(57)【要約】【課題】 高周波数で作動が可能で、構造が簡単であり、極低温に使用可能な線形膨張機を提供する。【解決手段】 本発明に係る線形膨張機は、対称に形成された２つのピストンをそれぞれ互いに反対方向に動かせて、ピストン運動によって発生する振動を構造的に相殺させることで、圧縮機の運動安定性に優れ、構造が簡単であることを特徴とする。【選択図】図１
2017025898.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１圧力の流体が流入する吸入口と、前記流入した第１圧力の流体が膨張して、前記第１圧力より低い第２圧力の流体として流出する吐出口とを含み、前記吸入口と前記吐出口との間に形成された膨張空間を連結する第１ホールおよび第２ホールを含むボディ部と、
前記膨張空間で前記第１圧力の流体が前記第２圧力の流体に膨張する時の力で、前記第１ホールおよび前記第２ホールの内部にあるそれぞれのピストンを直線往復運動させて誘導起電力を発生させる第１線形発電機部および第２線形発電機部と、
前記吸入口を開閉させる吸入バルブと、
前記吐出口を開閉させる吐出バルブとを含むことを特徴とする線形膨張機。
【請求項２】
前記第１ホールおよび第２ホールは、前記膨張空間を中心に同一直線上で互いに対称に位置し、
前記第１線形発電機部および第２線形発電機部は、前記ボディ部の側方両側に対称に備えられたことを特徴とする請求項１に記載の線形膨張機。
【請求項３】
前記吸入バルブと前記吐出バルブは、常時開放（ｎｏｒｍａｌｌｙ  ｏｐｅｎ）形態に設定されたことを特徴とする請求項１に記載の線形膨張機。
【請求項４】
前記吸入バルブは、前記膨張空間の圧力が低くなって、前記吸入口の外部と前記膨張空間との間の圧力差が予め設定された値より大きくなる時に閉鎖され、前記第１圧力の流体の流入を防止し、
前記吐出バルブは、前記膨張空間の圧力が低くなって、前記吐出口の外部と前記膨張空間との間の圧力差が予め設定された値より小さくなる時に開放され、前記膨張空間の流体が流出するように形成されたことを特徴とする請求項３に記載の線形膨張機。
【請求項５】
前記吸入バルブと前記吐出バルブはそれぞれ、リードバルブ（ｒｅｅｄ  ｖａｌｖｅ）として形成されたことを特徴とする請求項１に記載の線形膨張機。
【請求項６】
前記ボディ部は、前記膨張空間を有するボディ部材を含み、
前記ボディ部材と結合して前記ボディ部の吐出口と前記膨張空間との間に空間を形成し、前記吐出口から流出した流体が流れていく貫通孔が形成された吐出口連結部材をさらに含み、前記膨張空間に向かう貫通孔の終端に前記吐出バルブが形成されることを特徴とする請求項５に記載の線形膨張機。
【請求項７】
前記吐出バルブは、
前記膨張空間に向かう貫通孔の終端を塞ぐキャップ部と、
前記キャップ部に連結され、前記キャップ部の前面部と後面部との間の圧力差によって前記キャップ部が開閉されるように弾性力を提供するリード部とを含むことを特徴とする請求項５に記載の線形膨張機。
【請求項８】
前記吸入バルブは、
前記吸入口を塞ぐキャップ部と、
前記キャップ部に連結され、前記キャップ部の前面部と後面部との間の圧力差によって前記キャップ部が開閉されるように弾性力を提供するリード部とを含むことを特徴とする請求項５に記載の線形膨張機。
【請求項９】
前記第１線形発電機部および第２線形発電機部それぞれは、
前記ピストンと、
前記ボディ部に形成された第１ホールまたは第２ホールに挿入され、前記ピストンの移動経路を提供するシリンダと、
前記ピストンの移動によって誘導起電力を発生する線形発電機とを含むことを特徴とする請求項１に記載の線形膨張機。
【請求項１０】
前記第１線形発電機部および第２線形発電機部それぞれは、
前記線形発電機の可動子の動きに伴って前記ピストンが移動するように、前記可動子と前記ピストンとを連結するピストン連結部材の後端に形成された弾性部材をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の線形膨張機。
【請求項１１】
前記吸入口と前記吐出口は、前記ピストンが移動する直線方向に垂直な方向にそれぞれ配置されることを特徴とする請求項１に記載の線形膨張機。
【請求項１２】
前記ボディ部の外部に固定形成され、前記第１線形発電機部および第２線形発電機部を囲んで内部を密閉させるハウジングをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の線形膨張機。
【請求項１３】
熱伝達を遂行する冷媒を循環させて冷却対象物を冷却させる極低温冷却システムにおいて、
気体状態の前記冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機の排出口に流体的に連結され、前記冷媒の圧縮過程で発生した圧縮熱を除去するアフタークーラーと、
前記アフタークーラーの排出口に流体的に連結され、前記アフタークーラーを通過した冷媒の熱を前記圧縮機に流入する冷媒に伝達する極低温熱交換器と、
