CN102128068A - 排气系统 - Google Patents
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Abstract
一种排气系统，被配置以将热能转化为机械能，其包括由具有第一温度的排气和具有比所述第一温度低的第二温度的散热器之间的温度差提供的热能源。该排气系统还包括导管，其被配置以传输排气，热力发动机被布置与所述导管热连接并且被配置将热能转化为机械能，并且具有被设置与所述导管连接并从所述导管向热力发动机传输热能的构件。该热力发动机包括在作为对排气和散热器之间的温度差的响应的第一转变温度下具有在奥氏体和马氏体之间可改变的结晶相的第一形状记忆合金形成的第一元件。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2009年11月20日递交的美国临时专利申请No.61/263,308的优先权，通过引用将上述申请的全部内容合并入本发明中。
技术领域
本发明通常涉及一种排气系统，更明确地，涉及一种被配置以将热能转化为机械能的排气系统。
背景技术
车辆可以由发动机和/或一块或多块电池来提供动力。例如，发动机可以为车辆提供动力和/或给电池充电。电池组依次提供肩动发动机的动力，和/或为车辆提供动力。
发动机和电池组都会产生大量的废热，例如，过量的热能，并且将近一半的废热通常都作为废气散入大气。尽管发动机和燃烧技术有所改进，仍然有将近四分之一的燃油能量在排气流中被当做废热排出。所以，对车辆燃油经济性的最大收益在于意识到将废热转化成有用的机械能和/或电能。
发明内容
一种配置以将热能转化为机械能的排气系统，包括由第一温度的排气和小于第一温度的第二温度的散热器之间的温度差所提供的热能源。该排气系统还包括被配置以输送排气的导管，以及与该导管相关设置的热力发动机。该热力发动机被配置以将热能转化为机械能，其包括由第一形状记忆合金形成的第一元件，该第一元件具有在第一转化温度时在奥氏体和马氏体之间转化的结晶相，作为对排气和散热器之间的温差的反应。另外，该排气系统还包括一个与导管接触并且被配置以从导管向发动机传导热能的构件。
在一种变化中，该元件包括多个被配置与第一元件接触，从而在奥氏体与马氏体之间改变结晶相的接触件件。进一步地，该排气还系统包括与导管和该元件接触的绝缘体，其被配置将导管和该构件热绝缘。该排气系统还包括将机械能转化为电能的发电机，其中第一形状记忆合金替代地在尺寸上响应于第二温度在局部区域延伸，并响应于第一温度在尺寸上接触另一个局部区域，由此将热能转化为机械能并驱动发电机。
在其它的变化中，该排气系统包括多个沿轴向传输废气的隐藏式管道，多个发动机以及多个元件。多个热力发动机中的每一个包括由第一形状记忆合金形成的第一元件，并且多个元件中的每一个都布置于多个导管中各自对应的一个中。另外，多个元件中的每一个布置为与各自对应的导管中的各自对应的一个接触，并且被配置为向与各个发动机对应的导管中传输热能。
该排气系统提供由热能向机械能的良好的转化。也就是说，该排气系统以废热的形式获得热能并产生机械输出。进一步地，热力发动机高效集成于排气系统内部以最大化机械能的输出。
上述本发明的特征和优点以及其它特征和优点从下列结合附图对实施本发明最佳方式的详细描述中变得显而易见。
本发明提供下列解决方案：
1、一种排气系统，其配置成将热能转化为机械能，所述排气系统包括：
热能源，其由具有第一温度的排气和具有比所述第一温度低的第二温度的散热器之间的温度差提供；
导管，其配置用于输送所述排气；
热力发动机，其布置成与所述导管成热关系并且配置用于将热能转化为机械能，其中所述热力发动机包括第一元件，其由第一形状记忆合金形成，所述第一形状记忆合金具有结晶相，所述结晶相响应于所述排气和所述散热器之间的所述温度差而在第一转变温度下可在奥氏体和马氏体之间变化；以及
构件，其布置成与所述导管接触并且配置用于从所述导管向所述热力发动机传导热能。
2、如解决方案1所述的排气系统，其中所述第一形状记忆合金从马氏体向奥氏体改变结晶相，由此响应于所述排气而在局部区域尺寸上收缩。
3、如解决方案2所述的排气系统，其中所述第一形状记忆合金从奥氏体向马氏体改变结晶相，由此响应于所述散热器而在所述局部区域尺寸上扩张。
4、如解决方案3所述的排气系统，其中所述第一形状记忆合金响应于第二温度而在所述局部区域尺寸上扩张，以及响应于第一温度而在所述局部区域尺寸上收缩，二者交替进行，由此将热能转化为机械能。
5、如解决方案1所述的排气系统，进一步包括绝缘体，其布置成与所述导管接触并且配置用于所述导管和所述构件的热绝缘。
6、如解决方案5所述的排气系统，其中所述绝缘体布置成与所述构件接触。
7、如解决方案1所述的排气系统，其中所述构件包括多个接触件，其配置成接触所述第一元件由此在奥氏体和马氏体之间改变所述结晶相。
8、如解决方案1所述的排气系统，进一步包括多个热力发动机。
