专利名称：发电的热转换装置及系统的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及能量转换，并更具体地涉及一种配置成发电并转换热能的热转换 装置和系统。
背景技术：
通常在系统中的流体之间存在温差。例如，主流体可以具有比次流体更高的温度。 这种温差由此形成可以转换为其它形式能量的热能的来源。另外，在这种系统中，热能还可以在主流体与次流体之间传递。也就是说，例如，通 过诸如换热器的热转换装置，可利用主流体提高次流体的温度。
发明内容
配置成发电并转换热能的热转换装置包括热力发动机和发电机。热力发动机配置 成将热能转换为组合体中的机械能，组合体包括拟塑性预应变的形状记忆合金，该形状记 忆合金具有响应于来自小于或等于约300°C的流体之间的温差的热能可在奥氏体与马氏体 之间变化的结晶相。发电机配置成将机械能转换为电能并且由热力发动机驱动。配置成发电并转换热能的热转换系统包括由具有第一温度的主流体与具有不同 于第一温度的第二温度的次流体之间小于或等于约300°C的温差形成的热能的来源。热转 换系统还包括配置成发电并转换热能的热转换装置。更具体地，热转换装置包括组合体形 式的热力发动机，该组合体包括设置成与主流体和次流体的每一者处于热交换关系的拟塑 性预应变的形状记忆合金。热转换装置还包括由热力发动机驱动并配置成将机械能转换为 电能的发电机。在一个变型中，热转换系统包括主流体、次流体以及热转换装置。更具体地，热转 换装置的内部配置成在主流体与次流体之间传递热能。热转换装置包括配置成将至少一些 热能转换为机械能的热力发动机。而且，热力发动机和发电机设置在热转换装置的内部。另 外，热转换系统包括电子控制单元，电子控制单元与热转换装置可操作地通讯，并配置成调 节热能在主流体与次流体之间的传递。而且，热转换系统包括配置成传送来自热转换系统 的电能的传递介质。本发明的热转换装置和系统提供出色的热能转换。另外，热转换装置和系统发电。 也就是说，热转换装置和系统不仅可用于转换由流体之间的温差提供的热能，还可用于供 给电能。热转换装置和系统的尺寸可设置为服务于家庭和商业或工业应用。并且，热转换 装置和系统可操作并可响应于流体之间的最小温差发电。通过下面参照附图对实施本发明的最佳模式的详细描述，本发明的上述特征和优 点及其他特征和优点将变得更明显。本发明还提供了如下方案
方案1. 一种配置成发电并转换热能的热转换装置，所述热转换装置包括 热力发动机，所述热力发动机配置成将热能转换为机械能，并包括拟塑性预应变的形状记忆合金，所述形状记忆合金具有响应于来自小于或等于约300°C的流体之间的温差的 热能可在奥氏体与马氏体之间变化的结晶相；以及
发电机，所述发电机配置成将机械能转换为电能并且由所述热力发动机驱动。方案2.如方案1所述的热转换装置，其中所述温差小于或等于约30°C。方案3.如方案1所述的热转换装置，其中所述温差小于或等于约10°C。方案4.如方案1所述的热转换装置，其中所述形状记忆合金一旦改变结晶相时 尺寸就发生变化，由此将热能转换为机械能。方案5.如方案1所述的热转换装置，其中，所述形状记忆合金的结晶相从马氏体 变为奥氏体并由此进行尺寸上的缩小从而将热能转换为机械能。方案6.如方案5所述的热转换装置，其中，所述形状记忆合金的结晶相从奥氏体 变为马氏体，并且在受到应力时进行尺寸上的扩大从而使所述形状记忆合金复位以便将热 能转变为机械能。方案7.如方案6所述的热转换装置，其中，所述形状记忆合金的所述尺寸上的收 缩和所述尺寸上的扩大驱动所述发电机。方案8.如方案1所述的热转换装置，其中，所述形状记忆合金具有从弹簧、条、线 材、带、连续环以及它们的组合构成的组中选择的形态。方案9.如方案1所述的热转换装置，其中，所述形状记忆合金包括镍和钛。方案10.如方案1所述的热转换装置，其中，所述热转换装置是热交换器，所述热 交换器具有从平行流动、反向流动、交叉流动以及这些流动的组合构成的组中选择的流体 流动的构造。方案11. 一种配置成发电并转换热能的热转换系统，所述热转换系统包括 具有第一温度的主流体与具有不同于所述第一温度的第二温度的次流体之间的温差
