流體能量傳遞裝置的制作方法

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導(dǎo)航： X技術(shù)> 最新專利>非變?nèi)菔奖迷O(shè)備的制造及其應(yīng)用技術(shù)

專利名稱：流體能量傳遞裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及一種裝置和方法，用于將能量傳送至一定容積流體內(nèi)，更具體地說涉及線性泵、線性壓縮機、合成射流、諧振聲學(xué)系統(tǒng)和其它流體裝置的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
為了將能量傳送給在確定外殼中的流體，現(xiàn)有技術(shù)使用多種方法，包括正位移、攪動例如通過機械攪拌、或者施加行進聲波或駐波聲波、施加離心力以及添加熱能。通過這些方法將機械能傳遞給流體可以用于多種用途，它們例如可以包括壓縮、泵送、混合、霧化、合成射流、流體計量、取樣、用于生物戰(zhàn)藥劑的空氣取樣、噴墨、過濾、由于化學(xué)反應(yīng)而驅(qū)動物理變化、或者在懸浮顆粒中的其它材料變化，例如粉碎或聚集，或者任意這些處理的組合(僅舉幾個例子)。
在正位移種類的機器中，隔膜已經(jīng)廣泛使用。沒有摩擦能量損失使得隔膜特別有利于小尺寸正位移機器，同時試圖保持很高的能量效率。在MESO和MEMS規(guī)模的裝置中甚至更依靠隔膜類型和隔膜/ 活塞(即具有柔性包圍部分的活塞)類型的裝置來用于將能量傳送至在很小泵或其它流體裝置內(nèi)的流體中。這里使用的術(shù)語"泵"涉及這樣的裝置，該裝置設(shè)計成用于使液體或氣體壓縮和/或流動。應(yīng)當知道，這里使用的術(shù)語"流體"包括液體和氣體狀態(tài)的物質(zhì)。
用于驅(qū)動更大隔膜泵的促動器已經(jīng)證明用于MESO或MEMS機器時有問題，因為當它們的尺寸按比例減小時很難保持它們的效率和低成本。例如，與電磁和音圏類型促動器相關(guān)的氣隙必須按比例減小，以便保持很高的轉(zhuǎn)換效率，且這增加了制造的復(fù)雜性和成本。還有，馬達迭片結(jié)構(gòu)將磁飽和，因為馬達按比例縮小，同時試圖保持恒定的機械功率輸出。在可接受的產(chǎn)品成本目標內(nèi)，普遍認為這些換能器的電一機械效率將隨著尺寸減小而明顯降低。
與普通磁促動器相關(guān)的這些按比例問題導(dǎo)致廣泛使用其它技術(shù)來用于MESO和MEMS用途，例如電致伸縮促動器(例如壓電陶f:)、壓電陶瓷彎曲器、靜電和磁致伸縮促動器。壓電彎曲器盤當然可以將流體隔膜和促動器組合在單個部件中。
使用壓電作為流體隔膜的優(yōu)點被壓電固有的位移限制所抵消。因為陶瓷相對較脆，壓電陶瓷隔膜/盤能夠提供的位移只是由其它材料例如金屬、塑料和彈性體提供的位移的很小部分。夾持圓形壓電陶瓷盤能夠在無故障的情況下提供的峰值振蕩位移通常小于盤的夾持直徑的 1%。因為隔膜位移直接與每個沖程傳遞的流體能量相關(guān)，因此壓電彎曲器對于較小流體裝置(例如MESO尺寸的泵和壓縮機)的功率密度和總體性能產(chǎn)生明顯的限制。這些與位移相關(guān)的能量限制特別對于氣體來說是正確的。
依賴于壓電材料的較大彎曲特性的其它類型壓電促動器可以通過在非常高的頻率下操作(但是在甚至更小的沖程情況下)而向液體提供很高的能量傳遞。這些較小促動器的沖程使得泵的設(shè)計不現(xiàn)實。而且，高性能泵使用被動閥，該被動閥在各泵送循環(huán)中打開和關(guān)閉，以便提供最佳的泵送效率。這些泵閥不能在kHz-MHz頻率范圍內(nèi)提供所需的性能，較大壓電促動器需要在該kHz-MHz頻率范圍內(nèi)傳遞足夠能量。目前，總是越來越要求更小的流體裝置，這些流體裝置不能通過當前的壓電泵技術(shù)來獲得，或者不能在功能上具有一致性。例如，泵和壓縮機需要能夠提供更高的功率密度以及在更高壓頭下和在更小尺
寸單元中的比流速(即流體容積流速除以泵的物理容積)。需要高性能
MESO尺寸泵的用途實例包括小型的燃料電池，用于便攜式電子裝置，例如便攜式計算裝置、PDA和蜂窩電話；獨立的熱管理系統(tǒng)，它能夠裝配在電路卡上，并提供用于微處理器和其它半導(dǎo)體電子的冷卻；以及用于不臥床病人的便攜式個人醫(yī)療裝置。因此，需要一種緊湊和經(jīng)濟可行的壓電泵，它彌補了目前壓電泵的至少一些缺點。

發(fā)明內(nèi)容
為了滿足這些要求和克服現(xiàn)有技術(shù)的限制，本發(fā)明提供了一種流體能量傳遞裝置，它使用新的浮動反作用驅(qū)動促動器來驅(qū)動隔膜和活塞流體裝置，例如泵、壓縮機、合成射流和聲學(xué)裝置(在驅(qū)動頻率，有時處于或接近它們的系統(tǒng)諧振)。為了進一步滿足這些需要和克服現(xiàn) 有技術(shù)的限制，本發(fā)明提供了一種流體能量傳遞裝置，它能夠使用低沖程較高力的促動器來驅(qū)動流體裝置的較大隔膜和活塞沖程，所述流體裝置例如泵、壓縮機和合成射流(在驅(qū)動頻率，有時處于或接近它們的系統(tǒng)諧振)。
根據(jù)本發(fā)明一個實施例的流體能量傳遞裝置包括流體腔室，該流體腔室有內(nèi)壁，該內(nèi)壁形成具有開口的腔室容積；以及流體隔膜，該流體'隔膜剛性地安裝在開口的周邊上，且具有安裝在流體隔膜上的可變磁阻促動器。根據(jù)本發(fā)明一些實施例的反作用驅(qū)動能量傳遞裝置提供了用于驅(qū)動流體隔膜的位移的獨特系統(tǒng)，該流體隔膜位移的數(shù)量級可以大于現(xiàn)有壓電隔膜的位移。
根據(jù)本發(fā)明大部分實施例的反作用驅(qū)動系統(tǒng)能夠高性能地用于裝置例如MESO尺寸泵、壓縮機、合成射流和聲學(xué)裝置。根據(jù)本發(fā)明一些實施例的泵和壓縮機可以包括調(diào)諧口和閥，它們才艮據(jù)周期性壓縮而允許低壓流體進入壓縮腔室和允許高壓流體離開壓縮腔室。反作用驅(qū) 動系統(tǒng)可以使用多種促動器，例如包括單形態(tài)、雙形態(tài)和多層PZT彎曲器的彎曲器促動器、壓電聚合物組分例如PVDF、結(jié)晶材料、磁致伸縮材料、電活化聚合物換能器(EPT)、電致伸縮聚合物和各種"聰明材料"例如形狀記憶合金(SMA)、徑向場PZT隔膜(RFD)促動器以及各種可變磁阻促動器和音圏促動器。
本發(fā)明的流體裝置可以在允許能量儲存至系統(tǒng)的機械諧振中的驅(qū) 動頻率下操作，從而提供能夠更大的隔膜或活塞位移，該位移通常比促動器的位移大得多。系統(tǒng)諧振可以根據(jù)隔膜、促動器和相關(guān)部件的有效運動質(zhì)量、流體、流體隔膜和其它可選機械彈簧的彈簧剛度和/ 或影響諧振頻率的其它部件/環(huán)境來確定。
根據(jù)本發(fā)明一些實施例的泵可以用于多種用途，例如包括如空氣、烴、處理氣、高純度氣體、有毒和腐蝕性氣體的氣體壓縮、用于制冷、空調(diào)和液體熱泵的相變制冷劑壓縮、以及其它特定蒸氣壓縮或相變傳熱用途。根據(jù)本發(fā)明一些實施例的泵還可以泵送液體例如燃料、水、油、潤滑劑、冷卻劑、溶劑、液壓流體、有毒或反應(yīng)化學(xué)試劑(才艮據(jù) 特殊泵設(shè)計)。本發(fā)明的泵還可以提供用于氣體或液體操作的可變?nèi)?量。
更具體地說，本發(fā)明示例實施例包括流體腔室，該流體腔室有形成腔室容積的內(nèi)壁，還有開口。流體隔膜或活塞剛性地安裝在流體腔室中的開口周邊上，且隔膜或活塞有能夠相對于外周邊在多個第一位置和多個第二位置之間運動的柔性部分，該第一和第二位置離流體腔室內(nèi)壁的距離變化。腔室充裝有流體，該流體包括系統(tǒng)的負載部分。在流體腔室內(nèi)的流體包括彈簧，流體隔膜也包括彈簧。具有安裝點的促動器安裝在流體隔膜上。質(zhì)量-彈簧機械諧振頻率由促動器和隔膜或活塞的組合有效運動質(zhì)量以及機械彈簧和氣體彈簧來確定，促動器可在一定范圍的驅(qū)動頻率下操作，其中，一些頻率導(dǎo)致能量儲存在質(zhì) 量 - 彈簧機械諧振中，并向流體隔膜或活塞提供比促動器的位移更大 (在很多情況下是大得多)的位移，這樣，增大的能量傳遞給流體腔室內(nèi)的流體負載。
在本發(fā)明的另一實施例中，一種流體能量傳遞裝置包括
16腔室，用于接收流體，該腔室的至少一部分包括活動部分，該活動部分可相對于腔室的另外部分運動，通過活動部分的運動，該活動
部分用于使腔室的容積從第一容積改變成第二容積；以及可變磁阻促動器，該可變磁阻促動器安裝在活動部分上；其中，可變磁阻促動器是以下情況的至少一個(i)與活動部分
直接連接；以及(ii)與活動部分聯(lián)接；以便形成促動器-活動部分
組件；
可變磁阻促動器并不與裝置的、除了活動部分之外的任意其它部件有效連接和有效聯(lián)接；以及
促動器-活動部分組件用于基本只由于促動器在驅(qū)動頻率的振蕩而運動。
在本發(fā)明的另一實施例中，有如上面和/或后面所述的流體傳遞裝置，其中，促動器在將能量儲存于系統(tǒng)諧振中的頻率下驅(qū)動，這樣，
活動部分的位移與儲存的能量成比例地增加。
在本發(fā)明的另一實施例中，有如上面和/或后面所述的流體傳遞裝置，其中，促動器與裝置的、與活動部分分離的部件彈性連接。
在本發(fā)明的另一實施例中，有如上面和/或后面所述的流體傳遞裝置，其中，可變磁阻促動器的氣隙用于在位移幅值和頻率下振蕩，這樣，促動器和活動部分將基本只由于促動器的移動而在第一位置和笫二位置之間運動，且在第一位置和第二位置之間的距離大于促動器氣隙的位移幅值。
在本發(fā)明的另一實施例中，有如上面和/或后面所述的流體傳遞裝置，其中，活動部分包括隔膜。
在本發(fā)明的另一實施例中，有如上面和/或后面所述的流體傳遞裝置，其中，活動部分包括具有柔性包圍部分的活塞。
在本發(fā)明的另一實施例中，有如上面和/或后面所述的流體傳遞裝置，其中，該裝置還包括
流體進口孔，該流體進口孔與腔室流體連通；以及
流體出口孔，該流體出口孔與腔室流體連通；其中，裝置用于在活動部分以增加腔室容積的方式運動的過程中
通過進口孔將流體吸入腔室內(nèi)；
裝置用于在活動部分以減少腔室容積的方式運動的過程中通過出口孔而將流體排出腔室。
在本發(fā)明的另一實施例中，有如上面和/或后面所述的流體傳遞裝置，其中，在腔室中提供開口，該開口允許流體進入和離開腔室，且通過所述開口的振蕩流產(chǎn)生合成射流。
在本發(fā)明的另一實施例中，有如上面和/或后面所述的流體傳遞裝置，其中，腔室的活動部分包括波紋管。
在本發(fā)明的另一實施例中，一種流體能量傳遞裝置包括
腔室，用于接收流體，該腔室的至少一部分包括活動部分，該活動部分可相對于腔室的另外部分運動，通過活動部分的運動，該活動部分用于使腔室的容積從第一容積改變成第二容積；以及
電活化促動器，該電活化促動器安裝在活動部分上；
其中，電活化促動器是以下情況的至少一個(i)與活動部分直接連接；以及(ii)與活動部分聯(lián)接；以便形成促動器-活動部分組件；
電活化促動器并不與裝置的、除了活動部分之外的任意其它部件有效連接和有效聯(lián)接；以及
促動器-活動部分組件用于基本只由于促動器在驅(qū)動頻率下的振蕩而運動。
在本發(fā)明的另一實施例中，有如上面和/或后面所述的流體傳遞裝置，其中，反作用質(zhì)量安裝在電活化促動器上。
在本發(fā)明的另一實施例中，一種流體傳遞裝置包括腔室，用于接收流體，該腔室的至少一部分包括柔性部分，該柔性部分可相對于腔室的另外部分運動，這樣，在柔性部分上的最大偏轉(zhuǎn)點提供了比柔性部分上的任意其它點更大的位移，通過柔性部分的彎曲，該柔性部分用于使腔室的容積從第一容積改變成第二容積；以及力產(chǎn)生促動器，該力產(chǎn)生促動器在不同于最大偏轉(zhuǎn)點的點處安裝
在柔性部分上；
其中，力產(chǎn)生促動器是以下情況的至少一個(i)與柔性部分直接連接；以及(ii)與柔性部分聯(lián)接；以便形成促動器-活動部分組件；
力產(chǎn)生促動器并不與裝置的、除了柔性部分之外的任意其它部件有效連接和有效聯(lián)接；以及
促動器-活動部分組件用于基本只由于促動器在驅(qū)動頻率下的振蕩而運動。
在本發(fā)明的另一實施例中，有如上面和/或后面所述的流體傳遞裝置，其中，隔膜還包括成為最大偏轉(zhuǎn)點的中心活塞部分。
在本發(fā)明的另一實施例中，有如上面和/或后面所述的流體傳遞裝置，其中，柔性部分包括波紋管，該波紋管有至少一個波紋管部分。
在本發(fā)明的另一實施例中，有如上面和/或后面所述的流體傳遞裝置，其中，波紋管還包括中心活塞部分，該中心活塞部分成為最大偏轉(zhuǎn)點。
在本發(fā)明的另一實施例中，有如上面和/或后面所述的流體傳遞裝置，其中，所述力產(chǎn)生促動器包括彎曲器促動器。
在本發(fā)明的另一實施例中，有如上面和/或后面所述的流體傳遞裝置，其中，所述力產(chǎn)生促動器包括可變磁阻促動器。
在本發(fā)明的另一實施例中，有如上面和/或后面所述的流體傳遞裝置，其中，所述力產(chǎn)生促動器包括固體電活化促動器。
在本發(fā)明的另一實施例中，一種流體傳遞裝置包括
腔室，用于接收流體，該腔室的至少一部分包括柔性部分，該柔性部分可相對于腔室的第二部分運動，通過柔性部分的彎曲，該柔性部分用于使腔室的容積從第一容積改變成第二容積；
樞軸夾持器，該樞軸夾持器環(huán)繞柔性部分的封閉環(huán)夾持柔性部分，從而將柔性部分分成2個部分，這2個部分包4舌在封閉環(huán)內(nèi)的內(nèi)部部分和在封閉環(huán)外的外部部分，樞軸夾持器允許外部部分和內(nèi)部部分繞樞軸夾持器樞軸轉(zhuǎn)動，這樣，該內(nèi)部部分和外部部分的位移沿相反方
向；以及
