CN106958515A - 一种基于形状记忆合金驱动的热机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于形状记忆合金驱动的热机，包括驱动机构与传动机构，驱动机构包括中空的阀腔，阀腔内设置活塞，活塞上固定推动杆，推动杆穿过阀腔的端盖并与端盖滑动配合；推动杆由位于阀腔内的形状记忆合金驱动件驱动，阀腔壁上设置用于使所述记忆合金驱动件发生形变的进热孔与进冷孔；传动机构包括齿轮与传动轴，齿轮与齿条啮合，齿条与前述推动杆连接，齿条与齿轮配合，齿轮与传动轴为同轴。该热机能够将热能转化为有用功，有利于环保。

Description

一种基于形状记忆合金驱动的热机

技术领域

本发明属于动力机械技术领域，尤其是设计一种利用形状记忆合金将热能转化为机械能的驱动热机。

背景技术

热能作为诸多可再生能源中最常见的一种，现实中大规模应用较困难且效率低，尤其是对于小型生物质能发电产生的热能以及太阳热能的利用，由于难以回收，在生产中多是将大量工业余热直接排空，而这些余热绝大多数是在200℃以下。例如：建材行业中高温烟气的余热，机械行业中高温产品和炉渣的余热，化工行业中的化学反应热，再有就是为了保护高温生产设备或满足工艺流程冷却要求，空气、水和油等冷却介质带走的余热等等；特别是内燃机的燃料能量中，一般只有40%左右被转化为有用功，另外的60%能量均以热能的形式耗散掉，而且在耗散掉的热能当中有90%属于低温热能。

可见，工业余热资源非常丰富，广泛存在于各行业的生产过程中，而目前我国能源利用却仍然存在着利用效率低、经济效益较差以及生态环境压力大等问题，这无疑与 “十三五”规划明确提出的节能减排政策要求相悖。

正是出于此，本发明研究一种形状记忆合金热机，通过热循环系统可以有效地利用各种低温余热，将热能转化为有用功，实现节能减排。

发明内容

本发明旨在提供一种充分利用各种生产、天然热源，通过形状记忆合金的材质特点将热能转化为机械能进行利用。

本发明采用的技术方案是：

基于形状记忆合金驱动的热机，包括驱动机构与传动机构，驱动机构包括中空的阀腔，阀腔内设置活塞，活塞上固定推动杆，推动杆穿过阀腔的端盖并与端盖滑动配合；推动杆由位于阀腔内的形状记忆合金驱动件驱动，阀腔壁上设置用于使所述记忆合金驱动件发生形变的进热孔与进冷孔；传动机构包括齿轮与传动轴，齿轮与齿条啮合，齿条与前述推动杆连接，齿条与齿轮配合，齿轮与传动轴为同轴。

优选的，所述形状记忆合金驱动件为驱动推动杆的弹簧，进一步的为SMA弹簧，弹簧的一端固定到阀腔内壁、另一端则固定到推动杆；优选的，弹簧为套在推动杆外。

优选的，驱动机构的具体结构：活塞两侧分别为第一推动杆与第二推动杆，第一推动杆与第二推动杆上还分别固定与阀腔内壁滑动配合的第一滑动阀与第二滑动阀，第一滑动阀与第二滑动阀上分别设置轴向的第一贯通孔与第二贯通孔，第一滑动阀与活塞之间形成第一空腔，第二滑动阀与活塞之间形成第二空腔；阀腔壁上设置第一进热孔、第二进热孔与进冷孔，阀腔的两端盖上分别设置第一排出孔与第二排出孔。

进一步的，第一推动杆外套有第一弹簧，第二推动杆外套有第二弹簧。

基于上述结构，作为优选，第一进热孔、第二进热孔与进冷孔，三者之间的距离满足：第一滑动阀、活塞与第二滑动阀沿阀腔内壁滑动过程中，实现第一进热孔与第一空腔连通的同时，进冷孔与第二空腔连通且第二进热孔被第二滑动阀封闭；并且，实现进冷孔与第一空腔连通的同时，第二进热孔与第二空腔连通且第一进热孔被第一滑动阀封闭。

根据以上所述的热机，第一推动杆与第二推动杆，至少有一个向外穿过阀腔端部。

所述齿轮与传动轴之间为单向轴承配合，传动轴通过双向轴承固定到轴承座，传动轴端部固定有飞轮。

优选的，传动轴两端各设置一飞轮，飞轮内侧分别设置一个齿轮，两个齿轮直径相同且与同一齿条啮合。

通过进热孔与进冷孔向阀腔内注入热源或冷源，使形状记忆合金在温度变化作用下发生形变，驱动推动杆循环运动，推动杆则通过齿条带动齿轮转动，齿轮再带动传动轴，最后传动轴带动飞轮转动，将能量转化为机械能。