前記極低温熱交換器の排出口に流体的に連結され、前記極低温熱交換器を通過して伝達された冷媒を膨張させる線形膨張機と、
前記線形膨張機の排出口に流体的に連結され、かつ前記極低温熱交換器の吸入口に流体的に連結され、前記冷却対象物と接触するように設けられて前記冷却対象物から前記冷媒に熱を伝達する熱交換器と、
を含み、
前記線形膨張機は、請求項１〜１２のうちのいずれか一項による線形膨張機を含む極低温冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、線形膨張機に関し、高周波数で作動が可能で、構造が簡単であり、極低温に使用可能な線形膨張機及びこれを備えた極低温冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
逆ブレイトン（Ｂｒａｙｔｏｎ）冷却システムは、ブレイトンサイクルを逆に運転して、気体の圧縮、冷却、膨張、昇温過程を通して極低温を生成するシステムで、高圧の気体を低圧の気体に断熱膨張させることによって冷熱を得るシステムである。等エンタルピー膨張のジュールトムソン（Ｊｏｕｌｅ−Ｔｈｏｍｓｏｎ）膨張に比べて、断熱膨張過程で高圧の気体に外部への仕事をさせることでより大きな冷却効果が得られるという利点があるが、膨張機という別途の機械的な装置が必要である。
【０００３】
現在、極低温で運転される極低温膨張機は、大きく、往復動式膨張機（ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇ  ｅｘｐａｎｄｅｒ）と、ターボ膨張機（ｔｕｒｂｏ  ｅｘｐａｎｄｅｒ）とに分けられる。
【０００４】
従来の往復動式膨張機は、内部でピストンの膨張によって発生したエネルギーを、クランクとカムなどを用いて直線運動を回転運動に変える過程を通して外部で仕事をさせることで発散する構造である。しかし、往復動式膨張機は、サイズが大きく、作動周波数が数Ｈｚに低いという問題がある。また、内外部の間にクランクが連結される構造であるので、騒音と振動が多く発生し、内外部の温度差および圧力差によってエネルギー消耗が発生し、効率が低いという問題がある。
【０００５】
これに対し、超高速で回転するインペラを用いるターボ膨張機は、効率は良いものの、数十ｋＨｚの超高速で回転するインペラを支持するベアリング技術が必須であり、技術的障壁が高いという問題がある。
【０００６】
したがって、往復動式膨張機の低い効率および騒音と振動が発生する問題を解決し、ターボ膨張機の高い技術的障壁を解決することができる新たな膨張機を提案する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、このような従来の問題を解決するためのものであって、吸入バルブおよび吐出バルブが形成されるボディ部に対称に形成された２つの線形発電機に結合される各ピストンを互いに左右反対方向に移動させることで、ピストン運動による振動および騒音を構造的に相殺させる線形膨張機を提供することにある。
【０００８】
また、ピストンの移動方向に関係なく、ボディ部を通して流体が流入し流出する構造であるので、構造が簡単な、特にピストンの構造が簡単な線形膨張機を提供することにある。
【０００９】
さらに、完全に密封されるハウジングの内部にある線形発電機を通して膨張によって発生したエネルギーを電気エネルギーに変えるため、膨張機の内部と外部の温度および圧力差に応じたエネルギー損失を低減することができる線形膨張機を提供することにある。
【００１０】
また、本発明の他の目的は、前記線形膨張機を含む極低温冷却システムを提供することにある。
本発明が解決しようとする課題は、以上に言及した課題に制限されず、言及されていない別の課題は下記の記載から当業者に明確に理解されるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一実施形態に係る線形膨張機は、第１圧力の流体が流入する吸入口と、前記流入した第１圧力の流体が膨張して、前記第１圧力より低い第２圧力の流体として流出する吐出口とを含み、前記吸入口と前記吐出口との間に形成された膨張空間を連結する第１ホールおよび第２ホールを含むボディ部と、前記膨張空間で前記第１圧力の流体が前記第２圧力の流体に膨張する時の力で、前記第１ホールおよび前記第２ホールの内部にあるそれぞれのピストンを直線往復運動させて誘導起電力を発生させる第１線形発電機部および第２線形発電機部と、前記吸入口を開閉させる吸入バルブと、前記吐出口を開閉させる吐出バルブとを含む。
【００１２】
前記第１ホールおよび第２ホールは、前記膨張空間を中心に同一直線上で互いに対称に位置し、前記第１線形発電機部および第２線形発電機部は、前記ボディ部の側方両側に対称に備えられるとよい。
【００１３】
前記吸入バルブと前記吐出バルブは、常時開放（ｎｏｒｍａｌｌｙ  ｏｐｅｎ）形態に設定されるとよい。
【００１４】
