一种用于斯特林发动机的分体式加热器组件及其生产工艺

技术领域

本发明涉及斯特林发动机技术领域，尤其是涉及一种用于斯特林发动机的分体式加热器组件及其生产工艺。

背景技术

斯特林发动机是一种外部加热的闭式循环活塞式发动机，斯特林发动机系统通常分为五个组成部分：热腔，加热器、回热器、冷却器和冷腔。在双作用斯特林发动机封闭的气缸内充有一定容积的工质，气缸内活塞的上部为热腔，气缸内活塞的下部为冷腔，热腔主要起着膨胀作用，冷腔主要起着压缩作用，带动活塞运动做功。加热器是斯特林发动机的关键部位，由于加热器决定了整个斯特林发动机内部的最高温度，也是斯特林发动机的系统动力来源。一个完整的斯特林发动机加热器由四组加热器组件成圆周阵列组成，围成一个圆形的笼状。

本申请人发现现有技术中至少存在以下技术问题：现有加热器组件在生产时大多使用钎焊工艺，在进行钎焊时需要使用工装夹具将加热器组件的各个零件进行固定，然后整体送入钎焊炉内进行钎焊，占据空间较大，并且各个零件长时间停留在钎焊炉内，容易使金属材料晶粒结构发生变化，使加热器组件出现新的缺陷，同时现有的加热管、活塞腔和回热器腔之间由于通过钎焊进行连接，容易出现焊接不完全的情况，导致工质泄露。

此外，现有的活塞腔和回热器腔多为一体式设计，生产难度较大，一体式的活塞腔和回热器腔在铸造生产时，需要开出气体通道形成的牛角芯模，而由于牛角端部的壁厚较薄，在铸造时，容易出现填料不满从而导致出现气体泄露的问题，同时，在一体式的活塞腔和回热器腔铸造完成后，需要在活塞腔和回热器腔上加工加热管的安装孔，在加热管安装孔内部，会产生毛刺、飞边，为了清理毛刺、飞边，需要在牛角端部开孔，在清理完成后，还需要进行堵焊，将开孔堵住，工艺较为繁琐，成品率较低，成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于斯特林发动机的分体式加热器组件及其生产工艺，以解决现有技术中存在的活塞腔和回热器腔采用一体式的铸造生产，工艺较为繁琐，成品率较低，成本较高的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

一种用于斯特林发动机的分体式加热器组件，包括回热器腔、回热器腔连接板、活塞腔、活塞腔连接板、顶部连接板、加热管和翅片，所述回热器腔和所述活塞腔均安装在斯特林发动机的缸体上，所述回热器腔与所述回热器腔连接板相连接，所述活塞腔与所述活塞腔连接板相连接，所述回热器腔连接板与所述顶部连接板相连接并且围合形成回热器腔气体通道，所述活塞腔连接板与所述顶部连接板相连接并且围合形成活塞腔气体通道，所述加热管的两端均与所述顶部连接板相连接并且分别与所述回热器腔气体通道和所述活塞腔气体通道相连通，所述翅片与所述加热管相连接。

优选地，所述顶部连接板的底部设置有环形凸起部，所述回热器腔连接板位于所述环形凸起部的外侧，所述活塞腔连接板位于所述环形凸起部的内侧。

优选地，所述顶部连接板上对应所述回热器腔连接板的一侧以及所述活塞腔连接板的一侧分别开设有相同数量的安装孔，每一侧的所述安装孔均以加热器的圆心为中心进行圆周阵列排布，所述加热管的两端各与一侧的所述安装孔相连接。

优选地，每一侧的所述安装孔均设置为内外两排，并且内外两排所述安装孔错位设置。

优选地，所述回热器腔连接板上开设有第一连接孔和第一环形槽，所述第一连接孔和所述第一环形槽相连通，所述第一连接孔与所述回热器腔的顶部相连接，所述第一环形槽与所述顶部连接板围合形成所述回热器腔气体通道，所述回热器腔气体通道分别与所述回热器腔和对应位于所述回热器腔连接板上方的所述加热管的端部相连通。

优选地，所述活塞腔连接板上开设有第二连接孔、第二环形槽和连接槽，所述连接槽的两端分别与所述第二连接孔和第二环形槽相连通，所述第二连接孔与所述活塞腔的顶部相连接，所述第二环形槽和所述连接槽与所述顶部连接板围合形成所述活塞腔气体通道，所述活塞腔气体通道分别与所述活塞腔和对应位于所述活塞腔连接板上方的所述加热管的端部相连通。

