird aus dem Linearmotor entlang zumindest eines Teilabschnittes des gesamten Hubweges elektrische Leistung abgeführt, sodass der Linearmotor innerhalb dieses Teilabschnitts eine
Bremswirkung erzeugt, um dadurch die Freikolbenanordnung durch den Linearmotor abzubremsen. Vorteilhafterweise ist die Bremswirkung bzw. die abgegebene Bremsleistung zudem noch in Abhängigkeit des Hubweges ansteuerbar. Der Linearmotor kann somit nur antreibend, oder antreibend und abbremsend, oder in einer Kombination von zumindest zwei der
Eigenschaften antreibend, abbremsend und neutral betrieben werden, wobei unter neutral verstanden wird, dass der Linearmotor weder eine antreibende noch eine bremsende Kraft bewirkt. In einem besonders vorteilhaften
Betriebsverfahren wird die vom Linearmotor abgeführte elektrische Leistung in einem elektrischen Speicher zwischengespeichert, und anschliessend dem Linearmotor zeitversetzt wieder zugeführt. Dies ermöglicht einen besonders energieeffizienten Betrieb des erfindungsgemässen Linearmotorverdichters.
Der Linearmotorverdichter wird vorzugsweise mit einer Drehzahl im Bereich zwischen 200 bis 1000 Umdrehungen pro Minute betrieben beziehungsweise mit einer Hubfrequenz von 200 bis 1000 Perioden bzw. Hin- und
Herbewegungen pro Minute betrieben.
Eine Periode der Bewegung der Freikolbenanordnung ist ein kompletter Zyklus einer Bewegung beginnend von einem Startpunkt, wobei einmal der obere Totpunkt und der untere Totpunkt der Kolbenbewegung durchlaufen wird.
Eine Periode einer Kolbenbewegung umfasst für die Bewegung vom unteren Totpunkt bis zum oberen Totpunkt eine Verdichtungsphase in der
Verdichtungskammer und anschliessend eine Ausstossphase, und umfasst anschliessend für die Bewegung vom oberen Totpunkt bis zum unteren
Totpunkt eine Entspannungsphase in der Verdichtungskammer und
anschliessend eine Ansaugphase für das zu fördernde Fluid. Der Startpunkt ist dabei grundsätzlich beliebig. Beispielsweise ist der Startpunkt der untere Totpunkt.
Die Freikolbenanordnung wird vorzugsweise mit einem vorbestimmten
Geschwindigkeits-Weg-Verlauf zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt hin- und herbewegt.
Vorzugsweise wird die Freikolbenanordnung ausgehend von einem unteren Totpunkt während einer Verdichtungsphase, bis zum Öffnungspunkt des Auslassventils, derart mit einem vorbestimmten Geschwindigkeits-Weg-Verlauf bewegt, dass der Linearmotor eine konstanten oder im Wesentlichen konstante Leistung abzugeben hat. Dies ergibt den Vorteil, dass während der
elektrischen Versorgung des Linearmotors keine hohen und allenfalls unvorhersehbaren Stromspitzen auftreten.
Vorzugsweise wird die Freikolbenanordnung ausgehend vom unteren Totpunkt während einer Verdichtungsphase bis zum Öffnungspunkt des Auslassventils und anschliessend während einer Ausstossphase bis zum Schliesspunkt des Auslassventils derart mit einem vorbestimmten Geschwindigkeits-Weg-Verlauf angetrieben wird, dass die mittlere Geschwindigkeit während der
Verdichtungsphase höher ist als während der Ausstossphase und/ oder dass die mittlere Geschwindigkeit während der Entspannungsphase höher ist als während der Ansaugphase.
In einer vorteilhaften Verfahren weist der vorbestimmten Geschwindigkeits- Weg-Verlauf oder der vorbestimmte Geschwindigkeits-Zeit-Verlauf der
Freikolbenanordnung zumindest im Bereich von einem der Schaltpunkte: Öffnen des Auslassventils, Schliessen des Auslassventils, Öffnen des
Einlassventils und Schliessen des Einlassventils eine im Vergleich zum übrigen Geschwindigkeits-Weg-Verlauf reduzierte Geschwindigkeit auf, sodass das sich bei reduzierter Geschwindigkeit der Freikolbenanordnung öffnende oder schliessende Auslass- oder Einlassventil mit reduzierter Geschwindigkeit bewegt wird. Die reduzierte Geschwindigkeit des sich öffnenden oder schliessenden Ventils hat vorzugsweise einen reduzierten Verschleiss des Ventils zur Folge, woraus sich vorteilhafterweise eine erhöhe Einsatzdauer bzw. Standzeit des Ventils ergibt.
In einem vorteilhaften Verfahren weist die Verdichtungskammer zwischen einem Schliesspunkt des Auslassventils und dem Öffnungspunkt des
Einlassventils einer Expansionsphase auf, wobei der Linearmotor derart angesteuert wird, dass dieser die Freikolbenanordnung während der gesamten Expansionsphase aktiv antreibt.
In einem vorteilhaften Verfahren wird das vom Linearmotorverdichter geförderte Volumen verändert, indem der maximale Hub des Linearmotors beziehungsweise der Ort des oberen Totpunkts und/ oder der Ort des unteren Totpunkts verändert wird, sodass das geförderte Volumen kurz oder auch langfristig verändert werden kann, indem dies z.B. reduziert oder erhöht wird.
In einem vorteilhaften Verfahren wird die Freikolbenanordnung während der Hin- und Herbewegung zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt zumindest abschnittweise abgebremst, indem der Linearmotor als Generator betrieben wird. Dadurch ist eine besonders schnelle
Geschwindigkeitsreduktion der Freikolbenanordnung möglich. Vorzugsweise wird die freiwerdende Bremsenergie in elektrische Energie gewandelt und für eine spätere Verwendung zwischengespeichert.
In einem vorteilhaften Verfahren wird die linearbewegliche Kolbenanordnung als Expander für ein Fluid betrieben, und der Linearmotor dabei zumindest während eines Teilabschnittes einer Bewegung in Hubrichtung X als Generator betrieben, indem der Verdichtungskammer Linearmotorverdichters nun als Expansionskammer genutzt wird, indem der Expansionskammer über das Auslassventil ein unter Druck stehendes Fluid zugeführt wird, das Fluid in der als Expansionskammer betriebenen Verdichtungskammer expandiert wird, und anschliessend über das Einlassventil ausgestossen wird, und indem die Freikolbenanordnung des als Generator betriebenen Linearmotors mit einem vorbestimmten Geschwindigkeits-Weg Verlauf oder einem vorbestimmten Geschwindigkeits-Zeit Verlauf hin- und herbewegt wird. Dabei wird in einem vorteilhaften Verfahren das Öffnen und Schliessen von Auslassventil und/ oder Einlassventil in Abhängigkeit der Stellung der Freikolbenanordnung aktiv angesteuert.
Vorteilhafterweise umfasst der Linearmotorverdichter zumindest einen elektrischen Linearmotor, einen Zylinder sowie eine linearbewegliche
Freikolbenanordnung mit zumindest einem Kolben, wobei der Zylinder und der Kolben zumindest eine Verdichtungskammer ausbilden, wobei die
Freikolbenanordnung direkt vom Linearmotor angetrieben wird, wobei die Verdichtungskammer über ein Auslassventil und ein Einlassventil Fluid leitend nach Aussen verbunden ist, wobei eine Ansteuervorrichtung den Linearmotor derart angesteuert, dass die Freikolbenanordnung vorzugsweise mit einem vorbestimmten Motor- und/oder Generatorleistungsverlauf zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt hin- und herbewegt wird.
Vorteilhafterweise umfasst der Linearmotorverdichter eine erste und eine zweite Verdichtungskammer, die bezüglich der Freikolbenanordnung
gegenläufig angeordnet sind, sodass diese gegengleich wirken. Vorteilhafterweise ist der Linearmotor des Linearmotorverdichters als Motor und/oder als Generator betreibbar, wobei die Ansteuervorrichtung den
Linearmotor derart ansteuert, dass die Freikolbenanordnung einen
vorbestimmten Geschwindigkeits-Weg-Verlauf oder einen vorbestimmten Geschwindigkeits-Zeit-Verlauf bei der Bewegung zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt aufweist.
Der Linearmotor umfasst zumindest drei Polpaare, und vorzugsweise zwischen 5 und 50 in Längsrichtung des Linearmotors verteilt bzw. gegenseitig
beabstandet angeordnete Polpaare.
Der Linearmotorverdichter umfasst zumindest einen elektrischen Linearmotor, einen Zylinder sowie eine linearbewegliche Freikolbenanordnung mit
zumindest einem Kolben, wobei der Zylinder und der Kolben zumindest eine Verdichtungskammer ausbilden, wobei die Freikolbenanordnung direkt vom Linearmotor angetrieben ist, wobei die Verdichtungskammer über ein
Auslassventil und ein Einlassventil Fluid leitend nach Aussen verbunden ist, wobei eine Ansteuervorrichtung den Linearmotor derart angesteuert, dass die Freikolbenanordnung mit einer vorgegebenen Zustandsgrösse Zsoii zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt hin- und herbewegt wird.
Der erfindungsgemässe Linearmotorverdichter weist den Vorteil auf, dass dieser in einer bevorzugten Ausgestaltung mit Ausnahme der Ventile und der Freikolbenanordnung keine beweglichen Teile aufweist, was die Lebensdauer und den Wirkungsgrad des Linearmotorverdichters verbessert, und zudem die Herstellungskosten, die Installation und die Wartung reduziert. Zudem ist der Linearmotorverdichter vorzugsweise ölfrei ausgestaltet, das heisst es ist kein Öl für Schmierzwecke erforderlich. Der erfindungsgemässe
Linearmotorverdichter ist insbesondere zum Verdichten von Gasen wie Erdgas, andere Kohlenwasserstoffe, Wasserstoff oder Luft geeignet. Der
erfindungsgemässe Linearmotorverdichter ist jedoch auch zum Expandieren von unter Druck stehenden Gasen geeignet, wobei insbesondere beim
Expandieren der Linearmotor zumindest zeitweise als Generator betrieben werden kann. Des Weiteren ist der erfindungsgemässe Linearmotorverdichter auch geeignet gleichzeitig ein Gas zu verdichten und ein Gas zu entspannen bzw. zu expandieren, indem in der einen Kammer des Linearmotorverdichters ein Gas entspannt wird und gleichzeitig in der anderen Kammer des
Linearmotorverdichters ein Gas komprimiert wird.
