传统热力发动机，例如斯特林发动机，能从外部热源产生动力。热源可以是低成本或免费的，例如生产过程产生的废热，但斯特林循环本身需要沉重和昂贵的发动机，由于费用和重量的原因导致在许多应用场合不能使用。斯特林发动机的另一局限性是工作流体在发动机的每个循环必须加热和冷却。这限制了发动机操作的速度并且需要非常复杂的热量交换器。
其它传统的热力发动机，例如使用兰金循环的蒸汽机，需要发动机中的工作流体在发动机的操作过程中改变相位。对于特殊的操作流体，例如水，发动机需要温度超过操作流体沸点的热源，对于水来说沸点是能量转化器100摄氏度，以便使流体在兰金循环过程中转变为气体。兰金循环在热源温度随时间而改变或只有温度的细微变化才能控制发动机的应用场合并不容易地进行。

在一个实施例中，能量转化器包括通道，通道定义了闭环回路并包含在正常操作条件下至少部分大被压缩至压力在大气压力以上的流体。可压缩流体在闭环回路中具有正常的相位。压力位移耦合界面位于闭环回路上并且将闭环回路分成第一能量转化回路和第二能量转化回路。在操作过程中，第一能量转化回路和第二能量转化回路具有不同的压力，其中一个的压力大于另一个的压力。随着操作的进行，压力的不同可能颠倒。位于第一能量转化回路的第一流动控制装置调整以允许脉动流穿过第一能量转化回路并且能量转化穿过压力位移耦合界面。位于第二能量转化回路的第二流动控制装置调整以允许脉动流穿过第二能量转化回路并且能量转化穿过压力位移耦合界面。第一流动控制装置和第二流动控制装置调整以允许第一能量转化回路和第二能量转化回路的脉动流混合以形成围绕闭环回路的流动。输入输出装置与压力位移耦合界面相连以将能量输入到压力位移耦合界面或从压力位移耦合界面排出。
在另一实施例中，能量转化器包括通道，通道定义了闭环回路并包括优选压力大于大气压力的可压缩的流体。压力位移耦合界面位于闭环回路上并且将闭环回路分成第一能量转化回路和第二能量转化回路。在操作过程中，第一能量转化回路和第二能量转化回路具有不同的压力，其中一个的压力大于另一个的压力。随着操作的进行，压力的不同可能颠倒。位于第一能量转化回路的第一流动控制装置调整以允许脉动流穿过第一能量转化回路并且能量转化穿过压力位移耦合界面。位于第二能量转化回路的第二流动控制装置调整以允许脉动流穿过第二能量转化回路并且能量转化穿过压力位移耦合界面。第一流动控制装置和第二流动控制装置是回转阀被调整以允许第一能量转化回路和第二能量转化回路的脉动流混合以建立围绕闭环回路的流动。输入输出装置与压力位移耦合界面相连以将能量输入到压力位移耦合界面或从压力位移耦合界面排出。回转阀优选是电力驱动的，并且优选在连续方向上旋转。
在另一实施例中，能量转化器包括通道，通道定义了闭环回路并包括优选压力大于大气压力的可压缩的流体。压力位移耦合界面包括包含在管道中的电磁控制的旋转活塞，在不同压力下其在闭环回路侧面之间延伸并将闭环回路分成第一能量转化回路和第二能量转化回路，管道至少形成汽缸的一部分。在操作过程中，第一能量转化回路和第二能量转化回路具有不同的压力，其中一个的压力大于另一个的压力。随着操作的进行，压力的不同可能颠倒。位于第一能量转化回路的第一流动控制装置调整以允许脉动流穿过第一能量转化回路并且能量转化穿过压力位移耦合界面。位于第二能量转化回路的第二流动控制装置调整以允许脉动流穿过第二能量转化回路并且能量转化穿过压力位移耦合界面。电磁控制的旋转活塞至少一部分设计为用作第一能量转化回路和第二能量转化回路的至少一部分。第一流动控制装置和第二流动控制装置调整以允许第一能量转化回路和第二能量转化回路的脉动流混合以建立围绕闭环回路的流体。输入输出装置与压力位移耦合界面相连以将能量输入到压力位移耦合界面或从压力位移耦合界面排出。旋转活塞用作集成的回转阀以便不再需要附加阀。在一些应用场合中，这种构造可用于与被动止回阀组合使用。
在另一实施例中，能量转化器包括通道，通道定义了闭环回路并包含可压缩的流体。压力位移耦合界面包括包含在管道中的电磁控制的旋转活塞，在不同压力下其在闭环回路侧面之间延伸并将闭环回路分成第一能量转化回路和第二能量转化回路。在操作过程中，第一能量转化回路和第二能量转化回路具有不同的压力，其中一个的压力大于另一个的压力。随着操作的进行，压力的不同可能颠倒。各自的反弹装置位于活塞和管道的对置端之间。位于第一能量转化回路的第一流动控制装置调整以允许脉动流穿过第一能量转化回路并且能量转化穿过压力位移耦合界面。位于第二能量转化回路的第二流动控制装置调整以允许脉动流穿过第二能量转化回路并且能量转化穿过压力位移耦合界面。第一流动控制装置和第二流动控制装置被调整以允许第一能量转化回路和第二能量转化回路的脉动流混合以建立围绕闭环回路的气流。输入输出装置与压力位移耦合界面相连以将能量输入到压力位移耦合界面或从压力位移耦合界面排出。
在另一实施例中，能量转化器包括通道，通道定义了闭环回路并包含可压缩的流体。压力位移耦合界面包括不同压力操作过程中位于闭环回路侧面的压电式换能器或电活性材料，并将闭环回路分成第一能量转化回路和第二能量转化回路。在操作过程中，第一能量转化回路和第二能量转化回路具有不同的压力，其中一个的压力大于另一个的压力。随着操作的进行，压力的不同可能颠倒。各自的反弹装置位于活塞和管道的对置端之间。位于第一能量转化回路的第一流动控制装置调整以允许脉动流穿过第一能量转化回路并且能量转化穿过压力位移耦合界面。位于第二能量转化回路的第二流动控制装置调整以允许脉动流穿过第二能量转化回路并且能量转化穿过压力位移耦合界面。第一流动控制装置和第二流动控制装置被调整以允许第一能量转化回路和第二能量转化回路的脉动流混合以建立围绕闭环回路的流动。输入输出装置与压力位移耦合界面相连以将能量输入到压力位移耦合界面或从压力位移耦合界面排出。
