專利名稱：形狀記憶合金熱力發(fā)動機(jī)和能量收集系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及能量收集系統(tǒng)，且更具體地涉及使用形狀記憶合金的熱カ發(fā)動機(jī)的能量收集系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
熱能可以通過エ業(yè)、裝配和制造過 程產(chǎn)生。機(jī)動車、小型設(shè)備和重型設(shè)備也能產(chǎn)生熱能。該熱能中的ー些是廢熱，其是無法找到或設(shè)計(jì)出有利用途的熱量，且通常是浪費(fèi)的副產(chǎn)品。廢熱可以排出到大氣。運(yùn)輸燃料的燃燒也對廢熱有貢獻(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
提供一種與熱區(qū)域和冷區(qū)域熱連通的能量收集系統(tǒng)。該能量收集系統(tǒng)包括與熱區(qū)域熱連通的熱端熱カ發(fā)動機(jī)，與冷區(qū)域熱連通的冷端熱カ發(fā)動機(jī)和設(shè)置在熱端熱力發(fā)動機(jī)和冷端熱カ發(fā)動機(jī)之間的中間熱カ發(fā)動機(jī)。該熱端熱カ發(fā)動機(jī)包括至少兩個(gè)可旋轉(zhuǎn)帶輪；正時(shí)線纜，繞所述至少兩個(gè)可旋轉(zhuǎn)帶輪的一部分設(shè)置并限定出一正時(shí)帶輪比；熱端形狀記憶合金(SMA)元件，繞所述至少兩個(gè)可旋轉(zhuǎn)帶輪設(shè)置并限定出與所述正時(shí)帶輪比不同的SMA帶輪比。熱端SMA元件具有熱側(cè)和冷側(cè)，且其中熱端SMA元件的熱側(cè)與熱區(qū)域直接熱連通。該冷端熱カ發(fā)動機(jī)包括至少兩個(gè)可旋轉(zhuǎn)帶輪；正時(shí)線纜，繞所述至少兩個(gè)可旋轉(zhuǎn)帶輪的一部分設(shè)置并限定出一正時(shí)帶輪比；冷端SMA元件，繞所述至少兩個(gè)可旋轉(zhuǎn)帶輪設(shè)置并限定出與所述正時(shí)帶輪比不同的SMA帶輪比。冷端SMA元件具有熱側(cè)和冷側(cè)，且冷端SMA元件的冷側(cè)直接與冷區(qū)域熱連通。中間熱カ發(fā)動機(jī)包括至少兩個(gè)可旋轉(zhuǎn)帶輪；正時(shí)線纜，繞所述至少兩個(gè)可旋轉(zhuǎn)帶輪的一部分設(shè)置并限定出一正時(shí)帶輪比；中間SMA元件，繞所述至少兩個(gè)可旋轉(zhuǎn)帶輪設(shè)置并限定出與所述正時(shí)帶輪比不同的SMA帶輪比。中間SMA元件具有熱側(cè)和冷側(cè)，且中間SMA元件的熱側(cè)與熱端SMA元件的冷側(cè)熱連通且中間SMA元件的冷側(cè)與冷端SMA元件的熱側(cè)熱連通。在下文結(jié)合附圖進(jìn)行的對實(shí)施本發(fā)明的較佳模式做出的詳盡描述中能容易地理解上述的本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)以及其他的特征和優(yōu)點(diǎn)。


圖I是包括熱カ發(fā)動機(jī)的能量收集系統(tǒng)的示意圖；圖2是圖I的熱カ發(fā)動機(jī)的示意性側(cè)視圖；圖3是可用于圖I的能量收集系統(tǒng)的另一熱カ發(fā)動機(jī)的示意性側(cè)視圖；圖4用于熱カ發(fā)動機(jī)的示功圖的示意性視圖，例如圖2或圖3所示的；圖5A是具有并行多股細(xì)絲SMA的形狀記憶合金(SMA)做功元件形式的示意性部分橫截面圖5B是具有部分地嵌入在基質(zhì)中的并行SMA多股絲的另一 SMA做功元件形式的示意性部分截面圖；圖5C是用類似于圖5B所示的各個(gè)單元構(gòu)建的復(fù)合SMA做功元件的示意性部分截面圖；圖6A是具有在彈簧圈中的纖維芯部的、基于彈簧的SMA做功元件的示意性平面圖；圖6B是具有兩個(gè)彈簧和在彈簧圈中的纖維芯部的另一基于彈簧的SMA做功元件的示意性平面圖；圖6C是具有交錯(cuò)彈簧的另一基于彈簧的SMA做功元件的示意性平面圖，其中在彈簧圈中有兩個(gè)纖維芯部；圖7A是編織的SMA做功元件及其插入情況的近距視圖的示意性側(cè)視
圖7B是織造網(wǎng)孔SMA做功元件及其插入情況的近距視圖的示意性側(cè)視圖；圖8A是具有多平面的回環(huán)的另一熱カ發(fā)動機(jī)的不意性等軸視圖；圖SB是具有帶三維引導(dǎo)件的多平面回環(huán)的另一熱カ發(fā)動機(jī)的示意性等軸視圖；圖9是具有三個(gè)串序熱カ發(fā)動機(jī)的能量收集系統(tǒng)的示意性圖示或圖解，其中ー個(gè)熱カ發(fā)動機(jī)的冷側(cè)用作另ー熱力發(fā)動機(jī)的熱側(cè)；圖10是具有縱向熱力發(fā)動機(jī)的能量收集系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖；圖IlA是具有多個(gè)熱カ發(fā)動機(jī)且配置為從高縱橫比熱源(例如管)捕獲熱能的能量收集系統(tǒng)的示意性等軸視圖；圖IlB是具有多個(gè)熱カ發(fā)動機(jī)且配置為從高縱橫比熱源和反向流動冷沉捕獲熱能的另一能量收集系統(tǒng)的示意性等軸視圖；圖12是圓形三維SMA做功元件的示意性部分截面圖，用于在大型熱カ發(fā)動機(jī)中使用；圖13是具有堆疊和分層SMA做功元件的大型熱カ發(fā)動機(jī)的一部分的示意性側(cè)視圖；和圖14是具有單個(gè)SMA做功元件的熱カ發(fā)動機(jī)的示意性平面圖，其形成多個(gè)回環(huán)但是僅在兩個(gè)位置被焊接或連結(jié)。
具體實(shí)施例方式參見附圖，其中相同的附圖標(biāo)記在幾幅圖中只要可能就對應(yīng)相同或類似的部件，在圖I中示出了熱量回收系統(tǒng)或能量收集系統(tǒng)。在其他附圖中描述和示出的特征和部件可以并入和與圖I中所示的一起使用。所示的能量收集系統(tǒng)10包括熱カ發(fā)動機(jī)14和從動部件16。能量收集系統(tǒng)10利用具有第一溫度的第一流體區(qū)域或熱區(qū)域18。熱區(qū)域18與熱源(例如廢熱)熱傳遞連通，或可以代表對熱カ發(fā)動機(jī)14的運(yùn)行有貢獻(xiàn)的具有相對較暖溫度的任何區(qū)域，如在本文所述的。能量收集系統(tǒng)10還利用具有第二溫度的第二流體區(qū)域或冷區(qū)域20，該第二溫度通常低于熱區(qū)域18的第一溫度。冷區(qū)域20與冷卻源(例如冷卻流體)熱傳遞連通，或可以代表對熱カ發(fā)動機(jī)14的運(yùn)行有貢獻(xiàn)的具有相對較冷溫度的任何區(qū)域，如在本文所述的。熱區(qū)域18和冷區(qū)域20或與之關(guān)聯(lián)的溫度的設(shè)定稱為“第一”或者“第二”是任意的且不是限制性的。如在本文所述的，熱カ發(fā)動機(jī)14被配置為通過熱區(qū)域18和冷區(qū)域20之間的溫度差將熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。能量收集系統(tǒng)10的從動部件16可以被配置為被通過熱カ發(fā)動機(jī)14中熱能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生的機(jī)械能或者動カ所驅(qū)動。從動部件16可以是ー種機(jī)械裝置，例如但不限于發(fā)動機(jī)、風(fēng)扇、離合器、吹風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)和其組合。應(yīng)理解從動部件16并不限于這些裝置因?yàn)槿魏螌Ρ绢I(lǐng)域技術(shù)人員來說公知的其他的裝置也可以使用。從動部件16可以操作地連接到熱カ發(fā)動機(jī)14，從而從動部件16被熱カ發(fā)動機(jī)14驅(qū)動。更具體地，從動部件16可以是現(xiàn)有系統(tǒng)的一部分，例如加熱或冷卻系統(tǒng)。對從動部件16用熱カ發(fā)動機(jī)14提供的機(jī)械能進(jìn)行驅(qū)動也可以允許能量收集系統(tǒng)10中相關(guān)的現(xiàn) 有系統(tǒng)大小和/或容量減小或完全消除。另外，能量收集系統(tǒng)10產(chǎn)生的機(jī)械能可以被存儲用于以后使用或作為輔助能量源。在車輛或發(fā)電站中，通過將可能已經(jīng)成為浪費(fèi)熱能的能量轉(zhuǎn)換成用于當(dāng)前或以后使用的能量，能量收集系統(tǒng)10増加了車輛或發(fā)電站的總體效率。從動部件16可以是發(fā)動機(jī)或電機(jī)器(其可以被稱為電動機(jī)/發(fā)動機(jī))，配置為將機(jī)械能從熱カ發(fā)動機(jī)14轉(zhuǎn)換成電カ30 (如在圖I示意性地顯示的)。替換地,從動部件16可以附加或通信到發(fā)電機(jī)。從動部件16可以是任何合適的裝置，其配置為將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電カ30。例如，從動部件16可以是電機(jī)器，其使用電磁感應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電力30。從動部件16可以包括轉(zhuǎn)子(未示出)，該轉(zhuǎn)子相對于定子(未示出)旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生電力30。通過從動部件16產(chǎn)生的電カ30可以隨后被用于輔助一個(gè)或多個(gè)電系統(tǒng)的電力供應(yīng)或可以被存儲在能量存儲裝置中。熱區(qū)域18和冷區(qū)域20可以充分地彼此隔開，以維持二者之間的溫度差，或可以通過足夠的熱交換屏障26分開，包括但不限于隔熱板、珀?duì)柼b置、或絕熱屏障。熱交換屏障26可以用于將熱カ發(fā)動機(jī)14分成熱區(qū)域18和冷區(qū)域20，從而可以獲得熱區(qū)域18和冷區(qū)域20之間的期望溫度差。當(dāng)設(shè)置在熱區(qū)域18和冷區(qū)域20之間的熱交換屏障26是珀?duì)柼b置時(shí)，例如熱電熱泵，熱交換屏障26配置為在屏障26的一側(cè)上產(chǎn)生熱并在屏障26的相對側(cè)上冷卻。能量收集系統(tǒng)10的熱區(qū)域18和冷區(qū)域20可以被填充有例如但不限于氣體、液體、或其組合。