KR20170143028A - 버퍼를 구비한 가스 평형 기관 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 압축기, 향류형 열교환기 및 부하를 포함하는, 극저온 온도의 냉각을 생성하기 위한 시스템의 일부분인, 브레이턴 사이클로 작동하는 팽창 기관에 관한 것으로서, 상기 부하는 멀리 떨어져 있을 수 있고, 팽창 기관에서 순환하는 가스에 의해 냉각되는 것이다. 피스톤을 구비하는 팽창 기관은, 피스톤이 이동하는 동안에, 실린더 내에서 피스톤의 위와 아래의 압력이 거의 동일하다. 실린더의 고온 단부를 버퍼 탱크에 연결하는 밸브는, 저온 변위 체적 내의 가스를 부분적으로 팽창하고 재압축하는 것을 허용하며, 이로써 압축기 유량이 동일한 각 사이클에서 생성되는 냉각이 증가된다.

Description

버퍼를 구비한 가스 평형 기관

본 발명은 브레이턴 사이클로 작동하여 극저온 온도의 냉각을 일으키는 팽창 기관에 관한 것이다.

브레이턴 사이클로 작동하여 냉각을 일으키는 시스템은, 가스를 토출 압력으로 열교환기에 공급하는 압축기로 구성되거나 압축기를 포함하는데, 이 압축기로부터의 가스를 입구 밸브를 통하여 팽창 공간에 들어가게 하고, 이 가스를 단열 팽창시키며, 팽창된 (차가워진) 가스를 출구 밸브를 통하여 배기하고, 이 저온 가스를 냉각되고 있는 부하를 통해 순환시키며, 그 후에 가스를 열교환기를 통해 압축기로 복귀시킨다. 이 분야의 선구자인 S. C. Collins의 미국 특허 제2,607,322호에는, 헬륨을 액화시키는 데 사용되고 있는 조기 팽창 기관의 구성에 대한 설명이 있다. 팽창 피스톤은, 플라이 휠 및 발전기/전동기에 연결된 크랭크 기구에 의해 왕복 운동으로 구동된다. 피스톤이 스트로크의 하단에 있는 상태(최소 저온 체적)에서 흡기 밸브가 개방되고, 고압 가스가 피스톤을 위로 구동하며, 이로 인해 플라이 휠의 속도가 증가되고 발전기가 구동된다. 피스톤이 상단에 도달하기 전에, 흡기 밸브가 폐쇄되고, 팽창 공간 내의 가스는 압력 및 온도가 떨어진다. 스트로크의 상단에서 출구 밸브는 개방되고, 피스톤의 속도가 줄어들면서 피스톤이 아래로 밀리며 플라이 휠에 의해 구동될 때, 가스는 흘러나간다. 플라이 휠의 크기에 따라, 플라이 휠이 전동기의 역할을 할 때, 플라이 휠은 파워를 인출하거나 또는 파워를 출력하도록 발전기/전동기를 계속 구동할 수 있다.

다수의 후속 기관들은 유사한 설계를 갖는다. 모두가 피스톤의 고온 단부에 작용하는 분위기 공기를 갖고, 주로 헬륨을 액화하도록 설계되어 있다. 복귀 가스는 거의 대기압이고, 공급 압력은 대략 10 내지 15 대기압이다. 압축기의 입력 파워는 통상적으로 15 내지 50 ㎾의 범위이다. 저출력 냉각기는 통상적으로 GM, 펄스 튜브, 또는 스털링 사이클로 작동한다. 고출력 냉각기는 통상적으로 터보-팽창기를 이용하는 브레이턴 또는 클라우드 사이클로 작동한다. 저출력 냉각기는, 가스가 충전 베드를 통과해 앞뒤로 유동하고 팽창기의 저온 단부를 결코 떠나지 않는 재생기 열교환을 이용한다. 이는 저온 가스를 원격 부하에 분배할 수 있는 브레이턴 사이클 냉각기와 대조된다.

