CN108071518A - 用于斯特林发动机的分体式活塞座 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于斯特林发动机的分体式活塞座，包括活塞座，所述活塞座从上至下依次由上部活塞座、中部活塞座和下部活塞座连接构成；所述上部活塞座朝向所述中部活塞座的上表面一侧外边缘处设置一第一环形凹槽，所述第一环形凹槽内设有至少一个第一活塞环；所述下部活塞座朝向所述中部活塞座的下表面一侧外边缘处设置一第二环形凹槽，所述第二环形凹槽内设有至少一个第二活塞环；其中，所述第一活塞环和所述第二活塞环的外环壁与所述上部活塞座和所述中部活塞座，以及下部活塞座的外壁均齐平；本发明采用分体式的活塞座，能够显著提高活塞环密封面加工精度，能够提升活塞环动密封的密封性能和可靠性。

Description

用于斯特林发动机的分体式活塞座

技术领域

本发明涉及发动机零部件领域，尤指一种用于斯特林发动机的分体式活塞座。

背景技术

斯特林发动机是一种外部供热(或燃烧)的活塞式发动机，它以气体作工质，按闭式回热循环的方式进行工作，主要由外部供热(燃烧)系统、工作循环系统(热能-机械能转换系统)、传动系统(机械能输出系统)、辅助系统及监控系统组成。

因此，对于系统密封要求极高，斯特林发动机的密封包括静密封和动密封，比较而言，静密封容易解决，一般采用垫片密封和O型密封。动密封主要指活塞和活塞杆的往复密封。活塞杆的密封用来防止工质泄漏到周围环境中，活塞的密封用来分隔发动机内部不同的工作腔，以实现其工作循环。

其中，活塞环动密封是影响斯特林发动机性能和可靠性的关键技术之一，活塞环密封性能的好坏直接影响斯特林发动机的性能，一旦失效，轻则造成气缸间泵气，发动机功率、效率降低；重则造成内循环无法实现，发动机不能工作，甚至被损坏。

所以，在研究斯特林发动机活塞环密封性能的时候，必须考虑活塞环与缸套之间的摩擦力的大小。摩擦力所造成的摩擦功耗会影响发动机的输出功率，而斯特林发动机内循环工作特性决定了活塞环必须与缸套具有一定的压紧力以保证可靠的密封性。针对这一对矛盾，必须优化配置摩擦力的大小与密封性能需求二者间的关系。由于活塞环装配于活塞座上，依靠气体力与缸套壁面压紧产生密封作用，而活塞座作为发动机的关键部件，其结构设计对活塞环动密封性能及可靠性具有重要影响。

目前，常用的的活塞座为一体式，活塞座本体和活塞环加工好后，再装配到一起。该结构广泛用于发动机中，包括金属环和非金属环，其结构和工艺简单，成本低。上述的活塞座结构，由于活塞环结构特点所致，一般装配好后，不方便再加工，这样难以保证高精度的活塞环表面密封结构。此外装配时，需张开活塞环，这容易对环造成一定损坏，因此需要活塞环具有较好的韧性，对材料选择比较苛刻。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于斯特林发动机的分体式活塞座，采用分体式的活塞座，能够显著提高活塞环密封面加工精度，能够提升活塞环动密封的密封性能和可靠性。

本发明提供的技术方案如下：

一种用于斯特林发动机的分体式活塞座，包括：活塞座，所述活塞座是分体式的，从上至下依次由上部活塞座、中部活塞座和下部活塞座连接构成；中部活塞座和下部活塞座为环形筒体结构，安装时套置在上部活塞座的下部环形凸台上，并用螺钉固定；所述上部活塞座朝向所述中部活塞座的上表面一侧外边缘处设置一第一环形凹槽，所述第一环形凹槽内设有至少一个第一活塞环；所述下部活塞座朝向所述中部活塞座的下表面一侧外边缘处设置一第二环形凹槽，所述第二环形凹槽内设有至少一个第二活塞环；其中，所述第一活塞环和所述第二活塞环的外环壁与所述上部活塞座和所述中部活塞座，以及下部活塞座的外壁均齐平；所述上部活塞座的外壁上开设有第五环形凹槽，所述第五环形凹槽内卡设一导向环；所述导向环和所述第一活塞环，以及第二活塞环的外侧壁齐平。。

