JP5860866B2

JP5860866B2 - ガス圧を均衡させた極低温膨張エンジン

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Publication number: JP5860866B2
Application number: JP2013500086A
Authority: JP
Inventors: ロングスワース，ラルフ，シー．
Original assignee: スミトモクライオジーニクスオブアメリカインコーポレイテッド
Priority date: 2010-03-15
Filing date: 2011-03-09
Publication date: 2016-02-16
Anticipated expiration: 2031-03-09
Also published as: KR101289395B1; WO2011115790A2; CN103249914A; DE112011100912T5; GB2491769B; DE112011100912B4; US9080794B2; WO2011115790A3; JP2013522576A; GB201217289D0; KR20120129950A; US20110219810A1; GB2491769A; CN103249914B

Description

本発明は、極低温冷却を提供する、ブレイトンサイクルで運転する膨張エンジンに関する。

ブレイトンサイクルで運転する冷却システムは、ガスを排気圧力で逆流熱交換器に供給するコンプレッサを備え、吸気バルブを通して膨張空間へとガスを送り、ガスを断熱膨張させ、排気バルブから膨張ガス（より低温である）を排出し、この低温ガスを冷却すべき負荷に通して循環させ、その後、このガスを逆流熱交換器に通してコンプレッサに戻すように構成される。この分野における先駆者であるＳ．Ｃ．Ｃｏｌｌｉｎｓによる米国特許第２，６０７，３２２号には、ヘリウムを液化するために幅広く用いられた、初期の膨張エンジンの構造が記述されている。フライホイールおよびジェネレータ／モータに連結されたクランク機構により、膨張ピストンは往復運動する。吸気バルブは、ピストンがストロークの最下端に達する（最小低温時容積）と開き、高圧ガスがピストンを持ち上げる。これにより、フライホイールのスピードは加速し、ジェネレータを駆動する。ピストンが最上端に達する前に、吸気バルブは閉じ、膨張空間内のガス圧および温度が低下する。ストロークが最上端に達すると、排気バルブが開いて、フライホイールが減速し、フライホイールにより駆動されるピストンが下方へと押され、ガスが流出する。フライホイールのサイズに応じて、ジェネレータ／モータを駆動し続けて、出力させることもできるし、自身がモータとして作動して、動力を引き出すことも可能である。Ｓ．Ｃ．Ｃｏｌｌｉｎｓによる米国特許第３，４３８，２２０号に示されるように、吸気および排気バルブは、典型的に、フライホイールと連結したカムにより駆動される。後者の特許は、前者の特許とは異なり、ピストンをフライホイールに連結し、ピストン高温側のシールに横力を与えない機構を開示している。また、Ｊ．Ｇ．Ｐｉｅｒｃｅによる米国特許第５，３５５，６７９号は、吸気および排気バルブの代替的構造を開示するが、カムにより開閉し、室温におけるシールを有するという点で、Ｃｏｌｌｉｎｓの米国特許第３，４３８，２２０号のバルブと同様である。Ｈ．Ｈａｔｔｏｒｉらによる米国特許第５，０９２，１３１号は、スコッチヨーク機構、および、往復ピストンで作動する低温側の吸気および排気バルブについて記述する。これらのエンジンは、すべて、ピストンの高温側で作用する大気を有し、主としてヘリウム、水素、空気を液化するために設計されている。戻りガスは、ほぼ大気圧であり、供給ガスはおよそ１０〜１５気圧である。コンプレッサの入力電力は、典型的に、１５〜５０ｋＷの範囲である。低出力の冷凍機は、典型的に、ギフォードマクマホンサイクル（ＧＭサイクル）、パルス管冷凍サイクル、またはスターリングサイクルで運転される。高出力の冷凍機は、典型的に、ターボ膨張器を使用し、ブレイトンサイクル、またはクロウドサイクルで運転される。ＧＭサイクルは、Ｗ．Ｅ．ＧｉｆｆｏｒｄおよびＨ．Ｏ．ＭｃＭａｈｏｎが、米国特許第３，０４５，４３６号において開示したサイクルである。低出力の冷凍機は、充填層を通してガスが往復するようになっている、再生式熱交換を使用するため、ガスが膨張器の低温側を離れることはない。このことは、遠く離れた負荷へと低温ガスを配給可能なブレイトンサイクルとは対照的である。

Ｃｏｌｌｉｎｓの米国特許第３，４３８，２２０号のエンジンのジェネレータ／モータにより回収されるエネルギー量は、電源入力に比して小さいため、多くの用途において、機械的な単純性が効率よりも重視される。Ｊ．Ｆ．Ｍａｇｕｉｒｅらによる米国特許第６，２０２，４２１号は、油圧でピストンを駆動するメカニズムを用いることにより、フライホイールとジェネレータ／モータを排除したエンジンを開示する。吸気バルブは、ソレノイドによって作動し、排気バルブは、ソレノイドと圧縮空気の組み合わせによって作動する。エンジンを油圧駆動とする理由は、エンジンを冷却する超電導マグネットと着脱可能に連結可能な、小さくて軽いエンジンを提供するためである。この着脱可能な連結の使用については、本発明の範囲に含められる。

Ｊ．Ｌ．Ｓｍｉｔｈによる米国特許第６，２０５，７９１号は、ピストン周辺の作動ガス（ヘリウム）で動く浮遊ピストンを開示する。ピストンの上（高温側）のガス圧は、２つのバッファ容積部に連結された各バルブによって制御される。これら２つのバッファ容積部の一方は、高圧と低圧との差圧のおよそ７５％の圧力であり、もう一方は、前記差圧のおよそ２５％の圧力である。電気的に作動する吸気バルブ、排気バルブ、およびバッファバルブの開閉は、ピストンの上部および下部の僅かな圧力差によってピストンが上下するようタイミングされており、このため、ピストンとシリンダとの僅かな間隙を流れるガスは、極めて微量である。ピストン内のピストンセンサが、前記４つのバルブ開閉タイミングを制御するための信号を提供する。固体ピストンを気体ピストンに置き換えたパルス管冷却については、ＺｈｕＳｈａｏｗｅｉによる米国特許第５，４８１，８７８号に、同じ「２つのバッファ容積部の制御」についての記載がある。

