專利名稱：能量獲取系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及能量獲取系統(tǒng)，且更具體地涉及一種形狀記憶合金熱力發(fā)動機(jī)。
背景技術(shù)：
熱能通過許多工業(yè)、裝配和制造過程產(chǎn)生。汽車、小型裝備和重型裝備也產(chǎn)生熱能。一些該熱能是廢熱，其為機(jī)器、電氣裝備和工業(yè)過程產(chǎn)生的熱量，對于該熱量沒有找到或計(jì)劃有益的應(yīng)用，且其通常是廢的副產(chǎn)品。廢熱可源自于機(jī)器，例如發(fā)電機(jī)，或來自于工業(yè)過程，例如鋼、玻璃或化學(xué)生產(chǎn)。運(yùn)輸燃料的燃燒也產(chǎn)生廢熱
發(fā)明內(nèi)容
能量獲取系統(tǒng)包括熱力發(fā)動機(jī)和與該熱力發(fā)動機(jī)的SMA材料直接接觸的熱傳導(dǎo)元件。熱傳導(dǎo)元件可被配置為接收熱區(qū)域的熱能且將接收的熱量的一部分通過傳導(dǎo)傳送至SMA材料。熱力發(fā)動機(jī)可包括第一可旋轉(zhuǎn)帶輪、從第一可旋轉(zhuǎn)帶輪間隔開的第二可旋轉(zhuǎn)帶輪、和繞第一可旋轉(zhuǎn)帶輪的一部分布置在第一徑向距離處且繞可第二可旋轉(zhuǎn)帶輪布置在第二徑向距離處的形狀記憶合金(SMA)材料。第一和第二徑向距離可限定SMA帶輪比。附加地，正時帶可被繞第一可旋轉(zhuǎn)帶輪的一部分布置在第三徑向距離處且繞第二帶輪的一部分布置在第四徑向距離處，其中第三和第四徑向距離可限定正時帶輪比，其不同于SMA帶輪比。SMA材料可與第一溫度的熱區(qū)域和低于第一溫度的第二溫度的冷區(qū)域熱連通。SMA材料可被配置為選擇性地在馬氏體至奧氏體之間改變晶相，且由此響應(yīng)于暴露于第一溫度而進(jìn)行收縮和伸展中的一種，且還響應(yīng)于暴露于第二溫度而進(jìn)行伸展和收縮中的一種，由此將熱區(qū)域和冷區(qū)域之間的熱能梯度轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。在一種配置中，發(fā)電機(jī)可被與第一和第二可旋轉(zhuǎn)帶輪中的至少一個聯(lián)接，且可被配置為將帶輪的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。熱傳導(dǎo)元件可包括繞熱排氣管布置的可旋轉(zhuǎn)襯套，或熱排氣管自身的可旋轉(zhuǎn)部分。氣體可流動穿過排氣管，其中該氣體可通常具有大于或等于熱區(qū)域的第一溫度的溫度。在另一種配置中，熱傳導(dǎo)元件可包括具有外SMA接觸表面的可旋轉(zhuǎn)熱傳遞帶輪，和從SMA接觸表面徑向向內(nèi)布置的對流式熱傳遞部分。這種熱傳遞帶輪的對流式熱傳遞部分可包括例如葉輪，或多個熱傳遞翅片。當(dāng)結(jié)合附圖時，從下面的用于執(zhí)行如所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的一些最佳方式和其它實(shí)施例的具體描述可容易地明白本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點(diǎn)，以及其它特征和優(yōu)點(diǎn)。


圖I是包括熱力發(fā)動機(jī)的能量獲取系統(tǒng)的示意圖；圖2是圖I的熱力發(fā)動機(jī)的示意性側(cè)視圖；圖3是能與圖I的能量獲取系統(tǒng)一起使用的另一熱力發(fā)動機(jī)的不意性側(cè)視圖4是例如圖2或圖3中所示的熱力發(fā)動機(jī)的做功圖的示意圖；圖5是圖I的熱力發(fā)動機(jī)的示意性側(cè)視圖，其被配置為從源接收熱能且產(chǎn)生機(jī)械輸出；圖6是內(nèi)燃發(fā)動機(jī)排氣管的示意性透視圖，該排氣管具有旋轉(zhuǎn)區(qū)段，該旋轉(zhuǎn)區(qū)段被配置為引導(dǎo)熱量至形狀記憶合金帶；

圖7是熱傳導(dǎo)元件的示意性橫截面視圖，該元件例如為可旋轉(zhuǎn)帶輪，其包括較SMA接觸面徑向地向內(nèi)的葉輪；圖8是熱傳導(dǎo)元件的示意性橫截面視圖，該元件例如為可旋轉(zhuǎn)帶輪，其包括較SMA接觸面徑向地向內(nèi)的熱傳遞翅片；
具體實(shí)施例方式參考附圖，其中相同的參考標(biāo)記在多個圖中對應(yīng)于相同或相似的部件，圖I示出了能量獲取系統(tǒng)10。其它附圖中所示和所述的附圖和部件可被并入且與圖I中所示的那些一起使用。所示的能量獲取系統(tǒng)10包括熱力發(fā)動機(jī)14、從動部件16和聯(lián)接裝置17，其配置為選擇性地將從動部件16與熱力發(fā)動機(jī)14連結(jié)。能量獲取系統(tǒng)10使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可與熱源處于熱傳遞連通中，該熱源例如為廢熱，或可代表具有相對較暖溫度以有助于熱力發(fā)動機(jī)14的操作的任意區(qū)域，如這里所述。能量獲取系統(tǒng)10還使用具有第二溫度的第二流通區(qū)域或冷區(qū)域20，所述第二溫度通常低于熱區(qū)域18的第一溫度。冷區(qū)域20可與冷卻源處于熱傳遞連通中，該冷卻源例如為冷流體，或可代表具有相對較冷溫度以有助于熱力發(fā)動機(jī)14的操作的任意區(qū)域，如這里所述。