KR100811359B1 - 스털링 기관 - Google Patents

Abstract

본 발명의 스털링 기관은 피스톤 및 디스플레이서를 구비한다. 리니어 모터에 의해 실린더 내에서 피스톤을 왕복 운동시키면, 디스플레이서가 피스톤과 소정의 위상차를 갖고 실린더 내에서 왕복 운동한다. 디스플레이서 및 상기 디스플레이서를 수용하는 실린더는, 압축 공간에 대향하는 측은 금속으로, 팽창 공간에 대향하는 측은 저열전도 물질로 각각 형성한다. 그리고 금속 부분에 있어서 끼워 맞춤 정밀도를 확립한다.

스털링 기관, 실린더, 피스톤, 디스플레이서, 금속 부분

Description

스털링 기관 {STIRLING ENGINE}

본 발명은 스털링 기관에 관한 것이다.

스털링 기관은, 클로로플루오로카본이 아닌 헬륨, 수소, 질소 등을 작동 가스로서 이용하므로, 오존층의 파괴를 초래하는 일이 없는 열기관으로서 주목을 모으고 있다. 특허 문헌 1, 2에 스털링 기관의 예를 볼 수 있다.

스털링 기관에 있어서 중요한 역할을 감당하는 것은, 리니어 모터 등의 동력원에 의해 왕복 운동하는 피스톤과, 이 피스톤에 대해 소정의 위상차를 갖고 동기하여 왕복 연동하는 디스플레이서이다. 피스톤과 디스플레이서는 압축 공간과 팽창 공간 사이에서 작동 가스를 유동시켜 스털링 사이클을 형성한다. 압축 공간에서는 등온 압축 변화를 기초로 하여 작동 가스의 온도가 상승하고, 팽창 공간에서는 등온 팽창 변화를 기초로 하여 작동 가스의 온도가 저하한다. 이에 의해, 압축 공간의 온도는 상승하고, 팽창 공간의 온도는 하강한다. 압축 공간(고온 공간)의 온도를 고온 전열 헤드를 통해 방열하면, 팽창 공간(저온 공간)은 저온 전열 헤드를 통해 외부의 열을 흡수하는 것이 가능해진다. 이 원리로 의해, 스털링 기관은 냉동기로서 이용된다.

특허 문헌 1 : 일본 특허 공개 2004-52866호(제5 내지 6페이지, 도1)

특허 문헌 2 : 일본 특허 공개 2003-75005호(제3 내지 6페이지, 도2)

스털링 기관에 있어서, 디스플레이서 및 상기 디스플레이서를 수용하는 실린더는 압축 공간(고온 공간)과 팽창 공간(저온 공간)의 양방에 면하고 있다. 디스플레이서 및 실린더를 통해 압축 공간으로부터 팽창 공간으로 열이 이동하는 일이 있으면, 스털링 기관의 효율이 저하하게 된다. 그로 인해, 디스플레이서 및 실린더는 열의 이동을 차단하는 구조인 것이 바람직하다.

열의 이동을 차단하는 구조로서 일반적으로 생각할 수 있는 것은, 디스플레이서와 실린더를 저열전도 물질, 예를 들어 합성 수지나 세라믹으로 형성하는 것이다. 한편, 디스플레이서는 실린더 중에 가스 베어링의 사용에 의해 부유하게 하여 고속 운동시키는 것이지만, 가스 베어링에 요구되는 엄격한 치수 정밀도를 저열전도 물질로 실현하는 것은 매우 곤란하다. 디스플레이서와 실린더를 1개씩 서로 맞대어 조정하는 제조 수법을 채용하면, 필요한 간극을 얻는 것이 불가능하지는 않다. 그러나 이 수법은 공업적으로 양산하는 데 적합하다고는 하기 어렵다.