また、前記吸入バルブは、前記膨張空間の圧力が低くなって、前記吸入口の外部と前記膨張空間との間の圧力差が予め設定された値より大きくなる時に閉鎖され、前記第１圧力の流体の流入を防止し、前記吐出バルブは、前記膨張空間の圧力が低くなって、前記吐出口の外部と前記膨張空間との間の圧力差が予め設定された値より小さくなる時に開放され、前記膨張空間の流体が流出するように形成されることが好ましい。
【００１５】
また、前記吸入バルブと前記吐出バルブはそれぞれ、リードバルブ（ｒｅｅｄ  ｖａｌｖｅ）として形成されることが好ましい。
【００１６】
前記ボディ部は、前記膨張空間を有するボディ部材を含むとよい。
さらに、前記ボディ部材と結合して前記ボディ部の吐出口と前記膨張空間との間に空間を形成し、前記吐出口から流出した流体が流れていく貫通孔が形成された吐出口連結部材をさらに含み、前記膨張空間に向かう貫通孔の終端に前記吐出バルブが形成されることが好ましい。
【００１７】
さらに、前記吐出バルブは、前記膨張空間に向かう貫通孔の終端を塞ぐキャップ部と、前記キャップ部に連結され、前記キャップ部の前面部と後面部との間の圧力差によって前記キャップ部が開閉されるように弾性力を提供するリード部とを含むとよい。
さらに、前記吸入バルブは、前記吸入口を塞ぐキャップ部と、前記キャップ部に連結され、前記キャップ部の前面部と後面部との間の圧力差によって前記キャップ部が開閉されるように弾性力を提供するリード部とを含むとよい。
【００１８】
さらに、第１線形発電機部および第２線形発電機部それぞれは、前記ピストンと、前記ボディ部に形成された第１ホールまたは第２ホールに挿入され、前記ピストンの移動経路を提供するシリンダと、前記ピストンの移動によって誘導起電力を発生する線形発電機とを含むとよい。
【００１９】
また、前記第１線形発電機部および第２線形発電機部それぞれは、前記線形発電機の可動子の動きに伴って前記ピストンが移動するように、前記可動子と前記ピストンとを連結するピストン連結部材の後端に形成された弾性部材をさらに含むとよい。
【００２０】
さらに、前記吸入口と前記吐出口は、前記ピストンが移動する直線方向に垂直な方向にそれぞれ配置されることが好ましい。
【００２１】
また、前記ボディ部の外部に固定形成され、前記第１線形発電機部および第２線形発電機部を囲んで内部を密閉させるハウジングをさらに含むとよい。
本発明の一実施形態に係る極低温冷却システムは、熱伝達を遂行する冷媒を循環させて冷却対象物を冷却させ、気体状態の前記冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機の排出口に流体的に連結され、前記冷媒の圧縮過程で発生した圧縮熱を除去するアフタークーラーと、前記アフタークーラーの排出口に流体的に連結され、前記アフタークーラーを通過した冷媒の熱を前記圧縮機に流入する冷媒に伝達する極低温熱交換器と、前記極低温熱交換器の排出口に流体的に連結され、前記極低温熱交換器を通過して伝達された冷媒を膨張させる線形膨張機と、前記線形膨張機の排出口に流体的に連結され、かつ前記極低温熱交換器の吸入口に流体的に連結され、前記冷却対象物と接触するように設けられて前記冷却対象物から前記冷媒に熱を伝達する熱交換器と、を含む。
【発明の効果】
【００２２】
上記のような本発明の線形膨張機によれば、ボディ部に対称に形成された２つの線形発電機で各ピストンを互いに左右反対方向に移動させることで、ピストン運動による振動および騒音を構造的に相殺させることができるという利点がある。
【００２３】
また、ピストンの移動方向に関係なく、ボディ部を通して流体が流入し流出する構造であるので、ピストンの構造が極めて簡単であるという利点もある。
【００２４】
さらに、ハウジングの内部にある線形発電機を通して膨張によって発生したエネルギーを電気エネルギーに変えるため、温度および圧力差に応じたエネルギー損失を低減することができるという利点もある。
【００２５】
また、線形発電機を通して生成された電気エネルギーを、圧縮機などの他の装置のエネルギー源として活用することができるという利点もある。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態に係る線形膨張機を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る線形膨張機において、吸入バルブまたは吐出バルブとして適用可能なリードバルブの常時開放構造を示す斜視図である。
【図３】圧力差が大きくなるにつれ、図２に示されたリードバルブが閉鎖された様子を示す斜視図である。
【図４Ａ】本発明の一実施形態に係る線形膨張機の動作を示すＰ−Ｖ線図である。
【図４Ｂ】本発明の一実施形態に係る線形膨張機の動作に応じたバルブの開閉タイミングとピストンの位置を示すグラフである。
【図５Ａ】本発明の一実施形態に係る線形膨張機が、図４ＡのＰ−Ｖ線図において１の地点から２の地点までの等圧吸入過程にある時の状態を示す断面図である。
【図５Ｂ】本発明の一実施形態に係る線形膨張機が、図４ＡのＰ−Ｖ線図において２の地点から３の地点までの断熱膨張過程にある時の状態を示す断面図である。
