KR102341228B1 - 소음 및 진동 특성 감소를 위한 칼라 범퍼를 지닌 극저온 팽창기 - Google Patents

Abstract

극저온 팽창기(cryogenic expander)는 범퍼의 에너지 흡수 용량을 최대화하여, 공압 구동식 극저온 팽창기에 있는 디스플레이서 또는 피스톤이 실린더의 저온 또는 가온 단부를 가격하는 것을 방지한다. 피스톤의 가온 단부에는 피스톤과 동일한 외경을 갖는 칼라(collar)가 추가되고, 가온 단부에는, 피스톤이 실린더의 저온 단부 또는 바닥부를 가격하기 전에 “O” 링과 맞물리는 립(lip)이 추가된다. 칼라의 가온 단부도 또한, 피스톤이 실린더의 가온 단부 또는 정상부를 가격하기 전에 “O” 링과 맞물린다. “O” 링이 실린더의 최대 직경에 가까우면, “O” 링이 흡수할 수 있는 에너지의 양이 최대가 되고, 이에 따라 종래의 구성보다 큰 크기의 팽창기가 조용하게 작동하게 된다.

Description

소음 및 진동 특성 감소를 위한 칼라 범퍼를 지닌 극저온 팽창기{CRYOGENIC EXPANDER WITH COLLAR BUMPER FOR REDUCED NOISE AND VIBRATION CHARACTERISTICS}

본 발명은 소음 및 진동 특성이 감소된 극저온 팽창기(cryogenic expander)에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 공압식으로 구동되는 왕복동 피스톤을 갖고, 극저온 온도로 냉각을 일으키며, 소음 및 진동 특성이 감소되고, 칼라 범퍼(collar bumper)를 포함하는 고용량 팽창기에 관한 것이다.

크라이오 펌프(cryopump), 초전도 MRI 자석 및 실험실 장비를 냉각하는 데 사용되는 대부분의 극저온 냉각기는 GM 타입 냉각기를 사용한다. 이들은 통상, 헬륨을 압축하여 12 kW 미만의 입력 파워를 얻도록 수정된 공조 압축기를 사용한다. 팽창기는 기계식으로나 공압식으로 구동되는 왕복동 피스톤을 갖는다. 기계식 구동부는 피스톤이 스트로크 엔드에서 정상부나 바닥부를 가격하지 않는 거의 사인 곡선 동작을 부여하기 때문에 상대적으로 조용하다. 공압식 구동부는 보다 간단하지만, 피스톤이 스트로크 엔드에서 실린더의 정상부나 바닥부를 가격하는 경우에 상당한 소음을 유발할 수 있다. 이는 브레이튼 사이클로 작동하는 팽창기에 대해서도 동일하다.

W. E. Gifford 및 H. O. McMahon 명의의 미국 특허 제3,045,436호는 기본 GM 사이클을 설명한다. 이러한 냉각기 시스템은 가스를 고압으로 팽창기에 공급하는 압축기로 이루어지며, 이는 가스가 냉각기를 거쳐 가온 유입 밸브를 통해 냉각기 열교환기의 가온 단부로, 그 다음에 피스톤의 저온 단부에 있는 팽창 공간으로 향하는 것을 허용하며, 가스는 이 팽창 공간으로부터 냉각기와 가온 유출 밸브를 통해 저압의 압축기로 다시 복귀한다. 상기 '436 특허는 피스톤을 갖는 실린더 외부의 재생기 및 재생기로의 가스 유동과 위상이 다른 피스톤의 가온 단부로 가스를 순환시키는 제 2 쌍의 밸브를 도시한다. W. E. Gifford 명의의 미국 특허 제3,119,237호는 피스톤을 가온 단부에서 구동 스템(drive stem) 형태로 개선하여 피스톤을 위아래로 구동시키는 데 사용되는 가스의 양을 감소시킨다. 팽창기 구성 및 밸브 사이클링이 ‘237 특허의 도 2 내지 도 9에 도시되어 있다.

