专利名称：能量获取系统的制作方法
技术领域：
本发明总体地涉及能量获取系统，且更具体地涉及一种形状记忆合金热力发动机。
背景技术：
热能通过许多工业、装配和制造过程产生。汽车、小型装备和重型装备也产生热能。一些该热能是废热，其为机器、电气装备和 业过程产生的热量，对于该热量没有找到或计划有益的应用，且其通常是废的副产品。废热可源自于机器，例如发电机，或来自于工业过程，例如钢、玻璃或化学生产。运输燃料的燃烧也产生废热。
发明内容
一种能量获取系统包括热力发动机、从动部件和联接装置，该联接装置被配置为选择性地将从动部件与热力发动机联接。热力发动机可类似地包括第一可旋转带轮、与第一可旋转带轮间隔开的第二可旋转带轮、和绕第一可旋转带轮的一部分布置在第一径向距离处且绕第二可旋转带轮的一部分布置在第二径向距离处的形状记忆合金(SMA)材料。第一和第二径向距离可限定SMA带轮比。附加地，正时带可被绕第一可旋转带轮的一部分布置在第三径向距离处且绕第二带轮的一部分布置在第四径向距离处，其中第三和第四径向距离可限定正时带轮比，其不同于SMA带轮比。SMA材料可与第一温度的热区域和低于第一温度的第二温度的冷区域热连通。SMA材料可被配置为选择性地在马氏体至奥氏体之间改变晶相，且由此响应于暴露于第一温度而进行收缩和伸展中的一种，且还响应于暴露于第二温度而进行伸展和收缩中的一种，由此将热区域和冷区域之间的热能梯度转换为机械能。在一种配置中，从动部件可为发电机，其被配置为将热能转换为电能。在其它配置中，从动部件可包括发电机、风扇、离合器、风机、泵和压缩机中的至少一个。从动部件可类似地包括飞轮。附加地，联接装置可包括选择性可促动离合器和/或适应性扭矩传输装置，其具有可变齿轮比。控制器可与联接装置通信且被配置为控制从动部件与热力发动机的选择性联接。在一种配置中，控制器可被配置为监视第一可旋转带轮和第二可旋转带轮中的一个的旋转速度，且如果被监视的旋转速度低于预定阈值时可将从动部件从热力发动机分离联接。在另一配置中，控制器可被配置为监视SMA材料的温度，和如果SMA材料的温度超过预定阈值时修正适应性扭矩传送装置的齿轮比以降低热力发动机上的扭矩负荷。当结合附图时，从下面的用于执行如所附权利要求限定的本发明的一些最佳方式和其它实施例的具体描述可容易地明白本发明的上述特征和优点，以及其它特征和优点。
图I是包括热力发动机的能量获取系统的示意图2是图I的热カ发动机的示意性侧视图；图3是能与图I的能量获取系统一起使用的另一热カ发动机的不意性侧视图；图4是例如图2或图3中所示的热カ发动机的做功图的示意图；图5是图I的热カ发动机的示意性侧视图，配置有弹簧偏压的张紧带轮；图6是图I的热カ发动机的示意性侧视图，其被配置为从源接收热能且产生机械输出；
具体实施例方式參考附图，其中相同的參考标记在多个图中对应于相同或相似的部件，图I示 出了能量获取系统10。其它附图中所示和所述的附图和部件可被并入且与图I中所示的那些一起使用。所示的能量获取系统10包括热机14( )、从动部件16和联接装置17，其配置为选择性地将从动部件16与热カ发动机14联接。能量获取系统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可与热源处于热传递连通中，该热源例如为废热，或可代表具有相对较暖温度以有助于热カ发动机14的操作的任意区域，如这里所述。能量获取系统10还使用具有第二温度的第二流体区域或冷区域20，所述第二温度通常低于热区域18的第一温度。冷区域20可与冷却源处于热传递连通中，该冷却源例如为冷流体，或可代表具有相对较冷温度以有助于热カ发动机14的操作的任意区域，如这里所述。热区域18和冷区域20的指定或与其相关的温度，如“第一”或“第二”是任意的且不具限制性。这里所述的热力发动机14被配置为将来自热区域18的热能转换为机械能。能量获取系统10的从动部件16可被配置为由从热カ发动机14内的热能至机械能的转换产生的机械能或功率驱动。从动部件16可为机械装置，例如，但不限于发电机、风扇、离合器、风机、泵、压缩机，以及其组合。应认识到，从动部件16不限于这些装置，还可使用本领域技术人员已知的任意其它装置。从动部件16可被操作地连接至热カ发动机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可为现存系统的一部分，例如加热或冷却系统等。