CN110821706B - 斯特林发动机及其热交换方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种斯特林发动机及其热交换方法。该斯特林发动机包括曲轴；膨胀缸；压缩缸；换热器，包括热腔、多个工质腔以及转动柱体，且冷热工质互为逆流，热腔和工质腔至少共用同一个转动柱体的外侧壁作为各自的内壁，空气冷却器，包括第一冷却通道；在曲轴转动时第一膨胀缸与第一压缩缸能交替地被压缩。做功工质在工质腔中进行表面换热，不需要蓄热体材料填充，则可实现回热器所具有的的蓄、放热功能。无因蓄热体间隙过小引起的工质流动阻力较大而造成的诸多问题。同时，高温热气能量因逆流换热得到充分利用。此种斯特林发动机及其热交换方法适合于斯特林发动机在高温下的换热且综合热效率高。

Description

斯特林发动机及其热交换方法

技术领域

本发明涉及特种工程传热方面的高温换热领域，具体涉及一种斯特林发动机及其热交换方法。

背景技术

斯特林发动机是一种外部燃烧加热的闭式循环发动机，其有五大突出优点：

①.燃料的广谱性，由于是外部燃烧加热，因此它可适应各种气体、液体、固体燃料及太阳能和废热等。

②.理论循环热效率高，最接近卡诺循环热效率。

③.结构简单，无进排气阀系统。

④.噪音低，既无内燃机的爆燃噪声，又无汽轮机气流尖叫噪音。

⑤.由于属于密闭循环工质，可以带压运行，可有效减少发动机体积。

斯特林发动机主要有以下五部分按顺序串联组成：

高温膨胀缸（主要负责对外做功）→加热器（主要吸收外部热量，加热做功工质）→回热器（主要吸收做功后的乏热，实现部分热量的回收利用）→空气冷却器（保证预做功工质在低温下被压缩，减少压缩功）→低温压缩缸（提高单位工质做功能力）。

其中，加热器和回热器是斯特林发动机核心部件，对发动机性能（单位工质做功能力、发动机速度、功率、循环效率）影响甚大，是高性能、大功率斯特林发动机发展的关键制约因素。目前，斯特林发动机常用的加热器大多是金属管式加热器，这类加热器虽然能够实现加热功能，但受金属材料耐热性限制，无论外部热源有多高温度（通常≧1500℃），对工质的加热也只能达到600℃-700℃，而且仅能实现横流加热，致使大量高品位热能无法有效充分利用；另一方面，斯特林发动机工质膨胀做功温度越高，其循环效率越高，且其单位工质做功能力越强。外部燃料（热源）有可以达到1500℃的有利于发动机性能提高的高温，但受金属材料耐热性能的限制，仅能实现600℃-700℃的换热。这是制约斯特林发动机发展的重要因素之一。

斯特林发动机的回热器，其作用是提高废气能量利用率和循环热效率，减少热损失。回热器功能的实现取决于回热器机体内装载的蓄热材料的作用效果。常用的蓄热体材料为金属丝网压制而成的载热体，每层金属丝网的疏密程度以其孔隙率来衡量，孔隙率的大小决定了工质通过回热器芯的阻力大小。回热器的设计要求包括：回热器的材料具有高的热容量，同时具有良好的换热能力（即较高的导热系数）以及要求回热器的通流容积要小，工质的流动阻力要小。为了尽可能减小回热器基体的温度变化，改善回热器的回热效果，基体与气体的热容量比应采用最大值，即采用大尺寸、紧密（孔隙率小）的基体；但是如果要求回热器中的工质流动阻力要小，则应选取孔隙率大的基体；如果要减小无益容积，应采用小型、紧密（孔隙率小）的基体。显然上述要求不但在实践中无法同时实现，就是在设计理论上也是相互矛盾的，无法同时得到满足，所以回热器是制约斯特林发动机性能的另一关键要素。

自1816年以来的200多年间，斯特林发动机虽然经历了无数专家的不懈努力 ，但始终没有解决制约斯特林发动机发展的加热器、回热器问题，仍未获得重大应用突破，主要表现在发动机功率≦100KW,综合热效率≤35％。

发明内容

为了解决斯特林发动机加热器、回热器存在的上述现实问题，本发明提供一种适应于超高温、逆流换热热交换方法，并可将加热、回热功能合并在一起，即提供一种新型的斯特林发动机及其热交换方法。

在发明内容部分中，引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。

本发明的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种斯特林发动机，其包括：

曲轴；

膨胀缸，包括第一缸体、设置在第一缸体内的第一活塞、一端铰接于第一活塞且另一端铰接于曲轴的第一连杆、由第一缸体的内壁和第一活塞的一个端面围合出的第一膨胀缸以及由第一活塞的另一端面与第一缸体的内壁围合出的第二膨胀缸；

压缩缸，包括第二缸体、设置在第二缸体内的第二活塞、一端铰接于第二活塞而另一端铰接于曲轴的第二连杆、由第二缸体的内壁和第二活塞的一个端面围合出的第一压缩缸以及由第二活塞的另一端面与第二缸体的内壁围合出的第二压缩缸；

换热器，包括热腔、第一工质腔、第二工质腔以及转动柱体，第一工质腔、第二工质腔分别与热腔至少共用同一个转动柱体的外侧壁作为各自的内壁；

空气冷却器，包括第一冷却通道和第二冷却通道；

其中，第一工质腔的两端分别连通第一膨胀缸和第一冷却通道的一端，第一冷却通道的另一端连通于第一压缩缸；第二工质腔的两端分别连通第二膨胀缸和第二冷却通道的一端，第二冷却通道的另一端连通于第二压缩缸；热腔的一端用于输入加热工质，热腔的另一端用于排出加热工质，在曲轴转动时第一膨胀缸与第一压缩缸能交替地被压缩。

在一个具体的实施例中，膨胀缸前置90°~150°，膨胀缸的第一缸体的容积大于压缩缸的第二缸体的容积的1至3倍。

在一个具体的实施例中，第二膨胀缸所对应的曲轴转角相对于第一膨胀缸所对应的曲轴转角为180 ° ，第二压缩缸所对应的曲轴转角相对于第一压缩缸所对应的曲轴转角为180°。