形成的热能的来源，其中所述温差小于或等于约300°C ；以及
配置成发电并转换热能的热转换装置，所述热转换装置包括 热力发动机，所述热力发动机配置成将热能转换为机械能并包括与所述主流体和所述 次流体的每一者处于热交换关系的拟塑性预应变的形状记忆合金；以及 配置成将机械能转换为电能并由所述热力发动机驱动的发电机。方案12.如方案11所述的热转换系统，其中，所述形状记忆合金在与所述主流体 和所述次流体中的一者处于热交换关系时就在奥氏体与马氏体之间改变结晶相。方案13.如方案12所述的热转换系统，其中，所述形状记忆合金的结晶相的所述 改变驱动所述发电机。方案14.如方案12所述的热转换系统，其中，所述形状记忆合金一旦结晶相从马 氏体变为奥氏体就在尺寸上缩小，并且所述形状记忆合金一旦结晶相从奥氏体变为马氏体 当受到应力时就在尺寸上扩大。方案15.如方案11所述的热转换系统，其中，所述第一温度与所述第二温度之间 的温差小于或等于约30°C。方案16.如方案11所述的热转换系统，其中，所述第一温度与所述第二温度之间 的温差小于或等于约10°c。方案17. —种配置成发电并转换热能的热转换系统，所述热转换系统包括具有第一温度的主流体；
具有不同于所述第一温度的第二温度的次流体；
热转换装置，其配置成发电并转换热能，其中所述热转换装置的内部配置成在所述主 流体与所述次流体之间传递热能，所述热转换装置包括
配置成将至少一些热能转换为机械能的热力发动机，所述热力发动机包括设置为与所 述主流体和所述次流体的每一者接触的拟塑性预应变的形状记忆合金；以及 配置成将机械能转换为电能并由所述热力发动机驱动的发电机； 其中，所述热力发动机和所述发电机均设置在所述热转换装置的所述内部中； 电子控制单元，所述电子控制单元与所述热转换装置可操作地通讯，并配置成调节热 能在所述主流体与所述次流体之间的传递；以及
配置成传送来自所述热转换系统的电能的传递介质。方案18.如方案17所述的热转换系统，其中，未被所述热力发动机转换为机械能 的任何热能维持所述第一温度与所述第二温度之间的温差。方案19.如方案17所述的热转换系统，还包括输入回路，所述输入回路与所述热 转换装置处于流体连通并配置成使所述主流体经由所述热转换装置循环，其中，所述输入 回路包括配置成储存所述第一温度下的所述主流体的储存器。方案20.如方案19所述的热转换系统，还包括输出回路，所述输出回路与所述热 转换装置处于流体连通并配置成使所述次流体经由所述热转换装置循环。
图1是包括热转换装置的热转换系统的示意图；以及
图2是用于包含在图1的热转换装置中的发电机和热力发动机的立体示意图。
具体实施例方式参照附图，其中相同的附图标记代表相同的元件，图1示出总体上为10的一种热 转换装置。热转换装置10配置成发电并转换由具有温度差的流体12、14提供的热能，并由 此可用于多种用途，例如但不限于此家庭和工业采暖用途。例如，热转换装置10可为热交 换器，并可用于加热游泳池中的水或用于将处理用水供给到生产工厂。现在参照图1和图2，热转换装置10包括热力发动机16。热力发动机16配置成 将热能(例如，热)转换为机械能，如下面更详细描述的。更具体地，热力发动机16包括拟塑 性预应变的形状记忆合金18 (图2)，该形状记忆合金具有响应于流体12、14 (图1)的温差 可在奥氏体与马氏体之间变化的结晶相。术语“拟塑性预应变”指的是在形状记忆合金元 件18处于马氏体相的时候拉伸形状记忆合金元件18，使得形状记忆合金元件18在负载下 呈现出的应变在卸载时不能完全恢复。也就是说，一旦卸载，形状记忆合金元件18看起来 好像已经塑性变形了，但是当被加热到奥氏体起始温度As时，可以恢复应变，因此形状记忆 合金元件18回到施加任何载荷之前所观察到的原始长度。另外，形状记忆合金元件18可 以在安装到热力发动机16中之前进行拉伸，因此，形状记忆合金18的名义长度包括可恢复 的拟塑性应变，这提供了用于驱动热力发动机16的运动。