利用热力发动机14提供的机械能驱动从动部件16还可允许能量获取系统10内的相关联现存系统在尺寸和/或容量上被减小，或全部除去。附加地，由能量获取系统10产生的机械能可被储存以供后来使用或作为辅助能量供应。在车辆或动カ产生设施中，能量获取系统10通过将废弃的热能转换为当前或随后使用的能量而增加该车辆或产生设施的总效率。从动部件16可为发电机或电机(其可被称为马达/发电机)，其被配置为将来自热カ发动机14的机械能转换为电30(如图I中示意性地所示)。替换地,从动部件16可被附连至发电机或与其连通。从动部件16可为配置为将机械能转换为电30的任意适当装置。例如，从动部件16可为电机，其利用电磁感应将机械能转换为电30。从动部件16可包括转子(未示出)，转子相对于定子(未示出)旋转以产生电30。由从动部件16产生的电30然后可被用于辅助驱动ー个或多个电气系统或可被储存在能量储存装置中。热区域18和冷区域20可被彼此充分地间隔开以保持两者之间的温差，或可被充分热交换屏障26分开，所述热交换屏障包括但不限于热屏蔽件、帕尔帖装置、或绝热屏障。热交换屏障26可被用于将热力发动机14分成热区域18和冷区域20，从而实现热区域18和冷区域20之间的期望的温差。当布置在热区域18和冷区域20之间的热交换屏障26是帕尔帖装置，例如热电式热泵时，热交换屏障26被配置为在该屏障26的一侧上产生热量且在热屏障26的相反侧上冷却。能量获取系统10的热区域18和冷区域20可用例如但不限于气体、液体或其组合填充。替换地，热区域18和冷区域20可表示被配置为与热机14热传导性的接触区或接触元件其。热カ发动机14被配置为在ー些领域中使用能量获取系统10中的热区域18和冷区域20之间的温度差/梯度，所述领域例如但不限于车辆产生的热和废热、发电产生的热和废热、エ业废热、地热加热和冷却源、日光热源和废热、以及其组合。应认识到，能量获取系统10可被配置为使用众多其他领域和エ业中的温差。
现在參考图2，且继续參考图1，示出了图I中所示的热カ发动机14的更详细视图。其他类型和配置的热カ发动机可被与图I中所示的热回收系统10—起使用。图3示出了另ー热力发动机54，其也可被与图I中所示的热回收系统10—起使用，且包括与热カ发动机14类似的部件和功能。图2的热カ发动机14包括形状记忆合金材料22，且被操作地布置在热区域18和冷区域20中或与其热交换连通。在所示的配置中，热区域18可邻近于热排气管，冷区域20可被布置在环境空气中或在来自风扇或风机的移动的相对较冷的空气的路径中。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也可被称为驱动带轮。热カ发动机14还包括惰轮42，给形状记忆合金材料22的路径增加行程且可被配置为给形状记忆合金材料22可变地增加拉カ(或消除松弛)。在该配置中，第一带轮38和第二带轮40被布置在热区域18和冷区域20之间。但是，热カ发动机可被配置有操作地布置在热区域18中的第一带轮和操作地布置在冷区域20中的第二带轮40，或相反。惰轮42可同样布置在冷区域20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，其分别被固定至第一带轮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，从而任一驱动带轮的旋转确保另ー驱动带轮沿相同方向的旋转。第一正时带轮39和第二正时带轮41通过正时链或正时带状件43而被链接。替换地，正时机构(例如利用链链接的链轮或啮合齿轮)也可被用于提高第一带轮38和第二带轮40之间的机械联接。如可被认识到的，其它同步装置可被用于完成相同或相似的功能。在第一带轮38和第二带轮40之间包括由正时链(除了记忆合金材料22)提供的机械联接，表示热カ发动机14可被称为同步热カ发动机。在ー种配置中，第一带轮38和第一正时带轮39可被集成入单个带轮中，由此SMA材料可被保持在第一径向距离处，且正时带43可被保持在第二径向距离处。类似地，第二带轮40和第二正时带轮41可被集成入单个带轮中，由此SMA材料22可被保持在第三径向距离处，且正时线缆43可被保持在第四径向距离处。第一和第三距离可限定SMA带轮比，第二和第四距离可限定正时带轮比，其可不同于SMA带轮比。在图2所示的实施例中，第一正时带轮39的直径大于第二正时带轮41。但是，在图3所示的实施例中，正时带轮实质地具有相同尺寸，但是第一带轮78的直径大于第二带轮80。