起動和操作形狀記憶合金熱力發動機的方法

2023-10-07 12:39:49 5

專利名稱：起動和操作形狀記憶合金熱力發動機的方法
技術領域：
本發明大體涉及能量獲取系統，且更具體地，涉及形狀記憶合金熱カ發動機。
背景技術：
熱能由許多エ業過程、組裝過程和製造過程產生。汽車、小型設備和重型設備也產生熱能。該熱能的ー些是廢熱，其是由機械、電子設備、エ業過程產生的熱，沒有有用的應用為其建立或計劃，且該熱能大致是廢副產品。廢熱可以源於機械，諸如發電機，或源於エ業過程，諸如鋼、玻璃和化學生產。運輸用燃料的燃燒也促成了廢熱。

發明內容
形狀記憶合金(SMA)熱カ發動機可以包括第一可旋轉帶輪、第二可旋轉帶輪、和SMA材料，所述SMA材料繞第一和第二可旋轉帶輪布置，並位於熱區域和冷區域之間。起動和操作SMA熱カ發動機的方法可以繼而包括，使用控制器檢測熱區域和冷區域之間的熱能梯度、使發電機從第一和第二可旋轉帶輪中的ー個脫開聯接、監控SMA材料繞第一和第二可旋轉帶輪的轉速、以及如果SMA材料的監控到的轉速超過閾值則重新接合從動部件。SMA材料可以選擇性地在馬氏體和奧氏體之間、以及在熱區域和冷區域之間改變晶相，以將熱梯度轉化為機械能。在ー個配置中，發電機可以從可旋轉帶輪在控制器的方向被解開聯接，諸如通過命令聯接裝置脫離。聯接裝置可以，例如，包括電促動離合器。此外，控制器可以監控SMA材料的溫度，以及改動自適應扭矩傳輸裝置的齒輪比，以便如果SMA材料的溫度超過預定閾值，則減少熱カ發動機上的扭矩負載。以該方式，控制器可以減少SMA熱カ發動機感受到的負載。本發明的上述特徵和優勢及其他特徵和優勢將從用於實施本發明的最佳模式的以下詳細描述連同附圖時顯而易見。


圖I是包括形狀記憶合金熱カ發動機的能量獲取系統的示意圖；圖2是圖I的熱カ發動機的示意側視圖；圖3是圖I的可與能量獲取系統一起使用的另一熱カ發動機的不意側視圖；圖4是熱カ發動機的做功圖的示意圖示,所述熱カ發動機諸如圖2或圖3所示的那些；圖5是圖I的熱カ發動機的示意側視圖，配置為具有彈簧偏置張カ輪；圖6是圖I的熱カ發動機的示意側視圖，配置為從源接收熱能並產生機械輸出；圖7是起動和操作形狀記憶合金熱カ發動機的方法的流程圖。
具體實施方式
參考附圖，其中無論何時在幾幅圖中相同的附圖標記對應於相同或相似的構件，圖I中示出能量獲取系統10。其他圖中所示和所述的特徵和部件可以被併入，以及與圖I中所示的那些一起使用。所示的能量獲取系統10包括熱カ發動機14、從動部件16、和聯接裝置17，該聯接裝置17配置為選擇性地聯接從動部件16與熱カ發動機14。能量獲取系統10利用具有第一溫度的第一流體區域或熱區域18。熱區域18可以與熱源傳熱連通，所述熱源諸如廢熱，或可以表示較暖的任何區域，以對熱力發動機14的運轉起作用，如此處描述的。能量獲取系統10還利用具有第二溫度的第二流體區域或冷區域20，該第二溫度大體低於熱區域18的第一溫度。冷區域20可以與冷卻源傳熱連通，所述冷卻源諸如冷流體，或可以表示具有較冷溫度的任何區域，以對熱力發動機14的運轉起作用，如此處描述的。熱區域18和冷區域20的指定或與其相關聯的「第一」或「第二」溫度，是任意的且不是限制性的。
熱カ發動機14，如在此處描述的，配置為將來自熱區域18的熱能轉化為機械能。能量獲取系統10的從動部件16可以配置為被機械能或動カ驅動,所述機械能或動カ由熱力發動機14內的熱能至機械能的轉化而產生。從動部件16可以是機械裝置，諸如但不限於發電機、風扇、離合器、送風機、泵、壓縮機、及其組合。應意識到，從動部件16不限於這些裝置，也可以使用如本領域技術人員所知的任何其他裝置。從動部件16可以操作地連接至熱カ發動機14，使得從動部件16被熱カ發動機14驅動。更具體地，從動部件16可以是現有系統的一部分，諸如加熱或冷卻系統等。用熱力發動機14提供的機械能驅動從動部件16還可允許能量獲取系統10內的相關聯的現有系統在尺寸和/或容量上被減少，或被全部除去。附加地，由能量獲取系統10產生的機械能可以被儲存，用於隨後的使用，或作為輔助能量供應。在車輛或動カ生產設備中，能量獲取系統10通過將可能已經成為廢熱能的能量轉化為用於當前或隨後使用的能量而增加了車輛或生產設備的總效率。從動部件16可以是發電機或電機(其可以稱為馬達/發電機)，其配置為將來自熱カ發動機14的機械能轉化為電30 (如在圖I中示意性地示出的)。替換地,從動部件16可以附連至發電機，或與其連通。從動部件16可以是配置為將機械能轉化為電30的任何合適的裝置。例如，從動部件16可以是電機，該電機使用電磁感應將機械能轉化為電30。從動部件16可以包括轉子(未示出)，所述轉子相對於定子(未示出)旋轉，以產生電30。由從動部件16產生的電30可以隨後用於輔助為ー個或多個電氣系統提供動力，或可以被儲存在能量儲存裝置中。