在另一实施例中，一种能量转化方法，包括在定义了闭环回路的通道内包含可压缩流体，可压缩流体在闭环回路中具有正常的相位。压力位移耦合界面位于闭环回路上并且将闭环回路分成第一能量转化回路和第二能量转化回路。第一能量转化回路与第二能量转化回路具有不同的压力。位于第一能量转化回路的第一流动控制装置调整以允许脉动流穿过第一能量转化回路并且能量转化穿过压力位移耦合界面。位于第二能量转化回路的第二流动控制装置调整以允许脉动流穿过第二能量转化回路并且能量转化穿过压力位移耦合界面。第一流动控制装置和第二流动控制装置被调整以允许第一能量转化回路和第二能量转化回路的脉动流混合以建立围绕闭环回路的流动。输入输出装置与压力位移耦合界面相连以将能量输入到压力位移耦合界面或从压力位移耦合界面排出。
在另一实施例中，一种能量转化方法，包括在定义了闭环回路的通道内包含可压缩流体，可压缩流体在闭环回路中具有正常的相位。压力位移耦合界面位于闭环回路上并且将闭环回路分成第一能量转化回路和第二能量转化回路。第一能量转化回路与第二能量转化回路具有不同的压力。位于第一能量转化回路的第一流动控制装置调整以允许脉动流穿过第一能量转化回路并且能量转化穿过压力位移耦合界面。位于第二能量转化回路的第二流动控制装置调整以允许脉动流穿过第二能量转化回路并且能量转化穿过压力位移耦合界面。第一流动控制装置和第二流动控制装置被调整以允许第一能量转化回路和第二能量转化回路的脉动流混合以建立围绕闭环回路的流动。压力位移耦合界面包括至少其中一个：位于管道中的在闭环回路的对向侧之间延伸的自由旋转活塞，具有位于管道中的在管道端部和活塞之间的反弹装置的至少一个活塞，位于管道中的在闭环回路的对向侧之间延伸的隔膜，位于闭环回路对置侧的承受压力的压电式换能器，和位于闭环回路一侧或全部两侧的电活性材料，和位于闭环回路对向侧之间的各自的压电式换能器。输入输出装置与压力位移耦合界面相连以将能量输入到压力位移耦合界面或从压力位移耦合界面排出。
在另一实施例中，能量转化器，包括具有热端和冷端的汽缸的密封压力腔。自由活塞设置在管道中往复运动。自由活塞将汽缸的热端与冷端分隔开并且自由活塞包括具有相同表面区域的对向侧。发电机与自由活塞相连用于将自由活塞的往复运动转化为电能。热回路和冷回路通过汽缸连接以形成单一流动回路。部分阀将热回路和冷回路与汽缸分隔开。部分阀包括设置在汽缸热端的并且在热回路和汽缸的热端之间形成流体密封的热吸入阀，设置在在汽缸热端的并且在冷回路和汽缸的热端之间形成流体密封的热排出阀，设置在汽缸冷端的并且在冷回路和汽缸的冷端之间形成流体密封的冷吸入阀，设置在在汽缸冷端的并且在热回路和汽缸的热端之间形成流体密封的冷排出阀。
上述装置和方法的这些和其它方面阐述在权利要求中，其通过参考方式引入到这里。
附图说明
现在参考附图描述实施例，其中相同的参考特征表示相同的部件，以举例的形式，其中：
图1是能量转化器的透视图；
图2是能量转化器的部分剖视图；
图3是图2的能量转化器处于第二相位时的部分剖视图；
图4是图2的能量转化器处于第三相位时的部分剖视图；
图5是图2的能量转化器处于第四相位时的部分剖视图；
图6是图2的能量转化器处于第五相位时的部分剖视图；
图7是图2的能量转化器处于第六相位时的部分剖视图；
图8是图1的能量转化器的部分剖视图；
图9是图1的能量转化器的部分顶视图；
图10是图1的能量转化器的部分侧视图；
图11是具有旋转活塞的能量转化器的部分剖视图；
图12是表示在活塞冲程的不同相位对应于能量转化器的活塞位移的压力的示意性曲线图。
图13是表示用于活塞冲程不同相位的压力和活塞位移的不同的示意性曲线图。
图14是重叠阀设计的顶视部分图；
图15是轴径向阀的部分剖视图；
图16是与处理器相连的能量转化器的示意图；
图17是具有反弹弹簧的能量转化器的示意图；
图18是具有磁性反弹弹簧的能量转化器的示意图；
图19是具有两个反向活塞的能量转化器的示意图；
图20是具有两个顺序相连的对置活塞的能量转化器的示意图；
图21是具有回热器的能量转化器的示意图；
图22是构造用于冷却应用场合的能量转化器的示意图；
图23是构造用于提供压缩机制冷能力的能量转化器的示意图；
图24是具有电能置换器的能量转化器的示意图；
图25是具有电磁线圈的能量转化器的示意图；
图26是具有压缩腔的能量转化器的示意图；
图27是用于具有空气轴承的能量转化器的活塞的示意图；
图28是具有只在一侧具有热交换器的能量转化器的示意图；
图29是具有反弹活塞的能量转化器的示意图；
图30是具有共同使用的热交换器和阀的两个对置活塞的能量转化器的示意图；
图31是具有共同使用的热交换器的两个对置活塞的能量转化器的示意图。

对这里描述的实施例所作的非实质性的改变并没有背离权利要求的保护范围。在本专利文件中，术语热和冷用作表明热侧的温度比冷侧温度高的相对含义。同样地，热源是具有比从热源吸收热量的物体的温度相对较高的物体。
能量转化器用于将可压缩流体的热量的变化转变为界面的运动或将界面的运动转化为热量的变化。界面的变化可用于以不同的方式工作，例如驱动机器，如泵，或发电机。能量转化器同样可使用能量例如电能或机械能产生作用于可压缩流体以改变可压缩流体热能界面的运动。
