能量轉化器及方法

2023-12-10 09:07:12 2

專利名稱：能量轉化器及方法
技術領域：
本發明涉及能量轉化技術領域，並且特別地涉及冷循環發動機，和加熱和冷卻泵。
背景技術：
傳統熱力發動機，例如斯特林發動機，能從外部熱源產生動力。熱源可以是低成本 或免費的，例如生產過程產生的廢熱，但斯特林循環本身需要沉重和昂貴的發動機，由於費 用和重量的原因導致在許多應用場合不能使用。斯特林發動機的另一局限性是工作流體在 發動機的每個循環必須加熱和冷卻。這限制了發動機操作的速度並且需要非常複雜的熱量 交換器。 其它傳統的熱力發動機，例如使用蘭金循環的蒸汽機，需要發動機中的工作流體 在發動機的操作過程中改變相位。對於特殊的操作流體，例如水，發動機需要溫度超過操作 流體沸點的熱源，對於水來說沸點是能量轉化器ioo攝氏度，以便使流體在蘭金循環過程 中轉變為氣體。蘭金循環在熱源溫度隨時間而改變或只有溫度的細微變化才能控制發動機 的應用場合併不容易地進行。

發明內容
在一個實施例中，能量轉化器包括通道，通道定義了閉環迴路並包含在正常操作 條件下至少部分大被壓縮至壓力在大氣壓力以上的流體。可壓縮流體在閉環迴路中具有正 常的相位。壓力位移耦合界面位於閉環迴路上並且將閉環迴路分成第一能量轉化迴路和第 二能量轉化迴路。在操作過程中，第一能量轉化迴路和第二能量轉化迴路具有不同的壓力， 其中一個的壓力大於另一個的壓力。隨著操作的進行，壓力的不同可能顛倒。位於第一能 量轉化迴路的第一流動控制裝置調整以允許脈動流穿過第一能量轉化迴路並且能量轉化 穿過壓力位移耦合界面。位於第二能量轉化迴路的第二流動控制裝置調整以允許脈動流穿 過第二能量轉化迴路並且能量轉化穿過壓力位移耦合界面。第一流動控制裝置和第二流動 控制裝置調整以允許第一能量轉化迴路和第二能量轉化迴路的脈動流混合以形成圍繞閉 環迴路的流動。輸入輸出裝置與壓力位移耦合界面相連以將能量輸入到壓力位移耦合界面 或從壓力位移耦合界面排出。 在另一實施例中，能量轉化器包括通道，通道定義了閉環迴路並包括優選壓力大 於大氣壓力的可壓縮的流體。壓力位移耦合界面位於閉環迴路上並且將閉環迴路分成第一 能量轉化迴路和第二能量轉化迴路。在操作過程中，第一能量轉化迴路和第二能量轉化回 路具有不同的壓力，其中一個的壓力大於另一個的壓力。隨著操作的進行，壓力的不同可能 顛倒。位於第一能量轉化迴路的第一流動控制裝置調整以允許脈動流穿過第一能量轉化回 路並且能量轉化穿過壓力位移耦合界面。位於第二能量轉化迴路的第二流動控制裝置調整 以允許脈動流穿過第二能量轉化迴路並且能量轉化穿過壓力位移耦合界面。第一流動控制 裝置和第二流動控制裝置是迴轉閥被調整以允許第一能量轉化迴路和第二能量轉化迴路 的脈動流混合以建立圍繞閉環迴路的流動。輸入輸出裝置與壓力位移耦合界面相連以將能量輸入到壓力位移耦合界面或從壓力位移耦合界面排出。迴轉閥優選是電力驅動的，並且 優選在連續方向上旋轉。 在另一實施例中，能量轉化器包括通道，通道定義了閉環迴路並包括優選壓力大 於大氣壓力的可壓縮的流體。壓力位移耦合界面包括包含在管道中的電磁控制的旋轉活 塞，在不同壓力下其在閉環迴路側面之間延伸並將閉環迴路分成第一能量轉化迴路和第二 能量轉化迴路，管道至少形成汽缸的一部分。在操作過程中，第一能量轉化迴路和第二能量 轉化迴路具有不同的壓力，其中一個的壓力大於另一個的壓力。隨著操作的進行，壓力的不 同可能顛倒。位於第一能量轉化迴路的第一流動控制裝置調整以允許脈動流穿過第一能量 轉化迴路並且能量轉化穿過壓力位移耦合界面。位於第二能量轉化迴路的第二流動控制裝 置調整以允許脈動流穿過第二能量轉化迴路並且能量轉化穿過壓力位移耦合界面。電磁控 制的旋轉活塞至少一部分設計為用作第一能量轉化迴路和第二能量轉化迴路的至少一部 分。第一流動控制裝置和第二流動控制裝置調整以允許第一能量轉化迴路和第二能量轉化 迴路的脈動流混合以建立圍繞閉環迴路的流體。輸入輸出裝置與壓力位移耦合界面相連以 將能量輸入到壓力位移耦合界面或從壓力位移耦合界面排出。旋轉活塞用作集成的迴轉閥 以便不再需要附加閥。在一些應用場合中，這種構造可用於與被動止回閥組合使用。
在另一實施例中，能量轉化器包括通道，通道定義了閉環迴路並包含可壓縮的流 體。壓力位移耦合界面包括包含在管道中的電磁控制的旋轉活塞，在不同壓力下其在閉環 迴路側面之間延伸並將閉環迴路分成第一能量轉化迴路和第二能量轉化迴路。在操作過程 中，第一能量轉化迴路和第二能量轉化迴路具有不同的壓力，其中一個的壓力大於另一個 的壓力。隨著操作的進行，壓力的不同可能顛倒。各自的反彈裝置位於活塞和管道的對置 端之間。位於第一能量轉化迴路的第一流動控制裝置調整以允許脈動流穿過第一能量轉化 迴路並且能量轉化穿過壓力位移耦合界面。位於第二能量轉化迴路的第二流動控制裝置調 整以允許脈動流穿過第二能量轉化迴路並且能量轉化穿過壓力位移耦合界面。第一流動控 制裝置和第二流動控制裝置被調整以允許第一能量轉化迴路和第二能量轉化迴路的脈動 流混合以建立圍繞閉環迴路的氣流。輸入輸出裝置與壓力位移耦合界面相連以將能量輸入 到壓力位移耦合界面或從壓力位移耦合界面排出。 在另一實施例中，能量轉化器包括通道，通道定義了閉環迴路並包含可壓縮的流 體。壓力位移耦合界面包括不同壓力操作過程中位於閉環迴路側面的壓電式換能器或電活 性材料，並將閉環迴路分成第一能量轉化迴路和第二能量轉化迴路。在操作過程中，第一能 量轉化迴路和第二能量轉化迴路具有不同的壓力，其中一個的壓力大於另一個的壓力。隨 著操作的進行，壓力的不同可能顛倒。各自的反彈裝置位於活塞和管道的對置端之間。位 於第一能量轉化迴路的第一流動控制裝置調整以允許脈動流穿過第一能量轉化迴路並且 能量轉化穿過壓力位移耦合界面。位於第二能量轉化迴路的第二流動控制裝置調整以允許 脈動流穿過第二能量轉化迴路並且能量轉化穿過壓力位移耦合界面。第一流動控制裝置和 第二流動控制裝置被調整以允許第一能量轉化迴路和第二能量轉化迴路的脈動流混合以 建立圍繞閉環迴路的流動。輸入輸出裝置與壓力位移耦合界面相連以將能量輸入到壓力位 移耦合界面或從壓力位移耦合界面排出。 在另一實施例中，一種能量轉化方法，包括在定義了閉環迴路的通道內包含可壓 縮流體，可壓縮流體在閉環迴路中具有正常的相位。壓力位移耦合界面位於閉環迴路上並且將閉環迴路分成第一能量轉化迴路和第二能量轉化迴路。第一能量轉化迴路與第二能量 轉化迴路具有不同的壓力。位於第一能量轉化迴路的第一流動控制裝置調整以允許脈動流 穿過第一能量轉化迴路並且能量轉化穿過壓力位移耦合界面。位於第二能量轉化迴路的第 二流動控制裝置調整以允許脈動流穿過第二能量轉化迴路並且能量轉化穿過壓力位移耦 合界面。第一流動控制裝置和第二流動控制裝置被調整以允許第一能量轉化迴路和第二能 量轉化迴路的脈動流混合以建立圍繞閉環迴路的流動。輸入輸出裝置與壓力位移耦合界面 相連以將能量輸入到壓力位移耦合界面或從壓力位移耦合界面排出。 在另一實施例中，一種能量轉化方法，包括在定義了閉環迴路的通道內包含可壓
縮流體，可壓縮流體在閉環迴路中具有正常的相位。壓力位移耦合界面位於閉環迴路上並
且將閉環迴路分成第一能量轉化迴路和第二能量轉化迴路。第一能量轉化迴路與第二能量
轉化迴路具有不同的壓力。位於第一能量轉化迴路的第一流動控制裝置調整以允許脈動流
穿過第一能量轉化迴路並且能量轉化穿過壓力位移耦合界面。位於第二能量轉化迴路的第
二流動控制裝置調整以允許脈動流穿過第二能量轉化迴路並且能量轉化穿過壓力位移耦
合界面。第一流動控制裝置和第二流動控制裝置被調整以允許第一能量轉化迴路和第二能
量轉化迴路的脈動流混合以建立圍繞閉環迴路的流動。壓力位移耦合界面包括至少其中一
個位於管道中的在閉環迴路的對向側之間延伸的自由旋轉活塞，具有位於管道中的在管
