KR101333054B1

KR101333054B1 - 극저온 냉동기

Info

Publication number: KR101333054B1
Application number: KR1020120025274A
Authority: KR
Inventors: 요지 미즈노
Original assignee: 스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤
Priority date: 2011-03-17
Filing date: 2012-03-13
Publication date: 2013-11-26
Also published as: US20120234023A1; KR20120106581A; TW201239299A; TWI460386B; JP2012193926A; CN102679608B; CN102679608A

Abstract

[과제] 초전도 전자석의 냉각에 적합한 극저온 냉동기를 제공하는 것.
[해결수단] 초전도 전자석의 냉각에 이용되는 극저온 냉동기(1)는, 스카치요크(8)에 있어서의 크랭크핀 베어링(28)으로서, 원통형상의 비자성 수지재료로 구성되고, 모터(6)의 출력축(24)에 편심하여 장착되는 크랭크핀(25)을 원주방향으로 슬라이딩 가능하게 지지하는 원통 내벽과, 스카치요크(8)에 있어서의 창부(34)의 내벽과 접촉하는 원통 외벽을 가지는 크랭크핀 베어링(28)을 구비한다.

Description

극저온 냉동기{Cryogenic refrigerator}

본 출원은, 2011년 3월 17일에 출원된 일본 특허출원 제2011-059876호에 근거하여 우선권을 주장한다. 그 출원의 전체 내용은 이 명세서 중에 참조에 의하여 원용되어 있다.

본 발명은, 극저온 냉동기에 관한 것으로서, 특히, 초전도 전자석의 냉각에 이용되는 극저온 냉동기에 관한 것이다.

종래, 모터의 회전운동을 직선 왕복동으로 변환하는 스카치요크를 구비한 GM(Gifford McMahon) 냉동기가 알려져 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조).

이 GM냉동기는, 주로, 압축기, 축냉기, 팽창기, 및 전환밸브로 구성되고, 압축기에서 압축된 냉매가스를 전환밸브 및 축냉기를 개재하여 팽창기에 공급하며, 축냉기에서 냉각된 냉매가스를 팽창기에서 팽창시킴으로써 극저온을 실현한다.

팽창기는, 주로, 실린더, 및 그 실린더 속을 왕복동하는 디스플레이서로 구성되고, 디스플레이서는, 스카치요크를 개재하여 실린더 속을 왕복동한다.

스카치요크는, 주로, 상하로 돌출되는 2개의 축을 구비한 평판부와, 그 평판부에 형성된 둥근 모서리 장방형의 창(窓)부 내에 전동(轉動; 구름운동) 가능하게 배치되는 크랭크핀 베어링으로 구성된다. 그리고, 크랭크핀 베어링은, 모터의 출력축에 편심하여 장착되는 크랭크핀을 원주방향으로 슬라이딩 가능하게 지지하도록 구성된다.

일본 특허공개 평6-300378호 공보

하지만, 크랭크핀 베어링은, 통상, 경도가 우수한 철로 형성되어 있다. 그러한 강자성체인 철로 형성되는 크랭크핀 베어링을 포함하는 GM냉동기를, 강(强)자장을 발생시키는 초전도 전자석의 냉각에 이용하면, GM냉동기의 배치에 따라서는 초전도 전자석으로부터의 외력을 받기 때문에, 크랭크핀 베어링이 편마모될 우려가 있다.

상술한 점을 감안하여, 본 발명은, 초전도 전자석의 냉각에 적합한 극저온 냉동기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 관한 극저온 냉동기는, 초전도 전자석의 냉각에 이용되는 극저온 냉동기로서, 스카치요크에 있어서의 크랭크핀 베어링으로서, 원통형상의 비(非)자성 수지재료로 형성되고, 모터의 출력축에 편심하여 장착되는 크랭크핀을 원주방향으로 슬라이딩 가능하게 지지하는 원통 내벽(內壁)과, 이 스카치요크에 있어서의 창(窓)부의 내벽과 접촉하는 원통 외벽(外壁)을 가지는 크랭크핀 베어링을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상술한 수단에 의하여, 본 발명은, 초전도 전자석의 냉각에 적합한 극저온 냉동기를 제공할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 실시예에 관한 극저온 냉동기의 구성예를 나타내는 단면도이다.
도 2는, 하우징 내의 크랭크부재, 스카치요크, 및 로터리밸브의 분해사시도이다.
도 3은, 로터리밸브의 분해사시도이다.
도 4는, 밸브플레이트와 밸브본체 사이의 상대관계를 나타내는 도면이다.
도 5는, 크랭크핀 베어링의 상세도(그 1)이다.
도 6은, 크랭크핀 베어링의 상세도(그 2)이다.
도 7은, 크랭크핀 베어링의 원통 내벽부의 폭과 원통 외벽부의 폭 사이의 관계를 나타내는 도면이다.
도 8은, 크랭크핀 베어링의 상세도(그 3)이다.
도 9는, 크랭크핀 베어링의 상세도(그 4)이다.

