一种振荡流动的内置式封闭传热管腔的制作方法

本发明涉及一种振荡流动的内置式封闭传热管腔，属于活塞技术领域。

背景技术：

随着排放法规和燃油经济性越来越苛刻，发动机朝着小型化、轻量化、高功率密度的方向发展。发动机的高热负荷制约着现代高端发动机设计、制造以及推广应用。以气门以及活塞为代表的发动机燃烧室周边的零部件都承受着很高热负荷。提高材料的强度和降低零部件的温度是解决上述问题的主要手段。以柴油机铝合金活塞为例，降低活塞温度的方式主要有三种，分别是喷雾冷却、喷油冷却和内冷油腔冷却的方式。其中内冷油腔传热是目前最重要的一种方式，在活塞上应用最为广泛。内冷油腔是在活塞头部铸出的一个圆形的空腔，又分为开式油腔、半开式油腔和闭式油腔。半开式内冷油腔以其高的冷却效率在小型发动机上应用最为广泛。大多半开式油腔采用盐芯的方式铸造而成。存在着制造成本高，加工难度大，机油在内振荡流动的行程较短等问题，以及对机油喷嘴的精准喷射有严格的要求。而对于应对未来更高功率密度发动机的需求，钢制活塞是一个主要的研究方向，内冷油腔结构依然是其最重要的技术之一，然而铁水的流动性要比铝水差，浇注温度也更高，采用盐芯的方式会带来诸多的铸造缺陷。因此，不采用盐芯铸造，提出一种内置封闭传热管腔，在有超高传热效率和取消内冷油曲轴箱内的机油喷嘴降低成本的同时，还能增加活塞自身强度，是具有工程意义的。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种振荡流动的内置式封闭传热管腔，能降低零部件热负荷且降低零部件温度梯度，同时提高零部件的自身强度。

本发明技术方案是：一种振荡流动的内置式封闭传热管腔，包括中空状的管腔，管腔内设有冷却介质4，所述内置式封闭传热管腔2为零部件1内一体成型的管腔，管腔上设有通孔，通孔上设有与通孔配合使用的密封件3，管腔内还设有振荡体5，振荡体5为固体。

进一步地，所述零部件1为活塞。

进一步地，所述一体成型的方式包括金属管材分段轧制、3d打印成型。

进一步地，所述管腔内壁上设有导流面；导流面的法向总是与活塞轴线方向成锐角，导流面用于引导流体总是朝着某一方向运动。

进一步地，所述冷却介质4在所述导流面的导流作用下单向运动，指的是冷却介质4在管腔局部总是单向运动；在管腔横截面上表现为顺时针运动或者逆时针运动。

进一步地，所述密封件3为细牙螺钉或铆钉，密封完成之后密封件伸入管腔内不超过2mm。

进一步地，所述冷却介质4的导热系数大于或等于0.1w/(m·k)。

进一步地，所述冷却介质4的体积为管腔容量的15%-75%。

进一步地，所述振荡体5密度为冷却介质4密度的两倍及以上。

进一步地，所述振荡体5的形状为球形，振荡体5的表面粗糙度为0.2-6.2。

本发明的工作原理是：

这种振荡流动的内置式封闭传热装置，采用的是冷却介质与振荡体填充管腔，使用密封件来密封管腔上的通孔，使其成为一种密封的装置，防止冷却介质与振荡体的泄露和消耗。在该装置做往复运动时，在惯性的作用下，冷却介质在管腔内形成振荡流动。振荡体能扰乱冷却介质的湍流流动，进一步提高该装置内冷却介质的雷诺数，具有更大的雷诺数的冷却介质的振荡流动会提高该装置内冷却介质的传热效率。将更多的热量从高温区传至低温区，降低该活塞的温度梯度，从而降低活塞的热应力；

所述一体成型的方式包括金属管材分段轧制、3d打印成型，一体成型的制造方式保证了该内置式封闭传热装置自身的可靠性，以减少该装置制造缺陷；

所述管腔内壁上设有导流面；导流面的法向总是与活塞轴线方向成锐角，导流面用于引导流体总是朝着某一方向运动，使冷却介质4能更加顺利地流过管腔壁面，提高冷却介质流过管腔壁面的速度，增大管腔的传热效率，减小活塞整体的热梯度，降低活塞热应力。

