CN105452656A

CN105452656A - 在能量回收装置中的压力释放系统和方法

Info

Publication number: CN105452656A
Application number: CN201480044541.2A
Authority: CN
Inventors: B·卡伦; R·拜恩
Original assignee: Exergyn Ltd
Current assignee: Exergyn Ltd
Priority date: 2013-06-13
Filing date: 2014-06-13
Publication date: 2016-03-30
Also published as: WO2014198934A2; US20160208783A1; AU2014280038A1; KR20160081890A; MX2015017196A; CA2915696A1; BR112015031108A2; EP3008337A2; ZA201509058B; GB201310512D0; WO2014198934A3

Abstract

本发明提供了用于包含SMA芯或材料的能量回收装置的多个实施例。本发明解决了由体积减少引起的压力脉冲的问题，该体积减少是在封闭的浸没腔中SMA芯和它所联接的活塞头收缩导致的。所公开的本发明提供了用最少的附加部件解决该问题的简单有效的方法。

Description

在能量回收装置中的压力释放系统和方法

技术领域

本申请涉及能量回收领域，并且特别地涉及用于能量回收的形状记忆合金(SMA)的使用。

背景技术

通常认为小于100度的低级热能代表在工业过程、发电和运输应用中的大量废能流。理想的是回收和重新使用此类废能流。已提出的用于该目的的技术的实例是热电发电机(TEG)。遗憾的是，热电发电机相对昂贵。已提出的用于回收此类能量的其它主要实验方法是形状记忆合金的使用。

形状记忆合金(SMA)是能够记忆它的初始冷锻形状的合金，该合金在变形后通过加热可以恢复到它的变形前形状。该材料是对诸如液动、气动和机动系统等常规致动器的轻质、固态替换物。

三种主要类型的形状记忆合金是铜-锌-铝-镍、铜-铝-镍和镍-钛合金，但是形状记忆合金也可以例如通过使锌、铜、金和铁合金化而产生。

此类材料的记忆性已从20世纪七十年代早期使用或者提出，来用于回收热量过程，并且特别地，通过构建SMA发动机来用于回收热量过程，该SMA发动机从热量回收能量作为动能。

第一类型称作曲柄式发动机，US468372是其一个实例，在该第一类型中，通过使该致动器偏心地连接到输出轴，而将SMA致动器的往复线性运动转换成连续的旋转运动。所述致动器通常开发为形成拉伸弹簧。某些构造需要飞轮来驱动曲柄通过该机构的极限位置。相关的类型是旋转斜盘发动机，其类似于曲柄，除了旋转斜盘发动机的旋转轴线大致平行于所施加的力的方向而不是垂直于曲柄之外。

第二种类型称为滑轮发动机，其一个实例是US4010612。在滑轮发动机中，SMA线制的连续皮带用作驱动机构。滑轮发动机可以是不同步的或者是同步的。在不同步的发动机中，各滑轮独立于彼此自由旋转。在不同元件之间的仅有连结是与线环(wireloop)滚动接触。相反地，在同步的发动机中，各滑轮被限制成使得它们以固定的关系旋转。同步通常用以确保两个轴以相同速度转动或者保持相同的相对定向。

第三种类型的SMA发动机可以称为场发动机(fieldengine)，其一个实例是US4027479。在该类别中，发动机抵抗诸如重力场或磁场的力进行工作。

第四种类型的SMA发动机是往复式发动机，US4434618是其一个实例。与循环式工作相反，这些往复式发动机以前后方式线性地工作。

第五种类型的SMA发动机是顺序发动机，US4938026是其一个实例。顺序发动机以小的有效的步子移动，各步子总计为显著的位移。它们如尺蠖一样工作，将前部延伸一小步子，并且然后拉伸后部。随着后部靠近，前部也可以再延伸。

第六种类型的SMA发动机在美国专利第US5,150,770A号中示出并且公开了弹簧操作的再加载装置，该专利转让到康托意大利S.p.A公司(ContravesItalianaS.p.A)。康托装置具有两个问题，即，难以以往复的方式快速地再加载，并且第二，难以在不发生损失的情形下将能量排放到传动系统。

第七种类型的SMA发动机在美国专利专利公开第US2007/261307A1号中示出并且公开了用于自动窗系统的能量回收再加载系统，该专利转让到布瑞滋澳大利亚有限公司(BreezwayAustraliaPtyLimited)。布瑞滋公开了一种SMA线，该SMA线联接到活塞，该活塞用以将流体泵送到蓄压器。由此，当活塞胀缩时，活塞与SMA线协作移动。通过以此方式将SMA线联接到活塞，SMA线经由所泵送的流体而与蓄能器间接连通，这是低效的，并且布瑞滋系统具有与康托相同的问题。

第八种类型的SMA发动机在美国专利公开第US2008/0034749号中示出，并且公开了一种具有受调节运动的活性材料致动器，其中该专利转让到通用汽车公司(GeneralMortorsCorporation)。

另外，这些类型的SMA发动机中的每个的困难之一是SMA材料的循环周期。SMA材料通常相对较慢地进行胀缩(每分钟10多转)。一直难以实现可以用于工业应用中的有效往复频率(每分钟100多转至1000多转)。此不是小任务，并且通常是复杂的，而且涉及大量的寄生功率损失。在各装置中的其它问题是因为SMA材料的往复运动的结果导致压差或压力脉冲累积在该装置中，使得加热芯的收缩和冷却芯的完全膨胀受到阻碍。

本申请涉及解决以上提到的各问题中的至少一个。

发明内容

流体转移压力释放实施例

本发明解决了由体积减少引起的压力脉冲的问题，该体积减少是在封闭的浸没腔中SMA线和SMA线所联接的活塞头收缩导致的。所公开的本发明提供了用最少的附加部件解决该问题的简单有效的方法。

在一个实施例中，能量回收装置包括：

SMA发动机，其包括在第一端处固定并且在第二端处连接到驱动机构的一段SMA材料；

浸没腔，其适用于容纳该SMA发动机并且适用于依次填充流体以允许加热和/或冷却该SMA发动机；

第二SMA发动机，其包括在第一端处固定并且在第二端处连接到驱动机构的一段SMA材料；

第二浸没腔，其适用于容纳该SMA发动机并且适用于依次填充流体以允许加热和/或冷却该SMA发动机；其中，第一芯和第二芯彼此流体连通。

在另一实施例中，提供了一种能量回收装置，该能量回收装置包括：

第一SMA芯，其容纳在第一浸没腔中并且适用于依次填充流体以允许加热和/或冷却该第一SMA芯；

第二SMA芯，其容纳在第二浸没腔中并且适用于依次填充流体以允许加热和/或冷却该第二SMA芯；并且

其中，第一芯和第二芯彼此流体连通。

将会理解的是，也可以具有连接的多于一个的芯，使得排出的水团被传递到多个相邻的缸。

该系统允许在相邻的缸之间传递流体团，以通过从加热芯传送的附加流体团的辅助而同时使得能够充分无阻碍地收缩该加热芯并且充分膨胀冷却芯。

液压释放实施例

在一个实施例中，提供了一种能量回收装置，该能量回收装置包括：

SMA芯，其容纳在浸没腔中并且适用于依次填充流体以允许加热和/或冷却该SMA芯；并且

该浸没腔构造有附加腔，该附加腔包括诸如弹簧的偏置装置，其中，在当SMA芯在所述腔中伸展时，该偏置装置允许流体流入附加腔中。

在一个实施例中，该偏置器件包括液压活塞。

本发明提供了一种由压力脉冲产生做功的方法。此可以有助于系统的动力输出或者操作配气机构或者提供有用的附加动力。这些选择中的任何一个有助于提高该系统的效率。

蓄热器流体交换实施例

第二浸没腔，其适用于容纳该SMA发动机并且适用于依次填充流体以允许加热和/或冷却该SMA发动机；其中第一芯和第二芯经由再生换热器彼此流体连通。

该再生换热器允许存储来自传送水中的热量，该热量可以在以后用在循环中。在水随后在该循环中通过蓄热器返回时，该热量可以由该水收集。以此方式，提高了发动机的效率。

本发明允许在SMA芯热发动机构思中抵消不需要的压力脉冲，同时还通过使用工作芯之间的再生换热器而允许最大地使用废热。

体积交换压力释放实施例

第二浸没腔，其适用于容纳该SMA发动机并且适用于依次填充流体以允许加热和/或冷却该SMA发动机；其中，第一芯和第二芯通过相邻的活塞或液压管线彼此流体连通。

本发明的该系统通过允许将加热芯将它们的体积排量传递到所冷却的芯，而允许各芯彼此相互作用。该操作导致辅助降低位于冷却芯中的活塞，由此减小了用于常规地执行此操作所需的松弛力。

机械体积交换实施例

第二浸没腔，其适用于容纳该SMA发动机并且适用于依次填充流体以允许加热和/或冷却该SMA发动机；其中，在各芯中的恒定体积通过位于第一芯和第二芯之间的活塞连接而保持。

在一个实施例中，该活塞的移动由位于在该活塞和工作活塞之间的机械连杆而控制。

本发明也解决了与试图用穿过工作流体的液压连结件来解决压力脉冲问题相关联的问题。这些方法使压力脉冲共享到该系统的其它压力容器中，此可能不能够承受快速的压力变化。该机械连结方法不包含这些问题，因为该方法会总是保持恒定体积。

本发明与各压力释放方法相比也减少了所需的库存，由此，每个个体芯包含独立于该系统中其它芯的、允许压力调节的机构。因此，相比于这些方法，这代表用于机械体积交换构思的优势，因为它需要用于该系统中每两个芯的一个压力释放机构。

在一个实施例中，该系统适于将流体分入各联接芯中，从而防止热流体流和冷却流体流混合。相比于需要进行流体交换的其它方法，此提供了优势，因为具有不同温度的流体的混合可能对包含在芯中的SMA部件的操作有不利影响。其一个实例可以是进入加热芯的冷流，其中，该冷流会降低该芯中的温度，并且由此增加了充分收缩包含在所述芯中的SMA线所需要的时间。

活塞轴压力释放实施例

该SMA芯与该腔中的可移动活塞连结；

其中，该活塞构造有具有在一个膨胀或收缩的长度中排出该SMA的直线和/或径向收缩的相同组合体积的相同横截面面积(CSA)的轴。

解决该问题的典型措施是实现压力容器，这些压力容器代表该系统的附加部件和成本。通过使用需要在该布置中存在的活塞的轴，消除或减少对这些附加部件的需要。

机械压力释放实施例

该SMA芯与该腔中的可移动第一活塞连结；

第二活塞，其适于以与该第一活塞不同步的方式进行操作。

本发明也解决了与试图用穿过工作流体的液压连结件来解决压力脉冲问题相关联的问题。这些方法使压力脉冲仅分享到该系统的其它压力容器中，此可能不能够承受快速的压力变化。该机械连结方法不包含这些问题。

