KR20210103394A

KR20210103394A - 극저온냉동기 및 시일부품

Info

Publication number: KR20210103394A
Application number: KR1020210005881A
Authority: KR
Inventors: 슌타로 아다치; 타로 아다치
Original assignee: 스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤
Priority date: 2020-02-13
Filing date: 2021-01-15
Publication date: 2021-08-23
Also published as: US20210254718A1; JP7464398B2; TWI804802B; CN113251685A; CN113251685B; JP2021127857A; TW202202789A; US11754184B2

Abstract

장기신뢰성이 우수한 극저온냉동기용의 시일부품 및 이것을 구비하는 극저온냉동기를 제공한다.
시일부품(56)은, 디스플레이서구동기구를 디스플레이서에 연결하는 연결로드(26)를 축방향으로 왕복이동 가능하게 지지한다. 시일부품(56)은, 연결로드(26)가 삽통되어, 연결로드(26)와의 사이에 비접촉시일(83)로서 작용하는 직경방향 클리어런스(84)를 정하는 부시(80)와, 직경방향 클리어런스(84)에 대하여 디스플레이서구동기구측에서 부시(80)에 지지되어, 직경방향 클리어런스(84)를 밀봉하는 제1 접촉시일(81)과, 직경방향 클리어런스(84)에 대하여 디스플레이서측에서 부시(80)에 지지되어, 직경방향 클리어런스(84)를 밀봉하는 제2 접촉시일(82)을 구비한다.

Description

극저온냉동기 및 시일부품{Cryocooler and Sealing component}

본 출원은 2020년 2월 13일에 출원된 일본 특허출원 제2020-022796호에 근거하여 우선권을 주장한다. 그 출원의 전체 내용은 이 명세서 중에 참고로 원용되어 있다.

본 발명은, 극저온냉동기 및 시일부품에 관한 것이다.

극저온냉동기에는, 예를 들면 기포드·맥마흔(Gifford-McMahon; GM) 냉동기와 같이, 작동가스의 팽창공간의 용적을 주기적으로 변화시키기 위하여 왕복이동하는 디스플레이서를 갖는 것이 있다. 팽창공간의 주기적인 용적변동과 적절히 동기하여 팽창공간의 압력을 변동시킴으로써, 극저온냉동기에 냉동사이클이 구성된다.

디스플레이서의 왕복이동을 구동하는 대표적인 방식의 하나로서, 전기모터 등의 구동원을 디스플레이서에 연결로드를 이용하여 기계적으로 연결하는 타입이 있다. 연결로드는, 디스플레이서와 팽창공간을 수용하는 기밀용기의 안으로부터 밖으로, 기밀용기에 마련된 로드삽통(揷通)구멍을 관통하여 뻗는다. 만약, 기밀용기로부터 작동가스의 누출에 의하여 팽창공간의 압력이 저하되었다고 하면, 극저온냉동기의 냉동능력이 저하된다. 그 때문에, 기밀용기의 로드삽통구멍에는, 작동가스의 누출을 방지하기 위하여 시일부재가 장착된다.

특허문헌 1: 일본 공개특허공보 2017-142036호

상술한 극저온냉동기에서는, 디스플레이서가 왕복이동할 때 연결로드는 로드삽통구멍의 시일부재에 대하여 슬라이딩한다. 극저온냉동기가 장기에 걸쳐 운전되는 중에, 슬라이딩의 반복에 의하여 서서히 시일부재의 마모가 진행되어, 최종적으로는 시일부재는 시일성능을 상실할 수 있다. 운전조건에 따라 다르지만, 예를 들면 수년간의 계속적인 운전에 의하여 시일부재는 현저하게 열화할 수 있다. 시일부재의 열화는 극저온냉동기의 냉동능력의 저하를 야기하므로, 바람직하지 않다.

본 발명의 일 양태의 예시적인 목적의 하나는, 장기신뢰성이 우수한 극저온냉동기용의 시일부품 및 이것을 구비하는 극저온냉동기를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 극저온냉동기는, 디스플레이서와, 디스플레이서구동기구와, 디스플레이서구동기구를 디스플레이서에 연결하는 연결로드와, 연결로드를 축방향으로 왕복이동 가능하게 지지하는 시일부품을 구비한다. 시일부품은, 연결로드가 삽통되어, 연결로드와의 사이에 비접촉시일로서 작용하는 직경방향 클리어런스를 정하는 부시와, 직경방향 클리어런스에 대하여 디스플레이서구동기구측에서 부시에 지지되어, 직경방향 클리어런스를 밀봉하는 제1 접촉시일과, 직경방향 클리어런스에 대하여 디스플레이서측에서 부시에 지지되어, 직경방향 클리어런스를 밀봉하는 제2 접촉시일을 구비한다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 시일부품은, 디스플레이서구동기구를 디스플레이서에 연결하는 연결로드를 축방향으로 왕복이동 가능하게 지지한다. 시일부품은, 연결로드가 삽통되어, 연결로드와의 사이에 비접촉시일로서 작용하는 직경방향 클리어런스를 정하는 부시와, 직경방향 클리어런스에 대하여 디스플레이서구동기구측에서 부시에 지지되어, 직경방향 클리어런스를 밀봉하는 제1 접촉시일과, 직경방향 클리어런스에 대하여 디스플레이서측에서 부시에 지지되어, 직경방향 클리어런스를 밀봉하는 제2 접촉시일을 구비한다.

다만, 이상의 구성요소의 임의의 조합이나 본 발명의 구성요소나 표현을, 방법, 장치, 시스템 등의 사이에서 서로 치환한 것도 또, 본 발명의 양태로서 유효하다.

본 발명에 의하면, 장기신뢰성이 우수한 극저온냉동기용의 시일부품 및 이것을 구비하는 극저온냉동기를 제공할 수 있다.

도 1은 일 실시형태에 관한 극저온냉동기를 개략적으로 나타내는 도이다.
도 2는 도 1에 나타나는 극저온냉동기의 팽창기의 구동기구를 개략적으로 나타내는 분해사시도이다.
도 3은 도 1에 나타나는 극저온냉동기에 탑재되는 시일부품을 개략적으로 나타내는 도이다.
도 4는 시일부품의 다른 예를 나타내는 도이다.

