CN102121464B - 具有形状记忆合金连续环的车辆能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有形状记忆合金连续环的车辆能量收集装置。具体提供了一种能量收集系统，包括第一区域以及第二区域，它们之间存在温度差。多个热机安置为接近于管道并且配置为将热能转换为机械能。每一个热机均包括形成至少一个大致连续环的形状记忆合金。形状记忆合金通过与第一区域和第二区域中的每个的热交换接触而被驱动旋转。所述多个热机中的每一个的至少一个皮带轮由相应形状记忆合金的旋转所驱动，并且所述至少一个皮带轮中的每一个可操作地连接至一部件并因此而驱动该部件。
Description
相关申请的交叉引用
本申请请求2009年11月20日提交的美国临时申请No.61/263,162以及2009年11月20日提交的美国临时专利申请No.61/263,177的受益权，这两篇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车辆，更具体地说，涉及一种用于车辆以及车辆附件的能量源。
背景技术
车辆传统上由驱动车辆的发动机以及为起动发动机和为车辆附件提供电力的电池供以动力。技术上的发展以及驾驶者方便性的需要使车辆附件的数量增加，也增加了需要给车辆附件提供动力的发动机和/或电池的负载，即动力需求。此外，车辆动力源以及部件产生了大量的废热，即，通常被耗散至大气中并损失掉的废热能。
因此，需要用于延长车辆续驶里程以及提高燃料效率的布置。所以，需要提高车辆燃料效率并降低车辆传统动力源(即发动机和/或电池)的动力负载的系统，并且如果即使少许百分比的车辆废热转化为可用的机械能和/或电能，也可以实现显著的车辆燃料经济性增益。
发明内容
一种能量收集系统，包括第一区域以及第二区域，它们之间存在温度差。管道至少部分地安置于第一区域内。多个热机安置为接近于管道并且配置为将热能转换为机械能。每一个热机均包括形成至少一个大致连续环的形状记忆合金。形状记忆合金环通过与第一区域和第二区域的热交换接触而被驱动旋转。所述多个热机中的每一个的至少一个皮带轮由相应形状记忆合金环的旋转所驱动，并且所述至少一个皮带轮中的每一个可操作地连接至一部件并因此而驱动该部件。
一种收集能量的方法，包括：驱动多个热机，以将热能转换为机械能。驱动多个热机包括：暴露所述多个热机中的每一个的形状记忆合金连续环的局部区域，以与具有温度差的第一区域和第二区域进行热交换接触。所述多个热机中的每一个的形状记忆合金连续环具有能响应于第一区域和第二区域间的温度差而在奥氏体和马氏体之间转变的晶相。在环处于张力的情况下，每个形状记忆合金连续环的局部区域响应于第一区域与第二区域间的温度差而扩张和收缩。每个形状记忆合金连续环响应于局部区域的扩张和收缩而旋转。至少一个皮带轮由所述多个热机旋转，而所述至少一个皮带轮的旋转驱动一部件。
一种车辆，包括用于车辆的管道以及具有温度差的第一区域和第二区域。第一区域环绕管道，第二区域至少部分地环绕第一区域。多个热机配置为将热能转换为机械能。所述多个热机中的每一个包括多个同心地位于管道周围的内皮带轮，以及多个同心地位于管道周围的外皮带轮，所述外皮带轮与内皮带轮成交替的关系。至少一个形状记忆合金连续环围绕管道交替地穿过所述多个内皮带轮的内部以及外皮带轮的外部。形状记忆合金布置成与第一区域和第二区域进行热交换接触，使得响应于第一区域和第二区域间的温度差，所述多个内皮带轮以及所述多个外皮带轮中的至少一个被张紧的形状记忆合金驱动旋转。所述多个内皮带轮以及所述多个外皮带轮中的所述至少一个的旋转驱动车辆的部件。所述多个热机中的第一个同心地布置于管道周围，其余的多个热机相继同心地布置于彼此周围。
本发明进一步涉及如下的解决方案：
方案1.一种能量收集系统，包括：
第一区域以及第二区域，它们之间具有温度差；
管道，其至少部分地位于所述第一区域内；
多个热机，其安置为接近于所述管道并且配置为将热能转换为机械能，其中所述多个热机中的每个均包括形成至少一个处于张力下的大致连续环的形状记忆合金，其中所述形状记忆合金通过与所述第一区域和所述第二区域的热交换接触而被驱动旋转；和
所述多个热机中的每个的至少一个皮带轮，由相应形状记忆合金的旋转所驱动，其中所述至少一个皮带轮中的每一个可操作地连接至一部件并因此而驱动所述部件。
方案2.如方案1所述的能量收集系统，其中，所述多个热机中的每一个同心地布置在所述管道周围。
方案3.如方案2所述的能量收集系统，其中，所述多个热机中的第一个同心地布置在所述管道周围，其余的多个热机相继同心地布置在彼此周围。
方案4.如方案3所述的能量收集系统，其中，所述多个热机中的每一个的所述至少一个皮带轮还包括以相互交替的关系可旋转地安装到支撑件的多个外皮带轮和多个内皮带轮，并且其中，所述形状记忆合金交替地穿过所述多个内皮带轮的内部以及所述外皮带轮的外部，以形成围绕所述管道的所述至少一个连续环，并且其中，所述热机之一的多个外皮带轮与后续热机的多个内皮带轮围绕同一轴线旋转。