优选地，所述加热管包括第一直管段、弧形连接段和第二直管段，所述弧形连接段的两端分别与所述第一直管段和所述第二直管段相连接，所述第一直管段远离所述弧形连接段的一端与所述安装孔相连接并且与所述回热器腔气体通道相连通，所述第二直管段远离所述弧形连接段的一端与所述安装孔相连接并且与所述活塞腔气体通道相连通。

优选地，所述顶部连接板包括回热器腔顶部连接板和活塞腔顶部连接板，所述回热器腔顶部连接板与所述回热器腔连接板相连接，所述活塞腔顶部连接板与所述活塞腔连接板相连接。

优选地，所述翅片为带有凸台结构的环形翅片。

一种用于斯特林发动机的分体式加热器组件的生产工艺，包括以下步骤：

S1.将加热管与翅片进行钎焊或氩弧焊；

S2.将加热管的两端依次插入顶部连接板两侧对应的安装孔内，将加热管与顶部连接板进行氩弧焊；

S3.将回热器腔与回热器腔连接板进行氩弧焊，将活塞腔与活塞腔连接板进行氩弧焊；

S4.将顶部连接板依次与回热器腔连接板和活塞腔连接板进行氩弧焊。

本发明的有益效果为：通过设置有回热器腔连接板、活塞腔连接板和顶部连接板，可以实现对回热器腔和活塞腔的分体式设计，将现有的一体式回热器腔分拆成回热器腔和回热器腔连接板，将现有的一体式活塞腔分拆成活塞腔和活塞腔连接板，并使用顶部连接板进行配合连接，代替了传统的回热器腔牛角和活塞腔牛角，可以将传统的回热器腔牛角气体通道和活塞腔牛角气体通道由铸造工艺改为机械加工工艺，由此可以避免在铸造过程中牛角内的铸造缺陷，避免加工传统加热管安装孔时产生毛刺或飞边等清理难点，简化了生产工艺，降低了生产难度，提升了成品率，降低了成本。

附图说明

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。

图1为本发明实施例一的结构图，图中为了便于展示安装孔，隐藏了部分加热管和翅片；

图2为本发明实施例一中四组分体式加热器组件组成的加热器的俯视结构图，图中为了便于展示安装孔，隐藏了部分加热管和翅片；

图3为本发明实施例一的回热器腔连接板的结构图；

图4为本发明实施例一的活塞腔连接板的结构图；

图5为本发明实施例一的顶部连接板的结构图；

图6为本发明实施例一的加热管的结构图；

图7为本发明实施例二的回热器腔顶部连接板的结构图；

图8为本发明实施例二的活塞腔顶部连接板的结构图；

图9为本发明实施例二的结构图，图中只展示了最底层的翅片；

图10为图9中A处的放大结构图；

图中1、回热器腔；

2、回热器腔连接板；21、第一连接孔；22、第一环形槽；

3、活塞腔；

4、活塞腔连接板；41、第二连接孔；42、第二环形槽；43、连接槽；

5、顶部连接板；51、安装孔；52、环形凸起部；53、回热器腔顶部连接板；54、活塞腔顶部连接板；

6、加热管；61、第一直管段；62、弧形连接段；63、第二直管段；

7、翅片；

8、回热器腔气体通道；

9、活塞腔气体通道。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“侧向”、“长度”、“宽度”、“高度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“侧”等指示的方位或位置关系为基于附图1所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

参照图1到图6,本发明提到了一种用于斯特林发动机的分体式加热器组件，包括回热器腔1、回热器腔连接板2、活塞腔3、活塞腔连接板4、顶部连接板5、加热管6和翅片7，回热器腔1和活塞腔3均安装在斯特林发动机的缸体上，回热器腔1与回热器腔连接板2相连接，活塞腔3与活塞腔连接板4相连接，回热器腔连接板2与顶部连接板5相连接并且围合形成回热器腔气体通道8，活塞腔连接板4与顶部连接板5相连接并且围合形成活塞腔气体通道9，加热管6的两端均与顶部连接板5相连接并且分别与回热器腔气体通道8和活塞腔气体通道9相连通，翅片7与加热管6相连接；

通过设置有回热器腔连接板2、活塞腔连接板4和顶部连接板5，可以实现对回热器腔1和活塞腔3的分体式设计，将现有的一体式回热器腔分拆成回热器腔1和回热器腔连接板2，将现有的一体式活塞腔分拆成活塞腔3和活塞腔连接板4，并使用顶部连接板5进行配合连接，代替了传统的回热器腔牛角和活塞腔牛角，可以将传统的回热器腔牛角气体通道和活塞腔牛角气体通道由铸造工艺改为机械加工工艺，由此可以避免在铸造过程中牛角内的铸造缺陷，避免加工传统加热管安装孔时产生毛刺或飞边等清理难点，简化了生产工艺，降低了生产难度，提升了成品率，降低了成本；

