KR101339978B1 - 크라이오펌프 및 극저온 냉동기 - Google Patents

Abstract

[과제] 적용대상에 따라서 적합화시킨 설계를 가능하게 하는 극저온 냉동기, 및 그 냉동기를 적용한 크라이오펌프를 제공한다.
[해결수단] 냉동기(50)는, 길이방향으로 인접하는 2개의 디스플레이서를 구비하고, 고온측의 디스플레이서는 축냉재를 위한 메인 수용구획과 서브 수용구획을 포함한다. 2개의 디스플레이서 사이에 작동기체의 직통유로가 형성되어 있다. 크라이오펌프(10)는, 저온 크라이오패널(60)과, 저온 크라이오패널(60)보다 고온으로 냉각되는 방사실드(40)와, 냉동기(50)를 구비한다.

Description

크라이오펌프 및 극저온 냉동기{Cryo-pump and cryogenic refrigerator}

본 출원은, 2011년 6월 8일에 출원된 일본 특허출원 제2011-128662호에 근거하여 우선권을 주장한다. 그 출원의 전체 내용은 이 명세서 중에 참조에 의하여 원용되어 있다.

본 발명은, 크라이오펌프 및 극저온 냉동기에 관한 것이다.

예컨대 특허문헌 1에는, 제1단 디스플레이서와 제2단 디스플레이 사이의 접속부에 있어서의 작동가스의 유로를 2개의 작동가스유로로 분기시킨 냉동기를 가지는 크라이오펌프가 기재되어 있다. 제1 작동가스유로는 제1단 축냉기에 있어서의 저온측 단부로부터 제1단 팽창실에 접속한다. 제2 작동가스유로는 제1단 축냉기에 있어서의 저온측 단부로부터 제2단 축냉기에 직접 접속한다. 제2 작동가스유로에 의하여 제2단 축냉기에의 유입가스의 일부가 제1단 팽창실 내를 경유하지 않고 유입된다.

일본 특허공개 2002-243294호 공보

극저온 냉동기의 전형적인 적용대상의 하나인 크라이오펌프는, 상이한 온도레벨로 냉각되는 크라이오패널을 가지고, 그 온도차를 비교적 크게 하는 것이 요망되는 경우가 있다. 저온의 크라이오패널과 고온의 크라이오패널의 공간적인 배치에는 어느 정도의 제약이 있다. 예컨대, 외부로부터의 복사열의 영향을 억제하기 위하여, 저온 크라이오패널은 고온 크라이오패널에 에워싸여 있다. 이러한 제약은, 크라이오패널을 냉각하기 위한 냉동기의 구조, 예컨대, 낮은 냉각온도를 제공하는 냉각위치와 높은 냉각온도를 제공하는 냉각위치의 위치관계에도 영향을 준다. 이 위치관계는, 이들 2개의 온도차를 결정하는 주된 요인의 하나이다.

본 발명은 이러한 상황을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 어느 태양의 예시적인 목적의 하나는, 적용대상에 따라서 적합화시킨 설계를 가능하게 하는 극저온 냉동기, 및 그 냉동기를 적용한 크라이오펌프를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 어느 태양의 크라이오펌프는, 저온 크라이오패널과, 저온 크라이오패널보다 고온으로 냉각되는 고온 크라이오패널과, 저온 크라이오패널을 냉각하기 위한 저온 냉각위치와 고온 크라이오패널을 냉각하기 위한 고온 냉각위치를 제공하고, 저온 냉각위치와 고온 냉각위치가 길이방향으로 배열되어 있는 냉동기를 구비한다. 그 냉동기는, 제1 디스플레이서와, 상기 길이방향으로 그 제1 디스플레이서의 저온측에 인접하는 제2 디스플레이서를 구비한다. 제1 디스플레이서는, 그 메인 축냉기로부터 제2 디스플레이서의 축냉기를 향하여 작동기체를 안내하기 위한 직통유로를 가지는 저온단과, 그 직통유로에 설치되어 있는 서브 축냉기를 구비한다.

본 발명의 다른 태양은, 극저온 냉동기이다. 이 극저온 냉동기는, 길이방향으로 인접하는 저온측 디스플레이서와 고온측 디스플레이서를 구비하고, 고온측 디스플레이서는 축냉재를 위한 메인 수용(收容)구획과 서브 수용구획을 포함하며, 서브 수용구획은, 상기 길이방향에 수직인 단면적이 메인 수용구획보다 작고, 메인 수용구획과 저온측 디스플레이서 사이에 기체(氣體)유통 가능하게 설치되어 있다.

본 발명의 다른 태양은, 극저온 냉동기이다. 이 극저온 냉동기는, 고온측으로부터의 작동기체를 냉각하여 저온측에 송출하기 위한 냉각경로를 포함하는 축냉기를 구비하고, 그 축냉기는, 인접하는 팽창공간에 작동기체를 송출하기 위한 냉각경로보다, 인접하는 축냉기에 작동기체를 송출하기 위한 냉각경로가 길다.

본 발명에 의하면, 적용대상에 따라서 적합화시킨 설계를 가능하게 하는 극저온 냉동기, 및 그 냉동기를 적용한 크라이오펌프를 제공할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 관한 크라이오펌프를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시형태에 관한 냉동기의 요부를 나타내는 도면이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시형태에 관한 냉동기의 흡기공정의 작동기체흐름을 나타내는 도면이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시형태에 관한 냉동기의 배기공정의 작동기체흐름을 나타내는 도면이다.
도 5는, 다른 일례의 냉동기 흡기공정의 작동기체흐름을 나타내는 도면이다.
도 6은, 다른 일례의 냉동기 배기공정의 작동기체흐름을 나타내는 도면이다.

본 발명의 일 실시형태에 있어서는, 크라이오펌프(10)를 위한 냉동기(50)는, 저온 크라이오패널(60) 및 고온 크라이오패널(40)을 냉각하기 위하여 각각에 대응하는 배치로 저온 냉각위치 및 고온 냉각위치를 제공한다. 냉동기(50)에 있어서는, 고온측인 제1 디스플레이서(68)로부터 저온측인 제2 디스플레이서(70)에의 직통유로가 형성되어 있고, 그 직통유로에 서브 축냉기(136)가 부가되어 있다. 제1 디스플레이서(68)로부터 제2 디스플레이서(70)로는, 메인 축냉기(134)와 서브 축냉기(136)를 경유하여 작동기체가 공급된다. 제1 디스플레이서(68)에 인접하는 제1 팽창공간(94)에는, 서브 축냉기(136)를 경유하지 않고 메인 축냉기(134)로부터 작동기체가 공급된다.

이렇게 하여, 제1 팽창공간(94)에의 공급기체 온도를 상대적으로 높게, 제2 디스플레이서(70)에의 공급기체 온도를 상대적으로 낮게 할 수 있다. 이는, 냉동기의 제2단 냉동능력 향상에 기여한다. 또한, 냉동기(50)의 외관 형상을 유지하면서, 저온 냉각위치와 고온 냉각위치의 온도차를 크게 할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 관한 크라이오펌프(10)를 모식적으로 나타내는 도면이다. 크라이오펌프(10)는, 예컨대 이온주입 장치나 스퍼터링 장치 등의 진공챔버에 장착되어, 진공챔버 내부의 진공도를 원하는 프로세스에 요구되는 레벨까지 높이기 위하여 사용된다. 크라이오펌프(10)는, 크라이오펌프 용기(30)와, 방사실드(40)와, 냉동기(50)를 포함하여 구성된다.

냉동기(50)는, 예컨대 기포드·맥마혼식 냉동기(이른바 GM냉동기) 등의 냉동기이다. 냉동기(50)는, 제1 실린더(11), 제2 실린더(12), 제1 냉각스테이지(13), 제2 냉각스테이지(14), 밸브구동모터(16)를 구비한다. 제1 실린더(11)와 제2 실린더(12)는 직렬로 접속된다. 제1 실린더(11)의 제2 실린더(12)와의 결합부 측에는 제1 냉각스테이지(13)가 설치되고, 제2 실린더(12)의 제1 실린더(11)로부터 먼 측의 단에는 제2 냉각스테이지(14)가 설치된다.

도 1에 나타내는 냉동기(50)는, 2단식의 냉동기로서, 실린더를 직렬로 2단 조합시켜서 보다 낮은 온도를 달성하고 있다. 냉동기(50)는, 3단의 실린더가 직렬로 접속된 3단식의 냉동기 또는 그보다 다단의 냉동기이어도 된다. 냉동기(50)는 냉매관(18)을 통하여 압축기(52)에 접속된다.

