KR100540105B1 - 스터링 엔진 - Google Patents

Abstract

본 발명의 스터링 엔진은 실린더의 내측을 왕복 운동하는 피스톤과, 상기 피스톤의 왕복 운동에 의해 압축 또는 팽창하는 작동 매체의 작용에 의해 상기 실린더의 내측을 왕복 운동하는 디스플레이서를 각각의 축심을 상기 실린더의 통심에 맞추어 설치하고, 상기 디스플레이서와 상기 피스톤 사이에 형성된 제1 공간과, 상기 피스톤의 상기 디스플레이서와는 반대측으로부터 상기 실린더의 측벽 중 적어도 일부와 인접하는 부분에까지 확대되어 형성된 제2 공간과, 상기 디스플레이서의 상기 피스톤과는 반대측에 형성된 제3 공간과, 상기 제1 공간측의 상기 피스톤의 단부면으로부터 왕복 운동 방향에 따라서 마련된 제1 홈과, 상기 제1 홈 상의 일점을 중심으로 하여 상기 피스톤의 원주 방향에 따라서 전체 주위에 마련된 제2 홈과, 상기 실린더의 측벽을 관통하여 마련된 구멍을 갖고 있다. 이 구성에 따르면, 상기 피스톤이 그 왕복 운동의 중심 위치에 있을 때에, 상기 제2 홈과 상기 구멍이 결합하여 상기 제1 공간과 상기 제2 공간이 연통한다. 따라서, 상기 구멍의 입구 형상을 상기 피스톤의 왕복 운동 방향을 짧은 직경으로 하는 타원형상으로 함으로써, 피스톤의 왕복 운동시에 제2 홈과 구멍이 결합하는 시간이 짧아져, 피스톤의 동작 중심의 위치 정밀도를 향상시킬 수 있다.

피스톤, 작동 공간, 배면 공간, 압력 용기, 디스플레이서, 실린더

Description

스터링 엔진{STIRLING ENGINE}

본 발명은 냉열 발생에 이용되는 스터링 엔진에 관한 것으로, 상세하게는 피스톤 왕복 운동의 중심 위치를 정밀히 보유 지지할 수 있는 스터링 엔진에 관한 것이다.

냉열 발생을 목적으로 한 예비 피스톤형 스터링 엔진은, 열사이클적으로는 역스터링 사이클 엔진이라고도 불리워지고 있다. 도10에 종래의 스터링 엔진의 단면도를 도시한다. 일반적으로는, 직선 왕복 운동하는 피스톤(1)과 디스플레이서(2)를 포함하는 실린더(3)를 갖는다. 피스톤(1) 및 디스플레이서(2)는 동축 상에 배치되어 있고, 디스플레이서(2)에 형성된 로드(2a)는 피스톤(1)의 중심부에 마련한 미끄럼 이동 구멍(1a)을 관통하고, 피스톤(1) 및 디스플레이서(2)는 실린더 내주 미끄럼 이동면(3a)을 순조롭게 미끄럼 이동 가능하다. 또한, 피스톤(1)은 피스톤 지지 스프링(5), 디스플레이서(2)는 디스플레이서 지지 스프링(6)에 의해 압력 용기(4)에 대해 탄성 지지되어 있다.

실린더(3)에 의해 형성되는 공간은 피스톤(1)에 의해 2개의 공간으로 분할된다. 하나는 피스톤(1)의 디스플레이서(2)측인 작동 공간(제1 및 제3 공간)(7)이며, 다른 하나는 피스톤(1)의 디스플레이서(2)측과 반대측인 배면 공간(제2 공간)(8)이다. 이들의 공간에는 고압 헬륨 가스 등의 작동 매체가 충전되어 있다. 피스톤(1)은 선형 모터 등의 도시하지 않은 피스톤 구동 부재에 의해 소정 주기로 왕복 운동한다. 이에 의해 작동 매체는 작동 공간(7) 내에서 압축 또는 팽창된다. 디스플레이서(2)는 작동 공간(7) 내에서 압축 또는 팽창되는 작동 매체의 압력 변화에 의해 직선적으로 왕복 운동된다. 이 때 피스톤(1)과 디스플레이서(2)는, 일반적으로 약 90도의 위상차를 가지고 동일 주기로 왕복 운동하도록 설정되어 있다.

