CN102654115B - 起动和操作形状记忆合金热力发动机的方法 - Google Patents

Abstract

一种形状记忆合金(SMA)热力发动机，包括第一可旋转带轮、第二可旋转带轮、和SMA材料，所述SMA材料绕第一和第二可旋转带轮布置，并位于热区域和冷区域之间。起动和操作SMA热力发动机的方法包括，使用控制器检测热区域和冷区域之间的热能梯度、使发电机从第一和第二可旋转带轮中的一个脱开联接、监控SMA材料绕第一和第二可旋转带轮的转速、以及如果SMA材料的监控到的转速超过阈值则重新接合从动部件。SMA材料可以选择性地在马氏体和奥氏体之间、以及在热区域和冷区域之间改变晶相，以将热梯度转化为机械能。

Description

起动和操作形状记忆合金热力发动机的方法

技术领域

本发明大体涉及能量获取系统，且更具体地，涉及形状记忆合金热力发动机。

背景技术

热能由许多工业过程、组装过程和制造过程产生。汽车、小型设备和重型设备也产生热能。该热能的一些是废热，其是由机械、电子设备、工业过程产生的热，没有有用的应用为其建立或计划，且该热能大致是废副产品。废热可以源于机械，诸如发电机，或源于工业过程，诸如钢、玻璃和化学生产。运输用燃料的燃烧也促成了废热。

发明内容

形状记忆合金(SMA)热力发动机可以包括第一可旋转带轮、第二可旋转带轮、和SMA材料，所述SMA材料绕第一和第二可旋转带轮布置，并位于热区域和冷区域之间。起动和操作SMA热力发动机的方法可以继而包括，使用控制器检测热区域和冷区域之间的热能梯度、使发电机从第一和第二可旋转带轮中的一个脱开联接、监控SMA材料绕第一和第二可旋转带轮的转速、以及如果SMA材料的监控到的转速超过阈值则重新接合从动部件。SMA材料可以选择性地在马氏体和奥氏体之间、以及在热区域和冷区域之间改变晶相，以将热梯度转化为机械能。

在一个配置中，发电机可以从可旋转带轮在控制器的方向被解开联接，诸如通过命令联接装置脱离。联接装置可以，例如，包括电促动离合器。此外，控制器可以监控SMA材料的温度，以及改动自适应扭矩传输装置的齿轮比，以便如果SMA材料的温度超过预定阈值，则减少热力发动机上的扭矩负载。以该方式，控制器可以减少SMA热力发动机感受到的负载。

本发明的上述特征和优势及其他特征和优势将从用于实施本发明的最佳模式的以下详细描述连同附图时显而易见。

附图说明

图1是包括形状记忆合金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侧视图；

图3是图1的可与能量获取系统一起使用的另一热力发动机的示意侧视图；

图4是热力发动机的做功图的示意图示，所述热力发动机诸如图2或图3所示的那些；

图5是图1的热力发动机的示意侧视图，配置为具有弹簧偏置张力轮；

图6是图1的热力发动机的示意侧视图，配置为从源接收热能并产生机械输出；

图7是起动和操作形状记忆合金热力发动机的方法的流程图。

具体实施方式

参考附图，其中无论何时在几幅图中相同的附图标记对应于相同或相似的构件，图1中示出能量获取系统10。其他图中所示和所述的特征和部件可以被并入，以及与图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，该联接装置17配置为选择性地联接从动部件16与热力发动机14。

能量获取系统10利用具有第一温度的第一流体区域或热区域18。热区域18可以与热源传热连通，所述热源诸如废热，或可以表示较暖的任何区域，以对热力发动机14的运转起作用，如此处描述的。能量获取系统10还利用具有第二温度的第二流体区域或冷区域20，该第二温度大体低于热区域18的第一温度。冷区域20可以与冷却源传热连通，所述冷却源诸如冷流体，或可以表示具有较冷温度的任何区域，以对热力发动机14的运转起作用，如此处描述的。热区域18和冷区域20的指定或与其相关联的“第一”或“第二”温度，是任意的且不是限制性的。

热力发动机14，如在此处描述的，配置为将来自热区域18的热能转化为机械能。能量获取系统10的从动部件16可以配置为被机械能或动力驱动，所述机械能或动力由热力发动机14内的热能至机械能的转化而产生。

从动部件16可以是机械装置，诸如但不限于：发电机、风扇、离合器、送风机、泵、压缩机、及其组合。应意识到，从动部件16不限于这些装置，也可以使用如本领域技术人员所知的任何其他装置。从动部件16可以操作地连接至热力发动机14，使得从动部件16被热力发动机14驱动。

更具体地，从动部件16可以是现有系统的一部分，诸如加热或冷却系统等。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内的相关联的现有系统在尺寸和/或容量上被减少，或被全部除去。

