专利名称：形状记忆合金热力发动机和能量收集系统的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及能量收集系统，且更具体地涉及使用形状记忆合金的热カ发动机的能量收集系统。
背景技术：
热能可以通过エ业、装配和制造过 程产生。机动车、小型设备和重型设备也能产生热能。该热能中的ー些是废热，其是无法找到或设计出有利用途的热量，且通常是浪费的副产品。废热可以排出到大气。运输燃料的燃烧也对废热有贡献。
发明内容
提供一种与热区域和冷区域热连通的能量收集系统。该能量收集系统包括与热区域热连通的热端热カ发动机，与冷区域热连通的冷端热カ发动机和设置在热端热力发动机和冷端热カ发动机之间的中间热カ发动机。该热端热カ发动机包括至少两个可旋转带轮；正时线缆，绕所述至少两个可旋转带轮的一部分设置并限定出一正时带轮比；热端形状记忆合金(SMA)元件，绕所述至少两个可旋转带轮设置并限定出与所述正时带轮比不同的SMA带轮比。热端SMA元件具有热侧和冷侧，且其中热端SMA元件的热侧与热区域直接热连通。该冷端热カ发动机包括至少两个可旋转带轮；正时线缆，绕所述至少两个可旋转带轮的一部分设置并限定出一正时带轮比；冷端SMA元件，绕所述至少两个可旋转带轮设置并限定出与所述正时带轮比不同的SMA带轮比。冷端SMA元件具有热侧和冷侧，且冷端SMA元件的冷侧直接与冷区域热连通。中间热カ发动机包括至少两个可旋转带轮；正时线缆，绕所述至少两个可旋转带轮的一部分设置并限定出一正时带轮比；中间SMA元件，绕所述至少两个可旋转带轮设置并限定出与所述正时带轮比不同的SMA带轮比。中间SMA元件具有热侧和冷侧，且中间SMA元件的热侧与热端SMA元件的冷侧热连通且中间SMA元件的冷侧与冷端SMA元件的热侧热连通。在下文结合附图进行的对实施本发明的较佳模式做出的详尽描述中能容易地理解上述的本发明的特征和优点以及其他的特征和优点。
图I是包括热カ发动机的能量收集系统的示意图；图2是图I的热カ发动机的示意性侧视图；图3是可用于图I的能量收集系统的另一热カ发动机的示意性侧视图；图4用于热カ发动机的示功图的示意性视图，例如图2或图3所示的；图5A是具有并行多股细丝SMA的形状记忆合金(SMA)做功元件形式的示意性部分横截面图5B是具有部分地嵌入在基质中的并行SMA多股丝的另一 SMA做功元件形式的示意性部分截面图；图5C是用类似于图5B所示的各个单元构建的复合SMA做功元件的示意性部分截面图；图6A是具有在弹簧圈中的纤维芯部的、基于弹簧的SMA做功元件的示意性平面图；图6B是具有两个弹簧和在弹簧圈中的纤维芯部的另一基于弹簧的SMA做功元件的示意性平面图；图6C是具有交错弹簧的另一基于弹簧的SMA做功元件的示意性平面图，其中在弹簧圈中有两个纤维芯部；图7A是编织的SMA做功元件及其插入情况的近距视图的示意性侧视
图7B是织造网孔SMA做功元件及其插入情况的近距视图的示意性侧视图；图8A是具有多平面的回环的另一热カ发动机的不意性等轴视图；图SB是具有带三维引导件的多平面回环的另一热カ发动机的示意性等轴视图；图9是具有三个串序热カ发动机的能量收集系统的示意性图示或图解，其中ー个热カ发动机的冷侧用作另ー热力发动机的热侧；图10是具有纵向热力发动机的能量收集系统的示意性侧视图；图IlA是具有多个热カ发动机且配置为从高纵横比热源(例如管)捕获热能的能量收集系统的示意性等轴视图；图IlB是具有多个热カ发动机且配置为从高纵横比热源和反向流动冷沉捕获热能的另一能量收集系统的示意性等轴视图；图12是圆形三维SMA做功元件的示意性部分截面图，用于在大型热カ发动机中使用；图13是具有堆叠和分层SMA做功元件的大型热カ发动机的一部分的示意性侧视图；和图14是具有单个SMA做功元件的热カ发动机的示意性平面图，其形成多个回环但是仅在两个位置被焊接或连结。
具体实施例方式參见附图，其中相同的附图标记在几幅图中只要可能就对应相同或类似的部件，在图I中示出了热量回收系统或能量收集系统。在其他附图中描述和示出的特征和部件可以并入和与图I中所示的一起使用。所示的能量收集系统10包括热カ发动机14和从动部件16。能量收集系统10利用具有第一温度的第一流体区域或热区域18。热区域18与热源(例如废热)热传递连通，或可以代表对热カ发动机14的运行有贡献的具有相对较暖温度的任何区域，如在本文所述的。能量收集系统10还利用具有第二温度的第二流体区域或冷区域20，该第二温度通常低于热区域18的第一温度。冷区域20与冷却源(例如冷却流体)热传递连通，或可以代表对热カ发动机14的运行有贡献的具有相对较冷温度的任何区域，如在本文所述的。热区域18和冷区域20或与之关联的温度的设定称为“第一”或者“第二”是任意的且不是限制性的。如在本文所述的，热カ发动机14被配置为通过热区域18和冷区域20之间的温度差将热能转换成机械能。能量收集系统10的从动部件16可以被配置为被通过热カ发动机14中热能向机械能的转变而产生的机械能或者动カ所驱动。从动部件16可以是ー种机械装置，例如但不限于发动机、风扇、离合器、吹风机、泵、压缩机和其组合。应理解从动部件16并不限于这些装置因为任何对本领域技术人员来说公知的其他的装置也可以使用。从动部件16可以操作地连接到热カ发动机14，从而从动部件16被热カ发动机14驱动。更具体地，从动部件16可以是现有系统的一部分，例如加热或冷却系统。对从动部件16用热カ发动机14提供的机械能进行驱动也可以允许能量收集系统10中相关的现 有系统大小和/或容量减小或完全消除。另外，能量收集系统10产生的机械能可以被存储用于以后使用或作为辅助能量源。在车辆或发电站中，通过将可能已经成为浪费热能的能量转换成用于当前或以后使用的能量，能量收集系统10増加了车辆或发电站的总体效率。从动部件16可以是发动机或电机器(其可以被称为电动机/发动机)，配置为将机械能从热カ发动机14转换成电カ30 (如在图I示意性地显示的)。替换地,从动部件16可以附加或通信到发电机。从动部件16可以是任何合适的装置，其配置为将机械能转换成电カ30。例如，从动部件16可以是电机器，其使用电磁感应将机械能转换成电力30。从动部件16可以包括转子(未示出)，该转子相对于定子(未示出)旋转以产生电力30。通过从动部件16产生的电カ30可以随后被用于辅助一个或多个电系统的电力供应或可以被存储在能量存储装置中。热区域18和冷区域20可以充分地彼此隔开，以维持二者之间的温度差，或可以通过足够的热交换屏障26分开，包括但不限于隔热板、珀尔帖装置、或绝热屏障。热交换屏障26可以用于将热カ发动机14分成热区域18和冷区域20，从而可以获得热区域18和冷区域20之间的期望温度差。当设置在热区域18和冷区域20之间的热交换屏障26是珀尔帖装置时，例如热电热泵，热交换屏障26配置为在屏障26的一侧上产生热并在屏障26的相对侧上冷却。能量收集系统10的热区域18和冷区域20可以被填充有例如但不限于气体、液体、或其组合。替换地，热区域18和冷区域20可以代表接触区域或接触元件，其配置为用于与热力发动机14进行传导性热传递。热カ发动机14被配置为在ー些区域中利用能量收集系统10中的热区域18和冷区域20之间的温度差，例如但不限于车用热和废热、发电的热和废热、エ业废热、地热加热和冷却源、太阳热和废热，和以上組合。应理解，能量收集系统10可以配置为利用许多其他领域和行业的温度差。现在參见图2并继续參考图I,示出了图I所示的热カ发动机14的更详细的示意图。热カ发动机的其他种类和构造也可以与图I所示的能量收集系统10—起使用。