替換地，熱區(qū)域18和冷區(qū)域20可以代表接觸區(qū)域或接觸元件，其配置為用于與熱力發(fā)動機(jī)14進(jìn)行傳導(dǎo)性熱傳遞。熱カ發(fā)動機(jī)14被配置為在ー些區(qū)域中利用能量收集系統(tǒng)10中的熱區(qū)域18和冷區(qū)域20之間的溫度差，例如但不限于車用熱和廢熱、發(fā)電的熱和廢熱、エ業(yè)廢熱、地?zé)峒訜岷屠鋮s源、太陽熱和廢熱，和以上組合。應(yīng)理解，能量收集系統(tǒng)10可以配置為利用許多其他領(lǐng)域和行業(yè)的溫度差?，F(xiàn)在參見圖2并繼續(xù)參考圖I,示出了圖I所示的熱カ發(fā)動機(jī)14的更詳細(xì)的示意圖。熱カ發(fā)動機(jī)的其他種類和構(gòu)造也可以與圖I所示的能量收集系統(tǒng)10—起使用。圖3顯示了另ー熱力發(fā)動機(jī)54，其也可以與圖I所示的能量收集系統(tǒng)10 —起使用，且包括類似于熱カ發(fā)動機(jī)14的許多相似部件和功能。圖2的熱カ發(fā)動機(jī)14包括形狀記憶合金(SMA)構(gòu)件22且操作地設(shè)置在或熱交換地連通至熱區(qū)域18和冷區(qū)域20。在所示的配置中，熱區(qū)域18可以鄰近排熱管，且冷區(qū)域20可以被置于周圍空氣中或來自風(fēng)扇或吹風(fēng)機(jī)的相對較冷空氣的運(yùn)動路徑中。熱カ發(fā)動機(jī)14還包括第一構(gòu)件或第一帶輪38和第二構(gòu)件或第二帶輪40。第一帶輪38和第二帶輪40可以也被稱為驅(qū)動帶輪。熱カ發(fā)動機(jī)14還包括墮輪42，其定位為對SMA構(gòu)件22的路徑增加行程并可以被配置為對SMA構(gòu)件22變化地增加張力(或占據(jù)松弛部)。在熱カ發(fā)動機(jī)14的一些構(gòu)造中，也可以不包括墮輪42。SMA構(gòu)件22繞第一帶輪38、第二帶輪40和墮輪42形成回環(huán)。如在本文使用的，回環(huán)是指界定出SM構(gòu)件22繞熱カ發(fā)動機(jī)14的整個(gè)旋轉(zhuǎn)路徑。在這種構(gòu)造中，第一帶輪38和第二帶輪40設(shè)置在熱區(qū)域18和冷區(qū)域20之間。然而，熱カ發(fā)動機(jī)可以配置為具有操作地設(shè)置在熱區(qū)域18中的第一帶輪和操作地設(shè)置在冷區(qū)域20中的第二帶輪40，或反過來。墮輪42也可以被設(shè)置在熱區(qū)域18或冷區(qū)域20中的任一區(qū)域中。熱カ發(fā)動機(jī)14還包括兩個(gè)正時(shí)構(gòu)件，第一正時(shí)帶輪39和第二正時(shí)帶輪41，它們被 分別固定到第一帶輪38和第二帶輪40。第一正時(shí)帶輪39和第二正時(shí)帶輪41提供第一帶輪38和第二帶輪40 (兩個(gè)驅(qū)動帶輪)之間的機(jī)械聯(lián)接，從而任ー驅(qū)動帶輪的旋轉(zhuǎn)確保另ー個(gè)沿同樣的方向旋轉(zhuǎn)。第一正時(shí)帶輪39和第二正時(shí)帶輪41通過正時(shí)鏈或正時(shí)帶43連接。替換地，正時(shí)機(jī)構(gòu)(例如與鏈連接的鏈輪或嚙合齒輪)也可以用于提供第一帶輪38和第二帶輪40之間的機(jī)械聯(lián)接。包含通過在第一帶輪38和第二帶輪40之間的正時(shí)鏈43(除了 SMA構(gòu)件22以外)提供的機(jī)械聯(lián)接意味著熱カ發(fā)動機(jī)14可以被稱為同步熱カ發(fā)動機(jī)。SMA構(gòu)件22以第一徑向距離繞第一帶輪38的一部分設(shè)置并以第二徑向距離繞第ニ帶輪40的一部分設(shè)置，第一和第二徑向距離限定了 SMA帶輪比。正時(shí)帶43以第三徑向距離繞第一正時(shí)帶輪39設(shè)置并以第四徑向距離繞第二正時(shí)帶輪41的一部分設(shè)置，第三和第四徑向距離限定了正時(shí)帶輪比。SMA帶輪比與正時(shí)帶輪比是不同的。在圖2所示的實(shí)施例中，第一正時(shí)帶輪39的直徑比第二正時(shí)帶輪41的直徑大。直徑的差異改變了通過各個(gè)帶輪構(gòu)件提供的反作用扭矩或カ矩臂。關(guān)于帶輪的不同カ矩臂使得最終的扭矩通過沿與熱區(qū)域18鄰近的SMA構(gòu)件22的收縮カ產(chǎn)生，如在本文中解釋的。應(yīng)注意在圖3所示的實(shí)施例中，正時(shí)帶輪實(shí)質(zhì)上是同樣的大小的但是驅(qū)動帶輪是不同大小的。熱カ發(fā)動機(jī)14配置為將熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能并在從動部件16的幫助下將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成。更具體地能量收集系統(tǒng)10利用熱區(qū)域18和冷區(qū)域20之間的溫度差經(jīng)由SMA構(gòu)件22來產(chǎn)生機(jī)械能和/或電能，將在后文做更多說明。從可用的熱能形成的機(jī)械能和電能可以被使用或存儲，這與讓熱能消散不同。SMA構(gòu)件22設(shè)置為與熱區(qū)域18和冷區(qū)域20每ー個(gè)熱接觸或熱交換連通。熱カ發(fā)動機(jī)14的SMA構(gòu)件22具有響應(yīng)于暴露至熱區(qū)域18和冷區(qū)域20的第一和第二溫度而可在奧氏體和馬氏體之間改變的結(jié)晶相。如在本文使用的，術(shù)語“SMA” (SMA)是指形狀記憶效果的合金。即SMA構(gòu)件22可以經(jīng)由馬氏體相(即“馬氏體”)和奧氏體相(即“奧氏體”)之間的轉(zhuǎn)變而經(jīng)歷固態(tài)、結(jié)晶相變。換句話說，SMA構(gòu)件22可以經(jīng)歷位移轉(zhuǎn)變(displacive transformation)而不是擴(kuò)散轉(zhuǎn)變，從而在馬氏體和奧氏體之間變化。位移轉(zhuǎn)變是原子(或原子團(tuán))相對于其周圍原子的協(xié)調(diào)運(yùn)動而發(fā)生的結(jié)構(gòu)變化。通常馬氏體相是指相對低溫的相且通常比相對高溫的奧氏體更易變形-即楊氏模量大約比相對高溫的奧氏體相低2. 5倍。SMA構(gòu)件22開始從奧氏體相向馬氏體相變化時(shí)的溫度被稱為馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度Ms。SMA構(gòu)件22完成從奧氏體相向馬氏體相變化時(shí)的溫度被稱為馬氏體完成溫度Mf。類似地，在SMA構(gòu)件22被加熱時(shí)，SMA構(gòu)件22開始從馬氏體相向奧氏體相變化時(shí)的溫度被稱為奧氏體開始轉(zhuǎn)變溫度As。SMA構(gòu)件22完成從馬氏體相向奧氏體相變化時(shí)的溫度被稱為奧氏體完成溫度Af。因此，SMA構(gòu)件22特征在于冷態(tài)，即在SMA構(gòu)件22的溫度低于SMA構(gòu)件22的馬氏體完成溫度Mf吋。同樣，SMA構(gòu)件22特征還在于熱態(tài)，即在SMA構(gòu)件22的溫度高于SMA 構(gòu)件22的奧氏體完成溫度Af吋。在運(yùn)行中，被預(yù)應(yīng)變(pre-strained)或經(jīng)歷了拉伸應(yīng)力的SMA構(gòu)件22可在改變結(jié)晶相時(shí)改變尺寸，以將熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。即，SMA構(gòu)件22可以進(jìn)行從馬氏體向奧氏體的結(jié)晶相變化，且由此如果被假塑性預(yù)應(yīng)變(preudoplastically pre-strained)的話則在尺寸上收縮，以便將熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。相反地，SMA構(gòu)件22可以從奧氏體向馬氏體做結(jié)晶相變化，且如果在應(yīng)カ下則由此在尺寸上擴(kuò)張并被拉伸。在SMA構(gòu)件22的馬氏體部分和奧氏體部分中剛度的差異和由此應(yīng)カ的差異通過熱能產(chǎn)生凈扭矩，其中SMA構(gòu)件22與第一正時(shí)帶輪39和第二正時(shí)帶輪41之間的帶輪比耦合。凈扭矩使得SMA構(gòu)件22旋轉(zhuǎn)并在熱カ發(fā)動機(jī)14中形成動能，驅(qū)動構(gòu)件16隨后可以將該動能轉(zhuǎn)換為電能或以其他方式利用。假塑性預(yù)應(yīng)變是指SMA構(gòu)件22仍在馬氏體相時(shí)的拉伸，從而通過低于該載荷條件(loading condition)的SMA構(gòu)件22所呈現(xiàn)的應(yīng)變在卸載時(shí)并不完全地恢復(fù),其中純粹的弾性應(yīng)變將被完全恢復(fù)。在SMA構(gòu)件22的情況下，可以加載材料，從而彈性應(yīng)變極限被抑制且在超過該材料的真塑性應(yīng)變之前在該材料的馬氏體晶體結(jié)構(gòu)中發(fā)生變形。兩種極限之間，這類應(yīng)變是假塑性應(yīng)變，被如此稱謂是因?yàn)樵谛遁d時(shí)其會表現(xiàn)為已經(jīng)塑性變形了。然而，在被加熱到SMA構(gòu)件22轉(zhuǎn)變到其奧氏體相的點(diǎn)吋，該應(yīng)變能恢復(fù)，將SMA構(gòu)件22回復(fù)到在載荷施加之前所觀察的原始長度。SMA構(gòu)件22在安裝到熱カ發(fā)動機(jī)14以前被拉伸從而SMA構(gòu)件22的標(biāo)稱長度包括可恢復(fù)的假塑性應(yīng)變。在假塑性變形狀態(tài)(相對地長的長度)和完全恢復(fù)的奧氏體相(相對短的長度)之間的交替提供了用于促動或驅(qū)動熱力發(fā)動機(jī)14的運(yùn)動。在沒有對SMA構(gòu)件22預(yù)拉伸的情況下，小的變形將會在相變期間被看到。SMA構(gòu)件22可以在改變結(jié)晶相以由此將熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能時(shí)改變模量和尺寸ニ者。更具體地，如果被假塑性地預(yù)應(yīng)變，則SMA構(gòu)件22可以在結(jié)晶相從馬氏體向奧氏體改變時(shí)在尺寸上收縮，且如果在拉伸應(yīng)カ下，則SMA構(gòu)件22可以在結(jié)晶相從奧氏體向馬氏體改變時(shí)在尺寸上擴(kuò)張，以由此將熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。因此，熱區(qū)域18的第一溫度和冷區(qū)域20的第二溫度之間存在溫度差吋，即在熱區(qū)域18和冷區(qū)域20不處于熱平衡時(shí)，設(shè)置在熱區(qū)域18和冷區(qū)域20中的SMA構(gòu)件22的各個(gè)局部區(qū)域可以分別在結(jié)晶相在馬氏體和奧氏體之間改變時(shí)在尺寸上擴(kuò)張和收縮。SMA構(gòu)件22可以具有任何合適的成分。具體說，SMA構(gòu)件22可以包括從包括但不限于以下物質(zhì)的組中選擇的元素鈷，鎳，鈦，銦，錳，鐵，鈀，鋅，銅，銀，金，鎘，錫，硅，白金，鎵，和其組合。例如但不限于，合適的SMA 22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，和銅-錫合金)，金-鎘基合金，銀-鎘基合金，猛-銅基合金，鐵-白金基合金，鐵-IE基合金，和其組合。SMA構(gòu)件22可以是二元的、三元的或任何更高元的，只要SMA構(gòu)件22呈現(xiàn)形狀記憶效果，即形狀取向、阻尼能力的關(guān)閉等。具體的SMA構(gòu)件22可以按照熱區(qū)域18和冷區(qū)域20的期望運(yùn)行溫度來選擇，如在下文詳述的。在一具體例子中SMA構(gòu)件22可以包括鎳和
