KR100314027B1 - 무윤활 맥동관 냉동기의 구동장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무윤활 맥동관 냉동기의 구동장치에 관한 것으로, 실린더가 구비된 실린더 케이싱에 내,외측 스페이서에 의해 간격이 유지되어 구동축의 직진운동을 유도하는 이중 상판스프링을 고정시키되, 상기 실린더에 피스톤을 먼저 삽입시킨 상태에서 이중 상판스프링을 실린더 케이싱에 고정시키고 나서 피스톤의 위치를 고정시키도록 구성함으로써, 각 부품의 정밀가공에 대한 부담을 감소시켜 생산성이 향상되는 것은 물론 각 스페이서에 의해 구동축의 직진운동이 안정화되어 실린더와 피스톤 사이의 마모발생율이 감소하게 되고, 상기 구동축의 공진운동을 압축형 코일스프링을 이용하게 되어 신뢰성이 향상된다.

Description

무윤활 맥동관 냉동기의 구동장치{DRIVING SYSTEM FOR LUBRICATIONLESS PULSE TUBE REFRIGERATOR}

본 발명은 무윤활 맥동관 냉동기에 관한 것으로, 특히 피스톤이 실린더와 일정공극을 유지한 상태에서 직선으로 왕복운동을 하면서 작동가스를 펌핑하는 무윤활 맥동관 냉동기의 구동장치에 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(100)와, 그 구동유니트(100)에 의해 펌핑되면서 관내를 왕복운동 하는 작동가스의 열역학적 사이클에 의해 극저온부를 갖게 되는 냉동유니트(20)로 구성되어 있다.

상기 구동유니트(100)는 실린더(110a)가 구비되는 케이싱(110)과, 그 케이싱(110)의 내부에 장착되는 리니어형 구동모터(120)와, 그 구동모터(120)에 결합되는 구동축(130)과, 그 구동축(130)에 연결되어 실린더(110a)의 내부에 삽입되는 피스톤(140)과, 상기 구동축(130)의 상,하단에 각각 결합되는 상판스프링(150) 및 하판스프링(160)으로 이루어져 있다.

상기 케이싱(110)은 그 중앙에 실린더(C)가 구비되는 실린더 케이싱(111)과, 그 실린더 케이싱(110)에 고정 체결되어 구동모터(120)가 장착되는 모터 케이싱(112)과, 그 모터 케이싱(112)의 하단면에 고정 체결되어 하판스프링(160)이 고정되는 스프링 케이싱(113)으로 이루어져 있다.

상기 모터 케이싱(112)의 내주면 상단 및 스프링 케이싱(113)의 내주면 하단에는 상판스프링(150) 및 하판스프링(160)이 안착되는 고정턱부(112a,113a)가 각각 정밀 가공되어 형성되고, 그 각 고정턱부(112a,113a)의 적당개소에는 상기한 스프링(150,160)을 체결시키는 체결공(미부호)이 각각 형성되어 있다.

상기 상판스프링(150) 및 하판스프링(160)은 스파이럴 타입으로 형성된 수개의 판스프링이 포개져 이루어지는 것으로, 그 각 판스프링(150,160)의 중앙에는 구동축(130)이 관통하는 축공(151,161) 및 그 축공의 주변에는 피스톤에 볼트로 체결되는 볼트공(미부호)이 형성되고, 상기 각 스프링(150,160)의 외주연에는 상기한 고정턱부(112a,113a)의 체결공에 대응되도록 관통공(미부호)이 형성되어 있다. 상기 모터 케이싱(112) 및 스프링 케이싱(113)의 내주면에 밀착되는 각 스프링(150,160)의 외주면은 정밀 가공되어 있다.

도면중 미설명 부호인 21은 예냉기, 22는 재생기, 23은 맥동관, 23A는 냉측열교환기, 23B는 온측열교환기, 24는 오리피스, 25는 저장용기, 26은 냉동측 밀봉셸, 114는 구동측 밀봉셸, 121은 고정자, 122는 가동자이다.

상기와 같이 구성된 종래 무윤활 맥동관 냉동기에서 구동유니트가 조립되는 과정은 다음과 같다.

먼저, 상기 모터 케이싱(111)의 내부에 구동모터(120)의 고정자(121)를 고정시키고, 그 고정자(121)의 공극에 가동자(122)를 삽입시킨 다음에 그 가동자(122)에 구동축(130)을 일체로 체결시키며, 상기 구동축(130)의 상단부에 상판스프링(150)을 삽입 체결시키는 동시에 그 상판스프링(150)의 외주연을 모터 케이싱(111)의 고정턱부(111a)에 체결 고정시키고, 상기 구동축(130)의 상단에 피스톤(140)을 체결시키는 동시에 피스톤(140)과 상판스프링(150)을 체결 고정시킨다.

