CN1288328C - 流体轴承装置 - Google Patents

Abstract

一种气体限流器，其特别用在例如自由活塞式斯特林循环机械设备所用的气体轴承中。利用多孔带状材料(52)与支承板(60)和通孔(放出口)(32)限制进入活塞(16)与汽缸(12)之间环隙(22)的气流。

Description

流体轴承装置

技术领域

一般来说，本发明涉及例如自由活塞式斯特林机械设备所用的气体轴承(又称气浮轴承，gas bearing)，更具体地说，涉及与气体轴承联用的限流装置。

发明背景

在许多不同机械设备中，活塞在壳体的汽缸内作往复运动。由于精密机加工，汽缸壁与活塞壁之间可形成一细小的环隙。例如，在斯特林循环机械设备中，壳体包住一连接于活塞一端的工作空间和一连接于活塞另一端的后部空间。术语“活塞”一般指任何活塞状物体，包括斯特林循环机械设备中的置换器。工作气体如氦气充满壳体内的工作空间、后部空间以及其他区域。

因为操作期间活塞壁与汽缸壁非常接近，所以壁间形成的环隙必须有足够润滑，以防止很快磨损。现已发现，最有效的润滑方式是形成气体轴承的薄层工作气体。Beale的美国专利申请4,412,418、4,802,332和4,888,950都叙述了这样一种气体轴承，纳入其内容作为参考。

为了润滑运动中的活塞，在活塞离开工作空间或后部空间之后，气体必须从围绕活塞周边表面的三点或多点进入环隙。将气体送入环隙一般要求有一个小通道网络。直接将工作气体送入环隙的通道通常是极小的，以便限制气流。限制气流需要保持气体恒压，而限制气流进入间隙的通道和其他结构一般称为“限流器”，它们极小，特别容易堵塞。

通常，气体轴承限流器具有许多构件：毛细管、螺丝、用来将气体送入间隙并有精确通道的密闭配件。所有这些现有技术和结构都有成本高或容易被工作气体中的小颗粒堵塞的缺点。理想的限流器应当制造成本低、具有温度和蠕变稳定性、不容易或不会堵塞。

发明内容

本发明是一种多孔体，优选是一种盖住通入间隙的通孔上游侧的多孔塑料带。在一优选实施例中，塑料带由一偏向外的支承环支撑，以使塑料带保持在适当的位置。通孔的直径、塑料带的孔隙度以及支承环的宽度与压缩程度控制着气流的节流程度。通孔下游侧直接邻接于间隙内的相关气体轴承腔。

气体轴承限流器的空间上游是充气体积。在一优选实施例中，利用小簧片式止回阀将充气体积加压至斯特林循环的最高压力。充气体积□的气体经限流多孔带，并通过通孔进入气体轴承间隙，再流过间隙。将限流器的限流设成约等于间隙阻力，就可以得到接近最大气体轴承刚度。

当带气体轴承的零件，在一实施例中是活塞，作偏心运动时，一或多个空腔会越来越移近汽缸壁。这限制了更多气体局部地流过间隙，趋向增加间隙的局部压力。活塞对侧的一个空腔或多个空腔的限制较小，因此可排出气体，损失压力。这样，产生一作用于活塞的净力，使活塞离开汽缸壁，因此可维持气膜，起着润滑作用。

塑料多孔带用作限流器具有多通道的优点，因此散颗粒造成堵塞的可能性大大减低。还设有分布孔供气体流过，如果一个孔堵塞，它对气体轴承的影响很小。另一个优点是气体轴承限流器起着过滤器作用，阻止小颗粒进入通常在采用气体轴承的机器中都有的紧配间隙密封。

多孔材料通过提供支承环或弹簧易于装入活塞套，支承环或弹簧使多孔材料压紧在气体轴承的通孔上。用自动机器可实施这种安装，容易大量生产。

材料和劳动成本与常规技术相比大大降低。由于堵塞的可能性很低以及阻止颗粒进入间隙，所以可靠性有了显著提高。这种气体轴承限流器似乎特别适合在斯特林循环机械设备中实施。

