專(zhuān)利名稱(chēng)：排氣系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及一種排氣系統(tǒng)，更明確地，涉及一種被配置以將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械 能的排氣系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
車(chē)輛可以由發(fā)動(dòng)機(jī)和/或一塊或多塊電池來(lái)提供動(dòng)力。例如，發(fā)動(dòng)機(jī)可以為車(chē)輛 提供動(dòng)力和/或給電池充電。電池組依次提供肩動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，和/或?yàn)檐?chē)輛提供動(dòng)力。發(fā)動(dòng)機(jī)和電池組都會(huì)產(chǎn)生大量的廢熱，例如，過(guò)量的熱能，并且將近一半的廢熱通 常都作為廢氣散入大氣。盡管發(fā)動(dòng)機(jī)和燃燒技術(shù)有所改進(jìn)，仍然有將近四分之一的燃油能 量在排氣流中被當(dāng)做廢熱排出。所以，對(duì)車(chē)輛燃油經(jīng)濟(jì)性的最大收益在于意識(shí)到將廢熱轉(zhuǎn) 化成有用的機(jī)械能和/或電能。

發(fā)明內(nèi)容
一種配置以將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的排氣系統(tǒng)，包括由第一溫度的排氣和小于第一 溫度的第二溫度的散熱器之間的溫度差所提供的熱能源。該排氣系統(tǒng)還包括被配置以輸送 排氣的導(dǎo)管，以及與該導(dǎo)管相關(guān)設(shè)置的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。該熱力發(fā)動(dòng)機(jī)被配置以將熱能轉(zhuǎn)化為 機(jī)械能，其包括由第一形狀記憶合金形成的第一元件，該第一元件具有在第一轉(zhuǎn)化溫度時(shí) 在奧氏體和馬氏體之間轉(zhuǎn)化的結(jié)晶相，作為對(duì)排氣和散熱器之間的溫差的反應(yīng)。另外，該排 氣系統(tǒng)還包括一個(gè)與導(dǎo)管接觸并且被配置以從導(dǎo)管向發(fā)動(dòng)機(jī)傳導(dǎo)熱能的構(gòu)件。在一種變化中，該元件包括多個(gè)被配置與第一元件接觸，從而在奧氏體與馬氏體 之間改變結(jié)晶相的接觸件件。進(jìn)一步地，該排氣還系統(tǒng)包括與導(dǎo)管和該元件接觸的絕緣體， 其被配置將導(dǎo)管和該構(gòu)件熱絕緣。該排氣系統(tǒng)還包括將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電機(jī)，其中 第一形狀記憶合金替代地在尺寸上響應(yīng)于第二溫度在局部區(qū)域延伸，并響應(yīng)于第一溫度在 尺寸上接觸另一個(gè)局部區(qū)域，由此將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能并驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。在其它的變化中，該排氣系統(tǒng)包括多個(gè)沿軸向傳輸廢氣的隱藏式管道，多個(gè)發(fā)動(dòng) 機(jī)以及多個(gè)元件。多個(gè)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)中的每一個(gè)包括由第一形狀記憶合金形成的第一元件， 并且多個(gè)元件中的每一個(gè)都布置于多個(gè)導(dǎo)管中各自對(duì)應(yīng)的一個(gè)中。另外，多個(gè)元件中的每 一個(gè)布置為與各自對(duì)應(yīng)的導(dǎo)管中的各自對(duì)應(yīng)的一個(gè)接觸，并且被配置為向與各個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì) 應(yīng)的導(dǎo)管中傳輸熱能。該排氣系統(tǒng)提供由熱能向機(jī)械能的良好的轉(zhuǎn)化。也就是說(shuō)，該排氣系統(tǒng)以廢熱的 形式獲得熱能并產(chǎn)生機(jī)械輸出。進(jìn)一步地，熱力發(fā)動(dòng)機(jī)高效集成于排氣系統(tǒng)內(nèi)部以最大化 機(jī)械能的輸出。
上述本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)以及其它特征和優(yōu)點(diǎn)從下列結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施本發(fā)明最 佳方式的詳細(xì)描述中變得顯而易見(jiàn)。本發(fā)明提供下列解決方案1、一種排氣系統(tǒng)，其配置成將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，所述排氣系統(tǒng)包括熱能源，其由具有第一溫度的排氣和具有比所述第一溫度低的第二溫度的散熱器 之間的溫度差提供；導(dǎo)管，其配置用于輸送所述排氣；熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，其布置成與所述導(dǎo)管成熱關(guān)系并且配置用于將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能， 其中所述熱力發(fā)動(dòng)機(jī)包括第一元件，其由第一形狀記憶合金形成，所述第一形狀記憶合金 具有結(jié)晶相，所述結(jié)晶相響應(yīng)于所述排氣和所述散熱器之間的所述溫度差而在第一轉(zhuǎn)變溫 度下可在奧氏體和馬氏體之間變化；以及構(gòu)件，其布置成與所述導(dǎo)管接觸并且配置用于從所述導(dǎo)管向所述熱力發(fā)動(dòng)機(jī)傳導(dǎo) 熱能。2、如解決方案1所述的排氣系統(tǒng)，其中所述第一形狀記憶合金從馬氏體向奧氏體 改變結(jié)晶相，由此響應(yīng)于所述排氣而在局部區(qū)域尺寸上收縮。3、如解決方案2所述的排氣系統(tǒng)，其中所述第一形狀記憶合金從奧氏體向馬氏體 改變結(jié)晶相，由此響應(yīng)于所述散熱器而在所述局部區(qū)域尺寸上擴(kuò)張。4、如解決方案3所述的排氣系統(tǒng)，其中所述第一形狀記憶合金響應(yīng)于第二溫度而 在所述局部區(qū)域尺寸上擴(kuò)張，以及響應(yīng)于第一溫度而在所述局部區(qū)域尺寸上收縮，二者交 替進(jìn)行，由此將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。5、如解決方案1所述的排氣系統(tǒng)，進(jìn)一步包括絕緣體，其布置成與所述導(dǎo)管接觸 并且配置用于所述導(dǎo)管和所述構(gòu)件的熱絕緣。6、如解決方案5所述的排氣系統(tǒng)，其中所述絕緣體布置成與所述構(gòu)件接觸。7、如解決方案1所述的排氣系統(tǒng)，其中所述構(gòu)件包括多個(gè)接觸件，其配置成接觸 所述第一元件由此在奧氏體和馬氏體之間改變所述結(jié)晶相。8、如解決方案1所述的排氣系統(tǒng)，進(jìn)一步包括多個(gè)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。9、如解決方案1所述的排氣系統(tǒng)，進(jìn)一步包括至少第二元件，其由第二形狀記憶 合金形成，所述第二形狀記憶合金具有結(jié)晶相，所述結(jié)晶相響應(yīng)于所述排氣和所述散熱器 之間的所述溫度差而在第二轉(zhuǎn)變溫度下可在奧氏體和馬氏體之間變化。10、如解決方案1所述的排氣系統(tǒng)，其中所述第一元件進(jìn)一步具有至少沿所述第 一元件厚度的第二轉(zhuǎn)變溫度，在該溫度下所述結(jié)晶相在奧氏體和馬氏體之間轉(zhuǎn)變。11、如解決方案1所述的排氣系統(tǒng)，進(jìn)一步包括裝置，其配置用于調(diào)節(jié)所述排氣和 所述散熱器之間的所述溫度差。12、如解決方案1所述的排氣系統(tǒng)，進(jìn)一步包括發(fā)電機(jī)，其配置用于將機(jī)械能轉(zhuǎn)變 為電能，其中所述發(fā)電機(jī)被所述熱力發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。13、如解決方案12所述的排氣系統(tǒng)，其中所述第一形狀記憶合金響應(yīng)于所述第二 溫度在局部區(qū)域尺寸上擴(kuò)張，以及響應(yīng)于所述第一溫度在另一局部區(qū)域尺寸上收縮，二者 交替進(jìn)行，由此將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能并驅(qū)動(dòng)所述發(fā)電機(jī)。14、一種排氣系統(tǒng)，其配置用于將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，所述排氣系統(tǒng)包括
