KR100758067B1 - 전자식 작동기 및 스털링 기관 - Google Patents

Abstract

전자식 작동기에 사용되는 요크를, 연자성 철 가루를 성형하여 형성하는 동시에, 그 요크에 과전류 손상의 발생을 방지하는 결절부를 형성한다. 이 결절부에 의해 과전류의 발생을 방지하여, 작동기를 고효율로 운전할 수 있도록 하였다.

요크, 작동기, 실린더, 고정 링, 압박 링, 피스톤, 디스플레이서

Description

전자식 작동기 및 스털링 기관 {ELECTROMAGNETIC ACTUATOR, AND STIRLING ENGINE}

본 발명은 자기 회로를 형성하는 요크를 구비한 전자식 작동기 및 상기 전자식 작동기를 구비한 스털링 기관에 관한 것이다.

종래, 전자식(리니어) 작동기의 요크에는 와(渦)전류의 발생을 방지하기 위해 박판을 적층한 적층 요크가 사용되고 있다. 이 적층 요크는, 펀칭법 등에 의해 소정의 형상으로 성형된 요크 미가공판을 코오킹 또는 접착 등에 의해 소정의 매수를 적층시켜 제조된다. 그 상하 면은 서로 평행하고, 측면은 상하 면과 직각으로 형성되어 있다.

적층 요크에 코일을 감아 전자력을 발생시키는 모터에서는, 코일이 가동자의 이동 방향과 직행하는 단면 내에서 권취된다. 따라서 통상의 회전 모터에서는, 가동자를 구성하는 각 요크 미가공판은 회전축과 직행하는 방향으로 회전축 방향을 따라서 적층되고, 가동자를 직선 운동시키는 리니어 모터에서는, 가동자의 운동 방향과 직행하는 방향으로 적층된다.

고정자 또는 가동자가 원통형으로, 이 원통의 축 방향으로 가동자를 직선 운동시키는 원통형의 리니어 작동기에서는, 고정자 또는 가동자의 원주 방향을 따라 서 요크 미가공판을 적층할 필요가 있다.

그래서, 일본 특허 공개 제2000-337725호 공보에는, 한 쌍의 역 ㄷ자형의 요크 미가공판을 복수 매 적층한 것을 외측 적층 코어로 하고, 또한 짧은 변을 절결한 대략 평평한 북 형상의 요크 미가공판을 적층하여 구성한 것을 내측 적층 코어로 하고, 각각 등중심 각도 45°로 배치하여, 외측 요크, 내측 요크로 한 것이 개시되어 있다. 각각의 외측 코어와 내측 코어는 대향하고 있다.

그러나 일본 특허 공개 제2000-337725호 공보에 개시된 요크에서는, 요크에서의 와전류의 발생을 방지할 수 있지만, 외측 요크, 내측 요크 전체에서는 자기 특성이 장소에 따라 불균일하며, 요크로서의 효율이 저하된다.

또한, 일본 특허 공개 제2002-369462호 공보에는 직사각형의 철심 미가공판(박판)을 적층하여, 그 내주측 측면을 오목형으로, 외주측 측면을 볼록형으로 만곡시켜, 중심 각도 45°의 부채형의 적층 철심을 형성한다. 그 적층 철심을 원주형 베이스 부재의 외주면에 부착함으로써 내측 요크로 하고, 원주형 베이스 부재 상의 원주 방향으로 철심 미가공판이 적층되는 것을 개시하고 있다. 또 외측 요크도 가동자의 외측에 내측 요크와 동축 상에 철심 미가공판을 배치하고 있는 것을 개시하고 있다.

일본 특허 공개 제2002-369462호 공보에 기재된 내측 요크에 있어서는, 요크에서의 와전류의 발생을 방지할 수 있어, 내측 요크, 외측 요크 모두 장소에 의한 자기 특성의 큰 변화가 없어 균일에 가까운 자기 특성을 갖고 있다.

그렇지만, 일본 특허 공개 제2002-369462호 공보에 기재된 요크와 같이, 균 일한 두께의 박판을 중심축에 대하여 방사형으로 적층하는 것은 매우 곤란하다. 또한, 제조된 요크도 치수 정밀도의 격차가 커, 제조 후 마무리를 위한 수정이 필요하다.

또한, 박판을 중심축에 대하여 방사형으로 적층하는 것이 어렵고, 게다가 제조 후의 수정을 필요로 함으로써 제조에 시간이 걸리는 동시에, 제조 비용이 증가한다. 또한, 구조가 복잡하기 때문에, 내구성 및 내충격성이 낮다고 하는 문제가 있다.

그에 대하여, WO00/62406호 공보에는, 전자식 리니어 작동기의 내측 요크 또는 외측 요크에 금속 자성 입자와 전기 절연성 수지와의 혼합물을 압축 성형함으로써 제조되는 압축 성형체를 이용하는 것이 개시되어 있다. 이러한 구성으로 하면, 구조를 간단화할 수 있는 동시에 내구성 및 내충격성도 높은 것을 제조할 수 있다.

