KR100646957B1

KR100646957B1 - 냉동기와 이에 이용되는 로터리밸브

Info

Publication number: KR100646957B1
Application number: KR1020000055112A
Authority: KR
Inventors: 구니타니신고
Original assignee: 에아.워타 가부시키가이샤
Priority date: 1999-09-21
Filing date: 2000-09-20
Publication date: 2006-11-17
Also published as: DE60029065D1; TW500901B; JP2001091078A; CN1289031A; CN1156663C; EP1087188A1; KR20010030445A; JP3584185B2; HK1033973A1; EP1087188B1; DE60029065T2; ATE331921T1

Abstract

본 발명은 냉동기와 이에 이용되는 로터리밸브에 관한 것으로서, 축심을 중심으로서 회전하는 수평단면이 원형인 회전자와, 상기 회전자를 회전이 자유롭게 내장하는 하우징으로 이루어지고, 상기 회전자의 외주면에 복수의 포트를 설치함과 동시에 하우징의 내주면에 상기 포트에 대응하는 복수의 포트를 설치하고, 상기 회전자의 회전에 따라 회전자의 소정의 포트와 이것에 대응하는 상기 하우징의 포트를 합치시켜 양쪽 포트를 연통시키는 상태와, 상기 합치를 떼어내어 양쪽 포트를 비연통하는 상태로 전환하는 로터리밸브를 이용한 냉동기를 구비하고, 상기 냉동기에 의해 얻어지는 냉열을 가스분리의 냉열원으로 하는 극저온가스 분리장치이며, 본 발명은 소형이며 수명인 긴 전환밸브를 갖는 냉동기를 이용하고 있고, 이것에 의해 충분한 한냉량을 얻을 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

냉동기와 이에 이용되는 로터리밸브{REFRIGERATOR USING THE ROTARY VALVE}

도 1은 본 발명의 냉동기에 이용되는 로터리밸브의 구조설명도,

도 2는 상기 로터리밸브의 작용 설명도,

도 3은 상기 로터리밸브의 작용 설명도,

도 4는 로터리밸브를 이용한 펄스튜브 냉동기의 설명도,

도 5는 본 발명의 냉동기의 한 실시형태를 나타내는 설명도,

도 6은 로터리밸브에 이용하는 회전자의 사시도,

도 7은 상기 로터리밸브의 작용을 나타내는 설명도,

도 8은 상기 로터리밸브의 작용을 나타내는 설명도,

도 9는 상기 회전자의 변형예를 나타내는 사시도,

도 10은 상기 회전자를 이용한 로터리밸브의 구조설명도,

도 11은 본 발명의 냉동기의 다른 실시형태를 나타내는 설명도,

도 12는 로터리밸브에 이용하는 회전자의 사시도,

도 13은 상기 로터리밸브의 작용을 나타내는 설명도,

도 14는 상기 로터리밸브의 작용을 나타내는 설명도,

도 15는 상기 회전자의 변형예를 나타내는 사시도,

도 16은 상기 회전자를 이용한 로터리밸브의 구조설명도,

도 17은 상기 회전자를 이용한 로터리밸브의 구조설명도,

도 18은 본 발명의 냉동기의 또 다른 실시형태를 나타내는 설명도,

도 19는 로터리밸브의 단면도,

도 20은 상기 로터리밸브의 작용을 나타내는 설명도,

도 21은 상기 로터리밸브의 작용을 나타내는 설명도,

도 22는 상기 로터리밸브의 작용을 나타내는 설명도,

도 23은 종래예의 펄스튜브 냉동기를 나타내는 설명도,

도 24는 평면시일형 로터리밸브를 나타내는 설명도, 및

도 25는 상기 평면시일형 로터리밸브의 작용을 나타내는 설명도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1: 회전자 2: 하우징

5∼12, 17∼22: 포트

본 발명은 냉동기와 이에 이용되는 로터리밸브에 관한 것이다.

