KR100304566B1 - Driving apparatus for oil-free pulse tube refrigerator - Google Patents
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Abstract
본 발명은 무윤활 맥동관 냉동기의 구동장치에 관한 것으로, 본 발명은 실린더부가 구비되고 내부에 작동가스가 충진된 밀폐케이스와, 그 밀폐케이스의 내부에 장착되어 구동력을 발생시키는 구동모터와, 그 구동모터의 가동자에 결합되어 직선 왕복운동을 하는 구동축과, 그 구동축에 연결됨과 아울러 밀폐케이스의 실린더부에 삽입되어 구동축과 함께 직선 왕복운동을 하면서 작동가스를 펌핑하는 피스톤과, 그 피스톤의 양측에 각각 배치되어 피스톤의 공진운동과 직진운동을 안내하도록 판스프링으로 된 상,하부 지지부재를 포함하는 무윤활 맥동관 냉동기의 구동장치에 있어서 ; 상기 상부 지지부재는 그 가장자리부가 실린더부의 선단면측에 고정 결합되는 반면 그 중앙부는 피스톤의 선단면에서 축방향으로 연장 구비된 연결봉에 일체로 결합되고, 상기 하부 지지부재는 그 가장자리부가 밀폐케이스의 내주면에 고정 결합되는 반면 그 중앙부는 구동축에 일체로 결합되어 구성됨으로써, 상기 피스톤이 기울어지는 것을 최소화하여 피스톤과 실린더부와의 마모를 방지하고 이를 통해 작동가스의 누설을 방지함과 아울러 조립시에도 피스톤의 조립 이후에 상부 지지부재를 조립할 수 있게 되어 피스톤과 실린더부와의 동심도 유지가 용이하게 되는 효과가 있다.The present invention relates to a driving device of a non-lubricated pulsating tube refrigerator, and the present invention provides a sealed case having a cylinder portion and a working gas filled therein, a drive motor mounted inside the sealed case to generate a driving force, and A drive shaft coupled to the mover of the drive motor for linear reciprocating motion, a piston connected to the drive shaft and inserted into the cylinder portion of the sealed case to pump the working gas while performing linear reciprocation with the drive shaft, and both sides of the piston In the driving device of the non-lubricated pulsating tube freezer comprising: upper and lower support members each of which is arranged in the leaf spring to guide the resonant motion and the straight motion of the piston; The upper support member has its edge portion fixedly coupled to the front end surface side of the cylinder portion, while its center portion is integrally coupled to the connecting rod provided axially extending from the front end surface of the piston, and the lower support member has its edge portion of the sealed case. While fixedly coupled to the inner circumferential surface, the center portion is integrally coupled to the drive shaft, thereby minimizing the inclination of the piston to prevent abrasion between the piston and the cylinder portion, thereby preventing leakage of the working gas and assembling during assembly. After assembling the piston, the upper support member can be assembled, thereby maintaining the concentricity between the piston and the cylinder part.
Description
본 발명은 무윤활 맥동관 냉동기에 관한 것으로, 특히 작동가스를 펌핑하는 피스톤이 직선 왕복운동을 할 수 있도록 각 부품을 동심상에 제작 조립하는데 적합한 무윤활 맥동관 냉동기의 구동장치에 관한 것이다.The present invention relates to a non-lubricated pulsating tube refrigerator, and more particularly, to a driving device of a lubricating pulsating tube refrigerator suitable for manufacturing and assembling each part concentrically so that the piston pumping the working gas can perform a linear reciprocating motion.
일반적으로 소형 전자부품 및 초전도체의 냉각을 위한 극저온 냉동기로 스터링 냉동기(Stirling Refrigerator) 및 지엠 냉동기(GM Refrigerator)등의 열재생식 냉동기가 주로 사용되고 있으나, 이러한 냉동기들은 그 신뢰성을 높이기 위해서 운전속도를 낮추어야 하거나, 또는 작동가스의 펌핑시 마찰부위의 마모에 대비하여 윤활을 실시하여야 했다.Generally, thermal regeneration refrigerators such as Stirling Refrigerator and GM Refrigerator are used as cryogenic freezers for the cooling of small electronic components and superconductors. Lubrication had to be carried out in order to prevent wear of frictional part when pumping gas or working gas.
이에 최근에는 냉동기의 높은 신뢰성을 유지하면서도 고속운전이 가능하여 냉동효율이 향상되는 것은 물론, 별도의 윤활이 필요없어 장기간 보수를 하지 않아도 되는 극저온 냉동기가 요구되고 있는데, 이러한 극저온 냉동기중의 하나가 무윤활 맥동관 냉동기(Lubricationless Pulse Tube Refrigerator)이다.In recent years, cryogenic freezers that require high-speed operation while maintaining high reliability of the freezer to improve the refrigeration efficiency as well as long-term maintenance without additional lubrication are required. Lubricationless Pulse Tube Refrigerator.
도 1은 종래 무윤활 맥동관 냉동기의 일례를 종단면하여 보인 개략도이다.1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a conventional non-lubricated pulsating tube refrigerator.
이에 도시된 바와 같이 종래의 무윤활 맥동관 냉동기는, 작동가스의 왕복운동을 발생시키는 구동부(100)와, 그 구동부(100)에 의해 펌핑되면서 관내를 왕복운동 하는 작동가스의 열역학적 사이클에 의해 극저온부를 갖게 되는 냉동부(200)로 크게 구분되어 있다.As shown therein, the conventional non-lubricated pulsating tube refrigerator has a cryogenic temperature due to a thermodynamic cycle of a driving unit 100 generating a reciprocating motion of a working gas and a working gas reciprocating in a tube while being pumped by the driving unit 100. It is largely divided into a freezing unit 200 having a wealth.
