KR100566736B1 - 공작 기계용의 선형 작동식 극저온 유체 접속부 - Google Patents

공작 기계용의 선형 작동식 극저온 유체 접속부 Download PDF

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로버트 브루스 스완
로버트 엘스워스 쥬니어 크노르
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Abstract

본 발명은, 수직 및 수평 머시닝 센터(machining center), 펀칭 프레스, 용사 시스템, 용접 시스템, 레이저 절삭기 등과 같이 공작 기계에 장착된 공구에 극저온 유체 냉각제를 이송하도록 자동으로 작동되는 라인 접속 및 이송 시스템을 개시한다. 이 시스템은 상이한 열 수축-제어식 밀봉 메카니즘(22, 24)을 갖춘 선형 작동식 극저온 유체 소켓/플런저 접속부(20)뿐 아니라, 이 접속부를 자동 공작 기계(60, 84)에 설치하고 원격 제어 패널(70)로부터 제어되는 제조 사이클에 따라 접속부(20)의 동작을 통합하기 위한 설비를 구비한다.

Description

공작 기계용의 선형 작동식 극저온 유체 접속부{LINEARLY-ACTUATED CRYO-FLUID CONNECTION(LACC) FOR MANUFACTURING MACHINES}
본 발명은 기계 공구 냉각과 공작 기계의 절삭 및 기타 작업을 위한 공구에 냉각제를 공급하기 위한 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 말하면, 터릿과 같은 기계 부품에 장착된 극저온 냉각 수단 내외로 극저온 유체 공급부를 연결하거나 분리하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 명세서에서 사용되고 있듯이, "공작 기계(manufacturing machine)"는 수직 및 수평 터릿 플레이트를 갖춘 수직 및 수평 터릿 래치, 자동 공구 전환 시스템을 갖춘 수직 및 수평 밀링 머신 및 이들의 파생물을 비롯한 기계 공구를 포함하지만 이들로 한정되는 것은 아니며, 상기 파생물로는 단일 또는 복수의 휠을 갖춘 연삭기, 단일 또는 복수의 스핀들을 갖춘 천공기 및 유사한 수직 머시닝 센터와, 자동 공구 전환기를 갖춘 기타 기계(펀칭 프레스, 용사 시스템, 용접 시스템, 레이저 절삭 시스템, 용접 시스템 및 표면 마무리 시스템 등)가 포함된다.
환경적 요인, 생산성 및 비용 절감 압력으로 인하여, 제조 산업에서는 개선된 공구 냉각 방법 및 시스템을 계속적으로 추구하고 있다. 지난 십년간의 연구 및 개발 작업으로부터, 불활성의 압축된 극저온 유체를 냉각제로서 사용하게 되면, 그러한 냉각제 이송 시스템 및 유체 유동 라인 연결 시스템이 기존의 기계 공구와 그 공구를 유지하는 관련 이동 부품에 완전히 합체되는 경우에 특별한 장점이 있는 것으로 확인되었다. 그러므로, 제조 산업에서는 그러한 연결 시스템을 필요로 하고 있다.
종래의 냉각제용 연결 시스템은 오랜 기간에 걸쳐 사용되어 왔으며, 각종 타입의 극저온 커넥터 또는 커플링이 있다. 그러나, 현대의 공작 기계, 특히 컴퓨터 수치 제어기(CNC)에 의해 제어되는 기계에 완전히 적합한 극저온 유체용 연결 시스템은 존재하지 않는다.
터릿 래치에 장착된 공구용의 냉각제 이송 시스템의 예가 미국 특허 제6,179,692호(Hara), 제5,265,505호(Frechette) 및 제5,862,833호(Perez)에 개시되어 있다. 그러나, 상기 특허들에 있어서의 터릿 플레이트 및 터릿 카트리지를 통한 종래의 냉각제 통로의 경로를 정하는 방법 뿐 아니라 분리 가능한 통로를 밀봉하는 방법은 다음과 같은 이유로 극저온 유체 냉각제의 경우에 적절하지 않다. (1) 터릿 플레이트가 열적으로 수축되고, 이로써 제조할 부품의 치수 정확도에 영향을 끼친다. (2) 터릿 및 지지용 기계 부품이 작업 중에 동결되어, 부식이 초래된다. (3) 접속부에 누설 또는 막힘이 발생하여, 시스템이 고장나거나 작동 불능 상태로 된다. (4) 특정 가공 작업에 할당된 시간을 고려할 때 통로를 주변 온도(예컨대, 실온)로부터 극저온 유체의 온도로 냉각하는 데 소요되는 시간 주기가 부적합하게 길다.
신속하게 분리되는 극저온 커플링에 대한 다른 타입의 예가 국제 특허 WO9708486(Jepp)와 미국 특허 6,145,322(Odashima) 및 5,762,381(Vogel)에 개시되어 있다. 그러나, 후술하는 바와 같이, 이들 극저온 커플링은 현저한 기술적 및 경제적 문제, 장애 및 단점으로 인하여 기계 공구 용례에 사용될 수 없다.
상기 Jepp의 특허에 개시된 바와 같은 동축 및 진공 절연된 연결 파이프의 구조 및 나사 작용에 의한 파이프 밀봉 방법은, 부적합하게 긴 연결 시간, 공간 및 비용 제한 뿐 아니라 요구되는 자동 액츄에이터의 복잡성으로 인하여 기계 공구용의 전술한 시스템에 사용될 수 없다.
상기 Odashima의 특허에 기재된 구조에서는, 분리 상태에서 라인 출구를 2개의 내부 대향 체크 밸브에 의해 자동 플러깅하고, 이들 부품을 서로에 대해 밀어넣음으로써 결합 통로를 개방하고 있다. 면 시일 조립체(face seal assembly)와 체크 밸브는 커플링에 맞물리도록 소정의 축방향 힘을 가할 필요가 있다. 이러한 구조는, 극저온 유체에 의해 젖으면 마모되거나 소모되며 구조적으로 복잡한 부품을 많이 구비하며, 이들 부품의 전체 표면적 및 중량으로 인하여, 실온으로부터 극저온 유체의 온도로 냉각하는 데 소요되는 시간이 특정 가공 작업에 할당된 시간을 고려할 때 과도하게 길게 된다. 실제로, 이러한 타입의 커플링은 기계 공구의 경우에 요구되는 작동 접속부에 사용될 수 없다.
또한, Vogel의 특허에 개시된 구조는, 밀봉 작용에 (1) 라인의 두 단부의 축방향 밀봉과, (2) 반경 방향의 신속 접속 클램핑(quick-connect clamping)이 요구되어, 기계 공구 개장 시스템에서 비용적으로 적합하게된 간단한 선형 액츄에이터보다 훨씬 복잡하고 고가인 작동 장치를 필요로 하므로, 작동 접속부에 사용될 수 없다.
종래 기술의 난제 및 단점을 극복하여 훨씬 바람직한 결과를 제공하도록, 극저온 유체 공급부로부터 간격을 두고 가동 기계 부품(예컨대, 터릿) 상에 장착되는 극저온 냉각 수단 내외로 극저온 유체 공급부를 연결하거나 분리하는 장치가 요구되고 있다.
본원 출원인의 발명은 극저온 유체 공급부로부터 간격을 두고 부재 상에 장착되는 극저온 냉각 수단 내외로 극저온 유체 공급부를 연결하거나 분리하는 장치 및 방법을 제공한다. 본 발명의 다른 양태는 그러한 장치를 하나 이상 구비하는 기계를 제공한다.
본 발명에 따른 장치의 제1 실시예는 플런저, 소켓 및 작동 수단을 구비한다. 상기 플런저는 적어도 부분적으로 제1 열팽창 계수를 갖는 제1 재료로 제조된다. 상기 플런저는 극저온 유체 공급부와 유체 연통하는 입구와, 이 입구에 유체 연통하는 출구 및 외주를 갖는다. 상기 소켓은 적어도 부분적으로 제2 열팽창 계수를 갖는 제2 재료로 제조된다. 상기 소켓은 상기 극저온 냉각 수단과 유체 연통하는 제1 포트와, 이 제1 포트에 유체 연통하고 상기 플런저의 외주를 수용하도록 되어 있는 내주를 갖는 제2 포트를 구비한다. 상기 내주와 외주는 기하학적 형상이 실질적으로 유사하다. 상기 작동 수단은 상기 플런저의 출구를 상기 소켓의 제2 포트 내외로 삽입하거나 인출하고, 상기 제1 열팽창 계수와 제2 열팽창 계수의 차이로 인하여, 상기 플런저의 외주와 상기 제2 포트의 내주 사이의 밀봉이 개선된 다.
