CN103328770A - 高效能量转换 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种高效能量转换系统包含活塞组件和附接至活塞组件的能量转换元件，该活塞组件包括用于储存工作流体的密封缸体。可能用诸如凸轮凸角或苏格兰轭的运动机构作为能量转换元件。在一个实现方式中，可能将运动机构构造为以不允许在活塞内膨胀的工作流体达到热力学平衡的方式来提供快速活塞膨胀。在一个替代实现方式中，运动机构进一步适于以使得活塞内的工作流体在整个压缩冲程中达到热力学平衡条件的方式产生压缩冲程。

Description

高效能量转换

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 EnergyConversion（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

传统的热力学系统在热力学循环的设计中不包含非平衡过程。相反，本文中公开的实现方式通过在热力学循环中引入非平衡过程（例如，通过有效地减慢热力学平衡过程，使得其相对于一部分动力循环中的体积速度变化更慢），而违反传统的热力学平衡假设。在热力学循环中引入非平衡过程可用来以与燃料电池的操作原始相似的方式在策略上改进系统中的热转换效率，这可实现比对于热发动机将建议的卡诺循环分析更高的转换效率。换句话说，与受限于对于动力循环的每个部分均在局部热力学平衡中操作的循环相比，在动力循环设计中包含体积非平衡热力学过程可提供改进将热能转换成机械功的机会。

体积亚稳定的非平衡热力学状态的特征在于这样的状态，其与和热力学平衡条件相关的强度热力学特性（例如，压力、温度、体积流体密度）之间的关系明显偏离、和/或无法用该关系精确地描述。这些状态是不稳定的，而是亚稳定的，并将分解成由典型地在相对短的时间周期上的热力学平衡条件描述的状态。为了产生亚稳定的体积非平衡状态，必须很快扰乱流体的热力学平衡状态。实际上，典型地，这难以实现并且本质上是很少见的。

制造体积亚稳定的非平衡热力学状态的过程与更传统的非平衡热力学过程不同。典型地，后者是由于这样的系统的原因，其在系统中建立至少一个热力学特性的空间梯度（最常见的是温度），并将总是通过产生熵来降低动力循环转换效率。这些更传统的非平衡过程在系统内的局部点处仍具有处于或接近局部热力学平衡的工作流体（即，通过热力学状态变量中的平衡关系，可描述任何设定空间位置处的流体的局部压力、温度和密度）。在气体活塞实例中，缸体的壁附近的气体由于对缸体壁的热传递的原因，而可能处于与缸体气体的中心温度稍微不同的温度。然而，在气体缸体中的任何设定空间位置处，仍可用采取局部热力学平衡的模型很好地描述压力、局部流体密度和局部温度中的关系。另一方面，可存在在系统中没有相当大热力学特性的空间梯度的体积非平衡热力学状态，并且该状态实际上可用仔细设计的动力循环改进动力系统的热转换效率。

在本文中公开的一个典型HEEC过程中，一种在一部分动力循环上实现亚稳定的非平衡过程的方法是，促使工作流体经历流体相变。在一个HEEC动力循环实现方式中，动力循环的一部分穿过（cross，交叉）相变边界（即，饱和液体/气体边界），以实现此相变。例如，可这样设计活塞膨胀，使得气体分子没有足够的时间平衡以及相对于和活塞膨胀相关的状态变化速度脱离气相而凝结。结果，与平衡过程相比，与亚稳定的非平衡过程相关的缸体压力保持更高。与平衡或准平衡过程相比，对于活塞缸中的设定体积变化，此更高的缸体压力在活塞面上产生额外的功。从缸体体积提取出的此额外的膨胀功从工作流体提取额外的能量，结果，与平衡或准平衡过程相比，在活塞膨胀周期结束时产生更低能量的状态。通过足以完成凝结并允许达到热力学平衡的停留时间，该亚稳定状态最后瓦解成此更低能量的热力学平衡状态。使此过程反过来（例如，在更慢的活塞压缩冲程（stroke，行程）期间），允许活塞保持准平衡条件，与在活塞动力冲程期间利用的亚稳定的非平衡膨胀过程相比，该准平衡条件产生更低的缸体压力。

当考虑在本文中公开的特定相变亚稳定的非平衡HEEC循环中使用的工作流体时，考虑接近临界温度的工作流体特性（例如，临界温度代表这样的温度，高于该温度，流体不再是液体，不管压力如何）。将考虑的一个因素是，工作流体的临界温度是否相对接近从加热源输入的温度，并且是否是比热输入低的温度。将考虑的另一因素是，饱和液体/气体边界相对于工作流体的膨胀曲线的形状必须支持工作流体在该膨胀过程中的凝结。

将考虑的工作流体的一个额外因素是与凝结速度相关的复杂的非平衡特性，以帮助确保并优化亚稳定的非平衡膨胀过程。然而，此特性还支持足够高的凝结速度，以使亚稳定状态在膨胀结束时平衡，回到平衡状态。在实验系统中可能观察到工作流体的此非平衡特性，该实验系统具有与将对实际发电设备设计的相似的几何形状、时间和热边界条件。

工作流体还具有这样的特性，对于设定的发动机尺寸，其允许活塞组件以更慢的速度运行，或对设定的发动机尺寸产生更大的功率。在一些情况中，对于设定的HEEC发动机功率输出，允许更长的活塞循环周期可能有利于允许有额外的时间将热量传递至TDC附近的工作流体，并允许在BDC附近出现更长的用于凝结的时标。

蒸汽压力是有助于优化发动机功率输出的这些特性中的一个。更高的蒸汽压力对于设定的体积变化产生更多的功输出，并且典型地，允许在膨胀过程期间从工作流体中提取更多的能量。典型地，相对于通过气体在高于临界温度的温度下的变化看到的压力的变化，工作流体的蒸汽压力随着温度的减小而快速下降。因为凝结有效地去除产生气体压力的气体分子，所以出现了气体压力随着低于临界温度的温度变化的此快速减小。然而，通过与亚稳定的非平衡膨胀过程相关的更慢的凝结速度，缸体中的压力的此减小不会经历与从相同起点开始的平衡膨胀过程中一样的程度。

对于最大化发动机的功率输出或者对于设定尺寸允许发动机以更慢的速度运行而言，多相工作流体的恒定体积容积比热（在恒定体积条件下加热流体所必需的每个单位体积的能量）也是重要的。对于设定的驱动轴RPM，更高的恒定体积容积比热增加典型的HEEC发动机的功率输出或热冷却功率。在可与当活塞处于TDC附近时在动力循环中使用的流体密度相当的流体密度下，在两相流体状态中评估此恒定体积容积比热。由工作流体密度划分的这些容积比热原则上是相似的，但是，实际数值与对于气体更一般列表的恒定体积比热（每个单位质量）不同。这些值中的差异是由于在接近临界温度的恒定体积条件下的两相流体蒸发的复杂过程而产生的。

