CN106593687B - 冷热双缸外转子发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷热双缸外转子发动机，包括固定于发动机基座上并用于作为外转子发动机的内支架的固定偏心轴，固定偏心轴上通过轴承支承套设有用于通过热胀效应驱使而转动做功的热缸外转子机构以及用于通过冷缩效应驱使而转动做功的冷缸外转子机构，固定偏心轴上热缸外转子机构所处部位的偏心截面圆与冷缸外转子机构所处部位的偏心截面圆之间存在偏心角度差；热缸外转子机构与冷缸外转子机构之间设有用于将热缸外转子机构的型腔与冷缸外转子机构的型腔隔离以防止传导热量短路的中隔板，中隔板上开设有用于热缸外转子机构型腔内的热气流向冷缸外转子机构型腔的热气通道以及用于冷缸外转子机构型腔内的冷气流向热缸外转子机构型腔的冷气通道。

Description

冷热双缸外转子发动机

技术领域

本发明涉及热气发动机技术领域，特别地，涉及一种冷热双缸外转子发动机。

背景技术

活塞式热气发动机，又称斯特林发动机，是一种外部加热的闭式循环发动机。是一种独特的热机，通过气体受热膨胀、遇冷压缩而产生动力。是一种外燃发动机，使燃料连续地燃烧，蒸发的膨胀氢气(或氦气)作为动力气体使活塞运动，膨胀气体在冷气室冷却，反复地进行这样的循环过程。斯特林循环按正向循环工作时可以作热机循环，对外输出功；按逆向循环工作时，可以作热泵循环。

为了使热气发动机的动力性能提高，需要减少冷热双缸之间连接管路的容积，而且要减小流通阻力提高热交换能力，使斯特林发动机的设计制造难度提高，需要研究更接近斯特林循环的换气机构和热交换部件以及机械途径。

发明内容

本发明提供了一种冷热双缸外转子发动机，以解决现有斯特林发动机，为了使热气发动机的动力性能提高，需要减少冷热双缸之间连接管路的容积，而且要减小流通阻力提高热交换能力，造成斯特林发动机的设计制造难度提高的技术问题。

本发明提供一种冷热双缸外转子发动机，包括固定于发动机基座上并用于作为外转子发动机的内支架的固定偏心轴，固定偏心轴上通过轴承支承套设有用于通过热胀效应驱使而转动做功的热缸外转子机构以及用于通过冷缩效应驱使而转动做功的冷缸外转子机构，固定偏心轴上热缸外转子机构所处部位的偏心截面圆与冷缸外转子机构所处部位的偏心截面圆之间存在偏心角度差；热缸外转子机构与冷缸外转子机构之间设有用于将热缸外转子机构的型腔与冷缸外转子机构的型腔隔离以防止传导热量短路的中隔板，中隔板上开设有用于热缸外转子机构型腔内的热气流向冷缸外转子机构型腔的热气通道以及用于冷缸外转子机构型腔内的冷气流向热缸外转子机构型腔的冷气通道。

进一步地，热缸外转子机构包括热缸五角内转子以及热缸外机匣转子，热缸外机匣转子转动带动热缸外机匣转子型腔内的热缸五角内转子在热缸外机匣转子型腔内作展成运动；热缸五角内转子与热缸外机匣转子有转速差，热缸五角内转子与热缸外机匣转子之间形成多个用于随热缸五角内转子与热缸外机匣转子的相对转动容腔容积大小呈周期性变化的热缸月牙形气室，热缸外机匣转子外设有用于对热缸外机匣转子外周提供流动热气并与热缸外机匣转子内的热缸月牙形气室进行热交换以提高热缸月牙形气室内的热量的换热通道，中隔板上设有用于热缸月牙形气室容积变大过程中将冷缸外转子机构型腔内排出的冷气吸入热缸月牙形气室内遇热进行膨胀做功的热缸进气口，热缸进气口连通冷气通道；中隔板上设有用于热缸月牙形气室容积变小过程中将热缸月牙形气室内升温后的热气排向冷缸外转子机构型腔内的热缸排气口，热缸排气口连通热气通道；热缸月牙形气室、热缸进气口、热缸排气口三者一一对应布设。

进一步地，换热通道采用固接于发动机基座上用于收集热气气流并防止热缸外机匣转子遇冷的热气涡壳。

进一步地，换热通道的输出端连有用于将带火焰的热气引向换热通道内与热缸月牙形气室进行热交换以提高热缸月牙形气室内的热量并将换热后的气体引出换热通道的引气斗。

进一步地，冷缸外转子机构包括冷缸五角内转子以及冷缸外机匣转子，冷缸外机匣转子转动带动冷缸外机匣转子型腔内的冷缸五角内转子在冷缸外机匣转子型腔内作展成运动；冷缸五角内转子与冷缸外机匣转子有转速差，冷缸五角内转子与冷缸外机匣转子之间形成多个用于随冷缸五角内转子与冷缸外机匣转子的相对转动容腔容积大小呈周期性变化的冷缸月牙形气室，中隔板上设有用于冷缸月牙形气室容积变大过程中将热缸外转子机构型腔内排出的热气吸入冷缸月牙形气室内遇冷进行冷缩做功的冷缸进气口，冷缸进气口连通热气通道；中隔板上设有用于冷缸月牙形气室容积变小过程中将冷缸月牙形气室内降温后的冷气排向热缸外转子机构型腔内的冷缸排气口，冷缸排气口连通冷气通道；冷缸月牙形气室、冷缸进气口、冷缸排气口三者一一对应布设。

