CN102654114A - 能量获取系统 - Google Patents

Abstract

一种用于将热能转换为机械能的能量获取系统包括热力发动机，其利用形状记忆合金活性材料操作。形状记忆合金构件可与第一温度的热区域和低于第一温度的第二温度的冷区域热连通。形状记忆合金材料可被配置为选择性地在马氏体至奥氏体之间改变晶相，且由此响应第一和第二温度而收缩或伸展。热传导元件可与SMA材料直接接触，其中该热传导元件被配置为从热区域接收热能且将接收到的热能的一部分通过传导而传递至SMA材料。

Description

能量获取系统

技术领域

本发明一般涉及能量获取系统，且更具体地涉及一种形状记忆合金热力发动机。

背景技术

热能通过许多工业、装配和制造过程产生。汽车、小型装备和重型装备也产生热能。一些该热能是废热，其为机器、电气装备和工业过程产生的热量，对于该热量没有找到或计划有益的应用，且其通常是废的副产品。废热可源自于机器，例如发电机，或来自于工业过程，例如钢、玻璃或化学生产。运输燃料的燃烧也产生废热。

发明内容

能量获取系统包括热力发动机和与该热力发动机的SMA材料直接接触的热传导元件。热传导元件可被配置为接收热区域的热能且将接收的热量的一部分通过传导传送至SMA材料。热力发动机可包括第一可旋转带轮、从第一可旋转带轮间隔开的第二可旋转带轮、和绕第一可旋转带轮的一部分布置在第一径向距离处且绕可第二可旋转带轮布置在第二径向距离处的形状记忆合金(SMA)材料。第一和第二径向距离可限定SMA带轮比。附加地，正时带可被绕第一可旋转带轮的一部分布置在第三径向距离处且绕第二带轮的一部分布置在第四径向距离处，其中第三和第四径向距离可限定正时带轮比，其不同于SMA带轮比。

SMA材料可与第一温度的热区域和低于第一温度的第二温度的冷区域热连通。SMA材料可被配置为选择性地在马氏体至奥氏体之间改变晶相，且由此响应于暴露于第一温度而进行收缩和伸展中的一种，且还响应于暴露于第二温度而进行伸展和收缩中的一种，由此将热区域和冷区域之间的热能梯度转换为机械能。

在一种配置中，发电机可被与第一和第二可旋转带轮中的至少一个联接，且可被配置为将带轮的旋转机械能转换为电能。

热传导元件可包括绕热排气管布置的可旋转衬套，或热排气管自身的可旋转部分。气体可流动穿过排气管，其中该气体可通常具有大于或等于热区域的第一温度的温度。在另一种配置中，热传导元件可包括具有外SMA接触表面的可旋转热传递带轮，和从SMA接触表面径向向内布置的对流式热传递部分。这种热传递带轮的对流式热传递部分可包括例如叶轮，或多个热传递翅片。

当结合附图时，从下面的用于执行如所附权利要求限定的本发明的一些最佳方式和其它实施例的具体描述可容易地明白本发明的上述特征和优点，以及其它特征和优点。

附图说明

图1是包括热力发动机的能量获取系统的示意图；

图2是图1的热力发动机的示意性侧视图；

图3是能与图1的能量获取系统一起使用的另一热力发动机的示意性侧视图；

图4是例如图2或图3中所示的热力发动机的做功图的示意图；

图5是图1的热力发动机的示意性侧视图，其被配置为从源接收热能且产生机械输出；

图6是内燃发动机排气管的示意性透视图，该排气管具有旋转区段，该旋转区段被配置为引导热量至形状记忆合金带；

图7是热传导元件的示意性横截面视图，该元件例如为可旋转带轮，其包括较SMA接触面径向地向内的叶轮；

图8是热传导元件的示意性横截面视图，该元件例如为可旋转带轮，其包括较SMA接触面径向地向内的热传递翅片；

具体实施方式

参考附图，其中相同的参考标记在多个图中对应于相同或相似的部件，图1示出了能量获取系统10。其它附图中所示和所述的附图和部件可被并入且与图1中所示的那些一起使用。所示的能量获取系统10包括热力发动机14、从动部件16和联接装置17，其配置为选择性地将从动部件16与热力发动机14连结。

