KR20120129950A

KR20120129950A - 가스 평형 극저온 팽창 엔진

Info

Publication number: KR20120129950A
Application number: KR1020127023620A
Authority: KR
Inventors: 랄프 씨. 롱스워스
Original assignee: 스미토모 크라이어제닉스 오브 아메리카 인코포레이티드
Priority date: 2010-03-15
Filing date: 2011-03-09
Publication date: 2012-11-28
Also published as: US20110219810A1; KR101289395B1; US9080794B2; WO2011115790A3; JP5860866B2; GB2491769B; GB201217289D0; CN103249914B; GB2491769A; CN103249914A; JP2013522576A; DE112011100912T5; DE112011100912B4; WO2011115790A2

Abstract

본 발명은 가스 평형 극저온 팽창 엔진에 관한 것으로, 구체적으로 엔진에서 순환하는 가스에 의해 냉각되는, 압축기, 역류 열교환기 및 원격에 있을 부하를 포함하는, 극저온에서 냉동을 생성하기 위한 시스템의 일부인 브래이턴(Bryaton) 사이클에 동작하는 팽창엔진에 관한 것이다. 상기 엔진은 피스톤이 움직이는 동안 실린더에서 피스톤의 위아래가 거의 압력을 가지도록 한다. 상기 피스톤과 밸브는 기계적 또는 공기로 작동될 수 있으며, 피스톤의 위와 아래의 압력은 두 공간을 연결하는 축열장치나 벨브에 의해서 거의 동일하게 되도록 할 수 있는 것이다.

Description

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

본 발명은 극저온에서 냉동(refrigeration)을 위해 브레이턴 사이클에서 작동하는 팽창 엔진에 관한 것이다.

냉동을 위해 브레이턴(Brayton) 사이클에서 작동하는 시스템은 역류 열교환기(counterflow heat exchanger)로 배출 압력에서 가스를 공급하는 압축기(ompressor)로 구성되며, 흡입 밸브(inlet valve)를 통해 팽창 공간으로 가스를 들어가게 하고, 가스를 단열적으로 팽창시키고, 배출 밸브를 통해 가스(더 차가운)를 소모시키고, 냉각되고 있는 부하를 통해 차가운 가스를 순환시키고, 그 후 역류 열교환기를 통해 가스를 압축기로 되돌려 보낸다.

이 분야의 선구자인 S. C. Collins의 미국 특허 2,607,322에는 헬륨을 액화하는데 널리 쓰인 초기의 팽창 엔진의 디자인에 대한 설명이 기재되어 있다. 팽창 피스톤은 플라이 휠과 발전기/모터에 연결된 크랭크 메커니즘에 의해 반복 운동에서 구동된다. 흡입 밸브(intake valve)는 스트로크(최소 냉각(cold) 부피)의 바닥에서 피스톤으로 열리고 고압 가스는 피스톤을 올려서 플라이 휠 속도를 올리고 발전기를 가동시킨다. 흡입 밸브는 피스톤이 꼭대기에 도착하기 전에 닫히고 팽창 공간의 가스의 압력과 온도는 떨어진다. 스트로크의 꼭대기에서 배출 밸브가 열리고 가스는 피스톤이 느려져서 플라이 휠에 의해 아래로 밀림에 따라 흘러나온다. 플라이 휠의 크기에 따라, 전력을 끌어내기 위해서 발전기/모터를 가동시키는 것을 계속할수도 있고, 또한 모터처럼 작동해서 전력을 끌어낼 수도 있다. 흡입과 배출 밸브는 전형적으로 S. C. Collins의 미국 특허 3,438,220에 나타난 바와 같이 플라이 휠에 연결된 캠에 의해 구동된다. 이 특허는 하나의 메커니즘을 기재하고 있는데, 이는 피스톤을 플라이 휠에 커플시키고, 피스톤의 따듯한 쪽의 봉인(seals)에 측면으로 힘을 가하지 않는다는 점에서 종래의 특허와 다르다. J. G. Pierce의 미국 특허 5,355,679는 캠으로부터 동력을 공급받고 상온에서 봉인을 가지는 상기 '220 특허의 밸브와 비슷한 흡입와 배출 밸브의 대체 디자인에 대해 서술한다. H.Hattori 등의 미국 특허 5,092,131은 Scotch Yoke 구동 메커니즘과 반복 피스톤에 의해 작동되는 차가운 흡입과 배출 밸브에 대해서 기술한다. 이런 모든 엔진은 피스톤의 따듯한 쪽에서 움직이는 대기 공기를 가지고 있고, 주로 헬륨, 수소 및 공기를 액화기 위해 디자인되었다. 리턴 가스는 대기압과 비슷하고, 공급 압력은 거의 10에서 15 대기압 정도이다. 압축기 입력 전압은 전형적으로 15에서 50 kW의 범위이다. 저전력 냉동기는 전형적으로 GM, 펄스 튜브나 스털링 사이클에서 작동한다. 고전력 냉동기는 전형적으로 터보-팽창기를 사용하는 브레이턴이나 클로드 사이클에서 동작한다. W. E. Gifford와 H. O. McMahon의 미국 특허 3,045,436는 GM 사이클에 대해 설명한다. 저전력 냉동기는 충전층을 통해 왔다갔다 흐르는 가스와 팽창기의 차가운 쪽을 벗어나지 않는 가스의 축열장치 열 교환을 이용한다. 이것은 브레이턴 사이클 냉동기가 원격 부하에 차가운 가스를 분배하는것과 대비된다.

'220 특허의 Collins 타입 엔진의 발전기/모터에 의해 회복된 에너지의 양은 압축기 전력 공급에 비해 작아서 종종 기계적 간단함이 많은 어플리케이션에서 효율성보다 더 중요하다. J. F. Maguire 등의 미국 특허 6,202,421는 피스톤을 위한 수력으로 작동하는 메커니즘을 사용하여 플라이 휠과 발전기/모터를 제거한 엔진에 대해 설명한다. 흡입 밸브는 솔레노이드에 의해 작동되고 배출 밸브는 솔레노이드/압축공기 조합에 의해 작동된다. 수력으로 작동되는 엔진에 대한 동기(motivations)는 냉각을 위해 초전도 자석에 제거가능하게 연결될 수 있는 작고 가벼운 엔진을 제공하기 위함이다. 청구항들은 제거할 수 있는 연결을 포함한다.

