KR20160011674A - 다수의 본체들을 스프링하기 위한 콤팩트한 플렉셔 베어링 스프링 - Google Patents

다수의 본체들을 스프링하기 위한 콤팩트한 플렉셔 베어링 스프링 Download PDF

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Abstract

각각의 본체를 제 3 본체에 탄성지지하거나 제 1 본체를 제 2 본체에 탄성지지하고 제 2 본체를 제 3 본체에 탄성지지하는 것과 같은 다수의, 독립적인 왕복운동 본체들을 탄성지지할 수 있는 플렉셔 베어링(flexure bearing) "평면형(planar)" 스프링에 관한 것이다. 제 1 스프링 아암(spring arm)들의 제 1 아암 세트는 개구들에 의해 서로 분리되며, 각각의 제 1 아암은 중심 축선을 향하여 안쪽으로 그리고 중심 축선을 중심으로 각지게 진행하는 비-반경방향의 제 1 경로를 따라 주변 프레임으로부터 안쪽으로 연장한다. 하나 이상의 제 2 스프링 아암의 제 2 아암 세트는 중심 축선을 중심으로 반경방향으로 그리고 각지게 진행하는 비-반경방향의 제 2 경로를 따라 연장한다. 각각의 제 2 아암은 제 1 아암들 및 제 2 아암들이 서로를 간섭함 없이 서로에 의해 개구들을 통과하는 것을 허용하는 제 1 아암들 사이의 개구 내에 끼워넣어진다.

Description

다수의 본체들을 탄성지지하기 위한 콤팩트한 플렉셔 베어링 스프링 {COMPACT FLEXURE BEARING SPRING FOR SPRINGING MULTIPLE BODIES}
본 발명은 기계식 스프링들에 관한 것이고, 더 자세하게는 자유 피스톤 스털링 엔진(piston stirling engine)의 디스플레이서(displacer) 또는 그의 케이싱(casing) 내의 냉각기를 공진시키기(resonate) 위해 과거에 사용되었던 기계식 스프링의 특정한 유형에서의 개선예들에 관한 것이지만, 이의 개선예는 스프링이 단지 하나 대신에 다수의 상이한 본체들을 공진시키는 것을 허용한다.
용어 "플렉셔 베어링 스프링(flexure bearing spring)"은 다양한 용어들로 종래 기술 내에서 지칭되었던 스프링의 유형을 지칭하는데 채택되어서, 평면형 스프링, 플렉셔 베어링, 및 평탄한 나선형 스프링을 포함한다. 이러한 스프링들의 예들은 US 5,522,214호 및 제 8,028,409호 그리고 미국 공보 출원 US 2008/0191399에서 도시된다. 플렉셔 베어링 스프링들은 피스톤과 같은 왕복운동 본체(reciprocating body)들 및 자유 피스톤 스털링 엔진 또는 냉각기에 대한 디스플레이서를 지지하는데 일반적으로 사용된다. 통상적인 플렉셔 베어링 스프링은 프레임에 직각인 중심 축선 및 주변 프레임으로부터 안쪽으로 연장하는 아암들의 세트를 구비한 둘러싼 주변 프레임을 가진다. 아암들은 축선의 반경방향을 따라 안쪽으로 연장하지 않지만 대신에 각각의 아암은 보다 더 나선형으로 보이는 또는 보다 덜 나선형으로 보이는(spiral-looking) 경로를 따라 안쪽으로 진행한다. 아암들의 내부 단부들은 보통 이들이 중심 축선을 따라 왕복운동하는 본체에 부착되는 주변 프레임 내에서 함께 결합된다. 플렉셔 베어링 스프링은 이 플렉셔 베어링 스프링이 이의 왕복운동 축선으로부터 멀리 반경 방향 운동에 대해 본체를 지지하는 관점에서 베어링이다. 플렉셔 베어링 스프링은, 이의 아암들이 본체의 왕복 운동 동안 휘어지는(flex) 캔틸레버식 스프링(cantilevered spring)들이라는 관점에서 플렉셔이다. 상기 플렉셔 베어링 스프링은 이의 아암들이 회복력이 있고 탄성있고 따라서 에너지를 수용하고, 저장하고 회수할 수 있는 관점에서 스프링이다. 아암들은 중심 축선을 중심으로 등각으로 이격되며, 바람직하게는 아암들은 동일한데, 이는 아암들이 반경방향으로 중심에 있을 때, 이들의 특징들이 본질적으로 영(zero)의 반경방향 힘의 결과인 벡터 합을 가지기 위해 스프링과 왕복운동 본체 사이에 반경방향 힘들을 허용하기 때문이다. 아암들이 중심을 벗어났다면, 상기 아암들은 축방향 왕복운동 본체를 복귀시키는 센터링 힘을 상기 축선으로 적용시킨다. 중심에 있을 때의 센터링 힘들 및 측면 힘들의 부재 때문에, 본체는 축선 상에 유지되지만, 공진(resonance) 상태에서 축선을 따라 왕복운동할 수 있다. 아암들이 수학적으로 정확한 나선을 따라 연장하는 것은 필요하지 않다. 실제로 일부 플렉셔 베어링 스프링들은 각지게 교차하는 세그먼트들을 갖는 선 아암들을 가진다. 플렉셔 베어링 스프링들의 아암들은 중심 축선을 향하여 반경방향 안쪽으로 그리고 중심 축선을 중심으로 각지게 진행하는 경로를 따라 연장하여서, 아암들은, 이들이 반경방향이었던 것 보다 더 길고 따라서 각각의 아암은 반경 방향의 아암들보다 더 작은 반경방향 측면 힘을 적용하고 왕복운동 동안 축선을 따라 더 병진운동할 수 있다. 아암들이 주변 프레임으로부터 축선을 향하여 안쪽으로 진행할 때, 아암들의 특정한 외형은 주로 설계자의 판단에 대한 문제이고, 종종 시행착오 실험(trial and error experimentation)을 요구한다.