본 발명은 상기한 점을 비추어 이루어진 것이고, 디스플레이서 및 실린더를 통해 압축 공간으로부터 팽창 공간으로 열이 이동하는 것을 효과적으로 방지하는 동시에, 조립 부착 정밀도를 확보하면서 공업적으로 양산할 수 있는 구조의 스털링 기관을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명에서는, 스털링 기관을 다음과 같이 구성한다. 즉 동력원에 의해 왕복 운동하게 할 수 있는 피스톤과, 이 피스톤에 대해 소정의 위상차를 갖고 왕복 운동하는 디스플레이서를 구비하고, 압축 공간(고온 공간)과 팽창 공간(저온 공간) 사이에서 작동 가스를 이동시키는 스털링 기관에 있어서, 상기 디스플레이서 및 상기 디스플레이서를 수용하는 실린더는, 상기 압축 공간측을 금속으로, 상기 팽창 공간측을 상기 금속보다 저열전도의 저열전도 물질로 각각 형성한다. 그리고, 상기 디스플레이서는 금속 부분의 쪽이 저열전도 물질 부분보다도 외경이 크고, 상기 실린더는 금속 부분의 쪽이 저열전도 물질보다도 내경이 작은 것을 특징으로 하고 있다.

이 구성에 따르면, 디스플레이서 및 상기 디스플레이서를 수용하는 실린더를, 팽창 공간에 대향하는 측(팽창 공간측)은 저열전도 물질로 형성했기 때문에, 디스플레이서와 실린더를 통해 압축 공간으로부터 팽창 공간으로 열이 이동하는 것을 차단 내지 억제할 수 있다. 이에 의해 스털링 기관의 효율이 향상한다. 한편 디스플레이서와 실린더의 압축 공간에 대향하는 측(압축 공간측)은 금속으로 형성했기 때문에 고온에 견디고, 또한 디스플레이서와 실린더의 끼워 맞춤 정밀도를 용이하게 높일 수 있다. 이로 인해, 디스플레이서와 실린더 사이에 가스 베어링을 채용하는 경우, 가스 베어링의 형성 및 유지에 필요한 간극 정밀도를 확보한 것을 공업적으로 양산할 수 있다. 또한, 디스플레이서는 금속 부분의 쪽이 저열전도 물질 부분보다도 외경이 크고, 실린더는 금속 부분의 쪽이 저열전도 물질 부분보다도 내경이 작은 것으로 했기 때문에, 치수 정밀도가 떨어지는 저열전도 물질 부분끼리의 간격이 충분히 확보되고, 만일의 접촉을 방지할 수 있다.

또한 본 발명은, 동력원에 의해 왕복 운동하게 할 수 있는 피스톤과, 이 피스톤에 대해 소정의 위상차를 갖고 왕복 운동하는 디스플레이서를 구비하고, 압축 공간(고온 공간)과 팽창 공간(저온 공간) 사이에서 작동 가스를 이동시키는 스털링 기관에 있어서, 상기 디스플레이서 및 상기 디스플레이서를 수용하는 실린더는, 상기 압축 공간측을 금속으로, 상기 팽창 공간측을 상기 금속보다 저열전도의 저열전도 물질로 각각 형성한다. 그리고, 상기 디스플레이서에 있어서의 금속 부분과 저열전도 물질 부분과의 경계부와, 상기 실린더에 있어서의 금속 부분과 저열전도 물질 부분과의 경계부가, 디스플레이서의 왕복 운동 중에 중첩되는 일이 없도록 디스플레이서의 경계부와 실린더의 경계부의 위치 관계(거리)가 설정되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.

이 구성에 따르면, 디스플레이서에 있어서의 금속 부분과 저열전도 물질 부분과의 경계부와, 실린더에 있어서의 금속 부분과 저열전도 물질 부분과의 경계부가, 디스플레이서의 왕복 운동 중에 중첩되는 일이 없도록 디스플레이서의 경계부와 실린더의 경계부의 위치 관계(거리)가 설정되어 있기 때문에, 금속 부분과 저열전도 부분의 경계부에서 금속 부분과 저열전도 물질 부분 사이에 역단차가 생겼다고 해도, 역단차끼리가 걸려 디스플레이서의 움직임이 저해되는 일은 없다.

