專利名稱：中冷等壓吸熱式熱氣機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱氣機(jī)，特別是中冷等壓吸熱式熱氣機(jī)。
背景技術(shù)：
在申請(qǐng)?zhí)枮椤?0061008118.7”“20061008447X”“2006100869224”和“200610083243.1”所給出的發(fā)明專利說明書中，雖然所述的系列中冷回?zé)醿?nèi)燃機(jī)具有不同的結(jié)構(gòu)類型，其中采用燃燒爐的中冷回?zé)醿?nèi)燃機(jī)在內(nèi)燃方式下還可以使用固體燃料，但在內(nèi)燃方式下使用固體燃料還是不容易實(shí)現(xiàn)的，它需要設(shè)置往高壓燃燒爐內(nèi)輸送固體燃料的專用泵入裝置，同時(shí)，燃?xì)庵械幕曳菀矔?huì)對(duì)汽缸的活塞造成磨損。另外，為了回收利用工廠企業(yè)其它高溫?zé)嵩此a(chǎn)生的高溫氣體中的熱量，或者為利用太陽(yáng)能集熱裝置所產(chǎn)生的熱能，上述各不同類型的中冷回?zé)醿?nèi)燃機(jī)在結(jié)構(gòu)上并不適合。
對(duì)于早已出現(xiàn)的斯特林熱氣機(jī)，這種熱氣機(jī)在循環(huán)系統(tǒng)中雖然沒有控制閥門，但其內(nèi)的工質(zhì)是往復(fù)來回流經(jīng)加熱器的，工質(zhì)在向回流過加熱器時(shí)，因工質(zhì)的溫度已經(jīng)很高，便不再吸收外部熱源的熱量，造成外部熱源的排氣溫度升高，使燃料的熱量利用效率降低。同樣，這種工質(zhì)在加熱器內(nèi)來回往復(fù)的流動(dòng)，也不能構(gòu)成通常換熱器中特別有利的逆流換熱過程，這也影響了斯特林熱氣機(jī)效率的進(jìn)一步提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在上述各不同類型的中冷回?zé)醿?nèi)燃機(jī)基礎(chǔ)上，提供一種更適合利用外部熱源進(jìn)行工作的中冷等壓吸熱式熱氣機(jī)，這種熱氣機(jī)不僅能高效率的吸收利用外部熱源所產(chǎn)生的熱量，而且還可以進(jìn)一步發(fā)展出多種不同的結(jié)構(gòu)類型，以更好的適應(yīng)不同場(chǎng)所的需要。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的中冷等壓吸熱式熱氣機(jī)包括裝有作功進(jìn)氣閥的主氣缸和布置在主氣缸側(cè)旁的副氣缸，主氣缸中的動(dòng)力活塞經(jīng)連桿與曲軸相連，副氣缸中的配氣活塞經(jīng)穿過底部缸蓋的活塞桿把副氣缸分成了上側(cè)的大副缸和下側(cè)的被活塞桿占用了部分容積的小副缸，副氣缸中的配氣活塞經(jīng)活塞桿與外側(cè)的十字頭相連后，再經(jīng)相應(yīng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與曲軸傳動(dòng)相連，配氣活塞比動(dòng)力活塞延遲一定的角度到達(dá)上止點(diǎn)；副氣缸中的大副缸經(jīng)作功進(jìn)氣閥與主氣缸連通，在大副缸上還設(shè)有進(jìn)氣閥，小副缸經(jīng)下側(cè)的冷通氣口在所設(shè)控制閥的控制下分別與換氣出口和換氣進(jìn)口連通，小副缸的換氣出口經(jīng)連接管路與加熱器進(jìn)氣端連通，加熱器的出氣端經(jīng)隔熱管路和進(jìn)氣閥與大副缸連通，小副缸的換氣進(jìn)口經(jīng)連通管路與中間冷卻器的出氣端連通，加熱器置于與外部熱源相連通的高溫排氣或排液管路內(nèi)，或者置于被聚焦的太陽(yáng)能加熱裝置中；在主氣缸的缸蓋上設(shè)有可控的出氣單向閥，主氣缸經(jīng)該單向閥后通過出氣管路與中間冷卻器的進(jìn)氣端相連通；出氣單向閥利用其背面的閥桿裝于升降頂桿的孔內(nèi)，升降頂桿裝在缸蓋上的滑孔中，并經(jīng)密封環(huán)與滑孔內(nèi)壁保持密封，在升降頂桿的上部設(shè)有擋座，在該擋座與缸蓋之間裝有讓升降頂桿離開出氣單向閥的彈簧；所設(shè)的凸輪經(jīng)設(shè)在缸蓋上的滑套內(nèi)的限程彈力頂件壓在升降頂桿的擋座上，限程彈力頂件包括兩端設(shè)有座圈及擋頭的拉桿和套在其上被擋頭阻止的擋圈，在座圈與擋圈之間裝有大彈力彈簧，限程彈力頂件用下側(cè)的擋圈壓在升降頂桿的擋座上；露在擋圈下側(cè)的擋頭可伸在擋座上具有相應(yīng)深度的凹坑內(nèi)；在主氣缸進(jìn)行作功過程中，凸輪經(jīng)限程彈力頂件和升降頂桿控制出氣單向閥關(guān)閉，并使升降頂桿壓在出氣單向閥上；在主氣缸將要進(jìn)行排氣時(shí)，凸輪轉(zhuǎn)過限程彈力頂件，彈簧使升降頂桿離開出氣單向閥；在主氣缸的下止點(diǎn)位置上分別設(shè)有掃氣口和排氣口，掃氣口經(jīng)掃氣管路與掃氣泵的出氣端相連通，動(dòng)力活塞行到上止點(diǎn)時(shí)，其下側(cè)的裙部能遮擋住所設(shè)的掃氣口和排氣口；在外部熱源采用可使用固體、液體及氣體燃料的燃燒爐時(shí)，中間冷卻器外圍所設(shè)的空氣冷卻套的散熱空氣出口經(jīng)通風(fēng)管路通向燃燒爐的供氣口。
根據(jù)上述大副缸經(jīng)作功進(jìn)氣閥與主氣缸相連通的熱氣機(jī)結(jié)構(gòu)類型，也可讓主氣缸采用左右并列方式布置，每側(cè)主氣缸中的動(dòng)力活塞通過裝在各自活塞銷上的橫梁相連，左右兩曲軸通過其上相互嚙合的同步齒輪保持反向同步轉(zhuǎn)動(dòng)；所述的具有大副缸和小副缸的副氣缸倒置設(shè)在兩主氣缸之間的上部位置，副氣缸中的配氣活塞由設(shè)在上部位置的副曲軸帶動(dòng)，朝向主氣缸布置大副缸分別經(jīng)左右側(cè)的兩作功進(jìn)氣閥與兩側(cè)的主氣缸連通，大副缸上的進(jìn)氣閥由設(shè)在兩主氣缸之間的凸輪控制；控制小副缸冷通氣口的控制閥設(shè)在直列布置的副氣缸之間位置上，并被與從動(dòng)齒輪相連的小曲軸帶動(dòng)，從動(dòng)齒輪與側(cè)面凸輪軸上的驅(qū)動(dòng)齒輪嚙合。
在上述兩種熱氣機(jī)采用燃燒爐供熱時(shí)，主氣缸上所設(shè)的排氣口經(jīng)排氣管路通向燃燒爐的供氣口；或者讓排氣管路的出口端作為空氣引射噴口伸進(jìn)通風(fēng)管路所形成的引射腔內(nèi)。
本發(fā)明的第二種中冷等壓吸熱式熱氣機(jī)采用的是讓大副缸經(jīng)隔熱集氣管與主氣缸相連通的結(jié)構(gòu)布置方式，它包括裝有作功進(jìn)氣閥的主氣缸和分開布置的副氣缸，在主氣缸中裝有動(dòng)力活塞，在副氣缸中裝有配氣活塞，配氣活塞的活塞桿穿過下側(cè)的缸蓋向外伸出，把副氣缸分成大副缸和被活塞桿占用了部分容積的小副缸，在大副缸的缸蓋上分別設(shè)有進(jìn)氣閥和排氣閥，小副缸通過下側(cè)的冷通氣口在所設(shè)控制閥的控制下分別與換氣出口和換氣進(jìn)口連通，小副缸的換氣進(jìn)口經(jīng)連通管路與中間冷卻器的出氣端連通，換氣出口經(jīng)連接管路與加熱器的進(jìn)氣端連通，加熱器的出氣端經(jīng)隔熱管路和進(jìn)氣閥與大副缸連通，加熱器置于與外部熱源相連通的高溫排氣或排液管路內(nèi)，或者置于被聚焦的太陽(yáng)能加熱裝置中；大副缸經(jīng)出氣閥、隔熱集氣管和作功進(jìn)氣閥與主氣缸連通；在主氣缸的缸蓋上設(shè)有可控的出氣單向閥，主氣缸經(jīng)該單向閥后通過出氣管路與中間冷卻器的進(jìn)氣端相連通；出氣單向閥利用其背面的閥桿裝于升降頂桿的孔內(nèi)，升降頂桿裝在缸蓋上的滑孔中，并經(jīng)密封環(huán)與滑孔內(nèi)壁保持密封，在升降頂桿的上部設(shè)有擋座，在該擋座與缸蓋之間裝有讓升降頂桿離開出氣單向閥的彈簧；所設(shè)的凸輪經(jīng)設(shè)在缸蓋上的滑套內(nèi)的限程彈力頂件壓在升降頂桿的擋上，限程彈力頂件包括兩端設(shè)有座圈及擋頭的拉桿和套在其上被擋頭阻止的擋圈，在座圈與擋圈之間裝有大彈力彈簧，限程彈力頂件用下側(cè)的擋圈壓在升降頂桿的擋座上，露在擋圈下側(cè)的擋頭可伸在擋座上具有相應(yīng)深度的凹坑內(nèi)；在主氣缸進(jìn)行作功過程中，凸輪經(jīng)限程彈力頂件和升降頂桿控制出氣單向閥關(guān)閉，并使升降頂桿壓在出氣單向閥上；在主氣缸將要進(jìn)行排氣時(shí)，凸輪轉(zhuǎn)過限程彈力頂件，彈簧使升降頂桿離開出氣單向閥；在外部熱源采用可使用固體、液體及氣體燃料的燃燒爐時(shí)，中間冷卻器外圍所設(shè)的空氣冷卻套的散熱空氣出口經(jīng)通風(fēng)管路通向燃燒爐的供氣口。
根據(jù)本發(fā)明的第二種熱氣機(jī)結(jié)構(gòu)類型，可把副氣缸設(shè)在主氣缸的上部，副氣缸中的配氣活塞經(jīng)穿過缸蓋的活塞桿直接與主氣缸中動(dòng)力活塞的頂部相連，副氣缸的小副缸與主氣缸共用一個(gè)缸蓋，主氣缸中的動(dòng)力活塞經(jīng)連桿與下面的曲軸相連。
根據(jù)本發(fā)明的第二種熱氣機(jī)結(jié)構(gòu)類型，也可把副氣缸設(shè)在主氣缸的上部，副氣缸中的配氣活塞經(jīng)穿過缸蓋的活塞桿直接與主氣缸中動(dòng)力活塞的頂部相連，副氣缸的小副缸與主氣缸共用一個(gè)缸蓋；主氣缸中的動(dòng)力活塞被制成雙作用結(jié)構(gòu)，使其下側(cè)與下缸蓋形成下主氣缸，動(dòng)力活塞經(jīng)穿過下缸蓋的動(dòng)力活塞桿、外部的十字頭和連桿與曲軸箱中的曲軸相連；在下主氣缸的下缸蓋上分別設(shè)有下作功進(jìn)氣閥和下出氣單向閥，下主氣缸經(jīng)下作功進(jìn)氣閥也與所設(shè)的隔熱集氣管連通，還經(jīng)下出氣單向閥與通向中間冷卻器的出氣管路連通。
根據(jù)本發(fā)明的第二種熱氣機(jī)結(jié)構(gòu)類型，在制成更大的功率時(shí)，可以讓主氣缸采用左右兩缸并列方式布置，每側(cè)主氣缸中的動(dòng)力活塞被制成雙作用結(jié)構(gòu)，使其下側(cè)與下缸蓋形成下主氣缸，每側(cè)動(dòng)力活塞分別經(jīng)穿過下缸蓋的動(dòng)力活塞桿、十字頭和連桿與曲軸箱中的曲軸相連，兩曲軸通過其上相嚙合的同步齒輪保持反向同步轉(zhuǎn)動(dòng)，兩側(cè)十字頭之間通過裝在各自連接銷上的橫梁相連；所設(shè)的具有大副缸和小副缸的副氣缸處于兩主氣缸中間的上部位置，副氣缸中的配氣活塞經(jīng)穿過下部缸蓋的加長(zhǎng)的活塞桿與兩十字頭之間的橫梁的中部相連接；在每側(cè)下主氣缸的下缸蓋上分別設(shè)有下作功進(jìn)氣閥和下出氣單向閥，下主氣缸經(jīng)下作功進(jìn)氣閥也與所設(shè)的隔熱集氣管連通，還經(jīng)下出氣單向閥與通向中間冷卻器的出氣管路連通。
為制成雙主氣缸并列排列的熱氣機(jī)，還可以讓主氣缸采用左右兩缸并列方式布置，每側(cè)主氣缸中的動(dòng)力活塞通過各自的連桿與下面相對(duì)應(yīng)的曲軸相連，兩曲軸通過其上相嚙合的同步齒輪保持反向同步轉(zhuǎn)動(dòng)，兩側(cè)動(dòng)力活塞之間通過裝在各自活塞銷上的橫梁相連；所設(shè)的具有大副缸和小副缸的副氣缸處于主氣缸中間的上部位置，副氣缸中的配氣活塞經(jīng)穿過下部缸蓋的活塞桿與兩動(dòng)力活塞之間的橫梁的中部相連接。
在上述采用單作用動(dòng)力活塞的兩種熱氣機(jī)中，在主氣缸的下止點(diǎn)位置上分別設(shè)有掃氣口和排氣口，掃氣口經(jīng)掃氣管路與掃氣泵的出氣端相連通，動(dòng)力活塞行到上止點(diǎn)時(shí)，其下側(cè)的裙部能遮擋住所設(shè)的掃氣口和排氣口，以便讓循環(huán)回路成為半閉式循環(huán)系統(tǒng)。
