CN102108955B

CN102108955B - 冷却系统

Info

Publication number: CN102108955B
Application number: CN201010610832.7A
Authority: CN
Inventors: P·W·亚历山大; A·L·布朗; N·L·约翰逊; P·B·乌索罗; N·D·曼卡明; X·高; G·P·麦奈特; J·A·卡菲奥; C·P·亨利
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-11-20
Filing date: 2010-11-19
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2030-11-19
Also published as: DE102010051798A1; US20110120118A1; CN102128068B; US20110121582A1; US8769946B2; CN102108955A; US8769947B2; CN102128068A

Abstract

本发明涉及一种冷却系统，其配置成将热能转换为机械能，该冷却系统包括热能源，该热能源由具有第一温度的热源和具有第二温度的冷却剂之间的温度差来提供，其中第二温度低于第一温度。该冷却系统包括冷却回路，该冷却回路配置成将冷却剂从热源输出以及将冷却剂向热源输入。该冷却回路包括管道和与所述管道流体连通的泵，所述泵配置成将所述冷却剂输送到热源。该冷却系统还包括热力发动机，该热力发动机布置成与所述管道处于热关系中，并配置成将热能转换为机械能。该热力发动机包括第一元件，第一元件由第一形状记忆合金构成，第一形状记忆合金具有能响应于热源和冷却剂之间的温度差而在第一相变温度下在奥氏体和马氏体之间变化的晶相。

Description

冷却系统

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年11月20日提交的美国临时专利申请NO.61/263,308的权益，该申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及一种冷却系统，更具体地说，涉及一种配置为将热能转换为机械能的冷却系统。

背景技术

车辆可由发动机和/或一个或多个电池提供动力。例如，发动机可以为车辆提供原动力和/或为电池充电。反过来，电池也可为起动发动机和车辆附件提供动力，和/或可为车辆提供原动力。

在工作过程中，发动机和电池都会产生大量的余热，即过剩热能。因此，发动机和电池经常用冷却剂来冷却，以便通过热交换和向大气的热消散来去除过剩热能。尽管发动机和燃烧技术有所改进，但在发动机和/或电池的运行中，仍有近四分之一的燃料能源会被作为余热排出。因此，如果余热转换成可用的机械能和/或电能，则可实现很大的车辆燃料经济性增益。

发明内容

一种冷却系统，其配置成将热能转换为机械能，该冷却系统包括热能源，该热能源由具有第一温度的热源和具有第二温度的冷却剂之间的温度差来提供，其中第二温度低于第一温度。该冷却系统还包括冷却回路，该冷却回路配置成将冷却剂从热源输出以及将冷却剂向热源输入。该冷却回路包括管道和与所述管道流体连通的泵，所述泵配置成将所述冷却剂输送到热源。另外，该冷却系统包括热力发动机，该热力发动机布置成与所述管道处于热关系中，并配置成将热能转换为机械能。该热力发动机包括第一元件，第一元件由第一形状记忆合金构成，第一形状记忆合金具有能响应于热源和冷却剂之间的温度差而在第一相变温度下在奥氏体和马氏体之间变化的晶相。

在一个变型中，管道配置为使冷却剂在冷却回路内以闭环进行重复循环。此外，冷却系统包括布置成与管道接触并配置成将热能从管道传导到热力发动机的构件。该构件包括多个接触体，所述接触体配置成与第一元件接触，从而在奥氏体和马氏体之间改变晶相。此外，冷却系统包括绝缘体，该绝缘体布置成与所述管道和所述构件接触，并配置成使所述管道与所述构件热绝缘。冷却系统还包括发电机，该发电机配置成将机械能转换为电，其中，第一形状记忆合金交替地响应于第二温度而在局部区域发生尺寸上的扩张和响应于第一温度而在另一局部区域发生尺寸上的收缩，从而将热能转换为机械能并驱动发电机。

在另一种变型中，冷却系统包括与热源和热力发动机流体连通的散热器。该散热器配置成从冷却剂消散热能。

冷却系统提供了极好的热能向机械能的转换。也就是说，冷却系统收集余热形式的热能并生成机械输出。此外，热力发动机能够有效地集成到冷却系统中以使机械能输出最大化。

本发明还涉及到以下解决方案：

解决方案1.一种冷却系统，其配置成将热能转换为机械能，所述冷却系统包括：

热能源，由具有第一温度的热源和具有第二温度的冷却剂之间的温度差提供，其中所述第二温度低于所述第一温度；

冷却回路，其配置成将所述冷却剂从所述热源输出以及将所述冷却剂向所述热源输入，并包括：

管道；和

泵，其与所述管道流体连通，并配置成将所述冷却剂输送到所述热源；和

热力发动机，其布置成与所述管道处于热关系中，并配置成将热能转换为机械能，其中，所述热力发动机包括第一元件，所述第一元件由第一形状记忆合金构成，所述第一形状记忆合金具有能响应于所述热源和所述冷却剂之间的所述温度差而在第一相变温度下在奥氏体和马氏体之间变化的晶相。