또한, 특허 문헌 3에는 금속 자성 입자와 상기 절연성 수지와의 혼합물을 압축 성형하고 있으므로, 상기 절연성 수지에 의해 인접하는 금속 자성 입자가 전기적으로 절연되어, 그에 의해 와전류 손상의 발생을 방지하는 취지가 기재되어 있다(특허 문헌 3 실시예 6).

특허 문헌 1 : 일본 특허 공개 제2000-337725호 공보

특허 문헌 2 : 일본 특허 공개 제2002-369462호 공보

특허 문헌 3 : WO00/62406호 공보

한편, 전자식(리니어) 작동기는 높은 동작 효율로 구동하는 것이 요망된다. 특히 스털링 기관의 구동원으로서 전자식 리니어 작동기를 사용하여, 이것을 냉동기로서 동작시키는 경우에는, 특히 동작 효율이 중요해진다.

그러나 높은 동작 효율로 운전하기 위해서는, 특허 문헌 3에 기재된 바와 같이 금속 자성 입자와 상기 절연성 수지와의 혼합물을 압축 성형한 정도로는 불충분하다. 즉, 이 정도에서는 와전류 손상의 발생을 충분히 억제할 수 없어, 높은 동작 효율을 얻는 것이 어렵다.

그래서 본 발명은, 보다 고효율로 구동하는 전자식(리니어) 작동기를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 그것을 스털링 기관에 사용함으로써, 보다 고효율, 즉 성적 효율이 좋은 스털링 기관을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 아우터 요크와, 상기 아우터 요크의 내측에 대향하여 배치된 연자성 철가루를 성형하여 형성된 이너 요크와, 상기 아우터 요크에 설치된 코일부와, 상기 아우터 요크와 상기 이너 요크 사이에 배치된 상기 코일부가 발생하는 자속에 따라 왕복 이동하는 영구 자석과, 상기 영구 자석을 지지하는 가동자를 구비한 전자식 작동기에 있어서, 상기 이너 요크는 축방향으로 복수 분할하여 형성된 것을 조합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자식 작동기를 제공한다.

이 이너 요크는 연자성 철 가루를 소결 성형, 압축 성형 등의 성형으로 형성된 것이며, 축방향으로 복수 분할하여 성형한 것을 조합하여 이루어진다. 이 구성에 의하면, 이너 요크가 축방향으로 길게 된 경우에, 축방향으로 분할하여 각 분할를 작은 부분으로서 성형하는 것으로, 장소에 따라 자기 특성의 큰 변화가 생기기 어렵고, 그 만큼 균일에 가까운 자기 특성을 갖는 이너 요크를 구비한 전자식 작동기를 제공할 수 있다.

상기 구성의 이너 요크의 분할부의 한쪽의 면에 볼록부가, 다른 쪽의 면에 상기 볼록부가 끼워지는 오목부가 형성되어 있는 것이어도 좋다.

이 구성에 의하면, 분할된 이너 요크를 용이하게 위치 결정함과 동시에, 연결할 수 있다.

또한, 상기 이너 요크는 와전류 손상의 발생을 방지하는 절결부를 구비하고 있고, 상기 절결부는 한쪽의 단부면으로부터 다른 쪽의 단부면을 향해 축방향으로 연장하여 설치된 하나 또는 복수의 절결을 갖는 것을 예로 들 수 있다.

이 구성에 의하면, 보다 양호하게 와전류 손상의 발생을 방지하여 고효율의 전자식(리니어) 작동기로 하는 것이 가능하다.

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이상에 기재한 전자식 리니어 작동기는, 스털링 기관에 적합하게 사용하는 것이 가능하다. 이에 의해, 성적 계수가 높은 스털링 기관을 제공할 수 있다.

발명의 효과

본 발명에 따르면, 양호하게 와전류 손상의 발생을 방지하는 요크, 혹은 고효율로 구동할 수 있는 전자식(리니어) 작동기, 혹은 성적 계수가 좋은 스털링 기관을 제공하는 것이 가능하다.

도1a는 본 발명에 관한 이너 요크를 사용한 리니어 작동기의 수직 단면도이다.

도1b는 도1a에 나타내는 리니어 작동기의 수평 단면도이다.

도2a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이너 요크의 사시도이다.

도2b는 도2a에 나타내는 이너 요크의 평면도이다.

도3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 이너 요크의 사시도이다.

도4는 본 발명에 관한 이너 요크를 리니어 작동기에 채용하였을 때의 결절부의 수와 효율의 관계를 나타내는 그래프이다.

도5a는 본 발명에 따른 이너 요크의 다른 예의 사시도이다.

도5b는 도5a에 나타내는 이너 요크의 평면도이다.

도6a는 본 발명에 따른 이너 요크의 또 다른 예의 사시도이다.

도6b는 도6a에 나타내는 이너 요크의 평면도이다.

도7은 본 발명에 따른 이너 요크의 또 다른 예의 사시도이다.

