KR101333058B1

KR101333058B1 - 축냉기식 냉동기 및 칸막이부재

Info

Publication number: KR101333058B1
Application number: KR1020120034204A
Authority: KR
Inventors: 다카히로 마츠바라
Original assignee: 스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤
Priority date: 2011-04-04
Filing date: 2012-04-03
Publication date: 2013-11-26
Also published as: TWI534399B; JP5805421B2; US9134048B2; TW201241382A; KR20120113194A; US20120247143A1; CN102734976A; JP2012220044A; CN102734976B

Abstract

[과제] 축냉기에 수용된 축냉재를 칸막이하기 위한 것으로서, 축냉기의 내주면과의 사이에 간극을 형성하지 않도록 높은 치수 정밀도를 가짐과 함께, 제조코스트를 저감할 수 있는 칸막이부재를 가지는 축냉기식 냉동기를 제공한다.
[해결수단] 실린더(12)에서 발생한 냉열을, 내부에 수용된 축냉재(18a, 18b)에 축냉하는 축냉기(14)와, 축냉재(18a, 18b)를 칸막이하는 칸막이부재(40)를 가진다. 칸막이부재(40)는, 중앙에 개구부(51)가 형성됨과 함께, 외주면이 축냉기(14)의 내주면에 끼워지도록 형성된 링 부재(50)와, 개구부(51)를 막도록 설치된, 축냉재(18a, 18b)가 통과 불가능하고 또한 냉매가스가 통과 가능한 필터부재(61, 62)와, 보강부재(63)가 적층되어 이루어지는 적층체(60)를 포함한다. 적층체(60)의 주연부(60a)는, 링 부재(50)에 의하여 적층체(60)의 적층방향을 따라 전후로부터 끼워져 조여져 있다.

Description

축냉기식 냉동기 및 칸막이부재{Cold storage type refrigerator and separator member}

본 출원은, 2011년 4월 4일에 출원된 일본 특허출원 제2011-083192호에 근거하여 우선권을 주장한다. 그 출원의 전체 내용은 이 명세서 중에 참조에 의하여 원용되어 있다.

본 발명은, 헬륨가스 등의 냉매가스를 이용하고, 축냉재를 수용한 축냉기를 가지는 축냉기식 냉동기, 및, 축냉기식 냉동기에 구비되는, 축냉재를 칸막이하는 칸막이부재에 관한 것이다.

예컨대 4K 정도의 극저온을 얻기 위하여, 헬륨가스 등의 냉매가스를 이용하고, 축냉재를 수용한 축냉기를 가지는 축냉기식 냉동기가 이용되고 있다. 또한, 축냉기식 냉동기로서, 예컨대 기포드·맥마혼(Gifford-McMahon; GM) 냉동기가 이용되고 있다.

GM냉동기는, 압축기로부터의 예컨대 헬륨가스로 이루어지는 냉매가스를 실린더 내에 형성된 팽창공간에 공급하고, 공급한 냉매가스를 팽창공간에서 팽창시킴으로써, 냉열(冷熱)을 발생시킨다. 발생된 냉열에 의하여 극저온을 얻기 위하여, GM냉동기는, 통상, 복수 단에 의하여 구성된다.

GM냉동기의 각 단은, 실린더와, 실린더 내에 설치된 디스플레이서를 가진다. 디스플레이서는, 실린더 내에, 실린더를 따라 왕복동 가능하게 설치되어 있고, 디스플레이서의 일단과 실린더 사이에 팽창공간을 형성한다. 또한, 디스플레이서의 내부는, 팽창공간에 냉매가스를 공급 및 배출하기 위한 냉매가스유로로 되어 있다. 또한, 디스플레이서의 내부에는, 냉매가스와 접촉하여 냉열을 축냉하기 위한 축냉재가 수용되어 있다.

이러한 디스플레이서의 내부에는, 축냉재를 소정의 공간에 충전하기 위하여, 또한, 복수 종류의 축냉재를 이용할 때에 축냉재가 혼합하지 않도록, 축냉재를 칸막이하는 칸막이부재가 설치되어 있다. 칸막이부재는, 축냉재가 통과 불가능하고 또한 냉매가스가 통과 가능하게 설치되어 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조).

일본 특허공개 제2004-293924호 공보

그러나, 상기한 GM냉동기의 디스플레이서 내부에 설치된 칸막이부재에는, 다음과 같은 문제가 있다.

칸막이부재의 외주면의 치수 정밀도가 높지 않으면, 칸막이부재의 외주면과 디스플레이서의 내주면 사이에 간극이 형성되고, 형성된 간극을 통하여 축냉재가 이동하거나 혼합되거나 할 우려가 있다. 따라서, 칸막이부재의 외주면과 디스플레이서의 내주면 사이에 간극이 형성되지 않도록, 칸막이부재의 외주의 형상을 치수 정밀도 좋게 작성할 필요가 있다.

그러나, 특허문헌 1에 기재되어 있는 바와 같이, 종래의 칸막이부재는, 2매의 금속원판(圓板) 사이에 금속망을 끼운 상태에서, 2매의 금속원판을 용접으로 고정함으로써, 형성되어 있다. 그로 인하여, 2매의 금속원판 각각의 외주의 치수 정밀도, 및, 금속망의 외주의 치수 정밀도 전부를 향상시키지 않으면, 칸막이부재의 외주 형상을 치수 정밀도 좋게 작성할 수 없다는 문제가 있다. 또한, 종래의 칸막이부재는, 2매의 금속원판을 포함하고, 필터기능을 가지는 금속망을 제외한 부품의 수가 많은데다, 2매의 금속원판을, 이들의 축심을 매우 높은 정밀도로 일치시킨 상태에서 서로 고정할 필요가 있다. 그로 인하여, 제조코스트가 증대한다는 문제가 있다.

