KR20070115234A - 자기 평형 로터 장치 및 자기 평형 기능을 구비한원심분리기 - Google Patents

Abstract

본원 발명은 회전장치의 회전로터 내부 회전반경 내에 유체나 볼을 저장하여 회전로터의 무게 불평형을 자동적으로 보상시킴으로 회전장치의 내구성을 향상시킬 수 있도록 하며, 이를 원심분리기에 적용하여 시료를 다양한 고속 회전 조건에서도 원활하게 원심분리시킬 수 있도록 하는 자기 평형 로터 장치 및 자기 평형 기능을 구비한 원심분리기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본원 발명의 자기 평형 로터 장치는, 회전동력을 전달하는 구동모터의 축에 연결되는 회전축이 중심상에 위치되고 저면에는 회전축의 중심을 중심으로 하는 링형상의 자기평형부탑재홈이 형성되는 로터부와; 볼 또는 유체 중 어느 하나가 탑재되어 상기 자기평형부탑재홈에 장착되는 자기평형부;를 포함하여 구성되어, 회전체의 내구성 향상 및 회전체 운용자의 작업 편리성을 제공하는 것을 특징으로 한다.

자기평형로터장치, 유체, 볼, 원심분리기, 자기평형부

Description

자기 평형 로터 장치 및 자기 평형 기능을 구비한 원심분리기{Centrifugal rotor apparatus with self balancer and a centrifuge having self balancing function}

도 1은 종래기술의 원심분리 장치를 나타내는 도면이고,

도 2는 본원 발명의 일 실시 예에 따르는 자기 평형 기능을 구비한 원심분리기의 분해사시도이며,

도 3은 상기 도 2의 원심분리기의 평면도이고,

도 4는 유체 수납용 링형케이스를 구비한 상기 도 3의 원심분리기의 A-A선을 따른 단면도이며,

도 5 내지 도 7은 유체가 적용된 자기평형부의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이고,

도 8은 볼 수납용 링형케이스를 구비한 상기 도 3의 원심분리기의 A-A선을 따른 단면도이며,

도 9는 도 8의 볼 수납용 링형케이스의 실시 상태를 나타내는 도면이며,

도 10 내지 도 12는 본원 발명의 원심분리기의 또 다른 일 실시 예를 나타내는 도면이다.

* 도면의 주요 부호에 대한 설명 *

100, 200: 로터부 101: 모터축

102: 시료탑재구

201: 시료버킷 203: 하부커버

204, 205: 고무링 206: 체결구

207: 자기평형부탑재홈

208: 링형케이스(유체 수납) 209: 유체

208a: 링형케이스(볼 수납) 208b: 링형 홈

209a: 볼

301: 구동모터 축 302: 버킷 고정 프레임

303: 버킷 304: 자기평형부

본 발명은 자기 평형 로터 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시료가 담긴 로터의 무게 불균형을 로터 내부에 유체나 볼을 이용하여 로터의 불균형에 의한 힘과 모멘트를 저감시킴으로서 회전장치의 내구성을 향상시키며, 시료를 다양한 고속 회전 조건에서도 원활하게 원심분리시킬 수 있도록 하는 자기 평형 로터 장치 및 자기 평형 기능을 구비한 원심분리기에 관한 것이다.

일반적으로 회전장치는 회전을 이용하여 동력을 전달하거나 원심력을 이용하는 기계로서 터빈, 압축기, 공작기계로부터 원심분리기, 세탁기 등의 산업계 전반에 걸쳐 널리 사용되고 있다.

도 1은 상술한 회전장치의 일 실시 예로서의 종래기술의 원심분리기를 나타내는 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같은 종래기술의 원심분리기는 크게 원심분리 모터축(101)에 축 결합되어 회전하는 로터부(100), 시료가 담길 시료탑재구(102)로 구성된다.

상술한 구성을 가지는 원심분리기는 시료가 담긴 로터부(100)를 고속 회전시켜 시료에 높은 원심 가속도를 부여함으로써 고밀도의 시료 성분은 반경 방향의 외층에 자리 잡고, 저밀도의 시료 성분은 반경 방향의 내층에 자리 잡도록 하여 그 구성 성분들을 분리시키도록 동작한다.