附加地，由能量获取系统10产生的机械能可以被储存，用于随后的使用，或作为辅助能量供应。在车辆或动力生产设备中，能量获取系统10通过将可能已经成为废热能的能量转化为用于当前或随后使用的能量而增加了车辆或生产设备的总效率。

从动部件16可以是发电机或电机(其可以称为马达/发电机)，其配置为将来自热力发动机14的机械能转化为电30(如在图1中示意性地示出的)。替换地，从动部件16可以附连至发电机，或与其连通。从动部件16可以是配置为将机械能转化为电30的任何合适的装置。例如，从动部件16可以是电机，该电机使用电磁感应将机械能转化为电30。从动部件16可以包括转子(未示出)，所述转子相对于定子(未示出)旋转，以产生电30。由从动部件16产生的电30可以随后用于辅助为一个或多个电气系统提供动力，或可以被储存在能量储存装置中。

热区域18和冷区域20可以彼此充分隔开，以保持两者之间的温度差，或可以被足够的热交换隔离屏障26分开，所述隔离屏障包括但不限于：热屏蔽、珀耳帖(Peltier)装置、或绝热屏障。热交换隔离屏障26可以用于将热力发动机14分隔为热区域18和冷区域20，使得在热区域18和冷区域20之间的期望的温度差被获得。当布置在热区域18和冷区域20之间的热交换隔离屏障26为珀耳帖装置(诸如热电式热泵)时，热交换隔离屏障26配置为在隔离屏障26的一侧上产生热量以及在隔离屏障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可以用例如但不限于：气体、液体、或其组合填充。可替换地，热区域18和冷区域20可以表示配置用于与热力发动机14热传导的接触区或接触元件。

热力发动机14配置为在一些领域中利用能量获取系统10中的热区域18和冷区域20之间的温度差/梯度，所述领域诸如但不限于：车辆产生的热和废热、发电产生的热和废热、工业废热、地热加热和冷却源、日光热源和废热、及其组合。应意识到，能量获取系统10可以配置为在许多其他领域和工业中利用温度差。

现在参考图2，并继续参考图1，示出图1中所示的热力发动机14的更详细的示意图。其他类型和配置的热力发动机可以与图1中所示的热回收系统10一起使用。图3示出另一热力发动机54，其也可以与图1中所示的热回收系统10一起使用，并包括许多类似于热力发动机14的类似部件和功能。

图2的热力发动机14包括形状记忆合金材料22，并操作地布置在热区域18和冷区域20中，或与其热交换连通。在所示配置中，热区域18可以接近热排气管，冷区域20可以放置在环境空气中或放置移动来自风扇或送风机的空气(相对较冷)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还可以称为驱动带轮。热力发动机14还包括惰轮42，添加行程至形状记忆合金材料22的路径，并可以配置为可变地添加张力(或收紧松弛)至形状记忆合金材料22。

在该配置中，第一带轮38和第二带轮40布置在热区域18和冷区域20之间。然而，热力发动机可以配置为具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，或者相反。惰轮42可以类似地布置在冷区域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，所述正时带轮分别固定至第一带轮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，使得任一驱动带轮的旋转确保了另一个沿相同方向的旋转。

第一正时带轮39和第二正时带轮41通过正时链或正时带43链接。可替换地，与链或啮合齿轮链接的正时机构，诸如链轮，也可用于提供第一带轮38和第二带轮40之间的机械联接。如可以意识到的，其他同步设备可以用于实现相同或相似的功能。在第一带轮38和第二带轮40之间的包括由正时链43(除了形状记忆合金材料22之外)提供的机械联接意味着热力发动机14可以称为同步的热力发动机。

在一种配置中，第一带轮38和第一正时带轮39可以被整合到单个带轮中，由此SMA材料22可以被保持在第一径向距离处，且正时线缆43可以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可以被整合到单个带轮中，由此SMA材料22可以被保持在第三径向距离处，且正时线缆43可以被保持在第四径向距离处。第一和第三距离可以限定SMA带轮比，而第二和第四距离可以限定正时带轮比，所述正时带轮比可不同于SMA带轮比。

在图2示出的实施例中，第一正时带轮39在直径上大于第二正时带轮41。然而，在图3示出的实施例中，正时带轮具有实质上相同的尺寸，但第一带轮78在直径上大于第二带轮80。直径的差值改变了由相应的带轮构件提供的反扭矩或力矩臂。关于带轮的不同的力矩臂(即，带轮比的差值)导致沿热区域18附近的形状记忆合金材料22由收缩力产生的合成的扭矩，如此处所解释的。

热力发动机14配置为将热能转化为机械能，且在从动部件16的帮助下，将机械能转化为电能。更具体地，能量获取系统10利用热区域18和冷区域20之间的温度差、经由形状记忆合金材料22来产生机械能和/或电能，如在下面更详细地解释的。从可用的热能创建的机械能和电能可以被使用或储存，与允许热能耗散形成对照。