9、如解决方案1所述的排气系统，进一步包括至少第二元件，其由第二形状记忆合金形成，所述第二形状记忆合金具有结晶相，所述结晶相响应于所述排气和所述散热器之间的所述温度差而在第二转变温度下可在奥氏体和马氏体之间变化。
10、如解决方案1所述的排气系统，其中所述第一元件进一步具有至少沿所述第一元件厚度的第二转变温度，在该温度下所述结晶相在奥氏体和马氏体之间转变。
11、如解决方案1所述的排气系统，进一步包括装置，其配置用于调节所述排气和所述散热器之间的所述温度差。
12、如解决方案1所述的排气系统，进一步包括发电机，其配置用于将机械能转变为电能，其中所述发电机被所述热力发动机驱动。
13、如解决方案12所述的排气系统，其中所述第一形状记忆合金响应于所述第二温度在局部区域尺寸上扩张，以及响应于所述第一温度在另一局部区域尺寸上收缩，二者交替进行，由此将热能转化为机械能并驱动所述发电机。
14、一种排气系统，其配置用于将热能转化为机械能，所述排气系统包括：
热能源，其由具有第一温度的排气和具有比所述第一温度低的第二温度的散热器之间的温度差提供；
导管，其配置用于输送所述排气；
热力发动机，其布置成与所述导管成热关系并且配置用于将热能转化为机械能，其中所述热力发动机包括第一元件，其由第一形状记忆合金形成，所述第一形状记忆合金具有结晶相，所述结晶相响应于所述排气和所述散热器之间的所述温度差而在第一转变温度下可在奥氏体和马氏体之间变化；
构件，其布置成与所述导管接触并且配置用于从所述导管向所述热力发动机传导热能，其中所述构件包括配置成接触所述第一元件由此在奥氏体和马氏体之间改变结晶相的多个接触件；
绝缘体，其布置与所述导管和所述构件接触并且配置用于所述导管和所述构件的热绝缘；以及
发电机，其配置用于将机械能转变为电能，其中所述第一形状记忆合金响应于所述第二温度在局部区域尺寸上扩张，以及响应于所述第一温度在另一局部区域尺寸上收缩，二者交替进行，由此将热能转化为机械能并驱动所述发电机。
15、一种排气系统，其配置用于将热能转化为机械能，所述排气系统包括：
热能源，其由具有第一温度的排气和具有比所述第一温度低的第二温度的散热器之间的温度差提供；
多个导管，其每个配置用于沿轴线输送所述排气；
多个热力发动机，其中所述多个热力发动机的每个包括第一元件，其由第一形状记忆合金形成，所述第一形状记忆合金具有结晶相，所述结晶相响应于所述排气和所述散热器之间的所述温度差而在第一转变温度下可在奥氏体和马氏体之间变化；
其中所述多个元件的每个置于所述多个导管的相应的一个内；以及
多个构件，其中所述多个构件中的每个布置与所述多个导管中的相应的一个接触，并且配置用于从所述相应导管向所述相应的热力发动机传导热能。
16、如解决方案15所述的排气系统，其中所述多个构件中的每个布置于所述多个导管中相应的一个内。
17、如解决方案16所述的排气系统，进一步包括相对于所述轴线居中并可绕所述轴线旋转的壳体，其中所述多个导管中的每个布置在所述壳体内并且与所述排气和所述散热器流体连通。
18、如解决方案17所述的排气系统，其中所述第一形状记忆合金响应于所述第二温度在局部区域尺寸上扩张，以及响应于所述第一温度在所述局部区域尺寸上收缩，二者交替进行，由此将热能转化为机械能。
附图说明
图1是包括热力发动机的排气系统的示意性透视图；
图2是图1中包括多个热力发动机的排气系统的另一个变化形式的示意性透视图；
图3是图1和图2中包括多个导管和多个热力发动机的排气系统的另一个变化形式的示意性透视图；以及
图4是图3中的导管的横截面示意图。
具体实施方式
参考附图，其中相同的附图标记表示相同的元件，图1中表示将排气系统表示为10。该排气系统10被配置以将热能转化为机械能。因此，该排气系统10可以应用于汽车，包括但不局限于车辆排气系统，动力系统，以及电气系统。然而，该排气系统10也可以用于非汽车的应用，例如但不局限于是家庭供热，通风，以及空调系统。基于从热能向机械能的极好的转变，该排气系统10可以具有其它非汽车的应用，例如但不局限于用于电池冷却剂以及家庭和地热废热的应用。该排气系统10可以绕过从机械能向电能的转变步骤而直接驱动包括泵和风扇的机械装置由此来在系统内减小能量损失。
现在参考图1，排气系统10包括热能源。该热能源由具有第一温度T1的排气12和具有第二温度T2的散热器14之间的温度差ΔT提供，第二温度T2低于第一温度T1。也就是说，第一温度T1不同于并且比第二温度T2高。例如，第一温度T1和第二温度T2之间的温度差ΔT可以像大约5℃那么小并且不大于100℃。换句话说，温度差ΔT可以大于或等于大约5℃并且小于或等于大约30℃，例如，小于或等于大约10℃。作为非限定性的实例，虽然没有表示出来，但该温度差ΔT可以存在于催化转化器、电池盒、变速箱、飞轮、刹车、减震器、散热器、热交换器、消声器、涡轮/增压器、插入单元、以及车辆外表之中或之间。也就是说，该温度差ΔT可能存在于发动机润滑系统、发动机冷却系统、电池冷却系统以及类似的系统之间或之中。