在不同的实施例中，可压缩流体包含在定义了闭环回路的通道中，在一些实施例中，可压缩流体在闭环回路中具有正常的相位。在其它实施例中，可压缩流体在闭环回路中改变相位。通道可以被任何合适的材料确定并且可包括不同的结构例如管材，管道，钻在基材上的沟槽或孔，刻蚀在一个基材上的沟槽并且另一基材形成该沟槽的盖子，在半导体芯片上或任何其它合适通道中的沟槽或孔。在热交换器中流动的流体可分成不同的流动路径或像图中那样保留在相同路径中。
不同实施例中的闭环回路可包括附加技术特征例如热交换器，冷凝器，蓄电池，热源，吸热设备和同样可以用作热交换器的热或冷的存储器。
闭环回路中的压力位移耦合界面将闭环回路分成第一能量转化回路和第二能量转化回路。压力位移耦合界面同样将能量从第一能量转化回路中转化到第二能量转化回路中。在一个实施例中，由于从热侧扩张的活塞中储存的和通过在汽缸的冷端弹性相位保存的动能使得冷腔扩大成为可能。因此，该实施例中的两个回路立即相互作用)。压力位移耦合界面可以是任何不同的形式。压力位移耦合界面响应闭环回路的任一侧上的压力变化而改变位置并且因此响应闭环回路中的压力波动或不平衡而移动。压力位移耦合界面可以由一个或多个连接在一起的部分组成。在一个实施例中，压力位移耦合界面包括通道或通道中的活塞穿过闭环回路而形成的短回路的管道。穿过闭环回路是的压力变化导致自由活塞移动穿过管道。由于压力变化，自由活塞可以移动不同量的位移。
在另一实施例中，压力位移耦合界面可包括具有以任何不同的方式结合在一起以便一个活塞的运动可以由另一个的运动实现调整的一对活塞的管道，例如活塞可以通过杆，或通过电接触连接在一起。在另一实施例中，压力位移耦合界面可包括多个管道，每个管道内部具有一个或多个相连的响应闭环回路压力变化的活塞。在另一实施例中，压力位移耦合界面可包括连接在一起的压电式换能器。压电式换能器将运动转化为电能或者将电能转化为运动。闭环回路的每个边可包括一个或多个压电式换能器或在位于对向侧上的单一的隔膜或压电式换能器。闭环回路一侧的压电式换能器通过电子器件与闭环回路另一侧的压电式换能器相连以便一组压电式换能器的运动与另一组压电式换能器的运动一致，并且可能导致相应的运动。
第一能量转化回路包括位于压力位移耦合界面一侧上的闭环回路并且第二能量转化回路包括位于压力位移耦合界面另一侧上的闭环回路。在一些实施例中，第一能量转化回路可穿过热源并且第二能量转化回路可穿过吸热设备。能量转化回路以如脉冲方式进行操作，如流体控制装置的打开或关闭。
闭环回路中的压力变化由流体控制装置控制。在一些实施例中，流体控制装置可包括阀，例如旋转阀，压电阀，或其它适合的阀。位于第一能量转化回路流体控制装置被调整以允许脉冲流体穿过第一能量转化回路和能量转化穿过压力位移耦合界面。位于第二能量转化回路流体控制装置被调整以允许脉冲流体穿过第二能量转化回路和能量转化穿过压力位移耦合界面。流体控制装置被调整以允许第一能量转化回路和第二能量转化回路中的脉冲流体混合形成围绕闭环回路的流动。
在一个实施例中，能量转化器用于将热能转化为运动。在这种情况下，能量源是在第一能量转化回路的一些部分与第二能量转化回路的一些部分之间的热量差。将第一能量转化回路看作是热侧，定义为热回路。第二能量转化回路是冷回路。在一个实施例中，热回路在靠近位于压力位移耦合界面一侧上的闭环回路具有吸入流体控制装置以允许热回路中的压力压靠在部分压力位移耦合界面上。在有自由活塞的情况下，这可以是自由活塞的一侧。在有压电的实施例情况下，这可以是压电式换能器的其中一个。热回路在靠近位于压力位移耦合界面一侧上的闭环回路具有排出流体控制装置。冷回路在位于压力位移耦合界面的对向侧上具有相应的吸入或排出流体控制装置。在一个实施例中的能量转化器，流体控制装置是图12所示方式进行调整的阀。
输入输出装置与压力位移耦合界面相连以将能量输入到压力位移耦合界面或从压力位移耦合界面排出。例如，输入输出装置可以是交流发电机。在一个实施例中，交流发电机可以操作以将压力位移耦合界面的运动部分的运动转化为电能，例如自由活塞的运动。在另一实施例中，交流发电机可以操作驱动压力位移耦合界面的运动部分的运动并且驱动闭环回路周围的压缩流体。在另一实施例中，活塞随着其在形成了在闭环回路对置侧之间的汽缸的管道中的摆动而被驱动旋转并且设有流体流动开口以便一些或所有流体控制由随着与汽缸上的流体流动开口相互作用的旋转活塞提供。在另一实施例中，输入输出装置可包括与马达或泵相连的机械联轴节。在另一实施例中，输入输出装置可以是与压电式换能器相连的将压电式换能器中的电能转化为在另一应用场合中执行的操作。在另一实施例中，输入输出装置可提供驱动压电式换能器或电活性材料和在闭环回路的一侧产生冷却作用的电能。在另一实施例中，压电式换能器的电能用于在另一压电式换能器中执行操作。
图1-10示出了第一实施例的能量转化器100。能量转化器100具有与热存储器106和冷存储器108的主体102。热存储器106和冷存储器108同样是热量交换器并且可以称作热的热交换器106和冷的热交换器108。活塞110设置在位于主体102的内部的汽缸112中。在活塞对置侧是汽缸112的热端116和汽缸112的冷端118。热流体吸入阀126将汽缸112的热端116和热存储器106分隔开。冷流体排出阀128将汽缸112的冷端118和热存储器106分隔开。冷流体吸入阀130将汽缸112的冷端118和冷存储器108分隔开。热流体排出阀130将汽缸112的热端116和冷存储器108分隔开。活塞110是自由活塞并且安装有嵌入在活塞110内部的永磁体124，134。四个电磁线圈136，138，140，142包含在能量转化器100的主体102中。