此处值得注意的是，回热器腔1和回热器腔连接板2以及活塞腔3和活塞腔连接板4在实际生产时，除了整体采用机械加工工艺以外，也可以将回热器腔1的主体采用铸造工艺，回热器腔连接板2采用机械加工工艺，将活塞腔3的主体采用铸造工艺，活塞腔连接板4采用机械加工工艺，同样能够降低生产难度和复杂程度；

此外，若采用机械加工工艺进行生产，可以将传统的加热管与回热器腔牛角和活塞腔牛角的钎焊工艺改为氩弧焊工艺，采用氩弧焊工艺，可以避免回热器腔1、活塞腔3和加热管6长时间停留在钎焊炉内，从而规避了金属材料晶粒结构发生变化的情况发生，避免加热器组件出现新缺陷，有效提高焊接效率和质量，降低了成本；

本实施例中，四组分体式加热器组件能够通过圆周阵列组成完整的斯特林发动机加热器，通过对分体式加热器组件进行改进，优化了生产工艺，使生产过程更加高效快捷，成品率更高，提高了生产效率，同时也降低了生产成本。

作为可选地实施方式，顶部连接板5的底部设置有环形凸起部52，如此设置，能够将顶部连接板5进行合理划分，以对回热器腔连接板2和活塞腔连接板4的形状进行确定，同时对回热器腔气体通道8和活塞腔气体通道9进行有效的隔绝，避免气体不流经加热管6造成短路，本实施例中，回热器腔连接板2位于环形凸起部52的外侧，活塞腔连接板4位于环形凸起部52的内侧，在水平方向上形成良好的空间划分，回热器腔连接板2、环形凸起部52和活塞腔连接板4形成的组合结构物的外轮廓与顶部连接板5的外轮廓相一致，外观也更加美观。

作为可选地实施方式，顶部连接板5上对应回热器腔连接板2的一侧以及活塞腔连接板4的一侧分别开设有相同数量的安装孔51，每一侧的安装孔51均以加热器的圆心为中心进行圆周阵列排布，每个加热管6的两端各与一侧的安装孔51相连接，若干个加热管6能够将两侧的安装孔51全部连接。

作为可选地实施方式，每一侧的安装孔51均设置为内外两排，并且内外两排安装孔51错位设置，如此设置，可以形成叉排管束形式，传热系数更大，提升了传热效率。

作为可选地实施方式，回热器腔连接板2上开设有第一连接孔21和第一环形槽22，第一连接孔21的尺寸与回热器腔1的顶部尺寸相匹配，以使第一连接孔21能够与回热器腔1的顶部相连接，第一连接孔21和第一环形槽22相连通，第一环形槽22与顶部连接板5围合形成回热器腔气体通道8，回热器腔气体通道8分别与回热器腔1和对应位于回热器腔连接板2上方的加热管6的端部相连通，通过回热器腔气体通道8实现回热器腔1与加热管6之间的气体连通。

作为可选地实施方式，活塞腔连接板4上开设有第二连接孔41、第二环形槽42和连接槽43，第二连接孔41的尺寸与活塞腔3的顶部尺寸相匹配，以使第二连接孔41能够与活塞腔3的顶部相连接；

由于回热器腔1与活塞腔3在加热器整体结构设计位置的原因，相比于回热器腔1，活塞腔3距离加热管6的位置更远，因此设置有连接槽43，连接槽43的两端分别与第二连接孔41和第二环形槽42相连通，以将具有一定距离的第二连接孔41和第二环形槽42进行连通；

第二环形槽42、连接槽43与顶部连接板5围合形成活塞腔气体通道9，活塞腔气体通道9分别与活塞腔3和对应位于活塞腔连接板4上方的加热管6的端部相连通，通过活塞腔气体通道9实现活塞腔3与加热管6之间的气体连通。

作为可选地实施方式，加热管6包括第一直管段61、弧形连接段62和第二直管段63，弧形连接段62形状为U型，以使若干个加热管6排列组合后形成U型管束，弧形连接段62的两端分别与第一直管段61和第二直管段63相连接，此处连接均优选为一体式连接，第一直管段61远离弧形连接段62的一端与安装孔51相连接并且与回热器腔气体通道8相连通，第二直管段63远离弧形连接段62的一端与安装孔51相连接并且与活塞腔气体通道9相连通，所有的第一直管段61沿其长度方向共同连接有若干个翅片7，所有的第二直管段63沿其长度方向共同连接有若干个翅片7，翅片7上开孔后穿设到加热管6上。