熱能源，其由具有第一溫度的排氣和具有比所述第一溫度低的第二溫度的散熱器 之間的溫度差提供；導(dǎo)管，其配置用于輸送所述排氣；熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，其布置成與所述導(dǎo)管成熱關(guān)系并且配置用于將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能， 其中所述熱力發(fā)動(dòng)機(jī)包括第一元件，其由第一形狀記憶合金形成，所述第一形狀記憶合金 具有結(jié)晶相，所述結(jié)晶相響應(yīng)于所述排氣和所述散熱器之間的所述溫度差而在第一轉(zhuǎn)變溫 度下可在奧氏體和馬氏體之間變化；構(gòu)件，其布置成與所述導(dǎo)管接觸并且配置用于從所述導(dǎo)管向所述熱力發(fā)動(dòng)機(jī)傳導(dǎo) 熱能，其中所述構(gòu)件包括配置成接觸所述第一元件由此在奧氏體和馬氏體之間改變結(jié)晶相 的多個(gè)接觸件；絕緣體，其布置與所述導(dǎo)管和所述構(gòu)件接觸并且配置用于所述導(dǎo)管和所述構(gòu)件的 熱絕緣；以及發(fā)電機(jī)，其配置用于將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽渲兴龅谝恍螤钣洃浐辖痦憫?yīng)于所 述第二溫度在局部區(qū)域尺寸上擴(kuò)張，以及響應(yīng)于所述第一溫度在另一局部區(qū)域尺寸上收 縮，二者交替進(jìn)行，由此將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能并驅(qū)動(dòng)所述發(fā)電機(jī)。15、一種排氣系統(tǒng)，其配置用于將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，所述排氣系統(tǒng)包括熱能源，其由具有第一溫度的排氣和具有比所述第一溫度低的第二溫度的散熱器 之間的溫度差提供；多個(gè)導(dǎo)管，其每個(gè)配置用于沿軸線(xiàn)輸送所述排氣；多個(gè)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述多個(gè)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的每個(gè)包括第一元件，其由第一形狀 記憶合金形成，所述第一形狀記憶合金具有結(jié)晶相，所述結(jié)晶相響應(yīng)于所述排氣和所述散 熱器之間的所述溫度差而在第一轉(zhuǎn)變溫度下可在奧氏體和馬氏體之間變化；其中所述多個(gè)元件的每個(gè)置于所述多個(gè)導(dǎo)管的相應(yīng)的一個(gè)內(nèi)；以及多個(gè)構(gòu)件，其中所述多個(gè)構(gòu)件中的每個(gè)布置與所述多個(gè)導(dǎo)管中的相應(yīng)的一個(gè)接 觸，并且配置用于從所述相應(yīng)導(dǎo)管向所述相應(yīng)的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)傳導(dǎo)熱能。16、如解決方案15所述的排氣系統(tǒng)，其中所述多個(gè)構(gòu)件中的每個(gè)布置于所述多個(gè) 導(dǎo)管中相應(yīng)的一個(gè)內(nèi)。17、如解決方案16所述的排氣系統(tǒng)，進(jìn)一步包括相對(duì)于所述軸線(xiàn)居中并可繞所述 軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)的殼體，其中所述多個(gè)導(dǎo)管中的每個(gè)布置在所述殼體內(nèi)并且與所述排氣和所述散 熱器流體連通。18、如解決方案17所述的排氣系統(tǒng)，其中所述第一形狀記憶合金響應(yīng)于所述第二 溫度在局部區(qū)域尺寸上擴(kuò)張，以及響應(yīng)于所述第一溫度在所述局部區(qū)域尺寸上收縮，二者 交替進(jìn)行，由此將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。


圖1是包括熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)的示意性透視圖；圖2是圖1中包括多個(gè)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)的另一個(gè)變化形式的示意性透視 圖；圖3是圖1和圖2中包括多個(gè)導(dǎo)管和多個(gè)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)的另一個(gè)變化形式的示意性透視圖；以及圖 4是圖3中的導(dǎo)管的橫截面示意圖。
具體實(shí)施例方式參考附圖，其中相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件，圖1中表示將排氣系統(tǒng)表示為 10。該排氣系統(tǒng)10被配置以將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。因此，該排氣系統(tǒng)10可以應(yīng)用于汽車(chē)， 包括但不局限于車(chē)輛排氣系統(tǒng)，動(dòng)力系統(tǒng)，以及電氣系統(tǒng)。然而，該排氣系統(tǒng)10也可以用于 非汽車(chē)的應(yīng)用，例如但不局限于是家庭供熱，通風(fēng)，以及空調(diào)系統(tǒng)?；趶臒崮芟驒C(jī)械能的 極好的轉(zhuǎn)變，該排氣系統(tǒng)10可以具有其它非汽車(chē)的應(yīng)用，例如但不局限于用于電池冷卻劑 以及家庭和地?zé)釓U熱的應(yīng)用。該排氣系統(tǒng)10可以繞過(guò)從機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)變步驟而直接 驅(qū)動(dòng)包括泵和風(fēng)扇的機(jī)械裝置由此來(lái)在系統(tǒng)內(nèi)減小能量損失。現(xiàn)在參考圖1，排氣系統(tǒng)10包括熱能源。該熱能源由具有第一溫度T1的排氣12 和具有第二溫度T2的散熱器14之間的溫度差ΔΤ提供，第二溫度T2低于第一溫度1\。也 就是說(shuō)，第一溫度T1不同于并且比第二溫度T2高。例如，第一溫度T1和第二溫度T2之間的 溫度差八1~可以像大約51那么小并且不大于1001。換句話(huà)說(shuō)，溫度差ΔΤ可以大于或等 于大約5°C并且小于或等于大約30°C，例如，小于或等于大約10°C。作為非限定性的實(shí)例， 雖然沒(méi)有表示出來(lái)，但該溫度差ΔΤ可以存在于催化轉(zhuǎn)化器、電池盒、變速箱、飛輪、剎車(chē)、 減震器、散熱器、熱交換器、消聲器、渦輪/增壓器、插入單元、以及車(chē)輛外表之中或之間。也 就是說(shuō)，該溫度差Δ T可能存在于發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)、電池冷卻系統(tǒng)以及類(lèi) 似的系統(tǒng)之間或之中。排氣12可以是，例如，熱排放或廢熱，例如是來(lái)自車(chē)輛(未示出)的過(guò)量的熱能。 替代地，排氣12可以是電池(未示出)、車(chē)輛附件(未示出)、和/或車(chē)輛部件(未示出)， 例如是催化轉(zhuǎn)化器的排氣流的熱輸出。散熱器14，相比之下，可以從氣體、液體、固體以及它們的組合中選取。例如，散熱 器14同樣可以是氣體，例如是車(chē)輛(未示出)廢氣排放相關(guān)的冷卻器部分或者車(chē)輛外部環(huán) 境中的大氣。也就是說(shuō)，散熱器14可以與排氣12的成分相同或不同。在一種變化方式中， 排氣12和散熱器14可以都是以來(lái)自車(chē)輛的氣體的形式的廢氣，但是排氣12位于散熱器14 上游且具有比第二溫度T2高的第一溫度1\。也就是說(shuō)，如上面所述，散熱器14可以是排氣 12下游比排氣12更冷的氣體。或者，散熱器14可以是車(chē)輛(未示出)外部的環(huán)境大氣，例 如是車(chē)輛行在行駛過(guò)程中外部流動(dòng)的相對(duì)較冷的氣體。替代地，散熱器14與排氣12有著 不同的形式或相。例如，散熱器14可以是液體，如水或冷卻劑。