解决方案2.根据解决方案1所述的冷却系统，其中，所述第一形状记忆合金响应于所述热源而从马氏体向奥氏体改变晶相，从而在局部区域发生尺寸上的收缩。

解决方案3.根据解决方案2所述的冷却系统，其中，所述第一形状记忆合金响应于所述冷却剂而从奥氏体向马氏体改变晶相，从而在所述局部区域发生尺寸上的扩张。

解决方案4.根据解决方案3所述的冷却系统，其中，所述第一形状记忆合金交替地响应于所述第二温度而在所述局部区域发生尺寸上的扩张和响应于所述第一温度而在所述局部区域发生尺寸上的收缩，从而将热能转换为机械能。

解决方案5.根据解决方案1所述的冷却系统，还包括布置成与所述管道接触并配置成从所述管道向所述热力发动机传导热能的构件。

解决方案6.根据解决方案5所述的冷却系统，其中，所述构件包括多个接触体，所述多个接触体配置成与所述第一元件接触，从而在奥氏体和马氏体之间改变所述晶相。

解决方案7.根据解决方案1所述的冷却系统，还包括绝缘体，所述绝缘体布置成与所述管道接触并配置成使所述管道热绝缘。

解决方案8.根据解决方案1所述的冷却系统，还包括多个热力发动机。

解决方案9.根据解决方案8所述的冷却系统，其中，所述多个热力发动机沿着所述管道串联布置。

解决方案10.根据解决方案1所述的冷却系统，其中，所述第一元件沿着所述第一元件的厚度还具有至少第二相变温度，在该温度下，所述晶相在奥氏体和马氏体之间变化。

解决方案11.根据解决方案1所述的冷却系统，还包括至少一个第二元件，所述第二元件由第二形状记忆合金构成，所述第二形状记忆合金具有能响应于所述热源和所述冷却剂之间的所述温度差而在第二相变温度下在奥氏体和马氏体之间变化的晶相。

解决方案12.根据解决方案1所述的冷却系统，还包括发电机，所述发电机配置成将机械能转换为电，其中，所述发电机由所述热力发动机驱动。

解决方案13.根据解决方案12所述的冷却系统，其中，所述第一形状记忆合金交替地响应于所述第二温度而在局部区域发生尺寸上的扩张和响应于所述第一温度而在另一局部区域发生尺寸上的收缩，从而将热能转换为机械能并驱动所述发电机。

解决方案14.一种冷却系统，其配置成将热能转换为机械能，所述冷却系统包括：

管道，其配置为使所述冷却剂在所述冷却回路内以闭环进行重复循环；和

泵，其与所述管道流体连通，并配置成将所述冷却剂输送到所述热源；

热力发动机，其布置成与所述管道处于热关系中，并配置成将热能转换为机械能，其中，所述热力发动机包括第一元件，所述第一元件由第一形状记忆合金构成，所述第一形状记忆合金具有能响应于所述热源和所述冷却剂之间的所述温度差而在第一相变温度下在奥氏体和马氏体之间变化的晶相；

布置成与所述管道接触并配置成将热能从所述管道传导到所述热力发动机的构件，其中，所述构件包括多个接触体，所述多个接触体配置成与所述第一元件接触，从而在奥氏体和马氏体之间改变所述晶相；

绝缘体，其布置成与所述管道和所述构件接触并配置成使所述管道与所述构件热绝缘；和

发电机，其配置成将机械能转换为电，其中，所述第一形状记忆合金交替地响应于所述第二温度而在局部区域发生尺寸上的扩张和响应于所述第一温度而在另一局部区域发生尺寸上的收缩，从而将热能转换为机械能并驱动所述发电机。

解决方案15.一种冷却系统，其配置成将热能转换为机械能，所述冷却系统包括：

管道；和

热力发动机，其布置成与所述管道处于热关系中，并配置成将热能转换为机械能，其中，所述热力发动机包括第一元件，所述第一元件由第一形状记忆合金构成，所述第一形状记忆合金具有能响应于所述热源和所述冷却剂之间的所述温度差而在第一相变温度下在奥氏体和马氏体之间变化的晶相；和

散热器，其与所述热源和所述热力发动机流体连通，并配置成从所述冷却剂消散热能。

解决方案16.根据解决方案15所述的冷却系统，其中，所述第一形状记忆合金交替地响应于所述第二温度而在所述局部区域发生尺寸上的扩张和响应于所述第一温度而在所述局部区域发生尺寸上的收缩，从而将热能转换为机械能。