本發(fā)明的第三種中冷等壓吸熱式熱氣機(jī)采用的是讓主氣缸和副氣缸繞中心軸環(huán)形布置的結(jié)構(gòu)方式，它包括其缸蓋設(shè)有通氣口的主氣缸和分開設(shè)置的副氣缸，各主氣缸和副氣缸繞中心軸環(huán)型布置，主氣缸的通氣口由中心軸端部的轉(zhuǎn)閥控制，在轉(zhuǎn)閥上設(shè)有可與通氣口溝通的進(jìn)氣閥口，在主氣缸中裝有動(dòng)力活塞，動(dòng)力活塞經(jīng)連桿與動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的擺盤或曲軸相連；在副氣缸中裝有配氣活塞，配氣活塞的活塞桿穿過底部的缸蓋向外伸出，形成大副缸和被活塞桿占用部分容積的小副缸，副氣缸的小副缸通過下側(cè)的冷通氣口在所設(shè)的控制閥控制下分別與換氣進(jìn)口和換氣出口連通，小副缸的換氣進(jìn)口經(jīng)連通管路與中間冷卻器的出氣端連通，換氣出口經(jīng)連接管路與加熱器的進(jìn)氣端連通，加熱器的出氣端經(jīng)隔熱管路和相應(yīng)的控制閥與大副缸連通，環(huán)型布置的各副氣缸分別設(shè)在相應(yīng)各環(huán)型布置的主氣缸的頂部，副氣缸中的配氣活塞經(jīng)穿過缸蓋的活塞桿與主氣缸中動(dòng)力活塞的頂部相連，加熱器置于與外部熱源相連通的高溫排氣或排液管路內(nèi)，或者置于被聚焦的太陽(yáng)能加熱裝置中；大副缸經(jīng)相應(yīng)的控制閥和隔熱集氣管與中心軸端部的轉(zhuǎn)閥上的進(jìn)氣閥口相連通，在轉(zhuǎn)閥上還設(shè)有可與主氣缸的通氣口相溝通的排氣閥口，該閥口經(jīng)缸蓋上的排氣道和出氣管路與中間冷卻器的進(jìn)氣端相連通；在主氣缸內(nèi)的動(dòng)力活塞行到上止點(diǎn)開始作功時(shí)，轉(zhuǎn)閥上的進(jìn)氣閥口把主氣缸與隔熱集氣管溝通、并在轉(zhuǎn)過一定的作功轉(zhuǎn)角后關(guān)閉；在動(dòng)力活塞離開下止點(diǎn)、上行把主氣缸中的氣體壓縮到與中間冷卻器內(nèi)的氣體壓力相同時(shí)，轉(zhuǎn)閥上的排氣閥口把主氣缸與通向中間冷卻器的排氣道連通，并在動(dòng)力活塞行到上止點(diǎn)時(shí)關(guān)閉；在主氣缸的下止點(diǎn)位置上分別設(shè)有掃氣口和排氣口，掃氣口經(jīng)掃氣管路與掃氣泵的出氣端相連通，動(dòng)力活塞行到上止點(diǎn)時(shí)，其下側(cè)的裙部能遮擋住所設(shè)的掃氣口和排氣口；在外部熱源采用可使用固體、液體及氣體燃料的燃燒爐時(shí)，中間冷卻器外圍所設(shè)的空氣冷卻套的散熱空氣出口經(jīng)通風(fēng)管路通向燃燒爐的供氣口。
在第一個(gè)氣缸環(huán)形布置的熱氣機(jī)中，大副缸經(jīng)其缸蓋上所設(shè)的進(jìn)氣閥與加熱器的出氣端連通，還經(jīng)缸蓋上所設(shè)的排氣閥與通向轉(zhuǎn)閥的隔熱集氣管連通。
在第二個(gè)氣缸環(huán)形布置的熱氣機(jī)中，大副缸經(jīng)缸蓋上的熱通氣口被所設(shè)的外轉(zhuǎn)閥控制，實(shí)現(xiàn)與加熱器或隔熱集氣管的連通，所述的外轉(zhuǎn)閥通過連接軸套與內(nèi)側(cè)中心軸上的轉(zhuǎn)閥相連，外轉(zhuǎn)閥具有能遮擋住大副缸熱通氣口的內(nèi)端面或外圓周面，其上設(shè)有可分別與熱通氣口溝通的進(jìn)氣口和出氣口；外轉(zhuǎn)閥上的進(jìn)氣口在所處的閥面上形成一個(gè)半環(huán)形的通氣槽，該槽經(jīng)外轉(zhuǎn)閥中的隔熱通道與從加熱器出氣端連接過來的隔熱管路相連通，在大副缸中的配氣活塞從上止點(diǎn)向下止點(diǎn)移動(dòng)過程中，隨閥轉(zhuǎn)動(dòng)的進(jìn)氣口與大副缸的熱通氣口處于溝通狀態(tài)，配氣活塞移到下止點(diǎn)后，進(jìn)氣口轉(zhuǎn)過熱通氣口；外轉(zhuǎn)閥上的出氣口直接與設(shè)在轉(zhuǎn)閥和連接軸套內(nèi)的隔熱集氣管連通，在大副中的配氣活塞從下止點(diǎn)移向上止點(diǎn)過程中，當(dāng)大副缸內(nèi)的氣體壓力與隔熱集氣管內(nèi)的氣體壓力相同時(shí)，隨閥轉(zhuǎn)動(dòng)的出氣口與大副缸的熱通氣口溝通，配氣活塞行到上止點(diǎn)后，出氣口轉(zhuǎn)過熱通氣口。
本發(fā)明的第四種中冷等壓吸熱式熱氣機(jī)采用的是氣缸環(huán)型布置、并且讓缸體旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)方式，它包括其缸蓋設(shè)有通氣口的主氣缸和分開設(shè)置的副氣缸，各主氣缸和副氣缸都采用繞中心軸線環(huán)型布置的方式、并形成旋轉(zhuǎn)缸體，在主氣缸中裝有動(dòng)力活塞，動(dòng)力活塞通過連桿或活塞桿與動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的周轉(zhuǎn)斜盤或固定斜盤相連，在副氣缸中裝有配氣活塞，配氣活塞的活塞桿穿過底部缸蓋向外伸出，形成大副缸和被活塞桿占用部分容積的小副缸，配氣活塞經(jīng)活塞桿與外面的周轉(zhuǎn)斜盤或固定斜盤相連；在主氣缸旋轉(zhuǎn)時(shí)，其上的通氣口可與固定外殼的閥盤上所設(shè)的作功進(jìn)氣口連通，副氣缸在旋轉(zhuǎn)時(shí)，其上大副缸的熱通氣口可分別與固定外殼的小閥盤上所設(shè)的進(jìn)氣口和出氣口連通，小副缸的冷通氣口可分別與設(shè)在中心固定軸上的換氣進(jìn)口和換氣出口連通，與小副缸相對(duì)應(yīng)的中心固定軸上的換氣進(jìn)口經(jīng)連通管路與中間冷卻器的出氣端連通，換氣出口經(jīng)連接管路與加熱器的進(jìn)氣端連通，加熱器的出氣端經(jīng)隔熱管路與小閥盤上的進(jìn)氣口連通，加熱器置于與外部熱源相通的高溫排氣或排液管路內(nèi)，或者置于被聚光的太陽(yáng)能加熱裝置中；可同大副缸相溝通的小閥盤上的出氣口經(jīng)隔熱集氣管與可同主氣缸相溝通的閥盤上的作功進(jìn)氣口連通，在閥盤上還設(shè)有可與主氣缸通氣口相溝通的壓縮排氣口，該氣口經(jīng)出氣管路與中間冷卻器的進(jìn)氣端相連通；當(dāng)主氣缸旋轉(zhuǎn)、其內(nèi)的動(dòng)力活塞行到上止點(diǎn)開始作功時(shí)，主氣缸的通氣口與閥盤上的作功進(jìn)氣口溝通，并在經(jīng)過一定的作功角度后轉(zhuǎn)過作功進(jìn)氣口；在動(dòng)力活塞離開下止點(diǎn)，上行把主氣缸中的氣體壓縮到與中間冷卻器內(nèi)的氣體壓力相同時(shí)，主氣缸的通氣口與閥盤上的壓縮排氣口溝通，并在動(dòng)力活塞行到上止點(diǎn)后關(guān)閉；在外部熱源采用可使用固體、液體及氣體燃料的燃燒爐時(shí)，中間冷卻器外圍所設(shè)的空氣冷卻套的散熱空氣出口經(jīng)通風(fēng)管路通向燃燒爐的供氣口。在閥盤上對(duì)應(yīng)動(dòng)力活塞處于下止點(diǎn)的位置處，設(shè)有可與主氣缸通氣口相溝通的掃氣口，該掃氣口經(jīng)掃氣管路與掃氣泵相連通；在主氣缸的下止點(diǎn)位置上設(shè)有排氣口，該排氣口經(jīng)缸體外圍的連通管道與閥盤上所設(shè)的與掃氣口處于相同角度位置的排氣出口連通。
在第二個(gè)氣缸環(huán)型布置、并且缸體旋轉(zhuǎn)的熱氣機(jī)中，主氣缸設(shè)在固定斜盤的一側(cè)，其中的動(dòng)力活塞經(jīng)動(dòng)力活塞桿與十字頭相連，十字頭再經(jīng)其上的兩個(gè)半圓滑塊與被夾在中間的固定斜盤轉(zhuǎn)動(dòng)相連；在固定斜盤的另一側(cè)設(shè)有副氣缸，副氣缸通過中間外殼與主氣缸連為一體，副氣缸中的配氣活塞經(jīng)活塞桿與十字頭的另一側(cè)相連接；在主氣缸底部設(shè)有可讓動(dòng)力活塞桿穿過的封擋蓋，各主氣缸中動(dòng)力活塞與封擋蓋之間所形成的底部空間可由連接在各主氣缸底部之間的互通管連通。
在本發(fā)明的中冷等壓吸熱式熱氣機(jī)中，被小副缸排出的低溫壓縮空氣在流過加熱器被外部熱源加熱后，是進(jìn)入到容積相應(yīng)增大的大副缸內(nèi)，讓被加熱的壓縮空氣體積在大副缸得到膨脹，使其壓力并未升高，讓吸熱在等壓狀態(tài)下進(jìn)行。壓縮空氣的膨脹推動(dòng)了配氣活塞的活塞桿對(duì)外作功，也讓剛進(jìn)入加熱器的低溫壓縮空氣因壓力不變?nèi)员３值蜏?，以使快從加熱器外圍流過的溫度已經(jīng)降低的熱氣流仍可加熱剛進(jìn)入加熱器中的低溫壓縮空氣，從而增加了加熱器的吸熱能力，讓流過加熱器外圍的熱氣流溫度下降到很低的狀態(tài)，高效率的利用了外部熱源所產(chǎn)生的熱量。由于本發(fā)明的熱氣機(jī)熱量利用效率很高，這種以外燃方式工作熱氣機(jī)在效率上很容易超過存在大量排氣和散熱損失的普通內(nèi)燃機(jī)。
可作為外部熱源的加熱系統(tǒng)有多種不同的構(gòu)成方式，實(shí)際中，即可采用工業(yè)生產(chǎn)中所產(chǎn)生的高溫廢氣作為本發(fā)明熱氣機(jī)的熱源，也可設(shè)置以燃用煤碳和生物質(zhì)固體燃料的燃燒爐作為外部熱源，還可以采用經(jīng)過聚焦的太陽(yáng)能加熱裝置外作為外部熱源，這種靈活的外部熱源構(gòu)成方式特別有利于擴(kuò)大本發(fā)明這種熱氣機(jī)的推廣使用范圍。
與斯特林熱氣機(jī)相比，本發(fā)明的熱氣機(jī)不僅熱效率高，由于所設(shè)的中間冷卻器和加熱器不屬于“無益容積”，增大這兩個(gè)部件的容積除可有利于降低容積內(nèi)氣體的流動(dòng)阻力和增加換熱面積外，并不會(huì)降低熱氣機(jī)的工作熱效率。這一特點(diǎn)非常有利于加熱器在不同場(chǎng)所下的布置，增加了熱氣機(jī)實(shí)際使用中的靈活方便性。另外，本發(fā)明的熱氣機(jī)基本上采用的是空氣半開式循環(huán)，膨脹后的空氣在動(dòng)力活塞行到下止點(diǎn)時(shí)會(huì)有一小部分排出氣缸，而外界的新鮮空氣會(huì)從掃氣口相應(yīng)充入主氣缸，這一特點(diǎn)不僅讓掃氣泵消耗的功率很少，也讓循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的空氣能被保持在一定的潔凈程度上，相應(yīng)降低了本發(fā)明熱氣機(jī)的密封要求。而在采用氫氣為工質(zhì)的斯特林熱氣機(jī)中，對(duì)密封的要求幾乎是絕對(duì)的。
本發(fā)明的熱氣機(jī)是在系列中冷回?zé)醿?nèi)燃機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展而出的，雖然本發(fā)明的熱氣機(jī)全部作功熱量是通過加熱器以外燃方式傳入，增加了加熱器的體積，但與中冷回?zé)醿?nèi)燃機(jī)相比，也省去了壓氣汽缸和其內(nèi)的壓氣活塞。本發(fā)明的熱氣機(jī)不僅具多種不同的結(jié)構(gòu)類型，也由于可以使用各種不同的固體燃料進(jìn)行工作，它將在農(nóng)用動(dòng)力機(jī)械、發(fā)電和船舶動(dòng)力等方面得到應(yīng)用。由于本發(fā)明的熱氣機(jī)熱效率很高，在制成大功率機(jī)組后，也可以大范圍的替代目前普通電廠中由蒸汽鍋爐和汽輪機(jī)所構(gòu)的蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)，以消除這種動(dòng)力系統(tǒng)中無法避免的蒸汽冷凝所產(chǎn)生的大量熱量損失。


圖1是本發(fā)明的主氣缸與大副缸連通布置型中冷等壓吸熱式熱氣機(jī)的總體結(jié)構(gòu)布置圖。
圖2是圖1中所示熱氣機(jī)的機(jī)體及閥門結(jié)構(gòu)的放大圖。
圖3是本發(fā)明的主氣缸與大副缸連通布置型中冷等壓吸熱式熱氣機(jī)的工作過程原理圖；圖中①壓縮排出過程，②中間冷卻過程，③等壓吸熱過程，④膨脹作功過程。
圖4是根據(jù)圖1中熱氣機(jī)改進(jìn)的并列雙主氣缸、動(dòng)力活塞無側(cè)壓力的中冷等壓吸熱式熱氣機(jī)的總體結(jié)構(gòu)布置圖。
圖5是本發(fā)明的主氣缸與大副缸分開布置型中冷等壓吸熱式熱氣機(jī)的總體結(jié)構(gòu)布置圖。
圖6是圖5中所示熱氣機(jī)的機(jī)體及閥門結(jié)構(gòu)的放大圖。
圖7是本發(fā)明的主氣缸與大副缸分開布置型中冷等壓吸熱式熱氣機(jī)的工作過程原理圖；圖中①壓縮排出過程，②中間冷卻過程，③等壓吸熱過程，④膨脹作功過程。
圖8是本發(fā)明動(dòng)力活塞雙作用的中冷等壓吸熱式熱氣機(jī)的總體結(jié)構(gòu)布置圖。
圖9是本發(fā)明并列雙主氣缸、動(dòng)力活塞雙作用的中冷等壓吸熱式熱氣機(jī)的總體結(jié)構(gòu)布置圖。
圖10是本發(fā)明并列雙主氣缸、動(dòng)力活塞無側(cè)壓力的中冷等壓吸熱式熱氣機(jī)的總體結(jié)構(gòu)布置圖。
圖11是本發(fā)明中的主氣缸和副氣缸采用環(huán)形布置的中冷等壓吸熱式熱氣機(jī)的總體結(jié)構(gòu)布置圖。
圖12是圖11中A-A的剖面圖，圖中示出了轉(zhuǎn)閥的各閥口布置情況。
圖13是根據(jù)圖11中熱氣機(jī)改進(jìn)的主氣缸和副氣缸采用環(huán)形布置的另一種中冷等壓吸熱式熱氣機(jī)的總體結(jié)構(gòu)布置圖。
圖14是圖13中A-A的剖視圖，圖中示出了轉(zhuǎn)閥的各閥口布置情況。
圖15是圖13中B-B的剖視圖，圖中示出了外轉(zhuǎn)閥的各閥口布置情況。
圖16是本發(fā)明中主氣缸和副氣缸采用環(huán)形布置并且缸體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的中冷等壓吸熱式熱氣機(jī)的總體結(jié)構(gòu)布置圖。
圖17是圖16中A-A的剖視圖，圖中示出了閥盤上各閥口的布置情況。
圖18是本發(fā)明中主氣缸和副氣缸采用環(huán)形布置并且缸體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的另一種中冷等壓吸熱式熱氣機(jī)的總體結(jié)構(gòu)布置圖。
