JP2013535616A - 高効率エネルギー変換 - Google Patents

Abstract

ここに開示されている高効率エネルギー変換システムは、作動流体を収容する封止シリンダを有するピストン・アセンブリと、そのピストン・アセンブリに装着されたエネルギー変換要素とを組み込んでいる。カム・ローブまたはスコッチ・ヨーク機構のような運動機構を前記エネルギー変換要素として使用してもよい。一実施形態においては、前記運動機構を、ピストンによる急速膨張を、前記ピストン内において膨張する前記作動流体が熱力学的平衡状態を達成しない方法で実現するように構成してもよい。別の実施形態においては、前記運動機構が、圧縮行程を、前記ピストン内の前記作動流体が前記圧縮行程の全体を通じて熱力学的平衡状態に到達する方法で生成するようにさらに構成される。
【選択図】図１

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、米国仮特許出願第６１／３７０，３７６号の優先権を主張しており、その出願は、発明の名称が「高効率エネルギー変換」であり、かつ、２０１０年８月３日に出願されており、その米国仮特許出願は、その米国仮特許出願が開示する事項および教示する事項のすべてにつき、引用により本出願に合体する。

熱エネルギーを仕事または他の有用なエネルギー形態に変換するために用いられるいくつかの熱力学系(thermodynamic systems)の効率（efficiency、熱効率）は、作動流体(working fluid)であって変化しないもの(constant)が熱機関において使用される(operating)いくつかの用途においては、カルノーサイクル(Carnot cycle)による理論熱効率を超えることができないというのが多くの場合において一般的である。しかし、燃料電池(fuel cells)のような、より複雑ないくつかの熱力学系は、エネルギーを、作動流体が時間と共に化学的に変化する系内を通過させることにより、カルノーサイクルによる最大熱機関効率を破ることが可能である。それにもかかわらず、それら系（these systems、熱力学系）は、最も一般的な意味において、熱力学サイクル内のいずれのポイントにおいても局所熱力学的平衡状態(local thermodynamic equilibrium)（準熱力学的平衡状態(quasi-equilibrium））に近い状態において運転される(operate)という仮定から依然として逃れることはできない。

熱力学サイクル内のいずれかのポイントにおいて熱力学的平衡状態を達成するために、熱および物質の移動（heat and mass transport)（化学反応を行う流体を用いる場合には、さらに、化学反応）の速度が、ある系を平衡化させる（equilibrate、平衡状態に移行させる）ために、当該系において発生する変化（change）の速度より非常に高速であることが必要である。例えば、ガス・ピストン（gas piston、気体を作動流体とするピストン）の場合には、その気体内の分子衝突速度であってその気体を平衡化させるためのものが、一般的に、ピストンの変位速度より非常に高速である。その結果、バルク気体密度、バルク気体圧力およびバルク気体温度(bulk gas density, pressure and temperature、気体の密度、圧力および温度の概略値、平均値)が効果的に平衡化し、その現象は、ピストンの運動速度に比較すれば、ほとんど瞬間的に行われ、よって、その気体は、その気体によって占有されるいずれの空間位置においても、準熱力学的平衡状態（熱力学的平衡状態に近い状態）に維持される傾向を有する。したがって、熱力学的平衡状態にあるという仮定は依然として妥当であり、その熱力学系の効率も、従前の範囲(traditional limit)内に拘束されたままである。

特に、本明細書において説明されるいくつかの実施形態および特許請求の範囲の欄に記載されるいくつかの実施形態は、動力サイクル・エネルギー変換システム(power cycle energy conversion system)の熱変換効率を、動力サイクル(power cycle、動力取出しサイクル）の全過程のうちの実質的な部分（substantial portion、有意な部分、有効な部分、動力出力値に大きな影響を及ぼす重要な部分）を、非平衡熱力学過程(non-equilibrium thermodynamic process）を用いて運転する(operate、達成する)ことにより、上述の従前の範囲を超えるように向上させる機会を提供する。記載されているいくつかの実施形態は、いくつかの準安定(meta-stable）・バルク非平衡状態(bulk non-equilibrium states、概略的非平衡状態、平均的非平衡状態、表面的非平衡状態)を、前記動力サイクルのうちの前記非平衡熱力学過程において生成する。それら準安定状態は過渡的なものであるが、それら準安定状態は、前記動力サイクルをいくつかの時間的尺度(time scale、時間的区切り、時間的基準）（例えば、ピストン・サイクルの周期）に関連する速度で運転する(operate)ことにより、前記動力サイクルの全過程のうちの実質的な部分（substantial portion）にわたって達成する(operate)することが可能であり、前記いくつかの時間的尺度は、前記いくつかの準安定状態の生存期間の長さに匹敵するかまたはそれより短い。

上述したいくつかの特徴および効果ならびに他の種々の特徴および効果は、本明細書および特許請求の範囲の欄に記載されているいくつかの実施形態についての後述の詳細な説明を読めば自明である。

本発明の本質および効果は、いくつかの図面を参照することにより、さらに理解される可能性があり、それら本質および効果は、本明細書中、残りの部分に記載されている。それら図面においては、互いに同じ複数の符号が、互いに同様な複数の要素であることを示すために、複数の図面にまたがって使用される。いくつかの例においては、各符号が、互いに同様な複数の要素のうちのいずれであるかを示すために、小文字からなる下位表示部(sub-label)であって対応するものを有する可能性がある。下位表示部を有しない符号が参照される場合、その参照は、上述の、互いに同様である複数の要素のすべてを示すことを意味する。

図１は、例示的な高効率エネルギー変換（ＨＥＥＣ）システムのブロック図である。

図２は、例示的な高効率エネルギー変換（ＨＥＥＣ）機関を３次元的に示す図である。

図３は、例示的なＨＥＥＣ機関の、ピストン断熱型(piston insulated)ヘッド・ブロックを示している。

図４は、例示的なＨＥＥＣ機関を、それの動力サイクル(power cycle）が状態１にある状態で示している。 図５は、例示的なＨＥＥＣ機関を、それの動力サイクルが状態２にある状態で示している。 図６は、例示的なＨＥＥＣ機関を、それの動力サイクルが状態３にある状態で示している。 図７は、例示的なＨＥＥＣ機関を、それの動力サイクルが状態４にある状態で示している。

図８は、例示的なＨＥＥＣ機関についての圧力−容積線図（ＰＶ線図）を、それの動力サイクルが上述の複数の状態のそれぞれにある期間について示している。

図９は、例示的なＨＥＥＣ機関についての種々の非正弦波状のピストン運動軌跡を、従来のピストン機関と対比して示す線図であり、前記ＨＥＥＣ機関は、例示的な複数種類の運動機構を用い、前記従来のピストン機関は、正弦波状のピストン運動軌跡を有する。

図１０は、例示的なＨＥＥＣ機関の作動についてのフロー図である。

図１１Ａおよび図１１Ｂは、例示的なＨＥＥＣ機関の一実施形態において使用することが可能である例示的なピストン・アセンブリ１１００を示しており、そのピストン・アセンブリ１１００は、磁気的に連結されているとともに封止されている。

図１２は、例示的なピストン・アセンブリを３次元的に示す図である。

図１３は、例示的なエネルギー変換システムを示しており、そのエネルギー変換システムは、ベローズで包囲されることによってそのベローズによって封止されたピストンを有する。

図１４は、例示的な熱交換器ヘッドを示す断面図であり、その熱交換器ヘッドは、圧縮状態にあるベローズによって封止されたピストン・シャフトと組み合わされる。

図１５は、例示的な熱交換器を示す斜視図であり、その熱交換器は、圧縮状態にあるベローズによって封止されたピストン・シャフトと組み合わされる。

図１６は、例示的な熱交換器ヘッドを示す断面図であり、その熱交換器ヘッドは、伸張状態にあるベローズによって封止されたピストン・シャフトと組み合わされる。

図１７は、例示的な熱交換器を示す斜視図であり、その熱交換器は、伸張状態にあるベローズによって封止されたピストン・シャフトと組み合わされる。

図１８は、例示的なＨＥＥＣ機関において使用することが可能である運動機構を示している。

図１９は、例示的なＨＥＥＣ機関において使用することが可能である別の運動機構を示している。

従来の熱力学系は、熱力学サイクルの設計段階において、非平衡状態にある過程（非平衡過程）を有しない。これに対し、本明細書に開示されているいくつかの実施形態は、非平衡過程を熱力学サイクルに導入することにより（例えば、熱力学的平衡過程の進行が、動力サイクル(power cycle、動力取出しサイクル）の一部における変化のバルク速度(bulk rates、概略速度、平均速度、表面速度)より低速となるように、熱力学的平衡過程を効果的に低速化することにより）、熱力学的平衡状態についての従来の仮定を破る。熱力学サイクルへの非平衡過程の導入は、当該系の熱変換効率を、非常に大雑把に言えば燃料電池の作動に似ていると言える方法で意図的に向上させるために利用することが可能であり、これは、熱機関についてのカルノー・サイクルの解析が示唆するであろう変換効率より高い変換効率を達成することが可能である。すなわち、バルク非平衡(bulk non-equilibrium)熱力学過程を動力サイクル設計に導入すると、熱エネルギーの機械的な仕事への変換(conversion)が、動力サイクルのいずれの部分も局所熱力学的平衡状態にある状態で行われるように制限されるいくつかのサイクルより向上させるいくつかの機会が提供される。

いくつかのバルク準安定・非平衡熱力学状態(bulk meta-stable, non-equilibrium thermodynamic states)は、複数の示強性熱力学的状態量(intensive thermodynamic properties)(例えば、圧力、温度、バルク流体密度(bulk fluid density、概略流体密度、平均流体密度、表面流体密度））間の関係であって熱力学的平衡状態に関連するものから実質的に逸脱している状態として特徴付けられ、および／または、前記複数の示強性熱力学的状態量間の関係によって正確に記述されない。それら状態（バルク準安定・非平衡熱力学状態）は、安定状態ではなく、むしろ準安定状態であり、また、それら状態（バルク準安定・非平衡熱力学状態）は、その後、分解し、一般的には比較的短い期間にわたって存在する熱力学的平衡状態によって記述される状態になる。いくつかの準安定・バルク非平衡状態を生成するために、流体の熱力学的平衡状態を瞬間的に壊さなければならない。実際、これは、達成することが一般的に困難なことであり、また、実際には(in nature)まれにしか目撃されない。

いくつかのバルク準安定・非平衡状態(bulk meta-stable, non-equilibrium thermodynamic states)を生成するいくつかの過程(processes）が、より古典的ないくつかの非平衡熱力学過程から区別される。後者（より古典的ないくつかの非平衡熱力学過程）は、系内の複数の熱力学状態量（熱力学変数）のうちの少なくとも一つ（最も一般的なものは、温度）のいくつかの空間勾配を確立する（establish、示す）いくつかの系に一般的に起因し、また、いつも、エントロピーの生成により、動力サイクルの変換効率を低下させることになる。それら古典的な非平衡熱力学過程は、依然として、作動流体を、当該系内において局在化する複数のポイントにおいて局所熱力学的平衡状態にあるかまたはそれに近い状態にあるように有する（すなわち、いかなる空間位置においても、作動流体の局所的な圧力、温度および密度が、複数の熱力学的状態量間の平衡状態関係によって記述することが可能である）。ガス・ピストンの例においては、シリンダの壁への熱移動が原因となって、そのシリンダの壁近傍の気体の温度が、そのシリンダ内の気体の中心温度とは少し異なる可能性がある。それにもかかわらず、そのガス・シリンダ内のいかなる空間位置においても、圧力と、局所流体密度と、局所温度との間のいくつかの関係は、依然として、局所熱力学的平衡状態を仮定するモデルによってうまく記述される。一方、いくつかのバルク非平衡熱力学的状態は、系内の熱力学的状態量の大きな空間勾配を有することなく存在することが可能であり、また、いくつかのバルク非平衡熱力学的状態は、実際、慎重に設計された動力サイクルを有する動力システムの熱変換効率を向上させることが可能である。