可能与此类型的循环一起使用的实例工作流体可能包括，但不限于制冷剂，例如八氟丙烷（R218）；熔融盐，例如液体氟化盐；熔融金属，例如液体汞；等等。特别地，制冷剂（例如R218）可能在-50至250摄氏度的温度范围内工作，尽管不需要严格地限制这种范围。熔融盐可能在250至400摄氏度的温度范围内工作，尽管不需要严格地限制这种范围。例如，在另一实例中，熔融金属可能在400至1500摄氏度的温度范围内工作。在这些工作流体中，混合的液体/蒸汽汞在其临界温度附近具有大约80至90磅每平方英寸绝对压力（PSIA）的最低蒸汽压力，但是允许在升高的温度下操作HEEC动力循环。

图1是一个实例高效能量转换（HEEC）系统100的框图，该系统高效地将能量从第一种形式转换成另一种形式。该实例HEEC系统100包括一个或多个转换发动机102、104，其接收输入至工作流体的热输入的形式的能量。可从许多来源产生此热量，包括但不限于化学能、电能、核能、从工作流体传递的热量等等。更特别地，可用从生物燃料产生能量的来源、汽油、太阳热能、地热能、核电站能量，或其他热能的来源（例如，工业废热或任何其他可适用的废热）来提供热能。

在一个实现方式中，可能通过抽出废热并将其转换成有用功，而用HEEC系统和相关过程来冷却系统。功转换过程允许在待冷却热源与对HEEC系统的热输入之间建立温度梯度。

在能量转换系统100的一个实现方式中，每个转换发动机102、104都包括活塞组件，活塞组件具有用于储存工作流体的密封缸体。可能将每个活塞组件附接至运动机构，运动机构被构造为至少对于热力学循环的一部分以防止密封缸体内的膨胀工作流体达到热力学平衡的方式提供快速活塞膨胀。在能量转换系统100的一个实现方式中，将每个转换发动机102、104的运动机构附接至驱动轴106，以驱动发电机、电动机等等，在本文中用数字108表示。例如，能量转换系统100可能将输入热量转换成由发电机108产生的输出能量110（例如电）。下面，在图2至图7中进一步详细地描述了转换发动机102、104的操作。

活塞组件是通过工作流体的体积膨胀产生功率的能量转换机构的一个实例。其他实例可能包括但不限于旋转发动机、涡轮机等等。

图2示出了一个实例高效能量转换（HEEC）发动机200的三维视图。可能在能量转换系统中用HEEC发动机200作为能量转换发动机（例如，将热量转换成旋转运动，转换成电）。HEEC发动机200包括本体202，该本体用于容纳HEEC发动机200的一个或多个部件，如下面进一步描述的。可能经由支撑件206将本体202附接至活塞缸体204。在一个实现方式中，支撑件206是空心管，该空心管可容纳在本体202和活塞缸体204内运动的活塞组件。然而，在替代实施方式中，还可能使用不同形式的支撑件，例如连接杆。

活塞缸体204可能由这样的材料制成，该材料包括但不限于，黑色和有色金属及其合金，碳和/或碳复合材料等等。活塞缸体还可能在内表面上设置有衬里，其中，这种衬里由用抗腐蚀剂处理的黑色和有色金属制成。活塞组件适于活塞以最小摩擦在活塞组件内运动。在HEEC发动机200的一个实现方式中，将活塞缸体204的上端部附接至绝缘头部块208，例如，绝缘头部块可能容纳微流体热交换器（未在图2中示出）或其他有效的热交换器。下面，在图3中进一步详细描述了一个实例微流体热交换器，尽管可能使用其他能量管道结构。除了将能量引导至活塞缸体中的HEEC工作流体以外，绝缘头部块208可能帮助使HEEC发动机200绝缘，以将从热源到外部环境的热损失减到最小。没有这种绝缘头部，HEEC发动机仍将在大多数构造中起作用，但是热损失可能降低其热转换效率。

在一个实现方式中，绝缘头部块208提供用于输入能量流（例如，具体化为热水或蒸汽）的入口210，和允许此HEEC冷却的流体流离开绝缘头部块208的出口212。绝缘头部块208还设置有工作流体入口（未在图2中示出），其用来将活塞工作流体注入活塞缸体204中。工作流体入口可能位于绝缘头部块208的顶部，位于绝缘头部块208的侧表面上，位于系统200上的别的地方。

在一个实现方式中，在将工作流体引导至活塞缸体204之后，气密地密封活塞缸体204，尽管可能使用其他用于保存工作流体并保持闭合系统200的方法和结构。图2所示的HEEC发动机200还包括腔室热电偶214，其可用来测量绝缘头部块208内的工作流体的温度。在一个实现方式中，绝缘头部块208的微流体热交换器允许将来自热量入口210的热量有效地传递至活塞缸体204内的工作流体。

本体202可能容纳运动机构220，运动机构附接至活塞组件，以将来自活塞的能量转换成用于转动曲轴或用于一些其他结果的能量。在HEEC发动机200的所示实现方式中，用凸轮凸角（cam lobe）代表运动机构220，尽管可能使用其他机构。将运动机构220附接至活塞组件，将活塞组件部分地容纳在本体202内并部分地容纳在活塞缸体204内。作为一个实例，可能将运动机构220附接至活塞组件的活塞杆。

在一个实现方式中，本体202还包括滚筒壳体222，滚筒壳体附接至本体202。滚筒壳体可能包括滚筒224，这些滚筒可用作活塞组件的竖直引导件。此外，可能将活塞组件经由杆U形夹（未在本文中示出）可移动地附接至运动机构220。

根据一个实现方式，将运动机构220的几何形状构造为，对活塞组件提供膨胀循环，该膨胀循环不允许活塞缸体204中的膨胀的工作流体在所有或相当一部分膨胀冲程中达到热力学平衡。如下面在图3至图7中进一步详细示出的，运动机构220和活塞组件一起导致活塞组件通过一系列膨胀和压缩循环而运动，这导致运动机构220围绕其中心旋转。运动机构220的这种旋转导致驱动轴23的圆形运动，在所示实现方式中，其在相同的旋转方向上出现。