直径的差异改变了由相应带轮构件提供的反扭矩或力臂。关于带轮的不同力矩臂(即带轮比中的差异)导致沿热区域18附近的记忆合金材料22由收缩力产生的合成的扭矩，如这里所述。热力发动机14被配置为转换热能为机械能，且，借助于从动部件16，转换机械能为电能。更具体地，能量获取系统10利用热区域18和冷区域20之间的温差经由形状记忆合金材料22来产生机械能和/或电能，如下更详细所述。由可用热能产生的机械和电能可被使用或储存，这与允许该热能耗散相反。形状记忆合金材料22被布置为与热区域18和冷区域20中的每个都热接触或热交换连通。热机14的形状记忆合金材料22具有晶相，该晶相可以响应暴露至热区域18和冷区域20的第一和第二温度在奥氏体和马氏体之间变化。 如这里使用的，术语“形状记忆合金”(通常简称为“SMA”)是指具有形状记忆效应的合金。即，形状记忆合金材料22可经历凝固态、晶相改变以在马氏体相(即“马氏体”)和奥氏体相(即“奥氏体”)之间转变。或者说，形状记忆合金22可经历位移转变而不是扩散转变以在马氏体和奥氏体之间转变。位移转变是结构性改变，其通过原子(或原子团)相对于它们的近邻原子(或原子团)的协同运动而发生。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相更易变形。形状记忆合金材料22的开始从奥氏体相至马氏体相转变的温度被称为马氏体开始温度Ms。形状记忆合金材料22完成从奥氏体相至马氏体相转变的温度被称为马氏体完成温度Mf。类似地，当形状记忆合金材料22被加热时，形状记忆合金材料22开始从马氏体相至奥氏体相转变的温度被称为奥氏体开始温度As。形状记忆合金材料22完成从奥氏体相至马氏体相转变的温度被称为奥氏体完成温度Af。因此，形状记忆合金材料22的特征在于冷却状态，即何时形状记忆合金材料22的温度低于形状记忆合金材料22的马氏体完成温度Mf。类似地，形状记忆合金材料22的特征还可在于热状态，即何时形状记忆合金材料22的温度高于形状记忆合金材料22的奥氏体完成温度Af。在操作中，被预应变或受到拉伸应力的形状记忆合金材料22可在改变晶相时改变尺寸，以由此将热能转换为机械能。即，如果假塑形地预应变，形状记忆合金材料22可从马氏体至奥氏体改变晶相且由此尺寸收缩以将热能转换为机械能。相反，形状记忆合金材料22可从奥氏体至马氏体改变晶相，且如果在应力下，由此尺寸伸展以将热能转换为机械倉泛。假塑性地预应变是指在低模量马氏体相时拉伸形状记忆合金材料22，以使得形状记忆合金材料22在加载状况下具有的应变在卸载时不完全恢复，而纯粹的塑性应变将被完全恢复。在形状记忆合金材料22的情况下，可以加载该材料使得弹性应变极限被超过且在超过材料的真塑性应变极限之前在材料的马氏体晶体结构中发生变形。在这两个极限之间的该类型的应变是假塑性应变，这样称谓是因为当卸载时其看起来经过塑性变形。但是，当被加热到形状记忆合金材料22转变至其较高模量奥氏体相的点时，该应变可被恢复，将形状记忆合金材料22返回至其在负荷被施加前观测的原始长度。形状记忆合金材料22在被安装如热力发动机14前可被拉伸，从而形状记忆合金材料22的名义长度包括可恢复假塑性应变。在假塑性变形状态(相对较长的长度)和完全恢复的奥氏体相(相对较短的长度)之间的交替提供了用于促动或驱动热力发动机14的运动。如果没有预拉伸形状记忆合金材料22，在相变过程中几乎看不到变形。形状记忆合金材料22在改变晶相时可改变模量和尺寸二者，以由此将热能转换为机械能。更具体地，形状记忆合金材料22，如果被假塑性应变，可在从马氏体至奥氏体改变晶相时尺寸收缩，且如果在拉伸应力下当从奥氏体至马氏体改变晶相时可尺寸伸展，以由此将热能转换为机械能。因此，当在热区域18的第一温度和冷区域20的第二温度之间存在温差时，即当热区域18和冷区域20不是处于热平衡时，设置在热区域18和冷区域20中的形状记忆合金材料22的相应局部区域在马氏体和奥氏体之间改变晶相时尺寸可分别伸展和收缩。