进一步地，冷缸外机匣转子外设有用于加快冷缸外机匣转子内腔散热的散热片；散热片外设有用于为散热片提供喷淋水以加快散热片散热的喷淋水冷装置。

进一步地，中隔板包括封盖并固接于热缸外机匣转子的型腔上的热板以及封盖并固接于冷缸外机匣转子的型腔上的冷板，热板与冷板固接。

进一步地，热缸五角内转子外开设有用于将吸入的冷气分配到相应的热缸月牙形气室内的热缸配气槽；和/或冷缸五角内转子外开设有用于将吸入的热气分配到相应的冷缸月牙形气室内的冷缸配气槽。

进一步地，固定偏心轴通过花键机械连接在发动机基座的安装节上；固定偏心轴内具有用于引入高压气体的空气道；空气道的前端设有用于固定偏心轴工作时通过灌脂封闭空气道前端的润滑脂接口；空气道后端设有用于向空气道内打入高压气体以使热缸外转子机构增压而提高扭矩和功率的增压接口。

进一步地，冷热双缸外转子发动机通过发动机基座安装于航天飞行器、船舶、潜艇或固定翼无人机上，用作辅助动力装置。

本发明具有以下有益效果：

本发明冷热双缸外转子发动机，既利用了α型斯特林发动机的热缸和冷缸都能依靠气体热胀冷缩做功的原理；又利用了外转子发动机缸体热交换性能良好并能适时开启或密闭气缸的特点。利用在火焰中高速旋转的热翅加热热缸外转子机构内封闭气室的冷气，使其密闭状态膨胀做功；将膨胀了的热气转移到冷缸外转子机构，再利用在空气中高速旋转的散热片冷却冷缸外转子机构内封闭空间的热气，使其密闭状态收缩再次做功；然后将收缩了的冷气转移到热缸外转子机构，继续下一次循环。采用热缸外转子机构和冷缸外转子机构两个气缸分别加热和冷却，即冷热双缸的技术，避免了采用单一的密闭气缸交替加热和冷却使内部气体热胀冷缩做功的办法；通过来回转移气体的巧妙方法实现了冷热分区，可以持续地加热和冷却。

将冷热双缸热气发动机的基本原理套用在外转子发动机结构上，设计出本发明冷热双缸外转子热气发动机。将双缸外转子发动机的热气缸和冷气缸内的工质通过中隔板进行交换，同时设计了两个五角转子不同的工作相位，实现热气缸变容室和冷气缸变容室的完美配合。利用五角转子边沿和端面进/排气口的相对运动，这些气室会按时序打开或关闭。每个热缸变容室都会适时吸入少量容积的高密度冷气，密闭后升温，气体膨胀做功；每个冷缸变容室都会适时吸入满容积的低密度热气，密闭后降温，气体收缩，气压力也做功。

冷热双缸外转子热气发动机结构紧凑，没有不平衡惯性力，转速高，分区加热和冷却，可回热利用，热效率高，显著提升热气发动机的制造工艺性和实用性。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的冷热双缸外转子发动机的结构示意图之一；

图2是本发明优选实施例的冷热双缸外转子发动机的结构示意图之二；

图3是本发明优选实施例的热缸外转子机构的结构示意图；

图4是本发明优选实施例的冷缸外转子机构的结构示意图。

图例说明：

1、固定偏心轴；101、空气道；102、润滑脂接口；103、增压接口；2、热缸外转子机构；201、热缸五角内转子；2011、热缸配气槽；202、热缸外机匣转子；203、热缸月牙形气室；204、换热通道；205、热缸进气口；206、热缸排气口；3、冷缸外转子机构；301、冷缸五角内转子；3011、冷缸配气槽；302、冷缸外机匣转子；303、冷缸月牙形气室；304、冷缸进气口；305、冷缸排气口；4、中隔板；401、热板；402、冷板；5、热气通道；6、冷气通道；7、发动机基座；8、引气斗；9、散热片；10、喷淋水冷装置。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

图1是本发明优选实施例的冷热双缸外转子发动机的结构示意图之一；图2是本发明优选实施例的冷热双缸外转子发动机的结构示意图之二；图3是本发明优选实施例的热缸外转子机构的结构示意图；图4是本发明优选实施例的冷缸外转子机构的结构示意图。

