技术领域  本发明涉及一种热气机，特别是中冷等压吸热式热气机。

背景技术  在申请号为“20061008118.7”“20061008447X”“2006100869224”和 “200610083243.1”所给出的发明专利说明书中，虽然所述的系列中冷回热内燃机具有不同 的结构类型，其中采用燃烧炉的中冷回热内燃机在内燃方式下还可以使用固体燃料，但在内 燃方式下使用固体燃料还是不容易实现的，它需要设置往高压燃烧炉内输送固体燃料的专用 泵入装置，同时，燃气中的灰份也会对汽缸的活塞造成磨损。另外，为了回收利用工厂企业 其它高温热源所产生的高温气体中的热量，或者为利用太阳能集热装置所产生的热能，上述 各不同类型的中冷回热内燃机在结构上并不适合。

对于早已出现的斯特林热气机，这种热气机在循环系统中虽然没有控制阀门，但其内的 工质是往复来回流经加热器的，工质在向回流过加热器时，因工质的温度已经很高，便不再 吸收外部热源的热量，造成外部热源的排气温度升高，使燃料的热量利用效率降低。同样， 这种工质在加热器内来回往复的流动，也不能构成通常换热器中特别有利的逆流换热过程， 这也影响了斯特林热气机效率的进一步提高。

发明内容  本发明的目的是在上述各不同类型的中冷回热内燃机基础上，提供一种更适 合利用外部热源进行工作的中冷等压吸热式热气机，这种热气机不仅能高效率的吸收利用外 部热源所产生的热量，而且还可以进一步发展出多种不同的结构类型，以更好的适应不同场 所的需要。

为达到上述目的，本发明的中冷等压吸热式热气机包括装有作功进气阀的主气缸和布置 在主气缸侧旁的副气缸，主气缸中的动力活塞经连杆与曲轴相连，副气缸中的配气活塞经穿 过底部缸盖的活塞杆把副气缸分成了上侧的大副缸和下侧的被活塞杆占用了部分容积的小副 缸，副气缸中的配气活塞经活塞杆与外侧的十字头相连后，再经相应的传动机构与曲轴传动 相连，配气活塞比动力活塞延迟一定的角度到达上止点；副气缸中的大副缸经作功进气阀与 主气缸连通，在大副缸上还设有进气阀，小副缸经下侧的冷通气口在所设控制阀的控制下分 别与换气出口和换气进口连通，小副缸的换气出口经连接管路与加热器进气端连通，加热器 的出气端经隔热管路和进气阀与大副缸连通，小副缸的换气进口经连通管路与中间冷却器的 出气端连通，加热器置于与外部热源相连通的高温排气或排液管路内，或者置于被聚焦的太 阳能加热装置中；在主气缸的缸盖上设有可控的出气单向阀，主气缸经该单向阀后通过出气 管路与中间冷却器的进气端相连通；出气单向阀利用其背面的阀杆装于升降顶杆的孔内，升 降顶杆装在缸盖上的滑孔中，并经密封环与滑孔内壁保持密封，在升降顶杆的上部设有挡座， 在该挡座与缸盖之间装有让升降顶杆离开出气单向阀的弹簧；所设的凸轮经设在缸盖上的滑 套内的限程弹力顶件压在升降顶杆的挡座上，限程弹力顶件包括两端设有座圈及挡头的拉杆 和套在其上被挡头阻止的挡圈，在座圈与挡圈之间装有大弹力弹簧，限程弹力顶件用下侧的 挡圈压在升降顶杆的挡座上；露在挡圈下侧的挡头可伸在挡座上具有相应深度的凹坑内；在 主气缸进行作功过程中，凸轮经限程弹力顶件和升降顶杆控制出气单向阀关闭，并使升降顶 杆压在出气单向阀上；在主气缸将要进行排气时，凸轮转过限程弹力顶件，弹簧使升降顶杆 离开出气单向阀；在主气缸的下止点位置上分别设有扫气口和排气口，扫气口经扫气管路与 扫气泵的出气端相连通，动力活塞行到上止点时，其下侧的裙部能遮挡住所设的扫气口和排 气口；在外部热源采用可使用固体、液体及气体燃料的燃烧炉时，中间冷却器外围所设的空 气冷却套的散热空气出口经通风管路通向燃烧炉的供气口。

根据上述大副缸经作功进气阀与主气缸相连通的热气机结构类型，也可让主气缸采用左 右并列方式布置，每侧主气缸中的动力活塞通过装在各自活塞销上的横梁相连，左右两曲轴 通过其上相互啮合的同步齿轮保持反向同步转动；所述的具有大副缸和小副缸的副气缸倒置 设在两主气缸之间的上部位置，副气缸中的配气活塞由设在上部位置的副曲轴带动，朝向主 气缸布置大副缸分别经左右侧的两作功进气阀与两侧的主气缸连通，大副缸上的进气阀由设 在两主气缸之间的凸轮控制；控制小副缸冷通气口的控制阀设在直列布置的副气缸之间位置 上，并被与从动齿轮相连的小曲轴带动，从动齿轮与侧面凸轮轴上的驱动齿轮啮合。

在上述两种热气机采用燃烧炉供热时，主气缸上所设的排气口经排气管路通向燃烧炉的 供气口；或者让排气管路的出口端作为空气引射喷口伸进通风管路所形成的引射腔内。

本发明的第二种中冷等压吸热式热气机采用的是让大副缸经隔热集气管与主气缸相连 通的结构布置方式，它包括装有作功进气阀的主气缸和分开布置的副气缸，在主气缸中装有 动力活塞，在副气缸中装有配气活塞，配气活塞的活塞杆穿过下侧的缸盖向外伸出，把副气 缸分成大副缸和被活塞杆占用了部分容积的小副缸，在大副缸的缸盖上分别设有进气阀和排 气阀，小副缸通过下侧的冷通气口在所设控制阀的控制下分别与换气出口和换气进口连通， 小副缸的换气进口经连通管路与中间冷却器的出气端连通，换气出口经连接管路与加热器的 进气端连通，加热器的出气端经隔热管路和进气阀与大副缸连通，加热器置于与外部热源相 连通的高温排气或排液管路内，或者置于被聚焦的太阳能加热装置中；大副缸经出气阀、隔 热集气管和作功进气阀与主气缸连通；在主气缸的缸盖上设有可控的出气单向阀，主气缸经 该单向阀后通过出气管路与中间冷却器的进气端相连通；出气单向阀利用其背面的阀杆装于 升降顶杆的孔内，升降顶杆装在缸盖上的滑孔中，并经密封环与滑孔内壁保持密封，在升降 顶杆的上部设有挡座，在该挡座与缸盖之间装有让升降顶杆离开出气单向阀的弹簧；所设的 凸轮经设在缸盖上的滑套内的限程弹力顶件压在升降顶杆的挡上，限程弹力顶件包括两端设 有座圈及挡头的拉杆和套在其上被挡头阻止的挡圈，在座圈与挡圈之间装有大弹力弹簧，限 程弹力顶件用下侧的挡圈压在升降顶杆的挡座上，露在挡圈下侧的挡头可伸在挡座上具有相 应深度的凹坑内；在主气缸进行作功过程中，凸轮经限程弹力顶件和升降顶杆控制出气单向 阀关闭，并使升降顶杆压在出气单向阀上；在主气缸将要进行排气时，凸轮转过限程弹力顶 件，弹簧使升降顶杆离开出气单向阀；在外部热源采用可使用固体、液体及气体燃料的燃烧 炉时，中间冷却器外围所设的空气冷却套的散热空气出口经通风管路通向燃烧炉的供气口。

根据本发明的第二种热气机结构类型，可把副气缸设在主气缸的上部，副气缸中的配气 活塞经穿过缸盖的活塞杆直接与主气缸中动力活塞的顶部相连，副气缸的小副缸与主气缸共 用一个缸盖，主气缸中的动力活塞经连杆与下面的曲轴相连。

