KR20100045029A

KR20100045029A - 볼 스크류의 냉각장치

Info

Publication number: KR20100045029A
Application number: KR1020080104048A
Authority: KR
Inventors: 이현우
Original assignee: (주)유지인트
Priority date: 2008-10-23
Filing date: 2008-10-23
Publication date: 2010-05-03
Also published as: KR101017840B1

Abstract

본 발명은 공작기계에 사용되는 볼 스크류의 냉각장치에 관한 것으로, 일단이 상기 볼 스크류내에 길이 방향으로 삽입되는 히트 파이프; 및 상기 히트 파이프의 타단이 상기 볼 스크류 외부에 노출되고, 상기 히트 파이프 타단 말단에 결합된 방열부재를 포함한다.

이와 같은 발명을 제공하게 되면, 종래의 냉각류 순환에 의한 장치보다 장치구성이 훨씬 용이하고 생산단가가 낮아질 뿐만 아니라, 높은 효율과 내구성을 높일 수 있다. 또한, 냉각류를 사용하지 않아 냉각류에 의한 공장기계의 각종 산화 및 베어링 침투에 의한 성능저하를 막을 수 있게 되는 장점이 있다.

히트 파이프, 공작기계, 볼 스크류, 볼 너트

Description

볼 스크류의 냉각장치{cooling system of ball screw}

본 발명은 예로, 머시닝센타의 구조물 이송용으로 사용되는 볼 스크류(BALL SCREW)의 냉각(COOLING)장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 구조물의 이송시 발생되어지는 열변위를 최소화하여 가공의 정도를 높이고 더불어 볼 스크류의 수명을 향상시킬 수 있도록 한 볼 스크류 냉각장치에 관한 것이다.

종래의 볼 스크류 냉각장치는 도 1에서와 같이 볼 스크류의 끝단에 드로우 플로우(THROUHG FLOW)형태의 로테이팅 유니온(ROTATING UNION)(10)을 부착하고 이를 통해서 중공을 갖는 볼 스크류(12)의 내부로 냉매를 투입하고 반대편의 볼 스크류 측면의 구멍(12a)을 통해서 냉매를 회수하는 구조로 되어 있다.

이때 로테이팅 실(ROTATING SEAL)(14)을 사용하여 냉매의 누출을 방지한다. 이런 구조에서는 로테이팅 실의 품질에 따라서 초기 냉매의 누출이 발생된다. 또한 초기 냉매 누출이 없다고 할지라도 서보모터(M)의 구동중 계속적인 회전 마찰로 인해 로테이팅 실(14)의 마모가 발생되어지며 이로 인해 냉매의 누출 양이 시간이 지나감에 따라 점점 많아지게 되고, 냉매의 보충(REFILL) 기간이 점점 짧아지게 된다.

또한 이런 구조에서는 볼 스크류의 냉각장치에 문제가 발생될 경우 수정을 위해서는 모터 브라켓(MOTOR BRACKET)을 완전히 분해해서 관련 부품을 수정 후 전체적인 볼 스크류 어셈블리와 관련된 부분을 재조정한 후 조립을 하여야 한다. 또한 볼 스크류(12)에 측면에 구멍(12a)을 추가적으로 가공을 하여야 하고, 별도로 로테이팅 실(14)의 마모를 방지하기 위한 방법이 없다. 또한 구조가 복잡하고 수정이 요구될 경우 시간 및 노력이 많이 소요된다. 아울러 고가의 로테이팅 실(14) 및 관련 부품이 소요됨으로서 많은 제조원가가 필요하다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 종래의 냉각류 순환에 의한 장치보다 장치구성이 훨씬 용이하고 생산단가가 낮아질 뿐만 아니라, 높은 효율과 내구성을 높이 고자 함이다. 또한, 냉각류를 사용하지 않아 냉각류에 의한 공작기계의 각종 산화 및 베어링 침투에 의한 성능저하를 막을 수 있게 하기 위함이다.