브레이턴 확장 기관의 설계에서 고려하는 중요한 열역학적 인자로는 두 가지가 있다. 첫 번째 인자는 기관에 의해 생성되는 일을 회수하는 능력이다. 이상적인 기관에서, 카르노(Carnot) 원리는, Ta를 주위 온도라 하고 Tc를 저온이라 할 때, 발생되는 냉각 Q에 대한 이상적인 일 입력 Wi의 비는, 일이 회수되는 경우에는 (Ta-Tc)/Tc에 비례하고, 일이 회수되지 않는 경우에는 Ta/Tc에 비례한다는 것을 명시한다. 주위 온도가 300K이고 저온이 4K인 경우, 일 회수가 없다면 손실은 1.4%이다. Tc=80K인 경우, 손실은 27%이다. 두 번째 인자는 가스의 불완전한 팽창으로 인한 손실이다. 이상적으로, 가스가 낮은 복귀 압력에 도달하기까지, 고압의 가스를 팽창 공간에 들어가게 하는 저온 입구 밸브는 폐쇄되고, 피스톤은 가스를 계속 팽창시킨다. 헬륨을 2.2 ㎫에서부터 0.8 ㎫로 단열 팽창하는 경우에는, 팽창을 하지 않는 것보다는 가능한 최대로 팽창함으로써, 가용 냉각이 30% 증대된다. 1.6 ㎫로 팽창하더라도, 냉각이 16% 증대된다.

J. L. Smith의 미국 특허 제6,205,791호에는, 작동 가스(헬륨)가 피스톤의 주위에 있는 프리 플로팅(free floating) 피스톤을 구비하는 팽창 기관이 기술되어 있다. 피스톤 위의, 즉 고온 단부의 가스 압력은, 2개의 버퍼 체적, 즉 고압과 저압 사이의 압력차의 약 75%인 압력의 버퍼 체적과, 상기 압력차의 약 25%인 압력의 버퍼 체적에 연결된 밸브들에 의해 제어된다. 피스톤의 위와 아래의 압력차가 작은 상태에서 피스톤이 상하로 구동되어, 피스톤과 실린더 사이의 작은 간격을 통과하는 가스가 거의 없도록, 전기적으로 작동되는 입구 밸브, 출구 밸브 및 버퍼 밸브는 개폐 타이밍이 설정되어 있다. 피스톤의 위치 센서가, 4개의 밸브를 개폐하는 타이밍을 제어하는 데 사용되는 신호를 제공한다. 솔리드 피스톤을 가스 피스톤으로 대체하는 것으로서 펄스 튜브를 고려한다면, 이와 동일한 "2개의 버퍼 체적 제어"는 Zhu Shaowei의 미국 특허 제5,481,878호에서 확인된다.

'878호 Shaowei 특허의 도 3은 4개의 제어 밸브의 개폐 타이밍을 보여주고, '791호 Smith 특허의 도 3은 피스톤의 위치와 제어 밸브의 개폐 사이의 관계의 양호한 타이밍에 의해 달성될 수 있는 바람직한 P-V 선도를 보여준다. 이 P-V 선도에서의 면적은 생성되는 일이고, P-V 일(발생된 냉각에 상당)에 관한 '791호 도 3의 선도에 있어서의 점 1과 점 3의 사이에서 팽창 공간에 도입되는 가스의 양을 최소화함으로써, 최대 효율이 달성된다.

피스톤의 위치에 관한 입구 밸브 및 출구 밸브의 개폐의 타이밍은 양호한 효율을 달성하는 데 중요하다. 헬륨을 액화하기 위해 만들어진 대부분의 기관은, '220호 Collins 특허의 캠 작동 밸브와 유사한 캠 작동 밸브를 사용한다. '791호 Smith 특허는 전기적으로 작동되는 밸브를 보여준다. 다른 메커니즘으로는, H. Asami 등의 미국 특허 제5,361,588호에 도시된 바와 같은 스카치 요크 구동 샤프트의 단부에 있는 회전 밸브와, Sarcia의 미국 특허 제4,372,128호에 도시된 바와 같은 피스톤 구동 샤프트에 작동되는 셔틀 밸브 등이 있다. M. Xu 등의 미국 특허 출원 제2007/0119188호에서는, 멀티-포트형 회전 밸브의 일례가 확인된다.