方案5.如方案2所述的能量收集系统，其中，所述多个热机沿着所述管道的长度相继布置。
方案6.如方案5所述的能量收集系统，其中，所述相继的多个热机中的至少一个的形状记忆合金与前一个形状记忆合金的成分不同，使得所述相继的热机利用沿着所述管道长度的在所述第一区域内的热梯度。
方案7.如方案6所述的能量收集系统，其中，所述多个热机中的每一个还包括以相互交替的关系可旋转地安装到支撑件的多个外皮带轮和多个内皮带轮，并且其中，所述形状记忆合金交替地穿过所述多个内皮带轮的内部以及所述外皮带轮的外部，以形成围绕所述管道的所述至少一个连续环。
方案8.如方案7所述的能量收集系统，其中，所述形状记忆合金还包括多个连续环，每一个连续环以相同的交替关系在所述多个内皮带轮和所述多个外皮带轮当中穿过。
方案9.如方案7所述的能量收集系统，其中，所述内皮带轮至少部分位于所述第一区域内，所述外皮带轮至少部分位于所述第二区域内。
方案10.如方案1所述的能量收集系统，其中，所述部件为可操作地连接于所述至少一个皮带轮的电动机/发电机。
方案11.一种收集能量的方法，包括：
驱动多个热机，以将热能转换为机械能，其中驱动多个热机包括：
暴露所述多个热机中的每一个的形状记忆合金连续环的局部区域，以与具有温度差的第一区域和第二区域进行热交换接触，其中所述多个热机中的每一个的形状记忆合金连续环均具有能响应于所述第一区域和所述第二区域间的温度差而在奥氏体和马氏体之间转变的晶相；
使所述形状记忆合金连续环的局部区域响应于所述第一区域与所述第二区域间的温度差而扩张和收缩；和
使所述形状记忆合金连续环响应于所述形状记忆合金连续环的局部区域的扩张和收缩而旋转；
使至少一个皮带轮随着所述多个热机中的每一个的连续环而旋转；和利用所述至少一个皮带轮的旋转而驱动一部件。
方案12.如方案11所述的方法，其中，使至少一个皮带轮随着所述多个热机旋转还包括：所述多个热机中的每一个旋转至少一个皮带轮。
方案13.如方案12所述的方法，其中，暴露形状记忆合金连续环的局部区域以与所述第一区域和所述第二区域进行热交换接触还包括：使所述多个热机中的每一个的连续环的局部区域暴露于所述第一区域和所述第二区域的不同部分，使得每一个连续环暴露于所述第一区域和所述第二区域之间不同的温度差。
方案14.如方案11所述的方法，其中，暴露所述多个热机中的每一个的形状记忆合金连续环的局部区域以与所述第一区域和所述第二区域进行热交换接触还包括：调整可操作地连接到所述多个热机中的第一个的屏障，从而为所述多个热机中的后续的一个调整第一区域和第二区域间的温度差。
方案15.如方案11所述的方法，其中，驱动部件包括：驱动可操作地连接于所述至少一个皮带轮的电动机/发电机。
方案16.一种车辆，包括：
用于车辆的管道；
环绕所述管道的第一区域；
至少部分环绕所述第一区域的第二区域，其中在所述第一区域和所述第二区域之间具有温度差；
多个热机，其配置为将热能转换为机械能，包括：
支撑件；
多个同心地位于所述管道周围的内皮带轮；
多个同心地位于所述管道周围的外皮带轮，其与所述内皮带轮成交替的关系；
至少一个置于张力下的形状记忆合金连续环，其围绕所述管道交替地穿过所述多个内皮带轮的内部和所述外皮带轮的外部；
其中，所述形状记忆合金布置成与所述第一区域和所述第二区域都进行热交换接触，使得响应于所述第一区域和所述第二区域之间的温度差，所述多个内皮带轮以及所述多个外皮带轮中的至少一个被所述形状记忆合金驱动旋转；和
被所述多个内皮带轮以及所述多个外皮带轮中的所述至少一个的旋转所驱动的车辆部件；并且
其中，所述多个热机中的第一个同心地布置于所述管道周围，其余的多个热机相继同心地布置于彼此周围。
方案17.如方案16所述的车辆，其中，所述管道是车辆排气管和散热器软管中的一个。
方案18.如方案16所述的车辆，其中，所述多个相继的热机中的至少一个的形状记忆合金与前一个形状记忆合金的成分不同，使得所述相继的热机利用沿着距所述管道的径向距离的热梯度。
方案19.如方案16所述的车辆，其中，所述热机之一的多个外皮带轮与后续热机的多个内皮带轮围绕同一轴线旋转。
方案20.如方案16所述的车辆，其中，所述部件为可操作地连接于所述至少一个皮带轮的电动机/发电机。
联系附图以及所附权利要求，从下文对实施本发明的优选实施例及最佳方式的详细描述中，将容易地显现本发明的上述特征及优点以及其它特征及优点。
附图说明
图1是具有能量收集系统的车辆的示意图；
图2是图1的能量收集系统的第一实施例的示意性透视图；
图2A是沿图2的截面A-A截取的、图1和2的能量收集系统的第一实施例的示意性截面图；
图2B是沿图2的截面B-B截取的、图1至2的能量收集系统的第一实施例的另一示意性截面图；
图2C是沿图2的截面C-C截取的、图1至2B的能量收集系统的第一实施例的另一示意性截面图；
图3是图1的能量收集系统的第二实施例的局部示意性端视图；和
图4是图1的能量收集系统的第三实施例的示意性侧视图。
具体实施方式
