KR20020044139A - 자유 피스톤 기계용 피스톤 및 실린더와 피스톤을 제조하는 방법 - Google Patents

자유 피스톤 기계용 피스톤 및 실린더와 피스톤을 제조하는 방법 Download PDF

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윌리엄 티. 비일 ; 존 지. 크로포드
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Abstract

본 발명은 가스 베어링 구조체를 개시하며, 이러한 구조체는 원통형 코어(30) 및 원통형 슬리브(50)를 포함한다. 이러한 코어(30)는 방사상 외향면과 그 위에 형성된 원주 홈을 구비한다. 슬리브(50)는 외부 코어면과 밀봉 접촉하는 방사형 내향면을 구비한다. 슬리브(50)의 내향면은 홈 위로 브릿지되고, 각각의 홈 내부에 유체, 바람직하게 가스 유동 경로를 형성한다. 가스 유동 경로는 작업공간으로부터, 슬리브 측벽을 통과하도록 형성된 방사형 통로에 가스가 유동하게 하고, 이로써 가스 베어링이 형성된다.

Description

가스 베어링 및 자유 피스톤 기계용 가스 베어링을 제조하는 방법{GAS BEARING AND METHOD OF MAKING A GAS BEARING FOR A FREE PISTON MACHINE}
여러 장치에서 피스톤은 크랭크 축에 연결되는 연결 로드와 같은 강성의 기계적 링크에 연결된다. 이러한 피스톤은 단부 경계부와 같은 예비 결정된 위치에 형성된다. 그러나, 하나 이상의 자유 피스톤을 이용하는 많은 장치가 공개되어 있다.
자유 피스톤 기계적 연결부가 없는 실린더에서 왕복 운동한다. 이 같은 자유 피스톤은 전자기적, 선형 모터에 의하여 구동될 수 잇으며, 예를 들면 가스 또는 다른 유체 컴프레셔 또는 펌프로서 이용된다. 또한 자유 피스톤은 자유 스털링 사이클 엔진, 냉각기 및 급냉기와 같은 자유 피스톤 스털링 사이클 장치에서 볼 수 있다.
자유 피스톤은 실린더 벽과 피스톤 벽 사이에 형성된 매우 작은 간극으로 하우징에 형성된 실린더내에서 밀봉적으로 왕복 운동한다. 하우징은 통상적으로 피스톤의 일 단부와 제 2 공간 또는 역행 공간에 의하여 한정된 작업 공간을 둘러싼다. 헬륨과 같은 작동 가스는 작업공간, 역행 공간 및 하우징내의 장치의 다른 영역에 충전된다.
작동 중 피스톤 벽과 실린더 벽이 매우 근접되기 때문에, 벽들 사이에 형성된 간극은 빠른 마모를 방지하기 위해 윤활 처리되어야 한다. 가장 효과적인 윤활은 가스 베어링을 형성하는 작동 가스의 얇은 층인 것을 알 수 있다. 이 같은 가스 베어링은 비얼레(Beale)의 미국 특허 제 4,412,418호, 제 4,802,332호 및 제 4,888,950호에 상술되어 있다.
피스톤을 윤활 처리하기 위해, 가스는 작업공간 또는 역행 공간으로부터 발송된 후 피스톤의 원주상 3개 이상의 포인트에서 간극으로 향하여야 한다. 그러나, 간극으로의 가스의 이송 및 방출은 통로 및 출구의 복잡한 네트워크가 요구된다. 이 같은 통로 및 출구는 용이하게 형성되지 않으며, 이는 가스-이송 구조물이 형성되어야 하는 부분이 소형이고, 정밀하게 형성되고 허용오차가 작기 때문이다.
레이몬드(Raymond)의 미국 특허 제 5,184,643호에 상세히 설명된 바와 같은 수축 피트 환형 밸브 슬리브 조립체를 형성하는 것이 공개되어 있다. 이 같은 조립체는 제어 오버 가스 압력의 부족, 및 실린더 벽에 대한 가스의 유도를 위한 통로의 부족 때문에 자유 피스톤 장치상의 가스 베어링을 형성하기 위해 작동되지 않는다.