熱區域18和冷區域20可以彼此充分隔開，以保持兩者之間的溫度差，或可以被足夠的熱交換隔離屏障26分開，所述隔離屏障包括但不限乾熱屏蔽、珀耳帖(Peltier)裝置、或絕熱屏障。熱交換隔離屏障26可以用於將熱カ發動機14分隔為熱區域18和冷區域20，使得在熱區域18和冷區域20之間的期望的溫度差被獲得。當布置在熱區域18和冷區域20之間的熱交換隔離屏障26為珀耳帖裝置(諸如熱電式熱泵)吋，熱交換隔離屏障26配置為在隔離屏障26的一側上產生熱量以及在隔離屏障26的相反側上冷卻。能量獲取系統10的熱區域18和冷區域20可以用例如但不限於氣體、液體、或其組合填充。可替換地，熱區域18和冷區域20可以表示配置用於與熱力發動機14熱傳導的接觸區或接觸元件。熱カ發動機14配置為在ー些領域中利用能量獲取系統10中的熱區域18和冷區域20之間的溫度差/梯度，所述領域諸如但不限於車輛產生的熱和廢熱、發電產生的熱和廢熱、エ業廢熱、地熱加熱和冷卻源、日光熱源和廢熱、及其組合。應意識到，能量獲取系統10可以配置為在許多其他領域和エ業中利用溫度差。現在參考圖2,並繼續參考圖I,示出圖I中所示的熱カ發動機14的更詳細的示意圖。其他類型和配置的熱カ發動機可以與圖I中所示的熱回收系統10—起使用。圖3示出另ー熱力發動機54，其也可以與圖I中所示的熱回收系統10—起使用，並包括許多類似於熱カ發動機14的類似部件和功能。 圖2的熱カ發動機14包括形狀記憶合金材料22，並操作地布置在熱區域18和冷區域20中，或與其熱交換連通。在所示配置中，熱區域18可以接近熱排氣管，冷區域20可以放置在環境空氣中或放置移動來自風扇或送風機的空氣(相對較冷)的路徑中。熱カ發動機14還包括第一構件或第一帶輪38和第二構件或第二帶輪40。第一帶輪38和第二帶輪40還可以稱為驅動帶輪。熱カ發動機14還包括惰輪42，添加行程至形狀記憶合金材料22的路徑，並可以配置為可變地添加張カ(或收緊鬆弛)至形狀記憶合金材料22。在該配置中，第一帶輪38和第二帶輪40布置在熱區域18和冷區域20之間。然而，熱カ發動機可以配置為具有操作地布置在熱區域18中的第一帶輪和操作地布置在冷區域20中的第二帶輪40，或者相反。惰輪42可以類似地布置在冷區域20中。熱カ發動機14還包括兩個正時構件，第一正時帶輪39和第二正時帶輪41，所述正時帶輪分別固定至第一帶輪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 (兩個驅動帶輪)之間的機械聯接,使得任ー驅動帶輪的旋轉確保了另ー個沿相同方向的旋轉。第一正時帶輪39和第二正時帶輪41通過正時鏈或正時帶43連結。可替換地，與鏈或嚙合齒輪連結的正時機構，諸如鏈輪，也可用於提供第一帶輪38和第二帶輪40之間的機械聯接。如可以意識到的，其他同步設備可以用於實現相同或相似的功能。在第一帶輪38和第二帶輪40之間的包括由正時鏈43 (除了形狀記憶合金材料22之外)提供的機械聯接意味著熱カ發動機14可以稱為同步的熱カ發動機。在ー種配置中，第一帶輪38和第一正時帶輪39可以被整合到單個帶輪中，由此SMA材料22可以被保持在第一徑向距離處，且正時線纜43可以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可以被整合到單個帶輪中，由此SMA材料22可以被保持在第三徑向距離處，且正時線纜43可以被保持在第四徑向距離處。第一和第三距離可以限定SMA帶輪比，而第二和第四距離可以限定正時帶輪比，所述正時帶輪比可不同於SMA帶輪比。在圖2示出的實施例中，第一正時帶輪39在直徑上大於第二正時帶輪41。然而，在圖3示出的實施例中，正時帶輪具有實質上相同的尺寸，但第一帶輪78在直徑上大於第ニ帶輪80。直徑的差值改變了由相應的帶輪構件提供的反扭矩或力矩臂。關於帶輪的不同的カ矩臂(即，帶輪比的差值)導致沿熱區域18附近的形狀記憶合金材料22由收縮カ產生的合成的扭矩，如此處所解釋的。
熱カ發動機14配置為將熱能轉化為機械能，且在從動部件16的幫助下，將機械能轉化為電能。更具體地，能量獲取系統10利用熱區域18和冷區域20之間的溫度差、經由形狀記憶合金材料22來產生機械能和/或電能，如在下面更詳細地解釋的。從可用的熱能創建的機械能和電能可以被使用或儲存，與允許熱能耗散形成対照。形狀記憶合金材料22布置為與熱區域18和冷區域20中的每ー個熱接觸，或與其熱交換連通。熱カ發動機14的形狀記憶合金材料22具有晶相(crystallographic phase),該晶相可以響應熱區域18和冷區域20的第一和第二溫度的暴露在奧氏體(austenite)與馬氏體(martensite)之間變化。如此處使用的，術語「形 狀記憶合金」(常簡寫為「SMA」)是指呈現出形狀記憶效應的合金。