排气12可以是，例如，热排放或废热，例如是来自车辆(未示出)的过量的热能。替代地，排气12可以是电池(未示出)、车辆附件(未示出)、和/或车辆部件(未示出)，例如是催化转化器的排气流的热输出。
散热器14，相比之下，可以从气体、液体、固体以及它们的组合中选取。例如，散热器14同样可以是气体，例如是车辆(未示出)废气排放相关的冷却器部分或者车辆外部环境中的大气。也就是说，散热器14可以与排气12的成分相同或不同。在一种变化方式中，排气12和散热器14可以都是以来自车辆的气体的形式的废气，但是排气12位于散热器14上游且具有比第二温度T2高的第一温度T1。也就是说，如上面所述，散热器14可以是排气12下游比排气12更冷的气体。或者，散热器14可以是车辆(未示出)外部的环境大气，例如是车辆行在行驶过程中外部流动的相对较冷的气体。替代地，散热器14与排气12有着不同的形式或相。例如，散热器14可以是液体，如水或冷却剂。
再次参考图1，排气系统10也包括导管16，其被配置以输送排气12。例如，该导管16可以是被配置以沿轴线18输送排气12的管道或软管。虽然该导管16可以具有任意的形状或配置，但在一种变化形式中，该导管16可以是用于从车辆的一个部件向其它部件传输排气12的中空圆柱管。例如，导管16可以是车辆的排气管，以及可以引导排气12，并且伴有废热离开车辆(未示出)发动机流向散热器14，例如是车辆(未示出)外部的大气。
继续参考图1，排气系统10也包括热力发动机20。该热力发动机20被配置以将热能，例如是热量，转化为机械能，下面将会详细描述。更具体地，所述热力发动机20包括第一元件22，其由在响应于排气12和散热器14之间的温度差ΔT的第一转变温度Ttrans1时具有在奥氏体和马氏体之间可转变的结晶相的第一形状记忆合金形成。也就是说，第一形状记忆合金具有特定的转变温度Ttrans1，在该温度下该第一形状记忆合金在晶相之间改变。
如这里所使用的术语“形状记忆合金”是指具有形状记忆效果并且具有在硬度、弹性系数和/或形状稳性之间快速改变特性的合金。也就是说，第一形状记忆合金会通过分子相和结晶相之间的重排列以在马氏体相，即“马氏体”和奥氏体相，即“奥氏体”之间切换而经受固态结晶相的改变。换句话说，第一形状记忆合金可在马氏体与奥氏体之间变化时经受位移转变而不是扩散转变从而在马氏体和奥氏体之间切换。位移转变被限定为通过相对于相邻的原子或原子团的原子或原子团协调运动产生的结构变化。通常，马氏体相是指与温度较高的奥氏体相比温度相对较低的相且更容易变形。
第一形状记忆合金开始从奥氏体相向马氏体相开始变化的温度即是被称为马氏体初始温度MS。第一形状记忆合金完成从奥氏体相向马氏体相的转变时的温度被称为马氏体完成温度Mf，或者第一转变温度Ttrans1。类似地，如果第一形状记忆合金被加热，第一形状记忆合金开始从马氏体相向奥氏体相转变时的温度被称为奥氏体起始温度AS。第一形状记忆合金完成从马氏体相向奥氏体相的转变时的温度被称为奥氏体完成温度Af，或者第一形状记忆合金的第一转变温度Ttrans1。
所以，由第一形状记忆合金形成的第一元件22具有冷态特性，即当第一形状记忆合金的温度低于马氏体完成温度Mf或第一形状记忆合金的第一转变温度Ttrans1。同样地，第一元件22也可以具有热态特性，例如是当第一形状记忆合金的温度高于奥氏体完成温度Af或第一形状记忆合金的第一转变温度Ttrans1时。
在运转时，被预应力或受到张应力的第一形状记忆合金在改变结晶相时改变尺寸，由此来将热能转变为机械能。也就是说，当置于热能源中的时候，第一形状记忆合金可以在改变结晶相时改变尺寸，由此来将热能转变为机械能。特别地，第一形状记忆合金可以从马氏体相向奥氏体相改变结晶相，并且由此响应于排气12在局部区域(图1中通常以标记24表示)尺寸上收缩以将热能转变为机械能。更具体地，如果第一形状记忆合金被假塑性预应力的话第一形状记忆合金会在尺寸上收缩。术语“假塑性预应力”是指拉伸，例如，当第一形状记忆合金处于马氏体相时，第一元件22在负载下拉紧。当第一元件22卸下负载时，第一形状记忆合金在负载下的形状并不能完全恢复。相反，当仅被弹性张紧力作用时，第一元件22的形状会完全恢复。所以，在卸载时，由第一形状记忆合金形成的第一元件22表现出塑性变形，但当第一元件22被加热至奥氏体起始温度AS时，被张紧的形状会恢复，由此第一元件22返回其初始的长度。也就是说，加载第一形状记忆合金使其超过第一形状记忆合金的弹性张力限制，并且第一形状记忆合金的马氏体晶体结构先于超过第一形状记忆合金真实的塑性张力限制时发生变形是可能的。这种类型的张紧力，即介于弹性张力限制和真实塑性张力限制之间的，就是假塑性张力。
由此，由第一形状记忆合金形成的第一元件22可以在其被安装于热力发动机20上之前被拉伸，从而第一形状记忆合金的标称长度包括可恢复的假塑性张力。该可恢复的假塑性张力可以提供致动和/或驱动热力发动机20的动力。因此，在不预先拉伸第一形状记忆合金的情况下，在结晶相改变时仅会发生很小的变形。进一步地，第一元件22可以承受由偏置机构作用的张力，例如，弹簧或第一形状记忆合金被张紧的奥氏体部分，以影响结晶相的改变。
