往復動体のセンタリング方法及びそれをもって製造された構造体
あるデザインを用いたボア内でピストンのような往復動体を組み立てる方法である。ピストンは通常の操作中、ピストンがボアの対称軸に沿ってボア内で回転することができるように、ピストンがボア内で実質的にセンタリングされ、ボアに接続された実質的に側面で固定された構造に回転カップリングを通して一端で接続され、もはや横方向には移動することができない。回転カップリングを固定する前、ピストンは外部のガス源に接続され、ボアに対して配設された１又は複数のガスベアリングポートを有するガスベアリングによってボアの対称軸に沿って実質的に整列されている。通常の操作中、ガスベアリングはピストンとボアとの間の非摩擦ベアリングを実現するのに十分な回転力を提供する。この組立方法は、ピストンと、前記ピストンを含むことが可能なコンプレッションボアと、ピストンへのガス入口と、前記ピストン内に配設され、前記コンプレッサボアに配設され、前記ガス入口に流体的に連通した複数のガスベアリングポートと、前記ピストンの一端に取り付けられた回転カップリング構造と、前記コンプレッサボア及び前記回転カップリング構造に付加された実質的に側面で固定された構造とを具備するスターリングサイクルクライオクーラの組立に特に有益である。
【発明の詳細な説明】
【関連する出願】
【０００１】
この出願は“Method for Centering Reciprocating Bodies and Structures Manufactured Therewith”と題名が付けられた、２００７年８月１７日に出願された米国仮出願番号60/659,434の利益を主張する２００８年２月２８日に出願された米国特許出願番号12/039,332号の利益を主張し、これら出願を参照することによりそっくりそのまま組み込むものである。
【技術分野】
【０００２】
これらの発明は、ボア内での往復動体のセンタリング方法、および、これら技術を用いて製造された構造体に関する。より詳細には、この方法及びデバイスは、クライオクーラ及びモータの、最も詳細にはスターリングサイクルクライオクーラ及びモータの組立体及びデザインのために大いに応用される。
【背景技術】
【０００３】
種々の構成要素は、オルタネータロッドのような対応した構造にリンクされた流体ベアリングに備えられたスターリングクーラを形成する。このデザインは、通常工程中、コンプレッサボア内で往復動コンプレッサピストンをセンタリングするために用いられる。
【０００４】
米国特許第5,525,845号明細書では、チャンバ内で往復動体を支持する流体ベアリングを有する機械的なトランスデューサのための「対応した」リンケージについて説明している。この往復動体は、リニアスターリングクーラに用いられるコンプレッサピストンであり得る。対応するリンケージは、ピストンからコンプレッサボアに適切にアライメントするために要求された横方向移動を導くように、ピストンを受け入れる。図１Ａ−図１Ｂは、ガスベアリングによって発生したアライメントプロセスを示す。
【０００５】
ピストンは通常、リーフスプリングに接続されている。リーフスプリングの軸方向バネ剛性は相対的に低く、径方向のバネ剛性は通常相対的に高い。リーフスプリングは、コンプレッサボアの対称軸に対して軸平行方向のために僅かに要求されたトルクで回転及び配列されるようにピストン軸を受け入れる。しかしながら、ピストン軸単独の回転は、ピストンからコンプレッサボアに適切にアライメントするのに十分ではない。図１Ａの右側に示すように、ピストン軸の第２の横方向移動は、アライメントを得ることを要する。このデザインは、相対的に低いバネ剛性を有する横方向バネのように働く、対応する構造又はリンケージにリーフスプリングを接続することであり、このため、「ボディに及ぼされる他の全ての横方向の力の合計に少なくとも等しい、流体ベアリングによって及ぼされるセンタリング力のために十分な…」高い横方向従順性を有し、（ピストンは、）例えばスターリングクーラのコンプレッサ部のような「トランスデューサの通常操作中、リンケージによってボディに及ぼされる横方向の力を含む」。
【０００６】
対応する構造は、例えば、横方向にフレキシブルで軸方向に剛性がある「オルタネータロッド」を用いることによって、実現され得る。この構造は概略的に図１Ａに示され、対応する構造のための代替的な選択肢（オプション）を与えている。図１Ｂに概略的に示されている変形されたリーフスプリングは、横方向に対応する構成要素として機能することができる。
【０００７】
ここで説明した従来のデザインには多数の不都合がある。ピストン及び他の関連構成要素の組立体は、クーラの性能及び長寿命を裏付けることが重要である製造工程に依存する種々のやり方を要求する。多数のクーラの製品の問題は、不適当なピストン及びディスプレーサアライメントに関する。
【０００８】
米国特許第5,525,845号明細書は、全ての他の横方向力の合力に少なくとも等しくならなければならないことを指摘する。
【０００９】
これは、組立工程中、ピストンが非摩擦ベアリングとして適切な機能を発揮するために、適切に予め配列されていなければならないことを意味する。変形され又は調整不良のオルタネータロッドは、利用できる最小のガスベアリング圧力によって制限されるガスベアリング力を提供するよりも大きい付加的な横方向力を引き起こすことができる。
【００１０】
ピストンのアライメントの問題、すなわち、ピストン側に付加される力は、例えば、スターリングクーラが最小入力条件で実行し、ガスベアリング剛性が同様に最小に到達する場合、なおさら重要になり得る。ガスベアリング剛性は、クーラのコンプレッションスペース内で発生した入力依存圧力波の機能である。
【００１１】
予備的なアライメントプロセスのクオリティは、ピースパーツのクオリティ及び許容誤差によって決定される。特に、数千分の１インチから数万分の１インチのようなタイトな許容誤差は、製造中、案内されるピストン側の力を最小にするように維持されなければならない。
【００１２】
生産の際の組立プロセスは、好ましくは訓練を受けたオペレータによって丁寧に行われなければならない。道具は有用である。しかしながら、アライメントプロセスのクオリティは未だオペレータに依存している。
【００１３】
代替的な方法では、ガスベアリングを整列させる複雑で高価な方法を用いる。例えば、米国特許第7,043,835号明細書は、ボア内でボディの位置を計測し、ボア内でボディをセンターに配置するようにボディのピストンを調節するマイクロアクチュエータのためのコンピュータシステムを提供する。
【００１４】
以下の文献は潜在的に関連する背景として引用する。それは、１９９６年６月１１日に発行された米国特許第5,525,845号明細書「Fluid Bearing With Compliant Linkage For centering Reciprocating Bodies」(以下、Beale et al.という)、１９５９年１０月６日に発行された米国特許第2,907,304号明細書「Fluid Actuated Mechanism」(以下、Macksという)、１９８５年１０月８日に発行された米国特許第4,545,738号明細書「Linear Motor Compressor With Clearance Seals And Gas Bearings」(以下、Youngという)、１９８３年６月１４日にファイルされた米国特許第4,387,568号明細書「Stirling Engine Displacer Gas Bearing」(以下、Dineenという)、ICC 11 Paper「Performance and Reliability Improvements in a Low-Cost Stirling Cryocooler」(以下、Hanesという)、米国特許第(10467.0063US01)号明細書で「Cryocooler Cold-end Assembly Apparatus And Method」(以下、O’Baid et al.という)である。前述の参考文献は、参照によってこの明細書中で十分に陳述したかのように取り込まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】米国特許第５，５２５，８４５号明細書
【特許文献２】米国特許第７，０４３，８３５号明細書
【特許文献３】米国特許第２，９０７，３０４号明細書
【特許文献４】米国特許第４，５４５，７３８号明細書
【特許文献５】米国特許第４，３８７，５６８号明細書
【特許文献６】米国特許第（１０４６７．００６３ＵＳ０１）号明細書
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】ICC 11 Paper「Performance and Reliability Improvements in a Low-Cost Stirling Cryocooler」
【発明の概要】
【００１７】
方法はチャンバ内の往復動体を組み立てるために提供され、往復動体はチャンバに対して実質的に側面で固定された構造に回転カップリングを通して接続され、往復動体は、ガス入口と、チャンバに配設された１もしくは複数のガスベアリングポートとを有し、ガス入口及びガスベアリングポートは流体を連通状態にある。通常の工程は、第１にチャンバ内に往復動体を提供することを含む。第２に、チャンバ内でチャンバの側壁に対して非接触関係に往復動体を配置するのに少なくとも十分な圧力で、往復動体が実質的に側面で固定された構造（２）に接続させないのと同時に、ガスベアリング（１）に対してガス入口を通してガスが流される。その後、回転カップリングは、実質的に側面で固定された構造に加えられる。最後に、ガスの流れは止められる。
【００１８】
この組立方法は、新規なスターリングサイクルクライオクーラの組み立てに特に有用である。このようなスターリングサイクルクライオクーラは、ピストンと、ピストンを含むように適用されたコンプレッサボアと、ピストンへのガス入口と、ピストン内に配設され前記コンプレッサボアに配設されているとともにガス入口に流体連通している複数のガスベアリングポートと、ピストンに一端が取り付けられた回転カップリング構造と、コンプレッサボア及び回転カップリング構造に直接的又は間接的に連結される実質的に側面で固定された構造とを備えている。間接的な付加物（アフィックス）は１つであり得、ハウジング又は他の構造はコンプレッサボアに対して実質的に側面で固定された構造を連結する。
【００１９】
この発明の態様において、主にコンタクトフリーピストンベアリングは、ガスベアリングによって支持される実質的に側面で固定されたフレクシャベアリングを構成する。ピストン対称軸は適切なピストンアライメントを達成するためにコンプレッサボアの対称軸に配設された回転中心回りに傾斜又は回動することができる。従来技術で提供されたようなピストン対称軸の横方向の移動は、もはや要求されない。
【００２０】
この方法のある１つの実施において、クーラガスベアリングシステムの駆動は、クーラの組立中、第２の入口を通してガスベアリングキャビティを加圧することによって生じる。これは１つの工程でピストンを整列させるために、自動的で、効率的で、速い組立工程である。「回転」は必要としない。アライメントのクオリティはオペレータに依存しない。この構造及び方法はスターリングサイクルクーラに特に有益であり、チャンバ内で往復動体を有する他のデバイスのために用いられ得る。例えば、ボア内でシリンダを有するモータはここで説明される構造及び方法を用い得る。他の実施形態において、ここで説明される方法は、ボア又はチャンバ内で回転体をセンタリング又は整列させるために用いられ得る。例えば、この方法はシリンダ内で回転体を整列させるために用いることができ、タイトクリアランスシールは、回転体及び、タービン又は真空ポンプのような静止したボディの間に必要とされる。回転体が整列させられると、径方向に実質的に側面で固定されたベアリングは、横方向に回転体を固定し、安定させるために用いられ得る。
【００２１】
この発明のある任意的な態様において、改良されたピストン組立体およびアライメントプロセスは、通常のクーラ操作中、通常のキャビティ圧力よりも高い、高められたガスベアリング圧力を用いることによって達成される。より高い圧力は、より高いセンタリング力、及び、より良いアライメントを意味する。
【００２２】
さらに他の態様において、ある方法はピストンのアライメントクオリティ（例えば、最小の横方向力を要求すること）に影響することなしで、実質的に側面で固定された構造に対してピストン及びピストンスプリングを接続するために与えられる。
【００２３】
他の態様において、第２の逆止弁は、通常のクーラ操作中、自動的に第２の入口を近づけるのに用いられることができ、是正された駆動又はクーラの修理が必要である場合、僅かな試みで複数回の入口の駆動を許容する。
【００２４】
随意的に、ガスベアリングポートが要求されない不通となることによって、通常のクーラ操作中に「駆動された」ガスベアリングポートの数が減少する。全てのガスベアリングポートの駆動は、組立プロセス中にのみ発生する。これは、限られた信頼性要求事項によりガスベアリングポート及び絞り弁（レストリクタ）要素が一時的に使用されるためにコストが最適化されたデザインを受け入れている。
【００２５】
生産における重要なアライメントプロセスを単純化することが更なる目的である。
【００２６】
製品収量を増加し、クーラ不成功のリスクを減少することが更なる目的である。
【００２７】
クーラプロダクションコストを減少させることがこの発明の更なる目的である。
【００２８】
実質的に側面で固定されたデザインが認識され得ない場合、対応するデザインを用いるアライメントを受け入れるための単純化されたデザインアプローチを提供することがこの発明の更なる目的である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１Ａ】図１Ａは、側面に対応したオルタネータロッドを有する往復動体のための対応したデザイン（コンプライアントデザイン）を示し、通常の操作中、アライメントはガスベアリングを駆動することによって達成されることを示す。
【図１Ｂ】図１Ｂは、側面に対応する構成要素としてリーフスプリング／フレクシャスプリングを含む対応したデザインの別の実施形態を示す。
【図２Ａ】図２Ａは、チャンバ内での往復動体のための実質的に側面で固定されたデザインの実施形態を示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２Ａの実施形態を示し、通常のクーラ操作中、ガスベアリングを動作させることによってピストンが整列されることを示す。
【図３】図３は、組立中、ガスベアリングを駆動させるための外部のガス源を用いることによってコンプレッサボアに対してピストンを整列させる方法を示す。
【図４】図４は、グルーを用いる実質的に側面で固定された構造に対して図３の整列されたピストンを一時的に接続する方法を示す。
【図５】図５は、ネジを用いることによってピストンスプリングと図４の実質的に側面で固定された構造を不変的に接続する方法を示す。
【図６Ａ】図６Ａは、ガスベアリングポートを選択的に駆動させるために２つの逆止弁を有する別の実施形態を示す。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ａの実施形態を示し、組立工程中、第２の逆止弁が全てのガスベアリングポートの駆動を許容するための開口であることを示す。
【図６Ｃ】図６Ｃは、図６Ｂの実施形態を示し、通常の操作中、第２の逆止弁がガスベアリングポートのいくつかを非駆動するように閉じられたことを示す。
【図７Ａ】図７Ａは、別の実施形態を示し、ガスベアリングキャビティが静的なコンプレッサボア内に配置されていることを示す。
【図７Ｂ】図７Ｂは、図７Ａの実施形態を示し、グルーがピストンスプリングと実質的に側面で固定された構造とを接着するために使用されていることを示す。
【図８】図８は、別の実施形態を示し、コンプレッサボア内に一体的なガスベアリングキャビティがガスベアリングポートを選択的に駆動させるために２つの逆止弁を有することを示す。