상기 구동부(100)는 실린더부(110a)가 구비되고 내부에 작동가스가 충진된 밀폐케이스(110)와, 그 밀폐케이스(110)의 내부에 장착되어 구동력을 발생시키는 구동모터(120)와, 그 구동모터(120)의 가동자에 결합되어 직선 왕복운동을 하는 구동축(130)과, 그 구동축(130)에 연결됨과 아울러 밀폐케이스(110)의 실린더부(110a)에 삽입되어 구동축(130)과 함께 직선 왕복운동을 하면서 작동가스를 펌핑하는 피스톤(140)과, 상기 밀폐케이스(110)와 구동축(130) 사이의 상,하부에 각각 결합되어 구동모터(120)의 가동자의 직선 왕복운동을 탄성에너지로 저장하고 그 저장된 탄성에너지를 직선운동으로 변환시키면서 구동모터(120)의 공진운동을 유발시킴과 아울러 구동모터(120)의 가동자의 직선운동을 전달받아 움직이는 피스톤(140)의 직진성을 안내하는 지지부재(151,152)로 구성되어 있다.The drive unit 100 is provided with a cylinder unit 110a and a sealed case 110 filled with a working gas therein, a drive motor 120 mounted inside the sealed case 110 to generate a driving force; The drive shaft 130 is coupled to the mover of the drive motor 120 and performs a linear reciprocating motion. The drive shaft 130 is connected to the drive shaft 130 and inserted into the cylinder portion 110a of the sealed case 110. And a piston 140 for pumping the working gas while performing a linear reciprocating motion, and coupled to upper and lower portions between the sealed case 110 and the drive shaft 130, respectively, to perform linear reciprocating motion of the mover of the drive motor 120. It stores the elastic energy and converts the stored elastic energy into linear motion, induces the resonance motion of the drive motor 120 and guides the straightness of the piston 140 which is moved by receiving the linear motion of the mover of the drive motor 120. Consists of support members (151, 152) There is.
상기 밀폐케이스(110)는 피스톤(140)이 삽입되어 직선 왕복운동을 하도록 실린더부(110a)가 형성되는 상부프레임(111)과, 그 상부프레임(111)의 저면에 밀착 결합되어 내부에 상기 구동축(130)의 상단이 결합된 안내용 지지부재(151)가 체결됨과 아울러 상기 구동모터(120)가 고정 장착되는 중간프레임(112)과, 그 중간프레임(112)의 저면에 밀착 결합되어 구동축(130)의 하단에 결합된 탄성용 지지부재(152)가 체결되는 하부프레임(113)과, 상기 중간프레임(112) 및 하부프레임(113)을 감싸도록 상부프레임(111)의 하단면에 밀봉 결합되어 밀폐케이스(110)로부터 작동가스가 누출되는 것을 방지하는 밀봉셸(114)로 이루어져 있다.The closed case 110 has an upper frame 111, the cylinder portion 110a is formed so that the piston 140 is inserted to perform a linear reciprocating motion, and is closely coupled to the bottom of the upper frame 111, the drive shaft therein The guide support member 151 coupled to the upper end of the 130 is fastened, and the intermediate frame 112 to which the driving motor 120 is fixedly mounted, and is tightly coupled to the bottom surface of the intermediate frame 112 to drive the shaft ( The lower frame 113 to which the elastic support member 152 coupled to the lower end of the 130 is fastened, and sealingly coupled to the lower surface of the upper frame 111 to surround the intermediate frame 112 and the lower frame 113. It consists of a sealing shell 114 to prevent the working gas from leaking from the sealed case 110.
상기 중간프레임(112)은 그 내주면 중간에 구동모터(120)를 장착시키기 위한 모터장착부(112a)가 환형으로 돌출 형성되어 있고, 그 모터장착부(112a)의 상측에는 상부 지지부재(151)가 얹혀져 체결되기 위한 수개의 돌기형 지지부재 장착부(112b)가 동일한 높이의 원주상에 형성되어 있다.The intermediate frame 112 is formed in the middle of the inner peripheral surface of the motor mounting portion 112a for mounting the drive motor 120 protruded in an annular shape, the upper support member 151 is placed on the upper side of the motor mounting portion 112a Several protruding support member mounting portions 112b for fastening are formed on the circumference of the same height.
상기 하부프레임(113)은 그 내주면에 하부 지지부재(152)를 체결시키기 위한 수개의 돌기형 지지부재 장착부(113a)가 중간프레임(112)의 지지부재 장착부(112b)와 마찬가지로 동일한 높이의 원주상에 형성되어 있다.The lower frame 113 has a circumferential shape having the same height as the supporting member mounting portion 112b of the intermediate frame 112, wherein the plurality of protrusion supporting member mounting portions 113a for fastening the lower supporting member 152 to the inner circumferential surface thereof. It is formed in.
상기 지지부재(151,152)는 모두 스파이럴타입으로 형성된 원판형의 판스프링으로서, 그 각각의 중앙에 형성되는 구동축 장착공(151a,152a)은 피스톤(140)의 직진성이 유지되도록 상부프레임(111)의 실린더부(110a)와 함께 동심상에 형성되어 있다.The support members 151 and 152 are disc-shaped leaf springs formed in a spiral type, and the drive shaft mounting holes 151a and 152a formed at the centers of the support frames 151 may maintain the straightness of the piston 140. It is formed concentrically with the cylinder part 110a.
상기 구동모터(120)는 다수개의 철편이 원통형으로 적층된 내,외측 라미네이션(121A,121B)과, 그 중에서 외측 라미네이션(121B)에 수개의 코일(121b)이 장착된 고정자(121)와, 그 고정자(121)의 내,외측 라미네이션(121A,121B) 사이에 개재되어 구동축(130)과 결합되고 상기 코일(121b)에 대향되도록 마그네트(122b)가 장착된 가동자(122)로 이루어지는 통상적인 리니어 모터로서, 상기 고정자(121)가 밀폐케이스(110)의 중간프레임(112)에 체결되어 있고, 상기 가동자(122)는 별도의 연결링(123)에 의해 고정자(121)와 일체로 결합되어 있다.The drive motor 120 has an inner and outer laminations 121A and 121B in which a plurality of iron pieces are stacked in a cylindrical shape, among them, a stator 121 in which several coils 121b are mounted on an outer lamination 121B, and A conventional linear consisting of a mover 122 interposed between the inner and outer laminations 121A and 121B of the stator 121 and coupled to the drive shaft 130 and mounted with a magnet 122b to face the coil 121b. As a motor, the stator 121 is fastened to the intermediate frame 112 of the sealed case 110, and the mover 122 is integrally coupled with the stator 121 by a separate connection ring 123. have.
