TW592878B - Methods relating to constructing reciprocator assembly and producing a non-contacting alignment - Google Patents

Description

592878 案號 90128234 年 修正 五、發明說明（1) 發明領域 本發明係關於一種製造往復式動力機之方法，本發明 特別是關於一種製造往復式動力機及移動元件之方法，以 及產生元件之非接觸性調準的方法。 先前技術 許多使用線性馬達的往復式動力機器都需要非潤滑元 件以非常緊密無間隙且能自由活動的方式運作，這類機械 的例子包括：無活塞s t i r 1 i n g引擎，熱聲學引擎-發電機 (thermoacoustic engine-generator)，多種無活塞冷 卻器、氣循環冷凍機器、以及線性馬達驅動的氣體壓縮機 。在這些以線性馬達或往復式動力機驅動的機械中，一個 如活塞的移動元件必須與其往復運動之柱形内徑相匹配， 且由某種軸承或撓性（f 1 ex i ng)懸吊系統導引。」 Beckett等人的美國專利號碼5, 5 5 2, 2 1 4公開了一種螺旋形 懸吊模範。為了使往復式動力機中的移動元件能在其對應 之柱形内徑中自由運動卻又能保持有效的壓力障礙（ b a r r i e r)，則需要非常緊密無間隙的運作。特別是活塞 與圓柱及其相匹配的線性馬達面的共軸性是非常重要的。 一般而言，提供這種準確相合（f i t)需要非常精準的加 工，因為，每個零件如馬達定子、懸吊、活塞及圓柱都是 各別加工，且在完成後需要能組合起來或相配合。當需 要數量很大的緊靠且能自由活動的零件時，製造部件至所 需的緊確度便十分耗時且昂貴。 由前述觀點可知，需要一個較便宜且可靠方法製造準 確相合但元件間非接觸性相合，如以往復式動力機械驅動

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五、發明說明（2) 的工具中之支撐撓曲的 發明内容 動70件與柱形組件。 本發明提供,^ 造：法二並能確保此移：i:二：：2之移動元件的製 動軸的正交性。 "#於移動元件及其所在之運 首先，本發明提供—種 件的方法，此往復式動力:彺復式動力機及其移動元 動軸，此方法包括以下步有;;供移動元件運動的往復運 量限制移動元件相對往’說2用一允許往復運動且能大 將移動元件連接至往復 機做非軸向運動之懸吊， 式動力機往復運動軸旋&·$機，同時將移動元件與往復 動力機的直徑。 w加工製造移動元件與往復式 弟—方面提供了 一在 運動軸做往復運動之第一-連接至往復式動力機以沿往復 準的方法，此方法包括以疋件，與第二元件間之非接觸調 能大量限制第一元件相下=驟：利用一允許往復運動且 吊，將第一元件連接至往復式動力機做非轴向運動之懸 往復式動力機繞往復運，^動力機；同時將第一元件與 一外徑與往復式動力機的=碇轉；加工製造第一元件之第 使其有一第内徑與此第一二外徑；並加工製造第二元件 與此第二外徑相匹配，及一彳二相匹配，且有第一第二内徑 ^前述與本發明的其他=個平面。