根据本发明的第二种热气机结构类型，也可把副气缸设在主气缸的上部，副气缸中的配 气活塞经穿过缸盖的活塞杆直接与主气缸中动力活塞的顶部相连，副气缸的小副缸与主气缸 共用一个缸盖；主气缸中的动力活塞被制成双作用结构，使其下侧与下缸盖形成下主气缸， 动力活塞经穿过下缸盖的动力活塞杆、外部的十字头和连杆与曲轴箱中的曲轴相连；在下主 气缸的下缸盖上分别设有下作功进气阀和下出气单向阀，下主气缸经下作功进气阀也与所设 的隔热集气管连通，还经下出气单向阀与通向中间冷却器的出气管路连通。

根据本发明的第二种热气机结构类型，在制成更大的功率时，可以让主气缸采用左右两 缸并列方式布置，每侧主气缸中的动力活塞被制成双作用结构，使其下侧与下缸盖形成下主 气缸，每侧动力活塞分别经穿过下缸盖的动力活塞杆、十字头和连杆与曲轴箱中的曲轴相连， 两曲轴通过其上相啮合的同步齿轮保持反向同步转动，两侧十字头之间通过装在各自连接销 上的横梁相连；所设的具有大副缸和小副缸的副气缸处于两主气缸中间的上部位置，副气缸 中的配气活塞经穿过下部缸盖的加长的活塞杆与两十字头之间的横梁的中部相连接；在每侧 下主气缸的下缸盖上分别设有下作功进气阀和下出气单向阀，下主气缸经下作功进气阀也与 所设的隔热集气管连通，还经下出气单向阀与通向中间冷却器的出气管路连通。

为制成双主气缸并列排列的热气机，还可以让主气缸采用左右两缸并列方式布置，每侧 主气缸中的动力活塞通过各自的连杆与下面相对应的曲轴相连，两曲轴通过其上相啮合的同 步齿轮保持反向同步转动，两侧动力活塞之间通过装在各自活塞销上的横梁相连；所设的具 有大副缸和小副缸的副气缸处于主气缸中间的上部位置，副气缸中的配气活塞经穿过下部缸 盖的活塞杆与两动力活塞之间的横梁的中部相连接。

在上述采用单作用动力活塞的两种热气机中，在主气缸的下止点位置上分别设有扫气口 和排气口，扫气口经扫气管路与扫气泵的出气端相连通，动力活塞行到上止点时，其下侧的 裙部能遮挡住所设的扫气口和排气口，以便让循环回路成为半闭式循环系统。

本发明的第三种中冷等压吸热式热气机采用的是让主气缸和副气缸绕中心轴环形布置 的结构方式，它包括其缸盖设有通气口的主气缸和分开设置的副气缸，各主气缸和副气缸绕 中心轴环型布置，主气缸的通气口由中心轴端部的转阀控制，在转阀上设有可与通气口沟通 的进气阀口，在主气缸中装有动力活塞，动力活塞经连杆与动力转换机构的摆盘或曲轴相连； 在副气缸中装有配气活塞，配气活塞的活塞杆穿过底部的缸盖向外伸出，形成大副缸和被活 塞杆占用部分容积的小副缸，副气缸的小副缸通过下侧的冷通气口在所设的控制阀控制下分 别与换气进口和换气出口连通，小副缸的换气进口经连通管路与中间冷却器的出气端连通， 换气出口经连接管路与加热器的进气端连通，加热器的出气端经隔热管路和相应的控制阀与 大副缸连通，环型布置的各副气缸分别设在相应各环型布置的主气缸的顶部，副气缸中的配 气活塞经穿过缸盖的活塞杆与主气缸中动力活塞的顶部相连，加热器置于与外部热源相连通 的高温排气或排液管路内，或者置于被聚焦的太阳能加热装置中；大副缸经相应的控制阀和 隔热集气管与中心轴端部的转阀上的进气阀口相连通，在转阀上还设有可与主气缸的通气口 相沟通的排气阀口，该阀口经缸盖上的排气道和出气管路与中间冷却器的进气端相连通；在 主气缸内的动力活塞行到上止点开始作功时，转阀上的进气阀口把主气缸与隔热集气管沟通、 并在转过一定的作功转角后关闭；在动力活塞离开下止点、上行把主气缸中的气体压缩到与 中间冷却器内的气体压力相同时，转阀上的排气阀口把主气缸与通向中间冷却器的排气道连 通，并在动力活塞行到上止点时关闭；在主气缸的下止点位置上分别设有扫气口和排气口， 扫气口经扫气管路与扫气泵的出气端相连通，动力活塞行到上止点时，其下侧的裙部能遮挡 住所设的扫气口和排气口；在外部热源采用可使用固体、液体及气体燃料的燃烧炉时，中间 冷却器外围所设的空气冷却套的散热空气出口经通风管路通向燃烧炉的供气口。

在第一个气缸环形布置的热气机中，大副缸经其缸盖上所设的进气阀与加热器的出气端 连通，还经缸盖上所设的排气阀与通向转阀的隔热集气管连通。

在第二个气缸环形布置的热气机中，大副缸经缸盖上的热通气口被所设的外转阀控制， 实现与加热器或隔热集气管的连通，所述的外转阀通过连接轴套与内侧中心轴上的转阀相连， 外转阀具有能遮挡住大副缸热通气口的内端面或外圆周面，其上设有可分别与热通气口沟通 的进气口和出气口；外转阀上的进气口在所处的阀面上形成一个半环形的通气槽，该槽经外 转阀中的隔热通道与从加热器出气端连接过来的隔热管路相连通，在大副缸中的配气活塞从 上止点向下止点移动过程中，随阀转动的进气口与大副缸的热通气口处于沟通状态，配气活 塞移到下止点后，进气口转过热通气口；外转阀上的出气口直接与设在转阀和连接轴套内的 隔热集气管连通，在大副中的配气活塞从下止点移向上止点过程中，当大副缸内的气体压力 与隔热集气管内的气体压力相同时，随阀转动的出气口与大副缸的热通气口沟通，配气活塞 行到上止点后，出气口转过热通气口。

本发明的第四种中冷等压吸热式热气机采用的是气缸环型布置、并且让缸体旋转的结构 方式，它包括其缸盖设有通气口的主气缸和分开设置的副气缸，各主气缸和副气缸都采用绕 中心轴线环型布置的方式、并形成旋转缸体，在主气缸中装有动力活塞，动力活塞通过连杆 或活塞杆与动力转换机构的周转斜盘或固定斜盘相连，在副气缸中装有配气活塞，配气活塞 的活塞杆穿过底部缸盖向外伸出，形成大副缸和被活塞杆占用部分容积的小副缸，配气活塞 经活塞杆与外面的周转斜盘或固定斜盘相连；在主气缸旋转时，其上的通气口可与固定外壳 的阀盘上所设的作功进气口连通，副气缸在旋转时，其上大副缸的热通气口可分别与固定外 壳的小阀盘上所设的进气口和出气口连通，小副缸的冷通气口可分别与设在中心固定轴上的 换气进口和换气出口连通，与小副缸相对应的中心固定轴上的换气进口经连通管路与中间冷 却器的出气端连通，换气出口经连接管路与加热器的进气端连通，加热器的出气端经隔热管 路与小阀盘上的进气口连通，加热器置于与外部热源相通的高温排气或排液管路内，或者置 于被聚光的太阳能加热装置中；可同大副缸相沟通的小阀盘上的出气口经隔热集气管与可同 主气缸相沟通的阀盘上的作功进气口连通，在阀盘上还设有可与主气缸通气口相沟通的压缩 排气口，该气口经出气管路与中间冷却器的进气端相连通；当主气缸旋转、其内的动力活塞 行到上止点开始作功时，主气缸的通气口与阀盘上的作功进气口沟通，并在经过一定的作功 角度后转过作功进气口；在动力活塞离开下止点，上行把主气缸中的气体压缩到与中间冷却 器内的气体压力相同时，主气缸的通气口与阀盘上的压缩排气口沟通，并在动力活塞行到上 止点后关闭；在外部热源采用可使用固体、液体及气体燃料的燃烧炉时，中间冷却器外围所 设的空气冷却套的散热空气出口经通风管路通向燃烧炉的供气口。在阀盘上对应动力活塞处 于下止点的位置处，设有可与主气缸通气口相沟通的扫气口，该扫气口经扫气管路与扫气泵 相连通；在主气缸的下止点位置上设有排气口，该排气口经缸体外围的连通管道与阀盘上所 设的与扫气口处于相同角度位置的排气出口连通。