道端部和活塞之間的反彈裝置的至少一個活塞，位於管道中的在閉環迴路的對向側之間延
伸的隔膜，位於閉環迴路對置側的承受壓力的壓電式換能器，和位於閉環迴路一側或全部
兩側的電活性材料，和位於閉環迴路對向側之間的各自的壓電式換能器。輸入輸出裝置與
壓力位移耦合界面相連以將能量輸入到壓力位移耦合界面或從壓力位移耦合界面排出。
在另一實施例中，能量轉化器，包括具有熱端和冷端的汽缸的密封壓力腔。自由活
塞設置在管道中往復運動。自由活塞將汽缸的熱端與冷端分隔開並且自由活塞包括具有相
同表面區域的對向側。發電機與自由活塞相連用於將自由活塞的往復運動轉化為電能。熱
迴路和冷迴路通過汽缸連接以形成單一流動迴路。部分閥將熱迴路和冷迴路與汽缸分隔
開。部分閥包括設置在汽缸熱端的並且在熱迴路和汽缸的熱端之間形成流體密封的熱吸入
閥，設置在在汽缸熱端的並且在冷迴路和汽缸的熱端之間形成流體密封的熱排出閥，設置
在汽缸冷端的並且在冷迴路和汽缸的冷端之間形成流體密封的冷吸入閥，設置在在汽缸冷
端的並且在熱迴路和汽缸的熱端之間形成流體密封的冷排出閥。 上述裝置和方法的這些和其它方面闡述在權利要求中，其通過參考方式引入到這 裡。


現在參考附圖描述實施例，其中相同的參考特徵表示相同的部件，以舉例的形式， 其中 圖1是能量轉化器的透視圖；
圖2是能量轉化器的部分剖視圖； 圖3是圖2的能量轉化器處於第二相位時的部分剖視圖；
圖4是圖2的能量轉化器處於第三相位時的部分剖視圖；
圖5是圖2的能量轉化器處於第四相位時的部分剖視11
圖6是圖2的能量轉化器處於第五相位時的部分剖視圖； 圖7是圖2的能量轉化器處於第六相位時的部分剖視圖； 圖8是圖1的能量轉化器的部分剖視圖； 圖9是圖1的能量轉化器的部分頂視圖；圖10圖11圖12
性曲線13圖14圖15圖16圖17圖18圖19圖20圖21圖22圖23圖24圖25圖26圖27圖28圖29圖30圖3具體實施例方式
對這裡描述的實施例所作的非實質性的改變並沒有背離權利要求的保護範圍。在 本專利文件中，術語熱和冷用作表明熱側的溫度比冷側溫度高的相對含義。同樣地，熱源是 具有比從熱源吸收熱量的物體的溫度相對較高的物體。 能量轉化器用於將可壓縮流體的熱量的變化轉變為界面的運動或將界面的運動 轉化為熱量的變化。界面的變化可用於以不同的方式工作，例如驅動機器，如泵，或發電機。 能量轉化器同樣可使用能量例如電能或機械能產生作用於可壓縮流體以改變可壓縮流體 熱能界面的運動。 在不同的實施例中，可壓縮流體包含在定義了閉環迴路的通道中，在一些實施例 中，可壓縮流體在閉環迴路中具有正常的相位。在其它實施例中，可壓縮流體在閉環迴路中 改變相位。通道可以被任何合適的材料確定並且可包括不同的結構例如管材，管道，鑽在基材上的溝槽或孔，刻蝕在一個基材上的溝槽並且另一基材形成該溝槽的蓋子，在半導體芯 片上或任何其它合適通道中的溝槽或孔。在熱交換器中流動的流體可分成不同的流動路徑 或像圖中那樣保留在相同路徑中。 不同實施例中的閉環迴路可包括附加技術特徵例如熱交換器，冷凝器，蓄電池，熱 源，吸熱設備和同樣可以用作熱交換器的熱或冷的存儲器。 閉環迴路中的壓力位移耦合界面將閉環迴路分成第一能量轉化迴路和第二能量 轉化迴路。壓力位移耦合界面同樣將能量從第一能量轉化迴路中轉化到第二能量轉化迴路 中。在一個實施例中，由於從熱側擴張的活塞中儲存的和通過在汽缸的冷端彈性相位保存 的動能使得冷腔擴大成為可能。因此，該實施例中的兩個迴路立即相互作用)。壓力位移耦 合界面可以是任何不同的形式。壓力位移耦合界面響應閉環迴路的任一側上的壓力變化而 改變位置並且因此響應閉環迴路中的壓力波動或不平衡而移動。壓力位移耦合界面可以由 一個或多個連接在一起的部分組成。在一個實施例中，壓力位移耦合界面包括通道或通道 中的活塞穿過閉環迴路而形成的短迴路的管道。穿過閉環迴路是的壓力變化導致自由活塞 移動穿過管道。由於壓力變化，自由活塞可以移動不同量的位移。 在另一實施例中，壓力位移耦合界面可包括具有以任何不同的方式結合在一起以 便一個活塞的運動可以由另一個的運動實現調整的一對活塞的管道，例如活塞可以通過 杆，或通過電接觸連接在一起。在另一實施例中，壓力位移耦合界面可包括多個管道，每個 管道內部具有一個或多個相連的響應閉環迴路壓力變化的活塞。在另一實施例中，壓力位 移耦合界面可包括連接在一起的壓電式換能器。壓電式換能器將運動轉化為電能或者將電 能轉化為運動。閉環迴路的每個邊可包括一個或多個壓電式換能器或在位於對向側上的單 一的隔膜或壓電式換能器。閉環迴路一側的壓電式換能器通過電子器件與閉環迴路另一側 的壓電式換能器相連以便一組壓電式換能器的運動與另一組壓電式換能器的運動一致，並 且可能導致相應的運動。 第一能量轉化迴路包括位於壓力位移耦合界面一側上的閉環迴路並且第二能量 轉化迴路包括位於壓力位移耦合界面另一側上的閉環迴路。在一些實施例中，第一能量轉 化迴路可穿過熱源並且第二能量轉化迴路可穿過吸熱設備。能量轉化迴路以如脈衝方式進 行操作，如流體控制裝置的打開或關閉。 閉環迴路中的壓力變化由流體控制裝置控制。在一些實施例中，流體控制裝置可 包括閥，例如旋轉閥，壓電閥，或其它適合的閥。位於第一能量轉化迴路流體控制裝置被調 整以允許脈衝流體穿過第一能量轉化迴路和能量轉化穿過壓力位移耦合界面。位於第二能 量轉化迴路流體控制裝置被調整以允許脈衝流體穿過第二能量轉化迴路和能量轉化穿過 壓力位移耦合界面。流體控制裝置被調整以允許第一能量轉化迴路和第二能量轉化迴路中 的脈衝流體混合形成圍繞閉環迴路的流動。 在一個實施例中，能量轉化器用於將熱能轉化為運動。在這種情況下，能量源是在 第一能量轉化迴路的一些部分與第二能量轉化迴路的一些部分之間的熱量差。將第一能量 轉化迴路看作是熱側，定義為熱迴路。第二能量轉化迴路是冷迴路。在一個實施例中，熱回 路在靠近位於壓力位移耦合界面一側上的閉環迴路具有吸入流體控制裝置以允許熱迴路 中的壓力壓靠在部分壓力位移耦合界面上。在有自由活塞的情況下，這可以是自由活塞的 一側。在有壓電的實施例情況下，這可以是壓電式換能器的其中一個。熱迴路在靠近位於側上的閉環迴路具有排出流體控制裝置。冷迴路在位於壓力位移耦合 界面的對向側上具有相應的吸入或排出流體控制裝置。在一個實施例中的能量轉化器，流 體控制裝置是圖12所示方式進行調整的閥。 輸入輸出裝置與壓力位移耦合界面相連以將能量輸入到壓力位移耦合界面或從 壓力位移耦合界面排出。例如，輸入輸出裝置可以是交流發電機。在一個實施例中，交流 發電機可以操作以將壓力位移耦合界面的運動部分的運動轉化為電能，例如自由活塞的運 動。在另一實施例中，交流發電機可以操作驅動壓力位移耦合界面的運動部分的運動並且 驅動閉環迴路周圍的壓縮流體。在另一實施例中，活塞隨著其在形成了在閉環迴路對置側 之間的汽缸的管道中的擺動而被驅動旋轉並且設有流體流動開口以便一些或所有流體控 制由隨著與汽缸上的流體流動開口相互作用的旋轉活塞提供。在另一實施例中，輸入輸出 裝置可包括與馬達或泵相連的機械聯軸節。在另一實施例中，輸入輸出裝置可以是與壓電 式換能器相連的將壓電式換能器中的電能轉化為在另一應用場合中執行的操作。在另一實 施例中，輸入輸出裝置可提供驅動壓電式換能器或電活性材料和在閉環迴路的一側產生冷 卻作用的電能。在另一實施例中，壓電式換能器的電能用於在另一壓電式換能器中執行操 作。 圖1-10示出了第一實施例的能量轉化器100。能量轉化器100具有與熱存儲器 106和冷存儲器108的主體102。熱存儲器106和冷存儲器108同樣是熱量交換器並且可 以稱作熱的熱交換器106和冷的熱交換器108。活塞110設置在位於主體102的內部的汽 缸112中。在活塞對置側是汽缸112的熱端116和汽缸112的冷端118。熱流體吸入閥126 將汽缸112的熱端116和熱存儲器106分隔開。冷流體排出閥128將汽缸112的冷端118 和熱存儲器106分隔開。