KR100314024B1 - 무윤활 맥동관 냉동기의 피스톤 고정구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무윤활 맥동관 냉동기의 피스톤 고정구조에 관한 것으로, 구동축의 상단부 외주면에는 피스톤의 직진운동을 유도하는 탄성부재가 삽입되어 걸치도록 단차부가 형성되고, 그 구동축의 단차부에 얹힌 탄성부재를 압착시키는 중공체의 고정부재가 구동축에 조여지며, 상기 피스톤이 고정부재와의 사이에 완충부재가 개재되어 구동축의 상단에 고정 결합되어 이루어짐으로써, 상기 피스톤과 탄성부재를 구동축에 별도로 고정하게 되어 피스톤과 실린더 사이의 평행도 조절이 용이하게 되고, 상기 상판스프링을 너트형 고정부재로 조여 구동축에 체결시키게 되어 그 상판스프링의 조립강도가 강화되며, 상기 피스톤과 상판스프링의 사이에 완충부재가 개재되어 피스톤과의 직립성이 보장되는 동시에 상판스프링의 파손을 미연에 방지될 수 있다.

Description

무윤활 맥동관 냉동기의 피스톤 고정구조{STRUCTURE FOR FIXING PISTON OF LUBRICATIONLESS PULSE TUBE REFRIGERATOR}

본 발명은 무윤활 맥동관 냉동기에 관한 것으로, 특히 작동가스를 펌핑하는 피스톤을 구동축에 안정적으로 고정시키는데 적합한 무윤활 맥동관 냉동기의 피스톤 고정구조에 관한 것이다.

일반적으로 극저온 냉동기는 소형 전자부품이나 초전도체 등의 냉각을 위하여 사용되는 저진동 고신뢰성의 냉동기로서, 주로 스터링 냉동기(Stirling Refrigerator)나 지엠 냉동기(GM Refrigerator) 또는 줄-톰슨 냉동기(Joule-Thomson Refrigerator) 등이 널리 알려져 있다. 이러한 냉동기들은 고속운전시 그 신뢰성이 저하되는 것은 물론 운전시 마찰부위의 마모에 대비하여 별도의 윤활을 실시하여야 하므로, 최근에는 고속운전에서도 신뢰성이 유지되고 별도의 윤활이 필요없어 장기간 보수를 하지 않아도 되는 극저온 냉동기가 요구되고 있는데, 이러한 극저온 냉동기중의 하나가 무윤활 맥동관 냉동기(Lubricationless Pulse Tube Refrigerator)이다.

도 1은 종래 무윤활 맥동관 냉동기의 일례를 단면하여 보인 개략도로서, 이에 도시된 바와 같이 종래의 무윤활 맥동관 냉동기는, 작동가스의 왕복운동을 발생시키는 구동유니트(10)와, 그 구동유니트(10)에 의해 펌핑되면서 관내를 왕복운동 하는 작동가스의 열역학적 사이클에 의해 극저온부를 갖게 되는 냉동유니트(20)로 구성되어 있다.

상기 구동유니트(10)는 실린더(10a)가 구비되는 케이싱(11)과, 그 케이싱(11)의 내부에 장착되는 리니어형 구동모터(12)와, 그 구동모터(12)에 결합되는 구동축(13)과, 그 구동축(13)에 연결되어 실린더(10a)의 내부에 삽입되는 피스톤(14)과, 상기 구동축(13)의 상,하단에 각각 결합되는 상판스프링(15) 및 하판스프링(16)으로 이루어져 있다.

상기 구동축(13)의 상단부에는 상판스프링(15)의 중앙에 형성된 관통공이 걸쳐지도록 정밀 가공되는 단차면(13a)이 형성되고, 그 단차면(13a) 상측에는 후술할 피스톤(14)의 관통공(14)에 대응되도록 형성되어 체결볼트로 체결될 체결공(13b)이 형성되어 있다.

상기 피스톤(14)은 구동축(13)의 상단부가 삽입되도록 중공부(미부호)가 형성되고, 그 중공부의 내주면 중간에는 구동축(13)의 상단이 걸쳐지도록 정밀 가공된 단차면(14a)이 형성되며, 상기 구동축(13)의 체결공(13b)에 대응되는 축부에는 체결볼트가 관통되는 관통공(14a)이 형성되어 있다.

도면중 미설명 부호인 21은 예냉기, 22는 재생기, 23은 맥동관, 23A는 냉측열교환기, 23B는 온측열교환기, 24는 오리피스, 25는 저장용기, 26은 냉동측 밀봉셸이다.

