專(zhuān)利名稱(chēng)：發(fā)電的熱轉(zhuǎn)換裝置及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及能量轉(zhuǎn)換，并更具體地涉及一種配置成發(fā)電并轉(zhuǎn)換熱能的熱轉(zhuǎn)換 裝置和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
通常在系統(tǒng)中的流體之間存在溫差。例如，主流體可以具有比次流體更高的溫度。 這種溫差由此形成可以轉(zhuǎn)換為其它形式能量的熱能的來(lái)源。另外，在這種系統(tǒng)中，熱能還可以在主流體與次流體之間傳遞。也就是說(shuō)，例如，通 過(guò)諸如換熱器的熱轉(zhuǎn)換裝置，可利用主流體提高次流體的溫度。

發(fā)明內(nèi)容
配置成發(fā)電并轉(zhuǎn)換熱能的熱轉(zhuǎn)換裝置包括熱力發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)。熱力發(fā)動(dòng)機(jī)配置 成將熱能轉(zhuǎn)換為組合體中的機(jī)械能，組合體包括擬塑性預(yù)應(yīng)變的形狀記憶合金，該形狀記 憶合金具有響應(yīng)于來(lái)自小于或等于約300°C的流體之間的溫差的熱能可在奧氏體與馬氏體 之間變化的結(jié)晶相。發(fā)電機(jī)配置成將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能并且由熱力發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。配置成發(fā)電并轉(zhuǎn)換熱能的熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括由具有第一溫度的主流體與具有不同 于第一溫度的第二溫度的次流體之間小于或等于約300°C的溫差形成的熱能的來(lái)源。熱轉(zhuǎn) 換系統(tǒng)還包括配置成發(fā)電并轉(zhuǎn)換熱能的熱轉(zhuǎn)換裝置。更具體地，熱轉(zhuǎn)換裝置包括組合體形 式的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，該組合體包括設(shè)置成與主流體和次流體的每一者處于熱交換關(guān)系的擬塑 性預(yù)應(yīng)變的形狀記憶合金。熱轉(zhuǎn)換裝置還包括由熱力發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)并配置成將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為 電能的發(fā)電機(jī)。在一個(gè)變型中，熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括主流體、次流體以及熱轉(zhuǎn)換裝置。更具體地，熱轉(zhuǎn) 換裝置的內(nèi)部配置成在主流體與次流體之間傳遞熱能。熱轉(zhuǎn)換裝置包括配置成將至少一些 熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。而且，熱力發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)設(shè)置在熱轉(zhuǎn)換裝置的內(nèi)部。另 外，熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括電子控制單元，電子控制單元與熱轉(zhuǎn)換裝置可操作地通訊，并配置成調(diào) 節(jié)熱能在主流體與次流體之間的傳遞。而且，熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括配置成傳送來(lái)自熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 的電能的傳遞介質(zhì)。本發(fā)明的熱轉(zhuǎn)換裝置和系統(tǒng)提供出色的熱能轉(zhuǎn)換。另外，熱轉(zhuǎn)換裝置和系統(tǒng)發(fā)電。 也就是說(shuō)，熱轉(zhuǎn)換裝置和系統(tǒng)不僅可用于轉(zhuǎn)換由流體之間的溫差提供的熱能，還可用于供 給電能。熱轉(zhuǎn)換裝置和系統(tǒng)的尺寸可設(shè)置為服務(wù)于家庭和商業(yè)或工業(yè)應(yīng)用。并且，熱轉(zhuǎn)換 裝置和系統(tǒng)可操作并可響應(yīng)于流體之間的最小溫差發(fā)電。通過(guò)下面參照附圖對(duì)實(shí)施本發(fā)明的最佳模式的詳細(xì)描述，本發(fā)明的上述特征和優(yōu) 點(diǎn)及其他特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更明顯。本發(fā)明還提供了如下方案
方案1. 一種配置成發(fā)電并轉(zhuǎn)換熱能的熱轉(zhuǎn)換裝置，所述熱轉(zhuǎn)換裝置包括 熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，所述熱力發(fā)動(dòng)機(jī)配置成將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，并包括擬塑性預(yù)應(yīng)變的形狀記憶合金，所述形狀記憶合金具有響應(yīng)于來(lái)自小于或等于約300°C的流體之間的溫差的 熱能可在奧氏體與馬氏體之間變化的結(jié)晶相；以及