Eine Kombination des Linearmotors in einen Freikolbenverdichter ermöglicht den Bau eines kompakten Linearmotorverdichters. Durch die direkte mechanische Verbindung der beiden Systeme ist das statische und
dynamische Verhalten gekoppelt. Daher können eine gute Leistung und ein hoher Wirkungsgrad des Linearmotorverdichters vorzugsweise erreicht werden, wenn Verdichter und Linearmotor so ausgelegt sind, dass sie optimal Zusammenarbeiten und vorzugsweise im Bereich einer Resonanzfrequenz betrieben werden. Vorzugsweise unter solchen Betriebsbedingungen kann der Freikolbenverdichter seine Vorteile voll ausschöpfen. Ein Vorteil neben der kompakten Bauweise ist die Tatsache, dass der Kolben auf relativ einfache Weise und daher auch kostengünstig hermetisch gegen Aussen abgedichtet werden kann, weil die beiden Zylinder, in welchen sich die beiden Kolben befinden, kostengünstig dicht gegen Aussen ausgestaltet sein können, was ein Verdichtung von Gasen bei hohen Anforderungen an Umgebungsbedingungen ermöglicht, da am Linearmotorverdichter nur eine äusserst geringe oder keine Leckage des geförderten Gases auftritt. Vorteilhafterweise bilden die beiden Zylinder sowie der Stator des Linearmotors eine gasdichte Aussenhülle.
Außerdem sind keine Kurbelmechanismen erforderlich, wie diese bei konventionellen Kolbenverdichtern erforderlich sind. Dadurch entfallen schmierungsbedürftige Teile, die mechanische Energieumwandlungsverluste aufweisen. Durch die Möglichkeit auf Schmierstoffe zu verzichten ist der erfindungsgemässe Linearmotorverdichter auch für Anwendungen mit hohen Reinheitsanforderungen geeignet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand vorteilhafter
Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch einen Linearmotorverdichter sowie das zugehörige Druck- Volumen-Diagramm;
Fig. 2 schematisch einen Längsschnitt eines weiteren, doppelwirkenden
Linearmotorverdichters;
Fig. 3 schematisch einen Längsschnitt entlang der Schnittlinie F-F durch den Linearmotor des Linearmotorverdichters gemäss Fig. 2;
Fig. 4 schematisch einen Querschnitt entlang der Schnittlinie E-E durch den Linearmotor des Linearmotorverdichters gemäss Fig. 3;
Fig. 5 vier Diagramme eines Betriebsverfahrens eines leerlaufenden
Linearmotorverdichters aufzeigend Hub, Geschwindigkeit,
Beschleunigung sowie Motorkraft in Funktion der Zeit;
Fig. 6 vier Diagramme eines weiteren Betriebsverfahrens eines leerlaufenden Linearmotorverdichters aufzeigend Hub, Geschwindigkeit,
Beschleunigung sowie Motorkraft in Funktion der Zeit;
Fig. 7 ein Geschwindigkeits-Weg-Diagramm der beiden Kolben des
Linearmotorverdichters nach Figur 2 gemäss eines ersten
Betriebsverfahrens;
Fig. 8 ein Geschwindigkeits-Weg-Diagramm gemäss eines zweiten
Betriebsverfahrens;
Fig. 9 ein Geschwindigkeits-Weg-Diagramm gemäss eines dritten
Betriebsverfahrens;
Fig. 9a ein Detailaspekt des dritten Betriebsverfahrens;
Fig. 9b ein weiterer Detailaspekt des dritten Betriebsverfahrens;
Fig. 10 eine Ansteuervorrichtung für einen Linearmotorverdichter gemäss Fig.
2.
Grundsätzlich sind in den Zeichnungen gleiche Teile mit gleichen
Bezugszeichen versehen.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt schematisch einen Linearmotorverdichter 1 umfassend einen
Linearmotor 14 sowie umfassend einen doppelwirkenden Hubkolbenverdichter 15. Der Hubkolbenverdichter 15 umfasst einen Zylinder 2, in welchem ein linear beweglicher Kolben 3 angeordnet ist, der über eine Kolbenstange 9 direkt mit dem Linearmotor 14 verbunden und von diesem direkt angetrieben ist. Unter direkt verbunden oder direkt angetrieben wird hierin verstanden, dass zwischen dem Kolben 3 und dem Linearmotor 14 kein Getriebe
angeordnet ist, sodass die Kraft zwischen Linearmotor 14 und Kolben 3 direkt und somit ohne dazwischen geschaltetes Getriebe übertragen wird. In einer möglichen Ausgestaltung könnte zwischen dem Kolben 3 und dem
Linearmotor 14 zudem eine flexible Kupplung angeordnet sein, welche vorzugsweise eine unabhängige Ausrichtung von Kolben 3 und Linearmotor 14 erlaubt. Der Zylinderinnenraum 5 wird durch den Kolben 3 in eine erste Verdichtungskammer 5a und eine zweite Verdichtungskammer 5b unterteilt, wobei die erste und die zweite Verdichtungskammer 5a, 5b, bedingt durch die geometrische Anordnung, während des Betriebs gegenläufig betrieben werden. Die erste sowie die zweite Verdichtungskammer 5a, 5b sind jeweils über ein Einlassventil 7a, 7b sowie über ein Auslassventil 6a, 6b Fluid leitend mit einem Aussenraum ausserhalb des Zylinderinnenraums 5 verbunden.
Üblicherweise sind nach den Ventilen 6a, 6b, 7a, 7b, wie in Figur 1
andeutungsweise dargestellt, Fluidleitungen angeordnet, welche das Fluid an nachgeordnete Vorrichtungen weiterleiten oder vor vorgeordneten
Vorrichtungen zuführen. Aus der Vielzahl möglicher Kolbenstellungen, die der Kolben 3 während dessen Betrieb im Zylinderinnenraum 5 annehmen kann, zeigt Figur 1 drei beispielhafte Stellungen des Kolbens 3, eine erste
Kolbenstellung 3a beim unteren Totpunkt XUTP, einer zweite Kolbenstellung 3c beim oberen Totpunkt XOPT, sowie einer dritten Kolbenstellung 3b, wobei die dritte Kolbenstellung 3b derjenigen Stellung entspricht, bei welcher das Auslassventil 6a idealerweise im Öffnungspunkt B geöffnet wird. Auf Grund vorhandener Reibung wird das Auslassventil 6a üblicherweise leicht später bzw. bei einem leicht höheren Druck als der in Fig 1 dargestellte Druck Pa geöffnet, das heisst im Bereich des dargestellten Öffnungspunkts B.
Oberhalb des Hubkolbenverdichters 15 ist das zugehörige, idealisierte p-V- Diagramm, auch als Druck-Volumen-Diagramm bezeichnet, dargestellt, das den Druck P eines vom Hubkolbenverdichter 15 in der ersten Verdichtungskammer 5a komprimierten Gases in Funktion des Volumens der ersten Verdichtungskammer 5a zeigt. Die erste Verdichtungskammer 5a weist ein Hubvolumen VH, ein Saugvolumen Vs sowie ein Totraumvolumen Vtot auf, wobei sich das Volumen V gegen rechts vergrössert. Dasselbe Diagramm stellt auch den Druck P des Gases in der ersten Verdichtungskammer 5a in
Funktion des Hubs X des Kolbens 3 dar, wobei sich der Hub X im
dargestellten Diagramm gegen link positiv vergrössert, sodass die positive Richtung des Hubs X gegen links verläuft. Figur 1 zeigt den Kolben 3 in der ersten Kolbenstellung 3a, bei welcher sich der Kolben 3 im unteren
Totpunktes XUTP befindet, wobei das Gas in der ersten Verdichtungskammer 5a einen Saugdruck Ps aufweist. Nachfolgend wird der Verlauf des
idealisierten p-V-Diagramms kurz erklärt. Ausgehend vom unteren Totpunkt XUTP wird der Kolben 3 in positiver X-Richtung bewegt, wobei das Einlassventil 7a auf Grund des zunehmenden Drucks in der ersten Verdichtungskammer 5a idealisiert beim Schliesspunkt A selbsttätig geschlossen wird, und das sich in der ersten Verdichtungskammer 5a befindliche Gas währen einer
Verdichtungsphase BA auf einen Auslassdruck Pa verdichtet wird, wobei das Auslassventil 6a beim Auslassdruck Pa, das heisst idealisiert beim
Öffnungspunkt B selbsttätig geöffnet wird. Während der anschliessenden Ausstoss- oder Ausschubphase BC wird der Kolben 3 zum oberen Totpunkt XOTP hin bewegt, sodass das sich in der ersten Verdichtungskammer 5a befindliche Gas über das Auslassventil 6a ausgestossen wird, bis der Kolben 3 die Stellung des oberen Totpunkts XOTP erreicht hat, und das Auslassventil 6a idealisiert beim Schliesspunkt C geschlossen wird. Während der
anschliessenden Entspannungsphase CD wird der Kolben 3 in Richtung zum unteren Totpunkt XUTP hin bewegt, wobei das sich noch in der ersten
Verdichtungskammer 5a befindliche Restgas auf einen Saugdruck Ps entspannt wird, sodass das Einlassventil 7a idealisiert beim Öffnungspunkt D selbsttätig geöffnet wird. Während der anschliessenden Ansaugphase DA wird Gas über das Einlassventil 7a in die erste Verdichtungskammer 5a angesaugt, bis der Kolben 3 den unteren Totpunktes XUTP erreicht hat, und das
Einlassventil 7a idealisiert beim Schliesspunkt A geschlossen wird. Der Begriff idealisiert im Zusammenhang mit den Punkten A, B, C und D bringt zum Ausdruck, dass diese Punkte im realen Betrieb, bedingt zum Beispiel durch vorhandene Reibungen der Ventile, nicht genau an den in Figur 1 angegebenen Positionen liegen sondern in einem nahen Bereich um die Punkte.
