一种斯特林发动机用加热器的布置结构及安装方法与流程

本发明涉及斯特林发动机技术领域，一种斯特林发动机用加热器的布置结构及安装方法。

背景技术：

斯特林发动机(Stirling Engine)是一种利用外部能源加热的闭式回热循环发动机，它具有效率高、噪音低、污染低以及能源适应性强等特点。加热器是斯特林发动机的重要组成部分，其通过法兰结构或其它结构形式与机身固定连接。如果采用的是法兰连接结构形式时，法兰结构的安装方式和可靠性对斯特林发动机的性能有着重要的影响。

目前，如图4和图5所示，斯特林发动机加热器法兰结构一般采用加热器筒体与法兰通过平面接触连接，法兰通过螺钉与机身固定连接；这种结构有两种：一种为法兰和加热器筒体为一体化设计；另一种是法兰为整体式，但和加热器筒体分开；即法兰和加热器筒体均为单独的结构。由于加热器筒体上加热管外形尺寸超过法兰内径的原因，如果采取法兰和加热器筒体分离的结构，在对加热管进行钎焊时，需要法兰与加热器筒体同时放在钎焊炉中，而这种工艺将使法兰结构晶粒由于钎焊及热处理协同作用出现晶格粗大现象，降低了材料原有的抗疲劳性能；而如果采用法兰和筒体一体的方式，由于需要进钎焊炉，法兰将同样存在材料性能下降的现象。而材料性能下降会导致法兰在高温和高压环境下工作时由于承受高周疲劳和较大的载荷容易产生裂纹、断裂等故障，严重影响发动机工作的可靠性。

为了解决上述难题，业内对分体式法兰进行改进，将整体法兰剖分成两半，这样可以不用和加热器筒体一起进行钎焊炉，但由于剖分式法兰安装容易造成中心重合度不好，影响了法兰的使用强度，对加热器筒体贴合面也造成受力不均引起的疲劳损伤。

因此，本申请致力于提供一种斯特林发动机用加热器的布置结构及安装方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种斯特林发动机用加热器的布置结构及安装方法，使得法兰可在加热器焊接加热管之后再将其安装在机体上，从而保证了法兰的强度、抗疲劳性、抗载荷能力等工作性能，从而有效避免了法兰在使用过程中出现裂纹、断裂等故障，进而保证了斯特林发动机工作的可靠性。

本发明提供的技术方案如下：

一种斯特林发动机用加热器的布置结构，包括：

机体，法兰，过渡圈和加热器；

所述过渡圈由至少两个子过渡圈拼接形成；

所述加热器包括安装端和加热端，所述加热端设有加热管；

所述安装端的外侧套设所述法兰和所述过渡圈，使得所述法兰通过所述过渡圈将所述加热器安装于所述机体。

本技术方案中，通过采用整体式法兰和一个分成至少两个子过渡圈的过渡圈，实现对加热器在机体上紧固的目的。且整个布置结构紧凑、可拆卸、无需改变斯特林发动机的原有结构、易于实现；由于过渡圈设置在法兰和加热器之间，使得加热器与过渡圈、过渡圈与法兰依靠面接触连接；本布置结构相对于传统整体法兰结构具有很多优点：1、保留了整体式法兰的强度；2、安装方便，利用整体法兰的形状实现对中精度高的目的；3、法兰不需和加热器一起进钎焊炉(因为过渡圈的存在，使得法兰可从安装端穿过并实现加热器的固定)，因而法兰的结构晶粒不会有因钎焊和热处理协同作用而出现晶格粗大现象，从而保证了法兰在高温高压的工作环境下材料的抗疲劳材料性能，进而保证了法兰在高温和高压环境下的工作性能(抗高周疲劳、抗载荷能力)，从而避免了其出现裂纹、断裂等故障，进而保证了斯特林发动机工作的可靠性；4、在发动机使用过程中，工作应力集中在过渡圈上，避免法兰因应力集中而出现故障，有效提高了加热器、法兰的可靠性；5、可以通过定期更换过渡圈实现加热器安装结构的高可靠稳定性，降低斯特林发动机的使用成本，延长斯特林发动机的使用寿命。