따라서, 자유 피스톤 장치를 위한 가스 베어링 구조물 및 가스 베어링 구조물을 제작하는 방법에 대한 요구가 있었다.
본 발명은 자유 피스톤 장치에 관한 것으로, 특히 가스 베어링 장치에 관한 것이며, 자유 피스톤 장치용 가스 베어링 장치를 제조하는 방법에 관한 것이다.
도 1은 스털링 사이클 극저온 냉각기의 자유 피스톤이 작동 위치에 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내는 측면 단면도이다.
도 2는 바람직한 피스톤을 나타내는 측면 단면도이다.
도 3은 피스톤의 바람직한 코어를 나타내는 측면 단면도이다.
도 4는 피스톤의 바람직한 슬리브를 나타내는 측면 단면도이다.
도 5는 피스톤의 바람직한 코어를 나타내는 사시도이다.
도 6은 피스톤의 바람직한 코어의 확대 단면을 나타내는 사시도이다.
도 7은 도 5의 선 7-7에 따른 측면 단면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 측면 단면도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 측면 단면도이다.
도 10은 선 10-10에 따른 도 9의 코어를 도시하는 단면 단부도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 측면 단면도이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 측면 단면도이다.
본 발명은 가스 베어링을 가지는 개선된 자유 피스톤 장치에 관한 것이다. 바람직한 일 실시예에서, 개선된 피스톤은 두 개의 부분, 내측 원통형 코어 및 외측 원통형 슬리브를 포함한다. 내측 코어는 코어가 슬리브내에 형성된 통로내에 배치될 때 외측 슬리브의 방사상 내향면과 접하는 방사상 외향면을 가진다. 원주 저장기 홈은 코어 주위로 연장되는 것이 바람직하며, 단방향 밸브를 구비한 통로는 유체가 저장기로 유동되는 것을 허용한다. 종방향 홈은 저장기로부터 코어의 방사상 외향면에 형성된 적어도 하나의 바람직하게는 4개의 원주상 유체 계측 홈으로 연장된다. 슬리브 브리지의 내향면이 홈을 덮을 때 유체 계측 홈은 유체 통로를 형성한다. 적어도 3개의 방사형 통로는 측벽에서 간극으로 홈에 있는 유체를 유도하기 위한 홈과 유체 연통되는 슬리브의 측벽을 통하여 형성된다.
개선된 피스톤이 실린더내에서 왕복운동할 때, 가스는 종방향 홈, 유체 계측 홈을 통하여 순간적으로 높은 압력 작업 공간으로부터 저장기로 유동되고 피스톤과 실린더 사이의 간극으로 가스를 비우는 방사형 슬리브 통로로 유동된다. 이것은 직면하는 피스톤과 실린더 벽의 마모를 감소시키는 가스 베어링을 형성한다. 이같은 구조물은 코어의 외측 표면에 홈을 형성한 후 코어를 슬리브에 조립함으로써 형성된다.
바람직한 일 실시예에서, 가스 베어링은 또한 디스플레이서 로드 및 디스플레이서 로드가 연장되는 코어 통로 사이에 형성된다. 디스플레이서 로드는 코어가 통과하는 원통형 통로를 통하여 연장되며 적어도 3개의 방사형 통로가 코어의 측벽을 통하여 형성된다. 방사형 통로는 유체 계측 홈과 유체 연통되어 가스가 계측 홈으로부터 방사형 통로를 통하여 코어의 방사상 내향면과 외부 디스플레이서 로드 표면 사이의 간극으로 유동되도록 한다.
피스톤을 제작하는 바람직한 하나의 방법에서, 슬리브는 연장되도록 가열되고, 코어는 실린더 통로와 동축선으로 연장된다. 코어는 슬리브 통로내의 제위치로 가압되며 두 개의 부분의 온도가 동일하게 된다. 매우 타이트한 밀봉이 코어의 외향면과 슬리브의 내향면 사이에 형성되어, 홈이 형성된 위치를 제외한 부분에서 유체가 통과되는 것을 방지한다.