또한, 작동 공간(7)은 디스플레이서(2)에 의해 다시 2개의 공간으로 분할되어 있다. 하나는 피스톤(1)과 디스플레이서(2)에 협지된 제1 공간(7a)이며, 다른 하나는 실린더(3) 선단부의 제3 공간(7b)이다. 이 2개의 공간은 재생기(9)를 거쳐서 연결되고, 재생기(9)는 일반적으로 메쉬 형상의 동 부재 등에 의해 형성되어 있다. 제3 공간(7b)에 있어서의 작동 매체에 의해, 실린더(3) 선단부의 콜드 헤드에 있어서 냉열 발생이 이루어진다. 이 발생 원리 등의 역스터링 열사이클에 관해서는, 일반적으로 잘 알려져 있으므로 여기서는 설명을 생략한다.

실린더 미끄럼 이동면(3a)과 피스톤 미끄럼 이동면(1b) 사이에는, 제1 공간(7a)과 제2 공간(8)을 차단하는, 도시하지 않은 밀봉 수단이 마련되어 있다. 밀봉 수단은 일반적으로, 단순한 구성으로 저렴한 밀봉링이 이용된다. 그러나, 팽창열의 영향이나, 장기간의 운전에 의한 밀봉링의 마모 등으로부터 완전하게 차단할 수는 없어, 실린더 미끄럼 이동면(3a)과 피스톤 미끄럼 이동면(1b) 사이에는 미소 간극이 생긴다. 엔진 구동시에는 피스톤(1)의 왕복 운동에 의해 제1 공간(7a) 및 제2 공간(8)이 모두 작동 매체의 압력 변동이 생기므로, 양 공간의 압력차에 의 해 작동 매체는 상기 미소 간극을 통해, 양 공간으로 흐른다. 따라서, 제1 공간(7a)의 압력이 제2 공간(8)의 압력보다 높은 경우는, 제1 공간(7a)으로부터 제2 공간(8)을 향해 작동 매체가 누설되게 된다. 또한 반대로 제2 공간(8)의 압력이 제1 공간(7a)의 압력보다 높은 경우는, 제2 공간(8)으로부터 제1 공간(7a)을 향하여 작동 매체가 흐른다.

그런데, 실린더 미끄럼 이동면(3a)과 피스톤 미끄럼 이동면(1b) 사이에 생기는 미소 간극은 항상 일정량이 아닌, 미끄럼 이동부의 표면 상태나 밀봉링의 접촉 상태 및 마모 상태 등에 의해 변화하므로, 제1 공간(7a)으로부터 본 제2 공간(8)으로의 작동 매체의 유출량 및 유입량이 완전히 동일량인 것은 아니다. 이로 인해 엔진을 연속 구동하여, 가령 제1 공간(7a)으로부터 제2 공간(8)으로 조금씩 작동 매체가 누설되고 있었던 경우, 당초 제1 공간(7a)과 제2 공간(8)과의 압력의 균형이 성립되도록 설정한 피스톤(1)의 왕복 운동의 중심 위치는, 압력이 저하된 제1 공간(7a)측으로 서서히 이동한다. 그 결과, 제1 공간(7a) 내의 작동 매체 압력 저하에 수반하는 냉각 특성의 저하가 생기거나, 피스톤(1)의 왕복 운동의 중심 위치가 당초 설정된 위치로부터 어긋남으로써 피스톤(1)과 디스플레이서(2)가 충돌을 일으키거나 하는 등의 문제가 생긴다.

이에 대해, 피스톤 지지 스프링(5)의 스프링 정수를 크게 하여 피스톤(1)의 지지력을 늘리는 방법을 생각할 수 있지만, 제1 공간(7a) 내로부터의 작동 매체의 누설에는 효과가 없는 데다가, 피스톤(1)의 구동 수단의 필요 구동력의 증가는 입력 전력의 증가가 되어, 그 결과 냉각 효율이 떨어진다는 다른 문제가 생긴다.

그래서, 제1 공간(7a)과 제2 공간(8)과의 작동 매체의 압력 균형을 유지하여, 피스톤(1)의 왕복 운동의 중심 위치의 변동을 억제하는 방법이, 일본 특허 공개 2000-39222호 공보에 개시되어 있다. 도11a는, 일본 특허 공개 2000-39222호 공보에 기재된 스터링 엔진의 단면도이다. 피스톤(1)의 일부 형상 이외는 도10과 동일한 구성이다. 피스톤(1)이 당초 설정된 왕복 운동의 중심 위치에 있는 경우에 있어서의 피스톤(1) 주변부의 투시도를 도11b에 도시한다. 피스톤(1)에는, 제1 공간으로 이어지는 피스톤(1)의 왕복 운동 방향(X)의 제1 홈(10a)과 피스톤(1)의 왕복 운동 방향(X)에 대해 기울기(도면에서는 90도)를 갖는 연속된 제2 홈(10b)이, 실린더(3)에는, 제2 홈(10b)으로부터 제2 공간(8)에 관통하는 원형 구멍(12)이 마련되어 있으며, 피스톤(1) 동작시에는 제2 홈(10b)과 원형 구멍(12)이 일치된 순간에 제1 공간(7a)과 제2 공간(8)이 순간적으로 결합하여 작동 매체가 흘러 양 공간의 압력이 균형을 이루어 당초 설정된 위치에서 피스톤(1)이 왕복 운동한다.