J. L. Smith의 미국 특허 6,205,791는 피스톤 주위의 움직이는 가스(헬륨)와 자유롭게 움직이는 피스톤을 가진 팽창 엔진에 대해 설명한다. 따듯한 쪽의, 피스톤 위의 가스 압력은 두개의 완충 부피(volumes)에 연결된 밸브에 의해 조절되는데, 하나는 고압과 저압 사이에 약 75% 정도의 차이가 있는 압력이고, 다른 하나는 약 25% 정도의 압력 차이에 있다. 전기적으로 동작하는 흡입, 배출, 완충 밸브는 피스톤 위아래의 작은 압력 차이로 피스톤이 위아래로 구동되도록, 열리고 닫히게 맞춰저 있어서, 매우 적은 가스가 피스톤과 실린더 사이의 좁은 간격을 통해서 흐른다. 피스톤의 위치 센서는 네개의 밸브를 개폐하는 타이밍을 조절하기 위해 사용되는 신호를 제공한다. 만약 펄스 튜브를 고체 피스톤을 기체(gas) 피스톤으로 전환하는 것으로 생각한다면 동일한 "두 완충 부피 제어"가 Zhu Shaowei의 미국 특허 5,481,878에서 알게된다.

'878 Shaowei 특허의 도 3은 네개의 제어 밸브를 개폐하는 타이밍을 보여주고 '791 Smith 특허의 도 3은 피스톤 위치와 제어 밸브를 개폐하는 것 사이의 좋은 타이밍 관계에 의해 달성될 수 있는 바람직한 P-V 다이어그램을 보여준다. P-V 다이어그램의 면적은 생성된 일이고, 최대 효율은 P-V 일(생산된 냉장과 같은)과 관련된 '791 특허의 도 3 다이어그램의 점 1과 3 사이의 팽창 공간으로 향하는 가스의 양을 최소로 함으로서 성취된다.

피스톤의 위치와 관련해서 흡입 및 배출 밸브를 개폐하는 타이밍은 좋은 효율을 얻기 위해 중요하다. 헬륨을 액화하기 위해 만들어진 대부분의 엔진은 '220 Collins 특허의 그것들과 비슷한 캠으로 동작하는 밸브를 사용하여 왔다. '791 Smith와 '421 Maguire 특허는 전기로 동작하는 밸브를 보여준다. 다른 메커니즘들은 H. Asami 등의 미국 특허 5,361,588에 보여진 바와 같이 Scotch Yoke 구동축의 끝에있는 로터리 밸브와 Sarcia의 미국 특허 4,372,128에 보여진 피스톤 구동축에 의해 작동하는 셔틀 밸브를 포함한다. 본 발명에 설명된 것과 비슷한 다중 포트 로터리 밸브의 한 예시는 M. Xu 등의 미국 특허 출원 2007/0119188에서 발견된다. R. C. Longsworth의 미국 특허 6,256,977은 스트로크의 끝에서 충돌하는 공기로 작동하는 피스톤에 의한 진동을 줄이기 위해 "O" 링을 사용하는 것을 설명한다. 이것은 본 발명에도 적용될 수 있다.

본 발명은 비교적 가볍고, 소형이고, 신뢰성있는 엔진으로 높은 효율성을 달성하는 것이 본 발명의 목적이다.

본 발명의 또 다른 목적은 압축기 출력을 완전히 사용하는 동안 큰 질량을 상온에서 극저온으로 냉각시키는데 적용 가능하고, 극저온의 작은 범위에 걸쳐 냉동을 제공하는데 최적화된 엔진을 만드는 것이다.

본 발명의 최종 목표는 현재의 GM 사이클 냉동기와 같은 작은 사이즈 범위의 브레이턴 사이클 엔진을 만들어서 엔진으로부터의 차가운 가스의 흐름이 산재해 분포해 있는 부하를 식히는데 사용 될 수 있게 하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 팽창 엔진은, 극저온에서 냉동을 생성하기 위해 압축기로부터 공급된 가스로 동작하는 팽창 엔진에 관한 것으로, 상기 팽창 엔진은, 실린더에 있는 피스톤 - 상기 피스톤에 왕복운동을 유발하도록 구동축에 작용하는 공기 및 기계적 힘 중 하나로 따듯한 쪽에서 구동축을 가지는 피스톤; 상기 피스톤이 상기 실린더의 차가운 쪽에 가까이 있을 때 고압력 가스를 받아들이고 상기 피스톤이 상기 실린더의 따듯한 쪽에 가까이 있을 때 가스를 저압력으로 소모시키는 상기 실린더의 차가운 쪽에 있는 흡입과 배출 밸브; 및 상기 피스톤이 움직이는 동안, 상기 구동축의 바깥쪽 영역에서, 상기 피스톤의 차가운 쪽과 대략 같은 압력에, 상기 피스톤의 따듯한 쪽의 압력을 유지하는 수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 압력을 대략 같게 유지하는 수단은 축열장치를 포함하는 가스 통로로 상기 따듯한 쪽과 차가운 쪽을 연결하거나, 상기 따듯한 쪽과 압축기로부터의 공급 및 회수 배관 사이에 연결된 체크 밸브를 포함하거나, 상기 따듯한 쪽과 압축기로부터의 공급 및 회수 배관 사이에 연결된 활성 밸브를 포함하며, 상기 활성 밸브의 개폐는 상기 피스톤의 위치에 따라서 조정되어지는 것을 특징으로 한다.

아울러 상기 흡입과 배출 밸브는 공기 힘에 의해 개폐되거나, 전기 액추에이터와 캠 액추에이터 중 하나에 의해 개폐되며, 상기 흡입과 배출 밸브를 개폐하는 타이밍은 로터리 밸브와 셔틀 밸브 중 하나에 의해서 상기 피스톤의 위치에 따라서 조정되고, 상기 공기로 작동하는 구동축은 로터리 밸브에 의해 제어되고, 상기 로터리 밸브는 또한 상기 흡입 및 배출 밸브를 동작시키는 포트를 가지는 것을 특징으로 한다.

