KR100749207B1 - 스털링 기관 - Google Patents

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KR100749207B1
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요시유끼 기따무라
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샤프 가부시키가이샤
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Abstract

내부에 작동 가스가 봉입된 압력 용기(1)와, 압력 용기(1) 내부에 고정된 실린더(2)와, 실린더(2) 내부에 배치된 파워 피스톤(3)과, 실린더(2) 내부에 파워 피스톤(3)과 동축 상에 배치된 디스플레이서(4a)를 갖고, 디스플레이서(4)는 실린더(2) 내부를 미끄럼 이동하는 디스플레이서 피스톤(41a)과, 디스플레이서 피스톤(41a)에 연결 고정되고, 파워 피스톤(3)의 중심부에 마련된 미끄럼 이동 구멍(31)을 관통하는 로드(42a)를 갖고 있고, 로드(42a)가 중공의 파이프 형상으로 형성되어 있는 스털링 기관(A).
디스플레이서, 압력 용기, 파워 피스톤, 실린더, 로드

Description

스털링 기관{STIRLING ENGINE}
본 발명은, 프리 피스톤형 스털링 기관에 관한 것이다.
최근, 일반적인 동력원으로서 오토 사이클이나 디젤 사이클 등의 열사이클을 이용한 엔진 등의 내연 기관이 널리 이용되고 있다. 그러나, 이들 내연 기관이 배출하는 배기 가스는 대기를 오염시키고, 발생하는 소음 등의 공해는 큰 사회 문제가 되고 있다.
또한, 냉동기 등의 냉동 사이클에는 일반적으로 증기 압축식의 냉동 사이클이 채용되어 있다. 작동 가스로서의 냉매에는 프레온 가스가 이용되고, 그 응축, 증발을 이용하여 원하는 냉각 성능을 얻고 있다. 그런데, 프레온은 매우 화학 안정성이 높아, 일단 대기 중으로 방출되면 성층권까지 도달하여 오존층을 파괴해 버린다. 이로 인해, 최근 특정 프레온을 대상으로 하여 그 사용 및 생산이 규제되고 있다.
그래서, 이들 문제를 포함하지 않는 스털링 사이클 또는 역스털링 사이클을 이용한 스털링 기관이 주목받고 있다.
스털링 사이클을 이용한 스털링 엔진은 외연 기관이며, 열원을 특정하지 않는 내연 기관과 같이 연료를 이용하여 연소를 행하는 경우라도 고온, 고압 하에서 의 연소가 아니므로 유해 물질이 발생되기 어려운 등의 이점을 갖고 있다.
상기 스털링 기관은 그 작동 가스로서, 헬륨 가스, 수소 가스, 질소 가스 등의 지구 환경에 악영향을 미치지 않는 가스를 채용하고 있다.
또한, 역스털링 냉동 사이클을 이용한 스털링 냉동기는, 극저온 레벨의 한냉을 발생시킬 수 있는 소형 냉동기의 하나로서 알려져 있다.
도7에 스털링 기관의 일예로서 프리 피스톤형 스털링 냉동기의 측단면도를 도시한다.
스털링 냉동기(B)는 압력 용기(1)와, 압력 용기(1) 내부에 고정된 실린더(2)와, 실린더(2) 내부에 배치된 파워 피스톤(3) 및 디스플레이서(4)를 갖고 있다. 파워 피스톤(3) 및 디스플레이서(4)는 동축 상에 배치되어 있고, 상기 축에 따라 직선 왕복 운동한다.
디스플레이서(4)는 디스플레이서 피스톤(41)과 로드(42)를 갖고 있다. 로드(42)는 파워 피스톤(3)의 중심부에 형성된 미끄럼 이동 구멍(31)을 관통하고 있고, 파워 피스톤(3) 및 디스플레이서 피스톤(41)은 실린더 내주 미끄럼 이동면(21)을 원활하게 미끄럼 이동 가능하다. 또한, 파워 피스톤(3)은 파워 피스톤 지지 스프링(5)에, 디스플레이서(4)는 로드(42)를 거쳐서 디스플레이서 지지 스프링(6)에 의해 압력 용기(1)에 탄성 지지되어 있다.
압력 용기(1)에 의해 형성되는 공간은 파워 피스톤(3)에 의해 2개의 공간으로 분할된다. 한쪽 공간은 파워 피스톤(3)의 디스플레이서(4)측의 작동 공간(7)이고, 다른 쪽은 파워 피스톤(3)의 디스플레이서(4)와 반대측인 배압 공간(8)이다. 이들 공간에는 고압 헬륨 가스 등의 작동 가스가 충전되어 있다.