상술한 바와 같은 회전운전 동작을 수행하는 종래기술의 원심분리기와 같은 회전장치는 회전 운전 중에 축의 휨 운동, 질량 불균형에 의한 휠링모션(Whirling Motion), 베어링의 축 위치 변위운동 및 기타 외부 인자에 의한 영향의 합성으로 진동이 발생하게 된다. 이때 회전장치의 회전 운동 중에 발생하는 회전체의 진동의 원인은 질량 불균형으로 인해 발생하는 휠링모션(Whirling Motion)이 대부분을 차지하게 된다.

따라서, 종래 원심분리기와 같은 회전장치의 운전을 위하여 작업자는 로터부(100)에 담긴 시료의 개수나 각 시료의 무게 차이 등에 의해 불가피하게 발생하는 로터부(100)의 무게 불균형을 제거하기 위하여 원심분리 작업 전에 시료의 무게를 측정할 수 있는 저울이나 천칭을 이용하여 상호 대칭되는 시료 간 무게를 정확하게 맞추어 상대 시료 간의 무게차를 제거한 후 로터부(100)를 회전시켜 원심분리를 하여만 하는 작업상의 불편을 초래하는 문제점이 있으며, 상대 시료 간 무게의 불일치가 발생하는 경우에는 회전장치에 무게 불균형에 의한 부하가 작용되어 회전장치의 고장의 원인으로 작용하는 문제점이 있다.

따라서, 본원 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 회전장치의 회전로터 내부 회전반경 내에 유체나 볼을 저장하여 회전로터의 무게 불평형을 자동적으로 보상시킴으로 회전장치의 내구성을 향상시킬 수 있도록 하며, 이를 원심분리기에 적용하여 시료를 다양한 고속 회전 조건에서도 원활하게 원심분리시킬 수 있도록 하는 자기 평형 로터 장치 및 자기 평형 기능을 구비한 원심분리기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본원 발명의 자기 평형 로터 장치는, 회전동력을 전달하는 구동모터의 축에 연결되는 회전축이 중심상에 위치되고 저면에는 회전축의 중심을 중심으로 하는 링형상의 자기평형부탑재홈이 형성되는 로터부와; 볼 또는 유체 중 어느 하나가 탑재되어 상기 자기평형부탑재홈에 장착되는 자기평형부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본원 발명의 자기 평형 로터 장치가 구비된 원심분리기는, 회전동력을 전달하는 구동모터의 축에 연결되는 회전축이 중심상에 위치되고 회전축을 중심으로 방사상으로 시료버킷이 탑재되는 시료탑재구가 형성되며, 저면에는 회전축의 중심을 중심으로 하는 링형상의 자기평형부탑재홈이 형성되는 로터부와; 볼 또는 유체 중 어느 하나가 탑재되어 상기 자기평형부탑재홈에 장착되는 자기평형부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상술한 본원 발명의 구성에서 상기 자기평형부는 상기 자기평형부탑재홈의 내측 단부 형상을 가지며 내측에는 유체수납공간이 형성된 링형케이스와; 상기 링형케이스의 내측에 탑재되는 유체;로 구성되는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 유체는 염수량을 50 ~ 60%를 함유하는 것을 특징으로 한다.

상기 자기평형부는 또한 상기 자기평형부탑재홈의 내측 단부 형상을 가지며 상부면에는 볼이 수납되는 링형홈이 형성된 링형케이스와; 상기 링형홈에 수용되는 적어도 하나 이상의 볼;로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본원 발명의 또 다른 구성의 자기 평형 기능을 구비한 원심분리기는, 회전동력을 전달하는 구동모터 축이 중심상의 중공부에 삽입되어 고정되고, 상기 중공부로부터 대칭각을 이루며 방사상으로 버킷 고정 프레임이 형성되며, 상기 버킷 고정 프레임의 사이에는 시료용기가 탑재되는 버킷이 버킷 고정 프레임에 수직방향으로 회전가능하게 장착되는 로터부와; 상기 로터부의 버킷 고정 프레임의 단부에 링형상의 원통형으로 부착되고 원통형 내부 공간에는 볼 또는 유체 중 어느 하나가 탑재되는 자기평형부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. 상술한 구성에서 상기 자기평형부에 탑재되는 상기 유체는 염수량을 50 ~ 60%를 함유하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본원 발명을 더욱 상세히 설명한다.

