KR20000015217A - Driving device of self-lubricating pulse tube refrigerator - Google Patents
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Abstract
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 냉동기에서는, 피스톤(140)이 실린더부(110a)와 무윤활로 왕복운동을 하기 때문에 피스톤(140)의 직진성이 보장되어야 하는데, 실제 실린더부(110a)와 상,하부 지지부재(151,152) 및 각 프레임(111,112,113)이 동심상에 일치되도록 제작하기도 난해할 뿐만 아니라 조립과정도 용이하지 못하여 피스톤(140)과 실린더부(110a) 사이에 마찰이 발생될 우려가 있었다.However, in the conventional non-lubricated pulsating tube refrigerator, since the piston 140 reciprocates with no lubrication with the cylinder portion 110a, the straightness of the piston 140 should be ensured, and the actual cylinder portion 110a and The upper and lower support members 151 and 152 and the frames 111, 112 and 113 are not only difficult to fabricate concentrically, but also difficult to assemble, which may cause friction between the piston 140 and the cylinder portion 110a. there was.
또한, 상기 구동모터(120)의 양측에 상,하부 지지부재(151,152)를 장착하여야 하므로, 구동축(130)의 길이가 길어지게 되어 구동모터(120)의 부하가 과중하게 되는 것은 물론, 상기 하부 지지부재(152)를 장착시키기 위한 별도의 하부프레임(113)이 필요하게 되어 냉동기를 소형화하는데 제약이 뒤따르게 되는 문제점도 있었다.In addition, since the upper and lower support members 151 and 152 should be mounted on both sides of the driving motor 120, the length of the driving shaft 130 becomes long, so that the load of the driving motor 120 becomes heavy, as well as the lower portion. Since a separate lower frame 113 for mounting the support member 152 is required, there is a problem that the constraint of miniaturizing the refrigerator is followed.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 무윤활 맥동관 냉동기가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 상기 피스톤의 직진성을 유지시키기 위한 각 지지부재 및 각 프레임의 제작 및 조립이 용이하여 별도의 윤활유를 사용하지 않고도 피스톤과 실린더부 사이에 마찰이 발생되지 않도록 하는 무윤활 맥동관 냉동기의 구동장치를 제공하려는데도 본 발명의 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made in view of the problems of the conventional non-lubricated pulsating tube freezer as described above, the production and assembly of each support member and each frame for maintaining the straightness of the piston is easy to use separate lubricants Another object of the present invention is to provide a driving device of a lubricating tube free of lubrication without causing friction between the piston and the cylinder portion.
또한, 구동축의 하중에 의해 구동모터가 과중한 부하를 받지 않도록 하여 모터효율을 향상시키는 것은 물론, 냉동기의 소형화가 가능한 무윤활 맥동관 냉동기의 구동장치를 제공하려는데도 본 발명의 목적이 있다.In addition, an object of the present invention is to provide a driving apparatus of a non-lubricated pulsating tube refrigerator capable of miniaturizing a refrigerator by improving the motor efficiency by preventing the driving motor from being subjected to an excessive load by the load of the driving shaft.