本明細書に開示されている例示的なＨＥＥＣ（高効率エネルギー変換）過程においては、前記動力サイクルの一部にわたって準安定・非平衡過程（非平衡状態にある過程）を達成するための一つの方法が、作動流体に流体相転移を経験させることである。ＨＥＥＣ（高効率エネルギー変換）動力サイクルの一実施形態においては、動力サイクルの一部が、相転移境界線（すなわち、飽和気液相境界線）を横切り、それにより、この相転移を行う。例えば、ピストンによる膨張を、ピストンによる膨張に関連して状態が変化する速度との関係において(relative to、に対して相対的に）、複数の気体分子が平衡化して気相から脱して凝縮するのに必要な長さの時間より短い時間しか存在しないように設計することが可能である。その結果、準安定・非平衡過程に関連するシリンダ圧は、平衡状態過程（平衡状態にある過程）におけるシリンダ圧より高圧に保持される。この高いシリンダ圧により、平衡状態過程または準平衡状態過程（準平衡状態にある過程）に対して追加されることになる仕事（additional work、平衡状態過程または準平衡状態過程では実現されない仕事）がピストン端面上に、そのピストン・シリンダ内の所定の容積変化を実現するために生成される。ピストンによる膨張によって生成されるこの追加分の仕事(additional expansion work）であってシリンダ容積から取り出されたものは、作動流体から追加分のエネルギー(additional energy)を引き出し、その結果、ピストンの膨張期間の終点で、平衡状態過程または準平衡状態過程におけるエネルギーより低いエネルギーを有する状態が生成される。凝縮が完了し、かつ、熱力学的平衡状態が達成されるようにするのに十分な長さのドエル(dwell、休止、遊び）時間があると、前記準安定状態が最終的に崩壊して、この低エネルギー熱力学平衡状態に到達する。この過程を逆行させると（例えば、ピストン速度が低速である圧縮行程の間に）、そのピストンは、準平衡状態であって、ピストンの動力取り出し行程（piston power stroke）の間用いられる準安定・非平衡・膨張過程におけるシリンダ圧より低いシリンダ圧を生成するものを保持することが可能となる。

本明細書に開示されている、特定の相転移を伴って運転される準安定・非平衡ＨＥＥＣサイクルにおいて使用されるべき作動流体を検討する際には、臨界温度に近い作動流体の複数の状態量が考慮される（例えば、前記臨界温度は、ある流体が、圧力の如何を問わず、もはや液体であり得ない温度より高い温度を示す）。考慮すべき１つのファクタ（factor、作動流体の状態量）は、熱源から入力された温度に比較的近接している作動流体の臨界温度が、入力された熱より低い温度であるか否かである。考慮すべき別のファクタは、作動流体の膨張プロファイル（状態図において膨張過程を表すカーブ）の形状に対する相対的な飽和気液境界線の形状が、作動流体の凝縮（condensation、凝結、液化）を膨張過程によって促進する(support)ことが必要であるか否かである。

作動流体の別のファクタであって考慮すべきものは、複雑な非平衡特徴量であって、準安定・非平衡状態の膨張過程の確保および最適化を促進する(help)ために凝縮速度(condensation rates)と結び付いたものである。しかし、この特徴量（非平衡特徴量）は、高い凝縮速度を十分に促進し(support)、それにより、前記準安定状態を膨張過程の終点において平衡化させて平衡状態に復元することも行う。作動流体のこの非平衡特徴量は、実験的な系において観察されるものであってもよく、そのような実験的な系は、実際の発電所(powerplant)が設計される場合の幾何学的条件、時間的条件および熱的境界条件と類似するものを有する。

作動流体は、さらに、同じ機関サイズに対して(for a given engine size、同じサイズを有する他の機関におけるピストン・アセンブリの運転速度に比較して)、ピストン・アセンブリがより低速で運転されることを可能にする複数の状態量、または、同じ機関サイズに対して(for a given engine size、同じサイズを有する他の機関が生成する動力に比較して)、より大きな動力(power)を生成することを可能にする複数の状態量も有する。同じＨＥＥＣ機関動力出力値に対して(for a given HEEC engine power output、同じ大きさの動力を出力する他のＨＥＥＣ機関におけるピストン・サイクル周期に比較して)、より長いピストン・サイクル周期を有するようにすることは、いくつかの場合に、上死点（ＴＤＣ）近傍において熱を作動流体に移動させるための追加の時間を生成するために有利であるとともに、凝縮が下死点（ＢＴＣ）近傍において発生するためのより長い時間的尺度を生成するために有利である。

蒸気圧は、それら状態量（作動流体の複数の状態量）のうち、機関の動力出力値を最適化する際に有用なものである。蒸気圧が高いほど、同じ容積変化量に対して(for a given volume change)、より多くの仕事が出力されるとともに、一般的に、膨張過程の間、より多くのエネルギーを作動流体から取り出すことが可能となる。作動流体の蒸気圧は、一般的に、温度低下と共に、臨界温度より高温であるときに気体内の変化(changes in gases、気体の状態量の変化）と共に観察される圧力の変化より急速に低下する。このように気体圧力が、臨界温度より低温であるときに温度変化と共に急速に低下するという現象が発生する理由は、凝縮が効果的に、気体の圧力を生成する複数の気体分子を削減するからである。しかし、低い凝縮速度が前記準安定・非平衡膨張過程に関連付けられる状態（前記準安定・非平衡膨張過程が低い凝縮速度で行われる状態）では、シリンダ圧がこのように低下するという現象は、平衡状態での膨張過程であって同じ状態点(state point)から開始されたものである場合ほどには強く発生しない。

混相作動流体(multi-phase working fluid)の定積・容積比熱(constant volume volumetric specific heat)（容積一定の状態で流体の温度を上昇させるのに必要な単位容積当たりのエネルギー）も、機関の動力出力値を最大化するか、または、機関が、同じサイズに対して(for a given size、同じサイズを有する他の機関の運転速度に比較して）、より低速で運転することを可能にするために重要である。定積・容積比熱が高いほど、同じドライブシャフト回転数に対して(for a given driveshaft RPM)、例示的なＨＥＥＣ機関の動力出力値または熱冷却能力(thermal cooling power)が増加する。この定積・容積比熱は、２相流体の領域において、流体密度が、ピストンが上死点近傍にあるときに動力サイクルにおいて使用される流体密度に匹敵する状態で測定される。それら定積・容積比熱(These volumetric specific heats)を作動流体密度で割り算して取得された複数の割算値は、原則として、互いに近似するが、実際の数値に関しては、複数の気体についてより一般的な表に載っている(more commonly tabulated)定積比熱（単位質量当たり）の値とは異なる。それら割算値間の差は、２相流体が、容積が一定である状態で、かつ、臨界温度に近い温度で気化する（vaporization、蒸発する）という複雑な過程に依拠している。

例示的ないくつかの作動流体であってこの種のサイクルと共に使用してもよいものとしては、冷媒（refrigerant）（例えば、オクタフルオロプロパン（Octafluoropropane）（Ｒ２１８））、溶融塩（molten salt）（例えば、液体フッ化塩（liquid-fluoride salt））、溶融金属（molten metal）（例えば、液体水銀（liquid mercury））などがあるが、それらに限定されない。具体的には、Ｒ２１８のような冷媒は、−５０℃から２５０℃までの温度範囲内で作用する可能性があるが、そのような温度範囲を厳密に制限することは不要である。溶融塩は、２５０℃から４００℃までの温度範囲内で作用する可能性があるが、そのような温度範囲を厳密に制限することは不要である。例えば、別の例においては、溶融金属は、４００℃から１５００℃までの温度範囲内で作用する可能性がある。それら作動流体のうち、液体水銀と蒸気状水銀（水銀蒸気）とが混合されたもの(mixed liquid/vapor mercury)は、臨界温度近傍において、８０−９０ｐｓｉａ（重量ポンド毎平方インチ、絶対圧、プサイア）ぐらいの最低蒸気圧を有するが、より高い温度でＨＥＥＣ動力サイクルが運転されることを可能にする。

図１は、例示的な高効率エネルギー変換（ＨＥＥＣ）システム１００のブロック図であり、その例示的なＨＥＥＣシステム１００は、エネルギーを、第１の形態から第２の形態に高効率で変換する。その例示的なＨＥＥＣシステム１００は、１または２以上の変換機関１０２，１０４であって、エネルギーを、作動流体に入力される熱(heat input to the working fluid、作動流体への入熱)という形態で受け入れる。その熱は、多くのソースから生成されたものとすることが可能であり、そのようなソースとしては、化学エネルギー、電気エネルギー、核エネルギー（原子力エネルギー）、作動流体から移動した熱などがあるが、それらに限定されない。より具体的には、そのような熱エネルギーは、あるソースによって提供されたものとすることが可能であり、そのソースは、バイオ燃料、ガソリン、太陽熱エネルギー、地熱エネルギー、核発電所エネルギーまたは他の熱エネルギー源（例えば、熱関連産業の廃熱または他の分野で利用される廃熱）からエネルギーを発生させる。

一実施形態においては、いくつかのＨＥＥＣシステムおよびそれらに関連するいくつかの方法を、廃熱を引き出し、その廃熱を有用な仕事に変換することによっていくつかのシステムを冷却するために用いることが可能である。その仕事変換方法により、温度勾配が、冷却されるべき熱源と、ＨＥＥＣシステムへの熱の入力部(thermal input、入熱部)との間において確立される。

エネルギー変換システム１００の一実施形態においては、各変換機関１０２，１０４が、作動流体を収容する封止シリンダ(sealed cylinder)を有するピストン・アセンブリを有する。各変換機関１０２，１０４のピストン・アセンブリは、運動機構（kinematic mechanism)に装着することが可能であり、その運動機構は、ピストンによる急速膨張を、熱力学サイクルの少なくとも一部について、前記封止シリンダの内部において膨張する作動流体が熱力学的平衡を達成することが阻止される方法で実現するように構成される。エネルギー変換システム１００の一実施形態においては、各変換機関１０２，１０４の前記運動機構が、発電機、モータなど、本明細書において符号１０８によって表されるものを駆動するために、ドライブシャフト１０６に装着される。例えば、エネルギー変換システム１００は、入力された熱（input heat）を出力エネルギー１１０（例えば、電気）であって発電機１０８によって生成されるものに変換することが可能である。変換機関１０２，１０４の作動は、後に図２−図７においてさらに詳述される。

前記ピストン・アセンブリは、作動流体の容積膨張によって動力を発生させるエネルギー変換機構の一例である。他のいくつかの例としては、ロータリ機関、タービンなどがあるが、それらに限定されない。