参考附图，其中相同的附图标记代表相同的部件，图1中车辆总体上以标号10表示。车辆10包括能量收集系统42、142、242。能量收集系统42、142、242利用第一区域12和第二区域14间的温度差来产生机械能或电能，因此可以用于汽车应用中。然而，可以认识到，能量收集系统42、142、242还可用于非汽车应用中。能量收集系统42、142、242包括热机16、116、216。热机16、116、216配置为将热能(例如热量)转换为机械能，或者将热量转换为机械能，然后转换为电能，下文作更详细描述。
车辆10限定舱40，舱40可以容纳车辆10所用的动力和驱动源，例如发动机和变速器(未示出)。舱40相对于周围环境可以封闭或可以不封闭，并且可以包括在车辆10外部的区域及部件，例如排气管和催化转化器、减震器、制动器，以及任何其它能量以热的形式消散到车辆10附近或内部的区域，例如乘客舱、发动机舱或电池舱(例如在电动车辆中)。
能量收集系统42、142、242至少部分地置于舱40内。车辆10的动力以及驱动源(未示出)通常产生热量。因此，舱40包括具有温度差的第一区域12和第二区域14。第一区域12以及第二区域14可以彼此间隔开以在第一区域12和第二区域14之间提供足够的热交换屏障50、250。能量收集系统42、142、242内的形成第一区域12和第二区域14的流体可以从气体、液体及其组合之中选择。第一区域12内的流体可以与第二区域内的流体不同。在上述舱40是发动机舱的实施例中，第一区域12和第二区域14内的流体是舱40内的空气。
能量收集系统42、142、242可利用温度差的车辆10内的多个实例接近排气系统或与排气系统合并，包括接近催化转化器、临近车辆电池、或者在电动车辆的电池舱内，接近变速器、制动器、或者车辆悬架部件(特别是减震器)，或者接近热交换器(例如散热器)或包含在热交换器(例如散热器)中。上面的实例列出了车辆10的可以作为第一区域12或者第二区域14中的一个的区域。能量收集系统42、142、242可以如此布置，使得第一区域12或者第二区域14中的另一个由足够的热交换屏障50、250分隔，从而提供所需的温度差。上面清单仅提供了能量收集系统42、142、242可以处于的位置的实例，并不意图包含能量收集系统42、142、242所有的布置形式。本领域技术人员将能够确定具有相关温度差的区域以及能量收集系统42、142、242的适当位置，来利用温度差。
能量收集系统42、142、242还包括从动部件20。部件20可以是简单的机械装置，从风扇、皮带、离合器驱动器、送风机、泵、压缩机、以及它们的组合中选择。部件20由热机16、116、216驱动。部件20可以是车辆10内现有系统的一部分，例如加热或冷却系统。机械能可以驱动部件20或者在驱动部件20方面辅助车辆10的其它系统。利用热机16、116、216提供的动力来驱动部件20，还可以允许车辆10内相关联的现有系统减小尺寸/容量，从而在节约能量之外还减轻重量。
可代替地，部件20可以是发电机。部件/发电机20配置为将来自热机16、116、216的机械能转换为电力(图1中总体上以标记EE表示)。部件/发电机20可以是任何合适的用于将机械能转换为电力EE的装置。例如，部件/发电机20可以是使用电磁感应将机械能转换为电力EE的发电机，并且可以包括相对于定子(未示出)旋转的转子(未示出)。部件/发电机20产生的电能EE随后可用来为车辆10内的主要或附属驱动系统辅助提供动力。
如上所述，能量收集系统42、142、242配置为产生机械能或电能，并且包括限定具有第一温度的第一区域12的结构以及限定具有第二温度的第二区域14的结构，其中第二温度不同于第一温度。
在一种变型中，能量收集系统42、142、242还包括电子控制单元46。电子控制单元46与车辆10可操作地通信。电子控制单元46可以是，例如，与能量收集系统42、142、242的一个或更多控制器和/或传感器电子通信的电脑。例如，电子控制单元46可以与第一区域12内的温度传感器、第二区域14内的温度传感器、部件20的速度调整器、流体流量传感器、以及配置为监测电力产生的仪表中的一个或多个通信和/或对其进行控制。电子控制单元46可以在车辆10的预定情况下控制能量的收集。例如，在车辆10已经运行了充足的时间来确保第一区域12和第二区域14之间的温度差达到最佳温度差以后，电子控制单元46可以启动能量收集系统42、142、242。电子控制单元46还可以提供手动超驰(override)热机16、116、216这一选择，来允许能量收集系统42、142、242关闭。由电子控制单元46控制的离合器(未示出)可以用来使热机16、116、216与部件20脱离接合。
如也是在图1示出的，能量收集系统42、142、242包括传输介质48，传输介质48配置为传送来自能量收集系统42、142、242的电力EE。特别的，传输介质48可传送来自部件/发电机20的电力EE。传输介质48例如可以是输电线或导电线缆。传输介质48可以将电力EE从部件/发电机20传送至储存装置54，例如车辆的电池。储存装置54同样可以接近车辆10安置但与其隔离。这样的储存装置54可以允许能量收集系统42、142、242与诸如车辆10的停泊车辆一起使用。例如，能量收集系统42、142、242可以利用阳光照射舱40的盖所产生的温度差并且在储存装置54中储存所产生的电能EE。