Während des Betriebs des Hubkolbenverdichters 15 wird der in Figur 1 dargestellte, zwischen den Punkten A, B, C und D ablaufende Prozess, ständig wiederholt. Derselbe Prozess läuft zudem in der zweiten Verdichtungskammer 5b derart gegenläufig ab, dass sich die zweite Verdichtungskammer 5b in der Entspannungsphase oder der Saugphase befindet, während sich die erste Verdichtungskammer 5a in der Verdichtungsphase oder der Ausstossphase befindet, und umgekehrt.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung öffnen und schliessen sich die Einlassventile 7a, 7b und die Auslassventile 6a, 6b selbsttätig. Es kann sich jedoch auch als vorteilhaft erweisen die Einlassventile 7a, 7b und/oder die Auslassventil 6a, 6b angesteuert zu öffnen und/oder zu schliessen. Dies ist insbesondere dann erforderlich, wenn der Linearmotorverdichter 1 zum
Entspannen eines unter einem Druck Pa stehenden Gases verwendet wird, indem der in Figur 1 dargestellte Kreisprozess in Umgekehrter Richtung durchlaufen wird, das heisst entlang der Punkte A,D,C und B zurück zu A, indem das Auslassventil 6a angesteuert geöffnet wird, und Gas unter dem Druck Pa in die ersten Verdichtungskammer 5a einströmt und diese
vergrössert, indem sich der Kolben 3 entlang der Linie CB bewegt, bis das Auslassventil 6 im Punkt B geschlossen wird, und das sich in der ersten Verdichtungskammer 5a befindliche Gas entlang der Linie BA entspannt wird, bis der Kolben 3 den unteren Tiefpunkt XUTP erreicht hat, beziehungsweise das Einlassventil 7a im Punkt A angesteuert geöffnet wird. Danach wird der Kolben 3 entlang der Linie AD bewegt, das Gas aus der ersten
Verdichtungskammer 5a ausgestossen, und das Einlassventil 7a im Punkt D angesteuert geschlossen. Das sich in der ersten Verdichtungskammer 5a befindliche Restgas wird entlang der Linie DC auf einen Druck Pa komprimiert und das Auslassventil 6 im Punkt C angesteuert geöffnet, sodass wiederum Gas unter Druck Pa in die erste Verdichtungskammer 5a strömt. Besonders vorteilhaft wird der vorhin beschriebene Kreisprozess in Richtung der nacheinander folgenden Punkte A, D, C und B mit einem doppelwirkenden Hubkolbenverdichter 15 aufweisend eine erste und eine zweite
Verdichtungskammer 5a, 5b betrieben, wie in Figur 1 dargestellt. Der
Kreisprozess in Richtung der nacheinander folgenden Punkte A, D, C und B weist den Vorteil auf, dass der Linearmotor 14 als Lineargenerator betreibbar ist, sodass durch das beschriebene Entspannen des Gases mechanische Energie in elektrische Energie umwandelbar ist. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Linearmotorverdichter 1 somit je nach Bedarf zum Verdichten oder zum Entspannen eines Fluides, oder in einem Mischbetrieb mit zeitweise Verdichten und zweiweise Entspannen des Fluides betrieben werden, wobei dem Linearmotor 15 abhängig von der Betriebsart elektrische Energie zugeführt wird oder elektrische Energie abgeführt wird. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Linearmotorverdichter 1 auch derart betrieben werden, dass jeweils ein Fluid in der ersten
Verdichtungskammer 5a verdichtet und ein Fluid in der zweiten
Verdichtungskammer 5b entspannt wird, sodass die in der ersten
Verdichtungskammer 5a freigesetzte Entspannungsenergie zur Kompression des sich in der zweiten Verdichtungskammer 5b befindlichen Fluids verwendet werden kann.
Der Linearmotorverdichter 1 kann auch umgekehrt betrieben werden, indem ein Fluid in der ersten Verdichtungskammer 5a verdichtet und in der zweiten Verdichtungskammer 5b entspannt wird, nach Bedarf zum Verdichten oder zum Entspannen Dem Linearmotor 15 kann abhängig von der Betriebsart elektrische Energie zugeführt oder elektrische Energie abgeführt werden, oder kann ohne Zufuhr elektrischer Energie im Leerlauf betrieben werden.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform des Hubkolbenverdichters 15 könnte auf die zweite Verdichtungskammer 5b verzichtet werden, sodass der Hubkolbenverdichter 15 nur eine erste Verdichtungskammer 5a jedoch keine zweite gegengleich betreibbare Verdichtungskammer 5b aufweist.
Die Figuren 2 bis 4 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
Linearmotorverdichters 1. Dieser Linearmotorverdichter 1 umfasst eine
Freikolbenanordnung 16, umfassend einen Linearmotorläufer 10 sowie einen ersten Kolben 3 und einen zweiten Kolben 4. Ein Stator 8 bildet zusammen mit dem Linearmotorläufer 10 einen linearen Permanentmagnet- Synchronmotor 14. Der Linearmotorverdichter 1 umfasst einen Zylinder 2 mit zwei Zylinderinnenräumen 5, wobei eine erste Verdichtungskammer 5a durch einen ersten Zylinder 2a und den ersten Kolben 3 ausgebildet ist, und wobei eine zweite Verdichtungskammer 5b durch einen zweiten Zylinder 2b und den zweiten Kolben 4 ausgebildet ist. Die erste Verdichtungskammer 5a ist über ein erstes Auslassventil 6a sowie ein erstes Einlassventil 7a Fluid leiten nach Aussen verbunden. Die zweite Verdichtungskammer 5b ist über ein zweites Auslassventil 6b sowie ein zweites Einlassventil 7b Fluid leiten nach Aussen verbunden. Die erste und die zweite Verdichtungskammer 5a, 5b werden über die Freikolbenanordnung 16 gegenläufig betrieben. Vorzugsweise sind am ersten und zweiten Kolben 3,4 zudem Dichtungsringe und/oder Lagerringe angeordnet, zum Lagern der Freikolbenanordnung 16 innerhalb der
Linearmotorverdichters 1, sowie zum Abdichten der Kolben 3,4 bezüglich der Verdichtungskammern 5a, 5b, wobei solche Ringe allgemein bekannt sind und in Figur 2 nicht dargestellt sind. Die Kolben 3,4 könnten auch als
Labyrinthkolben ausgestaltet sein, sodass auf Dichtungsringe verzichtet werden kann, weil die Labyrinthstruktur an der Oberfläche des Kolbens 3,4 die Dichtfunktion bewirkt. Figur 3 zeigt einen Längsschnitt entlang der Schnittlinie F-F durch den linearen Permanentmagnet- Synchronmotor 14 umfassend einen Stator 8 mit laminierten Statorsegmenten 8a, umfassend eine Mehrzahl von vorzugsweise individuell ansteuerbaren Statorwicklungen 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f zum Erzeugen von aktiv ansteuerbaren
Magnetpolen 13a - 13f bzw. Magnetfeldern, und umfassend einen
Linearmotorläufer 10 mit einer Mehrzahl von in Längsrichtung gegenseitig beabstandet angeordneten Permanentmagneten 10a, wobei der
Linearmotorläufer 10 Teil der Kolbenstange 9 bildet. Die Kolbenstange 9 umfasst Befestigungsabschnitte 9a, mit welchen der erste bzw. der zweite Kolben 3,4 verbunden ist. Zudem umfasst der lineare Permanentmagnet- Synchronmotor 14 vorteilhafterweise zwei Radiallager 1 1 zum Führen der Kolbenstange 9. Figur 4 zeigt einen Schnitt entlang der Schnittlinie E-E durch den linearen Permanentmagnet-Synchronmotor 14, mit einem Schnitt durch das
Statorsegment 8 und die zweite Statorwicklung 12b, sowie einem Schnitt durch die Kolbenstange 9 und den Permanentmagneten 10a.
Als Linearmotor 14 ist beispielsweise auch ein Permanentmagnetmotor, ein Asynchronmotor oder ein Reluktanzmotor geeignet. Der Linearmotor 14 und somit auch die angetriebenen Kolben 3,4 weist vorteilhafterweise einen maximalen Hub XL im Bereich zwischen 50 mm bis 500 mm auf. Der
Linearmotor 14 erlaubt somit relativ langhubige Bewegungen.
Der in den Figuren 2 bis 4 dargestellte Linearmotor 14 umfasst sechs aktiv ansteuerbare Magnetpole 13a - 13f, wobei jeder Pol von einer Statorwicklung 12a - 12f umgeben ist, wobei vorzugsweise jede Statorwicklung 12a - 12f individuell ansteuerbar ist. Der Linearmotor 14 weist vorzugsweise zwischen drei und zehn aktiv ansteuerbare Magnetpole 13a - 13f, oder vorzugsweise zwischen 10 bis 50 aktiv ansteuerbare Magnetpole 13a - 13f auf. Die Anzahl aktiv ansteuerbarer Magnetpole 13a - 13f ist insbesondere abhängig von der Länge des maximalen Hubs XL. Die Anzahl aktiv ansteuerbarer Magnetpole 13a - 13f kann auch einen Einfluss haben wie präzise die vom Stator 8 auf den Linearmotorläufer 10 bewirkte Kraft in Funktion der Zeit beziehungsweise in Funktion des Hubes X ansteuerbar ist.