在一个具体的实施例中，换热器还包括预热腔，预热腔与工质腔至少共用同一个转动柱体的外侧壁作为各自的内壁；

所述斯特林发动机还包括

鼓风压缩机，设置有出风口；以及

送风管，一端连通于鼓风压缩机的出风口、另一端连通于预热腔的一端；以及

设置有出气口和进气口的燃烧加热炉，该出气口连通于热腔的一端且用于向所述热腔输送加热工质，该进气口连通于预热腔的另一端。

在一个具体的实施例中，斯特林发动机还包括旁通管、设置在旁通管上的第一阀门以及设置在送风管上的第二阀门；

其中，该旁通管的两端分别连通于燃烧加热炉的进气口和鼓风压缩机的出风口。

在一个具体的实施例中，所述转动柱体包括金属筒体、覆盖在所述金属筒体的外侧壁上的隔热层以及覆盖在所述隔热层上的耐热层。

在一个具体的实施例中，所述耐热层的表面粗糙。

在一个具体的实施例中，所述转动柱体采用耐高温的非金属材料制成。

在一个具体的实施例中，该非金属材料为碳化硅或钢玉。

在一个具体的实施例中，所述转动柱体的外轮廓构造为圆柱形，且能绕自身轴线转动；

所述转动柱体设置有多个，多个所述转动柱体的轴线相互平行，多个所述转动柱体呈矩阵状排列且相邻两个所述转动柱体的外侧壁相互抵接，相互抵接的两个所述转动柱体在转动时相互接触部分的运动方向相同、线速度相等，相互接触的转动柱体间没有滑动摩擦；

所述热腔、第一工质腔、第二工质腔和预热腔在多个所述转动柱体之间交替排列，热腔与第一工质腔、第二工质腔相邻排列，热腔与预热腔对角排列，第一工质腔与第二工质腔对角排列，预热腔与第一工质腔、第二工质腔相邻排列。

在一个具体的实施例中，第一工质腔和第二工质腔内均设置有填充物，填充物的外壁与该填充物所在的工质腔的内壁之间具有间隙。

在一个具体的实施例中，填充物由实心耐高温非金属材料制成。

在一个具体的实施例中，该间隙为环绕填充物的环形间隙。

在一个具体的实施例中，所述换热器还包括直筒形且横截面为矩形的外壳、设置在所述外壳上的多个轮架以及设置在所述轮架上且轴线与所述转动柱体的轴线相互平行的滚轮；

每一排所述转动柱体设置在每两个滚轮之间，两个所述滚轮分别抵接于位于最外侧的两个所述转动柱体的外侧壁；每一列所述转动柱体设置在每两个滚轮之间，两个所述滚轮分别抵接于位于最外侧的两个转动柱体的外侧壁。

在一个具体的实施例中，所述换热器还包括多个调整器，所述轮架通过所述调整器安装在所述外壳上；

所述调整器用于调整所述滚轮与所述外壳之间的距离。

在一个具体的实施例中，所述外壳上设置有多个通孔；

所述调整器包括：

固定在外壳上的安装筒，安装筒的内孔为螺孔；

与该安装筒螺纹配合的螺杆，该螺杆贯穿安装筒和外壳；

手柄，设置在螺杆朝外的一端；

其中，所述轮架设置在所述螺杆朝内的一端。

在一个具体的实施例中，换热器还包括设置在所述外壳两端的两个端盖；

转动柱体的两端分别与两个端盖进行带润滑的弹性接触密封连接。

在一个具体的实施例中，转动柱体设置成筒形，其内设置有轴向延伸的冷却流道，转动柱体的每一端均设置有一连接块，连接块的顶端设置有向内凹陷的键槽，键槽的底端设置有阶梯孔，阶梯孔的大直径端朝外、小直径端连通于转动柱体的冷却流道；

换热器还包括多个连接器，每个端盖与连接块之间通过连接器连接；

连接器包括：

安装座，包括

第一座体，连接于端盖；

芯轴，从第一座体向背离端盖的方向伸出，以及

第一过孔，与芯轴同轴设置且贯穿安装座；

转动块，包括

第二座体，设置有套装在芯轴上的圆孔；

条形键，从第二座体伸入到所述键槽内且能相对于所述键槽滑动，条形键设置有一端连通第二座体的圆孔的第二过孔，以及

限位筒，从条形键伸入到所述阶梯孔的大直径端内且与第二座体同轴的，限位筒的内孔连通于第二过孔的另一端；

弹性件，套装在限位筒上且两端分别与抵接于所述阶梯孔的大直径端的底壁和条形键的顶端；

冷却管，贯穿端盖并依次穿过第一过孔、第二座体的圆孔、限位筒的内孔而伸入到转动柱体内与冷却流道相接通。

在一个具体的实施例中，所述换热器还包括驱动机构，所述驱动机构用于驱动转动柱体转动。

在一个具体的实施例中，所述驱动机构包括：

多个链轮组件，每个链轮组件包括

转轴，贯穿端盖且与转动柱体相连；以及

两个第一链轮，均设置在端盖外侧且均套装在所述转轴上；

多根第一链条，依次将多组链轮组件中的第一链轮连接起来；

电机，固定在所述外壳上；

减速器，其输入轴连接于电机的主轴；

第二链轮，套装于减速器的输出轴；

第二链条，将第二链轮与一个第一链轮连接起来。

在一个具体的实施例中，所述链轮组件设置有四个，四个链轮组件中的转轴分别连接于位于四个角上的转动柱体。

本发明还提出了一种斯特林发动机的热交换方法，其包括：

转动柱体转动以使得转动柱体表面通过辐射换热和强对流换热将加热工质的热量带给做功工质、冷却工质，从而实现加热工质和冷却工质、做功工质之间的换热；让转动柱体表面与加热工质、冷却工质和做功工质密封接触；

使做功工质被两个活塞缸交替地推动而反复地被加热和被冷却以驱动其中一个活塞缸对外做功。

在一个具体的实施例中，使多个转动柱体的表面相互接触以密封加热工质和冷却工质、做功工质，转动柱体表面的相互接触部分的运动方向相同、线速度相等、相互间无滑动摩擦。

在一个具体的实施例中，转动柱体表面的运动线速度为5-15米/秒。

由上述技术方案可知，本发明的有益效果为：

在做功工质在第一工质腔中进行表面换热，不需要蓄热体材料填充，则可实现回热器所具有的的蓄、放热功能，适合于做大功率斯特林发动机工况。

热响应性好，由于是表面换热，换热热量并不需要深入到换热材料内部，故完成热交换所需时间极短，适合于高转速斯特林发动机工况。

换热面积大，工质流动阻力小，换热效果好，可以同时利用高温辐射热和无边界层强扰动对流换热。由于无实际的蓄热体材料存在，故也无因蓄热体间隙过小而引起的工质流动阻力较大而造成的诸多问题，适合于高综合热效率和大功率斯特林发动机工况。

作为斯特林发动机的无效死容积较小且可调，可使压缩比ε≥2.5，可有效增加单位做功工质做功能力并提高综合热效率。

冷热工质逆流换热，可使上述组合体换热器实现高温换热且换热效率高。

新鲜空气进入预热腔吸收做功工质乏气热量，既有利于实现回热器所具有的的蓄、放热功能，又有利于热量的综合利用，有利于提高斯特林发动机的综合热效率。

附图说明

通过结合附图，对以下本发明的优选实施例进行详细说明，本发明的各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本发明的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中：

