[发明专利]电耦合热循环系统及方法

说明书

相关申请 

该申请是2006年1月24日提出的美国申请No.11/338,421的继续申请并且要求2006年1月24日提出的美国申请No.11/338,421的优先权。上述申请的全部教导通过引述合并于本文中。 

技术背景

采用一定量气体作为工作介质的热机的热循环可通过参考P-V图进行描述。图1和2显示出两个众所周知的热循环的P-V图，卡诺循环(图1)和理想的斯特林循环(图2)。 

净能量由一个热循环输出，该热循环是P-V图中工作路径构成的回路区域。在每个循环过程中，发动机输送部分循环的能量，并且剩下循环的能量被发动机吸收。对于一些循环的某些部分，能量既不被存储也不被输送。例如，理想的斯特林循环，在轨线平行于P轴的循环的那些部分中，机械能既不被吸收也不被输送。 

必要地，在循环基础上，用于获得净正平均输出功率的部分体系一定包括存储和将能量从热发动机中获得或将能量返回到热发动机中的设备。在传统热发动机中，这种循环能量存储由机械方法完成，例如通过附属调速轮的机轴的转动惯性。 

发明内容

令人期望的是，能够通过一种方法将热转变成电，其中这种设备是可靠的、有效的、无噪声、无振动，并且能够采用多种燃料运转。 

也令人期望的是，能够采用电通过具有这种属性的设备实现传热。 

为了得到这些和其它目的，本发明的一个实施方案提供了采用工作气体的热循环生成电能的方法。该方法包括采用气缸中活塞运动来电磁感应耦合在气缸上的电路内的电流，该气缸中包含实现热循环的工作气体。该电路用于将由电路中感应的电流所生成的电能存储在电存储器中；并且存储在电存储器中的电能被用于向活塞电磁供给动力。循环使用电路存储电能并使用存储的能量提供给活塞动力来实现热循环过程中净正平均功率传输到电存储器中。 

电路可包括电子电力变换器，并且该方法进一步包括采用电子电力转换器执行活塞运动的闭环电控制。电子电力变换器可基于与工作气体状态相关的电信号执行闭环控制。温度传感器、压力传感器、和位置传感器中的至少一个可用于向电子电力变换器中输送与工作气体状态相关的电信号。热循环可接近斯特林循环、卡诺循环、奥托循环、或者其它循环。热循环可从外燃获得热，或者工作气体可通过内燃循环进行循环。 

第一活塞和第二活塞之间工作气体的压缩和膨胀可用于执行热循环。电路可包括耦合于气缸的一组线圈，并且该方法包括使用附属在第一活塞上的第一永久磁铁和附属在第二活塞上的第二永久磁铁来电磁感应该组线圈中的电流。另外，第一活塞和 第二活塞的运动可用于将气体沿着气缸移动而使用气缸的加热区和冷却区实现连续传热。 

第一活塞的至少部分轴可在第二活塞轴内同心移动。电子电力变换器可用于通过控制第一活塞和第二活塞的运动来控制热循环定时；包括通过控制第一循环和第二循环的运动使得工作气体在气缸的加热区、冷却区、和无作用区之间运动。热屏蔽可附着在第一活塞或第二活塞上隔离气缸内非工作气体；并且桨状搅拌器可附着在第一活塞或第二活塞上搅拌工作气体生成湍流。外部回流可用于在气缸的第一末端区和第二末端区之间流动非工作气体。第一活塞和第二活塞将固定在共同中心轴周围。 

依据本发明的两个气缸工作可在彼此相反的轴向操作。同样地，四个气缸可在具有气缸平行轴的线圈内操作，气缸中的两个与气缸中的另两个反平行操作。 

依据本发明的另一个实施方案中，提供了采用电能对热泵供以动力的方法，热泵执行热循环。该方法包括使用电存储器中的电能对气缸中的活塞电磁供给动力，该气缸包含执行热循环的工作气体。活塞运动用于电磁感应耦合于气缸上的电路中的电流；并且电路用于在电存储器中存储电能，该电能由电路中诱导的电流产生。循环使用存储能对活塞供给动力并且在热循环过程中，使用电路存储电能实现从电存储器中传输净正平均功率。如与生成电能方法一起使用的类似方法，可与对热泵供以动力的方法一起使用。 

附图简要说明 

如下面附加附图中举例说明的，本发明的前述和其他目的、特征和优点从下列本发明的优选实施方案的更特殊描述中将是 显而易见的，其中相同参考字符统指贯穿不同视图中的相同部分。这些附图不必按比例规定，重点不在于举例说明本发明的原理。 

图1显示出本领域中已知的卡诺循环的压力-体积图； 

图2显示出本领域中已知的理想的斯特林循环的压力-体积图； 

图3A显示出依据本发明实施方案，线圈、磁铁、和外燃气缸活塞的配置