相反地，第一形状记忆合金可以从奥氏体向马氏体改变结晶相，因此作为对散热器14的反应在局部区域24处在尺寸上扩张。例如，当第一形状记忆合金承受张紧应力和第二温度T2时，第一形状记忆合金在尺寸上扩张。第一形状记忆合金由比通过交替扩张和收缩将热能转变为机械能。也就是说，第一形状记忆合金可以交替地响应于第二温度T2在局部区域24扩张尺寸，并且响应于第一温度T1在局部区域24上收缩尺寸，并因此将热能转变为机械能，下文将会更详细地描述。
第一形状记忆合金可以具有任意合适的成分。特别地，第一形状记忆合金可以包括从钴、镍、钛、铟、锰、铁、钯、锌、铜、银、金、镉、锡、硅、铂、以及镓形成的组中选择的元素的结合。例如，合适的第一形状记忆合金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(例如：铜锌合金、铜铝合金、铜金合金、以及铜锡合金)、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、以及一种或几种上述结合的组合。第一形状记忆合金可以是二元、三元以及其它任意更多元的合金，只要第一形状记忆合金具有形状记忆作用，例如形状倾向性的变化，阻尼容量以及类似的。第一形状记忆合金可以如下文将要详细描述的那样根据排气系统10预期的运行温度来选择。在一个特定的实例中，第一形状记忆合金包括镍和钛。
进一步地，由第一形状记忆合金形成的第一元件22可以具有任意合适的形态，即形状。例如，第一元件22可以具有形状可变化的元件。也就是说，第一元件22可以具有选择于弹簧、条带、线缆、皮带、连续的环及其结合的组中的形态。参考图1，在一种变化形式中，第一元件22被配置为连续的环。
现在参考图2，在另一种变化形式中，排气系统10可以包括至少一个由第二形状记忆合金形成的第二元件26，第二形状记忆合金具有在第二转变温度Ttrans2时作为对排气12和散热器14之间的温度差ΔT的反应在奥氏体和马氏体之间可改变的结晶相。也就是说，排气系统10可以包括多个元件22、26并且元件22、26可以由相同或不同形状记忆合金形成。第二元件26可以被选择以使第二转变温度Ttrans2小于第一元件22的第一转变温度Ttrans1。由此，第二形状记忆合金可以在较低温度时在奥氏体和马氏体之间改变，下文将会更详细地描述。
在包括多个元件22、26的变化形式中，每个元件22、26可以具有不同的转变温度Ttrans，在该温度下结晶相在奥氏体和马氏体之间转变。也就是说，每个元件22、26可以在不同的转变温度Ttrans下改变结晶相，但是可以与其它元件22、26相配合，例如，结合机械能的输出，以产生最大量的机械能。
在另一个变化形式中，第一元件22可以在其厚度上进一步具有第二转变温度Ttrans2，在该温度下结晶相在奥氏体和马氏体之间改变。即，第一元件22可以在其厚度上具有多个转变温度Ttrans2，在该温度下结晶相在奥氏体和马氏体之间改变。所以，第一元件22的一个或多个部分可以在第一元件22的其它部分之前改变结晶相。在另一个变化形式中，第一元件22可以在其厚度上包括复合的、同步的相位改变。
在运行中，如图1和2所示以及下面详细描述的，第一形状记忆合金可以在与排气12和散热器14的其中之一热接触时在奥氏体和马氏体之间改变结晶相。例如，当与排气12热接触时，第一形状记忆合金可以从马氏体改变为奥氏体。同样，当与散热器14热接触时，第一形状记忆合金可以从奥氏体改变为马氏体。
第一形状记忆合金可以通过任意合适的方式将热能转变为机械能。例如，由第一形状记忆合金形成的第一元件22可以致动皮带轮系统(如图1和2中所示以及前面所述)，与控制杆(未示出)啮合，转动飞轮(未示出)，与螺杆(未示出)啮合等等。
重新参考图1中的热力发动机20，该热力发动机20被布置与导管16热连接，例如是热交换关系。例如，如图1所示，该热力发动机20可以被布置与导管16相邻，以使热能可以通过导管16传向热力发动机20。
重新参考图1和图2，排气系统10还可以包括发电机28。该发电机28被配置以将机械能转变为电流(在图1和图2中通常以标记30来表示)。该发电机28可以是任意合适的将机械能转变为电流30的装置。例如，该发电机28可以是利用电磁感应将机械能转变为电能30的发电机，并且包括相对于定子(未示出)旋转的转子(未示出)。由此，可以获得热能并将其转变为机械能和/或电流30以被发动机(未示出)重新利用和/或存储于车辆(未示出)的蓄电池(未示出)。
继续参考图1和图2，发电机28可以被热力发动机20所驱动。即，由热能被第一元件22所转变成的机械能驱动发电机28。特别地，上面提到的由第一形状记忆合金形成的第一元件22尺寸的收缩或扩张驱动发电机28，下文会更详细地说明。