상기 제1 실시예의 장치에 대하여 여러 변형예가 존재한다. 한 변형예에서, 상기 극저온 유체의 스트림의 선단부는 밀봉이 유밀(fluid tight) 상태로 되기 이전에 상기 소켓으로부터 주위 분위기로 배출된다. 다른 변형예에서, 상기 극저온 유체의 스트림이 상기 출구를 통하여 흐를 때에 상기 밀봉이 더욱 개선된다.
제1 실시예의 장치의 다른 변형예에 있어서, 상기 제1 열팽창 계수는 상기 제2 열팽창 계수보다 작다. 다른 변형예에서, 상기 제1 재료는 금속이다. 또 다른 변형예에서, 상기 제2 재료는 폴리머이다.
제1 실시예의 장치에 대한 또 다른 변형예가 존재한다. 한 변형예에서, 상기 작동 수단은 상기 플런저를 소켓을 향해 이동시킨다. 다른 변형예에서, 상기 작동 수단은 상기 소켓을 플런저를 향해 이동시킨다. 또 다른 변형예에서, 작동 수단은 적어도 부분적으로 극저온 유체의 일부에 의해 활성화된다.
제1 실시예의 장치의 다른 변형예에서, 상기 부재는 이동 가능하다. 다른 변형예에서, 상기 이동 가능한 부재는 기계 부품이다. 다른 변형예에서, 상기 이동 가능한 기계 부품은 터릿(turret)이다.
제1 실시예의 장치의 다른 변형예에서, 상기 작동 수단은 자동으로 작동되며, 상기 플런저의 출구를 상기 소켓의 제2 포트의 내외로 자동으로 삽입하거나 인출하도록 되어 있다. 다른 변형예에서, 상기 작동 수단은 컴퓨터 수치 제어기에 의해 작동되는 것인 장치.
본 발명의 다른 실시예는 극저온 유체 공급부로부터 간격을 두고 가동 기계 부품 상에 장착되는 극저온 냉각 수단에 극저온 유체 공급부를 연결하는 장치에 관한 것이다. 이 실시예의 장치는 플런저, 소켓 및 자동 작동 수단을 구비한다. 상기 플런저는 적어도 부분적으로 제1 열팽창 계수를 갖는 금속으로 제조된다. 이 플런저는 극저온 유체 공급부와 유체 연통하는 입구와, 이 입구에 유체 연통하는 출구 및 외주를 갖는다. 상기 소켓은 적어도 부분적으로 상기 제1 열팽창 계수보다 큰 제2 열팽창 계수를 갖는 폴리머로 제조된다. 이 소켓은 상기 극저온 냉각 수단과 유체 연통하는 제1 포트와, 이 제1 포트에 유체 연통하고 상기 플런저의 외주를 수용하도록 되어 있는 내주를 갖는 제2 포트를 구비한다. 상기 내주와 외주는 기하학적 형상이 실질적으로 유사하다. 상기 자동 작동 수단은 상기 플런저의 출구를 상기 소켓의 제2 포트 내로 자동으로 삽입하고, 상기 제1 열팽창 계수와 제2 열팽창 계수의 차이로 인하여, 상기 플런저의 외주와 상기 제2 포트의 내주 사이의 밀봉이 개선되며, 상기 플런저로부터 흐르는 극저온 유체의 스트림의 선단부는 밀봉이 유밀 상태로 되기 이전에 상기 소켓으로부터 주위 분위기로 배출된다.
본 발명의 다른 양태는 전술한 실시예 또는 이 실시예에 대한 변형예의 장치 중 임의의 것을 하나 이상 구비하는 기계에 관한 것이다.
극저온 유체 공급부로부터 간격을 두고 부재 상에 장착되는 극저온 냉각 수단에 극저온 유체 공급부를 연결하는 방법의 제1 실시예는 다음의 단계를 포함한다. 제1 단계에서는 적어도 부분적으로 제1 열팽창 계수를 갖는 제1 재료로 제조되는 플런저를 제공하며, 이 플런저는 극저온 유체 공급부와 유체 연통하는 입구와, 이 입구에 유체 연통하는 출구 및 외주를 갖는다. 제2 단계에서는 적어도 부 분적으로 제2 열팽창 계수를 갖는 제2 재료로 제조되는 소켓을 제공하며, 이 소켓은 상기 극저온 냉각 수단과 유체 연통하는 제1 포트와, 이 제1 포트에 유체 연통하고 상기 플런저의 외주를 수용하도록 되어 있는 내주를 갖는 제2 포트를 구비한다. 상기 내주와 외주가 기하학적 형상이 실질적으로 유사하다. 제3 단계에서는 상기 플런저의 출구를 상기 소켓의 제2 포트 내로 삽입하는 작동 수단을 제공하며, 상기 제1 열팽창 계수와 제2 열팽창 계수의 차이로 인하여, 상기 플런저의 외주와 상기 제2 포트의 내주 사이의 밀봉이 개선된다. 제4 단계에서는, 상기 작동 수단을 활성화시켜 상기 플런저의 출구를 소켓의 제2 포트 내로 삽입한다.
방법에 대한 제2 실시예는 제1 실시예와 유사하지만, 상기 극저온 유체의 스트림을 플런저의 입구 내로, 그리고 플런저의 출구를 통하여 흐르게 하여, 밀봉을 더욱 개선하는 단계를 더 포함한다.
방법에 대한 제3 실시예는 제1 실시예와 유사하지만, 상기 극저온 유체의 일부를 밀봉이 유밀 상태로 되기 이전에 상기 소켓으로부터 주위 분위기로 배출하는 단계를 더 포함한다.
극저온 유체 공급부로부터 간격을 두고 가동 기계 부품 상에 장착되는 극저온 냉각 수단에 극저온 유체 공급부를 연결하는 다른 실시예의 방법은 다음의 단계를 포함한다. 제1 단계에서는 적어도 부분적으로 제1 열팽창 계수를 갖는 금속으로 제조되는 플런저를 제공하며, 이 플런저는 극저온 유체 공급부와 유체 연통하는 입구와, 이 입구에 유체 연통하는 출구 및 외주를 갖는다. 제2 단계에서는 적어도 부분적으로 상기 제1 열팽창 계수보다 큰 제2 열팽창 계수를 갖는 폴리머로 제조되 는 소켓을 제공하며, 이 소켓은 상기 극저온 냉각 수단과 유체 연통하는 제1 포트와, 이 제1 포트에 유체 연통하고 상기 플런저의 외주를 수용하도록 되어 있는 내주를 갖는 제2 포트를 구비하고, 상기 내주와 외주가 기하학적 형상이 실질적으로 유사하다. 제3 단계에서는 상기 플런저의 출구를 상기 소켓의 제2 포트 내로 자동으로 삽입하는 자동 작동 수단을 제공하며, 상기 제1 열팽창 계수와 제2 열팽창 계수의 차이로 인하여, 상기 플런저의 외주와 상기 제2 포트의 내주 사이의 밀봉이 개선된다. 제4 단계에서는 상기 작동 수단을 활성화시켜, 상기 플런저의 출구를 상기 소켓의 제2 포트 내로 삽입하며, 상기 플런저로부터 흐르는 극저온 유체의 스트림의 선단부는 밀봉이 유밀 상태로 되기 이전에 상기 소켓으로부터 주위 분위기로 배출된다. 제5 단계에서는 상기 극저온 유체의 스트림을 상기 플런저의 입구 내로, 그리고 상기 플런저의 출구를 통하여 흐르게 하여, 밀봉을 더욱 개선한다.