도 1은, 본 발명의 실시예에 관한 극저온 냉동기의 구성예를 나타내는 단면도이고, 극저온 냉동기(1)는, 예컨대, GM냉동기로서, 주로, 압축기(2) 및 냉동기(3)를 포함한다.

압축기(2)는, 냉매가스(헬륨가스)를 그 저압측(2A)으로부터 흡입하여, 냉매가스의 압력을 높여서 고압측(2B)으로 배출하여 냉동기(3)에 공급한다.

냉동기(3)는, 하우징(4), 실린더(5), 모터(6), 크랭크부재(7), 스카치요크(8), 로터리밸브(9), 디스플레이서(10), 제1 냉각 스테이지(11), 및 제2 냉각 스테이지(12)로 구성된다.

하우징(4)은, 압축기(2)의 고압측(2B)에 접속되는 냉매가스 도입구(13)와, 압축기(2)의 저압측(2A)에 접속되는 냉매가스 도출구(14)를 가진다.

실린더(5)는, 도면에서 나타난 바와 같이, 2단(段)식의 디스플레이서(10)를 상하방향으로 왕복 슬라이딩 가능하게 수용하고, 그 슬라이딩 부분에는 시일(seal)이 배치된다.

모터(6)는, 예컨대 전동(電動)모터로서, 크랭크부재(7)에 연결되는 출력축(24)을 가진다.

여기서, 도 2 및 도 3을 참조하면서, 하우징(4) 내의 크랭크부재(7), 스카치요크(8), 및 로터리밸브(9)의 상세에 대하여 설명한다. 다만, 도 2는, 하우징(4) 내의 크랭크부재(7), 스카치요크(8), 및 로터리밸브(9)의 분해사시도이고, 도 3은, 로터리밸브(9)의 분해사시도이다.

크랭크부재(7)는, 키 접속에 의하여 모터(6)의 출력축(24)에 연결되고, 모터(6)의 출력축(24)으로부터 편심하여 배치되고 그 출력축(24)에 평행하게 뻗는 크랭크핀(25)을 가진다.

스카치요크(8)는, 가로로 긴 평판부(26), 상방축(27U), 하방축(27D), 및 크랭크핀 베어링(28)을 가지고, 하방축(27D)을 디스플레이서(10)의 상부에 고정하고, 가로로 긴 평판부(26)에 둥근 모서리 장방형의 창부(34)를 형성하여 그 내측에 원통형상의 크랭크핀 베어링(28)을 전동(轉動) 가능하게 배치한다.

또한, 스카치요크(8)는, 크랭크핀 베어링(28)의 내벽에 크랭크핀(25)을 슬라이딩 가능하게 받아들인다.

또한, 스카치요크(8)는, 회전방지 핀(미도시)에 의하여 상방축(27U) 및 하방축(27D) 둘레의 회전이 규제되고, 시일재를 겸하는 한 쌍의 미끄럼 베어링(35U, 35D)(도 1 참조)의 각각에 의하여 상방축(27U), 하방축(27D)이 지지되며, 상하방향으로 왕복동 가능하도록 구성된다.

이와 같이 하여, 스카치요크(8)는, 크랭크부재(7)의 회전운동을 디스플레이서(10)의 상하 왕복운동으로 변환한다.

다만, 크랭크핀 베어링(28)은, 적합하게는, 비자성 수지재료로 형성되는 것으로 한다.

로터리밸브(9)는, 밸브플레이트(29), 밸브본체(30), 압축스프링(31), 및 고정핀(32)을 가지고, 밸브플레이트(29)에 형성된 크랭크핀 계합공(33)에 크랭크핀(25)을 받아들인다.

밸브플레이트(29)는, 크랭크부재(7)측에 위치하는 저압측면(29A)과, 저압측면(29A)의 반대측에 있는 밸브본체(30)에 접하는 고압측면(29B)을 가진다.

또한, 밸브플레이트(29)는, 저압측면(29A)과 고압측면(29B)을 연통(連通)하는 축방향의 원호형상 관통공(29C)과, 고압측면(29B)의 면에 형성되는 직경방향 긴 홈(29D)을 가진다.

밸브본체(30)는, 고압측면(29B)에 밀착하여 접촉하는 제1 측면(30A)과, 제1 측면(30A)의 반대측에 있고 압축기(2)의 고압측(2B)으로부터 냉매가스를 받는 제2 측면(30B)을 가진다.

또한, 밸브본체(30)는, 제1 측면(30A)과 제2 측면(30B)을 연통하는 중심관통공(30C)과, 제1 측면(30A)에 형성되는 원호형상 홈(30D)과, 원호형상 홈(30D)에 연통하여 밸브본체(30)의 외주면에 개구되는 연통용 직사각형 구멍(30E)과, 고정핀(32)을 삽입하는 고정용 구멍(30F)을 가진다.

다만, 연통용 직사각형 구멍(30E)은, 하우징(4)의 가스유로(36)(도 1 참조)를 통하여 디스플레이서(10)의 제1 공간(17)과 연통한다.