이하, 도면을 참조하면서, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대하여 상세하게 설명한다. 설명 및 도면에 있어서 동일 또는 동등의 구성요소, 부재, 처리에는 동일한 부호를 붙여, 중복되는 설명은 적절히 생략한다. 도시되는 각부(各部)의 축척이나 형상은, 설명을 용이하게 하기 위하여 편의적으로 설정되어 있고, 특별히 언급이 없는 한 한정적으로 해석되는 것은 아니다. 실시형태는 예시이며, 본 발명의 범위를 결코 한정하는 것은 아니다. 실시형태에 기술되는 모든 특징이나 그 조합은, 반드시 발명의 본질적인 것이라고는 할 수 없다.

도 1은, 일 실시형태에 관한 극저온냉동기를 개략적으로 나타내는 도이다. 도 2는, 도 1에 나타나는 극저온냉동기의 팽창기의 구동기구를 개략적으로 나타내는 분해사시도이다.

극저온냉동기(10)는, 작동가스(냉매가스라고도 함)를 압축하는 압축기(12)와, 작동가스를 단열팽창에 의하여 냉각하는 팽창기(14)를 구비한다. 작동가스는 예를 들면 헬륨가스이다. 팽창기(14)는 콜드헤드라고도 불린다. 팽창기(14)에는 작동가스를 예랭(豫冷)하는 축랭기(16)가 구비되어 있다. 극저온냉동기(10)는, 압축기(12)와 팽창기(14)를 각각이 접속하는 제1관(18a)과 제2관(18b)을 포함하는 가스배관(18)을 구비한다. 도시되는 극저온냉동기(10)는, 단단(單段)식의 GM냉동기이다.

알려져 있는 바와 같이, 제1 고압을 갖는 작동가스가 압축기(12)의 토출구(12a)로부터 제1관(18a)을 통하여 팽창기(14)로 공급된다. 팽창기(14)에 있어서의 단열팽창에 의하여, 작동가스는 제1 고압으로부터 그것보다 낮은 제2 고압으로 감압된다. 제2 고압을 갖는 작동가스는, 팽창기(14)로부터 제2관(18b)을 통하여 압축기(12)의 흡입구(12b)로 회수된다. 압축기(12)는, 회수된 제2 고압을 갖는 작동가스를 압축한다. 이렇게 하여 작동가스는 재차 제1 고압으로 승압된다. 일반적으로 제1 고압 및 제2 고압은 모두 대기압보다 상당히 높다. 설명의 편의상, 제1 고압 및 제2 고압은 각각 간단하게 고압 및 저압이라고도 불린다. 통상, 고압은 예를 들면 2~3MPa이며, 저압은 예를 들면 0.5~1.5MPa이다. 고압과 저압의 차압은 예를 들면 1.2~2MPa 정도이다.

팽창기(14)는, 팽창기가동부분(20)과 팽창기정지부분(22)을 구비한다. 팽창기가동부분(20)은, 팽창기정지부분(22)에 대하여 축방향(도 1에 있어서의 상하방향)으로 왕복이동 가능하도록 구성되어 있다. 팽창기가동부분(20)의 이동방향을 도 1에 화살표(A)로 나타낸다. 팽창기정지부분(22)은, 팽창기가동부분(20)을 축방향으로 왕복이동 가능하게 지지하도록 구성되어 있다. 또, 팽창기정지부분(22)은, 팽창기가동부분(20)을 고압가스(제1 고압가스 및 제2 고압가스를 포함함)와 함께 수용하는 기밀용기로서 구성되어 있다.

팽창기가동부분(20)은, 디스플레이서(24)와, 그 왕복이동을 구동하는 연결로드(26)를 포함한다. 디스플레이서(24)에는 축랭기(16)가 내장되어 있다. 디스플레이서(24)의 내부공간에 축랭재가 충전되며, 그로써 디스플레이서(24) 내에 축랭기(16)가 형성된다. 디스플레이서(24)는, 예를 들면, 축방향으로 뻗어 있는 실질적으로 원기둥상의 형상을 갖고, 축방향에 있어서 실질적으로 일정한 외경 및 내경을 갖는다. 따라서, 축랭기(16)도, 축방향으로 뻗어 있는 실질적으로 원기둥상의 형상을 갖는다.

팽창기정지부분(22)은, 대략적으로, 실린더(28) 및 구동기구하우징(30)으로 이루어지는 이부(二部) 구성을 갖는다. 팽창기정지부분(22)의 축방향 상부가 구동기구하우징(30)이고, 팽창기정지부분(22)의 축방향 하부가 실린더(28)이며, 이들은 서로 단단히 결합되어 있다. 실린더(28)는, 디스플레이서(24)의 왕복이동을 안내하도록 구성되어 있다. 실린더(28)는, 구동기구하우징(30)으로부터 축방향으로 뻗어 있다. 실린더(28)는, 축방향에 있어서 실질적으로 일정한 내경을 갖고, 따라서, 실린더(28)는, 축방향으로 뻗어 있는 실질적으로 원통형상의 내면을 갖는다. 이 내경은, 디스플레이서(24)의 외경보다 약간 크다.

또, 팽창기정지부분(22)은, 냉동기스테이지(32)를 포함한다. 냉동기스테이지(32)는, 축방향에 있어서 구동기구하우징(30)과 반대측에서 실린더(28)의 말단에 고정되어 있다. 냉동기스테이지(32)는, 팽창기(14)가 생성하는 한랭을 다른 물체에 전도하기 위하여 마련되어 있다. 그 물체는 냉동기스테이지(32)에 장착되고, 극저온냉동기(10)의 동작 시에 냉동기스테이지(32)에 의하여 냉각된다. 냉동기스테이지(32)는, 냉각스테이지 또는 열부하스테이지라고 불리는 경우도 있다.