形状记忆合金材料22可具有任意适当的组分。特别地，形状记忆合金材料22可包括从下面的组中选择的元素，该组包括但不限于钴、镍、钛、铟、锰、铁、钯、锌、铜、银、金、镉、锡、硅、钼、镓、以及其组合。例如，且非限制性地，适当的形状记忆合金22可包括镍-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-钼基合金、铁-IE基合金，以及其组合。形状记忆合金材料22可为二元、三元、或任意更高元，只要形状记忆合金材料22具有形状记忆效应，即改变形状取向、阻尼容量(damping capacity)等。特定形状记忆合金材料22可被根据热区域18和冷区域20的期望的操作温度而选择，如下详述。在一个特定实例中，形状记忆合金材料22可包括镍和钛。如图I所示，能量获取系统10可包括控制系统32，该控制系统被配置为监视热区域18和冷区域20中的流体各自的第一和第二温度。控制系统32可被操作地连接至能量获取系统10的任一部件。控制系统32可为与能量获取系统10的一个或多个控制部和/或传感器电通信的计算机。例如，控制系统32可与热区域18和冷区域20内的温度传感器、从动部件16的速度调节器、流体流动传感器、和/或配置为监视从动部件16产生的电30的计量器通信。附加地，控制系统32可被配置为在能量获取系统10的预定状况下控制能量的获取，例如在能量获取系统10已操作足够的时间段使得热区域18和冷区域20之间的温差是足够的或理想的差值之后。能量获取系统10的其它预定状况也可被使用。控制系统32也可被配置为提供选项以手动超驰热力发动机和允许能量获取系统10有效地被关闭，例如当供应热区域18的热能被在其它地方需要和不应被热力发动机14转换为其它能量形式时。类似地，控制系统32可被配置为将热区域的温度保持在充分低的水平，以不过度加热SMA材料22。也就是说，控制器32可被配置为监视热区域的温度，且如果热区域的温度超过预定阈值则减少热源。这例如是通过当被监视的温度超过预定阈值时重新引导流体或移动热传导元件离开热区域。联接装置17也可被控制器32控制以选择性地使从动部件16脱离接合热力发动机14。来自从动部件16的电30可被传输至储存装置36，其可为，但非限制性地，电池、电子组、或其它能量储存装置。储存装置36可被定位为靠近但是物理地离开能量获取系统10。对于这里讨论的任一实例，能量获取系统10可包括多个热力发动机14和/或多个从动部件16。类似地，能量获取系统10可被与附加能量获取系统10联接或与其协同操作，其中每个能量获取系统10包括至少一个热力发动机14和至少一个从动部件16。多个热力发动机14的使用可利用遍布能量获取系统10的多个温差区域。再次参考图2，第一带轮38和第二带轮40也可为，但非限制性地，齿轮、单向离合器或弹簧。单向离合器可被配置为允许第一带轮38和第二带轮40仅沿一个方向旋转。第一带轮38、第二带轮40、或惰轮42被操作地连接至从动部件16，从而旋转(作为形状记忆合金材料22的尺寸改变的结果)驱动从动部件16。而且，每个带轮构件都可被连接至从动部件16，或可在将机械能传递给从动部件16前馈送至变速器或齿轮系统中。 尽管三个旋转构件被示出在图2中，应认识到更多或更少的构件可被使用。 如这里所述，形状记忆合金材料22可被嵌入带状件中或形成在缆绳或编织物中。而且，形状记忆合金材料22可被配置为纵向延伸线，其被嵌入带状件中，使得该带状件作为相关联形状记忆合金材料22伸展和收缩的函数而纵向地伸展和收缩。附加地，或替换地，形状记忆合金材料22可被配置为一个或多个螺旋弹簧，该螺旋弹簧可被嵌入在带状件中。形状记忆合金材料22可为线，其具有任意期望的横截面形状，即圆形、矩形、八边形、条形、或本领域技术人员已知的任意其它形状。附加地，带状件可至少部分地由弹性材料形成。例如，弹性材料可为弹性体、聚合物、其组合等。带状件可被形成为连续的环，如图2和3所示,或形成为细长条。在图2所示的热力发动机14的操作中，形状记忆合金构件22的局部区域可被布置在热区域18内或直接邻接于热区域18，使得第一温度导致形状记忆合金材料22的相应局部区域沿纵向收缩，此收缩为热区域18的第一温度的函数。类似地，形状记忆合金材料22的另一局部区域可被类似地布置在冷区域20内或其附近，使得第二温度导致形状记忆合金材料22的局部区域在应力(拉力)下纵向地膨胀(伸展)，所述膨胀(伸展)为冷区域20的第二温度的函数。例如，如果热区域18的第一温度处于或高于热状态，形状记忆合金材料22的相关联局部区域将作为形状记忆合金材料22从马氏体相至奥氏体相的相变的结果而纵向收缩。类似地，如果冷区域20的第二温度低于冷状态，形状记忆合金材料22的相关联局部区域将在张力下纵向伸展，其作为形状记忆合金材料22从较高模量奥氏体相至较低模量马氏体相的相变的结果。形状记忆合金构件22可绕第一带轮38和第二带轮40不断地环绕，从而从形状记忆合金构件22给予的运动导致第一带轮38和第二带轮40 (还有惰轮42)中的每个都旋转。