CN101815843A - 用于定中往复本体的方法以及用该方法制造的结构 - Google Patents

Abstract

描述了使用一种设计在孔径内组装往复本体比如活塞的方法。活塞基本上在孔径内定中并且然后在一端处通过旋转结合器连接至本身连接至孔径的基本上侧向固定的结构，以使得在正常操作期间，活塞能沿着孔径的对称轴线在孔径内旋转但是不再能侧向地移动。在固定旋转结合器之前，活塞连接至外部气体源并且由具有朝着孔径布置的一个或多个气体轴承端口的气体轴承沿着孔径的对称轴线基本上对准。在正常操作期间，气体轴承提供足以在活塞和孔径之间实现非摩擦支承的旋转力。这种组装的方法是用于包括活塞和压缩机孔径的斯特林循环制冷机的组装。

Description

用于定中往复本体的方法以及用该方法制造的结构

相关申请

本申请要求2008年2月28日申请的美国专利申请序列号No.12/039,332的优先权，该美国专利申请要求2007年8月17日申请的名称为“用于定中往复本体的方法以及用该方法制造的结构”的美国临时申请序列号No.60/659,434的优先权，这两个美国申请整体地通过参考特别地结合于此。

技术领域

本发明涉及用于在孔径内定中往复本体的方法以及用这些技术制造的结构。更具体地，这些方法和设备尤其可应用于制冷机和电机的组装和设计，尤其是斯特林循环制冷机和电机。

背景技术

各种实体构建装备有液压轴承的斯特林制冷机，液压轴承联接至柔顺结构，比如发电机的杆(alternator rod)。这种设计用来在正常操作期间在压缩机孔径内定中往复运动的压缩机活塞。

美国专利No.5,525,845描述了一种用于机械换能器的“柔顺”联接，其具有在腔室内由液压轴承支撑的往复本体。该往复本体能是用于线性斯特林制冷机的压缩机活塞。柔顺联接允许活塞实施活塞和压缩机孔径正确对准所需的侧向移动。图1A-B示出了由气体轴承形成的对准过程。

活塞通常连接至片簧。片簧的轴向弹簧刚度相对较低并且径向刚度通常较高。片簧还允许仅需要很小的扭矩就可将活塞的轴线旋转和对准，用于相对于压缩机孔径的对称轴轴线平行地定向。然而，仅仅是活塞轴线的旋转对于活塞相对于压缩机孔径的正确对准是不够的。需要活塞轴线的第二侧向移动来完成图1A右侧示出的对准。这个设计是将片簧与柔顺结构或联接头相连接，柔顺结构或联接头的作用类似于具有相对较低弹簧刚度的侧向弹簧，从而获得较高的侧向柔顺“...足够让由液压轴承施加的定中力至少等于施加于本体(活塞)上的所有其它侧向力的总和”“包括在换能器的正常操作期间由联接头施加于本体上的侧向力，例如斯特林制冷机的压缩机部分。

柔顺结构能例如使用侧向柔性且轴向刚性的“发电机杆”来实现。这个构造在图1A中示意性地示出，其还给出了柔顺结构的可选选项。图1B中示意性地示出的改进的片簧也能用作侧向柔顺部件。

这里描述的现有设计存在很多缺点。活塞和其它相关部件的组装根据制造工艺需要数名操作者，这对于确保制冷机的性能和较长寿命很关键。很多制冷机生产问题涉及活塞和换置器的不正确对准。

美国专利5,525,845指出，气体支承必须是至少等于所有其它侧向力的总和。

这意味着，活塞需要在组装工艺期间正确地预对准以便正确地用作无摩擦的支承。变形的或失准的发电机杆会引起另外的侧向力，大于提供的气体支承力，气体支承力受到最大可用气体支承压力的限制。

活塞对准问题或另外的活塞侧向力甚至是更加决定性的，例如在斯特林制冷机在最小输入动力状况下运行并且气体轴承刚度也达到最小的情况下。气体轴承刚度是制冷机的压缩空间内所形成的取决于输入动力的压力波的函数。

预对准过程的质量也由零部件的质量并且因而公差所决定。需要维持特别紧密的公差——千分之几英寸至万分之几英寸——以使在制造期间引入的活塞侧向力最小。

生产中的组装过程需要小心地实施，优选地由经过训练的操作者进行。工具是有帮助的。然而，对准过程质量仍然取决于操作者。

替代的方法使用复杂且昂贵的方法来对准气体轴承。例如，美国专利7,043,835提供了一种计算机系统，其用于感测本体在孔径内的位置并且使用微型致动器来调节本体的位置以将其在孔径内定中。

以下参考文献作为潜在的背景技术引用：1996年6月11日授权给Beale等的名称为“用于定中往复本体的具有柔顺联接的液压轴承”的美国专利No.5,525,845、1959年10月6日授权给Macks的名称为“流体致动机构”的美国专利No.2,907,304、1985年10月8日授权给Young的名称为“具有间隙密封和气体轴承的线性电动压缩机”的美国专利No.4,545,738、1983年6月14日授权给Dineen的名称为“斯特林发动机换置器气体轴承”的美国专利No.4,387,568、Hanes的ICC 11论文：“低成本斯特林制冷机中的性能和可靠性改进”、O′Baid等的名称为“制冷机冷端组件装置和方法”的美国专利No.(10467.0063US01)。前述参考文献以如同在这里完全阐述的方式通过引用结合于此。