또한, 상기한 문제는, GM냉동기의 디스플레이서 내에 설치된 칸막이부재에 한정되지 않고, 펄스관 냉동기의 축냉관 등, 각종 축냉기식 냉동기의 축냉기 또는 축냉관의 내부에 설치된 칸막이부재에도 공통하는 과제이다.

본 발명은 상기한 점을 감안하여 이루어진 것으로서, 축냉기식 냉동기의 축냉기에 수용된 축냉재를 칸막이하기 위한 것으로서, 축냉기의 내주면과의 사이에 간극을 형성하지 않도록 높은 치수 정밀도를 가짐과 함께, 제조코스트를 저감할 수 있는 칸막이부재, 및 그 칸막이부재를 가지는 축냉기식 냉동기를 제공한다.

상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는, 다음에 서술하는 수단을 강구한 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 냉매가스를 팽창시키기 위한 실린더와, 내부에 수용된 축냉재를 포함하고, 상기 냉매가스의 팽창에 따라 상기 실린더에서 발생한 냉열을, 상기 축냉재에 축냉하는 축냉기와, 상기 축냉기에 설치되어 있고, 상기 축냉재를 칸막이하는 칸막이부재를 가지고, 상기 칸막이부재는, 중앙에 개구부가 형성되어 있음과 함께, 외주면이 상기 축냉기의 내주면에 끼워지도록 형성되어 있는 링 부재와, 상기 개구부를 막도록 설치되어 있고, 상기 축냉재가 통과 불가능하고 또한 상기 냉매가스가 통과 가능한 필터부재와, 상기 필터부재를 보강하는 보강부재가 적층되어 이루어지는 적층체를 포함하고, 상기 적층체의 주연(周緣)부는, 상기 링 부재에 의하여 상기 적층체의 적층방향을 따라 전후로부터 끼워져 조여져 있는, 축냉기식 냉동기이다.

또한, 본 발명은, 상술한 축냉기식 냉동기에 있어서, 상기 링 부재는, 중앙에 상기 개구부가 형성된 본체부와, 상기 적층방향을 따라 상기 본체부의 일방측에 설치된 누름부를 가지고, 상기 적층체의 주연부는, 상기 누름부와 상기 본체부에 의하여 상기 적층방향을 따라 전후로부터 끼워져 조여져 있고, 상기 적층체는, 상기 누름부측의 최표층에 하나의 상기 필터부재가 위치하도록, 적층되어 이루어진 것이다.

또한, 본 발명은, 상술한 축냉기식 냉동기에 있어서, 상기 적층체는, 상기 본체부측의 최표층에 다른 상기 필터부재가 위치하도록, 적층되어 이루어진 것이다.

또한, 본 발명은, 상술한 축냉기식 냉동기에 있어서, 상기 보강부재는, 펀칭메탈이다.

또한, 본 발명은, 상술한 축냉기식 냉동기에 있어서, 상기 필터부재는, 금속망이다.

또한, 본 발명은, 냉매가스를 팽창시키기 위한 실린더와, 내부에 수용된 축냉재를 포함하고, 상기 냉매가스의 팽창에 따라 상기 실린더에서 발생한 냉열을, 상기 축냉재에 축냉하는 축냉기를 가지는 축냉기식 냉동기에 구비되는, 상기 축냉재를 칸막이하는 칸막이부재에 있어서, 중앙에 개구부가 형성되어 있음과 함께, 외주면이 상기 축냉기의 내주면에 끼워지도록 형성되어 있는 링 부재와, 상기 개구부를 막도록 설치되어 있고, 상기 축냉재가 통과 불가능하고 또한 상기 냉매가스가 통과 가능한 필터부재와, 상기 필터부재를 보강하는 보강부재가 적층되어 이루어지는 적층체를 가지고, 상기 적층체의 주연부는, 상기 링 부재에 의하여 상기 적층체의 적층방향을 따라 전후로부터 끼워져 조여져 있다.

또한, 본 발명은, 상술한 칸막이부재에 있어서, 상기 링 부재는, 중앙에 상기 개구부가 형성된 본체부와, 상기 적층방향을 따라 상기 본체부의 일방측에 설치된 누름부를 가지고, 상기 적층체의 주연부는, 상기 누름부와 상기 본체부에 의하여 상기 적층방향을 따라 전후로부터 끼워져 조여져 있고, 상기 적층체는, 상기 누름부 측의 최표층에 하나의 상기 필터부재가 위치하도록, 적층되어 이루어지는 것이다.

또한, 본 발명은, 상술한 칸막이부재에 있어서, 상기 적층체는, 상기 본체부측의 최표층에 다른 상기 필터부재가 위치하도록, 적층되어 이루어지는 것이다.

또한, 본 발명은, 상술한 칸막이부재에 있어서, 상기 보강부재는, 펀칭메탈이다.

또한, 본 발명은, 상술한 칸막이부재에 있어서, 상기 필터부재는, 금속망이다.

본 발명에 의하면, 축냉기식 냉동기의 축냉기에 수용된 축냉재를 칸막이하는 칸막이부재에 있어서, 축냉기의 내주면과의 사이에 간극을 형성하지 않도록 높은 치수 정밀도를 가짐과 함께, 제조코스트를 저감할 수 있다.

도 1은, 실시형태에 관한 GM냉동기의 구성을 나타내는 개략 단면도이다.
도 2는, 실시형태에 관한 GM냉동기에 있어서의 제2단째 디스플레이서의 구성을 나타내는 개략 단면도이다.
도 3은, 실시형태에 관한 칸막이부재의 구성을 나타내는 개략 단면도이다.
도 4는, 칸막이부재의 구성을 나타내는 상면도이다.
도 5는, 칸막이부재의 구성을 나타내는 하면도이다.
도 6은, 보강부재의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 7은, 칸막이부재의 다른 예의 구성을 나타내는 개략 단면도이다.
도 8은, 보강부재의 다른 예의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 9는, 칸막이부재의 다른 예의 구성을 나타내는 개략 단면도이다.
도 10은, 칸막이부재가 통 부재의 중심축에 직각인 축의 둘레로 회전하지 않도록 하기 위한 치수의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은, 비교예에 관한 GM냉동기에 있어서의 제2단째 디스플레이서의 구성을 나타내는 개략 단면도이다.
도 12는, 비교예에 관한 칸막이부재의 구성을 나타내는 개략 단면도이다.