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 6은 도 5의 "B - B" 단면도.FIG. 6 is a sectional view taken along the line “B-B” of FIG. 5.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
310 : 밀폐케이스 310a : 실린더부310: sealed case 310a: cylinder portion
311 : 상부프레임 311a : 고정부재311: upper frame 311a: holding member
311a-1 : 지지부재 장착부 312 : 하부프레임311a-1: support member mounting portion 312: lower frame
312a : 모터지지부 313 : 밀봉셸312a: motor support 313: sealing shell
320 : 구동모터 330 : 피스톤320: drive motor 330: piston
331 : 머리부 332 : 축부331: head 332: shaft
341,342 : 탄성겸 안내용 지지부재 350 : 스페이서341,342: elastic and guide supporting member 350: spacer
이와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 실린더부가 구비되고 내부에 작동가스가 충진된 밀폐케이스와, 그 밀폐케이스의 내부에 장착되어 구동력을 발생시키는 구동모터와, 그 구동모터의 가동자에 결합됨과 아울러 밀폐케이스의 실린더부에 삽입되어 직선 왕복운동을 하면서 작동가스를 펌핑하는 피스톤과, 상기 구동모터의 일측에 배치되도록 피스톤에 각각 결합됨과 아울러 밀폐케이스에 결합되어 구동모터의 가동자의 직선 왕복운동을 탄성에너지로 저장하고 그 저장된 탄성에너지를 직선운동으로 변환시키면서 피스톤의 공진운동을 유발시킴과 아울러 가동자의 직선운동을 전달받아 움직이는 피스톤의 직진성을 안내하는 복수개의 지지부재를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 무윤활 맥동관 냉동기의 구동장치가 제공된다.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 In addition, the piston is inserted into the cylinder portion of the sealed case and pumps the working gas while performing a linear reciprocating motion, respectively coupled to the piston to be disposed on one side of the drive motor and coupled to the sealed case, linear reciprocating motion of the mover of the drive motor Is stored as an elastic energy and converts the stored elastic energy into a linear motion, causing a resonant motion of the piston, and a plurality of support members for guiding the linearity of the moving piston by receiving the linear motion of the mover. Provided is a drive device for a non-lubricated pulsating tube refrigerator.
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 6은 도 5의 "B - B" 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 driving device of the non-lubricated pulsating tube refrigerator, Figure 6 is a "B-B" of FIG. It is a cross section.
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 가동자에 결합됨과 아울러 밀폐케이스(310)의 실린더부에 삽입되어 직선 왕복운동을 하면서 작동가스를 펌핑하는 피스톤(330)과, 그 피스톤(330)의 상,하부에 각각 결합됨과 아울러 밀폐케이스(310)에 결합되어 구동모터(320)의 가동자(322)의 직선 왕복운동을 탄성에너지로 저장하고 그 저장된 탄성에너지를 직선운동으로 변환시키면서 피스톤(330)의 공진운동을 유발시킴과 아울러 가동자(322)의 직선운동을 전달받아 움직이는 피스톤(330)의 직진성을 안내하는 복수개의 탄성겸 안내용 지지부재(341,342)를 포함하여 구성된다.As shown therein, the driving device of the non-lubricated pulsating tube refrigerator of the present invention compresses the working gas and supplies the working gas to the freezing unit 200 represented by the pulsating tube as described above, or vice versa. It is mounted on one side of the refrigeration unit 200 so as to be pulled out, and the cylinder part 310a is provided and is filled in a working gas filled therein, and is mounted in the sealed case 310 to generate a driving force. A piston 330 coupled to the mover of the drive motor 320 and the actuator of the drive motor 320 and inserted into a cylinder of the sealed case 310 to pump the working gas while performing a linear reciprocating motion, and the piston Coupled to the upper and lower portions of the 330, respectively, and coupled to the sealed case 310 to store the linear reciprocating motion of the mover 322 of the drive motor 320 as elastic energy and converts the stored elastic energy into linear motion Blood while Tone 330, a resonance movement of Sikkim as well as the mover 322 President and a plurality of elastic guides the linearity of the transfer receiving moving the piston 330 to linear motion in the induction of not is more supporting members configured including (341 342).
상기 밀폐케이스(310)는 피스톤(330)이 삽입되어 직선 왕복운동을 하는 실린더부(310a)가 형성됨과 아울러 탄성겸 안내용 지지부재가 체결되는 상부프레임(311)과, 그 상부프레임(311)의 저면에 밀착 결합되어 내부에 구동모터(320)가 고정 장착되는 하부프레임(312)과, 그 하부프레임(312)을 감싸도록 상부프레임(311)의 저면에 밀봉 결합되어 밀폐케이스로부터 작동가스가 누출되는 것을 방지하는 밀봉셸(313)로 이루어진다.The closed case 310 is the upper frame 311 and the upper frame 311 to which the piston 330 is inserted to form a cylinder portion 310a for linear reciprocating motion and the elastic and guide supporting member is fastened. Closely coupled to the bottom of the lower frame 312 and the drive motor 320 is fixedly mounted therein, and sealingly coupled to the bottom of the upper frame 311 so as to surround the lower frame 312, working gas from the sealed case It consists of a sealing shell 313 to prevent leakage.