發(fā)電機(jī)，所述發(fā)電機(jī)配置成將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能并且由所述熱力發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。方案2.如方案1所述的熱轉(zhuǎn)換裝置，其中所述溫差小于或等于約30°C。方案3.如方案1所述的熱轉(zhuǎn)換裝置，其中所述溫差小于或等于約10°C。方案4.如方案1所述的熱轉(zhuǎn)換裝置，其中所述形狀記憶合金一旦改變結(jié)晶相時(shí) 尺寸就發(fā)生變化，由此將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。方案5.如方案1所述的熱轉(zhuǎn)換裝置，其中，所述形狀記憶合金的結(jié)晶相從馬氏體 變?yōu)閵W氏體并由此進(jìn)行尺寸上的縮小從而將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。方案6.如方案5所述的熱轉(zhuǎn)換裝置，其中，所述形狀記憶合金的結(jié)晶相從奧氏體 變?yōu)轳R氏體，并且在受到應(yīng)力時(shí)進(jìn)行尺寸上的擴(kuò)大從而使所述形狀記憶合金復(fù)位以便將熱 能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。方案7.如方案6所述的熱轉(zhuǎn)換裝置，其中，所述形狀記憶合金的所述尺寸上的收 縮和所述尺寸上的擴(kuò)大驅(qū)動(dòng)所述發(fā)電機(jī)。方案8.如方案1所述的熱轉(zhuǎn)換裝置，其中，所述形狀記憶合金具有從彈簧、條、線 材、帶、連續(xù)環(huán)以及它們的組合構(gòu)成的組中選擇的形態(tài)。方案9.如方案1所述的熱轉(zhuǎn)換裝置，其中，所述形狀記憶合金包括鎳和鈦。方案10.如方案1所述的熱轉(zhuǎn)換裝置，其中，所述熱轉(zhuǎn)換裝置是熱交換器，所述熱 交換器具有從平行流動(dòng)、反向流動(dòng)、交叉流動(dòng)以及這些流動(dòng)的組合構(gòu)成的組中選擇的流體 流動(dòng)的構(gòu)造。方案11. 一種配置成發(fā)電并轉(zhuǎn)換熱能的熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，所述熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括 具有第一溫度的主流體與具有不同于所述第一溫度的第二溫度的次流體之間的溫差
形成的熱能的來(lái)源，其中所述溫差小于或等于約300°C ；以及
配置成發(fā)電并轉(zhuǎn)換熱能的熱轉(zhuǎn)換裝置，所述熱轉(zhuǎn)換裝置包括 熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，所述熱力發(fā)動(dòng)機(jī)配置成將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能并包括與所述主流體和所述 次流體的每一者處于熱交換關(guān)系的擬塑性預(yù)應(yīng)變的形狀記憶合金；以及 配置成將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能并由所述熱力發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)。方案12.如方案11所述的熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中，所述形狀記憶合金在與所述主流體 和所述次流體中的一者處于熱交換關(guān)系時(shí)就在奧氏體與馬氏體之間改變結(jié)晶相。方案13.如方案12所述的熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中，所述形狀記憶合金的結(jié)晶相的所述 改變驅(qū)動(dòng)所述發(fā)電機(jī)。方案14.如方案12所述的熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中，所述形狀記憶合金一旦結(jié)晶相從馬 氏體變?yōu)閵W氏體就在尺寸上縮小，并且所述形狀記憶合金一旦結(jié)晶相從奧氏體變?yōu)轳R氏體 當(dāng)受到應(yīng)力時(shí)就在尺寸上擴(kuò)大。方案15.如方案11所述的熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中，所述第一溫度與所述第二溫度之間 的溫差小于或等于約30°C。方案16.如方案11所述的熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中，所述第一溫度與所述第二溫度之間 的溫差小于或等于約10°c。方案17. —種配置成發(fā)電并轉(zhuǎn)換熱能的熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，所述熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括具有第一溫度的主流體；
具有不同于所述第一溫度的第二溫度的次流體；
熱轉(zhuǎn)換裝置，其配置成發(fā)電并轉(zhuǎn)換熱能，其中所述熱轉(zhuǎn)換裝置的內(nèi)部配置成在所述主 流體與所述次流體之間傳遞熱能，所述熱轉(zhuǎn)換裝置包括
配置成將至少一些熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，所述熱力發(fā)動(dòng)機(jī)包括設(shè)置為與所 述主流體和所述次流體的每一者接觸的擬塑性預(yù)應(yīng)變的形狀記憶合金；以及 配置成將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能并由所述熱力發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)； 其中，所述熱力發(fā)動(dòng)機(jī)和所述發(fā)電機(jī)均設(shè)置在所述熱轉(zhuǎn)換裝置的所述內(nèi)部中； 電子控制單元，所述電子控制單元與所述熱轉(zhuǎn)換裝置可操作地通訊，并配置成調(diào)節(jié)熱 能在所述主流體與所述次流體之間的傳遞；以及
配置成傳送來(lái)自所述熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的電能的傳遞介質(zhì)。方案18.如方案17所述的熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中，未被所述熱力發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換為機(jī)械能 的任何熱能維持所述第一溫度與所述第二溫度之間的溫差。方案19.如方案17所述的熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，還包括輸入回路，所述輸入回路與所述熱 轉(zhuǎn)換裝置處于流體連通并配置成使所述主流體經(jīng)由所述熱轉(zhuǎn)換裝置循環(huán)，其中，所述輸入 回路包括配置成儲(chǔ)存所述第一溫度下的所述主流體的儲(chǔ)存器。方案20.如方案19所述的熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，還包括輸出回路，所述輸出回路與所述熱 轉(zhuǎn)換裝置處于流體連通并配置成使所述次流體經(jīng)由所述熱轉(zhuǎn)換裝置循環(huán)。