상기 구동축(130)은 구동모터(120)의 가동자(122)에 일체되는 것으로, 그 상단은 안내용 지지부재(151)를 관통하여 피스톤(140)에 일체로 압입되는 반면, 그 하단은 하부 지지부재(152)의 중앙을 관통하여 별도의 고정부재(160)로 체결되어 있다.The drive shaft 130 is integral to the mover 122 of the drive motor 120, the upper end of which is integrally pressed into the piston 140 through the guide support member 151, while the lower end thereof It penetrates through the center of the support member 152 and is fastened by a separate fixing member 160.
한편, 상기 냉동부(200)는 밀폐케이스(110)의 실린더부(110a)에서 펌핑된 작동가스에 의해 내부의 작동가스가 질량유동되면서 양단부에서 압축과 팽창이 각각 발생되어 압축이 일어나는 압축부(211)에서는 열을 발생시키는 반면 팽창이 일어나는 팽창부(212)에서는 외부의 열을 흡수하는 맥동관(210)과, 그 맥동관(210)의 압축부(211)에 연결되어 왕복하는 작동가스의 질량유동과 압력맥동 사이에 위상차를 발생시킴과 아울러 열적평형을 이루도록 하는 오리피스(220)와, 그 오리피스(220)에 연결되어 작동가스가 일시 체류하는 저장용기(230)와, 상기 맥동관(210)의 팽창부(212)와 구동부(100)의 실린더부(110a) 사이에 연결되어 맥동관(210)으로 펌핑되는 작동가스의 현열을 저장하였다가 맥동관(210)에서 구동부(100)의 실린더부(110a)로 되돌아 가는 작동가스의 온도를 보상하는 재생기(240)와, 그 재생기(240)와 구동부(100)의 실린더부(110a) 사이에 연결되어 펌핑되는 고온고압의 작동가스를 우선 냉각시키는 예냉기(250)로 구성되어 있다.On the other hand, the refrigeration unit 200 is a compression unit in which the compression and expansion is generated by the compression and expansion at both ends as the working gas inside the mass flow by the working gas pumped from the cylinder portion (110a) of the sealed case 110 ( In 211, heat is generated, while expansion 212 in which expansion occurs includes a pulsation tube 210 that absorbs external heat, and a working gas reciprocated by being connected to the compression unit 211 of the pulsation tube 210. An orifice 220 for generating a phase difference between the mass flow and the pressure pulsation and achieving thermal equilibrium, a storage container 230 connected to the orifice 220 to temporarily retain the working gas, and the pulsating tube 210. Connected between the expansion unit 212 and the cylinder unit 110a of the driving unit 100 to store the sensible heat of the working gas pumped to the pulsating tube 210, the cylinder of the driving unit 100 in the pulsating tube 210 Compensate for the temperature of the working gas back to the unit (110a) It is composed of the regenerator 240 and the regenerator 240 and the cooling air for example, 250 to first cool the working gas of high temperature and high pressure is connected between the cylinder part (110a) of the pump drive unit 100.
상기와 같은 종래의 무윤활 맥동관 냉동기는 다음과 같이 조립된다.The conventional non-lubricated pulsating tube freezer as described above is assembled as follows.
먼저, 상기 중간프레임(112)의 모터지지부(112a)에 구동모터(120)의 외측 라미네이션(121B)을 체결시키고, 그 외측 라미네이션(121B)에 내측 라미네이션(121A)을 삽입한 다음에 연결링(123)을 이용하여 내,외측 라미네이션(121A,121B)을 일체로 체결시키며, 상기 내,외측 라미네이션(121A,121B) 사이의 공극에 구동축(130)이 결합된 원통형의 가동자(122)를 개재시키고, 상기 구동축(130)이 중앙을 관통하도록 하여 안내용 지지부재(151)를 중간프레임(112)의 지지부재 장착부(112b)에 얹어 체결시키며, 상기 중간프레임(112)의 하단에는 하부프레임(113)을 체결시키고, 그 하부프레임(113)의 지지부재 장착부(113a)에는 탄성용 지지부재(152)를 체결시키며, 상기 구동축(130)의 상단에는 피스톤(140)을 결합시킨다.First, the outer lamination 121B of the driving motor 120 is fastened to the motor support 112a of the intermediate frame 112, and the inner lamination 121A is inserted into the outer lamination 121B, and then the connection ring ( The inner and outer laminations 121A and 121B are integrally fastened by using 123, and a cylindrical mover 122 having a drive shaft 130 coupled to a gap between the inner and outer laminations 121A and 121B is interposed therebetween. In addition, the driving shaft 130 passes through the center, and the guide support member 151 is mounted on the support member mounting portion 112b of the intermediate frame 112 to be fastened. 113 is fastened, the support member mounting portion 113a of the lower frame 113 is fastened to the elastic support member 152, and the piston 140 is coupled to the upper end of the drive shaft 130.
이때, 상기 피스톤(140)은 직선 왕복운동시 실린더부(110a)와의 간극이 약 5μm를 유지하도록 안내용 및 탄성용 지지부재(151,152)의 구동축 장착공(151a,152a) 및 실린더부(110a)가 동심도를 유지하도록 조립되어야 한다.At this time, the piston 140 is the drive shaft mounting holes (151a, 152a) and the cylinder portion (110a) of the guide and elastic support members (151, 152) to maintain a clearance of about 5μm with the cylinder portion (110a) during linear reciprocating motion Should be assembled to maintain concentricity.
이후, 상기 중간프레임(112)의 상단에는 피스톤(140)이 실린더부(110a)에 삽입되도록 하여 상부프레임(111)을 체결시키고, 그 상부프레임(111)의 하단에는 중간프레임(112)과 하부프레임(113)을 감싸는 밀봉셸(114)을 결합시킨다.Thereafter, the upper end of the intermediate frame 112 is fastened to the upper frame 111 by inserting the piston 140 into the cylinder portion 110a, and the lower end of the upper frame 111 and the intermediate frame 112 and lower The sealing shell 114 surrounding the frame 113 is coupled.
다음, 상기 실린더부(110a)의 선단면에 예냉기(250)를 결합시키고, 그 예냉기(250)에 재생기(240), 맥동관(210), 오리피스(220), 저장용기(230) 등을 차례대로 결합시킨다.Next, the precooler 250 is coupled to the front end surface of the cylinder part 110a, and the regenerator 240, the pulsating tube 210, the orifice 220, the storage container 230, and the like are connected to the precooler 250. Combine them in turn.