【図９】図９は、整列され、組み立てられる状態のディスプレーサの断面図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、ディスプレーサガスベアリングを示すディスプレーサの断面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、ガスベアリングが駆動したとき、回転中心回りにディスプレーサを回転させることを示すディスプレーサの断面図である。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、クーラ組立体内でミスアライメントされたディスプレーサの断面図である。
【図１１】図１１は、ガスベアリングを駆動するための外部のガス源を用いることによって組立中、ディスプレーサを整列させる方法を示す。
【図１２】図１２は、実質的に側面で固定された構造に対して図１１の整列されたディスプレーサを間接的に接続する方法を示す。
【図１３】図１３は、ディスプレーサが実質的に側面で固定された構造に対して接続された後、図１２のディスプレーサキャビティをシールするための方法を示す。
【図１４】図１４は、付加的な外部キャビティボリュームを用いるディスプレーサキャビティをシールする代替的な方法を示す。
【図１５】図１５は、組立中、単一方向のガスフローによって引き起こされる加圧されたコンプレッションスペースにより、軸方向に変位されたピストンを示す。
【図１６Ａ】図１６Ａは、組み立て中、ピストンの軸中心位置を制御するとともに、クーラモータを駆動させることによってピストンのアライメントを制御する方法を示す。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、ピストンの軸位置を制御し、センタリングするために、ガス圧力に対抗するモータ力を示す。
【図１７】図１７は、ディスプレーサの組み立て中、クーラモータを駆動することによってピストンをセンター位置に制御する方法を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
より詳細には図面によるが、図１Ａ−図１Ｂには、対応する構造にリンクされた流体ベアリングを有するリニアスターリングクーラのためのコンプレッサピストンのような、往復動体のセンタリング方法を示す。図１Ａにおいて、ピストン２はコンプレッサボアの対称軸１に沿ってコンプレッサボア３内で往復動するように構成されている。ガスベアリング９ａ−９ｄが駆動された場合、ピストン２及びその対称軸６は矢印７で示すように対称軸１に沿って回転することができ、コンプレッサボア３内で整列されるように矢印８の方向である横方向に移動し得るように、ピストン２がリーフスプリング５および横方向に対応するオルタネータロッド４に接続されている。その代わり、図１Ｂに示すように、構成を少し変えたリーフスプリング５´はピストン２に接続され、コンプレッサボア３内でピストン２を整列させるようにピストン２の回転７および横方向の動き８を許容する、側面に対応する要素として機能し、非摩擦ベアリングを実現する。
【００３１】
このようなデザインは、「対応する（コンプライアント）」デザインを使用する。ある「対応する」デザインは、往復動体とボアとの間のリンケージによって往復動体に及ぼされる側面の位置からを含む他の全ての側面からの力の合算に少なくとも等しい、流体ベアリングによって及ぼされるセンタリング力のための、例えば、ある力に応じて横方向に歪む能力のような十分な横方向の追従性を有し、その結果、摩擦がデバイスの寿命を減少させないように、非摩擦ベアリング又は摩擦を最適化したベアリングを有効に創り出すように、流体ベアリングにセンタリング力を与える。
【００３２】
図２Ａ−図２Ｂに示すように、あるボア内での往復動体のデザイン及び組立体は、実質的に側面で固定されたデザインのような非対応のデザイン（ノンコンプライアントデザイン）を用いることによって実質的に単純化されることができる。横方向の往復動体の少なくとも一端がガスベアリングではなく構造上の力によってチャンバすなわちボア内で実質的に径方向にセンタリングされて固定される場合、実質的に側面で固定されたデザインは、組立の最終工程で達成されることができる。往復動体が回転中心回りにのみ回転し横方向に移動しないように、往復動体は実質的に側面で固定された構造に接続されている。当業者は十分な横方向の力が横方向の動きを引き出すことを認識するが、往復動体に通常駆動される全ての横方向の力の積算は、往復動体がチャンバ壁にコンタクトする横方向の動きを生み出すのには不十分である。ガスベアリングの駆動は、適切なアライメントを達成するために往復動体を回転中心回りに回転させる。このため、通常の操作中、往復動体の横方向の動きは往復動体を整列させ、非摩擦ベアリングを実現することは要求されない。
【００３３】
この組立方法は、新規なスターリングサイクルクライオクーラの組立体に特に有益である。この組立方法は、スターリングクライオクーラの実施形態について説明され、ここに説明された技術および構造は、ボア内で往復動するピストン又は他の往復動でバイスを有するスターリングサイクルモータのような、チャンバ内に往復動体を有するいずれのデバイスに用いられることができる。
【００３４】
図２Ａに示すように、ある実施形態の、実質的に側面で固定されたスターリングサイクルクーラは、ピストン２１と、ピストン２１を含むように適用するコンプレッサボア３１と、ピストン２１へのガス入口２２と、ピストン２１内に配設されコンプレッサボア３１に配設されガス入口に流体連通された複数のガスベアリングポート９１ａ−９１ｄと、ピストン２１の端部に取り付けられた回転カップリング構造５１と、コンプレッサボア３１および回転カップリング構造５１を連結する実質的に側面で固定された構造７１とを具備する。断面の説明として、４つのガスベアリングポート９１ａ−９１ｄが示されているが、ピストンの周囲周りの図示されたガスベアリングポートに対して対称的に配設された付加的な４つのガスポート９１ｅ−９１ｈ（図示せず）を有することが理解されることができる。加えて、他の実施形態において、より多く又は少ないガスベアリングポートは、ピストンの長手方向及び軸方向回りに沿って配設されることができる。
【００３５】
図２Ａに示すように、ピストン２１はフレクシャベアリングを有するリーフスプリングのようなピストンスプリング５１によってコンプレッサボア３１内に浮遊されている。組立工程中、ピストン２１がコンプレッサボア３１の対称軸１上に実質的に配設されると、ピストンスプリング５１は実質的に側面で固定された構造７１に接続される。このため、ピストンの対称軸６は方向７に向かって回転中心５２回りに回転することができるように、ピストン２１の一端がコンプレッサボアの対称軸１上又は近接したポイント５２に固定され、もはや横方向に移動することができない。ポイント５２でピストン２１の一端を固定することは、ピストンスプリング５１をフレクシャベアリングのように働くことを要求する。
【００３６】
通常の組立作業中、図２Ｂに示すように、ピストン２１の一端は実質的に側面で固定された構造７１に接続されたフレクシャベアリング５１によって支持され、ピストン２１の他端は、ガスベアリングポート９１ａ−９１ｄ及び９１ｅ−９１ｈ（図示せず）を通して送り込まれたガスを介してガスベアリングによって持ち上げられ、コンプレッサボア３１内でピストン２１をセンタリングし、実質的に非摩擦ベアリングを達成する。ピストンがコンプレッサボア３１の対称軸１上にセンタリングされるまで、ガスベアリング力は回転中心５２回りの方向７（図２Ａ参照）に向かってピストン２１を回転させる。実施の形態において図示されているように、８つのガスベアリングポート９１ａ−９１ｄ及び９１ｅ−９１ｈ（図示せず）はピストンを整列させるのに必要となる回転力を創り出すように設けられている。他の実施形態において、ガスベアリングは有効なセンタリング力を創り出すことが要求されるように、８つより多くの又は少ないガスベアリングポートを含むことができる。加えて、以下により詳細に説明するように、幾つかの実施形態において、１つ又は複数の付加的なガスベアリングポートは、往復動体をセンタリングするようにガスベアリングに必要な圧力に依存して、必要に応じて選択的に駆動され及び駆動が止められることができる。さらに、「センタリングすること」又は「中心に移動すること」の言及は、ボアのような構造中心で往復動体の正確な物理的な配置を要求しないことが、当業者によって高く評価される。むしろ、往復動する構造は、摩擦接触を避けるように互いから十分に離れて動くことが要求される。
【００３７】
図２Ｂに示すように、実質的に側面で固定された構造７１に接続されたフレクシャベアリングによってピストン２１の一端を支持すること、ガスベアリングを有するピストン２１の他端を持ち上げることは、この発明の背景技術で説明されたように、横方向に対応する構成要素の変形によって引き起こされる、予測できないピストン側荷重の反動を排除する。主な困難は、ピストンを適切に整列し、ガスベアリングを駆動することによって非摩擦ベアリングを達成することができるように、不変的にコンプレッサボア３１の対称軸１上又は近接する回転中心５２を配置するように機能させることである。
【００３８】
図３−図５に示すように、ある実施形態において、ピストン２１は製造及び組立工程中、コンプレッサボア３１に対して自動的に整列されることができる。例えば、組立中、ピストン２１はコンプレッサボア３１内に浮遊され、かつ、フレクシャベアリングを有するピストンスプリング５１に接続される。ケージのように実質的に側面で固定された構造７１はコンプレッサボア３１に固定されている。ピストンスプリング５１は未だ、実質的に側面で固定された構造７１に取り付けられていない。このため、ピストン３１は軸方向および横方向の両方に動くことが可能で、コンプレッサボア３１及び実質的に側面で固定された構造７１に対して整列されている。ピストン２１はピストンキャビティ２４に出し入れ可能に提供する第１のガス入口２２及び第２のガス入口２３を有する。この第１及び第２のガス入口２２，２３は両方がガスベアリングポート９１ａ−９１ｄに流体的に連通している。第１のガス入口２２は逆止弁２５を用いて開閉される。
【００３９】
組立および整列工程中、逆止弁２５は第１のガス入口２２をシールするように閉じられている。ガス源１１０は第２のガス入口２３に取り付けられている。ガス源１１０が第２のガス入口２３に流体的に連通した場合、ガスはピストンキャビティ２３およびガスベアリングポート９１ａ−９１ｄを通して、コンプレッサボア３１とピストン２１との間の隙間２６に流れ、ガスベアリングを駆動させる。ガスベアリングポート９１ａ−９１ｄから流れるガスによって引き起こされる隙間２６内での圧力差は、その全体をここに取り込む例えばDesign of Aerostatic Gas Bearings By J. W. Powell B.Sc. (Eng), Ph.D (The Machining Publishing Co., LTD.)により詳細に説明されているコンプレッサボア３１内でピストン２１をセンタリングすることができる。
【００４０】
このため、ピストン２１は、オペレータによる手動調整の必要なく、製造工程中コンプレッサボア３１に対して「自動的に」整列させられることができる。更なるアライメントツールは要求されない。スターリングクーラ構造は、それ自体、アライメントツールを具備する。さらに、ガスベアリング圧力は、通常操作中スターリングクーラ内での最小有効圧力、又は、ピストンキャビティ体積によって制限されない。むしろ、組立中、ガスベアリング圧力は第２の入口２３を介してピストン２１に接続されたガス源１１０の圧力によって決定される。初期の組立及びアライメント工程中、ガス源１１０は、通常のクーラ操作中に可能であるよりも高いガスベアリング圧力を創り出す、通常のキャビティ圧力よりも高い、高められたガス圧を用いることができる。高められたガスベアリング圧力は、改良されたアライメント及びより安定した製造工程のためにピストンをセンタリングする力を増加することができる。
【００４１】
図４および図５に示すように、ピストン２１がコンプレッサボア３１の対称軸１に沿って配列されると、好ましくは径方向に高く軸方向に低い剛性を有するスプリングであるピストンスプリング５１は、ピストン２１及びコンプレッサボア３１の間に回転カップリングを創り出すためのケージのような、実質的に側面で固定された構造７１に接続されることができる。回転カップリングがコンプレッサボア３１の対称軸１に対してピストンを軸方向に移動させることができるが、コンプレッサボア３１に対するピストン２１の横方向の移動を防止するように、実質的に側面で固定された構造７１に対するピストンスプリング５１の接続によって創り出された回転カップリングは回転中心５２を有し、ガスベアリングを駆動させるための外部の圧力源１１０が除去された後、通常の操作中、対称軸１に沿ってセンタリングされたピストン２１を維持する。
【００４２】
ピストンスプリング５１は例えば１つの工程又は２つの工程を介して、実質的に側面で固定された構造に接続されることができる。例えば、ある実施形態において、図４に示すように、ピストンスプリング５１は初期の接続７２を形成するように実質的に側面で固定された構造７１に対して初期に結合されている。幾つかの実施形態において、結合することは、接着（グルー）、ＴＩＧ溶接、蝋付け、又は他の幾らかの工程を有することができる。初期の接続７２を創り出すためにグルーを用いることは有利であり、グルーは、組立工程中、部品に触れ、又は操作する必要性を除去する。このため、この方法は、組立中、横方向に構成要素を歪ませ、アライメントクオリティを害し得る付加的な外力及びトルクを実質的に排除する。幾つかの実施形態において、この初期の接続７２は、ピストンスプリング５１と実質的に側面で固定された構造７１との間を唯一接続することができる。例えば、幾つかの実施形態において、ピストンスプリング５１及び実質的に側面で固定された構造７１は、接着（グルーイング）、蝋付け又は溶接によって単に連結されることができる。
【００４３】
他の実施形態において、図５に示すように、初期の接続７２は一時的な接続とみなされ、第２の恒久的な接続によって接続される。例えば、ピストンはグルー７２によって初期には一時的に接続されることができる。そして、ピストンスプリング５１が実質的に側面で固定された構造７１に一時的に接続されると、ピストンスプリング５１及び実質的に側面で固定された構造７１が恒久的に接続されることができる。図５に示すように、幾つかの実施形態において、ピストンスプリング５１及び実質的に側面で固定された構造７１は１つ又は複数のネジ７３によって恒久的に接続されることができる。ピストンが回転中心５２回りに方向７に向かって回転可能であるが、横方向に移動することができないように、ピストン２１の一端はコンプレッサボアの対称軸１上又は近接したポイント５２に固定されている。
【００４４】
ガス源１１０が除去された後、第２のガス入口２３は仕切られなければならず、操作中、ガスベアリングが第１のガス入口２２を介して再び通常に機能することができる。幾つかの実施形態において、図５に示すように、第２のガス入口２３はプラグ２７で閉じられることができる。代わりの実施形態において、第２のガス入口２３は第２の逆止弁を介して挟まれ又は閉じられることができる。第２のガス入口は恒久的に閉じられ、又は、アライメントを是正することやクーラの修理に必要であれば、第２のガス入口のためのクロージャは入口の後に続いて使用を許可するように反転することができる。例えば、幾つかの実施形態において、通常のクーラ操作中に第２の逆止弁が自動的に閉じるように用いることができるが、ガス入口が必要とされている場合、僅かな付加的な試みで再び駆動されることができる。
【００４５】
図面及び上述した説明のように、この発明は、組立中、構成要素が水平方向に配置され、ボア内での往復動体の組立方法について熟慮したものである。組み立て中、ピストン及びボアを垂直方向に向けるのに有利であるさらに、代わりの方法において熟慮される。垂直配置において、重力はボアにピストンを引き入れず、ガスベアリングから要求されたセンタリング力を小さくすることができ、アライメントクオリティを改善できる。
【００４６】
幾つかの実施形態において、図６Ａ−図６Ｃに示すように、ピストンキャビティ２４は、ピストンキャビティ２４にアクセスする流体を供給するための複数の逆止弁を有しガスベアリングポート９１ａ−９１ｄの操作を選択的に制御することができる。図６Ａに示すように、ある実施形態において、ピストンキャビティ２４は、ピストンキャビティ２４の端部でガス入口２２に配設された第１の逆止弁２５と、ガスベアリングポート９１ｂ，９１ｄ及び９１ａ，９１ｃ間でピストンキャビティ２４に配設された第２の逆止弁２８とを含む。
