CN114127405A - 能量转换系统和设备 - Google Patents

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CN114127405A CN202080052153.4A CN202080052153A CN114127405A CN 114127405 A CN114127405 A CN 114127405A CN 202080052153 A CN202080052153 A CN 202080052153A CN 114127405 A CN114127405 A CN 114127405A
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约书亚·泰勒·穆克
迈克尔·托马斯·根斯勒
斯科特·道格拉斯·沃恩
凯文·迈克尔·万德沃德
阿格贝迪诺·阿克瓦拉
迈克尔·罗伯特·诺塔尼科拉
杰森·约瑟夫·贝拉迪
穆罕默德·厄尔·哈辛·森努恩
穆罕穆德·奥萨马
玛丽·凯瑟琳·汤普森
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Abstract

本公开的一个方面针对用于能量转换的系统。该系统包括闭式循环发动机，该闭式循环发动机包含一定体积的工作流体。发动机包括膨胀室和压缩室，膨胀室和压缩室各自通过附接到活塞组件的连接构件的活塞而分离。发动机进一步包括从膨胀室延伸的多个加热器管道。发动机包括从压缩室延伸的多个冷冻机管道。膨胀室和加热器管道经由壁式管道流体连接到压缩室和冷冻机管道。

Description

能量转换系统和设备
相关申请的交叉引用
本申请要求美国临时专利申请号62/850,701、美国临时专利申请号62/850,678、美国临时专利申请号62/850,599、美国临时专利申请号62/850,623、美国临时专利申请号62/850,692、和标题为“用于能量转换的系统和设备”的美国专利申请号16/418,129的最早可用有效申请日的优先权和权益，它们各自具有2019年5月21日的申请日，并且它们各自的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本主题大体上涉及能量转换系统、发电系统和能量分配系统。本主题另外涉及热交换器和热交换器系统。本主题进一步涉及活塞发动机组件，诸如闭式循环发动机系统。本主题还进一步涉及用于控制或操作本文中的本主题的一个或多个系统的系统和方法。
背景技术
发电和配电系统面临着提供改进的发电效率和/或降低的排放量的挑战。此外，发电和配电系统面临着以较低的传输损失提供改进的功率输出的挑战。某些发电和配电系统在改进发电效率、功率输出和排放量的同时，通常进一步面临着改进尺寸、便携性或功率密度的挑战。
某些发动机系统布置，例如闭式循环发动机，可以比其他发动机系统布置提供一些改进的效率。然而，与其它发动机布置相比，诸如斯特林发动机之类的闭式循环发动机布置面临着提供相对较大的功率输出或功率密度、或改进效率的挑战。闭式循环发动机可能由于低效率燃烧、低效率热交换器、低效率质量传递、对环境的热损失、工作流体的非理想行为、不完全密封、摩擦、泵送损失和/或其他低效率和缺陷而受到影响。因此，需要能够提供改进功率输出、改进功率密度或进一步改进效率的改进的闭式循环发动机和系统布置。另外，需要改进的闭式循环发动机，其可以被提供以改进发电和配电系统。
另外或替代地，一般需要改进的热传递装置，例如用于热力发动机，或可应用于发电系统、分配系统、推进系统、运载器系统或工业或住宅设施。
发明内容
本发明的方面和优点将在下面的描述中部分阐述，或者可以从描述中显而易见，或者可以通过实施本发明来学习。
本公开的一个方面针对用于能量转换的系统。该系统包括闭式循环发动机，该闭式循环发动机包含一定体积的工作流体。发动机包括膨胀室和压缩室，膨胀室和压缩室各自通过附接到活塞组件的连接构件的活塞而分离。发动机进一步包括从膨胀室延伸的多个加热器管道。发动机包括从压缩室延伸的多个冷冻机管道。膨胀室和加热器管道经由壁式管道流体连接到压缩室和冷冻机管道。
在各种实施例中，该系统包括冷侧热交换器，多个冷冻机管道被定位成通过冷侧热交换器。冷侧热交换器包括与多个冷冻机管道直接热连通的冷冻机工作流体通道。冷冻机工作流体通道与多个冷冻机管道内的冷冻机通道流体分离。在一个实施例中，多个冷冻机管道至少部分地与活塞本体内的膨胀室和压缩室的延伸部同向地延伸。在另一个实施例中，多个冷冻机管道至少部分地相对于活塞本体周向延伸。在又一个实施例中，该系统进一步包括在内体积壁与外体积壁之间延伸的室壁。内体积壁至少部分地限定压缩室。室壁、内体积壁和外体积壁一起限定冷冻机工作流体通道，并且多个冷冻机管道被定位在冷冻机工作流体通道内，与冷冻机工作流体通道内的冷冻机工作流体流体分离。
在各种实施例中，该系统进一步包括两个或更多个活塞本体，其中膨胀室和压缩室被定位在每个活塞本体内。冷冻机工作流体通道至少部分地周向包围与多个冷冻机管道热连通的活塞本体。在各种实施例中，冷冻机工作流体通道包括第一冷冻机工作流体通道和第二冷冻机工作流体通道。第一冷冻机工作流体通道被定位成横向靠近膨胀室，并且第二冷冻机工作流体通道被定位成相对于第一冷冻机工作流体通道横向远离膨胀室。在一个实施例中，冷冻机工作流体流动路径从一个活塞本体处的第一冷冻机工作流体通道延伸到另一个活塞本体处的第二冷冻机工作流体通道。
在一个实施例中，发动机包括工作流体的最大循环体积与多个冷冻机管道的体积的比率在10到100之间。
在各种实施例中，该发动机包括多个冷冻机管道的表面面积(surface area)与多个冷冻机管道内的工作流体的体积的比率在7到40之间。在一个实施例中，多个冷冻机管道的表面面积在与压缩室流体连通的冷冻机通道开口和与冷冻机收集器流体连通的冷冻机收集室开口之间。
在一个实施例中，该发动机包括工作流体的最大循环体积与多个加热器管道的体积的比率在2.5与25之间。
在还有的各种实施例中，该发动机包括多个加热器管道的表面面积与多个加热器管道内的工作流体的体积的比率在8到40之间。在一个实施例中，多个加热器管道的表面面积在与膨胀室直接流体连通的第一开口和与壁式管道直接流体连通的第二开口之间。
在各种实施例中，该发动机包括第一操作参数，第一操作参数限定从连接构件输出的功率的最大比率，其中第一操作参数包括工作流体的压力、工作流体的波及体积和活塞组件的循环频率的乘积，最大比率大于或等于0.15。在一个实施例中，从连接构件输出的功率与工作流体的压力、工作流体的波及体积和活塞组件的循环频率的积的最大比率小于或等于0.35。
在一个实施例中，该发动机包括第二操作参数，第二操作参数限定在至少50％的发动机效率下，从活塞组件输出的机械功率与工作流体的最大循环体积的比率在0.0005到0.0040之间。
在各种实施例中，该系统包括加热器本体，加热器本体被构造成在多个加热器管道处向发动机工作流体提供热能。发动机限定各自相对于活塞组件的横向延伸部的外端和内端，并且外端限定发动机的横向远端，以及内端限定发动机的横向向内位置，并且加热器本体被定位在外端处。在一个实施例中，该系统进一步包括可操作地联接到活塞组件的负载装置，其中负载装置在系统的内端处被定位在活塞组件的活塞之间。
在一个实施例中，发动机包括四个或更多个活塞组件。
在另一个实施例中，该系统包括第三操作参数，第三操作参数限定功率密度和效率的乘积在51到400kW/立方米之间。在一个实施例中，第三操作参数限定功率密度和系统效率的乘积在51到400之间。在又一个实施例中，第三操作参数限定功率密度和系统的卡诺效率的乘积在51到400之间。
参考下面的描述和所附的权利要求，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好地理解。并入本说明书并且构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与说明书一起用于说明本发明的原理。
附图说明
本说明书参考附图阐述了包括针对本领域普通技术人员的最佳模式的完整且使能的公开，附图中：
图1.2.1是描绘根据本公开的一方面的用于能量转换的系统的示意框图；
图1.3.1是根据本公开的一方面的闭式循环发动机和负载装置的示例性实施例的截面图；
图1.3.2是根据本公开的一方面的发动机的示例性实施例的示例性部分的透视剖视图；
图1.4.1是根据本公开的一方面的发动机的示例性部分的透视剖视图；
图1.4.2是根据本公开的一方面的发动机的另一个示例性部分的透视剖视图；
图1.4.3是根据本公开的一方面的发动机的示例性实施例的一部分的剖视图；
图1.4.4是根据本公开的一方面的发动机的示例性实施例的一部分的透视图；
图1.4.5是在诸如关于图1.4.4提供的发动机的示例性实施例的一部分内的流体流动路径的自上而下视图；
图1.4.6是在诸如关于图1.4.4提供的发动机的示例性实施例的一部分内的流体流动路径的自下而上视图；
图1.4.7是诸如关于图1.4.4提供的发动机的示例性实施例的一部分的透视剖视图；
图1.4.8是具有根据本公开的一方面的发动机的示例性实施例的一部分的局部剖视图的透视图；
图1.5.1是诸如根据本公开的一方面提供的发动机的示例性实施例的一部分的透视图；
图1.6.1A示意性地描绘了根据本公开的一方面的发动机的示例性再生器系统；
图1.6.1B示意性地描绘了根据本公开的一方面的与发动机的一部分相关的示例性再生器本体的截面图；
图1.6.1C示意性地描绘了图1.6.1B的示例性再生器本体的顶部截面图；
图1.6.1D示意性地描绘了图1.6.1B的示例性再生器本体的放大透视截面图；
图1.7.1是根据本公开的一方面的发动机的一部分的示例性实施例的侧视图；
图1.7.2是诸如关于图1.7.1提供的发动机的一部分的示例性实施例的透视图；
图1.7.3是诸如关于图1.7.1至图1.7.2提供的发动机的一部分的示例性实施例的另一个透视图；和
图1.7.4是诸如关于图1.7.1至图1.7.2提供的发动机的一部分的示例性实施例的端视图。
在本说明书和附图中重复使用参考字符旨在表示本公开的相同或类似的特征或元件。
具体实施方式
现在将详细参考本公开的实施例，其一个或多个示例在附图中示出。通过对本公开的解释而不是限制来提供每个示例。事实上，对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本公开的范围的情况下，可以在本公开中进行各种修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施例一起使用以产生另一个实施例。在另一个实例中，可以改变本文相关联的范围、比率或限制以提供进一步的实施例，且所有这些实施例均在本公开的范围内。除非另有规定，否则在其中相对于比率、范围或限制来提供单位的各种实施例中，可以改变单位，和/或随后，与单位相关联的范围、比率或限制在本公开的范围内。因此，本公开旨在覆盖在所附权利要求及其等同物的范围内的这些修改和变化。
如本文所使用的，术语“第一”、“第二”和“第三”可互换地用于将一个部件与另一个部件区分开来，并且不用于表示单个部件的位置或重要性。
术语“上游”和“下游”是指相对于流体路径中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体流自的方向，“下游”是指流体流向的方向。术语“回路”可以是流体可以沿着其流动的任何合适的流体路径，并且可以是开放的或闭合的，除非另有说明。
发电和配电系统通常面临在能量产生期间和之后减少产生低效、传输损耗和排放量(例如氮、硫或碳的氧化物)的挑战。例如，美国能量信息管理局(EIA)估计，输电和配电(T&D)损耗在美国平均每年约5％，其它线路损耗估计为8％或更高。在美国的平均发电厂效率约为30％至40％的情况下，终端用户(例如，住宅、企业等)的总体电效率近似为25％至35％。本地、分布式或按需发电可能不需要接入T&D网络或输电网，从而例如除了减少排放量和不利的环境影响外，还导致效率的至少5％的提高。
用于将热能转换为有用功的热力发动机和其它装置相对于它们的最大理论效率通常是低效的。卡诺定理指出，理想的可逆热力发动机的最大理论效率(ηCarnot)由下式给出：
Figure BDA0003476331910000051
其中[THhot,engine]是热量进入发动机的绝对温度(例如，以Rankine或Kelvin为单位)，而[TCcold,ambient]是发动机将其废热排放到其中的环境的绝对温度。THot,engine通常由发动机中的材料的最高操作温度限制，并且TCold,ambient由可利用的可用散热体(例如，周围温度下的大气、水体的温度等)限制。闭式循环热力发动机通过与活塞发动机的相对热和冷体积的热能交换来操作。诸如斯特林(Stirling)布置之类的闭式循环热力发动机，或诸如Franchot或Vuilleimier布置之类的闭式循环热力发动机的变型，通常具有作为卡诺(Carnot)效率的最大理论效率。因此，至少基于最大理论效率和实际效率的差异，诸如斯特林布置之类的闭式循环发动机被认为具有更大的潜力来作为高效发动机。
至少基于低效燃烧、低效热交换、对周边环境的热损耗、一种或多种工作流体的非理想行为、摩擦损耗、泵送损耗、或其他低效和缺陷、或操作系统所需的能量，实现系统的最大理论效率受到挑战或限制。包括热力发动机、热量生成源、热量去除系统或其它热交换器的系统的实际或真正的热效率ηth，system由下式给出：
Figure BDA0003476331910000061
热力发动机的实际或真正的热效率ηth由下式给出：
Figure BDA0003476331910000062
其中Wout是由发动机完成的净有用功，Qin是由发动机接收到的热能，Qout是损耗或排向环境的热能。Ein是系统为了操作系统(例如，燃料和/或氧化剂泵、冷却源等)而使用的电能。Win是输入到系统的功。可实现的热效率倾向于随着功率输出而增加。例如，机动车应用通常是20％至35％的热效率，而大型船用和固定式柴油系统可以超过50％的热效率(图1.1.3)。斯特林发动机已经证明了高达38％的热效率。
由热力发动机产生的有用功可以进一步转换为电能。电效率(ηEl)可以以与热效率相同的方式计算：
Figure BDA0003476331910000063