本发明具有以上所有优点，还能够过滤可能破坏或磨损紧配轴承表面的颗粒。业已发现，限流性能比得上由长5毫米的60微米玻璃毛细管组成的精确限流器。

附图说明

图1所示为本发明一优选实施例的截面侧视图。

图2所示为沿图1中的2-2线截取的截面端视图。

图3所示为类似于图2的截面端视图，□中表示活塞处于远离径向死点位置上。

图4所示为一优选活塞的透视图。

图5所示为另一可供选择的多孔板及其与活塞联接的截面示意图。

图6所示为本发明另一实施例的截面示意侧视图。

图7所示为带有本发明气体轴承和限流器的活塞总成的分解图。多孔限流器材料是环形，通过使多孔环抵在通孔上的压缩环予以支承。图中示出两组气体轴承(每组有4个气体轴承)。本分解图还示出给充气腔加压的簧片式止回阀。

在叙述附图所示的本发明优选实施例时，为了清楚起见将使用特定技术术语。然而，这并不表示将本发明限制于所选用的特定术语，应当明白，每个特定术语包括以相似方式实现相似目的而工作的全部技术等同物。例如，通常所用的相通字或其近似术语。它们不限于直接相通，但包括透过其他元件的相通，而这样一种相通被本领域技术人员认为是等同的话。

具体实施方式

图1所示为本发明优选实施例，其中自由活塞式斯特林循环装置10包括带有内侧壁表面14的圆柱状壳体12。图4所示的活塞16在侧壁20上有一外圆柱面18，其紧靠壳体侧壁12的内圆柱面14。

活塞16和壳体12之间形成工作流体如氦气流入的环隙22。附图中环隙的尺寸已被放大。所考虑的实施例中，活塞16外表面与壳体内表面14的直径差约15至35微米。所以，当活塞16在径向死点(偏心度为零)时，环隙是该直径差的一半，即等于7.5至17.5微米。气体流过环隙22，从而得到通常所知的流体轴承。

进入环隙22的气体自充气腔40出来，充气腔40是活塞16内用活塞帽42密封的小室。在优选实施例中，气体从另一个压力源通过由簧片44、开孔46和紧固螺丝48组成的簧片阀进入充气腔40。簧片阀的目的是防止气体离开充气腔40，而不是进入环隙22，并且只有当例如压缩空间41内的气体压力高于充气腔40的压力时，气体才可以进入充气腔40。理想的充气腔40最高压力是施加在活塞帽42的最高压力。如斯特林循环机械设备领域所公知，活塞16运动通常会产生这种压力变化。可加上止回阀过滤器(未示出)，以保持碎片不破坏密封件来保护簧片阀能够得到适当固定。

通孔30、31、32和33以围绕活塞16的4个相等间距设在靠近活塞16一端的侧壁20中。另一组4个相似的通孔设在靠近活塞16相对端的位置上，如图所示。这些通孔将充气腔40的气体送入环隙22。活塞16上形成的通孔最好不要限制气流经过，优选实施例中其孔径约1.0毫米。当然，按照气体轴承技术领域的普通技术人员所懂得的原理，在靠近活塞16各端可设置多于或少于4个通孔，其尺寸、相对位置、形状以及定向角度是可变的。

在一优选实施例中，按惯常做法将端口34、35、36和37设在活塞16外圆柱面18的通孔30-33末端上。在靠近活塞16相对端的通孔末端也设有类似端口，这样，靠近活塞16每端都有2组各4个气体轴承。

