起动热机的方法

专利名称：起动热机的方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种起动热机的方法。
背景技术：
热能是能量的一种形式，由物体、区域和/或流体之间的温度差产生。例如，系统 的主要区域可具有比系统的次要区域相对更高的温度，因此提供了热能来源。另外，这种热 能可以转变为其他形式的能量，例如机械能或电能。

发明内容
一种起动热机的方法，该方法包括把热机的元件暴露给热能源。该热能源由具有 第一温度的热源和具有比第一温度低的第二温度的热沉之间的温度差提供。该元件由第一 形状记忆合金形成，该第一形状记忆合金具有响应于热源和热沉之间的温度差在第一相变 温度时在奥氏体和马氏体之间可变的结晶相。该方法还包括改变第一形状记忆合金的结晶 相以把热能转变为机械能，以及在所期待的运行方向上引发元件的初始运动从而起动所述 热机。在一个变型中，该元件由连续环形成，把元件暴露给热能源的步骤包括把隔离器 从第一位置设置到第二位置。该隔离器被构造为把元件与热源分隔开，并在第一位置被设 置在元件和热源之间。该隔离器在第二位置不被设置在元件和热源之间。该方法还包括， 第一形状记忆合金的结晶相从马氏体到奥氏体的变化响应于热源引起第一形状记忆合金 在局部区域的尺寸收缩，第一形状记忆合金的结晶相从奥氏体到马氏体的变化响应于热沉 引起第一形状记忆合金在局部区域的尺寸膨胀，两者交替进行，从而把热能转变为机械能。 该方法还包括，通过激活被构造为用于脚踏起动热机的起动机构而在所期待的运行方向上 引发元件的初始运动，从而起动热机。在另一个变型中，该方法包括把所述元件设置为与热源具有不足发生第一形状记 忆合金的结晶相变的热关系，以停止所述元件在所期待的运行方向上的运动，从而停止所 述热机。该方法使热机能够有效地起动。特别地，该方法提供了热机的脚踏起动功能，这在 热机不使用时间段之后或暂时熄火之后是有用的。通过如下结合附图详细描述的实施本发明的最佳模式，本发明的上述特征和优点 以及其他特征和优点将变得明显。本发明还提供了如下技术方案1、一种起动热机的方法，该方法包括
把热机的元件暴露给热能源，该热能源由具有第一温度的热源和具有比第一温度 低的第二温度的热沉之间的温度差提供，其中该元件由第一形状记忆合金形成，该第一形 状记忆合金具有响应于热源和热沉之间的温度差在第一相变温度时在奥氏体和马氏体之 间可变化的结晶相；改变第一形状记忆合金的结晶相从而把热能转变为机械能；以及在所期待的运行方向上引发元件的初始运动从而起动所述热机。2、如方案1所述的方法，其中，结晶相从马氏体到奥氏体的变化响应于热源使第 一形状记忆合金在局部区域尺寸收缩。3、如方案2所述的方法，其中，结晶相从奥氏体到马氏体的变化响应于热沉使第 一形状记忆合金在局部区域尺寸膨胀。4、如方案3所述的方法，其中，第一形状记忆合金响应于热源在局部区域尺寸收 缩和响应于热沉在局部区域尺寸膨胀交替进行，从而把热能转变为机械能。5、如方案1所述的方法，其中，所述引发步骤包括激活被构造用于脚踏起动热机 的起动机构。6、如方案5所述的方法，其中，所述引发步骤包括热激活具有第二相变温度的构 件，该第二相变温度低于第一相变温度。7、如方案5所述的方法，其中，所述引发步骤包括引导流体流经所述元件从而改 变所述元件的温度。8、如方案5所述的方法，其中，所述引发步骤包括向所述热机传送动能。9、如方案5所述的方法，其中，所述引发步骤包括把电能转变为动能。10、如方案5所述的方法，其中，所述引发步骤包括不对称地操作热机。11、如方案10所述的方法，其中，所述操作步骤包括使所述元件沿着多个滑轮移 动，其中所述元件被构造为连续环，所述滑轮被构造为支撑所述元件。12、如方案11所述的方法，其中，第一形状记忆合金响应于热源在局部区域尺寸 收缩，响应于热沉在另一个局部区域尺寸膨胀，两者交替进行，从而把热能转变为机械能。13、如方案1所述的方法，其中，所述暴露步骤包括解锁锁止器，该锁止器被构造 为把所述元件设置为与热源具有不足以使第一形状记忆合金的结晶相发生变化的不充分 的热力关系。14、如方案1所述的方法，其中，所述暴露步骤包括把隔离器从第一位置设置到第 二位置，其中该隔离器在第一位置被设置在元件和热源之间，从而把元件与热源分隔开，其 中该隔离器在第二位置不被设置在元件和热源之间，从而把元件暴露给热源。15、如方案1所述的方法，其中，所述改变步骤包括在所期待的运行方向上运行所 述热机。16、如方案15所述的方法，其中，所述引发步骤包括防止热机在非期待的运行方 向上运行。17、一种起动热机的方法，该方法包括把热机的元件暴露给热能源，该热能源由具有第一温度的热源和具有比第一温度 低的第二温度的热沉之间的温度差提供，其中该元件被构造为连续环并由第一形状记忆合 金形成，该第一形状记忆合金具有响应于热源和热沉之间的温度差在第一相变温度时在奥氏体和马氏体之间可变化的结晶相；其中暴露步骤包括设置隔离器，该隔离器被构造为从第一位置到第二位置变化时 在元件和热源之间进行阻挡；其中隔离器在第一位置被设置在元件和热源之间，并且其中隔离器在第二位置不 被设置在元件和热源之间；第一形状记忆合金的结晶相从马氏体到奥氏体的变化响应于热源引起第一形状 记忆合金在局部区域尺寸收缩，第一形状记忆合金的结晶相从奥氏体到马氏体的变化响应 于热沉引起第一形状记忆合金在局部区域尺寸膨胀，两者交替进行，从而把热能转变为机 械能；以及通过激活被构造为用于脚踏起动热机的起动机构而在所期待的运行方向上引发 元件的初始运动，从而起动热机。