热驱动弹性热量系统的制作方法

1.相关申请的交叉引用本技术要求2020年4月16日提交的美国临时申请no. 63/010,823的权益，其内容在此以全文引用的方式并入到本文中。


背景技术：

2.弹性热量冷却或加热是基于固态的技术，它利用被称为形状记忆合金的材料。形状记忆合金(sma)是当力施加到sma上或当热量传递到sma或从sma传递时，可以改变晶体结构(例如，以在马氏体与奥氏体之间可逆的方式)的材料。当改变结构时，sma改变形状(例如，长度增加或减少)并生成热势(例如，冷却势或加热势)。例如，当改变结构时，sma可以吸收热量(例如，产生冷却势)或释放热量(例如，产生加热势)。由于这些性质，sma在大量不同的技术中呈现出广泛的潜在应用。
3.已经探索过的sma的一个潜在应用是使用sma来驱动活塞(例如，用于泵)。当用于驱动活塞时，sma的一端可以附连到活塞，使得当sma的形状(例如，长度)改变时，活塞被驱动(例如，向上或向下)。为了使sma改变形状(例如，为了驱动活塞)，sma通常使用流体介质加热或冷却。活塞将该力转化为有用的机械功(例如，用于液压系统)。如上所描述，sma技术的这种应用可以被视为应用热能来生成力。
4.已经探索过的sma的另一个潜在应用是使用sma通过机械驱动sma (例如，使用致动器)来生成热势(例如，冷却势或加热势)。这种热势在加热通风和/或空气调节(hvac)系统中可能特别有用。例如，热势可对于如下是有用的：加热或冷却hvac系统中的流体(例如，空气或液体)，或者完全替换制冷剂。为了生成热势，sma通常通过消耗电功率或可燃燃料而被机械驱动。当置于拉伸状态时，sma吸收热能并生成冷却势(例如，作为吸热反应)。相反，当置于压缩状态时，sma生成加热势(例如，作为放热反应)。如上所描述，sma技术的这种应用可被视为施加力(例如，由电功率或可燃燃料生成的力)以生成热势。
5.以上提到的两种应用都包括在机械部件(例如，活塞和/或致动器)旁边使用sma，以生成力(例如，通过加热或冷却sma来移动活塞)或生成热势(例如，通过使用致动器将sma置于拉伸状态下)。然而，这些应用都没有描述将热能传递到一个sma或从一个sma传递热能以在另一个sma中生成热势。通过使用热能作为驱动力，可以消除为了生成热势而对电功率和/或可燃燃料的依赖。
6.因此，仍然需要一种热驱动弹性热量系统，其能够将热能传递到一个sma或从一个sma传递热能，以在另一个sma中生成热势。


技术实现要素：

7.根据一个实施例，提供一种热驱动弹性热量系统，其包括第一形状记忆合金(sma)构件、第二形状记忆合金(sma)构件和连接机构。第一形状记忆合金(sma)构件包括近端和远端。第二形状记忆合金(sma)构件包括近端和远端。连接机构被构造在第一sma构件的远
端与第二sma构件的远端之间。连接机构被构造成在第一sma构件与第二sma构件之间传递力。
8.根据附加或备选的实施例，热驱动弹性热量系统还包括用于在工作流体与第一sma构件和第二sma构件中的至少一个之间传递热量的工作流体。
9.根据附加或备选的实施例，工作流体被配置成将热量传递到第一sma构件。
10.根据附加或备选的实施例，当热量从工作流体传递到第一sma构件时，连接机构将压缩力传递到第二sma构件。
11.根据附加或备选的实施例，由连接机构传递到第二sma构件的压缩力在第二sma构件中生成加热势。
12.根据附加或备选的实施例，工作流体被配置成将热量传递到第二sma构件。
13.根据附加或备选的实施例，当热量从工作流体传递到第二sma构件时，连接机构将压缩力传递到第一sma构件。
14.根据附加或备选的实施例，由连接机构传递到第一sma构件的压缩力在第一sma构件中生成加热势。
15.根据附加或备选的实施例，工作流体被配置成从第一sma构件传递热量。
16.根据附加或备选的实施例，当热量从第一sma构件传递到工作流体时，连接机构将拉力传递到第二sma构件。
17.根据附加或备选实施例，由连接机构传递到第二sma构件的拉力在第二sma构件中生成冷却势。
18.根据附加或备选的实施例，工作流体被配置成从第二sma构件传递热量。
19.根据附加或备选的实施例，当热量从第二sma构件传递到工作流体时，连接机构将拉力传递到第一sma构件。
20.根据附加或备选的实施例，由连接机构传递到第一sma构件的拉力在第一sma构件中生成冷却势。
21.根据本公开的另一方面，提供一种用于生成加热势和冷却势中的至少一个的方法。该方法包括在工作流体与第一sma构件和第二sma构件中的至少一个之间传递热量的步骤，连接机构构造在第一sma构件与第二sma构件之间。该方法还包括用于在连接机构与第一sma构件和第二sma构件中的至少一个之间传递力的步骤，该力包括压缩力和拉力中的至少一个。
22.根据附加或备选的实施例，压缩力的传递生成加热势，而拉力的传递生成冷却势。
23.根据附加或备选的实施例，从工作流体到第一sma构件的热量的传递生成从连接机构到第二sma构件的压缩力的传递。
24.根据附加或备选的实施例，由连接机构传递到第二sma构件的压缩力在第二sma构件中生成加热势。
25.根据附加或备选的实施例，从第一sma构件到工作流体的热量的传递生成从连接机构到第二sma构件的拉力的传递。
26.根据附加或备选的实施例，由连接机构传递到第二sma构件的拉力在第二sma构件中生成冷却势。
附图说明