GM(기포드·맥마흔;Gifford Macmahon)냉동기, 펄스튜브 냉동기 등을 대표로 하는 소형 냉동기를 구동시키는 데에는 압력진동원이 필요하며 경우에 따라 위상제어장치가 필요하다. 또, 이들 압력진동원, 위상제어장치에는 작동가스의 흐름을 제어하기 위해서 전환밸브가 설치되어 있다. 예를 들면 도 23에 도시한 바와 같이 액티브버퍼형 펄스튜브 냉동기에 있어서 압력진동원으로서 압축기(91) + 2개의 전환밸브(93, 94)를 이용하고, 위상제어장치로서 2개의 버퍼탱크(92a, 92b) + 2개의 전환밸브(95, 96)를 이용한 것이 있다. 도면에 있어서 “97”은 축냉기, “98”은 펄스튜브이다.

상기 각 전환밸브(93∼96)는 냉동기를 효율적으로 구동시키기 위해서 엄밀하게 결정된 어떤 일정 사이클로 개폐되지만, 그 사이클은 통상 수∼수십 ㎐의 압력진동이며, 개폐 사이클이 비교적 빠르다. 이 때문에 상기 각 전환밸브(93∼96)는 통상 전자밸브나 도 24에 도시하는 소형 평면시일형 로터리밸브가 사용되고 있다. 이 평면시일형 로터리밸브는 2개의 포트(102, 103)(양쪽 포트(102, 103)는 연통로(104)로 연통하고 있다)를 설치한 회전자(101)와 3개의 포트(106∼108)를 설치한 고정자(105)가 면접촉하는 구조이며, 모터(109)의 회전에 의해 회전자(101)가 회전하고 각 포트(102, 103, 106∼108)를 전환하는 (도 24에 도시한 바와 같이 고정자(105)의 양쪽 포트(107, 108)를 연통하는 상태와, 도 25에 도시한 바와 같이 고정자(105)의 양쪽 포트(106, 107)를 연통하는 상태로 전환한다) 구조로 되어 있다. 이렇게 도 24에 도시한 평면시일형 로터리밸브는 작동가스를 2방향으로 전환할 수 있기 때문에, 압력진동원 및 위상제어장치에 각각 하나씩 설치하면 좋다. 도면에 있어서 “110”은 회전자(101)를 회전이 자유롭게 내장하는 하우징이다.

냉동기의 대형화, 고효율화를 실현하는 데에는 작동가스의 대용량화, 운전주파수의 고속화, 복잡한 위상제어장치의 설치가 필요하지만, 시장성을 고려한다면 그것을 만족하고 동시에 이를 위한 전환밸브가 소형이며, 수명이 긴 것이 바람직하 다. 그러나, 전환밸브의 대표예인 전자밸브나 도 24에 도시하는 평면시일형 로터리밸브로는 상기 요망을 만족시킬 수 없으며 냉동기의 대형화, 고효율화를 실현시킬 수 없는 것이 실정이다.

즉, 전환밸브로서 전자밸브를 이용하면, 작동가스의 대용량화를 실시하도록 한 경우에 밸브가 복잡하여 커지고, 고속으로 작동하지 않게 된다. 또, 고속으로 빈번하게 작동시킨 경우에는 수명이 현저하게 저하한다. 또, 위상제어장치를 설치하는 경우에 이 상위제어장치를 복잡화하기 위해서는 밸브수를 늘릴 필요가 있어 냉동기 전체가 커진다.

한편, 전환밸브로서 상기 평면시일형 로터리밸브를 이용하면, 작동가스의 대용량화를 실시하기 위해서 포트직경을 크게 하는 경우나 복잡한 위상제어장치로 하기 위해서 포트수를 늘리는 경우에 회전자(101)와 고정자(105)의 직경을 크게 할 필요가 있고, 회전자(101)와 고정자(105)의 접촉면적이 커진다. 또, 회전자(101)와 고정자(105)의 접촉면적이 커질수록 회전자(101)에 작용하는 압력이 커지기 때문에 토크가 큰 모터(109)가 필요하게 되고 밸브 전체가 커진다. 그래서, 현재까지는 냉동능력이 몇 와트의 비교적 소형 냉동기 밖에 개발할 수 없는 것이 실정이다.