即，形狀記憶合金材料22可以經受凝固態、晶相變化，以在馬氏體相態(即，馬氏體)和奧氏體相態(即，奧氏體)之間轉變。替換地說，形狀記憶合金材料22可以經受位移性轉變，而不是擴散性轉變，以在馬氏體和奧氏體之間轉變。位移性變換是結構變化，其通過原子(或原子團)相對於它們近鄰的原子(或原子團)的協調運動而發生。通常，馬氏體相是指較低溫相態，並常常比較高溫奧氏體相態位更易變形一馬氏體相態具有更低模量。形狀記憶合金材料22開始從奧氏體相態變化至馬氏體相態的變化所在溫度被稱作馬氏體起始溫度，Ms。形狀記憶合金材料22完成從奧氏體相態變化至馬氏體相態的變化所在溫度被稱作馬氏體完成溫度，Mf。類似地，隨著形狀記憶合金材料22被加熱，形狀記憶合金材料22開始從馬氏體相態變化至奧氏體相態的變化所在溫度被稱作奧氏體起始溫度，As。形狀記憶合金材料22完成從馬氏體相態變化至奧氏體相態的變化所在溫度被稱作奧氏體完成溫度，Af。由此，形狀記憶合金材料22的特徵可以在於冷狀態，即，何時形狀記憶合金材料22的溫度在形狀記憶合金材料22的馬氏體結束溫度Mf之下。類似地，形狀記憶合金材料22的特徵也可以在於熱狀態，即，何時形狀記憶合金材料22的溫度在形狀記憶合金材料22的奧氏體完成溫度Af之上。在操作中，當處在馬氏體相態時受拉伸應力已經預應變的形狀記憶合金材料22能夠在響應熱輸入而改變晶相時改變尺寸，以由此將熱能轉化為機械能。即，形狀記憶合金材料22可以在從馬氏體加熱至奧氏體時改變晶相，並由此在假塑性地預應變的情形中在尺寸上收縮，以將熱能轉化為機械能。相反，當被冷卻時，形狀記憶合金材料22可以將晶相從奧氏體改變至馬氏體，並且如果處於應カ下，則在尺寸上伸展，以將熱能轉化為機械能。假塑性地預應變是指形狀記憶合金材料22在馬氏體相態中時的伸展，從而由形狀記憶合金材料22在加載條件下展現出的應變在卸載時不完全恢復，而純彈性應變將會完全恢復。在形狀記憶合金材料22的情形中，可以對材料加載，從而超過彈性應變極限，且在超過材料的真塑性應變極限之前，變形發生在材料的馬氏體晶體結構中。在這兩個極限之間的該類型的應變是假塑性應變，被稱為這樣是因為在卸載時，其表現為已塑性變形。然而，當加熱至形狀記憶合金材料22轉換至它的奧氏體相態的點時，應變能夠恢復，使形狀記憶合金材料22返回至在載荷施加之前觀察到的原始長度。形狀記憶合金材料22可以在安裝至熱カ發動機14之前伸展，使得形狀記憶合金材料22的名義長度包括可恢復的假塑性應變。在假塑性變形態(較長長度)和完全恢復奧氏體相態(較短長度)之間的交替提供用於促動或驅動熱力發動機14的運動。在沒有預伸展形狀記憶合金22的情況下，在相變期間幾乎觀察不到變形。形狀記憶合金材料22可以在改變晶相時改變模量和尺寸兩者，以由此將熱能轉化為機械能。更具體地，形狀記憶合金 材料22，如果假塑性地預應變，可以在使晶相從馬氏體改變至奧氏體時在尺寸上收縮，並且，如果在拉伸應カ下，可以在使晶相從奧氏體改變至馬氏體時在尺寸上擴張(伸展)，以由此將熱能轉化為機械能。因此，當溫度差存在於熱區域18的第一溫度和冷區域20的第二溫度之間時，即，當熱區域18和冷區域20沒有處於熱平衡時，布置在熱區域18和冷區域20內的形狀記憶合金材料22的相應局部區域可以在使晶相在馬氏體和奧氏體之間改變時分別在尺寸上擴張和收縮。形狀記憶合金材料22可以具有任何合適的組分。具體地，形狀記憶合金材料22可以包括從包括但不限於以下內容的組中選擇的元素鈷、鎳、鈦、銦、錳、鐵、鈀、鋅、銅、銀、金、鎘、錫、矽、鉬、鎵、及其組合。例如，但不限於，合適的形狀記憶合金材料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-猛-鎵基合金、銅基合金(例如，銅-鋅合金、銅-招合金、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、及其組
ロ O形狀記憶合金材料22可以是二元的、三元的、或任意更高元的，只要形狀記憶合金材料22展現出形狀記憶效應，即，形狀取向、阻尼容量(damping capacity)等的變化。具體的形狀記憶合金材料22可以根據熱區域18和冷區域20的期望的運轉溫度來選擇，如在下面更詳細描述的。在ー個具體示例中，形狀記憶合金材料22可以包括鎳和鈦。如圖I所示，能量獲取系統10可以包括控制系統32，所述控制系統配置為分別監控熱區域18和冷區域20中的流體的第一和第二溫度。控制系統32可以操作地連接至能量獲取系統10的任何部件。控制系統32可以是計算機，所述計算機和能量獲取系統10的一個或多個控制器和/或傳感器電通信。例如，控制系統32可以與在熱區域18和冷區域20內的溫度傳感器、與從動部件16的速度調節器、流體流動傳感器、和/或配置為用於監控從動部件16產生的電30的計量器通信。