在第二个气缸环型布置、并且缸体旋转的热气机中，主气缸设在固定斜盘的一侧，其中 的动力活塞经动力活塞杆与十字头相连，十字头再经其上的两个半圆滑块与被夹在中间的固 定斜盘转动相连；在固定斜盘的另一侧设有副气缸，副气缸通过中间外壳与主气缸连为一体， 副气缸中的配气活塞经活塞杆与十字头的另一侧相连接；在主气缸底部设有可让动力活塞杆 穿过的封挡盖，各主气缸中动力活塞与封挡盖之间所形成的底部空间可由连接在各主气缸底 部之间的互通管连通。

在本发明的中冷等压吸热式热气机中，被小副缸排出的低温压缩空气在流过加热器被外 部热源加热后，是进入到容积相应增大的大副缸内，让被加热的压缩空气体积在大副缸得到 膨胀，使其压力并未升高，让吸热在等压状态下进行。压缩空气的膨胀推动了配气活塞的活 塞杆对外作功，也让刚进入加热器的低温压缩空气因压力不变仍保持低温，以使快从加热器 外围流过的温度已经降低的热气流仍可加热刚进入加热器中的低温压缩空气，从而增加了加 热器的吸热能力，让流过加热器外围的热气流温度下降到很低的状态，高效率的利用了外部 热源所产生的热量。由于本发明的热气机热量利用效率很高，这种以外燃方式工作热气机在 效率上很容易超过存在大量排气和散热损失的普通内燃机。

可作为外部热源的加热系统有多种不同的构成方式，实际中，即可采用工业生产中所产 生的高温废气作为本发明热气机的热源，也可设置以燃用煤碳和生物质固体燃料的燃烧炉作 为外部热源，还可以采用经过聚焦的太阳能加热装置外作为外部热源，这种灵活的外部热源 构成方式特别有利于扩大本发明这种热气机的推广使用范围。

与斯特林热气机相比，本发明的热气机不仅热效率高，由于所设的中间冷却器和加热器 不属于“无益容积”，增大这两个部件的容积除可有利于降低容积内气体的流动阻力和增加换 热面积外，并不会降低热气机的工作热效率。这一特点非常有利于加热器在不同场所下的布 置，增加了热气机实际使用中的灵活方便性。另外，本发明的热气机基本上采用的是空气半 开式循环，膨胀后的空气在动力活塞行到下止点时会有一小部分排出气缸，而外界的新鲜空 气会从扫气口相应充入主气缸，这一特点不仅让扫气泵消耗的功率很少，也让循环系统内的 空气能被保持在一定的洁净程度上，相应降低了本发明热气机的密封要求。而在采用氢气为 工质的斯特林热气机中，对密封的要求几乎是绝对的。

本发明的热气机是在系列中冷回热内燃机基础上发展而出的，虽然本发明的热气机全部 作功热量是通过加热器以外燃方式传入，增加了加热器的体积，但与中冷回热内燃机相比， 也省去了压气汽缸和其内的压气活塞。本发明的热气机不仅具多种不同的结构类型，也由于 可以使用各种不同的固体燃料进行工作，它将在农用动力机械、发电和船舶动力等方面得到 应用。由于本发明的热气机热效率很高，在制成大功率机组后，也可以大范围的替代目前普 通电厂中由蒸汽锅炉和汽轮机所构的蒸汽动力系统，以消除这种动力系统中无法避免的蒸汽 冷凝所产生的大量热量损失。

附图说明

图1是本发明的主气缸与大副缸连通布置型中冷等压吸热式热气机的总体结构布置图。

图2是图1中所示热气机的机体及阀门结构的放大图。

图3是本发明的主气缸与大副缸连通布置型中冷等压吸热式热气机的工作过程原理图； 图中①压缩排出过程，②中间冷却过程，③等压吸热过程，④膨胀作功过程。

图4是根据图1中热气机改进的并列双主气缸、动力活塞无侧压力的中冷等压吸热式热 气机的总体结构布置图。

图5是本发明的主气缸与大副缸分开布置型中冷等压吸热式热气机的总体结构布置图。

图6是图5中所示热气机的机体及阀门结构的放大图。

图7是本发明的主气缸与大副缸分开布置型中冷等压吸热式热气机的工作过程原理图； 图中①压缩排出过程，②中间冷却过程，③等压吸热过程，④膨胀作功过程。

图8是本发明动力活塞双作用的中冷等压吸热式热气机的总体结构布置图。

图9是本发明并列双主气缸、动力活塞双作用的中冷等压吸热式热气机的总体结构布置 图。

图10是本发明并列双主气缸、动力活塞无侧压力的中冷等压吸热式热气机的总体结构 布置图。

图11是本发明中的主气缸和副气缸采用环形布置的中冷等压吸热式热气机的总体结构 布置图。

图12是图11中A-A的剖面图，图中示出了转阀的各阀口布置情况。

图13是根据图11中热气机改进的主气缸和副气缸采用环形布置的另一种中冷等压吸热 式热气机的总体结构布置图。

图14是图13中A-A的剖视图，图中示出了转阀的各阀口布置情况。

图15是图13中B-B的剖视图，图中示出了外转阀的各阀口布置情况。

图16是本发明中主气缸和副气缸采用环形布置并且缸体进行旋转的中冷等压吸热式热 气机的总体结构布置图。

图17是图16中A-A的剖视图，图中示出了阀盘上各阀口的布置情况。

图18是本发明中主气缸和副气缸采用环形布置并且缸体进行旋转的另一种中冷等压吸 热式热气机的总体结构布置图。

具体实施方式  在中冷等压吸热式热气机中，根据主气缸与大副缸采用很近的连通布置方式 还是采用经隔热集气管分开布置的连通方式而分成两种不同的结构类型。图1给出的是本发 明中主气缸与大副缸连通布置型中冷等压吸热式热气机的总体结构布置，图2是图1中热气 机的机体及阀门结构的放大图。在这种结构的热气机中，在装有作功进气阀36的主气缸38 侧旁布置有副气缸1，主气缸中的动力活塞86经连杆93与曲轴95相连。副气缸1中的配气 活塞18经穿过底部缸盖11的活塞杆17把副气缸分成了上侧的大副缸2和下侧的被活塞杆 占用了部分容积的小副缸10。副气缸1中的配气活塞18经活塞杆17与外侧的十字头相连后， 再经相应的传动机构与曲轴95传动相连。大副缸2经作功进气阀36与主气缸38连通。由 于要让配气活塞18比动力活塞86延迟一定的角度到达上止点，在图1中配气活塞18经活 塞杆17与外侧的十字头19相连后，再经小连杆20，摇臂21和连杆22与曲轴95传动相连。 在这种传动机构布置方式中，动力活塞86到达上止点后(参看图2)，配气活塞18会相应延 迟50°-80°的角度移到上止点，以便把大副缸2内的作功气体经开启的作功进气阀36压入 主气缸38中，推动动力活塞86下行作功。

在大副缸2上设有进气阀4，在小副缸10的下侧设有冷通气口13，小副缸经冷通气口 13在控制阀12的控制下可分别与换气出口16和换气进口15连通。小副缸的换气出口16经 连接管路127与加热器126的进气端连通，加热器的出气端经隔热管路129和大副缸上的进 气阀4与大副缸2连通。在主气缸38的缸盖59上设有可控的出气单向阀45，主气缸经该单 向阀后通过出气管路113与中间冷却器112的进气端相连通，中间冷却器的出气端经连通管 路115与小副缸10的换气进口15连通。

在中冷等压吸热式热气机中，加热器是一种热交换器，靠外部的热源进行加热，加热器 即可置于与外部热源相连通的高温排气(或排液)管路内，或者置于被聚焦的太阳能加热装 置中。在本实施例中，外部热源采用的是燃用固体燃料的燃烧炉134，加热器126被安装在 与燃烧炉连通的高温排气管路132中，并且加热器内被加热的空气流向与燃烧炉134排出的 高温燃烧气体的流动方向相反，形成有利于热量交换的逆流换热过程，让流过加热器外围的 气体温度降的更低，使其热量尽可能的被加热器内的空气完全吸收，从而大幅度提高本发明 热气机燃料热量的利用效率。在具体实施过程中，只要采用可使用固体、液体及气体燃料的 燃烧炉作为外部热源，为了利用中间冷却器所散发出的热量，如图1所示，就应把中间冷却 器112外围所设的空气冷却套121的散热空气出口122经通风管路123通向燃烧炉134的供 气口137。在调整好燃烧炉的供热量后，便可以让本发明的热气机基本上不会产生很大的排 热损失。