圖1是包括熱轉(zhuǎn)換裝置的熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的示意圖；以及
圖2是用于包含在圖1的熱轉(zhuǎn)換裝置中的發(fā)電機(jī)和熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的立體示意圖。
具體實(shí)施例方式參照附圖，其中相同的附圖標(biāo)記代表相同的元件，圖1示出總體上為10的一種熱 轉(zhuǎn)換裝置。熱轉(zhuǎn)換裝置10配置成發(fā)電并轉(zhuǎn)換由具有溫度差的流體12、14提供的熱能，并由 此可用于多種用途，例如但不限于此家庭和工業(yè)采暖用途。例如，熱轉(zhuǎn)換裝置10可為熱交 換器，并可用于加熱游泳池中的水或用于將處理用水供給到生產(chǎn)工廠?，F(xiàn)在參照?qǐng)D1和圖2，熱轉(zhuǎn)換裝置10包括熱力發(fā)動(dòng)機(jī)16。熱力發(fā)動(dòng)機(jī)16配置成 將熱能(例如，熱)轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，如下面更詳細(xì)描述的。更具體地，熱力發(fā)動(dòng)機(jī)16包括擬塑 性預(yù)應(yīng)變的形狀記憶合金18 (圖2)，該形狀記憶合金具有響應(yīng)于流體12、14 (圖1)的溫差 可在奧氏體與馬氏體之間變化的結(jié)晶相。術(shù)語(yǔ)“擬塑性預(yù)應(yīng)變”指的是在形狀記憶合金元 件18處于馬氏體相的時(shí)候拉伸形狀記憶合金元件18，使得形狀記憶合金元件18在負(fù)載下 呈現(xiàn)出的應(yīng)變?cè)谛遁d時(shí)不能完全恢復(fù)。也就是說(shuō)，一旦卸載，形狀記憶合金元件18看起來(lái) 好像已經(jīng)塑性變形了，但是當(dāng)被加熱到奧氏體起始溫度As時(shí)，可以恢復(fù)應(yīng)變，因此形狀記憶 合金元件18回到施加任何載荷之前所觀察到的原始長(zhǎng)度。另外，形狀記憶合金元件18可 以在安裝到熱力發(fā)動(dòng)機(jī)16中之前進(jìn)行拉伸，因此，形狀記憶合金18的名義長(zhǎng)度包括可恢復(fù) 的擬塑性應(yīng)變，這提供了用于驅(qū)動(dòng)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)16的運(yùn)動(dòng)。而且，本文所使用的術(shù)語(yǔ)“形狀記憶合金”指的是呈現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)并具有快速改變?cè)谟捕?、彈簧剛度?或形態(tài)穩(wěn)性方面的性質(zhì)的能力的已知的合金。即，形狀記憶合金18 可以通過(guò)結(jié)晶重排經(jīng)歷固態(tài)相變從而在馬氏體相即"馬氏體"與奧氏體相即"奧氏體“之 間變化。換句話說(shuō)，形狀記憶合金18可以經(jīng)受位移式轉(zhuǎn)變而不是擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變從而在馬氏體 與奧氏體之間變化。通常，馬氏體相指的是比較低溫的相并且常常比比較高溫的奧氏體相 更容易變形。形狀記憶合金18開(kāi)始由奧氏體相向馬氏體相變化的溫度被稱(chēng)為馬氏體起始 溫度Ms。形狀記憶合金18完成由奧氏體相變?yōu)轳R氏體相的溫度被稱(chēng)為馬氏體終了溫度Mf。 同樣地，當(dāng)形狀記憶合金18被加熱時(shí)，形狀記憶合金18開(kāi)始由馬氏體相向奧氏體相變化的 溫度被稱(chēng)為奧氏體起始溫度As。并且，形狀記憶合金18完成由馬氏體相變?yōu)閵W氏體相的溫 度被稱(chēng)為奧氏體終了溫度Af。因此，形狀記憶合金18可以以冷態(tài)表征，即，此時(shí)，形狀記憶合金18的溫度低于形 狀記憶合金18的馬氏體終了溫度Mf。同樣地，形狀記憶合金18還可以以熱態(tài)表征，S卩，此 時(shí)，形狀記憶合金18的溫度高于形狀記憶合金18的奧氏體終了溫度Af。工作時(shí)，S卩，當(dāng)形狀記憶合金18受到流體12與14之間的溫差時(shí)，可以在改變結(jié)晶 相時(shí)改變尺寸從而將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。也就是說(shuō)，形狀記憶合金18被加熱時(shí)結(jié)晶相可以 從馬氏體變?yōu)閵W氏體，并且由此如果進(jìn)行了擬塑性預(yù)應(yīng)變的話在尺寸上縮小從而將熱能轉(zhuǎn) 換為機(jī)械能。反之，形狀記憶合金18被冷卻時(shí)結(jié)晶相可以從奧氏體變?yōu)轳R氏體，并且由此 如果受應(yīng)力的話在尺寸上擴(kuò)大從而經(jīng)受擬塑性預(yù)應(yīng)變。也就是說(shuō)，形狀記憶合金18如果在 受應(yīng)力時(shí)被冷卻的話可以在尺寸上擴(kuò)大，從而使形狀記憶合金18復(fù)位以便進(jìn)行將熱能轉(zhuǎn) 換為機(jī)械能的另一循環(huán)。形狀記憶合金18可以具有任何合適的成分。特別地，形狀記憶合金18可以包括從 鈷、鎳、鈦、銦、錳、鐵、鈀、鋅、銅、銀、金、鎘、錫、硅、鉬以及鎵構(gòu)成的組中選擇的元素的組合 物。例如，適用的形狀記憶合金18可以包括鎳鈦基合金、鎳鋁基合金、鎳鎵基合金、銦鈦基 合金、銦鎘基合金、鎳鈷鋁基合金、鎳錳鎵基合金、銅基合金(例如、銅鋅合金、銅鋁合金、銅 金合金以及銅錫合金)、金鎘基合金、銀鎘基合金、錳銅基合金、鐵鉬基合金、鐵鈀基合金以 及這些組合物中的一者或多者的組合。