압축기(52)는, 예컨대 헬륨 등의 냉매가스, 즉 작동기체를 압축하여, 냉매관(18)을 통하여 냉동기(50)에 공급한다. 냉동기(50)는, 작동기체를 축냉기를 통과시킴으로써 냉각한다. 제1 실린더(11)의 내부의 팽창실에서, 및 제2 실린더(12)의 내부의 팽창실에서 팽창시켜 작동기체를 다시 냉각한다. 축냉기는 팽창실 내부에 장착되어 있다. 제1 실린더(11)에 설치되는 제1 냉각스테이지(13)는 제1 냉각온도레벨로 냉각되고, 제2 실린더(12)에 설치되는 제2 냉각스테이지(14)는 제1 냉각온도레벨보다 저온인 제2 냉각온도레벨로 냉각된다. 예컨대, 제1 냉각스테이지(13)는 65K~120K 정도, 바람직하게는 80K~100K로 냉각되고, 제2 냉각스테이지(14)는 10K~20K 정도로 냉각된다.

이렇게 하여 냉동기(50)는, 저온 크라이오패널을 냉각하기 위한 저온 냉각위치와 고온 크라이오패널을 냉각하기 위한 고온 냉각위치를 제공한다. 저온 냉각위치와 고온 냉각위치가 길이방향 즉 실린더 배열방향으로 배열되어 있다. 중간의 냉각온도를 제공하는 하나 또는 복수의 중간 냉각위치가 저온 냉각위치와 고온 냉각위치 사이에 배열되어 있어도 된다.

팽창실에서 팽창함으로써 흡열하여, 각 냉각스테이지를 냉각한 작동기체는, 다시 축냉기를 통과하여, 냉매관(18)을 거쳐 압축기(52)에 되돌려진다. 압축기(52)로부터 냉동기(50)로, 또한 냉동기(50)로부터 압축기(52)로의 작동기체의 흐름은, 냉동기(50) 내의 로터리밸브(미도시)에 의하여 전환된다. 밸브구동모터(16)는, 외부전원으로부터 전력의 공급을 받아, 로터리밸브를 회전시킨다.

냉동기(50)를 제어하기 위한 제어부(20)가 설치되어 있다. 제어부(20)는, 제1 냉각스테이지(13) 또는 제2 냉각스테이지(14)의 냉각온도에 근거하여 냉동기(50)를 제어한다. 이를 위하여, 제1 냉각스테이지(13) 또는 제2 냉각스테이지(14)에 온도센서(28)가 설치되어 있어도 된다. 제어부(20)는, 밸브구동모터(16)의 운전주파수를 제어함으로써 냉각온도를 제어하여도 된다. 이를 위하여 제어부(20)는, 밸브구동모터(16)를 제어하기 위한 인버터를 구비하여도 된다. 제어부(20)는 압축기(52)를 제어하도록 구성되어 있어도 된다. 제어부(20)는 크라이오펌프(10)에 일체로 설치되고 있어도 되고, 크라이오펌프(10)와는 별개의 제어장치로서 구성되어 있어도 된다.

도 1에 나타내어진 크라이오펌프(10)는, 이른바 횡형(橫型)의 크라이오펌프이다. 횡형의 크라이오펌프는 일반적으로, 냉동기의 제2 냉각스테이지(14)가 통 형상의 방사실드(40)의 축방향에 교차하는 방향(통상은 직교방향)을 따라서 방사실드(40)의 내부에 삽입되어 있는 크라이오펌프이다. 다만, 본 발명은 이른바 종형(縱型)의 크라이오펌프에도 마찬가지로 적용할 수 있다. 종형의 크라이오펌프는, 방사실드의 축방향을 따라서 냉동기가 삽입되어 있는 크라이오펌프이다.

크라이오펌프 용기(30)는, 일단에 개구를 가지고 타단이 폐색되어 있는 원통형의 형상으로 형성된 부위(이하, "몸체부"라 함)(32)를 가진다. 개구는, 스퍼터 장치 등의 진공챔버로부터 배기되어야 할 기체가 진입하는 흡기구(34)로서, 설치되어 있다. 흡기구(34)는 크라이오펌프 용기(30)의 몸체부(32)의 상단부 내면에 의하여 획정된다. 또한 몸체부(32)에는 냉동기(50)를 삽입통과시키기 위한 개구(37)가 형성되어 있다. 몸체부(32)의 개구(37)에는 원통형의 냉동기 수용부(38)의 일단이 장착되고, 타단은 냉동기(50)의 하우징에 장착되어 있다. 냉동기 수용부(38)는 냉동기(50)의 제1 실린더(11)를 수용한다.

또한 크라이오펌프 용기(30)의 몸체부(32)의 상단에는 직경방향 외측을 향하여 장착플랜지(36)가 뻗어 있다. 크라이오펌프(10)는, 배기대상 용적인 스퍼터 장치 등의 진공챔버에, 장착플랜지(36)를 이용하여 장착된다.

크라이오펌프 용기(30)는, 크라이오펌프(10)의 내부와 외부를 격리시키기 위하여 설치되어 있다. 상기 서술한 바와 같이 크라이오펌프 용기(30)는 몸체부(32)와 냉동기 수용부(38)를 포함하여 구성되어 있고, 몸체부(32) 및 냉동기 수용부(38)의 내부는 공통의 압력으로 기밀하게 유지된다. 크라이오펌프 용기(30)의 외면은, 크라이오펌프(10)의 동작중, 즉 냉동기가 작동하고 있는 동안에도, 크라이오펌프(10)의 외부환경에 노출된다. 그로 인하여, 크라이오펌프 용기(30)의 외면은 방사실드(40)보다 높은 온도로 유지된다. 전형적으로는 크라이오펌프 용기(30)의 온도는 환경온도로 유지된다. 여기서 환경온도란, 크라이오펌프(10)가 설치되어 있는 장소의 온도, 또는 그 온도에 가까운 온도를 말하며, 예컨대 실온 정도이다.

방사실드(40)는, 크라이오펌프 용기(30)의 내부에 배치되어 있다. 방사실드(40)는, 일단에 개구를 가지고 타단이 폐색되어 있는 원통형의 형상, 즉 컵 모양의 형상으로 형성되어 있다. 방사실드(40)는, 도 1에 나타난 바와 같은 일체의 통 형상으로 구성되어 있어도 되고, 또한, 복수의 파츠에 의하여 전체적으로 통 모양의 형상을 이루도록 구성되어 있어도 된다. 이들 복수의 파츠는 서로 간극을 가지고 배치되어 있어도 된다.

크라이오펌프 용기(30)의 몸체부(32) 및 방사실드(40)는 전부 대략 원통형으로 형성되어 있고, 동축으로 배치되어 있다. 크라이오펌프 용기(30)의 몸체부(32)의 내경이 방사실드(40)의 외경을 약간 상회하고 있어서, 방사실드(40)는 크라이오펌프 용기(30)의 몸체부(32)의 내면과의 사이에 약간의 간격을 가지고 크라이오펌프 용기(30)와는 비접촉상태로 배치된다. 즉, 방사실드(40)의 외면은, 크라이오펌프 용기(30)의 내면과 대향하고 있다. 다만, 크라이오펌프 용기(30)의 몸체부(32) 및 방사실드(40)의 형상은, 원통 형상으로는 한정되지 않고, 각통(角筒) 형상이나 타원통 형상 등 어떠한 단면의 통 형상이어도 된다. 전형적으로는, 방사실드(40)의 형상은 크라이오펌프 용기(30)의 몸체부(32)의 내면 형상과 서로 유사한 형상이 된다.

방사실드(40)는, 제2 냉각스테이지(14) 및 이에 열적으로 접속되는 저온 크라이오패널(60)을 주로 크라이오펌프 용기(30)로부터의 복사열로부터 보호하는 고온 크라이오패널로서 설치되어 있다. 방사실드(40)는, 저온 크라이오패널(60)을 포위한다. 제2 냉각스테이지(14)는, 방사실드(40)의 내부에 있어서 방사실드(40)의 대략 중심축 상에 배치된다. 방사실드(40)는, 제1 냉각스테이지(13)에 열적으로 접속된 상태로 고정되어, 제1 냉각스테이지(13)와 동일한 정도의 온도로 냉각된다.

저온 크라이오패널(60)은, 예컨대 복수의 패널(64)을 포함한다. 패널(64)은 예컨대, 각각이 원추대의 측면의 형상, 말하자면 우산 모양의 형상을 가진다. 각 패널(64)은, 제2 냉각스테이지(14)에 장착되어 있는 패널장착부재(66)에 장착되어 있다. 각 패널(64)에는 통상 활성탄 등의 흡착제(미도시)가 형성되어 있다. 흡착제는 예컨대 패널(64)의 이면에 접착되어 있다.

패널장착부재(66)는 예컨대, 일단이 폐색되고 타단이 개방되어 있는 통 형상을 가지고, 폐색된 단부가 제2 냉각스테이지(14)의 상단에 장착되며, 통 형상 측면이 제2 냉각스테이지(14)를 둘러싸도록 방사실드(40)의 저부(底部)를 향하여 뻗어 있다. 패널장착부재(66)의 측면에 복수의 패널(64)이 서로 간격을 두고 장착되어 있다. 패널장착부재(66)의 측면에는, 냉동기(50)의 제2 실린더(12)를 통과하기 위한 개구가 형성되어 있다. 혹은, 패널장착부재(66)는, 제2 냉각스테이지(14)에의 장착을 위한 단부와, 그 단부로부터 방사실드(40)의 저부를 향하여 뻗는 패널장착을 위한 평판을 구비하여도 된다.