在主汽缸38的缸盖59上所设的各相应阀门结构如图2中所示，在这里，主汽缸与大副 缸2共用一个缸盖，从加热器126出来的被加热空气先经进气阀4进到大副缸2中，再被上 行的配气活塞18压缩到一定程度后才经缸盖59上的被控制开启的作功进气阀36进入主气 缸38，推动已移到上止点的动力活塞86向下运行膨胀作功，如图2中状态所示。在动力活 塞未移到上止点之前，为防止压力已升高的大副缸内气体经作功进气阀36向主气缸38中泄 漏，在作功进气阀36与缸盖上的压盖70之间设有弹力较大的弹簧71。同样，为防止进入主 气缸的作功气体在膨胀作功过程中沿缸盖59上的出气单向阀45向外漏出，出气单向阀这时 被控制，由其上面的升降顶杆47施加压力，使出气单向阀45被紧压在阀口61上，以阻止 主气缸中的压力气体向外泄漏。

出气单向阀45利用其背面的阀杆46装在升降顶杆47的孔内，升降顶杆安装在缸盖59 上的滑孔中，并经密封环与滑孔内壁保持密封。在升降顶杆47的上部设有挡座48，在该挡 座与缸盖59之间装有让升降顶杆离开出气单向阀45的弹簧52，这样，在主气缸中的动力活 塞向上止点移动，将要排出主气缸内的压缩空气时，不被压动控制的升降顶杆47便可被弹 簧52作用提前离开出气单向阀45，让主气缸内的压缩空气很容易的推开出气单向阀向外流 出，如图1中状态所示。如果由于出气单向阀45的重量原因对出气效率的影响很大，也可 在升降顶杆47与单向阀的阀杆46之间再增设相应的提升弹簧。出气单向阀45的关闭由装 在缸盖59上的凸轮65控制，凸轮65经装在缸盖上滑套60内的限程弹力顶件53压动升降 顶杆47上的挡座48，使出气单向阀被控制关闭。限程弹力顶件53由两端设有座圈54及挡 头55的拉挡58和套在其上被挡头阻止的挡圈56构成，在座圈54与挡头55之间装有大弹 力弹簧57，限程弹力顶件53用下侧的挡圈56压在升降顶杆的挡座48上。露在挡圈下侧的 挡头55可伸在挡座48上所设的相应深度的凹坑49内。这样，当凸轮65经大弹力弹簧57 和升降顶杆47作用在出气单向阀45上时，拉杆58上的挡头55可伸进挡座上的凹坑49。由 于设有大弹力弹簧57，在凸轮65使出气单向阀45关闭后，还经大弹力弹簧对出气单向阀施 加了一个很大的关闭压力(图2中状态所示)，以防止主气缸中的作功气体向中间冷却器112 泄漏。为减少大弹力弹簧57对凸轮65所增加的磨损影响，凸轮65是经设在中间顶块63上 的压轮64作用于限程弹力顶件的。

在图2所示的缸盖上各阀门的布置中，所设的三个不同阀门都由凸轮轴66上的三个相 应不同凸轮控制，凸轮65控制主气缸的出气单向阀45，凸轮68经摇臂69控制作功进气阀 36，凸轮72经上部的摇臂73和顶杆74控制大副缸2上的进气阀4。小副缸10的冷通气口 13由滑动式控制阀12控制，该阀经小连杆82被小曲轴80带动。

在热气机运转中，设在动力活塞、作功进气阀和升降顶杆等上的密封环件即要防止系统 内的压力气体外泄，也要防止润滑油向循环系统中进入。对动力活塞的结构要求如图2所示， 动力活塞86的裙部较长，在动力活塞行到上止点后，其下侧裙部不仅能遮挡住扫气口40和 排气口42，把油环88也设在了处于扫气口和排气口以下的位置，以便防止曲轴箱中的飞溅 滑油向上进入。

在本发明热气机的结构布置中，即可采用完全的闭式循环方式，也可如图1所示，通过 在主气缸的下止点位置上设置扫气口40和排气口42，让热气机以半闭式循环运行。之所以 称为半闭式循环，是因为动力活塞86移动到下止点同时露出扫气口40和排气口42后，扫 气泵41只提供少量的新鲜空气从扫气口进入，并让主气缸中膨胀作功后的部分气体从排气 口42向外排出，以便让循环系统中的工质(空气)能保持在一定的洁净程度上，相对降低 热气机对密封的要求，也可相应减小中间冷却器的冷却能量。在正常功率下，由于从排气口 排出的作功后的气体仍具有一定的热量，为使这部分热量能被利用，也可让主气缸38上所 设的排气口42经排气管路125通向燃烧炉134的供气口137。在图1实施例中，从空气冷却 套121和主气缸排气口42而来的管路被这样布置，排气管路125的出口端作为空气引射喷 口44伸进了通风管路123所形成的引射腔124内，通过气流引射作用带动从空气冷却套121 而来的散热空气进入燃烧炉134参与燃烧。当然，如果利用气体引射方式达不到所需的送风 量，也可为空气冷却套设置相应的鼓风装置。由于最终流过中间冷却器的压缩空气温度对加 热器内压缩空气所吸收的热量多少影响很大，为加强中间冷却器的冷却效果，在空气冷却套 121之后仍设有水冷却套117。

由主气缸、中间冷却器、加热器和大小副缸构成了本发明热气机的热力循环系统，中冷 等压吸热式热气机的循环过程如图3所示，包括压缩排出、中间冷却、等压吸热和膨胀作功 四个工作过程。

①压缩排出过程  主气缸38中的动力活塞86从下止点向上运行，压缩主气缸内的空 气，为有利于出气单向阀45被更容易的推开，其背部的升降顶杆47已提前离开出气单向阀。 在主气缸内的空气被压缩到高于中间冷却器112内的空气压力时，主气缸中的压缩空气便推 开出气单向阀45沿箭头114方向流向中间冷却器112，如图3①状态所示。动力活塞86移 到上止点后，主气缸内的压缩排出过程结束，出气单向阀45也被向下移动的升降顶杆47关 闭。

②中间冷却过程  从主气缸排出的压缩空气进入中间冷却器、又沿箭头116方向流 过中间冷却器112后，因其压缩热被外面的冷却水带去，使这部分空气变成低温低压压缩空 气，让主气缸内所进行的压缩排出过程接近等温状态，因中间冷却降低了压缩空气的压力， 也让主气缸内的压缩空气更容易进入中间冷却器，从而相应减少了动力活塞的压缩功消耗， 也为将要进行的等压吸热过程提供了很大的温度差。从中间冷却器流出的低温压缩空气在配 气活塞18上行中充入下侧的小副缸10后，中间冷却过程结束。

在这里，主气缸容积和小副缸容积的比例，就是本发明热气机的压缩比。

③等压吸热过程  配气活塞18上行移到上止点，让下侧的小副缸10吸满压缩空气 后开始下行，这时大副缸2上的进气阀4开启、让大副缸与加热器126的出气端接通，小副 缸的控制阀12则切断小副缸与中间冷却器的连通、改换成与加热器126的进气端接通，这 样在向下止点移动的配气活塞18作用下，小副缸10内的低温压缩空气便沿箭头128流入加 热器126，并被外界的高温热源气体加热，被加热了的空气沿箭头130方向经开启的进气阀 4充入大副缸2。由于大副缸2的体积大于小副缸10，被加热器加热了的压缩空气体积在大 副缸中得到相应的膨胀，被加热后的空气压力并未上升，使加热器内的加热过程在等压状态 下进行。