形状记忆合金材料22的局部区域的纵向伸展和/或收缩将形状记忆合金构件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。局部区域是形状记忆合金构件22的在任意给定时刻处于相应热区域18和冷区域20中的那些部分。如图2的热力发动机14所示，当形状记忆合金构件22在被热区域18加热后收缩时，第一正时带轮39比第二正时带轮41提供更大的反扭矩。因此，形状记忆合金构件22在第一带轮38和第二带轮40 (其分别与第一正时带轮39和第二正时带轮41 一起旋转)之间的收缩导致形状记忆合金构件22向第一带轮38移动。随着热力发动机14进入动态操作，形状记忆合金构件22、第一带轮38和第二带轮40逆时针旋转(如图2所示)。热力发动机14不需要用于热区域18和冷区域20的液体浴。由此，形状记忆合金构件22和热力发动机14的相当量的部分不需要浸入液体中。现在参考图3，且继续参考图I和2，示出了另一热力发动机54，其也可被并入图I所示的热回收系统10且与 其一起使用。其它附图中所示和所述的特征和部件可被并入且与图2中所示的那些一起使用。热力发动机54被布置为与热区域58和冷区域60热交换连通。热力发动机54包括形状记忆合金构件62，该形状记忆合金构件以绕第一带轮78、第二带轮80和惰轮82的连续环行进。第一正时带轮79和第二正时带轮81通过正时链83而被机械地联接。在第一带轮78和第二带轮80之间包括由正时链83 (除了记忆合金构件62)提供的机械联接表示热力发动机54也可被称为同步热力发动机。不同于图2所不的热力发动机14,在图3的热力发动机54中，第一正时带轮79和第二正时带轮81的直径实质上相同。在一种配置中，第一和第二正时带轮79、81可为第一和第二带轮78、80的相应轮轴。在热力发动机54中，第二带轮80比第一带轮78具有更大的直径。如图3的热力发动机54所示，当形状记忆合金构件62在被热区域58加热后收缩时，第二正时带轮80比第一正时带轮78产生更大的力矩臂。但是，第一正时带轮79和第二正时带轮81提供相同的反扭矩。因此，第一带轮78和第二带轮80之间的形状记忆合金构件61的收缩导致形状记忆合金构件62再次向第一带轮78移动。随着热力发动机54进入动态操作，形状记忆合金构件62、第一带轮78和第二带轮80逆时针旋转(如图3所示)。现在参考图4，且继续参考图1-3，示出了做功图90的示意图。做功图90的χ-轴线91示出了图2所示的形状记忆合金构件22、图3所示的形状记忆合金构件72或并入热力发动机(例如热力发动机14或热力发动机54)中的另一 SMA工作构件的长度。工作图90的y-轴线92示出了图2所示的形状记忆合金构件22、图3所示的形状记忆合金构件72或另一 SMA工作构件的张力。做功图90示出了在热力发动机14或热力发动机54的操作过程中形状记忆合金构件22或形状记忆合金构件72的一位置或区域在环绕时的做功路径94。在位移(即长度的改变)上施加力需要做功。净功区96表示形状记忆合金构件22或形状记忆合金构件72在每一圈上实现的净功。因此，净功区96大于零的事实显示了形状记忆合金构件22或形状记忆合金构件72从对于热力发动机14或热力发动机54可用的热能产生机械功。如图5大致所示，热力发动机18可包括处于冷区域20中的惰轮42。惰轮可与弹簧102、或与被用于调节SMA元件22中的张力的一些其他偏压装置联接。弹簧102可与某相对基部104联接，该相对基部可向给弹簧102提供稳定的反作用力。在一种配置中，相对基部可为汽车底盘的一部分。在一实施例中，偏压弹簧102可由处于其超弹性配置中的形状记忆合金构成。除了考虑SMA元件22中的过度松弛，弹簧102和惰轮42也可形成类似于图5中所示的几何布局的几何布局，其中冷区域20中的SMA的行经长度长于热区域18中的行经长度。这种几何布局可允许SMA元件22在重新进入热区域18用于后续加热循环前更充分地冷却。为了附加地促进充分冷却，惰轮42可被配置为通过与SMA直接接触而将热量导出SMA元件22。这样，可以使用大直径惰轮42，例如如图5所示，用于提供与SMA22直接接触的更长长度。附加地，可以使用多个错列的惰轮(未示出)，其中SMA元件22在各个带轮之间交织以最大化直接接触。为了进一步增强接触，带轮(包括带轮38、40、42)可被涂覆以物质，以降低每个相应带轮和SMA元件22之间的热阻。这种涂层可包括例如油、树脂或刷状表面纹理。为了促进热量传递出各个带轮38、40、42，带轮可具有径向内部叶轮部分(即径向向外SMA导向轨道的内部)，叶轮部分可促进任意横向流动的空气和带轮自身之间的增强的对流。附加地，为了促进带轮和SMA元件22之间的更大的表面接触，在一实施例中，带轮可具有部分地顺应表面用于接收SMA元件。
