KR20160099195A - 자유 피스톤 스털링 기관의 기계적인 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 디스플레이서 및 피스톤이 공진 주파수를 갖는 운동을 할 수 있는 자유 피스톤 스털링 기관에 관한 것으로 제조및 조립이 간단하고 공진 주파수의 조정이 용이한 자유 피스톤 스털링 기관에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 제조 및 조립이 간단하고 기계적으로 공진 주파수 조정이 용이한 자유 피스톤 스털링 기관을 제공 하는 것이다.
자유 피스톤 스털링 기관에 있어서, 디스플레이서와 파워피스톤(410)의 진동 주파수를 제어 할 수 있는 판형 헬릭스 스프링이 볼트에 의해 고정 될 수 있도록 구비되어 있다. 디스플레이서 제어 스프링(300)은 디스플레이서 실린더와 파워피스톤 실린더(400) 사이에서 볼트에 의해 기계적으로 제어 할 수 있게 구성되어 있다. 파워피스톤 제어 스프링(600)은 자유 피스톤 스털링 기관 고정판(700)에 파워피스톤 제어 스프링 고정물(610)이 볼트에 의해 고정 되어 질 수 있도록 구성되어 있다.

Description

자유 피스톤 스털링 기관의 기계적인 제어방법 {Macanical control of free piston stirling engine}
본 발명은 디스플레이서 및 피스톤이 공진 주파수를 갖는 운동을 할 수 있는 자유 피스톤 스털링 기관에 관한 것으로 제조및 조립이 간단하고 공진 주파수의 조정이 용이한 자유 피스톤 스털링 기관에 관한 것이다.
스털링 기관이란 내부에 헬륨 수소와 같은 작동 가스를 주입하고, 이 작동 가스를 가열하고 팽창 시키는 것에의해 그 체적을 증대 시키고 팽창된 가스가 냉각부에서 작동가스가 냉각되며 압축되며 원래의 체적으로 돌아오는 스털링 사이클을 구성하는 것으로 팽창 할때 얻어지는 팽창힘과 압축할때 발생하는 복원힘을 출력으로 이용하는 외연 기관이다.
종래 스털링 싸이클을 이용하는 스털링 기관은, 커넥팅 로드와 크랭크 축을 구비하여 회전형 발전기등을 구동시켜 발생한 출력을 전기로 변환시키지만 자유 피스톤 스털링 기관은 상기 커넥팅로드와 크렝크축을 제거하고 스프링을 이용하여 디스플레이서와 파워피스톤의 공진 주파수로 출력이 발생하고 이를 선형 발전기와 결합하여 전기를 생산하게 된다.
자유 피스톤 스털링 기관은 질량물2개, 스프링상수를 가진 스프링2개로 이루어진 2자유도 시스템이다. 디스플레이서 및 파워 피스톤이 2자유도 진동계를 구축하고, 스프링이 관여 하면서 디스플레이서와 파워 피스톤이 공진 주파수에서 왕복 진동 운동을 하게된다.
그러나, 디스플레이서와 파워피스톤의 가공 정밀도가 일정하지 않고 제조한 스프링의 스프링상수에 오차가 생기기 때문에 원하는 공진 주파수로의 왕복 진동운동이 생기지 않게된다.
종래의 스털링 기관에서의 공진 주파수를 조정하기 위한 방법으로 일정한 중량체를 추가하거나 전기적인 제어방법을 통해 강제적으로 파워피스톤과 디스플레이서의 진동을 제어하는 방법이 사용되어져 왔다. 하지만 이러한 방법은 스털링 기관의 조립과 제작을 어렵게 할 뿐만 아니라 상당한 정밀도를 요구하기 때문에 원하는 공진주파수를 얻는데 많은 어려움이 따르게 된다.
대한민국 특허실용 공개 제1009063370000호
본 발명은 제조및 조립이 간단하고 공진 주파수를 제어함에 있어 전기적인 장치를 사용하지 않는 자유 피스톤 스털링 기관을 제공한다.
