CN104736801A - 用于能量转换的发动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于将热能转换为动能的发动机(3010)。发动机(3010)包括第一区域(3045)和第二区域(3043)以及在第一区域(3045)和第二区域(3043)之间延伸的可移动的环路(3055,3057)。将缸体(3011)安装到环路(3055,3057)上，从而使得环路(3055,3057)和缸体(3011)看在第一区域(3045)和第二区域(3043)之间相连地移动。缸体(3011)中的每一个都适于在其中接纳不同量的工作流体，并且适于处于多种状态，包括缸体中包含第一量的工作流体的第一状态，以及缸体中包含第二量的工作流体的第二状态，而且所述第一量大于所述第二量。当缸体(3011)中的每一个移动通过第一区域(3045)时，使缸体(3011)中的每一个处于其第一状态，并且使其在移动通过第二区域(3043)时处于第二状态，从而将运动传给环路(3055,3057)。

Description

用于能量转换的发动机

相关申请的交叉引用

本申请为要求提交于2013年3月15日的美国专利申请No.13/841,137和提交于2012年8月17日的美国临时申请No.61/684,206的优先权的国际(PCT)申请。本申请还涉及提交于2010年10月21日的美国专利申请No.12/909,114(现在是美国专利No.8,453,443),其要求提交于2009年7月31日的美国专利申请No.12/533,031(现已放弃)、提交于2009年10月21日的美国专利申请No.61/253,656(现已放弃)以及提交于2008年8月4日的美国专利申请No.61/085,978(现已放弃)的优先权。前述所有专利申请和专利的公开内容在此通过引用全部结合在本文中。

技术领域

本发明涉及一种用于将热能转换为动能的发动机。

背景技术

将热能转换为动能长期以来一直被应用于产品的生产中。许多转换使用诸如油、煤和/或天然气的非再生热能源，其燃烧所产生的不期望有的副产物(例如二氧化碳)污染了环境。因此，期望使用诸如地热的可再生的热能源来产生动能。

发明内容

在本发明提供了一种用于将热能转换为动能的发动机。该发动机包括第一区域和第二区域以及在第一区域和第二区域之间延伸的可移动的环路。将容器安装到环路上，从而使得环路和容器在第一区域和第二区域之间可共同地移动。每一个容器都适于在其中接收不同量的工作流体，并且适于处于多种状态，包括第一状态和第二状态，在第一状态中，容器包含第一量的工作流体，在第二状态中，容器包含第二量的工作流体，第一流量小于第二流量。当每一个容器移动通过第一区域时，使每一个容器处于它的第一状态，并且当其移动通过第二区域时，使其处于它的第二状态，以便将运动传递给环路。

附图说明

为了更加全面地理解本发明，可参考以下的对示例性实施例所进行的详细描述并结合附图考虑，其中：

图1为根据本发明的第一实施例构造的发动机的横向剖开的示意性侧视图，为了清楚起见，该发动机具有以截面图示出的多个流体密封的容器；

图2为图1所示气密容器之一的放大的剖视图，该容器在图中处于其膨胀位置；

图3为图1所示容器之一的放大的剖视图，该容器在图中处于其收缩位置；

图4为根据本发明第二实施例构造的发动机的横向剖开的示意性侧视图；

图5为根据本发明第三实施例构造的发动机的横向剖开的示意性侧视图；

图6为根据本发明第四实施例构造的发动机的横向剖开的示意性侧视图；

图7为图6所示发动机的移动容器机构的局部透视图；

图8A和8B为图6和7所示容器之一的的放大的剖视图，该容器在图中分别以处于其收缩和膨胀位置的状态示出；

图9A和9B为根据本发明第五实施例构造的发动机的容器之一的放大的剖视图；

图10为根据本发明第六实施例构造的发动机的横向剖开的示意性侧视图；

图11为根据本发明第七实施例构造的发动机的示意性剖视图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的一个示例性实施例构造的发动机10，其用于将热能转换成动能。发动机10具有壳体12，该壳体12具有上区域14和下区域16。上轴18和下轴20分别由壳体12可转动地支撑在上区域14和下区域16中，并且分别包括上链轮22和下链轮24，链轮22,24固定地安装在上轴18和下轴20上，并且每个链轮都配备有齿26。提供一个具有多个链节30的链条28的环路(例如，滚子链、皮带、缆线等的环路)，以便在上和下链轮22,24上滚动。更具体地，链条28的链节30适于与上和下链轮22,24的齿26相啮合，从而使得链条28上的纵向移动产生链轮22,24上的转动，并且因此分别产生上和下轴18,20的转动移。

液体32(例如，水或者任何其它合适的流体)被包含在壳体12中，并且具有一个热液体区34和一个冷液体区36。热能源38和热能吸能器40分别被连接到热和冷液体区34,36上，并且分别由液密密封件42,44阻拦。热能源38包括管子或管道46a，46b和热交换器46c，后者被连接到管子46a，46b上，用于将热能提供给热液体区34。更具体地，由可再生的能源106(例如，太阳能、地热、海洋热等)加热的热液体或气体(未示出)通过管子46a流入热液体区34中(如图1中的箭头H1所示)。热液体或气体接着流动通过热交换器46c，其中，热能被传递给热液体区34，并且通过管子46b流出热液体区34(如图1中的箭头H2所示)。类似地，热能吸能器40包括管子或管道48a，48b和热交换器48c，后者被连接到管子48a，48b上，用于从冷液体区36中除去热能。更具体地，通过可再生能源吸收器108(例如，地热、海洋热等)冷却的冷液体或气体(未示出)通过管道48a流入冷液体区36(如图1中的箭头C1所示)。冷液体或气体接着流动通过热交换器48c，其中，从冷液体区36中除去热能，接着冷液体或气体通过管子48b流出冷液体区36(如图1中的箭头C2所示)。热交换器46c和热交换器48c可以设置有常规的热传递机构(例如，散热片)，其利于将热量分别传递进和传递出热和冷液体区34,36。另外，为了有效地提升热交换，使能源38位于邻近壳体12的下区域16的地方，同时使能源吸收器40位于邻近壳体12的上区域14的地方(例如，靠近上链轮22)。