形状记忆合金材料22布置为与热区域18和冷区域20中的每一个热接触，或与其热交换连通。热力发动机14的形状记忆合金材料22具有晶相(crystallographic phase)，该晶相可以响应热区域18和冷区域20的第一和第二温度的暴露在奥氏体(austenite)与马氏体(martensite)之间变化。

如此处使用的，术语“形状记忆合金”(常简写为“SMA”)是指呈现出形状记忆效应的合金。即，形状记忆合金材料22可以经受凝固态、晶相变化，以在马氏体相态(即，马氏体)和奥氏体相态(即，奥氏体)之间转变。替换地说，形状记忆合金材料22可以经受位移性转变，而不是扩散性转变，以在马氏体和奥氏体之间转变。位移性变换是结构变化，其通过原子(或原子团)相对于它们近邻的原子(或原子团)的协调运动而发生。通常，马氏体相是指较低温相态，并常常比较高温奥氏体相态位更易变形--马氏体相态具有更低模量。

形状记忆合金材料22开始从奥氏体相态变化至马氏体相态的变化所在温度被称作马氏体起始温度，M_s。形状记忆合金材料22完成从奥氏体相态变化至马氏体相态的变化所在温度被称作马氏体完成温度，M_f。类似地，随着形状记忆合金材料22被加热，形状记忆合金材料22开始从马氏体相态变化至奥氏体相态的变化所在温度被称作奥氏体起始温度，A_s。形状记忆合金材料22完成从马氏体相态变化至奥氏体相态的变化所在温度被称作奥氏体完成温度，A_f。

由此，形状记忆合金材料22的特征可以在于冷状态，即，何时形状记忆合金材料22的温度在形状记忆合金材料22的马氏体结束温度M_f之下。类似地，形状记忆合金材料22的特征也可以在于热状态，即，何时形状记忆合金材料22的温度在形状记忆合金材料22的奥氏体完成温度A_f之上。

在操作中，当处在马氏体相态时受拉伸应力已经预应变的形状记忆合金材料22能够在响应热输入而改变晶相时改变尺寸，以由此将热能转化为机械能。即，形状记忆合金材料22可以在从马氏体加热至奥氏体时改变晶相，并由此在假塑性地预应变的情形中在尺寸上收缩，以将热能转化为机械能。相反，当被冷却时，形状记忆合金材料22可以将晶相从奥氏体改变至马氏体，并且如果处于应力下，则在尺寸上伸展，以将热能转化为机械能。

假塑性地预应变是指形状记忆合金材料22在马氏体相态中时的伸展，从而由形状记忆合金材料22在加载条件下展现出的应变在卸载时不完全恢复，而纯弹性应变将会完全恢复。在形状记忆合金材料22的情形中，可以对材料加载，从而超过弹性应变极限，且在超过材料的真塑性应变极限之前，变形发生在材料的马氏体晶体结构中。在这两个极限之间的该类型的应变是假塑性应变，被称为这样是因为在卸载时，其表现为已塑性变形。然而，当加热至形状记忆合金材料22转换至它的奥氏体相态的点时，应变能够恢复，使形状记忆合金材料22返回至在载荷施加之前观察到的原始长度。

形状记忆合金材料22可以在安装至热力发动机14之前伸展，使得形状记忆合金材料22的名义长度包括可恢复的假塑性应变。在假塑性变形态(较长长度)和完全恢复奥氏体相态(较短长度)之间的交替提供用于促动或驱动热力发动机14的运动。在没有预伸展形状记忆合金22的情况下，在相变期间几乎观察不到变形。

形状记忆合金材料22可以在改变晶相时改变模量和尺寸两者，以由此将热能转化为机械能。更具体地，形状记忆合金材料22，如果假塑性地预应变，可以在使晶相从马氏体改变至奥氏体时在尺寸上收缩，并且，如果在拉伸应力下，可以在使晶相从奥氏体改变至马氏体时在尺寸上扩张(伸展)，以由此将热能转化为机械能。因此，当温度差存在于热区域18的第一温度和冷区域20的第二温度之间时，即，当热区域18和冷区域20没有处于热平衡时，布置在热区域18和冷区域20内的形状记忆合金材料22的相应局部区域可以在使晶相在马氏体和奥氏体之间改变时分别在尺寸上扩张和收缩。

形状记忆合金材料22可以具有任何合适的组分。具体地，形状记忆合金材料22可以包括从包括但不限于以下内容的组中选择的元素：钴、镍、钛、铟、锰、铁、钯、锌、铜、银、金、镉、锡、硅、铂、镓、及其组合。例如，但不限于，合适的形状记忆合金材料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(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、及其组合。

形状记忆合金材料22可以是二元的、三元的、或任意更高元的，只要形状记忆合金材料22展现出形状记忆效应，即，形状取向、阻尼容量(dampingcapacity)等的变化。具体的形状记忆合金材料22可以根据热区域18和冷区域20的期望的运转温度来选择，如在下面更详细描述的。在一个具体示例中，形状记忆合金材料22可以包括镍和钛。

