用于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞組件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，特別涉及一種用于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞組件。
【背景技術(shù)】
[0002]由于可與多種熱源配合工作，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合很多，比如它可以以太陽(yáng)能、燃料的燃燒熱以及工業(yè)處理帶來(lái)的廢熱為熱源。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸與熱源分開(kāi)，可避免活塞的活動(dòng)部分因溫度峰值、燃燒剩余產(chǎn)品和燃燒帶來(lái)的磨損和裂縫，因此相對(duì)于諸如柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和汽油發(fā)動(dòng)機(jī)之類的內(nèi)燃機(jī)，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)具有非常長(zhǎng)的預(yù)期壽命和保養(yǎng)周期。
[0003]如圖1所示，現(xiàn)有技術(shù)中具有V型布置氣缸的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)包括曲軸箱1，曲軸11轉(zhuǎn)動(dòng)安裝在曲軸箱I內(nèi)，第一連桿2和第二連桿5通過(guò)曲軸銷12轉(zhuǎn)動(dòng)支撐在曲軸11上。第一連桿2的另一端通過(guò)第一十字頭311和膨脹活塞桿31與膨脹活塞3連接，膨脹活塞3在膨脹氣缸4中往復(fù)運(yùn)動(dòng)。第二連桿5通過(guò)第二十字頭611和壓縮活塞桿61與壓縮活塞6連接，壓縮活塞6在壓縮氣缸7中往復(fù)運(yùn)動(dòng)。膨脹氣缸4和壓縮氣缸7之間設(shè)有氣體加熱器10，氣體加熱器10可以由翅片管組成，氣體加熱器10的外周包裹熱損隔離材料13。壓縮氣缸7和氣體加熱器10之間依次設(shè)有冷卻器8和蓄熱式熱交換器9。
[0004]工作氣體被加熱后，在膨脹氣缸4中產(chǎn)生近似等溫膨脹，進(jìn)而推動(dòng)膨脹活塞3向曲軸11運(yùn)動(dòng)。在膨脹活塞3遠(yuǎn)離曲軸11做反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，工作氣體從膨脹氣缸4流入壓縮氣缸7，蓄熱式熱交換器9通常由能夠暫時(shí)儲(chǔ)存熱量的金屬網(wǎng)組成，工作氣體通過(guò)蓄熱式熱交換器9時(shí)將熱量傳遞給蓄熱式熱交換器9，并進(jìn)一步通過(guò)冷卻器8進(jìn)行冷卻。當(dāng)壓縮活塞6遠(yuǎn)離曲軸11運(yùn)動(dòng)時(shí)，工作氣體穿過(guò)蓄熱式熱交換器9從壓縮氣缸7流入膨脹氣缸4，儲(chǔ)存在蓄熱式熱交換器9中的熱量轉(zhuǎn)移到工作氣體中，使工作氣體的溫度達(dá)到650°C。接著，工作氣體流入氣體加熱器10，氣體加熱器10進(jìn)一步提高工作氣體的溫度。工作氣體在壓縮氣缸7和膨脹氣缸4之間循環(huán)運(yùn)動(dòng)。
[0005]盡管斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的曲軸軸承和與曲軸連接的活塞桿通常是油潤(rùn)滑，但是與活塞適配的膨脹氣缸室保持干燥，僅含有工作氣體。為了得到較高的能量輸出，工作氣體需要保持很高的壓力，有時(shí)超過(guò)150巴。
[0006]為了保障發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和功能，阻止油從曲軸箱進(jìn)入氣缸室進(jìn)而污染斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的氣體通道是非常重要的。這種隔離通過(guò)桿密封實(shí)現(xiàn)，如圖1所示，膨脹活塞桿31和壓縮活塞桿61上穿裝有桿密封34，桿密封34的外部套裝有桿密封罩33，它們?cè)谇S與氣缸室之間提供密封的同時(shí)允許活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
[0007]桿密封的密封性能至關(guān)重要。在桿密封和活塞桿之間存在間隙，如果桿密封的溫度較高，潤(rùn)滑油穿過(guò)桿密封進(jìn)入工作氣體中，油霧在蓄熱式熱交換器中很容易形成碳，因此大大提高了工作氣體通過(guò)蓄熱式熱交換器的流動(dòng)阻力，同時(shí)使蓄熱式熱交換器中熱量存儲(chǔ)材料和工作氣體之間的熱傳遞效率降低。這兩方面均導(dǎo)致斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和效率的不良損失。另外，如果桿密封的溫度較高，熱量會(huì)傳遞到油潤(rùn)滑部位，使?jié)櫥褪軣岢鰳?biāo)準(zhǔn)溫度，油的粘度降低，潤(rùn)滑性能減弱。
[0008]為了使桿密封的作用最優(yōu)化，并使布置在活塞外部的由聚合物材料制成的活塞環(huán)具有較長(zhǎng)的預(yù)期耐久性和壽命，控制桿密封的工作溫度以及限制膨脹氣缸室的熱傳遞是尤其重要的。