이하의 첨부도면의 설명은 원심분리기를 일 예로 들어 설명하고, 종래기술의 도 1과 동일한 구성요소는 가급적 동일 도면 부호를 사용한다.

도 2는 본원 발명의 일 실시 예에 따르는 자기 평형 기능을 구비한 원심분리기의 분해사시도이고, 도 3은 상기 도 2의 원심분리기의 평면도이다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본원 발명의 일 실시 예에 따르는 자기 평형 기능을 구비한 원심분리기는 회전동력을 전달하는 구동모터의 축(도면에 미도시)에 연결되는 모터축(101)(본원 발명의 '회전축'에 대응)이 중심상에 위치되고 모터축(101)을 중심으로 방사상으로 시료버킷(201)이 탑재되는 시료탑재구(102, 도 1 참조)가 형성되며, 저면에는 회전축의 중심을 중심으로 하는 링형상의 자기평형부탑재홈(207, 도 4 및 도 8 참조)이 형성되는 로터부(200)와; 유체(209, 도 4 참조) 또는 볼(209a, 도 8 및 도 9 참조) 중 어느 하나가 탑재되어 상기 자기평형부탑재홈(207)에 장착되는 자기평형부(도 4의 링형케이스(208)와 유체(209) 또는 도 8의 링형케이스(208a), 링형홈(208b), 볼(209a)로 구성)와; 상기 자기평형부를 상기 로터부(200)의 저면에 고정하기 위하여 나사 등의 체결구(206)에 의해 로터부(200)의 저면에 부착되는 하부커버부(205);를 포함하여 구성된다.

도 2 및 도 3의 구성에서 자기평형부탑재홈(207)에 자기평형부가 장착된 로터부(200)가 본원 발명의 자기 평형 로터장치의 일 실시 예에 대응된다. 따라서, 본원 발명의 자기 평형 로터장치는 도 2 내지 도 9에 한정됨이 없이, 터빈, 압축기, 공작기계, 세탁기 등의 회전체의 구성에 따라 다양한 형상으로 변형 실시될 수 있음은 자명하다.

상술한 구성에서 상기 자기평형부는 상술한 바와 같이, 유체 또는 볼을 수납하여 회전 중에 유체와 볼이 무게 중심의 편심이 발생하는 반대 위치로 이동되는 것에 의해 원심분리기와 같은 회전체의 무게 불균형의 균형을 이루도록 동작한다.

도 4는 유체 수납용 링형케이스를 구비한 상기 도 3의 원심분리기의 A-A선을 따른 단면도로서, 상기 자기평형부가 유체를 수납하여 회전체의 무게 불균형에 대한 균형을 유지하도록 형성되는 경우 상기 자기평형부는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 자기평형부탑재홈(207)의 내측 단부 형상을 가지며 내측에는 유체수납공간이 형성된 링형케이스(208)와; 상기 링형케이스(208)의 내측의 유체수납공간에 탑재되는 유체(209);로 구성된다.

이 경우 상기 유체는 염수를 함유할 수 있으며, 함유되는 염수량은 비중이 1.1 내지 1.5로서 50 ~ 60%를 함유하는 것이 바람직하다.

도 5 내지 도 7은 유체가 적용된 자기평형부의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면으로서 도 5 내지 도 7을 참조하여 유체에 의한 회전체의 자기평형 기능을 설명하면 다음과 같다.

도 5 내지 도 7은 회전체로서의 로터부(200), 유체를 탑재한 자기평형부 및 하부커버(206)를 포함하는 회전체의 질량 5Kg, 회전속도 100rad/sec, 고유진동수 50rad/sec, 자기평형부의 링형케이스의 내경 0.18m, 외경 0.22m, 염수 비중 1.187, 높이 0.05m로 하여 염수량을 변화시켜 수행한 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 나타낸다.

여기서, 도 5는 자기평형부를 구비하지 않은 경우(상부곡선)와 염수량이 50%인 자기평형부를 구비한 경우(하부곡선)의 결과를 나타내는 도면이고, 도 6은 염수량이 50%, 60%, 70%, 80%, 90%인 경우의 결과를 나타내며, 도 7은 염수량에 따른 회전체에 작용하는 원심력의 크기를 나타내는 도면이다.