실린더(28)는, 디스플레이서(24)에 의하여 팽창공간(34)과 상부공간(36)으로 구획되어 있다. 디스플레이서(24)는, 축방향 일단에서 실린더(28)와의 사이에 팽창공간(34)을 획정(劃定)하고, 축방향 타단에서 실린더(28)와의 사이에 상부공간(36)을 획정한다. 팽창공간(34)은, 디스플레이서(24)의 상사(上死)점에서 최대용적을 갖고, 디스플레이서(24)의 하사(下死)점에서 최소용적을 갖는다. 상부공간(36)은, 디스플레이서(24)의 상사점에서 최소용적을 갖고, 디스플레이서(24)의 하사점에서 최대용적을 갖는다. 냉동기스테이지(32)는, 팽창공간(34)을 외포(外包)하도록 실린더(28)에 고착되어 있다. 냉동기스테이지(32)는, 팽창공간(34)에 열적으로 결합되어 있다.

극저온냉동기(10)의 동작 시에 있어서, 축랭기(16)는, 축방향에 있어서 일방측(도면에 있어서 상측)에 축랭기고온부(16a)를 갖고 반대측(도면에 있어서 하측)에 축랭기저온부(16b)를 갖는다. 이와 같이 축랭기(16)는 축방향으로 온도분포를 갖는다. 축랭기(16)를 포위하는 팽창기(14)의 다른 구성요소(예를 들면 디스플레이서(24) 및 실린더(28))도 마찬가지로 축방향 온도분포를 갖고, 따라서 팽창기(14)는 그 동작 시에 축방향 일방측에 고온부를 가지며 축방향 타방측에 저온부를 갖는다. 고온부는, 예를 들면 실온 정도의 온도를 갖는다. 저온부는, 극저온냉동기(10)의 용도에 따라 다르지만, 예를 들면 약 100K부터 약 10K의 범위에 포함되는 소정 온도로 냉각된다.

본서에서는 설명의 편의상, 축방향, 직경방향, 둘레방향이라는 용어가 사용된다. 축방향은, 화살표(A)로 도시되는 바와 같이, 팽창기정지부분(22)에 대한 팽창기가동부분(20)의 이동방향을 나타낸다. 직경방향은 축방향에 수직인 방향(도면에 있어서 가로방향)을 나타내고, 둘레방향은 축방향을 둘러싸는 방향을 나타낸다. 팽창기(14)의 소정 요소가 축방향에 관하여 냉동기스테이지(32)에 상대적으로 가까운 것을 "하", 상대적으로 먼 것을 "상"이라고 부르는 경우가 있다. 따라서, 팽창기(14)의 고온부 및 저온부는 각각 축방향에 있어서 상부 및 하부에 위치한다. 이러한 표현은, 팽창기(14)의 요소간의 상대적인 위치관계의 이해를 돕기 위하여 이용되는 것에 지나지 않고, 현장에서 설치될 때의 팽창기(14)의 배치와는 관계되지 않는다. 예를 들면, 팽창기(14)는, 냉동기스테이지(32)를 상향으로 구동기구하우징(30)을 하향으로 하여 설치해도 된다. 혹은, 팽창기(14)는, 축방향을 수평방향으로 일치시키도록 하여 설치해도 된다.

팽창기(14)는, 팽창기정지부분(22)에 지지되어, 디스플레이서(24)를 구동하는 디스플레이서구동기구(38)를 구비한다. 디스플레이서구동기구(38)는, 예를 들면 전기모터 등의 모터(40)와, 스코치요크기구(42)를 포함한다. 연결로드(26)는 스코치요크기구(42)의 일부를 형성한다. 연결로드(26)는 스코치요크기구(42)에 의하여 축방향으로 구동되도록 스코치요크기구(42)에 연결되어 있다. 연결로드(26)는, 디스플레이서(24)보다 소경이며, 예를 들면, 연결로드(26)의 직경은, 디스플레이서(24)의 직경의 절반보다 작다.

디스플레이서구동기구(38)는, 구동기구하우징(30)의 내부에 획정되는 저압가스실(37)에 수용되어 있다. 제2관(18b)이 구동기구하우징(30)에 접속되어 있고, 그로써 저압가스실(37)이 제2관(18b)을 통하여 압축기(12)의 흡입구(12b)에 연통하고 있다. 그 때문에, 저압가스실(37)은 항상 저압으로 유지된다.

도 2에 나타나는 바와 같이, 스코치요크기구(42)는, 크랭크(44)와, 스코치요크(46)를 포함한다. 크랭크(44)는, 모터(40)의 회전축(40a)에 고정된다. 크랭크(44)는, 회전축(40a)이 고정되는 위치로부터 편심(偏心)한 위치에 크랭크핀(44a)을 갖는다. 따라서, 크랭크(44)를 회전축(40a)에 고정하면, 크랭크핀(44a)은, 모터(40)의 회전축(40a)과 평행으로 뻗음과 동시에 회전축(40a)으로부터 편심한 상태가 된다.

스코치요크(46)는, 요크판(48)과, 롤러베어링(50)을 포함한다. 요크판(48)은, 판상의 부재이다. 스코치요크(46)에는, 그 상부 중앙에, 상부로드(52)가 상방으로 뻗도록 연결되고, 그 하부 중앙에, 연결로드(26)가 하방으로 뻗도록 연결되어 있다. 요크판(48)의 중앙에는, 횡장창(橫長窓)(48a)이 형성되어 있다. 횡장창(48a)은, 상부로드(52) 및 연결로드(26)가 뻗는 방향(즉 축방향)에 대하여 교차하는 방향, 예를 들면 직교하는 방향으로 뻗어 있다. 롤러베어링(50)은, 전동 가능하게 횡장창(48a) 내에 배치된다. 롤러베어링(50)의 중심에는, 크랭크핀(44a)과 계합하는 계합구멍(50a)이 형성되어 있어, 크랭크핀(44a)이 계합구멍(50a)을 관통한다.

모터(40)가 구동하여 회전축(40a)이 회전하면, 크랭크핀(44a)과 계합한 롤러베어링(50)은, 원을 그리도록 회전한다. 롤러베어링(50)이 원을 그리도록 회전함으로써, 스코치요크(46)는, 축방향으로 왕복운동한다. 이때, 롤러베어링(50)은, 축방향에 교차하는 방향으로 횡장창(48a) 내를 왕복이동한다.