解决方案17.根据解决方案16所述的冷却系统，还包括发电机，所述发电机配置成将机械能转换为电，其中，所述发电机由所述热力发动机驱动。

解决方案18.根据解决方案15所述的冷却系统，其中，所述冷却剂在所述冷却回路内以闭环进行重复循环。

当结合附图时，本发明的上述特点和优势以及其他特点和优势很容易地从下面实施本发明的最佳实施例的详细描述展现。

附图说明

图1是包括热力发动机的冷却系统的示意图；

图2是图1的示例性热力发动机的示意性透视图；

图3是图1冷却系统的变型的示意图，其包括多个热力发动机；及

图4是图1冷却系统的另一变型的示意图，其包括与热力发动机流体连通的散热器。

具体实施方式

参照附图，其中相同的附图标记是指相同的元件，图1中总体上以附图标记10显示了冷却系统。冷却系统10配置为将热能转换为机械能。因此，冷却系统10可在汽车应用中有用，包括但不限于车辆冷却系统、动力系系统和电气系统。然而，冷却系统10也可在非汽车应用中有用，例如但不限于家庭供暖、通风及空调系统。基于热能向机械能的极好转换，冷却系统10可有其它非汽车应用，例如但不限于利用电池冷却剂、家用和地热余热的应用。冷却系统10也可直接驱动包括泵和风机在内的机械设备以绕过机械能到电能的转换步骤，从而将系统中的能量损失降至最低。

现在参照图1，冷却系统10包括热能源。通过具有第一温度T₁的热源12和具有第二温度T₂的冷却剂14之间的温度差ΔT提供了该热能源，其中第二温度T₂低于第一温度T₁。也就是说，第一温度T₁与第二温度T₂不同，并高于第二温度T₂。例如，第一温度T₁与第二温度T₂之间的温差ΔT可低至5℃左右，并且不超过100℃左右。换句话说，温差ΔT可大于或等于5℃左右，并小于或等于30℃左右，例如，小于或等于10℃左右。作为非限制性的例子，虽然图中没有显示，但温差ΔT可存在于催化转化器、电池盒、变速箱、车轮、制动器、减震器、散热器、换热器、消声器、涡轮/机械增压器、插入式(plug-in)单元、以及车辆外部之间或之中。例如，热源12可存在于发动机润滑系统、发动机冷却剂系统、电池冷却系统等之间或之中。

虽然在图1、3、4中示意性地示出，热源12的非限制性的例子可包括车辆发动机(未显示)、冷却剂14相对温暖的部分、车辆的废气排放物、和/或车辆外部环境中的环境空气。可替代地，热源12可以是电池(未显示)、车辆附件(未显示)和/或车辆部件(未显示)的热输出，例如，催化转化器的排气流。

冷却剂14可以从气体、液体、及其组合中选择。例如，冷却剂14可以是液体，例如但不限于水或油。冷却剂14可以与热源12具有相同的组分，或可以与热源12具有不相同的组分。在一个变型中，热源12和冷却剂14可以各自是液体形式的冷却流体，例如发动机油或变速器油，但是热源12可以是冷却流体相对温暖的部分，该部分在冷却流体相对较凉部分的上游。可替代地，冷却剂14可以是车辆(未显示)外部的周围环境，例如，在车辆行驶中流过车辆的相对较凉的空气流。因此，冷却剂14相比热源12可有不同的形式或物相。例如，热源12可以是发动机，而冷却剂14可环绕和/或穿过发动机流动来冷却热源12。

再次参照图1，冷却系统10还包括冷却回路16，该冷却回路配置为将冷却剂14从热源12输出，以及将冷却剂14输送到热源12。冷却回路16包括管道18和泵20。管道18可以是管子或柔性管，其配置成将冷却剂14输送穿过冷却回路16。也就是说，在一个变型中，管道18配置成使冷却剂14在冷却回路16内以闭环(在图1、3、4中总体上以附图标记22示出)进行重复循环。虽然管道18可以具有任何形状或配置，但是管道18可以是空心圆柱管，其配置成将冷却剂14从一个车辆部件传输到另一个车辆部件。例如，包括管道18的冷却回路16可以是冷凝器、散热器和风扇模块(CRFM)，并可引导冷却剂14及伴随的余热远离热源12，以将余热消散到车辆外部的大气中。

继续参照图1，泵20与管道18流体连通，并配置成将冷却剂14输送到热源12。泵20可以是任何适合将冷却剂14输送至热源12的设备。例如，泵20可以是水泵。泵20与管道18流体连通，以便通过管道18从热源12移动冷却剂14以及将冷却剂14移动到热源12。虽然没有显示，但冷却回路16可包括多个泵20，这多个泵沿着冷却回路16的管道18串联或并联布置。

继续参照图1，冷却系统10还包括热力发动机24。热力发动机24配置为将热能(例如热量)转换为机械能，在下面将作详细的阐述。更具体地说，热力发动机24包括第一元件26，第一元件26由第一形状记忆合金构成，第一形状记忆合金具有可响应于热源12和冷却剂14之间的温度差ΔT而在第一相变温度T_相变1下在奥氏体和马氏体之间变化的晶相。也就是说，第一形状记忆合金可有特定的相变温度T_相变1，在该温度下，第一形状记忆合金在晶相之间转变。

