專利名稱：電耦合熱循環(huán)系統(tǒng)及方法
電耦合熱循環(huán)系統(tǒng)及方法
相關(guān)申請
i玄申i青是2006年1月24日提出的美國申i青No. 11/338,421 的繼續(xù)申請并且要求2006年1月24日提出的美國申請No. 11/338,421的優(yōu)先4又。上述申i青的全部教導通過引述合并于本文 中。
背景技術(shù)：
釆用一定量氣體作為工作介質(zhì)的熱才幾的熱循環(huán)可通過參考 P-V圖進行描述。

圖1和2顯示出兩個眾所周知的熱循環(huán)的P-V 圖，卡諾循環(huán)(圖1 )和理想的斯特林循環(huán)(圖2 )。
凈能量由一個熱循環(huán)l命出，該熱循環(huán)是P-V圖中工作路徑構(gòu) 成的回-各區(qū)域。在每個循環(huán)過禾呈中，發(fā)動積4命送部分循環(huán)的能量， 并且剩下循環(huán)的能量^皮發(fā)動才幾吸收?！酚谟谝恍┭h(huán)的某些部分，
能量既不^皮存^f諸也不^皮iir送。例如，理想的斯特林循環(huán)，在4九線 平行于p軸的循環(huán)的那些部分中，機械能既不被吸收也不被輸送。
必要地，在循環(huán)基礎(chǔ)上，用于獲得凈正平均輸出功率的部分 體系一定包括存儲和將能量從熱發(fā)動機中獲得或?qū)⒛芰糠祷氐?熱發(fā)動機中的設(shè)備。在傳統(tǒng)熱發(fā)動機中，這種循環(huán)能量存儲由機 械方法完成，例如通過附屬調(diào)速4侖的才幾軸的轉(zhuǎn)動慣性。

發(fā)明內(nèi)容
令人期望的是，能夠通過一種方法將熱轉(zhuǎn)變成電，其中這種 設(shè)備是可靠的、有效的、無噪聲、無振動，并且能夠采用多種燃 料運轉(zhuǎn)。
也令人期望的是，能夠采用電通過具有這種屬性的設(shè)備實現(xiàn) 傳熱。
為了得到這些和其它目的，本發(fā)明的一個實施方案提供了釆 用工作氣體的熱循環(huán)生成電能的方法。該方法包括采用氣缸中活
塞運動來電石茲感應l禺合在氣缸上的電路內(nèi)的電流，該氣缸中包含
實現(xiàn)熱循環(huán)的工作氣體。該電^各用于將由電路中感應的電流所生
成的電能存儲在電存儲器中；并且存儲在電存儲器中的電能被用 于向活塞電磁供給動力。循環(huán)使用電路存儲電能并使用存儲的能 量提供給活塞動力來實現(xiàn)熱循環(huán)過程中凈正平均功率傳輸?shù)诫?存儲器中。
電3各可包4舌電子電力變4灸器，并且該方法進一步包括采用電 子電力轉(zhuǎn)換器執(zhí)行活塞運動的閉環(huán)電控制。電子電力變換器可基 于與工作氣體狀態(tài)相關(guān)的電信號執(zhí)行閉環(huán)控制。溫度傳感器、壓
力傳感器、和位置傳感器中的至少一個可用于向電子電力變換器 中輸送與工作氣體狀態(tài)相關(guān)的電信號。熱循環(huán)可接近斯特林循 環(huán)、卡諾循環(huán)、奧4毛循環(huán)、或者其它循環(huán)。熱循環(huán)可^人外燃獲^尋 熱，或者工作氣體可通過內(nèi)燃循環(huán)進^f亍循環(huán)。
第一活塞和第二活塞之間工作氣體的壓縮和膨脹可用于執(zhí) 行熱循環(huán)。電^各可包括耦合于氣缸的一組線圈，并且該方法包括 使用附屬在第 一活塞上的第 一永久f茲鐵和附屬在第二活塞上的 第二7Jc久^茲4失來電^茲感應該組線圈中的電流。另外，第一活塞和
第二活塞的運動可用于將氣體沿著氣缸移動而使用氣缸的加熱 區(qū)和冷卻區(qū)實王見連續(xù)4專熱。
第一活塞的至少部分軸可在第二活塞軸內(nèi)同心移動。電子電 力變換器可用于通過控制第一活塞和第二活塞的運動來控制熱
循環(huán)定時；包4舌通過控制第一循環(huán)和第二循環(huán)的運動佳:得工作氣 體在氣缸的加熱區(qū)、冷卻區(qū)、和無作用區(qū)之間運動。熱屏蔽可附 著在第 一活塞或第二活塞上隔離氣缸內(nèi)非工作氣體；并且槳狀攪 拌器可附著在第一活塞或第二活塞上攪拌工作氣體生成湍流。外 部回流可用于在氣釭的第 一末端區(qū)和第二末端區(qū)之間流動非工 作氣體。第一活塞和第二活塞將固定在共同中心軸周圍。
依據(jù)本發(fā)明的兩個氣缸工作可在彼此相反的軸向操作。同樣 地，四個氣缸可在具有氣缸平4亍軸的線圏內(nèi)操作，氣缸中的兩個 與氣缸中的另兩個反平行操作。
依據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案中，提供了釆用電能對熱泵供 以動力的方法，熱泵扭^亍熱循環(huán)。該方法包括"使用電存^f渚器中的 電能對氣缸中的活塞電磁供給動力，該氣缸包含執(zhí)行熱循環(huán)的工 作氣體。活塞運動用于電磁感應耦合于氣缸上的電路中的電流； 并且電路用于在電存儲器中存儲電能，該電能由電路中誘導的電 流產(chǎn)生。循環(huán)使用存儲能對活塞供給動力并且在熱循環(huán)過程中， 使用電路存儲電能實現(xiàn)從電存儲器中傳輸凈正平均功率。如與生 成電能方法一起4吏用的類4以方法，可與對熱泵供以動力的方法一 起使用。
附圖簡要說明
如下面附加附圖中舉例i兌明的，本發(fā)明的前述和其他目的、 特征和優(yōu)點從下列本發(fā)明的優(yōu)選實施方案的更特殊描述中將是