发明内容

提供了一种用于在腔室内组装往复本体的方法，其中本体通过旋转结合器结合至相对于腔室基本上侧向固定的结构，往复本体包括气体入口以及朝着腔室布置的一个或多个气体轴承端口，气体入口和气体轴承端口流体相通。通常的步骤包括首先在腔室内提供往复本体。其次，在本体没有结合至基本上侧向地固定的结构(2)时使气体通过第一气体入口流到气体轴承(1)，其压力至少足以引起往复本体在腔室内定位成与腔室的侧壁处于非接触的关系。此后，将旋转结合器固定至基本上侧向地固定的结构。最后，断开气体流动。

这种组装方法尤其用于全新斯特林循环制冷机的组装。这种斯特林循环制冷机包括活塞、用来容纳活塞的压缩机孔径、通向活塞的气体入口、定位于活塞内并且朝着压缩机孔径布置的多个气体轴承端口(所述气体入口与气体轴承端口流体相通)、附接至活塞的一端的旋转结合结构、以及基本上侧向地固定的结构，其直接或间接地结合压缩机孔径和旋转结合结构。间接的固定能是其中壳体或其它结构将基本上侧向地固定的结构结合至压缩机孔径的那种。

在本发明的一个方面中，主要无接触的活塞支承由气体轴承所支撑的基本上侧向固定的柔性支承件构成。活塞的对称轴线能绕着定位于压缩机孔径的对称轴线上的旋转中心倾斜或枢转，以实现正确的活塞对准。不再需要如现有技术中提供的活塞对称轴线的侧向移动。

在所述方法的一个实施中，制冷机气体支承系统的启动在制冷机组装期间通过经由第二入口给气体支承腔加压而出现。这是用于在一个步骤中使活塞对准的自动、有效且快速的组装过程。“转动”不是必须的。对准的质量不取决于操作者。虽然所述结构和方法尤其适用于斯特林循环制冷机，但它们可用于在腔室内具有往复本体的其它设备。例如，在孔径内具有气缸的电机可使用这里所描述的结构和方法。在其它实施例中，这里描述的方法能用来在孔径或腔室内定中或对准旋转体。例如，所述方法能用来在气缸内使旋转体对准，其中在旋转体和固定体(比如涡轮或真空泵)之间需要紧密的间隙密封。一旦往复本体对准，径向上基本侧向固定的轴承能用来在侧向上固定并且稳定旋转体。

在本发明的一个可选方面中，通过在正常制冷机操作期间使用比通常腔压要高的升高气体支承压力来实现改进的组装和对准过程。较高的压力意味着较高的定中力和更好的对准。

在另一个方面，给出一种用来在不影响活塞对准质量的情况下(即需要最小的侧向力)将活塞和活塞弹簧连接至基本上侧向固定的结构的方法。

在另一个方面，在正常制冷机操作期间能使用第二止回阀来自动地闭合第二入口，以便如果需要校正动作或制冷机修理时允许用较小的额外努力来多次启动入口，。

可选地，在正常制冷机操作期间通过断开不需要的端口来减少“作用”气体轴承端口的数量。所有气体轴承端口的启动仅在组装过程期间出现。由于有限的可靠性要求，对于暂时使用的气体轴承端口和限制元件而言，这允许成本优化的设计。