27.在说明书结尾的权利要求中特别指出并明确要求保护被视作公开内容的主题。附图的以下描述不应被认为是以任何方式进行限制。参考附图，相同的元件类似地进行标号：图1是根据本发明一个方面的热驱动弹性热量系统的透视图，该系统具有第一sma构件、第二sma构件和连接机构。
28.图2是如图1中所示的热驱动弹性热量系统的透视图，其中根据本公开的一个方面热量被传递到第一sma构件。
29.图3是如图1中所示的热驱动弹性热量系统的透视图，其中根据本公开的一个方面热量被传递到第二sma构件。
30.图4是如图1中所示的热驱动弹性热量系统的透视图，其中根据本公开的一个方面热量从第二sma构件传递。
31.图5是如图1中所示的热驱动弹性热量系统的透视图，其中根据本公开的一个方面热量从第一sma构件传递。
32.图6是图示根据本公开的一个方面用于生成加热势和冷却势中的至少一个的方法的流程图。
具体实施方式
33.提供一种热驱动弹性热量系统和一种用于生成加热势和冷却势中的至少一个的方法。热驱动弹性热量系统和方法都包含将热能传递到一个形状记忆合金(sma)构件或从一个形状记忆合金(sma)构件传递热能，以生成机械力，该机械力被施加到另一个形状记忆合金(sma)构件(例如，使用连接机构)，以使sma构件吸收或释放热能。因此，热驱动弹性热量系统包含两个单独的sma构件(例如，在此描述为第一sma构件和第二sma构件)。第一sma构件和第二sma构件分别包括近端和远端。连接机构被构造在第一sma构件的远端与第二sma构件的远端之间。连接机构被构造成在第一sma构件与第二sma构件之间传递力(例如，压缩力或拉力)。向sma构件传递压缩力在sma构件中生成加热势，而向sma构件传递拉力在sma构件中生成冷却势。可以预想的是，本文所描述的系统和方法在具有废热量源和/或依赖热力学原理的任何应用(例如，加热、通风和/或空气调节(hvac)系统或制冷系统)中可以是有用的。应当理解，在第二sma构件中生成的热势可以基于每个sma构件的组成而变化，因为不同的sma材料可以具有不同的转变温度和/或相变温度。
34.现在参考附图，图1中示出示例性热驱动弹性热量系统100。热驱动弹性热量系统100包括第一sma构件110、第二sma构件120和连接机构130。第一sma构件110具有近端111和远端112。第二sma构件120具有近端121和远端122。连接机构130被构造在第一sma构件110的远端112与第二sma构件120的远端122之间。连接机构130被构造成在第一sma构件110与第二sma构件120之间传递力300、600。
35.应当理解，每个相应的sma构件110、120可以由多个元件或单个元件(例如，一个或多个线材、片材、杆件和/或带件)制成。每个元件可以至少由形状记忆合金组成。每个元件可以以允许sma构件110、120传递热量和/或改变形状(例如，长度)的任何方式布置(例如，彼此平行以形成芯，其中每个元件支撑(一个或多个)相邻元件)。每个相应的sma构件110、120可以包括一个或多个夹具或其他机构，以防止或至少减轻元件彼此分离。在某些情况
下，构成第一sma构件110的(一个或多个)元件可以由与构成第二sma构件120的(一个或多个)元件不同的形状记忆合金组成。然而，可以预想的是，构成第一sma构件110的(一个或多个)元件可以由与构成第二sma构件120的(一个或多个)元件相同的形状记忆合金组成。可以预想的是，每个相应的sma构件可以具有特定的形状或机构来增强热量传递性质(例如，散热片或内部通道来促进流体循环)。
36.第一sma构件110和/或第二sma构件120的至少一部分可以由镍钛(niti，也称为“镍钛诺”)制成。在某些情况下，至少一个sma构件110、120包含至少一种铁基或铜基形状记忆合金，诸如fe
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mn
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si、cu
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zn
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al或cu
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al
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ni。然而，在某些情况下，至少一个sma构件110、120包含以下形状记忆合金中的至少一种：ag
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cd、au
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cd、co
‑
ni
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al、co
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ni
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ga、cu