冷却介质在所述导流面的导流作用下单向运动，指的是冷却介质在管腔局部总是单向运动。在管腔横截面上表现为顺时针运动或者逆时针运动。这种运动形式，使得冷却介质可以更加顺利地流过管腔内壁面，而不造成管腔内部的冷却介质形成流动死点或者流动不畅的现象。从而提高冷却介质流过管腔壁面的速度，增大管腔的传热效率，减小活塞整体的热梯度，降低活塞热应力。

所述密封件为细牙螺钉或铆钉。不限于细牙螺钉或者铆钉，只要能封闭住就行。密封完成之后密封件伸入管腔内不超过2mm。

使用密封件可以在往管腔内添加冷却介质4与振荡体5之后，完全密封管腔。采用细牙螺钉和铆钉可以更好地密封，在活塞工作过程中，保证冷却介质4与振荡体5完整地被密封在管腔中。减少冷却介质4的消耗，节约成本，进而减少因为冷却介质消耗而引起的发动机排放问题，保护自然环境。

密封完成之后密封件伸入管腔内不超过2mm。作用在于避免密封件伸入过长而造成管腔内壁面不光滑，造成冷却介质4在管腔壁面流动不畅或者有流动死点，进而影响管腔的传热效率。

所述冷却介质的导热系数大于或等于0.1w/(m·k)，是为了冷却介质在接收管腔壁面温度之后，更快地达到温度平衡，进而保证冷却介质工作在使用温度极限以内。

所述冷却介质的体积为管腔容量的15%-75%，才能提高管腔的传热效率。加入的冷却介质过少，会使冷却介质的温度升高过快，甚至会超过冷却介质的使用温度极限，冷却介质加快老化，使得管腔的传热效率迅速降低，加速活塞破坏。加入的冷却介质过多，会使冷却介质在管腔中起振困难，冷却介质不能很好地形成振荡流动，进而不能达到提高传热效率的效果。

所述振荡体5密度为所述冷却介质4密度的两倍及以上。振荡体在活塞工作状态下，会跟随冷却介质在管腔内做往复运动，若振荡体密度大于冷却介质，则振荡体的惯性力会大于冷却介质所受的惯性力。根据经典力学定律，在活塞工作时，振荡体的运动速度会大于冷却介质的平均速度，在管腔内表现为振荡体在冷却介质中穿梭，这使得冷却介质的流动更加紊乱，进一步提高冷却介质在管腔内的雷诺数，进而提高管腔的传热效率。而振荡体密度为冷却介质密度的两倍及以上，会达到管腔的传热的最佳效果。

所述振荡体的形状为球形，振荡体的表面粗糙度为0.2-6.2。

振荡体形状为球形，这使得振荡体能在冷却介质中自由的穿梭。

振荡体的表面粗糙度为0.2-6.2。粗糙度为0.2为的球体加工方式为精磨能达到的最光滑表面，粗糙度为6.2为球体加工方式为粗磨能达到的最粗糙表面。振荡体表面粗糙度的限制，使得振荡体与冷却介质的接触面上有剪切力的存在。在振荡体穿过冷却介质时，剪切力会使冷却介质在振荡体周围产生速度梯度，这会增加冷却介质流动时的紊乱程度，提高冷却介质的雷诺数，进而提高管腔的传热效率。

本发明的有益效果是：

（1）这种振荡流动的内置式封闭传热管腔，在零部件毛坯铸造之前，可以很好地控制管腔自身的可靠性，保证其质量；

（2）随着增料加工工艺的飞速发展，成本大大降低的同时，可以根据不同的需求方便地设计出不同截面形状的等截面管腔或者非等截面管腔；

（3）不采用盐芯铸造的加工方式，可以大大降低工业盐的用量，减少了冲洗盐芯以及处理污水的成本，保护了自然环境；

（4）采用封闭的管腔，使冷却介质的消耗大大降低，不需要喷油装置，提升发动机功率密度，降低发动机成本，同时还减少了发动机因机油得大量消耗而出现的尾气排放问题。

（5）本发明能将更多的热量从零部件的高温区传至低温区从而降低零部件热负荷，且降低零部件温度梯度，从而降低零部件中的热应力，同时提高零部件的自身强度。

附图说明

图1是本发明装配应用载体活塞完成的结构示意图；

图2是本发明连同应用载体活塞的半剖示意图；

图3是本发明连同应用载体活塞的轴测示意图；

图4是本发明中机油绕管腔内壁面顺时针流动示意图；

图5是本发明中机油绕管腔内壁面逆时针流动示意图。

图1-5中各标号：1-零部件，2-内置式封闭传热管腔，3-密封件，4-冷却介质，5-振荡体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。