再一个目标是简化生产中的关键性对准过程。

再一个目标是增加产量并且减少制冷机故障的风险。

本发明的再一个目标是降低制冷机生产成本。

在不能实现基本上侧向固定的设计的情况下，本发明的目标是提供简化的设计方法以允许使用柔顺设计来对准。

附图说明

图1A示出用于具有侧向柔顺发电机杆的往复本体的柔顺设计，其中对准通过在正常操作期间启动气体轴承来实现。

图1B示出包括作为侧向柔顺部件的片簧/挠曲弹簧的柔顺设计的替代实施例。

图2A示出用于腔室内的往复本体的基本上侧向固定的设计的实施例。

图2B示出图2A的实施例，其中活塞已经通过在正常制冷机操作期间启动的气体轴承而对准。

图3示出在组装期间通过使用外部气体源启动气体轴承来将活塞与压缩机孔径对准的方法。

图4示出使用胶水将图3所示的对准的活塞暂时连接至基本上侧向固定的结构的方法。

图5示出通过使用螺钉将活塞弹簧与图4所示的基本上侧向固定的结构永久地连接的方法。

图6A示出具有用于选择性地启动气体轴承端口的两个止回阀的替代实施例。

图6B示出图6A所示的实施例，其中第二止回阀打开以允许所有气体轴承端口在组装过程期间启动。

图6C示出图6B所示的实施例，其中第二止回阀闭合以允许在正常操作期间停用一些气体轴承端口。

图7A示出替代实施例，其中气体支承腔定位于静态压缩机孔径内。

图7B示出图7A所示的实施例，其中胶水用来结合活塞弹簧和基本上侧向固定的结构。

图8示出替代实施例，其中集成入压缩机孔径中的气体支承腔具有用来选择性地启动气体轴承端口的两个止回阀。

图9是准备对准和组装的换置器的横截视图。

图10A是换置器的横截视图，示出换置器气体轴承。

图10B是换置器的横截视图，示出在气体轴承启动时换置器绕着其旋转中心旋转。

图10C是在制冷机组件内失准的换置器的横截视图。

图11示出在组装期间通过使用外部气体源启动气体轴承来对准换置器的方法。

图12示出将图11所示的对准的换置器间接地连接至基本上侧向固定的结构的方法。

图13示出在换置器已经连接至基本上侧向固定的结构之后用来密封图12所示的换置器腔的方法。

图14示出使用另外的外部腔容积来密封换置器腔的替代方法。

图15示出在组装期间由于单向气流引起的加压压缩空间而轴向地位移的活塞。

图16A示出在组装期间控制活塞的轴向定中位置以及通过启动制冷机电机来对准活塞的方法。

图16B示出电机的抵消气体压力从而控制和定中活塞的轴向位置的力。

图17示出在换置器的组装期间通过启动制冷机电机来控制活塞定中位置的方法。

具体实施方式

更详细地转向附图，图1A-B示出用来定中往复本体(比如用于装备有连接至柔顺结构的液压轴承的线性斯特林制冷机的压缩机活塞)的方法。图1A中，活塞2构造来沿着压缩机孔径的对称轴线1在压缩机孔径3中往复。活塞2连接至片簧5以及侧向柔顺发电机杆4以使得在气体轴承9a-d被启动时，活塞2及其对称轴线6可沿着对称轴线1旋转，如由箭头7所示，并且还可在箭头8的方向上侧向地移动以便开始在压缩机孔径3内对准。替代地，如图1B所示，改进的片簧5’也能连接至活塞2并且用作侧向柔顺部件以允许活塞2的旋转7以及侧向移动8，从而在压缩机孔径3中对准活塞2并且实现非摩擦的支承。

这种设计采用“柔顺设计”。“柔顺”设计是其中往复本体具有充分的侧向柔顺性(即能响应于力而侧向地偏转)的一种设计，所述力例如为由液压轴承施加的定中力，其至少等于所有其它侧向力的总和，包括由往复本体和孔径之间的联接施加至本体上的侧向力，从而允许液压轴承的定中力有效地形成无摩擦的支承或摩擦优化的支承，以使得摩擦不会降低设备的使用寿命。

如图2A-B所示，往复本体在孔径中的设计和组装能通过使用非柔顺设计(比如基本上侧向固定的设计)而显著地简化。基本上侧向固定的设计能在侧向往复本体的至少一端由结构上的(非气体)力基本上径向地定中和固定于腔室或孔径内时在最后的组装步骤中获得。往复本体连接至基本上侧向固定的结构以使得往复本体仅绕着旋转中心旋转而不再侧向地移动。虽然本领域技术人员将意识到，显著的侧向力能引起侧向移动，但是通常作用在往复本体上的所有侧向力的总和不足以形成这种侧向运动，使得往复本体接触腔室壁。气体轴承的启动使得往复本体绕着旋转中心旋转，用来获得正确的对准。因而，在正常操作期间，不再要求往复本体的侧向移动来对准往复本体和实现无摩擦的支承。

这种组装方法特别用于全新斯特林循环制冷机的组装中。虽然组装方法将相对于斯特林制冷机的实施例描述，但是这里描述的技术和结构可用于腔室内具有往复本体的任何设备中，比如具有在孔径内往复的活塞或其它往复设备的斯特林循环电机。

如图2A所示，基本上侧向固定的斯特林循环制冷机的一个实施例包括活塞21、用来容纳活塞21的压缩机孔径31、通向活塞21的气体入口22、定位于活塞21内并且朝着压缩机孔径31布置的多个气体轴承端口91a-d(气体入口22与气体轴承端口91a-d流体相通)、附接至活塞21一端的旋转结合结构51、以及将压缩机孔径31与旋转结合结构51相结合的基本上侧向固定的结构71。在所示的横截面中，示出四个气体轴承端口91a-d，然而应当理解到，所示实施例包括在活塞的外周相对于所示气体轴承端口对称地定位的另外四个气体端口91c-h(未示出)。另外，在其它实施例中，更多或更少的气体轴承端口能沿着活塞大致纵向地和轴向地放置。

如图2A所示，活塞21由活塞弹簧51(比如构成柔性支承件的片簧)悬挂在压缩机孔径31中。在组装过程期间，一旦活塞21已经关于压缩机孔径31的对称轴线1基本上对准，活塞弹簧51连接至基本上侧向固定的结构71。因而，活塞21的一端固定于压缩机孔径的对称轴线1上或其附近的点52处以使得活塞的对称轴线6能绕着旋转中心52沿方向7旋转，但是不再能侧向地移动。将活塞21的一端固定在点52处需要活塞弹簧51像柔性支承件那样工作。

在组件的正常操作期间，如图2B所示，活塞21的一端由连接至基本上侧向固定的结构71的柔性支承件51支撑并且另一端经由通过气体轴承端口91a-d以及91e-h(未示出)泵送的气体由气体轴承提升，用来在压缩机孔径31内定中活塞21并且获得基本上无摩擦的支承。气体支承力使得活塞21绕着旋转中心52沿方向7旋转(参见图2A)直到活塞21定中在压缩机孔径31的对称轴线1上。在所示实施例中，设置八个气体轴承端口91a-d以及91e-h(未示出)用来形成对准活塞所需的旋转力。在其它实施例中，气体轴承能根据需要包括更多或更少的气体轴承端口以形成有效的定中力。另外，如下面更详细地讨论的，在一些实施例中，一个或多个另外的气体轴承端口能根据气体轴承定中往复本体所需的压力在需要时选择性地启动和停用。而且，本领域技术人员将明白，关于“定中”或“移动至中心”不需要往复本体在结构(比如孔径)的中心处精确地物理定位。而是，需要往复结构充分远离彼此地移动以避免摩擦接触。

如图2B所示，活塞21的一端由连接至基本上侧向固定的结构71的柔性支承件51支撑并且另一端由气体轴承提升，这消除了由如在本发明的背景技术中描述的侧向柔顺部件的变形所引起的不可预见的活塞侧向负载的负面影响。主要的困难在于将旋转中心52永久性地定位在压缩机孔径31的对称轴线1上或其附近以便能正确地对准活塞并且通过启动气体轴承获得无摩擦的支承。