图3显示了另ー热力发动机54，其也可以与图I所示的能量收集系统10 —起使用，且包括类似于热カ发动机14的许多相似部件和功能。图2的热カ发动机14包括形状记忆合金(SMA)构件22且操作地设置在或热交换地连通至热区域18和冷区域20。在所示的配置中，热区域18可以邻近排热管，且冷区域20可以被置于周围空气中或来自风扇或吹风机的相对较冷空气的运动路径中。热カ发动机14还包括第一构件或第一带轮38和第二构件或第二带轮40。第一带轮38和第二带轮40可以也被称为驱动带轮。热カ发动机14还包括堕轮42，其定位为对SMA构件22的路径增加行程并可以被配置为对SMA构件22变化地增加张力(或占据松弛部)。在热カ发动机14的一些构造中，也可以不包括堕轮42。SMA构件22绕第一带轮38、第二带轮40和堕轮42形成回环。如在本文使用的，回环是指界定出SM构件22绕热カ发动机14的整个旋转路径。在这种构造中，第一带轮38和第二带轮40设置在热区域18和冷区域20之间。然而，热カ发动机可以配置为具有操作地设置在热区域18中的第一带轮和操作地设置在冷区域20中的第二带轮40，或反过来。堕轮42也可以被设置在热区域18或冷区域20中的任一区域中。热カ发动机14还包括两个正时构件，第一正时带轮39和第二正时带轮41，它们被 分别固定到第一带轮38和第二带轮40。第一正时带轮39和第二正时带轮41提供第一带轮38和第二带轮40 (两个驱动带轮)之间的机械联接，从而任ー驱动带轮的旋转确保另ー个沿同样的方向旋转。第一正时带轮39和第二正时带轮41通过正时链或正时带43连接。替换地，正时机构(例如与链连接的链轮或啮合齿轮)也可以用于提供第一带轮38和第二带轮40之间的机械联接。包含通过在第一带轮38和第二带轮40之间的正时链43(除了 SMA构件22以外)提供的机械联接意味着热カ发动机14可以被称为同步热カ发动机。SMA构件22以第一径向距离绕第一带轮38的一部分设置并以第二径向距离绕第ニ带轮40的一部分设置，第一和第二径向距离限定了 SMA带轮比。正时带43以第三径向距离绕第一正时带轮39设置并以第四径向距离绕第二正时带轮41的一部分设置，第三和第四径向距离限定了正时带轮比。SMA带轮比与正时带轮比是不同的。在图2所示的实施例中，第一正时带轮39的直径比第二正时带轮41的直径大。直径的差异改变了通过各个带轮构件提供的反作用扭矩或カ矩臂。关于带轮的不同カ矩臂使得最終的扭矩通过沿与热区域18邻近的SMA构件22的收缩カ产生，如在本文中解释的。应注意在图3所示的实施例中，正时带轮实质上是同样的大小的但是驱动带轮是不同大小的。热カ发动机14配置为将热能转换成机械能并在从动部件16的帮助下将机械能转换成。更具体地能量收集系统10利用热区域18和冷区域20之间的温度差经由SMA构件22来产生机械能和/或电能，将在后文做更多说明。从可用的热能形成的机械能和电能可以被使用或存储，这与让热能消散不同。SMA构件22设置为与热区域18和冷区域20每ー个热接触或热交换连通。热カ发动机14的SMA构件22具有响应于暴露至热区域18和冷区域20的第一和第二温度而可在奥氏体和马氏体之间改变的结晶相。如在本文使用的，术语“SMA” (SMA)是指形状记忆效果的合金。即SMA构件22可以经由马氏体相(即“马氏体”)和奥氏体相(即“奥氏体”)之间的转变而经历固态、结晶相变。换句话说，SMA构件22可以经历位移转变(displacive transformation)而不是扩散转变，从而在马氏体和奥氏体之间变化。位移转变是原子(或原子团)相对于其周围原子的协调运动而发生的结构变化。通常马氏体相是指相对低温的相且通常比相对高温的奥氏体更易变形-即杨氏模量大约比相对高温的奥氏体相低2. 5倍。SMA构件22开始从奥氏体相向马氏体相变化时的温度被称为马氏体开始转变温度Ms。SMA构件22完成从奥氏体相向马氏体相变化时的温度被称为马氏体完成温度Mf。类似地，在SMA构件22被加热时，SMA构件22开始从马氏体相向奥氏体相变化时的温度被称为奥氏体开始转变温度As。SMA构件22完成从马氏体相向奥氏体相变化时的温度被称为奥氏体完成温度Af。因此，SMA构件22特征在于冷态，即在SMA构件22的温度低于SMA构件22的马氏体完成温度Mf吋。同样，SMA构件22特征还在于热态，即在SMA构件22的温度高于SMA 构件22的奥氏体完成温度Af吋。在运行中，被预应变(pre-strained)或经历了拉伸应力的SMA构件22可在改变结晶相时改变尺寸，以将热能转换成机械能。即，SMA构件22可以进行从马氏体向奥氏体的结晶相变化，且由此如果被假塑性预应变(preudoplastically pre-strained)的话则在尺寸上收缩，以便将热能转换成机械能。相反地，SMA构件22可以从奥氏体向马氏体做结晶相变化，且如果在应カ下则由此在尺寸上扩张并被拉伸。在SMA构件22的马氏体部分和奥氏体部分中刚度的差异和由此应カ的差异通过热能产生净扭矩，其中SMA构件22与第一正时带轮39和第二正时带轮41之间的带轮比耦合。净扭矩使得SMA构件22旋转并在热カ发动机14中形成动能，驱动构件16随后可以将该动能转换为电能或以其他方式利用。假塑性预应变是指SMA构件22仍在马氏体相时的拉伸，从而通过低于该载荷条件(loading condition)的SMA构件22所呈现的应变在卸载时并不完全地恢复,其中纯粹的弾性应变将被完全恢复。在SMA构件22的情况下，可以加载材料，从而弹性应变极限被抑制且在超过该材料的真塑性应变之前在该材料的马氏体晶体结构中发生变形。两种极限之间，这类应变是假塑性应变，被如此称谓是因为在卸载时其会表现为已经塑性变形了。然而，在被加热到SMA构件22转变到其奥氏体相的点吋，该应变能恢复，将SMA构件22回复到在载荷施加之前所观察的原始长度。SMA构件22在安装到热カ发动机14以前被拉伸从而SMA构件22的标称长度包括可恢复的假塑性应变。在假塑性变形状态(相对地长的长度)和完全恢复的奥氏体相(相对短的长度)之间的交替提供了用于促动或驱动热力发动机14的运动。在没有对SMA构件22预拉伸的情况下，小的变形将会在相变期间被看到。SMA构件22可以在改变结晶相以由此将热能转换成机械能时改变模量和尺寸ニ者。更具体地，如果被假塑性地预应变，则SMA构件22可以在结晶相从马氏体向奥氏体改变时在尺寸上收缩，且如果在拉伸应カ下，则SMA构件22可以在结晶相从奥氏体向马氏体改变时在尺寸上扩张，以由此将热能转换成机械能。因此，热区域18的第一温度和冷区域20的第二温度之间存在温度差吋，即在热区域18和冷区域20不处于热平衡时，设置在热区域18和冷区域20中的SMA构件22的各个局部区域可以分别在结晶相在马氏体和奥氏体之间改变时在尺寸上扩张和收缩。SMA构件22可以具有任何合适的成分。具体说，SMA构件22可以包括从包括但不限于以下物质的组中选择的元素钴，镍，钛，铟，锰，铁，钯，锌，铜，银，金，镉，锡，硅，白金，镓，和其组合。例如但不限于，合适的SMA 22可以包括镍-钛基合金，镍-铝基合金，镍-镓基合金，铟-钛基合金，铟-镉基合金，镍-钴-铝基合金，镍-锰-镓基合金，铜基合金(例如铜-锌合金，铜-铝合金，铜-金合金，和铜-锡合金)，金-镉基合金，银-镉基合金，猛-铜基合金，铁-白金基合金，铁-IE基合金，和其组合。SMA构件22可以是二元的、三元的或任何更高元的，只要SMA构件22呈现形状记忆效果，即形状取向、阻尼能力的关闭等。具体的SMA构件22可以按照热区域18和冷区域20的期望运行温度来选择，如在下文详述的。在一具体例子中SMA构件22可以包括镍和