본 발명은 이러한 사정을 감안하여 소형이면서 수명이 긴 전환밸브를 이용함으로써 대형화, 대용량화 및 고효율화를 실현할 수 있는 냉동기 및 이에 이용되는 로터리밸브의 제공을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 축심을 중심으로서 회전하는 수평단면이 원형인 회전자와, 상기 회전자를 회전이 자유롭게 내장하는 하우징으로 이루어지고, 상기 회전자의 외주면에 복수의 포트를 설치함과 동시에 하우징의 내주면에 상기 포트에 대응하는 복수의 포트를 설치하고, 상기 회전자의 회전에 따라 회전자의 소정의 포트와 이것에 대응하는 상기 하우징의 포트와 합치시켜 양쪽 포트를 연통시키는 상태와, 상기 합치를 떼어내어 양쪽 포트를 비연통하는 상태로 전환하는 로터리밸브를 이용한 냉동기를 제 1 요지로 하고, 축심을 중심으로서 회전하는 수평단면이 원형인 회전자와, 상기 회전자를 회전이 자유롭게 내장하는 하우징으로 이루어지고, 상기 회전자의 외주면에 오목부를 설치함과 동시에 하우징의 내주면에 상기 오목부에 대응하는 복수의 포트를 설치하고, 상기 회전자의 회전에 따라 회전자의 오목부와 이것에 대응하는 상기 하우징의 포트를 합치시켜 상기 오목부와 이것에 대응하는 포트를 연통시키는 상태와, 상기 합치를 떼어내어 상기 오목부와 이것에 대응하는 포트를 비연통하는 상태로 전환하는 로터리밸브를 이용한 냉동기를 제 2 요지로 하고, 상기 냉동기에 이용하는 로터리밸브로서 축심을 중심으로서 회전하는 수평단면이 원형인 회전자와, 상기 회전자를 회전이 자유롭게 내장하는 하우징으로 이루어지고, 상기 회전자의 외주면에 복수의 포트를 설치함과 동시에 하우징의 내주면에 상기 포트에 대응하는 복수의 포트를 설치하고, 상기 회전자의 회전에 따라 회전자의 소정의 포트와 이것에 대응하는 상기 하우징의 포트를 합치시켜 양쪽 포트를 연통시키는 상태와, 상기 합치를 떼어내어 양쪽 포트를 비연통하는 상태로 전환하도록 한 로터리밸브를 제 3 요지로 하고, 상기 냉동기에 이용하는 로터리밸브에 있어서, 축심을 중심으로서 회전하는 수평단면이 원형인 회전자와, 상기 회전자를 회전이 자유롭게 내장하는 하우징으로 이루어지고, 상기 회전자의 외주면에 오목부를 설치함과 동시에 하우징의 내주면에 상기 오목부에 대응하는 복수의 포트를 설치하고, 상기 회전자의 회전에 따라 회전자의 오목부와 이것에 대응하는 상기 하우징의 포트를 합치시켜 상기 오목부와 이것에 대응하는 포트를 연통시키는 상태와, 상기 합치를 떼어내어 상기 오목부와 이것에 대응하는 포트를 비연통하는 상태로 전환하도록 한 로터리밸브를 제 4 요지로 한다.

즉, 본 발명의 제 1 냉동기는 (축심을 중심으로 회전하는 수평단면이 원형인) 회전자의 외주면 및 (회전자를 회전이 자유롭게 내장하는)하우징의 내주면에 각각 복수의 포트를 설치한 로터리밸브를 이용하고 있다. 이렇게 본 발명의 제 1 냉동기는 복수의 포트가 축심방향으로 독립한 로터리밸브를 이용하고 있기 때문에, 포트직경의 확대나 포트수의 증가에 따른 회전자의 직경의 확대는 극히 작게 되고, 로터리밸브의 소형화 및 수명이 길어지는 것이 가능해진다. 그 결과, 본 발명의 제 1 냉동기는 종래의 전자밸브나 평면시일형 로터리밸브에 비해 대구경화, 복수 포트화를 용이하게 실시할 수 있고, 대형화, 대용량화 및 고효율화를 실현할 수 있게 된다. 예를 들면 본 발명의 제 1 냉동기에 의하면 수백 와트 이상의 대형냉동기를 제공할 수 있다. 물론, 종래의 몇 와트의 소형냉동기에도 적용은 가능하다. 또, 본 발명의 제 2 냉동기도 본 발명의 제 1 냉동기와 동일 작용·효과를 나타낸다. 이러한 본 발명의 제 1 및 제 2 냉동기로서는 펄스튜브 냉동기, GM냉동기, 솔 베이(Solvay)냉동기를 들 수 있지만, 이것에 한정되는 것은 아니며, 밸브를 전환함으로써 작동가스를 전환할 필요가 있는 냉동기라면 그 종류는 상관없다. 한편, 본 발명의 제 3(또는 제 4)의 로터리밸브를 이용함으로써 본 발명의 제 1(또는 제 2)의 냉동기를 용이하게 제작할 수 있다. 또한, 본 발명에 있어서 「수평단면이 원형인 회전자」는 회전자를 수직으로 세운 경우에 회전자의 수평단면 형상이 원형을 하고 있는 것을 가르키고 있고, 또 회전자를 수평으로 뉘운 경우에는 회전자의 수직단면 형상이 원형을 하고 있는 것을 가르키고 있다.