具體實(shí)施例方式
在中冷等壓吸熱式熱氣機(jī)中，根據(jù)主氣缸與大副缸采用很近的連通布置方式還是采用經(jīng)隔熱集氣管分開布置的連通方式而分成兩種不同的結(jié)構(gòu)類型。圖1給出的是本發(fā)明中主氣缸與大副缸連通布置型中冷等壓吸熱式熱氣機(jī)的總體結(jié)構(gòu)布置，圖2是圖1中熱氣機(jī)的機(jī)體及閥門結(jié)構(gòu)的放大圖。在這種結(jié)構(gòu)的熱氣機(jī)中，在裝有作功進(jìn)氣閥36的主氣缸38側(cè)旁布置有副氣缸1，主氣缸中的動(dòng)力活塞86經(jīng)連桿93與曲軸95相連。副氣缸1中的配氣活塞18經(jīng)穿過底部缸蓋11的活塞桿17把副氣缸分成了上側(cè)的大副缸2和下側(cè)的被活塞桿占用了部分容積的小副缸10。副氣缸1中的配氣活塞18經(jīng)活塞桿17與外側(cè)的十字頭相連后，再經(jīng)相應(yīng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與曲軸95傳動(dòng)相連。大副缸2經(jīng)作功進(jìn)氣閥36與主氣缸38連通。由于要讓配氣活塞18比動(dòng)力活塞86延遲一定的角度到達(dá)上止點(diǎn)，在圖1中配氣活塞18經(jīng)活塞桿17與外側(cè)的十字頭19相連后，再經(jīng)小連桿20，搖臂21和連桿22與曲軸95傳動(dòng)相連。在這種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置方式中，動(dòng)力活塞86到達(dá)上止點(diǎn)后(參看圖2)，配氣活塞18會(huì)相應(yīng)延遲50°-80°的角度移到上止點(diǎn)，以便把大副缸2內(nèi)的作功氣體經(jīng)開啟的作功進(jìn)氣閥36壓入主氣缸38中，推動(dòng)動(dòng)力活塞86下行作功。
在大副缸2上設(shè)有進(jìn)氣閥4，在小副缸10的下側(cè)設(shè)有冷通氣口13，小副缸經(jīng)冷通氣口13在控制閥12的控制下可分別與換氣出口16和換氣進(jìn)口15連通。小副缸的換氣出口16經(jīng)連接管路127與加熱器126的進(jìn)氣端連通，加熱器的出氣端經(jīng)隔熱管路129和大副缸上的進(jìn)氣閥4與大副缸2連通。在主氣缸38的缸蓋59上設(shè)有可控的出氣單向閥45，主氣缸經(jīng)該單向閥后通過出氣管路113與中間冷卻器112的進(jìn)氣端相連通，中間冷卻器的出氣端經(jīng)連通管路115與小副缸10的換氣進(jìn)口15連通。
在中冷等壓吸熱式熱氣機(jī)中，加熱器是一種熱交換器，靠外部的熱源進(jìn)行加熱，加熱器即可置于與外部熱源相連通的高溫排氣(或排液)管路內(nèi)，或者置于被聚焦的太陽(yáng)能加熱裝置中。在本實(shí)施例中，外部熱源采用的是燃用固體燃料的燃燒爐134，加熱器126被安裝在與燃燒爐連通的高溫排氣管路132中，并且加熱器內(nèi)被加熱的空氣流向與燃燒爐134排出的高溫燃燒氣體的流動(dòng)方向相反，形成有利于熱量交換的逆流換熱過程，讓流過加熱器外圍的氣體溫度降的更低，使其熱量盡可能的被加熱器內(nèi)的空氣完全吸收，從而大幅度提高本發(fā)明熱氣機(jī)燃料熱量的利用效率。在具體實(shí)施過程中，只要采用可使用固體、液體及氣體燃料的燃燒爐作為外部熱源，為了利用中間冷卻器所散發(fā)出的熱量，如圖1所示，就應(yīng)把中間冷卻器112外圍所設(shè)的空氣冷卻套121的散熱空氣出口122經(jīng)通風(fēng)管路123通向燃燒爐134的供氣口137。在調(diào)整好燃燒爐的供熱量后，便可以讓本發(fā)明的熱氣機(jī)基本上不會(huì)產(chǎn)生很大的排熱損失。
在主汽缸38的缸蓋59上所設(shè)的各相應(yīng)閥門結(jié)構(gòu)如圖2中所示，在這里，主汽缸與大副缸2共用一個(gè)缸蓋，從加熱器126出來的被加熱空氣先經(jīng)進(jìn)氣閥4進(jìn)到大副缸2中，再被上行的配氣活塞18壓縮到一定程度后才經(jīng)缸蓋59上的被控制開啟的作功進(jìn)氣閥36進(jìn)入主氣缸38，推動(dòng)已移到上止點(diǎn)的動(dòng)力活塞86向下運(yùn)行膨脹作功，如圖2中狀態(tài)所示。在動(dòng)力活塞未移到上止點(diǎn)之前，為防止壓力已升高的大副缸內(nèi)氣體經(jīng)作功進(jìn)氣閥36向主氣缸38中泄漏，在作功進(jìn)氣閥36與缸蓋上的壓蓋70之間設(shè)有彈力較大的彈簧71。同樣，為防止進(jìn)入主氣缸的作功氣體在膨脹作功過程中沿缸蓋59上的出氣單向閥45向外漏出，出氣單向閥這時(shí)被控制，由其上面的升降頂桿47施加壓力，使出氣單向閥45被緊壓在閥口61上，以阻止主氣缸中的壓力氣體向外泄漏。
出氣單向閥45利用其背面的閥桿46裝在升降頂桿47的孔內(nèi)，升降頂桿安裝在缸蓋59上的滑孔中，并經(jīng)密封環(huán)與滑孔內(nèi)壁保持密封。在升降頂桿47的上部設(shè)有擋座48，在該擋座與缸蓋59之間裝有讓升降頂桿離開出氣單向閥45的彈簧52，這樣，在主氣缸中的動(dòng)力活塞向上止點(diǎn)移動(dòng)，將要排出主氣缸內(nèi)的壓縮空氣時(shí)，不被壓動(dòng)控制的升降頂桿47便可被彈簧52作用提前離開出氣單向閥45，讓主氣缸內(nèi)的壓縮空氣很容易的推開出氣單向閥向外流出，如圖1中狀態(tài)所示。如果由于出氣單向閥45的重量原因?qū)Τ鰵庑实挠绊懞艽?，也可在升降頂桿47與單向閥的閥桿46之間再增設(shè)相應(yīng)的提升彈簧。出氣單向閥45的關(guān)閉由裝在缸蓋59上的凸輪65控制，凸輪65經(jīng)裝在缸蓋上滑套60內(nèi)的限程彈力頂件53壓動(dòng)升降頂桿47上的擋座48，使出氣單向閥被控制關(guān)閉。限程彈力頂件53由兩端設(shè)有座圈54及擋頭55的拉擋58和套在其上被擋頭阻止的擋圈56構(gòu)成，在座圈54與擋頭55之間裝有大彈力彈簧57，限程彈力頂件53用下側(cè)的擋圈56壓在升降頂桿的擋座48上。露在擋圈下側(cè)的擋頭55可伸在擋座48上所設(shè)的相應(yīng)深度的凹坑49內(nèi)。這樣，當(dāng)凸輪65經(jīng)大彈力彈簧57和升降頂桿47作用在出氣單向閥45上時(shí)，拉桿58上的擋頭55可伸進(jìn)擋座上的凹坑49。由于設(shè)有大彈力彈簧57，在凸輪65使出氣單向閥45關(guān)閉后，還經(jīng)大彈力彈簧對(duì)出氣單向閥施加了一個(gè)很大的關(guān)閉壓力(圖2中狀態(tài)所示)，以防止主氣缸中的作功氣體向中間冷卻器112泄漏。為減少大彈力彈簧57對(duì)凸輪65所增加的磨損影響，凸輪65是經(jīng)設(shè)在中間頂塊63上的壓輪64作用于限程彈力頂件的。
在圖2所示的缸蓋上各閥門的布置中，所設(shè)的三個(gè)不同閥門都由凸輪軸66上的三個(gè)相應(yīng)不同凸輪控制，凸輪65控制主氣缸的出氣單向閥45，凸輪68經(jīng)搖臂69控制作功進(jìn)氣閥36，凸輪72經(jīng)上部的搖臂73和頂桿74控制大副缸2上的進(jìn)氣閥4。小副缸10的冷通氣口13由滑動(dòng)式控制閥12控制，該閥經(jīng)小連桿82被小曲軸80帶動(dòng)。
在熱氣機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中，設(shè)在動(dòng)力活塞、作功進(jìn)氣閥和升降頂桿等上的密封環(huán)件即要防止系統(tǒng)內(nèi)的壓力氣體外泄，也要防止?jié)櫥拖蜓h(huán)系統(tǒng)中進(jìn)入。對(duì)動(dòng)力活塞的結(jié)構(gòu)要求如圖2所示，動(dòng)力活塞86的裙部較長(zhǎng)，在動(dòng)力活塞行到上止點(diǎn)后，其下側(cè)裙部不僅能遮擋住掃氣口40和排氣口42，把油環(huán)88也設(shè)在了處于掃氣口和排氣口以下的位置，以便防止曲軸箱中的飛濺滑油向上進(jìn)入。
在本發(fā)明熱氣機(jī)的結(jié)構(gòu)布置中，即可采用完全的閉式循環(huán)方式，也可如圖1所示，通過在主氣缸的下止點(diǎn)位置上設(shè)置掃氣口40和排氣口42，讓熱氣機(jī)以半閉式循環(huán)運(yùn)行。之所以稱為半閉式循環(huán)，是因?yàn)閯?dòng)力活塞86移動(dòng)到下止點(diǎn)同時(shí)露出掃氣口40和排氣口42后，掃氣泵41只提供少量的新鮮空氣從掃氣口進(jìn)入，并讓主氣缸中膨脹作功后的部分氣體從排氣口42向外排出，以便讓循環(huán)系統(tǒng)中的工質(zhì)(空氣)能保持在一定的潔凈程度上，相對(duì)降低熱氣機(jī)對(duì)密封的要求，也可相應(yīng)減小中間冷卻器的冷卻能量。在正常功率下，由于從排氣口排出的作功后的氣體仍具有一定的熱量，為使這部分熱量能被利用，也可讓主氣缸38上所設(shè)的排氣口42經(jīng)排氣管路125通向燃燒爐134的供氣口137。在圖1實(shí)施例中，從空氣冷卻套121和主氣缸排氣口42而來的管路被這樣布置，排氣管路125的出口端作為空氣引射噴口44伸進(jìn)了通風(fēng)管路123所形成的引射腔124內(nèi)，通過氣流引射作用帶動(dòng)從空氣冷卻套121而來的散熱空氣進(jìn)入燃燒爐134參與燃燒。當(dāng)然，如果利用氣體引射方式達(dá)不到所需的送風(fēng)量，也可為空氣冷卻套設(shè)置相應(yīng)的鼓風(fēng)裝置。由于最終流過中間冷卻器的壓縮空氣溫度對(duì)加熱器內(nèi)壓縮空氣所吸收的熱量多少影響很大，為加強(qiáng)中間冷卻器的冷卻效果，在空氣冷卻套121之后仍設(shè)有水冷卻套117。
由主氣缸、中間冷卻器、加熱器和大小副缸構(gòu)成了本發(fā)明熱氣機(jī)的熱力循環(huán)系統(tǒng)，中冷等壓吸熱式熱氣機(jī)的循環(huán)過程如圖3所示，包括壓縮排出、中間冷卻、等壓吸熱和膨脹作功四個(gè)工作過程。
①壓縮排出過程 主氣缸38中的動(dòng)力活塞86從下止點(diǎn)向上運(yùn)行，壓縮主氣缸內(nèi)的空氣，為有利于出氣單向閥45被更容易的推開，其背部的升降頂桿47已提前離開出氣單向閥。在主氣缸內(nèi)的空氣被壓縮到高于中間冷卻器112內(nèi)的空氣壓力時(shí)，主氣缸中的壓縮空氣便推開出氣單向閥45沿箭頭114方向流向中間冷卻器112，如圖3①狀態(tài)所示。動(dòng)力活塞86移到上止點(diǎn)后，主氣缸內(nèi)的壓縮排出過程結(jié)束，出氣單向閥45也被向下移動(dòng)的升降頂桿47關(guān)閉。
②中間冷卻過程 從主氣缸排出的壓縮空氣進(jìn)入中間冷卻器、又沿箭頭116方向流過中間冷卻器112后，因其壓縮熱被外面的冷卻水帶去，使這部分空氣變成低溫低壓壓縮空氣，讓主氣缸內(nèi)所進(jìn)行的壓縮排出過程接近等溫狀態(tài)，因中間冷卻降低了壓縮空氣的壓力，也讓主氣缸內(nèi)的壓縮空氣更容易進(jìn)入中間冷卻器，從而相應(yīng)減少了動(dòng)力活塞的壓縮功消耗，也為將要進(jìn)行的等壓吸熱過程提供了很大的溫度差。從中間冷卻器流出的低溫壓縮空氣在配氣活塞18上行中充入下側(cè)的小副缸10后，中間冷卻過程結(jié)束。
在這里，主氣缸容積和小副缸容積的比例，就是本發(fā)明熱氣機(jī)的壓縮比。
③等壓吸熱過程 配氣活塞18上行移到上止點(diǎn)，讓下側(cè)的小副缸10吸滿壓縮空氣后開始下行，這時(shí)大副缸2上的進(jìn)氣閥4開啟、讓大副缸與加熱器126的出氣端接通，小副缸的控制閥12則切斷小副缸與中間冷卻器的連通、改換成與加熱器126的進(jìn)氣端接通，這樣在向下止點(diǎn)移動(dòng)的配氣活塞18作用下，小副缸10內(nèi)的低溫壓縮空氣便沿箭頭128流入加熱器126，并被外界的高溫?zé)嵩礆怏w加熱，被加熱了的空氣沿箭頭130方向經(jīng)開啟的進(jìn)氣閥4充入大副缸2。由于大副缸2的體積大于小副缸10，被加熱器加熱了的壓縮空氣體積在大副缸中得到相應(yīng)的膨脹，被加熱后的空氣壓力并未上升，使加熱器內(nèi)的加熱過程在等壓狀態(tài)下進(jìn)行。
在等壓吸熱過程中，因被加熱的壓縮空氣體積在大副缸內(nèi)進(jìn)行了相應(yīng)的膨脹，也使配氣活塞的活塞桿17沿箭頭139方向被推動(dòng)向下移動(dòng)作功，同時(shí)，因?yàn)榈葔杭訜嵋沧寗傔M(jìn)入加熱器126的低溫壓縮空氣溫度不會(huì)上升，讓快從加熱器外圍流過的溫度已經(jīng)降低的高溫?zé)嵩礆怏w仍可對(duì)剛進(jìn)入加熱器的低溫壓縮空氣進(jìn)行加熱，使高溫?zé)嵩礆怏w中的熱量能被加熱器基本吸盡，從而提高了本發(fā)明熱氣機(jī)的熱量利用效率，也增大了加熱器吸收熱量的能力。