R. C. Longsworth의 2010년 3월 15일자 미국 출원 제61/313,868호에는, 브레이턴 사이클로 작동하는 왕복 팽창 기관으로서, 피스톤은, 기계식 구동부에 의해 또는 고압과 저압 사이를 계속 오가는 가스 압력에 의해, 구동되는 드라이브 스템을 고온 단부에 갖고, 피스톤이 움직이고 있는 동안에, 피스톤의 고온 단부에 있어서 드라이브 스템의 주위 영역의 압력은, 피스톤의 저온 단부에서의 압력과 실질적으로 동일한 것인 왕복 팽창 기관이 기술되어 있다. 피스톤의 고온 단부의 압력은, 피스톤이 저온 단부를 향해 이동하는 동안에는 고온 변위 체적을 저압 라인에 연결하고, 피스톤이 고온 단부를 향해 이동하는 경우에는 고온 변위 체적을 고압 라인에 연결하는 한 쌍의 밸브에 의해 제어된다. 이로써, 압축되고 있는 고온 변위 체적에 도입되어 고압 라인의 가스에 부가되는 저압 가스의 형태로, 일이 약간 회수된다. 피스톤이 이동하는 동안에 저온 단부의 압력과 거의 동일한, 피스톤의 고온 단부의 압력을 유지하는 다른 수단이, R. C. Longsworth의 미국 특허 제8,776,534호에 기술되어 있다. 이러한 팽창 기관은, 피스톤이 저온 단부를 향해 이동하는 동안, 고압 단부에 있는 밸브를, 저압 라인을 고온 변위 체적에 연결하는 것으로부터 고압 라인을 고온 변위 체적에 연결하는 것으로 대체한다는 점에서, '868 출원의 팽창 기관과 다르다. 피스톤이 저온 단부에 있는 동안, 고온 변위 체적을 신속하게 가압하기 위해, 다른 밸브가 병렬 관계로 추가되어 있다. 이러한 구성은 '868 출원에 비해, 고온 단부에서 능동 밸브를 필요로 하지 않는다는 장점이 있지만, 저온 단부에서의 가스의 팽창에 의해 방출되는 파워의 회수가 없다는 단점이 있다.

R. C. Longsworth의 2010년 10월 8일자 특허 출원 제61/391,207호에는, 전술한 출원에 기술된 바와 같이, 브레이턴 사이클로 작동하는 왕복 팽창 기관의 제어로서, 덩어리를 극저온까지 냉각하는 시간을 최소화할 수 있게 하는 제어가 기술되어 있다. 이러한 메커니즘들은 본 출원에서 사용될 수 있지만, 본원에 기술되어 있지는 않다.

본 발명은, 가스의 부분 팽창을 가능하게 하도록 버퍼 체적을 고온 단부에 부가함으로써, '868 출원과 '미국 특허 제8,776,534호에 기술된 기관의 효율을 향상시킨다. 고압과 저압 사이의 압력(즉, 중간압)인 고압과 저압 사이의 평균 압력에 가까운 버퍼 체적에 고온 변위 체적을 연결하는 밸브가 추가된다. 이는, 피스톤이 고온 단부에 도달하기 전에, 저온 입구 밸브가 폐쇄되는 것을 허용하고, 피스톤의 고온 단부의 압력이 버퍼 체적의 평균 압력 또는 중간압을 향해 떨어질 때 피스톤이 고온 단부를 향해 계속 이동하여 저온 가스를 팽창시키는 것을 허용한다. 이러한 사이클의 단계 동안에 가스가 버퍼 체적에 유입되고, 피스톤이 저온 단부에 있거나 그 부근에 있을 때 그리고 저온 입구 밸브가 개방되기 전에 가스가 유출되거나, 또는 저온 입구 밸브가 개방되기 전에 가스가 유출된다.

도 1은 미국 특허 제8,776,534호에 기술된 기관의 고온 변위 체적에 버퍼 체적 및 버퍼 밸브를 부가한 기관(100)을 보여준다.
도 2는 미국 특허 출원 제61/313,868호에 기술된 기관의 고온 변위 체적에 버퍼 체적 및 버퍼 밸브를 부가하는 기관(200)을 보여준다. 이 기관은 또한, 고압 라인과 고온 변위 체적의 사이에 제2 밸브를 부가한다.
도 3은 도 1과 도 2에 도시된 기관에 대한 압력-체적 선도를 보여준다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c는 도 1과 도 2에 도시된 기관에 대한 밸브 개폐 시퀀스를 보여준다.