Ｓｈａｏｗｅｉの米国特許第５，４８１，８７８号の図３には、前記４つの制御バルブの開閉タイミングが示され、また、スミスの米国特許第６，２０５，７９１号の図３は、ピストンの位置と制御バルブの開閉の関係をうまくタイミングすることにより達成される、好ましい圧力−容積グラフを示している。この圧力−容積グラフの面積は、生み出される仕事量に相当し、最良の効率は、同グラフに示すポイント１とポイント３の間の膨張空間に引き込まれるガスを、圧力−体積の仕事（冷却量に相当する）に対して最小限にすることにより達成される。

ピストンの位置に応じて吸気および排気バルブを開閉するタイミングは、良好な効率を達成するために重要である。ヘリウムを液化するために構築されたほとんどのエンジンには、Ｃｏｌｌｉｎｓの米国特許第３，４３８，２２０号と同様のカム作動のバルブが用いられている。スミスの米国特許第６，２０５，７９１号およびＭａｇｕｉｒｅよる米国特許第６，２０２，４２１号は、電気作動のバルブを示している。その他のメカニズムには、Ｈ．Ａｓａｍｉらによる米国特許第５，３６１，５８８号に示されるような、スコッチヨーク機構のドライブシャフト端部に設けられたロータリバルブや、Ｓａｒｃｉａの米国特許第４，３７２，１２８号に示されるような、ピストンのドライブシャフトによって作動するシャトルバルブなどがある。本発明におけるマルチポートのロータリバルブと同様の例が、Ｍ．Ｘｕらの米国特許出願公開第２００７／０１１９１８８号にも見られる。Ｒ．Ｃ．Ｌｏｎｇｓｗｏｒｔｈの米国特許第６，２５６，９９７号には、空気圧作動のピストンに取り付けられ、ストロークの両端に衝突することで起こる振動を軽減する、Ｏリングの使用が記載されている。このことは、本発明にも適用することが可能である。

米国特許第２，６０７，３２２号米国特許第３，０４５，４３６号米国特許第３，４３８，２２０号米国特許第４，３７２，１２８号米国特許第５，０９２，１３１号米国特許第５，３５５，６７９号米国特許第５，３６１，５８８号米国特許第５，４８１，８７８号米国特許第６，２０２，４２１号米国特許第６，２０５，７９１号米国特許第６，２５６，９９７号米国特許出願公開第２００７／０１１９１８８号

本発明の目的は、比較的軽量でコンパクトな、信頼性の高いエンジンを実現することである。本発明のもう１つの目的は、コンプレッサの出力をフル利用しつつ、大質量を室温から極低温へと冷却するエンジン、あるいは、狭い極低温範囲において冷凍を提供するのに最適なエンジンを提供することである。本発明の最終目的は、現行のＧＭサイクル冷凍機と同様の大きさのブレイトンサイクルエンジンを提供し、これにより、エンジンからの低温ガスの流れを、分散した負荷を冷却するために使用できるようにすることである。

本発明は、従来的構造の特徴を新しい方法で組み合わせ、比較的シンプルな構造で高効率を実現するものであり、ピストンの低温側と高温側との圧力差が少なく、機械的にまたは空気圧によってドライブステムを作動させ、ピストンの位置に合わせて吸気バルブと排気バルブを開閉する構造になっている。空気圧作動のエンジンの場合、ドライブステムや、吸気および排気バルブアクチュエータへのガス流は、ロータリバルブが、自身に設けられたバルブの開閉をタイミングすることにより、制御される。機械作動のステムは、吸気および排気バルブのアクチュエータへのガスの流れを切り換えるためのロータリバルブを、ドライブシャフトの端部に備えることができる。ドライブステムは、空気圧作動であっても機械作動であっても、ドライブステムによりシフトし、吸気および排気バルブを空気圧で作動するシャトルバルブを備えることができる。ピストンの作動中、ドライブステム周辺のピストン高温側の圧力は、ピストン低温側の圧力に近い圧力に保持される。これは、ピストンの高温側とコンプレッサの供給ラインおよび戻りラインとを連結するチェックバルブ、または高温側と低温側とを連結する再生器、あるいはアクティブバルブ（吸気および排気バルブを作動するのと同じロータリバルブまたはシャトルバルブのポートを使用する）の働きによるものである。

図１は、エンジン１００を表しており、空気圧で作動するドライブステムを高温側に備えた、シリンダ内にあるピストンを示す断面図と、バルブおよび熱交換器を示す回路図である。図２は、エンジン２００を表しており、スコッチヨーク機構と連結したドライブステムを高温側に備えた、シリンダ内にあるピストンと、ドライブシャフトの端部に配されたロータリバルブと、吸気バルブアセンブリとを示す断面図と、その他のバルブおよび熱交換器を示す回路図である。図３は、エンジン３００を表しており、空気圧で作動し、吸気および排気バルブアクチュエータへのガス流を切り換えるシャトルバルブを有するドライブステムを高温側に備えた、シリンダ内にあるピストンと、ピストンの高温側および低温側の圧力をほぼ同一に保つメカニズムである、ピストンの内部に設けられた再生器とを示す断面図と、その他のバルブおよび熱交換器を示す回路図である。図４は、図２のエンジン２００と同様に、バルブアクチュエータへのガスを切り換えるロータリバルブを備えたエンジン４００を表しており、モータ駆動のスコッチヨーク機構と連結したドライブステムを高温側に備えた、シリンダ内にあるピストンと、ピストンの高温側および低温側の圧力をほぼ同一に保つために、ピストンの内部に設けられた再生器とを示す断面図と、吸気バルブ、排気バルブおよび熱交換器を示す回路図で示す。図５は、エンジン５００を表しており、空気圧で作動するドライブステムを高温側に備えた、シリンダ内にあるピストンと、ピストンの高温側および低温側の圧力をほぼ同一に保つために、ピストンの内部に設けられた再生器とを示す断面図と、その他のバルブおよび熱交換器を示す回路図である。図６は、図１〜図５に示すエンジンの１つ以上についての圧力−容積を示すグラフである。図７は、図１〜図５に示すエンジンの１つ以上についてのバルブ開閉のシーケンス図である。