如图1所示，能量获取系统10可以包括控制系统32，所述控制系统配置为分别监控热区域18和冷区域20中的流体的第一和第二温度。控制系统32可以操作地连接至能量获取系统10的任何部件。

控制系统32可以是计算机，所述计算机和能量获取系统10的一个或多个控制器和/或传感器电通信。例如，控制系统32可以与在热区域18和冷区域20内的温度传感器、与从动部件16的速度调节器、流体流动传感器、和/或配置为用于监控从动部件16产生的电30的计量器通信。

附加地，控制系统32可以配置为在能量获取系统10的预定条件下控制能量的收集，例如，在能量获取系统10已运转持续足够的时间段、使得热区域18和冷区域20之间的温度差处于足够的或最佳的差值处之后。还可以使用能量获取系统10的其他预定条件。控制系统32还可以配置为提供选项以手动地超驰热力发动机14以及允许能量获取系统10有效地关闭，诸如当供应热区域18的热能处于导致SMA的过加热的太高的温度时，或另外被需要且不应当通过热力发动机14被转化至其他形式的能量时。联接装置17还可以受控于控制系统32，以选择性地将热力发动机14与从动部件16脱离接合。

来自从动部件16的电30可以被传送至储存装置36，所述储存装置36可以是但不限于，电池、电池组、或另外的能量储存装置。储存装置36可以定位为接近能量获取系统10，但与其物理上隔开。

对于此处描述的任何示例，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。类似地，能量获取系统10可以联接至附加的能量获取系统10或连同其一起运转，其中，每一个能量获取系统10都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的使用可以利用遍及能量获取系统10的具有温度差的多个区域。

再次参考图2，第一带轮38和第二带轮40还可以是，但不限于，齿轮、单向离合器、或弹簧。单向离合器可以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操作地连接至从动部件16，使得旋转--作为形状记忆合金材料22的尺寸变化的结果--驱动从动部件16。此外，每一个带轮构件都可以连接至从动部件16，或可以在将机械能传送至从动部件16之前供送至变速器或齿轮系统中。尽管三个旋转构件在图2中示出，应意识到，可以使用更多或更少的构件。

如此处描述的，形状记忆合金材料22可以嵌入在带子内，或形成在线缆或编织物中。此外，形状记忆合金材料22可以配置为纵向延伸线，其被嵌入在带子内，使得所述带子作为相关联的形状记忆合金材料22伸展和收缩的函数而纵向伸展或收缩。附加地，或可替换地，形状记忆合金材料22可以配置为一个或多个螺旋弹簧，所述螺旋弹簧可以嵌入带子中。形状记忆合金材料22可以是具有任何期望的横截面形状的线，所述形状即，圆形、矩形、八角形、条形、或本领域技术人员所知的任何其他形状。另外，带子可以至少部分地由弹性材料形成。例如，弹性材料可以是人造橡胶、聚合物、其组合等。带子可以形成为连续环，如图2和3中所示，或形成为细长条。

在图2所示的热力发动机14的运转中，形状记忆合金材料22的局部区域可以布置在热区域18内，或直接与其相邻，使得第一温度导致形状记忆合金构件22的相应局部区域纵向收缩，此收缩是热区域18的第一温度的函数。类似地，形状记忆合金材料22的另一局部区域可以类似地布置在冷区域20内或与其相邻，使得第二温度导致形状记忆合金材料22的局部区域纵向伸展，此伸展为冷区域20的第二温度的函数。

例如，如果热区域18的第一温度处于热状态或在热状态之上，形状记忆合金材料22的相关联局部区域将纵向收缩，作为形状记忆合金材料22从马氏体相态至奥氏体相态的相变的结果。类似地，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的相关局部区域将被形状记忆合金材料22中的张力纵向伸展，作为形状记忆合金材料22从较高模量的奥氏体相态至较低模量的马氏体相态的相变的结果。

形状记忆合金构件22可以绕第一带轮38和第二带轮40不断地环绕，使得由形状记忆合金构件22给予的运动导致第一带轮38和第二带轮40(还有惰轮42)中的每一个旋转。形状记忆合金材料22的局部区域的纵向伸展和/或收缩将运动从形状记忆合金构件22传递至第一带轮38和第二带轮40，以移动或驱动从动部件16。所述局部区域是形状记忆合金构件22的、在任意给定时刻位于相应热区域18和冷区域20中的那些部分。

如图2的热力发动机14所示，当形状记忆合金构件22在被热区域18加热之后收缩时，第一正时带轮39提供比第二正时带轮41更大的反扭矩。因此，形状记忆合金构件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共同旋转)之间的收缩导致形状记忆合金构件22朝向第一带轮38移动。随着热力发动机14进入动态运转，形状记忆合金构件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，形状记忆合金构件22和热力发动机14的相当量的部分不需要浸没在液体中。