18、如方案17所述的方法，其中所述引发步骤包括防止热机在非期待的运行方向 上运行。19、一种起动热机的方法，该方法包括把热机的元件暴露给热能源，该热能源由具有第一温度的热源和具有比第一温度 低的第二温度的热沉之间的温度差提供，其中该元件由第一形状记忆合金形成，该第一形 状记忆合金具有响应于热源和热沉之间的温度差在第一相变温度时在奥氏体和马氏体之 间可变化的结晶相；改变第一形状记忆合金的结晶相从而把热能转变为机械能；在所期待的运行方向上引发元件的初始运动从而起动所述热机；以及把所述元件设置为与热源具有不足以发生第一形状记忆合金的结晶相变化的热 关系，以停止所述元件在所期待的运行方向上的运动，从而停用所述热机。20、如方案19所述的方法，其中，设置步骤包括通过把隔离器设置在元件和热源 之间来把元件与热源分隔开。


图IA是构造成将热能转变为机械能的热机、热能源和热机起动机构的示意图，其 中起动机构被设置在第一位置；图IB是图IA中热机的示意图，其中起动机构被设置在第二位置；图2A是图IA和IB中热机的示意透视图，图IA和IB的起动机构的变型包括锁止 器；以及图2B是图IA和IB中热机的示意透视图，以及图2A中锁止器的另一个变型；图3是图IA和IB中热机的示意透视图，图IA和IB的起动机构的另一个变型包 括热激活构件；以及图4是图IA和IB中热机的示意透视图，图IA和IB的起动机构的又一个变型包 括势能源。
具体实施例方式参照附图，其中同样的附图标记表示同样的元件，图1中热机总体上由10表示。热机10被构造为把热能，例如热量，转变为机械能，下文对此有详细说明。本发明公开了一种 起动热机10的方法。该方法对于汽车应用会是有用的，包括但不限于发动机冷却系统、车 辆排气系统、动力系统和电气系统。然而，该方法对于非汽车应用也会是有用的，例如但不 限于家庭采暖、通风和空调系统。现在参照图IA和1B，热机10可以响应于热能源而运转，下文将有更详细的描述。 这样，该方法包括将热机10的元件12暴露给热能源。该热能源由具有第一温度T1的热源 14和具有比第一温度T1低的第二温度T2的热沉(heat sink) 16之间的温度差ΔΤ提供。 即，第一温度T1高于且不同于第二温度T2。例如，第一温度T1和第二温度T2之间的温度差 八丁可能小至大约51并且不超过大约1001。换句话说，温度差ΔΤ可能大于或等于大约 5°C并且小于或等于大约30°C，例如小于或等于大约10°C。尽管没有示出，作为非限制性的 例子，温度差ΔΤ可能存在于催化转化器、电池盒、变速器、车轮、制动器、减震器、散热器、 热交换器、消声器、涡轮机/增压器、插件单元、车辆外饰之间或它们内部。即，温度差ΔΤ 可能存在于发动机润滑系统、发动机冷却系统、电池冷却系统等之间或它们内部。热源14和热沉16都可从气体、液体、固体和它们的组合构成的组中选取。例如， 热源14和热沉16中的至少一个可以是气体，例如是车辆(未示出)废气排放的一部分或 车辆外部环境中的环境空气。另外，热源14可以与热沉16具有不同的形态或相态。例如， 热源14可以是气态而热沉16可以是液态。另外，热源14可以与热沉16的成分相同，也可 以与热沉16的成分不同。在一个变型中，热源14和热沉16都是来自车辆的排气，但是热 源14的排气可具有第一温度T1，其高于热沉16的排气的第二温度T2。即，如上所述，热沉 16的排气可比热源14的排气更冷。或者，热沉16是车辆(未示出)的外部环境，例如是车 辆行驶期间流过车辆的相对冷的空气流。参照图2Α-4描述另一个变型，热源14和热沉16可都是固体，例如排气管，管道， 滚柱，惰轮58，60 (图2Α)，和/或例如其他固态的车辆部件。在该变型中，如2Α-4所 示，热源14和/或热沉16可以也包括多个接触物体18，这些接触物体被构造用于从热源 14和/或向热沉16传递热量，下文有更详细的描述。再参照图1Α-4，热机10的元件12由第一形状记忆合金形成，该第一形状记忆合金 具有在奥氏体和马氏体之间可变的结晶相(crystallographic phase)，该变化发生在第一 相变温度Tteansl下，并且响应于热源14和热沉16之间的温度差ΔΤ。即，第一形状记忆合 金具有特定的相变温度Tteansl，该第一形状记忆合金在该相变温度时在各结晶相之间变化。此处所说的术语“形状记忆合金”是指具有形状记忆效应，并且其刚度、回弹率和/ 或形状稳定性这些特性能够快速改变的合金。即，第一形状记忆合金可通过分子或晶体重 组经历固态的结晶相变化，以在马氏体相即“马氏体”和奥氏体相即“奥氏体”之间变化。换 句话说，第一形状记忆合金可经历位移相变而非扩散相变，以在马氏体和奥氏体之间变化。 位移相变被定义为结构变化，这种变化由原子或成组的原子相对于相邻的原子或成组的原 子的协同运动所产生。总体上说，马氏体相涉及相对较低温度的相，通常比相对较高温度的 奥氏体相更具可变形性。第一形状记忆合金开始从奥氏体相向马氏体相变化的温度称为马氏体开始温度 Ms。第一形状记忆合金完成从奥氏体相向马氏体相变化的温度称为马氏体完成温度Mf，或 第一相变温度Ttransl。