본 발명의 냉동기에 이용하는 로터리밸브의 구조, 작용 및 효과를 도 1에 도시되는 로터리밸브(A)를 이용하여 상세하게 설명한다. 이 로터리밸브(A)는 축심을 중심으로서 회전하는 원주형상의 회전자(1), 상기 회전자(1)를 회전이 자유롭게 내장하는 원통형상의 하우징(2), 상기 회전자(1)를 회전이 자유롭게 축지지하는 2개의 베어링(3) 및 상기 회전자(1)를 한방향으로 회전시키는 모터(4)를 구비하고 있다. 또, 상기 회전자(1)의 외주면에 8개의 포트(5∼12)(이들 8개의 포트(5∼12) 중, 양쪽 포트(5, 6), 양쪽 포트(7, 8), 양쪽 포트(9, 10) 및 양쪽 포트(11, 12)는 연통로(13∼16)로 연통하고 있다)가 형성되어 있음과 동시에, 상기 각 포트(5∼12)에 대응하는 상기 하우징(2) 부분에 6개의 포트(17∼22)(이들 6개의 포트(17∼22) 중, 포트(17)는 포트(5)에, 포트(18)는 양쪽 포트(6, 9)에, 포트(19)는 포트(10)에, 포트(20)는 포트(7)에, 포트(21)는 포트(11)에, 포트(22)는 양쪽 포트(8, 12)에 각각 대응하고 있음)가 뚫어설치되어 있다. 그리고, 도 1에 도시한 상태에서는 양쪽 포트(5, 17), 양쪽 포트(6, 18), 양쪽 포트(7, 20) 및 양쪽 포트(8, 22)가 각 각 연통하고 있고, 다른 포트(9∼12, 19, 21)가 비연통상태로 되어 있다. 또, 회전자(1)가 회전하여 도 2에 도시한 상태가 되면, 양쪽 포트(9, 18), 양쪽 포트(10, 19), 양쪽 포트(11, 21) 및 양쪽 포트(12, 22)가 각각 연통하고 있고, 다른 포트(5∼8, 17, 20)가 비연통상태로 되어 있다. 또, 회전자(1)가 회전하여 도 3에 도시한 상태가 되면, 각 포트(17∼22)가 모두 비연통상태로 되어 있다.

또한, 회전자(1)는 원통형상(즉, 중공형상)이나 원주형상(즉, 중실형상)에서도 좋고, 회전자(1)의 회전은 모터(4) 이외의 각종 수단에 의해 실시할 수 있다. 또, 포트(5∼12)에 대신하여 오목부(도 6 참조)를 형성하여도 좋고, 접속되는 포트(5∼12)는 인접하고 있을 필요는 없다. 또, 하우징(2)에 뚫어설치하는 포트(17∼22)는 하우징(2)의 동일 측면에 위치하고 있지 않아도 좋다. 또, 베어링(3)을 회전자(1)의 양단에 설치하고 있지만, 회전자(1)의 한단부에만 설치하여도 좋고, 베어링(3)으로서 구름 베어링뿐만 아니라, 슬라이딩 베어링 등의 일반적인 베어링을 이용할 수 있다. 또, 모터(4)로서 반전이 자유로운 형을 이용하여도 좋다. 또, 모터(4)의 회전은 똑같아도, 단계적으로 변화하여도 좋다.