如图1所示，本实施例的冷热双缸外转子发动机，包括固定于发动机基座7上并用于作为外转子发动机的内支架的固定偏心轴1，固定偏心轴1上通过轴承支承套设有用于通过热胀效应驱使而转动做功的热缸外转子机构2以及用于通过冷缩效应驱使而转动做功的冷缸外转子机构3，固定偏心轴1上热缸外转子机构2所处部位的偏心截面圆与冷缸外转子机构3所处部位的偏心截面圆之间存在偏心角度差；热缸外转子机构2与冷缸外转子机构3之间设有用于将热缸外转子机构2的型腔与冷缸外转子机构3的型腔隔离以防止传导热量短路的中隔板4，中隔板4上开设有用于热缸外转子机构2型腔内的热气流向冷缸外转子机构3型腔的热气通道5以及用于冷缸外转子机构3型腔内的冷气流向热缸外转子机构2型腔的冷气通道6。本发明冷热双缸外转子发动机，既利用了α型斯特林发动机的热缸和冷缸都能依靠气体热胀冷缩做功的原理；又利用了外转子发动机缸体热交换性能良好并能适时开启或密闭气缸的特点。利用在火焰中高速旋转的热翅加热热缸外转子机构2内封闭气室的冷气，使其密闭状态膨胀做功；将膨胀了的热气转移到冷缸外转子机构3，再利用在空气中高速旋转的散热片9冷却冷缸外转子机构3内封闭空间的热气，使其密闭状态收缩再次做功；然后将收缩了的冷气转移到热缸外转子机构2，继续下一次循环。采用热缸外转子机构2和冷缸外转子机构3两个气缸分别加热和冷却，即冷热双缸的技术，避免了采用单一的密闭气缸交替加热和冷却使内部气体热胀冷缩做功的办法；通过来回转移气体的巧妙方法实现了冷热分区，可以持续地加热和冷却。将冷热双缸热气发动机的基本原理套用在外转子发动机结构上，设计出本发明冷热双缸外转子热气发动机。将双缸外转子发动机的热气缸和冷气缸内的工质通过中隔板4进行交换，同时设计了两个五角转子不同的工作相位，实现热气缸变容室和冷气缸变容室的完美配合。利用五角转子边沿和端面进/排气口的相对运动，这些气室会按时序打开或关闭。每个热缸变容室都会适时吸入少量容积的高密度冷气，密闭后升温，气体膨胀做功；每个冷缸变容室都会适时吸入满容积的低密度热气，密闭后降温，气体收缩，气压力也做功。冷热双缸外转子热气发动机结构紧凑，没有不平衡惯性力，转速高，分区加热和冷却，可回热利用，热效率高，显著提升热气发动机的制造工艺性和实用性。

如图1、图2和图3所示，本实施例中，热缸外转子机构2包括热缸五角内转子201以及热缸外机匣转子202，热缸外机匣转子202转动带动热缸外机匣转子202型腔内的热缸五角内转子201在热缸外机匣转子202型腔内作展成运动。热缸五角内转子201与热缸外机匣转子202有转速差。热缸五角内转子201与热缸外机匣转子202之间形成多个用于随热缸五角内转子201与热缸外机匣转子202的相对转动容腔容积大小呈周期性变化的热缸月牙形气室203。热缸外机匣转子202外设有用于对热缸外机匣转子202外周提供流动热气并与热缸外机匣转子202内的热缸月牙形气室203进行热交换以提高热缸月牙形气室203内的热量的换热通道204。中隔板4上设有用于热缸月牙形气室203容积变大过程中将冷缸外转子机构3型腔内排出的冷气吸入热缸月牙形气室203内遇热进行膨胀做功的热缸进气口205。热缸进气口205连通冷气通道6。中隔板4上设有用于热缸月牙形气室203容积变小过程中将热缸月牙形气室203内升温后的热气排向冷缸外转子机构3型腔内的热缸排气口206。热缸排气口206连通热气通道5。热缸月牙形气室203、热缸进气口205、热缸排气口206三者一一对应布设。

如图1、图2和图3所示，本实施例中，换热通道204采用固接于发动机基座7上用于收集热气气流并防止热缸外机匣转子202遇冷的热气涡壳。

如图1、图2和图3所示，本实施例中，换热通道204的输出端连有用于将热气气流引向换热通道204内与热缸月牙形气室203进行热交换以提高热缸月牙形气室203内的热量并将换热后的气体引出换热通道204的引气斗8。