本文中所使用的术语“形状记忆合金”，是指表现出了形状记忆效应和有能力迅速改变刚度、弹性系数(spring rate)和/或形状稳定性方面的性质的合金。也就是说，第一形状记忆合金可通过分子或晶体重排而经历固态晶相变化，从而在马氏体相(即“马氏体”)和奥氏体相(即“奥氏体”)之间转变。换句话说，第一形状记忆合金可经历位移性转变而不是扩散性转变，以在马氏体与奥氏体之间变换。位移性转变定义为由原子或原子团相对于临近的原子或原子团的协同运动导致发生的结构变化。一般情况下，马氏体相是指相对较低温度的相，往往比相对较高温度的奥氏体相容易变形。

第一形状记忆合金开始从奥氏体相向马氏体相转变的温度被称为马氏体开始温度M_S。第一形状记忆合金完成从奥氏体相向马氏体相转变的温度被称为马氏体结束温度M_f或第一相变温度T_相变1。类似地，当第一形状记忆合金被加热时，第一形状记忆合金开始从马氏体相向奥氏体相转变的温度被称为奥氏体开始温度A_S。此外，第一形状记忆合金完成从马氏体相向奥氏体相转变的温度被称为奥氏体结束温度A_f或第一相变温度T_相变1。

因此，由第一形状记忆合金构成的第一元件26可由冷态表征，即当第一形状记忆合金的温度低于第一形状记忆合金的马氏体结束温度M_f或第一相变温度T_相变1时的状态。同样地，第一元件26也可由热态表征，即当第一形状记忆合金的温度高于第一形状记忆合金的马氏体结束温度A_f或第一相变温度T_相变1时的状态。

在工作中，预加应变或受拉应力的第一形状记忆合金可以通过改变晶相来改变尺寸，从而将热能转换为机械能。也就是说，当暴露于热能源时，第一形状记忆合金可以通过改变晶相来改变尺寸，从而将热能转换为机械能。特别地，第一形状记忆合金可响应于热源12将晶相从马氏体变为奥氏体，从而在局部区域(图2中总体上以附图标记28表示)发生尺寸上的收缩，从而将热能转换为机械能。具体而言，如果第一形状记忆合金先前已被假塑性地预加应变，则第一形状记忆合金可在尺寸上收缩。术语“假塑性地预加应变”是指当第一形状记忆合金处于马氏体相时，拉伸(例如施加应变给)处于负载下的第一元件26。当第一元件26卸载时，处在加载状态下的第一形状记忆合金的形状不完全恢复。相反，当在纯弹性应变下被施加应变时，第一元件26的形状可完全恢复。因此，在卸载时，由第一形状记忆合金构成的第一元件26表现为已发生塑性变形，但是，当第一元件26被加热到奥氏体开始温度A_S时，加有应变的形状可以恢复，使得第一元件26返回到原来的长度。也就是说，可对第一形状记忆合金加载，使得第一形状记忆合金的弹性应变极限被超过，并且在超过第形状记忆合金的真塑性应变极限之前在第一形状记忆合金的马氏体晶体结构中发生变形。这种在弹性应变极限和真塑性应变极限之间的应变是假塑性应变。

因此，由第一形状记忆合金构成的第一元件26可在装入热力发动机24之前进行拉伸，使得第一形状记忆合金的标称长度包括可恢复的假塑性应变。这种可恢复的假塑性应变可为致动和/或驱动热力发动机24提供运动。因此，在不预拉伸第一形状记忆合金的情况下，在晶相变化过程中会发生很少的形变。此外，第一元件26可受到偏置机构提供的张力以实现晶相变化，偏置机构如弹簧或第一形状记忆合金的张紧的奥氏体段。

反过来，继续参照图2，第一形状记忆合金可响应于冷却剂14而从奥氏体向马氏体改变晶相，从而在局部区域28发生尺寸上的扩张。例如，当第一形状记忆合金受到拉伸应力和第二温度T₂，第一形状记忆合金可在尺寸上扩张。因此，第一形状记忆合金可通过交替扩张和收缩而将热能转换为机械能。也就是说，第一形状记忆合金可交替地响应于第二温度T₂在局部区域28扩张尺寸和响应于第一温度T₁在局部区域28收缩尺寸，从而将热能转换为机械能，详细说明参见下文。

第一形状记忆合金可具有任何合适的组分。特别地，第一形状记忆合金可联合地包括从钴、镍、钛、铟、锰、铁、钯、锌、铜、银、金、镉、锡、硅、铂和镓中选择的元素。例如，合适的第一形状记忆合金可包括镍钛基合金、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(如铜锌合金、铜铝合金、铜金合金、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、和一种或多种这些组合的组合。第一形状记忆合金可以是二元、三元或任何更高元，只要第一形状记忆合金展现出形状记忆效应，例如，在形状定向、阻尼性能等方面的变化。第一形状记忆合金可以根据冷却系统10的期望工作温度来选择，详细说明参见下文。在一个具体的例子中，第一形状记忆合金可包括镍和钛。

此外，由第一形状记忆合金构成的第一元件26可以有任何合适的形态，即形状。例如，第一元件26可以具有形状改变元件的形态。也就是说，第一元件26可具有从弹簧、带、线、条带、连续环、和它们的组合中选择的形态。参照图2，在一个变型中，第一元件26可被配置为连续环。