其中Eout是从可操作地联接到发动机的电机输出的净电能，并且Qin是由发动机接收到的热能。Eout可以通过从系统生成的总电力中减去操作发电系统所需的任何电来计算。如果燃烧是发动机的加热工作流体的源，则可以使用燃料的低热值(LHV)来计算电效率。斯特林发动机已经证明了LHV电效率在10％与30％之间。
闭式循环发动机，诸如斯特林布置，面临着产生增大等级的功率输出和功率密度的挑战，并且通常利用较大的尺寸和规模来折衷改进的效率或功率输出。这种较大的尺寸或规模可能会抹杀发动机的其它期望的质量，诸如相对小的规模或便携性。
斯特林发动机通常可以包括两种类型：运动活塞或自由活塞。运动学斯特林发动机使用机械连接的活塞组件来传输活塞的线性运动并将其转换为输出轴的旋转运动。虽然这种系统可以解决关于发动机的功率传输和稳定性的问题，但是机械连接的活塞组件经由机械构件会引入相对大的功率损耗。另外或替代地，机械连接的活塞组件的相对固定的关系限制了活塞组件的机械行程。因此，除了机械损耗(例如摩擦、泄漏、惯性等)之外，在闭式循环发动机中的机械连接的多活塞组件的效率降低。
单活塞自由活塞的闭式循环发动机布置通常交换改进的热效率，用于较低的总发电和密度。因此，单活塞自由活塞的闭式循环发动机布置通常不适于较高功率输出应用。
多活塞自由活塞的闭式循环发动机布置可以提供单活塞自由活塞布置的热效率并且进一步增大总发电。然而，多活塞自由活塞布置通常与单活塞布置和机械连接的多活塞布置的不同之处在于，多活塞自由活塞布置的循环或运动通常由包括自由活塞、热源和功率提取设备的整个系统的热机械相互作用来确定。热机械相互作用还可以包括机械损耗及其对整个系统的平衡的影响。
例如，多活塞自由活塞的闭式循环发动机面临响应时间滞后的挑战。作为另一个示例，如果一个活塞组件偏离指定位置，则随后的振荡可能变得不平衡。不平衡的布置可能导致不期望的振动，活塞碰撞到端壁，或其他可能进一步减少功率输出、引起磨损和劣化、或以其他方式减少多活塞自由活塞发动机的有效、稳定或有效使用的机械损耗。
因此，需要改进的闭式循环发动机，例如提供改进的发电效率和输出的斯特林发动机。另外，需要可以进一步保留或改进功率密度的这种改进的闭式循环发动机，以便提供相对小规模或便携性，从而提供对发电和配电系统的改进的应用。
现在参考图1.2.1，提供了描绘用于能量转换的系统(下文中称为“系统A10”)的示例性示意框图。本文提供的系统A10的各种实施例包括用于发电的系统、热回收系统、热泵或低温冷却器、包括和/或用作底循环和/或顶循环的系统、或用于产生有用功或能量的其他系统、或其组合。另外参考图1.3.1，系统A10的各种实施例包括可操作地联接到负载装置C092的闭式循环发动机设备(下文中称为“发动机A100”、设备“A100”或者本文以其他方式表示)。发动机A100包含基本上固定质量的发动机工作流体，热能在相应的冷侧热交换器A42和热侧热交换器C108处与发动机工作流体进行交换。在一个实施例中，发动机工作流体是氦气。在其他实施例中，发动机工作流体可以包括空气、氮气、氢气、氦气或任何适当的可压缩流体或其组合。在还有的各种实施例中，根据本公开，可以利用任何合适的发动机工作流体。在示例性实施例中，发动机工作流体可以包括气体，诸如惰性气体。例如，诸如氦气之类的稀有气体可以用作发动机工作流体。示例性工作流体优选是惰性的，使得它们通常不参与化学反应，诸如在发动机环境内的氧化。示例性稀有气体包括单原子气体，诸如氦气、氖气、氩气、氪气或氙气，以及这些气体的组合。在一些实施例中，发动机工作流体可以包括空气、氧气、氮气或二氧化碳以及这些的组合。在还有的各种实施例中，发动机工作流体可以是本文描述的一个或多个元件的液体流体或其组合。应当进一步理解，发动机工作流体的各种实施例可以包括适用于发动机工作流体的颗粒或其他物质。
在各种实施例中，负载装置C092是机械工作装置或电机。在一个实施例中，负载装置C092是泵、压缩机或其它工作装置。在另一个实施例中，作为电机的负载装置C092被构造为根据活塞组件A1010在发动机处的移动而产生电能的发电机。在又一个实施例中，电机被构造为提供动力以移动或致动活塞组件A1010的马达，以便提供初始移动(例如，起动器马达)。在还有的各种实施例中，电机限定了马达和发电机或其它电机设备，诸如本文进一步描述的。
加热器本体C100热联接到发动机A100。加热器本体C100大体上可以限定用于产生或以其他方式提供加热工作流体的任何设备，以便向发动机工作流体提供热能。本文进一步提供了加热器本体C100的各种实施例。示例性加热器本体C100可以包括但不限于燃烧或爆震组件、电加热器、核能源、诸如太阳能的可再生能源、燃料电池、热回收系统，或者作为另一个系统的底循环。可以限定热回收系统的示例性加热器本体C100包括但不限于一般工业废热、气体或蒸汽涡轮废热、核废热、地热能、农业或动物废物的分解、熔融土或金属或钢厂气体、一般工业干燥系统或窑炉、或燃料电池。向发动机工作流体提供热能的示例性加热器本体C100大体上可以包括热电联产循环或联供系统或发电系统的全部或部分。
在各种实施例中，加热器本体C100被构造成经由加热工作流体向发动机工作流体提供热能。加热工作流体可以至少部分地基于热量和由提供燃料和氧化剂的一个或多个燃料源和氧化剂源所提供的液体、气态或其他流体。在各种实施例中，燃料大体上包括但不限于一般烃和烃混合物、包括一部分液体的“湿”气体(例如，用液体蒸气饱和的湿气体、具有近似10％液体和近似90％气体的多相流、与石油混合的天然气、或其他液体和气体组合等)，石油或原油(例如，阿拉伯超轻质原油、阿拉伯超轻质油、轻质原油、中质原油、重质原油、重质燃料油等)，天然气(例如，包括酸性气体)，生物柴油冷凝物或天然气液体(例如，包括液化天然气(LNG))，二甲醚(DME)，馏出油#2(DO2)，乙烷(C2)，甲烷，高H2燃料，包括氢混合物的燃料(例如，丙烷、丁烷、液化石油气、石脑油等)，柴油，煤油(例如喷气燃料，例如但不限于Jet A、Jet A-1、JP1等)，醇(例如甲醇、乙醇等)，合成气，焦化气，填埋气等或其组合。
在各种实施例中，系统A10包括诸如本文进一步描述的工作流体本体C108。在一个实施例中，工作流体本体C108限定例如本文进一步描述的热侧热交换器A160，热能从热侧热交换器A160被输出到在发动机的膨胀室A221处的发动机工作流体。工作流体本体C108被定位在发动机的膨胀室A221处，膨胀室A221与加热器本体C100热连通。在其他实施例中，工作流体本体C108可以与加热器本体C100分离，使得加热工作流体以热连通的方式被提供，或者另外，以与工作流体本体C108流体连通的方式提供。在特定实施例中，工作流体本体C108被定位成与加热器本体C100和发动机A100的膨胀室A221直接热连通，以便从加热器本体C100接收热能，并将热能提供给发动机内的发动机工作流体。
在还有的各种实施例中，加热器本体C100可以包括至发动机的单个膨胀室A221的单个热能输出源。因此，系统A10可以包括多个加热器组件，每个加热器组件在每个膨胀室A221处向发动机工作流体提供热能。在其它实施例中，例如关于图1.3.1所示，加热器本体C100可以向发动机的多个膨胀室A221提供热能。在还有的其它实施例中，例如关于图8所示，加热器本体包括至发动机的全部膨胀室A221的单个热能输出源。
系统A10进一步包括冷冻机组件，诸如本文进一步描述的冷冻机组件A40。冷冻机组件A40被构造成接收和置换来自发动机的压缩室A222的热能。系统A10包括冷侧热交换器A42，冷侧热交换器A42热联接到闭式循环发动机的压缩室A222和冷冻机组件。在一个实施例中，冷侧热交换器A42和限定发动机的压缩室A222的活塞本体C700一起被限定为整体的单一结构，诸如关于图1.4.1-1.4.7进一步示出和描述的。在还有的各种实施例中，冷侧热交换器A42、限定压缩室A222的活塞本体C700的至少一部分和冷冻机组件的至少一部分一起限定了整体的单一结构。
在各种实施例中，冷冻机组件A40是发动机A100的底循环。因此，冷冻机组件A40被构造成从发动机A100接收热能。在冷冻机组件A40处诸如通过冷侧热交换器A42或本文进一步的冷侧热交换器A170，从发动机A100接收到的热能被添加到冷冻机组件A40处的冷冻机工作流体中。在各种实施例中，冷冻机组件A40限定了Rankine循环系统，冷冻机工作流体通过Rankin循环系统在具有压缩机的闭合回路布置中流动。在一些实施例中，冷冻机工作流体进一步在具有膨胀机的闭合回路布置中。在还有的各种实施例中，系统A10包括热交换器A88(图1.3.2)。在各种实施例中，热交换器A188可以包括冷凝器或散热器。冷侧热交换器A40被定位在压缩机的下游和膨胀机的上游，并与闭式循环发动机的压缩室A222热连通，例如关于图1.3.1-图1.3.2进一步描绘和描述的。在各种实施例中，冷侧热交换器A42可以大体上限定接收来自发动机A40的热能的蒸发器。
仍参考图1.2.1，在一些实施例中，热交换器A188被定位在膨胀机的下游和压缩机的上游，并与冷却工作流体热连通。在图1.2.1中提供的示意框图中，冷却工作流体是空气源。然而，在各种实施例中，冷却流体可以限定与热交换器热连通的任何合适的流体。热交换器可以进一步限定被构造成从冷冻机组件A40散发或分发热能的散热器。以与热交换器热连通的方式提供来自冷却流体源的冷却工作流体的流动，以进一步帮助从冷冻机组件A40内的冷冻机工作流体向冷却工作流体的热传递。
如本文进一步描述的，在各种实施例中，冷冻机组件A40可以包括基本恒定密度的热交换器。恒定密度热交换器大体上包括室，该室包括入口和出口，入口和出口各自被构造成当来自闭式循环发动机的热量被传递到冷侧热交换器A42时，在一段时间内容纳或留住一部分冷冻机工作流体。在各种实施例中，室可以限定线性或旋转室，入口和出口在该线性或旋转室处经由阀或端口周期性地打开和关闭，以便将冷冻机工作流体留住在室内达期望的时间量。在还有的各种实施例中，限定恒定密度热交换器的室的入口和出口处的速率至少是在入口和出口之间的室内留住的流体颗粒的速度的函数。包括恒定密度热交换器的冷冻机组件A40可以在诸如本文进一步描述的系统A10处提供效率、或效率增加、性能、功率密度等。
应当理解，在其他实施例中，系统A10的冷冻机组件A40大体上可以包括热能槽。例如，冷冻机组件A40可以包括水体、真空空间、周围空气、液体金属、惰性气体等。在还有的各种实施例中，冷冻机组件A40处的冷冻机工作流体可以包括但不限于压缩空气、水或水基溶液、油或油基溶液、或制冷剂，制冷剂包括但不限于第1类、第2类或第3类制冷剂。进一步示例性制冷剂可以包括但不限于超临界流体，超临界流体包括但不限于二氧化碳、水、甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、丙烯、甲醇、乙醇、丙酮或一氧化二氮，或其组合。还有的示例性制冷剂可以包括但不限于卤化烷(halon)、全氯烯烃、全氯碳化物、全氟烯烃、全氟碳化物、氢烯烃、烃、氢氯烯烃、氢氯烃、氢氟烯烃、氢氟烃、氢氯烯烃、氢氯氟烃、氯氟烯烃或氯氟烃类制冷剂，或其组合。制冷剂的进一步示例性实施例可以包括但不限于甲胺、乙胺、氢、氦、氨、水、氖、氮、空气、氧、氩、二氧化硫、二氧化碳、一氧化二氮或氪，或其组合。
应当理解，在包括用于冷冻机工作流体的可燃或易燃制冷剂的情况下，系统A10的各种实施例可以有利地流体连通地联接加热器本体C100和/或燃料源以及冷冻机组件A40，使得在冷冻机组件A40处提供热能的可燃或易燃工作流体可以进一步用作燃料源，用于生成加热工作流体并随之生成热能，以从加热器本体C100输出到发动机A100处的发动机工作流体。
系统A10的各种实施例包括控制本文公开的各种子系统的控制系统和方法，诸如但不限于燃料源、氧化剂源、冷却流体源、加热器本体C100、冷冻机组件C40、发动机A100和负载装置C092，包括任何流率、压力、温度、负载、放电、频率、振幅、或与系统A10相关联的其它合适的控制特性。在一个方面，提供了用于限定发电系统的系统A10的控制系统。发电系统包括一个或多个闭式循环发动机(诸如发动机A100)，限定可操作地联接到发动机的电机(诸如负载装置C092)的一个或多个负载装置，以及与电机连通的一个或多个能量存储装置。
控制系统可以控制闭式循环发动机及其相关联的配套设施以生成温差，诸如发动机工作流体相对于加热工作流体和冷冻机工作流体的温差。因此，发动机限定了诸如在膨胀室A221处的热侧和诸如在压缩室A222处的冷侧。温差使得自由活塞组件A1010在它们相应的活塞室内移动，它们相应的活塞室被限定在相应的活塞本体C700处。活塞A1011的移动使得电机生成电力。所生成的电力可以被提供给能量存储装置，用于对其进行充电。控制系统监测与闭式循环发动机相关联的一个或多个操作参数，诸如活塞移动(例如，振幅和位置)，以及与电机相关联的一个或多个操作参数，诸如电压或电流。基于这些参数，控制系统生成提供给系统A10的一个或多个可控装置的控制命令。可控装置根据控制命令执行控制动作。因此，可以实现系统A10的期望输出。
此外，控制系统可以监测和预测电机上的负载变化，并且可以控制发动机A100预测这种负载变化以更好地维持稳态操作，尽管电机上的电气负载变化是动态的并且有时是显著的。还提供了一种控制发电系统的方法。另一方面，提供了一种用于热泵系统的控制系统。热泵系统包括本文所述的一个或多个闭式循环发动机。还提供了一种控制热泵系统的方法。因此，本文详细提供了发电和热泵系统以及控制方法。
现在参考图1.3.1-图1.3.2，进一步提供了系统A10的示例性实施例。图1.3.1是包括加热器本体C100和冷冻机组件A40的系统A10的示例性截面图，加热器本体C100和冷冻机组件A40各自与发动机A100热连通，或者特别是与发动机A100内的发动机工作流体热连通，诸如根据图1.2.1的示意框图所示和描述的。图1.3.2是发动机A100的一部分的示例性剖视透视图。系统A10包括闭式循环发动机A100，闭式循环发动机A100包括活塞组件A1010，活塞组件A1010被定位在由限定活塞本体C700的壁所限定的体积或活塞室C112内。活塞本体C700内的体积通过活塞组件A1010的活塞A1011而被分成第一室、或热室、或膨胀室A221，和第二室、或冷室(相对于热室)、或压缩室A222。膨胀室A221相对于热远离加热器本体C100的压缩室A222被定位成热靠近加热器本体C100。压缩室A222相对于热远离冷冻机组件A40的膨胀室A221被定位成热靠近冷冻机组件A40。