상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 제1특징은 구조물을 이송시키는 볼 스크류의 냉각장치에 있어서, 일단이 상기 볼 스크류내에 길이 방향으로 삽입되는 히트 파이프; 및 상기 히트 파이프의 타단이 상기 볼 스크류 외부에 노출되고, 상기 히트 파이프 타단 말단에 결합된 방열부재를 포함한다.

여기서, 상기 히트 파이프는 상기 볼 스크류에 복수개의 관통된 중공에 삽입되는 복수개의 히트 파이프인 것이 바람직하고, 상기 히트 파이프 내부에 삽입된 냉매는 끓는점이 10℃ 내지 60℃ 인 것이 바람직하다.

바람직하게는, 상기 히트 파이프는 상기 볼 스크류 중심부에서 말단 방향으로 상승되도록 상기 볼 스크류를 관통하는 중공에 삽입되는 것일 수 있고, 상기 히트 파이프 말단에 결합된 방열부재는 방열판 및 상기 방열판에 수직한 방향으로 세워져 있는 복수개의 방열핀 또는 방열날개로 구성된 것일 수 있다.

본 발명의 제2 특징은 구조물을 이송시키는 볼 스크류의 냉각장치에 있어서, 일단이 상기 볼 스크류내에 길이 방향으로 삽입되는 히트 파이프; 상기 히트 파이 프의 타단이 상기 볼 스크류 외부에 노출되고, 상기 히트 파이프 타단 말단에 결합된 방열부재; 상기 방열부재와 일정 거리를 두고 이격되도록 상기 볼 스크류 말단과 연결된 하우징 및 상기 하우징 일면에 장착된 상기 방열부재와 대면하여 상기 방열부재에서 발생되는 열을 외부에 방출 되도록 하는 팬을 포함한다.

여기서, 상기 히트 파이프는 상기 볼 스크류에 복수개의 관통된 중공에 삽입되는 복수개의 히트 파이프인 것이 바람직하고, 상기 히트 파이프 내부에 삽입된 냉매는 끓는점이 10℃ 내지 60℃ 인 것이 바람직하며, 상기 히트 파이프는 상기 볼 스크류 중심부에서 말단 방향으로 상승되도록 상기 볼 스크류를 관통하는 중공에 삽입되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 히트 파이프 말단에 결합된 방열부재는 방열판 및 상기 방열판에 수직한 방향으로 세워져 있는 복수개의 방열핀 또는 방열날개로 구성된 것이 바람직하다.

이와 같은 본 발명을 제공하게 되면, 종래의 냉각류 순환에 의한 장치보다 장치구성이 훨씬 용이하고 생산단가가 낮아질 뿐만 아니라, 높은 효율과 내구성을 높일 수 있다. 또한, 냉각류를 사용하지 않아 냉각류에 의한 공장기계의 각종 산화 및 베어링 침투에 의한 성능저하를 막을 수 있게 되는 장점이 있다.

또한, 외부 공기에 노출된 방열판이 넓고 방열핀이 단면적이 방열 효율이 높아 히트 파이프 전체의 성능을 향상시킬 수 있다. 그리고 히트 파이프는 볼 스크류에 매설되어 있기 때문에 볼 스크류의 회전 구동시 히트 파이프도 같이 회전하게 되는 데, 이 때 방열부재는 회전하면서 상온 정도의 외부공기와 접촉을 하면서 냉각 효율이 더욱 좋아지는 효과가 있게 된다.

제1 실시예

도 2는 본 발명에 따른 볼 스크류의 냉각장치의 구성을 예시한 도면이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 구조물을 이송시키기 위한 볼 스크류(10)에 있어서, 볼 스크류(10)는 내부에 길이 방향으로 히트 파이프(30)가 삽입되어 매설되어 있다. 히트 파이프의 일단은 스크류 내부에 길이 방향으로 삽입되어 매설되어 있고, 타단은 외부에 노출되어 있으며, 외부에 노출된 히트 파이프의 말단부분에 열결된 방열부재(40)를 포함하는 구성으로 되어있다.