顯而易見的，其中相同參考字符統(tǒng)指貫穿不同^L圖中的相同部 分。這些附圖不必按比例規(guī)定，重點不在于舉例說明本發(fā)明的原理。
圖1顯示出本領(lǐng)域中已知的卡諾循環(huán)的壓力-體積圖2顯示出本領(lǐng)域中已知的理想的斯特林循環(huán)的壓力-體積
圖3A顯示出依據(jù)本發(fā)明實施方案，線圈、磁鐵、和外燃氣 缸活塞的配置
圖3B顯示出圖3A中實施方案的活塞的單獨^見圖。
圖4為耦合于圖3A-3B的外燃氣缸配置上的電氣元件的示意
圖5A依據(jù)本發(fā)明的實施方案，舉例說明了可用于代替圖3A 的機械設(shè)備配置的可供選擇的實施方案；
圖5B和5C顯示出圖5A的實施方案中活塞的單獨—見圖6為依據(jù)本發(fā)明的實施方案，當按照通過每一個圖2描述 的斯特林循環(huán)的發(fā)電機操作，圖3 A和5 A的熱力發(fā)電機的定時 圖7為依據(jù)本發(fā)明的實施方案中才喿作的斯特林循環(huán)熱泵的 P隱V圖8為圖7的斯特才木二婚環(huán)熱泵的定時圖9依據(jù)本發(fā)明的實施方案，舉例i兌明了可用于代替圖 3A-3B和5A-5C機械設(shè)備配置的可供選擇的實施方案；
圖IO顯示出依據(jù)本發(fā)明的實施方案向軸對置式熱力發(fā)動才幾；
圖IIA和IIB依據(jù)本發(fā)明的實施方案，舉例說明了圖5A顯 示的該類型的平行中心軸并行放置的四個氣缸總體配置；
圖12為依據(jù)本發(fā)明的實施方案，當按照通過每次圖1描述 的卡i若循環(huán)的發(fā)電積4喿作時，圖3 A和5 A的熱力發(fā)電4幾的定時 圖13為依據(jù)本發(fā)明的實施方案，內(nèi)燃發(fā)動才幾的活塞配置的 截面-見圖14為依^居本發(fā)明的實施方案，內(nèi)燃發(fā)動才幾的定時圖；和
圖15為依據(jù)本發(fā)明的實施方案，通過內(nèi)燃發(fā)動機才喿作的奧 4乇循環(huán)的P-V圖。
具體實施例方式
自從十八世紀以來，轉(zhuǎn)動慣性已成為循環(huán)能量在熱力發(fā)動機 中存4諸的選擇方法。因此，用于循環(huán)存卡者和/人熱力發(fā)動才幾獲得能 量和將能量返回到熱力發(fā)動機中的設(shè)備通常是機械制的。例如， 發(fā)動機可采用附屬調(diào)速l侖的機軸的轉(zhuǎn)動慣性存儲循環(huán)能量。在這 種方式中，傳統(tǒng)的熱力發(fā)動機可被認為是機械耦合熱循環(huán)。
然而，在這種機械耦合熱循環(huán)中，活塞的運動受到機軸運動 的限制。因此，活塞不能按照使工作氣體的狀態(tài)遵循預期的P-V 循環(huán)的方式運動。該循環(huán)的每個部分所用時間的相對量受到調(diào)速
專侖運動的才幾械約束而^皮固定。此外，枳i械耦合熱力發(fā)動才幾受到其 可靠性和效率、其產(chǎn)生的噪音和振動、以及由多種燃料操作的能 力約束。
為了提高這些特性，依據(jù)本發(fā)明的實施方案，采用電存儲器 容納乂人熱循環(huán)中產(chǎn)生的循環(huán)流動能量。熱循環(huán)可描述為電耦合。 一個實施方案利用電》茲剪切直4妻電動的活塞。
適于這種應用的電存儲器包括，如電容器、電池、和(如果 可以)超導線圈。采用電磁剪切的直接電動可釆用附屬于每個活 塞裝置上的永久》茲鐵來實現(xiàn)、以及采用線圏或繞線內(nèi)的受控電流
提供動力來實現(xiàn)，或者利用永久》茲4失的電^茲感應來實現(xiàn)。
電耦合熱循環(huán)的實施方案可用于從熱循環(huán)中生成電，例如采 用氣體外燃或者氣體內(nèi)燃給蓄電池充電；或者為了熱循環(huán)的電功 率，例如釆用電池或者其4也直; 危電源給熱泵供應電力。
依據(jù)本發(fā)明，電力電子電路可被建立起來，使活塞運動受到 限制以至于P-V圖中的1壬4可預期3各徑都盡可能發(fā)生。從熱力發(fā)動 ^L中獲得的平均功率的必要能量循環(huán)可通過電存儲器來實現(xiàn)。以 這種方式的電殺禺合的4吏用考慮到P-V 4盾環(huán)的每部分中所用時間 量的變化，從而考慮到高熱循環(huán)效率。
因此，通過對比現(xiàn)有系統(tǒng)(其中能量被循環(huán)機械存儲)，依 據(jù)本發(fā)明的實施方案釆用循環(huán)能流的電存儲。另外，電路的〗吏用 使活塞運動的閉環(huán)電子控制成為可能。
現(xiàn)有4支術(shù)中，由直線驅(qū)動電積4幾驅(qū)動的致冷設(shè)備是已知的， 侈寸^口 Higham等人才是出的美國專矛J No. 4,761,960; Young^是出的 美國專利No. 4,697,113; 和Higham 4是出的美國專利No.5,040，372?！坟巴?，這種直線驅(qū)動可為電池供電，由電池電沭Ulr送 電控，如在Nelson提出的美國專利No. 5，752,385和Walsh提出 的美國專利No. 4,434,617。無活塞的液壓發(fā)動機是已知的，例如 Beremand提出的美國專利No. 4,215,548中提到的。