继续参考图1，在一个非限定性的实例中，第一元件22可以被配置为连续的环。在该实例中，热力发动机20可以包括多个皮带轮32、34或设置以支撑第一元件22的轮子。热力发动机20还可以包括被设置以支撑皮带轮32、34或轮子的机架36。例如，多个皮带轮32、34或轮子可以被布置于多个轴38、40上，并且可相对于机架36旋转。由第一形状记忆合金形成的第一元件22可以被轮子或皮带轮32、34支撑并沿它们移动。即，在该变化形式中，连续的环会沿多个皮带轮32、34平移。
继续参考图1，轮子或皮带轮32、34的转速可以通过一个或多个齿轮装置42任意更改。而且，发电机28可以包括与轮子或皮带轮32连接的驱动轴44。当轮子或皮带轮32、34作为对由第一形状记忆合金形成的第一元件22尺寸扩张或收缩的反应，相对于各自热力发动机20的轮轴38、40转动或旋转时，驱动轴44转动并驱动发电机28。也就是说，如参考图1的描述，第一形状记忆合金可选择地作为对第二温度T2的反应而在局部区域46扩张尺寸，以及作为对第一温度T1的反应而在局部区域24收缩尺寸，由此将热能转变为机械能并驱动发电机28。该发电机28随之发出电流30，由此机械能被转变为电流。
在另一个非限定性的实例中，虽然没有表示出，但是排气系统10也可以包括沿直线配置的第一元件22。例如，在一个变化形式中，该排气系统10的热力发动机20被配置为发电机28的直线致动器。该直线致动器被用以直接转化为磁场内导体的往复运动。在该变化方式中，第一元件22被配置为两条连接于永磁体(未示出)的直导线。当形状记忆合金被加热时，例如是暴露于排气12的第一温度T1中时，第一元件22收缩尺寸。所述收缩移动永磁体并在发电机28的线圈(未示出)中产生电压。当随后暴露于散热器14中时，该第一形状记忆合金冷却，此时第一元件22尺寸扩张。第一元件22随后继续在排气12和散热器14之间存在温度差ΔT时在尺寸上扩张或收缩。
另外，热力发动机20可被配置作为一飞轮运动，由此在选定的运动状况期间，将避开由热能向机械能的转变。在这样的运行状况期间，在没有热能输入时仍旧可以获得热力发动机20的动能。因此，在该变化形式中，当热力发动机速度和热量传输速度不同步时，可以保护第一元件22不受损坏。
进一步地，虽然没有图示出，但是热力发动机20还可以包括清洁元件，例如是刷子，其被配置以清洁和/或刮擦热力发动机20的第一元件22。例如，由于该排气系统运行于严酷和/或污浊的环境中，清洁元件能够去除锈蚀和积存的污物，以使热力发动机20高效运行。另外，该热力发动机20还可以包括其他操作元件，例如是永磁体、折板以及弹簧，这取决于期望的应用。
再参考图1，热力发动机20还可以包括离合器(通常以箭头48表示)，其被配置以阻止热力发动机20向不希望的运动方向运行，例如是逆时针或向左。即该离合器48可以包括棘轮机构以允许热力发动机20仅向期望的运动方向运行。由此该离合器48可以“单向”为特征，并且可以确保热力发动机20不被“逆向驱动”。
现在参考图2，在一个变化形式中，排气系统10可以包括多个热力发动机20、120、220。例如，该排气系统10可以包括两个或多个热力发动机20、120、220。更进一步地，多重热力发动机20、120、220可以沿导管16的长度上被串联布置和/或并联布置。例如，多个热力发动机20、120、220可以在导管16的长度方向上串联按次序排列，以使来自热力发动机120的相对较冷的气体，例如是散热器14，可以作为用于第二级热力发动机20的排气12，以此来从排气12中最大化获取热能。
在一种配置中，多重热力发动机20、120、220可以沿导管16的长度方向设置，通过设计和记忆合金形状的选取使其可以单独调节，以根据沿导管16的长度方向上较小的温度变动来最优化其运行。就是说，多个热力发动机20、120、220可以在轴向呈双级串联设置以利用沿导管16的轴线18方向上的温度差。例如，一个热力发动机20，例如是第一级，可以被置于第二个热力发动机120，例如是第二级，的下游。更明确地，三个热力发动机20、120、220可以被置于具有第一温度T1的第一位置处，具有比第一温度T1高的第二温度T2的第二位置处，以及具有第三温度T3的第三位置处，第三温度T3要高于第一温度T1和第二温度T2。即排气12从第三位置向第一位置被轻微地冷却。在每个位置处，导管16和各自相对的热力发动机20、120、220之间的间隙可以变化以适应相对不同的温度差。例如，第三位置处的间隙可以比第一和第二位置处的间隙都大。另外或可供选择的，三个热力发动机20、120、220可以具有由三个分别具有第一、第二和第三转变温度Ttrans1、Ttrans2和Ttrans3的各自形状记忆合金形成的三个各自的元件22、26、50。因此，多个热力发动机20、120、220可以根据排气12和/或散热器14沿导管16的轴线18的位置和温度来在不同的转变温度Ttrans下改变结晶相。