較佳具體實例說明中闡明]徵及優點，將在以下本發明的 本發明之較# & H ^例將參照以下圖表詳細說明，

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__t?£ 90128234 __年 五、發明說明（3) 類似的命名將用於類似的元件。 實施方式 參考圖1，一往復式機組8包含一 組搭配的桎形組件i 2。在運轉時 ^力機1 0及一 組件12組合在一起，使移動元件 以J 1。與柱形 Α軸方向直線運動，並緊貼於柱形纟且 是式動力機10的 。往復式動力機1〇包含移動元件14和H内徑16 復式動力機1〇也可能包含了一個稱二馬達18。往 的往復式動力機外罩20。線性； 固線性懸吊元件22以構成線性懸吊23匕 個至一 (圖中未畫出）。線性懸吊23允許往復式運動，並 大減少了移動元件14相對於往復式動力機1〇的非軸向運 二’例如扭轉、旋轉及徑向運動，意即其限制了任何沿往 设運動軸A以外的運動。因為移動元件丨4是往復式動力機 1 0中的動力傳送元件，有時也被視為活塞。 桎形組件1 2是往復式動力機1 0與此技藝範圍内廣見之 機器的介面。一些例子如下：無活塞St irl ing引擎，熱聲 學引擎-發電機（thermoacoustic engine generator)， 無活塞冷卻器，氣循環冷凍機器，脈衝管驅動器，氣體壓 縮機。在以上的例子中，柱形組件1 2是做為一雙馬達脈衝 管驅送器，且兩端各接有一個往復式動力機1 〇 (為簡單起 見’只畫出一個）。 在任何情況下，柱形元件1 2最好包括許多往復式動力 機10接合的結構，包含：柱形内徑16，導引器（pil〇t) 592878 ^_案號_9Q128234 _年月日_ 五、發明說明（4) 内徑2 4及圓柱面2 6。 往復式動力機1 〇或往復式動力機外 罩2 0包含一個與導引器内徑24嚅合的導引器28和一個圓柱 面2 6面對面餐合的終端或導引器面3 0。這些組件的細節將 會在圖7 - 1 0中詳細討論。 在往復式動力機1 0運作時，線形懸吊元件2 2限制移動 元件只沿著往復式運動軸A運動。參考圖2 - 5，線形懸吊元 件2 2包括一懸吊底座3 2，其側邊3 4最好如圖6般製成環狀 。線形懸吊元件2 2同時包含一個懸吊帶組件3 6，將在之後 4述。底座上有底座孔33。需注意底座3 2可能有很多不同 於環狀的形狀，但並不違反本發明。 懸吊帶組件包括許多支腳或彎曲部分3 8從輪樞4 0處徑 向延伸。支腳3 8最好由不易疲乏、高強度鍛冶的鋼製成， 如 AISI 1095、SS316或 Uddeholm公司的 UHB 761更佳。每 一個支腳38由一第一大體徑向部分42及一第二大體軸向部 分4 4所構成。軸向部分4 4通常比徑向部分4 2短，其原因 在以下闡明。每一個軸向部分都至少以一個，最好是兩個 柳釘4 6連接至底座3 2上。如果只用一個鉚釘4 6，則需要 有其它的限制以防止支腳繞著鉚針旋轉。 ' 消耗其對應的徑向部分4 2， 產生的張力。尤其是每個軸 42處的伸張應力（stress) 。42、44的最佳長度由許多 望$衝程中所允許的應力總 。這些尺寸的細節最好是由 析決定。 每一個軸向部分44是用來 在移動元件1 4你[往復運動時所 向部分4 4可將其對應徑向部分 轉換為軸向部分4 4的抗彎應力 要素決定，如在懸吊元件2 2期 量、支腳38的寬度及厚度等等 所提的設計經有限元件應力分 592878 案號 90128234

發明說明（5) 輪樞40以圖7方式連接至一鱼 — ί以；一往復式動力機1 〇。基座3 2以—匕合 :二樞 基座孔的螺&，連接至 7 ::法’ 设式動力機1 〇上固定的杜槿y m ^ 1 8，或其他往 個:形懸吊元件各在線形傳動裝;的^复^動力機兩 外動可::二動。以 6 u衣取j合、、、円個懸吊兀件22於内側。 圖3和4A —扎為線性懸吊元件22的分解圖。在R 4A* “ 組；36位在停止的位置，即往復式動力= ”大致是在圖4B與4C中帶狀組件36可允許的 J的中間。如圖3,支竭徑向部分42，最好與其軸移向位 4分4 4成一接近正9 0度的夾角α。 五 在一較佳的具體實例中，線性懸吊元件2 2可包含 第 預負載（preload)以預防軸向部分44與基座32在支腳 點緣48處分離。除此之外，當支腳38在往復式動力機工〇 運作下扭曲時，也可能會分離。如圖3，當任意兩相對軸 向部分44的内部距離D1小於軸向部分44所裝置的基座32之 任意兩相對側邊3 4的外部距離D 2時，便提供了預負載。 此條件可藉由將懸吊帶組件3 6上之任意兩相對軸向部分4z 間的内部距離D1製造成小於基座32上任意兩相對側邊34的 外部距離D 2而達成。在較佳的具體實例中，内部距離d 1比 外部距離D 2少1% 。換句話說，基座3 2要製成其相對側邊 34比内部距離D1寬。一旦懸吊帶組件36組裝後，每一個軸 向部分4 4便有一個向基座3 2支點緣4 8彎曲的預負載。這 搜所呈現的懸吊帶組件3 6有偶數個支腳3 8，且基座3 2有偶