熱區(qū)域18和冷區(qū)域20的指定或與其相關(guān)的溫度，如“第一”或“第二”是任意的且不具限制性。熱力發(fā)動機(jī)14，如這里所述，被配置為將熱能從熱區(qū)域18和冷區(qū)域20之間的溫差轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。能量獲取系統(tǒng)10的從動部件16可被配置由為從熱力發(fā)動機(jī)14內(nèi)的熱能至機(jī)械能的轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的機(jī)械能或功率驅(qū)動。從動部件16可為機(jī)械裝置，例如，不具限制性發(fā)電機(jī)、風(fēng)扇、離合器、風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)，以及其組合。應(yīng)認(rèn)識到，從動部件16不是要被限制于這些裝置，還可使用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任意其它裝置。從動部件16可被操作地連接至熱力發(fā)動機(jī)14，從而從動部件16被熱力發(fā)動機(jī)14驅(qū)動。更具體地，從動部件16可為現(xiàn)存系統(tǒng)的一部分，例如加熱或冷卻系統(tǒng)等。利用熱力發(fā)動機(jī)14提供的機(jī)械能驅(qū)動從動部件16還可允許能量獲取系統(tǒng)10內(nèi)的相關(guān)聯(lián)現(xiàn)存系統(tǒng)減小尺寸和/或容量，或整個消除。附加地，由能量獲取系統(tǒng)10產(chǎn)生的機(jī)械能可被儲存以供后來使用或作為輔助能量供應(yīng)。在車輛或功率產(chǎn)生設(shè)施中，通過將廢棄的熱能轉(zhuǎn)換為當(dāng)前或以后使用的能量(例如儲存在飛輪中的旋轉(zhuǎn)動能)，能量獲取系統(tǒng)10增加車輛或產(chǎn)生設(shè)施的總效率。從動部件16可為發(fā)電機(jī)或電機(jī)(其可被稱為馬達(dá)/發(fā)電機(jī))，其被配置為將來自熱力發(fā)動機(jī)14的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電30(如圖I中示意性地所示)。替換地,從動部件16可被附連至發(fā)電機(jī)或與其連通。從動部件16可為配置為將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電30的任意適當(dāng)裝置。例如，從動部件16可為電機(jī)，其利用電磁感應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電30。從動部件16可包括轉(zhuǎn)子(未示出)，其相對于定子(未示出)旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生電30。由從動部件16產(chǎn)生的電30可然后被用于輔助驅(qū)動一個或多個電氣系統(tǒng)或可被儲存在能量儲存裝置中。熱區(qū)域18和冷區(qū)域20可被彼此充分地間隔開以保持兩者之間的溫差，或可被充分熱交換屏障26分開，所述熱交換屏障包括但不限于熱屏蔽件、帕爾帖裝置、或絕熱屏障。熱交換屏障26可被用于將熱力發(fā)動機(jī)14分成熱區(qū)域18和冷區(qū)域20，從而實(shí)現(xiàn)熱區(qū)域18和冷區(qū)域20之間的期望的溫差。當(dāng)布置在熱區(qū)域18和冷區(qū)域20之間的熱交換屏障26是帕爾帖裝置，例如熱電式熱泵時，熱交換屏障26被配置為在該屏障26的一側(cè)上產(chǎn)生熱量且在熱屏障26的相反側(cè)上冷卻。能量獲取系統(tǒng)10的熱區(qū)域18和冷區(qū)域20可用例如且不限于氣體、液體或其組合填充。替換地，熱區(qū)域18和冷區(qū)域20可表示被配置為與熱機(jī)14熱傳導(dǎo)性的接觸區(qū)或接觸元件。熱力發(fā)動機(jī)14被配置為在以下領(lǐng)域中使用能量獲取系統(tǒng)10中的熱區(qū)域18和冷區(qū)域20之間的溫度差/梯度，所述領(lǐng)域例如但不限于車輛產(chǎn)生的熱和廢熱、功率產(chǎn)生的熱和廢熱、工業(yè)廢熱(例如用作機(jī)加工中的冷卻劑的液體)、空調(diào)、排氣筒洗滌器、核能發(fā)電廠冷卻塔、和鑄造車間等，住宅和商用建筑熱源(例如干衣機(jī)、爐子(排氣爐)、熱水器排氣)、地加熱和冷卻源、日光熱源(直接的為輻射或間接的例如為太陽能電池組中的被加熱冷卻齊U、太陽能加熱材料如浙青)、來自燃燒源(包括營火和燒烤)的熱、和廢熱，以及其組合。應(yīng)認(rèn)識到，能量獲取系統(tǒng)10可被配置為使用大量其他領(lǐng)域和工業(yè)中的溫差。現(xiàn)在參考圖2，且繼續(xù)參考圖1，示出了圖I中所示的熱力發(fā)動機(jī)14的更詳細(xì)視圖。其他類型和配置的熱力發(fā)動機(jī)可被與圖I中所示的熱回收系統(tǒng)10—起使用。圖3示出了另一熱力發(fā)動機(jī)54，其也可被與圖I中所示的熱回收系統(tǒng)10—起使用，且包括與熱力發(fā)動機(jī)14類似的部件和功能。