피스톤(1)의 왕복 운동의 중심 위치를 당초의 설정 위치로 유지하기 위해, 피스톤(1)이 설정된 중심 위치에서 제1 공간(7a)과 제2 공간(8)을 미소 유로로 잇는 수법이 유효하다는 것은 상술하였다. 그러나, 보다 냉각 성능을 향상시키기 위해서는 피스톤(1)의 왕복 운동의 횟수를 증가시키거나, 혹은 피스톤(1)의 왕복 운동의 진폭을 증가시킬 필요가 있다. 그 경우, 제1 공간(7a)과 제2 공간(8)과의 작동 매체의 유출입도 증가시키기 위해, 제1, 제2 홈(10a, 10b)의 단면적을 크게 할 필요가 있다. 그 때, 단순히 제1, 제2 홈(10a, 10b)의 치수나 단면적을 증가시키면, 피스톤(1)의 동작 범위에 대해 제2 홈(10b)이 제2 공간(8)과 연통하는 범위가 넓어지고, 또한 연통하고 있는 시간도 길어진다.

따라서, 제1 공간(7a)과 제2 공간(8)과의 압력 균형을 도모할 수는 있지만, 피스톤(1)의 왕복 운동의 중심 위치를 당초의 설정 위치로 정밀도 좋게 유지할 수 없으며, 또한 제1, 제2 홈(7a, 7b)의 부분에서 가스 유동 손실이 발생되고, 피스톤(1)을 동작시키는 입력도 증가하여, 스터링 엔진의 성능은 기대한 만큼 향상되지 않는다.

본 발명은, 상기의 문제점에 비추어 용이한 가공으로 저렴하게 홈을 피스톤에 형성하여 피스톤의 왕복 운동의 중심 위치를 안정화하는 스터링 엔진을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한 본 발명은, 작동 공간으로부터의 가스 유동 손실을 저감할 수 있는 스터링 엔진을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한 본 발명은, 작동 매체의 유동에 의해 기체 베어링의 작용에 의한 피스톤의 원활한 미끄럼 이동이 손상되는 일이 없는 스터링 엔진을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는, 실린더의 내측을 왕복 운동하는 피스톤과, 상기 피스톤의 왕복 운동에 의해 압축 또는 팽창하는 작동 매체의 작용에 의해 상기 실린더의 내측을 왕복 운동하는 디스플레이서를, 각각의 축심을 상기 실린더의 통심에 맞추어 설치하고, 상기 디스플레이서와 상기 피스톤 사이에 형성된 제1 공간과, 상기 피스톤의 상기 디스플레이서와는 반대측으로부터 상기 실린더의 측벽 중 적어도 일부와 인접하는 부분에까지 확대되어 형성된 제2 공간과, 상기 디스플레이서의 상기 피스톤과는 반대측에 형성된 제3 공간과, 상기 제1 공간측의 상기 피스톤의 단부면으로부터 왕복 운동 방향에 따라서 마련된 제1 홈과, 상기 제1 홈을 가로질러 상기 피스톤의 원주 방향에 따라서 주위에 마련된 제2 홈과, 상기 실린더의 측벽을 관통하여 마련된 구멍을 갖고, 상기 피스톤이 그 왕복 운동의 중심 위치에 있을 때에, 상기 제2 홈과 상기 구멍이 결합하여 상기 제1 공간과 상기 제2 공간이 연통하도록 구성된 스터링 엔진에 있어서, 상기 구멍의 입구 형상을 상기 피스톤의 왕복 운동 방향을 짧은 직경 또는 짧은 변으로 하는 타원형 또는 직사각 형상으로 한 것을 특징으로 한다. 이에 의하면, 피스톤의 왕복 운동시에 제2 홈과 구멍이 결합되는 시간이 짧아진다.