여기서, 볼 스크류(10)의 길이 방향으로 매설된 히트 파이프의 일단은 열전도성이 높은 열흡수부를 포함하여 매설되는 것도 가능하고, 열흡수부만을 매설하고, 히트 파이프를 볼 스크류 외부로 노출하는 것도 가능하다.(도시하지 않음) 즉, 볼 스크류(10) 이송장치의 장치 구성과 냉각 효율을 고려하여 가장 적합한 방법으로 구성할 수 있음은 물론이다.

도 2를 참조하면 머시닝센터의 구조물 이송장치는 모터(M)의 구동으로 볼 스크류(10)가 회전되고, 볼 스크류(10) 외경부에 나선형의 홈이 형성 되고, 이에 대응된어 홈이 형성된 볼 너트(20)와 볼을 매개로 연결되어 볼 스크류(10)의 회전으로 볼 너트의 병진운동으로 전환되는 구조로 되어 있다.

이처럼 볼 스크류(10)와 볼너트(20)의 접촉에 의한 구동의 전달방식을 취하고 있기 때문에 그 접촉부위에서 상당한 마찰열을 발생하고, 이 마찰열은 볼 스크류(10) 내지 볼 너트(20)의 열변위를 가져오게 된다. 이 열변위는 결국 이송장치의 내구성을 떨어 뜨리고 머시닝 센터 전체의 생산성을 떨어 뜨리는 문제로 귀결된다.

이에 본 발명에서는 볼 스크류(10)의 열변형을 방지하기 위해 냉각장치를 착안 한 것으로 종래의 냉각유의 순환을 통한 냉각방식의 문제점을 보완 하고 냉각효율 및 생산성을 높일 수 있는 방법을 착안 하였다.

즉, 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에서는 볼 스크류(10) 내부에 히트 파이프(30)를 매설하여 볼 스크류(10)의 고속 회전시 외부로 열을 효과적으로 전달하여 냉각시키는 방식을 채택한다.

도 3은 본 발명에서 적용한 히트 파이프의 간략한 구성도를 예시한 도면이다. 히트 파이프(heat pipe)는 전열관(傳熱管)이라고도 한다. 우주선의 방열용으로 1942년 미국의 제너럴모터스사(社)에서 제작되었으나 실용화된 것은 1963년경부터이다. 내부가 진공 상태인 파이프로 작은 구멍이 많이 뚫려 있는 안쪽에 휘발성 액체를 가득 넣은 것이다. 이 파이프의 한쪽 끝에 열을 가하면 액체는 증발하여 열에너지를 가지면서 다른 끝으로 이동한다. 파이프의 다른 끝에서 방열하고, 속을 지나 본래의 위치로 돌아오는 구조로 되어 있다.

본체(本體)의 재료는 구리 ·스테인리스강 ·세라믹스 ·텅스텐 등이 사용되고, 안벽은 다공질의 파이버 등이 사용된다. 내부의 휘발성 물질로는 메탄올 ·아세톤 ·물 ·수은 등이 사용된다. 도 3을 참조하여 원리를 보다 상세히 설명하면, 히트 파이프는 진공상태인 파이프로서, 증발부, 단열부, 응축부로 구성된다.

히트 파이프의 내벽에는 윅구조를 갖는 구조물이 위치해 있고, 내부에는 냉매가 일부 채워져 있다. 이러한 구조를 통하여 증발부에서 가열되어 히트 파이프 내부에 있는 냉매가 증발하게 되고, 증발한 기체는 압력이 높아져 압력이 낮은 응축부로 이동하게 된다.

응축부는 증발부에 비에 냉각된 부분이어서 냉매 기체는 다시 응축하여 액화된다. 액체로 환원된 냉매는 히트 파이프 내벽에 있는 윅(wick)구조물(31)을 따라 모세관 현상에 의하여 증발부로 이동하게 된다. 이와 같은 냉매의 상변화 싸이클을 통하여 냉매가 기화되는 열을 응축부에서 외부로 방출하도록 하여 피 냉각체를 냉각 시키는 구조로 되어있다. 그러므로 응축부 말단에는 열을 외부로 방출하기 위한 방열부재(40)로 되어 있다.