图1是本发明一个实施例中示出的一种斯特林发动机的结构及换热回热冷却工艺流程示意图；

图2是本发明一个实施例中示出的一种换热器的带电机通过链条拖动转动柱体转动的立体示意图；

图3是本发明一个实施例中示出的一种换热器的端面密封的立体示意图；

图4是本发明一个实施例中示出的一种换热器的剖视示意图；

图5是本发明一个实施例中示出的一种换热器的剖视放大示意图；

图6是本发明一个实施例中示出的转动柱体在转动时对工质扰动的效果示意图；

图7是本发明一个实施例中示出的一种换热器组合体的热腔、预热腔及工质腔分布剖视图；

图8是本发明一个实施例中示出的一种转动柱体受力分析示意图；P1是预紧力，P2是加热工质压力，P3是第一做功工质压力，P4是第二做功工质压力，P5是预热腔工质压力。

图9是本发明一个实施例中示出的一种转动柱体端面的拆解示意图；

图10是本发明一个实施例中示出的一种转动柱体的剖视示意图；

图11是本发明一个实施例中示出的一种做功工质腔填充物的剖视示意图。

附图标记说明：

1、斯特林发动机；2、换热器；21、热腔；221、第一工质腔；222、第二工质腔；223、预热腔；23、转动柱体；231、金属筒体；232、隔热层；233、耐热层；234、冷却流道；235、连接块；236、键槽；237、阶梯孔；24、外壳；25、端盖；26、调整器；261、安装筒；262、螺杆；263、手柄；27、驱动机构；271、电机；272、减速器；273、第二链条；274、链轮组件；275、第一链条；276、第一链轮；277、第二链轮；281、轮架；282、滚轮；29、连接器；290、填充物；291、安装座；292、转动块；293、弹性件；294、冷却管；295、第一座体；296、芯轴；297、第一过孔；298、第二座体；299、圆孔；300、条形键；301、限位筒；3、膨胀缸；31、第一缸体；32、第一活塞；33、第一连杆；34、第一膨胀缸；35、第二膨胀缸；4、压缩缸；41、第二缸体；42、第二活塞；43、第二连杆；44、第一压缩缸；45、第二压缩缸；5、空气冷却器；51、第一冷却通道；52、第二冷却通道；6、燃烧加热炉；61、出气口；62、进气口；7、鼓风压缩机；71、出风口；8、送风管；9、旁通管；91、第一阀门；81、第二阀门。

具体实施方式

现在将参考附图进行更全面地描述示例实施方式，然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为仅限于在此阐述的实施方式，相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并能将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

图1显示了一种斯特林发动机1，该斯特林发动机1包括膨胀缸3、压缩缸4、换热器2、空气冷却器5、曲轴（图中未示出）、燃烧加热炉6以及鼓风压缩机7。膨胀缸3和压缩缸4相互连通，缸内装载有做功工质。该做功工质为气体。换热器2和空气冷却器5串联在膨胀缸3和压缩缸4之间且空气空气冷却器靠近压缩缸一侧 。换热器2用于对该做功工质进行加热，空气冷却器5用于对换热后的做功工质进行再次冷却，使之温度≤50℃，便于进入压缩缸进行压缩。

膨胀缸3包括第一缸体31、第一活塞32和第一连杆33。第一缸体31的内部设置有内缸。第一活塞32处于第一缸体31内且能沿该第一缸体31滑动。第一连杆33一端铰接于第一活塞32，另一端从第一缸体31的一端伸出第一缸体31且铰接于曲轴。第一连杆33铰接于曲轴的连杆颈。第一活塞32在第一缸体31内做往复运动时第一连杆33能带动曲轴转动。

膨胀缸3还包括第一膨胀缸34和第二膨胀缸35。第一膨胀缸34由第一活塞32的一个端面与第一缸体31的内壁围合而成，第二膨胀缸35由第一活塞32的另一个端面与第一缸体31的内壁围合而成，即第一活塞32将第一缸体31的内腔一分为二，一个为第一膨胀缸34，另一个为第二膨胀缸35。第一膨胀缸34膨胀时第二膨胀缸35压缩，第二膨胀缸35膨胀时第一膨胀缸34压缩。

压缩缸4包括第二缸体41、第二活塞42和第二连杆43。第二缸体41的内部设置有内缸。第二活塞42处于第二缸体41内且能沿该第二缸体41滑动。第二连杆43一端铰接于第二活塞42，另一端从第二缸体41的一端伸出第二缸体41且铰接于曲轴。第二连杆43铰接于曲轴的连杆颈。膨胀缸3驱动曲轴转动时，第二连杆43带动第二活塞42作往复运动。

压缩缸4还包括第一压缩缸44和第二压缩缸45。第一压缩缸44由第二活塞42的一个端面与第二缸体41的内壁围合而成，第二压缩缸45由第二活塞42的另一个端面与第二缸体41的内壁围合而成，即第二活塞42将第二缸体41的内腔一分为二，一个为第一压缩缸44，另一个为第二压缩缸45。第一压缩缸44压缩时第二压缩缸45膨胀，第二压缩缸45压缩时第一压缩缸44膨胀。

参照图2~4，换热器2包括热腔21、第一工质腔221、第二工质腔222、预热腔223以及多个转动柱体23。转动柱体23的外轮廓构造为圆柱形。每个转动柱体23均能绕自身轴线转动。转动柱体23的轴线均相互平行。热腔21、第一工质腔221、第二工质腔222和预热腔223均由多个转动柱体23围合而成。

在本实施例中，多个转动柱体23呈矩阵状排列且相邻两个转动柱体23的外侧壁相互抵接，相邻两个转动柱体23的转动方向相反。相互抵接的两个转动柱体23在转动时相互接触的部分方向相同、线速度相等且接触点间没有滑动摩擦。四个相互靠近的转动柱体23能围合出一个腔（流道）。转动柱体23至少排列成三行三列，即至少9个转动柱体围合一个热腔21、一个第一工质腔221、一个第二工质腔222和一个预热腔223，一个热腔21分别与第一工质腔221、第二工质腔222相邻，与预热腔223对角；而第一工质腔221与第二工质腔222对角；预热腔223与热腔21对角。这种腔道排列满足换热和回热需要。

热腔21内的加热工质和第一工质腔221、第二工质腔222内的做功工质至少能通过两者之间的两个转动柱体23的转动来传递热量，同时，由于相互抵接的两个转动柱体23在转动时相互接触的部分运动方向相同、线速度相等且接触点间没有滑动摩擦，相邻两个转动柱体23在转动时不会打滑，且能实现良好的密封。

转动柱体23的数量优选为大于或等于9个，这些转动柱体23布置成正方形矩阵。热腔21与预热腔223在正方形矩阵中对角排列，与第一工质腔、第二工质腔相邻排列，而第一工质腔221和第二工质腔222在正方形矩阵中对角排列；预热腔223与第一工质腔221、第二工质腔222相邻排列。