再次參考圖1，排氣系統(tǒng)10也包括導(dǎo)管16，其被配置以輸送排氣12。例如，該導(dǎo)管 16可以是被配置以沿軸線(xiàn)18輸送排氣12的管道或軟管。雖然該導(dǎo)管16可以具有任意的 形狀或配置，但在一種變化形式中，該導(dǎo)管16可以是用于從車(chē)輛的一個(gè)部件向其它部件傳 輸排氣12的中空?qǐng)A柱管。例如，導(dǎo)管16可以是車(chē)輛的排氣管，以及可以引導(dǎo)排氣12，并且 伴有廢熱離開(kāi)車(chē)輛(未示出)發(fā)動(dòng)機(jī)流向散熱器14，例如是車(chē)輛(未示出)外部的大氣。繼續(xù)參考圖1，排氣系統(tǒng)10也包括熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20。該熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20被配置以將 熱能，例如是熱量，轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，下面將會(huì)詳細(xì)描述。更具體地，所述熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20包括 第一元件22，其由在響應(yīng)于排氣12和散熱器14之間的溫度差Δ T的第一轉(zhuǎn)變溫度Tteansl時(shí)具有在奧氏體和馬氏體之間可轉(zhuǎn)變的結(jié)晶相的第一形狀記憶合金形成。也就是說(shuō)，第一形 狀記憶合金具有特定的轉(zhuǎn)變溫度Tteansl，在該溫度下該第一形狀記憶合金在晶相之間改變。如這里所使用的術(shù)語(yǔ)“形狀記憶合金”是指具有形狀記憶效果并且具有在硬度、彈 性系數(shù)和/或形狀穩(wěn)性之間快速改變特性的合金。也就是說(shuō)，第一形狀記憶合金會(huì)通過(guò)分 子相和結(jié)晶相之 間的重排列以在馬氏體相，即“馬氏體”和奧氏體相，即“奧氏體”之間切換 而經(jīng)受固態(tài)結(jié)晶相的改變。換句話(huà)說(shuō)，第一形狀記憶合金可在馬氏體與奧氏體之間變化時(shí) 經(jīng)受位移轉(zhuǎn)變而不是擴(kuò)散轉(zhuǎn)變從而在馬氏體和奧氏體之間切換。位移轉(zhuǎn)變被限定為通過(guò)相 對(duì)于相鄰的原子或原子團(tuán)的原子或原子團(tuán)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變化。通常，馬氏體相是指 與溫度較高的奧氏體相比溫度相對(duì)較低的相且更容易變形。第一形狀記憶合金開(kāi)始從奧氏體相向馬氏體相開(kāi)始變化的溫度即是被稱(chēng)為馬氏 體初始溫度Ms。第一形狀記憶合金完成從奧氏體相向馬氏體相的轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度被稱(chēng)為馬氏 體完成溫度Mf,或者第一轉(zhuǎn)變溫度Tteansl。類(lèi)似地，如果第一形狀記憶合金被加熱，第一形狀 記憶合金開(kāi)始從馬氏體相向奧氏體相轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度被稱(chēng)為奧氏體起始溫度As。第一形狀記 憶合金完成從馬氏體相向奧氏體相的轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度被稱(chēng)為奧氏體完成溫度Af，或者第一形 狀記憶合金的第一轉(zhuǎn)變溫度Tteansl。所以，由第一形狀記憶合金形成的第一元件22具有冷態(tài)特性，即當(dāng)?shù)谝恍螤钣洃?合金的溫度低于馬氏體完成溫度Mf或第一形狀記憶合金的第一轉(zhuǎn)變溫度Tteansl。同樣地，第 一元件22也可以具有熱態(tài)特性，例如是當(dāng)?shù)谝恍螤钣洃浐辖鸬臏囟雀哂趭W氏體完成溫度Af 或第一形狀記憶合金的第一轉(zhuǎn)變溫度Tteansl時(shí)。在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，被預(yù)應(yīng)力或受到張應(yīng)力的第一形狀記憶合金在改變結(jié)晶相時(shí)改變尺 寸，由此來(lái)將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。也就是說(shuō)，當(dāng)置于熱能源中的時(shí)候，第一形狀記憶合金可 以在改變結(jié)晶相時(shí)改變尺寸，由此來(lái)將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。特別地，第一形狀記憶合金可以 從馬氏體相向奧氏體相改變結(jié)晶相，并且由此響應(yīng)于排氣12在局部區(qū)域(圖1中通常以標(biāo) 記24表示)尺寸上收縮以將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。更具體地，如果第一形狀記憶合金被假塑 性預(yù)應(yīng)力的話(huà)第一形狀記憶合金會(huì)在尺寸上收縮。術(shù)語(yǔ)“假塑性預(yù)應(yīng)力”是指拉伸，例如，當(dāng) 第一形狀記憶合金處于馬氏體相時(shí)，第一元件22在負(fù)載下拉緊。當(dāng)?shù)谝辉?2卸下負(fù)載 時(shí)，第一形狀記憶合金在負(fù)載下的形狀并不能完全恢復(fù)。相反，當(dāng)僅被彈性張緊力作用時(shí)， 第一元件22的形狀會(huì)完全恢復(fù)。所以，在卸載時(shí)，由第一形狀記憶合金形成的第一元件22 表現(xiàn)出塑性變形，但當(dāng)?shù)谝辉?2被加熱至奧氏體起始溫度As時(shí)，被張緊的形狀會(huì)恢復(fù)， 由此第一元件22返回其初始的長(zhǎng)度。也就是說(shuō)，加載第一形狀記憶合金使其超過(guò)第一形狀 記憶合金的彈性張力限制，并且第一形狀記憶合金的馬氏體晶體結(jié)構(gòu)先于超過(guò)第一形狀記 憶合金真實(shí)的塑性張力限制時(shí)發(fā)生變形是可能的。這種類(lèi)型的張緊力，即介于彈性張力限 制和真實(shí)塑性張力限制之間的，就是假塑性張力。由此，由第一形狀記憶合金形成的第一元件22可以在其被安裝于熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20 上之前被拉伸，從而第一形狀記憶合金的標(biāo)稱(chēng)長(zhǎng)度包括可恢復(fù)的假塑性張力。該可恢復(fù)的 假塑性張力可以提供致動(dòng)和/或驅(qū)動(dòng)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20的動(dòng)力。因此，在不預(yù)先拉伸第一形狀 記憶合金的情況下，在結(jié)晶相改變時(shí)僅會(huì)發(fā)生很小的變形。進(jìn)一步地，第一元件22可以承 受由偏置機(jī)構(gòu)作用的張力，例如，彈簧或第一形狀記憶合金被張緊的奧氏體部分，以影響結(jié) 晶相的改變。
相反地，第一形狀記憶合金可以從奧氏體向馬氏體改變結(jié)晶相，因此作為對(duì)散熱器14的反應(yīng)在局部區(qū)域24處在尺寸上擴(kuò)張。例如，當(dāng)?shù)谝恍螤钣洃浐辖鸪惺軓埦o應(yīng)力和 第二溫度T2時(shí)，第一形狀記憶合金在尺寸上擴(kuò)張。第一形狀記憶合金由比通過(guò)交替擴(kuò)張和 收縮將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。也就是說(shuō)，第一形狀記憶合金可以交替地響應(yīng)于第二溫度T2在 局部區(qū)域24擴(kuò)張尺寸，并且響應(yīng)于第一溫度T1在局部區(qū)域24上收縮尺寸，并因此將熱能 轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，下文將會(huì)更詳細(xì)地描述。第一形狀記憶合金可以具有任意合適的成分。特別地，第一形狀記憶合金可以包 括從鈷、鎳、鈦、銦、錳、鐵、鈀、鋅、銅、銀、金、鎘、錫、硅、鉬、以及鎵形成的組中選擇的元素的 結(jié)合。例如，合適的第一形狀記憶合金可以包括鎳鈦基合金、鎳鋁基合金、鎳鎵基合金、銦鈦 基合金、銦鎘基合金、鎳鈷鋁基合金、鎳錳鎵基合金、銅基合金(例如銅鋅合金、銅鋁合金、 銅金合金、以及銅錫合金)、金鎘基合金、銀鎘基合金、錳銅基合金、鐵鉬基合金、鐵鈀基合 金、以及一種或幾種上述結(jié)合的組合。第一形狀記憶合金可以是二元、三元以及其它任意更 多元的合金，只要第一形狀記憶合金具有形狀記憶作用，例如形狀傾向性的變化，阻尼容量 以及類(lèi)似的。