挡板50设置在壳体12中(例如，处于由链条28形成的内环的范围内)，以削弱热能在热液体区34和冷液体区36之间的直接混合。还设置了水泵52，以产生循环的水流54，其可以位于邻近壳体12的下区域16的位置(例如，在挡板50下面且在链条28的范围之外)。循环的水流54形成了一个水帘，以便进一步阻止在下区域16中热能在热液体区34和冷液体区36之间的混合。

继续参看图1，气密或液密容器56,58,60,62由支架64固定到链条28上，并且浸没在液体32中。容器56,58,60,62适于按顺序移动通过热区34和冷区36，以便致使链条28和链轮22,24转动。为了引起这样的转动，为容器56,58,60,62中的每一个提供工作流体66，该工作流体可以是空气、二氧化碳、制冷剂或者在本领域中已知的任何其它流体。工作流体66适于膨胀和收缩，以便使容器56,58,60,62的容积增加或减少。以下将更加详细地讨论容器56,58,60,62的构造和操作。

参看图2和3，容器58包括内缸76，其具有开口端78和闭合端80，以及内和外表面82,84。容器58还包括具有开口端90和封闭端92以及内和外表面94,96的外缸88。外缸88可滑动地安装在内缸76上，从而使得外缸88可相对于内缸76在收缩位置和伸出位置之间移动，其中，在收缩位置，内缸76位于外缸88内(参见图3)，而在伸出位置，内缸76从外缸88向外伸出(参见图2)。密封环86邻近开口端78地被设置在内缸76的外表面84和外缸88的内表面94之间，以便使容器58流体密封。至少一个挡圈98在邻近开口端90的地方安装到外缸88上，以便防止外缸88滑离内缸76。还将螺旋弹簧100或者其它合适的弹性推进元件安装到内缸76的封闭端80和外缸体88的封闭端92上，比便推动外缸体88朝其收缩位置移动。设置阀102，以用于给容器58装充工作流体66。散热片104分别设置在内缸76和外缸88的外表面84,96上，以便有利于将热量传递给盛装在其内的工作流体66或从中传出。内缸76和外缸88可以由任何合适的耐腐蚀、导热材料(例如，塑料或金属)制成。

容器56,60,62中的每一个都具有与图2和3中示出的容器58相同的结构和操作。在这种情况下，在本文中将不再讨论容器56,60,62的具体结构。

现在参照图1来讨论发动机10的操作。在图1中，容器56，58设置在热液体区34中，而容器60,62设置在冷液体区36中。每一个容器56，58中的工作流体66从热液体区34吸收热能并且膨胀，这使得外缸88从它们的收缩位置(参见图3)移动到它们的伸出位置(参见图2)，并且由此使容器56，58的容积增加(即，容器56，58扩张到膨胀体积)。由于容器56，58中的工作流体66在相同的质量下具有增加的体积，所以其提供了分别作用在容器56，58上的增加的浮力68,70。相反，每一个容器60,62中的工作流体66将其热能释放到冷液体区36并且收缩，这使得外缸88从它们的伸出位置(参见图2)移动到它们的收缩位置(参见例如图3)，并且由此导致容器60，62的体积减少(即，容器60，62收缩到减少的体积)。由于容器60,62中的工作流体66在相同的质量下具有减少的体积，所以其提供了分别作用在容器60,62上的减少的浮力72,74。结果，作用在容器56，58上的浮力68,70的总和要大于作用在容器60,62上的浮力72,74的总和，由此形成了合力F，该合力导致链条28沿顺时针方向转动(如图1中的箭头R所示)。由于热能分别连续地流进和流出热和冷流体区34,36，容器56,58,60,62在热和冷流体区34,36之间连续移动，由此将持续的运动传给链条28。链条28的运动将转动动能赋予上和下链轮22,24并因此赋予轴18,20。可以用采合适的机构储存和/或利用轴18,20的转动动能。例如，发电机G(在图1中以虚线示出)可以经由传送带B由轴18驱动，从而将动能转换成电能。

本发明提供了多个益处和优点。例如，以保护环境和有成本效益的方式实现将可再生的热能转换成动能。提供了以机械上简单的方式产生动能的手段(即，力F引起链条28的运动，该链条28的运动将转动动能传给链轮22,24并因此传给轴18,20)。

应该注意的是，本发明可以具有多种修改和变化型式。例如，容器56,58,60和62可以由以不同尺寸和形状形成的可伸展和可收缩的零部件制成，诸如，由单块弹性材料制成的球状囊状物。各发动机可以被制造成具有不同尺寸和形状的容器的组合。还可以将挡圈98的尺寸和形状设置成具有后备密封环的功能(即，假如密封环86泄漏，其可以起到辅助密封件的作用以将工作流体66容纳在容器56,58,60,62中)。可以在壳体12中将液体32的表面设定在一定的高度(未示出)，从而使得上链轮22浸没在液体32中，并且使容器56,58,60,62通过它们在热和冷流体区34,36之间的移动浸没到液体32中。