図２は、例示的な高効率エネルギー変換（ＨＥＥＣ）機関２００を３次元的に示す図である。ＨＥＥＣ機関２００は、前記エネルギー変換システムにおいてエネルギー変換機関（例えば、熱を回転運動に変換し、さらに電気に変換する機関）として用いることが可能である。ＨＥＥＣ機関２００は、後に詳述するように、ＨＥＥＣ機関２００の１または２以上の部品を収容する本体部２０２を有する。本体部２０２は、支持部材２０６を介してピストン・シリンダ２０４に装着することが可能である。一実施形態においては、支持部材２０６が、中空のチューブであり、そのチューブは、本体部２０２内において運動するピストン・アセンブリと、ピストン・シリンダ２０４とを収容する。しかし、別のいくつかの実施形態においては、別の形態を有する支持部材、例えば、連接ロッドのようなものを用いることも可能である。

ピストン・シリンダ２０４は、鉄金属、非鉄金属およびそれらの合金、カーボンおよび／またはカーボン複合材料などを含むがそれらに限定されない材料により構成することが可能である。ピストン・シリンダ２０４は、内面上にライナを有するものとすることも可能であり、そのようなライナは、鉄金属および非鉄金属であって腐食防止剤で処理されたものにより構成される。前記ピストン・アセンブリは、そのピストン・アセンブリの内部においてピストンが最小の摩擦を伴って移動することを可能にするように構成されている。ＨＥＥＣ機関２００の一実施形態においては、ピストン・シリンダ２０４の上端部が、断熱されたヘッド・ブロック２０８に装着されており、そのヘッド・ブロック２０８は、例えば、マイクロ流体型(micro-fluidic)熱交換器（図２に図示されていない）または他の高効率熱交換器とすることが可能である。例示的なマイクロ流体型熱交換器が後に図３において詳述されるが、他のエネルギー導管構造物（エネルギーを導入する構造物）を採用することが可能である。ピストン・シリンダ２０４内のＨＥＥＣ用作動流体にエネルギーを導くことに加えて、断熱されたヘッド・ブロック（断熱ヘッド・ブロック）２０８を、ＨＥＥＣ機関２００を断熱し、それにより、熱源から外部環境への熱損失量を最小化することを助けるものとすることが可能である。そのような断熱ヘッドがなくても、ＨＥＥＣ機関は、たいていの構造態様において依然として機能するであろうが、熱損失により、そのＨＥＥＣ機関の熱変換効率が低下する可能性がある。

一実施形態においては、断熱ヘッド・ブロック２０８が、入力エネルギーの流れ（例えば、熱水またはスチーム(steam)として具体化される）のためのインレット・ポート２１０と、このＨＥＥＣによって冷却された流体の流れが断熱ヘッド・ブロック２０８から排出されることを可能にするアウトレット・ポート２１２とを備えている。断熱ヘッド・ブロック２０８は、さらに、作動流体用インレット・ポート（図２に図示されていない）も備えており、その作動流体用インレット・ポートは、ピストン用作動流体をピストン・シリンダ２０４内に注入するために用いられる。その作動流体用インレット・ポートは、断熱ヘッド・ブロック２０８の上端部に配置したり、断熱ヘッド・ブロック２０８の側面上に設置したり、当該システム２００上の他の位置に配置することが可能である。

一実施形態においては、ピストン・シリンダ２０４が、作動流体がそのピストン・シリンダ２０４内に注入された後、気密に封止される(hermetically sealed、気密に閉塞される）が、作動流体を収容するとともにＨＥＥＣ機関２００を閉じた系(closed system)として維持するための他の方法および他の構造物を採用してもよい。図２に示すＨＥＥＣ機関２００は、さらに、チャンバ熱電対(chamber thermocouple、チャンバ内の熱電対)２１４を有しており、そのチャンバ熱電対２１４は、断熱ヘッド・ブロック２０８内の作動流体の温度を測定するために使用することが可能である。一実施形態においては、断熱ヘッド・ブロック２０８のマイクロ流体型熱交換器により、インレット・ポート（heat inlet、熱入力部）２１０から流入した熱が、ピストン・シリンダ２０４内の作動流体に効率よく伝達することが可能である。

本体部２０２は、運動機構２２０を有することが可能であり、その運動機構２２０は、前記ピストンからのエネルギーを、クランクシャフトの回転または他の効果を得るためのエネルギーに変換するために、前記ピストン・アセンブリに装着されている。ＨＥＥＣ機関２００について図示されている実施形態においては、運動機構２２０が、カム・ローブ(cam lobe、カムの突起部)によって表されているが、他の機構を採用してもよい。運動機構２２０は、前記ピストン・アセンブリに装着されており、運動機構２２０は、部分的に本体部２０２内に収容されるとともに、部分的にピストン・シリンダ２０４内に収容されている。一例においては、運動機構２２０を、前記ピストン・アセンブリのうちのピストン・ロッドに装着してもよい。

一実施形態においては、本体部２０２が、さらに、その本体部２０２に装着されたローラ・ハウジング２２２を有する。そのローラ・ハウジング２２２は、複数個のローラ２２４を有し、それらローラ２２４は、前記ピストン・アセンブリにとっての垂直方向ガイド（vertical guide、前記ピストン・アセンブリの垂直運動（軸方向運動）を案内するガイド）として用いることが可能である。さらに、前記ピストン・アセンブリは、運動機構２２に、ロッド・クレビス(rod clevis、回動型Ｕ字状リンクを用いたロッド継手）（ここでは図示しない）を介して運動可能に装着してもよい。

一実施形態によれば、運動機構２２０の幾何学的性質（geometry、形状、配置など）が、前記ピストン・アセンブリに膨張サイクルを提供し、その膨張サイクルは、ピストン・シリンダ２０４内において膨張する作動流体が、当該膨張行程の全体または実質的な部分(substantial portion、一部である要部）にわたり、熱力学的平衡を達成することを阻止する。後に図３−図７において詳細に図示するように、運動機構２２０および前記ピストン・アセンブリは、互いに共同して、そのピストン・アセンブリが、互いに連続した膨張サイクルおよび圧縮サイクルを通過して運動することを実現し、前記互いに連続した膨張サイクルおよび圧縮サイクルは、運動機構２２０がそれの中心まわりに回転することを実現する。運動機構２２０のその回転により、ドライブシャフト２３の回転運動(circular movement、円運動）が実現され、その運動は、図示されている実施形態においては、同じ回転方向に発生する。

図３は、例示的なＨＥＥＣ機関３００の、ピストン断熱型(piston insulated)ヘッド・ブロック３０８を示している。シリンダ３０４およびピストン断熱型ヘッド・ブロック３０８が互いに共同して熱エネルギーを変換し、その熱エネルギーは、ピストン断熱型ヘッド・ブロック３０８およびシリンダ３０４に、別の形態のエネルギー（例えば、ドライブシャフトを回転させるエネルギー）として入力される。断熱ヘッド・ブロック３０８は、一実施形態においては、マイクロ流体型(micro-fluidic)熱交換器３０２を収容するように構成され、そのマイクロ流体型熱交換器３０２は、熱源となる流体（例えば、ピストン断熱型ヘッド・ブロック３０８に入力されるスチーム(steam)）から熱を効率よく取り出すように設計されている。熱入力部（heat inlet、インレット・ポート）３１０により、スチーム(steam)のような熱源が、断熱ヘッド・ブロック３０８内のマイクロ流体型熱交換器３０２に入力されることが可能となる。ピストン・シリンダ容積室（piston cylinder volume、シリンダ３０４の容積室）は、作動流体用インレット・ポートから作動流体を受け取ることが可能であり、その作動流体用インレット・ポートは、前記ピストンの運動範囲の全域にわたり、ピストン・シリンダ容積室内にいずれの場所にも作動流体を供給する流体アクセスを実現する。

図３に示すように、マイクロ流体型熱交換器３０２の種々の流体通路を、熱を、スチーム(steam)のような熱源としての流体からピストン・シリンダ３０４内の作動流体に伝達するために採用し、それにより、熱が、効率よく、熱源としての流体から作動流体に伝達されるようにすることが可能である。チャンバ熱電対３１４を、内側チャンバ（シリンダ内室）３１６に装着し、それにより、断熱型ヘッド・ブロック３０８の平均温度を測定することが可能であるようにすることが可能である。ピストン・シリンダ３０４は、さらに、ピストン３２０を収容するように図示されており、そのピストン３２０は、ピストン・シリンダ３０４の長さ方向に沿って、作動流体の膨張に応答して運動する。ピストン３２０の種々の運動サイクルが、後に図４−図７において詳細に図示される。

図４−図７は、例示的なＨＥＥＣ機関４００を、それの動力サイクルが状態１−状態４にある状態で示している。具体的には、図４−図７は、例示的なＨＥＥＣ機関４００のピストン４０２および運動機構４０４が、それの動力サイクルが状態１−状態４にあるときに取る複数の位置を示している。説明を明瞭にするために、図４−図７は、同様な複数の部品を図示するために同じ符号を用いているが、それら図４−図７は、互いに異なる複数の実施態様を示すものであってもよい。

具体的には、図４は、ＨＥＥＣ機関４００を状態１にある状態で示している。状態１においては、ピストン４０２が上死点（ＴＤＣ）位置にある。この状態においては、運動機構４０４が、他の部分に対して相対的に平面的である平面表面部４０６を有するように図示されており、その平面表面図４０６は、ピストン４０２の運動方向と同じ方向で実質的に垂直であるように位置合わせされ、また、ピストン４０２は、ピストン・シリンダ４０１の上端位置において最大圧縮位置にある。熱がピストン・シリンダ４０１内の作動流体に熱交換器４０３を媒介にして伝達されるため、その作動流体が気化させられるとともに、最大シリンダ圧まで上昇する。作動流体が状態１から膨張することは、運動機構４０４の平面表面部４０６と共同して、ピストン４０２が、動力サイクルが状態２に移行するにつれて、ピストン・シリンダ４０１および熱交換器４０３に対して相対的に垂直下向きに、非常に急速に下降する現象を発生させる。

ピストン４０２の状態１から状態２への移動は、また、ＨＥＥＣ機関４００にとってのＨＥＥＣ動力取出し行程（power storke、動力取り出しを行う行程、パワー・ストローク）として認められる。そのような作動流体の急速膨張と、運動機構４０４の平面表面部４０６の向きがピストン４０２の運動方向に一致させられていることとにより、前記動力取出し行程が、平衡状態である場合のシリンダ４０１内での変化速度より早い速度で完了するとともに、ドライブシャフト４０８が全部で約９０度回転する間に完了することが可能となる。例えば、その膨張行程は、ピストン４０２の運動による容積変化速度が、凝縮速度、および、複数の気体分子が複数の液体凝縮核に物質変化する(mass transport、気液間物質移動)速度より速く、それにより、熱力学的平衡がピストン膨張過程において達成されないように設計することが可能である。

一実施形態においては、前記複数の気体分子が、気液界面(gas/liquid interface)のような相境界線近傍の領域内において運動する。前記急速膨張の間、気体が、膨張する気体から仕事が取り出されることにより、過冷却（supercool)される。この過冷却された気体は、膨張行程のうちの少なくとも一部により、通常の熱力学的平衡状態であれば、状態図(phase diagram、相図）の飽和気相線(saturated gas line)を横切るであろう状態となり、その結果、シリンダ容積室が、液体と気体蒸気との混合物(a liquid and gas vapor)が、熱力学的平衡によって記述される比率で存在するように構成されるであろう状態となる。従来、気体状態にある複数の分子の運動エネルギーが非常に大きいため、その気体は、一般的に、平衡状態において流体が変化するときのバルク流体変化速度(bulk fluid equilibrium rates)であって、ピストンによって膨張する容積が変化し得る速度より非常に速いものを有する。

