CN203655467U - 用于斯特林发动机的活塞组件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于斯特林发动机的活塞组件，包括：活塞座，活塞杆的一端固定安装在活塞座上，活塞杆可沿活塞座的轴线方向往复运动；活塞壳，其与活塞座可拆卸连接，且活塞壳的开口位置处部设有阻止热量传输至所述活塞杆杆密封处的传热屏障。传热屏障的隔离大大降低了活塞壳向活塞杆和活塞座的辐射热传递，降低了通过活塞杆和活塞座传递到杆密封上的热量，改善了杆密封的可操作条件，斯特林发动机的预期寿命、维护周期以及效率得到提高；传热屏障的金属网不会形成对活塞壳的气封，可避免压力失衡引起的机械破裂，同时暂时储存热量，起到了交换器的作用。

Description

用于斯特林发动机的活塞组件

技术领域

本实用新型涉及发动机领域，特别涉及一种用于斯特林发动机的活塞组件。

背景技术

由于可与多种热源配合工作，斯特林发动机的应用场合很多，比如它可以以太阳能、燃料的燃烧热以及工业处理带来的废热为热源。斯特林发动机的气缸与热源分开，可避免活塞的活动部分因温度峰值、燃烧剩余产品和燃烧带来的磨损和裂缝，因此相对于诸如柴油发动机和汽油发动机之类的内燃机，斯特林发动机具有非常长的预期寿命和保养周期。

如图1所示，现有技术中具有V型布置气缸的斯特林发动机包括曲轴箱1，曲轴11转动安装在曲轴箱1内，第一连杆2和第二连杆5通过曲轴销12转动支撑在曲轴11上。第一连杆2的另一端通过第一十字头311和膨胀活塞杆31与膨胀活塞3连接，膨胀活塞3在膨胀气缸4中往复运动。第二连杆5通过第二十字头611和压缩活塞杆61与压缩活塞6连接，压缩活塞6在压缩气缸7中往复运动。膨胀气缸4和压缩气缸7之间设有气体加热器10，气体加热器10可以由翅片管组成，气体加热器10的外周包裹热损隔离材料13。压缩气缸7和气体加热器10之间依次设有冷却器8和蓄热式热交换器9。

工作气体被加热后，在膨胀气缸4中产生近似等温膨胀，进而推动膨胀活塞3向曲轴11运动。在膨胀活塞3远离曲轴11做反向运动时，工作气体从膨胀气缸4流入压缩气缸7，蓄热式热交换器9通常由能够暂时储存热量的金属网组成，工作气体通过蓄热式热交换器9时将热量传递给蓄热式热交换器9，并进一步通过冷却器8进行冷却。当压缩活塞6远离曲轴11运动时，工作气体穿过蓄热式热交换器9从压缩气缸7流入膨胀气缸4，储存在蓄热式热交换器9中的热量转移到工作气体中，使工作气体的温度达到650℃。接着，工作气体流入气体加热器10，气体加热器10进一步提高工作气体的温度。工作气体在压缩气缸7和膨胀气缸4之间循环运动。

尽管斯特林发动机内的曲轴轴承和与曲轴连接的活塞杆通常是油润滑，但是与活塞适配的膨胀气缸室保持干燥，仅含有工作气体。为了得到较高的能量输出，工作气体需要保持很高的压力，有时超过150巴。

为了保障发动机的效率和功能，阻止油从曲轴箱进入气缸室进而污染斯特林发动机的气体通道是非常重要的。这种隔离通过杆密封实现，如图1所示，膨胀活塞杆31和压缩活塞杆61上穿装有杆密封34，杆密封34的外部套装有杆密封罩33，它们在曲轴与气缸室之间提供密封的同时允许活塞杆往复运动。

杆密封的密封性能至关重要。在杆密封和活塞杆之间存在间隙，如果杆密封的温度较高，润滑油穿过杆密封进入工作气体中，油雾在蓄热式热交换器中很容易形成碳，因此大大提高了工作气体通过蓄热式热交换器的流动阻力，同时使蓄热式热交换器中热量存储材料和工作气体之间的热传递效率降低。这两方面均导致斯特林发动机的性能和效率的不良损失。另外，如果杆密封的温度较高，热量会传递到油润滑部位，使润滑油受热超出标准温度，油的粘度降低，润滑性能减弱。