现在参照图3，在另一种变型中，冷却系统10可包括至少一个第二元件30，第二元件30由第二形状记忆合金构成，第二形状记忆合金具有可响应于热源12和冷却剂14之间的温度差ΔT而在第二二相变温度T_相变2下在奥氏体和马氏体之间变化的晶相。也就是说，冷却系统10可包括多个元件26、30，元件26、30可以由相同或不同的形状记忆合金构成。第二元件30可以选择成使得，第二相变温度T_相变2低于第一元件26的第一相变温度T_相变1。因此，第二二形状记忆合金可在较低温度下在奥氏体和马氏体之间变化，详细说明参见下文。

对于包括多个元件26、30的变型来说，每个元件26、30可具有不同的相变温度T_相变，在该温度下晶相在奥氏体和马氏体之间变化。也就是说，每个元件26、30可在不同的相变温度T_相变下改变晶相，但可与其他元件26、30协作，例如，结合机械能输出，以产生最大量的机械能。

在替代布置中，第一元件26沿着第一元件26的厚度还可具有至少第二相变温度T_相变2，在该温度下，晶相在奥氏体和马氏体之间变化。也就是说，第一元件26沿着第一元件26的厚度可具有多个相变温度T_相变，在该温度下，晶相在奥氏体和马氏体之间变化。因此，第一元件26的一个或多个部分可在第一元件26的另一部分之前改变晶相。在另一个变型中，第一元件26沿着第一元件26的厚度可包括多个、同时的晶相变化。

在工作中，如参照图1和2描述的以及下面更详细阐述的，第一形状记忆合金在与热源12和冷却剂14中的一个发生热关系时，可在奥氏体和马氏体之间改变晶相。例如，当与热源12发生热关系时，第一形状记忆合金可从马氏体转变为奥氏体。同样，当与冷却剂14发生热关系时，第一形状记忆合金可从奥氏体转变为马氏体。

第一形状记忆合金可通过任何合适的方式将热能转换成机械能。例如，由第一形状记忆合金构成的第一元件26可激活滑轮系统(在图2中大体示出并在下面更详细阐述)、接合杠杆(未显示)、旋转飞轮(未显示)、接合螺旋桨(未显示)等。

再次参照图1的热力发动机24，热力发动机24与管道18处在热关系中，例如，处在热交换关系中。例如，如图2所示，热力发动机24可布置成靠近管道18，使得热能可以从管道18传输到热力发动机24。

参照图1和2，冷却系统10还可包括发电机32。发电机32可配置成将机械能转换为电(图1和2中总体上以符号34表示)。发电机32可以是任何能将机械能转换为电34的合适设备。例如，发电机32可以是利用电磁感应将机械能转换成电34的发电机，并可包括转子(未显示)，该转子相对于定子(未显示)旋转。因此，热能可被收集并转换为机械能和/或电34，供发动机(未显示)再利用和/或存储在车辆的电池(未显示)中。

再次参照图2，发电机32可由热力发动机24驱动。也就是说，通过第一元件26将热能转换而来的机械能可驱动发电机32。特别地，由第一形状记忆合金构成的第一元件26的前文所述的尺寸收缩和尺寸扩张可以驱动发电机32，详细说明参见下文。

在一个如图2所示的非限制性的例子中，第一元件26可被配置在连续环中。在该例子中，热力发动机24可包括配置成支撑第一元件26的多个滑轮36、38或轮子。热力发动机24还可包括配置成支撑所述多个滑轮36、38或轮子的机架40。例如，所述多个滑轮36、38或轮子可布置在多个轴42、44上，并能相对于机架40旋转。由第一形状记忆合金构成的第一元件26可由轮子或滑轮36、38支撑，并可沿着它们移动。也就是说，在该变型中，连续环可沿所述多个滑轮36、38平移。

继续参照图2，轮子或滑轮36、38的旋转速度可以可选地由一个或多个齿轮组46改变。此外，发电机32可包括附接到轮子或滑轮36的驱动轴48。当轮子或滑轮36、38响应于由第一形状记忆合金构成的第一元件26的尺寸扩张和收缩而围绕热力发动机24的相应轴42、44转动或旋转时，驱动轴48可旋转并驱动发电机32。也就是说，如参照图2所描述的，第一形状记忆合金可以交替地响应于第二温度T₂在另一局部区域50发生尺寸上的扩张以及响应于第一温度T₁在局部区域28发生尺寸上的收缩，从而将热能转换为机械能并驱动发电机32。然后，发电机32可产生电34，从而使机械能转换为电34。

在另一非限制性的例子中，虽然没有显示出来，但冷却系统10可包括处于直线构造的第一元件26。例如，在一个变型中，冷却系统10的热力发动机24可被配置为发电机32的线性致动器。线性致动器可用于直接转换在磁场中运动的导体的往复运动。在该变型中，第一元件26可被配置成连接到永磁体(未显示)的两条直线。当形状记忆合金变暖，如暴露在热源12的第一温度T₁中时，第一元件26在尺寸上收缩。该收缩会移动永磁体并在发电机32的绕组(未显示)中感应出电压。随后暴露在冷却剂14中时，第一形状记忆合金变冷，于是第一元件26在尺寸上扩张。然后，第一元件26在尺寸上继续扩张和收缩，只要在热源12和冷却剂14之间存在温度差ΔT。