圖2的熱力發(fā)動機(jī)14包括形狀記憶合金材料22，且被操作地布置在熱區(qū)域18和冷區(qū)域20中或與其熱交換連通。在所示的配置中，熱區(qū)域18可鄰近于熱排氣管，冷區(qū)域20可被布置在環(huán)境空氣中或在來自風(fēng)扇或風(fēng)機(jī)的移動相對較冷的空氣的路徑中。熱力發(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也可被稱為驅(qū)動帶輪。熱力發(fā)動機(jī)14還包括惰輪42，其增加形狀記憶合金材料22的路徑的行程且附加地被配置為給形狀記憶合金材料22變化地增加拉力(或拉緊松弛)。在該配置中，第一帶輪38和第二帶輪40被布置在熱區(qū)域18和冷區(qū)域20之間。但是，熱力發(fā)動機(jī)可被配置有操作地布置在熱區(qū)域18中的第一帶輪和操作地布置在冷區(qū)域20中的第二帶輪40，或相反。惰輪42可同樣布置在冷區(qū)域20中。熱力發(fā)動機(jī)14還包括兩個正時構(gòu)件，第一正時帶輪39和第二正時帶輪41，其分別被固定至第一帶輪38和第二帶輪40。第一正時帶輪39和第二正時帶輪41提供第一帶輪38和第二帶輪40 (兩個驅(qū)動帶輪)之間的機(jī)械聯(lián)接，從而任一驅(qū)動帶輪的旋轉(zhuǎn)確保另一驅(qū)動帶輪沿相同方向的旋轉(zhuǎn)。第一正時帶輪39和第二正時帶輪41通過正時鏈或正時帶狀件43而被鏈接。替換地，正時機(jī)構(gòu)(例如利用鏈鏈接的鏈輪或嚙合齒輪)也可被用于提供第一帶輪38和第二帶輪40之間的機(jī)械聯(lián)接。如可被認(rèn)識到的，其它同步裝置可被用于完成相同或相似的功能。在第一帶輪38和第二帶輪40之間包括由正時鏈(除了記憶合金材料22)提供的機(jī)械聯(lián)接，表示熱力發(fā)動機(jī)14可被稱為同步熱力發(fā)動機(jī)。在一種配置中，第一帶輪38和第一正時帶輪39可被集成入單個帶輪中，由此SMA材料可被保持在第一徑向距離處，且正時纜線43可被保持在第二徑向距離處。類似地，第二帶輪40和第二正時帶輪41可被集成入單個帶輪中，由此SMA材料22可被保持在第三徑向距離處，且正時帶43可被保持在第四徑向距離處。第一和第三距離可限定SMA帶輪比，第二和第四距離可限定正時帶輪比，其可不同于SMA帶輪比。在圖2中所示的實(shí)施例中，第一正時帶輪39的直徑大于第二正時帶輪41。但是，在圖3中所示的實(shí)施例中，正時帶輪實(shí)質(zhì)地具有相同尺寸，但是第一帶輪78的直徑大于第二帶輪80。直徑的差異改變了由相應(yīng)帶輪構(gòu)件提供的有效反扭矩或力臂。關(guān)于帶輪的不同力臂(即帶輪比中的差異)導(dǎo)致沿?zé)釁^(qū)域18附近的記憶合金材料22由收縮力產(chǎn)生的合成的扭矩，如這里所述。熱力發(fā)動機(jī)14被配置為轉(zhuǎn)換熱能為機(jī)械能，且，借助于從動部件16，轉(zhuǎn)換機(jī)械能為電能。更具體地，能量獲取系統(tǒng)10使用熱區(qū)域18和冷區(qū)域20之間的溫差經(jīng)由形狀記憶合金材料22來產(chǎn)生機(jī)械能和/或電能，如下更詳細(xì)所述。由可用熱能產(chǎn)生的機(jī)械和電能可被使用或儲存，這與允許該熱能耗散相反。形狀記憶合金材料22被布置為與熱區(qū)域18和冷區(qū)域20中的每個都熱接觸或熱交換連通。熱機(jī)14的形狀記憶合金材料22具有晶相，該晶相可以響應(yīng)暴露至熱區(qū)域18和冷區(qū)域20的第一和第二溫度在奧氏體和馬氏體之間變化。如這里使用的，術(shù)語“形狀記憶合金”(通常簡稱為“SMA”)是指具有形狀記憶效應(yīng)的合金。即，形狀記憶合金22可經(jīng)由分子重組經(jīng)歷凝聚態(tài)、晶相改變，以在馬氏體相，即“馬氏體”，和奧氏體相，即“奧氏體”，之間轉(zhuǎn)變?；蛘哒f，形狀記憶合金22可經(jīng)歷位移轉(zhuǎn)變而不是擴(kuò)散轉(zhuǎn)變以在馬氏體和奧氏體之間轉(zhuǎn)變。位移轉(zhuǎn)變是結(jié)構(gòu)性改變，其通過原子(或原子團(tuán))相對于它們的近鄰原子(或原子團(tuán))的協(xié)同運(yùn)動而發(fā)生。通常，馬氏體相是指相對低溫低模量的相，且通常比相對高溫高模量的奧氏體相更易變形。形狀記憶合金材料22開始從奧氏體相至馬氏體相轉(zhuǎn)變的溫度被稱為馬氏體開始溫度Ms。形狀記憶合金材料22完成從奧氏體相至馬氏體相轉(zhuǎn)變的溫度被稱為馬氏體完成溫度Mf。類似地，當(dāng)形狀記憶合金材料22被加熱時，形狀記憶合金材料22開始從馬氏體相至奧氏體相轉(zhuǎn)變的溫度被稱為奧氏體開始溫度As。形狀記憶合金材料22完成從奧氏體相至馬氏體相轉(zhuǎn)變的溫度被稱為奧氏體完成溫度Af。因此，形狀記憶合金材料22的特征在于冷卻狀態(tài)，即何時形狀記憶合金材料22的溫度低于形狀記憶合金材料22的馬氏體完成溫度Mf。類似地，形狀記憶合金材料22的特征還可在于熱狀態(tài)，即何時形狀記憶合金材料22的溫度高于形狀記憶合金材料22的奧氏體完成溫度Af。在操作中，被預(yù)應(yīng)變或受到拉伸應(yīng)力的形狀記憶合金材料22可在改變晶相時改變尺寸，以由此將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。即，形狀記憶合金材料22可從低模量馬氏體至高模量奧氏體改變晶相，且如果被假塑性地預(yù)應(yīng)變則由此尺寸收縮，以將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。相 反，形狀記憶合金材料22可從高模量奧氏體至低模量馬氏體改變晶相，且如果受應(yīng)力則由此尺寸伸展，以將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。