为了使杆密封的作用最优化，并使布置在活塞外部的由聚合物材料制成的活塞环具有较长的预期耐久性和寿命，控制杆密封的工作温度以及限制膨胀气缸室的热传递是尤其重要的。

通过引入隔热元件将热量保持在燃烧室内的方法是本领域公知的。例如，US4863807公开了在活塞顶部设置多层活塞帽，该活塞帽中部的一层带有多个气孔以减小发动机燃烧室对活塞的热传递。但是，由于斯特林发动机的工作气体需要较高压力，活塞帽的气孔中的气体受热后膨胀，进而损害周围结构，隔热效果欠佳。另外，诸如US5282411公开的，在气缸室内使用陶瓷衬垫或在活塞的活塞顶面和隔热气腔上结合使用陶瓷衬垫。但是，仅仅在活塞顶部加入陶瓷衬垫也有不足：由于陶瓷材料和周围金属材料的热膨胀性能不同，高压下的工作气体使二者间产生张力，导致陶瓷部分易于开裂或断裂。

特别涉及斯特林发动机，罗伯特·斯特林自己在他的1817的苏格兰说明书中（图7）已经提出为了削弱从活塞顶部到活塞底部的热辐射在封闭的活塞组件内引入薄金属板。然而，薄金属板提供了非常有限的热隔离作用。更重要的，在高压的斯特林发动机中，在承受不均匀热温度的活塞内引入充气活塞组件产生了一种实质性的破裂危险。

实用新型内容

本实用新型是为了克服上述现有技术中缺陷，通过在活塞壳内部设置传热屏障和金属泡沫/陶瓷以及在活塞杆的各个部位设置隔热元件，限制膨胀气缸室向杆密封的热传递，降低杆密封的工作温度，提高杆密封的性能。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种用于斯特林发动机的活塞组件，包括：活塞座，活塞杆的一端固定安装在活塞座上，活塞杆可沿活塞座的轴线方向往复运动；活塞壳，其与活塞座可拆卸连接，且活塞壳的开口位置处部设有阻止热量传输至所述活塞杆杆密封处的传热屏障。传热屏障的隔离大大降低了活塞壳向活塞杆和活塞座的辐射热传递，降低了通过活塞杆和活塞座传递到杆密封上的热量，改善了杆密封的可操作条件，斯特林发动机的预期寿命、维护周期以及效率得到提高。

上述技术方案中，传热屏障包括多层金属网。传热屏障的金属网不会形成对活塞壳的气封，可避免压力失衡引起的机械破裂，同时暂时储存热量，起到了交换器的作用。另外，由于气缸内活塞的往复运动和活塞壳的加速力引起的工作气体的持续混合提高了工作气体的热量，而通过传热屏障的金属网的网孔限制工作气体的运动及其引起的气体混合，可以降低工作气体的温度及其向其他部件的热传递。

上述技术方案中，多层金属网烧结在一起形成一块网板。将金属网烧结在一起，可以在多层金属网之间不增加任何连接件的情况下形成牢固的网板，这样活塞的重量可以保持最小化。

上述技术方案中，一块网板的厚度范围为1～20mm。具有这种厚度的网板包括足够数量的金属网以提供有效的隔热效率，但同时可将活塞的附加重量控制在合理范围内。

上述技术方案中，金属网是管状的。与板状的金属网相比，管状的金属网可以不规则地布置在活塞壳内，并且布置在活塞壳内的多层管状金属网形成的传热屏障具有较大的容积和更高的隔热效率。

上述技术方案中，传热屏障是曲线状或圆锥状的。曲线状或圆锥状的传热屏障在传热屏障和活塞壳内壁之间形成了弹性固定，提高了活塞对振动的耐受性。

上述技术方案中，在传热屏障与活塞壳的开口位置处之间设有与活塞壳内壁相连接的陶瓷板。陶瓷对辐射热具有有效的隔离效果，这样的陶瓷板可以增加活塞的隔离性能，尤其对活塞壳内壁的辐射热的隔离。

上述技术方案中，陶瓷板的中心处呈杯状。杯状的陶瓷板可以对活塞往复运动的加速力带来的轴向负载和拉伸应力提供更好的耐受力。

上述技术方案中，在由活塞壳顶部和传热屏障构成的空间中设有金属泡沫或陶瓷。泡沫的添加可以吸收活塞壳内部的热量，使杆密封吸收较少的总热量。

上述技术方案中，在陶瓷板与活塞壳的开口位置处之间设有与活塞壳同轴的螺纹通孔，活塞座上设有带外螺纹的与螺纹通孔适配的凸缘。将活塞壳和活塞座通过螺纹连接在一起，加工成本较低，且易于拆装。

上述技术方案中，在螺纹通孔和凸缘之间的螺纹连接部分设有由低导热性的隔离材料制成的活塞组件螺纹套。活塞组件螺纹套可阻止活塞壳向活塞座的热传递，防止活塞座上的热量通过活塞杆传递到杆密封上。

