KR20180114651A - 관형 스프링 - Google Patents

Abstract

본 발명은 관형 스프링에 관한 것으로, 관형 바디에 축방향에 대해 수직 방향으로 다수의 슬릿이 형성되어 축방향 신축이 가능한 스프링이 제공된다. 정밀 가공이 가능하여 원자로 노심내 고정밀 사양에 알맞은 스프링을 제공할 수 있고, 관 형체이므로 지지하는 관형 구조물의 내부를 이동하는 물체의 경로를 차단하지 않는 장점이 있다.

Description

관형 스프링{TUBULAR SPRING}

본 발명은 스프링에 관한 것으로, 특히 관형 구조물을 안정적으로 지지하기 위한 관형 스프링에 관한 것이다.

스프링은 물체의 탄성 변형을 이용해서 에너지를 흡수 및 축적하여 완충 등의 작용을 하는 기계 요소로서 대표적으로 코일스프링과 디스크스프링을 예로 들 수 있다.

원자로의 노심 내부에는 조사 안내관과 같은 관형 구조물이 다수 있으며, 이들을 안정적으로 지지하기 위해서는 매우 정밀도가 높은 스프링이 필요하다.

그런데 종래의 코일스프링은 양 끝 단면이 평평하지 않기 때문에 관형 구조물을 안정적으로 지지하기 어려울 뿐만 아니라 외경 및 내경을 정밀하게 제작할 수 없기 때문에 원자로 노심 내부와 같이 고도의 정밀도가 요구되는 조립부에는 적합하지 않다.

또한 디스크스프링은 수축량을 일정하게 조절하기 어렵고, 스프링의 몸체가 관형 구조물의 내부 경로를 차단하기 때문에 관형 구조물 내부를 통과하는 물체의 운동을 방해하므로 노심 내 관형 구조물의 지지에 사용될 수 없다.

대한민국 공개특허 10-2008-0008468(2008.01.24.) 대한민국 공개특허 10-2012-0104663(2012.09.24.)

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 원자로 노심 내부의 관형 구조물의 지지에 적합한 새로운 구조의 관형 스프링을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 관 형상의 관형 바디와, 상기 관형 바디에 관형 바디를 관통하는 중심축에 대해 직각인 방향으로 형성된 복수의 슬릿과, 상기 관형 바디에서 상기 슬릿과 동일 선상에 슬릿으로 형성되지 않고 남아 있는 잔여부를 포함한다.

이상 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 관형 스프링은, 지지하고자 하는 관형 구조물과 동일한 단면 형상을 가질 뿐만 아니라 금속 관형 바디를 기계 가공(절삭)하여 제조하므로 내경과 외경의 치수 정밀도가 우수하여 노심내 관형 구조물을 매우 안정적으로 지지할 수 있게 된다.

또한 본 발명에 따른 관형 스프링은 관 형상으로 이루어져 있어서 관형 구조물의 내부를 통과하는 물체의 경로를 차단하지 않으므로 원자로 노심내 조사 안내관과 같이 내부를 통과하는 물체가 존재하는 관형 구조물의 지지에 적합하다.

또한 본 발명에 따른 관형 스프링은 슬릿과 잔여부의 치수 가공을 통해 지지하고자 하는 관형 구조물에 적합한 탄성(수축량)을 갖는 스프링을 제조하기 용이하여 관형 구조물을 보다 안정적이고 견고하게 지지할 수 있게 되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 관형 스프링의 일 실시예로서, 사각 단면을 가지는 관형 스프링의 사시도.
도 2는 삼각 단면을 가지는 관형 스프링의 사시도.
도 3은 원형 단면을 가지는 관형 스프링의 사시도.
도 4는 타원형 단면을 가지는 관형 스프링의 사시도.
도 5는 도 1의 사각 단면 관형 스프링에서 인접한 한 그룹의 슬릿들을 개별적으로 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 관형 스프링의 사용 상태 사시도.
도 7은 도 6의 종단면도.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 첨부된 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의를 위해 과장되게 도시되어 있을 수 있다.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1 내지 도 4는 본 발명에 따른 관형 스프링의 다양한 실시예를 도시한 것으로, 도 2는 사각형, 도 3은 삼각형, 도 3은 원형, 도 4는 타원형의 평단면을 가지는 관형 스프링을 도시한 것이다.