无论来自能量收集系统42、142、242的能量是用来直接驱动部件20还是为了后续使用而储存，能量收集系统42、142、242均为车辆10提供了额外的能量并且降低了用于驱动车辆10的主能量源的负载。因此，能量收集系统42、142、242增加了车辆10的燃料经济性以及续驶里程。如前面所述，能量收集系统42、142、242可以自主运行，而不需要来自车辆10的输入。
应该认识到，对于在前提到的任何实例，车辆10和/或能量收集系统42、142、242均可以包括多个热机16、116、216和/或多个部件20。也就是，一部车辆10可以包括多于一个热机16、116、216和/或部件20。例如，一个热机16、116、216可以驱动多于一个的部件20。同样，车辆10可以包括多于一个的能量收集系统42、142、242，每一个能量收集系统均包括至少一个热机16、116、216和部件20。多个热机16、116、216可以利用整个车辆10中具有温度差的多个区域。
现在参考图1和2，热机16配置为将热能(例如热量)转换为机械能或者将热量转换为机械能，然后转换为电能，下文做更详细描述。热机16包括形状记忆合金18(图2A)，形状记忆合金18的晶相在形状记忆合金18于第一区域12和第二区域14中的一个内暴露于的特定温度下可在奥氏体和马氏体之间转变。当在第一区域12和第二区域14之间经过时，响应于第一区域12和第二区域14的温度差(图1)，形状记忆合金经历晶相的改变。下面的描述参考图2A。然而，所有实施例中的形状记忆合金18以相似的方式工作。
如本文使用的，术语“形状记忆合金”指的是展现形状记忆效应的合金。也就是，形状记忆合金18可以通过分子重排经历固态相变，从而在马氏体相(即“马氏体”)以及奥氏体相(即“奥氏体”)之间转换。换句话说，形状记忆合金18可以经历位移性转变，而不是扩散性转变，以在马氏体和奥氏体之间变换。一般而言，马氏体相指相对较低温的相并且通常比相对较高温的奥氏体相更易变形。形状记忆合金18开始从奥氏体相转变至马氏体相时的温度称为马氏体开始温度Ms。形状记忆合金18完成从奥氏体相至马氏体相的转变时的温度称为马氏体完成温度Mf。类似地，当加热形状记忆合金18时，形状记忆合金18开始从马氏体相转变至奥氏体相时的温度称为奥氏体开始温度As。形状记忆合金18完成从马氏体相至奥氏体相转变时的温度称为奥氏体完成温度Af。
因此，形状记忆合金18可以由冷状态表征，即当形状记忆合金18的温度低于形状记忆合金18的马氏体完成温度Mf时的状态。同样的，形状记忆合金18也可以由热状态表征，即当形状记忆合金18的温度高于形状记忆合金18的奥氏体完成温度Af时的状态。
在工作中，即当暴露于第一区域12和第二区域14的温度差时，形状记忆合金18如果被预加应变或受到拉应力的话，则可以通过改变晶相而改变尺寸，从而将热能转换为机械能。也就是，形状记忆合金18可以将晶相从马氏体改变为奥氏体，并且如果被假塑性地预加了应变的话，则会因此而在尺寸上收缩，以将热能转换为机械能。相反的，形状记忆合金18可以将晶相从奥氏体改变为马氏体，并且如果处于应力下，则会因此而在尺寸上扩张，以将热能转换为机械能。
“假塑性地预加应变”是指，当形状记忆合金18处于马氏体相时对其进行拉伸，使得在那种加载条件下形状记忆合金18所表现出的应变在卸载时不会完全恢复，而纯弹性应变会完全恢复。在形状记忆合金18的情况下，可以对材料加载，使得超过弹性应变极限，并且在超过材料的真正塑性应变极限之前，在材料的马氏体晶体结构中发生变形。这一类在上述两个极限之间的应变就是假塑性应变，如此称呼是因为在卸载时，似乎已发生了塑性变形，但是当加热至形状记忆合金18转变为奥氏体相的温度点时，该应变可以恢复，使得形状记忆合金18恢复至施加任何负载之前观测到的原始长度。通常，形状记忆合金18在安装于热机中18之前被拉伸，使得形状记忆合金18的标称长度包括了可恢复的假塑性应变，这提供了用来致动/驱动热机16的运动。在没有预拉伸形状记忆合金18的情况下，在相变过程中仅会见到少许的变形。
形状记忆合金18可以具有任何合适的成分。特别的，形状记忆合金18可包括选自以下组的元素：钴、镍、钛、铟、锰、铁、钯、锌、铜、银、金、镉、锡、硅、铂、镓、以及它们的组合。例如，合适的形状记忆合金18可以包括基于镍-钛的合金、基于镍-铝的合金、基于镍-镓的合金、基于铟-钛的合金、基于铟-镉的合金、基于镍-钴-铝的合金、基于镍-锰-镓的合金、基于铜的合金(例如，铜-锌合金、铜-铝合金、铜-金合金、以及铜-锡合金)、基于金-镉的合金、基于银-镉的合金、基于锰-铜的合金、基于铁-铂的合金、基于铁-钯的合金、以及它们的组合。形状记忆合金18可以是二元的、三元的或任何更高元的，只要形状记忆合金18表现出形状记忆效应，例如形状定向、阻尼性能等的改变。本领域技术人员可以根据舱40(图1)内的期望工作温度来选择形状记忆合金18，以下更详细地描述。在一个具体实例中，形状记忆合金18可包括镍和钛。