【００４７】
図６Ｂに示すように、組立プロセス中、逆止弁２５はガス入口２２から流される流体を防ぐように閉じられている。逆止弁２８はガス源１１０からガスをピストンキャビティ２４を通して流すことができるように、ガスの圧力差によって開けられ、ピストン２１をセンタリングするためにガスベアリングポート９１ａ−９１ｄから排出される。ピストン２１が回転中心５２で実質的に側面で固定された構造に恒久的に接続されると、図６Ｃに示すように、通常のクーラ操作中、ピストン２１はガスベアリング、及び、実質的に側面で固定された構造に取り付けられたピストンスプリング５１によって創り出されるフレクシャベアリングによって合同して支持されている。フレクシャベアリングが側方荷重を支持するので、チャンバ３１内でピストン２１をセンタリングするのに必要なガスベアリング力が小さくなる。このため、通常の組立操作中、第２の逆止弁２８はピストンキャビティ２４及びボリューム３２の間の圧力差により自動的に閉じられる。このため、第２の逆止弁２８は、もはや十分なセンタリング力を提供することは必要でないガスベアリングポート９１ｂ及び９１ｄへのアクセスを閉鎖する。ガスベアリングポート９１ｂ及び９１ｄをより少数に用いるためのより限られた信頼性の要求は、それらのデザインを単純化し、コスト削減することができる。第１の逆止弁２５は、ガスベアリングを駆動させるために、ガス入口２２を通してピストンキャビティ２１内に流れてガスベアリングポート９１ａ及び９１ｃを抜けるように流れる圧縮されたガスを受け入れるように運転可能とする。
【００４８】
実質的に側面で固定されたデザインのための代わりの実施形態において、ピストンを整列させるためのガスベアリングはピストンの代わりにコンプレッサボア内に組み込まれることができる。ここで、図７Ａに示すように、ピストン１２１はフレクシャベアリングを有するリーフスプリングのようなピストンスプリング１５１によってコンプレッサボア１３２内に浮遊されている。コンプレッサボア１３１はコンプレッサボアキャビティ１３４に流体のアクセスを提供する第１のガス入口１２２及び第２のガス入口１３３を有する。コンプレッサボアキャビティ１３４は、コンプレッサボアキャビティ１３４からピストン１３１に対するクリアランスシール１２６にガスを開放できるコンプレッサボア１３１の内壁に配設されたガスベアリングポート１９１ａ−１９１ｄに流体的に連通されている。言及した実施形態と同様に、断面が図示されているように、４つのガスベアリングポート１９１ａ−１９１ｄは示されているが、図示された実施形態は、コンプレッサボア１３１の内壁回りに図示されたガスベアリングポートに対して対称的に配置された付加的な４つのガスベアリングポート１９１ｅ−１９１ｈ（図示せず）を有することが理解される。加えて、他の実施形態において、さらに多く又は少ないガスベアリングポートがコンプレッサボア１３１の内壁に沿って配設されることができる。
【００４９】
図７Ａに示すように、ピストン１２１の組立及びアライメント中、逆止弁１２５はガス入口１２２をシールするように閉じられている。ガス源１１０は第１のガス入口１３３に接続されている。ガス源１１０から流れるガスは、コンプレッサボアキャビティ１３４を通して流れてガスベアリングポート１９１ａ−１９１ｄを抜け出し、クリアランスギャップ１２６に入り、ガスベアリングを駆動させる。ガスベアリングポート１９１ａ−１９１ｄからガスが流れることによって生じるクリアランスギャップ１２６内の圧力差は、コンプレッサボア１３１内でピストン１２１をセンタリングする。上述したように、一旦、ピストン１２１がコンプレッサボア１３１内にセンタリングされると、ピストンスプリング１５１は、ピストン１２１及びコンプレッサボア１３１間の回転カップリングを創り出すスプリングケージのような、実質的に側面で固定された構造に接続されることができる。図７Ｂに示すように、実質的に側面で固定された構造１７１に対するピストンスプリング１５１の取り付けは、コンプレッサボア１３１内でピストン１２１を回転中心１５２回りに回転させるフレックシャベアリングを創り出すが、コンプレッサボア１３１内でピストン１２１が横方向に動くのを防止する。
【００５０】
ある実施形態において、図７Ｂに示すように、ピストンはボンディング、溶接、蝋付け、グルーイングのような初期接続１７２を介して実質的に側面で固定された構造１７１に接続されることができる。組立工程中、パーツに触れたり操作する必要なく初期接続を作り出すことは、組立中、横方向に構成要素を歪ませることができるピストン１２１及び／又はコンプレッサ１３１への外力及びトルクを最小にする利点があり、アライメントクオリティに効果を挙げる。ある実施形態において、この初期接続７２はピストンスプリング１５１と実質的に側面で固定された構造１７１との間の接続にのみ存在することができる。代わりに、ある実施形態において、ピストンスプリング１５１及び実質的に側面で固定された構造１７１は、例えば１つ又は複数のネジで不変に接続されることができる。一旦、ピストンスプリング１５１が実質的に側面で固定された構造１７１に、単なる初期接続、又は、その代わりの初期及び不変の接続の両方のいずれかを介して接続されると、ガス源１１０は除去できる。通常の操作中、ガス入口１３３は、ガスベアリングポート１９１ａ−１９１ｄを通して流れるガス入口１２２を通してコンプレッサボアキャビティ１３４にガスを入れるために、例えばプラグ１２７で密封されることができ、コンプレッサボア１３１内でピストン１２１をセンタリングし、非摩擦ベアリングを実現するようにガスベアリングを駆動させる。
【００５１】
ある代わりの実施形態において、コンプレッサボアキャビティ１３４はガスベアリングポート１９１ａ−１９１ｄの駆動を選択的に制御するための複数の逆止弁を含むことができる。複数の逆止弁を用いる場合、組み立て中又は実行可能な修理工程中、全てのガスベアリングを開くことができる。例えば、ある実施形態において、図８に示すように、コンプレッサボアキャビティ１３４は、コンプレッサボアキャビティ１３４の端部でガス入口１２２に配置された第１の逆止弁１２５と、ガスベアリングポート１９１ｂ，１９１ｄ及びガスベアリングポート１９１ａ，１９１ｃの間に配置された第２の逆止弁１２８を含む壁１２９とを含む。壁１２９は、ガスベアリングポート１９１ａ，１９１ｃ及びガス入口１２２を含む第１のアクティブキャビティ１３５と、ガスベアリングポート１９１ｂ，１９１ｄを含む第２のキャビティ１３６とにコンプレッサボアキャビティを分離する。クーラの正常な操作中、逆止弁１２８はアクティブキャビティ１３５とインアクティブキャビティ１３６との間の圧力差によって自動的に閉じられ、ガスベアリングポート１９１ｂ，１９１ｄの使用を止める。
【００５２】
ある代わりの実施形態において、図９−図１４に示すように、上述した構造及び方法は、参照によって、ここで説明されているかのように、全てここに組み込まれている米国特許第６，１４１，９７１号明細書、第６，３２７，８６２号明細書、第６，４９９，３０４号明細書、第６，６９４，７３０号明細書及び第６，６８８，１１３号明細書に説明されているスターリングクライオクーラのようなスターリングクライオクーラ内でディスプレーサを組み立てるのに用いられることができる。図９に示すように、スターリングクライオクーラはコールドフィンガ２０１と、コンプレッサ部２０５とを備えている。上述した図３−５を参照して、コンプレッサピストン２２１はコンプレッサボア２３１内に整列され、ピストンスプリング２５１は実質的に側面で固定された構造２７１に取り付けられている。図９に関して、ディスプレーサ２００は未だ組み立てられていない。ディスプレーサボディ２０６及びディスプレーサロッド２１０を有するディスプレーサ２００は、コンプレッサピストン２２１のインナボア２２２とディスプレーサパーツ及び隣接する構造の間の摩擦を避けるためのコールドフィンガチューブ２４０との内側に同軸上に配設されていなければならない。ピストン２２１及びディスプレーサ２００はクリアランスシール２２６ａ−２２６ｄを介して、ディスプレーサボディ２０６とコールドフィンガチューブ２４０との間、ディスプレーサロッド２１０とヒートエクスチェンジャ２０８との間、ディスプレーサロッド２１０とピストン２２１のインナボア２２２との間、ピストン２２１とコンプレッサボア２３１との間がシールされている。このため、ディスプレーサボディ２０６と隣接するコールドフィンガ構成要素との間、ディスプレーサロッド２１０とピストン２２１の内径との間の径方向ギャップはタイトであり、ディスプレーサ２００と、コンプレッサボア２３１、ヒートエクスチェンジャ２０８及びコールドフィンガチューブ２４０を含む隣接する構成要素との間の径方向の遊びは、例えばある実施形態と同様に、数万分の１インチのように小さい。さらに、これは、摩耗を引き起こし、クーラのライフタイムを減少させるので、ディスプレーサボディ２０６は通常の操作中、コールドフィンガチューブ２４０のような隣接する構成要素に触れないことが重要である。
【００５３】
図９及び図１０Ａに示すように、ディスプレーサ２００は、組立中、クライオクーラの対称軸１に沿ってディスプレーサボディ２０６及びディスプレーサロッド２１０を整列させるため、及び、通常のクーラ操作中、ディスプレーサロッド２１０と隣接する構造との間の最適化されたガスベアリングの摩擦を実現させるためのガスベアリングを創り出すように、ディスプレーサ２００とヒートエクスチェンジャ２０８との間のクリアランスギャップ２２７内にガスを向けるのに用いることができる複数のガスベアリングポート２９１ａ−２９１ｂを有する。ガスベアリングポート２９１ａ−２９１ｂはヒートエクスチェンジャ２０８に隣接するディスプレーサロッド２１０に配置されている。図示された実施形態はディスプレーサロッド２１０の周囲に示されたガスベアリングポートに対して対称的に配置された２つの付加的なガスポート２９１ｃ−２９１ｄ（図示せず）を有する。加えて、他の実施形態において、更なる又は少ないガスベアリングポートがディスプレーサに沿って配置されることができる。クライオクーラの通常の操作中、圧縮ガスはガス入口２０２を介してディスプレーサキャビティ２０４に入り、ガスベアリングポート２９１ａ−２９１ｂ及び２９１ｃ−２９１ｄ（図示しない）を抜けてガスベアリングを駆動させる。
【００５４】
図９に示すように、回転中心２５４がクライオクーラの対称軸１上又は対称軸１付近に作り出されると、（図１０に示すように、）ディスプレーサ２００は回転中心２５４回りにのみ回転することができ、横方向には移動しないように、ディスプレーサロッド２１０及び実質的に側面で固定された構造２７１に取り付けられたスプリング２５３は軸方向に低いが、径方向に高い剛性を有する。図１０Ｂに示すように、通常の操作中、ガスベアリングの駆動は、クライオクーラの対称軸１に沿って適当なアライメントを達成するために回転中心２５４回りにディスプレーサ２００を回転させる。ディスプレーサロッド２１０の一端は、クーラの対称軸１に沿って回転中心２５４を有する回転カップリングによって支持されている。ガスベアリングの駆動中、ガスはガスベアリングポート２９１ａ−２９１ｂを通して誘導される。ガスベアリングは通常のクーラ操作中、ディスプレーサを整列させ、最適化されたベアリング摩擦を実現するために十分なディスプレーサ２００の回転移動を創り出す。
【００５５】
しかしながら、ディスプレーサロッド２１０の回転中心２５４の位置がクーラの対称軸１上又は対象軸１に近接している場合、ディスプレーサガスベアリングは適切にのみ働くことができる。図１０Ｃに示すように、ディスプレーサロッドの回転中心２５４とクーラの対称軸１との間のオフセット３００は、クーラ組立体内でディスプレーサ２００を傾斜させ、クーラ組立体に触れさせ、いくつもの位置で摩擦を生じさせることができる。例えば、ディスプレーサボディ２０６は位置３０１でコールドフィンガチューブ２４０に触れることができ、ディスプレーサ２００の自由な横方向移動が可能でないのでディスプレーサガスベアリングは部分的に使用が止められることができ、ディスプレーサロッド２１０は位置３０４及び３０５でピストン２２１のインナボア２２２に対してこすることができる。これは、ディスプレーサボディ２０６及びディスプレーサロッド２１０は、組立工程中、非摩擦ガスベアリングの適当な機能を引き出すために適切に予備的に整列されなければならないことを意味する。このアライメントの正確性は、数千、ある実施形態ではそれぞれ１万分の１インチの連結内で、実現されなければならない。これは、「手によって」達成するのが不可能というわけではないが、難しい。
【００５６】
図１１−図１３に示すように、ある実施形態において、ディスプレーサボディ２０６及びディスプレーサロッド２１０は、製造及び組立工程中、ディスプレーサガスベアリングを駆動させることによって、自動的に整列される。ここで、ディスプレーサロッド２０１はディスプレーサガスキャビティ２０４に流体的に連通したチャンネル２１１を含む。組立中、外部のガス源１１０はディスプレーサキャビティ２０４にガスを運ぶためにディスプレーサロッドチャンネル２１１に流体的に連通して配置されている。図１２に示すように、ディスプレーサガスキャビティ２０４は、組立工程中、ガス入口２０２を一時的にシールするように、ディスプレーサキャビティ２０４と周囲のボリュームとの間の圧力差によって閉じられるガス入口２０２に逆止弁２２５を有する。圧縮されたガスがディスプレーサキャビティ２０４に流れると、ガスはガスベアリングポート２９１ａ−２９１ｂを通してクリアランスシール２２６ｂに流れ、ガスベアリングを駆動する。このため、ディスプレーサ２００は持ち上げられてクーラの対称軸１に沿ってセンタリングされる。上述したように、組立中、ガスベアリング圧力は、通常の操作中、クーラ内でディスプレーサキャビティ最大容量又は最大圧力よりもむしろ、外部のガス源１１０の圧力によって決められる。このため、通常のガスベアリング力よりも高いベアリング力は、アライメントを改良し、及び更に安定した製造工程とすることができる。加えて、ある実施形態において、ガスベアリングによって引き起こされるリフト効果を視覚化するためにクーラが水平に示されている間、組み立て中、クーラの垂直方向が用いられることができる。この垂直方向は例えば重力のような側方からの力を減少させて最小化し、アライメントクオリティを改善する。
【００５７】
さらに、このように図示された実施形態において述べられているように、ガスベアリングはディスプレーサロッド２１０に配設されたガスベアリングキャビティ２０４を有するディスプレーサ２００内に一体的に複数のガスベアリングポート２９１ａ−２９１ｂを備え、ガスベアリング力はコンプレッサピストン及びコンプレッサボアに対して上述したようにいくつかの実施形態において、ヒートエクスチェンジャ２０８に向かってディスプレーサロッド２１０から径方向外方に向かう方向に向け、ガスベアリングキャビティはディスプレーサに隣接するヒートエクスチェンジャ２０８のような静止した構成要素に配置されることができる。
【００５８】
図１２に示すように、ディスプレーサ２００がクーラの対称軸１に沿って実質的に整列されると、ディスプレーサロッド２１０の端部はディスプレーサスプリング２５３に接続され、このため、実質的に側面で固定された構造２７１にディスプレーサを間接的に取り付け、ディスプレーサ２００が回転できる回転中心２５４を作り出す。ここで、ディスプレーサスプリング２５３が回転中心２５４回りにディスプレーサロッド２１０及びディスプレーサボディ２０６を回転させることができるフレクシャベアリング又は回転カップリングとして作用するように、ディスプレーサスプリング２５３はスプリングケージのような実質的に側面で固定された構造２７１に接続されるが、ディスプレーサボディ２０６及びディスプレーサロッド２１０（図１０Ｂも参照）の実質的な横方向の移動を防止する。ある実施形態において、ディスプレーサロッド２１０は、初期には、構成要素に触れたり動かしたりするのを要求されないグルー（図示せず）のような一時的な接続を有するディスプレーサスプリング２５３に接続され、組み立て中、ディスプレーサロッド２１０を径方向に歪ませ、アライメントクオリティに影響を与える外側の力を防止することができる。ディスプレーサロッド２１０がディスプレーサスプリング２５３に一時的に接続されていると、１つ又は複数のネジ、溶接、蝋付けのような付加的な機械的接続２７３はディスプレーサロッド２１０及びディスプレーサスプリング２５３を不変に固定するのに役立たせることができる。