在各种实施例中，活塞组件A1010限定双端活塞组件A1010，其中一对活塞A1011各自联接到连接构件A1030。连接构件A1030可以大体上限定沿着活塞组件A1010的运动方向而延伸的刚性轴或杆。在其他实施例中，连接构件A1030包括诸如本文进一步提供的一个或多个弹簧或弹簧组件，以提供连接构件A1030的柔性或非刚性运动。在还有的其他实施例中，连接构件A1030可以进一步限定一对活塞A1011之间的基本U形或V形连接件。
每个活塞A1011被定位在活塞本体C700内，以便在活塞本体C700的体积内限定膨胀室A221和压缩室A222。负载装置c092可操作地联接到活塞组件A1010，以便从活塞组件A1010提取能量，向活塞组件A1010提供能量，或者两者。限定电机的负载装置c092经由连接构件A1030与闭式循环发动机磁连通。在各种实施例中，活塞组件A1010包括定位成与电机的定子组件A182可操作地连通的动态构件A181。定子组件A182大体上可以包括相对于活塞组件A1010周向缠绕并沿着横向方向L延伸的多个绕组。在一个实施例中，诸如关于图1.3.1所描述的，动态构件A181连接到连接构件A1030。电机可以进一步被定位在每个活塞组件A1010的一对活塞A1011之间。活塞组件A1010的动态运动在电机处生成电。例如，由活塞组件A1010的每个活塞A1011所限定的每对室之间的动态构件A181的线性运动经由与包围动态构件A181的定子组件A182的磁连通而生成电。
参考图1.3.1-图1.3.2，在各种实施例中，工作流体本体C108可以进一步限定膨胀室A221的至少一部分。在一个实施例中，诸如本文进一步描述的，工作流体本体C108限定具有活塞本体C700的至少一部分的单一或整体结构，以便限定膨胀室A221的至少一部分。在一些实施例中，加热器本体C100进一步限定工作流体本体C108的至少一部分，以便限定具有工作流体本体C108的单一或整体结构，诸如本文进一步描述的。在一个实施例中，诸如关于图1.5.1进一步示出和描述的，系统A10包括被定位在加热器本体C100与活塞本体C700的膨胀室A221之间的热侧热交换器或工作流体本体C108。在各种实施例中，诸如关于图1.5.1进一步示出和描述的，工作流体本体C108包括从膨胀室A221延伸的多个加热器管道或工作流体路径C110。
发动机A100限定各自相对于横向方向L的外端A103和内端A104。外端A103限定发动机A100的横向远端，并且内端104限定发动机A100的横向向内或中心位置。在一个实施例中，诸如关于图1.3.1-图1.3.2所示，加热器本体C100被定位在系统A10的外端A103。活塞本体C700包括在膨胀室A221处的圆顶结构A26。膨胀室圆顶结构A26在膨胀室A221的外端A103上提供了减少的表面面积热损耗。在各种实施例中，活塞组件A1010的活塞A1011进一步包括对应于膨胀室A221圆顶的圆顶活塞A1011。圆顶结构A26、圆顶活塞A1011或两者可以在室A221、A222处提供较高的压缩比，以便改进功率密度和输出。
冷冻机组件A40被定位成与每个压缩室A222热连通。参考图1.3.1-图1.3.2，冷冻机组件A40沿着横向方向L相对于加热器本体C100向内定位。在一个实施例中，冷冻机组件A40沿着横向方向L被横向地定位在加热器本体C100与负载装置c092之间。冷冻机组件A40在冷侧热交换器A42和/或压缩室A222处提供与发动机工作流体热连通的冷冻机工作流体。在各种实施例中，活塞本体C700在至少包围活塞本体C700的压缩室A222部分的内体积壁A46和外体积壁A48之间限定冷侧热交换器A42。
在各种实施例中，诸如关于图1.3.1-图1.3.2所示的，负载装置c092在系统A10的内端A104处被定位在横向相对的活塞A1011之间。负载装置c092可以进一步包括被横向定位在活塞本体C700之间的机器本体c918。机器本体c918包围并收容限定电机的负载装置c092的定子组件A182。机器本体c918进一步包围附接到活塞组件A1010的连接构件A1030的电机的动态构件A181。在各种实施例中，诸如关于图1.3.1-图1.3.2所示的，机器本体c918进一步在相对于膨胀室A221圆顶处于横向远端的压缩室A222处提供内端壁A50。
现在参考图1.4.1-图1.4.7，提供了活塞本体C700的一部分、冷侧热交换器A42和冷冻机组件A40的示例性实施例。在各种实施例中，系统A10包括冷侧热交换器A42，冷侧热交换器A42进一步包括多个冷冻机管道A54，每个冷冻机管道A54限定冷冻机通道A56，冷冻机通道A56提供发动机工作流体通过冷冻机管道A54和压缩室A222的流体连通。活塞本体C700包括外体积壁A48和内体积壁A46，外体积壁A48和内体积壁A46各自沿着与横向方向L垂直的径向方向R分开。每个体积壁A46、A48可以相对于延伸通过每个活塞本体C700的活塞本体中心线A12而被至少部分地周向限定。
在图1.4.1-1.4.2的透视剖视图中描绘的实施例中，每个体积壁A46、A48沿着横向方向L延伸。外体积壁A48包围多个冷冻机管道A54。多个冷冻机管道A54被定位在外体积壁A48与内体积壁A46之间。冷侧热交换器A42进一步包括在外体积壁A48与内体积壁A46之间延伸的室壁A52。室壁A52、外体积壁A48和内体积壁A46一起限定了包围多个冷冻机管道A54的冷冻机工作流体通道A66。冷冻机管道A54限定壁式歧管，该壁式歧管使冷冻机通道A56(即，发动机工作流体流过的通道)和冷冻机工作流体通道A66(即，冷冻机工作流体流过的通道)流体分离。因此，流过冷冻机工作流体通道A66的冷冻机工作流体与流过冷冻机管道A54的发动机工作流体被流体分离。另外，流过冷冻机工作流体通道A66的冷冻机工作流体与流过冷冻机管道A54的发动机工作流体热连通。
在各种实施例中，室壁A52在体积壁之间以相对于活塞组件A1010沿其延伸的横向方向L成锐角地延伸。在一个实施例中，室壁A52相对于横向方向L在0度与近似90度之间延伸。在另一个实施例中，室壁A52相对于体积壁A46、A48基本上沿其延伸的横向方向L在30度与近似60度之间延伸。在另一个实施例中，室壁A52相对于横向方向L以近似45度延伸。室壁A52进一步连接到外体积壁A48、内体积壁A46和冷冻机管道A54，以便彼此提供支撑。沿着锐角延伸的室壁A52可以进一步提供冷冻机管道A54在冷冻机工作流体通道A66内的有利放置，以提升从发动机工作流体到冷冻机工作流体的热能传递。
在发动机A100的操作期间，容许发动机工作流体的一部分经由多个冷冻机通道开口A58从压缩室A222进入多个冷冻机管道A54。冷冻机通道开口A58被限定在冷冻机管道A54与压缩室A222的流体接口处。在各种实施例中，冷冻机通道开口A58提供与压缩室A222的直接流体连通。在一个实施例中，发动机的压缩室A222与冷侧热交换器A42之间的距离，或特别地，与冷冻机工作流体直接热连通的多个冷冻机管道A54之间的距离，基本上为零。换句话说，从压缩室A222到与冷冻机工作流体直接热连通的冷冻机管道A54(即，冷冻机工作流体与冷冻机管道A54的外壁流体接触，以便冷冻机管道A54内提供与发动机工作流体的直接热连通)的距离是室壁A52的厚度，多个冷冻机通道开口A58被限定通过室壁A52。压缩室A222与冷侧热交换器A42之间超过或大于室壁A52的厚度的距离近似为零。
更进一步地，在发动机A100的操作期间，活塞组件A1010的压缩冲程通常可以推动发动机工作流体通过冷冻机管道A54。冷冻机管道A54中的冷冻机通道A56内的发动机工作流体与冷冻机工作流体通道A66内包绕冷冻机管道A54的冷冻机工作流体热连通。活塞组件A1010的膨胀冲程通常可以拉动发动机工作流体通过冷冻机管道A54，以便使发动机工作流体通过冷冻机通道开口A58从冷冻机管道A54外出并进入压缩室A222。如本文进一步描述的，冷冻机工作流体通道A66与冷冻机工作流体出口开口A78和冷冻机工作流体出口开口A80流体连通，共同提供冷冻机工作流体的流动，以便在冷冻机管道A54处从发动机工作流体中去除和置换热能。如本文更进一步描述的，冷冻机工作流体通道A66、冷冻机工作流体出口开口A78和/或冷冻机工作流体输出可以形成冷冻机组件的线路，在该线路处，来自压缩室A222处的发动机工作流体的热能从闭式循环发动机释放。
外室壁A53和至少一个室壁A52可以一起限定冷冻机收集室A62，发动机工作流体可以在冷冻机收集室A62处从多个冷冻机管道A54外出并收集到体积中。外室壁A53限定多个冷冻机收集室开口A60，每个冷冻机收集室开口A60对应于相应的冷冻机管道A54和冷冻机通道开口A58。如本文关于图1.4.5-1.4.7和图1.7.1-图1.7.4进一步描述的，冷冻机收集室A62进一步与壁式管道A1050流体连通，以便在一个活塞组件A1010的压缩室A222与另一个活塞组件A1010的膨胀室A221之间提供流体连通。
在各种实施例中，一个活塞组件A1010的压缩室A222经由壁式管道A1050与另一个活塞组件A1010的膨胀室A221流体连接，以提供多个室A221、A222的平衡压力和/或平衡相流体联接布置。包括一个活塞组件A1010的膨胀室A221和另一个活塞组件A1010的压缩室A222的室互连体积限定了在不同活塞组件A1010处的室A221、A222的流体互连。在不同活塞组件处的室A221、A222的流体互连使得，如果在同一活塞组件A1010的膨胀室A221和压缩室A222之间存在任何流体连通或流体泄漏路径，则在室互连体积外面提供与室A221、A222分离的连接室A221、A222的单个流体回路。在一个实施例中，活塞组件A1010的平衡压力布置，或另外，活塞组件A1010的平衡相位布置是壁式管道A1050和室A221、A222的流体互连，使得互连体积内的室基本上流体地和/或气动地与互连体积外面的室分离，以在室A221，A222内的发动机工作流体处于均匀温度时，向至少一个活塞组件A1010提供彼此基本上相等且相反的力。换句话说，当一个活塞组件A1010诸如沿着横向方向L连结时，当发动机工作流体处于基本上均匀温度时，室A221、A222经由壁式管道A1050的流体互连在另一个活塞组件A1010处提供基本净零力(net zero force)。因此，当一个活塞组件A1010在这种条件下连结时，相邻或其它活塞组件A1010至少由于活塞组件A1010处的净零力而保持稳定。在各种实施例中，当没有热输入或热能从加热器本体C100或工作流体本体C108被提供到发动机工作流体时，限定基本均匀的温度。
现在参考图1.4.3，提供了一对活塞本体C700的实施例的侧剖视图。关于图1.4.3所示的实施例被构造成与关于图1.4.1-1.4.2所示和所描述的基本类似。图1.4.3进一步提供了活塞本体C700内的局部剖视图，露出体积壁A46、A48之间的多个冷冻机管道A54的一部分。在各种实施例中，冷冻机管道A54在冷冻机通道开口A58与冷冻机收集室A62之间沿着横向方向L延伸。在一个实施例中，冷冻机管道A54至少部分地沿着相对于横向方向L倾斜或正交的方向延伸。在各种实施例中，冷冻机管道A54基本上围绕活塞本体C700周向延伸。冷冻机管道A54可以至少部分地沿着相对于横向方向L倾斜或正交的方向延伸，以便期望地增大限定在冷冻机管道A54内的冷冻机通道A56的表面面积，冷冻机管道A54处的发动机工作流体与冷侧热交换器A42中的冷冻机工作流体热连通。由冷冻机管道A54限定的冷冻机通道A56的表面面积的期望增大提供了第一冷冻机工作流体通道A68和第二冷冻机工作流体通道A70中的周边冷冻机工作流体热连通，以便改进从发动机工作流体到冷冻机工作流体的热能传递的机会。在一个实施例中，发动机工作流体期望地与周边冷冻机工作流体热连通的表面面积期望地通过调节冷冻机管道A54的横向、周向或正交延伸来被调节，从而调节冷冻机通道A56的热交换表面面积。在一个实施例中，冷冻机管道A54可以在冷冻机通道开口A58与冷冻机收集室A62之间至少部分地沿弯曲或周向或螺旋方向(诸如螺旋线)延伸。在另一个实施例中，冷冻机管道A54可以在冷冻机通道开口A58与冷冻机收集室A62之间以锯齿形或蛇形图案延伸。然而，应当理解，可以限定其它几何形状，以便相对于冷冻机工作流体通道A66产生冷冻机管道A54的期望热交换表面面积。
应当理解，在各种实施例中，限定在本文描述的每个冷冻机管道A54内的冷冻机通道A56的表面面积对应于冷冻机通道A56，诸如发动机工作流体在其处直接接触的冷冻机管道A54的内壁或表面。在一个实施例中，表面面积限定冷冻机通道A56的标称表面面积，例如冷冻机管道A54的横截面。在其它实施例中，对于冷冻机管道A54内的冷冻机通道A56，特征可以被添加或改变，诸如但不限于表面粗糙度、突部、凹陷、尖刺、结节、环、钩、隆起、突节、凝块、团块、旋钮、凸起、突起、鼓出、扩生、外生、增生、鼓泡、伸出部等，或其他凸起物质，或其组合，以期望地改变发动机工作流体的流率、压降、热传递、流动剖面或流体动力学。
仍参考图1.4.3，各种实施例进一步包括在第一活塞本体C700与第二活塞本体C700之间延伸的连接冷冻机管道A72。连接冷冻机管道A72提供冷冻机工作流体在两个或更多个活塞本体C700之间的流体连通。在各种实施例中，每个活塞本体C700处的冷冻机工作流体通道A66包括各自与压缩室A222热连通的第一冷冻机工作流体通道A68和第二冷冻机工作流体通道A70。第二冷冻机工作流体通道A70被定位成靠近压缩室A222处的冷冻机通道开口A58。第一冷冻机工作流体通道A68被定位成远离压缩室A222处的冷冻机通道开口A58。另外或替代地，第一冷冻机工作流体通道A68被定位成靠近冷冻机收集室A62或膨胀室A221。连接冷冻机管道A72被构造成将一个活塞本体C700(例如，第一活塞本体82)的第一冷冻机工作流体通道A68流体地连接到另一个活塞本体C700(例如，第二活塞本体84)的第二冷冻机工作流体通道A70，诸如在关于图1.4.4-1.4.7的实施例中进一步描述的。如关于图1.4.4-1.4.7和图1.7.1-图1.7.4进一步示出和描述的，冷冻机工作流体可以进入冷冻机组件A40，并在一个活塞本体C700的第一冷冻机工作流体通道A68和另一个活塞本体C700的第二冷冻机工作流体通道A70处流动。换句话说，在各种实施例中，冷冻机工作流体可以进入冷冻机组件A40，并以与一个活塞本体C700的通常较热的部分(即，沿着横向方向L靠近膨胀室A221)和被定位成靠近热室或膨胀室A221的发动机工作流体热连通的方式流动。然后，冷冻机工作流体可以流向另一个活塞本体C700，到达远离另一个活塞本体C700的热室或膨胀室A221的部分，诸如通常可以相对于第一活塞本体C700更冷。