上述技术方案中，在活塞杆和活塞座的连接部分设有由低导热性的隔离材料制成的杆套。杆套通过限制传递到活塞杆上的热量来限制传递到杆密封的上的热量。

上述技术方案中，活塞杆的端部突出于凸缘且设有与螺母相连接的外螺纹；当活塞壳与活塞座连接后，螺母容置在陶瓷板的中心处。螺母可以避免容置槽内的辐射热直接传递给活塞杆，并通过活塞杆传递给杆密封。

上述技术方案中，在螺母与活塞杆的连接部分设有由低导热性的隔离材料制成的杆螺纹套。容置在容置槽中的螺母暴露于活塞内部的辐射热，在螺母和活塞杆之间设置的杆螺纹套阻止了由螺母向活塞杆的热传递。

上述技术方案中，在陶瓷板的中心处附近设有多个为工作气体的膨胀和压缩提供空间的小通孔。小通孔可以避免活塞壳产生的气封引起的压力不均产生的机械破裂。

上述技术方案中，活塞组件以太阳能或热电结合作为热源。这些热源所达到的温度通常可以满足阻止杆密封过热的需求。

附图说明

图1是现有技术中具有V型布置气缸的斯特林发动机的一个实施例的截面图；

图2是本实用新型的活塞组件的一个实施例分解图；

图3是本实用新型的活塞组件的一个实施例整体图；

图4是本实用新型的传热屏障的一个实施例的结构图。

结合附图在其上标记以下附图标记：

1-曲轴箱，11-曲轴，12-曲轴销，2-第一连接杆，3-膨胀活塞，31-膨胀活塞杆，311-第一十字头，312-活塞杆顶，32-活塞壳，321-金属泡沫/陶瓷，322-传热屏障，323-容置槽，324-螺纹通孔，325-陶瓷板，326-管状网格，327-活塞组件螺纹套，33-杆密封，34-杆密封罩，35-杆套，36-杆螺纹套，37-螺母，38-活塞座，381-凸缘，4-膨胀气缸，5-第二连接杆，6-压缩活塞，61-压缩活塞杆，611-第二十字头，7-压缩气缸，8-冷却器，9-蓄热式热交换器，10-加热器，13-热损隔离材料。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。

如图2所示，本实用新型的活塞组件3包括活塞壳32和活塞座38，它们可通过螺纹连接等可拆卸的方式结合，形成完整的活塞（如图3所示）。优选地，为了使面向膨胀气缸室的活塞壳32的顶部承受高压，活塞壳32的顶部设置成圆顶形式。作为一个实施例，如图2所示，在活塞壳32的开口位置处处沿其轴线设有螺纹通孔324，活塞座38上设有与螺纹通孔324适配的带有外螺纹的凸缘381。活塞座38的中心处设有用于安装活塞杆31的通孔，将活塞杆31固定在活塞座38上。杆密封34设置在活塞杆31上靠近第一十字头311的一端且处于膨胀气缸4内不随活塞作往复运动，将包含干燥工作气体的膨胀气缸上部与受润滑的膨胀气缸下部和曲轴隔离开（以图2所示的膨胀气缸为参考方向）。

由于活塞壳32是受热的工作气体最先接触的活塞组件的部位，因此其温度相对活塞的其他部位较高，活塞壳的内部会产生辐射热，极易将热量传递给活塞杆或活塞座，进而传递给杆密封，使杆密封的温度升高。

为了尽可能多地阻止由活塞壳32内部向杆密封34的辐射热传递，如图2所示，在活塞壳32的圆顶和螺纹通孔324之间设有传热屏障322，传热屏障322包括多层金属网。

传热屏障中的金属网将工作气体隔离成较小的气柱，迫使气柱穿过金属网表面的网孔，同时气柱的部分热量被传热屏障吸收。当活塞反向运动时，工作气体再次经过传热屏障回到活塞顶部，传热屏障的金属网中储存的热量传递给工作气体，将工作气体加热。因此，传热屏障的金属网不会形成对活塞壳的气封，可避免压力失衡引起的机械破裂，同时暂时储存热量，起到了交换器的作用。另外，由于气缸内活塞的往复运动和活塞壳的加速力引起的工作气体的持续混合提高了工作气体的热量，而通过传热屏障的金属网的网孔限制工作气体的运动及其引起的气体混合，可以降低工作气体的温度及其向其他部件的热传递。再有，传热屏障连接在活塞壳内，不削弱或者堵塞现有的气体通道（比如气缸内的气体通道）的情况下，使斯特林发动机正常工作。