附加地，控制系統32可以配置為在能量獲取系統10的預定條件下控制能量的收集，例如，在能量獲取系統10已運轉持續足夠的時間段、使得熱區域18和冷區域20之間的溫度差處於足夠的或最佳的差值處之後。還可以使用能量獲取系統10的其他預定條件。控制系統32還可以配置為提供選項以手動地超馳熱カ發動機14以及允許能量獲取系統10有效地關閉，諸如當供應熱區域18的熱能處於導致SMA的過加熱的太高的溫度吋，或另外被需要且不應當通過熱カ發動機14被轉化至其他形式的能量吋。聯接裝置17還可以受控於控制系統32，以選擇性地將熱カ發動機14與從動部件16脫離接合。來自從動部件16的電30可以被傳送至儲存裝置36，所述儲存裝置36可以是但不限幹，電池、電池組、或另外的能量儲存裝置。儲存裝置36可以定位為接近能量獲取系統10，但與其物理上隔開。對於此處描述的任何示例，能量獲取系統10可包括多個熱カ發動機14和/或多個從動部件16。類似地，能量獲取系統10可以聯接至附加的能量獲取系統10或連同其一起運轉，其中，每ー個能量獲取系統10都包括至少ー個熱カ發動機14和至少ー個從動部件
16。多個熱カ發動機14的使用可以利用遍及能量獲取系統10的具有溫度差的多個區域。再次參考圖2，第一帶輪38和第二帶輪40還可以是，但不限於，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僅沿ー個方向旋轉。第一帶輪38、第二帶輪40、或惰輪42操作地連接至從動部件16，使得旋轉一作為形狀記憶合金材料22的尺寸變化的結果一驅動從動部件16。此外，每ー個帶輪構件都可以連接至從動部件16，或可以在將機械能傳送至從動部件16之前供送至變速器或齒輪系統中。儘管三個旋轉構件在圖2中示出，應意識到，可以使用更多或更少的構件。如此處描述的，形狀記憶合金材料22可以嵌入在帶子內，或形成在線纜或編織物中。此外，形狀記憶合金材料22可以配置為縱向延伸線，其被嵌入在帶子內，使得所述帶子作為相關聯的形狀記憶合金材料22伸展和收縮的函數而縱向伸展或收縮。附加地，或可 替換地，形狀記憶合金材料22可以配置為ー個或多個螺旋彈簧，所述螺旋彈簧可以嵌入帶子中。形狀記憶合金材料22可以是具有任何期望的橫截面形狀的線，所述形狀即，圓形、矩形、八角形、條形、或本領域技術人員所知的任何其他形狀。另外，帶子可以至少部分地由彈性材料形成。例如，弾性材料可以是人造橡膠、聚合物、其組合等。帶子可以形成為連續環，如圖2和3中所示,或形成為細長條。在圖2所示的熱カ發動機14的運轉中，形狀記憶合金材料22的局部區域可以布置在熱區域18內，或直接與其相鄰，使得第一溫度導致形狀記憶合金構件22的相應局部區域縱向收縮，此收縮是熱區域18的第一溫度的函數。類似地，形狀記憶合金材料22的另ー局部區域可以類似地布置在冷區域20內或與其相鄰，使得第二溫度導致形狀記憶合金材料22的局部區域縱向伸展，此伸展為冷區域20的第二溫度的函數。例如，如果熱區域18的第一溫度處於熱狀態或在熱狀態之上，形狀記憶合金材料22的相關聯局部區域將縱向收縮，作為形狀記憶合金材料22從馬氏體相態至奧氏體相態的相變的結果。類似地，如果冷區域20的第二溫度低於冷狀態，形狀記憶合金材料22的相關局部區域將被形狀記憶合金材料22中的張カ縱向伸展，作為形狀記憶合金材料22從較高模量的奧氏體相態至較低模量的馬氏體相態的相變的結果。形狀記憶合金構件22可以繞第一帶輪38和第二帶輪40不斷地環繞，使得由形狀記憶合金構件22給予的運動導致第一帶輪38和第二帶輪40 (還有惰輪42)中的每ー個旋轉。形狀記憶合金材料22的局部區域的縱向伸展和/或收縮將運動從形狀記憶合金構件22傳遞至第一帶輪38和第二帶輪40，以移動或驅動從動部件16。所述局部區域是形狀記憶合金構件22的、在任意給定時刻位於相應熱區域18和冷區域20中的那些部分。如圖2的熱カ發動機14所示，當形狀記憶合金構件22在被熱區域18加熱之後收縮時，第一正時帶輪39提供比第二正時帶輪41更大的反扭矩。因此，形狀記憶合金構件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共同旋轉)之間的收縮導致形狀記憶合金構件22朝向第一帶輪38移動。隨著熱力發動機14進入動態運轉，形狀記憶合金構件22、第一帶輪38、和第二帶輪40逆時針旋轉(如圖2所示)。熱カ發動機14不需要用於熱區域18和冷區域20的液體浴。因此，形狀記憶合金構件22和熱カ發動機14的相當量的部分不需要浸沒在液體中。現在參考圖3，以及繼續參考圖I和2，示出另ー熱力發動機54，其還可以被併入圖I中所示的熱回收系統10以及與其一起使用。其他圖中所示和所述的特徵和部件可以被併入，以及與圖2中所示的那些一起使用。熱カ發動機54布置為與熱區域58和冷區域60熱交換連通。熱カ發動機54包括形狀記憶合金構件62，該形狀記憶合金構件以圍繞第ー帶輪78、第二帶輪80、和惰輪82的連續環行進。