图4、图5、图6-8A、图9A-9B、图10和图11分别示出了本发明的第二至第八实施例。图4、图5、图6-8A、图9A-9B、图10和图11中示出的、完全对应于或基本上对应于针对图1-3中所示实施例描述的元件，元件分别由相应地增加了1000至7000的对应参考标号所指代。新元件分别由1000-7000内的奇数参考标号所指代。应该注意的是，结合这些实施例来使用对应的参考标号或奇数号码仅仅旨在说明的目的，而并不意味着限制本发明的范围。

参照图4，图中示出了具有气密或液密容器1007和1009的发动机1010，该容器1007和1009通过支架1064固定在链条1028上。应当注意的是，图4仅仅示出了发动机1010的一部分，其可以设有与容器1007和1009的结构和操作相同的额外的容器(未示出)。应当注意的是，除了容器56,58,60,62具有不同的结构以外，发动机1010在所有方面都与发动机10相同。下面讨论容器1007,1009的结构。

容器1007和1009中的每一个都具有一对刚性盖1011,1013，其通过密封件1017固定到波纹件1015上。波纹件1015由诸如橡胶的柔性材料制造。波纹件1015有利于容器1007，1009从收缩位置(参见图4中的容器1009)移动到伸展位置(参见图4中的容器1007)，并且反之亦然。容器1007，1009中的每一个还都具有阀1019，通过该阀1019将气体或液体最初供给容器1007，1009。

现在参看图5，发动机2010装配有多个填充有气体或液体的容器2011,2013，这些容器分别经由支架2015a，2015b安装到链条2028上。应该注意的是，图5仅仅示出了发动机2010的一部分，其可以设有与容器2011和2013的结构和操作相同的额外的容器(未示出)。还应该注意的是，除了以下所讨论的内容以外，发动机2010具有这样一种结构和操作，即，该结构和操作基本上与图1中所示的发动机10和/或图4中所示的发动机1010的结构和操作相同。

参照图5，容器2011具有端部或帽盖2017,2019以及波纹部分2021，其以液密的方式使端部2017,2019彼此结合。端部2017,2019和波纹部分2021以类似于图4中所示的刚性盖1011,1013和波纹件1015的构建方式的方式构造和装配。波纹部分2021有利于容器2011伸展位置(参见图5中的容器2011)移动到压缩位置(参见，例如，图5中的容器2013)，并且反之亦然。端部2017装配有阀2041，通过阀2041将气体或液体最初供给容器2011。

支架2015a具有一对将容器2011插入其间的撑臂2023,2025。容器2011的、分别固定到端部2017,2019上的支撑杆2027,2029分别由撑臂2023,2025可滑动地支撑，从而使得这样它们可分别相对于撑臂2023,2025纵向地移动。更具体地说，支撑杆2027,2029在支架2015a上可移动地支撑容器2011，从而使得容器2011可以在发动机2010的操作期间伸展和收缩。

热敏弹簧2031,2033分别设置在支撑杆2027,2029上。更具体地说，弹簧2031设置在容器2011的撑臂2023和端部2017之间并且安装到容器2011的撑臂2023和端部2017上，而弹簧2033设置在容器2011的撑臂2025和端部2019之间并且安装到容器2011的撑臂2025和端部2019上。可以由常规的形状记忆合金制成的弹簧2031,2033中的每一个都利用加热和冷却而在高温形状和低温形状之间变动。更具体地说，弹簧2031,2033中的每一个都基于它们所接触的周围液体或流体的温度而膨胀和收缩，从而导致容器2011在它的伸展位置和压缩位置之间移动。

容器2013具有基本上与容器2011相同的结构和操作。在这种情况下，本文将不再论述容器2013的具体结构。

流体软管2035分别经由排出软管2037a，2037b连接到容器2011,2013上。流体软管2035经由多个软管支架2039固定到链条2028上，从而使得流体软管2035可以与链条2028共同移动，并且因此和容器2011,2013共同移动。形成围绕链条2028的环的流体软管2035起到导管的作用，气体或液体可以通过该导管从容器2011流到容器2013上，反之亦然，因此利于容器2011,2013以以下文进一步论述的方式扩展和收缩。流体软管2035、排出软管2037a，2037b和容器2011,2013形成一个封闭的(即，液密的)系统，从而使得该系统中所包含的流体的量基本上保持不变(即，流体不会从系统中泄露)。

在操作中，发动机2010浸没在液体中，该液体具有连接到热能吸收器(未示出)上的冷液体区2043以及连接到热能源(未示出)上的热液体区2045。容器2011,2013和流体软管2035经由阀2041填充有工作流体2066(例如，气体)。工作流体2066具有比在容器2011,2013周围的液体的密度低的密度。

当容器2011处于冷液体区2043时，弹簧2031,2033收缩至其相应的低温形状。因为弹簧2031，2033中的每一个的低温形状都具有小于其高温形状的长度，所以弹簧2031,2033分别拉拽容器2011的端部2017,2019，使其远离彼此(即，分别拉向撑臂2023,2025)，由此导致容器2011扩展到它的伸展位置(参见图5中的容器2011)。如上所述，容器2011与流体软管2035流体连通，而流体软管2035又与容器2013流体连通。在这种情况下，当容器2011伸展时，工作流体2066从流体软管2035、容器2013和/或发动机2010的其它容器流进容器2011，由此增加了存在于容器2011中的工作流体2066的体积或量。由于其增加的体积/量，容器2011中的工作流体2066形成作用在容器2011上的增加的浮力2070。