钛。 如在图I所示的，能量收集系统10可以包括控制系统32，其配置为分别监测热区域18和冷区域20中的流体的第一和第二温度。控制系统32可以操作地连接到能量收集系统10的任何部件。控制系统32可以是计算机，其与能量收集系统10的一个或多个控制器和/或传感器电连通。例如，控制系统32与热区域18和冷区域20中的温度传感器、从动部件16的速度调节器、流体流动传感器和或配置为用于监视从动部件16的电カ30产生的仪表通信。另外，控制系统32可以配置为控制在能量收集系统10的预定条件下的能量收集，例如在能量收集系统10已经运行了足够时间段从而热区域18和冷区域20之间的温度差是ー充分的或最佳的差之后。能量收集系统10的其他预定条件也可以使用。控制系统32也可以被配置为提供ー种选择，以手动地使热カ发动机14超驰并允许能量收集系统10有效地关闭，例如在供应热区域18的热能在别处也被需要且不应被热カ发动机14转换成其他的形成的能量吋。离合器(未示出)也可以被控制系统32控制，以将热力发动机14与从动部件16选择性地脱开。来自从动部件16的电カ30可以导通到存储装置36，该存储装置可以是但不限于电池、电池组或其他的能量存储装置。存储装置36可以靠近但实体上与能量收集系统10分开。对于本文所述的任何示例，能量收集系统10可以包括多个热カ发动机14和/或多个从动部件16。同样，能量收集系统10可以与额外的能量系统10关联地联接或运行，其中姆ー个能量收集系统10包括至少ー个热カ发动机14和至少ー个从动部件16。多个热カ发动机14的使用可以利用遍及能量收集系统10的具有温度差的多个区域。再次參见图2，第一带轮38和第二带轮40也可以包括但不限于齿轮、单向离合器或弹簧。单向离合器可以配置为允许第一带轮38和第二带轮40在唯一的方向上旋转。第一带轮38、第二带轮40或堕轮42操作地连接到从动部件16，从而因为SMA构件22尺寸的变化造成的旋转对从动部件16进行驱动。此外，每ー个带轮构件可以连接到从动部件16或可以在将机械能传递到从动构件16之前馈送到变速器或齿轮系统。虽然在图2中显示了三个旋转构件，但是应理解可以使用更多或更少的构件。如在本文所述的，SMA构件22可以嵌入在传动带(belt)或线缆(cable)中。此夕卜，SMA构件22可以配置为是纵向延伸丝(wire)，其嵌入在传动带中从而在相关的SMA构件22扩张和收缩时作为其功能所述传动带纵向扩张和收缩。另外或替换地，SMA构件22可以配置为ー个或多个螺旋弹簧，其可以嵌入在传动带中。SMA构件22可以是丝，其具有任何期望的横截面形状，即圆形、矩形、八角形的、帯状物或任何其他的本领域技术人员公知的形状；和术语“丝”可以指具有任何形状的SMA。另外，传动带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体、聚合体、其组合等。传动带可以形成为连续的回环，如在图2和3所示的，或形成为细长的条，其随后在它的端部连结以形成回环。SMA丝也能被平放到具有任意纵横比(aspect ratio)的带状物中。带状物具有比具有相同的横截面面积的丝更好的横向热传递特点。在缠绕在平坦的带轮上时，帯状物具有比直的丝更高的摩擦，这是由于增加的接触面积造成的。尽管高纵横比的带状物会具有疲劳的问题，但是具有3 I横截面纵横比的帯状物具有与直的丝相似的疲劳性能。然而，具有3 I的横截面纵横比的帯状物可以增加热传递百分二十。帯状物类型的SMA做功构件例如但不限于直的、波浪形的或褶皱的，或 具有切槽或孔或具有悬挂的孔屑(chad)(活动的或非活动的)。在图2所示的热カ发动机14的操作中，SMA构件22的局部区域可以设置在热区域18中或直接地与之邻近，从而作为热区域18的第一温度的功能，第一温度使得SMA构件22的相应局部区域纵向收縮。类似地，SMA构件22的另一局部区域可以类似地设置在冷区域20中或与之邻近，从而作为冷区域20的第二温度的功能，第二温度使得SMA构件22的局部区域纵向扩张。例如，如果热区域18的第一温度在热态处或在热态以上，则SMA构件22的相关局部区域将由于SMA构件22从马氏体相向奥氏体相的相变而纵向收缩。类似地，如果冷区域20的第二温度在冷态以下，则SMA构件22的相关局部区域将由于SMA构件22从奥氏体相向马氏体相的相变而纵向扩张。SMA构件22绕第一带轮38和第二带轮40连续地成回环，从而从SMA构件22赋予的运动使得第一带轮38和第二带轮40 (也包括堕轮42)每ー个旋转。SMA构件22的局部区域的纵向扩张和/或收缩将来自SMA构件22的运动赋予第一带轮38和第二带轮40，以移动或驱动从动部件16。局部区域是SMA构件22的、任何给定カ矩下的在相应热区域18和冷区域20中的那些部分。如图2的热カ发动机14所示，在SMA构件22在被热区域18加热之后收缩时，第一正时带轮39提供比第二正时带轮41更大的反作用扭矩。因此，第一带轮38和第二带轮40 (它们分别与第一正时带轮39和第二正时带轮41共同旋转)之间的SMA构件22的收缩使得SMA构件22朝向第一带轮38运动。在热カ发动机14进入动态运行作吋，SMA构件22、第一带轮38和第二带轮40逆时针旋转(如在图2中看到的)。热カ发动机14不要求对热区域18和冷区域20的液浴。因此，热カ发动机14不要求SMA构件22的大部分浸没在液体中。在受弯曲(bending)所主导的热力发动机中,例如热运动(thermobile)类型的热カ发动机，输出可通过构造具有SMA元件的I形梁来増加。在I形梁中，SMA元件位于凸缘处且非活性材料(例如橡胶)位于网状物中。类似地，箱形梁可用SMA元件构造。在箱形梁中，SMA材料在弯曲主导的热力发动机中远离中性轴线运动。这增加了对SMA的利用，且由此增加弯曲类热カ发动机的功率容量。再次參见图2的SMA构件22 (其用作热カ发动机14中的SMA做功构件或做功元件)，可以在SMA构件22上使用不同的技术或改变，以改善热カ发动机14的效率。SMA构件22的特别是与第一带轮38和第二带轮40相互作用的ー个或多个表面可以被处理以增加或减少牵引，并增加或减少去往SMA构件22的热传递以及从SMA构件22到热区域和冷区域18、20或到带轮构件38、40的热传递。SMA构件22的ー种处理是从SMA构件22的表面除去氧化物层。无氧化物的SMA构件22可以造成SMA构件22和带轮38、40之间的增加摩擦，尤其是在带轮用钢构造时。去除氧化物也可以增加去往和来自SMA构件22的传导性的、对流性的和辐射性的热传递速率。对SMA构件22的另ー处理可以包含使SMA构件22表面变粗糙。变粗糙可以通过増加的摩擦来增加牵引，且已经显示出不会对对流性热传递造成可测量的损害。涂层也可以添加到SMA构件22。如果涂层具有比SMA更好的热传递速率(heattransfer rate)以及如果与合金的结合充分,则SMA构件22上的涂层将增加表面面积并可以因而増加热传递速率。涂层也可以减少SMA构件22和带轮38、40之间的滑动。在冷却速率太高的情况下(非常低的外部温度)，涂层可缓和热剥离(heat stripping)或过冷 却。对SMA构件22的额外的处理可以包括但不限于经焊接的特征部和蚀刻。经焊接的特征部，例如齿或其他刚性接合(positive engagement)的特征部,可被焊接到SMA构件22的表面，以用作抓持节点和増加的表面面积，以用于热传递，如鳍片。蚀刻特征部可被形成到SMA构件22的表面中。