도8은 도7에 나타내는 이너 요크를 실린더에 부착한 상태의 측단면도이다.

도9는 도2a에 나타내는 이너 요크를 축 방향에 연결한 상태의 사시도이다.

도10은 본 발명의 스털링 기관의 단면도이다.

[부호의 설명]

A : 리니어 작동기

1 : 이너 요크

2 : 실린더

22 : 피스톤

3 : 가동자

3a : 영구 자석

4 : 아우터 요크

5 : 코일

11c 내지 18c : 결절부

11d 내지 16d : 결절부

11c 내지 16c : 결절부

11f 내지 18f : 결절부

이하에 본 발명의 제1 실시 형태를 도면을 참조하여 설명한다. 도1a는 본 발명의 리니어 작동기의 일례의 단면도이다. 도1b에 도1a에 나타내는 리니어 작동기의 평면도를 나타낸다.

도1a, 도1b에 나타내는 리니어 작동기(A)는 원통 형상을 갖는 이너 요크(1)와, 원통형 이너 요크(1)의 원통부(10)의 내주면(100)에 삽입되는 실린더(2)와, 이너 요크(1)의 외측에 이너 요크(1)와는 비접촉으로 배치되는 가동자(3)와, 가동자(3)의 다른 외측에, 이너 요크(1) 및 가동자(3)와 비접촉으로 배치되는 아우터 요크(4)와, 아우터 요크(4)의 내주면의 홈부(41)에 배치되는 코일(5)을 갖고 있다. 내측 요크(1), 실린더(2), 가동자(3), 아우터 요크(4) 및 코일(5)은 실린더(2)의 중심축(S)을 축심으로 하여 배치되어 있다.

이너 요크(1)는 실린더(2)에 고정되어 있고, 그 고정 방법은 이너 요크(1)와 실린더(2)의 접촉 부분에 접착제, 점착 테이프 등의 접착 수단으로 접착 고정하는 것을 예시할 수 있다. 여기에서는, 접착제에 의해 고정하는 것을 채용하고 있다.

이너 요크(1)는 원주 방향으로 불연속 부분인 결절부(11 내지 16)를 등중심 각도 간격(α = 60°)으로 6개 갖고 있다. 이너 요크(1)의 결절부(11 내지 16)는 전기를 흐르게 하지 않는 상태(절연 상태) 또는 전기 저항이 매우 높은 상태(대략 전기를 통하게 하지 않는 상태)가 되도록 형성되어 있다.

실린더(2)의 내측(21)에는 가동자(3)에 연결되고, 리니어 작동기(A)에 의해 왕복 운동하게 되는 피스톤(22)이 구비되어 있다. 피스톤(22)은 실린더(2)의 내측면(210)과는 가스막 또는 오일막을 거쳐서 미끄럼 이동하도록 배치되어 있다.

가동자(3)는 바닥이 있는(바닥 벽에 구멍이 있음) 원통 형상을 가지고, 개방된 단부측(31)에는 영구 자석(3a)이 부착되어 있다. 또한, 폐쇄된 단부측(32)의 중심부(321) 내측에, 가동자(3)와 피스톤(22)을 연결하는 연결 부재(33)가 구비되어 있다. 연결 부재(33)는 축(S)을 중심축으로 하는 원주 형상을 갖는다.

도1b를 보면 알 수 있듯이 이너 요크(1)의 인접하는 결절부(11 내지 16)에 의해 구분되는 부분(111 내지 116), 독립된 영구 자석(3a) 및 아우터 요크(4)는 실린더(2)의 반경 방향으로 대향 관계로 배치되어 있다.

영구 자석(3a)은 6개의 독립된 영구 자석(3a)이며, 독립된 영구 자석(3a)은 이너 요크(1)의 외측에 이너 요크(1)에 접촉하지 않도록, 또한 이너 요크(1)의 인접하는 결절부(11 내지 16)로 구분된 부분(111 내지 116)과 1 : 1로 대향하도록(인 접하는 영구 자석끼리 간격을 두고) 배치된다. 즉, 독립된 영구 자석(3a)은 등중심 각도 간격으로 배치된다.

아우터 요크(4)도, 영구 자석(3a)과 마찬가지로 6개의 독립된 아우터 요크를 가지고, 각각 독립된 아우터 요크(4)는 영구 자석(3a)의 외측에 영구 자석(3a)에 접촉하지 않도록, 또한 원주 상에 등중심 각도 간격으로 배치된 영구 자석(3a)과 대향하도록 배치된다.

코일(5)은 도시를 생략한 전원에 접속되어 있고, 전원보다 일정한 진폭 또한 일정 주기로 방향이 바뀌는 전류가 흐르게 된다. 코일(5)에 전류가 흐르게 됨으로써 코일 주위에 자계가 발생한다.