또한 본 발명은, 상기 구성의 스털링 기관에 있어서, 상기 디스플레이서에 있어서의 금속 부분과, 상기 실린더에 있어서의 금속 부분 사이에서 가스 베어링을 구성하고 있는 것을 특징으로 하고 있다.

이 구성에 따르면, 디스플레이서에 있어서의 금속 부분과, 실린더에 있어서의 금속 부분 사이에서 가스 베어링을 구성하고 있기 때문에, 스털링 기관의 운전 중에 디스플레이서가 실린더 내벽에 접촉하는 것이 방지되고, 접촉부의 마찰에 의한 에너지 손실, 혹은 접촉부의 마모 등의 문제가 발생하지 않는다.

또한 본 발명은, 상기 구성의 스털링 기관에 있어서, 상기 디스플레이서 및/또는 실린더는, 금속 부분과 저열전도 물질 부분이 나사 결합부와 접착제의 병용에 의해 접합되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.

이 구성에 따르면, 디스플레이서 및/또는 실린더에 있어서의 금속 부분과 저열전도 물질 부분의 접합이 매우 견고하고, 금속 부분과 저열전도 물질 부분이 분리되는 일이 없다.

또한 본 발명은, 상기 구성의 스털링 기관에 있어서, 상기 디스플레이서 및/또는 실린더는, 상기 금속 부분과 저열전도 물질 부분이 중첩되는 부위에 있어서, 중첩의 중심 부근에 상기 나사 결합부가 설치되고, 외부에 나사홈이 노출되지 않는 것을 특징으로 하고 있다.

이 구성에 따르면, 디스플레이서 및/또는 실린더에 있어서, 외부에 나사홈이 노출되지 않기 때문에, 나사홈이 작동 가스 통로로 되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 상기 구성의 스털링 기관에 있어서, 상기 디스플레이서 및/또는 실린더는, 상기 금속 부분과 저열전도 물질 부분의 접촉면 전체 주위에 접착제가 도포되는 구성으로 해도 좋다.

이 구성에 따르면, 디스플레이서 및/또는 실린더는, 금속 부분과 저열전도 물질 부분의 접촉면 전체 주위에 접착제가 도포되기 때문에, 나사홈이 작동 가스 통로로 되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 상기 구성의 스털링 기관에 있어서, 상기 저열전도 물질 부분을 합성 수지의 사출 성형품에 의해 구성해도 좋다.

이 구성에 따르면, 저열전도 물질 부분을 저비용으로 대량 생산할 수 있다.

도1은 스털링 기관의 단면도.

도2는 디스플레이서와 이것을 수용하는 실린더의 단면도.

도3은 도2 중의 원(A)의 부위의 확대 단면도.

도4는 도2 중의 원(A)의 부위의 다른 구성예를 나타내는 확대 단면도.

[부호의 설명]

1 : 스털링 기관

10, 11 : 실린더

11a, 13a : 금속 부분

11b, 13b : 저열전도 물질 부분

12 : 피스톤

13 : 디스플레이서

13c : 나사 결합부

우선, 본 발명이 적용되는 스털링 기관의 구조를 도1을 기초로 하여 설명한다. 도1은 스털링 기관의 단면도이다.

스털링 기관(1)의 조립의 중심으로 되는 것은 실린더(10, 11)이다. 실린더(10, 11)의 축선은 동일 직선 상에 나열한다. 실린더(10)에는 피스톤(12)이 삽입되고, 실린더(11)에는 디스플레이서(13)가 삽입된다. 피스톤(12) 및 디스플레이서(13)는 스털링 기관(1)의 운전 중, 후술하는 가스 베어링에 의해 실린더(10, 11)의 내벽에 접촉하지 않고 왕복 운동한다. 피스톤(12)과 디스플레이서(13)는 소정의 위상차를 갖고 움직인다. 실린더(11) 및 디스플레이서(13)의 구조는 후에 상세하게 설명한다.

피스톤(12)의 한쪽의 단부에는 컵형의 마그넷 홀더(14)가 고정된다. 디스플레이서(13)의 한쪽의 단부로부터는 디스플레이서 축(15)이 돌출한다. 디스플레이서 축(15)은 피스톤(12) 및 마그넷 홀더(14)를 축선 방향으로 자유롭게 슬라이드할 수 있도록 관통한다.