能量转化器100作为冷循环发动机的操作揭示在图2-7中。在能量转化器100的操作过程中，可压缩的流体穿过热存储器106和冷存储器108。当流体流动穿过能量转化器100时，随着活塞110交替地作为热存储器106或冷存储器108的部分，热存储器106和冷存储器108用作能量转化回路。热存储器106和冷存储器108一起形成流动穿过主体102的闭环回路流体。热存储器从热源(未示出)吸收热量以便从热存储器106排出的流体具有比正进入热存储器106的流体更高的温度。如图2所示，当受控数量的热流允许从热存储器106进入汽缸112的热端116时，活塞110的动能增加。大量热流穿过热流体吸入阀126进入汽缸112，因此作用在活塞110上并且导致其在汽缸112中轴向移动。当期望数量的热流进入汽缸112后，热流体吸入阀126关闭。活塞的运动可用于外部有效的动作例如当磁体124，134穿过电磁线圈136，138，140，142时产生电能。
如图3所示，移动活塞的动能被转化为汽缸冷端中的流体增加的压能。活塞110的移动推动可压缩的流体从汽缸的冷端118穿过冷流体排出阀128进入到热存储器106中。当汽缸端部118中的压力大致与热存储器106中的压力相等时，阀128打开以避免穿过阀的节流发生。当在稳定相位条件下进行操作时，被推回进入热存储器106的冷流体量与在图2所示的相位过程中进入到汽缸112中的热流体量大致相等。在汽缸112的冷端118中的冷流体的压缩需要的能量比由汽缸112中的热端116的压力和扩张产生的能量少，提供能量用于克服系统中的附加损失。
如图4所示，当冷流体排出阀128关闭时，活塞110将继续以相同方向轴向移动直到汽缸的冷端118中的密封流体的增压导致活塞110停止并且以相反方向运动并保留有图2所示相位产生的一部分动能。由活塞110的运动产生的120导致活塞110朝汽缸112的热端116反弹返回。
如图5所示，当活塞改变方向并且开始第二冲程时，并且当汽缸112中的冷端118中的压力大致与冷存储器108中的压力相等时，冷流体吸入阀130打开并且允许冷流体从冷存储器108中吸入。当与从冷流体排出阀128中排出的冷流体的大致相同量的冷流体被吸入到汽缸的冷端118中时，冷流体吸入阀130关闭。
图2所示的结束相位后，当热流体吸入阀126关闭时，汽缸112的热端116中的压力开下降。对应于图5所示的相位，随着活塞110改变方向并且开始第二冲程，汽缸112中的热端116中的压力开始增加。在图2所示的相位过程中，当汽缸112的热端116中的压力大致等于冷存储器108中的压力时，热流体排出阀130打开并且释放大致与开始吸入到汽缸112的热端116中相同量的流体。这是处于稳定相位下的操作实例。
如图7所示，热流体吸入阀126关闭并且在热端116中形成压力直到活塞停止，改变方向并且另一循环以图2所示的相位重新开始。通过活塞110的运动形成的122导致活塞110朝汽缸112的冷端118反弹返回。
如图16所示，计算机控制系统258可检测热存储器106，冷存储器108中的压力和活塞的轴向位置。处理器可决定阀开放和关闭的时间以及从电磁线圈136，138，140，142(图2)中吸收的流量。在一些实施例中，在特定循环过程中从线圈中吸收的电流大致与活塞双向运动所需电流相等。通过使用低摩擦自由活塞和最小的或不设有外部密封，附加损失降低，能为较低温度变化下的生产提供动力。在一些实施例中，活塞可达到往复运动速度每分钟3600循环以产生优选频率为60Hz的交流电。在一些实施例中，当保持在60Hz交流电输出时，许多排线圈可用于产生每冲程多于一个的电脉冲并且允许较低的发动机速度。较高和较低的速度同样都是可能的。
热存储器106和冷存储器108之间的温度差必须足够高以产生足够的压力提供足够的动能以克服系统中的附加损失。工作流体可以是空气或其它的可压缩流体，例如但不限于，氦，氢或氮。空气的量可以通过任何方式测量，包括例如从传感器输入测量由活塞位置变化而产生的压力，温度和体积变化。
冷存储器108可用于与坚硬的吸热设备或可穿过具有比热源的温度低的周围空气或液体。阀126，128，130，132可以是机械或电力驱动的。例如阀可以是优选以正常速度单方向旋转(在稳定相位操作过程中)的机械控制旋转阀或电磁阀。在一些实施例中，活塞110可以是机械控制的，例如具有曲轴和连接臂。活塞110可以是其中一端比另一端的表面面积更大，这不同于图2所示，优选具有相等的直径和两端相同的表面面积，设计起来更为简单。在能量转化器的操作过程中随着条件的改变，活塞的平均轴向位置可以发生变化。例如，在机器的操作过程中，活塞的平均位置可以朝向汽缸112的热端116移动以在汽缸两端达到最大容积和压缩比。在图4和7所示的相位过程中，活塞110突出穿过阀以便当活塞110向包含在主体102和活塞110之间的汽缸112的热端116和冷端118反弹并且活塞110和阀不再承受附加压力时，高压实现阻止。汽缸112的热端116和冷端118的任何一个的一部分延伸穿过阀126，128，130，132。冷端118可具有较长的反弹长度因为活塞110保存用于返回冲程的动能。可以在汽缸周围设置绝缘或真空以保存系统的热量，尤其在反弹过程中热端116和冷端118的温度达到最高点时。活塞110可以具有更紧密密封的可扩张的端部在汽缸112的任何一端的反弹过程中。