Figur 5 zeigt beispielhaft Kennlinien 30 bis 33 einer möglichen Ansteuerung eines wie in Figur 1 oder in Figur 2 dargestellten Linearmotors 14, wobei die dargestellten Kennlinien den Fall zeigen, bei welchem der Linearmotor 14 nicht mit dem Hubkolbenverdichter 15 verbunden ist, sondern nur allein und unabhängig vom Hubkolbenverdichter 15 betrieben wird. Die Kennlinie 30 zeigt den Hub X des Linearmotors 14 in Funktion der Zeit t während eines kompletten Zyklus vom unteren Totpunkt XUTP zum oberen Totpunkt XOTP und zurück. Die Kennlinie 31 zeigt die Geschwindigkeit des Linearmotorläufers 10 in Funktion der Zeit t, wobei der Linearmotor 14 derart angesteuert wird, dass die Geschwindigkeit des Linearmotorläufers 10 in Funktion der Zeit im
Abschnitt 31a linear zunimmt, im Abschnitt 31b konstant ist, in Abschnitt 13c linear abnimmt und im Abschnitt 13d null ist, sodass der Linearmotorläufer 10 im Stillstand ist. Beim Stillstand des Linearmotorläufer 10 hat dieser, wie aus der Kennlinie 30 ersichtlich, den oberen Totpunkt XOTP erreicht. Bei der Rückbewegung zum unteren Totpunkt XUTP nimmt die Geschwindigkeit des Linearmotorläufers 10 im Abschnitt 31e mit negativem Vorzeichen linear zu, bleibt im Abschnitt 3 lf konstant, und nimmt im Abschnitt 13g linear ab, bis der Linearmotorläufer 10 beim unteren Totpunkt XUTP zum Stillstand gelangt. Die Kennlinie 32 zeigt die Beschleunigung des Linearmotorläufers 10 in Funktion der Zeit t, wobei der Linearmotorläufer 10 in den Abschnitt 32a und 32g mit konstanter, positiver Beschleunigung beschleunigt wird, in den Abschnitten 32c, 32e mit konstanter negativer Beschleunigung abgebremst wird, und in den Abschnitten 32b, 32d und 32f ohne Beschleunigung bewegt wird. Die Kennlinie 33 zeigt die vom Linearmotor 14 auf den Linearmotorläufer 10 bewirkte Kraft in Funktion der Zeit t, wobei im Abschnitt 33a eine konstante Beschleunigungskraft anliegt, wobei im Abschnitt 33b eine geringe konstante Kraft anliegt zur Überwindung der beim Bewegen der
Linearmotorläufers 10 anliegenden Reibungskräfte, und wobei im Abschnitt 33c eine negative Kraft anliegt um den Linearmotorläufer 10 beim oberen Totpunkt XOTP zum Stillstand zu bringen. Während des Stillstands, das heisst während des Abschnitts 33d, liegt keine Beschleunigung an. Danach wird der Linearmotorläufer 10 im Abschnitt 33e durch eine konstante Kraft wieder beschleunigt, durch die im Abschnitt 33f wirkende geringe konstante Kraft zur Überwindung der anliegenden Reibungskräfte in Bewegung gehalten, und durch die im Abschnitt 33g wirkende, konstante Kraft beim unteren Totpunkt XUTP bis zum Still abgebremst. Während den Abschnitten 33c und 33g bremst der Linearmotor 14 den Linearmotorläufer 10 ab, wobei die dabei freigesetzte Energie in Wärme umgewandelt werden kann, wobei der Linearmotor 14 vorzugsweise während den Abschnitten 33c und 33g als Generator betrieben wird, und die dabei freigesetzte elektrische Energie in einem Energiespeicher, vorzugsweise in der Ansteuervorrichtung zwischengespeichert wird.
Der Linearmotor 14 kann über eine entsprechende Ansteuerung durch eine Vielzahl von Möglichkeiten in Funktion der Zeit t oder des Hubs X angesteuert werden, wobei vorzugsweise zumindest eine der Kennlinien von Hub, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Motorkraft in Funktion der Zeit t vorgegeben wird, wobei die Ansteuervorrichtung den Linearmotor 14 derart ansteuert, dass sich dieser zumindest annähernd entsprechend der
vorgegebenen Kennlinie bewegt. Die Figur 6 zeigt ein weiteres Beispiel einer Ansteuerung des Linearmotors 14. Die Kennlinie 34 zeigt den Hub X des Linearmotors 14 in Funktion der Zeit t während eines kompletten Zyklus. Die Kennlinie 35 zeigt die Geschwindigkeit, die Kennlinie 36 die Beschleunigung und die Kennlinie 37 die Motorkraft des Linearmotors 14 in Funktion der Zeit t. Bis zum Zeitpunkt ti weist der Kennlinienverlauf gemäss Figur 6 einen ähnlichen Verlauf auf wie der Kennlinienverlauf gemäss Figur 5, wobei die Zeitachse in Figur 6 wesentlich kürzer ist, d.h. die Bewegung in Figur 6 wesentlich schneller abläuft, was auch daraus erkennbar ist, dass die Werte für Geschwindigkeit, Beschleunigung und Motorkraft in Figur 6 im Vergleich zu Figur 5 wesentlich höher sind.
Die in Figur 6 zwischen dem Zeitpunkt ti und dem Gesamtzykluszeitpunkt T, dem Abschluss des kompletten Zyklus, dargestellten Kennlinienverläufe zeigen ein weiteres Ansteuerungsbeispiel des Linearmotors 14. Diese
Ansteuerverfahren weist den Vorteil auf, dass alle Kennlinien 34, 35, 36, und 37 zwischen dem Zeitpunkt t2 und dem Zeitpunkt t3 sich kontinuierlich verändern und dabei keine Knickstellen aufweisen, was zur Folge hat, dass der Linearmotor 14 sanfter betrieben wird, da Knickstellen üblicherweise eine schlagartige Veränderung des Betriebsverhaltens verursachen, was eine erhöhte mechanische Belastung zur Folge hat. Das in Figur 6 dargestellte Ansteuerungsbeispiel ist nur ein Beispiel aus einer Vielzahl von Möglichkeit den Linearmotor 14 anzusteuern. Die Möglichkeit den Linearmotor 14 mit einer Vielzahl unterschiedlicher Kennlinienverläufe in Funktion der Zeit zu betreiben ergibt den Vorteil, dass ein Hubkolbenverdichter 15, der von einem solchen Linearmotor 14 angetrieben ist, in einer Vielzahl von Möglichkeiten betreibbar ist. Vorzugsweise wird der Linearmotor 14 derart betrieben, dass der linearbeweglichen Freikolbenanordnung 16 zumindest eine
Zustandsgrösse Zsoii in Funktion der Zeit t oder in Funktion des Hubes X vorgegeben wird, wobei der Linearmotor 14 derart geregelt angesteuert wird, dass die Freikolbenanordnung 16 die vorgegebene Zustandsgrösse Zsoii aufweist oder zumindest annäherungsweise einnimmt. Diese Ansteuerverfahren erlaubt es den Betrieb des Linearmotorverdichter 1 zum Beispiel bezüglich vorgebbarer Kennzahlen zu optimieren, indem
beispielsweise die maximal vom Linearmotor 14 abzugebende Kraft, die maximal zum Betrieb des Linearverdichters 1 erforderliche Leistung, die maximal auftretende Beschleunigung und/ oder die maximal auftretende Geschwindigkeit vorgegeben wird, welche während des Betriebs nicht überschritten werden darf.
Wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt umfasst der Linearmotorverdichter 1 einen elektrischen Linearmotor 14 sowie einen von diesem angetriebenen Hubkolbenverdichter 15. Die Gesamtdynamik der Bewegung des
Linearmotorverdichters 1 wird somit im Wesentlichen bestimmt durch die Dynamik des Linearmotors 14 in Kombination mit der Dynamik des mit dem Linearmotor 14 verbundenen Hubkolbenverdichters 15, wobei die
Gesamtdynamik im Wesentlichen bestimmt wird durch die angreifenden Trägheitskräfte, durch die vom Linearmotor 14 bewirkten elektromagnetischen Kräfte, durch die vom Hubkolbenverdichter 15 verursachten bzw. im
Hubkolbenverdichter 15 wirkenden Gaskräfte, sowie durch die Bewegung des Kolbens und des Linearmotors 14 verursachten Reibungskräfte.
Nachfolgend wird die Dynamik der Bewegung der Freikolbenanordnung 16 näher beschrieben, indem eine Bewegungsgleichung aufgestellt wird.
Wie in Figur 2 dargestellt, werden die beiden Kolben 3,4 durch die vom
Linearmotor 14 bewirkte Kraft in einer in Hubrichtung X verlaufenden Hin- und Herbewegung angetrieben. Der erste Kolben 3 bewegt sich in eine positive Hubrichtung X im Bereich zwischen dem unteren Totpunkt XUTP und dem oberen Totpunkt XOTP hin und her. Der zweite Kolben 4 bewegt sich
gegenläufig zum ersten Koben 3 und, wie in Fig 2 dargestellt, in einer positiven Hubrichtung X, im Bereich zwischen dem oberen Totpunkt XOTP und dem unteren Totpunkt XUTP. Da die beiden Kolben 3,4 gegenläufig bewegt werden, wird die Bewegungsanalyse der Freikolbenanordnung 16 nur für den Zyklus des ersten Kolbens 3 betrachtet, der sich in positiver X-Richtung vom unteren Totpunkt XUTP zum oberen Totpunkt XOTP und wieder zurück zum unteren Totpunkt XUTP bewegt. Nach diesem vereinfachten Modell lautet die Gleichung für die zum Bewegen der Freikolbenanordnung 16 durch den Linearmotor 14 aufzubringende Antriebskraft FLM wie folgt:
mg "x = FLM + Fpr - Fpi - Ffr - Ffi wobei mg die Gesamtmasse der Freikolbenanordnung 16 ist, x die
Verschiebung bzw. der Hub der Freikolbenanordnung ist, Fpr und Fpi die Kräfte sind, welche durch den Gasdruck in der rechten, zweiten bzw. der linken, ersten Verdichtungskammer 5b, 5a auf den ersten bzw. zweiten Kolben 3,4 einwirken, und F& und Fn die Reibungskräfte des rechten, zweiten Kolbens 4 bzw. des linken, ersten Kolbens 3 sind.