类似地，当第一形状记忆合金被加热时，第一形状记忆合金开始从马氏体相向奥氏体相变化的温度称为奥氏体开始温度As。第一形状记忆合金完成从马氏体相 向奥氏体相变化的温度称为奥氏体完成温度Af，或第一相变温度Tteansl。因此，由第一形状记忆合金形成的元件12可以具有冷态特征，即，当第一形状记 忆合金的温度低于该第一形状记忆合金的马氏体完成温度Mf或第一相变温度Tteansl时。类 似地，元件12也可以具有热态特征，即，当第一形状记忆合金的温度高于该第一形状记忆 合金的奥氏体完成温度Af或第一相变温度Ttransl时。再回到本发明的方法，在一个非限制性的变型中，将热机10的元件12暴露给热能 源的步骤可以包括设置隔离器20 (图1A-2B)，该隔离器被构造为从第一位置(大体在图IA 以22示出)到第二位置(大体在图IB以M示出)把元件12从热源14隔开。隔离器20 在第一位置22被设置在元件12和热源14之间，从而把元件12从热源14隔开；隔离器20 在第二位置M没有被设置在元件12和热源14之间，从而把元件12暴露给热源14。艮口， 当隔离器20被设置在第一位置22时，可以至少部分地阻挡热源14和元件12之间的热流 (示于图IA和IB的箭头沈)。隔离器20可以是当其被设置在第一位置22时(图1A)适于至少部分地阻挡从热 源14到元件12的热流沈的任何合适的装置。例如，隔离器20可以是隔热器，其被构造为 隔绝从热源14到元件12的热量。作为一个非限制性的例子，该隔热器可以是陶瓷屏蔽体， 被构造为阻挡从热源14到热沉16的热流沈(图1A)。再参照图IA和1B，隔离器20相对于热源14可为可移动的。即，隔离器20可以沿 图IA和IB的箭头观所示的方向，在垂直于热流沈的平面上，在热机10内滑动，因此当被 设置在第一位置22上时可以阻挡热流沈流向元件12。例如，隔离器20在元件12和热源 14之间的位置可变化。因此，隔离器20具有合适的尺寸和形状以便在元件12和热源14之 间被设置和/或滑动。在运行中，例如在热机10停机期间，隔离器20可以移动到元件12和热源14之间 的第一位置22 (图1A)，从而充分地把元件12从热源14阻挡住或隔离开，使得第一形状记 忆合金不改变结晶相，下文有更详细的描述。类似地，在热机10起动期间和/或熄火之后，把元件12暴露给热能源的步骤可包 括把隔离器20移动到远离元件12的第二位置图1B)，使得隔离器20不被设置在热源 14和元件12之间，从而把元件12暴露给热源14。在这个第二位置对，至少部分热流沈还 存在于热源14和元件12之间。在另一个变型中，尽管没有图示出，元件12，而非隔离器20，也可以相对于热源14 移动。即，隔离器20可为固定的而元件12可为可移动的。因此，把元件12暴露给热能源 的步骤可以包括，例如，把热机10和/或元件12至少部分地远离隔离器20而移动，并在热 机10起动期间和/或熄火之后移动到热流沈中。对于这个变型，在热机10停机期间，元件12可以与热源14隔离开。例如，隔离元 件12的步骤可以包括把热机10和/或元件12移动到第一位置22 (图1A)，使得元件12与 热源14隔离开。即，隔离步骤可以包括充分地把元件12与热源14隔离开，例如，通过移动 隔离器20，使得第一形状记忆合金不改变结晶相。因此，把元件12暴露给热能源的步骤可以增加流到热机10的热流26。例如，隔 离器20可以被构造为透镜或镜子，从而当隔离器20被设置在第二位置M时，把热流沈反射、聚焦或引导到热机10。因此，隔离器20可以允许元件12的温度增大。例如，这种构型 对于包括红外辐射或光的热能源是有用的。再参照图2A和2B描述起动热机10的方法，替代性地或额外地，把元件12暴露给 热能源的步骤可以包括解锁一个锁止器30，该锁止器被构造为，设置元件12，使得元件12 与热源14处于不足以发生第一形状记忆合金的结晶相变化的热关系。即，锁止器30可以 被构造为，设置元件12，使得第一形状记忆合金不改变结晶相。例如，锁止器30可以包括转 动臂(未示出)，该转动臂可转动以接合和脱离。在图2A所示热机10的一个变型中，锁止器30可以把隔离器20保持在第一位置 22 (图1A)，使得从热源14到元件12的热流沈(图1A)被阻挡。S卩，当热机10需要处于非 运行状态时，即停机时，锁止器30可以保持或以其他方式设置隔离器20，使得元件12与热 源14或热沉16不具有发生结晶相变化的充分的热关系。例如，如图2A所示，锁止器30被 构造为把隔离器20设置在热源14和热沉16之间，以阻挡流到元件12的热流沈(图1A)。 反之，当热机10需要处于运行状态时，即在热机10起动期间，解锁锁止器30可以释放隔 离器20，使得隔离器20可以沿箭头观的方向移动，从而把元件12设置在第二位置图 1B)，即，与热源14具有发生结晶相变化的充分的热关系。因此，如图2A所示，对于这个方法，暴露的步骤可以包括解锁锁止器30和把隔离 器20设置在第二位置M(图1B)这两者的组合，例如，隔离器是上文所述的隔热器。即，解 锁锁止器30可以把隔离器20设置在第二位置24 (图1B)，因此把元件12设置成与热源14 具有热关系，例如，与多个接触物体18相接触，使得第一形状记忆合金的结晶相变化。通过 一个非限制性的例子，接触件18可以是柔性毛刷，其可以影响热源14和元件12之间的传 导。在另一个例子中，多个接触物体18可以是滚柱，其被构造为与元件12接合。