此外，形状记忆合金18可以有任意合适的形式，也就是形状。例如，形状记忆合金18的形式可以选自：偏置元件(例如弹簧)、带、丝、条带、连续环、以及它们的组合。参考图2A，在一种变型中，形状记忆合金18可形成为连续环状弹簧。
热机16，更具体地是热机16的形状记忆合金18(图2A)，被布置成与第一区域12和第二区域14中的每一个处于热接触或热交换关系。因此，形状记忆合金18可以通过与第一区域12和第二区域14之一的热接触或者热交换关系，而在奥氏体以及马氏体之间改变晶相。例如，在与第一区域12接触时，形状记忆合金18可以从马氏体转换为奥氏体。同样的，在与第二区域14接触时，形状记忆合金18可以从奥氏体转换为马氏体。
此外，形状记忆合金18可以通过改变晶相来改变模量以及尺寸，因而将热能转换为机械能。更具体地，形状记忆合金18如果假塑性地预加了应变的话则可以通过从马氏体向奥氏体改变晶相而在尺寸上收缩，并且如果处于拉应力下的话则可以通过从奥氏体向马氏体改变晶相而在尺寸上扩张，从而将热能转换为机械能。因此，对于在第一区域12的第一温度与第二区域14的第二温度之间存在温度差(即，第一区域12和第二区域14不处于热平衡)的任何情况而言，形状记忆合金18可通过晶相在马氏体和奥氏体之间的改变，来在尺寸上扩张以及收缩。并且，形状记忆合金18的晶相的改变可以使得形状记忆合金使皮带轮24、26(图2A所示)旋转，并因此驱动部件20。
参考图2至2C，示出了用于跟车辆10(如图1所示)的能量收集系统42一起使用的多个热机16A-16C的实施例。对于热机16A-16C中的每一个，多个内皮带轮24和多个外皮带轮26通常围绕管道32同心地布置，并且由形状记忆合金18的至少一个连续环驱动旋转。管或管道32通常围绕第一区域12或位于第一区域12内。流体可以流过管道32。虽然第一区域12可以大部分或全部位于管道32内，但形状记忆合金18与第一区域12处于热接触或者热交换关系。
多个热机16A-16C沿着管道32布置。图2A至2C示出了关于沿着管道32的三个位置的热机16A、16B、16C。可以利用更多或更少的热机16A-16C来为能量收集系统42提供累加的输出。就是说，对于每个热机16A-16C而言，皮带轮24、26中的至少一个可以连接至部件20(图1所示)，以便为能量收集装置中的所有热机16A-16C提供联合的输出。以这个方式，能量收集装置42可以利用多个热机16A-16C的级联元件，将在下文作进一步详细描述。
对于每个热机16A-16C，内皮带轮24与外皮带轮26以交替的方式布置。形状记忆合金18形成连续环，该连续环围绕内皮带轮24的径向内部以及外皮带轮26的径向外部缠绕。径向内部以及径向外部的方向是相对于跟第一轴线A的径向关系而言的。形状记忆合金18处于足够的张力下，使得形状记忆合金18的连续环没有松弛。
第一区域12和第二区域14之间的温度差使形状记忆合金18在尺寸上充分地收缩或扩张，以便使外皮带轮26以第二旋转方向30旋转、使内皮带轮24以第三旋转方向34旋转。第二旋转方向30与第一旋转方向28和第三旋转方向34相反。外皮带轮26绕第二轴线B旋转，内皮带轮24绕第三轴线C旋转，这两个轴线都平行于第一轴线。形状记忆合金18局部区域的尺寸上充足的收缩或扩张使得形状记忆合金18围绕管道32旋转并且经过内皮带轮24以及外皮带轮26。内皮带轮24和/或外皮带轮26可以连接至部件20(图1所示)，使得内皮带轮24和/或外皮带轮26相对于管道32的旋转可以驱动部件20。
任选地，所述多个内皮带轮24和/或所述多个外皮带轮26相对于部件20的旋转速度可以通过一个或多个齿轮组(未示出)更改。此外，第一区域12和第二区域14之间的温度差将随着离管道32的距离而增大。因此，可根据需要增大或减小第二轴线B和第三轴线C之间的距离，以允许形状记忆合金18在内皮带轮24的内部和外皮带轮26的外部之间有更多或更少的距离。因此，增大或减小形状记忆合金18经历的温度差可以改变热机16A-16C的运动的总速度。对于给定的形状记忆合金18以及能量收集装置42，本领域技术人员将能够确定第二轴线B和第三轴线C之间的最佳距离。
形状记忆合金18的多个环中的每一个在其周围的多个局部区域具有充分的尺寸收缩和扩张，这在内皮带轮24和外皮带轮26上产生累加的驱动转矩。
每个热机16A-16C的内皮带轮24以及外皮带轮26可以定位成，在形状记忆合金18和第一区域12之间提供期望的物理间隙58A-58C。如图所示，间隙58A-58C的大小可以要求可使用更多或更少的内皮带轮24和外皮带轮26。可替代地，内皮带轮24和/或外皮带轮26的尺寸可以改变，以在管道32周围提供足够的周界。可以把内皮带轮24以及外皮带轮26的尺寸设计成提供足够的物理距离来确保形状记忆合金18与第一区域12和第二区域14之间的理想的或充分的热交换关系。
