KR20210125013A - 선형 모터 압축기를 작동시키기 위한 방법 및 선형 모터 압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선형 모터 압축기(1)를 작동시키기 위한 방법에 관한 것으로, 이 선형 모터 압축기는 전기 선형 모터(14), 실린더(2), 및 피스톤(3)을 갖는 선형 운동 가능한 자유 피스톤 장치(16)를 포함한다. 실린더(2)와 피스톤(3)은 압축실(5)을 형성하며, 자유 피스톤 장치(16)는 선형 모터(14)에 의해 직접 구동되고 상사점(X_OTP)과 하사점(X_UTP) 사이에서 행정 경로(X)를 따라 앞뒤로 이동된다. 유체가 외부로부터 압축실(5)에 공급되며, 공급되는 유체는 압축실(5) 안에서 압축 또는 팽창되며, 이어서 다시 외부로 배출된다. 적어도 하나의 상태 변수(Z_target)가 선형 모터 압축기(1)에 대해 특정되고, 선형 모터(14)는, 선형 모터 압축기(1)가 특정된 상태 변수(Z_target)를 가지도록 작동된다.

Description

선형 모터 압축기를 작동시키기 위한 방법 및 선형 모터 압축기

본 발명은 선형 모터 압축기를 작동시키는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 선형 모터 압축기에 관한 것이다.

선형 모터 압축기에 의해 가스를 압축하는 것이 알려져 있다. 문헌 US2018/0051690A1에는 자유 피스톤 선형 모터 압축기가 개시되어 있는데, 이 압축기는 왕복 피스톤 압축기로 설계되어 있고, 그래서 선형 모터는 2개의 극(pole)을 갖도록 설계되며, 전체 자유 피스톤 선형 모터 압축기는 공진 진동수로 작동된다. 이 선형 모터 압축기는 기체 공정 유체, 특히 천연 가스를 압축시키기 위해 사용된다. 이 선형 모터 압축기는 천연 가스 차량에 대한 연료 재보급 동안에 연속적으로 또한 사인파형 공진 진동수로 작동된다. 이 선형 모터 압축기의 작동 가능성은 극히 제한되고 또한 경제적으로 불리하다.

본 발명의 과제는, 기체 공정 유체를 압축 및/또는 팽창시키기 위한 더 유리한 작동 방법으로 선형 모터 압축기를 작동시키는 것이다. 추가로, 본 발명의 과제는, 기체 공정 유체를 압축 및/또는 팽창시키기 위한 경제적으로 더 유리한 선형 모터 압축기를 설계하는 것이다.

본 발명의 과제는 청구항 1의 특징을 갖는 방법으로 해결된다. 종속 청구항 2 내지 8은 추가의 유리한 공정 단계에 관한 것이다. 본 발명의 과제는 청구항 19의 특징을 갖는 선형 모터 압축기로 더 해결된다. 종속 청구항 20 및 21은 추가의 유리한 실시 형태에 관한 것이다.

위의 과제는, 특히, 선형 모터 압축기를 작동시키기 위한 방법으로 해결되며, 이 선형 모터 압축기는 전기 선형 모터, 실린더, 및 피스톤을 갖는 선형 운동 가능한 자유 피스톤 장치를 포함하고, 실린더와 피스톤은 압축실을 형성하며, 자유 피스톤 장치는 선형 모터에 의해 직접 구동되고 상사점과 하사점 사이에서 행정 경로를 따라 앞뒤로 이동되며, 유체가 외부로부터 압축실에 공급되며, 공급되는 유체는 압축실 안에서 압축 또는 팽창되며, 이어서 다시 외부로 배출되며, 적어도 하나의 상태 변수가 선형 모터 압축기에 대해 미리 결정되고, 선형 모터는, 선형 모터 압축기가 그 미리 결정된 상태 변수를 가지도록 제어된다.

위의 과제는, 특히, 선형 모터 압축기로 더 해결되며, 이 선형 모터 압축기는 적어도 하나의 전기 선형 모터, 실린더, 및 적어도 하나의 피스톤을 갖는 선형 운동 가능한 자유 피스톤 장치를 포함하고, 실린더와 피스톤은 적어도 하나의 압축실을 형성하며, 자유 피스톤 장치는 선형 모터에 의해 직접 구동되고, 압축실은 출구 밸브와 입구 밸브를 통해 외부에 유체 전달 방식으로 연결되며, 자유 피스톤 장치가 미리 결정된 상태 변수로 상사점과 하사점 사이에서 앞뒤로 이동되도록, 제어 디바이스가 선형 모터를 제어한다.

바람직하게는, 행정을 따른 적어도 하나의 행정 경로점 또는 적어도 하나의 행정 경로 시간 및 이에 할당되어 있는 설정점 속도 또는 설정점 가속도 또는 설정 점 힘이 상태 변수로서 특정된다. 바람직하게는, 자유 피스톤 장치의 행정 경로와 그의 속도 간의 관계가 미리 결정된 상태 변수(이하, 속도-변위 곡선이라고도 함)로서 특정된다. 이 속도-변위 곡선은 적어도 하나의 점, 행정 경로 및 미리 결정된 관련 속도를 포함할 수 있고, 바람직하게는 복수의 점을 포함하고, 각 점은 행정 경로를 따른 위치 및 그 위치와 관련된 속도를 포함한다.

유리하게, 전체 행정 경로의 적어도 일부분을 따라, 바람직하게는 전체 행정 경로를 따라 유지될 이동 설정점 곡선, 즉 행정 경로와 설정점 속도, 설정점 가속도 및/또는 설정점 힘에 관한 설정점 프로파일이 상태 변수로서 특정된다.

유리하게, 시간 설정점 곡선, 즉, 행정 시간(전체 행정의 부분적인 기간 또는 일부분 동안 유지됨), 바람직하게는 전체 행정의 기간 동안 요구되는 행정 시간의 함수인 설정점 속도, 설정점 가속도 및/또는 설정점 힘에 관한 설정점 프로파일이 상태 변수로서 특정된다.

선형 모터 압축기의 작동 동안에 그 미리 결정된 상태 변수를 얻기 위해, 선형 모터 압축기는, 자유 피스톤 장치가 압축실에서 작용하는 힘 및 필요하다면, 추가적으로 작용하는 마찰력에 근거하여 "자유롭게" 이동될 수 있는 제어 전략으로 유리하게 작동되며, 그리하여, 선형 모터는 제어 가능한 힘을 자유 피스톤 장치에 가할 수 있고, 그래서 외부로부터 그리고 바람직하게는 미리 결정된 방식으로 자유 피스톤 장치의 자유로운 운동에 영향을 주게 된다. 바람직하게는, 선형 모터에는 변위 종속적인 또는 시간 종속적인 속도 프로파일 또는 힘 프로파일이 주어지며, 그리하여, 이 힘 프로파일은 선형 모터 압축기의 작동 동안에 제어 개입으로 수정될 수 있어, 자유 피스톤 장치가 미리 결정된 상태 변수를 갖거나 또는 자유 피스톤 장치의 거동이 제어 개입에 의해 그 미리 결정된 상태 변수에 접근하는 것을 보장할 수 있다.

유리한 제어 전략에서, 자유 피스톤 장치의 운동의 경로-시간 종속성 및 그래서 피스톤 운동의 경로-시간 종속성은 직접 제어되지 않는데, 즉 자유 피스톤 장치의 운동에 대한 미리 규정되는 경로-시간 곡선은 특정되지 않고, 자유 피스톤 장치 또는 피스톤의 운동 곡선은 사용되는 힘 프로파일 또는 작용하는 힘으로 인한 힘 프로파일의 결과로 얻어진다. 이 실시 형태에서, 특정된 상태 변수는 결국 힘 프로파일을 특정하여 얻어진다. 사용되는 힘 프로파일은 특히 선형 모터 압축기의 대응하는 용례 및 대응하는 작동 방법에 적합하게 된다. 일 용례로서, 선형 모터 압축기는 예컨대 가스의 압축기 또는 팽창기로서 작동될 수 있다. 바람직하게는, 선형 모터 압축기는 가스를 압축시키도록 작동된다. 압축기로서의 용례에서, 작동 방법 또는 힘 프로파일은, 예컨대, 가스의 압축 단계 동안에 자유 피스톤 장치는 비교적 빠르게, 특히 더 높은 평균 속도로 이동되고 또한 가스의 이어지는 방출 단계 동안에 자유 피스톤 장치는 감소된 속도로, 특히 더 낮은 평균 속도로 이동되고 이로써 가스가 압축실 밖으로 흐를 때 유동 저항이 감소된다는 점에서 최적화될 수 있다. 따라서, 예컨대, 전체 압축 사이클을 위한 시간을 일정하게 유지시킬 수 있는데, 하지만 압축 단계를 더 빠르게 통과하고 방출 단계는 더 느리게 통과함으로써 방출 동안에 가스의 유동 저항이 감소될 수 있고, 그래서 가스를 압축실 밖으로 밀어내는 데에 요구되는 에너지도 감소된다.

미리 규정되는 상태 변수로 인해, 자유 피스톤 장치 및 그래서 전체 선형 모터 압축기는 최적화될 요구되는 변수에 따라 더 다양한 방식으로 작동될 수 있다. 이미 설명한 예에 추가로, 상태 변수는, 예컨대, 선형 모터에 의해 전달될 최대 힘 또는 선형 모터에 의해 전달될 최대 파워가 제한되도록 또는 사이클 동안에 부분적으로 선형 모터로부터 에너지를 추출하고 시간 지연을 두고 그 에너지를 다시 선형 모터에 공급함으로써 선형 모터 압축기를 작동시키기 위해 요구되는 에너지가 최소화되도록 선택될 수 있다. 그러므로, 본 발명에 따른 방법은, 선형 모터 압축기는 많은 수의 가능한 미리 결정된 상태 변수로 작동될 수 있다는 이점을 갖는다. 종래 기술에 알려져 있는 왕복 압축기(이의 피스톤은 피스톤 구동기에 의해 크로스헤드를 통해 구동됨)는, 피스톤의 운동은 크랭크축의 속도에 확고히 연결되어 있고 피스톤의 속도는 크랭크축의 회전 각도의 함수로, 특히 또한 크랭크축 및 크로스헤드의 기하학적 배치에 의해 결정된다는 단점을 갖는다. 이와는 대조적으로, 본 발명에 따른 선형 모터 압축기는 다양한 방식으로 작동될 수 있고, 특히, 크랭크축, 상태 변수의 대응하는 상세, 예컨대, 이 상세에 따른 행정의 함수인 설정점 속도, 설정점 가속도 또는 설정점 힘의 상세에 의해 결정되는 운동 시퀀스에 대해 독립적으로 작동될 수 있다. 추가로, 작동 방법은, 에너지 소비, 최대 선형 모터 파워 또는 최대 선형 모터 힘과 같은 변수에 대해 요구 사항에 따라 최적화될 수 있다.