此外，热力发动机24可被配置成作为飞轮，这样，在选定的运行条件期间，可绕过热能向机械能的转换。在这样的运行条件期间，热力发动机24的任何动能仍可被收集而没有必需的热能输入。因此，在该变型中，当热力发动机速度和热传输速率不同步时，可以防止第一元件26损坏。

此外，热力发动机24还可包括清洁部件，例如刷子，配置成清洁和/或刮擦热力发动机24的第一元件26。例如，由于冷却系统10可能在恶劣和/或肮脏的环境中工作，清洁部件可清除腐蚀和堆积的污垢，使热力发动机24有效地上作。此外，虽然没有显示，但热力发动机24还可包括其它运行部件，如永磁体、扇片(flap)和弹簧，这取决于期望的应用。

再次参照图2，热力发动机24还可包括离合器(总体上用箭头52表示)，该离合器配置成防止热力发动机24运行在不期望的运行方向上，例如，逆时针或向左的方向。也就是说，离合器52可包括棘轮机构，以使热力发动机24只在期望的运行方向上运行。因此，离合器52可以表征为“单向”，并且可确保热力发动机24不被“倒驱动”。

现在参考图3，在一个变型中，冷却系统10可包括多个热力发动机24、124。例如，冷却系统10可包括两个或更多的热力发动机24、124。此外，所述多个热力发动机24、124可沿着管道18的长度串联和/或并联布置。例如，所述多个热力发动机24、124可沿管道18的长度按照级联顺序布置，使得来自第一热力发动机24的相对较凉的冷却剂14充当第二热力发动机124的热源12，以从热源12中收集最多的热能。

在参照图3所描述一个配置中，多个热力发动机24、124可沿管道18的长度布置，以便通过设计和形状记忆合金的选择进行单独调整，从而根据沿着管道18长度的细微温度变化最佳地工作。也就是说，所述多个热力发动机24、124可布置成两级轴向级联配置，以利用沿着管道18的轴线54的温差。例如，一个热力发动机24(即第一级)可布置在另一个热力发动机124(即第二级)的上游。更具体地说，两个热力发动机24、124可布置在具有第一温度T₁的第一位置和具有第二温度T₂的第二位置，其中第二温度T₂比第一温度T₁低。也就是说，热源12从第一位置到第二位置可稍微变冷。在每个位置上，管道18与相应热力发动机24、124之间的间隙可变化，以适应相对温度差。例如，第二位置处的间隙可比第一位置处的间隙小。可替代地或附加地，这两个热力发动机24、124可有两个相应的元件26、30，它们由两种相应的形状记忆合金构成，这两种形状记忆合金具有各自的第一相变温度T_相变1和第二相变温度T_相变2。因此，根据沿着管道18的轴线54的热源12和/或冷却剂14的位置和温度，所述多个热力发动机24、124可选择成在不同相变温度T相变下改变晶相。

在另一个配置中，虽然没有显示，但所述多个热力发动机24、124可布置成两级径向级联配置以利用径向温差，即由于距管道18的径向间距所产生的温差。例如，一个热力发动机24(即第一级)可布置成比另一个热力发动机124(即第二级)在径向上更接近管道18。

在上述非限制性示例配置中，第一级和第二级可布置成相互之间有热关系，可以协作、和/或可独立运行。例如，所述多个热力发动机24、124可共用一个元件26。

再次参考图2，冷却系统10还可包括布置成与管道18接触的构件56，该构件56被配置成将热能从管道18传导到热力发动机24。例如，构件56可通过传导将热能传输到热力发动机24。也就是说，为了优化热力发动机24的机械能和/或电的输出，从热源12传输到热力发动机24余热量必须最大化。这样的优化可以通过使由余热散失到环境中引起的热量损失最小化、引导热量从热源12到热力发动机24、和/或优化从热源12到第一元件26的传热率来实现。因此，构件56使这种优化成为可能。

更具体地说，构件56可由适合从热源12向热力发动机24的第一元件26传输热能的任何导热材料构成。也就是说，构件56可被配置成通过传导从管道18向热力发动机24传输热能。例如，构件56可由具有优良导热性的金属构成。正如在图1所示，构件56布置成与管道18接触，以在管道18和第一元件26之间按照箭头58的方向传输热量。

此外，如在图2中所示，构件56可包括多个接触体60，其配置成与第一元件26接触，从而在奥氏体和马氏体之间改变晶相。例如，所述多个接触体60可以是柔性毛，可从构件56延伸，并可接触管道18，以实现在冷却系统10的热源12、第一元件26和/或构件56之间的传导。在另一个例子中，所述多个接触体60可以是辊子，其配置成与第一元件26界面连接(interface)。构件56可布置成与管道18处于传热关系中，而所述多个接触体60可布置成与第一元件26处于传热关系中。虽然没有显示，但所述多个接触体60也可从第一元件26延伸。例如，第一元件26可包括多个柔性毛。