至少單個力產(chǎn)生促動器，該力產(chǎn)生促動器有安裝在柔性部分的外部部分上的安裝點；
其中，力產(chǎn)生促動器是以下情況的至少一個(i)與柔性部分的外部部分直接連接；以及(ii)與柔性部分的外部部分聯(lián)接；以便形成促動器-活動部分組件；
力產(chǎn)生促動器并不與裝置的、除了柔性部分的外部部分之外的任意其它部件有效連接和有效聯(lián)接；以及
促動器-活動部分組件用于基本只由于促動器在驅(qū)動頻率的振蕩而運動。
在本發(fā)明的另一實施例中，一種流體傳遞裝置包括腔室，用于接收流體，該腔室的至少一部分包括第一柔性部分，該第一柔性部分可相對于腔室的第二部分運動，這樣，在第一柔性部分上的最大偏轉(zhuǎn)點提供了比在第一柔性部分上的任意其它點更大的位
移，通過第一柔性部分的彎曲，該第一柔性部分用于使腔室的容積從第一容積改變成第二容積；以及
至少單個力產(chǎn)生促動器，該力產(chǎn)生促動器有在不同于最大偏轉(zhuǎn)點的點處安裝在柔性部分上的安裝點以及安裝在腔室的第二部分上的安
裝點；
其中，'力產(chǎn)生促動器在腔室的柔性部分和腔室的第二部分之間施
加交替力，且腔室容積產(chǎn)生相應(yīng)變化；以及
所形成的、最大偏轉(zhuǎn)點的峰值位移大于力產(chǎn)生促動器的位移。在本發(fā)明的另一實施例中，有如上面和/或后面所述的流體傳遞裝
置，其中:
腔室的第二部分包括可相對于腔室的第一柔性部分運動的、腔室的第二柔性部分，這樣，在第二柔性部分上的最大偏轉(zhuǎn)點提供了比第二柔性部分上的任意其它點更大的位移；以及
力產(chǎn)生促動器還有在不同于其最大偏轉(zhuǎn)點的點處安裝在第二柔性
20部分上的安裝點；
其中，力產(chǎn)生促動器在腔室的第一和第二柔性部分之間施加交替力，從而導(dǎo)致在第一和第二柔性腔室部分的最大偏轉(zhuǎn)點之間的峰值位移，該峰值位移大于力產(chǎn)生促動器的位移。
在本發(fā)明的另一實施例中，有如上面和/或后面所述的流體傳遞裝置，其中，第一柔性部分包括具有柔性包圍部分的第一活塞，第二部分包括具有柔性包圍部分的第二活塞。
在本發(fā)明的另一實施例中，一種流體傳遞裝置包括
腔室，用于接收流體，該腔室的至少一部分包括第一柔性部分，該第一柔性部分可相對于腔室的第二部分運動，通過第一柔性部分的彎曲，該第一柔性部分用于使腔室的容積從第一容積改變成第二容積；以及
至少單個力產(chǎn)生促動器，該力產(chǎn)生促動器有在零撓曲位移點處安裝在第一柔性部分上的安裝點以及安裝在腔室的第二部分上的安裝點，并產(chǎn)生沿第一柔性部分的撓曲位移的方向的力；
其中，力產(chǎn)生促動器在腔室的柔性部分和腔室的第二部分之間施加交替力，且由于促動器位移和第一柔性部分的撓曲位移的瞬時總和而使腔室容積變化。
在本發(fā)明的另一實施例中，有如上面和/或后面所述的流體傳遞裝置，其中:
與腔室流體連通的流體進口孔；
與腔室流體連通的流體出口孔；
裝置用于在柔性部分以增加腔室容積的方式運動的過程中通過進口孔將流體吸入腔室內(nèi)；
裝置用于在柔性部分以減少腔室容積的方式運動的過程中通過出口孔而將流體排出腔室。
在本發(fā)明的另一實施例中，有如上面和/或后面所述的流體傳遞裝置，其中，
腔室的第二部分包括可相對于腔室的第一柔性部分運動的、腔室的第二柔性部分；
力產(chǎn)生促動器還有在第二柔性部分的零撓曲位移的點處安裝在第二柔性部分上的安裝點；
力產(chǎn)生促動器在腔室的第一和第二柔性部分之間施加交替力，從而形成在第一和第二柔性腔室部分的最大偏轉(zhuǎn)點之間的峰值位移，該峰值位移大于力產(chǎn)生促動器的軸向位移。
在本發(fā)明的另一實施例中，一種流體傳遞裝置包括
腔室，用于接收流體，該腔室的至少一部分包括第一柔性部分，該笫一柔性部分可相對于腔室的第二部分運動，通過第一柔性部分的彎曲，該第一柔性部分用于使腔室的容積從第一容積改變成第二容積；以及
至少單個力產(chǎn)生促動器，該力產(chǎn)生促動器有在零撓曲位移點處安裝在第一柔性部分上的安裝點，并產(chǎn)生沿橫向于第一柔性部分的撓曲位移的方向的力；
其中，力產(chǎn)生促動器在腔室的第一柔性部分上施加交替的橫向力，且由于第一柔性部分的軸向振動而形成腔室容積變化。
在本發(fā)明的另一實施例中，有如上面和/或后面所述的流體傳遞裝置，其中
腔室的第二部分包括可相對于腔室的第一柔性部分運動的、腔室的第二柔性部分；
力產(chǎn)生促動器還有在第二柔性部分的零撓曲位移的點處安裝在第二柔性部分上的安裝點，并產(chǎn)生沿橫向于第二柔性部分的撓曲位移的方向的力；
力產(chǎn)生促動器在腔室的第一和第二柔性部分上施加交替的橫向力，從而由于第一和第二柔性部分的軸向振動而形成腔室容積變化。在本發(fā)明的另一實施例中，一種流體傳遞裝置包括腔室，用于接收流體，該腔室的至少一部分包括第一柔性部分，該第一柔性部分可相對于腔室的第二部分運動，通過第一柔性部分的彎曲，該第一柔性部分用于使腔室的容積從第一容積改變成第二容積；以及
力產(chǎn)生促動器，該力產(chǎn)生促動器有安裝在第一柔性部分的中心上
的安裝點，并產(chǎn)生沿橫向于第一柔性部分的軸向撓曲位移的方向的力；其中，力產(chǎn)生促動器在腔室的第一柔性部分上施加交替的橫向力，且由于第一柔性部分的軸向振動而形成腔室容積變化。
在本發(fā)明的另一實施例中，一種流體傳遞裝置包括腔室，用于接收流體，該腔室的至少一部分包括柔性部分，該柔性部分可相對于腔室的第二部分運動，通過柔性部分的彎曲，該柔性部分用于使腔室的容積從第一容積改變成第二容積；
樞軸夾持器，該樞軸夾持器環(huán)繞柔性部分的封閉環(huán)夾持柔性部分，從而將柔性部分分成2個部分，這2個部分包括在封閉環(huán)內(nèi)的內(nèi)部部分和在封閉環(huán)外的外部部分，樞軸夾持器允許外部部分和內(nèi)部部分繞樞軸夾持器樞軸轉(zhuǎn)動，這樣，該內(nèi)部部分和外部部分的位移沿相反方向；以及
至少單個力產(chǎn)生促動器，該力產(chǎn)生促動器有安裝在柔性部分的外部部分上的安裝點和安裝在樞軸夾持器上的安裝點，并產(chǎn)生沿與柔性部分的撓曲位移相同方向的力；
其中，力產(chǎn)生促動器在樞軸夾持器和柔性部分的外部部分之間施加交替力，且由于柔性部分的撓曲而使腔室容積變化。
在本發(fā)明的另一實施例中，有如上面和/或后面所述的流體傳遞裝置，用于將能量傳遞給聲學(xué)諧振器。
在本發(fā)明的另一實施例中，有如上面和/或后面所述的流體傳遞裝置，其中，聲學(xué)諧振器包括諧振合成射流。
在本發(fā)明的另一實施例中，有如上面和/或后面所述的流體傳遞裝置，其中，聲學(xué)諧振器包括聲學(xué)壓縮機的諧振器。

包含在說明書中并作為說明書的一部分的附圖表示了本發(fā)明的實施例，并與說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。附圖中
圖1是用于本發(fā)明中的可變磁阻(VR)促動器的實施例的剖視圖；圖2是具有VR促動器的本發(fā)明實施例的剖視圖，該VR促動器驅(qū)動反作用驅(qū)動流體能量傳遞裝置；
圖3是圖2的實施例的剖視圖，還包括穩(wěn)定彈簧；
圖4是具有VR促動器的本發(fā)明實施例的剖視圖，該VR促動器驅(qū)動在反作用驅(qū)動流體泵中的活塞；
圖5是具有VR促動器的本發(fā)明實施例的剖視圖，該VR促動器驅(qū)動用于產(chǎn)生合成射流的隔膜；
圖6是具有音圏促動器的本發(fā)明實施例的剖視圖，該VR促動器驅(qū)動反作用驅(qū)動流體能量傳遞裝置；
圖7是具有VR促動器的本發(fā)明實施例的剖視圖，該VR促動器驅(qū)動在反作用驅(qū)動泵或壓縮機中的波紋管壓縮腔室；
圖8是具有固體電活化促動器的本發(fā)明實施例的剖視圖，該固體電活化促動器驅(qū)動反作用驅(qū)動流體能量傳遞裝置；
圖9是具有固體電活化促動器的本發(fā)明實施例的剖視圖，該固體電活化促動器具有反作用質(zhì)量，驅(qū)動反作用驅(qū)動流體能量傳遞裝置；
圖10是具有環(huán)形柱體形狀的固體電活化促動器的本發(fā)明實施例的剖視圖，該固體電活化促動器具有反作用質(zhì)量，驅(qū)動反作用驅(qū)動流體泵；
圖IOA是具有波紋管壓縮腔室的本發(fā)明實施例的剖視圖，該波紋管壓縮腔室由在反作用驅(qū)動流體泵中的兩個固體電活化促動器來驅(qū)
動；
圖ii是本發(fā)明實施例的剖視圖，它提供了反作用驅(qū)動流體能量傳遞裝置的"軸外驅(qū)動"的概念圖示；
圖12是軸外驅(qū)動的反作用驅(qū)動流體能量傳遞裝置的剖視圖，該流體能量傳遞裝置由彎曲器促動器來驅(qū)動，該彎曲器促動器具有中心動力輸出(PTO)點；
圖13是軸外驅(qū)動的反作用驅(qū)動流體能量傳遞裝置的剖視圖，該流體能量傳遞裝置由具有周邊PTO點的彎曲器促動器來驅(qū)動；
圖14是軸外驅(qū)動的本發(fā)明實施例的剖視圖，它有兩個彎曲器促動
24器，這兩個彎曲器促動器驅(qū)動在反作用驅(qū)動泵或壓縮機中的雙活塞波
紋管壓縮腔室；
圖15是軸外驅(qū)動的本發(fā)明實施例的剖視圖，它有兩個彎曲器促動器，這兩個彎曲器促動器驅(qū)動在反作用驅(qū)動泵或壓縮機中的雙活塞雙波紋管壓縮腔室；
圖16是軸外驅(qū)動的本發(fā)明實施例的剖視圖，它有固體電活化促動器，該固體電活化促動器有在反作用驅(qū)動流體能量傳遞裝置中的反作用質(zhì)量；
圖17是軸外驅(qū)動的本發(fā)明實施例的剖視圖，它有彎曲器促動器，該彎曲器促動器有反作用質(zhì)量和中心PTO點，其驅(qū)動隔膜，該隔膜再驅(qū)動反作用驅(qū)動流體能量傳遞裝置中的活塞；
圖18是軸外驅(qū)動的本發(fā)明實施例的剖視圖，它有彎曲器促動器，該彎曲器促動器有反作用質(zhì)量和周邊PTO點，其驅(qū)動隔膜，該隔膜再驅(qū)動反作用驅(qū)動流體能量傳遞裝置中的活塞；
圖18A是軸外邊緣驅(qū)動的反作用驅(qū)動的本發(fā)明實施例的剖視圖，它有環(huán)形電活化促動器，該環(huán)形電活化促動器在隔膜夾持圓的外側(cè)驅(qū) 動隔膜邊緣；
圖18B是軸外邊緣驅(qū)動的反作用驅(qū)動的本發(fā)明實施例的剖視圖，它有環(huán)形電活化促動器，該環(huán)形電活化促動器有反作用質(zhì)量，它在隔膜夾持圓的外側(cè)驅(qū)動隔膜邊緣；
圖19是軸外驅(qū)動的本發(fā)明實施例的剖視圖，它有普通機械接地的促動器，該促動器驅(qū)動流體能量傳遞裝置內(nèi)的隔膜；
圖20是軸外驅(qū)動的本發(fā)明實施例的剖視圖，它有普通機械接地的促動器，該促動器驅(qū)動隔膜，該隔膜再驅(qū)動流體能量傳遞裝置內(nèi)的活塞;
圖21是軸外驅(qū)動的本發(fā)明實施例的剖視圖，它有機械接地的VR 促動器，該VR促動器驅(qū)動流體能量傳遞裝置內(nèi)的隔膜；
圖22是軸外驅(qū)動的本發(fā)明實施例的剖視圖，它有彎曲器促動器，該彎曲器促動器在它的中心機械接地，它驅(qū)動在流體能量傳遞裝置內(nèi)的隔膜;
圖23是軸外驅(qū)動的本發(fā)明實施例的剖視圖，它有機械接地的VR 促動器，該VR促動器驅(qū)動流體能量傳遞裝置內(nèi)的隔膜；
圖24是軸外驅(qū)動的本發(fā)明實施例的剖視圖，它有機械接地的環(huán)形電活化促動器，該環(huán)形電活化促動器驅(qū)動流體能量傳遞裝置內(nèi)的隔膜；
圖25是軸外驅(qū)動的本發(fā)明實施例的剖視圖，它有雙重機械接地的環(huán)形電活化促動器，該環(huán)形電活化促動器驅(qū)動流體能量傳遞裝置內(nèi)的隔膜；
圖26是軸外驅(qū)動的本發(fā)明實施例的剖視圖，它有機械接地的音圏促動器，該音圏促動器驅(qū)動流體能量傳遞裝置內(nèi)的隔膜；
圖27是軸外驅(qū)動的本發(fā)明實施例的剖視圖，它有雙重機械接地的環(huán)形電活化促動器，該環(huán)形電活化促動器驅(qū)動泵或壓縮機內(nèi)的波紋管壓縮腔室；
圖28是軸外驅(qū)動的本發(fā)明實施例的剖視圖，它有雙重機械接地的環(huán)形電活化促動器，該環(huán)形電活化促動器驅(qū)動泵或壓縮機內(nèi)的雙活塞波紋管壓縮腔室；
圖29是軸外驅(qū)動的本發(fā)明實施例的剖視圖，它有機械接地的VR 促動器，該VR促動器驅(qū)動泵或壓縮機內(nèi)的雙活塞波紋管壓縮腔室；
圖30是軸向夾持驅(qū)動的本發(fā)明實施例的剖視圖，它有機械接地的環(huán)形電活化促動器，該環(huán)形電活化促動器驅(qū)動流體能量傳遞裝置內(nèi)的
圖31是軸向夾持驅(qū)動的本發(fā)明實施例的剖視圖，它有機械接地的環(huán)形電活化促動器，該環(huán)形電活化促動器驅(qū)動流體能量傳遞裝置內(nèi)的回^走隔膜；
圖32是軸向夾持驅(qū)動的本發(fā)明實施例的剖^f見圖，它有環(huán)形電活化促動器，該環(huán)形電活化促動器驅(qū)動流體能量傳遞裝置內(nèi)的兩個隔膜；
圖32A是軸向夾持驅(qū)動的本發(fā)明實施例的剖視圖，它有機械接地的可變磁阻促動器，該可變磁阻促動器驅(qū)動流體能量傳遞裝置內(nèi)的隔膜；圖33是徑向夾持驅(qū)動的本發(fā)明實施例的剖視圖，它有機械接地的環(huán)形電活化促動器，該環(huán)形電活化促動器驅(qū)動流體能量傳遞裝置內(nèi)的隔膜；
圖34是徑向夾持驅(qū)動的本發(fā)明實施例的剖視圖，它有機械接地的環(huán)形電活化促動器，該環(huán)形電活化促動器驅(qū)動流體能量傳遞裝置內(nèi)的回旋隔膜；