선형 모터 압축기는 단일의 압축실을 포함할 수 있다. 특히 유리하게는, 선형 모터 압축기는 2개의 압축실인 제 1 및 제 2 압축실을 포함한다. 자유 피스톤 장치는 바람직하게는 행정 방향으로 서로 이격되어 있는 두 끝면 각각에서 피스톤을 가지며, 이들 두 피스톤은 서로 반대 방향으로 자유 피스톤 장치에 의해 작동되며, 그래서 대안적으로, 한 압축실에서, 예컨대 제 1 압축실에서, 유체의 압축 및 방출이 일어나고, 다른 압축실, 예컨대 제 2 압축실에서는 유체의 팽창 및 흡입이 동시에 일어나고, 그 반대도 가능하다.

선형 모터 또는 자유 피스톤 장치는 특히 바람직하게는 50 mm 내지 500 mm의 행정 길이를 갖는다. 선형 모터는, 행정 방향으로 연속적으로 배치되는 적어도 3개의 능동적으로 제어 가능한 자극을 가지며, 바람직하게는, 5 내지 50개의 능동적으로 제어 가능한 자극, 특히 유리하게는 10 내지 20개의 제어 가능한 자극을 갖는다. 이러한 수의 능동적으로 제어 가능한 자극으로 인해, 행정 경로를 따르는 운동 동안에 선형 모터에 의해 자유 피스톤 장치에 가해지는 힘이 행정 경로의 함수로 또는 시간의 함수로 개별적으로 또는 그룹으로 연결되어 있는 자극의 대응하는 선택적인 여기(excitation)에 의해 제어될 수 있는 이점이 얻어진다. 유리한 작동 방법에서, 단지 양의 전력이 선형 모터에 가해져 자유 피스톤 장치를 구동시킨다. 추가의 유리한 작동 방법에서, 전력은 전체 행정 경로의 적어도 일부분을 따라 선형 모터로부터 소산되고, 그래서 선형 모터는 이 일부분 내에서 제동 효과를 발생시켜, 선형 모터로 자유 피스톤 장치를 제동시킨다. 유리하게, 제동 효과 또는 제동력 출력은 또한 행정 거리의 함수로 제어될 수 있다. 그래서 선형 모터는 구동 방식으로만, 또는 구동 및 제동 방식으로, 또는 구동, 제동 및 중립 특성 중 적어도 2개의 조합으로 작동될 수 있고, 중립은 선형 모터가 구동력과 제동력을 일으키지 않음을 의미하는 것으로 이해된다. 특히 유리한 작동 방법에서, 선형 모터에 의해 소산된 전력은 전기적 어큐뮬레이터에 임시로 저장되며, 이어서 시간 지연을 두고 선형 모터에 다시 공급된다. 이리하여, 본 발명에 따른 선형 모터 압축기의 작동은 특히 에너지 효율적으로 될 수 있다. 선형 모터 압축기는 바람직하게는 200 내지 1000 rpm의 속도로 또는 분당 200 내지 1000 주기 또는 왕복의 행정 주파수로 작동된다.

자유 피스톤 장치의 운동 주기는, 출발점에서 출발하여 피스톤 운동의 상사점과 하사점을 한번 지나는 전체 운동 사이클이다. 피스톤 운동의 주기는 하사점에서 상사점으로 가는 운동에 대해 압축실 내의 압축 단계 및 그 다음의 방출 단계를 포함하고, 상점에서 하사점으로 가는 운동에 대해서는 압축실 내의 팽창 단계 및 전달될 유체를 위한 흡기 단계를 포함한다. 출발점은 기본적으로 임의적이다. 예컨대, 출발점은 하사점이다.

자유 피스톤 장치는 바람직하게는 미리 결정된 속도-변위 곡선으로 상사점과 하사점 사이에서 앞뒤로 이동된다.

바람직하게는, 선형 모터가 일정한 또는 본질적으로 일정한 파워를 전달하도록 자유 피스톤 장치는 미리 결정된 속도-변위 곡선으로 압축 단계 동안의 하사점에서부터 배기 밸브의 개방점까지 이동된다. 이로써, 선형 모터의 전기 공급 동안에 높은 그리고 혹시 예측 불가능한 전류 피크가 일어나지 않는 이점이 얻어진다.

바람직하게는, 자유 피스톤 장치는 미리 결정된 속도-변위 곡선으로 압축 단계 동안의 하사점에서부터 배기 밸브의 개방점까지 구동되고 그런 다음에 배기 단계 동안에는 배기 밸브의 폐쇄점까지 구동되며, 그래서 압축 단계 동안의 평균 속도는 배기 단계 동안 보다 높으며 그리고/또는 팽창 단계 동안의 평균 속도는 흡기 단계 동안 보다 높게 된다.

유리한 방법에서, 자유 피스톤 장치의 미리 결정된 속도-변위 곡선 또는 미리 결정된 속도-시간 곡선은 적어도 전환점들 중의 하나의 영역에서 감소된 속도를 가지며, 배기 밸브의 개방, 배기 밸브의 폐쇄, 입구 밸브의 개방 및 입구 밸브의 폐쇄는 속도-변위 곡선의 나머지와 비교하여 감소된 속도를 가지며, 그래서 자유 피스톤 장치의 감소된 속도에서 개방 또는 폐쇄되는 배기 또는 입구 밸브는 감소된 속도에서 움직인다. 개방 또는 폐쇄되는 밸브의 감소된 속도로 인해 바람직하게 밸브의 마모가 감소되는데, 이 결과, 유리하게 밸브의 사용 수명이 증가된다.

유리한 방법에서, 압축실은 배기 밸브의 폐쇄점과 흡기 밸브의 개방점 사이에서 팽창 단계를 가지며, 선형 모터는 팽창 단계 전체에 걸쳐 자유 피스톤 장치를 능동적으로 구동시키도록 제어된다.

유리한 방법에서, 선형 모터 압축기에 의해 전달되는 부피는, 선형 모터의 최대 행정 또는 상사점의 위치 및/또는 하사점의 위치를 변경시켜 변화되며, 그래서 전달되는 부피는 예컨대 이를 감소 또는 증가시켜 단기간에 또는 또한 장기간에 변화될 수 있다.

유리한 방법에서, 자유 피스톤 장치는, 선형 모터를 발전기로서 작동시킴으로써 상사점과 하사점 사이에서의 앞뒤 운동 동안에 적어도 부분적으로 제동된다. 이리하여, 자유 피스톤 장치의 속도를 특히 신속하게 줄일 수 있다. 바람직하게는, 방출된 제동 에너지는 전기 에너지로 전환되고 나중에 사용되기 위해 임시로 저장된다.

유리한 방법에서, 선형 모터 압축기의 압축실은 이제 팽창실로 사용되고, 가압된 유체는 출구 밸브를 통해 그 팽창실에 공급되며, 유체는 팽창실로서 작동되는 압축실에서 팽창되고, 이어서 입구 밸브를 통해 방출되며, 그리고 발전기로서 작동되는 선형 모터의 자유 피스톤 장치는 미리 결정된 속도-거리 코스 또는 미리 결정된 속도-시간 코스로 앞뒤로 이동된다는 점에서, 선형 운동 가능한 피스톤 장치는 유체를 위판 팽창기로서 작동되며, 그래서 선형 모터는 행정 방향(X)의 운동의 적어도 일부분 동안 발전기로서 작동된다. 유리한 과정에서, 배기 밸브 및/또는 흡기 밸브의 개방 및 폐쇄는 자유 피스톤 장치의 위치의 함수로 능동적으로 제어된다.

유리하게, 선형 모터 압축기는 적어도 하나의 전기 선형 모터, 실린더, 및 적어도 하나의 피스톤을 갖는 선형 운동 가능한 자유 피스톤 장치를 포함하고, 실린더와 피스톤은 적어도 하나의 압축실을 형성하며, 자유 피스톤 장치는 선형 모터에 의해 직접 구동되고, 압축실은 출구 밸브와 입구 밸브를 통해 외부에 유체 전달 방식으로 연결되며, 제어 디바이스가, 자유 피스톤 장치가 미리 결정된 모터 및/또는 발전기 파워 곡선으로 상사점과 하사점 사이에서 앞뒤로 이동되도록, 선형 모터를 제어한다.

유리하게, 선형 모터 압축기는 제 1 및 2 압축실을 포함하고, 이들 압축실은 자유 피스톤 장치에 대해 서로 반대 방향으로 배치되어 있어 서로 반대 방향으로 작용하게 된다.

유리하게, 선형 모터 압축기의 선형 모터는 모터 및/또는 발전기로서 작동 가능하고, 제어 디바이스는, 자유 피스톤 장치가 상사점과 하사점 사이에서의 운동 동안에 미리 결정된 속도-변위 곡선 또는 미리 결정된 속도-시간 곡선을 가지도록, 선형 모터를 제어한다.

선형 모터는 적어도 3개의 극(pole) 쌍을 가지며, 바람직하게는 선형 모터의 길이 방향으로 분산되거나 서로 이격되어 있는 5 내지 50개의 극 쌍을 갖는다.

선형 모터 압축기는 적어도 하나의 전기 선형 모터, 실린더, 및 적어도 하나의 피스톤을 갖는 선형 운동 가능한 자유 피스톤 장치를 포함하고, 실린더와 피스톤은 적어도 하나의 압축실을 형성하며, 자유 피스톤 장치는 선형 모터에 의해 직접 구동되고, 압축실은 출구 밸브와 입구 밸브를 통해 외부에 유체 전달 방식으로 연결되며, 제어 디바이스가, 자유 피스톤 장치가 미리 결정된 상태 변수(Z_nominal)로 상사점과 하사점 사이에서 앞뒤로 이동되도록, 선형 모터를 제어한다.

본 발명에 따른 선형 모터 압축기는, 바람직한 실시 형태에서, 밸브와 자유 피스톤 장치를 제외하고는 움직이는 부품을 갖지 않으며 그래서 선형 모터 압축기의 사용 수명과 효율이 개선되며 또한 제조 비용, 설치 및 유지 보수가 감소되는 이점을 갖는다. 추가로, 선형 모터 압축기는 바람직하게는 오일-프리(oil-free)로 설계되는데, 이는 윤활 목적의 오일이 필요 없다는 것을 의미한다. 본 발명에 따른 선형 모터 압축기는 천연 가스, 다른 탄화수소, 수소 또는 공기와 같은 가스를 압축시키는 데에 특히 적합하다. 그러나, 본 발명에 따른 선형 모터 압축기는 가압된 가스를 팽창시키는 데에도 적합하며, 그리하여, 특히 팽창 단계 동안에 선형 모터는 적어도 일시적으로 발전기로서 작동될 수 있다. 더욱이, 본 발명에 따른 선형 모터 압축기는, 선형 모터 압축기의 한 챔버 내의 가스를 팽창시키고 동시에 선형 모터 압축기의 다른 챔버 내의 가스를 압축시킴으로써 가스를 압축시키고 동시에 가스를 팽창시키는 데에도 적합하다.