在等压吸热过程中，因被加热的压缩空气体积在大副缸内进行了相应的膨胀，也使配气 活塞的活塞杆17沿箭头139方向被推动向下移动作功，同时，因为等压加热也让刚进入加 热器126的低温压缩空气温度不会上升，让快从加热器外围流过的温度已经降低的高温热源 气体仍可对刚进入加热器的低温压缩空气进行加热，使高温热源气体中的热量能被加热器基 本吸尽，从而提高了本发明热气机的热量利用效率，也增大了加热器吸收热量的能力。

配气活塞18移到下止点后，大副缸2上的进气阀4关闭，小副缸10的控制阀12也切 断小副缸与加热器的沟通，等压吸热过程结束，让大副缸2内充满了已吸收很多热量的热压 缩空气。

④膨胀作功过程  在这一过程中，配气活塞18先上行压缩大副缸2内的热压缩空气， 使压缩空气的温度和压力进一步提高。在压缩空气被压缩到一定程度，主气缸38中的动力 活塞86也行到上止点时，作功进气阀36开启，把主气缸与大副缸沟通，小面积的配气活塞 18便把大副缸2中的温度和压力因进一步压缩都已经升高的作功压缩空气经作功进气阀36 压进主气缸38，推动大面积的动力活塞86向下止点移动，进行如图④所示的膨胀作功过程， 活塞的动力经连杆93按箭头140方向推动曲轴95转动向外输出功率。

当配气活塞18移到上止点、把大副缸2中的作功压缩空气全都压进主气缸38后，作功 进气阀36关闭。已进入主气缸的作功气体继续推动动力活塞86下行作功。动力活塞移动到 下止点后膨胀作功结束，然后动力活塞又开始向上止点移动，进行下一次的工作循环过程。

对上述本发明热气机的工作过程是按其热力循环顺序进行说明的，实际运行中，主气缸 中的动力活塞向上移动便是进行压缩排出过程，向下移动便是进行膨胀作功过程，曲轴每转 一周都有一次作功过程(等压吸热时，配气活塞杆的作功因压力小忽略不计)，动力活塞是以 二行程方式运转的。副气缸中的配气活塞在向上运行时配合了主气缸中动力活塞的作功过程， 下侧的小副缸则充入中间冷却器来的低温压缩空气，而配气活塞向下运行时是让加热器完成 了等压吸热过程。

根据图1所给出的本发明热气机的总体结构布置，实际中，即可制成单主气缸的热气机， 为增加功率，也可制成直列式的多缸热气机。另外，为制成更大功率的热气机，并进一步提 高活塞、曲轴连杆机构的传动效率，也可采用图4实施方案所给出的结构类型。在图4的本 发明热气机中，主气缸38采用了左右并列的布置方式，每侧主气缸中的动力活塞86通过装 在各自活塞销89上的横梁98相连，这样，两动力活塞在同时上下移动进行压缩及膨胀作功 过程中，所受到的全部侧压力都会因相连的横梁而抵消，从而减少了动力活塞运行中的摩擦 阻力。左右两曲轴95通过其上相互啮合的同步齿轮96保持反向同步转动，这种双曲轴并列 的布置方式也能让曲轴上的平衡块完全平衡动力活塞等部件在上下运行中所产生的振动力。

为了配合主气缸的并列布置方式，具有大副缸2和小副缸10的副气缸1倒置设在两主 气缸38之间的上部位置，副气缸中的配气活塞18由设在上部位置的副曲轴23带动，朝向 主气缸布置的大副缸2分别经左右侧的两作功进气阀36与两侧的主气缸38连通，大副缸上 的进气阀4由设在两主气缸之间的凸轮72控制。图4中所示状态的两动力活塞86已行到上 止点位置，两主气缸38上的作功进气阀36被摇臂69带动也将要开启，配气活塞18则已经 把大副缸2内的热作功气体进行了一定程度的压缩，以便开始进行膨胀作功过程。

控制小副缸冷通气口13(图中双点划线所示)的控制阀12设在直列布置的副气缸之间 位置上，并被与从动齿轮相连的小曲轴带动(图中未画)，从动齿轮与侧面凸轮轴上的驱动齿 轮啮合，使控制阀能被带动。

在图4所示本发明的热气机中，由于采用一个加大的副气缸为两个并列主气缸供气，节 省了一套副气缸和相应的阀门结构。而采用双主气缸不仅减少了动力活塞所产生的摩擦力， 实际中对加大主气缸的气缸直径也没有太大的限制，这样便可以把这种结构类型的热气机制 成很大的功率，让气缸直径超过100cm。因本发明的热气机热效率很高，也没有普通电厂中 蒸汽冷凝所产生的大量潜热损失，这种结构上适合制成大功率的热气机，可完全替代电厂中 效率较低的锅炉、汽轮机动力系统，也可作为船舶的动力主机和铺机使用。

图5给出的是主气缸与大副缸经隔热集气管分开布置的本发明热气机的总体结构，在这 种类型热气机的结构布置中，由于大副缸内被加热的作功气体经隔热集气管后再进入主气缸， 并不要求配气活塞与主气缸中动力活塞的角度相互配合，一般也不用为配气活塞设置专门的 曲柄连杆传动机构，但增加了主气缸与大副缸之间的隔热集气管和大副缸上的一个排气阀。 这种大副缸与主气缸经隔热集气管分开布置的热气机由于能灵活布置，可以发展出更多不同 的结构类型。

在图5所给出的热气机中，它包括装有作功进气阀36的主气缸38和分开布置的副气缸 1，在主气缸38中装有动力活塞86，动力活塞经连杆93与下面的曲轴95传动相连。在副气 缸1中装有配气活塞18，配气活塞的活塞杆17穿过下侧的缸盖向外伸出，把副气缸分成了 上侧的大副缸2和下侧的被活塞杆占用了部分容积的小副缸10，因本结构类型热气机的副气 缸1设在了主气缸38的上部，配气活塞的活塞杆便直接穿过缸盖59与主气缸中动力活塞86 的顶部85相连为一体，让小副缸10与主气缸共用一个缸盖59。

在大副缸2的缸盖3上分别设有进气阀4和排气阀5，小副缸10通过下侧的冷通气口 13在所设控制阀12的控制下分别与换气出口16和换气进口15连通。在主气缸38的缸盖 59上除设有作功进气阀36之外，还设有可控的出气单向阀45，主气缸经该单向阀和出气管 路113与中间冷却器112的进气端相连通，中间冷却器的出气端经连通管路115与小副缸10 的换气进口15连通。小副缸的换气出口16经连接管路127通向加热器126的进气端，加热 器的出气端经隔热集气管35和作功进气阀36与主气缸38连通，形成一个闭式循环回路。

在图5所示的热气机实施方案中，加热器126被安置在与外部热源相连通的高温排气(或 排液)管路132内。实际中，也可以把加热器置于被聚焦的太阳能加热装置内，以便靠太阳 能带动本发明的热气机运转。图5中主气缸38上所设的作功进气阀36和出气单向阀45除 倾斜安装外，在结构上与图1和图2所示热气机的作功进气阀和出气单向阀完全相同。图5 中热气机的机体和其上各阀门的放大结构如图6所示，由于采用了让配气活塞经活塞杆直接 与动力活塞相连的结构形式，为便于作功进气阀36和出气单向阀45的布置，主气缸的缸盖 59底面采用了向上锥形凹入的结构形状，所设的出气单向阀45经升降杆杆47和限程弹力顶 件53被凸轮轴66上的凸轮65控制。在本实施方案的出气单向阀45下面增设了一个凸台50， 这样在需关闭出气单向阀时，在让该凸台快速封堵住主气缸的出气阀口后，便可让凸轮65 适当放慢出气单向阀的落座速度，以防止出气单向阀受到过大的关闭撞击力，延长阀门的使 用寿命。小副缸10的冷通气口(双点划线所示)由控制阀12控制实现与换气进口15或换 气出口16的沟通，控制阀经小连杆82被小曲轴80带动，小曲轴又经其上的齿轮84被凸轮 轴66上的齿轮67带动。主气缸的作功进气阀36经摇臂69被另设的凸轮轴70带动。