现在参考图1.4.4，提供了发动机A100的一部分的示例性实施例的透视图。另外参考图1.4.5-1.4.6，提供了发动机A100的一部分的其它实施例。图1.4.4包括活塞本体C700内的局部剖视图，在体积壁A46、A48之间露出冷冻机管道A54。图1.4.4示出了包括连接冷冻机管道A72的至少一对活塞本体C700，以便提供从第一活塞本体C700的第一冷冻机工作流体通道A68到第二活塞本体C700的第二冷冻机工作流体通道A70的流体连通和热连通。另外，第二活塞本体C700包括连接冷冻机管道A72，该连接冷冻机管道A72提供从第二活塞本体C700的第一冷冻机工作流体通道A68到与第一活塞本体C700和第二活塞本体C700不同的另一个相邻活塞本体C700的另一个相邻第二冷冻机工作流体通道A70的流体连通和热连通。
参考图1.4.5，提供图1.4.4中所示的发动机的一部分的示例性实施例的自上而下视图。另外参考图1.4.6，提供图1.4.4中所示的发动机的一部分的示例性实施例的自下而上视图。参考图1.4.5-1.4.6，实施例进一步描绘了在活塞本体C700对之间延伸的连接冷冻机管道A72。在一个实施例中，诸如图1.4.5-1.4.6所示，发动机包括冷冻机工作流体入口开口A78，冷冻机工作流体通过冷冻机工作流体入口开口A78被提供给冷冻机工作流体通道A66。冷冻机工作流体入口开口A78可以大体上被向内定位在发动机内或靠近参考纵向轴线C204。参考图1.4.6，在一个实施例中，冷冻机工作流体通道A66可以限定来自冷冻机工作流体入口开口A78且至少部分围绕一个活塞本体C700的流动路径。流动路径可以进一步穿过连接冷冻机管道A72延伸到邻近或紧挨着第一活塞本体82的另一个或第二活塞本体84。冷冻机工作流体通道A66的流动路径进一步基本上围绕其他活塞本体C700(例如，在第二活塞本体C700处示出)周向延伸。流动路径与冷冻机工作流体出口开口A80流体连通。在各种实施例中，冷冻机工作流体出口开口A80被定位在参考纵向轴线C204的外侧或远离参考纵向轴线C204。
在各种实施例中，冷冻机工作流体通道A66的流动路径从冷冻机工作流体入口开口A78至少部分地周向围绕一个活塞本体C700延伸，并且进一步穿过连接冷冻机管道A72，以至少部分地周向或基本上周向围绕另一个或邻近的活塞本体C700延伸。类似地，其他或第二活塞本体C700包括冷冻机工作流体开口和流动路径，流动路径至少部分地周向延伸到连接冷冻机管道A72，以提供与又一个活塞本体C700的流体连通和热连通，并围绕又一个活塞本体C700周向延伸到冷冻机工作流体出口开口A80。
在还有的各种实施例中，冷冻机工作流体入口开口A78、冷冻机工作流体出口开口A80或两者至少部分地沿着横向方向L或垂直于冷冻机工作流体通道A66的流动路径延伸，以便使冷冻机工作流体通过冷冻机工作流体通道A66进入和外出。
在一个实施例中，发动机包括对应于每个活塞本体C700的冷冻机工作流体入口开口A78。另外或替代地，发动机包括对应于每个活塞本体C700的冷冻机工作流体出口开口A80。还应当理解，在各种实施例中，冷冻机工作流体通道A66的流动路径至少部分地沿着横向方向L延伸，诸如关于图1.4.3所示和描述的。如在本文的各种实施例中进一步描述的，关于图1.4.3-1.4.7示出和描述的流动路径布置提供了冷冻机工作流体与发动机工作流体(诸如在每个活塞本体C700处的冷冻机管道A54内的发动机工作流体)的热连通。此外，关于图1.4.3-1.4.7示出和描述的流动路径布置进一步提供了用于从发动机工作流体到冷冻机工作流体的热能传递的所需量的热交换表面面积。因此，冷冻机管道A54、冷冻机工作流体通道A66或两者的实施例可以提供从发动机工作流体到冷冻机工作流体的改进的热能传递。此外，冷冻机管道A54、冷冻机工作流体通道A66或两者的实施例可以期望地增大来自冷室或压缩室A222的发动机工作流体相对于热室或膨胀室A221的温差。另外或替代地，冷冻机管道A54、冷冻机工作流体通道A66或两者的实施例可以期望地是发动机A100的冲程或循环时间或周期。
现在参考图1.4.7，提供了图1.4.4中所示的发动机A100的一部分的示例性实施例的剖视透视图。关于图1.4.7的示例性实施例可以被构造成与图1.4.1-1.4.6中所示和描述的基本上类似。剖视图进一步示出了由冷冻机工作流体通道A66包围的冷冻机管道A54。关于图1.4.7并在图1.4.5-1.4.6中进一步至少部分地示出的实施例，壁式管道A1050的一部分从纵向轴线C204相对于径向方向R在多个活塞本体C700的内侧延伸通过发动机A100。在一个实施例中，诸如关于图1.4.7所示的，多个壁式管道A1050靠近参考纵向轴线C204延伸，诸如相对于纵向轴线C204沿着径向方向R在活塞本体C700的内侧延伸。然而，在其它实施例中，诸如关于图1.7.1至图1.7.4所示的，壁式管道A1050可以在活塞本体C700的外侧延伸，诸如相对于纵向轴线C204沿着径向方向R向外侧延伸。
现在参考图1.4.8，提供了发动机A100的另一个示例性实施例的透视图。图1.4.8中的透视图进一步包括活塞本体C700内露出冷冻机工作流体通道A66和冷冻机管道A54的局部剖视图。关于图1.4.8提供的实施例被构造成基本上与图3-1.4.7中所示和描述的类似。在图1.4.8中，冷冻机工作流体通道A66描绘了单个或共同的冷冻机工作流体入口开口A78，冷冻机工作流体通道A66从该冷冻机工作流体入口开口A78向每个活塞本体C700提供分离的流动路径。冷冻机工作流体通道A66进一步描绘了单个或共同的冷冻机工作流体出口开口A80，冷冻机工作流体通道A66在通过单个冷冻机工作流体出口开口A80使冷冻机工作流体外出之前，在冷冻机工作流体出口开口A80处重新组合分离的冷冻机工作流体通道A66。
参考图1.4.8，在冷冻机工作流体入口开口A78处的冷冻机工作流体通道A66分成提供给靠近冷冻机工作流体入口开口A78的活塞本体C700的较短的冷冻机工作流体流动路径。在冷冻机工作流体入口开口A78处的冷冻机工作流体通道A66进一步分成提供给远离冷冻机工作流体入口开口A78的活塞本体C700的较长的冷冻机工作流体流动路径。
在各种实施例中，远离冷冻机工作流体入口开口A78的活塞本体C700另外靠近冷冻机工作流体出口开口A80。较短的冷冻机工作流体流动路径提供来自靠近冷冻机工作流体出口开口A80的活塞本体C700的较短的流动路径。冷冻机工作流体流动路径A66进一步提供了来自远离冷冻机工作流体出口A80的活塞本体C700的较长的流动路径(相对于第一冷冻机工作流体流动路径)。
在一个实施例中，诸如靠近冷冻机工作流体入口开口A78的活塞本体C700，经由较短的冷冻机工作流体流动路径接收冷冻机工作流体，并且经由较长的冷冻机工作流体流动路径使冷冻机工作流体外出。或者，诸如靠近冷冻机工作流体出口开口A80的活塞本体C700，经由较长的冷冻机工作流体流动路径接收冷冻机工作流体，并经由较短的冷冻机工作流体流动路径使冷冻机工作流体外出。总体而言，冷冻机工作流体通道A66可以在冷冻机工作流体入口开口A78与冷冻机工作流体出口A80开口之间的每个活塞本体C700处限定基本上相等体积的流动路径。基本上相等的体积布置可以提供从每个活塞本体C700处的发动机工作流体到冷冻机工作流体的基本上均匀的热能传递。
仍参考图1.4.8，在一个实施例中，冷冻机工作流体通道A66至少部分地周向地包绕每个活塞本体C700。更进一步地，冷冻机工作流体通道A66沿着横向方向L延伸或以其它方式与活塞本体C700同向延伸，使得冷冻机工作流体包绕活塞本体C700。
在各种实施例中，诸如关于图1.4.8所示的，冷冻机管道A54沿着第一横向方向从压缩室A222延伸，并且沿着与第一横向方向相反的第二横向方向延伸。冷冻机管道A54包括在冷冻机通道开口A58与冷冻机收集室A62之间的近似180度转向。冷冻机工作流体通道A66沿着横向方向L进一步包围冷冻机管道A54。在各种实施例中，诸如图1.4.8所示，冷冻机工作流体通道A66进一步包围冷冻机管道A54的180度转向部分。冷冻机通道开口A58可以大体上被定位成防止活塞组件A1010的活塞A1011在系统A10的操作期间覆盖或以其他方式遮蔽冷冻机通道开口A58。
在操作期间，流过冷冻机工作流体通道A66的冷冻机工作流体可以从一个或多个冷冻机管道A54内的发动机工作流体接收热能。从发动机工作流体传递到冷冻机工作流体通道A66内的冷冻机工作流体的热能的速率或量可以在冷冻机工作流体通道A66的相应部分(诸如关于第一冷冻机工作流体通道A68和第二冷冻机工作流体通道A70示出和描述的)之间变化，和/或在相应活塞本体(例如，第一活塞本体和第二活塞本体)之间变化。例如，从发动机工作流体传递到冷冻机工作流体通道A66的热能的速率或量至少部分地取决于冷冻机管道A54与冷冻机工作流体通道A66之间的温度梯度，诸如发动机工作流体与冷冻机工作流体之间的温度梯度。然而，在一些实施例中，多个冷冻机管道A54内的发动机工作流体可以呈现出在至少两个活塞本体C700(例如，第一活塞本体和第二活塞本体)之间不同的温度和/或在给定活塞本体内沿着室222的横向延伸部的至少两个部分(即，室222沿着横向方向L的温度梯度)之间不同的温度。另外或替代地，多个活塞本体C700内的发动机工作流体可以呈现出在至少两个活塞本体之间不同的温度。例如，在发动机操作期间，对应于一个活塞本体(例如，第一活塞本体)的多个冷冻机管道A54内的发动机工作流体可以至少基于相应活塞本体内的活塞组件A1010的相位差而呈现出与对应于另一个活塞本体(例如，第二活塞本体)的多个冷冻机管道A54不同的温度。
在一些实施例中，当冷冻机工作流体流过冷冻机工作流体通道A66并从冷冻机管道A54内的发动机工作流体接收热能时，冷冻机工作流体的温度可以增大。在一个实施例中，如关于图1.4.3-1.4.7所示，至少部分地周向围绕一个活塞本体(例如，第一活塞本体)延伸并且进一步至少部分地周向围绕一个或多个其他活塞本体(例如，第二活塞本体)延伸的冷冻机工作流体通道A66包括通过在一个活塞本体处接收热能而增大温度的冷冻机工作流体。
在一些实施例中，从第一活塞本体流到另一个活塞本体或第二活塞本体的发动机工作流体可以呈现出与从另一个活塞本体沿相反方向流到第一活塞本体的发动机工作流体不同的温度。
在各种实施例中，冷冻机工作流体和发动机工作流体可以呈现出温度梯度，该温度梯度至少部分地取决于发动机工作流体是朝向一个活塞本体流动还是朝向另一个活塞本体流动。例如，第一温度梯度可以对应于朝向一个活塞本体流动的发动机工作流体，并且第二温度梯度可以对应于朝向另一个活塞本体流动的发动机工作流体。在一些实施例中，第一温度梯度可以小于第二温度梯度。在其他实施例中，第二温度梯度可以大于第一温度梯度。例如，第一温度梯度可以至少部分地因为流向一个活塞本体的发动机工作流体的温度大于流向另一个活塞本体的发动机工作流体的温度而小于第二温度梯度。
在一些实施例中，从发动机工作流体到冷冻机工作流体的热能传递的速率和/或量可以取决于发动机工作流体是限定第一温度梯度还是限定第二温度梯度。例如，从发动机工作流体到冷冻机工作流体的热能传递的第一速率和/或量可以对应于朝向一个活塞本体流动的发动机工作流体，并且从发动机工作流体到冷冻机工作流体的热能传递的第二速率和/或量可以对应于朝向另一个活塞本体流动的发动机工作流体。在一些实施例中，第一速率和/或热能传递的量可以小于第二速率和/或热能传递的量。换句话说，热能传递的第二速率和/或量可以大于热能传递的第一速率和/或量。例如，热能传递的第一速率和/或量可以至少部分地因为对应于朝向一个活塞本体流动的发动机工作流体的第一温度梯度小于对应于朝向另一个活塞本体流动的发动机工作流体的第二温度梯度而小于热能传递的第二速率和/或量。
在一些实施例中，从发动机工作流体到冷冻机工作流体的热能传递的效率可以至少部分地通过与朝向第一活塞本体流动的发动机工作流体相对应的热能传递的第二速率和/或量大于与朝向第二活塞本体流动的发动机工作流体相对应的热能传递的第一速率和/或量来增强。例如，这样，当冷冻机工作流体从一个活塞本体流动到与冷冻机工作流体通道A66(即，经由连接的冷冻机管道A72)热联接的另一个活塞本体时，可以将从冷冻机管道A54输入的相对大比例的热能施加到冷冻机工作流体。在活塞组件在第一方向上的循环期间(例如，冲程循环的下冲程部分)输入到冷冻机工作流体的热能可以通过进一步冷却并由此进一步收缩发动机工作流体而(例如，直接地)有助于下冲程。在发动机循环的另一个部分期间(例如，冲程循环的上冲程部分)，由冷冻机管道A54中的发动机工作流体输入的相对小比例的热可以施加到冷冻机工作流体，这可以减少或减轻从发动机工作流体输出的热能的潜力，以通过进一步加热和由此收缩发动机工作流体来抵消上冲程，提供附加的或替代的效率增强。随着在上冲程期间由冷冻机管道A54输入的相对小比例的热能被施加到冷冻机工作流体，可以将较小部分的热能输入传递到冷冻机工作流体。
当冷冻机工作流体流过冷冻机工作流体通道A66时，热能可以优先传递到其中温度梯度较大或最大的冷冻机工作流体通道A66内的冷冻机工作流体，从而优先在具有从发动机工作流体接收热能的较大容量的壁式管道和/或第一或第二冷冻机工作流体通道A70处向冷冻机工作流体提供热能。例如，被定位成比第二冷冻机工作流体通道A70更靠近膨胀室A221的第一冷冻机工作流体通道A68可以在发动机工作流体与冷冻机工作流体之间呈现出较大的温度梯度。相对于第一冷冻机工作流体通道A68被定位成远离膨胀室A221的第二冷冻机工作流体通道A70可以在发动机工作流体与冷冻机工作流体之间呈现出较低的温度梯度。另外，如本文所述，诸如基于操作期间发动机的循环或冲程，在一个活塞本体处的冷冻机工作流体通道A66可以呈现出比与冷冻机工作流体通道A66(即，经由连接冷冻机管道A72)热联接的另一个活塞本体大的温度梯度。更进一步地，诸如至少部分地归因于发动机的循环或冲程，在一个活塞本体处的第一冷冻机工作流体通道A68处的温度梯度可以不同于(例如，大于或小于)在与冷冻机工作流体通道A66热联接的另一个活塞本体处的第二冷冻机工作流体通道A70处的温度梯度。因此，在发动机循环期间的任何时间，至少基于较大的温度梯度，热能可以优选地从发动机工作流体传递到冷冻机工作流体。