圖35是徑向夾持驅(qū)動的本發(fā)明實施例的剖視圖，它有機械接地的環(huán)形電活化促動器，該環(huán)形電活化促動器驅(qū)動流體能量傳遞裝置內(nèi)的回S走隔膜；
圖36是徑向夾持驅(qū)動的本發(fā)明實施例的剖視圖，它有雙重環(huán)形電活化促動器，該環(huán)形電活化促動器驅(qū)動泵或壓縮機內(nèi)的波紋管壓縮腔室；
圖37是徑向夾持驅(qū)動的本發(fā)明實施例的剖視圖，它有雙重環(huán)形電活化促動器，該環(huán)形電活化促動器驅(qū)動泵或壓縮機內(nèi)的雙活塞波紋管壓縮腔室；
圖37A是撓曲徑向驅(qū)動的本發(fā)明實施例的剖視圖，它有單個隔膜，該隔膜有徑向撓曲促動器；
圖37B是撓曲徑向驅(qū)動泵的本發(fā)明實施例的剖視圖，它有單個隔膜，該隔膜有徑向撓曲促動器；
圖37C是撓曲徑向驅(qū)動泵的本發(fā)明實施例的剖視圖，它有雙隔膜，該隔膜有徑向撓曲促動器；
圖37D是撓曲徑向驅(qū)動泵的本發(fā)明實施例的剖視圖，它有波紋管部分，該波紋管部分有兩個徑向撓曲促動器；
圖37E是撓曲徑向驅(qū)動的本發(fā)明實施例的剖視圖，它有隔膜，該隔膜有驅(qū)動第二活塞的徑向撓曲促動器；
圖38是邊緣驅(qū)動的本發(fā)明實施例的剖視圖，它有環(huán)形電活化促動器，該環(huán)形電活化促動器在夾持圓的外側(cè)驅(qū)動隔膜的邊緣；
圖3 9是邊緣驅(qū)動的本發(fā)明實施例的剖視圖，它有雙重環(huán)形電活化促動器，該促動器在夾持圓的外側(cè)驅(qū)動隔膜的邊緣；
27圖40是邊緣驅(qū)動的本發(fā)明實施例的剖視圖，它有環(huán)形電活化促動器，該環(huán)形電活化促動器在夾持圓的外側(cè)驅(qū)動隔膜的邊緣，所述隔膜再驅(qū)動活塞；
圖40A是邊緣驅(qū)動的本發(fā)明實施例的剖視圖，它有環(huán)形可變磁阻促動器，該促動器在夾持圓的外側(cè)驅(qū)動隔膜的邊緣；
圖41以局部剖表示了本發(fā)明的流體能量傳遞裝置，它驅(qū)動聲學(xué)諧振器；
圖42以局部剖表示了本發(fā)明的流體能量傳遞裝置，它驅(qū)動另一聲學(xué)諧振器；
圖43表示了本發(fā)明的流體能量傳遞裝置，它驅(qū)動扁平聲學(xué)諧振
器；
圖44表示了本發(fā)明的流體能量傳遞裝置，它驅(qū)動諧振合成射流。
具體實施例方式
在本部分中，本發(fā)明實施例的說明在子標題下進行組織，這些子標題介紹了施加在本發(fā)明的隔膜或活塞上的力。力的名稱通常指示力相對于隔膜/活塞軸線的方向(即軸向或徑向)以及施加點(例如在中心/軸線上、偏離中心、或者在夾持點)。
反作用驅(qū)動布局
PCT專利申請PCT/US2005/046557介紹了具有浮動彎曲器促動器(例如壓電陶資或任意數(shù)目的其它電活化促動器)的反作用驅(qū)動裝置，該文獻的整個內(nèi)容被本文'參引。反作用驅(qū)動系統(tǒng)的浮動促動器的動力學(xué)特征能夠使用較高力、低沖程的促動器，因此省略了驅(qū)動普通泵和壓縮機的昂貴電馬達。本發(fā)明還提供了能夠用于反作用驅(qū)動系統(tǒng) 中的促動器。對于反作用驅(qū)動的實施例，力沿軸向方向。反作用驅(qū)動促動器根據(jù)它們的力施加在流體系統(tǒng)上的位置而分組成兩個不同類 (i)軸向或活塞驅(qū)動；以及(ii)軸外驅(qū)動。
軸向和/或活塞驅(qū)動
在該標題下介紹的促動器用于在隔膜的中心驅(qū)動該隔膜或者驅(qū)動活塞。下面參考圖1,圖中表示了本發(fā)明反作用驅(qū)動系統(tǒng)的一個促動器
實施例的剖視圖。圖l表示了軸對稱可變磁阻(VR)促動器2，它有線圏纏繞部分4和盤部分6。電線繞組8纏繞在中心柱10上，且線圏纏繞部分4通過連桿12和彈簧14而安裝在盤部分6上，以便提供氣隙16。當線圏8以DC電流通電時，所形成的吸引^f茲力使得盤部分6 和線圏纏繞部分4相互吸引，從而減少氣隙16。當電流變成零時，彈簧14使得盤部分6和線圏纏繞部分4返回它們的初始位置。當頻率為 f的交流電施加給線圏8時，產(chǎn)生兩個吸引力，其中，一個吸引力一直恒定，另一個振蕩。振蕩的力使得盤部分6和線圏纏繞部分4周期性地相互吸引，且形成的振動頻率為2f，通常稱為參數(shù)響應(yīng)。恒定力導(dǎo)致平均氣隙減少，同時部件進行振蕩。
圖2表示了圖1的VR馬達20，它用作反作用驅(qū)動隔膜系統(tǒng)的促動器。馬達20通過支架18而與隔膜16的中心剛性連接，且流體腔室 15由外殼22和隔膜16來界定。隔膜16的振動將能量傳遞給流體腔室15中的流體。流體口 28和30用于使得流體能夠進出流體腔室15, 與泵的情況一樣。不過，圖2的口 28和30并不意味著表示特定流體系統(tǒng)例如泵、壓縮機或合成射流，而是將介紹為普通流體系統(tǒng)，它由用于將能量傳遞給流體的特定驅(qū)動系統(tǒng)實施例來驅(qū)動。這樣的相同表示方法將一直使用，且重點在于驅(qū)動系統(tǒng)，該驅(qū)動系統(tǒng)可以用于任意數(shù)目的不同流體用途，例如泵、壓縮機、合成射流、諧振聲學(xué)系統(tǒng)等。
在工作時，頻率為f的交流電壓波形施加在馬達20的線圏上，從而產(chǎn)生頻率為2f的隨時間變化力，該力使得馬達元件24和26以彼此 180。異相振動。部件24的質(zhì)量通常小于部件26的質(zhì)量，從而使得部件24的振幅大于部件26的振幅。部件24的運動通過支架18而直接傳遞給隔膜16，該隔膜再將能量傳遞給流體腔室15內(nèi)的流體。圖2 的反作用驅(qū)動流體系統(tǒng)將有機械系統(tǒng)諧振頻率f0= (1/2tt) (K/M) 1/2，其中K^隔膜16和流體腔室15中的流體的彈簧剛度的組合剛度，M= 大致隔膜16、馬達20和支架12的組合有效運動質(zhì)量，而f。是指系統(tǒng) 諧振頻率，它由以最低階軸向模式形狀振蕩的夾持流體隔膜6而引起。為了精確預(yù)測fQ,外殼22的運動也必須考慮。集總元件機械和電模擬數(shù)字模型和其它模型可以用于預(yù)測和/或估計圖2的流體系統(tǒng)的基礎(chǔ)諧振頻率。
當驅(qū)動頻率f選擇為接近或等于系統(tǒng)的基礎(chǔ)諧振頻率fo的1/2時，能量可以儲存在諧振中，它與系統(tǒng)的諧振質(zhì)量因素Q和驅(qū)動頻率f與諧振頻率f。的接近成比例。當能量儲存在系統(tǒng)的諧振中時，隔膜16 的位移可以超過馬達20的實際氣隙振蕩。這樣，低位移VR馬達可以用于提供目前的MESO和MEMS流體用途所需的更高隔膜位移。因為與圖2的馬達20的基本(或者換句話說，有效)機械連接只是支架 18，因此馬達20隨著隔膜16的更大位移自由地漂浮或浮動，即使當氣隙的振蕩幅值只是隔膜16的撓曲幅值的一小部分時。
導(dǎo)致儲存能量的驅(qū)動頻率和并不導(dǎo)致儲存能量的驅(qū)動頻率都在本發(fā)明的范圍內(nèi)考慮，而與特定實施例無關(guān)。
由VR馬達產(chǎn)生的磁力可以近似為Fmag=Li/2G，其中，L是馬達的感應(yīng)系數(shù)，i是電流，G是氣隙距離。馬達損失隨著i而變化，對于給定電流產(chǎn)生的力將隨著氣隙距離G而反向變化。因此，馬達效率也隨著G而反向變化。如上所述，在反作用驅(qū)動系統(tǒng)中，氣隙并不需要以與流體隔膜相同的振幅來振蕩。因此，可以使用較小氣隙，該較小
氣隙能夠使小型VR馬達有很高的轉(zhuǎn)換效率。反作用驅(qū)動和可變磁阻促動器的組合將不需要高成本的普通小型電馬達。在圖1中，盤部分 6和線圏纏繞部分4可以由軟磁組分(SMC)(類似Hoganas材料) 制成，它在更高頻率時有較低損失，例如高于100Hz。這些材料很便宜，并能夠形成與圖1中的馬達2類似的形狀。
盡管圖1的馬達2提供了優(yōu)良的線圏使用，但是也可以使用并不軸對稱的其它布局，例如EI、 EIE、 IEEI和CI》茲部分，這些布局可以由變壓器鋼迭片結(jié)構(gòu)或SMC材料構(gòu)成，如本領(lǐng)域公知。受益于小氣隙的任何促動器都可以使用。美國專利6388417介紹了很多不同的 VR促動器布局和相關(guān)驅(qū)動和控制系統(tǒng)，它們可以在本發(fā)明的范圍內(nèi) 使用，該文獻的整個內(nèi)容被本文參引。
30可以對圖2中所示的反作用驅(qū)動裝置進行多種改進，如PCT申請 No.PCT/US2005/046557中所述，例如圖3中所示的穩(wěn)定彈簧32。在引用的PCT申請中的這些實施例和改進的進一步應(yīng)用對本領(lǐng)域技術(shù) 人員是顯而易見的。對于與圖3的實施例類似的實施例，穩(wěn)定彈簧32 可以用作系統(tǒng)的主要彈簧剛度，因此能夠使隔膜或活塞的彈簧剛度更軟(當對于給定用途希望這樣時)。參考圖2，穩(wěn)定彈簧或輔助彈簧的其它安裝點可以包括馬達部件24或支架18。
圖4表示了 VR馬達能夠怎樣用于反作用驅(qū)動系統(tǒng)中以便驅(qū)動活塞泵或壓縮機。在泵體36中，馬達34與活塞38剛性連接，該活塞 38有安裝在它上面的柔性包圍部分39，且該柔性包圍部分39環(huán)繞它的周邊被夾持，從而使活塞38能夠軸向振動。除非另外說明，這里使用的術(shù)語"活塞"的意思是具有柔性包圍部分的活塞，與圖4的活塞38 類似。柔性包圍部分可以由金屬、塑料、彈性體或其它適合給定用途的結(jié)構(gòu)、應(yīng)力和化學(xué)相容性要求的任意材料來構(gòu)成。流體腔室40由活塞38和泵體36來界定。進口孔42位于活塞38中，出口孔44位于泵體36中。還提供兩個簧片閥(具有與簧片閥48類似的布局)，用于覆蓋進口孔和出口孑L。進口簧片閥處于活塞38的上表面上，出口簧片閥處于泵體36的表面49上。進口和出口簧片閥在它們的中心通過簧片頂端來固定，以^使響應(yīng)在流體腔室40中的振蕩流體壓力而自由地打開和關(guān)閉。工作時，馬達34驅(qū)動振蕩活塞位移，從而導(dǎo)致流體壓縮和流動,因此，流體通過口 50進入泵體36，并通過口 52離開。在泵的系統(tǒng)諧振頻率處或附近操作該泵將導(dǎo)致活塞位移變得更大，與儲存在系統(tǒng)中的能量成比例。圖2中所示的隔膜實施例還可以受益于圖4中所示的錐形壓縮腔室。對于壓縮機用途，錐形壓縮腔室將減小間隙容積，從而對于給定沖程振幅增加了壓縮比。在圖3中，壓縮腔室的頂部將形成為與隔膜的彎曲形狀匹配。
圖5表示了 VR馬達能夠怎樣用于驅(qū)動合成射流。在工作時，馬達58使得隔膜54振蕩，這樣，在流體腔室56中的流體經(jīng)歷周期性的壓力變化，從而產(chǎn)生通過口 60的振蕩流體流，并產(chǎn)生口60外部的脈沖流，其沿軸向離開口 60。在系統(tǒng)諧振頻率處或附近操作裝置將導(dǎo)致隔膜位移變得更大，與儲存在系統(tǒng)中的能量成比例。本發(fā)明的任何流體驅(qū)動系統(tǒng)將用于與合成射流組合。例如，使用活塞、隔膜、電活化彎曲器促動器、VR馬達、電活化材料的較大撓曲、或者本發(fā)明的任何實施例(包括在PCT申請No.PCT/US2005/046557中所示的實施例) 的驅(qū)動實施例可以用于驅(qū)動合成射流。由本發(fā)明對于合成射流提供的優(yōu)點能夠在給定尺寸的裝置中通過該口驅(qū)動明顯更大的振蕩空氣/氣體流，從而導(dǎo)致更大射流流速。
圖6表示了驅(qū)動反作用驅(qū)動流體系統(tǒng)的音圏促動器62。該音圈促動器62包括永/f茲體部分64，該永》茲體部分64通過彈簧70而與音圏部分66連接，該音圏部分具有與它剛性連接的音圏68。當音圏68以交流電來供能時，馬達部分66和64將彼此180。異相振動。在它的系統(tǒng)諧振頻率處或附近操作該裝置將導(dǎo)致隔膜的位移變得更大，與儲存在系統(tǒng)中的能量成比例。當能量儲存在系統(tǒng)的諧振中時，隔膜16的位移可以超過在音圏部分66和磁體部分64之間的相對位移。同樣，馬達62隨隔膜72的更大位移自由地漂浮或浮動。所形成的隔膜72振蕩將能量傳遞給流體腔室74內(nèi)的流體。
圖7提供了具有泵體80的另一反作用驅(qū)動實施例，該泵體80裝有VR馬達76，該VR馬達76剛性安裝在活塞78上，該活塞78剛性安裝在波紋管82的單個部分上。波紋管82再剛性安裝在泵體80 上。波紋管82可以有2個、3個或任意數(shù)目的部分，這取決于特定用途的設(shè)計需要。壓縮腔室84由泵體80、波紋管82和活塞78來界定。波紋管82在確定泵的系統(tǒng)諧振頻率時用作泵的有效機械彈簧剛度的一部分。圖7的泵將有與圖4的簧片閥48類似的進口和出口簧片閥，且進口簧片閥安裝在活塞78的頂部表面上，以便覆蓋進口孔90,而出口簧片閥安裝在泵體80的表面98上，從而覆蓋出口孔94?；善y 的附加瓣將覆蓋圖7的剖視平面中未示出的口。
在工作時，馬達76驅(qū)動波紋管82，從而導(dǎo)致壓縮腔室84的容積振蕩，因此使流體壓縮和流動，從而使流體通過口 88進入泵體80和通過口 86離開。在系統(tǒng)諧振頻率處或附近操作該裝置將導(dǎo)致活塞的位移變得更大，與儲存在系統(tǒng)中的能量成比例。盡管圖7中的泵使用單個波紋管部分，但是也可以使用任意數(shù)目的波紋管部分。使用的波紋管部分的數(shù)目將由特定用途的需要來確定。這里所述的任意其它促動器也可以用于驅(qū)動圖7的實施例，例如電活化彎曲器促動器、固體電活化促動器和各種VR促動器布局，以及任意其它產(chǎn)生力的促動器。