第一形狀記憶合金可以如下文將要詳細(xì)描述的那樣根據(jù)排氣系統(tǒng)10預(yù)期的 運(yùn)行溫度來(lái)選擇。在一個(gè)特定的實(shí)例中，第一形狀記憶合金包括鎳和鈦。進(jìn)一步地，由第一形狀記憶合金形成的第一元件22可以具有任意合適的形態(tài)，即 形狀。例如，第一元件22可以具有形狀可變化的元件。也就是說(shuō)，第一元件22可以具有選 擇于彈簧、條帶、線(xiàn)纜、皮帶、連續(xù)的環(huán)及其結(jié)合的組中的形態(tài)。參考圖1，在一種變化形式 中，第一元件22被配置為連續(xù)的環(huán)?，F(xiàn)在參考圖2，在另一種變化形式中，排氣系統(tǒng)10可以包括至少一個(gè)由第二形狀 記憶合金形成的第二元件26，第二形狀記憶合金具有在第二轉(zhuǎn)變溫度Ttrans2時(shí)作為對(duì)排氣 12和散熱器14之間的溫度差ΔΤ的反應(yīng)在奧氏體和馬氏體之間可改變的結(jié)晶相。也就是 說(shuō)，排氣系統(tǒng)10可以包括多個(gè)元件22、26并且元件22、26可以由相同或不同形狀記憶合金 形成。第二元件26可以被選擇以使第二轉(zhuǎn)變溫度Ttrans2小于第一元件22的第一轉(zhuǎn)變溫度 Ttranslo由此，第二形狀記憶合金可以在較低溫度時(shí)在奧氏體和馬氏體之間改變，下文將會(huì) 更詳細(xì)地描述。在包括多個(gè)元件22、26的變化形式中，每個(gè)元件22、26可以具有不同的轉(zhuǎn)變溫度 Tteans,在該溫度下結(jié)晶相在奧氏體和馬氏體之間轉(zhuǎn)變。也就是說(shuō)，每個(gè)元件22、26可以在不 同的轉(zhuǎn)變溫度Tteans下改變結(jié)晶相，但是可以與其它元件22、26相配合，例如，結(jié)合機(jī)械能的 輸出，以產(chǎn)生最大量的機(jī)械能。在另一個(gè)變化形式中，第一元件22可以在其厚度上進(jìn)一步具有第二轉(zhuǎn)變溫度 Tteans2，在該溫度下結(jié)晶相在奧氏體和馬氏體之間改變。即，第一元件22可以在其厚度上具 有多個(gè)轉(zhuǎn)變溫度Ttrans2，在該溫度下結(jié)晶相在奧氏體和馬氏體之間改變。所以，第一元件22 的一個(gè)或多個(gè)部分可以在第一元件22的其它部分之前改變結(jié)晶相。在另一個(gè)變化形式中， 第一元件22可以在其厚度上包括復(fù)合的、同步的相位改變。在運(yùn)行中，如圖1和2所示以及下面詳細(xì)描述的，第一形狀記憶合金可以在與排氣 12和散熱器14的其中之一熱接觸時(shí)在奧氏體和馬氏體之間改變結(jié)晶相。例如，當(dāng)與排氣 12熱接觸時(shí)，第一形狀記憶合金可以從馬氏體改變?yōu)閵W氏體。同樣，當(dāng)與散熱器14熱接觸 時(shí)，第一形狀記憶合金可以從奧氏體改變?yōu)轳R氏體。
第一形狀記憶合金可以通過(guò)任意合適的方式將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。例如，由第一 形狀記憶合金形成的第一元件22可以致動(dòng)皮帶輪系統(tǒng)(如圖1和2中所示以及前面所述)， 與控制桿(未示出)嚙合，轉(zhuǎn)動(dòng)飛輪(未示出)，與螺桿(未示出)嚙合等等。重新參考圖1中的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20，該熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20被布置與導(dǎo)管16熱連接，例如 是熱交換關(guān)系。例如，如圖1所示，該熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20可以被布置與導(dǎo)管16相鄰，以使熱能 可 以通過(guò)導(dǎo)管16傳向熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20。重新參考圖1和圖2，排氣系統(tǒng)10還可以包括發(fā)電機(jī)28。該發(fā)電機(jī)28被配置以 將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?在圖1和圖2中通常以標(biāo)記30來(lái)表示)。該發(fā)電機(jī)28可以是任意 合適的將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?0的裝置。例如，該發(fā)電機(jī)28可以是利用電磁感應(yīng)將機(jī)械能 轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?0的發(fā)電機(jī)，并且包括相對(duì)于定子(未示出)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子(未示出)。由此，可 以獲得熱能并將其轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能和/或電流30以被發(fā)動(dòng)機(jī)(未示出)重新利用和/或存 儲(chǔ)于車(chē)輛(未示出)的蓄電池(未示出)。繼續(xù)參考圖1和圖2，發(fā)電機(jī)28可以被熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20所驅(qū)動(dòng)。S卩，由熱能被第一 元件22所轉(zhuǎn)變成的機(jī)械能驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)28。特別地，上面提到的由第一形狀記憶合金形成的 第一元件22尺寸的收縮或擴(kuò)張驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)28，下文會(huì)更詳細(xì)地說(shuō)明。繼續(xù)參考圖1，在一個(gè)非限定性的實(shí)例中，第一元件22可以被配置為連續(xù)的環(huán)。在 該實(shí)例中，熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20可以包括多個(gè)皮帶輪32、34或設(shè)置以支撐第一元件22的輪子。熱 力發(fā)動(dòng)機(jī)20還可以包括被設(shè)置以支撐皮帶輪32、34或輪子的機(jī)架36。例如，多個(gè)皮帶輪 32,34或輪子可以被布置于多個(gè)軸38、40上，并且可相對(duì)于機(jī)架36旋轉(zhuǎn)。由第一形狀記憶 合金形成的第一元件22可以被輪子或皮帶輪32、34支撐并沿它們移動(dòng)。即，在該變化形式 中，連續(xù)的環(huán)會(huì)沿多個(gè)皮帶輪32、34平移。繼續(xù)參考圖1，輪子或皮帶輪32、34的轉(zhuǎn)速可以通過(guò)一個(gè)或多個(gè)齒輪裝置42任意 更改。而且，發(fā)電機(jī)28可以包括與輪子或皮帶輪32連接的驅(qū)動(dòng)軸44。當(dāng)輪子或皮帶輪32、 34作為對(duì)由第一形狀記憶合金形成的第一元件22尺寸擴(kuò)張或收縮的反應(yīng)，相對(duì)于各自熱 力發(fā)動(dòng)機(jī)20的輪軸38、40轉(zhuǎn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)軸44轉(zhuǎn)動(dòng)并驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)28。也就是說(shuō)，如參 考圖1的描述，第一形狀記憶合金可選擇地作為對(duì)第二溫度T2的反應(yīng)而在局部區(qū)域46擴(kuò) 張尺寸，以及作為對(duì)第一溫度T1的反應(yīng)而在局部區(qū)域24收縮尺寸，由此將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械 能并驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)28。該發(fā)電機(jī)28隨之發(fā)出電流30，由此機(jī)械能被轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?。在另一個(gè)非限定性的實(shí)例中，雖然沒(méi)有表示出，但是排氣系統(tǒng)10也可以包括沿直 線(xiàn)配置的第一元件22。例如，在一個(gè)變化形式中，該排氣系統(tǒng)10的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20被配置為 發(fā)電機(jī)28的直線(xiàn)致動(dòng)器。