在能量回收裝置中的壓力釋放系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本申請(qǐng)?jiān)O(shè)及能量回收領(lǐng)域，并且特別地設(shè)及用于能量回收的形狀記憶合金（SMA) 的使用。
【背景技術(shù)】
[0002] 通常認(rèn)為小于100度的低級(jí)熱能代表在工業(yè)過(guò)程、發(fā)電和運(yùn)輸應(yīng)用中的大量廢能 流。理想的是回收和重新使用此類廢能流。已提出的用于該目的的技術(shù)的實(shí)例是熱電發(fā)電 機(jī)(TEG)。遺憾的是，熱電發(fā)電機(jī)相對(duì)昂貴。已提出的用于回收此類能量的其它主要實(shí)驗(yàn)方 法是形狀記憶合金的使用。
[0003] 形狀記憶合金（SMA)是能夠記憶它的初始冷鍛形狀的合金，該合金在變形后通過(guò) 加熱可W恢復(fù)到它的變形前形狀。該材料是對(duì)諸如液動(dòng)、氣動(dòng)和機(jī)動(dòng)系統(tǒng)等常規(guī)致動(dòng)器的 輕質(zhì)、固態(tài)替換物。
[0004] =種主要類型的形狀記憶合金是銅-鋒-侶-儀、銅-侶-儀和儀-鐵合金，但是形狀 記憶合金也可W例如通過(guò)使鋒、銅、金和鐵合金化而產(chǎn)生。
[0005] 此類材料的記憶性已從20世紀(jì)屯十年代早期使用或者提出，來(lái)用于回收熱量過(guò) 程，并且特別地，通過(guò)構(gòu)建SMA發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)用于回收熱量過(guò)程，該SMA發(fā)動(dòng)機(jī)從熱量回收能量作 為動(dòng)能。
[0006] 第一類型稱作曲柄式發(fā)動(dòng)機(jī)，US468372是其一個(gè)實(shí)例，在該第一類型中，通過(guò)使該 致動(dòng)器偏屯、地連接到輸出軸，而將SMA致動(dòng)器的往復(fù)線性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。所述 致動(dòng)器通常開發(fā)為形成拉伸彈黃。某些構(gòu)造需要飛輪來(lái)驅(qū)動(dòng)曲柄通過(guò)該機(jī)構(gòu)的極限位置。 相關(guān)的類型是旋轉(zhuǎn)斜盤發(fā)動(dòng)機(jī)，其類似于曲柄，除了旋轉(zhuǎn)斜盤發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸線大致平行 于所施加的力的方向而不是垂直于曲柄之外。
[0007] 第二種類型稱為滑輪發(fā)動(dòng)機(jī)，其一個(gè)實(shí)例是US4010612。在滑輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，SMA線制 的連續(xù)皮帶用作驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。滑輪發(fā)動(dòng)機(jī)可W是不同步的或者是同步的。在不同步的發(fā)動(dòng)機(jī) 中，各滑輪獨(dú)立于彼此自由旋轉(zhuǎn)。在不同元件之間的僅有連結(jié)是與線環(huán)(Wireloop)滾動(dòng)接 觸。相反地，在同步的發(fā)動(dòng)機(jī)中，各滑輪被限制成使得它們W固定的關(guān)系旋轉(zhuǎn)。同步通常用 W確保兩個(gè)軸W相同速度轉(zhuǎn)動(dòng)或者保持相同的相對(duì)定向。
[000引第S種類型的SMA發(fā)動(dòng)機(jī)可W稱為場(chǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)（field engine),其一個(gè)實(shí)例是 US4027479。在該類別中，發(fā)動(dòng)機(jī)抵抗諸如重力場(chǎng)或磁場(chǎng)的力進(jìn)行工作。
[0009] 第四種類型的SMA發(fā)動(dòng)機(jī)是往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)，US4434618是其一個(gè)實(shí)例。與循環(huán)式工 作相反，運(yùn)些往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)W前后方式線性地工作。