配氣活塞18移到下止點(diǎn)后，大副缸2上的進(jìn)氣閥4關(guān)閉，小副缸10的控制閥12也切斷小副缸與加熱器的溝通，等壓吸熱過程結(jié)束，讓大副缸2內(nèi)充滿了已吸收很多熱量的熱壓縮空氣。
④膨脹作功過程 在這一過程中，配氣活塞18先上行壓縮大副缸2內(nèi)的熱壓縮空氣，使壓縮空氣的溫度和壓力進(jìn)一步提高。在壓縮空氣被壓縮到一定程度，主氣缸38中的動(dòng)力活塞86也行到上止點(diǎn)時(shí)，作功進(jìn)氣閥36開啟，把主氣缸與大副缸溝通，小面積的配氣活塞18便把大副缸2中的溫度和壓力因進(jìn)一步壓縮都已經(jīng)升高的作功壓縮空氣經(jīng)作功進(jìn)氣閥36壓進(jìn)主氣缸38，推動(dòng)大面積的動(dòng)力活塞86向下止點(diǎn)移動(dòng)，進(jìn)行如圖④所示的膨脹作功過程，活塞的動(dòng)力經(jīng)連桿93按箭頭140方向推動(dòng)曲軸95轉(zhuǎn)動(dòng)向外輸出功率。
當(dāng)配氣活塞18移到上止點(diǎn)、把大副缸2中的作功壓縮空氣全都?jí)哼M(jìn)主氣缸38后，作功進(jìn)氣閥36關(guān)閉。已進(jìn)入主氣缸的作功氣體繼續(xù)推動(dòng)動(dòng)力活塞86下行作功。動(dòng)力活塞移動(dòng)到下止點(diǎn)后膨脹作功結(jié)束，然后動(dòng)力活塞又開始向上止點(diǎn)移動(dòng)，進(jìn)行下一次的工作循環(huán)過程。
對(duì)上述本發(fā)明熱氣機(jī)的工作過程是按其熱力循環(huán)順序進(jìn)行說明的，實(shí)際運(yùn)行中，主氣缸中的動(dòng)力活塞向上移動(dòng)便是進(jìn)行壓縮排出過程，向下移動(dòng)便是進(jìn)行膨脹作功過程，曲軸每轉(zhuǎn)一周都有一次作功過程(等壓吸熱時(shí)，配氣活塞桿的作功因壓力小忽略不計(jì))，動(dòng)力活塞是以二行程方式運(yùn)轉(zhuǎn)的。副氣缸中的配氣活塞在向上運(yùn)行時(shí)配合了主氣缸中動(dòng)力活塞的作功過程，下側(cè)的小副缸則充入中間冷卻器來的低溫壓縮空氣，而配氣活塞向下運(yùn)行時(shí)是讓加熱器完成了等壓吸熱過程。
根據(jù)圖1所給出的本發(fā)明熱氣機(jī)的總體結(jié)構(gòu)布置，實(shí)際中，即可制成單主氣缸的熱氣機(jī)，為增加功率，也可制成直列式的多缸熱氣機(jī)。另外，為制成更大功率的熱氣機(jī)，并進(jìn)一步提高活塞、曲軸連桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率，也可采用圖4實(shí)施方案所給出的結(jié)構(gòu)類型。在圖4的本發(fā)明熱氣機(jī)中，主氣缸38采用了左右并列的布置方式，每側(cè)主氣缸中的動(dòng)力活塞86通過裝在各自活塞銷89上的橫梁98相連，這樣，兩動(dòng)力活塞在同時(shí)上下移動(dòng)進(jìn)行壓縮及膨脹作功過程中，所受到的全部側(cè)壓力都會(huì)因相連的橫梁而抵消，從而減少了動(dòng)力活塞運(yùn)行中的摩擦阻力。左右兩曲軸95通過其上相互嚙合的同步齒輪96保持反向同步轉(zhuǎn)動(dòng)，這種雙曲軸并列的布置方式也能讓曲軸上的平衡塊完全平衡動(dòng)力活塞等部件在上下運(yùn)行中所產(chǎn)生的振動(dòng)力。
為了配合主氣缸的并列布置方式，具有大副缸2和小副缸10的副氣缸1倒置設(shè)在兩主氣缸38之間的上部位置，副氣缸中的配氣活塞18由設(shè)在上部位置的副曲軸23帶動(dòng)，朝向主氣缸布置的大副缸2分別經(jīng)左右側(cè)的兩作功進(jìn)氣閥36與兩側(cè)的主氣缸38連通，大副缸上的進(jìn)氣閥4由設(shè)在兩主氣缸之間的凸輪72控制。圖4中所示狀態(tài)的兩動(dòng)力活塞86已行到上止點(diǎn)位置，兩主氣缸38上的作功進(jìn)氣閥36被搖臂69帶動(dòng)也將要開啟，配氣活塞18則已經(jīng)把大副缸2內(nèi)的熱作功氣體進(jìn)行了一定程度的壓縮，以便開始進(jìn)行膨脹作功過程。
控制小副缸冷通氣口13(圖中雙點(diǎn)劃線所示)的控制閥12設(shè)在直列布置的副氣缸之間位置上，并被與從動(dòng)齒輪相連的小曲軸帶動(dòng)(圖中未畫)，從動(dòng)齒輪與側(cè)面凸輪軸上的驅(qū)動(dòng)齒輪嚙合，使控制閥能被帶動(dòng)。
在圖4所示本發(fā)明的熱氣機(jī)中，由于采用一個(gè)加大的副氣缸為兩個(gè)并列主氣缸供氣，節(jié)省了一套副氣缸和相應(yīng)的閥門結(jié)構(gòu)。而采用雙主氣缸不僅減少了動(dòng)力活塞所產(chǎn)生的摩擦力，實(shí)際中對(duì)加大主氣缸的氣缸直徑也沒有太大的限制，這樣便可以把這種結(jié)構(gòu)類型的熱氣機(jī)制成很大的功率，讓氣缸直徑超過100cm。因本發(fā)明的熱氣機(jī)熱效率很高，也沒有普通電廠中蒸汽冷凝所產(chǎn)生的大量潛熱損失，這種結(jié)構(gòu)上適合制成大功率的熱氣機(jī)，可完全替代電廠中效率較低的鍋爐、汽輪機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，也可作為船舶的動(dòng)力主機(jī)和鋪機(jī)使用。
圖5給出的是主氣缸與大副缸經(jīng)隔熱集氣管分開布置的本發(fā)明熱氣機(jī)的總體結(jié)構(gòu)，在這種類型熱氣機(jī)的結(jié)構(gòu)布置中，由于大副缸內(nèi)被加熱的作功氣體經(jīng)隔熱集氣管后再進(jìn)入主氣缸，并不要求配氣活塞與主氣缸中動(dòng)力活塞的角度相互配合，一般也不用為配氣活塞設(shè)置專門的曲柄連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，但增加了主氣缸與大副缸之間的隔熱集氣管和大副缸上的一個(gè)排氣閥。這種大副缸與主氣缸經(jīng)隔熱集氣管分開布置的熱氣機(jī)由于能靈活布置，可以發(fā)展出更多不同的結(jié)構(gòu)類型。
在圖5所給出的熱氣機(jī)中，它包括裝有作功進(jìn)氣閥36的主氣缸38和分開布置的副氣缸1，在主氣缸38中裝有動(dòng)力活塞86，動(dòng)力活塞經(jīng)連桿93與下面的曲軸95傳動(dòng)相連。在副氣缸1中裝有配氣活塞18，配氣活塞的活塞桿17穿過下側(cè)的缸蓋向外伸出，把副氣缸分成了上側(cè)的大副缸2和下側(cè)的被活塞桿占用了部分容積的小副缸10，因本結(jié)構(gòu)類型熱氣機(jī)的副氣缸1設(shè)在了主氣缸38的上部，配氣活塞的活塞桿便直接穿過缸蓋59與主氣缸中動(dòng)力活塞86的頂部85相連為一體，讓小副缸10與主氣缸共用一個(gè)缸蓋59。
在大副缸2的缸蓋3上分別設(shè)有進(jìn)氣閥4和排氣閥5，小副缸10通過下側(cè)的冷通氣口13在所設(shè)控制閥12的控制下分別與換氣出口16和換氣進(jìn)口15連通。在主氣缸38的缸蓋59上除設(shè)有作功進(jìn)氣閥36之外，還設(shè)有可控的出氣單向閥45，主氣缸經(jīng)該單向閥和出氣管路113與中間冷卻器112的進(jìn)氣端相連通，中間冷卻器的出氣端經(jīng)連通管路115與小副缸10的換氣進(jìn)口15連通。小副缸的換氣出口16經(jīng)連接管路127通向加熱器126的進(jìn)氣端，加熱器的出氣端經(jīng)隔熱集氣管35和作功進(jìn)氣閥36與主氣缸38連通，形成一個(gè)閉式循環(huán)回路。
在圖5所示的熱氣機(jī)實(shí)施方案中，加熱器126被安置在與外部熱源相連通的高溫排氣(或排液)管路132內(nèi)。實(shí)際中，也可以把加熱器置于被聚焦的太陽(yáng)能加熱裝置內(nèi)，以便靠太陽(yáng)能帶動(dòng)本發(fā)明的熱氣機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。圖5中主氣缸38上所設(shè)的作功進(jìn)氣閥36和出氣單向閥45除傾斜安裝外，在結(jié)構(gòu)上與圖1和圖2所示熱氣機(jī)的作功進(jìn)氣閥和出氣單向閥完全相同。圖5中熱氣機(jī)的機(jī)體和其上各閥門的放大結(jié)構(gòu)如圖6所示，由于采用了讓配氣活塞經(jīng)活塞桿直接與動(dòng)力活塞相連的結(jié)構(gòu)形式，為便于作功進(jìn)氣閥36和出氣單向閥45的布置，主氣缸的缸蓋59底面采用了向上錐形凹入的結(jié)構(gòu)形狀，所設(shè)的出氣單向閥45經(jīng)升降桿桿47和限程彈力頂件53被凸輪軸66上的凸輪65控制。在本實(shí)施方案的出氣單向閥45下面增設(shè)了一個(gè)凸臺(tái)50，這樣在需關(guān)閉出氣單向閥時(shí)，在讓該凸臺(tái)快速封堵住主氣缸的出氣閥口后，便可讓凸輪65適當(dāng)放慢出氣單向閥的落座速度，以防止出氣單向閥受到過大的關(guān)閉撞擊力，延長(zhǎng)閥門的使用壽命。小副缸10的冷通氣口(雙點(diǎn)劃線所示)由控制閥12控制實(shí)現(xiàn)與換氣進(jìn)口15或換氣出口16的溝通，控制閥經(jīng)小連桿82被小曲軸80帶動(dòng)，小曲軸又經(jīng)其上的齒輪84被凸輪軸66上的齒輪67帶動(dòng)。主氣缸的作功進(jìn)氣閥36經(jīng)搖臂69被另設(shè)的凸輪軸70帶動(dòng)。
對(duì)于大副缸的缸蓋3上所設(shè)的進(jìn)氣閥4和排氣閥5，在大型低速熱氣機(jī)中，可把這兩個(gè)閥門制成不用控制的單向閥，利用進(jìn)出氣流的壓力開啟閥門。但在轉(zhuǎn)速較高的熱氣機(jī)中，便應(yīng)采用圖6中由凸輪對(duì)進(jìn)、排氣閥進(jìn)行控制的結(jié)構(gòu)，由圖可見，進(jìn)氣閥4經(jīng)搖臂73被凸輪軸76上的凸輪72控制，排氣閥5經(jīng)其背面的升降頂桿77被凸輪軸76上的凸輪75控制，在配氣活塞18向上移動(dòng)、壓縮大副缸內(nèi)的熱壓縮空氣時(shí)，升降頂桿77可及時(shí)離開排氣閥5，以便讓熱壓縮空氣能很容易的推開排氣閥進(jìn)入隔熱集氣管35。在圖6中，動(dòng)力活塞86和相連的配氣活塞18以共同移動(dòng)到了上止點(diǎn)的位置。
與圖1中熱氣機(jī)的實(shí)施方案相同，在圖6熱氣機(jī)的主氣缸38下止點(diǎn)位置上也分別設(shè)有掃氣口40和排氣口42，掃氣口40經(jīng)掃氣管路與掃氣泵41的出氣端相連通，行到上止點(diǎn)的動(dòng)力活塞86的裙部也遮擋住了掃氣口和排氣口。
圖5中這種主氣缸與大副缸經(jīng)隔熱集氣管分開布置的熱氣機(jī)工作循環(huán)過程如圖7所示，包括壓縮排出、中間冷卻、等壓吸熱和膨脹作功四個(gè)工作過程。
①壓縮排出過程 在這一過程中，主氣缸38中的動(dòng)力活塞86從下止點(diǎn)向上運(yùn)行，壓縮主氣缸中的空氣，在空氣被壓縮到高于中間冷卻器112內(nèi)的空氣壓力時(shí)，壓縮空氣便推開出氣單向閥45(此時(shí)升降頂桿47已升高離開出氣單向閥)沿箭頭114方向進(jìn)入中間冷卻器112，如圖3①狀態(tài)所示。動(dòng)力活塞86行到上止點(diǎn)后壓縮排出過程結(jié)束，出氣單向閥45被升降頂桿47關(guān)閉。
②中間冷卻過程 被主氣缸排出的壓縮空氣進(jìn)入中間冷卻器112并沿箭頭116方向流過中間冷卻器后，因其壓縮熱被外面的冷卻水帶走，使這部分空氣變成了低溫低壓壓縮空氣，讓主氣缸內(nèi)所進(jìn)行的壓縮排出過程接近等溫狀態(tài)。壓縮空氣溫度和壓力的降低，為加熱器吸收更多的熱量提供了很大的溫度差，也減少了動(dòng)力活塞的壓縮功消耗。流出中間冷卻器的低溫壓縮空氣在配氣活塞18上行時(shí)進(jìn)入下側(cè)的小副缸10，完成中間冷卻過程。
③等壓吸熱過程 配氣活塞18從下止點(diǎn)移到上止點(diǎn)，讓下側(cè)的小副缸10充滿了低溫壓縮空氣后開始向下運(yùn)行，這時(shí)大副缸2經(jīng)進(jìn)氣閥4與加熱器126的出氣端溝通，小副缸10經(jīng)換向后的控制閥12與加熱器的進(jìn)氣端溝通，隨著配氣活塞18的向下運(yùn)行，小副缸中的低溫壓縮空氣便沿箭頭128方向流進(jìn)加熱器126，并被外面的高溫?zé)嵩串a(chǎn)生的高溫氣體加熱，被加熱了的熱壓縮空氣沿箭頭130方向經(jīng)進(jìn)氣閥4充進(jìn)大副缸2，如圖③中狀態(tài)所示。配氣活塞移到下止點(diǎn)后，等壓吸熱過程結(jié)束。
在上述圖①、②循環(huán)過程中，當(dāng)主氣缸中的動(dòng)力活塞上行進(jìn)行壓縮排出過程時(shí)，相連的配氣活塞18也開始對(duì)充入大副缸2中的熱壓縮空氣進(jìn)行壓縮，當(dāng)熱壓縮空氣被壓縮到其壓力高于隔熱集氣管35內(nèi)的氣體壓力時(shí)，如圖7②中所示，配氣活塞18便把大副缸2內(nèi)的熱壓縮空氣經(jīng)開啟的排氣閥5沿箭頭141方向壓進(jìn)壓力更高的隔熱集氣管35內(nèi)，為膨脹作功儲(chǔ)存了所需的作功熱壓縮空氣。