다음, 상기 구동축(130)의 하단에 하판스프링(160)을 체결시키고, 그 하판스프링(160)의 외주연을 스프링 케이싱(113)에 체결 고정시키는 동시에 그 스프링 케이싱(113)을 모터 케이싱(112)에 체결 고정시킨다.

다음, 상기 피스톤(140)이 실린더(C)에 일정 공차를 두고 삽입되도록 하면서 그 실린더(C)가 구비된 실린더 케이싱(111)을 모터 케이싱(112)의 선단면에 체결 고정시키는 것이었다.

그러나, 상기와 같은 종래 무윤활 맥동관 냉동기의 구동장치에서 피스톤과 실린더가 평행도를 유지하기 위하여는, 상기 피스톤(140)과 구동축(130)의 동심도가 일치하도록 가공 및 조립되어야 하고, 또한 상기 구동축(130)과 상판 스프링(150)및 하판스프링(160)의 동심도가 일치하도록 가공 및 조립되어야 하며, 또한 상기 각 스프링(150,160)과 이 스프링(150,160)들이 각각 고정되는 케이싱들(112,113)의 동심도가 일치하도록 가공 및 조립되어야 하고, 마지막으로 상기 케이싱들(112,113)과 실린더(C)의 동심도가 일치하여야 하도록 가공 및 조립되어야 하나, 상기 피스톤(140)과 실린더(C) 사이의 공차가 통상 10∼20μm임을 고려하면 각 부재 사이의 가공공차는 2.5μm 이하가 되어야 하므로 가공이 매우 정밀하게 진행되는데 따른 가공비용이 증가하게 되고, 이를 감안하여 피스톤(140)과 실린더(C) 사이의 공차를 확대하게 되면 작동가스가 누설되면서 압축효율이 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 무윤활 맥동관 냉동기의 구동장치가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 상기 피스톤과 실린더 사이의 적정공차를 용이하게 유지시킬 수 있는 무윤활 맥동관 냉동기의 구동장치를 제공하려는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래 무윤활 맥동관 냉동기의 일례를 보인 종단면도.

도 2는 종래 무윤활 맥동관 냉동기의 구동장치를 분해하여 보인 종단면도.

도 3은 본 발명 무윤활 맥동관 냉동기의 구성을 보인 종단면도.

도 4a 및 도 4b는 도 3의 'A' 및 'B'를 상세히 보인 종단면도.

도 5는 본 발명 무윤활 맥동관 냉동기의 구동유니트를 분해하여 보인 종단면도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

210 : 케이싱 211 : 실린더 케이싱

211a : 고정턱부 212 : 모터 케이싱

220 : 구동모터 230 : 구동축

240 : 피스톤 250 : 이중 상판스프링

250A : 상측 상판스프링 250B : 하측 상판스프링

260 : 공진스프링 270 : 내측 스페이서

271 : 관통구 280 : 외측 스페이서

281 : 관통구 C : 실린더

B : 체결볼트

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 냉동유니트에 작동가스를 펌핑하는 구동유니트의 케이싱 내부에 리니어형 구동모터가 장착되고, 그 구동모터의 가동자에 일체로 결합된 구동축의 단부에는 상기 냉동유니트와 연통되는 실린더에 소정의 공차를 두고 삽입되어 직선으로 왕복운동을 하면서 작동가스를 펌핑하는 피스톤이 결합되며,

상기 구동축의 일단에는 상기한 피스톤의 공진 및 직진운동을 안내하는 복수개의 판형 탄성부재가 케이싱에 고정 결합되되,

상기 구동축이 관통하는 두 판형 탄성부재의 중심부 사이에는 상기한 구동축이 관통되는 내측 스페이서가 개재되어 두 판형 탄성부재에 결합되고, 상기 케이싱에 고정되는 두 판형 탄성부재의 외주연 사이에는 상기한 내측 스페이서와 함께 두 판형 탄성부재가 일정간격을 유지하도록 하는 외측 스페이서가 개재되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 무윤활 맥동관 냉동기의 구동장치가 제공된다.

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

도 3은 본 발명 무윤활 맥동관 냉동기의 구성을 보인 종단면도이고, 도 4a 및 도 4b는 도 3의 'A' 및 'B'를 상세히 보인 종단면도이며, 도 5는 본 발명 무윤활 맥동관 냉동기의 구동유니트를 분해하여 보인 종단면도이다.