플렉셔 베어링 스프링이 스프링으로서 기능하고 상기 스프링에 부착되는 본체를 중심 축선 상에 유지시키기 때문에, 자유 피스톤 스털링 기계의 디스플레이서 피스톤을 지지하고 공진시키는데 종종 사용된다. 디스플레이서는 커넥팅 로드에 의해 스프링에 부착되고 기계의 작동 주파수로 디스플레이서 실린더 내에서 이의 중심 축선을 따라 왕복운동한다. 스프링은 또한 스털링 기계의 케이싱에 부착되어서, 이 스프링은 디스플레이서와 케이싱 사이에 연결되는 스프링을 형성하게 한다. 스프링 상수(spring constant)를 증가시키기 위해(스프링을 강화시키기 위해), 다수의 동일한 플렉셔 베어링 스프링들이 함께 적층되며, 그리고 모두가 동일한 커넥팅 로드 및 케이싱에 연결된다.
많은 프리 피스톤 스털링 기계들에 대해, 스털링 기계의 파워 피스톤은 단지 스털링 사이클 압력 스윙(Stirling Cycle pressure swing)을 사용하여 공진될 수 있어서 별도의 스프링이 파워 피스톤을 공진시키기 위해 사용되지 않는다. 그러나, 일부 자유 피스톤 스털링 기계들은 일부 기계식 스프링을 피스톤에 추가하는데, 피스톤을 정적 축방향으로 중심에 놓고/놓거나 제공되는 압력으로 엔진을 더 빠르게 가동시키는데 바람직할 것이다. 그러나, 실제로 이것은 거의 이루어지지 않는데, 이는 파워 피스톤에 대한 제 2 스프링의 추가가 기계적인 복잡함, 추가적인 부품들 및 중량이 추가되고 기계에 대한 길이를 상당하게 증가시키기 때문이다. 이러한 이유는 디스플레이서 및 파워 피스톤 모두가 역위상으로(out of phase) 그리고 동일축선을 따라 왕복운동하기 때문이다. 따라서, 두 개의 스프링들 사이에서 충돌과 같은 간섭을 회피하기 위해 주의가 반드시 요구된다. 결론적으로, 두 개의 피스톤들이 동일한 축선을 따라 왕복운동하며, 각각의 피스톤이 상이한 플렉셔 베어링 스프링에 연결되는 경우에, 두 개의 스프링들은 반드시 스프링들 사이에서 간섭을 회피하기 위해 이격되게 축방향으로 변위되어야 한다. 통상적으로, 추가된 파워 피스톤 스프링은 작동 동안 간섭을 회피하기 위해 디스플레이서 스프링으로부터 떨어져 거의 피스톤 진폭만큼 축방향으로 변위된다. 결과적으로, 스털링 기계의 길이는 스프링들 사이의 간격의 길이 만큼 증가되어야 한다. 이것은 파워 피스톤 커넥팅 로드의 길이 뿐만아니라 외측 케이싱의 크기가 증가되어야 한다는 것을 의미한다. 이러한 증가된 크기 및 중량의 최종 증가는 스털링 기계를 더 크고 더 무겁게 만들며, 이에 의해 이의 중량에 대한 파워 비율 및 용적에 대한 파워 비율로 이의 파워를 감소시킨다.
따라서, 단지 하나의 본체가 케이싱에 탄성지지된 경우에 요구되는 길이를 넘는 기계의 연장을 요구함없이, 자유 피스톤 스털링 기계의 파워 피스톤 및 디스플레이서와 같은, 두 개의 상이한 동축 왕복운동 본체(coaxially reciprocating body)들을 탄성지지할 수 있는 플렉셔 베어링 스프링을 제공하는 것이 본 발명의 목적 및 특징이다.
본 발명의 다른 목적 및 특징은 자유 피스톤 스털링 기계의 파워 피스톤 및 디스플레이서와 같은, 두 개의 상이한 동축 왕복운동 본체들을 서로 탄성지지하고 또한 케이싱에 대해 이들 중 하나를 탄성지지할 수 있는 플렉셔 베어링 스프링을 제공하는 것이다.
본 발명은 각각의 본체를 케이싱에 독립적으로 탄성지지하거나 제 1 본체를 케이싱에 그리고 다른 본체를 제 1 본체에 탄성지지하기 위해 두 개 이상의 상이한, 독립 왕복운동 본체들에 부착될 수 있는 콤팩트한, 바람직하게는 평면형, 플렉셔 베어링 기계식 스프링이다. 스프링은 스프링 아암들의 두 개 이상의 세트들로 형성된다. 스프링 아암들의 각각의 세트는 다른 세트의 스프링 아암들 사이의 개구들 내에 끼워넣어진다. 이것은 왕복운동 동안 스프링 아암들의 각각의 세트의 아암들이 다른 세트의 아암들 사이의 개구들을 독립적으로 통과하는 것을 허용한다. 따라서, 각각의 세트의 스프링 아암들은 콤팩트한 축방향 배열을 허용하는 스프링의 공통의 평면 전반에 걸쳐 이동하는 것이 자유롭다. 스프링 아암들의 하나의 세트는 하나, 둘, 셋 또는 그 초과의 스프링 아암들을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 대한 평면도이다.