선형 모터를 자유 피스톤 압축기에 조합하면, 컴팩트한 선형 모터 압축기의 구성이 가능하다. 두 시스템의 직접적인 기계적 연결에 의해, 정적 및 동적 거동이 연결된다. 그러므로, 압축기와 선형 모터가 함께 최적으로 작동하고 또한 바람직하게는 공진 진동수의 범위에서 작동하도록 설계되면, 바람직하게 선형 모터 압축기의 양호 성능 및 고효율이 얻어질 수 있다. 바람직하게는, 그러한 작동 조건 하에서, 자유 피스톤 압축기는 그의 이점을 완전히 이용할 수 있다. 컴팩트한 설계에 추가적인 이점으로서, 두 피스톤이 위치되는 2개의 실린더가 저렴한 비용으로 외부에 대해 기밀하게 시일링되도록 설계될 수 있기 때문에, 피스톤은 비교적 간단한 방식으로 그래서 저렴한 비용으로 외부에 대해 기밀하게 시일링될 수 있고, 그리하여, 선형 모터 압축기에서는 펌핑된 가스의 극히 낮은 누출만 있거나 누출이 전혀 없기 때문에, 주변 조건에 대한 높은 요구 사항 하에서 가스를 압축시킬 수 있다. 유리하게, 선형 모터의 두 실린더 및 고정자는 기밀한 외부 쉘을 형성한다. 추가로, 종래의 피스톤 압축기에서와 같은 크랭크 기구가 필요 없다. 이로써, 윤활이 필요한 부품이 없는데, 이러한 부품은 기계적 에너지 전환 손실을 갖는다. 윤활유가 필요 없기 때문에, 본 발명에 따른 선형 모터 압축기는 높은 청결도 요건을 갖는 용례에 적합하다.

이하, 유리한 실시 형태 및 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더 상세히 설명한다.

도 1은 선형 모터 압축기 및 관련된 압력-부피 선도를 개략적으로 나타낸다.
도 2는 다른 복동 선형 모터 압축기의 종방향 단면을 개략적으로 나타낸다.
도 3은 교차선(F-F)을 따라 취한 도 2의 선형 모터 압축기의 선형 모터의 종방향 단면을 개략적으로 나타낸다.
도 4는 교차선(E-E)을 따라 취한 도 3에 따른 선형 모터 압축기의 선형 모터의 단면을 개략적으로 나타낸다.
도 5는 아이들링 상태의 선형 모터 압축기의 작동 방법의 4개의 선도이며, 행정, 속도, 가속도 및 모터 힘을 시간의 함수로 나타낸다.
도 6은 아이들링 상태의 선형 모터 압축기의 다른 작동 방법의 4개의 선도이며, 행정, 속도, 가속도 및 모터 힘을 시간의 함수로 나타낸다.
도 7a는 제 1 작동 방법에 따라 도 2에 따른 선형 모터 압축기의 두 피스톤의 속도-변위 선도이다.
도 8a는 제 2 작동 방법에 따른 속도-거리 선도이다.
도 9a는 제 3 작동 방법에 따른 속도-거리 선도이다.
도 9a는 제 3 작동 방법의 상세 양태를 나타낸다.
도 9b는 제 3 작동 방법의 다른 상세 양태를 나타낸다.
도 10은 도 2에 따른 선형 모터 압축기를 위한 제어 디바이스를 나타낸다.
원리적으로 도면에서 동일한 부분에는 동일한 참조 번호가 주어져 있다.

도 1은, 선형 모터(14)와 복동 왕복 피스톤 압축기(15)를 포함하는 선형 모터 압축기(1)를 개략적으로 나타낸다. 왕복 피스톤 압축기(15)는 실린더(2)를 포함하고, 이 실린더 안에는 선형 운동 가능한 피스톤(3)이 배치되어 있고, 이 피스톤은 피스톤 로드(9)를 통해 선형 모터(14)에 직접 연결되며 피스톤 로드에 의해 직접 구동된다. 여기서, 직접 연결되는 또는 직접 구동되는 이라는 말은, 피스톤(3)과 선형 모터(14) 사이에 기어가 배치되지 않음을 의미하고, 그래서 힘이 선형 모터(14)와 피스톤(3) 사이에 직접 그래서 어떤 개재된 기어도 없이 전달된다. 일 가능한 실시 형태에서, 가요성 커플링이 또한 피스톤(3)과 선형 모터(4) 사이에 배치될 수 있는데, 이 커플링은 바람직하게는 피스톤(3)과 선형 모터(14)의 독립적인 정렬을 가능하게 해준다. 실린더 내부(5)는 피스톤(3)에 의해 제 1 압축실(5a) 및 제 2 압축실(5b)로 분할되며, 제 1 압축실(5a) 및 제 2 압축실(5b)은, 기하학적 배치로 인해, 작동 중에 서로 반대 방향으로 작동된다. 제 1 압축실(5a) 및 제 2 압축실(5b)은 각각 입구 밸브(7a, 7b) 및 출구 밸브(6a, 6b)를 통해 실린더 내부(5) 외부의 외부 공간에 유체 전달식으로 연결된다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 통상적으로, 유체 라인이 밸브(6a, 6b, 7a, 7b)의 하류에 배치되는데, 이 유체 라인은 유체를 하류 장치에 전달하거나 상류 장치의 상류에 공급한다. 피스톤(3)이 실린더 내부(5)에서 그의 작동 중에 취할 수 있는 복수의 가능한 피스톤 위치 중에서, 도 1은 피스톤(3)의 3개의 대표적인 위치, 즉 하사점(X_UTP)에 있는 제 1 피스톤 위치(3a), 상사점(X_OTP)에 있는 제 2 피스톤 위치(3c) 및 제 3 피스톤 위치(3b)를 나타내며, 그리하여 제 3 피스톤 위치(3b)는 배기 밸브(6a)가 이상적으로 개방점(B)에서 개방되는 위치에 대응한다. 하사점(X_UTP)에 있는 제 1 피스톤 위치(3a), 상사점(X_OTP)에 있는 제 2 피스톤 위치(3c) 및 상사점(X_OTP)에 있는 제 3 피스톤 위치(3b). 존재하는 마찰로 인해, 배기 밸브(6a)는 통상적으로 약간 더 늦게 또는 도 1에 나타나 있는 압력(Pa) 보다 약간 더 높은 압력에서, 즉 나타나 있는 개방점(B)의 영역에서 개방된다.

왕복 압축기(15) 위쪽에는 관련된 이상화된 p-V 선도(압력-부피 선도라고도 함)가 나타나 있는데, 이 선도는 제 1 압축실(5a)에서 왕복 압축기(15)에 의해 압축되는 가스의 압력(P)을 제 1 압축실(5a)의 부피의 함수로 나타낸 것이다. 제 1 압축실(5a)은 변위 부피(VH), 흡입 부피(VS) 및 무효 공간 부피(Vtot)를 가지며, 부피(V)는 오른쪽으로 가면서 증가한다. 동일 선도는 또한 제 1 압축실(5a) 내의 가스의 압력(P)을 피스톤(3)의 행정(X)의 함수로 나타내며, 여기서, 나타나 있는 선도에 있는 행정(X)은 좌측으로 가면서 양으로 증가하며, 그래서 행정(X)의 양의 방향은 좌측으로 향한다. 도 1은 제 1 피스톤 위치(3a)에 있는 피스톤(3)을 나타내고, 그 위치에서 피스톤(3)은 하사점(X_UTP)에 있고, 그리하여 제 1 압축실(5a) 내의 가스는 흡입 압력(Ps)을 갖는다. 이상화된 p-V 선도의 코스는 아래에서 간략히 설명한다. 하사점(X_UTP)에서 출발하여 피스톤(3)은 양의 X 방향으로 이동되며, 그리하여 입구 밸브(7a)는 제 1 압축실(5a) 내의 증가하는 압력으로 인해 폐쇄점(A)에서 자동적으로 폐쇄되고 이상화되며, 제 1 압축실(5a) 내의 가스는 압축 단계(BA) 동안에 출구 압력(Pa)으로 압축되며, 그리하여 출구 밸브(6a)는 출구 압력(Pa)에서 자동적으로 개방되는데, 즉 개방점(B)에서 이상화된다. 이어지는 방출 또는 연장 단계(BC) 동안에, 피스톤(3)은 상사점(X_OTP) 쪽으로 이동되고, 그래서 제 1 압축실(5a) 내의 가스는, 피스톤(3)이 상사점(X_OTP)의 위치에 도달할 때까지 출구 밸브(6a)를 통해 방출되며, 출구 밸브(6a)는 폐쇄점(C)에서 폐쇄되고 이상화된다. 이어지는 팽창 단계(CD) 동안에, 피스톤(3)은 하사점(X_UTP) 쪽으로 이동되고, 여전히 제 1 압축실(5a)에 있는 잔류 가스는 흡입 압력(Ps)으로 팽창되고, 그래서 입구 밸브(7a)는 개방점(D)에서 자동적으로 개방되고 이상화된다. 이어지는 흡기 단계(DA) 동안에, 가스는, 피스톤(3)이 하사점(X_UTP)에 도달할 때까지, 입구 밸브(7a)를 통해 제 1 압축실(5a) 안으로 끌려 들어가고, 입구 밸브(7a)는 폐쇄점(A)에서 폐쇄되며 이상화된다. 점(A, B, C, D)과 관련하여 이상화된 이라는 표현은, 실제 작동에서 이들 점은, 예컨대 밸브의 존재하는 마찰로 인해, 도 1에 나타나 있는 위치에 정확하게 위치되지 않고 그 점 주위의 가까운 범위에 있음을 말한다.

왕복 압축기(15)의 작동 동안에, 도 1에 나타나 있는 과정(점(A, B, C, D) 사이에서 일어남)은 계속 반복된다. 제 1 압축실(5a)이 압축 단계 또는 배출 단계에 있는 동안에 제 2 압축실(5b)은 이완 단계 또는 흡입 단계에 있도록 또한 그 반대로 있도록, 동일 과정이 또한 제 2 압축실(5b)에서 반대 방향으로 일어난다.