可透过流体的多孔体，最好为透气多孔塑料带50，安装在活塞16内表面19上。同样地，接近活塞16对面也装有类似的带60。所述的带是多孔的，这意味着它含有许多完全贯穿带的极小通道。这些通道起着毛细管通道的作用，限制或计量流过的流体流量。带的厚度远远小于其宽度和长度。考虑用作带50和60的一种材料的商品名为POREX T3的Bacteria Sheet#7744，其孔径在7至150微米之间，空隙率为35-50％。该产品的厚度为0.025英寸，由聚乙烯制成，虽然一般认为聚丙烯可能更有效。

安装件，最好是支承弹簧52和62，分别向外偏压在带50和60上，以使带的外表面压在内表面19上。图1中箭头所示为气流方向，气体沿着从充气腔40延伸的气流通道，通过带50和60、通孔30-33至端口34-37再进入环隙22。

参见图2，借助支承弹簧52使带50安装在活塞侧壁20上。带50和压缩弹簧52设置成处于径向向内面对活塞16的表面19上，并且它们都位于通孔30-33上游。术语“上游”的意思与通常的意思一样，所以如果第一个物体在第二个物体上游，气流中的第一个物体将在第二个物体之前与气体分子接触。凸片54方便弹簧50的压缩，有助快速安装或拆卸。

参照图1、2、3和4，本发明按以下方式操作。当活塞16开始转离径向死点，它的其中一个侧壁会靠近汽缸壳体壁14。这在图3以相对尺寸被放大，其中活塞表面18在通孔30和端口34附近接近壁14。当活塞16最接近汽缸壁14时，气体轴承通道倾向于在侧壁上封闭，当活塞16最远离汽缸壁14时，活塞位于对侧，这些通道倾向于在侧壁上打开。由于活塞和汽缸非常接近而引起的限制，通孔30和端口34不能排出同样多的气体，所以它们会倾向于通过限流多孔带50流入的气体来增大环隙22的局部压力。对侧的通孔32和端口36没有被封闭，所以它们放出气体，压力下降。压差引致一净力，并阻止活塞16向汽缸壁14运动，从而避免活塞16与汽缸壁14接触，并将活塞推回径向死点。

为了使气体轴承具有最佳的“刚度”(定义为每单位径向位移的正向力)，使每个通孔30-33和带50的设计组合限流约等于环隙22所引起的渗漏限流。带60与其相关通孔也有这样一种关系。因为优选实施例中通孔30-33基本上没有流动，所以组合限流基本上全部由流过带50的流体限流组成。当然，应当在比优选实施例限流更大的通孔与比在优选实施例限流更小的限流多孔带之间作出不同取舍。

选择端口34-37的尺寸以维持活塞16在汽缸12内的径向运动的稳定性。这意味着当活塞16作径向移动时，它的正向运动不会产生导致活塞16最后与汽缸12相碰撞的径向振动。

图5所示为另一可供选择的实施例，其中多孔体如板80与活塞侧壁81上游的内表面82直接接合，从而盖住通孔84、86，其他通孔未示出。例如，这可用粘合剂实现。多孔板80后面为一无孔膜或板88，如铝箔带。多孔板的压缩极小，这是因为粘合膜提供了密封。流体只能首先通过多孔板80流过通孔，而且流体也只能从没有用无孔板88密封的多孔板80的边缘进入多孔板80。

在此实施例中，对流体的限制是通孔径与多孔板孔隙率和宽度的函数。在优选实施例中，将限流设计成近似于经过气体轴承通孔之后，活塞81与汽缸壳体83间环隙90内的流体流动阻力。这样的设计可提供最大气体轴承“刚度”。

本发明另一可供选择的实施例见图6，其中活塞100可滑动地安装在汽缸外侧壁102内。与上述通孔设在活塞侧壁不同，图6所示实施例中通孔位于汽缸外侧壁102内。通孔104、106、108和110从充气腔140完全延伸至侧壁102。充气腔140绕侧壁102周边延伸，与活塞100和侧壁102间的环隙122流体相通。