도 2는 도 3 내지 도 7의 실시예에 대한 측면도일 뿐만 아니라 도 1의 실시예에 대한 측면도이다.
도 3은 본 발명의 대안적인 실시예에 대한 평면도이다.
도 4는 본 발명의 대안적인 실시예에 대한 평면도이다.
도 5는 본 발명의 대안적인 실시예에 대한 평면도이다.
도 6은 본 발명의 대안적인 실시예에 대한 평면도이다.
도 7은 본 발명의 대안적인 실시예에 대한 평면도이다.
도 8은 본 발명의 대안적인 실시예의 구성요소 부품에 대한 평면도이다.
도 9는 본 발명의 대안적인 실시예를 형성하기 위해 도 8의 구성요소와 결합될 제 2 구성요소 부품에 대한 평면도이다.
도 10은 본 발명의 대안적인 실시예를 형성하기 위해 도 8 및 도 9의 조립된 구성요소들에 대한 평면도이다.
도 11은 도 10의 조립된 구성요소들에 대한 측면도이다.
도 12는 본 발명의 대안적인 실시예의 구성요소 부품에 대한 평면도이다.
도 13은 본 발명의 대안적인 실시예를 형성하기 위해 도 12의 구성요소와 결합될 제 2 구성요소 부품에 대한 평면도이다.
도 14는 본 발명의 대안적인 실시예를 형성하기 위해 도 12 및 도 13의 조립된 구성요소들에 대한 측면도이다.
도면들에서 예시되는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함에 있어서, 특정한 전문용어가 명확함을 위해 쓰일(resorted) 것이다. 그러나, 발명이 특정한 용어에 제한되고 그래서 선택되는 것이 의도되지 않으며, 각각의 특정한 용어가 유사한 목적을 달성하기 위해 유사한 방식으로 작동하는 모든 기술의 등가물들을 포함하는 것이 이해될 것이다.
종래 기술은 나선형으로 보이는 아암들의 한 세트를 가지고 본체를 공진시키기 위해 스프링 힘을 제공하는데 사용되는 평면형 스프링을 개선하였다. 본 발명은 추가적인 아암(arm)들의 하나 이상의 추가적인 세트를 추가시켜서, 제 2의 별도 본체가 동일한 스프링에 의해 또한 공진될 수 있게 된다. 추가적인 아암들은 케이싱과 같은 "그라운드(ground)"로부터 있으며, 그 내부의 아암들의 추가적인 세트는 본질적으로 제 2 본체를 위한 그라운드에 대한 별도의 제 2 스프링이다. 대안적으로, 아암들의 제 2 세트는 아암들의 제 1 세트의 이동 부분에 연결될 수 있으며, 이 경우에 두 개의 이동 본체(moving body)들 사이에 연결되는 스프링인 "상대적인(relative)" 스프링이 생성된다. 아암들의 추가적인 세트들이 또한 추가될 수 있다.
도 1은 본 발명을 구현하는 플렉셔 베어링 스프링(10)을 예시한다. 도 1의 스프링(10)은 케이싱과 같은 제 3 본체에 두 개의 본체들 중 각각 하나를 스프링을 통해 독립적으로 연결시키는데 사용되고 따라서 두 개의 별도의 스프링들로서 기능을 한다. 본 발명의 모든 예시된 실시예들과 같이, 스프링(10)은 도 2의 이의 측면도에서 예시되는 바와 같이 평면형이다. 스프링(10)은 주변 프레임(12) 및 주변 프레임(12)에 수직한 (그리고 도면의 평면에 수직한) 중심 축선(14)을 가진다. 스프링(10)은 개구(20 및 22)들에 의해 서로 분리되는 복수의 제 1 스프링 아암(16 및 18)들을 포함하는 제 1 아암 세트를 가진다. 스프링(10)은 제 2 스프링 아암(24 및 26)들을 포함하는 제 2 아암 세트를 또한 가진다. 제 2 스프링 아암(24 및 26)들은 제 1 아암(16 및 18)들 사이의 개구(20 및 22)들 내에 끼워넣어진다(interposed).
도 1 뿐만 아니라 마찬가지로 본 발명의 다른 예시된 실시예들 내에서도 보이는 바와 같이, 스프링(10)은 탄성 재료의 단일 시이트이며, 아암들 모두는 주변 프레임(12) 내로 매끄럽게 조합된다. 결론적으로, 아암들과 둘러싸는 주변 프레임(12) 사이에 물리적 또는 구조적 경계(boundary)는 존재하지 않는다. 그러나, 비록 프레임이 정사각형, 타원형 또는 다른 다각형 또는 형상일 수 있지만, 주변 프레임(12)은 아암들이 부착되는 환형 프레임인 것으로 고려될 수 있다. 일련의 홀(hole)(28, 30, 32 및 34)들이 주변 프레임(12)을 통해 연장하여서 체결기들이 스프링(10)을 케이싱 또는 케이싱 내의 내부 지지부와 같은 "그라운드" 본체로 부착시키는데 사용될 수 있게 된다. 프레임(12)은 바람직하게는 스프링 아암들과 통합되는 단일 일체형 본체(single unitary body)의 일부분이다. 그러나, 주변 프레임은 하나 또는 그 초과의 스프링 아암들에 부착되는 각각의 프레임 세그먼트들에 의해 세그먼트들로 형성될 수 있다. 후자의 경우에, 각각의 세그먼트는 케이싱과 같은 제 3 본체에 견고하게 체결되게 되어서, 제 3 본체가 플렉셔 베어링 스프링으로서 프레임 세그먼트들 및 이들의 아암들을 함께 유지한다. 유사하게, 각각의 스프링 아암은 견고하게 부착될 수 있어서, 제 3 본체가 아암들을 지지하는 프레임으로서 기능한다.