본 발명의 일측면에 따른 스털링 기관은, 디스플레이서와, 디스플레이서와 이격된 상태에서 축방향으로 왕복운동하는 파워 피스톤과, 디스플레이서와 파워피스톤사이에 디스플레이서를 제어하는 판형 스프링과, 파워피스톤은 제어하는 판형 스프링을 포함한다. 여기서 파워피스톤과 디스플레서는 같은 축선상에 위치하여 서로 연결되어 있지 않은 샤프트를 구비한다. 그리고 실린더를 제작함에 있어, 디스플레이서 실린더와 파워 피스톤 실린더를 분리하여 조립할때 사이에 원하는 스프링상수의 판형 스프링을 고정후 조립하면 디스플레이서의 공진 주파수를 조정 가능하다.
본 발명에 따른 실시 예들은 다음과 같은 특징을 하나 또는 그이상 구비 할 수 있다. 디스플레이서 피스톤은 실린더와 일정 간격을 가지고 왕복운동을 하여 그간격으로 작동 유체가 온도 구배를 가지고 가열부와 냉각부를 이동 한다. 또한 분해 조립이 간단하여 샤프트의 길이 스프링상수 조정등에 의해 공진 주파수가 쉽게 변경 할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 스털링 기관은, 실린더의 내부에서 축방향으로 왕복운동하는 디스플레이서와 이격된 상태에서 축방향으로 왕복운동하는 파워 피스톤과, 디스플레이서와 파워피스톤 사이에 디스플레이서를 제어하는 판형 스프링과 파워피스톤 뒤에 위치한 판형 스프링을 포함한다. 여기서 디스플레이서는 파워피스톤에의해 밀폐되어 작동 유체 유출이 차단되고, 디스플레이서가 냉각부분의 작동유체를 냉각 압축함으로써, 파워피스톤이 상향 운동하여 디스플레이서를 상향 운동 하게한다.
본 발명에 따른 실시 예 들은 다음과 같은 특징을 하나 또는 그이상 구비 할 수 있다. 디스플레이서 피스톤은 실린더와 일정 간격을 가지고 왕복운동을 하여 그간격으로 작동 유체가 온도 구배를 가지고 가열부와 냉각부를 이동 한다. 또한 분해 조립이 간단하여 샤프트의 길이 스프링상수 조정등에 의해 공진 주파수가 쉽게 변경할수있다.파워피스톤의 판형 스트링또한 위치 조정이 용의 하여 스털링 기관내의 필요없는 체적의 조정이 용의하여 공진 주파수를 조절하기 쉬워진다.
공개된 샤프트에 영구자석을 부착하고 주위에 코일을 사용하여 선형 발전기로서 사용이 가능하다.
본 발명은 제조 및 조립이 간단하고 기계적으로 공진 주파수 조정이 용이한 자유 피스톤 스털링 기관을 제공 할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 따른 일 실시 예를 보인 사시도이다.
도 2 는 본 발명의 따른 일 실시 예를 보인 단면도이다.
도 3 은 본 발명의 따른 일 실시 예를 보인 평면도이다.
도 4 는 본 발명의 실린더 헤드를 보인 정면도이다.
도 5 는 본 발명의 파워피스톤 제어 스프링을 보인 후면도이다.
이하, 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 제조 및 조립이 간단하고 공진 디스플레이서 실린더(200)과 볼트에 의해 고정되어 있도록 한 것이다.
그리고, 본 발명은 피스톤에 있어서, 작동 유체의 일 에너지를 받아 움직이는 디스플레이서(210), 디스플레이서(210)의 일 에너지를 받아 파워피스톤 라드(430)에 일 에너지를 전달하여 주는 파워피스톤(410)을 구비한 것이다.
또한, 본 발명은 선형 발전기에 있어서, 선형 발전기에서 자기장을 발생 하는 선형 발전기 구동 자석(520), 솔레노이드가 고정되어 전자기 유도에 의해 전력을 생산하는 선형 발전기 코일(510), 이 선형 발전기 코일(510)을 고정 시키는 선형 발전기 구동 자석(520)으로 구성되어 있다.