도 1과 도 2에 도시되어 있는 본 발명의 두 실시형태는 등가의 부품을 식별하기 위해 동일한 도면부호와 동일한 도해적 표현을 사용한다. 팽창 기관은, 열교환기에서의 대류 손실을 최소화하기 위해, 일반적으로 저온 단부를 아래로 하여 배향되어 있으므로, 저온 단부로부터 고온 단부를 향한 피스톤의 이동은 대개 상승으로 지칭되고, 이에 따라 피스톤은 상하로 이동한다. 위 사이클 설명은, 헬륨이 2.2 ㎫로 공급되고 0.8 ㎫로 복귀되는 것으로 가정한다.

도 1은 기관 조립체(100)의 단면/개략도이다. 저온 단부 캡(9), 고온 장착 플랜지(7) 및 고온 실린더 헤드(8)를 구비하는 실린더(6) 내에서, 피스톤(1)이 왕복한다. 드라이브 스템(2)은 피스톤(1)에 부착되어 있고, 드라이브 스템 실린더(69) 내에서 왕복한다. 저온 단부에서의 변위 체적(DVc, 3)은, 피스톤(1)과 시일(50)에 의해 고온 단부에서의 변위 체적(DVw, 4)으로부터 분리되어 있다. 드라이브 스템 위의 변위 체적(DVs, 5)은, 시일(51)에 의해 DVw로부터 분리되어 있다. 라인 33은 DVs(5)를 저압 복귀 라인(31)의 저압(Pl)에 연결한다. 라인 32는 DVw(4)를 버퍼 밸브(Vb, 14), 밸브(Vwo, 15), 밸브(Vwp, 16) 및 밸브(Vwh, 17)에 연결한다. 버퍼 밸브(Vb, 14)는 버퍼 체적(20)에 연결되어 있다. 밸브(Vwo)는 고압 라인(30)의 고압(Ph)에 열교환기(42)를 통해 연결되어 있다. 밸브들(Vwp, 16 및 Vwh)은 또한 고압 라인(30)에 연결되어 있다. 주위 온도의 가스를 Vwp(16) 및 Vwh(17)를 통해 DVw(4)에 흘러 들어가게 하고 나서, 가스가 DVw(4)에서의 압축에 의해 가열된 후, 가스를 Vwo(15)를 통해 흘러 나가게 하며, 다시 고압 라인(30)에 흘러 들어가게 하기 전에, 열교환기(42)에서 냉각하기 위해, 고압 라인(30)에 연결된 3개의 밸브를 구비한다. 피스톤이 하강할 때 피스톤의 속도를 제어하기 위해, Vwh(17)는 제한된 흐름을 갖는 반면에, 피스톤(1)이 저온 단부에 있을 때, DVw(4)를 가압하기 위해 높은 유량을 허용하는 점에서, 밸브(Vwp, 16)는 Vwh(17)와 다르다. 라인(30)의 고압 가스는, 향류형 열교환기(40)를 통과하고 나서, 라인(34)을 통과하며, 가스를 저온 변위 체적(DVc, 3)에 들어가게 하는 저온 입구 밸브(Vci, 10)에까지 흘러간다. 가스는 저온 출구 밸브(Vco, 11)를 통해 DVc(3)의 밖으로 흘러 나간 후, 라인(35), 저온 열교환기(41) 및 라인(36)을 통과하고, 향류형 열교환기(40)를 통과해 압축기에 복귀하는데, 이들 모두 저압 상태이다.

도 2는 기관 조립체(200)의 단면/개략도이다. 이 기관 조립체는, 고압의 라인(30)을 DVw(4)에 연결하는 밸브(Vwh, 17)를, 저압의 라인(31)을 DVw(4)와 연결하는 밸브(Vwl, 18)로 대체하고, 밸브 Vsi(12)와 Vso(13)를 추가한 점이 기관 조립체(100)와 다르다. 기관(100)은, 드라이브 스템(2) 상에서 저압(Pl)을 유지하면서, 라인(30)으로부터의 고압(Ph)을 밸브(Vwh, 17)를 통해 DVw(4)에 연결하는 것에 의해, 피스톤을 아래로 구동한다. 기관(200)은, 저압(Pl)을 밸브(Vwl, 18)를 통해 라인(31)에 연결하는 것에 의해 Pl을 유지하면서, 라인(30)으로부터의 고압(Ph)을 밸브(Vsi, 12)를 통해 DVs(5)에 연결하는 것에 의해, 피스톤을 아래로 구동한다.