相反地，当容器2013处于热液体区2045时，它的感敏弹簧扩展到其相应的高温形状(参见图5)，此时其具有大于其低温形状的长度。因此，弹簧朝向彼此地推动容器2013的端部(即，端盖)，由此使容器2013收缩到它的压缩位置(参见图5中的容器2013)。因为容器2013与流体软管2035流体连通，所以至少一些工作流体2066从容器2013流出并流入流体软管2035、容器2011和/或发动机2010的其它容器中，由此减少了在容器2013中的工作流体2066的体积或者量。由于其体积/量减少，保留在容器2013中的工作流体2066形成作用在容器2013上的减少的浮力2072。作用在容器2013上的减少的浮力2072小于作用在容器2011上的浮力2070。因此，合力F作用在链条2028上，以沿顺时针方向移动该链条2028。由于热能分别连续地流入和流出热和冷液体区2045，2043，所以容器2011，2013在冷和热液体区2043，2045之间连续地移动，由此将持续的运动传给链条2028。

图6和7示出了根据本发明的第四个示例性实施例所构建的发动机3010，其用于将热能转换成动能。除非另行指明，发动机3010具有类似于上述实施例(特别是图5中示出的实施例)的构造和操作。发动机3010包括壳体3012，在其中包含有一团空气3032(或者其它合适的流体或气体)，该壳体包括顶部热区3045，中间区3051以及底部冷区3043。在壳体3012的顶部和上侧安装有绝缘玻璃板3053，以用于将在下文中讨论的目的。上轴3018和下轴3020由壳体3012可转动地分别支撑在顶部热区3045和底部冷区3043中，并且分别包括上链轮3022和下链轮3024，这些链轮固定地安装在轴上并且其中的每一个都配备有齿3026。提供了具有多个链节3030的链条3055，3057的环路(例如，滚子链、皮带、缆线等的环)，以便链条在对应的一对上和下链轮3022，3024上滚动。更具体地说，链条3055，3057中的每一个的链节3030都适于与对应的一对上和下链轮3022，3024的齿3026相啮合，从而链条3055，3057的纵向移动产生了链轮3022，3024的转动运动，并因此产生了上轴3018和下轴3020的转动运动。

使用可再生的能源来给发动机3010的顶部热区3045提供热能。例如，太阳能(如图6中的箭头S所指示的)通过绝缘玻璃板3053(其是半透明的或透明的)传递，以加热包含在壳体3012中的空气3032。在这一方面，玻璃板3035适于保持在顶部热区3045中的热量。在一个实施例中，可以用其它合适的板材(诸如，金属板，等等)或者能够将太阳能或者其它可再生的热能提供到顶部热区3045上的机构来替代玻璃板3035。

如图6所示，提供了太阳能储存箱3059来储存多余的热能，从而可以根据需要来将这种能量提供给顶部热区3045。还设置了热泵3061以用于从中间区3051取出不需要的热能。热泵3061还可以被构造成可收集任何种类的外部热能(例如，太阳能、地热、海洋热，等等)。通过热泵3061抽取的任何多余的热或冷热能可以分别被储存在热储存箱3063或冷储存箱3065中，并且可以根据需要有选择性地分别供应给顶部热区3045或者底部冷区3043。

底部冷区3043可以设置在地下，从而给底部冷区3043提供绝缘并防止太阳能S输入到底部冷区3043。冷热能源3067也设置在靠近壳体3012的底部的地方，以将冷热能供应给底部冷区3043。冷热能源3067可以采用冷水、地热能或者任何其它合适的热能输入。由于对流以及热和冷热能的输入，所以在壳体3012中顶部热区3045的温度高于底部冷区3043的温度的地方形成温度梯度。

上L型分隔件3069设置在顶部热区3045和中间区3051之间，以防止热和冷流体在顶部热区3045和底部冷区3043之间混合。上L型分隔件3069中的一个固定在壳体3012的一侧上，而另一个上L型分隔件3069固定在壳体3012的相对侧上。上帘式风扇3071安装到上L型分隔件3069的其中一个上，以产生风幕，用于进一步防止热能在顶部热区3045和中间区3051之间传递。

类似地，下L型分隔件3073设置在底部冷区3043和中间区3051之间，以防止热和冷流体在顶部热区3045和底部冷区3043之间混合。下L型分隔件3073中的一个固定到壳体3012的一侧上，而下L型分隔件3073中的另一个则固定到壳体3012的相对侧上。下帘式风扇3075安置在下L型分隔件3073的其中一个上，以产生风幕，用于进一步防止热能在底部冷区3043和中间区3051之间传递。

还参看图6和7，容器3011,3013,3077,3079通过支架3081,3083连接到链条3055,3057上(还可参见图8A)。容器3011,3013,3077,3079适于按顺序移动通过热区3045、中间区3051和冷区域3043，以便使链条3055,3057和链轮3022,3024转动。为了引起这种转动，容器3011,3013,3077,3079中的每一个都适于填充有基本上不可压缩的工作流体3085(即，体积不因压力的变化而受明显影响的流体，诸如，水或者其它合适的液体)。工作流体3085可以包含防冻剂、盐或者在本领域已知的任何其它物质，以防止流体3085冻结。流体软管3035通过连通软管3037连接到容器3011,3013,3077,3079中的每一个上，并且起到工作流体3085可以通过其在容器3011,3013,3077,3079之间流动的导管的作用，由此允许容器3011,3013,3077,3079以下面将进一步描述的方式伸展和收缩。流体软管3035分别由安装在轴3018,3020上的轮子3087,3089或者其他导向突出限制横向移动，并且与容器3011,3013,3077,3079和链条3055,3057相连地移动。阀3091(仅在图8A和8B中示出)设置在每一个连通软管3037上，以便控制工作流体3085在流体软管3035和每一个容器3011,3013,3077,3079之间的流动。当容器3011,3013,3077,3079移动通过顶部热区3045和底部冷区3043时，阀3091可以通过接触、重量、致动器、磁场或者在本领域中已知的任何其它合适的方法打开或关闭。流体软管3035和容器3011,3013,3077,3079形成一个闭合的(即，液密的)系统，在没有工作流体3085泄露出系统的情况下，其允许工作流体3085在流体软管3035和容器3011,3013,3077,3079之间输送。