현재 형성되는 통상적인 GM 타입 팽창기는 피스톤 내부에 배치되는 재생기를 갖는다. 피스톤/재생기는 고압 가스에 의해 저온 단부에서 가온 단부로, 그 후에 저압 가스에 의해 가온 단부에서 저온 단부로 이동하는 디스플레이서(displacer)가 된다. 디스플레이서 위 아래의 압력이 거의 동일하기 때문에, 디스플레이서가 왕복동하게 하도록 요구되는 힘은 작고, 기계식 또는 공압식 기구에 의해 제공될 수 있다. 후속하는 설명에서, “피스톤”이라는 용어는 디스플레이서를 인용하는 경우에도 사용된다.

브레이튼 사이클로 작동하는 공압 구동식 팽창기가 Longsworth 명의의 미국 특허 제9,080,794호에 설명되어 있다. 브레이튼 사이클은 재생기 열교환 대신에 향류식 열교환기를 사용하여 고압 가스를 팽창되기 전에 예냉각한다는 점에서 GM 사이클과 상이하다. 이것은 가온 단부의 밸브와 동기화되어야만 하는 팽창기의 저온 단부의 다른 밸브 쌍을 요구한다. 향류식 열교환기는 피스톤/실린더 외부에 위치해야만 하며, 등가의 재생기보다 실질적으로 더 크다. 브레이튼 사이클 냉각기가 GM 사이클 팽창기에 비해 갖는 중요한 이점은 저온 가스를 원격 부하에 분배하는 능력이며, GM 팽창기의 저온 팽창 가스는 팽창 공간 내에 수용된다.

가스를 GM 사이클 팽창기나 브레이튼 사이클 엔진에 공급하는 데 사용 가능한 압축기 시스템이 S. Dunn 명의이고 발명의 명칭이 “오일 바이패스를 지닌 압축기(Compressor With Oil Bypass)”인 미국 특허 제7,674,099호에 설명되어 있다. 고압 및 저압은 통상적으로 2.2 Mpa 및 0.8 MPa이다.

Longsworth에게 허여된 미국 특허 제6,256,997호는, GM 타입 디스플레이서의 가온 단부에서 엘라스토머 “O” 링을 사용하여, 디스플레이서가 스트로크의 엔드에 있을 때에 디스플레이서의 충격 에너지를 흡수함으로써, 디스플레이서가 실린더의 가온 단부 및 저온 단부를 가격하는 일 없이 관련 소음 및 진동을 회피하는 것이 설명되어 있다. 이는 중앙 구동 기구 주위에 “O” 링을 배치하는 것에 의해 달성된다. ‘997 특허는 상대적으로 소형이고 경량인 디스플레이서에 대한 일반적인 원리 및 그 어플리케이션을 설명하고 있지만, 본 발명은 보다 많은 냉각을 일으키고 보다 크고 중량인 피스톤을 갖는 팽창기 내의 보다 큰 디스플레이서와 피스톤에 대한 원리를 적용하는 수단을 설명하고 있다. 이것은 피스톤과 동일한 외경을 가질 수 있고 피스톤의 정상부(가온 단부)로부터 연장되는 칼라와, 피스톤의 실린더의 바닥부(저온 단부)를 가격하기 전에 “O”링과 맞물리는 칼라의 정상부에 립을 추가하는 것에 의해 달성된다. 칼라의 정상 단부는, 피스톤이 실린더의 정상부(가온 단부)를 가격하기 전에 “O” 링과도 또한 맞물린다. “O”링이 흡수할 수 있는 에너지는 그 체적에 비례하기 때문에, “O” 링을 실린더의 최대 직경에 가깝게 하는 것은 “O” 링이 흡수할 수 있는 에너지의 양을 최대화한다. 에너지 흡수 목적으로 사용되는 “O” 링은 여기에서는 범퍼나 충격 흡수기로서 일컫고, 반드시 원형은 아니다. 엘라스토머 Buna N이 바람직한 재료이지만, 다른 재료도 또한 사용될 수 있다.