图3示出了一个实例HEEC发动机的活塞绝缘头部块308。缸体304和活塞绝缘头部块308组合，以将输入至活塞绝缘头部块308和缸体304的热能转换成另一种形式的能量（例如，旋转驱动轴的能量）。在一个实现方式中，将绝缘头部块308构造为容纳微流体热交换器302，微流体热交换器被设计为从热源流体（例如，输入至活塞绝缘头部块308的蒸汽）有效地提取热量。热量入口310允许热源（例如蒸汽）输入至绝缘头部块308中的微流体热交换器302。活塞缸体体积可能从工作流体入口接收工作流体，在活塞的运动范围中，该工作流体入口在活塞缸体体积内的任何地方具有流体进口。

如图3所示，可能用微流体热交换器302的各种流体通道将来自热源流体（例如蒸汽）的热量携带至活塞缸体内的工作流体，从而允许将热量有效地从热源流体传递至工作流体。可能将腔室热电偶314附接至内腔室316，以允许测量绝缘头部块308中的平均温度。将活塞缸体304进一步示出为容纳响应于工作流体的膨胀而沿着活塞缸体304的长度移动的活塞320。下面，在图4至图7中进一步示出了活塞320的各种运动循环。

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400。特别地，图4至图7示出了处于其动力循环的状态1至4中的HEEC发动机的活塞和运动机构的位置。为了清楚，图4至图7使用相同的数字示出相似的部件，尽管图4至图7可能代表不同的实现方式。

特别地，图4示出了处于状态1中的HEEC发动机400。在状态1中，活塞402处于其上死点（TDC）位置中。在此状态中，将运动机构404示出为其相对平的表面406在与活塞402的运动方向相同的方向上基本上竖直地对准，并且活塞402在活塞缸体401的顶部处于全压缩位置中。将热量经由热交换器403传递至活塞缸体401中的工作流体已经导致工作流体蒸发并建立峰值缸体压力。工作流体从状态1的膨胀，与运动机构404的相对平的表面一起，当动力循环传递至状态2时，导致活塞402相对于活塞缸体401和热交换器403非常快的竖直向下的运动。

还将活塞402从状态1到状态2的这种运动确定为HEEC发动机400的HEEC动力冲程。工作流体的快速膨胀以及运动机构404的相对平的表面与活塞402的运动方向的对准，导致与缸体内的平衡速度相比，动力冲程将是完全相对快速的，驱动轴408完全旋转大约90度。例如，可能这样设计膨胀冲程，使得活塞中的体积变化速度比凝结速度和气体分子到液体凝结核的质量传递速度快，使得在活塞膨胀过程期间不会实现热力学平衡。

在一个实施方式中，气体分子在相界附近的范围内操作，例如气体/液体界面。在快速膨胀期间，通过膨胀气体的功提取使气体过度冷却。此过度冷却的气体，通过膨胀冲程的至少一部分，在正常热力学平衡条件下将穿过相图的饱和气体线，结果，缸体体积将由液体和气体蒸汽以热力学平衡所描述的比例组成。传统地，由于气体中的分子的非常高的运动速度的原因，气体典型地具有比膨胀活塞体积可变化的速度高得多的体积流体平衡速度。

然而，通过在膨胀过程期间穿过相变边界，产生新的时间限制凝结和/或蒸汽传递过程，其具有比天然气体平衡速度慢得多的平衡速度，甚至更重要地，比活塞膨胀速度慢得多。因此，在快速活塞膨胀过程期间没有足够的时间使过度冷却的气体将和平衡热力学所预测的一样多的气体完全凝结成液体。结果，膨胀冲程期间的缸体压力通过工作流体的此非平衡亚稳定状态而比如果允许一些气体分子凝结成密集大得多的液滴的情况更高。此更高的活塞缸体压力允许比平衡过程的情况提取更多的活塞功。此外，从工作流体提取更大量的活塞功也有助于比热力学平衡膨胀过程的情况冷却更多的工作流体。在一个实现方式中，蒸汽扩散速度取决于蒸汽径向地通过气柱运动以在内缸体壁上凝结所必需的长得多的时标，在内缸体壁可能出现液体凝结。

图5示出了处于状态2中的一个实例HEEC发动机400。在状态2中，活塞402处于其下死点（BDC）位置中。如图5所示，运动机构404的相对平的表面406接近垂直于活塞402的运动方向。因此，在状态2和状态3之间，如下面图6中所示，活塞402通常处于相同的位置，即，靠近BDC。状态2和状态3之间的这种周期在本文中叫做底部停留周期（bottom dwellperiod）。在底部停留周期期间，从驱动轴的中心到凸轮从动件410的接触点所测量的凸轮轮廓半径在驱动轴所通过的角度上是相对恒定的，使得活塞保持在BDC附近。底部停留周期允许过度冷却的气体有足够的时间几乎完全地平衡并使工作流体的液体部分凝结出来，从而对最大缸体体积处的压缩冲程减小缸体压力。对于活塞缸体内的工作流体，相对于动力循环中的其他状态，底部停留周期导致活塞缸体具有相对低的压力和更高的缸体体积。在HEEC发动机400的一个实现方式中，可能将运动机构404构造为，提供驱动轴408的大约30度的旋转的底部停留周期，尽管考虑其他构造。在一个实现方式中，可能优化底部停留时间，使得工作流体在运输限制过程下凝结。

为了促进在底部停留周期期间的快速重新凝结速度，HEEC发动机400的一个实现方式可能提供由这样的材料制成的活塞缸体401的内表面，该材料允许气体分子在其表面上的这种快速凝结，特别是一旦活塞处于底部停留周期附近或处于该底部停留周期中。例如，玻璃、金属等，可能是这种内表面材料的实例。因为活塞缸体内的工作流体可能根据运输限制过程而凝结，工作流体的液滴可能在活塞缸体401的内表面上聚集。此外，此活塞缸体401可能使内缸体壁的一些区域由不同材料制成，以便于在BDC附近比在膨胀循环的其他部分出现更多凝结。

图6示出了处于状态3中的一个实例HEEC发动机400。在状态3中，活塞402仍处于其BDC处。然而，在此状态中，所有或几乎所有可凝结的流体已经在固体表面上凝结，使得循环中的缸体压力处于其最小值。在这一点上，活塞402的底端部开始远离运动机构404的相对平的表面406，并且活塞开始压缩。换句话说，状态3标志着BDC停留时间的结束。在HEEC发动机400在状态3和状态4之间的压缩冲程期间，活塞从其BDC朝着其TDC移动。在HEEC发动机404的一个实现方式中，活塞402从BDC到TDC的运动（即，从状态3到状态4的运动）可能和驱动轴408的150度的旋转一样长。