如图3-5所示，在一个实施例中，在制造和组装过程期间，活塞21能自动地与压缩机孔径31对准。例如，在组装期间，活塞21悬垂在压缩机孔径31中并且连接至(构成柔性支承件)的活塞弹簧51。基本上侧向固定的结构71(比如箱体)固定至压缩机孔径31。活塞弹簧51还没有附接至基本上侧向固定的结构71。因而，活塞21仍然能轴向地和侧向地移动并且因而相对于压缩机孔径31以及基本上侧向固定的结构71对准。活塞21具有提供进出活塞腔24的通路的第一气体入口22和第二气体入口23。第一和第二气体入口22和23都与气体轴承端口91a-d流体相通。第一气体入口22使用止回阀25闭合或打开。

在组装和对准过程期间，止回阀25闭合以密封第一气体入口22。气体源110附接至第二气体入口23。在气体源110布置为与第二气体入口23流体相通时，气体将流过活塞腔24和气体轴承端口91a-d进入压缩机孔径31和活塞21之间的间隙26，因而启动气体轴承。由从气体轴承端口91a-d流动的气体引起的间隙26内的压力差将在压缩机孔径31内定中活塞21，例如如J.W.Powell B.Sc(Eng)博士的《空气静力学气体轴承的设计》(The Machining Publishing Co.，LTD.)中详细描述的，该文献的全部内部通过参考结合于此。

因而，活塞21在制造过程期间能“自动地”与压缩机孔径31对准，无需由操作者手动调节。不再需要对准工具。斯特林制冷机结构自身包括对准工具。而且，气体支承压力不再受到正常操作期间斯特林制冷机内部的最大可用压力或活塞腔容积的限制。而是，在组装期间，气体支承压力由经由第二入口23连接至活塞21的气体源110的压力确定。在最初组装以及对准过程期间，气体源110能使用比通常的腔压力要高的升高气体压力，形成比正常制冷机操作期间所能形成的压力更高的气体支承压力。更高的气体支承压力允许增大活塞定中力，用于改进的对准以及更稳定的制造过程。

如图4-5所示，一旦活塞21沿着压缩机孔径31的对称轴线1对准，活塞弹簧51(优选地具有高径向刚度和低轴向刚度的弹簧)能连接至基本上侧向固定的结构71(比如箱体)以在活塞21和压缩机孔径31之间形成旋转结合。通过将活塞弹簧51连接至基本上侧向固定的结构71形成的旋转结合具有旋转中心52以使得这种旋转结合允许活塞相对于压缩机孔径31的对称轴线1轴向地移动，但防止活塞21相对于压缩机孔径31侧向移动，因而在用来启动气体轴承的外部压力源110已经移走之后在正常操作期间保持活塞21沿着对称轴线1定中。

活塞弹簧51能连接至基本上侧向固定的结构，例如经由一个步骤或两个步骤的过程。例如，在一个实施例中，如图4所示，活塞弹簧51最初结合至基本上侧向固定的结构71以形成初始连接72。在一些实施例中，所述结合能包括胶粘、TIG焊接、钎焊或任何其它工艺。使用胶水来形成初始连接72的有利之处在于，胶水消除了在组装过程期间接触或操纵部件的需要。因而，这个方法基本上消除了在组装期间另外的外侧力和扭矩，这种另外的外侧力和扭矩能侧向地偏转部件并且因而有损对准质量。在一些实施例中，这个初始连接72能是活塞弹簧51和基本上侧向固定的结构71之间仅有的连接。例如，在一些实施例中，活塞弹簧51和基本上侧向固定的结构71能仅仅通过胶粘、钎焊或焊接接合。

在其它实施例中，如图5所示，初始连接72被认为是暂时连接并且接着是第二永久连接。例如，活塞能最初由胶水72暂时连接。然后，一旦活塞弹簧51已经暂时地连接至基本上侧向固定的结构71，活塞弹簧51和基本上侧向固定的结构71能永久性地连接。如图5所示，在一些实施例中，活塞弹簧51和基本上侧向固定的结构71能由一个或多个螺钉73永久性地连接。活塞21的一端现在固定于压缩机孔径的对称轴线1上或其附近的点52处以使得活塞能绕着旋转中心52沿方向7旋转，但是不能侧向地移动。

在气体源110已经移走之后，第二气体入口23必须闭合以使得气体轴承能在操作期间经由第一气体入口22再次正常地起作用。在一些实施例中，如图5所示，第二气体入口23可用插塞27闭合。在替代实施例中，第二气体入口23可经由第二止回阀掐掉或闭合。第二气体入口可永久性地闭合，或替代地，第二气体入口的闭合能是可逆的以允许该入口的随后使用(如果在稍后的时间在修正性对准或制冷机修理时需要的话)。例如，在一些实施例中，可使用第二止回阀，其在正常制冷机操作期间自动地闭合但是能在很小的额外努力之下重新启动(如果需要第二气体入口的话)。

如上所述，本发明期待一种在孔径内组装往复本体的方法，其中部件在组装期间水平地布置。还期待在一种替代方法中，在组装期间有利地可竖直地定向活塞和孔径。在竖直构造中，重力将不会将活塞朝着孔径拉动，因而从气体轴承所需的定中力能更小并且对准质量得到提高。

在一些实施例中，如图6A-C所示，活塞腔24能包括多个止回阀，用来给活塞腔24提供流体通路并且从而选择性地控制气体轴承端口91a-d的操作。如图6A所示，在一个实施例中，活塞腔24包括在活塞腔24的端部处定位于气体入口22处的第一止回阀25以及在气体轴承端口91b、d和91a、c之间定位于活塞腔24中的第二止回阀28。

