KR101422439B1

KR101422439B1 - 가스 평형된 극저온 팽창 엔진

Info

Publication number: KR101422439B1
Application number: KR1020137032733A
Authority: KR
Inventors: 스티븐 던; 랄프 롱스워스; 존 보처스
Original assignee: 스미토모 크라이어제닉스 오브 아메리카 인코포레이티드
Priority date: 2011-05-12
Filing date: 2012-03-16
Publication date: 2014-07-22
Also published as: US8776534B2; KR20140000355A; CN103814191B; DE112012002047T5; JP2014513269A; JP5894663B2; GB201319604D0; CN103814191A; US20140290278A1; GB2504045B; WO2012154299A1; GB2504045A; US20120285181A1; US9581360B2

Abstract

압축기, 역류 열교환기 및 엔진으로부터 순환하는 가스에 의해 냉각되는 이격되어 있을 수도 있는 부하를 포함하는 극저온 온도에서 냉동을 발생시키기 위한 시스템의 부분인 브레이튼 사이클 상에서 작동하는 팽창 엔진이 개시된다. 엔진은 이동하는 동안 피스톤 위아래에 거의 동일한 압력을 갖는 실린더 내에 피스톤을 갖는다. 피스톤 구동 스템 상의 저압은 피스톤을 고온 단부를 향해 이동하기 위해 힘 불균형을 제공한다.

Description

가스 평형된 극저온 팽창 엔진 {GAS BALANCED CRYOGENIC EXPANSION ENGINE}

본 발명은 극저온 온도에서 냉동을 발생시키는 브레이튼 사이클(Brayton cycle)로 작동하는 팽창 엔진에 관한 것이다.

냉동을 발생시키기 위해 브레이튼 사이클로 작동하는 시스템은 역류 열교환기에 배출 압력의 가스를 공급하는 압축기를 포함하고, 그로부터 가스를 입구 밸브를 통해 팽창 공간으로 유입하며, 가스를 단열 팽창시키고, 팽창된 가스(더 저온임)를 출구 밸브를 통해 배기하며, 저온 가스를 냉각되고 있는 부하를 통해 순환시키고, 이어서 가스를 역류 열교환기를 통해 압축기로 복귀시킨다.

이 분야의 선구자인 에스. 씨. 콜린스(S. C. Collins)의 미국 특허 제2,607,322호는 헬륨을 액화하기 위해 광범위하게 사용되고 있는 조기의 팽창 엔진의 디자인을 설명하고 있다. 팽창 피스톤은 플라이휠 및 발전기/모터에 연결된 크랭크 기구에 의해 왕복 운동으로 구동된다. 흡기 밸브는 피스톤이 스트로크의 저부에 있는 상태에서(최소 저온 체적) 개방되고, 고압 가스는 피스톤을 상승 구동하는 데, 이에 의해 플라이휠 속도가 증가하게 되고 발전기가 구동된다. 흡기 밸브는 피스톤이 상부에 도달하기 전에 폐쇄되고, 팽창 공간 내의 가스는 압력 및 온도가 강하된다. 스트로크의 상부에서, 출구 밸브는 개방되고, 피스톤이 느려짐에 따라 플라이휠에 의해 압박 하강 구동됨에 따라 가스가 유출된다. 플라이휠의 크기에 따라, 이는 전력을 출력하기 위해 발전기/모터를 계속 구동하거나 또는 모터로서 작용함에 따라 전력을 견인할 수도 있다.

입구 및 출구 밸브는 통상적으로 에스. 씨. 콜린스의 미국 특허 제3,438,220호에 개시되어 있는 바와 같이 플라이휠에 연결된 캠에 의해 구동된다. 이 특허는 피스톤의 고온 단부에서 밀봉부 상에 측방향 힘을 인가하지 않는 방식으로 플라이휠에 피스톤을 결합하는, 이전의 특허와는 상이한 기구를 설명하고 있다.

제이. 지. 피어스(J. G. Pierce)의 미국 특허 제5,355,679호는 캠 구동되고 실온에서 밀봉부를 갖는 '220호의 밸브와 유사한 입구 및 출구 밸브의 대안적인 디자인을 설명하고 있다.