附图说明

参考附图，从仅通过实例给出的以下说明以及其实施例中可以更清晰地理解本发明，附图中：

图1示出了芯中的体积减小可以如何实现；

图2示出了根据本发明的一个实施例的双芯流体传送压力释放示意图；

图3示出了类似于图2的多芯流体传送压力释放示意图；

图4示出了在(a)冷却和(b)加热期间弹簧抵抗(springresisted)压力释放机构的操作。

图5示出了在(a)冷却和(b)加热期间可替换活塞/弹簧布置的操作；

图6示出了根据一个实施例的活塞和压力释放活塞。

图7示出了压缩弹簧操作的状态。

图8示出了在操作(a)和操作(b)期间存在于活塞外壳中的摩擦，操作(a)期间，当在冷却期间活塞下降时，可以看到相反的摩擦力以相反方式(FH)作用，在操作(b)期间，在SMA收缩期间可以看到相同情形；

图9示出了在(a)冷却和(b)加热期间功率产生液压元件的操作；

图10示出了用于压力释放的传动装置；

图11示出了用于四芯系统的压力释放传动组件；

图12示出了没有皮带的情形下的四芯压力释放传动装置；

图13示出了根据一个实施例的所需活塞复位力的位置；

图14示出了根据本发明一个实施例的压力释放系统的示意图；

图15示出了使用独立液压管线的自辅助活塞的操作，(a)随着SMA冷却，主活塞和辅活塞下降，引起液压活塞上升；(b)随着SMA受热，SMA收缩，此导致主活塞和辅活塞上升，从而向下推动液压活塞；

图16示出了SMA线收缩(左)和外壳的基本几何形状(右)；

图17和图18示出了在(a)冷却和(b)加热期间压力释放构思B的尺寸运算；

图19示出了根据本发明一个实施例的压力释放系统的示意图；

图20示出了实现缓冲芯的流体交换构思的实施例；

图21示出了个体芯的加热流循环，其中：(a)该芯完全被冷却，并且将要开始加热；(b)当关闭该冷入口并且打开热入口时，该芯开始加热，同时冷却流体仍旧流过(涌出)冷却出口；以及(c)该芯充满热流体，并且打开该热出口，同时工作活塞继续上升。

图22示出了根据一个实施例的蓄热器的操作；

图23示出了根据一个实施例的在驱动器应用中的蓄热器的温度-时间曲线；

图24示出了两个压力释放构造；

图25示出了压力释放操作，(a)当芯A加热时，芯A将它排出的体积传递到芯B，(b)当芯B加热时，芯B将它排出的体积传递到芯A；

图26示出了具有不同加热和冷却循环的五芯系统的操作，其中红色的芯表示加热芯，蓝色的芯表示冷却芯；

图27示出了用于同时加热和冷却各芯的活塞位移；

图28示出了在用于单个芯的一个加热-冷却循环期间的体积变化；

图29示出了了多个芯的体积变化；

图30示出了用于三芯系统的压力释放操作，(a)受热的芯C与芯A和芯B“交换”体积，(b)受热的芯A与芯B和芯C“交换”体积，(c)受热的芯B与芯A和芯C“交换”体积；

图31示出了用于五芯系统的加热/冷却次序；

图32示出了通过压力释放操作进行循环的芯；

图33示出了用于可替换系统布置的压力释放操作；

图34示出了通过压力释放操作进行循环的芯；

图35示出了并联的活塞压力释放操作；

图36示出了复合摩擦力实例；

图37示出了使用中的液压活塞尺寸；

图38示出了根据一个实施例的压力释放设置；

图39示出了根据一个实施例的活塞压力释放示意图；

图40示出了机械连结体积交换压力释放的操作，其中(a)在芯A冷却后并且准备开始加热，(b)当芯A加热时，它将体积传递到正在冷却的芯B；

图41示出了通过芯出口的机械体积交换构思的实施例；

图42示出了在芯A的(a)冷却和(b)加热期间发生在装置操作中的体积排量，而同时在芯B中发生相反的排量；

图43示出了活塞(1)和杆(2和3)的密封位置；

图44示出了根据一个实施例的机械体积交换示意图；

图45示出了多个体积变化；

图46示出了SMA线和活塞区域；

图47示出了SMA线收缩；

图48示出了存在于压力释放部件中的应力；

图49示出了阻性摩擦力；

图50示出了根据一个实施例的用于活塞的密封件的实施例；

图51示出了在(a)冷却和(b)加热期间使用铰链作为机械连结件的压力释放；

图52示出了在(a)冷却和(b)加热期间使用工作流体的自辅助活塞的操作；

图53示出了SMA线收缩(左)和外壳的基本几何形状(右)；

图54示出了当(a)冷却和(b)加热时实现输出传动的压力释放构思的操作；

图55示出了根据一个实施例的用于压力释放的传动；

图56示出了压缩弹簧操作的状态。

图57示出了所需的活塞复位力的位置；以及

图58、图59和图60示出了本发明的可替换实施例的示意图。

具体实施方式

在未公开的PCT专利申请第PCT/EP2012/074566号中描述了用以回收和转换低级热量以进行机械工作的形状记忆合金(SMA)致动器，该申请转让到艾克赛吉恩有限公司(ExergynLimited)，并且通过引用的方式完全合并入本文。

将会理解的是，虽然在本文中参照附图大体描述了SMA材料/芯，但是本发明可以应用到更一般地称为“活性材料”或“负热膨胀(NTE)材料”的一类材料。NTE材料包括这些成分，即这些成分可以响应于启动信号而改变刚度特性、形状和/或尺寸，该启动信号可以根据不同类型的活性材料而是电气信号、磁性信号、热信号或者相似场。优选的活性材料包括但是不限于该类型的形状记忆材料和它们的组合。形状记忆材料、有时也称为“智能材料”的一类活性或NTE材料涉及能够记忆它们初始形状并且随后可以通过施加外部刺激(即启动信号)而恢复该初始形状的材料或组分。

流体转移压力释放实施例

关于SMA激活能量回收装置的问题是压力脉冲。该脉冲由该系统的体积改变而引起，该体积改变是由于连接到形状记忆合金(SMA)线的工作活塞的运动而导致的。该体积变化是显著的，因为它改变了不能压缩的流体(水)所位于的系统中的压力该结果导致大的压力变化，这可能导致该系统失效。因此需要限定一种解决该问题的方案。

脉冲问题是位于系统芯中的工作活塞的运动所导致的体积改变而引起的。在这些芯的工作期间，工作流体穿过SMA束。该工作流体在热流和冷流之间依次交替，并且诱导SMA部件的相变。当受热时，SMA部件收缩，从而提升所连接的活塞，并且由此引起该系统中的体积减小。图1示出了该操作。可以看到，当活塞上升时，从活塞头到芯出口之间的距离从z1减小到z2，此又减小了该体积。

本发明克服了与多个工作芯的连接相关的不合需要的压力脉冲，使得各流体腔彼此直接连通，从而能够藉由它们之间的流体团交换来实现体积转移。此在图2中示出。

在该系统的最简单实施例中，两个芯1、2连接成使得各个流体腔经由通道或连接部3彼此直接连通。在任意给定时刻，加热一个芯(即，使热流体穿过该腔，在该过程中浸没SMA元件，从而使该元件加热并收缩)，并且冷却另一芯(即，使冷流体穿过第二腔，浸没其中的SMA元件，从而使该元件冷却并膨胀)。

将会理解的是，由于SMA工作元件受热，该元件收缩，从而提升工作活塞，并且因此，在没有任何调节机构的情形下引起总体腔体积的减小。由于在该实例中该流体呈液体，并且因此是不可压缩的，所以其结果会导致该系统压力上升。

同时，相邻的芯冷却，导致SMA元件膨胀回到初始启动长度和体积(注意：由于贝氏应变，在加热时，SMA材料的体积减小)。

随着该芯冷却，如果在没有相应流体进入的情形下允许该体积增大，则该系统中可能负压。

可以由主输入部来提供该流体团，该主输入部来自系统入口。然而，此意味着，如果要维持系统压力，则系统体积流量需短暂增加，更可能地，会遭遇负压尖峰。

而且，在加热阶段，所排出的流体体积可能会导致来自系统的流体团流量短暂增加，这是不太可能发生的。

来适应所排出的流体团的方法是经由通道3来连接相邻的芯。因此，当一个芯1加热时，它将一体积的流体排出到第二芯2，第二芯2可以接收该流体作为维持系统压力的方法。

将会理解的是，具有多个必须考虑的系统变量。也许，最相关的是在相邻的各芯中的SMA元件的加热和冷却时间不相同的可能性。此可能意味着：从加热芯排出的瞬间流体体积和在冷却芯中所需要的流体体积不相等，并且因此不会感觉到完全压力释放的效果。

克服该问题的方式是连接多个芯，使得在加热冲程中排出的过量流体体积可以在多个芯之间分流。此使得完整的系统压力能够得到维持。待连接的所述多个芯的数量比例(即，冷却芯和加热芯的比例)由加热和冷却时间直接确定：

N_c＝r_tN_h

其中，N_c是冷却芯的数量，N_h是加热芯的数量，并且r_t是冷却时间和加热时间的比值

也可以理解的是，比值r_t可以不总是1的整数倍，使得可能实际上仅需要分数大小的芯。适应此的方法会简单地规定冷却芯的数量由N_C的下一个最大整数倍规定。

例如，如果具有这样的情况，即其中r_t＝1.2，则可能的是，规定N_c圆整到6。虽然此意味着，完成加热冲程需要过量的时间(比需要的多五分之一)，但此设置会确保构造的简单性和时间的充分性，以平衡系统中的压力脉冲。

将会理解的是，通过将流体的一部分泵送到相邻芯中，收缩的芯会实际上对冷却芯进行一定的做功，实质上辅助其返回冲程。这是有利的，因为诸如此的SMA元件需要松弛力来将它们返回到它们的起始位置。虽然，并不期望流体转移会执行提供必要松弛力所需要的所有做功(该松弛力通常是合金本身的额定做功能力的20％至30％)，但是它确实代表一种辅助机构，该辅助机构实际上可以限制可能以其它方式实施的任何松弛机构的尺寸和能力。

液压释放实施例

如上所讨论的，脉冲问题是位于系统芯中的工作活塞的运动所导致的体积改变而引起的。在这些芯的工作期间，工作流体穿过SMA束。该工作流体在热流和冷流之间依次交替，并且诱导SMA部件的相变。当受热时，SMA部件收缩，从而提升所连接的活塞，并且由此引起该系统中的体积减小。图1示出了该操作。可以看到，当活塞上升时，从活塞头到芯出口之间的距离从z₁减小到z₂，这又减小了该体积。

通过使用由工作流体操作的机构可以解决该压力脉冲问题。合适的交替允许流体团以便于芯体积的增大的方式绕芯运动，此会抵消由上升活塞所导致的改变。

弹簧抵抗活塞构思

以下是用于该实施例的术语表，其旨在辅助理解本文所述的本发明的构思。

在活塞外壳(PH)内使用压缩弹簧抵抗活塞提供了解决压力脉冲问题的一方案。这些活塞允许当芯内需要时体积增大或减小，以抵消由上升和下降主活塞头所引起的体积改变。图4示出了该构思。

如图4所看到的，当该芯冷却时，压力释放活塞下降，从而维持芯内的恒定体积。类似地，当芯加热并导致主活塞上升时，弹簧抵抗活塞也上升，从而增大该芯的体积，所增大的体积量等于上升的活塞所导致的体积减小量。这通过将由压力脉冲所产生的力经由工作流体传送到这些活塞弹簧装置来实现。这在图5中以该构思的可替换布置示出，其中活塞弹簧装置放置在芯外部。