图7示出了处于状态4中的一个实例HEEC发动机400。在状态4期间，运动机构404的相对平的表面406相对于活塞402的运动方向垂直，并且如从驱动轴的中心到与凸轮从动件轮410的接触点所测量的，凸轮轮廓的半径几乎是恒定的。结果，在此循环期间，活塞在相当长的周期内保持在TDC处。HEEC发动机400的此周期叫做“顶部停留周期（top dwellperiod）”。在一个实现方式中，活塞在驱动轴一直到旋转90度的时间内保持在TDC处。可能以这样的方式优化运动机构404的构造，该方式使得TDC处的延长的顶部停留周期允许有时间将最大的热量从加热的缸体头部传递至工作流体中。注意，在顶部停留周期期间，在靠近微流体热交换器302的内腔室（例如，如图3所示的内腔室316）中压缩工作流体。在快完成HEEC循环的状态4时，运动机构404的相对平的表面406移动至与活塞402（如图4所示）的向下运动相对对准的位置。在状态4和状态1之间，工作流体在顶部停留周期期间的延长的加热导致工作流体蒸发，并导致缸体压力在状态1增加至最大值。

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（PV）图800。在图800中，此动力循环覆盖活塞工作流体的饱和液体/气体边界（用虚线801表示）。特别地，PV图800示出了用实验测量的非平衡活塞膨胀曲线806，该非平衡活塞膨胀曲线与额外平衡过程（示出为曲线802、810和814）的平衡热力学循环分析耦合，以闭合HEEC循环。对于所有其他状态，用商业热力学软件包进行平衡分析。PV图800也可涉及图4至图7所示的状态图。如图8所示，HEEC发动机的状态1（用804表示）通常对应于热量增加周期802的结束。HEEC发动机的状态2（用808表示）通常对应于活塞膨胀周期806的结束。HEEC发动机的状态3（用812表示）通常对应于HEEC优化底部停留周期810的结束。HEEC发动机的状态4（用816表示）通常对应于等熵压缩曲线814的结束。

特别地，在热量增加周期802期间，活塞保持在上止点（TDC）附近，导致工作流体的体积几乎是恒定的。然而，在此周期期间，对工作流体增加热量会导致工作流体的压力快速增加。在热量增加周期802结束时，活塞开始其快速膨胀周期806。在这里公开的HEEC发动机的图示中，通过允许活塞朝着下死点（BDC）移动而穿过饱和液体/气体相转变以产生凝结和/或质量扩散运输限制过程，来实现气体在膨胀周期806期间的快速膨胀，上述过程不允许气体在膨胀周期806的至少相当一部分期间完全平衡成其平衡两相流体。然后，在周期810期间，允许HEEC发动机的活塞保持在BDC处，因此，此周期还可能叫做BDC停留周期。由于保持在BDC处的活塞和已使工作流体过度冷却的另外提取的功能量的原因，气体在缸体内的固体表面上凝结成工作流体的液滴。这些液滴可能更容易在活塞缸体的内表面附近形成。另一方面，缸体中心附近的气体可能仍保持在气态中，但是由于凝结的气体分子的损失而处于更低的气体压力下。

在周期814期间，活塞根据几乎等熵的压缩曲线从其BDC移动至TDC位置。此压缩速度足够慢，以至于允许在压缩过程中实现或几乎实现热力学平衡。结果，在具有很少凝结液体的膨胀期间的缸体中的气体压力比压缩过程期间的气体压力大。在活塞压缩期间，将气体和工作流体的液滴压缩回到缸体的内腔室中，在那里可将它们加热并蒸发，以重复此循环。

PV图800示出了与使用候选HEEC工作流体（八氟丙烷（R218））的活塞缸体中的体积相比的压力的用实验测量的非平衡活塞膨胀曲线806。目前无法用现有热力学平衡模型分析地计算的曲线806示出了饱和液体线的临界交叉，以在非平衡活塞膨胀期间引发凝结和/或质量扩散限制的运输过程。如图8所示，用实验测量来确定状态1和状态2。膨胀曲线806下方的所计算的区域代表所提取的活塞具体功能量。从状态1减去此具体功能量并使用热力学平衡软件包（例如，具有NIST标准参考数据库23的REFPROP2007），可估计所有其他循环状态点812（状态3）和816（状态4）以及压缩曲线814。例如，通过知道循环状态点808（状态2）处的比容并从循环点804（状态1）的内部能量减去具体功能量（用实验得出的膨胀周期806下方的整体面积），来得出循环状态点812（状态3）。通过采用从循环点812（状态3）到循环点804（状态1）处的比容的等熵压缩，来估计循环点816（状态4）。用此循环产生的净功是由点802、806、810和814界定的整体PV功面积。

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900包括一张或多张图，这些图示出了根据由活塞驱动的驱动轴的旋转度数的活塞运动。特别地，图900包括：（1）图902，该图示出了对于使用凸轮的一个实例HEEC发动机，随着由活塞驱动的驱动轴的旋转度数而变的活塞运动；（2）图908，该图示出了对于使用典型的驱动轴的一个实例HEEC发动机，随着由活塞驱动的驱动轴的旋转度数而变的活塞运动；（3）图906，该图示出了对于使用苏格兰轭（scotch yoke，曲柄移动导杆机构，止转棒轭）的一个实例HEEC发动机，随着由活塞驱动的驱动轴的旋转度数而变的活塞运动；以及（4）图904，该图示出了对于使用改进的苏格兰轭的一个实例HEEC发动机，随着由活塞驱动的驱动轴的旋转度数而变的活塞运动。

更特别地，图902示出了一个实例HEEC发动机的动力循环，其中，活塞运动通过状态1至4（例如，在图9中用数字1至4表示）。活塞从状态1到状态2的运动代表活塞缸体中的工作流体的快速膨胀周期910，导致活塞从TDC移动至BDC。活塞的底部停留周期912（其中，活塞主要固定在BDC处）允许一些气体微粒在活塞缸体的内表面附近凝结成工作流体的液滴。在HEEC发动机的压缩周期914期间，活塞根据等熵曲线从BDC移动至TDC。状态4和1之间的周期叫做顶部停留周期916。在顶部停留周期916期间，活塞基本上保持在TDC处。