如图6B所示，在组装过程期间，闭合止回阀25，从而防止流体从气体入口22流出。止回阀28由气体压差打开以允许气体从气体源110流过活塞腔24并且离开气体轴承端口91a-d，用来定中活塞21。一旦活塞21已经在旋转中心52处永久性地连接至基本上侧向固定的结构，活塞21在正常制冷机操作期间由气体轴承和附接至基本上侧向固定的结构71的活塞弹簧51形成的柔性支承件共同支撑，如图6C所示。由于柔性支承件现在支承一些侧向负荷，需要较小的气体支承力以在腔室31内定中活塞21。因而，在组件的正常的操作期间，第二止回阀28由于活塞腔24和容积32之间的压力差而自动地闭合。第二止回阀28从而密封通向气体轴承端口91b和91d的通路，不再需要它们提供充分的定中力。对于更少使用的气体轴承端口91b和91d更有限的可靠性需求允许简化它们的设计和降低成本。使第一止回阀25运行来允许压缩气体通过气体入口22流入活塞腔21并且离开气体轴承端口91a和91c以启动气体轴承。

在用于基本上侧向固定的设计的替代实施例中，用来使活塞对准的气体轴承能集成入压缩机孔径，而不是活塞中。这里，如图7A所示，活塞121由活塞弹簧151(比如构成柔性支承件的片簧)悬垂于压缩机孔径131中。压缩机孔径131具有给压缩机孔径腔134提供流体通路的第一气体入口122和第二气体入口133。压缩机孔径腔134还与定位于压缩机孔径131的内壁上的气体轴承端口191a-d流体相通，这些气体轴承端口构造成朝着活塞121将气体从压缩机孔径腔134释放入间隙密封126。与上述实施例类似，在所示横截面中，示出四个气体轴承端口191a-d，然而应当理解到，所示实施例包括围绕压缩机孔径131的内壁相对于所示气体轴承端口对称地定位的另外四个气体端口191e-h(未示出)。另外，在其它实施例中，更多或更少的气体轴承端口能沿着压缩机孔径131的内壁布置。

如图7A所示，在活塞121的组装和对准期间，闭合止回阀125以密封气体入口122。气体源110连接至第一气体入口133。从气体源110流动的气体将流过压缩机孔径腔134并且离开气体轴承端口191a-d进入间隙126，因而启动气体轴承。由从气体轴承端口191a-d流动的气体引起的间隙126内侧的压力差将在压缩机孔径131内定中活塞121。如上面所讨论的，一旦活塞121已经在压缩机孔径131内定中，活塞弹簧151能连接至基本上侧向固定的结构171，比如弹簧箱体(spring cage)，从而在活塞121和压缩机孔径131之间形成旋转结合。如图7B所示，活塞弹簧151与基本上侧向固定的结构171的附接形成柔性支承，其允许活塞121在压缩机孔径131内绕着旋转中心152旋转，但是防止活塞121在压缩机孔径131内侧向地移动。

在一些实施例中，如图7B所示，活塞能经由初始连接172(比如粘合、焊接、钎焊或胶粘)连接至基本上侧向固定的结构171。在组装过程期间，在无需接触或操纵部件的情况下形成初始连接的有利之处在于这使得在组装期间作用在活塞121和/或压缩机131上的外侧力和扭矩最小化，这种外侧力和扭矩能侧向地偏转部件并且从而影响对准质量。在一些实施例中，这种初始连接72能是活塞弹簧151和基本上侧向固定的结构171之间仅有的连接。替代地，在一些实施例中，活塞弹簧151和基本上侧向固定的结构171然后能例如用一个或多个螺钉永久性地连接。一旦活塞弹簧151仅仅经由初始连接或替代地经由初始和永久连接两种已经连接至基本上侧向固定的结构171，气体源110能移走。气体入口133能例如用插塞127密封，以便在正常操作期间允许气体通过气体入口122进入压缩机孔径腔134，从而流过气体轴承端口191a-d，因而启动气体轴承以在压缩机孔径131中定中活塞121并且实现无摩擦的支承。

在替代实施例中，压缩机孔径腔134能包括用来选择性地控制气体轴承端口191a-d的启动的多个止回阀。使用多个止回阀允许所有气体轴承端口在组装或可能的修理过程期间被打开。例如，在一个实施例中，如图8所示，压缩机孔径腔134包括在压缩机孔径腔134的端部处定位于气体入口122处的第一止回阀125以及包含定位于气体轴承端口191b、191d和气体轴承端口191a、191c之间的第二止回阀128的壁129。壁129将压缩机孔径腔分为包含气体轴承端口191a、191c和气体入口122的第一作用腔135以及包含气体轴承端口191b、191d的第二腔136。在制冷机的正常操作期间，止回阀128由活作用腔135和非作用腔136之间的压力差自动地闭合，因而停用气体轴承端口191b、191d。

在替代实施例中，如图9-14所示，上述结构和方法能用来在斯特林制冷机(比如美国专利6,141,971、6,327,862、6,499,304、6,694,730以及6,688,113中所描述的斯特林制冷机)内组装换置器，所有文献以如同在这里完全阐述的方式通过引用结合于此。如图9所示，斯特林制冷机包括冷指201和压缩机区段205。如上面参照图3-5描述的，压缩机活塞221已经在压缩机孔径231内对准并且活塞弹簧251已经附接至基本上侧向固定的结构271。参照图9，换置器200还没有组装。由换置器本体206和换置器杆210构成的换置器200必须在压缩机活塞221的内部孔径222和指状冷却管240内同轴地定位以避免换置器的零件和相邻结构之间的摩擦。活塞221和换置器200经由换置器本体206和指状冷却管240之间、换置器杆210和热交换器208之间、换置器杆210和活塞221的内部孔径222之间以及活塞221和压缩机孔径231之间的间隙密封226a-d密封。因而，换置器本体206和相邻的冷指部件之间以及换置器杆210和活塞221的内径之间的径向间隙是紧密的，并且因此换置器200和相邻的部件(包括压缩机孔径231、热交换器208以及指状冷却管240)之间的径向游隙同样很小，例如在一些实施例中小到万分之几英寸。而且，重要的是，换置器本体206在正常操作期间没有接触相邻的部件，比如指状冷却管240，这种接触能引起磨损并且减小制冷机的使用寿命。