假塑性地預(yù)應(yīng)變是指在低模量馬氏體相時拉伸形狀記憶合金材料22，以使得形狀記憶合金材料22在加載狀況下具有的應(yīng)變在卸載時不完全恢復(fù)，而純粹的塑性應(yīng)變將被完全恢復(fù)。在形狀記憶合金材料22的情況下，可以加載該材料使得彈性應(yīng)變極限被超過且在超過材料的真塑性應(yīng)變極限之前在材料的馬氏體晶體結(jié)構(gòu)中發(fā)生變形。在這兩個極限之間的該類型的應(yīng)變是假塑性應(yīng)變，這樣稱謂是因?yàn)楫?dāng)卸載時其看起來經(jīng)過塑性變形。但是，當(dāng)被加熱到形狀記憶合金材料22轉(zhuǎn)變至其奧氏體相的點(diǎn)時，該應(yīng)變可被恢復(fù)，將形狀記憶合金材料22返回至其在負(fù)荷被施加前觀測的原始長度。形狀記憶合金材料22在被安裝入熱力發(fā)動機(jī)14前可被在低溫奧氏體相中拉伸，從而形狀記憶合金材料22的名義長度包括可恢復(fù)假塑性應(yīng)變。在假塑性變形狀態(tài)(相對較長的長度)和完全恢復(fù)的奧氏體相(相對較短的長度)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。如果沒有預(yù)拉伸形狀記憶合金材料22，在相變過程中幾乎看不到變形。 形狀記憶合金材料22在改變晶相時可改變模量和尺寸二者，以由此將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。更具體地，形狀記憶合金材料22，如果被假塑性應(yīng)變，可在從馬氏體至奧氏體改變晶相時尺寸收縮，且如果在拉伸應(yīng)力下當(dāng)從奧氏體至馬氏體改變晶相時可尺寸伸展，以由此將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。因此，當(dāng)在熱區(qū)域18的第一溫度和冷區(qū)域20的第二溫度之間存在溫差時，即當(dāng)熱區(qū)域18和冷區(qū)域20不是處于熱平衡時，設(shè)置在熱區(qū)域18和冷區(qū)域20中的形狀記憶合金材料22的相應(yīng)局部區(qū)域在馬氏體和奧氏體之間改變晶相時尺寸可分別伸展和收縮。形狀記憶合金材料22可具有任意適當(dāng)?shù)慕M分。特別地，形狀記憶合金材料22可包括從下面的組中選擇的元素，該組包括但不限于鈷、鎳、鈦、銦、錳、鐵、鈀、鋅、銅、銀、金、鎘、錫、硅、鉬、鎵、以及其組合。例如，且非限制性地，適當(dāng)?shù)男螤钣洃浐辖?2可包括鎳-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-鉬基合金、鐵-IE基合金，以及其組合。形狀記憶合金材料22可為二元、三元、或任意更高元，只要形狀記憶合金材料22具有形狀記憶效應(yīng)，即改變形狀取向、阻尼能力(damping capacity)等。特定形狀記憶合金材料22可被根據(jù)熱區(qū)域18和冷區(qū)域20的期望的操作溫度而選擇，如下詳述。在一個特定實(shí)例中，形狀記憶合金材料22可包括鎳和鈦。如圖I所示，能量獲取系統(tǒng)10可包括控制系統(tǒng)32，其被配置為監(jiān)視熱區(qū)域18和冷區(qū)域20中的流體各自的第一和第二溫度?？刂葡到y(tǒng)32可被操作地連接至能量獲取系統(tǒng)10的任一部件?？刂葡到y(tǒng)32可為與能量獲取系統(tǒng)10的一個或多個控制部和/或傳感器電通信的計(jì)算機(jī)。例如，控制系統(tǒng)32可與熱區(qū)域18和冷區(qū)域20內(nèi)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/或配置為監(jiān)視從動部件16產(chǎn)生的電30的計(jì)量器通信。附加地，控制系統(tǒng)32可被配置為在能量獲取系統(tǒng)10的預(yù)定狀況下控制能量的獲取，例如在能量獲取系統(tǒng)10已操作足夠的時間段使得熱區(qū)域18和冷區(qū)域20之間的溫差是足夠的、或理想的差值之后。能量獲取系統(tǒng)10的其它預(yù)定狀況也可被使用?？刂葡到y(tǒng)32也可被配置為提供選項(xiàng)以手動超馳熱力發(fā)動機(jī)和允許能量獲取系統(tǒng)10有效地被關(guān)閉，例如當(dāng)供應(yīng)熱區(qū)域18的熱能被在其它地方需要和不應(yīng)被熱力發(fā)動機(jī)14轉(zhuǎn)換為其它能量形式時。離合器(未示出)也可被控制系統(tǒng)32控制以選擇性地使熱力發(fā)動機(jī)14從從動部件16脫離接合。來自從動部件16的電30可被傳輸至儲存裝置36，其可為，非限制性地，電池、電子組、或其它能量儲存裝置。