한편 상기 로터리 밸브는 또한 상기 피스톤의 따듯한 쪽으로 가스를 흘려보내기 위한 포트를 포함하고, 상기 흐름은 상기 흡입과 배출 밸브를 동작시키는 흐름에 따라서 조정되는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 기계적으로 동작하는 구동축은 Scotch Yoke 메커니즘과 로터리 밸브를 돌리는 모터를 포함하고, 상기 로터리 밸브는 상기 흡입과 배출 밸브를 동작시키는 포트를 가지며, 상기 로터리 밸브는 또한 상기 피스톤의 따듯한 쪽에 가스를 흘려보내기 위한 포트를 포함하고, 상기 흐름은 상기 흡입과 배출 밸브를 동작시키는 흐름에 따라서 조정되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 가스 평형 극저온 팽창 엔진은 피스톤의 따듯한 쪽과 차가운 쪽 사이의 작은 압력차, 기계적으로 혹은 공기로 작동하는 구동 축, 그리고 피스톤의 위치로 조정되는 흡입과 배출 밸브의 개폐를 가지는 상대적으로 간단한 디자인에서 좋은 효율을 얻기 위한 새로운 방법으로 이전 디자인의 특징을 결합한 것이다. 공기로 동작하는 엔진의 경우에, 구동 축과 흡입 및 배출 밸브 액추에이터로의 가스 흐름은 그 안에 장착된 밸브를 개폐하는 타이밍을 가지는 로터리 밸브에 의해서 제어된다. 기계적으로 구동되는 축(stem)은 흡입과 배출 밸브 액추에이터로 가스를 개폐하는 구동 샤프트(drive shaft)의 끝에 로터리 밸브를 가질 수 있다. 공기로 작동되거나 기계로 작동되는 구동 축은 둘 다 공기로 흡입과 배출 밸브를 작동하도록 구동 축에 의해 쉬프트되는 셔틀 밸브를 가질 수 있다. 구동 축 주위에서, 피스톤의 따듯한 부분의 압력은 피스톤이 움직이는 동안, 피스톤의 따듯한 부분과 압축기 공급 및 회수 배관 사이에 연결된 체크 밸브의 사용, 따듯한 부분과 차가운 부분 사이에 연결된 축열장치의 사용, 혹은 흡입과 배출 밸브를 작동시키는 것과 동일한 로터리 혹은 셔틀 밸브에 있는 포트를 사용한 액티브 밸브의 사용으로, 피스톤의 차가운 부분에서의 압력과 가깝게 유지될 수 있다.

도 1은 단면도로 나타낸 것으로, 따듯한 부분에서 공기로 구동되는 축이 있는 실린더에 피스톤을 가진 엔진(100), 및 밸브와 열교환기의 도식적 표현을 보인 것이다.

도 2는 모두 단면도로 나타낸 것으로, 피스톤의 따듯한 부분에서 구동 축으로 연결된, 구동 샤프트의 끝에서 로터리 밸브에 연결된, 그리고 흡입 밸브 어셈블리에 연결된 Scotch Yoke 메커니즘이 있는 실린더에 피스톤을 가진 엔진(200)을 보인 것이다. 다른 밸브와 열교환기는 도식적으로 나타나 있다.

도 3은 흡입과 배출 밸브 액추에이터로 가스 흐름을 개폐하는 셔틀 밸브가 있는 따듯한 부분에서 공기로 구동되는 축이 있는 실린더에 피스톤을 가진 엔진(300)을 보인 것이다. 모두 단면도로 나타낸 것으로, 축열장치가 피스톤의 따듯한 부분과 차가운 부분을 대략 같은 압력에서 유지하는 수단을 보여주기 위해 피스톤 안에 보인 것이다. 다른 밸브와 열교환기는 도식적으로 나타나 있다.
도 4는 모두 단면도로 나타낸 것으로, 따듯한 부분에서 축을 구동하는 모터로 구동되는 Scotch Yoke 메커니즘이 있는 실린더에 피스톤을 가진 엔진(400)을 보인 것으로, 피스톤은 따듯한 부분과 차가운 부분을 대략 같은 압력에서 유지하기 위해 이들을 연결한 축열장치를 가진다. 흡입과 배출 밸브, 그리고 열교환기가 도식적으로 나타나 있다. 도 2에서 보여진 바와 같이, 밸브 엑추에이터로의 가스를 개폐하는 로터리 밸브는 또한 이 어셈블리의 일부분이다.
도 5는 모두 단면도로 나타낸 것으로, 따듯한 부분에서 공기로 구동되는 축이 있는 실린더에 피스톤을 가진 엔진(500)과 피스톤의 따듯한 부분과 차가운 부분을 대략 같은 압력으로 유지하는 피스톤 안의 축열장치를 보인 것이다. 다른 밸브와 열교환기는 도식적으로 나타나 있다.
도 6은 도 1에서 5에서 보여진 하나 또는 그 이상의 엔진들에 대한 압력-부피 다이어그램을 보인 것이다

도 7은 도 1 내지 도 5에 보여진 엔진들에 대한 밸브 개폐 시퀀스를 보인 것이다.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본원 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명하고자 한다.

도 1 내지 도 5에 보여진 본 발명의 다섯가지 실시예는 동등한 부분을 구별하기 위해 같은 수와 같은 도표의 표현을 사용한다. 팽창 엔진은 보통 열교환기의 대류 손실을 최소화 하기 위해, 차가운 부분이 아래로 향하도록 되어 있으므로, 차가운 쪽에서 따듯한 쪽으로의 피스톤의 움직임은 위로 움직이는 것이되고, 따라서 피스톤은 위 아래로 움직인다.