形狀記憶合金18可以是二元合金、三元合金或任何 更高元的，只要形狀記憶合金18呈現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)，例如形狀方向、阻尼能力等的變化。根 據(jù)本發(fā)明，熟練技工可以根據(jù)熱轉(zhuǎn)換裝置10 (圖1)的期望工作溫度選擇形狀記憶合金18， 這在下文更詳細(xì)描述。在一個(gè)特定實(shí)例中，形狀記憶合金18可以包括鎳和鈦。而且，形狀記憶合金18可以具有任何適用的形態(tài)，即形狀。例如，形狀記憶合金18 可以具有形狀可變的元件的形態(tài)。即，形狀記憶合金18可以具有從彈簧、條、線材、帶、連續(xù) 環(huán)以及它們的組合構(gòu)成的組中選擇的形態(tài)。參照?qǐng)D2，在一個(gè)變型中，形狀記憶合金18可以 形成為連續(xù)環(huán)形彈簧。形狀記憶合金18可以通過(guò)任何適用方式將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。例如，形狀記憶合 金18可以觸發(fā)滑輪系統(tǒng)(總體上在圖2中示出并在下文更詳細(xì)描述)、與杠桿(未示出)接 合、使飛輪(未示出)轉(zhuǎn)動(dòng)、與螺桿(未示出)接合等等。再次參照?qǐng)D1和2，熱轉(zhuǎn)換裝置10還包括發(fā)電機(jī)20。發(fā)電機(jī)20配置成將機(jī)械能 轉(zhuǎn)換成電能(在圖1和圖2中總體上由附圖標(biāo)記EE表示)。發(fā)電機(jī)20可以是用于將機(jī)械能 轉(zhuǎn)換成電能EE的任何適用裝置。例如，發(fā)電機(jī)20可以是利用電磁感應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電 能EE的發(fā)電機(jī)，并可以包括相對(duì)于定子(未示出)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子(未示出)。
參照?qǐng)D2，發(fā)電機(jī)20由熱力發(fā)動(dòng)機(jī)16驅(qū)動(dòng)。也就是說(shuō)，通過(guò)形狀記憶合金18由熱 能轉(zhuǎn)換得到的機(jī)械能可以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)20。特別地，形狀記憶合金18的上述尺寸縮小和尺寸 擴(kuò)大可以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)20。更具體地說(shuō)，在圖2所示的一個(gè)變型中，熱力發(fā)動(dòng)機(jī)16可以包括框架22，其配置 成支撐布置在多個(gè)輪軸32、34上的一個(gè)或多個(gè)輪子或滑輪對(duì)、26、觀、30。這些輪子或滑輪 對(duì)、26、觀、30可以相對(duì)于框架22旋轉(zhuǎn)，并且形狀記憶合金18可以由這些輪子或滑輪24、 26,28,30支撐并且沿著這些輪子或滑輪行進(jìn)?？梢杂梢粋€(gè)或多個(gè)齒輪組36任選地改變這 些輪子或滑輪對(duì)、26、觀、30的轉(zhuǎn)速。而且，發(fā)電機(jī)20可以包括連接到輪子或滑輪沈的傳 動(dòng)軸38。當(dāng)這些輪子或滑輪M、26J8、30響應(yīng)于形狀記憶合金18在尺寸上的擴(kuò)大和縮小 而圍繞熱力發(fā)動(dòng)機(jī)16的相應(yīng)的輪軸32、34轉(zhuǎn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)時(shí)，傳動(dòng)軸38轉(zhuǎn)動(dòng)并驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)20。 隨后發(fā)電機(jī)20產(chǎn)生電能EE，因而機(jī)械能被轉(zhuǎn)換成電能EE。再次總體參照?qǐng)D1，依據(jù)需要轉(zhuǎn)換熱能的所期望的應(yīng)用，熱能轉(zhuǎn)換裝置10可以具 有任何適用的構(gòu)造、形狀和/或尺寸。例如，熱轉(zhuǎn)換裝置10可以是熱交換器。通常，熱轉(zhuǎn)換 裝置10可以具有配置成包括相對(duì)較熱區(qū)域(在圖1中由區(qū)域H示意性表示)和相對(duì)較冷區(qū) 域進(jìn)圖1中由區(qū)域C表示)的內(nèi)部。區(qū)域H與區(qū)域C之間的溫差允許在流體12、14之間的 熱能傳遞。流體12、14可在熱轉(zhuǎn)換裝置10中相互接觸，或者可在熱轉(zhuǎn)換裝置10中相互分離， 只要熱能可通過(guò)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)16轉(zhuǎn)換成機(jī)械能即可。例如，流體12、14可處于熱交換關(guān)系， 即相對(duì)于彼此設(shè)置成使得熱能傳遞到熱力發(fā)動(dòng)機(jī)16以便轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，和/或設(shè)置為在彼 此之間傳遞熱能。也就是說(shuō)，熱轉(zhuǎn)換裝置10可以是管殼式熱交換器、板式熱交換器、再生式 熱交換器、板翅式熱交換器、流體式熱交換器、余熱回收式熱交換器、動(dòng)態(tài)刮面式熱交換器、 相變式熱交換器、直接接觸式熱交換器、螺旋式熱交換器以及這些熱交換器的任意組合。在包括作為熱轉(zhuǎn)換裝置的熱交換器的變型中，熱交換器可具有從平行流動(dòng)、反向 流動(dòng)、交叉流動(dòng)以及這些流動(dòng)的組合構(gòu)成的組中選擇的流體流動(dòng)的構(gòu)造。如本文所使用的， 術(shù)語(yǔ)“平行流動(dòng)”指的是流體12、14均流入熱交換器的同一端并彼此平行地流經(jīng)熱交換器 的構(gòu)造。相反地，術(shù)語(yǔ)“反向流動(dòng)”指的是流體12、14流入熱交換器的相對(duì)的兩端的構(gòu)造。 術(shù)語(yǔ)“交叉流動(dòng)”指的是流體12、14近似相互垂直地流經(jīng)熱交換器的構(gòu)造。進(jìn)一步構(gòu)想到 熱轉(zhuǎn)換裝置10可包括其它元件，例如但不限于過(guò)濾器、閥、隔板、控制器、傳感器以及壓力 調(diào)節(jié)器。