실린더(10)는 피스톤(12)의 동작 영역 부분의 외측에 리니어 모터(20)를 유지한다. 리니어 모터(20)는, 코일(21)을 구비한 외측 요크(22)와, 실린더(10)의 외주면에 접하도록 설치된 내측 요크(23)와, 외측 요크(22)와 내측 요크(23) 사이의 환형 공간에 삽입된 링형의 마그넷(24)과, 외측 요크(22)를 둘러싸는 관체(25) 와, 외측 요크(22), 내측 요크(23) 및 관체(25)를 소정의 위치 관계에 유지하는 합성 수지제 엔드 브래킷(26, 27)을 구비한다. 마그넷(24)은 마그넷 홀더(14)에 고정되어 있다.

마그넷 홀더(14)의 허브(hub)의 부분에는 스프링(30)의 중심부가 고정된다. 디스플레이서 축(15)에는 스프링(31)의 중심부가 고정된다. 스프링(30, 31)의 외주부는 엔드 브래킷(27)에 고정된다. 스프링(30, 31)의 외주부끼리의 사이에는 스페이서(32)가 배치되어 있고, 이에 의해 스프링(30, 31)은 일정한 거리를 유지한다. 스프링(30, 31)은 원판형의 소재에 스파이럴형의 홈을 넣은 것이고, 디스플레이서(13)를 피스톤(12)에 대해 소정의 위상차(일반적으로는 약 90°의 위상차)를 갖게 하여 공진시키는 역할을 한다.

실린더(11) 중, 디스플레이서(13)의 동작 영역 부분의 외측에는 전열 헤드(40, 41)가 배치된다. 전열 헤드(40)는 링형, 전열 헤드(41)는 캡형이며, 모두 구리나 구리 합금 등 열전도가 좋은 금속으로 이루어진다. 전열 헤드(40, 41)는 각각 링형의 내부 열교환기(42, 43)를 개재시킨 형으로 실린더(11)의 외측에 지지된다. 내부 열교환기(42, 43)는 각각 통기성을 갖고, 내부를 통과하는 작동 가스의 열을 전열 헤드(40, 41)에 전달한다. 전열 헤드(40)에는 실린더(10) 및 압력 용기(50)가 연결된다.

전열 헤드(40), 실린더(10, 11), 피스톤(12), 디스플레이서(13), 디스플레이서 축(15) 및 내부 열교환기(42)로 둘러싸이는 환형의 공간은 압축 공간(45)으로 된다. 전열 헤드(41), 실린더(11), 디스플레이서(13) 및 내부 열교환기(43)로 둘 러싸이는 공간은 팽창 공간(46)으로 된다.

내부 열교환기(42, 43) 사이에는 재생기(47)가 배치된다. 재생기(47)는 용기에 철망 등의 충전재(매트릭스)를 가득 채우거나, 금속 박판이나 합성 수지 필름을 코일형으로 권취하여 형성한 것이며, 작동 가스가 통과하는 공극을 내부에 갖는다. 재생기(47)의 외측을 재생기 튜브(48)가 감싼다. 재생기 튜브(48)는 전열 헤드(40, 41) 사이에 기밀 통로를 구성한다.

리니어 모터(20), 실린더(10) 및 피스톤(12)을 덮는 통형의 압력 용기가 몸통부(50)를 형성한다. 몸통부(50)의 내부는 배압 공간(51)으로 된다.

몸통부(50)의 구조는 다음과 같이 되어 있다. 즉 몸통부(50)는, 전열 헤드(40)에 접합되는 링형부(52)와, 이 링형부(52)에 접합되는 캡형부(53)로 2분할되어 있다. 링형부(52), 캡형부(53)도 스테인레스강제이다. 링형부(52)의 일단부는 테이퍼형으로 좁아져 테이퍼형부(52a)로 되고, 이 부분이 전열 헤드(40)에 접합된다. 캡형부(53)는 파이프의 내면에 경판(53a)을 용접한 구조이다.