也可以把间隙58A-58C的尺寸设计成利用沿着管道32长度的热梯度的任何差异。例如，如果第一区域12是热源，且其温度沿着管道32的长度而下降，则每一个后续的热机16A-16C可以使内皮带轮24和/或外皮带轮26更接近于管道32，也就是说，对于每一个热机16A-16C，间隙58A-58C相继减小。可替代地，每一个热机16的间隙58A-58C可以相同，但是形状记忆合金18可以在不同温度下经历晶相的改变。因此，热机16A-16C可以沿着管道32的长度利用第一区域12和第二区域14之间不同的温度差。
图3是能量收集系统142的第二实施例的透视图。示出了管道132、第一热机116A以及第二热机116B的局部视图。第一以及第二热机116A-116B围绕管道132，并且都以前面所示第一实施例中描述的热机16A-16C的方式工作。形状记忆合金118A-118B受到充足的张力，使得形状记忆合金118A-118B的连续环没有松弛。第一热机116A围绕管道132同心地布置，第二热机116B 围绕第一热机116A同心地布置。另外，每一个热机116A-116B可以以类似的方式围绕彼此同心地相继布置。
第一形状记忆合金118A以及第二形状记忆合金118B在第一方向128A-128B上绕第一轴线A旋转或“行走”。第一组多个外皮带轮126A(仅显示一个)以及第二组多个外皮带轮126B(仅显示一个)在第二方向130A-130B上绕第二轴线B旋转。第一组多个内皮带轮124A(仅显示一个)以及第二组多个内皮带轮124B(仅显示一个)在第三方向134A-134B上绕第三轴线C旋转。如图所示，第一组多个外皮带轮126A以及第二组多个内皮带轮124B安装到同一支撑件122。然而，第一组多个外皮带轮126A以及第二组多个内皮带轮124B可以彼此反向地旋转。可替代地，所述多个外皮带轮126A以及第二组多个内皮带轮124B可以在彼此相同的方向上旋转，形状记忆合金118A-118B将在相反的方向上围绕管道32旋转或“行走”，如图所示。
电动机/发电机20连接于第一组多个内皮带轮124A中的至少一个和第二组多个外皮带轮126B中的至少一个。当形状记忆合金118A-118B的局部区域暴露于第一区域12以及第二区域14时，内皮带轮124A-124B以及外皮带轮126A-126B被驱动旋转。第一组多个内皮带轮124A中的至少一个和第二组多个外皮带轮126B中的至少一个的旋转会驱动连接于其上的电动机/发电机20。辅助皮带轮62以及辅助皮带64连接至每一个电动机/发电机20。辅助皮带64传递电动机/发电机20的输出。另外的电动机/发电机20可以连接至热机116A-116B的第一组多个内皮带轮124A以及第二组多个外皮带轮126B中的另一个并被其驱动。对于特定的能量收集装置142以及热源，本领域技术人员将能够确定连接至热机116A-116B的电动机/发电机20的数量。
此外，虽然图示的电动机/发电机20被第一组多个内皮带轮124A中的至少一个和第二组多个外皮带轮126B中的至少一个驱动，但可替代地，电动机/发电机20可以由所述多个内皮带轮124A-124B以及所述多个外皮带轮126A-126B中的任一个或全部来驱动。每一个电动机/发电机20的输出可以传递至辅助皮带轮62和/或可以相互结合来为车辆10的多种附件提供动力。
因此，在上面描述的实施例中，围绕管道132布置多个热机116A-116B。图3示出了热机116A和116B。可以利用更多或更少的热机116A-116B来为能量收集装置142提供累加的输出。也就是说，如图所示，每个热机116A-116B的皮带轮124A-124B、126A-126B中的至少一个连接至电动机/发电机20，来为能量收集装置142中所有热机116A-116B提供联合的输出。以这个方法，能量收集装置142可以利用多个热机116的级联元件。
也可以把第一热机116A和管道132以及第二热机116B和管道132之间的距离大小设计成利用在从管道132径向向外的方向上的热梯度。例如，如果第一区域12是热源，且在从管道132径向向外的方向上发生温度下降，则每一个相继的热机116A-116B可以利用产生的温度差。因此，形状记忆合金118A-118B可以在不同温度下经历晶相的改变。因此，热机116A-116B可以利用在第一区域12以及第二区域14之间更大范围的温度差，并且总体上收集更多的废热。
参考图4，显示的是用来与车辆10(如图1所示)的能量收集系统242一起使用的多个热机216A-216B的第三实施例。对于热机216A-216B中的每一个，内皮带轮224A-224B以及外皮带轮226A-226B被形状记忆合金218A-218B的多个平行连续环驱动旋转。形状记忆合金218A-218B受到充足的张力，使得形状记忆合金218A-218B的连续环没有松弛。热源或管道232是第一区域12或者大致位于第一区域12内。流体可以流过管道232，例如排气流过排气管或者散热器流体流过散热器软管。形状记忆合金218A-218B与第一区域12处于热接触或热交换关系。