再次參照?qǐng)D1，熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)總體上示為42。能量收集系統(tǒng)42也配置成產(chǎn)生電能 EE或轉(zhuǎn)換熱能。更具體地說(shuō)，如圖1所示，熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)42包括由具有第一溫度的主流體12 與具有不同于第一溫度的第二溫度的次流體14之間的溫差形成的熱能源。第一溫度可以 高于或不同于第二溫度。對(duì)于熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)42，溫差小于或等于約300°C。例如，第一溫度與 第二溫度之間的溫差可以小至約5°C并且不超過(guò)約100°C。換言之，溫差可以大于或等于約 5°C并且小于或等于約30°C，例如小于或等于約10°C。因此，形狀記憶合金18具有比傳統(tǒng) 的形狀記憶合金相對(duì)較小的能量滯后現(xiàn)象，并響應(yīng)于最小的溫差。因此，包括形狀記憶合金 18的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)16可產(chǎn)生比傳統(tǒng)的形狀記憶合金相對(duì)較大的輸出，例如機(jī)械能和/或電能 EE (圖2)。換言之，熱力發(fā)動(dòng)機(jī)16即使在溫差小于或等于例如大約10°C時(shí)也具有很高的 效率并將最大量的熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能和/或電能EE。并且，隨著溫差增大，熱力發(fā)動(dòng)機(jī)16和熱轉(zhuǎn)換裝置10更積極地響應(yīng)。即，對(duì)于比較大的溫差，熱力發(fā)動(dòng)機(jī)16可在更短的時(shí)間段 內(nèi)轉(zhuǎn)換熱能從而產(chǎn)生相對(duì)更大量的機(jī)械能和/或電能EE (圖2)。主流體12和次流體14可以均選自氣體、液體、固體的流化床以及它們的組合物的 組。同樣地，主流體12可具有不同于次流體14的形態(tài)，即相態(tài)。例如，主流體12可以是液 體，次流體14可以是氣體。另外，主流體12可與次流體14相同或不同。在一個(gè)變型中，主 流體12和次流體14可均為水，但主流體12的水可具有高于次流體14的水的第二溫度的
第一溫度。再次參照?qǐng)D1，熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)42還包括熱轉(zhuǎn)換裝置10。如上所述，熱轉(zhuǎn)換裝置10配 置成產(chǎn)生電能EE并轉(zhuǎn)換熱能?？深A(yù)見(jiàn)到，熱轉(zhuǎn)換裝置10可以?xún)H在流體12、14之間傳遞最小 量的熱能，但可以通過(guò)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)16將大部分的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能和/或電能EE (圖2)。然而，在熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)42的一個(gè)變型中，熱轉(zhuǎn)換裝置10可為上述的熱交換器，并可 以在主流體12與次流體14之間傳遞大部分的熱能。即，熱轉(zhuǎn)換裝置10可以將熱能從主流 體12傳遞到次流體14從而提高次流體14的第二溫度。然而，可預(yù)見(jiàn)到可替換地，熱轉(zhuǎn)換 裝置10可以依據(jù)主流體12與次流體14之間的溫差將熱能從次流體14傳遞到主流體12。如圖1總體示出的，熱力發(fā)動(dòng)機(jī)16，并且更具體地說(shuō)是熱力發(fā)動(dòng)機(jī)16的形狀記憶 合金18 (圖2)布置成與主流體12和次流體14中的每一者都處于熱交換關(guān)系。也就是說(shuō)， 形狀記憶合金18相對(duì)于主流體12和次流體14中的每一者設(shè)置成使得通過(guò)熱能的傳遞對(duì) 第一溫度和/或第二溫度做出反應(yīng)。例如，熱力發(fā)動(dòng)機(jī)16的形狀記憶合金18可布置成與 主流體12和次流體14接觸。因此，形狀記憶合金18可以在與第一流體區(qū)域12和第二流 體區(qū)域14中的一者處于熱交換關(guān)系時(shí)就在奧氏體與馬氏體之間改變結(jié)晶相。例如，當(dāng)形狀 記憶合金18與主流體12處于熱交換關(guān)系時(shí)，形狀記憶合金18可以從馬氏體變?yōu)閵W氏體。 同樣地，當(dāng)形狀記憶合金18與次流體14處于熱交換關(guān)系時(shí)，形狀記憶合金18可以從奧氏 體變?yōu)轳R氏體。而且，形狀記憶合金18 —旦改變了結(jié)晶相就可以改變模量和尺寸從而將熱能轉(zhuǎn) 換為機(jī)械能。更具體地說(shuō)，如果形狀記憶合金18進(jìn)行了擬塑性預(yù)應(yīng)變，則一旦結(jié)晶相從馬 氏體變?yōu)閵W氏體，形狀記憶合金18就可以在尺寸上縮小，并且如果形狀記憶合金18受到張 應(yīng)力，則一旦結(jié)晶相從奧氏體變?yōu)轳R氏體，形狀記憶合金18就可以在尺寸上擴(kuò)大，由此將 熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。因此，對(duì)于主流體12的第一溫度與次流體14的第二溫度之間存在溫 差 ΔΤ即主流體12和次流體14不 處于熱平衡的任何狀況，一旦結(jié)晶相在馬氏體與奧氏體之間變化，形狀記憶合金18就可以 在尺寸上擴(kuò)大和縮小。并且，形狀記憶合金18的結(jié)晶相的變化足以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)20。工作時(shí)，參照?qǐng)D1的熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)42并且參照?qǐng)D2所示形狀記憶合金18的示例構(gòu)造 進(jìn)行描述，一個(gè)輪子或滑輪觀至少充分地浸于主流體12中，而另一輪子或滑輪M至少充 分地浸于次流體14中。