링형부(52)의 타단부와, 상기 링형부(52)의 타단부와 마주보는 캡형부(53)의 개구 단부에는, 플랜지 형상부(54, 55)가 설치된다. 플랜지 형상부(54, 55)는 모두 스테인레스강제의 링을 링형부(52)와 캡형부(53)에 용접하여 형성되는 것이고, 최종적으로는 플랜지 형상부(54, 55)를 용접하여 밀폐 상태의 몸통부(50)를 형성한다.

몸통부(50)에는, 리니어 모터(20)에 전력을 공급하기 위한 단자부(28)와, 내부에 작동 가스를 봉입하기 위한 파이프(50a)가 배치된다. 이들은 모두 캡형부(53)의 외주면으로부터 방사 방향으로 돌출하도록 설치된다.

몸통부(50)에는 진동 억제 장치(60)가 설치된다. 진동 억제 장치(60)는, 몸통부(50)에 고정되는 베이스(61)와, 베이스(61)에 지지되는 판형의 스프링(62)과, 스프링(62)에 지지되는 매스(질량)(63)로 이루어진다.

피스톤(12)의 내부는 공동(80)으로 되어 있다. 공동(80)은 피스톤(12)의 단부면에 배치되는 체크 밸브(90)를 통해 압축 공간(45)에 연통한다. 피스톤(12)의 외주면에는 가스 베어링을 형성하는 오목부(81)가 동일 원주 상에 소정의 각도 간격으로 복수개 배치되어 있다. 오목부(81)의 바닥부에는 피스톤(12)을 관통하는 형으로 금속 세관(82)이 박아 넣어지고, 이 금속 세관(82)을 통해 공동(80)으로부터 오목부(81)에 작동 가스가 공급된다. 오목부(81)의 환형렬은 피스톤(12)의 축선 방향으로 간격을 두고 2군데 이상 형성한다. 즉 가스 베어링을 2군데 이상에 형성한다.

디스플레이서(13)의 내부도 공동(85)으로 되어 있다. 공동(85)은 디스플레이서(13)의 단부면에 배치되는 체크 밸브(90)를 통해 압축 공간(45)에 연통한다. 디스플레이서(13)의 외주면에는 가스 베어링을 형성하는 오목부(86)가 동일 원주 상에 소정의 각도 간격으로 복수개 배치되어 있다. 오목부(86)의 바닥부에 박아 넣어진 금속 세관(87)을 통해 공동(85)으로부터 오목부(86)에 작동 가스가 공급된다.

스털링 기관(1)은 다음과 같이 동작한다. 리니어 모터(20)의 코일(21)에 교류 전류를 공급하면 외측 요크(22)와 내측 요크(23) 사이에 마그넷(24)을 관통하는 자계가 발생하고, 마그넷(24)은 축방향으로 왕복한다. 피스톤 시스템[피스톤(12), 마그넷 홀더(14), 마그넷(24) 및 스프링(30)]의 총 질량과, 스프링(30)의 스프링 정수에 의해 결정되는 공진 주파수에 일치하는 주파수의 전력을 공급하는 것에 의해, 피스톤 시스템은 매끄러운 정현파형의 왕복 운동을 개시한다.

디스플레이서 시스템[디스플레이서(13), 디스플레이서 축(15) 및 스프링(31)]에 있어서는, 그 총 질량과, 스프링(31)의 스프링 정수에 의해 정해지는 공진 주파수가 피스톤(12)의 구동 주파수에 공진하도록 설정한다.

피스톤(12)의 왕복 운동에 의해, 압축 공간(45)에서는 압축, 팽창이 반복된다. 이 압력의 변화에 수반하여, 디스플레이서(13)도 왕복 운동을 행한다. 이때, 압축 공간(45)과 팽창 공간(46) 사이의 유동 저항 등에 의해, 디스플레이서(13)와 피스톤(12) 사이에는 위상차가 생긴다. 이와 같이 하여 프리 피스톤 구조의 디스플레이서(13)는 피스톤(12)과 소정의 위상차를 갖고 동기하여 진동한다.