파워 피스톤(3)은 피스톤 구동체[여기서는 리니어 모터(9)]에 의해 소정의 주기로 왕복 운동한다. 이에 의해, 작동 가스는 작동 공간(7) 내에서 압축 또는 팽창된다. 디스플레이서(4)는 작동 공간(7)과 배압 공간(8)의 압력차에 의해 직선적으로 왕복 운동된다. 이 때, 파워 피스톤(3)과 디스플레이서(4)는 소정의 위상차를 갖고 동일 주기로 왕복 운동하도록 설정되어 있다. 파워 피스톤(3)과 디스플레이서(4)를 소정의 위상차를 갖고 왕복 운동시킴으로써 역스털링 냉동 사이클이 구성된다. 여기서, 위상차는 운전 조건이 동일하면 디스플레이서(4)의 질량, 디스플레이서 지지 스프링(6)의 스프링 정수 및 파워 피스톤(3)의 동작 주파수에 의해 정해지는 것이다.
또한, 작동 공간(7)은 디스플레이서 피스톤(41)에 의해 다시 2개의 공간으로 분할된다. 한쪽 공간은 파워 피스톤(3), 디스플레이서 피스톤(41) 및 실린더(2)로 둘러싸인 압축 공간(71)이고, 다른 쪽은 실린더(2) 선단부 및 디스플레이서 피스톤(41)으로 둘러싸인 팽창 공간(72)이다. 압축 공간(71)에서 고온이 발생하고, 팽창 공간(72)에서 냉열이 얻어진다.
냉열의 발생 원리 등의 역스털링 냉동 사이클에 관해서는, 일반적으로 잘 알려져 있으므로 여기서는 설명을 생략한다.
디스플레이서(4)는 압축 공간(71)과 배압 공간(8)의 압력차를 직선 왕복 운동의 구동원으로 하고, 디스플레이서(4)와 지지 스프링(6)의 공진을 이용하여 왕복 운동하고 있다. 미끄럼 이동 구멍(31)을 통해 작동 공간(7)과 배압 공간(8) 사이 에서 작동 가스의 흐름이 발생되면, 그 가스의 유동이 유동 손실이 되어, 결과적으로 스털링 기관의 기관 효율의 저하를 야기한다. 그로 인해, 미끄럼 이동 구멍(31)에 있어서의 가스 유동에 의한 기관 효율의 저하를 초래하지 않도록 하기 위해, 미끄럼 이동 구멍(31) 내주면과 로드(42) 외주면의 직경 방향의 간극은 작은 쪽이 바람직하다.
또한, 프리 피스톤형 스털링 기관에 있어서, 출력(냉동 능력)을 향상시키기 위해서는, 디스플레이서(4)의 공진 주파수를 높게 할 필요가 있다.
상기 구동 주파수는 상기 공진 주파수가 높아지면 높아지는 것으로 실질적으로 디스플레이서의 공진 주파수를 높게 해 주면 된다. 공진 주파수는 디스플레이서(4)의 질량 및 디스플레이서(4)를 탄성 지지하고 있는 스프링(6)의 스프링 정수에 의해 결정한다. 디스플레이서의 공진 주파수를 높게 하기 위해서는, 디스플레이서(4)의 질량을 가볍게 하거나, 상기 스프링 정수를 높게 하는 등의 수단을 취할 필요가 있다.
디스플레이서(4)는 압축 공간(71)과 배압 공간(8)의 압력차를 직선 왕복 운동의 구동원으로 하고 있고, 배압 공간(8)에 면하고 있는 로드(42)에는 축 방향의 힘이 작용한다. 디스플레이서(4)의 경량화를 위해 로드(42)의 외경을 작게 하면 로드(42)의 강도가 떨어져 버려, 왕복 운동을 반복하고 있는 동안에 로드에 작용하는 축 방향의 힘에 의해 변형되는 경우가 있을 수 있다. 로드(42)에 미소한 변형을 발생시킨 경우, 로드(42)와 미끄럼 이동 구멍(31)의 간극이 작으므로 로드(42)의 미소한 변형으로도 로드(42)와 미끄럼 이동 구멍(31)이 간섭해 버려 간섭한 부 위에서 미끄럼 이동 마찰이 발생한다. 미끄럼 이동 마찰이 발생하면 디스플레이서(4) 및 파워 피스톤(3)의 안정된 왕복 운동은 기대할 수 없게 되어, 스털링 기관의 기관 효율의 저하, 신뢰성의 저하, 수명이 짧아지는 등의 문제점이 발생한다.
또한, 부품끼리의 정밀도는 유지되어 있었다고 해도 로드(42)와 미끄럼 이동 구멍(31)의 간극이 작기 때문에, 로드(42)의 강도가 낮으면 조립 및 분해 등의 작업을 행할 때에 로드(42)와 미끄럼 이동 구멍(31)에 간섭이 생겨 미끄럼 이동 마찰이 발생하는 상태가 되는 경우도 있을 수 있다.