592878 —— 五、發明說明 數個側邊 用。在這 3 2的平均 第一 2 2的運動 進一步說 與4C。圖 方向移動 到第一極 是軸向部 座3 2。因 4C是當移 向（箭頭 在這個位 不會在支 在整個運 此相對運 久0 90128234 (6) 3 4 ;同樣的 個情況之下 外直徑要小 Λ_η 曰 修正 士有奇數個支腳3 8及側邊3 4時也適 f狀組件3 6的平均内直徑要比基座 已形成所需的預負載。 ^ 2載2 J很多的優點。f先，不管懸吊元件 明\ i ί分44被支點緣48磨損的量會減少。 a # = - 22在兩個最大位置間移動，如圖4Β 二往一第一方向，即穿過基座_ 大：m )’懸吊元件22的支腳38移動 八“合^=為第一預負载的關係，支腳38，特別 i H’ I他們+會在支點緣48處被拉離基 # L ^弟^/^分/4上的磨損會減少。同樣的，圖 ft ft在第—方向，即相反於FD，離開基座方 ，，吊元件22的支腳38移動到第二極大位置。 $絡38，特別是軸向部分44會變形，使他們 =㈣基座^使軸向部分44與基座^ 過程中於支點緣48處保持接觸，將可防止因彼 動而產生的磨損。0此，懸吊元件將可以使用更 的 ， 被 專 在 、-ί 一預負載的第二個優點是如美國專利號5, 3 8 9, 844 稷 >、夾緊裝置將不需出現在軸向部分44中。舉例來說 在圖4Β中最大位置時，軸向部分會因支點緣“的關系而 強迫向外，因此需要一些裝置來限制這個動作，如美國 利號碼5, 389, 844中的夾板。然而因為第一預負載的存 ，這個夾緊裝置就不需要了。 回到圖4B-4C，

支腳38往第二方向（SD)運動（圖4C 592878 五、發明說明 )時伸展 時產生的 方向FD與 FD因沒有 ’可能因 總衝程範 ’若這個 則允許的 2 2能包含 些微彈性 即軸向部 角α的角 度。此地 此，當移 的疲乏應 展。所以 〇第二方 用兩個線 >在這個 的位置， 二型預負 性傳動裝 第一 他產生預 之線性懸 3_

曰 (7) 產生的應力將比往第一方向FD (圖4B)運動壓縮 ，快速。若第一懸吊相對於一個鬆弛位置往第二 第二方向SD座等量的往復運動，雖然往第—方向 過度應力（overstress)而造成更進一步的運動 沒有伴隨往第二方向SD的進一步運動而發生，作 圍，會被往第二方向SD運動時的應力等級所限& 在弟、與弟一方向不相等的運動範圍可被控制， 衝，範圍將可增加。要滿足這個情況，線性懸吊 一第二預負載，如圖5所示。當懸吊帶3 6以一有 往基座36方向的彎曲連接到移動元件丨4以上 土 分44與徑向部分42成一稍小於成型（f〇rmi^思 f ，則可製造出第二預負載。角冷最好小於正 二預負載提供支腳38—個更平衡的應力範圍。 =το件14=二=向SD運動時，在超過懸吊物質 :吊限元之件I比可：納更多相對於預負載位置的伸 口運動擁有更大的總衝程距離。需注意告 性懸吊元件時，每一個都可含二刑疋虽使 例子裡，移動元件可用在 一型預負載 臺了用在一適當或包含連接裝置 牵引在相對的帶狀組件36的輪輕，廿π = 載給這兩個懸* 22,❿不 々:夺提供第 置1 8的停止位置。 移動凡件相對於線 ，第二預負載可同時或個別使用。除 負載的裝置也可以被使用且不 士、之卜，其 吊元件有一優點，即是能大大發明。上述 —___ 也避免非軸向運動