“정상부” 및 “바닥부”는 가온 단부 및 저온 단부를 각각 일컫는데 사용되고, “상향”은 저온 단부에서 가온 단부로 이동하는 것을 일컬으며, “하향”은 가온 단부에서 저온 단부로 이동하는 것을 일컫고, 팽창기는 모두 임의의 방위로 작동될 수 있다. 칼라가 피스톤과 동일한 직경을 갖는다는 것은, 그들을 다르게 하는 클리어런스 및 기계 가공 공차는 작아진다는 것을 의미한다.

본 발명은 범퍼의 에너지 흡수 용량을 최대화하는 수단을 제공하여, 공압 구동식 극저온 팽창기에 있는 디스플레이서 또는 피스톤이 실린더의 저온 또는 가온 단부를 가격하는 것을 방지한다. 피스톤의 가온 단부에는 피스톤과 동일한 외경을 갖는 칼라가 추가되고, 칼라 정상 단부에는, 피스톤이 실린더의 저온 단부 또는 바닥부를 가격하기 전에 “O” 링과 맞물리는 립이 추가된다. 칼라의 정상 단부도 또한, 피스톤이 실린더의 가온 단부 또는 정상부를 가격하기 전에 “O” 링과 맞물린다. “O” 링이 실린더의 최대 직경에 가까우면, “O” 링이 흡수할 수 있는 에너지의 양이 최대가 되고, 이에 따라 종래의 구성보다 큰 크기의 팽창기가 조용하게 작동하게 된다. 칼라는 또한 통상의 구동 스템 대신에 피스톤을 상하로 구동하는 데 사용될 수도 있다. 이러한 구성은 “칼라 범퍼”로 칭한다.

도 1은 미국 특허 제3,119,237호에 설명된 것과 등가인 종래 기술의 공압 구동식 GM 사이클 팽창기의 개략도.
도 2는, 도 1의 디스플레이서의 가온 단부에 추가되고, 가온 단부에, 스트로크 엔드에서 범퍼와 맞물리는 립을 갖는 칼라의 개략도. 칼라는 피스톤과 동일한 외경을 갖고, 저부 범퍼는 칼라 내부에 배치된다.
도 3은, 도 1의 디스플레이서의 가온 단부에 추가되고, 가온 단부에, 스트로크 엔드에서 범퍼와 맞물리는 립을 갖는 칼라의 개략도. 칼라는 피스톤과 동일한 외경을 갖고, 저부 범퍼는 칼라 외부에 배치된다.
도 4는, 공압 구동식 GM 사이클 디스플레이서의 가온 단부에 추가되고, 정상부에, 스트로크 엔드에서 범퍼와 맞물리는 립을 갖는 칼라의 개략도. 실린더 헤드는 칼라의 내부에 시일을 갖고 칼라 내부로 연장되는 네크부를 가지며, 디스플레이서를 상하로 구동하는 가스 라인이 칼라에 작용한다. 칼라는 피스톤과 동일한 외경을 갖고, 저부 범퍼가 칼라 외부에 배치된다.
도 5는, 칼라의 외경이 피스톤 직경보다 작고, 실린더 헤드가 보다 작은 내부 네크부와 외부 섹션을 갖는 점을 제외하고는 도 4와 유사한 도면. 내부 네크부는 칼라 내부에 시일을 갖고, 외부 섹션은 칼라 외부에 시일을 갖는다. 칼라는 정상부에, 실린더 헤드의 외부 섹션에 있는 저부 범퍼와 맞물리는 외부 립을 갖는다.
도 6은 공압 구동식 브레이튼 사이클 팽창기에 적용된다는 점을 제외하고 도 2와 유사한 도면.
도 7은, 칼라 상의 립과 저부 범퍼가 칼라 내부에 있고, 공압 구동식 브레이튼 사이클 팽창기에 적용된다는 점을 제외하고 도 4와 유사한 도면.
브레이튼 팽창기를 위한 칼라 외부에 저부 범퍼가 있는 옵션은 도시되어 있지 않다. 도면에서 등가의 구성요소들은 동일한 도면 부호를 갖는다.