또한, 실린더의 내측을 왕복 운동하는 피스톤과, 상기 피스톤의 왕복 운동에 의해 압축 또는 팽창하는 작동 매체의 작용에 의해 상기 실린더의 내측을 왕복 운동하는 디스플레이서를 각각의 축심을 상기 실린더의 통심에 맞추어 설치하고, 상기 디스플레이서와 상기 피스톤 사이에 형성된 제1 공간과, 상기 피스톤의 상기 디스플레이서와는 반대측으로부터 상기 실린더의 측벽 중 적어도 일부와 인접하는 부분에까지 확대되어 형성된 제2 공간과, 상기 디스플레이서의 상기 피스톤과는 반대측에 형성된 제3 공간과, 상기 제1 공간측의 상기 피스톤의 단부면으로부터 왕복 운동 방향에 따라서 마련된 제1 홈과, 상기 제1 홈을 가로질러 상기 피스톤의 원주 방향에 따라서 주위에 마련된 제2 홈과, 상기 실린더의 측벽을 관통하여 마련된 구멍을 갖고, 상기 피스톤이 그 왕복 운동의 중심 위치에 있을 때에, 상기 제2 홈과 상기 구멍이 결합하여 상기 제1 공간과 상기 제2 공간이 연통하도록 구성된 스터링 엔진에 있어서, 상기 구멍을 상기 제2 홈 상에 따라서 복수 마련한 것을 특징으로 한다. 이에 의하면, 피스톤의 왕복 운동시에 제2 홈과 구멍의 결합이 제2 홈 상의 다른 부위에서 동시에 많이 발생한다.

이 경우, 상기 제2 홈의 단면 형상을 그 폭보다 깊이 치수를 크게 하면, 피스톤의 왕복 운동시에 제2 홈과 구멍이 결합하는 시간이 짧아진다.

혹은, 상기 제1 홈의 단면 형상을 그 폭보다 깊이 치수를 크게 하면, 피스톤의 미끄럼 이동면의 표면적에 차지하는 제1 홈의 부분을 작게 할 수 있다.

또한, 상기 제1 홈의 단면적을, 상기 제1 공간을 향하는 상기 제1 홈의 일단부가 최대가 되도록, 그 타단부측으로부터 상기 일단부를 향해 차례로 크게 하는 고안에 의해, 작동 매체의 유동에 의한 에너지 손실을 억제할 수 있다.

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도1의 a는 본 발명의 제1 실시 형태의 피스톤 및 실린더의 사시도이다.

도1의 b는, 도1의 a의 C-C선 단면도이다.

도2는 본 발명의 제2 실시 형태의 피스톤 및 실린더의 사시도이다.

도3은 본 발명의 제3 실시 형태의 피스톤 및 실린더의 사시도이다.

도4는 본 발명의 제4 실시 형태의 피스톤 및 실린더의 사시도이다.

도5는 본 발명의 제5 실시 형태의 피스톤 및 실린더의 사시도이다.

도6a는 본 발명의 제6 실시 형태의 피스톤 및 실린더의 사시도이다.

도6b는 도6a의 A-A선 단면도이다.

도7a는 본 발명의 제7 실시 형태의 피스톤 및 실린더의 사시도이다.

도7b는 도7a의 B-B선 단면도이다.

도8은 본 발명의 제8 실시 형태의 피스톤 및 실린더의 사시도이다.

도9a는 본 발명의 제9 실시 형태의 피스톤 및 실린더의 사시도이다.

도9b는 도9a의 D-D선 단면도이다.

도10은 종래의 스터링 엔진의 단면도이다.

도11a는 종래의 스터링 엔진의 다른 구성의 단면도이다.

도11b는 그 스터링 엔진의 피스톤 주변부를 도시한 투시도이다.

이하, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 도면을 참조하면서 설명한다. 이하에 나타낸 실시 형태는, 피스톤과 실린더 이외의 구성은 종래의 기술에서 설명한 구성과 마찬가지이므로 설명은 생략하고, 피스톤 및 실린더의 구성만을 도면을 이용하여 설명한다. 또 이하에서는, 피스톤을 구비한 실린더(제1 실린더)와 디스플레이서를 구비한 실린더(제2 실린더)가 하나의 실린더(1)로 겸용되고 있지만, 제1 실린더와 제2 실린더와의 배치에는 특별히 한정되지 않으며, 제1 실린더 내의 피스톤의 왕복 운동에 의해 압축 또는 팽창하는 작동 매체의 작용에 의해 제2 실린더 내를 디스플레이서가 왕복 운동하는 구성이면 좋다.