드라이브 스템(2) 상의 공압식 힘을 기계식 힘으로 대체하는 옵션은 도시되어 있지 않다.

도 3은 두 기관(100, 200)에 대한 압력-체적 선도를 보여주는데, 여기서 Vc는 저온 변위 체적(DVc, 3)이다. P-V 선도의 면적은, 사이클마다 생성되는 냉각에 상당한다. 상기 설계의 목적은, 최소의 가스량으로 선도의 면적을 최대화하는 것이다. 도 4a와 도 4b는 기관(100)에 대한 밸브 개폐 시퀀스를 보여주고, 도 4c는 기관(200)에 대한 밸브 개폐 시퀀스를 보여준다. P-V 선도 상의 상태점 번호는, 도 4a, 도 4b 및 도 4c에 도시된 밸브 개방/폐쇄 시퀀스에 상당한다. 실선은 밸브가 개방되어 있는 때를 나타내고, 점선은 밸브가 개방 또는 폐쇄될 수 있는 때를 나타낸다. P-V 선도 상의 점 1은 저온 단부에 있고 DVc가 최소인 상태의 피스톤(1)을 나타낸다. DVw는 고압(Ph)이고, DVs는 저압(Pl)이다. Vci가 개방되어 Ph의 가스를 DVc로 들어가게 한다. 드라이브 스템(2) 상에 저압이 존재하므로, DVw 내의 가스가 Ph보다 높게 압축되는 동안에, DVc가 증대된다. DVw 내의 가스는 밸브 Vwo를 통해 고압 라인(30)으로 밀려나온다. 점 2에서, 피스톤(1)은 고온 단부로 가는 진로의 2/3 이상 이동하였다. 이 점에서, Vci 및 Vwo가 폐쇄된 후 Vb가 개방되어, 가스가 버퍼 체적에 유입되고, 피스톤(1)이 고온 단부로 계속 이동해 감에 따라, 진로의 약 30% 내지 45%에서 DVc 및 DVw 내의 압력이 Pl로 떨어진다. 점 3에서, Vb가 폐쇄된 후 Vco가 개방되고, DVc 및 DVw 내의 압력이 Pl로 떨어진다. 라인(32) 내의 가스가 점 3의 압력에서부터 Pl로 팽창됨에 따라, DVw는 약간 증가될 것이다. 점 4에서 Vwh는 개방되고, 이때 피스톤(1)은 저온 단부(점 5)로 이동한다. 피스톤(1)이 저온 단부에 도달하기 전에 Vwh가 약간 폐쇄된다. Vco는 점 5와 점 1의 사이에서 언제라도 폐쇄된다. 점 5에서, Vb가 개방되어, 가스가 버퍼 체적(20)에서부터 DVw로 흘러가는 것을 허용하고, Vb가 폐쇄될 때, DVw 내의 압력을 점 6의 압력으로 증가시킨다. 이 점의 압력은 버퍼 체적의 압력과 거의 동일하다. 점 6에서, Vwb가 개방되어, DVw 내의 압력이 신속하게 Ph로 된다. 그 후에, 사이클이 점 1에서의 시작을 반복하기 전에, Vwb는 폐쇄된다. 점 2와 점 3의 사이에서 버퍼 체적(20)에 흘러 들어가는 가스의 유량이 점 5와 점 6의 사이에서 흘러 나가는 유량과 동일하여, 버퍼 체적(20) 내의 압력이 Pi의 중간 압력으로 된다. 이 실시형태의 경우, 버퍼 체적(20)에 대한 적정 규모는 DVw의 약 2.5배이다.

도 4b는 점 4에서 Vwh 대신에 밸브 Vb를 개방하고, 점 5에 도달한 후 Vb를 폐쇄하고 나서, Vci를 개방하기 전에 Vwp를 개폐하는 옵션을 보여준다. 이러한 밸브 시퀀스 옵션은, 버퍼 체적(20) 내의 중간 압력(Pi)이 이전 밸브 시퀀스보다 낮아지게 되는 것을 허용하고, Vci가 더 빨리 폐쇄되는 것을, 즉 점 2가 좌측으로 옮겨지는 것을 허용하며, 그리고 DVc 내의 가스를 보다 낮은 압력으로 팽창시키는 것을 허용한다. 피스톤(1)이 점 2에서부터 점 3으로 이동함에 따라, 진로의 약 70%에서 DVc 및 DVw 내의 압력이 Ph로부터 Pl로 하강할 수 있다. 또한, Vwh에 대한 필요성이 제거된다.

