CN102072123B - 车辆能量收集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及车辆能量收集系统，具体地，一种能量收集系统包括热机和配置为由热机的操作驱动的构件。该热机包括第一部件，第二部件，形状记忆合金材料以及张紧装置。第二部件与第一部件隔开。形状记忆合金材料操作地将第一部件和第二部件互连。形状记忆合金材料被配置为响应于暴露到第一温度而选择性地将结晶相从马氏体变成奥氏体并从而收缩。形状记忆合金材料还被配置为响应于暴露到第二温度而选择性地将结晶相从奥氏体变成马氏体并从而膨胀。张紧装置被配置为当形状记忆合金材料选择性地膨胀和收缩时给形状记忆合金材料施加张力使得形状记忆合金材料张紧。
Description
相关中请的交叉引用
本申请要求2009年11月20日提交的美国临时专利申请61/263306的权益，通过引用将其公开纳入本文。
技术领域
本发明总地涉及一种用于车辆的能量收集系统，该车辆包括带张紧装置的热机。
背景技术
传统意义上的车辆由发动机提供功率，发动机给车辆提供功率并且提供功率给车辆的电池充电。电池提供功率以起动发动机以及操作各种车辆辅助装置。在运行期间，发动机产生大量的热，也就是说，通常被散逸在大气中并浪费掉的过量热能。技术的进步以及驾驶员对方便的追求导致辅助系统增加了额外的功率负载。功率负载的增加导致对车辆功率源的需求增加。此外，来自车辆功率源的很大一部分功率以热量的形式被浪费了。
然而，按照长期以来对燃料高效车辆的需求，渴望提高车辆燃料经济性的装置。所以，期望减少车辆传统功率源(比如电池和发动机)的功率负载和/或提高其效率的装置。
发明内容
一种热机，包括第一部件，第二部件，形状记忆合金材料以及张紧装置。所述第二部件与第一部件隔开。形状记忆合金材料操作地将第一部件和第二部件互连。形状记忆合金材料被配置为响应于暴露到第一温度而选择性地将结晶相从马氏体变成奥氏体并从而收缩。形状记忆合金材料还被配置为响应于暴露到第二温度而选择性地将结晶相从奥氏体变成马氏体并从而膨胀。张紧装置被配置为当形状记忆合金材料选择性地膨胀和收缩时给形状记忆合金材料施加张力使得形状记忆合金材料张紧。
一种能量收集系统，包括第一流体区域，第二流体区域，热机，构件和张紧装置。第一流体区域处于第一温度和第二温度之一。第二流体区域处于第一温度和第二温度的另一温度。第一温度小于第二温度。热机包括第一部件，第二部件和形状记忆合金材料。形状记忆合金材料操作地将第一部件和第二部件互连。形状记忆合金材料的局部区域被配置为响应于暴露到第一温度而选择性地将结晶相从马氏体变成奥氏体，从而收缩。形状记忆合金材料的局部区域还被配置为响应于暴露到第二温度而选择性地将结晶相从奥氏体变成马氏体，从而膨胀。构件可操作地连接到第一部件。第一部件被配置为响应于形状记忆合金材料的膨胀和收缩中的至少一个而移动，使得第一部件的运动驱动该构件。张紧装置被配置为在形状记忆合金材料选择性地膨胀和收缩时张紧形状记忆合金材料。
一种能量收集系统，包括第一流体区域，第二流体区域，热机，构件和张紧装置。第一流体区域处于第一温度和第二温度之一。第二流体区域处于所述第一温度和第二温度的另一温度。第一温度小于第二温度。热机包括第一部件，第二部件和带。带包括形状记忆合金材料并且操作地将第一部件和第二部件互连。形状记忆合金材料的局部区域被配置为响应于暴露到第一温度而选择性地将结晶相从马氏体变成奥氏体并从而收缩，使得对应于形状记忆合金材料的局部区域的带也收缩。形状记忆合金材料的局部区域还被配置为响应于暴露到第二温度而选择性地将结晶相从奥氏体变成马氏体并从而膨胀，使得对应于形状记忆合金材料的局部区域的带也收缩。构件可操作地连接到第一部件。第一部件被配置为响应于形状记忆合金材料的膨胀和收缩中的至少一个而移动，使得第一部件的运动驱动构件。当形状记忆合金材料的膨胀和收缩率相对于彼此改变或者从标准状态变化时，张紧装置被配置为在形状记忆合金材料选择性地膨胀和收缩时，张紧形状记忆合金材料。
本发明的上述特征和优点以及其它特征和优点从后面参考附图对本发明的最佳实施方式的细节描述可以看得更清楚。
本发明还提供以下解决方案：
1.一种热机，其包括：
第一部件；
与所述第一部件隔开的第二部件；
操作地将所述第一部件和所述第二部件互连的形状记忆合金材料；
其中，所述形状记忆合金材料被配置为响应于暴露到第一温度而选择性地将结晶相从马氏体变成奥氏体并从而收缩；以及
其中，所述形状记忆合金材料还被配置为响应于暴露到第二温度而选择性地将结晶相从奥氏体变成马氏体并从而膨胀；以及
张紧装置，所述张紧装置被配置为当所述形状记忆合金材料选择性地膨胀和收缩时给所述形状记忆合金材料施加张力，使得所述形状记忆合金材料被张紧并且处于预定的应力水平。
2.如方案1中的张紧系统，其中，所述张紧装置包括：
被配置为将所述形状记忆合金材料张紧的张紧元件；以及
偏置装置；
其中，所述偏置装置被配置为将所述张紧元件偏置成与所述形状记忆合金材料相接触。
3.如方案2中的张紧系统，其中，所述偏置装置是弹簧。
4.如方案2中的张紧系统，其中，所述偏置装置由处于奥氏体状态的形状记忆合金材料形成。
5.如方案2中的张紧系统，其中，所述偏置装置被配置为设置在所述张紧元件和反作用面之间，使得所述偏置装置反作用于所述反作用面以将所述张紧元件偏置成与所述形状记忆合金材料相接触。
6.如方案1中的张紧系统，其中，所述形状记忆合金材料形成连续的环。
7.如方案6中的张紧系统，其中，所述第一部件和所述第二部件的每一个都是可旋转的；
其中，所述形状记忆合金材料绕所述第一部件和所述第二部件的每一个延伸。
8.如方案7中的张紧系统，其中，所述第一部件和所述第二部件处于彼此间隔的关系，并且所述张紧装置被配置为改变所述第一部件和所述第二部件之间的距离来张紧所述形状记忆合金材料。