상기 상부프레임(311)의 저면에는 탄성겸 안내용 지지부재(341,342)가 결합되기 위한 환상의 고정부재(311a)가 일체되고, 그 고정부재(311a)의 양면에는 상기 피스톤(330)에 결합되는 복수개의 탄성겸 안내용 지지부재(341,342)가 각각 결합되며, 상기 탄성겸 안내용 지지부재(341,342)의 사이에는 서로 다른 진동사이클을 갖는 두 지지부재에 의해 구동모터(320)가 부하를 받지 않도록 별도의 스페이서(350)가 밀착 개재된다.On the bottom of the upper frame 311 is an annular fixing member 311a for coupling the elastic and guide supporting members 341 and 342 are integrated, and both sides of the fixing member 311a are coupled to the piston 330. A plurality of elastic and guide support members 341 and 342 are coupled to each other, and the driving motor 320 is not loaded by two support members having different vibration cycles between the elastic and guide support members 341 and 342. A separate spacer 350 is in close contact.
여기서, 상기 고정부재(311a)의 내주면 양단에는 탄성겸 안내용 지지부재(341,342)가 탄성력을 갖도록 통상 네 개씩의 돌기형 지지부재 장착부(311a-1)가 동일한 원주상에 형성된다.Herein, four protrusion-type support member mounting portions 311a-1 are formed on the same circumference of the fixing member 311a so that the elastic and guide supporting members 341 and 342 have elastic force at both ends thereof.
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 피스톤(330)은 실린더부(310a)에 삽입되는 머리부(331)와, 그 머리부(331)에서 연장되어 탄성겸 안내용 지지부재(341,342)가 결합되는 축부(332)로 이루어진 것으로, 상기 축부(332)의 하단은 가동자(322)의 중앙에 결합된 너트형 체결부재(322a)에 체결되기 위한 나사부(미부호)가 형성된다.The piston 330 is composed of a head portion 331 inserted into the cylinder portion (310a), and the shaft portion 332 extending from the head portion 331 is coupled to the elastic and guide supporting members (341, 342), The lower end of the shaft portion 332 is formed with a screw (not shown) for fastening to the nut-type fastening member 322a coupled to the center of the mover 322.
상기 탄성겸 안내용 지지부재(341,342)는 모두 스파이럴 타입의 원판형 판스프링으로서, 그 가장자리측은 전술한 바와 같이 상부프레임(311)의 고정부재(311a)의 양측 지지부재 장착부(311a-1)에 각각 체결되고, 그 중앙측은 각 지지부재(341,342)를 관통하는 수개의 긴 볼트(360)에 의해 일체로 체결되며, 상기 상부측 지지부재(341)의 상면은 피스톤(330)의 머리부(331)에 밀착되는 반면, 하부측 지지부재(342)의 저면은 피스톤(330)의 축부(332)가 체결되는 체결부재(322a)의 선단면에 밀착된다.The elastic and guide supporting members 341 and 342 are all spiral type disk leaf springs, and the edge side thereof is formed on both supporting member mounting portions 311a-1 of the fixing member 311a of the upper frame 311 as described above. The central side is integrally fastened by several long bolts 360 passing through the support members 341 and 342, respectively, and an upper surface of the upper support member 341 is head 331 of the piston 330. The bottom surface of the lower support member 342 is in close contact with the front end surface of the fastening member 322a to which the shaft portion 332 of the piston 330 is fastened.
또한, 상기 탄성겸 안내용 지지부재(341,342)는 그 중앙에 피스톤(330)이 관통되는 피스톤 장착공(미부호)이 형성되는데, 이 피스톤 장착공은 피스톤(330)이 실린더부(310a)에 접촉되지 않도록 상부프레임(311)의 실린더부(310a)와 동심상에 형성되는 것이 바람직하다.In addition, the elastic and guide support members 341 and 342 have a piston mounting hole (unsigned) through which the piston 330 penetrates in the center thereof, and the piston mounting hole has a piston 330 in the cylinder portion 310a. It is preferable to be formed concentric with the cylinder portion 310a of the upper frame 311 so as not to contact.