두 개의 제 1 아암(16 및 18)들 각각은 중심 축선(14)을 향하여 안쪽으로 진행하는 비-반경방향(non-radial) 제 1 경로를 따라 주변 프레임(12)으로부터 안쪽으로 그리고 제 1 단부 커넥터(36)에 대한 중심 축선(14)을 중심으로 각지게angularly) 연장한다. 도 1의 실시예에서, 제 1 세트의 아암(16 및 18)들 중 아암들은 단일 중심 단부 커넥터(36)에 함께 결합된다.
본 발명의 실시예들을 위한 바람직한 단부 커넥터는 아암의 단부에 가까운 또는 아암의 단부에 있는 홀이어서, 체결기가 아암의 단부를 본체에 부착하기 위해 홀을 통해 삽입될 수 있다. 플렉셔 베어링 스프링의 각각의 아암은 단부 커넥터를 가진다. 용어 "단부 커넥터"는 아암들의 단부에서 아암이 이의 스프링 힘들을 적용할 본체에 아암의 단부를 연결시키도록 형성되는 구조적인 특징이다. 물론, 슬롯들 또는 포스트들과 같은, 단부 커넥터들의 다른 유형들도 가능하다. 바람직하지 않지만, 단부 커넥터들은 용접될 수 있다. 아암들은 추가적인 강도를 위해 일부 또는 모든 단부 커넥터 홀들 주변에서 넓혀질 수 있다. 예시된 실시예들에서 알수 있는 바와 같이, 하나의 세트의 스프링 아암들 중의 모든 아암들은 함께 결합될 수 있고 중심에 있는 단일의 단부 커넥터 내에서 종결될 수 있다. 대안적으로, 각각의 아암들은 그의 자체의 상이한 단부 커넥터 내에서 종결할 수 있어서 각각의 아암에 대한 하나의 단부 커넥터가 존재하게 한다. 중심에 있는 단일의 단부 커넥터의 사용은 단일 체결기에 의한 왕복운동 본체(reciprocating body)에 대한 이의 연관된 아암들의 연결을 용이하게 한다. 그러나, 각각의 아암의 단부에 상이한 단부 커넥터를 가지는 실시예들에서, 스프링 힘들이 적용될 각각의 본체는 각각의 아암이 하나의 체결기에 의해 본체에 연결될 수 있다. 각각의 세트의 아암들이 공통의 중심 커넥터에 의해 함께 직접적으로 연결되거나 상기 세트의 아암들이 커넥팅 로드와 같은 동일한 본체에 이들의 부착에 의해 함께 연결되는 것이 예상된다.
제 2 아암 세트의 아암(24 및 26)들의 각각은 제 2 단부 커넥터(38 및 40)에 대해 중심 축선(14)을 중심으로 반경방향으로 그리고 각지게 진행하는 비-반경방향의 제 2 경로를 따라 연장한다. 도 1의 실시예에서, 제 2 아암(24 및 26)들의 각각은 주변 프레임(12)으로부터 중심 축선을 중심으로 반경방향 안쪽으로 그리고 각지게 진행한다.
스프링 아암들의 형상 및 배향은 어떤 특정한 형상 또는 배향에 제한되지 않는다. 본 발명의 실시예들의 다양한 스프링 아암들은 중심 축선 또는 중심 커넥터 또는 주변 프레임을 향하여 또는 이로부터 안쪽으로, 바깥쪽으로 또는 반경방향으로 그리고 중심 축선을 중심으로 각지게 진행하는 것으로 설명된다. 비록 스프링 아암들에 대해 요구되는 특정한 형상 또는 배향이 존재하지 않지만, 이러한 용어들은 이들의 특징을 설명하는 것으로 간주된다. 용어 "진행하는(progressing)"은 스프링 아암을 따른 가상 이동의 방향을 지시하는데 사용된다. 이동의 방향은 두 개의 성분들, 즉 반경방향 성분 및 경사(angular) 성분을 가진다. 경사 성분은 시계방향 또는 반시계방향이다. 아암들은 반경방향을 따라 정렬되지 않으며, 이에 따라 이들은 비-반경방향이다. 스프링 아암들의 일부는 두 개의 방향 성분들을 갖는 주변 프레임으로부터 안쪽으로 진행하는 바와 같이 설명된다. 이것은, 이동이 아암을 따라 진행할 때 주변 프레임으로부터 스프링 아암을 따른 가상 이동은 중심 축선을 향하여 안쪽으로 그리고 각지게 양자 모두에 의해 이동하는 것을 의미한다. 스프링 아암들의 일부는 두 개의 방향 성분들을 갖는 중심 커넥터로부터 바깥쪽으로 진행하는 바와 같이 설명된다. 이것은, 이동이 아암을 따라 진행할 때 중심 커넥터로부터 스프링 아암을 따른 가상 이동은 중심 축선으로부터 바깥쪽으로 그리고 각지게 양자 모두에 의해 이동하는 것을 의미한다. 또한, 이동의 안쪽 그리고 바깥쪽의 구성요소들은 반경 방향 성분들의 이동 방향과 같이 설명될 수 있다. 본 발명의 실시예들은 바람직하게는 이들이 각지게 진행하는 바와 같이 연속적으로 안쪽으로 또는 바깥쪽으로 진행하는 곡선형 아암들을 가진다. 그러나, 아암들은 선형 세그먼트들을 가질 수 있으며, 세그먼트들은 이동의 방향 성분 중 하나 또는 모두를 따라 점진적으로(in increments) 진행하지만, 전체적으로 아암을 따른 세그먼트 이동의 전부는 두 개의 방향 성분들을 따른다.