如图1、图2和图4所示，本实施例中，冷缸外转子机构3包括冷缸五角内转子301以及冷缸外机匣转子302，冷缸外机匣转子302转动带动冷缸外机匣转子302型腔内的冷缸五角内转子301在冷缸外机匣转子302型腔内作展成运动。冷缸五角内转子301与冷缸外机匣转子302有转速差。冷缸五角内转子301与冷缸外机匣转子302之间形成多个用于随冷缸五角内转子301与冷缸外机匣转子302的相对转动容腔容积大小呈周期性变化的冷缸月牙形气室303。中隔板4上设有用于冷缸月牙形气室303容积变大过程中将热缸外转子机构2型腔内排出的热气吸入冷缸月牙形气室303内遇冷进行冷缩做功的冷缸进气口304。冷缸进气口304连通热气通道5。中隔板4上设有用于冷缸月牙形气室303容积变小过程中将冷缸月牙形气室303内降温后的冷气排向热缸外转子机构2型腔内的冷缸排气口305。冷缸排气口305连通冷气通道6。冷缸月牙形气室303、冷缸进气口304、冷缸排气口305三者一一对应布设。

如图1、图2和图4所示，本实施例中，冷缸外机匣转子302外设有用于加快冷缸外机匣转子302内腔散热的散热片9。散热片9外设有用于为散热片9提供喷淋水以加快散热片9散热的喷淋水冷装置10。

如图1所示，本实施例中，中隔板4包括封盖并固接于热缸外机匣转子202的型腔上的热板401以及封盖并固接于冷缸外机匣转子302的型腔上的冷板402。热板401与冷板402固接。

如图1、图3和图4所示，本实施例中，热缸五角内转子201外开设有用于将吸入的冷气分配到相应的热缸月牙形气室203内的热缸配气槽2011；和/或冷缸五角内转子301外开设有用于将吸入的热气分配到相应的冷缸月牙形气室303内的冷缸配气槽3011。

如图1和图2所示，本实施例中，固定偏心轴1通过花键机械连接在发动机基座7的安装节上。固定偏心轴1内具有用于引入高压气体的空气道101。空气道101的前端设有用于固定偏心轴1工作时通过灌脂封闭空气道101前端的润滑脂接口102。空气道101后端设有用于向空气道101内打入高压气体以使热缸外转子机构2增压而提高扭矩和功率的增压接口103。

本实施例中，冷热双缸外转子发动机通过发动机基座7安装于航天飞行器、船舶、潜艇或固定翼无人机上，用作辅助动力装置。

实施时，提供一种冷热双缸外转子热气动机，设计中等排量的冷热双缸外转子发动机，初步设计一台4～20kw的冷热双缸外转子斯特林发动机外径540mm，长度500mm，重量100kg以内。偏心距E＝15，形状系数K＝15，缸体厚度150mm，单个气室容积：1.722升。采用酒精或煤油喷灯产生的火焰，如采用酒精灯，可以有多根灯芯。气缸外沿引入微弱增压和预热的新鲜空气作为主燃气流；涡壳引回的热气(250～300℃)作为掺混气流。冷热双缸外转子发动机预热运转起来以后再打开喷淋水阀门，使缸体快速均匀的冷却。控制水流量不要流失太多。采用滚动轴承，油脂润滑，简化润滑系统，提高机械效率和可靠性，延长使用寿命。还有无刷电调、无刷电机、传动皮带、酒精灯、打火机等可选附件。该外燃发动机采用普通酒精灯或喷灯提供高温火焰，加热高速旋转的热缸(热缸外转子机构2)。采用外部空气冷却高速旋转的冷缸(冷缸外转子机构3)，也可在冷缸缸外转子机构上喷淋冷却水(喷淋水冷装置10)。将外转子发动机的外壳：热缸外机匣转子202和冷缸外机匣转子302(由冷热两个气缸/缸盖组成)与中隔板4连接并旋转，其内部的两个五角转子(热缸五角内转子201和冷缸五角内转子301)与气缸(热缸外机匣转子202的气缸和冷缸外机匣转子302的气缸)有转速差。一根固定偏心轴1有两处偏心圆，角度差约112.5°，作为内支架固定在发动机座上。由于径向密封条(热缸五角内转子201五角位置的密封条或冷缸五角内转子301五角位置的密封条)与气缸型面(热缸外机匣转子202的型面和冷缸外机匣转子302的型面)滑动接触，形成前后共十个旋转的容积变化的月牙形气室(热缸月牙形气室203或冷缸月牙形气室303)。

前后缸盖没有气口，只有中隔板4的正反两面开有端面换气口。由于中隔板4是组合件，内部形成复杂的气流交换通道，根据它的功能特点，又称为工质交流板。中隔板4热面的每个排气口(热缸排气口206)只与冷面相对应的一个进气口(冷缸进气口304)相通，流通高温的工质。中隔板4热面的每个进气口(热缸进气口205)只和冷面相对应的一个排气口(冷缸排气口305)相通，流通低温的工质。反之亦然，共有四组这样的通道均布。工质交流板(中隔板4)由冷板402和热板401拼合而成，中间可以夹绝热橡胶薄膜，防止传导热量短路。冷板402和热板401的构造几何形状是相同的，材料可以不同。冷板402和热板401之间的摩擦面开有八个浅槽，每个浅槽内有一个圆孔与后面的沟槽相通，两块板沟槽拼合成八个通道，分为均布的四组冷热交叉通道。热缸(热缸外转子机构2)的热缸排气口206通过热气沟槽与对面的冷缸(冷缸外转子机构3)的冷缸进气口304相通；冷缸(冷缸外转子机构3)的冷缸排气口305通过冷气沟槽与对面的热缸(热缸外转子机构2)的热缸进气口205相通。