鈦。 如在圖I所示的，能量收集系統(tǒng)10可以包括控制系統(tǒng)32，其配置為分別監(jiān)測熱區(qū)域18和冷區(qū)域20中的流體的第一和第二溫度?？刂葡到y(tǒng)32可以操作地連接到能量收集系統(tǒng)10的任何部件?？刂葡到y(tǒng)32可以是計(jì)算機(jī)，其與能量收集系統(tǒng)10的一個(gè)或多個(gè)控制器和/或傳感器電連通。例如，控制系統(tǒng)32與熱區(qū)域18和冷區(qū)域20中的溫度傳感器、從動部件16的速度調(diào)節(jié)器、流體流動傳感器和或配置為用于監(jiān)視從動部件16的電カ30產(chǎn)生的儀表通信。另外，控制系統(tǒng)32可以配置為控制在能量收集系統(tǒng)10的預(yù)定條件下的能量收集，例如在能量收集系統(tǒng)10已經(jīng)運(yùn)行了足夠時(shí)間段從而熱區(qū)域18和冷區(qū)域20之間的溫度差是ー充分的或最佳的差之后。能量收集系統(tǒng)10的其他預(yù)定條件也可以使用?？刂葡到y(tǒng)32也可以被配置為提供ー種選擇，以手動地使熱カ發(fā)動機(jī)14超馳并允許能量收集系統(tǒng)10有效地關(guān)閉，例如在供應(yīng)熱區(qū)域18的熱能在別處也被需要且不應(yīng)被熱カ發(fā)動機(jī)14轉(zhuǎn)換成其他的形成的能量吋。離合器(未示出)也可以被控制系統(tǒng)32控制，以將熱力發(fā)動機(jī)14與從動部件16選擇性地脫開。來自從動部件16的電カ30可以導(dǎo)通到存儲裝置36，該存儲裝置可以是但不限于電池、電池組或其他的能量存儲裝置。存儲裝置36可以靠近但實(shí)體上與能量收集系統(tǒng)10分開。對于本文所述的任何示例，能量收集系統(tǒng)10可以包括多個(gè)熱カ發(fā)動機(jī)14和/或多個(gè)從動部件16。同樣，能量收集系統(tǒng)10可以與額外的能量系統(tǒng)10關(guān)聯(lián)地聯(lián)接或運(yùn)行，其中姆ー個(gè)能量收集系統(tǒng)10包括至少ー個(gè)熱カ發(fā)動機(jī)14和至少ー個(gè)從動部件16。多個(gè)熱カ發(fā)動機(jī)14的使用可以利用遍及能量收集系統(tǒng)10的具有溫度差的多個(gè)區(qū)域。再次參見圖2，第一帶輪38和第二帶輪40也可以包括但不限于齒輪、單向離合器或彈簧。單向離合器可以配置為允許第一帶輪38和第二帶輪40在唯一的方向上旋轉(zhuǎn)。第一帶輪38、第二帶輪40或墮輪42操作地連接到從動部件16，從而因?yàn)镾MA構(gòu)件22尺寸的變化造成的旋轉(zhuǎn)對從動部件16進(jìn)行驅(qū)動。此外，每ー個(gè)帶輪構(gòu)件可以連接到從動部件16或可以在將機(jī)械能傳遞到從動構(gòu)件16之前饋送到變速器或齒輪系統(tǒng)。雖然在圖2中顯示了三個(gè)旋轉(zhuǎn)構(gòu)件，但是應(yīng)理解可以使用更多或更少的構(gòu)件。如在本文所述的，SMA構(gòu)件22可以嵌入在傳動帶(belt)或線纜(cable)中。此夕卜，SMA構(gòu)件22可以配置為是縱向延伸絲(wire)，其嵌入在傳動帶中從而在相關(guān)的SMA構(gòu)件22擴(kuò)張和收縮時(shí)作為其功能所述傳動帶縱向擴(kuò)張和收縮。另外或替換地，SMA構(gòu)件22可以配置為ー個(gè)或多個(gè)螺旋彈簧，其可以嵌入在傳動帶中。SMA構(gòu)件22可以是絲，其具有任何期望的橫截面形狀，即圓形、矩形、八角形的、帯狀物或任何其他的本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的形狀；和術(shù)語“絲”可以指具有任何形狀的SMA。另外，傳動帶可以至少部分地用回弾性材料形成。例如，回弾性材料可以是弾性體、聚合體、其組合等。傳動帶可以形成為連續(xù)的回環(huán)，如在圖2和3所示的，或形成為細(xì)長的條，其隨后在它的端部連結(jié)以形成回環(huán)。SMA絲也能被平放到具有任意縱橫比(aspect ratio)的帶狀物中。帶狀物具有比具有相同的橫截面面積的絲更好的橫向熱傳遞特點(diǎn)。在纏繞在平坦的帶輪上時(shí)，帯狀物具有比直的絲更高的摩擦，這是由于增加的接觸面積造成的。盡管高縱橫比的帶狀物會具有疲勞的問題，但是具有3 I橫截面縱橫比的帯狀物具有與直的絲相似的疲勞性能。然而，具有3 I的橫截面縱橫比的帯狀物可以增加熱傳遞百分二十。帯狀物類型的SMA做功構(gòu)件例如但不限于直的、波浪形的或褶皺的，或 具有切槽或孔或具有懸掛的孔屑(chad)(活動的或非活動的)。在圖2所示的熱カ發(fā)動機(jī)14的操作中，SMA構(gòu)件22的局部區(qū)域可以設(shè)置在熱區(qū)域18中或直接地與之鄰近，從而作為熱區(qū)域18的第一溫度的功能，第一溫度使得SMA構(gòu)件22的相應(yīng)局部區(qū)域縱向收縮。類似地，SMA構(gòu)件22的另一局部區(qū)域可以類似地設(shè)置在冷區(qū)域20中或與之鄰近，從而作為冷區(qū)域20的第二溫度的功能，第二溫度使得SMA構(gòu)件22的局部區(qū)域縱向擴(kuò)張。例如，如果熱區(qū)域18的第一溫度在熱態(tài)處或在熱態(tài)以上，則SMA構(gòu)件22的相關(guān)局部區(qū)域?qū)⒂捎赟MA構(gòu)件22從馬氏體相向奧氏體相的相變而縱向收縮。類似地，如果冷區(qū)域20的第二溫度在冷態(tài)以下，則SMA構(gòu)件22的相關(guān)局部區(qū)域?qū)⒂捎赟MA構(gòu)件22從奧氏體相向馬氏體相的相變而縱向擴(kuò)張。SMA構(gòu)件22繞第一帶輪38和第二帶輪40連續(xù)地成回環(huán)，從而從SMA構(gòu)件22賦予的運(yùn)動使得第一帶輪38和第二帶輪40 (也包括墮輪42)每ー個(gè)旋轉(zhuǎn)。SMA構(gòu)件22的局部區(qū)域的縱向擴(kuò)張和/或收縮將來自SMA構(gòu)件22的運(yùn)動賦予第一帶輪38和第二帶輪40，以移動或驅(qū)動從動部件16。局部區(qū)域是SMA構(gòu)件22的、任何給定カ矩下的在相應(yīng)熱區(qū)域18和冷區(qū)域20中的那些部分。如圖2的熱カ發(fā)動機(jī)14所示，在SMA構(gòu)件22在被熱區(qū)域18加熱之后收縮時(shí)，第一正時(shí)帶輪39提供比第二正時(shí)帶輪41更大的反作用扭矩。因此，第一帶輪38和第二帶輪40 (它們分別與第一正時(shí)帶輪39和第二正時(shí)帶輪41共同旋轉(zhuǎn))之間的SMA構(gòu)件22的收縮使得SMA構(gòu)件22朝向第一帶輪38運(yùn)動。在熱カ發(fā)動機(jī)14進(jìn)入動態(tài)運(yùn)行作吋，SMA構(gòu)件22、第一帶輪38和第二帶輪40逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)(如在圖2中看到的)。熱カ發(fā)動機(jī)14不要求對熱區(qū)域18和冷區(qū)域20的液浴。因此，熱カ發(fā)動機(jī)14不要求SMA構(gòu)件22的大部分浸沒在液體中。在受彎曲(bending)所主導(dǎo)的熱力發(fā)動機(jī)中,例如熱運(yùn)動(thermobile)類型的熱カ發(fā)動機(jī)，輸出可通過構(gòu)造具有SMA元件的I形梁來増加。在I形梁中，SMA元件位于凸緣處且非活性材料(例如橡膠)位于網(wǎng)狀物中。類似地，箱形梁可用SMA元件構(gòu)造。在箱形梁中，SMA材料在彎曲主導(dǎo)的熱力發(fā)動機(jī)中遠(yuǎn)離中性軸線運(yùn)動。這增加了對SMA的利用，且由此增加彎曲類熱カ發(fā)動機(jī)的功率容量。再次參見圖2的SMA構(gòu)件22 (其用作熱カ發(fā)動機(jī)14中的SMA做功構(gòu)件或做功元件)，可以在SMA構(gòu)件22上使用不同的技術(shù)或改變，以改善熱カ發(fā)動機(jī)14的效率。SMA構(gòu)件22的特別是與第一帶輪38和第二帶輪40相互作用的ー個(gè)或多個(gè)表面可以被處理以增加或減少牽引，并增加或減少去往SMA構(gòu)件22的熱傳遞以及從SMA構(gòu)件22到熱區(qū)域和冷區(qū)域18、20或到帶輪構(gòu)件38、40的熱傳遞。SMA構(gòu)件22的ー種處理是從SMA構(gòu)件22的表面除去氧化物層。無氧化物的SMA構(gòu)件22可以造成SMA構(gòu)件22和帶輪38、40之間的增加摩擦，尤其是在帶輪用鋼構(gòu)造時(shí)。去除氧化物也可以增加去往和來自SMA構(gòu)件22的傳導(dǎo)性的、對流性的和輻射性的熱傳遞速率。對SMA構(gòu)件22的另ー處理可以包含使SMA構(gòu)件22表面變粗糙。變粗糙可以通過増加的摩擦來增加牽引，且已經(jīng)顯示出不會對對流性熱傳遞造成可測量的損害。涂層也可以添加到SMA構(gòu)件22。