도 1은 본 발명의 실시예를 도시하는 개략적인 다이어그램이고,
도 1a는 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 개략적인 다이어그램이고,
도 2는 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 개략적인 다이어그램이고,
도 3은 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 개략적인 다이어그램이고,
도 4는 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 개략적인 다이어그램이고,
도 5는 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 개략적인 다이어그램이고,
도 6은 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 개략적인 다이어그램이고,
도 7은 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 개략적인 다이어그램이고,
도 8은 실온으로부터 액체 질소의 온도로 냉각한 후의, 304 스테인리스 강 플런저의 외경과 중합체 소켓-시일의 내경 사이의 상대 수축의 차이를 보여주는 그래프이고,
도 9는 전기적으로 활성화된 액츄에이터를 구비한 수평 터릿 선반에 설치되어 있는 본 발명의 실시예의 개략적인 다이어그램이고,
도 9a는 극저온 유체에 의해 활성화된 액츄에이터를 구비한 수평 터릿 선반에 설치되어 있는 본 발명의 실시예의 개략적인 다이어그램이고,
도 10a 및 도 10b는 관통 터릿(through-turret) 플레이트의 극저온 유체 통로를 갖는 수직 터릿 플레이트를 구비하는 경사-베드(slant-bed) 선반 상에 설치되어 있는 본 발명의 실시예의 "백-플런저(back-plunger)" 구조를 예시하는 정면도 및 측면도의 개략적인 다이어그램이고,
도 11a 및 도 11b는 터릿 플레이트의 원주 둘레에 경로가 정해진 극저온 유체 통로를 갖는 수직 터릿 플레이트를 구비하는 경사-베드 선반 상에 설치되어 있는 본 발명의 실시예의 "백-플런저" 구조를 예시하는 정면도 및 측면도의 개략적인 다이어그램이고,
도 12a 및 도 12b는 터릿 플레이트의 표면 위로 경로가 정해진 극저온 유체 라인을 갖는 수직 터릿 플레이트를 구비하는 경사-베드 선반 상에 설치되어 있는 본 발명의 실시예의 "레이디얼-플런저" 구조를 예시하는 정면도 및 측면도의 개략적인 다이어그램이고,
도 13a 및 도 13b는 터릿 플레이트의 표면과 전방 어댑터 플레이트의 위로 경로가 정해진 극저온 유체 라인이 있는 수직 터릿 플레이트를 구비하는 경사-베드 선반 상에 설치되어 있는 본 발명의 실시예의 "프론트-플런저(front-plunger)" 구조를 예시하는 정면도 및 측면도의 개략적인 다이어그램이고,
도 14는 자동 변경 밀링 커터에 장착된 회전식 링-커플링에 있어서 소켓/플런저 커플링을 갖는 밀링 머신 상에 설치되어 있는 본 발명의 실시예의 개략적인 다이어그램이다.
첨부 도면을 참고로 한 예를 기초로 본 발명을 설명한다.
본 발명은 극저온 유체와 함께 사용되는 특정의 밀봉 기구를 갖춘 선형 작동식 소켓/플런저 접속부를 제공하고, 공작 기계 상에 전술한 타입의 접속부를 설치하기 위한 시스템을 포함한다. 또한, 본 발명은 제조 작업, 예컨대 공작물 재료의 절삭에 관련된 트래버싱(traversing) 및 인덱싱 머신에 장착되는 공구를 효율적으로 냉각하도록 극저온 유체의 공급부를 극저온 냉각 수단에 연결하는 방법을 제공한다. 순수 극저온 유체 이외에, 본 발명은 극저온 유체 및 다른 유체(예컨대, 오일 등)로 이루어지는 냉각제와 함께 사용될 수도 있다.
도 1 내지 도 7은 본 발명의 각종 실시예를 예시하고 있다. 이들 각각의 실시예를 이하에서 설명한다.
도 1은 선형 작동식의 소켓/플런저 접속부(20)의 기본 구성 요소, 즉 특정 외경(OD)을 갖는 금속 플런저(22), 특정 내경(ID)을 갖는 폴리머 소켓(24) 및 선형 액츄에이터(26)를 도시하고 있다. 상기 소켓은 (나사 형성 접속부 또는 기타 접속 수단을 이용하여) 터릿 플레이트(28) 또는 기타 인덱싱 장치의 부분에 장착되어 있고 이들 부분은 공구(도시 생략)를 유지하고 캐리지(도시 생략)에 장착되어 있다. 대안으로, 소켓은 터릿 플레이트에 장착된 공구 홀더(도시 생략) 또는 공구 어댑터(tool adapter)에 장착될 수도 있다. 액츄에이터는 볼트(30) 또는 기타 패스너에 의해 터릿 캐리지에 장착되어 있다. 액츄에이터에 연결되어 있는 플런저는 액츄에이터에 의해 소켓을 향해 이동되어 소켓 내로 삽입된다. 금속 T-접속부(32)가 플런저를 입구 튜브(32)에 접속하며, 이 튜브는 극저온 유체를 공급원(도시 생략)으로부터 플런저로 전달한다. 가요성의 입구 튜브는 금속(예컨대, 주름진 벨로우즈)일 수도 있고, 플루오로카본 폴리머(예컨대, PTFE 및 이들의 유도체)일 수도 있다. 극저온 유체는 플런저/소켓 접속부를 매개로 입구 튜브(34)로부터 경질의 금속 출구 튜브로 흐른다. 출구 튜브는 극저온 유체를 제트 노즐(도시 생략) 또는 기타 장치로 전달하여, 절삭 공구 또는 기타 공구(도시 생략)를 냉각한다. 극저온 유체가 플런저/소켓 접속부로, 그리고 그 접속부를 통과하여 흐르는 때에, 플런저의 외주와 소켓의 내주 사이에 시일(seal)이 형성된다. 상기 시일을 형성하는 방법은 도 8과 관련하여 이하에서 설명한다. 도 1에 도시된 선택적인 스프링(38; 압축 및/또는 팽창 스프링)을 사용하여 선형 액츄에이터가 플런저를 소켓으로부터 분리하는 것을 도울 수 있다.
도 1a에 도시된 실시예는 도 1에 도시된 실시예와 유사하지만, 나사 형성 접속부 또는 기타 접속 수단에 의해 플런저(22)에 연결된 단열 어댑터 플레이트(40)를 포함한다. 바람직하게는 폴리머 재료(예컨대, www.mcmaster.com으로부터 입수 가능한 G10 Garolite 에폭시 복합체)로 제조되는 어댑터 플레이트는 카운터페이스 금속 플레이트(42) 및 볼트(44)에 의해 액츄에이터(26)에 연결되어 있다. 어댑터 플레이트의 목적은 액츄에이터가 냉각되는 것을 방지하는 것이다. 본 실시예에 사용된 액츄에이터의 타입은 저온에서 동작될 수 없는 것이다.
도 2에 도시된 실시예에 있어서, 선형 액츄에이터(26)는 폴리머 소켓(24)을 금속 플런저(22)로 이동시킨다. 금속 플런저는 폴리머로 제조된 장착 튜브(46)에 의해 터릿 플레이트(28 또는 기타 인덱싱 기계 부품)에 연결되어 있다. 본 실시예에 사용된 액츄에이터의 타입은 냉각에 민감하지 않은 것이며, 작업을 위하여 극저온 유체 흐름을 필요로 할 수도 있다.
도 3에 도시된 실시예는 입구 튜브(34)를 소켓(24)에 접속한 것을 제외하고는, 도 2에 도시된 실시예와 유사하다. 도 2에서는 극저온 유체가 액츄에이터(26)의 로드의 중심을 통하여 흐르는 반면에, 도 3에서는 극저온 유체가 액츄에이터(26)의 로드로부터 직접 연장되는 T 접속부(32)를 통해 흐른다.
도 4에 도시된 실시예는 도 1에 도시된 실시예와 유사하지만, 일부 추가의 특징을 갖는다. 폴리머 유지 플레이트(56)가 극저온 에폭시 또는 작은 멈춤 나사(도시 생략)에 의해 소켓(24)에 부착되어 있다. 소켓은, 특정 내경을 갖고 PTFE 또는 그것의 복합체나 유도체로 제조되는 중공의 레이디얼 시일(48)을 구비한다. 교환 가능한 레이디얼 시일(48)이 소켓 내에 넣어져 있다. 외경(OD) 및 내경(ID) 로딩을 위한 선택적인 내부 스프링(50)이 제공될 수 있다.
도 5에 도시된 실시예는 도 4에 도시된 실시예의 변형예이다. 이 실시예(도 5 참조)는 블라인드 터릿 플레이트(28)를 바이패스하는 레이디얼 출구 튜브(36) 및 블라인드 소켓(24)을 구비한다(도 5 참조). 금속 장착 볼트(52)를 사용하여 소켓을 터릿 플레이트에 장착한다.
도 6은 도 4에 도시된 실시예의 변형예이다. 이 실시예(도 6 참조)는 터릿 플레이트(28)에 (정지 상태로) 장착된 플런저(22)와, 액츄에이터(26)의 로드에 (축방향으로 이동 가능하게) 장착된 소켓-시일이 역방위로 되어 있다. 이 실시예(도 6 참조)는 플런저와 절대 간섭하지 않도록 충분히 큰 내경(ID) 및 외경(OD)을 갖는 시일 및 필러 링(54)을 유지하기 위한 일체의 소켓(24)과, 중공의 레이디얼 시일(48)의 내부 용적 및 극저온 유체 사이의 직접 연통을 허용하는 기타 설비를 구비한다.