또한, 본 발명을 고정 하는 것에 있어서, 디스플레이서 실린더(200)를 고정판(700)(700)에 고정하는 디스플레이서 실린더(200) 고정물, 파워피스톤 실린더(400)를 고정하는 파워피스톤 실린더 고정물(420), 선형 발전기를 고정판(700)에 고정하는 선형 발전기 고정물(500), 파워피스톤(410)의 진동 주파수를 제어하는 파워 피스톤 제어 스프링 고정물이 구비되어 있다.
상기 파워피스톤 실린더 고정물(420)은 고정판(700)에 고정 할 시 고정판(700)에 전해지는 진동을 감쇠하기 위하여 파워피스톤 실린더 고정물(420) 고정 블록에 의해 고정판(700)에 부착 되어 진다.
또한, 제어 스프링은 디스플레이서(210)의 진동 주파수를 제어하는 디스플레이서 제어 스프링(300), 파워피스톤(410)의 진동 주파수를 제어하는 파워피스톤 제어 스프링(600)으로 구성되어 있다.
상기 제어 스프링은 열원이 내부 작동 유체에 공급하는 열량에 따라 진동 주파수를 조절 할 수 있도록 판형의 헬릭스 스프링으로 구성되어 있으며, 여러개의 제어 스프링을 자유 피스톤 스털링 엔진에 볼트로 장착하게 구비되어 있어 사용자가 원하는 스프링 상수로 디스플레이서(210), 파워피스톤(410)을 제어 할 수 있게 구성되어 있다.
또한, 본 발명의 자유 피스톤 스털링 기관 고정판(700)은 상기한 바와 같이 각 실린더 구조물과 고정물을 볼트에 의해 고정 할 수 있게 구비되어 있으며 하중이 높게 설계하여 본 발명이 동작시 생기는 외부 진동을 감쇠하여 자유 피스톤 스털링 기관이 동작 함에 있어서 안정적으로 동작 할 수 있도록 설계되어 있다.
이하, 본 발명의 사용과정에 대하여 설명하면 다음과 같다.
상기한 바와 같이 자유 피스톤 스털링 기관에 있어서, 디스플레이서와 파워피스톤(410)의 진동 주파수를 제어 할 수 있는 판형 헬릭스 스프링이 볼트에 의해 고정 될 수 있도록 구비되어 있다. 디스플레이서 제어 스프링(300)은 디스플레이서 실린더(200)와 파워피스톤 실린더(400) 사이에서 볼트에 의해 기계적으로 제어 할 수 있게 구성되어 있다. 파워피스톤 제어 스프링(600)은 자유 피스톤 스털링 기관 고정판(700)에 파워피스톤 제어 스프링(600) 고정물이 볼트에 의해 고정 되어 질 수 있도록 구성되어 있다.
100 : 실린더 헤드 110 : 디스플레이서 고정물
200 : 디스플레이서 실린더 210 : 디스플레이서
300 : 디스플레이서 제어 스프링
400 : 파워피스톤 실린더 410 : 파워피스톤
420 : 파워피스톤 실린더 고정물 430 : 파워피스톤 라드
440 : 파워피스톤 실린더 고정물 고정블록
500 : 선형 발전기 고정물 510 : 선형 발전기 코일
520 : 선형 발전기 구동 자석
600 : 파워피스톤 제어 스프링 610 : 파워피스톤 제어 스프링 고정물
700 : 자유 피스톤 스털링 기관 고정판

Claims (11)

  1. 자유 피스톤 스털링기관의 기계적인 제어방법에 있어서;
    제조 및 조립이 간단하고 공진 주파수를 제어함에 있어 전기적인 장치를 사용하지 않는 자유 피스톤 스털링 기관을 제공할 수 있도록 한 것이다.