能量获取系统10使用具有第一温度的第一流体区域或热区域18。热区域18可与热源处于热传递连通中，该热源例如为废热，或可代表具有相对较暖温度以有助于热力发动机14的操作的任意区域，如这里所述。能量获取系统10还使用具有第二温度的第二流通区域或冷区域20，所述第二温度通常低于热区域18的第一温度。冷区域20可与冷却源处于热传递连通中，该冷却源例如为冷流体，或可代表具有相对较冷温度以有助于热力发动机14的操作的任意区域，如这里所述。热区域18和冷区域20的指定或与其相关的温度，如“第一”或“第二”是任意的且不具限制性。

热力发动机14，如这里所述，被配置为将热能从热区域18和冷区域20之间的温差转换为机械能。能量获取系统10的从动部件16可被配置由为从热力发动机14内的热能至机械能的转换产生的机械能或功率驱动。

从动部件16可为机械装置，例如，不具限制性：发电机、风扇、离合器、风机、泵、压缩机，以及其组合。应认识到，从动部件16不是要被限制于这些装置，还可使用本领域技术人员已知的任意其它装置。从动部件16可被操作地连接至热力发动机14，从而从动部件16被热力发动机14驱动。

更具体地，从动部件16可为现存系统的一部分，例如加热或冷却系统等。利用热力发动机14提供的机械能驱动从动部件16还可允许能量获取系统10内的相关联现存系统减小尺寸和/或容量，或整个消除。

附加地，由能量获取系统10产生的机械能可被储存以供后来使用或作为辅助能量供应。在车辆或功率产生设施中，通过将废弃的热能转换为当前或以后使用的能量(例如储存在飞轮中的旋转动能)，能量获取系统10增加车辆或产生设施的总效率。

从动部件16可为发电机或电机(其可被称为马达/发电机)，其被配置为将来自热力发动机14的机械能转换为电30(如图1中示意性地所示)。替换地，从动部件16可被附连至发电机或与其连通。从动部件16可为配置为将机械能转换为电30的任意适当装置。例如，从动部件16可为电机，其利用电磁感应将机械能转换为电30。从动部件16可包括转子(未示出)，其相对于定子(未示出)旋转以产生电30。由从动部件16产生的电30可然后被用于辅助驱动一个或多个电气系统或可被储存在能量储存装置中。

热区域18和冷区域20可被彼此充分地间隔开以保持两者之间的温差，或可被充分热交换屏障26分开，所述热交换屏障包括但不限于：热屏蔽件、帕尔帖装置、或绝热屏障。热交换屏障26可被用于将热力发动机14分成热区域18和冷区域20，从而实现热区域18和冷区域20之间的期望的温差。当布置在热区域18和冷区域20之间的热交换屏障26是帕尔帖装置，例如热电式热泵时，热交换屏障26被配置为在该屏障26的一侧上产生热量且在热屏障26的相反侧上冷却。

能量获取系统10的热区域18和冷区域20可用例如且不限于：气体、液体或其组合填充。替换地，热区域18和冷区域20可表示被配置为与热机14热传导性的接触区或接触元件。

热力发动机14被配置为在以下领域中使用能量获取系统10中的热区域18和冷区域20之间的温度差/梯度，所述领域例如但不限于：车辆产生的热和废热、功率产生的热和废热、工业废热(例如用作机加工中的冷却剂的液体)、空调、排气筒洗涤器、核能发电厂冷却塔、和铸造车间等，住宅和商用建筑热源(例如干衣机、炉子(排气炉)、热水器排气)、地加热和冷却源、日光热源(直接的为辐射或间接的例如为太阳能电池组中的被加热冷却剂、太阳能加热材料如沥青)、来自燃烧源(包括营火和烧烤)的热、和废热，以及其组合。应认识到，能量获取系统10可被配置为使用大量其他领域和工业中的温差。

现在参考图2，且继续参考图1，示出了图1中所示的热力发动机14的更详细视图。其他类型和配置的热力发动机可被与图1中所示的热回收系统10一起使用。图3示出了另一热力发动机54，其也可被与图1中所示的热回收系统10一起使用，且包括与热力发动机14类似的部件和功能。