도 1은, 단지 재생기가 실린더 외부가 아니라 피스톤 내부에 있다는 점에서만 미국 특허 제3,119,237호에 도시한 것과 상이한 종래 기술의 공압 구동식 GM 사이클 팽창기의 개략도를 보여준다. 도 1 내지 도 7에 예시된 시스템 모두는 동일한 압축기(30), 고압 공급 라인(31) 및 저압 복귀 라인(32)을 갖는다. 가스 라인은 길이가 수 미터일 수 있고, 이에 따라 팽창기 장착 시에 유연성을 제공한다. 현재 사용되는 압축기는 통상적으로 오일 윤활 스크롤 타입 압축기로, 공조 어플리케이션을 위해 제작되고, 대부분의 극저온 냉각기에서 헬륨, 작동 유체를 압축하도록 되어 있다. 작동 압력은 통상적으로 약 2.2/0.8 Mpa이고, 입력 파워는 약 2 내지 12 kW 범위이다. 본 발명은 공압 작동식 팽창기가 보다 높은 냉각 용량으로 조용하게 작동 가능하게 할 것이다. 이는 스크류 타입 압축기일 수 있는 대형 압축기를 요구할 것이다.

팽창기는 4개의 메인 하위 조립체를 갖는다. 실린더 하위 조립체는 실린더(6a), 저온 단부 캡(9) 및 가온 플랜지(7)를 포함한다. 실린더 조립체에서 왕복동하는 피스톤 하위 조립체는 피스톤 본체(1), 재생기(19), 구동 스템(2) 및 피스톤 본체(1)의 가온 단부 근처의 피스톤 시일(26)을 포함한다. 실린더 헤드 하위 조립체는 실린더 헤드(8a), 스템 실린더(18) 및 스템 시일(27)을 포함한다. 통상 실린더 헤드 하위 조립체에 부착되는 하우징 내에 있는 밸브 하위 조립체는 밸브(12, 13, 14, 15)들을 포함한다. 이들 밸브는 통상적으로 모터로 구동되는 포트형 회전 밸브에 포함된다. 피스톤(1)은 왕복동할 때, 가스를 저온 변위 체적(3), 가온 변위 체적(4) 및 구동 스템 변위 체적(5)으로 변위시킨다. 이들 체적 대부분은 피스톤(1)이 왕복동할 때 변위되며, 클리어런스 및 가스 포트 형태의 공극 체적(void volume)도 또한 포함한다. 밸브(14, 15)는 라인(33)을 통해 가온 변위 체적(4)으로 그 후에 포트(21), 재생기(19) 및 포트(20)를 거쳐 저온 변위 체적(3)으로 가스를 순환시킨다. 밸브(12, 13)는 라인(34)을 통해 구동 스템 변위 체적(5)으로 가스를 순환시킨다. 시일(17)은 실린더 헤드(8a)를 가온 플랜지(7)에 대해 시일한다.

GM 냉각 사이클은 저온 단부의 피스톤에서 시작하고[저온 변위 체적(3) 최소화], 실린더 내 그리고 구동 스템에 대한 압력은 고압이다[밸브(12, 14) 개방, 밸브(13, 15) 폐쇄]. 그 후, 밸브(12)는 폐쇄되고, 밸브(13)는 개방된다. 구동 스템에 대한 저압으로 인해 피스톤(1)이 상향 이동하고 고압 가스가 저온 변위 체적(3) 내로 인출된다. 피스톤이 정상부에 도달하기 전에 밸브(14)가 폐쇄되고, 실린더 내의 압력은 피스톤이 정상부로 이동할 때에 고압과 저압 중간의 제1 압력으로 떨어진다. 이러한 압력 감소로 인해 가온 가스가 가온 변위 체적에서 저온 변위 체적으로 이송된다. 그 후, 밸브(15)가 개방되고, 실린더 내의 압력이 저압으로 떨어진다. 밸브(13)는 폐쇄되고 밸브(12)는 개방되어, 고압 가스를 구동 스템에 공급하고, 피스톤을 하향 압박한다. 피스톤이 바닥부에 도달하기 전에, 밸브(15)가 폐쇄되고, 실린더 내의 압력은 피스톤이 바닥부로 이동할 때에 제2 중간 압력으로 증가한다. 이러한 압력 증가로 인해 저온 가스가 저온 변위 체적에서 가온 변위 체적으로 이송된다. 그 다음에, 밸브(14)가 개방되고 압력이 고압으로 증가하며, 다음 사이클이 시작된다. 저온 변위 체적(3)에서 행해지는 P-V 일은 사이클마다 일어나는 냉각과 동일하다.