도 1에 나타나는 바와 같이, 연결로드(26)는, 디스플레이서구동기구(38)를 디스플레이서(24)에 연결한다. 연결로드(26)는, 저압가스실(37)로부터 상부공간(36)을 관통하여 디스플레이서(24)로 뻗어 있다. 이 때문에, 스코치요크(46)가 축방향으로 이동함으로써, 디스플레이서(24)는 실린더(28) 내를 축방향으로 왕복이동한다.

도 1에 나타나는 바와 같이, 슬라이딩베어링(54) 및 시일부품(56)은, 팽창기정지부분(22)의 구동기구하우징(30)에 마련되어 있다. 상부로드(52)는, 슬라이딩베어링(54)에 의하여 축방향으로 이동 가능하게 지지되고, 연결로드(26)는, 시일부품(56)에 의하여 축방향으로 이동 가능하게 지지된다. 따라서, 상부로드(52) 및 연결로드(26), 나아가서는 요크판(48), 나아가서는 스코치요크(46)는, 축방향으로 이동 가능한 구성으로 되어 있다.

상세는 후술하는 바와 같이, 시일부품(56)이 마련되어 있으므로, 구동기구하우징(30)은, 실린더(28)에 대하여 기밀하게 구성되어 있어, 그 때문에 저압가스실(37)은 상부공간(36)으로부터 격리되어 있다. 저압가스실(37)과 상부공간(36)의 직접적인 가스유통은 없다.

팽창기(14)는, 디스플레이서(24)의 축방향 왕복이동과 동기시켜 팽창공간(34)의 흡기와 배기를 전환하는 로터리밸브(58)를 구비한다. 로터리밸브(58)는, 고압가스를 팽창공간(34)에 공급하기 위한 공급로의 일부로서 기능함과 함께, 저압가스를 팽창공간(34)으로부터 배출하기 위한 배출로의 일부로서 기능한다. 로터리밸브(58)는, 디스플레이서(24)의 왕복이동과 동기하여 작동가스의 공급기능과 배출기능을 전환하고, 그로써 팽창공간(34)의 압력을 제어하도록 구성되어 있다. 로터리밸브(58)는, 디스플레이서구동기구(38)에 연결되어, 구동기구하우징(30)에 수용되어 있다.

또, 팽창기(14)는, 하우징가스유로(64), 디스플레이서 상덮개 가스유로(66), 디스플레이서 하덮개 가스유로(68)를 갖는다. 고압가스는, 제1관(18a)으로부터 로터리밸브(58), 하우징가스유로(64), 상부공간(36), 디스플레이서 상덮개 가스유로(66), 축랭기(16), 디스플레이서 하덮개 가스유로(68)를 거쳐 팽창공간(34)에 유입된다. 팽창공간(34)으로부터의 복귀가스는, 디스플레이서 하덮개 가스유로(68), 축랭기(16), 디스플레이서 상덮개 가스유로(66), 상부공간(36), 하우징가스유로(64), 로터리밸브(58)를 거쳐 저압가스실(37)에 수용된다.

하우징가스유로(64)는, 팽창기정지부분(22)과 상부공간(36)의 사이의 가스유통을 위하여 구동기구하우징(30)에 관통형성되어 있다.

상부공간(36)은, 축랭기고온부(16a)측에서 팽창기정지부분(22)과 디스플레이서(24)의 사이에 형성되어 있다. 보다 자세하게는, 상부공간(36)은, 축방향에 있어서 구동기구하우징(30)과 디스플레이서(24)의 사이에서, 둘레방향으로 실린더(28)에 둘러싸여 있다. 상부공간(36)은, 저압가스실(37)에 인접한다. 상부공간(36)은 실온실이라고도 불린다. 상부공간(36)은 팽창기가동부분(20)과 팽창기정지부분(22)의 사이에 형성된 가변용적이다.

디스플레이서 상덮개 가스유로(66)는, 축랭기고온부(16a)를 상부공간(36)에 연통하도록 형성된 디스플레이서(24) 중 적어도 1개의 개구이다. 디스플레이서 하덮개 가스유로(68)는, 축랭기저온부(16b)를 팽창공간(34)에 연통하도록 형성된 디스플레이서(24) 중 적어도 1개의 개구이다. 디스플레이서(24)와 실린더(28)의 클리어런스를 밀봉하는 시일부(70)가, 디스플레이서(24)의 측면에 마련되어 있다. 시일부(70)는, 디스플레이서 상덮개 가스유로(66)를 둘레방향으로 둘러싸도록 디스플레이서(24)에 장착되어 있어도 된다.

팽창공간(34)은, 축랭기저온부(16b)측에서 실린더(28)와 디스플레이서(24)의 사이에 형성되어 있다. 팽창공간(34)은 상부공간(36)과 마찬가지로 팽창기가동부분(20)과 팽창기정지부분(22)의 사이에 형성된 가변용적이며, 실린더(28)에 대한 디스플레이서(24)의 상대이동에 의하여 팽창공간(34)의 용적은 상부공간(36)의 용적과 상보적으로 변동한다. 시일부(70)가 마련되어 있으므로, 상부공간(36)과 팽창공간(34)의 직접적인 가스유통(즉 축랭기(16)를 우회하는 가스흐름)은 없다.

로터리밸브(58)는, 로터밸브부재(60) 및 스테이터밸브부재(62)를 구비한다. 로터밸브부재(60)는, 모터(40)의 회전에 의하여 회전하도록 모터(40)의 회전축(40a)에 연결되어 있다. 로터밸브부재(60)는, 스테이터밸브부재(62)에 대하여 회전슬라이딩하도록 스테이터밸브부재(62)와 면접촉하고 있다. 로터밸브부재(60)는, 도 1에 나타내는 로터밸브베어링(75)에 의하여 구동기구하우징(30) 내에서 회전 가능하게 지지되어 있다. 스테이터밸브부재(62)는, 구동기구하우징(30) 내에 스테이터밸브고정핀(73)으로 고정된다. 스테이터밸브부재(62)는, 제1관(18a)으로부터 구동기구하우징(30)으로 들어가는 고압가스를 수용하도록 구성되어 있다.

