KR100351154B1 - 극저온 냉동기의 진동 상쇄구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 극저온 냉동기의 진동 상쇄구조에 관한 것으로, 본 발명은 실린더부가 구비되어 밀폐케이스 내부에 결합된 프레임에 구동모터가 장착되고 상기 구동모터의 구동력이 구동축을 통해 상기 실린더부에 삽입된 피스톤에 전달되며 복수개의 스파이럴형 홈이 각각 형성된 지지부재가 그 스파이럴형 홈의 방향이 서로 같도록 상기 구동축에 각각 결합되어 그 구동축에 전달되는 직선 왕복운동을 탄성에너지로 저장 및 변환시킴과 아울러 상기 피스톤의 직진 운동을 안내하고 상기 피스톤이 상기 실린더부에서 직선 왕복 운동하면서 작동가스를 펌핑시킴에 의해 그 펌핑된 작동가스가 재생기를 통해 맥동관으로 유입 유출되면서 상기 맥동관에서 작동가스가 압축되고 팽창됨에 의해 맥동관의 팽창부가 극저온 상태가 되는 극저온 냉동기에서, 상기 밀폐케이스에 고정축이 결합되고 복수개의 스파이럴형 홈이 구비된 판스프링이 그 스파이럴형 홈이 상기 지지부재의 스파이럴형 홈과 반대 방향으로 위치하도록 상기 고정축에 결합되며 상기 판스프링에 질량체가 결합되도록 구성하여 운전 중 구동모터의 가동자와 구동축과 피스톤 그리고 지지부재의 직선 왕복 움직임에 의해 발생되는 축 방향 진동과 상기 지지부재에 의해 발생되는 반경 방향 진동이 상기 극저온 냉동기 전체에 전달되어 진동되는 것을 최소화시킴으로써 운전 중 발생되는 진동 소음을 줄일 수 있도록 한 것이다.

Description

극저온 냉동기의 진동 상쇄구조{STRUCTURE FOR REDUCING VIBRATION IN CRYO-COOLER}

본 발명은 극저온 냉동기의 진동 상쇄구조에 관한 것으로, 특히 작동가스를 펌핑하여 맥동관에서 극저온 상태의 냉각이 이루어지는 과정에서 발생되는 축 방향 진동과 반경 방향 진동을 감소시킬 수 있도록 한 극저온 냉동기의 진동 상쇄구조를 제공함에 관한 것이다.

일반적으로 소형 전자부품 및 초전도체 등의 냉각을 위하여 극저온 냉동기가 주로 사용된다. 상기 극저온 냉동기로는 스터링 냉동기, 맥동관 냉동기 등이 있다.

도 1은 상기 극저온 냉동기의 일례를 도시한 것으로, 이에 도시한 바와 같이, 극저온 냉동기는 실린더부(1)가 구비된 프레임(10)이 밀폐케이스(20) 내부에 결합되고 상기 프레임(10)에 직선 구동력을 발생시키는 구동모터(30)가 결합된다. 상기 프레임(10)의 실린더부(1)에 피스톤(33)이 삽입되며 상기 피스톤(33)에 소정의 길이를 갖는 구동축(32)이 결합되며 상기 구동축(32)은 상기 구동모터(30)를 구성하는 가동자(31)와 연결된다.

그리고 상기 구동축(32)의 양측에 위치하여 상기 프레임(10)과 구동축(32)을 연결하는 지지부재(34)가 결합된다. 상기 지지부재(34)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 일정 두께를 갖는 원판 형태로 그 가운데 구동축(32)이 삽입되는 축 삽입구멍(34a)이 형성되고 그 축 삽입구멍(34a)을 중심으로 같은 방향의 스파이럴형 홈(34b)이 다수개 형성되며 그 가장자리에 다수개의 체결공(34c)이 형성되어 이루어진다. 상기 지지부재(34)는 작동시 구동축(32)에 비틀림력이 작용하는 것을 방지하기 위하여 스파이럴형 홈(34b)이 같은 방향으로 위치하도록 구동축(32)의 양측에 결합된다. 상기 지지부재(34)는 구동모터 가동자(31)의 직선 왕복운동을 탄성에너지로 저장하고 그 저장된 탄성에너지를 직선운동으로 변환시키면서 피스톤(33)의 공진 운동을 유발시킴과 아울러 상기 구동축(32)에 결합된 피스톤(33)의 직진 운동을 안내하게 된다.