而且，本文所使用的术语“形状记忆合金”指的是呈现形状记忆效应并具有快速改变在硬度、弹簧刚度和/或形态稳性方面的性质的能力的已知的合金。即，形状记忆合金18 可以通过结晶重排经历固态相变从而在马氏体相即"马氏体"与奥氏体相即"奥氏体“之 间变化。换句话说，形状记忆合金18可以经受位移式转变而不是扩散型转变从而在马氏体 与奥氏体之间变化。通常，马氏体相指的是比较低温的相并且常常比比较高温的奥氏体相 更容易变形。形状记忆合金18开始由奥氏体相向马氏体相变化的温度被称为马氏体起始 温度Ms。形状记忆合金18完成由奥氏体相变为马氏体相的温度被称为马氏体终了温度Mf。 同样地，当形状记忆合金18被加热时，形状记忆合金18开始由马氏体相向奥氏体相变化的 温度被称为奥氏体起始温度As。并且，形状记忆合金18完成由马氏体相变为奥氏体相的温 度被称为奥氏体终了温度Af。因此，形状记忆合金18可以以冷态表征，即，此时，形状记忆合金18的温度低于形 状记忆合金18的马氏体终了温度Mf。同样地，形状记忆合金18还可以以热态表征，S卩，此 时，形状记忆合金18的温度高于形状记忆合金18的奥氏体终了温度Af。工作时，S卩，当形状记忆合金18受到流体12与14之间的温差时，可以在改变结晶 相时改变尺寸从而将热能转换为机械能。也就是说，形状记忆合金18被加热时结晶相可以 从马氏体变为奥氏体，并且由此如果进行了拟塑性预应变的话在尺寸上缩小从而将热能转 换为机械能。反之，形状记忆合金18被冷却时结晶相可以从奥氏体变为马氏体，并且由此 如果受应力的话在尺寸上扩大从而经受拟塑性预应变。也就是说，形状记忆合金18如果在 受应力时被冷却的话可以在尺寸上扩大，从而使形状记忆合金18复位以便进行将热能转 换为机械能的另一循环。形状记忆合金18可以具有任何合适的成分。特别地，形状记忆合金18可以包括从 钴、镍、钛、铟、锰、铁、钯、锌、铜、银、金、镉、锡、硅、钼以及镓构成的组中选择的元素的组合 物。例如，适用的形状记忆合金18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 金合金以及铜锡合金)、金镉基合金、银镉基合金、锰铜基合金、铁钼基合金、铁钯基合金以 及这些组合物中的一者或多者的组合。形状记忆合金18可以是二元合金、三元合金或任何 更高元的，只要形状记忆合金18呈现形状记忆效应，例如形状方向、阻尼能力等的变化。根 据本发明，熟练技工可以根据热转换装置10 (图1)的期望工作温度选择形状记忆合金18， 这在下文更详细描述。在一个特定实例中，形状记忆合金18可以包括镍和钛。而且，形状记忆合金18可以具有任何适用的形态，即形状。例如，形状记忆合金18 可以具有形状可变的元件的形态。即，形状记忆合金18可以具有从弹簧、条、线材、带、连续 环以及它们的组合构成的组中选择的形态。参照图2，在一个变型中，形状记忆合金18可以 形成为连续环形弹簧。形状记忆合金18可以通过任何适用方式将热能转换为机械能。例如，形状记忆合 金18可以触发滑轮系统(总体上在图2中示出并在下文更详细描述)、与杠杆(未示出)接 合、使飞轮(未示出)转动、与螺杆(未示出)接合等等。再次参照图1和2，热转换装置10还包括发电机20。发电机20配置成将机械能 转换成电能(在图1和图2中总体上由附图标记EE表示)。发电机20可以是用于将机械能 转换成电能EE的任何适用装置。例如，发电机20可以是利用电磁感应将机械能转换成电 能EE的发电机，并可以包括相对于定子(未示出)旋转的转子(未示出)。