儲存裝置36可被定位為靠近但是物理地離開能量獲取系統(tǒng)10。對于這里討論的任一實(shí)例，能量獲取系統(tǒng)10可包括多個熱力發(fā)動機(jī)14和/或多個從動部件16。同樣，能量獲取系統(tǒng)10可被與附加能量獲取系統(tǒng)10聯(lián)接或與其協(xié)同操作，其中每個能量獲取系統(tǒng) 10包括至少一個熱力發(fā)動機(jī)14和至少一個從動部件16。多個熱力發(fā)動機(jī)14的使用可利用遍布能量獲取系統(tǒng)10的多個溫差區(qū)域。再次參考圖2，第一帶輪38和第二帶輪40也可為，非限制性地，齒輪、單向離合器或彈簧。單向離合器可被配置為允許第一帶輪38和第二帶輪40僅沿一個方向旋轉(zhuǎn)。第一帶輪38、第二帶輪40、或惰輪42被操作地連接至從動部件16,從而旋轉(zhuǎn)(其為形狀記憶合金材料22的模量和尺寸改變的綜合的結(jié)果)驅(qū)動該從動部件16。而且，每個帶輪構(gòu)件可被聯(lián)接至從動部件16，或可在將機(jī)械能傳遞給從動部件16前饋送至變速器或齒輪系統(tǒng)中。盡管三個旋轉(zhuǎn)構(gòu)件被示出在圖2中，應(yīng)認(rèn)識到更多或更少的構(gòu)件可被使用。如這里所述，形狀記憶合金材料22可被嵌入帶狀件或纜繩中。而且，形狀記憶合金材料22可被配置為縱向延伸線，其嵌入在帶狀件中從而帶狀件作為相關(guān)聯(lián)形狀記憶合金材料22的伸展和收縮的函數(shù)而縱向地伸展和收縮。附加地，或替換地，形狀記憶合金材料22可被配置為一個或多個螺旋彈簧，該螺旋彈簧可被嵌入在帶狀件中。形狀記憶合金材料22可為線，其具有任意期望的橫截面形狀，即圓形、矩形、八邊形、條形、或本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任意其它形狀。附加地，帶狀件可至少部分地由彈性材料形成。例如，彈性材料可為彈性體、聚合物、其組合等。帶狀件可被形成為連續(xù)的環(huán)，如圖2和3所示，或形成為細(xì)長條。在圖2所示的熱力發(fā)動機(jī)14的操作中，形狀記憶合金材料22的局部區(qū)域可被布置在熱區(qū)域18內(nèi)或直接鄰接于熱區(qū)域18，從而使得第一溫度導(dǎo)致形狀記憶合金材料22的相應(yīng)局部區(qū)域作為熱區(qū)域18的第一溫度的函數(shù)而收縮。類似地，形狀記憶合金材料22的另一局部區(qū)域可被布置在冷區(qū)域20內(nèi)或直接鄰接于其，從而使得第二溫度導(dǎo)致形狀記憶合金材料22的局部區(qū)域作為冷區(qū)域20的第二溫度的函數(shù)而縱向收縮。例如，如果熱區(qū)域18的第一溫度處于或高于熱狀態(tài)，形狀記憶合金材料22的相關(guān)聯(lián)局部區(qū)域?qū)⒆鳛樾螤钣洃浐辖鸩牧?2從馬氏體相至奧氏體相的相變的結(jié)果而縱向收縮。類似的，如果冷區(qū)域20的第二溫度低于冷狀態(tài)，形狀記憶合金材料22的相關(guān)聯(lián)局部區(qū)域?qū)⒆鳛樾螤钣洃浐辖鸩牧?2從高模量奧氏體相至低模量馬氏體相的相變的結(jié)果而縱向伸展(由于元件中的拉力)。形狀記憶合金材料22可繞第一帶輪38和第二帶輪40不斷地環(huán)繞，從而從形狀記憶合金材料22給予的運(yùn)動導(dǎo)致第一帶輪38和第二帶輪40 (還有惰輪42)中的每個都旋轉(zhuǎn)。新記憶合金材料22的局部區(qū)域的縱向伸展(伸展)和/或收縮將形狀記憶合金材料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)域是形狀記憶合金材料22的在任意給定時刻處于相應(yīng)熱區(qū)域18和冷區(qū)域20中的那些部分。如圖2的熱力發(fā)動機(jī)14所示，當(dāng)形狀記憶合金材料22在被熱區(qū)域18加熱后收縮時，第一正時帶輪39比第二正時帶輪41提供更大的反扭矩。因此，形狀記憶合金材料22在第一帶輪38和第二帶輪40 (其分別與第一正時帶輪39和第二正時帶輪41 一起旋轉(zhuǎn))之間的收縮導(dǎo)致形狀記憶合金材料22向第一帶輪38移動。隨著熱力發(fā)動機(jī)14進(jìn)入動態(tài)操作，形狀記憶合金材料22、第一帶輪38和第二帶輪40逆時針旋轉(zhuǎn)(如圖2所示)。熱力發(fā)動機(jī)14不需要用于熱區(qū)域18和冷區(qū)域20的液體浴。因此，熱力發(fā)動機(jī)14和形狀記憶合金材料22的相當(dāng)量的部分不要求浸入液體。現(xiàn)在參考圖3，且繼續(xù)參考圖I和2，示出了另一熱力發(fā)動機(jī)54，其也可被并入圖I中所示的熱回收系統(tǒng)10且與其一起使用。其它附圖中所示和所述的附圖和部件可被并入且與圖2中所示的那些一起使用。熱力發(fā)動機(jī)54被布置為與熱區(qū)域58和冷區(qū)域60熱交換連通。熱力發(fā)動機(jī)54包括形狀記憶合金材料62，該形狀記憶合金材料以繞第一帶輪78、第二帶輪80和惰輪82的連續(xù)環(huán)行進(jìn)。第一正時帶輪79和第二正時帶輪81通過正時鏈83而被機(jī)械地聯(lián)接。在第一帶 輪78和第二帶輪80之間包括由正時鏈83 (除了記憶合金構(gòu)件62)提供的機(jī)械聯(lián)接表示熱力發(fā)動機(jī)54也可被稱為同步熱力發(fā)動機(jī)。