【００５９】
ディスプレーサロッド２１０及びピストンスプリング２５３が不変的に接続されると、外部のガス源１１０は除去されることができる。ディスプレーサロッド２１０の先端は、クーラの対称軸１上又は対称軸１近傍で不変に固定されている。スプリングケージ２７１に接続されたディスプレーサスプリング２５３はフレクシャベアリングとして作用し、クーラデザインの意図によりディスプレーサロッド２１０及びディスプレーサ２００を傾斜すなわち回動させ、並びに振動させることができる。図１３に示すように、ディスプレーサロッドチャンネル２１１は仕切られなければならず、このため、通常のクーラ操作中、ガスベアリングは適切に機能することができる。ある実施形態において、ディスプレーサロッドチャンネル２１１はディスプレーサロッド２１０の先端でプラグ２６０に不変的にシールされることができ、又は、代わりに、ある実施形態において、ディスプレーサキャビティ２０４に配置された第２の逆止弁は（上述したようにピストンに対して）ディスプレーサロッドチャンネル２１１を反転可能に仕切るように用いられることができる。第２の逆止弁は通常のクーラ操作中、ディスプレーサキャビティ２０４とディスプレーサロッドチャンネル２１１との間の圧力差により、ディスプレーサキャビティ２０４及びディスプレーサロッドチャンネル２１１の間の開口を自動的にシールすることができる。
【００６０】
ある代わりの実施形態において、図１４に示すように、ディスプレーサロッドチャンネル２１１は付加的なボリュームキャビティ２６２に近づけることができる。付加的なボリュームキャビティ２６２はディスプレーサキャビティ２０４のボリュームを補うための付加的なボリュームを提供することができ、通常のクーラ操作中、ガスベアリング２９０のためのより増したトータルボリュームを提供することができる。ある実施形態において、増やされたボリュームはディスプレーサ２００を整列させるために十分な圧力でガスベアリングを操作させることを要求されることができる。ある実施形態において、例えばガスベアリングのための限られたボリュームを有する小さなシステムでは、付加的なボリュームキャビティ２６２は、通常のクーラ操作中、十分なガスベアリング力を提供するために必要なレベルにボリュームを増すように用いられることができる。
【００６１】
ある実施形態において、図１５−図１７に示すように、付加的な工程は、アライメント及び組み立て工程中、ピストン２２１及びディスプレーサ２００のいずれか又は両方のピストン軸センター位置を制御することが必要とされている。例えば、図１５に示すように、組立工程中、ガスベアリングの駆動は、アライメント及び組み立てクオリティに対するネガティブな影響を有するシステム内の不要な圧力差を発生することができる。この基本的問題は、図１３に示すスターリングクーラの組立中、ピストン及びディスプレーサガスベアリングの駆動に用いる。
【００６２】
この問題は図１５に示され、ガスベアリングが駆動している間、圧力差によってピストンが軸方向に変位することを図示している。ガス源１１０からピストンキャビティ２２４に一定に一方向に流れるガスは、コンプレッションスペース３１０内でのガス圧を増大させる。ピストン２２１及びディスプレーサロッド２１０はクリアランスシール２２６ｂ−２２６ｄを備えているので、ある圧力差はこれらシールを通してバックスペース３３０にガスが流れるのを開放することが要求される。これら圧力差は、たいていの場合、クーラを適切に組み立てるために受け入れられない状態となるピストン２２１を軸方向に変位させる。このため、反力がピストン２２１を軸方向中心に維持することが要求される。
【００６３】
垂直方向に構成要素を整列させている間、ある選択肢（オプション）は、反力を提供するために重量（重力）を用い、圧力差を相殺する。このチャレンジはピストンの対称軸で重量の重心を径方向に整列させることである。そうでなくとも、ピストンは傾斜され、アライメントプロセスは妥協される。
【００６４】
図１６Ａ−図１６Ｂには反力を要求された駆動のための代わりの改善された方法を示す。ここで、クーラモータ３００は組立及びアライメントプロセス中、ピストン２２１を軸方向にセンタリングした状態を維持する反力を提供するように駆動されている。モータ３００は、例えばＵ字形状積層物３２０の内側及び外側積層物と、モータコイル３５０と、移動磁石３４０とを有する。モータ３００は殆ど完全な軸方向力を発生させるために形成されて最適化され、操作中にピストンへの側方からの荷重を防止する。一定のモータ力は組立中にパワーサプライ３６０によって供給される直流電流でコイル３５０に電気を供給することによって発生されることができる。電流の方向は力の方向を決定する。図１６Ｂに示すように、クーラの組立を完了するために最後のボンディング作業中、ピストンを要求された軸方向位置に配置し、その状態を維持するために、ガス圧力に逆らうように電流が調節され又は自動的に調整されることができる。図１７はディスプレーサ２００が整列され、組み立てられる間の類似した状態を示す。ガスはガス源１１０からガスベアリングポート２９１ａ−２９１ｂを通してディスプレーサキャビティ２０４に流れ、クーラのワーキングスペース及びクーラの特にコンプレッションスペース３１０を加圧する。上述したように、ピストン２２１及びディスプレーサロッド２１０はクリアランスシール２２６ｂ−２２６ｄを備え、ある圧力差はこれらシールを通してバックスペース３３０に流れるガスを開放することが要求されている。これらピストン２２１の軸方向に変位させることが可能な圧力差は、パワーサプライ３６０によって供給される直流電流を用いるモータ３００を駆動することによって逆らわれる。上述した方法は、移動コイル又は他のタイプのリニアモータを有するスターリングクーラ又はスターリングエンジンに用いることができる。
【００６５】
前述の発明は、発明の明確性及び理解のために図示及び例によって幾つか詳細に説明したが、この発明は、ある変更や改良が添付のクレームの精神又は範囲から逸脱することがなくなされ得ることが、この発明の教示の観点から当業者に容易に理解され得る。
【００６６】
例えば、この発明の方法は、これらの通常の操作中、ガスベアリングを使用しない往復動体又は回転体を有する構造内に用いられることができる。この方法及び装置は、このような構造を用いることができ、ガスベアリングは上述したように、アライメントすなわちセンタリング作業のために用いられる。ガスベアリングは無効になり得、すなわち、ガスベアリングが要求されない通常の操作から除去される。
【００６７】
他の実施形態において、説明したアライメント方法は、ピストン、ディスプレーサ及びモータ構成要素を支持するために対応した構造（コンプライアント構造）又は非対応の構造（ノンコンプライアント構造）に有するクーラに用いられることができる。
【関連する出願】
【０００１】
この出願は“Method for Centering Reciprocating Bodies and Structures Manufactured Therewith”と題名が付けられた、２００７年８月１７日に出願された米国仮出願番号60/659,434の利益を主張する２００８年２月２８日に出願された米国特許出願番号12/039,332号の利益を主張し、これら出願を参照することによりそっくりそのまま組み込むものである。
【技術分野】
【０００２】
これらの発明は、ボア内での往復動体のセンタリング方法、および、これら技術を用いて製造された構造体に関する。より詳細には、この方法及びデバイスは、クライオクーラ及びモータの、最も詳細にはスターリングサイクルクライオクーラ及びモータの組立体及びデザインのために大いに応用される。
【背景技術】
【０００３】
種々の構成要素は、オルタネータロッドのような対応した構造にリンクされた流体ベアリングに備えられたスターリングクーラを形成する。このデザインは、通常工程中、コンプレッサボア内で往復動コンプレッサピストンをセンタリングするために用いられる。
【０００４】
米国特許第5,525,845号明細書では、チャンバ内で往復動体を支持する流体ベアリングを有する機械的なトランスデューサのための「対応した」リンケージについて説明している。この往復動体は、リニアスターリングクーラに用いられるコンプレッサピストンであり得る。対応するリンケージは、ピストンからコンプレッサボアに適切にアライメントするために要求された横方向移動を導くように、ピストンを受け入れる。図１Ａ−図１Ｂは、ガスベアリングによって発生したアライメントプロセスを示す。
【０００５】
ピストンは通常、リーフスプリングに接続されている。リーフスプリングの軸方向バネ剛性は相対的に低く、径方向のバネ剛性は通常相対的に高い。リーフスプリングは、コンプレッサボアの対称軸に対して軸平行方向のために僅かに要求されたトルクで回転及び配列されるようにピストン軸を受け入れる。しかしながら、ピストン軸単独の回転は、ピストンからコンプレッサボアに適切にアライメントするのに十分ではない。図１Ａの右側に示すように、ピストン軸の第２の横方向移動は、アライメントを得ることを要する。このデザインは、相対的に低いバネ剛性を有する横方向バネのように働く、対応する構造又はリンケージにリーフスプリングを接続することであり、このため、「ボディに及ぼされる他の全ての横方向の力の合計に少なくとも等しい、流体ベアリングによって及ぼされるセンタリング力のために十分な…」高い横方向従順性を有し、（ピストンは、）例えばスターリングクーラのコンプレッサ部のような「トランスデューサの通常操作中、リンケージによってボディに及ぼされる横方向の力を含む」。
【０００６】
対応する構造は、例えば、横方向にフレキシブルで軸方向に剛性がある「オルタネータロッド」を用いることによって、実現され得る。この構造は概略的に図１Ａに示され、対応する構造のための代替的な選択肢（オプション）を与えている。図１Ｂに概略的に示されている変形されたリーフスプリングは、横方向に対応する構成要素として機能することができる。
【０００７】
ここで説明した従来のデザインには多数の不都合がある。ピストン及び他の関連構成要素の組立体は、クーラの性能及び長寿命を裏付けることが重要である製造工程に依存する種々のやり方を要求する。多数のクーラの製品の問題は、不適当なピストン及びディスプレーサアライメントに関する。
【０００８】
米国特許第5,525,845号明細書は、全ての他の横方向力の合力に少なくとも等しくならなければならないことを指摘する。
【０００９】
これは、組立工程中、ピストンが非摩擦ベアリングとして適切な機能を発揮するために、適切に予め配列されていなければならないことを意味する。変形され又は調整不良のオルタネータロッドは、利用できる最小のガスベアリング圧力によって制限されるガスベアリング力を提供するよりも大きい付加的な横方向力を引き起こすことができる。
【００１０】
ピストンのアライメントの問題、すなわち、ピストン側に付加される力は、例えば、スターリングクーラが最小入力条件で実行し、ガスベアリング剛性が同様に最小に到達する場合、なおさら重要になり得る。ガスベアリング剛性は、クーラのコンプレッションスペース内で発生した入力依存圧力波の機能である。
【００１１】
予備的なアライメントプロセスのクオリティは、ピースパーツのクオリティ及び許容誤差によって決定される。特に、数千分の１インチから数万分の１インチのようなタイトな許容誤差は、製造中、案内されるピストン側の力を最小にするように維持されなければならない。
【００１２】
生産の際の組立プロセスは、好ましくは訓練を受けたオペレータによって丁寧に行われなければならない。道具は有用である。しかしながら、アライメントプロセスのクオリティは未だオペレータに依存している。
【００１３】
代替的な方法では、ガスベアリングを整列させる複雑で高価な方法を用いる。例えば、米国特許第7,043,835号明細書は、ボア内でボディの位置を計測し、ボア内でボディをセンターに配置するようにボディのピストンを調節するマイクロアクチュエータのためのコンピュータシステムを提供する。
【００１４】
以下の文献は潜在的に関連する背景として引用する。それは、１９９６年６月１１日に発行された米国特許第5,525,845号明細書「Fluid Bearing With Compliant Linkage For centering Reciprocating Bodies」(以下、Beale et al.という)、１９５９年１０月６日に発行された米国特許第2,907,304号明細書「Fluid Actuated Mechanism」(以下、Macksという)、１９８５年１０月８日に発行された米国特許第4,545,738号明細書「Linear Motor Compressor With Clearance Seals And Gas Bearings」(以下、Youngという)、１９８３年６月１４日にファイルされた米国特許第4,387,568号明細書「Stirling Engine Displacer Gas Bearing」(以下、Dineenという)、ICC 11 Paper「Performance and Reliability Improvements in a Low-Cost Stirling Cryocooler」(以下、Hanesという)、米国特許第(10467.0063US01)号明細書で「Cryocooler Cold-end Assembly Apparatus And Method」(以下、O’Baid et al.という)である。前述の参考文献は、参照によってこの明細書中で十分に陳述したかのように取り込まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】米国特許第５，５２５，８４５号明細書
【特許文献２】米国特許第７，０４３，８３５号明細書
【特許文献３】米国特許第２，９０７，３０４号明細書
【特許文献４】米国特許第４，５４５，７３８号明細書
【特許文献５】米国特許第４，３８７，５６８号明細書
【特許文献６】米国特許第（１０４６７．００６３ＵＳ０１）号明細書
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】ICC 11 Paper「Performance and Reliability Improvements in a Low-Cost Stirling Cryocooler」
【発明の概要】
【００１７】
方法はチャンバ内の往復動体を組み立てるために提供され、往復動体はチャンバに対して実質的に側面で固定された構造に回転カップリングを通して接続され、往復動体は、ガス入口と、チャンバに配設された１もしくは複数のガスベアリングポートとを有し、ガス入口及びガスベアリングポートは流体を連通状態にある。通常の工程は、第１にチャンバ内に往復動体を提供することを含む。第２に、チャンバ内でチャンバの側壁に対して非接触関係に往復動体を配置するのに少なくとも十分な圧力で、往復動体が実質的に側面で固定された構造（２）に接続させないのと同時に、ガスベアリング（１）に対してガス入口を通してガスが流される。その後、回転カップリングは、実質的に側面で固定された構造に加えられる。最後に、ガスの流れは止められる。
【００１８】
この組立方法は、新規なスターリングサイクルクライオクーラの組み立てに特に有用である。このようなスターリングサイクルクライオクーラは、ピストンと、ピストンを含むように適用されたコンプレッサボアと、ピストンへのガス入口と、ピストン内に配設され前記コンプレッサボアに配設されているとともにガス入口に流体連通している複数のガスベアリングポートと、ピストンに一端が取り付けられた回転カップリング構造と、コンプレッサボア及び回転カップリング構造に直接的又は間接的に連結される実質的に側面で固定された構造とを備えている。間接的な付加物（アフィックス）は１つであり得、ハウジング又は他の構造はコンプレッサボアに対して実質的に側面で固定された構造を連結する。
【００１９】