도면중 미설명 부호인 210은 맥동관, 211 및 212는 온측부 및 냉측부, 220은 오리피스, 230은 저장용기, 240은 재생기, 250은 예냉기이다.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, and 250 is a precooler.
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 피스톤(330)의 축부(332)에 상부측 지지부재(341) 및 스페이서(350)를 삽입하고 나서 고정부재(311a)를 끼워 상부측 지지부재(341)를 고정부재(311a)의 상단측 지지부재 장착부(311a-1)에 체결한다. 이후, 하부측 지지부재(342)를 피스톤(330)의 축부(332)에 삽입하고 나서 그 하부측 지지부재(342)를 고정부재(311a)의 지지부재 장착부(311a-1) 저면에 체결한다. 이후, 상기 피스톤(330)의 축부(332)를 가동자(322)에 일체된 체결부재(322a)에 나사식으로 체결한다. 이후, 상기 피스톤(330)의 머리부(331)가 실린더부(310a)에 삽입되도록 상부프레임(311)과 고정부재(311a)를 체결한다.First, the upper support member 341 and the spacer 350 are inserted into the shaft portion 332 of the piston 330, and then the fixing member 311a is fitted to the upper support member 341 of the fixing member 311a. It is fastened to the upper side support member mounting part 311a-1. Thereafter, the lower support member 342 is inserted into the shaft portion 332 of the piston 330, and then the lower support member 342 is fastened to the bottom surface of the support member mounting portion 311 a-1 of the fixing member 311 a. . Thereafter, the shaft 332 of the piston 330 is screwed to the fastening member 322a integrated with the mover 322. Thereafter, the head 331 of the piston 330 is fastened to the upper frame 311 and the fixing member 311a to be inserted into the cylinder portion 310a.
다음, 상기 하부프레임(312)에 구동모터(320)의 고정자(321)인 내,외측 라미네이션(321A,321B)을 고정 체결하고, 그 내,외측 라미네이션(321A,321B)의 사이에 가동자(322)가 삽입되도록 하여 상부프레임(311)과 하부프레임(312)을 체결한다.Next, the inner and outer laminations 321A and 321B, which are the stators 321 of the driving motor 320, are fixedly fastened to the lower frame 312, and a movable part between the inner and outer laminations 321A and 321B. 322 is inserted to fasten the upper frame 311 and the lower frame 312.
다음, 상기 상부프레임(311)의 저면에 밀봉셸(313)을 체결하여 작동가스가 누설되지 않도록 한다.Next, the sealing shell 313 is fastened to the bottom of the upper frame 311 so that the working gas does not leak.
상기와 같이 조립된 무윤활 맥동관 냉동기의 구동장치는 다음과 같이 동작된다.The driving device of the non-lubricated pulsating tube refrigerator assembled as described above is operated as follows.
즉, 상기 구동모터(320)에 전원이 인가되어 가동자(322)가 직선 왕복운동을 하게 되면, 그 가동자(322)에 결합된 피스톤(330) 역시 실린더부(310a) 내에서 직선 왕복운동을 하게 되면서 작동가스를 펌핑시키게 된다.That is, when power is applied to the drive motor 320 and the mover 322 linearly reciprocates, the piston 330 coupled to the mover 322 also linearly reciprocates in the cylinder portion 310a. This will pump the working gas.
이때, 상기 피스톤(330)의 축부(332)에 결합된 탄성겸 안내용 지지부재인 판스프링(341,342)은 가동자(322)의 직선 왕복운동을 탄성에너지로 저장하고, 그 저장된 탄성에너지를 직선운동으로 변환시키면서 가동자(322)를 공진운동시켜 피스톤(330)의 머리부(331)가 실린더부(310a) 내에서 지속적으로 왕복운동을 하도록 유도함과 아울러, 가동자(322)의 직선운동을 전달받아 움직이는 피스톤(330)이 실린더부(310a)의 내주벽과 항상 일정한 공차를 두고 직선운동을 할 수 있도록 피스톤(330)의 반경방향을 지지하게 된다.At this time, the leaf springs 341 and 342, which are elastic and guide supporting members coupled to the shaft portion 332 of the piston 330, store the linear reciprocating motion of the mover 322 as elastic energy, and store the stored elastic energy in a straight line. By resonating the mover 322 while converting it into motion, the head 331 of the piston 330 continues to reciprocate in the cylinder portion 310a, and the linear motion of the mover 322 is also induced. The piston 330, which is received and moved, supports the radial direction of the piston 330 so that the piston 330 can linearly move with a constant tolerance at all times with the inner circumferential wall of the cylinder portion 310a.