【図５Ｃ】本発明の一実施形態に係る線形膨張機が、図４ＡのＰ−Ｖ線図において３の地点から４の地点までの等圧吐出過程にある時の状態を示す断面図である。
【図５Ｄ】本発明の一実施形態に係る線形膨張機が、図４ＡのＰ−Ｖ線図において４の地点から１の地点までの断熱圧縮過程にある時の状態を示す断面図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る線形膨張機を備えた逆ブレイトン極低温冷却システムを示す構成図である。
【図７】図６に示した逆ブレイトン極低温冷却システムのＴ−ｓ線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態について、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。本発明は、種々の異なる形態で実現可能であり、ここで説明する実施形態に限定されない。図面において、本発明を明確に説明するために説明上不必要な部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素については同一の参照符号を付した。図面に示された各構成の大きさおよび厚さは説明の便宜のために任意に示したので、本発明が必ずしも図示したところに限定されない。
【００２８】
また、明細書全体において、ある部分がある構成要素を「含む」とする時、これは、特に反対となる記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく、他の構成要素をさらに包含できることを意味する。
様々な実施形態において、同一の構成を有する構成要素については同一の符号を用いて代表的に第１実施形態で説明し、その他の実施形態においては、第１実施形態と異なる構成について説明する。
【００２９】
以下、添付した図面を参照して、本発明の一実施形態に係る線形膨張機について詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る線形膨張機を示す断面図である。
本発明の一実施形態に係る線形膨張機１００は、流体が通過できるように貫通した膨張空間１１５を有するボディ部１１０と、ボディ部１１０の側方両側に結合され、膨張空間１１５と連結された第１線形発電機部１３０ａおよび第２線形発電機部１３０ｂと、流体の通過する方向に沿って膨張空間１１５の前方と後方にそれぞれ位置する吸入バルブ１７０および吐出バルブ１８０とを含む。
【００３０】
ボディ部１１０は、線形膨張機１００の外部の高圧流体が内部に流入する吸入口１１１と、膨張によって圧力が低下した低圧の流体を線形膨張機１００の外部に流出する吐出口１１２とを含み、吸入口１１１と吐出口１１２との間に膨張空間１１５が位置する。ボディ部１１０の側方両側に開口しており、膨張空間１１５と連通した第１ホール１１３および第２ホール１１４が形成される。２つのピストン１３７ａ、１３７ｂは、第１ホール１１３および第２ホール１１４に沿って直線往復運動するように形成できる。より詳細には、ボディ部１１０に形成された第１ホール１１３および第２ホール１１４にシリンダ１３８ａ、１３８ｂがそれぞれ挿入され、シリンダ１３８ａ、１３８ｂの内部にそれぞれのピストン１３７ａ、１３７ｂが挿入されて直線往復運動をすることができる。
【００３１】
この時、ボディ部１１０の第１ホール１１３および第２ホール１１４は、吸入口１１１と吐出口１１２との間の膨張空間１１５にある流体が膨張する力によって、ピストン１３７ａ、１３７ｂを移動させることができるように膨張空間１１５と連結され、第１ホール１１３と第２ホール１１４は、膨張空間１１５を中心に同一直線上で互いに対称に形成されるとよい。
【００３２】
また、ボディ部１１０の形状は、図１に示されているように、膨張空間１１５を中心に左右対称に形成されてもよいが、これに限定されるものではない。さらに、吸入口１１１と吐出口１１２は、ピストン１３７ａ、１３７ｂが往復運動する直線方向に垂直な方向にそれぞれ形成され、流体を通過させることができる。
【００３３】
ボディ部１１０は、後述する吐出バルブ１８０を形成するための吐出口連結部材１５０と、外部から高圧の流体を吸入口１１１に案内する吸入口連結部材１６０とをさらに含むとよいが、本記載においては、ボディ部材１１８に吐出口連結部材１５０および吸入口連結部材１６０が結合されてボディ部１１０を構成すると説明する。
【００３４】
第１線形発電機部１３０ａと第２線形発電機部１３０ｂはそれぞれ同一の構成で、ボディ部１１０の側方両側に対称に備えられる。ボディ部１１０の膨張空間１１５で流体が膨張して生じる力によって、第１線形発電機部１３０ａおよび第２線形発電機部１３０ｂのピストン１３７ａ、１３７ｂそれぞれは、第１ホール１１３および第２ホール１１４でそれぞれ互いに反対方向に直線往復運動をしながら誘導起電力が生成されるようにする。吸入口１１１、吐出口１１２、および２つのピストン１３７ａ、１３７ｂで区画される膨張空間１１５の内部に高圧の気体が流入すると、高圧の気体が膨張し、ピストン１３７ａ、１３７ｂを動かして誘導起電力を生成し、膨張によって圧力が低下した低圧の流体が膨張空間１１５の外部に流出する過程を繰り返すことになる。本発明の一実施形態に係る線形膨張機１００の詳細な動作過程は、図４Ａ〜図５Ｄを参照して後述する。