도 5의 경우 자기평형부를 설치한 경우 회전체의 무게 불균형을 일으키는 편심량(e)이 낮게 나타남을 알 수 있다.

그리고 도 6의 경우 염수량을 50% 에서 90% 까지, 변화시킴에 따라 무게 불균형을 해소하기 위해 발생하는 편심량 e에 대한 원심력 f(e)의 값을 나타내는 것으로서, 위에서부터 차례로 유체의 염수량이 60%, 50%, 70%, 80%, 90%의 경우를 나타낸다. 도 6에 도시된 바와 같이, 60%에서 편심량 e에 의한 원심력이 크게 나타나는 것에 의해 질량 불균형을 감소시키는 효과가 가장 크게 나타나며, 50%인 경우에도 60%인 경우와 유사한 자기 평형효과를 보임을 나타내고 있다.

또한, 도 7에서는 주어진 편심량(e)에 따라 발생하는 원심력 f(e)의 값을 나타낸 것으로서 편심량이 증가함에 따라 염수량이 50% ~ 60%인 경우 원심력이 크게 작용하는 것으로서 무게 불균형에 따른 진동의 감소효과가 커짐을 알 수 있다.

여기서, 상술한 도 4 내지 도 7에서와 같이 회전체의 자기 평형을 위해 염수를 포함하는 유체가 사용되는 경우 상기 염수는 1.1 ~ 1.5의 범위에서 비중이 선택될 수 있음은 상술한 바와 같다.

도 8은 볼 수납용 링형케이스를 구비한 상기 도 3의 원심분리기의 A-A선을 따른 단면도이고, 도 9는 도 8의 볼 수납용 링형케이스의 실시 상태를 나타내는 도면이다.

도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 자기평형부가 볼을 수납하는 것에 의해 회전중에 발생하는 무게 불균형을 해소하는 자기평형기능을 구비하는 상기 자기평형부는 자기평형부탑재홈(207)의 내측 단부 형상을 가지며 상부면에는 볼이 수납되는 링형홈(208b)이 형성된 링형케이스(208a)와; 상기 링형홈(208b)에 링형홈(208b)을 따라 자유 이동가능하게 수납되는 적어도 하나 이상의 볼(209a);로 구성된다.

상기 볼은 상술한 바와 같이 링형홈(208b) 내에 수납되어 로터부(200)가 회전되는 경우 링형홈(208b)을 따라 자유 이동하여 회전체의 무게 불균형이 발생하는 대칭방향 상에 위치되어 자기평형기능을 수행하게 되며, 이때, 볼은 강체 운동 방정식에 의해 그 운동을 해석할 수 있다.

도 10 내지 도 12는 본원 발명의 원심분리기의 또 다른 일 실시 예를 나타내는 도면이다.

도 10 내지 도 12에 도시된 바와 같이 본원 발명의 또 다른 일 실시 예에 따르는 원심분리기는 회전동력을 전달하는 구동모터 축(301)이 중심상의 중공부에 삽입되어 고정되고, 상기 중공부로부터 대칭각을 이루며 방사상으로 버킷 고정 프레임(302)이 형성되며, 상기 버킷 고정 프레임(302)의 사이에는 시료용기가 탑재되는 버킷(303)이 버킷 고정 프레임(302)에 수직방향으로 회전가능하게 장착되는 로터부(301, 302, 303으로 구성)와; 상기 로터부의 버킷 고정 프레임(302)의 단부에 링형상의 원통형으로 부착되고 원통형 내부 공간에는 볼 또는 유체 중 어느 하나가 탑 재되는 자기평형부(304);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상술한 도 10 내지 도 12의 구성을 가지는 원심분리기는 로터부의 회전에 따라 버킷이 수평으로 눕도록 버킷 고정 프레임(302)에 대하여 회전하는 것에 의해 시료에 전달되는 원심력을 크게 한다. 그리고 이때, 자기평형부(304) 내의 유체 또는 볼은 로터부의 버킷(303)에 탑재된 시료의 질량이 각각의 버킷에서 서로 다른 경우 상기 질량 불균형을 해소하도록 링형상의 원통형 자기평형부(304)의 내측에 위치됨으로써 원심분리기의 회전에서 발생하는 질량의 불균형을 해소하여 불필요한 진동의 발생을 방지하게 된다. 상술한 도 10 내지 도 12의 원심분리기의 경우에도 자기평형부에 탑재되는 유체는 염수량을 50 ~ 60% 함유하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 본원 발명은 회전체의 회전중의 무게 불균형에 대하여 스스로 균형을 유지하도록 함으로써 회전체의 회전중 무게 불균형에 의한 일 방향의 과부하를 방지함으로써 회전체의 고장 발생을 제거하여 회전체의 내구성을 향상시키는 효과를 제공한다.