그래서 본 발명은, 고효율이고 동작의 신뢰성이 높고, 동작 수명이 긴 스털링 기관을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은, 조립 분해 등의 작업성이 양호한 스털링 기관을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 내부에 작동 가스가 봉입된 압력 용기와, 상기 압력 용기 내부에 고정된 실린더와, 상기 실린더 내부에 배치된 파워 피스톤과, 상기 실린더 내부에 상기 파워 피스톤과 동축 상에 배치된 디스플레이서를 갖는 스털링 기관이며, 상기 디스플레이서는 내부에 중공부를 갖고, 상기 실린더 내부를 미끄럼 이동하는 디스플레이서 피스톤과, 상기 디스플레이서 피스톤에 연결 고정되고, 상기 파워 피스톤의 중심부에 마련된 미끄럼 이동 구멍을 관통하는 로드를 갖고 있고, 상기 로드는 중공의 파이프 형상으로 형성되고, 배압 공간과 상기 중공부 사이의 작동 가스의 유동을 억제하는 부재를 상기 로드의 단부에 설치한 것을 특징으로 하는 것이다.
또한 본 발명은, 디스플레이서 피스톤은 상기 디스플레이서 피스톤의 중공부에 작동 가스를 유입시키기 위한 1 또는 2 이상의 유입 구멍과, 유입해 온 가스를 유출시키기 위한 1 또는 2 이상의 유출 구멍을 갖고 있고, 상기 유입 구멍은 상기 로드를 연결하고 있는 벽면에 외면으로부터 상기 중공부를 향해 관통되어 있고, 상기 유출 구멍은 디스플레이서 피스톤의 주위측벽에 중공부로부터 외주면을 향해 관통되어 있고, 상기 로드는 중공의 파이프 형상으로 형성되고, 상기 배압 공간과 상기 중공부 사이의 작동 가스의 유동을 억제하는 부재를 상기 로드의 단부에 설치한 것을 특징으로 하는 것이다.
도1은 본 발명에 관한 스털링 기관의 측단면도이다.
도2는 본 발명에 관한 스털링 기관에 이용되는 디스플레이서의 측단면도이다.
도3은 본 발명에 관한 스털링 기관에 이용되는 디스플레이서의 측단면도이다.
도4는 본 발명에 관한 스털링 기관에 이용되는 디스플레이서의 측단면도이다.
도5는 본 발명에 관한 스털링 기관에 이용되는 디스플레이서의 측단면도이다.
도6은 본 발명에 관한 스털링 기관에 이용되는 디스플레이서의 측단면도이 다.
도7은 종래예의 스털링 기관의 측단면도이다.
이하에 본 발명의 실시 형태를 도면을 참조하여 설명한다. 설명의 편의상, 종래예의 도7과 동일한 부재에 대해서는 동일한 부호를 붙이고 있다.
도1은 본 발명에 관한 스털링 기관 중 1개인 프리 피스톤형 스털링 냉동기의 측단면도이다.
스털링 냉동기(A)는 내부에 작동 가스가 충전된 압력 용기(1)와, 압력 용기(1) 내부에 고정된 실린더(2)와, 실린더(2) 내주면(21)에 원활하게 미끄럼 이동 가능하게 배치된 파워 피스톤(3)과, 파워 피스톤(3)과 동축에 배치된 디스플레이서(4a)를 갖고 있다. 파워 피스톤(3)은 파워 피스톤 지지 스프링(5)으로 탄성 지지되어 있다. 디스플레이서(4a)는 실린더(2) 내주면(21)에 원활하게 미끄럼 이동 가능한 디스플레이서 피스톤(41a)과, 파워 피스톤(3)의 중앙부에 마련된 미끄럼 이동 구멍(31)을 관통하는 로드(42a)를 갖고 있다. 디스플레이서(4a)도 파워 피스톤(3)과 마찬가지로 로드(42a)를 거쳐서 디스플레이서 지지 스프링(6)으로 압력 용기(1)에 탄성 지지되어 있다.
실린더(2)에 의해 형성되는 공간은 파워 피스톤(3)에 의해 2개의 공간으로 분할된다. 한쪽 공간은 파워 피스톤(3)의 디스플레이서(4a)측의 작동 공간(7)이고, 다른 쪽은 파워 피스톤(3)의 디스플레이서(4a)와 반대측의 배압 공간(8)이다. 이들 공간에는, 그것에는 한정되지 않지만 여기서는 작동 가스로서 고압 헬륨 가스 가 충전되어 있다.