에이치. 하토리(H. Hattori) 등의 미국 특허 제5,092,131호는 스코치 요크(Scotch Yoke) 구동 기구 및 왕복 피스톤에 의해 작동되는 저온 입구 및 출구 밸브를 설명하고 있다. 이들 엔진 모두는 피스톤의 고온 단부에 작용하는 분위기 공기를 갖고, 헬륨, 수소 및 공기를 액화하도록 주로 설계되어 있다. 복귀 가스는 거의 대기압이고, 공급 압력은 대략 10 내지 15 기압이다. 압축기 입력 전력은 통상적으로 15 내지 50 kW이다.

저전력의 냉동기가 통상적으로 GM, 펄스 튜브 또는 스털링 사이클(Stirling cycle)로 작동한다. 고전력 냉동기는 통상적으로 터보 팽창기를 사용하는 브레이튼 또는 클라우드 사이클(Claude cycle)로 작동한다. 더블유. 이. 지포드(W. E. Gifford) 및 에이치. 오. 맥마흔(H. O. McMahon)의 미국 특허 제3,045,436호는 GM 사이클을 설명하고 있다. 저전력의 냉동기는 가스가 패킹된 베드를 통해 전후방으로 유동하고, 가스가 절대로 팽창기의 저온 단부를 떠나지 않는 재생기 열교환을 사용한다. 이는 원격 부하에 저온 가스를 분배할 수 있는 브레이튼 사이클 냉동기에 대조적이다.

'220호의 콜린스형 엔진에서 발전기/모터에 의해 회수되는 에너지의 양은 압축기 전력 입력에 대해 작고, 따라서 기계적 간단성이 종종 다수의 용례에서 효율보다 중요하다. 제이. 에프. 매과이어(J. F. Maguire) 등의 미국 특허 제6,202,421호는 피스톤을 위한 유압 구동 기구를 사용함으로써 플라이휠 및 발전기/모터를 배제하는 엔진을 설명하고 있다. 입구 밸브는 솔레노이드에 의해 작동되고, 출구 밸브는 솔레노이드/공압 조합에 의해 작동된다. 유압 구동 엔진을 사용하게 된 동기는, 엔진을 냉각하기 위해 초전도성 자석에 제거 가능하게 연결될 수 있는 소형 및 경량의 엔진을 제공하는 것이다. 청구범위는 제거 가능한 연결을 커버하고 있다.

제이. 엘. 스미스(J. L. Smith)의 미국 특허 제6,205,791호는 피스톤 주위에 작동 가스(헬륨)를 갖는 프리-플로팅 피스톤을 갖는 팽창 엔진을 설명하고 있다. 피스톤, 고온 단부 상의 가스 압력은 2개의 버퍼 체적, 즉 고압과 저압 사이의 압력차의 약 75%의 압력인 하나의 버퍼 체적과, 상기 압력차의 약 25%의 압력인 다른 버퍼 체적에 연결된 밸브에 의해 제어된다. 피스톤이 피스톤 위아래에 작은 압력차를 갖고 상하로 구동되어 매우 적은 가스가 피스톤과 실린더 사이의 작은 간극을 통해 유동하도록, 전기적으로 작동되는 입구, 출구 및 버퍼 밸브는 개방 및 폐쇄의 타이밍이 조절되어 있다. 피스톤 내의 위치 센서는 4개의 밸브를 개방 및 폐쇄하는 타이밍을 제어하는 데 사용되는 신호를 제공한다.

고체 피스톤을 가스 피스톤으로서 대체하는 것으로서 펄스 튜브를 고려하면, 동일한 "2개의 버퍼 체적 제어"가 쥬 샤오웨이(Zhu Shaowei)의 미국 특허 제5,481,878호에 개시되어 있다. '878 샤오웨이 특허의 도 3은 4개의 제어 밸브를 개방 및 폐쇄하는 타이밍을 도시하고 있고, '791 스미스 특허의 도 3은 피스톤 위치와 제어 밸브의 개방 및 폐쇄 사이의 관계의 양호한 타이밍에 의해 성취될 수 있는 적합한 P-V 선도를 도시하고 있다. P-V 선도의 면적은 생성되는 일이고, 최대 효율은 P-V 일(일어난 냉동에 상당)에 대한 '791호의 도 3의 점 1 및 3 사이의 팽창 공간 내로 흡인된 가스의 양을 최소화함으로써 성취된다.