参照图5，在热腔21内，加热工质的温度高于热腔21的内壁温度，加热工质对热腔21的内壁进行辐射放热和强对流换热，换热结果使热腔21的内壁面温度升高，加热工质温度下降，加热工质与热腔21的内壁的温差为≦50℃，热量被转动柱体23的表面质点携带，表面质点从A1处进入热腔21开始吸热升温起，到该表面质点运动到B1处，离开热腔21吸热升温止，转动柱体23表面完成一个90度1/4周长的吸热过程；在第一工质腔221（或第二工质腔222）内，做功工质的温度低于第一工质腔221（或第二工质腔222）的内壁温度，做功工质对第一工质腔221（或第二工质腔222）壁进行辐射吸热和强对流换热，换热结果使做功工质温度升高，第一工质腔221（或第二工质腔222）壁温度下降，做功工质与第一工质腔221（或第二工质腔222）壁的温差为≦50℃，表面质点从B1进入第一工质腔221（或第二工质腔222）开始进行放热降温起，到该表面质点运动到A2离开第一工质腔221（或第二工质腔222）放热降温止，转动柱体23表面完成一个90度1/4周长的放热过程。同样，壁面质点从A2进入预热腔223，预热腔工质温度低于转动到预热腔223的转动柱体壁面温度，预热腔工质通过辐射换热和强对流换热吸收热量，温度升高，转动柱体壁面温度降低，表面质点从A2点进入预热腔223放热开始到B2点放热结束，转动柱体表面完成一个90度1/4周长的放热过程。如图5所示，在矩阵型方阵排列中，除边缘层的转动柱体23外，其内排的转动柱体23每转一圈360度，就完成两次90度即1/4周长的吸热、放热过程。同理，对于第一工质腔221和第二工质腔222的换热与热腔和入第一工质腔221（或第二工质腔222）换热原理一样。

单位时间内的当量换热面积在线速度为5-15米/秒范围内，与转动柱体23的表面线速度成正比，转动柱体23的表面线速度越快，单位时间内换热质点与做功工质、加热工质的交换次数越多，其效果相当于换热面积越大；线速度越高，扰动工质的效果越好，换热系数越大；单位时间内的当量换热面积也与成组设置的转动柱体行数或列数成正比，转动柱体行数或列数越多，换热面积越大。其单位时间内的当量换热面积为A (m²/s)

v——运动线速度；

L——轴向有效换热长度m；

x——矩阵的行数；

y——矩阵的列数。

被加热部分，一部分为第一工质腔221，一部分为第二工质腔222，一部为预热腔223。第一工质腔221的数量可以与第二工质腔222的数量相同。

参照图1，空气冷却器5位于换热器2与压缩缸4之间。空气冷却器5包括第一冷却通道51和第二冷却通道52。第一冷却通道51和第二冷却通道52中的工质与空气进行换热，对第一冷却通道51和第二冷却通道52的工质进行降温。

第一工质腔221的两端分别连通第一膨胀缸34和第一冷却通道51的一端，第一冷却通道51的另一端连通于第一压缩缸44。第二工质腔222的两端分别连通第二膨胀缸35和第二冷却通道52的一端，第二冷却通道52的另一端连通于第二压缩缸45。

第一膨胀缸34、第一压缩缸44、第一冷却通道51、第一工质腔221、第二膨胀缸35、第二压缩缸45、第二冷却通道52和第二工质腔222中均充满做功工质，并形成各自独立的密闭系统。

在本实施例中，燃烧加热炉6的出气口61连通于热腔21的一端，用于向热腔21内输送加热工质。将燃料加入到燃烧加热炉6中，向燃烧加热炉6中通入加热氧气或空气再点燃燃料能产生大量的高温热器。燃烧加热炉6输送到热腔21内的加热工质是燃烧加热炉6内产生的高温热气，该高温热气的温度大于或等于1500℃。加热工质从热腔21的一端输入，从热腔21的另一端排出。

在换热器2内，加热工质的温度大于做功工质的温度，加热工质对做功工质进行加热。具体地，将加热工质持续地通入到热腔21中，做功工质通入到第一工质腔221和第二工质腔222中，由于热腔21与预热腔223、做功工质之间均共用至少一个转动柱体23的侧壁，在该转动柱体23转动时，其部分侧壁接触热腔21中的加热工质而吸热后，然后继续转动到第一工质腔221或第二工质腔222中，接触到工质腔中的做功工质后进行放热，从而达到将加热工质的热量传递到做功工质上的目的。冷却工质新鲜空气从鼓风压缩机压缩端进入到预热腔223中，新鲜空气温度低于做功乏气的温度，通过转动柱体23转动使新鲜空气吸收做功乏气的热量，结果是乏气温度降低，新鲜空气温度上升，乏气出口温度约为120℃~150℃，加热空气出口约为1200℃，这样，本发明的换热组合体使燃烧加热炉的热量得到充分利用，做功乏气的热量也得到了充分回收。转动柱体23的侧壁吸热后，加热工质的热量附着在转动柱体23的表面；转动柱体23的侧壁放热时，做功工质吸收转动柱体23耐热层表面的热量。转动柱体23转动的速度越快其换热效率越高。转动柱体23进行传热时不需要穿透转动柱体23，仅需在其耐热层表面（厚度约0.1-3 mm）进行换热，故相同导热系数材料，达到工况所需要的温度所需的时间较短，其换热能力几乎与其材料的比热容、导热系数无关，主要取决于运动线速度，其线速度越高，换热能力越强，尤其是，参照图6，转动柱体23在转动时带动加热工质和做功工质扰动，这样，加热工质和做功工质分别在热腔21、第一工质腔211、第二工质腔222和预热腔223中形成紊流，加热工质、做功工质与转动柱体23的侧壁之间的传热更快，并可以实现高温换热。

第一膨胀缸34、第一压缩缸44、第一冷却通道51和第一工质腔221形成一个气密体系，加热气体通入到换热器2的热腔21后，通过换热器2的转动柱体23的表面对做功气体加热。做功气体的温度升高后，做功气体在第一膨胀缸34内膨胀而推动第一活塞32运动，第一活塞32通过第一连杆33带动曲轴转动，同时曲轴通过第二连杆43推动第二活塞42使得第一压缩缸44被压缩，第一压缩缸44内的做功工质依次通过第一冷却通道51和第一工质腔221，这些做功工质在第一工质腔221内继续被加热膨胀然后进入到第一膨胀缸34内使得第一膨胀缸34继续膨胀，第一膨胀缸34膨胀到极限大时正好带动曲轴转动180°。曲轴在惯性的作用下继续旋转，第一活塞32在曲轴的带动下压缩第一膨胀缸34，第二活塞42在曲轴的带动下扩张第一压缩缸44，做功工质从第一膨胀缸34依次经过第一工质腔221和第一冷却通道51而到达第一压缩缸44，做功工质在经过第一工质腔221时被加热膨胀，而经过第一冷却通道51时做功工质降温收缩，曲轴再次转动180°时第一膨胀缸34收缩到极限小，做功工质几乎完全进入到第一压缩缸44。曲轴继续旋转则重复上述过程使得曲轴能持续不断地旋转，这样曲轴就能持续不断的向外输出动能。上述一个循环中实现了做功工质的等温压缩过程、等容加热过程、等温膨胀过程和等容冷却过程。