該直線(xiàn)致動(dòng)器被用以直接轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)內(nèi)導(dǎo)體的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在該 變化方式中，第一元件22被配置為兩條連接于永磁體(未示出)的直導(dǎo)線(xiàn)。當(dāng)形狀記憶合 金被加熱時(shí)，例如是暴露于排氣12的第一溫度T1中時(shí)，第一元件22收縮尺寸。所述收縮 移動(dòng)永磁體并在發(fā)電機(jī)28的線(xiàn)圈(未示出)中產(chǎn)生電壓。當(dāng)隨后暴露于散熱器14中時(shí)， 該第一形狀記憶合金冷卻，此時(shí)第一元件22尺寸擴(kuò)張。第一元件22隨后繼續(xù)在排氣12和 散熱器14之間存在溫度差ΔΤ時(shí)在尺寸上擴(kuò)張或收縮。另外，熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20可被配置作為一飛輪運(yùn)動(dòng)，由此在選定的運(yùn)動(dòng)狀況期間，將 避開(kāi)由熱能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)變。在這樣的運(yùn)行狀況期間，在沒(méi)有熱能輸入時(shí)仍舊可以獲得熱 力發(fā)動(dòng)機(jī)20的動(dòng)能。因此，在該變化形式中，當(dāng)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)速度和熱量傳輸速度不同步時(shí)，可以保護(hù)第一元件22不受損壞。進(jìn)一步地， 雖然沒(méi)有圖示出，但是熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20還可以包括清潔元件，例如是刷 子，其被配置以清潔和/或刮擦熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20的第一元件22。例如，由于該排氣系統(tǒng)運(yùn)行 于嚴(yán)酷和/或污濁的環(huán)境中，清潔元件能夠去除銹蝕和積存的污物，以使熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20高 效運(yùn)行。另外，該熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20還可以包括其他操作元件，例如是永磁體、折板以及彈簧， 這取決于期望的應(yīng)用。再參考圖1，熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20還可以包括離合器(通常以箭頭48表示)，其被配置以 阻止熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20向不希望的運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)行，例如是逆時(shí)針或向左。即該離合器48可以 包括棘輪機(jī)構(gòu)以允許熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20僅向期望的運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)行。由此該離合器48可以“單 向”為特征，并且可以確保熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20不被“逆向驅(qū)動(dòng)”?，F(xiàn)在參考圖2，在一個(gè)變化形式中，排氣系統(tǒng)10可以包括多個(gè)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20、120、 220。例如，該排氣系統(tǒng)10可以包括兩個(gè)或多個(gè)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20、120、220。更進(jìn)一步地，多 重?zé)崃Πl(fā)動(dòng)機(jī)20、120、220可以沿導(dǎo)管16的長(zhǎng)度上被串聯(lián)布置和/或并聯(lián)布置。例如，多 個(gè)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20、120、220可以在導(dǎo)管16的長(zhǎng)度方向上串聯(lián)按次序排列，以使來(lái)自熱力發(fā) 動(dòng)機(jī)120的相對(duì)較冷的氣體，例如是散熱器14，可以作為用于第二級(jí)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20的排氣 12，以此來(lái)從排氣12中最大化獲取熱能。在一種配置中，多重?zé)崃Πl(fā)動(dòng)機(jī)20、120、220可以沿導(dǎo)管16的長(zhǎng)度方向設(shè)置，通過(guò) 設(shè)計(jì)和記憶合金形狀的選取使其可以單獨(dú)調(diào)節(jié)，以根據(jù)沿導(dǎo)管16的長(zhǎng)度方向上較小的溫 度變動(dòng)來(lái)最優(yōu)化其運(yùn)行。就是說(shuō)，多個(gè)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20、120、220可以在軸向呈雙級(jí)串聯(lián)設(shè) 置以利用沿導(dǎo)管16的軸線(xiàn)18方向上的溫度差。例如，一個(gè)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20，例如是第一級(jí)， 可以被置于第二個(gè)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)120，例如是第二級(jí)，的下游。更明確地，三個(gè)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20、 120、220可以被置于具有第一溫度T1的第一位置處，具有比第一溫度T1高的第二溫度T2的 第二位置處，以及具有第三溫度T3的第三位置處，第三溫度T3要高于第一溫度T1和第二溫 度T2。即排氣12從第三位置向第一位置被輕微地冷卻。在每個(gè)位置處，導(dǎo)管16和各自相 對(duì)的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20、120、220之間的間隙可以變化以適應(yīng)相對(duì)不同的溫度差。例如，第三位 置處的間隙可以比第一和第二位置處的間隙都大。另外或可供選擇的，三個(gè)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20、 120,220可以具有由三個(gè)分別具有第一、第二和第三轉(zhuǎn)變溫度Ttransl、Ttrans2和Ttrans3的各自 形狀記憶合金形成的三個(gè)各自的元件22、26、50。因此，多個(gè)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20、120、220可以 根據(jù)排氣12和/或散熱器14沿導(dǎo)管16的軸線(xiàn)18的位置和溫度來(lái)在不同的轉(zhuǎn)變溫度Tteans 下改變結(jié)晶相。在另一種配置中，雖然未示出，但多個(gè)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20、120是被布置為雙級(jí)徑向串 聯(lián)配置以利用徑向溫度差，例如由導(dǎo)管16的軸線(xiàn)18的徑向間距形成的溫度差。例如，熱力 發(fā)動(dòng)機(jī)20，例如是第一級(jí)，可以被置于距導(dǎo)管16比第二熱力發(fā)動(dòng)機(jī)120，例如是第二級(jí)，近 的位置。在上述所有非限定性的實(shí)例的結(jié)構(gòu)中，第一級(jí)和第二級(jí)可以被設(shè)置與彼此熱連 接，可以協(xié)作，和/或可以單獨(dú)起作用。例如，多個(gè)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20、120、220可以共用一個(gè)元 件22。還參考圖1和2，排氣系統(tǒng)10還包括被布置與導(dǎo)管16接觸并且將熱能從導(dǎo)管16 向熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20傳輸?shù)臉?gòu)件52。