现在参考图3，以及继续参考图1和2，示出另一热力发动机54，其还可以被并入图1中所示的热回收系统10以及与其一起使用。其他图中所示和所述的特征和部件可以被并入，以及与图2中所示的那些一起使用。热力发动机54布置为与热区域58和冷区域60热交换连通。热力发动机54包括形状记忆合金构件62，该形状记忆合金构件以围绕第一带轮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机械地联接。将由第一带轮78和第二带轮80之间的正时链83(除了形状记忆合金构件62之外)提供的机械联接包括在内意味着热力发动机54还可以称为同步热力发动机。

与图2所示的热力发动机14不同，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的直径本质上相等。在一种配置中，第一和第二正时带轮79、81可以是第一和第二带轮78、80的各自的轮轴。在热力发动机54中，第二带轮80具有比第一带轮78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加热之后收缩时，第二带轮80创建比第一带轮78更大的力矩臂。然而，第一正时带轮79和第二正时带轮81提供相等的反扭矩。因此，在第一带轮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再次朝向第一带轮78移动。随着热力发动机54进入动态运转，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，并继续参考图1-3，示出做功图90的示意图形表示。做功图90的x-轴线91示出图2中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中的另外的SMA工作构件的长度，诸如热力发动机14或热力发动机54。做功图90的y-轴线92示出图2中所示形状记忆合金构件22、图3中所示的形状记忆合金构件72、或另外的SMA工作构件的张力。

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。力在位移(即，长度的改变)上的施加需要做功。净功带(net work zone)96表示形状记忆合金构件22或形状记忆合金构件72在每一圈上完成的净功。因此，净功带96大于零的事实表示形状记忆合金构件22或形状记忆合金构件72从可用于热力发动机14或热力发动机54的热能产生机械功。

如图5大体所示的，热力发动机18可以包括位于冷区域20内的惰轮42。惰轮可以与弹簧102或一些其他偏置设备联接，所述弹簧或偏置设备可以用于调节SMA元件22中的张力。弹簧102可以与某一相对基部104联接，所述相对基部可以为弹簧102提供稳定的反作用力。在一种配置中，相对基部可以是汽车底盘的一部分。在实施例中，偏压弹簧102可以由合适的形状记忆合金构成，所述形状记忆合金处于它的超弹性构造中。

除了考虑到SMA元件22中的过度松弛，弹簧102和惰轮42还可以创建几何布局，类似于图5中所示的几何布局，其中SMA在冷区域20内行经的长度长于在热区域18内行经的长度。这样的几何布局允许SMA元件22在为后续的加热循环而重新进入热区域18之前更充分地冷却。

为了进一步促进充分冷却，惰轮42可以配置为通过与SMA直接接触而将热传导到SMA元件22之外。这样，可以使用大直径惰轮42，诸如图5所示，以提供与SMA22直接接触的更长长度。另外，可以使用多个交错的惰轮(未示出)，其中SMA元件22在各个带轮之间交织，用于最大化的直接接触。为了进一步增加接触，带轮(包括带轮38、40、42)可以涂覆有物质，以减少每一个相应的带轮和SMA元件22之间的热阻。这样的涂层可包括，例如，油、树脂、或刷形表面纹理。

为了促进热传输至各个带轮38、40、41之外，带轮可以具有径向内部叶轮部分(即，径向向外SMA导轨的内部)，叶轮部分可以促进任何横向流动空气和带轮本身之间的增强的对流。另外，为了促进带轮和SMA元件22之间的更大表面接触，在实施例中，带轮可以具有部分顺应表面，用于接收SMA元件。

在运转期间，最小化SMA元件22和工作带轮38、40之间的滑移(最大化附着摩擦力)可能是优势的。如可以理解的，任何相对滑移都可以减少能够从系统的旋转运动抽取的功率输出(即，完全滑移＝没有旋转＝没有功输出)。尽管带轮可以涂布有抗滑移材料(即，促进更大附着摩擦力的涂层)，还是有材料在带轮上发生相变的风险--其可以导致滑移。为了减少该风险，加热带轮40和冷却带轮38两者都可以被保持在较窄的温度范围内。例如，加热带轮40可以被保持在略微在马氏体起始温度之上的温度。类似地，冷却带轮38可以被保持在略微在奥氏体起始温度之下的温度。这样，相应的带轮38、40可以不通过传导主动引起材料相变。这些温度可以被保持，例如，通过传热设计，所述传热设计添加了足够的供热或冷却能力，以保持相应的温度。

参考图6，且大体如上所示，提供至热区域18内的SMA元件22的热能可以导致SMA22运动。该运动可以被捕获为输出轴118的旋转/扭矩116。在实施例中，输出轴118可以通过联接装置17联接至从动构件16。联接装置17可以包括变速器、齿轮减速器和/或离合器，其可以允许热力发动机基于可用的扭矩116而更好地匹配输出功率要求。