第一正時帶輪79和第二正時帶輪81通過正時鏈83機械地聯接。將由第一帶輪78和第二帶輪80之間的正時鏈83 (除了形狀記憶合金構件62之外)提供的機械聯接包括在內意味著熱カ發動機54還可以稱為同步熱カ發動機。與圖2所示的熱カ發動機14不同，在圖3的熱カ發動機54中，第一正時帶輪79和第二正時帶輪81的直徑本質上相等。在ー種配置中，第一和第二正時帶輪79、81可以是第一和第二帶輪78、80的各自的輪軸。在熱カ發動機54中，第二帶輪80具有比第一帶輪78更大的直徑。 如圖3的熱カ發動機54所示，當形狀記憶合金構件62在被熱區域58加熱之後收縮時，第二帶輪80創建比第一帶輪78更大的力矩臂。然而，第一正時帶輪79和第二正時帶輪81提供相等的反扭矩。因此，在第一帶輪78和第二帶輪80之間的形狀記憶合金構件62的收縮導致形狀記憶合金構件62再次朝向第一帶輪78移動。隨著熱力發動機54進入動態運轉，形狀記憶合金構件62、第一帶輪78、和第二帶輪80逆時針旋轉(如圖3所示)。現在參考圖4,並繼續參考圖1-3,示出做功圖90的示意圖形表示。做功圖90的X-軸線91示出圖2中所示的形狀記憶合金構件22、圖3中所示的形狀記憶合金構件72、或併入到熱カ發動機中的另外的SMA工作構件的長度，諸如熱力發動機14或熱カ發動機54。做功圖90的y-軸線92示出圖2中所示形狀記憶合金構件22、圖3中所示的形狀記憶合金構件72、或另外的SMA工作構件的張力。做功圖90示出了在熱カ發動機14或熱カ發動機54的操作過程中形狀記憶合金構件22或形狀記憶合金構件72的一位置或區域在環繞時的做功路徑94。力在位移(即，長度的改變)上的施加需要做功。淨功帶(net work zone)96表示形狀記憶合金構件22或形狀記憶合金構件72在每ー圈上完成的淨功。因此，淨功帶96大於零的事實表示形狀記憶合金構件22或形狀記憶合金構件72從可用於熱カ發動機14或熱カ發動機54的熱能產生機械功。如圖5大體所示的，熱カ發動機18可以包括位於冷區域20內的惰輪42。惰輪可以與彈簧102或一些其他偏置設備聯接，所述彈簧或偏置設備可以用於調節SMA元件22中的張力。彈簧102可以與某ー相對基部104聯接，所述相對基部可以為彈簧102提供穩定的反作用力。在ー種配置中，相對基部可以是汽車底盤的一部分。在實施例中，偏壓彈簧102可以由合適的形狀記憶合金構成，所述形狀記憶合金處於它的超彈性構造中。除了考慮到SMA元件22中的過度鬆弛，彈簧102和惰輪42還可以創建幾何布局，類似於圖5中所示的幾何布局，其中SMA在冷區域20內行經的長度長於在熱區域18內行經的長度。這樣的幾何布局允許SMA元件22在為後續的加熱循環而重新進入熱區域18之前更充分地冷卻。為了進一步促進充分冷卻，惰輪42可以配置為通過與SMA直接接觸而將熱傳導到SMA元件22之外。這樣，可以使用大直徑惰輪42，諸如圖5所示，以提供與SMA22直接接觸的更長長度。另外，可以使用多個交錯的惰輪(未示出)，其中SMA元件22在各個帶輪之間交織，用於最大化的直接接觸。為了進一步增加接觸，帶輪(包括帶輪38、40、42)可以塗覆有物質，以減少每ー個相應的帶輪和SMA元件22之間的熱阻。這樣的塗層可包括，例如，油、樹脂、或刷形表面紋理為了促進熱傳輸至各個帶輪38、40、41之外，帶輪可以具有徑向內部葉輪部分(即，徑向向外SMA導軌的內部)，葉輪部分可以促進任何橫向流動空氣和帶輪本身之間的增強的對流。另外，為了促進帶輪和SMA元件22之間的更大表面接觸，在實施例中，帶輪可以具有部分順應表面，用於接收SMA元件。在運轉期間，最小化SMA元件22和工作帶輪38、40之間的滑移(最大化附著摩擦力)可能是優勢的。如可以理解的，任何相對滑移都可以減少能夠從系統的旋轉運動抽取的功率輸出(即，完全滑移=沒有旋轉=沒有功輸出)。儘管帶輪可以塗布有抗滑移材料(即，促進更大附著摩擦力的塗層)，還是有材料在帶輪上發生相變的風險一其可以導致滑移。為了減少該風險，加熱帶輪40和冷卻帶輪38兩者都可以被保持在較窄的溫度範圍內。例如，加熱帶輪40可以被保持在略微在馬氏體起始溫度之上的溫度。類似地，冷卻帶輪38可以被保持在略微在奧氏體起始溫度之下的溫度。這樣，相應的帶輪38、40可以不通過傳導主動引起材料相變。這些溫度可以被保持，例如，通過傳熱設計，所述傳熱設計添加了足夠的供熱或冷卻能力，以保持相應的溫度。參考圖6，且大體如上所示，提供至熱區域18內的SMA元件22的熱能可以導致SMA22運動。該運動可以被捕獲為輸出軸118的旋轉/扭矩116。在實施例中，輸出軸118可以通過聯接裝置17聯接至從動構件16。聯接裝置17可以包括變速器、齒輪減速器和/或離合器，其可以允許熱カ發動機基於可用的扭矩116而更好地匹配輸出功率要求。