  2. 제 1 항에 있어서,
    실린더는 내부에 열원의 공급을 용이하게 한 실린더 헤드(100), 디스플레이서(210)의 움직임에 따라 내부 작동 유체가 가열부와 냉각부를 이동 할 수 있게 한 디스플레이서 실린더(200), 디스플레이서(210)의 움직임에 의해 발생한 작동 유체의 일 에너지를 받아 파워피스톤(410)을 움직일 수 있게 하고, 외부로의 작동 유체의 누수를 방지하는 파워피스톤 실린더(400)를 구비한 것이다.
  3. 제 2 항에 있어서,
    디스플레이서(210)는 디스플레이서 실린더(200) 내부에서 실린더 헤드(100)에서 받은 열원의 에너지에 의해 발생된 작동 유체의 팽창과 디스플레이서(210) 제어 스프링에 의한 복원력에 의해 작동하도록 구성되어 있다.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 디스플레이서 실린더(200)는 실린더 헤드(100)와 파워피스톤 실린더(400)의 중간에 위치 하며 디스플레이서 고정물과 볼트에 의해 고정되어 있도록 한 것이다
  5. 제 1 항에 있어서,
    피스톤은 작동 유체의 일 에너지를 받아 움직이는 것을 특징으로 하는 디스플레이서(210), 디스플레이서(210)의 일 에너지를 받아 파워피스톤 라드(430)에 일 에너지를 전달하여 주는 것을 특징으로 하는 파워피스톤(410).
  6. 제 1 항에 있어서,
    선형 발전기는 선형 발전기에서 자기장을 발생 하는 선형 발전기 구동 자석(520), 솔레노이드가 고정되어 전자기 유도에 의해 전력을 생산하는 선형 발전기 코일(510), 이 선형 발전기 코일(510)을 고정 시키는 선형 발전기 구동 자석(520)으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 선형 발전기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    본 발명을 고정 하는 것은 디스플레이서 실린더(200)를 고정판(700)(700)에 고정하는 디스플레이서 실린더(200) 고정물, 파워피스톤 실린더(400)를 고정하는 파워피스톤 실린더 고정물(420), 선형 발전기를 고정판(700)에 고정하는 선형 발전기 고정물(500), 파워피스톤(410)의 진동 주파수를 제어하는 파워 피스톤 제어 스프링 고정물이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 고정물.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 파워피스톤 실린더 고정물(420)은 고정판(700)에 고정 할 시 고정판(700)(700)에 전해지는 진동을 감쇠하기 위하여 파워피스톤 실린더 고정물 고정블록(440)에 의해 고정판(700)에 부착 되어지는 것을 특징으로 하는 파워피스톤 실린더 고정물(420).
  9. 제 1 항에 있어서,
    제어 스프링은 디스플레이서(210)의 진동 주파수를 제어하는 디스플레이서 제어 스프링(300), 파워피스톤(410)의 진동 주파수를 제어하는 파워피스톤 제어 스프링(600)으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 제어 스프링.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어 스프링은 열원이 내부 작동 유체에 공급하는 열량에 따라 진동 주파수를 조절 할 수 있도록 판형의 헬릭스 스프링으로 구성되어 있으며, 여러개의 제어 스프링을 자유 피스톤 스털링 엔진에 볼트로 장착하게 구비되어 있어 사용자가 원하는 스프링 상수로 디스플레이서(210), 파워피스톤(410)을 제어 할 수 있게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 자유 피스톤 스털링 기관의 기계적인 제어 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    자유 피스톤 스털링 기관 고정판(700)은 상기한 바와 같이 각 실린더 구조물과 고정물을 볼트에 의해 고정 할 수 있게 구비되어 있으며 하중이 높게 설계하여 본 발명이 동작시 생기는 외부 진동을 감쇠하여 자유 피스톤 스털링 기관이 동작 함에 있어서 안정적으로 동작 할 수 있도록 설계되어 있는 것을 특징으로 하는 자유피스톤 스털링 기관 고정판(700).
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