在许多驱动轴情况中，驱动轴以几乎恒定的每分钟转数（rpm）旋转-驱动轴的旋转度数及时同步。然而，在HEEC动力循环的至少一个实现方式中，在比压缩冲程短的时间间隔内出现膨胀。此间隔取决于特殊工作流体的特性、活塞和缸体的几何形状，并且通常，相当复杂的凝结和质量运输现象限定更慢的平衡速度，在过度冷却的工作流体中形成液滴。可用使用测量研究活塞的实验测量来直接测量在缸体压力中的各种非平衡变化。可将这些测量结果与对于状态2和3下的缸体压力的平衡热力学分析耦合，以得到最佳的活塞时间曲线。一旦知道此活塞时间曲线，便可将许多运动机构和可能电动力机构设计为产生所需的非正弦运动。

一种用于优化HEEC循环的替代方法可这样组成：建造如图2所示的研究发动机，并在测量活塞轴功的同时测试各种凸轮轮廓，以确定用于从HEEC动力循环提出净功的最佳的凸轮轮廓。

除了从恒定每分钟转数的驱动轴旋转产生非正弦运动的上述实例运动机械机构以外，另一用于改变活塞运动速度的替代机构利用与传统驱动轴活塞发动机耦合的驱动轴旋转速度的实时变化。这种装置的一个实例可能包括，但不限于，与传统活塞发动机驱动轴耦合使得电动机可能改变活塞发动机驱动轴上的扭转负载的电动机/发电机。该电动机/发电机可有效地用作改变传统活塞发动机驱动轴的旋转速度的再生制动器，以产生与图9所示的曲线相似的曲线。由于通过在控制活塞运动时产生如图8所示的动力循环而产生的净功的原因，电动机将通过对HEEC电动机的绝缘头部块施加热量而产生净功率。此电动机械系统的一个优点可能是，在更大的运动控制范围优化发动机输出效率的能力。

在一个替代方法中，可能用运动机构和发动机输出轴RPM的变化的组合来利用输出旋转轴产生非正弦活塞运动。在又一用于优化HEEC循环的替代方法中，可能用线性致动器控制活塞运动而没有旋转轴输出。在这种情况中，活塞可能包括在周围发动机壳体中感应电流的磁体。通过控制感应电流，可能控制活塞的运动，并产生净电流。

图10示出了一个实例HEEC发动机的操作的流程图1000。特别地，流程图1000示出了一种用于操作HEEC发动机以导致活塞402在状态1至4中循环的方法。即使将流程图1000的操作示出为以连续的方式执行，也可能同时执行这些操作中的一个或多个。例如，在一个实现方式中，在进行操作1004至1010的同时，如操作1002所示的施加能量源可能是连续的操作。

特别地，施加操作1002对工作流体（例如，如图3所示的内腔室306中的）施加热量或其他能量源。可能经由热量入口310和微流体热交换器302施加热源。然后，转换操作1004将工作流体转换成高压气体。在本文中公开的HEEC发动机的一个实现方式中，可能通过允许活塞在上死点（TDC）位置停留TDC停留时间，来实现将工作流体转换成高压气体，TDC停留时间大约等于通过运动机构附接至活塞的驱动轴的90度的旋转。

然后，膨胀操作1006使从工作流体产生的气体的体积快速膨胀。在本文中公开的HEEC发动机的一个实现方式中，通过朝着下死点（TDC）移动活塞以通过穿过相转变（例如膨胀期间的饱和气体相转变）来产生工作流体的非平衡膨胀过程，来实现气体的快速膨胀。在快速膨胀操作1006之后，凝结操作1008将气体凝结成工作流体的液滴，以减小缸体压力。在一个实现方式中，可能通过允许活塞在BDC处停留BDC停留时间，来实现将气体凝结成工作流体的液滴，BDC停留时间正好足够长到导致气体的亚稳定状态瓦解回平衡状态。在完成凝结操作1008时，压缩操作1010导致活塞朝着其TDC位置移动。在一个实现方式中，活塞在操作1010开始时从其BDC位置移动至其TDC位置可能沿着等熵曲线，其允许活塞将工作流体液滴收集回到缸体顶部处的内腔室中。

与典型地在小于10至100毫秒内快速产生高压气体的内燃机中的燃烧过程不同，到HEEC工作流体中的导热路径趋向于在慢得多的时标上产生高压气体。此相对于内燃机更慢地产生气体压力可能限制可使HEEC循环重复以产生功率的最大速度，并且对于设定发动机尺寸降低发动机的输出功率。为了对设定尺寸增加HEEC发动机功率输出，可能希望增加传递至TDC附近的工作流体中的热量。例如，增加暴露在TDC附近的工作流体的表面积可能增加与工作流体的热交换的速度。此类型的增加的实例包括但不限于，迫使TDC附近的活塞工作流体进入微流体热交换器以快速蒸发，或者利用自然具有相对体积比的大表面的TDC缸体轮廓。

HEEC发动机可利用理想地包含在气密密封的系统中的专用活塞工作流体，以防止其随着时间不小心地损失。或者，可将机构设计为允许回收随着时间通过活塞密封损失的工作流体。

图11A和图11B示出了一个可能在本文中描述的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。特别地，图11A示出了活塞处于TDC处的活塞组件1100。图11B示出了活塞处于BDC处的活塞组件1100。活塞组件1100还包含流体返回以解决密封泄漏。

活塞组件1100包括缸体头部1102，该缸体头部附接在具有活塞壁1104的活塞缸体的顶部上。具有活塞顶部1106的活塞位于活塞缸体内。该活塞进一步包括附接至活塞顶部1106和内磁体1110的碳泡沫绝缘体1108。在活塞组件1100的一个实施方式中，将内磁体1110与外磁体1112磁耦合。内磁体1110根据这里描述的各种循环的运动也可能使外磁体1112与内磁体1110同步运动。可能将外磁体1112附接至连接杆（未在本文中示出）的第一端部，其中，将这种连接杆的第二端部与本文中描述的运动机构连接。

此外，在活塞组件110的一个实现方式中，将柱塞1114附接在内磁体1110的底部。可能将活塞在活塞缸体内的位置构造为，在活塞头部1106的顶部上设置内部工作流体腔室1120。在此构造中，使热量传导地通过耦合在1102中的热源之间的固体边界，进入工作流体腔室1120。例如，1102可以是被设计为从加热的工作流体去除热量的热交换器。或者，1102可以是与另一加热源（例如燃烧室）直接连接的非常导热的路径。可能用工作流体腔室1120来储存HEEC活塞工作流体（例如，其具有如之前定义的特性）。在工作流体由于施加热量或其他能量而膨胀时，活塞可能朝着活塞组件的底部竖直向下运动。虽然活塞如图11A所示处于TDC处，但是通常在柱塞下方的活塞缸体中将没有任何工作流体。然而，如图11A中用1122示出的，工作流体的一些微粒可能已经通过活塞顶部的环漏出并进入柱塞下方的腔室内。