한편, 종래 무윤활 맥동관 냉동기의 동작과정은 다음과 같다.On the other hand, the operation process of the conventional non-lubricated pulsating tube refrigerator is as follows.
즉, 상기 구동모터(120)에 전원이 인가되어 가동자(122)가 직선 왕복운동을 하게 되면, 그 가동자(122)에 결합된 구동축(130) 역시 직선 왕복운동을 하게 되고, 그 구동축(130)에 일체로 결합된 피스톤(140)이 실린더부(110a) 내에서 직선 왕복운동을 하면서 작동가스를 펌핑시키게 된다.That is, when power is applied to the drive motor 120 and the mover 122 reciprocates linearly, the drive shaft 130 coupled to the mover 122 also performs linear reciprocation, and the drive shaft ( Piston 140 integrally coupled to 130 to pump the working gas while linearly reciprocating in the cylinder portion (110a).
이때, 상기 피스톤(140)의 압축행정시는 실린더부(110a)의 작동가스가 예냉기(250)쪽으로 유출되고, 그 예냉기(250)에서 소정 온도로 미리 냉각된 작동가스는 재생기(240)를 거치면서 열교환되어 내부의 현열을 저장한 상태로 맥동관(210)으로 유입되는데, 이 유입되는 작동가스에 의해 맥동관(210)에 충진되어 있던 작동가스는 오리피스(220)쪽으로 밀리면서 압축되어 맥동관(210)의 압축부(211) 온도가 상승하게 되고, 그 상승된 온도는 작동가스가 오리피스(220)를 지나면서 단열팽창되어 외부로 방열된다.At this time, during the compression stroke of the piston 140, the working gas of the cylinder 110a flows toward the precooler 250, the working gas pre-cooled to a predetermined temperature in the precooler 250 is a regenerator 240 Through the heat exchange is introduced into the pulsating tube 210 in a state of storing the sensible heat inside, the working gas filled in the pulsating tube 210 by the operating gas is compressed while being pushed toward the orifice 220 The temperature of the compression unit 211 of the pulsation tube 210 is increased, and the elevated temperature is thermally expanded as the working gas passes through the orifice 220 to radiate heat to the outside.
이후, 상기 맥동관(210)은 피스톤(140)의 압축행정과 팽창행정간 사이에서 고압상태의 열적 평형상태를 이루게 되는데, 이 과정에서 작동가스는 지속적으로 오리피스(220)를 통해 맥동관(210)으로부터 저장용기(230)로 이동하여 맥동관(210)의 온도를 낮추게 된다.Thereafter, the pulsation tube 210 forms a thermal equilibrium state of high pressure between the compression stroke and the expansion stroke of the piston 140. In this process, the working gas is continuously pulsated through the orifice 220. Moving from the storage container 230 to lower the temperature of the pulsation tube (210).
이후, 상기 피스톤(140)의 팽창행정시는 맥동관(210)으로 유입되었던 작동가스를 흡입하면서 맥동관(210)내의 작동가스를 재생기(240)쪽으로 이동시키게 되는데, 이때 재생기(240)를 통해 맥동관(210)을 빠져나가는 작동가스의 질량유량에 비해 오리프스(220)를 통해 맥동관(210)으로 유입되는 작동가스의 질량유량이 훨씬 적기 때문에 상기 맥동관(210)에서의 작동가스는 단열 팽창된다. 이 작동가스의 단열팽창은 통상 냉측 열교환기(미부호)가 장착된 재생기(240)쪽에서 급격하게 발생되어 극저온부가 형성된다.Subsequently, during expansion of the piston 140, the working gas in the pulsating tube 210 is moved to the regenerator 240 while sucking the working gas introduced into the pulsating tube 210, whereby the regenerator 240 is used. Since the mass flow rate of the working gas flowing into the pulsating tube 210 through the orifice 220 is much smaller than the mass flow rate of the working gas leaving the pulsating tube 210, the working gas in the pulsating tube 210 is Thermally inflated. The adiabatic expansion of this working gas is usually rapidly generated on the regenerator 240 equipped with a cold side heat exchanger (unsigned) to form a cryogenic portion.
다음, 상기 맥동관(210)은 피스톤(140)의 팽창행정과 압축행정 사이에서 저압상태의 열적평형상태를 이루게 되는데, 이 과정에서 작동가스는 지속적으로 오리피스(220)를 통해 저장용기(230)에서 맥동관(210)으로 이동하면서 맥동관(210)내 작동가스의 압력을 높여 처음의 온도를 회복하게 된다.Next, the pulsation tube 210 is a thermal equilibrium state of the low pressure state between the expansion stroke and the compression stroke of the piston 140, in this process working gas is continuously in the storage container 230 through the orifice 220 While moving to the pulsation tube 210, the pressure of the working gas in the pulsation tube 210 is increased to recover the initial temperature.
상기 구동축(130)의 상,하단부에 결합된 상,하부 지지부재(151,152)는 구동축(130)의 왕복운동을 받아 가동자(122)의 직선 왕복운동을 탄성에너지로 저장하고, 그 저장된 탄성에너지를 직선운동으로 변환시키면서 피스톤(140)의 공진운동을 유발시킴과 아울러 가동자의 직선운동을 전달받아 움직이는 피스톤(140)이 실린더부(110a)의 내주벽과 항상 일정한 공차를 두고 직선운동을 할 수 있도록 안내하게 되는 것이었다.The upper and lower support members 151 and 152 coupled to the upper and lower ends of the driving shaft 130 receive the reciprocating motion of the driving shaft 130 to store the linear reciprocating motion of the mover 122 as elastic energy, and the stored elastic energy. While converting the linear motion into a linear motion to induce a resonant motion of the piston 140 and the linear movement of the mover piston 140 to move linearly with a constant tolerance with the inner peripheral wall of the cylinder portion (110a) at all times. It was to be guided.