도 2는, 피스톤(1)에 추가된 칼라(22)와 범퍼 “O” 링(24, 25)에 의해 도 1의 종래 기술의 구성과 상이한 GM 팽창기(100)를 보여준다. 칼라(22)는 피스톤(1)과 대략 동일한 외경을 갖고, 실린더 내에서 왕복동하는 길이에서 실린더(6a)의 직경의 내경과 마찰되지 않는다. 칼라(22)는 피스톤(1)의 가온 피스톤 단부에 통합될 수 있다. 실린더 헤드(8b)는 칼라(22) 내부에서 연장되고, 칼라(22)의 내경 부근에 있는 저부 단부의 립에서 “O” 링 범퍼(25)를 지지하는 네크부를 갖는다. 칼라(22)는 정상부에, 피스톤(1)이 저온 단부(9)를 가격하기 전에 저온 단부에 도달할 때에 “O” 링(25)과 맞물리는 내부 립을 갖는다. 피스톤(1)이 가온 단부에 도달할 때, 칼라(22)의 정상부는 실린더 헤드(8b)를 가격하기 전에 “O” 링(24)과 맞물린다. 따라서, 피스톤 스트로크는 피스톤(1)이 압축된 “O” 링(24, 25) 사이에서 이동하는 거리이고, 칼라의 길이는 스트로크보다 칼라(22) 상의 립과 실린더 헤드(8b)의 길이만큼 길어야만 한다. 구동 칼라가 지나가는 공간(22, 11)은 변위 체적(4)의 공극 체적에 연결되고 추가되는 공극 체적이다. 체적(11)을 가압하고 압축하는 것은 압축기 유동의 2 내지 5 %를 사용할 수 있다. GM 팽창기(100)의 냉각 사이클은 도 1의 GM 팽창기의 냉각 사이클과 동일하다.

도 3은, 정상 단부에 피스톤(1) 외경 외부에 위치하는 립을 갖는 칼라(23)를 구비하는 것에 의해 GM 팽창기(100)와 상이한 GM 팽창기(200)를 보여준다. 저온 범퍼(25)는 피스톤 시일(26)이 슬라이드하는 영역 위에서 실린더(6b) 내경 섹션에 포획된다. 칼라(22)의 정상부에 있는 외부 립은, 피스톤(1)이 저온 단부(9)를 가격하기 전에 저온 단부에 도달할 때에 “O” 링(25)과 맞물린다. 피스톤(1)이 가온 단부에 도달할 때, 칼라(23)의 정상부는, 피스톤이 실린더 헤드(8c)를 가격하기 전에 “O” 링(24)과 맞물린다.