방사실드(40)의 흡기구에는, 진공챔버 등으로부터의 복사열로부터 제2 냉각스테이지(1) 및 이에 열적으로 접속되는 저온 크라이오패널(60)을 보호하기 위하여서, 배플(62)이 설치되어 있다. 배플(62)은, 예컨대, 루버 구조나 셰브론 구조로 형성된다. 배플(62)은, 방사실드(40)의 중심축을 중심으로 하는 동심원 형상으로 형성되어 있어도 되고, 혹은 격자 형상 등 다른 형상으로 형성되어 있어도 된다. 배플(62)은 방사실드(40)의 개구측의 단부에 장착되어 있어서, 방사실드(40)와 동일한 정도의 온도로 냉각된다. 다만 배플(62)과 진공챔버 사이에는 게이트밸브(미도시)가 설치되어 있어도 된다. 이 게이트밸브는 예컨대 크라이오펌프(10)를 재생할 경우에 폐쇄되고, 크라이오펌프(10)에 의하여 진공챔버를 배기하는 경우에 개방된다.

방사실드(40)의 측면에는 냉동기 장착구멍(42)이 형성되어 있다. 냉동기 장착구멍(42)은, 방사실드(40)의 중심축방향에 관하여 방사실드(40) 측면의 중앙부에 형성되어 있다. 방사실드(40)의 냉동기 장착구멍(42)은 크라이오펌프 용기(30)의 개구(37)와 동축으로 설치되어 있다. 냉동기(50)의 제2 실린더(12) 및 제2 냉각스테이지(14)는 냉동기 장착구멍(42)으로부터 방사실드(40)의 중심축방향에 수직인 방향을 따라 삽입되어 있다. 방사실드(40)는, 냉동기 장착구멍(42)에 있어서 제1 냉각스테이지(13)에 열적으로 접속된 상태로 고정된다.

다만 방사실드(40)가 제1 냉각스테이지(13)에 직접 장착되는 대신, 접속용의 슬리브에 의하여 방사실드(40)가 제1 냉각스테이지(13)에 장착되어도 된다. 이 슬리브는 예컨대, 제2 실린더(12)의 제1 냉각스테이지(13)측의 단부를 포위하고, 방사실드(40)를 제1 냉각스테이지(13)에 열적으로 접속하기 위한 전열(傳熱)부재이다. 이 구성에 의하여, 방사실드(40)를 제1 냉각스테이지(13)에 직접 장착하는 경우에 비하여, 제2 실린더(12)를 길게 할 수 있다. 제1 냉각스테이지(13)와 제2 냉각스테이지(14)의 온도차를 크게 할 수 있다.

상기 구성의 크라이오펌프(10)에 의한 동작을 이하에 설명한다. 크라이오펌프(10)의 작동시에는, 먼저 그 작동 전에 다른 적당한 러핑펌프로 진공챔버 내부를 1Pa 정도로까지 대충 펌핑한다. 그 후 크라이오펌프(10)를 작동시킨다. 냉동기(50)의 구동에 의하여 제1 냉각스테이지(13) 및 제2 냉각스테이지(14)가 냉각되고, 이들에 열적으로 접속되어 있는 방사실드(40), 배플(62), 저온 크라이오패널(60)도 냉각된다.

냉각된 배플(62)은, 진공챔버로부터 크라이오펌프(10) 내부를 향하여 날아오는 기체분자를 냉각하고, 그 냉각온도에서 증기압이 충분히 낮아지는 기체(예컨대 수분 등)를 표면에 응축시켜 배기한다. 배플(62)의 냉각온도에서는 증기압이 충분히 낮아지지 않은 기체는 배플(62)을 통과하여 방사실드(40) 내부로 진입한다. 진입한 기체분자 중 저온 크라이오패널(60)의 냉각온도에서 증기압이 충분히 낮아지는 기체는, 저온 크라이오패널(60)의 표면에 응축되어 배기된다. 그 냉각온도에서도 증기압이 충분히 낮아지지 않은 기체(예컨대 수소 등)는, 저온 크라이오패널(60)의 표면에 접착되어 냉각되어 있는 흡착제에 의하여 흡착되어 배기된다. 이와 같이 하여 크라이오펌프(10)는 진공챔버의 진공도를 원하는 레벨에 도달시킬 수 있다.

도 2 내지 도 4는, 본 발명의 일 실시형태에 관한 냉동기(50)의 요부를 나타내는 도면이다. 각각 냉동기(50)의 중심축을 포함한 단면을 나타낸다. 도 3은 흡기공정에 있어서의 작동기체흐름을 화살표로 모식적으로 나타내고, 도 4는 배기공정에 있어서의 작동기체흐름을 화살표로 모식적으로 나타낸다.

냉동기(50)는, 중심축방향 즉 길이방향을 따라 서로 인접하는 제1 디스플레이서(68) 및 제2 디스플레이서(70)를 구비한다. 고온측인 제1 디스플레이서(68)와 저온측인 제2 디스플레이서(70)는 연결부(72)에 의하여 연결된다. 냉동기(50)는, 제2 디스플레이서(70)의 고온측의 말단(도면에 있어서 상단)이 제1 디스플레이서(68)의 저온단에 어느 정도 함입되어 연결되는 디스플레이서 연결구조를 구비한다.

상세히는 후술하는 바와 같이, 제1 디스플레이서(68)는, 제1 축냉기(88)를 구비한다. 제1 축냉기(88)는, 고온측으로부터 유입되는 작동기체를 냉각하여 저온측에 송출하기 위한 냉각경로를 포함한다. 제1 축냉기(88)는, 고온측의 디스플레이서에 적합한 축냉재(86)와, 그 축냉재(86)를 위한 축냉재 용기(87)를 구비한다. 제1 축냉기(88)는, 메인 축냉기(134)와 서브 축냉기(136)로 구분할 수 있다. 제1 디스플레이서(68)로부터 메인 축냉기(134) 및 서브 축냉기(136)를 통하여 제2 축냉기(114)를 향하여 작동기체를 안내하는 직통유로가 형성되어 있다. 서브 축냉기(136)를 설치함으로써, 제1 축냉기(88)는, 제1 팽창공간(94)에 작동기체를 송출하기 위한 냉각경로보다, 제2 축냉기(114)에 작동기체를 송출하기 위한 냉각경로가 길어진다.

제1 디스플레이서(68)의 중공(中空)구조가 축냉재 용기(87)를 겸하고 있다. 축냉재 용기(87)는, 축냉재(86)를 충전하기 위한 메인 수용구획(138)과 서브 수용구획(140)을 포함한다. 메인 수용구획(138)에 메인 축냉기(134)가 수용되고, 서브 수용구획(140)에 서브 축냉기(136)이 수용된다. 서브 수용구획(140)은, 메인 수용구획(138)의 저온측에 메인 수용구획(138)과 기체유통 가능하게 설치되어 있다. 서브 수용구획(140)은, 길이방향에 수직인 단면적이 메인 수용구획(138)보다 작다. 그로써, 메인 축냉기(134)로부터 제1 팽창공간(94)을 향하여 작동기체를 안내하는 독립유로를, 서브 수용구획(140)의 외측에 직통유로로부터 간격을 두고 형성할 수 있다.

제1 실린더(11)와 제2 실린더(12)는 일체로 형성되어 있고, 제1 실린더(11)의 저온단과 제2 실린더(12)의 고온단이 제1 실린더 저부(74)에 의하여 접속되어 있다. 제1 실린더(11) 및 제2 실린더(12)는 각각 길이방향으로 직렬로 늘어서 있다. 제2 실린더(12)는 제1 실린더(11)와 동축으로 배치되고, 제1 실린더(11)보다 소경(小徑)인 원통부재이다. 제1 실린더(11)는 제1 디스플레이서(68)를 왕복동 가능하게 수용하고, 제2 실린더(12)는 제2 디스플레이서(70)를 왕복동 가능하게 수용한다.

제1 실린더(11)의 저온단의 외주부에 제1 냉각스테이지(13)가 장착되고, 제2 실린더(12)의 저온단의 외주부에 제2 냉각스테이지(14)가 장착되어 있다. 제1 실린더 저부(底部)(74)는 제1 실린더(11)와 제2 실린더(12)를 각각의 말단에서 접속하는 둥근링 형상의 부재이다. 제2 실린더(12)의 저온단은 제2 실린더 저부(76)에서 폐색되어 있다. 제1 실린더(11)의 고온단의 외주부에는 플랜지부(78)가 형성되어 있다.