도 4는, 밸브플레이트(29)와 밸브본체(30)의 접촉면(고압측면(29B) 및 제1 측면(30A))을 밸브본체(30)측에서 본 도면이다.

도 4에서 나타난 바와 같이, 원호형상 관통공(29C)은, 밸브플레이트(29)의 중심으로부터 중심관통공(30C)과 원호형상 홈(30D) 사이 거리와 동일한 반경의 위치에 있는 둥근 구멍을, 동일 반경의 원주 상에 소정의 원주각도만큼 넓힌 형상을 가진다.

밸브플레이트(29)에 있어서의 주화(鑄貨)용 틀의 형상을 가지는 직경방향 긴 홈(29D)은, 밸브플레이트(29)의 중심으로부터 중심관통공(30C)과 원호형상 홈(30D) 사이의 거리와 동일한 길이를 가진다.

또한, 밸브본체(30)에 있어서의 원호형상 홈(30D)의 형상은, 원호형상 관통공(29C)과 마찬가지로, 밸브본체(30)의 중심으로부터 중심관통공(30C)과 원호형상 홈(30D) 사이의 거리와 동일한 반경의 위치에 있는 둥근 구멍을, 동일 반경의 원주 상에 소정의 원주각도 분만큼 넓힌 형상을 가진다.

이와 같이, 밸브플레이트(29)는, 그 중심축을 밸브본체(30)의 중심축과 일치시키고, 고압측면(29B)을 제1 측면(30A)에 접촉시키면서 슬라이딩 회전하고, 중심관통공(30C)과 직경방향 긴 홈(29D)을 상시 연통상태로 한다.

또한, 밸브플레이트(29)는, 직경방향 긴 홈(29D)이 원호형상 홈(30D)과 연통하고 있을 때를 흡기밸브 "열림" 및 배기밸브 "닫힘"의 상태로 하고, 원호형상 관통공(29C)이 원호형상 홈(30D)과 연통하고 있을 때를 흡기밸브 "닫힘" 및 배기밸브 "열림"의 상태로 한다.

다만, 밸브플레이트(29)는, 베어링(37)(도 1 참조.)에 의하여, 회전 가능 또한 축방향으로 이동 불가능하게 지지된다. 또한, 밸브본체(30)는, 고정핀(32)에 의하여, 하우징(4)에 대하여 회전 불가능하게 되고, 또한 밸브플레이트(29)에 대하여 슬라이딩하도록 고정된다.

압축스프링(31)은, 밸브본체(30)의 치우침을 방지하기 위한 부재로서, 밸브본체(30)를 밸브플레이트(29)에 밀어붙이도록 한다.

여기서, 다시 도 1을 참조하면서, 극저온 냉동기(1)에 있어서의 냉동기(3)의 구성요소의 설명을 계속한다.

디스플레이서(10)는, 제1 축냉재(15) 및 제2 축냉재(16)를 내장하고, 실린더(5)와의 사이에 제1 공간(17)(실온공간), 제2 공간(18)(제1 팽창공간), 및 제3 공간(19)(제2 팽창공간)을 형성하고, 제1 연통공(20), 제2 연통공(21), 제3 연통공(22), 및 제4 연통공(23)을 통하여 3개의 공간의 각각을 연통 가능하게 한다.

디스플레이서(10)가 상승하면, 제1 공간(17)은 그 용적을 감소시키고, 반대로, 제2 공간(18) 및 제3 공간(19)은 그 용적을 증대시킨다.

제1 냉각 스테이지(11) 및 제2 냉각 스테이지(12)는, 실린더(5)로부터 외측으로 뻗는 플랜지에 의하여 구성되고, 실린더(5) 내에서 발생하는 냉열을 냉각대상물에 대하여 열전도 가능하게 배치된다.

여기서, 극저온 냉동기(1)의 통상의 냉각모드 운전에 대하여 설명한다.

압축기(2)의 고압측(2B)으로부터 나온 고압의 헬륨가스는, 냉매가스 도입구(13)를 통하여 하우징(4) 내로 유도된다. 그때, 고압의 헬륨가스는, 압축스프링(31)과 함께 밸브본체(30)를 밸브플레이트(29)에 밀어붙인다.

헬륨가스의 대부분은, 밸브본체(30)의 중심관통공(30C)으로부터 밸브플레이트(29)의 직경방향 긴 홈(29D)에 전해진다.

밸브플레이트(29)는, 모터(6)의 회전에 의하여, 도 3에서 나타내어지는 바와 같이 반시계방향으로 회전되고, 직경방향 긴 홈(29D)과 원호형상 홈(30D)을 접속하여 제1 공간(17)에 냉매가스가 공급되도록 한다. 이 상태가 상술한 흡기밸브 "열림"의 상태이다. 스카치요크(8) 및 디스플레이서(10)는, 흡기밸브 "열림"의 상태가 창출됨과 동시에 상승을 개시한다.