しかし、膨張過程の間に相転移境界線を横切ることにより、新しい時間制限型(time-limiting、ボトルネック)の凝縮および／または気化という物質移動(transport)を行ういくつかの過程が生成され、それら過程は、平衡化のための速度であって、自然に気体が平衡化する速度より遅く、また、より重要なことに、ピストンによる膨張の速度より遅いものを有する。したがって、ピストンによる急速な膨張過程の間、過冷却された気体が、熱力学によって予測される平衡状態である場合と同じ量の気体を液体に完全に凝縮させるに必要な時間より短い時間しか存在しない。その結果、膨張行程の間におけるシリンダ圧が、作動流体がこの非平衡・準安定状態にあるため、前記複数の気体分子のうちの一部が一層より高密度の複数の液滴に凝縮することが可能であった場合に発生したであろうシリンダ圧より高い。この高いピストン・シリンダ圧は、ピストンによる仕事であって、平衡状態にある過程である場合に取り出されたであろう仕事より多いものが取り出されることを可能にする。さらに、そのように多い量で作動流体から取り出される、ピストンによる仕事は、熱力学的平衡状態で膨張が行われる過程である場合より大きい程度で作動流体の冷却に寄与する。一実施形態においては、蒸気拡散速度(vapor diffusion rate)が、一層長い時間的尺度に依存し、その時間的尺度は、蒸気（vapor)が、半径方向に移動して、気柱(gas column、ピストン・シリンダとピストンによって包囲される容積)を通過し、それにより、蒸気（vapor)が、液体の凝縮が発生するかもしれない内側シリンダ壁上において凝縮するために必要である。

図５は、例示的なＨＥＥＣ機関４００を状態２にある状態で示している。状態２においては、ピストン４０２が下死点（ＢＤＣ）位置にある。図５に示すように、運動機構４０４の平面表面部４０６は、ピストン４０２の運動方向に対してほぼ直角である。したがって、状態２と状態３との間において、後に図６において図示されるように、ピストン４０２が概して同じ位置、すなわち、下死点に近い位置にある。状態２と状態３との間のそのような期間は、本明細書においては、下側ドエル(dwell、無効、休止、遊び）期間と称される。その下側ドエル期間中、前記カムのプロファイル（外形形状）の半径であってドライブシャフト４０８の中心点からカム・フォロワ４１０の接触点まで測定されるものが、ドライブシャフト４０８が横切る(traverse)角度領域全域にわたり、ピストン４０２が下死点近傍に保持されるように、比較的に（実質的に）一定である。下側ドエル期間により、前記過冷却された気体がほぼ完全に平衡化し、作動流体のうち液体の部分を凝縮させるのに必要な長さの時間が得られ、それにより、シリンダ容積が最大である状態で圧縮行程が行われるときのシリンダ圧が低下する。下側ドエル期間により、ピストン・シリンダ４０１が、動力取出しサイクルにおける他の状態に比較して、より低い圧力と、より大きいシリンダ容積とを、ピストン・シリンダ４０１内の作動流体のために有するようにさせられる。ＨＥＥＣ機関４００の一実施形態においては、運動機構４０４を、約３０度という角度でのドライブシャフト４０８の回転に相当する下側ドエル期間を実現するように構成することが可能であるが、他の構成態様を対象としてもよい。一実施形態においては、その下側ドエル時間を、作動流体が、移動律速過程(transport-limited process、移動(transport)が全凝縮時間の長さを支配的に決める過程)のもとで凝縮させられるように最適化することが可能である。

下側ドエル期間の間における急速な再凝縮（recondensation、先に凝縮させられて気化された流体が、再度、凝縮させられること）速度を増加させるために、ＨＥＥＣ機関４００の一実施形態は、ピストン・シリンダ４０１の内側表面を、ある材料で構成されるように実現することが可能であり、その材料は、ピストン・シリンダ４０１の表面上における気体分子の急速凝縮を、特にピストン４０２が下側ドエル期間に近い位置またはその期間内の位置に至ると、実現するものである。例えば、ガラス、金属などが、そのような内側表面の材料の例である可能性がある。ピストン・シリンダ４０１内の作動流体が、移動律速過程（transport-limited process)に従って凝縮する可能性があるため、その作動流体の複数の液滴が、ピストン・シリンダ４０１の内側表面上に集まる可能性がある。さらに、このピストン・シリンダ４０１は、前記内側シリンダ壁のうちの複数の領域であってそれぞれ互いに異なる材料によって構成されたものを有し、それにより、下死点近傍の部分において発生する凝縮を、膨張サイクルのうちの他の部分におけるより多く促進する可能性がある。

図６は、例示的なＨＥＥＣ機関４００を状態３にある状態で示している。状態３においては、ピストン４０２が依然として下死点に位置している。しかし、この状態に至るときには、凝縮可能な流体のすべてまたはほぼすべてが固体表面上に、当該サイクル内のシリンダ圧が最低であるように、凝縮し終わっている。この時点においては、ピストン４０２の下側端部が、運動機構４０４の平面表面部４０６から離間することを開始しようとしているとともに、ピストン４０２が圧縮を開始しようとしている。すなわち、状態３は、下死点側のドエル時間（期間）の終点を決めるのである。ＨＥＥＣ機関４００の圧縮行程であって状態３と状態４との間に位置するものの間、ピストン４０２がそれの下死点からそれの上死点に向かって移動する。ＨＥＥＣ機関４０４の一実施形態においては、ピストン４０２の下死点から上死点までの移動（すなわち、状態３から状態４までの移動）は、１５０度というように大きな角度でのドライブシャフト４０８の回転に相当する。

図７は、例示的なＨＥＥＣ機関４００を状態４にある状態で示している。状態４にある間、運動機構４０４の平面表面部４０６は、ピストン４０２の運動方向に対してほぼ直角であり、前記カムのプロファイル（外形形状）の半径であってドライブシャフト４０８の中心点から、カム・フォロワ（ホイール）４１０との接触点まで測定されるものが、ほぼ一定である。その結果、このサイクルの間、ピストン４０２が、比較的（comparatively）長い時間、上死点に保持される。ＨＥＥＣ機関４００のこの期間は、「上側ドエル(dwell、無効、休止、遊び）期間」と称される。一実施形態においては、ピストン４０２が、ドライブシャフト４０８が最大で９０度回転する間、上死点に保持される。運動機構４０４の構成は、上死点における長い上側ドエル期間が、加熱されたシリンダ・ヘッド（ヘッド・ブロック）から作動流体に移動する熱の量を最大化するための時間を可能にする方法で最適化することが可能である。注記すべきことは、上側ドエル期間中、作動流体が内側チャンバ（例えば、図３に示す内側チャンバ（シリンダ内室）３１６）であってマイクロ流体型熱交換器３０２に近接しているものにおいて圧縮されるということである。ＨＥＥＣサイクルのうちの状態４の終点に向かって、運動機構４０４の平面表面部４０６が、ピストン４０２（図４に示すように）の下降の方向に比較的よく一致するように位置合わせされている。状態４と状態１との間において、上側ドエル期間において作動流体が長い時間加熱されることが原因で、作動流体が気化するとともに、シリンダ圧が、状態１における最高値まで上昇する。

図８は、例示的なＨＥＥＣ機関についての圧力−容積（ＰＶ）線図８００を、それの動力サイクルが上述の複数の状態のそれぞれにある期間について示している。ＰＶ線図８００においては、この動力サイクルが、ピストン用の作動流体についての飽和気液相境界線（破線８０１で示す）に重ね合わせられている。具体的には、ＰＶ線図８００は、非平衡状態でピストンが膨張を行う場合のピストン膨張プロファイル８０６であって実験的に測定されたものを、平衡状態で行われる別の複数の過程（グラフ・ライン(graphed lines)８０２，８１０および８１４で示す）についての平衡状態解析（平衡状態にある熱力学サイクルの解析）の結果との組合わせとして示しており、その組合せにより、ＨＥＥＣサイクルが閉じたサイクルとなる。その平衡状態解析は、別の複数の状態のすべてにつき、市販されている熱力学ソフトウエア・パッケージを用いて行われた。ＰＶ線図８００は、図４−図７に図示された複数の状態図(state diagrams)に関連付けることも可能である。図８に示すように、ＨＥＥＣ機関についての状態１（符号８０４で示す）は、概して、加熱(heat addition、熱注入）期間８０２の終点に対応する。ＨＥＥＣ機関についての状態２（符号８０８で示す）は、概して、ピストン膨張期間（ピストン膨張プロファイル）８０６の終点に対応する。ＨＥＥＣ機関についての状態３（符号８１２で示す）は、概して、ＨＥＥＣによって最適化された下側ドエル期間８１０の終点に対応する。ＨＥＥＣ機関についての状態４（符号８１６で示す）は、概して、等エントロピー圧縮プロファイル（等エントロピー圧縮カーブ、等エントロピー圧縮期間）８１４の終点に対応する。

具体的には、加熱期間８０２の間、ピストンは、上側ドエル中心点（ＴＤＣ）近傍に保持され、それが原因で、作動流体の容積がほぼ一定に維持される。しかし、この期間８０２の間、熱が作動流体に加えられることが原因で、作動流体の圧力が急速に上昇する。この加熱期間８０２の終点においては、ピストンが、急速な膨張を行うピストン膨張期間８０６を開始する。本明細書に開示されているＨＥＥＣ機関の例においては、ピストン膨張期間８０６の間における急速な気体の膨張が、ピストンが、下死点（ＢＤＣ）に向かって移動し、その間、飽和気液相遷移線（境界線）を横切り、それにより、凝縮および／または物質拡散を行う移動律速過程(transport limited process)を形成することを可能にすることによって達成され、その移動律速過程は、ピストン膨張期間８０６のうちの少なくとも実質的な部分（substantial portion）の間において気体が完全に、平衡状態にある２相流体に平衡化することを阻止する。その結果、下側ドエル期間８１０の間、ＨＥＥＣ機関のピストンは、下死点に保持されることが可能となり、よって、この下側ドエル期間８１０は、下死点側ドエル期間と称することも可能である。ピストンが下死点に保持されることと、前述の別に取り出された仕事のエネルギーが作動流体を過冷却させてきたことを理由に、気体が凝縮して、作動流体の複数の液滴であってシリンダ内部の固体表面上に付着するものとなる。それら液滴は、ピストン・シリンダの内側表面の近傍位置においてより簡単に形成される可能性がある。一方、シリンダの中心部近傍にある気体は、気体状態のままであるが、気体分子の減少が原因でより低圧になると、凝縮状態に移行する可能性がある。

等エントロピー圧縮期間８１４の間、ピストンは、準等エントロピー圧縮プロファイル（グラフ上のカーブ）に従って下死点位置から上死点位置に移動する。その圧縮速度は、熱力学的平衡が前記圧縮の全期間を通じて完全に達成されるかまたはほぼ達成されるために十分であるほどに低速である。その結果、膨張期間におけるシリンダ内の気圧であって凝縮された液体をほとんど有しないものが、圧縮期間における気圧より高い。ピストンによる圧縮期間の間、作動流体の気体および液滴は、凝縮してシリンダの内側チャンバ内に戻り、その内側チャンバ内においては、それら気体および液滴の加熱および気化によってこのサイクルが繰り返される可能性がある。