在運轉中，聯接裝置17可以作為離合器運轉，以防止熱カ發動機經歷停轉狀態(即，從動部件的功率要求超過由熱力發動機14產生的可用扭矩116的情況)。例如，離合器可以配置為使得，如果熱カ發動機14滑移至一定速度之下，則從動部件16 (例如，發電機)可以部分地或完全地脫離接合，使得發動機轉速可以增加以及SMA22不冒過熱的風險。在這樣的實施例中，離合器可以是離心カ離合器，其僅在高於特定旋轉速度被接合。在另ー實施例中，可以有斷開式聯軸節，其在高於特定扭矩負載脫離接合或滑移。可替換地，離合器可以被分立的SMA促動器接合，所述SMA促動器配置為，當熱區域中的溫度在ー合適水平之上時，收縮和接合離合器。離合器可以類似地經受主動控制，由此控制器32可以主動監控SMA元件22的溫度，以及如果溫度位於預定閾值之上，則使離合器脫離接合(或改變聯接裝置的齒輪比，以降低熱カ發動機上的負載)。聯接裝置17還可以當熱カ發動機的轉速處於預定閾值之下時，通過經由離合器設備使從動部件脫開聯接而促進熱カ發動機14的啟動。例如，控制器32可以監控其中一個帶輪的旋轉速度，並可以選擇性地使從動部件16從熱カ發動機14脫開聯接，以去除扭矩牽引和/或最小化系統慣量。一旦被脫開聯接，熱區域可以被熱能的陡階躍作用衝擊(例如，通過激活加熱元件或通過移除相鄰熱屏蔽件)。這樣的突然衝擊可促成SMA元件22的快速收縮(即，快速奧氏體轉變)，其可以足以克服各個帶輪或其它旋轉部件的慣量和靜摩擦。可替換地，從動部件16，諸如馬達/發電機，可以被輔助能量源驅動，以輔助起動過程。聯接裝置17可以類似地具有動カ傳輸部件，所述動カ傳輸部件配置為，基於由熱力發動機14產生的可用扭矩116和/或從動部件16的要求或需要來調節輸出軸的動力或轉速。這樣的傳動裝置可以具有固定的動カ減小比(即，齒輪比)，或可以基於實時要求/動カ可用性來動態地調整所述比。動態調整可以被執行，例如，通過聯接裝置17本身(例如，以主動方式來保持恆定的扭矩或速度牽引)，或通過控制器32的主動調節。除了包括具有聯接裝置17的動カ傳輸部件，基於系統的應用，輸出軸可以初始地與任一工作帶輪38、40聯接。因為帶輪具有不同的角速度，其由正時帶輪39、41的比導致，輸出帶輪的選擇可以為系統提供初始傳動裝置。在另ー實施例中，在兩個正時帶輪39、41之間的齒輪比可以被主動修改，以動態調整系統性能和/或促進熱カ發動機14的起動。利用自適應正時齒輪比能夠改變系統的效率和性能，以適應寬範圍的運轉條件(例如，周圍環境溫度、系統負載、瞬變條件等)。在實施例中，系統可以將SMA元件(不同於SMA元件22)用作溫度依賴促動器，以實現自適應齒輪比。自適應傳動裝置的其他已知的方法可以類似地被使用。在實施例中，系統的平穩運轉可以通過將飛輪包括在內而保持。例如，惰輪42，或一些其他輔助帶輪可以包括飛輪型屬性，或可以齒輪連接至分立的飛輪，所述分立的飛輪可以用於對波動的傳熱和/或動カ引入需求保持恆定的線動カ(wire power)和溫度循環。常規的旋轉飛輪設計可以在最大的量的旋轉慣量可以最小可能的重量產生的情形下被使用。為了進一步增加系統的效率，熱カ發動機14可以配置為當SMA元件22在其轉變為馬氏體狀態期間排熱時，回收SMA元件22的潛熱。這可以例如，通過將多個熱カ發動機14串聯分段布置實現，其中第一熱カ發動機14的冷區域20是第二熱カ發動機的熱區域18。圖7大體示出啟動熱力發動機14的方法120。如圖所示，方法120可以由使用控制器32來檢測熱區域和冷區域之間的熱梯度(步驟122)開始。如果梯度被檢測，在ー種配置中，可以初始地使用外部能量源為從動部件16提供動力，以開始SMA材料的運動(步驟124)。例如，在從動部件為發電機的情形下，步驟124可以通過將電供應至發電機來執行，以引起輸出軸118的旋轉。該旋轉可以驅動一個或多個帶輪，其可以使SMA材料22的運動開始。在其他配置中，熱カ發動機可以自起動，且該步驟可以被省略。一旦熱梯度被檢測和/或SMA材料開始在熱區域18中產生相變收縮力，則從動部件可以被選擇性地脫開聯接(步驟126中)，以減少系統慣量(可替換地，從動部件可以已經在之前被脫開聯接，諸如在停車過程期間)。例如，如上所述，控制器32可以使聯接裝置17的離合器脫離接合。在步驟128中，控制器32可以監控SMA材料的速度，以及將檢測到的速度與預定閾值比較。一旦速度超過閾值，則控制器32可以開始經由聯接裝置17的促動而使從動部件16重新接合。在ー種配置中，重新結合可以是漸進式重新接合，諸如通過自適應齒輪比或通過摩擦離合器的漸增施加。以該方式，旋轉慣量可以逐漸建立，而不是經由増加的系統質量的階躍作用而突然衝擊系統。在從動部件在步驟128中被接合之後，控制器可以在熱區域18內監控SMA材料22的溫度和/或速度。控制器32可以適應地控制聯接裝置17(步驟130中)，以防止溫度超過預定的過熱溫度閾值，或防止SMA材料停止運動(降到預定速度閾值之下)。