实施例1：如图1-5所示，一种振荡流动的内置式封闭传热管腔，包括中空状的管腔，管腔内设有冷却介质4，所述内置式封闭传热管腔2为零部件1内一体成型的管腔，管腔上设有通孔，通孔上设有与通孔配合使用的密封件3，管腔内还设有振荡体5，振荡体5为固体。

进一步地，所述零部件1为活塞。

所述一体成型的方式包括金属管材分段轧制、3d打印成型，一体成型的制造方式保证了该内置式封闭传热装置自身的可靠性，以减少该装置制造缺陷；

所述管腔内壁上设有导流面；导流面的法向总是与活塞轴线方向成锐角，导流面用于引导流体总是朝着某一方向运动，使冷却介质4能更加顺利地流过管腔壁面，提高冷却介质流过管腔壁面的速度，增大管腔的传热效率，减小活塞整体的热梯度，降低活塞热应力。

冷却介质在所述导流面的导流作用下单向运动，指的是冷却介质在管腔局部总是单向运动。在管腔横截面上表现为顺时针运动或者逆时针运动。这种运动形式，使得冷却介质可以更加顺利地流过管腔内壁面，而不造成管腔内部的冷却介质形成流动死点或者流动不畅的现象。从而提高冷却介质流过管腔壁面的速度，增大管腔的传热效率，减小活塞整体的热梯度，降低活塞热应力。

所述管腔上的通孔为能够与密封件共同形成良好密封的孔；

所述密封件为细牙螺钉或铆钉。不限于细牙螺钉或者铆钉，只要能封闭住就行。密封完成之后密封件伸入管腔内不超过2mm。

使用密封件可以在往管腔内添加冷却介质4与振荡体5之后，完全密封管腔。采用细牙螺钉和铆钉可以更好地密封，在活塞工作过程中，保证冷却介质4与振荡体5完整地被密封在管腔中。减少冷却介质4的消耗，节约成本，进而减少因为冷却介质消耗而引起的发动机排放问题，保护自然环境。

密封完成之后密封件伸入管腔内不超过2mm。作用在于避免密封件伸入过长而造成管腔内壁面不光滑，造成冷却介质4在管腔壁面流动不畅或者有流动死点，进而影响管腔的传热效率。

所述冷却介质的导热系数大于或等于0.1w/(m·k)，是为了冷却介质在接收管腔壁面温度之后，更快地达到温度平衡，进而保证冷却介质工作在使用温度极限以内。

所述冷却介质为液体冷却液，所述冷却介质的体积为管腔容量的15%-75%，才能提高管腔的传热效率。加入的冷却介质过少，会使冷却介质的温度升高过快，甚至会超过冷却介质的使用温度极限，冷却介质加快老化，使得管腔的传热效率迅速降低，加速活塞破坏。加入的冷却介质过多，会使冷却介质在管腔中起振困难，冷却介质不能很好地形成振荡流动，进而不能达到提高传热效率的效果。

所述振荡体5密度为所述冷却介质4密度的两倍及以上。振荡体在活塞工作状态下，会跟随冷却介质在管腔内做往复运动，若振荡体密度大于冷却介质，则振荡体的惯性力会大于冷却介质所受的惯性力。根据经典力学定律，在活塞工作时，振荡体的运动速度会大于冷却介质的平均速度，在管腔内表现为振荡体在冷却介质中穿梭，这使得冷却介质的流动更加紊乱，进一步提高冷却介质在管腔内的雷诺数，进而提高管腔的传热效率。而振荡体密度为冷却介质密度的两倍及以上，会达到管腔的传热的最佳效果。

所述振荡体为固体，振荡体的形状为球形，振荡体的表面粗糙度为0.2-6.2。

振荡体形状为球形，这使得振荡体能在冷却介质中自由的穿梭。

振荡体的表面粗糙度为0.2-6.2。粗糙度为0.2为的球体加工方式为精磨能达到的最光滑表面，粗糙度为6.2为球体加工方式为粗磨能达到的最粗糙表面。振荡体表面粗糙度的限制，使得振荡体与冷却介质的接触面上有剪切力的存在。在振荡体穿过冷却介质时，剪切力会使冷却介质在振荡体周围产生速度梯度，这会增加冷却介质流动时的紊乱程度，提高冷却介质的雷诺数，进而提高管腔的传热效率。

上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。