그러나, 상기와 같은 종래 무윤활 맥동관 냉동기에 있어서는, 피스톤(140)이 실린더부(110a)내에서 항상 미세 간극을 유지한 상태로 직선 왕복운동을 하도록 이루어졌으나, 상기 피스톤(140)의 직선 왕복운동을 위한 상,하부 지지부재(151,152)가 피스톤(140)의 하측에만 체결되어 피스톤(140)이 자체자중 또는 외적조건에 의해 미소하게 틀어지면서 실린더부(110a)의 내주면을 긁어 피스톤(140) 또는 실린더부(110a)에 마모를 발생시키게 됨과 아울러 작동가스의 누설이 발생되어 냉동기의 신뢰성을 저하시킬 우려가 있었다.However, in the conventional non-lubricated pulsating tube refrigerator as described above, the piston 140 is made to linearly reciprocate in a state where the microcavity is always maintained in the cylinder portion 110a, but the linear reciprocation of the piston 140 is performed. The upper and lower support members 151 and 152 for movement are fastened only to the lower side of the piston 140 so that the piston 140 is slightly twisted due to its own weight or external condition, and scratches the inner circumferential surface of the cylinder part 110a to form a piston 140. Alternatively, wear may occur in the cylinder portion 110a, and leakage of working gas may occur, thereby reducing the reliability of the refrigerator.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 무윤활 맥동관 냉동기가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 상기 피스톤이 실린더부 내에서 항상 미세한 간극을 유지한 상태에서 틀어지지 아니하고 안정적으로 직선 왕복운동을 할 수 있는 무윤활 맥동관 냉동기의 구동장치를 제공하려는데 그 목적이 있다.Therefore, the present invention has been made in view of the problems of the conventional non-lubricated pulsating tube freezer as described above, the piston can be stably linear reciprocating motion without being twisted in the state of always maintaining a fine gap in the cylinder portion It is an object of the present invention to provide a driving device for a lubrication-free pulsating tube refrigerator.
도 1은 종래 무윤활 맥동관 냉동기의 일례를 보인 종단면도.1 is a longitudinal sectional view showing an example of a conventional non-lubricated pulsating tube refrigerator.
도 2는 종래 무윤활 맥동관 냉동기의 구동장치를 보인 종단면도.Figure 2 is a longitudinal sectional view showing a driving device of a conventional non-lubricated pulsating tube refrigerator.
도 3은 도 2의 "A - A"를 보인 횡단면도.3 is a cross-sectional view showing "A-A" of FIG.
도 4는 본 발명 무윤활 맥동관 냉동기의 일례를 보인 종단면도.Figure 4 is a longitudinal sectional view showing an example of the present invention a non-lubricated pulsating tube refrigerator.
도 5는 본 발명 무윤활 맥동관 냉동기의 구동장치를 확대하여 보인 종단면도.Figure 5 is a longitudinal sectional view showing an enlarged drive device of the present invention a non-lubricated pulsating tube refrigerator.
도 6 및 도 7은 도 5의 "B - B" 및 "C - C" 단면도.6 and 7 are sectional views taken along line B-B and C-C in FIG.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
310 : 밀폐케이스 310a : 실린더부310: sealed case 310a: cylinder portion
310a-1 : 지지부재 장착홈 311 : 상부프레임310a-1: support member mounting groove 311: upper frame
312 : 중간프레임 312a : 모터지지부312: intermediate frame 312a: motor support
313 : 하부프레임 313a : 지지부재 장착부313: lower frame 313a: support member mounting portion
314 : 밀봉셸 320 : 구동모터314: sealing shell 320: drive motor
323 : 연결링 330 : 구동축323: connection ring 330: drive shaft
340 : 피스톤 341 : 연결봉340: piston 341: connecting rod
350 : 하부 지지부재 360 : 상부 지지부재350: lower support member 360: upper support member
370,380 : 체결부재370,380 fastening member
이와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 실린더부가 구비되고 내부에 작동가스가 충진된 밀폐케이스와, 그 밀폐케이스의 내부에 장착되어 구동력을 발생시키는 구동모터와, 그 구동모터의 가동자에 결합되어 직선 왕복운동을 하는 구동축과, 그 구동축에 연결됨과 아울러 밀폐케이스의 실린더부에 삽입되어 구동축과 함께 직선 왕복운동을 하면서 작동가스를 펌핑하는 피스톤과, 그 피스톤의 양측에 각각 배치되어 피스톤의 공진운동과 직진운동을 안내하도록 판스프링으로 된 상,하부 지지부재를 포함하는 무윤활 맥동관 냉동기의 구동장치에 있어서 ;In order to achieve the object of the present invention, the cylinder is provided with a sealed case filled with a working gas therein, a drive motor mounted to the inside of the sealed case to generate a driving force, coupled to the mover of the drive motor And a piston connected to the drive shaft, which is connected to the drive shaft, and which is inserted into the cylinder part of the sealed case to pump the working gas while performing a linear reciprocating motion with the drive shaft, and disposed on both sides of the piston to resonate the piston. In the driving device of the non-lubricated pulsating tube refrigerator comprising an upper and a lower support member of the leaf spring to guide the movement and the straight movement;
상기 상부 지지부재는 그 가장자리부가 실린더부의 선단면측에 고정 결합되는 반면 그 중앙부는 피스톤의 선단면에서 축방향으로 연장 구비된 연결봉에 일체로 결합되고, 상기 하부 지지부재는 그 가장자리부가 밀폐케이스의 내주면에 고정 결합되는 반면 그 중앙부는 구동축에 일체로 결합되는 것을 특징으로 하는 무윤활 맥동관 냉동기의 구동장치가 제공된다.The upper support member has its edge portion fixedly coupled to the front end surface side of the cylinder portion, while its center portion is integrally coupled to the connecting rod provided axially extending from the front end surface of the piston, and the lower support member has its edge portion of the sealed case. It is fixedly coupled to the inner circumferential surface, while the center thereof is provided with a drive device for a non-lubricated pulsating tube refrigerator, characterized in that integrally coupled to the drive shaft.
이하, 본 발명에 의한 무윤활 맥동관 냉동기의 구동장치를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, the driving apparatus of the non-lubricated pulsating tube refrigerator according to the present invention will be described in detail based on the embodiment shown in the accompanying drawings.
도 4는 본 발명 무윤활 맥동관 냉동기의 일례를 보인 종단면도이고, 도 5는 본 발명 무윤활 맥동관 냉동기의 구동장치를 확대하여 보인 종단면도이며, 도 6 및 도 7은 도 5의 "B - B" 및 "C - C" 단면도이다.Figure 4 is a longitudinal sectional view showing an example of the present invention a non-lubricated pulsating tube refrigerator, Figure 5 is a longitudinal sectional view showing an enlarged drive device of the present invention lubricating pulsating tube refrigerator, Figure 6 and Figure 7 is a "B" of FIG. -B "and" C-C "cross sections.