现在参照图8A和8B，容器3011包括具有相对的端板3095,3097的缸体3093。端板3095经由支架3081固定到链条3055上，并以流体密封的方式连接到流体软管3035上，从而在没有工作流体3085泄露出闭合的流体系统的情况下，对工作流体3085流进和流出缸体3093的流动进行控制。具有封闭端3101和开口端3103的弹簧保持框架3099经由支架3083在封闭端3101处连接到链条3057上，并且在开口端3103处连接到缸体3093上。缸体活塞3105可移动地安装在缸体3093内，其包括相对的活塞构件3107,3109，为了下述目的而使该活塞构件3107,3109通过杆件3111连接。

容器3011还包括形状记忆弹簧3113或者其它合适的弹性材料的、感动敏推元件(参见图8A和8B)，其利用加热和冷却而在高温形状和低温形状之间运动。更具体地说，每一个形状记忆弹簧3113都适于在其处于冷却或低温环境下时呈现伸展的构形(参见图8A)，而在其处于温热的或高温环境下时呈现收缩的构形(参见图8B)。每一个形状记忆弹簧3113都固定地安装到弹簧保持框架3099的封闭端3101和活塞构件3109上，从而使得活塞3105可响应形状记忆弹簧3113的构形的改变而在“向上”位置和“向下”位置之间移动。即，当形状记忆弹簧3113处于它们的伸展构形时，活塞3105移动到“向上”位置(参见图8A)，从而导致工作流体3085流出缸体3093，进入流体软管3035，以及一个或更多其它的容器3013,3077,3079。因为容器3011含有减少的工作流体3085的量，所以当活塞3105处于它的“向上”位置时，其整体重量减少(即，变轻)。相反，当形状记忆弹簧3113处于它们的收缩构形时，活塞3105移动到“向下”位置(参见图8B)，从而导致工作流体3085从流体软管3085以及一个或更多其它的容器3013,3077,3079流进缸体3093内。因为容器3011具有增加的工作流体3085的量，所以当活塞3105处于它的“向下”位置时，其整体重量增加(即，变重)。

为了增加形状记忆弹簧3113对容器3011周围的空气的温度的敏感度，缸体3093和弹簧保持框架3099可以由任何合适的导热材料(例如，塑料或金属)构造。另外，弹簧保持框架3099可以配备有开口或其它机构，以方便地将周围空气的温度传递给形状记忆弹簧3113。

在操作中，当容器3011移动到顶部热区3045中时，打开与其相关联的阀3091，以便允许工作流体3085流进和流出活塞缸体3093。当形状记忆弹簧3113开始从顶部热区3045吸收热能时，它们开始变动到它们的收缩构形(参见图8B)，使得缸体活塞3111从“向上”位置(参见图8A)移动到“向下”位置(参见图8B)。由于流体软管3035和容器3011,3013,3077,3079形成闭合的流体系统，所以缸体活塞3105的这个运动产生了吸力，从而导致工作流体3085被抽入容器3011内。由于工作流体3085的流入，容器3011相比于其进入顶部热区3045时所具有的重量，具有重得多的重量。一旦容器3011到达图8B中所描绘的伸展状态和/或在其移出顶部热区3045时，致动阀3091，以便将其闭合，从而防止工作流体3085流出容器3011。

在进入到底部冷区3043时，致动容器3011的阀3091，将其打开，从而允许工作流体3085流进或流出容器3011。当形状记忆弹簧3113开始向周围的冷区3043传递热能时，它们呈现其伸展构形，导致活塞3105从它的“向下”位置(参见图8B)移动到它的“向上”位置(参见图8A)。因此，存在于缸体3093中的工作流体3085从其中排出到流体软管3035以及一个或多个容器3013,3077,3079中。与上面在之前段落中结合容器3011所论述的吸力类似的、由一个或多个容器3013,3077,3079产生的吸力还可以使活塞3093中的工作流体3085从容器3011中排出。在容器3011中的工作流体3085的量减少的情况下，容器3011具有比其离开顶部热区3045时所具有的重量轻得多的重量。一旦容器3011到达图8A中所描绘的收缩状态和/或在其移出底部冷区3043时，阀3091被致动以便闭合，从而防止工作流体3085流出容器3011。

其它容器3013，3077，3079中的每一个都具有与图8A和8B中所示的容器3011相同的构造和操作。在这种情况下，本文将不再论述容器3013，3077，3079的具体构造。发动机3010还可以装配有额外的容器。

再回看图6和7，容器3011,3079已经分别穿过中间区3051和底部冷区3042，并且因此处于类似于图8A所示的容器状态的状态。与之相反，容器3013,3077已经分别穿过顶部热区3045和中间区3051，并且因此而处于类似于图8B所示的容器状态的状态。因此，位于图6所示链条3055,3057左侧的容器中的每一个容器(即，容器3011，3079)的重量小于位于图6中所示链条3055,3057右侧的容器中的每一个容器的重量。因此，分别作用在容器3013,3077上的重力3115,3117的总和大于分别作用在容器3011,3079上的重力3119,3201的总和，由此产生了一个导致链条3055,3057沿顺时针方向(如图6和7中的箭头R所指示的方向)转动的合力F。由于热能分别连续地流进和流出顶部热区3045和底部冷区3043，所以容器3011,3013,3077,3079在顶部热区3045和底部冷区3043之间连续地移动，由此将连续的运动传递给链条3055,3057。链条3055,3057的移动将转动的动能传递给链轮3022,3024以及由此传递给轴3018,3020。可以使用合适的机构来储存和/或利用轴3018,3020的旋转动能。例如，发电机G(在图7中以虚线示出)可以经由传送带B通过轴3020驱动，从而将动能转换成电能。