한편, 상기 가동자(322)와 피스톤(330) 사이에는 진동사이클 상의 미세한 위상차가 발생되어 구동모터(320)에 부하를 줄 수 있으나, 이는 두 지지부재(341,342) 사이에 스페이서(350)가 밀착 개재되어 진동사이클의 위상차에 의한 부하를 완화시키게 되므로 구동모터(320)가 받을 수 있는 부하를 감쇄시키게 된다.On the other hand, a minute phase difference on the oscillation cycle may be generated between the mover 322 and the piston 330 to apply a load to the drive motor 320, but this is closely spaced between the spacer 350 between the two support members 341 and 342. Since the load is alleviated due to the phase difference of the vibration cycle, the load that the driving motor 320 may receive is attenuated.
이렇게, 상기 탄성겸 안내용 지지부재(341,342)가 상부프레임(311)에 모두 장착되어 프레임 하나를 제거하게 됨과 아울러 복수개의 탄성겸 안내용 지지부재(341,342)가 구동모터(320)의 상측에 모두 배치되므로, 정밀가공하여야 하는 부품수가 줄어들게 되는 것은 물론, 별도의 구동축을 구비하지 아니하고 가동자(322)와 피스톤(330)을 직접 결합시키게 되어 구동모터 및 그 구동모터가 장착되는 하부프레임(312)의 제작 및 조립시 동심도에 대한 부담이 현저하게 줄어들게 되고, 구동모터(320)와 피스톤(330)을 분리하여 조립할 수 있게 된다.In this way, the elastic and guide support members 341 and 342 are all mounted on the upper frame 311 to remove one frame, and the plurality of elastic and guide support members 341 and 342 are all on the upper side of the driving motor 320. Since the number of parts to be precisely processed is reduced, as well as not having a separate driving shaft, the actuator 322 and the piston 330 are directly coupled to each other so that the driving motor and the lower frame 312 to which the driving motor is mounted are disposed. When fabrication and assembly of the burden on the concentricity is significantly reduced, it is possible to assemble the drive motor 320 and the piston 330 by separating.
또한, 상기 피스톤(330)이 가동자(322)에 직접 결합되므로 모터에 부여되는 부하를 최소화할 수 있는 것은 물론, 냉동기의 소형화를 이룰 수 있게 된다.In addition, since the piston 330 is directly coupled to the mover 322, the load applied to the motor can be minimized, and the miniaturization of the refrigerator can be achieved.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 무윤활 맥동관 냉동기의 구동장치는, 피스톤이 지속적으로 직선 왕복운동을 하도록 하는 복수개의 탄성겸 안내용 지지부재를 피스톤과 가동자의 사이에 장착시키게 되어 정밀가공하여야 하는 프레임의 수를 감축시킬 수 있게 되고, 구동모터의 구동력을 피스톤에 전달하는 구동축을 제거 또는 축소시키게 됨에 따라 구동모터와 피스톤을 분리 조립할 수 있게 되어 동심도 및 조립성 그리고 각 프레임의 가공성이 향상되는 것은 물론 구동모터에 가해지는 부하를 저감시킬 수 있으며, 냉동기의 소형화를 이룰 수 있는 효과가 있다.As described above, the driving device of the non-lubricated pulsating tube refrigerator according to the present invention is to precisely process a plurality of elastic and guide supporting members for allowing the piston to continuously linearly reciprocate between the piston and the mover. The number of frames to be reduced can be reduced, and as the drive shaft which transmits the driving force of the drive motor to the piston can be removed or reduced, the drive motor and the piston can be separately assembled to improve concentricity, assemblability and workability of each frame. Of course, the load on the drive motor can be reduced, and the effect of miniaturizing the refrigerator can be achieved.
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|---|---|
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|---|---|---|---|---|
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