도 1은 엔진 어셈블리(100)의 단면/도해도이다. 옵션 A와 옵션 B가 나와있으며; 옵션 A가 먼저 설명될 것이다. 피스톤(1)은 차가운 쪽 캡(9), 따듯한 마운팅 테두리(7), 따듯한 실린더 헤드(8)를 가진 실린더(6)에서 왕복운동을 한다. 구동 축(2)은 피스톤(1)에 부착되어 있고 구동 축 실린더(69)에서 왕복운동을 한다. 차가운 쪽에서의 변위부피(displaced volume), DVc(3)는 피스톤(1)과 봉인(seal)(51)에 의해, 따듯한 쪽에서의 변위부피, DVw(4)와 분리되어 있다. 구동 축 위의 변위부피, DVs(5)는 봉인(51)에 의해 DVw와 분리되어 있다. 밸브 V1(12)과 V2(13)의 높은 압력 Ph에서 낮은 압력 Pl로의 압력에서 DVs 사이클의 가스는 DVs를 고압 공급 배관(30)과 저압 회수 배관(31)에 교번적으로 연결한다. DVc가 Ph에서, 피스톤(1)을 위로 밀고, DVw와 DVs에서 압력을 균형 맞추는 것에 반대하여, 흡입 밸브 Vi(10)가 DVc로 최소에서 열리고, 그 후 Vi를 닫고, Vo(11)을 열고, 가스가 흘러나가 Pl이 됨에 따라 DVc에서 가스를 팽창시키고, 가스가 팽창함에 따라 식을(cooling) 때 냉동이 생성된다. Pl에서 가스는 피스톤(1)이 차가운 쪽(9)으로 향하여 뒤로 움직임에 따라, DVc로부터 밀려난다. Vo를 통해 밖으로 흐르는 차가운 가스는 배관(35)를 통해서 열교환기(41)로 지나가며, 여기서 열교환기는 냉각되고 있는 부하에 의해 가열된다. 그 후 가스는 배관(36)을 통해서 역류 열교환기(counter-flow heat exchanger) (40)로 흐르며, 여기서 역류 열교환기는 높은 압력의 가스가 배관(34)를 통해 Vi로 흐르기 전에, Ph에서 들어오는 가스를 냉각시킨다.

Vi가 열렸을 때, DVs에는 Ph의 가스가 있고 DVw에는 Pl의 가스가 있다. DVc로 고압 가스가 들어오는 것은 피스톤을 위로 밀어 올리고, V2가 열릴때 까지 DVw의 압력을 Ph로 증가시키고 DVs의 압력을 Ph이상으로 올리고, 배관(33)을 통해 DVs를 Pl에 연결한다. DVw의 압력이 Ph에 도달했을 때 가스는 체크 밸브 CVh(16)을 통해 고압력 배관(30)으로 흐른다. 사실상 일은 DVw의 가스에서 행해지고, 플라이휠 구동 타입 엔진의 발전기에서의 일도 동등하다. 구동 축의 면적은 피스톤이 위로 움직이기 위해, 봉인 마찰과 축에서의 Pl, DVw의 피스톤의 따듯한 쪽에서 작동하는 Ph를 넘기 위한 피스톤의 차가운 쪽의, 열교환기의 압력 강하를 뺀, Ph 사이의 힘 균형을 위해 총분해야 한다. 피스톤이 움직이는 속도는 힘 불균형에 비례한다. 피스톤이 스트로크의 꼭대기에서 V1이 닫히고, 그 후 V0가 열리고 V2가 닫힌 후 V1이 열린다. DVs의 Ph의 가스와 DVc의 Pl의 가스로, 피스톤은 아래로 움직이기 시작하고 DVw의 압력은 Pl로 떨어지고, Pl의 배관(31)로부터 체크 밸브 CVl(17)을 통해 가스가 흐를 때 피스톤이 아래로 움직이는 동안 Pl에서 유지된다. DVc가 최소일 때, 밸브 V1은 닫히고, 사이클을 완료한다. 이 엔진의 한 실시예에서 다중 포트 로터리 밸브는 V1과 V2를 위한 포트와 도 2에 나온, Vi와 Vo를 개폐하는 필터를 작동시키는 포트를 포함한다.

실시예 100의 옵션 B는 체크 밸브 CVh(16)과 CVl(17)을 활성 밸브 V3(14)와 V4(15)로 바꾼것이다. 로터리 밸브는 밸브 V1, V2, V3, V4를 시행하고, Vi와 Vo를 개폐를 작동시키는 포트를 가질 수 있다.

도 2는 엔진 어셈블리(200)의 단면/도해도이다. 피스톤(1), 실린더(6), 차가운 쪽 캡(9), 따듯한 마운팅 테두리(7)는 도 1에 나온것과 같다. 이 실시예에서, 구동 축(2)은 Scotch Yoke 구동 어셈블리(22)에 의해 왕복운동하는 구동 샤프트(23)로 커플링(29)에 의해서 연결되어 있다. 컴포넌트(23)과 (29)에 더하여 구동 어셈블리는 에센트릭(24), 베어링(25), 구멍이 나있는(slotted) 드라이버(26), 구동 샤프트 가이드(28), 드라이버를 가이드하는 부싱(27)을 포함한다. 부싱(27)은 이 어셈블리의 앞모습을 나타낸 도 4에 나타나 있다. Scotch Yoke 어셈블리는 모터(20)과 모터 샤프트(21)에 의해 구동된다. 샤프트(21)는 또한 핀(48)에 의해 결합되어 있어 로터리 밸브를 돌린다. 로터리 밸브 디스크(18)는 미국 특허 출원 2007/0119188에 설명된 것들과 비슷한 차이 압력 힘(differential pressure forces)에 의해 정지 시트(19)에 반대로 유지되어 있다. 도 2는 도 1에서 도식적으로 보여진 흡입 밸브 Vi(10)의 가능한 구조를 보여준다. 배출 밸브 Vo는 비슷한 구조를 가질 수 있다. 흡입 밸브 어셈블리(60)는 포핏(61), 스프링(62), 조임 막대(tension rod)(63), 밸브 리프터 피스톤(valve lifter poston)(64), 스프링 홀더(65), 케이싱(66), 밸브 시트(seat)(67)로 구성되어 있다. 밸브 조임 막대 봉인(valve tension rod seal)(52) 및 리프터 봉인(lifter rod)(53)은 Ph에서 가스가 배관(37)으로부터 들어올 때 시트(67)의 포핏(61)을 들어올리고 로터리 밸브(18)과 시트(19) 사이의 인터페이스에서 포트 Vih와 Vil에 의해 Pl로 압력이 스위치될 때 포핏(61)의 자리를 다시 마련하는 변위부피 DVi(54)에 가스를 가둔다. 리프터 피스톤(64)의 힘 균형은 하우징(39)의 가스 압력을 밸브 시트(19)의 홀(59)를 이용하여 Pl로 추정한다. 디스크(18)와 시(19) 사이의 인터페이스는 또한 Ph에서 가스를 배관(32)를 통해 DVw로 들어가게 하는 포트 V3, 같은 배관을 통해 가스를 Pl로 분출(vent)시키는 포트 V4를 포함한다. 배출 밸브(11)은 리프터를 작동하는 로터리 밸브의 포트와 함께 흡입 밸브 어셈블리(60)와 비슷하게 구성될 수 있다.