図１〜図５に本発明の５つの実施態様を示す。これらの図において、同等の部分については、同じ図式で示し、同じ参照番号を付している。膨張エンジンは、熱交換器内の対流損失を最小限にするため、通常、低温側を下にして配置されるため、低温側から高温側へと向かうピストンの動きは、「上昇」と記述する。このように、ピストンは上昇および下降する。

図１は、エンジンアセンブリ１００の断面図および回路図である。オプションＡとオプションＢとが示されているが、ますオプションＡから説明する。ピストン１は、低温側キャップ９と、高温側取付フランジ７と、高温側シリンダヘッド８とを備えるシリンダ６内を往復する。ピストン１には、ドライブステム２が取り付けられており、ドライブステム２はドライブステム用シリンダ６９内を往復する。低温側の変位容積部３（ＤＶｃ）は、ピストン１およびシール５０によって、高温側の変位容積部４（ＤＶｗ）から分離される。ドライブステム２の上の変位容積部５（ＤＶｓ）は、シール５１によって、高温側の変位容積部４（ＤＶｗ）から分離される。バルブ１２（Ｖ１）とバルブ１３（Ｖ２）が、高圧の供給ライン３０と低圧の戻りライン３１に、変位容積部５（ＤＶｓ）をそれぞれ交互に接続するため、変位容積部５（ＤＶｓ）内のガス圧は、周期的に高圧（Ｐｈ）と低圧（Ｐｌ）の間で変化する。低温側の変位容積部３（ＤＶｃ）が最小容積の状態で、吸気バルブ１０（Ｖｉ）が開き、高圧となった変位容積部３（ＤＶｃ）が、変位容積部４（ＤＶｗ）および変位容積部５（ＤＶｓ）の平衡圧力に対抗して、ピストン１を押し上げ、その後、給気バルブ１０（Ｖｉ）が閉じて排気バルブ１１（Ｖｏ）が開き、低圧側にガスが流れ出るにつれ、変位容積部３（ＤＶｃ）内のガスが膨張しながら冷えるため、冷却が生ずる。ピストン１が低温側端部９へと押し戻されるにつれ、低圧のガスは変位容積部３（ＤＶｃ）から排出される。冷たいガスは、排気バルブ１１（Ｖｏ）から流れ出て、ライン３５を通って熱交換器４１に至り、ここで冷却される負荷により熱せられ、その後、ライン３６を通って逆流熱交換器４０に至り、この逆流熱交換器４０で、ライン３４通って吸気バルブ１０（Ｖｉ）へ向かう高圧流入ガスを冷却する。吸気バルブ１０（Ｖｉ）が開いた時点で、変位容積部５（ＤＶｓ）内のガスは高圧、変位容積部４（ＤＶｗ）内のガスは低圧である。変位容積部３（ＤＶｃ）に高圧ガスが入ることにより、ピストン１は押し上げられ、変位容積部４（ＤＶｗ）内の圧力を高圧へと、変位容積部５（ＤＶｓ）内の圧力を超高圧へと増加させるが、これは、バルブ１３（Ｖ２）が開き、ライン３３を通じて変位容積部５（ＤＶｓ）が低圧側と連結するまで継続する。変位容積部４（ＤＶｗ）内の圧力が高圧に達すると、ガスはチェックバルブ１６（ＣＶｈ）を通って、高圧ライン３０へと流れ出る。実質的に、フライホイールドライブ型エンジンのジェネレータで行われるのと同等の仕事が、変位容積部４（ＤＶｗ）内のガスにより行われる。ドライブステム２の面積は、ピストン低温側の熱交換器における圧力低下を差し引いても、変位容積部４（ＤＶｗ）内でピストン高温側に作用する高圧を上回る、ピストンの低温側の高圧と、ピストンが上昇する際の、ステムに作用する低圧およびシール摩擦との間の力平衡に十分なものである必要がある。ピストン１が動くスピードは、力の不均衡に比例する。ピストン１がストロークの最上端にある状態で、吸気バルブ１０（Ｖｉ）が閉じ、その後、排気バルブ１１（Ｖｏ）が開いてバルブ１３（Ｖ２）が閉じ、続いてバルブ１２（Ｖ１）が開く。変位容積部４（ＤＶｗ）内のガスが高圧、変位容積部３（ＤＶｃ）内のガスが低圧になると、ピストン１は降下を開始し、変位容積部４（ＤＶｗ）内の圧力は低圧まで下がる。そして、ピストン１が降下し続け、ガスがチェックバルブ１７（ＣＶｌ）を通って低圧のライン３１から流れる間、変位容積部４（ＤＶｗ）内の圧力は低圧に維持される。変位容積部３（ＤＶｃ）が最小容積になると、バルブ１２（Ｖ１）は閉じ、サイクルが完了する。このタイプのエンジンの一態様においては、マルチポートのロータリバルブが、バルブ１２，１３（Ｖ１、Ｖ２）用のポートを含み、図２に示すように、吸気バルブ１０（Ｖｉ）および排気バルブ１１（Ｖｏ）を開閉するリフタを駆動する。

エンジンアセンブリ１００の実施態様には、さらにオプションＢが示される。このオプションＢは、チェックバルブ１６（ＣＶｈ）および１７（ＣＶｌ）を、アクティブバルブ１４（Ｖ３）および１５（Ｖ４）に置き換えたものである。ロータリバルブを設けて、バルブ１２〜１５（Ｖ１〜Ｖ４）を作動し、吸気バルブ１０（Ｖｉ）および排気バルブ１１（Ｖｏ）を開閉する、複数のポートを備えるようにすることも可能である。