可以从图5中看到，由主活塞引起的任何体积改变(V_P)(在冷却期间增大，并且在加热期间减小)抵消由活塞和弹簧所引起的相反幅度(V_h)。应当注意的是，所考虑的待由主活塞改变的体积是在考虑由SMA线所引起的可能体积改变之后发生的。可以推论：为了该机构去除任何的压力增大，这些体积必须具有以下关系：

V_P＝V_h

设计压力释放活塞头必须考虑的主要因素是该活塞头的横截面面积(CSA)和所需要的偏移水平。这两个因素都是主SMA致动活塞头的偏移量和排出体积的函数。考虑图6中所示的系统。

第一，必须确定由主活塞头排出的体积的值V_p。这通过简单地使用用于缸的体积的方程来实现，该等式使用活塞面面积A_p和它的偏移量x_p：

V_p＝A_px_p

此是由上升的活塞引起的体积改变，但是不包括由SMA线收缩引起的偏移体积变化，该偏移体积变化总是具有相反的幅度。因此，实际排出的体积V_A呈现为：

V_A＝V_p-V_SMA

其中，V_SMA＝由SMA引起的体积变化。

再次，如果已知或需要该部件的允许偏移量或活塞面直径，则通过使用用于缸的体积的等式，可以计算压力释放活塞头的尺寸。该方法可以应用于设计用于例如摩托车主缸的液压管线的活塞头。在此类装置中，具有大约10mm的可允许运动。假定如上所讨论的，已经计算出待排出的所需体积，则可以进行以下程序来确定合适的活塞面直径，其中所需的偏移量是已知的。

V_A＝A_hx_h

A_{h} = \frac{V_{A}}{x_{h}}

\frac{{πd}_{h}^{2}}{4} = \frac{V_{A}}{x_{h}}

d_{h} = \sqrt{\frac{4 V_{A}}{{πx}_{h}}}

输入该等式的值x_h或d_h由液压活塞可以移动的可允许运动限定，此移动可以由几何限制条件导致，或者该活塞的直径是固定的，此可以是使用标准活塞部件的情形。也可以通过设计这些部件使得减小摩擦作用来获得用于这些变量的理想值。

对于设计该装置而言，必须考虑该弹簧的刚度和几何形状。已经讨论了如何可以基于活塞的可允许偏移量来为压力释放活塞定尺寸。如果该装置待从所述芯伸出，则该可允许偏移量可能受绕芯的可用空间来决定。对于由芯的几何形状所限制的活塞面尺寸，则是相反的情形，在此情形下，以相似方式计算所导致的偏移量。基于这些值，可以为正确的弹簧定尺寸。图7示出了工作中的压缩弹簧的状态。

如图7可以看到的，该弹簧在工作中出现三种状态中的一种，这三种状态为：自由长度、预加载和最大工作加载。自由长度是在该应用中在开启驱动器之前弹簧未加载时的长度。安装长度或者预加载长度是当开启该驱动器时弹簧的长度。这是当该系统达到工作压力(≈2巴)时所观察到的该弹簧所处的状态。。最终，在最大工作载荷或者压力脉冲下，该弹簧减小到它的工作长度。此是这样的长度：即，在该长度时，主活塞将达到它的在SMA的加热期间的峰值高度，并且该压力会大于之前的压力(>2巴)。因此，可以推论：除了由压力脉冲的偏移之外，弹簧的总体偏移必须是能够便于由初始2巴条件所引起的偏移。此可以如下以数学方式确定。

弹簧计算实例

使用胡克定律，可以定义所需的弹性系数，该弹性系数可以用以确定允许必须经历所需总体偏移的弹簧。胡克定律可以通过以下等式表达：

F＝-kx

由于弹簧的基本功能是基于它的活塞面表面积来排出特定体积，所以需要基于活塞的所需排量来确定用于弹性系数(k)的正确值。这可以如下来实现。

1.确定在初始加载压力和最大加载压力时作用在活塞面上的力；

a.确定由于系统压力P_i初始引起的作用在活塞上的力F_i；

P_{i} = \frac{F_{i}}{A}

F_i＝P_iA

b.确定在发生压力脉冲P_f之后作用在该活塞上的力F_f。

P_{f} = \frac{F_{f}}{A}

F_f＝P_fA

2.通过使用F_f和F_i的值，基于胡克定律使用联立方程来确定所需弹簧刚度k：

F_i＝-kx_i[1]

F_f＝-kx_f[2]

a.等式1可以简化为：

- k = \frac{F_{i}}{x_{i}}

b.等式2可以如下表达：其中最终偏移量x_f可以表达为初始偏移量和由压力脉冲x_d所引起的偏移量的总和：

F_f＝-k(x_i+x_d)

将用于等式1的k的表达代入等式2，以确定弹簧的初始位移x_i。然后，可以利用此来确定用于弹簧的合适k值。在执行此之后，等式2可以简化为：

x_{i} = \frac{F_{f} x_{d}}{F_{f} - F_{i}}

3.使用用于初始“预加载”偏移量的值，通过将其反过来代入到等式1中可以发现该所需的弹性系数。

4.现在可以按照该弹性系数通过检测市场上可购买到的弹簧并且确定用于一应用的合适弹簧尺寸来设计所需的弹簧，该应用需要考虑该弹簧的总体所需偏移量。

摩擦分析

在该压力调节方法的操作期间可能产生的问题是与存在摩擦相关联的问题。这是由于在活塞和它的外壳之间、或者更具体地在活塞密封件和它的外壳壁之间存在的动态摩擦引起的(与添加该装置本身相关，而不是与整个系统相关)。该摩擦力抵抗活塞沿其试图行进的任何方向的运动。然而，存在于驱动器中的压力和波动会是相对较大的(>2巴)，并且因此应当克服这些摩擦力。

该摩擦力值是活塞密封件的直径的函数。这是因为直径越大，接触面积越大，并且摩擦力越大。因此，当设计所述活塞以减小这些不需要的力的存在时，应当考虑该关系。图8示出了在操作期间的摩擦力。

如可以看到的，上升和下降的活塞头会产生一力F_p，并且压力释放活塞会产生相反的摩擦力F_H，此摩擦力F_H会阻碍运动。通过使用该说明，可以陈述以下：

如果满足以下条件，主活塞头会克服这些摩擦力：

F_P＞F_H

因此，F_p必须大于F_H，以成功地将体积传送到活塞弹簧装置。

该压力释放装置的构造可能需要但是不限于以下构件：

1.每个芯的一个活塞头

2.每个活塞的密封件

3.每个芯的一个压缩弹簧

4.每个芯的一个活塞/弹簧

5.用于装置的外壳加工以进行附连

液压动力

一个此类装置是其中从压力脉冲中提取动力的装置。此可以通过使液压管线4与传动装置匹配而实现，该传动装置可以用于各种应用，包括用于系统的功率输出或者用于操作配气机构(valvetrain)。该装置由活塞2、复位弹簧3和传动装置1组成，如图9所示。

如可以从图9中看到的，随着芯加热和它的活塞上升，所产生的力向下推动液压活塞2，并且因此使该系统的体积增大合适的量。该操作会导致芯5中存在恒定体积，并且因此，不会产生压力脉冲。随着芯冷却，发生相反的操作，其中，由于存在复位弹簧3，主活塞下降并且液压释放活塞上升，从而再次维持恒定压力。

应当注意的是，液压活塞仅在系统的加热阶段做功。当冷却该芯时，所连接的传动部件(诸如超越齿轮(spraggear))会靠惯性滑行。此会防止在该释放周期中任何额外的载荷抵抗运动。在具有多芯的系统中，所有压力释放活塞会串联连接到相同的输出轴。这会导致与由主工作活塞所产生的输出型式相似的输出型式。该输出应当是连续的，因为主活塞的动力冲程旨在彼此交迭。因此，与该压力脉冲相关联的输出会适合用以贡献主功率输出或者操作各阀。

如从图10中可以看到，该传动装置由超越齿轮、凸轮离合器、皮带和两个轴组成。超越齿轮的目的是允许沿一个方向将做功传送到该超越齿轮所配合的轴(当压力脉冲发生时)，并且沿另一方向靠惯性滑行。这导致仅当芯加热时、即当发生压力脉冲时进行做功。实现该凸轮离合器以允许来自超越齿轮轴的做功传送到输出轴，而不是以其它方式。此允许多个源为单个轴提供动力，而不彼此影响。

图11示出了由四个芯A、B、C和D组成的组件会如何呈现。另外，图12示出了更有效和紧凑的布置，其通过将超越齿轮同心地安装到凸轮离合器和输出轴，故而不需要皮带或滑轮。

如该文献中前面讨论的，可以通过合适地设计该活塞面来改变每个压力释放活塞的冲程。例如，较大的冲程对于诸如配气机构的应用可能是理想的，其中需要顺利的连续操作。

由于该复位弹簧的存在，由压力脉冲产生的力的一部分需要压缩该弹簧。该力称作复位力。因此，为了确定该力并且因此确定由压力脉冲产生的实际做功，必须限定该所需的弹簧。

使用胡克定律，可以限定所需的弹性系数，该弹性系数可以用以限定允许必须经历所需总体偏移的弹簧。胡克定律可以通过以下等式表达，其中F是力，k是弹性系数，并且x是位移：

F＝-kx

由于弹簧的基本功能是基于它的活塞面表面积来排出特定体积，所以需要按要求确定待执行的用于弹性系数(k)和弹簧尺寸的正确值。此可以通过以下实例来实现。

通过选择具有合适尺寸的现成弹簧开始。此类弹簧的一个实例是如leesprings.com所提供的LHC250U08M压缩弹簧。相比于提供的其它弹簧，该弹簧具有相对较高的弹性系数(18.87N/mm)和相对较高的冲程长度(70.8mm)。当该弹簧必须能够在初始系统压力下压缩同时允许具有足够的用于在压力脉冲下进一步压缩的空间时，需要高弹性系数。足够长的冲程长度也是重要的，因为除了由初始压力引起的偏移量外，该弹簧必须能够偏移与主活塞相似的量(≈30mm)。如以下所示，可以进一步检验该弹簧的合适性。

用于该弹簧的总体有效冲程ST是70.8mm，然而，可允许的冲程可以更小，因为过度压缩弹簧可损坏弹簧在循环加载情形下的性能。某些做功已暗示可允许的冲程应为总体有效冲程的85％，以允许循环加载，如参照Ellis,Norman的Considerationsforsizingsprings|机器设计的新内容(NewscontentfromMachineDesign).[在线]2012年10月16日,[引用:2013年5月9日]http://machinedesign.com/news/considerations-sizing-springs.因此，实际有效冲程S_A表达如下：

S_A＝(0.85)S_T

S_A＝(0.85)(70.8)＝60.18mm

下一步骤是确定由2巴(200kPa)的系统压力Pi所引起的初始位移。为了简单起见，在该实例中将忽略由SMA线引起的体积增大。将假定的是，压力释放活塞设计为具有与主活塞相同的活塞头直径，以为其在相同的冲程中排出相同的体积量，使得相同的超越齿轮可以用于两个活塞(因为它们具有相同的冲程)。在样本驱动器的γ原型(gammaprototype)中，主活塞头的直径确定为60mm。考虑这些系统参数，施加在压力释放活塞上力F_i可以如下确定，其中A是压力释放活塞的活塞面面积。

