KR101440709B1 - 극저온냉동기 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 냉매가스가 공급되는 실린더와, 그 실린더 내에서 왕복이동하는 디스플레이서와, 상기 디스플레이서를 상기 실린더 내에서 왕복이동시키는 구동장치와, 상기 구동장치와 상기 디스플레이서를 연결하는 연결기구를 가지는 극저온냉동기로서, 상기 연결기구가, 상기 구동장치로부터 상기 디스플레이서를 향하여 뻗어 나온 출력축과, 상기 디스플레이서의 왕복이동방향과 교차하는 방향으로 뻗어 나오도록 상기 출력축을 관통하여 설치된 계합핀과, 상기 디스플레이서가 회전할 때에 상기 계합핀과 계합하여, 그 디스플레이서의 회전을 방지하는 회전방지기구와, 상기 디스플레이서의 상기 일단부에 고정됨과 함께 상기 출력축과 계합하는 덮개체를 가지는 구성으로 한다.

Description

극저온냉동기{Cryogenic refrigerator}

본 발명은 극저온냉동기에 관한 것으로서, 특히 구동장치와 디스플레이서를 연결하는 연결기구를 가진 극저온냉동기에 관한 것이다.

일반적으로, 극저온을 발생하는 냉동기로서 기포드·맥마혼 냉동기(이하, GM냉동기라 함)가 알려져 있다. 이 GM냉동기는, 축냉재를 내장하는 디스플레이서의 움직임과 밸브에 의한 냉매가스의 단열팽창이 연동하는 기포드·맥마혼 사이클에 근거하여 냉각효과를 얻는 냉동기이다.

GM냉동기는, 먼저, 압축기에 의하여 압력을 높인 냉매가스를 실린더에 공급한다. 이 시점 디스플레이서는 하사점에 있다. 냉매가스의 압력차에 의하여, 또한 모터의 힘에 의하여 디스플레이서는 상승한다. 디스플레이서가 상사점에 도달하였을 때 밸브를 전환하여, 디스플레이서 하부에 고인 냉매가스를 단열팽창시켜서, 냉매가스를 냉각하여, 디스플레이서에 내장된 축냉재와 열교환시킨다. 그때, 디스플레이서는 하강하기 시작하고, 하사점으로 되돌아오면 밸브를 전환하여, 다시 압축기에 의하여 압력을 높인 냉매가스가 실린더 내에 들어오고, 디스플레이서 내의 축냉재와 열교환하여 냉각되며, 이를 반복함으로써, 실린더 하단부의 열부하 플랜지부가 냉각된다. 일반적으로, 모터의 회전운동을 크랭크기구나 스카치요크기구를 이용하여 직선운동으로 변환하여, 디스플레이서의 왕복이동을 얻고 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조).

종래, 스카치요크기구의 왕복운동하는 출력축을 디스플레이서에 접속시키는 경우, 도 7 및 도 8에 나타내는 연결기구가 사용되었다. 이 연결기구는, 핀칼라(102), 평행핀(104), 어퍼컵(upper cup)(105), 스프링핀(107) 등에 의하여 구성되어 있다.

출력축(101)은 로드(rod)형상의 부재이고, 도시하지 않은 스카치요크에 접속됨으로써 도면 중 상하방향으로 왕복운동한다. 이 출력축(101)의 하단부에는 도너츠형상의 핀칼라(102)가 끼워지고, 핀칼라(102)와 출력축(101)을 관통하는 평행핀(104)에 의하여 고정되어 있다.

디스플레이서(103)의 상단면에는 축구멍(103a)이 형성되고, 그 안에 출력축(101) 및 핀칼라(102)가 삽입되어 있다. 또한, 디스플레이서(103)의 상단면에는, 고정볼트(106)에 의하여 어퍼컵(105)이 고정되어 있다.

이 어퍼컵(105)의 중앙에는 개구(105a)가 형성되어 있고, 출력축(101)은 이 개구(105a)를 관통하여 상방을 향하여 뻗어 있다. 또한, 핀칼라(102)의 직경은, 개구(105a)의 직경보다 크게 설정되어 있다.

상기 구성에 있어서, 출력축(101)이 상방으로 이동하면, 핀칼라(102)의 상면이 어퍼컵(105)과 계합하여 끌어당겨지고, 이로써 디스플레이서(103)는 실린더(100) 내에서 상방을 향하여 이동한다. 한편, 출력축(101)이 도면 중 하방으로 이동하면, 디스플레이서(103)는 핀칼라(102)에 의하여 하방을 향하여 가압되고, 따라서 디스플레이서(103)는 실린더(100) 내에서 하방을 향하여 이동한다. 이로써, 디스플레이서(103)는 실린더(100) 내에서 왕복이동을 행한다.

또한, GM냉동기는 냉매가스를 실린더(100) 내에서 팽창시킴으로써 한랭을 발생시키기 때문에, 실린더(100)의 내벽과 디스플레이서(103)의 외벽 사이에 냉매가스가 흐르면 (이른바 냉매가스의 블로바이(blow-by)가 발생하면), 냉각효율이 저하되는 원인이 된다. 따라서, 디스플레이서(103)의 측면에 실린더(100)와 슬라이딩 접촉하는 씰재(108)를 설치하여, 냉매가스가 블로바이의 발생을 억제하고 있다.

그런데, 디스플레이서(103)가 실린더(100) 내에서 왕복이동할 때, 디스플레이서(103)가 상하이동의 축 둘레로 회전하면, 디스플레이서(103)의 측면에 배치된 씰재(108)와 실린더(100)의 내주면과의 맞닿음면이 변화된다. 이로 인하여, 냉매가스의 블로바이가 발생하고, GM냉동기에 의한 냉각처리가 불안정해진다. 이를 방지하기 위하여, 상기의 연결기구에는 디스플레이서(103)의 회전을 방지하는 기구(회전방지기구)가 부가되어 있다.