尽管未图 示出，多个接触物体18还可以从元件12延伸，使得元件12包括多个柔性毛刷。再参照图2A，热机10的变型包括多个热传导接触物体18，对锁止器30的锁止可 以保持元件12与接触物体18分开，从而阻挡热传导。反之，当需要热机10处于运行状态 时，该方法可以包括解锁或释放锁止器30。S卩，解锁锁止器30可以释放或以其他方式设置 由第一形状记忆合金形成的元件12，使其与热源14和热沉16的每个具有热关系，例如，与 接触件18具有传导接触，从而使得第一形状记忆合金可以改变结晶相。在图2B所示另一个变型中，对锁止器30的锁止可以把元件12保持成与热源14 具有不充分的热关系，以防止元件12运动，例如移动。即，对锁止器30的锁止可以把元件 12保持在需要的位置，使得元件12的运动，例如，交替的尺寸膨胀和收缩不会发生。因此， 对锁止器30的解锁允许元件12沿图2B箭头32所示方向运动，即，在热机10内垂直于热 流26(图1A)运动。锁止器30还包括联接件34，其被构造成当锁止器30被释放或解锁时在需要的方 向上推进热机10。就是说，联接件34可以在需要的运行方向上“脚踏起动”热机10，例如顺 时针方向。联接件34可以是促使在需要的方向上推进热机10的任何合适的装置或系统。 例如，联接件34可以包括凸轮、转盘、斜面或它们的组合。在一个变型中，联接件34可以与 热机10需要的运行方向平行地运动，并且可以包括臂(未示出)，该臂转动以接合和脱离。通过对锁止器30的解锁把元件12暴露给热能源对于柴油发动机排气系统应用是 有用的。在这种应用中，对锁止器30的解锁步骤可把元件12设置为对于热流沈(图1A)从热源14和/或热沉16到元件12具有充分的热关系，使得在热源14，例如柴油发动机排 气达到预定的第一温度T1后第一形状记忆合金可以改变结晶相。因此，把元件12暴露给 热能源的步骤可以包括对锁止器30进行锁止直到热源14达到预定的第一温度1\。再参照图2A-4，该方法还包括改变第一形状记忆合金的结晶相，从而把热能转变 为机械能。在工作中，预应变的或承受了拉伸应力的第一形状记忆合金可以根据改变的结 晶相而改变尺寸，从而把热能转变为机械能。即，当暴露给热能源时，由第一形状记忆合金 形成的元件12根据改变的结晶相而改变尺寸，从而把热能转变为机械能，下文有更细的描 述。特别是，第一形状记忆合金的结晶相从马氏体到奥氏体的变化可以响应于热源14 在局部区域(大体上由图2A中以42表示)上使该第一形状记忆合金在尺寸上收缩。更具 体地说，如果第一形状记忆合金已经被预先假塑性(pseudoplastically)地预应变了，那 么该第一形状记忆合金的尺寸可以收缩。术语“假塑性地预应变”是指第一形状记忆合金处 于马氏体相时，元件12在负荷下伸展，例如应变。当元件12被去除负荷时，负荷下的第一 形状记忆合金的形状可能不能完全恢复。反之，当纯弹性应变下发生应变时元件12的形状 可以完全恢复。因此，一旦去除负荷，由第一形状记忆合金形成的元件12呈现为已经被弹 性形变，但是当元件12被加热到奥氏体开始温度As时，其应变形状可以恢复，使得元件12 回到原始长度。即，可以对第一形状记忆合金施加负荷，使得第一形状记忆合金的弹性应变 限度被超越，在第一形状记忆合金的马氏体晶体结构超过第一形状记忆合金的真实塑性应 变限度之前，发生变形。这种类型的应变，处于弹性应变限度和真实的弹性应变限度之间， 属于假塑性应变。因此，由第一形状记忆合金形成的元件12可在安装到热机10之前被拉伸，使得第 一形状记忆合金的标称长度包括了可恢复的假塑性应变。这种可恢复的假塑性应变可以提 供致动和/或驱动热机10的动作。因此，如果不预拉伸第一形状记忆合金，在结晶相变化 期间可能只发生很小的变形。另外，元件12承受着偏压机构(例如弹簧或第一形状记忆合 金的张紧的奥氏体部分)的拉力，以影响结晶相的变化。反之，对于这个方法，结晶相从奥氏体到马氏体的变化，可响应于热沉16在局部 区域42使第一形状记忆合金的尺寸膨胀。例如，当第一形状记忆合金承受着拉伸应力和第 二温度T2时，第一形状记忆合金的尺寸可膨胀。因此该第一形状记忆合金可以通过交替地 膨胀和收缩把热能转变为机械能。即，第一形状记忆合金响应于热源14在局部区域42发 生的尺寸收缩和响应于热沉16在局部区域42发生的尺寸膨胀交替进行，从而把热能转变 为机械能，下文有更详细的描述。第一形状记忆合金可以具有任何合适的组分。特别地，第一形状记忆合金可以 包括从钴、镍、钛、铟、锰、铁、钯、锌、铜、银、金、镉、锡、硅、钼、镓构成的组中选择的元素组 合。例如，合适的第一形状记忆合金可以包括镍-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、铜-锡合金)、金-镉基合金、银-镉基合金、锰-铜基合金、 铁-钼基合金、铁-钯基合金，或者它们中一个或多个的组合。第一形状记忆合金可以是二 元、三元或任何更高元合金，只要第一形状记忆合金具有形状记忆效果，例如，形状取向的 变化、阻尼性能等。可以根据热机10所需的工作温度来选择第一形状记忆合金，下文有更详细的描述。在一个具体例子中，第一形状记忆合金可以包括镍和钛。另外，由第一形状记忆合金形成的元件12可以具有任何合适的形式，即，形状。例 如，元件12可以具有形状变化元件的形式。即，元件12的形式可以从弹簧、卷带、线、带、连 续的环和它们的组合构成的组中选择。