도 3은 엔진 어셈블리(300)의 단면/도해도이다. 피스톤(1)은 본체에 DVc로 연결하는 홀(43)과 DVw로 연결하는 홀(44)를 가진 축열장치(42)를 가진다. 이런 배치는 가스가 두 변위부피 사이에서 근본적으로 같은 압력을 유지하기 위해 흐르도록 한다. 축열장치의 손실이 작아지기 위해 비교적 작은 부피가 축열장치에 필요하다. 축열장치를 통한 압력 강하는 열교환기(40)을 통한 압력 강하보다 작아서 DVc와 DVw 사이의 압력 차이는 실시예 100과 200보다 작다. 피스톤(1)은 Ph에서 배관(33)을 통해 배관(30)으로 DVs(5)를 연결하는 밸브 V1(12)와 Pl에서 배관(31)로 DVs를 연결하는 V2(13)에 의해 구동축(2)에 작용하며 Ph와 Pl사이를 왔다갔다하는 가스 압력에 의해 구동된다. 밸브 Vi와 Vo는 도 2에 보인 밸브 어셈블리(60)과 비슷하다. 도 2의 (64) 같은 밸브 리프터는 Ph와 Pl 사이에서 배관(37)과 배관(38)의 가스 압력이 사이클할 때 밸브 Vi와 Vo를 작동한다. 셔틀 밸브(70)은 피스톤(1)이 스트로크의 꼭대기에 있을 때의 위쪽 위치와 보이는대로, 아래쪽 위치 사이에 슬리브(sleeve)(71)에서 미끄러진다. 슬롯(72)와 슬롯(73)은 번갈아서 배관(30)으로부터 Ph의 가스와 배관(31)로부터 배관(37)과 배관(38)로 밸브(70)의 압축기 쪽에서의 포트 (74), (75), (76), (77)을 통해 Pl의 가스와 배관(37)과 배관(38)로 셔틀 밸브(70)의 엔진 쪽에서의 포트 (78), (79), (80), (81)을 통해 연결한다. 피스톤(1)이 아래쪽 위치에서, Ph의 가스는 포트(74), 슬롯(72), 포트(79)를 통해 배관(37)로 흘러서 리프터가 Vi를 열려있게 하도록 원인을 제공한다. Vo를 위한 리프터는 Pl로 (38), (81), (73), (77)을 통해 연결되서 Vo가 닫히게 한다. V2가 열리고 배관(33)을 통해 낮은 압력으로 DVs에 연결하고 가스 오리피스(45)를 구동하면, 피스톤(1)은 위로 움직인다. 셔틀 밸브(70)은 피스톤(1)이 거의 스트로크의 꼭데기에 도달하고 셔틀밸브(70)를 위로 밀어올릴 때 까지 움직이지 않으며, 그 결과 슬롯 (72)와 (73)슬리브(71)에 있는 꼭데기 포트와 배열되며, Vi가 닫히고 Vo가 열리도록 한다. Vi에 대한 리프터는 (37), (78), (72) 및 (75)를 통해 Pl로 연결된다. Vo에 대한 리프터는 (38), (80), (73) 및 (76)을 통해서 Ph와 연결된다. V1을 닫고 V2를 열어 Pl에서 Ph로의 DVs에서 스위칭 압력은 피스톤(1)을 아래로 움직이게 한다. 셔틀밸브(70)는 피스톤(1)이 거의 바닥에 도달할 때 까지 움직이지 않는다. "O" 링(55)은 고압력에서 저압력으로 가스의 축 누출(axial leakage)을 막기 위해 (71)의 둘레를 봉인하는 구동축 실린더(69)에 일련의 "O" 링 중 하나이다.

구동 가스 오리피스(45)는 피스톤(1)이 위아래로 움직이는 속도를 제어하기 위해 수동으로나 전기적으로 조절된다. 만약 엔진이 부하를 식히는데 사용되고, 압축기로부터 끊임없는 일의 배출을 원한다면, 상온에서 최대 엔진 속도를 시작하고 차가워질수록 엔진 속도를 줄이는게 필요하다. 목표는 오리피스(45)를 조절해서 피스톤(1)이 풀 스트로크를 만들지만 스트로크의 끝에 너무 오래있지 않게 하는것이다. 번갈아서 최소 온도에서 작동을 위해 설정된 고정된 오리피스로 일정한 속도에서 동작하는것은 가능하다. 식히는 동안 압축기는 약간의 가스를 바이패스할 것이다.