采用上述技术方案的本发明的热机，具有以下有益效果：能够充分利用生产或天然余热，通过热机的循环系统将热能转化为有用功，既能有效地减少能源的浪费，又可以降低能源成本，有利于市场推广。而且本发明的热机，记忆合金（SMA）弹簧反应灵敏、温度范围广，再加上装置结构经济合理、安装方便、动作迅速、转化速度快，有利于保证广泛适用。

附图说明

图1为本发明的基于形状记忆合金驱动的热机实施例整体组成示意图；

图2为图1中驱动机构的结构示意图；

图3为图2中的滑动阀的截面结构示意图；

图4为图1中传动机构的结构示意图；

图5为图2的另一状态示意图。

附图中涉及到的标记说明：

驱动机构1，推动杆10，第一推动杆101，第二推动杆102，阀腔11，齿条100，第一进热孔111，进冷孔112，第二进热孔113，第一滑动阀12，第一贯通孔120，第一空腔121，第二滑动阀13，第二贯通孔130，第二空腔131，活塞14，第一端盖15，第一排废口150，第二端盖16，第二排废口160，第一弹簧17，第二弹簧18；

传动机构2，传动轴201，齿轮202，飞轮203，单向轴承204，双向轴承205，轴承座206，第二传动组300。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明的技术方案和工作原理进行详细说明。

如图1所示，基于形状记忆合金驱动的热机，包括驱动机构1与传动机构2，驱动机构1通过推动杆10带动齿条100进行往复运动，从而，齿条100带动传动机构2的传动轴201进行转动。

如图2所示，驱动机构1包括一个中空的阀腔11，阀腔1内设置沿阀腔11内壁左右滑动的活塞14，活塞14上固定推动杆，具体的是：活塞14左右分别设置第一推动杆101与第二推动杆102，其中第二推动杆102穿出阀腔1的右端盖即第二端盖16外并与第二端盖16滑动配合。当然，实际中第一推动杆101也可以与第二推动杆102同时为穿出端盖的结构，以驱动更多齿条，其具体实现方式与以下将述一致，此处就不再赘述。

第一推动杆101上固定有第一滑动阀12，第一滑动阀12上设置第一贯通孔120，第一滑动阀12与活塞14以及阀腔11的内壁形成第一空腔121；第一推动杆101外套有第一弹簧17，第一弹簧17的一端固定到阀腔11内壁、另一端固定到第一推动杆101外壁。所述弹簧优选为SMA弹簧。

第二推动杆102上固定有第二滑动阀13，第二滑动阀13上设置第二贯通孔130，第二滑动阀13与活塞14以及阀腔11的内壁形成第二空腔131；第二推动杆102外套有第二弹簧18，第二弹簧18的一端固定到阀腔11内壁、另一端固定到第二推动杆102外壁。

如图3所示，以第一滑动阀12截面为例，第一滑动阀12上设置第一贯通孔120，且贯通孔数量不限；第二滑动阀13的结构与第一滑动阀12一致。

重新回到图2，阀腔11的外壁，分别设置：与第一滑动阀12、第一空腔121对应的第一进热孔111，与第二滑动阀13、第二空腔131对应的第二进热孔113，第一进热孔111与第二进热孔113之间设置有进冷孔112。

第一进热孔111与第二进热孔113用于与热源接通，进冷孔112用于与冷源接通，所述热源与冷源既可以为液体源也可以为气体源。

第一进热孔111、进冷孔112与第二进热孔113之间的距离须同时满足两个状态：

(1)第一滑动阀12、活塞14与第二滑动阀13沿阀腔11内壁滑动过程中，实现第一进热孔111与第一空腔121连通的同时，进冷孔112与第二空腔131连通且第二进热孔113被第二滑动阀封闭；

(2)第一滑动阀12、活塞14与第二滑动阀13沿阀腔11内壁滑动过程中，实现进冷孔112与第一空腔121连通的同时，第二进热孔113与第二空腔131连通且第一进热孔111被第一滑动阀12封闭。

第一端盖15设置第一排废孔150，第二端盖16设置第二排废孔160；第一排废孔150用于与第一空腔121、第一贯通孔120配合工作；第二排废孔160用于与第二空腔131、第二贯通孔130配合工作。

如图4并结合图1、图2所示，传动机构2的传动轴201与第二推动杆102为垂直，传动轴201上通过单向轴承204设置齿轮202，齿轮202与齿条100啮合；传动轴201还通过双向轴承205固定到轴承座206上，而传动轴201的端部则固定有飞轮203。

首先说明驱动机构1与传动机构2之间的配合方式：第二推动杆102进行左右往复运动，从而齿条100带动齿轮202转动，由于齿轮202与传动轴201之间由单向轴承204连接，因此即使第二推动杆102左右往复运动且齿轮202也随之双向转动，但传动轴201只会按单一方向转动，而传动轴201又是由双向轴承205固定到轴承座206，因此飞轮203也是单向转动。