9.如方案8中的张紧系统，其中，所述第一部件基本上等于所述第一温度和所述第二温度中的一个，所述第二部件基本上等于所述第一温度和所述第二温度中的另一个。
10.如方案9中的张紧系统，其中，所述第一部件是多个第一部件，所述第二部件是多个第二部件；
其中，所述多个第一部件中的每一个布置成与所述多个第二部件中的每一个成交替关系；以及
其中，所述形状记忆合金材料绕着交替的所述多个第一部件和第二部件依次延伸。
11.如方案10中的张紧系统，其中，所述形状记忆合金材料绕着交替的所述多个第一部件和第二部件依次地延伸，使得所述多个第一部件中的每一个在第一方向旋转，所述多个第二部件中的每一个在与所述第一方向相反的第二方向旋转。
12.如方案11中的张紧系统，其中，所述多个第一部件和第二部件中的每一个绕中心轴线彼此以交替关系布置；
其中，所述多个第一部件的每一个比所述多个第二部件的每一个径向地布置成更靠近所述中心轴线。
13.如方案10中的张紧系统，其中，所述张紧装置被配置为径向地移动所述多个第一部件和第二部件中的至少一个，从而张紧所述形状记忆合金材料。
14.如方案13中的张紧系统，其还包括：
转绕所述中心轴线并限定多个第一花键轨道的第一环；
其中，所述多个第一部件中的每一个可移动地设置在所述多个第一花键轨道中的相应一个中；以及
围绕所述中心轴线并同轴地设置在所述第一环中并限定多个第二花键轨道的第二环；
其中，所述多个第二部件中的每一个可移动地设置在所述多个第二花键轨道中的相应一个中；
其中，所述多个第一花键轨道和第二花键轨道的每一个相对于与相应的第一环和第二环的每一个的内表面相切延伸的线以锐角延伸；
其中，所述多个第一部件中的每一个被配置为相对于所述第一环在相应的第一花键轨道中移动，使得所述第一部件的每一个关于所述中心轴线径向地移动从而张紧所述形状记忆合金材料；并且
其中，所述多个第二部件中的每一个被配置为相对于所述第二环在相应的第二花键轨道中移动，使得所述第二部件的每一个关于所述中心轴线径向地移动从而张紧所述形状记忆合金材料。
15.如方案13中的张紧系统，其中，所述张紧装置包括操作地与所述多个第一和第二部件的每一个连接的线性致动器，用来相对于所述中心轴线径向地移动所述多个第一和第二部件中的每一个，从而张紧所述形状记忆合金材料。
16.如方案1中的张紧系统，其中，所述张紧装置可以选择性地致动，使得所述张紧装置施加给所述形状记忆合金材料的张力受到选择性地控制。
17.如方案1中的张紧系统，其中，所述第一部件和第二部件中的至少一个是弹簧、叶轮和单向离合器之一。
18.一种能量收集系统，其包括：
具有第一温度和第二温度之一的第一流体区域；
具有所述第一温度和第二温度的另一温度的第二流体区域；
其中，所述第一温度小于所述第二温度；
热机，其包括：
第一部件；
第二部件；
操作地将所述第一部件和第二部件互连的形状记忆合金材料；
其中，所述形状记忆合金材料的局部区域被配置为响应于暴露到所述第一温度而选择性地将结晶相从马氏体变成奥氏体并从而收缩；并且
其中，所述形状记忆合金材料的局部区域还被配置为响应于暴露到所述第二温度而选择性地将结晶相从奥氏体变成马氏体并从而膨胀；
操作地连接到所述第一部件的构件；
其中，所述第一部件被配置为响应于所述形状记忆合金材料的膨胀和收缩中的至少一个而运动，使得所述第一部件的运动驱动所述构件；以及
张紧装置，其被配置为当所述形状记忆合金材料选择性地膨胀和收缩时将所述形状记忆合金材料张紧。
19.如方案18中的能量收集系统，其中，所述张紧装置包括：
被配置为将所述形状记忆合金材料张紧的张紧元件；以及
偏置装置；
其中，所述偏置装置被配置为将所述张紧元件偏置成与所述形状记忆合金材料相接触。
20.一种能量收集系统，其包括：
具有第一温度和第二温度之一的第一流体区域；
具有所述第一温度和第二温度的另一温度的第二流体区域；
其中，所述第一温度小于所述第二温度；
热机，其包括：
第一部件；
第二部件；
包括至少一个元件的带，所述元件由形状记忆合金材料制成；
其中，所述带操作地将所述第一部件和第二部件互连；
其中，所述形状记忆合金材料的局部区域被配置为响应于暴露到所述第一温度而选择性地将结晶相从马氏体变成奥氏体并从而收缩，使得对应于所述形状记忆合金材料的局部区域的所述带也收缩；并且
其中，所述形状记忆合金材料的局部区域还被配置为响应于暴露到所述第二温度而选择性地将结晶相从奥氏体变成马氏体并从而膨胀，使得对应于所述形状记忆合金材料的局部区域的所述带也膨胀；
操作地连接到所述第一部件的构件；
其中，所述第一部件被配置为响应于所述形状记忆合金材料的膨胀和收缩的至少一个而运动，使得所述第一部件的运动驱动所述构件；以及
张紧装置，其被配置为当所述形状记忆合金材料选择性地膨胀和收缩时将所述形状记忆合金材料张紧。
21.如方案20中的能量收集系统，其中，所述张紧装置包括：
被配置为将所述带张紧的张紧元件；以及
偏置装置；
其中，所述偏置装置被配置为将所述张紧元件偏置成与所述带相接触。
附图说明
图1是具有包括热机的能量收集系统的车辆的示意图；
图2是图1的具有张紧装置的热机的示意性侧视图；
图3是图1的具有张紧装置的另一热机的示意性侧视图；
图4是图1的具有张紧装置的又一热机的示意性侧视图；以及
图5是图1的具有张紧装置的又一热机的示意性侧视图。
具体实施方式
参见附图，其中相同的参考标号表示相同的元件，车辆在图1中以10总地示出。车辆10包括能量收集系统12。能量收集系统12可包括热机14和从动构件16。
