基于记忆合金材料的热-机/热-电转换装置的设计与研发

基于记忆合金材料的热 -机 /热 -电转换装置的设计与研发

崔智帏，张亚龙，冷星环

上海工程技术大学 工程实训中心，上海 201620

摘要：在工业生产和日常生活中，大量的内能总是作为余热、废热浪费掉，造成能源利用率不足。一方面增加了生产生活成本，另一方面加大了排放。为了提高能源利用率，达到节能减排的目的，本文基于新型镍钛记忆合金材料的特殊性能，设计开发出了可对废热、余热进行热能-机械能/热能-电能转换的装置。该装置可以在热源作为唯一能源的情况下持续稳定的输出机械能/电能，并且克服了记忆合金丝寿命短、输出能量低及能量输出不稳定的缺点。

关键词：记忆合金，余热/废热，热-机/热-电转换，节能减排

1 前言

当前工业生产和日常生活中，大量热能总是作为余热、废热浪费掉，造成能源利用率较低。一方面增加了生产生活的成本，另一方面也增加了温室气体及其他污染物的排放。在这样的背景下，本文基于新型镍钛记忆合金材料的特殊性能，即合金热缩冷胀特性，通过一系列的设计和改进，设计出了一套可对废热、余热进行热-机/热-电转换的装置。该装置可以在热能作为外界唯一能源的情况下，作为独立的系统稳定持续工作。在实验中实现了照明、抽水、鼓风、充电等多种功能。实际上该装置不仅可以利用余热、废热以提高能源利用率，理论上只在有温度差的情况下均可实现热-机/热-电的能源形式转换，例如太阳能集中照射造成合金丝上具有温度差即可产生机械能和电能。该装置为有效利用余热、废热，以及利用所有形式的温差进行热能-机械能/热能-电能源转换，提高能源利用率和增加能源利用形式提供了新思路。

2 设计方案与实验结果

2.1 设计原理

将新型记忆合金材料拉成记忆合金丝，并且将合金丝焊接成封闭合金丝环，类似于皮带传动中的皮带的功能。将环形合金丝绕在两个直径大小不同的V型槽轮上，如图1。当记忆合金丝局部接收到热源后，发生收缩，在大轮和小轮之间产生扭矩，带动轮子转起来。当轮子在丝的带动下转起来后，环形丝上任意部位均在热源处受热收缩，离开热源部位则冷却膨胀，如此往复，使两个轮子间持续存在扭矩，轮子即可持续转动，即完成了热能到机械能的转变，如图2。该轮子转动可以直接带动风扇、水泵等工作，也可带动发电机发电，最终完成热能-电能的能源转换。

大带轮

环形记忆合金丝

热源

小带轮

图1 原理图 图2 原理演示图

2.2设计方案与设计结果

在基础性原理清晰以后，由原理到实际能够稳定运行的装置需要解决诸多问题。结构的设计需要围绕解决这些问题展开。本文中不同于以往的原理演示机，通过一系列的设计调试，解决了三大核心难题。其一为带轮持续稳定旋转，以保证输出能量稳定；其二为记忆合金丝须有足够的寿命；其三为能够将热源作为唯一能源的条件下输出充足的能量。

（1）要使带轮持续稳定旋转，保证能量输出持续稳定，必须使环形记忆合金丝能够不断的重复伸缩动作产生扭矩，并使扭矩连续稳定。则在记忆合金丝上始终应具有足够的温度差，即有热源的同时需要相应的冷却源。以往的原理演示机由于仅仅通过带轮和合金丝与空气的接触冷却，持续运行时间一般在几分钟内。随着冷却端的大轮和合金丝的整体温度上升，造成丝上任意部分的温度与热源温度差逐渐缩小，直至基本持平。在温度差缩小的过程中，带轮转速逐渐降低，能量输出逐渐减少，直到完全停下来。本文中在做机械结构设计时，将水泵和风扇通过联轴器加载在大带轮上，当带轮转动时，风扇和水泵同时工作，通过冷却水和冷风实现大轮和运行到该段的记忆合金丝的局部冷却，保证在记忆合金丝上始终具有稳定的温度差。从整体结构来看，热源在小带轮端，冷却源在大带轮端。