파워 피스톤(3)은 피스톤 구동체[여기서는 리니어 모터(9)]에 의해 소정의 주기로 왕복 운동한다. 이에 의해, 작동 가스는 작동 공간(7) 내에서 압축 또는 팽창된다. 디스플레이서(4a)는 작동 공간(7)과 배압 공간(8)의 압력차에 의해 직선적으로 왕복 운동된다. 이 때, 파워 피스톤(3)과 디스플레이서(4a)는 소정의 위상차를 갖고 동일 주기로 왕복 운동하도록 설정되어 있다. 파워 피스톤(3)과 디스플레이서(4a)를 소정의 위상차를 갖고 왕복 운동시킴으로써 역스털링 냉동 사이클이 구성된다. 여기서 위상차는, 운전 조건이 동일하면 디스플레이서(4a)의 질량, 디스플레이서 지지 스프링(5)의 스프링 정수 및 파워 피스톤(3)의 동작 주파수에 의해 정해지는 것이다.
또한 작동 공간(7)은, 디스플레이서 피스톤(41a)에 의해 다시 2개의 공간으로 분할된다. 한쪽 공간은 파워 피스톤(3), 디스플레이서 피스톤(41a) 및 실린더(2)로 둘러싸인 압축 공간(71)이고, 다른 쪽은 실린더(2) 선단부 및 디스플레이서 피스톤(41a)으로 둘러싸인 팽창 공간(72)이다. 압축 공간(71)에서 고온이 발생하고, 팽창 공간(72)에서 냉열이 얻어진다.
다음에 실시예에 대해 설명해 간다. 또한, 각 실시예에서의 스털링 기관은 디스플레이서를 제외하고 도1에 도시한 스털링 기관과 동일 형상이다. 디스플레이서 이외의 부분의 도시를 생략한다.
(제1 실시예)
도2는 본원 발명에 관한 스털링 기관에 이용되는 디스플레이서의 일예를 도 시하는 측단면도이다.
도2에 도시한 디스플레이서(4a)는 디스플레이서 피스톤(41a)과, 디스플레이서 피스톤(41a)과 동축 상에 연결된 로드(42a)를 갖고 있다. 디스플레이서 피스톤(41a)은 중공부(410a)를 갖고 있다.
로드(42a)는 중공 파이프 형상으로 형성되어 있다. 로드(42a) 단부의 디스플레이서 피스톤(41a)과의 연결부(421a)는 외주면에 수형 나사부(422a)가 형성되어 있다. 디스플레이서 피스톤(41a)의 로드 연결 벽부(411a)의 중심부에는 암형 나사부(412a)가 형성되어 있고, 암형 나사부(412a)에 로드(42a)의 수형 나사부(422a)를 나사 결합하고, 반대측으로부터 돌출해 온 수형 나사부(422a)를 로크 너트(Nt)로 와셔(W)를 끼워 체결함으로써 로드(42a)를 디스플레이서 피스톤(41a)에 고정한다.
로드(42a)는 중공이므로 경량으로 제작할 수 있다. 또한, 동일 중량인 소경의 로드에 비하면 직경이 커 단면 계수도 커지고, 왕복 운동에 의해 발생되는 축력에 의한 구부러짐에 대한 강도를 유지할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 디스플레이서 피스톤(41a)은 중공부(410a)를 갖는 것으로 하였지만 그에 한정되는 것은 아니며, 중실 디스플레이서 피스톤을 이용해도 좋다. 그러나, 디스플레이서의 경량화의 관점으로부터 중공부를 갖는 것이 바람직하다.
(제2 실시예)
도3에 본 발명에 관한 스털링 기관에 이용되는 디스플레이서의 다른 예의 측단면도를 도시한다.
도3에 도시한 디스플레이서(4b)는 디스플레이서 피스톤(41b)과 중공 파이프 형상의 로드(42b)를 갖고 있다. 디스플레이서 피스톤(41b)은 중공부(410b)를 갖고 있다. 디스플레이서 피스톤(41b)과 로드(42b)는 제1 실시예에 나타내는 방법과 같은 방법으로 연결 고정된다. 즉, 로드(42b)의 수형 나사부(422b)를 디스플레이서 피스톤(41b)의 암형 나사부(412b)에 나사 결합하고, 수형 나사부(422b)의 중공부(410b)로 돌출된 부분에 로크 너트(Nt)를 와셔(W)를 끼워 나사 결합함으로써 디스플레이서 피스톤(41b)과 로드(42b)를 연결한다.
로드(42b)는 디스플레이서 피스톤 연결부(421b)와는 반대측의 단부(423b)에 가스의 유동을 억제하는 밀봉 부재(424b)를 구비하고 있다. 디스플레이서 피스톤(41b)은 중공부(410b)를 갖고, 작동 가스 유입 구멍(413b)과 작동 가스류 유출 구멍(414b)을 구비하고 있다. 가스 유입 구멍(413b)은 디스플레이서 피스톤(41b)의 로드 연결 벽부(411b)에 1개 형성되어 있다. 또한, 가스 유출 구멍(414b)은 디스플레이서 피스톤(41b)의 주위측벽에 직경 방향으로 등중심 각도 간격(여기서는 180°)으로 2개 형성되어 있다.