如图2-7所示，能量转化器100具有定义了闭环回路的热存储器106和冷存储器108。流体通过闭环回路时单向流动。单向流动允许慢慢产生加热和冷却和优选超过两个或更多个能量转化器100的循环。活塞110在活塞110的对置端具有相同的截面积。具有相同截面积端部的活塞110设计简单，组成部件较少。对阀进行定时而不是调整活塞面积实现了流体穿过闭环回路的不同位移。变化的活塞冲程允许热端116和冷端118具有不同的实际位移和由此不同的能量输出和需求。活塞振幅可以根据不同的的参数例如热增量和动力输出进行调整。对于电流输出应用场合，频率和由此的交流电频率可以通过调整活塞往复运动的幅度进行保持。能量转化器100可以在不同的系统压力，活塞位移，包括除了绝对低和不同的温度的温度差别下进行操作。
不同的传感器设置用于决定穿过每个流体控制阀126，128，130，132的最佳空气流量。图16示出了一个这样的传感器。一些能量损失在热交换器中的流体脉动流动中。脉冲室用于降低能量损失。活塞速度和振幅可以调整用于优化通过存储器/热交换器的脉冲流动特征。
如果在原始启动相位具有不足以等同于形成推动活塞110的压力，接着电流可以被提供给电磁线圈136，138，140，142以开始进行活塞摆动。如果系统中的压力变化足够高，发动机可以通过电磁线圈136，138，140，142的打开和关闭进行启动以推动活塞110的运动。电磁线圈136，138，140，142可以用于线性马达线圈直到活塞110以操作速度进行往复运动。在启动相位过程中，活塞振幅，频率和空气流量可以从稳定相位逐渐增加。在正常动力循环过程中，电磁线圈136，138，140，142可以用于增加或减少活塞动能或影响移动或位置以改变操作特征。
电磁线圈136，138，140，142可以用于磁性阻止活塞110的运动。磁性阻止活塞110允许电磁线圈136，138，140，142和永磁体124，134作为磁方位共同作用。当电磁线圈用作磁方位时，电磁线圈可以设置在汽缸112的周围。用于产生动力的的电线可以设置在汽缸112上包括汽缸112端部的任何位置。
图11示出了具有旋转活塞144的能量转化器的部分视图。旋转活塞在活塞上具有两个流动回路146，148。流动回路146，148用作与电磁阀相类似的流动控制机构。随着活塞144往复运动的同时绕其轴向旋转，活塞144控制汽缸150的流入和流出。吸入口192，196和排出口194，198设置在汽缸150上。活塞144的角坐标可以由图2所示的电磁线圈控制。活塞144可以替代图2所示的四个阀中的一个或多个。活塞144可以仅在一个方向上旋转。活塞144可以以小于一个循环一圈，等于一个循环一圈或大于一个循环一圈的速率旋转，这取决于流动回路146，148的结构。活塞144可以用于存储可用于通过一个循环一次或多次交替地降低活塞所产生电能的动能。活塞144的旋转产生的电流可用于修正输出电压，例如，以更精确地与优选的交流波形匹配。电磁线圈136，138，140，142(图2)可以用于交替地增加和降低活塞的速度。交替的加速吸收电流，而交替的减速产生电流。活塞144的加速和减速的变化可调整阀的打开和关闭时间。
在吸入口192，196，活塞144将永久打开并且止回阀(未示出)将保持关闭直到汽缸150中的压力下降至微低于各自吸入口192，196中的热交换器的压力。活塞144将接着在由例如控制系统确定的恰当的时间关闭。对于排出口194，198，活塞144将永久打开并且止回阀(未示出)将保持关闭直到汽缸150中的压力升高至微高于各自排出口194，198中的热交换器的压力。活塞144将接着在由例如控制系统确定的恰当的时间关闭。活塞144设计为具有延长的开放时间以允许上述操作。活塞144可以为稳定相位系统设计为在精确时间打开和关闭。当于止回阀一起使用时，活塞144允许在瞬时相位操作中进行有效的操作。
图12的曲线图表示了图1-10中能量转化器100在活塞运动的不同相位时的压力和活塞位移。在相位1，当汽缸112的热端116具有于热存储器106的压力相同的压力时热流体吸入阀126(图2)打开并且当特定量的热空气吸入后关闭。在相位2过程中，与图3所示的相位相同，当冷端118具有于热存储器106的压力相同的压力时冷流体排出阀128(图3)打开，在相位3过程中，与图4所示的相位相同，冷流体排出阀128(图5)当特定量的冷空气排出进入热存储器106时关闭。在相位3后，活塞在汽缸112的冷端118反弹。在相位5，当热端116压力大致等于冷存储器108的压力时热流体排出阀130(图6)打开。如曲线图所示，相位1-6可以不按照顺序命令进行并且许多相位可以同时进行。在这种情况下，相位5可以在相位4之前进行并且在相位4开始后相位4和相位5同时进行。在相位4，当冷端118压力大致等于冷存储器108的压力时冷流体吸入阀130(图5)打开。在相位6，当特定量的热空气排出进入冷存储器108时热流体排出阀130(图7)关闭。当特定量的冷空气被吸入进汽缸112时冷流体吸入阀130关闭。相位6之后，在汽缸112的热端116处的活塞压力反弹后循环返回到相位1的起始位置。在图12的曲线图中，示出了两个不同的压力曲线。从表示相位1开始的曲线对应于汽缸112的热端116的压力。所示的第二曲线对应于汽缸112的冷端118的压力。