例如，如果監控到的溫度超過閾值，則控制器可以增加聯接裝置的齒輪比，以減少熱カ發動機上的負載。為了進一歩提高效率，下述的以下設計因素/考慮/設計元素可以當構造熱カ發動機14時被考慮或整合空氣流動特性對於被空氣加熱和/或冷卻配置，氣流相對於線長度的速度(大小和方向)在傳熱能力中起作用一特別是在湍流流態中；氣流速度對總傳熱係數的影響在層流流態中更弱。考慮因素，諸如相對於金屬線運動方向空氣流動是否是平行、垂直、逆向、交叉或具有多個方向以及在線和氣流中的空間溫度梯度的相對取向也有影響。空氣流動中的波動(方向或大小)還通過促進散料混合(bulk mixing)來改進熱傳遞。最後，水蒸氣和浮質(例如，菸灰、灰塵等)的百分比也通過引入驅動對流傳熱的密度梯度或通過傳播輻射傳熱而分別影響傳熱狀態。熱カ發動機14設計可以使用常規的熱力學和流體動力學原理來考慮這些空氣流動特性。 相變傳熱相變(例如，冷凝蒸汽、蒸發、沸騰)與比強制對流顯著大(IO-IOOx)的傳熱係數相關聯。進而，相變在恆定溫度下或相當窄的溫度範圍內發生，這使得熱交換過程的控制以及分析和優化設計更簡単。去溼劑和其它表面改性劑可以用於促使逐滴的而不是薄膜冷凝/沸騰，並有助於獲得有效傳熱係數的進ー步的2-10x的改進。如果允許經受相變的物質與其它物質直接接觸則可實現非常高的熱傳遞速率，例如飽和甲醇或氨水能夠從SMA元件直接蒸發，以在幾乎恆定的溫度下獲得非常高的冷卻率；類似地，水可以直接冷凝在SMA元件上，以在幾乎恆定的溫度下提供高加熱率。金屬線網、壓カ密封件(wiper seal)、碎布層(bed of rags)、或其他類似的技術可以用於減輕冷凝液體流出加熱腔室。可以還通過使用噴射器/噴嘴以將冷卻介質的薄霧噴射在線上，或使用碎布層/金屬線網/擦拭件以將冷卻介質的薄塗層施加在SMA元件上，來促成蒸發性冷卻。可以使SMA元件穿過溼蒸汽/冷水飽和腔室或碎布架，以分別促成更高的加熱/冷卻率。液體加熱冷卻液體至固體傳熱率大致高於氣體至固體傳熱率10倍。相應地，熱或冷液體浴可以用於分別加熱或冷卻SMA元件。熱輻射UV、可見光和IR波段中的熱輻射可以用於加熱/冷卻SMA元件。日照與合適的聚焦反射器一起能夠用於快速和均勻地加熱SMA元件。經冷卻的熱沉，其在SMA金屬線的最大發射率的波長的範圍內具有高吸收性，能夠用於快速冷卻金屬線。固體至固體的傳熱固體至固體的傳熱率比液體至固體的傳熱率高得多；它們具有與相變熱交換率相同的量級。這可以被採用，以促進熱カ發動機中的更高的加熱/冷卻率，例如，通過使用經加熱/冷卻的帶輪，元件在所述帶輪上經過(但是避免帶輪上的相變)，通過將具有高熱容量的熱/冷體移動為與金屬線接觸和不與金屬線接觸，等。湍流/散料混合促進器已知流動調節器，諸如延伸的表面、絆線、入口渦旋發生器、扭曲表面、和促成湍流和相關聯散裝流體混合的其他類似的調節器可以顯著地増加傳熱率。多行布置的SMA元件中的交替的行的SMA元件的簡單交錯可以引起下遊列中的高傳熱率。在前列中由在元件上的流動產生的渦流和漩渦，所述渦流和漩渦與所述流動在其經過元件的前列時的加速結合,在SMA元件的下遊列中引起更高的傳熱率。附連至帶輪的葉片或其他流動調節器也能夠用於改進傳熱率。智能流動導向裝置導向裝置，其將加熱/冷卻流體導向SMA元件上，其本身可由主動式元件製成，諸如形狀記憶合金。該主動式元件對它的運轉環境的變化的響應能夠用於將傳熱調整至SMA元件22/從SMA元件22調整傳熱。例如，如果熱流體的溫度上升超過安全水平，則其他熱激活SMA元件可以用於分流ー些熱流體流。振動弓I發的傳熱增強金屬線的振動(例如，處於與金屬線長度正交的平面中)已示出傳熱率增加了 10倍。高振幅、低頻率和低振幅、高頻率振動兩者都有助於增強傳熱。這樣,在實施例中,這樣 的振動可以被賦予SMA元件22。電場引發的傳熱增強電場已示出為，通過直接將カ施加在被充電的粒子上以由此影響它們附近的流體的混合來改進在具有傳導粒子的介質(例如，電離氣體)中的傳熱。然而，由於介電電泳，電場還能夠促進介電流體介質的混合。因此，電場能夠用於增強和控制至SMA元件22/來自SMA元件22的傳熱。蓄熱器蓄熱器型熱交換器能夠用於，通過提供熱緩衝器以儲存熱量和通過使用任何被儲存的熱量來預加熱SMA元件兩者,來改進熱力發動機的性能。通過防止SMA元件的冷卻至特性溫度之下，這樣的蓄熱器型熱交換器能夠減少逆變換在加熱上所需的熱輸入量，可以由此改進系統的能量轉換效率。熱管熱管可以用於將熱從熱源高效地運送至SMA元件和/或從SMA元件高效地運送至熱沉。固定的或可變的導熱管可以用於在熱源、SMA元件和熱沉之間的傳熱期間減輕溫度下降。渦流管在衝壓空氣能夠被轉換為高靜氣壓的情況下(例如，在運動著的車輛中)，該高壓空氣能夠在渦流管中被熱力學地分開為冷流和熱流。