도1의 a는, 본 발명의 제1 실시 형태의 피스톤 및 실린더의 사시도이다. 피스톤(1)은 당초 제1 공간(7a)과 제2 공간(8)과의 압력이 균형을 이루도록 설정한 왕복 운동의 중심 위치에 있다. 피스톤 미끄럼 이동면(1b) 상에는, 제1 공간(7a)측의 피스톤 단부면(1c)으로부터 왕복 운동 방향(X)에 따라서 마련된 제1 홈(10a)과, 이 제1 홈(10a)을 가로질러 상기 피스톤(1)의 원주 방향에 따라서 전체 주위에 마련된 제2 홈(10b)이 형성되어 있다. 또한, 실린더(3)에는 제2 홈(10b)으로부터 제2 공간(8)에 관통하는 구멍(13)이 형성되어 있다. 그리고, 피스톤(1)의 왕복 운동에 의해 제2 홈(10b)과 구멍(13)이 연통되는 순간만큼 제1 공간(7a)과 제2 공간(8)이 연통하고, 제1 공간(7a)과 제2 공간(8)과의 압력 균형이 도모된다. 제2 홈(10b)은 피스톤(1)의 전체 주위에 형성되어 있으므로, 피스톤(1)이 동작 중에 원주 방향으로 회전한 경우라도, 제2 홈(10b)과 구멍(13)은 연통 가능해진다.

여기서, 구멍(13)의 입구 형상은 제1 공간(7a)과 제2 공간(8)의 압력의 균형을 도모하기 위해 필요한 단면적을 유지하면서, 피스톤(1)의 운전 동작시의 연통 시간을 짧게 하는 형상 중 하나로서, 왕복 운동 방향(X)을 짧은 직경으로 하는 타원형상으로 한다. 이에 의해, 피스톤(1)의 운전 동작시에 제2 홈(10b)과 구멍(13)이 연통하는 시간이 짧아지므로, 피스톤(1)의 동작 중심 위치의 정밀도를 향상시킬 수 있다. 또, 구멍(13)의 입구 형상은 피스톤(1)의 운전 동작시에 제2 홈(10b)과 구멍(13)이 연통하는 시간을 짧게 하는 형상이면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 피스톤(1)의 왕복 운동 방향(X)을 짧은 변으로 하는 직사각 형상이라도 좋다.

도1의 a의 C-C선 단면도인 도1의 b에서는 피스톤(1)의 내부가 공동이다. 이와 같이 함으로써, 피스톤(1)의 중량을 저감하여, 피스톤 지지 스프링(5)의 설계를 용이하게 할 수 있는 동시에, 재료 사용량을 저감할 수 있다. 상기 공동부를 크게 취하기 위해서는, 제1, 제2 홈(10a, 10b)의 깊이 치수를 가능한 한 작게 설계하면 된다. 또, 이 피스톤(1) 내부의 공동화는 본 발명의 모든 실시 형태에 적용할 수 있어, 동일한 효과를 얻을 수 있다.

도2는 본 발명의 제2 실시 형태의 피스톤 및 실린더의 사시도이다. 피스톤(1)은 당초 설정한 왕복 운동의 중심 위치에 있다. 피스톤 미끄럼 이동면(1b) 상에는 제1 공간(7a)측의 피스톤 단부면(1c)으로부터 왕복 운동 방향(X)에 따라서 마련된 제1 홈(10a)과, 이 제1 홈(10a)을 가로질러 상기 피스톤(1)의 원주 방향에 따라서 전체 주위에 마련된 제2 홈(10b)이 형성되어 있다. 또한, 실린더(3)에는 제2 홈(10b)으로부터 제2 공간(8)에 관통하는 구멍(14)이 복수개(도2에서는 2개) 형성되어 있다. 제2 홈(10b)은 피스톤(1)의 전체 주위에 형성되어 있으므로, 피스톤(1)이 동작 중에 원주 방향으로 회전한 경우라도, 제2 홈(10b)과 구멍(14)은 연통 가능해진다.

여기서, 구멍(14)의 입구 직경 방향의 단면적의 합계가 구멍(14)을 1개 형성한 경우와 동등하게 하면, 구멍(14)을 복수개 형성한 경우의 쪽이 각각의 구멍(14)의 크기를 작게 할 수 있어, 동시에 제2 홈(10b)의 단면적도 작게 할 수 있다. 그 결과, 피스톤(1)의 운전 동작시에 제2 홈(10b)과 구멍(14)이 연통하는 시간이 짧아지므로, 피스톤(1)의 동작 중심 위치의 정밀도를 향상시킬 수 있다. 또, 구멍(14)의 입구 형상은 원형상, 타원형상, 또는 직사각 형상이면 좋다.