在操作过程中，热存储器106的压力比图12中所示的冷存储器108的压力更高。压力位移耦合界面的可移动部件的移动将汽缸冷端的空气压入到热存储器中(通过冷空气排出阀或部分其它流动控制装置)，所以相比冷存储器，热存储器中的气压更高。在一个实施例中，这种压缩由一个自由活塞的一端执行，但是可以使用例如电活性材料的其它装置。通过开口返回到热存储器中的冷空气量大致于相位1在汽缸的热端吸入进汽缸中的热空气量相等。在汽缸的冷端冷空气量的压缩需要的能量比在汽缸的热端压力和热空气量扩张产生的能量少。这提供了弥补系统中附加损失的和执行动作的能量。
曲线图上方代表特征A的曲线表示电能产生过程中的活塞的动能。曲线图上方代表特征B的曲线表示无负载条件下活塞的动能。
图13示出了代表执行外部工作的能量的热曲线和冷曲线的对比。阴影区域表示通过将热流体引入进入执行动作的系统中活动的能量。曲线图中的两曲线表示图12中所示的两曲线对齐以便热曲线的“热端反弹”部分与冷曲线的“冷端反弹”部分对齐。
图14示出了与能量转化器例如图2所示的能量转化器100一起使用的阀160的简图。回转阀消耗的能量比一些其它阀系统需要的能量少。共有两个同时打开和关闭的回转阀162，164。但是相位不同以便第一回转阀第一回转阀162在第二回转阀164之前打开并且第二回转阀164在第一回转阀162之后关闭。阀通过170中的流体通道166将热或冷存储器168与汽缸112(图2)连接起来。回转阀162，164可以是进入或排出相同开口的同一通风装置或分开的通风装置。阀160如图14顶视图所示逆时针转动。阀160在一个独立的旋转中打开两次意味着阀160尽快打开和关闭两次，减少否则可在阀操作过程中产生的紊流和节流。
在其它实施例中，每个开口使用一个单独的旋转阀。流体可以穿过阀轴向，径向或在轴向和径向上都流动。阀可以被加速和减速以语音学开口的打开和关闭时间。减速可以用于给提高这种阀效率的存储装置例如电容器进行充电。
图15示出了回转径向套筒阀180。可压缩流体通过开口184穿过阀并且当开口186与图15所示的流体通道188对齐时穿过阀。
阀的定时可以通过联合主动阀实现，例如回转阀，以精确地为阀联合体的关闭和使用内置的止回阀控制阀联合体的打开定时。例如，回转阀可以构造为允许阀系统关闭开口精确的定时。回转阀开口可以设计为在通过以正常速度旋转阀但使用具有增加的回转阀开口设置角度以便阀在稳定流动开口提前打开之前通常打开。当A)主动阀打开并且B)穿过止回阀的压力变化处于可导致止回阀打开的方向时，被动止回阀在回转阀允许流动之前或之后接着顺序使用。
图16所示为能量转化器200的示意图。活塞210设置在主体202中的汽缸212中。汽缸212具有热端216和冷端218。第一热交换器206形成具有活塞210的能量转化回路。第二热交换器208形成具有活塞210的能量转化回路。第一热交换器206和第二热交换器208组合形成闭环回路。第一热交换器206从热源242吸收热能。第二热交换器208将热能驱散至吸热设备244中。热流体吸入阀226和止回阀234将汽缸212的热端216和第一热交换器206分离开。当热流体吸入阀226打开时，止回阀234阻止流体从汽缸212的热端216进入到第一热交换器206中。冷流体排出阀228和止回阀236将汽缸212的冷端218和第一热交换器206分离开。当冷流体排出阀228打开时，止回阀236阻止流体从第一热交换器206进入到汽缸212的冷端218中。同样地，冷流体吸入阀230和热流体排出阀232连接汽缸112和第二热交换器208。与止回阀234，236原理相同，止回阀238，240操作以阻止流体分别流入和流出第二热交换器208。阀226，228，230，232的操作与图2-7实施例描述的阀126，128，130，132的操作相同。
温度传感器246和压力传感器250探测在进入汽缸212的热端216之前的第一热交换器206中的温度和压力。温度传感器248探测在进入汽缸212的冷端218之前的第二热交换器208中的温度和压力。压力传感器256探测在从汽缸212的热端216中排出之后的第二热交换器208中的温度和压力。压力传感器252探测汽缸212的热端216中的压力。压力传感器252探测汽缸212的冷端218中的压力。活塞位置传感器260探测汽缸212中的活塞210的位置。计算机控制系统258与每个压力传感器250，252，254，温度传感器246，248，活塞位置传感器260和阀226，228，230，232相连。计算机控制系统258根据不同传感器的读数打开和关闭阀226，228，230，232，例如实施图2-7实施例在相位1-6中描述的阀的打开和关闭方法。计算机控制系统258可以设计为通过调整各个阀的定时以便找到最高输出的方式寻找理想的效率。
图17所示为图16中的能量转化器200的简要示意图，其具有设置在汽缸212的对向侧以助于在对应于图4和图7中的能量转化器100所示的相位3和相位6的相位过程中活塞210的压力反弹的机械反弹弹簧270，272。机械反弹弹簧补充由活塞210的运动导致可压缩流体施加在汽缸212对置端的压力反弹。
图18所示为图16中的能量转化器200的简要示意图，其具有设置在汽缸212的对置侧以与设置在活塞280的对置侧的活塞磁性反弹弹簧相对应的相向的磁性反弹弹簧286，288。磁性反弹弹簧的操作与图17中的磁性反弹弹簧相同。