在操作过程中，可能有利的是，使SMA元件22和工作带轮38、40之间的打滑(最大化静摩擦)最小化。如应理解的，任意相对打滑都可降低从系统的旋转运动吸取的功率输出(即，完全打滑=没有旋转=没有功输出)。虽然带轮可被涂覆防滑材料(即，用于促进更佳静摩擦的涂层)，还存在的风险是在带轮上材料经历相变，这可导致打滑。为了降低该风险，加热带轮40和冷却带轮38两者可被保持在相对窄的温度范围内。例如，加热带轮40可被保持在稍微高于马氏体起始温度的温度处。类似地，冷却带轮38可被保持在稍微低于奥氏体起始温度的温度处。这样，各带轮38、40可不通过传导主动引起材料相变。这些温度可通过例如热传递设计而被保持，该设计增加充分的供热或冷却能力以保持相应温度。参考图6，且大致如上所述，提供给热区域18内的SMA元件22的热能可赋予SMA22以运动。该运动可被捕获为输出轴118的旋转/扭矩116。在一实施例中，输出轴118可通过联接装置17而被联接至从动部件16。联接装置17可包括变速器、齿轮减速器和/或离合器，其可允许热力发动机基于可用的扭矩116更好地匹配输出功率需求。在操作中，联接装置17可操作为离合器以防止热力发动机经历停转状况(即，从动部件的功率需求超过由热力发动机14产生的可用扭矩116)。例如，离合器可被配置为使得如果热力发动机14打滑至低于特定速度，从动部件16 (例如发电机)可被部分地或完全脱离接合，以使得发动机速度可增加且SMA22没有过热的风险。在该实施例中，离合器可为离心力离合器，其仅在高于特定旋转速度时接合。在另一实施例中，可存在断开式联轴节，其在高于特定扭矩负荷时脱离接合或打滑。离合器可类似地受到主动控制，由此控制器32可主动地监视SMA元件22的温度，且如果该温度高于预定阈值则脱离接合离合器(或增加齿轮比)。如果发动机的速度低于预定阈值，通过经由离合特征解除与从动部件的联接，联接装置17可进一步促进热力发动机14的起动。例如，控制器32可监视带轮中的一个的旋转速度，且可选择性地将从动部件16从热力发动机14解除联接，以去除扭矩牵引和/或最小化系统惯性。一旦解除联接，热区域可被热能的陡阶跃作用(例如通过激活加热元件或通过去除邻近的热屏蔽件)冲击。该突然冲击可有助于SMA元件22的快速收缩(即快速的奥氏体转变)，其可足以克服各个带轮或其它旋转部件的静摩擦和惯性。替换地，从动部件16，例如马达/发电机可被辅助能源驱动以辅助起动过程。
联接装置17可类似地具有动力传动部件，该传动部件被配置为基于从动部件16的需要或请求和/或由热力发动机14产生的可用扭矩116来调节输出轴的动力或速度。这种传动装置可具有固定的动 力降低比(例如齿轮比)，或可基于实时需求/动力可用性动态地调节所述比。动态调节可通过例如联接装置17自身或通过控制器32主动调整而被执行(例如以主动方式保持恒定扭矩或速度牵引)。除了引入具有联接装置17的动力传动装置部件，基于系统的应用，输出轴可初始地与任一工作带轮38、40联接。由于正时带轮39、41的比导致带轮具有不同的角速度，输出带轮的选择可给系统提供初始的传动装置。在另一实施例中，两个正时带轮39、41之间的齿轮比可被主动地修正以动态地调节系统性能和/或便于热力发动机14的起动。使用适应性正时齿轮比能够改变系统的效率和性能，以适应宽范围的操作条件(例如环境温度、系统负荷、瞬变条件等)。在一实施例中，系统可使用SMA元件(不同于SMA元件22)作为温度依赖促动器以实现适应性齿轮比。适应性传动装置的其它已知方法可类似地被使用。在一实施例中，系统的平稳操作可通过包括飞轮而被保持。例如，惰轮42、或一些其它辅助带轮可包括飞轮型属性，或可被齿轮连接至分立的飞轮，该分立飞轮可被用于在热传递和/或动力引入要求波动时保持恒定的线动力(wire power)和温度循环。传统的旋转飞轮设计可被使用于其中最大量的旋转惯性可被以最小可能重量产生的情形中。为了进一步增加系统的效率，热力发动机14可被配置为当SMA元件22在其转变为马氏体状态过程中排出热量时回收该SMA元件22的潜热。