도면에 도시되어 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 때, 구체적인 기술용어는 편의를 위해 기술될 것이다. 그러나, 이러한 선택된 특정 용어에 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 각각의 특정 용어는 유사한 목적을 달성하도록 유사한 방법으로 작동하는 모든 기술적 동등물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예컨대, "연결된(connected)"이라는 단어 또는 이와 유사한 용어가 자주 이용되는데, 이들은 연결부(connection)만을 가리키는 것으로 한정되는 것이 아니라, 당업자가 이러한 연결부와 동등물로서 인식하는 다른 부재들 모두를 포함한다.
도 1에는 본 발명에 따른 자유 피스톤 스털링 사이클 극저온 냉각기(10)의 바람직한 실시예가 도시되어 있다. 그러나, 아래의 상세한 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해되듯이, 본 발명은 임의의 자유 피스톤 기계에 사용될 수 있다.
피스톤(12)은 실린더(14) 내부에 미끄럼 가능하게 장착되어 있고, 자석이 장착되는 환형 링(annular ring; 16)에 구동가능하게 연결되어 있다. 이러한 환형 링(16)은 간극 내부에 배치되며, 이러한 간극에서는 시간-변화(time-changing), 교번 자기장(alternating magnetic field)이 발생되고, 이에 따라, 구동가능하게 연결된 피스톤(12)이 왕복 운동으로 구동된다. 극저온 냉각기(10)는 알려진 열역학 사이클에 따라 저온 단부(22)로부터 고온 단부(24)로 열(heat)을 펌핑하고, 극저온 냉각기(10)가 냉각되게 한다. 예컨대, 가스 산소가 응축 및 액화되게 한다.
본 발명의 목적을 위해, 피스톤(12)과 이와 협력하는 부재들만이라도 설명될필요가 있다. 피스톤(12)은 도 2에 보다 상세히 도시되어 있는데, 코어(30) 및 슬리브(50) 2개의 주요 부재들을 포함한다. 이러한 코어(30) 및 슬리브(50)는 대향면의 접합에 의해 강제 끼워맞춤(interference fit)으로 서로 고정된다. 코어(30)는 길다란 원통형 몸체이며, 알루미늄으로 이루어지는 것이 바람직하고 원통형 통로(40)를 형성하는 방사상 내향면(radially inwardly facing surface; 34)과 방사상 외향면(radially inwardly facing surface; 32)을 가진다. 코어(30)의 외부면 내에 제 1 및 제 2 원주 저장기 홈(reservoir groove; 36,38)이 형성되어 있다. 방사형 코어 통로(42,49)(통로(45,49)는 도 6에만 도시되어 있다)는 대략 90도 간격으로 코어(30)의 둘레 주위에 환형으로 이격된 위치에 형성되어 있고, 내향면(34)으로부터 외향면(32)으로 코어 측벽(31)을 통해 연장된다.
슬리브(50)는 길다란 원통형 몸체이며, 알루미늄으로 이루어지는 것이 바람직하고, 원통형 통로(56)를 형성하는 방사상 내향면(54)과 방사상 내향면(52)을 구비한다. 방사형 슬리브 통로(61-68)(통로(64,68)는 도 4에 도시되어 있지 않다)는 대략 90도 간격으로 슬리브(50)의 둘레 주위에 환형으로 이격된 위치에 형성되어 있고, 내향면(54)과 외향면(52) 사이에서 슬리브 측벽(58)을 통해 연장된다.
도 5 및 도 6에는 외향면(32) 내에 형성된 4개의 원주 유체 계측 홈(circumferential fluid metering grooves; 80,82,84,86)을 구비하는 코어(30)가 도시되어 있다. 이러한 원주 유체 계측 홈 각각은 대략 0.025mm 깊이와 대략 0.178mm의 폭을 가진다. 물론, 이들 치수는 이들 홈을 유동하는 유체의 압력 강하에서의 변화에 따라 변경될 수 있다.