应当理解，包括冷冻机工作流体通道A66和冷侧热交换器A42的冷冻机组件的实施例的功能可以基本上类似于由本文提供的热侧热交换器C108的实施例所示出和描述的功能。
现在参考图1.5.1，提供了工作流体本体c108的示例性实施例。当前公开的工作流体本体c108可以限定加热器本体c100和活塞本体C700的一部分。工作流体本体C108包括多个加热器管道或工作流体路径C110，发动机工作流体通过加热器管道或工作流体路径C110在膨胀室A221与压缩室A222之间流动。
多个工作流体路径c110可以在多个第一开口或活塞室孔c111中的相应的第一开口或活塞室孔c111与多个第二开口或再生器孔c113中的相应的第二开口或再生器孔c113之间延伸。活塞室孔c111提供工作流体路径c110与活塞室c112之间的流体连通，而再生器孔c113提供工作流体路径c110与再生器管道c1000之间的流体连通。活塞室孔c111可以限定工作流体路径c110的第一端，而再生器孔c113可以限定工作流体路径c110的第二端。
发动机A100和系统A10的操作包括以循环操作移动的多个活塞组件A1010，诸如在第一端A101处的活塞本体c700与第二端A102处的另一个活塞本体c700之间来回移动(图1.3.1)。在相应室A221、A222处的压力增大和减小对应于活塞组件A1010的移动，如本文进一步描述的。在示例性实施例中，诸如关于图1.3.1或图1.7.1所示的，多个活塞本体c700可以包括在每个活塞组件A1010的每一端A101、A102处限定的膨胀室A221和压缩室A222，从而在四个活塞组件A1010处提供八个膨胀室A221和压缩室A222。多个活塞组件A1010可以相对于纵向轴线C204径向设置。
多个工作流体路径C110以流体连通的方式从膨胀室A221延伸到壁式管道A1050。在诸如本文进一步描述的各种实施例中，工作流体路径C110以流体连通的方式从膨胀室A221延伸到壁式管道A1050处的对应的再生器本体C800。第一多个加热器管道或工作流体路径C110可以在由第一活塞本体C700限定的膨胀室A221与由不同于第一活塞本体C700(例如，不是第一活塞本体)的另一个活塞本体C700限定的第一压缩室A222之间流体连通。第二多个工作流体路径C110可以在由第二活塞本体c700限定的第二膨胀室A221(即，不同于第一膨胀室)与由另一个活塞本体C700(例如，不是第二活塞本体)限定的压缩室A222之间流体连通。
一个活塞本体C700的膨胀室A221与另一个活塞本体C700的压缩室A222之间通过加热器管道或工作流体路径C110的流体连通提供了发动机工作流体与包围工作流体路径C110的加热工作流体的热连通。例如，诸如本文所述的加热工作流体以围绕工作流体路径C110的热和/或流体连通的方式提供。工作流体路径C110流体地分离加热工作流体和发动机工作流体，同时进一步提供加热工作流体与发动机工作流体之间的热传递(例如，从加热工作流体到发动机工作流体的热传递)。
发动机工作流体至少在工作流体路径C110处被加热，并且在相应的膨胀室A221处提供压力变化(例如，在膨胀室A221处的压力增大)。至少基于发动机循环，诸如活塞组件A1010的移动，在流体连接的膨胀室A221与压缩室A222之间经由加热器管道或工作流体路径C110的发动机工作流体处的压力变化对应于从加热工作流体到发动机工作流体的热传递。如本文进一步描述的，至少基于发动机循环，热传递或传递到发动机工作流体的热量可以基于发动机循环。例如，传递到发动机工作流体的热量可以对应于膨胀室A221是压力增大还是压力减小，或对应的流体连接的压缩室A222是压力减小还是压力增大。
如本文进一步描述的，多个加热器管道或工作流体路径C110有利地提供热交换，诸如到加热工作流体的热传递和从加热工作流体到发动机工作流体的热传递。多个工作流体路径C110向发动机工作流体提供期望量的热传递，从而改进发动机A100的操作。发动机A100的改进的操作可以包括发动机A100的改进的功率输出、改进的功率密度和/或改进的效率。
现在参考图1.6.1-1.6.6D，将描述示例性再生器本体c800。当前公开的再生器本体c800可以限定加热器本体c100和/或发动机c002的一部分，诸如文本关于系统A10和发动机A100示出和描述的。例如，再生器本体c800可以限定整体本体或整体本体段的至少一部分。这种整体本体或整体本体段可以限定加热器本体c100和/或发动机c002的至少一部分。另外或替代地，当前公开的再生器本体c800可以被提供为分离部件，无论是与加热器本体c100、发动机c002结合使用，还是与加热器本体c100或发动机c002相关或无关的任何其他设定结合使用。应当理解，发动机c002和/或加热器本体c100可以包括任何期望数量的再生器本体c800。
图1.6.1A至1.6.1D示出了在示例性发动机c002内实施的示例性再生器本体c800。再生器本体c800可以与一个或多个活塞本体c700流体连通。例如，多个工作流体路径c110可以在再生器本体c800与活塞本体c700之间提供流体连通。工作流体路径c110可以在由活塞本体c700限定的活塞室c112与由再生器本体c800限定的再生器管道c1000之间流体连通。
多个工作流体路径c110可以在多个活塞室孔c111中的相应的活塞室孔c111与多个再生器孔c113中的相应的再生器孔c113之间延伸。活塞室孔c111提供工作流体路径c110与活塞室c112之间的流体连通，而再生器孔c113提供工作流体路径c110与再生器管道c1000之间的流体连通。活塞室孔c111可以限定工作流体路径c110的第一端，而再生器孔c113可以限定工作流体路径c110的第二端。
活塞本体c700可以限定活塞室c112的热侧c1002和冷侧活塞室c1004。再生器管道c1000可以包括热侧部分c1006和冷侧部分c1008。多个热侧工作流体路径c1010可以在再生器本体c800与第一活塞本体c700之间提供流体连通，诸如在热侧部分c1006与活塞室c112的热侧c1002之间提供流体连通。多个冷侧工作流体路径c1010可以在再生器本体c800与第二活塞本体c700之间提供流体连通，诸如在冷侧再生器管道c1008与活塞室c112的冷侧c1004之间提供流体连通。
第一活塞本体c700可以包括设置在其中的第一活塞组件c090，和/或第二活塞本体c700可以包括设置在其中的第二活塞组件c090。可以诸如从加热器本体c100或任何其它合适的热源向设置在热侧工作流体路径c1010内的发动机工作流体输入热量(QIN)。可以从设置在冷侧工作流体路径c1012内的发动机工作流体，诸如从冷冻机本体(未示出)或任何其它合适的冷却源，提取热量(QOUT)。再生器本体c800可设置成邻近活塞本体c700，诸如周向邻近活塞本体c700。如图1.6.1C所示，再生器本体c800可以周向包围活塞本体c700。替代地，再生器本体c800可以设置成邻近活塞本体c700。在一些实施例中，半环状再生器本体c800可以设置成周向邻近活塞本体c700。
在操作期间，从多个热侧工作流体路径c1010流到再生器本体c800的发动机工作流体进入再生器管道c1000。经过再生器管道c1000的流体可以流出再生器本体c800并流入多个冷侧工作流体路径c1012。再生器管道c1000包括设置在其中的热存储介质c1014。热存储介质c1014可以是任何合适的热能存储介质，当发动机工作流体从再生器本体c800流向冷侧工作流体路径c1012时，来自热侧工作流体路径c1010的热量可以间歇地存储在该热能存储介质中。在一些实施例中，热存储介质c1014可以包括多个翅片阵列c1016；然而，可以另外或替代地利用其他热存储介质，包括显热存储和/或潜热存储技术。其它合适的热存储介质可以包括填充床、包括熔融盐、混溶性间隙合金、硅材料(例如，固体或熔融硅)、相变材料等。
多个翅片阵列c1016包括与再生器管道c1000中的发动机工作流体具有热传导关系的高表面面积热传递翅片阵列。当流体从热侧工作流体路径c1010流入或流过再生器管道c1000时，热量传递到热存储介质1014(例如，多个翅片阵列c1016)，保护热能免于在冷冻机本体(未示出)或其它合适的冷却源处被提取(QOUT)。当流体从冷侧工作流体路径c1012流入或流过再生器管道c1000时，热量从热存储介质1014(例如，多个翅片阵列c1016)传递回到发动机工作流体，从而使热能返回到流入热侧工作流体路径c1010的发动机工作流体。
仍参考图1.6.1A，在一些实施例中，热存储介质c1014可以包括邻近设置在再生器管道c1000内的多个翅片阵列c1016。多个翅片阵列c1016可以分别通过再生器管道c1000以彼此间隔开的关系支撑。多个翅片阵列c1016的间隔关系可以限定使多个翅片阵列c1016中的相邻翅片阵列纵向分离的间隙G c1018。
再次参考图1.6.1A，在一些实施例中，再生器本体c800可以包括热侧部分c1006和冷侧部分c1008。热侧部分c1006可以与冷侧部分c1008可操作地联接和流体连通。再生器本体c800的热侧部分c1006可以包括热侧再生器管道c1038和热侧多个翅片阵列c1040，热侧多个翅片阵列c1040以彼此间隔开的关系相邻地设置在热侧再生器管道c1038内。再生器本体c800的冷侧部分c1008可以包括冷侧再生器管道c1042和冷侧多个翅片阵列c1044，冷侧多个翅片阵列c1044以彼此间隔开的关系相邻地设置在冷侧再生器管道c1042内。
再生器本体c800的热侧部分c1006和冷侧部分c1008可以通过热冷间隙H-C c1046分离。例如，在一些实施例中，热侧多个翅片阵列c1040与冷侧多个翅片阵列c1044的间隔关系(例如，热冷间隙H-C c1046)可以限定使热侧多个翅片阵列c1040与冷侧多个翅片阵列c1042纵向分离的热冷间隙H-C c1038。另外或替代地，热侧再生器管道c1038和冷侧再生器管道c1042可以处于彼此间隔开的关系，进一步限定热冷间隙H-C c1046。热冷间隙H-Cc1046可减少再生器本体c800的热侧部分c1006与冷侧部分c1008之间的热导热传递或使其最小化。在一些实施例中，热冷间隙H-C c1046可以允许再生器本体c800在同一再生器本体c800内提供至少两个热不同的热存储本体。
如本文所述，再生器本体c800的至少一部分可以限定增材制造的整体本体或增材制造的整体本体段。再生器本体c800可以限定较大的整体本体或整体本体段的一部分，或者再生器本体c800可以限定能够插入到整体本体或整体本体段中的模块。在一些实施例中，多个翅片阵列c1016可以与再生器管道c100整体地成一体。例如，互连翅片c1056和翅片支撑件c1058的阵列可以限定整体结构，诸如整体本体或整体本体段的一部分。
再生器本体c800可以由至少部分地根据一种或多种热存储特性而选择的一种或多种材料形成。例如，可以至少部分地基于材料的热导率和/或热容量来为再生器本体c800选择一种或多种材料。在一些实施例中，多个翅片阵列c1016可以包括第一材料，并且再生器管道可以包括与第一材料不同的第二材料。例如，第一材料的热导率可以超过第二材料的热导率。另外或替代地，第一材料的热容量可以超过第二材料的热容量。在一些实施例中，多个翅片阵列c1016可以包括选择用于热导率的材料和/或再生器管道c1000可以包括选择用于热阻率的材料。在示例性实施例中，多个翅片阵列c1016可以包括金属或金属合金，并且再生器管道c1000可以包括陶瓷。在其他实施例中，另外或替代地，再生器管道c1000可以包括金属或金属合金，和/或多个翅片阵列c1016可以包括陶瓷。
示例性金属或金属合金可以被选择用于高热导率和/或热容量特性。合适的金属或金属合金可以包括铜、铝、锡、锌、镍、铬、钛、碲、镁和/或铁。在一些实施例中，金属或金属合金可以包括稀土元素。示例性铜合金可以包括CuSn、CuZn、CuZnAs、CuZnP、CuZnFe、CuZnNi、CuCr和/或CuTeSn。
示例性陶瓷可以被选择用于低热导率和/或热容量特性。合适的陶瓷可以包括氧化铝、铍、铈和/或氧化锆。在一些实施例中，陶瓷可以包括碳化物、硼化物、氮化物和/或硅化物。
应当理解，在各种实施例中，加热器管道或工作流体通道C110内的表面面积对应于发动机工作流体直接接触的加热器管道C110的内壁或表面。在一个实施例中，表面面积限定工作流体路径C110的标称表面面积，诸如工作流体路径C110内的截面面积。在其他实施例中，特征可以添加或改变到加热器管道内的工作流体通道C110，例如但不限于表面粗糙度、突部、凹陷、尖刺、结节、环、钩、隆起、突节、凝块、团块、旋钮、凸起、突起、鼓出、扩生、外生、增生、鼓泡、伸出部等，或其他凸起物质，或其组合，以期望地改变发动机工作流体的流速、压降、热传递、流动剖面或流体动力学。
图1.3.1中提供的截面图沿着横向方向L切割，以便描绘系统A10的四个活塞组件A1010中的两个活塞组件。在各种实施例中，关于图1.3.1提供的系统A10进一步包括壁式管道A1050，该壁式管道A1050靠近参考纵向轴线C204设置在活塞本体C700的内侧，如关于图1.4.5-1.4.7所示和所描述的。在其它实施例中，关于图1.3.1提供的系统A10进一步包括设置在活塞本体C700外侧的壁式管道A1050，诸如关于图1.7.1至图1.7.4所示和所描述的。
参考图1.7.1至图1.7.4，提供了系统A10的一部分的侧视图、端视图和透视图。关于1.7.1至图1.7.4图提供的实施例被构造成与关于图1.3.1-图1.3.2中所示和描述的基本上类似。关于图1.7.1-图1.7.4，其中示出的系统A10的部分包括定位在八个相应的活塞本体C700内的四个活塞组件A1010。活塞本体C700大体上可以包括关于图1.3.1-图1.3.2所示和描述的第一体积壁和第二体积壁。活塞本体C700可以大体上限定气缸，活塞组件A1010的活塞A1011各自定位在气缸中，以便限定每个活塞本体C700内的膨胀室A221和压缩室A222。然而，应当理解，可以利用包含活塞A1011的活塞本体C700的其它合适的几何形状。