参照图2，发电机20由热力发动机16驱动。也就是说，通过形状记忆合金18由热 能转换得到的机械能可以驱动发电机20。特别地，形状记忆合金18的上述尺寸缩小和尺寸 扩大可以驱动发电机20。更具体地说，在图2所示的一个变型中，热力发动机16可以包括框架22，其配置 成支撑布置在多个轮轴32、34上的一个或多个轮子或滑轮对、26、观、30。这些轮子或滑轮 对、26、观、30可以相对于框架22旋转，并且形状记忆合金18可以由这些轮子或滑轮24、 26,28,30支撑并且沿着这些轮子或滑轮行进。可以由一个或多个齿轮组36任选地改变这 些轮子或滑轮对、26、观、30的转速。而且，发电机20可以包括连接到轮子或滑轮沈的传 动轴38。当这些轮子或滑轮M、26J8、30响应于形状记忆合金18在尺寸上的扩大和缩小 而围绕热力发动机16的相应的轮轴32、34转动或旋转时，传动轴38转动并驱动发电机20。 随后发电机20产生电能EE，因而机械能被转换成电能EE。再次总体参照图1，依据需要转换热能的所期望的应用，热能转换装置10可以具 有任何适用的构造、形状和/或尺寸。例如，热转换装置10可以是热交换器。通常，热转换 装置10可以具有配置成包括相对较热区域(在图1中由区域H示意性表示)和相对较冷区 域进图1中由区域C表示)的内部。区域H与区域C之间的温差允许在流体12、14之间的 热能传递。流体12、14可在热转换装置10中相互接触，或者可在热转换装置10中相互分离， 只要热能可通过热力发动机16转换成机械能即可。例如，流体12、14可处于热交换关系， 即相对于彼此设置成使得热能传递到热力发动机16以便转换成机械能，和/或设置为在彼 此之间传递热能。也就是说，热转换装置10可以是管壳式热交换器、板式热交换器、再生式 热交换器、板翅式热交换器、流体式热交换器、余热回收式热交换器、动态刮面式热交换器、 相变式热交换器、直接接触式热交换器、螺旋式热交换器以及这些热交换器的任意组合。在包括作为热转换装置的热交换器的变型中，热交换器可具有从平行流动、反向 流动、交叉流动以及这些流动的组合构成的组中选择的流体流动的构造。如本文所使用的， 术语“平行流动”指的是流体12、14均流入热交换器的同一端并彼此平行地流经热交换器 的构造。相反地，术语“反向流动”指的是流体12、14流入热交换器的相对的两端的构造。 术语“交叉流动”指的是流体12、14近似相互垂直地流经热交换器的构造。进一步构想到 热转换装置10可包括其它元件，例如但不限于过滤器、阀、隔板、控制器、传感器以及压力 调节器。再次参照图1，热转换系统总体上示为42。能量收集系统42也配置成产生电能 EE或转换热能。更具体地说，如图1所示，热转换系统42包括由具有第一温度的主流体12 与具有不同于第一温度的第二温度的次流体14之间的温差形成的热能源。第一温度可以 高于或不同于第二温度。对于热转换系统42，温差小于或等于约300°C。例如，第一温度与 第二温度之间的温差可以小至约5°C并且不超过约100°C。换言之，温差可以大于或等于约 5°C并且小于或等于约30°C，例如小于或等于约10°C。因此，形状记忆合金18具有比传统 的形状记忆合金相对较小的能量滞后现象，并响应于最小的温差。因此，包括形状记忆合金 18的热力发动机16可产生比传统的形状记忆合金相对较大的输出，例如机械能和/或电能 EE (图2)。换言之，热力发动机16即使在温差小于或等于例如大约10°C时也具有很高的 效率并将最大量的热能转换成机械能和/或电能EE。并且，随着温差增大，热力发动机16和热转换装置10更积极地响应。即，对于比较大的温差，热力发动机16可在更短的时间段 内转换热能从而产生相对更大量的机械能和/或电能EE (图2)。主流体12和次流体14可以均选自气体、液体、固体的流化床以及它们的组合物的 组。同样地，主流体12可具有不同于次流体14的形态，即相态。例如，主流体12可以是液 体，次流体14可以是气体。另外，主流体12可与次流体14相同或不同。在一个变型中，主 流体12和次流体14可均为水，但主流体12的水可具有高于次流体14的水的第二温度的