리니어 작동기(A)는 코일(5)에 전류를 흐르게 함으로써 자계를 발생시켜, 내측 요크(1)와 아우터 요크(4)의 사이에 발생하는 자계의 자속 밀도와 영구 자석(3a)의 자속 밀도를 포갬으로써, 자속 밀도가 낮은 부분과 높은 부분을 발생시켜, 그때에 작용하는 힘을 이용하여 동작시키는 것이다. 리니어 작동기(A)인 경우, 이너 요크(1), 아우터 요크(4) 및 코일(5)은 고정되므로, 영구 자석(3a) 및 영구 자석(3a)이 부착되어 있는 가동자(3)가 작동한다. 또한 가동자(3)에 고정된 연결 부재(33)를 거쳐서 피스톤(22)이 작동한다.

또한, 코일(5)의 전류 방향을 소정의 주기로 바꿈으로써, 가동자(3), 영구 자석(3a) 및 가동자(3)에 연결 부재(33)를 거쳐서 연결된 피스톤(22)은 전류의 주기로부터 결정되는 주기로 왕복 운동한다.

도2a에 본 발명에 따른 이너 요크의 일례의 상면 사시도를 나타낸다. 도2b 에 도2a에 나타내는 이너 요크의 평면도를 나타낸다.

도2a, 도2b에 나타내는 이너 요크(1d)는 원통 형상을 기초로 하고 있고, 결절부로서 그 축 방향의 일단부면으로부터 타단면을 향해 연장하여 설치된 결절부가, 원주 방향으로 등중심 각도(α) 간격으로 6 군데(α = 60°)에 마련된 것이다. 이 이너 요크(1d)는 연자성 철 가루와 수지를 소결 성형에 의해 담금질하여 굳힌 것이며, 연자성 철 가루로서는 철, 철/실리콘, 철/니켈, 철/코발트 합금, 철/알루미늄 등을 사용하는 것이 가능하고, 또한 수지 재료로서는 에폭시 수지, 나일론 수지, 폴리아미드 수지, 폴리에스테르수지 등을 사용하는 것이 가능하다.

이너 요크(1d)는 도면 내 상면측에 결절부(11d 내지 16d)를 갖는다. 결절부(11d 내지 16d)는 서로 같은 길이이며, 이너 요크(1d)의 축 방향 길이의 절반보다도 길게 형성되어 있다. 결절부(11d 내지 16d)를 마련함으로써, 와전류가 발생하기 어렵다. 이에 의해, 와전류에 의한 영향을 받기 어려워, 보다 효율이 높은 이너 요크를 제작하는 것이 가능하다. 본 실시예에 있어서는 절결을 원주 방향으로 등중심 각도 간격으로 6 군데에 마련한 것을 예시하고 있지만, 그에 한정되는 것이 아닌 이너 요크로서 높은 효율을 유지하는 것(실험에 따르면 도4에 도시한 바와 같이 8 군데)을 널리 채용할 수 있었다.

본 실시예에 있어서 절결의 길이는 이너 요크(1d)의 축 방향 길이의 절반 길이보다도 긴 것을 예시하고 있지만, 그에 한정되는 것이 아닌, 이너 요크로서 높은 효율을 유지하는 것을 널리 채용할 수 있다. 타단부 측은 주위 형상으로 연결된 형상을 하고 있으므로, 이너 요크를 주위 방향으로 등각도 간격으로 복수 블록으로 분할하여 형성하고, 그것을 나중에 접합하는 것과 비교하면, 소결할 때의 성형 과정에서 절결을 마련하는 것이 가능하므로, 제조가 용이하고, 또한 고정밀도이다.

도3에 이너 요크의 또 다른 예의 상면측 사시도를 나타낸다.

도3에 나타내는 이너 요크(1e)는 도2a, 도2b에 나타내는 이너 요크(1d)에 있어서 인접하는 결절부로서 절결이, 서로 양단부 면에 교대로 설치되어 있는 것이다.

즉, 도3의 이너 요크(1e)에 있어서, 제1 결절(11e)은 도면 내 상측 단부면(1Ue)에 마련되어 있고, 제1 결절(11e)의 인접한 제2 절결(12e) 및 제6 절결(16e)은 도면 내 아래쪽 단부면(1Le)에 설치되어 있다. 즉, 이너 요크(1e)는 제1 절결(11e), 제3 절결(13e), 제5 절결(15e)은 상측 단부면(1Ue)에, 제2 절결(12e), 제4 절결(14e), 제6 절결(16e)은 하측 단부면(1Le)에 설치되어 있다.

이에 의해, 이너 요크(1d)는 도면 내 아래쪽 단부에 폐쇄된 원형 단면을 갖는 부분을 구비하고 있어 와전류가 발생할 가능성이 있지만, 본 실시예의 이너 요크(1e)에서는 폐쇄된 원형 단면을 갖는 부분을 구비하고 있지 않으므로 와전류가 보다 발생하기 어렵다. 또한, 이와 같이 형성해도 소결할 때의 성형 과정에서 결절부를 마련하는 것이 가능하므로, 제조가 용이하고, 또한 고정밀도이다.

도4에 이너 요크의 결절부의 수와 모터 효율의 관계의 그래프를 나타낸다.