在运转中，联接装置17可以作为离合器运转，以防止热力发动机经历停转状态(即，从动部件的功率要求超过由热力发动机14产生的可用扭矩116的情况)。例如，离合器可以配置为使得，如果热力发动机14滑移至一定速度之下，则从动部件16(例如，发电机)可以部分地或完全地脱离接合，使得发动机转速可以增加以及SMA22不冒过热的风险。在这样的实施例中，离合器可以是离心力离合器，其仅在高于特定旋转速度被接合。在另一实施例中，可以有断开式联轴节，其在高于特定扭矩负载脱离接合或滑移。可替换地，离合器可以被分立的SMA促动器接合，所述SMA促动器配置为，当热区域中的温度在一合适水平之上时，收缩和接合离合器。离合器可以类似地经受主动控制，由此控制器32可以主动监控SMA元件22的温度，以及如果温度位于预定阈值之上，则使离合器脱离接合(或改变联接装置的齿轮比，以降低热力发动机上的负载)。

联接装置17还可以当热力发动机的转速处于预定阈值之下时，通过经由离合器设备使从动部件脱开联接而促进热力发动机14的启动。例如，控制器32可以监控其中一个带轮的旋转速度，并可以选择性地使从动部件16从热力发动机14脱开联接，以去除扭矩牵引和/或最小化系统惯量。一旦被脱开联接，热区域可以被热能的陡阶跃作用冲击(例如，通过激活加热元件或通过移除相邻热屏蔽件)。这样的突然冲击可促成SMA元件22的快速收缩(即，快速奥氏体转变)，其可以足以克服各个带轮或其它旋转部件的惯量和静摩擦。可替换地，从动部件16，诸如马达/发电机，可以被辅助能量源驱动，以辅助起动过程。

联接装置17可以类似地具有动力传输部件，所述动力传输部件配置为，基于由热力发动机14产生的可用扭矩116和/或从动部件16的要求或需要来调节输出轴的动力或转速。这样的传动装置可以具有固定的动力减小比(即，齿轮比)，或可以基于实时要求/动力可用性来动态地调整所述比。动态调整可以被执行，例如，通过联接装置17本身(例如，以主动方式来保持恒定的扭矩或速度牵引)，或通过控制器32的主动调节。

除了包括具有联接装置17的动力传输部件，基于系统的应用，输出轴可以初始地与任一工作带轮38、40联接。因为带轮具有不同的角速度，其由正时带轮39、41的比导致，输出带轮的选择可以为系统提供初始传动装置。

在另一实施例中，在两个正时带轮39、41之间的齿轮比可以被主动修改，以动态调整系统性能和/或促进热力发动机14的起动。利用自适应正时齿轮比能够改变系统的效率和性能，以适应宽范围的运转条件(例如，周围环境温度、系统负载、瞬变条件等)。在实施例中，系统可以将SMA元件(不同于SMA元件22)用作温度依赖促动器，以实现自适应齿轮比。自适应传动装置的其他已知的方法可以类似地被使用。

在实施例中，系统的平稳运转可以通过将飞轮包括在内而保持。例如，惰轮42，或一些其他辅助带轮可以包括飞轮型属性，或可以齿轮连接至分立的飞轮，所述分立的飞轮可以用于对波动的传热和/或动力引入需求保持恒定的线动力(wire power)和温度循环。常规的旋转飞轮设计可以在最大的量的旋转惯量可以最小可能的重量产生的情形下被使用。

为了进一步增加系统的效率，热力发动机14可以配置为当SMA元件22在其转变为马氏体状态期间排热时，回收SMA元件22的潜热。这可以例如，通过将多个热力发动机14串联分段布置实现，其中第一热力发动机14的冷区域20是第二热力发动机的热区域18。

图7大体示出启动热力发动机14的方法120。如图所示，方法120可以由使用控制器32来检测热区域和冷区域之间的热梯度(步骤122)开始。如果梯度被检测，在一种配置中，可以初始地使用外部能量源为从动部件16提供动力，以开始SMA材料的运动(步骤124)。例如，在从动部件为发电机的情形下，步骤124可以通过将电供应至发电机来执行，以引起输出轴118的旋转。该旋转可以驱动一个或多个带轮，其可以使SMA材料22的运动开始。在其他配置中，热力发动机可以自起动，且该步骤可以被省略。

一旦热梯度被检测和/或SMA材料开始在热区域18中产生相变收缩力，则从动部件可以被选择性地脱开联接(步骤126中)，以减少系统惯量(可替换地，从动部件可以已经在之前被脱开联接，诸如在停车过程期间)。例如，如上所述，控制器32可以使联接装置17的离合器脱离接合。在步骤128中，控制器32可以监控SMA材料的速度，以及将检测到的速度与预定阈值比较。一旦速度超过阈值，则控制器32可以开始经由联接装置17的促动而使从动部件16重新接合。在一种配置中，重新结合可以是渐进式重新接合，诸如通过自适应齿轮比或通过摩擦离合器的渐增施加。以该方式，旋转惯量可以逐渐建立，而不是经由增加的系统质量的阶跃作用而突然冲击系统。