热缸(热缸外转子机构2)和冷缸(冷缸外转子机构3)的构造几何形状是相同的，材料可以不同，通过多根定位销与工质交流板、前缸盖、后缸盖串装在一起角度位置相同。前后缸盖上装有轴承和磁性密封圈，与固定的偏心轴配合，支承整个外转子，使其在密闭状态下高速旋转。可以从固定偏心轴1一端打入高压气体，渗入工作腔后使热气发动机增压，扭矩和功率都可以成倍数增加。为了提高功率和回热量，可以选用涡壳状导气罩分别把热缸(热缸外转子机构2)和冷缸(冷缸外转子机构3)包容，对冷缸(冷缸外转子机构3)强制吹风冷却，少量引气由管路通绕过燃气涡壳时被尾气预热，作为新鲜的助燃空气，大量燃空在燃气涡壳中循环掺混火焰并加热气缸。

冷热双缸外转子热气发动机有两个相同的五角转子组件(热缸五角内转子201和冷缸五角内转子301)，分别装在热缸(热缸外转子机构2)和冷缸(冷缸外转子机构3)内，自转方向和外转子(气缸组件：热缸外机匣转子202和冷缸外机匣转子302)的方向相同，转速是后者的4/5，五角转子(热缸五角内转子201和冷缸五角内转子301)向外端的内齿圈由前后端盖上的相位齿轮驱动。两个五角转子(热缸五角内转子201和冷缸五角内转子301)不同心，在固定偏心轴1上角度位置相差约112.5°。固定偏心轴1是相对机座静止的，热缸外转子机构2和冷缸外转子机构3都在定轴旋转，不需要专设的平衡配重。

同属热气发动机，冷热双缸外转子热气发动机的工质循环过程不同于斯特林发动机。由于热缸(热缸外转子机构2)和冷缸(冷缸外转子机构3)自有阀门开关作用，且每个月牙形气室都是向斜前方月牙形气室排气，从斜后方月牙形气室吸气，是对两个相邻月牙形气室分别排气或吸气。工质大部份转移到冷缸(冷缸外转子机构3)后，冷缸进气口304自动关闭中隔板4，冷缸排气口305被热缸五角内转子201堵住，冷缸(冷缸外转子机构3)工质散热收缩，温度和气压降低，热缸(热缸外转子机构2)工质虽在吸热膨胀，但暂时不与冷缸(冷缸外转子机构3)相通，不影响冷缸(冷缸外转子机构3)的气压降低，也不影响热缸(热缸外转子机构2)的气压升高；工质大部份转移到热缸(热缸外转子机构2)后，热缸进气口205自动关闭，热缸排气口206被冷缸五角内转子301堵住，热缸(热缸外转子机构2)工质吸热膨胀，温度和气压升高，冷缸(冷缸外转子机构3)工质虽在散热收缩，但暂时不与热缸(热缸外转子机构2)相通，不影响热缸(热缸外转子机构2)的气压升高，也不影响冷缸(冷缸外转子机构3)的气压降低。两个气缸内表面的气压分布情况都使合力通过各自的五角内转子中心，相对气缸中心的距离是E(偏心距)，气压合力会产生工作扭矩而做功，直观而言，冷缸(冷缸外转子机构3)的低气压和热缸(热缸外转子机构2)的高气压都会做功。工质只在冷缸(冷缸外转子机构3)散热收缩，只在热缸(热缸外转子机构2)吸热膨胀，使冷热双缸外转子热气发动机做功能力强悍。工质转移过程中冷热缸才相通，吸热和散热基本均衡，工质温度、体积、气压变化很小。

由于单缸内有五个控制容积和四个变容部位安排了四个排气口与四个进气口，冷热双缸外转子每转一圈做功八次，做功频次高，扭矩均匀，缸体转动惯量大，不需要额外附加的飞轮，转速波动很小。