冷流體吸入閥130將汽缸112的冷端118和冷存儲器108分隔開。 熱流體排出閥130將汽缸112的熱端116和冷存儲器108分隔開。活塞110是自由活塞並 且安裝有嵌入在活塞110內部的永磁體124， 134。四個電磁線圈136， 138， 140， 142包含在 能量轉化器100的主體102中。 能量轉化器100作為冷循環發動機的操作揭示在圖2-7中。在能量轉化器100的 操作過程中，可壓縮的流體穿過熱存儲器106和冷存儲器108。當流體流動穿過能量轉化器 100時，隨著活塞110交替地作為熱存儲器106或冷存儲器108的部分，熱存儲器106和冷 存儲器108用作能量轉化迴路。熱存儲器106和冷存儲器108 —起形成流動穿過主體102 的閉環迴路流體。熱存儲器從熱源(未示出)吸收熱量以便從熱存儲器106排出的流體具 有比正進入熱存儲器106的流體更高的溫度。如圖2所示，當受控數量的熱流允許從熱存 儲器106進入汽缸112的熱端116時，活塞110的動能增加。大量熱流穿過熱流體吸入閥 126進入汽缸112，因此作用在活塞110上並且導致其在汽缸112中軸向移動。當期望數量 的熱流進入汽缸112後，熱流體吸入閥126關閉。活塞的運動可用於外部有效的動作例如 當磁體124， 134穿過電磁線圈136， 138， 140， 142時產生電能。 如圖3所示，移動活塞的動能被轉化為汽缸冷端中的流體增加的壓能。活塞110的 移動推動可壓縮的流體從汽缸的冷端118穿過冷流體排出閥128進入到熱存儲器106中。 當汽缸端部118中的壓力大致與熱存儲器106中的壓力相等時，閥128打開以避免穿過閥 的節流發生。當在穩定相位條件下進行操作時，被推回進入熱存儲器106的冷流體量與在 圖2所示的相位過程中進入到汽缸112中的熱流體量大致相等。在汽缸112的冷端118中
14的冷流體的壓縮需要的能量比由汽缸112中的熱端116的壓力和擴張產生的能量少，提供 能量用於克服系統中的附加損失。 如圖4所示，當冷流體排出閥128關閉時，活塞110將繼續以相同方向軸向移動直 到汽缸的冷端118中的密封流體的增壓導致活塞IIO停止並且以相反方向運動並保留有圖 2所示相位產生的一部分動能。由活塞110的運動產生的120導致活塞110朝汽缸112的 熱端116反彈返回。 如圖5所示，當活塞改變方向並且開始第二衝程時，並且當汽缸112中的冷端118 中的壓力大致與冷存儲器108中的壓力相等時，冷流體吸入閥130打開並且允許冷流體從 冷存儲器108中吸入。當與從冷流體排出閥128中排出的冷流體的大致相同量的冷流體被 吸入到汽缸的冷端118中時，冷流體吸入閥130關閉。 圖2所示的結束相位後，當熱流體吸入閥126關閉時，汽缸112的熱端116中的壓 力開下降。對應於圖5所示的相位，隨著活塞110改變方向並且開始第二衝程，汽缸112中 的熱端116中的壓力開始增加。在圖2所示的相位過程中，當汽缸112的熱端116中的壓 力大致等於冷存儲器108中的壓力時，熱流體排出閥130打開並且釋放大致與開始吸入到 汽缸112的熱端116中相同量的流體。這是處於穩定相位下的操作實例。
如圖7所示，熱流體吸入閥126關閉並且在熱端116中形成壓力直到活塞停止，改 變方向並且另一循環以圖2所示的相位重新開始。通過活塞110的運動形成的122導致活 塞110朝汽缸112的冷端118反彈返回。 如圖16所示，計算機控制系統258可檢測熱存儲器106，冷存儲器108中的壓力 和活塞的軸向位置。處理器可決定閥開放和關閉的時間以及從電磁線圈136,138,140， 142(圖2)中吸收的流量。在一些實施例中，在特定循環過程中從線圈中吸收的電流大致 與活塞雙向運動所需電流相等。通過使用低摩擦自由活塞和最小的或不設有外部密封，附 加損失降低，能為較低溫度變化下的生產提供動力。在一些實施例中，活塞可達到往復運動 速度每分鐘3600循環以產生優選頻率為60Hz的交流電。在一些實施例中，當保持在60Hz 交流電輸出時，許多排線圈可用於產生每衝程多於一個的電脈衝並且允許較低的發動機速 度。較高和較低的速度同樣都是可能的。 熱存儲器106和冷存儲器108之間的溫度差必須足夠高以產生足夠的壓力提供足 夠的動能以克服系統中的附加損失。工作流體可以是空氣或其它的可壓縮流體，例如但不 限於，氦，氫或氮。空氣的量可以通過任何方式測量，包括例如從傳感器輸入測量由活塞位 置變化而產生的壓力，溫度和體積變化。 冷存儲器108可用於與堅硬的吸熱設備或可穿過具有比熱源的溫度低的周圍空 氣或液體。閥126，128，130，132可以是機械或電力驅動的。例如閥可以是優選以正常速度 單方向旋轉(在穩定相位操作過程中)的機械控制旋轉閥或電磁閥。在一些實施例中，活
塞iio可以是機械控制的，例如具有曲軸和連接臂。活塞IIO可以是其中一端比另一端的 表面面積更大，這不同於圖2所示，優選具有相等的直徑和兩端相同的表面面積，設計起來 更為簡單。在能量轉化器的操作過程中隨著條件的改變，活塞的平均軸向位置可以發生變 化。例如，在機器的操作過程中，活塞的平均位置可以朝向汽缸112的熱端116移動以在汽 缸兩端達到最大容積和壓縮比。在圖4和7所示的相位過程中，活塞110突出穿過閥以便 當活塞110向包含在主體102和活塞110之間的汽缸112的熱端116和冷端118反彈並且活塞110和閥不再承受附加壓力時，高壓實現阻止。汽缸112的熱端116和冷端118的任 何一個的一部分延伸穿過閥126， 128， 130， 132。冷端118可具有較長的反彈長度因為活塞 110保存用於返回衝程的動能。可以在汽缸周圍設置絕緣或真空以保存系統的熱量，尤其在 反彈過程中熱端116和冷端118的溫度達到最高點時。活塞IIO可以具有更緊密密封的可 擴張的端部在汽缸112的任何一端的反彈過程中。 如圖2-7所示，能量轉化器100具有定義了閉環迴路的熱存儲器106和冷存儲器 108。流體通過閉環迴路時單向流動。單向流動允許慢慢產生加熱和冷卻和優選超過兩個 或更多個能量轉化器100的循環。活塞110在活塞110的對置端具有相同的截面積。具有 相同截面積端部的活塞110設計簡單，組成部件較少。對閥進行定時而不是調整活塞面積 實現了流體穿過閉環迴路的不同位移。變化的活塞衝程允許熱端116和冷端118具有不同 的實際位移和由此不同的能量輸出和需求。活塞振幅可以根據不同的的參數例如熱增量和 動力輸出進行調整。對於電流輸出應用場合，頻率和由此的交流電頻率可以通過調整活塞 往復運動的幅度進行保持。能量轉化器100可以在不同的系統壓力，活塞位移，包括除了絕 對低和不同的溫度的溫度差別下進行操作。 不同的傳感器設置用於決定穿過每個流體控制閥126， 128， 130， 132的最佳空氣 流量。圖16示出了一個這樣的傳感器。 一些能量損失在熱交換器中的流體脈動流動中。脈 衝室用於降低能量損失。活塞速度和振幅可以調整用於優化通過存儲器/熱交換器的脈衝 流動特徵。 如果在原始啟動相位具有不足以等同於形成推動活塞110的壓力，接著電流可以 被提供給電磁線圈136， 138， 140， 142以開始進行活塞擺動。如果系統中的壓力變化足夠 高，發動機可以通過電磁線圈136， 138， 140， 142的打開和關閉進行啟動以推動活塞110的 運動。電磁線圈136， 138， 140， 142可以用於線性馬達線圈直到活塞110以操作速度進行往 復運動。在啟動相位過程中，活塞振幅，頻率和空氣流量可以從穩定相位逐漸增加。在正常 動力循環過程中，電磁線圈136， 138， 140， 142可以用於增加或減少活塞動能或影響移動或 位置以改變操作特徵。 電磁線圈136， 138， 140， 142可以用於磁性阻止活塞110的運動。磁性阻止活塞 110允許電磁線圈136， 138， 140， 142和永磁體124， 134作為磁方位共同作用。