유체 계측 홈(82)은 코어(30) 주위로 연장되고 방사형 코어 통로(42,43,44,45)와 유체 연통 상태이다. 유체 계측 홈(86)은 코어(30) 주위로 연장되고 방사형 코어 통로(46,47,48,49))와 유체 연통 상태이다. 유체 계측 홈(80)은 코어(30) 주위로 연장되며 슬리브(50) 내부에 코어(30)가 위치할 때 방사형 슬리브 통로(61-64,65-68)와 유체 연통 상태이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 코어(30)의 외향면(32)은 슬리브(50)의 내향면(54)과 맞닿아 있다. 원주 유체 계측 홈(80-86)은 계측 홈(80-86) 위로 브릿지(bridge)되는 내부 대향면(54)의 부분들에 의해 덮여 있다. 따라서, 유체 계측 홈(80-86)의 벽들과 이들을 덮고 있는 내부 대향면(54)의 부분들은 원주 유체 유동 경로를 형성한다. 자유 피스톤 스털링 극저온 냉각기에 사용되는 바람직한 유체는 헬륨과 같은 가스이며, 따라서 바람직한 실시예에서의 유체 계측 홈(80-86)은 가스 유동 경로이다.
바람직한 치수의 유체 계측 홈(80-86)에 의해 형성된 가스 유동 경로는 이들을 통과하는 가스의 유동에 대한 소정의 저항을 가지며, 이러한 소정의 저항은 공급원으로부터 유체 계측 홈(80-86)을 통해 방사형 코어 통로(42,49)와 방사형 슬리브 통로(61-68) 안으로 가스가 유동할 때 가스 내의 공지된 압력 강하를 유발시킨다. 방사형 슬리브 통로(61-68)로부터의 가스 유동은 소정의 비율로 피스톤 벽과 실린더 벽 사이의 간극에 유입되어 내부에서 가스 베어링을 형성한다. 방사형 코어 통로(42-49)로부터의 가스 유동은 디스플레이서 로드(displacer rod; 11)와 코어 내부의 원통형 통로(40) 사이의 간극에 소정의 비율로 유입되어 내부에 가스 베어링을 형성한다.
알려진 바와 같이, 피스톤과 실린더 사이의 간극 안으로의 가스 유동에 대한 저항은 실린더 벽에 대한 피스톤 벽의 위치에 좌우된다. 피스톤 벽이 폐쇄되면 저항이 증가하며 이에 따라 압력을 상승시켜 간극의 그 부분에서 실린더 벽으로부터 피스톤이 멀어지게 한다. 이러한 점에서, 방사형 통로 내의 압력은 간극 크기에 좌우된다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 코어(30)의 반경방향 내향면(32) 내에 종방향 매니폴드 홈(92,93,94,95)이 형성되어 있다. 이들 종방향 홈은 유량에 대한 압력 강하를 수반하지 않고 제 1 및 제 2 저장기(36)에 연결되는 것이 바람직하고, 적어도 원주 계측 홈(86)으로부터 도 3에 도시된 제 2 저장기(38)의 좌측 단부로 연장되는 것이 바람직하다.
슬리브(50)의 내향면이 코어(30)의 외향면과 밀봉으로 접촉하고 이들 위로 브릿지될 때, 원주 계측 홈(80-86)과 유사하게 종방향 홈(92-95)이 가스 통로를 형성한다. 종방향 홈의 각각은 원주 계측 홈(80-86) 모두와 유체 연통되며, 따라서 저장기(36,38)로부터 원주 계측 홈 각각에 종방향으로 가스가 유동하게 한다. 4개의 종방향 홈이 있으므로, 가스는 원주 계측 홈 각각에 균일하게 이격된 4개의 위치로 유동한다.
가스 유동에 대해 실질적인 저항이 없는 도 1에 도시된 공급원 통로(37)는 코어(30)의 작업 공간 단부로부터 제 1 저장기(36)에 종방향으로 연장된다. 단방향 밸브, 바람직하게 도 6에 도시된 체크 밸브(check valve)(100)는 작업 공간으로 부터 저장기(36) 안으로만 가스 유동을 허용하며, 공급원 통로(37)를 통해 작업 공간을 향해 반대 방향으로 가스가 유동하는 것을 방지한다.