當(dāng)形狀記憶合金18與次流體14處于熱交換關(guān)系時(shí)(例如，當(dāng)充分 地浸于次流體14時(shí))，形狀記憶合金18的一個(gè)區(qū)域(總體上由箭頭A表示)在受應(yīng)力時(shí)在尺 寸上擴(kuò)大，例如在受應(yīng)力時(shí)在尺寸上伸展，擬塑性預(yù)應(yīng)變的形狀記憶合金18的與主流體12 處于熱交換關(guān)系(例如，當(dāng)充分浸于主流體12時(shí))的另一區(qū)域(總體上由箭頭B表示)在尺寸 上縮小。形狀記憶合金18在受到主流體12與次流體14之間的溫差ΔΤ時(shí)形狀記憶合金 18的連續(xù)彈簧環(huán)形態(tài)的交替的尺寸縮小和擴(kuò)大可以將機(jī)械勢(shì)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械動(dòng)能，并由此將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。因此，為了實(shí)現(xiàn)熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)42的最佳效率，主流體12與次流體14優(yōu) 選地被快速更新以維持流體12、14之間的溫差ΔΤ。 再次參照?qǐng)D1，熱力發(fā)動(dòng)機(jī)16和發(fā)電機(jī)20可以布置在熱轉(zhuǎn)換裝置10的內(nèi)部40 中。特別地，熱力發(fā)動(dòng)機(jī)16和發(fā)電機(jī)20可以布置在熱轉(zhuǎn)換裝置10中的任何位置，只要形 狀記憶合金18的熱交換部分布置成與相應(yīng)的主流體12和次流體14處于充分的熱交換接 觸關(guān)系即可。而且，熱力發(fā)動(dòng)機(jī)16和發(fā)電機(jī)20可以被殼體44 (圖1)包圍。殼體44可以 完全地封裝熱力發(fā)動(dòng)機(jī)16和發(fā)電機(jī)20，或者殼體44可以具有通風(fēng)孔(未示出)。也就是說(shuō)， 殼體44可以形成有孔(未示出)，諸如電線的電子部件和/或主流體12和次流體14可以通 過(guò)這些孔。而且，每個(gè)孔可以包括配置成移除主流體12和/或次流體14中的雜質(zhì)的過(guò)濾 器(未示出)?？深A(yù)見(jiàn)到，主流體12和次流體14可以不流經(jīng)殼體44。也就是說(shuō)，對(duì)于包括液態(tài)主 流體12和液態(tài)次流體14的應(yīng)用，熱力發(fā)動(dòng)機(jī)16的框架22 (圖2)可以架設(shè)分離熱轉(zhuǎn)換裝 置10中的主流體12和次流體14的板(未示出)。也就是說(shuō)，一個(gè)輪子或滑輪觀可浸于主 流體12中，而另一個(gè)輪子或滑輪M可浸于第二流體14中。在這種構(gòu)造中，熱力發(fā)動(dòng)機(jī)16 的形狀記憶合金18的一部分可由此從對(duì)于流體12、14密封的殼體44的一部分中伸出。
可替換地，主流體12和次流體14可以流經(jīng)殼體44，但可以在殼體44中保持分離。例 如，殼體44可以包括主流體12和次流體14的每一者的入口和出口，并可以通過(guò)密封物或 屏障使主流體12與次流體14分離。盡管圖中未示出，但還構(gòu)想到主流體12和次流體14可容納于殼體44中并在殼 體44中保持分離。例如，在這種構(gòu)造中，主流體12和次流體14可均為在熱轉(zhuǎn)換裝置10的 運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中可被流經(jīng)殼體44的其它流體加熱或冷卻的液體或氣體。在這種構(gòu)造中，熱力發(fā) 動(dòng)機(jī)16可設(shè)置在諸如殼(未示出)中并鄰接和接觸諸如熱轉(zhuǎn)換裝置10的管(未示出)。因 此，相對(duì)較熱流體可以流經(jīng)熱轉(zhuǎn)換裝置10的管，而相對(duì)較冷的流體流經(jīng)熱轉(zhuǎn)換裝置10的 殼。由此，主流體12和次流體14可以被熱轉(zhuǎn)換裝置10的外殼和管道中的流體所產(chǎn)生的對(duì) 流或傳導(dǎo)加熱和/或冷卻。主流體12和次流體14可以在殼體44中被諸如物理屏障分離。 并且，熱力發(fā)動(dòng)機(jī)16可以跨過(guò)該屏障，因而形狀記憶合金18突出到主流體12和次流體14 的每一者中。再次參照?qǐng)D1，熱力發(fā)動(dòng)機(jī)16配置成將至少一些熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。未被熱力轉(zhuǎn) 換裝置10轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的任何熱能可以維持第一溫度與第二溫度之間的溫差。也就是說(shuō)， 由于熱力發(fā)動(dòng)機(jī)16和發(fā)電機(jī)20設(shè)置在熱轉(zhuǎn)換裝置10的內(nèi)部40中從而被熱轉(zhuǎn)換裝置10 封裝，所以熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)42的熱損失被最小化。由形狀記憶合金18的擴(kuò)大和縮小產(chǎn)生的任 何熱量可以傳遞到次流體14以使第二溫度升高(即加熱次流體14)，或者可以傳遞到主流 體12以維持第一溫度。因此，熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)42具有出色的熱轉(zhuǎn)換效率?，F(xiàn)在參照?qǐng)D1，在一個(gè)變型中，熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)42還包括電子控制單元46。電子控制 單元46與熱轉(zhuǎn)換裝置10可操作地通訊，并配置成調(diào)節(jié)熱能在主流體12與次流體14之間 的傳遞。電子控制裝置46可以是例如計(jì)算機(jī)，其與熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)42的一個(gè)或多個(gè)控制器和/ 或傳感器電子通訊。例如，電子控制裝置46可以與主流體12的溫度傳感器、次流體14的 溫度傳感器、發(fā)電機(jī)20的調(diào)速器、流體流動(dòng)傳感器和配置成監(jiān)控發(fā)電的儀表中的一者或多 者通訊和/或控制它們。