图2的热力发动机14包括形状记忆合金材料22，且被操作地布置在热区域18和冷区域20中或与其热交换连通。在所示的配置中，热区域18可邻近于热排气管，冷区域20可被布置在环境空气中或在来自风扇或风机的移动相对较冷的空气的路径中。

热力发动机14还包括第一构件或第一带轮38和第二构件或第二带轮40。第一带轮38和第二带轮40也可被称为驱动带轮。热力发动机14还包括惰轮42，其增加形状记忆合金材料22的路径的行程且附加地被配置为给形状记忆合金材料22变化地增加拉力(或拉紧松弛)。

在该配置中，第一带轮38和第二带轮40被布置在热区域18和冷区域20之间。但是，热力发动机可被配置有操作地布置在热区域18中的第一带轮和操作地布置在冷区域20中的第二带轮40，或相反。惰轮42可同样布置在冷区域20中。

热力发动机14还包括两个正时构件，第一正时带轮39和第二正时带轮41，其分别被固定至第一带轮38和第二带轮40。第一正时带轮39和第二正时带轮41提供第一带轮38和第二带轮40(两个驱动带轮)之间的机械联接，从而任一驱动带轮的旋转确保另一驱动带轮沿相同方向的旋转。

第一正时带轮39和第二正时带轮41通过正时链或正时带状件43而被链接。替换地，正时机构(例如利用链链接的链轮或啮合齿轮)也可被用于提供第一带轮38和第二带轮40之间的机械联接。如可被认识到的，其它同步装置可被用于完成相同或相似的功能。在第一带轮38和第二带轮40之间包括由正时链(除了记忆合金材料22)提供的机械联接，表示热力发动机14可被称为同步热力发动机。

在一种配置中，第一带轮38和第一正时带轮39可被集成入单个带轮中，由此SMA材料可被保持在第一径向距离处，且正时缆线43可被保持在第二径向距离处。类似地，第二带轮40和第二正时带轮41可被集成入单个带轮中，由此SMA材料22可被保持在第三径向距离处，且正时带43可被保持在第四径向距离处。第一和第三距离可限定SMA带轮比，第二和第四距离可限定正时带轮比，其可不同于SMA带轮比。

在图2中所示的实施例中，第一正时带轮39的直径大于第二正时带轮41。但是，在图3中所示的实施例中，正时带轮实质地具有相同尺寸，但是第一带轮78的直径大于第二带轮80。直径的差异改变了由相应带轮构件提供的有效反扭矩或力臂。关于带轮的不同力臂(即带轮比中的差异)导致沿热区域18附近的记忆合金材料22由收缩力产生的合成的扭矩，如这里所述。

热力发动机14被配置为转换热能为机械能，且，借助于从动部件16，转换机械能为电能。更具体地，能量获取系统10使用热区域18和冷区域20之间的温差经由形状记忆合金材料22来产生机械能和/或电能，如下更详细所述。由可用热能产生的机械和电能可被使用或储存，这与允许该热能耗散相反。

形状记忆合金材料22被布置为与热区域18和冷区域20中的每个都热接触或热交换连通。热机14的形状记忆合金材料22具有晶相，该晶相可以响应暴露至热区域18和冷区域20的第一和第二温度在奥氏体和马氏体之间变化。

如这里使用的，术语“形状记忆合金”(通常简称为“SMA”)是指具有形状记忆效应的合金。即，形状记忆合金22可经由分子重组经历凝聚态、晶相改变，以在马氏体相，即“马氏体”，和奥氏体相，即“奥氏体”，之间转变。或者说，形状记忆合金22可经历位移转变而不是扩散转变以在马氏体和奥氏体之间转变。位移转变是结构性改变，其通过原子(或原子团)相对于它们的近邻原子(或原子团)的协同运动而发生。通常，马氏体相是指相对低温低模量的相，且通常比相对高温高模量的奥氏体相更易变形。

形状记忆合金材料22开始从奥氏体相至马氏体相转变的温度被称为马氏体开始温度M_s。形状记忆合金材料22完成从奥氏体相至马氏体相转变的温度被称为马氏体完成温度M_f。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开始从马氏体相至奥氏体相转变的温度被称为奥氏体开始温度A_s。形状记忆合金材料22完成从奥氏体相至马氏体相转变的温度被称为奥氏体完成温度A_f。