不同于圖2所不的熱力發(fā)動機(jī)14,在圖3的熱力發(fā)動機(jī)54中，第一正時帶輪79和第二正時帶輪81的直徑實(shí)質(zhì)上相同。在一種配置中，第一和第二正時帶輪79、81可為第一和第二帶輪78、80的相應(yīng)輪軸。在熱力發(fā)動機(jī)54中，第二帶輪80比第一帶輪78具有更大的直徑。如圖3的熱力發(fā)動機(jī)54所示，當(dāng)形狀記憶合金構(gòu)件62在被熱區(qū)域58加熱后收縮時，第二正時帶輪80比第一正時帶輪78產(chǎn)生更大的力矩臂。但是，第一正時帶輪79和第二正時帶輪81提供相同的反扭矩。因此，第一帶輪78和第二帶輪80之間的形狀記憶合金構(gòu)件62的收縮導(dǎo)致形狀記憶合金構(gòu)件62再次向第一帶輪78移動。隨著熱力發(fā)動機(jī)54進(jìn)入動態(tài)操作，形狀記憶合金構(gòu)件62、第一帶輪78和第二帶輪80逆時針旋轉(zhuǎn)(如圖3所示)?，F(xiàn)在參考圖4，且繼續(xù)參考圖1-3，示出了做功圖90的示意圖。做功圖90的χ-軸線91示出了圖2所示的形狀記憶合金構(gòu)件22、圖3中所示的形狀記憶合金構(gòu)件72或并入到熱力發(fā)動機(jī)(例如熱力發(fā)動機(jī)14或熱力發(fā)動機(jī)54)中的另一 SMA做功構(gòu)件的長度。做功圖90的y-軸線92示出了圖2所示的形狀記憶合金構(gòu)件22、圖3所示的形狀記憶合金構(gòu)件72或另一 SMA做功構(gòu)件的張力。做功圖90示出了在熱力發(fā)動機(jī)14或熱力發(fā)動機(jī)54的操作過程中形狀記憶合金構(gòu)件22或形狀記憶合金構(gòu)件72的一位置或區(qū)域在環(huán)繞時的做功路徑94。在一位移(即長度中的改變)上的力的施加要求做功。凈功區(qū)96表示形狀記憶合金構(gòu)件22或形狀記憶合金構(gòu)件72在每個環(huán)路上實(shí)現(xiàn)的凈功。因此，凈功區(qū)96大于零的事實(shí)顯示了形狀記憶合金構(gòu)件22或形狀記憶合金構(gòu)件72從對于熱力發(fā)動機(jī)14或熱力發(fā)動機(jī)54可用的熱能產(chǎn)生機(jī)械功。如圖5示意性地所示，熱力發(fā)動機(jī)14可與布置為鄰近熱區(qū)域18或位于其中的熱源100熱連通。大致如上所述，熱源100可為能傳遞熱能至形狀記憶合金22中的任意適當(dāng)元件或裝置。優(yōu)選地，熱源100可被配置為傳遞足夠量的熱能給SMA22，以實(shí)現(xiàn)熱區(qū)域18內(nèi)的奧氏體相轉(zhuǎn)變。如大致所示，熱的熱傳遞可經(jīng)由一個或多個傳遞機(jī)構(gòu)發(fā)生，例如傳導(dǎo)110、對流112或輻射114。如上大致所述，來自熱源的熱能可賦予SMA22運(yùn)動，其可被獲取為輸出軸118的旋 轉(zhuǎn)/扭矩116。在一實(shí)施例中，輸出軸118可被齒輪連接或通過變速器17聯(lián)接至從動部件16。齒輪系/變速器17可允許熱力發(fā)動機(jī)基于可獲得的扭矩116更好地匹配輸出動力需求其。雖然本能量獲取系統(tǒng)可被容易地適用于與任意熱源一起操作，特定用戶可關(guān)注清除否則將被排入環(huán)境中的廢棄熱能。例如，在汽車領(lǐng)域中，大致如圖6所示，熱源100可為排氣歧管/管道120，其傳輸從發(fā)動機(jī)離開的熱排氣122。類似地，在許多工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，熱量可被作為各種制造過程的副產(chǎn)品而產(chǎn)生。雖然這種工業(yè)熱量通常通過煙囪(smokestack)或液體冷卻散熱器排出，本能量獲取系統(tǒng)可被用于將該廢棄能量重新轉(zhuǎn)化為功。返回參考圖5，傳導(dǎo)式熱傳導(dǎo)110可被完成，例如通過將SMA直接接觸熱液體，例如工廠冷卻液、冷卻塔或核能發(fā)電廠中的流體、通過太陽能加熱的液體、地?zé)崴⒑?或其他液體，例如海洋、湖泊或井中的液體。在一實(shí)施例中，熱液體可為自由流動的液體而不是密封器皿中的液體，由此促進(jìn)了更大的、更一致的熱交換。替換地，傳導(dǎo)式熱傳遞110可通過與熱的地?zé)岵牧现苯咏佑|完成，例如沙子，或熱的排氣歧管/管道(如圖6所示)、刷子、擦拭器或其它類似的接觸。大致如圖6所示，如果SMA帶22被布置為與熱傳遞元件(例如排氣管道120的一部分、或繞管道120布置的襯套)直接接觸，傳導(dǎo)式熱傳遞110可被進(jìn)一步完成。熱傳導(dǎo)元件被配置為接收熱區(qū)域18的熱能且可將接收的熱量的一部分通過傳導(dǎo)傳送至SMA帶22。在一種配置中，管的一區(qū)段124可被配置為旋轉(zhuǎn)以輔助熱力發(fā)動機(jī)操作。該區(qū)段124可被與非旋轉(zhuǎn)部分通過多個軸承126聯(lián)接，且可被大致布置在熱區(qū)域18內(nèi)。在一種配置中，旋轉(zhuǎn)區(qū)段124或襯套可從管道120內(nèi)流動的熱氣122接收熱能，該管的溫度大于或等于可旋轉(zhuǎn)襯套/段124的溫度。區(qū)段124可為帶輪40、80，分別如圖2和3所示，或可僅為沿?zé)釁^(qū)域18內(nèi)的一段SMA22布置的惰輪。