如果涂層具有比SMA更好的熱傳遞速率(heattransfer rate)以及如果與合金的結(jié)合充分,則SMA構(gòu)件22上的涂層將增加表面面積并可以因而増加熱傳遞速率。涂層也可以減少SMA構(gòu)件22和帶輪38、40之間的滑動。在冷卻速率太高的情況下(非常低的外部溫度)，涂層可緩和熱剝離(heat stripping)或過冷 卻。對SMA構(gòu)件22的額外的處理可以包括但不限于經(jīng)焊接的特征部和蝕刻。經(jīng)焊接的特征部，例如齒或其他剛性接合(positive engagement)的特征部,可被焊接到SMA構(gòu)件22的表面，以用作抓持節(jié)點(diǎn)和増加的表面面積，以用于熱傳遞，如鰭片。蝕刻特征部可被形成到SMA構(gòu)件22的表面中。這些蝕刻特征部將增加表面面積對體積的比,用于增加熱傳遞，且也可以輔助SMA構(gòu)件22和帶輪38、40之間的剛性接合。第一帶輪38和第二帶輪40的表面的進(jìn)ー步修改可包括在與SMA構(gòu)件22接觸的區(qū)域中在帶輪周圍放置一薄層壓電元件的，例如壓電聚合體或?qū)щ娀钚跃酆衔?EAP)。這些壓電涂層中的任一種可以幫助維持充分的牽引和減少在界面處的滑動。 壓電涂層還具有在壓電涂層每一次在第一帶輪38和第二帶輪40通過SMA構(gòu)件22旋轉(zhuǎn)期間被施加載荷時(shí)產(chǎn)生電壓/電荷的増加益處。壓電涂層可以與收集器(例如存儲裝置36)電連通以捕獲通過壓電涂層產(chǎn)生的電能。因?yàn)闊幞l(fā)動機(jī)14驅(qū)動帶輪的周長可以比SMA構(gòu)件22的長度小得多，所以這種施加載荷將以帶輪旋轉(zhuǎn)的頻率發(fā)生，所述周長通常比SMA構(gòu)件22回環(huán)的周長約大5倍。壓電或EAP元件涂層的載荷施加頻率可以在2到5赫茲的范圍。這種電荷是通過壓電涂層在熱力發(fā)動機(jī)14中的三個(gè)帶輪構(gòu)件每一個(gè)處產(chǎn)生的能量。電能可添加到通過熱カ發(fā)動機(jī)14收集的能量并發(fā)送到能量存儲裝置36?，F(xiàn)在參見圖3，并繼續(xù)參考圖I和2，顯示了另ー熱力發(fā)動機(jī)54，其也可以被與在圖I所示的能量收集系統(tǒng)10合并和一起使用。在其他附圖中描述和示出的特征和部件可以并入并與圖2中所示的一起使用。熱カ發(fā)動機(jī)54設(shè)置為與熱區(qū)域68和冷區(qū)域70熱交換連通。熱カ發(fā)動機(jī)54包括SMA構(gòu)件62，其繞第一帶輪78、第二帶輪80、和墮輪82走過連續(xù)回環(huán)。第一正時(shí)帶輪79和第二正時(shí)帶輪81通過正時(shí)鏈83機(jī)械聯(lián)接。包含通過在第一帶輪78和第二帶輪80之間的正時(shí)鏈83提供的機(jī)械聯(lián)接(除了 SMA構(gòu)件62以外)意味著熱カ發(fā)動機(jī)54可以也被稱為同步熱カ發(fā)動機(jī)。與在圖2所示的熱カ發(fā)動機(jī)14不同，在圖3的熱カ發(fā)動機(jī)54中，正時(shí)帶輪79和第二正時(shí)帶輪81基本上直徑相等。在一種構(gòu)造中，第一和第二正時(shí)帶輪79、81可以是第一和第二帶輪78、80的各自的軸。在熱カ發(fā)動機(jī)54中，第二帶輪80具有比第一帶輪78更大的直徑。如圖3的熱カ發(fā)動機(jī)54所示，在SMA構(gòu)件62在被熱區(qū)域58加熱之后收縮時(shí)，第二帶輪80比第一帶輪78形成更大的力矩臂。然而，第一正時(shí)帶輪79和第二正時(shí)帶輪81提供相等的反作用扭矩。因此，第一帶輪78第二帶輪80之間的SMA構(gòu)件62的收縮使得SMA構(gòu)件62再次向第一帶輪78運(yùn)動。在熱カ發(fā)動機(jī)54進(jìn)入動態(tài)運(yùn)行吋，SMA構(gòu)件62、第一帶輪78和第二帶輪80逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)(如在圖3中看到的)?，F(xiàn)在參見圖4并繼續(xù)參考圖1-3,示出了示功圖(work diagram) 90的示意性圖解表示。示功圖90的X軸91顯示了在圖2所示的SMA構(gòu)件22、在圖3所示的SMA構(gòu)件72或并入到熱カ發(fā)動機(jī)(例如熱カ發(fā)動機(jī)14或熱カ發(fā)動機(jī)54)中的另外SMA做功構(gòu)件的長度。示功圖90的y軸92顯示了在圖2所示的SMA構(gòu)件22、圖3所示的SMA構(gòu)件72或另外SMA做功構(gòu)件的張カ(tension)。示功圖90顯示了做功路徑94遵循SMA構(gòu)件22或SMA構(gòu)件72在其于熱カ發(fā)動機(jī)14或熱カ發(fā)動機(jī)54運(yùn)行期間回環(huán)運(yùn)動時(shí)的位置或區(qū)域。在一位移(即長度的變化)上施加力需要讓做功完成。凈功區(qū)域96代表通過SMA構(gòu)件22或72在每一回環(huán)運(yùn)動上形成的凈功。因此，凈功區(qū)域96比零大的事實(shí)表明SMA構(gòu)件22或SMA構(gòu)件72從可用于熱カ發(fā)動機(jī)14或熱カ發(fā)動機(jī)54的熱能產(chǎn)生機(jī)械功。再次參見圖2，熱カ發(fā)動機(jī)14和能量收集系統(tǒng)10作為ー個(gè)整體尋求捕獲盡可能多的可用熱能并將熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，其隨后可以被用于執(zhí)行其他的需要能量的工作。熱カ發(fā)動機(jī)14可以通過各種回收方法捕獲所有可用熱量，以改善能量收集系統(tǒng)10的整體效率。在圖3所示的熱カ發(fā)動機(jī)54包括同樣的目標(biāo)和改變、修改或優(yōu)化技術(shù)中的ー些或所有。其他熱カ發(fā)動機(jī)也可以合并本文所述的許多特征。然而，出于簡化的目的，本文的許多描述針對熱カ發(fā)動機(jī)14給出。SMA構(gòu)件22是用于熱カ發(fā)動機(jī)14的做功元件(或驅(qū)動件)，且SMA構(gòu)件22的各種替換設(shè)計(jì)、修改和改進(jìn)可用于改善熱カ發(fā)動機(jī)14的效率。在沒有SMA構(gòu)件22提供的尺寸改變的情況下，熱カ發(fā)動機(jī)14是能從可用的熱能產(chǎn)生機(jī)械能。幾何構(gòu)型、材料、和制造上的考慮對熱カ發(fā)動機(jī)14或其他熱カ發(fā)動機(jī)中的SMA構(gòu)件22的效能都有貢獻(xiàn)。形成SMA構(gòu)件22的合金可以具體匹配熱區(qū)域18和冷區(qū)域20的運(yùn)行環(huán)境(第一和第二溫度)。此外，因?yàn)樾纬蔁釁^(qū)域18的廢熱可以是流體形式(例如地?zé)峄蜍囕v散熱器)、對流(例如來自供干箱)、傳導(dǎo)(例如車輛排氣管的表面)、或輻射(例如太陽)，所以熱カ發(fā)動機(jī)14和SMA構(gòu)件22可以匹配該熱カ發(fā)動機(jī)14所設(shè)定的具體類型的廢熱。將合金與具體運(yùn)行環(huán)境匹配可以減少或縮窄SMA構(gòu)件22在其回環(huán)通過熱カ發(fā)動機(jī)14并在熱區(qū)域18和冷區(qū)域20的影響下連續(xù)收縮和擴(kuò)張時(shí)所經(jīng)歷的滯后現(xiàn)象?？梢酝ㄟ^例如向鎳和鈦的合金添加銅而減少SMA構(gòu)件22的溫度滯后現(xiàn)象或路徑依賴性。在SMA構(gòu)件22包括多股或多個(gè)SMA元件(例如多個(gè)彈簧)的實(shí)施例或構(gòu)造中，不同的個(gè)別合金可以用于構(gòu)造SMA構(gòu)件22，從而熱力發(fā)動機(jī)14被構(gòu)造為同時(shí)地在寬范圍的運(yùn)行溫度上運(yùn)行。SMA構(gòu)件22可以用細(xì)且直的SMA絲形成，例如大約是0.05-0. 3毫米。細(xì)絲是制造SM的一種相對不貴的形成，且能產(chǎn)生良好的運(yùn)行性能(疲勞，功率輸出)。在SMA構(gòu)件22用細(xì)絲SMA形成時(shí)每單位質(zhì)量SMA的熱傳遞相對地較高。増加熱傳遞允許熱カ發(fā)動機(jī)14材料更快地回收物質(zhì)，尤其是通過作為熱區(qū)域18的對流熱源。SMA構(gòu)件22可以形成為ー連續(xù)的回環(huán)而沒有接頭，或形成為單ー的回環(huán)元件，其具有將直且細(xì)的絲形成連續(xù)回環(huán)的單個(gè)接頭。替換地，單個(gè)絲可以繞通過帶輪構(gòu)件限定的路徑回環(huán)運(yùn)動多次，但是仍然僅具有ー個(gè)接頭。形成SMA構(gòu)件22的細(xì)絲SMA的確切直徑可以基于熱カ發(fā)動機(jī)14的運(yùn)行條件而變化，例如但不限于熱區(qū)域18的第一溫度和冷區(qū)域20的第二溫度；繞回環(huán)行進(jìn)和擴(kuò)張期間引入到SMA構(gòu)件22中的應(yīng)變量。熱カ發(fā)動機(jī)14的運(yùn)行頻率；和SMA構(gòu)件22或熱カ發(fā)動機(jī)14的預(yù)測壽命。將SMA做功元件形成到回環(huán)中會需要在SMA構(gòu)件22中的ー個(gè)或多個(gè)接頭。接頭可以通過將SMA做功元件的兩個(gè)端部激光焊接在一起而形成。