圖8表示了又一簡單的較高力、低沖程促動器，該促動器可以與反作用驅(qū)動系統(tǒng)組合使用，其中，柱形電活化促動器102與隔膜100 剛性連接。電活化促動器102可以由任意數(shù)目的電活化材料構(gòu)成，包括壓電陶瓷、壓電聚合物合成物例如PVDF、結(jié)晶材料、磁致伸縮材料、電活化聚合物換能器(EPT)、電致伸縮聚合物以及各種"聰明材料"例如由材料例如Nitinol制造的形狀記憶合金(SMA)促動器或者 /磁致伸縮材料例如Terfenol-D。響應(yīng)周期性施加能量而改變形狀的任何材料都幾乎可以用作圖8中的促動器102或者用于本發(fā)明任意其它實施例中。
為了解釋促動器102的操作，假定促動器102由壓電陶瓷材料制成。促動器102的方位為這樣，施加給定極性的電場將使得促動器102 的Z尺寸縮小。當電場極性相反時，促動器102的Z尺寸將增大。當施加極性以頻率f振蕩的電場時，促動器的Z尺寸將以頻率f振蕩。這將是選擇電活化促動器類型，因此促動器102的主要振動將為軸向。
在工作時，促動器102的Z軸振動將使得隔膜100振動，從而將能量傳遞給流體腔室105中的流體。為了增加隔膜位移和流體能量傳遞，振蕩電場施加給促動器102，它的頻率與系統(tǒng)諧振頻率足夠接近，這樣，能量儲存在系統(tǒng)諧振中，導(dǎo)致與儲存的能量成比例的隔膜位移。驅(qū)動頻率越接近瞬時系統(tǒng)諧振頻率，儲存的能量越大，流體能量傳遞也越大。導(dǎo)致儲存能量的驅(qū)動頻率和并不導(dǎo)致儲存能量的驅(qū)動頻率都在本發(fā)明的范圍內(nèi)，而與特定實施例無關(guān)。
在圖9中表示了圖8的反作用驅(qū)動系統(tǒng)的改進形式，其中，反作用質(zhì)量106剛性安裝在促動器108上。促動器108以與圖8的促動器102相同的方式工作。如PCT專利申請No.PCT/US2005/046557中所
述，反作用質(zhì)量可以增加從促動器向隔膜(因此向流體)傳遞的能量大小和效率。
圖IO表示了另一促動器在反作用驅(qū)動系統(tǒng)中的使用。促動器110 有環(huán)形柱形形狀。促動器110的底部安裝在反作用質(zhì)量112上，促動器110的頂部安裝在隔膜114上。在工作時，圖10的反作用驅(qū)動系統(tǒng) 與圖8和9中相同。
多種不同的電活化促動器可以用于圖8-10的實施例范圍中，只要它們沿Z方向撓曲。選擇的形狀和材料將反映給定用途的要求。例如， "復(fù)合"或?qū)訝顗弘姶賱悠?它減少了給定位移所需的施加電壓)可以用于圖8-10的實施例中。
應(yīng)當知道，對于圖8-10的實施例，促動器一隔膜安裝或者促動器一活塞安裝的剛性或剛度將反映使用的促動器的類型。例如，盡管沿 Z方向的撓曲向系統(tǒng)傳遞能量，但是大部分電活化促動器通常沿所有尺寸都撓曲，盡管并不相等。參考圖8，當促動器102沿Z方向撓曲時，它也沿X和Y方向撓曲。當促動器-隔膜安裝為剛性時，沿所有方向的撓曲都將受到限制，用于給定的施加電壓幅值傳遞的能量將減少。因此，點類型的連接通常將為優(yōu)選，與圖8-10中所述的表面連接相反。例如，處于圖8的促動器102的柱形軸線上的點連接將減小對 3D撓曲的限制，并優(yōu)化能量傳遞。另外的方案可以包括使用彈性表面連接，但是必須注意，這些連接并不吸收能量，因為它們只用作系統(tǒng) 的阻尼器。通常，電活化促動器的極性和材料特性將被選擇成使得促動器沿力傳送方向的偏轉(zhuǎn)最大，促動器沿其它方向的偏轉(zhuǎn)最小。
圖8-10的電活化促動器實施例表示為驅(qū)動隔膜，但是也可以驅(qū)動活塞和波紋管設(shè)計，如圖4和7中所示。
圖IOA表示了另一軸向反作用驅(qū)動實施例，它有由上部隔膜452 和底部隔膜454形成的波紋管450，且該波紋管450通過軟環(huán)形彈簧 458而繞它的周邊安裝在殼體456上。促動器460的上表面安裝在可選的反作用質(zhì)量464上，底表面安裝在上部隔膜452的中心上。促動
34器462的底表面安裝在可選的反作用質(zhì)量466上，上表面安裝在底部隔膜454的中心上。上部隔膜452有出口孔468，底部隔膜454有進口孔470。這些口通常將由簧片閥覆蓋，該簧片閥響應(yīng)波紋管450內(nèi) 部的變化壓力而打開和關(guān)閉，且使用的簧片閥材料需要足夠柔順，以便不管隔膜怎樣彎曲都保持密封覆蓋該口。對于簧片閥的布置，在上部隔膜452中的口可以用作進口孔或出口孔，底部隔膜454也是這樣。在圖10A中，進口簧片閥安裝在底部隔膜454上，出口簧片閥安裝在上部隔膜452上。
為了解釋，假定促動器460和462是固體電活化促動器，例如壓電陶瓷，盡管在本發(fā)明中所述的任意促動器都可以選擇地使用。在工作時，促動器460和462以頻率為f的交變電場來通電，且所形成的促動器460和462的周期性位移使得波紋管450的容積以頻率f變化。所形成的、在波紋管450內(nèi)的隨時間變化壓力將使得流體被吸入口 472 中和從口 474排出?？蛇x的反作用質(zhì)量464和466可以用于調(diào)節(jié)系統(tǒng) 的諧振頻率。在系統(tǒng)諧振頻率處或附近操作圖IOA中的泵將導(dǎo)致波紋管位移變得更大，與儲存在系統(tǒng)中的能量成比例。
軸外驅(qū)動
軸外驅(qū)動提供了用于將負載阻抗調(diào)節(jié)成反作用驅(qū)動系統(tǒng)中的促動器的阻抗的裝置，還可以用于降低促動器上的、與加速度相關(guān)的應(yīng)力。
圖11表示了軸外驅(qū)動的原理。反作用驅(qū)動系統(tǒng)有殼體116和半徑 R的隔膜118。在上述實施例中，促動器的力通常施加在隔膜118的中心，如標記為F,的箭頭所示。隔膜118作為邊緣夾持隔膜而自由彎曲，且它的彎曲包跡由虛線表示。在理想情況下，軸向驅(qū)動可以認為在r-O處施加力Fn。通常，r-O只是多個不同徑向位置(在這些位置，能夠施加力以便使隔膜118振蕩)的特殊情況。更普通的是，圖11表示了在軸外點施加的力F2,稱它為r=x。當力的施加點從r=0變化至 r-R時，使隔膜的中心移動給定量h所需的力增加，但是在施力點處的相關(guān)隔膜位移減小。換句話說，對于固定驅(qū)動頻率，負載的才幾械阻抗隨著r而增加。圖12表示了在反作用驅(qū)動系統(tǒng)中的軸外驅(qū)動的一個實施例，其中，彎曲器促動器120在它的中心處與支架124的底部連接，且支架 l24的環(huán)形唇緣126與隔膜122彈性連接，以便并不限制隔膜122的正常彎曲。環(huán)形反作用質(zhì)量128安裝在彎曲器促動器的周邊上。彎曲器促動器120的動力輸出在它的中心。工作時，隔膜122的中心將經(jīng) 歷比彎曲器促動器120的中心更大的振動位移，其中假定支架124為剛性。在系統(tǒng)諧振頻率處或附近操作圖12的裝置將導(dǎo)致隔膜位移變得更大，與儲存在系統(tǒng)中的能量成比例。
作為反作用驅(qū)動系統(tǒng)的特征，彎曲器促動器120隨隔膜122的位移漂浮或浮動。即使彎曲器促動器120的彎曲位移比隔膜122的彎曲位移小得多，促動器120也可以經(jīng)受與隨隔膜122的高加速度漂浮相關(guān)的附加應(yīng)力。圖12的軸外驅(qū)動系統(tǒng)通過使彎曲器促動器120的安裝點離開隔膜的中心(在該中心處可以看見最大加速度)而降低彎曲器促動器120的隔膜施加加速度。
圖13表示了用于反作用驅(qū)動系統(tǒng)的軸外驅(qū)動實施例，它進一步降低了由隔膜132施加在彎曲器促動器130上的加速度。彎曲器促動器 130有與它的中心連接的反作用質(zhì)量。用于彎曲器促動器130的PTO 點通過環(huán)形支架136而環(huán)繞它的周邊。與圖12的軸外驅(qū)動系統(tǒng)相比，圖13的系統(tǒng)進一步減少了由隔膜施加在彎曲器促動器上的加速度，因為支架136有更本的隔膜接觸半徑。軸外驅(qū)動的還一優(yōu)點可以通過比較圖13和圖9而看出。當促動器安裝在隔膜的中心時，如圖9所示，可能導(dǎo)致橫向不穩(wěn)定，其中，促動器可能經(jīng)受不希望的橫向運動，從而產(chǎn)生在隔膜和促動器上的附加應(yīng)力以及裝置的附加噪音和振動。因為圖13中的促動器安裝為靠近隔膜132的夾持點，因此當與圖9的實施例相比時將提供更大程度的橫向排斥。
圖14表示了用于反作用驅(qū)動系統(tǒng)的軸外驅(qū)動的另一施加方式。泵體138裝有雙重活塞、雙重促動器系統(tǒng)。壓縮腔室154由波紋管140、活塞142和活塞144來界定。彎曲器促動器148有安裝在它的中心處的反作用質(zhì)量150和安裝在它的周邊上的環(huán)形支架156,且該支架156
36再安裝在波紋管140的上部部分上。彎曲器促動器146有安裝在它的中心處的反作用質(zhì)量152和安裝在它的周邊上的環(huán)形支架158，且該支架158再安裝在波紋管140的底部部分上。波紋管140的外周通過柔軟的環(huán)形彈簧160而安裝在泵的殼體138上，并用于使波紋管140 與泵殼體138的振動隔離?；钊?44和活塞142各自有具有閥的口。進口和出口簧片閥(與圖4中所示的簧片閥48類似)可以用于圖14 的泵實施例中。例如，進口簧片閥可以安裝在活塞142的上表面上，出口簧片閥可以安裝在活塞144的上表面上。在支架156和支架158 中需要流動通過通氣孔，以便允許流體流入和流出進口孔和出口孔。
在操作時，彎曲器促動器148和146將通電，以便向波紋管140 施加振蕩和相反力，這又使得活塞144和142彼此180。異相振動。當施加力的頻率處于系統(tǒng)的諧振頻率或在該諧振頻率附近時，較大活塞位移將導(dǎo)致流體壓縮和流動，從而使流體通過口 162進入泵體138和通過口 164離開。在圖14的實施例中，活塞142和144可以省略和由兩個隔膜代替，從而提供本發(fā)明的另一實施例。
圖15表示了用于反作用驅(qū)動系統(tǒng)的軸外驅(qū)動的另一施加方式。該實施例與圖14的實施例類似，除了附加第二波紋管部分。任意數(shù)目的波紋管部分都可以用于本發(fā)明中，且使用部分的確切數(shù)目為特定用途的要求的函數(shù)。
圖16表示了可以用于反作用驅(qū)動系統(tǒng)的軸外驅(qū)動的另一促動器。提供了環(huán)形電活化促動器166，它的上表面安裝在隔膜168上，它的底表面安裝在可選的反作用質(zhì)量172上。可選的調(diào)節(jié)質(zhì)量170可以安裝在隔膜168的中心。為了解釋促動器166的操作，假定促動器166 由壓電陶瓷材料制成。促動器166的方位為這樣，施加給定極性的電場將使得它的Z尺寸縮小。當電場極性相反時，促動器166的Z尺寸將增大。當施加極性以頻率f振蕩的電場時，促動器的Z尺寸將以頻率f振蕩。
在工作時，促動器166的Z軸向振動將使得隔膜168振動，從而將能量傳遞給在流體腔室171中的流體。為了增加隔膜位移和流體能量傳遞，施加給促動器166的振蕩電場的頻率足夠接近系統(tǒng)諧振頻率，這樣，能量儲存在系統(tǒng)諧振中，從而產(chǎn)生與儲存能量成比例的隔膜位移。
圖17表示了與圖12的驅(qū)動系統(tǒng)類似的軸外驅(qū)動系統(tǒng)，其中，隔膜174驅(qū)動活塞176，且流體腔室178由外殼180和活塞176界定。用于彎曲器促動器182的PTO在它的中心。
圖18表示了與圖13的驅(qū)動系統(tǒng)類似的軸外驅(qū)動系統(tǒng)，其中，隔膜186驅(qū)動活塞188，且用于彎曲器促動器184的PTO點在它的周邊。
圖18A表示了本發(fā)明的軸外邊緣驅(qū)動隔膜實施例，它有外殼434、隔膜430、可選的調(diào)節(jié)質(zhì)量442、環(huán)形電活化促動器432和環(huán)形刀刃夾持器438和440。促動器432的頂表面通過連接器436而安裝在隔膜 430的邊緣或周邊上。當促動器432通電時，它產(chǎn)生與Z軸線平行的力。當力沿Z方向時，隔膜430的中心將沿+Z方向運動。同才羊，當力沿+Z方向時，隔膜430的中心將沿-Z方向運動。
當隔膜430由促動器432以頻率f(該頻率f低于隔膜430的更高階諧振模式)激勵時，隔膜將通過在頻率f下以它的基本軸向模式振蕩而進行響應(yīng)。當隔膜430以接近或等于系統(tǒng)基本諧振頻率的頻率f 來驅(qū)動時，能量將儲存在系統(tǒng)諧振中，且隔膜430的位移將與該儲存能量成比例地增加。系統(tǒng)諧振可以利用可選質(zhì)量442來調(diào)節(jié)。質(zhì)量442 和促動器432總是沿相反方向運動，因此通過選擇正確的質(zhì)量，施加在外殼434上的力可以減小或消除，從而降低外殼振動和相關(guān)噪音。
圖18B的實施例以與圖18A的實施例相同的方式工作，除了環(huán)形反作用質(zhì)量444附加在促動器445上，用于提高向流體的能量傳遞。與圖18A的實施例中相同，調(diào)節(jié)質(zhì)量446、促動器445和反作用質(zhì)量 444的質(zhì)量可以選擇成降低或消除外殼振動和相關(guān)噪音。
本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然知道，本發(fā)明的反作用驅(qū)動實施例可以進行多種改進和變化。例如，由于促動器的振動，無支承的促動器引線可能受到過大應(yīng)力。解決該問題的方案參考圖2所示。來自馬達20的引線將粘在支架18和隔膜16上，從而沿著完全支承通路返回殼體22,該殼體22機械接地。其它促動器也可以用于本發(fā)明，例如運動磁體促動器和運動線圏促動器。機械接地促動器
在下面的本發(fā)明實施例中，促動器并不浮動，而是機械接地地連接在流體裝置的殼體上。軸外驅(qū)動