또한 상술한 본원 발명은 원심분기기에 적용되는 경우, 종래기술에서와 같이 작업자가 시료의 무게를 측정하여 회전체의 회전중 무게 중심을 회전축의 중심선상에 위치시키도록 하여야하는 작업상의 불편함을 해소하는 효과를 제공한다.

Claims (9)

1. 회전동력을 전달하는 구동모터의 축에 연결되는 회전축이 중심상에 위치되고 저면에는 회전축의 중심을 중심으로 하는 링형상의 자기평형부탑재홈이 형성되는 로터부와;

   볼 또는 유체 중 어느 하나가 탑재되어 상기 자기평형부탑재홈에 장착되는 자기평형부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자기 평형 로터 장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 자기평형부는,

   상기 자기평형부탑재홈의 내측 단부 형상을 가지며 내측에는 유체수납공간이 형성된 링형케이스와;

   상기 링형케이스의 내측에 탑재되는 유체;로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기 평형 로터 장치.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 유체는 염수량을 50 ~ 60%를 함유하는 것을 특징으로 하는 자기 평형 로터 장치.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 자기평형부는,

   상기 자기평형부탑재홈의 내측 단부 형상을 가지며 상부면에는 볼이 수납되는 링형홈이 형성된 링형케이스와;

   상기 링형홈에 수용되는 적어도 하나 이상의 볼;로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기 평형 로터 장치.
5. 회전동력을 전달하는 구동모터의 축에 연결되는 회전축이 중심상에 위치되고 회전축을 중심으로 방사상으로 시료버킷이 탑재되는 시료탑재구가 형성되며, 저면에는 회전축의 중심을 중심으로 하는 링형상의 자기평형부탑재홈이 형성되는 로터부와;

   볼 또는 유체 중 어느 하나가 탑재되어 상기 자기평형부탑재홈에 장착되는 자기평형부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 자기 평형 기능을 구비한 원심분리기.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 자기평형부는,

   상기 자기평형부탑재홈의 내측 단부 형상을 가지며 내측에는 유체수납공간이 형성된 링형케이스와;

   상기 링형케이스의 내측에 탑재되는 유체;로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기 평형 기능을 구비한 원심분리기.
7. 청구항 6에 있어서, 상기 유체는 염수량을 50 ~ 60%를 함유하는 것을 특징으로 하는 자기 평형 기능을 구비한 원심분리기.
8. 청구항 5에 있어서, 상기 자기평형부는,

   상기 자기평형부탑재홈의 내측 단부 형상을 가지며 상부면에는 볼이 수납되는 링형홈이 형성된 링형케이스와;

   상기 링형홈에 수용되는 적어도 하나 이상의 볼;로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기 평형 기능을 구비한 원심분리기.
9. 회전동력을 전달하는 구동모터 축이 중심상의 중공부에 삽입되어 고정되고, 상기 중공부로부터 대칭각을 이루며 방사상으로 버킷 고정 프레임이 형성되며, 상 기 버킷 고정 프레임의 사이에는 시료용기가 탑재되는 버킷이 버킷 고정 프레임에 수직방향으로 회전가능하게 장착되는 로터부와;

   상기 로터부의 버킷 고정 프레임의 단부에 링형상의 원통형으로 부착되고 원통형 내부 공간에는 볼 또는 유체 중 어느 하나가 탑재되는 자기평형부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자기 평형 기능을 구비한 원심분리기.

Images