对于大副缸的缸盖3上所设的进气阀4和排气阀5，在大型低速热气机中，可把这两个 阀门制成不用控制的单向阀，利用进出气流的压力开启阀门。但在转速较高的热气机中，便 应采用图6中由凸轮对进、排气阀进行控制的结构，由图可见，进气阀4经摇臂73被凸轮 轴76上的凸轮72控制，排气阀5经其背面的升降顶杆77被凸轮轴76上的凸轮75控制， 在配气活塞18向上移动、压缩大副缸内的热压缩空气时，升降顶杆77可及时离开排气阀5， 以便让热压缩空气能很容易的推开排气阀进入隔热集气管35。在图6中，动力活塞86和相 连的配气活塞18以共同移动到了上止点的位置。

与图1中热气机的实施方案相同，在图6热气机的主气缸38下止点位置上也分别设有 扫气口40和排气口42，扫气口40经扫气管路与扫气泵41的出气端相连通，行到上止点的 动力活塞86的裙部也遮挡住了扫气口和排气口。

图5中这种主气缸与大副缸经隔热集气管分开布置的热气机工作循环过程如图7所示， 包括压缩排出、中间冷却、等压吸热和膨胀作功四个工作过程。

①压缩排出过程  在这一过程中，主气缸38中的动力活塞86从下止点向上运行， 压缩主气缸中的空气，在空气被压缩到高于中间冷却器112内的空气压力时，压缩空气便推 开出气单向阀45(此时升降顶杆47已升高离开出气单向阀)沿箭头114方向进入中间冷却 器112，如图3①状态所示。动力活塞86行到上止点后压缩排出过程结束，出气单向阀45 被升降顶杆47关闭。

②中间冷却过程  被主气缸排出的压缩空气进入中间冷却器112并沿箭头116方向 流过中间冷却器后，因其压缩热被外面的冷却水带走，使这部分空气变成了低温低压压缩空 气，让主气缸内所进行的压缩排出过程接近等温状态。压缩空气温度和压力的降低，为加热 器吸收更多的热量提供了很大的温度差，也减少了动力活塞的压缩功消耗。流出中间冷却器 的低温压缩空气在配气活塞18上行时进入下侧的小副缸10，完成中间冷却过程。

③等压吸热过程  配气活塞18从下止点移到上止点，让下侧的小副缸10充满了低 温压缩空气后开始向下运行，这时大副缸2经进气阀4与加热器126的出气端沟通，小副缸 10经换向后的控制阀12与加热器的进气端沟通，随着配气活塞18的向下运行，小副缸中的 低温压缩空气便沿箭头128方向流进加热器126，并被外面的高温热源产生的高温气体加热， 被加热了的热压缩空气沿箭头130方向经进气阀4充进大副缸2，如图③中状态所示。配气 活塞移到下止点后，等压吸热过程结束。

在上述图①、②循环过程中，当主气缸中的动力活塞上行进行压缩排出过程时，相连的 配气活塞18也开始对充入大副缸2中的热压缩空气进行压缩，当热压缩空气被压缩到其压 力高于隔热集气管35内的气体压力时，如图7②中所示，配气活塞18便把大副缸2内的热 压缩空气经开启的排气阀5沿箭头141方向压进压力更高的隔热集气管35内，为膨胀作功 储存了所需的作功热压缩空气。

④膨胀作功过程  当主气缸38内的动力活塞86完成压缩排出过程行到上止点后， 主气缸上的作功进气阀36开启，把隔热集气管35与主气缸38沟通，储存在隔热集气管中 的作功热压缩空气便经作功进气阀36进入主气缸，推动动力活塞86下移作功。活塞下行一 定的距离后作功进气阀关闭，已进入主气缸中的作功空气继续推动着动力活塞向下运行作功， 活塞移到下止点后，膨胀作功过程结束。

这种主气缸与大副缸经隔热集气管分开布置的热气机第二种结构类型如图8所示，这种 热气机的主气缸38以上部分与图5中的热气机基本相同，其副气缸1也设在主气缸38的上 部，副气缸中的配气活塞18经穿过缸盖59的活塞杆17直接与主气缸中的动力活塞86的顶 部相连，副气缸的小副缸10与主气缸38共用一个缸盖59。不同之处在于，图8中主气缸 38内的动力活塞86被制成双作用结构，使其下侧与下缸盖142形成了下主气缸38′，动力 活塞86被经穿过下缸盖142的动力活塞杆90、外部的十字头91和连杆93与曲轴箱中的曲 轴95传动相连。为让下主气缸38′具备作功能力，在下主气缸的下缸盖142上分别设有下 作功进气阀36′和下出气单向阀45′，下主气缸38′经下作功进气阀36′也与所设的隔热 集气管35连通，还经下出气单向阀45′与通向中间冷却器112的出气管路113连通。

由于利用上侧的一个副气缸为主气缸和下主气缸供气，节省了一个副气缸和相应的阀门 机构。为了克服配气活塞18、动力活塞86和十字头91等所产生的往复惯性力，在曲轴箱 143的两侧还设有平衡转块144。

图9给出的是主气缸与大副缸分开布置的第三种结构类型的本发明热气机，在这种热气 机中，主气缸38采用左右两缸并列的方式布置，每侧主气缸中的动力活塞86被制成双作用 结构，使其下侧与下缸盖142形成了下主气缸38′，每侧动力活塞86分别经穿过下缸盖142 的动力活塞杆90，外部的十字头91和连杆93与曲轴箱143中的曲轴95传动相连，两曲轴 通过其上相啮合的同步齿轮96保持反向同步转动。为平衡十字头所受到的侧压力，两侧十 字头91之间通过装在各自连接销105上的横梁98相连。所设的具有大副缸和小副缸的副气 缸1处于两主气缸38中间的上部位置，副气缸中的配气活塞18经穿过下部缸盖的加长的活 塞杆17与两十字头91之间的横梁98的中部相连接。在每侧下主气缸38′中的下缸盖142 上分别设有下作功进气阀36′和下出气单向阀45′，下主气缸38′经下作功进气阀36′也 与所设的隔热集气管35连通，还经下出气单向阀45′与通向中间冷却器112的出气管路113 连通。

在图9中，两侧的动力活塞86正向上止点移动，对两主气缸38中的气体进行压缩，出 气单向阀45上面的升降顶杆47也已经向上抬离，以便让达到压缩压力的气体能很容易的经 出气单向阀流向中间冷却器112。而两下侧的下主气缸38′进行的是膨胀作功过程，但控制 下主气缸与隔热集气管35沟通的下作功进气阀36′已经关闭。在这里，上下作功进气阀采 用了由液压控制的活塞150带动开启及关闭，以减小伸进曲轴箱143内的高度。实际中，用 液压控制作功进阀的开启和关闭，也容易配合外部热源实现对热气机的功率调节，进气阀开 启的时间延长，可增加功率的输出，反之功率减小。图9中的热气机外部热源采用的是燃用 固体燃料的燃烧炉134，从中间冷却器的空气冷却套121排出的散热空气经管路123流向了 燃烧炉134参与燃烧，使热气机的热量利用率大幅度提高。

图9中的热气机用一个加大的副气缸为两个双作用主气缸供气，不仅节省了副气缸的数 量和相应的阀门装置，也使这种结构的热气机作功能力达到最大化，更容易向大功率发展。 两十字头之间所设的横梁，使十字头也免除了侧压力的作用，并且这种双曲轴的结构布置也 让活塞等部件的往复惯性力被完全平衡。

在上述图8和图9热气机中，因动力活塞86是经动力活塞杆与外界的十字头及曲轴连 杆机构相连，特别有利于闭式循环系统内的空气保持在洁净状态。为了在起动和运转时让这 种结构的热气机具有自行补充停机时所泄漏的空气能力，可在缸盖59和下缸盖142上设置 相应的充气单向阀(图中未画)，这样在需要时，外界的空气便可经充气单向阀充入主气缸。 如不设充气单向阀，也可设置相应的充气泵，在中间冷却器内的空气压力降低时，用充气泵 进行充气。