도 3은, 도 1에 나타나는 극저온냉동기에 탑재되는 시일부품(56)을 개략적으로 나타내는 도이다. 시일부품(56)은, 연결로드(26)를 축방향으로 왕복이동 가능하게 지지한다. 연결로드(26)는, 구동기구하우징(30)의 하단부에 마련된 로드삽통구멍(77)을 관통하여, 저압가스실(37)로부터 상부공간(36)으로 뻗어 있다.

시일부품(56)은, 부시(80), 제1 접촉시일(81), 제2 접촉시일(82)을 구비한다. 제1 접촉시일(81) 및 제2 접촉시일(82)이 부시(80)에 장착되어, 시일부품(56)은, 단일부품으로서(이른바 서브어셈블리로서) 구성된다.

부시(80)는, 연결로드(26)가 삽통되는 통형상의 부재이다. 연결로드(26)가 가늘고 긴 원기둥상의 형상을 가지므로, 이것에 대응하여 부시(80)도 연결로드(26)를 둘러싸는 원통형상으로 성형되어 있다. 부시(80)는, 제1 접촉시일(81)을 수용하는 제1 환상오목부와, 제2 접촉시일(82)을 수용하는 제2 환상오목부를 갖는다. 이들 2개의 환상오목부는, 부시(80)의 내주면에 있어서, 부시(80)의 서로 반대측의 축방향 단부(端部)에 형성되어 있다.

부시(80)는, 수지재료로 형성되어 있다. 부시(80)에 대하여 슬라이딩하는 연결로드(26)는 전형적으로, 예를 들면 스테인리스강 등 금속재료로 형성된다. 그래서, 부시(80)를 수지재료로 형성함으로써, 연결로드(26)가 슬라이딩할 때 일어날 수 있는 부시(80)와의 접촉이나 간섭에 의한 연결로드(26)의 마모나 손상을 방지 또는 저감할 수 있다. 부시(80)는, 예를 들면 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 불소수지, 또는 그 외의 슬라이딩성 및/또는 내구성이 우수한 합성수지재료로 형성되어도 된다. 이와 같이 하면, 연결로드(26)의 슬라이딩에 의한 부시(80)의 마모나 손상도 방지 또는 저감할 수 있다.

비접촉시일(83)로서 작용하는 직경방향 클리어런스(84)가, 부시(80)와 연결로드(26)의 사이에 정해진다. 직경방향 클리어런스(84)는, 부시(80)의 내경과 연결로드(26)의 외경의 차의 절반에 상당한다. 직경방향 클리어런스(84)는, 비록 제1 접촉시일(81), 제2 접촉시일(82)이 부시(80)에 마련되어 있지 않았다고 해도, 저압가스실(37)과 상부공간(36)의 사이에서 가스흐름을 밀봉하거나, 또는 극저온냉동기(10)의 냉동성능에 실질적으로 영향을 주지 않을 정도로 저감하도록 치수가 정해진다. 직경방향 클리어런스(84)는, 예를 들면, 5μm 내지 30μm의 범위에 있어도 된다. 혹은, 연결로드(26)의 직경에 대한 직경방향 클리어런스(84)의 비는, 예를 들면, 0.005부터 0.03의 범위에 있어도 된다.

부시(80)(즉 시일부품(56))의 축방향 길이는, 로드삽통구멍(77)의 축방향 길이(또는 구동기구하우징(30)의 두께)의 적어도 절반보다 길어도 되고, 예를 들면 로드삽통구멍(77)의 축방향 길이의 대략 전체 길이에 걸쳐도 된다. 이와 같이 부시(80)의 축길이를 길게 함으로써, 비접촉시일(83)을 길게 할 수 있으므로, 비접촉시일(83)의 시일성능이 향상된다. 허용되는 경우에는, 부시(80)는, 로드삽통구멍(77)의 축방향 길이를 초과하여 뻗어, 예를 들면 저압가스실(37) 내로 뻗어도 된다. 단, 저압가스실(37) 내에 배치되는 스코치요크기구(42) 등 디스플레이서구동기구(38)와의 간섭을 피하는 데 있어서는, 부시(80)의 축길이는, 로드삽통구멍(77)의 축방향 길이를 초과하지 않는 것이 바람직하다.

제1 접촉시일(81)은, 직경방향 클리어런스(84)에 대하여 디스플레이서구동기구(38)측에서 부시(80)에 지지되어, 직경방향 클리어런스(84)를 밀봉한다. 제2 접촉시일(82)은, 직경방향 클리어런스(84)에 대하여 디스플레이서(24)측에서 부시(80)에 지지되어, 직경방향 클리어런스(84)를 밀봉한다.

제1 접촉시일(81)은, 부시(80)의 축방향 길이의 중간보다 축방향으로 상방에서 부시(80)에 지지되고, 제2 접촉시일(82)은, 부시(80)의 축방향 길이의 중간보다 축방향으로 하방에서 부시(80)에 지지된다. 예를 들면, 제1 접촉시일(81)은, 부시(80)의 제1 축방향 단부에 지지되고, 제2 접촉시일(82)은, 부시(80)의, 제1 축방향 단부와 반대측의 제2 축방향 단부에 지지된다.

제1 접촉시일(81)은, 연결로드(26)에 접촉하는 시일링(86)과, 시일링(86)을 연결로드(26)에 누르도록 시일링(86)과 부시(80)의 사이에 배치된 버클링(88)을 구비한다. 마찬가지로, 제2 접촉시일(82)은, 시일링(86)과 버클링(88)을 구비한다. 이와 같이, 제1 접촉시일(81) 및 제2 접촉시일(82)에는, 이른바 슬리퍼시일이 채용된다. 시일링(86)은, 예를 들면 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 불소수지, 또는 그 외의 슬라이딩성 및/또는 내구성이 우수한 합성수지재료로 형성된다. 버클링(88)은, 예를 들면 O링, 또는 그 외 합성고무제의 링이어도 된다. 다만, 제1 접촉시일(81)과 제2 접촉시일(82) 중 적어도 일방이, 슬리퍼시일이 아닌, 예를 들면 O링 등 그 외의 시일부재여도 된다.