제1 실린더(11)의 고온단에 인접하여, 밸브구동모터(16)나 로터리밸브, 스카치요크기구를 구비하는 구동기구(미도시)가 설치되어 있다. 제1 디스플레이서(68)는, 스카치요크기구에 접속되어 있다. 이 스카치요크기구는, 밸브구동모터(16)에 의하여 구동된다. 모터의 회전은 스카치요크기구에 의하여 직선 왕복운동으로 변환되고, 이로써 제1 디스플레이서(68)는 제1 실린더(11)의 내측면을 따라 왕복동한다. 제1 디스플레이서(68)와 제2 디스플레이서(70)는 연결되어 있기 때문에, 제1 디스플레이서(68)에 연동하여 제2 디스플레이서(70)도 제2 실린더(12)의 내측면을 따라 왕복동한다.

제1 디스플레이서(68)는, 제1 실린더(11)의 내부용적 형상에 대응하여 대체로 원통형으로 형성되어 있는 부재이다. 제1 디스플레이서(68)의 가장 대경인 부분의 외경은 제1 실린더(11)의 내경에 비하여 실질적으로 동일하거나 약간 작다는 점에서, 제1 디스플레이서(68)는 제1 실린더(11)를 따라 슬라이딩 가능하거나 또는 미세한 간극을 가지고 비접촉으로 이동 가능하다.

제1 디스플레이서(68)는, 제1 고온단(80), 제1 원통부분(82), 및 제1 저온단(84)을 포함하여 구성된다. 제1 고온단(80) 및 제1 저온단(84)은 각각 제1 원통부분(82)의 서로 대향하는 단면(端面)을 폐색한다. 후술하는 바와 같이, 제1 디스플레이서(68)의 내부와 외부를 접속하기 위한 개구가 제1 고온단(80) 및 제1 저온단(84)의 각각에 형성되어 있다.

제1 디스플레이서(68)의 제1 고온단(80)과 제1 원통부분(82)과의 접속부의 직경방향 외측에 씰을 장착하기 위한 둥근링 홈이 형성되어 있고, 거기에 둥근링 형상의 제1 씰(90)이 장착되어 있다. 제1 씰(90)은 제1 실린더(11)에 슬라이딩 가능하게 밀착하여, 제1 디스플레이서(68)의 외측에서의 제1 실린더(11)의 고온단과 제1 팽창공간(94) 사이의 작동기체의 유통을 차단한다. 제1 디스플레이서(68)의 제1 원통부분(82)의 외주부분에는 극히 얕은 오목부(92)가 실린더 외부와의 단열성을 높이기 위하여 형성되어 있다.

제1 원통부분(82)의 내부에 제1단의 축냉재(86)가 충전되어 있다. 축냉재(86)는 예컨대, 금속(예컨대 구리, 또는 구리와 다른 금속 예컨대 아연의 합금)의 금속망(金網)의 적층체이다. 또는 축냉재(86)는 이러한 금속제의 다수의 개구를 가지는 플레이트의 적층체이어도 된다. 제1 고온단(80), 제1 원통부분(82), 및 제1 저온단(84)에 둘러싸인 제1 디스플레이서(68)의 내부용적은, 축냉재(86)를 지지하는 제1 축냉기(88)라고도 할 수 있다.

제1 디스플레이서(68)는 그 내부에, 메인 수용구획(138)과 서브 수용구획(140)을 획정한다. 메인 수용구획(138)은 제1 고온단(80), 제1 원통부분(82), 및 제1 저온단(84)에 에워싸여 있고, 제1 디스플레이서(68)의 용적의 대부분을 차지한다. 서브 수용구획(140)은, 메인 수용구획(138)의 저온측에 연속되는 공간이고, 제1 저온단(84)에 형성되어 있다. 서브 수용구획(140)은, 메인 수용구획(138)을 제1 디스플레이서(68)의 외측에 접속하는 단일 개구부분이어도 되고, 복수의 개구이어도 된다.

메인 수용구획(138)은 대경의 원통공간이고, 서브 수용구획(140)은 그것보다 소경의 원통공간이다. 메인 수용구획(138)과 서브 수용구획(140)은 동축으로 배열되어 있고, 메인 수용구획(138)의 저온측의 중심부에 서브 수용구획(140)이 연결되어 있다. 서브 수용구획(140)은, 제1 디스플레이서(68)에 제2 디스플레이서(70)를 수용하기 위한 오목부(132)의 적어도 일부이고, 예컨대, 오목부(132) 중 커넥터부재(128)와 메인 수용구획(138) 사이의 영역이다.

동종의 축냉재(86)가 메인 수용구획(138)과 서브 수용구획(140)의 양방에 충전되어 있다. 메인 수용구획(138)에 충전되어 있는 축냉재(86)가 메인 축냉기(134)를 구성하고, 서브 수용구획(140)에 충전되어 있는 축냉재(86)가 서브 축냉기(136)를 구성한다. 서브 축냉기(136)는, 메인 축냉기(134)로부터 제2 디스플레이서(70)를 향하여 오목부(132)를 뻗는 축냉재 연장부분이다. 즉, 제1 디스플레이서(68)는, 제1 저온단(84)에 축냉재 연장부분을 구비한다.

서브 축냉기(136)의 축냉재는, 예컨대 오목부(132)의 내벽으로부터 돌출된 누름부(미도시)에 의하여 서브 수용구획(140)에 지지되어 있어도 된다. 혹은, 서브 축냉기(136)의 축냉재는, 연결부(72)의 커넥터부재(128)의 상단에 의하여, 서브 수용구획(140)에 지지되어 있어도 된다.

메인 수용구획(138)과 서브 수용구획(140)에 이종의 축냉재가 충전되어 있어도 된다. 혹은, 메인 수용구획(138)과 서브 수용구획(140)의 적어도 일방이 더욱, 이종의 축냉재를 위한 복수의 소구획으로 구분되어 있어도 된다. 이 경우, 메인 수용구획(138)과 서브 수용구획(140)의 경계, 또는 인접한 소구획의 경계에는, 이종의 축냉재를 구획하기 위한 구획부재 또는 공극이 형성되어 있어도 된다.

제1 저온단(84)에 인접하여, 제1 실린더(11)의 내부에는 제1 팽창공간(94)이 형성되어 있다. 제1 팽창공간(94)은 제1 디스플레이서(68)의 왕복운동에 따라서 용적이 변화한다. 제1 팽창공간(94)은, 제1 디스플레이서(68), 제1 실린더(11), 및 제2 디스플레이서(70)로 에워싸이는 영역이다. 구체적으로는, 제1 팽창공간(94)은, 제1 디스플레이서(68)의 제1 저온단(84)과, 제1 실린더(11)의 내면과, 제1 디스플레이서(68)의 오목부(132)로부터 뻗어 있는 제2 디스플레이서(70)의 제2 원통부분(108)에 의하여 획정된다. 제1 팽창공간(94)과 제1 저온단(84)의 말단부가 제2 디스플레이서(70)의 고온단(106)을 권취하고 있다.

제1 디스플레이서(68)의 제1 고온단(80)에는, 제1 디스플레이서(68)의 외측(즉 제1 실린더(11)의 고온측)과 제1 축냉기(88) 사이에서 작동기체를 유통시키기 위한 제1 개구(96)가 형성되어 있다. 제1 개구(96)는, 중심축을 휘감는 둘레방향을 따라 복수 개소에 형성되어 있다.

제1 디스플레이서(68)의 제1 저온단(84)에는, 제1 축냉기(88)와 제1 팽창공간(94) 사이에서 작동기체를 유통시키기 위한 제2 개구(98)가 형성되어 있다. 제2 개구(98)는, 중심축을 휘감는 둘레방향을 따라 제1 저온단(84)의 외주부에 복수 개소에 형성되어 있다. 제2 개구(98)는, 입구부분(100)이 제1 축냉기(88)의 저온단에 형성되고, 출구부분(102)이 제1 저온단(84)의 측면에 형성되어 있다. 입구부분(100)으로부터 출구부분(102)으로 굴곡유로가 제1 저온단(84)에 형성된다.

여기서, 입구부분(100) 및 출구부분(102)은 편의상 이와 같이 부르는 것에 지나지 않고, 제2 개구(98)는 입구부분(100)으로부터 출구부분(102)으로 향하는 작동기체흐름만이 아니라, 출구부분(102)으로부터 입구부분(100)으로 향하는 작동기체흐름도 허용된다. 다만 제2 개구(98)는 굴곡유로가 아니어도 되고, 제1 축냉기(88)의 저온단에 있어서 예컨대 중심축방향 또는 그 직교방향을 따라 형성된 직선적인 관통구멍이어도 된다.

제1 디스플레이서(68)의 제1 저온단(84)은, 제1 원통부분(82)의 저온측 말단보다 약간 소경으로 이루어져 있다. 이로써, 제1 저온단(84)의 측면과 제1 실린더(11)의 내면과의 사이에 제2 개구(98)와 제1 팽창공간(94)을 접속하는 둥근링 형상의 제1 통로(104)가 형성된다. 제1 통로(104)는 제1 팽창공간(94)의 일부로 간주할 수도 있다. 제1 통로(104)에 의하여, 제2 개구(98)의 출구부분(102)이 제1 팽창공간(94)에 접속된다.