この発明の態様において、主にコンタクトフリーピストンベアリングは、ガスベアリングによって支持される実質的に側面で固定されたフレクシャベアリングを構成する。ピストン対称軸は適切なピストンアライメントを達成するためにコンプレッサボアの対称軸に配設された回転中心回りに傾斜又は回動することができる。従来技術で提供されたようなピストン対称軸の横方向の移動は、もはや要求されない。
【００２０】
この方法のある１つの実施において、クーラガスベアリングシステムの駆動は、クーラの組立中、第２の入口を通してガスベアリングキャビティを加圧することによって生じる。これは１つの工程でピストンを整列させるために、自動的で、効率的で、速い組立工程である。「回転」は必要としない。アライメントのクオリティはオペレータに依存しない。この構造及び方法はスターリングサイクルクーラに特に有益であり、チャンバ内で往復動体を有する他のデバイスのために用いられ得る。例えば、ボア内でシリンダを有するモータはここで説明される構造及び方法を用い得る。他の実施形態において、ここで説明される方法は、ボア又はチャンバ内で回転体をセンタリング又は整列させるために用いられ得る。例えば、この方法はシリンダ内で回転体を整列させるために用いることができ、タイトクリアランスシールは、回転体及び、タービン又は真空ポンプのような静止したボディの間に必要とされる。回転体が整列させられると、径方向に実質的に側面で固定されたベアリングは、横方向に回転体を固定し、安定させるために用いられ得る。
【００２１】
この発明のある任意的な態様において、改良されたピストン組立体およびアライメントプロセスは、通常のクーラ操作中、通常のキャビティ圧力よりも高い、高められたガスベアリング圧力を用いることによって達成される。より高い圧力は、より高いセンタリング力、及び、より良いアライメントを意味する。
【００２２】
さらに他の態様において、ある方法はピストンのアライメントクオリティ（例えば、最小の横方向力を要求すること）に影響することなしで、実質的に側面で固定された構造に対してピストン及びピストンスプリングを接続するために与えられる。
【００２３】
他の態様において、第２の逆止弁は、通常のクーラ操作中、自動的に第２の入口を近づけるのに用いられることができ、是正された駆動又はクーラの修理が必要である場合、僅かな試みで複数回の入口の駆動を許容する。
【００２４】
随意的に、ガスベアリングポートが要求されない不通となることによって、通常のクーラ操作中に「駆動された」ガスベアリングポートの数が減少する。全てのガスベアリングポートの駆動は、組立プロセス中にのみ発生する。これは、限られた信頼性要求事項によりガスベアリングポート及び絞り弁（レストリクタ）要素が一時的に使用されるためにコストが最適化されたデザインを受け入れている。
【００２５】
生産における重要なアライメントプロセスを単純化することが更なる目的である。
【００２６】
製品収量を増加し、クーラ不成功のリスクを減少することが更なる目的である。
【００２７】
クーラプロダクションコストを減少させることがこの発明の更なる目的である。
【００２８】
実質的に側面で固定されたデザインが認識され得ない場合、対応するデザインを用いるアライメントを受け入れるための単純化されたデザインアプローチを提供することがこの発明の更なる目的である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１Ａ】図１Ａは、側面に対応したオルタネータロッドを有する往復動体のための対応したデザイン（コンプライアントデザイン）を示し、通常の操作中、アライメントはガスベアリングを駆動することによって達成されることを示す。
【図１Ｂ】図１Ｂは、側面に対応する構成要素としてリーフスプリング／フレクシャスプリングを含む対応したデザインの別の実施形態を示す。
【図２Ａ】図２Ａは、チャンバ内での往復動体のための実質的に側面で固定されたデザインの実施形態を示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２Ａの実施形態を示し、通常のクーラ操作中、ガスベアリングを動作させることによってピストンが整列されることを示す。
【図３】図３は、組立中、ガスベアリングを駆動させるための外部のガス源を用いることによってコンプレッサボアに対してピストンを整列させる方法を示す。
【図４】図４は、グルーを用いる実質的に側面で固定された構造に対して図３の整列されたピストンを一時的に接続する方法を示す。
【図５】図５は、ネジを用いることによってピストンスプリングと図４の実質的に側面で固定された構造を不変的に接続する方法を示す。
【図６Ａ】図６Ａは、ガスベアリングポートを選択的に駆動させるために２つの逆止弁を有する別の実施形態を示す。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ａの実施形態を示し、組立工程中、第２の逆止弁が全てのガスベアリングポートの駆動を許容するための開口であることを示す。
【図６Ｃ】図６Ｃは、図６Ｂの実施形態を示し、通常の操作中、第２の逆止弁がガスベアリングポートのいくつかを非駆動するように閉じられたことを示す。
【図７Ａ】図７Ａは、別の実施形態を示し、ガスベアリングキャビティが静的なコンプレッサボア内に配置されていることを示す。
【図７Ｂ】図７Ｂは、図７Ａの実施形態を示し、グルーがピストンスプリングと実質的に側面で固定された構造とを接着するために使用されていることを示す。
【図８】図８は、別の実施形態を示し、コンプレッサボア内に一体的なガスベアリングキャビティがガスベアリングポートを選択的に駆動させるために２つの逆止弁を有することを示す。
【図９】図９は、整列され、組み立てられる状態のディスプレーサの断面図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、ディスプレーサガスベアリングを示すディスプレーサの断面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、ガスベアリングが駆動したとき、回転中心回りにディスプレーサを回転させることを示すディスプレーサの断面図である。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、クーラ組立体内でミスアライメントされたディスプレーサの断面図である。
【図１１】図１１は、ガスベアリングを駆動するための外部のガス源を用いることによって組立中、ディスプレーサを整列させる方法を示す。
【図１２】図１２は、実質的に側面で固定された構造に対して図１１の整列されたディスプレーサを間接的に接続する方法を示す。
【図１３】図１３は、ディスプレーサが実質的に側面で固定された構造に対して接続された後、図１２のディスプレーサキャビティをシールするための方法を示す。
【図１４】図１４は、付加的な外部キャビティボリュームを用いるディスプレーサキャビティをシールする代替的な方法を示す。
【図１５】図１５は、組立中、単一方向のガスフローによって引き起こされる加圧されたコンプレッションスペースにより、軸方向に変位されたピストンを示す。
【図１６Ａ】図１６Ａは、組み立て中、ピストンの軸中心位置を制御するとともに、クーラモータを駆動させることによってピストンのアライメントを制御する方法を示す。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、ピストンの軸位置を制御し、センタリングするために、ガス圧力に対抗するモータ力を示す。
【図１７】図１７は、ディスプレーサの組み立て中、クーラモータを駆動することによってピストンをセンター位置に制御する方法を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
より詳細には図面によるが、図１Ａ−図１Ｂには、対応する構造にリンクされた流体ベアリングを有するリニアスターリングクーラのためのコンプレッサピストンのような、往復動体のセンタリング方法を示す。図１Ａにおいて、ピストン２はコンプレッサボアの対称軸１に沿ってコンプレッサボア３内で往復動するように構成されている。ガスベアリング９ａ−９ｄが駆動された場合、ピストン２及びその対称軸６は矢印７で示すように対称軸１に沿って回転することができ、コンプレッサボア３内で整列されるように矢印８の方向である横方向に移動し得るように、ピストン２がリーフスプリング５および横方向に対応するオルタネータロッド４に接続されている。その代わり、図１Ｂに示すように、構成を少し変えたリーフスプリング５´はピストン２に接続され、コンプレッサボア３内でピストン２を整列させるようにピストン２の回転７および横方向の動き８を許容する、側面に対応する要素として機能し、非摩擦ベアリングを実現する。
【００３１】
このようなデザインは、「対応する（コンプライアント）」デザインを使用する。ある「対応する」デザインは、往復動体とボアとの間のリンケージによって往復動体に及ぼされる側面の位置からを含む他の全ての側面からの力の合算に少なくとも等しい、流体ベアリングによって及ぼされるセンタリング力のための、例えば、ある力に応じて横方向に歪む能力のような十分な横方向の追従性を有し、その結果、摩擦がデバイスの寿命を減少させないように、非摩擦ベアリング又は摩擦を最適化したベアリングを有効に創り出すように、流体ベアリングにセンタリング力を与える。
【００３２】
図２Ａ−図２Ｂに示すように、あるボア内での往復動体のデザイン及び組立体は、実質的に側面で固定されたデザインのような非対応のデザイン（ノンコンプライアントデザイン）を用いることによって実質的に単純化されることができる。横方向の往復動体の少なくとも一端がガスベアリングではなく構造上の力によってチャンバすなわちボア内で実質的に径方向にセンタリングされて固定される場合、実質的に側面で固定されたデザインは、組立の最終工程で達成されることができる。往復動体が回転中心回りにのみ回転し横方向に移動しないように、往復動体は実質的に側面で固定された構造に接続されている。当業者は十分な横方向の力が横方向の動きを引き出すことを認識するが、往復動体に通常駆動される全ての横方向の力の積算は、往復動体がチャンバ壁にコンタクトする横方向の動きを生み出すのには不十分である。ガスベアリングの駆動は、適切なアライメントを達成するために往復動体を回転中心回りに回転させる。このため、通常の操作中、往復動体の横方向の動きは往復動体を整列させ、非摩擦ベアリングを実現することは要求されない。
【００３３】
この組立方法は、新規なスターリングサイクルクライオクーラの組立体に特に有益である。この組立方法は、スターリングクライオクーラの実施形態について説明され、ここに説明された技術および構造は、ボア内で往復動するピストン又は他の往復動でバイスを有するスターリングサイクルモータのような、チャンバ内に往復動体を有するいずれのデバイスに用いられることができる。
【００３４】
図２Ａに示すように、ある実施形態の、実質的に側面で固定されたスターリングサイクルクーラは、ピストン２１と、ピストン２１を含むように適用するコンプレッサボア３１と、ピストン２１へのガス入口２２と、ピストン２１内に配設されコンプレッサボア３１に配設されガス入口に流体連通された複数のガスベアリングポート９１ａ−９１ｄと、ピストン２１の端部に取り付けられた回転カップリング構造５１と、コンプレッサボア３１および回転カップリング構造５１を連結する実質的に側面で固定された構造７１とを具備する。断面の説明として、４つのガスベアリングポート９１ａ−９１ｄが示されているが、ピストンの周囲周りの図示されたガスベアリングポートに対して対称的に配設された付加的な４つのガスポート９１ｅ−９１ｈ（図示せず）を有することが理解されることができる。加えて、他の実施形態において、より多く又は少ないガスベアリングポートは、ピストンの長手方向及び軸方向回りに沿って配設されることができる。
【００３５】
図２Ａに示すように、ピストン２１はフレクシャベアリングを有するリーフスプリングのようなピストンスプリング５１によってコンプレッサボア３１内に浮遊されている。組立工程中、ピストン２１がコンプレッサボア３１の対称軸１上に実質的に配設されると、ピストンスプリング５１は実質的に側面で固定された構造７１に接続される。このため、ピストンの対称軸６は方向７に向かって回転中心５２回りに回転することができるように、ピストン２１の一端がコンプレッサボアの対称軸１上又は近接したポイント５２に固定され、もはや横方向に移動することができない。ポイント５２でピストン２１の一端を固定することは、ピストンスプリング５１をフレクシャベアリングのように働くことを要求する。
【００３６】
通常の組立作業中、図２Ｂに示すように、ピストン２１の一端は実質的に側面で固定された構造７１に接続されたフレクシャベアリング５１によって支持され、ピストン２１の他端は、ガスベアリングポート９１ａ−９１ｄ及び９１ｅ−９１ｈ（図示せず）を通して送り込まれたガスを介してガスベアリングによって持ち上げられ、コンプレッサボア３１内でピストン２１をセンタリングし、実質的に非摩擦ベアリングを達成する。ピストンがコンプレッサボア３１の対称軸１上にセンタリングされるまで、ガスベアリング力は回転中心５２回りの方向７（図２Ａ参照）に向かってピストン２１を回転させる。実施の形態において図示されているように、８つのガスベアリングポート９１ａ−９１ｄ及び９１ｅ−９１ｈ（図示せず）はピストンを整列させるのに必要となる回転力を創り出すように設けられている。他の実施形態において、ガスベアリングは有効なセンタリング力を創り出すことが要求されるように、８つより多くの又は少ないガスベアリングポートを含むことができる。加えて、以下により詳細に説明するように、幾つかの実施形態において、１つ又は複数の付加的なガスベアリングポートは、往復動体をセンタリングするようにガスベアリングに必要な圧力に依存して、必要に応じて選択的に駆動され及び駆動が止められることができる。さらに、「センタリングすること」又は「中心に移動すること」の言及は、ボアのような構造中心で往復動体の正確な物理的な配置を要求しないことが、当業者によって高く評価される。むしろ、往復動する構造は、摩擦接触を避けるように互いから十分に離れて動くことが要求される。
【００３７】
図２Ｂに示すように、実質的に側面で固定された構造７１に接続されたフレクシャベアリングによってピストン２１の一端を支持すること、ガスベアリングを有するピストン２１の他端を持ち上げることは、この発明の背景技術で説明されたように、横方向に対応する構成要素の変形によって引き起こされる、予測できないピストン側荷重の反動を排除する。主な困難は、ピストンを適切に整列し、ガスベアリングを駆動することによって非摩擦ベアリングを達成することができるように、不変的にコンプレッサボア３１の対称軸１上又は近接する回転中心５２を配置するように機能させることである。
【００３８】
図３−図５に示すように、ある実施形態において、ピストン２１は製造及び組立工程中、コンプレッサボア３１に対して自動的に整列されることができる。例えば、組立中、ピストン２１はコンプレッサボア３１内に浮遊され、かつ、フレクシャベアリングを有するピストンスプリング５１に接続される。ケージのように実質的に側面で固定された構造７１はコンプレッサボア３１に固定されている。ピストンスプリング５１は未だ、実質的に側面で固定された構造７１に取り付けられていない。このため、ピストン３１は軸方向および横方向の両方に動くことが可能で、コンプレッサボア３１及び実質的に側面で固定された構造７１に対して整列されている。ピストン２１はピストンキャビティ２４に出し入れ可能に提供する第１のガス入口２２及び第２のガス入口２３を有する。この第１及び第２のガス入口２２，２３は両方がガスベアリングポート９１ａ−９１ｄに流体的に連通している。第１のガス入口２２は逆止弁２５を用いて開閉される。
【００３９】
組立および整列工程中、逆止弁２５は第１のガス入口２２をシールするように閉じられている。ガス源１１０は第２のガス入口２３に取り付けられている。ガス源１１０が第２のガス入口２３に流体的に連通した場合、ガスはピストンキャビティ２３およびガスベアリングポート９１ａ−９１ｄを通して、コンプレッサボア３１とピストン２１との間の隙間２６に流れ、ガスベアリングを駆動させる。ガスベアリングポート９１ａ−９１ｄから流れるガスによって引き起こされる隙間２６内での圧力差は、その全体をここに取り込む例えばDesign of Aerostatic Gas Bearings By J. W. Powell B.Sc. (Eng), Ph.D (The Machining Publishing Co., LTD.)により詳細に説明されているコンプレッサボア３１内でピストン２１をセンタリングすることができる。