圖19表示了接地促動器設(shè)計，其中，普通促動器190的底表面安裝在殼體192上，它的頂表面與支架194連接，該支架194再與隔膜 196彈性連接。調(diào)節(jié)質(zhì)量198與隔膜196的中心連接，并可以用于調(diào) 節(jié)系統(tǒng)諧振頻率。根據(jù)前述的軸外驅(qū)動原理，由于系統(tǒng)的機械放大，促動器190的較小偏轉(zhuǎn)將導(dǎo)致隔膜196的中心處的更大偏轉(zhuǎn)。所形成的放大系數(shù)與支架194的直徑成比例地變化。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，任意類型的促動器都可以用于圖19的流體能量傳送系統(tǒng)中。
圖19的流體能量傳遞系統(tǒng)也將有機械系統(tǒng)諧振頻率f^(l/27T)
(K/M) 1/2，其中1<:=隔膜16和流體腔室200中的流體的彈簧剛度的組合有效剛度，M-隔膜196和調(diào)節(jié)質(zhì)量198的組合有效運動質(zhì)量，而 fo是指系統(tǒng)諧振頻率，它導(dǎo)致隔膜196以最低階模式形狀軸向振蕩。為了精確預(yù)測f。，殼體192的運動也必須考慮。集總元件機械和電模擬數(shù)字模型和其它模型可以用于預(yù)測和/或估計圖19的流體系統(tǒng)或本發(fā)明任意實施例的基礎(chǔ)諧振頻率。
工作時，促動器190的Z軸向振動使得隔膜196振動，從而將能量傳遞給流體腔室200內(nèi)的流體。為了增加隔膜位移和流體能量傳遞，振蕩電場施加在促動器190上，其頻率足夠接近系統(tǒng)諧振頻率，這樣，能量儲存在系統(tǒng)諧振中，從而形成與儲存能量成比例的隔膜位移。驅(qū) 動頻率越接近瞬時系統(tǒng)諧振頻率，儲存的能量越大，流體能量傳遞也越大。導(dǎo)致儲存能量的驅(qū)動頻率和并不導(dǎo)致儲存能量的驅(qū)動頻率都在本發(fā)明的范圍內(nèi)，而與特定實施例無關(guān)。
圖20表示了與圖19中所示相同的驅(qū)動系統(tǒng)，除了隔膜202用于驅(qū)動活塞204。結(jié)果是機械放大，因此活塞204的位移大于促動器208的位移。所形成的放大系數(shù)與支架206的直徑成比例地變化?；钊?移可以通過以在系統(tǒng)諧振中儲存能量的頻率驅(qū)動裝置而增大。
圖21表示了類似于圖19的軸線外驅(qū)動系統(tǒng)，其中，接地促動器是環(huán)形VR馬達。系統(tǒng)的機械放大使得VR馬達不必提供較大位移。因此，VR馬達可以保持較小氣隙，因此有較高電機械效率，如前面所述。可選的反作用質(zhì)量212可以用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的諧振頻率。圖21 的流體能量傳遞裝置以與圖19的流體能量傳遞裝置相同的方式工作。
圖22表示了使用接地彎曲器促動器214的另一軸外驅(qū)動系統(tǒng)，該促動器214在它的中心通過柱216而與外殼218接地連接。彎曲器促動器214的周邊通過環(huán)形支架222而與隔膜220連接。系統(tǒng)的放大系數(shù)使得能夠使用非常高的力和小位移的彎曲器促動器，且特定放大系數(shù)與支架206的直徑成比例地變化。圖22的流體能量傳遞裝置以與圖 19的流體能量傳遞裝置相同的方式工作?？蛇x的反作用質(zhì)量221能夠用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的諧振頻率。
圖23表示了使用接地VR促動器224的另一軸外驅(qū)動系統(tǒng)。VR 促動器的力通過剛性盤226和環(huán)形支架228而傳遞給隔膜230。圖23 的流體能量傳遞裝置以與圖19的流體能量傳遞裝置相同的方式工作。可選的反作用質(zhì)量231能夠用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的諧振頻率。
圖24表示了使用環(huán)形電活化促動器232的另一軸外驅(qū)動系統(tǒng)。促動器232的底部通過夾持環(huán)234而接地連接在外殼236上，且促動器 232的頂'部通過支架240而與隔膜238彈性連接。圖24的流體能量傳遞裝置以與圖19的流體能量傳遞裝置相同的方式工作。可選的反作用質(zhì)量239可以用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的諧振頻率。
圖25表示了使用兩個相對環(huán)形電活化促動器244和242的另一軸外驅(qū)動系統(tǒng)，該促動器244、 242通電以便向隔膜246施加類似方向的力。另外，圖25的流體能量傳遞裝置以與圖19的流體能量傳遞裝置相同的方式工作?？蛇x的反作用質(zhì)量245可以用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的諧振頻率。
圖26表示了使用接地音圏促動器248的另一軸外驅(qū)動系統(tǒng)，該促動器248有環(huán)形永磁體部分250，該環(huán)形永磁體部分250在它的底表面與殼體253機械接地連接，并有音圏部分252,該音圏部分252通過彈簧258而與永磁體部分250連接。音圏部分252的頂表面通過環(huán) 形支架254而與隔膜256彈性連接。當音圏257以頻率f的交流電來通電時，所形成的磁力使得音圏部分252相對于永磁體部分250振動，這又使得隔膜256也以頻率f振動，從而將能量傳遞給流體腔室255 內(nèi)的流體。當驅(qū)動頻率f處于或接近系統(tǒng)諧振頻率時，隔膜256的位移將更大，與儲存在系統(tǒng)諧振中的能量成比例?？蛇x的反作用質(zhì)量249 用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的諧振頻率。
圖27表示了具有波紋管258的軸外驅(qū)動泵，該波紋管258環(huán)繞它的周邊通過軟彈簧264而安裝在殼體266上。機械接地促動器260和 262在靠近它的周邊處與波紋管258彈性連接，且所述促動器通電，以^更向波紋管258施加相對方向力，從而能夠才艮據(jù)施加力的方向而增大或減小波紋管258的容積。波紋管258的上部隔膜270有出口孔272, 底部隔膜268有進口孔274。如前所述，這些口通常由簧片閥覆蓋，該簧片閥響應(yīng)波紋管258內(nèi)部的變化壓力而打開和關(guān)閉，且使用的簧片閥材料需要足夠柔順，以便不管隔膜怎樣彎曲都保持密封覆蓋該口。對于簧片閥的布置，在底部隔膜270中的口可以用作進口孔或出口孑L, 底部隔膜268也是這樣。在圖27中，假定進口簧片閥安裝在底部隔膜 268 J;，出口簧片閥安裝在上部隔膜270上。
為了進行解釋，假定促動器260和262是壓電陶瓷促動器，盡管可以選擇使用結(jié)合本發(fā)明所述的任意促動器。在工作時，促動器260 和262以頻率f的交流電場來通電，且所形成的、促動器260和262 的周期性位移使得波紋管258的容積以頻率f變化。所形成的、在波紋管258內(nèi)的隨時間變化壓力將使得流體吸入口 276申和從口 278排出?？蛇x的反作用質(zhì)量280和282可以用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的諧振頻率。圖 27的裝置在系統(tǒng)諧振頻率處或附近操作將使得波紋管位移變得更大，與儲存在系統(tǒng)中的能量成比例。
圖27的泵的可選設(shè)計將是以具有相同形狀的被動柱來代替促動器262。不過剩余的促動器必須提供更大的位移，以便在波紋管258 中產(chǎn)生相同的容積量度變化，泵仍然是可操作的。
圖28表示了另一軸外驅(qū)動泵，它與圖27的泵類似地工作，除了將兩個活塞添加在圖27的純波紋管結(jié)構(gòu)上。另外，圖28的泵以與圖 27的泵相同的方式工作。
圖29通過使用VR馬達來提供圖28的泵的變化，以便向各活塞/ 隔膜的周邊施加相對力。
夾持驅(qū)動
在本發(fā)明的前述實施例中，彈簧、波紋管或其它流體部件通常夾持在殼體本體上，彈簧或隔膜的柔性部分由促動器驅(qū)動。夾持驅(qū)動的特征差別是促動器驅(qū)動彈簧、隔膜或其它流體部件的夾持點。為了進行定義，彎曲部件的夾持點或夾持部分是不能由于夾持而彎曲或撓曲的部分，不過夾持點通?？梢韵鄬τ谘b置殼體運動。
軸向夾持驅(qū)動
圖30表示了軸向夾持驅(qū)動實施例，其中，流體能量傳遞裝置有外殼300、環(huán)形電活化促動器302、隔膜304和可選的調(diào)節(jié)質(zhì)量306。促動器302的頂表面與殼體300機械接地連接，促動器302的底表面安裝在隔膜304上。在促動器302和隔膜304之間的連接包括隔膜304 的夾持點303。促動器302的振動位移處在與隔膜304的振動位移相同的方向。電活化促動器的類型將選擇成使得促動器322的主要振動為軸向。夾持點303的振動位移傳遞給隔膜304。當振動位移的頻率f 低于隔膜的更高階諧振模式時，隔膜將通過在頻率f下以它的基本軸向模式振蕩而進行響應(yīng)。當驅(qū)動頻率f處于或接近系統(tǒng)基本諧振頻率時，能量將儲存在系統(tǒng)諧振中，且隔膜304的位移將與該儲存能量成比例地增加。系統(tǒng)諧振可以利界可選質(zhì)量306來調(diào)節(jié)。
圖31的實施例以與圖30的實施例類似的方式工作，除了附加隔膜308的回旋部分307。回旋部分307通過降低它的彈簧剛度而使隔膜308增加軸向柔性，從而使得隔膜308能夠獲得更大位移?？梢杂?于通過降低其彈簧剛度來增加隔膜位移的其它隔膜改進例如包括所謂的"活鉸鏈"(見美國專利No.4231287)。
因為圖30和31的促動器都將經(jīng)歷X、 Y和Z軸向尺寸變化，因此，促動器一殼體的安裝的彈性也必須考慮，以避免過度限制促動器的振動，如前所述。而且，可選的隔膜調(diào)節(jié)質(zhì)量可以用于圖30-35的實施例，以便調(diào)節(jié)系統(tǒng)諧振。
圖32表示了軸向夾持驅(qū)動的泵實施例，其中，環(huán)形電活化促動器 309安裝在隔膜313和314上，還通過柔性安裝環(huán)315而安裝在泵殼體316上。環(huán)形楔形件312降低了在壓縮腔室317中的間隙容積。促動器309的振動位移處于與隔膜313和314的位移相同的方向。促動器309的撓曲將使得隔膜313和314彼此180。異相振蕩。
圖32A表示了具有可變磁阻促動器319的軸向夾持驅(qū)動的另一實施例，該可變磁阻促動器319驅(qū)動隔膜318的夾持點。隔膜318在它的周邊通過柔性波紋管類型密封件323而密封。在其他方面，圖32A 的實施例以與圖30和31的實施例相同的方式工作。
徑向夾持驅(qū)動
在下面的實施例中，施加在夾持點上的力處于徑向方向。圖33表示了徑向夾持驅(qū)動實施例，其中，流體能量傳遞裝置具有外殼320、環(huán)形電活化促動器322、隔膜324和可選調(diào)節(jié)質(zhì)量326。促動器322的頂表面通過柔性安裝件328而彈性安裝在殼體320上，以便使促動器322能夠徑向撓曲。隔膜324安裝在促動器322的底表面上。電活化促動器的類型將選擇為使得促動器322的主要振動為徑向。促動器322的徑向振動位移將在隔膜324中產(chǎn)生振蕩徑向拉伸應(yīng)力，這可以轉(zhuǎn)換成隔膜324的Z軸向振動。通過使促動器322也沿隔膜位移方向(即Z軸向)振動來幫助開始該徑向至軸向的轉(zhuǎn)變過程，盡管軸向位移幅值可以小于徑向位移幅值。促動器322以頻率f的徑向振動位移可能根據(jù)隔膜324的結(jié)構(gòu)(例如扁平隔膜、預(yù)應(yīng)力彎曲隔膜、軸向和/或徑向剛度和/或非線性程度等)而導(dǎo)致隔膜324以頻率f或f/2 軸向振動位移。
當隔膜324以頻率f (該頻率f低于隔膜324的更高階諧振模式)
43激勵時，隔膜將通過在頻率f下以它的基本z軸向模式振蕩而進行響
應(yīng)。當隔膜324被激勵從而以接近或等于系統(tǒng)基本諧振頻率的頻率f 軸向振蕩時，能量將儲存在系統(tǒng)諧振中，且隔膜324的位移將與該儲存能量成比例地增加。系統(tǒng)諧振可以利用可選質(zhì)量326來調(diào)節(jié)。
圖34和35表示了回旋隔膜用于增加隔膜位移的目的，且其他方面以與圖33中的實施例相同的方式操作?？梢杂糜谕ㄟ^降低其彈簧剛度來增加隔膜位移的其它隔膜改進包括所謂的"活鉸鏈，，(見美國專利 No.4231287)。
圖30-35的實施例都可以用于驅(qū)動第二活塞，如本發(fā)明其它實施例中所示，例如圖17和圖20。
圖36表示了徑向夾持驅(qū)動的另一實施例，其中，泵348有泵殼體 350和波紋管364，該波紋管364環(huán)繞它的周邊通過柔軟的環(huán)形彈簧 366而安裝在殼體350上。電活化促動器352和354與波紋管364的周邊連接，且所述促動器進行通電，以便向波紋管364施加徑向力，從而根據(jù)施加力的徑向方向來增大或減小波紋管364的容積。電活化促動器的類型將選擇為使得促動器352和354的主要振動為徑向。波紋管358的上部隔膜358有出口孔360，波紋管364的底部隔膜356 有進口孔362。如前所述，這些口通常由簧片閥覆蓋，該簧片閥響應(yīng) 波紋管364內(nèi)部的變化壓力而打開和關(guān)閉，且使用的簧片閥材料需要足夠柔順，以便不管波紋管隔膜怎樣彎曲都保持密封覆蓋該口。對于簧片閥的布置，在頂部隔膜358中的口可以用作進口孔或出口孔，底部隔膜356也是這樣。在圖36中，假定進口簧片閥安裝在底部隔膜 356上，出口簧片閥安裝在上部隔膜358上。
為了進行解釋，假定促動器352和354是壓電陶資促動器，盡管可以使用能夠施加徑向力的任意電活化促動器。在工作對，促動器352 和354以頻率f的交流電場來通電，且所形成的、促動器352和354 的周期性徑向位移使得波紋管364的容積以頻率f變化。所形成的、在波紋管364內(nèi)的隨時間變化壓力將使得流體吸入口 368中和從口 370排出?？蛇x的反作用質(zhì)量可以添加在上部和底部波紋管隔膜上，以便調(diào)節(jié)系統(tǒng)的諧振頻率。