제1 통로(104)는 제1 냉각스테이지(13)를 따라 길이방향으로 뻗어 있다. 도시된 바와 같이, 제1 냉각스테이지(13)의 길이방향의 길이에, 제2 개구(98)의 출구부분(102)의 길이방향의 가동범위가 포함되어 있다. 따라서, 제1 디스플레이서(68)가 어느 길이방향 위치에 있을 때에도 제2 개구(98)의 출구부분(102)에는 제1 냉각스테이지(13)가 대향한다. 이렇게 하여, 제1 통로(104)를 흐르는 작동기체와 제1 냉각스테이지(13)가 제1 실린더(11)를 통하여 효율적으로 열 교환을 할 수 있다.

이와 같이 하여 제1 디스플레이서(68)로부터 제2 개구(98)를 통하여 제1 팽창공간(94)에 작동기체를 흘려보내기 위한 제1 유로가 형성되어 있다. 이 제1 유로는, 압축기(52) 및 냉매관(18)으로부터(도 1 참조), 제1 개구(96), 메인 축냉기(134), 제2 개구(98), 제1 통로(104)를 통하여 제1 팽창공간(94)으로 작동기체를 송달한다(도 3 참조). 또한 역방향으로 제1 팽창공간(94)으로부터 압축기(52)로 작동기체를 되돌린다(도 4 참조).

상기 서술한 제1 유로는, 제1 디스플레이서(68)로부터 제2 디스플레이서(70)로의 직통유로와는 독립인 유로를 포함한다. 독립유로는 제1 디스플레이서(68)의 메인 축냉기(134)와 제1 팽창공간(94)을 연결한다. 제1 디스플레이서(68)의 제1 저온단(84)은, 제2 디스플레이서(70)에 대한 비(非)대향부분을 포함한다. 이 비대향부분은 제1 팽창공간(94)에 노출되어 있는 제1 저온단(84)의 외주부(130)이다. 독립유로는, 이 비대향부분에 형성되어 있다. 이렇게 하여, 독립유로는, 제1 저온단(84)의 제2 디스플레이서(70)와의 대향부분에 형성되어 있는 직통유로로부터 분리되어 있다.

제2 디스플레이서(70)는, 제2 실린더(12)의 내부용적 형상에 대응하여 대략 원통형으로 형성되어 있는 부재이다. 제2 디스플레이서(70)의 가장 대경인 부분의 외경은 제2 실린더(12)의 내경에 비하여 실질적으로 동일하거나 약간 작다는 점에서, 제2 디스플레이서(70)는 제2 실린더(12)를 따라 슬라이딩 가능하거나 또는 미세한 간극을 가지고 비접촉으로 이동 가능하다.

제2 디스플레이서(70)는, 제2 고온단(106), 제2 원통부분(108), 및 제2 저온단(110)을 포함하여 구성된다. 제2 고온단(106) 및 제2 저온단(110)은 각각 제2 원통부분(108)의 서로 대향하는 단면을 폐색한다. 후술하는 바와 같이, 제2 디스플레이서(70)의 내부와 외부를 접속하기 위한 개구가 제2 고온단(106) 및 제2 저온단(110)의 각각에 형성되어 있다.

제2 원통부분(108)의 내부에 제2단의 축냉재(112)가 충전되어 있다. 제2 고온단(106), 제2 원통부분(108), 및 제2 저온단(110)으로 에워싸인 제2 디스플레이서(70)의 내부용적은, 축냉재(112)를 지지하는 제2 축냉기(114)라고도 할 수 있다. 제2 축냉기(114)의 고온측에는 축냉재(112)를 누르기 위한 펠트 또는 금속망(124)이 설치되어 있다. 마찬가지로 저온측에도 축냉재(112)를 누르기 위한 펠트 또는 금속망이 수용되어 있어도 된다.

제2 디스플레이서(70)의 제2 원통부분(108)의 직경방향 외측에 씰을 장착하기 위한 둥근링 홈이 형성되어 있고, 그곳에 둥근링 형상의 제2 씰(116)이 장착되어 있다. 제2 씰(116)은 제2 디스플레이서(70)의 가동범위에 걸쳐서 제2 실린더(12)에 슬라이딩 가능하게 밀착되어, 제2 디스플레이서(70)의 외측에서의 제1 팽창공간(94)과 제2 팽창공간(120) 사이의 작동기체의 유통을 차단한다. 제2 디스플레이서(70)의 제2 원통부분(108)의 외주부분에는 극히 얕은 오목부(118)가 실린더 외부와의 단열성을 높이기 위하여 형성되어 있다. 제2 저온단(110)에 인접하여, 제2 실린더(12)의 내부에는 제2 팽창공간(120)이 형성되어 있다. 제2 팽창공간(120)은 제2 디스플레이서(70)의 왕복운동에 의하여 용적이 변화된다.

제2 디스플레이서(70)의 제2 고온단(106)에는, 제2 디스플레이서(70)의 외측(즉 제1 디스플레이서(68)의 저온측)과 제2 축냉기(114) 사이에서 작동기체를 유통시키기 위한 제3 개구(122)가 형성되어 있다. 제3 개구(122)는, 중심축을 휘감는 둘레방향을 따라 복수 개소 또는 전체 둘레에 형성되어 있다.

제2 디스플레이서(70)의 제2 저온단(110)에는, 제2 축냉기(114)와 제2 팽창공간(120) 사이에서 작동기체를 유통시키기 위한 제4 개구(126)가 형성되어 있다. 제4 개구(126)는, 제2 저온단(110)의 측면의 복수 개소에 형성되어 있다. 제4 개구(126)를 제2 팽창공간(120)에 접속하는 유로도 제1 통로(104)와 마찬가지로 제2 냉각스테이지(14)를 따라 형성되어 있어서, 제2 팽창공간(120)으로부터 제2 축냉기(114)에 흐르는 작동기체와 제2 냉각스테이지(14)가 효율적으로 열 교환을 할 수 있다.

상술한 바와 같이 제1 디스플레이서(68)와 제2 디스플레이서(70)는 연결부(72)에 의하여 길이방향을 따라 서로 연결된다. 연결부(72)는, 커넥터부재(128)를 포함한다. 제1 디스플레이서(68)의 제1 저온단(84)과 제2 디스플레이서(70)의 제2 고온단(106)은 원주(圓柱) 형상 또는 각주(角柱) 형상의 커넥터부재(128)를 통하여 연결된다.

커넥터부재(128)에는, 서로 직교하는 방향의 2개의 결합핀이 양단에 삽입통과되어 있고, 일방의 핀이 제1 디스플레이서(68)의 제1 저온단(84)과 커넥터부재(128)를 연결하며, 타방의 핀이 제2 디스플레이서(70)의 제2 고온단(106)과 커넥터부재(128)를 연결한다. 2개의 핀의 삽입통과 방향은 모두 냉동기(50)의 길이방향에 직교하는 방향이다. 한 실시예에 있어서는, 연결부(72)는, 이른바 유니버설 조인트를 포함하여도 된다.

이렇게 하여 제1 디스플레이서(68)와 커넥터부재(128)는 서로 결합핀으로 요동 가능하게 접속되고, 제2 디스플레이서(70)와 커넥터부재(128)는 그것과 직교하는 방향으로 결합핀으로 요동 가능하게 접속되어 있다. 따라서, 냉동기(50)의 조립공정에 있어서 제1 디스플레이서(68) 및 제2 디스플레이서(70)를 제1 실린더(11) 및 제2 실린더(12)에 삽입할 때에, 제1 디스플레이서(68)에 대하여 제2 디스플레이서(70)는 어느 정도의 상대이동 또는 편심이 가능하다. 이로 인하여, 실린더 제조상의 공차가 완화되어, 냉동기(50)의 저비용화에 기여한다.

제1 디스플레이서(68)의 제1 저온단(84)은, 외주부(130)를 가진다. 외주부(130)는, 제1 원통부분(82)으로부터 제1 실린더 저부(74)를 향하여 돌출되는 환형의 볼록부로서 형성되어 있다. 외주부(130)의 측면은 제1 저온단(84)의 측면이기도 하다. 따라서, 외주부(130)의 측면은 제1 실린더(11)의 내면에 대향하고 있고, 외주부(130)의 측면과 제1 실린더(11)의 내면 사이에 상기 서술한 제1 통로(104)가 형성된다. 외주부(130)에 둘러싸인 중심부분은 오목부(132)로 되어 있다. 오목부(132)는 제1 축냉기(88)에 개방되어 있다. 외주부(130)는, 서브 수용구획(140)을 형성하는 적어도 하나의 개구를 포위하고 있다.