又由于第二膨胀缸35、第二压缩缸45、第二冷却通道52和第二工质腔222形成另一个气密体系。第二膨胀缸35、第二工质腔222、第二冷却通道52和第二压缩缸45依次串联起来，当第一膨胀缸34膨胀时，第二膨胀缸35收缩，第二压缩缸45膨胀，做功工质从第二膨胀缸35依次经过第二工质腔222和第二冷却通道52而到达第二压缩缸45，做功工质在经过第二工质腔222时被加热膨胀，而经过第二冷却通道52时做功工质降温收缩。

两个气密系统中的做功工质在第一工质腔221和第二工质腔222中互为逆流状态。在第一膨胀缸34收缩时，第二压缩缸45压缩，第一膨胀缸34膨胀，做功工质经过第二工质腔222时被加热而膨胀，进而第一活塞32推动曲轴转动。因此，在曲轴转动时第一膨胀缸34和第二膨胀缸35中的做功工质交替压缩、膨胀以使得第一活塞32能在往返时均能通过第一连杆33驱动曲轴转动，该斯特林发动机1输出的转矩更大。

在本实施例中，做功工质在经过第一工质腔221或第二工质腔222后其温度能从小于50℃被加热到1200℃以上，做功工质在经过第一工质腔221或第二工质腔222后其温度也能从大于或等于1200℃通过空气冷却器降低到50℃以下。

进一步地，燃烧加热炉6设置有进气口62。进气口62用于通入加热氧气或加热空气。斯特林发动机1还包括鼓风压缩机7和送风管8。送风管8的一端连通于鼓风压缩机7的出风口71，送风管8的另一端连通于预热腔223的一端，预热腔223的另一端连通于燃烧加热炉6的进气口62。鼓风压缩机7用于将新鲜氧气或空气经加压后输入到燃烧加热炉6中。鼓风压缩机7能将氧气或空气加压到0.3Mpa~0.5Mpa。

这样，进入燃烧加热炉6中的空气或氧气在经过预热腔223时被预热，预热的温度可以达到1200℃以上，这样可以充分利用换热提高热量利用率。

进一步地，斯特林发动机1还包括旁通管9、第一阀门91和第二阀门81。该旁通管9的两端分别连通于燃烧加热炉6的进气口62和鼓风压缩机7的出风口71。第一阀门91设置在旁通管9上，第二阀门81设置在送风管8上。鼓风压缩机7能通过旁通管9向燃烧加热炉6内通入未被预热的空气或氧气。

这样可以通过调节第一阀门91和第二阀门81的开度来调节被预热的空气或氧气与未被预热的空气或氧气的比例以及通入到燃烧加热炉6内的空气或氧气的总流量。

进一步地，参照图7，转动柱体23设置有X行和Y列。X可以等于10，Y可以等于10，转动柱体23总共设置有100个。热腔21、第一工质腔221、第二工质腔222和预热腔223均匀地排布在转动柱体23形成的正方形矩阵之中。

进一步地，参照图4、7、8，该换热器2还包括外壳24、多个轮架281以及多个滚轮282。外壳24为直筒形，外壳24的横截面为矩形。多个轮架281设置在外壳24上，位于外壳24内。滚轮282设置在轮架281上，可以是每个滚轮282对应于一个轮架281设置。滚轮282设置在轮架281背离外壳24的一侧。滚轮282的轴线与转动柱体23的轴线相互平行。滚轮282能绕自身的轴线转动。

每一行转动柱体23设置在每两个滚轮282之间，这两个滚轮282分别抵接于位于最外侧的两个转动柱体23的外侧壁；每一列转动柱体23设置在每两个滚轮282之间，这两个滚轮282分别抵接于位于最外侧的两个转动柱体23的外侧壁。

这样设置后，外壳24能对换热器2进行进一步地密封，同时，多个滚轮282能支撑住多个转动柱体23并且能避免转动柱体23与外壳24之间相互摩擦。

进一步地，换热器2还包括多个调整器26，轮架281通过调整器26安装在外壳24上。调整器26用于调整滚轮282与外壳24之间的距离。

在本实施例中，外壳24上设置有多个通孔（图中未示出）。调整器26与通孔一一对应设置。调整器26包括安装筒261、螺杆262和手柄263。安装筒261为大致的圆筒结构，安装筒261的内孔为螺孔。安装筒261固定在外壳24的外壁上，安装筒261的螺孔与外壳24上的通孔对齐。螺杆262上设置有外螺纹。螺杆262与该安装筒261的螺孔之间螺纹配合。螺杆262拧入在螺孔中，螺杆262依次贯穿该螺孔和通孔。螺杆262的一端部位于外壳24内，螺杆262的另一端部位于外壳24之外且伸出该螺孔。手柄263和轮架281分别设置在螺杆262的两端，手柄263设置在螺杆262伸出外壳24的一端上，轮架281设置在螺杆262伸入外壳24的另一端上。

拧动手柄263能调节螺杆262伸入到外壳24内的长度，从而能调整滚轮282施加给转动柱体23的预紧力。转动柱体23之间的预紧力越大则其密封性能越好，这样就能通过调节转动柱体23之间的预紧力来调节转动柱体23之间的密封性能。

进一步地，参照图2、3，换热器2还包括两个端盖25。两个端盖25分别盖合在外壳24的两端。端盖25与壳体之间是螺栓连接。端盖25与外壳24围合成一个密封的箱体。端盖25上设置有多个第一通孔（图中未示出）、多个第二通孔（图中未示出）、多个第三通孔（图中未示出）和多个第四通孔（图中未示出）。

多个第一通孔与多个第一工质腔221一一对齐，并接通于第一工质腔221。第一膨胀缸34通过管道与一个端盖25上的所有第一通孔相接通，第一压缩缸44通过管道与另一个端盖25上的所有第一通孔相接通。

多个第二通孔与多个第二工质腔222一一对齐，并接通于第二工质腔222。第二膨胀缸35通过管道与一个端盖25上的所有第二通孔相接通，第二压缩缸45通过管道与另一个端盖25上的所有第二通孔相接通。

多个第三通孔与多个预热腔223一一对齐，并接通于预热腔223。鼓风压缩机7的出风口71通过管道与一个端盖25上的所有第三通孔相接通，燃烧加热炉6的进气口62通过管道与另一个端盖25上的所有第三通孔相接通。