그리고 상기 실린더부(1)와 연통되도록 상기 프레임(10)에 예냉기(40)가 결합되고 상기 예냉기(40)에 이어 현열을 저장 및 방출하는 재생기(50)가 결합되며 상기 재생기(50)에 이어 팽창부(62) 및 압축부(61)가 구비된 맥동관(60)이 결합된다. 상기 맥동관의 압축부(61)에 이어 소정의 길이를 갖는 이너턴스 튜브(70)가 연결되고 상기 이너턴스 튜브(70)에 이어 소정의 내부공간을 갖는 레저버(80)가 연결된다.

상기한 바와 같은 극저온 냉동기의 작동은 다음과 같다.

먼저, 전원이 인가됨에 의해 상기 구동모터(30)가 작동하게 되면 그 구동모터(30)의 가동자(31)가 직선 왕복 운동하게 되고 상기 가동자(31)의 직선 왕복운동이 구동축(32)을 통해 피스톤(33)에 전달되어 피스톤(33)이 실린더부(1)에서 직선 왕복 운동하면서 실린더부(1)에서 가스를 펌핑하게 된다. 즉, 작동가스를 상기 실린더부(1)에서 밀어내거나 흡입하게 된다.

이때, 상기 실린더부(1)에서 작동가스를 밀어내게 되면 그 실린더부(1)에서 밀려난 고온 고압의 작동가스가 예냉기(40)를 거쳐 예냉된 다음 재생기(50)를 거치면서 상기 재생기(50)에 현열이 저장된 상태로 맥동관(60)으로 유입되어 상기 맥동관(60)내의 작동가스를 압축하게 된다. 이때 상기 맥동관의 압축부(61)에서 압축이 이루어지면서 열이 발생되고 상기 맥동관(60)에서 압축되는 작동가스는 이너턴스 튜브(70)를 통해 레저버(80)로 유입된다. 그리고 상기 실린더부(1)에서 작동가스를 흡입하게 되면 상기 맥동관(60) 및 이너턴스 튜브(70)를 통해 레저버(80)로 유입되었던 가스가 다시 상기 실린더부(1)로 유입됨과 동시에 상기 맥동관(60)의 팽창부(62)에서 작동가스가 팽창되면서 외부의 열을 흡수하게 된다.

이와 같은 과정이 반복되면서 상기 맥동관의 팽창부(62)가 냉각되어 극저온 상태가 된다.

한편, 상기 구동모터(30)를 구성하는 가동자(31)의 직선 왕복 운동이 구동축(32)을 통해 피스톤(33)에 전달되어 피스톤(33)이 실린더부(1)에서 직선 왕복 운동하면서 작동가스를 밀어내고 흡입하는 과정에서 상기 가동자(31)와 구동축(32) 그리고 피스톤(33)의 직선 왕복 운동에 의해 진동을 발생시키게 된다. 아울러 상기 구동축(32)의 양측에 각각 결합되는 지지부재(34)들이 작동시 구동축(32)에 비틀림이 작용하는 것을 방지하기 위하여 그 지지부재(34)들의 스파이럴형 홈(34b) 방향이 서로 같은 방향으로 향하도록 결합되어 있어 구동축(32)의 직선 왕복 운동시 지지부재(34)들의 스파이럴형 홈(34b) 방향에 의해 시스템에 반경 방향 진동이 발생하게 된다.이러한 반경 방향 진동은 조립시 발생되는 동심도 불량과 외부의 충격 등에 의해 발생되는 것으로 일반적인 흡진기로서는 감쇄하기 어려운 것이다.

이와 같이 구동모터(30)의 작동에 의해 움직이는 무빙 메스(Moving Mass), 즉 가동자(31)와 구동축(32)과 피스톤(33) 그리고 지지부재(34)가 직선 왕복 운동하면서 축 방향 진동과 반경 방향 진동을 유발시키게 되어 진동 소음을 발생시키게 되는 문제점이 있었다.

상기한 바와 같은 점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 작동가스를 펌핑하여 맥동관에서 극저온 상태의 냉각이 이루어지는 과정에서 발생되는 축 방향 진동과 반경 방향 진동을 감소시킬 수 있도록 한 극저온 냉동기의 진동 상쇄구조를 제공함에 있다.