在一个实施例中，可以去除容器3011,3013，3077,3079的阀3091。在另一个实施例中，容器3011,3013,3077,3079中的至少二个容器的阀3091同时处于其开启状态。在另外一个实施例中，轴3018,3020中的一个或两个可以被连接到一个驱动机构(例如，手动曲柄、电动机，等等)上，从而当容器3011,3013,3077,3079静止时，可以驱动该驱动机构以将初始运动赋予容器3011,3013,3077,3079。

在本发明的另一个实施例中，发动机3010可以配备有类似于容器4011(参见图9A和9B)的容器。除非在下文中另行指明，容器4011具有类似于图8A和8B中所示容器3011的构造和操作。容器4011包括在其相对端部4125,4127处通过支架4081,4083连接到链条4055，4057上的缸体框架4123。缸体框架4123包括在端部4125附近固定地安装到其侧面上的缸体框架钩件4129。容器4011还包含连接到流体软管4035上的风箱式流体缸体4131。流体缸体4131可以由柔性材料(例如，橡胶)制造，从而使得容器4011可以从收缩构形(参见图9A)移动到伸展构形(参见图9B)，并且反之亦然。侧板4133,4135在流体缸体4131的相对端处安装到该流体缸体4131上。侧板4133固定地连接到端部4125上，而侧板4135固定地连接到滑动支架4137上，该滑动支架4137可移动地安装到缸体框架4123上，以便允许流体缸体4131的收缩和伸展。滑动支架钩件4139固定地安装到滑动支架4137上，而形状记忆弹簧4113安装到滑动支架钩件4139和缸体框架钩件4129上。与图8A和8B中所示的形状记忆弹簧3113不同的是，形状记忆弹簧4113适于在其吸收热能时(例如，当它们安置在热区中时)伸展，并且适于在热能从其上除去时(例如当它们位于冷区时)收缩。图9A描述的是处于其“向上”位置(对应于被压缩和较轻的重量)的流体缸体4131，而图9B描的是处于其“向下”位置(对应于被伸展和较重的重量)的流体缸体4131。由于形状记忆弹簧4113完全处于容器4011之外，所以它们可以快速地对其周围环境的温度的改变做出反应。

参照图10，图中示出了根据本发明的第六个示例性实施例所构造的发动机5010。除非另行指出，发动机5010具有与图6-8B中所示实施例的构造和操作基本上相同的构造和操作。发动机5010具有联结到流体软管5035上并且安装到链条5055,5057上的容器5011,5013,5077,5079，其中所述链条适于接合安装在轴5018,5020上的链轮5020,5022。

发动机5010还具有壳体5012，其包含一团空气5032并具有顶部冷区5043，中间区5051和底部热区5045。格栅5141或者其它合适的开口结构设置在壳体5012的上侧，以允许空气通过。风扇5143放置在壳体5012内，靠近格栅5141，以利于空气移动通过顶部冷区5043。

使用可再生的能源来将冷热能提供给发动机5010的顶部冷区5043。例如，来自外部环境的冷空气穿过格栅5141，以保持顶部冷区5043中的低温环境。太阳能板5145设置在壳体5012的上面，用于吸收太阳能，该太阳能可以储存在太阳能储存箱5059中和/或根据需要用于将额外的热能提供给底部热区5045。还设置有热泵5061，以从中间区5051中排出不需要的热能。热泵5061还可以被构造成用以收集任何种类的外部热能(例如，太阳能、海洋热能，等等)。通过热泵5061抽取的任何多余的热或冷热能可以分别储存在热和冷储存箱5063，5065中，并且可以根据需要用于分别给底部热区5045或顶部冷区5043提供热能。L型分隔件5069安置在中间区5051和底部热区5045之间，从而局部地阻碍空气的混合。帘式风扇5071也被安置在L型分隔件5069中的一个上，从而在中间区5051和底部热区5045之间形成绝缘的空气帘。

底部热区5045设置在地下，从而提供与外部环境的绝缘和防护。热的热能源将热的热能提供给底部热区5045，所述热的热能源包括地热能、太阳能、热流体或者任何其它合适的可再生能输入。由于热和冷的热能源，所以在壳体5012中形成温度梯度，其中，底部热区5045具有比顶部冷区5043高的温度。

除了热区5045和冷区5043的位置颠倒以外，发动机5010以类似于图6-8B所示实施例的方式的方式操作。即，与图6中所示的热和冷区3045,3043不同的是，图10的热和冷区5045,5043分别位于壳体5012的下端和上端。因此，发动机5010中使用的形状记忆弹簧适于在底部热区5045中收缩和在顶部冷区5043中伸展。发动机5010还可以与或者不与控制工作流体流到容器5011,5013,5077,5079以及来自于容器5011,5013,5077,5079的流动的任何阀一起操作。