冷热双缸外转子发动机工质密封，循环使用，可通过五角转子(热缸五角内转子201或冷缸五角内转子301)和端盖密封处渗漏增压，而五角转子(热缸五角内转子201或冷缸五角内转子301)腔对外界的渗漏由磁性密封圈阻止。工作时没有爆发压力，结构强度问题不突出，密封条的泄漏量也不多，主要考虑热缸的耐热耐磨问题。采用增压和薄壁导热结构提高热交换速率，能提高冷热双缸外转子发动机的压差和转速，因此可提高功率并减轻重量。铝合金比重低，导热性能良好，但是熔化点低(580～650℃)，故适宜作冷缸(冷缸外转子机构3)材料。铜合金(熔化点1080℃)适宜作热缸(热缸外转子机构2)材料，可提高工作温度。冷热双缸外转子发动机的瞬时火焰温度接近900℃，为安全起见，工作一分钟后要把火焰温度降到600℃以下。对于地面使用的冷热双缸外转子发动机，有条件淋水冷却的地方，可以持续地把水滴在旋转的气缸的散热片9上，显著地加快缸内气体的冷却速度并保护缸体和缸盖不受高温损坏，功率也会上升。喷淋冷却生产热水可做其他用途。

控制燃料流量和火焰大小可以缓慢改变输出功率。

一台无刷电动机可通过皮带传动起动冷热双缸外转子发动机，然后由冷热双缸外转子发动机驱动无刷电动机发电或驱动螺旋桨产生推力。由于工质可增压，冷热双缸外转子发动机功重比亦可提高。预热空气利用了一部分气缸散发的热量，回热系数较高，原理上总热效率较高，故有可能用作船舶、潜艇、固定翼无人机的辅助动力装置。冷热双缸外转子发动机比其它热气发动机结构更紧凑、运转更平稳，静音低辐射。

从原理上分析计算，冷热双缸外转子发动机的功率受到热缸型面温度的制约，需要新型的热面防粘减磨传热润滑材料和热力特性更好的工质，例如石墨、一氧化碳、氦、氢。冷热双缸外转子发动机回热利用效率高而且可以利用外部的廉价热量，例如工业废热、太阳能，因此开发千瓦级的冷热双缸外转子发动机可以达到实用要求，有良好的经济性能。根据初步设计一台4～20kw的冷热双缸外转子发动机外径540mm，长度500mm，重量120kg以内。

冷热双缸外转子发动机有以下优点：

冷热双缸外转子发动机外形呈圆柱形，长径比接近于1，附件和外接管路很少，便于安装使用，维护工作极少。理论上，这是一种可以单纯依靠热流(Q)转化出部分机械功并发电的转子发动机，并不需要吸气、排气和燃料或电，因此是可用于航天和外星球的发动机，具有重要的科学探索价值。未来单纯依靠电流(I)输出机械功的电动机和单纯依靠热流(Q)转化出部分机械的冷热双缸外转子发动机都用于航天和外星球的机械动力，互为补充，毕竟外太空经常热多电少。该发动机的平衡性优越，有自转运动的外转子缸体组件和五角转子组件，没有往复运动活塞，没有摆动的连杆，没有旋转的曲轴。象无刷电机一样安静均匀地运转。该发动机的扭矩比斯特林发动机高。因为可增压的冷热双缸外转子发动机工质转移到了缸体内就良好地封闭起来，各自热胀冷缩。气体与缸壁的相对速度也高，内部对流传热系数较高，外部气体与散热片的相对速度也高，外部对流传热系数较高，能较快地传热，产生较大的压差。该发动机的热能利用率高，冷热双缸在隔离状态下热胀冷缩，理论热效率接近卡诺循环热效率。由于进气口和排气口分开，工质单向流动，气流动能损失小，换气率高、温差大。普通斯特林发动机的工质往复流动，气流动能损失大，导致转速低，效率低，很难提高。可以试验燃烧多种气体或液体燃料，可用固体燃料(矿物和煤)和有灰烬的有机燃料(木柴秸杆干牛粪)。可以用燃烧废气和气缸排气的热量预热空气。回热循环使总热效率提高。可以试验太阳能聚焦，多路光纤传输，辐射到高速旋转的热缸外表而不依赖低效的对流传热。高速旋转的缸体受热均匀，减小了辐射加热的热应力，适于太阳能转化和航天应用。冷热双缸外转子斯特林发动机部件少，无暴发力，可采用薄壁结构的缸体和缸盖。既减小热阻，提高了热流量，又减轻了结构重量。普通斯特林发动机的加热器、回热器、散热器结构精细，工艺难度大，难于减轻结构重量。发动机可以与外转子无刷电动机同轴组合或机械传动，扭矩匹配，结构紧凑，很好地解决发动机电起动和发电及冷却问题。冷热双缸外转子发动机采用消耗式滑油润滑系统，从偏心轴中心孔添加微量耐高温自润滑材料(含二硫化钼、石墨)和油脂。五角转子上的密封弹簧都采用小弹力，减少摩擦力，使低功率的发动机也可以顺溜地运转。