参考图2A-4，在一个变型中，元件12可以被构造为 连续的环形弹簧。第一形状记忆合金可以通过任何合适的方式把热能转变为机械能。例如，由第一 形状记忆合金形成的元件12可以激活滑轮系统(示于图2A-4，下文有更详细的描述)、接 合杆(未示出)、转动飞轮(未示出)、接合螺钉(未示出)，等等。对于这个方法，结晶相的变化可以包括使热机10在需要的运行方向上运行，例 如，逆时针方向或向左。即，结晶相的变化可以引起元件12运动，例如，基于当第一形状记 忆合金暴露给热源14时元件12的收缩以及当第一形状记忆合金暴露给热沉16时元件12 的膨胀，在个所期望运行方向上移动。再参照图2A-4，该方法还包括在所期望的运行方向上引发元件12的初始运动，从 而起动热机10。特别地，所述引发步骤包括激活被构造为脚踏起动热机10用的起动机构 36。即，在特定条件下，例如，在热机10停用一段时间后或瞬时熄火后，起动机构36可以向 热机10传送能量以起动热机10。换句话说，引发元件12的初始运动可以在所期望的运行 方向上脚踏起动热机10。因此，术语“起动”是指热机10的非运行状态后的任何状态。例 如，起动可能发生在热机10的非使用延时时段之后，或者可能发生在热机10的瞬时熄火之 后。因此起动机构36在热机10起动或再起动期间引发元件12的初始运动。S卩，尤其是当 热机10和/或元件12具有对称的构型时，可需要“脚踏起动”来确保热机10在所期望的 运行方向上运行。类似地，由于热机10和/或元件12可被构造为只在一个方向上运行，如 下文更详细描述的那样，起动机构36可有助于调节形状记忆合金的温度。即，由于热机10 的熄火可导致形状记忆合金形成的元件12过热，起动机构36可以确保热机10熄火期间元 件12的持续运动。因此，元件12的初始运动可是暂时的，直到热机10运转为止，S卩，直到 热机10开始把热能转变为机械能为止。起动机构36的非限制性例子可以包括隔离器20、 锁止器30、以及它们的组合。现在参考图3，在一个变型中，引发元件12的初始运动的步骤可包括热激活构件 38，该构件具有比第一相变温度Tteansl低的第二相变温度Tteans2。例如，构件38可由不同于 前述第一形状记忆合金的第二形状记忆合金形成。第二形状记忆合金可以在不同的温度， 例如比热机10的第一形状记忆合金的相变温度低的第二相变温度Tteans2时激活。因此，在 热源14到达第一温度T1之前，并且第一形状记忆合金提供热机10的持续运转之前，由第 二形状记忆合金形成的热激活构件38可以向热机10传送初始动作。替代性地或额外地，构件38可以由双金属带材或蜡致动器形成。例如，构件38可 响应于第一温度T1而变形、融化和/或膨胀，并在变形时在特定方向上摩擦或推进元件12， 从而脚踏起动热机10，即，在所期望的运行方向上引发元件12的初始运动，从而起动热机 10。因此，热激活构件38可以是起动机构36的另一个非限制性的例子，可以被激活以脚踏 起动热机10。再参照图2A，引发元件12的初始运动的步骤包括引导流体流经元件12以改变元 件12的温度。例如，引发初始运动的步骤可以降低元件12的温度。在一个非限制性的变型中，引发元件12的初始运动的步骤包括引导流体流过装置40，例如空气入口或叶片，流 体的流向使得热机10外部的空气和/或相对较冷的排气可以流经由第一形状记忆合金形 成的元件12。替代地，装置40可以把冷的液体喷洒到元件12上。由于装置40降低了元件 12的温度，因此元件12的尺寸可膨胀，并引起热机10在所期望的运行方向上的初始运动。 因此，热流沈(图1A)通过通风翻板或叶片增大到一个范围，例如，图2A中箭头42所表示 的局部区域，作为对比还有另一个范围，例如图2A中箭头44所表示的另一个局部区域。与此相反，装置40可以提高元件12的温度。例如，热机10外部的空气和/或相 对较热的排气可以流经由第一形状记忆合金形成的元件12。另外，装置40可以把热的液体 喷洒到元件12上。由于装置40提高了元件12的温度，因此元件12的尺寸可收缩，并引起 热机10在所期望运行方向上的运动。装置40还替代性地或额外地引导流体沿元件12流动，从而在元件12上传递拖动 力，从而引起元件20的运动。即，装置40所引导的流体可以在元件12上产生拖动力，并引 发热机10在所期望运行方向上的运动。因此，装置40是起动机构36的另一个非限制性例 子，其可被激活以起动热机10。再参照图4，在另一个变型中，引发元件12的初始运动的步骤可包括向热机10传 送动能。例如，引发元件12的初始运动的步骤包括释放势能，从而向热机10传送了动能。 在一个非限制性的例子中，释放势能包括触发势能源46，例如弹簧或悬挂质量，以释放势能 并向热机10传送一个初始的、受控的动能。作为一个非限制性的例子，释放势能的步骤可 以释放弹簧或悬挂质量以作用在杆48上，并在所期望的运行方向上推动元件12或滑轮60。 因此，势能源46可以是脚踏起动热机10的起动机构M的另一个非限制性的例子。替代性或额外地，引发元件12的初始运动的步骤可包括把动能，例如但不限于振 动能，传送给元件12。例如，对于车辆应用来说，车辆发动机(未示出)或制动系统(未示 出)的振动可以向元件12传送动能。S卩，热机10可分离地与车辆的刚性构件(未示出) 连接，通过使热机10暴露于车辆振动来把动能传送给热机10。