도 7에 도시된 실시예는 도 4에 도시된 실시예의 다른 변형예이다. 이 실시예(도 7 참조)는 금속 소켓(24)의 내측에 중공의 레이디얼 폴리머 시일(48)이 장착되어 있다. 구속 또는 유지 플레이트(56)도 또한 금속이다.
도 1 내지 도 7에 도시된 실시예는 표 1의 아래에 설명되어 있는 디자인 룰을 기초로 표 1의 매트릭스 구조로 다른 실시예와 함께 포함되어 있다.
플런저/소켓 시일 구조(40)의 예
축방향 트래버싱 액츄에이터 샤프트 상에 장착된 플런저 축방향 트래버싱 액츄에이터 샤프트 상에 장착된 소켓/소켓-시일
소켓-시일은 고상 폴리머 부분임 극저온 유체 입구는 플런저 및 소켓-시일과 축방향으로 있음 극저온 유체 입구는 플런저/소켓-시일 축선에 대해 수직임 극저온 유체 입구는 플런저 및 소켓-시일과 축방향으로 있음 극저온 유체 입구는 플런저/소켓-시일 축선에 대해 수직임
극저온 유체 출구는 플런저 및 소켓-시일과 축방향으로 있음 극저온 유체 출구는 플런저 및 소켓-시일 축선에 대해 반경 방향임 극저온 유체 출구는 플런저 및 소켓-시일과 축방향으로 있음, 도 1 참조 극저온 유체 출구는 플런저 및 소켓-시일 축선에 대해 반경 방향임 극저온 유체 출구는 플런저 및 소켓-시일과 축방향으로 있음, 도 2 참조 극저온 유체 출 구는 플 런저 및 소켓-시 일 축선 에 대해 반경 방향임 극저온 유체 출구는 플런저 및 소켓-시일과 축방향으로 있음, 도 3 참조 극저온 유체 출구는 플런저 및 소켓-시일 축선에 대해 반경 방향임
소켓-시일은 폴리머 소켓에 장착된 중공의 레이디얼 시일임 극저온 유체 입구는 플런저 및 소켓-시일과 축방향으로 있음 극저온 유체 입구는 플런저/소켓-시일 축선에 대해 수직임 극저온 유체 입구는 플런저 및 소켓-시일과 축방향으로 있음 극저온 유체 입구는 플런저/소켓-시일 축선에 대해 수직임
극저온 유체 출구는 플런저 및 소켓-시일과 축방향으로 있음 극저온 유체 출구는 플런저 및 소켓-시일 축선에 대해 반경 방향임 극저온 유체 출구는 플런저 및 소켓-시일과 축방향으로 있음 극저온 유체 출구는 플런저 및 소켓-시일 축선에 대해 반경 방향임 극저온 유체 출구는 플런저 및 소켓-시일과 축방향으로 있음 극저온 유체 출구는 플런저 및 소켓-시일 축선에 대해 반경 방향임 극저온 유체 출구는 플런저 및 소켓-시일과 축방향으로 있음 극저온 유체 출구는 플런저 및 소켓-시일 축선에 대해 반경 방향임
소켓-시일은 금속 소켓 마운트에 장착된 중공의 레이디얼 시일임 극저온 유체 입구는 플런저 및 소켓-시일과 축방향으로 있음 극저온 유체 입구는 플런저/소켓-시일 축선에 대해 수직임 극저온 유체 입구는 플런저 및 소켓-시일과 축방향으로 있음 극저온 유체 입구는 플런저/소켓-시일 축선에 대해 수직임

극저온 유체 출구는 플런저 및 소켓-시일과 축방향으로 있음 극저온 유체 출구는 플런저 및 소켓-시일 축선에 대해 반경 방향임 극저온 유체 출구는 플런저 및 소켓-시일과 축방향으로 있음, 도 1 참조 극저온 유체 출구는 플런저 및 소켓-시일 축선에 대해 반경 방향임 극저온 유체 출구는 플런저 및 소켓-시일과 축방향으로 있음, 도 2 참조 극저온 유체 출 구는 플 런저 및 소켓-시 일 축선 에 대해 반경 방향임 극저온 유체 출구는 플런저 및 소켓-시일과 축방향으로 있음, 도 3 참조 극저온 유체 출구는 플런저 및 소켓-시일 축선에 대해 반경 방향임
소켓-시일은 폴리머 소켓에 장착되고 내측에 코일 스프링이 로딩된 중공의 레이디얼 시일임 극저온 유체 입구는 플런저 및 소켓-시일과 축방향으로 있음 극저온 유체 입구는 플런저/소켓-시일 축선에 대해 수직임 극저온 유체 입구는 플런저 및 소켓-시일과 축방향으로 있음 극저온 유체 입구는 플런저/소켓-시일 축선에 대해 수직임
극저온 유체 출구는 플런저 및 소켓-시일과 축방향으로 있음 극저온 유체 출구는 플런저 및 소켓-시일 축선에 대해 반경 방향임 극저온 유체 출구는 플런저 및 소켓-시일과 축방향으로 있음, 도 4 참조 극저온 유체 출구는 플런저 및 소켓-시일 축선에 대해 반경 방향임, 도 5 참조 극저온 유체 출구는 플런저 및 소켓-시일과 축방향으로 있음 극저온 유체 출구는 플런저 및 소켓-시일 축선에 대해 반경 방향임 극저온 유체 출구는 플런저 및 소켓-시일과 축방향으로 있음, 도 6 참조 극저온 유체 출구는 플런저 및 소켓-시일 축선에 대해 반경 방향임
소켓-시일은 금속 소켓에 장착되고 내측에 코일 스프링이 로딩된 된 중공의 반경 방향 시일임 극저온 유체 입구는 플런저 및 소켓-시일과 축방향으로 있음 극저온 유체 입구는 플런저/소켓-시일 축선에 대해 수직임 극저온 유체 입구는 플런저 및 소켓-시일과 축방향으로 있음 극저온 유체 입구는 플런저/소켓-시일 축선에 대해 수직임

극저온 유체 출구는 플런저 및 소켓-시일과 축방향으로 있음 극저온 유체 출구는 플런저 및 소켓-시일 축선에 대해 반경 방향임 극저온 유체 출구는 플런저 및 소켓-시일과 축방향으로 있음 극저온 유체 출구는 플런저 및 소켓-시일 축선에 대해 반경 방향임 극저온 유체 출구는 플런저 및 소켓-시일과 축방향으로 있음 극저온 유체 출구는 플런저 및 소켓-시일 축선에 대해 반경 방향임 극저온 유체 출구는 플런저 및 소켓-시일과 축방향으로 있음, 도 7 참조 극저온 유체 출구는 플런저 및 소켓-시일 축선에 대해 반경 방향임

다음의 디자인 룰이 적용됨
ㆍ 플런저는 금속 또는 금속형 재료, 바람직하게는 300 시리즈 또는 400 시리즈의 스테인리스 강으로 제조되지만, 복합 재료가 사용될 수도 있다.
ㆍ 소켓 또는 소켓-시일은 폴리머, 바람직하게는 테플론 복합제 또는 초고분자량의 폴리에틸렌으로 제조된다.
ㆍ 플런저 및 소켓/소켓 시일은 동일 축에 정확하게 장착되어야 한다.
ㆍ 플런저와 소켓/소켓 시일 중 어느 하나는 축방향의 트래버싱 액츄에이터 샤프트에 장착될 수 있다.
ㆍ 플런저와 소켓/소켓 시일 중 어느 하나는 액츄에이터의 축을 따라 정지되어 있는 기계 부품에 장착될 수 있다.
ㆍ 극저온 유체 입구는 플런저/소켓 축에 또는 "T" 입구부를 사용하여 이 축에 수직으로 위치 결정될 수 있다.
ㆍ 극저온 유체 출구는 플런저/소켓 축에 또는 레이디얼 출구부를 사용하여 이 축에 수직으로 위치 결정될 수 있다.
ㆍ 중공의 레이디얼 소켓-시일이 플런저의 외경부에 사용되는 경우에, 그것 의 중공의 측면 개구는 밀봉력을 더욱 개선하는 극저온 유체의 압력을 활용하도록 극저온 유체의 유동 방향과 반대로 지향된다.
ㆍ 중공의 레이디얼 소켓-시일이 플런저의 외경부에 사용되는 경우에, 그것의 중공의 측면 개구는 소켓-시일의 외경부에 대한 밀봉 효과를 개선하도록 금속 스프링, 예컨대 코일 스프링에 의해 반경 방향으로 확장된다.