充气腔140由经通道110通过簧片112进入的气体充气，簧片112用螺丝114固定在合适的位置。流体从充气腔140流过多孔体，如多孔带120，再流过通孔104、106、108和110，进入环隙122。支承弹簧124产生径向向内偏压，使带122相对于通孔104-110保持在合适的位置。所以充气腔140内的流体如氦气必然要流过带120的边缘，如图6箭头所示，到达通孔104-110。图6示意表明，可以改变通孔、多孔带、充气腔和其他结构的定位，这些改变仍然在本发明的范围之内。

虽然已对本发明的一些优选实施例进行了详细说明，但必须明白，在不脱离本发明精神或所附权利要求书范围内可作出各种改型。

Claims (12)

1.一种机械设备用的流体轴承装置，所述机械设备具有一活塞，所述活塞的侧壁的外圆柱面与所述活塞可滑动地安装在其中的壳体侧壁内圆柱面紧靠地配置，以及在所述活塞圆柱面与壳体圆柱面之间具有一环隙，其特征在于：所述流体轴承装置包括：

a)一流体流动通道，其在气流内经通过至少一个所述侧壁上形成的多个通孔延伸入环隙；以及

b)一可透过流体的多孔体，其安装在流体流动通道中至少一个所述通孔的上游。

2.如权利要求1所述的流体轴承装置，其特征在于：所述活塞侧壁具有一由活塞侧壁内表面限定的内室，所述流体流动通道的气流从该内室经通过活塞侧壁上形成的多个通孔，再伸入环隙，所述多孔体安装在所述活塞侧壁的内表面上且位于流体流动通道中所述通孔的上游。

3.如权利要求2所述的流体轴承装置，其特征在于：所述流体轴承装置还包括使所述多孔体安装在所述活塞侧壁内表面的安装件。

4.如权利要求2所述的流体轴承装置，其特征在于：所述多孔体还包括带长和带宽远远大于带厚的带，所述带基本上完全围绕所述内室，固定在所述活塞侧壁内表面上。

5.如权利要求4所述的流体轴承装置，其特征在于：所述流体轴承装置还包括一紧靠所述带并将一径向向外的力施加在所述带上的偏置件，以保持所述带安装在活塞侧壁内表面上。

6.如权利要求4所述的流体轴承装置，其特征在于：所述流体轴承装置还包括一紧靠在所述带一侧的流体不透性膜，使所述带置于所述膜与活塞侧壁内表面之间，使流体流过其中一个通孔的带上游边缘。

7.如权利要求1所述的流体轴承装置，其特征在于：所述壳体侧壁具有一外表面，所述流体流动通道在气流内从该壳体侧壁外表面经通过壳体侧壁上形成的多个通孔，再伸入环隙，所述多孔体安装在所述壳体侧壁的外表面上且位于流体流动通道中所述通孔的上游。

8.如权利要求7所述的流体轴承装置，其特征在于：所述流体轴承装置还包括使所述多孔体安装在所述壳体侧壁外表面的安装件。

9.如权利要求7所述的流体轴承装置，其特征在于：所述多孔体还包括带长和带宽远远大于带厚的带，所述带基本上完全围绕所述壳体侧壁外表面，并固定在所述壳体侧壁外表面上。

10.如权利要求9所述的流体轴承装置，其特征在于：所述流体轴承装置还包括一紧靠所述带并将一径向向内的力施加在所述带上的偏置件，以保持所述带安装在所述壳体侧壁外表面上。

11.如权利要求9所述的流体轴承装置，其特征在于：所述流体轴承装置还包括一紧靠在所述带一侧的流体不透性膜，使所述带置于所述膜与壳体侧壁外表面之间，使流体流过其中一个通孔的带上游边缘。

12.如权利要求1所述的流体轴承装置，其特征在于：对流体流过多孔体与其中一个通孔的每一组合的阻力基本上等于对流体流过环隙的阻力。

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