多个第四通孔与多个热腔21一一对齐，并接通于热腔21。燃烧加热炉6的出气口61通过管道与一个端盖25上的所有第四通孔相接通，另一个端盖25上的第四通孔接通到低温热气排放管路。

转动柱体23的两端分别与两个端盖25通过带润滑的弹性密封接触，并使得端盖25与转动柱体23之间形成密封。

这样，端盖25支撑起转动柱体23使得转动柱体23能排布成正方形矩阵，同时转动柱体23也能相对于端盖25转动。

进一步地，参照图9、10，转动柱体23设置成圆筒形。转动柱体23的内部为冷却流道234，冷却流道234沿轴向贯穿转动柱体23。冷却流道234与转动柱体23同轴设置。转动柱体23的每一端均设置有一连接块235。该连接块235呈大致的圆柱结构。连接块235的顶端向内凹陷形成键槽236。键槽236可以是直条槽。键槽236的底端向内凹陷形成阶梯孔237。阶梯孔237为包括大直径端以及与大直径端相连的小直径端，阶梯孔237的大直径端朝外，阶梯孔237的小直径端的一端朝内且连通于冷却流道234。

换热器2还包括多个连接器29，每个端盖25与转动柱体23之间通过连接器29连接。

连接器29包括安装座291，转动块292、弹性件293和冷却管294。安装座291包括第一座体295、芯轴296和第一过孔297。第一座体295呈圆盘形。第一座体295的一端连接于端盖25。芯轴296从第一座体295的另一端向背离端盖25的方向伸出。第一过孔297贯穿安装座291，且与芯轴296同轴设置。这样，第一过孔297贯穿芯轴296，芯轴296为空心轴。

转动块292包括第二座体298、条形键300和限位筒301。第二座体298上设置有套装在芯轴296上的圆孔299。该圆孔299与芯轴296之间润滑间隙配合，且能微摩擦转动。条形键300设置在第二座体298背离安装座291的一端。条形键300从第二座体298伸入到连接块235的键槽236内，条形键300可以在键槽236内沿键槽236的侧壁滑动。限位筒301为圆筒状。限位筒301从条形键300的顶端向背离第二座体298的一侧伸出，限位筒301伸入到阶梯孔237的大直径端。条形键300的内部设置有第二过孔（图中未示出）。第二过孔的一端连通于圆孔299，第二过孔的另一端连通于限位筒301的内孔。

弹性件293可以是螺旋弹簧。弹性件293套装在限位筒301上且两端分别与抵接于阶梯孔237的大直径端的底壁和条形键300的顶端。弹性件293处于压缩状态。

端盖25上还设置有第五通孔251。第五通孔251与安装座291的第一过孔297对齐。通风管穿过第五通孔251而贯穿端盖25，并依次穿过第一过孔297、第二座体298的内孔、限位筒301的内孔而伸入到转动柱体23内而与冷却流道234相接通。

弹簧的恢复弹力能将转动块292紧压在安装座291上以使得转动柱体23与端盖25之间形成密封，同时转动块292能绕安装座291上的芯轴296转动，转动柱体23转动时通过键槽236与条形键300之间的配合来带动转动块292转动。另外，这种设置也方便将转动柱体23安装到端盖25上，在安装转动柱体23时，先将转动块292、弹性件293和连接块235装配起来，然后将转动块292向连接块235一侧下压使得弹簧被压缩，再将转动块292的圆孔299与安装座291的芯轴296相对齐，最后松开连接块235使得弹簧将转动块292向安装座291方向推动直至转动块292的圆孔299扣在芯轴296上，这样就完成了安装。

尤其是还能通过冷却管294向转动柱体23内注入冷却剂来降低转动柱体23内部的温度，保持转动柱体23的结构强度，使得转动柱体23能耐受1500℃以上的加热工质。

进一步地，参照图10，转动柱体23包括金属筒体231、耐热层233和隔热层232。金属筒体231为圆筒结构。隔热层232覆盖在金属筒体231的外侧壁上。隔热层232由现有的隔热材料制成，传热慢。隔热层232的厚度均匀。耐热层233覆盖在隔热层232的外表面上。耐热层233可以是耐高温≧1300℃的喷涂材料喷涂而成，耐热层233的厚度可以是1-10mm。耐热层233也可以是由其他金属基复合材料制成，例如，钨基复合材料或镍基复合材料，其厚度不超过10 mm。金属筒体231内设置有轴向延伸的冷却流道234，该冷却流道234用于通入冷却流体，以避免金属筒体231温度超过600摄氏度而使机械强度和刚度受到高温影响而变低。

这种结构的换热器2能实现在宽压差（0≤P≤35MPa）的环境下，对温度超过1000℃的加热工质进行高温换热。

进一步地，耐热层233的表面粗糙。耐热层233的表面越粗糙，转动柱体23在转动时转动柱体23表面的流体越紊乱，增大其换热系数和换热面积，从而转动柱体23与工质之间的换热效率越高。同时，耐热层233的表面粗糙还有利于相邻两个转动柱体23之间的密封性能。

由于转动柱体23的表面被对称夹紧，不但对转动柱体23的运动平衡要求降低了，对材料机械性能（强度）的要求也放宽较多，转动柱体23甚至可以选用耐高温非金属材料如碳化硅、钢玉等制成。

在本实施例中，做功工质、加热工质、冷却工质以各自的速度在第一工质腔221、第二工质腔222、预热腔223、热腔21内沿轴向互为逆流流动，上述腔壁沿各自的圆周方向运动，且与工质流动方向呈90度夹角，对工质形成强烈的扰动，扰动的效果随线速度的增加而增加，其线速度一般控制在5~15米/秒，对转动柱体23矩形排列可以达到25米/秒，使工质处于很大的强紊流状态，工质在上述腔内很难形成稳定厚度的层流底层和固定的边界层，其对流换热系数要比传统换热器大得多，故称强对流换热。

做功工质、加热工质应选择对辐射热敏感的物质，有三原子分子，如水蒸气、二氧化碳等，多原子分子如甲烷、氟利昂等，和带极性二原子分子如一氧化碳等，其热辐射的换热能力与热力学温度（K值）的四次方成正比，随着工质温度的上升，辐射能急剧增加，或者说换热温度越高，换热效果越好。

进一步地，参照图11，换热器2还包括多个填充物290，填充物290填充在第一工质腔221和第二工质腔222内。填充物290采用耐高温非金属材料制成，可以是碳化硅或刚玉。填充物290为实心结构。填充物290为长条形，沿工质腔的轴向方向延伸。填充物290的两端可以是分别固定在两个端盖25上。填充物290的横截面的面积小于工质腔的横截面面积，这样填充物290的外壁与该填充物290所在的工质腔的内壁之间具有间隙。该间隙为容纳做功工质的通道。