특정 설비에 대하여 선형 작동식의 극저온 유체 접속부(LACC)의 구조를 선택하는 것은 전체 접속 시스템를 조립할 때에 이용되는 구성 요소(예컨대, 액츄에이터) 및 재료 뿐 아니라, 공작 기계의 특징에 따라 좌우된다. 플런저에 대해서는 300-시리즈의 스테인리스강, 소켓 및/또는 중공 소켓-시일에 대해서는 테플론 유도체, 바스펠(Vaspel), 초고분자량의 폴리에틸렌 또는 유사 폴리머, 장착 및 단열 구성 요소에 대해서는 Garolite G10 등의 에폭시 복합체가 바람직한 구성 재료이다. 이하의 표 2는 실온(293K)으로부터 1 대기압에서 끓는 액체 질소의 온도(80K)로 급냉할 때에 이들 재료의 열 수축의 값을 나열하고 있다.
액체 질소의 침지 급냉(293K로부터 80K로) 시에 구성 재료의 열 수축
재료 해설 열수축(%)
304 스테인레스강 롤링 방향에서 측정됨 0.285
440 스테인레스강 돌링 방향에서 측정됨 0.190
테플론 PTFE급(평면) 이방성 등급 1.75
유리 입자가 보강된 테플론 McMaster-Carr 공급자/배급자 1.42
테플론-탄소 복합물 McMaster-Carr 공급자/배급자, 카본 함량에 의해 변하는 특성 1.10
베스펠 SP3 McMaster-Carr 공급자/배급자 0.73
Garolite; 유리 섬유 에폭시 복합물 G10 McMaster-Carr 공급자/배급자: ㆍ섬유에 대해 평행 ㆍ섬유에 대해 수직 0.21 0.64

이들 재료 사이의 수축차는, 개별 LACC 구성 요소를 실온에서 결합하는 종래의 방법에서는 막힘이 발생하거나, 다른 한편으로 작업 중에 압축된 극저온 유체 냉각제가 누설되는 것을 보여주고 있다. 이러한 문제에 대한 해법이 도 8에 도시되어 있고, 이를 후술한다.
소켓 및 플런저의 실온에서의 초기 직경은, 양 구성 요소를 극저온 유체의 온도로 냉각한 후에, 플런저의 외경(OD)과 소켓/소켓 시일의 내경(ID) 사이의 공차가 전혀 없거나 단지 약간만 네가티브(negative)로 되도록(억지 끼워맞춰지도록) 선택된다. 이로 인하여, 두 구성 요소는 충분히 타이트하게 반경 방향으로 끼워맞춰지는데, 이는 누설이 없는 작업에 필수적인 것이다. 또한, 이것은 실온에서의 초기 공차가 포지티브로 되는 것(활주식으로 끼워맞춰지는 것; slip fit)을 하다는 것, 즉 소켓/소켓 시일과 플런자 사이에 누설 간극이 존재한다는 것을 의미한다. 따라서, LACC가 결합되고 극저온 유체가 원거리의 공급원으로부터 공급될 때, 극저온 유체의 처음 부분이 소켓과 플런저 사이의 간극을 통하여 밖으로 누설될 수 있으며, 이들 두 구성 요소가 냉각되는 짧은 시간(예컨대, 수초) 후에만 누설 방지 시일이 확립된다.
이러한 자기 조정식의 동적 밀봉 효과는 처음에 극저온 유체를 낭비하는 것으로 보일 수 있지만, 이 밀봉 효과는, 라인 및 LACC로 유입되는 극저온 유체의 처음의 따뜻한 부분을 단시간에 배출하기 때문에 사실 매우 유리한 것이다. 스트림 라인의 냉각 공정에서 가열된 극저온 유체의 따뜻한 부분은 LACC 및 하류 라인에서의 전체 유동, 통로, 그리고 제조 공구를 향해 지향된 방출 노즐을 막는 경향이 있 으며, 그 결과 기동 시간이 과도하게 길어긴다. 따라서, 냉각 중에 극저온 유체의 따뜻한 부분을 단시간에 배출시키면, 전체 시스템의 기동이 보다 빠르게 되어, 주어진 제작 사이클의 제약 내에서 효과적이고 빠른 공구 냉각 작업이 가능해진다. LACC의 이러한 특징은 반직관적인 것이다.
도 8에 도시된 라인은 소켓/플런저 간극의 네가티브 사이즈를, 관심 직경 범위 내의, 두 구성 요소의 초기 직경의 함수로서 도시하고 있다. 따라서, 소켓과 플런저의 각 직경이 초기의 실온에서 모두 0.25 인치로 동일한 경우에, 금속 플런저가 결합 위치에서 보다 유연한 폴리머 소켓-시일을 0.0030 인치 만큼 수축시킬 없는 경우가 아니라면, 액체 질소의 온도로 냉각된 후에 소켓의 직경이 플런저의 직경보다 0.0030 인치 작다. 두 구성 요소 사이의 반경 방향 합력은 플런저를 소켓으로부터 후퇴시키는 데 요구되는, 즉 접속이 더 이상 필요없을 때 접속을 해제시키는 데 요구되는 불필요하게 큰 축방향 힘을 야기한다. 소켓의 초기 실온에서의 직경을 플런저의 초기 직경보다 0.0030 인치 크게 한 경우에는, 양 구성 요소가 완전히 냉각될 때까지 결합부는 많이 누설된다. 따라서, 이 예에서 직경 0.25 인치의 플런저에 대한 소켓-시일의 최적의 초기 직경은 0.251 내지 0.252 인치의 값으로부터 선택되어야 한다. 다른 초기 직경을 갖는 플런저에 대한 소켓-시일의 최적의 직경 범위를 동일한 방법을 사용하여 선택한다. 또한, 실온에서 과도한 사이즈의 소켓-시일 커플링을 이용하는 다른 중요한 이점이 있는데, 즉 결합 단계 중의 두 구성 요소의 마모 및 찢김은 특히 두 구성 요소가 오정렬되어 있을 때에 현저하게 줄어든다.
플런저의 외경(OD)이 소켓의 내경(ID)보다 작기 때문에 정렬 문제는 최소화되고, 이로 인하여 플런저가 어떠한 문제도 없이 소켓에 적절하게 삽입될 가능성이 증가한다. 결과적으로, 소켓, 플런저 및 소켓/플런저 커플링의 수명이 현저하게 증가된다.
이하의 표 3은 본 발명의 소켓/플런저 접속부에 사용될 수 있는 상이한 타입의 단동 및 복동 선형 액츄에이터를 나열하고 있다.
플런저 또는 소켓-시일을 활성화시키는 소형의 선형 액츄에이터의 타입
액츄에이터군 설명 코멘트
유압-공압식 압축 가스 피스톤, 스프링 ㆍ스프링 리턴에 의한 싱글 작용 ㆍ더블 작용(가역 가능) 저온의 금속 부품과 접촉 시에 피스톤의 재밍 위험을 제거하기 위해 습기가 없는 압축 가스 매체가 권장되고, 극저온 유체 공급 탱크로부터의 실온의 질소 가스(오프스트림)이 바람직하다.
유압-유압식 상기와 같은 구조, 또한 압전-유압식 스프레이 노즐을 향하는 극저온 유체 스트림 부분은 액츄에이터용 동력 유체로서 사용될 수 있고, 이 구조는 액츄에이터 유닛의 완벽한 단열이 요구된다.
전자기식 전자기 코일/솔레노이드, 선형 서보 모터 가장 간단한 버전이 스프링 리턴에 의한 단동 코일(소켓에 플러깅됨)일 수 있다.
극저온에서 전자극식 강화 작동 도 2에 도시된 "통과 액츄에이터" 극저온 유동 구조에 가장 적합하다; 그 짧은 행정은 분리 상태에서 소켓과 플런저 팁 사이에 대응하게 짧은 거리를 필요로 한다.
전자 기계식 모터 구동식 구동-스크류, 너트/스크류-플런저, 웜-기어 빠르게 수축하는 이들 액츄에이터의 버전만이 권장된다.

당업자는 본 발명의 작동 수단이 자체적으로 작동되는 터릿 플레이트 또는 캐리지에 의해 제공될 수 있다는 것을 알 것이다. 그 경우에, 별도의 액츄에이터는 필요하지 않다.