Die durch den Gasdruck auf den ersten bzw. zweiten Kolben 3,4 bewirkte Kraft kann entsprechend der folgenden Gleichung berechnet werden:
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wobei dp der Durchmesser des ersten bzw. zweiten Kolbens 3,4 und Pi der Gasdruck in der zweiten, rechten Verdichtungskammer 5b (i = 1) bzw. im der ersten, linken Verdichtungskammer 5a (i = r) ist.
In Anbetracht der bekannten Gesamtdynamik des Linearmotorverdichters 1 kann der Ansteuervorrichtung eine Zustandsgrösse Zsoii vorgegeben werden, wobei die Ansteuervorrichtung den Linearmotor 14 derart angesteuert, dass der Linearmotorverdichter 1 die vorgegebene Zustandsgrösse Zsoii zumindest annäherungsweise aufweist.
Als Zustandsgrösse Zsou kann im einfachsten Fall ein Hubwegpunkt Xi, das heisst ein definierter Punkt entlang des Hubs X, und diesem Hubwegpunkt zugeordnet eine Sollgeschwindigkeit vsoii und / oder eine Sollbeschleunigung asoii und/oder eine Sollkraft Fsoii der Freikolbenanordnung 16 vorgegeben werden. Anstelle des Hubwegpunktes Xi könnte auch ein Hubwegzeitpunkt TLI vorgegeben werden, das heisst ein definierter Zeitpunkt innerhalb der
Gesamtzykluszeit T, wobei als Referenz der Zeitmessung vorzugsweise der untere Totpunkt XUTP verwendet wird. Als Zustandsgrösse Zsoii kann somit im einfachsten Fall auch ein Hubwegzeitpunkt TLI und diesem zugeordnet eine Sollgeschwindigkeit vsoii und/ oder eine Sollbeschleunigung asoii und/ oder eine Sollkraft Fson der Freikolbenanordnung 16 vorgegeben werden. Falls es, wie in Figur 9 dargestellt, zum Beispiel darum geht sicherzu stellen, dass die
Geschwindigkeit der Freikolbenanordnung 16 im Bereich der Punkte B und D reduziert ist, so würde eine Zustandsgrösse Zsoii genügen, welche am
Hubwegpunkt Xi die Geschwindigkeit vsoii und am Hubwegpunkt X2 die Geschwindigkeit -vSoii vorgibt. Auf ähnliche Weise könnte natürlich auch eine Sollbeschleunigung asoii und / oder eine Sollkraft Fsoii an einem Hubwegpunkt vorgegeben werden.
Vorteilhafterweise wird als Zustandsgrösse Zson ein entlang zumindest eines Teilabschnittes des Hubweges X, und vorzugsweise ein entlang des gesamten Hubwegs XL einzuhaltender Verlauf der Zustandsgrösse Zsoii vorgegeben.
In einem weiteren vorteilhaften Verfahren wird als Zustandsgrösse Zsoii ein während einem Teil der Gesamtzykluszeit T und vorzugsweise ein während der Gesamtzykluszeit T einzuhaltender Verlauf der Zustandsgrösse Zsoii
vorgegeben.
In einem weiteren vorteilhaften Verfahren wird als Zustandsgrösse Zsoii ein Geschwindigkeits-Weg-Verlauf zwischen dem unteren Totpunkt XUTP und dem oberen Totpunkt XOTP und/ oder dem oberen Totpunkt XOTP und dem unteren Totpunkt XUTP vorgegeben, gemäss dem die Freikolbenanordnung 16 während des Betriebs des in Figur 2 dargestellten Linearmotorverdichters 1 hin- und herbewegt wird. Figur 7 zeigt ein Beispiel eines solchen Betriebsverfahrens des Linearmotorverdichters 1 umfassend sowohl den Linearmotor 14 als auch den Hubkolbenverdichter 15. Figur 7 zeigt als Zustandsgrösse Zsoii
Geschwindigkeits-Weg-Verläufe Gi, G2, G3, G4 gemäss einem
erfindungsgemässen Betriebsverfahren, das mit Hilfe von Figur 2 erklärt wird. Das Diagramm gemäss Figur 7 zeigt auf der linken Seite, links vom Punkt A, die Bewegung des ersten Kolbens 3, der ausgehend vom Punkt A, dem unteren Totpunkt Xpru , sich gemäss dem Verlauf Gi über den in Figur 1 dargestellten Punkt B zum Punkt C bewegt, dem oberen Totpunkt XOTP, und der sich gemäss dem Verlauf G2 über den Punkt D wieder zurück zum Punkt A, dem unteren Totpunkt XFTU bewegt. Das Diagramm gemäss Figur 7 zeigt auf der rechten Seite, rechts vom Punkt A, als Zustandsgrösse Zson die
Geschwindigkeits-Weg-Verläufe G3, G4 des zweiten Kolbens 4. Da der zweite Kolben 4 gegenläufig zum ersten Kolben 3 bewegt wird, führt der zweite Kolben 4 bezüglich dem ersten Kolben 3 eine gegengleiche Bewegung aus, indem der zweite Kolben 4 ausgehend vom Punkt C, dem oberen Totpunkt XOTP , sich gemäss dem Verlauf G3 über den in Figur 1 dargestellten Punkt D zum Punkt A bewegt, dem unteren Totpunkt XUTP, und der sich gemäss dem Verlauf G4 über den Punkt B wieder zurück zum Punkt C, dem oberen Totpunkt XOTP , bewegt. Da der erste und der zweite Kolben 3,4 fest miteinander verbunden sind und daher dieselbe Geschwindigkeit aufweisen, mit Ausnahme des unterschiedlichen Vorzeichens der Geschwindigkeit, weisen die Verläufe Gi und G3 ansonsten einen identischen Verlauf auf. Aus denselben Gründen weisen auch die Verläufe G2 und G4, mit Ausnahme des unterschiedlichen Vorzeichens der Geschwindigkeit, einen identischen Verlauf aus. Vorzugsweise wird der Linearmotorverdichter 1 zwischen dem unteren Totpunkt XUTP und dem oberen Totpunkt XOTP sowie auf dem Rückweg zwischen dem obere Totpunkt XOTP und dem unteren Totpunkt XUTP mit derselben Zustandsgrösse Zsoii beziehungsweise mit demselben Geschwindigkeits-Weg-Verlauf bewegt, sodass alle Verläufe, mit Ausnahme der unterschiedlichen Vorzeichen betreffen Geschwindigkeit, denselben Verlauf Gi, G2, G3, G4 aufweisen. Wie in Figur 7 dargestellt, weist der erste Kolben 3 zwischen den Punkten A und B, der Verdichtungsphase AB, eine erste mittlere Geschwindigkeit Vmi auf, und weist der Kolben 3 zwischen den Punkten B und C, der Ausstossphase BC, eine zweite mittlere Geschwindigkeit Vm2 auf, wobei die erste mittlere
Geschwindigkeit Vmi grösser ist als die zweite mittlere Geschwindigkeit Vm2. Unter der mittleren Geschwindigkeit wird der gemittelte Geschwindigkeitswert des Kolbens 3 bzw. 4 zwischen zwei Punkten verstanden. Die erste mittlere Geschwindigkeit Vmi entspricht somit der gemittelten Geschwindigkeit zwischen den Punkten A und B, beziehungsweise entspricht die erste mittlere Geschwindigkeit Vmi dem zeitlichen Integral der Geschwindigkeit V(t) zwischen den Punkten A und B, geteilt durch die Zeit, welche zur Bewegung des Kolbens 3 zwischen den Punkten A und B erforderlich ist, beziehungsweise entspricht die erste mittlere Geschwindigkeit Vmi dem Integral der Geschwindigkeit V(X) entlang des Wegs X zwischen den Punkten A und B, geteilt durch die
Wegstrecke A-B, welche zur Bewegung des Kolbens 3 zwischen den Punkten A und B erforderlich ist. Desgleichen entspricht die zweite mittlere
Geschwindigkeit Vm2 somit der gemittelten Geschwindigkeit zwischen den Punkten B und C, beziehungsweise entspricht die zweite mittlere
Geschwindigkeit Vm2 dem Integral der Geschwindigkeit V(t) bzw. V(X) zwischen den Punkten B und C, geteilt durch die Zeit beziehungsweise die Wegstrecke B-C, welche zur Bewegung des Kolbens 3 zwischen den Punkten B und C erforderlich ist.
Wie in Figur 7 dargestellt, weist der erste Kolben 3, während der
Rückbewegung vom Punkt C zum Punkt A, zwischen den Punkten C und D, der Entspannungsphase CD, eine dritte mittlere Geschwindigkeit Vm3 auf, und weist der Kolben 3 zwischen den Punkten D und A, der Ansaugphase DA, eine vierte mittlere Geschwindigkeit Vm4 auf, wobei die dritte mittlere
Geschwindigkeit Vm3 grösser ist als die vierte mittlere Geschwindigkeit Vm4. Die dritte mittlere Geschwindigkeit Vm3 entspricht somit der gemittelten
Geschwindigkeit zwischen den Punkten C und D, beziehungsweise entspricht die dritte mittlere Geschwindigkeit Vm3 dem Integral der Geschwindigkeit V(t) bzw. V(X) zwischen den Punkten C und D, geteilt durch die Zeit
beziehungsweise die Wegstrecke C-D, welche zur Bewegung des Kolbens 3 zwischen den Punkten C und D erforderlich ist. Desgleichen entspricht die vierte mittlere Geschwindigkeit Vm4 somit der gemittelten Geschwindigkeit zwischen den Punkten D und A, beziehungsweise entspricht die vierte mittlere Geschwindigkeit Vm4 dem Integral der Geschwindigkeit V(t) bzw. V(X) zwischen den Punkten D und A, geteilt durch die Zeit beziehungsweise die Wegstrecke D-A, welche zur Bewegung des Kolbens 3 zwischen den Punkten D und A erforderlich ist.