다음으로, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대하여 도면과 함께 설명한다.

도 1을 참조하여, 실시형태에 관한 GM냉동기에 대하여 설명한다. 이 GM냉동기는, 본 발명에 관한 칸막이부재를 가지는 축냉기식 냉동기를 GM냉동기에 적용한 예이고, 수 K~20K 정도의 극저온을 얻는 데에 적합한 2단 구성을 가진다.

도 1은, 본 실시형태에 관한 GM냉동기의 구성을 나타내는 개략 단면도이다.

GM냉동기는, 압축기(10), 제1단째 실린더(11), 제2단째 실린더(12), 제1단째 디스플레이서(13), 제2단째 디스플레이서(14), 크랭크기구(15), 냉매가스유로(16), 축냉재(17, 18), 스테이지(19, 20), 팽창공간(21, 22), 중공(中空)공간(냉매가스유로)(23, 24)을 가진다.

다만, 도 1에 나타내는 배치에 있어서, 제1단째 실린더(11), 제2단째 실린더(12), 제1단째 디스플레이서(13) 및 제2단째 디스플레이서(14)의 상단(上端)은 고온단이고, 하단(下端)은 저온단이다(도 2에 있어서도 마찬가지).

압축기(10)는, 헬륨가스(냉매가스)를 약 20Kgf/cm²로 압축하여, 고압 헬륨가스를 생성한다. 생성된 고압 헬륨가스는, 흡기밸브(V1), 냉매가스유로(16)를 통하여 제1단째 실린더(11) 내에 공급된다. 또한, 제1단째 실린더(11)로부터 배출된 저압 헬륨가스는, 냉매가스유로(16), 배기밸브(V2)를 통하여 압축기(10)에 회수된다.

제1단째 실린더(11)에는, 제2단째 실린더(12)가 결합되어 있다. 제1단째 실린더(11), 제2단째 실린더(12) 내에는, 상호 연결된 제1단째 디스플레이서(13), 제2단째 디스플레이서(14)가 각각 수용되어 있다.

제1단째 실린더(11)로부터는, 구동축(Sh)이 상방으로 뻗어 있고, 구동용 모터(M)에 결합한 크랭크기구(15)와 결합하고 있다.

제1단째 디스플레이서(13)는, 제1단째 실린더(11) 내에, 제1단째 실린더(11)를 따라 왕복동 가능하게 설치되어 있다. 제1단째 디스플레이서(13)는, 제1단째 실린더(11)의 일단에, 팽창공간(21)을 형성한다. 제1단째 디스플레이서(13)는, 예컨대 원통형상을 가지고 있다.

또한, 제1단째 디스플레이서(13)의 내부에는, 팽창공간(21)에 냉매가스를 공급 및 배출하기 위한 중공공간(냉매가스유로)(23)이 형성되어 있다. 제1단째 디스플레이서(13)가 제1단째 실린더(11)를 따라 왕복동할 때에, 팽창공간(21)에 있어서의 냉매가스의 팽창에 따라 냉열이 발생한다.

다만, 제1단째 디스플레이서(13)는, 본 발명에 있어서의 축냉기에 상당한다.

중공공간(23) 내에는, 축냉재(17)가 수용되어 있다. 축냉재(17)는, 팽창공간(21)으로부터 냉매가스를 배출할 때에, 배출한 냉매가스와 접촉하여 냉열을 축냉한다. 즉, 축냉재(17)는, 팽창공간(21)에 있어서의 냉매가스의 팽창에 따라 발생한 냉열을 축냉한다.

제2단째 디스플레이서(14)는, 제2단째 실린더(12) 내에, 제2단째 실린더(12)를 따라 왕복동 가능하게 설치되어 있다. 제2단째 디스플레이서(14)는, 제2단째 실린더(12)의 일단에, 팽창공간(22)을 형성한다. 제2단째 디스플레이서(14)는, 예컨대 원통형상을 가지고 있다.

또한, 제2단째 디스플레이서(14)의 내부에는, 팽창공간(22)에 냉매가스를 공급 및 배출하기 위한 중공공간(냉매가스유로)(24)이 형성되어 있다. 제2단째 디스플레이서(14)가 제2단째 실린더(12)를 따라서 왕복동할 때에, 팽창공간(22)에 있어서의 냉매가스의 팽창에 따라 냉열이 발생한다.

다만, 제2단째 디스플레이서(14)는, 본 발명에 있어서의 축냉기에 상당한다.

중공공간(24) 내에는, 축냉재(18)가 수용되어 있다. 축냉재(18)는, 팽창공간 (22)으로부터 냉매가스를 배출할 때에, 배출한 냉매가스와 접촉하여 냉열을 발생한다. 즉, 축냉재(18)는, 팽창공간(22)에 있어서의 냉매가스의 팽창에 따라 발생한 냉열을 축냉한다.

제1단째 실린더(11)의 하단(저온단)을 둘러싸도록, 제1단째의 스테이지(19)가 열적으로 결합되어 있고, 제2단째 실린더(12)의 하단(저온단)을 둘러싸도록, 제2단째의 스테이지(20)가 열적으로 결합되어 있다.

제1단째 실린더(11), 제2단째 실린더(12)는, 예컨대 스테인리스강(예컨대 SUS304) 등에 의하여 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이로써, 제1단째 실린더(11), 제2단째 실린더(12)에, 높은 강도, 낮은 열전도율, 및 높은 헬륨가스 차폐성능을 가지도록 할 수 있다.