상기한 동작에 의해, 압축 공간(45)과 팽창 공간(46) 사이에 스털링 사이클이 형성된다. 압축 공간에서는 등온 압축 변화를 기초로 하여 작동 가스의 온도가 상승하고, 팽창 공간(46)에서는 등온 팽창 변화를 기초로 하여 작동 가스의 온도가 저하한다. 이로 인해, 압축 공간(45)의 온도는 상승하고, 팽창 공간(46)의 온도는 하강한다.

운전 중에 압축 공간(45)과 팽창 공간(46) 사이를 왕복하는 작동 가스는, 내부 열교환기(42, 43)를 통과할 때에, 그 갖는 열을 내부 열교환기(42, 43)를 통해 전열 헤드(40, 41)에 전달한다. 압축 공간(45)으로부터 재생기(47)로 유입하는 작동 가스는 고온이기 때문에 전열 헤드(40)는 가열되어, 전열 헤드(40)는 웜 헤드로 된다. 팽창 공간(46)으로부터 재생기(47)로 유입하는 작동 가스는 저온이기 때문에 전열 헤드(41)는 냉각되어, 전열 헤드(41)는 콜드 헤드로 된다. 전열 헤드(40)로부터 열을 대기로 방산하고, 전열 헤드(41)에서 특정 공간의 온도를 내리는 것에 의해, 스털링 기관(1)은 냉동 기관으로서의 기능을 한다.

재생기(47)는, 압축 공간(45)과 팽창 공간(46)의 열을 상대측의 공간에는 전달하지 않고, 작동 가스만을 통과시키는 작용을 한다. 압축 공간(45)으로부터 내부 열교환기(42)를 거쳐 재생기(47)에 들어간 고온의 작동 가스는, 재생기(47)를 통과할 때에 그 열을 재생기(47)에 부여하고, 온도가 내려간 상태에서 팽창 공간(46)에 유입한다. 팽창 공간(46)으로부터 내부 열교환기(43)를 거쳐 재생기(47)에 들어간 저온의 작동 가스는, 재생기(47)를 통과할 때에 재생기(47)로부터 열을 회수하고, 온도가 오른 상태에서 압축 공간(45)에 유입한다. 즉 재생기(47)는 열의 보관고로서의 역할을 한다.

피스톤(12)과 디스플레이서(13)가 왕복 운동하고, 작동 가스가 이동하면, 스털링 기관(1)에 진동이 생긴다. 진동 억제 장치(60)가 이 진동을 억제한다.

압축 공간(45) 내의 고압의 작동 가스의 일부는 체크 밸브(90)를 통해 피스톤(12)의 공동(80) 및 디스플레이서(13)의 공동(85)에 인입한다. 그리고 오목부(81, 86)로부터 분출한다. 분출하는 작동 가스에 의해, 피스톤(12)의 외주면과 실린더(10)의 내주면 사이, 또한 디스플레이서(13)의 외주면과 실린더(11)의 내주면 사이에 가스의 막이 형성되고, 피스톤(12)과 실린더(10)의 접촉, 또한 디스플레이서(13)와 실린더(11)의 접촉이 방지된다. 이로 인해 접점부의 마찰에 의한 에너 지 손실, 혹은 접점부의 마모 등의 문제가 발생하지 않는다.

피스톤(12)과 실린더(10)는 알루미늄이나 스테인레스강 등의 금속으로 형성된다. 다른 쪽 디스플레이서(13)와 실린더(11)는, 일부는 금속으로, 나머지는 합성 수지 등의 저열전도 물질로 형성된다. 이하, 디스플레이서(13)와 실린더(11)의 구조를 도2 내지 도4를 기초로 하여 설명한다. 도2는 디스플레이서와 실린더의 단면도, 도3, 도4는 도2 중에 원(A)으로 둘러싼 부위의 확대 단면도이다.