피스톤의 위치에 대한 입구 및 출구 밸브의 개방 및 폐쇄의 타이밍은 양호한 효율을 성취하기 위해 중요하다. 헬륨을 액화하기 위해 구성되어 있는 대부분의 엔진은 '220 콜린스 특허의 것들과 유사한 캠 작동식 밸브를 사용하고 있다. '791 스미스 특허 및 '421 매과이어 특허는 전기 작동식 밸브를 개시하고 있다. 다른 기구는 에이치. 아사미(H. Asami) 등의 미국 특허 제5,361,588호에 개시된 바와 같은 스코치 요크 구동 샤프트의 단부 상의 회전형 밸브 및 사시아(Sarcia)의 미국 특허 제4,372,128호에 개시된 바와 같은 피스톤 구동 샤프트에 의해 작동된 셔틀 밸브를 포함한다.

본 발명에 설명되어 있는 것과 유사한 다중 포트 회전형 밸브의 예는 엠. 슈(M. Xu) 등의 미국 특허 출원 제2007/0119188호에서 발견된다. 알. 씨. 롱스워스(R. C. Longsworth)의 미국 특허 제6,256,997호는 스트로크의 종료시에 충돌하는 공압 작동식 피스톤과 연관된 진동을 감소시키기 위한 "O"링의 사용을 설명하고 있다. 이는 본 발명에 적용될 수 있다.

알. 씨. 롱스워스의 2010년 3월 14일 출원된 미국 특허 출원 제61/313,868호는 피스톤이 기계적 드라이브에 의해 구동되는 고온 단부에 구동 스템을 갖고, 고압과 저압 사이에서 교번하는 가스 압력 및 구동 스템 주위의 영역의 피스톤의 고온 단부에서의 압력이 피스톤이 이동하는 동안 피스톤의 저온 단부에서의 압력과 본질적으로 동일한 브레이튼 사이클로 작동하는 왕복식 팽창 엔진을 설명하고 있다. 이 개념의 공압 작동식 버전의 시험은, 고압과 저압 사이에서 스템 상의 압력을 교번하여 피스톤이 왕복하게 할 필요는 없고 오히려 저압에서 스템 상의 압력을 유지하는 것이 가능하다는 것을 나타내고 있다. 이러한 것은 이제 저온 고압 및 저압 밸브를 작동할 필요만 있기 때문에 엔진의 구성을 간단화한다.

알. 씨. 롱스워스의 2010년 10월 8일 출원된 미국 특허 출원 제61/391,207호는 질량체를 극저온 온도로 냉각하기 위한 시간을 최소화하는 것을 가능하게 하는, 이전의 출원에 설명된 바와 같이, 브레이튼 사이클로 작동하는 왕복식 팽창 엔진의 제어를 설명하고 있다.

본 발명은 양호한 효율을 성취하기 위해 신규한 방식으로 종래의 디자인의 특징들을 조합한다. 이로써 피스톤이 이동하는 동안 피스톤의 저온 단부와 구동 스템 주위의 고온 단부 사이의 작은 압력차를 갖는 구동 스템을 갖는 피스톤이 존재하는 본 출원인의 제61/313,868호 특허 출원의 기본 디자인 개념이 간단해진다.

구동 스템은 압축기로 가는 저압 라인에 연결되고, 고온 변위된 체적은 체크 밸브 및 고정 또는 조정 가능 밸브를 각각 갖는 2개의 라인을 통해 압축기로부터의 고압 라인에 연결되며, 피스톤은 저온 입구 밸브가 개방될 때 저온 단부로부터 고온 단부로 이동하고, 저온 출구 밸브가 개방될 때 저온 단부로 이동한다. 압축기 고압 라인으로부터 고온 변위된 체적으로의 2개의 라인 내의 조정 가능 밸브는 사이클이 광범위한 속도(및 온도)에 걸쳐 최적화되는 것을 가능하게 한다. 압축기로부터의 고압 라인과 고온 변위된 체적 사이에는, 피스톤이 저온 단부에 있는 동안 개방하는 능동 또는 수동 밸브를 갖는 제3 라인이 추가될 수 있다.