因此，形状记忆合金材料22的特征在于冷却状态，即何时形状记忆合金材料22的温度低于形状记忆合金材料22的马氏体完成温度M_f。类似地，形状记忆合金材料22的特征还可在于热状态，即何时形状记忆合金材料22的温度高于形状记忆合金材料22的奥氏体完成温度A_f。

在操作中，被预应变或受到拉伸应力的形状记忆合金材料22可在改变晶相时改变尺寸，以由此将热能转换为机械能。即，形状记忆合金材料22可从低模量马氏体至高模量奥氏体改变晶相，且如果被假塑性地预应变则由此尺寸收缩，以将热能转换为机械能。相反，形状记忆合金材料22可从高模量奥氏体至低模量马氏体改变晶相，且如果受应力则由此尺寸伸展，以将热能转换为机械能。

假塑性地预应变是指在低模量马氏体相时拉伸形状记忆合金材料22，以使得形状记忆合金材料22在加载状况下具有的应变在卸载时不完全恢复，而纯粹的塑性应变将被完全恢复。在形状记忆合金材料22的情况下，可以加载该材料使得弹性应变极限被超过且在超过材料的真塑性应变极限之前在材料的马氏体晶体结构中发生变形。在这两个极限之间的该类型的应变是假塑性应变，这样称谓是因为当卸载时其看起来经过塑性变形。但是，当被加热到形状记忆合金材料22转变至其奥氏体相的点时，该应变可被恢复，将形状记忆合金材料22返回至其在负荷被施加前观测的原始长度。

形状记忆合金材料22在被安装入热力发动机14前可被在低温奥氏体相中拉伸，从而形状记忆合金材料22的名义长度包括可恢复假塑性应变。在假塑性变形状态(相对较长的长度)和完全恢复的奥氏体相(相对较短的长度)之间的交替提供了用于促动或驱动热力发动机14的运动。如果没有预拉伸形状记忆合金材料22，在相变过程中几乎看不到变形。

形状记忆合金材料22在改变晶相时可改变模量和尺寸二者，以由此将热能转换为机械能。更具体地，形状记忆合金材料22，如果被假塑性应变，可在从马氏体至奥氏体改变晶相时尺寸收缩，且如果在拉伸应力下当从奥氏体至马氏体改变晶相时可尺寸伸展，以由此将热能转换为机械能。因此，当在热区域18的第一温度和冷区域20的第二温度之间存在温差时，即当热区域18和冷区域20不是处于热平衡时，设置在热区域18和冷区域20中的形状记忆合金材料22的相应局部区域在马氏体和奥氏体之间改变晶相时尺寸可分别伸展和收缩。

形状记忆合金材料22可具有任意适当的组分。特别地，形状记忆合金材料22可包括从下面的组中选择的元素，该组包括但不限于：钴、镍、钛、铟、锰、铁、钯、锌、铜、银、金、镉、锡、硅、铂、镓、以及其组合。例如，且非限制性地，适当的形状记忆合金22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(例如铜-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，以及其组合。

形状记忆合金材料22可为二元、三元、或任意更高元，只要形状记忆合金材料22具有形状记忆效应，即改变形状取向、阻尼能力(dampingcapacity)等。特定形状记忆合金材料22可被根据热区域18和冷区域20的期望的操作温度而选择，如下详述。在一个特定实例中，形状记忆合金材料22可包括镍和钛。

如图1所示，能量获取系统10可包括控制系统32，其被配置为监视热区域18和冷区域20中的流体各自的第一和第二温度。控制系统32可被操作地连接至能量获取系统10的任一部件。

控制系统32可为与能量获取系统10的一个或多个控制部和/或传感器电通信的计算机。例如，控制系统32可与热区域18和冷区域20内的温度传感器、从动部件16的速度调节器、流体流动传感器、和/或配置为监视从动部件16产生的电30的计量器通信。

附加地，控制系统32可被配置为在能量获取系统10的预定状况下控制能量的获取，例如在能量获取系统10已操作足够的时间段使得热区域18和冷区域20之间的温差是足够的、或理想的差值之后。能量获取系统10的其它预定状况也可被使用。控制系统32也可被配置为提供选项以手动超驰热力发动机和允许能量获取系统10有效地被关闭，例如当供应热区域18的热能被在其它地方需要和不应被热力发动机14转换为其它能量形式时。离合器(未示出)也可被控制系统32控制以选择性地使热力发动机14从从动部件16脱离接合。