図２は、エンジンアセンブリ２００の断面図および回路図である。ピストン１、シリンダ６、低温側キャップ９および高温側取付フランジ７は、図１と同様である。この態様において、ドライブステム２は、スコッチヨーク機構２２により往復運動するドライブシャフト２３と、カップリング２９で連結される。これらのコンポーネント２３、２９に加えて、ドライブアセンブリは、偏心器２４、ベアリング２５、スロット入りドライバ２６、ドライブシャフトガイド２８、およびドライバをガイドするブッシング２７を備える。ブッシング２７は、本機構の正面図である図４に示されている。スコッチヨーク機構は、モータ２０およびモータ軸２１で駆動する。モータ軸２１は、ピン４８で連結されたロータリバルブ１８も回転させる。バルブディスク１８は、米国特許出願公開第２００７／０１１９１８８号に記載されたものと同様の差圧によって、固定されたバルブシート１９に維持される。図２は、図１では略図で示した吸気バルブ１０（Ｖｉ）の構造として適用可能な一例を示している。排気バルブ１１（Ｖｏ）も、同様の構造を備えることができる。吸気バルブアセンブリ６０は、ポペット６１、スプリング６２、引っ張りロッド６３、バルブリフトピストン６４、スプリングホルダ６５、ケーシング６６、およびシート６７を備える。引っ張りロッドシール５２およびリフタシール５３は、ガスを変位容積部５４（ＤＶｉ）内に閉じ込めるようになっており、これにより、高圧のガスがライン３７から入ってきた際には、ポペット６１をシート６７から持ち上げ、ロータリバルブ１８とシート１９のインターフェースにあるポート（ＶｉｈおよびＶｉｌ）により、圧力が低圧へと切り換えられると、ポペット６１をシート６１に戻す。リフトピストン６４上の力平衡は、バルブシート１９に設けられた孔５９があることにより、ハウジング３９内を低圧に維持する。また、ディスク１８とシート１９のインターフェースには、高圧のガスがライン３２を通って変位容積部４（ＤＶｗ）に入るようにするポート（Ｖ３）と、同じライン３２を通して低圧のガスを排出するためのポート（Ｖ４）が備えられている。吸気バルブアセンブリ６０と同様に、排気バルブ１１を構成することが可能であり、ロータリバルブのポートにより、そのリフタを作動させることができる。

図３は、エンジンアセンブリ３００の断面図および回路図である。ピストン１は、その本体内に、変位容積部３（ＤＶｃ）と連結する孔４３と、変位容積部４（ＤＶｗ）と連結する孔４４とを伴った再生器４２を備えている。このような構成により、２つの変位容積部（ＶＤｃ、ＤＶｗ）の間を、ガスが流れることが可能となり、両者における圧力を本質的に同じに維持することができる。再生器４２に必要な容積は比較的小さいため、これに関連して発生する損失も僅かである。再生器４２を通じて起こる圧力低下は、熱交換器４０を通じて起こる圧力低下よりも少ないため、アセンブリ１００および２００の実施態様よりも、変位容積部３（ＤＶｃ）と変位容積部４（ＤＶｗ）との圧力差は小さい。ライン３３を通じて変位容積部５（ＤＶｓ）を高圧のライン３０に連結するバルブ１２（Ｖ１）、および変位容積部５（ＤＶｓ）を低圧のライン３１に連結するバルブ１３（Ｖ２）の働きにより、交互に高圧と低圧とを繰り返してドライブステム２に作用するガスの圧力で、ピストン１は駆動される。吸気バルブ１０（Ｖｉ）および排気バルブ１１（Ｖｏ）は、図２に示すバルブアセンブリ６０と同様の構造を採りうる。ガスの圧力が高圧および低圧の間でライン３７およびライン３８を周期的に循環すると、図２の６４と同様のバルブリフタが、バルブ１０（Ｖｉ）およびバルブ１１（Ｖｏ）を作動させる。シャトルバルブ７０は、図示したダウンポジションと、ピストンがストロークの最上端にくるアップポジションとを往来して、スリーブ７１内をスライドする。スロット７２と７３は、交互に、ライン３０からの高圧ガスと、ライン３１からの低圧ガスを、シャフトバルブ７０のコンプレッサ側のポート７４、７５、７６、７７と、シャフトバルブ７０のエンジン側のポート７８、７９、８０、８１を通して、ライン３７およびライン３８へと連結する。ピストン１がダウンポジションにあるとき、高圧のガスは、ポート７４、スロット７２、ポート７９を通してライン３７に流れ込み、リフタが吸気バルブ１０（Ｖｉ）を持ち上げて開くよう作用する。排気バルブ１１（Ｖｏ）のリフタは、ライン３８、ポート８１、スロット７３、ポート７７を通して低圧側と連結されており、吸気バルブ１０（Ｖｏ）が閉じるよう作用する。バルブ１３（Ｖ２）が開き、ライン３３と作動ガスオリフィス４５を通して、変位容積部５（ＤＶｓ）を低圧側に連結すると、ピストン１は上昇する。シャトルバルブ７０は、ピストン１がストロークのほぼ最上端に達し、シャトルバルブ７０を押すまで動かない。ピストン１がシャトルバルブ７０を押すと、スロット７２と７３はスリーブ７１内の上側のポートと整列し、吸気バルブ１０（Ｖｉ）を閉じて、排気バルブ１１（Ｖｏ）を開く。吸気バルブ（Ｖｉ）のリフタは、ライン３７、ポート７８、スロット７２、ポート７５を通して低圧側と連結される。排気バルブ１１（Ｖｏ）のリフタは、ライン３８、ポート８０、スロット７３、ポート７６を通して高圧側と連結される。バルブ１２（Ｖ１）を閉じバルブ１３（Ｖ２）を開くことにより、変位容積部５（ＤＶｓ）内の圧力が低圧から高圧に切り換えられ、ピストン１は降下する。シャトルバルブ７０は、ピストン１がほぼ最下端に達するまで動かない。Ｏリング５５は、ドライブステムシリンダ６９内に設けられた一連のＯリングの１つであり、スリーブ７１の周囲をシールし、高圧から低圧へとガスが軸方向に漏れることを防止している。