在一種配置中，多個傳導(dǎo)帶輪可被用在熱區(qū)域18內(nèi)，其中SMA元件22在各個帶輪之間迂回以最大化直接接觸。為進(jìn)一步增強(qiáng)該接觸，帶輪可被涂覆一些物質(zhì)以降低每個相應(yīng)帶輪和SMA元件22之間的熱阻。這種涂層可包括例如油、樹脂或刷狀表面紋理。為 了促進(jìn)熱傳遞出各個熱傳導(dǎo)元件，每個帶輪/旋轉(zhuǎn)區(qū)段124可具有外SMA接觸表面130，和從SMA接觸表面徑向向內(nèi)布置的對流式熱傳遞部分。例如，大致如圖7所示，帶輪/旋轉(zhuǎn)區(qū)段124可具有徑向內(nèi)部葉輪部分130 (即徑向向外SMA接觸表面132的內(nèi)部)，其可促進(jìn)任意橫向流動的空氣和帶輪自身之間的增強(qiáng)的對流。替換地，如圖8所示，每個帶輪/旋轉(zhuǎn)區(qū)段124可具有一個或多個熱傳導(dǎo)式熱傳遞翅片134以促進(jìn)從流動空氣至外部接觸表面132的熱傳遞。附加地，為了促進(jìn)帶輪和SMA元件22之間的更大的表面接觸，在一實(shí)施例中，帶輪可具有部分地順應(yīng)表面用于接收SMA元件。再次參考圖5，對流式熱傳遞112的實(shí)例可包括經(jīng)由自然產(chǎn)生的空氣溫度梯度(例如大致如圖7所示)，或通過燃燒產(chǎn)生的空氣溫度梯度(例如經(jīng)由內(nèi)燃發(fā)動機(jī)、柴油燃燒發(fā)動機(jī)、焚燒裝置、營火、火爐等)的熱傳遞。最后，基于輻射的熱傳遞114的例子可包括太陽能加熱、或經(jīng)由燃燒的輻射的加熱。一旦SMA22被通過環(huán)境溫度梯度賦予運(yùn)動，熱力發(fā)動機(jī)14可被操作以旋轉(zhuǎn)驅(qū)動軸118。該軸的旋轉(zhuǎn)/扭矩116可被賦予從動部件16，和/或通過一個或多個齒輪系統(tǒng)/聯(lián)接裝置17。在一實(shí)施例中，如上所述，從動部件16可為發(fā)電機(jī)，其可將旋轉(zhuǎn)性的軸運(yùn)動轉(zhuǎn)換為電。輸出的電可被儲存用于以后使用(例如儲存在電池中)，或可被用于給一個或多個裝置供電。在汽車領(lǐng)域中，電可被用于給各個車輛附件供電，給用戶電器供電，或給小裝置例如移動電話電池充電。在另一實(shí)施例中，驅(qū)動軸118的旋轉(zhuǎn)/扭矩116可被直接用于驅(qū)動各個機(jī)械部件。例如，輸出軸118可直接驅(qū)動屋子內(nèi)的天花板風(fēng)扇。替換地，驅(qū)動軸的旋轉(zhuǎn)可被用于自泵送熱管、自運(yùn)行熱泵、或空氣/流體泵。例如，在汽車領(lǐng)域中，輸出軸118可驅(qū)動空調(diào)壓縮機(jī)或風(fēng)扇。類似地，在地?zé)崤渲弥?，輸出軸118可被與井泵聯(lián)接以傳輸?shù)叵滤恋孛婀┤耸褂?，或可被用于灌溉設(shè)施中，和/或用于地勢低洼區(qū)例如開拓地。在另一實(shí)施例中，動力取用點(diǎn)可依賴于應(yīng)用的性質(zhì)而在帶輪之間切換較大的帶輪用于低速高扭矩，較小的帶輪用于高速低扭矩。
在另一實(shí)施例中，主動式元件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，例如以彈簧或其它幾何形狀，可被用于通過相變的熱函和材料的比熱的組合從熱至冷區(qū)域傳遞熱量，以加熱冷區(qū)域或冷卻熱區(qū)域，即，作為熱交換器。在另一實(shí)施例中，主動式元件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動可被用于攪拌其中存在溫度梯度的液體、顆粒材料等。雖然這里概述了用于熱力發(fā)動機(jī)的許多方案，它們可各自獨(dú)立地或共同地用于改善形狀記憶合金熱力發(fā)動機(jī)的熱傳遞比或效率，或用于改善其可控性。因此，沒有方案應(yīng)被認(rèn)為是限制性的或排他的，因?yàn)樵S多或所有實(shí)施例可被共同地或組合使用。雖然用于執(zhí)行本發(fā)明的最佳方式已經(jīng)被詳細(xì)描述，與本發(fā)明相關(guān)的本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識到在所附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)的執(zhí)行本發(fā)明的各種替換設(shè)計(jì)和實(shí)施例。上面的說明或附圖中示出的所有事實(shí)應(yīng)被解釋為僅是說明性的且不是限制性的。相關(guān)申請的交叉引用本申請要求美國臨時申請No. 61/447，317、美國臨時申請No. 61/447，315、美國臨時申請No. 61/447，328、美國臨時申請No. 61/447，321、美國臨時申請No. 61/447，306和美國臨時申請No.61/447，324的優(yōu)先權(quán)，都為2011年2月28日提交。其所有通過引用全部并入。關(guān)于聯(lián)邦贊助的研究或開發(fā)的聲明本發(fā)明在美國政府的支持下進(jìn)行，其協(xié)議/項(xiàng)目號=ARPA-E合同號DE-AR0000040。美國政府在本發(fā)明中具有特定權(quán)利。