일 실시예에서, 단동 유닛은, 활성화될 때 소켓 및/또는 플런저를 서로에 대해 압박하여 결합을 확립한다. 그러한 단동 유닛에 압축 및/또는 팽창 스프링이 장착되어 커플링 이동에 저항하도록 작동하여, 활성화 임펄스(impulse)가 제거되는 즉시 소켓과 플런저를 분리시킨다. 이는 활성화 임펄스 중단의 경우에 유닛을 돌발적 손상으로부터 보호한다. 이러한 타입의 단동 액츄에이터는 그것이 설치되어 있는 공작 기계와 다른 에너지원에 의해 활성화될 수 있다. 이와 달리, 복동 액츄에이터 또는 다른 타입의 단동 액츄에이터는 동일 에너지원(전기, 공압 또는 공작 기계)을 사용해야 하므로, 임의의 돌발적인 에너지 공급 중단은 기계의 구성 요소의 인덱싱 운동을 방지한다. 대안으로, 추가의 안전 인터록이 필요하며, 이는 시스템 설비를 복잡하게 한다.
이하의 표 4는 내부의 극저온 유제 압력 및 해당 플런저 직경의 범위에 대하여 밀봉 커플링(sealed coupling)을 유지하는 데 필요한 축방향 힘(단위: lbs-force)을 나열한다.
밀봉 커플링을 유지하는 데 필요한 축방향 힘(압축)(lbs-force)
플런저/소켓-시일 커플링의 내압(PSIG)
플런저 직경, OD(인치) 25 125 275
0.094 0.2 0.9 1.9
0.100 0.2 1.0 2.2
0.125 0.3 1.5 3.4
0.188 0.7 3.5 7.6
0.250 1.2 6.1 13.5
0.375 2.8 13.8 30.4
0.400 3.1 15.7 34.6
0.500 4.9 24.5 54.0

접속부에 대하여 선택된 액츄에이터 기구는 분리(decoupling)를 방지하도록 활성 상태에서 적어도 동일한 축방향 힘을 가해야 한다. 스프링 부하식의 단동 액츄에이터의 경우에, 선택된 압축 및/또는 팽창 스프링의 축방향 힘은 극저온 유체 압력의 축방향 힘에 더해지는데, 이는 액츄에이터의 힘이 상응하게 커져야 한다는 것을 의미한다. 극저온에서 반경방향 소켓/플런저 접속부에서의 마찰을 극복하기 위하여 특징적인 힘(characteristic force)을 갖는 스프링을 선택해야 하는데, 이는 플런저에 대한 소켓의 초기 직경 뿐 아니라 소켓 또는 소켓-시일을 구성하는 폴리머 재료의 타입에 따라 좌우된다. 바람직한 실시예에서, 네가티브 커플링 간극 또는 억지 끼워맞춤과 소켓 또는 소켓-시일 재료는 분리 단계 중에 축방향 압력(pressure force)의 2배보다 작은 마찰력을 발생시키도록 선택된다. 결과적으로, 스프링과 액츄에이터는 모두 압력보다 100% 내지 200% 큰 힘을 가하도록 선택된다.
도 9 내지 도 14는 공작 기계, 선반, 밀링 머신 및 기타 기계에 설치되어 연결되는 LACC 시스템의 메인 구조를 예시하고 있다.
도 9는 전기적으로 활성화된 액츄에이터(26)를 이용하여 공작물(62)을 가공하는 데 사용된 수평 터릿 선반(60)에 설치된 LACC 시스템(20)을 도시하고 있다. 도 9에 도시된 강력한 선반은, 터릿의 아래에서 캐리지에 장착된 도 1에 도시된 바와 같은 LACC 유닛과 함께 인덱싱 수평 터릿 플레이트(28)를 사용한다. 멀티플 공구(66, 즉 커팅 인서트를 갖춘 공구 홀더 또는 어댑터)가 수평 터릿 플레이트에 장착되어 있다. 공구를 냉각하는 데 사용되는 극저온 유체가 스프레이 또는 제트 노 즐에 의해 극저온 유체 유출 라인의 일단으로부터 공급된다. 극저온 유체는 가요성의 극저온 유체 이송 라인(68)에 의해 터릿 유지 캐리지로 이송된다. (본 발명의 것과 같은) 소켓/플런저 조립체를 사용하여 극저온 유체 이송 라인을 극저온 유체 유출 라인에 연결하거나 분리한다. 도 1의 실시예에 도시된 바와 같이, 소켓(24)은 터릿 플레이트(28)에 장착되어 있고, 극저온 유체는 T 접속구(32)를 매개로 플런저(22)로 이송된다. 극저온 유체 이송 시스템 및 소켓/플런저 조립체는 CNC 제어 패널(70)에 의해 제어되며, 이 패널은 모니터(72) 및 스위치가 있는 키보드 패널(74)을 구비한다. CNC 모니터(72)로부터 극저온 유체 온/오프 솔레노이드 밸브(78)에 이르는 라인(76)이, T 접속부를 매개로 하여 이송 라인으로부터 플런저로 흐르는 극저온 유체의 흐름을 제어한다. 이 실시예의 액츄에이터(26)는 터릿 캐리지에 장착된 액츄에이터 박스 내에 있다. CNC 제어 패널로부터 터릿 인덱싱 기구에 이르는 다른 라인(80)이 그 인덱싱 기구 및 액츄에이터를 활성화시키는 전기 신호를 제공하며, 이는 인덱싱 중에 플런저를 후퇴시키는 데 사용된다. 선택적으로, 극저온 유체의 유동은 솔레노이드 밸브를 매개로 차단될 수 있다.
다시 도 9를 참고하면, 인덱싱 단계와 같은 수의 폴리머 소켓이 터릿 플레이트(28)의 바닥에 장착되어 있고, 극저온 유체 냉각을 필요로 하는 공구(66)가 터릿 플레이트에 장착되어 있다. 이 LACC 유닛에 사용된 단동식의 전자기 코일 액츄에이터(26)가 캐리지의 경우와 동일한 전기 임펄스에 의해 활성화되고, CNC 제어 패널(70)로부터 보내진 명령 또는 컴퓨터 프로그램에 따라 터릿 플레이트를 인덱싱하는 메카니즘을 포함한다. 캐리지 메카니즘이 인덱싱 신호를 수신한 때에, 플런저 는 액츄에이터의 활성화 코일에 의해 후퇴된다. 캐리지와 인덱싱 작용이 정지되면, 이제 활성화 해제된 액츄에이터의 스프링이 플런저(22)를 소켓(24) 내로 밀어서 접속부를 재확립한다. 이 작동 옵션은, 인덱싱 및 작동 모션이 모두 동일 전원 및 제어 패널에 의해 실행되어, 회로 전력이 끊긴 경우에 플런저의 손상 위험이 없으므로, 매우 안전하다.
결합/분리 작업 중에 극저온 유체의 스트림에 대하여 여러 가지 유량 제어 대안이 있다. 도 9에 도시된 시스템은 2개의 옵션을 제공한다. 온/오프 솔레노이드 밸브(78)는, 결합/분리 작업 및 인덱싱 단계와 상관 없이 제작 공정의 전체 순서에 있어서 제어 패널(70)에 의해 "영구적으로" 개방될 수 있다. 평균 시간-길이가 단지 1초 또는 2초이므로, 분리 중에 낭비된 극저온 유체의 양은 작다. 대안으로, 액츄에이터(26)를 활성화시키는 제어 패널로부터의 인덱싱 신호는, 간단한 전자기 스위치를 이용하여 제어 패널로부터의 원래의 전류를 차단함으로써 솔레노이드 밸브를 동시에 차단할 수 있다.
LACC 시스템(20)의 다른 작동 모드 및 대안의 유량 제어 옵션이 도 9a에 도시되어 있으며, 여기서 유압 액츄에이터(26)는 터릿 플레이트(28) 및 공구(66)로 안내되는 극저온 유체에 의해 활성화된다. 극저온 유체 라인(68)으로부터의 바이패스 분기부(82)는 소량의 유체를 지속적으로 밖으로 누출시키는 피스톤-타입의 액츄에이터로 지향된다. 인덱싱 신호가 CNC 제어 패널(70)로부터 캐리지 및 솔레노이드 밸브(78)로 전송된 경우, 솔레노이드 밸브는 극저온 유체 흐름을 차단하고, 이로써 작동 피스톤에서의 압력 강하가 야기되어 원하는 분리가 실행된다. 이 경 우에, 액츄에이터의 스프링(38)은 작동 피스톤에 저항하여 동작하므로, LACC 시스템은 극저온 유체 공급 시스템이 정지된 경우의 돌발적인 손상으로부터 안전하다.