도 4에 도시한 펄스튜브 냉동기는 도 23에 도시한 펄스튜브 냉동기에 있어서 4개의 전환밸브(93∼96)에 대신하여 1개의 로터리밸브(B)(도 1에 도시한 로터리밸브(A)와 동일 구조)를 이용한 것이다. 단, 로터리밸브(B)는 상기 각 전환밸브(93∼96)와 동일한 작용을 할 필요가 있기 때문에, 각 포트(5∼12, 17∼22)의 형상, 갯수 등은 로터리밸브(A)와 다르다.

상기 로터리밸브(A, B)에 있어서 회전자(1)의 직경을 소형화하면, 단면적이 작아지기 때문에 회전자(1)에 작용하는 압력부하의 영향을 극히 작게 할 수 있다. 또, 회전자(1)의 외부직경의 주속도가 감소하기 때문에 회전자(1)와 하우징(2) 사이에 시일(도 1∼도 3에서는 도시하지 않음)을 설치하는 경우에 이 시일의 마찰에 의한 발생토크를 감소시킬 수 있다. 그리고, 압력부하의 감소 및 시일의 마찰에 의한 발생토크의 감소에 의해 모터(4)의 소요 동력을 감소시킬 수 있다. 그 결과, 소형이며 고속인 모터(4)를 사용할 수 있다. 또, 회전자(1)의 주속도의 감소에 의해(회전자(1)와 하우징(2) 사이에 설치한) 시일의 수명을 길게 할 수 있고 회전자(1)의 고회전화를 실현할 수 있다.

또, 회전자(1)에 작용하는 축방향 및 반경방향의 하중은 베어링(3)에 의해 지지되기 때문에 더욱 모터(4)로의 부하가 감소하고 모터(4)의 소요 동력을 극히 작게 할 수 있다. 또, 회전자(1)가 받는 압력부하는 그것을 지지하는 베어링(3)에 의해 더욱 감소한다. 이들은 회전자(1) 및 모터(4)의 소형화에 기여하고 로터리밸브(A, B) 전체를 작게 할 수 있다.

이들 구조적 이점에 의해 본 발명의 로터리밸브는 포트직경의 대직경화를 용이하게 실시할 수 있고, 이것에 수반하여 작동가스의 대용량화·운전주파수의 고속화를 용이하게 실시할 수 있고, 이것을 이용한 본 발명의 냉각기의 대형화를 실현할 수 있다. 또, 본 발명의 로터리밸브는 포트수를 용이하게 증가시킬 수 있기 때문에 복잡한 위상제어장치로 하는 것을 용이하게 실시할 수 있고, 이것을 이용한 본 발명의 냉동기의 고효율화를 실현할 수 있다.

다음에 본 발명의 실시형태를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다.

도 5는 본 발명의 펄스튜브 냉동기의 한 실시형태를 나타내고 있다. 이 실시형태에서는 도 23에 도시하는 펄스튜브 냉동기에 있어서 각 전환밸브로서 로터리밸브(C)를 이용하고 있다. 이 이외의 부분은 도 23에 도시하는 펄스튜브 냉동기와 동일하고 동일 부분은 동일 부호를 붙이고 있다.

상기 로터리밸브(C)는 상기 로터리밸브(A)에 있어서 원주형상의 회전자(1)의 외주면에 하나의 오목부(25)(도 6 참조)가 형성되어 있음과 동시에 원통형상의 하우징(2)의 한측면(도면에서는 좌측면)에 상기 오목부(25)에 연통하는 2개의 포트(26, 27)(도 7 참조)가 뚫어설치되어 있다. 그리고, 회전자(1)가 회전하여 도 7에 도시하는 상태가 되면, 오목부(25)와 양쪽 포트(26, 27)가 연통하여 작동가스가 유통하게 된다. 또, 이 상태에서 회전자(1)가 회전하여 도 8에 도시하는 상태가 되면, 오목부(25)와 양쪽 포트(26, 27)가 비연통상태가 되어 작동가스가 유통하지 않게 된다. 또한, 이 실시형태에서는 모든 전환밸브에 로터리밸브(C)를 이용하고 있지만, 이것에 한정하는 것은 아니며, 하나의 전환밸브에만 로터리밸브(C)를 이용하도록 하여도 좋다.