【００４０】
このため、ピストン２１は、オペレータによる手動調整の必要なく、製造工程中コンプレッサボア３１に対して「自動的に」整列させられることができる。更なるアライメントツールは要求されない。スターリングクーラ構造は、それ自体、アライメントツールを具備する。さらに、ガスベアリング圧力は、通常操作中スターリングクーラ内での最小有効圧力、又は、ピストンキャビティ体積によって制限されない。むしろ、組立中、ガスベアリング圧力は第２の入口２３を介してピストン２１に接続されたガス源１１０の圧力によって決定される。初期の組立及びアライメント工程中、ガス源１１０は、通常のクーラ操作中に可能であるよりも高いガスベアリング圧力を創り出す、通常のキャビティ圧力よりも高い、高められたガス圧を用いることができる。高められたガスベアリング圧力は、改良されたアライメント及びより安定した製造工程のためにピストンをセンタリングする力を増加することができる。
【００４１】
図４および図５に示すように、ピストン２１がコンプレッサボア３１の対称軸１に沿って配列されると、好ましくは径方向に高く軸方向に低い剛性を有するスプリングであるピストンスプリング５１は、ピストン２１及びコンプレッサボア３１の間に回転カップリングを創り出すためのケージのような、実質的に側面で固定された構造７１に接続されることができる。回転カップリングがコンプレッサボア３１の対称軸１に対してピストンを軸方向に移動させることができるが、コンプレッサボア３１に対するピストン２１の横方向の移動を防止するように、実質的に側面で固定された構造７１に対するピストンスプリング５１の接続によって創り出された回転カップリングは回転中心５２を有し、ガスベアリングを駆動させるための外部の圧力源１１０が除去された後、通常の操作中、対称軸１に沿ってセンタリングされたピストン２１を維持する。
【００４２】
ピストンスプリング５１は例えば１つの工程又は２つの工程を介して、実質的に側面で固定された構造に接続されることができる。例えば、ある実施形態において、図４に示すように、ピストンスプリング５１は初期の接続７２を形成するように実質的に側面で固定された構造７１に対して初期に結合されている。幾つかの実施形態において、結合することは、接着（グルー）、ＴＩＧ溶接、蝋付け、又は他の幾らかの工程を有することができる。初期の接続７２を創り出すためにグルーを用いることは有利であり、グルーは、組立工程中、部品に触れ、又は操作する必要性を除去する。このため、この方法は、組立中、横方向に構成要素を歪ませ、アライメントクオリティを害し得る付加的な外力及びトルクを実質的に排除する。幾つかの実施形態において、この初期の接続７２は、ピストンスプリング５１と実質的に側面で固定された構造７１との間を唯一接続することができる。例えば、幾つかの実施形態において、ピストンスプリング５１及び実質的に側面で固定された構造７１は、接着（グルーイング）、蝋付け又は溶接によって単に連結されることができる。
【００４３】
他の実施形態において、図５に示すように、初期の接続７２は一時的な接続とみなされ、第２の恒久的な接続によって接続される。例えば、ピストンはグルー７２によって初期には一時的に接続されることができる。そして、ピストンスプリング５１が実質的に側面で固定された構造７１に一時的に接続されると、ピストンスプリング５１及び実質的に側面で固定された構造７１が恒久的に接続されることができる。図５に示すように、幾つかの実施形態において、ピストンスプリング５１及び実質的に側面で固定された構造７１は１つ又は複数のネジ７３によって恒久的に接続されることができる。ピストンが回転中心５２回りに方向７に向かって回転可能であるが、横方向に移動することができないように、ピストン２１の一端はコンプレッサボアの対称軸１上又は近接したポイント５２に固定されている。
【００４４】
ガス源１１０が除去された後、第２のガス入口２３は仕切られなければならず、操作中、ガスベアリングが第１のガス入口２２を介して再び通常に機能することができる。幾つかの実施形態において、図５に示すように、第２のガス入口２３はプラグ２７で閉じられることができる。代わりの実施形態において、第２のガス入口２３は第２の逆止弁を介して挟まれ又は閉じられることができる。第２のガス入口は恒久的に閉じられ、又は、アライメントを是正することやクーラの修理に必要であれば、第２のガス入口のためのクロージャは入口の後に続いて使用を許可するように反転することができる。例えば、幾つかの実施形態において、通常のクーラ操作中に第２の逆止弁が自動的に閉じるように用いることができるが、ガス入口が必要とされている場合、僅かな付加的な試みで再び駆動されることができる。
【００４５】
図面及び上述した説明のように、この発明は、組立中、構成要素が水平方向に配置され、ボア内での往復動体の組立方法について熟慮したものである。組み立て中、ピストン及びボアを垂直方向に向けるのに有利であるさらに、代わりの方法において熟慮される。垂直配置において、重力はボアにピストンを引き入れず、ガスベアリングから要求されたセンタリング力を小さくすることができ、アライメントクオリティを改善できる。
【００４６】
幾つかの実施形態において、図６Ａ−図６Ｃに示すように、ピストンキャビティ２４は、ピストンキャビティ２４にアクセスする流体を供給するための複数の逆止弁を有しガスベアリングポート９１ａ−９１ｄの操作を選択的に制御することができる。図６Ａに示すように、ある実施形態において、ピストンキャビティ２４は、ピストンキャビティ２４の端部でガス入口２２に配設された第１の逆止弁２５と、ガスベアリングポート９１ｂ，９１ｄ及び９１ａ，９１ｃ間でピストンキャビティ２４に配設された第２の逆止弁２８とを含む。
【００４７】
図６Ｂに示すように、組立プロセス中、逆止弁２５はガス入口２２から流される流体を防ぐように閉じられている。逆止弁２８はガス源１１０からガスをピストンキャビティ２４を通して流すことができるように、ガスの圧力差によって開けられ、ピストン２１をセンタリングするためにガスベアリングポート９１ａ−９１ｄから排出される。ピストン２１が回転中心５２で実質的に側面で固定された構造に恒久的に接続されると、図６Ｃに示すように、通常のクーラ操作中、ピストン２１はガスベアリング、及び、実質的に側面で固定された構造に取り付けられたピストンスプリング５１によって創り出されるフレクシャベアリングによって合同して支持されている。フレクシャベアリングが側方荷重を支持するので、チャンバ３１内でピストン２１をセンタリングするのに必要なガスベアリング力が小さくなる。このため、通常の組立操作中、第２の逆止弁２８はピストンキャビティ２４及びボリューム３２の間の圧力差により自動的に閉じられる。このため、第２の逆止弁２８は、もはや十分なセンタリング力を提供することは必要でないガスベアリングポート９１ｂ及び９１ｄへのアクセスを閉鎖する。ガスベアリングポート９１ｂ及び９１ｄをより少数に用いるためのより限られた信頼性の要求は、それらのデザインを単純化し、コスト削減することができる。第１の逆止弁２５は、ガスベアリングを駆動させるために、ガス入口２２を通してピストンキャビティ２１内に流れてガスベアリングポート９１ａ及び９１ｃを抜けるように流れる圧縮されたガスを受け入れるように運転可能とする。
【００４８】
実質的に側面で固定されたデザインのための代わりの実施形態において、ピストンを整列させるためのガスベアリングはピストンの代わりにコンプレッサボア内に組み込まれることができる。ここで、図７Ａに示すように、ピストン１２１はフレクシャベアリングを有するリーフスプリングのようなピストンスプリング１５１によってコンプレッサボア１３２内に浮遊されている。コンプレッサボア１３１はコンプレッサボアキャビティ１３４に流体のアクセスを提供する第１のガス入口１２２及び第２のガス入口１３３を有する。コンプレッサボアキャビティ１３４は、コンプレッサボアキャビティ１３４からピストン１３１に対するクリアランスシール１２６にガスを開放できるコンプレッサボア１３１の内壁に配設されたガスベアリングポート１９１ａ−１９１ｄに流体的に連通されている。言及した実施形態と同様に、断面が図示されているように、４つのガスベアリングポート１９１ａ−１９１ｄは示されているが、図示された実施形態は、コンプレッサボア１３１の内壁回りに図示されたガスベアリングポートに対して対称的に配置された付加的な４つのガスベアリングポート１９１ｅ−１９１ｈ（図示せず）を有することが理解される。加えて、他の実施形態において、さらに多く又は少ないガスベアリングポートがコンプレッサボア１３１の内壁に沿って配設されることができる。
【００４９】
図７Ａに示すように、ピストン１２１の組立及びアライメント中、逆止弁１２５はガス入口１２２をシールするように閉じられている。ガス源１１０は第１のガス入口１３３に接続されている。ガス源１１０から流れるガスは、コンプレッサボアキャビティ１３４を通して流れてガスベアリングポート１９１ａ−１９１ｄを抜け出し、クリアランスギャップ１２６に入り、ガスベアリングを駆動させる。ガスベアリングポート１９１ａ−１９１ｄからガスが流れることによって生じるクリアランスギャップ１２６内の圧力差は、コンプレッサボア１３１内でピストン１２１をセンタリングする。上述したように、一旦、ピストン１２１がコンプレッサボア１３１内にセンタリングされると、ピストンスプリング１５１は、ピストン１２１及びコンプレッサボア１３１間の回転カップリングを創り出すスプリングケージのような、実質的に側面で固定された構造に接続されることができる。図７Ｂに示すように、実質的に側面で固定された構造１７１に対するピストンスプリング１５１の取り付けは、コンプレッサボア１３１内でピストン１２１を回転中心１５２回りに回転させるフレックシャベアリングを創り出すが、コンプレッサボア１３１内でピストン１２１が横方向に動くのを防止する。
【００５０】
ある実施形態において、図７Ｂに示すように、ピストンはボンディング、溶接、蝋付け、グルーイングのような初期接続１７２を介して実質的に側面で固定された構造１７１に接続されることができる。組立工程中、パーツに触れたり操作する必要なく初期接続を作り出すことは、組立中、横方向に構成要素を歪ませることができるピストン１２１及び／又はコンプレッサ１３１への外力及びトルクを最小にする利点があり、アライメントクオリティに効果を挙げる。ある実施形態において、この初期接続７２はピストンスプリング１５１と実質的に側面で固定された構造１７１との間の接続にのみ存在することができる。代わりに、ある実施形態において、ピストンスプリング１５１及び実質的に側面で固定された構造１７１は、例えば１つ又は複数のネジで不変に接続されることができる。一旦、ピストンスプリング１５１が実質的に側面で固定された構造１７１に、単なる初期接続、又は、その代わりの初期及び不変の接続の両方のいずれかを介して接続されると、ガス源１１０は除去できる。通常の操作中、ガス入口１３３は、ガスベアリングポート１９１ａ−１９１ｄを通して流れるガス入口１２２を通してコンプレッサボアキャビティ１３４にガスを入れるために、例えばプラグ１２７で密封されることができ、コンプレッサボア１３１内でピストン１２１をセンタリングし、非摩擦ベアリングを実現するようにガスベアリングを駆動させる。
【００５１】
ある代わりの実施形態において、コンプレッサボアキャビティ１３４はガスベアリングポート１９１ａ−１９１ｄの駆動を選択的に制御するための複数の逆止弁を含むことができる。複数の逆止弁を用いる場合、組み立て中又は実行可能な修理工程中、全てのガスベアリングを開くことができる。例えば、ある実施形態において、図８に示すように、コンプレッサボアキャビティ１３４は、コンプレッサボアキャビティ１３４の端部でガス入口１２２に配置された第１の逆止弁１２５と、ガスベアリングポート１９１ｂ，１９１ｄ及びガスベアリングポート１９１ａ，１９１ｃの間に配置された第２の逆止弁１２８を含む壁１２９とを含む。壁１２９は、ガスベアリングポート１９１ａ，１９１ｃ及びガス入口１２２を含む第１のアクティブキャビティ１３５と、ガスベアリングポート１９１ｂ，１９１ｄを含む第２のキャビティ１３６とにコンプレッサボアキャビティを分離する。クーラの正常な操作中、逆止弁１２８はアクティブキャビティ１３５とインアクティブキャビティ１３６との間の圧力差によって自動的に閉じられ、ガスベアリングポート１９１ｂ，１９１ｄの使用を止める。
【００５２】
ある代わりの実施形態において、図９−図１４に示すように、上述した構造及び方法は、参照によって、ここで説明されているかのように、全てここに組み込まれている米国特許第６，１４１，９７１号明細書、第６，３２７，８６２号明細書、第６，４９９，３０４号明細書、第６，６９４，７３０号明細書及び第６，６８８，１１３号明細書に説明されているスターリングクライオクーラのようなスターリングクライオクーラ内でディスプレーサを組み立てるのに用いられることができる。図９に示すように、スターリングクライオクーラはコールドフィンガ２０１と、コンプレッサ部２０５とを備えている。上述した図３−５を参照して、コンプレッサピストン２２１はコンプレッサボア２３１内に整列され、ピストンスプリング２５１は実質的に側面で固定された構造２７１に取り付けられている。図９に関して、ディスプレーサ２００は未だ組み立てられていない。ディスプレーサボディ２０６及びディスプレーサロッド２１０を有するディスプレーサ２００は、コンプレッサピストン２２１のインナボア２２２とディスプレーサパーツ及び隣接する構造の間の摩擦を避けるためのコールドフィンガチューブ２４０との内側に同軸上に配設されていなければならない。ピストン２２１及びディスプレーサ２００はクリアランスシール２２６ａ−２２６ｄを介して、ディスプレーサボディ２０６とコールドフィンガチューブ２４０との間、ディスプレーサロッド２１０とヒートエクスチェンジャ２０８との間、ディスプレーサロッド２１０とピストン２２１のインナボア２２２との間、ピストン２２１とコンプレッサボア２３１との間がシールされている。このため、ディスプレーサボディ２０６と隣接するコールドフィンガ構成要素との間、ディスプレーサロッド２１０とピストン２２１の内径との間の径方向ギャップはタイトであり、ディスプレーサ２００と、コンプレッサボア２３１、ヒートエクスチェンジャ２０８及びコールドフィンガチューブ２４０を含む隣接する構成要素との間の径方向の遊びは、例えばある実施形態と同様に、数万分の１インチのように小さい。さらに、これは、摩耗を引き起こし、クーラのライフタイムを減少させるので、ディスプレーサボディ２０６は通常の操作中、コールドフィンガチューブ２４０のような隣接する構成要素に触れないことが重要である。
【００５３】
図９及び図１０Ａに示すように、ディスプレーサ２００は、組立中、クライオクーラの対称軸１に沿ってディスプレーサボディ２０６及びディスプレーサロッド２１０を整列させるため、及び、通常のクーラ操作中、ディスプレーサロッド２１０と隣接する構造との間の最適化されたガスベアリングの摩擦を実現させるためのガスベアリングを創り出すように、ディスプレーサ２００とヒートエクスチェンジャ２０８との間のクリアランスギャップ２２７内にガスを向けるのに用いることができる複数のガスベアリングポート２９１ａ−２９１ｂを有する。ガスベアリングポート２９１ａ−２９１ｂはヒートエクスチェンジャ２０８に隣接するディスプレーサロッド２１０に配置されている。図示された実施形態はディスプレーサロッド２１０の周囲に示されたガスベアリングポートに対して対称的に配置された２つの付加的なガスポート２９１ｃ−２９１ｄ（図示せず）を有する。加えて、他の実施形態において、更なる又は少ないガスベアリングポートがディスプレーサに沿って配置されることができる。クライオクーラの通常の操作中、圧縮ガスはガス入口２０２を介してディスプレーサキャビティ２０４に入り、ガスベアリングポート２９１ａ−２９１ｂ及び２９１ｃ−２９１ｄ（図示しない）を抜けてガスベアリングを駆動させる。