图11示意性地示出了根据本发明的第七个示例性实施例所构造的发动机6010。除非以下另行指出，发动机6010具有与图6-10中示出的实施例基本上相同的构造和操作。发动机6010具有多个容器6011,6013,6077,6079，其为了说明的目的而在图11中以示意性侧视图的方式示出。容器6011,6013,6077,6079中的每一个都具有可伸展开的缸体6131以及多个形状记忆弹簧6113，该弹簧用于致动对应的一个缸体6131。发动机6010采用磁力来致动形状记忆弹簧6113并由此致动缸体6131，因此不需要(但可以包括)类似于图6-8A所示实施例中包括的热区和冷区。更具体地说，发动机6010包括用于在发动机6010的下部附近产生下磁场6149的下电源6147以及用于产生上磁场6153的上电源6151，所述上电源6151的磁特征不同于下磁场6149的磁特征(例如，磁场较强或较弱)。电源6147，6151可以是能够产生磁场6149，6153的任何种类的装置，包括无线电源或者在本领域中已知的类似装置。磁场6149适于导致容器的形状记忆弹簧6113收缩，而磁场6153适于导致这种形状记忆弹簧伸展。磁场6149,6153还可以致动容器6011,6013,6077,6079中采用的任何阀(类似于在图8A中示出的阀3091)，从而允许工作流体流入或流出所述容器。

在一个实施例中，可以去掉发动机6010中的电源6151。在另一个实施例中，可以使用其它机构而在其伸展和收缩状态之间致动容器6011,6013,6077,6079。

本发明提供了多个益处和优点。例如，以保护环境和有成本效益的方式执行可再生的热能向动能的转换。提供了在机械上简单的方式来产生动能(即，力F分别产生链条3055,3057或者5055,5057的运动，该运动将转动的动能分别传递给链轮3022,3024或者5022,5024，并由此传递给轴3018,3020或者5018,50520)。在太阳能、地热能或电能不足以操作本发明的发动机的情况下，可以使用其它的热能源，诸如，城市废热、热的废流体、燃料电池以及在本领域中已知的任何其它合适的热能源。

可以理解的是，本文所描述的实施例仅是示例性的，在不背离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以作出多种变形和改进。所有的这些变形和改进都旨在被包括在所附权利要求书所限定的本发明的范围内。

Claims (30)

1.一种能量转换设备，包括：

壳体，该壳体具有上端和下端，所述上端位于第一高度，所述下端位于低于所述第一高度的第二高度，所述壳体具有位于所述上端附近的第一区域以及位于所述下端附近的第二区域；

在所述下端和上端之间延伸并且穿过所述第一区域和第二区域的可移动的环路；以及

安装到所述环路上的多个缸体，所述缸体中的每一个可与所述环路共同地移动通过所述第一区域和所述第二区域，每一个所述缸体的尺寸和形状被设计成，当所述缸体中对应的一个缸体分别穿过所述第一区域和所述第二区域时，接收不同量的工作流体并且采取伸展和收缩的构形，当所述缸体中的每一个采取其所述的伸展位置时，其在其中接收所述工作流体，以便具有第一重量，并且当其采取其收缩位置时，从中排出所述工作流体，以便具有第二重量，所述缸体中的每一个的所述第一重量大于所述第二重量，所述缸体被布置在所述环路上，从而使得所述缸体中的至少一个缸体在穿过所述第一区域之后以其所述伸展构形位于所述环路的一侧，并且使得所述缸体中的至少另一个缸体在穿过所述第二区域之后以其所述收缩构形位于所述环路的相对侧，在所述环路的所述一侧上的所述缸体中的所述至少一个缸体的重量大于在所述环路的所述相对侧上的所述缸体中的所述至少另一个缸体的重量，这样，重力导致所述缸体中的所述至少一个缸体朝向所述壳体的所述下端向下移动，并且导致所述缸体中的所述至少另一个缸体朝向所述壳体的所述上端向上移动，以便将运动传给所述环路。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述工作流体包括液体。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述液体包括防冻材料，以防止所述液体冻结。

4.根据权利要求1所述的设备，还包括连接到所有所述缸体上的软管，从而使得所述缸体通过所述软管彼此流体连通，当所述缸体移动通过所述第一区域和第二区域时，所述工作流体从所述缸体中的一个缸体流到所述缸体中的另一个缸体。

5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述软管和所述缸体形成包含所述工作流体的闭合的流体系统，当所述缸体中的每一个缸体移动通过所述第一区域时，所述缸体中的所述每一个缸体都通过所述软管从所述缸体中的至少另一个缸体中接收所述工作流体，当所述缸体中的每一个缸体移动通过所述第二区域时，所述缸体中的所述每一个缸体都通过所述软管将上述工作流体排放到所述缸体中的至少另一个缸体。

6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述软管包括多个阀，所述阀中的每一个阀都连接到所述缸体中对应的一个缸体上，这样，当所述缸体中的所述对应的一个缸体进入所述第一区域时，所述阀中的所述每一个阀都打开，以允许所述工作流体流入所述缸体中所述对应的一个缸体，而且，当所述缸体中的所述对应的一个缸体离开所述第一区域时，所述阀中的所述每一个阀都关闭，以阻止所述工作流体从所述缸体中所述对应的一个缸体排出，而且，当所述缸体中的所述对应的一个缸体进入所述第二区域时，所述阀中的所述每一个阀都打开，以允许所述工作流体从所述缸体的所述对应的一个缸体中排出，并且，当所述缸体中的所述对应的一个缸体离开所述第二区域时，所述阀中的所述每一个阀都关闭，以阻止所述工作流体流入所述缸体中的所述对应的一个缸体。

7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述缸体中的每一个缸体都包括安装到其上的致动构件，用于在所述缸体中的对应的一个缸体穿过所述第一区域时使所述缸体中的所述对应的一个缸体采取所述伸展构形，以及当所述缸体中所述对应的一个缸体穿过所述第二区域时采取所述收缩构形。