P_{i} = \frac{F_{i}}{A}

F_{i} = P_{i} A - (200, 000) (\frac{π {0.06}^{2}}{4})

F_i-565.5N

该力现在可以代入到胡克定律，以确定该释放弹簧的初始偏移量x_i：

F_i＝-kx_i

x_{i} - \frac{F_{i}}{k} - \frac{565.5}{18.87} - 29.97 m m

在该实例中，在SMA收缩期间，该主活塞的冲程和因此压力释放活塞的冲程是30mm。因此，该弹簧将经历的总体偏移量x_f为：

x_f＝x_i+x_d＝29.97+30≌60mm

∴x_f＜S_A

因此，可以认为，该弹簧适于该应用，因为它能够在循环范围内经历所需的偏移，同时工作冲程x_f小于有效冲程S_A。

最终步骤是确定将活塞返回到其初始位置所需的复位力F_return。此可以通过再次使用胡克定律来实现。在图13中也示出了该力的位置。

F_return＝Ikx_d

F_{r e t u r n} = (18.87) (30) [\frac{N}{m m} . m m]

F_return＝566.1N

因此，可以转换成有用功F_work的总力可以如下表示：

F_work＝F_f-F_i-F_return

示意性实例

在另一实施例中，该压力释放装置的构造可以需要但是不限于以下部分，如图14中所示。

1.每个芯的压力释放活塞

2.每个压力释放活塞的密封件

3.每个芯的将芯连接到活塞的液压管线

4.活塞外壳机加工以允许连接点

5.每个芯的复位弹簧

·传动装置

6.每个芯的超越齿轮

7.每个芯的凸轮离合器

8.输出轴

9.图11的传动装置——每个芯的传动带或者

图12的传动装置——每个芯的齿轮-离合器的安装部

自辅活塞

自辅助主活塞是活塞外壳设计的另一实施例，其消除了压力脉冲问题。该构思由从主芯贯穿到主活塞下方的液压管线组成，在主活塞下方处，具有一活塞头，该活塞头具有合适的横截面面积(CSA)，其机械地连结到所述主活塞。该布置会导致由上升的活塞引起的体积减小，该体积减小由在其下方引起的等量体积增大而抵消，反之亦然。在图15中示出了该操作，其实现由各活塞隔开的独立液压管线。可以从该图中看到的是：(a)随着SMA冷却，主活塞和辅活塞下降，引起液压活塞上升；(b)随着SMA受热，SMA收缩，此导致主活塞和辅活塞上升，从而向下推动液压活塞。

可以从图15中看到：在冷却期间由于主活塞下降，在该主活塞下方的活塞下降，从而允许主芯和在该主活塞下方的区域之间的体积交换。在加热循环中发生该相反的情形，并且因此，该芯应当不经历体积波动。此会导致主活塞的运动的更多自由度，同时允许消除压力脉冲的问题。

设计考虑

用于该构思的重要设计考虑是辅活塞。该部件的面表面积必须具有这样的值，即，其使得该部件排出的体积等于主活塞头排出的体积。此是因为主活塞头和辅活塞头固定到彼此。因此它们具有相同的有效冲程。因此，无论一侧经历什么位移，另一个也必须经历这样的位移。通过考虑多种因素，可以实现借助辅活塞的直径来指定辅活塞的正确面表面积。这通过确定在考虑SMA收缩的效果之后由主活塞头所排出的体积而执行。SMA线会沿轴向和径向均收缩，此会导致系统体积增大。该体积变化会抵消由上升的主活塞引起的体积减小。以下概述用于确定正确辅活塞尺寸的程序。

由SMA线经历的收缩由贝氏应变引起。此导致该线沿所有方向收缩。在具有一线的情形下，收缩沿直线和径向发生。在图16中示出了此，其中线长度从L减小到l，并且直径从D减小到d。该活塞外壳机构的基本形状也在该图中示出，其中实施直接液压管线替代双头活塞。

为了确定活塞轴的正确直径，应当进行以下程序：

1.确定由SMA直线收缩所引起的体积变化。

a.确定每个单独线的初始横截面面积A₁；

A_{1} = \frac{{πD}^{2}}{4}

其中，D等于在收缩前线的直径。

b.计算由直线收缩排出的体积V₁；

V₁＝A₁(L-l)

其中，L等于在收缩前SMA线的长度，并且l等于在收缩后SMA线的长度。

2.确定由径向收缩所排出的体积。

a.得到径向收缩的横截面面积A₂，其可以被视为在收缩前和收缩后该线的横截面面积之差；

A_{2} = \frac{{πD}^{2}}{4} - \frac{{πd}^{2}}{4} = \frac{{πD}^{2} - {πd}^{2}}{4}

其中d等于在收缩后的直径。

b.计算由径向收缩所排出的体积V₂；

V₂＝A₂l

3.确定SMA线的总体体积减小量V_T。

V_T＝(V₁+V₂)N

其中，N是成束的SMA线的数量。

4.计算由主活塞排出的体积。

a.确定在冲程x_P中排出的体积：

V_{M} = A_{P} x_{P} = \frac{{πd}_{P}^{2}}{4} x_{P}

其中，A_p等于主活塞的面表面积，而d_P等于主活塞头的直径。

b.考虑由SMA收缩所引起的体积偏移，确定由主活塞排出的实际体积V_N：

V_N＝V_M-V_T

5.其中，A_A基于每个冲程待排出的所需体积V_A限定合适的辅活塞头的直径。

V_A＝V_N＝A_Ax_p

A_{A} = \frac{V_{N}}{x_{P}}

\frac{{πd}_{A}^{2}}{4} = \frac{V_{N}}{x_{P}}

d_{A} = 2 \sqrt{\frac{V_{N}}{x_{P} π}}

其中，A_A等于主活塞的面表面积，而d_A等于辅活塞头的直径。

液压活塞构思设计考虑

应当考虑用于设计图15中所示的构思中的压力释放活塞头的各种因素，这些因素是液压活塞头的横截面面积和所需的偏移水平。这两个因素都是主SMA启动活塞头的偏移量和排出体积的函数。考虑图17中所示的系统。

首先，必须确定由主活塞头排出的体积的值(V_M)。这通过使用用于缸体积的等式能简单地实现：

V_M＝A_px_p

其中，A_p是主活塞面的面积，而x_p是它的偏移量。

再次，如果已知或需要该部件的允许偏移量(x_h)或活塞面直径(d_h)，则通过使用缸体积的该等式，可以计算该压力释放活塞头的尺寸。该方法可以应用于设计用于例如摩托车主缸的液压管线的活塞头。在此类装置中，具有大约10mm的可允许运动。假定已经计算出所需的待排出体积，则可以进行以下程序来确定合适的活塞面直径，其中A_h是液压活塞面的面积。由于存在两个液压释放活塞，它们必须排出的体积的每个都是主活塞排出的体积的一半。

\frac{V_{M}}{2} = A_{k} x_{h}

A_{h} = \frac{V_{M}}{2 x_{h}}

\frac{{πd}_{h}^{2}}{4} = \frac{V_{N}}{2 x_{h}}

d_{h} = \sqrt{\frac{2 V_{M}}{{πx}_{h}}}

以上等式非常适用于当活塞偏移量x_h已知时，此可能是因为液压活塞能够移动的可允许运动(也许是因为该系统的几何形状)。以下讨论确定它直径的值的方法，并且该方法适用于活塞头直径是固定(此可以基于可购买的标准活塞零件)的情况。也可以通过设计这些部件使得减小摩擦作用来获得用于这些变量的理想值。

在图18中可以看到，主活塞(x_M)和液压活塞(x_h)的运动可以是不同的，但是总体体积排出量总是保持恒定(V_M和2V_H)。在液压活塞头直径已知的情形下，该关系可以用以获取将x_M和x_h相关联的表达式。

从图18中可以看到，主活塞的偏移量x_P和液压活塞的偏移量x_H是如下相关的，其中其中d_P是主活塞的直径，并且已经考虑SMA线对该芯体积的影响：

V_M＝V_A＝2V_H

x_{h} = \frac{{d_{P}}^{2}}{2 {d_{h}}^{2}} . x_{P}

该关系可以从以下事实中获得：由液压活塞引起的任何运动都是主活塞运动的结果，并且体积改变必须彼此抵消。以上关于体积的等式可以通过考虑以下事实而得到：由主活塞头(V_M)引起的任何体积排量，在辅活塞头上都必须经历相等的体积排量(V_A)。由于存在两个液压活塞，由主活塞头引起的体积排量均匀地分在这两个活塞上。这些活塞所移动的总体体积(2V_H)等于由主活塞所排出的体积，并且因此允许各体积在主活塞上方和下方交换。如以上所讨论的，此应当允许该活塞“辅助”它自身的运动，从而允许更大的运动自由度。

示意性实例

如图19看到的，该压力释放装置的构造可以需要但是不限于以下因素：

构思A

1.每个芯的辅活塞

2.每个芯的辅活塞密封件

3.用于将芯连接到每个芯的辅活塞的流体管线

4.活塞外壳机加工

5.每个芯的合适数量的液压双头活塞(按需要)

6.每个液压活塞的两个密封件

蓄热器流体交换实施例

如前所讨论的，脉冲问题是位于系统芯中的工作活塞的运动所导致的体积改变而引起的。在这些芯的工作期间，工作流体穿过SMA束。该工作流体在热流和冷流之间依次交替，并且诱导SMA部件的相变。当受热时，SMA部件收缩，从而提升所连接的活塞，并且由此引起该系统中的体积减小，如图1所示。可以看到，当活塞上升时，从活塞头到芯出口之间的距离从z1减小到z2，这又减小了该体积。

可能由该构思引起的问题是热流体移动到冷流体流，或者冷流体移动到热流体。此导致需要在加热和冷却芯之间的缓冲芯，该缓冲芯本身不会被主动地加热或冷却。该芯会从主动加热的芯接收受热流体，并且将冷流体传递到主动冷却的芯。该惰性或缓冲芯的必要性代表该系统的额外的尺寸、成本和损失，并且因此可以是不合需要的。因此，以更紧凑的方式来执行该芯的任务的方法是有利的。在图20中示出了实施缓冲芯的流体交换构思的实施例。

实施再生热交换器或蓄热器可以提供改变流体流温度的更可行的方法。蓄热器用于存储从热流体流提取的热量。本发明使用此事实：该惰性芯可以由蓄热器取代。

蓄热器的操作

再生热交换器是公知的工业部件。它们也是斯特林循环热发动机的关键部件，由此它们允许通过重新利用在循环的加热和冷却阶段之间储存的热量而提高发动机的总体能量效率。

本发明描述了一实施例，其中，可以部署再生热交换器来帮助最优化热性能。对蓄热器应用的基本考虑是流体输送到系统的顺序。此涉及通过各芯而在热流和冷流之间进行切换。由于流体输送控制条件，这两个芯必须以相反的顺序操作以维持恒定的流量。也应考虑当从热切换成冷时冲洗各芯，以防止热流体返回到冷罐；并且当从冷切换成热时冲洗各芯，以防止冷流体返回到冷罐。这导致在打开热入口以通向芯和对相同芯关闭冷出口(因此打开热出口)之间的延迟。此导致在各芯的冷却循环期间来自出口的从热流到冷流的过渡，同时在热循环中是相反的情形。这在图21中示出。