本技术方案中，将活塞座由上、中、下三部分连接构成，突破常规的一体式活塞座的设计。由于现有的活塞座主要采用整体式结构，活塞环需要撑开后再装配于活塞座，这种装配工艺对活塞环材料的选择产生一定限制，活塞环材料要求较高的韧性，而导致部分摩擦磨损性能较优异的干摩擦材料是无法应用于斯特林发动机动密封。而本发明中，分体式的活塞座能够在相邻的两个活塞座之间通过夹设的方式将活塞环夹紧，有效地避免了整体式结构装配工艺对活塞环材料的限制(活塞环材料要求较高的韧性)，可以选用更加减摩耐磨的活塞环材料，进而能够显著提高活塞环密封面加工精度，提升活塞环动密封的摩擦磨损性能。

优选地，所述第一环形凹槽内还设有一第一胀圈，所述第一胀圈位于所述第一活塞环内侧，且卡设在所述第一活塞环与所述上部活塞座外壁之间；所述第二环形凹槽内还设有一第二胀圈，所述第二胀圈位于所述第二活塞环内侧，且卡设在所述第二活塞环与所述下部活塞座外壁之间。

本技术方案中，在第一活塞环内侧和第二活塞环内侧分别设置第一胀圈和第二胀圈，通过设置的第一胀圈和第二胀圈，起到在活塞环预胀时对接口处密封的作用，进一步提升活塞环动密封的可靠性。

优选地，所述第一胀圈朝向所述上部活塞座的一侧表面上设有第三环形凹槽，所述第三环形凹槽为从底部向顶部渐扩的凹槽；和/或；

所述第二胀圈朝向所述下部活塞座的一侧表面上设有第四环形凹槽，所述第四环形凹槽为从底部向顶部渐扩的凹槽。

本技术方案中，将第一胀圈朝向上部活塞座的一侧表面上设置第三环形凹槽，且第三环形凹槽为从底部向顶部渐扩的凹槽，这样可以通过凹槽的开口的拉伸来缓冲活塞环与缸套之间摩擦时活塞环所受到的这种变形应力，进而能够降低和缓冲活塞环的变形，进而在保证密封性的基础上，延长活塞环的使用寿命。

优选地，所述上部活塞座的外壁上开设有第五环形凹槽，所述第五环形凹槽内卡设一导向环；所述导向环和所述第一活塞环，以及第二活塞环的外侧壁齐平。

本技术方案中，在上部活塞座的外壁上设置一导向环，且导向环与第一活塞环和第二活塞环的外侧壁齐平，主要作用是防止装配和往复运动过程中活塞座与缸套擦碰，进而有效地减小摩擦力，从而避免摩擦功耗影响发动机的输出功率。

优选地，所述导向环和所述第一活塞环，以及所述第二活塞环均采用PEEK材料制成。

本技术方案中，将导向环、第一活塞环和第二活塞环均采用PEEK(即聚醚醚酮树脂是一种性能优异的特种工程塑料)材料制成，进而提升斯特林发动机活塞环的摩擦磨损性能。

优选地，所述上部活塞座的上表面设有中间腔，所述中间腔的底部设有若干条上部流道，所述上部流道从所述中间腔的底部朝所述中部活塞座的方向延伸。

优选地，所述中部活塞座上设有中部流道，所述中部流道与所述上部流道连通。

本技术方案中，通过设置的上部流道，以及与上部流道连通，且设置在中部活塞座上的中部流道，进而实现与上部活塞上表面上设置的中间腔的连通，构成分体式活塞座最低循环压力区域，从而保证了活塞环动密封的密封性能。

优选地，所述中部流道为自与所述上部流道处朝所中部活塞座的外壁方向延伸，且延伸方向与所述上部流道垂直。

本技术方案中，将中部流道和上部流道设置成垂直，这样可以保证连通的畅通性，还可以在保证活塞座的强度的基础上有效地简化加工工艺。

优选地，所述下部活塞座的内壁与所述上部活塞座的外壁之间设置一O型密封圈，以形成密封。

本技术方案中，在下部活塞座与上部活塞座的外壁之间设置O型密封圈，通过O型密封圈，可以提高中间腔与缸套的压缩腔之间的密封作用。

优选地，所述第一胀圈、所述第二胀圈、所述第一活塞环，以及所述第二活塞环匀为封闭的环状结构。其密封效果更佳。

通过本发明提供的用于斯特林发动机的分体式活塞座，能够带来以下至少一种有益效果：

1、本发明中，突破常规的整体式活塞座的设计，将活塞座由上、中、下三部组合构成。有效地避免了整体式结构装配工艺对活塞环材料的限制(活塞环材料要求较高的韧性)，可以选用更加减摩耐磨的材料作为活塞环，能够显著提高活塞环密封面加工精度，提升活塞环动密封的摩擦磨损性能。