来自从动部件16的电30可被传输至储存装置36，其可为，非限制性地，电池、电子组、或其它能量储存装置。储存装置36可被定位为靠近但是物理地离开能量获取系统10。

对于这里讨论的任一实例，能量获取系统10可包括多个热力发动机14和/或多个从动部件16。同样，能量获取系统10可被与附加能量获取系统10联接或与其协同操作，其中每个能量获取系统10包括至少一个热力发动机14和至少一个从动部件16。多个热力发动机14的使用可利用遍布能量获取系统10的多个温差区域。

再次参考图2，第一带轮38和第二带轮40也可为，非限制性地，齿轮、单向离合器或弹簧。单向离合器可被配置为允许第一带轮38和第二带轮40仅沿一个方向旋转。

第一带轮38、第二带轮40、或惰轮42被操作地连接至从动部件16，从而旋转(其为形状记忆合金材料22的模量和尺寸改变的综合的结果)驱动该从动部件16。而且，每个带轮构件可被联接至从动部件16，或可在将机械能传递给从动部件16前馈送至变速器或齿轮系统中。尽管三个旋转构件被示出在图2中，应认识到更多或更少的构件可被使用。

如这里所述，形状记忆合金材料22可被嵌入带状件或缆绳中。而且，形状记忆合金材料22可被配置为纵向延伸线，其嵌入在带状件中从而带状件作为相关联形状记忆合金材料22的伸展和收缩的函数而纵向地伸展和收缩。附加地，或替换地，形状记忆合金材料22可被配置为一个或多个螺旋弹簧，该螺旋弹簧可被嵌入在带状件中。形状记忆合金材料22可为线，其具有任意期望的横截面形状，即圆形、矩形、八边形、条形、或本领域技术人员已知的任意其它形状。附加地，带状件可至少部分地由弹性材料形成。例如，弹性材料可为弹性体、聚合物、其组合等。带状件可被形成为连续的环，如图2和3所示，或形成为细长条。

在图2所示的热力发动机14的操作中，形状记忆合金材料22的局部区域可被布置在热区域18内或直接邻接于热区域18，从而使得第一温度导致形状记忆合金材料22的相应局部区域作为热区域18的第一温度的函数而收缩。类似地，形状记忆合金材料22的另一局部区域可被布置在冷区域20内或直接邻接于其，从而使得第二温度导致形状记忆合金材料22的局部区域作为冷区域20的第二温度的函数而纵向收缩。

例如，如果热区域18的第一温度处于或高于热状态，形状记忆合金材料22的相关联局部区域将作为形状记忆合金材料22从马氏体相至奥氏体相的相变的结果而纵向收缩。类似的，如果冷区域20的第二温度低于冷状态，形状记忆合金材料22的相关联局部区域将作为形状记忆合金材料22从高模量奥氏体相至低模量马氏体相的相变的结果而纵向伸展(由于元件中的拉力)。

形状记忆合金材料22可绕第一带轮38和第二带轮40不断地环绕，从而从形状记忆合金材料22给予的运动导致第一带轮38和第二带轮40(还有惰轮42)中的每个都旋转。新记忆合金材料22的局部区域的纵向伸展(伸展)和/或收缩将形状记忆合金材料22的运动赋予第一带轮38和第二带轮40，以移动或驱动从动部件16。局部区域是形状记忆合金材料22的在任意给定时刻处于相应热区域18和冷区域20中的那些部分。

如图2的热力发动机14所示，当形状记忆合金材料22在被热区域18加热后收缩时，第一正时带轮39比第二正时带轮41提供更大的反扭矩。因此，形状记忆合金材料22在第一带轮38和第二带轮40(其分别与第一正时带轮39和第二正时带轮41一起旋转)之间的收缩导致形状记忆合金材料22向第一带轮38移动。随着热力发动机14进入动态操作，形状记忆合金材料22、第一带轮38和第二带轮40逆时针旋转(如图2所示)。