제1단째 디스플레이서(13), 제2단째 디스플레이서(14)는, 예컨대 패브릭 기재 페놀(베이크라이트) 등에 의하여 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이로써, 제1단째 디스플레이서(13), 제2단째 디스플레이서(14)에 대하여, 경량화함과 함께, 내마모성 및 강도를 향상시켜, 고온측에서 저온측으로의 침입 열량을 저감할 수 있다.

제1단째의 축냉재(17)는, 예컨대 금속망 등에 의하여 구성되는 것이 바람직하고, 제2단째의 축냉재(18)는, 예컨대 연구(鉛球) 또는 자성(磁性) 축냉재 등에 의하여 구성되는 것이 바람직하다. 이로써, 저온영역에 있어서, 충분히 높은 열용량을 확보할 수 있다.

이와 같이 구성되어 있는 GM냉동기에서는, 이하와 같이 하여 냉열을 발생한다.

압축기(10)로부터 흡기밸브(V1)를 통하여 공급된, 냉매가스인 고압 헬륨가스는, 냉매가스유로(16)를 통하여 제1단째 실린더(11) 내에 공급된다. 그리고, 개구(냉매가스유로)(23a), 축냉재(17)가 수용된 중공공간(냉매가스유로)(23), 개구(냉매가스유로)(23b)를 통하여, 제1단째 팽창공간(21)에 공급된다.

제1단째 팽창공간(21)에 공급된 고압 헬륨가스는, 다시 개구(냉매가스유로)(24a), 축냉재(18)가 수용된 중공공간(냉매가스유로)(24), 개구(냉매가스유로)(24b)를 통하여 제2단째 팽창공간(22)에 공급된다.

다만, 냉매가스유로(23a, 23b, 24a, 24b)는, 냉매가스의 흐름을 설명하기 위하여 기능적으로 기재한 것으로서, 도 2를 이용하여 설명하는 실제의 구조와는 상이하다.

흡기밸브(V1)가 닫히고, 배기밸브(V2)가 열릴 때에는, 제2단째 실린더(12), 제1단째 실린더(11) 내의 고압 헬륨가스는, 흡기의 경우와는 반대의 경로를 지나 냉매가스유로(16), 배기밸브(V2)를 통하여 압축기(10)에 회수된다.

GM냉동기의 작동시에 있어서는, 크랭크기구(15)에 의하여 구동용 모터(M)의 회전구동력이 구동축(Sh)의 왕복구동력으로 변환된다. 그리고, 구동축(Sh)에 의하여, 제1단째 디스플레이서(13), 제2단째 디스플레이서(14)가, 도 1 중의 화살표로 나타내는 바와 같이, 상하로 (각각 제1단째 실린더(11) 및 제2단째 실린더(12)를 따라) 왕복구동된다.

구동축(Sh)에 의하여 제1단째 디스플레이서(13), 제2단째 디스플레이서(14)가 구동축(Sh)과 반대측(도 1의 하방)으로 구동될 때에는, 흡기밸브(V1)가 열리고, 배기밸브(V2)가 닫힌다. 그리고, 제1단째 실린더(11) 내의 팽창공간(21), 및 제2단째 실린더(12) 내의 팽창공간(22)에 고압 헬륨가스가 공급된다(공급공정).

또한, 구동축(Sh)에 의하여 제1단째 디스플레이서(13), 제2단째 디스플레이서(14)가 구동축(Sh)측(도 1의 상방)으로 구동될 때에는, 흡기밸브(V1)가 닫히고, 배기밸브(V2)가 열린다. 그리고, 제1단째 실린더(11) 내의 팽창공간(21), 및 제2단째 실린더(12) 내의 팽창공간(22)이 저압이 됨과 함께, 팽창공간(21) 및 팽창공간(22)으로부터 헬륨가스는 배출되어, 압축기(10)에 회수된다(배출공정).

이때, 팽창공간(21, 22)에 있어서, 헬륨가스가 팽창함으로써, 냉열이 발생한다. 냉열을 발생하여, 냉각된 헬륨가스는, 팽창공간(21, 22)으로부터 배출될 때에, 축냉재(17, 18)와 접촉하여, 열교환함으로써, 축냉재(17, 18)를 냉각한다. 즉, 축냉재(17, 18)에, 발생한 냉열이 축냉된다.

다음의 공급공정에서 공급되는 고압 헬륨가스는, 축냉재(17, 18)를 통하여 공급됨으로써 냉각된다. 냉각된 헬륨가스가 팽창공간(21, 22)에서 팽창됨으로써, 더욱 냉각이 진행된다.

이상과 같이 하여, 공급공정과 배출공정을 반복함으로써, 제1단째 실린더(11) 내의 팽창공간(21)이, 예컨대 40K~70K 정도의 온도로 냉각되고, 제2단째 실린더(12) 내의 팽창공간(22)이, 예컨대 수 K~20K 정도의 온도로 냉각된다.

다음으로, 도 2를 참조하여, 제2단째 디스플레이서(14)의 상세한 구성에 대하여 설명한다. 도 2는, 본 실시형태에 관한 GM냉동기에 있어서의 제2단째 디스플레이서(14)의 구성을 나타내는 개략 단면도이다.

제2단째 디스플레이서(14)는, 통 부재(30), 덮개부재(31, 32)를 가진다. 통 부재(30)의 내부에는, 냉매가스가 흐르기 위한 냉매가스유로인 중공공간(24)이 형성되어 있다.

통 부재(30)의 상단(고온단)에는, 덮개부재(31)가 삽입 접착되어 있다. 덮개부재(31)의 상단(고온단)에는, 개구(33)(도 1에 나타내는 24a)가 형성되어 있다. 개구 (33)에는, 중공공간(냉매가스유로)(24)의 고온단이 연통(連通)되어 있다. 다만, 덮개부재(31)는, 제1단째 디스플레이서(13)에, 연결기구(25)(도 1 참조)를 개재하여 연결되어 있다.