커넥터부재(128)는 이 오목부(132)에 배치되고, 그 상측의 적어도 일부가 오목부(132)에 수용되어 있다. 커넥터부재(128)의 상단과 서브 축냉기(136) 사이에는 공극이 있어 서로 접촉하고 있지 않다. 커넥터부재(128)의 제2 디스플레이서(70)와의 접속부는, 제2 디스플레이서(70)의 제3 개구(122)에 수용되어 있다. 커넥터부재(128)의 하단과 제2 축냉기(114) 또는 금속망(124) 사이에는 공극이 있어 서로 접촉하고 있지 않다.

제1 저온단(84)의 오목부(132)는, 제2 디스플레이서(70)를 수용하기 위하여 형성되어 있다. 제2 디스플레이서(70)의 고온측, 구체적으로는 제2 고온단(106)이 오목부(132)에 헐겁게 삽입되어 있다. 즉, 어느 정도 여유를 가지고 삽입되어 있다. 따라서, 오목부(132)의 측면과 제2 디스플레이서(70)의 제2 고온단(106)의 측면 사이에는 간극(G)이 형성된다. 오목부(132)의 직경과 제2 원통부분(108)의 직경의 차가 간극(G)이 된다. 간극(G)은 커도 0.5mm 이내가 된다. 도시된 바와 같이, 제2 디스플레이서(70)의 고온단(106)이 제1 저온단(84)의 단면(端面)보다 길이 A만큼 들어가 있다. 이 진입량은 예컨대, 많아도 15mm, 또는 많아도 10mm이다.

이렇게 하여, 제1 디스플레이서(68)로부터 오목부(132)를 통하여 제2 디스플레이서(70)에 작동기체를 흘려보내기 위한 직통유로가 형성되어 있다. 직통유로는, 제1 디스플레이서(68)의 메인 축냉기(134)와 제2 디스플레이서(70)의 축냉기(114)를 연결하는 중간부분을 포함한다. 이 직통유로의 중간부분은, 제1 디스플레이서(68)의 저온단(84)의 제2 디스플레이서(70)에 면하는 대향부분에 형성되고, 서브 축냉기(136)가 설치되어 있는 적어도 하나의 개구를 포함한다.

직통유로는, 압축기(52) 및 냉매관(18)으로부터(도 1 참조), 제1 개구(96), 메인 축냉기(134), 서브 축냉기(136), 오목부(132), 제3 개구(122), 제2 축냉기(114), 제4 개구(126)를 통하여 제2 팽창공간(120)으로 작동기체를 송달하기 위하여 사용된다(도 3 참조). 또한 역방향으로 제2 팽창공간(120)으로부터 압축기(52)로 작동기체를 되돌리기 위하여 사용된다(도 4 참조).

제1 디스플레이서(68)와 제2 디스플레이서(70) 사이에서의 작동기체의 유통은 이 직통유로를 통한 흐름이 지배적이 되도록 간극(G)의 치수가 조정되어 있다. 이와 같이 하면, 제1 축냉기(88)와 제2 축냉기(114) 사이의 작동기체흐름의 간극(G)을 통한 누출을 억제할 수 있다. 제1 팽창공간(94)을 경유하지 않고 제1 축냉기(88)로부터 제2 축냉기(114)로 직접 유입되는 작동기체를 많게 할 수 있다.

간극(G)은 오목부(132)로부터 제1 팽창공간(94)에 통하여 있다. 그러나, 제1 팽창공간(94)과 제1 디스플레이서(68) 사이에서의 작동기체의 유통은 제2 개구(98)를 통한 흐름이 지배적이 되도록 간극(G)의 치수가 조정되어 있다. 즉, 제1 디스플레이서(68)로부터 제2 개구(98)를 통하여 제1 팽창공간(94)에 유입된 작동기체는, 다시 제2 개구(98)를 통하여 제1 디스플레이서(68)에 되돌려진다. 제1 팽창공간(94)을 경유하여 간극(G)을 통하여 오목부(132)에 유입되는 흐름은 충분히 억제되어 있다.

바람직하게는, 제1 디스플레이서(68)에의 제2 디스플레이서(70)의 삽입부분의 간극(G)은, 실질적으로 작동기체가 유통 불가능하도록 씰되어 있어도 된다. 간극(G)의 적어도 일부는, 냉동기(50)의 조립작업에 있어서의 제1 디스플레이서(68)와 제2 디스플레이서(70)의 요동에 의하여 완전히 폐색되어 있어도 된다. 혹은, 제1 디스플레이서(68) 또는 제2 디스플레이서(70)의 간극(G)의 위치에 씰 부재가 장착되어, 간극(G)의 기체유통이 차단되어 있어도 된다. 제1 디스플레이서(68)와 제2 디스플레이서(70)가 벨로우즈 접속되어, 간극(G)의 기체유통이 차단되어 있어도 된다. 제1 디스플레이서(68)와 제2 디스플레이서(70)가 일체로 형성되고, 간극(G)의 전부 또는 그 일부가 완전히 폐색되어 있어도 된다.

이와 같이 하여, 제1 팽창공간(94)으로의 작동기체흐름과 제2 팽창공간(120)으로의 작동기체흐름이 분리되어 있다. 따라서, 제1 팽창공간(94)에 유입되어 제1 냉각스테이지(13)와 열 교환을 한 작동기체의 제2 디스플레이서(70)로의 유입은 억제되어 있다. 제1 디스플레이서(68)로부터 공급되어 제2 팽창공간(120)으로 직접 향하는 작동기체는, 제1 팽창공간(94)을 경유하지 않는다. 이렇게 하여, 냉동기(50)의 제1단의 냉각온도가 제2단의 냉동능력에 주는 영향을 작게 할 수 있다.

이와 같이 흐름을 분리하는 구성은, 상이한 냉각스테이지에 요구되는 온도차가 큰 경우에 특히 바람직하다. 비교적 고온으로 냉각되는 냉각스테이지 및 그 열교환부(즉 팽창공간)를 경유하여 다음 단의 보다 저온인 냉각스테이지 및 그 열교환부에 작동기체가 보내는 경우에는, 전단의 고온이 후단에 주는 영향이 커진다. 흐름을 분리함으로써, 후단의 냉동능력에의 영향을 억제할 수 있다.

따라서, 예컨대 2단식의 냉동기(50)에 있어서는, 제1단의 냉각온도가 80K 이상 바람직하게는 100K 이상이 되고, 제2단의 냉각온도가 30K 이하 바람직하게는 20K 이하가 되는 경우에 상기 서술의 흐름 분리구성을 채용하는 것이 바람직하다. 또한, 인접하는 냉각단의 온도차가 적어도 50K 이상, 바람직하게는 80K 이상으로 커지는 경우에 흐름 분리구성을 채용하는 것이 바람직하다.

또한, 제2 팽창공간(120)으로의 직통유로를 제1 디스플레이서(68)로부터 유출되는 작동기체의 흐름방향과, 제1 팽창공간(94)을 향하여 제1 디스플레이서(68)로부터 유출되는 작동기체의 흐름방향을 일치시키도록 각 유로가 구성되어 있다. 메인 축냉기(134)로부터 독립유로로의 유출방향을 메인 축냉기(134)로부터 직통유로로의 흐름방향과 일치시키도록, 적어도 메인 축냉기(134)로부터 독립유로로의 진입부분의 방향이 정하여져 있다.

그로 인하여, 오목부(132)는 제1 축냉기(88)로부터 제2 축냉기(114)를 향하는 흐름을 길이방향으로 흘려보내도록 형성되어 있고, 제2 개구(98)의 입구부분(100)도 제1 축냉기(88)로부터의 흐름을 길이방향으로 흘려보내도록 형성되어 있다. 오목부(132) 및 제2 개구(98)의 입구부분(100)은 실린더의 중심축방향에 평행하게 형성된 개구부이다. 다만 상기 서술한 바와 같이 제2 개구(98)에 유입된 작동기체는 제2 개구(98)의 내부에서 직경방향 외향으로 절곡되어 출구부분(102)으로부터 유출된다. 즉 제1 축냉기(88)의 외부에서 흐름방향이 변경되어 있다.

이와 같이 제1 축냉기(88)의 메인 축냉기(134)의 저온단으로부터 외측으로의 흐름방향이 일치하도록 개구를 형성함으로써, 메인 축냉기(134)의 저온단에 있어서의 작동기체의 흐름의 균일성을 향상시킬 수 있다. 작동기체의 흐름의 균일성을 양호하게 함으로써, 제1 축냉기(88)의 저온단에 있어서의 온도분포의 균일성도 양호하여진다. 이는, 제1 축냉기(88)의 저온단에 있어서 전체적으로 저온을 유지하는 것에 기여한다고 생각된다.

본 실시예에 관한 제1 디스플레이서(68)의 축냉기 구조는, 고온측으로부터 유입되는 작동기체를 냉각하기 위한 냉각경로 또는 열 교환경로를 국소적으로 길게 하고 있다. 그와 대비하여, 전형적인 축냉기는 단순한 원통형이고, 작동기체의 유입구로부터 유출구까지의 경로길이는 균일하다.