参见图2，热机14包括形状记忆合金材料22并且被可操作地设置在第一流体区域18和第二流体区域20中。热机14还包括第一部件38和第二部件40。该第一部件38可操作地设置在第一流体区域18中，该第二部件40可操作地设置在第二流体区域20中。热机14被配置为将热能例如热转换成机械能，然后从机械能转换成电能。更具体地，能量收集系统12利用第一流体区域18和第二流体区域20之间的温差，通过形状记忆合金材料22来产生机械能和/或电能，如后面所详细描述那样。
再参见图1，车辆10限定了舱室24，其可以容纳车辆10的功率源和驱动源，也就是产生热的发动机和变速器(未示出)。舱室24可以和周围环境隔绝也可以不隔绝，其可能包括一个或者多个区域和构件，比如排气管，催化转换器，减震器，制动器以及能量散逸的任何其它区域，比如乘客舱或者，在电动车辆中的电池舱。
能量收集系统12至少部分地位于舱室24内。该舱室24包括具有第一温度的第一流体区域18，和具有不同于第一温度的第二温度的第二流体区域20。第一温度可大于第二温度，或相反。
第一流体区域18和第二流体区域20可彼此隔开，或者通过足够的热交换屏障26隔开，该屏障26比如为隔热屏，Peltier装置等等。热交换屏障26可被用来将舱室24分为第一流体区域18和第二流体区域20，使得获得所期望的第一流体区域18和第二流体区域20之间的温差。在能量收集系统12的第一流体区域18和第二流体区域20内的流体可以是气体、液体或者其组合。当设置在第一流体区域18和第二流体区域20之间的热交换屏障26是Peltier装置时，热交换屏障26被配置为在热交换屏障26的一侧上产生热并且冷却屏障26的相反侧。第一流体区域18和第二流体区域20可以流体地连接到一对气缸盖(未示出)，气缸盖捕获从各流体区域18，20中散出的能量。泵可设置为与第一流体区域18和第二流体区域20中的至少一个以及气缸盖流体连通，从而循环和移动流体。能量收集系统12可被配置为利用区域比如靠近催化转换器、车辆电池、变速器、制动器、悬挂部件也就是减震器、和/或热交换器也就是散热器的在车辆10中的第一流体区域18和第二流体区域20之间的温差。另外，能量收集系统12可被配置为利用对于电动车辆的电池舱24或者热交换器内的在车辆10中的第一流体区域18和第二流体区域20之间的温差。应当明白，能量收集系统12可以被配置为利用车辆其它区域的温差，如本领域技术人员所知晓的。本领域技术人员能确定具有相关温差的区域和能量收集系统12的热机14来利用温差的合适的位置。
舱室24可以是发动机舱室，其中第一流体区域18和第二流体区域20中的流体是空气。但是应当明白，本领域技术人员所知晓的其它流体也可以被用于该舱室24中。另外，热机14和构件16可以被开口的壳体28所包围。该壳体28可限定电气构件比如电线可通过的腔(未示出)。
参见图2，形状记忆合金材料22被设置成与第一流体区域18和第二流体区域20的每一个成热接触或热交换的关系。热机14的形状记忆合金材料22具有响应于暴露到第一和第二温度的第一和第二流体区域18，20在奥氏体和马氏体之间可变化的结晶相。如本文所用，术语“形状记忆合金”(SMA)是指表现出形状记忆效应的合金。也就是，形状记忆合金材料22可通过分子的重新排列进行固态相变，从而在马氏体相也就是“马氏体”和奥氏体相也就是“奥氏体”之间变换。换句话说，形状记忆合金材料22可经受位移变换而不是扩散变换来在马氏体和奥氏体之间变换。位移变换是通过原子(或原子组)相对于相邻的原子(或原子组)的坐标运动而发生的结构改变。一般来说，马氏体相是指相对低温相，并且相比于相对高温的奥氏体相通常更容易形变。形状记忆合金材料22从奥氏体相开始变为马氏体相的温度被公知为马氏体开始温度Ms。形状记忆合金材料22完成从奥氏体相变为马氏体相的温度被公知为马氏体完成温度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从马氏体相开始变为奥氏体相的温度被公知为奥氏体开始温度As。形状记忆合金材料22完成从马氏体相变为奥氏体相的温度被公知为奥氏体完成温度Af。
所以，形状记忆合金材料22可以由冷态来表征，也就是当形状记忆合金材料22的温度低于形状记忆合金材料22的马氏体完成温度Mf。同样地，形状记忆合金材料22还可以由热态来表征，也就是当形状记忆合金材料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，被预应变或者经受张应力的形状记忆合金材料22能在改变结晶相时改变尺寸，从而将热能转换成机械能。也就是，形状记忆合金材料22可以将结晶相从马氏体改变到奥氏体，并从而在被假塑性预应变时尺寸收缩，从而将热能转换成机械能。反过来，形状记忆合金材料22可以将结晶相从奥氏体改变到马氏体，并在应力下从而尺寸膨胀也将热能转换成机械能。
假塑性预应变是指当处于马氏体相时伸展形状记忆合金22使得在加载条件下形状记忆合金材料22表现出的应变在卸载时没有完全恢复，其中纯弹性应变会完全恢复。就形状记忆合金材料22来说，可以加载该材料使得超过弹性应变极限而且在超过材料真实的塑性应变极限之前在材料的马氏体晶体结构中发生形变。在这两个极限之间的这种类型的应变，是假塑性应变，这样称呼是因为在卸载时它表现出具有塑性变形，但当加热达到形状记忆合金材料22转变为其奥氏体相的点时，该应变可以恢复，从而使形状记忆合金材料22返回到在施加任何负载之前观察到的初始长度。形状记忆合金材料22在安装到热机14之前通常被伸展使得形状记忆合金材料22的名义长度包含有可恢复的假塑性应变，其提供用以致动/驱动热机14的运动。在没有预伸展形状记忆合金22的情况下，在相变过程中只能看到很少变形。