然而，依據(jù)本發(fā)明的一個實施方案根本不同于這種先前已知 的系統(tǒng)，因為它采用向熱循環(huán)電存4諸循環(huán)能量流和來自熱循環(huán)的 循環(huán)能量流的電存儲。因此，在熱循環(huán)中，依據(jù)本發(fā)明的實施方 案將能量循環(huán)到電存儲器中或從電存儲器中將能量循環(huán)出來，該 電存儲器電耦合到含有活塞的氣缸上。經(jīng)過對比，這種先前已知 體系不采用循環(huán)能量流的電存儲。 一些現(xiàn)有系統(tǒng)可代替使用循環(huán) 能量流的機械共振形式。例如，美國專利No. 4,434,617中，循環(huán) 能量流的機械共振被用在活塞和壓縮末端氣體之間，起到彈簧作 用。盡管同步電驅(qū)動凈皮用于幫助和維持才幾械才展動，該體系不采用 電存4諸器乂人熱循環(huán)中吸收循環(huán)能量流。因此，依據(jù)本發(fā)明的一個 實施方案，這種體系不考慮由采用熱循環(huán)中循環(huán)能量流的電存儲 和循環(huán)能量流的電控而得到熱效率的潛在4是高。
本發(fā)明的優(yōu)選實施方案的描述如下。
圖3A和3B顯示出依據(jù)本發(fā)明的實施方案，外燃發(fā)電機的線 圈、磁鐵、和活塞的配置。在圖3A的橫截面視圖中，封閉氣體 氣缸301包含一堆氣體，部分變成工作氣體302。工作氣體302 是氣釭301內(nèi)全部氣體的一部分，其位于兩個活塞303和304之 間，兩個活塞在氣缸301內(nèi)滑動?；钊?03和304利用氣缸301的 內(nèi)壁在無摩擦情況下保持較好的氣體密封。傳統(tǒng)活塞環(huán)，例如， 可用于該目的。氣缸301通常為具有圓形4黃截面，^旦可能具有其 他橫截面形狀。工作氣體302可為適于該目的的任何其體，例如 空氣、氮氣、氦氣、或氬氣。
如圖3B中所示，兩個活塞303和304中的每一個具有平玲反 形狀。附屬在每個平^反303和304的中心和垂直于每個平^反303 和304的是軸307和308,軸307和308的末端附屬在永久磁鐵 平板305和306上。永久磁鐵平板305和306在其上包含永久磁 鐵，與磁路材料如鐵或者適宜標號的鋼合適地布置。永久磁鐵和 i茲路材料的布置使得永久磁鐵平板305和306的外邊緣產(chǎn)生》茲通 量，貫穿圍繞氣缸301周圍的驅(qū)動線圈309和310 (圖3A)。氣 缸301由非/磁性物質(zhì)構(gòu)成。i午多這種材料可用于制造氣釭301。 例如， 一種材料如鋁可用于如313和314的區(qū)域，無需熱流；并 且一種材一+如陶瓷或者纖維j波璃可用于如317的區(qū)i或，無需熱流。 圍繞驅(qū)動線圏309和310的是f茲場回傳通道311和312，其由i茲 通道材豸牛構(gòu)成。
圍繞氣缸301周圍的也是兩個傳熱區(qū)313和314,由熱導材 料如銅或鋁合金構(gòu)成。力卩熱區(qū)313從夕卜力口熱源得到熱，例如火焰 或者太陽集熱器，在適宜的時間將熱傳遞纟會工作氣體302，如下 面描述的那樣。同樣地，冷卻區(qū)314在適宜的時間乂人工作氣體302 中吸熱，也如下面描述的那樣。傳熱區(qū)313和314^皮此^皮熱絕緣 無作用區(qū)317分開。三個區(qū)313、 314、和317在附圖中顯示具有 可比長度，不是必需的，但可能有利于總功率輸出。
圖4是電器元件的示意圖，該電器元件耦合在圖3A-3B的外 燃氣缸配置上，為了依據(jù)本發(fā)明的一個實施方案容納來自熱循環(huán) 中的能量循環(huán)流。驅(qū)動線圏409、 410、 443，如描述為圖3A的 309、 310的驅(qū)動線圈，連4妄電子電力變4灸器435。為i兌明方^f更， 圖4顯示出三個絕緣線圏409、 410、 443,如必要的， <旦許多分 離線圈可被采用。連接電子電力變換器435的是位置傳感器436、 溫度傳感器440、和壓力傳感器411的信號器。可以理解的是， 任何適宜數(shù)量的這種位置、溫度、和壓力傳感器可被使用。位置
傳感器436對電子電力變換器435給出信息，它需要知道任何時 刻每個活塞的確切位置。溫度傳感器440和壓力傳感器441隨時 通知電子電力變換器435工作氣體302狀態(tài)。
電子電力變才奐器435連4妄到DC總線442上，DC總線442 與電容器437和/或電池438、和電子負載439連接。當非必需時， 電子負載439可與DC總線442斷開連"l妻，而電子電力變才灸器 435對電池438持續(xù)充電。適宜的電池438包括鋰電池或者構(gòu)造 成用于能量循環(huán)應用的其他J見4戈類型電池，4里電池或其4也類型電 池具有能夠在每秒或者更快時間進行幾個循環(huán)的速度進行能量 循環(huán)的更佳性能。
在該系統(tǒng)操作期間，圖4的電子電力變換器435控制電流進 入圖3A的線圈309和310中或者從圖3A的線圏309和310中 流出，使得活塞303和3 04在氣缸內(nèi)上下移動而促使工作氣體302 完成預期的P-V循環(huán)。電容器437和電池438起到系統(tǒng)蓄能器的 作用，并且吸收循環(huán)能量變化，為熱力發(fā)動4幾的循環(huán)不可缺少的。 電子電力變換器435存儲少量能量或者不存儲能量，并且在DC 總線442和線圈309和310之間以高凌丈方式傳津命功率。
以這種方式，圖3A-4的實施方案提供了電耦合外燃發(fā)電機。 外燃釋》文的能量經(jīng)加熱區(qū)313傳輸進氣缸301內(nèi)，壓力-體積循 環(huán)在工作氣體302中產(chǎn)生，并且循環(huán)^諸能通過圖4的電i 各執(zhí)4亍。 在一個應用中，例如，在不使用除了活塞303和304之外的任何 才幾動部件的情況下，氣體的外燃可用于在電池438中存儲電荷。