Der Linearmotorverdichter 1 wird vorzugsweise derart betrieben, dass die Kolben 3 und 4 auf deren Hin- und Herbewegung, abgesehen von den an den Achsen gemäss Figur 7 erforderlichen Spiegelungen, identische
Geschwindigkeits-Weg-Verläufe Gi und G4, beziehungsweise identische Geschwindigkeits-Weg-Verläufe G2 und G3 aufweisen. In einer weiteren möglichen Betriebsart ist es auch möglich, dass die beiden Kolben 3 und 4 auf deren Hin- und Herbewegung je einen unterschiedlichen Geschwindigkeits- Weg-Verlauf aufweisen, beispielsweise bei deren Bewegung von rechts nach links einen anderen, unterschiedlichen Geschwindigkeits-Weg-Verlauf als bei deren Bewegung von links nach rechts.
Aus dem in Figur 7 dargestellten Geschwindigkeits-Weg-Verlauf Gi ist beispielsweise auch die Interaktion von Linearmotor 14 und
Hubkolbenverdichter 15 nachvollziehbar. Der Verlauf Gi weist ausgehend vom Punkt A bis zum Hubpunkt X3 einen relativ schnellen Anstieg auf, was insbesondere darin begründet ist, dass im Hubkolbenverdichter 15 zu Beginn der Kompressionsphase noch kleine Kräfte erforderlich sind. Zudem befindet sich die zweite Verdichtungskammer 5b beziehungsweise das sich darin befindliche Gas in einer Entspannungsphase, sodass dieses Gas den zweiten Kolben 4 antreibt, sodass die Kombination von antreibender Kraft des
Linearmotors 14 und die auf den zweiten Kolben 4 wirkende
Entspannungskraft ein schnelles Bewegen, d.h. eine zunehmende
Geschwindigkeit V bzw. eine Beschleunigung der Freikolbenanordnung 16 zur Folge haben. In einem weiteren vorteilhaften Verfahren wird die
Freikolbenanordnung 16 durch den Linearmotor 14 derart schnell
angetrieben, dass die Entspannungskraft einen vernachlässigbar kleinen oder gar keinen Beitrag an die Bewegung der Freikolbenanordnung 16 leistet. In Hubrichtung X nach dem Hubpunkt X3 nimmt die vom Hubkolbenverdichter 15 aufgenommene Kompressionsleistung ständig zu, sodass die
Geschwindigkeit der Freikolbenanordnung 16 reduziert wird, was
insbesondere gilt, wenn der Linearmotor 14 mit konstanter Leistung betrieben wird. Nach dem Punkt B wird das Auslassventil 6a geöffnet, wobei die
Geschwindigkeit der Freikolbenanordnung 16 bedingt durch den am
Auslassventil 6a auftretenden Strömungswiderstand weiter abnimmt.
Beginnend mit dem Hubpunkt X4 muss die Freikolbenanordnung 16
abgebremst und bis zum oberen Totpunkt XOTP zum Stillstand gebracht werden, was vorzugsweise dadurch erfolgt, dass der Linearmotor 14 eine Bremskraft erzeugt, und vorteilhafterweise als Generator betrieben wird, wobei die erzeugte elektrische Energie vorzugsweise in einer Ansteuervorrichtung zwischengespeichert wird, beispielsweise um die Freikolbenanordnung 16 im Abschnitt A-X3 wieder zu beschleunigen.
Die Figur 7 zeigt als Zustandsgrösse Zson ein Geschwindigkeits-Weg-Diagramm (v-x-Diagramm) . Anstelle eines Geschwindigkeits-Weg-Diagramms könnte als Zustandsgrösse Zsoii beispielsweise auch eine der in den Figuren 5 oder 6 dargestellten Kennlinien 30 bis 37 vorgegeben werden, zum Beispiel Hub, Geschwindigkeit, Beschleunigung oder Kraft in Funktion der Zeit. Zudem könnte auch eine Kombination von mehreren der in den Figuren 5 oder 6 dargestellten Kennlinien 30 bis 37 vorgegeben werden, beispielsweise indem die Zustandsgrösse Zson so gewählt wird, dass beispielswiese eine maximale Geschwindigkeit und/ oder Beschleunigung und/ oder vom Linearmotor 14 abzugebende Kraft und/oder vom Linearmotor 14 verbrauchte elektrische Energie nicht überschritten wird.
In einem vorteilhaften Verfahren wird die Freikolbenanordnung 16 ausgehend vom unteren Totpunkt XUTP während einer Verdichtungsphase AB, bis zum Öffnungspunkt B des Auslassventils 6, derart mit einem vorbestimmten Geschwindigkeits-Weg-Verlauf Gi bewegt, dass der Linearmotor 14 eine konstanten oder im Wesentlichen konstante Leistung abzugeben hat. Die Leistung berechnet sich aus der vom Linearmotor 14 aufzubringenden
Antriebskraft FLM multipliziert mit der Geschwindigkeit V der
Freikolbenanordnung 16. Bei vorgegebener konstanter Leistung kann der vorbestimmte Geschwindigkeits-Weg-Verlauf Gi somit berechnet werden. Dieses Verfahren weist den Vorteil auf, dass der Linearmotorverdichter auch mit geringerer Leistung sicher betrieben werden kann.
Während des kontinuierlichen Betriebs des Linearmotorverdichters 1 weist dieser zwischen den Punkten C und D eine Entspannungsphase CD auf, während welcher das sich im Totvolumen Vtot befindliche Gas entspannt wird. In einem möglichen Verfahren kann der Linearmotor 14 zumindest entlang eines Teilabschnittes der Entspannungsphase CD als Generator betrieben werden, indem der Linearmotor 14 die durch die Entspannungskräfte verursachte Bewegung des Kolbens 3,4 durch einen Generatorbetrieb abbremst, wobei die dabei erzeugte elektrische Energie vorzugsweise
zwischengespeichert wird. In einem besonders vorteilhaften Verfahren wird der Linearmotor 14 entlang zumindest eines Teilabschnittes der
Entspannungsphase CD und vorzugsweise während der gesamten
Entspannungsphase CD derart angesteuert, dass der Linearmotor 14 während der gesamten Entspannungsphase CD keine aktiv bremsende Wirkung auf die Freikolbenanordnung 16 ausübt, vorzugsweise derart, dass der Linearmotor 14 während der gesamten Entspannungsphase CD und vorzugsweise während den Punkten C und A, d.h. der gesamten Phase CA eine positive, in Richtung zum unteren Totpunkt XUTP hin wirkende Kraft auf die Freikolbenanordnung 16 ausüben. Durch dieses Verfahren ist sichergestellt, dass die von dem sich im Totraum Vtot befindlichen Gas während des Entspannens entlang der Entspannungsphase CD freigesetzte Energie vorzugsweise vollständig in eine Bewegungsenergie der Freikolbenanordnung 16 gewandelt wird, die ein
Verdichten des sich in der zweiten Verdichtungskammer 5b befindlichen Gas unterstützt, indem die kinetische Energie der Freikolbenanordnung 16 über den zweiten Kolben 4 auf das Gas übertragen wird.