ＰＶ線図８００は、非平衡状態でピストンが膨張を行う場合のピストン膨張プロファイル８０６であって実験的に測定されたものを、ＨＥＥＣ用作動流体の一候補であるオクタフルオロプロパン（Octafluoropropane）(R218)を用いるピストン・シリンダの圧力と容積との対比について示している。ピストン膨張プロファイル８０６は、熱力学的平衡状態を表す現存のモデルを用いて解析的に計算することを現在行うことは不可能なものであるが、ピストンによる膨張が非平衡状態で行われる間、凝縮および／または物質拡散を行う移動律速過程(transport limited process)を生起するために、飽和液相線を臨界的に横切ることを図示している。図８に示すように、状態１および状態２は、測定値によって実験的に決定される。計算によって取得された領域(area、面積）であってピストン膨張プロファイル８０６の下方に存在するものは、ピストンによる比仕事エネルギーであって前述のようにして取り出されたものを表している。この比仕事エネルギーを状態１から引き算し、かつ、熱力学平衡状態を計算するソフトウエア・パッケージ（例えば、REFPROP 200と、NIST Standard Reference Database 23）を用いると、他のサイクル状態点８１２（状態３)および８１６（状態４）のすべてならびに圧縮プロファイル（期間）８１４を推定することが可能である。例えば、サイクル状態点８１２（状態３）は、サイクル状態点８０８（状態２）における比容積を前提に、かつ、前記比仕事エネルギー（実験的に導出された膨張期間（ピストン膨張プロファイル）８０６の下方に存在する総面積）をサイクル状態点８０４（状態１）の内部エネルギーから引き算することにより、導出された。サイクル状態点８１６（状態４）は、サイクル状態点８１２（状態３）からサイクル状態点８０４（状態１）における比容積まで等エントロピー圧縮が行われることを仮定することにより、推定された。このサイクルによって生成される正味の仕事は、ＰＶ線図８００上において複数の状態点８０２，８０６，８１０および８１４によって包囲される面積の総合値であってＰＶ仕事を表すものである。

図９は、例示的なＨＥＥＣ機関についての種々の非正弦波状のピストン運動軌跡を、従来のピストン機関と対比して示す線図９００であり、前記ＨＥＥＣ機関は、例示的な複数種類の運動機構を用い、前記従来のピストン機関は、正弦波状のピストン運動軌跡を有する。この線図９００は、１または２以上のグラフを有し、それらグラフは、ピストンの複数の運動軌跡を、ピストンによって駆動されるドライブシャフトの回転角を変数として示している。具体的には、この線図９００は、（１）グラフ９０２であって、カムを用いる例示的なＨＥＥＣ機関についてのピストンの運動軌跡を、ピストンによって駆動されるドライブシャフトの回転角を変数として示すものと、（２）グラフ９０８であって、典型的なドライブシャフトを用いる例示的なＨＥＥＣ機関についてのピストンの運動軌跡を、ピストンによって駆動されるドライブシャフトの回転角を変数として示すものと、（３）グラフ９０６であって、スコッチ・ヨーク機構を用いる例示的なＨＥＥＣ機関についてのピストンの運動軌跡を、ピストンによって駆動されるドライブシャフトの回転角を変数として示すものと、（４）グラフ９０４であって、変形されたスコッチ・ヨーク機構を用いる例示的なＨＥＥＣ機関についてのピストンの運動軌跡を、ピストンによって駆動されるドライブシャフトの回転角を変数として示すものとを有する。

より具体的には、グラフ９０２は、例示的なＨＥＥＣ機関についての動力サイクルを状態１−４（例えば、図９において符号１−４によって示されている）にわたって示している。状態１から状態２までのピストンの運動は、ピストン・シリンダ内の作動流体についての急速な膨張期間９１０を示しており、その運動を原因として、ピストンが、上死点から下死点まで移動させられる。ピストンの下側ドエル期間９１２においては、ピストンが下死点においてほぼ完全に静止しており、その下側ドエル期間９１２により、複数の気体粒子の一部が凝縮し、ピストン・シリンダの内側表面の近傍位置において作動流体の複数の液滴となる。このＨＥＥＣ機関の圧縮期間９１４の間、ピストンは、等エントロピー・プロファイルに従って下死点から上死点まで移動する。状態４と状態１との間の期間は、上側ドエル期間９１６と称される。この上側ドエル期間９１６の間、ピストンは、上死点に実質的に保持される。

ドライブシャフトに関する多くのシナリオにおいて、ドライブシャフトは、ほぼ一定の回転数(rpm)で回転し、そのドライブシャフトの回転角は時間と共に直線的に増加する（synchronized in time、ドライブシャフトの回転角速度が時間の経過に対して一定である）。しかし、ＨＥＥＣ動力サイクルについての少なくとも１つの実施形態においては、膨張が、圧縮行程より短い時間間隔にわたり、発生する。この時間間隔は、具体的な作動流体の状態量、ピストンおよびシリンダの幾何学的性質（geometry）、ならびに、一般的には、むしろ、凝縮および物質移動を行う複雑な現象であって過冷却された作動流体内において液滴が形成されることによって低い平衡化速度を定義するものに依存する。計測される研究用ピストン(research piston)を用いる実験的な複数の測定値を、種々の非平衡状態においてシリンダ圧に発生する種々の変化量を直接的に測定するために用いることが可能である。それら測定値は、ピストンについての最適な時間プロファイル(temporal profile)を導出するために、状態２および状態３におけるシリンダ圧についての平衡状態での熱力学的解析に結び付けることが可能である。このピストンについての時間プロファイルがひとたび既知となれば、運動学的であり、また、可能性としては電気力学的（electrodynamic、電気−機械変換型）であり得る多数の機構を、必要な非正弦波状の運動を生成するように設計することが可能である。

ＨＥＥＣサイクルを最適化する別の方法は、図２に示す研究用機関(research engine)を構築する工程と、ＨＥＥＣ動力サイクルから正味の仕事を取り出すために最適なカム・プロフィルを求めるために、ピストン・シャフトの仕事を測定しつつ、種々のカム・プロファイルを試験する工程とにより構成され得る。

上述の例示的な運動学的・機械的機構であって回転数（ｒｐｍ）が一定であるドライブシャフトの回転から非正弦波状運動を生成するものに加えて、ピストンの運動速度を変更するための別の機構が、ドライブシャフトの回転速度を実時間で（real-time、そのドライブシャフトの回転中に）変化させることを、従来のドライブシャフト型ピストン機関との組合せにおいて行う。この種のデバイスの一例は、電気的モータ／発電機を含むが、これに限定されず、その電気的モータ／発電機は、従来のピストン機関のドライブシャフトに、その電気的モータ／発電機が前記ピストン機関のドライブシャフト上のねじり負荷を変更することが可能であるように連結される。その電気的モータ／発電機は、図９に示すプロファイルと同様なものを生成するために、従来のピストン機関のドライブシャフトの回転速度を変更する再生的ブレーキとして効果的に作用することが可能である。図８に示すように動力サイクルを生成することによって正味の仕事が生成されることが原因で、前記電気的モータ／発電機は、ＨＥＥＣ（高効率エネルギー変換型）モータ(motor、動力発生器）の断熱ヘッド・ブロックに加えられる熱を利用することにより、正味の動力を発生させるであろう。この電気−機械変換システムの利点は、機関の出力効率を最適化するために、運動制御範囲を広げることが可能であるということである。

別の方法においては、運動機構と、機関が出力するシャフト回転数（ＲＰＭ）の変化との組合せを、出力を行う回転シャフトを用いて非正弦波状ピストン運動を生成するために用いることが可能である。さらに別の方法であってＨＥＥＣサイクルを最適化するものにおいては、リニア・アクチュエータ（直線運動アクチュエータ）を、回転シャフトの出力を行うことなく、ピストン運動を制御するために用いることが可能である。その場合、そのピストンは、磁石を有することが可能であり、その磁石は、その磁石を包囲する機関ハウジング内に電流を誘導する。その誘導された電流を制御することにより、ピストンの運動が制御され、そして、正味の電流が発生させられる。

図１０は、例示的なＨＥＥＣ機関の作動についてのフロー図１０００である。具体的には、フロー図１０００は、ＨＥＥＣ機関を運転し、それにより、ピストン４０２に状態１−４を循環させる。フロー図１０００に示す複数の作動工程は順次実行されるように図示されているが、それら作動工程のうちの少なくとも一つを別の作動工程と同時に実行することが可能である。例えば、一実施形態においては、作動工程１００２によって図示されているように、エネルギー源の作用(application、付加、適用）を、作動工程１００４−１０１０が開始されている間、連続的に行われる作動工程とすることが可能である。

具体的には、付加工程１００２が、熱または他のエネルギー源を作動流体（例えば、図３に示すように、内側チャンバ３０６内に存在する）に付加する。その熱源は、熱入力部３１０およびマイクロ流体型熱交換器３０２を介して付加することが可能である。その後、変換工程１００４が、作動流体を高圧気体に変換する。本明細書に開示されているＨＥＥＣ機関の一実施形態においては、作動流体の高圧気体への変換を、上死点側ドエル時間の間、ピストンが上死点（ＴＤＣ）において休止することを可能にすることによって達成することが可能であり、その上死点側ドエル時間の長さは、運動機構を介して前記ピストンに装着されたドライブシャフトが９０度回転することにほぼ相当する。

続いて、膨張工程１００６が、作動流体から発生した気体の容積を急速に膨張させる。本明細書に開示されているＨＥＥＣ機関の一実施形態においては、その気体の急速膨張が、前記ピストンを下死点（ＢＤＣ）に向かって運動させることによって達成され、そのようなピストン運動を行う目的は、膨張中に、飽和気相線（転移線）のような相転移線を横切ることにより、作動流体の膨張過程が非平衡状態で行われるようにすることにある。この急速膨張を行う膨張工程１００６に引き続き、凝縮工程１００８が、前記気体を液滴状の作動流体に凝縮させて、シリンダ圧を低下させる。一実施形態においては、気体を液滴状の作動流体に凝縮させることを、下死点側ドエル時間の間、ピストンが下死点（ＢＤＣ）において休止することを可能にすることによって達成することが可能であり、その下死点側ドエル時間は、前記準安定状態（前記非平衡状態）が崩壊して平衡状態に復元するのにちょうど十分な長さを有する。この凝縮工程１００８が完了すると、圧縮工程１０１０が、前記ピストンを上死点位置に接近する向きに運動させる。一実施形態においては、前記ピストンが圧縮工程１０１０の開始点における下死点から上死点まで運動することを、等エントロピー・プロファイル（カーブ）に沿って行うことが可能であり、その等エントロピー・プロファイルは、前記ピストンが、液滴状の作動流体を捕集して、前記シリンダの上端部にある前記内側チャンバ内に戻すことを可能にする。

