JP7528101B2 - リニアモータコンプレッサを動作させるための方法およびリニアモータコンプレッサ - Google Patents
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Description
好ましくは、フリーピストン構成は、下死点から圧縮段階中に排気バルブの開放点まで、予め定められた速度-変位曲線により、リニアモータが一定のまたは本質的に一定の動力を運ぶ必要があるように移動する。これは、高いおよび生じ得る予測不可能な電流ピークがリニアモータの電気供給中に生じない利点を有する。
有利には、リニアモータコンプレッサのリニアモータは、モータとしておよび/またはジェネレータとして動作可能であり、制御デバイスは、フリーピストン構成が上死点と下死点との間の移動中に予め定められた速度-変位曲線または予め定められた速度-時間曲線を有するように、リニアモータを制御する。
リニアモータコンプレッサは、1つ以上の電気リニアモータと、シリンダと、1つ以上のピストンを備えた線形移動可能なフリーピストン構成と、を備え、前記シリンダおよび前記ピストンは1つ以上の圧縮チャンバを形成し、前記フリーピストン構成は前記リニアモータによって直接駆動され、前記圧縮チャンバは出口バルブおよび入口バルブを介して流体を通すように外部に接続され、制御デバイスは、前記フリーピストン構成が予め定められた状態変数Zsollにより上死点と下死点との間を往復して移動するように、前記リニアモータを制御する。
主として、同一の部分には、図面において同一の参照符号が与えられる。
リニアモータコンプレッサ1は、圧縮または膨張の必要に応じて、戻って動作し、第1圧縮チャンバ5aにおける流体を圧縮し、第2圧縮チャンバ5bにおける流体を膨張させることも可能である。リニアモータ15には、動作のモードに応じて、電気エネルギーが供給される、または電気エネルギーが排出されることが可能であり、または電気エネルギーを供給することなくアイドリング状態で動作することが可能である。
図6において時刻t1と合計サイクル時間T(全サイクルの完了)との間に示される特性曲線は、リニアモータ14のさらなる制御の例を示す。この制御方法は、すべての特性曲線34,35,36および37が時刻t2と時刻t3との間においてよじれることなく連続的に変化する利点を有する。これは、よじれは通常、動作挙動における不意の変化を生じ、増加した機械的荷重を生じるため、リニアモータ14がより緩やかに動作することを意味する。図6に示される制御の例は、リニアモータ14を制御するための多数の可能性のうちの一例でしかない。時間の関数としての複数の様々な特性曲線によりリニアモータ14を動作させる可能性は、そうしたリニアモータ14によって駆動されるレシプロコンプレッサ15が複数通りに動作することが可能であるという利点を生じる。好ましくは、リニアモータ14は、線形移動可能なフリーピストン構成16が、時間tの関数またはストロークXの関数として1つ以上の状態変数Zsollにて与えられるように動作し、リニアモータ14は、フリーピストン構成16がその状態変数Zsollを有するかまたは少なくともほぼ想定するように、規則的に制御される。この制御方法は、例えばリニアモータ14によって出力される最大力、リニアコンプレッサ1を動作するのに必要な最大動力、生じる最大加速度および/または生じる最大速度が予め定められる(動作中に超過することがない)点において、例えば予め定められた重要な数に関してリニアモータコンプレッサ1の動作を最適化することを可能とする。
図2に示されるように、2つのピストン3,4は、ストローク方向Xに走るレシプロ運動においてリニアモータ14によって生じた力によって駆動される。第1ピストン3は、下死点XUTPと上死点XOTPとの間の範囲において正ストローク方向Xに移動する。第1ピストン3は、下死点XUTPと上死点XOTPとの間の範囲において正ストローク方向Xに往復して移動する。第2ピストン4は、第1ピストン3とは反対方向に、また図2に示されるように、上死点XOTPと下死点XUTPとの間の範囲において正ストローク方向Xに移動する。2つのピストン3,4は反対方向に移動するため、フリーピストン構成16の運動解析を、下死点XUTPから上死点XOTPまで正X方向におよび下死点XUTPに戻って移動するピストン3のサイクルについてのみ考える。この単純化されたモデルによれば、リニアモータ14によってフリーピストンアセンブリ16を移動させるように加えられる駆動力FLMについての式は、以下の通りである。
ここで、それぞれ、mgはフリーピストンアセンブリ16の合計質量であり、xはフリーピストンアセンブリの変位およびストロークであり、FprおよびFplはそれぞれ右の第2および左の第1圧縮チャンバ5b,5aにおける気圧により第1および第2のピストン3,4に対し作用する力、FfrおよびFflはそれぞれ右の第2ピストン4および左の第1ピストン3の摩擦力である。
Claims (20)