權(quán)利要求
1.一種能量獲取系統(tǒng)，包括 熱力發(fā)動機(jī)，其包括 第一可旋轉(zhuǎn)帶輪； 從第一可旋轉(zhuǎn)帶輪間隔開的第二可旋轉(zhuǎn)帶輪； 形狀記憶合金(SMA)材料，其繞第一可旋轉(zhuǎn)帶輪的一部分布置在第一徑向距離處且繞第二可旋轉(zhuǎn)帶輪的一部分布置在第二徑向距離處，該第一和第二徑向距離限定SMA帶輪比； 正時帶，其被繞第一可旋轉(zhuǎn)帶輪的一部分布置在第三徑向距離處且繞第二可旋轉(zhuǎn)帶輪的一部分布置在第四徑向距離處，第三和第四徑向距離限定正時帶輪比，所述正時帶輪比不同于SMA帶輪比； 其中SM材料被配置為被布置為與第一溫度的熱區(qū)域和低于第一溫度的第二溫度的冷區(qū)域熱連通。
其中，SMA材料被配置為選擇性地在馬氏體和奧氏體之間改變晶相，且由此響應(yīng)于暴露于第一溫度而進(jìn)行收縮和伸展中的一種，且還響應(yīng)于暴露于第二溫度而進(jìn)行伸展和收縮中的一種，由此將熱區(qū)域和冷區(qū)域之間的熱能梯度轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；以及 熱傳導(dǎo)元件，其與熱力發(fā)動機(jī)的SMA材料直接接觸，該熱傳導(dǎo)元件被配置為從熱區(qū)域接收熱能且將接收到的熱能的一部分通過傳導(dǎo)而傳遞至SMA材料。
2.如權(quán)利要求I所述的能量獲取系統(tǒng)，其中所述熱傳導(dǎo)元件包括繞熱排氣管布置的可旋轉(zhuǎn)襯套。
3.如權(quán)利要求I所述的能量獲取系統(tǒng)，其中所述熱傳導(dǎo)元件包括熱排氣管的可旋轉(zhuǎn)部分。
4.如權(quán)利要求I所述的能量獲取系統(tǒng)，其中所述熱傳導(dǎo)元件包括具有外SMA接觸表面的可旋轉(zhuǎn)熱傳遞帶輪，和布置在SMA接觸表面徑向內(nèi)部的對流式熱傳遞部分。
5.如權(quán)利要求4所述的能量獲取系統(tǒng)，其中所述熱傳遞帶輪的對流式熱傳遞部分包括葉輪。
6.如權(quán)利要求4所述的能量獲取系統(tǒng)，其中所述熱傳遞帶輪的對流式熱傳遞部分包括多個熱傳遞翅片。
7.如權(quán)利要求I所述的能量獲取系統(tǒng)，還包括惰輪，其與SMA材料機(jī)械地連通且被配置為通過傳導(dǎo)從SMA材料接收熱能且將接收到的熱能的一部分傳送至冷區(qū)域。
8.如權(quán)利要求7所述的能量獲取系統(tǒng)，其中所述惰輪被配置為給予SMA材料最小的拉力。
9.如權(quán)利要求I所述的能量獲取系統(tǒng)，還包括發(fā)電機(jī)，其被與第一可旋轉(zhuǎn)帶輪和第二可旋轉(zhuǎn)帶輪中的至少一個連結(jié)，該發(fā)電機(jī)被配置為將帶輪的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。
10.一種能量獲取系統(tǒng)，包括 熱力發(fā)動機(jī)，其包括 第一可旋轉(zhuǎn)帶輪； 從第一可旋轉(zhuǎn)帶輪間隔開的第二可旋轉(zhuǎn)帶輪； 形狀記憶合金(SMA)材料，其繞第一可旋轉(zhuǎn)帶輪的一部分布置在第一徑向距離處且繞第二可旋轉(zhuǎn)帶輪的一部分布置在第二徑向距離處，該第一和第二徑向距離限定SMA帶輪比； 正時帶，其被繞第一可旋轉(zhuǎn)帶輪的一部分布置在第三徑向距離處且繞第二可旋轉(zhuǎn)帶輪的一部分布置在第四徑向距離處，第三和第四徑向距離限定正時帶輪比，其不同于SMA帶輪比； 其中SMA材料被配置為被布置為與第一溫度的熱區(qū)域和低于第一溫度的第二溫度的冷區(qū)域熱連通。
其中，SMA材料被配置為選擇性地在馬氏體和奧氏體之間改變晶相，且由此響應(yīng)于暴露于第一溫度而進(jìn)行收縮和伸展中的一種，且還響應(yīng)于暴露于第二溫度而進(jìn)行伸展和收縮中的一種，由此將熱區(qū)域和冷區(qū)域之間的熱能梯度轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；以及 與SMA材料機(jī)械地連通的排氣管，該排氣管具有第一溫度，且其中該排氣管被配置為將熱能通過傳導(dǎo)傳遞至SMA材料。
全文摘要
一種用于將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的能量獲取系統(tǒng)包括熱力發(fā)動機(jī)，其利用形狀記憶合金活性材料操作。形狀記憶合金構(gòu)件可與第一溫度的熱區(qū)域和低于第一溫度的第二溫度的冷區(qū)域熱連通。形狀記憶合金材料可被配置為選擇性地在馬氏體至奧氏體之間改變晶相，且由此響應(yīng)第一和第二溫度而收縮或伸展。熱傳導(dǎo)元件可與SMA材料直接接觸，其中該熱傳導(dǎo)元件被配置為從熱區(qū)域接收熱能且將接收到的熱能的一部分通過傳導(dǎo)而傳遞至SMA材料。
文檔編號F03G7/06GK102654114SQ20121004886
公開日2012年9月5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.徹琪爾, G.A.赫里拉, G.P.麥克奈特, J.A.肖, N.D.曼卡姆, N.L.約翰森, 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