这些蚀刻特征部将增加表面面积对体积的比,用于增加热传递，且也可以辅助SMA构件22和带轮38、40之间的刚性接合。第一带轮38和第二带轮40的表面的进ー步修改可包括在与SMA构件22接触的区域中在带轮周围放置一薄层压电元件的，例如压电聚合体或导电活性聚合物(EAP)。这些压电涂层中的任一种可以帮助维持充分的牵引和減少在界面处的滑动。 压电涂层还具有在压电涂层每一次在第一带轮38和第二带轮40通过SMA构件22旋转期间被施加载荷时产生电压/电荷的増加益处。压电涂层可以与收集器(例如存储装置36)电连通以捕获通过压电涂层产生的电能。因为热カ发动机14驱动带轮的周长可以比SMA构件22的长度小得多，所以这种施加载荷将以带轮旋转的频率发生，所述周长通常比SMA构件22回环的周长约大5倍。压电或EAP元件涂层的载荷施加频率可以在2到5赫兹的范围。这种电荷是通过压电涂层在热力发动机14中的三个带轮构件每一个处产生的能量。电能可添加到通过热カ发动机14收集的能量并发送到能量存储装置36。现在參见图3，并继续參考图I和2，显示了另ー热力发动机54，其也可以被与在图I所示的能量收集系统10合并和一起使用。在其他附图中描述和示出的特征和部件可以并入并与图2中所示的一起使用。热カ发动机54设置为与热区域68和冷区域70热交换连通。热カ发动机54包括SMA构件62，其绕第一带轮78、第二带轮80、和堕轮82走过连续回环。第一正时带轮79和第二正时带轮81通过正时链83机械联接。包含通过在第一带轮78和第二带轮80之间的正时链83提供的机械联接(除了 SMA构件62以外)意味着热カ发动机54可以也被称为同步热カ发动机。与在图2所示的热カ发动机14不同，在图3的热カ发动机54中，正时带轮79和第二正时带轮81基本上直径相等。在一种构造中，第一和第二正时带轮79、81可以是第一和第二带轮78、80的各自的轴。在热カ发动机54中，第二带轮80具有比第一带轮78更大的直径。如图3的热カ发动机54所示，在SMA构件62在被热区域58加热之后收缩时，第二带轮80比第一带轮78形成更大的力矩臂。然而，第一正时带轮79和第二正时带轮81提供相等的反作用扭矩。因此，第一带轮78第二带轮80之间的SMA构件62的收缩使得SMA构件62再次向第一带轮78运动。在热カ发动机54进入动态运行吋，SMA构件62、第一带轮78和第二带轮80逆时针旋转(如在图3中看到的)。现在參见图4并继续參考图1-3,示出了示功图(work diagram) 90的示意性图解表示。示功图90的X轴91显示了在图2所示的SMA构件22、在图3所示的SMA构件72或并入到热カ发动机(例如热カ发动机14或热カ发动机54)中的另外SMA做功构件的长度。示功图90的y轴92显示了在图2所示的SMA构件22、图3所示的SMA构件72或另外SMA做功构件的张カ(tension)。示功图90显示了做功路径94遵循SMA构件22或SMA构件72在其于热カ发动机14或热カ发动机54运行期间回环运动时的位置或区域。在一位移(即长度的变化)上施加力需要让做功完成。净功区域96代表通过SMA构件22或72在每一回环运动上形成的净功。因此，净功区域96比零大的事实表明SMA构件22或SMA构件72从可用于热カ发动机14或热カ发动机54的热能产生机械功。再次參见图2，热カ发动机14和能量收集系统10作为ー个整体寻求捕获尽可能多的可用热能并将热能转换成机械能，其随后可以被用于执行其他的需要能量的工作。热カ发动机14可以通过各种回收方法捕获所有可用热量，以改善能量收集系统10的整体效率。在图3所示的热カ发动机54包括同样的目标和改变、修改或优化技术中的ー些或所有。其他热カ发动机也可以合并本文所述的许多特征。然而，出于简化的目的，本文的许多描述针对热カ发动机14给出。SMA构件22是用于热カ发动机14的做功元件(或驱动件)，且SMA构件22的各种替换设计、修改和改进可用于改善热カ发动机14的效率。在没有SMA构件22提供的尺寸改变的情况下，热カ发动机14是能从可用的热能产生机械能。几何构型、材料、和制造上的考虑对热カ发动机14或其他热カ发动机中的SMA构件22的效能都有贡献。形成SMA构件22的合金可以具体匹配热区域18和冷区域20的运行环境(第一和第二温度)。此外，因为形成热区域18的废热可以是流体形式(例如地热或车辆散热器)、对流(例如来自供干箱)、传导(例如车辆排气管的表面)、或辐射(例如太阳)，所以热カ发动机14和SMA构件22可以匹配该热カ发动机14所设定的具体类型的废热。将合金与具体运行环境匹配可以减少或缩窄SMA构件22在其回环通过热カ发动机14并在热区域18和冷区域20的影响下连续收缩和扩张时所经历的滞后现象。可以通过例如向镍和钛的合金添加铜而减少SMA构件22的温度滞后现象或路径依赖性。在SMA构件22包括多股或多个SMA元件(例如多个弹簧)的实施例或构造中，不同的个别合金可以用于构造SMA构件22，从而热力发动机14被构造为同时地在宽范围的运行温度上运行。SMA构件22可以用细且直的SMA丝形成，例如大约是0.05-0. 3毫米。细丝是制造SM的一种相对不贵的形成，且能产生良好的运行性能(疲劳，功率输出)。在SMA构件22用细丝SMA形成时每单位质量SMA的热传递相对地较高。増加热传递允许热カ发动机14材料更快地回收物质，尤其是通过作为热区域18的对流热源。SMA构件22可以形成为ー连续的回环而没有接头，或形成为单ー的回环元件，其具有将直且细的丝形成连续回环的单个接头。替换地，单个丝可以绕通过带轮构件限定的路径回环运动多次，但是仍然仅具有ー个接头。形成SMA构件22的细丝SMA的确切直径可以基于热カ发动机14的运行条件而变化，例如但不限于热区域18的第一温度和冷区域20的第二温度；绕回环行进和扩张期间引入到SMA构件22中的应变量。热カ发动机14的运行频率；和SMA构件22或热カ发动机14的预测寿命。将SMA做功元件形成到回环中会需要在SMA构件22中的ー个或多个接头。接头可以通过将SMA做功元件的两个端部激光焊接在一起而形成。
焊接过程可以再熔化材料并形成非均匀的晶粒构造。接头的后处理可以改善SMA构件22的最终拉伸强度和循环疲劳特性。去除非均匀的晶粒结构可以减少SMA构件22中错位聚集的可能性并减少疲劳断裂。对SMA构件22的后处理过程可以包括但不限于退火、拉拔、滚轧、挤锻和各种热机械加エ的组合。现在參见图5A、图5B和图5C并继续參考图1_4，显示了额外的SMA做功元件形式的示意性局部横截面图。所示做功元件被制造或组装为条带(band)，其具有比丝更大的宽度-厚度比。图5A显示了 SMA构件122，其用并行的丝、绳、或多股SMA丝123形成。图5B显示了 SMA构件162，其用部分嵌入在基体166中的并行的丝、多条或多股细SMA丝163形成。图5C 了复合SMA构件192，其用更小的SMA构件的多个单元形成。图5A、5B和5C给出了额外的SMA做功元件形式，其可以用于与各种类型和构造的热カ发动机，例如本文所述的和所示的那些。在其他附图中所示和所述的特征和部件可以与图5A、5B和5C所示的合并和一起使用。图5A显示了定位焊头(tack weld) 124，其将并行的多股丝123连结以形成SMA构件122。替换地，并行的多股丝123可以通过局部的、互锁性的变形连结，所述变形将并行的多股丝123机械连接，而没有涉及焊接的加热过程。虽然未示出，但是并行的多股丝123也可以是自由的，从而每ー股丝123不与其他的连结。带轮140示意性地显示为展示SMA构件122和并入了 SMA构件122的热カ发动机的驱动带轮之间的接触。