进一步优选地，还包括连接件；所述连接件贯穿所述法兰后与所述机体连接。

本技术方案中，连接件直接贯穿法兰而实现加热器的安装，即连接件无需穿过过渡圈来实现加热器的安装，简化了过渡圈的加工步骤，且降低了加热器的安装难度，只需法兰与机体对准、对中安装即可。

进一步优选地，所述过渡圈的刚度小于所述法兰和/或所述加热器的刚度。

本技术方案中，过渡圈的刚度较小，使得过渡圈在在使用过程中的延展性较好，从而保证了法兰和加热器(避免了法兰与加热器之间的硬性接触，保证了法兰、加热器在高温和高压环境下的工作性能(抗高周疲劳、抗载荷能力))本布置结构使用过程中的紧凑性、安全可靠性、良好的工作性能，进而提高了斯特林发动机的工作性能，延长其使用寿命。

进一步优选地，相邻两个所述子过渡圈之间设有间隙；和/或，所述过渡圈由金属材料或合金材料制成。

本技术方案中，为降低过渡圈的制造成本(原料)以及避免过渡圈因加热器、法兰的挤压变形而出现轴向拱起现象，从而影响本布置结构装配的可靠性，因此，相邻子过渡圈之间设有间隙，为子过渡圈的变形提供延展空间，从而保证本布置结构的可靠性。

进一步优选地，所述加热器靠近所述机体一侧的端部径向朝外延展出延展边，所述延展边与所述加热器的外壁形成第一台阶部；所述过渡圈为一与所述第一台阶部相适配的台阶状结构，包括第一抵接部和第二抵接部；所述第一抵接部设于所述第一台阶部，并沿所述加热器的径向方向设于所述法兰与所述加热器之间；所述第二抵接部沿所述加热器的轴线方向延展至所述加热器与所述法兰之间。

本技术方案中，本过渡圈为台阶构造，使得法兰、加热器沿其轴线方向、以及径向方向均设有过渡圈，从而使得法兰、加热器所受到的径向力以及轴向力均可转移至过渡圈上，全方位保护了法兰和加热器；且台阶结构的面贴合接触装配，保证了本布置结构的连接可靠性和紧固性。

进一步优选地，所述第一抵接部和所述第二抵接部的连接处分别形成内拐角和外拐角；所述外拐角为第一倒角结构；所述法兰与所述外拐角的接触处为与所述第一倒角结构相适配的第二倒角结构；和/或，所述第一抵接部和所述第二抵接部的连接处分别形成内拐角和外拐角；所述内拐角为第三倒角结构；所述第一台阶部与所述内拐角的接触处为与所述第三倒角结构相适配的第四倒角结构。

本技术方案中，倒角结构为斜面接触式连接，不仅增大了法兰与过渡圈、过渡圈与加热器之间的接触面积，从而降低了过渡圈和法兰、过渡圈与加热器之间的力的作用，且倒角结构的设置降低了部件间的局部应力的出现，进而延长了过渡圈、法兰、加热器的使用寿命；更优的是，倒角结构的设计对法兰安装于过渡圈、过渡圈安装于加热器的过程中具有导向、定位、和限位作用，降低安装不良所引起的不良后果。