디스플레이서(41b)가 미끄럼 이동할 때에, 작동 가스가 가스 유입 구멍(413b)으로부터 디스플레이서 피스톤 내부(410b)로 유입되고, 피스톤 내부(410b)로 유입된 가스는 유출 구멍(414b)으로부터 유출된다. 이 때, 유출 가스는 실린더(2)와 디스플레이서 피스톤(41b) 사이(t1)(도1 참조)에 가스의 박막을 형성하여 가스 베어링으로서 작용한다. 디스플레이서(4b)의 미끄럼 이동에 의해 디스플레이서 피스톤 내부(410b)로 유입된 작동 가스는 로드(42b)의 중공부(420b)에도 유입되 지만, 가스 밀봉 부재(424b)를 넘어 가스는 유동하지 않으므로, 작동 공간과 배압 공간 사이에 가스가 유동하는 것을 방지할 수 있다.
디스플레이서 피스톤(41b)에 마련된 가스 유입 구멍(413b)은 본 예에서는 1개였지만 복수 구비하고 있어도 좋고, 가스 유출 구멍(414b)도 또한 2개로 한정되는 것도, 등중심 각도 간격으로 배치되는 것이라 한정되는 것도 아니며, 실린더(2)와 디스플레이서(41b) 사이의 마찰을 충분히 저감시킬 수 있는 것을 널리 채용할 수 있다.
로드(42b)의 단부(423b)에 설치된 가스 밀봉 부재(424b)는 가스의 유동을 방지할 수 있는 장소이면, 단부(422b) 이외의 장소에 설치해도 좋다.
(제3 실시예)
도4에 본 발명에 관한 스털링 기관에 이용되는 디스플레이서의 또 다른 예의 측단면도를 도시한다.
도4에 도시한 디스플레이서(4c)는 디스플레이서 피스톤(41c)과 중공 파이프 형상의 로드(42c)를 갖고 있다. 디스플레이서 피스톤(41c)은, 도2에 도시한 디스플레이서 피스톤(41b)과 마찬가지로 중공부(410c)를 갖고 있고, 작동 가스 유입 구멍(413c)과 작동 가스 유출 구멍(414c)을 구비하고 있다.
로드(42c)의 디스플레이서 피스톤 연결부(421c)의 내주면에는 암형 나사부(425c)가 형성되어 있다. 디스플레이서 피스톤(41c)의 로드 연결 벽부(411c)에는 외주면으로부터 연신하는 로드(42c)의 외경과 대략 동일한 직경의 로드 연결용 구멍(415c)을 갖고 있다. 또한 로드 연결 벽부(411c)의 내주면으로부터 연신하고, 후술하는 볼트(43c)의 수형 나사부의 외경과 동일하거나 그보다도 큰 내경의 볼트 구멍(416c)을 갖고 있다. 로드 연결용 구멍(415c)의 내경은 볼트 구멍(416c)의 내경보다도 크게 형성되어 있다. 로드 연결용 구멍(415c)과 볼트 구멍(416c)은 로드 연결 벽부(411c)의 대략 중앙부에서 연결되어 있다.
디스플레이서 피스톤(41c)과 로드(42c)의 연결 고정은 이하와 같다. 로드(42c)를 로드 연결용 구멍(415c)에 삽입하고, 디스플레이서 피스톤(41c)의 중공부(410c)측으로부터, 암형 나사부(425c)와 암형 나사부(425c)와 동일 직경의 수형 나사를 갖는 볼트(43c)를 와셔(W)를 끼워 나사 결합한다. 볼트(43c)를 이용하여 디스플레이서 피스톤(41c)과 로드(42c)를 연결함으로써 로드(42c) 중공부(420c)를 통한 디스플레이서 피스톤(41c)과 배압 공간(8), 나아가서는 작동 공간(7)과 배압 공간(8)의 가스의 유동을 방지할 수 있다. 또한, 디스플레이서(4c)가 왕복 운동하는 경우, 로드 중공부(420c)는 사공간(dead space)으로 되어 버리지만, 중공부(420c)에 작동 공간(7)의 가스가 유입되지 않으므로 그만큼 효율을 높이는 것이 가능하다.
상술한 실시예에서는 로드(42c)를 로드 연결용 구멍(415c)에 삽입하여 볼트(43c)로 나사 결합 고정하는 것을 예시하고 있지만, 그에 한정되는 것은 아니며 로드(42c)를 로드 연결용 구멍(415c)에 압입하여 암형 나사부(425c)와 볼트(43c)를 나사 결합함으로써 견고하게 고정하는 것이라도 좋다. 로드(42c)를 로드 연결용 구멍(415c)에 삽입 또는 압입할 때의 맞댐면에 접착제를 배치하여 고정해도 좋다.