一般地，所示的多股丝123的横截面形状是圆的。然而，细丝SMA多股丝123可以形成为具有其他的横截面，例如但不限于正方形、矩形、椭圆形、箱形梁、或I形梁。SMA多股丝123的其他形状也可以形成到所述条带中。图5B显示了 SMA构件162用SMA多股丝163形成，所述SMA多股丝163被设置到垫或条带结构中井随后被设置在连续的回环中。多股丝163的外部部分(相对于带轮140而言，其是示意性地显示的)被总体涂层或被嵌入弾性体以形成基体166。基体166保持各个多股丝163分开且还能从多股丝163传导热量。然而，基体166不直接接触带轮140，从而基体166不在带轮140和多股丝163之间被挤压。另外，部分基体可以更好地应对多股丝163和基体166之间的动态(大小改变)关系。形成基体166的弾性体可以固有地能热传导或可以填充(或掺杂)有加强热传导的材料。这些填充物可以包括金属或碳/石墨丝、微丝、和非线(nonwire)的以及其他的高纵横比填充物，如颗粒。基体166可以被置于直接接触热源以传导地将热量带入到热区域中的多股丝163中。类似地，通过将热量从多股丝163传导出来并对流地或传导地将该热量传给冷区域，基体166可以辅助向冷区域排出热量。图5A和5B所示的SMA构件122显示为仅具有四根股丝123、163。然而，更多股的丝123、163可以用于将SMA构件122、162形成为更宽的条带(具有更大的宽度_厚度比)。在大型热カ发动机中，増加SMA做功元件的宽度、厚度、长度、和(可能地)数量会需要多个惰轮来维持SMA做功元件中的张カ和占据松弛部。例如但不限于，砌砖样式可以用于让多个单元以交错的方式构建成更大且更强的复合SMA做功元件。尽管单个细丝做功元件在小規模的运行中效率高，但是对于用热カ发动机进行大量能量产生来说简单地放大单个根丝就是不可行的了。更大、更强和更耐久的SMA做功元件可以更好地允许热カ发动机(其中并入了 SMA做功元件)生产大量的能量输出。 应注意，尽管图5B显示了仅单个细丝SMA多股丝163，但是基体166也可以与SMA的编织结构、网孔结构、或织造结构一起使用。通过织造结构或网孔结构，例如基体166将在织造结构或网孔结构组装之后应用且仍将被定位为远离带轮140。弹簧形式的SMA多股丝163也可以与基体166组合，以形成更大更有效的做功元件。如在图5C所示的，更小的做功元件组或单元可以被认为是基础构建单元，且额外的単元可以堆叠井分层，以形成更大的带，例如复合SMA构件192，其仅一部分被示出。复合SMA构件192用SMA构件194的多个单元形成，其具有与图5B所示的SMA构件162相似的元件。五股丝163用于形成图5C的各个SMA构件194。各个SMA构件194也包括基体166。然而，在该实施例中，基体166完全地覆盖和包围多股丝163。为了形成复合SMA构件192，各个SMA构件194以砌砖样式堆叠并分层，如所示例子那样。除了直丝类型的SMA做功构件外，SMA做功构件的其他构造也可以用于热カ发动机14或其他的热カ发动机。例如但不限干，SMA做功元件可以形成为弹簧或帯状物，可以编造或织造在一起，且可以形成为线缆。现在參见图6A、图6B和图6C并继续參考图1_5C，显示了额外的SMA做功元件形式的ー些部分，它们是基于弹簧的SMA做功元件。在其他附图中所示和所述的特征和部件可以与图6A、6B和6C所示的合并和一起使用。基于弹簧的热カ发动机能在大范围的运行条件内运转。弹簧的顺应性(通过与结晶相相变分开的正常弹簧运动而纵向变形的能力)用作过载预防机制。此外，卷绕弹簧的几何形式绕驱动带轮提供了相对高的摩擦。图6A显示了 SMA构件222的一部分，其形成为连结到成一回环的ー个或多个弹簧223。应注意图6A所示的那些部分实际上是单个的成回环的弹簧223的两个端部。纤维芯部225被置于弹簧223的簧圈中并穿过SMA构件222形成的回环。纤維-例如包括芳族聚酰胺或帕拉橡胶芳族聚酰胺纤维-插过弹簧223的簧圈，以将簧圈保持在其应在的路径中。芳族聚酰胺纤维是合成的耐火且强聚酰胺组，用于制造纺织品或塑料。其他元件可以置于SMA弹簧223的簧圈中，以支撑簧圈，防止其变松弛，并在失效期间保留簧圈。在使用多个弹簧223时，纤维芯部225也可以防止ー些SMA弹簧223在冷却时变松，这种变松会潜在地让弹簧223中的一个与其余的SMA构件222分离。
焊接区域227展现了用于将弹簧类型SMA做功构件或元件的端部连接的技木。焊接区域227利用弹簧22的互锁部分。例如，这两个端部彼此穿插(thread)，且沿这两个端部之间的缝形成焊接。这种连接技木通过将焊接区域227置于部分挤压状态中而形成了强朝的接头。沿弹簧22的缝进行焊接还利用了搭接焊方法，其比在该构造中进行对接焊更強。另外，焊接区域227可以形成为使得焊接仅在于内部缝上(与所示的内部和外部都焊接的情况相反)。沿弹簧22的内周的缝焊接可以改善在焊接区域227形成的接头。仅内部焊接的方法还可以更好地保持各个弹簧22和SMA构件222的几何形状。图6B显示了 SMA构件262的一部分，其用两个弹簧形成——第一弹簧圈263和第ニ弹簧圈264，它们以彼此同轴对准的方式设置并穿插，从而每ー个回环以与其他回环并行 的方式工作。第二弹簧圈264以虚丝显示，以更好展示SMA构件262的两个分开的弹簧。纤维芯部265设置在第一弹簧圈263和第二弹簧圈264两者中。第二弹簧圈264与第一弹簧圈263并行交叠，从而二者基本沿同一轴线绕同一纤维芯部265对准并相继地扩张和收縮。额外的弹簧圈元件可以进一歩被并行设置。应注意因为弹簧形式的元件扩张，所以许多额外的簧圈可以并行穿插或缠绕，且SMA构件262仍然将在SMA热カ发动机运行时扩张或伸展，例如热カ发动机14或热カ发动机64。第一弹簧圈263可以用于在第一接头(例如焊接接头)处形成第一回环，且第二弹簧圈264可以用于在第二接头处形成第二回环。第一接头可以与第二接头偏开，从而每一个回环的接头的位置不对准。例如但不限于，接头可以相对于SMA构件262的路径偏开至少九十度。应注意随着所用的弹簧圈数量増加，每ー个簧圈之间的距离(无论是直线距离还是旋转距离)都可以減少。如在该例子中使用的，绕并入了 SMA构件262的SMA热カ发动机的回环，三百六十度为ー个完整回环。图6C显示了 SMA构件的一部分，其用两个交错的弹簧形成，即第一弹簧圈283和第二弹簧圈284。在SMA构件282中，第一弹簧圈283和第二弹簧圈284与各自的轴略微偏开地对准或设置。第一弹簧圈283和第二弹簧圈284也是交错的，从而第一弹簧圈283的簧圈的ー些部分绕过第二弹簧圈284的ー些部分。第一纤维芯部285设置在第一弹簧圈283中，且第二纤维芯部286设置在第二弹簧圈284中。第一纤维芯部285和第二纤维芯部286可以是芳族聚酰胺材料。第一弹簧圈283和第二弹簧圈284通常形成其宽度比其厚度大的SMA带或带状物。额外的弹簧圈元件可以进一歩被设置为加宽带状物并使得SMA构件282比所示的宽得多。对于大型SMA热カ发动机来说，弹簧形式的SMA可通过交织多个弹簧而增大材料密度，从而它们形成宽网孔帯状物或传动帯。这可以有助于确保簧圈的失效不会将破碎的簧圈弹到热カ发动机或周围环境中并可以改善SMA构件262的整体性。SMA构件222的进ー步修改可以通过调整弹簧22、263的螺旋角度来实现。替换地，簧圈直径可以被调整且可以与用在并入了 SMA构件222、262的热カ发动机中的带轮的类型匹配。类似于图5A、5B和5C所示的SMA做功元件，基于弹簧的SMA做功元件可以组合到传动带中，用于产生大的能量。例如，弹簧22、263可以点焊在一起以形成平坦的平面传动带，或多个弹簧22、263可以对准但仍是自由的，用于产生大量能量的热カ发动机。此外，多个弹簧22、263可以嵌入在基体材料中以形成基于弹簧的传动帯。基体可以包括添加物或掺杂物，以改善去往和来自SMA做功元件的热传递。用基于弹簧的SMA材料形成的多个传动带(类似于基于细丝的SMA)也可以在多个平行的平面中堆叠。现在參见图7A和图7B并继续參考图1-6B，显示了额外的SMA做功元件形式的一些部分，两者都具有重复构造的织造或编织SMA做功元件。在其他附图中所示和所述的特征和部件可以与图7A和7B所示的合并和一起使用。细直丝难以按比例放大数百(数千)根丝，以产生来自热カ发动机的数百到数千瓦特的输出功率。然而，细SMA丝丝可以织造或编织成能改善按比例放大到更大热カ发动机的能力的构造。