還如圖1所示，熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)42包括傳遞介質(zhì)48，其配置成傳送來(lái)自熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)42 的電能EE。特別地，傳遞介質(zhì)48可以傳送來(lái)自發(fā)電機(jī)20的電能EE。傳遞介質(zhì)48可以是 例如電力線或?qū)щ婋娎|。傳遞介質(zhì)48可以將電能EE從發(fā)電機(jī)20傳送到儲(chǔ)存裝置(例如， 蓄電池(未示出)、蓄電器和/或收集器)，或者傳送到電力應(yīng)用的電力網(wǎng)。再次參照?qǐng)D1，熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)42還包括在圖1中總體上示作50的輸入回路，輸入回 路與熱轉(zhuǎn)換裝置10處于流體連通并配置成使主流體12經(jīng)由熱轉(zhuǎn)換裝置10循環(huán)。輸入回 路50可以包括用于儲(chǔ)存主流體12的儲(chǔ)存器52，例如，蒸煮器或熱水箱。而且，輸入回路50 可以包括管道系統(tǒng)、閥、壓力調(diào)節(jié)器、傳感器以及它們的組合物從而在儲(chǔ)存器52與熱轉(zhuǎn)換 裝置10之間傳送主流體12。同樣地，熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)42還包括在圖1中總體上示作M的輸出回路，輸出回路與熱 轉(zhuǎn)換裝置10處于流體連通并配置成使次流體14經(jīng)由熱轉(zhuǎn)換裝置10循環(huán)。輸出回路M可 以也包括管道系統(tǒng)、閥、壓力調(diào)節(jié)器、傳感器以及它們的組合物從而在熱轉(zhuǎn)換裝置10與應(yīng) 用56 (例如，待加熱的游泳池水或處理用水)之間傳送次流體14?？深A(yù)見(jiàn)到，對(duì)于上述任何實(shí)例或構(gòu)造，熱轉(zhuǎn)換裝置10和/或熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)42可以包 括多個(gè)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)16和/或多個(gè)發(fā)電機(jī)20。也就是說(shuō)，一個(gè)熱轉(zhuǎn)換裝置10可以包括多于 一個(gè)的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)16和/或發(fā)電機(jī)20。例如，一個(gè)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)16可以驅(qū)動(dòng)多于一個(gè)的發(fā) 電機(jī)20。同樣地，一個(gè)熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)42可以包括多于一個(gè)的熱轉(zhuǎn)換裝置10，每個(gè)熱轉(zhuǎn)換裝置 包括至少一個(gè)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)16和發(fā)動(dòng)機(jī)20。在包括多于一個(gè)的熱轉(zhuǎn)換裝置10的變型中，熱 轉(zhuǎn)換裝置10可以串聯(lián)或并聯(lián)連接。也就是說(shuō)，如果多個(gè)熱轉(zhuǎn)換裝置10并聯(lián)設(shè)置(未示出)， 則每個(gè)熱轉(zhuǎn)換裝置10可以設(shè)置為與共同的主流體12接觸。相反地，如果多個(gè)熱轉(zhuǎn)換裝置 10串聯(lián)設(shè)置(未示出)，則一個(gè)熱轉(zhuǎn)換裝置10的主流體12可以還是另一熱轉(zhuǎn)換裝置10的次 流體14。本發(fā)明的熱轉(zhuǎn)換裝置10和系統(tǒng)42提供了出色的熱能轉(zhuǎn)換。另外，熱轉(zhuǎn)換裝置10 和系統(tǒng)42產(chǎn)生電能EE。也就是說(shuō)，熱轉(zhuǎn)換裝置10和系統(tǒng)42不僅可用于在流體12、14之間 轉(zhuǎn)換熱能和/或傳遞熱能，還可用于供給電能EE。熱轉(zhuǎn)換裝置10和系統(tǒng)42的尺寸可設(shè)置 為服務(wù)于家庭和商業(yè)或工業(yè)應(yīng)用56。并且，熱轉(zhuǎn)換裝置10和系統(tǒng)42可操作并可響應(yīng)于流 體之間的最小溫差產(chǎn)生電能EE。如此，熱轉(zhuǎn)換裝置10和熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)42回收熱能從而將熱 能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能和電能EE。盡管已經(jīng)詳細(xì)描述了實(shí)施本發(fā)明的最佳方式，但熟悉本發(fā)明所涉及領(lǐng)域的技術(shù)人 員將看出多種替換方案和實(shí)施例，用于在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)實(shí)施本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種配置成發(fā)電并轉(zhuǎn)換熱能的熱轉(zhuǎn)換裝置，所述熱轉(zhuǎn)換裝置包括熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，所述熱力發(fā)動(dòng)機(jī)配置成將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，并包括擬塑性預(yù)應(yīng)變的形 狀記憶合金，所述形狀記憶合金具有響應(yīng)于來(lái)自小于或等于約300°C的流體之間的溫差的 熱能可在奧氏體與馬氏體之間變化的結(jié)晶相；以及發(fā)電機(jī)，所述發(fā)電機(jī)配置成將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能并且由所述熱力發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。
2.如權(quán)利要求1所述的熱轉(zhuǎn)換裝置，其中所述溫差小于或等于約30°C。