在热机10受到足够的振动 或晃动以引发元件12的初始运动后，热机10可以从车辆的刚性构件(未示出)分隔开或 脱离开。例如，隔离器20还被构造为把元件12从振动能量源中分隔开。因此，振动被用于 在所期望方向上初始地驱动元件12或滑轮60。在另一个变型中，通过反向驱动发电机50(图2A-4)向元件12传送动能，因此发 电机50是作为马达，下文有更详细的描述。因此，动能源，例如振动能，可为被构造为脚踏 起动热机10的起动机构36的另一个非限制性例子。另外，应当认识到，引发元件12初始运动的步骤可以把热机10暴露给多个能量 源。例如，在非标准运行中，即，损坏的热机10运行和/或在非设计工况期间运行时，热机 10可以响应于振动性能量源和势能源46。另外，引发元件12的初始运动的步骤可以把热 机10暴露给串联或并联构型的能量源。另外，起动机构36可以被构造为与热机10的任何 部件相互作用。即，起动机构36可以与元件12接触或接合，和/或与热机10的其他结构 接触或接合，例如滑轮58，60，下文有更详细的描述。继续参照图2A，该方法还包括把机械能转变为电能(大体上由图2A中以52表 示)。例如，热机10通过驱动发电机50把机械能转变为电能52。发电机50可以是把机械 能转变为电能52的任何合适的装置。例如，发电机50可以是利用电磁感应把机械能转变为电能52的电力发电机，其可以包括相对于定子(未示出)转动的转子(未示出)。再参照图2A，把机械能转变为电能52的步骤可包括与热机10 —起驱动发电机 50。即，第一形状记忆合金形成的元件12把热能转变为机械能，这可驱动发电机50。特别 地，从机械能到电能52的转变过程可包括与前述第一形状记忆合金的尺寸收缩和膨胀同 时发生的驱动发电机50的过程。即，第一形状记忆合金响应于热源14在局部区域42收缩， 响应于热沉16在局部区域42膨胀，从而驱动发电机50并把热能转变为电能52。另外，对于这个方法，引发元件12的初始运动的步骤可包括把电能52转变为动 能。例如，发电机50可以在起动期间驱动热机10，以引发元件12的初始运动。S卩，发电机 50可以作为马达反向运转，以把电能52，例如来自电池的电能，转变为动能，从而暂时驱动 热机10。因此，发电机50可以是脚踏起动热机10的起动机构36的另一个非限制性例子。再参照图2A，引发元件12的初始运动的步骤可包括防止热机10在非期望的运行 方向上运行。即，对于这个方法，引发步骤可以只包括在所期望运行方向上运动元件12。例 如，如图2A所示，离合器(大体由箭头M表示)可以防止热机10在非期望运行方向上运 行。离合器讨可以被构造为包括棘轮机构，以允许热机10只在所期望运行方向上运行。因 此离合器M的特点是“单向的”以确保热机10不会被“反向驱动”。对于这个方法，引发元件12的初始运动的步骤可包括不对称地运行热机10。例 如，如参照图2A所描述的，在一个非限制性例子中，元件12可以被构造为连续的环(大体 由图2A的56表示)。在这个例子中，热机10包括被构造为支撑元件12的多个滑轮58、60 或轮。热机10还可包括架62，其被构造为支撑多个滑轮58、60或轮。例如，多个滑轮58、 60或轮可以被设置在多个轴64、66上，并可相对于架62转动。由第一形状记忆合金形成的 元件12可以被轮或滑轮58、60支撑并沿着轮或滑轮58、60行进。S卩，在这个变型中，不对 称地操作热机10可以包括沿着多个滑轮58、60移动元件12，其中元件12被构造为连续环 56，滑轮58、60被构造为支撑元件12。如图2A-4所示，连续环56的第一部分68可比连续环56的第二部分70更长，因此 热机10具有不对称构型。因此，元件12的初始运动可以被热机10的不对称操作所引发， 从而第一部分68的尺寸膨胀导致的元件12的长度变化可能不等同于第二部分70的尺寸 缩小导致的元件12的长度变化。继续参照图2A-4，轮或滑轮58、60的转速可以通过一个或多个齿轮组72被选择性 地改变。另外，发电机50可以包括连接到轮或滑轮58上的驱动轴74。由于轮或滑轮58、 60响应于第一形状记忆合金形成的元件12的尺寸膨胀和收缩而绕着热机10的各个轴64、 66转动或旋转，因此驱动轴74可以转动并驱动发电机50。然后发电机50产生电能52，使 得机械能转变为电能52。相反地，如上所述，该方法可以包括，通过例如在热机10起动期间以发电机50驱 动热机10，把电能52转变为动能。即，如上所述，发电机50可以作为马达运行，可以驱动与 轮或滑轮58连接的驱动轴74。马达可以转动一个或多个轮或滑轮58、60(图2A)，从而提 供热机10在所期望运行方向上的初始运行。随着滑轮58的转动，被构造为连续环56的元 件12沿着多个滑轮58、60移动，从而起动热机10。因此，在这个例子中，起动机构36，即， 热机10的不对称构型，被构造为在所期望的运行方向上引发元件12的初始运动，从而沿着 多个滑轮58、60移动元件12并起动热机10。