【００３５】
第１線形発電機部１３０ａと第２線形発電機部１３０ｂはそれぞれ、ピストン１３７ａ、１３７ｂと、シリンダ１３８ａ、１３８ｂと、線形発電機１３９ａ、１３９ｂとを含むとよい。
【００３６】
図１を参照すれば、シリンダ１３８ａ、１３８ｂは、略円筒形部分を含む形状からなって、ボディ部１１０の第１ホール１１３および第２ホール１１４に挿入され、ピストン１３７ａ、１３７ｂは、シリンダ１３８ａ、１３８ｂの円筒形部分に挿入されて往復運動が案内される。線形発電機１３９ａ、１３９ｂは、内側固定子１３３ａ、１３３ｂと、内側固定子１３３ａ、１３３ｂと一定の空隙をおいて内部にコイル１３２ａ、１３２ｂが巻線された外側固定子１３１ａ、１３１ｂと、永久磁石からなる可動子１３４ａ、１３４ｂとから構成されるとよい。膨張空間１１５にある流体が膨張する力によってピストン１３７ａ、１３７ｂが移動すると、ピストン１３７ａ、１３７ｂとピストン連結部材１３５ａ、１３５ｂによって連結された可動子１３４ａ、１３４ｂは、ピストン１３７ａ、１３７ｂの移動によって共に直線運動をすることができる。この時、永久磁石の可動子１３４ａ、１３４ｂが直線運動するにつれ、外側固定子１３１ａ、１３１ｂの内部に形成されたコイル１３２ａ、１３２ｂに誘導起電力を生成させることができる。
【００３７】
ピストン１３７ａ、１３７ｂの共振運動条件を満足させ、ピストン１３７ａ、１３７ｂを支持するために、前述した可動子１３４ａ、１３４ｂとピストン１３７ａ、１３７ｂとを連結するピストン連結部材１３５ａ、１３５ｂの後端には、弾性部材１３６ａ、１３６ｂが連結されるとよい。この時、弾性部材１３６ａ、１３６ｂは、板状形スプリングから構成されてもよく、コイルスプリングから構成されてもよい。
【００３８】
本発明の一実施形態に係る線形膨張機１００が極低温で使用される場合には、金属材質の弾性部材１３６ａ、１３６ｂを用いず、可動子１３４による磁気スプリングでスプリング剛性を付与することができる。
【００３９】
吸入バルブ１７０は、吸入口１１１を開閉させるように形成され、吸入口１１１の外部の高圧の流体が吸入口１１１を通してボディ部１１０の膨張空間１１５の内部に流入できるようにする。吐出バルブ１８０は、吐出口１１２を開閉させるように形成され、ボディ部１１０の膨張空間１１５の内部で圧力が低下した低圧の流体が吐出口１１２を通して外部に流出できるようにする。
【００４０】
本発明の一実施形態に係る線形膨張機１００では、吸入口１１１の外部の圧力は、常に吸入口１１１の内部である膨張空間１１５の圧力より高く、吐出口１１２の外部の圧力は、常に膨張空間１１５の圧力より低く設定される。この時、吸入バルブ１７０と吐出バルブ１８０は、常時開放（ｎｏｒｍａｌｌｙ  ｏｐｅｎ）形態に設定されるとよい。
【００４１】
吸入バルブ１７０の常時開放（ｎｏｒｍａｌｌｙ  ｏｐｅｎ）形態は、吸入口１１１の外部の圧力が高いにもかかわらず開放され、膨張空間１１５にある流体の圧力が低くなって、内外部の圧力差が設定された値よりも大きくなる瞬間に閉鎖されることによって、吸入口１１１の外部の高圧の流体の流入を防止できるように設定されるのである。また、吐出バルブ１８０の常時開放（ｎｏｒｍａｌｌｙ  ｏｐｅｎ）形態は、膨張空間１１５と吐出口１１２の外部との圧力差が大きいため閉鎖され、膨張によって膨張空間１１５の圧力が低くなるにつれ、吐出口１１２の外部と膨張空間１１５との間の圧力差が設定された値より小さくなる時に開放されることによって、膨張空間１１５の流体が吐出口１１２を通して流出するように設定されるのである。吸入口１１１の外部と膨張空間１１５との間の圧力差の設定された値は、吐出口１１２の外部と膨張空間１１５との間の圧力差の設定された値と同一でもよく、異なっていてもよい。このような圧力差の設定された値は、吸入バルブ１７０および吐出バルブ１８０の加工および組立寸法を設計して適用することにより設定されるとよい。
【００４２】
ここで、「常時開放」といえば、外部の力を受けない条件ではバルブが開放されており、圧力差による圧力の力が特定値より大きくなる時に閉鎖される構造を意味する。本実施形態において、吸入バルブ１７０と吐出バルブ１８０は、手動バルブ（ｐａｓｓｉｖｅ  ｖａｌｖｅ）であり、バルブの加工および組立寸法を設計して適用することにより所望の条件を得ることができる。
【００４３】
吸入バルブ１７０と吐出バルブ１８０は、膨張空間１１５の内部の圧力値またはピストン１３７ａ、１３７ｂの位置に応じた信号を受信して電気的な信号で開閉させる電気的バルブから構成されてもよく、膨張空間１１５の内外部の圧力差に応じて自動的に開閉される機械的バルブから構成されてもよい。
【００４４】
以下、図２と図３を参照して、機械的バルブから構成される吸入バルブ１７０および吐出バルブ１８０の一例を説明する。
【００４５】