도4에 나타내는 그래프의 횡축은 이너 요크의 결절부의 개수, 세로축은 모터 효율이다. 도4에 나타내는 그래프를 보면 결절부가 증가하는 동시에 모터 효율은 상승해 가 결절부가 8을 초과한 부근에서 피크가 되고, 그 후는 서서히 효율이 내 려간다. 이것은, 결절부는 8개일 때가 가장 모터의 효율이 높아지는 것을 나타내고 있다.

도5a에 본 발명에 따른 이너 요크의 다른 예의 사시도를 나타낸다. 도5b는 도5a에 도시하는 이너 요크의 평면도이다. 도5a, 도5b에 도시한 바와 같이 이너 요크(1f)는 원통형의 외주면(101f)에 결절부로서 홈부(11f 내지 18f)를 구비하고 있어도 좋다. 홈부(11f 내지 18f)의 깊이는 강도적으로 허용되는 범위로 이너 요크(1c)의 두께에 가까운 깊이의 것이 바람직하게 등중심 각도(β = 45°)로 8개 구비되어 있다. 홈부(11f 내지 18f)는 원통형의 축 방향의 전체 길이에 걸쳐 형성되어 있고, 홈부(11f 내지 18f)가 형성되어 있음으로써, 와전류의 발생을 억제하고 있다.

또한, 이너 요크(1f)에서는 홈부(11f 내지 18f)가 이너 요크(1f)의 축 방향의 전체 길이에 걸쳐 형성되어 있는 것을 예시하고 있지만, 그에 한정되는 것이 아닌 양측의 평면측으로부터 소정의 길이만큼 연장되는 것이나, 양단부까지 도달하고 있지 않은 것 등, 이너 요크 내에 와전류가 발생하는 것을 억제하는 효과가 있는 형상을 널리 채용할 수 있다. 또한, 내주면에도 마련하면 와전류의 억제 효과가 향상된다.

또한, 이너 요크(1f)의 홈부(11f 내지 18f)는 이너 요크(1f)의 축과 수직인 방향의 단면 형상이 대략 직사각형이지만 그에 한정되는 것이 아닌, 이너 요크 내에 와전류가 발생하는 것을 억제하는 효과가 있는 형상을 널리 채용하는 것이 가능하다.

도6a에 이너 요크의 또 다른 예의 사시도를, 도6b에 도6a에 나타내는 이너 요크의 평면도를 나타낸다.

도6a, 도6b에 나타내는 이너 요크(1c)는 원주 방향으로 등중심 각도 간격으로 8 분할되어 있다. 이너 요크(1c)의 각 분할부(11c 내지 18c)는, 각각 동일한 철 가루와 수지의 배합 비율로 소결 성형된 것이다. 각 분할부(11c 내지 18c)를 각각 소결 성형한 것을 조합함으로써, 이너 요크(1c)의 장소에 의한 특성의 큰 변화가 없어져, 더욱 균일한 자기 특성을 갖는 이너 요크로 할 수 있다.

본 실시예에서는, 도4에 나타내는 그래프를 기초로 하여 가장 모터의 효율이 높은 분할수로서 8을 채용하고 있지만 그에 한정되는 것이 아닌, 균일한 자기 특성을 갖고 제작할 수 있는 분할수를 널리 채용할 수 있다. 또, 반드시 등분 비율이 아니라도 좋다. 각 분할부 사이에 부도체 또는 전기 저항이 높은 물질을 협지함으로써 보다 고도로 와전류 손상을 방지할 수 있다.

도7에 본 발명에 따른 이너 요크의 또 다른 예의 사시도를 나타낸다.

도7에 나타내는 이너 요크(1b)는, 리니어 작동기의 왕복 운동의 스트로크가 길어, 이너 요크(1b)가 축 방향으로 길어진 것을 나타내고 있다. 이너 요크(1b)는 연자성 철 가루와 수지를 혼합한 것을 소결 성형하여 제작한다. 이때, 이너 요크(1b)는 대형이므로, 철 가루와 수지가 균일하게 썩이지 않아 장소에 따라 자기 특성이 치우치는 경우가 있을 수 있다. 그래서 이너 요크(1b)를 축 S1 방향으로 제1 부재(11b)와 제2 부재(12b)로 2 분할하여, 각각 동일한 철 가루와 수지의 배합 비율로 소결 성형한 것을 조합한다. 이에 의해, 이너 요크(1b)의 장소에 의한 특성 의 큰 변화가 대략 없어져, 더욱 균일한 자기 특성을 갖는 이너 요크를 제작하는 것이 가능하다.

제1 부재(11b) 및 제2 부재(12b)는, 도면 내 상부 단부면(111b, 121b)에 결합 볼록부(113b, 123b), 하부 단부면(112b, 122b)에 결합 오목부(114b, 124b)를 각각 갖고 있다. 제2 부재(12b)의 결합 볼록부(123b)를 제1 부재(11b)의 결합 오목부(114b)에 삽입하여 결합함으로써, 제1 부재(11b)의 중심축(S1b)과 제2 부재(12b)의 중심축(S2b)이 일치하는 동시에 주위 방향의 위치가 일치하도록 연결할 수 있다. 즉, 제1 부재(11b)와 제2 부재(12b)를 연결함으로써, 제1 부재(11b)와 제2 부재(12b)의 축 방향 길이를 더한 원통형의 이너 요크(1b)를 형성할 수 있다.