主气缸与大副缸分开布置的热气机第四种结构类型如图10所示，这种热气机的主气缸 38采用左右两缸并列方式布置，每侧主气缸中的动力活塞86通过各自的连杆93与下面相对 应的曲轴95相连，两曲轴通过其上相啮合的同步齿轮96保持反向同步转动。两侧动力活塞 86之间通过装在各自活塞销89上的横梁98相连，以平衡两侧动力活塞所受到的侧压力。 所设的具有大副缸和小副缸的副气缸1处于两主气缸38中间的上部位置，副气缸中的配气 活塞18经穿过下部缸盖59的活塞杆17与两动力活塞86之间的横梁98的中部相连接，让 横梁不仅平衡动力活塞所受到的侧压力，也用来带动所设的配气活塞。图中的动力活塞86 和配气活塞18都处于下止点的位置上，两主气缸38上所设的扫气口40和排气口42也已露 出，扫气所需的气流可从缸盖59上通入，并沿通气道145流向扫气口40。因所需的扫气量 不大，扫气口和排气口的高度较低，所占的曲轴转角也不大，从而有利于主气缸保持较高的 容积利用率。

与图4和图9中所示的并列双主气缸热气机相类似，图10中的这种并列双主气缸热气 机也可以制成很大的功率，让主气缸的直径超过100cm。同时，图中所示的这种双曲轴连杆 机构在运转中，其往复振动力可完全被曲轴上的平衡块平衡，让热气机更平稳的运转。在上 述图5、图8、图9和图10所示的热气机中，为制成更大功率的机型，可以把主气缸和副气 缸布置成直列排列的形式。

图11给出的是主气缸与副气缸分开布置、各气缸绕中心轴环型排列的本发明热气机的 总体结构，这种气缸环形排列的热气机包括其缸盖59设有通气口39的主气缸38和分开设 置的副气缸1，各主气缸和副气缸绕中心轴99环型布置。主气缸38的通气口39由中心轴 99端部的转阀101控制，在转阀上设有可与通气口39沟通的进气阀口102，还设有可与通 气口39相沟通的排气阀口103(如图12中所示)。在主气缸38中装有动力活塞86，该活塞 经连杆93可与动力转换机构的曲轴或摆盘传动相连。在本实施方案中，动力转换机构采用 的是曲轴和锥齿轮传动装置，动力活塞86经连杆93与曲轴95传动连接，在曲轴的动力输 出端设有锥齿轮97，该齿轮与输出轴100上的中心锥齿轮146相啮合，因本实施方案中所设 定的锥齿轮与中心锥齿轮的传动比为2∶1，曲轴95减速带动输出轴100向外输出动力。由 于曲轴转两周输出轴才相应的旋转一周，在转阀101上设有相隔180°的两套进气阀口102 和排气阀口103，各阀口的布置如图12中所示(未画转阀上的密封片和密封条)。

副气缸1设在主气缸38的顶部，在副气缸1中装有配气活塞18，配气活塞的活塞杆17 穿过底部的缸盖59向外伸出，与主气缸38中的动力活塞86的顶部相连，并形成大副缸2 和被活塞杆占用了部分容积的小副缸10。小副缸通过下侧的冷通气口13在所设控制阀12的 控制下可分别与换气进口15和换气出口16连通，小副缸的换气进口15经连通管路115与 中间冷却器112的出气端连通，换气出口16经连接管路127与加热器126的进气端连通， 加热器的出气端经隔热管路129和相应的控制阀与大副缸2连通。图11中对大副缸2采用 的是升降式进气阀4和排气阀5，这两个阀门安装在大副缸的缸盖3上，隔热管路129经进 气阀4与大副缸连通，而排气阀5与通向转阀101的隔热集气管35连通，隔热集气管再经 转阀内的隔热管道35′通向转阀上的进气阀口102。

在主气缸38内的动力活塞86行到如图11中所示上止点开始作功时，转阀101上的进 气阀口102把主气缸38与隔热集气管35沟通，让大副缸排入隔热集气管35内的热作功气 体进入主气缸38中，推动动力活塞86向下移动作功，当动力活塞下行一定的距离，转阀也 转过一定的作功转角后，转阀上的进气阀口102也转离主气缸38的通气口39，停止提供作 功气体，已经进入主气缸中的作功气体继续推动动力活塞膨胀作功。

当动力活塞86完成作功过程离开下止点又开始上行进行压缩排出过程后，当主气缸38 中的气体被压缩到与中间冷却器112内的气体压力相同时，转阀101上的排气阀口103与主 气缸的通气口39沟通，让动力活塞把主气缸中的气体经排气阀口103、缸盖59上的排气道 104和出气管路113排向中间冷却器112，在动力活塞86行到上止点时，转阀101上的排气 阀口103转离主气缸的通气口39，这一状态如图12所示。在转阀上的排气阀口103也转过 主气缸的通气口(双点划线39所示)后，其上的进气阀口102也将与通气口39沟通，以进 行接下来的膨胀作功过程。为防止进气阀口102中的作功气体经通气口39向排气阀口103 泄漏，如图中所示，进气阀口与排气阀口之间的相隔角度略大于通气口的所占角度。在这种 具有两套进气阀口102的热气机中，每次有两个主气缸中的动力活塞86同时作功。在这种 采用曲轴95减速带动输出轴100的传动机构中，最适合绕中心轴99布置六个主气缸38(如 图12中双点划线所示)。

对于图11热气机中加热器126的加热方式选择，与上述已经给出的各热气机相同，可 利用太阳能及工厂中的高温工艺废气作为外部热源，又可采用使用固体等燃料的燃烧炉作为 外部热源。只要把加热器126置于相应外部热源的高温排气管路132内即可。在图11的热 气机中，在主气缸的下止点位置上也设有扫气口40和排气口42，并让扫气口与扫气泵的出 气端相连通。

图13给出的热气机是在图11中热气机基础上改进而来的，在这种改进的热气机中，大 副缸2与加热器126或隔热集气管35的连通由所设的外转阀28进行控制。外转阀28通过 连接轴套29与内侧中心轴99上的转阀101相连，外转阀具有能遮挡住大副缸热通气口6的 内端面30，该端面上设有可分别与热通气口沟通的进气口31和出气口34，如图15所示。 进气口31因在配气活塞向下止点的移动过程中都要开启，在所处的内端面上所占的角度也 很大，形成了一个半环形的通气槽32，该槽经外转阀中的隔热通道33与从加热器126出气 端连接过来的隔热管路129相连通。在大副缸中的配气活塞18从上止点向下止点移动过程 中，随外转阀28转动的进气口31与大副缸的热通气口6处于沟通状态，配气活塞移到下止 点后，进气口也转过大副缸的热通气口，图15中外转阀正按箭头151所示方向转动，其进 气口31刚转过下侧位置的热通气口6、而与左侧双点划线所示的热通气口正处于沟通状态， 并将与上侧位置的热通气口6沟通。

外转阀28上的出气口34直接与设在转阀和连接轴套内的隔热集气管35连通，在大副 缸2中的配气活塞18从下止点向上止点移动过程中，当大副缸内的气体压力与隔热集气管 35内的气体压力相同时，随阀转动的出气口34也与大副缸的热通气口6沟通，配气活塞行 到上止点后，出气口34转过热通气口6。图15中外转阀28上的出气口34刚转过上侧位置 的热通气口6。为防止压力较大的出气口34向进气口31漏气，两气口之间的间隔角度略大 于热通气口6所占角度。

在图13的热气机中，输出轴100与曲轴95的传动比为1∶1，两者转速相同，因此在控 制主气缸38的转阀101上只设置一套进气阀口102和排气阀103。进气阀口和排气阀口在转 阀端面的布置如图14所示，图中的排气阀口103刚转过主气缸的上侧通气口39，相对应的 上侧主气缸内的动力活塞86也行到了上止点的位置，以进行接下来的膨胀作功过程。同 样，因输出轴与曲轴转速相同，在外转阀28上也只设了一套进气口31和出气口34。

图13中的主气缸和其顶部的副气缸采用了锥开布置形式，以便让缸盖3上大副缸2的 热通气口6能处在较小半径的位置上，使外转阀28的直径减小。如仍采用与图11中相同的 布置方式，缸盖3上的热通气口6便应沿径向布置，让其开口面向外转阀28的外圆周面， 相应的外转阀上的进气口和出气口也设在外圆周面上，以使外转阀的直径不致过大。