在从动部件在步骤128中被接合之后，控制器可以在热区域18内监控SMA材料22的温度和/或速度。控制器32可以适应地控制联接装置17(步骤130中)，以防止温度超过预定的过热温度阈值，或防止SMA材料停止运动(降到预定速度阈值之下)。例如，如果监控到的温度超过阈值，则控制器可以增加联接装置的齿轮比，以减少热力发动机上的负载。

为了进一步提高效率，下述的以下设计因素/考虑/设计元素可以当构造热力发动机14时被考虑或整合：

空气流动特性

对于被空气加热和/或冷却配置，气流相对于线长度的速度(大小和方向)在传热能力中起作用--特别是在湍流流态中；气流速度对总传热系数的影响在层流流态中更弱。考虑因素，诸如相对于金属线运动方向空气流动是否是平行、垂直、逆向、交叉或具有多个方向以及在线和气流中的空间温度梯度的相对取向也有影响。空气流动中的波动(方向或大小)还通过促进散料混合(bulk mixing)来改进热传递。最后，水蒸气和浮质(例如，烟灰、灰尘等)的百分比也通过引入驱动对流传热的密度梯度或通过传播辐射传热而分别影响传热状态。热力发动机14设计可以使用常规的热力学和流体动力学原理来考虑这些空气流动特性。

相变传热

相变(例如，冷凝蒸汽、蒸发、沸腾)与比强制对流显著大(10-100x)的传热系数相关联。进而，相变在恒定温度下或相当窄的温度范围内发生，这使得热交换过程的控制以及分析和优化设计更简单。去湿剂和其它表面改性剂可以用于促使逐滴的而不是薄膜冷凝/沸腾，并有助于获得有效传热系数的进一步的2-10x的改进。如果允许经受相变的物质与其它物质直接接触则可实现非常高的热传递速率，例如饱和甲醇或氨水能够从SMA元件直接蒸发，以在几乎恒定的温度下获得非常高的冷却率；类似地，水可以直接冷凝在SMA元件上，以在几乎恒定的温度下提供高加热率。金属线网、压力密封件(wiper seal)、碎布层(bed of rags)、或其他类似的技术可以用于减轻冷凝液体流出加热腔室。可以还通过使用喷射器/喷嘴以将冷却介质的薄雾喷射在线上，或使用碎布层/金属线网/擦拭件以将冷却介质的薄涂层施加在SMA元件上，来促成蒸发性冷却。可以使SMA元件穿过湿蒸汽/冷水饱和腔室或碎布架，以分别促成更高的加热/冷却率。

液体加热冷却

液体至固体传热率大致高于气体至固体传热率10倍。相应地，热或冷液体浴可以用于分别加热或冷却SMA元件。

热辐射

UV、可见光和IR波段中的热辐射可以用于加热/冷却SMA元件。日照与合适的聚焦反射器一起能够用于快速和均匀地加热SMA元件。经冷却的热沉，其在SMA金属线的最大发射率的波长的范围内具有高吸收性，能够用于快速冷却金属线。

固体至固体的传热

固体至固体的传热率比液体至固体的传热率高得多；它们具有与相变热交换率相同的量级。这可以被采用，以促进热力发动机中的更高的加热/冷却率，例如，通过使用经加热/冷却的带轮，元件在所述带轮上经过(但是避免带轮上的相变)，通过将具有高热容量的热/冷体移动为与金属线接触和不与金属线接触，等。

湍流/散料混合促进器

已知流动调节器，诸如延伸的表面、绊线、入口涡旋发生器、扭曲表面、和促成湍流和相关联散装流体混合的其他类似的调节器可以显著地增加传热率。多行布置的SMA元件中的交替的行的SMA元件的简单交错可以引起下游列中的高传热率。在前列中由在元件上的流动产生的涡流和漩涡，所述涡流和漩涡与所述流动在其经过元件的前列时的加速结合，在SMA元件的下游列中引起更高的传热率。附连至带轮的叶片或其他流动调节器也能够用于改进传热率。

智能流动导向装置

导向装置，其将加热/冷却流体导向SMA元件上，其本身可由主动式元件制成，诸如形状记忆合金。该主动式元件对它的运转环境的变化的响应能够用于将传热调整至SMA元件22/从SMA元件22调整传热。例如，如果热流体的温度上升超过安全水平，则其他热激活SMA元件可以用于分流一些热流体流。

振动引发的传热增强

金属线的振动(例如，处于与金属线长度正交的平面中)已示出传热率增加了10倍。高振幅、低频率和低振幅、高频率振动两者都有助于增强传热。这样，在实施例中，这样的振动可以被赋予SMA元件22。

电场引发的传热增强

电场已示出为，通过直接将力施加在被充电的粒子上以由此影响它们附近的流体的混合来改进在具有传导粒子的介质(例如，电离气体)中的传热。然而，由于介电电泳，电场还能够促进介电流体介质的混合。因此，电场能够用于增强和控制至SMA元件22/来自SMA元件22的传热。