図２は、本発明の一実施形態に係る線形膨張機において、吸入バルブまたは吐出バルブとして適用可能なリードバルブの常時開放構造を示す斜視図であり、図３は、圧力差が大きくなるにつれ、図２に示されたリードバルブが閉鎖された様子を示す斜視図である。
【００４６】
内外部の圧力差に応じて自動的に開閉される吸入バルブ１７０または吐出バルブ１８０の機械的バルブの一例としてリードバルブ（ｒｅｅｄ  ｖａｌｖｅ）２００を用いることができるが、図２は、リードバルブ２００の一例を示している。リードバルブ２００は、キャップ部２１０とリード部２２０とを含んで構成されるとよい。キャップ部２１０は、開口部２５０と一定距離離隔して開口部２５０を通して流体が流入または流出できるようにし、圧力差が大きくなると、流体の流れる開口部２５０を覆って流体の流れを防止できるようにするバー状の部材である。この時、開口部２５０と接触する部分は、密封のためにポリマー材質で加工できるが、例えば、ルーロン（ｒｕｌｏｎ）、カプトン（ｋａｐｔｏｎ）などの材質が用いられてもよい。リード部２２０は、キャップ部２１０をボディ部１１０に固定する弾性部材で、キャップ部２１０の前面部と後面部との間の圧力差に応じて弾性力によってキャップ部２１０を動かして、流体の流れる開口部２５０を開閉させることができる。
【００４７】
図２では、キャップ部２１０の前面部が、キャップ部２１０の下である後面部より圧力値が大きいにもかかわらず、圧力差が小さくてリードバルブ２００が開放されていることを示している。図３では、前面部と後面部との間の圧力差が大きくなって、リードバルブ２００が閉鎖されていることを示している。前述のように、本発明の一実施形態に係る線形膨張機１００では、吸入バルブ１７０と吐出バルブ１８０に常時開放構造のバルブを適用しているため、外部の圧力が内部の圧力より大きくてもバルブは開放されており、設定された値より圧力差がより大きくなると閉鎖される構造に形成されるとよい。
【００４８】
図２と図３を参照して、本発明の一実施形態に係る線形膨張機の吸入バルブおよび吐出バルブに適用される機械的バルブの一例を説明したが、圧力差によって自動的に開閉できれば、これに限定されず、多様に変形が可能である。
【００４９】
再び図１を参照して説明すれば、吐出バルブ１８０を形成するために、線形膨張機１００は、前述した吐出口連結部材１５０をさらに含むとよい。吐出口連結部材１５０は、吐出口１１２を通して流体が流れるように貫通する貫通孔が形成され、ボディ部材１１８と結合して吐出口１１２と膨張空間１１５との間に離隔した空間を形成するように内側に凹んだ段差形状を有するとよい。この時、膨張空間１１５に向かう吐出口１１２の端には突起１５２が形成されてもよいが、突起１５２は、吐出バルブ１８０に向かって突出しながら吐出バルブ１８０の移動範囲を制限することができる。吐出口連結部材１５０に吐出バルブ１８０を設け、吐出口連結部材１５０を再びボディ部材１１８に結合させると、圧力差に応じて自動的に開閉される吐出バルブ１８０をボディ部１１０に容易に設けることができる。
【００５０】
同様に、図１に示されているように、ボディ部１１０に形成された吸入口１１１に吸入バルブ１７０を形成することができ、この時、外部から吸入口１１１に流体を案内する吸入口連結部材１６０をさらに含んでもよい。
【００５１】
ボディ部１１０の外部にはハウジング１９０が固定形成され、ハウジング１９０は、第１線形発電機部１３０ａと第２線形発電機部１３０ｂを囲みながら内部を密閉させることができる。
【００５２】
本実施形態では、膨張空間１１５の内部で流体の膨張によってピストン１３７ａ、１３７ｂが左右移動をする時、ピストン１３７ａ、１３７ｂがそれぞれ膨張空間１１５の左右で互いに反対方向に同じ速度で同じ距離だけ移動するため、左右それぞれのピストン１３７ａ、１３７ｂで発生する振動を構造的に互いに相殺させることができる。
また、ピストン１３７ａ、１３７ｂの移動方向とは関係なく、ボディ部１１０を通して流体が流入し流出するため、線形膨張機１００の構造が簡単になり、特にピストン１３７ａ、１３７ｂの構造が簡単になる。
【００５３】
さらに、ハウジング１９０の内部にある線形発電機１３０ａ、１３０ｂを通して一エネルギーを生成させる時、ハウジング１９０の内外部の温度および圧力差による漏れおよび熱伝達によるエネルギー損失を低減することができる。
【００５４】
以下、図４Ａ、図４Ｂ、および図５Ａ〜図５Ｄを参照して、本発明の一実施形態に係る線形膨張機１００の動作について説明する。
【００５５】