这可例如通过将多个热力发动机串联分段布置实现，其中第一热力发动机14的冷区域20是第二的热区域18。为了进一步增加效率，下面的设计因素/考虑/下述设计元素可在构造热力发动机14时被考虑和/或整合。空气流动性质对于空气被加热和/或冷却的配置，气流相对于线长度的速度在热传递能力中起作用-特别是在湍流流态中；气流速度对总热传递系数的影响在层流流态中较弱。考虑因素例如气流相对于线运动的方向是否是平行的、垂直的、相反的、交叉的或具有多个方向，以及气流和线中的空间温度梯度的相对取向也起作用。气流中的波动(方向或大小)也通过促进散料混合(bulk mixing)来改善热传递。最后，水蒸气和浮质(例如烟灰、尘土等)的百分数比也分别通过产生密度梯度(其驱动对流传热)或通过传播辐射传热而影响热传递状况。热力发动机14设计可使用传统的热力学和流体动力学原理来考虑这些气流特性。相变热传递相变(例如，冷凝蒸汽、蒸发、沸腾)与显著大于(10-100X)强制对流的热传递系数相关联。而且，相变发生在恒温下或极窄的温度范围内，这使得分析和优化设计以及热传递过程的控制更容易。去湿剂和其它表面改性剂可被用于促进逐滴的而不是薄膜冷凝/沸腾，且有助于实现在有效热传递系数中的进一步的2-lOx的改善。如果经历相变的物质被允许与其它物质直接接触则可实现非常高的热传递速率，例如饱和的甲醇或氨水可从SMA元件直接蒸发以在近乎恒定的温度下实现非常高的冷却速率；类似地，水可在SMA元件上直接冷凝以在近乎恒定的温度下提供高加热速率。线网、压力密封件(wiper seal)、碎布层(bed of rags)、或其它类似技术可被用于减少冷凝液体流出加热腔室。可以通过喷射器/喷嘴在线上喷洒冷却介质的薄雾或使用碎布层/线网/擦拭器在SMA元件上施加冷却介质的薄涂层，促进蒸发式冷却。可以使SMA元件穿过潮湿蒸汽/冷水饱和腔室或碎布床以分别促进更高的加热/冷却速率。液体加热/冷却液体至固体热传递速率是气体至固体热传递速率的大约10倍。因此，热或冷液体浴可被用于分别加热或冷却SMA元件。热辐射UV、可见光和IR波段中的热辐射可被用于加热/冷却SMA元件。日照与合适的聚焦反射器一起可被用于快速和均匀地加热SMA元件。在SMA线最大发射率的波长范围具有高吸收率的经冷却的热沉可被用于快速地冷却线。固体至固体的热传递固体至固态的热传递速率大大高于液体至固态的热传递速率；它们具有与相变热交换速率相同的大小等级。这可被用于促进热力发动机中的更高的加热/冷却速率，例如，通过使用元件在其上穿过的被加热/被冷却带轮(不过避免了带轮上的相变)，通过将具有高热容量的热/冷块移动为与线接触和不与线接触，等。湍流/散料混合促进器已知流动修正器，例如延展表面、绊线、入口涡旋发生器、扭曲表面和促进湍流和相关联散装流体混合的其它类似的修正器可显著增加热传递速率。多排配置的SMA元件中的简单错列的交替排的SMA元件可导致下游排中的高热传递速率。由前排中的元件上的流动产生旋涡和涡流，结合经过前排元件时的流动的加速，导致下游排的SMA元件中的更高的热传递速率。附连至带轮的叶片和其它流动修正器也可被用于改进热传递速率。智能流动引导件引导加热/冷却流动至SMA元件上的流动的引导件可自身由主动式元件形成，例如形状记忆合金。该主动式元件对于其操作环境中的变化的响应可被用于调节热量传入/传出SMA元件22。例如，其它热激活SMA元件可被用于在热流体的温度高于安全水平时分流加热流体的一些流动。振动导致的热传递增强线的振动(例如在垂直于线长度的平面中的)已经被显示为增加热传递速率10倍。闻振幅、低频率和低振幅、闻频率振动~■者都有助于增强热传递。这样，在一实施例中，这种振动可被施加至SMA元件22。电场导致的热传递增强电场已经被显示为通过直接施加力在带电颗粒上由此影响流体在它们周围的混合来改善具有导体颗粒的介质(例如电离气体)中的热传递。但是，由于介电电泳，电场也可促进介电流体介质的混合。因此，电场可被用于增强和控制至SMA元件22/来自SMA元件22的热传递速率。蓄热器通过提供热缓冲来储热和通过使用任意储存的热来预热SMA元件两者，蓄热器型热交换器可被用于改善热力发动机的性能。通过防止SMA元件冷却至低于特征温度，这种蓄热器型热交换器可降低加热上的反向转化所需的热输入量，可由此改善系统的能量转换、效率。热管热管可用于有效地从热源传递热量至SMA元件和/或从SMA元件至热沉。固定的或可变的导热管可被用于减轻在热源、SMA元件和热沉之间热传递过程中的温度降。