當電磁線圈 用作磁方位時，電磁線圈可以設置在汽缸112的周圍。用於產生動力的的電線可以設置在 汽缸112上包括汽缸112端部的任何位置。 圖11示出了具有旋轉活塞144的能量轉化器的部分視圖。旋轉活塞在活塞上具有 兩個流動迴路146， 148。流動迴路146， 148用作與電磁閥相類似的流動控制機構。隨著活 塞144往復運動的同時繞其軸向旋轉，活塞144控制汽缸150的流入和流出。吸入口 192， 196和排出口 194， 198設置在汽缸150上。活塞144的角坐標可以由圖2所示的電磁線圈 控制。活塞144可以替代圖2所示的四個閥中的一個或多個。活塞144可以僅在一個方向 上旋轉。活塞144可以以小於一個循環一圈，等於一個循環一圈或大於一個循環一圈的速 率旋轉，這取決於流動迴路146,148的結構。活塞144可以用於存儲可用於通過一個循環 一次或多次交替地降低活塞所產生電能的動能。活塞144的旋轉產生的電流可用於修正輸 出電壓，例如，以更精確地與優選的交流波形匹配。電磁線圈136， 138， 140， 142 (圖2)可以 用於交替地增加和降低活塞的速度。交替的加速吸收電流，而交替的減速產生電流。活塞
16144的加速和減速的變化可調整閥的打開和關閉時間。 在吸入口 192， 196，活塞144將永久打開並且止回閥(未示出)將保持關閉直到汽 缸150中的壓力下降至微低於各自吸入口 192，196中的熱交換器的壓力。活塞144將接著 在由例如控制系統確定的恰當的時間關閉。對於排出口 194， 198，活塞144將永久打開並且 止回閥(未示出)將保持關閉直到汽缸150中的壓力升高至微高於各自排出口 194，198中 的熱交換器的壓力。活塞144將接著在由例如控制系統確定的恰當的時間關閉。活塞144 設計為具有延長的開放時間以允許上述操作。活塞144可以為穩定相位系統設計為在精確 時間打開和關閉。當於止回閥一起使用時，活塞144允許在瞬時相位操作中進行有效的操 作。 圖12的曲線圖表示了圖1-10中能量轉化器IOO在活塞運動的不同相位時的壓力 和活塞位移。在相位1，當汽缸112的熱端116具有於熱存儲器106的壓力相同的壓力時熱 流體吸入閥126 (圖2)打開並且當特定量的熱空氣吸入後關閉。在相位2過程中，與圖3所 示的相位相同，當冷端118具有於熱存儲器106的壓力相同的壓力時冷流體排出閥128 (圖 3)打開，在相位3過程中，與圖4所示的相位相同，冷流體排出閥128(圖5)當特定量的冷 空氣排出進入熱存儲器106時關閉。在相位3後，活塞在汽缸112的冷端118反彈。在相 位5，當熱端116壓力大致等於冷存儲器108的壓力時熱流體排出閥130(圖6)打開。如 曲線圖所示，相位l-6可以不按照順序命令進行並且許多相位可以同時進行。在這種情況 下，相位5可以在相位4之前進行並且在相位4開始後相位4和相位5同時進行。在相位 4，當冷端118壓力大致等於冷存儲器108的壓力時冷流體吸入閥130(圖5)打開。在相位 6，當特定量的熱空氣排出進入冷存儲器108時熱流體排出閥130(圖7)關閉。當特定量的 冷空氣被吸入進汽缸112時冷流體吸入閥130關閉。相位6之後，在汽缸112的熱端116 處的活塞壓力反彈後循環返回到相位1的起始位置。在圖12的曲線圖中，示出了兩個不同 的壓力曲線。從表示相位1開始的曲線對應於汽缸112的熱端116的壓力。所示的第二曲 線對應於汽缸112的冷端118的壓力。 在操作過程中，熱存儲器106的壓力比圖12中所示的冷存儲器108的壓力更高。 壓力位移耦合界面的可移動部件的移動將汽缸冷端的空氣壓入到熱存儲器中(通過冷空 氣排出閥或部分其它流動控制裝置)，所以相比冷存儲器，熱存儲器中的氣壓更高。在一個 實施例中，這種壓縮由一個自由活塞的一端執行，但是可以使用例如電活性材料的其它裝 置。通過開口返回到熱存儲器中的冷空氣量大致於相位1在汽缸的熱端吸入進汽缸中的熱 空氣量相等。在汽缸的冷端冷空氣量的壓縮需要的能量比在汽缸的熱端壓力和熱空氣量擴 張產生的能量少。這提供了彌補系統中附加損失的和執行動作的能量。
曲線圖上方代表特徵A的曲線表示電能產生過程中的活塞的動能。曲線圖上方代 表特徵B的曲線表示無負載條件下活塞的動能。 圖13示出了代表執行外部工作的能量的熱曲線和冷曲線的對比。陰影區域表示 通過將熱流體引入進入執行動作的系統中活動的能量。曲線圖中的兩曲線表示圖12中所 示的兩曲線對齊以便熱曲線的"熱端反彈"部分與冷曲線的"冷端反彈"部分對齊。
圖14示出了與能量轉化器例如圖2所示的能量轉化器100 —起使用的閥160的 簡圖。迴轉閥消耗的能量比一些其它閥系統需要的能量少。共有兩個同時打開和關閉的回 轉閥162,164。但是相位不同以便第一迴轉閥第一迴轉閥162在第二迴轉閥164之前打開並且第二迴轉閥164在第一迴轉閥162之後關閉。閥通過170中的流體通道166將熱或冷 存儲器168與汽缸112 (圖2)連接起來。迴轉閥162， 164可以是進入或排出相同開口的同 一通風裝置或分開的通風裝置。閥160如圖14頂視圖所示逆時針轉動。閥160在一個獨 立的旋轉中打開兩次意味著閥160儘快打開和關閉兩次，減少否則可在閥操作過程中產生 的紊流和節流。 在其它實施例中，每個開口使用一個單獨的旋轉閥。流體可以穿過閥軸向，徑向或 在軸向和徑向上都流動。閥可以被加速和減速以語音學開口的打開和關閉時間。減速可以 用於給提高這種閥效率的存儲裝置例如電容器進行充電。 圖15示出了迴轉徑向套筒閥180。可壓縮流體通過開口 184穿過閥並且當開口 186與圖15所示的流體通道188對齊時穿過閥。 閥的定時可以通過聯合主動閥實現，例如迴轉閥，以精確地為閥聯合體的關閉和 使用內置的止回閥控制閥聯合體的打開定時。例如，迴轉閥可以構造為允許閥系統關閉開 口精確的定時。迴轉閥開口可以設計為在通過以正常速度旋轉閥但使用具有增加的迴轉閥 開口設置角度以便閥在穩定流動開口提前打開之前通常打開。當A)主動閥打開並且B)穿 過止回閥的壓力變化處於可導致止回閥打開的方向時，被動止回閥在迴轉閥允許流動之前 或之後接著順序使用。 圖16所示為能量轉化器200的示意圖。活塞210設置在主體202中的汽缸212 中。汽缸212具有熱端216和冷端218。第一熱交換器206形成具有活塞210的能量轉化回 路。第二熱交換器208形成具有活塞210的能量轉化迴路。第一熱交換器206和第二熱交 換器208組合形成閉環迴路。第一熱交換器206從熱源242吸收熱能。第二熱交換器208 將熱能驅散至吸熱設備244中。熱流體吸入閥226和止回閥234將汽缸212的熱端216和 第一熱交換器206分離開。當熱流體吸入閥226打開時，止回閥234阻止流體從汽缸212 的熱端216進入到第一熱交換器206中。冷流體排出閥228和止回閥236將汽缸212的冷 端218和第一熱交換器206分離開。當冷流體排出閥228打開時，止回閥236阻止流體從 第一熱交換器206進入到汽缸212的冷端218中。同樣地，冷流體吸入閥230和熱流體排 出閥232連接汽缸112和第二熱交換器208。與止回閥234，236原理相同，止回閥238,240 操作以阻止流體分別流入和流出第二熱交換器208。閥226， 228， 230， 232的操作與圖2_7 實施例描述的閥126， 128， 130， 132的操作相同。 溫度傳感器246和壓力傳感器250探測在進入汽缸212的熱端216之前的第一熱 交換器206中的溫度和壓力。溫度傳感器248探測在進入汽缸212的冷端218之前的第二 熱交換器208中的溫度和壓力。壓力傳感器256探測在從汽缸212的熱端216中排出之後 的第二熱交換器208中的溫度和壓力。壓力傳感器252探測汽缸212的熱端216中的壓力。 壓力傳感器252探測汽缸212的冷端218中的壓力。活塞位置傳感器260探測汽缸212中 的活塞210的位置。計算機控制系統258與每個壓力傳感器250， 252， 254，溫度傳感器246， 248，活塞位置傳感器260和閥226， 228， 230， 232相連。計算機控制系統258根據不同傳感 器的讀數打開和關閉閥226， 228， 230， 232，例如實施圖2_7實施例在相位1_6中描述的閥的 打開和關閉方法。計算機控制系統258可以設計為通過調整各個閥的定時以便找到最高輸 出的方式尋找理想的效率。 圖17所示為圖16中的能量轉化器200的簡要示意圖，其具有設置在汽缸212的