形状记忆合金材料22可以具有任何合适的成分。具体地，形状记忆合金材料22可以包括从包括钴，镍，钛，铟，锰，铁，钯，锌，铜，银，金，镉，锡，硅，铂，镓及其组合的组中选择的成分。例如，合适的形状记忆合金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(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，锰铜基合金，铁铂基合金，铁钯基合金，和它们的组合。形状记忆合金材料22可以是二元，三元或者任何更多元，只要形状记忆合金材料22表现出形状记忆效果，如形状定向、阻尼性能之类的改变。熟悉本领域技术的人可以根据舱24(如图1)中的期望运行温度来选择形状记忆合金材料22，下文将详细阐述。在一特定的实施例中，形状记忆合金材料22可包括镍和钛。
参见图1和2，能量收集系统12的从动构件16可被配置为由热机14中从热能到机械能的转换所得到的机械能或者机械功率来驱动。具体地，形状记忆合金材料22的前述尺寸收缩和尺寸膨胀可驱动该构件16。该构件16可以是一种简单的机械装置，比如发电机，风扇，离合器，鼓风机，泵，压缩机以及它们的组合。应当明白，该构件16不限于这些装置，本领域技术人员所知晓的其它装置也可以被使用。构件16可操作地连接到热机14，使得构件16由热机14驱动。更具体地，构件16可以是车辆10的已有系统比如加热或冷却系统等的一部分。形状记忆合金材料22所提供的机械能，如上所述，可以驱动构件16或者可以提供对车辆10的其它系统在驱动构件16时的帮助。使用由热机14提供的机械能驱动构件16还可以允许车辆10上的相关已有系统的尺寸和/或体积得到缩小甚至完全消除。例如，热机14可被配置为辅助驱动加热系统和/或冷却系统的风扇，这使得主加热和冷却系统的体积得到降低，同时提供重量和能量节约。另外，能量收集系统12所产生的机械能可以用于直接驱动构件16或被存储起来备用。所以，能量收集系统12可以被配置为提供额外能量以操作车辆10并减少对于驱动车辆10的主能量源上的负载。所以，能量收集系统12提高了车辆10的燃料经济性和行程。并且，能量收集系统12可被配置为自动运行，使得不需要来自车辆10的输入。
当构件16是发电机时，构件/发电机20可被配置为将热机14的机械能转换为电30，如图1和2的30所示。构件/发电机20可以是配置为将机械能转换成电30的任何适当的装置。例如，构件/发电机20可以是利用电磁感应将机械能转换成电30的发电机。构件/发电机20可以包括绕定子(未示出)旋转以产生电30的转子(未示出)。构件/发电机20所产生的电30可然后用于为帮助给车辆10中的一个或多个系统供能。
另外，参见图1，能量收集系统12可包括电子控制单元32(ECU)，其被配置为分别控制第一流体区域18和第二流体区域20中流体的第一和第二温度。ECU32可操作地连接到车辆10。ECU 32可以是与能量收集系统12的一个或者多个控制器和/或传感器电子连通的计算机。例如，ECU 32可以与第一流体区域18和/或第二流体区域20内的温度传感器、构件16的速度调节器、流体流量传感器、和/或构造成用来监测构件/发电机20的电30产生的仪表相连通。另外，ECU32可被配置为在车辆10的预定条件下控制能量的收集，例如在车辆10已经运行了足够长的时间以后，使得第一流体区域18和第二流体区域20之间的温差是最优的温差。应当明白，车辆10的其它预定条件也可以被使用，如同本领域技术人员所知晓那样。ECU 32还可以被配置为提供选择来手动超驰控制热机14并允许关闭能量收集系统12。离合器(未示出)还可由ECU 32来控制以便选择性地将热机14与构件16断开。
还是参见图1，能量收集系统12还可包括传输介质34，其配置为传输来自能量收集系统12的电。具体地，传输介质34可从构件16传输电30。传输介质34可以是，例如，电线或导电线缆。传输介质34可将来自发电机20的电30传输到存储装置36，例如车辆电池。存储装置36可位于车辆10附近，但与其隔开。这种存储装置36使得能量收集系统12可以用于例如停驻的车辆10。在另一个实例中，能量收集系统12可被配置为利用由相应舱40罩上的阳光负荷所产生的温差并且将由该温差所产生的机械能转成电能30储存在储存装置36中。
应当明白，对于上述任何实例而言，车辆10和/或能量收集系统12可以包括多个热机14和/多个或构件16。也就是，一台车辆可以包括多于一个热机14和/或构件16。例如，一个热机14可以驱动多于一个构件16。同样地，车辆10可被配置为包括多于一个能量收集系统12，而每个能量收集系统12包括至少一个热机14和至少一个构件16。采用多个热机14可利用车辆10上具有温差的多个区域。
另外，形状记忆合金材料22可以在改变结晶相时改变模量和尺寸，从而将热能转换成机械能。更具体地，形状记忆合金材料22，在被假塑性预应变时，可以在结晶相从马氏体变化到奥氏体时在尺寸上收缩，在拉伸应力时，可以在结晶相从奥氏体变化到马氏体时在尺寸上膨胀，从而将热能转换成机械能。因此，当第一流体区域18的第一温度和第二流体区域20的第二温度之间存在温差时，也就是，当第一流体区域18和第二流体区域20不处于热平衡时，位于第一流体区域18和/或第二流体区域20内的形状记忆合金材料22的相应局部区域66，68可在结晶相在马氏体和奥氏体之间变化时分别在尺寸上膨胀和收缩。
所述第一部件38和/或第二部件40可以是滑轮、齿轮、单向离合器、弹簧等等。单向离合器被配置为允许部件38，40仅在一个方向旋转。参见图2，第一部件38可操作地连接到构件16，使得：当形状记忆合金材料22的尺寸变化引起第一部件38的运动或者旋转时，第一部件38的旋转驱动构件16。虽然图2示出了两个部件38，40，但是应当明白也可以使用更多或者更少的部件38，40，如本领域技术人员所明白。