도 4는 피스톤이 왕복동하게 하는 수단인 구동 스템(2)을 칼라(23)로 대체하는 것에 의해 GM 팽창기(200)와 상이한 GM 팽창기(300)를 보여준다. 이러한 대안의 피스톤 구동 수단은, 구동 스템(2) 및 구동 스템 실린더(18)에 대한 필요성을 제거함으로써 구성을 단순하게 하고, 스템 시일(27)을 실린더 헤드(8d) 내에 내부 칼라 시일(28)로 대체한다. 피스톤 시일(26)과 내부 칼라 시일(28) 사이의 환형 영역은 스템 시일(27) 내부의 영역과 대략 동일하다. 피스톤 단면적의 대략 15 %의 영역이면 통상 마찰, 압력 강하 및 피스톤을 구동하는 데 필요한 관성력을 극복하기에 충분하다. 밸브(12, 13)들과 체적(10) 사이의 라인은 라인 35로 나타낸다. GM 팽창기(300)는 GM 팽창기(100, 200)보다 효율적인데, 그 이유는 스템 체적(5)으로 들어갔던 가스 흐름을, 이제 피스톤을 상하로 구동하기 위해 GM 팽창기(300)의 체적(10)이 포함하고, 칼라 범퍼와 관련된 공극 체적이 감소되기 때문이다. 이것은, 실린더 헤드(8d)가 보다 간단해지고 조립체가 다른 실시예보다 간단해지기 때문에 본 발명의 바람직한 실시예이다. 이러한 구동 기구는 종래의 “스템 구동부”와 유사한 “칼라 구동부”라고 일컫는다.

도 5는, 피스톤과 동일한 외경을 갖는 구동 칼라(23)를, 외경이 보다 작은 칼라(23b)로 교체하는 것에 의해 GM 팽창기(300)와 상이한 GM 팽창기(400)를 보여준다. 실린더 헤드(8e)는 직경이 보다 작은 네크부와 내부 칼라 시일(28)을 포함한다. 실린더 헤드(8e)는 저부 범퍼(25)와 또한 외측 칼라 시일(29)을 유지하는 외부 섹션도 또한 갖는다. [시일(28, 29)들 사이의] 칼라(23b)의 단면적도 또한 피스톤 단면적의 대략 15 %(< 20 %)이다. 칼라(23b)의 베이스에 있는 가스 포트(37)는 가온 변위 체적(4)의 내외부 체적에 접속될 필요가 있다. GM 팽창기(400)는 GM 팽창기(100, 200)에 비해 GM 팽창기(300)와 동일한 효율의 장점을 갖는다. 범퍼 “O”링(24, 25)은 피스톤과 거의 동일한 직경인 범퍼 “O”링보다 작지만, 대형 범퍼 “O”링의 최대 에너지 흡수가 필요 없는 경량 피스톤과 함께 사용될 수 있다. 이는, 추가의 시일(29)를 요구하기 때문에 칼라 범퍼의 바람직한 실시예가 아니다.

도 6은 스템 구동부와 내부 립을 지닌 칼라(22)를 갖는 브레이튼 팽창기(500)를 보여주며, 이 팽창기는, 피스톤의 재생기가 외부 열교환기(41)로 대체되고, 저온 변위 체적(3)으로의 가스 흐름이 고압의 저온 유입 밸브(43)와 저압의 저온 유출 밸브(44)에 의해 라인(36)을 통해 제어된다는 점만을 제어하고는 GM 팽창기(100)와 동일하다. 브레이튼 피스톤(40)은 저온 변위 체적(3)을 가온 변위 체적(4)으로부터 분리한다. 브레이튼 사이클 팽창기는 단지 단부 캡(9)보다는 원격 열교환기(42)에서 냉각을 가능하게 하기 때문에 많은 용도에서 GM 팽창기보다 큰 장점이 있다. 더 큰 크기로 확장하는 것이 더 용이하기는 하지만, 더 크고 더 기계적으로 복잡하다는 단점이 있다. GM 사이클에 대해서 설명한 것과 동일한 사이클을 실시하기 위한 밸브 개폐 타이밍이 도 1의 옵션 B와 연계된 미국 특허 제9,080,794호의 도 7에 도시되어 있다.

도 7은 칼라 구동부를 갖는 브레이튼 팽창기(600)를 보여준다. 칼라(22)는 정상부에, 피스톤(40)이 저온 단부(9)를 가격하기 전에 저부 범퍼(25)와 맞물리는 내부 립을 갖는다. 실린더 헤드(8f)는 저부 범퍼(25)와 내부 칼라 시일(28)을 유지하는 네크부를 갖는다. 브레이튼 팽창기(400)의 작동은 브레이튼 팽창기(300)와 동일하다.