도8에 도7에 나타내는 이너 요크를 실린더에 부착한 상태의 측단면도를 나타낸다.

이너 요크(1b)는 실린더(2b)에 고정 링(21b), 압박 링(22b) 및 수형 나사(23b)에 의해 고정되어 있다.

실린더(2b)는 하부에 이너 요크(1b)를 삽입 관통했을 때에 제2 부재(12b)의 하부 단부면(122b)과 면접촉하는 플랜지부(24b)가 형성되어 있다. 또한 실린더(2b)에는, 제1 부재(11b)의 상부 단부면(11b)의 높이보다 약간 위의 부분에 전체 둘레에 걸쳐 형성되는 홈(25b)을 갖고 있다.

이너 요크(1b)를 실린더(2b)에 삽입 관통하여, 이너 요크(1b)의 제2 부재(12b)의 하부 단부면(122b)이 플랜지부(24b)에 접촉한 상태에서, 이너 요크(1b)의 제1 부재(11b)의 상부 단부면(111b)을 덮도록 압박 링(22b)이 배치된다. 압박 링 (22b)에는 등중심 각도 간격으로 암형 나사 구멍(221b)이 구비되어 있고, 암형 나사 구멍(221b)에 수형 나사(23b)가 나사 결합되어 있다.

또한, 압박 링(22b)을 배치한 후에, 실린더(2b)의 홈(25b)에 고정 링(예컨대 C 링)(21b)을 협지 부착 고정한다. 이때 압박 링(22b)은 고정 링(21b)에 의해서 실린더(2b)로부터 빠지지 않도록 되어 있다. 여기서, 수형 나사(23b)를 회전시키면, 수형 나사(23b)는 이너 요크(1b)의 상부 단부면(111b)을 누르도록 작용하는 동시에, 압박 링(22b)을 상부로 들어올리도록 작용한다. 이때, 수형 나사(23b)의 선단부(231b)에서 이너 요크(1b)의 상부 단부면(111b) 상에 지지된 상태에서 압박 링(22b)이 상승하여, 고정 링(21b)과 접촉한다.

또한 그 이상 수형 나사(23b)를 회전해 가면, 압박 링(22b)이 고정 링(21b)을 들어올려, 고정 링(21b)의 상면이 홈(25b)의 상측면을 가압함으로써, 압박 링(22b)에 나사 결합되어 있는 수형 나사(23b)를 거쳐서 이너 요크(1b)의 상부 단부면(111b)을 밀어붙인다. 이에 의해 이너 요크(1b)를 고정하는 것이 가능하다. 여기서, 압박 링(22b)은 어느 정도 탄성 변형하는 것이 바람직하고, 그에는 한정되지 않지만 수지제의 것을 채용하고 있다.

도9에 도2a에 나타내는 이너 요크를 축 방향으로 연결한 것의 사시도를 나타낸다.

또한 예컨대, 도9에 나타낸 바와 같이 결절부로서 절결을 갖는 이너 요크(1d)를 축 방향으로 포개어 연결하는 경우, 제1 부재(1da)의 결절부(11da 내지 16da)와 제2 부재(1db)의 결절부(11db 내지 16db)가 축 방향에 일직선으로 늘어서 도록 배치된다. 또, 도5에 도시한 바와 같은 외주면에 마련된 홈을 결절부로 하는 이너 요크(1f)나 주위 방향으로 분할되는 이너 요크(1c)에 있어서도 마찬가지이다.

본 실시예에서는 축 방향으로 2개 연결한 것을 예시하고 있지만 그에 한정되는 것이 아닌, 원하는 길이에 따라서 연결 수를 임의로 설정할 수 있다. 또한, 본 실시예에서는 결합 볼록부 및 결합 오목부가 원주 상에 4개 배치된 것을 나타내고 있지만, 그에 한정되는 것이 아니다.

본 실시예에서는 제1 부재(11b)의 하부 단부면(112b)의 결합 오목부(114b)와 제2 부재(12b)의 상부 단부면(121b)의 결합 볼록부(124b)를 결합함으로써 제1 부재(11b) 및 제2 부재(12b)를 연결하는 것을 예시하고 있지만, 그에 한정되는 것이 아닌, 접착제에 의한 접착, 용접 등의 접합 방법을 널리 채용할 수 있다.