圖5A-5C舉例說明了一個可供選擇的實施方案，這種實施方 案可用于替代圖3A-3B的機械配置，其中驅(qū)動線圈509和510彼 此鄰4妄;改置并且遠離加熱區(qū)513。通過將永久f茲鐵平澤反505和506 》文置遠離加熱區(qū)513，這種配置簡4匕了^f呆持7Jc久f茲4失冷卻的i殳計
任務。當遇高溫時，釹-鐵永久f茲鐵材料失去其磁性，并且限制
工作溫度通常不高于150-200。C。如圖5A所示，較長活塞部件(單 獨在圖5B中顯示)的軸507位于4交短活塞部件(單獨在圖5 C 中顯示)的4由508的中心、。這兩個4由507和508 t間的才幾才戒酉己A 在無不適當摩4寮的情況下給出其間較好的氣體密封。內(nèi)軸507， 將活塞503與其永久》茲4失平4反505連4妄在一起，構(gòu)造成/人熱的上 端503到永久^茲鐵平板505和圍繞其周圍的軸508引起最小程度 的熱傳導。這可能受到使用用于軸507的絕熱材料如陶瓷的影響， 為具有一定強度，絕熱材料可能具有金屬芯。較長活塞部件503 的驅(qū)動線圈509比較短活塞部件504的驅(qū)動線圏510更進一步位 于遠離冷卻區(qū)504。在圖5A中(不同于圖3A中平板305和306)， 永久i茲鐵平板506位于永久i茲鐵平板505上面，因為活塞部件503 比活塞部件504長。圖5A中的加熱發(fā)動機的操作正如上面對圖 3A中加熱發(fā)動才凡的描述，具有相似電耦合電路上如圖4所示。
圖6為依據(jù)本發(fā)明的實施方案，當按照圖2中描述的每個斯 特-沐循環(huán)的電動才幾操作時，圖3A和5A的加熱電動才幾的定時圖。 曲線644為活塞303、 503的活塞位置分布圖，并且曲線645為 活塞304、 504的活塞位置分布圖，重復循環(huán)A-B-C-D-A?；钊?4立置由圖6的y-軸上的4立置7jc平0-3標出，只于應圖3 A和5 A 中氣釭^f立置。冷卻區(qū)314、 514 乂人^立置7jc平0向？K平1延伸；無 作用區(qū)317、 517乂人位置水平1向水平2延伸；并且加熱區(qū)313、 513 /人位置水平2向水平3延伸。盡管圖6顯示了熱循環(huán)中大致 相等的四個部分中的每個部分所花^卓的時間量，可J里解為每個部 分的持續(xù)時間可以彼此獨立改變，從而使功率輸出改變和效率最 大化。在改變該部分的持續(xù)時間中，最大化功率##出和最大化效 率的目標之間存在內(nèi)在矛盾；^f壬一目標可^皮滿足，^f旦不是同時滿 足。
在圖6的時間A和B之間，工作氣體302和502在等溫Tl 下被壓縮。路徑A-B中，活塞304和504保持在水平0處(圖6 中y-軸、圖3 A和5A中所示)，如曲線645所示，然而活塞 303、 503從4立置7K平2向7jc平1移動，4口曲線644所示，從而壓 縮工作氣體302、 502。該部分的活塞303、 503的運動644 #皮描 述成具有圖6中的直線形，盡管實際上該運動通常為非線性的。
在圖6的時間B和C之間，工作氣體302和502保持恒定 體積并加熱到溫度T2。路徑A-B中，兩個活塞最初一起迅速移 動偵」彈活塞303、503 /人位置水平1向水平3移動，然而活塞304、 504從位置水平0向水平2移動，如曲線644和645表示的。B-C 整段時間內(nèi)，活塞304、 504保持在位置水平2處(曲線645 )， 并且活塞303、 503 ^f呆持在位置水平3處(曲線644)。
在圖6的時間C和D之間，工作氣體302、 502在等溫T2 下膨月長。；洛徑C-D之間，活塞303、 503保持在水平3處(曲線 644)，然而活塞304、504/人位置水平2向水平1移動(曲線645 )。 該部分的活塞304、 504的運動^L描述成具有圖6中曲線645中 的直線形，盡管實際上該運動通常為非線性的。
在圖6的時間D和A之間，工作氣體302和502再保持恒 定體積并冷卻至溫度T1。路徑D-A中，兩個活塞最初一起迅速 移動佳:得活塞303、 503 乂人位置水平3向水平2移動(曲線644)， 然而活塞304^v位置水平1向水平O移動(曲線645 ) 。 D-A整 段時間內(nèi)，活塞304、 504保持在位置水平0處(曲線645 ),并 且活塞303、 503 l呆持在位置水平2處(曲線644)。
圖6的定時圖的才企查顯示存在部分循環(huán)，其中活塞是固定的。 這些區(qū)域可^是供^是高功率的可能性，/人而在該循環(huán)的固定部分過 程中間機械手段被用于將每個活塞保持在其指定位置中，而不
依賴于驅(qū)動線圈內(nèi)的電流量，其伴有歐姆損4毛。舉個例子，在圖
6中的壓縮區(qū)A-B過程中，活塞304、 504可通過機械阻礙被阻 止/人甚至比位置水平0更4氐位置移動。末端區(qū)315/515、 316/516 中的壓力狀態(tài)將成為這種:t支術(shù)執(zhí)^f亍中的一種因素，因此，末端區(qū) i殳計可能需要改進。
原則上，這種機械急?？赡懿捎脵C械屏障的形式，或者其可 能受到任一個固定在氣缸301、 501和/或活塞部件上的7Jc久》茲4失 (和/或磁極)影響。如果采用機械屏障，當它接近屏障時電力電 子可控制活塞運動，以致實現(xiàn)"軟著陸"。附屬在屏障或活塞上的 軟且有彈性材料可幫助確保軟著陸。永久》茲鐵將具有利用物理阻 礙阻止進一步運動的優(yōu)勢，而沒有運用枳4成屏障的物理4妻觸。永 久磁鐵可用在吸引模式或者排斥模式中。如果它們用在吸引模式 中，控制電子將需要提供額外的脈沖電流為使活塞從靜止期間末 端的》茲束繂中解脫出來。