④膨脹作功過程 當(dāng)主氣缸38內(nèi)的動(dòng)力活塞86完成壓縮排出過程行到上止點(diǎn)后，主氣缸上的作功進(jìn)氣閥36開啟，把隔熱集氣管35與主氣缸38溝通，儲(chǔ)存在隔熱集氣管中的作功熱壓縮空氣便經(jīng)作功進(jìn)氣閥36進(jìn)入主氣缸，推動(dòng)動(dòng)力活塞86下移作功?；钊滦幸欢ǖ木嚯x后作功進(jìn)氣閥關(guān)閉，已進(jìn)入主氣缸中的作功空氣繼續(xù)推動(dòng)著動(dòng)力活塞向下運(yùn)行作功，活塞移到下止點(diǎn)后，膨脹作功過程結(jié)束。
這種主氣缸與大副缸經(jīng)隔熱集氣管分開布置的熱氣機(jī)第二種結(jié)構(gòu)類型如圖8所示，這種熱氣機(jī)的主氣缸38以上部分與圖5中的熱氣機(jī)基本相同，其副氣缸1也設(shè)在主氣缸38的上部，副氣缸中的配氣活塞18經(jīng)穿過缸蓋59的活塞桿17直接與主氣缸中的動(dòng)力活塞86的頂部相連，副氣缸的小副缸10與主氣缸38共用一個(gè)缸蓋59。不同之處在于，圖8中主氣缸38內(nèi)的動(dòng)力活塞86被制成雙作用結(jié)構(gòu)，使其下側(cè)與下缸蓋142形成了下主氣缸38′，動(dòng)力活塞86被經(jīng)穿過下缸蓋142的動(dòng)力活塞桿90、外部的十字頭91和連桿93與曲軸箱中的曲軸95傳動(dòng)相連。為讓下主氣缸38′具備作功能力，在下主氣缸的下缸蓋142上分別設(shè)有下作功進(jìn)氣閥36′和下出氣單向閥45′，下主氣缸38′經(jīng)下作功進(jìn)氣閥36′也與所設(shè)的隔熱集氣管35連通，還經(jīng)下出氣單向閥45′與通向中間冷卻器112的出氣管路113連通。
由于利用上側(cè)的一個(gè)副氣缸為主氣缸和下主氣缸供氣，節(jié)省了一個(gè)副氣缸和相應(yīng)的閥門機(jī)構(gòu)。為了克服配氣活塞18、動(dòng)力活塞86和十字頭91等所產(chǎn)生的往復(fù)慣性力，在曲軸箱143的兩側(cè)還設(shè)有平衡轉(zhuǎn)塊144。
圖9給出的是主氣缸與大副缸分開布置的第三種結(jié)構(gòu)類型的本發(fā)明熱氣機(jī)，在這種熱氣機(jī)中，主氣缸38采用左右兩缸并列的方式布置，每側(cè)主氣缸中的動(dòng)力活塞86被制成雙作用結(jié)構(gòu)，使其下側(cè)與下缸蓋142形成了下主氣缸38′，每側(cè)動(dòng)力活塞86分別經(jīng)穿過下缸蓋142的動(dòng)力活塞桿90，外部的十字頭91和連桿93與曲軸箱143中的曲軸95傳動(dòng)相連，兩曲軸通過其上相嚙合的同步齒輪96保持反向同步轉(zhuǎn)動(dòng)。為平衡十字頭所受到的側(cè)壓力，兩側(cè)十字頭91之間通過裝在各自連接銷105上的橫梁98相連。所設(shè)的具有大副缸和小副缸的副氣缸1處于兩主氣缸38中間的上部位置，副氣缸中的配氣活塞18經(jīng)穿過下部缸蓋的加長(zhǎng)的活塞桿17與兩十字頭91之間的橫梁98的中部相連接。在每側(cè)下主氣缸38′中的下缸蓋142上分別設(shè)有下作功進(jìn)氣閥36′和下出氣單向閥45′，下主氣缸38′經(jīng)下作功進(jìn)氣閥36′也與所設(shè)的隔熱集氣管35連通，還經(jīng)下出氣單向閥45′與通向中間冷卻器112的出氣管路113連通。
在圖9中，兩側(cè)的動(dòng)力活塞86正向上止點(diǎn)移動(dòng)，對(duì)兩主氣缸38中的氣體進(jìn)行壓縮，出氣單向閥45上面的升降頂桿47也已經(jīng)向上抬離，以便讓達(dá)到壓縮壓力的氣體能很容易的經(jīng)出氣單向閥流向中間冷卻器112。而兩下側(cè)的下主氣缸38′進(jìn)行的是膨脹作功過程，但控制下主氣缸與隔熱集氣管35溝通的下作功進(jìn)氣閥36′已經(jīng)關(guān)閉。在這里，上下作功進(jìn)氣閥采用了由液壓控制的活塞150帶動(dòng)開啟及關(guān)閉，以減小伸進(jìn)曲軸箱143內(nèi)的高度。實(shí)際中，用液壓控制作功進(jìn)閥的開啟和關(guān)閉，也容易配合外部熱源實(shí)現(xiàn)對(duì)熱氣機(jī)的功率調(diào)節(jié)，進(jìn)氣閥開啟的時(shí)間延長(zhǎng)，可增加功率的輸出，反之功率減小。圖9中的熱氣機(jī)外部熱源采用的是燃用固體燃料的燃燒爐134，從中間冷卻器的空氣冷卻套121排出的散熱空氣經(jīng)管路123流向了燃燒爐134參與燃燒，使熱氣機(jī)的熱量利用率大幅度提高。
圖9中的熱氣機(jī)用一個(gè)加大的副氣缸為兩個(gè)雙作用主氣缸供氣，不僅節(jié)省了副氣缸的數(shù)量和相應(yīng)的閥門裝置，也使這種結(jié)構(gòu)的熱氣機(jī)作功能力達(dá)到最大化，更容易向大功率發(fā)展。兩十字頭之間所設(shè)的橫梁，使十字頭也免除了側(cè)壓力的作用，并且這種雙曲軸的結(jié)構(gòu)布置也讓活塞等部件的往復(fù)慣性力被完全平衡。
在上述圖8和圖9熱氣機(jī)中，因動(dòng)力活塞86是經(jīng)動(dòng)力活塞桿與外界的十字頭及曲軸連桿機(jī)構(gòu)相連，特別有利于閉式循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的空氣保持在潔凈狀態(tài)。為了在起動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)讓這種結(jié)構(gòu)的熱氣機(jī)具有自行補(bǔ)充停機(jī)時(shí)所泄漏的空氣能力，可在缸蓋59和下缸蓋142上設(shè)置相應(yīng)的充氣單向閥(圖中未畫)，這樣在需要時(shí)，外界的空氣便可經(jīng)充氣單向閥充入主氣缸。如不設(shè)充氣單向閥，也可設(shè)置相應(yīng)的充氣泵，在中間冷卻器內(nèi)的空氣壓力降低時(shí)，用充氣泵進(jìn)行充氣。
主氣缸與大副缸分開布置的熱氣機(jī)第四種結(jié)構(gòu)類型如圖10所示，這種熱氣機(jī)的主氣缸38采用左右兩缸并列方式布置，每側(cè)主氣缸中的動(dòng)力活塞86通過各自的連桿93與下面相對(duì)應(yīng)的曲軸95相連，兩曲軸通過其上相嚙合的同步齒輪96保持反向同步轉(zhuǎn)動(dòng)。兩側(cè)動(dòng)力活塞86之間通過裝在各自活塞銷89上的橫梁98相連，以平衡兩側(cè)動(dòng)力活塞所受到的側(cè)壓力。所設(shè)的具有大副缸和小副缸的副氣缸1處于兩主氣缸38中間的上部位置，副氣缸中的配氣活塞18經(jīng)穿過下部缸蓋59的活塞桿17與兩動(dòng)力活塞86之間的橫梁98的中部相連接，讓橫梁不僅平衡動(dòng)力活塞所受到的側(cè)壓力，也用來帶動(dòng)所設(shè)的配氣活塞。圖中的動(dòng)力活塞86和配氣活塞18都處于下止點(diǎn)的位置上，兩主氣缸38上所設(shè)的掃氣口40和排氣口42也已露出，掃氣所需的氣流可從缸蓋59上通入，并沿通氣道145流向掃氣口40。因所需的掃氣量不大，掃氣口和排氣口的高度較低，所占的曲軸轉(zhuǎn)角也不大，從而有利于主氣缸保持較高的容積利用率。
與圖4和圖9中所示的并列雙主氣缸熱氣機(jī)相類似，圖10中的這種并列雙主氣缸熱氣機(jī)也可以制成很大的功率，讓主氣缸的直徑超過100cm。同時(shí)，圖中所示的這種雙曲軸連桿機(jī)構(gòu)在運(yùn)轉(zhuǎn)中，其往復(fù)振動(dòng)力可完全被曲軸上的平衡塊平衡，讓熱氣機(jī)更平穩(wěn)的運(yùn)轉(zhuǎn)。在上述圖5、圖8、圖9和圖10所示的熱氣機(jī)中，為制成更大功率的機(jī)型，可以把主氣缸和副氣缸布置成直列排列的形式。
圖11給出的是主氣缸與副氣缸分開布置、各氣缸繞中心軸環(huán)型排列的本發(fā)明熱氣機(jī)的總體結(jié)構(gòu)，這種氣缸環(huán)形排列的熱氣機(jī)包括其缸蓋59設(shè)有通氣口39的主氣缸38和分開設(shè)置的副氣缸1，各主氣缸和副氣缸繞中心軸99環(huán)型布置。主氣缸38的通氣口39由中心軸99端部的轉(zhuǎn)閥101控制，在轉(zhuǎn)閥上設(shè)有可與通氣口39溝通的進(jìn)氣閥口102，還設(shè)有可與通氣口39相溝通的排氣閥口103(如圖12中所示)。在主氣缸38中裝有動(dòng)力活塞86，該活塞經(jīng)連桿93可與動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的曲軸或擺盤傳動(dòng)相連。在本實(shí)施方案中，動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)采用的是曲軸和錐齒輪傳動(dòng)裝置，動(dòng)力活塞86經(jīng)連桿93與曲軸95傳動(dòng)連接，在曲軸的動(dòng)力輸出端設(shè)有錐齒輪97，該齒輪與輸出軸100上的中心錐齒輪146相嚙合，因本實(shí)施方案中所設(shè)定的錐齒輪與中心錐齒輪的傳動(dòng)比為2∶1，曲軸95減速帶動(dòng)輸出軸100向外輸出動(dòng)力。由于曲軸轉(zhuǎn)兩周輸出軸才相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)一周，在轉(zhuǎn)閥101上設(shè)有相隔180°的兩套進(jìn)氣閥口102和排氣閥口103，各閥口的布置如圖12中所示(未畫轉(zhuǎn)閥上的密封片和密封條)。
副氣缸1設(shè)在主氣缸38的頂部，在副氣缸1中裝有配氣活塞18，配氣活塞的活塞桿17穿過底部的缸蓋59向外伸出，與主氣缸38中的動(dòng)力活塞86的頂部相連，并形成大副缸2和被活塞桿占用了部分容積的小副缸10。小副缸通過下側(cè)的冷通氣口13在所設(shè)控制閥12的控制下可分別與換氣進(jìn)口15和換氣出口16連通，小副缸的換氣進(jìn)口15經(jīng)連通管路115與中間冷卻器112的出氣端連通，換氣出口16經(jīng)連接管路127與加熱器126的進(jìn)氣端連通，加熱器的出氣端經(jīng)隔熱管路129和相應(yīng)的控制閥與大副缸2連通。圖11中對(duì)大副缸2采用的是升降式進(jìn)氣閥4和排氣閥5，這兩個(gè)閥門安裝在大副缸的缸蓋3上，隔熱管路129經(jīng)進(jìn)氣閥4與大副缸連通，而排氣閥5與通向轉(zhuǎn)閥101的隔熱集氣管35連通，隔熱集氣管再經(jīng)轉(zhuǎn)閥內(nèi)的隔熱管道35′通向轉(zhuǎn)閥上的進(jìn)氣閥口102。
在主氣缸38內(nèi)的動(dòng)力活塞86行到如圖11中所示上止點(diǎn)開始作功時(shí)，轉(zhuǎn)閥101上的進(jìn)氣閥口102把主氣缸38與隔熱集氣管35溝通，讓大副缸排入隔熱集氣管35內(nèi)的熱作功氣體進(jìn)入主氣缸38中，推動(dòng)動(dòng)力活塞86向下移動(dòng)作功，當(dāng)動(dòng)力活塞下行一定的距離，轉(zhuǎn)閥也轉(zhuǎn)過一定的作功轉(zhuǎn)角后，轉(zhuǎn)閥上的進(jìn)氣閥口102也轉(zhuǎn)離主氣缸38的通氣口39，停止提供作功氣體，已經(jīng)進(jìn)入主氣缸中的作功氣體繼續(xù)推動(dòng)動(dòng)力活塞膨脹作功。
當(dāng)動(dòng)力活塞86完成作功過程離開下止點(diǎn)又開始上行進(jìn)行壓縮排出過程后，當(dāng)主氣缸38中的氣體被壓縮到與中間冷卻器112內(nèi)的氣體壓力相同時(shí)，轉(zhuǎn)閥101上的排氣閥口103與主氣缸的通氣口39溝通，讓動(dòng)力活塞把主氣缸中的氣體經(jīng)排氣閥口103、缸蓋59上的排氣道104和出氣管路113排向中間冷卻器112，在動(dòng)力活塞86行到上止點(diǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)閥101上的排氣閥口103轉(zhuǎn)離主氣缸的通氣口39，這一狀態(tài)如圖12所示。在轉(zhuǎn)閥上的排氣閥口103也轉(zhuǎn)過主氣缸的通氣口(雙點(diǎn)劃線39所示)后，其上的進(jìn)氣閥口102也將與通氣口39溝通，以進(jìn)行接下來的膨脹作功過程。為防止進(jìn)氣閥口102中的作功氣體經(jīng)通氣口39向排氣閥口103泄漏，如圖中所示，進(jìn)氣閥口與排氣閥口之間的相隔角度略大于通氣口的所占角度。在這種具有兩套進(jìn)氣閥口102的熱氣機(jī)中，每次有兩個(gè)主氣缸中的動(dòng)力活塞86同時(shí)作功。在這種采用曲軸95減速帶動(dòng)輸出軸100的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，最適合繞中心軸99布置六個(gè)主氣缸38(如圖12中雙點(diǎn)劃線所示)。