2、本发明中，通过在上部活塞座上设置的第一环形凹槽内设置的第一胀圈，以及下部活塞座上设置的第二环形凹槽内设置的第二胀圈，起到在活塞环预胀时，利用第一胀圈和第二胀圈对接口处密封的作用，进一步提升活塞环动密封的可靠性。

3、本发明中，通过在上部活塞座的中心轴线处开设的通孔，进而实现活塞杆与活塞座，以及活塞顶之间的连接，保证连接强度，进而在活塞杆沿上部活塞座的轴线方向往复运动时，提高其连接的稳定性和运动时的平稳性。

4、本发明中，在上部活塞座的外壁上设置一导向环，且将导向环与第一活塞环和第二活塞环的外侧齐平，防止装配和往复运动过程中活塞座与缸套擦碰，进而有效地减小摩擦力，从而避免摩擦功耗影响发动机的输出功率。

5、本发明中，将导向环、第一活塞环和第二活塞环均采用PEEK(即聚醚醚酮树脂是一种性能优异的特种工程塑料)材料制成，进而利用材料本身的特性，进一步的提升斯特林发动机活塞环的摩擦磨损性能。

6、本发明中，通过设置的上部流道和中部流道，实现与中间腔的连通，进而构成分体式活塞座最低循环压力区域，从而保证了活塞环动密封的密封性能。

7、本发明中，在下部活塞座与上部活塞座的外壁之间设置O型密封圈，通过设置的O型密封圈，可以提高中间腔与缸套的压缩腔之间的密封作用。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1是本发明中用于斯特林发动机的分体式活塞座的仰视图；

图2是为图1中A-A方向的剖面图结构示意图；

图3是为图1中B-B方向的剖面图结构示意图；

图4是本发明中用于斯特林发动机的分体式活塞座的使用状态剖面图结构示意图。

附图标号说明：

01、活塞顶；02、活塞座；03、缸套；04、活塞杆；

1、上部活塞座；11、第一环形凹槽；12、第一活塞环；13、第一胀圈；131、第三环形凹槽；14、通孔；15、第五环形凹槽；16、导向环；17、中间腔；18、上部流道；19、O型圈槽；

2、中部活塞座；21、中部流道；

3、下部活塞座；31、第二环形凹槽；32、第二活塞环；33、第二胀圈；331、第四环形凹槽；34、O型密封圈；

4、膨胀腔；5、压缩腔。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形，其次，本发明附图的活塞座的上表面定义为图4中的上表面，这也是本发明活塞座02在实际使用时的方位，后续附图沿用此定义。

在本发明的实施例一中，参照图1-3所示，一种用于斯特林发动机的分体式活塞座，包括活塞座02，且活塞座02从上至下依次由上部活塞座1、中部活塞座2和下部活塞座3连接构成，其中，中部活塞座2和下部活塞座3均为环形筒体结构，安装时套置在上部活塞座1的下部环形凸台上，并用螺钉固定即可。同时在上部活塞座1朝向中部活塞座2的上表面一侧外边缘处设置一第一环形凹槽11，第一环形凹槽11内设有至少一个第一活塞环12；而下部活塞座3朝向中部活塞座2的下表面一侧外边缘处设置一第二环形凹槽31，第二环形凹槽31内设有至少一个第二活塞环32。其中，第一环形凹槽11和第二环形凹槽31的槽宽小于中部活塞座2宽度，而第一活塞环12和第二活塞环32的宽度均小于第一环形凹槽11和第二环形凹槽31的槽宽，且第一环形凹槽11和第二环形凹槽31均设置在靠近中部活塞座2的外边缘处，使得第一活塞环12和第二活塞环32的外环壁与上部活塞座1和中部活塞座2，以及下部活塞座3的外壁均齐平。

实际安装时，可以将第一活塞环12和第二活塞环32分别设置在第一环形凹槽11和第二环形凹槽31内后，将上部活塞座1、中部活塞座2，以及下部活塞座3进行固定，进而实现对第一活塞环12和第二活塞环32的夹紧，避免活塞环需要撑开后再装配于活塞座02上。应说明的是，上部活塞座1、中部活塞座2，以及下部活塞座3之间的连接方向为多种，本申请中优选地采用螺栓的方式进行连接，且螺栓的数量为四个，四个螺栓均匀地分布在活塞座02的下表面面上，贯穿中部活塞2后与上部活塞1。这样不仅保证了分体式的三部分活塞座的连接稳定性，还可以有效地避免现有整体式活塞座对活塞环材料的限制，并强化活塞座密封面的加工精度，从而提升活塞环动密封的摩擦磨损和密封性能。同时，本申请中为保证斯特林发动机及斯特林制冷机活塞环动密封性，优选地，将第一活塞环12和第二活塞环32的数量均设置为两个，当然在其他实施例中，可以根据实际需要进行的合理的调整。