蓄热器

蓄热器型热交换器能够用于，通过提供热缓冲器以储存热量和通过使用任何被储存的热量来预加热SMA元件两者，来改进热力发动机的性能。通过防止SMA元件的冷却至特性温度之下，这样的蓄热器型热交换器能够减少逆变换在加热上所需的热输入量，可以由此改进系统的能量转换效率。

热管

热管可以用于将热从热源高效地运送至SMA元件和/或从SMA元件高效地运送至热沉。固定的或可变的导热管可以用于在热源、SMA元件和热沉之间的传热期间减轻温度下降。

涡流管

在冲压空气能够被转换为高静气压的情况下(例如，在运动着的车辆中)，该高压空气能够在涡流管中被热力学地分开为冷流和热流。这些流能够分别用于增强冷却和加热率。

尽管此处已列出了许多热力发动机设计的方法，但它们可以每个独立地或共同地用于改进形状记忆合金热力发动机的传热率或效率，或改进它的可控性。因此，没有一种方法应被考虑为限制性的或排他性的，许多或所有实施例可以共同或结合地使用。尽管已经对执行本发明的较佳模式进行了详尽的描述，但是本领域技术人员可得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的许多替换设计和实施例。目的是，包含在上述描述或附图中所示的所有事物应该解释为仅说明性且非解释为限制性。

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的权益，上述申请均于2011年2约28日提交。所有所述申请通过引用在此被全部并入。

关于联邦资助的研究或开发的声明

本发明在美国政府的支持下根据由能源部批准的协议/项目号：ARPA-E合同编号DE-AR0000040。美国政府对本发明具有一定的权利。

Claims (10)

1.一种起动和操作形状记忆合金(SMA)热力发动机的方法，所述热力发动机具有第一可旋转带轮、第二可旋转带轮、和SMA材料，所述SMA材料绕第一和第二可旋转带轮布置，并位于热区域和冷区域之间，该方法包括：

使用控制器检测热区域和冷区域之间的热能梯度；

使发电机从第一和第二可旋转带轮中的一个脱开联接；

监控SMA材料绕第一和第二可旋转带轮的转速；

如果SMA材料的监控到的速度超过阈值，则重新接合从动部件；且

其中，SMA材料配置为选择性地在马氏体和奥氏体之间改变晶相，并由此响应暴露于热区域的温度而进行收缩和扩张中的一种，以及还响应暴露于冷区域的温度而进行扩张和收缩中的一种，由此将在热区域和冷区域之间的热能梯度转化为机械能。

2.如权利要求1所述的方法，还包括在使发电机从可旋转带轮脱开联接之前，使用发电机来开始SMA材料的运动。

3.如权利要求1所述的方法，其中，使发电机从可旋转带轮脱开联接包括经由所述控制器命令联接装置脱离接合。

4.如权利要求3所述的方法，其中，所述联接装置包括电促动离合器。

5.如权利要求1所述的方法，还包括监控SMA材料的温度；以及

改动布置在发电机和可旋转带轮之间的自适应扭矩传输装置的齿轮比，以便如果SMA材料的温度超过预定阈值，则减少所述热力发动机上的扭矩负载。

6.一种起动和操作形状记忆合金(SMA)热力发动机的方法，所述热力发动机具有第一可旋转带轮、第二可旋转带轮、和SMA材料，所述SMA材料绕第一和第二可旋转带轮布置，并位于热区域和冷区域之间，该方法包括：

使用控制器检测热区域和冷区域之间的热能梯度；

使用发电机开始SMA材料的运动，所述发电机与第一和第二可旋转带轮中的一个联接；

在所述运动开始之后，使发电机从第一和第二可旋转带轮中的一个脱开联接；

监控SMA材料绕第一和第二可旋转带轮的转速；

如果SMA材料的监控到的速度超过阈值，则重新接合从动部件；且

其中，SMA材料配置为选择性地在马氏体和奥氏体之间改变晶相，并由此响应暴露于热区域的温度而进行收缩和伸展中的一种，以及还响应暴露于冷区域的温度而进行伸展和收缩中的一种，由此将在热区域和冷区域之间的热能梯度转化为机械能。

7.如权利要求6所述的方法，其中，使发电机从可旋转带轮脱开联接包括经由所述控制器命令联接装置脱离接合。

8.如权利要求7所述的方法，其中，所述联接装置包括电促动离合器。

9.如权利要求7所述的方法，其中，所述联接装置包括离合器和SMA促动器，该SMA促动器配置为，当热区域的温度超过预定温度时，接合所述离合器。

10.如权利要求6所述的方法，还包括监控SMA材料的温度；以及

改动布置在发电机和可旋转带轮之间的自适应扭矩传输装置的齿轮比，以便如果SMA材料的温度超过预定阈值，则减少所述热力发动机上的扭矩负载。