도 4c에 도시된 기관(200)에 대한 밸브 개폐 시기 선도는, 밸브(Vwh, 17)를 밸브(Vwl, 18)로 대체하고, 밸브(Vsi, 12)와 밸브(Vso, 13)를 추가하는 점에서, 기관(100)에 대한 밸브 개폐 시기 선도와 다르다. Vsi는 고압 가스가 DVs(5)에 들어가게 하여, 점 4와 점 5의 사이에서 피스톤(1)을 아래로 밀고, Vso는 DVs(5)를 Pl에 연결하여, 점 1과 점 3의 사이에서 피스톤(1)을 위로 구동하는 힘의 불균형을 일으킨다. Vwl(18)은 점 3에서 개방되고, 점 4에서 Vco가 개방되기 전에, 라인(32) 내의 압력을 Pl로 하강시킨다. 점 4와 점 5의 사이에서 DVw에 도입되는 가스는 압축되고, 점 1과 점 2의 사이에서 라인(30)에 고압으로 복귀된다. 이는, 생성되고 있는 냉각을 증대시키는 저온 단부를 향하는 추가적인 가스 흐름의 형태로, 기관에 의해 실시되는 일의 일부가 회수되는 것을 나타낸다. 피스톤(1)이 기계식 수단에 의해 왕복된다면, Vsi 및 Vso는 불필요하다는 점에 주목해야 할 필요가 있다. 드라이브 스템(2)의 영역은 저온 단부에서 피스톤(1)의 영역의 8% 내지 15%의 범위이므로, 저온 단부(9)에서의 온도가 약 80K일 때, 압축기로부터의 흐름 중의 약 3%를 사용하여 피스톤(1)을 상하로 구동시킨다. 점 2에서부터 점 3까지 가스의 팽창이 동일한 경우, 생성되는 냉각의 비율의 증가는 모든 저온에 대해 대략 동일하다. 그러나, 일 회수로 인한 냉각의 증대는 (Th-Tc)/Th에 비례하므로, 공압식 구동 기관(200)에 대한 추가 밸브는, 기관(100)에 비해, 약 50K 미만에서는 얻는 것이 많지 않지만, 100K 초과의 온도에서는 큰 이득을 갖는다.

M. Xu 등의 미국 특허 제8,783,045호에는, 냉각기로의 파워 입력을 줄이는 수단으로서, 실린더의 고온 단부에 연결된 버퍼 체적을 사용하는, GM 또는 GM 타입의 펄스 튜브 팽창기가 기술되어 있다. 이는, 디스플레이서가 상단에 도달할 때 압축기로부터의 공급 밸브를 폐쇄한 후, 압력이 버퍼 체적 내의 압력을 향해 떨어지도록 버퍼 체적으로의 밸브(버퍼 밸브)를 개방함으로써 실시된다. 그 후에 버퍼 밸브는 폐쇄되고, 가스를 압축기로 복귀시키는 밸브(복귀 밸브)는 개방된다. 복귀 밸브가 폐쇄된 후에 그리고 공급 밸브가 개방되기 전에, 가스는 버퍼 체적으로부터 실린더로 되돌아간다. 팽창 또는 재압축이 없는 상태에서, P-V 선도가 직사각형이어야, 이에 따라 각 사이클마다 팽창기로의 흐름이 감소된다. GM 및 GM 타입 펄스 튜브는 고온 및 저온 변위 체적의 사이에 재생기를 구비하고, 이에 따라 저온 단부와 고온 단부 사의 압력차는 결코 크지 않다. 반면에, 브레이턴 피스톤은 본질적으로 피스톤의 양단부에서 동일한 압력을 갖지 않는다. GM 팽창기에서의 가스의 팽창 및 재압축은, 공급 밸브 및 복귀 밸브를 조기에 폐쇄시키지만 버퍼 체적을 추가하지는 않는 것에 의해 달성될 수 있다.