形状记忆合金材料22可操作地将第一部件38和第二部件40互连。形状记忆合金材料被配置为响应于暴露到第一温度而选择性地将结晶相从马氏体变成奥氏体并从而收缩。同样地，形状记忆合金材料还可以被配置为响应于暴露到第二温度而选择性地将结晶相从奥氏体变成马氏体并从而膨胀。形状记忆合金材料22的所得到的尺寸变化可引起一个或者多个部件38，40的运动。形状记忆合金材料22可以被嵌入带46中。更具体地，形状记忆合金材料22可以被配置为嵌入带46中的纵向延伸线，使得随相关形状记忆合金材料22变化膨胀和收缩，该带46也纵向膨胀和收缩。形状记忆合金材料22可以是具有任何期望截面形状即圆形、矩形、八角形、带状或本领域技术人员所知晓的其他形状的线。另外，带46可至少部分由弹性材料形成。例如，弹性材料可以是弹性体、聚合物、或者它们的组合等。带46可以形成为连续的环，如图2所示，或者形成为拉长的带，如图5所示。应当明白，如同本领域技术人员所知晓那样，带46可以其它任何配置形成。
参见图2中所示的热机14，带46的局部区域66可以设置在第一流体区域18中，使得第一温度导致形状记忆合金材料22的相对应局部区域66随第一流体区域18的第一温度变化纵向膨胀或收缩。同样地，形状记忆合金材料22的另一局部区域68可以相似地设置在第二流体区域20中，使得第二温度导致形状记忆合金材料22的局部区域68随同带46的相关部分一起随第二流体区域20的第二温度变化而纵向膨胀或收缩。例如，如果第一流体区域18的第一温度或者第二流体区域20的第二温度是处于冷态，则包括了形状记忆合金材料22的形状记忆合金材料22的相关局部区域66和带46的相关部分将会因形状记忆合金材料22从奥氏体相到马氏体相的相变而纵向膨胀。但是，如果第一流体区域18的第一温度或者第二流体区域20的第二温度是处于热态，那么形状记忆合金材料22的相关局部区域66和相关带46将会因形状记忆合金材料22从马氏体相到奥氏体相的相变而纵向收缩。
第一部件38和/或第二部件40的一个或者多个可移动地连接到构件16。应当明白，如同本领域技术人员所明白的那样，该第一部件38和/或第二部件40可以被连接到多于一个构件16。例如，第一部件38可以通过驱动轴80或者通过本领域技术人员所知晓的其他类型互连件可操作地连接到构件16。更具体地，参见图2，第一部件38可旋转地连接到构件16，使得第一部件38的旋转也驱动该构件16。带46可以是围绕第一部件38和第二部件40中的每一个成环的连续环式带48，使得从带46传递的运动导致第一部件38和第二部件40中的每一个旋转。形状记忆合金材料22的局部区域66，68的纵向膨胀和/或收缩将来自带46的运动传递到第一部件38和/或第二部件40，从而通过驱动轴80移动或者驱动构件16。因此，带46可被配置为响应于暴露到第一温度和第二温度绕第一部件38和第二部件40连续地旋转，使得带46的多个局部区域66，68在第一部件38和第二流体区域20中连续地出入。局部区域66，68是带46的在任意给定时刻分别处于第一流体区域18和第二流体区域20内的部分。
带46的形状记忆合金材料22的局部区域66，68的连续膨胀和收缩可使带46变得松弛。为了保持带46的张紧，热机14还可包括张紧装置82，其被配置为在形状记忆合金材料22的局部区域66，68尺寸膨胀和/或收缩时给带46施加张力。在图2-5所示的实施例中，张紧装置82包括张紧元件84和偏置装置86。张紧元件84配置为给带46施加张力。给带46施加张力保持带46的张紧，也就是避免松弛。另外，施加到带46的张力的大小可以被选择性地改变。张紧元件84可以是滑轮或配置为对带46施加张力的其他任何刚性或半刚性元件。偏置装置86被配置为偏置张紧元件84与带46接触。偏置装置86可以是弹簧，也就是卷簧(图2和5中所示的88)，片簧，环(图3中所示的90和92)，导向元件(图3中所示的94和96)，线性致动器(图4中所示的98)，等等。可替代地，偏置装置86由构造成处于奥氏体状态--也就是其中形状记忆合金材料22表现出超弹性响应的状态的形状记忆合金材料22形成。在该实施例中，偏置装置可形成为弹簧，它在一个宽的位移范围内提供完全自发的近似恒定的张力。偏置装置86配置为操作地设置在张紧元件84和反作用面100之间，使得偏置装置86抵靠该反作用面100反作用从而将张紧元件84偏置成与带46相接触。该反作用面100可以是任何不会相对带46和/或张紧元件84移动的表面。
具体参见图2中所示的热机14，第一部件38与第二部件40可旋转地隔开。第一部件38和第二部件40可以是滑轮。但是，应当明白，第一部件38和/或第二部件40可以是本领域技术人员知晓的任何其它可旋转部件。连续循环的带48围绕第一部件38和第二部件40延伸。第一部件38和连续循环的带48的相关局部区域66布置在处于第一温度和第二温度之一的第一流体区域18内。同样地，第二部件40和连续循环的带48的相关局部区域68布置在处于第一温度和第二温度中的另一温度的第二流体区域20内。构件16可操作地联接到第一部件38。第一流体区域18和第二流体区域20之间的温差通过带46的形状记忆合金材料22的局部区域66，68的膨胀和收缩引起第一部件38的旋转。第一部件38的旋转驱动构件16产生电。
在图2所示的实施例中，张紧装置82的偏置装置86可操作地设置在反作用面100和张紧元件84之间。偏置装置86给张紧元件84施加力102，该力将张紧元件84偏置离开反作用面100并使其和连续循环的带48相接触，使得张力从张紧元件84施加到连续循环的带48。张紧装置82配置为在连续循环的带48的局部区域66，68连续地膨胀和收缩以引起第一部件38和第二部件40的运动时保持连续循环的带48处于张紧状态，也就是避免松弛。偏置装置86可以是卷簧88。应当明白，也可以使用本领域技术人员知晓的其它偏置装置86。