對(duì)于圖11熱氣機(jī)中加熱器126的加熱方式選擇，與上述已經(jīng)給出的各熱氣機(jī)相同，可利用太陽(yáng)能及工廠中的高溫工藝廢氣作為外部熱源，又可采用使用固體等燃料的燃燒爐作為外部熱源。只要把加熱器126置于相應(yīng)外部熱源的高溫排氣管路132內(nèi)即可。在圖11的熱氣機(jī)中，在主氣缸的下止點(diǎn)位置上也設(shè)有掃氣口40和排氣口42，并讓掃氣口與掃氣泵的出氣端相連通。
圖13給出的熱氣機(jī)是在圖11中熱氣機(jī)基礎(chǔ)上改進(jìn)而來的，在這種改進(jìn)的熱氣機(jī)中，大副缸2與加熱器126或隔熱集氣管35的連通由所設(shè)的外轉(zhuǎn)閥28進(jìn)行控制。外轉(zhuǎn)閥28通過連接軸套29與內(nèi)側(cè)中心軸99上的轉(zhuǎn)閥101相連，外轉(zhuǎn)閥具有能遮擋住大副缸熱通氣口6的內(nèi)端面30，該端面上設(shè)有可分別與熱通氣口溝通的進(jìn)氣口31和出氣口34，如圖15所示。進(jìn)氣口31因在配氣活塞向下止點(diǎn)的移動(dòng)過程中都要開啟，在所處的內(nèi)端面上所占的角度也很大，形成了一個(gè)半環(huán)形的通氣槽32，該槽經(jīng)外轉(zhuǎn)閥中的隔熱通道33與從加熱器126出氣端連接過來的隔熱管路129相連通。在大副缸中的配氣活塞18從上止點(diǎn)向下止點(diǎn)移動(dòng)過程中，隨外轉(zhuǎn)閥28轉(zhuǎn)動(dòng)的進(jìn)氣口31與大副缸的熱通氣口6處于溝通狀態(tài)，配氣活塞移到下止點(diǎn)后，進(jìn)氣口也轉(zhuǎn)過大副缸的熱通氣口，圖15中外轉(zhuǎn)閥正按箭頭151所示方向轉(zhuǎn)動(dòng)，其進(jìn)氣口31剛轉(zhuǎn)過下側(cè)位置的熱通氣口6、而與左側(cè)雙點(diǎn)劃線所示的熱通氣口正處于溝通狀態(tài)，并將與上側(cè)位置的熱通氣口6溝通。
外轉(zhuǎn)閥28上的出氣口34直接與設(shè)在轉(zhuǎn)閥和連接軸套內(nèi)的隔熱集氣管35連通，在大副缸2中的配氣活塞18從下止點(diǎn)向上止點(diǎn)移動(dòng)過程中，當(dāng)大副缸內(nèi)的氣體壓力與隔熱集氣管35內(nèi)的氣體壓力相同時(shí)，隨閥轉(zhuǎn)動(dòng)的出氣口34也與大副缸的熱通氣口6溝通，配氣活塞行到上止點(diǎn)后，出氣口34轉(zhuǎn)過熱通氣口6。圖15中外轉(zhuǎn)閥28上的出氣口34剛轉(zhuǎn)過上側(cè)位置的熱通氣口6。為防止壓力較大的出氣口34向進(jìn)氣口31漏氣，兩氣口之間的間隔角度略大于熱通氣口6所占角度。
在圖13的熱氣機(jī)中，輸出軸100與曲軸95的傳動(dòng)比為1∶1，兩者轉(zhuǎn)速相同，因此在控制主氣缸38的轉(zhuǎn)閥101上只設(shè)置一套進(jìn)氣閥口102和排氣閥103。進(jìn)氣閥口和排氣閥口在轉(zhuǎn)閥端面的布置如圖14所示，圖中的排氣閥口103剛轉(zhuǎn)過主氣缸的上側(cè)通氣口39，相對(duì)應(yīng)的上側(cè)主氣缸內(nèi)的動(dòng)力活塞86也行到了上止點(diǎn)的位置，以進(jìn)行接下來的膨脹作功過程。同樣，因輸出軸與曲軸轉(zhuǎn)速相同，在外轉(zhuǎn)閥28上也只設(shè)了一套進(jìn)氣口31和出氣口34。
圖13中的主氣缸和其頂部的副氣缸采用了錐開布置形式，以便讓缸蓋3上大副缸2的熱通氣口6能處在較小半徑的位置上，使外轉(zhuǎn)閥28的直徑減小。如仍采用與圖11中相同的布置方式，缸蓋3上的熱通氣口6便應(yīng)沿徑向布置，讓其開口面向外轉(zhuǎn)閥28的外圓周面，相應(yīng)的外轉(zhuǎn)閥上的進(jìn)氣口和出氣口也設(shè)在外圓周面上，以使外轉(zhuǎn)閥的直徑不致過大。
在圖11的熱氣機(jī)主氣缸和圖13的熱氣機(jī)主氣缸及大副缸采用了轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)后，可實(shí)現(xiàn)讓通過的氣流所受到的阻力更小，在結(jié)構(gòu)上也比升降式氣閥簡(jiǎn)單很多。但由于轉(zhuǎn)閥上的閥口所占角度都是固定不變的，因此采用轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)的熱氣機(jī)較適合保持在穩(wěn)定的功率輸出狀態(tài)，當(dāng)輸出功率變化較大時(shí)，相應(yīng)的閥口會(huì)偏離最佳的角度狀態(tài)。
圖16給出的是主氣缸和副氣缸繞中心軸線環(huán)型布置、并形成旋轉(zhuǎn)缸體的本發(fā)明熱氣機(jī)的總體結(jié)構(gòu)，這種熱氣機(jī)包括其缸蓋設(shè)有通氣口39的主氣缸38和分開設(shè)置的副氣缸1，各主氣缸38和副氣缸1都采用繞中心軸線152環(huán)型布置的方式，并形成相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)缸體。在這種可旋轉(zhuǎn)的主氣缸38中裝有動(dòng)力活塞86，動(dòng)力活塞可通過連桿或活塞桿與動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的周轉(zhuǎn)斜盤或固定斜盤相連，在圖16中采用了周轉(zhuǎn)斜盤148進(jìn)行動(dòng)力輸出，動(dòng)力活塞86經(jīng)連桿94與周轉(zhuǎn)斜盤傳動(dòng)相連。在可旋轉(zhuǎn)的副氣缸1中裝有配氣活塞18，其活塞桿17穿過底部的缸蓋向外伸出，形成大副缸和被活塞桿占用了部分容積的小副缸10，在圖16中，配氣活塞18經(jīng)活塞桿17、十字頭19和連桿22與周轉(zhuǎn)斜盤25傳動(dòng)相連。
由于可利用旋轉(zhuǎn)氣缸與固定的閥盤形成轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)，在固定外殼157側(cè)面的閥盤108上設(shè)有可與主氣缸38的通氣口39分別接通的作功進(jìn)氣口109和壓縮排氣口110(壓縮排氣口的位置參看圖17)，在相應(yīng)的小閥盤111上設(shè)有可與大副缸2的熱通氣口6分別接通的進(jìn)氣口31和出氣口34，小副缸10的冷通氣口13可分別與設(shè)在中心固定軸14上的換氣進(jìn)口15和換氣出口16連通。在這種熱氣機(jī)的循環(huán)系統(tǒng)布置中，與小副缸相對(duì)應(yīng)的中心固定軸14上的換氣進(jìn)口15經(jīng)連通管路115與中間冷卻器112的出氣端連通，換氣出口16經(jīng)連接管路127與加熱器126的進(jìn)氣端連通，加熱器的出氣端經(jīng)隔熱管路129與小閥盤111上的進(jìn)氣口31連通。小閥盤上的出氣口34經(jīng)隔熱集氣管35與可同主氣缸相溝通的閥盤108上的作功進(jìn)氣口109連通，如圖17中所示、閥盤108上的壓縮排氣口110經(jīng)出氣管路113與中間冷卻器112的進(jìn)氣端相連通。當(dāng)主氣缸38旋轉(zhuǎn)、其內(nèi)的動(dòng)力活塞86行到上止點(diǎn)開始作功時(shí)(即圖16中所示狀態(tài))，主氣缸的通氣口39與閥盤108上的作功進(jìn)氣口109溝通，讓從大副缸2排出的已儲(chǔ)存在隔熱集氣管35中的作功氣體經(jīng)開通的閥口進(jìn)入主氣缸，推動(dòng)動(dòng)力活塞86向下止點(diǎn)移動(dòng)作功。主氣缸的通氣口39在經(jīng)過一定的作功角度后轉(zhuǎn)過作功進(jìn)氣口109，已進(jìn)入主氣缸中的作功氣體繼續(xù)推動(dòng)動(dòng)力活塞向下止點(diǎn)運(yùn)行，使通過錐齒輪149相連的周轉(zhuǎn)斜盤148和主氣缸38共同轉(zhuǎn)動(dòng)，并由周轉(zhuǎn)斜盤帶動(dòng)輸出軸100向外輸出動(dòng)力。當(dāng)動(dòng)力活塞86完成作功過程離開下止點(diǎn)、上行對(duì)主氣缸38中的氣體進(jìn)行壓縮，在主氣缸中的氣體被壓縮到與中間冷卻器112內(nèi)的氣體壓力相同時(shí)，主氣缸的通氣口39也轉(zhuǎn)到與閥盤108上的壓縮排氣口110相溝通位置，由動(dòng)力活塞把主氣缸內(nèi)的壓縮空氣排進(jìn)中間冷卻器，動(dòng)力活塞行到上止點(diǎn)后，主氣缸的通氣口39轉(zhuǎn)過壓縮排氣口。
在圖16實(shí)施方案中，副氣缸1的旋轉(zhuǎn)是經(jīng)周轉(zhuǎn)斜盤25、傳動(dòng)軸26和其上的從動(dòng)錐齒輪27被輸出軸100帶動(dòng)。副氣缸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其上的小副缸10接收了來自中間冷卻器112的低溫壓縮空氣，并在旋轉(zhuǎn)中把壓縮空氣排進(jìn)加熱器126被外部熱源加熱，從加熱器流出的熱壓縮空氣又被大副缸2壓進(jìn)隔熱集氣管35，形成溫度和壓力進(jìn)一步提高的作功氣體，以便在主氣缸的通氣口39轉(zhuǎn)到與作功進(jìn)氣口109相溝通位置時(shí)，進(jìn)入主氣缸進(jìn)行膨脹作功過程。
在這種缸體旋轉(zhuǎn)的熱氣機(jī)中，為了實(shí)現(xiàn)半封閉式的循環(huán)，在閥盤108上對(duì)應(yīng)動(dòng)力活塞處于下止點(diǎn)的位置處，設(shè)有可與主氣缸通氣口39相溝通的掃氣口40，該掃氣口經(jīng)掃氣管路與掃氣泵41相連通。在主氣缸38的下止點(diǎn)位置上設(shè)排氣口42，該排氣口經(jīng)缸體外圍的連通管路43可與閥盤108上所設(shè)的同掃氣口處于相同角度位置的排氣出口154連通，在閥盤上所設(shè)的掃氣口40和排氣出口154的位置如圖17所示。為了利用中間冷卻器112和排氣出口154所排出的熱量，從中間冷卻器外圍的空氣冷卻套121和排氣出口154所排出的含有一定熱量的空氣被引向了燃燒爐134的供氣口，以便提高燃燒爐內(nèi)燃?xì)獾娜紵郎囟?，讓置于高溫排氣管?32中的加熱器126增中所吸收的熱量。
圖18給出的是主氣缸和副氣缸環(huán)型布置并形成旋轉(zhuǎn)缸體的另一種本發(fā)明熱氣機(jī)的總體結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)的熱氣機(jī)中，采用了安裝在中心固定軸106上的固定斜盤107來作為動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。所設(shè)的主氣缸38處在固定斜盤107的一側(cè)，主氣缸中的動(dòng)力活塞86經(jīng)動(dòng)力活塞桿90與套在固定斜盤上的十字頭91相連，十字頭再分別經(jīng)兩個(gè)半圓滑塊92與被夾在中間的固定斜盤107傳動(dòng)相連。副氣缸1設(shè)在固定斜盤107的另一側(cè)，副氣缸通過中間外殼153與主氣缸38連為一體，副氣缸中的配氣活塞18經(jīng)活塞桿17與十字頭91的另一側(cè)相連接。為防止用于潤(rùn)滑固定斜盤的滑油進(jìn)入主氣缸，在主氣缸底部設(shè)有可讓動(dòng)力活塞桿90穿過的封擋蓋155，各主氣缸38中動(dòng)力活塞與封擋蓋之間所形成的底部空間156可由連接在各主氣缸底部之間的互通管158連通。這種可旋轉(zhuǎn)的主氣缸缸體與輸出軸100固定相連，并由輸出軸進(jìn)行動(dòng)力輸出。
以上詳細(xì)說明了本發(fā)明中冷等壓吸熱式熱氣機(jī)的不同結(jié)構(gòu)類型和其工作原理，由于本發(fā)明的熱氣機(jī)通過加熱器可利用多種不同的外部熱源進(jìn)行加熱而獲得作功能量，這為充分回收利用工廠企業(yè)內(nèi)的中、高溫度廢氣所含的熱量提供了有效途徑，同時(shí)，因本發(fā)明的熱氣機(jī)通過設(shè)置燃燒爐可燃用多種不同的生物質(zhì)和煤碳等固體燃料，從而可廣泛應(yīng)用于船舶、發(fā)電和農(nóng)業(yè)機(jī)械等領(lǐng)域。
與普通內(nèi)燃機(jī)相比，在充分調(diào)整平衡好外部熱源的供熱量、并對(duì)氣缸采用了充分的隔熱措施后，可使本發(fā)明的熱氣機(jī)基本上避免了散熱和排氣損失，這樣，雖然本發(fā)明的熱氣機(jī)是一種外燃機(jī)，但由于其散熱和排氣損失很小，在熱效率上仍會(huì)大幅度超過普通內(nèi)燃機(jī)。因本發(fā)明的熱氣機(jī)是以二行程方式運(yùn)轉(zhuǎn)，為獲得作功熱量雖然增加了加熱器所需的換熱管件等材料，但二行程所減少的氣缸數(shù)可完全抵消所增設(shè)的加熱器，從而可讓本發(fā)明的熱氣機(jī)在體積上不會(huì)比四沖程內(nèi)燃機(jī)增大很多。