도 4는 엔진 어셈블리(400)의 단면/도해도이다. 이것은 DVc와 DVw사이의 압력 차이를 최소화하기 위해 피스톤(1)의 몸체 안에 축열 장치(42)를 가지고, 엔진(200)의 기계적으로 구동 메커니즘 가진다는 점에서 엔진(300)과 동일한 특징을 가지고 있다. 도 2의 측면도에서 보여진 Scotch Yoke 구동 어셈블리(22)는 도 4에서 전면도로 보여진다. 도 2에 도시된, 밸브 시트(19)와 함께 모터 샤프트(21)의 말단에 설치된 로터리 밸브 디스크(18)는 엔진(400)의 일부분이지만 단지 모터 샤프트(21)만이 도 4에 도시되어 있다. 흡입 밸브 어셈블리(60)도 마찬가지다. Vo를 개폐하기 위한 비슷한 밸브 어셈블리도 엔진(400)의 부분이지만 도시되지 않았다. 로터리 밸브 디스크(18)과 시트(19)는 도 2와 3에 도시된 대로 배관(37)과 배관(38)을 통해 밸브 리프터를 작동하는 포트를 가지고 있고 엔진(400)의 부분이지만 도 4에 도시되지는 않았다. Scotch Yoke 구동 어셈블리(22)의 전면도는 모터(20), 구동 샤프트(23)을 구동축(2)에 연결하는 커플링(29), 에센트릭(eccentric)(24), 베어링(25), 구멍이 나 있는(slotted) 드라이버(26), 구동 샤프트 가이드(28), 가이드 부싱(27)을 보여준다. 도시된 다른 부품들은 이전에 설명하였다.

엔진(400)은 속도가 가변이고, DVc와 DVw사이의 압력 차이가 밸브 타이밍에 상관없이 항상 작을 것이고, 밸브 타이밍에 자유가 있어 고효율을 낼 수 있기 때문에 다용도의 디자인이다.

도 5는 엔진 어셈블리(500)의 단면/도해도이다. 이것은 DVc와 DVw사이의 압력 차이를 최소화하기 위해 피스톤(1)의 몸체 안에 축열 장치(42)를 가진다는 점에서 엔진(300)이나 (400)과 동일한 특징을 가지고있다. 피스톤(1)은 Ph에서 배관(33)을 통해서 배관(30)으로 DVS(5)를 연결하는 밸브 V1(12)와, Pl에서 배관(31)로 DVs를 연결하는 밸브 V2(13)에 의해 구동축(2)에 작용하는 Ph와 Pl을 오가는 가스 압력에 의해 구동된다. 밸브 Vi와 Vo는 도 2의 밸브 어셈블리(60)과 비슷하다. 도 2의 (64)와 같은 밸브 리프터는 밸브(81), Vih, (82), Vil, (83), Voh 및 (84), Vol에 의해 제어되므로써, Ph와 Pl사이의 배관(37)과 배관(38)의 가스 압력 사이클에서 밸브 Vi와 Vo를 동작한다. 도 2에 도시된 로터리 밸브는 디스크와 시트에 만들어진 바람직한 순서와 상대적인 타이밍을 가지는 V1, V2, Vih, Vil, Voh, Vol을 위한 포트를 가질 수 있다. 도시된 다른 부품들은 이전에 설명했다.

도 6은 압력-부피 다이어그램이고 도 7은 도 1 내지 도5에서 보여진 하나 이상의 엔진들의 밸브를 개폐하는 순서를 보여준다. P-V 다이어그램의 상태점의 수는 도 7의 밸브 개폐 순서에 해당한다. 밸브를 개폐하는 타이밍은 도시되지 않았고, 오직 순서만 도시되었다. P-V 다이어그램 6a는 엔진(100)의 옵션 B의 V3와 V4를 대신해서 체크 밸브가 있는 옵션 A에 적용된다. 점 6은 스트로크의 쪽의 피스톤(1), 최소의 DVc, Pl의 DVc와 DVw, Ph의 DVh를 나타낸다. 그 후 Vo는 닫히고 Vi는 열린다. DVc는 점 1의, DVw의 가스가 Ph로 압축되기까지 증가한다. 점 1에서 V1이 닫히고 그 후 V2가 열려서 DVs의 압력은 Ph가 된다. 피스톤(1)은 Ph의 배관(30)으로 CVh를 통해 가스가 흐를 때 위로 움직인다. 피스톤(1)이 스트로크의 꼭대기에, 최소의 DVw일때 일어날 때인 점 2에서 흡입 밸브 Vi가 닫힌다. 그 후 점 3에서, Vo가 열리고 DVc의 압력이 Pl로 떨어진다. 점 4에서, V2가 닫히고 V1이 열릴 때, 따듯한 쪽 간격 부피의 Ph의 잔여 가스는 피스톤(1)이 아래로 움직이기 시작하게 한다. DVs의 Ph의 가스가 피스톤을 아래로 구동할 때, 가스는 CV2를 통해 Pl의 DVw로 들어간다. 점 5에서, 피스톤(1)이 차가운 쪽에 도달할 때, Vo는 닫힌다.

옵션 A의 체크 밸브를 옵션 B의 액티브 밸브로 바꾸는 것은 엔진이 P-V 다이어그램 6b에서 작동하는 것을 가능하게 한다. 점 5에서 피스톤이 바닥에 도달한 후에 V4는 닫히고 그 후 V3는 열려서 DVw의 압력을 Pl에서 Ph로 바꾼다. DVs는 계속 Ph에 있어서, 점 6에서, Vi가 열릴때, 피스톤은 점 1에서 V1가 닫히고 V2가 열릴때까지 움직이지 않는다. Pl의 DVs의 가스는 피스톤을 움직이게 하고, Ph의 가스를 DVc로 보낸다. 피스톤 1은 점 2에서 Vi가 닫히기 전에 꼭대기에 도달한다. 그 후 점 3에서 Vo가 열리기 전에 V3는 닫히고 V4는 열린다. 열교환기(40)의 압력 강하 때문에 DVs와 DVw의 가스 압력은 실제로 Pl의 약간 아래이다. 그래서 피스톤은 점 4에서 V2가 닫히고 V1이 열리기 전까지 아래로 움직이기 시작하지 않는다.

엔진(200) 또한 P-V 다이어그램 6b에서 동작한다. Scotch Yoke 어셈블리(22)는 축 구동과 밸브 V1과 V2를 대체한다. 피스톤이 점 5에서 바닥에 도달하고 Vo가 닫힌 후, V4는 닫히고 바로 V3와 Vi가 점 6에서 열린다. 점 1에서, Scotch Yoke 구동이 피스톤을 위로 움직일 때 DVc의 가스 압력은 Ph에 도달한다. 점 2에서, 피스톤이 꼭대기에 도달하고 Vi가 닫히기 전까지 가스 압력은 Ph에 있다. 그 후 점 3에서, Vo가 열리기 전에 V3이 닫히고 V4가 열린다. DVc의 가스 압력은 피스톤(1)이 아래로 움직임에 따라 점 4에서 시작해서, Pl로 빨리 떨어진다.