热力发动机14不需要用于热区域18和冷区域20的液体浴。因此，热力发动机14和形状记忆合金材料22的相当量的部分不要求浸入液体。

现在参考图3，且继续参考图1和2，示出了另一热力发动机54，其也可被并入图1中所示的热回收系统10且与其一起使用。其它附图中所示和所述的附图和部件可被并入且与图2中所示的那些一起使用。热力发动机54被布置为与热区域58和冷区域60热交换连通。热力发动机54包括形状记忆合金材料62，该形状记忆合金材料以绕第一带轮78、第二带轮80和惰轮82的连续环行进。

第一正时带轮79和第二正时带轮81通过正时链83而被机械地联接。在第一带轮78和第二带轮80之间包括由正时链83(除了记忆合金构件62)提供的机械联接表示热力发动机54也可被称为同步热力发动机。

不同于图2所示的热力发动机14，在图3的热力发动机54中，第一正时带轮79和第二正时带轮81的直径实质上相同。在一种配置中，第一和第二正时带轮79、81可为第一和第二带轮78、80的相应轮轴。在热力发动机54中，第二带轮80比第一带轮78具有更大的直径。

如图3的热力发动机54所示，当形状记忆合金构件62在被热区域58加热后收缩时，第二正时带轮80比第一正时带轮78产生更大的力矩臂。但是，第一正时带轮79和第二正时带轮81提供相同的反扭矩。因此，第一带轮78和第二带轮80之间的形状记忆合金构件62的收缩导致形状记忆合金构件62再次向第一带轮78移动。随着热力发动机54进入动态操作，形状记忆合金构件62、第一带轮78和第二带轮80逆时针旋转(如图3所示)。

现在参考图4，且继续参考图1-3，示出了做功图90的示意图。做功图90的x-轴线91示出了图2所示的形状记忆合金构件22、图3中所示的形状记忆合金构件72或并入到热力发动机(例如热力发动机14或热力发动机54)中的另一SMA做功构件的长度。做功图90的y-轴线92示出了图2所示的形状记忆合金构件22、图3所示的形状记忆合金构件72或另一SMA做功构件的张力。

做功图90示出了在热力发动机14或热力发动机54的操作过程中形状记忆合金构件22或形状记忆合金构件72的一位置或区域在环绕时的做功路径94。在一位移(即长度中的改变)上的力的施加要求做功。净功区96表示形状记忆合金构件22或形状记忆合金构件72在每个环路上实现的净功。因此，净功区96大于零的事实显示了形状记忆合金构件22或形状记忆合金构件72从对于热力发动机14或热力发动机54可用的热能产生机械功。

如图5示意性地所示，热力发动机14可与布置为邻近热区域18或位于其中的热源100热连通。大致如上所述，热源100可为能传递热能至形状记忆合金22中的任意适当元件或装置。优选地，热源100可被配置为传递足够量的热能给SMA22，以实现热区域18内的奥氏体相转变。如大致所示，热的热传递可经由一个或多个传递机构发生，例如传导110、对流112或辐射114。如上大致所述，来自热源的热能可赋予SMA22运动，其可被获取为输出轴118的旋转/扭矩116。在一实施例中，输出轴118可被齿轮连接或通过变速器17联接至从动部件16。齿轮系/变速器17可允许热力发动机基于可获得的扭矩116更好地匹配输出动力需求其。

虽然本能量获取系统可被容易地适用于与任意热源一起操作，特定用户可关注清除否则将被排入环境中的废弃热能。例如，在汽车领域中，大致如图6所示，热源100可为排气歧管/管道120，其传输从发动机离开的热排气122。类似地，在许多工业领域内，热量可被作为各种制造过程的副产品而产生。虽然这种工业热量通常通过烟囱(smokestack)或液体冷却散热器排出，本能量获取系统可被用于将该废弃能量重新转化为功。

返回参考图5，传导式热传导110可被完成，例如通过将SMA直接接触热液体，例如工厂冷却液、冷却塔或核能发电厂中的流体、通过太阳能加热的液体、地热水、和/或其他液体，例如海洋、湖泊或井中的液体。在一实施例中，热液体可为自由流动的液体而不是密封器皿中的液体，由此促进了更大的、更一致的热交换。替换地，传导式热传递110可通过与热的地热材料直接接触完成，例如沙子，或热的排气歧管/管道(如图6所示)、刷子、擦拭器或其它类似的接触。