【００５４】
図９に示すように、回転中心２５４がクライオクーラの対称軸１上又は対称軸１付近に作り出されると、（図１０に示すように、）ディスプレーサ２００は回転中心２５４回りにのみ回転することができ、横方向には移動しないように、ディスプレーサロッド２１０及び実質的に側面で固定された構造２７１に取り付けられたスプリング２５３は軸方向に低いが、径方向に高い剛性を有する。図１０Ｂに示すように、通常の操作中、ガスベアリングの駆動は、クライオクーラの対称軸１に沿って適当なアライメントを達成するために回転中心２５４回りにディスプレーサ２００を回転させる。ディスプレーサロッド２１０の一端は、クーラの対称軸１に沿って回転中心２５４を有する回転カップリングによって支持されている。ガスベアリングの駆動中、ガスはガスベアリングポート２９１ａ−２９１ｂを通して誘導される。ガスベアリングは通常のクーラ操作中、ディスプレーサを整列させ、最適化されたベアリング摩擦を実現するために十分なディスプレーサ２００の回転移動を創り出す。
【００５５】
しかしながら、ディスプレーサロッド２１０の回転中心２５４の位置がクーラの対称軸１上又は対象軸１に近接している場合、ディスプレーサガスベアリングは適切にのみ働くことができる。図１０Ｃに示すように、ディスプレーサロッドの回転中心２５４とクーラの対称軸１との間のオフセット３００は、クーラ組立体内でディスプレーサ２００を傾斜させ、クーラ組立体に触れさせ、いくつもの位置で摩擦を生じさせることができる。例えば、ディスプレーサボディ２０６は位置３０１でコールドフィンガチューブ２４０に触れることができ、ディスプレーサ２００の自由な横方向移動が可能でないのでディスプレーサガスベアリングは部分的に使用が止められることができ、ディスプレーサロッド２１０は位置３０４及び３０５でピストン２２１のインナボア２２２に対してこすることができる。これは、ディスプレーサボディ２０６及びディスプレーサロッド２１０は、組立工程中、非摩擦ガスベアリングの適当な機能を引き出すために適切に予備的に整列されなければならないことを意味する。このアライメントの正確性は、数千、ある実施形態ではそれぞれ１万分の１インチの連結内で、実現されなければならない。これは、「手によって」達成するのが不可能というわけではないが、難しい。
【００５６】
図１１−図１３に示すように、ある実施形態において、ディスプレーサボディ２０６及びディスプレーサロッド２１０は、製造及び組立工程中、ディスプレーサガスベアリングを駆動させることによって、自動的に整列される。ここで、ディスプレーサロッド２０１はディスプレーサガスキャビティ２０４に流体的に連通したチャンネル２１１を含む。組立中、外部のガス源１１０はディスプレーサキャビティ２０４にガスを運ぶためにディスプレーサロッドチャンネル２１１に流体的に連通して配置されている。図１２に示すように、ディスプレーサガスキャビティ２０４は、組立工程中、ガス入口２０２を一時的にシールするように、ディスプレーサキャビティ２０４と周囲のボリュームとの間の圧力差によって閉じられるガス入口２０２に逆止弁２２５を有する。圧縮されたガスがディスプレーサキャビティ２０４に流れると、ガスはガスベアリングポート２９１ａ−２９１ｂを通してクリアランスシール２２６ｂに流れ、ガスベアリングを駆動する。このため、ディスプレーサ２００は持ち上げられてクーラの対称軸１に沿ってセンタリングされる。上述したように、組立中、ガスベアリング圧力は、通常の操作中、クーラ内でディスプレーサキャビティ最大容量又は最大圧力よりもむしろ、外部のガス源１１０の圧力によって決められる。このため、通常のガスベアリング力よりも高いベアリング力は、アライメントを改良し、及び更に安定した製造工程とすることができる。加えて、ある実施形態において、ガスベアリングによって引き起こされるリフト効果を視覚化するためにクーラが水平に示されている間、組み立て中、クーラの垂直方向が用いられることができる。この垂直方向は例えば重力のような側方からの力を減少させて最小化し、アライメントクオリティを改善する。
【００５７】
さらに、このように図示された実施形態において述べられているように、ガスベアリングはディスプレーサロッド２１０に配設されたガスベアリングキャビティ２０４を有するディスプレーサ２００内に一体的に複数のガスベアリングポート２９１ａ−２９１ｂを備え、ガスベアリング力はコンプレッサピストン及びコンプレッサボアに対して上述したようにいくつかの実施形態において、ヒートエクスチェンジャ２０８に向かってディスプレーサロッド２１０から径方向外方に向かう方向に向け、ガスベアリングキャビティはディスプレーサに隣接するヒートエクスチェンジャ２０８のような静止した構成要素に配置されることができる。
【００５８】
図１２に示すように、ディスプレーサ２００がクーラの対称軸１に沿って実質的に整列されると、ディスプレーサロッド２１０の端部はディスプレーサスプリング２５３に接続され、このため、実質的に側面で固定された構造２７１にディスプレーサを間接的に取り付け、ディスプレーサ２００が回転できる回転中心２５４を作り出す。ここで、ディスプレーサスプリング２５３が回転中心２５４回りにディスプレーサロッド２１０及びディスプレーサボディ２０６を回転させることができるフレクシャベアリング又は回転カップリングとして作用するように、ディスプレーサスプリング２５３はスプリングケージのような実質的に側面で固定された構造２７１に接続されるが、ディスプレーサボディ２０６及びディスプレーサロッド２１０（図１０Ｂも参照）の実質的な横方向の移動を防止する。ある実施形態において、ディスプレーサロッド２１０は、初期には、構成要素に触れたり動かしたりするのを要求されないグルー（図示せず）のような一時的な接続を有するディスプレーサスプリング２５３に接続され、組み立て中、ディスプレーサロッド２１０を径方向に歪ませ、アライメントクオリティに影響を与える外側の力を防止することができる。ディスプレーサロッド２１０がディスプレーサスプリング２５３に一時的に接続されていると、１つ又は複数のネジ、溶接、蝋付けのような付加的な機械的接続２７３はディスプレーサロッド２１０及びディスプレーサスプリング２５３を不変に固定するのに役立たせることができる。
【００５９】
ディスプレーサロッド２１０及びピストンスプリング２５３が不変的に接続されると、外部のガス源１１０は除去されることができる。ディスプレーサロッド２１０の先端は、クーラの対称軸１上又は対称軸１近傍で不変に固定されている。スプリングケージ２７１に接続されたディスプレーサスプリング２５３はフレクシャベアリングとして作用し、クーラデザインの意図によりディスプレーサロッド２１０及びディスプレーサ２００を傾斜すなわち回動させ、並びに振動させることができる。図１３に示すように、ディスプレーサロッドチャンネル２１１は仕切られなければならず、このため、通常のクーラ操作中、ガスベアリングは適切に機能することができる。ある実施形態において、ディスプレーサロッドチャンネル２１１はディスプレーサロッド２１０の先端でプラグ２６０に不変的にシールされることができ、又は、代わりに、ある実施形態において、ディスプレーサキャビティ２０４に配置された第２の逆止弁は（上述したようにピストンに対して）ディスプレーサロッドチャンネル２１１を反転可能に仕切るように用いられることができる。第２の逆止弁は通常のクーラ操作中、ディスプレーサキャビティ２０４とディスプレーサロッドチャンネル２１１との間の圧力差により、ディスプレーサキャビティ２０４及びディスプレーサロッドチャンネル２１１の間の開口を自動的にシールすることができる。
【００６０】
ある代わりの実施形態において、図１４に示すように、ディスプレーサロッドチャンネル２１１は付加的なボリュームキャビティ２６２に近づけることができる。付加的なボリュームキャビティ２６２はディスプレーサキャビティ２０４のボリュームを補うための付加的なボリュームを提供することができ、通常のクーラ操作中、ガスベアリング２９０のためのより増したトータルボリュームを提供することができる。ある実施形態において、増やされたボリュームはディスプレーサ２００を整列させるために十分な圧力でガスベアリングを操作させることを要求されることができる。ある実施形態において、例えばガスベアリングのための限られたボリュームを有する小さなシステムでは、付加的なボリュームキャビティ２６２は、通常のクーラ操作中、十分なガスベアリング力を提供するために必要なレベルにボリュームを増すように用いられることができる。
【００６１】
ある実施形態において、図１５−図１７に示すように、付加的な工程は、アライメント及び組み立て工程中、ピストン２２１及びディスプレーサ２００のいずれか又は両方のピストン軸センター位置を制御することが必要とされている。例えば、図１５に示すように、組立工程中、ガスベアリングの駆動は、アライメント及び組み立てクオリティに対するネガティブな影響を有するシステム内の不要な圧力差を発生することができる。この基本的問題は、図１３に示すスターリングクーラの組立中、ピストン及びディスプレーサガスベアリングの駆動に用いる。
【００６２】
この問題は図１５に示され、ガスベアリングが駆動している間、圧力差によってピストンが軸方向に変位することを図示している。ガス源１１０からピストンキャビティ２２４に一定に一方向に流れるガスは、コンプレッションスペース３１０内でのガス圧を増大させる。ピストン２２１及びディスプレーサロッド２１０はクリアランスシール２２６ｂ−２２６ｄを備えているので、ある圧力差はこれらシールを通してバックスペース３３０にガスが流れるのを開放することが要求される。これら圧力差は、たいていの場合、クーラを適切に組み立てるために受け入れられない状態となるピストン２２１を軸方向に変位させる。このため、反力がピストン２２１を軸方向中心に維持することが要求される。
【００６３】
垂直方向に構成要素を整列させている間、ある選択肢（オプション）は、反力を提供するために重量（重力）を用い、圧力差を相殺する。このチャレンジはピストンの対称軸で重量の重心を径方向に整列させることである。そうでなくとも、ピストンは傾斜され、アライメントプロセスは妥協される。
【００６４】
図１６Ａ−図１６Ｂには反力を要求された駆動のための代わりの改善された方法を示す。ここで、クーラモータ３００は組立及びアライメントプロセス中、ピストン２２１を軸方向にセンタリングした状態を維持する反力を提供するように駆動されている。モータ３００は、例えばＵ字形状積層物３２０の内側及び外側積層物と、モータコイル３５０と、移動磁石３４０とを有する。モータ３００は殆ど完全な軸方向力を発生させるために形成されて最適化され、操作中にピストンへの側方からの荷重を防止する。一定のモータ力は組立中にパワーサプライ３６０によって供給される直流電流でコイル３５０に電気を供給することによって発生されることができる。電流の方向は力の方向を決定する。図１６Ｂに示すように、クーラの組立を完了するために最後のボンディング作業中、ピストンを要求された軸方向位置に配置し、その状態を維持するために、ガス圧力に逆らうように電流が調節され又は自動的に調整されることができる。図１７はディスプレーサ２００が整列され、組み立てられる間の類似した状態を示す。ガスはガス源１１０からガスベアリングポート２９１ａ−２９１ｂを通してディスプレーサキャビティ２０４に流れ、クーラのワーキングスペース及びクーラの特にコンプレッションスペース３１０を加圧する。上述したように、ピストン２２１及びディスプレーサロッド２１０はクリアランスシール２２６ｂ−２２６ｄを備え、ある圧力差はこれらシールを通してバックスペース３３０に流れるガスを開放することが要求されている。これらピストン２２１の軸方向に変位させることが可能な圧力差は、パワーサプライ３６０によって供給される直流電流を用いるモータ３００を駆動することによって逆らわれる。上述した方法は、移動コイル又は他のタイプのリニアモータを有するスターリングクーラ又はスターリングエンジンに用いることができる。
【００６５】
前述の発明は、発明の明確性及び理解のために図示及び例によって幾つか詳細に説明したが、この発明は、ある変更や改良が添付のクレームの精神又は範囲から逸脱することがなくなされ得ることが、この発明の教示の観点から当業者に容易に理解され得る。
【００６６】
例えば、この発明の方法は、これらの通常の操作中、ガスベアリングを使用しない往復動体又は回転体を有する構造内に用いられることができる。この方法及び装置は、このような構造を用いることができ、ガスベアリングは上述したように、アライメントすなわちセンタリング作業のために用いられる。ガスベアリングは無効になり得、すなわち、ガスベアリングが要求されない通常の操作から除去される。
【００６７】
他の実施形態において、説明したアライメント方法は、ピストン、ディスプレーサ及びモータ構成要素を支持するために対応した構造（コンプライアント構造）又は非対応の構造（ノンコンプライアント構造）に有するクーラに用いられることができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
往復動体がチャンバに対して実質的に側面で固定された構造に回転カップリングを通して連結され、
前記往復動体は、前記チャンバに配設された、第１のガス入口、ガスベアリングキャビティ、及び、１又は複数のガスベアリングポートを含み、
前記第１のガス入口、前記ガスベアリングキャビティ、及び前記ガスベアリングポートは流体的に連通された
チャンバ内での往復動体の組立方法であって、
前記チャンバ内に前記往復動体を供給する工程と、
前記チャンバ内で前記チャンバの側壁に対して非接触関係に前記往復動体を配置するのに少なくとも十分な圧力で、前記往復動体が実質的に側面で固定された構造（２）に接続させないのと同時に、前記ガスベアリングキャビティに対して前記第１のガス入口を通して、前記チャンバ（１）の前記側壁に対してガスベアリングポートを通してガスを流す工程と、
前記実質的に側面で固定された構造に対して回転カップリングを加える工程と、
前記ガスの流れを停止する工程と
を具備する、チャンバ内での往復動体の組立方法。
【請求項２】
前記組立中に用いられる圧力は、組立後、前記デバイスの操作中に用いられる圧力よりも大きいものである、請求項１のチャンバ内に往復動体を組み立てる方法。
【請求項３】
前記構造に対して前記回転カップリングを加えることは、前記構造に対して前記回転カップリングを一時的に取り付けることを具備する、請求項１のチャンバ内に往復動体を組み立てる方法。
【請求項４】
前記構造に対して前記回転カップリングを加えることは、前記構造に対して回転カップリングを恒久的に取り付けることをさらに具備する、請求項３のチャンバ内で往復動体を組み立てる方法。
【請求項５】
前記回転カップリングを恒久的に取り付けることは、
１又は複数のネジを用いること、
前記構造に対して前記回転カップリングを溶接すること、
前記構造に対して前記回転カップリングを蝋付けすること
のグループから選択された方法を用いることを具備する、請求項４のチャンバ内で往復動体を組み立てる方法。
【請求項６】
組立後、前記第１のガス入口を閉じることをさらに具備する、請求項１のチャンバ内で往復動体を組み立てる方法。
【請求項７】
前記往復動体は、前記ガスベアリングキャビティ及び前記１又は複数のガスベアリングポートに流体的に連通する第２のガス入口を有し、
前記第２のガス入口は、前記チャンバ内で前記往復動体の組み立て中、前記第２のガス入口を選択的にシールするための逆支弁を有する、請求項１のチャンバ内で往復動体を組み立てる方法。
【請求項８】
前記ガスベアリングキャビティは前記１又は複数のガスベアリングポートの少なくとも１つを選択的に駆動させるための１又は複数の逆止弁を有する、請求項１のチャンバ内で往復動体を組み立てる方法。
【請求項９】
前記往復動体及び前記チャンバは、組み立て中、垂直方向に配設されている、請求項１のチャンバ内で往復動体を組み立てる方法。
【請求項１０】
前記往復動体及び前記チャンバは、組み立て中、水平方向に配設されている、請求項１のチャンバ内で往復動体を組み立てる方法。
【請求項１１】
前記往復動体はピストンである、請求項１のチャンバ内で往復動体を組み立てる方法。
【請求項１２】
前記往復動体はディスプレーサである、請求項１のチャンバ内で往復動体を組み立てる方法。
【請求項１３】