흡기밸브 "열림" 및 디스플레이서(10)의 상승에 따라서, 헬륨가스는, 중심관통공(30C), 직경방향 긴 홈(29D), 원호형상 홈(30D), 연통용 직사각형 구멍(30E), 및 가스유로(36)를 거쳐서 제1 공간(17)에 이르고, 제1 축냉재(15)로 냉각되어 제2 공간(18)에 이르고, 또한, 제2 축냉재(16)로 냉각되어 제3 공간(19)에 이른다.

디스플레이서(10)가 상사점에 도달하면, 밸브플레이트(29)는, 직경방향 긴 홈(29D)과 원호형상 홈(30D) 사이의 접속을 해제하고, 원호형상 관통공(29C)을 원호형상 홈(30D)에 접속한다.

그 결과, 밸브플레이트(29)는, 압축기(2)로부터 실린더(5)로의 고압 헬륨가스의 유입을 차단하는 한편, 배기밸브 "열림" 상태를 창출하여, 디스플레이서(10)의 하강과 함께 제2 공간(18) 및 제3 공간(19) 내의 고압 헬륨가스를 팽창시킨다.

팽창된 헬륨가스는, 제1 축냉재(15) 및 제2 축냉재(16)를 냉각하고, 가스유로(36), 연통용 직사각형 구멍(30E), 원호형상 홈(30D), 및 원호형상 관통공(29C)을 통과하고, 나아가서는 스카치요크(8) 및 크랭크부재(7)의 근방을 통과하여, 냉매가스 도출구(14)로부터 압축기(2)의 저압측(2A)으로 되돌아온다.

이러한 냉각모드 운전을 반복함으로써, 극저온 냉동기(1)는, 제1 냉각 스테이지(11) 및 제2 냉각 스테이지(12)를 냉각한다.

다음으로, 도 5를 참조하면서, 스카치요크(8)에 있어서의 크랭크핀 베어링(28)의 상세에 대하여 설명한다. 다만, 도 5는, 크랭크핀 베어링(28)의 상세도로서, 도 5 (A)는, 도 1의 점선 원으로 둘러싸인 영역을 확대한 도면이고, 도 5 (B)는, 도 5 (A)의 VB-VB선 단면도이다. 또한, 도 5 (B)의 VA-VA선 단면도가 도 5 (A)에 대응하는 것으로 한다.

크랭크핀 베어링(28)은, 적합하게는, 원통형상의 비(非)자성 수지재료로 구성되고, 크랭크핀(25)에 접촉하는 원통 내벽과, 평판부(26)에 형성된 둥근 모서리 장방형의 창(窓)부(34)의 내벽에 접촉하는 원통 외벽을 가진다.

다만, 스카치요크(8)는, 크랭크핀 베어링(28)의 원통 내벽과 크랭크핀(25) 사이의 접촉마찰력이, 크랭크핀 베어링(28)의 원통 외벽과 평판부(26) 사이의 접촉마찰력보다도 작게 되도록 구성되는 것으로 한다.

크랭크핀 베어링(28)이, 그 원통 내벽으로 크랭크핀(25)을 슬라이딩 가능하게 지지하면서, 창부(34)의 내벽 상을 전동(轉動)할 수 있도록 하기 위함이다.

그로 인하여, 크랭크핀 베어링(28)은, 예컨대, 단단하고 슬라이딩 성질이 뛰어난 불소수지재료 등으로 일체적으로 형성된다.

또한, 비자성 수지재료로 형성된 크랭크핀 베어링(28)은, 비자성 스테인리스강으로 형성된 크랭크핀(25) 및 평판부(26)와의 눌러 붙음(燒付)을 방지할 수 있다는 효과도 가진다.

또한, 크랭크핀 베어링(28)은, 모터(6)의 출력축(24)를 중심으로 하는 원궤도(TR)(도 5 (B) 참조)에 따라 이동(공전)하는 크랭크핀(25)의 외주면과 크랭크핀 베어링(28)의 원통 내벽을 슬라이딩시킨다.

또한, 크랭크핀 베어링(28)은, 그 원통 외벽을 평판부(26)에 형성된 창부(34)의 내벽에 마찰 접촉시키고, 화살표(AR)의 방향으로 회전(자전)하면서, 외견상, 창부(34) 내를 도면의 좌측방향으로 이동(전동(轉動))한다.

이와 같이, 크랭크핀 베어링(28)은, 크랭크핀(25) 상에서 크랭크핀(25)에 대하여 상대적으로 회전하면서, 창부(34)의 내벽 상을 슬라이딩하지 않고 전동(轉動)함으로써, 원궤도(TR)를 따라 공전하면서 자전하는 것이 되고, 외견상, 창부(34) 내를 도면의 좌우방향으로 왕복동하는 것이 된다.

이상의 구성에 의하여, 크랭크핀 베어링(28)을 구비한 극저온 냉동기(1)는, 초전도 전자석이 발생시키는 강(强)자장의 영향을 받지 않는 스카치요크(8)에 의하여 디스플레이서(10)를 상하로 왕복동시킬 수 있고, 초전도 전자석을 적절히 냉각시킬 수 있다.