盡管斯特林循環(huán)在上面進^亍了描述，圖3A-5C中"i兌明的總布 置圖可用于其他類型的熱循環(huán)，包括^妻近圖1的卡i若循環(huán)的熱循 環(huán)。這種卡"i若發(fā)動才幾可通過圖12的定時圖才喿作，應用于物理配 置中，其中無作用區(qū)317、 517的長度為加熱區(qū)313、 513和冷卻 區(qū)314、 514的長度的三倍。在圖12中，曲線1244為活塞303、 503的活塞位置分布圖，并且曲線1245為活塞304、 504的活塞 位置分布圖，重復循環(huán)A-B-C-D-A。因為無作用區(qū)317、 517的 延伸長度，位置水平如乂人水平O至水平5范圍內(nèi)所示，冷卻區(qū)314、 514乂人7jc平0向7K平1延伸，無作用區(qū)317、 517乂人7jc平i向7JC平 4延伸，加熱區(qū)313、 513 乂人水平4向水平5延伸。時間間隔A-B 對應等溫壓縮，間隔B-C對應絕熱壓縮，間隔C-D對應等溫膨 脹，間隔D-A對應絕熱膨月長。頁
雖然圖3A-5C的實施方案已經(jīng)描述為發(fā)電才幾，熱^皮轉(zhuǎn)化成 電，使用依據(jù)本發(fā)明的實施方案的電耦合熱循環(huán)也可能制造出電 動熱泵。這樣，圖3A-5C的實施方案實質(zhì)上反向操作如圖4 中存儲在電路中的能量經(jīng)過線圈309、 509和310、 510在氣缸301、 501內(nèi)循環(huán)和從氣釭301、 501中循環(huán)出，使得活塞303-304和 503-504執(zhí)4亍熱泵^f盾環(huán)。這種熱泵可用于生成熱或者吸收熱，可 通過加熱和冷卻區(qū)313-314和513-514向外部物體傳送熱或者乂人 外部物體傳送熱。
圖7顯示出依據(jù)本發(fā)明的實施方案進行操作的該種斯特林循 環(huán)熱泵(電冰箱)的P-V圖?？伞芬姴斓剑裱穆窂绞菆D2中的 路徑，反向循環(huán)。圖8給出相應定時圖，可參考類似于圖6的前 述解釋來理解。曲線844是活塞303、 503的活塞位置分布圖并 且曲線845為活塞304、 504的活塞4立置分布圖，重復循環(huán) A-B-C-D-A?；钊恢萌鐖D8 y-軸上的位置水平0至3所示，對 應圖3 A和5 A中的氣缸4立置。冷卻區(qū)314、 514從位置水平0 向水平l延伸；無作用區(qū)317、 517/人^立置水平1向水平2延伸； 并且加熱區(qū)313、 513從4立置7jc平2向7jc平3延伸。
圖9顯示出可用于替代圖3A-3B和5A-5C的機械配置的可供 選擇的實施方案。中心軸921定位在活塞部件903的中心，輪換 4立于;舌塞部4牛904的4由908內(nèi)。4由921、 907、和908之間的才幾才成 配合是為了在其之間得到較好的氣體密封，不產(chǎn)生不應有的摩 擦。中心軸921保持活塞部件903、 904居中位于氣缸901內(nèi)， 使得它們不通過磁引力依靠在氣釭的一側(cè)，從而引起額外的摩擦 和有害的氣體密封。因此，中心軸921輔助提高系統(tǒng)效率。
依據(jù)本發(fā)明的可供選擇的實施方案中，部分中心軸921可由 磁場線圈圍繞的磁路材料構(gòu)成，生成電磁體，從而提供了排除圖 3A的平一反305和306中永久f茲4失的方法。例如，采用圍繞f茲性
中心軸921的每個末端的石茲場線圏，可產(chǎn)生兩個電》茲體，取 氏平 板305和306內(nèi)的永久磁鐵的功能。平板305和306由磁路材料 構(gòu)成。
返回到圖9的實施方案，熱屏蔽922可定做成活塞903和904， 或估文成活塞903和904的一部分。這些熱屏蔽922的功能是為了 阻止適當?shù)牟糠譄嵫h(huán)過程中的熱經(jīng)加熱區(qū)913和冷卻區(qū)914流 動。熱屏蔽922由絕熱材津牛構(gòu)成，并緊密位于，〗旦不^妾觸氣釭901 的內(nèi)壁。熱屏蔽922圍繞氣缸901內(nèi)壁的整個內(nèi)周長延伸。它們 阻止熱經(jīng)輻射、傳導、和對流傳送給氣缸901內(nèi)的非工作氣體或 /人氣缸901內(nèi)的非工作氣體傳送出來，/人而^是高系統(tǒng)的效率。
外部回流923是一個管子，使非工作氣體從上部末端915向 下部末端916流動保證壓力平衡，對提高系統(tǒng)效率是必要的。獲 得氣流壓力平衡的可供選擇的方法(在圖9中未示出)是為了提 供中心軸921內(nèi)通道形式的內(nèi)部回流，釆取中空管的形式。相對 于工作區(qū)(就是說，活塞位置水平0至3之間的區(qū)域)的尺寸， 上部末端區(qū)915和下部末端區(qū)916的容積可能需要充分大為了通 過排除額外壓力壓縮末端區(qū)915和916內(nèi)氣體的需要來保持系統(tǒng) 步丈率。為jt匕，延著其長度，外部回流923可包4舌一個或多個膨月長 室(圖9中未示出)。
為了提高經(jīng)熱加區(qū)913的墻壁向工作氣體902進4亍傳熱的速
度，槳狀攪拌器924可接合到活塞903和904上。當活塞903和
904相對彼此移動時，這些槳狀攪拌器924攪拌工作氣體902,
從而引起工作氣體902的湍流和運動，并幫助提高系統(tǒng)效率。槳
狀攪拌器924也提高從工作氣體902經(jīng)冷卻區(qū)914的墻壁傳熱的
速度。槳狀攪拌器924可具有多種形狀，該形狀符合;f皮此不^l妄觸 或與另一個活塞不接觸的條件。