도 1 내지 도 7에 도시된 실시예는 슬리브(50)의 외향면(52)과 실린더벽(14) 사이의 간극에 그리고 코어(30)의 내향면과 디스플레이서 로드(11) 사이의 간극에 가스 베어링을 형성하도록 수행된다. 작업 공간 내의 작동 가스가 제 1 저장기(36) 내의 가스 보다 높은 압력일 때, 체크 밸브(100)가 개방되어 가스가 제 1 저장기(36) 안으로 유동한다. 스털링 사이클 동안 압력에서의 스파이크는 제 1 저장기(36) 안으로 가스가 유동하게 하며, 극저온 냉각기(10)가 작동하는 동안 가스를 고압력으로 유지시킨다.
저장기(36) 내의 가스는 종방향 매니폴드 홈(92-95)을 통해 원주 계측 홈(80-86)과 제 2 저장기(38) 각각의 4개의 이격된 위치로 유동한다. 종방향 매니폴드 홈(92-95)에 의해 공급된 가스는 원주 계측 홈을 통해 방사형 코어 통로(42-49) 및 방사형 슬리브 통로(61-68)에 소정 비율로 유동한다. 방사형 코어 통로(42-49)는 코어와 디스플레이서 로드 사이의 간극 안으로 가스를 인도해서 거기에서 가스 베어링를 형성시킨다. 방사형 슬리브 통로(61-68)는 슬리브와 실린더 벽 사이의 간극 안으로 가스를 인도해서 거기에서 가스 베어링을 형성시킨다.
가스가 이동면 사이를 윤활시키는데 충분히 신속하지만 극저온 냉각기 효율을 손상시키는 누출 손실이 존재하는 것이 신속하지 않도록, 원주 계측 홈이 방사형 코어 및 슬리브 통로에 가스를 방출할 필요가 있다. 상술한 크기의 원주 통로는 효율 손실없이 필요한 윤활의 균형을 제공한다는 것이 알려져 있었다.
초기에 형성될 때, 코어(30)의 외부면은 슬리브(50)의 원통형 통로(56)보다 경미하게 크다. 바람직한 실시예에서, 코어(30)의 외경과 슬리브(50)의 내경 사이는 대략 20미크론(micron)이다. 따라서, 슬리브 내에 코어를 위치설정하기 위해, 슬리브는 대략 200℃로 가열되는 것이 바람직하고, 슬리브 및 코어는 공통축으로 배열되어, 도 2에 도시된 위치로 슬리브의 원통형 통로(56) 안으로 밀린다. 코어 및 슬리브의 온도가 평형을 유지한 후, 강제 끼워맞춤되어 부재들의 임의의 상대적 운동을 방지한다.
다른 또는 추가의 방법에 따라 코어(30)가 냉각될 수 있거나, 또는 또 다른 대안의 방법에 따라 슬리브가 가열되고 코어가 냉각될 수 있다. 물론, 본 명세서로부터 당업자가 명확하게 이해할 수 있듯이, 보다 큰 또는 보다 작은 직경 차이가 보다 큰 또는 보다 작은 각각의 온도 차이에 의해 수용될 수 있다.
코어(30) 및 슬리브(50)가 피스톤(12)을 형성하도록 상술한 바와 같이 일단 결합되면, 형성된 통로를 통해서만 가스가 유동한다. 계측, 매니폴드 또는 저장기 홈이 형성되어 있는 곳을 제외하고, 슬리브의 내향면과 코어의 외향면 사이에서는 가스가 유동하지 않는다. 이러한 가스 유동의 배제는 코어와 슬리브 사이의 강제 밀착 끼워맞춤에 의한 것이다.
도 8 내지 도 11에 도시된 본 발명의 다른 실시예에서는 얇은 벽의 원통형 슬리브(200)는 원통형 슬리브 통로(204)를 형성하는 방사상 내향면(202)을 구비한다. 원통형 코어(210)는 원통형 코어 통로(216)를 형성하는 방사상 외향면(212)과 방사상 내향면(214)을 구비한다.