다음으로, 도 6을 참조하면서, 스카치요크(8)에 있어서의 크랭크핀 베어링의 다른 실시예인 크랭크핀 베어링(28a)에 대하여 설명한다. 다만, 도 6은, 크랭크핀 베어링(28a)의 상세도로서, 도 6 (A) 및 도 6 (B)는 각각, 도 5 (A) 및 도 5 (B)에 대응하는 도면이다.

크랭크핀 베어링(28a)은, 원통 내벽부(28a1) 및 원통 외벽부(28a2)의 두 부재로 형성되고, 그들 각각이 별개의 비자성 수지재료로 형성되는 점에서 크랭크핀 베어링(28)과 상이하다. 다만, 원통 내벽부(28a1) 및 원통 외벽부(28a2)는, 공지의 기술을 이용하여 상대회전 불가능하게 결합되어 있는 것으로 한다.

또한, 원통 내벽부(28a1)를 형성하는 비자성 수지재료는, 원통 외벽부(28a2)를 형성하는 비자성 수지재료보다도 슬라이딩 성질이 높은 재료가 선택된다.

크랭크핀 베어링(28a)이, 그 원통 내벽부(28a1)에서 크랭크핀(25)을 슬라이딩 가능하게 지지하면서, 창부(34)의 내벽 상을 전동(轉動)할 수 있도록 하기 위함이다.

예컨대, 크랭크핀 베어링(28a)은, 그 원통 내벽부(28a1)가 불소수지재료 등의 슬라이딩 성질이 높은 고(高)경도 수지재료(예컨대, PTFE, PPS 등임)로 형성되고, 그 원통 외벽부(28a2)가 보다 경도가 낮은 저(低)경도 수지재료(예컨대, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드 등임)로 형성된다.

이로써, 크랭크핀 베어링(28a)은, 크랭크핀 베어링(28)과 같이 불소수지재료로 일체적으로 형성되는 경우와 비교하여, 제조비용을 저감시킬 수 있다.

이 경우, 고경도 수지재료 및 저경도 수지재료의 각각의 사용량, 즉, 원통 내벽부(28a1) 및 원통 외벽부(28a2)의 각각의 두께는, 기능면과 비용면을 고려하면서 적절히 결정되는 것으로 한다.

또한, 크랭크핀 베어링(28a)은, 기본적으로 고경도 수지재료로 형성되고, 그 원통 외벽의 표면이 저경도 수지재료로 코팅된 것이어도 된다. 크랭크핀 베어링(28a)이 그 원통 내벽에서 크랭크핀(25)을 슬라이딩 가능하게 지지하면서 창부(34)의 내벽 상을 공전하지 않고 전동(轉動)한다고 하는 크랭크핀 베어링(28a)의 특성을 더욱 개선하기 위함이다.

반대로, 크랭크핀 베어링(28a)은, 기본적으로 저경도 수지재료로 형성되고, 그 원통 내벽의 표면이 고경도 수지재료로 코팅된 것이어도 된다. 크랭크핀 베어링(28a)의 상술한 특성을 유지하면서도, 고가의 고경도 수지재료의 사용량을 저감시킴으로써, 제조비용을 저감하기 위함이다.

도 7은, 크랭크핀 베어링(28a)의 원통 내벽부(28a1)의 폭 W1과 원통 외벽부(28a2)의 폭 W2 사이의 관계를 나타내는 도면으로서, 도 7 (A)~도 7 (C)는 각각, 도 5(A)에 대응하는 도면이다.

또한, 도 7 (A)는, 폭 W1이 폭 W2와 동일한 경우를 나타내고, 도 7 (B)는, 폭 W2가 폭 W21으로 확대된 경우를 나타내며, 도 7 (C)는, 폭 W1이 폭 W11으로 축소된 경우를 나타낸다.

도 7 (B)에서 나타내는 바와 같이 원통 외벽부(28a2)의 폭 W2를 폭 W21으로 확대한 경우에는, 창부(34) 내에 있어서의 크랭크핀 베어링(28a)의 전동(轉動)을 안정화시키는 효과가 있다.

또한, 도 7 (C)에서 나타내는 바와 같이 원통 내벽부(28a1)의 폭 W1을 폭 W11으로 축소한 경우에는, 고가인 고경도 수지재료의 사용량을 저감시키는 효과가 있다.

이와 같이, 크랭크핀 베어링(28a)은, 그 2 부재 구성에 의하여, 원통 내벽부(28a1)의 폭 W1 및 원통 외벽부(28a2)의 폭 W2를 따로따로 설정할 수 있도록 하고, 상술한 효과를 포함하는 원하는 효과에 따라서 폭 W1 및 폭 W2를 보다 유연하게 선택할 수 있도록 한다.

다만, 원통 내벽부(28a1)의 폭 W1 및 원통 외벽부(28a2)의 폭 W2의 각각은, 평판부(26)의 폭 W3보다 큰 것이어도 되고, 평판부(26)의 폭 W3보다 작은 것이어도 된다. 또한, 원통 내벽부(28a1)의 폭 W1은, 원통 외벽부(28a2)의 폭 W2보다 큰 것이어도 된다.

