CN101191445B - 一种小型热气机用配气活塞 - Google Patents

Abstract

一种小型热气机用配气活塞，包括活塞座、薄壁筒体结构的活塞体和顶端封闭的薄壁筒体结构的活塞顶，其活塞体由多个薄壁筒体结构的薄壁环叠置组成，且在活塞座与薄壁环之间、上下薄壁环之间，以及薄壁环与活塞顶之间夹置有薄片型的挡热板；所述的挡热板由导热性能差的陶瓷薄片或铝箔制成。该配气活塞具有纵向热阻力大、上下温度梯度大、质量轻、结构简单的特点，十分适合于100W以下的小型热气机使用。

Description

一种小型热气机用配气活塞 

技术领域

本发明涉及发动机活塞，尤其是关于小型热气机用配气活塞。 

背景技术

热气机又称斯特林发动机，它是一种采用外部热源加热的外燃式发动机。传统的热气机特别是小型热气机一般有两个活塞，即动力活塞和配气活塞，配气活塞起到配气的作用。配气活塞一般由活塞顶、活塞座和活塞体组成，活塞座与配气活塞杆相连接。小型热气机如1千瓦以下特别是几瓦到几十瓦的小型热气机，其要求结构紧凑和工艺简单，成本低，因此常取消较为复杂的回热器，而在配气活塞与气缸套之间设置一定间隙用作回热器，为提高热气机的效率，需要增大配气活塞上下端温度梯度，因此配气活塞材料一般选用导热性能较差的材料如不锈钢材料制成，且活塞做得较长，其长度与直径之比往往达到2.0～3.0，以减少热量从活塞顶向活塞座的传递，增大从活塞顶到下端的温度梯度，根据卡诺循环原理，这样有助于提高热气机的效率；另外，还要求配气活塞质量尽量轻，以减少自耗功，因此配气活塞常做成薄壁筒体结构，壁厚为0.5～2mm。以上传统的配气活塞具有结构简单、成本低等优点，但存在以下不足之处： 

1)为保证配气活塞上下端有的足够的温度梯度，配气活塞的长度较大，使得配气活塞的体积和重量都较大。 

2)配气活塞靠采用导热性能较差的不锈钢材料和足够的长度保证配气活塞上下端的温度梯度，这种方式无法从根本上解决活塞内部的辐射导热和沿活塞壁的传导换热，对于减少从活塞顶到活塞座的热量，增大温度梯度的幅度的作用十分有限。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种小型热气机用配气活塞，解决传统的热气机结构由于体积和重量相对较大，从活塞顶到活塞座热阻力小，热流密度大，温度梯度小的技术问题，其具有挡热效果好、温度梯度大、重量轻和结构简单的特点。 

本发明的目的是通过以下的技术方案来解决的： 

一种小型热气机用配气活塞，包括活塞座、薄壁筒体结构的活塞体和顶端封闭的薄壁筒体结构的活塞顶，所述的活塞体由多个薄壁筒体结构的薄壁环叠置组成，且在活塞座与薄壁环之间、上下薄壁环之间，以及薄壁环与活塞顶之间夹置有薄片型的挡热板；所述的挡热板由导热性能差的陶瓷薄片或铝箔制成；所述的活塞座、薄壁环、活塞顶，以及之间夹置的挡热板，通过贯穿配气活塞中心的长螺栓连接在一体。 

上述的小型热气机用配气活塞，活塞体由多个分段的薄壁环组成，在上下结合面处放置了挡热板，且挡热板由导热性能差的陶瓷薄片或铝箔制成，这样有效减小从上到下的传热，特别是通过配气活塞内部的辐射传热，经过多层隔热，如设置5层挡热板，可使活塞内部纵向额辐射传热减小到传统的5％以下，可显著增大从活塞顶到活塞座的温度梯度。上述的配气活塞的活塞座、薄壁环、活塞顶，以及之间夹置的挡热板，通过贯穿配气活塞中心的长螺栓连接在一体，这种结构可靠性高。 

上述的小型热气机用配气活塞，薄壁环上、下端各有一个内外相对的阶梯；活塞座的上端和活塞顶的下端各有一个与薄壁环相适配的阶梯；活塞座、多个依次叠置的薄壁环、活塞顶通过阶梯相互配合，且在活塞座、薄壁环、活塞顶的阶梯内各配置有一个镜面铝箔制成的挡热板。该结构可以有效防止活塞外部热量通过叠置薄壁环的间隙向内部传热，有利 于固定挡热板。 

上述的小型热气机用配气活塞，所述的挡热板的数量为5～12个，镜面铝箔的厚度为0.03～0.10mm。 

上述的小型热气机用配气活塞，所述的薄壁环、活塞顶由不锈钢材料制成，壁厚为0.2～1.0mm。这样可以使配气活塞在保证有一定的刚度的情况下具有较轻的质量。 

总之，本发明具有下列优点： 

1)配气活塞纵向热阻力大，挡热效果好，温度梯度大。经理论计算，以上结构每层挡热板可使轴向辐射引起的热传导降低50％以上，设置5层挡热板，就可以使轴向辐射引起的热传导降低到传统的5％以内，这样可以显著提高配气活塞的热阻力，降低热流密度，提高配气活塞上下的温度梯度，对提高热气机的性能有较好的效果。 