图21示出了个体芯的加热流循环，其中：(a)该芯完全被冷却，并且将要开始加热；(b)当关闭该冷入口并且打开热入口时，该芯开始加热，同时冷却流体仍旧流过(涌出)冷却出口；以及(c)该芯充满热流体，并且打开该热出口，同时工作活塞继续上升。冷却循环中相反操作(相对于热流和冷流)的亦然。

考虑到图21显示的循环，如果蓄热器放置在出口处，则它会在冷却循环期间经历相同的从冷到热的流动条件，以及在加热期间经历相同的从冷到热的流动条件。图22示出了当在相反的加热/冷却循环的两个芯之间连结时在该应用中的蓄热器的操作。

图22示出了蓄热器的操作，其中(a)当该蓄热器接合芯A的冷流时，芯B将热水朝向其循环的末端传送到芯A，从而将热量交给蓄热器；(b)当该蓄热器遇到从芯B冲出的加热流体时，芯A开始加热，从而强迫冷流体穿过该蓄热器，该蓄热器加热该流；以及(c)当两个芯完成涌出时，蓄热器已经存放所有它的热量，并且受热流现在穿过该蓄热器，如之前在(a)中在相对的芯中发生的一样。

以上示出的操作表示该蓄热器提供了有效的方案。然而，该蓄热器必须特别设计成用于该申请。该蓄热器必须能够在给定时间(th)中获得来自热流的足够热量，以充分冷却它，同时也能够在给定时间(tc)中将所述热量分配到冷水，以充分加热它。可以如下表示这些时期：

t_c＝t_flush

t_h＝t_cycle-t_flush

其中，t_flush是在切换期间用于涌出冷/热水所花费的时间，并且t_cycle是每个个体加热/冷却周期中所花费的时间。

具有多种因素，这些因素可以影响蓄热器的性能以及其吸热和散热能力。此类因素可以包括生产蓄热器所用的材料和该蓄热器的长度。图23示出了以上在图22中所讨论的过程中用于该蓄热器的预测温度-时间性能，其用于二分之一加热/冷却循环时间。

图23示出了根据一个实施例的在驱动器应用中的蓄热器的温度-时间曲线。

然而，应当注意到的是，不像诸如斯特林循环发动机等其它热发动机，用于本发明的该蓄热器在操作过程中不经历加热流体和冷却流体(例如已加热和已冷却的水)的完整质量流量(massflowrate)。而是，对应于该循环中的压力脉冲期间所排出的质量的总体质量流量的仅一部分传送通过该蓄热器。该平衡直接经由各合适的阀系统存在于该系统中。

体积交换压力释放实施例

如前关于图1所讨论的，脉冲问题是位于系统芯中的工作活塞的运动所导致的体积改变而引起的。在这些芯的工作期间，工作流体穿过SMA束。该工作流体在热流和冷流之间依次交替，并且诱导SMA部件的相变。当受热时，SMA部件收缩，从而提升所连接的活塞，并且由此引起该系统中的体积减小。通过使用在各芯之间的邻接活塞或液压管线可以解决该压力脉冲问题。该连接会“交换”在这些芯之间排出的体积，因此消除了压力脉冲。该构思可以应用于本发明的各种实施例。

压力释放操作

该体积交换可以通过每个芯之间的连接部而实现，在连接部中具有双头活塞或液压管线。此会使得压力释放，因为来自加热芯的过量体积可以穿过到达冷却芯，从而补偿它的体积增加。该连接部附连在芯出口处。图24示出了两种可能的构造。

在它的最简单典型实例中，其中具有两个芯，对于流过它们的热流和冷流，这两个芯以相反的顺序操作。在图25中示出了该实施例。可以看到的是，随着芯A加热，它引起工作活塞头上升，在所述芯中包含的体积减小，同时对于芯B冷却，相反的过程也是这样。连接压力释放部件的操作通过将从加热芯排出的体积转移以辅助在冷芯中的工作活塞的下降而改善该过程。该机构导致两个芯经历恒定的体积，并且因此没有压力变化。然后随着芯B开始加热并且芯A冷却，而重复该顺序。

以上讨论的操作将应用到任何这样的系统：即该系统实施两个芯组合块的任意倍数，所述两个芯具有相反的且相等的加热和冷却周期。然而，并不一定是该情形。可以是这样的情况，即，其中加热时间和冷却时间是完全不同的。在该情况下，将会同时具有三个或更多个芯操作，其中不同的芯在不同的阶段加热和冷却。在此类系统的操作期间形成的压力脉冲会通过将该系统中的所有芯与压力释放管线连接、即所有芯出口由该管线连接而抵消。

考虑图26中所示的系统。该系统的加热时间和冷却时间的比例是2:3，并且由于此且由于流体输送控制条件，该系统可以要求至少五个芯正确地工作。也可以具有惰性芯，所述惰性芯旨在提高工作SMA的疲劳寿命。由于施加到该构造的限制条件，在任何给定的时间时，有两个芯加热，并且有三个芯冷却。就体积而言，此意味着两个芯体积减小并且三个芯体积增大。添加之前所讨论的压力释放部件会解决任何与压力变化相关的问题。该压力释放会实质上“连结”所有芯的体积。此会导致该芯的体积的任一个的改变会对该系统中的所有其它芯产生影响。

为了该系统完全消除压力脉冲，在该系统中的体积增大必须等于体积减小。此是在该具体构造中由于芯加热和冷却的速率而发生的。如图27所示，随着两个加热芯在用以完全加热该芯所用的一半时间中上升，它们排出由SMA的完整收缩所排出的体积的1/2。所述三个冷却芯通过减少而排出该体积的1/3。可以由此推论，在此时，系统中组合减小的体积等于由该活塞的一个完全上升引起的减小的体积，同时组合增大的体积等于由该活塞的一个完全下降引起的增大的体积。由此，整个系统的总体积变化会是零，因为增大和减小会彼此抵消。

在以上所讨论的实例中，由上升的活塞头所引起的体积减小以比当活塞下降时所引起的体积增大更快的速率进行。这在图28中示出，其中数点是任意选择的，以代表在五秒的时间周期中在单个芯中发生的总体体积减小的百分数。

对于之前讨论的五芯系统，这些芯可以组合，其中，每个循环偏移合适的量。在各周期之间的该延迟由芯的数量以及加热时间和冷却时间的比例限定。图29中的图示出了五芯系统对于每个芯的体积变化(由字母A至E表示)以及该系统的总体流体体积，可以看到该总体流体体积是恒定的。将由此理解的是，在所述多芯系统中，在收缩芯中的体积减小由在相邻膨胀芯中的体积增加而抵消，使得该系统净体积总是保持恒定。

活塞压力释放机械操作——串联

以下是用于该实施例的术语表，其旨在辅助理解本文所述的构思。

为了合适地设计用于执行以上讨论的操作的机构，重要地是准确地预测现场装置的行为。一种模型用以检测在系统操作期间发生的机械动作，并且确保该装置正确地起作用。考虑使加热和冷却比例为1:2的实施例。由于该比例，并且由于流体输送控制条件，该系统会需要至少三个芯，由此在任何给定的时间，该布置由一个加热芯和两个冷却芯组成。图30示出了压力释放机构在该系统中如何工作。在该图中示出的各步骤的各时段等于完全加热一芯所需的时间。

可以从图30中看到，当一个芯加热时，它所连接的活塞被强迫移动，从而维持存在于该系统的该芯和冷却芯中的恒定体积。在采用加热芯中的活塞来完成冲程(SC)的时间里，冷却芯的活塞完成该冲程的一半。此意味着，在加热芯中排出的体积会分成两半，并且均匀地分布到这些冷却芯中，如当连接活塞排出该冲程(d)和体积各一半时所看到的。如可以从(a)看到的，活塞C上升并且完成一冲程，而且这导致各连接活塞(从C到B，以及从C到A)移动，每个排出的体积均等于由主活塞头所排出的体积的一半。然后，这些排量用于降低芯A和芯B中的活塞。

虽然上面讨论的模型成功地描述了压力释放装置的操作，但是可能没有成功地描述可能发生的所有情形。在该实施例中，关于加热芯和冷却芯的这些芯被布置的顺序不影响压力释放机构的操作。可能不总是如此情形。

考虑与图27中描述的系统相似的系统。该机构的操作类似于上面讨论的操作，除了这些芯的组织顺序可能会影响活塞压力释放装置的操作之外。对于该给定的系统，可以看到，两个加热芯并排定位。图31示出了该系统和以此次序布置的每个芯的状态。

可以从图31看到，体积变化在各芯之间交换的增量是每个冲程排出的总体体积的1/2(d)或1/6(c)。这导致需要由该布置排出的总体体积等于每个主活塞冲程排出的体积。在图32中示出了每个芯所经历的循环。可以看到的是，每个压力释放活塞在循环过程中的总体冲程是主活塞的冲程的2/3：

S_{P} = d + c = \frac{2}{3} S_{C}

在图33中示出了可能存在的其他布置。在该实施例中，各加热芯不直接彼此相邻地定位，而是由冷却芯分开。可以从该图和图34看到，各芯布置的顺序影响系统的几何形状。当与前述实例对比时，系统的该典型实例需要压力释放活塞具有较短的冲程(比通过收缩而排出的体积短1/6)。

可以从以上讨论的图34看到，体积变化在各芯之间交换的增量是每个冲程排出的总体体积的1/3(b)或1/6。这导致该布置所需排出的总体体积等于由主活塞的每个冲程所排出的体积的一半，如以下所示。

S_{P} = b | c = \frac{1}{2} S_{C}

在图34中示出了每个芯所经历的循环。

因此，可以认为，当设计压力释放装置时，一个人必须考虑各芯所放置的顺序，因为该顺序会影响装置的尺寸，即，对于所讨论的第二实例，压力活塞冲程更短。此对于某些实例是有问题的，因为可能需要改变各芯的加热和冷却顺序。另外，将惰性芯实施于该系统中可以用以更好地解决该问题。在此情形下，可能更需要使用并联布置。

活塞泄压机械操作——并联

对于压力释放机构的更有利布置可以是并联布置。在并联布置中，加热芯、冷却芯和惰性芯与装置操作无关。体积波动会从一个芯馈送到将会采用或必须采用的任何数量的芯，而不论它们是否处于任何指定的顺序。此会缓解如上所述当压力活塞以串联布置时由实施惰性芯造成的问题。

如可以从图35看到，随着任何数量的芯加热并产生体积改变，这些排量由冷却芯抵消，而不论是否存在惰性芯，也不论它们的放置顺序如何。该并联布置的方法相对于串联实施例提供了更大的优势，因为该系统会自分配体积排量，并且允许这些体积排量行进到各相关芯而不会中断保持惰性的那些芯。

摩擦分析

在该压力调节方法的操作期间可能造成的问题是与存在摩擦相关联的问题，特别是当该机构串联布置时。此是由存在于活塞和它的外壳之间的、或者更具体地存在于活塞密封件和活塞外壳壁之间的动态摩擦引起的(相对于装置本身，而不是整个系统)。该摩擦力抵抗活塞沿其试图行进的任何方向的运动。然而，与该活塞面面积(≌60mm)相比，存在于样本驱动器中的压力和波动是相对较大的(>2巴)，并且因此应当克服这些摩擦力。