圖10-11B舉例i兌明了減少依據(jù)本發(fā)明的實施方案的電力變 ^換系統(tǒng)中才展動的方法。圖10中，圖5 A中所示類型的兩個氣缸 部件(或者依據(jù)本發(fā)明的任何其它氣缸部件)被配置，使其中軸 一致和相反。圖10系統(tǒng)中的活塞運動受到其電力變換電子控制， ^吏相應活塞在準確相同和相反移動中同步移動。因此，兩個活塞 部件1003/1005以相同速度向4皮此或遠離4皮此方向移動，同才羊;也， 這兩個活塞部件1004向彼此(或者遠離彼此)同步移動。上部 末端1015與發(fā)動4幾的兩側(cè)是共用的，然而在每個末端存在單獨 的4交^f氐末端區(qū)1016。這種配置可統(tǒng)稱為具有"水平對置"氣缸的發(fā) 動才幾；或者更一般地，具有"軸向?qū)χ?氣釭的發(fā)動4幾，因為共有 軸不必要是水平的。水平放置可能具有使燃燒氣體流過加熱區(qū)的 優(yōu)勢。
圖11A和11B中，圖5A中所示類型的四個氣釭部^f牛(或者 依據(jù)本發(fā)明的任何其它氣缸部件)并行放置，使得其中心軸平行 并按菱形排列，終端向前觀察(圖IIB所示)?？刂齐娏﹄娮哟_ ^呆氣缸A和C中的活塞一起向相同方向并同步移動。氣缸B和 D內(nèi)的活塞也向相同方向并同步移動，^f旦是相對于A和C中活 塞移動的方向相反，如圖11B十字交叉和點記號表示的。為了將 四個氣缸中的力口熱區(qū)靠近，兩對氣缸可能需要相對^:此軸向移動 〃f立置，而不具有末端同面。
依據(jù)本發(fā)明的實施方案，上面描述的方法可擴大到內(nèi)燃才幾的 執(zhí)行過程。在類似于圖3A-4描述的樣式中，圖4的電子配置可 用于執(zhí)4亍內(nèi)燃循環(huán)的積4戒活塞配置的循環(huán)能量存4諸。圖13為一 個可能的這種積4成配置的一黃截面一見圖，可看出加入依據(jù)已由圖 3A、 5A、和9解釋的部件。圖13中，兩個同心活塞部件1303 和1304圍繞氣缸1301內(nèi)的軸1321，如圖9所示。對應圖3 A的 配置也可#1執(zhí)^亍，其中具有中心軸或沒有中心軸的活塞部件#皮物
理分開。圖13中，燃并+/空氣混和物經(jīng)過進給閥和端口 1332 #皮供 給到工作氣體區(qū)域1302內(nèi)，并且輸出閥和端口 1333將廢氣排出。 火花塞1331 4立于工作氣體區(qū)1302的上端。工作氣體區(qū)1302的 墻壁是絕熱的，并且足夠堅固而耐燃并牛/空氣混和物點燃引起的壓 力。其它部件可類似于上面描述的，包括中心軸1307和1308、 永久》茲4失平板1305和1306、驅(qū)動線圈1309和1310、 i茲場回路 1311和1312，和末端區(qū)1315和1316。排氣口 1334提供了將區(qū) i或1316內(nèi)的氣體4非出的方法，而不需要額外壓力來壓縮區(qū)Jt或 1316內(nèi)的氣體。
圖14顯示出當執(zhí)4亍圖15的P-V圖中所示的奧4乇循環(huán)時，圖 13的內(nèi)燃發(fā)電才幾可遵循的定時圖。曲線1444為活塞1303的活塞 位置分布圖，曲線1445為活塞1304的活塞位置分布圖，重復循 環(huán)A-B-C-D-A。活塞4立置由圖14的y-軸上的^f立置7jc平0和7JC平 l表示出，對應于圖13中示出的氣缸位置。
圖14和15的時間A和B之間，圖13的進給閥1332是開 ;改的，當活塞1303從位置水平0向水平1移動時，燃并牛/空氣混 和氣體流進工作氣體區(qū)1302。在這個部分過程中，活塞1304保 持在4立置水平0處(曲線1445 )。該部分的活塞1303的運動4苗 述成具有直線形(曲線1444)，盡管實際上該運動可能為非線性 的。
圖14和15的點B和C之間，當活塞1304 乂人位置水平0 向？K平1方向移動時(曲線1445 )，工作氣體1302被壓縮，然 而活塞1303保持在水平1處(曲線1444)。在點C處，火花塞 1331點燃工4乍氣體1302，同時工作氣體1302的壓力馬上達到圖 15的壓力-體積圖中C所示的較高水平。
圖14和15的點C和D之間，工作氣體1302膨脹，向活塞 上施加壓力，并且將活塞1304向下壓(曲線1445),然而活塞 1303保持在位置水平1處(曲線1444)。該部分的活塞1304的 運動可能是非線性的。在點D,廢氣閥1333是開放的，同時工 作氣體1302的壓力立刻降至壓力-體積圖中D'所示的4交j氐水平。
在圖14和15的點D和A之間，廢氣閥1333保持開》文，并 且當活塞1303從位置水平1向水平0移動(曲線1444)時，燃 燒的工作氣體1302被排出，然而活塞1304保持在水平0處(曲 線1445 )。
因此，可以觀察到依據(jù)本發(fā)明的實施方案提供了多種不同的 使用電存儲熱循環(huán)需要的循環(huán)能量的可能途徑，包括外燃發(fā)電機 和內(nèi)燃發(fā)電才幾、和電動熱泵。
雖然本發(fā)明參考優(yōu)選實施方案尤其顯示并進行了描述，本領(lǐng) 域中的技術(shù)人員可以理解的是，在不背離附加權(quán)利要求所圍繞的 本發(fā)明的范圍的情況下在形式和細節(jié)上存在多種改變。
權(quán)利要求