엔진(300) 또한 P-V 다이어그램 6b에서 동작한다. 밸브 V3과 V4의 필요는 DVc와 DVw를 같은 압력으로 유지시키는 내부 축열장치(42)에 의해 배제된다. 점 5와 6에서 피스톤(1)이 바닥에 도달할 때, Vo는 닫히고 Vi는 열리고, DVs의 압력은 Ph에 있어서 피스톤을 아래에 유지시킨다. 점 6의, DVc와 DVw의 Ph의 가스와 함께, 피스톤은 점 1에서 V1이 닫히고 V2가 열리기 전까지 움직이지 않는다. Pl의 DVs의 가스는 피스톤이 위로 움직이도록 하고, Ph의 가스를 DVc로 보낸다. 피스톤(1)이 꼭대기에 도달했을 때, 셔틀 밸브(70)은 점 2에서 Vi를 닫고 점 3에서 Vo를 열기 위해 위해 움직인다. DVc의 가스 압력은 Pl로 떨어지고 그 후 점 4의, V2는 닫히고 V1은 열려서 피스톤(1)이 아래로 움직이도록 한다.

엔진(400)은 P-V 다이어그램 6c에서 동작한다. 이것은 밸브 V1, V2, V3, V4가 없다. 피스톤(1)은 Scotch Yoke 어셈블리(22)에 의해 구동되고, 축열장치(42)는 DVc와 DVw의 압력을 같게 한다. 점 5에서, 피스톤(1)이 바닥에 도달하기 전에, Vo는 닫히고 DVc와 DVw의 압력은 피스톤(1)이 차가운 쪽으로 움직이고, DVc의 차가운 가스를 상온에서 DVw로 전송할 때, 증가한다. 점 6의 Vi는 열리고 DVc와 DVw의 압력은 Ph로 빠르게 증가한다. 점 1에서 피스톤은 위로 움직이고, Ph의 가스를 DVc로 보낸다. 피스톤(1)이 꼭대기에 도달하기 전에, 점 2의, Vi는 닫히고 가스 압력은 점 3의, 피스톤이 꼭대기로 움직임에 따라 떨어져서 DVw의 따듯한 가스를 DVc로 전송한다. Vo는 그 후 열리고 DVc의 가스 압력은 Pl로 떨어진다. 점 4에서, 피스톤(1)은 그 후 아래로 움직이기 시작하고, 점 5로 이동하면서 Pl의 가스를 Vo를 통해 밖으로 밀어낸다.

엔진(500)은 P-V 다이어그램 5c에서 동작한다. 축열장치(42)가 DVc와 DVw의 압력을 동등하게 유지하기 때문에, 밸브 V3, V4가 없다. 점 5에서, 피스톤(1)이 바닥에 도달하기 전에, Vo는 닫히고, (Voh(83)은 닫히고 Vol(84)는 열린다), DVc와 DVw의 압력은 피스톤(1)이 차가운 쪽으로 이동함에 따라 증가해서 DVc의 차가운 가스를 상온세어 DVw로 전송한다. 점 6에서 Vi는 열리고, (Vil(83)은 닫히고 Vih(82)는 열린다), DVc와 DVw의 압력은 Ph로 빠르게 증가한다. 점 1에서 V1은 닫히고 그 후 V2는 열려서 피스톤이 위로 움직이게 하고, Ph의 가스를 DVc로 보낸다. 피스톤(1)이 꼭대기에 도달하기 전에, Vi는 닫히고, (Vih는 닫히고 Vil은 열린다), 점 2에서, 가스 압력은 점 3에서, 피스톤이 꼭대기로 움직임에 따라 떨어져서, DVw의 따듯한 가스를 DVc로 전송한다. Vo는 그 후 열리고, (Vol은 닫히고 Voh는 열린다), DVc의 가스 압력은 Pl로 떨어진다. 점 4에서 V2는 닫히고 V1은 열린다. 피스톤(1)은 그 후 아래로 움직이기 시작하고 점 5로 움직이면서 Pl의 가스를 Vo를 통해 밖으로 밀어낸다.

[표 1]은 다른 엔진을 위한 냉동 용량의 비교를 제공한다. 엔진(200)과 (300)은 엔진 (100 b)와 같은 사이클에서 동작하고 구동 메커니즘에 매우 작은 가스만 사용되기 때문에 용량에서 단지 작은 증가만 있어서, 그들은 포함되지 않았다. 모든 엔진들은 압력은 Vi에서 2.2MPa, Vo에서 0.8MPa로 추정한다. 헬륨 흐름 비율은 6.0g/s이고 구동축으로의 흐름, Vi와 Vo를 위한 밸브 작동, 축열장치를 포함하는 빈 공간을 가능하게 하는 가스를 포함한다. 열교환기 효율은 98%로 추정된다. 모든 엔진들은 다양한 속도 구동과 피스톤의 속도를 제어할 기계장치, 스트로크의 끝의 오직 짧은 체류시간의 풀 스트로크를 가진 밸브 타이밍을 가진다고 가정한다. 엔진(400)을 제외하고 엔진들은 6Hz의 따듯할 때 최대 속도를 가정하고 질량을 상온에서 대략 30K까지 냉각하도록 스키가 정해지고, 온도를 낮춰서 엔진이 대부분의 냉각을 통해 추정된 압력에서 추정된 흐름 속도를 사용한다. 냉동 용량, Q와 작동 속도, N은 200K와 60K의 Vi에서의 온도 T를 위해 리스트된다. 엔진이 수증기를 포획하는 저온 펌프를 냉각하기 위해 약 120K정도의, 좁은 온도 범위에서 고정된 속도에서 동작하도록 디자인될 수 있다는것은 확실하다. 엔진(500)은 30K에서 80K의 온도범위에서 동작하는데 최적화된 디자인의 예시이다. 이것은 더 작은 지름, Dp, 짧은 스트로크 S등을 가지고 있어서 낮은 온도 범위에서 높은 속도로 동작한다. 그런 냉동기는 예를 들어 98.5%의 더 높은 효율은 가지는 열교환기와 함께 디자인된다. 테이블 1에서 엔진(100)이 가장 비효율적인 것을 볼 수 있다. 이것은 점 1에서 Ph의 가스가 수용될 때 DVw의 가스의 압력이 낮기 때문이다. 엔진(100 a), (100 b), (200), (300) 모두는 피스톤이 꼭대기에 도달할때까지 Ph의 가스를 들어가게 하고, 그 후 Pl로 보내는것과 관련해서 손실을 가진다. Vi를 일찍 닫아서 피스톤이 점 2에서 점 3으로 움직이는동안 가스가 팽창하고, Vo를 일찍 닫아서 피스톤이 점 5에서 점 6으로 움직이는동안 재압축을 하기 때문에 엔진 (400)과 (500)은 최고의 효율을 가진다. 가스의 더 작은 부분이 따듯한 쪽에서 사용되기 때문에, 엔진이 식고 느려질수록 엔진 효율은 증가한다. 효율은 약 80K에서 최대이고, 그 후 열교환기의 손실이 두드러져서 하락한다.