例如，該構(gòu)件52通過(guò)傳導(dǎo)作用向熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20傳輸熱能。即，為了優(yōu)化熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20的機(jī)械能和/或電流的輸出，被傳輸向熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20的廢 熱的量必須達(dá)到最大。這種優(yōu)化作用還可以通過(guò)最小化從廢熱中散失的熱量損失來(lái)達(dá)到， 例如，對(duì)散熱器14來(lái)說(shuō)，從排氣12向熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20引導(dǎo)熱能，和/或優(yōu)化從排氣12向第 一元件22的熱量傳導(dǎo)率。構(gòu)件52，因而可以進(jìn)行上述優(yōu)化。更明確地，構(gòu)件52可以由適合從排氣12向熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20的第一元件22傳輸熱 能的導(dǎo)體材料形成。就是說(shuō)，該構(gòu)件52可以被配置以通過(guò)傳導(dǎo)作用從導(dǎo)管16向熱力發(fā)動(dòng) 機(jī)20傳導(dǎo)熱能。例 如，該構(gòu)件52可以由具有良好導(dǎo)熱性的金屬形成。如圖1所示，該構(gòu)件 52被布置與導(dǎo)管16接觸，從而可以在導(dǎo)管16和第一元件22之間沿箭頭54的方向傳輸熱量。進(jìn)一步，如圖1和2所示，構(gòu)件52包括多個(gè)接觸件56，其被配置與第一元件22接 觸，由此在奧氏體和馬氏體之間改變結(jié)晶相。例如，多個(gè)接觸件56可以是柔性的豎毛，從構(gòu) 件52伸出，并且與導(dǎo)管16接觸以引起排氣12、第一元件22和/或排氣系統(tǒng)10的構(gòu)件52 之間的傳導(dǎo)。在另一個(gè)實(shí)例中，多個(gè)接觸件56可以是配置于第一元件22的界面處的滾子。 構(gòu)件52被布置與導(dǎo)管16熱連接，以及多個(gè)接觸件56被布置與第一元件22熱傳遞關(guān)系。雖 然圖中未示出，但多個(gè)接觸件56也可以從第一元件22伸出。例如，第一元件22可以包括 多個(gè)柔性的豎毛。參考圖1，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20在排氣系統(tǒng)10內(nèi)部可以以任意配置或排列來(lái) 布置。即，雖然圖1和圖2中沒(méi)有表示出來(lái)，但是構(gòu)件52和/或接觸件56可以被布置與穿 過(guò)輪子或皮帶輪32的第一元件22的一個(gè)部分熱連接?？蛇x擇地，如圖1和圖2所示，構(gòu)件 52和/或接觸件56可以被布置與跨越兩個(gè)輪子或皮帶輪32、34之間一段距離的第一元件 22的一個(gè)部分熱連接。再參考圖1，排氣系統(tǒng)10可以進(jìn)一步包括被布置與導(dǎo)管16接觸并且配置以在導(dǎo) 管16和構(gòu)件52之間實(shí)現(xiàn)絕緣體58。在一種變化形式中，如圖1所示，該絕緣體58被布置 與構(gòu)件52接觸。就是說(shuō)，絕緣體58至少部分環(huán)繞導(dǎo)管16和/或構(gòu)件52，以最小化傳入導(dǎo) 管16之外的大氣的熱能。該絕緣體58可以由任意適合的能夠從導(dǎo)管16中吸收和/或儲(chǔ) 存廢熱的絕緣材料形成，例如，但不限于是陶瓷。繼續(xù)參考圖1，排氣系統(tǒng)10可以進(jìn)一步包括裝置60，其被配置以調(diào)節(jié)排氣12和散 熱器14之間的溫度差ΔΤ。例如，該裝置60可以包括空氣進(jìn)口，葉片，鼠籠式風(fēng)扇，離心式 氣泵等等，以引導(dǎo)流體穿過(guò)第一元件22并由此改變第一元件22的溫度。例如，該裝置60 可以適應(yīng)使排氣系統(tǒng)10外部的空氣和/或相對(duì)較冷的排氣12流過(guò)由第一形狀記憶合金形 成的第一元件22。由于裝置60改變了第一元件22的溫度，第一元件22會(huì)在尺寸上膨脹， 并引起熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20在期望的運(yùn)動(dòng)方向上運(yùn)動(dòng)。所以，熱流54(圖1)可以通過(guò)風(fēng)門(mén)或葉 片被加大至一個(gè)區(qū)域，例如以箭頭24表示的局部區(qū)域，與其它區(qū)域相比，例如，以箭頭46表 示的其它局部區(qū)域。在運(yùn)行中，以及參考圖1和2的描述中，熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20，以及尤其是由第一形狀記 憶合金形成的第一元件22，可以如上面所述被布置與排氣12和散熱器14熱連接。就是說(shuō)， 第一元件22可以相對(duì)于排氣12和散熱器14布置，以使其反應(yīng)于第一溫度T1和/或第二 溫度T2。例如，熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20的第一元件22被布置與構(gòu)件52的多個(gè)接觸件56接觸，以通 過(guò)傳導(dǎo)引起第一形狀記憶合金結(jié)晶相的改變。
因此，當(dāng)與排氣12和散熱器14熱連接時(shí)，第一形狀記憶合金可以在奧氏體和馬氏 體之間改變結(jié)晶相。例如，當(dāng)與排氣12熱連接時(shí)，第一形狀記憶合金會(huì)由馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W 氏體。同樣，當(dāng)與散熱器14熱連接時(shí)，第一形狀記憶合金會(huì)從奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。進(jìn)一步地，第一形狀記憶合金在改變結(jié)晶相還能改變尺寸，并由此將熱能轉(zhuǎn)化為 機(jī)械能。更具體地，第一形狀記憶合金在從馬氏體向奧氏體改變結(jié)晶相時(shí)會(huì)在尺寸上收縮， 例如其被假塑性預(yù)應(yīng)力時(shí)，以及在從奧氏體向馬氏體改變結(jié)晶相時(shí)會(huì)在尺寸上擴(kuò)張，由此 將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。因此，在任何排氣12的第一溫度T1和散熱器14的第二溫度T2之間 存在溫度差的情況下，例如是排氣12和散熱器14不處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，第一形狀記憶合金 在馬氏體和奧氏體之間改變結(jié)晶相時(shí)膨脹和收縮尺寸。進(jìn)一步地，第一形狀記憶合金結(jié)晶 相的改變足以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)28。參考圖1中的排氣系統(tǒng)10，在熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20啟動(dòng)以及持續(xù)運(yùn)行期間，局部區(qū)域24 與排氣12熱連接，例如是接觸，而另一局部區(qū)域46與散熱器14熱連接，從而引起第一形狀 記憶合金結(jié)晶相的改變。當(dāng)與散熱器14熱連接時(shí)，第一形狀記憶合金的另一局部區(qū)域46 在尺寸上擴(kuò)張，例如是在應(yīng)力作用下伸長(zhǎng)，與排氣12熱連接的第一形狀記憶合金的局部區(qū) 域(通常以箭頭24表示)當(dāng)其被假塑性預(yù)應(yīng)力時(shí)在尺寸上收縮。受到排氣12和散熱器14 之間的溫度差△ T的第一元件22連續(xù)的彈簧環(huán)交替的收縮和擴(kuò)張尺寸可以將潛在的機(jī)械 能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，由此將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。所以，為了優(yōu)化排氣系統(tǒng)10的效率，期望排氣12 和散熱器14被快速更新以維持排氣12和散熱器14之間的溫度差ΔΤ。還參考圖1，只要在運(yùn)行中第一元件22的部分能與各自的排氣12和散熱器14熱 連接，熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20可以位于排氣系統(tǒng)中的任意位置，由此第一記憶合金可以響應(yīng)于至少 一個(gè)排氣12、散熱器14以及排氣12和散熱器14之間的溫度差ΔΤ改變其結(jié)晶相。