상기와 같이 구성된 종래 무윤활 맥동관 냉동기에서 구동유니트를 조립하는 과정은 다음과 같다.

먼저, 상기 케이싱(11)의 내부에 구동모터(12)의 고정자를 고정시키고, 그 고정자의 공극에 가동자를 삽입시킨 다음에 그 가동자에 구동축(13)을 일체로 체결시키며, 그 구동축(13)의 하단부에는 케이싱(11)에 고정된 하판스프링(16)을 체결시키는 반면 상기 구동축(13)의 상측부에 구비된 단차면(13a)에는 역시 케이싱(11)에 고정되는 상판스프링(15)을 삽입하여 걸치도록 한다.

다음, 상기 구동축(13)의 상단이 피스톤(14)의 중공부 내주면에 구비된 단차면(14a)에 걸리도록 상기한 피스톤(14)을 구동축(13)에 삽입하되 그 피스톤(14)의 축단이 상판스프링(15)의 상면을 눌러 고정하도록 하는 동시에 그 피스톤(14)의 축부에 구비된 관통공(14b)이 구동축(13)의 체결공(13b)에 일치하도록 하여 체결볼트로 체결 조립한다.

이렇게 조립된 종래 무윤활 맥동관 냉동기는, 상기 구동모터(12)에 전원이 인가되면, 상기 구동축(13)이 상판 및 하판스프링(15,16))에 의해 직선으로 왕복운동을 하게 되고, 그 구동축(13)에 일체로 결합된 피스톤(10)이 실린더(10a)에서 직선으로 왕복운동을 하면서 냉동유니트(20)의 작동가스를 펌핑시켜 상기한 맥동관(23)의 냉측열교환기(23A)쪽에서 극저온부가 형성되도록 하는 것이었다.

그러나, 상기와 같은 종래 무윤활 맥동관 냉동기에서는, 케이싱(11)에 고정된 상판스프링(15)에 피스톤(14)이 밀착되어 고정되므로 상기 피스톤(14)의 조립시 그 피스톤(14)의 직립성 뿐만이 아니라 상판스프링(15)의 수평도까지를 고려하여야 하므로 결국 피스톤(14)과 실린더(10a)의 동심도를 유지시켜 조립하기가 난해하게 되는 문제점이 있었다.

또한, 상기 상판스프링(15)은 피스톤(14)에 눌려 구동축(13)에 고정되는 것이나, 실제 조립시 상판스프링(15)을 견고하게 조립하기 위하여 피스톤(14)을 누르게 되면 상판스프링(15)까지 함께 휘어져 그 상판스프링(15)을 구동축(13)에 견고하게 조립하는데는 한계가 있었다.

또한, 상기 피스톤(14)과 상판스프링(15)이 직접 접촉되도록 조립되어 함께 왕복운동을 하게 되나, 두 부재(14,15)의 관성차로 인한 운동주기의 차이가 발생되고, 이 운동주기의 차이로 인해 두 부재(14,150 사이에 미세한 충돌이 지속적으로 발생되어 피스톤(14)이 직진성을 잃거나 또는 상판스프링(15)이 파손될 우려가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 무윤활 맥동관 냉동기의 피스톤 고정구조가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 상기 피스톤의 조립시 실린더와의 평행도를 유지하기가 용이한 무윤활 맥동관 냉동기의 피스톤 고정구조를 제공하려는데 그 목적이 있다.

또한, 상기 상판스프링을 구동축에 견고하게 조립할 수 있는 무윤활 맥동관 냉동기의 피스톤 고정구조를 제공하려는데도 본 발명의 목적이 있다.

또한, 피스톤과 상판스프링이 함께 지속적으로 왕복운동을 하더라도 피스톤의 직진성이 저하되거나 상판스프링이 파손되는 것을 미연에 방지할 수 있는 무윤활 맥동관 냉동기의 피스톤 고정구조를 제공하려는데도 본 발명의 목적이 있다.

도 1은 종래 무윤활 맥동관 냉동기의 일례를 보인 종단면도.

도 2는 도 1의 'A'부를 보인 상세도.

도 3은 본 발명 무윤활 맥동관 냉동기의 일례를 보인 종단면도.

도 4는 도 3의 'B'부를 보인 상세도.