図４Ａは、本発明の一実施形態に係る線形膨張機の動作を示すＰ−Ｖ線図であり、図４Ｂは、本発明の一実施形態に係る線形膨張機の動作に応じたバルブの開閉タイミングとピストンの位置を示すグラフである。本発明の一実施形態に係る線形膨張機１００は、図４ＡのＰ−Ｖ線図において１−２の地点の間の等圧吸入（ｉｓｏｂａｒｉｃ  ｓｕｃｔｉｏｎ）過程、２−３の地点の間の断熱膨張（ａｄｉａｂａｔｉｃ  ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）過程、３−４の地点の間の等圧吐出（ｉｓｏｂａｒｉｃ  ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）過程、４−１の地点の間の断熱圧縮（ａｄｉａｂａｔｉｃ  ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ）過程を１サイクルとして動作することができ、サイクルが繰り返されるにつれ、吸入口１１１を通して流入した高圧の流体が低圧に膨張して、吐出口１１２を通して連続的に流出できる。
【００５６】
また、図４Ｂを参照すれば、１−２の地点の間の等圧吸入過程で、吸入バルブ１７０（図４Ｂにて実線）は開放された状態を維持し、吐出バルブ１８０（図４Ｂにて破線）は閉鎖された状態を維持し、ピストン１３７ａ、１３７ｂは互いに遠ざかるに伴って外側に移動する。２−３の地点の間の断熱膨張過程で、吸入バルブ１７０と吐出バルブ１８０は閉鎖された状態を維持し、ピストン１３７ａ、１３７ｂは引き続き互いに遠ざかりながら外側に移動する。３−４の地点の間の等圧吐出過程で、吸入バルブ１７０は閉鎖された状態を維持し、吐出バルブ１８０は開放された状態を維持し、ピストン１３７ａ、１３７ｂは互いに近づきながら内側に移動する。４−１の地点の間の断熱圧縮過程で、吸入バルブ１７０と吐出バルブ１８０は閉鎖された状態を維持し、ピストン１３７ａ、１３７ｂは引き続き互いに近づきながら内側に移動する。
【００５７】
図５Ａは、本発明の一実施形態に係る線形膨張機が、図４ＡのＰ−Ｖ線図において１の地点から２の地点までの等圧吸入過程にある時の状態を示す断面図であり、図５Ｂは、図４ＡのＰ−Ｖ線図において２の地点から３の地点までの断熱膨張過程にある時の状態を示す断面図であり、図５Ｃは、図４ＡのＰ−Ｖ線図において３の地点から４の地点までの等圧吐出過程にある時の状態を示す断面図であり、図５Ｄは、図４ＡのＰ−Ｖ線図において４の地点から１の地点までの断熱圧縮過程にある時の状態を示す断面図である。
【００５８】
まず、図５Ａは、等圧吸入過程（１→２）を示しているが、吸入口１１１の外部に形成されたシステム高圧ＰＨは、膨張空間１１５の圧力ＰＣよりは常に大きくなるように維持される。この時、システム高圧ＰＨと膨張空間１１５の圧力ＰＣとの間の圧力差が小さくて、吸入バルブ１７０は開放された状態を維持するにつれ、高圧の流体がボディ部１１０の内部に流入する。高圧の流体が流入するにつれ、ピストン１３７ａ、１３７ｂが左右外側方向に移動しながら膨張空間１１５の圧力ＰＣは一定に維持できる。この時、膨張空間１１５の圧力ＰＣは、吐出口１１２の外部に形成されたシステム低圧ＰＬよりは常に大きいが、その値の差が大きくて吐出バルブ１８０は閉鎖されており、流体の流出を防止した状態で、システム高圧ＰＨから高圧の流体がボディ部１１０の内部に流入することになる。
【００５９】
以降、図５Ｂに示されているように、断熱膨張過程（２→３）を経ることになるが、膨張空間１１５の内部に流入した高圧の気体が膨張するにつれ、膨張空間１１５の圧力ＰＣが減少する。したがって、断熱膨張過程中にシステム高圧ＰＨと膨張空間１１５の圧力ＰＣとの差が大きくなって、吸入バルブ１７０は閉鎖される。膨張空間１７０の圧力ＰＣが小さくなっても、システム低圧ＰＬとの圧力値の差が依然として大きくて、吐出バルブ１８０も閉鎖された状態を維持する。膨張空間１１５の内部の高圧の流体が膨張するにつれ、流体の圧力が減少するが、この時、膨張する力によって、ピストン１３７ａ、１３７ｂは左右外側方向に移動をし、この過程で線形発電機１３９ａ、１３９ｂで誘導起電力を生成させることができる。
【００６０】
生成された電気は、負荷に仕事をさせて消尽させてもよいが、別途の充電システムを備えて充電させて活用したり、他の機器（例えば、圧縮機）の電力源として活用してもよい。
以降、図５Ｃに示されているように、等圧吐出過程（３→４）を経ることになるが、断熱膨張過程で膨張空間１１５の圧力ＰＣが次第に低くなるにつれ、システム低圧ＰＬとの圧力差が次第に小さくなり、圧力差が設定された値を有すれば吐出バルブ１８０が開放され、膨張空間１１５の内部の低圧の流体を線形膨張機１００の外部に流出させる。膨張空間１１５の内部の流体が流出する時、膨張空間１１５の圧力ＰＣが一定の状態を維持し、ピストン１３７ａ、１３７ｂは再び左右内側に移動する。もちろん、この際にも、吸入バルブ１７０は閉鎖された状態を維持する。
【００６１】
以降、図５Ｄに示されているように、断熱圧縮過程（４→１）を経ることになるが、ピストン１３７ａ、１３７ｂの移動によって再び圧縮が進行し、この時、吸入バルブ１７０と吐出バルブ１８０は全て閉鎖された状態を維持する。
【００６２】
このように、図５Ａ〜図５Ｄを参照して説明した過程を１サイクルとしてサイクルが繰り返され、線形膨張機１００の外部から流入した高圧の流体を膨張させることによって低圧の流体に変えた後、低圧の流体を線形膨張機１００の外部に連続的に流出させることができる。
【００６３】