종래의 회전방지기구는, 도 7 뿐 아니라 도 8에 나타낸 바와 같이, 어퍼컵(105)에 스프링핀(107)을 압입 고정함과 함께 핀칼라(102)에 홈(102a)을 형성하고, 스프링핀(107)을 홈(102a)에 계합시키는 구성으로 되어 있었다. 출력축(101)은, 스카치요크 등에 접속됨으로써 회전이 규제되어 있다. 또한, 디스플레이서(103)는, 스프링핀(107)에 의하여 출력축(101)에 대한 회전이 규제되어 있다. 이로써, 종래의 회전방지기구에서는, 디스플레이서(103)의 실린더(100) 내에 있어서의 회전이 방지되는 구성으로 되어 있었다.

일본 특허공개 제2007－205582호 공보

그러나 상기 종래의 극저온냉동기에서는, 어퍼컵(105)에 어퍼컵(105)을 압입·고정하고, 압입한 스프링핀(107)을 핀칼라(102)에 형성한 홈(102a)에 계합시킴으로써 회전방지를 실시하였기 때문에, 디스플레이서(103)에 대하여 이를 회전시키려 하는 힘이 작용했을 경우, 이 힘은 모두 스프링핀(107)에 인가된다.

이로 인하여 종래의 극저온냉동기에서는, 스프링핀(107)이 파단될 우려가 있는 문제점이 있었다. 만일 스프링핀(107)이 파단되었을 경우에는, 디스플레이서(103)가 실린더(100) 내에서 회전하여, 극저온냉동기에 의한 냉동처리가 불안정해진다.

본 발명은, 상기 서술한 종래기술의 문제를 해결하는, 개량된 유용한 극저온냉동기를 제공하는 것을 총괄적인 목적으로 한다.

본 발명의 보다 상세한 목적은, 디스플레이서의 회전을 방지함으로써 냉동처리의 안정화를 도모한 극저온냉동기를 제공하는 것에 있다.

이 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 냉매가스가 공급되는 실린더와,

그 실린더 내에서 왕복이동하는 디스플레이서와, 상기 디스플레이서를 상기 실린더 내에서 왕복이동시키는 구동장치와, 상기 구동장치와 상기 디스플레이서를 연결하는 연결기구를 가지는 극저온냉동기로서,

상기 연결기구는, 상기 구동장치로부터 상기 디스플레이서를 향하여 뻗어 나온 출력축과, 상기 디스플레이서의 왕복이동방향과 교차하는 방향으로 뻗어 나오도록 상기 출력축을 관통하여 설치된 계합핀과, 상기 디스플레이서가 회전할 때에 상기 계합핀과 계합하여, 그 디스플레이서의 회전을 방지하는 회전방지기구와, 상기 디스플레이서의 상기 일단부에 고정됨과 함께 상기 출력축과 계합하는 덮개체를 가지는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한 상기 발명에 있어서, 상기 회전방지기구를, 상기 디스플레이서에 형성됨과 함께, 상기 출력축이 상기 디스플레이서에 장착되었을 때에 상기 계합핀의 양 단부분이 계합하는 한 쌍의 계합홈을 가지는 구성으로 하여도 된다.

또한 상기 발명에 있어서, 상기 회전방지기구를, 상기 디스플레이서에 기립됨과 함께, 상기 출력축이 상기 디스플레이서에 장착되었을 때에 상기 계합핀의 양 단부분이 계합하는 기립핀을 가지는 구성으로 하여도 된다.

또한 상기 발명에 있어서, 상기 계합핀을 중실환봉(中實丸棒)으로 하여도 된다.

또한 상기 발명에 있어서, 상기 기립핀을 볼트로 하고, 하부에 형성된 나사부가 상기 디스플레이서에 나사결합됨과 함께, 상부가 상기 덮개체에 형성된 오목부와 계합하는 구성으로 하여도 된다.

본 발명에 의하면, 회전방지기구에 의하여 디스플레이서의 회전이 방지되기 때문에, 안정된 냉각처리를 행하는 것이 가능해진다.

도 1은, 본 발명의 한 실시형태인 극저온냉동기의 단면도이다.
도 2는, 본 발명의 한 실시형태인 극저온냉동기에 설치되는 로터리밸브의 분해사시도이다.
도 3은, 본 발명의 한 실시형태인 극저온냉동기에 설치되는 디스플레이서 근방을 확대시켜 나타낸 단면도이다.
도 4는, 도 3에 있어서의 A－A선을 따르는 단면도이다.
도 5는, 본 발명의 변형예인 극저온냉동기에 설치되는 디스플레이서 근방을 확대시켜 나타낸 단면도이다.
도 6은, 도 5에 있어서의 B－B선을 따르는 단면도이다.
도 7은, 종래의 한 예인 극저온냉동기에 설치되는 디스플레이서 근방을 확대시켜 나타낸 단면도이다.
도 8은, 도 7에 있어서의 C－C선을 따르는 단면도이다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.

도 1 내지 도 4는, 본 발명의 한 실시형태인 극저온냉동기를 설명하기 위한 도면이다. 다만, 본 실시형태에서는, 극저온냉동기로서 기포드·맥마혼형 냉동기(이하, GM냉동기라 함)를 예로 들어 설명하는 것으로 한다.

본 실시형태에 의한 GM형냉동기는, 가스압축기(1)와 콜드헤드(2)를 가진다. 콜드헤드(2)는, 하우징(23)과 실린더부(10)를 가진다. 가스압축기(1)는, 흡기구(1a)로부터 냉매가스를 흡입하고, 압축하여, 토출구(1b)로부터 고압의 냉매가스로서 토출한다. 또한, 냉매가스로서는, 헬륨가스를 사용하고 있다.

실린더부(10)는, 제1단째 실린더(10A)와 제2단째 실린더(10B)의 2단구성이고, 제2단째 실린더(10B)는, 제1단째 실린더(10A)보다 가늘게 설정되어 있다. 또한, 제1단째 실린더(10A)의 내부에는 제1단째 디스플레이서(3A)가, 제2단째 실린더(10B)의 내부에는 제2단째 디스플레이서(3B)가, 각 실린더(10A, 10B)의 축방향으로 왕복운동 가능하게 삽입되어 있다.