在工质腔中填充了填充物后，能缩小工质腔的横截面积，这样能减少死容积，扩大压缩比，同时增加做功工质的流速，增加扰动效果，增强对流换热效果和辐射换热效果。

进一步地，填充物290与工质腔内壁之间的间隙为环绕填充物290的环形间隙。该环形间隙的横截面为环形。该环形间隙的宽度均匀，这样，在减小死容积的同时不会减小热工质与工质腔内壁之间的接触面积。

工质腔的截面积设为S₁（单位：m²）

其中，d为转动柱体23的表面直径（单位：m）；

设置填充物290后，间隙的截面积为S₂（单位：m²）；

δ为填充物290距离转动柱体23的间隙宽度（单位：mm）

令δ=1%d

则

增加填充物290后，工质腔内供做功工质流通的通道可以缩小6.75倍或仅为原容积的15%。

而如果将填充物290设置为边长为b的正方形，

令

1%d为间隙宽度（约0.5mm~2mm），则当d=50mm~200mm时则工质腔内供做功工质流通的通道的截面积可减小到

，即减小5倍无效死容积。

进一步地，换热器2还包括驱动机构27，驱动机构27用于驱动转动柱体23转动。驱动机构27包括多个链轮组件274、多根第一链条275、电机271、减速器272、第二链轮277和第二链条273。

每个链轮组件274包括转轴（图中未示出）和两个第一链轮276。转轴贯穿端盖25且与转动柱体23相连。两个第一链轮276均设置在端盖25的外侧且均套装在转轴上。在本实施例中，链轮组件274设置有四个，四个链轮组件274中的转轴分别连接于位于四个角上的转动柱体23的一端。转轴与转动柱体23平行。

多根第一链条275依次将多组链轮组件274中的第一链轮276连接起来。这样，转动一个第一链轮276则所有第一链轮276能同步转动。

电机271固定在外壳24上且靠近链条组件274。减速器272的输入轴连接于电机271的主轴，第二链轮277套装于减速器272的输出轴。第二链条273将第二链轮277与一个第一链轮276连接起来。

这样，电机271能同步驱动多个第一链轮276转动，从而使得这些转动柱体23能同步转动。

进一步地，膨胀缸3前置90°~150°，膨胀缸3的第一缸体31的容积大于压缩缸4的第二缸体41的容积的1至3倍。

进一步地，第二膨胀缸35所对应的曲轴转角相对于第一膨胀缸34所对应的曲轴转角为180 ° ，第二压缩缸45所对应的曲轴转角相对于第一压缩缸44所对应的曲轴转角为180°。

换热器2的其他优点为：

对于传统换热器，包括间壁式和旋转蓄热体式，如果冷、热工质中含有固体粉尘，则粉尘会吸附在换热壁上（旋转蓄热体会吸附在蓄热孔体内表面），严重影响换热效果，甚至无法完成正常换热，必须定期清洗；而对于本发明中的换热器2，因其为表面换热，这类换热器2的换热效果几乎与其表面材料的热容及导热系数无关，因此，转动柱体23表面的固体粉尘并不影响换热效果。

在一个实施例中还提出了一种斯特林发动机1的热交换方法，其包括：

转动柱体23转动以使得转动柱体23表面通过辐射换热和强对流换热将加热工质的热量带给做功工质、冷却工质，从而实现加热工质和冷却工质、做功工质之间的换热；让转动柱体23表面与加热工质、冷却工质和做功工质密封接触；

使做功工质被两个活塞缸交替地推动而反复地被加热和被冷却以驱动其中一个活塞缸对外做功。

功工质被两个活塞缸轮交替地推动而反复地被加热和被冷却能驱动其中的一个活塞缸对外做功。

进一步地，使多个转动柱体23的表面相互接触以密封加热工质和做功工质，转动柱体23表面的相互接触部分的运动方向相同、线速度相等、相互之间没有滑动摩擦。

多个转动柱体23密封加热工质和做功工质以避免加热工质和做功工质相互掺杂。转动柱体23表面的相互接触部分的运动方向相同、线速度相等则能使得转动柱体23之间摩擦小、密封严。

进一步地，转动柱体23表面的运动线速度为5-15米/秒。

在该速度下能达到较好的换热效果。

特殊说明：

本发明专利的技术要求，仅对一些特殊工况下的应用，如上述的应用实例，加热工质一般是燃烧完的气体，没有毒性，不易燃易爆，压力较低；一般做功工质，压力较高，一般是CO2、水蒸气、燃烧废气等，不牵扯安全性，所以，在转动柱体23转动时，即使转动柱体23有少许携带工质，造成做功工质、加热工质有少量掺混，也只能是高压做功工质往低压燃烧废气加热工质掺混，不影响工程上的使用。

Claims (25)

1.一种斯特林发动机，其特征在于，包括：

曲轴；

膨胀缸，包括第一缸体、设置在第一缸体内的第一活塞、一端铰接于第一活塞且另一端铰接于曲轴的第一连杆、由第一缸体的内壁和第一活塞的一个端面围合出的第一膨胀缸以及由第一活塞的另一端面与第一缸体的内壁围合出的第二膨胀缸；

压缩缸，包括第二缸体、设置在第二缸体内的第二活塞、一端铰接于第二活塞而另一端铰接于曲轴的第二连杆、由第二缸体的内壁和第二活塞的一个端面围合出的第一压缩缸以及由第二活塞的另一端面与第二缸体的内壁围合出的第二压缩缸；

换热器，包括热腔、第一工质腔、第二工质腔以及转动柱体，第一工质腔、第二工质腔分别与热腔至少共用同一个转动柱体的外侧壁作为各自的内壁；

空气冷却器，包括第一冷却通道和第二冷却通道；

其中，第一工质腔的两端分别连通第一膨胀缸和第一冷却通道的一端，第一冷却通道的另一端连通于第一压缩缸；第二工质腔的两端分别连通第二膨胀缸和第二冷却通道的一端，第二冷却通道的另一端连通于第二压缩缸；热腔的一端用于输入加热工质，热腔的另一端用于排出加热工质，在曲轴转动时第一膨胀缸与第一压缩缸能交替地被压缩。

2.根据权利要求1所述的斯特林发动机，其特征在于，膨胀缸前置90°~150°。

3.根据权利要求1所述的斯特林发动机，其特征在于，第二膨胀缸所对应的曲轴转角相对于第一膨胀缸所对应的曲轴转角为180 °，第二压缩缸所对应的曲轴转角相对于第一压缩缸所对应的曲轴转角为180°。