发动机A100进一步包括连接每个活塞本体C700的特定室A221、A222的多个壁式管道A1050(图1.3.1)，以便限定活塞A1011的平衡压力布置。在各种实施例中，发动机A100包括诸如本文所述的室A221、A222的至少一个互连体积。在一个实施例中，诸如关于图1.7.1-图1.7.4所示的，发动机A100包括两个互连体积，其中每个互连体积包括与第二活塞组件A1010的第二活塞本体C700的压缩室A222以发动机工作流体的流体连通方式连接的第一活塞组件A1010的第一活塞本体C700的膨胀室A221，各自通过管道A1050连接。更具体地，关于图1.7.1-图1.7.4所示的活塞组件A1010的平衡压力布置包括两个互连体积，每个互连体积基本上彼此流体地分离和/或基本上彼此气动地分离。特别地，诸如本文进一步描述的，在互连体积内的室A221、A222以及在互连体积之外或在另一个互连体积中的那些室A221、A222的流体分离和/或气动分离布置经由膨胀室A221的布置而被提供，膨胀室A221经由壁式管道A1050连接到压缩室A222。
在各种实施例中，互连体积包括流体地联接到压缩室A222的膨胀室A221对，压缩室A222和膨胀室A221各自被限定在活塞组件A1010的横向分离端处。在一个实施例中，发动机A100限定了第一端101，该第一端101沿着横向方向L通过连接构件A1030与第二端102分离，诸如图1.7.2和图1.7.3所示。发动机A100的每一端在每个活塞组件A1010的每个活塞A1011处限定膨胀室A221和压缩室A222。图1.7.1-图1.7.4中描绘的并且进一步关于图1.3.1描绘的发动机A100进一步包括在一端的膨胀室A221，该膨胀室A221经由相应的管道连接到在另一端处的相应的压缩室A222。在一个实施例中，诸如图1.7.2和1.7.3所示，发动机A100包括在第一端101处的两个膨胀室A221，每个膨胀室A221经由相应的管道A1050连接到在第二端102处的相应的压缩室A222。发动机A100进一步包括在第二端102处的两个膨胀室A221，每个膨胀室A221经由相应的管道A1050连接到在第一端101处的相应的压缩室A222。系统A10进一步包括在一端处的四个膨胀室A221，每个膨胀室A221通过相应的管道A1050连接到在同一端处的相应的压缩室A222。在一个实施例中，系统A10包括在第一端101处的两个膨胀室A221，每个膨胀室A221经由相应的壁式管道A1050连接到在第一端101处的相应的压缩室A222。系统A10进一步包括在第二端102处的两个膨胀室A221，每个膨胀室A221经由相应的壁式管道A1050连接至在第二端102处的相应的压缩室A222。
为了提供活塞组件A1010的平衡压力布置，一个互连体积包括在一端(例如，第一端101或第二端102)处的一对膨胀室A221，该膨胀室A221连接到在另一端或相对端处的压缩室A222。在一个实施例中，第一端101处的膨胀室A221与第二端102处的压缩室A222流体连接。在另一个实施例中，第二端102处的膨胀室A221与第一端101处的压缩室A222流体连接。互连体积进一步包括在第一端101或第二端102处的一对膨胀室A221，该膨胀室A221连接到相对于膨胀室A221在同一端、相对端或两者处的相应的压缩室A222。在一个实施例中，在第一端101处的膨胀室A221流体地连接到在同一端(即，第一端101)处的压缩室A222。在另一个实施例中，第二端102处的膨胀室A221流体连接到在同一端(即，第二端102)处的压缩室A222。在又一个实施例中，第一端101处的膨胀室A221流体连接到第二端102(即，相对端)处的压缩室A222。在再一个实施例中，第二端102处的膨胀室A221流体连接到第一端101(即，相对端)处的压缩室。应当理解，本文描述的布置包括一个活塞组件A1010的一个活塞本体C700的每个膨胀室A221，该膨胀室A221连接到另一个不同活塞组件A1010的另一个不同活塞本体C700的相应的压缩室A222。进一步应当理解，在各种实施例中，一个活塞组件C1010的一个活塞本体C700的膨胀室A221仅流体连接到另一个活塞组件C1010的另一个活塞本体C700的压缩室A222(即，每个壁式管道A1050将仅一个膨胀室A221流体地连接到仅一个压缩室A222)。
本文描述的活塞组件A1010的平衡压力布置使得施加在膨胀室A221和压缩室A222处的均匀温度在一个活塞本体C700的膨胀室A221处提供了相同压力，该相同压力通过相对于膨胀室A221的同一塞本体C700处的相同且相反的压力而被抵消。或者，当向膨胀室A221和压缩室A222施加均匀温度时，限定自由活塞组件A1010的一个活塞组件A1010的移动导致了在相邻活塞组件A1010处的压力取消，使得压力波不会传播以引起相邻活塞组件A1010的移动。
应当理解，本文描述的每个互连体积包括在上述压缩室A222和膨胀室A221的布置之间的一个或多个通道、室、开口或其他流动路径。例如，诸如关于图1.7.1至1.7.4所描述的在压缩室A222与膨胀室A221之间提供发动机工作流体的流体连通的壁式管道A1050的特定布置进一步包括冷冻机管道A54、收集室A62、A64、加热器管道C110等，诸如关于图1.4.1至图1.5.1所示和所描述的。另外或替代地，诸如关于图1.7.1至图1.7.2所描述的在压缩室A222与膨胀室A221之间提供流体连通的壁式管道A1050的特定布置进一步可以包括热交换器或再生器，或其特征，诸如关于图1.6.1所示和所描述的。
虽然描述为在限定了八对流体连接的膨胀室A221和压缩室A222的八个活塞本体C700处的四个活塞组件A1010的平衡压力布置，但是应当理解，发动机A100大体上包括如上所述的互连体积。因此，发动机A100的其它实施例可以包括两个或更多个活塞组件A1010的数量，其中活塞组件A1010的布置相应地基于上述布置而按比例缩放，以便提供室A221、A222和管道1050的至少一个互连体积。
在各种实施例中，系统A10限定参考纵向轴线C204，该参考纵向轴线C204与横向方向L同向延伸，或大致沿着活塞A1011在室A221、A222内沿着其连结的方向延伸。室A221、A222相对于参考纵向轴线C204以周向布置定位。每个室221、222沿着横向方向L延伸或以其它方式与参考纵向轴线C204同向延伸。
在一个实施例中，发动机包括四个活塞组件A1010，该四个活塞组件A1010沿着横向方向L并且相对于参考纵向轴线C204以周向布置延伸。活塞组件A1010可以围绕参考纵向轴线C204彼此等距地定位。在一个实施例中，一对加热器本体被定位在发动机的外端A103。加热器本体被定位成靠近膨胀室A221并远离压缩室A222。每个加热器本体可以被定位和构造成一次向四个热侧热交换器160或膨胀室A221提供基本上均匀的热能流。
在其他实施例中，发动机A100包括并排布置的两个或更多个活塞组件A1010。活塞组件A1010可以相对于彼此等距定位。在还有的各种实施例中，单个加热器本体C100可以相对于每个热侧热交换器或工作流体本体C108定位。应当理解，本文提供的系统A10的各种实施例可以包括根据需要定位在任何数量的膨胀室A221处的任何数量的加热器本体。应当理解，可以根据需要利用其它布置，以便向膨胀室A221提供热能。在还有的各种实施例中，可以利用其它布置，以便提供多个加热器本体C100的选择性或独立的操作能力。例如，多个加热器本体C100的选择性或独立的操作能力可期望地控制以与工作流体本体C108热连通的方式提供的热能或特别是加热工作流体的温度、流量或其它特性。选择性操作能力可以进一步包括彼此独立的一个或多个加热器本体C100的选择性开/关操作。
进一步应当理解，虽然发动机A100的活塞组件A1010被描绘成直的、平的、直列的或水平相对的布置，但是活塞组件A1010和加热器本体C100可以替代地布置成V形、W形、径向或周向布置，或其它合适的活塞组件A1010布置。例如，系统A10的一个或多个实施例可以包括中心和/或外部加热器本体C100，多个活塞组件A1010围绕该中心和/或外部加热器本体C100定位。
大体上，可以使用任何合适的工艺来制造或形成本文描述的系统A10和发动机或其部分的示例性实施例。然而，根据本主题的几个方面，系统A10的一些或全部可以使用诸如三维打印工艺之类的增材制造工艺来形成。使用这种工艺可以允许系统A10的部分被一体地形成为单个整体部件，或形成为任何适当数量的子部件。在各种实施例中，制造工艺可以允许加热器本体、冷冻机组件、负载装置c092或发动机的全部或部分一体形成，并且包括在使用现有制造方法时不可能实现的各种特征。例如，本文所描述的增材制造方法提供了系统A10的制造，系统A10具有不可能使用先前制造方法的独特特征、构造、厚度、材料、密度和结构。这些新颖特征中的一些可以例如改进两个或更多个部件之间的热能传递，改进到发动机工作流体的热能传递，改进从发动机工作流体到冷冻机工作流体的热能传递，减少泄漏，或促进组装，或使用如本文所述的增材制造工艺大体上改进系统A10的热效率、发电和输出或功率密度。
如本文所使用的，术语“增材制造”或“增材制造技术或工艺”通常指制造工艺，其中在彼此上提供材料的连续层以逐层“堆积”三维部件。连续层通常熔融在一起以形成可以具有各种一体子部件的整体部件。
虽然本文描述的增材制造技术是通常在垂直方向上通过逐点、逐层地构建物体来提供复杂物体的制作，但是其他制作方法是可能的并且在本主题的范围内。例如，虽然本文的讨论涉及添加材料以形成连续层，但是本领域技术人员将理解，本文公开的方法和结构可以用任何增材制造技术或制造技术来实践。例如，本公开的实施例可以使用层添加工艺、层减少工艺或混合工艺。作为另一个示例，本公开的实施例可以包括选择性地沉积粘合剂材料以将粉末层的部分化学结合在一起以形成生坯制品。在固化之后，可以对生坯制品进行预烧结以形成棕色体制品，棕色体制品基本上去除了全部的粘合剂，并且完全烧结以形成固结制品。
根据本公开的合适的增材制造技术包括，例如，熔融沉积建模(FDM)、选择性激光烧结(SLS)、诸如通过喷墨和激光喷射的3D打印、立体光刻(SLA)、直接激光烧结(DLS)、直接选择性激光烧结(DSLS)、电子束烧结(EBS)、电子束熔化(EBM)、激光工程净成形(LENS)、激光净成形制造(LNSM)、直接金属沉积(DMD)、数字光处理(DLP)、直接激光熔化(DLM)、直接选择性激光熔化(DSLM)、选择性激光熔化(SLM)、直接金属激光熔化(DMLM)、粘合剂喷射(BJ)、和其它已知工艺。
本文描述的增材制造工艺可用于使用任何合适的材料来形成部件。例如，材料可以是塑料、金属、混凝土、陶瓷、聚合物、环氧树脂、光聚合物树脂，或可以是固态、液态、粉末、片材、线材或其任何其他适当形式或组合的任何其他适当材料。更具体地，根据本主题的示例性实施例，本文所述的增材制造部件可以以部分材料形成，以整体材料形成，或以材料的某些组合形成，材料包括但不限于纯金属、镍合金、铬合金、钛、钛合金、镁、镁合金、铝、铝合金以及镍或钴基超级合金(例如，(例如，可从Special Metals Corporation获得的名称为
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的那些)。这些材料是适合于在本文描述的增材制造工艺中使用的材料的实例，并且通常可以称为“增材材料”。
另外，本领域技术人员应当理解，用于粘合那些材料的各种材料和方法可以被使用并且被设想为在本公开的范围内。如本文所使用的，对“熔融”或“结合”的引用可指用于产生任何上述材料的结合层的任何合适的工艺。例如，如果物体由聚合物制成，则熔融可指在聚合物材料之间产生热固性结合。如果物体是环氧树脂，则可以通过交联工艺形成粘结。如果材料是陶瓷，则可以通过烧结工艺形成结合。如果材料是粉末状金属，则可以通过熔化或烧结工艺形成结合，或者附加地通过粘合剂工艺形成结合。本领域技术人员应当理解，通过增材制造将材料熔融成部件的其他方法是可能的，并且本公开的主题可以利用这些方法来实践。
另外，本文公开的增材制造工艺允许由多种材料形成单个部件。因此，本文描述的部件可以由上述材料的任何合适的混合物形成。例如，部件可以包括使用不同的材料、工艺和/或在不同的增材制造机器上形成的多个层、分段或零件。如此，可以建造具有不同材料和材料特性的部件，用于满足任何特定应用的需求。另外，虽然本文描述的部件完全由增材制造工艺建造，但应当理解，在替代实施例中，这些部件的全部或一部分可以经由铸造、机加工和/或任何其他合适的制造工艺来形成。实际上，可以使用材料和制造方法的任何合适的组合来形成这些部件。
现在将描述示例性增材制造工艺。增材制造工艺使用部件的三维(3D)信息(例如三维计算机模型)来制作部件。因此，可以在制造之前限定部件的三维设计模型。在这方面，可以扫描部件的模型或原型以确定部件的三维信息。作为另一个示例，可以使用合适的计算机辅助设计(CAD)程序来建造部件的模型，以限定部件的三维设计模型。
设计模型可以包括包含部件的外表面和内表面的部件的整个构造的3D数值坐标。例如，设计模型可以限定本体、表面和/或内部通道，诸如开口、支撑结构等。在一个示例性实施例中，三维设计模型例如沿着部件的中心(例如，竖直)轴线或任何其他合适的轴线被转换为多个切片或分段。每个切片可针对该切片的预定高度限定该部件的薄截面。多个连续的截面切片一起形成3D部件。然后，部件被逐片或逐层“堆积”，直到完成。
如此，可以使用增材工艺来制作本文描述的部件，或者更具体地，例如通过使用激光能量或热量来使塑料熔融或聚合，或者通过烧结或熔化金属粉末，来连续地形成每一层。例如，特定类型的增材制造工艺可以使用能量束，例如电子束或电磁辐射(诸如激光束)，以烧结或熔化粉末材料。可以使用任何合适的激光和激光参数，包括关于功率、激光束斑尺寸和扫描速度的考虑。构建材料可以由任何合适的粉末或材料形成，粉末或材料被选择用于增强强度、耐久性和使用寿命，特别是在高温下。
每个连续的层可以是例如在大约10μm到200μm之间，尽管厚度可以基于任何数量的参数来选择，并且根据替代实施例，可以是任何合适的尺寸。因此，利用上述增材形成方法，本文所述的部件可以具有与在增材形成工艺期间使用的相关粉末层的一个厚度(例如，10μm)一样薄的截面。
另外，利用增材工艺，部件的表面光洁度和特征可以取决于应用而根据需要变化。例如，在增材工艺期间，特别是在对应于零件表面的截面层的外围中，可以通过选择适当的激光扫描参数(例如，激光功率、扫描速度、激光焦斑尺寸等)来调节表面光洁度(例如，使得更平滑或更粗糙)。例如，可以通过增加激光扫描速度或减小形成的熔池的尺寸来实现更粗糙的光洁度，并且可以通过减小激光扫描速度或增大形成的熔池的尺寸来实现更平滑的光洁度。也可以改变扫描图案和/或激光功率以改变所选区域中的表面光洁度。