본 실시예에 관한 축냉기 구조는 서브 축냉기(136)가 길이방향으로 추가되어 있음으로써, 제2 디스플레이서(70)에 대향하는 국소영역의 냉각경로가, 제1 팽창공간(94)과의 대향영역을 포함하는 기타영역의 냉각경로보다 길다. 보다 저온의 작동기체를 제2 디스플레이서(70)에 공급할 수 있으므로, 냉동기(50)의 제2단의 냉동능력을 향상시킬 수 있다. 제1 팽창공간(94)으로의 공급기체는 상대적으로 고온이므로, 냉동기(50)의 제1단과 제2단과의 온도차를 크게 할 수 있다.

제1 디스플레이서(68)의 내부에 서브 축냉기(136)를 형성하고 있으므로, 기존의 실린더 형상 및 치수를 유지할 수 있다. 따라서, 디스플레이서의 가동범위(이른바 스트로크)도 유지되므로, 냉동기(50)의 구동기구 설계의 변경도 요하지 않는다. 또한, 기존의 실린더 형상 및 치수 즉 냉동기(50)의 외형이 유지되어 있으므로, 냉동기(50)가 적용되는 장치구조의 설계에의 영향은 적거나 존재하지 않는다. 예컨대 크라이오펌프(10)에 있어서는 방사실드(40)와 저온 크라이오패널(60)의 위치관계를 유지한 채로, 저온 크라이오패널(60)의 배기능력을 향상시킬 수 있다.

냉동기(50)의 동작을 설명한다. 도 3에 나타내는 흡기공정 및 도 4에 나타내는 배기공정을 1사이클로 하여, 냉동기(50)는 이를 반복한다. 흡기공정의 어느 시점에 있어서는 제1 디스플레이서(68) 및 제2 디스플레이서(70)는 각각, 제1 실린더(11) 및 제2 실린더(12) 내 하사점에 위치한다. 그와 동시에 또는 약간 타이밍을 어긋나게 하여 로터리밸브에 의하여 압축기(52)의 토출측과 실린더 내부용적이 접속됨으로써, 압축기(52)로부터 고압의 작동기체 예컨대 헬륨가스가 제1 디스플레이서(68)에 유입된다.

고압의 헬륨가스는, 제1 개구(96)로부터 제1 축냉기(88)에 유입되고, 축냉재(86)에 의하여 냉각된다. 냉각된 헬륨가스의 일부는, 제2 개구(98), 제1 통로(104)를 통하여 제1 팽창공간(94)에 유입된다. 제1 팽창공간(94)에 유입되는 작동기체는 메인 축냉기(134)로부터 공급되고, 서브 축냉기(136)는 경유하지 않는다.

냉각된 헬륨가스의 나머지는, 제1 디스플레이서(68)의 오목부(132) 및 제2 디스플레이서(70)의 제3 개구(122)를 통하여 제2 축냉기(114)에 유입된다. 제2 축냉기(114)에 유입되는 헬륨가스는, 메인 축냉기(134)와 서브 축냉기(136)의 양방에 의하여 냉각된다. 제2 축냉기(114)의 축냉재(112)에 의하여 헬륨가스는 다시 냉각되고, 제4 개구(126)를 통하여 제2 팽창공간(120)으로 유입된다.

이렇게 하여, 제1 팽창공간(94) 및 제2 팽창공간(120)은 각각 고압상태가 된다. 제1 디스플레이서(68) 및 제2 디스플레이서(70)가 상사점으로 이동함으로써, 제1 팽창공간(94) 및 제2 팽창공간(120)은 확장된다. 확장된 제1 팽창공간(94) 및 제2 팽창공간(120)은 고압의 헬륨가스로 채워진다.

배기공정의 어느 시점에 있어서는 제1 디스플레이서(68) 및 제2 디스플레이서(70)는 각각, 제1 실린더(11) 및 제2 실린더(12) 내의 상사점에 위치한다. 그와 동시에 또는 약간 타이밍을 어긋나게 하여 로터리밸브의 회전에 의하여 압축기(52)의 흡입측과 실린더 내부용적이 접속된다. 제1 팽창공간(94) 및 제2 팽창공간(120)의 헬륨가스는 감압되어 팽창한다. 팽창에 의하여 헬륨가스는 저압이 되어 한랭이 발생한다. 제1 팽창공간(94)의 헬륨가스는 제1 냉각스테이지(13)로부터 열을 흡수하여 냉각하고, 제2 팽창공간(120)의 헬륨가스는 제2 냉각스테이지(14)로부터 열을 흡수하여 냉각한다.

제1 디스플레이서(68) 및 제2 디스플레이서(70)는 하사점을 향하여 이동되고, 제1 팽창공간(94) 및 제2 팽창공간(120)은 축소된다. 제1 팽창공간(94)으로부터 제1 통로(104), 제2 개구(98), 제1 축냉기(88), 및 제1 개구(96)를 통하여 압축기(52)로 저압의 헬륨가스는 회수된다. 또한, 제2 팽창공간(120)으로부터 제4 개구(126), 제2 축냉기(114), 제3 개구(122), 오목부(132), 제1 축냉기(88), 및 제1 개구(96)를 통하여 압축기(52)로 저압의 헬륨가스는 회수된다. 이때 제1 축냉기(88)의 축냉재(86) 및 제2 축냉기(114)의 축냉재(112)도 냉각된다.

도 5는 전형적인 다른 냉동기(150)의 흡기공정을 나타내고, 도 6은 그 냉동기(150)의 배기공정을 나타내는 도면이다. 이 냉동기(150)는, 제1 디스플레이서(168)의 축냉기 구조에 관하여 상기 서술한 도 2에 나타내는 냉동기(50)와는 구성이 상이하다. 제1 디스플레이서(168)와 제2 디스플레이서(170)의 연결부(172)에 대해서도 상기 서술한 도 2에 나타내는 냉동기(50)와는 구성이 상이한 점이 있다. 제1 실린더(11), 제2 실린더(12), 제1 냉각스테이지(13), 및 제2 냉각스테이지(14)에 대해서는, 도 2에 나타내는 냉동기(50)와 도 5, 도 6에 나타내는 냉동기(150)에서 동일한 치수 및 형상으로 되어 있다.

도 5 및 도 6에 나타내는 바와 같이, 냉동기(150)에 있어서는, 제1 디스플레이서(168)와 제2 디스플레이서(170) 사이의 공간인 연결용 오목부(160)가 제1 팽창공간(194)과 제2 축냉기(114)를 접속하는 유로로서 형성되어 있다. 제2 디스플레이서(170)로의 충분한 흐름을 보증하기 위하여, 진입부분에 있어서의 제2 디스플레이서(170)와 제1 디스플레이서(168)의 간격은 적어도, 2mm 내지 3mm보다 커지게 된다.

따라서, 흡기공정에 있어서의 작동기체흐름은, 제1 개구(96), 제1 축냉기(88), 제2 개구(198), 제1 팽창공간(194), 연결용 오목부(160), 제2 축냉기(114)를 거쳐 제2 팽창공간(120)으로 공급된다(도 5 참조). 배기공정에 있어서의 작동기체의 흐름은 이와는 역방향이 되어, 제2 팽창공간(120)으로부터 제1 개구(96)로 되돌려진다(도 6 참조). 이와 같이, 제1 축냉기(88)와 제2 축냉기(114) 사이의 작동기체흐름은 제1 팽창공간(194)을 경유한다. 이로 인하여, 냉동기(150)의 제2단의 냉동성능은 제1단의 냉각온도의 영향을 받기 쉽다.

다만 냉동기(150)에 있어서는, 제1 디스플레이서(168)의 제1 축냉기(88)를 제1 팽창공간(194)에 연통시키기 위한 제2 개구(198)가 제1 디스플레이서(168)의 저온측 측면에 형성되어 있다. 제2 개구(198)는, 냉동기(150)의 중심축으로부터 방사상으로 제1 디스플레이서(168)의 측면의 복수 개소에 형성되어 있다. 이 제2 개구(198)는, 도 2에 나타내는 냉동기(50)에 채용되는 것도 가능하다.

도 5 및 도 6에 나타내는 냉동기(150)와의 대비로부터 알 수 있듯이, 도 2 내지 도 4에 나타내는 냉동기(50)의 연결부(72)는, 제1 디스플레이서(68)에 인접하는 제1 팽창공간(94)으로부터 제2 디스플레이서(70)로 통하는 간극(G)의 기체흐름을 씰하는 씰 구조를 가진다고도 할 수 있다.

이 씰 구조의 밀봉성을 나타내는 하나의 지표로서, 제2 디스플레이서(70)의 삽입길이(A)와 간극(G)의 비(X)를 생각할 수 있다. 즉 X=A/G이다. 제2 디스플레이서(70)의 삽입길이(A)가 크고, 간극(G)이 작은 경우에는, 비(X)의 값은 커진다. 이 경우, 작동기체는 흐르기 어려워진다. 반대로, 제2 디스플레이서(70)의 삽입길이(A)가 작고, 간극(G)이 큰 경우에는, 비(X)의 값은 작아진다. 이 경우, 작동기체는 흐르기 쉬워진다.