为了收集这种泄漏的工作流体，活塞组件1100可能设置有返回通道管1124。返回通道管1124将活塞缸体的底部与活塞缸体的中间部分连接。这样确定返回通道管1124的顶端与活塞缸体连接的位置，使得当活塞处于其BDC时，缸体头部1102的顶面位于返回通道管1124的顶部连接端下方。由于返回通道管1124的这种构造，当活塞在活塞缸体中向下移动时，柱塞1114收集工作流体的液滴1122，并迫使其进入返回通道管1124内。返回通道管1124装配有止回阀1126，其允许工作流体沿一个方向的流动，特别是在从活塞缸体的底部朝着活塞缸体的顶部的方向1128上。

图12示出了一个实例活塞组件1200的三维视图，该活塞组件也包括流体返回。特别地，图12示出了包括附接至连接杆1204的第一端的外磁体1202的活塞组件1200。可能将连接杆1204的下端附接至本文中描述的运动机构。在一个实现方式中，活塞组件1200的内磁体的运动可能导致外磁体1202以导致附接至运动机构的驱动轴旋转的方式运动。活塞组件1200还示出了返回通道管1208和止回阀1210（例如，对应于返回通道管1124和止回阀1126）。

图13示出了包括波纹管密封活塞的一个实例能量转换系统1300，上述波纹管密封活塞封闭在波纹管1302（由热交换器头部1304的支柱1316部分地掩盖）中。将热交换器头部1304定位在能量转换系统1300的一端，并且装配有输入部1306和输出部1308，以允许传热流体（例如，蒸汽、热水）流过热交换器头部1304。流体在输入部1306处进入热交换器头部1304，向下流过中心管（未示出，但是封闭在波纹管1302中），向上流过环形外通道（未示出，但是封闭在波纹管1302中），并在输出部1308处离开热交换器头部1304。

在波纹管1302内，用导热壁将传热流体与活塞缸体工作流体隔开，可使热量通过导热壁从传热流体传递至工作流体，其密封在波纹管1302内。从所传递的热量产生的工作流体的膨胀，导致活塞轴（部分地封闭并密封在波纹管1302中）远离热交换器头部1304移动。将活塞轴与线性引导的凸轮-曲柄输入杆1310连接，凸轮-曲柄输入杆驱动凸轮1312以转动轴1314。

图14示出了与收缩的波纹管密封活塞轴1402组合的一个实例热交换器头部1400的横截面图。热交换器元件1400装配有输入部1404和输出1406部，以允许传热流体（例如，蒸汽、热水）流过热交换器头部1400。流体在输入部1404处进入热交换器头部1400，向下流过中心管1408，向上流过环形外通道1410，并在输出部1406处离开热交换器头部1400。

在波纹管1412内，用导热壁（其具有侧壁1414和底壁1416）将传热流体与工作流体隔开，可使热量通过导热壁从传热流体（其流过中心管1408和环形外通道1410）传递至工作流体（其密封在波纹管1412和导热壁（即，壁1414和1416）之间的体积中）。从所传递的热量产生的工作流体的膨胀，导致活塞轴1402远离热交换器头部1400移动。将活塞轴1402与线性引导的凸轮-曲柄输入杆（未在图14中示出）连接，凸轮-曲柄输入杆驱动凸轮（未在图14中示出）以转动轴（未在图14中示出）。

将最靠近热交换器头部1400的波纹管1412的端部密封至环形外通道1410的外圆周，并且将最靠近活塞轴1402的波纹管1412的端部密封至活塞轴1402。活塞轴1402与线性引导的凸轮-曲柄输入杆连接，并且在活塞循环的膨胀阶段期间远离热交换器头部1400线性地（linearly，直线地）移动，在活塞循环的压缩阶段期间朝着热交换器头部1400线性地移动。

膨胀阶段从工作流体的快速蒸发（其由从传热流体通过导热壁的热传递而导致）产生。如之前描述的，该快速蒸发会快速地增加波纹管1412和导热壁之间的体积中的压力，导致波纹管1412膨胀并迫使活塞轴1402远离热交换器头部1400。

该压缩阶段从凸轮的旋转产生，该旋转迫使凸轮-曲柄输入杆和活塞轴1402朝着热交换器头部1400移动。此运动导致波纹管1412收缩到图14所示的位置中，从而在波纹管1412和导热壁之间的体积内压缩工作流体，准备好另一个快速蒸发和膨胀阶段。

图15示出了与收缩的波纹管密封活塞轴1502组合的一个实例热交换器1500的透视图。热交换器元件1500装配有输入部1504和输出部1506，以允许传热流体（例如，蒸汽、热水）流过热交换器头部1500。流体在输入部1504处进入热交换器头部1500，向下流过中心管1508，向上流过环形外通道1510，并在输出部1506处离开热交换器头部1500。

在波纹管1512内，用导热壁（其具有侧壁1514和底壁1516）将传热流体与工作流体隔开，可使热量通过导热壁从传热流体（其流过中心管1508和环形外通道1510）传递至工作流体（其密封在波纹管1512和导热壁（即，壁1514和1516）之间的体积中）。从所传递的热量产生的工作流体的膨胀，导致活塞轴1502远离热交换器头部1500移动。将活塞轴1502与线性引导的凸轮-曲柄输入杆（未在图15中示出）连接，凸轮-曲柄输入杆驱动凸轮（未在图15中示出）以转动轴（未在图15中示出）。

将最靠近热交换器头部1500的波纹管1512的端部密封至环形外通道1510的外圆周，并且将最靠近活塞轴1502的波纹管1512的端部密封至活塞轴1502。活塞轴1502与线性引导的凸轮-曲柄输入杆连接，并且在活塞循环的膨胀阶段期间远离热交换器头部1500线性地移动，在活塞循环的压缩阶段期间朝着热交换器头部1500线性地移动。

膨胀阶段从工作流体的快速蒸发（其由从传热流体通过导热壁的热传递而导致）产生。如之前描述的，该快速蒸发会快速地增加波纹管1512和导热壁之间的体积中的压力，导致波纹管1512膨胀并迫使活塞轴1502远离热交换器头部1500。

该压缩阶段从凸轮的旋转产生，该旋转迫使凸轮-曲柄输入杆和活塞轴1502朝着热交换器头部1500移动。此运动导致波纹管1512收缩到图15所示的位置中，从而在波纹管1512和导热壁之间的体积内压缩工作流体，准备好另一个快速蒸发和膨胀阶段。