18對向側以助於在對應於圖4和圖7中的能量轉化器100所示的相位3和相位6的相位過程 中活塞210的壓力反彈的機械反彈彈簧270,272。機械反彈彈簧補充由活塞210的運動導 致可壓縮流體施加在汽缸212對置端的壓力反彈。 圖18所示為圖16中的能量轉化器200的簡要示意圖，其具有設置在汽缸212的 對置側以與設置在活塞280的對置側的活塞磁性反彈彈簧相對應的相向的磁性反彈彈簧 286,288。磁性反彈彈簧的操作與圖17中的磁性反彈彈簧相同。 圖19和20所示為具有兩活塞210的能量轉化器200聯合體的操作。活塞210的 反向移動可以減少或者甚至消除振動。在圖19中，兩能量轉化器200通過連接器290相連 並且相對熱能流平行操作。閥226， 228， 230， 232設置在兩能量轉化器200之上以便各個能 量轉化器的相應相位幾乎同時發生並且沿著相同的軸線但相反的方向發生，因此消除了活 塞210的振動作用。在圖20中，能量轉化器200A，200B相對能量流順序操作以更有效率 的利用熱能。從汽缸212B的熱端216B中經過熱流體排出閥232B排出的流體加熱從汽缸 212A的冷端218A中經過冷流體排出閥228A排出的流體。能量轉化器200A， 200B同樣可以 作為冷卻機器，通過推動活塞210A，210B的運動以循環流體用於冷卻。在具有冷卻操作的 實施例中，熱能流的方向顛倒並且能量輸入是進入到活塞的運動中而不是從其中吸出。在 這種情況下，熱存儲器用於高溫壓力工作流體的高溫溫度的散熱。冷存儲器用降低的熱能 流從介質或熱能交換器中吸收熱能。在圖20中，冷存儲器208B用於冷卻能量轉化器200A 的熱存儲器206A以達到對冷存儲器208A更有效率的冷卻作用。具有能量轉化器200的冷 卻操作的實施例在圖22中更詳細地闡述。 圖21和22所示為具有換熱器334的能量轉化器300。圖21所示為用於從熱差別 產生能量的能量轉化器。圖22所示為與圖21相同的結構的用於冷卻的能量轉化器，其中 熱量流流入和流出存儲器的方向相反。活塞310在汽缸312中軸向移動。流體控制閥326， 328,330,332控制通過汽缸312的流體的流動。在圖21中，第一熱交換器306收集從熱源 242 (圖16)中排出的熱量。加熱的流體穿過第一熱交換器306並經過熱流體吸入閥326進 入汽缸312中。加熱的流體最終經過熱流體排出口 332進入熱流體將熱量驅使經過第一熱 交換器306進入吸熱設備244 (圖16)中的第二熱交換器308中。在第一熱交換器306和 第二熱交換器308之間轉化能量的換熱器334被稱為換熱器。在通過換熱器334後，熱流 體排出口 332中排出的流體驅使熱量進入吸熱設備244(圖16)中。冷卻流體接著穿過流 體最終從冷流體排出口 328排出進入第一熱交換器306的冷流體吸入口 328進入汽缸312 中。流體接著再次經過換熱器334，在換熱器334中，第二熱交換器308中的流體加熱從冷 流體排出口 328中排出的流體，並且過程重新開始。換熱器334彌補了從系統的第一部分 中浪費的能量並且提高了整體的效率。 圖22中的能量轉化器300的在冷卻操作過程上是相似的，除了將能量轉化到和從 熱能交換器/存儲器轉化的方向。活塞的運動用於形成穿過閉環迴路的流體的運動。能量 轉化器冷卻與第二熱交換器308熱相連的介質。在汽缸的熱端擴張之前，圖22中的換熱器 "提前冷卻"以達到在冷存儲器/交換器第二熱交換器308中明顯降低溫度的效果。如果裝 置如同冷卻機器一樣依靠為活塞提供能量而進行操作並且如果換熱器設置在圖21中汽缸 的熱端擴張相位後，將會明顯地提高整個系統操作的效率。 圖23所示為具有泵輸出的能量轉化器400。活塞410具有兩個對置的在汽缸412中往復運動的驅動軸402， 404。閥426， 428， 430， 432控制穿過406和408的流體。活塞410 的往復運動將穿過單向閥414,416的流體吸入到位於活塞410的交替衝程的腔室422,424 中並且驅動流體穿過設置在活塞410的反向衝程上的單向閥418,420排出。
圖24和25所示為具有電能可變形的隔膜510的能量轉化器500，隔膜510可能例 如是電活性材料置換器，例如壓電陶瓷或電活性聚合體活塞。電活性材料是根據電輸入而 改變形狀的材料。例如，電活性聚合體或EAPs是當被施加電壓時形狀可以改變的聚合體。 在不同的實施例中，EAPs可以用作吸入和排出閥，壓力位移耦合界面中使用的制動器和壓 力傳感器。電活性材料可以包括例如EAPs介電質EAPs和離子EAPs。 可變形隔膜510設置在主體514中的腔體512中。與圖2_7實施例描述的流體控 制閥126， 128， 130， 132的工作方式相同，流體控制閥526， 528， 530， 532從熱存儲器506和 冷存儲器508中提供流體。在圖25中，磁體或鐵部件524附屬在彎曲的隔膜510上。磁體 524與設置在主體514的對向側上的電磁線圈526,528相互作用以產生能量轉化器500的 能量產生結構中的能量。在基礎冷卻結構中，磁體或鐵部件524能量由電磁線圈526,528 的相互作用提供。圖24和25的實施例可以用於微冷卻，隔膜510的移動可以改變整個腔 室的壓力，或可形成可對閥精確定時的壓力波形，可能在腔室中和腔室外產生升高或降低 的壓力。 圖26示出了具有壓縮腔602和擴張腔604的能量轉化器600。流體控制閥616， 618， 620， 622控制穿過由熱存儲器606和冷存儲器608定義的閉環迴路的流體。處理器610 控制閥定時方式與圖2-7實施例描述的閥126， 128， 130， 132的工作方式相同的閥616， 618， 620,622的打開和關閉。所示的處理器610與電力供應或輸出612相連。能量轉化器600可 以通過熱源例如計算機晶片進行加熱。計算機晶片中的熱量加壓606並且導致擴張腔604 擴張。擴張腔604擴張產生的電能，可能連同電供應612，用於收縮擴張腔604。能量轉化 器600可用於產生能量或可如同冷卻裝置或自身進行高效率冷卻裝置一樣進行操作。擴張 腔壓縮腔602和擴張腔604的體積可以相等或不相等。在一些實施例中，電供應612或電 輸出614可以省略。同樣擴張腔604產生的電能對於為壓縮腔602提供能量不是必須的。