五角转子(热缸五角内转子201和冷缸五角内转子301)旋转变化容积用于冷热双缸外转子发动机，一个气缸加热，一个气缸冷却，两个气缸绑在一起旋转。五角转子和气缸构成5X2个旋转变化的容腔，在气缸内有四处容积峰值，做功频次高，做功能力强。两个五角转子(热缸五角内转子201和冷缸五角内转子301)的相位由各自的固定偏心轴的角度控制，可以设计出热区和冷区的相位差。由于转子面上每个气室容积相位差72°，使工质交流的时序基本符合要求。在固定偏心轴的一端连接高压储气瓶，安装单向阀打气嘴，以简单的方式实现了冷热双缸外转子发动机静压增压。工质交流板的内部通道和构造巧妙，具有部分回热器的功能。端面进气口和排气口，隔离进气和排气过程，工质交流路径最短，动能损失少。利用旋转对称的缸体高速旋转并与外部对流或辐射交换热量，温度梯度均匀，热变形小，使热气发动机的功率密度有所增加。因为热气发动机的功率受限于固体壁面的对流散热和热传导。从缸体切向引入的微热空气扩散增压后输向回热器，温度达到200℃左右，在酒精喷灯中与燃料混合燃烧产生火焰，利用在涡壳内旋转的热缸带动气流，掺混成500℃左右的热气，加热气缸。因此工作过程中不断地添加热量(新鲜空气和燃料化合生成)，大部分热空气带着热能在热缸圆周循环，温度稍低的气体甩到涡壳外壁引出输向回热器。全风冷旋转气缸也可喷淋水冷，提高功率。通过传动箱将两台或多台冷热双缸外转子发动机组合成多缸机，空心的固定偏心轴1两端固定支承，使总功率倍增。

提高了冷热双缸外转子发动机的单机功率、功重比和热效率。冷热双缸外转子发动机对结构强度的要求较低，结构轻量化，使用寿命长。直接在热缸内加热再直接在冷缸内冷却的工作方式省去了专用的冷热交换器。可利用多种外部热源或太阳能，经济性好。高热效率的轻量化冷热双缸外转子发动机和高放电系数的锂电池无刷电机组合可用作固定翼无人机的辅助动力装置。功重比很低的斯特林发动机用于航空有很高的技术难度，但这种点燃一盏灯(灯的供热量要达到要求)就可工作的发动机运转安静，回热效率高，可靠性高。冷热双缸外转子发动机节省了配气气缸、配气活塞、曲轴箱等零部件的重量，可望达到一般的功重比水平(0.2～0.5kw/kg)。冷热双缸外转子发动机转速高，缸温高，气压高，但不易发生拉缸、烧瓦、抱轴、卡死等故障。不用高压电点火，不用高压喷油嘴，燃料在常压低速气流中连续燃烧，熄火故障率低。冷热双缸外转子发动机结构简单，只需要很少的附件，容易制造和维护。点燃一盏酒精灯，推动一下气缸，冷热双缸外转子发动机就不知疲倦地运转，它所需要的似乎只有热流量。外转子的旋转储蓄机械能多，储蓄热也多，转速波动小。与其他热气发动机一样，熄火后不会立即停车，余转时间长，熄火后重新点灯即可恢复运转功率。发动机整机外形呈圆柱形，迎风面积小，由于平衡气缸旋转，振动水平非常低。运转噪音水平非常低。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种冷热双缸外转子发动机，包括固定于发动机基座(7)上并用于作为外转子发动机的内支架的固定偏心轴(1)，

其特征在于，

所述固定偏心轴(1)上通过轴承支承套设有用于通过热胀效应驱使而转动做功的热缸外转子机构(2)以及用于通过冷缩效应驱使而转动做功的冷缸外转子机构(3)，

所述固定偏心轴(1)上所述热缸外转子机构(2)所处部位的偏心截面圆与所述冷缸外转子机构(3)所处部位的偏心截面圆之间存在偏心角度差；

所述热缸外转子机构(2)与所述冷缸外转子机构(3)之间设有用于将所述热缸外转子机构(2)的型腔与所述冷缸外转子机构(3)的型腔隔离以防止传导热量短路的中隔板(4)，

所述中隔板(4)上开设有用于所述热缸外转子机构(2)型腔内的热气流向冷缸外转子机构(3)型腔的热气通道(5)以及用于所述冷缸外转子机构(3)型腔内的冷气流向热缸外转子机构(2)型腔的冷气通道(6)。

2.根据权利要求1所述的冷热双缸外转子发动机，其特征在于，

所述热缸外转子机构(2)包括热缸五角内转子(201)以及热缸外机匣转子(202)，所述热缸外机匣转子(202)转动带动所述热缸外机匣转子(202)型腔内的所述热缸五角内转子(201)在所述热缸外机匣转子(202)型腔内作展成运动；

所述热缸五角内转子(201)与所述热缸外机匣转子(202)有转速差，

所述热缸五角内转子(201)与所述热缸外机匣转子(202)之间形成多个用于随所述热缸五角内转子(201)与所述热缸外机匣转子(202)的相对转动容腔容积大小呈周期性变化的热缸月牙形气室(203)，