[0009]通過(guò)引入隔熱元件將熱量保持在燃燒室內(nèi)的方法是本領(lǐng)域公知的。例如，US4863807公開(kāi)了在活塞頂部設(shè)置多層活塞帽，該活塞帽中部的一層帶有多個(gè)氣孔以減小發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室對(duì)活塞的熱傳遞。但是，由于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的工作氣體需要較高壓力，活塞帽的氣孔中的氣體受熱后膨脹，進(jìn)而損害周圍結(jié)構(gòu)，隔熱效果欠佳。另外，諸如US5282411公開(kāi)的，在氣缸室內(nèi)使用陶瓷襯墊或在活塞的活塞頂面和隔熱氣腔上結(jié)合使用陶瓷襯墊。但是，僅僅在活塞頂部加入陶瓷襯墊也有不足:由于陶瓷材料和周圍金屬材料的熱膨脹性能不同，高壓下的工作氣體使二者間產(chǎn)生張力，導(dǎo)致陶瓷部分易于開(kāi)裂或斷裂。
[0010]特別涉及斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，羅伯特.斯特林自己在他的1817的蘇格蘭說(shuō)明書中(圖7)已經(jīng)提出為了削弱從活塞頂部到活塞底部的熱輻射在封閉的活塞組件內(nèi)引入薄金屬板。然而，薄金屬板提供了非常有限的熱隔離作用。更重要的，在高壓的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)中，在承受不均勻熱溫度的活塞內(nèi)引入充氣活塞組件產(chǎn)生了一種實(shí)質(zhì)性的破裂危險(xiǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中缺陷，通過(guò)在活塞殼內(nèi)部設(shè)置傳熱屏障和金屬泡沫/陶瓷以及在活塞桿的各個(gè)部位設(shè)置隔熱元件，限制膨脹氣缸室向桿密封的熱傳遞，降低桿密封的工作溫度，提高桿密封的性能。
[0012]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種用于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞組件，包括:活塞座，活塞桿的一端固定安裝在活塞座上，活塞桿可沿活塞座的軸線方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)；活塞殼，其與活塞座可拆卸連接，且活塞殼的開(kāi)口位置處部設(shè)有阻止熱量傳輸至所述活塞桿桿密封處的傳熱屏障。傳熱屏障的隔離大大降低了活塞殼向活塞桿和活塞座的輻射熱傳遞，降低了通過(guò)活塞桿和活塞座傳遞到桿密封上的熱量，改善了桿密封的可操作條件，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)期壽命、維護(hù)周期以及效率得到提高。
[0013]上述技術(shù)方案中，傳熱屏障包括多層金屬網(wǎng)。傳熱屏障的金屬網(wǎng)不會(huì)形成對(duì)活塞殼的氣封，可避免壓力失衡引起的機(jī)械破裂，同時(shí)暫時(shí)儲(chǔ)存熱量，起到了交換器的作用。另夕卜，由于氣缸內(nèi)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)和活塞殼的加速力引起的工作氣體的持續(xù)混合提高了工作氣體的熱量，而通過(guò)傳熱屏障的金屬網(wǎng)的網(wǎng)孔限制工作氣體的運(yùn)動(dòng)及其引起的氣體混合，可以降低工作氣體的溫度及其向其他部件的熱傳遞。
[0014]上述技術(shù)方案中，多層金屬網(wǎng)燒結(jié)在一起形成一塊網(wǎng)板。將金屬網(wǎng)燒結(jié)在一起，可以在多層金屬網(wǎng)之間不增加任何連接件的情況下形成牢固的網(wǎng)板，這樣活塞的重量可以保持最小化。
[0015]上述技術(shù)方案中，一塊網(wǎng)板的厚度范圍為I?20mm。具有這種厚度的網(wǎng)板包括足夠數(shù)量的金屬網(wǎng)以提供有效的隔熱效率，但同時(shí)可將活塞的附加重量控制在合理范圍內(nèi)。
[0016]上述技術(shù)方案中，金屬網(wǎng)是管狀的。與板狀的金屬網(wǎng)相比，管狀的金屬網(wǎng)可以不規(guī)則地布置在活塞殼內(nèi)，并且布置在活塞殼內(nèi)的多層管狀金屬網(wǎng)形成的傳熱屏障具有較大的容積和更高的隔熱效率。
[0017]上述技術(shù)方案中，傳熱屏障是曲線狀或圓錐狀的。曲線狀或圓錐狀的傳熱屏障在傳熱屏障和活塞殼內(nèi)壁之間形成了彈性固定，提高了活塞對(duì)振動(dòng)的耐受性。
[0018]上述技術(shù)方案中，在傳熱屏障與活塞殼的開(kāi)口位置處之間設(shè)有與活塞殼內(nèi)壁相連接的陶瓷板。陶瓷對(duì)輻射熱具有有效的隔離效果，這樣的陶瓷板可以增加活塞的隔離性能，尤其對(duì)活塞殼內(nèi)壁的輻射熱的隔離。
[0019]上述技術(shù)方案中，陶瓷板的中心處呈杯狀。杯狀的陶瓷板可以對(duì)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的加速力帶來(lái)的軸向負(fù)載和拉伸應(yīng)力提供更好的耐受力。
[0020]上述技術(shù)方案中，在由活塞殼頂部和傳熱屏障構(gòu)成的空間中設(shè)有金屬泡沫或陶瓷。泡沫的添加可以吸收活塞殼內(nèi)部的熱量，使桿密封吸收較少的總熱量。
[0021]上述技術(shù)方案中，在陶瓷板與活塞殼的開(kāi)口位置處之間設(shè)有與活