디스플레이서(13) 및 상기 디스플레이서(13)를 수용하는 실린더(11)는, 모두 압축 공간(45)에 대향하는 측(압축 공간측)이 금속으로 형성되고, 팽창 공간(46)에 대향하는 측(팽창 공간측)이 상기 금속보다 저열전도의 저열전도 물질로 형성되어 있다. 디스플레이서(13)의 금속 부분(13a)과 저열전도 물질 부분(13b) 및 실린더(11)의 금속 부분(11a)과 저열전도 물질 부분(11b)은, 모두 후자가 전자에 덮이는 형으로 끼워 맞춘다. 즉 소켓 삽입 이음으로 끼워 맞춰져 있다. 끼워 맞춤 부분은 접착제로 접합되지만, 그 자체가 고속으로 왕복 운동하는 디스플레이서(13)에 있어서는, 끼워 맞춤 부분이 나사 결합과 접착제의 병용에 의해 접합되어 접합 강도를 높이고 있다. 도3, 도4에 끼워 맞춤 부분의 나사 결합의 구조예를 나타낸다.

도3의 구조예 및 도4의 구조예 모두, 금속 부분(13a)의 외주면에 형성된 수나사부와, 저열전도 물질 부분(13b)의 내주면에 형성된 암나사부에 의해 나사 결합부(13c)가 구성되어 있다. 도3의 구조예는 금속 부분(13a)과 저열전도 물질(13b)이 중첩되는 부위에 있어서, 중첩의 중심 부근에 나사 결합부(13c)가 설치되고, 외부에 나사홈이 노출되지 않는다. 이에 의해, 나사홈이 작동 가스 통로로 되어, 디 스플레이서(13)의 내외에 예기하지 않는 작동 가스의 흐름(누설)이 생기는 것을 방지할 수 있다.

실린더(11)의 금속 부분(11a)과 저열전도 물질 부분(11b)은, 실린더 자체가 운동하는 것은 아니므로 접착제만으로도 접합 강도가 부족할 일은 없다. 그러나 피스톤(12)과 디스플레이서(13)의 왕복 운동에 의해 스털링 기관(1) 전체가 진동하는 것을 고려하고, 금속 부분(11a)과 저열전도 물질 부분(11b) 사이에 나사 결합부를 설치하여 접합 강도의 증대를 도모해도 좋다.

디스플레이서(13)에 있어서, 접착제는 금속 부분(13a)과 저열전도 물질 부분(13b)의 접촉면의 적당 부위에 도포하면 좋지만, 접촉면 전체 주위에 도포하는 것에 의해 작동 가스의 누설을 방지할 수 있고, 접촉면 전체에 도포하면 접합을 한층 견고한 것으로 할 수 있다. 실린더(11)에 대해서도 같은 것을 말할 수 있다.

상기한 바와 같이 조립된 디스플레이서(13)는, 금속 부분(13a) 쪽이 저열전도 물질 부분(13b)보다도 외경이 크게 되어 있다. 다른 쪽 실린더(11)는, 금속 부분(11a) 쪽이 저열전도 물질 부분(11b)보다도 내경이 작게 되어 있다. 저열전도 물질 쪽이 일반적으로 치수 정밀도가 떨어지지만, 이와 같이 설계해 두는 것에 의해, 저열전도 물질 부분(13b, 11b)의 간격이 충분히 확보되어, 만일의 접촉을 방지할 수 있다. 저열전도 물질 부분(13b, 11b)의 팽창 계수가 크고, 온도 변화에 의해 치수가 상당히 변화하는 경우에도, 이에 의해 안전(접촉 방지)을 확인할 수 있다. 이 간격은, 예를 들어 120 ㎛의 값으로 설정할 수 있다.

금속 부분(13a, 11a)은 치수 정밀도를 높게 할 수 있으므로, 양자 사이에서 끼워 맞춤 정밀도를 확립한다. 그리고 가스 베어링의 기능하는 간극을 얻는다. 이 간극은, 예를 들어 20 ㎛의 값으로 설정할 수 있다.