具体说明驱动机构1的内部工作方式，当驱动机构1以图2中所示的各个部件位置开始工作，且热源为热气，冷源为冷气：

当热气从第一进热孔111进入阀腔11，进一步的说也就是进入第一空腔121，此时第二进热孔113被第二滑动阀13封闭，而进冷孔112与第二空腔131连通；热气通过第一贯通孔120向左进入第一推动杆101所处位置，在热气作用下，由于材质是记忆合金（SMA），第一弹簧17开始发生相变，由原来的马氏体渐渐向奥氏体转变，第一弹簧17会带动第一推动杆101运动，而同时，从进冷孔112输入冷气，冷气通过第二贯通孔130进入第二推动杆102及第二弹簧18所处位置，第二弹簧18受冷刚度系数变小，因此第一弹簧17与第二弹簧18发生相反形变，从而带动第一推动杆101与第二推动杆102进而活塞14向右滑动，从而第二推动杆18将运动传递给齿条100。

如图5所示，经过一段距离后，第一滑动阀12将第一进热孔111封闭，而第二进热孔113则与第二空腔131连通，并且进冷孔112与第一空腔121连通；此时向第二进热孔113输入热气，向进冷孔输入冷气，则第一弹簧17受冷的同时第二弹簧18受热，从而带动第一推动杆101与第二推动杆102做反向滑动，从而第二推动杆102带动齿条返回。

由于是齿轮202与传动轴201为单向轴承配合，所以在返回的时候，传动轴不会转动。

对弹簧作用后的热气与冷气分别通过第一排废孔150与第二排废孔160排出。

为了提高热机的工作效率，可以沿同一传动轴201对称的再设置一组由齿轮、单向轴承、双向轴承与飞轮组成的第二传动组300，其中两个齿轮均由同一齿条驱动，这样当推动杆作往复运动时，都可以驱动传动轴转动；也可以如前所述，第一推动杆101也穿出第一端盖15驱动齿条，从而也可以实现推动杆往复运动时都有传动轴在转动。

综上所述，该热机有效利用热量尤其是工业生产中产生的废水和废气能量，通过热循环系统将部分热能转化为有用功，提高了能源的利用率，有利于环保。

Claims (9)

1.一种基于形状记忆合金驱动的热机，包括驱动机构与传动机构，其特征在于，

所述驱动机构包括中空的阀腔，阀腔内设置活塞，活塞上固定推动杆，推动杆穿过阀腔的端盖并与端盖滑动配合；

所述推动杆由位于阀腔内的形状记忆合金驱动件驱动，阀腔壁上设置用于使所述记忆合金驱动件发生形变的进热孔与进冷孔；

所述传动机构包括齿轮与传动轴，齿轮与齿条啮合，齿条与前述推动杆连接，齿条与齿轮配合，齿轮与传动轴为同轴。

2.根据权利要求1所述的热机，其特征在于，所述形状记忆合金驱动件为驱动推动杆的弹簧。

3.根据权利要求2所述的热机，其特征在于，所述形状记忆合金驱动件为SMA弹簧，弹簧一端固定到阀腔内壁、另一端固定到推动杆。

4.根据权利要求1或3所述的热机，其特征在于，

所述活塞两侧分别为第一推动杆与第二推动杆，第一推动杆与第二推动杆上还分别固定与阀腔内壁滑动配合的第一滑动阀与第二滑动阀，第一滑动阀与第二滑动阀上分别设置轴向的第一贯通孔与第二贯通孔，第一滑动阀与活塞之间形成第一空腔，第二滑动阀与活塞之间形成第二空腔；

阀腔壁上设置第一进热孔、第二进热孔与进冷孔，阀腔的两端盖上分别设置第一排出孔与第二排出孔。

5.根据权利要求4所述的热机，其特征在于，第一推动杆外罩有第一弹簧，第二推动杆外罩有第二弹簧。

6.根据权利要求4所述的热机，其特征在于，所述第一进热孔、第二进热孔与进冷孔，三者之间的距离满足：第一滑动阀、活塞与第二滑动阀沿阀腔内壁滑动过程中，

实现第一进热孔与第一空腔连通的同时，进冷孔与第二空腔连通且第二进热孔被第二滑动阀封闭；

并且，实现进冷孔与第一空腔连通的同时，第二进热孔与第二空腔连通且第一进热孔被第一滑动阀封闭。

7.根据权利要求4所述的热机，其特征在于，所述第一推动杆与第二推动杆，至少有一个向外穿过阀腔端部。

8.根据权利要求1所述的热机，其特征在于，所述齿轮与传动轴之间为单向轴承配合，传动轴通过双向轴承固定到轴承座，传动轴端部固定有飞轮。

9.根据权利要求8所述的热机，其特征在于：传动轴两端各设置一飞轮，飞轮内侧分别设置一个齿轮，两个齿轮直径相同且与同一齿条啮合。