특히 유리한 실시 형태에서, 입구 밸브(7a, 7b) 및 출구 밸브(6a, 6b)는 자동적으로 개방되고 폐쇄된다. 그러나, 입구 밸브(7a, 7b) 및/또는 출구 밸브(6a, 6b)를 제어된 방식으로 개방 및/또는 폐쇄하는 것도 유리한 것으로 입증될 수 있다. 이는 제어 하에서 배출 밸브(6a)를 개방하여 도 1에 나타나 있는 사이클을 반대로 하여, 즉 점(A, D, C, B)를 따라 다시 A로 가게 함으로써 가스를 압력(Pa) 하에서 팽창시키기 위해 선형 모터 압축기(1)가 사용될 때 특히 유리하며, 압력(Pa) 하의 가스는, 배기 밸브(6)가 점(B)에서 폐쇄될 때까지 제 1 압축실(5a)에 들어가 피스톤(3)을 선(CB)을 따라 이동시켜 그 제 1 압축실을 팽창시키며, 제 1 압축실(5a)에 있는 가스는 피스톤(3)이 하사점(X_UTP)에 도달하고 또한 입구 밸브(7a)가 점(A)에서 제어 하에서 개방될 때까지 선(BA)을 따라 팽창된다. 그런 다음에 피스톤(3)은 선(AD)을 따라 이동되고, 가스가 제 1 압축실(5a)로부터 방출되며, 입구 밸브(7a)는 제어 하에서 점(D)에서 폐쇄된다. 제 1 압축실(5a)에 있는 잔류 가스는 선(DC)을 따라 압력(Pa)으로 압축되고, 출구 밸브(6)는 제어 방식으로 점(C)에서 개방되며, 그래서 가스는 다시 압력(Pa) 하에서 제 1 압축실(5a) 안으로 흐르게 된다. 특히, 유리하게는, 도 1에 나타나 있는 바와 같이, 제 1 압축실(5a)과 제 2 압축실(5b)을 포함하는 복동 왕복 압축기(15)로, 전술한 주기적인 과정이 연속적인 점(A, D, C, B)의 방향으로 작동된다. 연속적인 점(A, D, C, B)의 방향으로 일어나는 원형 과정은, 선형 모터(14)가 선형 발전기로서 작동될 수 있고 그래서 전술한 가스의 팽창으로 기계적 에너지가 전기 에너지로 전환될 수 있다는 이점을 갖는다. 더 유리한 실시 형태에서, 선형 모터 압축기(1)는 필요에 따라 유체를 압축 또는 팽창시키기 위해 작동될 수 있고 또는 유체의 간헐적인 압축 및 2-방향 팽창이 있는 혼합 모드로 작동될 수 있으며, 그리하여 작동 모드에 따라, 전기 에너지가 선형 모터(15)에 공급되거나 전기 에너지가 소산된다. 추가의 유리한 실시 형태에서, 선형 모터 압축기(1)는, 각 경우에 유체가 제 1 압축실(5a)에서 압축되고 또한 유체가 제 2 압축실(5b)에서 팽창되도록 작동될 수 있고, 그래서 제 1 압축실(5a)에서 방출되는 팽창 에너지는 제 2 압축실(5b)에 있는 유체를 압축시키기 위해 사용될 수 있다.

선형 모터 압축기(1)는 또는 반대로 작동될 수 있어, 압축 또는 팽창을 위해 필요에 따라, 제 1 압축실(5a)에 있는 유체를 압축시키고 그 유체를 제 2 압축실(5b)에서 팽창시킬 수 있다. 선형 모터(15)는 작동 모드에 따라 전기 에너지 공급을 받거나 전기 에너지로 방전될 수 있고, 또는 전기 에너지를 공급함이 없이 아이들 상태로 작동될 수 있다.

왕복 압축기(15)의 다른 가능한 실시 형태에서, 제 2 압축실(5b)은 생략될 수 있으며, 그래서 왕복 압축기(15)는 제 1 압축실(5a)만 가지며, 반대 방향으로 작동될 수 있는 제 2 압축실(5b)은 갖지 않는다.

도 2 내지 4는 선형 모터 압축기(1)의 다른 실시 형태를 나타낸다. 이 선형 모터 압축기(1)는 자유 피스톤 장치(16)를 가지며, 이 피스톤 장치는 선형 모터 회전자(10), 제 1 피스톤(3) 및 제 2 피스톤(4)을 포함한다. 고정자(8)는 선형 모터 회전자(10)와 함께 선형 영구 자석 동기 모터(14)를 형성한다. 선형 모터 압축기(1)는 2개의 실린더 내부(5)를 갖는 실린더(2)를 포함하고, 제 1 압축실(5a)은 제 1 실린더(2a) 및 제 1 피스톤(3)으로 형성되며, 제 2 압축실(5b)은 제 2 실린더(2b) 및 제 2 피스톤(4)으로 형성된다. 제 1 압축실(5a)은 제 1 배기 밸브(6a) 및 제 1 입구 밸브(7a)를 통해 외부에 유체 연결된다. 제 2 압축실(5b)은 제 2 출구 밸브(6b) 및 유체를 전달하는 제 2 입구 밸브(7b)를 통해 외부에 연결된다. 제 1 압축실(5a) 및 제 2 압축실(5b)은 자유 피스톤 장치(16)를 통해 서로 반대 방향으로 작동된다. 바람직하게는, 선형 모터 압축기(1) 내부에서 자유 피스톤 장치(16)를 지지하고 또한 피스톤(3, 4)을 압축실(5a, 5b)에 대해 시일링하기 위해 시일링 링 및/또는 베어링 링이 또한 제 1 및 2 피스톤(3, 4)에 배치되며, 그러한 링들은 일반적으로 알려져 있고 도 2에는 나타나 있지 않다. 피스톤(3, 4)은 또한 래비런스(labyrinth) 피스톤으로 설계될 수 있고, 그래서, 피스톤(3, 4)의 표면에 있는 래비런스 구조가 시일링 기능을 제공하기 때문에 시일링 링은 없어도 된다. 도 3은 교차선(F-F)을 따라 취한 선형 영구자석 동기 모터(14)의 종방향 단면을 나타내며, 이 모터는 적층된 고정자 세그먼트(8a)를 갖는 고정자(8)를 포함하고, 이 고정자는 능동적으로 제어 가능한 자극(13a - 13f)의 자기장을 발생시키기 위한 복수의 바람직하게는 개별적으로 제어 가능한 고정자 권선(12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f)을 포함하며, 선형 영구자석 동기 모터는 또한 선형 모터 회전자(10)를 포함하고, 이 회전자는 복수의 길이 방향으로 서로 이격된 영구 자석(10a)을 포함하고, 선형 모터 회전자(10)는 피스톤 로드(9)의 일부분을 형성한다. 피스톤 로드(9)는 제 1 및 제 2 피스톤(3, 4)이 연결되는 장착부(9a)를 포함한다. 추가로, 선형 영구자석 동기 모터(14)는 유리하게 피스톤 로드(9)를 안내하기 위한 2개의 레이디얼 베어링(11)을 포함한다.

도 4는 선(E-E)을 따라 취한 선형 영구자석 동기 모터(14)의 단면을 나타내며, 고정자 세그먼트(8) 및 제 2 고정자 권선(12b)의 단면 및 피스톤 로드(9) 및 영구자석(10a)의 단면이 또한 나타나 있다.

영구자석 모터, 비동기 모터 또는 릴럭턴스 모터가 예컨대 선형 모터(14)로서 적합하다. 선형 모터(14) 및 그래서 피동 피스톤(3, 4)은 유리하게 50 mm 내지 500 mm 범위의 최대 행정(X_L)을 갖는다.

도 2 내지 4에 나타나 있는 선형 모터(14)는 6개의 능동적으로 제어 가능한 자극(13a - 13f)을 포함하고, 각 자극은 고정자 권선(12a - 12f)에 의해 둘러싸여 있고, 바람직하게는 각 고정자 권선(12a - 12f)은 개별적으로 제어 가능하다. 선형 모터(14)는 바람직하게는 3개 내지 10개의 능동적으로 제어 가능한 자극(13a - 13f), 또는 바람직하게는 10개 내지 50개의 능동적으로 제어 가능한 자극(13a - 13f)을 갖는다. 능동적으로 제어 가능한 자극(13a - 13f)의 수는 특히 최대 행정(X_L)의 길이에 달려 있다. 능동적으로 제어 가능한 자극(13a - 13f)의 수는 또한 고정자(8)에 의해 선형 모터 회전자(10)에 가해지는 힘이 시간의 함수로 또는 행정(X)의 함수로 얼마나 정밀하게 제어될 수 있는가에 영향을 줄 수 있다.

도 5는 도 1 또는 도 2에 나타나 있는 바와 같은 선형 모터(14)의 가능한 제어에 대한 예시적인 특성 곡선을 나타내며, 그리하여 나타나 있는 특성 곡선은, 선형 모터(14)가 왕복 압축기(15)에 연결되지 않고 왕복 압축기(15)에 대해 독립적으로 또한 단독으로만 작동되는 경우를 나타낸다. 특성 곡선(30)은, 하사점(X_UTP)에서 상사점(X_OTP)까지 또한 상사점에서 하사점까지의 전체 사이클 동안에 시간(t)의 함수로 선형 모터(14)의 행정(X)을 나타낸다. 특성 곡선(31)은 시간(t)의 함수로 선형 모터 회전자(10)의 속도를 나타내고, 선형 모터(14)는, 선형 모터 회전자(10)의 속도가 시간의 함수로 부분(31a)에서 선형적으로 증가하고 부분(31b)에서 일정하며 부분(13c)에서 선형적으로 감소되며 그리고 부분(13d)에서 영이 되도록 제어되며, 그래서 선형 모터 회전자(10)는 정지된다. 특성 곡선(30)에서 알 수 있는 바와 같이, 선형 모터 회전자(10)가 정지되어 있을 때, 그 회전자는 상사점(X_OTP)에 도달된 상태이다. 하사점(X_UTP)으로의 복귀 운동 동안에, 선형 모터 회전자(10)의 속도는 음의 부호로 부분(31e)에서 선형적으로 증가하고, 부분(31f)에서 일정하게 유지되며, 선형 모터 회전자(10)가 하사점(X_UTP)에서 정지될 때까지 부분(13g)에서 선형적으로 감소한다. 특성 곡선(32)은 시간(t)의 함수로 선형 모터 회전자(10)의 가속도를 나타내고, 선형 모터 회전자(10)는 부분(32a, 32g)에서 일정한 양의 가속도로 가속되며, 부분(32c, 32e)에서 일정한 음의 가속도로 감속되며, 부분(32b, 32d, 32f)에서 가속 없이 이동된다. 특성 곡선(33)은 시간(t)의 함수로 선형 모터(14)에 의해 선형 모터 회전자(10)에 가해지는 힘을 나타내고, 일정한 가속력이 부분(33a)에서 가해지며, 작은 일정한 힘이 부분(33b)에서 가해져, 선형 모터 회전자(10)의 운동 중에 가해지는 마찰력을 극복하고, 음의 힘이 부분(33c)에서 가해져, 선형 모터 회전자(10)를 상사점(X_OTP)에서 정지시킨다. 정지 동안에, 즉 부분(33d) 동안에, 가속도는 가해지지 않는다. 그 후에, 선형 모터 회전자(10)는 부분(33e)에서 다시 일정한 힘에 의해 가속되며, 부분(33f)에서 작용하는 작은 일정한 힘에 의해 계속 움직여 가해지는 마찰력을 극복하고, 하사점(X_UTP)에서 부분(33g)에서 작용하는 일정한 힘에 의해 제동되어 멈추게 된다. 부분(33c, 33g) 동안에, 선형 모터(14)는 선형 모터 회전자(10)를 제동시키고, 이 과정에서 방출된 에너지는 열로 전환될 수 있고, 선형 모터(14)는 부분(33c, 33g) 동안에 바람직하게는 발전기로서 작동되며, 그 과정에서 방출된 전기 에너지는 에너지 저장부, 바람직하게는 구동 디바이스에 임시로 저장된다.