제1단째 디스플레이서(3A)와 제2단째 디스플레이서(3B)는, 도시를 생략한 조인트기구에 의하여 상호 연결되어 있다. 또한, 제1단째 디스플레이서(3A)의 내부에는 축냉재(4A)가 형성되고, 제2단째 디스플레이서(3B)에는 축냉재(4B)가 충전되어 있다. 또한, 각 제1단째 디스플레이서(3A, 3B)에는, 냉매가스가 통과하는 가스유로(L1~L4)가 형성되어 있다.

제1단째 실린더(10A) 내의, 제2단째 실린더(10B)측의 단부에는 제1단째 팽창실(11)이 형성되고, 타방의 단부에는 상부실(13)이 형성되어 있다. 또한, 제2단째 실린더(10B)의 제1단째 실린더(10A)측과 반대측의 단부에는, 제2단째 팽창실(12)이 형성되어 있다.

상부실(13)과 제1단째 팽창실(11)은, 가스유로(L1), 축냉재(4)가 충전된 제1단 축냉재 충전실, 및 가스유로(L2)를 통하여 접속되어 있다. 또한, 제1단째 팽창실(11)과 제2단째 팽창실(12)은, 가스유로(L3), 축냉재(4B)가 충전된 제2단 축냉재 충전실, 및 가스유로(L4)를 통하여 접속되어 있다.

제1단째 실린더(10A)의 외주면 중, 제1단째 팽창실(11)에 대략 대응하는 위치에는 냉각스테이지(6)가 배치되어 있다. 또한, 제2단째 실린더(10B)의 외주면 중, 제2단째 팽창실(12)에 대략 대응하는 위치에는 냉각스테이지(7)가 배치되어 있다.

제1단째 디스플레이서(3A)의 외주면 중, 상부실(13)측의 단부근방에 씰재(50)가 배치되어 있다. 이 씰재(50)는, 제1단째 디스플레이서(3A)의 외주면과 실린더(10A)의 내주면 사이를 씰한다.

상기와 같이, 제1단째 실린더(10A)의 내벽과 제1단째 디스플레이서(3A)의 외벽 사이에서 냉매가스의 블로바이가 발생하면, GM냉동기의 냉각효율이 저하된다. 따라서, 제1단째 디스플레이서(3A)의 외측면에 제1단째 실린더(10A)의 내주면과 슬라이딩 접촉하는 씰재(50)를 설치하여, 냉매가스의 블로바이의 발생을 억제하고 있다.

제1단째 디스플레이서(3A)는, 연결기구(이에 대해서는 뒤에 상술함)를 통하여, 회전·왕복운동 변환기구를 구성하는 스카치요크(22)의 출력축(22a)에 연결되어 있다. 스카치요크(22)는, 하우징(23)에 고정된 한 쌍의 슬라이딩베어링(17a, 17b)에 의하여, 제1단째 디스플레이서(3A, 3B)의 축방향으로 이동가능하게 지지되어 있다. 슬라이딩베어링(17b)에 있어서는, 슬라이딩부의 기밀성이 유지되어 있어서, 하우징(23) 내의 공간과 상부실(13)이 기밀하게 구획되어 있다.

또한, 스카치요크(22)에는 모터(15)가 접속되어 있다. 모터(15)의 회전운동은, 크랭크(14) 및 스카치요크(22)에 의하여 왕복운동으로 변환된다. 이 왕복운동은 출력축(22a) 및 연결기구를 통하여 제1단째 디스플레이서(3A)에 전달되고, 이로써 제1단째 디스플레이서(3A)는 제1단째 실린더(10A) 내에서, 또한 제2단째 디스플레이서(3B)는 제2단째 실린더(10B) 내에서 왕복이동을 행한다. 본 실시형태에서는, 이 모터(15) 및 스카치요크(22)(출력축(22a)을 포함한다)가, 청구항에 기재된 구동장치를 구성한다.

각 제1단째 디스플레이서(3A, 3B)가 도면 중 상방(Z1방향)으로 이동할 때, 상부실(13)의 용적은 감소하고, 반대로 제1단째 및 제2단째의 팽창실(11 및 12)의 용적은 증가한다. 또한 반대로, 각 제1단째 디스플레이서(3A, 3B)가 도면 중 하방으로 이동할 때, 상부실(13)의 용적은 증대하고, 제1단째 및 제2단째의 팽창실(11 및 12)의 용적은 감소한다. 이 상부실(13), 팽창실(11 및 12)의 용적의 변동에 따라, 냉매가스가 가스유로(L1~L4)를 통하여 이동한다.

또한, 냉매가스가 각 제1단째 디스플레이서(3A, 3B)에 충전된 축냉재(4A, 4B) 내를 통과할 때, 냉매가스와 축냉재(4A, 4B) 사이에서 열교환이 행해진다. 이로써, 축냉재(4A, 4B)는 냉매가스에 의하여 냉각된다.

냉매가스의 유로에 있어서, 압축기(1)의 흡기구(1a) 및 토출구(1b)와 상부실(13) 사이에는, 로터리밸브(RV)가 배치되어 있다. 로터리밸브(RV)는, 냉매가스의 유로를 전환하는 기능을 한다. 구체적으로는, 로터리밸브(RV)는, 가스압축기(1)의 토출구(1b)로부터 토출된 냉매가스를 상부실(13) 내로 유도하는 제1 태양과, 상부실(13) 내의 냉매가스를 가스압축기(1)의 흡기구(1a)로 유도하는 제2 태양의 전환처리를 행한다.