多个热机216A-216B沿着管道232布置。图4显示了两个热机216A和216B。可以利用更多或更少的热机216A-216B来为能量收集装置242提供累加的输出。每个热机216A-216B的皮带轮224A-224B、226A-226B中的至少一个连接至电动机/发电机20，来为能量收集装置242中所有的热机216A-216B提供联合的输出。以这个方法，能量收集装置42可以利用多个热机216A-216B的级联元件，下文将作进一步描述。
对于每一个热机216A-216B，形状记忆合金218A-218B的连续环围绕内皮带轮224A-224B和外皮带轮226A-226B进行缠绕。支撑件222用来可旋转地支撑内皮带轮224A-224B和外皮带轮226A-226B。第一区域12与第二区域14之间的温度差引起形状记忆合金218尺寸上充分收缩或扩张，从而使内皮带轮224A-224B和外皮带轮226A-226B旋转。形状记忆合金218A-218B的局部区域在尺寸上充分的收缩或扩张引起形状记忆合金218A-218B旋转。对于热机216A-216B这二者来说，内皮带轮224A-224B和/或外皮带轮226A-226B可以连接至电动机/发电机20，使得内皮带轮224A-224B和/或外皮带轮226A-226B的旋转可以驱动电动机/发电机20。
任选地，内皮带轮224A-224B和/或外皮带轮226A-226B相对于电动机/发电机20的旋转速度可以通过一个或多个齿轮组(未示出)来更改。此外，第一区域12和第二区域14间的温度差将随着离管道232的距离而增大。因此，对于每个热机216A-216B，可以根据需要增大或减小内皮带轮224A-224B与外皮带轮226A-226B之间的距离，以允许形状记忆合金218A-218B在内皮带轮224A-224B和外皮带轮226A-226B之间有更多或更少的距离。因此，增大或减小形状记忆合金218A-218B经历的温度差可改变热机216A-216B的运动的总速度。对于给定的形状记忆合金218A-218B以及热机216A-216B，本领域技术人员将能够确定内皮带轮224A-224B与外皮带轮226A-226B之间的最佳距离。
可以把第一热机216A和管道232以及第二热机216B和管道232之间的距离大小设计成利用沿着管道232长度的热梯度的任何差异。例如，如果第一区域12是热源，且其温度沿着管道232的长度而下降，则每一个后续的热机216A-216B可以使内皮带轮224A-224B和/或外皮带轮226A-226B与管道232更近。可替代地，对于热机216A-216B中的每一个，第一热机216A和管道232以及第二热机216B和管道232之间的距离可以是相同的，但是，形状记忆合金218A-218B可以在不同温度下经历晶相的改变。因此，热机216A-216B可以利用在第一区域12以及第二区域14之间不同的温度差。
屏障或叶片250固定到支撑件222并且从支撑件222向后续的热机216A-216B延伸。当流体流过形状记忆合金218A-218B时，由于与形状记忆合金218A-218B的热交换关系，流体F的温度改变。例如，当第一区域12是热源，例如是车辆10的排气管或散热器软管时，在流体F流过形状记忆合金218A之时，热量被位于第一区域12的内皮带轮224A区域内的形状记忆合金218A吸收，并且从位于第二区域14的外皮带轮226A区域内的形状记忆合金218A辐射出。因此，第二区域14内的流体F在其经过第一形状记忆合金218A后，其温度因来自形状记忆合金218A的辐射热而升高。叶片250随后可以引导该流体F回到第二热机216B的第一区域12，与来自热源或管道232的流体F合并。这也允许来自叶片250另一侧的较冷的流体F围绕外皮带轮226B，被引向第二热机216B的第二区域14。
因此，叶片250可以在空气流经过热机216A后引导该空气流，以协助为相继的热机216A-216B分开第一区域12和第二区域14。也就是说，第一热机216A的叶片250用来协助将第二热机216B的第一区域12与第二区域14分开。罩或屏障66用在第一热机216的前面，来协助为第一热机216A分开第一区域12和第二区域14。温度响应定向翼(temperature responsive directive flap)68可用来控制罩66和每一个屏障250的位置。罩66以及屏障250可彼此独立工作。
虽然实施本发明的最好方式已经被详细描述，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范围内的用于实施本发明的各种替代设计以及实施例。
Claims (19)
1.一种能量收集系统，包括：
第一区域以及第二区域，它们之间具有温度差；
管道，其至少部分地位于所述第一区域内；
多个热机，其安置为接近于所述管道并且配置为将热能转换为机械能，其中所述多个热机中的每个均包括形成至少一个处于张力下的大致连续环的形状记忆合金，其中所述形状记忆合金通过与所述第一区域和所述第二区域的热交换接触而被驱动旋转；和
所述多个热机中的每个的至少一个皮带轮，由相应形状记忆合金的旋转所驱动，其中所述至少一个皮带轮中的每一个可操作地连接至一部件并因此而驱动所述部件；