이에 도시된 바와 같이 본 발명의 무윤활 맥동관 냉동기의 구동장치는, 전술한 바와 같이 작동가스를 압축하여 맥동관으로 대표되는 냉동부(200)로 공급하거나 반대로 상기 냉동부로부터 작동가스를 반출해내도록 냉동부(200)의 일측에 장착되는 것으로, 실린더부(310a)가 구비되고 내부에 작동가스가 충진된 밀폐케이스(310)와, 그 밀폐케이스(310)의 내부에 장착되어 구동력을 발생시키는 구동모터(320)와, 그 구동모터(320)의 가동자(322)에 결합되어 직선 왕복운동을 하는 구동축(330)과, 그 구동축(330)에 연결됨과 아울러 밀폐케이스(310)의 실린더부(310a)에 삽입되어 구동축(330)과 함께 직선 왕복운동을 하면서 작동가스를 펌핑하는 피스톤(340)과, 그피스톤(340)의 양측에 각각 배치되도록 밀폐케이스(310)의 내부에 결합되어 구동모터(320)의 가동자(322)의 직선 왕복운동을 탄성에너지로 저장하고 그 저장된 탄성에너지를 직선운동으로 변환시키면서 피스톤(340)의 공진운동을 유도함과 아울러 구동모터(320)의 가동자(322)와 함께 직선 왕복운동을 하는 피스톤(340)이 직진성을 유지하도록 안내하는 안내용 및 탄성용 상,하부 지지부재(360,350)를 포함하여 구성된다.As shown in the drawing, the driving device of the non-lubricated pulsating tube refrigerator according to the present invention compresses the working gas and supplies the working gas to the freezing unit 200 represented by the pulsating tube, or vice versa. It is mounted on one side of the refrigeration unit 200, the cylinder portion 310a is provided with a working gas filled therein, a closed case 310 and the inside of the sealed case 310 to generate a driving force A drive shaft 330 coupled to the drive motor 320, the mover 322 of the drive motor 320 to linearly reciprocate, and connected to the drive shaft 330 and the cylinder portion of the sealed case 310. A piston 340 inserted into the 310a and linearly reciprocating with the drive shaft 330 to pump the working gas, and coupled to the inside of the sealed case 310 so as to be disposed on both sides of the gpistone 340, respectively. Linear reciprocation of the mover 322 of the motor 320 Piston 340 which stores the motion as elastic energy and induces the resonant motion of the piston 340 while converting the stored elastic energy into a linear motion and linear reciprocating motion with the mover 322 of the drive motor 320 It comprises a guide and elastic upper and lower support members (360,350) for guiding to maintain the straightness.
상기 밀폐케이스(310)는 피스톤(340)이 삽입되어 직선 왕복운동을 하는 실린더부(310a)가 형성됨과 아울러 안내용 지지부재인 상부 지지부재(360)가 장착되는 상부프레임(311)과, 그 상부프레임(311)의 저면에 밀착 결합되어 내부에 구동모터(320)가 고정 장착되는 중간프레임(312)과, 그 중간프레임(312)의 저면에 밀착 결합되어 구동축(330)의 하단에 결합되어 탄성용 지지부재인 하부 지지부재(350)가 체결되는 하부프레임(313)과, 상기 중간프레임(312) 및 하부프레임(313)을 감싸도록 상부프레임(311)의 저면에 밀봉 결합되어 밀폐케이스(310)로부터 작동가스가 누출되는 것을 방지하는 밀봉셸(314)로 이루어진다.The closed case 310 is a piston 340 is inserted into the cylinder frame 310a for linear reciprocating motion is formed and the upper frame 311 is mounted to the upper support member 360, which is a guide support member, and The middle frame 312 is tightly coupled to the bottom of the upper frame 311 and the drive motor 320 is fixedly mounted therein, and the middle frame 312 is tightly coupled to the bottom of the middle frame 312 and coupled to the bottom of the drive shaft 330. The lower frame 313 to which the lower support member 350, which is an elastic support member, is fastened, and is sealed to the bottom of the upper frame 311 so as to surround the intermediate frame 312 and the lower frame 313. And a sealing shell 314 which prevents leakage of working gas from 310.
상기 상부프레임(311)은 피스톤(340)이 삽입되는 실린더부(310a)의 선단면측에 상부 지지부재(360)가 얹혀지기 위한 지지부재 장착홈(310a-1)이 실린더부(310a)와 동심상에 환상으로 형성된다.The upper frame 311 has a support member mounting groove 310a-1 for mounting the upper support member 360 on the front end surface of the cylinder portion 310a into which the piston 340 is inserted, and the cylinder portion 310a. Concentrically formed annularly.
상기 중간프레임(312)의 내주면에는 구동모터(320)의 외측 라미네이션(321B)이 체결되기 위한 모터지지부(312a)가 실린더부(310a)와 동심상에 형성된다.On the inner circumferential surface of the intermediate frame 312, a motor support portion 312a for fastening the outer lamination 321B of the driving motor 320 is formed concentric with the cylinder portion 310a.
상기 하부프레임(313)의 내주면에는 하부 지지부재(350)가 체결되기 위한 돌기형인수개의 지지부재 장착부(313a)가 실린더부(310a)와 동심상에 형성된다.On the inner circumferential surface of the lower frame 313, a plurality of protrusion-type support member mounting portions 313a for fastening the lower support member 350 are formed concentrically with the cylinder portion 310a.