시일부품(56)은, 제1 접촉시일(81)(또는 제2 접촉시일(82))이 장착되었을 때 제1 접촉시일(81)로부터 받는 반력으로 부시(80)가 실질적으로 변형되지 않도록 설계된다. 그 때문에, 예를 들면, 제1 접촉시일(81)을 수용하는 부시(80)의 제1 환상오목부(또는 부시(80)의 축방향 단부)의 강성은, 제1 접촉시일(81)의 강성(예를 들면 시일링(86)의 강성)보다 커도 된다. 또, 시일링(86)의 강성은, 버클링(88)의 강성보다 커도 된다.

만일 부시(80)의 강성이 불충분한 경우에는, 부시(80)의 제1 환상오목부에 있어서 제1 접촉시일(81)이 확경(擴徑)되려고 하는 탄성적인 복원력에 의하여 부시(80)의 축방향 단부가 변형될 수 있다. 부시(80)의 변형은 직경방향 클리어런스(84)를 변화시켜, 비접촉시일(83)의 시일성능이나 연결로드(26)의 슬라이딩에 악영향을 미칠 수 있다. 그러나, 이 실시형태에서는, 부시(80)가 충분한 강성을 가지므로, 직경방향 클리어런스(84)는 지지되고, 그러한 악영향은 발생하지 않거나, 최소화된다.

버클링(88)의 내경은, 부시(80)의 내경(직경방향 클리어런스(84)에 있어서의 부시(80)의 내경)보다 커도 된다. 이로써, 시일링(86)이 시일부품(56)에 장착되어 있지 않을 때, 연결로드(26)는, 버클링(88)이 아닌, 부시(80)의 내주면에 접촉한다. 이와 같이 하면, 극저온냉동기(10)의 장기운전에 의하여 시일링(86)이 마모된(소실된)다고 해도, 연결로드(26)의 슬라이딩을 부시(80)로 지지할 수 있다. 재료의 선택에 의존하지만, 전형적으로는 버클링(88)에 비하여 부시(80)의 쪽이 강도가 우수하다. 시일링(86)의 마모 후에 일어날 수 있는 버클링(88)과 연결로드(26)의 접촉에 의한 버클링(88)의 파손이나 그에 따른 이물의 생성을 피할 수 있다.

제1 접촉시일(81)로부터 제2 접촉시일(82)로의 축방향 거리, 즉 비접촉시일(83)의 축방향 길이는, 제1 접촉시일(81)로부터 저압가스실(37)측의 구동기구하우징(30)의 내면까지의 거리보다 길어도 된다. 마찬가지로, 비접촉시일(83)의 축방향 길이는, 제2 접촉시일(82)로부터 상부공간(36)에 면하는 구동기구하우징(30)의 표면까지의 거리보다 길어도 된다. 비접촉시일(83)의 축방향 길이는, 부시(80)의 축길이의 적어도 절반보다 길어도 된다. 이와 같이, 비접촉시일(83)을 길게 함으로써, 비접촉시일(83)의 시일성능을 향상시킬 수 있다.

다만, 제1 접촉시일(81), 제2 접촉시일(82)이 부시(80)의 축방향 말단에 배치되는 것은 필수는 아니다. 부시(80)는, 제1 접촉시일(81)을 넘어 축방향으로 상방에 뻗어 있어도 된다. 부시(80)는, 제2 접촉시일(82)을 넘어 축방향으로 하방에 뻗어 있어도 된다. 이 경우, 제1 접촉시일(81)보다 축방향 상방에서 부시(80)와 연결로드(26)의 사이에, 추가의 비접촉시일로서 기능하는 직경방향 클리어런스가 형성되어도 된다. 마찬가지로, 제2 접촉시일(82)보다 축방향하방에서 부시(80)와 연결로드(26)의 사이에, 추가의 비접촉시일로서 기능하는 직경방향 클리어런스가 형성되어도 된다.

시일부품(56)은, 로드삽통구멍(77)에 있어서 구동기구하우징(30)에 장착된다. 상워셔(90)가 시일부품(56)의 상단에 인접하고, 구동기구하우징(30)과 시일부품(56)의 사이에 끼워진다. 제1 접촉시일(81)은, 부시(80)와 상워셔(90)에 축방향으로 끼워져 지지된다. 또, 하워셔(92)가 시일부품(56)의 하단에 인접하여, 구동기구하우징(30)과 시일부품(56)의 사이에 끼워진다. 제2 접촉시일(82)은, 부시(80)와 하워셔(92)에 축방향으로 끼워져 지지된다. 하워셔(92)는, 예를 들면 C자형상의 스냅링이여도 되고, 시일부품(56)이 구동기구하우징(30)으로부터 상부공간(36)에 탈락이 없도록 시일부품(56)을 구동기구하우징(30)에 지지한다.

또, 시일부품(56)을 수용하는 구동기구하우징(30)의 오목부와 부시(80)의 외주면의 사이에는, 예를 들면 O링 등의 시일부재(94)가 장착된다. 시일부재(94)에 의하여, 시일부품(56)의 외측에서의 가스의 누출이 방지된다.

이상, 실시형태에 관한 극저온냉동기(10)의 구성을 설명했다. 계속해서 그 동작을 설명한다. 디스플레이서(24)가 하사점 또는 그 근방에 있을 때, 로터리밸브(58)는, 압축기(12)의 토출구(12a)를 팽창공간(34)에 접속하도록 전환되어, 냉동사이클의 흡기공정이 개시된다. 고압가스가, 로터리밸브(58)로부터 하우징가스유로(64), 상부공간(36), 디스플레이서 상덮개 가스유로(66)를 통하여 축랭기고온부(16a)에 들어간다. 가스는 축랭기(16)를 통과하면서 냉각되어, 축랭기저온부(16b)로부터 디스플레이서 하덮개 가스유로(68)를 통하여 팽창공간(34)에 들어간다. 가스가 팽창공간(34)으로 유입되는 동안, 디스플레이서(24)는 하사점으로부터 상사점을 향하여 실린더(28) 내를 축방향 상향으로 움직인다. 그로써 팽창공간(34)의 용적이 증가된다. 이렇게 하여 팽창공간(34)은 고압가스로 채워진다.