방열부재(40)는 방열판(41) 및 방열핀(43)으로 구성되는 것이 바람직하다. 외부 공기에 노출된 방열판(41) 및 방열핀(43)이 단면적이 넓은 경우 방열 효율이 높아 히트 파이프(30) 전체의 성능을 향상시킬 수 있다. 그리고 히트 파이프튼 볼 스크류(10)에 매설되어 있기 때문에 볼 스크류(10)의 회전 구동시 히트 파이프도 같이 회전하게 되는 데, 이 때 방열부재(40)는 회전하면서 상온 정도의 외부공기와 접촉을 하면서 냉각 효율이 더욱 좋아지는 효과가 있게 된다.

그러므로, 방열판(41)은 전체 냉각장치의 구성 효율및 시스템 안정에 알맞게 정해지고, 방열핀(43) 또는 방열 날게는 넓은 면적에서 외부공기와의 접촉을 할 수 있게 하고, 회전시 공기저항을 적게 할 수 있도록 모양 및 크기를 선택할 수 있음 은 물론이다.

그리고, 히트 파이프(30)는 볼 스크류(10)의 구동모터 반대편에 길이방향으로 삽입 매설되는 것이 바람직하다. 구조적 형상 및 모터의 위치를 고려하여 모터측에도 삽입 가능함은 물론이다. 또한 히트 파이프는 볼 스크류(10) 내부에 길이 방향으로 복수개의 관통공을 형성하고, 이 관통공에 복수개의 히트 파이프를 삽입하는 것도 역시 가능하다.

냉각효율은 히트 파이프 자체 성능에 의해 좌우되기도 하지만, 볼 스크류(10) 내에 매설되어 있는 개수에 의해서도 향상될 수 있다. 그러므로 복수개의 히트 파이프를 설계공정을 고려하여 매설함으로써, 냉각효율을 높일 수 있음은 물론이다.

도 4는 본 발명에 따른 볼 스크류(10)의 냉각장치 구조를 예시한 확대 단면도이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 히트 파이프의 증발부가 볼 스쿠류(10) 내부에 삽입되어 매설되어 있고, 응축부 말단이 볼 스크류(10) 외부로 노출되어 있는 구조로 되어 있다. 히트 파이프의 응축부 말단에는 방열부재(40)가 장착되어 있어서, 히트파이브의 내부의 냉매가 기화 되어 응축부로 이동하는 경우, 응축부의 온도를 냉각시켜 냉매를 액화하여 다시 증발부로 전달될 수 있도록 열을 방출한는 방열부재(40)로 되어 있다.

방열부재(40)는 작업대의 측면에 설치하여 외부공기와의 노출을 확대하고, 보다 효율적을 냉각할 수 있도록 설치하는 것이 바람직하다. 방열부재(40)는 방열판(41) 및 방열핀(43)으로 구성되는 것이 바람직하다. 외부 공기에 노출된 방열 판(41) 및 방열핀(43)이 단면적이 넓은 경우 방열 효율이 높아 히트 파이프(30) 전체의 성능을 향상시킬 수 있다. 그리고 히트 파이프는 볼 스크류(10)에 매설되어 있기 때문에 볼 스크류(10)의 회전 구동시 히트 파이프도 같이 회전하게 되는데, 이 때 방열부재(40)는 회전하면서 상온 정도의 외부공기와 접촉을 하면서 냉각 효율이 더욱 좋아지는 효과가 있게 된다.

그러므로, 방열판(41)은 전체 냉각장치의 구성 효율및 시스템 안정에 알맞게 정해지고, 방열핀(43) 또는 방열 날게는 넓은 면적에서 외부공기와의 접촉을 할 수 있게 하고, 회전시 공기저항을 적게 할 수 있도록 모양 및 크기를 선택할 수 있음은 물론이다.

더하여, 히트 파이프는 볼 스크류(10) 내부에 관통 매설시 증발부에서 응축부로 갈수록 상 방향으로 기울어지게 매설되는 것이 바람직하다. 이는 히트 파이프의 원리가 냉매의 증발로 응축부로 이동시키고, 다시 응축부에서 냉매 기체를 냉각시켜 액화한 다음 증발부로 전달되도록 하는 순환 싸이클 구조로 이루어 지기 때문에 응축부에서 냉각된 냉매가 증발부로 중력에 의해 보다 효율적으로 전달될 수 있기 때문이다.