圖27示出了在汽缸112(圖2)中具有空氣軸承642的活塞632。由於使用空氣軸 承642，活塞632相對於汽缸的摩擦減小。 一個空氣腔630設置在活塞632中，其具有設置 在活塞632對置側的止回閥634,636。當活塞從汽缸112的熱端116，冷端118 (圖4)反彈 時，空氣腔630中的壓力增加達到接近最大反彈壓力。加壓空氣接著用於供應設置在活塞 632表面周圍的空氣軸承642。 圖28所示為具有熱交換器350的能量轉化器300，熱交換器350設置在圍繞能量 轉化器300的閉環迴路的僅一側上。流體控制閥330， 332直接通過管352相連以將穿過管 352的熱交換降至最低。在一些實施例中，能量轉化器300可在其一側上具有較低效率的熱 交換器，或可僅在其一側上具有熱交換器。 圖29所示為具有兩活塞710， 712的能量轉化器700。流體控制閥726， 728， 730， 732控制穿過蒸發器718和冷凝器720並進入汽缸708的流體。蒸發器718可吸收從燃燒 或其它熱源，例如集中的太陽能。活塞712將氣流與液體流分離以避免水衝擊並且通過壓 力而不是通過絕對位移排出液化流體。旁通閥716依靠打開時的壓力差增加或減少汽缸 708中的氣體，以保持準確的反彈活塞位置。活塞710可以是自由活塞或動力活塞。活塞712可以是自由移動的活塞，動力活塞或隔膜。 圖30和圖31所示為具有活塞814，818，汽缸816,820和共同的熱交換器822和 824的的能量轉化器800。圖30示出了與圖31相同的實施例，除了 828A，828B合併在802 中和830A，830B合併在804中。在圖31中，流體控制閥826A， 828A， 830A， 832A和流體控制 閥826B，828B，830B，832B的操作方式與圖2-7實施例中的流體控制閥126， 128， 130， 132的 工作方式相同。流體穿過熱交換器822分成兩管840，842，在管840，842中，流體穿過熱流 體吸入閥826A，826B進入816,820中。冷流體接著從冷流體排出閥828A， 828B排出進入管 836,838中，在管836,838中流體混合併且穿過返回進入熱交換器822中。冷流體分別穿 過冷流體入口閥830A， 830B進入汽缸816， 820中。熱流體接著分別從熱流體排出閥832A， 832B排出進入管806,808中，在管806,808中，流體混合進入流體被冷卻的熱交換器824 中。在穿過熱交換器824後，流體分別進入管810,812中，在管810,812中，流體分別直接 穿過冷流體入口閥830A，830B。在圖31所示的實施例中，每個汽缸816， 820的冷側處於中 心上。在一些實施例中，每個汽缸的熱側可以位於中心上，在其它實施例中，汽缸816的熱 端可以與汽缸820的冷端接觸或者反之亦然，但這不是優選的。 用於在熱存儲器106 (圖2)和冷存儲器108 (圖2)之間形成溫度差的熱源可以來 自於多種熱源。熱量可以由自然產生的熱差別提供，例如a)夜晚和白天由在液體或固體材 料中存儲和使用熱能所產生熱量的差別，例如水存儲器，b)在周圍空氣和地面以下的溫度 差，c)水表面和深水的溫度差，d)在在地面或在空間場合中陽光加熱區域和避陰區域之間 的差別。熱量可以由不同場合中的廢熱提供，例如a)從工業過程中產生的廢熱，b)由燃料 燃燒產生的熱量，c)由陸地，海洋或空中交通工具攜帶的電源或其它動力源產生的熱量，d) 由電驅動裝置產生的熱量，包括，例如計算機，e)建築物與地面以下或周圍空氣的溫度差， f)集中的太陽能發電。例如，能量轉化器可從夜晚和白天之間存在的溫度差產生能量。在 白天當周圍空氣和太陽能提供能量以加熱熱交換器時，水存儲器可以用作吸熱設備並且存 儲熱能。冷水的存儲器用於冷卻冷交換器或冷存儲器108。熱交換器或熱存儲器106可以 由白天時間的空氣溫度加熱，並且可以吸收直接太陽能。水在白天可以加熱直到水升高後 的溫度非常接近夜晚空氣降低後的溫度時，不可能再產生能量轉化器中的能量。當空氣的 溫度下降至低於當時被加熱的水的溫度時，能量轉化器的循環顛倒。循環可以由將閥設計 為改變從每個存儲器進入反向發動機閥的空氣方向實現顛倒，或顛倒空氣流體，或循環可 以通過在保持相同流體流動的同時，為閥定時以便汽缸112 (圖2)的熱端116 (圖2)轉變 為汽缸112 (圖2)的冷端118 (圖2)並且反之亦然，意味著壓縮端現在變為擴張端並且反 之亦然。在水存儲器中存儲的熱量散入到冷卻的夜晚的空氣中並且將在整個夜晚提供能量 以操作能量轉化器直到水存儲器降低後的溫度接近早上空氣升高後的溫度時。
通過使用多於一個的水存儲器，能量以熱量的形式儲存並且在高需要時間段使 用。例如，在白天的熱時間段中一個水存儲器可以被加熱並且儲備以當空氣溫度變冷時在 尖峰時間段例如接近黎明時使用。同樣地，另一水存儲器在夜晚可以被冷卻至最冷夜晚空 氣的溫度並且儲備以當溫度更高時在接下來的白天的高需求時間段時使用。這些存儲器的 加熱和冷卻在低電力需求過程中可以實現，當能量轉化器可以，例如以高速運轉以為可能 最快的能量轉化器提供用於產生外部使用的較少能量時。 能量轉化器可以用作小範圍或大範圍的用於在低電力需要時間段將電能轉化為熱能並且在高電力需求時間段重新返回電能的熱能存儲裝置。在其它實施例中，加熱部件
可以用於加熱熱質材料並且能量轉化器可用於在另一時間將該熱能轉化為電能。 在權利要求中，詞語"具有"表示包含的含義並且並不排除其它存在的部件。權利
要求特徵之前的不定冠詞"一個"並不排除存在特徵超過一個的情況。這裡描述的每個獨
立的特徵可以用於一個或多個實施例中並且根據這裡的描述並不一定是權利要求限定的
所有實施例所必需的。
權利要求
能量轉化器，包括通道，其定義了閉環迴路並包含可壓縮流體，可壓縮流體在閉環迴路中具有正常的相位；壓力位移耦合界面，位於閉環迴路上並且將閉環迴路分成第一能量轉化迴路和第二能量轉化迴路，第一能量轉化迴路和第二能量轉化迴路具有不同的壓力；位於第一能量轉化迴路的第一流動控制裝置，其調整以允許脈動流穿過第一能量轉化迴路並且能量轉化穿過壓力位移耦合界面；位於第二能量轉化迴路的第二流動控制裝置，其調整以允許脈動流穿過第二能量轉化迴路並且能量轉化穿過壓力位移耦合界面；第一流動控制裝置和第二流動控制裝置，其調整以允許第一能量轉化迴路和第二能量轉化迴路的脈衝流混合以建立圍繞閉環迴路的流動；和輸入輸出裝置與壓力位移耦合界面相連以將能量輸入到壓力位移耦合界面或從壓力位移耦合界面排出。
2. 如權利要求1所述的能量轉化器，其中壓力位移耦合界面具有包含在管道中以不同 壓力在閉環迴路側面之間延伸的活塞或隔膜。
3. 如權利要求2所述的能量轉化器，其中壓力位移耦合界面具有包含在管道中以不同 壓力在活塞和管道對置端之間的反彈裝置。
4. 如權利要求2或3所述的能量轉化器，其中活塞或隔膜在活塞或隔膜的各端具有可 壓縮流體施加壓力在其上的相等的表面區域。
5. 如權利要求2或3或4所述的能量轉化器，其中壓力位移耦合界面具有包含在管道 中由可壓縮流體軸承支撐的活塞。
6. 如權利要求2-5中任一所述的能量轉化器，其中壓力位移耦合界面具有自由活塞。
7. 如權利要求1-6中任一所述的能量轉化器，其中壓力位移耦合界面具有包含設置為 響應第一能量轉化迴路和第二能量轉化迴路之間的壓力變化的一個或多個壓電式換能器 或電活性材料。
8. 如權利要求7所述的能量轉化器，其中第一流體控制裝置和第二流體控制裝置包括 壓電或電活性閥。
9. 如權利要求2-8中任一所述的能量轉化器，其中第一流體控制裝置和第二流體控制 裝置包括迴轉閥。
10. 如權利要求1-9中任一所述的能量轉化器，其中輸入輸出裝置設計用於輸出電能。
11. 如權利要求i-io中任一所述的能量轉化器，其中壓力位移耦合界面包括至少一個 具有磁性性能的壓力響應移動部件和包含電磁線圈的輸入輸出裝置，通過電磁線圈壓力響 應移動部件可以實現移動。
12. 能量轉化器，包括通道，其定義了閉環迴路並包含可壓縮流體；壓力位移耦合界面，位於閉環迴路上並且將閉環迴路分成第一能量轉化迴路和第二能 量轉化迴路；位於第一能量轉化迴路的第一流動控制裝置，其調整以允許脈動流穿過第一能量轉化 迴路並且能量轉化穿過壓力位移耦合界面；位於第二能量轉化迴路的第二流動控制裝置，其調整以允許脈動流穿過第二能量轉化迴路並且能量轉化穿過壓力位移耦合界面；作為迴轉閥的第一流動控制裝置和第二流動控制裝置，其調整以允許第一能量轉化回 路和第二能量轉化迴路的脈衝流混合以建立圍繞閉環迴路的流動；禾口輸入輸出裝置與壓力位移耦合界面相連以將能量輸入到壓力位移耦合界面或從壓力 位移耦合界面排出。
