एक्सपैंशन मशीनों के स्तरों से संबंधित समस्याएँ

विस्तारक यंत्र का सिद्धांत यह है: संपीड़ित गैस के विस्तार एवं दबाव कम होने पर बाहर निकलने वाले यांत्रिक कार्य का उपयोग करके गैस के तापमान को कम किया जाता है; इस प्रक्रिया से ठंडक प्राप्त की जाती है। एक्सपैंशन मशीनों का उपयोग आमतौर पर अत्यधिक निम्न तापमान वाले विस्तारकों को उनकी गति-प्रकृति एवं संरचना के आधार पर दो श्रेणियों में विभाजित किया जाता है – पिस्टन विस्तारक एवं टर्बाइन विस्तारक। पिस्टन एक्सपेंशन इंजन, मुख्य रूप से उच्च दबाव अनुपात एवं कम प्रवाह दर वाले मध्यम/छोटे आकार के उच्च/मध्यम दबाव वाले अति-शीतलन उपकरणों के लिए उपयुक्त है। टर्बाइन एक्सपेंशन मशीनों में, पिस्टन एक्सपेंशन मशीनों की तुलना में अधिक प्रवाह दर, सरल संरचना, कम आकार, उच्च दक्षता एवं लंबा संचालन चक्र जैसी विशेषताएँ होती हैं; इसलिए ये बड़े एवं मध्यम आकार के गहरे निम्न तापमान वाले उपकरणों के लिए उपयुक्त हैं। 　　पिस्टन एक्सपेंशन मशीन, गैस को परिवर्तनशील आयतन में फैलने के लिए प्रेरित करती है; इस प्रकार यह ठंडक पैदा करने हेतु बाहरी ऊर्जा उत्पन्न करती है। (आमतौर पर, इलेक्ट्रिक मोटर द्वारा ही यह बाहरी ऊर्जा अवशोषित की जाती है।) ऐसे विस्तारकों के दो प्रकार होते हैं – स्वतंत्र प्रकार एवं लेटा हुआ प्रकार। अधिकतर मामलों में ऊर्ध्वाधर संरचना ही उपयोग में आती है। क्रैंकशाफ्ट, कनेक्टिंग रॉड, क्रॉसहेड, पिस्टन, इनलेट वाल्व एवं आउटलेट वाल्व आदि गतिशील भाग हैं; ये क्रमशः फ्रेम, सिलेंडर एवं मध्यवर्ती बेस में स्थित होते हैं। इनका कार्य लगातार आगे-पीछे चलने वाले पिस्टन कंप्रेसर के समान ही होता है। हालाँकि, इनके इनलेट/आउटलेट वाल्व, इनलेट/आउटलेट कैम द्वारा निर्धारित समय पर ही खुलते/बंद होते हैं। पिस्टन एक्सपेंशन मशीनों में, इनलेट/आउटलेट वाल्वों के कारण होने वाला प्रतिरोध, अपूर्ण विस्तार, घर्षण से उत्पन्न ऊष्मा, तथा बाहरी एवं आंतरिक ऊष्मा-आदान-प्रदान के कारण ठंडी ऊष्मा का नुकसान होता है। इस कारण, ऐसी मशीनों की वास्तविक दक्षता आम तौर पर इस प्रकार होती है – उच्च दबाव वाली एक्सपेंशन मशीनों में 65–85%, जबकि मध्यम दबाव वाली एक्सपेंशन मशीनों में 60–70%। 1950 के दशक में, कैम ड्राइव सिस्टम के बिना काम करने वाले वाल्व-रहित एवं एकल-वाल्व वाले एक्सपेंशन मशीनें विकसित हुईं। इनके कारण एक्सपेंशन मशीनों में प्रयोग होने वाले घटकों की संख्या कम हो गई, जिससे मशीनों की कार्यक्षमता में वृद्धि हुई। ऐसी मशीनों का उपयोग छोटे आकार के अत्यधिक ठंडे तापमान वाले उपकरणों में व्यापक रूप से किया जा रहा है। 1960 के दशक में, तेल से चिकनाई किए गए धातु के सीलिंग घटकों के स्थान पर, फिलर युक्त पॉलीटेट्राफ्लोरोइथिलीन से बने सीलिंग घटकों का उपयोग किया गया। इससे चिकनाईकारक तेल अति-शीतल वातावरण या तरलीकरण क्षेत्र में नहीं पहुँच पाया, जिससे सुरक्षा सुनिश्चित हुई। 　　टर्बाइन एक्सपैंशन मशीन, वह मशीन है जो गैस के संपीडन/विस्तार के दौरान उसकी गति में होने वाले परिवर्तनों का उपयोग करके ऊर्जा का संचरण करती है ऐसे विस्तारकों को एक-स्तरीय एवं द्वि-स्तरीय, ऊर्ध्वाधर एवं क्षैतिज, प्रवाह-प्रकार एवं प्रतिक्रिया-प्रकार में वर्गीकृत किया जाता है। आमतौर पर एकल-स्तरीय केंद्राभिमुख प्रवाह वाली प्रणाली ही उपयोग में आती है; बाहर निकलने वाली ऊर्जा को जनरेटर, फैन या ऑयल ब्रेक द्वारा अवशोषित किया जाता है। यह लगभग एकल-स्तरीय सेंट्रीफ्यूजल कंप्रेसर के समान है, लेकिन इसमें इनलेट वायु-प्रवाह को नियंत्रित करने हेतु (समायोज्य पंखों वाले) गाइड उपकरण भी होते हैं। कम गति वाले बेयरिंगों के लिए जबरदस्ती स्नेहन हेतु तेल का उपयोग किया जाता है, जबकि उच्च गति वाले बेयरिं टर्बाइन एक्सपेंशन मशीनों में नोजल हानि, इम्पेलर हानि, अतिरिक्त गति से होने वाली हानि, व्हीलहुड के कारण होने वाली हानि, लीकेज के कारण होने वाली हानि, प्रवाह-संबंधी हानियाँ, एवं बाहरी ऊष्मा के कारण होने वाली हानियाँ होती हैं। इस कारण ऐसी मशीनों की वास्तविक दक्षता आम तौर पर इस प्रकार होती है – मध्यम दबाव वाली एक्सपेंशन मशीनों की दक्षता 65–75%, जबकि कम दबाव वाली एक्सपेंशन मशीनों की दक्षता 75–85% होती है। 1960 के दशक में ही तरल-विस्तारक इंजन बनाए गए, जिनका उपयोग मुख्यतः प्राकृतिक गैस अलगीकरण उपकरणों में किया गया।