优选地，活塞壳内的传热屏障与热源保持一定距离，尽量靠近活塞杆。与膨胀气缸室相距一定距离，传热屏障可以承受较小的由高压工作气体和热量流动带来的张力，另外，传热屏障本身会吸收较少的热量，可避免传热屏障中金属网因高温引起的故障。

优选地，如图4所示，作为传热屏障的另一个实施例，传热屏障322的金属网烧结在一起形成一块单独的网板。将金属网烧结在一起，可以在多层金属网之间不增加任何连接件的情况下形成牢固的网板，这样活塞的重量可以保持最小化且传热屏障的结构简单。优选地，可以将2～50片金属网烧结在一起。

优选地，网板的厚度范围保持在1～20mm。具有这种厚度的网板包括足够数量的金属网以提供有效的隔热效率，但同时可将活塞的附加重量控制在合理范围内。

作为另一个实施例，传热屏障322也可以呈曲线状或圆锥状，以便活塞杆31的顶部可以插入传热屏障322形成的空间中，在不存在任何隔热介质的情况下减小直接暴露于杆密封34的活塞壳32的内壁部分，进而限制从活塞壳32的内壁传到杆密封34的辐射热，并且曲线状或圆锥状的传热屏障在传热屏障和活塞壳内壁之间形成了弹性固定，提高了活塞对振动的耐受性。

作为另一个实施例，可替换或作为补充，金属网可以是管状的，诸如图2中的管状网格326所示。与板状的金属网相比，管状的金属网可以以不规则的方式弯曲扭转地布置在活塞壳内，并且布置在活塞壳内的多层管状金属网形成的传热屏障具有较大的容积和更高的隔热效率。

上述各种金属网构成的传热屏障在为活塞提供热隔离的同时不会增加不必要的重量，因此不会削弱斯特林发动机的整体效率；传热屏障可以大大减少传递到杆密封的热量，避免杆密封暴露在受热工作气体的强热量中，降低杆密封的温度，削弱因热应力对杆密封的密封性能的影响；另外，由于传热屏障中金属网的交换器功能使传递到杆密封和曲轴箱的热量减少，减少了膨胀气缸的热损失，提高了斯特林发动机的整体效率。

根据本实用新型的另一个实施例，在传热屏障322和螺纹通孔324之间设有与活塞壳内壁相连接的陶瓷板325，形成进一步的传热屏障。陶瓷对辐射热具有有效的隔离效果，这样的陶瓷板可以增加活塞的隔离性能，尤其对活塞壳内壁的辐射热的隔离。

根据本实用新型的另一个实施例，如图2所示，活塞杆31的端部突出于凸缘381的端面，且活塞杆31的端部设有安装螺母37的外螺纹。优选地，螺母37的顶部设有螺母顶，避免活塞杆顶312直接暴露于活塞壳32的辐射热中。

优选地，陶瓷板325的中心处呈与螺纹通孔324同轴的杯状，形成容置槽323，其底部从中心向活塞壳内壁延伸形成圆板，如图2和3所示，容置槽323与活塞壳内壁之间的陶瓷板与活塞壳成一定角度形成斜面。容置槽323的端面上相对于螺纹通孔324形成肩部，便于安装时防止活塞座38过量旋入活塞壳32内。如图3所示，活塞壳32和活塞座38安装在一起时，凸缘381与螺纹通孔324螺纹连接，且螺母37容置在容置槽323内。优选地，活塞杆顶312与容置槽323的底部存在一定的间隙。陶瓷板325在活塞杆顶312与活塞壳32内部的辐射热之间形成了一层隔离，相当于螺母顶。另外，杯状的陶瓷板325可以对活塞往复运动的加速力带来的轴向负载和拉伸应力提供更好的耐受力。

优选地，在陶瓷板325上的容置槽323附近设有多个为工作气体的膨胀和压缩提供空间的小通孔，不会使活塞壳32内部产生气封隔离，并可避免因压力不均造成的机械脆裂。

根据本实用新型的另一个实施例，在由活塞壳32内部和传热屏322构成的空间中填充金属泡沫/陶瓷321。金属泡沫/陶瓷321的添加可以吸收活塞壳内部的热量，使杆密封吸收较少的总热量。相对于传统隔离材料的衬垫，如US4863807和US5282411中的衬垫，填充在内部的金属泡沫/陶瓷321不需要提供任何供其容纳的袋状物或腔室，因此不会改变活塞壳的外形，也不会因活塞壳表面本身存在连接点而降低活塞壳的耐久性和强度性能。由于斯特林气缸中的温度较高，泡沫由金属或陶瓷材料制成。