焊接過程可以再熔化材料并形成非均勻的晶粒構(gòu)造。接頭的后處理可以改善SMA構(gòu)件22的最終拉伸強(qiáng)度和循環(huán)疲勞特性。去除非均勻的晶粒結(jié)構(gòu)可以減少SMA構(gòu)件22中錯(cuò)位聚集的可能性并減少疲勞斷裂。對SMA構(gòu)件22的后處理過程可以包括但不限于退火、拉拔、滾軋、擠鍛和各種熱機(jī)械加エ的組合。現(xiàn)在參見圖5A、圖5B和圖5C并繼續(xù)參考圖1_4，顯示了額外的SMA做功元件形式的示意性局部橫截面圖。所示做功元件被制造或組裝為條帶(band)，其具有比絲更大的寬度-厚度比。圖5A顯示了 SMA構(gòu)件122，其用并行的絲、繩、或多股SMA絲123形成。圖5B顯示了 SMA構(gòu)件162，其用部分嵌入在基體166中的并行的絲、多條或多股細(xì)SMA絲163形成。圖5C 了復(fù)合SMA構(gòu)件192，其用更小的SMA構(gòu)件的多個(gè)單元形成。圖5A、5B和5C給出了額外的SMA做功元件形式，其可以用于與各種類型和構(gòu)造的熱カ發(fā)動機(jī)，例如本文所述的和所示的那些。在其他附圖中所示和所述的特征和部件可以與圖5A、5B和5C所示的合并和一起使用。圖5A顯示了定位焊頭(tack weld) 124，其將并行的多股絲123連結(jié)以形成SMA構(gòu)件122。替換地，并行的多股絲123可以通過局部的、互鎖性的變形連結(jié)，所述變形將并行的多股絲123機(jī)械連接，而沒有涉及焊接的加熱過程。雖然未示出，但是并行的多股絲123也可以是自由的，從而每ー股絲123不與其他的連結(jié)。帶輪140示意性地顯示為展示SMA構(gòu)件122和并入了 SMA構(gòu)件122的熱カ發(fā)動機(jī)的驅(qū)動帶輪之間的接觸。一般地，所示的多股絲123的橫截面形狀是圓的。然而，細(xì)絲SMA多股絲123可以形成為具有其他的橫截面，例如但不限于正方形、矩形、橢圓形、箱形梁、或I形梁。SMA多股絲123的其他形狀也可以形成到所述條帶中。圖5B顯示了 SMA構(gòu)件162用SMA多股絲163形成，所述SMA多股絲163被設(shè)置到墊或條帶結(jié)構(gòu)中井隨后被設(shè)置在連續(xù)的回環(huán)中。多股絲163的外部部分(相對于帶輪140而言，其是示意性地顯示的)被總體涂層或被嵌入弾性體以形成基體166?；w166保持各個(gè)多股絲163分開且還能從多股絲163傳導(dǎo)熱量。然而，基體166不直接接觸帶輪140，從而基體166不在帶輪140和多股絲163之間被擠壓。另外，部分基體可以更好地應(yīng)對多股絲163和基體166之間的動態(tài)(大小改變)關(guān)系。形成基體166的弾性體可以固有地能熱傳導(dǎo)或可以填充(或摻雜)有加強(qiáng)熱傳導(dǎo)的材料。這些填充物可以包括金屬或碳/石墨絲、微絲、和非線(nonwire)的以及其他的高縱橫比填充物，如顆粒。基體166可以被置于直接接觸熱源以傳導(dǎo)地將熱量帶入到熱區(qū)域中的多股絲163中。類似地，通過將熱量從多股絲163傳導(dǎo)出來并對流地或傳導(dǎo)地將該熱量傳給冷區(qū)域，基體166可以輔助向冷區(qū)域排出熱量。圖5A和5B所示的SMA構(gòu)件122顯示為僅具有四根股絲123、163。然而，更多股的絲123、163可以用于將SMA構(gòu)件122、162形成為更寬的條帶(具有更大的寬度_厚度比)。在大型熱カ發(fā)動機(jī)中，増加SMA做功元件的寬度、厚度、長度、和(可能地)數(shù)量會需要多個(gè)惰輪來維持SMA做功元件中的張カ和占據(jù)松弛部。例如但不限于，砌磚樣式可以用于讓多個(gè)單元以交錯(cuò)的方式構(gòu)建成更大且更強(qiáng)的復(fù)合SMA做功元件。盡管單個(gè)細(xì)絲做功元件在小規(guī)模的運(yùn)行中效率高，但是對于用熱カ發(fā)動機(jī)進(jìn)行大量能量產(chǎn)生來說簡單地放大單個(gè)根絲就是不可行的了。更大、更強(qiáng)和更耐久的SMA做功元件可以更好地允許熱カ發(fā)動機(jī)(其中并入了 SMA做功元件)生產(chǎn)大量的能量輸出。 應(yīng)注意，盡管圖5B顯示了僅單個(gè)細(xì)絲SMA多股絲163，但是基體166也可以與SMA的編織結(jié)構(gòu)、網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)、或織造結(jié)構(gòu)一起使用。通過織造結(jié)構(gòu)或網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，例如基體166將在織造結(jié)構(gòu)或網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)組裝之后應(yīng)用且仍將被定位為遠(yuǎn)離帶輪140。彈簧形式的SMA多股絲163也可以與基體166組合，以形成更大更有效的做功元件。如在圖5C所示的，更小的做功元件組或單元可以被認(rèn)為是基礎(chǔ)構(gòu)建單元，且額外的単元可以堆疊井分層，以形成更大的帶，例如復(fù)合SMA構(gòu)件192，其僅一部分被示出。復(fù)合SMA構(gòu)件192用SMA構(gòu)件194的多個(gè)單元形成，其具有與圖5B所示的SMA構(gòu)件162相似的元件。五股絲163用于形成圖5C的各個(gè)SMA構(gòu)件194。各個(gè)SMA構(gòu)件194也包括基體166。然而，在該實(shí)施例中，基體166完全地覆蓋和包圍多股絲163。為了形成復(fù)合SMA構(gòu)件192，各個(gè)SMA構(gòu)件194以砌磚樣式堆疊并分層，如所示例子那樣。除了直絲類型的SMA做功構(gòu)件外，SMA做功構(gòu)件的其他構(gòu)造也可以用于熱カ發(fā)動機(jī)14或其他的熱カ發(fā)動機(jī)。例如但不限干，SMA做功元件可以形成為彈簧或帯狀物，可以編造或織造在一起，且可以形成為線纜。現(xiàn)在參見圖6A、圖6B和圖6C并繼續(xù)參考圖1_5C，顯示了額外的SMA做功元件形式的ー些部分，它們是基于彈簧的SMA做功元件。在其他附圖中所示和所述的特征和部件可以與圖6A、6B和6C所示的合并和一起使用?；趶椈傻臒幞l(fā)動機(jī)能在大范圍的運(yùn)行條件內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)。彈簧的順應(yīng)性(通過與結(jié)晶相相變分開的正常彈簧運(yùn)動而縱向變形的能力)用作過載預(yù)防機(jī)制。此外，卷繞彈簧的幾何形式繞驅(qū)動帶輪提供了相對高的摩擦。圖6A顯示了 SMA構(gòu)件222的一部分，其形成為連結(jié)到成一回環(huán)的ー個(gè)或多個(gè)彈簧223。應(yīng)注意圖6A所示的那些部分實(shí)際上是單個(gè)的成回環(huán)的彈簧223的兩個(gè)端部。纖維芯部225被置于彈簧223的簧圈中并穿過SMA構(gòu)件222形成的回環(huán)。纖維-例如包括芳族聚酰胺或帕拉橡膠芳族聚酰胺纖維-插過彈簧223的簧圈，以將簧圈保持在其應(yīng)在的路徑中。芳族聚酰胺纖維是合成的耐火且強(qiáng)聚酰胺組，用于制造紡織品或塑料。其他元件可以置于SMA彈簧223的簧圈中，以支撐簧圈，防止其變松弛，并在失效期間保留簧圈。在使用多個(gè)彈簧223時(shí)，纖維芯部225也可以防止ー些SMA彈簧223在冷卻時(shí)變松，這種變松會潛在地讓彈簧223中的一個(gè)與其余的SMA構(gòu)件222分離。
焊接區(qū)域227展現(xiàn)了用于將彈簧類型SMA做功構(gòu)件或元件的端部連接的技木。焊接區(qū)域227利用彈簧22的互鎖部分。例如，這兩個(gè)端部彼此穿插(thread)，且沿這兩個(gè)端部之間的縫形成焊接。這種連接技木通過將焊接區(qū)域227置于部分?jǐn)D壓狀態(tài)中而形成了強(qiáng)朝的接頭。沿彈簧22的縫進(jìn)行焊接還利用了搭接焊方法，其比在該構(gòu)造中進(jìn)行對接焊更強(qiáng)。另外，焊接區(qū)域227可以形成為使得焊接僅在于內(nèi)部縫上(與所示的內(nèi)部和外部都焊接的情況相反)。沿彈簧22的內(nèi)周的縫焊接可以改善在焊接區(qū)域227形成的接頭。僅內(nèi)部焊接的方法還可以更好地保持各個(gè)彈簧22和SMA構(gòu)件222的幾何形狀。圖6B顯示了 SMA構(gòu)件262的一部分，其用兩個(gè)彈簧形成——第一彈簧圈263和第ニ彈簧圈264，它們以彼此同軸對準(zhǔn)的方式設(shè)置并穿插，從而每ー個(gè)回環(huán)以與其他回環(huán)并行 的方式工作。第二彈簧圈264以虛絲顯示，以更好展示SMA構(gòu)件262的兩個(gè)分開的彈簧。纖維芯部265設(shè)置在第一彈簧圈263和第二彈簧圈264兩者中。第二彈簧圈264與第一彈簧圈263并行交疊，從而二者基本沿同一軸線繞同一纖維芯部265對準(zhǔn)并相繼地?cái)U(kuò)張和收縮。額外的彈簧圈元件可以進(jìn)一歩被并行設(shè)置。應(yīng)注意因?yàn)閺椈尚问降脑U(kuò)張，所以許多額外的簧圈可以并行穿插或纏繞，且SMA構(gòu)件262仍然將在SMA熱カ發(fā)動機(jī)運(yùn)行時(shí)擴(kuò)張或伸展，例如熱カ發(fā)動機(jī)14或熱カ發(fā)動機(jī)64。第一彈簧圈263可以用于在第一接頭(例如焊接接頭)處形成第一回環(huán)，且第二彈簧圈264可以用于在第二接頭處形成第二回環(huán)。第一接頭可以與第二接頭偏開，從而每一個(gè)回環(huán)的接頭的位置不對準(zhǔn)。例如但不限于，接頭可以相對于SMA構(gòu)件262的路徑偏開至少九十度。應(yīng)注意隨著所用的彈簧圈數(shù)量増加，每ー個(gè)簧圈之間的距離(無論是直線距離還是旋轉(zhuǎn)距離)都可以減少。如在該例子中使用的，繞并入了 SMA構(gòu)件262的SMA熱カ發(fā)動機(jī)的回環(huán)，三百六十度為ー個(gè)完整回環(huán)。圖6C顯示了 SMA構(gòu)件的一部分，其用兩個(gè)交錯(cuò)的彈簧形成，即第一彈簧圈283和第二彈簧圈284。在SMA構(gòu)件282中，第一彈簧圈283和第二彈簧圈284與各自的軸略微偏開地對準(zhǔn)或設(shè)置。第一彈簧圈283和第二彈簧圈284也是交錯(cuò)的，從而第一彈簧圈283的簧圈的ー些部分繞過第二彈簧圈284的ー些部分。第一纖維芯部285設(shè)置在第一彈簧圈283中，且第二纖維芯部286設(shè)置在第二彈簧圈284中。第一纖維芯部285和第二纖維芯部286可以是芳族聚酰胺材料。第一彈簧圈283和第二彈簧圈284通常形成其寬度比其厚度大的SMA帶或帶狀物。額外的彈簧圈元件可以進(jìn)一歩被設(shè)置為加寬帶狀物并使得SMA構(gòu)件282比所示的寬得多。對于大型SMA熱カ發(fā)動機(jī)來說，彈簧形式的SMA可通過交織多個(gè)彈簧而增大材料密度，從而它們形成寬網(wǎng)孔帯狀物或傳動帯。這可以有助于確?；扇Φ氖Р粫⑵扑榈幕扇椀綗幞l(fā)動機(jī)或周圍環(huán)境中并可以改善SMA構(gòu)件262的整體性。SMA構(gòu)件222的進(jìn)ー步修改可以通過調(diào)整彈簧22、263的螺旋角度來實(shí)現(xiàn)。替換地，簧圈直徑可以被調(diào)整且可以與用在并入了 SMA構(gòu)件222、262的熱カ發(fā)動機(jī)中的帶輪的類型匹配。類似于圖5A、5B和5C所示的SMA做功元件，基于彈簧的SMA做功元件可以組合到傳動帶中，用于產(chǎn)生大的能量。例如，彈簧22、263可以點(diǎn)焊在一起以形成平坦的平面?zhèn)鲃訋В蚨鄠€(gè)彈簧22、263可以對準(zhǔn)但仍是自由的，用于產(chǎn)生大量能量的熱カ發(fā)動機(jī)。此外，多個(gè)彈簧22、263可以嵌入在基體材料中以形成基于彈簧的傳動帯?；w可以包括添加物或摻雜物，以改善去往和來自SMA做功元件的熱傳遞。用基于彈簧的SMA材料形成的多個(gè)傳動帶(類似于基于細(xì)絲的SMA)也可以在多個(gè)平行的平面中堆疊?，F(xiàn)在參見圖7A和圖7B并繼續(xù)參考圖1-6B，顯示了額外的SMA做功元件形式的一些部分，兩者都具有重復(fù)構(gòu)造的織造或編織SMA做功元件。在其他附圖中所示和所述的特征和部件可以與圖7A和7B所示的合并和一起使用。細(xì)直絲難以按比例放大數(shù)百(數(shù)千)根絲，以產(chǎn)生來自熱カ發(fā)動機(jī)的數(shù)百到數(shù)千瓦特的輸出功率。然而，細(xì)SMA絲絲可以織造或編織成能改善按比例放大到更大熱カ發(fā)動機(jī)的能力的構(gòu)造。