로터리밸브(RV)는, 밸브본체(8) 및 밸브플레이트(9)를 가진다. 밸브플레이트(9)는, 예컨대 알루미늄합금으로 형성되고, 밸브본체(8)는, 예컨대 4불화에틸렌(예컨대, NTN사 제조의 베어리 FL3000)으로 형성되어 있다. 밸브본체(8) 및 밸브플레이트(9)는 평탄한 슬라이딩면을 가지고, 이 평탄한 슬라이딩면끼리가 면접촉하고 있다. 양자의 슬라이딩면의 적어도 일방에, 마찰을 저감시키고 내마모성을 향상시키기 위하여, 다이아몬드라이크카본(DLC) 등의 경질재로 이루어지는 박막이 형성되는 것이 바람직하다.

밸브플레이트(9)는, 회전베어링(16)에 의하여, 하우징(23) 내에 회전가능하게 지지되어 있다. 스카치요크(22)를 구동하는 크랭크(14)의 편심핀(14a)이 회전축을 중심으로 하여 공전함으로써, 밸브플레이트(9)가 회전한다. 밸브본체(8)는, 코일스프링(20)에 의하여 밸브플레이트(9)에 가압되고, 핀(19)에 의하여 회전하지 않도록 고정되어 있다.

코일스프링(20)은, 배기측의 압력이 급기측의 압력보다 커졌을 경우에, 밸브본체(8)가 밸브플레이트(9)로부터 멀어지지 않도록 밸브본체(8)를 가압하기 위하여 설치된 가압수단이다. 작동시에 밸브본체(8)를 밸브플레이트(9)에 가압하는 힘은, 냉매가스의 급기측의 압력과 배기측의 압력의 차압이 밸브본체(8)에 작용함으로써 발생하게 되어 있다.

도 2는, 로터리밸브(RV)의 분해사시도이다. 원주(圓柱)형상의 밸브본체(8)의 평탄한 슬라이딩면(8a)과 밸브플레이트(9)의 평탄한 슬라이딩면(9a)이 면접촉한다. 가스공급로가 되는 가스유로(8b)가, 밸브본체(8)의 중심축을 따라 밸브본체(8)를 관통하고 있다. 즉, 가스유로(8b)의 일단이, 슬라이딩면(8a)에 개구되어 있다.

가스유로(8b)의 타단은, 도 2에 나타낸 가스압축기(1)의 토출구(1b)에 접속되어 있다. 압축기(1)의 토출구(1b)부터 밸브본체(8)의 가스유로(8b)까지가 가스공급로에 상당한다.

밸브본체(8)의 슬라이딩면(8a)에, 밸브본체(8)의 중심축을 중심으로 한 원호를 따른 홈(8c)이 형성되어 있다. 밸브본체(8)의 내부에 형성된 가스유로(8d)의 일단이, 홈(8c)의 바닥면에 개구되어 있다. 가스유로(8d)의 타단은, 밸브본체(8)의 외주면에 개구되고, 또한 도 2에 나타낸 하우징(23)에 형성된 가스유로(21)를 경유하여 상부실(13)에 연통(連通)되어 있다.

밸브플레이트(9)의 슬라이딩면(9a)에, 그 중심으로부터 반경방향으로 뻗은 홈(9d)이 형성되어 있다. 밸브플레이트(9)가 회전하여, 홈(9d)의 외주측의 단부가 홈(8c)에 부분적으로 겹쳐졌을 때, 가스유로(8b)와 가스유로(8d)가 홈(9d)을 통하여 연통된다.

회전축에 평행한 가스유로(9b)가, 밸브플레이트(9)를 관통하여 뻗어 있다. 가스유로(9b)는, 슬라이딩면(9a) 내의 반경방향에 관하여, 밸브본체(8)의 슬라이딩면(8a)에 형성된 홈(8c)과 대략 동일한 위치에 개구되어 있다. 밸브플레이트(9)가 회전하여, 가스유로(9b)의 개구부가 홈(8c)에 부분적으로 겹쳐졌을 때, 가스유로(8d)와 가스유로(9b)가 연통된다. 가스유로(9b)의 타단은, 도 2에 나타낸 하우징(23) 내의 공동을 통하여 가스압축기(1)의 흡기구(1a)에 연통되어 있다. 밸브플레이트(9)의 가스유로부터 압축기(1)의 흡기구(1a)까지가 가스배출로에 상당한다.

가스유로(8b)와 가스유로(8d)가 홈(8c)을 통하여 연통되어 있을 때, 압축기(1)로부터 보내지는 냉매가스는 로터리밸브(RV)를 통하여 상부실(13) 내로 이송된다. 가스유로(8d)와 가스유로(9b)가 연통되어 있을 때, 상부실(13) 내의 냉매가스가 가스압축기(1)에 회수된다. 따라서, 밸브플레이트(9)를 회전시키면, 상부실(13)로의 냉매가스의 도입(급기)과, 상부실(13)로부터의 냉매가스의 회수(배기)가 반복된다.

다음으로, 상기 구성의 GM냉동기에 있어서, 스카치요크(22)의 왕복운동부재인 출력축(22a)과 제1단째 디스플레이서(3A)를 연결하는 연결기구에 대하여, 주로 도 3 및 도 4를 이용하여 설명한다. 도 3은 출력축(22a)과 제1단째 디스플레이서(3A)의 연결부분을 확대시켜 나타낸 도면이고, 도 4는 도 3에 있어서의 A－A선을 따르는 단면을 나타내고 있다.

출력축(22a)과 제1단째 디스플레이서(3A)(이하, 간단히 디스플레이서(3A)라 함)를 연결하는 연결기구는, 대략 출력축(22a), 계합핀(30), 핀칼라(31), 축구멍(32), 어퍼컵(37), 및 회전방지기구 등에 의하여 구성되어 있다. 본 실시형태에 관련된 회전방지기구는, 계합홈(36A, 36B)을 가진 구성으로 되어 있다.