2)采用以上结构后，在保证配气活塞上下一定的温度梯度情况下，可以显著减小配气活塞的纵向尺寸，降低质量，减小运行时的自耗功。 

3)结构简单，易于实现，成本低。 

附图说明

图1是传统的小型热气机配气活塞的结构图。 

图2是本发明的结构剖视图。 

图3是图2上下薄壁环连接部位的局部剖视图。 

具体实施方式

图1所示是传统的小型热气机配气活塞的结构图，其由活塞座1、活塞体2和活塞顶3组成，活塞体2和活塞顶3为薄壁筒体结构，活塞顶3的顶端封闭；活塞体2和活塞顶3常做一体式结构，由薄壁不锈钢板冲压而成，或由棒料加工而成；活塞座1与活塞体2常采用焊接、粘接或螺纹连接的方式固定连接。配气活塞顶3端由于直接与加热器接触，最高温度往往可达500～700℃，它的结构参数和自身的热阻力、重量等性能指标对热气机的性能有直接的影响，因此对于小型热气机需要满足以下几点： 

a)尽可能小的质量； 

b)较高的热阻力，即上下温度梯度尽可能大； 

c)能承受高温差与较大的外部压力变化，即具有一定的刚度。 

为满足以上要求，传统的配气活塞常采用重量较轻的铝质材料，或采用导热性能较差的薄壁不锈钢材料或耐热合金材料制成，壁厚在保证刚度的情况下，做的尽量薄，以减轻重量，减小运动时的自耗功。传统结构的配气活塞虽然具有结构简单、加工方便、成本低和使用方便的优点，虽然配气活塞通过采用导热性能较差的不锈钢材料、加长活塞长度等方式来增加其纵向热阻力，降低热流密度，增大上下端的温度梯度，但这种方式无法从根本上解决活塞内部的辐射导热和沿活塞壁的传导换热，对于减少从活塞顶到活塞座的热量传递，增大温度梯度幅度的作用十分有限，不利于进一步提高热气机的效率。 

图2所示是本发明的一种实施例。其活塞体2由多个薄壁环4叠置而成，在活塞座1与薄壁环4之间、薄壁环4与活塞顶3之间，以及上下薄壁环4之间布置有薄片型的挡热板5，挡热板5的作用是提高纵向的热阻力，防止内部工质的热量从活塞顶3的高温端向活塞座1低温端传递，起到阻挡热量传递的作用，挡热板5可以采用隔热效果好的铝箔或陶瓷薄片制成，当然也可以采用其他具有隔热效果较好的耐高温非金属材料制成，为减轻配气活塞的质量，挡热板5要求尽量轻，厚度尽量薄，如铝箔常采用镜面铝箔，厚度为0.03～0.10mm。挡热板5的数量根据配气活塞上下端的温度梯度和热阻力要求，以及配气活塞的尺寸、工作温度、隔热量等要求设定，一般设定5～12片。镜面铝箔制成的挡热板5对于纵向辐射传热具有显著的隔热效果，经理论计算，每层挡热板5可有效隔热50％以上，如设置五层挡热板5，就可以使沿活塞内部的纵向辐射传热降低95％以上，可以显著降低热流密度，对于增大活塞热端和冷端的温度梯度具有显著效果。另外，这种多个分层布置的薄壁环4构成的配气活塞，接缝也在一定程度上消弱了沿活塞筒体壁面的传导导热效率，进一步降低了热量传递， 提高了热阻力，增大了温度梯度。 

挡热板5与薄壁环4、活塞顶3和活塞座1可以采用粘结的方式连接成一体，也可以采用位于活塞中心的一个贯穿长螺栓6连接成一体，总之只要保证配气活塞在500～700℃的高温环境下，上下往复运动，不发生松脱、分离即可。以上粘结的方式，工艺简单，隔热效果好，可以省去在挡热板5中心打孔的工作，特别是对于采用陶瓷材料作为挡热板5时，由于陶瓷易脆，打孔时容易破裂，加工难度大、成本高，因此采用粘结工艺可以显著降低加工难度和制造成本；另外，没有中心孔也在一定程度上提高了挡热板5的隔热效果，防止了热量沿中心孔传递，但粘结的方式对粘结的强度和耐高温性能要求较高。而对于采用中心长螺栓6连接的方式，需要在挡热板5以及活塞顶3和活塞座1的中心打孔，再将以上部件用长螺栓6穿置压置在一起，并需要施加一定的预紧力，这种连接方式相对粘结方式而言，具有连接可靠的的特点，没有因连接不牢而松脱的隐患。如果采用镜面铝箔形式的挡热板5，由于铝箔打孔比较方便，加上镜面铝箔不易粘结，这种螺栓连接的方式就比较有利。 