[0010] 第五種類型的SMA發(fā)動(dòng)機(jī)是順序發(fā)動(dòng)機(jī)，US4938026是其一個(gè)實(shí)例。順序發(fā)動(dòng)機(jī)W 小的有效的步子移動(dòng)，各步子總計(jì)為顯著的位移。它們?nèi)绯邥嵋粯庸ぷ?，將前部延伸一小?子，并且然后拉伸后部。隨著后部靠近，前部也可W再延伸。
[00川第六種類型的SMA發(fā)動(dòng)機(jī)在美國(guó)專利第US5，150,770A號(hào)中示出并且公開了彈黃操 作的再加載裝置，該專利轉(zhuǎn)讓到康托意大利S.P.A公司（Contraves Italians S.P.A)。康托 裝置具有兩個(gè)問(wèn)題，即，難W W往復(fù)的方式快速地再加載，并且第二，難W在不發(fā)生損失的 情形下將能量排放到傳動(dòng)系統(tǒng)。
[0012] 第屯種類型的SMA發(fā)動(dòng)機(jī)在美國(guó)專利專利公開第US2007/261307A1號(hào)中示出并且 公開了用于自動(dòng)窗系統(tǒng)的能量回收再加載系統(tǒng)，該專利轉(zhuǎn)讓到布瑞滋澳大利亞有限公司 (Rreezway Australia Pty Limited)。布瑞滋公開了一種SMA線，該SMA線聯(lián)接到活塞，該活 塞用W將流體累送到蓄壓器。由此，當(dāng)活塞脹縮時(shí)，活塞與SMA線協(xié)作移動(dòng)。通過(guò)W此方式將 SMA線聯(lián)接到活塞，SMA線經(jīng)由所累送的流體而與蓄能器間接連通，運(yùn)是低效的，并且布瑞滋 系統(tǒng)具有與康托相同的問(wèn)題。
[0013] 第八種類型的SMA發(fā)動(dòng)機(jī)在美國(guó)專利公開第US2008/0034749號(hào)中示出，并且公開 了一種具有受調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)的活性材料致動(dòng)器，其中該專利轉(zhuǎn)讓到通用汽車公司（General Mortors Corpor曰tion)〇
[0014] 另外，運(yùn)些類型的SMA發(fā)動(dòng)機(jī)中的每個(gè)的困難之一是SMA材料的循環(huán)周期。SMA材料 通常相對(duì)較慢地進(jìn)行脹縮(每分鐘10多轉(zhuǎn)）。一直難W實(shí)現(xiàn)可W用于工業(yè)應(yīng)用中的有效往復(fù) 頻率(每分鐘100多轉(zhuǎn)至1000多轉(zhuǎn)）。此不是小任務(wù)，并且通常是復(fù)雜的，而且設(shè)及大量的寄 生功率損失。在各裝置中的其它問(wèn)題是因?yàn)镾MA材料的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果導(dǎo)致壓差或壓力脈 沖累積在該裝置中，使得加熱忍的收縮和冷卻忍的完全膨脹受到阻礙。
[001引本申請(qǐng)?jiān)O(shè)及解決W上提到的各問(wèn)題中的至少一個(gè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[001W 流體轉(zhuǎn)移壓力釋放實(shí)施例
[0017] 本發(fā)明解決了由體積減少引起的壓力脈沖的問(wèn)題，該體積減少是在封閉的浸沒(méi)腔 中SMA線和SM線所聯(lián)接的活塞頭收縮導(dǎo)致的。所公開的本發(fā)明提供了用最少的附加部件解 決該問(wèn)題的簡(jiǎn)單有效的方法。
[0018] 在一個(gè)實(shí)施例中，能量回收裝置包括：
[0019] SMA發(fā)動(dòng)機(jī)，其包括在第一端處固定并且在第二端處連接到驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的一段SMA材 料；
[0020] 浸沒(méi)腔，其適用于容納該SMA發(fā)動(dòng)機(jī)并且適用于依次填充流體W允許加熱和/或冷 卻該SM發(fā)動(dòng)機(jī)；
[0021] 第二SMA發(fā)動(dòng)機(jī)，其包括在第一端處固定并且在第二端處連接到驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的一段 SM材料；
[0022] 第二浸沒(méi)腔，其適用于容納該SMA發(fā)動(dòng)機(jī)并且適用于依次填充流體W允許加熱和/ 或冷卻該SMA發(fā)動(dòng)機(jī);其中，第一忍和第二忍彼此流體連通。
[0023] 在另一實(shí)施例中，提供了一種能量回收裝置，該能量回收裝置包括：
