CN2031844U - 利用温差使材料变形作功的内能机 - Google Patents

Abstract

一种动力机械领域。它通过形状记忆合金材料，如镍钛合金等的反复被冷却、加热，利用其形状记忆效应在变形受阻时所释放出很大的内能来压缩液体，使之形成高速液体流束，并与有关动力、加工设备配套来输出动力或带动发电以及进行打孔、切割、冲压等项加工。作功后的液体所产生的蒸气可以通过冷凝器被净化或淡化。其加热的热源可利用低温余热。

Description

本发明涉及一种动力机械领域。

多年来，世界各国科学家提出了各种利用某些材料温差形状记忆效应产生自然机械变形进行作功的热能机方案。其结构和原理大同小异，即将“U”形镍钛合金丝周期性的先后浸入冷、热水槽中，并将其在水中收缩和伸张变形产生的往复运动转换成旋转运动。其中最有代表性的是1973年美国班克斯等人研制的一种镍钛合金热能机。它显示出生命力，但工作效率低，通常不超过4％到6％（见冶金工业出版社出版的“特殊的金属”一书第101页至第103页）。

本发明任务是为挖掘能源，采用一种新型结构，以提高现有热能机的工作效率，提出以少量热能去“诱发”并利用材料形状记忆效应所释放出的很大的内能来压缩液体作功的一种新型动力机－－内能机。

上述发明任务是通过如下方案完成的。

本发明所提出的内能机采用形状记忆合金材料为主要元件，其特征在于它主要是由液缸［3］，活塞［6］，形状记忆合金管或棒［4］，助力弹簧［15］，工质压缩容器（漏斗）［21］，喷咀［11］，以及液池［25］，冷凝器［9］，调压阀［10］，单向阀［16］、［18］，加热泵［13］，冷却泵［1］，液泵［20］，壳体［28］组成，形状记忆合金管或棒［4］置于液缸［3］内活塞［6］顶部和液缸顶部之间，对形状记忆合金管或棒［4］进行周期性加热和冷却的进液口［14］通过加热泵［13］和冷却泵［1］分别与液池［25］和冷却液源相通，出液口［2］与外界相通，助力弹簧［15］置于液缸内活塞［6］之下，工质压缩容器［21］上装有喷咀［11］和进液单向阀［16］，液池［25］内的液体通过液泵［20］经单向阀［16］泵入工质压缩容器［21］内，液泵［20］与单向阀［16］之间装有控制工质压缩容器（漏斗）［21］内液体压力的单向阀［18］，并与液池［25］相通。

此外还有以下几个特征：

内能机上的形状记忆合金管或棒［4］采用螺旋弹簧或三根（包括三根）以上直杆结构。

内能机上的工质压缩容器［21］采用漏斗结构，漏斗的尖端装有喷咀［11］，喷咀［11］上装有控制工作压力和流速的调压阀［10］。

对内能机上的形状记忆合金管或棒［4］进行周期性加热和冷却的液泵［1］、［13］、［20］通过电器控制部分［24］控制。

内能机上的密封壳体［28］上装有对作功后的液态工质所产生的蒸气进行冷凝净化的冷凝器［9］。

本发明所提供的内能机，是把在一定温差范围内可产生形状变化的材料如镍钛合金材料［4］置于液缸［3］顶端和活塞［6］之间，形状记忆合金材料可以做成螺旋弹簧管或棒，也可采用具有其它形状的管或棒，形状记忆合金管或棒一端与液缸［3］顶端固定，另一端与液缸内的活塞［6］固定，也可自由放置在其内。活塞可以采用平顶或尖顶结构。活塞［6］和活塞环［7］将不可压缩液体如水密封在液缸［3］和工质压缩容器［21］内，该容器采用漏斗形，其尖端装有可与工质液体连通的调压阀［10］及喷咀［11］。电器部分［24］按一定要求去控制冷却泵［1］，加热泵［13］及液泵［20］进行工作。液泵［20］之后装有可与工质压缩容器［21］侧相连通的进液单向阀［16］和可与液池［25］相连通的回液单向阀［18］，作功后的液体蒸气可以进入冷凝器［9］中。本发明所提供的内能机工作过程是对形状记忆合金材料（即管或棒）进行周期性加热和冷却后，使形状记忆合金管或棒发生形变，从而推动活塞在液缸内往复运动，当活塞下行时压缩液缸［3］和工质压缩容器［21］内的不可压缩液体通过其安装的喷咀喷射出高速液流对外作功。对形状记忆合金材料周期性加热和冷却的加热泵［13］、冷却泵［1］以及对工质压缩容器［21］充液的液泵［20］通过电器控制部份［24］按工作要求进行控制。