第一温度。再次参照图1，热转换系统42还包括热转换装置10。如上所述，热转换装置10配 置成产生电能EE并转换热能。可预见到，热转换装置10可以仅在流体12、14之间传递最小 量的热能，但可以通过热力发动机16将大部分的热能转换为机械能和/或电能EE (图2)。然而，在热转换系统42的一个变型中，热转换装置10可为上述的热交换器，并可 以在主流体12与次流体14之间传递大部分的热能。即，热转换装置10可以将热能从主流 体12传递到次流体14从而提高次流体14的第二温度。然而，可预见到可替换地，热转换 装置10可以依据主流体12与次流体14之间的温差将热能从次流体14传递到主流体12。如图1总体示出的，热力发动机16，并且更具体地说是热力发动机16的形状记忆 合金18 (图2)布置成与主流体12和次流体14中的每一者都处于热交换关系。也就是说， 形状记忆合金18相对于主流体12和次流体14中的每一者设置成使得通过热能的传递对 第一温度和/或第二温度做出反应。例如，热力发动机16的形状记忆合金18可布置成与 主流体12和次流体14接触。因此，形状记忆合金18可以在与第一流体区域12和第二流 体区域14中的一者处于热交换关系时就在奥氏体与马氏体之间改变结晶相。例如，当形状 记忆合金18与主流体12处于热交换关系时，形状记忆合金18可以从马氏体变为奥氏体。 同样地，当形状记忆合金18与次流体14处于热交换关系时，形状记忆合金18可以从奥氏 体变为马氏体。而且，形状记忆合金18 —旦改变了结晶相就可以改变模量和尺寸从而将热能转 换为机械能。更具体地说，如果形状记忆合金18进行了拟塑性预应变，则一旦结晶相从马 氏体变为奥氏体，形状记忆合金18就可以在尺寸上缩小，并且如果形状记忆合金18受到张 应力，则一旦结晶相从奥氏体变为马氏体，形状记忆合金18就可以在尺寸上扩大，由此将 热能转换为机械能。因此，对于主流体12的第一温度与次流体14的第二温度之间存在温 差 ΔΤ即主流体12和次流体14不 处于热平衡的任何状况，一旦结晶相在马氏体与奥氏体之间变化，形状记忆合金18就可以 在尺寸上扩大和缩小。并且，形状记忆合金18的结晶相的变化足以驱动发电机20。工作时，参照图1的热转换系统42并且参照图2所示形状记忆合金18的示例构造 进行描述，一个轮子或滑轮观至少充分地浸于主流体12中，而另一轮子或滑轮M至少充 分地浸于次流体14中。当形状记忆合金18与次流体14处于热交换关系时(例如，当充分 地浸于次流体14时)，形状记忆合金18的一个区域(总体上由箭头A表示)在受应力时在尺 寸上扩大，例如在受应力时在尺寸上伸展，拟塑性预应变的形状记忆合金18的与主流体12 处于热交换关系(例如，当充分浸于主流体12时)的另一区域(总体上由箭头B表示)在尺寸 上缩小。形状记忆合金18在受到主流体12与次流体14之间的温差ΔΤ时形状记忆合金 18的连续弹簧环形态的交替的尺寸缩小和扩大可以将机械势能转换为机械动能，并由此将热能转换为机械能。因此，为了实现热转换系统42的最佳效率，主流体12与次流体14优 选地被快速更新以维持流体12、14之间的温差ΔΤ。 再次参照图1，热力发动机16和发电机20可以布置在热转换装置10的内部40 中。特别地，热力发动机16和发电机20可以布置在热转换装置10中的任何位置，只要形 状记忆合金18的热交换部分布置成与相应的主流体12和次流体14处于充分的热交换接 触关系即可。而且，热力发动机16和发电机20可以被壳体44 (图1)包围。壳体44可以 完全地封装热力发动机16和发电机20，或者壳体44可以具有通风孔(未示出)。也就是说， 壳体44可以形成有孔(未示出)，诸如电线的电子部件和/或主流体12和次流体14可以通 过这些孔。而且，每个孔可以包括配置成移除主流体12和/或次流体14中的杂质的过滤 器(未示出)。可预见到，主流体12和次流体14可以不流经壳体44。也就是说，对于包括液态主 流体12和液态次流体14的应用，热力发动机16的框架22 (图2)可以架设分离热转换装 置10中的主流体12和次流体14的板(未示出)。也就是说，一个轮子或滑轮观可浸于主 流体12中，而另一个轮子或滑轮M可浸于第二流体14中。在这种构造中，热力发动机16 的形状记忆合金18的一部分可由此从对于流体12、14密封的壳体44的一部分中伸出。