[0024] 第一 SMA忍，其容納在第一浸沒(méi)腔中并且適用于依次填充流體W允許加熱和/或冷 卻該第一 SMA忍；
[0025] 第二SMA忍，其容納在第二浸沒(méi)腔中并且適用于依次填充流體W允許加熱和/或冷 卻該第二SMA忍;并且
[00%] 其中，第一忍和第二忍彼此流體連通。
[0027]將會(huì)理解的是，也可W具有連接的多于一個(gè)的忍，使得排出的水團(tuán)被傳遞到多個(gè) 相鄰的缸。
[0028] 該系統(tǒng)允許在相鄰的缸之間傳遞流體團(tuán)，W通過(guò)從加熱忍傳送的附加流體團(tuán)的輔 助而同時(shí)使得能夠充分無(wú)阻礙地收縮該加熱忍并且充分膨脹冷卻忍。
[0029] 液壓釋放實(shí)施例
[0030] 在一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種能量回收裝置，該能量回收裝置包括：
[0031] SMA忍，其容納在浸沒(méi)腔中并且適用于依次填充流體W允許加熱和/或冷卻該SMA 忍;并且
[0032] 該浸沒(méi)腔構(gòu)造有附加腔，該附加腔包括諸如彈黃的偏置裝置，其中，在當(dāng)SMA忍在 所述腔中伸展時(shí)，該偏置裝置允許流體流入附加腔中。
[0033] 在一個(gè)實(shí)施例中，該偏置器件包括液壓活塞。
[0034] 本發(fā)明解決了由體積減少引起的壓力脈沖的問(wèn)題，該體積減少是在封閉的浸沒(méi)腔 中SMA線和SM線所聯(lián)接的活塞頭收縮導(dǎo)致的。所公開的本發(fā)明提供了用最少的附加部件解 決該問(wèn)題的簡(jiǎn)單有效的方法。
[0035] 本發(fā)明提供了一種由壓力脈沖產(chǎn)生做功的方法。此可W有助于系統(tǒng)的動(dòng)力輸出或 者操作配氣機(jī)構(gòu)或者提供有用的附加動(dòng)力。運(yùn)些選擇中的任何一個(gè)有助于提高該系統(tǒng)的效 率。 陳]蓄熱器流體交換實(shí)施例
[0037] 在一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種能量回收裝置，該能量回收裝置包括：
[0038] SMA發(fā)動(dòng)機(jī)，其包括在第一端處固定并且在第二端處連接到驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的一段SMA材 料；
[0039] 浸沒(méi)腔，其適用于容納該SMA發(fā)動(dòng)機(jī)并且適用于依次填充流體W允許加熱和/或冷 卻該SM發(fā)動(dòng)機(jī)；
[0040] 第二SMA發(fā)動(dòng)機(jī)，其包括在第一端處固定并且在第二端處連接到驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的一段 SM材料；
[0041] 第二浸沒(méi)腔，其適用于容納該SMA發(fā)動(dòng)機(jī)并且適用于依次填充流體W允許加熱和/ 或冷卻該SMA發(fā)動(dòng)機(jī);其中第一忍和第二忍經(jīng)由再生換熱器彼此流體連通。
[0042] 該再生換熱器允許存儲(chǔ)來(lái)自傳送水中的熱量，該熱量可W在W后用在循環(huán)中。在 水隨后在該循環(huán)中通過(guò)蓄熱器返回時(shí)，該熱量可W由該水收集。W此方式，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的 效率。
[0043] 本發(fā)明允許在SMA忍熱發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)思中抵消不需要的壓力脈沖，同時(shí)還通過(guò)使用工 作忍之間的再生換熱器而允許最大地使用廢熱。
[0044] 體積交換壓力釋放實(shí)施例
[0045] 在一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種能量回收裝置，該能量回收裝置包括：
[0046] SMA發(fā)動(dòng)機(jī)，其包括在第一端處固定并且在第二端處連接到驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的一段SMA材 料；
[0047] 浸沒(méi)腔，其適用于容納該SMA發(fā)動(dòng)機(jī)并且適用于依次填充流體W允許加熱和/或冷 卻該SM發(fā)動(dòng)機(jī)；