한 실시예에 있어서는, 삽입길이(A)가 10mm, 간극(G)이 0.5mm인 경우에는 비(X)는 20이 되기 때문에, 비(X)는 적어도 20 이상인 것이 바람직하다. 삽입길이(A)가 15mm, 간극(G)이 0.5mm인 경우에는 비(X)는 30이 되기 때문에, 비(X)는 적어도 30 이상인 것이 보다 바람직하다. 이와 대비하여, 도 5 및 도 6에 나타내는 냉동기(150)와 같이, 삽입길이(A)가 10mm, 간극(G)이 2mm 내지 3mm인 경우에는, 비(X)는 약 3.3 내지 5가 된다. 이와 같이 하여, 전형적인 냉동기의 연결부분에 비하여, 비(X)의 값을 10배 이상의 크기로 함으로써, 충분한 밀봉성을 실현하는 것이 가능하여진다.

바람직한 한 실시예에 있어서는, 삽입길이(A)가 15mm 이하이고, 간극(G)이 0.5mm 이하이며, 또한 비(X)가 30 이상이다. 즉, 비(X)를 30 이상으로 하도록, 삽입길이(A)가 15mm 이하의 범위로부터 선택되고, 간극(G)이 0.5mm 이하의 범위로부터 선택된다. 이러한 구성에 의하여, 서브 축냉기(136)를 위한 서브 수용구획(140)에 충분한 넓이를 확보하면서, 간극(G)에 충분한 밀봉성을 부여할 수 있다.

설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 의하면, 2개의 냉각스테이지 위치 및 실린더 치수가 대략 정하여져 있는 냉동기의 구성에 있어서, 제1 디스플레이서(68)로부터 제2 디스플레이서(70)로의 직통유로를 형성하고 서브 축냉기(136)를 부가하고 있다. 길이방향으로 보아, 제1 축냉기(88)의 중심부분에는 축냉재(86)의 긴 부위가 형성되고, 제1 축냉기(88)의 외주부분에는 축냉재(86)의 짧은 부위가 형성되어 있다. 제1 팽창공간(94)에 머문 작동기체에 비하여, 제2 디스플레이서(70)로의 공급기체 온도를 낮게 할 수 있다.

이로써, 냉동기(50)의 제1단과 제2단의 온도차를 크게 할 수 있다. 또한, 제2단으로의 공급기체 온도가 낮아져, 제2단의 냉동능력을 향상시킬 수도 있다. 크라이오펌프(10)는 위치관계가 정하여져 있는 방사실드(40)와 그 내부의 저온 크라이오패널(60)을 구비하기 때문에, 이러한 냉동기(50)의 바람직한 적용대상이 된다. 특히, 방사실드(40)와 그 내부의 저온 크라이오패널(60)의 온도차를 크게 하는 것이 요구되는 경우에 적합하다.

이상, 본 발명을 실시예에 근거하여 설명하였다. 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고, 여러 가지의 설계변경이 가능하고, 다양한 변형예가 가능한 것, 또한 그러한 변형예도 본 발명의 범위에 있는 것은, 당업자가 이해할 수 있는 점이다.

서브 축냉기(136)는 반드시 메인 축냉기(134)의 저온측에 설치되지 않아도 된다. 본 발명의 일 실시형태에 관한 축냉기 구조는, 고온단 또는 기타부분에, 열 교환적으로 무효인 또는 축냉재보다 열 교환작용이 작은 국소부분을 가져도 된다. 이와 같이 하여 축냉기 구조는, 냉각경로가 상대적으로 긴 영역과 짧은 영역을 포함하여도 된다. 예컨대, 서브 축냉기(136)를 설치하는 대신, 또는 그것과 함께, 축냉기 구조는, 축냉재가 결락(缺落)된 구역을 가져도 된다. 인접하는 팽창공간에 작동기체를 송출하기 위한 냉각경로는, 축냉재 결락구역을 포함하여도 된다. 이와 같이 하여도, 팽창공간을 향하는 작동기체와, 저온 디스플레이서를 향하는 작동기체에 온도차를 형성할 수 있다.

본 발명은 2단식 냉동기에의 적용에는 한정되지 않고 그보다 다단인 냉동기에 적용되어도 된다. 이 경우, 제1단과 그에 인접하는 제2단 중 고온측인 제1단의 축냉기 구조가 상기 서술한 서브 축냉기(136)를 구비하여도 되고, 제2단과 그에 인접하는 제3단 중 고온측인 제2단의 축냉기 구조가 상기 서술한 서브 축냉기(136)를 구비하여도 된다. 또한, 본 발명의 일 실시형태에 관한 냉동기는, 크라이오펌프뿐만 아니라 임의의 대상에 적용할 수 있다.

10 크라이오펌프, 11 제1 실린더, 12 제2 실린더, 13 제1 냉각스테이지, 14 제2 냉각스테이지, 20 제어부, 30 크라이오펌프 용기, 40 방사실드, 50 냉동기, 60 저온 크라이오패널, 68 제1 디스플레이서, 70 제2 디스플레이서, 72 연결부, 88 제1 축냉기, 114 제2 축냉기, 132 오목부, 134 메인 축냉기, 136 서브 축냉기, 138 메인 수용구획, 140 서브 수용구획, G 간극

Claims (8)

1. 저온 크라이오패널과,
   저온 크라이오패널보다 고온으로 냉각되는 고온 크라이오패널과,
   저온 크라이오패널을 냉각하기 위한 저온 냉각위치와 고온 크라이오패널을 냉각하기 위한 고온 냉각위치를 제공하고, 저온 냉각위치와 고온 냉각위치가 길이방향으로 배열되어 있는 냉동기
   를 구비하고,
   상기 냉동기는, 제1 디스플레이서와, 상기 길이방향으로 상기 제1 디스플레이서의 저온측에 인접하는 제2 디스플레이서를 구비하고 있으며,
   제1 디스플레이서는, 그 메인 축냉기로부터 제2 디스플레이서의 축냉기를 향하여 작동기체를 안내하기 위한 직통유로를 가지는 저온단과, 상기 직통유로에 설치되어 있는 서브 축냉기를 구비하는 것
   을 특징으로 하는 크라이오펌프.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 직통유로는, 제1 디스플레이서의 저온단의 제2 디스플레이서에 면하는 대향부분에 형성되어 있는 적어도 하나의 개구를 포함하고,
   상기 서브 축냉기는 상기 적어도 하나의 개구에 설치되어 있는 것
   을 특징으로 하는 크라이오펌프.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   제1 디스플레이서의 저온단은, 제2 디스플레이서에 대한 비(非)대향부분을 포함하고,
   상기 비대향부분은, 상기 메인 축냉기로부터 상기 저온단에 인접하는 팽창공간을 향하여 작동기체를 안내하기 위한 독립유로를 가지는 것
   을 특징으로 하는 크라이오펌프.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 메인 축냉기로부터 상기 독립유로로의 유출방향을 상기 메인 축냉기로부터 상기 직통유로로의 흐름방향과 일치시키도록, 적어도 상기 메인 축냉기로부터 상기 독립유로로의 진입부분의 방향이 정하여져 있는 것
   을 특징으로 하는 크라이오펌프.
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 직통유로는, 상기 제2 디스플레이서의 고온단을 수용하기 위하여 제1 디스플레이서의 저온단에 형성되어 있는 오목부를 포함하고,
   상기 고온단과 상기 오목부의 간극은, 제1 디스플레이서와 제2 디스플레이서 사이에서 상기 직통유로를 통한 흐름이 지배적이 되도록 조정되어 있는 것
   을 특징으로 하는 크라이오펌프.
6. 길이방향으로 인접하는 저온측 디스플레이서와 고온측 디스플레이서를 구비하고,
   고온측 디스플레이서는 축냉재를 위한 메인 수용구획과 서브 수용구획을 포함하며,
   서브 수용구획은, 상기 길이방향에 수직인 단면적이 메인 수용구획보다 작고, 메인 수용구획과 저온측 디스플레이서 사이에 기체유통 가능하게 형성되어 있는 것
   을 특징으로 하는 극저온 냉동기.
7. 고온측으로부터의 작동기체를 냉각하여 저온측에 송출하기 위한 냉각경로를 포함한 축냉기를 구비하고,
   상기 축냉기는, 인접하는 팽창공간에 작동기체를 송출하기 위한 냉각경로보다, 인접하는 축냉기에 작동기체를 송출하기 위한 냉각경로가 긴 것
   을 특징으로 하는 극저온 냉동기.
8. 청구항 6 또는 청구항 7에 기재된 냉동기를 구비하는 것을 특징으로 하는 크라이오펌프.

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