同樣 地，雖然未示出，但可以認(rèn)識(shí)到排氣系統(tǒng)10可以包括附加的感測(cè)和控制元件，例如是電控 單元。電控單元可以是可操作地連接于排氣系統(tǒng)10并且被配置以調(diào)節(jié)熱能向機(jī)械能和/ 或電流30的轉(zhuǎn)變。該電控單元可以是，例如，電連接于排氣系統(tǒng)10中的一個(gè)或多個(gè)控制元 件和/傳感器的計(jì)算機(jī)。例如，該電控單元可以通訊和/或控制排氣12的溫度傳感器，散 熱器14的溫度傳感器，發(fā)電機(jī)28的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，流量傳感器，致動(dòng)器，以及被配置以監(jiān)控發(fā) 出電流的電流計(jì)中的一個(gè)或多個(gè)。進(jìn)一步地，如圖1和圖2所示，排氣系統(tǒng)10還可以包括傳輸媒介62，其被配置以從 排氣系統(tǒng)10，例如是從發(fā)電機(jī)28傳輸電流30。該傳輸媒介62可以是，例如，輸電線(xiàn)或?qū)щ?線(xiàn)纜。傳輸媒介62從發(fā)電機(jī)28將電流導(dǎo)向儲(chǔ)存裝置，例如是電池(未示出)，蓄電池，和/ 或集電器。例如，排氣系統(tǒng)10可以根據(jù)需求的波動(dòng)產(chǎn)生，儲(chǔ)存，和/或傳輸電流30。也應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到對(duì)前面提到的任何實(shí)例，變化形式，或配置來(lái)說(shuō)，排氣系統(tǒng)10可以 包括多個(gè)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20、120、220元件22、26、60和/或發(fā)電機(jī)28。就是說(shuō)，一個(gè)排氣系統(tǒng) 10可以包括多于一個(gè)的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20、120、220，元件22、26、60，和/或發(fā)電機(jī)28。例如， 一個(gè)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20可以驅(qū)動(dòng)多于一個(gè)的發(fā)電機(jī)28。現(xiàn)在參考圖3，在另一個(gè)變化形式中，排氣系統(tǒng)10包括多個(gè)導(dǎo)管16，導(dǎo)管中每一個(gè) 都被配置以沿軸線(xiàn)18傳輸排氣12。導(dǎo)管16可以以任意適合期望的應(yīng)用的配置來(lái)設(shè)置。例 如，如圖3所示，多個(gè)導(dǎo)管可以被徑向布置，并且與軸線(xiàn)18間隔開(kāi)。在這種變化形式中，排氣系統(tǒng)10進(jìn)一步包括多個(gè)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20(圖4)。多個(gè)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20中的每一個(gè)都包括由具有可以在第一轉(zhuǎn)變溫度Tteansl時(shí)，反應(yīng)于排氣12和散 熱器14之間的溫度差Δ T在奧氏體和馬氏體之間改變的結(jié)晶相的第一形狀記憶合金形成 的第一元件22。進(jìn)一步地，如圖3中更易表現(xiàn)的，多個(gè)第一元件22的每一個(gè)都位于多個(gè)導(dǎo) 管16中與其各自對(duì)應(yīng)的一個(gè)中。因此，多個(gè)第一元件22中的每一個(gè)都與各自對(duì)應(yīng)的多個(gè) 導(dǎo)管16中的元件22其中之一熱連接，例如是熱交換連接。還參考圖4，該變化形式的排氣系統(tǒng)10也包括多個(gè)構(gòu)件52。多個(gè)構(gòu)件52中的每 一個(gè)都被布置與多個(gè)導(dǎo)管16中與其各自相應(yīng)的其中之一接觸，并且被配置為從各自的導(dǎo) 管16向各自的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20傳導(dǎo)熱能。例如，多個(gè)構(gòu)件52中的每一個(gè)都被布置于與其各 自對(duì)應(yīng)的導(dǎo)管16之中。所以，排氣系統(tǒng)10可以包括相等數(shù)量的導(dǎo)管16和元件22。如圖4 所示，多個(gè)構(gòu)件52中的每一個(gè)在每個(gè)導(dǎo)管16的內(nèi)表面64排成一部分，以使構(gòu)件52可以從 導(dǎo)管16向熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20，例如是熱力發(fā)動(dòng)機(jī)20的第一元件22，傳導(dǎo)熱能。在運(yùn)行中，由于 每個(gè)導(dǎo)管16都充滿(mǎn)排氣12，由排氣12攜帶的熱能將通過(guò)構(gòu)件52由導(dǎo)管16向第一元件22 傳導(dǎo)，從而第一形狀記憶合金將在奧氏體和馬氏體之間改變結(jié)晶相。參考圖3，排氣系統(tǒng)10還可以包括殼體66，其沿軸線(xiàn)18居中并繞其旋轉(zhuǎn)。該殼體 66可以由任意合適的材料形成，例如是金屬或塑料，并且在排氣系統(tǒng)10運(yùn)行過(guò)程中可以繞 軸線(xiàn)18旋轉(zhuǎn)，如沿箭頭68的方向旋轉(zhuǎn)。另外，多個(gè)導(dǎo)管16中的每一個(gè)都可以被設(shè)置于殼 體66之內(nèi)。也就是說(shuō)，殼體66可以環(huán)繞多個(gè)導(dǎo)管16。進(jìn)一步地，多個(gè)導(dǎo)管16中的每一個(gè) 都可以在殼體66之內(nèi)被布置與排氣12和散熱器14流體連通。即殼體66可以環(huán)繞每個(gè)導(dǎo) 管16的一段長(zhǎng)度，并且允許導(dǎo)管16由排氣12和散熱器14充滿(mǎn)或排空。對(duì)于這種變化形式，第一形狀記憶合金交替地反應(yīng)于第二溫度T2在局部區(qū)域24 擴(kuò)張尺寸以及反應(yīng)于第一溫度T1在局部區(qū)域24收縮尺寸，由此將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。所以，排氣系統(tǒng)10可以作為氣波增壓器來(lái)運(yùn)行。在運(yùn)行中，如參考圖3和4所描述 的那樣，由于殼體66如圖3所示沿箭頭68方向運(yùn)動(dòng)，多個(gè)導(dǎo)管16中的每一個(gè)都充滿(mǎn)(圖 3中表示為箭頭70的方向)或排空(圖3中表示為箭頭72的方向)排氣12和散熱器14， 例如是進(jìn)氣空氣。在殼體66的每一轉(zhuǎn)期間，會(huì)發(fā)生排氣12以及進(jìn)氣空氣的快速脈動(dòng)和膨 脹/壓縮，由此進(jìn)氣空氣被增壓?，F(xiàn)在參考圖4，第一元件22可以被設(shè)置于導(dǎo)管16中并且與扭矩環(huán)74連接，該扭矩 環(huán)輪流被連接于偏壓元件76，例如是彈簧，其被配置以拉長(zhǎng)第一元件22。在運(yùn)行中，由于第 一元件22被布置于排氣12和散熱器14之中，第一元件22交替擴(kuò)張和收縮尺寸，如上面所 述的。扭矩環(huán)74可以被配置為一將第一元件22的收縮轉(zhuǎn)化為氣波增壓器的旋轉(zhuǎn)的成角度 的軸承。進(jìn)一步地，該氣波增壓器可以包括軸帶發(fā)電機(jī)(未示出)以產(chǎn)生電流30 (圖1)。因此，在排氣系統(tǒng)10運(yùn)行期間并且參考圖3和4，第一元件22當(dāng)其與排氣12和散 熱器14其中之一熱連接的時(shí)候可以在奧氏體和馬氏體之間改變結(jié)晶相。例如，當(dāng)與排氣12 熱連接的時(shí)候，第一元件22會(huì)從馬氏體變?yōu)閵W氏體。類(lèi)似地，當(dāng)與散熱器熱連接的時(shí)候，第 一形狀記憶合金會(huì)從奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。更具體地，第一元件22在改變結(jié)晶相的時(shí)候會(huì)改變尺寸，以將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械 能。更具體地，第一元件22的結(jié)晶相在從馬氏體，例如其被假塑性張緊時(shí)，向奧氏體轉(zhuǎn)變時(shí) 在尺寸上收縮，以及其在結(jié)晶相從馬氏體向奧氏體轉(zhuǎn)變時(shí)在尺寸上擴(kuò)張，以將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)?機(jī)械能。所以，對(duì)于排氣12的第一溫度T1和散熱器14的第二溫度T2存在溫度差，其中排氣12和熱能源14不處于熱平衡狀態(tài)的任何情況，由第一形狀記憶合金形成的第一元件22 在結(jié)晶相在馬氏體和奧氏體之間轉(zhuǎn)變時(shí)在尺寸上擴(kuò)張和收縮，從而將排氣12儲(chǔ)存并攜帶 的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。形狀記憶合金結(jié)晶相的改變足以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)28。