本发明具有多种实用功能，它与冲击式水轮机［12］配套使用，可以输出动力并带动发电机发电；当其喷射出的高速液体的流速大到一定程度时，可以直接进行切割或打孔加工；当其与柔性压头配套使用时，可以进行冲压加工；作功后的工质液体蒸气通过冷却水管［8］的冷却后，在冷凝器［9］中得以冷凝净化或淡化，这对浊水和海水尤其有意义。

本发明具有以下优点：

其1：热效率高。以镍钛合金材料为例，使其变形作功的转变温度只需几十度，甚至几度，而其变形弹力最大可达每平方厘米8.5吨之巨（见冶金工业出版社出版的“特殊的金属”一书第100页）。由于本发明所采用的结构高效地利用了这种弹力，所以就输出与输入比而言，它不仅比依靠形状记忆合金材料在水中自然机械变形作功的班克斯发动机热效率要高得多，而且比依赖燃料燃烧的部分热值作功的内燃机，蒸气机等也要高。

其2，对低温废热利用率高。据统计，即使在发达工业国，低温废热也要占工厂消耗总能量的三分之二以上。这样的工业废水，如发电厂、冶金厂、化工厂，核反应堆的冷却水，还有地热水、表面海水（与深层海水温差可达20℃）等均可利用，为其它动机械所不及。

其3，结构简单，制造成本低。

其4，镍钛合金材料工作寿命较长。若应变不超过一定范围，一般工作几十万次也不会出现疲劳、蠕变或挠曲现象（见冶金工业出版社出版的“特殊的金属”一书第91页）。

该机的工作效率除与自身结构和所用形状记忆合金材料参数有关外，与冷热变化的周期长短有关，温差越大，越可缩短冷热变化的周期，从而提高其工作效率。

附图说明：

图1为采用镍钛合金弹簧管、工质压缩容器采用漏斗形式的内能机的结构示意图。

图2与图4为镍钛合金弹簧管［4］在图1结构中进行工作时，其全冷态与全热态的双向记忆形状。

图3为图2的俯视图。

图5为图4的俯视图。

图6与8为可取代图1结构中镍钛合金弹簧管［4］的镍钛合金圆管在工作时，其全冷态和全热态时的双向记忆形状。

图7为图6沿A－A向剖视图。

图9为图8沿B－B向的剖视图。

图10为采用尖顶活塞和镍钛合金弹簧的内能机的结构示意图。

图11和图13为镍钛合金弹簧在图10结构中进行工作时其全冷态和全热态的双向记忆形状。

图12为图11的俯视图。

图14为图13的俯视图。

图15和图17为可取代图10结构中镍钛合金弹簧的镍钛合金圆棒在工作时其全冷态和全热态的双向记忆形状。

图16为图15中A－A向的剖面俯视图。

图18为图17中B－B向的剖面俯视图。

图中［1］为冷却液泵，［2］为出液口，［3］为液缸，［4］为镍钛合金管（棒），［5］为固定夹，［6］为活塞，［7］为活塞环，［8］为冷却液管，［9］为冷凝器，［10］为调压阀，［11］为喷咀，［12］为冲击式水轮机或配套设备，［13］为加热液泵，［14］为进液口，［15］为助力弹簧，［16］为单向向阀，［17］为工质液体进口，［18］为单向阀，［19］、［22］为滤网，［20］为工质液泵，［21］为工质压缩容器（漏斗）［23］为液体回收管，［24］为电器控制部分，［25］液池，［26］为液体补充管，［27］为保温加热装置，［28］为密封壳体。