典型的には１０−１００ミリ秒より短い時間で急速に高圧気体を生成する内燃機関における燃焼過程とは異なり、ＨＥＥＣ用作動流体内に至る熱伝導経路は、一層遅い時間的尺度で高圧気体を生成する特性を有する。このように、内燃機関より低速で気圧が発生するという現象は、ＨＥＥＣサイクルが動力発生のために反復し得る速度（周期）の最大値を制限する可能性と、同じサイズを有する他の機関より当該機関の出力動力を低下させる可能性とを潜在的に有する可能性がある。同じサイズを有する他の機関よりＨＥＥＣ機関の動力出力値を増加させるために、上死点近傍において作動流体への熱移動を増大させるという改善策が望ましい可能性がある。例えば、上死点近傍において作動流体が露出する(exposed、外界と接触する）表面積を拡大すると、作動流体への熱交換速度が増加する可能性がある。この種の改善策についてのいくつかの例は、上死点近傍のピストン用作動流体をマイクロ流体型熱交換器内に押し込んで急速気化を行うこと、または、表面積−容積比が高いことが普通である上死点シリンダ・プロファイル（TDC cylinder profiles、シリンダのうち上死点近傍の部分の形状）を利用することを含むが、それらに限定されない。

ＨＥＥＣ機関は、専用のピストン用作動流体を使用することが可能であり、その専用のピストン用作動流体は、理想的には、時間の経過に伴う予想外の損失を防止するために、気密に封止された(hermetically sealed、気密に閉塞された）系内に収容される。これに代えて、時間の経過につれてピストン・シールを通過して損失した作動流体を回収（recovery、補償、補充）するための機構を設計することが可能である。

図１１Ａおよび図１１Ｂは、本明細書に説明されているＨＥＥＣ機関の一実施形態において使用することが可能である例示的なピストン・アセンブリ１１００を示しており、そのピストン・アセンブリ１１００は、磁気的に連結されているとともに封止されている。具体的には、図１１Ａは、ピストン・アセンブリ１１００を、ピストンが上死点にある状態で示している。図１１Ｂは、ピストン・アセンブリ１１００を、ピストンが下死点にある状態で示している。ピストン・アセンブリ１１００は、シール漏れに対処するために流体戻りも組み込んでいる。

ピストン・アセンブリ１１００は、シリンダ・ヘッド１１０２を有し、そのシリンダ・ヘッド１１０２は、ピストン壁１１０４を有するピストン・シリンダの上端部に装着されている。ピストン・トップ１１０６を有するピストンは、前記ピストン・シリンダ内に配置されている。そのピストンは、さらに、炭素発泡体(carbon foam、泡状炭素）製のインシュレータ（断熱部材）１１０８を有しており、そのインシュレータ１１０８は、ピストン・トップ１１０６と、内側磁石１１１０とに装着されている。ピストン・アセンブリ１１００の一実施形態においては、内側磁石１１１０が、外側磁石１１１２に磁気的に連結されている。本明細書において説明された種々のサイクル（プロファイル）に従う内側磁石１１１０の動きは、その内側磁石１１１０に同期した外側磁石１１１２の動きも発生させる。外側磁石１１１２は、連接ロッド（ここでは図示しない）の第１端部に装着されており、ここに、そのような連接ロッドの第２端部は、本明細書において説明されている運動機構に連結される。

さらに、ピストン・アセンブリ１１００の一実施形態においては、プランジャ（押圧ピストン）１１１４が、内側磁石１１１０の底部に装着されている。前記ピストン・シリンダ内におけるピストンの位置は、ピストン・ヘッド１１０６の上方に位置する作動流体用内側チャンバ１１２０を形成するように設定することが可能である。この構成態様においては、熱が、熱伝導により、シリンダ・ヘッド１１０２内に連結される熱源と作動流体用内側チャンバ１１２０との間の固体境界面を通過して移動する。シリンダ・ヘッド１１０２は、例えば、加熱された作動流体から熱を取り出すように設計された熱交換器であり得る。これに代えて、シリンダ・ヘッド１１０２は、燃焼室のような別の加熱源(heating source)に直接的に連結された非常に熱伝導率が高い通路であり得る。作動流体用内側チャンバ１１２０は、ＨＥＥＣピストン用作動流体（例えば、予め定められた特性を有する）を収容するために用いることが可能である。熱または他のエネルギーの働きによって作動流体が膨張すると、ピストンが、ピストン・アセンブリ１１００の底部に向かって垂直下向きに動く可能性がある。図１１Ａに示すように、ピストンが上死点にある間、一般的には、前記ピストン・シリンダのうち、プランジャ１１１４より下方に位置する部分に作動流体が全く存在しないであろう。しかし、図１１Ａにおいて符号１１２２によって示すように、作動流体のうちのいくつかの粒子が、ピストン・トップ１１０６の複数本のリングを通過して漏れて、プランジャ１１１４より下方のチャンバ内に侵入する可能性がある。

そのようにして漏れた作動流体を回収するために、ピストン・アセンブリ１１００は、戻り通路用チューブ１１２４を備えたものとすることが可能である。その戻り通路用チューブ１１２４は、前記ピストン・シリンダの底部を、そのピストン・シリンダ（同じピストン・シリンダ）の中間部に連結する。戻り通路用チューブ１１２４の上端部が前記ピストン・シリンダに接続される位置は、ピストンが下死点にあるときに、シリンダ・ヘッド１１０２の上面が、戻り通路用チューブ１１２４の接続端部の上面より下方にあるように、決定される。戻り通路用チューブ１１２４についてのそのような構成のおかげで、ピストンが前記ピストン・シリンダ内を下向きに移動するとき、プランジャ１１１４が、作動流体の複数の液滴１１２２を捕集し、それら液滴１１２２を戻り通路用チューブ１１２４に押し込む。戻り通路用チューブ１１２４は、逆止弁１１２６を備えており、その逆止弁１１２６は、作動流体の一方向流れ、具体的には、前記ピストン・シリンダの底部からそのピストン・シリンダの上部に向かう方向１１２８の流れを許可する。

図１２は、例示的なピストン・アセンブリ１２００を３次元的に示す図である。具体的には、図１２は、ピストン・アセンブリ１２００を示しており、そのピストン・アセンブリ１２００は、複数本の連接ロッド１２０４のそれぞれの第１端部に装着された外側磁石１２０２を備えている。それら連接ロッド１２０４のそれぞれの下側端部は、本明細書に説明されている運動機構に装着することが可能である。一実施形態においては、ピストン・アセンブリ１２００の複数の内側磁石の動きを原因として、複数の外側磁石１２０２が運動し、それにより、前記運動機構に装着されたドライブシャフトが回転する。ピストン・アセンブリ１２００は、さらに、戻り通路用チューブ１２０８および逆止弁１２１０（例えば、戻り通路用チューブ１１２４および逆止弁１１２６に対応する）を有する。

図１３は、例示的なエネルギー変換システム１３００を示しており、そのエネルギー変換システム１３００は、ベローズ１３０２（支持ポスト１３１６と熱交換器ヘッド１３０４とに隠れて部分的に見えない）で包囲されることによってそのベローズ１３０２によって封止されたベローズ封止ピストンを有する。熱交換器ヘッド１３０４は、エネルギー変換システム１３００の一端部に配置されるとともに、熱移動を行うための熱移送用流体（例えば、スチーム、熱水）が熱交換器ヘッド１３０４を通過して流れるように、入力部１３０６および出力部１３０８を備えている。その熱移送用流体は、入力部１３０６において熱交換器ヘッド１３０４内に流入し、中央チューブ（図示しないが、ベローズ１３０２内に包囲されている）内を下向きに流れ、環状外側通路（図示しないが、ベローズ１３０２内に包囲されている）内を上向きに流れ、そして、出力部１３０８において熱交換器ヘッド１３０４から排出される。

ベローズ１３０２内においては、前記熱移送用流体が、ピストン・シリンダ用の作動流体から分離しており、その分離は、熱が前記熱移送用流体から作動流体に伝達される際に通過する熱伝導壁によって行われ、その熱伝導壁は、ベローズ１３０２内において封止されている。作動流体の膨張であって上述のようにして移動させられた熱から発生するものを原因として、ピストン・シャフト（ベローズ１３０２内において部分的に包囲されるとともに封止されている）が、熱交換器ヘッド１３０４から遠ざかる向きに移動する。そのピストン・シャフトは、直線運動するように案内された直線ガイド付きカム・クランク型入力ロッド１３１０に連結されており、その直線ガイド付きカム・クランク型ロッド１３１０は、カム１３１２を駆動してシャフト（ドライブシャフト）１３１４を回転させる。

図１４は、例示的な熱交換器ヘッド１４００を示す断面図であり、その熱交換器ヘッド１４００は、圧縮状態にあるベローズによって封止されたピストン・シャフト１４０２と組み合わされる。熱交換器ヘッド１４００は、熱移動を行うための熱移送用流体（例えば、スチーム、熱水）が熱交換器ヘッド１４００を通過して流れるように、入力部１４０４および出力部１４０６を備えている。その熱移送用流体は、入力部１４０４において熱交換器ヘッド１４００内に流入し、中央チューブ１４０８内を下向きに流れ、中央チューブ１４０８の外側にある環状通路である環状外側通路１４１０内を上向きに流れ、そして、出力部１４０６において熱交換器ヘッド１４００から排出される。

ベローズ１４１２内においては、前記熱移送用流体が、ピストン・シリンダ用の作動流体から分離しており、その分離は、熱が前記熱移送用流体から作動流体に伝達される際に通過する熱伝導壁であって側壁１４１４および底壁１４１６を有するものによって行われ、前記熱移送用流体は、中央チューブ１４０８および環状外側通路１４１０を通過して、作動流体まで流れ、前記熱伝導壁は、ベローズ１４１２と熱伝導壁（すなわち、側壁１４１４および底壁１４１６）との間の容積室内において封止されている。作動流体の膨張であって上述のようにして移動させられた熱から発生するものを原因として、ピストン・シャフト１４０２が熱交換器ヘッド１４００から遠ざかる向きに移動する。そのピストン・シャフト１４０２は、直線運動するように案内された直線ガイド付きカム・クランク型入力ロッド（図１４には図示されていない）に連結されており、その直線ガイド付きカム・クランク型入力ロッドは、カム（図１４には図示されていない）を駆動してシャフト（ドライブシャフト）（図１４には図示されていない）を回転させる。

ベローズ１４１２の一端部であって熱交換器ヘッド１４００に近いものは、環状外側通路１４１０の外周面に対して封止（シール）されており、一方、ベローズ１４１２の一端部であってピストン・シャフト１４０２に近いものは、ピストン・シャフト１４０２に対して封止（シール）されている。そのピストン・シャフト１４０２は、前記直線ガイド付きカム・クランク型入力ロッドに連結されていて、ピストン・サイクルのうちの膨張過程においては、熱交換器ヘッド１４００から遠ざかる向きに直線運動し、また、前記ピストン・サイクルのうちの圧縮過程においては熱交換器ヘッド１４００に近づく向きに直線運動する。

前記膨張過程は、作動流体の急速気化に由来し、その急速気化は、前記熱移動であって前記熱移送用流体からの、前記熱伝導壁を経由したものによって発生させられる。前述のように、その急速気化により、ベローズ１４１２と前記熱伝導壁との間の容積室内の圧力が急速に上昇し、それを原因として、ベローズ１４１２が伸張させられるとともに、ピストン・シャフト１４０２が熱交換器ヘッド１４００から遠ざかる向きに押し出される。