进一步优选地，所述法兰与所述第二抵接部的外壁过盈配合或密封贴合连接。

本技术方案中，法兰与过渡圈之间的过盈配合或密封贴合连接，保证了法兰与过渡圈之间的连接的紧固性和牢固性。

本发明还公开了适用于上述斯特林发动机用加热器的布置结构的安装方法，包括步骤：

S100，将法兰从设有加热管的加热器的安装端穿过后套设于所述安装端的外侧；

S200，移动所述法兰远离所述安装端，并将过渡圈套设于所述安装端的预设位置处；

S300，移动所述法兰靠近所述安装端，使得所述过渡圈设于所述法兰与所述加热器之间，并形成加热器安装单元。

本技术方案中，通过采用整体式法兰和一个分成至少两个子过渡圈的过渡圈，实现对加热器在机体上紧固的目的。且整个布置结构紧凑、可拆卸、无需改变斯特林发动机的原有结构、易于实现；由于过渡圈设置在法兰和加热器之间，使得加热器与过渡圈、过渡圈与法兰依靠面接触连接；本布置结构相对于传统整体法兰结构具有很多优点：1、保留了整体式法兰的强度；2、安装方便，利用整体法兰的形状实现对中精度高的目的；3、法兰不需和加热器一起进钎焊炉(因为过渡圈的存在，使得法兰可从安装端穿过并实现加热器的固定)，因而法兰的结构晶粒不会有因钎焊和热处理协同作用出现晶格粗大现象，从而保证了法兰在高温高压的工作环境下材料的抗疲劳材料性能，进而保证了法兰在高温和高压环境下的工作性能(抗高周疲劳、抗载荷能力)，从而避免了其出现裂纹、断裂等故障，进而保证了斯特林发动机工作的可靠性；4、在发动机使用过程中，工作应力集中在过渡圈上，避免法兰因应力集中而出现故障，有效提高了加热器、法兰的可靠性；5、可以通过定期更换过渡圈实现加热器安装结构的高可靠稳定性，降低斯特林发动机的使用成本，延长斯特林发动机的使用寿命。

进一步优选地，还包括步骤:

S400，通过连接件将所述加热器安装单元固定于机体的预设位置。

进一步优选地，还包括步骤：

S500，判断所述过渡圈是否为满足安装条件；

当所述过渡圈满足安装条件时，则执行步骤：

S610，无动作；

当所述过渡圈不满足安装条件时，则执行步骤：

S620，更换所述过渡圈。

本技术方案中，在本布置结构的使用过程中，当过渡圈不满足安装条件(各部件之间的张紧度、紧固性、紧凑性)，可通过更换新的过渡圈来保证本布置结构的工作性能，从而保证斯特林发动机的工作性能(运行平稳性、使用寿命等)。

本发明提供的一种斯特林发动机用加热器的布置结构及安装方法，能够带来以下至少一种有益效果：

1、本发明中，通过采用整体式法兰和一个分成至少两个子过渡圈的过渡圈，实现对加热器在机体上紧固的目的。且整个布置结构紧凑、可拆卸、无需改变斯特林发动机的原有结构、易于实现；由于过渡圈设置在法兰和加热器之间，使得加热器与过渡圈、过渡圈与法兰依靠面接触连接；本布置结构相对于传统整体法兰结构具有很多优点：

1)保留了整体式法兰的强度；

2)安装方便，利用整体法兰的形状实现对中精度高的目的；

3)法兰不需和加热器一起进钎焊炉(因为过渡圈的存在，使得法兰可从安装端穿过并实现加热器的固定)，因而法兰的结构晶粒不会有因钎焊和热处理协同作用出现晶格粗大现象，从而保证了法兰在高温高压的工作环境下材料的抗疲劳材料性能，进而保证了法兰在高温和高压环境下的工作性能(抗高周疲劳、抗载荷能力)，从而避免了其出现裂纹、断裂等故障，进而保证了斯特林发动机工作的可靠性；

4)在发动机使用过程中，工作应力集中在过渡圈上，避免法兰因应力集中而出现故障，有效提高了加热器、法兰的可靠性；

5)可以通过定期更换过渡圈实现加热器安装结构的高可靠稳定性，降低斯特林发动机的使用成本，延长斯特林发动机的使用寿命。

2、本发明中，通过连接件直接贯穿法兰而实现加热器的安装，即连接件无需穿过过渡圈来实现加热器的安装，简化了过渡圈的加工步骤，且降低了加热器的安装难度，只需法兰与机体对准、对中安装即可。

3、本发明中，过渡圈的刚度较小，使得过渡圈在在使用过程中的延展性较好，从而保证了法兰和加热器(避免了法兰与加热器之间的硬性接触，保证了法兰、加热器在高温和高压环境下的工作性能(抗高周疲劳、抗载荷能力))本布置结构使用过程中的紧凑性、安全可靠性、良好的工作性能，进而提高了斯特林发动机的工作性能，延长其使用寿命。

4、本发明中，倒角结构为斜面接触式连接，不仅增大了法兰与过渡圈、过渡圈与加热器之间的接触面积，从而降低了过渡圈和法兰、过渡圈与加热器之间的力的作用，且倒角结构的设置降低了部件间的局部应力的出现，进而延长了过渡圈、法兰、加热器的使用寿命；更优的是，倒角结构的设计对过渡圈安装于加热器、法兰安装于过渡圈的过程中具有导向、定位、和限位作用，降低安装不良所引起的不良后果。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对斯特林发动机用加热器的布置结构及安装方法的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1是本发明的布置结构的一种实施例结构示意图；