통 부재(30)의 하단(저온단)에는, 덮개부재(32)가 삽입 접착되어 있다. 덮개부재(32)의 외주면에는, 냉매가스유로(24)를 형성하는 개구(34)가 형성되어 있다. 개구(34)에는, 중공공간(냉매가스유로)(24)의 저온단이 연통되어 있다.

앞서 서술한 바와 같이, 통 부재(30), 덮개부재(31, 32)는, 예컨대 패브릭 기재 페놀(베이크라이트) 등에 의하여 형성되어 있는 것이 바람직하다.

도 2에 나타내는 바와 같이, 중공공간(냉매가스유로)(24)에는, 앞서 서술한 축냉재(18)에 상당하는, 복수 종(도면에서는 2종류)의 축냉재(18a, 18b)가 충전되어 있다. 그리고, 중공공간(냉매가스유로)(24) 내를 냉매가스가 흐름으로써, 흐르는 냉매가스와 축냉재(18a, 18b)가 열교환하여, 축냉재(18a, 18b)가 냉열을 축냉하도록 구성되어 있다. 앞서 서술한 바와 같이, 축냉재(18a)로서, 연구(鉛球)나 비스무트 공을 이용할 수 있고, 축냉재(18b)로서, 자성(磁性) 축냉재를 이용할 수 있다. 자성 축냉재는, 15K 이하의 저온에서, 납보다도 큰 비열을 가진다. 이로 인하여, 축냉재(18)로서, 고온측의 축냉재(18(18a))를 연구(鉛球)로 하고, 저온측의 축냉재(18(18b))를 자성 축냉재로 함으로써, 축냉재(18)의 고온단에서부터 저온단까지의 열용량을 최적화할 수 있다.

제2단째 디스플레이서(14)는, 중공공간(냉매가스유로)(24)에 설치된, 칸막이부재(40(40a, 40b, 40c))를 가진다. 칸막이부재(40)는, 축냉재(18a, 18b)를 중공공간(24) 내에 충전하기 위하여, 또한, 축냉재(18a, 18b)가 상호 혼합하지 않도록, 축냉재(18a, 18b)를 칸막이하기 위한 것이다. 칸막이부재(40a)는, 덮개부재(31)와 축냉재(18a) 사이에 설치되어 있다. 칸막이부재(40b)는, 축냉재(18a)와 축냉재(18b) 사이에 설치되어 있다. 칸막이부재(40c)는, 축냉재(18b)와 덮개부재(32) 사이에 설치되어 있다.

다음으로, 도 3에서 도 6을 참조하여, 칸막이부재(40)의 구성에 대하여 설명한다.

도 3은, 본 실시형태에 관한 칸막이부재(40)의 구성을 나타내는 개략 단면도이다. 도 4 및 도 5는, 각각 칸막이부재(40)의 구성을 나타내는 상면도 및 하면도이다. 도 6은, 보강부재(63)의 구성을 나타내는 평면도이다.

다만, 도 4의 상면도 및 도 5의 하면도에 있어서, 각각 필터부재(61, 62)에 해칭을 넣어 표시하고 있다.

칸막이부재(40)는, 링 부재(50)와 적층체(60)를 가진다.

링 부재(50)는, 중앙에 개구부(51)가 형성되어 있음과 함께, 외주면이 제2단째 디스플레이서(14)의 통 부재(30)의 내주면에 끼워지도록 형성되어 있다. 링 부재(50)는, 예컨대 놋쇠로 이루어진다.

적층체(60)는, 필터부재(61, 62)와, 보강부재(63)가, 제2단째 디스플레이서(14)의 축방향을 따라 적층되어 이루어지는 것으로서, 링 부재(50)의 개구부(51)를 막도록 설치되어 있다. 적층체(60)의 주연(周緣)부(60a)는, 링 부재(50)에 의하여 적층체(60)의 적층방향을 따라 전후 양측으로부터, 즉 도 3에 있어서의 상하 양측으로부터 끼워져 조여져 있다. 환언하면, 적층체(60)는, 적층방향을 따라서 서로 반대측을 향하는 제1 표면(60b)(상면), 제2 표면(60c)(하면)을 가지고, 링 부재(50)에 의하여 그 주연부(60a)를 제1 표면(60b), 제2 표면(60c)으로부터 끼워져 조여져 있다.

필터부재(61, 62)는, 축냉재가 통과 불가능하고 또한 냉매가스가 통과 가능하도록 설치되어 있다. 필터부재(61, 62)로서, 펠트 등의 섬유상(狀) 물질, 소결금속 등의 다공질체를 포함하여, 각종의 부재를 이용할 수 있다. 그 중에서, 필터부재(61, 62)로서, 예컨대 금속망을 1매로, 또는 복수 매를 중첩한 상태로 이용하는 것이 바람직하다. 금속망을 이용하면, 적층체(60)의 두께를 얇게 할 수 있음과 함께, 필터부재(61, 62)의 간극의 치수 정밀도를 높일 수 있다. 따라서, 냉매가스가 칸막이부재(40)를 통과할 때에 발생하는 압력손실을 저감할 수 있고, 또한, 제2단째 디스플레이서(14)의 축방향에 수직인 단면의 면내에 있어서의 압력손실의 편차도 저감할 수 있다. 축냉재의 입경이 예컨대 150~500μm일 때, 금속망으로서, 예컨대 SUS304로 이루어지는, 메시 사이즈 300(간극의 폭 치수가 약 80μm)의 것을 이용할 수 있다.

보강부재(63)는, 구멍부(63a)가 형성되어 있어서, 냉매가스가 통과 가능함과 함께, 필터부재(61, 62)를 보강하기 위한 것이다. 보강부재(63)로서, 펀칭메탈을 이용할 수 있다. 펀칭메탈로서, 예컨대 SUS304로 이루어지고, 구멍부(63a)의 구멍직경(D)이 1.0mm, 구멍부(63a)의 피치(P)가 1.5mm, 두께가 0.5mm인, 60° 지그재그 타입의 것을 이용할 수 있다.