图7A显示了用细绳丝SMA形成的SMA构件322，所述细绳丝SMA已经被编织成纵向线缆。SMA构件322已经被配置为编织套编织(braid of braids)的结构，如图7A的近距观察部分所示的。7B显示了用细丝SMA形成的SMA构件362，其已经被织造到连续垫中，大致近似出平坦带状物的横截面。SMA构件362已经被配置为网孔套网孔(mesh of mesh)的结构，如图7B的近距观察部分所示的。图7A和7B所示的SMA构件322通常被弄平，且可以类似于传动带。然而，SMA构件322、362也可以被形成为三维的形状，例如通过绕三维芯部(例如合成的芯部纤维或绳)或绕三维心轴来织造或编织SMA构件322、362。通过改变编织角度或织造图案，可以形成具有比直丝SMA做功元件更大行程(stroke)的SMA构件322、362。另外，编造结构或织造结构可被接合以形成没有任何焊接部的回环，其可以消除与SMA焊接相关的冶金退化。编造结构或织造结构也可以具有更好的失效模式，因为整个编造结构或织造结构能容许单个丝的失效，而不会让整个SMA构件322、362丧失载荷承载能力。另外，热カ发动机的驱动带轮可被制造为具有匹配编织或织造图案的缓解图案(relief pattern)，增加驱动带轮和SMA构件322、362之间的摩擦和载荷承载相互作用。SMA丝也可以被缠绕到线缆中(绳丝)中，具有可变但很大的大小，其可被剪裁以适合许多热カ发动机的设计。这些线缆继承了非SMA绳丝的在高拉伸能力、非常小的弯曲刚度、载荷承载余量、和封装(卷材)方面的优点。线缆中的多股丝以及多股丝中的丝的横截面构造和布置形式(利手性(handedness))可被设计为能产生各种机械响应，以修整非线性カ_位移曲丝、安定程度(degree of shakedown)(发生在疲劳过程早期中的塑料损害)和拉伸-扭转稱合。增加螺旋角度(其是丝方向和线缆轴线之间的角度)趋于增加沿线缆轴线的行程，以耗费カ为代价。这是缓和直丝热カ发动机的正时需求同时保持许多封装优点的ー种方式。另外，线缆的芯部可用其他非活性的材料制造，以保持SMA材料靠近外径，以改善热传递响应。尽管线缆名义上横截面是圆的，但是外表面是不规则的(崎岖不平的)，其在驱动带轮和SMA做功构件之间提供了増加的牵弓I并还可以提供了额外的热传递优点。现在參见图8A和图8B并继续參考图1-7B，显示了热カ发动机414和热カ发动机454的额外构造，二者也可以与在图I所示的能量收集系统10或其他的热量回收系统合并和一起使用。在其他附图中所示和所述的特征和部件可以与图8A和SB所示的合并和一起使用。热カ发动机414设置为与热区域418和冷区域420热交换连通，且热カ发动机454设置为与热区域458和冷区域460热交换连通。热カ发动机414包括SMA构件422，其绕第一带轮438、第二带轮440和多个惰轮442走过连续回环。第一正时带轮439和第二正时带轮441通过正时链443用机械联接。热カ发动机454包括SMA构件472，其绕第一带轮478、第二带轮480和多个惰轮482走过连续回环。第一正时带轮479和第二正时带轮481通过正时链483用机械联接。如在图8A和8B所示的，SMA构件422、462的该路径并不被限制在ー个平面中。通过SMA构件422、462形成的回环通过额外的惰轮442、482引导。多平面回环路径可以辅助热カ发动机414、454在受限空间(如在车辆中)的封装。另外，回环的三维形状可以辅助分开且沿非平面的相对位置取向的热区域418、458和冷区域420、460之间SMA构件422、462的引导。
热カ发动机454进ー步包括三维引导件456。三维引导件456可以是柔性导管或管子，井能进ー步扩大贯穿有SMA构件422回环的路径的相对柔性。三维引导件456允许SMA构件422避免以其他方式妨碍热カ发动机454安装或运行的障碍。现在參见9并继续參见图1-8B，显示了具有三个热カ发动机514(它们类似于图2和3所示的或可以是其他的热カ发动机)的能量收集系统510的示意图。这三个热カ发动机514以串序或链式的方式设置，一个发动机的冷侧用作邻近的发动机的热侧。在其他附图中描述和示出的特征和部件可以并入和与图9中所示的一起使用。末端热区域518和末端冷区域520设置为邻近能量收集系统510。末端热区域518可以例如包含相对于图9向上或向下或垂直于观察平面运动的流体。类似地，末端冷区域520可以包含沿能量收集系统510的相对侧运动的流体。在该构造中，总温度差和因此总可用热能被分开或被划分成多个更小的温度差窗ロ。在该所示构造中，最高温度的发动机(以热端热カ发动机515表示)将直接从末端热区域518取得热量并随后将其冷侧输出到下一个发动机(以图9中的中间热カ发动机516表示)的热侧。在转变成机械能之后，剩余的热能从该热端热カ发动机516排出并续传到中间热カ发动机516。最后，冷端热カ发动机517将热量排出到冷区域520。第一 SMA构件或热端SMA构件521直接与第一热侧531上的末端热区域518相互作用。中间热カ发动机516包括中间SMA构件522，其与热端SMA构件521处于直接的传导性热流连通状态。应注意指定为第一、第二、第三、或其他仅是示意性的，且元件可以以任何顺序编号而没有限制。热端热力发动机515的第一冷侧532与中间热カ发动机516的第二热侧533连通并与中间热カ发动机516的中间SMA构件522热流连通。热端SMA构件521和中间SMA构件522沿相对方向运行，其促进它们之间的热传递。中间SMA构件522在比热端SMA构件521低的温度下经历其相变。因此，第一冷侧532用作用于中间热カ发动机516的加热源。热端SMA构件521和中间SMA构件522可被涂有一介质，例如传导性的脂或油，以在没有摩擦的情况下增加热传递。热端SMA构件521和中间SMA构件522可被成形为传动带或带状物。替换地，传导性元件可以置于热端SMA构件521和中间SMA构件522之间以有助于热量从热端热カ发动机515传达到中间热カ发动机516。
因此，热端热カ发动机515的冷沉(cold sink)(或冷侧)用作用于中间热カ发动机516的热源。类似地，中间热カ发动机516的冷侧用作用于冷端热カ发动机517的热源。第三SMA构件或冷端SMA构件523与中间热カ发动机516的第二冷侧534连通并从其获取热量，作为其热源。冷端SMA构件523的第三热侧535在比中间SMA构件522低的温度下经历其相变并从中间SMA构件522的第二冷侧534获取热量。作为在图9所示的构造中最低温度的发动机，冷端热カ发动机517的第三冷侧536最后直接地与末端冷区域520相互作用。尽管每一个热カ发动机514与不同温度的热区域和冷区域相互作用，但是各热和冷侧之间的温度差可以是相似的。相似的串序模式可以通过多于三个的热カ发动机514来继续，从而可以存在从邻近的热カ发动机取得热量和从另ー邻近的热カ发动机排放热量的额外的中间热カ发动机。此外，热カ发动机514可以包括惰轮(类似于图2和3所示的热カ发动机14、54)。