如上所述，对于这个构型，起动机构36还可以包括离合器M，其被构造为防止热 机10在非期望运行方向上运行。即，一个或多个滑轮58、60可包括单向离合器M以防止 在非期望运行方向上的转动。因此，连续环56可以只在所期望的运行方向上沿着多个滑轮 58,60移动。替代性地或额外地，振动可被用于转动一个或多个轮或滑轮58、60从而脚踏起 动热机10。对于这个方法，继续参照图2A来说，热机10，特别地，由第一形状记忆合金形成的 元件12，可以被设置得与热源14和热沉16都具有热关系，如上面所述。S卩，元件12可以被 设置得与热源14和热沉16都有关系，从而响应于第一温度T1和/或第二温度T2。例如，热 机10的元件12可以被设置得与热源14和热沉16的多个接触物体18相接触，从而通过热 传导影响第一形状记忆合金的结晶相的变化。替代地，元件12可以被设置为与热源14和 /或热沉16上的辐射涂层具有足够的热关系，从而通过辐射影响第一形状记忆合金的结晶 相的变化。因此，当第一形状记忆合金与热源14和热沉16中的一个具有热关系时，该第一形 状记忆合金的结晶相可在奥氏体和马氏体之间变化。例如，当与热源14具有热关系时，第 一形状记忆合金可从马氏体变化到奥氏体。类似地，当与热沉16具有热关系时，第一形状 记忆合金可从奥氏体变化到马氏体。另外，第一形状记忆合金可随着结晶相的变化而改变尺寸，从而把热能转变为机 械能。更具体地说，随着结晶相从马氏体变为奥氏体，例如如果被假塑性地预应变时，第一 形状记忆合金的尺寸可能收缩，随着结晶相从奥氏体变为马氏体，第一形状记忆合金的尺 寸可能膨胀，从而把热能转变为机械能。因此，对于热源14的第一温度T1和热沉16的第 二温度T2之间存在温度差的任何情况，即，当热源14和热沉16不处于热平衡时，第一形状 记忆合金的尺寸可随着结晶相在马氏体和奥氏体之间变化而膨胀和收缩。另外，第一形状 记忆合金的结晶相的变化足以驱动发电机50。参照图1的热机10，并结合图2Α所示元件12的示例性构型来描述，在热机10起 动和持续运行期间，一个轮或滑轮58与热源14具有热关系，例如一个轮或滑轮插入热源14 或与热源14接触，同时另一个轮或滑轮60与热沉16具有热关系，从而影响第一形状记忆 合金的结晶相的变化。因此，对于这个方法，引发元件12的初始运动的步骤可与热机10的 元件12暴露给热源14并且第一形状记忆合金的结晶相发生变化是同时的。替代地，在元 件12暴露给热能源和引发元件12的初始运动之间可能具有延迟，其中第一形状记忆合金 的结晶相随后变化。当处于与热沉16的热关系时，由于第一形状记忆合金的局部区域(大体上由箭 头44表示)尺寸膨胀，例如，当承受应力时尺寸伸展，当预先被假塑性预应变时，第一形状 记忆合金的与热源14具有热关系的另一个局部区域(大体上由箭头42表示)尺寸收缩。 即，第一形状记忆合金响应于热源14在局部区域42的尺寸收缩和响应于热沉16在另一个 局部区域44的尺寸膨胀交替进行，从而把热能转变为机械能。由于元件12暴露给热源14 和热沉16的温度差ΔΤ，元件12的连续弹簧圈形式的尺寸收缩和膨胀交替进行，所以把势 能机械能转变为动能机械能，从而把热能转变为机械能。因此，对于热机10的最优效率，热 源14和热沉16优选快速刷新以保持热源14和热沉16之间的温度差ΔΤ。再参照图1，热机10可以被设置为任何配置，只要元件12的部分被设置得在运行期间与相应的热源14和热沉16具有充足的热关系，使得第一形状记忆合金可以响应于热 源14、热沉16以及热源14和热沉16之间的温度差ΔΤ中的至少一个改变结晶相。另外， 尽管未图示出，应当认识到，热机10可以包括附加的传感和控制部件，例如电控单元。该电 控单元可以与热机10可操作地连通，并被构造为调节热能向机械能和/或电能52 (图2A) 的转变。电控单元可以例如是计算机，其与热机10的一个或多个控制器和/或传感器电连 通。例如，电控单元可以连通和/或控制热源14的一个或多个温度传感器、热沉16的温度 传感器、发电机50的速度调节器、流体流量传感器、致动器和被构造为监测发电量的计量
ο另外，如图2A-4所示，热机10还包括传输介质76，其被构造为从热机10例如从发 电机50传输电能52。传输介质76可以是，例如电线或导电电缆。传输介质76可以从发电 机50向贮存装置传输电能52，贮存装置例如是电池(未示出)、蓄能器和/或集电器。例 如，热机10可以根据需求波动产生、储存和/或传输电能52。还应当认识到，对于任何前面提及的例子、变型或构型，热机10可以包括多个元 件12和/或多个发电机50。S卩，一个热机10可以包括一个以上的元件12和/或发电机 50。例如，一个热机10可以驱动一个以上的发电机50。在一个非限制性的变型中，该方法包括将热机10的元件12暴露给热能源，其中暴 露步骤包括设置隔离器20，该隔离器被构造为从第一位置22 (图1A)到第二位置M (图1B) 变化时在元件12和热源14之间进行阻挡。隔离器20在第一位置22 (图1A)被设置在元 件12和热源14之间，而在第二位置图1B)不被设置在元件12和热源14之间。对于这个变型，该方法还包括，第一形状记忆合金的结晶相响应于热源从马氏体 变化到奥氏体从而在第一形状记忆合金的局部区域42产生尺寸收缩，第一形状记忆合金 的结晶相响应于热沉从奥氏体变化到马氏体从而在第一形状记忆合金的局部区域42产生 尺寸膨胀，两者交替进行，从而把热能转变为机械能。因此，结晶相可以反复地从马氏体变 到奥氏体，再变回马氏体，从而造成元件12的部分68、70的尺寸交替地收缩和膨胀。在该变型中，该方法还包括，通过激活被构造为用于脚踏起动热机10的起动机构 36，在所期待的运行方向上引发元件12的初始运动，从而起动热机10。