图2是本发明的布置结构的另一种实施例结构示意图；

图3-1是本发明的过渡圈的一种实施例结构示意图；

图3-2是图3-1的局部剖面图结构示意图；

图4是现有技术中法兰与加热器一体化设计的安装结构示意图；

图5是现有技术中法兰与加热器分体式设计的安装结构示意图。

附图标号说明：

1.机体，2.法兰，3.过渡圈，31.第一抵接部，32.第二抵接部，33.外拐角，34.内拐角，35.第一子过渡圈，36.第二子过渡圈，4.加热器，41.工质腔，42.侧壁，43.延展边，44.第一台阶部，5.加热管，6.连接件。

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，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。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，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中的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。在本文中，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，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在本文中，上、下、左和右是指所描述的附图的上、下、左和右，并不完全代表实际情况。

在实施例一中，如图1-3所示，一种斯特林发动机用加热器的布置结构，包括：机体1，法兰2，过渡圈3和加热器4；过渡圈3由至少两个子过渡圈3拼接形成；加热器4包括安装端(图中未标示)和加热端(图中未标示)，加热端设有加热管5；安装端的外侧套设法兰2和过渡圈3，使得法兰2通过过渡圈3将加热器4安装于机体1，使得加热器4的工质腔41与机体1的热腔连通。通过在法兰2和加热器4之间设置过渡圈3，使得法兰2通过张紧过渡圈3，然后过渡圈3张紧加热器4的方式来实现加热器4的安装，更优的是，由于过渡圈3的存在，使得法兰2可直接在焊接有加热管5后的加热器4的安装端穿过来实现加热器4的固定，从而使得法兰2再也无需需要从加热端穿过加热器4后，并随加热器4一起进入钎焊炉进行加热管5的钎焊，从而保证了法兰2的强度、抗疲劳性、抗载荷能力等工作性能，从而有效避免了法兰2在使用过程中出现裂纹、断裂等故障，进而保证了斯特林发动机工作的可靠性。

在实施例二中，如图1-3所示，在实施例一的基础上，还包括连接件6，连接件6通过设置在法兰2上的安装孔以及设置在机体1上的连接孔来实现法兰2与机体1的连接，进而实现加热器4与机体1的连接，使得加热器4的工质腔41与机体1的热腔(图中未标示)连通。优选地，连接件6直接贯穿法兰2后与机体1连接，即连接件6不需要贯穿设置在法兰2和加热器4之间的过渡圈3；在实际应用中，当然，连接件6也可以依次贯穿法兰2、过渡圈3之后再与机体1连接。连接件6可为螺钉、螺栓、螺丝等。

在实施例三中，如图1-3所示，在实施例一或二的基础上，加热器4靠近机体1一侧的端部径向朝外延展出延展边43，即安装端的端部的侧壁42径向朝外延展出延展边43，延展边43与加热器4的外壁形成第一台阶部44；此时，过渡圈3可为一平面结构的环状结构，使得过渡圈3可平铺于第一台阶部44，此时，过渡圈3可降低加热器4、法兰2沿其轴线方向的轴向力，即过渡圈3可承受轴线方向的应力，法兰2优选为Z形结构，包括沿加热器4轴线方向设置的第一侧壁(图中未标示)，沿加热器4径向方向设置的第二侧壁(图中未标示)，其中，以及沿加热器4径向方向设置的第三侧壁(图中未标示)；其中第二侧壁和第三侧壁分别与第一侧壁的端部连接，第三侧壁设于第二侧壁的外侧，且第三侧壁设有用于与机体1连接的安装孔(用于连接件6贯穿法兰2)。法兰2的第二侧壁压在过渡圈3的上表面上，过渡圈3的下表面压在第一台阶部44(即延展边43的上表面)，即沿上下方向，第二侧壁、过渡圈3、延展边43有部分是叠设的；法兰2的第一侧壁沿加热器4的轴线方向包裹于过渡圈3和加热器4的外侧，此时，第二侧壁形成的环状结构与加热器4的外壁为间隙配合，且法兰2的第一侧壁的内壁与过渡圈3之间也为间隙配合。优选地，过渡圈3沿加热器4的轴线方向沿至法兰2与加热器4之间，使得过渡圈3为一与第一台阶部44相适配的台阶状结构，包括第一抵接部31(即为上述的平面结构的过渡圈3)和第二抵接部32；第一抵接部31设于第一台阶部44，并沿加热器4的径向方向设于法兰2与加热器4之间；第二抵接部32沿加热器4的轴线方向延展至加热器4与法兰2之间。此时，法兰2的第一侧壁优选与第二抵接部32的外壁过盈配合或密封贴合连接，法兰2的第二侧壁与加热器4的外壁间隙配；第一抵接部31优选与加热器4的外壁过盈配合或密封贴合连接。这样使得法兰2、加热器4沿其轴线方向、以及径向方向均设有过渡圈3，从而使得法兰2、加热器4所受到的径向力以及轴向力均可转移至过渡圈3上，全方位保护了法兰2和加热器4；且台阶结构的相互抵设张紧装配，保证了本布置结构的连接可靠性和紧固性。