如图9和10A所示，换置器200具有多个气体轴承端口291a-b，它们能用来将气体引导入换置器200和热交换器208之间的间隙227以形成气体轴承，用来在组装期间沿着对称轴线1对准换置器本体206和换置器杆210以及用来在正常制冷机操作期间在换置器杆210和相邻的结构之间实现摩擦优化的气体轴承。气体轴承端口291a-b定位于换置器杆210中，邻近热交换器208。应当理解到，所示实施例包括围绕换置器杆210的周边相对于所示气体轴承端口对称地定位的两个另外的气体端口291c-d(未示出)。另外，在其它实施例中，更多或更少的气体轴承端口能沿着换置器布置。在制冷机的正常操作期间，压缩气体经由气体入口202进入换置器腔204并且离开气体轴承端口291a-b和291c-d(未示出)，从而启动气体轴承。

如图9所示，将附接至换置器杆210和基本上侧向固定的结构271的弹簧253具有低轴向刚度但是具有高径向刚度以使得在制冷机的对称轴线1上或附近形成旋转中心254时，换置器200(如图10B所示)能仅绕着旋转中心254旋转而不再能侧向地移动。如图10B所示，在正常操作期间，气体轴承的启动将使得换置器200绕着旋转中心254旋转，用来沿着制冷机的对称轴线1获得正确的对准。换置器杆210的一端通过沿着制冷机的对称轴线1具有旋转中心254的旋转结合来支撑。在气体轴承的启动期间，气体被泵送通过气体轴承端口291a-b。气体轴承形成换置器200的旋转运动，这种旋转运动足够使换置器200对准以及在正常制冷机操作期间实现摩擦优化的支承。

然而，换置器气体轴承仅能在换置器杆210的旋转中心254的位置在制冷机对称轴线1上或靠近对称轴线1时才能正确地工作。如图10C所示，换置器杆旋转中心254和制冷机对称轴线1之间的偏移300能使得换置器200在制冷机组件内倾斜并且接触制冷机组件，引起几个位置处的磨损。例如，如图所示，换置器本体206能在位置301处接触指状冷却管240，换置器气体轴承能部分地停用，因为换置器200的自由侧向移动在位置302、303处是不可能的并且换置器杆210能在位置304和305处摩擦活塞221的内部孔径222。这意味着换置器本体206和换置器杆210在组装过程期间必须正确地预对准，用来允许无摩擦的气体轴承正确地起作用。对准准确度必须在千分之几英寸内实现，在一些实施例中在万分之几英寸内。这是困难的，否则也是不可能“用手”实现。

如图11-13所示，在一个实施例中，换置器本体206和换置器杆210能在制造和组装过程期间通过启动换置器气体轴承来自动地对准。这里，换置器杆210包含与换置器气体腔204流体相通的通道211。在组装期间，外部气体源110布置为与换置器杆通道211流体相通，用于将气体传输至换置器腔204。换置器气体腔204在气体入口202上具有止回阀225，其由换置器腔204和周围容积之间的压力差闭合以便在组装过程期间暂时密封气体入口202，如图12所示。在压缩气体流入换置器腔204时，气体将穿过气体轴承端口291a-b进入间隙密封226b，从而启动气体轴承。因而，换置器200被提升并且沿着制冷机对称轴线1定中。如上面所讨论的，在组装期间，气体支承压力在正常操作期间由外部气体源110的压力而不是换置器腔最大容积或制冷机内部的最大压力确定。因此，比正常要高的气体支承力允许改进的对准和更加稳定的制造过程。另外，虽然制冷机示出为水平的，用于观察由气体轴承引起的提升效果，但是在一些实施例中，在组装期间能使用竖直定向的制冷机。竖直定向更适合来使侧向力(例如重力)最小化并且进一步提高对准质量。

而且，虽然如在这个示出的实施例中描述的气体轴承包括集成入换置器200的多个气体轴承端口291a-b，其中气体支承腔204定位于换置器杆210中并且气体支承力从换置器杆210朝着热交换器208径向向外地导向，在一些实施例中，如上面对于压缩机活塞和压缩机孔径所讨论的，气体支承腔能定位于与换置器相邻的固定部件比如热交换器208中。

如图12所示，一旦换置器200已经沿着制冷机对称轴线1基本上对准，换置器杆210的端部连接至换置器弹簧253，从而将换置器间接地附接至基本上侧向固定的结构271并且形成换置器200能绕着其旋转的旋转中心254。这里，换置器弹簧253连接至基本上侧向固定的结构271，比如弹簧箱体，以使得换置器弹簧253用作柔性支承件或旋转结合器，其允许换置器杆210和换置器本体206绕着旋转中心254旋转，但是防止换置器本体206和换置器杆210的显著侧向移动(也参见图10B)。在一些实施例中，换置器杆210用暂时连接比如胶水(未示出)初始地连接至换置器弹簧253，这不需要接触或操纵部件并且因而在组装期间防止外侧力，外侧力能径向地偏转换置器杆210并且影响对准质量。一旦换置器杆210已经暂时连接至换置器弹簧253，另外的机械连接273(比如一个或多个螺钉、焊接或钎焊)能用来帮助永久性地固定换置器杆210和换置器弹簧253。