상기 구동모터(320)는 다수개의 철편이 원통형으로 적층된 내,외측 라미네이션(321A,321B)과, 그 중에서 외측 라미네이션(321B)에 수개의 코일(321b)이 장착된 고정자(321)와, 그 고정자(321)의 내,외측 라미네이션(321A,321B) 사이에 개재되어 구동축(330)과 결합되고 상기 코일(321b)에 대향되도록 마그네트(312b)가 장착된 가동자(322)로 이루어지는 통상적인 리니어 모터로서, 상기 외측 라미네이션(321B)이 밀폐케이스(310)의 중간프레임(312)에 체결되고, 상기 내측 라미네이션(321A)은 별도의 연결링(323)에 의해 외측 라미네이션(321B)과 일체로 결합된다.The drive motor 320 includes an inner and outer laminations 321A and 321B in which a plurality of iron pieces are stacked in a cylindrical shape, among which a stator 321 in which several coils 321b are mounted on the outer lamination 321B, and Conventional linear consisting of a mover 322 interposed between the inner and outer laminations 321A, 321B of the stator 321, coupled to the drive shaft 330, and equipped with a magnet 312b mounted to face the coil 321b. As the motor, the outer lamination 321B is fastened to the intermediate frame 312 of the sealed case 310, and the inner lamination 321A is integrally coupled with the outer lamination 321B by a separate connection ring 323. do.
상기 구동축(330)은 전술한 바와 같이 구동모터(320)의 가동자(322)에 일체되어 고정자(321)를 관통하는 것으로, 그 상단은 상부 지지부재(360)를 관통하여 피스톤(340)에 일체로 결합되는 반면, 그 하단은 하부 지지부재(350)의 중앙을 관통하여 별도의 고정부재(370)로 체결된다.As described above, the drive shaft 330 is integrated with the mover 322 of the drive motor 320 to penetrate the stator 321, and an upper end thereof passes through the upper support member 360 to the piston 340. While coupled integrally, the lower end penetrates through the center of the lower support member 350 and is fastened to a separate fixing member 370.
상기 피스톤(340)은 상부 지지부재(360)와 하부 지지부재(350) 사이에 배치되도록 실린더부(310a)에 미세 간극을 갖은 상태로 삽입되고, 그 선단면에 상부 지지부재(360)와 결합되기 위한 연결봉(341)이 연장 형성되며, 그 하단은 전술한 구동축(330)의 상단에 결합된다.The piston 340 is inserted with a fine gap in the cylinder portion 310a to be disposed between the upper support member 360 and the lower support member 350, and coupled with the upper support member 360 at its front end face. Connecting rod 341 is formed to extend, the lower end is coupled to the upper end of the drive shaft 330 described above.
상기 상,하부 지지부재(360,350)는 통상적인 원판형의 스파이럴 판스프링이나, 상부 지지부재(360)는 피스톤(340)에 의해 펌핑되는 작동가스가 원활하게 입출되도록 그 탄성부(361)의 사이에 공간이 넓게 형성되는 반면, 하부 지지부재(350)의 탄성부(351)는 피스톤(340)이 원활하게 왕복운동을 할 수 있도록 각 탄성부(351)가 촘촘하게 형성된다.The upper and lower support members 360 and 350 are spiral disk springs having a conventional disk shape, and the upper support member 360 is disposed between the elastic parts 361 so that the working gas pumped by the piston 340 can be smoothly drawn in and out. While the space is formed in a wide, the elastic portion 351 of the lower support member 350 is formed in each elastic portion 351 so that the piston 340 can smoothly reciprocate.
또한, 상,하부 지지부재(360,350)의 중앙에는 각각 연결봉 장착공(362) 및 구동축 장착공(351)이 동심상에 형성되는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that the connecting rod mounting hole 362 and the drive shaft mounting hole 351 are formed concentrically in the center of the upper and lower support members 360 and 350, respectively.
도면중 종래와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하였다.In the drawings, the same reference numerals are given to the same parts as in the prior art.
도면중 미설명 부호인 210은 맥동관, 211 및 212는 온측부 및 냉측부, 220은 오리피스, 230은 저장용기, 240은 재생기, 250은 예냉기, 380은 체결부재이다.In the drawings, reference numeral 210 denotes a pulsation tube, 211 and 212 on the warm side and the cold side, 220 is an orifice, 230 is a storage container, 240 is a regenerator, 250 is a precooler, and 380 is a fastening member.
상기와 같이 구성되는 본 발명 무윤활 맥동관 냉동기의 구동장치는 다음과 같이 조립된다.The driving device of the present invention, the lubrication-free pulsating tube refrigerator configured as described above is assembled as follows.
먼저, 상기 중간프레임(312)의 모터지지부(312a)에 구동모터(320)의 외측 라미네이션(321B)을 체결하고, 그 외측 라미네이션(321B)에 내측 라미네이션(321A)을 삽입한 다음에 연결링(323)을 이용하여 내,외측 라미네이션(321A,321B)을 일체로 체결하며, 상기 내,외측 라미네이션(321A,321B) 사이의 공극에 구동축(330)이 결합된 원통형의 가동자(322)를 개재시킨다.First, the outer lamination 321B of the driving motor 320 is fastened to the motor support part 312a of the intermediate frame 312, and the inner lamination 321A is inserted into the outer lamination 321B, and then the connection ring ( The inner and outer laminations 321A and 321B are integrally fastened using the 323, and a cylindrical mover 322 having a drive shaft 330 coupled to a gap between the inner and outer laminations 321A and 321B is interposed therebetween. Let's do it.
다음, 상기 하부프레임(313)에 하부 지지부재(350)를 체결시키고, 그 하부 지지부재(350)에 구동축(330)을 체결시키며, 그 구동축(330)의 하단에 체결부재(370)를 결합시켜 하부 지지부재(350)를 고정시킨다.Next, the lower support member 350 is fastened to the lower frame 313, the drive shaft 330 is fastened to the lower support member 350, and the fastening member 370 is coupled to the lower end of the drive shaft 330. To fix the lower support member 350.
다음, 상기 구동축(330)의 상단에 피스톤(340)을 결합시키고, 그 피스톤(340)이 실린더부(310a)에 일정 공차를 두고 삽입되도록 상부프레임(311)을 중간프레임(312)에 체결시키며, 상기 실린더부(310a)의 지지부재 장착홈(310a-1)에 상부지지부재(360)를 얹어 체결시키는데, 이때 상부 지지부재(360)의 중앙을 관통하는 피스톤(340)의 연결봉(341)을 체결부재(380)로 조여 상부 지지부재(360)가 피스톤(340)과 일체가 되도록 한다.Next, the piston 340 is coupled to the upper end of the drive shaft 330, and the upper frame 311 is fastened to the intermediate frame 312 so that the piston 340 is inserted with a certain tolerance in the cylinder portion (310a). The upper support member 360 is fastened to the support member mounting groove 310a-1 of the cylinder portion 310a, wherein the connecting rod 341 of the piston 340 penetrates the center of the upper support member 360. To the fastening member 380 so that the upper support member 360 is integral with the piston 340.