月 修正 曰 W2878 五、發明說明（8) 。依據本發明之第-赫杜 .#^ ^弟一較佳具體實例，這種抵抗

作古⑽〆并表k在復式動力機1 0與移動元 很有助盈，並能改盖士 M 土卜对、隹方本7 0相關移動元件非接觸性對 此改進方法可在掌插# if > / i + U /杲種私度依美國專利號碼5, 述之在彳力及從向較強的線 性懸吊元件22實現。 巾疋成双疋 件1二Ϊ : : ’ ☆大部分的線性馬達傳動系統ή :二 形内徑16同軸，，系統可在移動 '〜16f #且無潤滑的情況下運作。有許多 移動το # 14#柱形内彳f丨6的同軸對準程度，包 力機10與柱形組件12的對準及移動元件η與導 中^㊉此之外’導引器面3 〇與移動元件1 4的 影響移動元件14與柱形内徑16的同軸性。 般而口為了使同軸元件能緊密無間隙 一個獨立零件都需非常精密的機械加工。機械 零件做磨光，切割，或修整至所 零件能符合緊密無間隙組件所需的高精密 不可靠的。 圖7-11為一製造往復式動力機1〇與移動元 。在開始介紹本方法之前須了解，往復式 要一個可分離的往復式動力機外罩2〇。卷μ 機外罩20時，往復式動力機丨〇可以有一;: ，如圖8。因此，用來製造往復式動力機^的々 在當往復式動力機1 〇是一個完整實體，或勺八 可機製表面，如往復式動力機外罩2 〇。 ^ ^ 非軸向運動 件1 4的方法 準的方法。 3 8 9，8 4 4所 以上述之線 『，移動元 元件1 4與柱 因素可影響 括往復式動 引器28的共 垂直度也會 的運作，每 加工是只對 為了使獨立 常是昂貴而 件1 4的方法 機10並不需 往復式“ 可機制表面 L程需可用 一可分離的 592878 修正 月 曰 案號 90128234 五、發明說明（9) 根據本發明的一個方法，利用允許做往復動作， 止移動元件1 4相對往復式動力機丨〇做非軸向運動的懸吊且 將移動元件1 4與往復式動力機丨〇連接起來。當—〜二 吊元件22與懸吊23被提出後，其他限制移動元件^傲^ = 向運動，如旋轉或徑向運動的懸吊也同樣適用。 如圖7所示組合後的樣子，往復式動力機1〇 車床5 4或類似的磨光機器上。車床5 4有一輸出轴衣 ，分別導引至移動元件1 4即往復弋叙六擒〗n从去6或轴58 上。啟動車床54將使移動元件^盘復弋、由樞機座60 繞往復運動軸A轉動。 14與^式動力機U)同時 1 ^ Ϊ在復式動力機1 〇旋轉時，修整器62製造出移動元件 14與導引器28的直徑。此外，如果 =動疋件 修整器62可包含一額外的切割緣 機還未出現， 14與導引器28的同時，製造出導乙士?械加卫移動元件 導引器面3 0最好垂直移動於 由懸吊23提供的阻礙非軸向運動如===導引器28。 ’允許在移動元件1 4和往復式動Λ f動及瓜向運動的方法 矩。因此，移動元件14與往間傳輸切割力及力 加工修整器6 2下加工所需的尺寸。—機1 〇都可在一建立的 包括切割移動元件1 4至第一外直彳⑤一已建立的機械加工可 二外直徑，及切割往復式動力機『Π :導引器28至第 導引器28與移動元件14的共中心、導引斋面30。因此， 元件14的垂直將可被確定。 ，以及導引器面30與移動 一單一加工運作將不可能永 任何形式的傳統線性軸承下發生，有先的螺旋懸吊或

第12頁 因為將無法承受高扭力 592878 -〜-___—~~__年月曰 修正 五、發明說明〇〇) " ’意即這螺旋懸吊和軸成將在運作下扭轉且無法承受加工 時的高扭力。