所述热缸外机匣转子(202)外设有用于对所述热缸外机匣转子(202)外周提供流动热气并与所述热缸外机匣转子(202)内的所述热缸月牙形气室(203)进行热交换以提高所述热缸月牙形气室(203)内的热量的换热通道(204)，

所述中隔板(4)上设有用于所述热缸月牙形气室(203)容积变大过程中将所述冷缸外转子机构(3)型腔内排出的冷气吸入所述热缸月牙形气室(203)内遇热进行膨胀做功的热缸进气口(205)，所述热缸进气口(205)连通所述冷气通道(6)；

所述中隔板(4)上设有用于所述热缸月牙形气室(203)容积变小过程中将所述热缸月牙形气室(203)内升温后的热气排向所述冷缸外转子机构(3)型腔内的热缸排气口(206)，所述热缸排气口(206)连通所述热气通道(5)；

所述热缸月牙形气室(203)、所述热缸进气口(205)、所述热缸排气口(206)三者一一对应布设。

3.根据权利要求2所述的冷热双缸外转子发动机，其特征在于，

所述换热通道(204)采用固接于所述发动机基座(7)上用于收集热气气流并防止所述热缸外机匣转子(202)遇冷的热气涡壳。

4.根据权利要求2所述的冷热双缸外转子发动机，其特征在于，

所述换热通道(204)的输出端连有用于将热气气流引向所述换热通道(204)内与所述热缸月牙形气室(203)进行热交换以提高所述热缸月牙形气室(203)内的热量并将换热后的气体引出所述换热通道(204)的引气斗(8)。

5.根据权利要求2所述的冷热双缸外转子发动机，其特征在于，

所述冷缸外转子机构(3)包括冷缸五角内转子(301)以及冷缸外机匣转子(302)，所述冷缸外机匣转子(302)转动带动所述冷缸外机匣转子(302)型腔内的所述冷缸五角内转子(301)在所述冷缸外机匣转子(302)型腔内作展成运动；

所述冷缸五角内转子(301)与所述冷缸外机匣转子(302)有转速差，

所述冷缸五角内转子(301)与所述冷缸外机匣转子(302)之间形成多个用于随所述冷缸五角内转子(301)与所述冷缸外机匣转子(302)的相对转动容腔容积大小呈周期性变化的冷缸月牙形气室(303)，

所述中隔板(4)上设有用于所述冷缸月牙形气室(303)容积变大过程中将所述热缸外转子机构(2)型腔内排出的热气吸入所述冷缸月牙形气室(303)内遇冷进行冷缩做功的冷缸进气口(304)，所述冷缸进气口(304)连通所述热气通道(5)；

所述中隔板(4)上设有用于所述冷缸月牙形气室(303)容积变小过程中将所述冷缸月牙形气室(303)内降温后的冷气排向所述热缸外转子机构(2)型腔内的冷缸排气口(305)，所述冷缸排气口(305)连通所述冷气通道(6)；

所述冷缸月牙形气室(303)、所述冷缸进气口(304)、所述冷缸排气口(305)三者一一对应布设。

6.根据权利要求5所述的冷热双缸外转子发动机，其特征在于，

所述冷缸外机匣转子(302)外设有用于加快所述冷缸外机匣转子(302)内腔散热的散热片(9)；

所述散热片(9)外设有用于为所述散热片(9)提供喷淋水以加快所述散热片(9)散热的喷淋水冷装置(10)。

7.根据权利要求5所述的冷热双缸外转子发动机，其特征在于，

所述中隔板(4)包括封盖并固接于所述热缸外机匣转子(202)的型腔上的热板(401)以及封盖并固接于所述冷缸外机匣转子(302)的型腔上的冷板(402)，

所述热板(401)与所述冷板(402)固接。

8.根据权利要求5所述的冷热双缸外转子发动机，其特征在于，

所述热缸五角内转子(201)外开设有用于将吸入的冷气分配到相应的所述热缸月牙形气室(203)内的热缸配气槽(2011)；和/或

所述冷缸五角内转子(301)外开设有用于将吸入的热气分配到相应的所述冷缸月牙形气室(303)内的冷缸配气槽(3011)。

9.根据权利要求1至8任一项所述的冷热双缸外转子发动机，其特征在于，

所述固定偏心轴(1)通过花键机械连接在所述发动机基座(7)的安装节上；

所述固定偏心轴(1)内具有用于引入高压气体的空气道(101)；

所述空气道(101)的前端设有用于所述固定偏心轴(1)工作时通过灌脂封闭所述空气道(101)前端的润滑脂接口(102)；

所述空气道(101)后端设有用于向所述空气道(101)内打入高压气体以使所述热缸外转子机构(2)增压而提高扭矩和功率的增压接口(103)。

10.根据权利要求1至8任一项所述的冷热双缸外转子发动机，其特征在于，

冷热双缸外转子发动机通过所述发动机基座(7)安装于航天飞行器、船舶、潜艇或固定翼无人机上，用作辅助动力装置。