이후, 상기 상부프레임(311)의 저면에는 중간프레임(312)과 하부프레임(313)을 감싸는 밀봉셸(314)을 결합시킨다.Thereafter, the bottom surface of the upper frame 311 is coupled to the sealing shell 314 surrounding the intermediate frame 312 and the lower frame 313.
상기와 같이 조립되는 본 발명 무윤활 맥동관 냉동기의 구동장치는 다음과 같이 동작된다.The drive device of the present invention, the lubrication-free pulsating tube refrigerator assembled as described above is operated as follows.
상기 구동모터(320)에 전원이 인가되어 가동자(322)가 직선 왕복운동을 하게 되면, 그 가동자(322)에 결합된 구동축(330) 역시 직선 왕복운동을 하게 되고, 그 구동축(330)에 일체로 결합된 피스톤(340)이 실린더부(310a) 내에서 직선 왕복운동을 하면서 작동가스를 펌핑시키게 된다.When power is applied to the drive motor 320 and the mover 322 linearly reciprocates, the drive shaft 330 coupled to the mover 322 also linearly reciprocates, and the drive shaft 330 The piston 340 integrally coupled to the pump pumps the working gas while linearly reciprocating in the cylinder portion 310a.
이때, 상기 구동축(330)의 하단부에 결합된 하부 지지부재(350)는 구동축(330)의 왕복운동을 받아 가동자(322)의 직선 왕복운동을 탄성에너지로 저장하고, 그 저장된 탄성에너지를 직선운동으로 변환시키면서 가동자(322)를 공진운동시켜 피스톤(340)이 지속적으로 왕복운동을 하게 한다.At this time, the lower support member 350 coupled to the lower end of the drive shaft 330 receives the reciprocating motion of the drive shaft 330 and stores the linear reciprocating motion of the mover 322 as elastic energy, and stores the stored elastic energy in a straight line. The piston 340 continuously reciprocates by resonating the mover 322 while converting it into motion.
반면, 상기 구동축(330)의 상단부에 결합된 상부 지지부재(360)는 가동자(322)의 직선운동을 전달받아 움직이는 피스톤(340)이 실린더부(310a)의 내주벽과 항상 일정한 공차를 두고 직선운동을 할 수 있도록 피스톤(340)의 반경방향을 지지한다. 즉, 상기 피스톤(340)이 구동축(330)과 함께 왕복운동을 하게 되면, 그 피스톤(340)에서 연장된 연결봉(341)이 탄성부재인 상부 지지부재(360)에 결합되는반면 그 상부 지지부재(360)는 실린더부(310a)가 형성된 상부프레임(311)에 결합되어, 상기 피스톤(340)이 반경방향의 어느 한쪽으로 치우치지 않도록 하는 것이다.On the other hand, the upper support member 360 coupled to the upper end of the drive shaft 330 has a constant tolerance with the inner circumferential wall of the cylinder portion 310a, the piston 340 moving by receiving the linear movement of the mover 322 always The radial direction of the piston 340 is supported to allow a linear movement. That is, when the piston 340 reciprocates with the drive shaft 330, the connecting rod 341 extending from the piston 340 is coupled to the upper support member 360, which is an elastic member, while the upper support member is coupled thereto. 360 is coupled to the upper frame 311 formed with the cylinder portion 310a, so that the piston 340 is not biased in any one of the radial direction.
이렇게, 상기 피스톤(340)의 직선 왕복운동을 유도하는 상,하부 지지부재(360,350)가 피스톤(340)의 양측에 각각 결합되므로, 종래와 같이 상,하부 지지부재가 피스톤의 한쪽에 모두 결합되었을 때 보다 피스톤(340)이 자체자중 또는 외부 조건에 의해 어느 한쪽으로 치우치게 되는 현상을 현저하게 감소시킬 수 있게 되는 것이다.Thus, the upper and lower support members 360 and 350 for inducing linear reciprocation of the piston 340 are coupled to both sides of the piston 340, respectively, so that the upper and lower support members have been coupled to one side of the piston as in the prior art. In this case, the phenomenon in which the piston 340 is biased to either side due to its own weight or an external condition can be significantly reduced.
또한, 냉동기의 조립시에도 종래에는 상,하부 지지부재를 각 프레임에 조립하고 나서 실린더부와 피스톤을 조립하므로, 상기 실린더부와 피스톤과의 미세간극을 유지하기가 용이하지 못하였으나, 본 발명에서와 같이 피스톤(340)을 실린더부(310a)에 삽입시킨 후에 그 실린더부(310a)와 피스톤(340)간의 간극을 확인하면서 상부 지지부재(360)를 결합시킬 수 있게 되어 동심도 유지에 유리하게 되는 것이다.In addition, when assembling the refrigerator, conventionally, since the upper and lower support members are assembled to each frame, the cylinder and the piston are assembled, and thus it is not easy to maintain the micro clearance between the cylinder and the piston. After inserting the piston 340 into the cylinder portion 310a as described above, it is possible to engage the upper support member 360 while checking the gap between the cylinder portion 310a and the piston 340, which is advantageous to maintain concentricity. will be.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 무윤활 맥동관 냉동기의 구동장치는, 피스톤이 지속적으로 직선 왕복운동을 하도록 하는 상,하부 지지부재를 피스톤의 양측에 각각 설치함으로써, 상기 피스톤이 기울어지는 것을 최소화하여 피스톤과 실린더부와의 마모를 방지하고 이를 통해 작동가스의 누설을 방지함과 아울러 조립시에도 피스톤의 조립 이후에 상부 지지부재를 조립할 수 있게 되어 피스톤과 실린더부와의 동심도 유지가 용이하게 되는 효과가 있다.As described above, the driving apparatus of the non-lubricated pulsating tube refrigerator according to the present invention is provided with upper and lower support members on both sides of the piston to allow the piston to continuously linearly reciprocate, thereby minimizing the inclination of the piston. This prevents abrasion between the piston and the cylinder and prevents leakage of the working gas, and also enables the assembly of the upper support member after assembly of the piston during assembly, making it easy to maintain concentricity between the piston and the cylinder. It works.
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