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al
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x、cu
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ni、cu
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al
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ni
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hf、cu
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sn、fe
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pt、mn
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cu、ni
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ga、ni
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ti
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hf、ni
‑
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pd、ni
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mn
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ga或ti
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nb。不同的潜在形状记忆合金中的每一个可以具有不同的性质(例如，当施加力时，它们的形状改变和/或生成不同热势所处的不同温度)。这样，在某些情况下，每个sma构件110、120的组成可以基于以下来选择：(i)sma构件110、120相对于连接机构130配置的方式；(ii)另一个sma构件110、120的组成，和/或(iii)sma构件110、120将被使用的特定方式(例如，用于生成热势或用于改变长度)。
37.可以预想的是，连接机构130可以是能够将力(例如，压缩力或拉力)从一个sma构件(例如，从第一sma构件110)传递到另一个sma构件(例如，传递到第二sma构件120)的任何合适的结构。连接机构的主要功能是传递力，同时限制或消除通过传导的热量传递(例如，连接机构可以由提供热绝缘并具有高机械刚度的材料制成)。例如，连接机构130可以是活塞或驱动轴的形式。第一sma构件110的远端112和第二sma构件120的远端122可以分别被夹紧或以其他方式固定到连接机构130。然而，应当理解，在某些情况下，每个sma构件110、120的远端112、122可以不固定到连接机构130(例如，紧密间隔，但不附接)。第一sma构件的近端111和/或第二sma构件120的近端121各自可以分别固定到刚性结构(例如，壳体)或与其紧密间隔开。应当理解，第一sma构件110的任一端111、112和第二sma构件的任一端121、122可以以允许力300、600通过连接机构130传递的任何方式配置。
38.图2中示出热驱动弹性热量系统100的示例性实施例，其中热量200被传递到第一sma构件110，并且力300被传递到第二sma构件120。为了将热量200传递到第一sma构件110，具有比第一sma构件110更高温度的工作流体(例如，空气、水、乙二醇、制冷剂等)可以在第一sma构件110上经过。当热量200传递到第一sma构件110时，第一sma构件110改变形状(例如，长度)。如图2中所图示，这种变化可以从偏差(d)的方面来观察。针对形状记忆合金的典型偏差可以在4%左右。例如，如果第一sma构件110的长度为1米，当热量200传递到第一sma构件110时，第一sma构件110可以预期“增长”大约4 cm。这种长度变化通过连接机构130转化，该连接机构在第二sma构件120上生成压缩力300。该压缩力300在第二sma构件120中生成加热势400(例如，作为放热反应)。该加热势400允许第二sma构件120能够释放热量(例如，释放到工作流体、诸如制冷剂或空气)。
39.该过程可以类似地通过将热量200传递到第二sma构件120来完成。图3中示出热驱动弹性热量系统100的示例性实施例，其中热量200被传递到第二sma构件120，并且力300被传递到第一sma构件110。为了将热量200传递到第二sma构件120，具有比第二sma构件120更高温度的工作流体(例如，空气、水、乙二醇、制冷剂等)可以在第二sma构件120上经过。当热