상기 실시형태에서는 로터리밸브(C)의 오목부(25)의 축심방향 길이의 확대나 개수의 증가에 따른 회전자(1) 직경의 확대는 극히 작게 되며, 로터리밸브(C)의 소형화와 수명의 길어짐이 가능하게 된다. 이 때문에 냉동기의 대형화, 대용량화, 고효율화가 가능하게 된다.

도 9는 상기 로터리밸브(C)에 이용하는 회전자(1)의 변형예를 나타내고 있다. 이 예에서는 회전자(1)의 외주면 중, 상기 하우징(2)의 양쪽 포트(26, 27)에 대응하는 부분에 2개의 포트(28, 29)가 형성되어 있고, 양쪽 포트(28, 29)가 연통로(30)로 연통하고 있다(도 10 참조). 이 예에서도 상기 실시형태와 동일한 작용, 효과를 갖는다.

도 11은 본 발명의 펄스튜브 냉동기의 다른 실시형태를 나타내고 있다. 이 실시형태에서는 도 23에 도시한 펄스튜브 냉동기에 있어서 전환밸브(93, 94) 및 전환밸브(95, 96)에 대신하여 로터리밸브(D)를 이용하고 있다. 이 이외의 부분은 도 23에 도시한 펄스튜브 냉동기와 동일하며 동일 부분은 동일 부호를 붙이고 있다.

상기 로터리밸브(D)는 상기 로터리밸브(A)에 있어서 회전자(1)의 외주면에 한측면(도면에서는 좌측면)에 하나의 오목부(32)(제1 오목부)가 형성되어 있고, 다른 측면(도면에서는 우측면)에 하나의 오목부(33)(제2 오목부)가 형성되어 있다(도 12 참조). 또, 하우징(2)의 한측면(도면에서는 좌측면)에 상기 오목부(32)에 연통하는 2개의 포트(34, 35)(제1 세트의 포트)가 뚫어 설치되어 있다(도 13 참조). 그리고 회전자(1)가 회전하여 도 13에 도시한 상태가 되면, 오목부(32)와 양쪽 포트(34, 35)가 연통하여 작동가스가 유통하게 된다. 이 때, 오목부(33)와 양쪽 포트(35, 36)(제2 세트의 포트)는 비연통상태가 되어 작동가스가 유통하지 않게 된다(제1 상태). 또, 이 상태에서 회전자(1)가 회전하여 도 14에 도시한 상태가 되면, 오목부(33)와 양쪽 포트(35, 36)가 연통하여 작동가스가 유통하게 된다. 이 때 오목부(32)와 양쪽 포트(34, 35)는 비연통상태가 되고 작동가스가 유통하지 않게 된다(제2 상태). 또한, 이 실시형태에서는 2개의 로터리밸브(D)를 이용하고 있지만, 이것에 한정되는 것은 아니며 전환밸브(93, 94) 또는 전환밸브(95, 96)에 대신하여 하나의 로터리밸브(D)를 이용하도록 하여도 좋다. 이 실시형태에서도 상기 로터리밸브(A)와 동일한 작용, 효과를 갖는다.

도 15는 로터리밸브(E)에 이용하는 회전자(1)를 나타내고 있다. 이 회전자(1)는 그 외주면의 한측면(도면에서는 좌측면)에 하나의 오목부(38)가 형성되어 있고, 다른 측면(도면에서는 우측면)에 하나의 오목부(39)가 형성되어 있다. 또, 상기 로터리밸브(E)를 구성하는 하우징(2)의 한 측면(도면에서는 좌측면)에 상기 오목부(38)에 연통하는 2개의 포트(40, 41)(도 16 참조)가 뚫어설치되어 있음과 동시에 상기 오목부(39)에 연통하는 2개의 포트(42, 43)(도 17 참조)가 뚫어설치되어 있다. 이 로터리밸브(E)를 이용한 경우에도 상기 로터리밸브(D)를 이용한 경우와 동일한 작용, 효과를 갖는다.