- リニアモータコンプレッサ(1)を動作させるための方法であって、前記リニアモータコンプレッサ(1)は、電気リニアモータ(14)と、シリンダ(2)と、ピストン(3)を備えた線形移動可能なフリーピストン構成(16)と、を備え、前記シリンダ(2)および前記ピストン(3)は圧縮チャンバ(5)を形成し、前記フリーピストン構成(16)は、前記リニアモータ(14)によって直接駆動され、上死点(XOTP)と下死点(XUTP)との間をストローク経路(X)に沿って往復して移動し、流体が外部から前記圧縮チャンバ(5)に供給され、供給された前記流体は、前記圧縮チャンバ(5)において圧縮されまたは膨張し、続いて前記外部に再び排出され、1つ以上の状態変数(Zsoll)が前記リニアモータコンプレッサ(1)用に予め定められ、前記リニアモータ(14)は、前記リニアモータコンプレッサ(1)が予め定められた前記状態変数(Zsoll)を有するように制御され、前記フリーピストン構成(16)は、前記下死点(XUTP)から開始して出口バルブ(6)の開放点(B)までの圧縮段階(AB)中に、また続いて前記出口バルブ(6)の閉止点(C)まで至る放出段階(BC)中に、予め定められた状態変数(Zsoll)、すなわち予め定められた速度-変位曲線により、前記圧縮段階(AB)中の平均速度(Vm1)が前記放出段階(BC)中の平均速度(Vm2)よりも速くなるように駆動され、前記上死点(X OTP )から開始して入口バルブ(7)の開放点(D)までの膨張段階(CD)中に、また続いて前記入口バルブ(7)の閉止点(A)まで至る吸入段階(DA)中に、前記フリーピストン構成(16)は、予め定められた状態変数(Z soll )、すなわち予め定められた速度-変位曲線により、膨張段階(CD)中の平均速度(V m3 )が前記吸入段階(DA)中の平均速度(V m4 )よりも速くなるように駆動される、方法。
- 前記出口バルブ(6)の前記開放点(B)の領域における前記フリーピストン構成(16)の速度は、前記圧縮段階(AB)中の前記平均速度(Vm1)よりも遅い速度まで減少する、請求項1に記載の方法。
- 前記入口バルブ(7)の前記開放点(D)の領域における前記フリーピストン構成(16)の速度は、前記膨張段階(CD)中の前記平均速度(Vm3)よりも遅い速度まで減少する、請求項1に記載の方法。
- 前記フリーピストン構成(16)が前記出口バルブ(6)の前記開放点(B)の後に再び加速するか、前記フリーピストン構成(16)が前記入口バルブ(7)の前記開放点(D)の後に再び加速するか、またはその両方である、請求項2または3に記載の方法。
- 前記フリーピストン構成(16)には、まずストロークの端に向かって、すなわち前記下死点(XUTP)に向かってより大きい負の加速度により制動がかかり、続いて、減少した負の加速度により制動がかかり、前記フリーピストン構成(16)には前記下死点(XUTP)にて減少した負の加速度により前記フリーピストン構成(16)が静止するまで制動がかかる、請求項1~4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記フリーピストン構成(16)には、まずストロークの端に向かって、すなわち前記上死点(XOTP)に向かってより大きい負の加速度により制動がかかり、続いて、減少した負の加速度により制動がかかり、前記フリーピストン構成(16)には前記上死点(XOTP)にて減少した負の加速度により前記フリーピストン構成(16)が静止するまで制動がかかる、請求項1~5のいずれか一項に記載の方法。
- 前記フリーピストン構成(16)のストローク行程点(X1)と該ストローク行程点(X1)に割り当てられた名目速度(Vsoll)とが、前記状態変数(Zsoll)として指定される、請求項1~6のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ストローク経路(X)の少なくとも部分的区間に沿って維持される名目プロファイル(Ssoll)が、状態変数(Zsoll)として指定される、請求項1~7のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ストローク経路全体(XL)に必要とされるストローク時間(TL)中に維持される名目プロファイル(Ssoll)が、前記状態変数(Zsoll)として指定される、請求項8に記載の方法。
- 前記リニアモータコンプレッサ(1)は、前記フリーピストン構成(16)によって反対方向に動作する第1および第2圧縮チャンバ(5a,5b)を備える、請求項1~9のいずれか一項に記載の方法。
- 前記下死点(XUTP)と前記上死点(XOTP)との間、前記上死点(XOTP)と前記下死点(XUTP)との間、またはその両方の速度-変位曲線であって、該速度-変位曲線に従ってフリーピストン構成(16)が往復して移動する速度-変位曲線が、状態変数(Zsoll)として予め定められる、請求項1~10のいずれか一項に記載の方法。