在另一种配置中，虽然未示出，但多个热力发动机20、120是被布置为双级径向串联配置以利用径向温度差，例如由导管16的轴线18的径向间距形成的温度差。例如，热力发动机20，例如是第一级，可以被置于距导管16比第二热力发动机120，例如是第二级，近的位置。
在上述所有非限定性的实例的结构中，第一级和第二级可以被设置与彼此热连接，可以协作，和/或可以单独起作用。例如，多个热力发动机20、120、220可以共用一个元件22。
还参考图1和2，排气系统10还包括被布置与导管16接触并且将热能从导管16向热力发动机20传输的构件52。例如，该构件52通过传导作用向热力发动机20传输热能。即，为了优化热力发动机20的机械能和/或电流的输出，被传输向热力发动机20的废热的量必须达到最大。这种优化作用还可以通过最小化从废热中散失的热量损失来达到，例如，对散热器14来说，从排气12向热力发动机20引导热能，和/或优化从排气12向第一元件22的热量传导率。构件52，因而可以进行上述优化。
更明确地，构件52可以由适合从排气12向热力发动机20的第一元件22传输热能的导体材料形成。就是说，该构件52可以被配置以通过传导作用从导管16向热力发动机20传导热能。例如，该构件52可以由具有良好导热性的金属形成。如图1所示，该构件52被布置与导管16接触，从而可以在导管16和第一元件22之间沿箭头54的方向传输热量。
进一步，如图1和2所示，构件52包括多个接触件56，其被配置与第一元件22接触，由此在奥氏体和马氏体之间改变结晶相。例如，多个接触件56可以是柔性的竖毛，从构件52伸出，并且与导管16接触以引起排气12、第一元件22和/或排气系统10的构件52之间的传导。在另一个实例中，多个接触件56可以是配置于第一元件22的界面处的滚子。构件52被布置与导管16热连接，以及多个接触件56被布置与第一元件22热传递关系。虽然图中未示出，但多个接触件56也可以从第一元件22伸出。例如，第一元件22可以包括多个柔性的竖毛。
参考图1，应当认识到热力发动机20在排气系统10内部可以以任意配置或排列来布置。即，虽然图1和图2中没有表示出来，但是构件52和/或接触件56可以被布置与穿过轮子或皮带轮32的第一元件22的一个部分热连接。可选择地，如图1和图2所示，构件52和/或接触件56可以被布置与跨越两个轮子或皮带轮32、34之间一段距离的第一元件22的一个部分热连接。
再参考图1，排气系统10可以进一步包括被布置与导管16接触并且配置以在导管16和构件52之间实现绝缘体58。在一种变化形式中，如图1所示，该绝缘体58被布置与构件52接触。就是说，绝缘体58至少部分环绕导管16和/或构件52，以最小化传入导管16之外的大气的热能。该绝缘体58可以由任意适合的能够从导管16中吸收和/或储存废热的绝缘材料形成，例如，但不限于是陶瓷。
继续参考图1，排气系统10可以进一步包括装置60，其被配置以调节排气12和散热器14之间的温度差ΔT。例如，该装置60可以包括空气进口，叶片，鼠笼式风扇，离心式气泵等等，以引导流体穿过第一元件22并由此改变第一元件22的温度。例如，该装置60可以适应使排气系统10外部的空气和/或相对较冷的排气12流过由第一形状记忆合金形成的第一元件22。由于装置60改变了第一元件22的温度，第一元件22会在尺寸上膨胀，并引起热力发动机20在期望的运动方向上运动。所以，热流54(图1)可以通过风门或叶片被加大至一个区域，例如以箭头24表示的局部区域，与其它区域相比，例如，以箭头46表示的其它局部区域。
在运行中，以及参考图1和2的描述中，热力发动机20，以及尤其是由第一形状记忆合金形成的第一元件22，可以如上面所述被布置与排气12和散热器14热连接。就是说，第一元件22可以相对于排气12和散热器14布置，以使其反应于第一温度T1和/或第二温度T2。例如，热力发动机20的第一元件22被布置与构件52的多个接触件56接触，以通过传导引起第一形状记忆合金结晶相的改变。
因此，当与排气12和散热器14热连接时，第一形状记忆合金可以在奥氏体和马氏体之间改变结晶相。例如，当与排气12热连接时，第一形状记忆合金会由马氏体转变为奥氏体。同样，当与散热器14热连接时，第一形状记忆合金会从奥氏体转变为马氏体。
进一步地，第一形状记忆合金在改变结晶相还能改变尺寸，并由此将热能转化为机械能。更具体地，第一形状记忆合金在从马氏体向奥氏体改变结晶相时会在尺寸上收缩，例如其被假塑性预应力时，以及在从奥氏体向马氏体改变结晶相时会在尺寸上扩张，由此将热能转化为机械能。因此，在任何排气12的第一温度T1和散热器14的第二温度T2之间存在温度差的情况下，例如是排气12和散热器14不处于热平衡状态时，第一形状记忆合金在马氏体和奥氏体之间改变结晶相时膨胀和收缩尺寸。进一步地，第一形状记忆合金结晶相的改变足以驱动发电机28。