다음에, 본 발명의 제2 실시 형태로서, 스털링 기관에 상기 제1 실시 형태에 기재된 리니어 작동기를 사용한 경우에 대해 설명한다. 도10은 스털링 기관을 냉동기로서 사용하는 장치(이하, 스털링 냉동기라 칭함)의 일례를 나타내는 단면도이다. 이 스털링 냉동기는, 내압 용기 내에 배치된 여러 구성에 의해, 스털링 사이클을 동작시켜 콜드 헤드(73)를 냉각하는 것이다. 각 구성에 대해 설명하면, 내압 용기는 주로 배면 공간(8) 측에 배치되는 용기(74B)와, 작동 공간(7) 측에 배치되는 외통(73C)으로 형성된다. 용기(74B)는, 다시 2개의 구조체로 분할되어 있고, 콜드 헤드(73) 측이 용기 본체(74D)이며, 콜드 헤드(73) 측과는 상대하는 측[이하, 본 명세서에 있어서는 방진 장치(82) 측이라 칭함]이 용기 캡(74C)이다.

내압 용기 내에는, 연통 구멍(72A)을 구비하여 접합된 실린더(2) 및 실린더 (2b)가 배치된다. 실린더(2, 2B)에는, 실린더(2 및 2B)의 축과 동일축 상에서 왕복 운동 가능한 피스톤(22) 및 디스플레이서(90)가 삽입되어 있고, 또한 피스톤(22)을 구동하는 리니어 작동기(A)가 실린더(2)의 외측에 구비되어 있다. 내압 용기 내는 크게 나누어 2개의 공간으로 구획되어 있고, 그 중 하나는 주로 용기(74B)와 피스톤(22)에 의해 둘러싸이는 배면 공간(8)이며, 다른 하나는 주로 피스톤(22), 외통(73C), 및 콜드 헤드(73)에 의해 둘러싸이는 작동 공간(7)이다. 그리고 작동 공간(7)은 디스플레이서(90)에 의해 다시 2개의 공간으로 구획되어 있고, 디스플레이서(90)와 피스톤(22) 사이에 존재하는 공간이 압축 공간(9), 디스플레이서(90)와 콜드 헤드(73) 사이에 존재하는 공간이 팽창 공간(70)이다.

이 압축 공간(9)과 팽창 공간(70)은 실린더(2b)와 외통(73C) 사이에 형성된 연통로(72)를 거쳐서 연통하고 있으며, 연통로(72) 내에는 고온측 내부 열 교환기(95), 재생기(71), 저온측 내부 열 교환기(96)가 압축 공간(9)으로부터 팽창 공간(70)을 향해 차례로 배치되어 있다. 콜드 헤드(73)는, 구리나 알루미늄 등의 고열전도성 재료를 대략 바닥이 있는 원통형으로 형성된 것이며, 바닥부(73A)가 실린더(2b)의 개구와 대향하고, 원통부(73B)가 저온측 내부 열 교환기(96)와 대향하도록 배치된다. 또한, 웜 헤드(98)는 구리나 알루미늄 등의 고열전도성 재료를 링 형상으로 형성한 것이며, 그 내주가 고온측 내부 열 교환기(95)의 외주와 대향하여 배치된다.

피스톤(22)은 원주형의 구조체이며, 그 중심축(S)(도1a 참조)에 로드(2a)를 삽입 관통 가능한 관통 구멍(22a)이 가공되고, 또한 압축 공간(9)에 의해 압축된 냉매를 피스톤(22)의 외주면과 실린더(2) 사이의 간극으로 방출하여 베어링 효과를 갖게 하는 가스 베어링(도시되지 않음)이 구비된다. 디스플레이서(90)는 원주형의 구조체이며, 압축 공간(9)에 의해 압축된 냉매를 디스플레이서(90)의 외주면과 실린더(2b) 사이의 간극으로 방출하여 베어링 효과를 갖게 하는 가스 베어링(도시되지 않음)이 구비된다. 그리고 이 디스플레이서(90)의 피스톤(22) 배치측의 면에는 로드(2a)가 부착되고, 로드(2a)는 피스톤(22)의 관통 구멍(22a)에 삽입 관통된다. 로드(2a)의 디스플레이서(90) 측과는 상대하는 측의 단부에는, 나사부(2b)가 가공되어 있다.

리니어 작동기(A)는, 상술한 제1 실시 형태에 기재된 것이며, 여기에서는 연결 부재(33)는 피스톤(22)에 일체화되어 있다. 아우터 요크(4)의 방진 장치(82) 측의 단부면에는, 그 단부면으로부터 방진 장치(82) 측을 향해, 피스톤 지지 스프링(97) 및 디스플레이서 지지 스프링(88)을 고정하기 위한 고정축(24)이 복수 개(예컨대 4개) 세워 설치된다. 피스톤 지지 스프링(97)은 피스톤(22)을 탄성적으로 지지하는 것이며, 고정축(24)에 고정되어, 구멍이 뚫린 볼트(28)에 의해 가동자(3)에 접속되어 있다. 디스플레이서 지지 스프링(88)은, 피스톤(22)을 탄성적으로 지지하는 것이며, 고정축(24)에 고정되어 나사부(2b)에 체결된 너트(92)를 거쳐서 로드(2a)와 접속되어 있다.