도 1은 종래 극저온 냉동기의 일례를 부분 단면하여 도시한 정면도,

도 2는 상기 극저온 냉동기를 구성하는 구동축 및 그 구동축에 결합되는 지지부재를 분해하여 도시한 사시도,

도 3은 본 발명의 극저온 냉동기 진동 상쇄구조가 구비된 극저온 냉동기의 정면도,

도 4는 본 발명의 극저온 냉동기 진동 상쇄구조를 분해하여 도시한 사시도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 ; 실린더부 10 ; 프레임

20 ; 밀폐케이스 30 ; 구동모터

31 ; 가동자 32 ; 구동축

33 ; 피스톤 34 ; 지지부재

34b ; 스파이럴형 홈 40 ; 재생기

60 ; 맥동관 62 ; 팽창부

100 ; 고정축 110 ; 판스프링

111 ; 판스프링 스파이럴형 홈 120 ; 질량체

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 밀폐케이스와; 상기 밀폐케이스의 내부에 설치되며 실린더부가 구비된 프레임과; 상기 프레임에 장착되어 직선 구동력을 발생시키는 구동모터와; 상기 구동모터의 구동축에 장착되어 상기 실린더 내에서 직선왕복운동하는 피스톤과; 상기 실린더와 연통되도록 설치되는 예냉기와; 상기 예냉기에 이어 설치되어 현열을 저장 및 방출하는 재생기와; 상기 재생기에 이어 설치되어 팽창부와 압축부가 구비된 맥동관과; 상기 맥동관의 압축부에 연결 설치되는 이너턴스 튜브와; 상기 이너턴스 튜브에 연결 설치되는 레저버와; 상기 구동축에 소정 간격을 두고 위치하여 상기 프레임과 구동축을 연결하며 스파이럴형 홈이 형성된 지지부재와; 상기 밀폐케이스에 결합되는 고정축과; 상기 고정축에 결합되며 상기 지지부재의 스파이럴형 홈과 반대방향으로 형성된 스파이럴형 홈이 형성된 판스프링 및; 상기 판스프링에 결합된 질량체;를 구비하여 구성됨을 특징으로 하는 극저온 냉동기의 진동 상쇄구조가 제공된다.

이하, 본 발명의 극저온 냉동기의 진동 상쇄구조를 첨부도면에 도시한 실시례에 따라 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 극저온 냉동기의 진동 상쇄구조의 일례를 도시한 것으로, 이를 참조하여 설명하면, 먼저 극저온 냉동기는 밀폐케이스(20) 내부에 실린더부(1)가 구비된 프레임(10)이 결합되고 상기 프레임(10)에 직선 구동력을 발생시키는 구동모터(30)가 결합된다. 상기 밀폐케이스(20)와 프레임(10)은 밀폐된 내부 공간을 형성하게 된다. 상기 프레임(10)의 실린더부(1)에 피스톤(33)이 삽입되고 상기 피스톤(33)에 소정의 길이를 갖는 구동축(32)이 결합되며 상기 구동축(32)은 상기 구동모터(30)를 구성하는 가동자(31)와 연결된다.

그리고 상기 구동축(32)에 소정의 간격을 두고 위치하여 상기 프레임(10)과 구동축(32)을 연결하는 지지부재(34)가 결합된다. 상기 지지부재(34)는 구동모터 가동자(31)의 직선 왕복운동을 탄성에너지로 저장하고 그 저장된 탄성에너지를 직선운동으로 변환시키면서 피스톤(33)의 공진 운동을 유발시킴과 아울러 상기 구동축(32)에 결합된 피스톤(33)의 직진 운동을 안내하게 된다. 상기 지지부재(34)는 일정 두께를 갖는 원판 형태로 형성되며 그 원판의 가운데 구동축(32)이 삽입되는 축 삽입구멍(34a)이 형성되고 그 축 삽입구멍(34a)을 중심으로 하여 다수개의 스파이럴형 홈(34b)이 형성되며 그 다수개의 스파이럴형 홈은 한 방향으로 형성된다. 상기 지지부재(34)는 작동시 구동축(32)의 비틀림력을 방지하기 위하여 그 스파이럴형 홈(34b)의 방향이 서로 같도록 상기 구동축(32)에 결합된다.