칸막이부재(40)의 외주면과 통 부재(30)의 내주면 사이에 간극이 형성되면, 형성된 간극을 통하여 축냉재가 이동한다. 그로 인하여, 칸막이부재(40)의 외주면과 통 부재(30)의 내주면 사이에 간극이 형성되지 않는 것이 바람직하다. 한편, 본 실시형태에 관한 칸막이부재(40)는, 냉매가스를 통과시키는 필터부재(61, 62)를 포함하는 적층체(60)의 주연부(60a)가 통 부재(30)의 내주면에 끼워지지 않고, 링 부재(50)의 외주면이 통 부재(30)의 내주면에 끼워지도록 형성되어 있다. 이로써, 칸막이부재(40) 전체의 외주면의 치수 정밀도를, 링 부재(50)의 외주면의 치수 정밀도에 의하여 조정할 수 있다. 따라서, 칸막이부재(40)를, 외주면의 치수 정밀도 좋게 제조할 수 있다.

링 부재(50)는, 중앙에 개구부(51)가 형성되고, 제1 면(52a)(상면) 및 제2 면(52b)(하면)을 가지는 본체부(52)와, 제2단째 디스플레이서(14)의 축방향을 따라 본체부(52)의 일방측(즉, 도 3에 있어서의 본체부(52)의 주연의 제1 면(52a))에 설치된 누름부(53)를 가지고 있어도 된다. 누름부(53)는, 본체부(52)와 일체로 형성되어 있어도 된다. 그리고, 적층체(60)의 주연부(60a)가, 누름부(53)와 본체부(52)에 의하여, 적층체(60)의 적층방향을 따라 전후 양측으로부터, 즉 도 3에 있어서의 상하 양측으로부터 끼워져 조여져 있어도 된다. 환언하면, 적층체(60)의 주연부(60a)가, 누름부(53)에 의하여 죄임으로써, 고정되어 있어도 된다.

본체부(52)와 누름부(53)는, 적층체(60)의 주연부(60a)를 외측으로부터 둘러싸듯이 형성되어 있어도 된다. 예컨대, 도 3의 점선으로 나타내는 바와 같이, 누름부(53)를, 본체부(52) 위에(그 원주를 따라서), 본체부(52)로부터 상방을 향하여 뻗도록, 형성하여 둔다. 그리고, 본체부(52) 위에 적층체(60)를 탑재한 상태에서, 예컨대 누름부(53)를 도시하지 않은 지그 등에 의하여 링 부재(50)의 내측 중앙을 향하여 절곡함으로써, 적층체(60)의 주연부(60a)를, 변형된 누름부(53)와 본체부(52)에 의하여 끼워져 조일 수 있다. 혹은, 링 부재(50)에 상하 양측으로부터 압축응력을 가하여, 누름부(53)를 눌러 찌그러뜨림으로써, 적층체(60)의 주연부(60a)를, 변형된 누름부(53)와 본체부(52)에 의하여 끼워 조일 수 있다.

다만, 도 3에 나타내는 예에서는, 본체부(52)는, 적층체(60)가 재치(載置)된 재치부(54)와, 재치부(54)에 재치되어 있는 적층체(60)의 주연부(60a)의 주위를 둘러싸는 포위부(55)를 가진다. 이로써, 링 부재(50)는, 적층체(60)의 주연부(60a)가 칸막이부재(40)의 외주면에 노출되지 않도록 적층체(60)를 지지할 수 있다.

또한, 적층체(60)는, 누름부(53)측의 최표층에 필터부재(61)가 위치함과 함께, 본체부(52) 측의 최표층에 필터부재(62)가 위치하도록, 적층된 것이어도 된다. 즉, 적층체(60)는, 누름부(53) 측으로부터 본체부(52) 측, 즉 상측에서 하측을 향하여, 필터부재(61), 보강부재(63), 필터부재(62)의 순으로, 합계 3층이 적층된 것이어도 된다. 이로써, 적층체(60)의 누름부(53) 측의 표면에, 보강부재(63)에 형성된 구멍부(63a)에 기인한 요철이 형성되는 것을 방지할 수 있다. 그리고, 변형된 누름부(53)에 의하여 적층체(60)의 주연부(60a)를 끼울 때에, 누름부(53)와 적층체(60)의 표면 사이에 간극이 발생하고, 발생된 간극을 통하여 축냉재가 칸막이부재(40)를 넘어 이동하는 것을 방지할 수 있다.

다만, 적층체가, 누름부(53) 측의 최표층에 필터부재가 위치하도록, 적층된 것이어도 된다. 즉, 적층체가, 누름부(53) 측으로부터 본체부(52) 측, 즉 상측에서 하측을 향하여, 필터부재(61), 보강부재(63)의 순으로, 합계 2층만이 적층된 것이어도 된다. 이러한 적층체(60A)를 가지는 칸막이부재의 예(40A)의 구성을, 도 7의 개략 단면도에 나타낸다. 도 7에 나타내는 예에서도, 누름부(53)와 적층체(60A)의 표면 사이에 간극이 발생하고, 축냉재가 칸막이부재(40A)를 넘어 이동하는 것을 방지할 수 있다.