在一替换实施例中，各个元件可以是SMA热カ发动机与热电发电机或集中太阳能发电系统的结合。热电发电机可以运行为其热侧处于比SMA热カ发动机更高的温度，且SMA热カ发动机因此可以被用于将来自热电发电机的冷侧的废热进行转换，这种废热是热电发电机不能转换或不能有效地转换的。替换地，热カ发动机514可以沿末端热区域518逐渐地设置，以在末端热区域518逐渐冷却时使用逐渐减少的热能。这种构造对于类似管道这样的长的热源来说是很有用的。例如，末端热カ发动机515 (最高温度的发动机)将从末端热区域518的最热区域(例如接收热流体的管的部分)获取热热量。通过让SMA做功构件配置为在相对于末端热区域518的最热部分降低的温度下转换热能，下一个发动机(即中间热カ发动机516)将位于热端热カ发动机515的下游并配置为利用末端热区域518的相对冷的部分。最后，最低温度的发动机(即冷端热カ发动机517)配置为与末端热区域518的最低温度部分相互作用。现在參见图10并继续參考图1-9,显示了能量收集系统610,其包括纵向热カ发动机614，该纵向热カ发动机也可以与其他能量收集系统或热量回收系统一起使用。热カ发动机614有益于使用高纵横比热源，例如排热管、管道、其他来源，其中其长度显著大于横截面。在其他附图中描述和示出的特征和部件可以并入和与图10中所示的一起使用。热カ发动机614设置为与热区域618和冷区域620 (通常在热区域618上方，如在图10中可见的)热交换连通。热区域618是长管(仅部分地示出)，其携带热流体，例如排出气体或被加热的液体。例如但不限于，热区域618可以是从用在发电站的蒸汽轮机而来的排放管或是携带被集中太阳能加热的油(在此之前或之后油被用于其他目的)的管。冷区域620可以简单地是管周围的空气且不被热区域618影响，或可以是强制气流区域，如来自风扇或吹风机。因此，热カ发动机614特别有益于将热能从热区域618通过传导加热进行转换和从冷区域620通过对流冷却进行转换。热カ发动机614包括SMA构件622,其绕以下带轮走过连续回环,所述带轮包括多个第一带轮或热带轮638，所述热带轮实质上邻近热区域618;多个第二带轮或冷带轮640，其设置在冷区域640中或与之邻近；和ー个或多个惰轮642。热带轮638和冷带轮640是从动带轮，且其ー些或所有可以连接到从动部件(未示出，例如发动机)，该从动部件配置为利用热カ发动机614从热区域618和冷区域620的热能转换而来的机械能。热カ发动机614的纵向特点以及具有SMA构件622的多重收缩和扩张的能力允许热カ发动机用在大型应用场合，以产生多得多的来自能量收集系统610的功率输出。SMA构件622可以形成为具有固体SMA丝、SMA弹簧、或基体丝或弹簧的大传动帯，进ー步使热カ发动机614大型化。热カ发动机614也可以包括正时机制(未示出)以在从动元件之间提供机械联接和同歩。热屏障(未示出)可以用于防止热从热区域618传到冷带轮640。替换地，冷带轮640和热区域618之间的距离可以充分维持SMA构件622中的造成相变并从可用热能产生机械能所必要的温度差。现在參见图IlA和图IlB并继续參考图1-10，示出了能量收集系统710和能量收集系统750。多个热カ发动机配置为捕获来自高纵横比热源(例如管)的热能。在其他附图中所示和所述的特征和部件可以与图IlA和IlB所示的合并和一起使用。
如在图IlA中所示的，多个热カ发动机714(其可以类似于在图2所示的热カ发动机14)、图10所示的热カ发动机614或具有纵向取向的其他热カ发动机按照热区域718的长度纵向排布，该热区域可以是携带热流体的管。热カ发动机径向地从热区域718延伸到冷区域720，所述冷区域可以是周围空气。额外的热カ发动机714可被包括在能量收集系统710中，从而热力发动机714基本围绕热区域718的整个半径。热カ发动机714从热区域718和冷区域720之间的温度差提取热能并将热能转换成机械能，所述机械能被传递给从动部件(未示出)，所述从动部件利用或存储该机械能。如在图IlB所示的，ー个或多个第一热カ发动机754-其可以类似于图2和3所示的热カ发动机14和54或可以是其他能纵向取向的热カ发动机-邻近具有热流体758的热区域排布。在该构造中，热区域是一管，其携带热流体758，例如发电机的热做功流体。第一热カ发动机754径向地从热流体758延伸到冷区域，所述冷区域包括冷流体76。在图IlB所示的冷流体760在另一管或另ー受限路径中。在图IlB中，含有冷流体760的该管基本包围携带热流体758的管。然而，冷流体760实质上不必包围加热来源而是可以简单地与之邻近。冷流体760可以经由吹风机或风扇作为运动的周围空气来供应，或可以是冷却流体，例如来自地热冷却。能量收集系统750还包括ー个或多个第二热カ发动机755和ー个或多个第三热カ发动机756。第二热カ发动机755相对于热流体758的流动被纵向地置于下游。第三热カ发动机756被置于更下游。额外的热カ发动机可被包括在能量收集系统中750，以基本围绕携带热流体758的管的半径。因此第一、第二和第三热カ发动机754、755、756可以非常高效率地将来自热流体758的热能通过传导加热进行转换和将来自冷流体760的热能通过对流冷却进行转换。能量收集系统750被设置为用于在热流体758和冷流体760之间的反向流动，从而热流体758和冷流体760在相反的方向上流过该系统。反向流动的设置意味着第一热カ发动机暴露到比第三热カ发动机756更高的热流体758的温度下。然而，第一热カ发动机754也暴露到比第三热カ发动机756相对更暖的冷流体760的温度下，所述第三热カ发动机更靠近冷流体760的入口。携带热流体758的管可以与冷流体760绝热，从而在热流体758和冷却流体760之间没有发生直接的热传递。因此，实质上仅在热流体758和第一、第二和第三热カ发动机754、755、756之间以及第一、第二和第三热カ发动机754、755、756和冷流体760之间发生热传递。 这第一、第二和第三热カ发动机754、755、756与冷流体760分别在第一冷温度、第ニ冷温度和第三冷温度下相互作用。因为冷流体760在第三热カ发动机附近进入能量收集系统750，所以第三冷温度是这三个点中最冷的。然而，在第三热カ发动机756排放热量到冷流体760时，冷却流体760的温度増加。因此，第二冷温度比第三冷温度更大(更热)，且