방사형 코어 통로(218-225)는 내향면(214)으로부터 코어 측벽(217)을 통해 외향면(212)에 연장된다. 2개의 원주 미터링 홈(240,242)은 바람직한 실시예의 계측 홈과 유사한 치수와 기능을 가지며, 방사형 코어 통로(218-225)와 유체 연통으로 정렬되어 있다. 4개의 종방향 매니폴드 홈(227-230)은 원주 계측 홈(240,242)과 실린더 벽의 고압력 단부 사이에 연장되어, 낮은 또는 무저항 유동 경로를 제공함으로써 바람직한 실시예의 종방향 홈과 유사한 기능을 한다.
도 11에 도시된 구조체가 형성될 때 까지 코어(210)는 바람직한 실시예를 구성하는 방법과 유사한 방법으로 슬리브(200) 안으로 밀려 들어간다. 결합된 구조체는 자유 피스톤 압축기와 같은 자유 피스톤 기계용 실린더 벽을 형성한다. 코어 통로(216) 내부에는 피스톤이 미끄럼 가능하게 장착되고, 방사형 통로(218-225)는 작동하는 동안 피스톤에 대한 가스 베어링을 형성한다. 다른 실시예의 슬리브(200)는 코어(200) 내에 형성된 홈을 덮는 작용만을 한다.
도 8 내지 도 11에 도시된 실시예는 자유 피스톤 압축기에 사용될 수 있다. 이러한 압축기는 고압 챔버로부터 윤활 가스가 배출되므로 저장기를 필요로 하지 않는다. 종방향 홈(227-230)은 고압 챔버로부터 원주 계측 홈(240,242)으로 연장되고, 방사형 통로(218-225) 안으로 가스를 비운다.
바람직한 실시예는 가스 베어링으로서 사용되는 방사형 통로의 실질적인 수(number)를 도시한다. 효과적인 가스 베어링을 형성하기 위해 최소한 3개의 방사형 통로가 필요하지만, 바람직한 실시예에서는 보다 많이 사용되고 있다.
코어와 디스플레이서 로드 사이에 가스 베어링을 형성하는 것이 불필요하다.예컨대, 자유 피스톤 압축기에는 윤활되어야 하는 디스플레이서 로드가 없다.
바람직한 실시예에서, 홈과 형성된 통로는 작동하는 동안 가스 베어링을 생성한다. 당업자에게 명확하듯이, 하나 이상의 자유 피스톤 센터링 통로 및/또는 홈을 형성하는데 동일한 방법 및 구조체가 적용될 수 있다.
도 12에 도시된 다른 실시예에서, 실린더(300)는 외부 슬리브(304) 및 내부 코어(306)를 구비하는 것으로 도시되어 있다. 외부 슬리브(304)는 방사상 내향면(308) 내에 형성된 원주 계측 홈(302,310)을 갖추고 있다. 내부 코어(306)는 강제 끼워맞춤에 의해 슬리브(304) 내부에 장착된다. 내부 코어(306)는 방사형 포트(311-314)(도면부호 314는 도 12에 도시되어 있지 않음) 및 방사형 포트(315-318)(도면부호 318은 도 12에 도시되어 있지 않음)를 구비한다. 이러한 실시예는 구조체의 내향면 상에 원주 계측 홈을 형성하는 능력을 도시한다.
본 발명의 일정한 바람직한 실시예를 상세히 개시하였지만, 본 발명의 정신 또는 다음 청구범위의 범위를 벗어 나지 않고 다양한 변경이 채용될 수도 있다.

