A free-piston reciprocating expander is a device which operates without any mechanical linkage to a stationary part. Since the motion of the floating piston is only controlled by the pressure difference at two ends of the pis-ton, this kind of expander may indispensably require a sophisticated active control system equipped with multi-ple valves and reservoirs. In this thesis, however, a novel design that can reduce complexity of the previously developed cryogenic free-piston expander configuration is proposed. It is a simple replacement of both multiple valves and reservoirs by a combination of an orifice valve and a reservoir. The functional characteristic of the integrated orifice-reservoir configuration is similar to that of a phase controller applied in a pulse tube refrigera-tor so that the configuration is designated as a phase controller. The numerical model of this unique free-piston reciprocating expander utilizing a phase controller is established to understand the behavior and analyze quanti-tatively the performance variation of the expander. The developed numerical model is verified with the experi-mental results of different orifice valve opening and different inlet temperature. This thesis also suggests the design criteria of the expander by considering the effect of each parameter which affects the expander performance. The simulation program can be a useful tool for designing a cryogenic free-piston expander with a phase controller.
팽창기란 고압의 가스를 팽창시켜 유용 일 추출 및 저온에 도달 시키는 기계적 기구이며 그 중 자유피스톤 왕복동식 팽창기는 피스톤에 기계적 연결부를 제거한 형태이다. 자유피스톤 왕복동식 팽창기는 피스톤을 움직일 수 있는 연결부가 없기 때문에 피스톤이 피스톤 양단(고온부 및 저온부)의 압력차이에 의해서만 움직이게 되며 이 압력차이를 조절하여 팽창 사이클을 구성하는 것이 자유피스톤 방식의 주요 기술이다. 기존 방식은 고온부의 압력을 여러 개의 미리 설정되어 있는 압력의 저장소와 각 저장소와 연결된 솔레노이드 밸브를 조작하여 피스톤의 움직임을 제어하였지만 이와 같은 방식의 팽창기는 다수의 저장소 및 솔레노이드 밸브를 사용한다는 점에서 시스템이 복잡하다는 단점이 있다. 그래서 본 연구에서는 기존 방식의 팽창기보다 더 단순한 새로운 형태인 위상조절기를 이용한 극저온 자유피스톤 왕복동식 팽창기를 세계 최초로 제안하고, 성능 예측 모델을 개발 및 검증하였으며 설계 방향을 제시하였다.