8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述缸体中的每一个缸体的所述致动构件都包括联结到所述缸体的对应的一个缸体上的形状记忆弹簧，所述缸体中的每一个缸体的所述形状记忆弹簧都被构造成，当所述缸体的对应的一个缸体穿过所述第一和第二区域的其中一个时采取收缩形状，并且当所述缸体的对应的一个缸体穿过所述第一和第二区域中的其另一个时采取伸展形状。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述缸体中的每一个缸体的所述形状记忆弹簧都被构造成，当所述缸体的对应的一个缸体穿过所述第一区域时采取其所述收缩形状，并且当所述缸体的对应的一个缸体穿过所述第二区域时采取其所述伸展形状。

10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述缸体中的每一个缸体的所述形状记忆弹簧都采取其所述收缩形状，以便在所述缸体的对应的一个缸体中产生吸力，用于将所述工作流体抽吸到其中，以及采取其所述伸展形状，以便允许所述工作流体从所述缸体的对应的一个缸体中排出。

11.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述缸体中的每一个缸体的所述形状记忆弹簧都被构造成，当所述缸体的对应的一个缸体穿过所述第一区域时采取其所述伸展形状，并且当所述缸体的对应的一个缸体穿过所述第二区域时采取其所述收缩形状。

12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述缸体中的每一个缸体的所述形状记忆弹簧都采取其所述收缩形状，以便从其中排出所述工作流体，以及采取其所述伸展形状，以便允许所述工作流体流入其中。

13.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述缸体中的每一个缸体都包括活塞，该活塞可在从所述缸体的对应的一个缸体中伸出的伸出位置和其缩回到所述缸体的对应的一个缸体内的第二位置之间移动，当所述活塞处于所述伸出位置时，所述缸体中的每一个缸体都采取其所述伸展构形，并且当所述活塞处于所述缩回位置时采取其所述收缩构形，所述缸体中的每一个缸体的所述形状记忆弹簧都被联结到所述缸体的对应的一个缸体的所述活塞上，以便在所述伸出位置和缩回位置之间移动所述活塞。

14.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述缸体中的每一个缸体都包括风箱式容器、可移动的支架以及板件，所述支架被连接到所述风箱式容器的一端上，所述板件被连接到所述风箱式容器的相对端上，所述形状记忆弹簧安装到所述可移动的支架和所述板件上，用于使得所述缸体的对应的一个缸体采取所述伸展构形和收缩构形中的一种。

15.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述壳体包括限定所述第一区域和第二区域的一团空气，在所述第一区域中的所述空气具有第一温度，而在所述第二区域中的所述空气具有不同于所述第一温度的第二温度，从而当所述缸体中的每一个缸体分别穿过所述第一区域和第二区域时，使所述缸体中的每一个缸体采取其伸展构形和收缩构形中的一个。

16.根据权利要求15所述的设备，其特征在于，所述第一区域的所述第一温度大于所述第二区域的所述第二温度，这至少部分地由于在所述壳体内的所述空气的对流的缘故。

17.根据权利要求16所述的设备，其特征在于，所述壳体的所述上端被构造成由太阳能加热所述第一区域中的所述空气，以便给所述第一区域提供热能上。

18.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，所述壳体的所述上端包括玻璃板，以便将太阳能传输到所述第一区域，并且为所述第一区域中的所述空气提供热绝缘。

19.根据权利要求18所述的设备，还包括在所述第二区域附近连接到所述壳体上的冷热能源，用于在所述第二区域中保持低温环境。

20.根据权利要求19所述的设备，其特征在于，所述冷热能源包括冷水输入和地热能输入中的一个。

21.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，所述壳体包括定位在所述第一区域和第二区域之间的至少一个分隔件，以便阻止所述第一区域中的所述空气与第二区域中的所述空气的混合。

22.根据权利要求21所述的设备，其特征在于，所述壳体包括设置在所述第一区域和第二区域之间的气帘，以便与所述至少一个分隔件相配合，以用于阻止所述第一区域中的所述空气与所述第二区域中的所述空气的混合。

23.根据权利要求15所述的设备，其特征在于，所述第二区域的所述第二温度大于所述第一区域的所述第一温度，所述壳体包括用于在所述第一区域中提供低温环境的冷却装置以及用于在所述第二区域中提供高温环境的加热装置。

24.根据权利要求23所述的设备，其特征在于，所述冷却装置包括设置在所述壳体的所述上端的多个格栅，以用于允许外部冷空气穿过所述第一区域；并且其中，所述加热装置包括地热能输入、太阳能输入、热流体输入和可再生能输入中的一个。

25.根据权利要求1所述的设备，还包括连接到所述壳体上的热泵，其用于将多余的热能储存在至少一个储存箱中。

26.根据权利要求25所述的设备，其特征在于，所述至少一个储存箱包括用于储存高热能的第一箱和用于储存低热能的第二箱，储存在所述第一箱中的所述高热能和储存在所述第二箱中的所述低热能被分别有选择性地供应给所述第一区域和第二区域。

27.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述环路包括第一和第二可移动的环路，所述缸体中的每一个缸体都在其一端处固定到所述第一环路上，并在其相对端处固定到所述第二环路上。

28.根据权利要求27所述的设备，还包括一对上链轮以及一对下链轮齿，其中一个所述上链轮联结到所述第一环路上，而另一个上链轮联结到所述第二环路上；其中一个所述下链轮齿联结到所述第一环路上，而另一个下链轮联结到所述第二环路上，所述一对上链轮和所述一对下链轮允许所述第一和第二环路做转动运动。

29.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述壳体的所述下端位于地下，以为所述下端提供绝缘。

30.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，通过施加到所述第一区域和第二区域上的磁场使所述缸体中的每一个缸体都分别采取所述扩展取向和收缩取向。