디스플레이서(13)에 있어서의 금속 부분(13a)과 저열전도 물질 부분(13b)과의 경계부와, 실린더(11)에 있어서의 금속 부분(11a)과 저열전도 물질 부분(11b)과의 경계부는, 디스플레이서(13)의 이동에 의해 서로의 거리(D)(도2 참조)가 변동한다. 이 경계부끼리 서로 중첩되는, 즉 거리(D)가 제로가 되는 일이 없도록, 디스플레이서(13)의 경계부와 실린더(11)의 경계부의 위치 관계(거리)가 설정되어 있다. 따라서, 금속 부분과 저열전도 부분과의 경계부에서 금속 부분과 저열전도 물질 부분 사이에 역단차가 생겼다고 해도, 역단차끼리 걸려 디스플레이서(13)의 움직임이 저해되는 일은 없다.

저열전도 물질 부분(13b, 11b)은 합성 수지의 사출 성형에 의해 형성한다. 이에 의해, 저열전도 물질 부분(13b, 11b)을 저비용으로 대량 생산하는 것이 가능해진다. 합성 수지로서는, 예를 들어 폴리카보네이트를 채용할 수 있다.

또한, 실린더(11)의 금속 부분(11a)은 실린더(10)와 일체화되어 있다. 도2에 나타내는 부호 10a는 실린더(10)로부터 신장하는 브릿지 부분이다. 이러한 구성으로 함으로써, 실린더(10, 11)의 위치 맞춤 정밀도를 높일 수 있다.

이상 본 발명의 실시예에 대해 설명했지만, 발명의 주지를 일탈하지 않는 범위에서 더 다양한 변경을 가하여 실시할 수 있다.

본 발명은 스털링 기관 전반에 이용 가능하다.

Claims (5)

1. 동력원에 의해 왕복 운동하게 할 수 있는 피스톤과, 이 피스톤에 대해 소정의 위상차를 갖고 왕복 운동하는 디스플레이서를 구비하고, 압축 공간(고온 공간)과 팽창 공간(저온 공간) 사이에서 작동 가스를 이동시키는 스털링 기관에 있어서,

   상기 디스플레이서 및 상기 디스플레이서를 수용하는 실린더는, 상기 압축 공간측을 금속으로, 상기 팽창 공간측을 상기 금속보다 저열전도의 저열전도 물질로 각각 형성하고,

   상기 디스플레이서는 금속 부분 쪽이 저열전도 물질 부분보다도 외경이 크고, 상기 실린더는 금속 부분 쪽이 저열전도 물질 부분보다도 내경이 작은 것을 특징으로 하는 스털링 기관.
2. 동력원에 의해 왕복 운동하게 할 수 있는 피스톤과, 이 피스톤에 대해 소정의 위상차를 갖고 왕복 운동하는 디스플레이서를 구비하고, 압축 공간(고온 공간)과 팽창 공간(저온 공간) 사이에서 작동 가스를 이동시키는 스털링 기관에 있어서,

   상기 디스플레이서 및 상기 디스플레이서를 수용하는 실린더는, 상기 압축 공간측을 금속으로, 상기 팽창 공간측을 상기 금속보다 저열전도의 저열전도 물질로 각각 형성하고,

   상기 디스플레이서에 있어서의 금속 부분과 저열전도 물질 부분과의 경계부와, 상기 실린더에 있어서의 금속 부분과 저열전도 물질 부분과의 경계부는, 디스플레이서의 왕복 운동 중에 중첩되는 일이 없도록 서로의 거리가 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 스털링 기관.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 디스플레이서에 있어서의 금속 부분과, 상기 실린더에 있어서의 금속 부분 사이에서 가스 베어링을 구성하고 있는 것을 특징으로 하는 스털링 기관.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 디스플레이서, 실린더 또는 이들의 조합 중 어느 하나는 금속 부분과 저열전도 물질 부분이 나사 결합부와 접착제의 병용에 의해 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 스털링 기관.
5. 제4항에 있어서, 상기 금속 부분과 저열전도 물질 부분이 중첩되는 부위에 있어서, 중첩의 중심 부근에 상기 나사 결합부가 설치되고, 외부에 나사홈이 노출되지 않는 것을 특징으로 하는 스털링 기관.

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