在部件的制作完成之后，可以对部件应用各种后处理过程。例如，后处理过程可以包括通过例如吹送或抽真空来除去过量粉末。其它后处理过程可以包括应力解除工艺。另外，热后处理过程、机械后处理过程和/或化学后处理过程可用于完成零件以实现期望的强度、表面光洁度、减小的孔隙率减小和/或增加的密度(例如，经由热等静压)以及其它部件特性或特征。
应当理解，本领域技术人员可以添加或修改本文示出和描述的特征，以促进制造本文提供的系统A10而无需进行不必要的实验。例如，构建特征，诸如桁架、网格、构建表面或其他支撑特征，或材料或流体进入或外出端口，可以从本几何形状添加或修改，以至少基于期望的制造工艺或期望的特定增材制造工艺来促进系统A10的实施例的制造。
值得注意的是，在示例性实施例中，由于制造限制，本文描述的部件的几个特征先前是不可能的。然而，本发明人已经有利地利用增材制造技术中的当前进步来开发了大体上根据本公开的这些部件的示例性实施例。虽然本公开的某些实施例可以不限于使用增材制造来大体上形成这些部件，但是增材制造提供了各种制造优点，包括制造的容易性、降低的成本、更高的精度等。
在这点上，利用增材制造方法，甚至多零件的部件可以形成为单件连续金属，因此与现有设计相比可以包括更少的子部件和/或接头。通过增材制造一体形成这些多零件部件可以有利地改进总体组装工艺，减少潜在的泄漏，减少热力学损耗，改善热能传递，或提供更高的功率密度。例如，一体形成减少了必须组装的分离零件的数量，从而减少了相关联的时间、总体组装成本、减少了潜在的泄漏路径或减少了潜在的热力学损耗。另外，可以有利地减少例如泄漏的现有问题。更进一步地，可以通过本文描述的工艺来解决或排除分离零件之间的接头质量，以便期望地减少泄漏、组装并改进总体性能。
同样，上述增材制造方法提供了本文描述的要以非常高的精度水平形成的部件的更复杂和繁琐的形状和轮廓。例如，这种部件可以包括薄的增材制造层、截面特征和部件轮廓。作为另一个示例，增材制造可以提供热交换器表面面积、体积、通道、管道或可以期望地改进热交换器效率或性能、或总体发动机或系统性能的其它特征。另外，增材制造工艺提供了具有不同材料的单个部件的制造，使得部件的不同部分可以呈现出不同的性能特性。制造工艺的连续的增材步骤提供了这些新颖特征的建造。结果，本文描述的部件可以呈现出改进的功能性和可靠性。
闭式循环发动机布置，诸如斯特林发动机，大体上限定功率输出(瓦特)与平均发动机工作流体压力(帕斯卡)、发动机工作流体的波及体积(立方米)和发动机循环频率(赫兹)(即活塞组件的操作频率)的乘积的比率，或者称为比尔数(Beale number)。斯特林发动机的最大操作比尔数的范围，取决于操作温度和发动机性能，大体上在0.05到0.15之间。参考本文示出和描述的系统A10的某些实施例，本文示出和描述的特征、布置、比率或制造和组装方法提供了发动机A100，以限定第一操作参数，其中第一操作参数限定大于或等于0.10的最大操作比尔数。在另一个实施例中，发动机A100限定了大于0.15的最大操作比尔数。在又一个实施例中，发动机A100限定了大于0.20的最大操作比尔数。在再一个实施例中，发动机A100限定了大于0.23的最大操作比尔数。在各种实施例中，发动机A100限定小于或等于0.35的最大操作比尔数。在还有的各种实施例中，发动机A100限定小于0.30的最大操作比尔数。在一个实施例中，本文示出和描述的发动机A100的实施例限定了在0.10到0.35之间(包括0.10和0.35)的最大操作比尔数。在还有的各种实施例中，发动机A100限定在0.15到0.30之间的最大操作比尔数。
本文提供的系统A10和发动机A100的实施例经由本文提供的特征、布置、比率或制造和组装方法中的一个或多个来提供较大的比尔数。相对于从活塞组件A1010输出的功率，至少部分地经由较低的平均发动机工作流体压力、活塞组件A1010的较低的发动机循环频率、或在流体连接的室A221、A222之间的发动机工作流体的较低的波及体积或其组合来提供较大的比尔数。本文提供的系统A10和发动机A100的示例性实施例可以从活塞组件A1010产生高达100千瓦(kW)或更高的机械功率输出。
本文提供的发动机A100的实施例可以至少部分地基于多个加热器管道C110来提供较大的比尔数，多个加热器管道C110共同限定从热侧热交换器C108到多个加热器管道C110内的发动机工作流体的热能的期望的热传递性。在各种实施例中，系统A10限定发动机工作流体的最大循环体积与多个加热器管道的集合体积的比率。最大循环体积是膨胀室A221、压缩室A222内的发动机工作流体的最大体积，以及它们(例如，通过壁式管道A1050连接的一个活塞本体的膨胀室A221和另一个活塞本体的压缩室A222)之间连接的流体体积。最小循环体积是膨胀室A221、压缩室A222内的发动机工作流体的最小体积，以及它们(例如，通过壁式管道A1050连接的一个活塞本体的膨胀室A221和另一个活塞本体的压缩室A222)之间连接的流体体积。最大循环体积和最小循环体积之间的差是波及体积。在一个实施例中，发动机工作流体的最大循环体积与多个加热器管道内的通道体积的比率在2.5到25之间。例如，在各种实施例中，多个加热器管道基于最大循环体积一起容纳发动机工作流体的总体积的五分之二到二十五分之一之间的体积。换句话说，在发动机工作流体的最大循环体积的五分之二到二十五分之一之间，在系统A10的操作期间从热侧热交换器C108接收热能。
在还有的各种实施例中，本文提供的发动机A100的实施例可以至少部分地基于多个加热器管道C110的表面面积对比多个加热器管道C110内的工作流体的体积的比率来提供更大的比尔数。例如，多个加热器管道可以相对于多个加热器管道C110内的发动机工作流体的体积而在多个加热器管道C110内集合地提供表面面积的范围。表面面积大体上可以限定与发动机工作流体直接流体接触的加热器管道的内部区域。在各种实施例中，多个加热器管道的表面面积与多个加热器管道内的工作流体的体积的比率在8与40之间。例如，在各种实施例中，多个加热器管道一起限定了比多个加热器管道的单位体积大8倍至40倍之间的管道内的单位表面面积(即，与发动机工作流体流体接触的表面面积)。
在各种实施例中，多个加热器管道的内表面面积限定在加热器管道C110的第一开口与第二开口之间。第一开口与膨胀室A221直接流体连通，诸如图1.5.1中的活塞室孔C111所示。第二开口与壁式管道C1050直接流体连通，诸如图1.5.1中的开口C113所示。在一个实施例中，第二开口与包括限定在其内的再生器本体C800的壁式管道C1050直接流体连通。在另一个实施例中，多个加热器管道C110的表面面积限定了加热器管道C110的内部面积，该内部面积对应于加热器管道C110从加热器本体C100接收热能的部分。在另一个实施例中，多个加热器管道C110的表面面积限定了加热器管道C110的内部面积，该内部面积从诸如限定在图1.5.1中的多个活塞孔C111处的第一开口延伸到在壁式管道C1050处的再生器本体C800的翅片阵列C1016的第一或近端翅片、翼片、壁或其它特征。在又一个实施例中，诸如在提供加热器管道C110与冷冻机管道A54的直接流体连通的实施例中，诸如图1.5.1中的开口C113所示的第二开口与冷冻机收集室A62或冷冻机管道A54直接流体连通。在各种实施例中，诸如图1.5.1中的开口C113所示的第二开口与冷冻机收集室开口A60直接流体连通。
本文提供的发动机A100的实施例可以至少部分地基于多个冷冻机管道A54来提供较大的比尔数，多个冷冻机管道A54集合地限定从多个冷冻机管道A54内的发动机工作流体到冷侧热交换器A42的热能的期望热传递性。在各种实施例中，系统A10限定发动机工作流体的最大循环体积与多个冷冻机管道A54的集合体积的比率。在一个实施例中，发动机工作流体的最大循环体积与多个冷冻机管道A54的体积的比率在10到100之间。例如，在各种实施例中，多个冷冻机管道A54基于最大循环体积一起容纳发动机工作流体的总体积的十分之一至百分之一之间的体积。换句话说，在系统A10操作期间，将发动机工作流体的最大循环体积的十分之一到百分之一之间的热能传递到冷侧热交换器A42。
在还有的各种实施例中，本文提供的发动机的实施例可以至少部分地基于多个冷冻机管道A54的表面面积对比多个冷冻机管道A54内的工作流体的体积的比率来提供较大的比尔数。例如，特别地，多个冷冻机管道A54可以相对于多个冷冻机管道A54内的发动机工作流体的体积，在多个冷冻机管道A54内集合地提供表面面积的范围。在各种实施例中，多个冷冻机管道A54的表面面积与多个冷冻机管道A54内的工作流体的体积的比率在7与40之间。例如，在各种实施例中，多个冷冻机管道A54一起限定了比多个冷冻机管道A54的单位体积大7倍至40倍之间的管道内的单位表面面积(即，与发动机工作流体流体接触的表面面积)。
在各种实施例中，冷冻机管道A54的表面面积从冷冻机通道开口A58限定到冷冻机收集室开口A60。在一个实施例中，冷冻机管道A54的表面面积是冷冻机管道A54内的内部面积，该内部面积对应于冷冻机管道A54的至少部分由冷冻机工作流体通道A66内与发动机工作流体热连通的冷冻机工作流体所包围的部分。
本文示出和描述的系统A10和发动机A100的各种实施例基于本文提供的一个或多个元件、布置、流动路径、管道、表面面积、体积或组件、或其方法来提供期望的功率输出、功率密度、或效率、或其组合。本文描述的效率可以包括THot,engine，对应于在加热器管道或工作流体路径C110处从热侧热交换器C108输入到发动机工作流体的温度。还有的各种实施例进一步包括TCold,ambient，对应于从冷冻机管道A54处的发动机工作流体去除到冷侧热交换器A42的温度。在其他情况下，温度输入可替代地对应于诸如从加热工作流体输入到发动机工作流体的热量或热能。更进一步地，去除的温度可替代地对应于从发动机工作流体输出到诸如冷冻机工作流体的热量或热能。在还有的各种实施例中，环境是发动机A100在冷冻机管道A54处将热量或热能从发动机工作流体排斥、排放或以其他方式释放到其中的冷冻机工作流体。
在还有的各种实施例中，本文描述的效率可以包括QOut，其对应于发动机工作流体在加热器管道或工作流体路径C110处从热侧热交换器C108接收到的热能。还有的各种实施例进一步包括QIn，其对应于冷侧热交换器A42处的冷冻机工作流体通道A56处的冷冻机工作流体从冷冻机管道A54处的发动机工作流体接收到的热能。
在又一个实施例中，Eout是从负载装置C092输出的净电能，负载装置C092经由活塞组件C1010可操作地联接到发动机A100。
在各种实施例中，特征、布置、表面面积、体积或其比率提供了使发动机A100以超出已知闭式循环发动机或特别是超出斯特林发动机的较高效率来操作。本文提供的系统A10的各种实施例可以被构造成以高达近似80％的卡诺效率ηCarnot从活塞组件A1010产生机械功率输出。在一些实施例中，本文提供的系统A10可以被构造为在诸如太空的寒冷环境中以高达近似80％的效率从活塞组件A1010产生机械功率输出。在一个实施例中，卡诺效率对应于发动机A100在加热器管道C110处接收热能或热量并在冷冻机管道A54处从发动机工作流体中排出热能或热量的热效率。在一个实施例中，卡诺效率至少对应于发动机A100，该发动机A100包括热侧热交换器C108和冷侧热交换器A42，诸如在发动机级效率处描绘的(图1.2.1)。
本文提供的系统A10的各种实施例可以被构造成以高达近似80％的电效率从活塞组件A1010产生机械功率输出。在一个实施例中，电效率对应于由发动机A100生成的有用功，发动机A100从加热工作流体接收热量或热能并将热量或热能释放到冷冻机工作流体，并且经由负载装置C092转换成电能，诸如在图1.2.1中的区域A106内示出的。在一个实施例中，电效率至少对应于包括发动机A100、加热器本体C100和冷冻机组件A40的系统A10，诸如在系统级效率处描绘的(图1.2.1)。
在一个实施例中，系统A10经由加热器本体C100和冷冻机组件C40提供温差，其中发动机A100相对于活塞组件A1010生成在1kW到100kW之间的机械功率输出。在另一个实施例中，系统A10被构造成生成10kW到100kW之间。在又一个实施例中，系统A10被构造成生成25MHz到100kW之间。在又一个实施例中，系统A10可以被构造成产生大于100kW。例如，系统A10可以包括多个发动机A100，多个发动机A100可操作地联接在两个或更多个活塞组件A1010和负载装置c092处以产生大于100kW。在各种实施例中，多个发动机A100可以可操作地联接以产生高达5兆瓦。
在还有的各种实施例中，发动机A100进一步限定第二操作参数，该第二操作参数限定对于给定效率，从活塞组件A1010输出的机械功率与工作流体的最大循环体积的比率在每立方厘米(cc)0.0005到0.0040kW之间。在各种实施例中，从活塞组件A1010输出的机械功率与工作流体的最大循环体积的比率是限定从活塞组件A1010输出的机械功率与工作流体的最大循环体积的最大比率的范围。在一些实施例中，在发动机效率是至少50％的情况下，对于一立方厘米的发动机工作流体，发动机A100限定了从活塞组件A1010输出的机械功率与工作流体的最大循环体积的最大比率在由活塞组件A1010生成的0.0005到0.0040kW之间。换句话说，在至少50％的发动机效率下，对于一立方厘米的发动机工作流体，从活塞组件A1010生成0.0005到0.0040kW之间。在各种实施例中，在至少50％的发动机效率下，发动机A100限定从活塞组件A1010输出的机械功率与工作流体的最大循环体积的比率在0.0010到0.0030kW/cc之间。在另一个实施例中，在至少50％的发动机效率下，发动机A100限定从活塞组件A1010输出的机械功率与工作流体的最大循环体积的比率在0.0015到0.0025kW/cc之间。在一个实施例中，在高达80％的发动机的卡诺效率下，系统A10限定从活塞组件A1010输出的机械功率与工作流体的最大循环体积的比率在0.0005kW/cc到0.0040kW/cc之间。在另一个实施例中，在高达60％的发动机A100的效率下，发动机A100限定从活塞组件A1010输出的机械功率与工作流体的最大循环体积的比率在0.0005kW/cc到0.0040kW/cc之间。