駆動ガスオリフィス４５は、ピストン１の上下運動のスピードを制御するため、手動または電気的に調整可能となっている。エンジンが負荷を冷却するために使用され、コンプレッサから得られる仕事を一定に保つことが所望される場合、室温において、エンジンスピードを最大限にして運転を開始し、冷却が進むにつれ、スピードを落とすことが必要である。重要なのは、ピストン１がフルストロークで動くようにしつつも、ストロークの両端にあまり長く留まらないように、オリフィス４５を調整することである。代替的に、最低温度での運転用に設定された固定オリフィスを使用して、一定のスピードで運転することも可能である。この場合、冷却時に、コンプレッサがガスの一部をバイパスさせる。

図４は、エンジンアセンブリ４００の断面図および回路図である。エンジンアセンブリ４００は、ピストン１の本体内に、変位容積部３（ＤＶｃ）と変位容積部４（ＤＶｗ）の圧力差を最小限にする再生器４２を備えるという点で、エンジン３００と同じ特徴を有しており、また、エンジン２００の機械的ドライブ機構を有している。図２においては、スコッチヨーク機構のドライブアセンブリ２２を側面図で示したが、図４では、正面図で示す。モータ軸２１の端部に、バルブシート１９に沿って配されたロータリバルブディスク１８もエンジン４００の一部であるが、図４にはモータ軸２１のみを示す。吸気バルブアセンブリ６０についても同様である。また、排気バルブ１１（Ｖｏ）を開閉する同様のバルブアセンブリもエンジン４００の一部であるが、その図示は省略される。ロータリバルブディスク１８およびシート１９は、図２および図３に示すように、ライン３７および３８を通してバルブリフタを作動させるポートを有するが、その図示は省略される。スコッチヨーク機構のドライブアセンブリ２２の正面図には、モータ２０、ドライブシャフト２３をドライブステム２に連結するカップリング２９、偏心器２４、ベアリング２５、スロット入りドライバ２６、ドライブシャフトガイド２８、およびガイドブッシング２７が示される。その他のコンポーネントについては、前述した通りである。

エンジン４００は、エンジンスピードが変更可能であり、バルブタイミングとは無関係に常に変位容積部３（ＤＶｃ）と変位容積部４（ＤＶｗ）との圧力差が小さく、バルブタイミングに自由度があり効率が高いため、多様な用途に使用可能である。

図５は、エンジンアセンブリ５００の断面図および回路図である。エンジンアセンブリ５００は、ピストン１の本体内に、変位容積部３（ＤＶｃ）と変位容積部４（ＤＶｗ）との圧力差を最小限にする再生器４２を備えるという点で、エンジン３００および４００と同じ特徴を有している。ライン３３を通じて変位容積部５（ＤＶｓ）を高圧のライン３０に連結するバルブ１２（Ｖ１）、および変位容積部５（ＤＶｓ）を低圧のライン３１に連結するバルブ１３（Ｖ２）の働きにより、交互に高圧と低圧とを繰り返してドライブステム２に作用するガスの圧力で、ピストン１を駆動する。吸気バルブ１０（Ｖｉ）および排気バルブ１３（Ｖｏ）は、図２に示すバルブアセンブリ６０と同様である。バルブ８１（Ｖｉｈ）、８２（Ｖｉｌ）、８３（Ｖｏｈ）、および８４（Ｖｏｌ）に制御されて、ガスの圧力が周期的に高圧と低圧を繰り返してライン３７およびライン３８を流れると、図２に示す６４と同様のバルブリフタが、吸気バルブ１０（Ｖｉ）と排気バルブ１１（Ｖｏ）を作動させる。図２と同様のロータリバルブについても、所望のシーケンスと、ディスクおよびシートに組み込まれた相対的タイミングを有するように、バルブ１２、１３（Ｖ１、Ｖ２）、バルブ８１〜８４（Ｖｉｈ、Ｖｉｌ、Ｖｏｈ、Ｖｏｌ）へのポートを備えることにより、採用可能である。その他の要素については、前述した通りである。

図６は、圧力−容積を示すグラフであり、図７は、図１〜図５に示すエンジンの１つ以上について適用可能な、バルブ開閉のシーケンスを示している。圧力−容積グラフに示したポイントの数字は、図７のバルブ開閉のシーケンスに対応する。バルブ開閉のタイミングは示さず、シーケンスのみを示す。圧力−容積グラフ６ａは、エンジン１００のオプションＡのものであり、オプションＢに示すバルブ（Ｖ３、Ｖ４）の代わりに、チェックバルブ１６、１７（ＣＶｈ、ＣＶｌ）を用いている。ポイント６は、ピストン１が最下端にあり、変位容積部３（ＤＶｃ）が最小容積で、変位容積部３（ＤＶｃ）と変位容積部４（ＤＶｗ）が低圧、変位容積部５（ＤＶｓ）が高圧である状態を示す。その後、排気バルブ１１（Ｖｏ）が閉じ、吸気バルブ１０（Ｖｉ）が開く。変位容積部３（ＤＶｃ）は、変位容積部４（ＤＶｗ）内のガスが高圧へと圧縮される（ポイント１）まで増大する。ポイント１において、バルブ１２（Ｖ１）は閉じ、バルブ１３（Ｖ２）が開くため、変位容積部５（ＤＶｓ）内の圧力は低圧である。ピストン１は、ガスがチェックバルブ１６（ＣＶｈ）から高圧のライン３０に流れ出るにつれ上昇する。ポイント２において、吸気バルブ１０（Ｖｉ）は閉じる。これは、ピストン１がストロークの最上端に達して、変位容積部４（ＤＶｗ）が最小容積になると起こるようタイミングが図られている。その後、排気バルブ１１（Ｖｏ）が開き（ポイント３）、変位容積部３（ＤＶｃ）内の圧力は低圧となるまで下がる。高温側の隙間に残った高圧の残留ガスは、バルブ１３（Ｖ２）が閉じてバルブ１２（Ｖ１）が開くと（ポイント４）、ピストン１を降下させ始める。変位容積部５（ＤＶｓ）内の高圧ガスが、ピストンを降下させるにつれ、バルブ１７（ＣＶｌ）を通して低圧のガスが変位容積部４（ＤＶｗ）内に引き込まれる。ピストン１が低温端部に達すると、排気バルブ１１（Ｖｏ）は閉じる（ポイント５）。