이상의 구성에 의하여, 크랭크핀 베어링(28a)을 구비한 극저온 냉동기(1)는, 초전도 전자석이 발생시키는 강(强)자장의 영향을 받지 않는 스카치요크(8)에 의하여 디스플레이서(10)를 상하로 왕복동시킬 수 있으며, 초전도 전자석을 적절히 냉각시킬 수 있다.

또한, 크랭크핀 베어링(28a)은, 비교적 마모되기 쉬운 원통 내벽부(28a1)에 고경도 수지재료를 이용하고, 비교적 마모되기 어려운 원통 외벽부(28a2)에 저경도 수지재료를 이용함으로써, 필요한 내마모성능을 유지하면서도, 전체에 고경도 수지재료를 이용하는 경우에 비하여, 제조비용을 저감시킬 수 있다.

다음으로, 도 8을 참조하면서, 스카치요크(8)에 있어서의 크랭크핀 베어링의 또 다른 실시예인 크랭크핀 베어링(28b)에 대하여 설명한다. 다만, 도 8은, 크랭크핀 베어링(28b)의 상세도로서, 도 8 (A)~도 8 (C)는 각각, 도 5 (A)에 대응하는 도면이다.

구체적으로는, 도 8 (A)는, 크랭크핀(25)의 축선과 스카치요크(8)의 축선(상방축(27U) 및 하방축(27D)의 축선)이 직교한 상태를 나타낸다.

또한, 도 8 (B)는, 크랭크핀(25)의 축선이 수평선에 대하여 각도 α만큼 경사져서, 스카치요크(8)의 축선과 직교하지 않는 상태를 나타내고, 도 8 (C)는, 스카치요크(8)의 축선이 연직선에 대하여 각도 β만큼 경사져서, 크랭크핀(25)의 축선과 직교하지 않는 상태를 나타낸다.

크랭크핀 베어링(28b)은, 그 축방향에 수직인 방향으로부터 보았을 때(도면을 정면에서 보았을 때)의 그 원통 외벽의 윤곽(28b1)이, 볼록형상인 점에서 크랭크핀 베어링(28, 28a)과 상이하다.

다만, 윤곽(28b1)은, 명확화를 위하여, 굵은 실선으로 강조 표시되어 있고, 구체적으로는, 소정의 반경을 가지는 원의 일부를 구성하는 원호로 나타내어진다.

윤곽(28b1)의 이러한 형상은, 크랭크핀(25)의 축선과 스카치요크(8)의 축선이 직교하지 않는 경우이더라도, 스카치요크(8)을 동작시킬 때에, 크랭크핀 베어링(28b)에 무리한 힘이 가하여지지 않게 한다고 하는 효과를 가진다.

예컨대, 크랭크핀 베어링(28b)은, 도 8 (B) 및 도 8 (C)의 각각으로 나타나는 등의 경우이더라도, 윤곽(28b1)이 볼록형상인 점으로부터, 창부(34)의 내벽의 폭방향 중앙에서 그 내벽과 접촉할 수 있어서, 무리한 힘을 받는 일 없이 스카치요크(8)의 원활한 상하 왕복동을 계속시킬 수 있다.

여기서 말하는 "무리한 힘"이란, 예컨대, 윤곽(28b1)의 형상이 크랭크핀 베어링(28, 28a)과 같이 직선형상인 경우에 그 원통 외벽의 표면이 창부(34)의 내벽의 표면에 대하여 경사지면서 접촉함으로써, 크랭크핀 베어링(28b)이 창부(34)로부터 받는 과도한 힘을 포함한다.

또한, "무리한 힘"은, 예컨대, 윤곽(28b1)의 형상이 직선형상인 경우에 그 원통 내벽의 표면이 크랭크핀(25)의 외면에 대하여 경사지면서 접촉함으로써, 크랭크핀 베어링(28b)이 크랭크핀(25)으로부터 받는 과도한 힘을 포함한다.

다만, 도 8에 있어서, 크랭크핀 베어링(28b)은, 그 폭 W4가 평판부(26)의 폭 W3보다 큰 것으로 되어 있지만, 폭 W4는, 폭 W3과 동일한 것이어도 되고, 폭 W3보다 작은 것이어도 된다.

이상의 구성에 의하여, 크랭크핀 베어링(28b)을 구비한 극저온 냉동기(1)는, 초전도 전자석이 발생시키는 강(强)자장의 영향을 받지 않는 스카치요크(8)에 의하여 디스플레이서(10)를 상하로 왕복동시킬 수 있고, 초전도 전자석을 적절히 냉각시킬 수 있다.

또한, 크랭크핀 베어링(28b)은, 무리한 힘을 받지 않고 스카치요크(8)의 원활한 상하 왕복동을 계속시킬 수 있으며, 그 무리한 힘에 기인하는 이상음의 발생을 억제 혹은 소실시킬 수 있다.