도 1은 단면도로 도시되어 있는 고온 단부에서 구동 스템을 갖는 실린더 내의 피스톤을 갖는 엔진(100)을 도시하고 있는 밸브와 열교환기의 개략도이다. 이 개략도는 고온 변위된 체적과 압축기 저압 라인 사이에 연결되며 능동 밸브를 갖는 라인을 도시하고 있다.
도 2는 단면도로 도시되어 있는 고온 단부에서 구동 스템을 갖는 실린더 내의 피스톤을 갖는 엔진(200)을 도시하고 있는 밸브와 열교환기의 개략도이다. 이 개략도는 고온 변위된 체적과 압축기 저압 라인 사이에 연결되며 구동 스템 내의 수동 밸브를 갖는 라인을 도시하고 있다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시되어 있는 엔진에 대한 압력-체적 선도를 도시하고 있다.
도 4는 도 1 및 도 2에 도시되어 있는 엔진에 대한 밸브 개방 및 폐쇄 시퀀스를 도시하고 있다.

도 1 및 도 2에 도시되어 있는 본 발명의 2개의 실시예는 등가의 부분을 식별하기 위해 동일한 도면 부호 및 동일한 개략적 표현을 사용한다. 팽창 엔진은, 열교환기 내의 대류 손실을 최소화하기 위해, 일반적으로 저온 단부를 아래로 하여 배향되기 때문에, 저온 단부로부터 고온 단부를 향한 피스톤의 이동은 대개 상승 이동이라 칭하고, 따라서 피스톤은 상하로 이동한다.

도 1은 엔진 조립체(100)의 단면/개략도이다. 피스톤(1)은 저온 단부캡(9), 고온 장착 플랜지(7) 및 고온 실린더 헤드(8)를 갖는 실린더(6) 내에서 왕복한다. 구동 스템(2)이 피스톤(1)에 부착되고 구동 스템 실린더(69) 내에서 왕복한다. 저온 단부에서 변위된 체적(DVc)(3)은 피스톤(1) 및 밀봉부(50)에 의해 고온 단부에서의 변위된 체적(DVw)(4)으로부터 분리된다. 구동 스템 상의 변위된 체적(DVs)(5)은 밀봉부(51)에 의해 DVw로부터 분리된다. 라인(32)은 DVs(5)를 저압 복귀 라인(31) 내의 저압부(Pl)에 연결한다. 라인(37)은 조정 가능 밸브(Vwi)(15) 및 체크 밸브(CVi)(13)를 통해 DVw(4)에 라인(30) 내의 고압부를 연결한다. 라인(38)은 라인(30) 내의 고압부를 조정 가능 밸브(Vwi)(15) 및 체크 밸브(CVi)(13)를 통해 DVw(4)에 연결한다. 라인(37)은 DVw(4)를 체크 밸브(CVo)(12) 및 조정 가능 밸브(Vwo)(14)를 통해 라인(30) 내의 고압부에 연결한다. 고온 단부 열교환기(42)가 또한 이 라인 내에 있다. 엔진(100)은 개방될 때 라인(39)을 통해 라인(30) 내의 Ph로부터 DVw(4)로 가스가 유동하게 하는 능동 밸브(Va)(16)에 의해 엔진(200)으로부터 구별된다.

DVc(3)가 최소인 상태에서 입구 밸브(Vi)(10)가 개방되어, DVc가 Ph인 상태에서, DVw 내의 밸런싱 압력에 대항하여 피스톤(1)이 밀어 올려지고, 이어서 Vi를 폐쇄하고, Vo(11)를 개방하면, DVc 내의 가스는 Pl로 유출될 때, 팽창되고, 팽창됨에 따라 냉각될 때, 냉동이 발생한다. Pl에서의 가스는 피스톤(1)이 저온 단부(9)를 향해 후퇴 이동함에 따라 DVc의 외부로 밀려난다. Vo를 통해 유출하는 저온 가스는 라인(35)을 지나 열교환기(41)에 이르고, 이 열교환기에서 냉각되고 있는 부하에 의해 가열되며, 이어서 라인(36)을 통해 역류 열교환기(40)로 유동하고 이 역류 열교환기에서 고압 가스가 라인(34)을 통해 Vi(10)로 유동하기 전에 Ph의 도입 가스를 냉각한다.