オプションＡにおけるエンジン１００のチェックバルブ１６、１７（ＣＶｈ、ＣＶｌ）を、アクティブバルブに置き換えたオプションＢでは、エンジンはグラフ６ｂの圧力−容積の関係で作動する。ポイント５において、ピストンが最下端に達した後、バルブ１５（Ｖ４）は閉じてバルブ１４（Ｖ３）が開き、変位容積部４（ＤＶｗ）内の圧力を低圧から高圧へと変化させる。変位容積部５（ＤＶｓ）は高圧のままであるため、吸気バルブ１０（Ｖｉ）が開いても（ポイント６）、バルブ１２（Ｖ１）が閉じてバルブ１３（Ｖ２）が開くまで（ポイント１）、ピストンは動かない。変位容積部５（ＤＶｓ）内のガスが低圧になると、ピストン１は上昇し、高圧のガスを変位容積部３（ＤＶｃ）内に引き込む。ピストン１は、吸気バルブ１０（Ｖｉ）が閉じる（ポイント２）前に、最上端に達する。その後、排気バルブ１１（Ｖｏ）が開く（ポイント３）前に、バルブ１４（Ｖ３）は閉じバルブ１５（Ｖ４）が開く。熱交換器４０における圧力低下に起因して、変位容積部５（ＤＶｓ）および変位容積部４（ＤＶｗ）内の圧力は、実質的に、低圧（Ｐｌ）よりも僅かに低いため、バルブ１３（Ｖ２）が閉じバルブ１２（Ｖ１）が開く（ポイント４）まで、ピストンは降下を開始しない。

エンジン２００もグラフ６ｂの圧力−容積の関係で作動する。ドライブステム２、バルブ１２、１３（Ｖ１、Ｖ２）の代わりに、スコッチヨーク機構のドライブアセンブリ２２が使用される。ポイント５において、ピストン１が最下端に達した後、排気バルブ１１（Ｖｏ）が閉じ、その後バルブＶ４（Ｖｉｌ）が閉じ、続いて素早く連続してバルブＶ３（Ｖｉｈ）と吸気バルブ６０（Ｖｉ）が開く（ポイント６）。変位容積部３（ＤＶｃ）内のガス圧は高圧に達して、スコッチヨーク機構が作動して、ピストン１が上昇する（ポイント１）。ガス圧は、ピストン１が最上端に達し、吸気バルブ６０（Ｖｉ）が閉じる（ポイント２）まで、高圧のまま保たれる。その後バルブＶ３（Ｖｉｈ）が閉じ、排気バルブ１１（Ｖｏ）が開く（ポイント３）前にバルブＶ４（Ｖｉｌ）が開く。変位容積部３（ＤＶｃ）内のガス圧は、瞬時に低圧まで達して、ピストンが降下を開始する（ポイント４）。

エンジン３００もグラフ６ｂの圧力−容積の関係で作動する。変位容積部３（ＤＶｃ）と変位容積部４（ＤＶｗ）を同じ圧力に保つ内部再生器４２の働きにより、バルブＶ３およびバルブＶ４を設ける必要はなくなる。ピストン１が最下端に達する（ポイント５、６）と、排気バルブ１１（Ｖｏ）は閉じ吸気バルブ１０（Ｖｉ）が開くが、変位容積部５（ＤＶｓ）内の圧力が高圧であるため、ピストンは下がったままである。変位容積部３（ＤＶｃ）および変位容積部４（ＤＶｗ）内のガスが高圧になり（ポイント６）、バルブ１２（Ｖ１）が閉じバルブ１３（Ｖ２）が開く（ポイント１）まで、ピストンは動かない。変位容積部５（Ｄｖｓ）内のガスが低圧になると、ピストン１は上昇し、高圧のガスを変位容積部３（ＤＶｃ）内に引き込む。ピストン１が最上端に達すると、シャトルバルブ７０は、吸気バルブ１０（Ｖｉ）が閉じて（ポイント２）、排気バルブ１１（Ｖｏ）が開く（ポイント３）ようにシフトする。変位容積部３（ＤＶｃ）内のガス圧が低圧まで下がると、バルブ１３（Ｖ２）が閉じ、バルブ１２（Ｖ１）が開いて（ポイント４）、ピストン１を降下させる。