도 5는 본 발명 무윤활 맥동관 냉동기에서 구동축과 피스톤의 결합상태에 대한 변형예를 보인 종단면도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

110 : 케이싱 110a : 실린더

120 : 구동모터 130 : 구동축

131 : 단차면 132 : 결합돌부

140 : 피스톤 조립체 141 : 피스톤 몸체

141a : 단차면 141b : 관통구

150,160 : 상판 및 하판스프링 170 : 고정부재

N : 고정너트 R : 완충부재

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 냉동유니트의 작동가스를 펌핑하는 구동유니트의 피스톤이 직선운동을 하는 구동축에 결합되어 실린더에 삽입되고, 상기구동축의 양측단에는 구동모터와 함께 그 구동축의 공진운동 및 직진운동을 유도하는 탄성부재가 각각 고정되되,

상기 구동축의 상단부 외주면에는 탄성부재가 삽입되어 걸치도록 단차부가 형성되고, 그 구동축의 단차부에 얹힌 탄성부재를 압착시키는 중공체의 고정부재가 구동축에 조여지며, 상기 피스톤이 고정부재와의 사이에 완충부재가 개재되어 구동축의 상단에 고정 결합되는 것을 특징으로 하는 무윤활 맥동관 냉동기의 피스톤 고정구조가 제공된다.

이하, 본 발명에 의한 무윤활 맥동관 냉동기의 피스톤 고정구조를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명 무윤활 맥동관 냉동기의 구동유니트를 보인 종단면도이고, 도 4는 도 3의 'B'부를 보인 상세도이다.

이에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 피스톤 고정구조가 구비된 무윤활 맥동관 냉동기는, 작동가스의 왕복운동을 발생시키는 구동유니트(100)와, 그 구동유니트(100)에 의해 펌핑되면서 관내를 왕복운동 하는 작동가스의 열역학적 사이클에 의해 극저온부를 갖게 되는 냉동유니트(20)로 구성된다.

상기 구동유니트는 실린더(110a)가 구비되는 케이싱(110)과, 그 케이싱(110)의 내부에 장착되는 리니어형 구동모터(120)와, 그 구동모터(120)에 결합되어 직선 왕복운동을 하는 구동축(130)과, 그 구동축(130)에 결합되어 실린더(110a)의 내부에 삽입되는 피스톤 조립체(140)와, 상기 구동축(130)의 상하단에 각각 결합되는 상판스프링(150) 및 하판스프링(160)과, 상기 상판스프링을 구동축에 고정시키는고정부재(170)로 이루어진다.

상기 구동축(130)은 그 상단부 외주면에 상판스프링(150)이 걸쳐지는 단차면(131)이 형성되고, 그 구동축(130)의 상단면에는 후술할 피스톤 조립체(140)의 피스톤 몸체(141)가 삽입되어 고정너트(N)로 고정되는 결합돌부(132)가 형성된다.

상기 피스톤 조립체(140)는 구동축(130)과의 결합작업이 용이하도록 피스톤 몸체(141)가 중공체로 형성되고, 그 피스톤 몸체(141)의 중공부 내주면에는 상기 고정너트(N)의 체결시 피스톤 몸체(141)가 구동축(130)의 결합돌부(132)에 압착되도록 단차면(141a)이 형성된다.

상기 고정부재(170)는 구동축(130) 상단을 씌워 나사 체결되도록 너트형상으로 형성되고, 그 내주면에는 구동축(130)의 외주면에 나사 체결되도록 나사부(171)가 형성된다.

여기서, 상기 피스톤 몸체(141)의 저면과 고정부재(170)의 상단면 사이에는 피스톤 몸체(141)와 고정부재(170)의 접촉을 방지하는 완충부재(R)를 개재시키는 것이 바람직하다.

도면중 종래와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하였다.

도면중 미설명 부호인 141b는 피스톤 몸체의 관통구, 142는 피스톤 마개이다.

상기와 같은 본 발명에 의한 무윤활 맥동관 냉동기에서 구동축에 피스톤 및 상판스프링을 조립하는 과정은 다음과 같다.

먼저, 상기 상판스프링(150)이 구동축(130)의 외주면에 구비된 단차면(131)에 걸치도록 하여 구동축(130)의 상단부에 삽입시키고, 그 상판스프링(150)이 구동축(130)의 단차면(131)에 압착되도록 고정부재(170)를 구동축(130)의 상단에 체결시는데, 이때 상기 고정부재(170)의 관통구를 통해 구동축(130)의 상단부가 관통 돌출되도록 한다.