1.一種采用工作氣體的熱循環(huán)生成電能的方法，該方法包括:采用氣缸中活塞運動來電磁感應耦合到氣缸上的電路內(nèi)的電流，所述的氣缸中包含進行熱循環(huán)的工作氣體；采用電路將由電路中感應的電流生成的電能存儲在電存儲器中；并且采用存儲在電存儲器中的電能向活塞電磁供給動力；其中循環(huán)使用電路存儲電能并使用存儲的能量提供給活塞動力實現(xiàn)熱循環(huán)過程中凈正平均功率傳輸?shù)诫姶鎯ζ髦小?br> 2. 依據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中電路包括電子電力變換器， 該方法進一步包括釆用電子電力變換器執(zhí)行活塞運動的閉 環(huán)電控制。
3. 依據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中電子電力變換器可基于與 工作氣體狀態(tài)相關(guān)的電信號執(zhí)行閉環(huán)控制。
4. 依據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，進一步包括使用溫度傳感器、壓力傳感器、和位置傳感器中的至少 一個向電子電力變換器中輸送與工作氣體狀態(tài)相關(guān)的電信號。
5. 依據(jù)4又利要求1所述的方法，其中熱循環(huán)乂人外燃中吸收熱。
6. 依據(jù)斥又利要求5所述的方法，其中熱循環(huán)近似于斯特纟木循環(huán)。
7. 依據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中熱循環(huán)近似于卡諾循環(huán)。
8. 依據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，進一步包括使用第 一 活塞和第二活塞之間工作氣體的壓縮和膨脹來 執(zhí)行熱循環(huán)。
9. 依據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中電路包括與氣缸耦合的一 組線圏，該方法進一步包4舌使用附屬在第一活塞上的第一永久磁鐵和附屬在第二活 塞上的第二永久i茲《失來電f茲感應該組線圈中的電流。
10. 依據(jù)4又利要求9所述的方法，進一步包4舌通過第一活塞和第二活塞的運動^f吏氣體沿著氣缸移動從 而實現(xiàn)與氣缸的加熱區(qū)和冷卻區(qū)進4亍連續(xù)的傳熱。
11. 依據(jù)斥又利要求9所述的方法，其中第一活塞的至少部分軸可 在第二活塞軸內(nèi)同心移動。
12. 依據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，進一步包括采用電子電力變換器通過控制第一活塞和第二活塞的運 動來控制熱循環(huán)定時。
13. 依據(jù)4又利要求12所述的方法，進一步包4舌采用電子電力變換器控制第 一 循環(huán)和第二循環(huán)的運動使 得工作氣體在氣缸的加熱區(qū)、冷卻區(qū)、和無作用區(qū)之間運動。
14. 依據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，進一步包括采用附屬在第一活塞或第二活塞上的熱屏蔽來隔離氣缸 內(nèi)非工作氣體。
15. 依據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，進一步包括采用附屬在第一活塞或第二活塞上的槳狀攪拌器在工作 氣體內(nèi)生成湍 流。
16. 依據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，進一步包括采用外部回流在氣缸的第 一末端區(qū)和第二末端區(qū)之間流 動非工作氣體。
17. 依據(jù)4又利要求8所述的方法，進一步包括將第一活塞和第二活塞固定在共同中心軸周圍。
18. 依據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括通過內(nèi)燃循環(huán)來循環(huán)工作氣體。
19. 依據(jù)4又利要求18所述的方法，其中熱循環(huán)近似于奧4乇循環(huán)。
20. 依據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括采用第一氣缸和第二氣缸，每個都按照依據(jù)權(quán)利要求1 所述方法纟喿作來生成電能，第一氣缸和第二氣缸在4皮此軸向 相反的方向上操作。
21. 依據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括采用第一氣缸、第二氣缸、第三氣缸、和第四氣缸，每 個都依據(jù)權(quán)利要求1所述的方法操作生成電能，第一氣缸、 第二氣缸、第三氣缸、和第四氣缸在具有氣缸平行軸的線圈 內(nèi)操作，這些氣缸中的兩個與第一氣缸、第二氣缸、第三氣 缸、和第四氣缸中的另兩個氣缸反平行操作。
22. —種采用電能對熱泵供以動力的方法，熱泵執(zhí)4亍熱循環(huán)。該 方法包括使用電存儲器中的電能對氣缸中的活塞電磁供給動力， 該氣缸包含4丸4于熱循環(huán)的工作氣體；采用活塞運動電》茲感應耦合于氣釭的電^各中的電流；并且采用電路在電存儲器中存儲電能，該電能由電路中誘導 的電-充生成；其中循環(huán)使用存儲能對活塞供給動力并且在熱循環(huán)過程 中，使用電路存儲電能實現(xiàn)從電存儲器中凈正平均功率傳輸。
23. 依據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中電路包括電子電力變換 器，該方法進一步包括使用電子電力變換器執(zhí)行活塞運動的閉環(huán)電控制。