Figur 8 zeigt ein weiteres, vorteilhaften Betriebsverfahren des in Figur 2 dargestellten Linearmotorverdichters 1. Figur 8 zeigt ein eher schematisches, d.h. geringfügig idealisiert dargestelltes Geschwindigkeits-Weg-Diagramm des ersten Kolbens 3, wobei das Diagramm zur vereinfachten Veranschaulichung des ablaufenden Verfahrens die Geschwindigkeit des ersten Kolbens 3 in Funktion des Hubs X während der Phase AC zeigt, und wobei das Diagramm anschliessend nach rechts die Geschwindigkeit des ersten Kolbens 3 in
Funktion des Hubs X während der Phase CA zeigt, wobei zur besseren
Veranschaulichung der Hub X während der Phase CA nach rechts verlaufend dargestellt ist, im Unterschied zur Figur 7. An sich befindet sich der erste Koben 3 sowohl am Anfang als auch am Ende des in Figur 8 dargestellten Diagramms im unteren Totpunkt XUTP. Als vorbestimmten Zustandsgrösse Zsoii werden die Verläufe Gi und G2 für die Freikolbenanordnung 16 vorgegeben, nämlich Geschwindigkeits-Weg-Verläufe wie in Figur 8 dargestellt. Die
Verdichtungsphase AB wird mit relativ hoher Geschwindigkeit, insbesondere mit einer relativ hohen ersten mittleren Geschwindigkeit Vmi, und somit zeitlich relativ schnell durchlaufen. Im Bereich des Öffnungspunktes B des Auslassventils 6 wird die Geschwindigkeit v reduziert, sodass die
Freikolbenanordnung 16 während der Ausstossphase BC mit reduzierter Geschwindigkeit, beziehungsweise mit einer im Vergleich zur
Verdichtungsphase AB tieferen zweiten mittleren Geschwindigkeit Vm2 bewegt wird. Die Freikolbenanordnung 16 wird ausgehend vom unteren Totpunkt XUTP während einer Verdichtungsphase AB bis zum Öffnungspunkt B des
Auslassventils 6 und anschliessend während einer Ausstossphase BC bis zum Schliesspunkt C des Auslassventils 6 derart mit einer vorbestimmten
Zustandsgrösse Zsoii, einem vorbestimmten Geschwindigkeits-Weg-Verlauf oder einem vorbestimmten Geschwindigkeits-Zeit-Verlauf, angetrieben, dass die erste mittlere Geschwindigkeit Vmi während der Verdichtungsphase AB höher ist als die zweite mittlere Geschwindigkeit Vm2 während der Ausstossphase BC und/oder dass die Zeitdauer der Verdichtungsphase AB kürzer ist als die Zeitdauer der Ausstossphase BC. Dieses Verfahren weist insbesondere den Vorteil auf, dass es möglich ist die zeitliche Dauer der Ausstossphase BC zu erhöhen. Diese Verfahren weist den Vorteil auf, dass die Freikolbenanordnung 16 während der Ausstossphase BC, das heisst während dem Ausströmen des Gases aus dem Auslassventil 6a mit reduzierter Geschwindigkeit betrieben werden kann, was den durch das Auslassventil 6a verursachten
Ausströmwiderstand reduziert, und was somit auch die durch das Ausströmen bewirkte Verlustenergie reduziert. Da während der Verdichtungsphase AB kein Ausströmen stattfindet kann die Verdichtungsphase AB ohne oder mit äusserst geringer Mehrenergie mit erhöhter Geschwindigkeit bzw. mit einer höheren mittleren Geschwindigkeit durchfahren werden, sodass dafür die Ausstossphase BC vorzugsweise zeitlich verlängert werden kann indem die Ausstossphase BC mit im Vergleich zur Verdichtungsphase AB tieferen mittleren Geschwindigkeit durchfahren wird. Dieses Verfahren weist den Vorteil auf, dass die durch das Ausströmen das Gases über das Auslassventil bewirkte Verlustenergie reduziert werden kann. Bei einer vorgegebenen
Zykluszeit Tz einer vollständigen Hin- und Herbewegung des
Linearmotorverdichters wird dieser vorteilhafterweise derart betrieben, dass die erste mittlere Geschwindigkeit Vmi während der Verdichtungsphase AB hoch, vorzugsweise möglichst hoch vorgegeben wird, und dass die zweite mittlere Geschwindigkeit Vm2 tiefer als die erste mittlere Geschwindigkeit Vmi vorgegeben wird, vorzugsweise möglichst tief, jedoch derart, dass die vorgegebenen Zykluszeit Tz einer vollständigen Hin- und Herbewegung eingehalten wird. Durch dieses Verfahren kann somit, bei vorgegebener Zykluszeit Tz, die zeitliche Dauer der Ausstossphase BC verlängert werden beziehungsweise die Ausfliessgeschwindigkeit des Gases aus dem
Zylinderinnenraum beim Auslassventil 6a reduziert werden, was die am
Auslassventil auftretende Verlustenergie reduziert. Dieses Verfahren
ermöglicht es den Wirkungsgrad des Linearmotorverdichters zu steigern. In einem besonders vorteilhaften Verfahren treibt der Linearmotor 8 die
Freikolbenanordnung 16 zumindest während eines Teilabschnitts der
Verdichtungsphase AB motorisch an, wobei der Linearmotor 8 die
Freikolbenanordnung 16 zumindest während eines Teilabschnitts der
Ausstossphase BC abbremst, und dabei vorzugsweise als Generator betrieben wird, welcher elektrische Energie freisetzt, die vorzugsweise
zwischengespeichert wird und vorzugsweise wieder verwendet wird zur
Speisung des Linearmotors 8 mit elektrischer Energie während der
Verdichtungsphase AB. Durch diese kurzfristige Zwischenspeicherung von elektrischer Energie kann der Linearmotorverdichter besonders effizient betrieben werden und dabei insbesondere gewährleisten, dass die erste mittlere Geschwindigkeit Vmi während der Verdichtungsphase AB höher ist als die zweite mittlere Geschwindigkeit Vm2 während der Ausstossphase BC. Die Zustandsgrösse Zsoii gemäss dem Verlauf G2 zeigt die Bewegung der
Freikolbenanordnung 16 während der Phase CA, beziehungsweise die
Bewegung des ersten Kolbens 3 vom oberen Totpunkt XOTP zum unteren Totpunkt XUTP. Sofern der Linearmotorverdichter 1 eine erste und eine
Verdichtungskammer 5a, 5b aufweist, die, wie in Figur 2 dargestellt, über gegenläufige Kolben 3,4 verdichtet werden, weisen die beiden Verläufe Gi, G2 denselben Verlauf auf, mit Ausnahme des Vorzeichens der Geschwindigkeit v, wie in Figur 8 dargestellt. Falls der Linearmotorverdichter 1 nur eine einzige, erste Verdichtungskammer 5a aufweist, können die beiden Verläufe Gi und G auch einen unterschiedlichen Verlauf aufweisen. Die mittlere Geschwindigkeit Vm3 der Entspannungsphase CD ist wie in Figur 8 dargestellt höher als die mittlere Geschwindigkeit Vm4 der Ansaugphase DA.
Figur 9 zeigt ein weiteres Betriebsverfahren des in Figur 2 dargestellten
Linearmotorverdichters 1. Figur 9 zeigt ein Geschwindigkeits-Weg-Diagramm des ersten Kolbens 3. Als vorbestimmte Zustandsgrösse Zsoii werden die
Verläufe Gi und G2 für die Freikolbenanordnung 16 vorgegeben. Diese
Verläufe Gi und G2 sind derart gewählt, dass sich der erste bzw. der zweite Kolben 3,4 im Bereich der Punkte A, B, C und D mit geringer bzw. reduzierter Geschwindigkeit v bewegt, wobei die Geschwindigkeit in den Punkten C und A auf 0 m/s reduziert wird, da die Freikolbenanordnung an dieses
Umkehrpunkten kurzfristig zum Stillstand kommt. Vorzugsweise wird die Geschwindigkeit im Bereich der Punkte C und A, d.h. insbesondere
unmittelbar vor dem Erreichen der Punkte C und A, besonders stark reduziert, sodass diese Geschwindigkeit geringer ist wie in den Punkten B und D. Die Figuren 9a und 9b zeigen die Geschwindigkeit der Figur 9 im Bereich des Punktes C bzw. A im Detail. In einem vorteilhaften Verfahren ist die
Geschwindigkeit in den Punkten C und A sehr gering, und liegt beispielsweise unter 0, 1 m/s. Die reduzierte Geschwindigkeit in den Punkten C und A hat zur Folge, dass das Einlassventil 7a bzw. das Auslassventil 6a mit geringer Geschwindigkeit geschlossen wird, was zur Folge hat, dass diese Ventile durch dieses sanfte Schliessen mechanisch nur gering beansprucht werden, sodass die Ventile während langer Zeit zuverlässig und vorzugsweise wartungsfrei betreibbar sind. Wie in Figur 9b dargestellt wird die Freikolbenanordnung 16 gegen das Ende des Hubs, zum unteren Totpunkt XUTP hin, zuerst mit einer grösseren negativen Beschleunigung abgebremst, und anschliessend mit einer reduzierten negativen Beschleunigung abgebremst, wobei die
Freikolbenanordnung 16 beim Totpunkt XUTP mit reduzierter negativen
Beschleunigung bis zum Stillstand abgebremst wird und anschliessend in der entgegengesetzten Richtung wieder beschleunigt wird. Wie in Figur 9a dargestellt wird die Freikolbenanordnung 16 gegen das Ende des Hubs, zum oberen Totpunkt XOTP hin, zuerst mit einer grösseren negativen
Beschleunigung abgebremst, und anschliessend mit einer reduzierten negativen Beschleunigung abgebremst, wobei die Freikolbenanordnung 16 beim oberen Totpunkt XOTP mit reduzierter negativen Beschleunigung bis zum Stillstand abgebremst wird, und anschliessend in der entgegengesetzten Richtung wieder beschleunigt wird. Eine Zustandsgrösse Zsou kann im einfachsten Fall nur aus einem einzigen Punkt bestehen, beispielsweise wie in Figur 9 dargestellt den Hubwegpunkt Xi mit dem Wert vson. Die Ansteuerung erfolgt somit derart, dass die Freikolbenanordnung 16 beim Hubwegpunkt Xi die Geschwindigkeit vsoii aufweist. Dadurch ist sichergestellt, dass die
Geschwindigkeit der Freikolbenanordnung 16 beim Hubwegpunkt Xi die gewünschte, tiefe Geschwindigkeit vsoii aufweist.
Figur 10 zeigt eine Ansteuervorrichtung 20 zum Betrieb eines
Linearmotorverdichters 1. Eine Regelungsvorrichtung 27 erfasst mit zumindest einem Sensor 21 über eine Signalleitung eine Ist-Zustandsgrösse 29a zumindest eine Ist-Zustandsgrösse des Linearmotorverdichters 1,
vorzugsweise den Hub X und/ oder die Geschwindigkeit v und/ oder die
Beschleunigung und/ oder die angreifende Kraft F der Freikolbenanordnung 16. Über eine Sollwertvorgabevorrichtung ist der Sollwert einer
Zustandsgrösse Zsoii vorgegeben. Die Regelungsvorrichtung 27 berechnet aus der Ist-Zustandsgrösse 29a und der Sollzustandsgrösse Zsoii 29e ein
Ansteuersignal 29b, das einer Inverteransteuerungsvorrichtung 26 zugeleitet wird. Die Inverteransteuerungsvorrichtung 26 steuert über Steuerleitungen 29c, 29d eine Energieversorgung 23 sowie einen Inverter 22 an, wobei der Inverter 22 eine Mehrzahl von Ansteuerungen umfasst, um über elektrische Leiter 24a, 24b, 24c, 24d eine Mehrzahl von Statorwicklungen 12a, 12b, 12c, 12d individuell anzusteuern. Die Energieversorgung 23 ist über eine
Energieleitung 25 mit dem Inverter 22 verbunden. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Energieversorgung 23 einen
Energiespeicher, wobei der Inverter 22 derart ansteuerbar ist, dass elektrische Energie dem Linearmotorverdichter 1 entzogen werden kann und über dem Inverter 22 der Energieversorgung 23 zuführbar ist, in welcher die elektrische Energie gespeichert wird, vorzugsweise kurzfristig, während einem Zeitraum von vorzugsweise weniger als einer Sekunde oder weniger als einer Minute.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Betreiben eines Linearmotorverdichters (1) umfassend einen elektrischen Linearmotor ( 14), einen Zylinder (2) sowie eine linearbewegliche Freikolbenanordnung (16) mit einem Kolben (3), wobei der Zylinder (2) und der Kolben (3) eine Verdichtungskammer (5) ausbilden, wobei die Freikolbenanordnung (16) direkt vom Linearmotor ( 14) angetrieben wird und entlang eines Hubwegs (X) zwischen einem oberen Totpunkt (XOTP) und einem unteren Totpunkt (XUTP) hin- und herbewegt wird, wobei der Verdichtungskammer (5) von aussen ein Fluid zugeführt wird, wobei das zugeführte Fluid in der Verdichtungskammer (5) verdichtet oder entspannt wird und anschliessend wieder nach Aussen abgegeben wird, wobei dem Linearmotorverdichter (1) zumindest eine Zustandsgrösse (Zsou) vorgegeben wird, und wobei der Linearmotor (14) derart angesteuert wird, dass der Linearmotorverdichter ( 1) die
vorgegebene Zustandsgrösse (Zsou) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Freikolbenanordnung ( 16) ausgehend vom unteren Totpunkt (XUTP) während einer Verdichtungsphase (AB) bis zum Öffnungspunkt (B) des Auslassventils (6) und anschliessend während einer Ausstossphase (BC) bis zum Schliesspunkt (C) des Auslassventils (6) derart mit einer vorbestimmten Zustandsgrösse (Zsoii), einem vorbestimmten
Geschwindigkeits-Weg-Verlauf, angetrieben wird, dass die mittlere Geschwindigkeit (Vmi) während der Verdichtungsphase (AB) höher ist als die mittlere Geschwindigkeit (Vm2) während der Ausstossphase (BC).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Freikolbenanordnung ( 16) ausgehend vom oberen Totpunkt (XOTP) während einer Entspannungsphase (CD) bis zum Öffnungspunkt (D) des Einlassventils (7) und anschliessend während einer Ansaugphase (DA) bis zum Schliesspunkt (A) des Einlassventils (7) derart mit einer
vorbestimmten Zustandsgrösse (Zsoii), einem vorbestimmten
Geschwindigkeits-Weg-Verlauf, angetrieben wird, dass die mittlere Geschwindigkeit (Vm3) während der Entspannungsphase (CD) höher ist als die mittlere Geschwindigkeit (Vm4) während der Ansaugphase (DA).