혹은, 도 8에 나타내는 바와 같이, 보강부재로서, 구멍부(63a)가 형성되어 있는 중앙부(63b)와, 구멍부(63a)가 형성되어 있지 않은 주연부(63c)를 가지는 펀칭메탈로 이루어지는 보강부재의 다른 예(63B)를 이용하여도 된다. 도 8은, 보강부재의 다른 예(63B)의 구성을 나타내는 평면도이다. 이와 같은 때는, 적층체가, 누름부(53)측에서 본체부(52)측, 즉 상측에서 하측을 향하여, 보강부재(63B), 필터부재(61)의 순으로, 합계 2층만이 적층된 것이어도 된다. 이와 같은 적층체(60B)를 가지는 칸막이부재의 예(40B)의 구성을, 도 9의 개략 단면도에 나타낸다. 도 9에 나타내는 예에서도, 적층체(60B)의 누름부(53)측의 (주연부(60a)의) 표면에, 보강부재(63B)에 설치된 구멍부(63a)에 기인한 요철이 형성되는 것을 방지할 수 있다. 그리고, 변형된 누름부(53)에 의하여 적층체(60B)의 주연부(60a)를 끼울 때에, 누름부(53)와 적층체(60B)의 표면 사이에 간극이 발생하고, 발생된 간극을 통하여 축냉재가 칸막이부재(40B)를 넘어 이동하는 것을 방지할 수 있다.

또한, 도 3 및 도 5에 나타내는 바와 같이, 링 부재(50)의 본체부(52)에 형성된 개구부(51)는, 본체부(52)를 중심으로 하여 누름부(53)측으로부터 누름부(53)와 반대측을 향하여 개구직경이 증대하도록, 테이퍼 형상을 가지는 테이퍼부(56)가 형성되어 있어도 된다. 이로써, 냉매가스가 흐를 때의 압력손실을 저감시킬 수 있다.

도 10은, 칸막이부재(40)가 통 부재(30)의 중심축에 직각인 축의 둘레로 회전하지 않도록 하기 위한 치수의 관계를 설명하기 위한 도면이다.

또한, 칸막이부재(40)가, 통 부재(30)의 중심축에 직각인 축의 둘레로 회전하면, 축냉재가 칸막이부재(40)를 넘어 이동할 우려가 있다. 따라서, 칸막이부재(40)의 두께(t)는, 도 10에 나타내는 바와 같이, 칸막이부재(40) 횡단면의 대각선의 길이(L)가, 통 부재(30)의 내경(DI)보다도 충분히 커지게 되도록 설정한다. 예컨대, 칸막이부재(40)의 두께(t)를, 통 부재(30)의 내경(DI)에 대하여 15% 이상으로 할 수 있다.

다음으로, 본 실시형태에 관한 GM냉동기에 설치된 칸막이부재에 의하면, GM냉동기의 제2단째 디스플레이서의 내주면과의 사이에 간극을 형성하지 않도록 높은 치수 정밀도를 가짐과 함께, 제조코스트를 저감할 수 있는 것을, 비교예와 대비하면서 설명한다.

도 11은, 비교예에 관한 GM냉동기에 있어서의 제2단째 디스플레이서(14)의 구성을 나타내는 개략 단면도이다. 도 12는, 비교예에 관한 칸막이부재(140)의 구성을 나타내는 개략 단면도이다.

비교예에 관한 GM냉동기는, 제2단째 디스플레이서(14)가, 칸막이부재(40(40a, 40b, 40c)) 대신에, 칸막이부재(140)를 가지는 점에서, 본 실시형태에 관한 GM냉동기와 다르다.

칸막이부재(140)는, 금속망(141), 금속제 플레이트(142, 143)를 가진다.

금속망(141)은, 축냉재가 통과 불가능하고 또한 냉매가스가 통과 가능한 금속망이 복수 매 적층된 것이다. 금속망(141)은, 금속제 플레이트(142, 143)의 형상에 대응하여, 중앙이 도려 내어진 형상을 가지고 있다. 금속제 플레이트(142, 143)는, 그것들 사이에 금속망(141)을 끼운 상태로, 예컨대 용접에 의하여 고정되어 있다. 금속제 플레이트(142, 143)는, 각각 개구부(144, 145)가 형성되어 있다. 따라서, 칸막이부재(140)는, 개구부(144, 145)에 노출되어 있는 금속망(141)의 부분에 의하여, 축냉재가 통과 불가능하고 또한 냉매가스가 통과 가능하게 구성되어 있다.

칸막이부재의 외주면의 치수 정밀도가 높지 않으면, 칸막이부재의 외주면과 제2단째 디스플레이서 내주면 사이에 간극이 형성되고, 형성된 간극을 통하여 축냉재가 이동하거나 혼합되거나 할 우려가 있다. 따라서, 칸막이부재의 외주면과 제2단째 디스플레이서의 내주면 사이에 간극을 형성하지 않도록, 칸막이부재의 외주 형상을 치수 정밀도 좋게 작성할 필요가 있다.

비교예에 관한 칸막이부재(140)는, 금속제 플레이트(142, 143)의 사이에 금속망(141)을 끼운 상태에서, 금속제 플레이트(142, 143)를 용접에 의하여 고정함으로써, 형성되어 있다. 그로 인하여, 금속제 플레이트(142, 143) 각각의 외주의 치수 정밀도, 및, 금속망(141)의 외주의 치수 정밀도 전부를 향상시키지 않으면, 칸막이부재(140)의 외주 형상을 치수 정밀도 좋게 작성할 수 없다. 또한, 비교예에 관한 칸막이부재(140)는, 금속제 플레이트(142, 143)를 포함하고, 필터기능을 가지는 금속망(141)을 제외한 부품의 수가 많은 데다, 2매의 금속제 플레이트(142, 143)를, 그들의 축심을 매우 높은 정밀도로 일치시킨 상태로 상호 고정할 필요가 있다. 그로 인하여, 제조코스트가 증대한다는 문제가 있다.