도 10 내지 도 13은 수직 터릿 플레이트 방위에 따른 CNC 선반에 설치된 LACC 시스템의 "백-플런징", "레이디얼-플런징" 및 "프론트-플런징" 구조를 도시하고 있다. 각 도면에 있어서는 단 하나의 소켓/플런저 접속부가 도시되어 있지만, 설치된 실제 접속부의 수는 극저온 유체 냉각을 필요로 하는 공구(및 상응하는 공구-스탑 또는 공구 피스톤)의 수와 동일하다.
도 10a 및 도 10b는 수직 터릿 플레이트(28')를 구비한 경사-베드 선반(84)에 설치된 LACC 시스템(20)의 "백-플런저" 구조를 개략적으로 도시하고 있다. 이것은 관통 터릿 플레이트의 극저온 유체 통로의 예이다. 도 10b는 수직 터릿 플레이트를 갖춘 경사-베드 선반의 캐비넷의 정면도를 나타낸다. 캐비넷의 작업 영역(86)은 둥근 공작물(62')을 유지하는 척(88)을 구비한 스핀들이 마련된다. 둥근 터릿 플레이트(28')가 터릿 캐리지(90)에 장착되어 있고, 절연된 극저온 유체 유입 라인(68)이 절연 스페이서(도시 생략)에 의해 캐리지에 장착된다. 유입 라인이 선형 액츄에이터(26)에 연결되어 있다. (좌측) 측면도를 나타내는 도 10a에 도시된 바와 같이, 어댑터에 의해 공구 홀더(92)가 터릿에 장착된다. 극저온 유체는 절연 스페이서(도시 생략)에 의해 터릿 플레이트에 장착된 극저온 유체 유출 라인(94)을 통하여 공구 홀더로 운반된다. 터릿 플레이트의 채널을 통한 절연된 극저온 유체 통로(96)를 매개로 또는 공구 어댑터의 섕크를 매개로 본 발명의 소켓/플런저 접속부에 의해 유입 라인으로부터 유출 라인에 이르는 접속부가 제공 된다.
도 11a 및 도 11b는 도 10a 및 도 10b에 도시된 LACC 시스템(20)의 변형예를 도시한다. 도 11a 및 도 11b에 있어서, 극저온 유체 통로(96')는 정면도(도 11a 참조) 및 측면도(도 11b 참조)에 도시된 바와 같이 터릿 플레이트(28')의 원주 둘레에서 경로가 정해진다.
도 12a 및 도 12b는 수직 터릿 플레이트(28')를 구비한 경사-베드 선반(84)에 설치된 LACC 시스템(20)의 레이디얼-플런저 구조를 도시하고 있다. 이것은 극저온 유체 유출 라인(94)이 터릿 플레이트의 표면 위로 경로가 정해진 경우의 예이다. 바람직하게는, 절연된 극저온 유체 유출 라인은 터릿 플레이트 표면 위에서 외부에 경로가 정해지거나, 터릿 플레이트 내측의 기존의 통로를 통하여 내부에 경로가 정해진다. 도 12b는 "레이디얼 플런저" 구조의 정면도를 나타내고, 도 12a는 이 구조의 좌측면도를 나타낸다.
도 13a 및 도 13b는 수직 터릿 플레이트(28')를 구비한 경사-베드 선반(84)에 설치된 LACC 시스템(20)의 "프론트-플런저" 구조를 도시하고 있다. 이것은 극저온 유체 라인이 터릿 플레이트의 표면 및 전방 어댑터 플레이트(96) 위로 경로가 정해진 경우의 예이다. 도 13b(정면도) 및 도 13a(측면도)에 도시된 바와 같이, 둥근 어댑터 플레이트는 극저온 유체에 의해 냉각되는 각 공구에 대하여 하나씩의 소켓 포트를 유지한다. 유지 아암(98)이 캐리지에 부착되어 있다. 유지 아암의 중심을 통해 있는 절연된 극저온 유체 통로는 극저온 유체를 소켓-플런저 접속부로 운반한다.
도 14는 수직 밀링 머신(100) 상의 자동 변경식 밀링 커터용의 LACC 시스템(20)의 다른 용례를 도시하고 있다. 이것은 자동 변경식 밀링 커터에 장착된 회전 링-커플링에 소켓-플런저 커플링을 갖는 예이다. 밀링 머신은 수직 틀(102) 및 테이블(106) 위에 배치된 스핀들 박스(104)를 구비한다. 밀링 머신의 다른 구성 요소로는 선택적 퀼(quill), 어댑터 홀더(110), 고정 링 및 회전 엔클로저로 이루어지는 회전 커플링(112), 극저온 유체 입구가 있는 정지 링(114), "냉각제 통과" 채널을 갖는 밀링 커터(116) 및 이 밀링 커터에 장착된 커팅 인서트(118)가 포함된다. 유지 아암(120)이 스핀들 박스〔대안으로, 밀링 머신의 특정 구조에 따라 퀼 또는 슬라이드〕에 부착되어 있다. 극저온 유체는 유입 라인(68)으로부터, 유지 아암의 중앙을 통해 있는 절연된 극저온 유체 라인 통로(122)로, 그리고 선형 액츄에이터(26)를 통하여 본 발명의 소켓-플런저 접속부로 이송된다. 공구 변경 기구가 CNC 제어 패널(70; 도 14에는 도시 생략됨)로부터 신호를 수신하는 경우, 유지 아암이 장착되어 있는 액츄에이터가 소켓을 뒤로 당겨서, 어댑터 링을 분리하여 커터로 극저온 유체를 공급한다.
도시되고 설명된 모든 실시예에서, LACC 구조 개념으로 인하여, 극저온 유체와 접촉 하는 커플링 구성 요소의 내부 표면적과 접속부의 전체 열 질량을 최소화할 수 있다. 또한, 상기 구조 개념으로 인하여, 극저온 냉각 접속부와, 그 접속부를 지지하는 공작 기계 부분 사이에 단열을 이용할 수 있다. 이는 인덱싱 및 트래버싱 기계 부품에 장착된 공구에 극저온 유체 냉각제를 효율적으로 이송하는 것을 비롯한 다음의 4가지 중요한 문제를 해결한다. (1) 유동 신호로부터 원하는 공구 를 냉각하는 노즐에서의 실제 유동까지의 시간 간격이 최소화된다. (2) 정적인 작업 중에 극저온 유체 전달 준비 및 손실이 최소화되어, 보다 따뜻하고 부피가 크면서 열악하게 절연된 유동 구성 요소와 접촉하는 액체 및/또는 액체-기체 극저온 스트림에 있어서 일반적인 예상치 못한 압력 및 유량의 맥동 없이 안정적이고 완전히 예측 가능한 냉각 성능을 제공한다. (3) 지지용 기계 부품이 실온(주변 온도)으로 유지되어, 수축되지 않으므로, 원하는 치수 안정성을 유지한다. (4) 플런저 삽입 후의 폴리머 냉각시에만 금속 플런저에 대한 타이트한 접속이 발생하므로, 폴리머 밀봉 표면의 마모가 최소화된다.
구성 요소의 열-기계 성질 때문에, LACC는 극저온에 적합하게 될 수 있으며, 극저온 및 압축 냉각제 스트림을 원거리의 정지 공급원으로부터, 트래버싱 및 인덱싱 머신의 구성 요소에 장착된 공구로 정확히 이송할 수 있다. LACC 구성 요소의 통상적인 작동 온도는 약 -197 ℃ 내지 약 -150 ℃의 범위로 있고, 통상적인 작동 압력은 약 50 psig 내지 약 250 psig의 범위로 있다. 최대 작동 온도가 공정이 개시되는 실온 미만이고, 최대 압력이 작동 온도에서 소켓 폴리머의 항복 강도 미만인 한은, 보다 낮거나 보다 높은 온도(예컨대, -10 ℃)와 보다 낮거나 높은 압력(예컨대, 2500 psig)도 본 발명의 범위 내에 있다.
본 발명은 극저온 유체의 처음의 따뜻한 부분을 배기시킬 수 있는, 열 수축에 기초한 반경방향 밀봉 기구를 구비하여, 결합면의 마모를 최소화한다. 이러한 구조 개념의 다른 장점으로는, 빠른 유동 개시 시간과, 안정적이고 예측 가능한 냉각제 성능을 얻게 하는 접속부의 최소 열 질량과, 극저온 유체 전달 손실의 감소 및 기계 부품 및 스펙 밖의(off-spec) 공작물에 있어서 원치 않는 치수 변화를 제거하는 데 필요한 지지용 기계 부품과의 열적 분리가 포함된다.