大致如图6所示，如果SMA带22被布置为与热传递元件(例如排气管道120的一部分、或绕管道120布置的衬套)直接接触，传导式热传递110可被进一步完成。热传导元件被配置为接收热区域18的热能且可将接收的热量的一部分通过传导传送至SMA带22。在一种配置中，管的一区段124可被配置为旋转以辅助热力发动机操作。该区段124可被与非旋转部分通过多个轴承126联接，且可被大致布置在热区域18内。在一种配置中，旋转区段124或衬套可从管道120内流动的热气122接收热能，该管的温度大于或等于可旋转衬套/段124的温度。区段124可为带轮40、80，分别如图2和3所示，或可仅为沿热区域18内的一段SMA22布置的惰轮。

在一种配置中，多个传导带轮可被用在热区域18内，其中SMA元件22在各个带轮之间迂回以最大化直接接触。为进一步增强该接触，带轮可被涂覆一些物质以降低每个相应带轮和SMA元件22之间的热阻。这种涂层可包括例如油、树脂或刷状表面纹理。

为了促进热传递出各个热传导元件，每个带轮/旋转区段124可具有外SMA接触表面130，和从SMA接触表面径向向内布置的对流式热传递部分。例如，大致如图7所示，带轮/旋转区段124可具有径向内部叶轮部分130(即径向向外SMA接触表面132的内部)，其可促进任意横向流动的空气和带轮自身之间的增强的对流。替换地，如图8所示，每个带轮/旋转区段124可具有一个或多个热传导式热传递翅片134以促进从流动空气至外部接触表面132的热传递。附加地，为了促进带轮和SMA元件22之间的更大的表面接触，在一实施例中，带轮可具有部分地顺应表面用于接收SMA元件。

再次参考图5，对流式热传递112的实例可包括经由自然产生的空气温度梯度(例如大致如图7所示)，或通过燃烧产生的空气温度梯度(例如经由内燃发动机、柴油燃烧发动机、焚烧装置、营火、火炉等)的热传递。最后，基于辐射的热传递114的例子可包括太阳能加热、或经由燃烧的辐射的加热。

一旦SMA22被通过环境温度梯度赋予运动，热力发动机14可被操作以旋转驱动轴118。该轴的旋转/扭矩116可被赋予从动部件16，和/或通过一个或多个齿轮系统/联接装置17。在一实施例中，如上所述，从动部件16可为发电机，其可将旋转性的轴运动转换为电。输出的电可被储存用于以后使用(例如储存在电池中)，或可被用于给一个或多个装置供电。在汽车领域中，电可被用于给各个车辆附件供电，给用户电器供电，或给小装置例如移动电话电池充电。

在另一实施例中，驱动轴118的旋转/扭矩116可被直接用于驱动各个机械部件。例如，输出轴118可直接驱动屋子内的天花板风扇。替换地，驱动轴的旋转可被用于自泵送热管、自运行热泵、或空气/流体泵。例如，在汽车领域中，输出轴118可驱动空调压缩机或风扇。类似地，在地热配置中，输出轴118可被与井泵联接以传输地下水至地面供人使用，或可被用于灌溉设施中，和/或用于地势低洼区例如开拓地。

在另一实施例中，动力取用点可依赖于应用的性质而在带轮之间切换：较大的带轮用于低速高扭矩，较小的带轮用于高速低扭矩。

在另一实施例中，主动式元件的回转运动，例如以弹簧或其它几何形状，可被用于通过相变的热函和材料的比热的组合从热至冷区域传递热量，以加热冷区域或冷却热区域，即，作为热交换器。

在另一实施例中，主动式元件的回转运动可被用于搅拌其中存在温度梯度的液体、颗粒材料等。

虽然这里概述了用于热力发动机的许多方案，它们可各自独立地或共同地用于改善形状记忆合金热力发动机的热传递比或效率，或用于改善其可控性。因此，没有方案应被认为是限制性的或排他的，因为许多或所有实施例可被共同地或组合使用。虽然用于执行本发明的最佳方式已经被详细描述，与本发明相关的本领域技术人员应认识到在所附的权利要求的范围内的执行本发明的各种替换设计和实施例。上面的说明或附图中示出的所有事实应被解释为仅是说明性的且不是限制性的。