- 前記フリーピストン構成(16)は、前記下死点(XUTP)から開始して前記出口バルブ(6)の前記開放点(B)までの圧縮段階(AB)中に、予め定められた速度-変位曲線により、前記リニアモータ(14)が一定のまたはほぼ一定の動力を時間の関数として運ぶように移動する、請求項1~11のいずれか一項に記載の方法。
- 前記予め定められた状態変数(Zsoll)、すなわち、少なくとも
前記出口バルブ(6)の開放点(B)、
前記出口バルブ(6)の閉止点(C)、
前記入口バルブ(7)の開放点(D)、
前記入口バルブ(7)の閉止点(A)、
のうちの1つの範囲における予め定められた速度-変位曲線は、前記出口または入口バルブ(6,7)が減少した速度にて移動するように、前記速度-変位曲線の残り部分と比較して減少した速度を有する、請求項1~12のいずれか一項に記載の方法。 - 前記リニアモータ(14)は、前記下死点(XUTP)に向かう方向に作用する前記フリーピストン構成(16)に対する正の力を、前記膨張段階(CD)全体中に加える、請求項1~13のいずれか一項に記載の方法。
- 前記リニアモータコンプレッサ(1)によって運ばれる体積は、前記リニアモータ(14)の最大ストローク(XL)、または前記上死点(XOTP)の位置、前記下死点(XUTP)の位置、もしくはその両方を変化させることによって変化する、請求項1~14のいずれか一項に記載の方法。
- 前記フリーピストン構成(16)には、少なくとも部分的には、前記上死点(XOTP)と前記下死点(XUTP)との間のレシプロ移動中に、前記リニアモータ(14)をジェネレータとして動作させることによって制動がかかる、請求項1~15のいずれか一項に記載の方法。
- 前記リニアモータ(14)は、加圧された流体を前記出口バルブ(6)を介して前記圧縮チャンバ(5)に供給することと、前記圧縮チャンバ(5)における前記流体を膨張させることと、また続いて該流体を前記入口バルブ(7)を介して排出することと、によってジェネレータとして動作し、ジェネレータとして動作する前記リニアモータ(14)の前記フリーピストン構成(16)は、予め定められた速度-変位進路により往復して移動する、請求項1~16のいずれか一項に記載の方法。
- リニアモータコンプレッサ(1)であって、1つ以上の電気リニアモータ(14)と、シリンダ(2)と、1つ以上のピストン(3)を備えた線形移動可能なフリーピストン構成(16)と、を備え、前記シリンダ(2)および前記ピストン(3)は1つ以上の圧縮チャンバ(5)を形成し、前記フリーピストン構成(16)は前記リニアモータ(14)によって直接駆動され、前記圧縮チャンバ(5)は出口バルブ(6)および入口バルブ(7)を介して流体を通すように外部に接続され、制御デバイス(20)は、前記フリーピストン構成(16)が上死点(XOTP)と下死点(XUTP)との間を予め定められた状態変数(Zsoll)により往復して移動するように、前記リニアモータ(14)を制御し、前記制御デバイス(20)は、前記フリーピストン構成(16)を、予め定められた速度-変位曲線により、前記下死点(XUTP)から開始して前記出口バルブ(6)の開放点(B)までの圧縮段階(AB)中に、また続いて前記出口バルブ(6)の閉止点(C)まで至る放出段階(BC)中に、前記圧縮段階(AB)中の平均速度(Vm1)が前記放出段階(BC)中の平均速度(Vm2)よりも速くなるように、制御し、前記上死点(X OTP )から開始して前記入口バルブ(7)の開放点(D)までの膨張段階(CD)中に、また続いて前記入口バルブ(7)の閉止点(A)まで至る吸入段階(DA)中に、前記フリーピストン構成(16)は、予め定められた状態変数(Z soll )、すなわち予め定められた速度-変位曲線により、膨張段階(CD)中の平均速度(V m3 )が前記吸入段階(DA)中の平均速度(V m4 )よりも速くなるように駆動される、リニアモータコンプレッサ(1)。
- 前記リニアモータ(14)は、モータとしておよびジェネレータとして動作可能であり、前記制御デバイス(20)は、前記フリーピストン構成(16)が上死点(XOTP)と下死点(XUTP)との間を移動するときに予め定められた速度-変位曲線により駆動するように前記リニアモータ(14)を駆動させる、請求項18に記載のリニアモータコンプレッサ(1)。
- 前記制御デバイス(20)は、前記リニアモータ(14)を、ストローク経路(X)に沿って上死点(XOTP)と下死点(XUTP)との間または下死点(XUTP)と上死点(XOTP)との間を、部分的にはジェネレータとしておよび部分的にはモータとして動作させるように設計され、前記制御デバイス(20)は、前記ジェネレータによって取得された電気エネルギーを一時的に貯蔵するためのエネルギー貯蔵部を備える、請求項18または19に記載のリニアモータコンプレッサ(1)。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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