도 18은 본 발명의 펄스튜브 냉동기의 또 다른 실시형태를 나타내고 있다. 이 실시형태에서는 도 23에 도시한 펄스튜브 냉동기에 있어서 4개의 전환밸브(93∼96)에 대신하여 하나의 로터리밸브(F)를 이용하고 있다(즉, 도 4에 도시하는 펄스튜브 냉동기와 동일한 구조를 하고 있다). 도면에 있어서 “51”은 압축기이고, “52”는 축냉기이고, “53”은 펄스튜브이고, “54”는 고압측 버퍼탱크이고, “55”는 저압측 버퍼탱크이다. 또, “56”은 압축기(51)의 저압측과 로터리밸브(F)의 포트(75)를 연통하는 파이프이고, “57”은 압축기(51)의 고압측과 로터리밸브(F)의 포트(77)를 연통하는 파이프이고, “58”은 고압측 버퍼탱크(54)와 로터리밸브(F)의 포트(78)를 연통하는 파이프이고, “59”는 저압측 버퍼탱크(55)와 로터리밸브(F)의 포트(80)를 연통하는 파이프이다.

상기 로터리밸브(F)는 도 19에 도시한 바와 같이 모터(도시하지 않음)에 의 해 한 방향으로 회전하는 회전자(밸브체)(61)와, 상기 회전자(61)를 회전이 자유롭게 내장하는 하우징(62)을 구비하고 있다. 도면에 있어서 “61a”는 회전자(61)에 형성된 연결축부이며, 하우징(62)의 한 단면(도면에서는 우단면)으로 돌출하여 모터에 연결되어 있다. “63”은 회전자(61)를 회전이 자유롭게 지지하는 베어링이며, “64”는 O링이고 “65, 66”덮개부이다.

상기 회전자(61)에는 그 외주면에 4개의 오목부(71∼74)가 형성되어 있다. 또, 상기 하우징(62)에는 그 외주면에 상기 하우징(62)의 길이방향을 따라서 일렬로 늘러서는 6개의 포트(75∼80)가 뚫어설치되어 있고, 이들 각 포트(75∼80)가 회전자(61)의 각 오목부(71∼74)에 대응하고 있다. 즉, 회전자(61)의 오목부(71)는 하우징(62)의 양쪽 포트(76, 77)에, 오목부(72)는 양쪽 포트(75, 76)에, 오목부(73)는 양쪽 포트(78, 79)에, 오목부(74)는 양쪽 포트(79, 80)에 각각 대응하고 있다. 또, 상기 하우징(62)의 포트(76)는 축냉기(52)에 연통하고 있고, 포트(79)는 펄스튜브(53)에 연통하고 있다.

이러한 펄스튜브 냉동기 작동의 개략을 설명한다. 우선, 모터의 회전에 의해 상기 하우징(62)의 각 포트(75∼77)를 비연통상태로 함과 동시에 양쪽 포트(79, 80)을 비연통상태로 한다. 이 때, 펄스튜브(53) 내에는 압축기(51)의 저압측과 동일 압력으로 되어 있다. 다음에, 회전자(61)의 오목부(73)를 통하여 양쪽 포트(78, 79)를 연통시키면(도 20 참조), 고압측 버퍼탱크(54) 내의 고압냉매 가스가 펄스튜브(53)의 열단에 흘러들고, 펄스튜브(53)내의 가스압은 고압측 버퍼탱크(54)의 압력 가까이까지 상승한다.

다음에 회전자(61)의 오목부(71)를 통하여 양쪽 포트(76, 77)를 연통시키면(도 19 참조), 압축기(51)의 고압측에서 고압냉매 가스가 공급되고 펄스튜브(53)의 냉단에 유입한다. 이 때, 고압냉매 가스의 유입압력(압축기(51)의 고압측 압력)이 고압측 버퍼탱크(54)의 압력보다 약간 높게 설정되어 있고, 펄스튜브(53)의 열단에 흘러든 고압냉매 가스는 즉시 고압측 버퍼탱크(54)내로 되돌아간다.

다음에, 양쪽 포트(76, 77) 및 양쪽 포트(78, 79)를 비연통상태로 한 뒤, 회전자(61)의 오목부(74)를 통하여 양쪽 포트(79, 80)를 연통시키면(도 21 참조), 펄스튜브(53)의 열단의 냉매가스가 저압측 버퍼탱크(55)에 유입하기(되돌아오기)때문에 펄스튜브(53)내의 압력이 저압측 버퍼탱크(55)의 압력까지 저하한다. 즉, 펄스튜브(53)내의 고압냉매가스는 저압측 버퍼탱크(55)의 압력까지 팽창하고, 온도 강하하여 펄스튜브(53)의 냉단측을 냉각한다.