可替换地，主流体12和次流体14可以流经壳体44，但可以在壳体44中保持分离。例 如，壳体44可以包括主流体12和次流体14的每一者的入口和出口，并可以通过密封物或 屏障使主流体12与次流体14分离。尽管图中未示出，但还构想到主流体12和次流体14可容纳于壳体44中并在壳 体44中保持分离。例如，在这种构造中，主流体12和次流体14可均为在热转换装置10的 运转过程中可被流经壳体44的其它流体加热或冷却的液体或气体。在这种构造中，热力发 动机16可设置在诸如壳(未示出)中并邻接和接触诸如热转换装置10的管(未示出)。因 此，相对较热流体可以流经热转换装置10的管，而相对较冷的流体流经热转换装置10的 壳。由此，主流体12和次流体14可以被热转换装置10的外壳和管道中的流体所产生的对 流或传导加热和/或冷却。主流体12和次流体14可以在壳体44中被诸如物理屏障分离。 并且，热力发动机16可以跨过该屏障，因而形状记忆合金18突出到主流体12和次流体14 的每一者中。再次参照图1，热力发动机16配置成将至少一些热能转换为机械能。未被热力转 换装置10转换为机械能的任何热能可以维持第一温度与第二温度之间的温差。也就是说， 由于热力发动机16和发电机20设置在热转换装置10的内部40中从而被热转换装置10 封装，所以热转换系统42的热损失被最小化。由形状记忆合金18的扩大和缩小产生的任 何热量可以传递到次流体14以使第二温度升高(即加热次流体14)，或者可以传递到主流 体12以维持第一温度。因此，热转换系统42具有出色的热转换效率。现在参照图1，在一个变型中，热转换系统42还包括电子控制单元46。电子控制 单元46与热转换装置10可操作地通讯，并配置成调节热能在主流体12与次流体14之间 的传递。电子控制装置46可以是例如计算机，其与热转换系统42的一个或多个控制器和/ 或传感器电子通讯。例如，电子控制装置46可以与主流体12的温度传感器、次流体14的 温度传感器、发电机20的调速器、流体流动传感器和配置成监控发电的仪表中的一者或多 者通讯和/或控制它们。
还如图1所示，热转换系统42包括传递介质48，其配置成传送来自热转换系统42 的电能EE。特别地，传递介质48可以传送来自发电机20的电能EE。传递介质48可以是 例如电力线或导电电缆。传递介质48可以将电能EE从发电机20传送到储存装置(例如， 蓄电池(未示出)、蓄电器和/或收集器)，或者传送到电力应用的电力网。再次参照图1，热转换系统42还包括在图1中总体上示作50的输入回路，输入回 路与热转换装置10处于流体连通并配置成使主流体12经由热转换装置10循环。输入回 路50可以包括用于储存主流体12的储存器52，例如，蒸煮器或热水箱。而且，输入回路50 可以包括管道系统、阀、压力调节器、传感器以及它们的组合物从而在储存器52与热转换 装置10之间传送主流体12。同样地，热转换系统42还包括在图1中总体上示作M的输出回路，输出回路与热 转换装置10处于流体连通并配置成使次流体14经由热转换装置10循环。输出回路M可 以也包括管道系统、阀、压力调节器、传感器以及它们的组合物从而在热转换装置10与应 用56 (例如，待加热的游泳池水或处理用水)之间传送次流体14。可预见到，对于上述任何实例或构造，热转换装置10和/或热转换系统42可以包 括多个热力发动机16和/或多个发电机20。也就是说，一个热转换装置10可以包括多于 一个的热力发动机16和/或发电机20。例如，一个热力发动机16可以驱动多于一个的发 电机20。同样地，一个热转换系统42可以包括多于一个的热转换装置10，每个热转换装置 包括至少一个热力发动机16和发动机20。在包括多于一个的热转换装置10的变型中，热 转换装置10可以串联或并联连接。也就是说，如果多个热转换装置10并联设置(未示出)， 则每个热转换装置10可以设置为与共同的主流体12接触。相反地，如果多个热转换装置 10串联设置(未示出)，则一个热转换装置10的主流体12可以还是另一热转换装置10的次 流体14。本发明的热转换装置10和系统42提供了出色的热能转换。另外，热转换装置10 和系统42产生电能EE。也就是说，热转换装置10和系统42不仅可用于在流体12、14之间 转换热能和/或传递热能，还可用于供给电能EE。热转换装置10和系统42的尺寸可设置 为服务于家庭和商业或工业应用56。并且，热转换装置10和系统42可操作并可响应于流 体之间的最小温差产生电能EE。如此，热转换装置10和热转换系统42回收热能从而将热 能转换为机械能和电能EE。尽管已经详细描述了实施本发明的最佳方式，但熟悉本发明所涉及领域的技术人 员将看出多种替换方案和实施例，用于在所附权利要求的范围内实施本发明。