이에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 구동장치가 구비된 무윤활 맥동관 냉동기는, 작동가스의 왕복운동을 발생시키는 구동유니트(200)와, 그 구동유니트(200)에 의해 펌핑되면서 관내를 왕복운동 하는 작동가스의 열역학적 사이클에 의해 극저온부를 갖게 되는 냉동유니트(20)로 구성된다.

상기 구동유니트(200)는 실린더(C)가 구비되는 케이싱(210)과, 그 케이싱(210)의 내부에 장착되는 리니어형 구동모터(220)와, 그 구동모터(220)에 결합되어 직선 왕복운동을 하는 구동축(230)과, 그 구동축(230)에 결합되어 실린더(C)의 내부에 삽입되는 피스톤(240)과, 상기 구동축(230)의 상단에 결합되어 그 구동축의 직진운동을 유도하는 이중 상판스프링(250)과, 상기 구동축(230)의 하단에 결합되어 그 구동축(230)의 왕복운동을 유도하는 공진스프링(260)으로 이루어진다.

상기 케이싱(210)은 실린더(C)가 구비되고 상판스프링이 고정되는 실린더 케이싱(211)과, 그 실린더 케이싱(211)의 하단에 결합되고 구동모터(220)가 장착되는 원통형의 모터 케이싱(212)과, 상기 모터 케이싱(212)을 수용하여 실린더 케이싱(211)에 밀봉 결합되는 구동측 밀봉셸(213)로 이루어진다.

상기 실린더 케이싱(211)은 '캡'형상으로 형성되어 그 중앙에 실린더(C)가 형성되고, 상기 케이싱의 내주면 중간에는 이중 상판스프링(250)이 내주면과 일정간격을 두고 안착되어 체결되는 고정턱부(211a)가 형성된다.

상기 이중 상판스프링(250)은 구동모터(220)와 피스톤(240) 사이의 구동축(230) 상단부에 복층으로 장착되는 판스프링으로서, 그 두 판스프링(250A,250B)의 사이에는 각각의 판스프링(250A,250B)이 상호 일정간격을 유지하도록 하나의 내측 스페이서(270) 및 수 개의 외측 스페이서(280)가 개재된다.

상기 내측 스페이서(270)는 구동축(230)이 삽입되는 관통구(271)가 형성되어 두 판스프링(250A,250B)의 중심부 사이에 설치되는 반면, 상기 외측 스페이서(280)는 상기한 내측 스페이서(270)와 동일한 높이로 형성되어 실린더 케이싱(211)의 고정턱부(211a)에 체결볼트(B)로 고정되는 각 판스프링(250A,250B)의 외주연 사이에 설치된다.

상기 공진스프링(260)은 압축형 코일스프링으로 그 일측단은 구동축(230)의 하단에 지지되는 반면, 그 타단은 상기한 구동축(230)이 대향되는 밀봉셸(213)의 내저면에 지지된다.

도면중 종래와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하였다.

도면중 미설명 부호인 21은 예냉기, 22는 재생기, 23은 맥동관, 23A는 냉측열교환기, 23B는 온측열교환기, 24는 오리피스, 25는 저장용기, 26은 냉동측 밀봉셸, 221은 고정자, 222는 가동자, 281은 외측 스페이서의 관통구이다.

상기와 같은 본 발명에 의한 무윤활 맥동관 냉동기의 구동장치를 조립하는 과정은 다음과 같다.

먼저, 통상적인 지그(Jig) 또는 공극게이지(Thickness Gauge) 등을 이용하여 실린더(C)와 피스톤(240)이 일정 공극을 유지시킨 상태에서 실린더(C)의 내부에 피스톤(240)을 삽입 지지시킨다.

다음, 상기 피스톤(240)의 저면에 이중 상판스프링(250)의 상측 상판스프링(250A)을 체결하고, 그 상측 상판스프링(250A)의 저면측 중앙에는 내측 스페이서(270)를 개재시키는 반면 외주연에는 수개의 외측 스페이서(280)를 등간격으로 개재시킨 상태에서 하측 하판스프링(250B)을 얹어 상기한 외측 스페이서(280)의 관통구(281)를 통과하는 체결볼트(B)로 상,하측 상판스프링(250A,250B)을 실린더 케이싱(211)의 고정턱부(211a)에 체결 고정시킨다.

이후, 상기 모터 케이싱(212)에 고정된 구동모터(220)의 가동자에 구동축(230)을 일체로 체결시킨 상태에서 그 구동축(230)이 내측 스페이서(270)의 관통구(271)를 거쳐 피스톤(240)에 고정되도록 한다.