图3所示为本发明另外一个实施例。所述的薄壁环4在上下端面各有一个相对的阶梯，在活塞座1和活塞顶3上，其与薄璧环4连接的部位也各有一个相适配的阶梯。在安装时，薄壁环4压置在薄璧环4与活塞座1、上下薄璧环4和薄壁环4与活塞顶3的内阶梯上，再通过贯穿配气活塞上下的长螺栓6压置在一起。这种结构便于挡热板5和薄璧环4的安装定位，但增加了加工的难度。 

如果薄璧环4与活塞座1和活塞顶3，以及薄璧环4之间采用粘接的方式固定连接，可以将挡热板5的外径做成与薄璧环4外径相同，省略薄璧环4、活塞座1和活塞顶3相应阶梯的加工，工艺十分简单，隔热效果会更好，但粘接工艺要求很高。 

为降低配气活塞的质量，配气活塞座1一般选用铝质金属加工而成，薄璧环4与活塞顶3常采用不锈钢或钛、镍、铬合金之类导热性能相对较 差的金属材料，壁厚为0.2～1.0mm，具体视活塞的大小和工作环境而定。 

以某型号的小型热气机为例，活塞的外径为50mm，长度为100mm，对传统结构的配气活塞和本发明结构的配气活塞，进行了两种结构的质量、导热截面积、热流密度、温度梯度等参数的理论计算。传统结构的配气活塞采用铝合金材料，导热系数约为162W/(m·K)，壁厚为1.0mm，总质量为76g，圆周导热截面积为154mm²，配气活塞上下端最大温差约523k，不考虑活塞顶3部高温引起的辐射损失，通过计算得配气活塞上通过自身传导的热流密度为13.047kW/m²。若采用本发明的配气活塞结构，活塞顶3、活塞座1和薄壁环4的材料采用牌号为304(OCr18Ni9)的不锈钢材料，导热系数为15.2W/(m·K)，壁厚为0.3mm，挡热板5采用厚度为0.05～0.08mm的镜面铝箔，层数为10层，配气活塞的总质量约为54g，圆周导热截面积46.8mm2，经理论计算配气活塞上下端的最大温差约为673k，温差提高了28.6％，通过自身传导的热流密度为0.464kW/m²，仅为传统结构的3.5％左右，内部的10层挡热板使轴向辐射引起的热传导降低为原有的1/512。显而易见，采用本发明的结构后，在相同的配气活塞尺寸下，配气活塞的上下热阻力显著增加，温差明显增大，质量有一定的降低，这对于提高配气活塞和热气机的性能具有重要意义。 

当然，配气活塞也可以采用其他的隔热形式，如在内部充装绝热棉，这种工艺更简单，但会引起配气活塞质量的增加。 

本发明不局限以上的形式，还可以变换成其他的形式，如改变配气活塞的材料，改变挡热板的形式，以及与薄壁环的安装形式，或者其他等同的替换，总之，只要采用以上通过增加挡热板以改善配气活塞隔热效果等类似的结构都将落入本发明的保护范围。 

Claims (4)

1.一种小型热气机用配气活塞，包括活塞座(1)、薄壁筒体结构的活塞体(2)和顶端封闭的薄壁筒体结构的活塞顶(3)，其特征在于：所述的活塞体(2)由多个薄壁筒体结构的薄壁环(4)叠置组成，且在活塞座(1)与薄壁环(4)之间、上下薄壁环(4)之间，以及薄壁环(4)与活塞顶(3)之间夹置有薄片型的挡热板(5)；所述的挡热板(5)由导热性能差的陶瓷薄片或铝箔制成；所述的活塞座(1)、薄壁环(4)、活塞顶(3)，以及之间夹置的挡热板(5)，通过贯穿配气活塞中心的长螺栓(6)连接成一体。

2.根据权利要求1所述的小型热气机用配气活塞，其特征在于：所述的薄壁环(4)两端分别有一个内阶梯和一个外阶梯；活塞座(1)上和活塞顶(3)上各有一个与薄壁环(4)相适配的阶梯；活塞座(1)、多个依次叠置的薄壁环(4)、活塞顶(3)通过阶梯相互配合，且在活塞座(1)与薄壁环(4)相适配的阶梯中的内阶梯上、上下薄壁环(4)相适配的阶梯中的内阶梯上、活塞顶(3)与薄壁环(4)相适配的阶梯中的内阶梯上配置有所述挡热板(5)，所述挡热板由镜面铝箔制成。

3.根据权利要求1至2中任一权利要求所述的小型热气机用配气活塞，其特征在于：所述的挡热板(5)的数量为5～12个，铝箔的厚度为0.03～0.10mm。

4.根据权利要求3中所述的小型热气机用配气活塞，其特征在于：所述的薄壁环(4)、活塞顶(3)由不锈钢材料制成，壁厚为0.2～1.0mm。

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