다음, 상기 고정부재의 상면에 완충부재가 얹히도록 삽입한 후에, 상기 구동축의 상단부에 피스톤 몸체를 안착시키되 그 피스톤 몸체의 관통구에 구동축의 결합돌부를 삽입시키며, 그 결합돌부의 끝단에 고정너트를 조여 피스톤 몸체와 구동축을 체결시킨다.

한편, 상기 구동축(130)과 피스톤(140)을 고정시키는데 있어서, 전술한 바와 같이 나사결합시킬 수도 있으나, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 구동축(130)의 결합돌부(132)를 피스톤(240)에 압입시켜 고정시킬 수도 있다.

상기와 같은 본 발명의 피스톤 고정구조가 구비된 무윤활 맥동관 냉동기에서 구동모터(120)에 전원 인가시 구동축(130)이 상판 및 하판스프링(150,160)에 의해 직선으로 왕복운동을 하게 되고, 그 구동축(130)에 일체로 결합된 피스톤 조립체(140)가 실린더(110a)에서 직선으로 왕복운동을 하면서 냉동유니트(200)의 작동가스를 펌핑시켜 맥동관(210)의 냉측열교환기(212)쪽에서 극저온부가 형성되도록 하는 일련의 동작은 종래와 동일하다.

이렇게, 별도의 고정부재(170)를 이용하여 상판스프링(150)을 미리 구동축(130)에 고정시킨 다음에 피스톤(140)을 고정시키게 되면, 상기 피스톤(140)의 조립시 그 피스톤(140)이 상판스프링(150)의 수평도에 관계없이 직립성을 유지할 수 있어 피스톤(140)과 실린더(110a) 사이의 평행도를 조절하기가 용이하게 된다.

또한, 상기 고정부재(170)가 구동축(130)에 체결되는 너트형으로 이루어져 상판스프링(150)을 조여 체결하게 되므로, 상기 상판스프링(150)을 구동축(130)에 최대한 압착시키면서 견고하게 조립할 수 있다.

또한, 상기 피스톤(140)과 상판스프링(150)의 사이에 완충부재(R)가 별도로 개재되어 그 피스톤(140)과 상판스프링(150)이 직접 접촉되지 않으므로, 상기 피스톤(140)과 상판스프링(150)이 함께 지속적으로 왕복운동을 하더라도 피스톤(140)이 상판스프링(150)의 이상동작에 의해 직진성이 저하되거나 또는 상기 상판스프링(150)이 피스톤(140)과의 충돌에 의해 파손되는 것이 미연에 방지된다.

본 발명에 의한 무윤활 맥동관 냉동기의 피스톤 고정구조는, 상기 구동축의 상단부 외주면에는 피스톤의 직진운동을 유도하는 탄성부재가 삽입되어 걸치도록 단차부가 형성되고, 그 구동축의 단차부에 얹힌 탄성부재를 압착시키는 중공체의 고정부재가 구동축에 조여지며, 상기 피스톤이 고정부재와의 사이에 완충부재가 개재되어 구동축의 상단에 고정 결합되어 이루어짐으로써, 상기 피스톤과 탄성부재를 구동축에 별도로 고정하게 되어 피스톤과 실린더 사이의 평행도 조절이 용이하게 되고, 상기 상판스프링을 너트형 고정부재로 조여 구동축에 체결시키게 되어 그 상판스프링의 조립강도가 강화되며, 상기 피스톤과 상판스프링의 사이에 완충부재가개재되어 피스톤과의 직립성이 보장되는 동시에 상판스프링의 파손을 미연에 방지될 수 있다.

Claims (1)

1. 냉동유니트의 작동가스를 펌핑하는 구동유니트의 피스톤이 직선운동을 하는 구동축에 결합되어 실린더에 삽입되고, 상기 구동축의 양측단에는 구동모터와 함께 그 구동축의 공진운동 및 직진운동을 유도하는 탄성부재가 각각 고정되되,

   상기 구동축의 상단부 외주면에는 탄성부재가 삽입되어 걸치도록 단차부가 형성되고, 그 구동축의 단차부에 얹힌 탄성부재를 압착시키는 중공체의 고정부재가 구동축에 조여지며, 상기 피스톤이 고정부재와의 사이에 완충부재가 개재되어 구동축의 상단에 고정 결합되는 것을 특징으로 하는 무윤활 맥동관 냉동기의 피스톤 고정구조.