参考图1中的排气系统10，在热力发动机20启动以及持续运行期间，局部区域24与排气12热连接，例如是接触，而另一局部区域46与散热器14热连接，从而引起第一形状记忆合金结晶相的改变。当与散热器14热连接时，第一形状记忆合金的另一局部区域46在尺寸上扩张，例如是在应力作用下伸长，与排气12热连接的第一形状记忆合金的局部区域(通常以箭头24表示)当其被假塑性预应力时在尺寸上收缩。受到排气12和散热器14之间的温度差ΔT的第一元件22连续的弹簧环交替的收缩和扩张尺寸可以将潜在的机械能转变为动能，由此将热能转变为机械能。所以，为了优化排气系统10的效率，期望排气12和散热器14被快速更新以维持排气12和散热器14之间的温度差ΔT。
还参考图1，只要在运行中第一元件22的部分能与各自的排气12和散热器14热连接，热力发动机20可以位于排气系统中的任意位置，由此第一记忆合金可以响应于至少一个排气12、散热器14以及排气12和散热器14之间的温度差ΔT改变其结晶相。同样地，虽然未示出，但可以认识到排气系统10可以包括附加的感测和控制元件，例如是电控单元。电控单元可以是可操作地连接于排气系统10并且被配置以调节热能向机械能和/或电流30的转变。该电控单元可以是，例如，电连接于排气系统10中的一个或多个控制元件和/传感器的计算机。例如，该电控单元可以通讯和/或控制排气12的温度传感器，散热器14的温度传感器，发电机28的转速调节器，流量传感器，致动器，以及被配置以监控发出电流的电流计中的一个或多个。
进一步地，如图1和图2所示，排气系统10还可以包括传输媒介62，其被配置以从排气系统10，例如是从发电机28传输电流30。该传输媒介62可以是，例如，输电线或导电线缆。传输媒介62从发电机28将电流导向储存装置，例如是电池(未示出)，蓄电池，和/或集电器。例如，排气系统10可以根据需求的波动产生，储存，和/或传输电流30。
也应当认识到对前面提到的任何实例，变化形式，或配置来说，排气系统10可以包括多个热力发动机20、120、220元件22、26、60和/或发电机28。就是说，一个排气系统10可以包括多于一个的热力发动机20、120、220，元件22、26、60，和/或发电机28。例如，一个热力发动机20可以驱动多于一个的发电机28。
现在参考图3，在另一个变化形式中，排气系统10包括多个导管16，导管中每一个都被配置以沿轴线18传输排气12。导管16可以以任意适合期望的应用的配置来设置。例如，如图3所示，多个导管可以被径向布置，并且与轴线18间隔开。
在这种变化形式中，排气系统10进一步包括多个热力发动机20(图4)。多个热力发动机20中的每一个都包括由具有可以在第一转变温度Ttrans1时，反应于排气12和散热器14之间的温度差ΔT在奥氏体和马氏体之间改变的结晶相的第一形状记忆合金形成的第一元件22。进一步地，如图3中更易表现的，多个第一元件22的每一个都位于多个导管16中与其各自对应的一个中。因此，多个第一元件22中的每一个都与各自对应的多个导管16中的元件22其中之一热连接，例如是热交换连接。
还参考图4，该变化形式的排气系统10也包括多个构件52。多个构件52中的每一个都被布置与多个导管16中与其各自相应的其中之一接触，并且被配置为从各自的导管16向各自的热力发动机20传导热能。例如，多个构件52中的每一个都被布置于与其各自对应的导管16之中。所以，排气系统10可以包括相等数量的导管16和元件22。如图4所示，多个构件52中的每一个在每个导管16的内表面64排成一部分，以使构件52可以从导管16向热力发动机20，例如是热力发动机20的第一元件22，传导热能。在运行中，由于每个导管16都充满排气12，由排气12携带的热能将通过构件52由导管16向第一元件22传导，从而第一形状记忆合金将在奥氏体和马氏体之间改变结晶相。
参考图3，排气系统10还可以包括壳体66，其沿轴线18居中并绕其旋转。该壳体66可以由任意合适的材料形成，例如是金属或塑料，并且在排气系统10运行过程中可以绕轴线18旋转，如沿箭头68的方向旋转。另外，多个导管16中的每一个都可以被设置于壳体66之内。也就是说，壳体66可以环绕多个导管16。进一步地，多个导管16中的每一个都可以在壳体66之内被布置与排气12和散热器14流体连通。即壳体66可以环绕每个导管16的一段长度，并且允许导管16由排气12和散热器14充满或排空。
对于这种变化形式，第一形状记忆合金交替地反应于第二温度T2在局部区域24扩张尺寸以及反应于第一温度T1在局部区域24收缩尺寸，由此将热能转化为机械能。
所以，排气系统10可以作为气波增压器来运行。在运行中，如参考图3和4所描述的那样，由于壳体66如图3所示沿箭头68方向运动，多个导管16中的每一个都充满(图3中表示为箭头70的方向)或排空(图3中表示为箭头72的方向)排气12和散热器14，例如是进气空气。在壳体66的每一转期间，会发生排气12以及进气空气的快速脉动和膨胀/压缩，由此进气空气被增压。