디스플레이서(24)가 상사점 또는 그 근방에 있을 때, 로터리밸브(58)는, 압축기(12)의 흡입구(12b)를 팽창공간(34)에 접속하도록 전환되어, 냉동사이클의 배기공정이 개시된다. 이때 팽창공간(34) 내의 고압가스는 팽창하여 냉각된다. 팽창한 가스는, 팽창공간(34)으로부터 디스플레이서 하덮개 가스유로(68)를 통하여 축랭기(16)에 들어간다. 가스는 축랭기(16)를 통과하면서 냉각한다. 가스는, 축랭기(16)로부터 하우징가스유로(64), 로터리밸브(58), 저압가스실(37)을 거쳐 압축기(12)로 복귀한다. 가스가 팽창공간(34)으로부터 유출되는 동안, 디스플레이서(24)는 상사점으로부터 하사점을 향하여 실린더(28) 내를 축방향 하향으로 움직인다. 그로써 팽창공간(34)의 용적이 감소되어, 팽창공간(34)으로부터 저압가스가 배출된다. 배기공정이 종료되면, 재차 흡기공정이 개시된다.

구동기구하우징(30)과 연결로드(26)의 사이에 시일부품(56)이 마련되어, 상부공간(36) 및 팽창공간(34)은 저압가스실(37)로부터 밀봉되어 있으므로, 상부공간(36) 및 팽창공간(34)으로부터 저압가스실(37)로의 가스의 누출은 실질적으로 발생하지 않는다.

이상이 극저온냉동기(10)에 있어서의 1회의 냉동사이클이다. 극저온냉동기(10)는 냉동사이클을 반복함으로써, 냉동기스테이지(32)를 원하는 온도로 냉각한다. 따라서, 극저온냉동기(10)는, 냉동기스테이지(32)에 열적으로 결합된 물체를 극저온으로 냉각할 수 있다.

실시형태에 의하면, 시일부품(56)은, 제1 접촉시일(81) 및 제2 접촉시일(82)을 구비하므로, 신규로 제조된 극저온냉동기(10)는, 운전개시부터 잠시 동안(예를 들면 수년 정도), 이들 2개의 접촉시일이 유효하게 기능한다. 2개의 접촉시일 각각이 부담해야 할 부하는, 접촉식 시일을 1개 밖에 갖지 않는 비교예에 관한 시일부에 비하여, 대략 절반이 된다. 연결로드(26)와의 슬라이딩에 의한 제1 접촉시일(81) 및 제2 접촉시일(82)의 마모의 진행을 늦출 수 있어, 이들 2개의 접촉시일의 시일성능을 장기에 걸쳐 유지할 수 있다.

극저온냉동기(10)의 운전 중, 디스플레이서(24)를 둘러싸는 압력, 즉 상부공간(36) 및 팽창공간(34)의 압력은, 제1 압력(고압)과 이보다 낮은 제2 압력(저압)으로 주기적으로 변동한다. 디스플레이서구동기구(38)를 둘러싸는 압력, 즉 저압가스실(37)의 압력은, 제2 압력으로 유지된다. 비접촉시일(83)은, 제1 압력과 제2 압력의 중간압을 갖는다. 따라서, 접촉식 시일이 1개 밖에 마련되어 있지 않은 비교예에 비하여, 제1 접촉시일(81) 및 제2 접촉시일(82) 각각에 작용하는 차압은, 대략 절반이 된다. 제1 접촉시일(81), 제2 접촉시일(82)에 작용하는 부하는 반감되고, 이것은 제1 접촉시일(81), 제2 접촉시일(82)의 장수명화로 이어진다.

또한, 제1 접촉시일(81) 및 제2 접촉시일(82)이 장기에 걸친 극저온냉동기(10)의 운전을 거쳐 마모되었다고 해도, 시일부품(56)은 비접촉시일(83)을 가지므로, 시일부품(56)의 시일성능은 없어지지 않는다. 2개의 접촉시일이 유효하게 기능하고 있을 때에 비하면, 비접촉시일(83) 단체(單體)의 시일성능은 어느 정도 뒤떨어질지도 모르지만, 극저온냉동기(10)의 냉동성능이 현저하게 손상되지 않도록 비접촉시일(83)을 설계하는 것은 가능하다. 접촉식 시일이 1개 밖에 마련되어 있지 않은 비교예에서는, 접촉식 시일이 마모되었을 때 즉시 냉동성능이 크게 저하될 수 있지만, 실시형태에 의하면, 그러한 문제는 해소 또는 완화된다.

따라서, 실시형태에 관한 시일부품(56)은, 접촉식의 시일부재의 소모에 대하여 탄탄한 설계를 갖는다. 실시형태에 의하면, 장기신뢰성이 우수한 극저온냉동기용의 시일부품(56) 및 이것을 구비하는 극저온냉동기(10)를 제공할 수 있다.

도 4는, 시일부품(56)의 다른 예를 나타내는 도이다. 도시되는 바와 같이, 시일부품(56)은, 비접촉시일(83)을 축방향으로 분할하도록 제1 접촉시일(81)과 제2 접촉시일(82)의 사이에서 부시(80)에 지지된 중간접촉시일(96)을 더 구비해도 된다. 중간접촉시일(96)에 의하여, 비접촉시일(83)이 제1 부분(83a)과 제2 부분(83b)으로 분할되어 있다. 이와 같이 하여, 추가의 접촉시일을 마련함으로써, 개개의 접촉시일에 가해지는 부하는, 보다 저감된다.

이상, 본 발명을 실시예에 근거하여 설명했다. 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고, 다양한 설계변경이 가능하며, 다양한 변형예가 가능한 것, 또 그러한 변형예도 본 발명의 범위에 있는 것은, 당업자에게 이해되는 바이다. 일 실시형태에 관련하여 설명한 다양한 특징은, 다른 실시형태에도 적용 가능하다. 조합에 의하여 발생하는 새로운 실시형태는, 조합되는 실시형태 각각의 효과를 겸비한다.