다음에 회전자(61)의 오목부(72)를 통하여 양쪽 포트(75, 76)를 연통시키면(도 22참조), 펄스튜브(53)내에서 팽창한 냉매가스가 압축기(51)의 저압측으로 배출됨과 동시에 저압측 버퍼탱크(55)의 저압냉매가스가 펄스튜브(53)내로 유입된다.

이렇게 1사이클이 끝나고, 이어서 새롭게 1사이클이 시작된다. 이렇게 순환하여 실시하기 때문에 고압냉매 가스는 끊임없이 팽창하여 저압이 된다.

또한, 상기 각 실시형태에 이용하는 펄스튜브 냉동기로서는 밀폐계라도 좋고, 개방계라도 좋다. 또, 축냉재를 갖는 것이라도 좋고, 축냉재를 갖지 않는 것이라도 좋다. 또, 간접냉각방식이라도 좋고 직접냉각방식이라도 좋다.

이상과 같이 본 발명의 제 1 냉동기에 의하면, 복수의 포트가 축심방향에 독립한 로터리밸브를 이용하고 있기 때문에, 포트직경의 확대나 포트수의 증가에 의한 회전자 직경의 확대는 극히 작게 되고, 로터리밸브의 소형화와 수명이 길어지는 것이 가능하게 된다. 그 결과, 본 발명의 제 1 냉동기는 종래의 전자밸브나 평면시일형 로터리밸브에 비해 대구경화, 복수 포트화를 용이하게 실시할 수 있고, 대형화, 대용량화, 고효율화를 실현할 수 있게 된다. 예를 들면, 본 발명의 제 1 냉동기에 의하면 수백 와트이상의 대형 냉동기를 제공할 수 있다. 물론, 종래의 몇 와트의 소형 냉동기에도 적용은 가능하다. 또, 본 발명의 제 2 냉동기도 본 발명의 제 1 냉동기와 동일한 작용·효과를 갖는다. 한편, 본 발명의 제 3 (또는 제 4)의 로터리밸브를 이용함으로써 본 발명의 제 1(또는 제 2) 냉동기를 용이하게 제작할 수 있다.

Claims

축심을 중심으로서 회전하는 수평단면이 원형인 회전자(1)와, 상기 회전자를 회전이 자유롭게 내장하는 중공형상의 하우징(2)으로 이루어지고, 상기 회전자의 외주면의 양쪽에 2개의 별개의 오목부(32,33)를 설치하는 동시에 상기 하우징의 내주면의 한쪽에 상기 회전자의 오목부에 대응하는 3개의 포트(34,35,36)를 축심 향향으로 간격을 두고 설치하고, 제1 오목부(32)와 연통하는 상기 3개의 포트의 제1 세트의 포트(34,35)와, 제2 오목부(33)와 연통하는 상기 3개의 포트의 제2 세트(35,36)가 있고, 상기 회전자의 회전에 의해 상기 회전자의 제1 오목부(32)와 이에 대응하는 상기 하우징의 제1 세트의 포트(34,35)를 합치시켜 상기 오목부와 이에 대응하는 포트를 연통시켜, 상기 제2 오목부(33)와 상기 제2 세트의 포트(35,36)를 합치시키지 않고 비연통으로 하는 제1 상태와, 상기 회전자의 제2의 오목부(33)와 이에 대응하는 상기 하우징의 제2 세트의 포트(35,36)를 합치시켜 상기 오목부와 이에 대응하는 포트를 연통시켜, 상기 제1 오목부(32)와 상기 제1 세트의 포트(34,35)를 합치시키지 않고 비연통으로 하는 제2 상태로 전환하도록 하고, 상기 회전자(1)를 제1 상태와 제2 상태로 전환하는 것에 의해 작동가스의 흐름을 제어하는 로터리밸브를 이용한 것을 특징으로 하는 냉동기.
제1항에 있어서,

상기 회전자(1)의 외주면에 설치된 상기 오목부(32,33)가 상기 회전자의 축심 방향에서 서로 다른 위치에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 냉동기.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 냉동기가 펄스 튜브 냉동기이고, 상기 펄스 튜브 냉동기가 버퍼 탱크(92a 또는 92b)를 갖는 타입의 냉동기로 있는 것을 특징으로 하는 냉동기.
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