量200传递到第二sma构件120时，第二sma构件120改变形状(例如，长度)。如图3中所图示，这种变化可以从偏差(d)的方面来观察。如上面所提到的，这种偏差可能在4%左右。例如，如果第二sma构件120的长度为1米，当热量200传递到第二sma构件120时，第二sma构件120可以预期“增长”大约4 cm。这种长度变化通过连接机构130转化，该连接机构在第一sma构件110上生成压缩力300。该压缩力300在第一sma构件110中生成加热势400(例如，作为放热反应)。该加热势400允许第一sma构件110能够释放热量(例如，释放到工作流体、诸如制冷剂或空气)。
40.类似地，热量200可以从第二sma构件120传递。图4中示出了热驱动弹性热量系统100的示例性实施例，其中热量200从第二sma构件120传递，并且力600传递到第一sma构件110。为了从第二sma构件120传递热量200，具有比第二sma构件120更低温度工作流体(例如，空气、水、乙二醇、制冷剂等)可以在第二sma构件120上经过。当热量200从第二sma构件120传递时，第二sma构件120改变形状(例如，长度)。如图4中所图示，这种变化可以从偏差(d)的方面来观察。如上面所提到的，该偏差可能在4%左右。例如，如果第二sma构件120的长度为1米，当热量200从第二sma构件120传递时，第二sma构件120可以预期“收缩”大约4 cm。这种长度变化通过连接机构130转化，该连接机构在第一sma构件110上生成拉力600。该拉力300在第一sma构件110中生成冷却势500(例如，作为吸热反应)。该冷却势500允许第一sma构件110能够(例如，从工作流体、诸如制冷剂或空气)吸收热量。
41.该过程可以类似地通过从第一sma构件110传递热量200来完成。图5中示出了热驱动弹性热量系统100的示例性实施例，其中热量200从第一sma构件110传递，并且力600传递到第二sma构件120。为了从第一sma构件110传递热量200，具有比第一sma构件110更低温度的工作流体(例如，空气、水、乙二醇、制冷剂等)可以在第一sma构件110上经过。当热量200从第一sma构件110传递时，第一sma构件110改变形状(例如，长度)。如图5中所图示，这种变化可以从偏差(d)的方面来观察。如上面所提到的，该偏差可能在4%左右。例如，如果第一sma构件110的长度为1米，当热量200从第一sma构件110传递时，第一sma构件110可以预期“收缩”大约4 cm。这种长度变化通过连接机构130转化，该连接机构在第二sma构件120上生成拉力600。该拉力300在第二sma构件120中生成冷却势500(例如，作为吸热反应)。该冷却势500允许第二sma构件120能够(例如，从工作流体、诸如制冷剂或空气)吸收热量。
42.热驱动弹性热量系统100的配置使得在不依赖电功率或可燃燃料的情况下生成热势(例如，加热势或冷却势)成为可能。如上面所提到的，这种生成热势的方法在具有废热量源和/或依赖热力学原理(例如，加热、通风和/或空气调节(hvac)系统)的任何应用中特别有用。这种生成加热势和冷却势中至少一个的方法在图6中示出。
43.该方法800可以例如使用图1
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5中所示的示例性热驱动弹性热量系统100来完成。如上所描述，方法800可以提供工作流体与第一sma构件110和第二sma构件120中的至少一个之间(例如，向工作流体或从工作流体)的热量的传递，如通过图6中的步骤810所图示。连接机构130可以构造在第一sma构件110与第二sma构件120之间。方法800提供连接机构130与第一sma构件110和第二sma构件120中的至少一个之间的力(例如，压缩力300或拉力600)的传递。压缩力300的传递可以生成加热势400。拉力600的传递可以生成冷却势500。
44.图6被提供来图示基于热量200被传递到哪里的热势400、500的生成。步骤820图示出向第一sma构件110传递或从第一sma构件110传递热量200(例如，通过工作流体)。如果从
第一sma构件110传递，则在第二sma构件120中生成冷却势500(通过步骤821所示)。如果传递到第一sma构件110，则在第二sma构件120中生成加热势400(通过步骤822所示)。步骤830图示出向第二sma构件120传递或从第二sma构件120传递热量200(例如，通过工作流体)。如果传递到第二sma构件120，则在第一sma构件110中生成加热势400。如果从第二sma构件120传递，则在第一sma构件110中生成冷却势500。
45.在描述本发明的上下文中，术语“一”以及“和”以及“该”和类似所指的使用应被解释为涵盖单数和复数，除非本文中另外指示或明显与上下文矛盾。任何和所有示例或示例性语言(例如，“诸如”、“例如”、“比如”等)的使用仅仅是为了更好地阐明本发明，而不是对本发明的范围造成限制，除非另有声明。说明书中的任何语言都不应被解释为将任何未要求保护的元件指示为本发明的实践所必需。
46.虽然已经参考一个或多个示例性实施例描述本公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以进行各种改变，并且可以用等同物替代其元件。此外，在不脱离本公开的基本范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应本公开的教导。因此，旨在本公开不限于作为被考虑用于实施本公开的最佳方式而公开的特定实施例，而是本公开将包括落入权利要求的范围内的所有实施例。