4.根据权利要求1所述的斯特林发动机，其特征在于，换热器还包括预热腔，预热腔与工质腔至少共用同一个转动柱体的外侧壁作为各自的内壁；

所述斯特林发动机还包括

鼓风压缩机，设置有出风口；以及

送风管，一端连通于鼓风压缩机的出风口、另一端连通于预热腔的一端；以及

设置有出气口和进气口的燃烧加热炉，该出气口连通于热腔的一端且用于向所述热腔输送加热工质，该进气口连通于预热腔的另一端。

5.根据权利要求4所述的斯特林发动机，其特征在于，斯特林发动机还包括旁通管、设置在旁通管上的第一阀门以及设置在送风管上的第二阀门；

其中，该旁通管的两端分别连通于燃烧加热炉的进气口和鼓风压缩机的出风口。

6.如权利要求1所述的斯特林发动机，其特征在于，所述转动柱体包括金属筒体、覆盖在所述金属筒体的外侧壁上的隔热层以及覆盖在所述隔热层上的耐热层。

7.如权利要求6所述的斯特林发动机，其特征在于，所述耐热层的表面粗糙。

8.如权利要求1所述的斯特林发动机，其特征在于，所述转动柱体采用耐高温的非金属材料制成。

9.如权利要求8所述的斯特林发动机，其特征在于，该非金属材料为碳化硅。

10.如权利要求4或5所述的斯特林发动机，其特征在于，所述转动柱体的外轮廓构造为圆柱形，且能绕自身轴线转动；

所述转动柱体设置有多个，多个所述转动柱体的轴线相互平行，多个所述转动柱体呈矩阵状排列且相邻两个所述转动柱体的外侧壁相互抵接，相互抵接的两个所述转动柱体在转动时相互接触部分的运动方向相同、线速度相等，相互接触的转动柱体间没有滑动摩擦；

所述热腔、第一工质腔、第二工质腔和预热腔在多个所述转动柱体之间交替排列，热腔与第一工质腔、第二工质腔相邻排列，热腔与预热腔对角排列，第一工质腔与第二工质腔对角排列，预热腔与第一工质腔、第二工质腔相邻排列。

11.根据权利要求10所述的斯特林发动机，其特征在于，第一工质腔和第二工质腔内均设置有填充物，填充物的外壁与该填充物所在的工质腔的内壁之间具有间隙。

12.根据权利要求11所述的斯特林发动机，其特征在于，填充物由实心耐高温非金属材料制成。

13.根据权利要求12所述的斯特林发动机，其特征在于，该间隙为环绕填充物的环形间隙。

14.如权利要求11所述的斯特林发动机，其特征在于，所述换热器还包括直筒形且横截面为矩形的外壳、设置在所述外壳上的多个轮架以及设置在所述轮架上且轴线与所述转动柱体的轴线相互平行的滚轮；

每一排所述转动柱体设置在每两个滚轮之间，两个所述滚轮分别抵接于位于最外侧的两个所述转动柱体的外侧壁；每一列所述转动柱体设置在每两个滚轮之间，两个所述滚轮分别抵接于位于最外侧的两个转动柱体的外侧壁。

15.如权利要求14所述的斯特林发动机，其特征在于，所述换热器还包括多个调整器，所述轮架通过所述调整器安装在所述外壳上；

所述调整器用于调整所述滚轮与所述外壳之间的距离。

16.如权利要求15所述的斯特林发动机，其特征在于，所述外壳上设置有多个通孔；

所述调整器包括：

固定在外壳上的安装筒，安装筒的内孔为螺孔；

与该安装筒螺纹配合的螺杆，该螺杆贯穿安装筒和外壳；

手柄，设置在螺杆朝外的一端；

其中，所述轮架设置在所述螺杆朝内的一端。

17.如权利要求14所述的斯特林发动机，其特征在于，换热器还包括设置在所述外壳两端的两个端盖；

转动柱体的两端分别与两个端盖进行带润滑的弹性接触密封连接。

18.如权利要求17所述的斯特林发动机，其特征在于，转动柱体设置成筒形，其内设置有轴向延伸的冷却流道，转动柱体的每一端均设置有一连接块，连接块的顶端设置有向内凹陷的键槽，键槽的底端设置有阶梯孔，阶梯孔的大直径端朝外、小直径端连通于转动柱体的冷却流道；

换热器还包括多个连接器，每个端盖与连接块之间通过连接器连接；

连接器包括：

安装座，包括

第一座体，连接于端盖；

芯轴，从第一座体向背离端盖的方向伸出，以及

第一过孔，与芯轴同轴设置且贯穿安装座；

转动块，包括

第二座体，设置有套装在芯轴上的圆孔；

条形键，从第二座体伸入到所述键槽内且能相对于所述键槽滑动，条形键设置有一端连通第二座体的圆孔的第二过孔，以及

限位筒，从条形键伸入到所述阶梯孔的大直径端内且与第二座体同轴的，限位筒的内孔连通于第二过孔的另一端；

弹性件，套装在限位筒上且两端分别抵接于所述阶梯孔的大直径端的底壁和条形键的顶端；

冷却管，贯穿端盖并依次穿过第一过孔、第二座体的圆孔、限位筒的内孔而伸入到转动柱体内与冷却流道相接通。

19.如权利要求17所述的斯特林发动机，其特征在于，所述换热器还包括驱动机构，所述驱动机构用于驱动转动柱体转动。

20.如权利要求19所述的斯特林发动机，其特征在于，所述驱动机构包括：

多个链轮组件，每个链轮组件包括

转轴，贯穿端盖且与转动柱体相连；以及

两个第一链轮，均设置在端盖外侧且均套装在所述转轴上；

多根第一链条，依次将多组链轮组件中的第一链轮连接起来；

电机，固定在所述外壳上；

减速器，其输入轴连接于电机的主轴；

第二链轮，套装于减速器的输出轴；

第二链条，将第二链轮与一个第一链轮连接起来。

21.如权利要求20所述的斯特林发动机，其特征在于，所述链轮组件设置有四个，四个链轮组件中的转轴分别连接于位于四个角上的转动柱体。

22.如权利要求1所述的斯特林发动机，其特征在于，做功工质在第一工质腔和第二工质腔中互为逆流状态。

23.一种斯特林发动机的热交换方法，其特征在于，包括：

转动柱体转动以使得转动柱体表面通过辐射换热和强对流换热将加热工质的热量带给做功工质、冷却工质，从而实现加热工质和冷却工质、做功工质之间的换热；让转动柱体表面与加热工质、冷却工质和做功工质密封接触；

使做功工质被两个活塞缸交替地推动而反复地被加热和被冷却以驱动其中一个活塞缸对外做功。

24.根据权利要求23所述的热交换方法，其特征在于，使多个转动柱体的表面相互接触以密封加热工质和冷却工质、做功工质，转动柱体表面的相互接触部分的运动方向相同、线速度相等、相互间无滑动摩擦。

25.根据权利要求23或24所述的热交换方法，其特征在于，转动柱体表面的运动线速度为5-15米/秒。

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