本文讨论的压力释放构思的一个方面可能增加摩擦程度，该方面是当它以串联布置时发生的复合效果。由于该布置的属性，由摩擦引起的相反力是该管线中的活塞数量的倍数。此导致当该力在各芯之间行进时，需要克服该力的压力增大。虽然当对比由压力波动所产生的力时各摩擦力个体地可能不是显著的，但当如所讨论的串联布置时，它们可以复合，并且开始阻碍活塞的运动，并且因此阻碍在各芯之间的体积转移。这会导致装置的功能异常，并且因此应当在设计装置时进行考虑。图36示出了这些相反的摩擦力的存在。

如图36可以看到的，上升的活塞头会产生压力脉冲力F_p，并且因此这些压力活塞会产生相反的摩擦力F_r，该摩擦力会阻碍运动。通过使用该图示，可以陈述以下：

如果满足以下条件，则主活塞头会克服所述摩擦力：

F_P＞nF_r

其中，n是液压活塞的数量。

因此，在图38给定的实例中，F_p必须大于2F_r以成功地在各个芯之间传送体积。

活塞面设计

以下是用于该部分的术语表，其旨在辅助理解本文所述的构思。

必须考虑的、用于设计压力释放活塞头的主要因素是该活塞头的横截面面积(CSA)和所需要的偏移量水平。这两个因素是主SMA启动活塞头的偏移量和排出体积的函数。图37示出了这些尺寸。

首先，必须确定用于由主活塞头排出的体积的值。这通过使用用于缸体积的等式能简单地得到：

V＝A_px_p

再次，如果已知该部件的可允许偏移量或活塞面直径，则通过使用缸体积的等式，可以计算压力释放活塞头的尺寸。该方法可以应用于设计用于例如摩托车主缸的液压管线的活塞头。在此类装置中，具有大约10mm的可允许运动。假定已经计算待排出的所需体积，则可以遵循以下程序来确定合适的活塞面直径。

V＝A_hx_h

A_{h} = \frac{V}{x_{h}}

\frac{{πd}_{h}^{2}}{4} = \frac{V}{x_{h}}

d_{h} = \sqrt{\frac{4 V}{{πx}_{h}}}

以上程序可以操作以确定用于指定面直径的所需可允许偏移量(偏移量)。当这可能适合时的实例可以设计该装置用于标准活塞零件。

启动操作

可以理解的是，存在一种情况，其中，之前描述的压力释放活塞可能不会最优地定位在它的腔中。在系统的初始填充期间会发生此情况，由此，按顺序的各芯的不正确或不准确的填充可能允许芯A完全填充并且也可能填充压力释放活塞腔的全部或部分。此会导致压力释放活塞朝向第二芯、即芯B偏置。

在该系统启动时，压力释放活塞因此会开始从非中心位置振荡。此可产生一设想，其中，由于具有偏置的开始条件，交换的各体积是不相同的，所以在每个芯中的各压力峰值是不相同的。

通过人工地改变各芯中的压力或者通过使压力释放活塞保持在该循环的启动阶段，可以产生用于该系统/压力释放部件循环的所需条件。在图38中示出了用以执行此的过程。

可以从上图中看到的是，在初始阶段，(a)活塞的两侧(即两个芯)冷却，并且因此，在这些芯中的活塞会处于它们的最低位置。应当注意的是，在该实例中，仅存在有两个芯，这两个芯用于在2巴时操作。可以从该图中看到的是，为各活塞赋予的自由移动量是它们所需偏移量(即为了将传送由工作活塞所排出的体积，它们必须能够行进的距离)的至少两倍。

在图38中，在(a)示出的阶段时，该压力释放活塞会位于其自由移动的中心。这是因为存在施加活塞的两侧处的相等压力。在此阶段中，位于两个芯中的系统压力应当小于预定操作压力。在阶段(b)中，各芯中的一个加热，并且允许SMA充分收缩。此会导致在两个芯中的体积减小，因为此时在芯B中正在上升的活塞头会沿冷却芯A的方向推动压力释放活塞头，直到活塞的各侧上的压力相等。该压力释放活塞的此运动会减少冷却芯中的体积，因为它的工作活塞会不能自由移动，同时加热芯也会经历体积减小，因为不是所有的由上升的工作活塞所排出的体积都会传递到冷却芯。在此时，泄压活塞会从原始中间位置偏移，由此，使得为该活塞赋予它所需自由度的两倍。当系统达到静止位置(芯A被完全冷却，并且芯B被完全加热)，而且相等的压力存在于活塞的两侧上时，这些压力可以同时被人工地增加到2巴的操作压力。最后，阶段(c)示出了该系统是如何可以进入它的操作循环的，该循环中，芯A被加热，并且芯B被冷却。在这些加热和冷却操作中，压力释放活塞会合适地从左向右移动，以将由加热芯引起的体积排量传递到冷却芯中，同时维持2巴的恒定系统压力。

应当注意的是，以上所讨论的实例使用了双芯系统，但是可以将该方法扩展，以将该方法应用于具有更多芯的系统中。

机械连结构思

与之前讨论的液压相反，可以采用体积交换构思的实施例是通过机械联接的。

示意性实例

如图39所示，该压力释放装置的构造需要用于构造的如下因素。

1.用于各芯的双T管接头

2.用于每个芯的连接液压管线或活塞

3.用于每个芯的两个一英寸T管接头，该结构连接到活塞外壳机构。

4.用于T接头的线连接件的可能密封剂

5.用于每个头的活塞密封件

在该文献中公开的液压管线/活塞机构是解决压力脉冲问题的可行方案。该构思成功地在各芯之间交换体积，缓解了任何的压力变化。然而，该机构具有一些缺陷。这些缺陷包括由于各芯串联布置的顺序而导致的活塞几何形状的变化，以及复合摩擦的问题。

机械体积交换实施例

如前参照图1所讨论的，脉冲问题是位于系统芯中的工作活塞的运动所导致的体积改变而引起的。在这些芯的工作期间，工作流体穿过SMA束。该工作流体在热流和冷流之间依次交替，并且诱导SMA部件的相变。当受热时，SMA部件收缩，从而提升所连接的活塞，并且由此引起该系统中的体积减小。

压力释放操作

该压力释放方法通过各芯之间的活塞连接来维持每个芯中恒定的体积来工作。该活塞或多个活塞的运动可以通过在其和工作活塞之间的机械连结来控制。以下在图40中示出了此类布置的实例。

如上所看到的，由于芯A加热，它的相应活塞上升。如果压力释放机构未就位，则此会导致体积减小。然而，这不会发生，因为当芯A中的主活塞上升时，压力释放活塞(PRP)下降，由此保持该芯中的恒定体积和压力。这是由于杠杆连接，杠杆连接会导致PRP沿与芯A中工作活塞相反的方向移动，而对于在芯B中的工作活塞是相反的情况。由于通过芯A中的工作活塞上升而强迫PRP向下，除了增加该芯的体积之外，还减小了冷却芯B中的体积，由此抵消了由包含在其中的下降活塞所引起的体积增加。然后，使该操作相反，此时之前冷却的芯B开始加热，并且芯A开始冷却。由于该直接的机械连接杆，该上升的工作活塞会引起PRP也上升。这会维持该芯以及芯A中的恒定体积。贯穿整个PRP腔的中心活塞杆需要：该活塞头在两侧具有相等的横截面面积(CSA)，因为在其冲程期间它必须在两侧上排出相等的体积。

虽然没有如上明确显示，但是压力释放管线连接到芯的位置预期位于芯的出口处。在一个实施例中，这些出口位于该芯的相对于该工作活塞的远端。由此，该构思的实际外观可以采取图41所示的形式。

为了该构思能够正确地工作，PRP必须排出正确体积的流体。该体积的大小必须与主工作活塞所排出的体积的大小相等。因为图40和图41中所示出的建议布置，PRP必须在与主活塞相同的冲程中排出所述体积。这是因为机械连接提供了从工作活塞到PRP的1:1的排量传送。图42以下强调在该压力释放装置操作期间出现的体积排量。

如从以上图41中可以看到的，如果PRP被合适地设置尺寸，则由主活塞和PRP所引起的体积排量(V_M)和(V_P)会彼此抵消。如果以下关系是正确的，则PRP被正确地定尺寸。

V_M-V_P

考虑到该关系，必须遵循以下程序以限定合适的活塞尺寸。

1.通过使用用于缸体积的公式来确定由主活塞在其冲程中所排出的体积(x_M)，其中A_M是它的面表面积：

V_M＝A_Mx_M

2.考虑PRP会具有与主活塞相同的冲程，通过使用该值，确定PRP(A_P)的用以排出该体积的所需的面表面积：

A_Px_M＝V_M

A_{P} = \frac{V_{M}}{x_{M}}

3.确定用以排出该正确体积所需的PRP直径，同时考虑这样的事实：行进经过活塞头的腔长度的活塞杆不会导致任何的体积排量，并且因此在PRP设计时必须考虑此活塞杆。PRP头必须定尺寸成具有用以排出所需的体积的总体表面积(A_T)和活塞头的CSA(A_R)：

A_T＝A_P+A_R

\frac{{πd}_{T}^{2}}{4} = \frac{V_{M}}{x_{P}} + \frac{{πd}_{R}^{2}}{4}

d_{T} = \sqrt{\frac{4 V_{M}}{{πx}_{P}} + d_{R}}

其中，d_R是活塞杆的直径。

因此，可以认为：通过以上程序，可以基于主活塞的几何形状而指定合适定尺寸的PRP头。

系统损失分析

该压力释放构思的实施包括将活塞增加到系统，并且因此包括摩擦和相关联损失的其它源。更具体地，发现这些摩擦源来自密封件和活塞杆金属外壳的表面接触。对于所提出的构思，在该系统中需要三个附加的密封件：用于活塞的一个(1)，以及用于活塞杆的入口和出口位置的两个(分别为2和3)。图43中示出了这些位置。

移动这些PRP所需要的做工由两个芯的工作活塞同时执行。因此，该压力释放机构的操作代表该系统的功率输出的流失。该损失可以由这些摩擦阻力的存在而部分地量化。与密封件相关联的摩擦会在两个方向上抵抗活塞的移动，并且因此总是存在的。考虑到此，在扣除由活塞杆密封件(F_r)和活塞密封件(F_P)所引起的摩擦损失之后，来自工作活塞的净输出力(F_net)可以表示如下：

F_net＝F_T-F_P-2F_r＝F_T-F_friction

除了在功率输出上的这些摩擦损失外，也具有与当主活塞必须提升压力释放部件时所施加的力相关联的损失。这些部件组成活塞头(m_head)、活塞杆(m_rod)、铰接连结件(m_hinge)和活塞连接杆(m_conn)施加到工作活塞上的重量。现在可以通过以下等式表达在工作活塞输出上的损失，其中g是重力引起的加速度：

F_net＝F_T-F_friction-(m_head+m_rod+m_hinge+m_conn)g

F_net＝F_T-F_friction-F_weight

最后，也可以具有作用在与水柱相关联的活塞上的重量，它必须提升该重量以用于所述流体来占据PRP腔。当与该系统中所包含的总体体积相比时，该流体质量可能是不显著的。在图42中，工作活塞可能必须提升的水的体积可以视为在芯A加热期间的V_H和在芯B加热期间的V_C。与上述等式类似，这些水柱的重量(m_water)代表为工作活塞的净力产生的损失。