参见图3和4所示的热机114，214的实施例，多个第一部件38和第二部件40设置成相互间隔的关系，并且围绕位于中间的热源104。每个第一部件38和每个第二部件40可交替设置。更具体地，第一部件38和第二部件40的每一个可围绕中心轴线106彼此交替设置。热源104可以沿着中心轴线106居中设置从而给围绕中心轴线106的第二部件40提供均一的温度。另外，第二部件40径向地设置成比第一部件38更靠近中心轴线106。第一部件38和第二部件40被配置为相对于彼此旋转。第一部件38和第二部件40可以是滑轮、叶轮、齿轮等。
连续循环的带48以交替的方式绕着第一部件38和第二部件40的每一个依次延伸从而围绕中心轴线106。带46绕着交替的多个第一部件38和第二部件40依次延伸，使得多个第一部件38的每一个在第一方向108上旋转并且多个第二部件40的每一个在第二方向110上旋转，第二方向和第一方向108相反，如图3和4所示。应当明白，图3和4所示出的方向可以选择为与图示的相反，只要第一方向108和第二方向110是彼此相反即可。
张紧装置82被配置为径向地改变第一部件38和第二部件40之间的距离，从而通过张紧元件84即第一部件38和第二部件40连续地给带46施加张力。在图3和4所示的实施例中，第二部件40比第一部件38在径向上更靠近热源104。因此，第二部件40比第一部件38处于更高的温度。更具体地，第一部件38，及其相关联的局部区域66，可操作地设置在具有第二温度的第一流体区域18，使得局部区域66的线性膨胀发生以使相关的第一部件38移动。同样地，第二部件40，及连续循环的带48的相关的局部区域68，可操作地设置在具有第一温度的第二流体区域20，使得相关的局部区域68的线性收缩发生以使相关的第二部件40移动。
替代地，尽管没有在图3和4中示出，但是热源104可以被配置为围绕热机114，214，使得第一部件38处于比第二部件40更高的温度。在该实例中，第一部件38，连同连续循环的带48的相关局部区域68一起处于第一温度，而第二部件40，连同连续循环的带48的相关局部区域66一起处于第二温度。
具体地参考图3所示的实施例，张紧装置82的偏置装置86可包括第一环90和第二环92。第一环90围绕中心轴线106并限定了圆周地围绕中心轴线106的多个第一花键轨道116。第一部件38和第二部件40可以用作为独立的张紧元件84来给连续循环的带48施加张力。第一部件38可移动地设置在多个第一花键轨道116中的对应一个内。第二环92围绕中心轴线106，并与第一环90同轴设置，并限定了圆周地围绕中心轴线106的多个第二花键轨道118。第二部件40的每一个可移动地设置在第二花键轨道118中的对应一个内。第一花键轨道116和第二花键轨道118的每一个以锐角120相对于各自的假想线122延伸，该假想线与相应的第一环90和第二环92的每一个的内表面124相切地延伸。
张紧装置82的偏置装置86还包括多个第一导向元件94和第二导向元件96，它们可操作地设置在相应的张紧元件84和反作用面100之间。第一导向元件94和第二导向元件96与相应的第一部件38和第二部件40的数目相等。第一导向元件94各限定第一导轨126。同样地，第二导向元件96各限定第二导轨128。第一导向元件94和第二导向元件96都径向地远离中心轴线106延伸。每个第一元件94设置成与第一部件38和第一环90中的对应一个轴向相邻。例如，每个第一元件94可轴向地设置在第一环90和对应的第一部件38之间。每个第二元件96设置成与第二部件40和第二环92中的对应一个轴向相邻。同样地，例如，每个第二元件96可轴向地设置在第二环92和对应的第二部件40之间。轴130可以延伸通过第一部件38、对应的第一花键轨道116和第一导轨126中的每一个。另外，轴130可以延伸通过第二部件40、对应的第二花键轨道118和第二导轨128中的每一个。
轴130允许第一部件38和第二部件40相对于相应环90，92和导向元件94，96旋转，同时还延伸入对应的轨道116，118，126，128中，从而将部件38，40与对应的环90，92和导向元件94，96可移动地互连。第一部件38的轴130被配置为在对应的第一花键轨道116和第一导轨126内分别相对于第一环90和第一导向元件94可滑动地移动，使得每个第一部件38远离中心轴线106径向地移动，从而给带46施加张力。同样地，每个第二部件40被配置为在对应的第二花键轨道118和第二导轨128内分别相对于第二环92和第二导向元件96移动，使得每个第二部件40朝着中心轴线106径向地移动，从而给带46施加张力。
第一部件38和第二部件40在对应轨道116，118，126，128内的运动，可以通过致动器132或偏置元件使第一环90和/或第二环92围绕中心轴线106旋转来促进。在该实施例中，当每个第一导向元件94和第二导向元件96被配置为朝着和远离中心轴线106径向地移动时，防止了它们相对于中心轴线106旋转。第一环90围绕中心轴线106的旋转导致每个第一部件38在对应的第一花键轨道116内运动，同时相对于中心轴线106，在受约束的第一导向元件94的对应的第一导轨126内被径向引导。因此，第一部件38在形状记忆合金材料22纵向膨胀和收缩时给带46施加张力。同样地，第二环92围绕中心轴线106的旋转导致每个第二部件40在对应的第二花键轨道118内运动，同时相对于中心轴线106，在受约束的第二导向元件96的对应的第二导轨128内被径向引导。因此，第二部件40在形状记忆合金材料22纵向膨胀和收缩时给带46施加张力。所以，通过仅使第一环90和/或第二环92围绕中心轴线106旋转来促进第一导向元件94和/或第二导向元件96的径向运动。另外，致动器132可操作地连接到ECU 32，ECU被配置为控制致动器132的致动来使第一环90和/或第二环92围绕中心轴线106旋转，以此来改变第一部件38和/或第二部件40的轴向位置，进而控制施加给带46的张力。