출력축(22a)은, 그 하단근방에 디스플레이서(3A)의 왕복이동방향(도 1, 3에 화살표(Z1, Z2)로 나타낸 방향)과 직행하는 방향(도 1, 3에 화살표(X1, X2)로 나타낸 방향)으로 뻗어 있도록 관통구멍(33)이 형성되어 있다. 이 계합핀(30)은, 이 관통구멍(33)을 관통하도록 장착된다. 따라서 이 장착상태에 있어서, 계합핀(30)은 디스플레이서(3A)의 왕복이동방향과 직행하는 방향(X1, X2방향)으로 뻗어 나온 상태가 된다. 또한, 계합핀(30)의 길이는, 출력축(22a)의 직경보다 길기 때문에, 계합핀(30)의 양 단부(30a, 30b)는 출력축(22a)을 중심으로 하여 외측을 향하여 뻗어 나온 상태가 된다.

출력축(22a)의 하단부에는, 핀칼라(31)가 설치된다. 핀칼라(31)는, 중앙에 출력축(22a)이 삽입되는 삽입통과구멍(31a)이 형성된 중공 원주(圓柱)형상을 가지고 있다. 이 핀칼라(31)는, 예컨대 스테인리스에 의하여 형성되어 있다. 또한, 핀칼라(31)에는, 디스플레이서(3A)의 왕복이동방향과 직행하는 방향으로 뻗어 있는 삽입통과구멍(31a)이 형성되어 있다.

핀칼라(31)가 출력축(22a)의 소정 장착위치에 장착된 상태에서, 출력축(22a)에 형성된 관통구멍(33)과, 핀칼라(31)에 형성된 삽입통과구멍(31a)은 일직선 상으로 연통된 상태가 된다. 이 연통상태에 있어서, 계합핀(30)은 삽입통과구멍(31a) 및 관통구멍(33)에 장착된다. 계합핀(30)의 길이는, 핀칼라(31)의 직경보다 길게 설정되어 있다. 따라서, 계합핀(30)을 출력축(22a) 및 핀칼라(31)에 장착한 상태에 있어서도, 계합핀(30)의 양 단부(30a, 30b)는 핀칼라(31)를 중심으로 하여, 그 외주면에서 외측을 향하여 뻗어 있다.

또한, 계합핀(30)을 출력축(22a) 및 핀칼라(31)에 장착한 상태에 있어서, 핀칼라(31)는 출력축(22a)에 계합핀(30)을 통하여 지지된 상태가 된다. 따라서, 출력축(22a)이 디스플레이서(3A)의 왕복이동방향(Z1, Z2방향)으로 이동할 때, 핀칼라(31)도 일체적으로 왕복이동방향(Z1, Z2방향)으로 이동한다.

축구멍(32) 및 계합홈(36A, 36B)은, 디스플레이서(3A)의 상단부(Z1방향 단부)에 형성되어 있다. 축구멍(32)은, 원주(圓柱)형상으로 이루어진 디스플레이서(3A)의 중심축과 동축적으로 형성되어 있다. 이 축구멍(32)의 직경은, 핀칼라(31)의 직경보다 약간 크게 설정되어 있다. 즉, 축구멍(32)은, 그 내부에 핀칼라(31)가 장착된 출력축(22a)이 삽입될 수 있는 구성으로 되어 있다. 또한, 상기 서술한 계합핀(30)의 길이는, 이 축구멍(32)의 직경보다 길게 설정되어 있다.

계합홈(36A, 36B)은, 축구멍(32)의 측벽에 형성되어 있다. 이 계합홈(36A, 36B)은 180˚ 이격하여 형성되어 있고, 따라서 계합홈(36A)과 계합홈(36B)은 서로 대향하도록 형성되어 있다. 또한 각 계합홈(36A, 36B)은 동일형상으로 이루어져 있고, 따라서 그 길이(도 4에 화살표(L1)로 나타냄) 및 폭(도 4에 화살표(W)로 나타냄)은 동일치수로 되어 있다.

또한, 각 계합홈(36A, 36B)의 길이(L1)는, 계합핀(30)의 각 단부(30a, 30b)가 핀칼라(31)의 외주면으로부터 외측으로 돌출되는 길이(도 4에 화살표(L2)로 나타냄)보다 크게 되도록 설정되어 있다(L1＞L2). 또한, 각 계합홈(36A, 36B)의 폭(W)은, 계합핀(30)의 단면직경(도 4에 화살표(R)로 나타냄)보다 크게 되도록 설정되어 있다(W＞R). 따라서, 계합핀(30) 및 핀칼라(31)가 장착된 출력축(22a)을 축구멍(32)에 삽입 장착함으로써, 계합핀(30)의 양 단부(30a, 30b)는 계합홈(36A, 36B)에 삽입되어 계합한 상태가 된다(도 4 참조).

어퍼컵(37)은, 디스플레이서(3A)의 상단부를 막는 덮개로서 기능하는 것이다. 이 어퍼컵(37)은 알루미늄으로 이루어지고, 중앙에 삽입통과구멍(37a)이 형성된 원반형상으로 되어 있다. 이 삽입통과구멍(37a)에는, 출력축(22a)이 삽입통과된다. 또한, 어퍼컵(37)에는, 가스유로(L1)를 형성하는 구멍과, 고정볼트(34)를 장착하는 장착오목부가 형성되어 있다.

이 어퍼컵(37)은, 고정볼트(34)를 장착오목부에 삽입함과 함께, 디스플레이서(3A)의 상단부에 형성된 나사구멍(35)에 나사장착함으로써 디스플레이서(3A)에 고정된다. 이 고정상태에 있어서, 핀칼라(31)는 어퍼컵(37)의 하부에 위치하고 있다. 또한, 어퍼컵(37)에 형성된 삽입통과구멍(37a)의 직경은, 핀칼라(31)의 직경보다 작게 설정되어 있다. 따라서, 어퍼컵(37)이 디스플레이서(3A)에 고정된 상태에 있어서, 핀칼라(31)는 어퍼컵(37)에 계합(맞닿음)된 상태가 된다.