다만, 크랭크핀 베어링(28b)은, 크랭크핀 베어링(28, 28a)과 마찬가지로, 비자성 수지재료로 형성되고, 크랭크핀 베어링(28b)을 구비한 극저온 냉동기(1)가 초전도 전자석의 냉각용도에 이용되는 것을 상정하고 있다. 그러나, 크랭크핀 베어링(28b)의 윤곽(28b1)에 관한 특징은, 크랭크핀 베어링(28b)을 구비한 극저온 냉동기(1)가 초전도 전자석의 냉각 이외의 용도에 이용되는 경우에도 유리하게 적용 가능하다. 이 경우, 크랭크핀 베어링(28b)은, 자성재료로 형성된 것이어도 된다.

다음으로, 도 9를 참조하면서, 스카치요크(8)에 있어서의 크랭크핀 베어링의 또 다른 실시예인 크랭크핀 베어링(28c~28e)에 대하여 설명한다. 다만, 도 9는, 크랭크핀 베어링(28b~28e)의 각각의 단면도이다.

도 9 (A)는, 도 8에서 설명된 크랭크핀 베어링(28b)의 단면도를 비교대상으로서 나타낸다.

상술한 바와 같이, 크랭크핀 베어링(28b)의 윤곽(28b1)은, 소정의 반경을 가지는 원의 일부를 구성하는 원호로 나타내어진다.

윤곽(28b1)은, 크랭크핀 베어링(28b)의 원통 외벽을 상시 창부(34) 내벽의 폭방향 중앙에 접촉시킬 수 있고, 그 곡률반경이 작아짐에 따라서, 대응 가능한 경사각의 범위를 증대시킨다. 다만, 경사각은, 크랭크핀(25)의 축선의 수평선에 대한 경사각, 또는, 스카치요크(8) 축선의 연직선에 대한 경사각을 의미한다.

도 9 (B)는, 크랭크핀 베어링(28c)의 단면도를 나타내고, 크랭크핀 베어링(28c)의 윤곽(28c1)은, 그 중앙에 직선부분을 포함하고, 그 양측에 곡선부분을 포함한다.

윤곽(28c1)은, 그 직선부분에 의하여, 크랭크핀(25)의 축선과 스카치요크(8)의 축선이 직교하고 있는 경우에는, 도 9 (A)의 윤곽(28b1)에 비하여, 크랭크핀 베어링(28c)의 원통 외벽과 평판부(26) 사이의 접촉면적을 증대시킬 수 있어서, 크랭크핀 베어링(28c)의 전동(轉動)을 보다 안정화시킬 수 있다.

또한, 윤곽(28c1)은, 그 곡선부분에 의하여, 크랭크핀(25)의 축선과 스카치요크(8)의 축선이 직교하지 않는 경우이더라도, 크랭크핀 베어링(28c)에 무리한 힘을 가하지 않고 스카치요크(8)의 원활한 상하 왕복동을 계속시킬 수 있다.

다만, 그 경우에 있어서의 평판부(26)와 크랭크핀 베어링(28c) 사이의 접촉은, 도 9 (A)의 윤곽(28b1)에 비하여, 창부(34)의 내벽의 가장자리에 보다 가까운 곳에서 행하여지게 된다.

도 9 (C)는, 크랭크핀 베어링(28d)의 단면도를 나타내고, 크랭크핀 베어링(28d)은, 주로, 도 9 (A)의 윤곽(28b1)과 동일 볼록형상의 윤곽을 가지는 비자성 수지재료로 이루어진 본체부(28d1)로 구성된다. 다만, 이 비자성 수지재료는, 적합하게는, 저경도 수지재료이다.

또한, 본체부(28d1)는, 그 원통 내벽이 다른 비자성 수지재료에 의하여 코팅되어 있다. 다만, 이 다른 비자성 수지재료에 의하여 코팅된 피복층(28d2)은, 적합하게는, 불소수지재료 등의 고경도 수지재료에 의한 것이다.

도 9 (D)는, 크랭크핀 베어링(28e)의 단면도를 나타내고, 크랭크핀 베어링(28e)은, 도 9 (A)의 윤곽(28b1)과 동일 볼록형상의 윤곽을 가지는 비자성 수지재료로 이루어진 원통 외벽부(28e1)와, 원통 외벽부(28e1)와는 다른 비자성 수지재료로 이루어진 원통 내벽부(28e2)로 구성된다.

다만, 원통 외벽부(28e1)는, 적합하게는, 저경도 수지재료로 형성되고, 원통 내벽부(28e2)는, 적합하게는, 불소수지재료 등의 고경도 수지재료로 형성된다.

이상의 구성에 의하여, 크랭크핀 베어링(28d, 28e)은, 크랭크핀 베어링(28b)에 의한 효과(곡선을 포함하는 윤곽형상에 의한 효과)를 실현시키면서, 또한, 크랭크핀 베어링(28a)에 의한 효과(두 종류의 수지재료를 분리 사용함에 의한 효과)를 실현시킬 수 있다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였지만, 본 발명은, 상술한 실시예로 제한되지 않고, 본 발명의 범위를 벗어나는 일 없이 상술한 실시예에 다양한 변형 및 치환을 가할 수 있다.