Vi(10)를 개방하기 전에, 피스톤(1)이 저온 단부에서 정지되어 있는 동안 DVw(4) 내의 압력은 개방되어 있는 Va(16)에 의해 Ph에 있다. Vi가 개방될 때, DVc(3) 및 DVw(4) 내에서 압력은 Ph 부근이지만, DVs(5) 내의 압력은 Pl인 데, 이로써 피스톤(1)을 고온 단부를 향해 구동하는 힘 불균형이 형성된다. 라인(30) 내의 압력보다 약간 높은 압력의 가스는 CVo(12) 및 조정 가능 밸브(Vwo)(14)를 통해 유출된다. 피스톤(1)이 고온 단부를 향해 이동하는 속도는 Vwo(14)의 설정에 의해 결정된다. DVw가 최소일 때, Vi(10)는 폐쇄되고, Vo(11)는 개방된다. Ph의 라인(30)으로부터의 가스는 라인(38)을 통해, 조정 가능 밸브(Vw)(15) 및 CVi(13)를 지나 DVw(4) 내로 유동하여, 피스톤(1)을 저온 단부를 향해 압박한다. 피스톤(1)이 저온 단부를 향해 이동하는 속도는 Vw(15)의 설정에 의해 결정된다. Va(16)가 개방될 때 DVw(4)를 압축하는 프로세스는 가스를 고온이 되게 하는 데, 이는 저온 단부에서의 프로세스의 반대이다.

이 열은 가스가 라인(37)을 통해 밀려 나올 때 열교환기(42) 내에서 제거된다.

구동 스템(2) 상의 Pl의 가스와 DVc(3) 및 DVw(4) 내의 Ph의 가스에 의해 형성된 힘 불균형은, 가스가 라인(37), 열교환기(40) 및 입구 밸브(Vi)(10)를 통해 유동할 때의 Ph에서의 압력 강하를 극복하도록 요구된다. 힘 불균형은 또한 밀봉부(50, 51)에서의 마찰을 극복한다. 실제 기계에서, 구동 스템(2)의 면적은 통상적으로 피스톤(1)의 저온 단부의 면적의 5% 내지 15%이고, 얼마나 빠른 속도로 엔진이 운전되어야 하는지에 따라 결정된다.

도 2는 단지 능동 밸브(Va)(16)를 수동 밸브(Vp)(17)로 대체하는 점에 있어서만 엔진 조립체(100)와는 상이한 엔진 조립체(200)의 단면/개략도이다. 피스톤(1)이 저온 단부에 근접하게 될 때 Ph의 가스가 Dw에 유입되도록, 수동 밸브(Vp)(17)는 가장 알맞게 구동 스템(2) 내에 내장되어 있다. 도 2에 도시되어 있는 실시예에서, Vp(17)는 구동 스템(2) 주위의 실린더 헤드(8) 내의 환형 홈(18)과, 구동 스템(2) 상의 슬라이딩 끼워맞춤부 및 외면 상의 "O"링 밀봉부(20)를 갖고 리테이너 링(21)에 의해 적소에 유지되는 밀봉 칼라(19)와, 구동 스템(2) 내의 포트(23)에 의해 연결된 교차 포트(22, 24)로 구성된다. Ph의 가스는 라인(33)을 통해 라인(30)으로부터 환형 홈(18)에 연결된다. 가스는 피스톤(1)이 저온 단부 부근에 있을 때 Vp(17)를 통해 DVw(4)에 유입된다. DVw 내로 고압의 가스가 유입됨으로써, 저온 단부로 피스톤(1)이 압박되며, Vo(11)은 여전히 개방되어 있다.

미국 특허 출원 제61/313,868호는 입구 밸브(Vi)(10) 및 출구 밸브(Vo)(11)의 바람직한 구성을 설명하고 있고, 이들 밸브 모두는 다중 포트 회전형 밸브로부터 가스 순환에 의해 실온에서 공압식으로 작동된다.