상기 구성에 있어서, 구동장치가 구동함으로써 출력축(22a)이 상방이동(Z1방향으로 이동)하면, 계합핀(30)에 의하여 출력축(22a)에 장착되어 있는 핀칼라(31)도 상방이동한다. 이때, 핀칼라(31)는 어퍼컵(37)과 계합되어 있기 때문에, 핀칼라(31)의 상방이동에 따라 어퍼컵(37)도 상방이동하는 힘을 받는다.

따라서, 출력축(22a)이 상방이동함에 따라 핀칼라(31)는 어퍼컵(37)과 계합하고, 디스플레이서(3A)를 상측방향을 향하여 이동시키는 힘을 가한다. 즉, 어퍼컵(37)은, 핀칼라(31)를 통하여 출력축(22a)과 계합한 상태가 된다. 따라서, 출력축(22a)의 상방이동에 따라, 디스플레이서(3A)는 상방이동한다.

또한, 출력축(22a)이 하방이동하는 경우에도, 상기와 동일한 이유에 의하여 디스플레이서(3A)는 출력축(22a)의 하방이동에 따라 하방이동한다. 따라서, 본 실시형태에 관련된 연결기구에 의하면, 구동장치의 출력축(22a)의 상하동작에 의하여, 디스플레이서(3A)를 상하방향으로 왕복이동시키는 것이 가능해진다.

여기서, 본 실시형태에 관련된 연결기구에 있어서, 디스플레이서(3A)에 대하여 회전방향(도 4에 화살표(C1, C2)로 나타냄)으로 힘이 작용한 것을 상정한다.

현재, 디스플레이서(3A)에 대하여 도 4에 화살표(C1)로 나타낸 방향으로 회전시키는 힘이 작용했다고 하면, 디스플레이서(3A)의 C1방향의 회전에 따라, 계합홈(36A, 36B)도 화살표(C1)방향으로 회전을 행한다. 따라서, C1방향의 회전에 따라, 계합홈(36A)의 하나의 내벽이 계합핀(30)의 단부(30a)와 계합(맞닿음)하고, 계합홈(36B)의 하나의 내벽이 계합핀(30)의 단부(30b)와 계합한 상태가 된다.

그러나, 출력축(22a)은 상기와 같이 구동장치를 구성하는 스카치요크기구에 접속되어 있기 때문에 회전 불가능한 구성으로 되어 있고, 따라서 출력축(22a)의 관통구멍(33)에 관통된 계합핀(30)도 회전 불가능한 구성으로 되어 있다. 따라서, 각 계합홈(36A, 36B)의 내벽이 계합핀(30)의 각 단부(30a, 30b)와 계합한 후에는, 디스플레이서(3A)의 그 이상의 C1방향의 회전은 규제된다.

또한, 디스플레이서(3A)에 대하여 도 4에 화살표(C2)로 나타낸 방향으로 회전시키는 힘이 작용한 경우에도 마찬가지이며, C2방향의 회전에 따라 계합홈(36A)의 다른 내벽이 계합핀(30)의 단부(30a)와 계합(맞닿음)하고, 계합홈(36B)의 다른 내벽이 계합핀(30)의 단부(30b)와 계합한다. 따라서, 각 계합홈(36A, 36B)의 내벽이 계합핀(30)의 각 단부(30a, 30b)와 계합한 후에는, 디스플레이서(3A)의 그 이상의 C2방향의 회전도 규제된다.

본 실시형태에서는, 디스플레이서(3A)의 회전의 규제는, 계합핀(30)의 양 단부(30a, 30b)가 회전방지기구를 구성하는 한 쌍의 계합홈(36A, 36B)에 계합함으로써 행하여진다. 즉, 종래에는 스프링핀(107)에 의해서만, 환언하면 한 군데에서만 디스플레이서(103)의 회전을 규제하고 있던 것에 대하여, 본 실시형태에서는 두 군데에서 디스플레이서(3A)의 회전을 규제할 수 있다.

따라서, 디스플레이서(3A)의 회전규제시에 계합핀(30)의 각 단부(30a, 30b)에 인가되는 전단력을 종래에 비하여 작게 할 수 있기 때문에, 디스플레이서(3A)의 회전규제시에 계합핀(30)이 파손되는 것을 방지할 수 있다. 이로써, 디스플레이서(3A)에 배치된 씰재(50)가 제1단째 실린더(10A)로부터 이격하여 냉매가스의 블로바이가 발생하는 것이 방지되어, GM냉동기의 냉각처리의 안정화를 도모할 수 있다.

또한 본 실시형태에서는, 계합핀(30)으로서 금속(예컨대, 스테인리스)제의 중실(中實)환봉을 사용하고 있다. 따라서, 계합핀(30)의 강도는, 종래의 스프링핀(107)에 비하여 강하고, 이로써도 계합핀(30)의 파손방지가 도모되고 있다.

또한, 본 실시형태에서는 종래에는 필요했던 스프링핀(107)을 불필요한 것으로 할 수 있고, 또한 어퍼컵(105)에 스프링핀(107)을 고정하기 위한 고정구멍의 형성도 불필요해진다.

또한 본 실시형태에서는, 디스플레이서(103)에 대하여 작은 부품인 핀칼라(102)에 홈(102a)을 형성할 필요도 없어진다. 따라서 본 실시형태에 관련된 GM냉동기에 의하면, 종래 구성의 냉동기에 비하여 부품점수의 삭감 및 제조공정의 간단화를 도모할 수 있다.

도 5 및 도 6은, 상기한 연결기구의 변형예를 나타내고 있다. 상기한 실시형태에 관련된 연결기구에서는, 회전방지기구로서 계합홈(36A, 36B)을 형성하고, 제1단째 디스플레이서(3A)가 C1, C2방향으로 회전했을 때, 계합핀(30)과 계합홈(36A, 36B)이 계합(맞닿음)하며, 이로써 제1단째 디스플레이서(3A)의 회전을 방지하는 구성으로 하였다.