또한 로드(42c)의 끼워 맞춤부에 수형 나사를, 로드 연결용 구멍(415c)의 내 면에 암형 나사를 형성해 두고, 로드(42c)를 로드 연결용 구멍(415c)에 나사 결합해도 좋다.
상기한 각 방법으로 로드(42c)와 디스플레이서 피스톤(41c)을 연결한 후, 로드(42c)와 디스플레이서 피스톤(41c)의 로드 연결 벽부(411c)를 용접하여 견고하게 고정해도 좋다.
도5에 제3 실시예에 나타내는 디스플레이서의 다른 예의 측단면도를 도시한다.
도5에 도시한 디스플레이서(4d)는 도2에 도시한 디스플레이서 피스톤(41b)과 동일한 형상을 갖는 디스플레이서 피스톤(41d)을 갖고 있다.
로드(42d)의 디스플레이서 피스톤(41d)과 연결하는 연결부(421d)의 외주부에는 수형 나사부(422d)가 형성되어 있고, 연결부(421d)의 중공부에는 가스 밀봉 부재(427d)가 구비되어 있다.
디스플레이서 피스톤(41d)과 로드(42d)의 연결은 제2 실시예의 연결 방법에 의해 동일한 방법으로 행하고 있다. 즉, 미리 가스 밀봉 부재(427d)를 구비한 로드(42d)의 수형 나사부(422d)를 디스플레이서 피스톤(41d)의 암형 나사부(412d)에 나사 결합하고, 수형 나사부(422d)의 중공부(410d)로 돌출한 부분에 로크 너트(Nt)를 와셔(W)를 끼워 나사 결합함으로써 디스플레이서 피스톤(41d)과 로드(42d)를 연결한다. 이 때, 제2 실시예와는 달리 가스 유입 구멍(413d)으로부터 유입된 작동 가스는 가스 밀봉 부재(427d)로 차단되어, 로드(42d)의 중공부(420d)로는 유입되지 않고, 가스 유출 구멍(414d)으로부터 유출된다. 그로 인해, 로드(42d)의 중공 부(420d)를 통한 배압 공간(8)과 작동 공간(7) 사이의 가스의 유동은 방지할 수 있다.
본 실시예는 디스플레이서 피스톤 중공부[410c(410d)]와 로드 중공부[420c(420d)] 사이에서 가스가 유동하지 않도록 디스플레이서 피스톤(41c)과 로드(42c)를 1개의 볼트(43c)로 모두 체결하는 것, 가스 밀봉 부재(427d)를 로드의 연결부(421d)에 구비한 것을 예시하고 있지만, 그에 한정되는 것은 아니며 디스플레이서 피스톤 중공부와 로드 중공부 사이의 가스의 유동을 방지할 수 있는 것을 널리 채용할 수 있다.
(제4 실시예)
도6에 본 발명에 관한 스털링 기관에 이용되는 디스플레이서의 또 다른 예의 측단면도를 도시한다.
도6에 도시한 디스플레이서(4e)는, 제2 실시예에서 도시한 디스플레이서 피스톤(41b)과 동일 형상을 갖는 디스플레이서 피스톤(41e)을 채용하고 있다. 즉, 디스플레이서 피스톤(41e)은 중공이며, 가스 유입 구멍(413e)과 가스 유출 구멍(414e)을 구비하고 있다. 로드(42e)는 중공 파이프 형상이며, 중공부(420e)로부터 주위측면 외주부를 향해 관통되어 있는 가스 유출구(428e)를 2개(중심 각도 간격 180°) 구비하고 있다. 또한, 로드(42e)는 디스플레이서 피스톤(41e)과의 연결부(421e)와는 반대측의 단부(423e)에 가스 밀봉 부재 사이(424e)를 구비하고 있다.
디스플레이서 피스톤(41e)과 로드(42e)의 연결 방법은 제2 실시예와 동일한 방법이다. 즉, 로드(42e)의 디스플레이서 피스톤(41e)과의 연결부(421e)에 설치된 수형 나사부(422e)를 디스플레이서 피스톤(4e)의 암형 나사부(412e)와 나사 결합한다. 그리고, 수형 나사부(422e)의 중공부(410e)로 돌출된 부분에 로크 너트(Nt)를 와셔(W)를 끼워 나사 결합함으로써 디스플레이서 피스톤(41e)과 로드(42e)를 연결한다.