圖37表示了另一徑向夾持驅(qū)動泵，它與圖36的泵類似地工作，除了將活塞372和374添加在圖36的純波紋管結(jié)構(gòu)上。另外，圖37 的泵以與圖36的泵相同的方式工作。
圖33-37中，所有隔膜都將安裝在環(huán)形促動器的內(nèi)徑中，不過這可能在隔膜和促動器尺寸上需要更緊的公差。
撓曲徑向驅(qū)動
圖37A表示了本發(fā)明的撓曲徑向驅(qū)動實施例。隔膜502具有安裝在其中心的盤形電活化促動器504。隔膜502環(huán)繞它的周邊夾在環(huán)形夾持器508上，從而安裝在外殼500上。流體腔室506通過隔膜502、促動器504和外殼500來界定。為了進行功能說明，假定促動器504 由壓電陶瓷材料構(gòu)成，但是也可以由任意數(shù)目的其它電活化材料構(gòu)成。促動器504的極性為這樣，施加給定極性的電壓將使它主要沿徑向方向膨脹或收縮。
工作時，交流電壓施加在促動器504上。所形成的促動器504的徑向振動位移產(chǎn)生在隔膜502中在促動器504和環(huán)形夾持器508之間的振蕩徑向拉伸應(yīng)力。這些振蕩拉伸應(yīng)力轉(zhuǎn)變成隔膜502的Z軸向振動，且促動器504當然與隔膜502的Z軸向振動一起運行。通過使促動器504也沿隔膜軸向位移方向振動來幫助開始該徑向至軸向的轉(zhuǎn)變過程，盡管促動器的軸向位移幅值.可以小于徑向位移幅值。促動器504 以頻率f的徑向振動位移可以根據(jù)隔膜502的結(jié)構(gòu)(例如扁平隔膜、預(yù)應(yīng)力彎曲隔膜、軸向和/或徑向剛度和/或非線性程度等)而導(dǎo)致隔膜502以頻率f或f/2而沿Z軸向振動位移。當圖37A的實施例在一定頻率下驅(qū)動，從而使得隔膜502以接近或等于系統(tǒng)基本諧振頻率的頻率f而軸向振蕩時，能量將儲存在系統(tǒng)諧振中，且隔膜502的位移將與儲存能量成比例地增加。
在隔膜502和促動器504之間的粘接使得促動器504和隔膜502 稍微彎曲在粘接區(qū)域上，類似于普通的單形態(tài)彎曲器促動器，且根據(jù) 施加電壓的極性，該彎曲形狀可以是凹形或凸形。對于隔膜502的Z
45軸向位移，促動器504將以與具有活塞(該活塞有柔性包圍部分)的本發(fā)明其它實施例類似的方式而象活塞一樣起作用。
圖37B表示了本發(fā)明的另一撓曲徑向驅(qū)動泵的實施例。隔膜512 有安裝在它的中心上的盤形電活化促動器510。隔膜512環(huán)繞它的周邊夾持在環(huán)形夾持器514上，因此安裝在外殼516上。促動器510有進口孔520，外殼516有出口孔522。與本發(fā)明的其它實施例中相同，進口孔520和出口孔522如希望的那樣裝配有簧片閥或其它類型的閥。流體腔室518由隔膜512、促動器510和外殼516來界定。為了進行功能說明，假定促動器510由壓電陶資材料構(gòu)成，但是也可以由任意數(shù)目的其它電活化材料構(gòu)成。促動器510的極性為這樣，施加給定極性的電壓將使它主要沿徑向方向膨脹或收縮。
工作時，交流電壓施加在促動器510上。所形成的促動器510的徑向振動位移產(chǎn)生在隔膜512中在促動器510和環(huán)形夾持器514之間的振蕩徑向拉伸應(yīng)力。這些振蕩拉伸應(yīng)力轉(zhuǎn)變成隔膜512的Z軸向振動，且促動器510當然與隔膜512的Z軸向振動一起運行。通過使促動器510也沿隔膜軸向位移方向振動來幫助開始該徑向至軸向的轉(zhuǎn)變過程，盡管促動器的軸向位移幅值可以小于徑向位移幅值。促動器510 以頻率f的徑向振動位移可以根據(jù)隔膜512的結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致隔膜502以頻率f或f/2而沿Z軸向振動位移，如前面所述。隔膜112和促動器 110的軸向振蕩將使流體吸入口 524中和從口 526排出。當圖37B的實施例在一史頻率下驅(qū)動，從而使得隔膜512以接近或等于系統(tǒng)基本諧振頻率的頻率f而軸向振蕩時，能量將儲存在系統(tǒng)諧振中，且隔膜 502的位移將與儲存能量成比例地增加。
圖37C表示了本發(fā)明的還一撓曲徑向驅(qū)動泵實施例。第一隔膜 536有安裝在它的中心上的盤形電活化促動器534，并環(huán)繞它的周邊安裝在環(huán)形楔形件544上，該環(huán)形楔形件544再安裝在外殼546上。第二隔膜538有安裝在它的中心上的盤形電活化促動器532,并環(huán)繞它的周邊安裝在環(huán)形楔形件544上。隔膜528和530提供有相應(yīng)的出口孔536和進口孔538，該出口孔和進口孔通常都如所需那樣裝備有簧片閥或其它類型的閥。第一和第二隔膜和各促動器以圖37A和37B的實施例的方式工作，從而使得流體腔室548振蕩，這又使得流體吸入口 540中和從口 542排出。
圖37D表示了本發(fā)明的還一撓曲徑向驅(qū)動泵實施例，它有波紋管 550和雙重徑向撓曲促動器552和554。圖37E的實施例以與圖37D 的實施例類似的方式工作，除了它是線性，而不是非參數(shù)操作。不過，一些泵送性能可以通過參數(shù)驅(qū)動頻率而實現(xiàn)。
圖37E表示了本發(fā)明的還一撓曲徑向驅(qū)動實施例，其中撓曲徑向隔膜556(它的操作如前所述)驅(qū)動具有柔性包圍部分的第二活塞558。柔性徑向隔膜556將由撓曲縱向彈簧560代替，該撓曲縱向彈簧560 有粘在它上面的矩形電活化促動器562。也可以使用任意數(shù)目的其它彈簧布局。
撓曲徑向驅(qū)動的另一實施例是將撓曲徑向隔膜556或撓曲縱向彈簧560 (圖37E)夾在兩半波紋管之間，例如圖36中的波紋管364的兩半358和356。撓曲徑向或撓曲縱向元件將向波紋管的周邊施加振蕩徑向力，從而使得波紋管的容積振蕩，且該波紋管可用于本發(fā)明的多個實施例。在為隔膜的情況下，在隔膜中需要孔或通氣孔來允許流體流過波紋管?；匦糠挚梢蕴砑釉趫D37A、 37B和37C的實施例的隔膜上。
邊緣驅(qū)動
圖38表示了本發(fā)明的邊緣驅(qū)動隔膜實施例，它有外殼380、隔膜 386、可選的調(diào)節(jié)質(zhì)量388、環(huán)形電活化促動器382和環(huán)形刀刃夾持器 390、 392。促動器382的底表面安裝在外殼380上。促動器382的頂表面通過連接器384而安裝在隔膜386的邊緣或周邊上。當促動器382 通電時，它產(chǎn)生與Z軸平行的力。當力沿-Z方向時，隔膜386的中心將沿+Z方向運動。同樣，當力沿+Z方向時，隔膜386的中心將沿-Z 方向運動。
當隔膜386由促動器382以頻率f(該頻率f低于隔膜386的更高階諧振模式)激勵時，隔膜將通過在頻率f下以它的基本軸向模式振蕩而進行響應(yīng)。當隔膜386以接近或等于系統(tǒng)基本諧振頻率的頻率f 來驅(qū)動時，能量將儲存在系統(tǒng)諧振中，且隔膜386的位移將與該儲存能量成比例地增加。系統(tǒng)諧振可以利用可選質(zhì)量388來調(diào)節(jié)。
圖39的實施例以與圖38的實施例相同的方式工作，除了增加第二環(huán)形電活化促動器394。由促動器394產(chǎn)生的力的方向?qū)⑴c由圖38 的促動器382產(chǎn)生的力的方向相同。
在圖40中，圖38的邊緣驅(qū)動結(jié)構(gòu)用于驅(qū)動活塞396。由隔膜398 產(chǎn)生的機械放大使得活塞396的位移大于促動器400的位移。在本發(fā) 明的范圍內(nèi)，隔膜398可以由簡單的片簧或能夠彎曲和提供機械放大的任意其它彈簧類型設(shè)計和材料來代替。
圖40A的實施例以與圖38的實施例相同的方式工作，除了圖38 的電活化促動器由可變磁阻促動器450代替。促動器450的電樞399 和隔膜質(zhì)量397總是沿相反方向運動，因此通過選擇正確的質(zhì)量，它們施加在外殼上的力可以減小或抵銷，從而減小外殼振動和所形成的噪音。
本發(fā)明可以采用壓電陶瓷單形態(tài)促動器，該壓電陶覺單形態(tài)促動器預(yù)加應(yīng)力(例如由NASA開發(fā)的Thunder Actuator)和被覆蓋(由美國專利5 2841和6734603)。本發(fā)明還可以使用簡單的層狀單形態(tài) 或多形態(tài)彎曲器，該彎曲器為扁平，且并不預(yù)加應(yīng)力，在很多情況下，這些促動器為優(yōu)選，因為本發(fā)明并不需要較大的壓電位移，而是設(shè)計成使用較大力、小位移促動器。(單形態(tài)壓電彎曲器通常由粘在金屬板基質(zhì)上的壓電陶瓷板塊來構(gòu)成。)簡單的層狀單形態(tài)還有這樣的優(yōu)點，當與預(yù)加應(yīng)力促動器相比時，它們的制造成本相當?shù)?。使用小位移?電單形態(tài)的另一優(yōu)點是可以使用"更硬"陶資，當與必須用于大位移彎曲器中的更軟陶瓷比較時，更硬陶瓷提供了高得多的電-機械換能效率。當高于100Hz時，這些更硬陶瓷比更軟陶瓷效率更高。對于較小泵和壓縮機，特別希望更高頻率下操作，以便在很小封裝中提供很高流量，這是因為每秒的大量泵送循環(huán)。
諧振聲學(xué)負栽的驅(qū)動本發(fā)明的流體能量傳遞裝置還可以用于驅(qū)動高功率諧振聲學(xué)負
載，例如聲學(xué)壓縮機和熱聲發(fā)動機。美國專利No.5515684、 5319938、 5579399、 6230420公開了設(shè)計高能量密度聲學(xué)諧振器的原理、特定的諧振器形狀和高能量密度聲學(xué)諧振器的應(yīng)用，這些文獻的內(nèi)容都整個被本文參引。
圖41表示了本發(fā)明用于在諧振器中驅(qū)動縱向駐波。本發(fā)明的流體能量傳遞裝置400與諧振器402的較寬端剛性連接。能量傳遞裝置400 有活塞和/或隔膜404,該活塞和/或隔膜404 ^皮驅(qū)動，以^更以諧振器 402的給定縱向聲學(xué)模式而振動，如本領(lǐng)域公知和如上述參考專利中所述。本發(fā)明的任意實施例都可以用于使得能量傳遞裝置400的隔膜和/或活塞振動。能量傳遞裝置400可以有純隔膜(例如圖3中)或具有柔性包圍部分的活塞(例如圖20中)，并可以使用任意數(shù)目的不同促動器。雙重隔膜(例如圖32中)也可以用于驅(qū)動徑向模式，其中，流體腔室317將用作聲學(xué)諧振器。兩個隔膜將更多能量傳遞至聲學(xué)駐波中。為了用于聲學(xué)壓縮機，圖32的隔膜313、 314中的口可以移動成更靠近中心，以便利用更大的聲學(xué)壓力幅值的優(yōu)點。
圖42表示了使用本發(fā)明來在聲學(xué)諧振器中驅(qū)動徑向駐波。本發(fā)明的流體能量傳遞裝置406與徑向諧振器410剛性連接。在諧振器410 內(nèi)的流體充裝空間由活塞/隔膜408和諧振器410界定，具有直徑D和高度h，該高度h隨R而軸對稱變化，其中，h咖x在r=D/2處，而hmin 在r=0處。能量傳遞裝置406有活塞/隔膜408，該活塞/隔膜408 #皮驅(qū) 動，以便以諧振器402的給定徑向聲學(xué)模式頻率而振動。當驅(qū)動最低階徑向模式時產(chǎn)生最佳能量傳遞。本發(fā)明的任意實施例都可以用于使得能量傳遞裝置406的隔膜和/或活塞振動。能量傳遞裝置406可以有純隔膜(例如圖3中)或具有柔性包圍部分的活塞(例如閨20中)，并可以使用任意數(shù)目的不同促動器。如美國專利5515684中所述，聲學(xué)諧振器的形狀可以用于抑制聲震的形成，并促進高能量密度和大聲壓幅值。諧振器410的形狀將減小在r=0時測量的與給定聲壓幅值相關(guān)的熱-聲損失。當圖42的流體能量傳遞裝置轉(zhuǎn)換成聲學(xué)壓縮機時，壓縮機閥將位于中心處，以便利用更大的聲壓幅值的優(yōu)點。很多其它諧振器形狀也可以使用，并將由特定用途來確定，如本領(lǐng)域公知。
圖43表示了由本發(fā)明的流體能量傳遞裝置412驅(qū)動的扁平聲學(xué)諧振器414。諧振器414設(shè)計成支持縱向駐波。最大聲學(xué)壓力幅值將存在于較小端416處，當諧振器414用作聲學(xué)壓縮機時，該較小端是將布置壓縮機閥的位置。多個流體能量傳遞裝置可以布置在諧振器414 的兩側(cè)或沿諧振器414的長度布置，以便增大功率輸入。
使聲學(xué)壓縮機小型化的一個問題是設(shè)計能夠提供實際用途所需功率的促動器。當用于驅(qū)動較小聲學(xué)諧振器時，本發(fā)明提供了高功率、低成本的促動器，用于小型化聲學(xué)壓縮機和用于較小聲學(xué)諧振器的多個其它用途。
諧振合成射流
當由本發(fā)明或PCT申請No.PCT/US2005/046557的任意實施例來驅(qū)動時，聲學(xué)諧振器可以用于提高合成射流的流動性能。例如，圖44 表示了具有徑向聲學(xué)諧振器420的聲學(xué)諧振合成射流，該徑向聲學(xué)諧振器由如圖42的實施例中所述的本發(fā)明流體能量傳遞裝置422來驅(qū) 動。合成射流口 426位于諧振器420的中心424。可以儲存在聲學(xué)諧振中的較高能量水平將導(dǎo)致較大壓力振蕩，這又能夠產(chǎn)生通過口 426 的較大振蕩流。這些較大振蕩流將產(chǎn)生在諧振器420外部的脈沖射流，如本領(lǐng)域公知。