在实施例四中，如图1-3所示，在实施例三的基础上，第一抵接部31和第二抵接部32的连接处分别形成内拐角34和外拐角33，外拐角33为第一倒角结构；法兰2与外拐角33的接触处为与第一倒角结构相适配的第二倒角结构。优选地，内拐角34为第三倒角结构；第一台阶部44与内拐角34的接触处为与第三倒角结构相适配的第四倒角结构。

在实施例五中，如图1-3所示，在实施例一、二、三或四的基础上，过渡圈3的刚度小于法兰2和/或加热器4的刚度。过渡圈3由金属材料或合金材料制成。为了保证过渡圈3的延展性，并降低过渡圈3的生产成本以及使用成本，过渡圈3优选为钢材制成，当然，过渡圈3也可为其它的金属或合金，如铁、铜、铝、铝合金等；优选地过渡圈3优选为耐温材料制成，该耐温材料的耐温温度优选≥200℃。优选地，相邻两个子过渡圈3之间设有间隙。示例性的，如图3所示，过渡圈3包括两个子过渡圈(即第一子过渡圈35和第二子过渡圈36)，值得说明的是，为了便于过渡圈3的安装，当子过渡圈的数量为两个时，优选为左右对称的子过渡圈；因此，每一个子过渡圈的尺寸优选以其可自由安装在加热器4的外壁为准。

在实施例六中，一种适用于上述任意一项斯特林发动机用加热器的布置结构的安装方法，包括步骤：

S100，将法兰从设有加热管的加热器的安装端穿过后套设于所述安装端的外侧；

S200，移动所述法兰远离所述安装端，并将过渡圈套设于所述安装端的预设位置处；

S300，移动所述法兰靠近所述安装端，使得所述过渡圈设于所述法兰与所述加热器之间，并形成加热器安装单元。

本实施例中，法兰可于焊接有加热管后的加热器的安装端来实现加热器的固定，从而保证了法兰的强度、抗疲劳性、抗载荷能力等工作性能，从而有效避免了法兰在使用过程中出现裂纹、断裂等故障，进而保证了斯特林发动机工作的可靠性。

在实施例七中，在实施例六的基础上，还包括步骤：

S400，通过连接件将所述加热器安装单元固定于机体的预设位置。

本实施例中，在形成加热器安装单元后，只需通过连接件将其安装在机体上即可，非常的简便、易操作和实现。且连接件可将法兰与机体连接在一起而实现加热器的安装；也可将法兰、过渡圈、机体连接在一起而实现加热器的安装。

在实施例八中，在实施例六或七的基础上，还包括步骤：

S500，判断所述过渡圈是否为满足安装条件；

当所述过渡圈满足安装条件时，则执行步骤：

S610，无动作；

当所述过渡圈不满足安装条件时，则执行步骤：

S620，更换所述过渡圈。

本实施例中，在使用过程中，由于过渡圈是受力的主体，容易出现磨损、破坏，因此，可通过定期更换过渡圈来保证本布置结构的性能，在更换过程中，只需将连接件旋出机体，并移动法兰远离加热器的安装端，使得坏掉的过渡圈显露出来，然后将其取出后，再放置新的过渡圈后，将法兰移向安装端并压合过渡圈后，再通过连接件将法兰固定在机体上即可，非常的方便和易操作。

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。