[004引第二SMA發(fā)動(dòng)機(jī)，其包括在第一端處固定并且在第二端處連接到驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的一段 SM材料；
[0049] 第二浸沒(méi)腔，其適用于容納該SMA發(fā)動(dòng)機(jī)并且適用于依次填充流體W允許加熱和/ 或冷卻該SMA發(fā)動(dòng)機(jī);其中，第一忍和第二忍通過(guò)相鄰的活塞或液壓管線彼此流體連通。
[0050] 本發(fā)明解決了由體積減少引起的壓力脈沖的問(wèn)題，該體積減少是在封閉的浸沒(méi)腔 中SMA線和SM線所聯(lián)接的活塞頭收縮導(dǎo)致的。所公開的本發(fā)明提供了用最少的附加部件解 決該問(wèn)題的簡(jiǎn)單有效的方法。
[0051] 本發(fā)明的該系統(tǒng)通過(guò)允許將加熱忍將它們的體積排量傳遞到所冷卻的忍，而允許 各忍彼此相互作用。該操作導(dǎo)致輔助降低位于冷卻忍中的活塞，由此減小了用于常規(guī)地執(zhí) 行此操作所需的松弛力。 陶]機(jī)械體積交換實(shí)施例
[0053] 在一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種能量回收裝置，該能量回收裝置包括：
[0054] SMA發(fā)動(dòng)機(jī)，其包括在第一端處固定并且在第二端處連接到驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的一段SMA材 料；
[0055] 浸沒(méi)腔，其適用于容納該SMA發(fā)動(dòng)機(jī)并且適用于依次填充流體W允許加熱和/或冷 卻該SM發(fā)動(dòng)機(jī)；
[0056] 第二SMA發(fā)動(dòng)機(jī)，其包括在第一端處固定并且在第二端處連接到驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的一段 SM材料；
[0057] 第二浸沒(méi)腔，其適用于容納該SMA發(fā)動(dòng)機(jī)并且適用于依次填充流體W允許加熱和/ 或冷卻該SMA發(fā)動(dòng)機(jī);其中，在各忍中的恒定體積通過(guò)位于第一忍和第二忍之間的活塞連接 而保持。
[0058] 在一個(gè)實(shí)施例中，該活塞的移動(dòng)由位于在該活塞和工作活塞之間的機(jī)械連桿而控 制。
[0059] 本發(fā)明也解決了與試圖用穿過(guò)工作流體的液壓連結(jié)件來(lái)解決壓力脈沖問(wèn)題相關(guān) 聯(lián)的問(wèn)題。運(yùn)些方法使壓力脈沖共享到該系統(tǒng)的其它壓力容器中，此可能不能夠承受快速 的壓力變化。該機(jī)械連結(jié)方法不包含運(yùn)些問(wèn)題，因?yàn)樵摲椒〞?huì)總是保持恒定體積。
[0060] 本發(fā)明與各壓力釋放方法相比也減少了所需的庫(kù)存，由此，每個(gè)個(gè)體忍包含獨(dú)立 于該系統(tǒng)中其它忍的、允許壓力調(diào)節(jié)的機(jī)構(gòu)。因此，相比于運(yùn)些方法，運(yùn)代表用于機(jī)械體積 交換構(gòu)思的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗枰糜谠撓到y(tǒng)中每?jī)蓚€(gè)忍的一個(gè)壓力釋放機(jī)構(gòu)。
[0061] 在一個(gè)實(shí)施例中，該系統(tǒng)適于將流體分入各聯(lián)接忍中，從而防止熱流體流和冷卻 流體流混合。相比于需要進(jìn)行流體交換的其它方法，此提供了優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榫哂胁煌瑴囟鹊牧?體的混合可能對(duì)包含在忍中的SMA部件的操作有不利影響。其一個(gè)實(shí)例可W是進(jìn)入加熱忍 的冷流，其中，該冷流會(huì)降低該忍中的溫度，并且由此增加了充分收縮包含在所述忍中的 SM線所需要的時(shí)間。
[00創(chuàng)活塞軸壓力釋放實(shí)施例
[0063] 在一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種能量回收裝置，該能量回收裝置包括：
[0064] SMA忍，其容納在浸沒(méi)腔中并且適用于依次填充流體W允許加熱和/或冷卻該SMA 忍;并且
[0065] 該SMA忍與該腔中的可移動(dòng)活塞連結(jié)；
[0066] 其中，該活塞構(gòu)造有具有在一個(gè)膨脹或收縮的長(zhǎng)度中排出該SMA的直線和/或徑向 收縮的相同組合體積的相同橫截面面積(CSA)的軸。