涡流管当冲压空气可被转变为高静气压(例如在移动的车辆中)时，该高压空气可被在涡流管中热力学地分为冷流和热流。这些流可被分别用于增强冷却和加热率。虽然这里概述了用于热力发动机的许多方案，它们可各自独立地或共同地用于改善形状记忆合金热力发动机的热传递比或效率，或用于改善其可控性。因此，没有方案应被认为是限制性的或排他的，因为许多或所有实施例可被共同地或组合使用。虽然用于执行本发明的最佳方式已经被详细描述，与本发明相关的本领域技术人员应认识到在所附的权利要求的范围内的执行本发明的各种替换设计和实施例。上面的说明或附图中示出的所有事实应被解释为仅是说明性的且不是限制性的。相关申请的交叉引用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的优先权，都为2011年2月28日提交。其所有通过引用全部并入。关于联邦赞助的研究或开发的声明本发明在美国政府的支持下进行，其协议/项目号=ARPA-E合同号DE-AR0000040。 美国政府在本发明中具有特定权利。
权利要求
1.一种能量获取系统，包括 热力发动机 从动部件； 联接装置，配置为选择性地将所述从动部件与所述热力发动机联接；和 其中所述热力发动机包括 第一可旋转带轮； 从第一可旋转带轮间隔开的第二可旋转带轮； 形状记忆合金(SMA)材料，其绕第一可旋转带轮的一部分布置在第一径向距离处且绕第二可旋转带轮的一部分布置在第二径向距离处，该第一和第二径向距离限定了 SMA带轮 比； 正时缆线，其绕第一可旋转带轮的一部分布置在第三径向距离处且绕第二可旋转带轮的一部分布置在第四径向距离处，该第三和第四径向距离限定正时带轮比，此正时带轮比不同于SMA带轮比； 其中SM材料被配置为被布置为与第一温度的热区域和低于第一温度的第二温度的冷区域热连通。
其中SMA材料被配置为选择性地在马氏体和奥氏体之间改变晶相，且由此响应于暴露于第一温度而进行收缩和膨胀中的一种，且还响应于暴露于第二温度而进行膨胀和收缩中的一种，由此将热区域和冷区域之间的热能梯度转换为机械能。
2.如权利要求I所述的能量获取系统，其中所述从动部件是发电机，其被配置为将旋转机械能转换为电能。
3.如权利要求I所述的能量获取系统，其中所述从动部件包括风扇、离合器、风机、泵和压缩机中的至少一个。
4.如权利要求I所述的能量获取系统，还包括控制器，其与联接装置通信且被配置为控制所述从动部件与所述热力发动机的选择性联接。
5.如权利要求4所述的能量获取系统，其中所述控制器被配置为监视第一可旋转带轮和第二可旋转带轮中的一个的旋转速度；和 其中所述控制器被配置为如果被监视的旋转速度低于预定阈值则将所述从动部件从所述热力发动机脱离联接。
6.如权利要求4所述的能量获取系统，其中所述联接装置包括适应性扭矩传输装置，其具有可变齿轮比。
7.如权利要求6所述的能量获取系统，其中所述控制器被配置为监视SMA材料的温度；和 其中，所述控制器被配置为如果SMA材料的温度超过预定阈值时修正适应性扭矩传送装置的齿轮比以降低所述热力发动机上的扭矩负荷。
8.如权利要求4所述的能量获取系统，其中所述控制器被配置为监视热区域的温度，且如果所述热区域的温度超过预定阈值则减少热源。
9.如权利要求4所述的能量获取系统，其中所述联接装置包括离合器。
10.如权利要求4所述的能量获取系统，其中所述控制器被进一步配置为改变第一带轮比和第二带轮比中的至少一个。
全文摘要
一种用于将热能转换为机械能的能量获取系统包括热力发动机，其利用形状记忆合金活性构件操作。形状记忆合金构件可与第一温度的热区域和低于第一温度的第二温度的冷区域热连通。形状记忆合金构件可被配置为选择性地在马氏体至奥氏体之间改变晶相，且由此响应第一和第二温度而收缩或伸展。从动部件，例如发电机，可通过联接装置而被选择性地与热力发动机联接，该联接装置可经由控制器控制。
文档编号F03G7/06GK102654113SQ20121004886
公开日2012年9月5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.彻琪尔, G.A.赫里拉, G.P.麦克奈特, J.A.肖, J.W.布朗, N.D.曼卡姆, N.L.约翰森, P.M.萨罗希, P.W.亚历山大, R.J.斯柯基斯 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