图19和20所示为具有两活塞210的能量转化器200联合体的操作。活塞210的反向移动可以减少或者甚至消除振动。在图19中，两能量转化器200通过连接器290相连并且相对热能流平行操作。阀226，228，230，232设置在两能量转化器200之上以便各个能量转化器的相应相位几乎同时发生并且沿着相同的轴线但相反的方向发生，因此消除了活塞210的振动作用。在图20中，能量转化器200A，200B相对能量流顺序操作以更有效率的利用热能。从汽缸212B的热端216B中经过热流体排出阀232B排出的流体加热从汽缸212A的冷端218A中经过冷流体排出阀228A排出的流体。能量转化器200A，200B同样可以作为冷却机器，通过推动活塞210A，210B的运动以循环流体用于冷却。在具有冷却操作的实施例中，热能流的方向颠倒并且能量输入是进入到活塞的运动中而不是从其中吸出。在这种情况下，热存储器用于高温压力工作流体的高温温度的散热。冷存储器用降低的热能流从介质或热能交换器中吸收热能。在图20中，冷存储器208B用于冷却能量转化器200A的热存储器206A以达到对冷存储器208A更有效率的冷却作用。具有能量转化器200的冷却操作的实施例在图22中更详细地阐述。
图21和22所示为具有换热器334的能量转化器300。图21所示为用于从热差别产生能量的能量转化器。图22所示为与图21相同的结构的用于冷却的能量转化器，其中热量流流入和流出存储器的方向相反。活塞310在汽缸312中轴向移动。流体控制阀326，328，330，332控制通过汽缸312的流体的流动。在图21中，第一热交换器306收集从热源242(图16)中排出的热量。加热的流体穿过第一热交换器306并经过热流体吸入阀326进入汽缸312中。加热的流体最终经过热流体排出口332进入热流体将热量驱使经过第一热交换器306进入吸热设备244(图16)中的第二热交换器308中。在第一热交换器306和第二热交换器308之间转化能量的换热器334被称为换热器。在通过换热器334后，热流体排出口332中排出的流体驱使热量进入吸热设备244(图16)中。冷却流体接着穿过流体最终从冷流体排出口328排出进入第一热交换器306的冷流体吸入口328进入汽缸312中。流体接着再次经过换热器334，在换热器334中，第二热交换器308中的流体加热从冷流体排出口328中排出的流体，并且过程重新开始。换热器334弥补了从系统的第一部分中浪费的能量并且提高了整体的效率。
图22中的能量转化器300的在冷却操作过程上是相似的，除了将能量转化到和从热能交换器/存储器转化的方向。活塞的运动用于形成穿过闭环回路的流体的运动。能量转化器冷却与第二热交换器308热相连的介质。在汽缸的热端扩张之前，图22中的换热器“提前冷却”以达到在冷存储器/交换器第二热交换器308中明显降低温度的效果。如果装置如同冷却机器一样依靠为活塞提供能量而进行操作并且如果换热器设置在图21中汽缸的热端扩张相位后，将会明显地提高整个系统操作的效率。
图23所示为具有泵输出的能量转化器400。活塞410具有两个对置的在汽缸412中往复运动的驱动轴402，404。阀426，428，430，432控制穿过406和408的流体。活塞410的往复运动将穿过单向阀414，416的流体吸入到位于活塞410的交替冲程的腔室422，424中并且驱动流体穿过设置在活塞410的反向冲程上的单向阀418，420排出。
图24和25所示为具有电能可变形的隔膜510的能量转化器500，隔膜510可能例如是电活性材料置换器，例如压电陶瓷或电活性聚合体活塞。电活性材料是根据电输入而改变形状的材料。例如，电活性聚合体或EAPs是当被施加电压时形状可以改变的聚合体。在不同的实施例中，EAPs可以用作吸入和排出阀，压力位移耦合界面中使用的制动器和压力传感器。电活性材料可以包括例如EAPs介电质EAPs和离子EAPs。
可变形隔膜510设置在主体514中的腔体512中。与图2-7实施例描述的流体控制阀126，128，130，132的工作方式相同，流体控制阀526，528，530，532从热存储器506和冷存储器508中提供流体。在图25中，磁体或铁部件524附属在弯曲的隔膜510上。磁体524与设置在主体514的对向侧上的电磁线圈526，528相互作用以产生能量转化器500的能量产生结构中的能量。在基础冷却结构中，磁体或铁部件524能量由电磁线圈526，528的相互作用提供。图24和25的实施例可以用于微冷却，隔膜510的移动可以改变整个腔室的压力，或可形成可对阀精确定时的压力波形，可能在腔室中和腔室外产生升高或降低的压力。
图26示出了具有压缩腔602和扩张腔604的能量转化器600。流体控制阀616，618，620，622控制穿过由热存储器606和冷存储器608定义的闭环回路的流体。处理器610控制阀定时方式与图2-7实施例描述的阀126，128，130，132的工作方式相同的阀616，618，620，622的打开和关闭。所示的处理器610与电力供应或输出612相连。能量转化器600可以通过热源例如计算机芯片进行加热。计算机芯片中的热量加压606并且导致扩张腔604扩张。扩张腔604扩张产生的电能，可能连同电供应612，用于收缩扩张腔604。能量转化器600可用于产生能量或可如同冷却装置或自身进行高效率冷却装置一样进行操作。扩张腔压缩腔602和扩张腔604的体积可以相等或不相等。在一些实施例中，电供应612或电输出614可以省略。同样扩张腔604产生的电能对于为压缩腔602提供能量不是必须的。