이에 대하여 본 변형예에서는 연결기구의 회전방지기구로서, 제1단째 디스플레이서(3A)의 상단부에 기립된 기립핀을 이용한 것을 특징으로 하고 있다. 또한, 본 변형예에서는 이 기립핀으로서 볼트(40A, 40B)(이하, 계합볼트(40A, 40B)라 함)를 사용한 구성으로 하고 있다.

이 계합볼트(40A)는 계합핀(30)의 일방의 단부(30a)에 2개 배치되어 있고, 또한 계합볼트(40B)는 계합핀(30)의 타방의 단부(30b)에 2개 배치되어 있다. 따라서 본 변형예에서는, 합계 4개의 볼트(40A, 40B)가 제1단째 디스플레이서(3A)의 상단부에 기립되어 있다.

다만, 기립핀은 볼트로 한정되는 것은 아니고, 제1단째 디스플레이서(3A)의 상단부에 기립할 수 있는 것이면, 다른 구성의 부품을 사용하는 것도 가능하다.

한편, 제1단째 디스플레이서(3A)의 상단부에는, 원형의 오목부(41)(이하, 상단오목부(41)라 함)가 형성되어 있다. 이 상단오목부(41)의 중심위치에는, 출력축(22a)이 삽입통과된다. 또한 상단오목부(41)의 직경은, 계합핀(30)의 길이보다 길게 설정되어 있다.

또한, 상단오목부(41)의 바닥면에는 4개의 나사구멍이 형성되어 있다. 상기의 4개의 볼트(40A, 40B)는 이 나사구멍에 나사장착함으로써, 제1단째 디스플레이서(3A)(구체적으로는, 상단오목부(41)의 바닥면)에 기립된 상태가 된다.

도 6에 나타낸 바와 같이, 한 쌍의 계합볼트(40A)는, 출력축(22a)을 제1단째 디스플레이서(3A)에 장착했을 때, 계합핀(30)의 단부(30a)를 사이에 끼우는 위치에 기립된다. 동일하게, 한 쌍의 계합볼트(40B)는, 출력축(22a)을 제1단째 디스플레이서(3A)에 장착했을 때, 계합핀(30)의 단부(30b)를 사이에 끼우는 위치에 기립된다.

한편, 어퍼컵(37)의 각 계합볼트(40A, 40B)의 설치위치에 대응하는 위치에는, 계합오목부(42A, 42B)가 형성되어 있다. 이 계합오목부(42A, 42B)는, 어퍼컵(37)을 제1단째 디스플레이서(3A)에 장착했을 때, 핀칼라(31)에 기립된 각 계합볼트(40A, 40B)의 상단부와 계합하도록 구성되어 있다(도 5 참조).

이와 같이, 각 계합볼트(40A, 40B)는 그 하단이 제1단째 디스플레이서(3A)에 볼트체결됨과 함께, 그 단부가 어퍼컵(37)의 계합오목부(42A, 42B)에 계합함으로써 고정된다. 이와 같이, 각 계합볼트(40A, 40B)는 그 상하 양 단부가 고정되기 때문에, 그 강도는 높아진다.

상기 구성으로 이루어진 본 변형예에 관련된 연결기구에 있어서, 디스플레이서(3A)에 대하여 회전방향(도 6에 화살표(C1, C2)로 나타낸다)으로 힘이 작용한 것을 상정한다.

현재, 디스플레이서(3A)에 대하여 도 4에 화살표(C1)로 나타낸 방향으로 회전시키는 힘이 작용했다고 하면, 디스플레이서(3A)의 C1방향의 회전에 따라, 각 계합볼트(40A, 40B)도 화살표(C1)방향으로 회전을 행한다. 따라서, 이 C1방향의 회전에 따라, 한 쌍의 계합볼트(40A) 중 하나의 계합볼트(40A)(도 6 중, 아래에 위치하는 계합볼트(40A))가 계합핀(30)의 단부(30a)와 계합(맞닿음)한다. 마찬가지로, 한 쌍의 계합볼트(40B) 중 하나의 계합볼트(40B)(도면 6 중, 위에 위치하는 계합볼트(40A))가 단부(30b)와 계합(맞닿음)한다.

상기와 같이 출력축(22a)은, 구동장치를 구성하는 스카치요크기구에 접속되어 있기 때문에 회전 불가능한 구성으로 되어 있고, 따라서 계합핀(30)도 회전 불가능한 구성으로 되어 있다. 따라서, 상기와 같이 계합볼트(40A, 40B)가 계합핀(30)의 각 단부(30a, 30b)와 계합한 후에는, 디스플레이서(3A)는 그 이상의 C1방향의 회전이 규제된다.

또한, 디스플레이서(3A)에 대하여 도 6에 화살표(C2)로 나타낸 방향으로 회전시키는 힘이 작용했을 때도 마찬가지이고, C1방향으로 회전했을 때에 단부(30a, 30b)에 계합한 것과 다른 계합볼트(40A, 40B)가 단부(30a, 30b)에 계합(맞닿음)함으로써, 디스플레이서(3A)의 C2방향의 회전이 규제된다.

이와 같이 본 변형예에서는, 디스플레이서(3A)의 회전의 규제는, 계합핀(30)의 양 단부(30a, 30b)가 회전방지기구를 구성하는 계합볼트(40A, 40B)에 계합함으로써 행해진다.

이때, 상기와 같이 각 계합볼트(40A, 40B)는 그 상하를 제1단째 디스플레이서(3A) 및 어퍼컵(37)에 고정된 강고한 구성으로 되어 있기 때문에, 제1단째 디스플레이서(3A)의 회전을 확실히 방지할 수 있다. 또한, 각 계합볼트(40A, 40B)가 강고한 구성이므로, 계합핀(30)과 계합할 때에 계합볼트(40A, 40B)가 손상되는 것을 방지할 수 있다.