图16示出了与膨胀的波纹管密封活塞轴1602组合的一个实例热交换器头部1600的横截面图。热交换器元件1600装配有输入部1604和输出部1606，以允许传热流体（例如，蒸汽、热水）流过热交换器头部1600。流体在输入部1604处进入热交换器头部1600，向下流过中心管1608，向上流过环形外通道1610，并在输出部1606处离开热交换器头部1600。

在波纹管1612内，用导热壁（其具有侧壁1614和底壁1616）将传热流体与工作流体隔开，可使热量通过导热壁从传热流体（其流过中心管1608和环形外通道1610）传递至工作流体（其密封在波纹管1612和导热壁（即，壁1614和1616）之间的体积中）。从所传递的热量产生的工作流体的膨胀，导致活塞轴1602远离热交换器头部1600移动。将活塞轴1602与线性引导的凸轮-曲柄输入杆（未在图16中示出）连接，凸轮-曲柄输入杆驱动凸轮（未在图16中示出）以转动轴（未在图16中示出）。

将最靠近热交换器头部1600的波纹管1612的端部密封至环形外通道1610的外圆周，并且将最靠近活塞轴1602的波纹管1612的端部密封至活塞轴1602。活塞轴1602与线性引导的凸轮-曲柄输入杆连接，并且在活塞循环的膨胀阶段期间远离热交换器头部1600线性地移动，在活塞循环的压缩阶段期间朝着热交换器头部1600线性地移动。

膨胀阶段从工作流体的快速蒸发（其由从传热流体通过导热壁的热传递而导致）产生。如之前描述的，该快速蒸发会快速地增加波纹管1612和导热壁之间的体积中的压力。此压力增加会推动活塞轴1402远离热交换器头部1600向下移动。波纹管1612通过轴向地膨胀而适应此运动。

该压缩阶段从凸轮的旋转产生，该旋转迫使凸轮-曲柄输入杆和活塞轴1602朝着热交换器头部1600移动。此运动导致波纹管1612收缩到图16所示的位置中，从而在波纹管1612和导热壁之间的体积内压缩工作流体，准备好另一个快速蒸发和膨胀阶段。

图17示出了与膨胀的波纹管密封活塞轴1702组合的一个实例热交换器1700的透视图。热交换器元件1700装配有输入部1704和输出部1706，以允许传热流体（例如，蒸汽、热水）流过热交换器头部1700。流体在输入部1704处进入热交换器头部1700，向下流过中心管1708，向上流过环形外通道1710，并在输出部1706处离开热交换器头部1700。

在波纹管1712内，用导热壁（其具有侧壁1714和底壁1716）将传热流体与工作流体隔开，可使热量通过导热壁从传热流体（其流过中心管1708和环形外通道1710）传递至工作流体（其密封在波纹管1712和导热壁（即，壁1714和1716）之间的体积中）。从所传递的热量产生的工作流体的膨胀，导致活塞轴1702远离热交换器头部1700移动。将活塞轴1702与线性引导的凸轮-曲柄输入杆（未在图17中示出）连接，凸轮-曲柄输入杆驱动凸轮（未在图17中示出）以转动轴（未在图17中示出）。

将最靠近热交换器头部1700的波纹管1712的端部密封至环形外通道1710的外圆周，并且将最靠近活塞轴1702的波纹管1712的端部密封至活塞轴1702。活塞轴1702与线性引导的凸轮-曲柄输入杆连接，并且在活塞循环的膨胀阶段期间远离热交换器头部1700线性地移动，在活塞循环的压缩阶段期间朝着热交换器头部1700线性地移动。

膨胀阶段从工作流体的快速蒸发（其由从传热流体通过导热壁的热传递而导致）产生。如之前描述的，该快速蒸发会快速地增加波纹管1712和导热壁之间的体积中的压力。此压力增加会施加力，以向下推动活塞，或者导致波纹管1712轴向地膨胀，并迫使活塞轴1702远离热交换器头部1700。

该压缩阶段从凸轮的旋转产生，该旋转迫使凸轮-曲柄输入杆和活塞轴1702朝着热交换器头部1700移动。此运动导致波纹管1712收缩到图17所示的位置中，从而在波纹管1712和导热壁之间的体积内压缩工作流体，准备好另一个快速蒸发和膨胀阶段。

图18示出了可能在一个实例HEEC发动机中使用的运动机构，尽管应理解的是，可能使用其他运动机构。将该实例运动机构构造为，与压缩冲程相比，产生更快的膨胀冲程，尽管根据系统的需求可能获得不同的特性。与利用活塞杆（其是固定的，但是可在驱动轴销和活塞销两处自由旋转）产生接近正弦的运动的传统的活塞发动机不同，替代的运动机构可能允许驱动轴和/或活塞销在规定的图案中滑动，以导致活塞运动偏离接近正弦的运动。图18示出了包括活塞1802的苏格兰轭组件1800的功能。另外，苏格兰轭组件1800包括运动机构1804，该运动机构与具有槽1806的活塞1802耦合，上述槽与销1808接合。将销1808经由旋转部分1810与驱动轴1812连接。可能将运动机构1804的几何形状构造为，将活塞1802的线性运动转换成驱动轴1810的旋转运动。特别地，可能这样构造运动机构1804的几何形状，使得活塞1802具有允许将活塞缸体中的工作流体转换成高压气体的顶部停留时间。另外，当活塞1802朝着其下死点（BDC）位置运动时，运动机构1804的形状还可能允许活塞导致活塞缸体中的气体的快速膨胀。此外，运动机构1804的形状还可能允许活塞1802具有足够长的底部停留时间，以导致活塞缸体中的气体的亚稳定热力学状态瓦解回平衡状态，以将气体凝结成工作流体液滴，并减小活塞缸体中的压力。如图18所示，活塞1802靠近其TDC位置。

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。将该实例运动机构构造为，与压缩冲程相比，产生更快的膨胀冲程，尽管根据系统的需求可能获得不同的特性。特别地，图19示出了包括活塞1902的苏格兰轭组件1900的功能。另外，苏格兰轭组件1900包括运动机构1904，该运动机构与具有槽1906的活塞1902耦合，上述槽与销1908接合。将销1908经由旋转部分1910与驱动轴1912连接。可能将运动机构1904的几何形状构造为，将活塞1902的线性运动转换成驱动轴1910的旋转运动。特别地，可能这样构造运动机构1904的几何形状，使得活塞1902具有允许将活塞缸体中的工作流体转换成高压气体的顶部停留时间。另外，当活塞1902朝着其下死点（BDC）位置运动时，运动机构1904的形状还可能允许活塞导致活塞缸体中的气体的快速膨胀。此外，运动机构1904的形状还可能允许活塞1902具有足够长的底部停留时间，以导致活塞缸体中的气体的亚稳定热力学状态瓦解回平衡状态，以将气体凝结成工作流体液滴，并减小活塞缸体中的压力。如图19所示，活塞1902靠近其BDC位置。