圖7A顯示了用細(xì)繩絲SMA形成的SMA構(gòu)件322，所述細(xì)繩絲SMA已經(jīng)被編織成縱向線纜。SMA構(gòu)件322已經(jīng)被配置為編織套編織(braid of braids)的結(jié)構(gòu)，如圖7A的近距觀察部分所示的。7B顯示了用細(xì)絲SMA形成的SMA構(gòu)件362，其已經(jīng)被織造到連續(xù)墊中，大致近似出平坦帶狀物的橫截面。SMA構(gòu)件362已經(jīng)被配置為網(wǎng)孔套網(wǎng)孔(mesh of mesh)的結(jié)構(gòu)，如圖7B的近距觀察部分所示的。圖7A和7B所示的SMA構(gòu)件322通常被弄平，且可以類似于傳動帶。然而，SMA構(gòu)件322、362也可以被形成為三維的形狀，例如通過繞三維芯部(例如合成的芯部纖維或繩)或繞三維心軸來織造或編織SMA構(gòu)件322、362。通過改變編織角度或織造圖案，可以形成具有比直絲SMA做功元件更大行程(stroke)的SMA構(gòu)件322、362。另外，編造結(jié)構(gòu)或織造結(jié)構(gòu)可被接合以形成沒有任何焊接部的回環(huán)，其可以消除與SMA焊接相關(guān)的冶金退化。編造結(jié)構(gòu)或織造結(jié)構(gòu)也可以具有更好的失效模式，因?yàn)檎麄€(gè)編造結(jié)構(gòu)或織造結(jié)構(gòu)能容許單個(gè)絲的失效，而不會讓整個(gè)SMA構(gòu)件322、362喪失載荷承載能力。另外，熱カ發(fā)動機(jī)的驅(qū)動帶輪可被制造為具有匹配編織或織造圖案的緩解圖案(relief pattern)，增加驅(qū)動帶輪和SMA構(gòu)件322、362之間的摩擦和載荷承載相互作用。SMA絲也可以被纏繞到線纜中(繩絲)中，具有可變但很大的大小，其可被剪裁以適合許多熱カ發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)。這些線纜繼承了非SMA繩絲的在高拉伸能力、非常小的彎曲剛度、載荷承載余量、和封裝(卷材)方面的優(yōu)點(diǎn)。線纜中的多股絲以及多股絲中的絲的橫截面構(gòu)造和布置形式(利手性(handedness))可被設(shè)計(jì)為能產(chǎn)生各種機(jī)械響應(yīng)，以修整非線性カ_位移曲絲、安定程度(degree of shakedown)(發(fā)生在疲勞過程早期中的塑料損害)和拉伸-扭轉(zhuǎn)稱合。增加螺旋角度(其是絲方向和線纜軸線之間的角度)趨于增加沿線纜軸線的行程，以耗費(fèi)カ為代價(jià)。這是緩和直絲熱カ發(fā)動機(jī)的正時(shí)需求同時(shí)保持許多封裝優(yōu)點(diǎn)的ー種方式。另外，線纜的芯部可用其他非活性的材料制造，以保持SMA材料靠近外徑，以改善熱傳遞響應(yīng)。盡管線纜名義上橫截面是圓的，但是外表面是不規(guī)則的(崎嶇不平的)，其在驅(qū)動帶輪和SMA做功構(gòu)件之間提供了増加的牽弓I并還可以提供了額外的熱傳遞優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)在參見圖8A和圖8B并繼續(xù)參考圖1-7B，顯示了熱カ發(fā)動機(jī)414和熱カ發(fā)動機(jī)454的額外構(gòu)造，二者也可以與在圖I所示的能量收集系統(tǒng)10或其他的熱量回收系統(tǒng)合并和一起使用。在其他附圖中所示和所述的特征和部件可以與圖8A和SB所示的合并和一起使用。熱カ發(fā)動機(jī)414設(shè)置為與熱區(qū)域418和冷區(qū)域420熱交換連通，且熱カ發(fā)動機(jī)454設(shè)置為與熱區(qū)域458和冷區(qū)域460熱交換連通。熱カ發(fā)動機(jī)414包括SMA構(gòu)件422，其繞第一帶輪438、第二帶輪440和多個(gè)惰輪442走過連續(xù)回環(huán)。第一正時(shí)帶輪439和第二正時(shí)帶輪441通過正時(shí)鏈443用機(jī)械聯(lián)接。熱カ發(fā)動機(jī)454包括SMA構(gòu)件472，其繞第一帶輪478、第二帶輪480和多個(gè)惰輪482走過連續(xù)回環(huán)。第一正時(shí)帶輪479和第二正時(shí)帶輪481通過正時(shí)鏈483用機(jī)械聯(lián)接。如在圖8A和8B所示的，SMA構(gòu)件422、462的該路徑并不被限制在ー個(gè)平面中。通過SMA構(gòu)件422、462形成的回環(huán)通過額外的惰輪442、482引導(dǎo)。多平面回環(huán)路徑可以輔助熱カ發(fā)動機(jī)414、454在受限空間(如在車輛中)的封裝。另外，回環(huán)的三維形狀可以輔助分開且沿非平面的相對位置取向的熱區(qū)域418、458和冷區(qū)域420、460之間SMA構(gòu)件422、462的引導(dǎo)。

熱カ發(fā)動機(jī)454進(jìn)ー步包括三維引導(dǎo)件456。三維引導(dǎo)件456可以是柔性導(dǎo)管或管子，井能進(jìn)ー步擴(kuò)大貫穿有SMA構(gòu)件422回環(huán)的路徑的相對柔性。三維引導(dǎo)件456允許SMA構(gòu)件422避免以其他方式妨礙熱カ發(fā)動機(jī)454安裝或運(yùn)行的障礙。現(xiàn)在參見9并繼續(xù)參見圖1-8B，顯示了具有三個(gè)熱カ發(fā)動機(jī)514(它們類似于圖2和3所示的或可以是其他的熱カ發(fā)動機(jī))的能量收集系統(tǒng)510的示意圖。這三個(gè)熱カ發(fā)動機(jī)514以串序或鏈?zhǔn)降姆绞皆O(shè)置，一個(gè)發(fā)動機(jī)的冷側(cè)用作鄰近的發(fā)動機(jī)的熱側(cè)。在其他附圖中描述和示出的特征和部件可以并入和與圖9中所示的一起使用。末端熱區(qū)域518和末端冷區(qū)域520設(shè)置為鄰近能量收集系統(tǒng)510。末端熱區(qū)域518可以例如包含相對于圖9向上或向下或垂直于觀察平面運(yùn)動的流體。類似地，末端冷區(qū)域520可以包含沿能量收集系統(tǒng)510的相對側(cè)運(yùn)動的流體。在該構(gòu)造中，總溫度差和因此總可用熱能被分開或被劃分成多個(gè)更小的溫度差窗ロ。在該所示構(gòu)造中，最高溫度的發(fā)動機(jī)(以熱端熱カ發(fā)動機(jī)515表示)將直接從末端熱區(qū)域518取得熱量并隨后將其冷側(cè)輸出到下一個(gè)發(fā)動機(jī)(以圖9中的中間熱カ發(fā)動機(jī)516表示)的熱側(cè)。在轉(zhuǎn)變成機(jī)械能之后，剩余的熱能從該熱端熱カ發(fā)動機(jī)516排出并續(xù)傳到中間熱カ發(fā)動機(jī)516。最后，冷端熱カ發(fā)動機(jī)517將熱量排出到冷區(qū)域520。第一 SMA構(gòu)件或熱端SMA構(gòu)件521直接與第一熱側(cè)531上的末端熱區(qū)域518相互作用。中間熱カ發(fā)動機(jī)516包括中間SMA構(gòu)件522，其與熱端SMA構(gòu)件521處于直接的傳導(dǎo)性熱流連通狀態(tài)。應(yīng)注意指定為第一、第二、第三、或其他僅是示意性的，且元件可以以任何順序編號而沒有限制。熱端熱力發(fā)動機(jī)515的第一冷側(cè)532與中間熱カ發(fā)動機(jī)516的第二熱側(cè)533連通并與中間熱カ發(fā)動機(jī)516的中間SMA構(gòu)件522熱流連通。熱端SMA構(gòu)件521和中間SMA構(gòu)件522沿相對方向運(yùn)行，其促進(jìn)它們之間的熱傳遞。中間SMA構(gòu)件522在比熱端SMA構(gòu)件521低的溫度下經(jīng)歷其相變。因此，第一冷側(cè)532用作用于中間熱カ發(fā)動機(jī)516的加熱源。熱端SMA構(gòu)件521和中間SMA構(gòu)件522可被涂有一介質(zhì)，例如傳導(dǎo)性的脂或油，以在沒有摩擦的情況下增加熱傳遞。熱端SMA構(gòu)件521和中間SMA構(gòu)件522可被成形為傳動帶或帶狀物。替換地，傳導(dǎo)性元件可以置于熱端SMA構(gòu)件521和中間SMA構(gòu)件522之間以有助于熱量從熱端熱カ發(fā)動機(jī)515傳達(dá)到中間熱カ發(fā)動機(jī)516。
因此，熱端熱カ發(fā)動機(jī)515的冷沉(cold sink)(或冷側(cè))用作用于中間熱カ發(fā)動機(jī)516的熱源。類似地，中間熱カ發(fā)動機(jī)516的冷側(cè)用作用于冷端熱カ發(fā)動機(jī)517的熱源。第三SMA構(gòu)件或冷端SMA構(gòu)件523與中間熱カ發(fā)動機(jī)516的第二冷側(cè)534連通并從其獲取熱量，作為其熱源。冷端SMA構(gòu)件523的第三熱側(cè)535在比中間SMA構(gòu)件522低的溫度下經(jīng)歷其相變并從中間SMA構(gòu)件522的第二冷側(cè)534獲取熱量。作為在圖9所示的構(gòu)造中最低溫度的發(fā)動機(jī)，冷端熱カ發(fā)動機(jī)517的第三冷側(cè)536最后直接地與末端冷區(qū)域520相互作用。盡管每一個(gè)熱カ發(fā)動機(jī)514與不同溫度的熱區(qū)域和冷區(qū)域相互作用，但是各熱和冷側(cè)之間的溫度差可以是相似的。相似的串序模式可以通過多于三個(gè)的熱カ發(fā)動機(jī)514來繼續(xù)，從而可以存在從鄰近的熱カ發(fā)動機(jī)取得熱量和從另ー鄰近的熱カ發(fā)動機(jī)排放熱量的額外的中間熱カ發(fā)動機(jī)。此外，熱カ發(fā)動機(jī)514可以包括惰輪(類似于圖2和3所示的熱カ發(fā)動機(jī)14、54)。