LACC 시스템의 컴팩트하고 독립적이며 완전히 개장 가능한 구조로 인하여, 극저온 유체 냉각제의 일부를 액츄에이터를 활성화시키는 데 사용할 수 있으며, 그 결과 전체 제어 시스템이 현저히 간단하게 된다.
본원 명세서에서는 특정의 바람직한 실시예를 참고로 하여 본 발명을 예시하고 설명하였지만, 본 발명을 예시된 상세부로 한정하고자 하는 의도는 없다. 오히려, 이하의 청구범위와 그 균등물의 범위 내에서 본 발명의 사상을 벗어나지 않으면서 상세부에 대한 각종의 변형이 있을 수 있다.

Claims (20)

  1. 극저온 유체 공급부로부터 간격을 두고 부재 상에 장착되는 극저온 냉각 수단 내외로 극저온 유체 공급부를 연결하거나 분리하는 장치로서,
    적어도 부분적으로 제1 열팽창 계수를 갖는 제1 재료로 제조되며, 극저온 유체 공급부와 유체 연통하는 입구와, 이 입구에 유체 연통하는 출구 및 외주를 갖는 플런저와,
    적어도 부분적으로 제2 열팽창 계수를 갖는 제2 재료로 제조되며, 상기 극저온 냉각 수단과 유체 연통하는 제1 포트와, 이 제1 포트에 유체 연통하고 상기 플런저의 외주를 수용하도록 되어 있는 내주를 갖는 제2 포트를 구비하는 소켓으로서, 상기 내주와 외주는 기하학적 형상이 실질적으로 유사한 것인 소켓과,
    상기 플런저의 출구를 상기 소켓의 제2 포트 내외로 삽입하거나 인출하는 작동 수단
    을 포함하며,
    상기 제1 열팽창 계수와 제2 열팽창 계수의 차이로 인하여, 상기 플런저의 외주와 상기 제2 포트의 내주 사이의 밀봉이 개선되는 것인 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 극저온 유체의 스트림이 상기 출구를 통하여 흐를 때에 상기 밀봉이 더욱 개선되는 것인 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 재료는 금속인 것인 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2 재료는 폴리머인 것인 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 열팽창 계수는 상기 제2 열팽창 계수보다 작은 것인 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 작동 수단은 상기 플런저를 상기 소켓을 향해 이동시키는 것인 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 작동 수단은 상기 소켓을 상기 플런저를 향해 이동시키는 것인 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 부재는 이동 가능한 것인 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 이동 가능한 부재는 기계 부품인 것인 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 이동 가능한 기계 부품은 터릿(turret)인 것인 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 작동 수단은 자동식이며, 상기 플런저의 출구를 상기 소켓의 제2 포트의 내외로 자동으로 삽입하거나 인출하도록 되어 있는 것인 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 작동 수단은 컴퓨터 수치 제어기에 의해 작동되는 것인 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 작동 수단은 적어도 부분적으로 일부의 극저온 유체에 의해 활성화되는 것인 장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 극저온 유체의 스트림의 선단부는 밀봉이 유밀(fluid tight) 상태로 되기 이전에 상기 소켓으로부터 주위 분위기로 배출되는 것인 장치.
  15. 극저온 유체 공급부로부터 간격을 두고 가동 기계 부품 상에 장착되는 극저온 냉각 수단에 극저온 유체 공급부를 연결하는 장치로서,
    적어도 부분적으로 제1 열팽창 계수를 갖는 금속으로 제조되며, 극저온 유체 공급부와 유체 연통하는 입구와, 이 입구에 유체 연통하는 출구 및 외주를 갖는 플런저와,
    적어도 부분적으로 상기 제1 열팽창 계수보다 큰 제2 열팽창 계수를 갖는 폴리머로 제조되며, 상기 극저온 냉각 수단과 유체 연통하는 제1 포트와, 이 제1 포트에 유체 연통하고 상기 플런저의 외주를 수용하도록 되어 있는 내주를 갖는 제2 포트를 구비하는 소켓으로서, 상기 내주와 외주는 기하학적 형상이 실질적으로 유 사한 것인 소켓과,
    상기 플런저의 출구를 상기 소켓의 제2 포트 내로 자동으로 삽입하는 자동 작동 수단
    을 포함하며,
    상기 제1 열팽창 계수와 제2 열팽창 계수의 차이로 인하여, 상기 플런저의 외주와 상기 제2 포트의 내주 사이의 밀봉이 개선되고,
    상기 플런저로부터 흐르는 극저온 유체의 스트림의 선단부는 밀봉이 유밀 상태로 되기 이전에 상기 소켓으로부터 주위 분위기로 배출되는 것인 장치.
  16. 청구항 1에 기재되어 있는 장치를 하나 이상 포함하는 기계.
  17. 극저온 유체 공급부로부터 간격을 두고 부재 상에 장착되는 극저온 냉각 수단에 극저온 유체 공급부를 연결하는 방법으로서,
    적어도 부분적으로 제1 열팽창 계수를 갖는 제1 재료로 제조되는 플런저를 제공하는 단계로서, 이 플런저는 극저온 유체 공급부와 유체 연통하는 입구와, 이 입구에 유체 연통하는 출구 및 외주를 갖는 것인 단계와,
    적어도 부분적으로 제2 열팽창 계수를 갖는 제2 재료로 제조되는 소켓을 제공하는 단계로서, 이 소켓은 상기 극저온 냉각 수단과 유체 연통하는 제1 포트와, 이 제1 포트에 유체 연통하고 상기 플런저의 외주를 수용하도록 되어 있는 내주를 갖는 제2 포트를 구비하고, 상기 내주와 외주가 기하학적 형상이 실질적으로 유사 한 것인 단계와,
    상기 플런저의 출구를 상기 소켓의 제2 포트 내로 삽입하는 작동 수단을 제공하는 단계로서, 상기 제1 열팽창 계수와 제2 열팽창 계수의 차이로 인하여, 상기 플런저의 외주와 상기 제2 포트의 내주 사이의 밀봉이 개선되는 것인 단계와,
    상기 작동 수단을 활성화시켜, 상기 플런저의 출구를 상기 소켓의 제2 포트 내로 삽입하는 단계
    를 포함하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 극저온 유체의 스트림을 상기 플런저의 입구 내로, 그리고 플런저의 출구를 통하여 흐르게 하여, 밀봉을 더욱 개선하는 단계를 더 포함하는 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 극저온 유체의 일부를 밀봉이 유밀 상태로 되기 이전에 상기 소켓으로부터 주위 분위기로 배출하는 단계를 더 포함하는 방법.
  20. 극저온 유체 공급부로부터 간격을 두고 가동 기계 부품 상에 장착되는 극저온 냉각 수단에 극저온 유체 공급부를 연결하는 방법으로서,
    적어도 부분적으로 제1 열팽창 계수를 갖는 금속으로 제조되는 플런저를 제공하는 단계로서, 이 플런저는 극저온 유체 공급부와 유체 연통하는 입구와, 이 입구에 유체 연통하는 출구 및 외주를 갖는 것인 단계와,
    적어도 부분적으로 상기 제1 열팽창 계수보다 큰 제2 열팽창 계수를 갖는 폴리머로 제조되는 소켓을 제공하는 단계로서, 이 소켓은 상기 극저온 냉각 수단과 유체 연통하는 제1 포트와, 이 제1 포트에 유체 연통하고 상기 플런저의 외주를 수용하도록 되어 있는 내주를 갖는 제2 포트를 구비하며, 상기 내주와 외주가 기하학적 형상이 실질적으로 유사한 것인 단계와,
    상기 플런저의 출구를 상기 소켓의 제2 포트 내로 자동으로 삽입하는 자동 작동 수단을 제공하는 단계로서, 상기 제1 열팽창 계수와 제2 열팽창 계수의 차이로 인하여, 상기 플런저의 외주와 상기 제2 포트의 내주 사이의 밀봉이 개선되는 것인 단계와,
    상기 작동 수단을 활성화시켜, 상기 플런저의 출구를 상기 소켓의 제2 포트 내로 삽입하는 단계로서, 상기 플런저로부터 흐르는 극저온 유체의 스트림의 선단부는 밀봉이 유밀 상태로 되기 이전에 상기 소켓으로부터 주위 분위기로 배출되는 것인 단계와,
    상기 극저온 유체의 스트림을 상기 플런저의 입구 내로, 그리고 상기 플런저의 출구를 통하여 흐르게 하여, 밀봉을 더욱 개선하는 단계
    를 포함하는 방법.
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