Claims (11)

  1. 하우징 내에 형성된 실린더 내에 피스톤이 미끄럼가능하게 장착되고 상기 피스톤과 상기 실린더 사이의 간극 내에 가스 베어링이 형성되는 자유 피스톤 기계용 피스톤으로서:
    (a) 방사상 내향면 및 방사상 외향면을 구비하는 제 1 원통형 몸체와;
    (b) 상기 제 1 원통형 몸체와 동축으로 정렬되고 방사상 내향면 및 방사상 외향면을 구비하는 제 2 원통형 몸체와;
    (c) 상기 제 1 원통형 몸체의 방사형 대향면 중 하나 위에 형성된 하나 이상의 유체 계측 홈으로서, 상기 제 2 원통형 몸체의 방사형 대향면 중 하나는 상기 유체 계측 홈이 형성되어 있는 상기 제 1 원통형 바디의 방사형 대향면과 밀봉으로 접촉하고, 상기 제 2 원통형 바디의 접촉하는 면의 일부분은 유체의 유동을 저지하는 유체 유동 경로를 형성하는 상기 유체 계측 홈 위로 브릿지되어 덮고 있는, 유체 계측 홈과; 그리고
    (d) 상기 하나의 원통형 몸체의 방사상 내향면과 상기 하나의 원통형 몸체의 방사상 외향면 사이에서 상기 원통형 몸체들 중 하나를 통해 연장되며, 상기 유체 유동 경로와 그리고 상기 피스톤과 실린더 사이의 간극과 유체 연통하도록 배치되는 원주방향으로 이격된 3개 이상의 방사형 통로를 포함하는 피스톤.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 유체 계측 홈이 상기 제 1 원통형 몸체의 방사상 내향면 위에 형성되고, 상기 제 2 원통형 몸체의 방사상 외향면이 상기 제 1 원통형 몸체의 방사상 내향면과 밀봉으로 접촉하는 피스톤.
  3. 하우징 내에 형성된 실린더 내에 피스톤이 미끄럼가능하게 장착되고 상기 피스톤과 상기 실린더 사이의 간극 내에 가스 베어링이 형성되어 있는 자유 피스톤 기계용 피스톤으로서:
    (a) 방사상 외향면과 그 위에 형성된 하나 이상의 유체 계측용 홈을 갖춘 측벽을 구비하는 원통형 코어와;
    (b) 상기 코어와 동축으로 정렬되고 상기 코어의 외향면과 밀봉으로 접촉하는 방사상 내향면을 포함하는 원통형 슬리브로서, 상기 슬리브의 내향면은 상기 유체 계측용 홈 위로 브릿지되어 덮고 있으며, 상기 유체 계측 홈은 통과하는 유체의 유동을 저지하는 유체 유동 경로를 형성하는, 원통형 슬리브와; 그리고
    (c) 상기 슬리브의 내향면과 상기 슬리브의 방사상 외향면 사이에서 상기 슬리브의 측벽을 통해 연장되고, 상기 유체 유동 경로와 그리고 상기 피스톤과 상기 실린더 사이의 간극과 유체 연통하게 배치되는 원주방향으로 이격된 3개 이상의 방사형 슬리브 통로를 포함하는 피스톤.
  4. 제 3 항에 있어서, 방사상 내향면을 형성하는 상기 코어를 통해 종방향으로 연장되는 원통형 코어 통로와, 그리고 상기 코어 측벽을 통과해서 방사상으로 연장되고 상기 유체 유동 경로 및 상기 원통형 코어 통로와 유체 연통하도록 배치된 3개 이상의 방사형 통로를 더 포함하는 피스톤.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 하나 이상의 유체 계측 홈은, 상기 코어의 방사상 외향면 상에 형성되며 그리고 상기 방사형 슬리브 통로와 유체 연통하는 하나 이상의 원주 계측 홈을 더 포함하는 피스톤.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 코어의 방사상 외향면 상에 형성되며 상기 원주 계측 홈과 유체 연통하는 하나 이상의 종방향 매니폴드 홈을 더 포함하는 피스톤.
  7. 제 5 항에 있어서, (a) 상기 코어의 방사상 외측면 내에 형성된 원주 저장기 홈과;
    (b) 상기 코어 측벽 내에 형성되며 상기 원주 저장기 홈으로부터 코어 단부로 종방향으로 연장되는 공급원 유체 통로와; 그리고
    (c) 상기 공급원 유체 통로를 따라 형성되어 상기 저장기로부터 상기 코어 단부로의 유체 유동을 방지하는 단방향 밸브를 더 포함하는 피스톤.