일 실시형태에 있어서는, 시일부품(56)은, 상부로드(52)를 슬라이딩 가능하게 지지하는 슬라이딩베어링(54)으로서 구동기구하우징(30)에 장착되어도 된다.

일 실시형태에 있어서는, 구동기구하우징(30) 내에 고압의 작동가스가 도입되어도 되고, 디스플레이서구동기구(38)는 고압가스실에 배치되어도 된다. 이 경우, 극저온냉동기의 운전 중, 디스플레이서를 둘러싸는 압력은 제1 압력과 이보다 낮은 제2 압력을 주기적으로 변동하고, 디스플레이서구동기구를 둘러싸는 압력은 제1 압력으로 유지된다. 이와 같이 해도, 상술한 실시형태와 마찬가지로, 비접촉시일(83)은 제1 압력과 제2 압력의 중간압을 가질 수 있다.

상술한 실시형태에서는, 디스플레이서구동기구(38)가 스코치요크기구(42)를 포함하는 경우를 예로서 설명했지만, 다른 형식의 디스플레이서구동기구도 적용 가능하다. 예를 들면, 극저온냉동기(10)는, 디스플레이서(24)가 가스압에 의하여 구동되는, 이른바 가스구동형의 GM냉동기여도 된다. 이 경우, 디스플레이서(24)로부터 뻗는 연결로드(26)는, 스코치요크기구(42) 대신에, 구동피스톤에 강하게 연결된다. 구동피스톤은, 구동기구하우징(30)에 수납되어도 된다. 구동피스톤에 작용하는 압력과 디스플레이서(24)에 작용하는 압력의 압력차에 의하여 디스플레이서(24)가 축방향으로 왕복하도록, 구동피스톤에 작용하는 압력이 제어된다. 구동피스톤에 작용하는 압력의 제어는 통상, 예를 들면 로터리밸브(58)를 이용하여 행해질 수 있다. 상술한 실시형태와 마찬가지로, 연결로드(26)는, 시일부품(56)에 의하여 축방향으로 이동 가능하게 지지된다. 그와 함께, 디스플레이서(24)를 축방향으로 왕복시키는 압력차가 시일부품(56)에 의하여 지지된다.

상기에 있어서는, 단단식의 GM냉동기로 언급하여 실시형태를 설명했다. 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 실시형태에 관한 시일부품(56)은, 2단식 또는 다단식의 GM냉동기, 또는, 디스플레이서구동기구를 디스플레이서에 연결하는 연결로드를 갖는 그 외의 극저온냉동기에 적용 가능하다.

실시형태에 근거하여, 구체적인 어구를 이용하여 본 발명을 설명했지만, 실시형태는, 본 발명의 원리, 응용의 일 측면을 나타내고 있음에 지나지 않고, 실시형태에는, 청구의 범위에 규정된 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위에 있어서, 많은 변형예나 배치의 변경이 인정된다.

10 극저온냉동기
24 디스플레이서
26 연결로드
38 디스플레이서구동기구
56 시일부품
80 부시
81 제1 접촉시일
82 제2 접촉시일
83 비접촉시일
84 직경방향 클리어런스
86 시일링
88 버클링

Claims

디스플레이서와,
디스플레이서구동기구와,
상기 디스플레이서구동기구를 상기 디스플레이서에 연결하는 연결로드와,
상기 연결로드를 축방향으로 왕복이동 가능하게 지지하는 시일부품으로서,
상기 연결로드가 삽통되어, 상기 연결로드와의 사이에 비접촉시일로서 작용하는 직경방향 클리어런스를 정하는 부시와,
상기 직경방향 클리어런스에 대하여 상기 디스플레이서구동기구측에서 상기 부시에 지지되어, 상기 직경방향 클리어런스를 밀봉하는 제1 접촉시일과,
상기 직경방향 클리어런스에 대하여 상기 디스플레이서측에서 상기 부시에 지지되어, 상기 직경방향 클리어런스를 밀봉하는 제2 접촉시일을 구비하는 시일부품을 포함하는 것을 특징으로 하는 극저온냉동기.
제1항에 있어서,
상기 극저온냉동기의 운전 중, 상기 디스플레이서를 둘러싸는 압력은 제1 압력과 이보다 낮은 제2 압력으로 주기적으로 변동하고, 상기 디스플레이서구동기구를 둘러싸는 압력은 상기 제1 압력 또는 상기 제2 압력 중 어느 하나로 유지되며, 상기 비접촉시일은 상기 제1 압력과 상기 제2 압력의 중간압을 갖는 것을 특징으로 하는 극저온냉동기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 접촉시일 및 상기 제2 접촉시일 중 적어도 일방은, 상기 연결로드에 접촉하는 시일링과, 상기 시일링을 상기 연결로드에 누르도록 상기 시일링과 상기 부시의 사이에 배치된 버클링을 구비하는 것을 특징으로 하는 극저온냉동기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 부시는, 수지재료로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 극저온냉동기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 시일부품은, 상기 비접촉시일을 축방향으로 분할하도록 상기 제1 접촉시일과 상기 제2 접촉시일의 사이에서 상기 부시에 지지된 중간접촉시일을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 극저온냉동기.
디스플레이서구동기구를 디스플레이서에 연결하는 연결로드를 축방향으로 왕복이동 가능하게 지지하는 시일부품으로서,
상기 연결로드가 삽통되어, 상기 연결로드와의 사이에 비접촉시일로서 작용하는 직경방향 클리어런스를 정하는 부시와,
상기 직경방향 클리어런스에 대하여 상기 디스플레이서구동기구측에서 상기 부시에 지지되어, 상기 직경방향 클리어런스를 밀봉하는 제1 접촉시일과,
상기 직경방향 클리어런스에 대하여 상기 디스플레이서측에서 상기 부시에 지지되어, 상기 직경방향 클리어런스를 밀봉하는 제2 접촉시일을 구비하는 것을 특징으로 하는 시일부품.