엔진이 부하를 냉각하는 데 사용되어야 하고, 압축기로부터 일정한 일 출력을 유지하기를 원하면, 실온에서 최대 엔진 속도로 시동하고 저온이 됨에 따라 엔진 속도를 감소시킬 필요가 있다. 이는 다중 포트 회전형 밸브의 속도를 감소시키고 밸브(VWo)(14) 및 VWi(15)를 조정함으로써 행해지고, 그 결과 피스톤(1)이 전체 스트로크를 행하지만 고온 단부에 장시간 체류하지 않고, DVw가 Ph의 상태가 되자마자 저온 단부로부터 고온 단부를 향해 이동하게 된다. 대안적으로, 최소 온도에서 작동을 위해 고정된 위치에서 밸브(Vwi)(15) 및 Vwo(14)에 의해 일정한 속도로 작동하는 것이 가능하다. 속도가 고정되면, 냉각 중에 압축기는 몇몇 가스를 바이패스할 것이다.

도 3은 압력-체적 선도를 도시하고 있고, 도 4는 도 1 및 도 2에 도시되어 있는 엔진에 대한 밸브 개방 및 폐쇄 시퀀스를 도시하고 있다. P-V 선도 상의 상태점 번호는 도 4에 도시되어 있는 밸브 개방/폐쇄 시퀀스에 대응한다. 밸브 개방 및 폐쇄의 타이밍은 도시되어 있지 않고, 단지 시퀀스만 도시되어 있다. P-V 선도 상의 점 1은 스트로크의 종료시에 최소 DVc, DVw가 Ph, DVs가 Pl인 피스톤(1)을 나타내고 있다. Vi는 개방되어 Ph의 가스를 DVc에 유입한다. DVc가 증가되고 DVw 내의 가스는 라인(37)을 밀려 나간다. 점 2에서, Vi는 폐쇄되고 이어서 Vo는 개방되며(점 3), 따라서 DVc 내의 압력은 Pl로 강하한다. 피스톤(1)은 피스톤 상의 간극 체적 내의 Ph의 가스가 DVc가 Pl로 강하함에 따라 팽창하기 때문에 저온 단부를 향해 소량 이동하여 점 4에 이른다. 가스는 라인(38)을 통해 DVw 내로 유동하고, DVc가 최소일 때까지(점 5) Vwi(15)를 통해 유동함에 따라 Ph로부터 Pl로 압력이 강하한다. 이 점에서, Va(16) 또는 Vp(17)는 개방되어, Ph의 가스가 DVw(4)로 유입된다. 점 6은 Vo(11)가 폐쇄되는 점이다.

표 1은 2.2 MPa의 Vi에서의 압력과 0.8 MPa의 Vo에서의 압력에 대해 계산된 냉동 능력의 예를 제공한다. 헬륨 유량은 6.0 g/s이고, Vi 및 Vo에 대한 밸브 액추에이터로의 유동 및 공동 체적을 허용하기 위한 가스를 포함한다. 열교환기 효율은 98%로 가정된다.

엔진은 가변 속도 드라이브, 피스톤의 속도를 제어하기 위한 메커니즘 및 스트로크의 고온 단부에서 단지 짧은 체류 시간 및 저부에서 충분한 체류 시간을 갖는 전체 스트로크를 제공하여 DVw(4)를 완전히 압축하는 밸브 타이밍을 갖도록 가정된다. 엔진은 6 Hz의 가온시에 최대 속도를 가정하여 실온으로부터 약 30 K로 질량체를 냉각하도록 치수 설정되어 있다. 최적 속도는 절대 온도에 거의 비례한다.

엔진은 대부분의 냉각 전체에 걸쳐 가정된 압력에서 가정된 유량을 사용한다. 냉동 냉각 용량(Q) 및 작동 속도(N)가 200 K 및 60 K의 Vi에서 온도(T)에 대해 열거된다. 엔진은 수증기를 포획하기 위해 저온 펌프를 냉각하기 위해 120 K와 같은 좁은 온도 범위에서 고정 속도에서 작동하도록 설계될 수 있다는 것이 명백하다. 카르놋(Carnot)에 대한 엔진 효율은 냉각됨에 따라 증가하고, 가스의 더 작은 분율이 고온 단부에 사용되기 때문에 엔진은 감속한다. 효율은 약 80 K에서 최대이고, 이어서 열교환기 손실이 지배하기 때문에 강하한다.