본 발명의 목적은, 공압 구동식 피스톤을 지닌 극저온 팽창기가 보다 고용량의 냉각기에서 조용하게 작동하게 한다. “O” 링 범퍼의 크기는, 피스톤과 동일한 직경을 갖고, 피스톤의 가온 단부 상에, 피스톤이 저온 단부를 가격하기 전에 “O” 링 범퍼와 맞물리는 립을 정상부에 갖는 칼라와, 피스톤이 가온 단부를 가격하는 것을 방지하는 유사한 “O”링 범퍼를 갖는 것에 의해 최대화된다. 직경이 더 작은 종래 기술의 “O” 링 범퍼는 소량의 냉각을 생성하는 피스톤에 적당했다.

냉각이 생성되는 속도는 왕복동 팽창기의 팽창 공간에서의 높은 압력 차이와 낮은 변위 비율, dV / dt에 비례한다. 동일한 압력이 주어진 경우, 냉각 속도는 이에 따라 피스톤 직경(D)의 제곱, 스트로크(S) 및 사이클 속도(N)에 비례하며, 즉 dV/dt = (SπD²N)/4이다. 피스톤의 운동 에너지는 그 질량(M)과 그 속도 제곱 (SN)²에 비례한다. 스트로크 또는 속도를 2배로 함으로써 변위 속도(냉각 속도)가 2배가 되면, “O”링 범퍼에 의해 흡수되어야만 하는 에너지는 4배 증가하지만, 범퍼가 추가 에너지를 흡수하는 용량은 변경되지 않았다. 변위 속도가 피스톤의 면적을 2배로 함으로써 증가되고, 길이, 행정 및 속도가 동일하게 유지되면, 운동 에너지는 2배가 되지만, 피스톤 직경인 “O”링 범퍼는 길이만이 단지

만큼 증가한다. 즉, 변위 속도가 피스톤의 면적을 2배로 함으로써 증가되고, 길이, 스트로크 및 속도가 동일하게 유지되면, 운동 에너지가 2배가 되고, 피스톤 직경인 “O” 링 범퍼는 길이가 2의 제곱근의 D배만큼 증가한다. 큰 변위 피스톤을 더 가볍게 만드는 데 사용되는 전략과 관계없이, 피스톤과 거의 동일한 직경의 범퍼 “O”링은 저압에서 작동하는 공압 구동식 피스톤에 의해 생성될 수 있는 냉각 속도를 최대화한다. 칼라 범퍼를 지닌 피스톤은 이것이 달성되는 것을 가능하게 한다.

Claims (15)