바람직하게는, 스프링 아암들의 세트가 두 개 또는 그 초과의 아암들을 가질 때, 스프링 아암들은 중심 축선을 중심으로 등각으로 이격된다. 예를 들어, 한 세트의 아암들 내에 두 개의 아암들이 존재한다면, 이들은 180°만큼 이격된다. 한 세트 내에 세 개의 아암들이 존재한다면, 이들은 120°만큼 이격된다. 바람직하게는, 한 세트 내의 모든 아암들은, 이들이 주변 프레임으로부터 중심을 향하여 또는 중심으로부터 주변 프레임을 향하여 진행하는 것과 동일한 방식으로 유사한 외형으로 각지게 진행한다.
도 1로 복귀하면, 제 1 아암(16 및 18)들의 단부 커넥터(36)는 스털링 기계 디스플레이서에 대한 디스플레이서 커넥팅 로드 또는 다른 링크(link)에 용이하게 연결된다. 유사하게 단부 커넥터(38 및 40)들이 요크를 통하는 것과 같이 피스톤 커넥팅 로드에 연결된다. 주변 프레임(12)은 스털링 기계 케이싱에 부착되기 때문에, 스털링 기계의 디스플레이서 및 피스톤은 독립적으로 왕복운동하며, 이 때 제 2 아암(24 및 26)들은 제 1 아암(16 및 18)들 사이의 개구들 내의 스프링(10)의 평면을 휘게하며(flex) 이를 통과한다. 유사하게, 제 1 아암(24 및 26)들은 또한 제 2 아암(16 및 18)들 사이의 개구들 내의 스프링의 평면을 휘게하고 이를 통과하는 것이 자유롭다.
도 3은 본 발명을 구현하는 대안적인 플렉셔 베어링 스프링(50)을 예시한다. 도 3의 스프링(50)은 스프링 아암들의 하나의 세트를 통해 제 1 왕복운동 본체를 제 2 왕복운동 본체에 연결시키는데 그리고 또한 스프링 아암들의 다른 세트를 통해 두 개의 본체들 중 하나를 제 3 본체에 독립적으로 연결시키는데 사용된다. 예를 들어, 도 3의 실시예는 디스플레이서를 스털링 기계 케이싱으로 탄성지지(sping)할 수 있고 디스플레이서를 스털링 기계의 피스톤에 또한 탄성지지할 수 있다.
도 3을 참조하면, 플렉셔 베어링 스프링(50)은 주변 프레임(52)을 가지며, 이 때 체결기는 도 1에서와 같은 홀들 및 주변 프레임(52)의 평면에 수직한 (그리고 도면의 평면에 수직한) 중심 축선(54)에 장착한다. 스프링(50)은 개구들에 의해 서로 분리되고 중심 커넥터(76)에 함께 결합되는 두 개의 제 1 스프링 아암(56 및 58)들을 포함하는 제 1 아암 세트를 가진다. 스프링(50)은 두 개의 제 2 스프링 아암(64 및 66)들을 포함하는 제 2 아암 세트를 또한 가진다. 제 2 스프링 아암(64 및 66)들은 제 1 아암(56 및 58)들 사이의 개구(60 및 62)들 내에 끼워넣어진다. 각각의 제 2 아암(64 및 66)들은 중심 커넥터(76)으로부터 바깥쪽으로 각각의 단부 커넥터(78 및 80)들로 연장하며, 하나의 단부 커넥터는 각각의 제 2 아암의 외측 단부에 또는 그 가까이에 있다. 제 2 아암(64 및 66)들은 중심 축선(54)을 중심으로 등각으로 이격된다.
제 1 아암(56 및 58)들의 단부 커넥터(76)는 스털링 기계 디스플레이서에 대한 디스플레이서 커넥팅 로드 또는 다른 링크(link)에 용이하게 연결된다. 유사하게, 단부 커넥터(78 및 80)들이 요크를 통하는 것과 같이 피스톤 커넥팅 로드에 연결된다. 주변 프레임(52)은 스털링 기계 케이싱에 부착되기 때문에, 스털링 기계의 디스플레이서 및 피스톤은 왕복운동을 하며, 이 때 디스플레이서와 피스톤 사이에 스프링을 형성하는 제 2 아암(64 및 66)들은 제 1 아암(56 및 58)들 사이의 개구(60 및 62)들 내의 스프링(50)의 평면을 휘게하고(flex) 통과한다. 유사하게, 제 1 아암(56 및 58)들은 케이싱과 디스플레이서 또는 피스톤 중 하나가 단부 커넥터(76)에 연결되는 어느 곳 사이에서 스프링을 형성한다. 제 1 아암(56 및 58)들은 제 2 아암(64 및 66)들 사이의 스프링의 평면을 휘게하고 통과하는 것이 자유롭다.
