[发明专利]高效能量转换

说明书

相关申请的交叉引证

本申请要求于2010年8月3日提交的名称为“High Efficiency Energy Conversion（高效能量转换）”的美国临时申请No.61/370,376的优先权，将其所有公开和教导的内容通过印证结合于此。

背景技术

对于在热发动机（thermal engine，热机）中工作的恒定工作流体的情况来说，用于将热能转换为功或其他有用能量形式的热力学系统的效率最常被理论卡诺循环效率所限制。然而，更复杂的热力学系统（例如燃料电池）可通过使能量通过一系统（在该系统中工作流体随着时间而发生化学变化）而违反最大卡诺循环效率。然而，这些系统在最一般的意义上仍限制于在热力学循环中的每个点处的局部热力学平衡（准平衡）附近工作的假设。

在热力学循环中的一个点处实现热力学平衡需要，使用于使系统平衡的热量和质量传递（对于起化学反应的流体的情况来说，还包括化学反应）的速度比在该系统中出现的变化的速度快得多。例如，在气体活塞中，典型地，用于使气体平衡的气体内的分子碰撞速度相对于活塞速度而言非常高。结果，体积气体密度、压力和温度相对于活塞运动的速度几乎瞬时地有效平衡，因此，气体趋向于在气体所占据的每个空间位置处保持热力学准平衡（接近平衡）。因此，热力学平衡假设保持有效，并且热力学系统的效率保持限制于传统限度内。

发明内容

其中，本文中所描述和要求的实现方式提供一个增加动力循环能量转换系统的热转换效率的机会，其通过用非平衡热力学过程操作整个动力循环的相当一部分（substantial portion）而使热转换效率超过这种传统限度。描述了在动力循环的非平衡热力学部分期间制造亚稳定的体积非平衡状态。虽然这些亚稳定状态是瞬时的，但是它们可能通过以具有相关时标（例如，活塞循环的周期）的速度操作动力循环而在动力循环的相当一部分上操作，该时标可与亚稳定状态的寿命相当或者比其短。

从阅读本文中描述和叙述的实现方式的以下详细描述中，这些和各种其他特征和优点将是显而易见的。

附图说明

通过参考在说明书的剩余部分中所描述的附图，可能实现对本发明的性质和优点的进一步理解。在图中，几张图始终用相似的参考数字来表示相似的部件。在一些情况中，参考数字可能具有相关的由小写字母组成的子标签，以表示多个相似部件中的一个。当参考没有子标签说明的参考数字时，该参考旨在涉及所有这种多个相似部件。

图1是一个实例高效能量转换（HEEC）系统的框图。

图2示出了一个实例高效能量转换（HEEC）发动机的三维视图。

图3示出了一个实例HEEC发动机的活塞绝缘头部块。

图4至图7示出了处于其动力循环的状态1至4中的一个实例HEEC发动机。

图8示出了其动力循环的各种状态期间的一个实例HEEC发动机的压力-体积图。

图9示出了与具有正弦活塞运动的传统活塞发动机相比的使用典型替代的运动机构的一个实例HEEC发动机的各种非正弦活塞运动的图。

图10示出了一个实例HEEC发动机的操作的流程图。

图11A和图11B示出了一个可能在HEEC发动机的实现方式中使用的实例磁耦合的密封活塞组件1100。

图12示出了一个实例活塞组件的三维视图。

图13示出了包括封闭在波纹管中的波纹管密封活塞的一个实例能量转换系统。

图14示出了与收缩的波纹管密封的活塞轴组合的一个实例热交换器头部的横截面图。

图15示出了与收缩的波纹管密封的活塞轴组合的一个实例热交换器的透视图。

图16示出了与膨胀的波纹管密封的活塞轴组合的一个实例热交换器头部的横截面图。

图17示出了与膨胀的波纹管密封的活塞轴组合的一个实例热交换器的透视图。

图18示出了可能在一个实例HEEC发动机中使用的运动机构。

图19示出了可能在一个实例HEEC发动机中使用的替代的运动机构。

具体实施方式