前記圧縮過程は、前記カムの回転に由来し、そのカムの回転を原因として、前記カム・クランク入力ロッドおよびピストン・シャフト１４０２が熱交換器ヘッド１４００に近づく向きに移動させられる。この運動を原因として、ベローズ１４１２が圧縮させられて図１４に示す位置に至り、それにより、ベローズ１４１２と前記熱伝導壁との間の容積室内の作動流体を圧縮し、これは、別の急速気化・膨張過程の準備段階である。

図１５は、例示的な熱交換器１５００を示す斜視図であり、その熱交換器１５００は、収縮状態にあるベローズによって封止されたピストン・シャフト１５０２と組み合わされる。熱交換器エレメント１５００は、熱移動を行うための熱移送用流体（例えば、スチーム、熱水）が熱交換器ヘッド１５００を通過して流れるように、入力部１５０４および出力部１５０６を備えている。その熱移送用流体は、入力部１５０４において熱交換器ヘッド１５００内に流入し、中央チューブ１５０８内を下向きに流れ、中央チューブ１５０８の外側にある環状通路である環状外側通路１５１０内を上向きに流れ、そして、出力部１５０６において熱交換器ヘッド１５００から排出される。

ベローズ１５１２内においては、前記熱移送用流体が作動流体から分離しており、その分離は、熱が前記熱移送用流体から作動流体に伝達される際に通過する熱伝導壁であって側壁１５１４および底壁１５１６を有するものによって行われ、前記熱移送用流体は、中央チューブ１５０８および環状外側通路１５１０を通過して、作動流体まで流れ、前記熱伝導壁は、ベローズ１５１２と熱伝導壁（すなわち、側壁１５１４および底壁１５１６）との間の容積室内において封止されている。作動流体の膨張であって上述のようにして移動させられた熱から発生するものを原因として、ピストン・シャフト１５０２が熱交換器ヘッド１５００から遠ざかる向きに移動する。そのピストン・シャフト１５０２は、直線運動するように案内された直線ガイド付きカム・クランク型入力ロッド（図１５には図示されていない）に連結されており、その直線ガイド付きカム・クランク型入力ロッドは、カム（図１５には図示されていない）を駆動してシャフト（ドライブシャフト）（図１５には図示されていない）を回転させる。

ベローズ１５１２の一端部であって熱交換器ヘッド１５００に近いものは、環状外側通路１５１０の外周面に対して封止（シール）されており、一方、ベローズ１５１２の一端部であってピストン・シャフト１５０２に近いものは、ピストン・シャフト１５０２に対して封止（シール）されている。そのピストン・シャフト１５０２は、前記直線ガイド付きカム・クランク型入力ロッドに連結されていて、ピストン・サイクルのうちの膨張過程においては、熱交換器ヘッド１５００から遠ざかる向きに直線運動し、また、前記ピストン・サイクルのうちの圧縮過程においては熱交換器ヘッド１５００に近づく向きに直線運動する。

前記膨張過程は、作動流体の急速気化に由来し、その急速気化は、前記熱移動であって前記熱移送用流体からの、前記熱伝導壁を経由したものによって発生させられる。前述のように、その急速膨張により、ベローズ１５１２と前記熱伝導壁との間の容積室内の圧力が急速に上昇し、それを原因として、ベローズ１５１２が伸張させられるとともに、ピストン・シャフト１５０２が熱交換器ヘッド１５００から遠ざかる向きに押し出される。

前記圧縮過程は、前記カムの回転に由来し、そのカムの回転を原因として、前記カム・クランク入力ロッドおよびピストン・シャフト１５０２が熱交換器ヘッド１５００に近づく向きに移動させられる。この運動を原因として、ベローズ１５１２が圧縮させられて図１５に示す位置に至り、それにより、ベローズ１５１２と前記熱伝導壁との間の容積室内の作動流体を圧縮し、これは、別の急速気化・膨張過程の準備段階である。

図１６は、例示的な熱交換器ヘッド１６００を示す断面図であり、その熱交換器ヘッド１６００は、伸張状態にあるベローズによって封止されたピストン・シャフト１６０２と組み合わされる。熱交換器エレメント１６００は、熱移動を行うための熱移送用流体（例えば、スチーム、熱水）が熱交換器ヘッド１６００を通過して流れるように、入力部１６０４および出力部１６０６を備えている。その熱移送用流体は、入力部１６０４において熱交換器ヘッド１６００内に流入し、中央チューブ１６０８内を下向きに流れ、中央チューブ１６０８の外側にある環状通路である環状外側通路１６１０内を上向きに流れ、そして、出力部１６０６において熱交換器ヘッド１６００から排出される。

ベローズ１６１２内においては、前記熱移送用流体が作動流体から分離しており、その分離は、熱が前記熱移送用流体から作動流体に伝達される際に通過する熱伝導壁であって側壁１６１４および底壁１６１６を有するものによって行われ、前記熱移送用流体は、中央チューブ１６０８および環状外側通路１６１０を通過して、作動流体まで流れ、前記熱伝導壁は、ベローズ１６１２と熱伝導壁（すなわち、側壁１６１４および底壁１６１６）との間の容積室内において封止されている。作動流体の膨張であって上述のようにして移動させられた熱から発生するものを原因として、ピストン・シャフト１６０２が熱交換器ヘッド１６００から遠ざかる向きに移動する。そのピストン・シャフト１６０２は、直線運動するように案内された直線ガイド付きカム・クランク型入力ロッド（図１６には図示されていない）に連結されており、その直線ガイド付きカム・クランク型入力ロッドは、カム（図１６には図示されていない）を駆動してシャフト（ドライブシャフト）（図１６には図示されていない）を回転させる。

ベローズ１６１２の一端部であって熱交換器ヘッド１６００に近いものは、環状外側通路１６１０の外周面に対して封止（シール）されており、一方、ベローズ１６１２の一端部であってピストン・シャフト１６０２に近いものは、ピストン・シャフト１６０２に対して封止（シール）されている。そのピストン・シャフト１６０２は、前記直線ガイド付きカム・クランク型入力ロッドに連結されていて、ピストン・サイクルのうちの膨張過程においては、熱交換器ヘッド１６００から遠ざかる向きに直線運動し、また、前記ピストン・サイクルのうちの圧縮過程においては熱交換器ヘッド１６００に近づく向きに直線運動する。

前記膨張過程は、作動流体の急速気化に由来し、その急速気化は、前記熱移動であって前記熱移送用流体からの、前記熱伝導壁を経由したものによって発生させられる。前述のように、その急速膨張により、ベローズ１６１２と前記熱伝導壁との間の容積室内の圧力が急速に上昇する。この圧力上昇により、ピストン・シャフト１４０２が熱交換器ヘッド１６００から遠ざかる向きに押し出される。ベローズ１６１２は、この運動を、自身の軸方向伸張によって吸収する。

前記圧縮過程は、前記カムの回転に由来し、そのカムの回転を原因として、前記カム・クランク入力ロッドおよびピストン・シャフト１６０２が熱交換器ヘッド１６００に近づく向きに移動させられる。この運動を原因として、ベローズ１６１２が圧縮させられて図１６に示す位置に至り、それにより、ベローズ１６１２と前記熱伝導壁との間の容積室内の作動流体を圧縮し、これは、別の急速気化・膨張過程の準備段階である。

図１７は、例示的な熱交換器１７００を示す斜視図であり、その熱交換器１７００は、伸張状態にあるベローズによって封止されたピストン・シャフト１７０２と組み合わされる。熱交換器エレメント１７００は、熱移動を行うための熱移送用流体（例えば、スチーム、熱水）が熱交換器ヘッド１７００を通過して流れるように、入力部１７０４および出力部１７０６を備えている。その熱移送用流体は、入力部１７０４において熱交換器ヘッド１７００内に流入し、中央チューブ１７０８内を下向きに流れ、中央チューブ１７０８の外側にある環状通路である環状外側通路１７１０内を上向きに流れ、そして、出力部１７０６において熱交換器ヘッド１７００から排出される。

ベローズ１７１２内においては、前記熱移送用流体が作動流体から分離しており、その分離は、熱が前記熱移送用流体から作動流体に伝達される際に通過する熱伝導壁であって側壁１７１４および底壁１７１７を有するものによって行われ、前記熱移送用流体は、中央チューブ１７０８および環状外側通路１７１０を通過して、作動流体まで流れ、前記熱伝導壁は、ベローズ１７１２と熱伝導壁（すなわち、側壁１７１４および底壁１７１７）との間の容積室内において封止されている。作動流体の膨張であって上述のようにして移動させられた熱から発生するものを原因として、ピストン・シャフト１７０２が熱交換器ヘッド１７００から遠ざかる向きに移動する。そのピストン・シャフト１７０２は、直線運動するように案内された直線ガイド付きカム・クランク型入力ロッド（図１７には図示されていない）に連結されており、その直線ガイド付きカム・クランク型入力ロッドは、カム（図１７には図示されていない）を駆動してシャフト（ドライブシャフト）（図１７には図示されていない）を回転させる。

ベローズ１７１２の一端部であって熱交換器ヘッド１７００に近いものは、環状外側通路１７１０の外周面に対して封止（シール）されており、一方、ベローズ１７１２の一端部であってピストン・シャフト１７０２に近いものは、ピストン・シャフト１７０２に対して封止（シール）されている。そのピストン・シャフト１７０２は、直線ガイド付きカム・クランク型入力ロッド（図１７には図示されていない）に連結されていて、ピストン・サイクルのうちの膨張過程においては、熱交換器ヘッド１７００から遠ざかる向きに直線運動し、また、前記ピストン・サイクルのうちの圧縮過程においては熱交換器ヘッド１７００に近づく向きに直線運動する。

前記膨張過程は、作動流体の急速気化に由来し、その急速気化は、前記熱移動であって前記熱移送用流体からの、前記熱伝導壁を経由したものによって発生させられる。前述のように、その急速膨張により、ベローズ１７１２と前記熱伝導壁との間の容積室内の圧力が急速に上昇する。この圧力上昇により、ピストンを下向きに押し出すための力が加えられるか、または、それに代えて、ベローズ１７１２が、軸方向に伸張するとともに、ピストン・シャフト１７０２が熱交換器ヘッド１７００から遠ざかる向きに押し出される。

前記圧縮過程は、前記カムの回転に由来し、そのカムの回転を原因として、前記カム・クランク入力ロッドおよびピストン・シャフト１７０２が熱交換器ヘッド１７００に近づく向きに移動させられる。この運動を原因として、ベローズ１７１２が圧縮させられて図１７に示す位置に至り、それにより、ベローズ１７１２と前記熱伝導壁との間の容積室内の作動流体を圧縮し、これは、別の急速気化・膨張過程の準備段階である。