버퍼 체적을 가스 평형 브레이턴 기관에 추가하는 것은, 버퍼 체적을 GM 또는 GM 타입 펄스 튜브 팽창기에 추가하는 것과는 다른 효과를 갖는다. P-V 선도의 면적이 증가하기 때문에, 브레이턴 기관에서는 사이클당 생성 냉각이 증가된다. 이러한 추가적인 냉각이, '045호 특허의 버퍼 체적을 미국 특허 제8,776,534호 및 미국 특허 출원 제61/313,868호의 브레이턴 사이클 기관에 적용하는 것에 의해 제공될 수 있는지는 명백하지 않다.

표 1은 Vci의 압력이 2.2 ㎫이고 Vco의 압력이 0.8 ㎫인 경우에 산출된 냉각 용량의 예를 제공한다. 압축기로부터의 헬륨 유량은 5.5 g/s이다. 피스톤 직경은 82.4 ㎜이고, 스트로크는 25.4 ㎜이다. 열교환기(HX) 효율은 98%인 것으로 가정한다. 기관(100, 200)에 대한 냉각율(Q)은 도 3의 P-V 선도에 기초하고, 점 2의 이후에는 가스의 팽창이 없는 종래의 설계와 비교된다. Tc는 Vci를 통과하는 가스의 온도이고, N은 사이클의 비율이다.

[표 1] 산출된 성능

기관(100)에 대한 열교환기 손실이 종래 기관에 대한 열교환기 손실과 동일하기 때문에, 버퍼 체적의 사용에 기인한 냉각의 증가율은 저온에서 보다 중요하다. 기관(100)에 비해 기관(200)에서 저온 단부로의 가스의 흐름을 증대시키는 것의 이점 중 일부는, 열교환기에서의 손실 증가로 상쇄된다.

브레이턴 사이클로 작동하는 팽창 기관들이 통상적으로 냉각을 생성하고 120K 미만의 온도에서 가스를 액화하는 데 사용되었지만, 이들 팽창 기관은 또한 160K에 이르는 높은 온도에서 수증기를 저온 펌핑하는 데 적용될 수 있다.

Claims (7)

160K 미만의 온도의 냉각을 생성하기 위해 압축기로부터 공급되는 가스로서, 고압의 제1 라인에 공급되고 저압의 제2 라인으로 복귀되는 가스로 작동되는 팽창 기관으로서:
실린더 내에 있는 피스톤으로서, 고온 단부에 드라이브 스템을 구비하는 피스톤과, 피스톤이 실린더의 저온 단부에 가까이 있을 때 그리고 피스톤이 고온 단부를 향해 가는 진로의 2/3 이상을 이동하는 동안에, 고압의 가스를 저온 변위 체적으로 들어가게 하고, 피스톤이 실린더의 고온 단부에 가까이 있을 때 그리고 피스톤이 저온 단부쪽으로 이동할 때 가스를 저압으로 배출하는, 실린더의 저온 단부에 있는 저온 입구 밸브 및 저온 출구 밸브와,
드라이브 스템의 영역의 외부에서 피스톤의 고온 단부와 실린더의 고온 단부의 사이에 있는 고온 변위 체적에 제3 라인에 의해 연결된 버퍼 체적으로서, 상기 제3 라인에는 버퍼 밸브가 구비되어 있고, 상기 버퍼 밸브는, 상기 저온 입구 밸브가 폐쇄된 후에 개방되고, 상기 저온 입구 밸브가 개방되기 전에 폐쇄되는 것인 버퍼 체적과,
드라이브 스템을 왕복시키도록 드라이브 스템에 작용하는 힘, 그리고
피스톤이 이동하는 동안에, 고온 변위 체적 내의 압력을 저온 변위 체적 내의 압력과 거의 동일한 압력으로 유지하는 수단
을 포함하는 팽창 기관.

제1항에 있어서, 상기 드라이브 스템에 작용하는 힘은 공압식 힘과 기계식 힘 중의 하나인 것인 팽창 기관.

제2항에 있어서, 상기 드라이브 스템에 작용하는 공압식 힘은, 피스톤이 저온 단부를 향해 이동하는 동안에는, 제1 라인으로부터의 고압의 가스이고, 피스톤이 고온 단부를 향해 이동하는 동안에는, 제2 라인으로 복귀되는 저압의 가스인 것인 팽창 기관.