與中冷回?zé)醿?nèi)燃機(jī)相比，雖然本發(fā)明熱氣機(jī)工質(zhì)的最高溫度不如內(nèi)燃方式高，但在以燃燒爐作為外部熱源時(shí)，由于可讓中間冷卻器排出的散熱空氣進(jìn)入燃燒爐參與燃燒，相應(yīng)回收了中間冷卻器所散發(fā)的熱量，這使以外燃方式工作的本發(fā)明熱氣機(jī)在熱效率上不會(huì)比中冷回?zé)醿?nèi)燃機(jī)低很多。
與蒸汽鍋爐和汽輪機(jī)(或汽缸活塞)組成的外燃蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)相比，本發(fā)明的熱氣機(jī)由于不存在蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)中作功后的乏汽因進(jìn)行冷凝變成水而產(chǎn)生的冷凝損失，這使本發(fā)明的熱氣機(jī)成為一種在熱效率上得到大幅度提高的全新外燃動(dòng)力裝置。即便與目前的斯特林熱氣機(jī)相比，由于本發(fā)明熱氣機(jī)中的加熱器能與外部熱源的高溫氣流在等壓條件下進(jìn)行更有利的逆流換熱過程，讓加熱器把外部高溫氣流所含的熱量基本吸盡，這使本發(fā)明的熱氣機(jī)效率會(huì)明顯超過斯特林熱氣機(jī)。另外，由于本發(fā)明的熱氣機(jī)最高循環(huán)壓力大大低于斯特林熱氣機(jī)，采用半封閉循環(huán)時(shí)對(duì)密封的要求也不高，這也讓本發(fā)明的熱氣機(jī)更容易在實(shí)際中生產(chǎn)推廣。
在上述本發(fā)明的中冷等壓加熱式熱氣機(jī)中，即有適合制成單缸或多缸直列的熱氣機(jī)，也有氣缸環(huán)形布置、并讓主氣缸采用轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)的熱氣機(jī)。還有讓環(huán)形布置的氣缸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、并全部采用轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)的熱氣機(jī)。豐富的結(jié)構(gòu)類型，很高的循環(huán)熱效率，再加上能通過燃燒爐使用固體燃料和進(jìn)行外燃連續(xù)燃燒所具有的低污染排放特性，這將使本發(fā)明的熱氣機(jī)在降低二氧化碳?xì)怏w排放和石油燃料的替代方面發(fā)揮出應(yīng)有的作用。
權(quán)利要求
1.一種中冷等壓吸熱式熱氣機(jī)，它包括裝有作功進(jìn)氣閥(36)的主氣缸(38)和布置在主氣缸側(cè)旁的副氣缸(1)，主氣缸(38)中的動(dòng)力活塞(86)經(jīng)連桿(93)與曲軸(95)相連，副氣缸(1)中的配氣活塞(18)經(jīng)穿過底部缸蓋的活塞桿(17)把副氣缸分成了上側(cè)的大副缸(2)和下側(cè)的被活塞桿占用了部分容積的小副缸(10)，副氣缸中的配氣活塞(18)經(jīng)活塞桿(17)與外側(cè)的十字頭(19)相連后，再經(jīng)相應(yīng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與曲軸(95)傳動(dòng)相連，配氣活塞(18)比動(dòng)力活塞(86)延遲一定的角度到達(dá)上止點(diǎn)；副氣缸中的大副缸(2)經(jīng)作功進(jìn)氣閥(36)與主氣缸(38)連通，在大副缸上還設(shè)有進(jìn)氣閥(4)，小副缸(10)經(jīng)下側(cè)的冷通氣口(13)在所設(shè)控制閥(12)的控制下分別與換氣出口(16)和換氣進(jìn)口(15)連通，小副缸的換氣出口(16)經(jīng)連接管路(127)與加熱器(126)進(jìn)氣端連通，加熱器的出氣端經(jīng)隔熱管路(129)和進(jìn)氣閥(4)與大副缸(2)連通，小副缸的換氣進(jìn)口(15)經(jīng)連通管路(115)與中間冷卻器(112)的出氣端連通，其特征在于加熱器(126)置于與外部熱源相連通的高溫排氣或排液管路(132)內(nèi)，或者置于被聚焦的太陽(yáng)能加熱裝置中；在主氣缸(38)的缸蓋(59)上設(shè)有可控的出氣單向閥(45)，主氣缸經(jīng)該單向閥后通過出氣管路(113)與中間冷卻器(112)的進(jìn)氣端相連通；出氣單向閥(45)利用其背面的閥桿(46)裝于升降頂桿(47)的孔內(nèi)，升降頂桿裝在缸蓋(59)上的滑孔中，并經(jīng)密封環(huán)與滑孔內(nèi)壁保持密封，在升降頂桿(47)的上部設(shè)有擋座(48)，在該擋座與缸蓋之間裝有讓升降頂桿離開出氣單向閥(45)的彈簧(52)；所設(shè)的凸輪(65)經(jīng)設(shè)在缸蓋上的滑套(60)內(nèi)的限程彈力頂件(53)壓在升降頂桿的擋座(48)上，限程彈力頂件(53)包括兩端設(shè)有座圈(54)及擋頭(55)的拉桿(58)和套在其上被擋頭阻止的擋圈(56)，在座圈(54)與擋圈(56)之間裝有大彈力彈簧(57)，限程彈力頂件(53)用下側(cè)的擋圈(56)壓在升降頂桿的擋座(48)上；露在擋圈下側(cè)的擋頭可伸在擋座(48)上具有相應(yīng)深度的凹坑(49)內(nèi)；在主氣缸(38)進(jìn)行作功過程中，凸輪(65)經(jīng)限程彈力頂件(53)和升降頂桿(47)控制出氣單向閥(45)關(guān)閉，并使升降頂桿壓在出氣單向閥上；在主氣缸將要進(jìn)行排氣時(shí)，凸輪(65)轉(zhuǎn)過限程彈力頂件(53)，彈簧(52)使升降頂桿(47)離開出氣單向閥(45)；在主氣缸(38)的下止點(diǎn)位置上分別設(shè)有掃氣口(40)和排氣口(42)，掃氣口(40)經(jīng)掃氣管路與掃氣泵(41)的出氣端相連通，動(dòng)力活塞(86)行到上止點(diǎn)時(shí)，其下側(cè)的裙部能遮擋住所設(shè)的掃氣口和排氣口；在外部熱源采用可使用固體、液體及氣體燃料的燃燒爐(134)時(shí)，中間冷卻器(112)外圍所設(shè)的空氣冷卻套(121)的散熱空氣出(122)經(jīng)通風(fēng)管路(123)通向燃燒爐的供氣(137)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱氣機(jī)，其特征在于主氣缸(38)采用左右并列方式布置，每側(cè)主氣缸中的動(dòng)力活塞(86)通過裝在各自活塞銷(89)上的橫梁(98)相連，左右兩曲軸(95)通過其上相互嚙合的同步齒輪(96)保持反向同步轉(zhuǎn)動(dòng)；所述的具有大副缸(2)和小副缸(10)的副氣缸(1)倒置設(shè)在兩主氣缸(38)之間的上部位置，副氣缸中的配氣活塞(18)由設(shè)在上部位置的副曲軸(23)帶動(dòng)，朝向主氣缸布置大副缸(2)分別經(jīng)左右側(cè)的兩作功進(jìn)氣閥(36)與兩側(cè)的主氣缸(38)連通，大副缸上的進(jìn)氣閥(4)由設(shè)在兩主氣缸之間的凸輪(72)控制；控制小副缸冷通氣口(13)的控制閥(12)設(shè)在直列布置的副氣缸之間位置上，并被與從動(dòng)齒輪相連的小曲軸帶動(dòng)，從動(dòng)齒輪與側(cè)面凸輪軸上的驅(qū)動(dòng)齒輪嚙合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熱氣機(jī)，其特征在于在采用燃燒爐(134)供熱時(shí)，主氣缸(38)上所設(shè)的排氣口(42)經(jīng)排氣管路(125)通向燃燒爐(134)的供氣口(137)；或者讓排氣管路(125)的出口端作為空氣引射噴口(44)伸進(jìn)通風(fēng)管路(123)所形成的引射腔(124)內(nèi)。
4.一種中冷等壓吸熱式熱氣機(jī)，它包括裝有作功進(jìn)氣閥(36)的主氣缸(38)和分開布置的副氣缸(1)，在主氣缸(38)中裝有動(dòng)力活塞(86)，在副氣缸(1)中裝有配氣活塞(18)，配氣活塞的活塞桿(17)穿過下側(cè)的缸蓋向外伸出，把副氣缸分成大副缸(2)和被活塞桿占用了部分容積的小副缸(10)，在大副缸的缸蓋(3)上分別設(shè)有進(jìn)氣閥(4)和排氣閥(5)，小副缸(10)通過下側(cè)的冷通氣口(13)在所設(shè)控制閥(12)的控制下分別與換氣出口(16)和換氣進(jìn)口(15)連通，小副缸的換氣進(jìn)口(15)經(jīng)連通管路(115)與中間冷卻器(112)的出氣端連通，換氣出口(16)經(jīng)連接管路(127)與加熱器(126)的進(jìn)氣端連通，加熱器的出氣端經(jīng)隔熱管路(129)和進(jìn)氣閥(4)與大副缸(2)連通，其特征在于加熱器(126)置于與外部熱源相連通的高溫排氣或排液管路(132)內(nèi)，或者置于被聚焦的太陽(yáng)能加熱裝置中；大副缸(2)經(jīng)出氣閥(5)、隔熱集氣管(35)和作功進(jìn)氣閥(36)與主氣缸(38)連通；在主氣缸(38)的缸蓋(59)上設(shè)有可控的出氣單向閥(45)，主氣缸經(jīng)該單向閥后通過出氣管路(113)與中間冷卻器(112)的進(jìn)氣端相連通；出氣單向閥(45)利用其背面的閥桿(46)裝于升降頂桿(47)的孔內(nèi)，升降頂桿裝在缸蓋(59)上的滑孔中，并經(jīng)密封環(huán)與滑孔內(nèi)壁保持密封，在升降頂桿(47)的上部設(shè)有擋座(48)，在該擋座與缸蓋之間裝有讓升降頂桿離開出氣單向閥(45)的彈簧(52)；所設(shè)的凸輪(65)經(jīng)設(shè)在缸蓋上的滑套(60)內(nèi)的限程彈力頂件(53)壓在升降頂桿的擋座(48)上，限程彈力頂件(53)包括兩端設(shè)有座圈(54)及擋頭(55)的拉桿(58)和套在其上被擋頭阻止的擋圈(56)，在座圈(54)與擋圈(56)之間裝有大彈力彈簧(57)，限程彈力頂件(53)用下側(cè)的擋圈(56)壓在升降頂桿的擋座(48)上，露在擋圈下側(cè)的擋頭可伸在擋座(48)上具有相應(yīng)深度的凹坑(49)內(nèi)；在主氣缸(38)進(jìn)行作功過程中，凸輪(65)經(jīng)限程彈力頂件(53)和升降頂桿(47)控制出氣單向閥(45)關(guān)閉，并使升降頂桿壓在出氣單向閥上；在主氣缸將要進(jìn)行排氣時(shí)，凸輪(65)轉(zhuǎn)過限程彈力頂件(53)，彈簧(52)使升降頂桿(47)離開出氣單向閥(45)；在外部熱源采用可使用固體、液體及氣體燃料的燃燒爐(134)時(shí)，中間冷卻器(112)外圍所設(shè)的空氣冷卻套(121)的散熱空氣出(122)經(jīng)通風(fēng)管路(123)通向燃燒爐的供氣(137)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱氣機(jī)，其特征在于副氣缸(1)設(shè)在主氣缸(38)的上部，副氣缸中的配氣活塞(18)經(jīng)穿過缸蓋(59)的活塞桿(17)直接與主氣缸中動(dòng)力活塞(86)的頂部相連，副氣缸的小副缸(10)與主氣缸共用一個(gè)缸蓋(59)，主氣缸中的動(dòng)力活塞(86)經(jīng)連桿(93)與下面的曲軸(95)相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱氣機(jī)，其特征在于副氣缸(1)設(shè)在主氣缸(38)的上部，副氣缸中的配氣活塞(18)經(jīng)穿過缸蓋(59)的活塞桿(17)直接與主氣缸中動(dòng)力活塞(86)的頂部相連，副氣缸的小副缸(10)與主氣缸共用一個(gè)缸蓋(59)；主氣缸(38)中的動(dòng)力活塞(86)被制成雙作用結(jié)構(gòu)，使其下側(cè)與下缸蓋(142)形成下主氣缸(38′)，動(dòng)力活塞經(jīng)穿過下缸蓋(142)的動(dòng)力活塞桿(90)、外部的十字頭(91)和連桿(93)與曲軸箱中的曲軸(95)相連；在下主氣缸(38′)的下缸蓋(142)上分別設(shè)有下作功進(jìn)氣閥(36′)和下出氣單向閥(45′)，下主氣缸(38′)經(jīng)下作功進(jìn)氣閥(36′)也與所設(shè)的隔熱集氣管(35)連通，還經(jīng)下出氣單向閥(45′)與通向中間冷卻器(112)的出氣管路(113)連通。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱氣機(jī)，其特征在于主氣缸(38)采用左右兩缸并列方式布置，每側(cè)主氣缸中的動(dòng)力活塞(86)被制成雙作用結(jié)構(gòu)，使其下側(cè)與下缸蓋(142)形成下主氣缸(38′)，每側(cè)動(dòng)力活塞(86)分別經(jīng)穿過下缸蓋的動(dòng)力活塞桿(90)、十字頭(91)和連桿(93)與曲軸箱中的曲軸(95)相連，兩曲軸通過其上相嚙合的同步齒輪(96)保持反向同步轉(zhuǎn)動(dòng)，兩側(cè)十字頭(91)之間通過裝在各自連接銷(105)上的橫梁(98)相連；所設(shè)的具有大副缸和小副缸的副氣缸(1)處于兩主氣缸(38)中間的上部位置，副氣缸中的配氣活塞(18)經(jīng)穿過下部缸蓋的加長(zhǎng)的活塞桿(17)與兩十字頭(91)之間的橫梁(98)的中部相連接；在每側(cè)下主氣缸(38′)的下缸蓋(142)上分別設(shè)有下作功進(jìn)氣閥(36′)和下出氣單向閥(45′)，下主氣缸(38)經(jīng)下作功進(jìn)氣閥(36′)也與所設(shè)的隔熱集氣管(35)連通，還經(jīng)下出氣單向閥(45′)與通向中間冷卻器(112)的出氣管路(113)連通。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱氣機(jī)，其特征在于主氣缸(38)采用左右兩缸并列方式布置，每側(cè)主氣缸中的動(dòng)力活塞(86)通過各自的連桿與下面相對(duì)應(yīng)的曲軸(95)相連，兩曲軸通過其上相嚙合的同步齒輪(96)保持反向同步轉(zhuǎn)動(dòng)，兩側(cè)動(dòng)力活塞(86)之間通過裝在各自活塞銷(89)上的橫梁(98)相連；所設(shè)的具有大副缸和小副缸的副氣缸(1)處于主氣缸(38)中間的上部位置，副氣缸中的配氣活塞(18)經(jīng)穿過下部缸蓋的活塞桿(17)與兩動(dòng)力活塞之間的橫梁(98)的中部相連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求5或8所述的熱氣機(jī)，其特征在于在主氣缸(38)的下止點(diǎn)位置上分別設(shè)有掃氣口(40)和排氣口(42)，掃氣口(40)經(jīng)掃氣管路與掃氣泵(41)的出氣端相連通，動(dòng)力活塞(86)行到上止點(diǎn)時(shí)，其下側(cè)的裙部能遮擋住所設(shè)的掃氣口和排氣口。