여기서, 본 변형예에서는 기립핀으로서 계합볼트(40A, 40B)를 사용하고, 이를 상단오목부(41)의 바닥면에 형성된 나사구멍에 나사장착함으로써 고정하는 구성으로 하였지만, 기립핀을 접착제를 사용하여 상단오목부(41)의 바닥면에 고정하는 구성으로 하여도 된다.

또한, 본 변형예에서는 계합핀(30)에 대하여 4개의 계합볼트(40A, 40A, 40B, 40B)가 계합하는 구성으로 하였지만, 계합핀(30)의 일방의 단부에만 2개의 계합볼트가 계합하는 구성으로 하여도 된다.

구체적으로는, 계합핀(30)의 일방의 단부(30a)에 2개의 계합볼트(40A, 40A)만을 설치하는 구성으로 하여도 되고, 또한 계합핀(30)의 타방의 단부(30a)에 2개의 계합볼트(40B, 40B)만을 설치하는 구성으로 하여도 된다.

또한, 계합핀(30)의 양 단부(30a, 30b)에 각각 1개씩 계합볼트(40A, 40B)를 배치하고, 이 한 쌍의 계합볼트(40A, 40B)가 계합핀(30)의 동일측에 모두 배치되는 구성으로 하여도 된다.

구체적으로는, 도 6에 있어서 계합핀(30)의 도면 중 상측에 위치하는 계합볼트(40A, 40B)만을 남김과 함께, 하측에 위치하는 계합볼트(40A, 40B)를 제거한 구성으로 하여도 된다. 반대로, 도 6에 있어서 계합핀(30)의 도면 중 하측에 위치하는 계합볼트(40A, 40B)만을 남김과 함께, 상측에 위치하는 계합볼트(40A, 40B)를 제거한 구성으로 하여도 된다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시형태에 대하여 상세하게 서술했지만, 본 발명은 상기 서술한 특정의 실시형태로 한정되는 것은 아니고, 특허청구범위에 기재된 본 발명의 요지의 범위 내에 있어서, 각종 변형·변경이 가능한 것이다.

구체적으로는, 본 발명은 2단식으로 한정하지 않고, 1단식 혹은 다단식의 GM냉동기에도 적용할 수 있다. 또한, 본 발명은 스카치요크기구에 의하여 왕복운동을 발생하는 것으로 한정하는 일 없이, 예컨대 크랭크기구 등의 왕복운동을 발생하는 다른 기구에도 적용하는 것이 가능한 것이다.

또한, 출력축(22a)에 디스플레이서(3A)를 완전하게 고정하는 것도 생각할 수 있지만, 디스플레이서(3A)는 실린더부(10) 내를 왕복이동하는 구성이기 때문에, 냉매가스의 블로바이가 발생하지 않는 범위 내에서 어느 정도 회전을 허용하는 것이 바람직하다. 본 실시형태에서는, 계합핀(30)의 직경(R)에 대하여 계합홈(36A, 36B)의 폭(W)을 조정함으로써, 이 회전허용범위를 용이하게 설정할 수 있다.

본 국제출원은 2010년 4월 14일에 출원된 일본특허출원 2010－093281호에 근거한 우선권을 주장하는 것으로, 일본특허출원 2010－093281호의 전체내용을 여기에 본 국제출원에 원용한다.

1 가스압축기
2 콜드헤드
3A 제1단째 디스플레이서
3B 제2단째 디스플레이서
4A, 4B 축냉재
6, 7 냉각스테이지
8 밸브본체
9 밸브플레이트
10 실린더부
10A 제1단째 실린더
10B 제2단째 실린더
11 제1단째 팽창실
12 제2단째 팽창실
13 상부실
14 크랭크
15 모터
16 회전베어링
22 스카치요크
30 계합핀
30a, 30b 단부
31 핀칼라
31a 관통구멍
32 축구멍
33 관통구멍
34 고정볼트
35 나사구멍
36A, 36B 계합홈
37 어퍼컵
40A, 40B 계합볼트
41 상단오목부
50 씰재

Claims (5)

1. 냉매가스가 공급되는 실린더와,
   상기 실린더 내에서 왕복이동하는 디스플레이서와,
   상기 디스플레이서를 상기 실린더 내에서 왕복이동시키는 구동장치와,
   상기 구동장치와 상기 디스플레이서를 연결하는 연결기구를 가지는 극저온냉동기로서,
   상기 연결기구는,
   상기 구동장치로부터 상기 디스플레이서를 향하여 뻗어 나온 출력축과,
   상기 디스플레이서의 왕복이동방향과 교차하는 방향으로 뻗어 나오도록 상기 출력축을 관통하여 설치된 계합핀과,
   상기 디스플레이서에 대하여 회전방향으로 힘이 작용했을 때에 상기 계합핀과 계합하여, 상기 디스플레이서의 회전을 방지하는 회전방지기구와,
   상기 디스플레이서의 일단부에 고정됨과 함께, 상기 계합핀을 개재하여 상기 출력축과 상기 디스플레이서의 왕복이동방향으로 계합하는 덮개체
   를 가지는 것을 특징으로 하는 극저온냉동기.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 회전방지기구는,
   상기 디스플레이서에 형성됨과 함께, 상기 디스플레이서에 대하여 회전방향으로 힘이 작용했을 때에 상기 계합핀의 단부가 계합하는 계합홈을 가지는 것
   을 특징으로 하는 극저온냉동기.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 회전방지기구는,
   상기 디스플레이서에 기립됨과 함께, 상기 디스플레이서에 대하여 회전방향으로 힘이 작용했을 때에 상기 계합핀의 단부가 계합하는 기립핀을 가지는 것
   을 특징으로 하는 극저온냉동기.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 계합핀은 중실(中實)환봉인 것
   을 특징으로 하는 극저온냉동기.
5. 청구항 3에 있어서,
   상기 기립핀은 볼트이고, 하부에 형성된 나사부가 상기 디스플레이서에 나사결합됨과 함께, 상부가 상기 덮개체에 형성된 오목부와 계합하는 구성인 것
   을 특징으로 하는 극저온냉동기.

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