図１８は、例示的なＨＥＥＣ機関において使用することが可能である運動機構を示しているが、他の運動機構を採用してもよいことを理解すべきである。この例示的な運動機構は、圧縮行程より高速である膨張行程を生成するように構成されているが、当該システムの要求事項に応じて異なる特性を持たせることが可能である。従来のピストン機関であって、ドライフシャフト・ピンとピストン・ピンとの双方において回転自在な状態であることを除いて位置が固定されているものとは異なり、別の運動機構が、ドライブシャフト・ピンおよび／またはピストン・ピンが予め定められたパターン（経路）でスライドし、それにより、ピストン運動を、ほぼ正弦波状である運動から外れたものにすることが可能である。図１８は、スコッチ・ヨーク・アセンブリ１８００であってピストン１８０２を有するものを示している。さらに、そのスコッチ・ヨーク・アセンブリ１８００は、運動機構１８０４を有し、その運動機構１８０４は、スロット（長穴）１８０６により、ピストン１８０２に連結されており、そのスロット１８０６は、ピン１８０８に係合している。そのピン１８０８は、回転部１８１０を介してドライブシャフト１８１２に連結されている。その運動機構１８０４の幾何学的性質（geometry）は、ピストン１８０２の直線運動をドライブシャフト１８１０の回転運動に変換するように構成することが可能である。具体的には、この運動機構１８０４の幾何学的性質は、ピストン１８０２が上側ドエル時間を有するように構成することが可能であり、その上側ドエル時間は、ピストン・シリンダ内の作動流体が高圧気体に変化することを可能にする。さらに、この運動機構１８０４の形状は、さらに、ピストン１８０２が下死点（ＢＤＣ）位置に接近するにつれてピストン１８０２がピストン・シリンダ内の気体の急速膨張を発生させるようにすることも可能である。さらにまた、この運動機構１８０４の形状は、さらに、ピストン１８０２が下側ドエル時間を有するようにすることも可能であり、その下側ドエル時間は、ピストン・シリンダ内の作動流体が下死点（ＢＤＣ）位置に接近するにつれてピストン１８０２がピストン・シリンダ内の気体の準安定熱力学的状態が崩壊して平衡状態に復元し、それにより、その気体が凝縮して液滴状の作動流体となって、ピストン・シリンダ内の圧力が低下するほどに十分に長い長さを有する。図１８に示すように、ピストン１８０２は、上死点位置に近い。

図１９は、例示的なＨＥＥＣ機関において使用することが可能である別の運動機構を示している。その例示的なＨＥＥＣ機関は、圧縮行程より高速な膨張行程を生成するように構成されているが、当該システムの要求事項に応じて異なる特性を持たせることが可能である。具体的には、図１９は、スコッチ・ヨーク・アセンブリ１９００であってピストン１９０２を有するものの機能を示している。さらに、そのスコッチ・ヨーク・アセンブリ１９００は、運動機構１９０４を有し、その運動機構１９０４は、スロット（長穴）１９０６により、ピストン１９０２に連結されており、そのスロット１９０６は、ピン１９０８に係合している。そのピン１９０８は、回転部１９１０を介してドライブシャフト１９１２に連結されている。その運動機構１９０４の幾何学的性質（geometry）は、ピストン１９０２の直線運動をドライブシャフト１９１０の回転運動に変換するように構成することが可能である。具体的には、この運動機構１９０４の幾何学的性質は、ピストン１９０２が上側ドエル時間を有するように構成することが可能であり、その上側ドエル時間は、ピストン・シリンダ内の作動流体が高圧気体に変化することを可能にする。さらに、この運動機構１９０４の形状は、さらに、ピストン１９０２が下死点（ＢＤＣ）位置に接近するにつれてピストン１９０２がピストン・シリンダ内の気体の急速膨張を発生させるようにすることも可能である。さらにまた、この運動機構１９０４の形状は、さらに、ピストン１９０２が下側ドエル時間を有するようにすることも可能であり、その下側ドエル時間は、ピストン・シリンダ内の作動流体が下死点（ＢＤＣ）位置に接近するにつれてピストン１９０２がピストン・シリンダ内の気体の準安定熱力学的状態が崩壊して平衡状態に復元し、それにより、その気体が凝縮して液滴状の作動流体となって、ピストン・シリンダ内の圧力が低下するほどに十分に長い長さを有する。図１９に示すように、ピストン１９０２は、下死点位置に近い。

上述の説明においては、説明の便宜上、多くの具体的な細部が本発明の完全な理解のために記載される。しかし、当業者にとって明らかであることは、本発明は、それら具体的な細部を伴うことなく実施してもよいということである。例えば、種々の特徴が具体的ないくつかの実施形態に帰属するが、理解すべきことは、一実施形態に関して説明された特徴を、同様にして他の実施形態に組み込んでもよいということである。しかし、同じ理由で、記載されているいずれの実施形態についても、その実施形態の１つの特徴でも複数の特徴でも、本発明にとって不可欠のものであると考えるべきではなく、なぜなら、本発明の他のいくつかの実施形態はそのような特徴を省略する可能性があるからである。

以上説明した仕様、いくつかの例およびデータにより、本発明のいくつかの例示的な実施形態につき、構成および用途が完全に説明される。本発明の多くの実施形態を、本発明の主旨および範囲を逸脱することなく、実現可能であるため、本発明は、後続する特許請求の範囲の欄に記載される。さらに、記載された特許請求の範囲から逸脱することなく、それら互いに異なる複数の実施形態の構造的特徴を組み合せてさらに別の実施形態とすることが可能である。

Claims (24)

1. エネルギー変換システムであって、
   作動流体を収容する封止シリンダを有するピストン・アセンブリと、
   運動機構であって、前記ピストン・アセンブリに装着されるとともに、前記封止シリンダ内において膨張する前記作動流体が、動力サイクルのうちの膨張期間のうちの少なくとも実質的な部分の間、前記作動流体の容積全体にわたり、熱力学的平衡状態が達成されることが阻止されるように、ピストンによる急速な膨張である急速ピストン膨張を行うように構成されたものと
   を含むエネルギー変換システム。
2. 前記運動機構は、さらに、圧縮行程を生成し、それにより、前記ピストン内の前記作動流体が前記圧縮行程の全体にわたって熱力学的平衡状態を達成するように構成されている請求項１に記載のエネルギー変換システム。
3. 前記運動機構は、さらに、前記ピストン・アセンブリがそれの下死点（ＢＤＣ）においてドエル時間を有し、それにより、前記作動流体が凝縮させられる時間を増加させるように構成されている請求項１に記載のエネルギー変換システム。
4. 前記運動機構は、さらに、前記ピストン・アセンブリがそれの上死点（ＴＤＣ）においてドエル時間を有し、それにより、前記作動流体が加熱される時間を増加させるように構成されている請求項１に記載のエネルギー変換システム。
5. 前記作動流体は、前記急速ピストン膨張の行程において前記作動流体が冷却される際に横切られる気液相境界線を有するように選択される請求項１に記載のエネルギー変換システム。
6. 前記作動流体は、（１）冷媒と、（２）溶融塩と、（３）溶融金属とのうちの少なくとも一つである請求項３に記載のエネルギー変換システム。
7. 前記運動機構は、カム・ローブを用いるカム・ローブ機構を含む請求項１に記載のエネルギー変換システム。
8. 前記運動機構は、スコッチ・ヨーク機構を含む請求項１に記載のエネルギー変換システム。
9. 前記運動機構は、電磁システムを含み、その電磁システムは、圧縮行程を生成し、それにより、前記ピストン内の前記作動流体が、前記圧縮行程の全体にわたって熱力学的平衡状態を達成するように構成されている請求項１に記載のエネルギー変換システム。
10. 前記封止チャンバは、マイクロ流体型熱交換器に、そのマイクロ流体型熱交換器との間で熱対流を行うことが可能な状態で装着されている請求項１に記載のエネルギー変換システム。
11. 前記マイクロ流体型熱交換器は、熱を外部ソースから前記作動流体に伝えるように構成されている請求項１０に記載のエネルギー変換システム。
12. 前記カム・ローブは、（１）発電機と、（２）モータとのうちの少なくとも一つを駆動する出力ドライブシャフトに装着されている請求項１に記載のエネルギー変換システム。
13. 前記封止シリンダは、気密に封止されている請求項１に記載のエネルギー変換システム。
14. 前記ピストン・アセンブリは、前記シリンダ内のピストンを含み、そのピストン・アセンブリは、さらに、
    戻りチューブであって、前記シリンダ内の前記ピストンの低圧側に装着された第１端部と、前記シリンダ内の前記ピストンの高圧側に装着された第２端部とを有するものと、
    その戻りチューブに装着された逆止弁であって、前記作動流体が前記戻りチューブを通過して前記シリンダの底部に向かう流れを阻止するように構成されているものと
    を含む請求項１に記載のエネルギー変換システム。
15. ピストン・アセンブリであって、
    気密に封止されているシリンダと、
    前記ピストン・アセンブリを前記シリンダに対して封止する１または２以上のＯリングを有するピストン・シール・インタフェースと、
    前記シリンダ内に位置する内側磁石と、
    前記シリンダ外に位置する外側磁石と、
    前記１または２以上のＯリングと前記内側磁石との間に配置された熱インシュレータと、
    戻りチューブであって、前記シリンダの底部近傍に装着された第１端部と、前記シリンダの中間部近傍に装着された第２端部とを有するものと、
    前記内側磁石の底部に装着されたプランジャであって、流体を前記シリンダの底部から前記戻りチューブ内に押し込むように構成されているものと
    を含むピストン・アセンブリ。
16. さらに、前記戻りチューブに装着された逆止弁であって、流体が前記チューブを通過して前記シリンダの底部に向かう流れを阻止するように構成されているものを含む請求項１５に記載のピストン・アセンブリ。
17. 前記外側磁石は、１または２以上の連接ロッドに装着されている請求項１５に記載のピストン・アセンブリ。
18. エネルギーを第１形態から第２形態に変換する方法であって、
    前記第１形態にあるエネルギーのソースを上死点（ＴＤＣ）に位置するピストンに作用させる工程であって、前記ピストンは、作動流体で充填された封止シリンダ内に位置するものと、
    前記作動流体を高圧の気体に変化させるために、前記ピストンが前記上死点の位置において上死点側ドエル時間の間休止することを可能にする工程と、
    前記ピストンを下死点（ＴＤＣ）に向かって運動させることにより、前記気体の容積を膨張させ、それにより、前記気体にとって不安定な熱力学的状態を生成する工程と、
    前記気体が凝縮して液滴状の作動流体となるとともに、前記シリンダの圧力が低下するように、前記準安定熱力学的状態を崩壊させて平衡状態に復元させるために、前記ピストンが前記下死点の位置において下死点側ドエル時間の間休止することを可能にする工程と、
    前記液滴状の作動流体を捕集して前記シリンダのヘッド内に戻すために、前記ピストンを等エントロピー圧縮プロファイルに従って運動させる工程と
    を含む方法。
19. 前記作動流体は、冷媒である請求項１８に記載の方法。
20. 前記作動流体は、溶融塩である請求項１８に記載の方法。
21. 前記作動流体は、溶融金属である請求項１８に記載の方法。
22. エネルギー変換システムであって、
    作動流体の容積膨張によって動力を発生させるエネルギー変換機構と、
    運動機構であって、前記エネルギー変換機構に装着されるとともに、前記作動流体の急速な容積膨張を行うように構成されており、前記作動流体は、熱力学的動力サイクルのうちの膨張期間のうちの少なくとも実質的な部分の間、準安定状態にあるものと
    を含むエネルギー変換システム。
23. 前記運動機構は、さらに、圧縮行程を生成し、それにより、前記エネルギー変換機構内の前記作動流体が前記圧縮行程の全体にわたって熱力学的平衡状態を達成するように構成されている請求項２２に記載のエネルギー変換システム。
24. 前記作動流体の容積のうちの実質的な全部は、前記準安定状態において非平衡状態にある請求項２２に記載のエネルギー変換システム。

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