24. 依據(jù)4又利要求23所述的方法，其中電子電力變換器基于與 工作氣體狀態(tài)相關(guān)的電信號執(zhí)行閉環(huán)控制。
25. 依據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，進一步包括使用溫度傳感器、壓力傳感器、和位置傳感器中的至少 一個向電子電力變換器中輸送與工作氣體狀態(tài)相關(guān)的電信號。
26. 依據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中熱循環(huán)從外燃中吸收熱。
27. 依據(jù)斥又利要求26所述的方法，其中熱循環(huán)近似于斯特林循 環(huán)。
28. 依據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中熱循環(huán)近似于卡諾循環(huán)。
29. 依據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，進一步包括使用第一活塞和第二活塞之間工作氣體的壓縮和膨脹來 執(zhí)行熱循環(huán)。
30. 依據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中電路包括耦合于氣缸上 的一組線圈，該方法進一步包才舌使用附屬在第一活塞上的第一永久i茲鐵和附屬在第二活 塞上的第二永久》茲4失來電》茲感應該組線圏中的電流。
31. 依據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，進一步包括使用第一活塞和第二活塞的運動將氣體沿著氣缸移動從 而實if見與氣缸的加熱區(qū)和冷卻區(qū)的連續(xù)傳熱。
32. 依據(jù)4又利要求30所述的方法，其中第一活塞的至少部分軸 可在第二活塞軸內(nèi)同心移動。
33. 依據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，進一步包括釆用電子電力變換器通過控制第一活塞和第二活塞的運 動來控制熱循環(huán)定時。
34. 依據(jù)4又利要求33所述的方法，進一步包括采用電子電力變換器控制第一循環(huán)和第二循環(huán)的運動使 得工作氣體在氣缸的加熱區(qū)、冷卻區(qū)、和無作用區(qū)之間運動。
35. 依據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，進一步包括采用附屬在第一活塞或第二活塞上的熱屏蔽隔離氣缸內(nèi) 非工作氣體。
36. 依據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，進一步包括采用附屬在第一活塞或第二活塞上的槳狀攪拌器在工作 氣體內(nèi)生成湍流。
37. 依據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，進一步包括采用外部回流在氣缸的第 一末端區(qū)和第二末端區(qū)之間流 動非工作氣體。
38. 依據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，進一步包括將第一活塞和第二活塞固定在共同中心軸周圍。
39. 依據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，進一步包括通過內(nèi)燃循環(huán)來 循環(huán)工作氣體。
40. 依據(jù)4又利要求39所述的方法，其中熱循環(huán)近似于奧4乇循環(huán)。
41. 依據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，進一步包括釆用第一氣缸和第二氣缸，每個都^J安照依據(jù)^L利要求22 所述方法操作采用電能對熱泵供電，第一氣缸和第二氣缸在 ;波此軸向相反的方向上4喿作。
42. 依據(jù)權(quán)利要求22所述的一種方法，進一步包括采用第一氣 缸、第二氣缸、第三氣缸、和第四氣缸，每個都依據(jù);K利要 求22所述的方法操作釆用電能對熱泵供電，第一氣缸、第 二氣缸、第三氣缸、和第四氣缸在具有氣缸平^f亍軸的線圈內(nèi) 操作，這些氣缸中的兩個與第一氣缸、第二氣缸、第三氣缸、 和第西氣缸中的另兩個氣缸反平行才喿作。
全文摘要
在依據(jù)本發(fā)明的一個實施方案中，提供了采用工作氣體熱循環(huán)生成電能的方法。該方法包括采用氣缸(501)內(nèi)的活塞(503、504)的運動電磁感應耦合在氣缸上的電路內(nèi)的電流，該氣缸包含執(zhí)行熱循環(huán)的工作氣體(502)；采用電路(509、510)在電存儲設(shè)備中存儲電能，該電能由電路中誘導電流生成；(437、438)和采用存儲在電存儲設(shè)備中的電能電磁提供給活塞動力。循環(huán)使用電路存儲電能并使用存儲的電能提供給活塞動力來實現(xiàn)熱循環(huán)過程中凈正平均功率傳輸?shù)诫姶鎯ζ髦小?br> 文檔編號F02B71/04GK101375018SQ200780003455
公開日2009年2月25日 申請日期2007年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月24日
發(fā)明者J·R·伍德 申請人:阿爾托有限公司