與圖41中所示類似，諧振器可以通過使喉部405打開而用作諧振合成射流。當進行縱向駐波模式激勵時，可以在喉部405形成非常大的振蕩流。通常，最低階縱向模式將提供最高外部脈沖射流。與圖41 中所示類似的諧振器(大約11英寸長)在大約800Hz下提供超過 100CFM的測量射流。與圖41中所示類似的另一諧振器(大約2.5英寸長)在大約4000Hz下以大約2.7CFM/瓦提供超過5CFM的測量射流，并能夠在施加更大功率時提供更高流量。當喉部418打開時，圖 43的諧振器能夠提供類似結(jié)果。任意數(shù)目的合成射流口可以布置在聲學(xué)諧振器的外表面周圍的任意數(shù)目位置處，所有這些都在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
盡管本發(fā)明能夠使流體能量傳遞裝置小型化，但是本發(fā)明的范圍決不是限制為任意給定尺寸的實施例。本發(fā)明可以按比例放大超過中
間尺寸范圍和縮小至MEMS尺寸范圍。這里公開了本發(fā)明的各種實施例和改進，且本領(lǐng)域技術(shù)人員可以使用這些實施例和改進的多種不同組合。這些實施例的所有各種組合都由給定用途的要求來確定，并在本發(fā)明范圍內(nèi)。例如，使用的閥的數(shù)目、是否需要添加的軸向穩(wěn)定彈簧、使用一個或兩個隔膜、促動器驅(qū)動彈簧或隔膜(它們再驅(qū)動活塞)、在單個裝置中使用的促動器數(shù)目、是否需要控制裝置、用于連接部件的方法類型、用于給定實施例中的促動器類型、使用的密封件類型以及串聯(lián)或并聯(lián)使用泵都將由給定用途的性能和成本要求來確定。
本領(lǐng)域技術(shù)人員知道的、在本發(fā)明范圍內(nèi)的其它實施例可以將單個彎曲器促動器(或其它促動器)布置在兩個背靠背的流體隔膜或活塞之間，且各薄膜或活塞有它自身的壓縮腔室，以便通過單個促動器以推拉結(jié)構(gòu)驅(qū)動兩個隔膜或活塞。本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然知道使用隔膜或活塞的兩側(cè)來形成分離的壓縮腔室以及通過使隔膜上的閥允許流體從一個腔室流向下一個腔室而使得這些壓縮腔室分級。還有，這里所示的隔膜反作用質(zhì)量表示為位于隔膜中心的盤，但是也可以采用許多其它形式，或者可以偏心安裝，例如當為環(huán)形質(zhì)量時。此外，多種壓縮機和/或泵閥可以用于本發(fā)明。例如，給定實施例的活動活塞或隔膜可以用于驅(qū)動進口和出口閥，例如當為滑動軸閥的情況，該滑動軸閥將滑入口中，并周期性地打開和關(guān)閉進口孔或出口孔。本發(fā)明的泵的尺寸可以按比例放大或縮小，并可以用于封閉循環(huán)系統(tǒng)以及開放循環(huán) 系統(tǒng)，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知道的。
本發(fā)明可以使用預(yù)加應(yīng)力的壓電陶瓷雙形態(tài)促動器，例如由 NASA開發(fā)的、形成美國專利5632841和6734603的Thunder Actuator。本發(fā)明還可以使用筒單的層狀雙形態(tài)，它為扁平，且并不預(yù)加應(yīng)力，在很多情況下，這些促動器為優(yōu)選，因為本發(fā)明并不需要較大的促動器位移，而是設(shè)計成使用較大力、小位移促動器。簡單的
51層狀雙形態(tài)還有這樣的優(yōu)點，當與預(yù)加應(yīng)力促動器相比時，它們的制造成本相當?shù)汀?br> 本發(fā)明的所有流體能量傳遞實施例還可以用于驅(qū)動具有滑動密封件的普通活塞以及用于泵、壓縮機和很多其它流體用途。不過，必須注意保證滑動密封件的摩擦損失不會過大，因為這將降低裝置的能量效率。
在本發(fā)明的范圍內(nèi)，本發(fā)明的實施例可以以任意頻率來驅(qū)動。盡管通過在等于或接近系統(tǒng)諧振的驅(qū)動頻率下操作本發(fā)明可以提供性能優(yōu)點，但是本發(fā)明的范圍并不局限于驅(qū)動頻率和系統(tǒng)諧振頻率附近。當驅(qū)動頻率足夠接近系統(tǒng)諧振(能量儲存在諧振中)時，隔膜和/或活塞位移幅值將與儲存能量成比例地增加。驅(qū)動頻率越接近瞬時系統(tǒng)諧振頻率，儲存的能量越大，活塞和/或隔膜位移越大，流體能量傳遞也越大。在儲存能量或不儲存能量的情況下操作本發(fā)明都在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
還應(yīng)當知道，本發(fā)明的隔膜可以由多種不同材料制造，例如金屬、塑料或彈性體。隔膜或活塞包圍材料用作板或薄膜取決于使用的材料和給定用途所需的偏轉(zhuǎn)，所有這些材料和它們的性能都在本發(fā)明的范圍內(nèi)。而且，各種活塞形狀可以用于提供不同優(yōu)點。例如，為了提供重量輕的活塞，可以使用錐形活塞形狀來增加剛度，同時使用更薄和重量輕的材料。這時，壓縮腔室也可以有錐形形狀，以便接收錐形活塞，從而避免過大的間隙容積。很多其它幾何形狀的活塞形狀也可以用于提供類似優(yōu)點，這些對本領(lǐng)域技術(shù)人員都是顯而易見的。還應(yīng)當知道，在本發(fā)明的很多實施例中，隔膜可以代替活塞，活塞也可以代替隔膜，這對本領(lǐng)域技術(shù)人員也是顯而易見的。
PCT申請No.PCT/US2005/046557 (該文獻已經(jīng)被本文參引)介紹了其它實施例、用途、控制器和控制方案，這些實施例與本發(fā)明的任意組合也為本領(lǐng)域技術(shù)人員知道，且在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
本發(fā)明用于將動能、增壓能量和聲能傳遞到流體的用途可以包括例如壓縮、泵送、混合、霧化、合成射流、流體計量、取樣、用于生物戰(zhàn)藥劑的空氣取樣、噴墨、過濾、由于化學(xué)反應(yīng)而驅(qū)動物理變化、或者在懸浮顆粒中的其它材料變化，例如粉碎或聚集，或者任意這些
方法的組合(僅舉幾個例子)。本發(fā)明的泵和壓縮機實施例的用途包括 MSM和MESO尺寸泵和壓縮機，用于便攜式電子裝置(如便攜式計算裝置、PDA和手機)的微型燃料電池；獨立的熱管理系統(tǒng)，它能夠裝配在電路卡上，并提供用于微處理器和其它半導(dǎo)體電子裝置的冷卻；以及用于不臥床病人的便攜式個人醫(yī)療裝置。
本發(fā)明一些實施例的前述說明是用于舉例說明目的。在附圖中，為了清楚，這里提供的各實施例的子部件并不需要彼此按比例畫出。在實際產(chǎn)品中，各部件的相關(guān)比例由特定工程設(shè)計來確定。這里提供的實施例并不是窮舉或?qū)⒈景l(fā)明限制為所述精確形式，顯然可以根據(jù) 上述教導(dǎo)進行多種變化和改變。實施例的選擇和說明是為了更好地解釋本發(fā)明的原理和它的實際應(yīng)用，從而使本領(lǐng)域其它技術(shù)人員能夠以適合預(yù)期特定用途的各種實施例和各種變化來最佳地實現(xiàn)本發(fā)明。盡管上述說明包括很多詳細說明，但是這些并不認為是對本發(fā)明范圍的限制，而是作為對可選實施例的解釋。
權(quán)利要求
1. 一種流體能量傳遞裝置包括腔室，其用于接收流體，該腔室的至少一部分包括活動部分，該活動部分可相對于腔室的另外部分運動，通過活動部分的運動，該活動部分用于使腔室的容積從第一容積改變成第二容積；以及可變磁阻促動器，該可變磁阻促動器安裝在活動部分上；其中，可變磁阻促動器是以下情況的至少一個(i)與活動部分直接連接；以及(ii)與活動部分聯(lián)接；以便形成促動器-活動部分組件；可變磁阻促動器并不與所述裝置除了活動部分之外的任意其它部件有效連接和有效聯(lián)接；以及促動器-活動部分組件用于基本只由于促動器在驅(qū)動頻率的振蕩而運動。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中促動器在一頻率下被驅(qū)動，從而將能量儲存于系統(tǒng)諧振中，使得活動部分的位移與儲存的能量成比例地增加。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中促動器與所述裝置與活動部分分離的部件彈性連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中可變磁阻促動器的氣隙用于在位移幅值和頻率下振蕩，這樣，促動器和活動部分將基本只由于促動器的移動而在第一位置和第二位置之間運動，且在第一位置和第二位置之間的距離大于促動器氣隙的位移幅值。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中活動部分包括隔膜。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中活動部分包括具有柔性包圍部分的活塞。
7. —種泵，包括如權(quán)利要求1所述的裝置；流體進口孔，該流體進口孔與腔室流體連通；以及流體出口孔，該流體出口孔與腔室流體連通；其中，所述裝置在活動部分以增加腔室容積的方式運動的過程中通過進口孔將流體吸入腔室內(nèi)；所述裝置在活動部分以減少腔室容積的方式運動的過程中通過出口孔而將流體排出腔室。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體能量傳遞裝置，還包括在腔室中的開口，該開口允許流體進入和離開腔室，其中，通過所述開口的振蕩流產(chǎn)生合成射流。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的流體能量傳遞裝置，其中腔室的活動部分包括波紋管。
10. —種流體能量傳遞裝置，包括腔室，其用于接收流體，該腔室的至少一部分包括活動部分，該活動部分可相對于腔室的另外部分運動，通過活動部分的運動，該活動部分用于使腔室的容積從第一容積改變成第二容積；以及電活化促動器，該電活化促動器安裝在活動部分上；其中，電活化促動器是以下情況的至少一個(i)與活動部分直接連接；以及(ii)與活動部分聯(lián)接；以便形成促動器-活動部分組件；電活化促動器并不與該裝置除了活動部分之外的任意其它部件有效連接和有效聯(lián)接；以及.促動器-活動部分組件用于基本只由于促動器在驅(qū)動頻率下的振蕩而運動。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其中促動器在一頻率下被驅(qū) 動，從而將能量儲存于系統(tǒng)諧振中，使得活動部分的位移與儲存的能量成比例地增加。
12. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的流體能量傳遞裝置，其中反作用質(zhì) 量安裝在電活化促動器上。
13. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的流體能量傳遞裝置，其中活動部分包括隔膜。
14. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的流體能量傳遞裝置，其中活動部分包括具有柔性包圍部分的活塞。
15. —種泵，包括如權(quán)利要求10所述的裝置；流體進口孔，該流體進口孔與腔室流體連通；以及流體出口孔，該流體出口孔與腔室流體連通；其中，該裝置用于在活動部分以增加腔室容積的方式運動的過程中通過進口孔將流體吸入腔室內(nèi)；該裝置用于在活動部分以減少腔室容積的方式運動的過程中通過出口孔而將流體排出腔室。
16. —種流體能量傳遞裝置，包括腔室，其用于接收流體，該腔室的至少一部分包括柔性部分，該柔性部分可相對于腔室的另外部分運動，這樣，在柔性部分上的最大偏轉(zhuǎn)點提供了比柔性部分上的任意其它點更大的位移，通過柔性部分的彎曲，該柔性部分用于使腔室的容積從第一容積改變成第二容積；以及力產(chǎn)生促動器，該力產(chǎn)生促動器在不同于最大偏轉(zhuǎn)點的點處安裝在柔性部分上；其中，力產(chǎn)生促動器是以下情況的至少一個(i)與柔性部分直接連接；以及(ii)與柔性部分聯(lián)接；以便形成促動器-活動部分組件；力產(chǎn)生促動器并不與該裝置除了柔性部分之外的任意其它部件有效連接和有效聯(lián)接；以及促動器-活動部分組件用于基本只由于促動器在驅(qū)動頻率下的振蕩而運動o
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其中促動器在一頻率下被驅(qū) 動，從而將能量儲存于系統(tǒng)諧振中，使得柔性部分的位移與儲存的能量成比例地增加。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的流體能量傳遞裝置，其中柔性部分包括隔膜。
19. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的流體能量傳遞裝置，其中隔膜還包括中心活塞部分，該中心活塞部分成為最大偏轉(zhuǎn)點。
20. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的流體能量傳遞裝置，其中柔性部分包括波紋管，該波紋管有至少一個波紋管部分。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的流體能量傳遞裝置，其中波紋管還包括中心活塞部分，該中心活塞部分成為最大偏轉(zhuǎn)點。
22. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的流體能量傳遞裝置，其中所述力產(chǎn) 生促動器包括彎曲器促動器。
23. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的流體能量傳遞裝置，其中所述力產(chǎn) 生促動器包括可變磁阻促動器。
24. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的流體能量傳遞裝置，其中所述力產(chǎn) 生促動器包括固體電活化促動器。