第一冷温度比第二冷温度更大。因此，第一热カ发动机754所经历的邻近的热流体758和邻近的冷流体760之间的温度差可以类似于第三热カ发动机756所经历的温度差。即，被第一热カ发动机754使用的第一热温度和第一冷温度之间的差类似于被第二热カ发动机755使用的第二热温度和第二冷温度之间的差。第一、第二和第三热カ发动机754、755、756姆ー个以相似的温度差相互作用并可以因此具有相似的功率输出。这与直流构造相反(在直流构造中热流体和冷流体在相同方向上流动)，其在到该系统的入口(在该例子中用于第一热カ发动机754)处具有大的温度差而在出口(在该例子中用于第三热カ发动机756)处具有小得多的温度差。现在參见图12，并继续參考图1-11B，显示了 SMA构件822，其可以用于大型热カ发动机。SMA构件822是圆的三维SMA做功元件。在其他附图中描述和示出的特征和部件可以并入和与图12中所示的一起使用。SMA构件822包括多个SMA多股丝823，其可以是SMA丝、条、或具有其他的横截面。SMA多股丝823绕圆柱形心轴827被编织成大的薄片。干的SMA多股丝823可以随后被渗入基体826 (例如弾性体)以提供粘接性和强韧性。弾性体基体826可以固有地能进行热传导或可以掺杂或填充有提高与SMA多股丝823之间的传导性和热传递性的材料。这些填充物可以包括但不限于金属或碳/石墨丝、微丝、和非线的以及其他的高纵横比填充物，如颗粒。基体826保护SMA多股丝823，提供进出SMA多股丝823的增强热传输，并可以提供在相关的驱动带轮上的増加摩擦。取决于热力发动机的该构造，SMA构件822可被保持为一管，用于直接实施，或可分开并随后重新连结以用于应用到热カ发动机。此外，非活性纤维，例如芳族聚酰胺纤維，可以用作用于SMA构件822的芯部。现在參见图13，并继续參考图1-12，显示了大型热カ发动机914的一部分，其可以被用于大型能量收集系统。在其他附图中描述和示出的特征和部件可以并入并与图13中所示的一起使用。大型热カ发动机914包括多个SMA构件922，其例如但不限是SMA传动带、SMA编造结构或SM网孔结构。多个SM构件922允许将来自热源和冷沉(未示出)的热能大规模转变成多个SMA构件922的运动的形式的机械能。来自多个SMA构件922的机械能被传递到例如发电机这样的从动部件(未示出)。大型热カ发动机914中的从动部件与多个从动带轮938动カ流动地(powerflow)相连。多个驱动带轮938布置为使得多个SMA构件922可以相对于彼此堆叠和分层。多个驱动带轮938随后将机械能通过齿轮箱或变速器结构传递到从动部件，从而来自多个驱动带轮938和多个SMA构件922的组合动カ可以用于产生来自大型热カ发动机914的输出功率。现在參见图14，并继续參考图1-13，显示了热カ发动机1014的平面图，其可以用于小型或大型能量收集系统。在其他附图中描述和示出的特征和部件可以并入并与图14中所示的一起使用。图14所示的热カ发动机1014具有单个SMA做功元件1022，其绕热カ发动机1014形成多个回环。SMA做功元件1022外接于第一带轮1038、第二带轮1040和堕轮1042。应注意SMA做功元件1022的相对侧未示出。在所示的构造中，SMA做功元件1022形成大约十三个回环。
即使SMA做功元件1022回环许多次——这改善了与第一和第二带轮1038、1040的摩擦接触，但是SM做功元件仅在两个接头1027处被焊接两次。焊接点和其他的连接区域可以代表回环做功元件中的弱点。因此，与每ー个用单个做功元件形成的多个回环不同，SMA做功元件能带来多回环的优点(具有与带轮的额外接触区域，额外的相变区域等)但是不会极大地増加回环中的弱点数。本发明的详细描述和附图是支持性的和描述性的，本发明的范围仅通过权利要求限定。尽管用于执行本发明的较佳模式已经被详细描述，本发明所述的本领域的技术人员将意识到用于执行本发明的替换设计和实施例，用于在所附权利要求的范围内执行本发明。本申请要求美国临时申请No. 61/447，317、美国临时申请No. 61/447，315、美国临时申请No. 61/447，328、美国临时申请No. 61/447，321、美国临时申请No. 61/447，306和美国临时申请No. 61/447,324的权益，这些申请均是在2011年2月28日递交的。所有这些申请通过引用以其全部内容合并与此。本发明根据能源部授权的ARPA-E合约号DE-AR0000040与美国政府共同做出。美国政府对本发明可以具有一定的权利。
权利要求
1.一种与热区域和冷区域热连通的能量收集系统，包括 与热区域热连通的热端热カ发动机，包括 至少两个可旋转带轮； 正时线缆，绕所述至少两个可旋转带轮的一部分设置并限定出一正时带轮比； 热端形状记忆合金(SMA)元件，绕所述至少两个可旋转带轮设置并限定出与所述正时带轮比不同的SMA带轮比，其中热端SMA元件具有热侧和冷侧；和其中热端SMA元件的热侧与热区域直接热连通； 与冷区域热连通的冷端热カ发动机，包括 至少两个可旋转带轮； 正时线缆，绕所述至少两个可旋转带轮的一部分设置并限定出一正时带轮比； 冷端SMA元件，绕所述至少两个可旋转带轮设置并限定出与所述正时带轮比不同的SMA带轮比，其中冷端SMA元件具有热侧和冷侧；和其中冷端SMA元件的冷侧直接与冷区域热连通； 中间热カ发动机，包括 至少两个可旋转带轮； 正时线缆，绕所述至少两个可旋转带轮的一部分设置并限定出一正时带轮比； 中间SMA元件，绕所述至少两个可旋转带轮设置并限定出与所述正时带轮比不同的SMA带轮比，其中中间SMA元件具有热侧和冷侧；和 其中中间SMA元件的热侧与热端SMA元件的冷侧热连通且中间SMA元件的冷侧与冷端SMA元件的热侧热连通。
2.如权利要求I所述的能量收集系统，其中中间热カ发动机是第一中间热カ发动机，且进一歩包括第二中间热カ发动机，包括 至少两个可旋转带轮； 正时线缆，绕所述至少两个可旋转带轮的一部分设置并限定出一正时带轮比； 第二中间SMA元件，绕所述至少两个可旋转带轮设置并限定出与所述正时带轮比不同的SMA带轮比，其中第二中间SMA元件具有热侧和冷侧；和 其中中间SMA元件的热侧与第一中间SMA元件的冷侧热连通且第二中间SMA元件的冷侧与冷端SMA元件的热侧热连通。
3.ー种能量收集系统，包括 沿第一方向流动的热区域； 沿与第一方向基本相反的第二方向流动的冷区域； 第一热カ发动机，具有热侧和冷侧，其中热侧与第一热温度下的热区域连通且冷侧与第一冷温度下的冷区域连通； 第二热カ发动机，具有热侧和冷侧，其中热侧与不同于第一热温度的第二热温度下的热区域连通，且冷侧与不同于第一冷温度的第二冷温度下的冷区域连通；和 第三热カ发动机，具有热侧和冷侧，其中热侧与不同于第一热温度和第二热温度下的第三热温度下的热区域连通，且冷侧与不同于第一冷温度和第二冷温度的第三冷温度下的冷区域连通。
4.如权利要求3所述的能量收集系统，其中第一热温度比第二热温度大，且第二热温度比第三热温度大；和 其中第一冷温度比第二冷温度大，且第二冷温度比第三冷温度大。
5.如权利要求4所述的能量收集系统， 其中第一热温度和第一冷温度之间的第一温度差大致等于第二热温度和第二冷温度之间的第二温度差；和 其中第三热温度和第三冷温度之间的第三温度差通常等于第二温度差。
全文摘要
本发明提供一种形状记忆合金热力发动机和能量收集系统。具体说提供一种与热区域和冷区域热连通的能量收集系统。该能量收集系统包括与热区域热连通的热端热力发动机，与冷区域热连通的冷端热力发动机和设置在热端热力发动机和冷端热力发动机之间的中间热力发动机。热端热力发动机包括热端形状记忆合金(SMA)元件，冷端热力发动机包括冷端SMA元件，中间热力发动机，包括中间SMA元件。中间SMA元件的热侧与热端SMA元件的冷侧热连通。中间SMA元件的冷侧与冷端SMA元件的热侧热连通。
文档编号F03G7/06GK102650275SQ20121004808
公开日2012年8月29日 申请日期2012年2月28日 优先权日2011年2月28日
发明者A.C.基夫, A.L.布朗, C.B.邱吉尔, G.A.赫里拉, G.P.麦克奈特, J.A.肖, N.D.曼卡姆, N.L.约翰逊, P.M.萨罗希, P.W.亚历山大, R.J.斯柯基斯, W.布朗 申请人:合金力学公司, 密歇根大学董事会, 通用汽车环球科技运作有限责任公司