本文示出和描述的系统A10的各种实施例通过效率来提供功率密度，其可以优于包括发动机和热交换器系统的某些发电或能量转换系统。在某些实施例中，系统A10包括第三操作参数，该第三操作参数限定功率密度(kW/m3)和系统级效率的乘积大于51。例如，功率密度是在发动机A100处的发动机工作流体的体积上的负载装置c092处的功率输出。在特定实施例中，系统A10包括在发动机A100处的发动机工作流体的最大循环体积上的功率密度。在一些实施例中，系统A10包括效率大于100千瓦/立方米(kW/m3)的功率密度(kW/m3)。在其他实施例中，系统A10包括效率大于255kW/m3的功率密度。在各种实施例中，系统A10包括效率小于400kW/m3的功率密度。在其他实施例中，系统A10包括效率小于125(kW/m3)的功率密度。在各种实施例中，系统A10包括效率在51与400kW/m3之间的功率密度(kW/m3)。
在还有的各种实施例中，发动机A100包括第四操作参数，在该第四操作参数下，一个或多个效率以及从活塞组件A1010输出的机械功率与发动机工作流体的最大循环体积的比率与膨胀室A221和压缩室A222处的发动机工作流体的温差有关。在一个实施例中，第四操作参数限定膨胀室A221和压缩室A222处的发动机工作流体的温差为至少630摄氏度。在一个实施例中，冷侧热交换器A42被构造成将冷冻机管道A54和/或压缩室A222处的发动机工作流体的温度减少到低于120摄氏度。在另一个实施例中，冷侧热交换器A42被构造成在稳态全功率操作期间将冷冻机管道A54或压缩室A222处的发动机工作流体的温度平均减少至近似-20摄氏度到近似120摄氏度之间。在又一个实施例中，冷侧热交换器A42被构造成在稳态全功率操作期间将冷冻机管道A54或压缩室A222处的发动机工作流体的温度平均减少到20摄氏度到近似120摄氏度之间。在又一个实施例中，热侧热交换器C108被构造成将加热器管道C110或膨胀室A221处的发动机工作流体加热到至少750摄氏度。然而，应当理解，提供给热侧热交换器C108或膨胀室A221的热量的上限至少是基于材料限制，例如本文列出或描述的一种或多种材料，或用于构建发动机和/或系统的另一种合适的材料。材料限制可以包括但不限于熔点、拉伸应力、屈服应力、变形或挠曲限制、或发动机的期望寿命或耐久性。
应当理解，除非另有说明，否则本文提供的系统A10、发动机A100或两者的性能、功率输出、效率或温差可以基于诸如由美国国家航空和航天局限定的“海平面静态”或“标准日”输入空气条件。例如，除非另有规定，否则提供给加热器本体、冷冻机组件或两者或其中的任何子系统、部件等或接收输入流体(例如空气)的系统A10的任何其它部分的条件基于标准日条件。
本文描述的热传递关系可以包括通过传导和/或对流的热连通。热传递关系可以包括在固体之间和/或固体与流体之间通过传导(例如，热扩散)来提供热传递的热传导关系。另外或替代地，热传递关系可以包括在流体与固体之间通过对流(例如，通过大量流体流动的热传递)来提供热传递的热对流关系。应当理解，对流通常包括传导(例如，热扩散)和平流(例如，通过大量流体流动的热传递)的组合。如本文所使用的，对热传导关系的参考可以包括传导和/或对流；而对热对流关系的参考至少包括一些对流。
热传导关系可以包括在第一固体本体与第二固体本体之间，在第一流体与第一固体本体之间，在第一固体本体与第二流体之间，和/或在第二固体本体与第二流体之间通过传导的热连通。例如，这种传导可以提供从第一流体到第一固体本体的热传递和/或从第一固体本体到第二流体的热传递。另外或替代地，这种传导可以提供从第一流体到第一固体本体的热传递，和/或通过第一固体本体(例如，从一个表面到另一个表面)的热传递，和/或从第一固体本体到第二固体本体的热传递，和/或通过第二固体本体(例如，从一个表面到另一个表面)的热传递，和/或从第二固体本体到第二流体的热传递。
热对流关系可以包括在第一流体与第一固体本体之间，第一固体本体与第二流体之间和/或第二固体本体与第二流体之间通过对流(例如，通过大量流体流动的热传递)的热连通。例如，这种对流可以提供从第一流体到第一固体本体的热传递和/或从第一固体本体到第二流体的热传递。另外或替代地，这种对流可以提供从第二固体本体到第二流体的热传递。
应当理解，术语“顺时针”和“逆时针”是便利性术语，不是限制性术语。通常，术语“顺时针”和“逆时针”具有它们的普通含义，并且除非另有说明，否则是指参考自上而下或直立视图的方向。顺时针和逆时针元件可以在不脱离本公开的范围的情况下互换。
在温度、压力、负载、相位等被称为基本上相似或均匀的情况下，应当理解，可以理解的是，输入或输出中的变化、泄漏或其他微小差异可以存在，使得本领域技术人员可以认为这些是可忽略不计的。另外或替代地，在温度或压力被称为是均匀的，即，基本上均匀的单位(例如，在多个室A221处的基本上均匀的温度)的情况下，应当理解，在一个实施例中，基本上均匀的单位是与平均操作条件相关，诸如发动机的操作相位，或者热能从一个流体流向另一个流体，或者从一个表面流向一个流体，或者从一个表面流向另一个表面，或者从一个流体流向另一个表面，等等。例如，在向多个室A221、A222提供基本上均匀的温度或从多个室A221、A222去除基本上均匀的温度的情况下，该温度是与发动机操作相位上的平均温度有关。作为另一个示例，在向多个室A221、A222提供基本上均匀的热能单位或从多个室A221、A222去除基本上均匀的热能单位的情况下，均匀的热能单位是与相对于通过其传递热能的结构或多个结构而从一个流体到另一个流体的平均热能供应有关。
一个或多个整体本体或其部分附接、联接、连接或以其他方式配合的各种接口，例如配合表面、接口、点、凸缘等，可以限定或包括密封接口，诸如但不限于迷宫密封件、在其中放置密封件的凹槽、挤压密封件、垫圈，硫化硅酮等，或其它适当的密封件或密封物质。另外或替代地，一个或多个这种接口可以经由机械紧固件联接在一起，机械紧固件诸如但不限于螺母、螺栓、螺钉、拉杆、夹具等。在还有的另外或替代实施例中，一个或多个这种接口可以经由诸如但不限于焊接、焊合、钎焊等的接合或粘合处理或其它适当的接合处理联接在一起。
应当理解，比率、范围、最小值、最大值或极限、或其组合通常可以提供具有本领域先前未知的益处的结构。因此，低于本文描述的某些最小值的值或高于本文描述的某些最大值的值可以改变本文描述的一个或多个部件、特征或元件的功能和/或结构。例如，低于本文所述范围的体积的比率、表面面积与体积的比率、功率输出与体积的比率等可能对于期望的热能传递而言是不足，从而不期望地限制功率输出、效率或比尔数。作为另一个示例，大于本文描述的限制可能不期望地增加系统或发动机的大小、尺寸、重量或总体封装，从而不期望地限制系统或发动机可以应用或操作的应用、设备、运载器、可用性、实用性等。更进一步地，或者替代地，总体封装的不期望的增加可能不期望地降低发动机可以安装、利用或以其他方式操作的总体系统、应用、设备、运载器等的效率。例如，虽然发动机可以被构造成限定如本文所述的相似或更大的效率，但是这种发动机可以具有不期望的大小、尺寸、重量或总体封装，以降低发动机安装在其中的系统的效率。因此，本文中描述的一个或多个限制(诸如与特征相关的一个或多个限制，该特征诸如但不限于加热器管道、冷冻机管道A54、室体积、壁式管道体积、或操作温度、或其组合)的消失或违反可能会不期望地改变这种结构，以便改变系统或发动机的功能。
虽然可以在一些附图中而不是在其他附图中示出各种实施例的具体特征，但这仅仅是为了方便。根据本公开的原理，附图的任何特征可以与任何其他附图的任何特征组合参考和/或要求保护。
该书面描述使用示例来描述当前公开的主题，包括最佳模式，并且还提供本领域技术人员实践该主题，包括制造和使用任何装置或系统以及进行任何结合的方法。本公开主题的可申请专利的范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果它们包括与权利要求书的文字语言不存在差异的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的文字语言不存在显著差异的等效结构元件，则这种其他示例旨在在权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种用于能量转换的系统，其特征在于，所述系统包括：
闭式循环发动机，所述闭式循环发动机包含一定体积的工作流体，所述发动机包括膨胀室，所述膨胀室通过活塞与压缩室分离，其中所述发动机包括冷侧热交换器，多个冷冻机管道从所述压缩室延伸通过所述冷侧热交换器，其中所述冷侧热交换器包括与所述多个冷冻机管道热连通的冷冻机工作流体通道，并且其中所述发动机包括两个或更多个活塞本体，所述压缩室和所述膨胀室被定位在每个活塞本体内，并且其中所述冷冻机工作流体通道包括第一冷冻机工作流体通道，所述第一冷冻机工作流体通道被定位在每个活塞本体处，横向靠近所述膨胀室，并且其中所述冷冻机工作流体通道进一步包括第二冷冻机工作流体通道，所述第二冷冻机工作流体通道被定位在每个活塞本体处，相对于所述第一冷冻机工作流体通道横向远离所述膨胀室，并且其中冷冻机工作流体流动路径从一个活塞本体处的所述第一冷冻机工作流体通道延伸到另一个活塞本体处的所述第二冷冻机工作流体通道。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，其中所述冷冻机工作流体通道与所述多个冷冻机管道内的冷冻机通道流体分离。
3.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，其中所述多个冷冻机管道至少部分地与活塞本体的所述膨胀室和所述压缩室的中心线轴线同向延伸。
4.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，其中所述多个冷冻机管道至少部分地相对于所述活塞本体的所述中心线轴线周向延伸。
5.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，进一步包括：
在内体积壁与外体积壁之间延伸的室壁，其中所述内体积壁至少部分地限定所述压缩室，并且其中所述室壁、所述内体积壁和所述外体积壁一起限定所述冷冻机工作流体通道。
6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，其中所述冷冻机工作流体通道至少部分地周向包围与所述多个冷冻机管道热连通的每个活塞本体。
7.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，其中所述发动机包括所述工作流体的最大循环体积与所述多个冷冻机管道中的所述工作流体的体积的比率在10到100之间。
8.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，其中所述发动机包括所述多个冷冻机管道的表面面积与所述多个冷冻机管道中的所述工作流体的体积的比率在7到40之间。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，其中所述多个冷冻机管道的所述表面面积在与所述压缩室流体连通的冷冻机通道开口和与冷冻机收集器流体连通的冷冻机收集室开口之间。
10.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，其中所述发动机包括从所述膨胀室延伸的多个加热器管道，并且其中所述发动机包括所述工作流体的最大循环体积与所述多个加热器管道中的所述工作流体的体积的比率在2.5到25之间。
11.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，其中所述发动机包括从所述膨胀室延伸的多个加热器管道，并且其中所述发动机包括所述多个加热器管道的表面面积与所述多个加热器管道中的所述工作流体的体积的比率在8到40之间。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，其中所述多个加热器管道的所述表面面积在与所述膨胀室直接流体连通的第一开口和与壁式管道直接流体连通的第二开口之间。
13.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，其中所述发动机包括第一操作参数，其中所述第一操作参数包括以MPa为单位的所述工作流体的平均循环压力、以cc3为单位的所述工作流体的波及体积和所述活塞组件的循环频率的乘积，所述第一操作参数大于或等于0.10。
14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，其中所述第一操作参数小于或等于0.35。
15.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，其中所述发动机包括第二操作参数，所述第二操作参数限定在至少50％的发动机效率下，从所述活塞组件输出的机械功率与所述工作流体的最大循环体积的比率在0.0005千瓦每立方厘米(kW/cc)到0.0040kW/cc之间。
16.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统包括：
加热器本体，所述加热器本体被构造成在从所述膨胀室延伸的多个加热器管道处向所述发动机工作流体提供热能，其中所述发动机限定各自相对于所述活塞组件的横向延伸部的外端和内端，并且其中所述外端限定所述发动机的横向远端，以及所述内端限定所述发动机的横向向内位置，并且其中所述加热器本体被定位在所述外端处。
17.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统包括：
负载装置，所述负载装置可操作地联接到所述活塞组件，其中所述负载装置在所述系统的所述内端处被定位在所述活塞组件的所述活塞之间。
18.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，其中所述系统包括四个活塞组件。
19.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，其中所述系统包括第三操作参数，所述第三操作参数限定功率密度和效率的乘积在51到400kW/立方米之间。
20.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，其中所述多个冷冻机管道从限定在所述压缩室处的开口延伸。
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