25. —種泵，包括如權(quán)利要求16所述的裝置；流體進口孔，該流體進口孔與腔室流體連通；以及流體出口孔，該流體出口孔與腔室流體連通；其中，該裝置用于在活動部分以增加腔室容積的方式運動的過程中通過進口孔將流體吸入腔室內(nèi)；該裝置用于在活動部分以減少腔室容積的方式運動的過程中通過出口孔而將流體排出腔室。
26. —種流體能量傳遞裝置，包括腔室，其用于接收流體，該腔室的至少一部分包括柔性部分，該柔性部分可相對于腔室的第二部分運動，通過柔性部分的彎曲，該柔性部分用于使腔室的容積從第一容積改變成第二容積；樞軸夾持器，該樞軸夾持器環(huán)繞柔性部分的封閉環(huán)夾持柔性部分，從而將柔性部分分成兩個部分，這兩個部分包括在封閉環(huán)內(nèi)的內(nèi)部部分和在封閉環(huán)外的外部部分，樞軸夾持器允許外部部分和內(nèi)部部分繞樞軸夾持器樞軸轉(zhuǎn)動，這樣，該內(nèi)部部分和外部部分的位移沿相反方向；以及至少單個力產(chǎn)生促動器，該力產(chǎn)生促動器有安裝在柔性部分的外部部分上的安裝點；其中，力產(chǎn)生促動器是以下情況的至少一個(i)與柔性部分的外部部分直接連接；以及(ii)與柔性部分的外部部分聯(lián)接；以便形成促動器-活動部分組件；力產(chǎn)生促動器并不與該裝置除了柔性部分的外部部分之外的任意其它部件有效連接和有效聯(lián)接；以及促動器-活動部分組件用于基本只由于促動器在驅(qū)動頻率下的振蕩而運動。
27. —種流體能量傳遞裝置，包括腔室，其用于接收流體，該腔室的至少一部分包括第一柔性部分，該第一柔性部分可相對于腔室的第二部分運動，這樣，在第一柔性部分上的最大偏轉(zhuǎn)點提供了比在第一柔性部分上的任意其它點更大的位移，通過第一柔性部分的彎曲，該第一柔性部分用于使腔室的容積從第一容積改變成第二容積；以及至少單個力產(chǎn)生促動器，該力產(chǎn)生促動器有在不同于最大偏轉(zhuǎn)點的點處安裝在柔性部分上的安裝點以及安裝在腔室的第二部分上的安裝點；其中，隨著腔室容積的相應(yīng)變化，力產(chǎn)生促動器在腔室的柔性部分和腔室的第二部分之間施加交替力；以及所形成的最大偏轉(zhuǎn)點的峰值位移大于力產(chǎn)生促動器的位移。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的裝置，其中促動器在一頻率下被驅(qū) 動，從而將能量儲存于系統(tǒng)諧振中，使得第一柔性部分的位移與儲存的能量成比例地增加。
29. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的流體能量傳遞裝置，其中力產(chǎn)生促動器包括彎曲器促動器。
30. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的流體能量傳遞裝置，其中力產(chǎn)生促動器包括可變磁阻促動器。
31. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的流體能量傳遞裝置，其中力產(chǎn)生促動器包括電活化促動器。
32. —種泵，包括如權(quán)利要求27所述的裝置；流體進口孔，該流體進口孔與腔室流體連通；以及流體出口孔，該流體出口孔與腔室流體連通；其中，該裝置用于在柔性部分以增加腔室容積的方式運動的過程中通過進口孔將流體吸入腔室內(nèi)；該裝置用于在活動部分以減少腔室容積的方式運動的過程中通過出口孔而將流體排出腔室。
33. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的流體能量傳遞裝置，其中腔室的第二部分包括可相對于腔室的第一柔性部分運動的腔室的第二柔性部分，這樣，在第二柔性部分上的最大偏轉(zhuǎn)點提供了比第二柔性部分上的任意其它點更大的位移；以及力產(chǎn)生促動器還有在不同于第二柔性部分的最大偏轉(zhuǎn)點的點處安裝在笫二柔性部分上的安裝點；其中，力產(chǎn)生促動器在腔室的第一和第二柔性部分之間施加交替力，從而導(dǎo)致在第一和第二柔性腔室部分的最大偏轉(zhuǎn)點之間的峰值位移，該峰值位移大于力產(chǎn)生促動器的位移。
34. 根據(jù)權(quán)利要求33所述的流體能量傳遞裝置，其中第一柔性部分包括具有柔性包圍部分的第一活塞，以及第二柔性部分包括具有柔性包圍部分的第二活塞。
35. —種流體能量傳遞裝置，包括腔室，其用于接收流體，該腔室的至少一部分包括第一柔性部分，該第一柔性部分可相對于腔室的第二部分運動，通過第一柔性部分的彎曲，該第一柔性部分用于使腔室的容積從第一容積改變成第二容積；以及至少單個力產(chǎn)生促動器，該力產(chǎn)生促動器有在零撓曲位移點處安裝在第一柔性部分上的安裝點以及安裝在腔室的第二部分上的安裝點，并產(chǎn)生沿第一柔性部分的撓曲位移的方向的力；其中，力產(chǎn)生促動器在腔室的柔性部分和腔室的笫二部分之間施加交替力，同時由于促動器位移和第一柔性部分的撓曲位移的瞬時總和而使腔室容積變化。
36. 根據(jù)權(quán)利要求35所述的裝置，其中促動器在一頻率下被驅(qū) 動，從而將能量儲存于系統(tǒng)諧振中，使得第一柔性部分的位移與儲存的能量成比例地增加。
37. 根據(jù)權(quán)利要求35所述的流體能量傳遞裝置，其中力產(chǎn)生促動器包括可變磁阻促動器。
38. 根據(jù)權(quán)利要求35所述的流體能量傳遞裝置，其中力產(chǎn)生促動器包括固體電活化促動器。
39. —種泵，包括如權(quán)利要求35所述的裝置；流體進口孔，該流體進口孔與腔室流體連通；以及流體出口孔，該流體出口孔與腔室流體連通；其中，該裝置用于在柔性部分以增加腔室容積的方式運動的過程中通過進口孔將流體吸入腔室內(nèi)；該裝置用于在柔性部分以減少腔室容積的方式運動的過程中通過出口孔而將流體排出腔室。
40. 根-據(jù)權(quán)利要求35所述的流體能量傳遞裝置，其中腔室的第二部分包括可相對于腔室的第一柔性部分運動的腔室的第二柔性部分；力產(chǎn)生促動器還有在第二柔性部分的零撓曲位移點處安裝在第二柔性部分上的安裝點；其中，力產(chǎn)生促動器在腔室的第一和第二柔性部分之間施加交替力，從而形成在第一和第二柔性腔室部分的最大偏轉(zhuǎn)點之間的峰值位移，該峰值位移大于力產(chǎn)生促動器的軸向位移。
41. 一種流體傳遞裝置包括腔室，用于接收流體，該腔室的至少一部分包括第一柔性部分，該第一柔性部分可相對于腔室的第二部分運動，通過第一柔性部分的彎曲，該第一柔性部分用于使腔室的容積從第一容積改變成第二容積；以及至少單個力產(chǎn)生促動器，該力產(chǎn)生促動器有在零撓曲位移點處安裝在第一柔性部分上的安裝點，并產(chǎn)生沿橫向于第一柔性部分的撓曲位移方向的力；其中，力產(chǎn)生促動器在腔室的笫一柔性部分上施加交替的橫向力，由于第一柔性部分的軸向振動而形成腔室容積變化。
42. 根據(jù)權(quán)利要求41所述的裝置，其中促動器在一頻率下被驅(qū) 動，從而將能量儲存于系統(tǒng)諧振中，使得柔性部分的位移與儲存的能量成比例地增加。
43. 根據(jù)權(quán)利要求41所述的流體能量傳遞裝置，其中力產(chǎn)生促動器包括電活化促動器。
44. 一種泵，包括如權(quán)利要求41所述的裝置；流體進口孔，該流體進口孔與腔室流體連通；以及流體出口孔，該流體出口孔與腔室流體連通；其中，該裝置用于在柔性部分以增加腔室容積的方式運動的過程中通過進口孔將流體吸入腔室內(nèi)；該裝置用于在活動部分以減少腔室容積的方式運動的過程中通過出口孔而將流體排出腔室。
45. 根據(jù)權(quán)利要求41所述的流體能量傳遞裝置，其中腔室的第二部分包括可相對于腔室的第一柔性部分運動的腔室的第二柔性部分；力產(chǎn)生促動器ii有在第二柔性部分的零撓曲位移點處安裝在第二柔性部分上的安裝點，并產(chǎn)生沿橫向于第二柔性部分的撓曲位移的方向的力；其中，力產(chǎn)生促動器在腔室的第一和第二柔性部分中施加交替的橫向力，從而由于第一和第二柔性部分的軸向振動而形成腔室容積變化。
46. —種流體能量傳遞裝置，包括腔室，其用于接收流體，該腔室的至少一部分包括第一柔性部分，該第一柔性部分可相對于腔室的笫二部分運動，通過第一柔性部分的彎曲，該第一柔性部分用于使腔室的容積從第一容積改變成第二容積；以及力產(chǎn)生促動器，該力產(chǎn)生促動器有安裝在第一柔性部分的中心上的安裝點，并產(chǎn)生沿橫向于第一柔性部分的軸向撓曲位移的方向的力；其中，力產(chǎn)生促動器在腔室的第一柔性部分上施加交替的橫向力，同時由于第一柔性部分的軸向振動而形成腔室容積的改變。
47. 根據(jù)權(quán)利要求46所述的裝置，其中促動器在一頻率下被驅(qū) 動，從而將能量儲存于系統(tǒng)諧振中，使得柔性部分的位移與儲存的能量成比例地增加。
48. —種泵，包括如權(quán)利要求46所述的裝置；流體進口孔，該流體進口孔與腔室流體連通；以及流體出口孔，該流體出口孔與腔室流體連通；其中，該裝置用于在柔性部分以增加腔室容積的方式運動的過程中通過進口孔將流體吸入腔室內(nèi)；該裝置用于在柔性部分以減少腔室容積的方式運動的過程中通過出口孔而將流體排出腔室。
49. 一種流體能量傳遞裝置，包括腔室，其用于接收流體，該腔室的至少一部分包括柔性部分，該柔性部分可相對于腔室的第二部分運動，通過柔性部分的彎曲，該柔性部分用于使腔室的容積從第一容積改變成第二容積；樞軸夾持器，該樞軸夾持器環(huán)繞柔性部分的封閉環(huán)夾持柔性部分，從而將柔性部分分成兩個部分，這兩個部分包括在封閉環(huán)內(nèi)的內(nèi)部部分和在封閉環(huán)外的外部部分，樞軸夾持器允許外部部分和內(nèi)部部分繞樞軸夾持器樞軸轉(zhuǎn)動，這樣，該內(nèi)部部分和外部部分的位移沿相反方向；以及至少單個力產(chǎn)生促動器，該力產(chǎn)生促動器有安裝在柔性部分的外部部分上的安裝點和安裝在樞軸夾持器上的安裝點，并產(chǎn)生沿與柔性部分的撓曲位移相同方向的力；其中，力產(chǎn)生促動器在樞軸夾持器和柔性部分的外部部分之間施加交替力，同時由于柔性部分的撓曲而使腔室容積改變。
50. 根據(jù)權(quán)利要求49所述的裝置，其中促動器在一頻率下被驅(qū) 動，從而將能量儲存于系統(tǒng)諧振中，使得柔性部分的位移與儲存的能量成比例地增加。
51. 根據(jù)權(quán)利要求49所述的流體能量傳遞裝置，其中力產(chǎn)生促動器包括可變磁阻促動器。
52. 根據(jù)權(quán)利要求49所述的流體能量傳遞裝置，其中力產(chǎn)生促動器包括電活化促動器。
53. —種聲學(xué)能量傳遞裝置，包括聲學(xué)諧振器，其用于支持諧振聲學(xué)模式；以及流體能量傳遞裝置，該流體能量傳遞裝置是以下的一種(i)如權(quán)利要求1所述的流體能量傳遞裝置；或者(ii)如權(quán)利要求14所述的流體能量傳遞裝置；或者(m)如權(quán)利要求18所述的流體能量傳遞裝置；或者(iv)如權(quán)利要求26所述的流體能量傳遞裝置；或者(v) 如權(quán)利要求27所述的流體能量傳遞裝置；或者(vi)如權(quán)利要求32 所述的流體能量傳遞裝置；或者(vii)如權(quán)利要求37所述的流體能量傳遞裝置；或者(vii)如權(quán)利要求41所述的流體能量傳遞裝置；或者(viii)如權(quán)利要求46所述的流體能量傳遞裝置；或者(vii)如權(quán)利要求49所述的流體能量傳遞裝置。
54. 根據(jù)權(quán)利要求53所述的聲學(xué)能量傳遞裝置，其中聲學(xué)模式是縱向模式。
55. 根據(jù)權(quán)利要求53所述的聲學(xué)能量傳遞裝置，其中聲學(xué)模式是徑向模式。
56. 根據(jù)權(quán)利要求53所述的聲學(xué)能量傳遞裝置，其中聲學(xué)諧振器包括諧振合成射流。
57. 根據(jù)權(quán)利要求53所述的聲學(xué)能量傳遞裝置，其中聲學(xué)諧振器包括聲學(xué)壓縮機的諧振器。
58. —種合成射流裝置包括合成射流；其中，該合成射流由流體能量傳遞裝置驅(qū)動，該流體能量傳遞裝置是以下的一種(i)如權(quán)利要求1所述的流體能量傳遞裝置；或者 (ii)如權(quán)利要求14所述的流體能量傳遞裝置；或者(iii)如權(quán)利要求 18所述的流體能量傳遞裝置；或者(iv)如權(quán)利要求26所述的流體能量傳遞裝置；或者(v)如權(quán)利要求27所述的流體能量傳遞裝置；或者(vi)如權(quán)利要求32所述的流體能量傳遞裝置；或者(vii)如權(quán)利要求37所述的流體能量傳遞裝置；或者(vii)如權(quán)利要求41所述的流體能量傳遞裝置；或者(viii)如權(quán)利要求46所述的流體能量傳遞裝置；或者(vii)如權(quán)利要求49所述的流體能量傳遞裝置。
全文摘要
一種流體能量傳遞裝置包括腔室，用于接收流體，該腔室的至少一部分包括活動部分，該活動部分可相對于腔室的另外部分運動，通過活動部分的運動，該活動部分用于使腔室的容積從第一容積改變成第二容積。該裝置還包括促動器，該促動器安裝在活動部分上，其中，活動部分的位移可以大于促動器的位移。
文檔編號F04B17/03GK101438057SQ200780016071
公開日2009年5月20日申請日期2007年3月7日優(yōu)先權(quán)日2006年3月7日
發(fā)明者T·S·盧卡斯申請人:流體公司

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