図５Ａ〜図５Ｄでは、 吸入バルブ１７０と 吐出バルブ１８０が、図２および図３を参照して説明したリードバルブ２００から構成されているが、これに限定されず、圧力の差で作動する多様な形態の機械的バルブ、および電気的な信号で作動する電気的バルブを使用できることはもちろんである。
【００６４】
図６は、本発明の一実施形態に係る線形膨張機を備えた逆ブレイトン極低温冷却システムを示す構成図であり、図７は、図６に示した極低温冷却システムのＴ−ｓ線図である。
図６を参照すれば、本実施形態に係る極低温冷却システム３０は、圧縮機３１０、極低温熱交換器３４０、線形膨張機１００及び熱交換器３５０を含み、熱伝達を遂行する冷媒を循環させて冷却対象物ＣＴを極低温に冷却または維持させる作用をする。一例として超伝導ケーブルの超伝導状態を維持できるように、−２００℃以下に冷却するために使用されることができる。
【００６５】
圧縮機３１０は、気体状態の冷媒を圧縮する。圧縮機３１０の排出口にはアフタークーラー３２０が連結されて、冷媒の圧縮過程で発生した圧縮熱を除去することができる。アフタークーラー３２０の排出口には極低温熱交換器３４０が連結されて、アフタークーラー３２０を通過した冷媒の熱を圧縮機３１０に流入する冷媒に伝達することができる。
【００６６】
本実施形態に係る線形膨張機１００は、極低温熱交換器３４０の排出口に連結されて、極低温熱交換器３４０を通過して伝達された冷媒を膨張させることができる。線形膨張機１００は、図１〜図５Ｄを参照して説明した線形膨張機１００が適用されるとよい。極低温熱交換器３２０は、高温、高圧の気体と低温、低圧の気体が互いに反対方向に流れながら互いに熱交換する対向流型（ｃｏｕｎｔｅｒ  ｆｌｏｗ  ｔｙｐｅ）が適用されるとよい。
【００６７】
熱交換器３５０は、線形膨張機１００の排出口に連結され、かつ極低温熱交換器３４０の吸入口に連結され、冷却対象物ＣＴと接触するように設けられて冷却対象物ＣＴから冷媒に熱を伝達することができる。冷却対象物ＣＴは固体であってもよく、流体（液体または気体）であってもよい。
【００６８】
以下、図６及び図７を参照して本実施形態に係る極低温冷却システムの作動過程を説明する。
【００６９】
圧縮機３１０は、低圧の気体冷媒を高圧に圧縮し（１→２）、アフタークーラー３２０は気体冷媒の圧縮過程で発生する圧縮熱を除去した後（２→３）、極低温熱交換器３４０は低圧の冷たい気体によって冷媒を冷却させる（３→４）。
【００７０】
線形膨張機１００で高圧の気体冷媒は低圧に膨張しながら外部に熱を発散し、気体冷媒の温度が落ちて（４→５）、熱交換器３５０に設けられた冷却対象物ＣＴを冷却しながら気体冷媒の温度は一部上昇する（５→６）。極低温熱交換器３４０で高圧の熱い気体冷媒を冷却し（６→１）、再び圧縮機３４０に吸入される。
【００７１】
図６において３→４→５→６→１の過程は、常温よりも低い温度で作動するため、外部からの熱侵入を防止するために真空断熱されるとよい。
【００７２】
本発明の権利範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなく、添付した特許請求の範囲内で多様な形態の実施形態で実現可能である。特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱することなく、当該発明の属する技術分野における通常の知識を有する者であれば誰でも変形可能な多様な範囲まで本発明の請求範囲の記載範囲内にあると見なす。
【符号の説明】
【００７３】
１００：線形膨張機
１１０：ボディ部
１１１：吸入口
１１２：吐出口
１１３：第１ホール
１１４：第２ホール
１１５：膨張空間
１３０ａ：第１線形発電機部
１３０ｂ：第２線形発電機部
１３１ａ、１３１ｂ：外側固定子
１３２ａ、１３２ｂ：コイル
１３３ａ、１３３ｂ：内側固定子
１３５ａ、１３５ｂ：ピストン連結部材
１３６ａ、１３６ｂ：弾性部材
１３７ａ、１３７ｂ：ピストン
１３８ａ、１３８ｂ：シリンダ
１３９ａ、１３９ｂ：線形発電機
１５０：吐出口連結部材
１５２：突起
１６０：吸入口連結部材
１７０：吸入バルブ
１８０：吐出バルブ
１９０：ハウジング
２００：リードバルブ
２１０：キャップ部
２２０：リード部
３０：極低温冷却システム
３１０：圧縮機
３２０：アフタークーラー
３４０：極低温熱交換器
３５０：熱交換器
ＣＴ：冷却対象物
【図１】
2017025898.tif 000003
【図２】
2017025898.tif 000004
【図３】
2017025898.tif 000005
【図４Ａ】
2017025898.tif 000006
【図４Ｂ】
2017025898.tif 000007
【図５Ａ】
2017025898.tif 000008
【図５Ｂ】
2017025898.tif 000009
【図５Ｃ】
2017025898.tif 000010
【図５Ｄ】
2017025898.tif 000011
【図６】
2017025898.tif 000012
【図７】
2017025898.tif 000013