그리고 상기 실린더부(1)와 연통되도록 상기 프레임(10)에 예냉기(40)가 결합되고 상기 예냉기(40)에 이어 현열을 저장 및 방출하는 재생기(50)가 결합되며 상기 재생기(50)에 이어 팽창부(62) 및 압축부(61)가 구비된 맥동관(60)이 결합된다. 상기 맥동관의 압축부(61)에 이어 소정의 길이를 갖는 이너턴스 튜브(70)가 연결되고 상기 이너턴스 튜브(70)에 이어 소정의 내부공간을 갖는 레저버(80)가 연결된다. 상기 이너턴스 튜브(70)의 내경은 상기 맥동관(60)과 레저버(80)의 내경보다 상대적으로 작게 형성된다.

그리고 상기 밀폐케이스(20)에 소정의 길이를 갖는 고정축(100)이 결합되고 상기 고정축(100)에 복수개의 스파이럴형 홈(111)이 구비된 판스프링(110)이 결합된다. 상기 판스프링(110)은, 도 4에 도시한 바와 같이, 일정 두께를 갖는 원판 형태로 형성되며 그 원판의 가운데 상기 고정축(100)에 삽입되는 축 삽입구멍(112)이 형성되고 상기 축 삽입구멍(112)을 중심으로 다수개의 스파이럴형 홈(111)이 형성되며 그 원판의 가장자리에 다수개의 체결공(113)이 형성되어 이루어진다. 상기 판스프링(110)은 그 스파이럴형 홈(111)의 방향이 상기 지지부재(34)의 스파이럴형 홈(34b) 방향과 서로 반대방향을 갖도록 고정 결합된다. 상기 판스프링(110)은 고정축(100)에 형성된 나사산에 너트(101)가 체결됨에 의해 고정축(100)에 고정 결합된다.

그리고 상기 판스프링(110)에 소정 형상을 갖는 질량체(120)가 고정 결합된다. 상기 질량체(120)는 일정 두께와 폭을 갖는 환형으로 형성되며 그 일측에 나사공(121)이 형성된다. 상기 질량체(120)는 그 나사공(121)이 상기판스프링(110)의 체결공(113)에 일치된 상태에서 나사(122)가 체결됨에 의해 판스프링(110)에 고정 결합된다.

상기 판스프링(110) 및 질량체(120)의 고유 진동수는 상기 극저온 냉동기의 전체 시스템의 가진 주파수와 일치하도록 형성된다.

상기 판스프링(110)의 변형예로, 한개 이상의 판스프링으로 구성된다. 상기 복수개로 구성되는 판스프링들은 위에서 서술한 판스프링(110)과 같은 형태로 형성되며 그 판스프링(110)들은 그 스파이럴형 홈(111)의 방향이 서로 같도록 겹쳐져 결합됨과 아울러 결합시 상기 지지부재(34)의 스파이럴형 홈(34b)의 방향과 서로 반대방향이 되도록 결합된다.

이하, 본 발명의 극저온 냉동기 진동 상쇄구조의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 극저온 냉동기의 작동은 전원이 인가됨에 의해 상기 구동모터(30)가 작동하게 되면 그 구동모터의 가동자(31)가 직선 왕복 운동하게 되며 상기 가동자(31)의 직선 왕복운동이 구동축(32)을 통해 피스톤(33)에 전달되어 피스톤(33)이 실린더부(1)에서 직선 왕복 운동하면서 실린더부(1)에서 가스를 펌핑하게 된다. 이때 상기 지지부재(34)는 구동모터 가동자(31)의 직선 왕복운동을 탄성에너지로 저장하고 그 저장된 탄성에너지를 직선운동으로 변환시키면서 피스톤(33)의 공진 운동을 유발시킴과 아울러 상기 구동축(32)에 결합된 피스톤(33)의 직진 운동을 안내하게 된다.

그리고 상기 실린더부(1)에서 작동가스를 밀어내게 되면 그 실린더부(1)에서 밀려난 고온 고압의 작동가스가 예냉기(40)를 거쳐 예냉된 다음 재생기(50)를 거치면서 상기 재생기(50)에 현열이 저장된 상태로 맥동관(60)으로 유입되어 맥동관(60)내의 작동가스를 압축하게 된다. 이때, 상기 맥동관의 압축부(61)에서 압축이 이루어지면서 열이 발생되고 상기 맥동관(60)에서 압축되는 작동가스는 이너턴스 튜브(70)를 통해 레저버(80)로 유입된다.