13. 如權利要求12所述的能量轉化器，其中閉環迴路在第一能量轉化迴路和第二能量 轉化迴路具有不同的壓力。
14. 如權利要求12或13所述的能量轉化器，其中壓力位移耦合界面具有包含在管道中 以不同壓力在閉環迴路側面之間延伸的活塞或隔膜。
15. 如權利要求14所述的能量轉化器，其中壓力位移耦合界面具有在活塞和管道對向 側之間的反彈裝置。
16. 如權利要求14或15所述的能量轉化器，其中活塞或隔膜在活塞或隔膜的各端具有 可壓縮流體施加壓力在其上的相等的表面區域。
17. 如權利要求14或15或16所述的能量轉化器，其中壓力位移耦合界面具有包含在 管道中由可壓縮流體軸承支撐的活塞。
18. 如權利要求14-17中任一所述的能量轉化器，其中壓力位移耦合界面具有自由活塞。
19. 如權利要求14-17中任一所述的能量轉化器，其中壓力位移耦合界面具有包含設 置為響應第一能量轉化迴路和第二能量轉化迴路之間的壓力變化的一個或多個壓電式換 能器或電活性材料。
20. 如權利要求12-19中任一所述的能量轉化器，其中輸入輸出裝置設計用於輸出電能。
21. 如權利要求12-20中任一所述的能量轉化器，其中壓力位移耦合界面包括至少一 個具有磁性性能的壓力響應移動部件和包含電磁線圈的輸入輸出裝置，通過電磁線圈壓力 響應移動部件可以實現移動。
22. 能量轉化器，包括通道，其定義了閉環迴路並包含可壓縮流體；壓力位移耦合界面，包括在管道中的在閉環迴路側面之間延伸的電磁控制的旋轉活塞 並將閉環迴路分成第一能量轉化迴路和第二能量轉化迴路，管道形成至少汽缸的一部分；位於第一能量轉化迴路的第一流動控制裝置，其調整以允許脈動流穿過第一能量轉化 迴路並且能量轉化穿過壓力位移耦合界面；位於第二能量轉化迴路的第二流動控制裝置，其調整以允許脈動流穿過第二能量轉化 迴路並且能量轉化穿過壓力位移耦合界面；電磁控制的旋轉活塞，具有至少一部分設計用作第一能量轉化迴路和第二能量轉化回 路的至少一部分；第一流動控制裝置和第二流動控制裝置調整以允許第一能量轉化迴路和第二能量轉 化迴路的脈動流混合以建立圍繞閉環迴路的流動；禾口輸入輸出裝置與壓力位移耦合界面相連以將能量輸入到壓力位移耦合界面或從壓力 位移耦合界面排出。
23. 如權利要求22所述的能量轉化器，其中閉環迴路在第一能量轉化迴路和第二能量 轉化迴路具有不同的壓力。
24. 如權利要求22或23所述的能量轉化器，其中輸入輸出裝置包括具有線圈的電磁裝 置，並且電磁裝置設計用於控制旋轉活塞。
25. 如權利要求22所述的能量轉化器，其中電磁裝置設計用於控制旋轉活塞的定位並 且調整從一個或多個開口穿過旋轉活塞的位置的氣流的產生。
26. 如權利要求25所述的能量轉化器，進一步包括至少一個設置在一個或多個開口 。
27. 能量轉化器，包括通道，其定義了閉環迴路並包含可壓縮流體；壓力位移耦合界面，包括管道中的在閉環迴路側面之間延伸的活塞並將閉環迴路分成 第一能量轉化迴路和第二能量轉化迴路；在活塞和管道對置端部之間的分別的反彈裝置；位於第一能量轉化迴路的第一流動控制裝置，其調整以允許脈動流穿過第一能量轉化 迴路並且能量轉化穿過壓力位移耦合界面；位於第二能量轉化迴路的第二流動控制裝置，其調整以允許脈動流穿過第二能量轉化 迴路並且能量轉化穿過壓力位移耦合界面；第一流動控制裝置和第二流動控制裝置調整以允許第一能量轉化迴路和第二能量轉 化迴路的脈動流混合以建立圍繞閉環迴路的流動；禾口輸入輸出裝置與壓力位移耦合界面相連以將能量輸入到壓力位移耦合界面或從壓力 位移耦合界面排出。
28. 如權利要求27所述的能量轉化器，其中閉環迴路在第一能量轉化迴路和第二能量 轉化迴路具有不同的壓力。
29. 如權利要求27或28所述的能量轉化器，其中活塞通過可壓縮流體軸承支撐在管道中。
30. 如權利要求27， 28或29所述的能量轉化器，其中管道具有延伸超過第一流動控制 裝置和第二流動控制裝置的部分，提供反彈腔室以在管道中的活塞操作的反彈相位過程中 將第一流動控制裝置和第二流動控制裝置分隔開。
31. 能量轉化器，包括通道，其定義了閉環迴路並包含可壓縮流體；壓力位移耦合界面，包括設置在閉環迴路的對向側的壓電式換能器或電活性材料並將 閉環迴路分成第一能量轉化迴路和第二能量轉化迴路；位於第一能量轉化迴路的第一流動控制裝置，其調整以允許脈動流穿過第一能量轉化 迴路並且能量轉化穿過壓力位移耦合界面；位於第二能量轉化迴路的第二流動控制裝置，其調整以允許脈動流穿過第二能量轉化 迴路並且能量轉化穿過壓力位移耦合界面；第一流動控制裝置和第二流動控制裝置調整以允許第一能量轉化迴路和第二能量轉 化迴路的脈動流混合以建立圍繞閉環迴路的流動；禾口輸入輸出裝置與壓力位移耦合界面相連以將能量輸入到壓力位移耦合界面或從壓力 位移耦合界面排出。
32. 如權利要求31所述的能量轉化器，其中閉環迴路在第一能量轉化迴路和第二能量 轉化迴路之間具有不同的壓力，並且在閉合迴路的對置側之間具有不同的壓力。
33. 如權利要求1-32中任一所述的能量轉化器，其中可壓縮流體在閉環迴路中被加壓。
34. 如權利要求1-33中任一所述的能量轉化器，其中圍繞閉環迴路的流動是單向的。
35. 如權利要求1-34中任一所述的能量轉化器，其中位於閉環迴路對向側上的壓力位 移耦合界面中的壓力響應部件設計為具有相應的移動。
36. 如權利要求1-35中任一所述的能量轉化器，其中第一流動控制裝置和第二流動控 制裝置由電輸入控制。
37. 能量轉化方法，包括在定義了閉環迴路的通道內包含可壓縮流體，壓縮流體在閉環迴路中具有正常的相位；提供位於閉環迴路上並且將閉環迴路分成第一能量轉化迴路和第二能量轉化迴路的 壓力位移耦合界面，第一能量轉化迴路與第二能量轉化迴路具有不同的壓力；調整位於第一能量轉化迴路的第一流動控制裝置以允許脈動流穿過第一能量轉化回 路並且能量轉化穿過壓力位移耦合界面；調整位於第二能量轉化迴路的第二流動控制裝置以允許脈動流穿過第二能量轉化回 路並且能量轉化穿過壓力位移耦合界面；調整第一流動控制裝置和第二流動控制裝置以允許第一能量轉化迴路和第二能量轉 化迴路的脈動流混合以建立圍繞閉環迴路的流動；並且將輸入輸出裝置與壓力位移耦合界面相連以至少將能量輸入到壓力位移耦合界面或 從壓力位移耦合界面排出。
38. 如權利要求37所述的能量轉化方法，其中進一步包括利用在第一能量轉化迴路和 第二能量轉化迴路之間的能量差並且將輸出裝置與壓力位移耦合界面相連以將能量從壓 力位移耦合界面排出。
39. 如權利要求37所述的能量轉化方法，其中壓力位移耦合界面包括設置在閉環迴路 的對置側的不同壓力下的壓電式換能器或電活性材料。
40. 能量轉化方法，包括在定義了閉環迴路的通道內包含可壓縮流體，壓縮流體在閉環迴路中具有正常的相位；提供位於閉環迴路上並且將閉環迴路分成第一能量轉化迴路和第二能量轉化迴路的 壓力位移耦合界面，第一能量轉化迴路與第二能量轉化迴路具有不同的壓力；調整位於第一能量轉化迴路的第一流動控制裝置以允許脈動流穿過第一能量轉化回 路並且能量轉化穿過壓力位移耦合界面；調整位於第二能量轉化迴路的第二流動控制裝置以允許脈動流穿過第二能量轉化回 路並且能量轉化穿過壓力位移耦合界面；調整第一流動控制裝置和第二流動控制裝置以允許第一能量轉化迴路和第二能量轉 化迴路的脈動流混合以建立圍繞閉環迴路的流動；壓力位移耦合界面包括至少一個管道中的在閉環迴路側面之間延伸的活塞，至少一個管道中的在管道對置端與活塞之間具有反彈裝置的活塞，管道中的在閉環迴路側面之間 延伸的隔膜，位於閉環迴路側面上的被施加壓力的壓電式換能器，位於閉環迴路一側或兩 側上的電活性部件和位於閉環迴路側面上的各自的壓電式換能器；並且將輸入輸出裝置與壓力位移耦合界面相連以至少將能量輸入到壓力位移耦合界面或 從壓力位移耦合界面排出。