替代地，第一环90和第二环92以及第一导轨126和第二导轨128可以独立地绕中心轴线106旋转。在该实施例中，当第一环90和/或第二环92围绕中心轴线106旋转时，第一导向元件94和/或第二导向元件94，96也可以朝着和远离中心轴线106径向地运动。第一导向元件94和/或第二导向元件94，96的径向运动导致对应的第一部件38和/或第二部件40在对应的第一导轨126或第二导轨128内运动以及相对于中心轴线106径向运动，同时导致对应的第一环90和/或第二环92围绕中心轴线106旋转。当形状记忆合金材料22纵向膨胀和收缩时，环90，92和导向元件94，96的运动导致部件38，40给连续循环的带48施加张力。
当给连续循环的带48施加张力时，第一环90和第二环92与第一导向元件94和第二导向元件96一起提供了对应的第一部件38和第二部件40均匀的径向移动。因此，根据旋转方向，第一环90围绕中心轴线106的运动均匀地移动每个第一部件38径向地朝着或者远离中心轴线106。同样地，根据对应的环90，92的旋转方向，第二环92围绕中心轴线106的运动均匀地移动每个第二部件40径向地朝着或者远离中心轴线106。
参见图4中所示的热机214，张紧装置82可包括多个线性致动器98。每个线性致动器98独立地可操作地连接到第一部件38和第二部件40中对应一个。线性致动器98被配置为在形状记忆合金材料22纵向膨胀或者收缩时朝着或者远离中心轴线106径向地移动对应的第一部件38和第二部件40，也就是张紧元件84，从而给连续循环的带48施加张力。线性致动器98可以是本领域技术人员所知晓的任何类型的线性致动器98，它被可操作地设置在张紧元件84和反作用面100之间。线性致动器98可以通过液压、电、气动等方式来操作。线性改动器98还可以可操作地连接到ECU 32，ECU被配置为控制线性致动器98的运动，以及改变第一部件38和/或第二部件40的轴向位置，以及控制带46上的张力。采用线性致动器98可允许一个或者多个第一部件38和/或第二部件40相对于其它的第一部件38和/或第二部件48的不均匀的径向移动，从而独立地给连续循环的带48施加张力。
参见图5所示的热机314的实施例，形状记忆合金材料22可以被配置为纵向条带76，其不是环形的，并且在一对端78之间延伸。在该实施例中，纵向条带76可被配置为使得该纵向条带76的每一端78操作地附接到对应的部件38，40，使得纵向条带76的膨胀和/或收缩作用于部件38，40的一个或者两个上。部件38，40之一可以是线性弹簧134，它通过驱动轴80等操作地连接到构件16。纵向条带76可操作地设置在第一流体区域18和第二流体区域20之间。作为一个非限制的例子，第一流体区域18可处于第一温度，第二流体区域20处于第二温度，其中第一温度大于第二温度。当纵向条带76和第一流体区域18形成彼此靠近时，第一流体区域18的第一温度作用于纵向条带76的形状记忆合金材料22，使得形状记忆合金材料22和纵向条带76纵向收缩。同样地，当纵向条带76和第二流体区域20形成彼此靠近时，第二流体区域20的第二温度作用于纵向条带76的形状记忆合金材料22，使得形状记忆合金材料22和纵向条带纵向膨胀。纵向条带76的纵向膨胀和收缩作用在线性弹簧134上从而驱动构件。但是，该纵向膨胀和收缩也会导致纵向条带76变得松弛。所以，张紧装置82被配置为给带施加张力，使得带46张紧。张紧装置82的张紧元件84作用在带46上，也就是形状记忆合金材料22上，从而保持带46处于张紧状态。当形状记忆合金材料22纵向膨胀和收缩时，偏置装置86反作用于反作用面100，从而连续地偏置该张紧元件使其与形状记忆合金材料22形成接触。
虽然已经详细地描述了实施本发明的最佳方式，但是本领域技术人员将认识到在随附权利要求的范围内实施本发明的各种替换设计和实施例。
Claims (16)
1.一种热机，其包括：
多个第一部件；
与所述多个第一部件隔开并且成交替关系布置的多个第二部件；
其中所述多个第一部件和多个第二部件中每个都是可旋转的；
形成连续的环的形状记忆合金材料，其中所述形状记忆合金材料绕着交替的所述多个第一部件和第二部件依次地延伸使得所述形状记忆合金材料操作地将所述多个第一部件和所述多个第二部件互连；
其中，所述多个第一部件中的每个在第一方向旋转，所述多个第二部件中的每个在与所述第一方向相反的第二方向旋转；
其中，所述形状记忆合金材料被配置为响应于暴露到第一温度而选择性地将结晶相从马氏体变成奥氏体并从而收缩；以及
其中，所述形状记忆合金材料还被配置为响应于暴露到第二温度而选择性地将结晶相从奥氏体变成马氏体并从而膨胀；以及
张紧装置，所述张紧装置被配置为当所述形状记忆合金材料选择性地膨胀和收缩时给所述形状记忆合金材料施加张力，使得所述形状记忆合金材料被张紧并且处于预定的应力水平；
其中所述张紧装置可以选择性地致动，使得所述张紧装置施加给所述形状记忆合金材料的张力受到选择性地控制。
2.如权利要求1所述的热机，其特征在于，所述张紧装置包括：
被配置为将所述形状记忆合金材料张紧的张紧元件；以及
偏置装置；
其中，所述偏置装置被配置为将所述张紧元件偏置成与所述形状记忆合金材料相接触。
3.如权利要求2所述的热机，其特征在于，所述偏置装置是弹簧。
4.如权利要求2所述的热机，其特征在于，所述偏置装置由处于奥氏体状态的形状记忆合金材料形成。
5.如权利要求2所述的热机，其特征在于，所述偏置装置被配置为设置在所述张紧元件和反作用面之间，使得所述偏置装置反作用于所述反作用面以将所述张紧元件偏置成与所述形状记忆合金材料相接触。