한편, 상기 구동축(230)의 하단에는 압축형 코일스프링인 공진스프링(260)의상단부가 고정되도록 하는 반면 그 공진스프링(260)의 하단은 구동측 밀봉셸(214)의 바닥면에 지지되도록 하여 구동측 밀봉셸(213)로 구동유니트(200)를 밀봉하여 조립을 완성한다.

상기와 같은 본 발명에 의한 무윤활 맥동관 냉동기에서 구동모터(220)의 고정자(221)에 전원이 인가되면, 그 구동모터(220)의 가동자(222)에 체결된 구동축(230)이 이중 상판스프링(250) 및 공진스프링(260)에 의해 직선으로 왕복운동을 하게 되고, 그 구동축(230)에 결합된 피스톤(240)이 실린더(C)의 내부에서 왕복운동을 하면서 작동가스를 펌핑하여 냉동유니트(20)에서 극저온부가 형성된다.

이때, 상기 상판스프링(250)은 그 상,하 양측 판스프링(250A,250B)의 사이에 내측 스페이서(270) 및 외측 스페이서(280)가 개재됨과 아울러 그 중 내측 스페이서(270)에 구동축(230)이 삽입되므로, 상기 구동축(230)의 왕복운동시 두 판스프링(250A,250B)이 항상 일정간격을 갖도록 하여 구동축(230)이 왕복운동중에 직진성을 유지하게 되는 동시에 그 구동축(230)에 결합된 피스톤(240)이 실린더(C)의 내부에서 일정공극을 유지하면서 안정적으로 펌핑동작을 실시하게 되는 것이다.

이렇게 하여, 상기 피스톤이 실린더의 동심도와 일치하도록 그 피스톤의 위치를 먼저 고정한 다음에 나머지 구동축 및 직진스프링 등을 적절히 후조립할 수 있게 되어 종래와 같이 실린더 및 피스톤 및 구동축 및 상판스프링 그리고 케이싱의 내주면(고정단부) 등을 정밀하게 가공하지 않고도 피스톤과 실린더의 동심도를 용이하게 유지시킬 수 있다.

또한, 상기 판스프링을 대신하여 구동축의 하단에는 그 구동축의 왕복운동을유도하기 위한 공진스프링으로 압축형 코일스프링을 장착하므로, 적은 비용으로도 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 의한 무윤활 맥동관 냉동기의 구동장치는, 실린더가 구비된 실린더 케이싱에 내,외측 스페이서에 의해 간격이 유지되어 구동축의 직진운동을 유도하는 이중 상판스프링을 고정시키되, 상기 실린더에 피스톤을 먼저 삽입시킨 상태에서 이중 상판스프링을 실린더 케이싱에 고정시키고 나서 피스톤의 위치를 고정시키도록 구성함으로써, 각 부품의 정밀가공에 대한 부담을 감소시켜 생산성이 향상되는 것은 물론 각 스페이서에 의해 구동축의 직진운동이 안정화되어 실린더와 피스톤 사이의 마모발생율이 감소하게 되고, 상기 구동축의 공진운동을 압축형 코일스프링을 이용하게 되어 신뢰성이 향상된다.

Claims (2)

1. 냉동유니트에 작동가스를 펌핑하는 구동유니트의 케이싱 내부에 리니어형 구동모터가 장착되고, 그 구동모터의 가동자에 일체로 결합된 구동축의 단부에는 상기 냉동유니트와 연통되는 실린더에 소정의 공차를 두고 삽입되어 직선으로 왕복운동을 하면서 작동가스를 펌핑하는 피스톤이 결합되며,

   상기 구동축의 일단에는 상기한 피스톤의 공진 및 직진운동을 안내하는 복수개의 판형 탄성부재가 케이싱에 고정 결합되되,

   상기 구동축이 관통하는 두 판형 탄성부재의 중심부 사이에는 상기한 구동축이 관통되는 내측 스페이서가 개재되어 두 판형 탄성부재에 결합되고, 상기 케이싱에 고정되는 두 판형 탄성부재의 외주연 사이에는 상기한 내측 스페이서와 함께 두 판형 탄성부재가 일정간격을 유지하도록 하는 외측 스페이서가 개재되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 무윤활 맥동관 냉동기의 구동장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 구동축의 하단부에 압축형 코일스프링의 일단이 지지되는 반면 그 구동축의 하단부에 대향되는 케이싱에 압축형 코일스프링의 타단이 지지되어 상기한 구동축의 공진운동을 보강하는 것을 특징으로 하는 무윤활 맥동관 냉동기의 구동장치.