在一替換實(shí)施例中，各個(gè)元件可以是SMA熱カ發(fā)動機(jī)與熱電發(fā)電機(jī)或集中太陽能發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)合。熱電發(fā)電機(jī)可以運(yùn)行為其熱側(cè)處于比SMA熱カ發(fā)動機(jī)更高的溫度，且SMA熱カ發(fā)動機(jī)因此可以被用于將來自熱電發(fā)電機(jī)的冷側(cè)的廢熱進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這種廢熱是熱電發(fā)電機(jī)不能轉(zhuǎn)換或不能有效地轉(zhuǎn)換的。替換地，熱カ發(fā)動機(jī)514可以沿末端熱區(qū)域518逐漸地設(shè)置，以在末端熱區(qū)域518逐漸冷卻時(shí)使用逐漸減少的熱能。這種構(gòu)造對于類似管道這樣的長的熱源來說是很有用的。例如，末端熱カ發(fā)動機(jī)515 (最高溫度的發(fā)動機(jī))將從末端熱區(qū)域518的最熱區(qū)域(例如接收熱流體的管的部分)獲取熱熱量。通過讓SMA做功構(gòu)件配置為在相對于末端熱區(qū)域518的最熱部分降低的溫度下轉(zhuǎn)換熱能，下一個(gè)發(fā)動機(jī)(即中間熱カ發(fā)動機(jī)516)將位于熱端熱カ發(fā)動機(jī)515的下游并配置為利用末端熱區(qū)域518的相對冷的部分。最后，最低溫度的發(fā)動機(jī)(即冷端熱カ發(fā)動機(jī)517)配置為與末端熱區(qū)域518的最低溫度部分相互作用?，F(xiàn)在參見圖10并繼續(xù)參考圖1-9,顯示了能量收集系統(tǒng)610,其包括縱向熱カ發(fā)動機(jī)614，該縱向熱カ發(fā)動機(jī)也可以與其他能量收集系統(tǒng)或熱量回收系統(tǒng)一起使用。熱カ發(fā)動機(jī)614有益于使用高縱橫比熱源，例如排熱管、管道、其他來源，其中其長度顯著大于橫截面。在其他附圖中描述和示出的特征和部件可以并入和與圖10中所示的一起使用。熱カ發(fā)動機(jī)614設(shè)置為與熱區(qū)域618和冷區(qū)域620 (通常在熱區(qū)域618上方，如在圖10中可見的)熱交換連通。熱區(qū)域618是長管(僅部分地示出)，其攜帶熱流體，例如排出氣體或被加熱的液體。例如但不限于，熱區(qū)域618可以是從用在發(fā)電站的蒸汽輪機(jī)而來的排放管或是攜帶被集中太陽能加熱的油(在此之前或之后油被用于其他目的)的管。冷區(qū)域620可以簡單地是管周圍的空氣且不被熱區(qū)域618影響，或可以是強(qiáng)制氣流區(qū)域，如來自風(fēng)扇或吹風(fēng)機(jī)。因此，熱カ發(fā)動機(jī)614特別有益于將熱能從熱區(qū)域618通過傳導(dǎo)加熱進(jìn)行轉(zhuǎn)換和從冷區(qū)域620通過對流冷卻進(jìn)行轉(zhuǎn)換。熱カ發(fā)動機(jī)614包括SMA構(gòu)件622,其繞以下帶輪走過連續(xù)回環(huán),所述帶輪包括多個(gè)第一帶輪或熱帶輪638，所述熱帶輪實(shí)質(zhì)上鄰近熱區(qū)域618;多個(gè)第二帶輪或冷帶輪640，其設(shè)置在冷區(qū)域640中或與之鄰近；和ー個(gè)或多個(gè)惰輪642。熱帶輪638和冷帶輪640是從動帶輪，且其ー些或所有可以連接到從動部件(未示出，例如發(fā)動機(jī))，該從動部件配置為利用熱カ發(fā)動機(jī)614從熱區(qū)域618和冷區(qū)域620的熱能轉(zhuǎn)換而來的機(jī)械能。熱カ發(fā)動機(jī)614的縱向特點(diǎn)以及具有SMA構(gòu)件622的多重收縮和擴(kuò)張的能力允許熱カ發(fā)動機(jī)用在大型應(yīng)用場合，以產(chǎn)生多得多的來自能量收集系統(tǒng)610的功率輸出。SMA構(gòu)件622可以形成為具有固體SMA絲、SMA彈簧、或基體絲或彈簧的大傳動帯，進(jìn)ー步使熱カ發(fā)動機(jī)614大型化。熱カ發(fā)動機(jī)614也可以包括正時(shí)機(jī)制(未示出)以在從動元件之間提供機(jī)械聯(lián)接和同歩。熱屏障(未示出)可以用于防止熱從熱區(qū)域618傳到冷帶輪640。替換地，冷帶輪640和熱區(qū)域618之間的距離可以充分維持SMA構(gòu)件622中的造成相變并從可用熱能產(chǎn)生機(jī)械能所必要的溫度差?，F(xiàn)在參見圖IlA和圖IlB并繼續(xù)參考圖1-10，示出了能量收集系統(tǒng)710和能量收集系統(tǒng)750。多個(gè)熱カ發(fā)動機(jī)配置為捕獲來自高縱橫比熱源(例如管)的熱能。在其他附圖中所示和所述的特征和部件可以與圖IlA和IlB所示的合并和一起使用。
如在圖IlA中所示的，多個(gè)熱カ發(fā)動機(jī)714(其可以類似于在圖2所示的熱カ發(fā)動機(jī)14)、圖10所示的熱カ發(fā)動機(jī)614或具有縱向取向的其他熱カ發(fā)動機(jī)按照熱區(qū)域718的長度縱向排布，該熱區(qū)域可以是攜帶熱流體的管。熱カ發(fā)動機(jī)徑向地從熱區(qū)域718延伸到冷區(qū)域720，所述冷區(qū)域可以是周圍空氣。額外的熱カ發(fā)動機(jī)714可被包括在能量收集系統(tǒng)710中，從而熱力發(fā)動機(jī)714基本圍繞熱區(qū)域718的整個(gè)半徑。熱カ發(fā)動機(jī)714從熱區(qū)域718和冷區(qū)域720之間的溫度差提取熱能并將熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，所述機(jī)械能被傳遞給從動部件(未示出)，所述從動部件利用或存儲該機(jī)械能。如在圖IlB所示的，ー個(gè)或多個(gè)第一熱カ發(fā)動機(jī)754-其可以類似于圖2和3所示的熱カ發(fā)動機(jī)14和54或可以是其他能縱向取向的熱カ發(fā)動機(jī)-鄰近具有熱流體758的熱區(qū)域排布。在該構(gòu)造中，熱區(qū)域是一管，其攜帶熱流體758，例如發(fā)電機(jī)的熱做功流體。第一熱カ發(fā)動機(jī)754徑向地從熱流體758延伸到冷區(qū)域，所述冷區(qū)域包括冷流體76。在圖IlB所示的冷流體760在另一管或另ー受限路徑中。在圖IlB中，含有冷流體760的該管基本包圍攜帶熱流體758的管。然而，冷流體760實(shí)質(zhì)上不必包圍加熱來源而是可以簡單地與之鄰近。冷流體760可以經(jīng)由吹風(fēng)機(jī)或風(fēng)扇作為運(yùn)動的周圍空氣來供應(yīng)，或可以是冷卻流體，例如來自地?zé)崂鋮s。能量收集系統(tǒng)750還包括ー個(gè)或多個(gè)第二熱カ發(fā)動機(jī)755和ー個(gè)或多個(gè)第三熱カ發(fā)動機(jī)756。第二熱カ發(fā)動機(jī)755相對于熱流體758的流動被縱向地置于下游。第三熱カ發(fā)動機(jī)756被置于更下游。額外的熱カ發(fā)動機(jī)可被包括在能量收集系統(tǒng)中750，以基本圍繞攜帶熱流體758的管的半徑。因此第一、第二和第三熱カ發(fā)動機(jī)754、755、756可以非常高效率地將來自熱流體758的熱能通過傳導(dǎo)加熱進(jìn)行轉(zhuǎn)換和將來自冷流體760的熱能通過對流冷卻進(jìn)行轉(zhuǎn)換。能量收集系統(tǒng)750被設(shè)置為用于在熱流體758和冷流體760之間的反向流動，從而熱流體758和冷流體760在相反的方向上流過該系統(tǒng)。反向流動的設(shè)置意味著第一熱カ發(fā)動機(jī)暴露到比第三熱カ發(fā)動機(jī)756更高的熱流體758的溫度下。然而，第一熱カ發(fā)動機(jī)754也暴露到比第三熱カ發(fā)動機(jī)756相對更暖的冷流體760的溫度下，所述第三熱カ發(fā)動機(jī)更靠近冷流體760的入口。攜帶熱流體758的管可以與冷流體760絕熱，從而在熱流體758和冷卻流體760之間沒有發(fā)生直接的熱傳遞。因此，實(shí)質(zhì)上僅在熱流體758和第一、第二和第三熱カ發(fā)動機(jī)754、755、756之間以及第一、第二和第三熱カ發(fā)動機(jī)754、755、756和冷流體760之間發(fā)生熱傳遞。 這第一、第二和第三熱カ發(fā)動機(jī)754、755、756與冷流體760分別在第一冷溫度、第ニ冷溫度和第三冷溫度下相互作用。因?yàn)槔淞黧w760在第三熱カ發(fā)動機(jī)附近進(jìn)入能量收集系統(tǒng)750，所以第三冷溫度是這三個(gè)點(diǎn)中最冷的。然而，在第三熱カ發(fā)動機(jī)756排放熱量到冷流體760時(shí)，冷卻流體760的溫度増加。因此，第二冷溫度比第三冷溫度更大(更熱)，且