在本发明的实施例二中，参看图2、3所示，与实施例一的改进之处在于：第一环形凹槽11内还设有一第一胀圈13，第一胀圈13位于第一活塞环12内侧，且卡设在第一活塞环12与上部活塞座1外壁之间；同时在第二环形凹槽31内还设有一第二胀圈33，第二胀圈33位于第二活塞环32内侧，且卡设在第二活塞环32与下部活塞座3外壁之间。这样在第一活塞环12和第二活塞环32预胀时，通过设置的第一胀圈13和第二胀圈33，对相邻活塞座之间起到密封的作用，进一步提升活塞环动密封的可靠性。

在本发明的实施例二中，再次参看图2、3所示，进一步优选地，在第一胀圈13朝向上部活塞座1的一侧表面上设有第三环形凹槽131，且第三环形凹槽131为底部向顶部渐扩的凹槽，即从靠近中部活塞座2的一侧朝与上部活塞座1接触的表面渐扩。

在本发明的实施例二中，再次参看图2、3所示，进一步优选地，在第二胀圈33朝向下部活塞座3的一侧表面上设有第四环形凹槽331，第四环形凹槽331为从底部向顶部渐扩的凹槽，即从靠近中部活塞座2的一侧朝与下部活塞座3接触的表面渐扩。使得第三环形凹槽131和第四环形凹槽331的槽口相背向设置，可以在活塞环摩擦时所受到的变形应力，可以通过凹槽的开口拉伸来缓冲，不仅能够保证相邻活塞座之间的密封性，还可以起到对活塞环的保护，延长活塞环的使用寿命。

在上述两个实施例中，再次参看图2、3所示，进一步的在上部活塞座1上开设有通孔14，且通孔14为自上部活塞座1的下表面朝向上表面延伸，同时将通孔14设置在位于上部活塞座1的中心轴线处。这样在通孔14内安装活塞杆04，在活塞杆04沿上部活塞座1的轴线方向往复运动时，能够保证活塞座的平稳性，避免发生偏移影响活塞环的密封性，导致活塞环磨损严重而缩短其使用寿命。其中，应说明的是，本申请中，通孔14为锥形孔，即靠近上部活塞座1的下表面处的孔径大于上部活塞座1的下表面处的孔径。具体的通孔14形状根据实际需求做合理的设计，本申请中不做一一赘述。

在本发明的实施例三中，再次参看图2、3所示，与上述两个实施例的改进之处在于：在设置的上部活塞座1的外壁上开设有第五环形凹槽15，且在第五环形凹槽15内卡设导向环16，具体的将导向环16设置在第一活塞环12的上方，使得导向环16和第一活塞环12，以及第二活塞环32的外侧壁齐平。能够防止装配和往复运动过程中活塞座与缸套03擦碰，进而有效地减小摩擦力，从而避免摩擦功耗影响发动机的输出功率。

在本发明的实施例三中，优选地，将导向环16和第一活塞环12，以及第二活塞环32均采用PEEK材料制成。由于PEEK材料与其他特种工程塑料相比具有更多显著优势，耐正高温260℃、机械性能优异、自润滑性好、耐化学品腐蚀、阻燃、耐剥离性、耐磨性、不耐强硝酸、浓硫酸、抗辐射、超强的机械性，进而能够有效地提升斯特林发动机活塞环的摩擦磨损性能。

上述三个实施例中的用于斯特林发动机的分体式活塞座的具体使用的实施例一中，参看图4所示，上部活塞座1的上方连接一活塞顶01，活塞座02和活塞顶01组成活塞组件，并与活塞杆04连接在一起，活塞组件布置在缸套03内。在上部活塞座1的上表面设有中间腔17(即上部活塞座1的上表面向下凹陷与活塞顶01之间构成的腔室)，活塞顶01与缸套03的上部内壁之间构成一膨胀腔4，活座塞02下部与缸套03的下部之间形成压缩腔5。

在具体使用的实施例一中，参看图3、4所示，进一步的在中间腔17的底部设有若干条上部流道18，其中，上部流道18是从中间腔17的底部朝中部活塞座2的方向延伸，且与中部活塞座2垂直。

在具体使用的实施例一中，参看图3、4所示，进一步的在中部活塞座2上设置中部流道21，使得中部流道21与上部流通连通，进而实现与中间腔17的连通，构成分体式活塞座最低循环压力区域，从而保证了活塞环动密封的密封性能。