前記デバイスはスターリングサイクルクーラである、請求項１のチャンバ内で往復動体を組み立てる方法。
【請求項１４】
前記デバイスはモータである、請求項１のチャンバ内で往復動体を組み立てる方法。
【請求項１５】
前記ガスベアリングポートを通してガスが流れることにより前記往復動体及び前記チャンバ間のコンプレッションスペース内に増加した圧力を相殺するのに十分な反力を与えることをさらに具備する、請求項１の方法。
【請求項１６】
前記反力は前記往復動体を軸方向にセンタリングするのに十分なものである、請求項１５の方法。
【請求項１７】
前記反力は直流電流でモータのコイルに電気を供給することによってモータによって発生されるものである、請求項１６の方法。
【請求項１８】
前記往復動体の軸方向位置を制御するために電流を調整することをさらに具備する、請求項１７の方法。
【請求項１９】
往復動体が回転カップリングを通してチャンバに対して実質的に側面で固定された構造を連結し、
前記チャンバのボディが、前記往復動体に対して配設された、第１のガス入口、ガスベアリングキャビティ、１又は複数のガスベアリングポートを有し、
前記第１のガス入口、前記ガスベアリングキャビティおよび前記ガスベアリングポートが流体的に連通されている、
チャンバ内での往復動体の組立方法であって、
前記チャンバ内に前記往復動体を提供する工程と、
前記チャンバ内で前記チャンバの側壁に対して非接触関係に前記往復動体を配置するのに少なくとも十分な圧力で、前記往復動体が実質的に側面で固定された構造（２）に接続させないのと同時に、前記ガスベアリングキャビティに対して前記第１のガス入口を通して、前記往復動体（１）に対してガスベアリングポートを通してガスを流す工程と、
前記実質的に側面で固定された構造に対して回転カップリングを加えてガスの流れを停止する工程と
を具備する、チャンバ内での往復動体の組立方法。
【請求項２０】
ピストンと、
前記ピストンを含むことが可能なコンプレッサボアと、
前記ピストンへの第１の入口と、
前記ピストン内に配設され、前記コンプレッサボアに配設され、前記第１のガス入口に流体的に連通した複数のガスベアリングポートと、
前記ピストンの一端に取り付けられ、前記ピストンが前記ボアの少なくとも一部で非接触関係に回転可能である、回転カップリング構造と、
前記コンプレッサボア及び前記回転カップリング構造をカップリングする実質的に側面で固定された構造と
を具備するスターリングサイクルマシーン。
【請求項２１】
前記回転カップリング構造はスプリングである、請求項２０のスターリングサイクルマシーン。
【請求項２２】
前記スプリングはリーフスプリングである、請求項２１のスターリングサイクルマシーン。
【請求項２３】
前記回転カップリング構造はグルーで前記構造に接続されている、請求項２０のスターリングサイクルマシーン。
【請求項２４】
前記回転カップリング構造は、機械的アタッチメントでノンコンプライアント構造に接続されている、請求項２０のスターリングサイクルマシーン。
【請求項２５】
前記回転機械的なアタッチメントはネジである、請求項２４のスターリングサイクルマシーン。
【請求項２６】
前記回転機械的なアタッチメントは蝋付けである、請求項２４のスターリングサイクルマシーン。
【請求項２７】
前記回転機械的なアタッチメントは溶接である、請求項２４のスターリングサイクル。
【請求項２８】
前記マシーンはモータである、請求項２１のスターリングサイクルマシーン。
【請求項２９】
前記マシーンは、クーラである、請求項２１のスターリングサイクルマシーン。
【請求項３０】
前記ピストンのインナボアに挿入されることが可能なディスプレーサロッドに一端が接続されたディスプレーサと、
前記ディスプレーサを含むことが可能なコールドフィンガチューブと、
前記ディスプレーサへのガス入口と、
ディスプレーサガス入口で流体的に連通したディスプレーサ内に配設され、前記ディスプレーサのボディからガスを排出する複数のディスプレーサガスベアリングポートと、
前記ディスプレーサが前記コールドフィンガチューブの少なくとも一部に非接触関係に回転可能なように、前記ディスプレーサロッド及び前記実質的に側面で固定された構造に取り付けられた第２の回転カップリング構造と
をさらに具備する、請求項２１のスターリングサイクルマシーン。
【請求項３１】
前記第２の回転カップリング構造は、グルーで前記ディスプレーサロッドに接続されている、請求項３０のスターリングサイクルマシーン。
【請求項３２】
前記第２の回転カップリング構造は、機械的なアタッチメントで前記ディスプレーサロッドに接続されている、請求項３０のスターリングサイクルマシーン。
【請求項３３】
前記ピストンのインナボア内に挿入されることが可能なディスプレーサロッドに対して一端で接続されたディスプレーサと、
前記ディスプレーサを含むことが可能なコールドフィンガチューブと、
前記ディスプレーサへのガス入口と、
前記ディスプレーサガス入口に流体的に連通した前記ディスプレーサ内に配設され、前記ディスプレーサのボディからガスを排出することが可能な複数のディスプレーサガスベアリングポートと、
前記ディスプレーサが前記コールドフィンガチューブの少なくとも一部に非接触関係に回転可能であるように、前記ディスプレーサ及び前記実質的に側面で固定された構造に取り付けられた回転カップリング構造と
を具備する、スターリングサイクルマシーン。
【請求項１】
往復動体がチャンバに対して実質的に側面で固定された構造に回転カップリングを通して連結され、
前記往復動体は、前記チャンバに配設された、第１のガス入口、ガスベアリングキャビティ、及び、１又は複数のガスベアリングポートを含み、
前記第１のガス入口、前記ガスベアリングキャビティ、及び前記ガスベアリングポートは流体的に連通された
チャンバ内での往復動体の組立方法であって、
前記チャンバ内に前記往復動体を供給する工程と、
前記チャンバ内で前記チャンバの側壁に対して非接触関係に前記往復動体を配置するのに少なくとも十分な圧力で、前記往復動体が実質的に側面で固定された構造（２）に接続させないのと同時に、前記ガスベアリングキャビティに対して前記第１のガス入口を通して、前記チャンバ（１）の前記側壁に対してガスベアリングポートを通してガスを流す工程と、
前記実質的に側面で固定された構造に対して回転カップリングを加える工程と、
前記ガスの流れを停止する工程と
を具備する、チャンバ内での往復動体の組立方法。
【請求項２】
前記組立中に用いられる圧力は、組立後、前記デバイスの操作中に用いられる圧力よりも大きいものである、請求項１のチャンバ内に往復動体を組み立てる方法。
【請求項３】
前記構造に対して前記回転カップリングを加えることは、前記構造に対して前記回転カップリングを一時的に取り付けることを具備する、請求項１のチャンバ内に往復動体を組み立てる方法。
【請求項４】
前記構造に対して前記回転カップリングを加えることは、前記構造に対して回転カップリングを恒久的に取り付けることをさらに具備する、請求項３のチャンバ内で往復動体を組み立てる方法。
【請求項５】
前記回転カップリングを恒久的に取り付けることは、
１又は複数のネジを用いること、
前記構造に対して前記回転カップリングを溶接すること、
前記構造に対して前記回転カップリングを蝋付けすること
のグループから選択された方法を用いることを具備する、請求項４のチャンバ内で往復動体を組み立てる方法。
【請求項６】
組立後、前記第１のガス入口を閉じることをさらに具備する、請求項１のチャンバ内で往復動体を組み立てる方法。
【請求項７】
前記往復動体は、前記ガスベアリングキャビティ及び前記１又は複数のガスベアリングポートに流体的に連通する第２のガス入口を有し、
前記第２のガス入口は、前記チャンバ内で前記往復動体の組み立て中、前記第２のガス入口を選択的にシールするための逆支弁を有する、請求項１のチャンバ内で往復動体を組み立てる方法。
【請求項８】
前記ガスベアリングキャビティは前記１又は複数のガスベアリングポートの少なくとも１つを選択的に駆動させるための１又は複数の逆止弁を有する、請求項１のチャンバ内で往復動体を組み立てる方法。
【請求項９】
前記往復動体及び前記チャンバは、組み立て中、垂直方向に配設されている、請求項１のチャンバ内で往復動体を組み立てる方法。
【請求項１０】
前記往復動体及び前記チャンバは、組み立て中、水平方向に配設されている、請求項１のチャンバ内で往復動体を組み立てる方法。
【請求項１１】
前記往復動体はピストンである、請求項１のチャンバ内で往復動体を組み立てる方法。
【請求項１２】
前記往復動体はディスプレーサである、請求項１のチャンバ内で往復動体を組み立てる方法。
【請求項１３】
前記デバイスはスターリングサイクルクーラである、請求項１のチャンバ内で往復動体を組み立てる方法。
【請求項１４】
前記デバイスはモータである、請求項１のチャンバ内で往復動体を組み立てる方法。
【請求項１５】
前記ガスベアリングポートを通してガスが流れることにより前記往復動体及び前記チャンバ間のコンプレッションスペース内に増加した圧力を相殺するのに十分な反力を与えることをさらに具備する、請求項１の方法。
【請求項１６】
前記反力は前記往復動体を軸方向にセンタリングするのに十分なものである、請求項１５の方法。
【請求項１７】
前記反力は直流電流でモータのコイルに電気を供給することによってモータによって発生されるものである、請求項１６の方法。
【請求項１８】
前記往復動体の軸方向位置を制御するために電流を調整することをさらに具備する、請求項１７の方法。
【請求項１９】
往復動体が回転カップリングを通してチャンバに対して実質的に側面で固定された構造を連結し、
前記チャンバのボディが、前記往復動体に対して配設された、第１のガス入口、ガスベアリングキャビティ、１又は複数のガスベアリングポートを有し、
前記第１のガス入口、前記ガスベアリングキャビティおよび前記ガスベアリングポートが流体的に連通されている、
チャンバ内での往復動体の組立方法であって、
前記チャンバ内に前記往復動体を提供する工程と、
前記チャンバ内で前記チャンバの側壁に対して非接触関係に前記往復動体を配置するのに少なくとも十分な圧力で、前記往復動体が実質的に側面で固定された構造（２）に接続させないのと同時に、前記ガスベアリングキャビティに対して前記第１のガス入口を通して、前記往復動体（１）に対してガスベアリングポートを通してガスを流す工程と、
前記実質的に側面で固定された構造に対して回転カップリングを加えてガスの流れを停止する工程と
を具備する、チャンバ内での往復動体の組立方法。
【請求項２０】
ピストンと、
前記ピストンを含むことが可能なコンプレッサボアと、
前記ピストンへの第１の入口と、
前記ピストン内に配設され、前記コンプレッサボアに配設され、前記第１のガス入口に流体的に連通した複数のガスベアリングポートと、
前記ピストンの一端に取り付けられ、前記ピストンが前記ボアの少なくとも一部で非接触関係に回転可能である、回転カップリング構造と、
前記コンプレッサボア及び前記回転カップリング構造をカップリングする実質的に側面で固定された構造と
を具備するスターリングサイクルマシーン。
【請求項２１】
前記回転カップリング構造はスプリングである、請求項２０のスターリングサイクルマシーン。
【請求項２２】
前記スプリングはリーフスプリングである、請求項２１のスターリングサイクルマシーン。
【請求項２３】
前記回転カップリング構造はグルーで前記構造に接続されている、請求項２０のスターリングサイクルマシーン。
【請求項２４】
前記回転カップリング構造は、機械的アタッチメントでノンコンプライアント構造に接続されている、請求項２０のスターリングサイクルマシーン。
【請求項２５】
前記回転機械的なアタッチメントはネジである、請求項２４のスターリングサイクルマシーン。
【請求項２６】
前記回転機械的なアタッチメントは蝋付けである、請求項２４のスターリングサイクルマシーン。
【請求項２７】
前記回転機械的なアタッチメントは溶接である、請求項２４のスターリングサイクル。
【請求項２８】
前記マシーンはモータである、請求項２１のスターリングサイクルマシーン。
【請求項２９】
前記マシーンは、クーラである、請求項２１のスターリングサイクルマシーン。
【請求項３０】
前記ピストンのインナボアに挿入されることが可能なディスプレーサロッドに一端が接続されたディスプレーサと、
前記ディスプレーサを含むことが可能なコールドフィンガチューブと、
前記ディスプレーサへのガス入口と、
ディスプレーサガス入口で流体的に連通したディスプレーサ内に配設され、前記ディスプレーサのボディからガスを排出する複数のディスプレーサガスベアリングポートと、
前記ディスプレーサが前記コールドフィンガチューブの少なくとも一部に非接触関係に回転可能なように、前記ディスプレーサロッド及び前記実質的に側面で固定された構造に取り付けられた第２の回転カップリング構造と
をさらに具備する、請求項２１のスターリングサイクルマシーン。
【請求項３１】
前記第２の回転カップリング構造は、グルーで前記ディスプレーサロッドに接続されている、請求項３０のスターリングサイクルマシーン。
【請求項３２】
前記第２の回転カップリング構造は、機械的なアタッチメントで前記ディスプレーサロッドに接続されている、請求項３０のスターリングサイクルマシーン。
【請求項３３】
前記ピストンのインナボア内に挿入されることが可能なディスプレーサロッドに対して一端で接続されたディスプレーサと、
前記ディスプレーサを含むことが可能なコールドフィンガチューブと、
前記ディスプレーサへのガス入口と、
前記ディスプレーサガス入口に流体的に連通した前記ディスプレーサ内に配設され、前記ディスプレーサのボディからガスを排出することが可能な複数のディスプレーサガスベアリングポートと、
前記ディスプレーサが前記コールドフィンガチューブの少なくとも一部に非接触関係に回転可能であるように、前記ディスプレーサ及び前記実質的に側面で固定された構造に取り付けられた回転カップリング構造と
を具備する、スターリングサイクルマシーン。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１０Ｃ】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６Ａ】
【図１６Ｂ】
【図１７】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１０Ｃ】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６Ａ】
【図１６Ｂ】
【図１７】
【公表番号】特表２０１０−５３６５９２（Ｐ２０１０−５３６５９２Ａ）
【公表日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５２１９４０（Ｐ２０１０−５２１９４０）
【出願日】平成２０年８月１４日（２００８．８．１４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０７３１９２
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０２６１０４
【国際公開日】平成２１年２月２６日（２００９．２．２６）
【出願人】（５９１０８７０３５）スーパーコンダクター・テクノロジーズ・インコーポレイテッド (3)
【氏名又は名称原語表記】ＳＵＰＥＲＣＯＮＤＵＣＴＯＲ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月１４日（２００８．８．１４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０７３１９２
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０２６１０４
【国際公開日】平成２１年２月２６日（２００９．２．２６）
【出願人】（５９１０８７０３５）スーパーコンダクター・テクノロジーズ・インコーポレイテッド (3)
【氏名又は名称原語表記】ＳＵＰＥＲＣＯＮＤＵＣＴＯＲ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
【Ｆターム（参考）】
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