  8. 제 3 항에 있어서, (a) 상기 코어를 통해 종방향으로 연장되며 방사형 내향면을 형성하는 원통형 코어와;
    (b) 상기 코어 측벽 둘레에 원주방향으로 실질적으로 동일 간격으로 이격되어 있으며 상기 코어 측벽을 통해 방사상으로 연장되고 상기 원통형 코어 통로와유체 연통하도록 배치되는 4개의 방사형 코어 통로와;
    (c) 상기 슬리브 측벽 둘레에 원주방향으로 실질적으로 동일 간격으로 이격되어 있으며 상기 슬리브 측벽을 통해 방사형으로 연장되는 4개의 방사형 슬리브 통로와;
    (d) 상기 코어의 방사상 외향면 상에 형성되며 상기 방사형 코어 통로와 유체 연통하는 제 1 원주 계측 홈과;
    (e) 상기 코어의 방사상 외향면 상에 형성되며 상기 방사상 슬리브 통로와 유체 연통하는 제 2 원주 계측 홈과;
    (f) 상기 코어의 방사상 외향면 내에 형성된 원주 저장기 홈과;
    (g) 상기 코어 측벽 내에 형성되며 상기 원주 저장기로부터 코어 단부로 종방향으로 연장되는 공급원 유체 통로와;
    (h) 상기 공급원 유체 통로를 따라 형성되어 상기 저장기 홈으로부터 상기 코어 단부로의 유체 유동을 방지하는 단방향 밸브와; 그리고
    (i) 상기 코어의 방사상 외향면 내에 형성되며 상기 원주 계측 홈 및 상기 원주 저장기 홈과 유체 연통하는 종방향 매니폴드 홈을 더 포함하는 피스톤.
  9. 실린더 내에 피스톤이 미끄럼가능하게 장착되고 상기 피스톤과 상기 실린더 사이의 간극 내에 가스 베어링이 형성되어 있는 자유 피스톤 기계용 피스톤을 형성하는 방법으로서:
    (a) 방사상 외향면 및 그 위에 형성된 하나 이상의 홈을 구비하는 원통형 코어와, 원통형 슬리브를 동축으로 정렬시키는 단계로서, 상기 슬리브는 상기 슬리브의 내향면과 상기 슬리브의 방사상 외향면 사이에서 원주방향으로 이격된 3개 이상의 방사형 통로가 통과하며 연장하는 측벽을 구비하는, 단계와; 그리고
    (b) 상기 슬리브의 내향면에 대해 상기 코어의 외향면을 밀봉으로 접촉시키는 단계로서, 상기 슬리브의 내향면은 상기 홈 위로 브릿지되어 덮고 있고, 상기 덮여진 홈 내부에 통과하는 유체의 유동을 저지하는 유체 유동 경로를 형성하여, 상기 방사형 통로가 상기 홈 내부의 상기 유체 유동 경로와 유체 연통하는, 밀봉 접촉 단계를 포함하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 밀봉 접촉시키는 단계 이전에 상기 코어 및 상기 슬리브의 상대 온도를 변화시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  11. 실린더 내에 피스톤이 미끄럼가능하게 장착되고 상기 피스톤과 상기 실린더 사이의 간극 내에 가스 베어링이 형성되어 있는 자유 피스톤 기계용 실린더로서;
    (a) 방사상 외향면 및 그 위에 형성된 하나 이상의 유체 계측 홈을 갖춘 측벽과, 그리고 종방향으로 관통 연장되고 방사형 내향면을 형성하는 원통형 코어 통로를 구비하는 원통형 코어와;
    (b) 상기 코어의 외향면에 대해 밀봉으로 접촉하는 방사상 내향면을 포함하며 상기 코어와 동축으로 정렬되는 원통형 슬리브로서, 상기 슬리브의 내향면은 상기 유체 계측 홈 위로 브릿지되어 덮고 있고, 상기 유체 계측 홈은 통과하는 유체의 유동을 저지하는 유체 유동 경로를 형성하는 슬리브와; 그리고
    (c) 상기 코어의 내향면과 상기 코어의 방사형 외향면 사이에서 상기 코어 측벽을 통해 연장되며, 상기 피스톤과 원통형 하우징 사이의 간극 및 유체 유동 통로와 유체 연통하도록 배치된, 원주방향으로 이격된 3개 이상의 방사형 코어 통로를 포함하는 실린더.
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