제2 실시예

도 5는 본 발명에 따른 또 다른 실시예로서, 볼 스크류의 냉각장치의 확대 단면도를 예시한 도면이다.

도 5에 나타낸 바와 같이, 히트 파이프의 증발부가 볼 스쿠류 내부에 길이방 향으로 삽입되어 매설되고, 응축부 말단이 볼 스크류(10) 외부로 노출되고, 히트 파이프의 응축부 말단에는 방열부재(40)가 장착되며, 방열부재(40)와 대면하여 방열부재(40)에서 발생하는 열을 효과적으로 흡수하여 외부로 방출하기 위한 팬(50)이 방열부재(40)를 둘러싸는 하우징에 장착되어 있는 구성이다.

즉, 볼 스크류(10)가 회동하는 경우 볼 너트와의 마찰에 의해 열을 발생하고, 볼 스크류(10) 내부에 매설되어 있는 히트 파이프(30)는 그 열을 흡수하게 되고, 흡수된 열을 히트파이브의 증발부에 있는 냉매가 기화 된다. 기화된 냉매기체는 높은 압력을 가지게 되고, 상대적으로 외부에 노출되어 있는 응축부는 압력이 낮게 되므로, 냉매기체는 증발부에서 응축부로 이동하게 된다.

응축부로 냉매기체가 이동하게 되면, 냉매 기체는 외부와 노출되어 있는 끓는점 보다 낮은 응축부의 온도에 의해 다시 응축하여 액화되고, 액화된 냉매는 히트 파이프(30) 내벽에 있는 윅(wick) 구조물을 미세 통로를 따라 모세관 현상에 의해 다시 증발부로 이동하게 된다. 이렇게 냉매의 상변화(Phase shift) 싸이클을 통해 볼 스쿠류 및 너트의 고속 회전에 의한 마찰열을 높은 열전달 효율을 갖는 히트 파이프(30)에 의해 외부로 방출 시킴으로써, 마찰열에 의한 볼 스쿠류 및 볼 너트의 열변위를 저지할 수 있게 되는 효과가 있다.

볼 스크류(10)는 일반적으로 상온 이상인 경우, 약 50℃ 이상인 경우 미세한 열변위가 일어나고, 이러한 열변위로 인하여 시스템 가동에 문제가 발생하여 결국 생산성을 떨어뜨리는 문제를 일으킨다. 그러므로 본 발명에서 사용하는 냉매는 끓는점이 20℃ 내지 60℃ 인 것이 바람직하고, 프레온, 아세톤 등이 이에 해당한다. 즉, 머시닝 센터의 동작 가동 중 볼 스크류(10) 볼 너트의 동작에서 열 변위가 일어나는 온도를 측정하고 이에 가장 적합한 냉매를 채택하는 것이 바람직하다.

그리고, 도 5에 나타낸 바와 같이 히트 파이프의 냉각 효율은 방열부에서 얼마나 열을 잘 방출시키는지가 문제되는데, 본 발명에서는 발열판 및 방열핀(43)으로 구성된 방열부재(40)와 소정 간격으로 이격되고 방열부재(40) 전면과 대면되어 방열부재(40)로 발생하는 열을 외부로 효과적으로 흡수 방출하기 위한 팬(50)이 더 구비한 것이 특징이다. 팬(50)의 속도는 냉각효율과 관련이 있으므로 외부에서 제어하거나 볼 스크류(10)의 온도를 측정하여 자동으로 제어하도록 하는 것도 가능하다.

그러므로, 볼 스크류(10)에 일부 매설되어 있는 히트 파이프 또한 회전하도록 되어 있으므로 히트 파이프의 방열부재(40)와 팬(50)의 회전으로 열을 가장 잘 방출될 수 있도록 구조 장착하는 것이 바람직하다.