F_net＝F_T-F_friction-F_weight-(m_water)g

F_net＝F_T-F_friction-F_weight-F_water

示意性实例

图44示出了在该部分中讨论的构思的示意图。

该构思可能需要但不限于以下构件：

1.每两个相邻芯的铰接接头

2.每两个相邻芯的活塞连接杆

3.每两个相邻芯的活塞杆

4.每两个相邻芯的活塞头

5.每两个相邻芯的PRP腔

6.每个芯的T接头管道

7.每个芯的三个活塞密封件：两个杆密封件和一个活塞密封件

活塞轴压力释放实施例

所公开的本发明提供了以上且参照图1强调的解决压力脉冲问题的方案。通过使由将活塞轴引入到该系统而引起的体积减少量与由SMA线的收缩所引起的体积增加量匹配，而实现该方案。

在这些SMA芯的工作期间，工作流体穿过SMA束。该流体在热流和冷流之间依次交替，并且诱导SMA部件的相变。当受热时，SMA部件收缩，从而提升所连接的活塞，并且由此引起该系统中的体积减小。

通过相对于SMA线设计该活塞，可以实现本发明。在各芯的操作期间，体积有增大和减小。具体地，SMA线的收缩会引起体积增大，而上升的活塞轴会引起体积减小。因此，可以设想一种系统，该系统设计成使得这些正负体积变化彼此抵消，并且因此允许该系统保持恒定的体积。图45示出了这些体积变化。

在一个实施例中，本发明通过设计该活塞使得它的轴具有在活塞冲程的长度中排出SMA的直线收缩和径向收缩的相同组合体积的相同的横截面面积(CSA)而提供了一种匹配这些体积的方法。在图46中示出了该构思，其中，由SMA线所排出的体积(V_w)等于由活塞轴所排出的体积(V_s)。

设计计算

由SMA线经历的收缩由贝氏应变引起。这导致该线沿所有方向收缩。在具有线的情形下，收缩沿直线和径向发生。这在图47中示出，其中该线长度从L减小到l，并且直径从D减小到d。r

为了确定活塞轴的正确直径，应当进行以下程序：

1.确定由SMA直线收缩所引起的体积变化。

a.确定每个单独线的初始横截面面积(CSA)A₁；

A_{1} = \frac{{πD}^{2}}{4}

其中，D等于在收缩前线的直径。

b.计算由线性收缩所排出的体积V₁；

V₁＝A₁(L-l)

2.确定由径向收缩所排出的体积

c.得到径向收缩的横截面面积A₂，其可以被视为在初始时和收缩后该线的横截面面积之差；

A_{2} = \frac{{πD}^{2}}{4} - \frac{{πd}^{2}}{4} = \frac{{πD}^{2} - {πd}^{2}}{4}

其中d等于在收缩后的直径。

d.计算由径向收缩所排出的体积V₂；

V₂＝A₂l

3.确定SMA线的总体体积减小量V_T。

V_T＝(V₁+V₂))N

其中，N是成束的SMA线的数量。

4.基于由SMA线排出的总体体积，来确定所需的活塞轴直径d_s。

\frac{{πd}_{s}^{2}}{4} (L - l) = V_{T}

d_{s} = \sqrt{\frac{4 V_{T}}{π (L - l)}} = 2 \sqrt{\frac{V_{T}}{π (L - l)}}

如可从以上看到的，可以基于SMA线的数量和它们的直径来指定活塞轴的直径。也可以看到，由于该轴的直径是直线和径向收缩二者所排出的体积的函数，并且该轴的有效冲程等于该直线收缩所引起的位移，所以该轴的横截面面积必须大于所组合的SMA线的横截面面积：

\frac{{πd}_{s}^{2}}{4} = A_{s}

A_s＞A₁

应力分析

为了确保新设计的活塞可以承受操作力，必须进行应力分析。该活塞轴必须足够强以将由SMA线收缩所产生的力传送到该传动装置。这是张力，并且因此不得超过SMA或者活塞材料中一者的屈服强度。

在SMA线上的可允许应力是所需疲劳寿命的函数。为此原因，作用在SMA线上的应力会明显小于它的屈服强度。在该部分中所讨论的芯布置中，SMA线和活塞串联连接。由于此，它们都会经历相同的力。事实上，如前所述，活塞轴的横截面面积大于SMA线的总体横截面面积。因此，只要在SMA线中存在的可允许应力不超过该活塞材料的屈服强度，各部件在安全系数内便不会失效。

由材料所经历的应力取决于它的几何形状和施加到该材料上的力。由各线和活塞所经历的应力是这些部件的横截面面积的函数。如上所提到的，由于通过所提出的压力释放方法对该系统的限制，SMA线所具有的横截面面积小于活塞轴的横截面面积。在各线和活塞中产生应力的力是由SMA的收缩(F_w)和传动装置对运动的抵抗(F_R)引起的。这在图48中示出。可以通过以下等式得到几何形状上经历的应力。

σ = \frac{F}{A}

其中，F是力，并且A是面积。

在该芯的操作期间，在功率产生部件上感觉到的力在任何给定时刻都是恒定的。在该系统中的变量是这些部件的横截面面积。如从以上图48中所看到的，活塞头直径可以大于活塞轴的直径以适应SMA线的理想布置。因此，在整个系统中，各线会经历最大的应力，该活塞轴会经历更小的应力，同时由于该活塞头的较大横截面面积，该活塞头会经历最小的应力。此可以以数学方式表示，如下所示。

σ_{w i r e s} = \frac{F}{A_{w i r e s}}

σ_{s h a f t} = \frac{F}{A_{s h a f t}}

σ_{h e a d} = \frac{F}{A_{h e a d}}

A_head＞A_shcft＞A_wires

∴σ_head＜σ_shaft＜σ_wires

摩擦分析

在该芯中的活塞操作会产生阻性摩擦力，其抵抗活塞沿其试图行进的任何方向的运动。该摩擦力在活塞密封件和活塞壳体壁之间的接触时发生。所产生的摩擦力的值与在这些边界之间的接触面积成正比。由于在该文献中公开的布置，如果是自由活塞形式的，则此意味着摩擦力应当减小。

在常规芯布置中，将密封件放置在主活塞头上，其中活塞头具有的直径大于活塞轴的直径。在自由活塞形式中，该密封件放置在轴上，该轴具有较小的周长并且因此具有较小的接触表面。在图49中示出了作用在该芯中的摩擦力F_f的位置。

所需的部件

除了已经存在于该芯(活塞)中的部件之外，在该部分讨论的机构需要以下构件：

1.用于构造部件的原材料

2.机加工

3.密封件——这些密封件位于该活塞的轴处，该活塞的轴会被计算直径，并且因此可能需要采购定制密封件，如图50所示。

优势

该压力释放机构的优势如下：

·不需要附加的部件

·可以减少由于自由活塞布置所导致的摩擦

·实现简单

·使用已经实现的机构和组件

·自由活塞减小了由活塞所引起的总体体积排量(与活塞头相反)

该活塞轴设计的压力释放方法是用于解决压力脉冲问题的可行构思。它允许在由该活塞增加到该系统的附加质量和由SMA收缩所移除的质量之间的体积变化的抵消。该构思可以非常容易地实现，几乎不需要对该芯进行改变。

机械压力释放实施例

在另一实施例中，通过藉由机械连接件来改变活塞外壳(PH)和周围部件的设计，可以解决该压力脉冲问题。合适的改变会允许流体团以确保恒定的体积的方式绕该芯移动，由此消除压力脉冲。

使用机械连结件来操作压力释放机构会解决与其它方法相关联的问题，所述其它方法根据压力脉冲来操作它们。液压压力释放技术导致脉冲在系统中的压力释放机构和其它压力容器之间分担，可以不装配压力释放机构和其它压力容器以处理相对较快的压力波动。通过总是维持各芯中的恒定体积，机械连结压力释放装置不会允许这种情况发生。

在它的最基本实施例中，该压力释放方法包括机械连结到工作活塞的附加活塞。该活塞具有与工作活塞相似的尺寸，并且不同步地进行。允许该压力释放活塞执行与主活塞相反的冲程的建议机构是杠杆，其排量比例是1：1。图51示出了该布置。

可以从以上图51中看到，当该芯加热引起该主活塞上升时，所连结的压力释放活塞以相等的速率下降。此允许由上升的活塞引起的体积减小(V_P)由接收所排出的流体的压力释放活塞抵消。此会导致该芯中存在恒定的体积，并且因此没有压力波动

实施例A——自辅助活塞

自辅助主活塞是活塞外壳设计的另一实施例，其消除了压力脉冲问题。该构思由从主芯贯穿到主活塞下方的液压管线组成，在主活塞下方处，具有一活塞头，该活塞头具有合适的横截面面积(CSA)，其机械地连结到所述主活塞。该布置会导致由上升的活塞引起的体积减小，该体积减小由在其下方引起的等量体积增大而抵消，并且反之亦然。图52示出了该操作，其中允许工作流体在主活塞下方行进。

可以从以上图52中看到：在冷却期间由于主活塞下降，在该主活塞下方的活塞下降，从而允许主芯和在该主活塞下方的区域之间的体积交换。在加热循环中发生其相反的情形，并且因此，该芯应当不经历体积波动。这会导致主活塞的运动的更多自由度，同时允许消除压力脉冲的问题。

总体设计考虑

用于该构思的重要设计考虑是辅活塞。该部件的面表面积必须具有这样的值，即，其使得该部件排放的体积等于主活塞头的体积。此是因为主活塞头和辅活塞头固定到彼此。因此它们具有相同的有效冲程。因此，无论一侧经历什么位移，另一个也必须经历这样的位移。通过考虑多种因素，可以实现借助辅活塞的直径来指定辅活塞的正确面表面积。这通过确定在考虑SMA收缩的效果之后由主活塞头所排放的体积来执行。SMA线会沿轴向和径向均收缩，此会导致系统体积增大。该体积变化会平衡由上升的主活塞引起的体积减小。以下概述用于确定正确辅助活塞尺寸的程序。

由SMA线经历的收缩由贝氏应变引起。此导致该线沿所有方向收缩。在具有线的情形下，收缩沿直线或径向发生。在图53中示出了此，其中该线长度从L减小到l，并且直径从D减小到d。该活塞外壳机构的基本几何形状也在该图中示出。

为了确定活塞轴的正确直径，应当进行以下程序：

1.确定由SMA直线收缩所引起的体积变化。

e.确定每个单独线的初始横截面面积A₁；

A_{1} = \frac{{πD}^{2}}{4}

其中，D等于在收缩前，线的直径。

f.计算由线性收缩所排出的体积V₁；

V₁＝A₁(L-l)