10.一種中冷等壓吸熱式熱氣機(jī)，它包括其缸蓋設(shè)有通氣口(39)的主氣缸(38)和分開設(shè)置的副氣缸(1)，各主氣缸和副氣缸繞中心軸(99)環(huán)型布置，主氣缸(38)的通氣口(39)由中心軸(99)端部的轉(zhuǎn)閥(101)控制，在轉(zhuǎn)閥上設(shè)有可與通氣口(39)溝通的進(jìn)氣閥口(102)，在主氣缸(38)中裝有動(dòng)力活塞(86)，動(dòng)力活塞經(jīng)連桿(93)與動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的擺盤或曲軸相連；在副氣缸(1)中裝有配氣活塞(18)，配氣活塞的活塞桿(17)穿過底部的缸蓋向外伸出，形成大副缸(2)和被活塞桿占用部分容積的小副缸(10)，副氣缸的小副缸(10)通過下側(cè)的冷通氣口(13)在所設(shè)的控制閥(12)控制下分別與換氣進(jìn)口(15)和換氣出口(16)連通，小副缸的換氣進(jìn)口(15)經(jīng)連通管路(115)與中間冷卻器(112)的出氣端連通，換氣出口(16)經(jīng)連接管路(127)與加熱器(126)的進(jìn)氣端連通，加熱器的出氣端經(jīng)隔熱管路(129)和相應(yīng)的控制閥與大副缸(2)連通，其特征在于環(huán)型布置的各副氣缸(1)分別設(shè)在相應(yīng)各環(huán)型布置的主氣缸(38)的頂部，副氣缸(1)中的配氣活塞(18)經(jīng)穿過缸蓋(59)的活塞桿(17)與主氣缸(38)中動(dòng)力活塞(86)的頂部相連，加熱器(126)置于與外部熱源相連通的高溫排氣或排液管路(132)內(nèi)，或者置于被聚焦的太陽(yáng)能加熱裝置中；大副缸(2)經(jīng)相應(yīng)的控制閥和隔熱集氣管(35)與中心軸端部的轉(zhuǎn)閥(101)上的進(jìn)氣閥口(102)相連通，在轉(zhuǎn)閥(101)上還設(shè)有可與主氣缸的通氣口(39)相溝通的排氣閥口(103)，該閥口經(jīng)缸蓋(59)上的排氣道(104)和出氣管路(113)與中間冷卻器(112)的進(jìn)氣端相連通；在主氣缸內(nèi)的動(dòng)力活塞(86)行到上止點(diǎn)開始作功時(shí)，轉(zhuǎn)閥(101)上的進(jìn)氣閥口(102)把主氣缸(38)與隔熱集氣管(35)溝通、并在轉(zhuǎn)過一定的作功轉(zhuǎn)角后關(guān)閉；在動(dòng)力活塞(86)離開下止點(diǎn)、上行把主氣缸(38)中的氣體壓縮到與中間冷卻器內(nèi)的氣體壓力相同時(shí)，轉(zhuǎn)閥(101)上的排氣閥口(103)把主氣缸(38)與通向中間冷卻器(126)的排氣道(104)連通，并在動(dòng)力活塞行到上止點(diǎn)時(shí)關(guān)閉；在主氣缸(38)的下止點(diǎn)位置上分別設(shè)有掃氣口(40)和排氣口(42)，掃氣口經(jīng)掃氣管路與掃氣泵的出氣端相連通，動(dòng)力活塞(86)行到上止點(diǎn)時(shí)，其下側(cè)的裙部能遮擋住所設(shè)的掃氣口和排氣口；在外部熱源采用可使用固體、液體及氣體燃料的燃燒爐(134)時(shí)，中間冷卻器(112)外圍所設(shè)的空氣冷卻套(121)的散熱空氣出口(122)經(jīng)通風(fēng)管路(123)通向燃燒爐的供氣口(137)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的熱氣機(jī)，其特征在于大副缸(2)經(jīng)其缸蓋(3)上所設(shè)的進(jìn)氣閥(4)與加熱器(126)的出氣端連通，還經(jīng)缸蓋上所設(shè)的排氣閥(5)與通向轉(zhuǎn)閥(101)的隔熱集氣管(35)連通。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的熱氣機(jī)，其特征在于大副缸(2)經(jīng)缸蓋(3)上的熱通氣口(6)被所設(shè)的外轉(zhuǎn)閥(28)控制，實(shí)現(xiàn)與加熱器(126)或隔熱集氣管(35)的連通，所述的外轉(zhuǎn)閥(28)通過連接軸套(29)與內(nèi)側(cè)中心軸(99)上的轉(zhuǎn)閥(101)相連，外轉(zhuǎn)閥具有能遮擋住大副缸熱通氣口(6)的內(nèi)端面或外圓周面，其上設(shè)有可分別與熱通氣口(6)溝通的進(jìn)氣口(31)和出氣口(34)；外轉(zhuǎn)閥(28)上的進(jìn)氣口(31)在所處的閥面上形成一個(gè)半環(huán)形的通氣槽(32)，該槽經(jīng)外轉(zhuǎn)閥中的隔熱通道(33)與從加熱器(126)出氣端連接過來的隔熱管路(129)相連通，在大副缸中的配氣活塞(18)從上止點(diǎn)向下止點(diǎn)移動(dòng)過程中，隨閥轉(zhuǎn)動(dòng)的進(jìn)氣口(31)與大副缸的熱通氣口(6)處于溝通狀態(tài)，配氣活塞移到下止點(diǎn)后，進(jìn)氣口轉(zhuǎn)過熱通氣口(6)；外轉(zhuǎn)閥上的出氣口(34)直接與設(shè)在轉(zhuǎn)閥和連接軸套內(nèi)的隔熱集氣管(35)連通，在大副中的配氣活塞(18)從下止點(diǎn)移向上止點(diǎn)過程中，當(dāng)大副缸內(nèi)的氣體壓力與隔熱集氣管(35)內(nèi)的氣體壓力相同時(shí)，隨閥轉(zhuǎn)動(dòng)的出氣口(34)與大副缸的熱通氣口(6)溝通，配氣活塞行到上止點(diǎn)后，出氣口(34)轉(zhuǎn)過熱通氣口(6)。
13.一種中冷等壓吸熱式熱氣機(jī)，它包括其缸蓋設(shè)有通氣口(39)的主氣缸(38)和分開設(shè)置的副氣缸(1)，各主氣缸(38)和副氣缸(1)都采用繞中心軸線(152)環(huán)型布置的方式、并形成旋轉(zhuǎn)缸體，在主氣缸中裝有動(dòng)力活塞(86)，動(dòng)力活塞通過連桿或活塞桿與動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的周轉(zhuǎn)斜盤或固定斜盤相連，在副氣缸中裝有配氣活塞(18)，配氣活塞的活塞桿(17)穿過底部缸蓋向外伸出，形成大副缸(2)和被活塞桿占用部分容積的小副缸(10)，配氣活塞經(jīng)活塞桿(17)與外面的周轉(zhuǎn)斜盤或固定斜盤相連；在主氣缸(38)旋轉(zhuǎn)時(shí)，其上的通氣口(39)可與固定外殼的閥盤(108)上所設(shè)的作功進(jìn)氣口(109)連通，副氣缸在旋轉(zhuǎn)時(shí)，其上大副缸(2)的熱通氣口(6)可分別與固定外殼的小閥盤(111)上所設(shè)的進(jìn)氣口(31)和出氣口(34)連通，小副缸(10)的冷通氣口(13)可分別與設(shè)在中心固定軸(106)上的換氣進(jìn)口(15)和換氣出口(16)連通，與小副缸相對(duì)應(yīng)的中心固定軸上的換氣進(jìn)口(15)經(jīng)連通管路(115)與中間冷卻器(112)的出氣端連通，換氣出口(16)經(jīng)連接管路(127)與加熱器(126)的進(jìn)氣端連通，加熱器的出氣端經(jīng)隔熱管路(129)與小閥盤(111)上的進(jìn)氣口(31)連通，其特征在于加熱器(126)置于與外部熱源相通的高溫排氣或排液管路(132)內(nèi)，或者置于被聚光的太陽(yáng)能加熱裝置中；可同大副缸相溝通的小閥盤(111)上的出氣口(34)經(jīng)隔熱集氣管(35)與可同主氣缸相溝通的閥盤(108)上的作功進(jìn)氣口(109)連通，在閥盤(108)上還設(shè)有可與主氣缸通氣口(39)相溝通的壓縮排氣口(110)，該氣口經(jīng)出氣管路(113)與中間冷卻器(112)的進(jìn)氣端相連通；當(dāng)主氣缸旋轉(zhuǎn)、其內(nèi)的動(dòng)力活塞(86)行到上止點(diǎn)開始作功時(shí)，主氣缸的通氣口(39)與閥盤(108)上的作功進(jìn)氣口(109)溝通，并在經(jīng)過一定的作功角度后轉(zhuǎn)過作功進(jìn)氣口；在動(dòng)力活塞(86)離開下止點(diǎn)，上行把主氣缸(38)中的氣體壓縮到與中間冷卻器內(nèi)的氣體壓力相同時(shí)，主氣缸的通氣口(39)與閥盤上的壓縮排氣口(110)溝通，并在動(dòng)力活塞行到上止點(diǎn)后關(guān)閉；在外部熱源采用可使用固體、液體及氣體燃料的燃燒爐(134)時(shí)，中間冷卻器(112)外圍所設(shè)的空氣冷卻套(121)的散熱空氣出口(122)經(jīng)通風(fēng)管路(123)通向燃燒爐的供氣口(137)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的熱氣機(jī)，其特征在于在閥盤(108)上對(duì)應(yīng)動(dòng)力活塞(86)處于下止點(diǎn)的位置處，設(shè)有可與主氣缸通氣口(39)相溝通的掃氣口(40)，該掃氣口經(jīng)掃氣管路與掃氣泵相連通；在主氣缸的下止點(diǎn)位置上設(shè)有排氣口(42)，該排氣口經(jīng)缸體外圍的連通管道(43)與閥盤(108)上所設(shè)的與掃氣口(40)處于相同角度位置的排氣出口(154)連通。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的熱氣機(jī)，其特征在于主氣缸(38)設(shè)在固定斜盤(107)的一側(cè)，其中的動(dòng)力活塞(86)經(jīng)動(dòng)力活塞桿(90)與十字頭(91)相連，十字頭再經(jīng)其上的兩個(gè)半圓滑塊(92)與被夾在中間的固定斜盤(107)轉(zhuǎn)動(dòng)相連；在固定斜盤的另一側(cè)設(shè)有副氣缸(1)，副氣缸通過中間外殼(153)與主氣缸(38)連為一體，副氣缸中的配氣活塞(18)經(jīng)活塞桿(17)與十字頭(91)的另一側(cè)相連接；在主氣缸底部設(shè)有可讓動(dòng)力活塞桿(90)穿過的封擋蓋(155)，各主氣缸中動(dòng)力活塞與封擋蓋之間所形成的底部空間(156)可由連接在各主氣缸底部之間的互通管(158)連通。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種中冷等壓吸熱式熱氣機(jī)，它包括由主氣缸(38)、中間冷卻器(112)、副氣缸(1)和加熱器(126)構(gòu)成的半閉或封閉式循環(huán)回路；加熱器置于與外部熱源相連通的高溫排氣管路(132)內(nèi)，或置于被聚焦的太陽(yáng)能加熱裝置中；由于加熱器內(nèi)的被加熱空氣與外部熱源的高溫氣流采用了更有利的逆流換熱方式，并且其內(nèi)的吸熱過程是在等壓狀態(tài)下進(jìn)行，讓加熱器能把外部熱源產(chǎn)生的熱量基本吸盡，從而提高了本發(fā)明熱氣機(jī)的熱量利用效率；本發(fā)明的熱氣機(jī)具有多種不同的結(jié)構(gòu)類型，外部熱源系統(tǒng)也可燃用煤碳和生物質(zhì)等燃料，從而有利于解決石油燃料的替代問題，也為農(nóng)用機(jī)械、發(fā)電和船舶等提供出一種高效的外燃動(dòng)力裝置。
文檔編號(hào)F02G1/055GK101021187SQ20071008660
公開日2007年8月22日 申請(qǐng)日期2007年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月26日
發(fā)明者韓培洲 申請(qǐng)人:韓培洲