如圖7所示，另一個方法可包含一在移動元件丨4的内 4構件5 2上塾上一層物質5 〇，此附加物最好是如c丨b a製造 的EP32 0 2環氧化物。物質50層的硬度較小於往復式動力機 1 0或外罩2 0及内部構件5 2，最好是以聚四氟乙烯（p TF e) 系化合物製成，如DiX0n公司製造的rul〇N7。這層額外的 物質5 0還會減少在製造時的切割力及加在移動元件丨4與往 復式動力機1 0上的力矩。物質50層的厚度是能使移動元件 1 4加工所至所需外徑但又部會完全除去物質層5 〇。因此， 物質5 0層產生了移動元件丨4外徑並幫助往復式動力機丨〇做 無潤滑運作。 往復式動力機1 〇，往復式動力機外罩2 〇，柱形組件丄2 和移動元件1 4/内部構件52最好是由不含鐵，又能抵擋往 復式動力機1 0重複應力的金屬製成。舉例來說，鋁和鎂 都很合適。

圖9為本方法更進一步步驟，雖然並非必要，但柱形 組件1 2最好也能在單一步驟内加工至可與柱形内徑1 6和導 引器内徑2 4共中心，並與柱形内徑1 6和導引器内徑2 4同樣 垂直於柱形外面2 6。加工柱形組件丨2時最好以雙搪桿6 4。 因為這個額外的步驟，上述的方法便可以製造出連接至往 復式動力機1 〇，沿往復運動軸A做往復運動的第一元件， 如移動元件1 4，與第二元件如柱形内徑1 6做緊密相合非接 觸調準，而不需要以嚴密的容許限度製造組件的每個構件

第13頁 592878 案號 90128234 曰 五、發明說明（11) 如圖1 0，移動元件1 4需要一外徑D3對準並配合柱形内 徑16的内徑D4。同樣地，導引器28的内徑D5要非^接^導 引器内徑2 4的内直徑。往復式動力機1 〇以相合的挺形面2 6 與導引器面3 0與柱形組件1 2夾緊。因為導引器2 8、動元 ==徑16及導引器内# 24都共中心、，且相搭配： 二上、導引器面3 0確定了移動元件1 4與柱形内徑丨6的 運g肩準’則移動元件1 4便可在柱形内徑1 6内不受約束的 梦署 線性懸吊2 3 /線性懸吊元件2 2提供了一種機赫 件8中做^縣\能允許移動元件I4於運作中在往復式動力機組 過裎中彦^式往復運動，也可對非徑向運動，如在製造 之方法η ί的旋轉、扭轉及徑向力做出反應。以上所述 部件並疋:種能自由活動的往復式動力機組件8，且每個 的緊密I，要昂貴的高精準加工就能符合最後組裝時所需 件8的加、工、隙的運作。以上的過程也能使往復式動力機組 /工更快速且能大量生產。 產業利用^述，本發明實為一具有新穎性、進步性及可供 疑，嘉松+ ’應符合我國專利法所規定之專利申請要件益 至感^法提出發明專利中請，#肖局早日賜準專利了 十隹» 用來限定太所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非 所述之形爿t明實施之範圍，故舉凡依發明申請專利範圍 均應包括於I構k、特徵及精神所為之均等變化與修飾， 括於本發明之申請專利範圍内。

第14頁 592878 案號 90128234 年 修正 圖式簡單說明 圖式簡單說明 圖1說明-根據本發明之往復式動力機組件； 圖2說明-根據本發明之線性懸吊元件； 圖3說明-構造分解圖，沿圖2中3-3線之橫切； 圖4A-4C說明圖2中線性懸吊元件之一個支腳的撓性 (f 1 eX i n g)運動詳細情形； 圖5說明一圖2之線性懸吊元件架設好後的橫切面細部圖 圖6說明圖2中線性懸吊元件的基座圖；

圖7說明一根據本發明之方法； 圖8說明圖7方法中的另一步驟； 圖9說明圖7方法中的一額外步驟；及 圖1 0說明圖7方法的結果細節。

元件符號說明 往 復 式 機 組 8 往 復 式 動力機 10 柱 形 組 件 12 移 動 元 件 14 柱 形 内 徑 16 馬 達 18 外 罩 20 懸 吊 元 件 22 線 性 懸 吊 23 導 引 器 28 圓 柱 面 26 導 引 器 面 30 懸 吊 底 座 32 側 邊 34 懸 吊 帶 組 件 36 底 座 孔 33 支 腳 或 彎 曲部 分38 從 輪 才區 40 支 點 緣 48 輸 出 軸 56