이와 같이 본 발명에서 제안한 볼 스쿠류의 냉강장치를 제공하게 되면, 종래의 냉각류 순환에 의한 장치보다 장치구성이 훨씬 용이하고 생산단가가 낮아질 뿐만 아니라, 높은 효율과 내구성을 높일 수 있다. 또한, 냉각류를 사용하지 않아 냉각류에 의한 공장기계의 각종 산화 및 베어링 침투에 의한 성능저하를 막을 수 있게 되는 장점이 있다.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

도 1은 종래의 볼 스크류의 냉각 장치의 구성을 예시한 개략도,

도 2는 본 발명에 따른 머시닝센터의 볼 스크류의 냉각장치의 구성을 예시한 도면,

도 3은 본 발명에서 적용한 히트 파이프의 간략한 구성도를 예시한 도면,

도 4는 본 발명에 따른 볼 스크류의 냉각장치 구조를 예시한 확대 단면도,

<도면의 주요 부분에 대한 설명>

10 : 볼 스크류, 20 : 볼 너트, 30 : 히트 파이프, 31 : 윅구조물

40 : 방열부재, 41 : 방열판, 43 : 방열핀, 50 : 팬

Claims

구조물을 이송시키는 볼 스크류의 냉각장치에 있어서,

일단이 상기 볼 스크류내에 길이 방향으로 삽입되는 히트 파이프; 및

상기 히트 파이프의 타단이 상기 볼 스크류 외부에 노출되고, 상기 히트 파이프 타단 말단에 결합된 방열부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 볼 스크류 냉각장치.
제1항에 있어서,

상기 히트 파이프는 상기 볼 스크류에 복수개의 관통된 중공에 삽입되는 복수개의 히트 파이프인 것을 특징으로 하는 볼 스크류 냉각장치.
제1항에 있어서,

상기 히트 파이프 내부에 삽입된 냉매는 끓는점이 10℃ 내지 60℃ 인 것을 특징으로 하는 볼 스크류 냉각장치.
제1항에 있어서,

상기 히트 파이프는 상기 볼 스크류 중심부에서 말단 방향으로 상승되도록 상기 볼 스크류를 관통하는 중공에 삽입되는 것을 특징으로 하는 볼 스크류 냉각장치.
제1항에 있어서,

상기 히트 파이프 말단에 결합된 방열부재는 방열판 및 상기 방열판에 수직한 방향으로 세워져 있는 복수개의 방열핀 또는 방열날개로 구성된 것을 특징으로 하는 볼 스크류 냉각장치.
구조물을 이송시키는 볼 스크류의 냉각장치에 있어서,

일단이 상기 볼 스크류내에 길이 방향으로 삽입되는 히트 파이프;

상기 히트 파이프의 타단이 상기 볼 스크류 외부에 노출되고, 상기 히트 파이프 타단 말단에 결합된 방열부재;

상기 방열부재와 일정 거리를 두고 이격되도록 상기 볼 스크류 말단과 연결된 하우징 및 상기 하우징 일면에 장착된 상기 방열부재와 대면하여 상기 방열부재에서 발생되는 열을 외부에 방출 되도록 하는 팬을 포함하는 것을 특징으로 하는 볼 스크류 냉각장치.
제6항에 있어서,

상기 히트 파이프는 상기 볼 스크류에 복수개의 관통된 중공에 삽입되는 복수개의 히트 파이프인 것을 특징으로 하는 볼 스크류 냉각장치.
제6항에 있어서,

상기 히트 파이프 내부에 삽입된 냉매는 끓는점이 10℃ 내지 60℃ 인 것을 특징으로 하는 볼 스크류 냉각장치.
제6항에 있어서,

상기 히트 파이프는 상기 볼 스크류 중심부에서 말단 방향으로 상승되도록 상기 볼 스크류를 관통하는 중공에 삽입되는 것을 특징으로 하는 볼 스크류 냉각장치.
제6항에 있어서,

상기 히트 파이프 말단에 결합된 방열부재는 방열판 및 상기 방열판에 수직한 방향으로 세워져 있는 복수개의 방열핀 또는 방열날개로 구성된 것을 특징으로 하는 볼 스크류 냉각장치.