또한, 내압 용기의 축 방향의 콜드 헤드(73)와 반대측의 단부에는, 스털링 냉동기의 방진용 방진 장치(82)가 배치된다. 방진 장치(82)는 피스톤의 진동 주파수에 가까운 주파수로 고유 진동수가 설정된 질량체와 스프링 부재로 이루어져, 진 동 에너지를 열에너지로 변환하여, 결과적으로 스털링 냉동기 전체의 진동을 줄일 수 있다.

이상과 같은 구성의 스털링 냉동기는, 그 압력 용기 내에 냉매가 봉입된다. 이 냉매로서는 수소, 헬륨, 질소 등이 사용되어 수십 기압의 고압으로 봉입된다. 그리고 리니어 작동기(A)에 교번 전압을 가하면, 리니어 작동기(A)는 왕복 운동하여, 그에 수반하여 피스톤(22)도 왕복 운동한다. 그리고 디스플레이서(90)는, 피스톤(22)의 동작에 대하여 4분의 1 주기 정도의 위상이 지연된 상태로 왕복 운동하여, 작동 공간(7) 내에서 스털링 사이클을 형성한다. 그 결과, 고온측 내부 열 교환기(95)는 고온으로 가열되고, 저온측 내부 열 교환기(96)는 저온으로 냉각된다. 그리고 고온측 내부 열 교환기(95)의 열은 웜 헤드(98)로 전달되어 외부로 방출되고, 저온측 내부 열 교환기(96)에는 콜드 헤드(73)를 거쳐서 외부로부터 열이 공급되게 된다. 즉, 콜드 헤드(73)는 외부에서 보면 매우 저온인 상태가 되어, 이 저온을 이용함으로써 여러 가지의 대상물을 냉각하는 것이 가능해진다.

이러한, 스털링 냉동기에 있어서는 모터의 동작 효율이 성적 계수(소위 COP)에 큰 영향을 주지만, 제1 실시 형태에 기재한 리니어 작동기를 사용함으로써, 양호한 성적 계수의 스털링 냉동기를 얻을 수 있다.

상기 실시예에 있어서 요크의 성형 방법으로서, 소결 성형을 채용하고 있지만, 또한 그에 한정되는 것이 아닌 압축 성형 등의 연자성 철 가루를 성형에 의해 제작할 수 있다.

또 상기 실시예에 있어서 요크로서 이너 요크를 예시하여 설명했지만, 그에 한정되는 것이 아닌, 아우터 요크에도 채용할 수 있다.

Claims (10)

1. 아우터 요크와, 상기 아우터 요크의 내측에 대향하여 배치된 연자성 철가루를 성형하여 형성된 이너 요크와, 상기 아우터 요크에 설치된 코일부와, 상기 아우터 요크와 상기 이너 요크 사이에 배치된 상기 코일부가 발생하는 자속에 따라 왕복 이동하는 영구 자석과, 상기 영구 자석을 지지하는 가동자를 구비한 전자식 작동기에 있어서,

   상기 이너 요크는 축방향으로 복수 분할하여 형성된 것을 조합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자식 작동기.
2. 제1항에 있어서, 상기 이너 요크의 분할부의 한쪽의 면에 볼록부가, 다른 쪽의 면에 상기 볼록부가 끼워지는 오목부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전자식 작동기.
3. 제1항에 있어서, 상기 이너 요크는 와전류 손상의 발생을 방지하는 절결부를 구비하고 있고, 상기 절결부는 한쪽의 단부면으로부터 다른 쪽의 단부면을 향해 축방향으로 연장 설치된 절결을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 전자식 작동기.
4. 제2항에 있어서, 상기 이너 요크는 와전류 손상의 발생을 방지하는 절결부를 구비하고 있고, 상기 절결부는 한쪽의 단부면으로부터 다른 쪽의 단부면을 향해 축방향으로 연장 설치된 절결을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 전자식 작동기.
5. 제1항에 기재된 전자식 작동기와, 상기 가동자에 접속된 피스톤과, 상기 피스톤을 수용하는 실린더와, 상기 피스톤과 위상차를 갖고 왕복 운동하는 디스프레이서를 구비한 스털링 기관.
6. 제2항에 기재된 전자식 리니어 작동기와, 상기 가동자에 접속된 피스톤과, 상기 피스톤을 수용하는 실린더와, 상기 피스톤과 위상차를 갖고 왕복 운동하는 디스플레이서를 구비한 스털링 기관.
7. 제3항에 기재된 전자식 리니어 작동기와, 상기 가동자에 접속된 피스톤과, 상기 피스톤을 수용하는 실린더와, 상기 피스톤과 위상차를 갖고 왕복 운동하는 디스플레이서를 구비한 스털링 기관.
8. 제4항에 기재된 전자식 리니어 작동기와, 상기 가동자에 접속된 피스톤과, 상기 피스톤을 수용하는 실린더와, 상기 피스톤과 위상차를 갖고 왕복 운동하는 디스플레이서를 구비한 스털링 기관.
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