선형 모터(14)는 시간(t) 또는 행정(X)의 함수로 복수의 가능성에 의해 대응제어를 통해 제어될 수 있고, 바람직하게는 행정, 속도, 가속도 및 모터 힘의 특성 곡선들 중의 적어도 하나는 시간(t)의 함수로 미리 결정되고, 제어 디바이스는 선형 모터가 적어도 대략적으로 그 미리 결정된 특성 곡선에 따라 움직이도록 선형 모터(14)를 제어한다. 도 6은 선형 모터(14)에 대한 제어의 다른 예를 나타낸다. 특성 곡선(34)은 전체 사이클 동안에 선형 모터(14)의 행정(X)을 시간(t)의 함수로 나타낸 것이다. 특성 곡선(35)은 속도를 나타내고, 특성 곡선(36)은 가속도를 나타내며, 특성 곡선(37)은 선형 모터(14)의 모터 힘을 시간(t)의 함수로 나타낸다. 시간(t1)까지 도 6에 따른 특성 곡선은 도 5에 따른 특성 곡선과 유사한 코스를 나타내고, 그래서 도 6에서의 시간 축은 상당히 더 짧은데, 즉 도 6에서의 운동이 상당히 더 빠르고, 이는, 도 6에 있는 속도, 가속도 및 모터 힘에 대한 값은 도 5와 비교하여 상당히 더 높다는 사실로부터 알 수 있다.

시간(t1)과 총 사이클 시간(T) 사이(전체 사이클의 완료)에서 도 6에 나타나 있는 특성 곡선은 선형 모터(14)의 추가의 제어 예를 나타낸다. 이 제어 방법은, 모든 특성 곡선(34, 35, 36, 37)이 시간(t2)과 시간(t3) 사이에서 연속적으로 변하고 꼬임(kink)을 갖지 않는다는 이점을 갖는데, 이는, 꼬임은 통상적으로 작동 거동의 갑작스런 변화를 야기하므로(그 결과 기계적 부하가 증가됨) 선형 모터(14)는 더 완만하게 작동됨을 의미한다. 도 6에 나타나 있는 제어 예는 선형 모터(14)를 제어하는 복수의 가능성 중의 단지 한 예이다. 시간의 함수인 복수의 상이한 특성 곡선으로 선형 모터(14)를 작동시킬 수 있는 결과, 그러한 선형 모터(14)로 구동되는 왕복 압축기(15)는 복수의 방식으로 작동될 수 있는 이점이 얻어진다. 바람직하게는, 선형 모터(14)는, 선형 운동 가능한 자유 피스톤 장치(16)에 시간(t)의 함수 또는 행정(X)의 함수인 적어도 하나의 상태 변수(Z_nominal)가 주어지도록 작동되고, 선형 모터(14)는, 자유 피스톤 장치(16)가 주어진 상태 변수(Z_nominal)를 갖거나 적어도 대략적으로 그 상태 변수를 취하도록 피조절 방식으로 제어된다. 이 제어 방법에 의해, 예컨대, 선형 모터(14)에 의해 출력될 최대 힘, 선형 압축기(1)를 작동시키기 위해 필요한 최대 파워 및/또는 생기는 최대 가속도 및/또는 생기는 최대 속도(작동 동안에 초과될 수 없음)가 미리 정해진다는 점에서, 선형 모터 압축기(1)의 작동은 예컨대 미리 정해질 수 있는 중요 수치에 대해 최적화될 수 있다.

도 1 및 2에 나타나 있는 바와 같이, 선형 모터 압축기(1)는 전기 선형 모터(14) 및 이 선형 모터(14)에 의해 구동되는 왕복 압축기(15)를 포함한다. 선형 모터 압축기(1)의 운동의 전반적인 역학은 본질적으로 선형 모터(14)에 연결되는 왕복 피스톤 압축기(15)의 역학과 함께 선형 모터(14)의 역학에 의해 결정되고, 전반적인 역학은 본질적으로 작용하는 관성력, 선형 모터(14)에 의해 야기되는 전자기력, 왕복 피스톤 압축기(15)에 의해 야기되거나 왕복 피스톤 압축기(15)에 작용하는 가스력, 왕복 압축기(15)에서 왕복 피스톤 압축기(15)에 작용하는 가스력 및 피스톤과 선형 모터(14)의 운동에 의해 야기되는 마찰력에 의해 결정된다.

이하, 운동 방정식을 세워 자유 피스톤 장치(16)의 운동의 역학을 더 상세히 설명한다.

도 2에 나타나 있는 바와 같이, 두 피스톤(3, 4)은 행정 방향(X)으로 일어나는 왕복 운동으로 선형 모터(14)에 의해 야기되는 힘으로 구동된다. 제 1 피스톤(3)은 하사점(X_UTP)과 상사점(X_OTP) 사이의 범위에서 양의 행정 방향(X)으로 움직인다. 제 1 피스톤(3)은 하사점(X_UTP)과 상사점(X_OTP) 사이의 범위에서 양의 행정 방향(X)으로 앞뒤로 움직인다. 제 2 피스톤(4)은 제 1 피스톤(3)의 반대 방향으로, 또한 도 2에 나타나 있는 바와 같이, 상사점(X_OTP)과 하사점(X_UTP) 사이의 범위에서 양의 행정 방향(X)으로 움직인다. 두 피스톤(3, 4)은 서로 반대 방향으로 움직이기 때문에, 자유 피스톤 장치(16)의 운동 해석은, 하사점(X_UTP)에서 상사점(X_OTP)으로 양의 X 방향으로 움직이고 또한 다시 하사점(X_UTP)으로 되돌아 가는 제 1 피스톤(3)의 사이클에 대해서만 고려된다. 이 단순화된 모델에 따르면, 선형 모터(14)로 자유 피스톤 어셈블리(16)를 움직이기 위해 가해지는 구동력(FLM)을 위한 식은 다음과 같다:

m_g¨x = F_LM + F_pr - F_pl - F_fr - F_fl

여기서, mg는 자유 피스톤 어셈블리(16)의 총 질량이며, x는 자유 피스톤 어셈블리의 변위 및 행정이고, Fpr 및 Fpl은 우측의 제 2 압축실(5b) 및 좌측의 제 1 압축실(5a) 내의 가스 압력으로 인해 제 1 및 2 피스톤(3, 4)에 작용하는 힘이고, Ffr 및 Ffl은 우측의 제 2 피스톤(4) 및 좌측의 제 1 피스톤(3)의 마찰력이다.

제 1 및 2 피스톤(3, 4)에 가해지는 가스 압력으로 인한 힘은 다음 식에 따라 계산될 수 있다:

여기서, d_p는 제 1 및 2 피스톤(3, 4)의 직경이고, P_i는 우측의 제 2 압축실(5b)(i = l) 및 좌측의 제 1 압축실(5a)(i = r) 내의 가스 압력이다.

선형 모터 압축기(1)의 알려져 있는 전체적인 역학을 고려하여, 상태 변수(Z_nominal)는 제어 디바이스에 특정될 수 있고, 그래서 제어 디바이스는 선형 모터 압축기(1)가 적어도 대략적으로 특정된 상태 변수(Z_nominal)를 갖도록 선형 모터(14)를 제어한다.

가장 간단한 경우에, 자유 피스톤 장치(16)의 행정 이동점(X₁)(즉, 행정(X)을 따른 규정된 점) 및 설정점 속도(v_nominal) 및/또는 설정점 가속도(a_nominal) 및/또는 설정점 힘(F_nominal)은 상태 변수(Z_nominal)로서 특정될 수 있다. 행정 이동점(X₁) 대신에, 행정 이동 시간(T_L1), 즉 총 사이클 시간(T) 내의 규정된 시간이 특정될 수 있고, 하사점(X_UTP)이 바람직하게 시간 측정 기준으로 사용된다. 따라서, 가장 간단한 경우에, 자유 피스톤 장치(16)의 행정 시간(T_L1) 및 그에 할당된 설정점 속도(v_nominal) 및/또는 설정점 가속도(a_nominal) 및/또는 설정점 힘(F_nominal)이 또한 상태 변수(Z_nominal)로서 특정될 수 있다. 도 9에 나타나 있는 바와 같이, 예컨대 자유 피스톤 장치(16)의 속도가 점(B, D)의 영역에서 감소되는 것을 보장하는 것이 문제라면, 상태 변수(Z_nominal)로 충분할 것이며, 이 상태 변수는 행정 경로 점(X₁)에서의 속도(v_nominal) 및 행정 경로 점(X₂)에서의 속도(-v_nominal)를 특정한다. 유사한 방식으로, 목표 가속도(a_nominal) 및/또는 목표 힘(F_nominal)이 또한 물론 행정 경로 점에서 특정될 수 있다.

유리하게, 행정 경로(X)의 적어도 일부분을 따라, 바람직하게는 전체 행정 경로(X_L)를 따라 유지될 상태 변수(Z_nominal)의 코스가 상태 변수(Z_nominal)로서 특정된다.

더 유리한 방법에서, 총 사이클 시간(T)의 일부분, 바람직하게는 총 사이클 시간(T) 동안에 유지될 상태 변수(Z_nominal)의 곡선이 상태 변수(Z_nominal)로서 특정된다.