第一冷溫度比第二冷溫度更大。因此，第一熱カ發(fā)動機(jī)754所經(jīng)歷的鄰近的熱流體758和鄰近的冷流體760之間的溫度差可以類似于第三熱カ發(fā)動機(jī)756所經(jīng)歷的溫度差。即，被第一熱カ發(fā)動機(jī)754使用的第一熱溫度和第一冷溫度之間的差類似于被第二熱カ發(fā)動機(jī)755使用的第二熱溫度和第二冷溫度之間的差。第一、第二和第三熱カ發(fā)動機(jī)754、755、756姆ー個(gè)以相似的溫度差相互作用并可以因此具有相似的功率輸出。這與直流構(gòu)造相反(在直流構(gòu)造中熱流體和冷流體在相同方向上流動)，其在到該系統(tǒng)的入口(在該例子中用于第一熱カ發(fā)動機(jī)754)處具有大的溫度差而在出口(在該例子中用于第三熱カ發(fā)動機(jī)756)處具有小得多的溫度差?，F(xiàn)在參見圖12，并繼續(xù)參考圖1-11B，顯示了 SMA構(gòu)件822，其可以用于大型熱カ發(fā)動機(jī)。SMA構(gòu)件822是圓的三維SMA做功元件。在其他附圖中描述和示出的特征和部件可以并入和與圖12中所示的一起使用。SMA構(gòu)件822包括多個(gè)SMA多股絲823，其可以是SMA絲、條、或具有其他的橫截面。SMA多股絲823繞圓柱形心軸827被編織成大的薄片。干的SMA多股絲823可以隨后被滲入基體826 (例如弾性體)以提供粘接性和強(qiáng)韌性。弾性體基體826可以固有地能進(jìn)行熱傳導(dǎo)或可以摻雜或填充有提高與SMA多股絲823之間的傳導(dǎo)性和熱傳遞性的材料。這些填充物可以包括但不限于金屬或碳/石墨絲、微絲、和非線的以及其他的高縱橫比填充物，如顆粒。基體826保護(hù)SMA多股絲823，提供進(jìn)出SMA多股絲823的增強(qiáng)熱傳輸，并可以提供在相關(guān)的驅(qū)動帶輪上的増加摩擦。取決于熱力發(fā)動機(jī)的該構(gòu)造，SMA構(gòu)件822可被保持為一管，用于直接實(shí)施，或可分開并隨后重新連結(jié)以用于應(yīng)用到熱カ發(fā)動機(jī)。此外，非活性纖維，例如芳族聚酰胺纖維，可以用作用于SMA構(gòu)件822的芯部?，F(xiàn)在參見圖13，并繼續(xù)參考圖1-12，顯示了大型熱カ發(fā)動機(jī)914的一部分，其可以被用于大型能量收集系統(tǒng)。在其他附圖中描述和示出的特征和部件可以并入并與圖13中所示的一起使用。大型熱カ發(fā)動機(jī)914包括多個(gè)SMA構(gòu)件922，其例如但不限是SMA傳動帶、SMA編造結(jié)構(gòu)或SM網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)。多個(gè)SM構(gòu)件922允許將來自熱源和冷沉(未示出)的熱能大規(guī)模轉(zhuǎn)變成多個(gè)SMA構(gòu)件922的運(yùn)動的形式的機(jī)械能。來自多個(gè)SMA構(gòu)件922的機(jī)械能被傳遞到例如發(fā)電機(jī)這樣的從動部件(未示出)。大型熱カ發(fā)動機(jī)914中的從動部件與多個(gè)從動帶輪938動カ流動地(powerflow)相連。多個(gè)驅(qū)動帶輪938布置為使得多個(gè)SMA構(gòu)件922可以相對于彼此堆疊和分層。多個(gè)驅(qū)動帶輪938隨后將機(jī)械能通過齒輪箱或變速器結(jié)構(gòu)傳遞到從動部件，從而來自多個(gè)驅(qū)動帶輪938和多個(gè)SMA構(gòu)件922的組合動カ可以用于產(chǎn)生來自大型熱カ發(fā)動機(jī)914的輸出功率。現(xiàn)在參見圖14，并繼續(xù)參考圖1-13，顯示了熱カ發(fā)動機(jī)1014的平面圖，其可以用于小型或大型能量收集系統(tǒng)。在其他附圖中描述和示出的特征和部件可以并入并與圖14中所示的一起使用。圖14所示的熱カ發(fā)動機(jī)1014具有單個(gè)SMA做功元件1022，其繞熱カ發(fā)動機(jī)1014形成多個(gè)回環(huán)。SMA做功元件1022外接于第一帶輪1038、第二帶輪1040和墮輪1042。應(yīng)注意SMA做功元件1022的相對側(cè)未示出。在所示的構(gòu)造中，SMA做功元件1022形成大約十三個(gè)回環(huán)。
即使SMA做功元件1022回環(huán)許多次——這改善了與第一和第二帶輪1038、1040的摩擦接觸，但是SM做功元件僅在兩個(gè)接頭1027處被焊接兩次。焊接點(diǎn)和其他的連接區(qū)域可以代表回環(huán)做功元件中的弱點(diǎn)。因此，與每ー個(gè)用單個(gè)做功元件形成的多個(gè)回環(huán)不同，SMA做功元件能帶來多回環(huán)的優(yōu)點(diǎn)(具有與帶輪的額外接觸區(qū)域，額外的相變區(qū)域等)但是不會極大地増加回環(huán)中的弱點(diǎn)數(shù)。本發(fā)明的詳細(xì)描述和附圖是支持性的和描述性的，本發(fā)明的范圍僅通過權(quán)利要求限定。盡管用于執(zhí)行本發(fā)明的較佳模式已經(jīng)被詳細(xì)描述，本發(fā)明所述的本領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識到用于執(zhí)行本發(fā)明的替換設(shè)計(jì)和實(shí)施例，用于在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)執(zhí)行本發(fā)明。本申請要求美國臨時(shí)申請No. 61/447，317、美國臨時(shí)申請No. 61/447，315、美國臨時(shí)申請No. 61/447，328、美國臨時(shí)申請No. 61/447，321、美國臨時(shí)申請No. 61/447，306和美國臨時(shí)申請No. 61/447,324的權(quán)益，這些申請均是在2011年2月28日遞交的。所有這些申請通過引用以其全部內(nèi)容合并與此。本發(fā)明根據(jù)能源部授權(quán)的ARPA-E合約號DE-AR0000040與美國政府共同做出。美國政府對本發(fā)明可以具有一定的權(quán)利。
權(quán)利要求
1.一種與熱區(qū)域和冷區(qū)域熱連通的能量收集系統(tǒng)，包括 與熱區(qū)域熱連通的熱端熱カ發(fā)動機(jī)，包括 至少兩個(gè)可旋轉(zhuǎn)帶輪； 正時(shí)線纜，繞所述至少兩個(gè)可旋轉(zhuǎn)帶輪的一部分設(shè)置并限定出一正時(shí)帶輪比； 熱端形狀記憶合金(SMA)元件，繞所述至少兩個(gè)可旋轉(zhuǎn)帶輪設(shè)置并限定出與所述正時(shí)帶輪比不同的SMA帶輪比，其中熱端SMA元件具有熱側(cè)和冷側(cè)；和其中熱端SMA元件的熱側(cè)與熱區(qū)域直接熱連通； 與冷區(qū)域熱連通的冷端熱カ發(fā)動機(jī)，包括 至少兩個(gè)可旋轉(zhuǎn)帶輪； 正時(shí)線纜，繞所述至少兩個(gè)可旋轉(zhuǎn)帶輪的一部分設(shè)置并限定出一正時(shí)帶輪比； 冷端SMA元件，繞所述至少兩個(gè)可旋轉(zhuǎn)帶輪設(shè)置并限定出與所述正時(shí)帶輪比不同的SMA帶輪比，其中冷端SMA元件具有熱側(cè)和冷側(cè)；和其中冷端SMA元件的冷側(cè)直接與冷區(qū)域熱連通； 中間熱カ發(fā)動機(jī)，包括 至少兩個(gè)可旋轉(zhuǎn)帶輪； 正時(shí)線纜，繞所述至少兩個(gè)可旋轉(zhuǎn)帶輪的一部分設(shè)置并限定出一正時(shí)帶輪比； 中間SMA元件，繞所述至少兩個(gè)可旋轉(zhuǎn)帶輪設(shè)置并限定出與所述正時(shí)帶輪比不同的SMA帶輪比，其中中間SMA元件具有熱側(cè)和冷側(cè)；和 其中中間SMA元件的熱側(cè)與熱端SMA元件的冷側(cè)熱連通且中間SMA元件的冷側(cè)與冷端SMA元件的熱側(cè)熱連通。
2.如權(quán)利要求I所述的能量收集系統(tǒng)，其中中間熱カ發(fā)動機(jī)是第一中間熱カ發(fā)動機(jī)，且進(jìn)一歩包括第二中間熱カ發(fā)動機(jī)，包括 至少兩個(gè)可旋轉(zhuǎn)帶輪； 正時(shí)線纜，繞所述至少兩個(gè)可旋轉(zhuǎn)帶輪的一部分設(shè)置并限定出一正時(shí)帶輪比； 第二中間SMA元件，繞所述至少兩個(gè)可旋轉(zhuǎn)帶輪設(shè)置并限定出與所述正時(shí)帶輪比不同的SMA帶輪比，其中第二中間SMA元件具有熱側(cè)和冷側(cè)；和 其中中間SMA元件的熱側(cè)與第一中間SMA元件的冷側(cè)熱連通且第二中間SMA元件的冷側(cè)與冷端SMA元件的熱側(cè)熱連通。
3.ー種能量收集系統(tǒng)，包括 沿第一方向流動的熱區(qū)域； 沿與第一方向基本相反的第二方向流動的冷區(qū)域； 第一熱カ發(fā)動機(jī)，具有熱側(cè)和冷側(cè)，其中熱側(cè)與第一熱溫度下的熱區(qū)域連通且冷側(cè)與第一冷溫度下的冷區(qū)域連通； 第二熱カ發(fā)動機(jī)，具有熱側(cè)和冷側(cè)，其中熱側(cè)與不同于第一熱溫度的第二熱溫度下的熱區(qū)域連通，且冷側(cè)與不同于第一冷溫度的第二冷溫度下的冷區(qū)域連通；和 第三熱カ發(fā)動機(jī)，具有熱側(cè)和冷側(cè)，其中熱側(cè)與不同于第一熱溫度和第二熱溫度下的第三熱溫度下的熱區(qū)域連通，且冷側(cè)與不同于第一冷溫度和第二冷溫度的第三冷溫度下的冷區(qū)域連通。
4.如權(quán)利要求3所述的能量收集系統(tǒng)，其中第一熱溫度比第二熱溫度大，且第二熱溫度比第三熱溫度大；和 其中第一冷溫度比第二冷溫度大，且第二冷溫度比第三冷溫度大。
5.如權(quán)利要求4所述的能量收集系統(tǒng)， 其中第一熱溫度和第一冷溫度之間的第一溫度差大致等于第二熱溫度和第二冷溫度之間的第二溫度差；和 其中第三熱溫度和第三冷溫度之間的第三溫度差通常等于第二溫度差。
全文摘要
本發(fā)明提供一種形狀記憶合金熱力發(fā)動機(jī)和能量收集系統(tǒng)。具體說提供一種與熱區(qū)域和冷區(qū)域熱連通的能量收集系統(tǒng)。該能量收集系統(tǒng)包括與熱區(qū)域熱連通的熱端熱力發(fā)動機(jī)，與冷區(qū)域熱連通的冷端熱力發(fā)動機(jī)和設(shè)置在熱端熱力發(fā)動機(jī)和冷端熱力發(fā)動機(jī)之間的中間熱力發(fā)動機(jī)。熱端熱力發(fā)動機(jī)包括熱端形狀記憶合金(SMA)元件，冷端熱力發(fā)動機(jī)包括冷端SMA元件，中間熱力發(fā)動機(jī)，包括中間SMA元件。中間SMA元件的熱側(cè)與熱端SMA元件的冷側(cè)熱連通。中間SMA元件的冷側(cè)與冷端SMA元件的熱側(cè)熱連通。
文檔編號F03G7/06GK102650275SQ20121004808
公開日2012年8月29日 申請日期2012年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月28日
發(fā)明者A.C.基夫, A.L.布朗, C.B.邱吉爾, G.A.赫里拉, G.P.麥克奈特, J.A.肖, N.D.曼卡姆, N.L.約翰遜, P.M.薩羅希, P.W.亞歷山大, R.J.斯柯基斯, W.布朗 申請人:合金力學(xué)公司, 密歇根大學(xué)董事會, 通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司