图27示出了在汽缸112(图2)中具有空气轴承642的活塞632。由于使用空气轴承642，活塞632相对于汽缸的摩擦减小。一个空气腔630设置在活塞632中，其具有设置在活塞632对置侧的止回阀634，636。当活塞从汽缸112的热端116，冷端118(图4)反弹时，空气腔630中的压力增加达到接近最大反弹压力。加压空气接着用于供应设置在活塞632表面周围的空气轴承642。
图28所示为具有热交换器350的能量转化器300，热交换器350设置在围绕能量转化器300的闭环回路的仅一侧上。流体控制阀330，332直接通过管352相连以将穿过管352的热交换降至最低。在一些实施例中，能量转化器300可在其一侧上具有较低效率的热交换器，或可仅在其一侧上具有热交换器。
图29所示为具有两活塞710，712的能量转化器700。流体控制阀726，728，730，732控制穿过蒸发器718和冷凝器720并进入汽缸708的流体。蒸发器718可吸收从燃烧或其它热源，例如集中的太阳能。活塞712将气流与液体流分离以避免水冲击并且通过压力而不是通过绝对位移排出液化流体。旁通阀716依靠打开时的压力差增加或减少汽缸708中的气体，以保持准确的反弹活塞位置。活塞710可以是自由活塞或动力活塞。活塞712可以是自由移动的活塞，动力活塞或隔膜。
图30和图31所示为具有活塞814，818，汽缸816，820和共同的热交换器822和824的的能量转化器800。图30示出了与图31相同的实施例，除了828A，828B合并在802中和830A，830B合并在804中。在图31中，流体控制阀826A，828A，830A，832A和流体控制阀826B，828B，830B，832B的操作方式与图2-7实施例中的流体控制阀126，128，130，132的工作方式相同。流体穿过热交换器822分成两管840，842，在管840，842中，流体穿过热流体吸入阀826A，826B进入816，820中。冷流体接着从冷流体排出阀828A，828B排出进入管836，838中，在管836，838中流体混合并且穿过返回进入热交换器822中。冷流体分别穿过冷流体入口阀830A，830B进入汽缸816，820中。热流体接着分别从热流体排出阀832A，832B排出进入管806，808中，在管806，808中，流体混合进入流体被冷却的热交换器824中。在穿过热交换器824后，流体分别进入管810，812中，在管810，812中，流体分别直接穿过冷流体入口阀830A，830B。在图31所示的实施例中，每个汽缸816，820的冷侧处于中心上。在一些实施例中，每个汽缸的热侧可以位于中心上，在其它实施例中，汽缸816的热端可以与汽缸820的冷端接触或者反之亦然，但这不是优选的。
用于在热存储器106(图2)和冷存储器108(图2)之间形成温度差的热源可以来自于多种热源。热量可以由自然产生的热差别提供，例如a)夜晚和白天由在液体或固体材料中存储和使用热能所产生热量的差别，例如水存储器，b)在周围空气和地面以下的温度差，c)水表面和深水的温度差，d)在在地面或在空间场合中阳光加热区域和避阴区域之间的差别。热量可以由不同场合中的废热提供，例如a)从工业过程中产生的废热，b)由燃料燃烧产生的热量，c)由陆地，海洋或空中交通工具携带的电源或其它动力源产生的热量，d)由电驱动装置产生的热量，包括，例如计算机，e)建筑物与地面以下或周围空气的温度差，f)集中的太阳能发电。例如，能量转化器可从夜晚和白天之间存在的温度差产生能量。在白天当周围空气和太阳能提供能量以加热热交换器时，水存储器可以用作吸热设备并且存储热能。冷水的存储器用于冷却冷交换器或冷存储器108。热交换器或热存储器106可以由白天时间的空气温度加热，并且可以吸收直接太阳能。水在白天可以加热直到水升高后的温度非常接近夜晚空气降低后的温度时，不可能再产生能量转化器中的能量。当空气的温度下降至低于当时被加热的水的温度时，能量转化器的循环颠倒。循环可以由将阀设计为改变从每个存储器进入反向发动机阀的空气方向实现颠倒，或颠倒空气流体，或循环可以通过在保持相同流体流动的同时，为阀定时以便汽缸112(图2)的热端116(图2)转变为汽缸112(图2)的冷端118(图2)并且反之亦然，意味着压缩端现在变为扩张端并且反之亦然。在水存储器中存储的热量散入到冷却的夜晚的空气中并且将在整个夜晚提供能量以操作能量转化器直到水存储器降低后的温度接近早上空气升高后的温度时。
通过使用多于一个的水存储器，能量以热量的形式储存并且在高需要时间段使用。例如，在白天的热时间段中一个水存储器可以被加热并且储备以当空气温度变冷时在高峰时间段例如接近黎明时使用。同样地，另一水存储器在夜晚可以被冷却至最冷夜晚空气的温度并且储备以当温度更高时在接下来的白天的高需求时间段时使用。这些存储器的加热和冷却在低电力需求过程中可以实现，当能量转化器可以，例如以高速运转以为可能最快的能量转化器提供用于产生外部使用的较少能量时。
能量转化器可以用作小范围或大范围的用于在低电力需要时间段将电能转化为热能并且在高电力需求时间段重新返回电能的热能存储装置。在其它实施例中，加热部件可以用于加热热质材料并且能量转化器可用于在另一时间将该热能转化为电能。
在权利要求中，词语“具有”表示包含的含义并且并不排除其它存在的部件。权利要求特征之前的不定冠词“一个”并不排除存在特征超过一个的情况。这里描述的每个独立的特征可以用于一个或多个实施例中并且根据这里的描述并不一定是权利要求限定的所有实施例所必需的。