参照图2，应当认识到的是，热力发动机24可在冷却系统10内设置成任意配置或布置。也就是说，尽管没有在图2中显示，但构件56和/或接触体60可布置成与绕在轮子或滑轮36上的第一元件26的一部分处于热关系中。可替代地，如图2所示，构件56和/或接触体60可布置成与跨度两个轮子或滑轮36、38之间距离的第一元件26的一部分处于热关系中。

再次参考图2，冷却系统10还可包括绝缘体62，绝缘体62布置成与管道18接触并配置成对管道18和构件56进行热绝缘。在一个变型中，如图2所示，绝缘体62可布置成与构件56接触。也就是说，绝缘体62可至少部分地围绕着管道18和/或构件56，以使传输到管道18外部大气的热量最小化。绝缘体62可由任何能够吸收和/或存储来自管道18的余热的合适绝缘材料(例如但不限于陶瓷)构成。

继续参考图2，冷却系统10还可包括装置64，装置64配置成调节热源12和冷却剂14之间的温度差ΔT。例如，装置64可包括进气口、叶片、鼠笼式风机、离心式空气泵等，用来引导流体流穿过第一元件26，从而改变第一元件26的温度。也就是说，装置64可降低或升高第一元件26的温度。例如，装置64可以定向成相对较冷的热源12和/或冷却系统10外部的空气可以流过由第一形状记忆合金构成的第一元件26。当装置64改变第一元件26的温度时，第一元件26可在尺寸上扩张或收缩，并引起热力发动机24在期望的工作方向上运动。因此，热流58可通过通风扇片(vent flap)或叶片增加或减少到一个区域(例如箭头28表示的局部区域)，这是相比较另一区域(例如箭头50表示的另一局部区域)而言的。

现在参见图4，在一个变型中，冷却系统10包括上述的热能源、冷却回路16和热力发动机24，还包括与热源12和热力发动机24流体连通的散热器66。散热器66配置为从冷却剂14中消散热能。

散热器66可将来自热源12的热与在车辆行使方向上流进车辆(未显示)的环境冷却空气和/或由热源12释放出的相对温暖的冷却剂14进行交换。此外，散热器66可在图4中箭头68的方向上为冷却剂14和热源12中的每个提供相对较凉的冷却剂14，并可在图4中箭头70的方向上接收来自热源12的相对温暖的冷却剂14。

在工作中，如一般性参考图1和2所描述的，热力发动机24，特别是由第一形状记忆合金构成的第一元件26，可布置成如上所述那样与热源12和冷却剂14中的每个均处于热关系中。也就是说，第一元件26可相对于热源12和冷却剂14中的每个布置成对第一温度T₁和/或第二温度T₂有反应。例如，热力发动机24的第一元件26可布置成与构件56(图2)的多个接触体60(图2)接触，以便通过传导来实现第一形状记忆合金的晶相变化。

因此，第一形状记忆合金在与热源12和冷却剂14之一处于热关系中时，可在奥氏体和马氏体之间改变晶相。例如，当与热源12处于热关系中时，第一形状记忆合金可由马氏体变为奥氏体。同样，当与冷却剂14处于热关系中时，第一形状记忆合金可由奥氏体变为马氏体。

此外，第一形状记忆合金可通过改变晶相而改变尺寸，从而将热能转换为机械能。更具体地说，第一形状记忆合金可通过从马氏体变为奥氏体来改变晶相而在尺寸上收缩，例如如果被假塑性地预加了应变的话，也可通过从奥氏体变为马氏体来改变晶相而在尺寸上扩张，从而将热能转换为机械能。因此，对于在热源12的第一温度T₁和冷却剂14的第二温度T₂之间存在温度差(即热源12和冷却剂14不处于热平衡)的任何情况而言，第一形状记忆合金都可通过在马氏体和奥氏体之间改变晶相而在尺寸上扩张和收缩。此外，第一形状记忆合金的晶相变化可足以驱动发电机32。

参考图1和2的冷却系统10，在热力发动机24的启动和持续工作期间，局部区域28(图2)与热源12处于热关系中(例如接触)，而另一局部区域50(图2)与冷却剂14处于热关系中，以实现第一形状记忆合金的晶相变化。当第一形状记忆合金的另一局部区域50(图2)在与冷却剂14处于热关系中时在尺寸上扩张(例如当处在应力下时在尺寸上伸长)时，与热源12处于热关系中的第一形状记忆合金的局部区域(在图2中总体上由箭头28表示)在先前已被假塑性地预加了应变时在尺寸上收缩。暴露在热源12和冷却剂14之间的温度差ΔT中时，第一元件26的连续弹簧环(spring loop)形式的交替的尺寸扩张和收缩可使机械势能转变为机械动能，从而将热能转换为机械能。所以，为了使冷却系统10的效率最佳，热源12和冷却剂14优选地迅速更新，以保持热源12和冷却剂14之间的温度差ΔT。