더 유리한 방법에서, 도 2에 나타나 있는 선형 모터 압축기(1)의 작동 동안에 자유 피스톤 장치(16)가 앞뒤로 움직일 때 따르는, 하사점(X_UTP)과 상사점(X_OTP) 사이의 속도-변위 곡선 및/또는 상사점(X_OTP)과 하사점(X_UTP) 사이의 속도-변위 곡선이 상태 변수(Z_nominal)로서 특정된다. 도 7은 선형 모터(14)와 왕복 피스톤 압축기(15) 둘 모두를 포함하는 선형 모터 압축기(1)의 그러한 작동 방법의 일 예를 나타낸다. 도 7은 본 발명에 따른 작동 방법에 따른 속도-변위 곡선(G₁, G₂, G₃, G₄)를 상태 변수(Z_nominal)로서 나타내고, 이는 도 2의 도움으로 설명된다. 도 7에 따른 선도는, 좌측에서, 점(A)의 좌측으로 가는 제 1 피스톤(3)의 운동을 나타내고, 점(A)(하사점(X_UTP))에서 출발하여 그 피스톤은 곡선(G₁)을 따라 도 1에 나타나 있는 점(B)을 지나 점(C)(상사점(X_OTP))으로 이동하고, 곡선(G₂)을 따라 점(D)을 지나 다시 점(A)(하사점(X_UTP))으로 이동한다. 도 7에 따른 선도는, 우측에서, 점(A)의 좌측으로 제 2 피스톤(4)의 속도-변위 곡선(G₃, G₄)을 상태 변수(Z_nominal)로서 나타낸다. 제 2 피스톤(4)은 제 1 피스톤(3)과는 반대 방향으로 이동하므로, 제 2 피스톤(4)은 곡선(G3)을 따라, 점(C)(상사점(X_OTP))에서부터 도 1에 나타나 있는 점(D)을 지나 점(A)(하사점(X_UTP))으로 이동하게 되며, 그리고 곡선(G4)을 따라 점(B)을 지나 다시 점(C)(상사점(X_OTP))으로 이동한다는 점에서, 제 2 피스톤(4)은 제 1 피스톤(3)과는 반대 방향으로 이동한다. 제 1 및 제 2 피스톤(3, 4)은 서로에 고정되어 있고 그래서 동일한 속도를 가지기 때문에(속도의 상이한 부호를 제외하고), 그 외에 궤적(G₁, G₃)은 동일한 코스를 갖는다. 동일한 이유로, 곡선(G₂, G₄)도 속도의 상이한 부호를 제외하고 동일한 코스를 보인다. 바람직하게는, 선형 모터 압축기(1)는 동일한 상태 변수(Z_nominal) 또는 동일한 속도-변위 곡선으로 하사점(X_UTP)과 상사점(X_OTP) 사이에서 그리고 상사점(X_OTP)과 하사점(X_UTP) 사이의 복귀 경로에서 이동되고, 그래서 모든 곡선은, 속도에 관한 상이한 부호를 제외하고, 동일한 곡선(G₁, G₂, G₃, G₄)을 갖는다. 도 7에 나타나 있는 바와 같이, 제 1 피스톤(3)은 점(A, B) 사이(압축 단계(AB))에서 제 1 평균 속도(V_m1)를 가지며, 피스톤(3)은 점(B, C) 사이(방출 단계(BC))에서 제 2 평균 속도(V_m2)를 가지며, 제 1 평균 속도(V_m1)는 제 2 평균 속도(V_m2) 보다 크다. 평균 속도는 두 점 사이에서의 피스톤(3 또는 4)의 평균 속도 값으로 이해된다. 따라서, 제 1 평균 속도(V_m1)는 점(A)과 점(B) 사이의 평균 속도에 대응하고, 제 1 평균 속도(V_m1)는 점(A)과 점(B) 사이에서의 속도(V(t))의 시간 적분을 피스톤(3)을 점(A)과 점(B) 사이에서 이동시키는 데에 필요한 시간으로 나눈 것에 대응하고, 제 1 평균 속도(V_m1)는 점(A)과 점(B) 사이의 경로(X)를 따르는 속도(V(X))의 적분을 피스톤(3)을 점(A)과 점(B) 사이에서 이동시키는 데에 필요한 경로 거리(A-B)로 나눈 것에 대응한다. 따라서, 유사하게, 제 2 평균 속도(V_m2)는 점(B)과 점(C)사이의 평균 속도에 대응하고, 제 2 평균 속도(V_m2)는 점(B)과 점(C) 사이에서의 속도(V(t)) 또는 속도(V(X))의 적분을 피스톤(3)을 점(B)과 점(C) 사이에서 이동시키는 데에 필요한 시간 또는 경로 거리(B-C)로 나눈 것에 대응한다.

도 7에 나타나 있는 바와 같이, 점(C)에서 점(A)으로 가는 복귀 이동 중에, 제 1 피스톤(3)은 점(C)와 점(D) 사이(이완 단계(CD)) 및 점(D)와 점(A) 사이(흡입 단계(DA))의 제 3 평균 속도(V_m3)를 가지며, 피스톤(3)은 제 4 평균 속도(V_m4)를 가지며, 제 3 평균 속도(V_m3)는 제 4 평균 속도(V_m4) 보다 크다. 따라서, 제 3 평균 속도(V_m3)는 점(C)와 점(D) 사이의 평균 속도에 대응하고, 제 3 평균 속도(V_m3)는, 점(C)과 점(D) 사이에서의 속도(V(t)) 또는 속도(V(X))의 적분을 피스톤(3)을 점(C)과 점(D) 사이에서 이동시키는 데에 필요한 시간 또는 경로 거리(C-D)로 나눈 것에 대응한다. 유사하게, 제 4 평균 속도(V_m4)는 점(D)와 점(A) 사이의 평균 속도에 대응하고, 또는 제 4 평균 속도(V_m4)는, 점(D)과 점(A) 사이에서의 속도(V(t)) 또는 속도(V(X))의 적분을 피스톤(3)을 점(D)과 점(A) 사이에서 이동시키는 데에 필요한 시간 또는 경로 거리(D-A)로 나눈 것에 대응한다.

선형 모터 압축기(1)는, 바람직하게는, 피스톤(3, 4)은, 도 7에 따른 축 상에서 요구되는 미러링(mirroring) 이외에, 그의 왕복 운동시에 동일한 속도-변위 곡선(G1, G4) 또는 동일한 속도-변위 곡선(G2, G3)을 갖도록 작동된다. 다른 가능한 작동 모드에서, 두 피스톤(3, 4) 각각은 왕복 운동시에 상이한 속도-변위 곡선, 예컨대, 우측에서 좌측으로 가는 이동시에는 좌측에서 우측으로 가는 경우와는 다른 속도-변위 곡선을 갖는 것도 가능하다.

예컨대 선형 모터(14)와 왕복 압축기(15)의 상호 작용은 또한 도 7에 나타나 있는 속도-변위 곡선(G1)으로부터 이해될 수 있다. 점(A)에서 출발하여 행정 점(X3)까지, 코스(G1)는 비교적 빠른 증가를 나타내며, 이는 특히 압축 단계의 시작시에 작은 힘이 여전히 왕복 압축기(15)에 요구된다는 사실로 인한 것이다. 추가로, 제 2 압축실(5b) 또는 그 안에 있는 가스는 이완 단계에 있고, 그래서 이 가스는 제 2 피스톤(4)을 구동시키며, 그래서 선형 모터(14)의 구동력과 제 2 피스톤(4)에 작용하는 이완력의 조합의 결과로 자유 피스톤 장치(16)의 빠른 운동, 즉, 증가하는 속도(V) 또는 가속도가 일어나게 된다. 추가의 유리한 방법에서, 자유 피스톤 장치(16)는 선형 모터(14)에 의해 빠르게 구동되며, 그래서 이완력은 자유 피스톤 장치(16)의 운동에 무시 가능한 기여를 하거나 전혀 기여하지 않는다. 행정 방향(X)으로 행정 점(X3) 뒤에서, 왕복 압축기(15)에 의해 흡수되는 압축력은 지속적으로 증가하여, 자유 피스톤 장치(16)의 속도가 감소되며, 이는 선형 모터(14)가 일정한 파워로 작동되는 경우에 특히 그러하다. 점(B) 뒤에서, 배출 밸브(6a)가 개방되며, 자유 피스톤 장치(16)의 속도는 배출 밸브(6a)에서 일어나는 유동 저항으로 인해 더 감소된다. 행정 점(X4)으로 시작하여, 자유 피스톤 장치(16)는 제동되어 상사점(X_OTP)까지 정지되며, 이는 바람직하게는 제동력을 발생시키는 선형 모터(14)(유리하게 발전기로서 작동됨)에 의해 행해지며, 예컨대 자유 피스톤 장치(16)를 다시 부분(A-X3)에서 가속시키기 위해, 발생된 전기 에너지는 바람직하게는 제어 디바이스에 임시로 저장된다.

도 7은 상태 변수(Znom)로서 속도-변위 선도(v-x 선도)를 나타낸다. 속도-거리 선도 대신에, 도 5 또는 6에 나타나 있는 특성 곡선(30 내지 37) 중의 하나, 예컨대, 시간의 함수인 행정, 속도, 가속도 또는 힘이 또한 상태 변수(Znom)로서 특정될 수 있다. 추가로, 도 5 또는 6에 나타나 있는 특성 곡선(30 내지 37) 중의 여러 개의 조합이 또한 예컨대 선형 모터(14)에 의해 출력될 최대 속도 및/또는 가속도 및/또는 힘 및/또는 선형 모터(14)에 의해 소비되는 전기 에너지가 초과되지 않도록 상태 변수(Z_nominal)를 선택하여 특정될 수 있다.

유리한 방법에서, 자유 피스톤 장치(16)는, 선형 모터(14)가 일정한 또는 본질적으로 일정한 파워를 출력하도록, 미리 결정된 속도-변위 곡선(G1)으로 압축 단계(AB) 동안의 하사점(X_UTP)에서부터 배출 밸브(6)의 개방점(B)까지 이동된다. 그 파워는 선형 모터(14)에 의해 가해지는 구동력(FLM)에 자유 피스톤 장치(16)의 속도(V)를 곱하여 계산된다. 따라서, 미리 결정된 일정한 파워로, 미리 결정된 속도-변위 곡선(G1)이 계산될 수 있다. 이 방법은 선형 모터 압축기는 또한 더 낮은 파워로 안전하게 작동될 수 있다는 이점을 갖는다.

선형 모터 압축기(1)의 연속적인 작동 동안에, 이는 점(C)과 점(D) 사이에서 팽창 단계(CD)를 가지며, 이 팽창 단계 동안에, 무효 부피(Vtot)에 있는 가스가 팽창된다. 한 가능한 방법에서, 선형 모터(14)는 발전기 작동에 의해 팽창력으로 인한 피스톤(3, 4)의 운동을 제동한다는 점에서, 선형 모터(14)는 팽창 단계(CD)의 적어도 일부분을 따라 발전기로서 작동될 수 있고, 그 과정에서 생성된 전기 에너지는 바람직하게는 임시로 저장된다. 특히 유리한 방법에서, 선형 모터(14)가 전체 이완 단계(CD) 동안에 자유 피스톤 장치(16)에 능동적인 제동 효과를 가하지 않도록, 바람직하게는, 선형 모터(14)가 전체 이완 단계(CD) 동안에 바람직하게는 점(C)과 점(A), 즉 전체 단계(CA) 동안에 자유 피스톤 장치(16)에 양의 제동 효과를 가하고 하사점(X_UTP) 쪽으로 향하는 방향으로 작용하는 양의 힘을 자유 피스톤 장치(16)에 가하도록, 선형 모터(14)는 이완 단계(CD)의 적어도 일부분을 따라 바람직하게는 전체 이완 단계(CD) 동안에 제어된다. 이 방법에 의해, 팽창 단계(CD)를 따르는 팽창 동안에 무효 공간(Vtot)에 있는 가스에 의해 방출되는 에너지는 바람직하게는 자유 피스톤 장치(16)의 운동 에너지로 완전하게 전환되며, 이는 자유 피스톤 장치(16)의 운동 에너지를 제 2 피스톤(4)을 통해 가스에 전달함으로써 제 2 압축실(5b) 내의 가스의 압축을 지원한다.