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 관형 스프링(10)은 관형 바디(11)에 횡방향(바디의 외측면에 대해 수직인 방향)으로 다수의 슬릿(12)이 형성된 구조로 이루어진다.

관형 바디(11)는 지지 대상이 되는 관형 구조물(20)(도 6 참조)의 단면(평단면)과 동일한 형상 및 치수로 이루어진 단면을 가진다.

즉, 관형 바디(11)는 지지되는 관형 구조물(20)이 사각형이면 도 1과 같이 사각 단면의 관형 바디(11)가 사용되고, 삼각형이면 도 2와 같이 삼각 단면의 관형 바디(11)가 사용된다. 마찬가지로 지지되는 관형 구조물(20)이 원형이거나 타원형일 경우 각각 도 3 및 도 4와 같이 원형 및 타원형의 단면 형상을 가지는 관형 바디(11)가 사용된다.

상기 관형 바디(11)에 탄성을 부여하기 위하여, 관형 바디(11)에는 바디 면에 직각 방향으로 다수의 슬릿(12)이 형성된다.

슬릿(12)은 관형 바디(11)를 축방향에 대해 직각인 방향으로 부분 절개한 것으로, 절개되지 않고 남은 잔여부(13)가 각 슬릿(12)의 상부와 하부를 연결하여 그 상부와 하부가 서로 접근하거나 멀어지는 탄성 변형이 가능하도록 하며, 더불어 관형 바디(11)의 형상과 강성을 유지하는 역할을 한다.

따라서 상기 슬릿(12)과 잔여부(13)의 길이에 따라 관형 바디(11) 즉, 관형 스프링(10)의 탄성 강도가 정해진다.

또한 관형 바디(11)에 형성되는 슬릿(12)의 전체 개수에 따라 관형 스프링(10)의 수축량이 정해진다.

따라서 적용 위치 즉, 지지 대상이 되는 관형 구조물(20)마다 요구되는 탄성 강도 및 수축량을 갖도록 슬릿(12)과 잔여부(13)의 길이 및 슬릿(12)의 개수를 설계시 정하여 가공함으로써 해당 관형 구조물(20)에 최적화된 관형 스프링(10)을 제공할 수 있다.

한편, 상기 슬릿(12)과 잔여부(13)는 도 1, 도 2와 같이 관형 바디(11)가 다각형인 경우 전체 면 중 하나의 면만 제외하고 나머지 면을 모두 절개하여 슬릿(12)을 형성하고 하나의 면만을 잔여부(13)로 형성하는 방식으로 형성될 수 있다.

즉, 관형 바디(11)가 사각 단면을 가지는 도 1의 경우에는 3개 면에 연속하여 슬릿(12)이 형성되고 나머지 한 면이 잔여부(13)가 되고, 관형 바디(11)가 삼각 단면을 가지는 도 2의 경우에는 2개 면에 슬릿(12)이 형성되고 나머지 한 면이 잔여부(13)가 되는 것이다.

물론, 슬릿(12)과 잔여부(13)의 길이 설정에 따라서 상기와 같이 잔여부(13)가 반드시 하나의 면 전체를 차지하는 것은 아니며, 슬릿(12)이 더 길게 형성되어 잔여부(13)가 한 면의 일부 영역에만 형성될 수 있음은 물론이다.

또한, 잔여부(13)는 하나의 면의 중앙에만 형성되는 것이 아니라 단면의 모서리 부분에 형성될 수도 있다. 이러한 슬릿(12)과 잔여부(13)의 상대적 길이 및 위치는 해당 관형 스프링(10) 개개에 요구되는 탄성 강도 및 수축량에 맞추어 적절히 설계된다.

한편, 슬릿(12)이 다수 개 형성될 경우 관형 스프링(10)의 수축 거동에 있어 전체적인 균형을 고려해야만 한다.

즉, 슬릿(12)이 2개 형성될 경우 슬릿(12)은 관형 바디(11)의 중심축을 포함하는 면(중심면)을 기준으로 서로 면대칭되는 형상으로 형성된다. 즉, 2개의 슬릿(12)은 서로 180°로 대응되는 형상으로 형성된다.(관형 바디(11)가 삼각 단면을 갖는 경우는 제외함)

또한 슬릿(12)이 3개 이상 형성될 경우에는 슬릿(12)들은 관형 바디(11)의 중심축을 기준으로 축 대칭되는 형상으로 형성된다. 예를 들어, 관형 바디(11)가 사각 단면인 경우에는 인접한 두 슬릿이 서로 90°의 위상 차이를 가지며, 관형 바디(11)가 삼각 단면인 경우에는 인접한 두 슬릿이 서로 120°의 위상 차이를 가지는 형태로 형성될 수 있다.