一旦换置器杆210和活塞弹簧253已经永久性地连接，外部气体源110能移走。换置器杆210的末端现在永久性地固定在制冷机对称轴线1上或其附近。连接至弹簧箱体271的换置器弹簧253用作柔性支承件，允许换置器杆210和换置器200根据制冷机设计目的而倾斜或枢转以及振荡。如图13所示，换置器杆通道211必须闭合以使得气体轴承能在正常制冷机操作期间正确地起作用。在一些实施例中，换置器杆通道211能在换置器杆210的末端处用插塞260永久性地密封，或替代地，在一些实施例中，定位于换置器腔204中的第二止回阀能用来可逆地闭合换置器杆通道211(如上面对于活塞描述的)。由于换置器腔204和换置器杆通道211之间的压力差，在正常制冷机操作期间，第二止回阀将自动地密封换置器腔204和换置器杆通道211之间的开口。

在替代实施例中，如图14所示，换置器杆通道211能用另外的容积腔262闭合。在正常制冷机操作期间，另外的容积腔262能提供另外的容积以补充换置器腔204的容积并且为气体轴承290提供更大的总容积。在一些实施例中，可能需要增大的容积以允许气体轴承在充分的压力下操作以使换置器200对准。在一些实施例中，例如，在具有用于气体轴承的有限容积的较小系统中，另外的容积腔262能用来将容积增加至必要的水平以在正常制冷机操作期间提供充分的气体支承力。

在一些实施例中，如图15-17所示，可能需要另外的步骤以在活塞221和换置器200的任一个或两者的对准和组装过程期间控制轴向活塞定中位置。例如，如图15所示，在组装过程期间，气体轴承的启动能在系统内形成不期望的压力差，这种不期望的压力差会对对准和组装质量具有负面影响。这个基本问题在图13所示的斯特林制冷机的组装期间影响着活塞和换置器气体轴承的启动。

这个问题在图15中示出，图15示出在气体轴承作用时由压力差引起的轴向位移的活塞。从气体源110至活塞腔224的恒定且单向的气体流使得压缩空间310内的气体压力增大。活塞221和换置器杆210装备有间隙密封226b-d，使得需要一定的压力差来朝着背压空间330释放流过这些气体流通过间隙密封。压力差引起活塞221的轴向位移，这个情形在大多数情况下对于正确地组装制冷机是不可接受的。因此需要反作用力来保持活塞221轴向地定中。

一个选择是使用配重(重力)以在沿竖直定向对准部件的同时提供反作用力并且平衡压力差。然而挑战是将配重的重心与活塞的对称轴线径向地对准。否则，活塞可能倾斜并且对准过程受到损害。

图16A-B示出用来启动所需反作用力的替代和改进方法。这里，制冷机电机300在组装和对准过程期间启动以提供保持活塞221轴向地定中的反作用力。电机300由内部和外部叠片例如U形叠片320、电机线圈350以及活动磁体340构成。对电机300进行设计且优化来形成几乎完美的轴向力，因而在操作期间防止活塞侧向负载。恒定的电机力能通过在组装期间用由电源360提供的直流电给线圈350通电来形成。电流的方向确定力的取向。如图16B所示，电流能被调整或自动地调节为抵消用来在完成制冷机组装的最后结合操作期间获得活塞的所需轴向位置并且保持这个位置的气体压力。图17示出在换置器200对准且组装时的类似状况。气体通过气体轴承端口291a-b从气体源110流动至换置器腔204并且对压缩制冷机工作空间并且尤其是制冷机的压缩空间310加压。如上所述，活塞221和换置器杆210装备有间隙密封226b-d，使得需要一定的压力差来朝着背压空间330释放流过这些气体流通过间隙密封。能引起活塞221的轴向位移的压力差通过使用由电源360提供的直流电启动电机300来抵消。上述方法还能用于斯特林制冷机或引擎，它们装备有活动线圈或其它类型的线性电机。

尽管为了清楚和理解的目的已经借助图示和示例详细描述了前述发明，但本领域技术人员将容易明白，在本发明的教导之下，能在不脱离所附权利要求的精神或范围之下做出某些变化和变型。

例如，本发明的方法还可用于具有往复或旋转本体的结构中，但是在它们的正常操作期间不使用气体轴承。所述方法和装置可用于其中如上所述使用气体轴承的那些结构中，用于对准或定中操作。气体轴承然后在不需要时可停用或者不然的话在正常操作中移走。

在其它实施例中，所述对准方法能用于装备有用来支撑活塞、换置器和电机部件的柔顺或非柔顺结构的制冷机。

Claims (33)

1.一种用于在腔室内组装往复本体的方法，其中本体通过旋转结合器结合至相对于腔室基本上侧向固定的结构，往复本体包括第一气体入口、气体支承腔和朝着腔室布置的一个或多个气体轴承端口，第一气体入口、气体支承腔和气体轴承端口流体相通，该方法包括步骤：

在腔室内提供往复本体，

在本体没有结合至基本上侧向固定的结构(2)时使气体在至少足以使往复本体在腔室内定位成与腔室的侧壁处于非接触的关系的压力下，通过第一气体入口流到气体支承腔并且朝着腔室(1)的侧壁流过气体轴承端口，