그리고 상기 실린더부(1)에서 작동가스를 흡입하게 되면 상기 맥동관(60) 및 이너턴스 튜브(70)를 통해 레저버(80)로 유입되었던 가스가 다시 상기 실린더부(1)로 유입됨과 동시에 상기 맥동관의 팽창부(62)에서 작동가스가 팽창되면서 외부의 열을 흡수하게 된다.

이와 같은 과정이 반복되면서 상기 맥동관의 팽창부(62)가 냉각되어 극저온 상태가 된다.

한편, 상기 구동모터 가동자(31)의 직선 왕복 운동을 전달받아 피스톤(33)이 실린더부(1)에서 직선 왕복 운동하면서 작동가스를 펌핑하여 상기 맥동관의 팽창부(62)를 극저온 상태로 냉각시키는 과정에서 상기 가동자(31)와 구동축(32) 그리고 지지부재(34)의 움직임 방향으로 축 방향 진동 및 반경 방향 진동이 발생하게 되며 이와 같은 진동은 상기 고정축(100)에 결합된 판스프링(110)과 질량체(120)에 의해 상쇄된다.

즉, 상기 구동모터의 가동자(31)와 구동축(32) 그리고 피스톤(33)의 움직임에 의해 축 방향 진동이 발생되며 상기 지지부재(34)의 움직임에 의해 축 방향 및 반경 방향 진동이 발생하게 되며 이는 밀폐케이스(20)에 전달된다. 상기 밀폐케이스(20)에 전달되는 가진 주파수는 상기 판스프링(110)과 질량체(120)의 고유 진동수에 일치되어 상기 판스프링(110)과 질량체(120)만이 공진 운동하면서 상기 밀폐케이스(20)로 전달되는 진동이 최소화될 뿐만 아니라 상기 지지부재(34)에 의해 발생되는 반경 방향 진동이 상기 판스프링(110)에 의해 상쇄되어 밀폐케이스(20)로 전달되는 진동을 더욱 줄이게 된다. 상기 판스프링(110)은 상기 지지부재(34)의 스파이럴형 홈(34b)과 반대방향의 스파이럴형 홈(111)을 갖게 되므로 상기 지지부재(34)에 의해 발생되는 반경 방향 진동을 상쇄시키게 된다.

상기 극저온 냉동기의 운전시 극저온 냉동기에서 발생되는 진동이 판스프링(110)과 질량체(120)에 의해 상쇄되어 상기 극저온 냉동기를 다른 시스템에 적용시 그 극저온 냉동기에 의해 전체 시스템에서 진동이 발생되는 것을 억제하게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 극저온 냉동기의 진동 상쇄구조는 상기 극저온 냉동기가 운전하는 과정에서 구동모터의 가동자와 구동축과 피스톤 그리고 지지부재의 직선 왕복 움직임에 의해 발생되는 축 방향 진동과 상기 지지부재에 의해 발생되는 반경 방향 진동이 상기 극저온 냉동기 전체에 전달되어 진동되는 것을 상쇄 및 공진에 의해 최소화시키게 됨으로써 상기 극저온 냉동기의 운전 중 발생되는 진동 소음을 감소시켜 극저온 냉동기의 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 밀폐케이스와; 상기 밀폐케이스의 내부에 설치되며 실린더부가 구비된 프레임과; 상기 프레임에 장착되어 직선 구동력을 발생시키는 구동모터와; 상기 구동모터의 구동축에 장착되어 상기 실린더 내에서 직선왕복운동하는 피스톤과; 상기 실린더와 연통되도록 설치되는 예냉기와; 상기 예냉기에 이어 설치되어 현열을 저장 및 방출하는 재생기와; 상기 재생기에 이어 설치되어 팽창부와 압축부가 구비된 맥동관과; 상기 맥동관의 압축부에 연결 설치되는 이너턴스 튜브와; 상기 이너턴스 튜브에 연결 설치되는 레저버와; 상기 구동축에 소정 간격을 두고 위치하여 상기 프레임과 구동축을 연결하며 스파이럴형 홈이 형성된 지지부재와; 상기 밀폐케이스에 결합되는 고정축과; 상기 고정축에 결합되며 상기 지지부재의 스파이럴형 홈과 반대방향으로 형성된 스파이럴형 홈이 형성된 판스프링 및; 상기 판스프링에 결합된 질량체;를 구비하여 구성됨을 특징으로 하는 극저온 냉동기의 진동 상쇄구조.
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