도 3, 도 4와 같이 관형 바디(11)가 원형 또는 타원형이어서 슬릿(12)과 잔여부(13)의 위치를 면과 모서리 등으로 구분할 수 없는 경우에도 2개의 슬릿은 서로 반대 위치에 형성되고, 3개 이상의 슬릿은 중심축을 기준으로 축 대칭인 관계로 형성된다.

도 5는 도 1의 평단면이 사각형인 관형 바디(11)에 있어서, 한 그룹의 슬릿(12)만을 개별적으로 구분하여 도시한 것이다. 사각 단면 관형 바디(11)의 각 측면을 ①, ②, ③, ④로 표시하고 관형 바디(11)의 하부로부터 상방으로 순차적으로 형성된 각 슬릿(12)을 a, b, c, d로 표시하였다.

도 5를 참고하면, 슬릿a는 잔여부(13)가 ①번 면에 형성되고, 슬릿b는 잔여부(13)가 ②번 면에 형성되며, 슬릿c는 잔여부(13)가 ③번 면에 형성되고, 슬릿d는 잔여부(13)가 ④번 면에 형성된 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 사각형 관형 바디(11)에는 슬릿(12)들이 90°의 위상차를 가지고 축대칭 관계로 형성됨을 확인할 수 있다.

이와 같이 복수의 슬릿(12) 및 잔여부(13)의 위치가 관형 바디(11) 전체에 있어 균형을 이룸으로써 관형 구조물의 하중을 지지할 때 관형 스프링(10)의 전체에 걸쳐 균일한 수축 거동이 이루어질 수 있다. 즉, 관형 스프링(10)의 평단면 전체에 걸쳐 균일한 하중 지지가 이루어지게 된다.

상기와 같이 중심축을 기준으로 복수의 슬릿(12)이 동일한 각도 차이로 축대칭 형성된 경우 이들을 하나의 그룹으로 가정하면, 관형 바디(11)의 축 방향 길이 전체에 있어서 복수의 그룹(예를 들어, 도 1에서 그룹A 와 그룹B)을 형성할 수 있으며, 그 경우 각각의 그룹들은 상하방향(관형 바디(11)의 축방향)으로 동일한 간격으로 이격되어 형성되는 것이 바람직하다. 이 역시 관형 스프링(10) 전체에 걸쳐 균일한 지지 강성을 갖도록 하기 위함이다.

상기 관형 바디(11)의 양측 단부 면은 평면으로 형성된다. 이는 지지 대상이 되는 관형 구조물(20)의 단부 면이 대개 그 길이 방향에 수직인 평면이기 때문이다. 그러나 관형 구조물(20)의 단부 면이 특수한 형상을 가진 경우 이를 지지하는 관형 스프링(10)의 관형 바디 단부 면은 그 특수 형상에 면 밀착될 수 있는 대응 형상으로 형성될 수 있음은 물론이다.

본 발명에 따른 관형 스프링(10)은 수축 변형시 상기 슬릿(12)의 양단부에 응력의 집중이 발생한다. 이러한 응력 집중 현상은 슬릿(12)의 단부에 크랙을 발생시키게 되는데, 크랙 발생 방지를 위하여 본 발명은 상기 슬릿(12)의 양쪽 단부에 팁홀(14)이 형성된다.

상기 팁홀(14)은 슬릿(12)의 폭보다 큰 직경을 가지는 원형의 구멍을 슬릿(12)의 단부에 형성한 것이다. 따라서 팁홀(14)에 의해 슬릿(12)의 단부가 라운드 형상이 되므로 응력이 어느 한 점에 집중되지 않고 주변으로 고르게 분산됨으로써 크랙의 발생과 성장이 방지된다.

한편, 도 3 및 도 4와 같이, 상기 슬릿(12)과 팁홀(14)의 측면에 이들의 테두리 전체를 둘러싸는 보강용 리브(15)가 형성될 수 있다.