도3은 본 발명의 제3 실시 형태의 피스톤 및 실린더의 사시도이다. 피스톤(1)은 당초 설정한 왕복 운동의 중심 위치에 있으며, 피스톤(1)의 원주 방향의 회전을 구속하는 수단[예를 들어, 도10의 피스톤 지지 스프링(5) 등]을 구비하 고 있다. 피스톤 미끄럼 이동면(1b) 상에는 제1 공간(7a)측의 피스톤 단부면(1c)으로부터 왕복 운동 방향(X)에 따라서 마련된 제1 홈(10a)과, 이 제1 홈(10a) 상의 일점으로부터 제1 홈(10a)의 방향과 직교하도록, 피스톤(1)의 원주 방향에 따라서 마련된 제2 홈(10b)(도3에서는 L자형)이 형성되어 있다. 또, 제2 홈(10b)은 구멍(13)과 제1 홈(10a)이 가장 짧게 연통하는 부분에만 형성되고, 구멍(13)의 입구 형상은 타원형상으로 되어 있다. 또, 구멍(13)의 입구 형상은 피스톤(1)의 운전 동작시에 제2 홈(10b)과 구멍(13)이 연통하는 시간을 짧게 하는 형상이면 특별히 한정되지 않으며, 직사각 형상이라도 좋다.

도4는 본 발명의 제4 실시 형태의 피스톤 및 실린더의 사시도이다. 피스톤(1)은 당초 설정한 왕복 운동의 중심 위치에 있고, 피스톤(1)의 원주 방향의 회전을 구속하는 수단[예를 들어, 도10의 피스톤 지지 스프링(5) 등]을 구비하고 있다. 피스톤 미끄럼 이동면(1b) 상에는, 제1 공간(7a)측의 피스톤 단부면(1c)으로부터 왕복 운동 방향(X)에 따라서 마련된 제1 홈(10a)과, 이 제1 홈(10a) 상의 일점으로부터 제1 홈(10a)의 방향과 직교하도록, 피스톤(1)의 원주 방향에 따라서 마련된 제2 홈(10b)(도4에서는 T자형)이 형성되어 있다. 그리고, 제2 홈(10b)에 1 이상의 구멍(14)을 마련하고, 구멍(14)의 입구 형상은 원형상, 타원형상, 또는 직사각 형상으로 한다. 또, 제2 홈(10b)은 구멍(14)과 제1 홈(10a)이 가장 짧게 연통하는 부분에만 형성한다.

도5는 본 발명의 제5 실시 형태의 피스톤 및 실린더의 사시도이다. 피스톤(1)은 당초 설정한 왕복 운동의 중심 위치에 있고, 피스톤(1)의 원주 방향의 회전을 구속하는 수단[예를 들어, 도10의 피스톤 지지 스프링(5) 등]을 구비하고 있다. 피스톤 미끄럼 이동면(1b) 상에는, 제1 공간(7a)측의 피스톤 단부면(1c)으로부터 왕복 운동 방향(X)에 따라서 마련된 제1 홈(10a)과, 이 제1 홈(10a) 상의 일점으로부터 제1 홈(10a)에 관하여 선대칭으로 분기하여, 상기 피스톤(1)의 원주 방향에 따라서 마련된 한 쌍의 제2 홈(10b)이 형성되어 있다. 한 쌍의 제2 홈(10b)은 제1 홈(10a)의 방향에 따라서 2개 마련되어 있다. 그리고, 실린더(3)에는 제2 홈(10b)에 대응하여 1개씩, 합계 4개의 구멍(14)을 마련한다. 구멍(14)의 입구 형상은 원형상, 타원형상, 또는 직사각 형상으로 한다. 또, 제2 홈(10b)은 구멍(14)과 제1 홈(10a)이 가장 짧게 연통하는 부분에만 형성한다.

본 발명의 제4, 제5 실시 형태에 있어서, 구멍(14)의 입구 직경 방향의 단면적의 합계가, 구멍(14)을 1개 형성한 경우와 동등하게 하면, 구멍(14)을 복수개 형성한 경우의 쪽이 각각의 구멍(14)의 크기를 작게 할 수 있어, 동시에 제2 홈(10b)의 단면적도 작게 할 수 있다. 그 결과, 피스톤(1)의 운전 동작시에 제2 홈(10b)과 구멍(14)이 연통하는 시간이 짧아지므로, 피스톤(1)의 동작 중심 위치의 정밀도를 향상시킬 수 있다.

도6a는 본 발명의 제6 실시 형태의 피스톤 및 실린더의 사시도이다. 제2 실시 형태와 같이 피스톤(1), 제1, 제2 홈(10a, 10b), 구멍(14)이 배치되어 있다. 도6a의 A-A선 단면도를 도6b에 도시한다. 제2 홈(10b)에 있어서, 작동 매체의 유동에 필요한 단면적을 확보하면서, 그 단면 형상을 폭보다도 깊이 치수를 크게 한다. 그 결과, 피스톤(1)의 운전 동작시에 제2 홈(10b)과 구멍(14)이 연통하는 시 간이 짧아지므로, 피스톤(1)의 동작 중심 위치의 정밀도를 향상시킬 수 있다.