2.确定由径向收缩所排出的体积。

g.得到径向收缩的横截面面积A₂，其可以被视为在收缩前和收缩后该线的横截面面积之差：

A_{2} = \frac{{πD}^{2}}{4} - \frac{{πd}^{2}}{4} = \frac{{πD}^{2} - {πd}^{2}}{4}

其中d等于在收缩后的直径。

h.计算由径向收缩所排出的体积V₂；

V₂＝A₂l

确定SMA线的总体体积减小量V_T。

V_T＝(V₁+V₂)N

其中，N是成束的SMA线的数量。

4.计算由主活塞排出的体积。

a.确定在冲程中排出的体积x_P：

V_{M} = A_{P} x_{P} = \frac{{πd}_{P}^{2}}{4} x_{P}

其中，A_p等于主活塞的面表面面积，而d_P等于主活塞头的直径。

V_N＝V_M-V_T

5.基于每个冲程待排出的所需体积V_A限定合适的辅活塞头的直径。

V_A＝V_N＝A_Ax_p

A_{Λ} = \frac{V_{N}}{x_{P}}

\frac{{πd}_{A}^{2}}{4} = \frac{V_{N}}{x_{P}}

d_{A} = 2 \sqrt{\frac{V_{N}}{x_{P} π}}

其中，A_A等于主活塞的面表面面积，而d_A等于辅活塞头的直径。

构思B——辅助的传动装置

在该文献中讨论的构思可以采取各种不同的实施例。一种此类布置是其中由连接到传动装置的活塞减缓压力脉冲的布置。在图54中示出了该构思。由于该压力脉冲活塞所连接到的传动轴具有单向移动，所以该活塞会需要复位弹簧以将活塞移动回到其初始位置。

如可以从以上附图中看到的，随着芯加热和它的活塞上升，所产生的力通过该传动装置向下推动液压活塞，并且因此使该系统的体积增大合适的量。该操作会导致该芯中存在恒定体积，并且因此，不会产生压力脉冲。随着该芯冷却，发生相反的操作，其中，由于存在复位弹簧，主活塞下降并且液压释放活塞上升，从而再次维持恒定压力。

应当注意的是，当该芯加热时，仅由主活塞作用在液压活塞上。当冷却该芯时，所连接的传动部件(诸如超越齿轮)会靠惯性滑行。此会通过使用复位弹簧允许压力释放活塞返回到其初始位置。从压力释放活塞到传动装置的连接可以认为是对用于主活塞的传动装置的复制，除了它们安装在传动轴的相对侧上并且可以不同地定尺寸外。这会允许沿与主活塞相反的方向将做功传送到压力释放活塞，以满足存在与该芯中的恒定体积。以相同的方式，这允许两个超越齿轮沿相反方向以惯性滑行。以下在图55中示出该布置。

如从以上示意图中可以看到，该传动装置由超越齿轮、凸轮离合器、皮带和两个轴组成。超越齿轮的目的是允许沿一个方向将做功传送到该超越齿轮所配合的轴(当压力脉冲发生时)，并且沿另一方向靠惯性滑行。此导致仅当芯加热时或者当工作活塞上升时传送做功。实现该凸轮离合器以允许来自超越齿轮轴的做功传送到输出轴，而不是以其它方式。此允许多个源为该轴提供动力，而不彼此影响。

如该文献中前面讨论的，每个压力释放活塞的冲程可以通过合适地设计该活塞面而得到改变。施加在该冲程压力释放活塞上的冲程会影响用在输出轴上的所需齿轮尺寸，以允许所需的冲程从具有固定位移的工作活塞进行传送。例如，如果需要该所需的压力释放冲程比工作活塞的动力冲程长，则它所配合的齿轮需要大于连接到所述工作活塞的齿轮。如果压力释放活塞的冲程比主活塞的冲程短，则情况相反。

由于该布置包括连结到该压力释放活塞的工作活塞，所以在系统/工作活塞的动力冲程期间会有做功从该系统/工作活塞流失。操作该压力释放活塞所需的力需要克服复位弹簧的松弛力。因此，为了确定该力，必须限定所需的弹簧。

对于设计该装置而言，必须考虑该活塞面表面积以及该弹簧的刚度和几何形状。已经讨论了如何可以基于活塞的可允许偏移来为压力释放活塞定尺寸。如果该装置待从所述芯伸出，则该可允许偏移量可能由绕芯的可用空间来决定。对于由该芯的几何形状所限制的活塞面尺寸或者标准可用部件，则是相反的情形，在此情形下，以相似方式计算所导致的偏移量。基于这些值，可以为正确地弹簧定尺寸。图56示出了压缩弹簧在其工作时的状态。

如图56可以看到的，该弹簧在不同工作中出现三种状态中的一种，这三种状态为：自由长度、预加载和最大工作加载。该自由长度是在该应用中在开启驱动器之前弹簧未加载时的长度。该安装的长度或者预加载长度是当打开该驱动器时弹簧的长度。此是当该系统达到工作压力(≈2巴)时所观察到的该弹簧所处的状态。最终，在最大工作载荷或者压力脉冲下，该弹簧减小到它的工作长度。该工作长度是这样的长度，即在SMA加热期间主活塞达到其峰值，并且所造成的偏移量达到最大(即由初始2巴引起的连续偏移)。因此，可以推论：除了会缓解压力脉冲的、由附连的传动装置所引起的偏移之外，弹簧的总体偏移必须能够便于由初始2巴压力所引起的偏移。此可以如下以数学方式确定。

使用胡克定律，可以限定所需的弹性系数，该弹性系数可以用以限定允许必须经历所需总体偏移的弹簧。胡克定律可以通过以下等式表达，其中F是力，k是弹性系数，并且x是位移。

F＝-kx

由于弹簧的基本功能是基于它的活塞面表面积来排出特定体积，所以需要确定用于弹性系数(k)的正确值和弹簧尺寸，此会按需进行。此可以通过以下实例来实现。

通过选择具有合适尺寸的现成弹簧开始。此类弹簧的一个实例是如leesprings.com所提供的LHC250U08M压缩弹簧。该弹簧具有相对较高的弹性系数(18.87N/mm)和相对较高的冲程长度(70.8mm)。如以下所示，可以进一步检验该弹簧的合适性。

用于该弹簧的总体有效冲程S_T是70.8mm，然而，可允许的冲程可以更小，因为过度压缩弹簧可损坏弹簧在循环加载情形下的性能。因此，实际有效冲程S_A表达如下：

S_A＝(0.85)S_T

S_A＝(0.85)(70.8)＝60.18mm

下一步骤是确定由2巴(200kPa)的系统压力Pi所引起的初始位移。为了简单起见，在该实例中将忽略由SMA线引起的体积增大。将假定的是，压力释放活塞设计为具有与主活塞相同的活塞头直径，以为其在相同的冲程中排出相同的体积量，使得相同的超越齿轮可以用于两个活塞。该主活塞头的直径可以是60mm。考虑这些系统参数，施加在压力释放活塞上的力F_i可以如下确定，其中，A是压力释放活塞的活塞面面积。

P_{i} - \frac{F_{i}}{A}

F_{i} = P_{i} A = (200, 000) (\frac{π {0.06}^{2}}{4})

F_i＝565.5N

该力现在可以代入到胡克定律，以确定该释放弹簧的初始偏转量x_i：

F_i＝-kx_i

x_{i} = \frac{F_{i}}{k} = \frac{565.5}{10.07} = 29.97 m m

在该实例中，在SMA收缩期间，该主活塞的冲程和因此压力释放活塞的冲程会是30mm。因此，该弹簧经历的总体偏移量x_f是：

x_f＝x_i+x_d＝29.97+30≌60mm

∴x_f＜S_A

因此，可以认为，该弹簧适于该应用，因为它能够在循环范围内经历所需的偏转，同时工作冲程x_f小于有效冲程S_A。

最终步骤是确定将活塞返回到其初始位置所需的复位力F_return。此可以通过再次使用胡克定律来实现。在图57中也示出了该力的位置。

F_i＝-kx_i

F_{r e t u r n} = (18.87) (30) [\frac{N}{m m} . m m]

F_return＝566.1N

因此，对于该应用，压力释放活塞会从主工作活塞的动力冲程中带走566牛顿的力。

体积交换构思

示意性实例

如图58、59和60看到的，该压力释放装置的构造可以需要但是不限于以下构件：

实例A——图58

1.每个芯的辅活塞

2.每个芯的辅活塞密封件

3.用于将芯连接到每个芯的辅活塞的流体管线

4.活塞外壳机加工

实例B——图59

1.每个芯的压力释放活塞

2.每个压力释放活塞的密封件

3.每个芯的将芯连接到活塞的液压管线

4.活塞外壳机加工以允许连接点

5.每个芯的复位弹簧

6.每个芯的附加超越齿轮

实例C——基本杠杆实施例，图60

1.将杠杆臂连接在主活塞和压力释放活塞之间

2.压力释放活塞

3.压力释放活塞密封件

4.活塞外壳机加工或者附加压力释放活塞外壳部件

在该文献中公开的该活塞外壳压力释放机构是解决压力脉冲问题可行的措施。这些构思可以成功地将流体体积重定位到它们的芯的不同区域中。然而，相比于诸如连接相邻芯或者改变活塞轴等其它方案，这些机构可能需要更大量的机加工和部件。

在本说明书中，术语“包括”或者它们的任何变型以及“包含”或者它们的任何变型可以考虑为总体上可互换的，并且可以为它们提供可能的最宽泛的解释，并且反之亦然。

本发明不限于之前描述的实施例，而是可以在构造和细节上有所不同。

Claims

1.一种能量回收装置，包括：

第一SMA芯，所述第一SMA芯容纳在第一浸没腔中并且适用于依次填充流体以允许加热和/或冷却所述第一SMA芯；

第二SMA芯，所述第二SMA芯容纳在第二浸没腔中并且适用于依次填充流体以允许加热和/或冷却所述第二SMA芯；并且

其中，所述第一芯和所述第二芯彼此流体连通，使得在所述能量回收装置中维持基本恒定的压力。

2.如权利要求1所述的能量回收装置，其特征在于，所述第一芯和所述第二芯经由再生换热器进行流体连通。

3.如权利要求1所述的能量回收装置，其特征在于，所述第一芯和所述第二芯经由邻接的活塞或液压管线进行流体连通。

4.如权利要求1所述的能量回收装置，其特征在于，在每个芯中的恒定体积是通过位于所述第一芯和所述第二芯之间的活塞连接而维持的。

5.如权利要求1所述的能量回收装置，其特征在于，所述第一SMA芯或所述第二SMA芯与位于所述腔中的可移动活塞连结，其中，所述活塞构造有轴，所述轴具有在一个膨胀或收缩的长度中排出所述SMA芯的直线和/或径向收缩的相同组合体积的基本相同的横截面面积(CSA)。

6.如权利要求1所述的能量回收装置，其特征在于，所述第一SMA芯或所述第二SMA芯与位于所述腔中的可移动第一活塞连结；第二活塞适于以与所述第一活塞不同步的方式操作。

7.如权利要求1所述的能量回收装置，其特征在于，所述第一浸没腔或所述第二浸没腔构造有附加腔，所述附加腔包括诸如弹簧的偏置装置，其中，当所述SMA芯在所述腔中伸展时，所述偏置装置允许流体流入所述附加腔中。

8.如权利要求7所述的能量回收装置，其特征在于，所述偏置装置包括液压活塞。

9.一种能量回收装置，包括：

SMA芯，所述SMA芯容纳在浸没腔中并且适用于依次填充流体以允许加热和/或冷却所述SMA芯；并且

所述浸没腔构造有附加腔，所述附加腔包括诸如弹簧的偏置装置，其中，在所述SMA芯在所述腔中伸展时，所述偏置装置允许流体流入所述附加腔中。

10.如权利要求9所述的能量回收装置，其特征在于，所述偏置装置包括液压活塞。