相关申请的交叉引用

本申请要求美国临时申请No.61/447,317、美国临时申请No.61/447,315、美国临时申请No.61/447,328、美国临时申请No.61/447,321、美国临时申请No.61/447,306和美国临时申请No.61/447,324的优先权，都为2011年2月28日提交。其所有通过引用全部并入。

关于联邦赞助的研究或开发的声明

本发明在美国政府的支持下进行，其协议/项目号：ARPA-E合同号DE-AR0000040。美国政府在本发明中具有特定权利。

Claims (10)

1.一种能量获取系统，包括：

热力发动机，其包括：

第一可旋转带轮；

从第一可旋转带轮间隔开的第二可旋转带轮；

形状记忆合金(SMA)材料，其绕第一可旋转带轮的一部分布置在第一径向距离处且绕第二可旋转带轮的一部分布置在第二径向距离处，该第一和第二径向距离限定SMA带轮比；

正时带，其被绕第一可旋转带轮的一部分布置在第三径向距离处且绕第二可旋转带轮的一部分布置在第四径向距离处，第三和第四径向距离限定正时带轮比，所述正时带轮比不同于SMA带轮比；

其中SMA材料被配置为被布置为与第一温度的热区域和低于第一温度的第二温度的冷区域热连通。

其中，SMA材料被配置为选择性地在马氏体和奥氏体之间改变晶相，且由此响应于暴露于第一温度而进行收缩和伸展中的一种，且还响应于暴露于第二温度而进行伸展和收缩中的一种，由此将热区域和冷区域之间的热能梯度转换为机械能；以及

热传导元件，其与热力发动机的SMA材料直接接触，该热传导元件被配置为从热区域接收热能且将接收到的热能的一部分通过传导而传递至SMA材料。

2.如权利要求1所述的能量获取系统，其中所述热传导元件包括绕热排气管布置的可旋转衬套。

3.如权利要求1所述的能量获取系统，其中所述热传导元件包括热排气管的可旋转部分。

4.如权利要求1所述的能量获取系统，其中所述热传导元件包括具有外SMA接触表面的可旋转热传递带轮，和布置在SMA接触表面径向内部的对流式热传递部分。

5.如权利要求4所述的能量获取系统，其中所述热传递带轮的对流式热传递部分包括叶轮。

6.如权利要求4所述的能量获取系统，其中所述热传递带轮的对流式热传递部分包括多个热传递翅片。

7.如权利要求1所述的能量获取系统，还包括惰轮，其与SMA材料机械地连通且被配置为通过传导从SMA材料接收热能且将接收到的热能的一部分传送至冷区域。

8.如权利要求7所述的能量获取系统，其中所述惰轮被配置为给予SMA材料最小的拉力。

9.如权利要求1所述的能量获取系统，还包括发电机，其被与第一可旋转带轮和第二可旋转带轮中的至少一个连结，该发电机被配置为将带轮的旋转机械能转换为电能。

10.一种能量获取系统，包括：

热力发动机，其包括：

第一可旋转带轮；

从第一可旋转带轮间隔开的第二可旋转带轮；

形状记忆合金(SMA)材料，其绕第一可旋转带轮的一部分布置在第一径向距离处且绕第二可旋转带轮的一部分布置在第二径向距离处，该第一和第二径向距离限定SMA带轮比；

正时带，其被绕第一可旋转带轮的一部分布置在第三径向距离处且绕第二可旋转带轮的一部分布置在第四径向距离处，第三和第四径向距离限定正时带轮比，其不同于SMA带轮比；

其中SMA材料被配置为被布置为与第一温度的热区域和低于第一温度的第二温度的冷区域热连通。

其中，SMA材料被配置为选择性地在马氏体和奥氏体之间改变晶相，且由此响应于暴露于第一温度而进行收缩和伸展中的一种，且还响应于暴露于第二温度而进行伸展和收缩中的一种，由此将热区域和冷区域之间的热能梯度转换为机械能；以及

与SMA材料机械地连通的排气管，该排气管具有第一温度，且其中该排气管被配置为将热能通过传导传递至SMA材料。

Images