한편, 본 실시형태에 관한 칸막이부재(40)(40A, 40B를 포함함)는, 필터기능을 가지는 적층체(60)(60A, 60B를 포함함)의 주연부(60a)가, 링 부재(50)에 의하여 상하 양측으로부터 끼워져 조여져 있다. 외주의 치수 정밀도를 향상시킬 필요가 있는 부품은, 링 부재(50)뿐이기 때문에, 칸막이부재(40)의 외주 형상을 용이하게 치수 정밀도 좋게 제조할 수 있다. 또한, 본 실시형태에 관한 칸막이부재(40)(40A, 40B를 포함함)는, 링 부재(50)가 일체로 설치되어 있기 때문에, 예컨대 2매의 금속제 플레이트를, 그들의 축심을 매우 높은 정밀도로 일치시킨 상태로 상호 고정할 필요가 없다. 그로 인하여, GM냉동기의 제2단째 디스플레이서의 내주면과의 사이에 간극을 형성하지 않도록 높은 치수 정밀도를 가짐과 함께, 제조코스트를 저감할 수 있다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시형태에 대하여 기술하였지만, 본 발명은 이러한 특정의 실시형태에 한정되는 것이 아니라, 특허청구의 범위 내에 기재된 본 발명의 요지의 범위 내에 있어서, 다양한 변형·변경이 가능하다.

예컨대, 실시형태에서는, 본 발명과 관련된 칸막이부재(40)(40A, 40B를 포함함)가 제2단째 디스플레이서(14)에 설치되어 있는 예에 대하여 설명하였다. 그러나, 본 발명에 관한 칸막이부재는, 제1단째 디스플레이서(13)에 설치되어 있어도 되고, 제2단째 디스플레이서(14)에 설치되었을 때와 동일한 효과를 나타낸다.

또한, 실시형태에서는, 본 발명에 관한 칸막이부재를 가지는 축냉기식 냉동기를 GM냉동기에 적용한 예에 대하여 설명하였다. 그러나, 본 발명에 관한 칸막이부재는, GM냉동기에 수용된 축냉재를 칸막이하는 칸막이부재에 한정되지 않고, 펄스관 냉동기의 축냉관(본 발명에 있어서의 축냉기에 상당함)에 수용된 축냉재 등, 각종 냉동기의 축냉기 또는 축냉관에 수용된 축냉재를 칸막이하는 칸막이부재에 적용 가능하다.

10 압축기
11 제1단째 실린더
12 제2단째 실린더
13 제1단째 디스플레이서
14 제2단째 디스플레이서
17, 18, 18a, 18b 축냉재
21, 22 팽창공간
23, 24 중공공간(냉매가스유로)
30 통 부재
31, 32 덮개부재
40, 40A, 40B 칸막이부재
50 링 부재
51 개구부
52 본체부
53 누름부
60, 60A, 60B 적층체
61, 62 필터부재
63, 63B 보강부재

Claims

냉매가스를 팽창시키기 위한 실린더와,
내부에 수용된 축냉재를 포함하고, 상기 냉매가스의 팽창에 따라 상기 실린더에서 발생한 냉열을, 상기 축냉재에 축냉하는 축냉기와,
상기 축냉기에 설치되어 있고, 상기 축냉재를 칸막이하는 칸막이부재
를 가지고,
상기 칸막이부재는,
중앙에 개구부가 형성되어 있음과 함께, 외주면이 상기 축냉기의 내주면에 끼워지도록 형성되어 있는 링 부재와,
상기 개구부를 막도록 설치되어 있고, 상기 축냉재가 통과 불가능하고 또한 상기 냉매가스가 통과 가능한 필터부재와, 상기 필터부재를 보강하는 보강부재가 적층되어 이루어지는 적층체
를 포함하고,
상기 링 부재는, 중앙에 상기 개구부가 형성된 본체부와, 상기 적층방향을 따라 상기 본체부의 일방 측에 설치된 누름부를 가지고,
상기 적층체의 주연(周緣)부는, 전체 둘레에 걸쳐서 상기 누름부와 상기 본체부에 의하여 상기 적층체의 적층방향을 따라 전후로부터 끼워져 조여져 있는, 축냉기식 냉동기.
청구항 1에 있어서,
상기 적층체는, 상기 누름부 측의 최표층에 하나의 상기 필터부재가 위치하도록, 적층되어 이루어진 것인, 축냉기식 냉동기.
청구항 2에 있어서,
상기 적층체는, 상기 본체부측의 최표층에 다른 상기 필터부재가 위치하도록, 적층되어 이루어진 것인, 축냉기식 냉동기.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 보강부재는, 펀칭메탈인, 축냉기식 냉동기.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 필터부재는, 금속망인, 축냉기식 냉동기.
냉매가스를 팽창시키기 위한 실린더와, 내부에 수용된 축냉재를 포함하고, 상기 냉매가스의 팽창에 따라 상기 실린더에서 발생한 냉열을, 상기 축냉재에 축냉하는 축냉기를 가지는 축냉기식 냉동기에 구비되는, 상기 축냉재를 칸막이하는 칸막이부재에 있어서,
중앙에 개구부가 형성되어 있음과 함께, 외주면이 상기 축냉기의 내주면에 끼워지도록 형성되어 있는 링 부재와,
상기 개구부를 막도록 설치되어 있고, 상기 축냉재가 통과 불가능하고 또한 상기 냉매가스가 통과 가능한 필터부재와, 상기 필터부재를 보강하는 보강부재가 적층되어 이루어진 적층체
를 가지고,
상기 링 부재는, 중앙에 상기 개구부가 형성된 본체부와, 상기 적층방향을 따라 상기 본체부의 일방측에 설치된 누름부를 가지고,
상기 적층체의 주연부는, 전체 둘레에 걸쳐서 상기 누름부와 상기 본체부에 의하여 상기 적층체의 적층방향을 따라 전후로부터 끼워져 조여져 있는, 칸막이부재.
청구항 6에 있어서,
상기 적층체는, 상기 누름부측의 최표층에 하나의 상기 필터부재가 위치하도록, 적층되어 이루어진 것인, 칸막이부재.
청구항 7에 있어서,
상기 적층체는, 상기 본체부측의 최표층에 다른 상기 필터부재가 위치하도록, 적층되어 이루어진 것인, 칸막이부재.
청구항 6 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
상기 보강부재는, 펀칭메탈인, 칸막이부재.
청구항 6 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
상기 필터부재는, 금속망인, 칸막이부재.