나머지 도면들은 본 발명의 대안적인 실시예들을 예시한다. 이들 모두는 도 1 내지 도 3의 실시예들의 구조적인 특징들과 동일한 많은 구조적인 특징들을 가지며, 결론적으로 동일한 특징들의 설명들을 반복할 이유는 없다. 따라서, 도 4 내지 도 14의 설명은 이전에 설명된 구조적인 특징들과 다른 이들의 구조적인 특징들로 지향될 것이다.
도 4는 제 1 아암(116 및 118)들이 중심 커넥터에서 종결되지 않는 것을 제외하고, 도 1의 스프링과 같은 스프링(110)을 예시한다. 그 대신에, 제 1 아암(116 및 118)들은 각각 이들 자체의 단부 커넥터(128 및 130)들을 제각기 가진다. 따라서, 디스플레이서 커넥팅 로드와 같은 하나의 본체를 단일 단부 커넥터에 연결시키는 대신에, 상기 본체는 요크에 의한 것과 같이 두 개의 단부 커넥터(128 및 130)들에 연결될 수 있다.
도 5는, 스프링이 두 개의 스프링 아암(142 및 144)들을 포함하는 추가적인 제 3 아암 세트를 가지는 것을 제외하고, 도 3의 스프링과 같은 스프링(140)을 예시한다. 각각의 아암(142 및 144)들은 단부 커넥터(146 및 148)들을 제각기 가진다. 따라서, 도 3의 실시예에 의해 제공되는 스프링 연결들을 제공하는 것 뿐만 아니라, 도 5의 실시예는 제 3 본체가 스프링 아암(142 및 144)들에 의해 케이싱에 탄성지지되는 것을 허용한다. 대안적으로, 아암들의 제 3 세트는 또한 피스톤에 연결될 수 있다. 이러한 경우에, 피스톤은 그라운드(ground)에 대한 스프링 및 디스플레이서에 대한 스프링 모두를 가질 것이다.
도 6은, 스프링이 단지 하나의 제 2 스프링 아암을 포함하는 제 2 아암 세트를 가지는 것을 제외하고, 도 1의 스프링과 같은 스프링(150)을 예시한다. 도 1의 실시예와 같이, 도 6의 실시예는 공통의 중심 커넥터(156)에 결합하는 제 1 아암(152 및 154)들을 포함하는 제 1 아암 세트를 가진다. 그러나, 도 6의 실시예는 단부 커넥터(160)를 갖는 단지 하나의 제 2 아암(158)을 가진다. 아암(158)은 주변 프레임(162)이 장착되는 본체에 제 2 본체를 탄성지지하기 위해 제 2 왕복운동 본체에 연결된다. 비록 단지 하나의 스프링 아암을 가지는 제 2 아암 세트가 다수의 스프링 아암들을 갖는 아암 세트같이 모든 반경 방향들로 균일한 바와 같은 센터링 힘(centering force)을 제공하는 것이 예상되지 않을 수 있지만, 상기 제 2 아암 세트는 일부 센터링 힘을 제공할 것이다. 도 6의 실시예가 피스톤이 이의 실린더들에 의해 충분한 축방향 정렬로 유지되는 이들의 스털링 기계들 내의 스털링 기계의 피스톤에 연결되는 이의 제 2 아암(158)에 의해 사용될 수 있다.
도 7은, 스프링이 단지 하나의 제 2 스프링 아암을 포함하는 제 2 아암 세트를 가지는 것을 제외하고, 도 3의 스프링과 같은 스프링(170)을 예시한다. 도 3의 실시예와 같이, 도 7의 실시예는 공통의 중심 커넥터(176)에 결합하는 제 1 아암(172 및 174)들을 포함하는 제 1 아암 세트를 가진다. 그러나, 도 7의 실시예는 단부 커넥터(180)를 갖는 단지 하나의 제 2 아암(178)을 가진다. 아암(178)은 제 1 왕복운동 본체에 연결되며, 중심 커넥터(176)는 제 1 본체를 제 2 본체에 대해 탄성지지하기 위해 제 2 왕복운동 본체에 연결된다. 전술한 바와 같이, 비록 단지 하나의 스프링 아암을 가지는 제 2 아암 세트가 다수의 스프링 아암들을 갖는 아암 세트같이 모든 반경 방향들로 균일한 바와 같은 센터링 힘을 제공하지 않을 수 있지만, 상기 제 2 아암 세트는 일부 센터링 힘을 제공할 것이다. 도 7의 실시예가 피스톤이 이의 실린더들에 의해 충분한 축방향 정렬로 유지되는 이들의 스털링 기계들 내의 스털링 기계의 피스톤에 연결되는 이의 제 2 아암(178)에 의해 사용될 수 있다.