상기 리브(15)는 도 3과 같이 관형 바디(11)의 내주면에 돌출 형성될 수도 있고, 도 4와 같이 관형 바디(11)의 외주면에 돌출 형성될 수도 있다.

상기 리브(15)에 의해 슬릿(12) 주변부의 강성이 증가하게 되는 바, 관형 스프링(10) 설계시 관형 스프링(10)의 탄성 강도를 결정 짓는 설계 요소로서 슬릿(12) 및 잔여부(13)에 더하여 상기 리브(15)를 고려할 수 있게 된다. 따라서 관형 스프링(10)의 설계 자유도가 증가되어 관형 스프링(10)을 보다 다양한 크기 및 형상으로 제작 가능하며 이에 그 적용 대상이 증가될 수 있다.

도 6과 도 7은 본 발명에 따른 관형 스프링(10)의 사용 상태 사시도와 단면도이다. 도시된 바와 같이 사각 평단면을 가지는 관형 구조물(20)의 하단부를 동일한 사각 평단명을 가지는 관형 스프링(10)이 지지하고 있다. 관형 스프링(10)의 하단은 노심 설비의 고정 구조물(30)에 의해 지지되거나 또 다른 관형 구조물에 의해 고정될 수 있다.

이와 같이 관형 구조물(20)과 동일한 단면 형상을 갖는 관형 스프링(10)에 의해 관형 구조물(20)이 지지됨으로써 관형 구조물(20)을 매우 견고하게 안정적으로 지지할 수 있게 된다.

또한, 관형 구조물(20)이 조사 안내관과 같이 관 내부를 통과하는 물체가 있는 경우에도 관형 스프링(10)은 물체의 이동 경로를 차단하지 않고 자유로이 개방된 상태를 유지하면서 관형 구조물(20)을 지지할 수 있다.

또한, 상기 관형 스프링(10)은 노심내 관형 구조물(20)의 열 팽창 및 조사 성장에 대응하여 수축됨으로써 견고한 지지상태를 유지하면서도 관형 구조물(20)의 열 팽창 및 조사 성장을 보정할 수 있다.

또한, 상기 관형 스프링(10)은 관형 바디(11)를 기계 가공(예 ; 절삭)을 통해 제작할 수 있으므로 관형 바디(11)의 길이, (내면과 외면 사이의) 두께, 슬릿(12) 및 잔여부(13)의 치수를 정밀하게 가공할 수 있어서 설계 치수를 정밀하게 구현할 수 있다. 이와 같이 관형 스프링(10)의 치수 정밀도가 우수하므로 특히 공차가 매우 작은 틈에 삽입하여 관형 구조물(20)을 지지해야 하는 경우에도 정확한 치수의 관형 스프링(10)을 제공할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

10 : 관형 스프링 11 : 관형 바디
12 : 슬릿 13 : 잔여부
14 : 팁홀 15 : 리브
20 : 관형 구조물 30 : 고정 구조물

Claims (8)

1. 관 형상의 관형 바디와;
   상기 관형 바디에 관형 바디를 관통하는 중심축에 대해 직각인 방향으로 형성된 복수의 슬릿과;
   상기 관형 바디에서 상기 슬릿과 동일 선상에 슬릿으로 형성되지 않고 남아 있는 잔여부;
   를 포함하는 관형 스프링.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 관형 바디는 지지하고자 하는 관형 구조물의 평단면과 동일한 평단면 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 관형 스프링.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 관형 바디는 삼각형, 사각형, 원형 및 타원형 중 어느 하나의 평단면을 가지는 것을 특징으로 하는 관형 스프링.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 복수의 슬릿은 중심축을 기준으로 축대칭 관계로 형성되는 것을 특징으로 하는 관형 스프링.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 슬릿의 양단부에 원형의 팁홀이 형성된 것을 특징으로 하는 관형 스프링.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 슬릿과 팁홀의 측면에 이들의 테두리 전체를 둘러싸는 리브가 형성된 것을 특징으로 하는 관형 스프링.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 리브는 관형 바디의 내측면에 돌출 형성된 것을 특징으로 하는 관형 스프링.
8. 청구항 6에 있어서,
   상기 리브는 관형 바디의 외측면에 돌출 형성된 것을 특징으로 하는 관형 스프링.
   

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