작동 공간(7)으로부터 가스 유입 구멍(413e)을 통해 중공부(410e)로 유입된 가스는, 일부는 가스 유출 구멍(414e)으로부터 피스톤(41e)과 실린더(2) 사이로 유출되고, 나머지는 중공부(420e)로 유입되고, 로드(42e)에 설치되어 있는 유출구(428e)를 통해 미끄럼 이동 구멍(31)과 로드(42e) 사이의 간극(t2)(도1 참조)으로 유출되어 가스의 박막을 형성한다. 이 가스의 박막은 디스플레이서(4e) 미끄럼 이동시의 미끄럼 이동 구멍(31) 내주면과 로드(42e) 외주면의 마찰을 저감하는 가스 박막, 이른바 가스 베어링을 형성한다.
또한, 디스플레이서(4e)의 미끄럼 이동에 의해 배압 공간(8)으로부터 로드 중공부(420e)로 가스가 유입되는 것을 방지할 수 있다. 그에 의해, 가스의 작동 공간(7)과 배압 공간(8) 사이의 가스의 유동을 방지할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 로드(42e)는 가스 밀봉 부재(424e)를 로드(42e)의 단부(423e)에 구비하는 것을 예로 들었지만, 그에 한정되는 것은 아니며 로드 중공부(420e)를 거쳐서 디스플레이서 피스톤 중공부(410e)와 배압 공간(8) 사이에 가스의 유동이 일어나지 않고, 피스톤 중공부(410e)로부터 로드 중공부(420e)로 유입된 가스가 유출구(428e)를 통해 간극(t2)으로 유출되는 것을 널리 채용할 수 있다.
유출구(428e)는 2개인 것을 나타냈지만 그에 한정되는 것은 아니며, 로 드(42e) 주위측면과 미끄럼 이동 구멍(31)의 사이에서 미끄럼 이동 마찰을 저감시킬 수 있는 가스 베어링을 형성할 수 있는 것을 널리 채용할 수 있다.
제1 내지 제4 실시예는 스털링 냉동기에 대해 서술하였지만, 냉동기에 한정되는 것은 아니며 열기관인 스털링 엔진 등에도 적용 가능하다.
본 발명에 따르면, 디스플레이서의 로드를 중공 파이프 형상으로 형성함으로써, 디스플레이서 전체를 경량화하여 공진 주파수를 높게 함으로써 스털링 기관의 출력(냉동 능력)을 높일 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 디스플레이서의 로드를 중공 파이프 형상으로 형성함으로써, 상기 로드의 강도 저하를 억제하여 디스플레이서 전체를 경량화할 수 있고, 그에 의해 운전의 신뢰성이 높고 고효율이며 수명이 긴 스털링 기관을 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 로드의 중공부를 거친 팽창 공간과 배압 공간 사이의 가스의 유동을 방지 혹은 저감시킬 수 있어, 그만큼 기관 효율의 저하를 방지할 수 있는 스털링 기관을 제공할 수 있다.
또한 본 발명에서는, 파워 피스톤의 미끄럼 이동 구멍과 디스플레이서의 로드의 간극에 충분한 가스의 박막을 제작하고, 가스 베어링을 형성함으로써 상기 미끄럼 이동 구멍과 상기 로드의 미끄럼 이동 마찰을 저감시킬 수 있어, 그만큼 운전의 신뢰성이 높고 수명이 긴 스털링 기관을 제공할 수 있다.

Claims (5)

  1. 프리 피스톤형의 스털링 기관이며,
    내부에 작동 가스가 봉입된 압력 용기와,
    상기 압력 용기 내부에 고정된 실린더와,
    상기 실린더 내부에 설치된 파워 피스톤과,
    상기 실린더 내부에 상기 파워 피스톤과 동축 상에, 지지 스프링으로 탄성 지지된 디스플레이서를 갖고 있고,
    상기 압력 용기는 파워 피스톤에 대해 디스플레이서 피스톤측에 형성된 작동 공간과, 상기 파워 피스톤에 대해 상기 작동 공간과 반대측에 형성된 배압 공간을 갖고 있고,
    상기 디스플레이서는 상기 실린더 내부를 미끄럼 이동하는 디스플레이서 피스톤과, 상기 디스플레이서 피스톤에 연결 고정되고, 상기 파워 피스톤의 중심부에 마련된 미끄럼 이동 구멍을 관통하는 로드를 갖고 있고,
    상기 디스플레이서 피스톤은 중공부를 갖고 있고,
    상기 로드는 중공 형상의 파이프 형상으로 형성되고, 상기 배압 공간과 상기 중공부 사이의 작동 가스의 유동을 억제하는 부재를 상기 로드의 단부에 설치한 것을 특징으로 하는 스털링 기관.