作为可选地实施方式，翅片7与加热管6采用钎焊或氩弧焊进行连接，可根据实际使用情况，进行焊接方式的灵活选择。

作为可选地实施方式，回热器腔1与回热器腔连接板2之间、活塞腔3与活塞腔连接板4之间、回热器腔连接板2与顶部连接板5之间、活塞腔连接板4与顶部连接板5之间以及加热管6与顶部连接板5之间均采用氩弧焊进行连接，上述连接采用氩弧焊能够有效避免回热器腔1、活塞腔3和加热管6长时间停留在钎焊炉内，从而规避了金属材料晶粒结构发生变化的情况发生，避免加热器组件出现新缺陷。

实施例二

参照图7到图10，在上述实施例一的基础上，作为可选地实施方式，顶部连接板5包括回热器腔顶部连接板53和活塞腔顶部连接板54，回热器腔顶部连接板53与回热器腔连接板2相连接，活塞腔顶部连接板54与活塞腔连接板4相连接；

如此设置，将顶部连接板5拆分成两部分，在将组装完成的加热器组件安装到斯特林发动机缸体上时，回热器腔1和活塞腔3之间的间距可以根据实际安装的需要进行微量调整，更方便工人安装，降低了加热器组件在焊接时，对位置精度的要求，允许一定范围的变形；

而在实施例一中，顶部连接板5为一个整体并且将回热器腔1和活塞腔3与其焊接成一个整体后，由于采用硬连接的连接方式，回热器腔1和活塞腔3之间的间距是固定的，在将加热器组件安装到斯特林发动机缸体上时，不能再进行调整，所以在焊接时，对位置精度的要求较高，有可能需要在加热器组件焊接完成后，再对其进行机械加工，以保证加热器组件安装到斯特林发动机缸体上时的位置精度；

由此，可根据实际使用需求灵活选择顶部连接板5为整体结构或者为分体结构的结构设计。

实施例三

参照图10，在上述实施例一和实施例二的基础上，作为可选地实施方式，翅片7的具体结构可以优选为带有凸台结构的环形翅片，如此设置，只需将翅片7一个一个的穿到单根加热管6上，更加易于将翅片7安装到加热管6上，并且可以使用机器进行翅片7的安装，以代替人工安装翅片7；

此外，由于环形翅片本身带有凸台，在将其安装到加热管6上时，可以自行保持相邻的翅片7之间的间距，不再需要工装工具进行定位，因此，简化了工装工具的设计。

实施例四

本发明还提到了一种用于斯特林发动机的分体式加热器组件的生产工艺，包括以下步骤：

S1.将加热管6与翅片7进行钎焊或氩弧焊；

将翅片7上开孔后穿设到加热管6上，通过外部工装工具，将翅片7与加热管6的相对位置固定好，当采用钎焊进行连接时，将二者共同放入钎焊炉内进行钎焊，本实施例中，一组加热器的加热管6和翅片7可优选分成三组，分别放入钎焊炉内进行钎焊，以提升钎焊质量，当采用氩弧焊时，可直接对翅片7和加热管6进行氩弧焊，实际操作时，可根据操作现场实际情况，进行焊接方式的灵活选择；

S2.将加热管6的两端依次插入顶部连接板5两侧对应的安装孔51内，将加热管6与顶部连接板5进行氩弧焊；

采用氩弧焊工艺，可以避免加热管6长时间停留在钎焊炉内，从而规避了金属材料晶粒结构发生变化的情况发生，避免加热器组件出现新缺陷，有效提高焊接效率和质量，降低了成本；

S3.将回热器腔1与回热器腔连接板2进行氩弧焊，将活塞腔3与活塞腔连接板4进行氩弧焊；

两处连接无需注意先后顺序，可以根据操作现场实际情况，进行顺序选择，采用氩弧焊工艺，可以避免回热器腔1和活塞腔3长时间停留在钎焊炉内，从而规避了金属材料晶粒结构发生变化的情况发生，避免加热器组件出现新缺陷，有效提高焊接效率和质量，降低了成本；

S4.将顶部连接板5依次与回热器腔连接板2和活塞腔连接板4进行氩弧焊；

将连接好加热管6的顶部连接板5放置好以后，与连接好回热器腔1的回热器腔连接板2以及连接好活塞腔3的活塞腔连接板4进行氩弧焊，两处连接无需注意先后顺序，可以根据操作现场实际情况，进行顺序选择。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。