도 8은 도 2에 나타나 있는 선형 모터 압축기(1)의 추가의 유리한 작동 방법을 나타낸다. 도 8은 제 1 피스톤(3)의 상당히 개략적인, 즉 약간 이상화된 속도-거리 선도를 나타내며, 여기서 이 선도는, 일어나는 과정의 단순화된 도시를 위해 단계(AC) 동안에 제 1 피스톤(3)의 속도를 행정(X)의 함수로 나타내고, 선도는 이어서 우측으로, 단계(AC) 동안에 제 1 피스톤(3)의 속도를 행정(X)의 함수로 나타내고, 더 양호한 도시를 위해 단계(AC) 동안의 행정(X)은 도 7과는 달리 우측으로 진행되는 것으로 나타나 있다. 본질적으로, 도 8에 나타나 있는 선도의 시작 및 끝 둘 모두에서 제 1 피스톤(3)은 하사점(X_UTP)에 있다. 미리 결정된 상태 변수(Z_nominal)는 자유 피스톤 장치(16)에 대한 곡선(G1, G2)인데, 즉 도 8에 나타나 있는 바와 같은 속도-변위 곡선이다. 압축 단계(AB)는 비교적 높은 속도, 특히 비교적 높은 제 1 평균 속도(V_m1)로 그리고 따라서 시간 면에서 비교적 빨리 통과된다. 출구 밸브(6)의 개방점(B)의 영역에서, 속도(v)는 감소되며, 그래서 자유 피스톤 장치(16)는 방출 단계(BC) 동안에 감소된 속도 또는 압축 단계(AB)와 비교하여 더 낮은 제 2 평균 속도(V_m2)로 이동된다. 미리 결정된 상태 변수(Z_nominal), 미리 결정된 속도-변위 곡선 또는 미리 결정된 속도-시간 곡선, 압축 단계(AB) 동안의 제 1 평균 속도(V_m1)가 방출 단계(BC) 동안의 제 2 평균 속도(V_m2) 보다 높고 그리고/또는 압축 단계(AB)의 지속 시간이 방출 단계(BC)의 지속 시간 보다 짧도록, 하사점(X_UTP)에서 출발하여, 자유 피스톤 장치(16)는 압축 단계(AB) 동안에 배기 밸브(6)의 개방점(B)까지 이동되며 이어서 방출 단계(BC) 동안에는 배기 밸브(6)의 폐쇄점(C)까지 이동된다. 특히, 이 방법은 방출 단계(BC)의 지속 시간을 증가시킬 수 있다는 이점을 갖는다. 이 방법은, 자유 피스톤 장치(16)는 방출 단계(BC) 동안에, 즉 가스가 출구 밸브(6a)로부터 유출되는 동안에 감소된 속도로 작동될 수 있는 이점을 갖는데, 이는 출구 밸브(6a)에 의해 야기되는 유출 저항을 줄여주며 또한 그래서 유출로 인한 손실 에너지를 줄여준다.

압축 단계(AB) 동안에 유출이 일어나지 않기 때문에, 그 압축 단계(AB)는, 추가적인 에너지는 없이 또는 극히 낮은 추가적인 에너지로, 증가된 속도에서 또는 더 높은 평균 속도로 통과될 수 있고, 그래서 방출 단계(BC)는 압축 단계(AB)와 비교하여 더 낮은 평균 속도에서 방출 단계(BC)를 통과함으로써 시간에서 있어 바람직하게 연장될 수 있다. 이 방법은 배기 밸브를 통해 유출하는 가스로 인한 에너지 손실이 감소될 수 있는 이점을 갖는다. 선형 모터 압축기의 전체 왕복 운동의 주어진 사이클 시간(T_z)에 대해, 압축 단계(AB) 동안의 제 1 평균 속도(V_m1)가 높게, 바람직하게는 가능한 한 높게 설정되고 또한 제 2 평균 속도(V_m2)가 제 1 평균 속도(V_m1) 보다 낮게, 바람직하게는 가능한 한 낮게 설정되지만 전체 왕복 운동의 주어진 사이클 시간(Tz)이 유지되도록, 선형 모터 압축기가 유리하게 작동된다. 따라서, 주어진 사이클 시간(Tz)으로, 이 방법은 방출 단계(BC)의 지속 시간을 연장시키거나 배기 밸브(6a)에서 실린더 내부 밖으로 나가는 가스의 유량을 감소시킬 수 있고, 이로써, 배기 밸브에서 일어나는 에너지 소산이 감소된다. 이 과정은 선형 모터 압축기의 효율을 증가시킬 수 있다. 특히 유리한 방법에서, 선형 모터(8)는 적어도 압축 단계(AB)의 일부분 동안에 모터에 의해 자유 피스톤 장치(16)를 구동시키고, 선형 모터(8)는 적어도 배출 단계(BC)의 일부분 동안에 자유 피스톤 장치(16)를 제동시키고, 이때 바람직하게는 전기 에너지를 방출하는 발전기로서 작동되며, 그 전기 에너지는 바람직하게는 임시로 저장되고, 압축 단계(AB) 동안에 선형 모터(8)에 전기 에너지를 공급하기 위해 바람직하게 재사용된다. 전기 에너지의 이 단기간의 중간 저장에 의해, 선형 모터 압축기는 특히 효율적으로 작동될 수 있고, 그래서 특히 압축 단계(AB) 동안의 제 1 평균 속도(V_m1)가 배출 단계(BC) 동안의 제 2 평균 속도(V_m2) 보다 높은 것이 보장된다. 곡선(G2)을 따른 상태 변수(Z_nominal)는 단계(CA) 동안에 자유 피스톤 장치(16)의 운동, 상사점(X_OTP)에서 하사점(X_UTP)으로의 제 1 피스톤(3)의 운동을 나타낸다. 선형 모터 압축기(1)가 도 2에 나타나 있는 바와 같은 제 1 및 2 압축실(5a, 5b)(역회전하는 피스톤(3, 4)에 의해 압축됨)을 가지면, 두 곡선(G1, G2)은, 도 8에 나타나 있는 바와 같이, 속도(v)의 부호를 제외하고, 동일한 코스를 갖는다. 선형 모터 압축기(1)가 단지 하나의 제 1 압축실(5a)을 가지면, 두 곡선(G1, G2)은 상이한 곡선을 가질 수 있다. 도 8에 나타나 있는 바와 같이, 팽창 단계(CD)의 평균 속도(V_m3)는 흡입 단계(DA)의 평균 속도(V_m4) 보다 높다.

도 9는 도 2에 나타나 있는 선형 모터 압축기(1)의 다른 작동 방법을 나타낸다. 도 9는 제 1 피스톤(3)의 속도-변위 선도를 나타낸다. 미리 결정된 상태 변수(Z_nominal)로서, 진행(G1, G2)은 자유 피스톤 장치(16)에 대해 특정된다. 이들 진행(G1, G2)은, 제 1 및 2 피스톤(3, 4)이 점(A, B, C, D)의 영역에서 낮은 또는 감소된 속도(v)로 움직이도록 선택되며, 점(C, A)에서의 속도는 0 m/s로 감소되는데, 왜냐하면, 자유 피스톤 장치는 이들 반전점에서 짧은 시간 동안 정지되기 때문이다. 바람직하게는, 점(C, A)의 영역에서, 즉 특히 점(C, A)에 도달하기 바로 전의 속도는 특히 큰 정도로 감소되며, 그래서 이 속도는 점(B, D)에서 보다 낮다. 도 9a 및 9b는 점(C, A)의 영역에서 도 9의 속도를 상세히 나타낸다. 유리한 과정에서, 점(C, A)에서의 속도는 매우 낮고 예컨대 0.1 m/s 보다 작다. 점(C, A)에서의 감소된 속도는, 입구 밸브(7a) 및 출구 밸브(6a)는 낮은 속도로 폐쇄되는 효과를 가지며, 이는 밸브는 이 완만한 폐쇄에 의해 기계적으로 단지 약간의 응력만 받는 다는 효과를 가지며, 그래서 밸브는 장시간 동안 신뢰적으로 또한 바람직하게는 유지 보수 없이 작동될 수 있다. 도 9b에 나타나 있는 바와 같이, 자유 피스톤 장치(16)는 하사점(X_UTP) 쪽으로 행정의 끝을 향해 더 큰 음의 가속도로 먼저 감속되고, 그런 다음에 감소된 음의 가속도로 감속되며, 그리하여, 자유 피스톤 장치(16)는 정지될 때까지 감소된 음의 가속도로 하사점(X_UTP)에서 감속되며 그런 다음에 반대 방향으로 다시 가속된다. 도 9a에 나타나 있는 바와 같이, 자유 피스톤 장치(16)는 상사점(X_OTP) 쪽으로 행정의 끝을 향해 더 큰 음의 가속도로 먼저 감속되고, 그런 다음에 감소된 음의 가속도로 감속되며, 그리하여, 자유 피스톤 장치(16)는 감소된 음의 가속도로 상사점(X_OTP)에서 정지되도록 감속되고 그런 다음에 반대 방향으로 다시 가속된다. 가장 간단한 경우에, 상태 변수(Z_nominal)는 단지 하나의 점, 예컨대, 도 9에 나타나 있는 바와 같은 값(v_nominal)을 갖는 행정 경로점(X₁)으로 이루어질 수 있다. 그래서 제어는, 자유 피스톤 장치(16)가 행정 경로점(X₁)에서 속도(v_nominal)를 갖도록 수행된다. 이로써, 행정 경로점(X₁)에서의 자유 피스톤 장치(16)의 속도가 요구되는 낮은 속도(v_nominal)를 갖는 것이 보장된다.

도 10은 선형 모터 압축기(1)의 작동을 위한 제어 디바이스(20)를 나타낸다. 제어 디바이스(27)는 신호선을 통해 실제 상태 변수(29a), 선형 모터 압축기(1)의 적어도 하나의 실제 상태 변수, 바람직하게는 자유 피스톤 장치(16)의 행정(X) 및/또는 속도(v) 및/또는 가속도 및/또는 가해지는 힘(F)을 적어도 하나의 센서(21)로 검출한다. 상태 변수의 설정값(Zset)은 설정점 사전 설정 장치를 통해 미리 설정된다. 제어 디바이스(27)는 실제 상태 변수(29a) 및 인버터 제어 디바이스(26)에 공급되는 설정점 상태 변수(Zsetpoint)(29e)로부터 제어 신호(29b)를 계산한다. 인버터 구동 디바이스(26)는 제어 라인(29c, 29d)을 통해 파워 공급부(23)와 인버터(22)를 구동시키고, 인버터(22)는 전기 도체(24a, 24b, 24c, 24d)를 통해 복수의 고정자 권선(12a, 12b, 12c, 12d)을 개별적으로 구동시키기 위해 복수의 구동기를 포함한다. 파워 공급부(23)는 파워 라인(25)을 통해 인버터(22)에 연결된다. 특히 유리한 실시 형태에서, 에너지 공급부(23)는 에너지 저장 장치를 포함하고, 인버터(22)는, 전기 에너지가 선형 모터 압축기(1)로부터 추출되어 인버터(22)를 통해 에너지 공급부(23)에 공급되도록 제어 가능하고, 전기 에너지는 바람직하게는 짧은 시간 동안, 바람직하게는 1초 미만 또는 1분 미만의 기간 동안 에너지 공급부에 저장된다.