도7a는 본 발명의 제7 실시 형태의 피스톤 및 실린더의 사시도이다. 제2 실시 형태와 같이 피스톤(1), 제1, 제2 홈(10a, 10b), 구멍(14)이 배치되어 있다. 도7a의 B-B선 단면도를 도7b에 도시한다. 제1 홈(10a)에 있어서, 작동 매체의 유동에 필요한 단면적을 확보하면서, 그 단면 형상을 폭보다도 깊이 치수를 크게 한다. 그 결과, 피스톤 미끄럼 이동면(1b)의 표면적에 차지하는 제1 홈(10a) 부분을 작게 할 수 있으므로, 피스톤(1)을 기체 베어링[피스톤(1)과 실린더(3) 사이에 미소한 간극을 마련하고, 작동 매체를 충전하여, 피스톤(1)의 미끄럼 이동 부하를 감소시킨 베어링의 방법]에 의해 실린더(3)로부터 띄우는 경우에, 제1 홈(10a)을 통하여 작동 매체가 유출입되어 기체 베어링의 효과가 손상되지 않도록 할 수 있다.

도8은 본 발명의 제8 실시 형태의 피스톤 및 실린더의 사시도이다. 제4 실시 형태와 같이 피스톤(1), 제1, 제2 홈(10a, 10b), 구멍(14)이 배치되어 있다. 제1 홈(10a)의 단면적을 그 제1 공간(7a)을 향하는 일단부(10c)가 최대가 되도록, 그 타단부(10d)측으로부터 상기 피스톤의 단부면(1c)을 향해 차례로 크게 한다. 그 결과, 작동 매체의 유동에 의한 에너지의 손실을 억제할 수 있다.

도9a는 본 발명의 제9 실시 형태의 피스톤 및 실린더의 사시도이다. 제5 실시 형태와 같이 피스톤(1), 제1 홈(10a), 제2 홈(10b), 구멍(14)이 배치되어 있다. 여기서, 제1 홈(10a)에 있어서, 제1 공간(7a)을 향하는 일단부(10c)와 제1 공간(7a)측으로부터 세어 제1번째의 제2 홈(10b-1)의 뿌리 부분(10e) 사이 및 제1번째의 제2 홈(10b-1)의 뿌리 부분(10e)과 제2번째의 제2 홈(10b-2)의 뿌리 부분(10f) 사이를, 각각 10a-1, 10a-2로서 구별한다. 도9a의 D-D선 단면도를 도9b에 도시한다. 도9(b)에 도시한 바와 같이, 제1 홈(10a-2)의 단면적보다도, 제1 홈(10a-1)의 단면적을 크게 한다.

구체적으로는, 제2 홈(10b-1, 10b-2)의 짧은 방향의 단면적은 하나의 구멍(14)의 입구 직경 단면적에 일치하고, 제1 홈(10a-2)의 짧은 방향의 단면적은 2개의 구멍(14)의 입구 직경 단면적의 합계에 일치하고, 제1 홈(10a-1)의 짧은 방향의 단면적은 4개의 구멍(14)의 입구 직경 단면적의 합계에 일치하도록 설계한다. 그 결과, 작동 매체의 유동에 필요한 최소한의 제1, 제2 홈(10a, 10b)의 단면적을 확보할 수 있고, 제2 홈(10b-1, 10b-2)과 구멍(14)이 연통하였을 때에 작동 매체가 압력 손실없이 유동하므로, 작동 매체의 유동에 의한 에너지의 손실을 최소한으로 억제할 수 있다.

또, 상기한 각 실시 형태에 있어서, 제1, 제2 홈(10a, 10b)의 가공은, 예를 들어 선반 가공이나 엔드 밀에 의한 프라이스 가공에 의해 형성 가능하고, 구멍은 드릴 가공만으로 형성 가능하므로, 쌍방 모두 용이한 가공으로 저렴하게 형성할 수 있다.

본 발명의 스터링 엔진에 따르면, 피스톤의 운전 동작시에 피스톤 상의 제1, 제2 홈 및 실린더 측벽의 구멍이 연통하는 시간이 짧아지므로, 피스톤의 왕복 운동의 중심 위치를 안정화할 수 있다.

또한, 이들의 제1, 제2 홈 및 구멍은 형성이 용이한 홈이나 구멍으로 구성되 므로 저렴하게 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 스터링 엔진에 따르면, 제1, 제2 홈에 있어서, 작동 매체의 유동에 필요한 단면적을 확보하면서, 그 단면 형상을 폭보다도 깊이 치수를 크게 함으로써, 피스톤을 기체 베어링에 의해 실린더로부터 띄우는 경우에, 제1, 제2 홈을 통하여 작동 매체가 유출입되어 기체 베어링의 효과를 손상시키지 않도록 할 수 있다.