根据本实用新型的另一个实施例，在螺纹通孔324和凸缘381之间的螺纹连接部分设有由低导热性的隔离材料制成的活塞组件螺纹套327，以阻止活塞壳向活塞座的热传递，防止活塞座上的热量通过活塞杆传递到杆密封上。低导热性的隔离材料可以是合适的聚合物。

活塞杆和活塞座的连接部分的接触面形成了一个传热的桥梁。因此，根据本实用新型的另一个实施例，在活塞杆31与活塞座38的连接部分设有由低导热性的隔离材料制成的杆套35，通过限制传递到活塞杆上的热量来限制传递到杆密封的上的热量。

类似地，在活塞杆31和螺母37的螺纹之间也设置由低导热性的隔离材料制成的杆螺纹套36。容置在容置槽323中的螺母37暴露于活塞内部的辐射热，陶瓷板325和杆螺纹套36的配合可以最大限度地阻止活塞壳的辐射热直接或间接传递到活塞杆上，进而传递到杆密封上。

任何前述的实施例不仅适用于用于燃料器的热源，也适用于太阳能或热电结合等多种热源。本实用新型的活塞组件非常适用于以太阳能或热电结合等为热源的斯特林发动机的，这些热源所达到的温度通常可以满足阻止杆密封过热的需求。

本实用新型的所有前述的实施例不会对发动机操作造成任何消极影响。同样，现存的斯特林发动机可以在不需做任何进一步限制的情况下配置本实用新型中包括上述一个或多个隔热部件的活塞组件。本实用新型的多种隔热部件可以单独使用，也可以相互从属以作补充。

通过有效的隔热部件，改善了杆密封的可操作条件，斯特林发动机的预期寿命、维护周期以及效率得到提高。

以上公开的仅为本实用新型的几个具体实施例，但是，本实用新型并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本实用新型的保护范围。

Claims (16)

1.一种用于斯特林发动机的活塞组件，其特征在于，包括：

活塞座，活塞杆的一端固定安装在所述活塞座上，所述活塞杆可沿所述活塞座的轴线方向往复运动；

活塞壳，其与所述活塞座可拆卸连接，且所述活塞壳的开口位置处设有阻止热量传输至所述活塞杆杆密封处的传热屏障。

2.根据权利要求1所述的活塞组件，其特征在于，所述传热屏障包括多层金属网。

3.根据权利要求2所述的活塞组件，其特征在于，所述多层金属网烧结在一起形成一块网板。

4.根据权利要求3所述的活塞组件，其特征在于，所述一块网板的厚度范围为1～20mm。

5.根据权利要求2所述的活塞组件，其特征在于，所述金属网是管状的。

6.根据权利要求1所述的活塞组件，其特征在于，所述传热屏障是曲线状或圆锥状的。

7.根据权利要求1或2所述的活塞组件，其特征在于，在所述传热屏障与所述活塞壳的开口位置处之间设有与所述活塞壳内壁相连接的陶瓷板。

8.根据权利要求7所述的活塞组件，其特征在于，所述陶瓷板的中心处呈杯状。

9.根据权利要求1所述的活塞组件，其特征在于，在由所述活塞壳顶部和所述传热屏障构成的空间中设有金属泡沫或陶瓷。

10.根据权利要求8所述的活塞组件，其特征在于，在所述陶瓷板与所述活塞壳的开口位置处之间设有与所述活塞壳同轴的螺纹通孔，所述活塞座上设有带外螺纹的与所述螺纹通孔适配的凸缘。

11.根据权利要求10所述的活塞组件，其特征在于，在所述螺纹通孔和所述凸缘之间的螺纹连接部分设有由低导热性的隔离材料制成的活塞组件螺纹套。

12.根据权利要求11所述的活塞组件，其特征在于，在所述活塞杆和所述活塞座的连接部分设有由低导热性的隔离材料制成的杆套。

13.根据权利要求10所述的活塞组件，其特征在于，所述活塞杆的端部突出于所述凸缘且设有与螺母相连接的外螺纹；当所述活塞壳与所述活塞座连接后，所述螺母容置在所述陶瓷板的中心处。

14.根据权利要求13所述的活塞组件，其特征在于，在所述螺母与所述活塞杆的连接部分设有由低导热性的隔离材料制成的杆螺纹套。

15.根据权利要求8所述的活塞组件，其特征在于，在所述陶瓷板的中心处附近设有多个为工作气体的膨胀和压缩提供空间的小通孔。

16.根据权利要求1所述的活塞组件，其特征在于，所述活塞组件以太阳能或热电结合作为热源。

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