权利要求
1.一种配置成发电并转换热能的热转换装置，所述热转换装置包括热力发动机，所述热力发动机配置成将热能转换为机械能，并包括拟塑性预应变的形 状记忆合金，所述形状记忆合金具有响应于来自小于或等于约300°C的流体之间的温差的 热能可在奥氏体与马氏体之间变化的结晶相；以及发电机，所述发电机配置成将机械能转换为电能并且由所述热力发动机驱动。
2.如权利要求1所述的热转换装置，其中所述温差小于或等于约30°C。
3.如权利要求1所述的热转换装置，其中所述温差小于或等于约10°C。
4.如权利要求1所述的热转换装置，其中所述形状记忆合金一旦改变结晶相时尺寸 就发生变化，由此将热能转换为机械能。
5.如权利要求1所述的热转换装置，其中，所述形状记忆合金的结晶相从马氏体变为 奥氏体并由此进行尺寸上的缩小从而将热能转换为机械能。
6.如权利要求5所述的热转换装置，其中，所述形状记忆合金的结晶相从奥氏体变为 马氏体，并且在受到应力时进行尺寸上的扩大从而使所述形状记忆合金复位以便将热能转 变为机械能。
7.如权利要求6所述的热转换装置，其中，所述形状记忆合金的所述尺寸上的收缩和 所述尺寸上的扩大驱动所述发电机。
8.如权利要求1所述的热转换装置，其中，所述形状记忆合金具有从弹簧、条、线材、 带、连续环以及它们的组合构成的组中选择的形态。
9.一种配置成发电并转换热能的热转换系统，所述热转换系统包括具有第一温度的主流体与具有不同于所述第一温度的第二温度的次流体之间的温差 形成的热能的来源，其中所述温差小于或等于约300°C ；以及配置成发电并转换热能的热转换装置，所述热转换装置包括 热力发动机，所述热力发动机配置成将热能转换为机械能并包括与所述主流体和所述 次流体的每一者处于热交换关系的拟塑性预应变的形状记忆合金；以及 配置成将机械能转换为电能并由所述热力发动机驱动的发电机。
10.一种配置成发电并转换热能的热转换系统，所述热转换系统包括 具有第一温度的主流体；具有不同于所述第一温度的第二温度的次流体；热转换装置，其配置成发电并转换热能，其中所述热转换装置的内部配置成在所述主 流体与所述次流体之间传递热能，所述热转换装置包括配置成将至少一些热能转换为机械能的热力发动机，所述热力发动机包括设置为与所 述主流体和所述次流体的每一者接触的拟塑性预应变的形状记忆合金；以及 配置成将机械能转换为电能并由所述热力发动机驱动的发电机； 其中，所述热力发动机和所述发电机均设置在所述热转换装置的所述内部中； 电子控制单元，所述电子控制单元与所述热转换装置可操作地通讯，并配置成调节热 能在所述主流体与所述次流体之间的传递；以及配置成传送来自所述热转换系统的电能的传递介质。
全文摘要
本发明涉及发电的热转换装置及系统。一种配置成发电并转换热能的热转换装置，热转换装置包括配置成将热能转换为机械能的热力发动机。热力发动机包括拟塑性预应变的形状记忆合金，该形状记忆合金具有响应于来自小于或等于约300℃的流体之间的温差的热能可在奥氏体与马氏体之间变化的结晶相。热力发动机还包括由热力发动机驱动并配置成将机械能转换为电能的发电机。配置成发电并转换热能的热转换系统包括由具有第一温度的主流体与具有不同于第一温度的第二温度的次流体之间小于或等于约300℃的温差形成的热能的来源；以及热转换装置。
文档编号F03G7/06GK102102648SQ20101059160
公开日2011年6月22日 申请日期2010年12月16日 优先权日2009年12月16日
发明者L. 布朗 A., H. 布朗 J., 维托尔夫 M., L. 约翰逊 N. 申请人:合金力学公司, 通用汽车环球科技运作有限责任公司