6.如权利要求1所述的热机，其特征在于，所述张紧装置被配置为改变所述多个第一部件和所述多个第二部件之间的距离来张紧所述形状记忆合金材料。
7.如权利要求6所述的热机，其特征在于，所述多个第一部件中每个处于所述第一温度和所述第二温度中的一个，所述多个第二部件中每个处于所述第一温度和所述第二温度中的另一个。
8.如权利要求7所述的热机，其特征在于，所述多个第一部件和第二部件中的每一个绕中心轴线彼此以交替关系布置；
其中，所述多个第一部件的每一个比所述多个第二部件的每一个径向地布置成更靠近所述中心轴线。
9.如权利要求7所述的热机，其特征在于，所述张紧装置被配置为径向地移动所述多个第一部件和第二部件中的至少一个，从而张紧所述形状记忆合金材料。
10.如权利要求8所述的热机，其特征在于，其还包括：
围绕所述中心轴线并限定多个第一花键轨道的第一环；
其中，所述多个第一部件中的每一个可移动地设置在所述多个第一花键轨道中的相应一个中；以及
围绕所述中心轴线并同轴地设置在所述第一环中并限定多个第二花键轨道的第二环；
其中，所述多个第二部件中的每一个可移动地设置在所述多个第二花键轨道中的相应一个中；
其中，所述多个第一花键轨道和第二花键轨道的每一个相对于与相应的第一环和第二环的每一个的内表面相切延伸的线以锐角延伸；
其中，所述多个第一部件中的每一个被配置为相对于所述第一环在相应的第一花键轨道中移动，使得所述第一部件的每一个关于所述中心轴线径向地移动从而张紧所述形状记忆合金材料；并且
其中，所述多个第二部件中的每一个被配置为相对于所述第二环在相应的第二花键轨道中移动，使得所述第二部件的每一个关于所述中心轴线径向地移动从而张紧所述形状记忆合金材料。
11.如权利要求8所述的热机，其特征在于，所述张紧装置包括操作地与所述多个第一部件和第二部件的每一个连接的线性致动器，用来相对于所述中心轴线径向地移动所述多个第一部件和第二部件中的每一个，从而张紧所述形状记忆合金材料。
12.如权利要求1所述的热机，其特征在于，所述第一部件和第二部件中的至少一个是弹簧、叶轮和单向离合器之一。
13.一种能量收集系统，其包括：
具有第一温度和第二温度之一的第一流体区域；
具有所述第一温度和第二温度中的另一温度的第二流体区域；
其中，所述第一温度大于所述第二温度；
热机，其包括：
多个第一部件；
与所述多个第一部件隔开并且成交替关系布置的多个第二部件；
其中所述多个第一部件和多个第二部件中每个都是可旋转的；
形成连续的环的形状记忆合金材料，其中所述形状记忆合金材料绕着交替的所述多个第一部件和第二部件依次地延伸使得所述形状记忆合金材料操作地将所述多个第一部件和多个第二部件互连；
其中，所述多个第一部件中的每个在第一方向旋转，所述多个第二部件中的每个在与所述第一方向相反的第二方向旋转；
其中，所述形状记忆合金材料的局部区域被配置为响应于暴露到所述第一温度而选择性地将结晶相从马氏体变成奥氏体并从而收缩；并且
其中，所述形状记忆合金材料的局部区域还被配置为响应于暴露到所述第二温度而选择性地将结晶相从奥氏体变成马氏体并从而膨胀；
操作地连接到所述多个第一部件的构件；
其中，所述多个第一部件被配置为响应于所述形状记忆合金材料的膨胀和收缩中的至少一个而运动，使得所述多个第一部件的运动驱动所述构件；以及
张紧装置，其被配置为当所述形状记忆合金材料选择性地膨胀和收缩时给所述形状记忆合金材料施加张力，使得所述形状记忆合金材料被张紧并且处于预定的应力水平，
其中所述张紧装置可以选择性地致动，使得所述张紧装置施加给所述形状记忆合金材料的张力受到选择性地控制。
14.如权利要求13所述的能量收集系统，其特征在于，所述张紧装置包括：
被配置为将所述形状记忆合金材料张紧的张紧元件；以及
偏置装置；
其中，所述偏置装置被配置为将所述张紧元件偏置成与所述形状记忆合金材料相接触。
15.一种能量收集系统，其包括：
具有第一温度和第二温度之一的第一流体区域；
具有所述第一温度和第二温度中的另一温度的第二流体区域；
其中，所述第一温度大于所述第二温度；
热机，其包括：
多个第一部件；
与所述多个第一部件隔开并且成交替关系布置的多个第二部件；
其中所述多个第一部件和多个第二部件中每个都是可旋转的；
包括至少一个元件的带，所述元件由形状记忆合金材料制成；
其中，所述带操作地将所述多个第一部件和多个第二部件互连使得所述带绕着交替的所述多个第一部件和第二部件依次地延伸；
其中，所述多个第一部件中的每个在第一方向旋转，所述多个第二部件中的每个在与所述第一方向相反的第二方向旋转；
其中，所述形状记忆合金材料的局部区域被配置为响应于暴露到所述第一温度而选择性地将结晶相从马氏体变成奥氏体并从而收缩，使得对应于所述形状记忆合金材料的局部区域的所述带也收缩；并且
其中，所述形状记忆合金材料的局部区域还被配置为响应于暴露到所述第二温度而选择性地将结晶相从奥氏体变成马氏体并从而膨胀，使得对应于所述形状记忆合金材料的局部区域的所述带也膨胀；
操作地连接到所述多个第一部件的构件；
其中，所述多个第一部件被配置为响应于所述形状记忆合金材料的膨胀和收缩的至少一个而运动，使得所述多个第一部件的运动驱动所述构件；以及
张紧装置，其被配置为当所述形状记忆合金材料选择性地膨胀和收缩时给所述形状记忆合金材料施加张力，使得所述形状记忆合金材料被张紧并且处于预定的应力水平，
其中所述张紧装置可以选择性地致动，使得所述张紧装置施加给所述形状记忆合金材料的张力受到选择性地控制。
16.如权利要求15所述的能量收集系统，其特征在于，所述张紧装置包括：
被配置为将所述带张紧的张紧元件；以及
偏置装置；
其中，所述偏置装置被配置为将所述张紧元件偏置成与所述带相接触。
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