（2）根据记忆合金丝本身的材料特性，金属丝越粗，则工作寿命越短，金属丝越细，则工作寿命越长。直径为0.025mm的合金丝可以持续伸缩超过千万次，而直径1mm的合金丝持续伸缩只有几十万次甚至是几万次，寿命相差悬殊。在实验和调试过程中也验证了这个结论。所以为了保证合金丝具有足够的寿命，逐渐降低合金丝的直径，目前用到的最细的合金丝直径仅有0.025mm。

（3）为了保证合金丝具有足够的工作寿命，必须减小金属丝的直径。金属丝越细，则单根丝在工作时输出的扭矩就越小，造成在大带轮上增加负载时运行不起来，甚至不加负载时运行起来也比较吃力。从第一个难点问题可知，要持续工作需要有冷却源，在合金丝上制造出温度差，即需要增加冷却风扇，冷却水泵等负载，而要实现最终的热能—机械能—电能转换，还需要加载发电机。所以丝越细，造成的结果是单根丝根本不足以驱动这些工作部件。为此本文中在设计该装置时提出了多股细丝并联，同时工作的设想，这样既可以保证丝的寿命，又可以提供充足的动力，使热源作为唯一能源的情况下，带动自身冷却系统及发电装置的持续稳定工作。

该装置在调试时，并联丝的数目由2根开始逐渐增加，在增加过程也需要提高机械结构设计及装配要求，保证多根丝并联工作时具有同步性。在逐步增加丝的数量时，发现该装置驱动力越来越大，工作越来越稳定，记忆合金丝的工作寿命越来越久。

该装置中利用热水代替余热/废热热源。以下是本文所言的调试好的的作品实物外形照片如图3（a）和图3（b）所示。工作状态的装置如图4所示。

发电机

大轮组

电源控制系统

小轮组

热源

冷却水槽

冷却扇

冷水抽水管

1. (b)

图3 装置外形图

冷却水分流器

冷却水泵

冷却水槽

冷水风扇

开关

显示屏

并联的合金丝

图4 工作状态的装置

2.3工作性能分析

本文中所设计的装置，利用热水（>60℃）作为热源（代替废热/余热），将小带轮一端局部浸入热水中。启动时先拨动大轮提供初速度，然后即可持续工作下去。冷却风扇和水泵与大轮同轴，通过联轴器连在大带轮轴上的两端。通过改变大轮上的齿轮和发电机上齿轮的传动比，可以改变发电效率。发电机发出的电通过稳压器输出，可以调整输出电压，本文所设计制作的装置输出电压可以在5V~12V之间调节，调节好后电压非常稳定，并且可持续运行。合金丝的工作寿命远长于较粗的单根丝的工作寿命，在实验过程中，合金丝的焊接点容易出现疲劳，进而发生断裂，没有出现过合金丝上其他部位断裂的情况。焊接点的疲劳性能不好，是因为焊接过程本身对材料的力学性能有较大影响，但是最为根本的问题是合金丝在自行焊接过程可控性不好，需要更专业的焊接。

本文中所设计的装置完全达到了预期目标，可以用于废热、余热再利用。

3结论

本文中所设计研发的热能-机械能/热能-电能转换的装置主要有以下几个特点：

1）采用直径更小的记忆合金丝以保证其工作寿命，并采用多根合金丝并联工作，以提高输出功率；

2）采用联轴器将冷却风扇和冷却水泵与大轮联动起来，使系统中存在热源的同时具有冷却源，保证合金丝上始终具有稳定的温度差，使装置能够持续稳定的运行。整个装置的持续工作，只需要一个热源即可完成。

3）通过齿轮调节可以实现发电机转速调节，通过稳压器最后输出电压稳定，目前可以点亮灯具，可以给手机充电，可以驱动风扇等多种功能。也可以直接利用机械能作为驱动力。

4）该装置不仅仅是可以利用废热、余热进行热能-机械能、热能-电能转换，理论上凡是有热源输入的情况下，均可实现热能-机械能、热能-电能转换，例如太阳能，地热能等均具有可行性。

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