[0067] 本發(fā)明解決了由體積減少引起的壓力脈沖的問(wèn)題，該體積減少是在封閉的浸沒(méi)腔 中SMA線和SM線所聯(lián)接的活塞頭收縮導(dǎo)致的。所公開的本發(fā)明提供了用最少的附加部件解 決該問(wèn)題的簡(jiǎn)單有效的方法。
[0068] 解決該問(wèn)題的典型措施是實(shí)現(xiàn)壓力容器，運(yùn)些壓力容器代表該系統(tǒng)的附加部件和 成本。通過(guò)使用需要在該布置中存在的活塞的軸，消除或減少對(duì)運(yùn)些附加部件的需要。
[00例機(jī)械壓力釋放實(shí)施例
[0070] 在一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種能量回收裝置，該能量回收裝置包括：
[0071] SMA忍，其容納在浸沒(méi)腔中并且適用于依次填充流體W允許加熱和/或冷卻該SMA 忍;并且
[0072] 該SMA忍與該腔中的可移動(dòng)第一活塞連結(jié)；
[0073] 第二活塞，其適于W與該第一活塞不同步的方式進(jìn)行操作。
[0074] 本發(fā)明解決了由體積減少引起的壓力脈沖的問(wèn)題，該體積減少是在封閉的浸沒(méi)腔 中SMA線和SM線所聯(lián)接的活塞頭收縮導(dǎo)致的。所公開的本發(fā)明提供了用最少的附加部件解 決該問(wèn)題的簡(jiǎn)單有效的方法。
[0075] 本發(fā)明也解決了與試圖用穿過(guò)工作流體的液壓連結(jié)件來(lái)解決壓力脈沖問(wèn)題相關(guān) 聯(lián)的問(wèn)題。運(yùn)些方法使壓力脈沖僅分享到該系統(tǒng)的其它壓力容器中，此可能不能夠承受快 速的壓力變化。該機(jī)械連結(jié)方法不包含運(yùn)些問(wèn)題。
【附圖說(shuō)明】
[0076] 參考附圖，從僅通過(guò)實(shí)例給出的W下說(shuō)明W及其實(shí)施例中可W更清晰地理解本發(fā) 明，附圖中：
[0077] 圖1示出了忍中的體積減小可W如何實(shí)現(xiàn)；
[0078] 圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的雙忍流體傳送壓力釋放示意圖；
[0079] 圖3示出了類似于圖2的多忍流體傳送壓力釋放示意圖；
[0080] 圖4示出了在(a)冷卻和(b)加熱期間彈黃抵抗（spring resisted)壓力釋放機(jī)構(gòu) 的操作。
[0081] 圖5示出了在(a)冷卻和(b)加熱期間可替換活塞/彈黃布置的操作；
[0082] 圖6示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的活塞和壓力釋放活塞。
[0083] 圖7示出了壓縮彈黃操作的狀態(tài)。
[0084] 圖8示出了在操作(a)和操作(b)期間存在于活塞外殼中的摩擦，操作(a)期間，當(dāng) 在冷卻期間活塞下降時(shí)，可W看到相反的摩擦力W相反方式(FH)作用，在操作(b)期間，在 SM收縮期間可W看到相同情形；
[0085] 圖9示出了在(a)冷卻和(b)加熱期間功率產(chǎn)生液壓元件的操作；
[0086] 圖10示出了用于壓力釋放的傳動(dòng)裝置；
[0087] 圖11示出了用于四忍系統(tǒng)的壓力釋放傳動(dòng)組件；
[0088] 圖12示出了沒(méi)有皮帶的情形下的四忍壓力釋放傳動(dòng)裝置；
[0089] 圖13示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的所需活塞復(fù)位力的位置；
[0090] 圖14示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的壓力釋放系統(tǒng)的示意圖；
[0091] 圖15示出了使用獨(dú)立液壓管線的自輔助活塞的操作，（a)隨著SMA冷卻，主活塞和 輔活塞下降，引起液壓活塞上升；（b)隨著SMA受熱，SMA收縮，此導(dǎo)致主活塞和輔活塞上升， 從而向下推動(dòng)液壓活塞；
[0092] 圖16示出了 SMA線收縮(左)和外殼的基本幾何形狀(右）；
[0093] 圖17和圖18示出了在(a)冷卻和(b)加熱期間壓力釋放構(gòu)思B的尺寸運(yùn)算；
[0094] 圖19示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的壓力釋放系統(tǒng)的示意圖；
[00M]圖20示出了實(shí)現(xiàn)緩沖忍的流體交換構(gòu)思的實(shí)施例；
[009