为了详细叙述实施上述技术方案，以下介绍其中的几个实施例。

实施例1

结合图1、图2、图3、图4、图5介绍如下：根据工作温度、压力等的要求，选择好镍钛合金弹簧管［4］的变形参数和全冷、全热态的双向记忆形状，并将其置于液缸［3］顶部和活塞［6］之间，可采用固定夹［5］将镍钛合金弹簧管［4］上下端分别固定在液缸［3］顶部和活塞上，或自由放置。当冷却液泵［1］通过进液口［14］将冷却液体泵入镍钛合金弹簧管［4］内，并从出液口［2］排出进行冷却到转变温度时，镍钛合金弹簧管［4］便呈现变软，并收缩弯曲的特性。与此同时，液泵［20］通过液体进口［17］和进液单向阀［16］将经过滤网［19］的工质液体泵进漏斗［21］和液缸［3］的下部空间。这时，活塞［6］不仅受受到镍钛合金弹簧管［4］的收缩弯曲力，而且在活塞环［7］的密封作用下受到液体向上的浮力和压力以及助力弹簧［15］的弹力，使活塞［6］运行到上止点，镍钛合金弹簧管［4］的进液口［14］直管部份便沿圆形液缸［3］顶盖孔上升，其整体形状处于图2的全冷态，即弹簧管处于弯曲状态。在上述工作过程中，如果活塞［6］上部的镍钛合金弹簧管［4］收缩变形较慢，而活塞［6］下面工质液体的压力增加过快，则单向阀［18］中的圆球便会在一定压力下自动开启，使工质液体返回液池［25］，以免继续增压。待镍钛合金弹簧管［4］的收缩变形速度适应了活塞［6］下面受力状况以后，单向阀便自动关闭，使工质液体又通过单向阀［16］被泵入漏斗［21］之内。这种调节的目的是使之同步工作。其后，当镍钛合金弹簧管［4］被推到液缸［3］的顶部上止点时，电器控制部分［24］控制冷却液泵［1］和工质液泵［20］立即停止工作，并接通加热液泵［13］，让热液体迅速地经镍钛合金弹簧管［4］的进液口［14］和出液口［2］不断的对其加热，利用其受热达到转变温度时将变硬伸张的特性和形状记忆效应，使之在伸张变形受阻时产生很大的内能去推动活塞［6］下行，并压缩不可压缩的工质液体。当工质液体的压力达到一定程度后，它便推开根据需要予先调定的调压阀［10］中的圆球，通过喷咀［11］形成高速液体流束喷射而出，直到活塞［6］到达下止点完成一个工作循环为止，这时，镍钛合金弹簧管［4］呈现出图4所示的全热态形状。然后，电器控制部分［24］切断加热液泵［13］，接通冷却却液泵［1］和工质液泵［20］，又开始下一个工作循环。高速液体流束与冲击式水轮机或配套设备［12］相匹配，便可间接或直接作功，由于工质液体喷射压力较大，作功生热形成大量工质蒸气。它可通过排气扇等设备吸进冷凝器［9］中，并在冷却液管［8］的冷却下得以冷凝净化或淡化。

对于冷却液管［8］、液体回收管［23］、液体补充管［26］的液流可设泵由电器控制部分［24］一并控制，也可靠位差自然流动；作功后的工质液体通过滤网［22］和液体回收管［23］回收到液池［25］中去；用过的加热液体，冷却液体回收与否可酌定；液池［25］中的液体存有量要保证本发明正常工作所需，不足时应从液体补充管［26］自动补充。

实施例2

图6、图7、图8、图9所给出的结构为本发明方案的另一个实施例。它与实施例1不同之处在于内能机的关键部件形状记忆合金管［4］采用形状记忆镍钛合金直管取代实施例1中的镍钛合金弹簧管。这种镍钛合金管应在三根以上并在液缸内均布与液缸中心处所设的进液管相通，使通过进液管进入的液体能及时而且均匀地对各镍钛合金管加热和冷却。其它结构及工作原理、工作过程与实施例1相同。

实施例3

图10、图11、图12、图13、图14为本发明方案的另一个实施例。其结构特征是形状记忆合金管［4］被镍钛合金弹簧取代、活塞［6］采用圆锥尖顶活塞。其所以将活塞做成圆锥尖顶状，目的是使冷却或加热液体能够尽可能均匀地向圆周方向散开，故进液口［14］的中心线应与圆锥状尖顶对正。图11、图12、图13、图14是以镍钛合金为材料的形状记忆合金弹簧在工作时全冷态和全热态的记忆形状。其工作原理和工作过程与实施例1中所给出的结构基本相同。