盡管實(shí)施本發(fā)明的最優(yōu)方案被詳細(xì)描述，但熟悉本領(lǐng)域的人員可以意識(shí)到在接下 來(lái)的權(quán)利要求的范圍內(nèi)具有能夠?qū)嵤┍景l(fā)明的不同的可供選擇的設(shè)計(jì)方案和實(shí)施方式。
權(quán)利要求
1.一種排氣系統(tǒng)，其配置用于將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，所述排氣系統(tǒng)包括熱能源，其由具有第一溫度的排氣和具有比所述第一溫度低的第二溫度的散熱器之間 的溫度差提供；導(dǎo)管，其配置用于輸送所述排氣；熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，其布置成與所述導(dǎo)管成熱關(guān)系并且配置用于將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，其中 所述熱力發(fā)動(dòng)機(jī)包括第一元件，其由第一形狀記憶合金形成，所述第一形狀記憶合金具有 結(jié)晶相，所述結(jié)晶相響應(yīng)于所述排氣和所述散熱器之間的所述溫度差而在第一轉(zhuǎn)變溫度下 可在奧氏體和馬氏體之間變化；以及構(gòu)件，其布置成與所述導(dǎo)管接觸并且配置用于從所述導(dǎo)管向所述熱力發(fā)動(dòng)機(jī)傳導(dǎo)熱能。
2.如權(quán)利要求1所述的排氣系統(tǒng)，其中所述第一形狀記憶合金從馬氏體向奧氏體改變 結(jié)晶相，由此響應(yīng)于所述排氣而在局部區(qū)域尺寸上收縮。
3.如權(quán)利要求2所述的排氣系統(tǒng)，其中所述第一形狀記憶合金從奧氏體向馬氏體改變 結(jié)晶相，由此響應(yīng)于所述散熱器而在所述局部區(qū)域尺寸上擴(kuò)張。
4.如權(quán)利要求3所述的排氣系統(tǒng)，其中所述第一形狀記憶合金響應(yīng)于第二溫度而在所 述局部區(qū)域尺寸上擴(kuò)張，以及響應(yīng)于第一溫度而在所述局部區(qū)域尺寸上收縮，二者交替進(jìn) 行，由此將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。
5.如權(quán)利要求1所述的排氣系統(tǒng)，進(jìn)一步包括絕緣體，其布置成與所述導(dǎo)管接觸并且 配置用于所述導(dǎo)管和所述構(gòu)件的熱絕緣。
6.如權(quán)利要求5所述的排氣系統(tǒng)，其中所述絕緣體布置成與所述構(gòu)件接觸。
7.如權(quán)利要求1所述的排氣系統(tǒng)，其中所述構(gòu)件包括多個(gè)接觸件，其配置成接觸所述 第一元件由此在奧氏體和馬氏體之間改變所述結(jié)晶相。
8.如權(quán)利要求1所述的排氣系統(tǒng)，進(jìn)一步包括多個(gè)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。
9.一種排氣系統(tǒng)，其配置用于將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，所述排氣系統(tǒng)包括熱能源，其由具有第一溫度的排氣和具有比所述第一溫度低的第二溫度的散熱器之間 的溫度差提供；導(dǎo)管，其配置用于輸送所述排氣；熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，其布置成與所述導(dǎo)管成熱關(guān)系并且配置用于將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，其中 所述熱力發(fā)動(dòng)機(jī)包括第一元件，其由第一形狀記憶合金形成，所述第一形狀記憶合金具有 結(jié)晶相，所述結(jié)晶相響應(yīng)于所述排氣和所述散熱器之間的所述溫度差而在第一轉(zhuǎn)變溫度下 可在奧氏體和馬氏體之間變化；構(gòu)件，其布置成與所述導(dǎo)管接觸并且配置用于從所述導(dǎo)管向所述熱力發(fā)動(dòng)機(jī)傳導(dǎo)熱 能，其中所述構(gòu)件包括配置成接觸所述第一元件由此在奧氏體和馬氏體之間改變結(jié)晶相的 多個(gè)接觸件；絕緣體，其布置與所述導(dǎo)管和所述構(gòu)件接觸并且配置用于所述導(dǎo)管和所述構(gòu)件的熱絕 緣；以及發(fā)電機(jī)，其配置用于將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，其中所述第一形狀記憶合金響?yīng)于所述第 二溫度在局部區(qū)域尺寸上擴(kuò)張，以及響應(yīng)于所述第一溫度在另一局部區(qū)域尺寸上收縮，二 者交替進(jìn)行，由此將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能并驅(qū)動(dòng)所述發(fā)電機(jī)。
10. 一種排氣系統(tǒng)，其配置用于將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，所述排氣系統(tǒng)包括 熱能源，其由具有第一溫度的排氣和具有比所述第一溫度低的第二溫度的散熱器之間 的溫度差提供；多個(gè)導(dǎo)管，其每個(gè)配置用于沿軸線(xiàn)輸送所述排氣；多個(gè)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述多個(gè)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的每個(gè)包括第一元件，其由第一形狀記憶 合金形成，所述第一形狀記憶合金具有結(jié)晶相，所述結(jié)晶相響應(yīng)于所述排氣和所述散熱器 之間的所述溫度差而在第一轉(zhuǎn)變溫度下可在奧氏體和馬氏體之間變化； 其中所述多個(gè)元件的每個(gè)置于所述多個(gè)導(dǎo)管的相應(yīng)的一個(gè)內(nèi)；以及 多個(gè)構(gòu)件，其中所述多個(gè)構(gòu)件中的每個(gè)布置與所述多個(gè)導(dǎo)管中的相應(yīng)的一個(gè)接觸，并 且配置用于從所述相應(yīng)導(dǎo)管向所述相應(yīng)的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)傳導(dǎo)熱能。
全文摘要
一種排氣系統(tǒng)，被配置以將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，其包括由具有第一溫度的排氣和具有比所述第一溫度低的第二溫度的散熱器之間的溫度差提供的熱能源。該排氣系統(tǒng)還包括導(dǎo)管，其被配置以傳輸排氣，熱力發(fā)動(dòng)機(jī)被布置與所述導(dǎo)管熱連接并且被配置將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并且具有被設(shè)置與所述導(dǎo)管連接并從所述導(dǎo)管向熱力發(fā)動(dòng)機(jī)傳輸熱能的構(gòu)件。該熱力發(fā)動(dòng)機(jī)包括在作為對(duì)排氣和散熱器之間的溫度差的響應(yīng)的第一轉(zhuǎn)變溫度下具有在奧氏體和馬氏體之間可改變的結(jié)晶相的第一形狀記憶合金形成的第一元件。
文檔編號(hào)F03G7/06GK102128068SQ20101062449
公開(kāi)日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2010年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月20日
發(fā)明者A·L·布朗, C·P·亨利, G·P·麥奈特, J·A·卡菲奧, M·威特夫, N·D·曼卡明, N·L·約翰遜, P·B·烏索羅, P·W·亞歷山大, X·高 申請(qǐng)人:通用汽車(chē)環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司