도 8 내지 도 11은 본 발명의 실시예가 탄성 재료의 하나의 시이트 상의 아암들의 제 1 세트를 형성함으로써 구성될 수 있는 것을 예시하여서, 탄성 재료의 제 2 시이트 상의 아암들의 제 2 세트를 형성하고 그 후에 본 발명을 구현하는 단일 스프링을 형성하기 위해 두 개의 시이트들을 함께 부착시키게 한다. 도 8은 주변 프레임(202) 및 공통의 중심 커넥터(208)에 결합되는 스프링 아암(204 및 206)들을 포함하는 제 1 아암 세트를 가지는 스프링(200)을 도시한다. 도 9는 주변 프레임(212)을 가지는 스프링(210) 및 아암(214 및 216)들을 포함하는 제 2 아암 세트를 도시한다. 바람직하게 그리고 편리하게, 그러나 반드시 그렇지는 않지만, 스프링(200 및 210)들은 유사한 크기를 가지는 주변 프레임(202 및 212)들 및 동일한 직경의 외부 에지를 가진다. 도 10 및 도 11에서 예시되는 바와 같이, 스프링(200 및 210)들은 본 발명을 구현하는 스프링을 형성하기 위해 나란히 놓여지거나 적층되고(laminated) 기계 케이싱과 같은 본체 위에 함께 부착된다. 유닛으로써, 도 10 및 도 11의 실시예는, 스프링이 하나 대신에 두 개의 층들을 포함하는 것을 제외하고, 도 1의 스프링과 같은 스프링을 형성한다.
도 12 내지 도 14는 본 발명의 실시예가 재료의 하나의 시이트 위에 아암들의 일부, 재료의 하나 또는 그 초과의 다른 시이트들 위에 다른 아암들을 형성하고 그 후에 본 발명을 구현하는 단일 스프링을 형성하기 위해 시이트들 모두를 함께 부착시킴으로써 구성될 수 있는 동일한 원리를 예시한다. 예를 들어, 아암들의 제 1 세트는 재료의 하나의 시이트 위에 형성될 수 있으며, 아암들의 제 2 세트는 재료의 제 2 시이트 위에 형성될 수 있다. 두 개의 시이트들을 함께 부착시키는 것은 본 발명을 구현하는 단일 스프링을 형성한다. 도 12는 주변 프레임(232) 및 공통의 중심 커넥터(238)에 결합되는 스프링 아암(234 및 236)들을 포함하는 제 1 아암 세트를 가지는 스프링(230)을 도시한다. 스프링(230)은 도 8의 스프링(200)과 동일하다. 도 13은 주변 프레임을 가지지 않지만 단부 커넥터(248 및 250)를 구비하고 함께 중심 커넥터(252)에 결합되는 아암(244 및 246)들을 각각 포함하는 제 2 아암 세트를 가지는 스프링(240)을 도시한다. 도 14에서 예시되는 바와 같이, 스프링(230 및 240)들은 본 발명을 구현하는 스프링을 형성하기 위해 각각의 중심 커넥터(238 및 252)들을 통해 삽입되는 체결기에 의해, 디스플레이서 커넥팅 로드와 같은 본체 위에 함께 나란히 놓이거나 적층된다. 유닛으로써, 도 12 내지 도 14의 실시예는, 스프링이 하나 대신에 두 개의 층들을 포함하는 것을 제외하면 도 3의 스프링과 같은 스프링을 형성한다. 스프링 아암들이 재료의 다수의 시이트들 위에 형성되는 이러한 실시예에서, 시이트들 사이에 작은 간격이 존재할 수 있다. 예를 들어, 다수의 스프링 구성요소 시이트들은 이들 사이의 가스킷-형 재료(gasket-like material)와 함께 클램핑될 수 있다. 대안적으로, 상기 시이트들은 이들 사이의 단지 작은 공극(air of gap)만큼 떨어져 별도로 장착될 수 있다. 그러나, 시이트들 사이의 간격은 작게 유지되어야만 하며, 그렇지 않으면 본 발명의 장점들은 잃어버리게 될 것이다. "작은"에 대한 치수는 시이트들 사이의 거리가 아암들의 각각의 세트의 아암들이 아암들의 다른 모든 세트들의 아암들 사이의 개구들을 독립적으로 통과할 수 있을 정도로 충분히 작다. 이보다 더 큰 시이트들 사이의 임의의 분리는, 본 발명의 주 이점을 잃게 한다.
본 발명의 가장 바람직한 실시예들에서, 아암들의 각각의 세트는 두 개 이상의 아암들을 가져서, 반경방향 힘들이 균형을 이루고 중심에 있을 때 영(zero)인 반경방향 합력을 가진다. 위에 설명되고 도시된 바와 같이, 하나의 세트는 하나의 아암을 가질 수 있다. 하나의 세트는 또한 각각의 세트에 대한 세 개 또는 그 초과의 등각으로 이격된 아암들을 가질 수 있다. 바람직하게는 세트 내의 각각의 아암은 이의 세트 내에 다른 아암들과 동일하여서, 중심에 있을 때, 이들의 센터링 합력을 영으로 만드는 것은 용이하다.