1. 소음 및 진동 특성이 감소된 극저온 팽창기(cryogenic expander)로서,
   실린더;
   실린더 내의 공압 구동식 왕복동 피스톤으로서, 가온(warm) 피스톤 단부와 저온(cold) 피스톤 단부를 갖고, 가온 실린더 단부와 저온 실린더 단부 사이에서 왕복동하며, 실린더 내에서 가온 실린더 단부와 저온 실린더 단부 사이의 피스톤의 이동 거리가 스트로크로서 규정되는 것인 피스톤;
   피스톤과 상기 실린더 사이에서 가온 피스톤 단부에 있는 시일;
   실린더 내의 범퍼; 및
   정상부에 그리고 그 외부에 립(lip)을 포함하는 칼라(collar)로서, 가온 피스톤 단부와 통합되고, 가온 피스톤 단부와 립 사이에서 스트로크 이상의 길이를 갖고, 피스톤의 직경과 동일한 외경을 갖는 칼라
   를 포함하고,
   소음 및 진동 특성을 줄이기 위해 피스톤이 저온 실린더 단부에 접하는 것을 방지하도록, 립이 범퍼에 맞물리는 것인 극저온 팽창기.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 립은 피스톤이 실린더의 가온 단부에 접하는 것을 방지하도록 범퍼에 맞물리는 것인 극저온 팽창기.
4. 제1항에 있어서, 극저온 팽창기는 GM 사이클이나 브레이튼 사이클로 작동하는 것인 극저온 팽창기.
5. 제1항에 있어서, 가온 피스톤 단부에서 피스톤의 축 상에 배치되는 구동 스템을 더 포함하는 극저온 팽창기.
6. 실린더 내에 공압 구동식 왕복동 피스톤을 갖는 극저온 팽창기로서,
   실린더;
   실린더 내의 공압 구동식 왕복동 피스톤으로서, 가온 피스톤 단부와 저온 피스톤 단부를 갖고, 가온 실린더 단부와 저온 실린더 단부 사이에서 왕복동하며, 실린더 내에서 가온 실린더 단부와 저온 실린더 단부 사이의 피스톤의 이동 거리가 스트로크로서 규정되는 것인 피스톤;
   피스톤과 상기 실린더 사이에서 가온 피스톤 단부에 있는 피스톤 시일; 및
   정상부에 그리고 그 내부에 립을 포함하는 칼라로서, 가온 피스톤 단부와 통합되고, 가온 피스톤 단부와 립 사이에서 스트로크 이상의 길이를 갖고, 내경이 외경의 90 % 이상인 칼라
   를 포함하고,
   가온 실린더 단부는 칼라 내부에서 연장되는 네크부를 지닌 실린더 헤드를 포함하고, 네크부는 네크부와 칼라 내부 사이에 범퍼를 가지며,
   소음 및 진동 특성을 줄이기 위해 피스톤이 저온 실린더 단부에 접하는 것을 방지하도록, 립이 범퍼에 맞물리는 것인 극저온 팽창기.
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8. 제6항에 있어서, 립은 또한 피스톤이 실린더의 가온 단부에 접하는 것을 방지하도록 범퍼에 맞물리는 것인 극저온 팽창기.
9. 제6항에 있어서, 극저온 팽창기는 GM 사이클이나 브레이튼 사이클로 작동하는 것인 극저온 팽창기.
10. 제6항에 있어서, 피스톤을 왕복동하게 하는 공압력이 칼라 상에 작용하는 것인 극저온 팽창기.
11. 소음 및 진동 특성이 감소된 극저온 팽창기로서,
    실린더;
    실린더 내의 공압 구동식 왕복동 피스톤으로서, 가온 피스톤 단부와 저온 피스톤 단부를 갖고, 가온 실린더 단부와 저온 실린더 단부 사이에서 왕복동하며, 실린더 내에서 가온 실린더 단부와 저온 실린더 단부 사이의 피스톤의 이동 거리가 스트로크로서 규정되는 것인 피스톤;
    피스톤과 상기 실린더 사이에서 가온 피스톤 단부에 있는 시일; 및
    정상부에 립을 포함하는 칼라로서, 가온 피스톤 단부와 통합되고, 가온 피스톤 단부와 립 사이에서 스트로크 이상의 길이를 갖고, 피스톤의 직경보다 작은 외경을 가지며, 피스톤 단면적의 20 % 미만인 단면적을 갖는 칼라
    를 포함하고,
    가온 실린더 단부는 네크부를 가지는 실린더 헤드를 포함하고, 네크부는 실린더 헤드에 고정되며, 네크부는 칼라 내부로 연장되고, 네크부는 네크부와 칼라 사이에 범퍼를 가지며,
    소음 및 진동 특성을 줄이기 위해 피스톤이 저온 실린더 단부에 접하는 것을 방지하도록, 립이 범퍼에 맞물리는 것인 극저온 팽창기.
12. 제11항에 있어서, 립은 칼라의 내측부 또는 외측부에 있는 것인 극저온 팽창기.
13. 제11항에 있어서, 립은 또한 피스톤이 가온 실린더 단부에 접하는 것을 방지하도록 범퍼에 맞물리는 것인 극저온 팽창기.
14. 제11항에 있어서, 극저온 팽창기는 GM 사이클이나 브레이튼 사이클로 작동하는 것인 극저온 팽창기.
15. 제11항에 있어서, 피스톤을 왕복동하게 하는 공압력이 칼라 상에 작용하는 것인 극저온 팽창기.

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