  2. 삭제
  3. 프리 피스톤형의 스털링 기관이며,
    내부에 작동 가스가 봉입된 압력 용기와,
    상기 압력 용기 내부에 고정된 실린더와,
    상기 실린더 내부에 설치된 파워 피스톤과,
    상기 실린더 내부에 상기 파워 피스톤과 동축 상에, 지지 스프링으로 탄성 지지된 디스플레이서를 갖고 있고,
    상기 압력 용기는 파워 피스톤에 대해 디스플레이서 피스톤측에 형성된 작동 공간과, 상기 파워 피스톤에 대해 상기 작동 공간과 반대측에 형성된 배압 공간을 갖고 있고,
    상기 디스플레이서는 상기 실린더 내부를 미끄럼 이동하는 디스플레이서 피스톤과, 상기 디스플레이서 피스톤에 연결 고정되고, 상기 파워 피스톤의 중심부에 마련된 미끄럼 이동 구멍을 관통하는 로드를 갖고 있고,
    상기 디스플레이서 피스톤은 중공부를 갖고 있고,
    작동 가스를 상기 피스톤 중공부로 유입시키는 1 또는 2 이상의 유입 구멍과,
    상기 중공부로 유입된 가스를 유출시키는 1 또는 2 이상의 유출 구멍을 갖고 있고,
    상기 유입 구멍은 상기 로드가 연결되어 있는 벽면에 외면으로부터 상기 중공부를 향해 관통되어 있고,
    상기 유출 구멍은 디스플레이서 피스톤의 측주위벽에 중공부로부터 외주면을 향해 관통되어 있고,
    상기 로드는 중공의 파이프 형상으로 형성되고, 상기 배압 공간과 상기 중공부 사이의 작동 가스의 유동을 억제하는 부재를 상기 로드의 단부에 설치한 것을 특징으로 하는 스털링 기관.
  4. 제3항에 있어서, 상기 가스의 유동을 억제하는 부재는 상기 디스플레이서 피스톤 중공부와 상기 로드 중공부 사이의 가스의 유동을 방지하는 스털링 기관.
  5. 프리 피스톤형의 스털링 기관이며,
    내부에 작동 가스가 봉입된 압력 용기와,
    상기 압력 용기 내부에 고정된 실린더와,
    상기 실린더 내부에 배치된 파워 피스톤과,
    상기 실린더 내부에 상기 파워 피스톤과 동축 상에, 지지 스프링으로 탄성 지지된 디스플레이서를 갖고 있고,
    상기 압력 용기는 파워 피스톤에 대해 디스플레이서 피스톤측에 형성된 작동 공간과, 상기 파워 피스톤에 대해 상기 작동 공간과 반대측에 형성된 배압 공간을 갖고 있고,
    상기 디스플레이서는 상기 실린더 내부를 미끄럼 이동하여 중공부를 갖는 디스플레이서 피스톤과, 상기 파워 피스톤의 중심부에 마련된 미끄럼 이동 구멍을 관통하는 로드를 갖고 있고,
    상기 디스플레이서 피스톤은 중공부를 갖고 있고,
    작동 가스를 상기 피스톤 중공부에 유입시키는 1 또는 2 이상의 유입 구멍과,
    상기 중공부에 유입된 가스를 유출시키는 1 또는 2 이상의 유출 구멍을 갖고 있고,
    상기 유입 구멍은 상기 로드가 연결되어 있는 벽면에 외면으로부터 상기 중공부를 향해 관통하고 있고,
    상기 유출 구멍은 디스플레이서 피스톤의 중공부로부터 외주면을 향해 관통되어 있고,
    상기 로드는 중공 형상의 파이프 형상을 갖고 있고,
    상기 로드 중공부의 디스플레이서 피스톤에 대해 상기 유출구보다도 떨어진 위치에, 작동 공간과 배압 공간 사이의 작동 가스의 유동을 방지하는 수단을 갖고 있고,
    상기 로드의 주위측벽의 상기 미끄럼 이동 구멍과 겹치는 부분에 상기 로드의 직경 방향으로 1 또는 2 이상의 중공부로부터 외주부로 관통하는 가스 유출구를 갖는 것을 특징으로 하는 스털링 기관.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10505396A (ja) * 1994-09-08 1998-05-26 サンパワー・インコーポレーテッド 自由ピストン機械用の一方向弁付き中心合わせシステム
JP2000045867A (ja) * 1998-07-28 2000-02-15 Sharp Corp スターリングエンジン

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10505396A (ja) * 1994-09-08 1998-05-26 サンパワー・インコーポレーテッド 自由ピストン機械用の一方向弁付き中心合わせシステム
JP2000045867A (ja) * 1998-07-28 2000-02-15 Sharp Corp スターリングエンジン

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160069454A (ko) 2014-12-05 2016-06-16 선박안전기술공단 스털링 엔진의 디스플레이서 피스톤 구조

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