エンジン４００は、グラフ６ｃの圧力−容積の関係で作動する。エンジン４００は、バルブＶ１〜Ｖ４のいずれも備えていない。ピストン１は、スコッチヨーク機構のドライブアセンブリ２２で作動し、再生器４２が、変位容積部３（ＤＶｃ）と変位容積部４（ＤＶｗ）内の圧力を均等にする。ピストン１が最下端に達する（ポイント５）前に、排気バルブ１１（Ｖｏ）は閉じ、変位容積部３（ＤＶｃ）内の冷たいガスを室温の変位容積部４（ＤＶｗ）へと移動させつつ、ピストン１が低温端部へと動くにつれ、変位容積部３（ＤＶｃ）および変位容積部４（ＤＶｗ）内の圧力は高まる。ポイント６において吸気バルブ１０（Ｖｉ）が開くと、変位容積部３（ＤＶｃ）および変位容積部４（ＤＶｗ）内の圧力は、急速に高圧まで増加する。ポイント１において、ピストン１は、高圧のガスを変位容積部３（ＤＶｃ）内に引き込みながら上昇する。ピストン１が最上端に達する前に、吸気バルブ１０（Ｖｉ）は閉じ（ポイント２）、ピストン１が最上端へと動くにつれ（ポイント３）、ガス圧は低下し、変位容積部４（ＤＶｗ）内の暖かいガスは変位容積部３（ＤＶｃ）へと移動する。その後、排気バルブ１１（Ｖｏ）が開き、変位容積部３（ＤＶｃ）内のガス圧は低圧となる。これにより、ピストン１は、降下を開始し（ポイント４）、ポイント５へと向かいながら、低圧のガスを排気バルブ１１（Ｖｏ）から排出する。

エンジン５００は、グラフ６ｃの圧力−容積の関係で作動する。再生器４２により、変位容積部３（ＤＶｃ）および変位容積部４（ＤＶｗ）内の圧力が均等に保たれるため、エンジン５００は、バルブＶ３、Ｖ４を備えていない。ピストン１が最下端に達する（ポイント５）前に、排気バルブ１１（Ｖｏ）は閉じて（すなわち、バルブ８３（Ｖｏｈ）が閉じ、バルブ８４（Ｖｏｌ）が開き）、変位容積部３（ＤＶｃ）内の冷たいガスを室温の変位容積部４（ＤＶｗ）へと移動させつつ、ピストン１が低温端部へと動くにつれ、変位容積部３（ＤＶｃ）および変位容積部４（ＤＶｗ）内の圧力は高まる。ポイント６において吸気バルブ１０（Ｖｉ）が開いて（すなわち、バルブ８１（Ｖｉｌ）は閉じ、バルブ８２（Ｖｉｈ）が開く）、変位容積部３（ＤＶｃ）および変位容積部４（ＤＶｗ）内の圧力は、急速に高圧まで増加する。ポイント１において、バルブ１２（Ｖ１）が閉じバルブ１３（Ｖ２）が閉じると、ピストン１は、高圧のガスを変位容積部３（ＤＶｃ）内に引き込みながら上昇する。ピストン１が最上端に達する前に、ポイント２において吸気バルブ１０（Ｖｉ）は閉じ（バルブ８２（Ｖｉｈ）が閉じ、バルブ８１（Ｖｉｌ）が開く）、ピストン１が最上端へと動くにつれ（ポイント３）、ガス圧は低下し、変位容積部４（ＤＶｗ）内の暖かいガスは変位容積部３（ＤＶｃ）へと移動する。その後、排気バルブ１１（Ｖｏ）が開き（バルブ８４（Ｖｏｌ）は閉じ、バルブ８３（Ｖｏｈ）が開く）、変位容積部３（ＤＶｃ）内のガス圧は低圧まで低下する。ポイント４において、バルブ１３（Ｖ２）は閉じ、バルブ１２（Ｖ１）が開く。するとピストン１は、降下を開始し、ポイント５へと向かいながら、低圧のガスを排気バルブ１１（Ｖｏ）から排出する。

表１は、それぞれのエンジンについて算出した冷却能力を比較したものである。エンジン２００と３００は、ドライブ機構に使用されるガスが僅かに少ないため、ほんの少し冷却能力に増加が見られるが、その他は、エンジン１００ｂと同じサイクルで作動するため、ここでは省略する。すべてのエンジンにおいて、吸気バルブＶｉでの圧力は２．２ＭＰａ、排気バルブＶｏでの圧力は０．８ＭＰａとする。ドライブステムや、吸気バルブＶｉおよび排気バルブＶｏ用のバルブアクチュエータへの流れ、および再生器などの空隙容量のためのガスを含む。ヘリウムの流量は、６．０ｇ／ｓである。熱交換器の効率は、９８％と見積もられる。すべてのエンジンは、変速駆動であり、ピストンの速度を制御するメカニズムを備える。また、すべてのエンジンは、フルストロークで作動し、ストロークの両端部には少しの時間しか留まらないようなタイミングにバルブが作動するように設定されている。エンジン４００を除いた他のエンジンは、多量のガスを室温から約３０Ｋまでの冷却することが可能であり、暖かい場合は６Ｈｚの最大速度で運転し、温度の低下とともに減速して、エンジンが、冷却のほぼ全般にわたって、想定の圧力と流量で作動するよう設計されている。冷凍冷却能力Ｑ、および運転速度Ｎを、吸気バルブＶｉの温度（Ｔ）が２００Ｋおよび６０Ｋの場合について一覧表にした。エンジン速度を一定にし、狭い温度範囲（たとえば、水蒸気を捕捉するためにクライオポンプを冷却する温度である１２０Ｋ）で運転するように設計することも可能である。エンジン４００は、３０Ｋ〜８０Ｋの温度範囲での運転に最適な設計の一例である。エンジン４００は、その他のエンジンよりも、直径Ｄｐが小さく、ストロークＳが短いため、より高い速度、より低い温度範囲で運転する。こうした冷凍機は、より高い熱交換効率（たとえば９８．５％）で運転するよう設計することが可能である。表１から明らかように、エンジン１００ａは、効率が最も低い。これは、ポイント１において高圧のガスが入る際、変位容積部（ＤＶｗ）内のガスが低圧であることに起因する。エンジン１００ａ、１００ｂ、２００、および３００は、すべて、ピストンが最上端に達するまでガスを高圧とし、その後ベントを行ってガスを低圧にすることに伴うロスを生じる。エンジン４００と５００は、最も効率が高い。これは、これらのエンジンでは、吸気バルブ（Ｖｉ）の閉鎖が早く、ピストンがポイント２からポイント３に動く際にガスが膨張し、排気バルブ（Ｖｏ）の閉鎖が早く、ピストンがポイント５からポイント６に動く際に、幾分かの再加圧があるためである。エンジンが冷え、速度を落とすに従って、高温側で使用されるガスの量がより少なくなるため、エンジン効率は増加する。およそ８０Ｋにおいて、効率は最大となり、その後は、熱交換ロスの方が優位になるため低下する。