第15頁 592878

第16頁 _案號90128234_年月日_修正 圖式簡單說明 軸 58 軸 樞 機 座 60 啟 動 車 床 54 修 整 器 62 切 割 緣 63 轴 向 部 分 44 徑 向 部 分 42 鉚 釘 46 雙 搪 桿 64 内 部 構 件 52 物 質 50

Claims (1)

1. 592878 _案號 90128234 六、申請專利範圍 年 曰 修正 7 、如申請專利範圍第 法，其中步驟（c)之加工製 上一層硬度低於該往復式動 8 、如申請專利範圍第 法，其中步驟（c)更包括加 器面。 1項之製造往復式動力機之方 造前，更包括於該移動元件墊 力機外罩之物質。 7項之製造往復式動力機之方 工製造該往復式動力機之導引 9 、如申請專利範圍第8項之製造往復式動力機之方 法，其中步驟（c)係大致同時加工製造該移動元件之直線 、該往復式動力機之直徑及該往復式動力機的導引器面。

   1 0、如申請專利範圍第8項之製造往復式動力機之方 法，其中步驟（c)係包括切割該移動元件至一第一外徑， 切割該往復式動力機使有一第二外徑之導引器，以及切割 該往復式動力機之導引器面使其垂直於該往復運動轴。 1 1 、如申請專利範圍第1項之製造往復式動力機之方 法，其中步驟（c)之加工製造係由一單一切割工具提供。 1 2、如申請專利範圍第一項之製造往復式動力機之方 法，其中步驟（c)係包括加工該往復式動力機之外罩。

   1 3、一種連接至往復式動力機沿往復運動軸作往復運 動之第一元件及第二元件間製造非接觸調準之方法，該方 法係包括以下步驟： (a) 利用一允許往復運動且能大量限制該第一元件相 對一往復式動力機非軸向運動之懸吊，將該第一元件連接 至該往復式動力機； (b) 同時將該第一元件與該往復式動力機繞該往復運

   第18頁 592878 案號 90128234 年 月 曰 修正 力 式 復 往 該 與 徑 外 一 第 之 件 元 1 第 該 造 製 工 細·，加 5 轉.) W C 請旋{ 申軸 六勤 一及 第以 該， 與配 徑匹 内相 一 徑 第外一二 有第 其該 使與 件徑 元内二二 第第 該一 及造有 •,製且 徑工， 外加配 二}匹 d 第C相 之 徑 機 外 面 平 請 中 如 之 機 力 勤 式 復 往 該平 工端 加末 括該 包， 更配 ，匹 法相 方面 之平 項該 3與 1 使 第， 圍面 範平 利端 專末 )第 C C之 驟機 步力 中 XJB-V 其式 ，復 法往 方該 之、 項徑 4外 1 一 第第 圍之 。範件 軸利元 動專一 運請第 復申該 往如供 於、提 直5時 垂1同 面 係 }由 b C 係 驟機 步力 中 X J 其式 〇 ， 復 面法往 平方與 端之件 末項元 之3 一 機1第 力第該 動圍造 式範製 復利工 往專加 該請及 及申轉 以如旋 ，、之 徑 6 } C 外1 C 二 及 }該 (C於 驟低 步度 中硬 其層 5 一 法上 方墊 之件 項元 3 一 1 第該 圍於 範括 利包 專更 請’ 。 1曰· 前 供如造 提、製 床7工 1 加 一 之 該 工 加 括 包 更 法 方 之 項 3 第 圍 。範 質利 物專 之請 機申 力如 ?訪 、 式8 復1 往 。驟 軸步 中 HI· 一、 復 ’ 往法 於方 直之 垂項 其3 使1 ，第 面圍 平範 端利 末專 之請 機申 力如 勤 、 式9 復1 往 供(( 提驟 具步 工中 割其 。 切，的 一法供 單方提 一 之時 由項同 係3是 機1上 力第體 動圍大 式範工 復利加 往專有 該請所 與申的 件如件 元、元一 ο 二 第2第 之 之

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