在具体使用的实施例一中，优选地，设置的中部流道21为自上部流道18处朝中部活塞座2的外壁方向延伸，且延伸方向与上部流道18垂直，即中部流道21设置在中部活塞座2的中心位置。不仅能够简化加工程序，还能够保证中部活塞座2的强度。

在具体使用的实施例二中，参看2-4所示，在上述具体使用的实施例一的基础上做改进，改进之处在于：在设置的下部活塞座3与上部活塞座1的外壁之间设置一O型密封圈34。具体的在上部活塞座1与下部活塞座3之间的外壁上开设一O型圈槽19。在实际安装时，在O型圈槽19内设置O型密封圈34后，再将下部活塞座3和上部活塞座1进行固定。这样可以提高中间腔17与压缩腔5之间的密封作用。

本发明的实施例中，活塞座02加工和装配时，第一胀圈13、第二胀圈33、第一活塞环12，以及第二活塞环32匀可以设置成封闭的环，在胀圈和活塞环装配到位后，可以进行二次加工，车削或打磨，以满足更高的精度要求。当然其他实施例中第一胀圈13、第二胀圈33、第一活塞环12，以及第二活塞环32可以设置成带开口的环，具体的根据实际需求做合理的选择即可。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于斯特林发动机的分体式活塞座，其特征在于，包括：

活塞座，所述活塞座是分体式的，从上至下依次由上部活塞座、中部活塞座和下部活塞座连接构成；

中部活塞座和下部活塞座为环形筒体结构，安装时套置在上部活塞座的下部环形凸台上，并用螺钉固定；

所述上部活塞座朝向所述中部活塞座的上表面一侧外边缘处设置一第一环形凹槽，所述第一环形凹槽内设有至少一个第一活塞环；

所述下部活塞座朝向所述中部活塞座的下表面一侧外边缘处设置一第二环形凹槽，所述第二环形凹槽内设有至少一个第二活塞环；

其中，所述第一活塞环和所述第二活塞环的外环壁与所述上部活塞座和所述中部活塞座，以及下部活塞座的外壁均齐平；

所述上部活塞座的外壁上开设有第五环形凹槽，所述第五环形凹槽内卡设一导向环；所述导向环和所述第一活塞环，以及第二活塞环的外侧壁齐平。

2.根据权利要求1所述的用于斯特林发动机的分体式活塞座，其特征在于：

所述第一环形凹槽内还设有一第一胀圈，所述第一胀圈位于所述第一活塞环内侧，且卡设在所述第一活塞环与所述上部活塞座外壁之间；

所述第二环形凹槽内还设有一第二胀圈，所述第二胀圈位于所述第二活塞环内侧，且卡设在所述第二活塞环与所述下部活塞座外壁之间。

3.根据权利要求2所述的用于斯特林发动机的分体式活塞座，其特征在于：

所述第一胀圈朝向所述上部活塞座的一侧表面上设有第三环形凹槽，所述第三环形凹槽为从底部向顶部渐扩的凹槽；

和/或；

所述第二胀圈朝向所述下部活塞座的一侧表面上设有第四环形凹槽，所述第四环形凹槽为从底部向顶部渐扩的凹槽。

4.根据权利要求3所述的用于斯特林发动机的分体式活塞座，其特征在于：

所述导向环和所述第一活塞环，以及所述第二活塞环均采用PEEK材料制成。

5.根据权利要求1所述的用于斯特林发动机的分体式活塞座，其特征在于：

所述上部活塞座的上表面设有中间腔，所述中间腔的底部设有若干条上部流道，所述上部流道从所述中间腔的底部朝所述中部活塞座的方向延伸。

6.根据权利要求5所述的用于斯特林发动机的分体式活塞座，其特征在于：

所述中部活塞座上设有中部流道，所述中部流道与所述上部流道连通。

7.根据权利要求6所述的用于斯特林发动机的分体式活塞座，其特征在于：

所述中部流道为自与所述上部流道处朝所中部活塞座的外壁方向延伸，且延伸方向与所述上部流道垂直。

8.根据权利要求7所述的用于斯特林发动机的分体式活塞座，其特征在于：

所述下部活塞座的内壁与所述上部活塞座的外壁之间设置一O型密封圈，以形成密封。

9.根据权利要求2所述的用于斯特林发动机的分体式活塞座，其特征在于：

所述第一胀圈、所述第二胀圈、所述第一活塞环，以及所述第二活塞环匀为封闭的环状结构。