Claims (21)

1. 선형 모터 압축기(1)를 작동시키기 위한 방법으로서, 선형 모터 압축기는 전기 선형 모터(14), 실린더(2), 및 피스톤(3)을 갖는 선형 운동 가능한 자유 피스톤 장치(16)를 포함하고, 상기 실린더(2)와 피스톤(3)은 압축실(5)을 형성하며, 상기 자유 피스톤 장치(16)는 선형 모터(14)에 의해 직접 구동되고 상사점(X_OTP)과 하사점(X_UTP) 사이에서 행정 경로(X)를 따라 앞뒤로 이동되며, 유체가 외부로부터 상기 압축실(5)에 공급되며, 공급되는 유체는 압축실(5) 안에서 압축 또는 팽창되며, 이어서 다시 외부로 배출되며, 적어도 하나의 상태 변수(Z_set)가 선형 모터 압축기(1)에 대해 미리 설정되고, 선형 모터(14)는, 선형 모터 압축기(1)가 미리 결정된 상태 변수(Z_nominal)를 가지도록 제어되며, 압축 단계(AB) 동안에 하사점(X_UTP)에서 출발하여 출구 밸브(6)의 개방점(B)에 이르고 이어서 방출 단계(BC) 동안에 출구 밸브(6)의 폐쇄점(C)에 이르는 상기 자유 피스톤 장치(16)는, 상기 압축 단계(AB) 동안의 평균 속도(V_m1)가 방출 단계(BC) 동안의 평균 속도(V_m2) 보다 높도록, 미리 결정된 상태 변수(Z_nominal), 미리 결정된 속도-변위 곡선으로 구동되는, 선형 모터 압축기를 작동시키기 위한 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   이완 단계(CD) 동안에 상사점(X_OTP)에서 출발하여 입구 밸브(7)의 개방점(D)에 이르고 이어서 흡기 단계(DA) 동안에 입구 밸브(7)의 폐쇄점(A)에 이르는 상기 자유 피스톤 장치(16)는, 상기 팽창 단계(CD) 동안의 평균 속도(V_m3)가 흡기 단계(DA) 동안의 평균 속도(V_m4) 보다 높도록, 미리 결정된 상태 변수(Z_nominal), 미리 결정된 속도-변위 곡선으로 구동되는, 선형 모터 압축기를 작동시키기 위한 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 배기 밸브(6)의 개방점(B)의 영역에서 자유 피스톤 장치(16)의 속도는 압축 단계(AB) 동안의 평균 속도(V_m1) 보다 낮은 속도로 감소되는, 선형 모터 압축기를 작동시키기 위한 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 입구 밸브(7)의 개방점(D)의 영역에서 자유 피스톤 장치(16)의 속도는 팽창 단계(CD) 동안의 평균 속도(V_m3) 보다 낮은 속도로 감소되는, 선형 모터 압축기를 작동시키기 위한 방법.
5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
   상기 자유 피스톤 장치(16)는 배기 밸브(6)의 개방점(B) 뒤에서 다시 가속되고 그리고/또는 자유 피스톤 장치(16)는 입구 밸브(7)의 개방점(D) 뒤에서 다시 가속되는, 선형 모터 압축기를 작동시키기 위한 방법.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 자유 피스톤 장치(16)는 하사점(X_UTP) 쪽으로 행정의 끝을 향해 더 큰 음의 가속도로 먼저 제동되고 이어서 감소된 음의 가속도로 제동되고, 자유 피스톤 장치(16)는 정지될 때까지 감소된 음의 가속도로 하사점(X_UTP)에서 제동되는, 선형 모터 압축기를 작동시키기 위한 방법.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 자유 피스톤 장치(16)는 상사점(X_OTP) 쪽으로 행정의 끝을 향해 더 큰 음의 가속도로 먼저 제동되고 이어서 감소된 음의 가속도로 제동되고, 자유 피스톤 장치(16)는 정지될 때까지 감소된 음의 가속도로 상사점(X_OTP)에서 제동되는, 선형 모터 압축기를 작동시키기 위한 방법.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 자유 피스톤 장치(16)의 행정 이동 지점(X₁) 및 이에 할당된 설정점 속도(V_nominal)가 상기 상태 변수(Z_nominal)로서 특정되는, 선형 모터 압축기를 작동시키기 위한 방법.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 행정 경로(X)의 적어도 일부분을 따라, 바람직하게는 전체 행정 경로(X_L)를 따라 유지될 공칭 프로파일(S_nominal)이 상태 변수(Z_nominal)로서 특정되는, 선형 모터 압축기를 작동시키기 위한 방법.
10. 제 9 항에 있어서,
    전체 행정 경로(X_L)에 대해 요구되는 행정 시간(T_L) 동안 유지될 설정점 프로파일(S_nominal)이 상기 상태 변수(Z_nominal)로서 특정되는, 선형 모터 압축기를 작동시키기 위한 방법.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 선형 모터 압축기(1)는 자유 피스톤 장치(16)에 의해 서로 반대 방향으로 작동되는 제 1 압축실(5a)과 제 2 압축실(5b)을 포함하는, 선형 모터 압축기를 작동시키기 위한 방법.
12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자유 피스톤 장치(16)가 앞뒤로 이동될 때 따르는, 상기 하사점(X_UTP)과 상사점(X_OTP) 사이 및/또는 상사점(X_OTP)과 하사점(X_UTP) 사이의 속도-변위 곡선이 상태 변수(Z_nominal)로서 미리 결정되는, 선형 모터 압축기를 작동시키기 위한 방법.
13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 선형 모터(14)가 시간에 따라 일정한 또는 실질적으로 일정한 파워를 전달하도록, 상기 자유 피스톤 장치(16)는, 하사점(X_UTP)에서 출발하여, 미리 결정된 속도-변위 곡선으로 압축 단계(AB) 동안에 배기 밸브(6)의 개방점(B)까지 이동되는, 선형 모터 압축기를 작동시키기 위한 방법.
14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도
    - 배기 밸브(6)의 개방점(B),
    - 배기 밸브(6)의 폐쇄점(C),
    - 입구 밸브(7)의 개방점(D),
    - 입구 밸브(7)의 폐쇄점(A)
    중의 하나의 영역에서 상기 미리 결정된 상태 변수(Z_nominal), 미리 결정된 속도-변위 곡선은 속도 경로의 나머지와 비교하여 감소된 속도를 가지며, 그래서 출구 또는 입구 밸브(6, 7)가 감소된 속도로 이동되는, 선형 모터 압축기를 작동시키기 위한 방법.
15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 선형 모터(14)는 전체 팽창 단계(CD) 동안에, 바람직하게는 팽창 단계 (CD)와 흡기 단계(DA) 동안에 하사점(X_UTP)을 향하는 방향으로 작용하는 양의 힘을 자유 피스톤 장치(16)에 가하는, 선형 모터 압축기를 작동시키기 위한 방법.
16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 선형 모터 압축기(1)에 의해 전달되는 부피는, 선형 모터(14)의 최대 행정(X_L) 또는 상사점(X_OTP)의 위치 및/또는 하사점(X_UTP)의 위치를 변경시켜 변화되는, 선형 모터 압축기를 작동시키기 위한 방법.
17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자유 피스톤 장치(16)는, 선형 모터(14)를 발전기로서 작동시킴으로써 상사점(X_OTP)과 하사점(X_UTP) 사이에서의 왕복 운동 동안에 적어도 부분적으로 제동되는, 선형 모터 압축기를 작동시키기 위한 방법.
18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    가압된 유체를 출구 밸브(6)를 통해 압축실(5)에 공급하고 압축실(5) 내의 유체를 팽창시키며 이어서 유체를 입구 밸브(7)를 통해 배출시킴으로써 상기 선형 모터(14)는 발전기로서 작동되며, 발전기로서 작동되는 선형 모터(14)의 자유 피스톤 장치(16)는 미리 결정된 속도-변위 코스로 앞뒤로 이동되는, 선형 모터 압축기를 작동시키기 위한 방법.
19. 선형 모터 압축기(1)로서, 적어도 하나의 전기 선형 모터(14), 실린더(2), 및 적어도 하나의 피스톤(3)을 갖는 선형 운동 가능한 자유 피스톤 장치(16)를 포함하고, 상기 실린더(2)와 피스톤(3)은 적어도 하나의 압축실(5)을 형성하며, 상기 자유 피스톤 장치(16)는 선형 모터(14)에 의해 직접 구동되고, 압축실(5)은 출구 밸브(6)와 입구 밸브(7)를 통해 외부에 유체 전달 방식으로 연결되며, 상기 자유 피스톤 장치(16)가 미리 결정된 상태 변수(Z_nominal)로 상사점(X_OTP)과 하사점(X_UTP) 사이에서 앞뒤로 이동되도록, 제어 디바이스(20)가 선형 모터(14)를 제어하고, 상기 제어 디바이스(20)는, 미리 결정된 속도-변위 곡선으로 압축 단계(AB) 동안에 하사점(X_UTP)에서 출발하여 출구 밸브(6)의 개방점(B)에 이르고 이어서 방출 단계(BC) 동안에 출구 밸브(6)의 폐쇄점(C)에 이르는 자유 피스톤 장치(16)를, 상기 압축 단계(AB) 동안의 평균 속도(V_m1)가 방출 단계(BC) 동안의 평균 속도(V_m2) 보다 높도록 제어하는, 선형 모터 압축기.
20. 제 19 항에 있어서,
    상기 선형 모터(14)는 모터 및 발전기로서 작동 가능하고, 구동 디바이스(20)는, 자유 피스톤 어셈블리(16)가 상사점(X_OTP)과 하사점(X_UTP) 사이에서 이동할 때 미리 결정된 속도-변위 곡선으로 구동되도록, 선형 모터(14)를 구동시키는, 선형 모터 압축기.
21. 제 19 항 또는 제 20 항에 있어서,
    구동 디바이스(20)는, 상사점(X_OTP)과 하사점(X_UTP) 사이에서 또는 그 반대로 행정 경로(X)를 따라 선형 모터(14)를 부분적으로 발전기로서 또한 부분적으로 모터로서 작동시키도록 설계되어 있고, 구동 디바이스(20)는 발전기로 획득된 전기 에너지를 임시로 저장하기 위한 에너지 저장부를 포함하는, 선형 모터 압축기.

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