예컨대, 상술한 실시예에 있어서, 크랭크핀 베어링(28a, 28d, 28e)은, 두 종류의 수지를 이용하여 구성되지만, 세 종류 이상의 수지재료를 이용하여 구성되어도 된다.

그 경우, 크랭크핀 베어링(28a, 28d, 28e)은, 다른 부재와 접촉하지 않는 부분에 저경도 수지재료를 사용하고, 다른 부재와 접촉하는 두 부분의 각각에 다른 고경도 수지재료를 사용하도록 하여도 된다.

또한, 크랭크핀 베어링(28a, 28d, 28e)은, 다른 부재와 접촉하는 두 부분의 각각에 동일한 고경도 수지재료를 사용하도록 하여도 된다.

또한, 본 발명의 실시예에 관한 극저온 냉동기는, 자기(磁氣)노이즈를 발생시키지 않기 때문에, 특히 MRI 용도에 적합하다.

1: 극저온 냉동기, 2: 압축기, 2A: 압축기(2)의 저압측, 2B: 압축기(2)의 고압측, 3: 냉동기, 4: 하우징, 5: 실린더, 6: 모터, 7: 크랭크부재, 8: 스카치요크, 9: 로터리밸브, 10: 디스플레이서, 11: 제1 냉각 스테이지, 12: 제2 냉각 스테이지, 13: 냉매가스 도입구, 14: 냉매가스 도출구, 15: 제1 축냉재, 16: 제2 축냉재, 17: 제1 공간, 18: 제2 공간, 19: 제3 공간, 20: 제1 연통공, 21: 제2 연통공, 22: 제3 연통공, 23: 제4 연통공, 24: 모터 출력축, 25: 크랭크핀, 26: 평판부, 27U: 상방축, 27D: 하방축, 28, 28a~28e: 크랭크핀 베어링, 28a1: 크랭크핀 베어링(28a)의 원통 내벽부, 28a2: 크랭크핀 베어링(28a)의 원통 외벽부, 28b1: 크랭크핀 베어링(28b)의 원통 외벽의 윤곽, 28c1: 크랭크핀 베어링(28c)의 원통 외벽의 윤곽, 28d1: 크랭크핀 베어링(28d)의 본체부, 28d2: 피복층, 28e1: 크랭크핀 베어링(28e)의 원통 외벽부, 28e2: 크랭크핀 베어링(28e)의 원통 내벽부, 29: 밸브플레이트, 29A: 밸브플레이트(29)의 저압측면, 29B: 밸브플레이트(29)의 고압측면, 29C: 밸브플레이트(29)의 원호형상 관통공, 29D: 밸브플레이트(29)의 직경방향 긴 홈, 30: 밸브본체, 30A: 밸브본체(30)의 제1 측면, 30B: 밸브본체(30)의 제2 측면, 30C: 밸브본체(30)의 중심관통공, 30D: 밸브본체(30)의 원호형상 홈, 30E: 밸브본체(30)의 연통용 직사각형 구멍, 30F: 밸브본체(30)의 고정용 구멍, 31: 압축스프링, 32: 고정핀, 33: 크랭크핀 계합공, 34: 창부, 35U, 35D: 미끄럼 베어링, 36: 가스유로, 37: 베어링

Claims

초전도 전자석의 냉각에 이용되는 극저온 냉동기에 있어서,
냉매가스 도입구와, 냉매가스 도출구를 가지는 하우징과,
상기 하우징에 수용되는 스카치요크
를 가지고,
상기 스카치요크는,
원통형상의 비자성 수지재료로 형성되고, 모터의 출력축에 편심하여 장착되는 스테인리스강으로 형성된 크랭크핀을 원주방향으로 슬라이딩 가능하게 지지하는 원통 내벽과,
상기 스카치요크에 있어서의 창(窓)부의 내벽을 전동(轉動)하는 원통 외벽
을 가지는 크랭크핀 베어링을 구비하는 것
을 특징으로 하는 극저온 냉동기.
청구항 1에 있어서,
상기 원통 내벽은, 상기 원통 외벽을 형성하는 비자성 수지재료와는 상이한 다른 비자성 수지재료로 형성되는 것
을 특징으로 하는 극저온 냉동기.
청구항 2에 있어서,
상기 원통 내벽의 경도는, 상기 원통 외벽의 경도보다 높은 것
을 특징으로 하는 극저온 냉동기.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 크랭크핀 베어링을 측방에서 보았을 때의 상기 원통 외벽의 윤곽이 볼록형상인 것
을 특징으로 하는 극저온 냉동기.
청구항 4에 있어서,
상기 크랭크핀 베어링을 측방에서 보았을 때의 상기 원통 외벽의 윤곽이 원호(圓弧)로 나타나는 것
을 특징으로 하는 극저온 냉동기.
청구항 4에 있어서,
상기 크랭크핀 베어링을 측방에서 보았을 때의 상기 원통 외벽의 윤곽이 직선부분을 포함하는 것
을 특징으로 하는 극저온 냉동기.