또한, 본 발명의 스터링 엔진에 따르면, 작동 매체의 유동에 필요한 최소한의 제1, 제2 홈의 단면적을 확보함으로써, 작동 매체의 제1, 제2 홈 부분에서 발생하는 가스 유동 손실을 저감할 수 있다.

Claims (14)

1. 실린더의 내측을 왕복 운동하는 피스톤과, 상기 피스톤의 왕복 운동에 의해 압축 또는 팽창하는 작동 매체의 작용에 의해 상기 실린더의 내측을 왕복 운동하는 디스플레이서를 각각의 축심을 상기 실린더의 통심에 맞추어 설치하고, 상기 디스플레이서와 상기 피스톤 사이에 형성된 제1 공간과, 상기 피스톤의 상기 디스플레이서와는 반대측으로부터 상기 실린더의 측벽 중 적어도 일부와 인접하는 부분에까지 확대되어 형성된 제2 공간과, 상기 디스플레이서의 상기 피스톤과는 반대측에 형성된 제3 공간과, 상기 제1 공간측의 상기 피스톤의 단부면으로부터 왕복 운동 방향에 따라서 마련된 제1 홈과, 상기 제1 홈을 가로질러 상기 피스톤의 원주 방향에 따라서 주위에 마련된 제2 홈과, 상기 실린더의 측벽을 관통하여 마련된 구멍을 갖고, 상기 피스톤이 그 왕복 운동의 중심 위치에 있을 때에, 상기 제2 홈과 상기 구멍이 결합하여 상기 제1 공간과 상기 제2 공간이 연통하도록 구성된 스터링 엔진에 있어서,

   상기 구멍의 입구 형상을 상기 피스톤의 왕복 운동 방향을 짧은 직경 또는 짧은 변으로 하는 타원형 또는 직사각 형상으로 한 것을 특징으로 하는 스터링 엔진.
2. 실린더의 내측을 왕복 운동하는 피스톤과, 상기 피스톤의 왕복 운동에 의해 압축 또는 팽창하는 작동 매체의 작용에 의해 상기 실린더의 내측을 왕복 운동하는 디스플레이서를, 각각의 축심을 상기 실린더의 통심에 맞추어 설치하고, 상기 디스플레이서와 상기 피스톤 사이에 형성된 제1 공간과, 상기 피스톤의 상기 디스플레이서와는 반대측으로부터 상기 실린더의 측벽 중 적어도 일부와 인접하는 부분에까지 확대되어 형성된 제2 공간과, 상기 디스플레이서의 상기 피스톤과는 반대측에 형성된 제3 공간과, 상기 제1 공간측의 상기 피스톤의 단부면으로부터 왕복 운동 방향에 따라서 마련된 제1 홈과, 상기 제1 홈을 가로질러 상기 피스톤의 원주 방향에 따라서 주위에 마련된 제2 홈과, 상기 실린더의 측벽을 관통하여 마련된 구멍을 갖고, 상기 피스톤이 그 왕복 운동의 중심 위치에 있을 때에, 상기 제2 홈과 상기 구멍이 결합하여 상기 제1 공간과 상기 제2 공간이 연통하도록 구성된 스터링 엔진에 있어서,

   상기 구멍을 둘레 방향으로 복수 설치한 것을 특징으로 하는 스터링 엔진.
3. 제1항에 있어서, 상기 제2 홈의 단면 형상을 그 폭보다 깊이 치수를 크게 한 것을 특징으로 하는 스터링 엔진.
4. 제1항에 있어서, 상기 제1 홈의 단면 형상을 그 폭보다 깊이 치수를 크게 한 것을 특징으로 하는 스터링 엔진.
5. 제1항에 있어서, 상기 제1 홈의 단면적을 상기 제1 공간을 향하는 상기 제1 홈의 일단부가 최대가 되도록, 그 타단부측으로부터 상기 일단부를 향하여 차례로 크게 한 것을 특징으로 하는 스터링 엔진.
6. 제2항에 있어서, 상기 제2 홈의 단면 형상을 그 폭보다 깊이 치수를 크게 한 것을 특징으로 하는 스터링 엔진.
7. 제2항에 있어서, 상기 제1 홈의 단면 형상을 그 폭보다 깊이 치수를 크게 한 것을 특징으로 하는 스터링 엔진.
8. 제2항에 있어서, 상기 제1 홈의 단면적을 그 상기 제1 공간을 향하는 일단부가 최대가 되도록, 그 타단부측으로부터 상기 피스톤의 단부면을 향해 차례로 크게 한 것을 특징으로 하는 스터링 엔진.
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