其中，所述多个热机中的每一个同心地布置在所述管道周围。
2.如权利要求1所述的能量收集系统，其中，所述多个热机中的第一个同心地布置在所述管道周围，其余的多个热机相继同心地布置在彼此周围。
3.如权利要求2所述的能量收集系统，其中，所述多个热机中的每一个的所述至少一个皮带轮还包括以相互交替的关系可旋转地安装到支撑件的多个外皮带轮和多个内皮带轮，并且其中，所述形状记忆合金交替地穿过所述多个内皮带轮的内部以及所述外皮带轮的外部，以形成围绕所述管道的所述至少一个连续环，并且其中，所述热机之一的多个外皮带轮与后续热机的多个内皮带轮围绕同一轴线旋转。
4.如权利要求1所述的能量收集系统，其中，所述多个热机沿着所述管道的长度相继布置。
5.如权利要求4所述的能量收集系统，其中，所述相继的多个热机中的至少一个的形状记忆合金与前一个形状记忆合金的成分不同，使得所述相继的热机利用沿着所述管道长度的在所述第一区域内的热梯度。
6.如权利要求5所述的能量收集系统，其中，所述多个热机中的每一个还包括以相互交替的关系可旋转地安装到支撑件的多个外皮带轮和多个内皮带轮，并且其中，所述形状记忆合金交替地穿过所述多个内皮带轮的内部以及所述外皮带轮的外部，以形成围绕所述管道的所述至少一个连续环。
7.如权利要求6所述的能量收集系统，其中，所述形状记忆合金还包括多个连续环，每一个连续环以相同的交替关系在所述多个内皮带轮和所述多个外皮带轮当中穿过。
8.如权利要求6所述的能量收集系统，其中，所述内皮带轮至少部分位于所述第一区域内，所述外皮带轮至少部分位于所述第二区域内。
9.如权利要求1所述的能量收集系统，其中，所述部件为可操作地连接于所述至少一个皮带轮的电动机/发电机。
10.一种收集能量的方法，包括：
驱动多个热机，以将热能转换为机械能，其中驱动多个热机包括：
暴露所述多个热机中的每一个的形状记忆合金连续环的局部区域，以与具有温度差的第一区域和第二区域进行热交换接触，其中所述多个热机中的每一个的形状记忆合金连续环均具有能响应于所述第一区域和所述第二区域间的温度差而在奥氏体和马氏体之间转变的晶相；
使所述形状记忆合金连续环的局部区域响应于所述第一区域与所述第二区域间的温度差而扩张和收缩；和
使所述形状记忆合金连续环响应于所述形状记忆合金连续环的局部区域的扩张和收缩而旋转；
使至少一个皮带轮随着所述多个热机中的每一个的连续环而旋转；和
利用所述至少一个皮带轮的旋转而驱动一部件。
11.如权利要求10所述的方法，其中，使至少一个皮带轮随着所述多个热机旋转还包括：所述多个热机中的每一个旋转至少一个皮带轮。
12.如权利要求11所述的方法，其中，暴露形状记忆合金连续环的局部区域以与所述第一区域和所述第二区域进行热交换接触还包括：使所述多个热机中的每一个的连续环的局部区域暴露于所述第一区域和所述第二区域的不同部分，使得每一个连续环暴露于所述第一区域和所述第二区域之间不同的温度差。
13.如权利要求10所述的方法，其中，暴露所述多个热机中的每一个的形状记忆合金连续环的局部区域以与所述第一区域和所述第二区域进行热交换接触还包括：调整可操作地连接到所述多个热机中的第一个的屏障，从而为所述多个热机中的后续的一个调整第一区域和第二区域间的温度差。
14.如权利要求10所述的方法，其中，驱动部件包括：驱动可操作地连接于所述至少一个皮带轮的电动机/发电机。
15.一种车辆，包括：
用于车辆的管道；
环绕所述管道的第一区域；
至少部分环绕所述第一区域的第二区域，其中在所述第一区域和所述第二区域之间具有温度差；
多个热机，其配置为将热能转换为机械能，包括：
支撑件；
多个同心地位于所述管道周围的内皮带轮；
多个同心地位于所述管道周围的外皮带轮，其与所述内皮带轮成交替的关系；
至少一个置于张力下的形状记忆合金连续环，其围绕所述管道交替地穿过所述多个内皮带轮的内部和所述外皮带轮的外部；
其中，所述形状记忆合金布置成与所述第一区域和所述第二区域都进行热交换接触，使得响应于所述第一区域和所述第二区域之间的温度差，所述多个内皮带轮以及所述多个外皮带轮中的至少一个被所述形状记忆合金驱动旋转；和
被所述多个内皮带轮以及所述多个外皮带轮中的所述至少一个的旋转所驱动的车辆部件；并且
其中，所述多个热机中的第一个同心地布置于所述管道周围，其余的多个热机相继同心地布置于彼此周围。
16.如权利要求15所述的车辆，其中，所述管道是车辆排气管和散热器软管中的一个。
17.如权利要求15所述的车辆，其中，所述多个相继的热机中的至少一个的形状记忆合金与前一个形状记忆合金的成分不同，使得所述相继的热机利用沿着距所述管道的径向距离的热梯度。
18.如权利要求15所述的车辆，其中，所述热机之一的多个外皮带轮与后续热机的多个内皮带轮围绕同一轴线旋转。
19.如权利要求15所述的车辆，其中，所述部件为可操作地连接于所述至少一个皮带轮的电动机/发电机。
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