将旋转结合器固定至基本上侧向固定的结构，以及

断开气体流动。

2.根据权利要求1的用于在腔室内组装往复本体的方法，其中在组装期间使用的压力大于在组装之后设备操作期间使用的压力。

3.根据权利要求1的用于在腔室内组装往复本体的方法，其中将旋转结合器固定至所述结构包括将旋转结合器暂时性地附接至所述结构。

4.根据权利要求3的用于在腔室内组装往复本体的方法，其中将旋转结合器固定至所述结构还包括将旋转结合器永久性地附接至所述结构。

5.根据权利要求4的用于在腔室内组装往复本体的方法，其中永久性地附接旋转结合器包括使用选自以下组的方法：使用一个或多个螺钉、将旋转结合器焊接至所述结构或将旋转结合器钎焊至所述结构。

6.根据权利要求1的用于在腔室内组装往复本体的方法，包括在组装之后闭合第一气体入口。

7.根据权利要求1的用于在腔室内组装往复本体的方法，其中往复本体具有与气体支承腔以及所述一个或多个气体轴承端口流体相通的第二气体入口，第二入口构造成在往复本体的操作期间使用，第二气体入口具有用来在在腔室内组装往复本体期间选择性地密封第二气体入口的止回阀。

8.根据权利要求1的用于在腔室内组装往复本体的方法，其中气体支承腔具有一个或多个止回阀，用来选择性地启动所述一个或多个气体轴承端口中的至少一个。

9.根据权利要求1的用于在腔室内组装往复本体的方法，其中往复本体和腔室在组装期间竖直地布置。

10.根据权利要求1的用于在腔室内组装往复本体的方法，其中往复本体和腔室在组装期间水平地布置。

11.根据权利要求1的用于在腔室内组装往复本体的方法，其中往复本体是活塞。

12.根据权利要求1的用于在腔室内组装往复本体的方法，其中往复本体是换置器。

13.根据权利要求1的用于在腔室内组装往复本体的方法，其中设备是斯特林循环制冷机。

14.根据权利要求1的用于在腔室内组装往复本体的方法，其中设备是电机。

15.根据权利要求1的方法，还包括施加足以将在往复本体和腔室之间的压缩空间中由于流过气体轴承端口的气体所形成的压力平衡掉的反作用力。

16.根据权利要求15的方法，其中反作用力足以轴向地定中往复本体。

17.根据权利要求16的方法，其中反作用力由电机通过用直流电给电机的线圈通电而产生。

18.根据权利要求17的方法，还包括调整电流以控制往复本体的轴向位置。

19.一种用于在腔室内组装往复本体的方法，其中本体通过旋转结合器结合至相对于腔室基本上侧向固定的结构，腔室本体包括第一气体入口、气体支承腔以及朝着往复本体布置的一个或多个气体轴承端口，第一气体入口、气体支承腔和气体轴承端口流体相通，所述方法包括步骤：

在腔室内提供往复本体，

在本体没有结合至基本上侧向固定的结构(2)的同时使气体在足以使往复本体在腔室内定位成与腔室的侧壁处于非接触关系的压力下通过第一气体入口流到气体支承腔并且朝着腔室(1)的侧壁流过气体轴承端口，

将旋转结合器固定至基本上侧向固定的所述结构，并且

断开气体流动。

20.一种斯特林循环机器，其包括：

活塞，

用来容纳活塞的压缩机孔径，

通向活塞的第一入口，

定位于活塞内并且朝着压缩机孔径布置的多个气体轴承端口，所述第一入口与气体轴承端口流体相通，

附接至活塞的一端以使得活塞能够旋转方与孔径的至少一部分处于非接触关系的旋转结合结构，

基本上侧向固定的结构，其结合压缩机孔径和旋转结合结构。

21.根据权利要求20的斯特林循环机器，其中旋转结合结构为弹簧。

22.根据权利要求21的斯特林循环机器，其中弹簧是片簧。

23.根据权利要求20的斯特林循环机器，其中旋转结合结构用胶水连接至所述基本上侧向固定的结构。

24.根据权利要求20的斯特林循环机器，其中旋转结合结构用机械附接方式连接至非柔顺结构。

25.根据权利要求24的斯特林循环机器，其中旋转结合结构的机械附接方式是螺钉。

26.根据权利要求24的斯特林循环机器，其中旋转结合结构的机械附接方式是钎焊。

27.根据权利要求24的斯特林循环机器，其中旋转结合结构的机械附接方式是焊接。

28.根据权利要求21的斯特林循环机器，其中机器是电机。

29.根据权利要求21的斯特林循环机器，其中机器是制冷机。

30.根据权利要求21的斯特林循环机器，还包括：

在一端处连接至换置器杆的换置器，换置器杆构造成将插入活塞的内部孔径；

用来容纳换置器的指状冷却管；

通向换置器的气体入口；

定位在换置器内与换置器的气体入口流体相通的多个气体轴承端口，换置器气体轴承端口构造成从换置器本体排出气体；

第二旋转结合结构，其附接至换置器杆和基本上侧向固定的结构以使得换置器能够旋转为与指状冷却管的至少一部分处于非接触关系。

31.根据权利要求30的斯特林循环机器，其中第二旋转结合结构用胶水连接至换置器。

32.根据权利要求30的斯特林循环机器，其中第二旋转结合结构用机械附接方式连接至换置器。

33.一种斯特林循环机器，其包括：

在一端处连接至换置器杆的换置器，换置器杆构造成将插入活塞的内部孔径；

用来容纳换置器的指状冷却管；

通向换置器的气体入口；

定位在换置器内与换置器的气体入口流体相通的多个气体轴承端口，换置器气体轴承端口构造成从换置器本体排出气体；

旋转结合结构，其附接至换置器杆和基本上侧向固定的结构以使得换置器能够旋转成与指状冷却管的至少一部分处于非接触关系。

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