在图11的热气机主气缸和图13的热气机主气缸及大副缸采用了转阀结构后，可实现让 通过的气流所受到的阻力更小，在结构上也比升降式气阀简单很多。但由于转阀上的阀口所 占角度都是固定不变的，因此采用转阀结构的热气机较适合保持在稳定的功率输出状态，当 输出功率变化较大时，相应的阀口会偏离最佳的角度状态。

图16给出的是主气缸和副气缸绕中心轴线环型布置、并形成旋转缸体的本发明热气机 的总体结构，这种热气机包括其缸盖设有通气口39的主气缸38和分开设置的副气缸1，各 主气缸38和副气缸1都采用绕中心轴线152环型布置的方式，并形成相应的旋转缸体。在 这种可旋转的主气缸38中装有动力活塞86，动力活塞可通过连杆或活塞杆与动力转换机构 的周转斜盘或固定斜盘相连，在图16中采用了周转斜盘148进行动力输出，动力活塞86经 连杆94与周转斜盘传动相连。在可旋转的副气缸1中装有配气活塞18，其活塞杆17穿过底 部的缸盖向外伸出，形成大副缸和被活塞杆占用了部分容积的小副缸10，在图16中，配气 活塞18经活塞杆17、十字头19和连杆22与周转斜盘25传动相连。

由于可利用旋转气缸与固定的阀盘形成转阀结构，在固定外壳157侧面的阀盘108上设 有可与主气缸38的通气口39分别接通的作功进气口109和压缩排气口110(压缩排气口的 位置参看图17)，在相应的小阀盘111上设有可与大副缸2的热通气口6分别接通的进气口 31和出气口34，小副缸10的冷通气口13可分别与设在中心固定轴14上的换气进口15和 换气出口16连通。在这种热气机的循环系统布置中，与小副缸相对应的中心固定轴14上的 换气进口15经连通管路115与中间冷却器112的出气端连通，换气出口16经连接管路127 与加热器126的进气端连通，加热器的出气端经隔热管路129与小阀盘111上的进气口31 连通。小阀盘上的出气口34经隔热集气管35与可同主气缸相沟通的阀盘108上的作功进气 口109连通，如图17中所示、阀盘108上的压缩排气口110经出气管路113与中间冷却器 112的进气端相连通。当主气缸38旋转、其内的动力活塞86行到上止点开始作功时(即图 16中所示状态)，主气缸的通气口39与阀盘108上的作功进气口109沟通，让从大副缸2排 出的已储存在隔热集气管35中的作功气体经开通的阀口进入主气缸，推动动力活塞86向下 止点移动作功。主气缸的通气口39在经过一定的作功角度后转过作功进气口109，已进入主 气缸中的作功气体继续推动动力活塞向下止点运行，使通过锥齿轮149相连的周转斜盘148 和主气缸38共同转动，并由周转斜盘带动输出轴100向外输出动力。当动力活塞86完成作 功过程离开下止点、上行对主气缸38中的气体进行压缩，在主气缸中的气体被压缩到与中 间冷却器112内的气体压力相同时，主气缸的通气口39也转到与阀盘108上的压缩排气口 110相沟通位置，由动力活塞把主气缸内的压缩空气排进中间冷却器，动力活塞行到上止点 后，主气缸的通气口39转过压缩排气口。

在图16实施方案中，副气缸1的旋转是经周转斜盘25、传动轴26和其上的从动锥齿轮 27被输出轴100带动。副气缸转动时，其上的小副缸10接收了来自中间冷却器112的低温 压缩空气，并在旋转中把压缩空气排进加热器126被外部热源加热，从加热器流出的热压缩 空气又被大副缸2压进隔热集气管35，形成温度和压力进一步提高的作功气体，以便在主气 缸的通气口39转到与作功进气口109相沟通位置时，进入主气缸进行膨胀作功过程。

在这种缸体旋转的热气机中，为了实现半封闭式的循环，在阀盘108上对应动力活塞处 于下止点的位置处，设有可与主气缸通气口39相沟通的扫气口40，该扫气口经扫气管路与 扫气泵41相连通。在主气缸38的下止点位置上设排气口42，该排气口经缸体外围的连通管 路43可与阀盘108上所设的同扫气口处于相同角度位置的排气出口154连通，在阀盘上所 设的扫气口40和排气出口154的位置如图17所示。为了利用中间冷却器112和排气出口154 所排出的热量，从中间冷却器外围的空气冷却套121和排气出口154所排出的含有一定热量 的空气被引向了燃烧炉134的供气口，以便提高燃烧炉内燃气的燃烧温度，让置于高温排气 管路132中的加热器126增中所吸收的热量。

图18给出的是主气缸和副气缸环型布置并形成旋转缸体的另一种本发明热气机的总体 结构，在这种结构的热气机中，采用了安装在中心固定轴106上的固定斜盘107来作为动力 转换机构。所设的主气缸38处在固定斜盘107的一侧，主气缸中的动力活塞86经动力活塞 杆90与套在固定斜盘上的十字头91相连，十字头再分别经两个半圆滑块92与被夹在中间 的固定斜盘107传动相连。副气缸1设在固定斜盘107的另一侧，副气缸通过中间外壳153 与主气缸38连为一体，副气缸中的配气活塞18经活塞杆17与十字头91的另一侧相连接。 为防止用于润滑固定斜盘的滑油进入主气缸，在主气缸底部设有可让动力活塞杆90穿过的 封挡盖155，各主气缸38中动力活塞与封挡盖之间所形成的底部空间156可由连接在各主气 缸底部之间的互通管158连通。这种可旋转的主气缸缸体与输出轴100固定相连，并由输出 轴进行动力输出。

以上详细说明了本发明中冷等压吸热式热气机的不同结构类型和其工作原理，由于本发 明的热气机通过加热器可利用多种不同的外部热源进行加热而获得作功能量，这为充分回收 利用工厂企业内的中、高温度废气所含的热量提供了有效途径，同时，因本发明的热气机通 过设置燃烧炉可燃用多种不同的生物质和煤碳等固体燃料，从而可广泛应用于船舶、发电和 农业机械等领域。

与普通内燃机相比，在充分调整平衡好外部热源的供热量、并对气缸采用了充分的隔热 措施后，可使本发明的热气机基本上避免了散热和排气损失，这样，虽然本发明的热气机是 一种外燃机，但由于其散热和排气损失很小，在热效率上仍会大幅度超过普通内燃机。因本 发明的热气机是以二行程方式运转，为获得作功热量虽然增加了加热器所需的换热管件等材 料，但二行程所减少的气缸数可完全抵消所增设的加热器，从而可让本发明的热气机在体积 上不会比四冲程内燃机增大很多。

与中冷回热内燃机相比，虽然本发明热气机工质的最高温度不如内燃方式高，但在以燃 烧炉作为外部热源时，由于可让中间冷却器排出的散热空气进入燃烧炉参与燃烧，相应回收 了中间冷却器所散发的热量，这使以外燃方式工作的本发明热气机在热效率上不会比中冷回 热内燃机低很多。

与蒸汽锅炉和汽轮机(或汽缸活塞)组成的外燃蒸汽动力系统相比，本发明的热气机由 于不存在蒸汽动力系统中作功后的乏汽因进行冷凝变成水而产生的冷凝损失，这使本发明的 热气机成为一种在热效率上得到大幅度提高的全新外燃动力装置。即便与目前的斯特林热气 机相比，由于本发明热气机中的加热器能与外部热源的高温气流在等压条件下进行更有利的 逆流换热过程，让加热器把外部高温气流所含的热量基本吸尽，这使本发明的热气机效率会 明显超过斯特林热气机。另外，由于本发明的热气机最高循环压力大大低于斯特林热气机， 采用半封闭循环时对密封的要求也不高，这也让本发明的热气机更容易在实际中生产推广。

在上述本发明的中冷等压加热式热气机中，即有适合制成单缸或多缸直列的热气机，也 有气缸环形布置、并让主气缸采用转阀结构的热气机。还有让环形布置的气缸进行旋转、并 全部采用转阀结构的热气机。丰富的结构类型，很高的循环热效率，再加上能通过燃烧炉使 用固体燃料和进行外燃连续燃烧所具有的低污染排放特性，这将使本发明的热气机在降低二 氧化碳气体排放和石油燃料的替代方面发挥出应有的作用。