3.如權(quán)利要求1所述的熱轉(zhuǎn)換裝置，其中所述溫差小于或等于約10°C。
4.如權(quán)利要求1所述的熱轉(zhuǎn)換裝置，其中所述形狀記憶合金一旦改變結(jié)晶相時(shí)尺寸 就發(fā)生變化，由此將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。
5.如權(quán)利要求1所述的熱轉(zhuǎn)換裝置，其中，所述形狀記憶合金的結(jié)晶相從馬氏體變?yōu)?奧氏體并由此進(jìn)行尺寸上的縮小從而將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。
6.如權(quán)利要求5所述的熱轉(zhuǎn)換裝置，其中，所述形狀記憶合金的結(jié)晶相從奧氏體變?yōu)?馬氏體，并且在受到應(yīng)力時(shí)進(jìn)行尺寸上的擴(kuò)大從而使所述形狀記憶合金復(fù)位以便將熱能轉(zhuǎn) 變?yōu)闄C(jī)械能。
7.如權(quán)利要求6所述的熱轉(zhuǎn)換裝置，其中，所述形狀記憶合金的所述尺寸上的收縮和 所述尺寸上的擴(kuò)大驅(qū)動(dòng)所述發(fā)電機(jī)。
8.如權(quán)利要求1所述的熱轉(zhuǎn)換裝置，其中，所述形狀記憶合金具有從彈簧、條、線材、 帶、連續(xù)環(huán)以及它們的組合構(gòu)成的組中選擇的形態(tài)。
9.一種配置成發(fā)電并轉(zhuǎn)換熱能的熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，所述熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括具有第一溫度的主流體與具有不同于所述第一溫度的第二溫度的次流體之間的溫差 形成的熱能的來(lái)源，其中所述溫差小于或等于約300°C ；以及配置成發(fā)電并轉(zhuǎn)換熱能的熱轉(zhuǎn)換裝置，所述熱轉(zhuǎn)換裝置包括 熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，所述熱力發(fā)動(dòng)機(jī)配置成將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能并包括與所述主流體和所述 次流體的每一者處于熱交換關(guān)系的擬塑性預(yù)應(yīng)變的形狀記憶合金；以及 配置成將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能并由所述熱力發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)。
10.一種配置成發(fā)電并轉(zhuǎn)換熱能的熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，所述熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括 具有第一溫度的主流體；具有不同于所述第一溫度的第二溫度的次流體；熱轉(zhuǎn)換裝置，其配置成發(fā)電并轉(zhuǎn)換熱能，其中所述熱轉(zhuǎn)換裝置的內(nèi)部配置成在所述主 流體與所述次流體之間傳遞熱能，所述熱轉(zhuǎn)換裝置包括配置成將至少一些熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，所述熱力發(fā)動(dòng)機(jī)包括設(shè)置為與所 述主流體和所述次流體的每一者接觸的擬塑性預(yù)應(yīng)變的形狀記憶合金；以及 配置成將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能并由所述熱力發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)； 其中，所述熱力發(fā)動(dòng)機(jī)和所述發(fā)電機(jī)均設(shè)置在所述熱轉(zhuǎn)換裝置的所述內(nèi)部中； 電子控制單元，所述電子控制單元與所述熱轉(zhuǎn)換裝置可操作地通訊，并配置成調(diào)節(jié)熱 能在所述主流體與所述次流體之間的傳遞；以及配置成傳送來(lái)自所述熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的電能的傳遞介質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明涉及發(fā)電的熱轉(zhuǎn)換裝置及系統(tǒng)。一種配置成發(fā)電并轉(zhuǎn)換熱能的熱轉(zhuǎn)換裝置，熱轉(zhuǎn)換裝置包括配置成將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。熱力發(fā)動(dòng)機(jī)包括擬塑性預(yù)應(yīng)變的形狀記憶合金，該形狀記憶合金具有響應(yīng)于來(lái)自小于或等于約300℃的流體之間的溫差的熱能可在奧氏體與馬氏體之間變化的結(jié)晶相。熱力發(fā)動(dòng)機(jī)還包括由熱力發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)并配置成將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電機(jī)。配置成發(fā)電并轉(zhuǎn)換熱能的熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括由具有第一溫度的主流體與具有不同于第一溫度的第二溫度的次流體之間小于或等于約300℃的溫差形成的熱能的來(lái)源；以及熱轉(zhuǎn)換裝置。
文檔編號(hào)F03G7/06GK102102648SQ20101059160
公開(kāi)日2011年6月22日 申請(qǐng)日期2010年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月16日
發(fā)明者L. 布朗 A., H. 布朗 J., 維托爾夫 M., L. 約翰遜 N. 申請(qǐng)人:合金力學(xué)公司, 通用汽車(chē)環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司