现在参考图4，第一元件22可以被设置于导管16中并且与扭矩环74连接，该扭矩环轮流被连接于偏压元件76，例如是弹簧，其被配置以拉长第一元件22。在运行中，由于第一元件22被布置于排气12和散热器14之中，第一元件22交替扩张和收缩尺寸，如上面所述的。扭矩环74可以被配置为一将第一元件22的收缩转化为气波增压器的旋转的成角度的轴承。进一步地，该气波增压器可以包括轴带发电机(未示出)以产生电流30(图1)。
因此，在排气系统10运行期间并且参考图3和4，第一元件22当其与排气12和散热器14其中之一热连接的时候可以在奥氏体和马氏体之间改变结晶相。例如，当与排气12热连接的时候，第一元件22会从马氏体变为奥氏体。类似地，当与散热器热连接的时候，第一形状记忆合金会从奥氏体转变为马氏体。
更具体地，第一元件22在改变结晶相的时候会改变尺寸，以将热能转化为机械能。更具体地，第一元件22的结晶相在从马氏体，例如其被假塑性张紧时，向奥氏体转变时在尺寸上收缩，以及其在结晶相从马氏体向奥氏体转变时在尺寸上扩张，以将热能转变为机械能。所以，对于排气12的第一温度T1和散热器14的第二温度T2存在温度差，其中排气12和热能源14不处于热平衡状态的任何情况，由第一形状记忆合金形成的第一元件22在结晶相在马氏体和奥氏体之间转变时在尺寸上扩张和收缩，从而将排气12储存并携带的热能转化为机械能。形状记忆合金结晶相的改变足以驱动发电机28。
尽管实施本发明的最优方案被详细描述，但熟悉本领域的人员可以意识到在接下来的权利要求的范围内具有能够实施本发明的不同的可供选择的设计方案和实施方式。
Claims (10)
1.一种排气系统，其配置用于将热能转化为机械能，所述排气系统包括：
热能源，其由具有第一温度的排气和具有比所述第一温度低的第二温度的散热器之间的温度差提供；
导管，其配置用于输送所述排气；
热力发动机，其布置成与所述导管成热关系并且配置用于将热能转化为机械能，其中所述热力发动机包括第一元件，其由第一形状记忆合金形成，所述第一形状记忆合金具有结晶相，所述结晶相响应于所述排气和所述散热器之间的所述温度差而在第一转变温度下可在奥氏体和马氏体之间变化；以及
构件，其布置成与所述导管接触并且配置用于从所述导管向所述热力发动机传导热能。
2.如权利要求1所述的排气系统，其中所述第一形状记忆合金从马氏体向奥氏体改变结晶相，由此响应于所述排气而在局部区域尺寸上收缩。
3.如权利要求2所述的排气系统，其中所述第一形状记忆合金从奥氏体向马氏体改变结晶相，由此响应于所述散热器而在所述局部区域尺寸上扩张。
4.如权利要求3所述的排气系统，其中所述第一形状记忆合金响应于第二温度而在所述局部区域尺寸上扩张，以及响应于第一温度而在所述局部区域尺寸上收缩，二者交替进行，由此将热能转化为机械能。
5.如权利要求1所述的排气系统，进一步包括绝缘体，其布置成与所述导管接触并且配置用于所述导管和所述构件的热绝缘。
6.如权利要求5所述的排气系统，其中所述绝缘体布置成与所述构件接触。
7.如权利要求1所述的排气系统，其中所述构件包括多个接触件，其配置成接触所述第一元件由此在奥氏体和马氏体之间改变所述结晶相。
8.如权利要求1所述的排气系统，进一步包括多个热力发动机。
9.一种排气系统，其配置用于将热能转化为机械能，所述排气系统包括：
热能源，其由具有第一温度的排气和具有比所述第一温度低的第二温度的散热器之间的温度差提供；
导管，其配置用于输送所述排气；
热力发动机，其布置成与所述导管成热关系并且配置用于将热能转化为机械能，其中所述热力发动机包括第一元件，其由第一形状记忆合金形成，所述第一形状记忆合金具有结晶相，所述结晶相响应于所述排气和所述散热器之间的所述温度差而在第一转变温度下可在奥氏体和马氏体之间变化；
构件，其布置成与所述导管接触并且配置用于从所述导管向所述热力发动机传导热能，其中所述构件包括配置成接触所述第一元件由此在奥氏体和马氏体之间改变结晶相的多个接触件；
绝缘体，其布置与所述导管和所述构件接触并且配置用于所述导管和所述构件的热绝缘；以及
发电机，其配置用于将机械能转变为电能，其中所述第一形状记忆合金响应于所述第二温度在局部区域尺寸上扩张，以及响应于所述第一温度在另一局部区域尺寸上收缩，二者交替进行，由此将热能转化为机械能并驱动所述发电机。
10.一种排气系统，其配置用于将热能转化为机械能，所述排气系统包括：
热能源，其由具有第一温度的排气和具有比所述第一温度低的第二温度的散热器之间的温度差提供；
多个导管，其每个配置用于沿轴线输送所述排气；
多个热力发动机，其中所述多个热力发动机的每个包括第一元件，其由第一形状记忆合金形成，所述第一形状记忆合金具有结晶相，所述结晶相响应于所述排气和所述散热器之间的所述温度差而在第一转变温度下可在奥氏体和马氏体之间变化；
其中所述多个元件的每个置于所述多个导管的相应的一个内；以及
多个构件，其中所述多个构件中的每个布置与所述多个导管中的相应的一个接触，并且配置用于从所述相应导管向所述相应的热力发动机传导热能。
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