這些流能夠分別用於增強冷卻和加熱率。儘管此處已列出了許多熱力發動機設計的方法，但它們可以每個獨立地或共同地用於改進形狀記憶合金熱カ發動機的傳熱率或效率，或改進它的可控性。因此，沒有ー種方法應被考慮為限制性的或排他性的，許多或所有實施例可以共同或結合地使用。儘管已經對執行本發明的較佳模式進行了詳盡的描述，但是本領域技術人員可得知在所附的權利要求的範圍內的用來實施本發明的許多替換設計和實施例。目的是，包含在上述描述或附圖中所示的所有事物應該解釋為僅說明性且非解釋為限制性。相關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的權益，上述申請均於2011年2約28日提交。所有所述申請通過引用在此被全部併入。
關於聯邦資助的研究或開發的聲明本發明在美國政府的支持下根據由能源部批准的協議/項目號=ARPA-E合同編號DE-AR0000040。美國政府對本發明具有一定的權利。
權利要求
1.一種起動和操作形狀記憶合金(SMA)熱カ發動機的方法，所述熱カ發動機具有第一可旋轉帶輪、第二可旋轉帶輪、和SMA材料，所述SMA材料繞第一和第二可旋轉帶輪布置，並位於熱區域和冷區域之間，該方法包括 使用控制器檢測熱區域和冷區域之間的熱能梯度； 使發電機從第一和第二可旋轉帶輪中的ー個脫開聯接； 監控SMA材料繞第一和第二可旋轉帶輪的轉速； 如果SMA材料的監控到的速度超過閾值，則重新接合從動部件；且其中，SMA材料配置為選擇性地在馬氏體和奧氏體之間改變晶相，並由此響應暴露於熱區域的溫度而進行收縮和擴張中的ー種，以及還響應暴露於冷區域的溫度而進行擴張和收縮中的ー種，由此將在熱區域和冷區域之間的熱能梯度轉化為機械能。
2.如權利要求I所述的方法，還包括在使發電機從可旋轉帶輪脫開聯接之前，使用發電機來開始SMA材料的運動。
3.如權利要求I所述的方法，其中，使發電機從可旋轉帶輪脫開聯接包括經由所述控制器命令聯接裝置脫離接合。
4.如權利要求3所述的方法，其中，所述聯接裝置包括電促動離合器。
5.如權利要求I所述的方法，還包括監控SMA材料的溫度；以及 改動布置在發電機和可旋轉帶輪之間的自適應扭矩傳輸裝置的齒輪比，以便如果SMA材料的溫度超過預定閾值，則減少所述熱カ發動機上的扭矩負載。
6.一種起動和操作形狀記憶合金(SMA)熱カ發動機的方法，所述熱カ發動機具有第一可旋轉帶輪、第二可旋轉帶輪、和SMA材料，所述SMA材料繞第一和第二可旋轉帶輪布置，並位於熱區域和冷區域之間，該方法包括 使用控制器檢測熱區域和冷區域之間的熱能梯度； 使用發電機開始SMA材料的運動，所述發電機與第一和第二可旋轉帶輪中的ー個聯接； 在所述運動開始之後，使發電機從第一和第二可旋轉帶輪中的ー個脫開聯接； 監控SMA材料繞第一和第二可旋轉帶輪的轉速； 如果SMA材料的監控到的速度超過閾值，則重新接合從動部件；且其中，SMA材料配置為選擇性地在馬氏體和奧氏體之間改變晶相，並由此響應暴露於熱區域的溫度而進行收縮和伸展中的ー種，以及還響應暴露於冷區域的溫度而進行伸展和收縮中的ー種，由此將在熱區域和冷區域之間的熱能梯度轉化為機械能。
7.如權利要求6所述的方法，其中，使發電機從可旋轉帶輪脫開聯接包括經由所述控制器命令聯接裝置脫離接合。
8.如權利要求7所述的方法，其中，所述聯接裝置包括電促動離合器。
9.如權利要求7所述的方法，其中，所述聯接裝置包括離合器和SMA促動器，該SMA促動器配置為，當熱區域的溫度超過預定溫度時，接合所述離合器。
10.如權利要求6所述的方法，還包括監控SMA材料的溫度；以及 改動布置在發電機和可旋轉帶輪之間的自適應扭矩傳輸裝置的齒輪比，以便如果SMA材料的溫度超過預定閾值，則減少所述熱カ發動機上的扭矩負載。
全文摘要
一種形狀記憶合金(SMA)熱力發動機，包括第一可旋轉帶輪、第二可旋轉帶輪、和SMA材料，所述SMA材料繞第一和第二可旋轉帶輪布置，並位於熱區域和冷區域之間。起動和操作SMA熱力發動機的方法包括，使用控制器檢測熱區域和冷區域之間的熱能梯度、使發電機從第一和第二可旋轉帶輪中的一個脫開聯接、監控SMA材料繞第一和第二可旋轉帶輪的轉速、以及如果SMA材料的監控到的轉速超過閾值則重新接合從動部件。SMA材料可以選擇性地在馬氏體和奧氏體之間、以及在熱區域和冷區域之間改變晶相，以將熱梯度轉化為機械能。
文檔編號F03G7/06GK102654115SQ20121004893
公開日2012年9月5日 申請日期2012年2月28日 優先權日2011年2月28日
發明者A.C.基夫, A.L.布朗, C.B.徹琪爾, G.A.赫裡拉, J.A.肖, J.W.布朗, N.D.曼卡姆, N.L.約翰森, P.W.亞歷山大, R.J.斯柯基斯 申請人:合金力學公司, 密西根大學董事會, 通用汽車環球科技運作有限責任公司