다른 실시예는 다음에 기재하는 청구항의 범위 내에 있다. 예를 들어 흡입 밸브 어셈블리(60), 등가 배출 밸브 어샘블리는 공기로 동작한다고 설명되어 있으며, 번갈아 전기로 동작될 수 있거나, 모터(20)로 구동되는 캠으로 동작된다.

지금까지 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이므로, 본 발명의 범위는 상기에서 설명된 실시예에 국한되어서 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이와 균등한 것들을 포함하여 결정되어야 한다.

1: 피스톤 2: 구동 축
3: 차가운쪽 변위부피(DVc) 4: 따뜻한쪽 변위체적(DVw)
5: 구동 축 위의 변위부피(DVs) 6: 실린더
7: 따듯한 마운팅 테두리 8: 따듯한 실린더 헤드
9: 차가운 쪽 캡 10: 흡입 밸브 Vi
11: 배출 밸브 Vo 12~17: 밸브
40: 역류 열교환기 41: 열교환기
42: 축열장치 51: 봉인(seal)
69: 구동 축 실린더 100, 200, 300, 400, 500: 엔진

Claims

극저온에서 냉동을 생성하기 위해 압축기로부터 공급된 가스로 동작하는 팽창 엔진에 있어서,
상기 팽창 엔진은,
실린더에 있는 피스톤 - 상기 피스톤에 왕복운동을 유발하도록 구동축에 작용하는 공기 및 기계적 힘 중 하나로 따듯한 쪽에서 구동축을 가지는 피스톤;
상기 피스톤이 상기 실린더의 차가운 쪽에 가까이 있을 때 고압력 가스를 받아들이고 상기 피스톤이 상기 실린더의 따듯한 쪽에 가까이 있을 때 가스를 저압력으로 소모시키는 상기 실린더의 차가운 쪽에 있는 흡입과 배출 밸브; 및
상기 피스톤이 움직이는 동안, 상기 구동축의 바깥쪽 영역에서, 상기 피스톤의 차가운 쪽과 대략 같은 압력에, 상기 피스톤의 따듯한 쪽의 압력을 유지하는 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 팽창 엔진.
청구항 1에 있어서,
압력을 대략 같게 유지하는 수단은
축열장치를 포함하는 가스 통로로 상기 따듯한 쪽과 차가운 쪽을 연결하는 것을 특징으로하는 팽창 엔진.
청구항 1에 있어서,
압력을 대략 같게 유지하는 수단은
상기 따듯한 쪽과 압축기로부터의 공급 및 회수 배관 사이에 연결된 체크 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 팽창 엔진..
청구항 1에 있어서,
압력을 대략 같게 유지하는 수단은
상기 따듯한 쪽과 압축기로부터의 공급 및 회수 배관 사이에 연결된 활성 밸브를 포함하며, 상기 활성 밸브의 개폐는 상기 피스톤의 위치에 따라서 조정되어지는 것을 특징으로 하는 팽창 엔진.
청구항 1에 있어서,
상기 흡입과 배출 밸브는 공기 힘에 의해 개폐되는 것을 특징으로 하는 팽창 엔진.
청구항 1에 있어서,
상기 흡입과 배출 밸브는 전기 액추에이터와 캠 액추에이터 중 하나에 의해 개폐되는 것을 특징으로 하는 팽창 엔진.
청구항 5에 있어서,
상기 흡입과 배출 밸브를 개폐하는 타이밍은 로터리 밸브와 셔틀 밸브 중 하나에 의해서 상기 피스톤의 위치에 따라서 조정되는 것을 특징으로 하는 팽창 엔진.
청구항 1에 있어서,
공기로 작동하는 상기 구동축은
로터리 밸브에 의해 제어되고, 상기 로터리 밸브는 또한 상기 흡입 및 배출 밸브를 동작시키는 포트를 가지는 것을 특징으로 하는 팽창 엔진.
청구항 8에 있어서,
상기 로터리 밸브는
또한 상기 피스톤의 따듯한 쪽으로 가스를 흘려보내기 위한 포트를 포함하고, 상기 흘려보내는 것은 상기 흡입과 배출 밸브를 동작시키는 흐름에 따라서 조정되는 것을 특징으로 하는 팽창 엔진.
청구항 1에 있어서,
기계적으로 작동하는 상기 구동축은
Scotch Yoke 메커니즘과 로터리 밸브를 돌리는 모터를 포함하고, 상기 로터리 밸브는 상기 흡입과 배출 밸브를 동작시키는 포트를 가지는 것을 특징으로 하는 팽창 엔진.
청구항 10에 있어서,
상기 로터리 밸브는
또한 상기 피스톤의 따듯한 쪽에 가스를 흘려보내기 위한 포트를 포함하고, 상기 흘려보내는 것은 상기 흡입과 배출 밸브를 동작시키는 흐름에 따라서 조정되는 것을 특징으로 하는 팽창 엔진.