41. 如權利要求37-40中任一權利要求所述的能量轉化方法，其中 第一流動控制裝置具有設置在第一能量轉化迴路上的熱的可壓縮流體吸入閥和冷的可壓縮排出閥，第二流動控制裝置具有設置在第二能量轉化迴路上的熱的可壓縮流體排出 閥和冷的可壓縮吸入閥；第一能量轉化迴路包含熱的可壓縮流體，而第二能量轉化迴路包含冷的可壓縮流體； 並且壓力位移耦合界面包含響應第一能量轉化迴路和第二能量轉化迴路中壓力的可移動 部件。
42. 如權利要求41中所述的方法，其中， 第一流動控制裝置和第二流動控制裝置包括當經過熱的可壓縮流體吸入閥的壓力平衡時，打開熱的可壓縮吸入閥，並且當預定容 積的熱的可壓縮流體通過熱的可壓縮吸入閥時關閉熱的可壓縮吸入閥；當經過冷的可壓縮流體排出閥的壓力平衡時，打開冷的可壓縮排出閥，並且當預定容 積的冷的可壓縮流體從冷的可壓縮排出閥排出時關閉冷的可壓縮排出閥；當經過熱的可壓縮流體排出閥的壓力平衡時，打開熱的可壓縮排出閥，並且當預定容 積的熱的可壓縮流體從熱的可壓縮排出閥排出時關閉熱的可壓縮排出閥；並且當經過冷的可壓縮流體吸入閥的壓力平衡時，打開冷的可壓縮吸入閥，並且當預定容 積的冷的可壓縮流體通過冷的可壓縮吸入閥時關閉冷的可壓縮吸入閥。
43. 如權利要求42中所述的方法，其中壓力位移耦合界面的可移動部件的移動由應用 於可移動部件的可壓縮流體和通過輸入輸出裝置提供的能量中的至少一個脈衝進行觸發。
44. 如權利要求42中所述的方法，其中壓力位移耦合界面的可移動部件根據施加在可 移動部件的對向側上的壓力進行移動。
45. 如權利要求37-44中任一權利要求所述的方法，其中閉環迴路中的可壓縮流體增 壓至大氣壓以上。
46. 如權利要求37-45中任一權利要求所述的方法，其中圍繞閉環迴路的流動是單向的。
47. 能量轉化器，包括壓力位移耦合界面，包括具有汽缸的密封壓力腔，汽缸具有熱端和冷端，汽缸中設有用 於往復運動的自由活塞，自由活塞將汽缸的熱端於汽缸的冷端分離開，自由活塞具有相同 表面區域的兩對置端；與自由活塞相連用於將自由活塞的往復運動轉化為電能的發電機； 熱迴路和冷迴路，熱迴路和冷迴路通過汽缸相連以形成閉環迴路；和部分閥，包括 設置在汽缸熱端並且在熱迴路和汽缸熱端之間形成流體密封的熱吸入閥； 設置在汽缸熱端並且在冷迴路和汽缸熱端之間形成流體密封的熱排出閥； 設置在汽缸冷端並且在冷迴路和汽缸冷端之間形成流體密封的冷吸入閥；設置在汽缸冷端並且在熱迴路和汽缸冷端之間形成流體密封的冷排出閥。
48. 如權利要求47所述的能量轉化器，其中發電機進一步包括電磁發電機和與發電機 電磁相連的自由活塞。
49. 如權利要求47所述的能量轉化器，進一步包括用於向部分閥發出控制信號的控制 系統，部分閥響應控制系統的控制信號實現打開和關閉。
50. 如權利要求47所述的能量轉化器，其中部分閥包括電控制閥。
51. 如權利要求47-50中任一權利要求所述的能量轉化器，進一步包括連接冷迴路和 熱迴路的熱交換器。
52. 如權利要求47-51中任一權利要求所述的能量轉化器，其中自由活塞進一步包括 旋轉活塞；並且能量轉化器進一步包括在旋轉活塞中的流體流動管道。
53. 如權利要求52所述的能量轉化器，其中，自由活塞的一個或多個部分用作一個或 多個閥的部分。
54. 如權利要求47-52中任一權利要求所述的能量轉化器，其中部分閥包括僅在一個 方向旋轉的迴轉閥。
55. 如權利要求47所述的能量轉化器，其中發電機進一步包括通過連接臂與自由活塞 相連的曲軸。
56. 如權利要求47-55中任一權利要求所述的能量轉化器，其中自由活塞支撐在汽缸 中的空氣軸承上。
57. 如權利要求47-56中任一權利要求所述的能量轉化器，其中在能量轉化器的操作 過程中，穿過單獨流體迴路的流體流動是單向的。
58. 如權利要求47-57中任一權利要求所述的能』 過程中，能量轉化器中的操作流體並不改變相位。
59. 如權利要求47-58中任一權利要求所述的能l 中四個空氣腔中的任何一個均與單獨流體迴路在汽缸外部和靠近每個部分閥的位置流體 相連。
60. 如權利要求1-29或47-58中任一權利要求所述的能量轉化器，其中壓力位移耦合 界面包括多於一個的定義了汽缸的管道和每個汽缸中由閉環迴路的對向側上的壓力驅動 的活塞，活塞安裝以實現雙向移動。
61. 如權利要求47-59中任一權利要求所述的能量轉化器，進一步包括第一反彈彈簧 和第二反彈彈簧，設置汽缸中位於汽缸熱端和自由活塞之間的第一反彈彈簧和設置汽缸中 位於汽缸冷端和自由活塞之間的第二反彈彈簧。
62. 如權利要求47-59中任一權利要求所述的能量轉化器，其中自由活塞進一步包括 隔膜活塞。
63. 如權利要求47所述的能量轉化器，進一步具有從汽缸的熱端和冷端中任一個延伸 出的動力輸出軸，動力輸出軸相連以驅動發電機或執行其他工作例如比泵或壓縮機。
64. 如權利要求47-62中任一權利要求所述的能量轉化器，其中在熱迴路和冷迴路之 間的熱量差由下列中的任何一個提供自然產生的熱量差，從工業過程中產生的廢熱，由燃 料燃燒消耗的熱量，白天和夜晚之間的溫度差，在地面以下和周圍空氣的溫度差，水表面和 水面以下的溫度差，和空間中陽光加熱區域和避陰區域之間的溫度差。t轉化器，其中在能量轉化器的操作 t轉化器，進一步包括四個空氣腔，其
65. 如權利要求1-64中任一權利要求所述的能量轉化器，其中能量轉化器操作以利用 夜晚和白天熱量差的優勢。
66. 如權利要求47-60中任一權利要求所述的能量轉化器，進一步包括第一對磁體和 第二對磁體，第一對磁體分別設置在自由活塞和汽缸的熱端上，並且當自由活塞靠近汽缸 的熱端時用於在自由活塞和汽缸的熱端之間形成磁性排斥力，第二對磁體分別設置在自由 活塞和汽缸的冷端上，並且當自由活塞靠近汽缸的冷端時用於在自由活塞和汽缸的冷端之 間形成磁性排斥力。
67. 如權利要求37-46中任一權利要求所述的方法，進一步包在白天在一個或多個熱 量存儲物質中存儲能量並且用該存儲的能量產生夜晚的動力。
68. 如權利要求67所述的方法，其中一個或多個水存儲器用作一個或多個熱量存儲物 質的至少一部分。
69. 如權利要求67所述的方法，其中一個或多個固體吸熱設備用作一個或多個熱量存 儲物質的至少一部分。
70. 如權利要求67所述的方法，其中一個或多個液體或固體物質可選地用作吸熱設備 或熱源。
71. 如權利要求37-46中任一權利要求所述的方法，其中在能量轉化方法操作過程中， 一個或多個物質可選地有時用作熱存儲物質和在其它時間用作熱源。
72. 如權利要求37-46和67-71中任一權利要求所述的方法，其中方法可以在第一能量 轉化迴路和第二能量轉化迴路之間熱量流動方向反向條件下進行操作。
73. 如權利要求72所述的方法，其中反向在對應於夜晚和白天周期的時間間隔發生。
74. 如權利要求72所述的方法，其中反向在對應於周圍空氣溫度低於與第一能量轉化 迴路接觸的熱存儲物質時的周期的時間間隔發生。
75. 如權利要求72所述的方法，其中反向用於加熱，冷卻或產生動力。
76. 如權利要求72所述的方法，其中反向的能量流動包括穿過閉環迴路的反向流動的 流體，或通過轉化壓力位移耦合界面的熱側或冷側改變能量流體方向但並不改變流體流動 方向。
77. 如權利要求76所述的方法，其中反向流動的流體通過改變流體控制裝置的定時而 實現。
78. —種產生電流的方法，包括驅動活塞在包含在電線圈中的汽缸中往復運動；並且驅動活塞旋轉以改變由電線圈產 生的電流。
全文摘要
用於從溫度差中產生動力的發動機，具有低成本，高效率，操作噪音小，部件損耗最低的優點，並且可以從低級別熱源中產生動力或進行冷卻。
文檔編號F03G7/04GK101755122SQ200880020969
公開日2010年6月23日 申請日期2008年6月18日 優先權日2007年6月18日
發明者大衛·W·波漢姆, 詹姆斯·B·克萊森 申請人:科德電力系統公司