再参照图2A-4，起动 机构36可以包括锁止器30、势能源46、构件38、设备40、发电机50、离合器M、联接件34、 热机10的非对称构型以及它们的组合。对于这个变型，引发步骤可包括防止热机10在非 期待运行方向上运行，如上文所述。例如，离合器M可以防止热机10反向运行。在另一个非限制性的变型中，该方法包括把元件12暴露给热能源，改变第一形状 记忆合金的结晶相，引发元件12的初始运动，如上文所述。对于这个构型，该方法还包括， 把元件12设置得与热源14具有不足以使第一形状记忆合金的结晶相变化的热关系，从而 停止元件12在所期待运行方向上的运动，从而停止热机10。例如，参照图1A，设置的步骤可包括通过在元件12和热源14之间设置隔离器20 把元件12与热源14隔离开。隔离器20可以阻挡热流沈到元件12，而且为了任何结晶相 变化的发生，把元件12设置得与热源14具有不充分的热关系。因此，第一形状记忆合金可 以停止尺寸形状膨胀和/或收缩。即，把元件12从热源14分隔开可以停止元件12在所期 待运行方向上的运动，从而使得热机10被停止。因此，该方法还包括使热机10停机。尽管描述了实施本发明的最佳模式，但是熟悉本发明领域的技术人员将认识到，可实施本发明的各种替代性设计和实施方式都属于所附权利要求的范围。
权利要求
1.一种起动热机的方法，该方法包括把热机的元件暴露给热能源，该热能源由具有第一温度的热源和具有比第一温度低的 第二温度的热沉之间的温度差提供，其中该元件由第一形状记忆合金形成，该第一形状记 忆合金具有响应于热源和热沉之间的温度差在第一相变温度时在奥氏体和马氏体之间可 变化的结晶相；改变第一形状记忆合金的结晶相从而把热能转变为机械能；以及在所期待的运行方向上引发元件的初始运动从而起动所述热机。
2.如权利要求1所述的方法，其中，结晶相从马氏体到奥氏体的变化响应于热源使第 一形状记忆合金在局部区域尺寸收缩。
3.如权利要求2所述的方法，其中，结晶相从奥氏体到马氏体的变化响应于热沉使第 一形状记忆合金在局部区域尺寸膨胀。
4.如权利要求3所述的方法，其中，第一形状记忆合金响应于热源在局部区域尺寸收 缩和响应于热沉在局部区域尺寸膨胀交替进行，从而把热能转变为机械能。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述引发步骤包括激活被构造用于脚踏起动热机 的起动机构。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述引发步骤包括热激活具有第二相变温度的构 件，该第二相变温度低于第一相变温度。
7.如权利要求5所述的方法，其中，所述引发步骤包括引导流体流经所述元件从而改 变所述元件的温度。
8.如权利要求5所述的方法，其中，所述引发步骤包括向所述热机传送动能。
9.一种起动热机的方法，该方法包括把热机的元件暴露给热能源，该热能源由具有第一温度的热源和具有比第一温度低的 第二温度的热沉之间的温度差提供，其中该元件被构造为连续环并由第一形状记忆合金形 成，该第一形状记忆合金具有响应于热源和热沉之间的温度差在第一相变温度时在奥氏体 和马氏体之间可变化的结晶相；其中暴露步骤包括设置隔离器，该隔离器被构造为从第一位置到第二位置变化时在元 件和热源之间进行阻挡；其中隔离器在第一位置被设置在元件和热源之间，并且其中隔离器在第二位置不被设 置在元件和热源之间；第一形状记忆合金的结晶相从马氏体到奥氏体的变化响应于热源引起第一形状记忆 合金在局部区域尺寸收缩，第一形状记忆合金的结晶相从奥氏体到马氏体的变化响应于热 沉引起第一形状记忆合金在局部区域尺寸膨胀，两者交替进行，从而把热能转变为机械能； 以及通过激活被构造为用于脚踏起动热机的起动机构而在所期待的运行方向上引发元件 的初始运动，从而起动热机。
10.一种起动热机的方法，该方法包括把热机的元件暴露给热能源，该热能源由具有第一温度的热源和具有比第一温度低的 第二温度的热沉之间的温度差提供，其中该元件由第一形状记忆合金形成，该第一形状记 忆合金具有响应于热源和热沉之间的温度差在第一相变温度时在奥氏体和马氏体之间可变化的结晶相；改变第一形状记忆合金的结晶相从而把热能转变为机械能； 在所期待的运行方向上引发元件的初始运动从而起动所述热机；以及 把所述元件设置为与热源具有不足以发生第一形状记忆合金的结晶相变化的热关系， 以停止所述元件在所期待的运行方向上的运动，从而停用所述热机。
全文摘要
一种起动热机的方法，该方法包括把热机的一个元件暴露给热能源，该热能源由具有第一温度的热源和具有比第一温度低的第二温度的热沉之间的温度差提供。该元件由第一形状记忆合金形成，该第一形状记忆合金具有响应于热源和热沉之间的温度差在第一相变温度时在奥氏体和马氏体之间可变的结晶相。该方法还包括改变第一形状记忆合金的结晶相以把热能转变为机械能，以及在所期待的运行方向上引发元件的初始运动从而起动所述热机。
文档编号F03G7/06GK102072121SQ20101062170
公开日2011年5月25日 申请日期2010年11月19日 优先权日2009年11月20日
发明者A·L·布朗, N·D·曼卡明, N·L·约翰逊, P·B·乌索罗, P·W·亚历山大, X·高 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司