제3항에 있어서, 피스톤이 이동하는 동안에, 드라이브 스템의 영역의 외부에서, 피스톤의 고온 단부에 작용하는 압력을, 피스톤의 저온 단부에 작용하는 압력과 거의 동일한 압력으로 유지하는 수단은, 피스톤이 실린더의 저온 단부에 가까이 있을 때 그리고 피스톤이 고온 단부를 향해 가는 진로의 2/3 이상을 이동하는 동안에, 가스를 고압의 제1 라인으로 복귀시키는 고온 출구 밸브와, 피스톤이 실린더의 고온 단부에 가까이 있을 때 그리고 피스톤이 저온 단부쪽으로 이동할 때 가스를 저압의 제2 라인으로부터 들어가게 하는 고온 입구 밸브를 포함하는 것인 팽창 기관.

제1항에 있어서, 상기 드라이브 스템에 작용하는 힘은, 피스톤이 왕복하는 동안에, 제2 라인에 공급되고 제2 라인으로 복귀되는 저압의 가스인 것인 팽창 기관.

제5항에 있어서, 피스톤이 이동하는 동안에, 드라이브 스템의 영역의 외부에서, 피스톤의 고온 단부에 작용하는 압력을, 피스톤의 저온 단부에 작용하는 압력과 거의 동일한 압력으로 유지하는 수단은, 피스톤이 실린더의 저온 단부에 가까이 있을 때 그리고 피스톤이 고온 단부를 향해 가는 진로의 1/2 이상을 이동하는 동안에, 가스를 고압의 제1 라인으로 복귀시키는 고온 출구 밸브와, 피스톤이 실린더의 고온 단부에 가까이 있을 때 그리고 피스톤이 저온 단부쪽으로 이동할 때 가스를 고압의 제1 라인 및 버퍼 체적 중의 어느 하나로부터 들어가게 하는 고온 입구 밸브를 포함하는 것인 팽창 기관.

160K보다 낮은 온도의 냉각을 팽창 기관으로 생성하는 방법으로서,
상기 팽창 기관은,
고온 단부와 저온 단부를 포함하는 실린더 내에 있고, 고온 단부에 드라이브 스템을 구비하는 피스톤;
드라이브 스템의 영역의 외부에 있는 피스톤의 고온 단부와 실린더의 고온 단부의 사이에 있는 공간을 포함하는, 고온 변위 체적에 버퍼 밸브를 통해 연결되는 버퍼 체적;
을 포함하고, 상기 방법은:
(a) 상기 팽창 기관에 압축기의 공급 라인으로부터의 고압의 가스를 공급하는 단계;
(b) 상기 공급 라인의 고압보다 낮은 압력으로 가스를 복귀 라인을 통해 압축기로 복귀시키는 단계;
(c) 실린더 내의 피스톤을 저온 단부와 고온 단부의 사이에서 왕복시키는 단계;
(d) 피스톤이 실린더의 저온 단부에 또는 저온 단부의 부근에 있을 때 그리고 피스톤이 고온 단부를 향해 이동하는 동안에, 가스를 고압의 공급 라인으로부터 저온 입구 밸브를 경유하여 실린더의 저압 단부에 들어가게 하는 단계;
(e) 피스톤이 실린더의 고온 단부를 향해 가는 진로의 2/3 이상에 있을 때, 저온 입구 밸브를 폐쇄하여, 피스톤이 실린더의 고온 단부쪽으로 이동하는 동안에 가스를 버퍼 체적에 들어가게 하는 단계;
(f) 피스톤이 실린더의 저온 단부쪽으로 이동할 때, 가스를 실린더의 저온 단부로부터 저온 출구 밸브를 경유하여 복귀 라인으로 배출하는 단계;
(g) 저온 출구 밸브가 개방되어있는 시기의 적어도 일부분 동안에, 가스를 버퍼 체적으로부터 버퍼 밸브를 경유하여 고온 변위 체적으로 들어가게 하는 단계;
(h) 피스톤이 이동하는 동안에, 드라이브 스템의 영역의 외부에 있는, 피스톤의 고온 단부에 작용하는 압력을, 피스톤의 저온 단부에 작용하는 압력과 대략 동일한 압력으로 유지하는 단계
를 포함하는 방법.

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