その他の実施例も、本発明の範囲に入る。たとえば、吸気バルブアセンブリ６０、および同様の排気バルブアセンブリは、ここでは空気圧で作動するよう記述しているが、代替的に電気作動とすることも可能であり、また、モータ２０で駆動するカムで作動することもできる。

１ピストン
２ドライブステム
３変位容積部（ＤＶｃ）
４変位容積部（ＤＶｗ）
５変位容積部（ＤＶｓ）
６シリンダ
７取付フランジ
８シリンダヘッド
９低温端部、キャップ
１０吸気バルブ（Ｖｉ）
１１排気バルブ（Ｖｏ）
１２バルブ（Ｖ１）
１３バルブ（Ｖ２）
１４バルブ（Ｖ３）
１５バルブ（Ｖ４）
１６チェックバルブ（ＣＶｈ）
１７チェックバルブ（ＣＶｌ）
１８ロータリバルブ
１９バルブシート
２０モータ
２１モータ軸
２２スコッチヨーク機構アセンブリ
２３ドライブシャフト
２４偏心器
２５ベアリング
２６スロット入りドライバ
２７ブッシング
２８ドライブシャフトガイド
３０高圧供給ライン
３１低圧戻りライン
３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８ライン
３９ハウジング
４０逆流熱交換器
４１熱交換器
４２再生器
４３、４４ホール
４５オリフィス
４８ピン
５０、５１シール
５２引っ張りロッドシール
５３リフタシール
５４変位容積（ＤＶｉ）
５９ホール
６０吸気バルブアセンブリ
６１ポペット
６２スプリング
６３引っ張りロッド
６４バルブリフトピストン
６５スプリングホルダ
６６ケーシング
６７バルブシート
６９ドライブステム用シリンダ
７０シャトルバルブ
７１スリーブ
７２、７３スロット
７４、７５、７６、７７ポート（コンプレッサ側）
７８、７９、８０、８１ポート（エンジン側）
８１バルブ（Ｖｉｈ）
８２バルブ（Ｖｉｌ）
８３バルブ（Ｖｏｈ）
８４バルブ（Ｖｏｌ）
１００、２００、３００、４００、５００エンジンアセンブリ

Claims

コンプレッサから高圧ラインに供給され、かつ、低圧ラインに戻されるガスで作動し、極低温までの冷却を可能とする膨張エンジンであって、
シリンダ内に配され、空気圧または機械的作用のいずれかにより作動するドライブステムを高温側に備え、これにより往復運動するようになっている、ピストンと、
前記シリンダの低温側に配され、前記ピストンが、前記シリンダの低温側端部付近にある場合に、前記高圧ラインからのガスが入るようにして、該ピストンを高温側に移動させ、前記ピストンが、前記シリンダの高温側端部付近にある場合に、前記ガスを前記低圧ラインに排出して該ピストンを前記低温側に移動させる、第１の吸気バルブおよび排気バルブと、
前記ドライブステムのある領域以外における前記ピストンの高温側における圧力と、前記ピストンの低温側における圧力とを、前記ピストンの移動中において均等に保つための手段と、
を備え、
前記圧力を均等に保つための手段は、前記シリンダの高温側に第２の吸気バルブおよび排気バルブを備え、前記ピストンが前記シリンダの前記低温側端部付近から高温側に移動している場合に、ガスを高圧ラインに排出し、前記ピストンが前記シリンダの前記高温側端部付近から低温側に移動している場合に、低圧ラインからガスが入ることを可能にするように構成されている、
膨張エンジン。
前記シリンダの高温側の第２の吸気バルブおよび排気バルブは、チェックバルブからなる、請求項１に記載の膨張エンジン。
前記シリンダの高温側の第２の吸気バルブおよび排気バルブは、アクティブバルブからなる、請求項１に記載の膨張エンジン。
前記シリンダの低温側の第１の吸気バルブおよび排気バルブは、空気圧により開閉する、請求項１に記載の膨張エンジン。
前記シリンダの低温側の第１の吸気バルブおよび排気バルブは、電気アクチュエータまたはカムアクチュエータにより開閉される、請求項１に記載の膨張エンジン。
前記シリンダの低温側の第１の吸気バルブおよび排気バルブの開閉タイミングは、ロータリバルブまたはシャトルバルブのいずれかにより、前記ピストンの位置に応じて調整される、請求項４に記載の膨張エンジン。
前記空気圧で作動するドライブステムは、ロータリバルブによって制御され、該ロータリバルブは、同時に、前記シリンダの低温側の第１の吸気バルブおよび排気バルブを作動するポートを備える、請求項１に記載の膨張エンジン。
前記ロータリバルブは、さらに、前記ピストンの高温側へとガスを流すポートを備え、該ガスの流れは、前記シリンダの低温側の第１の吸気バルブおよび排気バルブを作動する流れと連携し合うように構成されている、請求項７に記載の膨張エンジン。
前記機械的に作動するドライブステムは、スコッチヨーク機構およびロータリバルブを同時に回転させるモータを備え、該ロータリバルブは、前記シリンダの低温側の第１の吸気バルブおよび排気バルブを作動させるポートを備える、請求項１に記載の膨張エンジン。
前記ロータリバルブは、さらに、前記ピストンの高温側へとガスを流すポートを備え、該ガスの流れは、前記シリンダの低温側の第１の吸気バルブおよび排気バルブを作動する流れと連携し合うようになっている、請求項９に記載の膨張エンジン。