在以下描述中，为了说明的目的，阐述了许多特殊细节，以提供对本发明的充分理解。然而，对于本领域的技术人员来说将显而易见的是，没有这些特殊细节中的一些也可能实践本发明。例如，虽然各种特征归因于特殊实施方式，但是应理解的是，相对于一个实施方式描述的特征也可能包含在其他实施方式中。然而同理，不应将任何所述实施方式的一个特征或多个特征认为对于本发明来说是本质的，因为本发明的其他实施方式可能省略这种特征。

以上说明书、实例和数据提供了对本发明的代表性实施方式的结构和使用的完整描述。由于在不背离本发明的精神和范围的前提下，可实现本发明的许多实施方式，所以本发明在于在下文中所附的权利要求。此外，在不背离所述权利要求的前提下，可能在又一实施方式中组合不同实施方式的结构特征。

Claims (24)

1.一种能量转换系统，包括：

活塞组件，其中，所述活塞组件包括用于储存工作流体的密封缸体；以及

运动机构，所述运动机构附接至所述活塞组件并且被构造为以如下方式提供快速的活塞膨胀：所述方式使得在动力循环的膨胀周期的至少相当一部分期间不允许所述密封缸体内的膨胀的工作流体在整个所述工作流体的体积中达到热力学平衡。

2.根据权利要求1所述的能量转换系统，其中，所述运动机构进一步适于产生压缩冲程，以使得所述活塞内的所述工作流体在整个所述压缩冲程中达到热力学平衡条件。

3.根据权利要求1所述的能量转换系统，其中，所述运动机构进一步被构造为在所述活塞组件的下死点（BDC）处提供一段停留时间，以允许用于所述工作流体的凝结的额外时间。

4.根据权利要求1所述的能量转换系统，其中，所述运动机构进一步被构造为在所述活塞组件的上死点（TDC）处为所述活塞组件提供一段停留时间，以允许用于加热所述工作流体的额外时间。

5.根据权利要求1所述的能量转换系统，其中，所述工作流体被选择为具有当在快速的活塞膨胀冲程中冷却所述工作流体时被越过的液体/气体相边界。

6.根据权利要求3所述的能量转换系统，其中，所述工作流体是（1）制冷剂、（2）熔融盐、以及（3）熔融金属中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的能量转换系统，其中，所述运动机构包括凸轮凸角机构。

8.根据权利要求1所述的能量转换系统，其中，所述运动机构包括苏格兰轭机构。

9.根据权利要求1所述的能量转换系统，其中，所述运动机构包括电磁系统，所述电磁系统被构造为产生压缩冲程，以使得所述活塞内的所述工作流体在整个所述压缩冲程中达到热力学平衡条件。

10.根据权利要求1所述的能量转换系统，其中，所述密封腔室对流地附接至微流体热交换器。

11.根据权利要求10所述的能量转换系统，其中，所述微流体热交换器被构造为将热量从外部源传送至所述工作流体。

12.根据权利要求1所述的能量转换系统，其中，所述凸轮凸角附接至输出驱动轴，所述输出驱动轴驱动（1）发电机和（2）电动机中的至少一个。

13.根据权利要求1所述的能量转换系统，其中，所述密封缸体是气密密封的。

14.根据权利要求1所述的能量转换系统，其中，所述活塞组件包括位于所述缸体中的活塞，并且进一步包括：

返回管，所述返回管具有第一端部和第二端部，所述第一端部附接至位于所述缸体中的所述活塞的低压侧，所述第二端部向位于所述缸体中的所述活塞的高压侧提供流体返回；以及

止回阀，所述止回阀附接至所述返回管，其中，所述止回阀被构造为防止所述工作流体朝着所述缸体的底部流过所述返回管。

15.一种活塞组件，包括：

气密密封的缸体；

活塞密封界面，所述活塞密封界面具有将所述活塞组件密封至所述缸体的一个或多个O形环；

内磁体，所述内磁体位于所述缸体的内部；

外磁体，所述外磁体位于所述缸体的外部；

热绝缘体，所述热绝缘体位于所述一个或多个O形环与所述内磁体之间；

返回管，所述返回管具有第一端部和第二端部，所述第一端部附接在所述缸体的底部附近，所述第二端部附接在所述缸体的中间附近；以及

柱塞，所述柱塞附接至所述内磁体的底部，其中，所述柱塞适于迫使流体从所述缸体的底部进入所述返回管。

16.根据权利要求15所述的活塞组件，进一步包括附接至所述返回管的止回阀，其中，所述止回阀适于防止流体朝着所述缸体的底部流过所述管。

17.根据权利要求15所述的活塞组件，所述外磁体附接至一个或多个连接杆。

18.一种将能量从第一种形式转换成第二种形式的方法，所述方法包括：

向位于上死点（TDC）的活塞施加处于所述第一种形式的能量源，其中，所述活塞位于填充有工作流体的密封缸体中；

允许所述活塞在所述TDC处停留一段TDC停留时间，以将所述工作流体转换成高压气体；

通过使所述活塞朝着下死点（TDC）移动而使所述气体的体积快速地膨胀，以对所述气体产生不稳定的热力学状态；

允许所述活塞在所述BDC处停留一段BDC停留时间，以促使亚稳定热力学状态瓦解回到平衡状态中，以使所述气体凝结成工作流体液滴并且减小所述缸体的压力；以及

使所述活塞根据等熵压缩曲线移动，以将所述工作流体液滴收集回到所述缸体头部中。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述工作流体是制冷剂。

20.根据权利要求18所述的方法，其中，所述工作流体是熔融盐。

21.根据权利要求18所述的方法，其中，所述工作流体是熔融金属。

22.一种能量转换系统，包括：

能量转换机构，所述能量转换机构通过工作流体的体积膨胀产生动力，以及

运动机构，所述运动机构附接至所述能量转换机构并且被构造为提供所述工作流体的快速体积膨胀，其中，所述工作流体在热力学动力循环的膨胀周期的至少相当一部分内处于亚稳定状态中。

23.根据权利要求22所述的能量转换系统，其中，所述运动机构进一步适于产生压缩冲程，以使得所述能量转换机构内的所述工作流体在整个所述压缩冲程中达到热力学平衡条件。

24.根据权利要求22所述的能量转换系统，其中，基本上整个工作流体体积在所述亚稳定状态内是非平衡的。

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