본 발명의 바람직한 실시예들은 이들의 이완 상태(relaxed condition)일 때 평탄하다. 그러나 아암들을 배치함으로써 3차원인 실시예들을 형성하는 것이 또한 가능하여서, 예컨대 상기 아암들의 탄성 한도(elastic limit)를 넘어 축방향으로 상기 아암들을 굽힘(bending)시킴으로써 주변 프레임의 평면을 벗어나서 축방향으로 또한 연장하게 한다. 이러한 수정예는 각각의 이러한 굽힘된 스프링 아암 세트를 위해 축방향의 스프링 편향(bias)을 제공한다. 모든 아암들은 동일한 축방향에서 축방향으로(axially) 연장할 수 있어서, 이완 상태에서 상기 아암들이 주변 프레임의 평면을 벗어난 동일한 방향으로 연장하도록 상기 아암들은 윤곽 형성되(contoured)거나 굽힘된다. 대안적으로, 하나의 세트의 아암들은 하나의 축방향으로 연장할 수 있으며, 다른 세트의 아암들은 반대편 축방향으로 연장할 수 있다. 예를 들어, 아암들의 하나의 세트는 주변 프레임의 평면 위로 연장할 수 있으며, 다른 세트는 주변 프레임의 평면의 아래로 연장한다.
도면들과 연관된 이러한 상세한 설명은 본 발명의 현재 바람직한 실시예들로서 주로 의도되고 본 발명이 구성될 수 있거나 이용될 수 있는 유일한 형태를 나타내는 것으로 의도되지 않는다. 설명은 예시된 실시예들과 연관된 본 발명을 실시할 수 있는 설계들, 기능들, 수단들 및 방법들을 제시한다. 그러나, 동일한 또는 동등한 기능들 및 특징들이 본 발명의 사상 및 범주 내에 포함되는 것으로 또한 의도되는 상이한 실시예들에 의해 성취될 수 있는 것 그리고 다양한 수정예들이 본 발명 또는 다음의 특허청구범위들의 범주로부터 벗어남 없이 적용될 수 있다는 것이 이해될 수 있다.

Claims (11)

  1. 주변 프레임 및 주변 프레임에 수직한 중심 축선을 가지는, 다수의 본체들을 탄성지지(springing)할 수 있는 플렉셔 베어링 스프링(flexure bearing spring)으로서,
    (a) 개구들에 의해 서로 분리되는 복수의 제 1 스프링 아암(arm)들을 포함하는 제 1 아암 세트; 및
    (b) 하나 이상의 제 2 스프링 아암을 포함하는 제 2 아암 세트를 포함하며,
    상기 각각의 제 1 아암은 중심 축선을 향하여 안쪽으로 그리고 중심 축선을 중심으로 각지게 제 1 단부 커넥터로 진행하는 비-반경방향(non-radial)의 제 1 경로를 따라 주변 프레임으로부터 안쪽으로 연장하며,
    상기 각각의 제 2 아암은 중심 축선을 중심으로 반경방향으로 그리고 각지게 제 2 단부 커넥터로 진행하는 비-반경방향의 제 2 경로를 따라 연장하며, 각각의 제 2 아암은 제 1 아암들 사이의 개구 내에 끼워넣어져서 각각의 세트의 아암들이 다른 세트의 아암들 사이의 개구들을 통해 독립적으로 통과할 수 있는,
    다수의 본체들을 탄성지지할 수 있는 플렉셔 베어링 스프링.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 아암들은 중심 축선을 중심으로 등각으로(equi-angularly) 이격되며, 제 2 아암 세트는 두 개 이상의 제 2 아암들을 포함하며, 각각의 제 2 아암은 주변 프레임으로부터 안쪽으로 연장하며, 제 2 아암들은 중심 축선을 중심으로 등각으로 이격되고 제 1 아암들 사이의 개구들 내에 끼워넣어지는,
    다수의 본체들을 탄성지지할 수 있는 플렉셔 베어링 스프링.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 아암들의 하나의 세트의 아암들은 중심 커넥터에서 결합하는,
    다수의 본체들을 탄성지지할 수 있는 플렉셔 베어링 스프링.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 모든 아암들은 커브형(curved)인,
    다수의 본체들을 탄성지지할 수 있는 플렉셔 베어링 스프링.
  5. 제 4 항에 있어서,
    아암들의 두 개의 세트들이 존재하며, 각각의 세트는 두 개의 아암들을 가지는,
    다수의 본체들을 탄성지지할 수 있는 플렉셔 베어링 스프링.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 아암들은 각각의 아암에 대해 하나의 커넥터를 가지는,
    다수의 본체들을 탄성지지할 수 있는 플렉셔 베어링 스프링.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 모든 아암들은 커브형인,
    다수의 본체들을 탄성지지할 수 있는 플렉셔 베어링 스프링.
  8. 제 7 항에 있어서,
    아암들의 두 개의 세트들이 존재하며, 각각의 세트는 두 개의 아암들을 가지는,
    다수의 본체들을 탄성지지할 수 있는 플렉셔 베어링 스프링.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 아암들은 중심 축선을 중심으로 등각으로 이격되며, 중심 커넥터에 결합하며, 상기 제 2 아암 세트는 두 개 이상의 제 2 아암들을 포함하며, 각각의 제 2 아암은 중심 커넥터로부터 바깥쪽으로 연장하고, 중심 축선을 중심으로 등각으로 이격되고 제 1 아암들 사이의 개구들 내에 끼워넣어지는,
    다수의 본체들을 탄성지지할 수 있는 플렉셔 베어링 스프링.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 모든 아암들은 커브형인,
    다수의 본체들을 탄성지지할 수 있는 플렉셔 베어링 스프링.
  11. 제 10 항에 있어서,
    두 개의 세트들이 존재하며, 아암들의 각각의 세트는 두 개의 아암들을 가지는,
    다수의 본체들을 탄성지지할 수 있는 플렉셔 베어링 스프링.
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