再次参考图1，热力发动机24可布置在冷却系统10中的任何位置，只要在运行中第一元件26的一些部分布置成与相应的热源12和冷却剂14处于热关系中，使得第一形状记忆合金可以响应于热源12、冷却剂14、和热源12与冷却剂14之间的温度差ΔT中的至少一者而改变晶相。另外，虽然没有显示出来，但应该认识到，冷却系统10可包括另外的传感和控制部件，例如，电子控制单元。电子控制单元可以与冷却系统10可操作地通信，并可配置成能调节热能向机械能和/或电34的转换。电子控制单元可以是，例如，与冷却系统10的一个或多个控制器和/或传感器电子通信的计算机。例如，电子控制单元可以与热源12的温度传感器、冷却剂14的温度传感器、发电机32的调速器、流体流量传感器、致动器、以及配置成监测发电的仪表中的一个或多个进行通信和/或对其进行控制。

此外，如图1和2所示，冷却系统10还可包括传输介质72，传输介质72配置成传送来自冷却系统10(例如来自发电机32)的电34。例如，传输介质72可以是电力线或导电电缆。传输介质72可将电34从发电机32传送到存储设备，如电池(未显示)、蓄能器和/或集电器。例如，冷却系统10可根据需求的波动生成、存储和/或传送电34。

还应该认识到，对于上述例子、变型或配置中的任一种，冷却系统10可包括多个热力发动机24、124，元件26、30和/或发电机32。也就是说，一个冷却系统10可包括不止一个热力发动机24、124，元件26、30和/或发电机32。例如，一个热力发动机24可驱动多于一个的发电机32。

虽然实施本发明的最佳方式已被详细描述，但本发明所涉及领域的技术人员将认识到在所附权利要求的范围内用于实施本发明的各种替代设计和实施例。

Claims

1.一种冷却系统，其配置成将热能转换为机械能，所述冷却系统包括：

管道；和

2.根据权利要求1所述的冷却系统，其中，所述第一形状记忆合金响应于所述热源而从马氏体向奥氏体改变晶相，从而在局部区域发生尺寸上的收缩。

3.根据权利要求2所述的冷却系统，其中，所述第一形状记忆合金响应于所述冷却剂而从奥氏体向马氏体改变晶相，从而在所述局部区域发生尺寸上的扩张。

4.根据权利要求3所述的冷却系统，其中，所述第一形状记忆合金交替地响应于所述第二温度而在所述局部区域发生尺寸上的扩张和响应于所述第一温度而在所述局部区域发生尺寸上的收缩，从而将热能转换为机械能。

5.根据权利要求1所述的冷却系统，还包括布置成与所述管道接触并配置成从所述管道向所述热力发动机传导热能的构件。

6.根据权利要求5所述的冷却系统，其中，所述构件包括多个接触体，所述多个接触体配置成与所述第一元件接触，从而在奥氏体和马氏体之间改变所述晶相。

7.根据权利要求1所述的冷却系统，还包括绝缘体，所述绝缘体布置成与所述管道接触并配置成使所述管道热绝缘。

8.根据权利要求1所述的冷却系统，还包括多个热力发动机。

9.根据权利要求8所述的冷却系统，其中，所述多个热力发动机沿着所述管道串联布置。

10.根据权利要求1所述的冷却系统，其中，所述第一元件沿着所述第一元件的厚度还具有至少第二相变温度，在该温度下，所述晶相在奥氏体和马氏体之间变化。

11.根据权利要求1所述的冷却系统，还包括至少一个第二元件，所述第二元件由第二形状记忆合金构成，所述第二形状记忆合金具有能响应于所述热源和所述冷却剂之间的所述温度差而在第二相变温度下在奥氏体和马氏体之间变化的晶相。

12.根据权利要求1所述的冷却系统，还包括发电机，所述发电机配置成将机械能转换为电，其中，所述发电机由所述热力发动机驱动。

13.根据权利要求12所述的冷却系统，其中，所述第一形状记忆合金交替地响应于所述第二温度而在局部区域发生尺寸上的扩张和响应于所述第一温度而在另一局部区域发生尺寸上的收缩，从而将热能转换为机械能并驱动所述发电机。

14.一种冷却系统，其配置成将热能转换为机械能，所述冷却系统包括：

15.一种冷却系统，其配置成将热能转换为机械能，所述冷却系统包括：

管道；和

16.根据权利要求15所述的冷却系统，其中，所述第一形状记忆合金交替地响应于所述第二温度而在所述局部区域发生尺寸上的扩张和响应于所述第一温度而在所述局部区域发生尺寸上的收缩，从而将热能转换为机械能。

17.根据权利要求16所述的冷却系统，还包括发电机，所述发电机配置成将机械能转换为电，其中，所述发电机由所述热力发动机驱动。

18.根据权利要求15所述的冷却系统，其中，所述冷却剂在所述冷却回路内以闭环进行重复循环。