[표 1]

계산된 성능

엔진 100, 200

Dp - mm 101.4

S - mm 25.4

P-V 선도 3

Tc - K 200

N - Hz 5.5

Q - W 1,250

Eff - % 8.7

Tc - K 60

N - Hz 2.0

Q - W 310

Eff - % 16.5

다른 실시예가 이하의 청구범위의 범주 내에 있다. 예를 들어, CVo(12)와 함께 Vwi(15) 및 CVi(16)를 갖는 라인(38)은 Vwo(14)가 유출과는 상이한 DVw(4) 내로의 유입에 관한 특성을 갖도록 설계될 수 있으면 배제될 수 있다. Va(16) 및 Vp(17)는 Vwo(14)가 CVo(12) 없이 Va 또는 Vp가 개방될 때 단기간 동안 개방될 수 있으면 또한 배제될 수 있다. 사이클은 사이클 타이밍이 이상적이지 않으면 다수의 냉동을 여전히 발생시킨다.

1: 피스톤 2: 구동 스템
3: 변위된 체적(DVc) 4: 변위된 체적(DVw)
13: 체크 밸브(CVi) 15: 조정 가능 밸브(Vwi)
31: 저압 복귀 라인 32: 라인
35: 라인 40: 역류 열교환기
100: 엔진 조립체 200: 엔진

Claims

극저온 온도(cryogenic temperature)에서 냉동을 발생시키기 위해 압축기로부터 공급되며 제1 라인에서 고압으로 공급되고 제2 라인에서 저압으로 복귀되는 가스로 작동하는 팽창 엔진으로서,
실린더 내의 피스톤으로서, 상기 피스톤은 상기 제2 라인으로부터의 저압 가스가 작용하는 고온 단부에 구동 스템을 갖고,
상기 피스톤이 상기 실린더의 저온 단부에 간극을 두고 가까이 있을 때 그리고 상기 고온 단부를 향해 이동하는 동안에 고압 가스를 유입하며, 상기 피스톤이 상기 실린더의 고온 단부에 간극을 두고 가까이 있을 때 그리고 저온 단부를 향해 이동함에 따라 가스를 저압부로 배기하는 입구 및 출구 밸브를 상기 실린더의 저온 단부에 갖고,
상기 피스톤의 이동이 야기될 수 있을 정도로, 상기 피스톤의 고압 단부 상의 압력을, 상기 저압 단부 상의 압력과 충분히 차이가 나게 유지하는 수단을 포함하는 팽창 엔진.
제1항에 있어서, 상기 피스톤이 이동하는 동안, 상기 피스톤의 고압 단부 상의 압력을 충분히 차이가 나게 유지하는 수단은, 압축기로부터의 고압 라인과 상기 고온 단부 사이에 연결된 제1 분기 라인 및 제2 분기 라인을 포함하고, 제1 분기 라인에는 스로틀 밸브와 직렬 관계인 입구 체크 밸브가 있으며, 제2 분기 라인에는 스로틀 밸브와 직렬 관계인 출구 체크 밸브가 있는 것인 팽창 엔진.
제2항에 있어서, 상기 피스톤의 고온 단부 상의 압력은, 상기 피스톤의 고온 단부와 압축기로부터의 고압 라인 사이에서, 상기 피스톤이 능동 밸브와 수동 밸브 중 하나에 의해 상기 저온 단부에 간극을 두고 가까이 있는 동안 저압으로부터 고압으로 증가되는 것인 팽창 엔진.
제3항에 있어서, 상기 수동 밸브는 상기 구동 스템 내에 포함되는 것인 팽창 엔진.
제2항에 있어서, 상기 피스톤이 고온 단부와 저온 단부 사이에서 이동하는 속도는 상기 스로틀 밸브의 유동 면적을 변경함으로써 변경되는 것인 팽창 엔진.
제2항에 있어서, 열이 상기 출구 체크 밸브를 갖는 라인에서의 냉각기에 의해 고온 단부로부터 제거되는 것인 팽창 엔진.