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit der Freikolbenanordnung (16) im Bereich des Öffnungspunkts (B) des Auslassventils (6) reduziert wird auf eine Geschwindigkeit kleiner als die mittlere Geschwindigkeit (Vmi) während der Verdichtungsphase (AB) .
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit die Freikolbenanordnung (16) im Bereich des Öffnungspunkts (D) des Einlassventils (7) reduziert wird auf eine Geschwindigkeit kleiner als die mittlere Geschwindigkeit (Vm3) während der Entspannungsphase (CD).
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Freikolbenanordnung (16) nach dem Öffnungspunkts (B) des
Auslassventils (6) wieder beschleunigt wird, und/ oder dass die
Freikolbenanordnung (16) nach dem Öffnungspunkt (D) des
Einlassventils (7) wieder beschleunigt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Freikolbenanordnung ( 16) gegen das Ende des Hubs, zum unteren Totpunkt (XUTP) hin, zuerst mit einer grösseren negativen Beschleunigung abgebremst wird, und anschliessend mit einer reduzierten negativen Beschleunigung abgebremst wird, wobei die Freikolbenanordnung ( 16) beim Totpunkt (XUTP) mit reduzierter negativer Beschleunigung bis zum Stillstand abgebremst wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Freikolbenanordnung ( 16) gegen das Ende des Hubs, zum oberen Totpunkt (XOTP) hin, zuerst mit einer grösseren negativen Beschleunigung abgebremst wird, und anschliessend mit einer reduzierten negativen Beschleunigung abgebremst wird, wobei die Freikolbenanordnung ( 16) beim oberen Totpunkt (XOTP) mit reduzierter negativer Beschleunigung bis zum Stillstand abgebremst wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass als Zustandsgrösse (Zson) ein Hubwegpunkt (Xi) und diesem zugeordnet eine Sollgeschwindigkeit (Vson) der
Freikolbenanordnung (16) vorgegeben wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass als Zustandsgrösse (Zsoii) ein entlang zumindest eines Teilabschnittes des Hubweges (X), und vorzugsweise entlang des gesamten Hubwegs (XL) einzuhaltendes Sollprofil (Ssoii) vorgegeben wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als
Zustandsgrösse (Zsoii) ein während einer für den gesamten Hubweg (XL) erforderlichen Hubzeit (TL) einzuhaltendes Sollprofil (Ssoii) vorgegeben wird.
1 1. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Linearmotorverdichter ( 1) eine erste und eine zweite Verdichtungskammer (5a, 5b) umfasst, die von der
Freikolbenanordnung (16) gegenläufig betrieben werden.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass als Zustandsgrösse (Zsoii) ein Geschwindigkeits-Weg- Verlauf zwischen dem unteren Totpunkt (XUTP) und dem oberen Totpunkt (XOTP) und/ oder dem oberen Totpunkt (XOTP) und dem unteren Totpunkt (XUTP) vorgegeben wird, gemäss dem die Freikolbenanordnung ( 16) hin- und herbewegt wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Freikolbenanordnung ( 16), ausgehend vom unteren Totpunkt (XUTP) , während einer Verdichtungsphase (AB), bis zum Öffnungspunkt (B) des Auslassventils (6), derart mit einem
vorbestimmten Geschwindigkeits-Weg-Verlauf bewegt wird, dass der Linearmotor (14) eine konstanten oder im Wesentlichen konstante
Leistung in Funktion der Zeit abzugeben hat.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Zustandsgrösse (Zsoii), ein vorbestimmter Geschwindigkeits-Weg-Verlauf zumindest im Bereich einer der nachfolgenden Punkte:
- Öffnungspunkt (B) des Auslassventils (6), - Schliesspunkt (C) des Auslassventils (6),
- Öffnungspunkt (D) des Einlassventils (7),
- Schliesspunkt (A) des Einlassventils (7),
eine im Vergleich zum übrigen Geschwindigkeits-Weg-Verlauf reduzierte Geschwindigkeit aufweist, sodass das Auslass- oder Einlassventil (6,7) mit reduzierter Geschwindigkeit bewegt wird.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Linearmotor (14) während der gesamten Entspannungsphase (CD) und vorzugsweise während der
Entspannungsphase (CD) und der Ansaugphase (DA) eine positive, in Richtung zum unteren Totpunkt (XUTP) hin wirkende Kraft auf die Freikolbenanordnung (16) ausübt.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das vom Linearmotorverdichter (1) geförderte Volumen verändert wird, indem der maximale Hub (XL) des Linearmotors ( 14) beziehungsweise der Ort des oberen Totpunkts (XOTP) und/ oder der Ort des unteren Totpunkts (XUTP) verändert wird.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Freikolbenanordnung ( 16) während der Hin- und Herbewegung zwischen dem oberen Totpunkt (XOTP) und dem unteren Totpunkt (XUTP) zumindest abschnittweise abgebremst wird, indem der Linearmotor ( 14) als Generator betrieben wird.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Linearmotor (14) als Generator betrieben wird, indem der Verdichtungskammer (5) über das Auslassventil (6) ein unter Druck stehendes Fluid zugeführt wird, das Fluid in der
Verdichtungskammer (5) expandiert wird, und anschliessend über das Einlassventil (7) ausgestossen wird, und dass die Freikolbenanordnung ( 16) des als Generator betriebenen Linearmotors (14) mit einem
vorbestimmten Geschwindigkeits-Weg Verlauf hin- und herbewegt wird.
19. Linearmotorverdichter ( 1) umfassend zumindest einen elektrischen
Linearmotor (14), einen Zylinder (2) sowie eine linearbewegliche Freikolbenanordnung (16) mit zumindest einem Kolben (3), wobei der Zylinder (2) und der Kolben (3) zumindest eine Verdichtungskammer (5) ausbilden, wobei die Freikolbenanordnung (16) direkt vom Linearmotor ( 14) angetrieben ist, wobei die Verdichtungskammer (5) über ein
Auslassventil (6) und ein Einlassventil (7) Fluid leitend nach Aussen verbunden ist, wobei eine Ansteuervorrichtung (20) den Linearmotor ( 14) derart angesteuert, dass die Freikolbenanordnung (16) mit einer vorgegebenen Zustandsgrösse (Zsoii) zwischen einem oberen Totpunkt (XOTP) und einem unteren Totpunkt (XUTP) hin- und herbewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuervorrichtung (20) die
Freikolbenanordnung (16) ausgehend vom unteren Totpunkt (XUTP) während einer Verdichtungsphase (AB) bis zum Öffnungspunkt (B) des Auslassventils (6) und anschliessend während einer Ausstossphase (BC) bis zum Schliesspunkt (C) des Auslassventils (6) derart mit einem vorbestimmten Geschwindigkeits-Weg-Verlauf, ansteuert, dass die mittlere Geschwindigkeit (Vmi) während der Verdichtungsphase (AB) höher ist als die mittlere Geschwindigkeit (Vm2) während der
Ausstossphase (BC).
20. Linearmotorverdichter ( 1) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearmotor ( 14) als Motor und als Generator betreibbar ist, und dass die Ansteuervorrichtung (20) den Linearmotor (14) derart ansteuert, dass die Freikolbenanordnung ( 16) mit einen vorbestimmten
Geschwindigkeits-Weg-Verlauf angetrieben wird bei der Bewegung zwischen einem oberen Totpunkt (XOTP) und einem unteren Totpunkt (XUTP) .
Linearmotorverdichter ( 1) nach einem der Ansprüche 19 und 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuervorrichtung (20) ausgestaltet ist den Linearmotor (14) entlang des Hubwegs (X), zwischen dem oberen
Totpunkt (XOTP) und dem unteren Totpunkt (XUTP) oder umgekehrt, abschnittweise als Generator und abschnittweise als Motor zu betreiben, wobei die Ansteuervorrrichtung (20) einen Energiespeicher umfasst, zur Zwischenspeicherung der durch den Generator gewonnenen elektrischen Energie.
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