图15、图16、图17、图18为本发明方案中一种采用尖顶活塞和镍钛合金棒所构成的一种内能机。液体通过进液口周期性地对在液缸内使活塞受力均布的镍钛合金棒加热、冷却，使镍钛合金棒周期变形推动活塞在液缸内往复运动，从而压缩工质压缩容器中的液体通过喷咀对外作功。此结构内能机的工作原理及工作过程与实施例3相同。

总之本发明方案的实施例不止上述几种，在上述实施例中，如镍钛合金弹簧管（棒）［4］的直径为d₁，镍钛合金圆管（棒）［4］的直径为d₂，液缸［3］的内径为D，则一般－ (d₂)/(D) ＝ 1/4 ～ 1/20 ， (d₂)/(D) ＝ 1/15 ～ 1/100 ，后者受其根数影响较大，根数越多、则其直径应越小。

本发明对形状记忆合金材料［4］的冷却和加热，除采用液体外，还可采用各种适宜的冷却和加热形式。它所产生的液体工作压力大小可根据工作需要选定，其值可达几公斤／毫米²到数百公斤／毫米²以上不等，它主要是受结构形式、缸径、形状记忆合金材料的性能，直径和根数以及温差变化的幅度和速率，调压阀［10］的开启启压力、喷咀［11］的断面积等参数的影响。一般说来，其结构形式合理、缸径较大、形状记忆合金材料的性能好而直径大且根数多，温差变化的幅度和速率较大、调压阀［10］的开启压力较大。而喷咀的断面较小，则工质液体的工作压力较大，反之，则工质液体的压力较小。然而，上数参数需匹配选择合理才能正常工作。

如上所述，本发明可提供的内能机周而复始地运行所得到的是非连续性高速液体流束。如需高速液体流束连续或重叠，只要将若干个这样的单缸机按其喷射方向与某圆周相切进行排列，或采用多缸机形式，将其各缸的喷射时间差加以调整即可实现。对已定形的内能机，其液体喷射压力和流束的几何形状可通过调压阀［10］和喷咀［11］在一定范围内加以调整来改变。

Claims (5)

1、一种采用形状记忆合金材料为主要元件的内能机，其特征在于主要是由液缸[3]、活塞[6]、形状记忆合金管或棒[4]，助力弹簧[15]，工质压缩容器(漏斗)[21]，喷咀[11]，以及液池[25]，冷凝器[9]，调压阀[10]，单向阀[16]、[18]，加热液泵[13]，冷却液泵[1]，壳体[28]组成，形状记忆合金管或棒[4]置于液缸[3]内的活塞[6]顶部和液缸顶部之间，对形状记忆合金管或棒[4]进行周期性加热和冷却的进液口[14]通过加热泵[13]和冷却泵[1]分别与液池[25]和冷却液源相通，出液口[2]与外界相通，助力弹簧[15]置于液缸[3]内活塞[6]之下，工质压缩容器(漏斗)[21]上装有喷咀[11]和进液单向阀[16]，液池[25]内的液体通过液泵[20]经单向阀[16]泵入工质压缩容器(漏斗)[21]内，液泵[20]与单向阀[16]之间装有控制工质压缩容器[21]液体压力的回液单向阀[18]，并与液池[25]相通。

2、根据权利要求1所述的一种采用形状记忆合金材料为主要元件的内能机，其特征在于形状记忆合金管或棒［4］采用螺旋弹簧或三根（包括三根）以上直杆结构。

3、根据权利要求1所述的一种采用形状记忆合金材料为主要元件的内能机，其特征在于液体压缩容器［21］采用漏斗结构，漏斗的尖端装有喷咀［11］，喷咀上装有控制工作压力和流速的调压阀［10］。

4、根据权利要求1所述的一种采用形状记忆合金材料为主要元件的内能机，其特征在于形状记忆合金管或棒［4］进行周期性加热和冷却的液泵［1］、［13］［20］通过电器控制部分［24］控制。

5、根据权利要求1所述的一种采用形状记忆材料为主要元件的内能机，其特征在于在密封壳体［28］上装有对作功后的液态工质所产生的蒸气进行冷凝净化或淡化的冷凝器［9］。

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