專利名稱：駐波壓縮機(jī)的制作方法
本申請涉及到流水號(hào)為07/380，719、申請日為1989年7月12日的美國專利申請，本申請又是流水號(hào)為07/256，322、申請日為1988年10月11日的美國申請的部份后繼改進(jìn)申請。本申請還涉及流水號(hào)為07/493，380、申請日為1990年3月14日的美國專利申請。
本發(fā)明涉及用來壓縮和輸送流體的裝置以及有關(guān)的某些更特殊的性質(zhì)，還涉及在蒸汽壓縮制冷設(shè)備(又稱為壓縮-蒸發(fā)制冷設(shè)備)中用作壓縮機(jī)的裝置。
迄今為止，幾乎所有被廣泛地實(shí)際應(yīng)用的制冷和空調(diào)壓縮機(jī)都需要許多可動(dòng)部件。舉幾個(gè)例子來說，往復(fù)式、旋轉(zhuǎn)式和離心式等壓縮機(jī)，全都有許許多多活動(dòng)部件。上述提到的每一種壓縮機(jī)都要損耗一部份能量，這一部份能量僅克服這些部件的摩擦力使其運(yùn)動(dòng)，以及克服這些部件的慣性。在克服部件的機(jī)械摩擦和它們的慣性上所損耗的這部份能量，不能被用來對氣體進(jìn)行實(shí)際壓縮。因此，壓縮機(jī)的效率被降低了?；顒?dòng)部件還降低了可靠性并增加了運(yùn)行費(fèi)用，這是由于活動(dòng)部件會(huì)產(chǎn)生機(jī)械故障和疲勞所致。因此，壓縮機(jī)的故障率和能量損耗會(huì)隨著活動(dòng)部件數(shù)量的增加而增加。
典型的制冷和空調(diào)壓縮機(jī)都必須使用潤滑油來減少活動(dòng)部件的摩擦和摩損。在目前的壓縮機(jī)中使用潤滑油會(huì)帶來許多缺陷。需要潤滑油來運(yùn)行的壓縮機(jī)會(huì)使?jié)櫥团c制冷劑混合。由制冷循環(huán)所要求的潤滑油的運(yùn)行會(huì)在幾個(gè)方面降低系統(tǒng)性能的總效率，因此就增加了系統(tǒng)能量的消耗。就這一點(diǎn)來說，潤滑油-制冷劑混合物所存在的問題對理想的系統(tǒng)設(shè)計(jì)形成了限制。
潤滑油-制冷劑混合物的另一個(gè)缺點(diǎn)是關(guān)于新制冷劑的研制方面的?，F(xiàn)在必須研制不損耗臭氧的制冷劑以取代氟利昂系列的制冷劑。新研制的制冷劑必須能與壓縮機(jī)潤滑油相溶才被認(rèn)為是成功的。潤滑油的相溶性是主要的性能指標(biāo)，并且其較費(fèi)時(shí)間的毒性試驗(yàn)延遲了新制冷劑的商業(yè)投放。因此，在制冷和空調(diào)壓縮機(jī)中使用的潤滑油減緩了新制冷劑的研制。
在壓縮-蒸發(fā)系統(tǒng)中使用的機(jī)械式壓縮機(jī)具有固定的氣缸工作容量，這種壓縮機(jī)在運(yùn)行其間，其工作容量很難改變。這樣，其排氣壓力也難以改變。對于蒸汽壓縮系統(tǒng)來說，壓縮機(jī)的排氣壓力必須足夠高，以便能在冷凝介質(zhì)的最高溫度時(shí)提供冷凝。就這一點(diǎn)來說，壓縮機(jī)的排氣壓力的設(shè)計(jì)選擇必須在最壞條件的基礎(chǔ)上進(jìn)行。在冷凝介質(zhì)的溫度低于該最壞條件溫度期間，壓縮機(jī)的排氣壓力大于冷凝所需的最小壓力。因此，在正常運(yùn)行狀況期間，由于產(chǎn)生過量的排氣壓力而浪費(fèi)了能量。
例如，典型的住宅制冷機(jī)的壓縮機(jī)排氣壓力必須能在室內(nèi)空氣溫度達(dá)到100°F的情況下維持冷凝。在室內(nèi)空氣溫度低于100°F期間，較低的排氣壓力能保持冷凝的進(jìn)行。因此，在平均室內(nèi)空氣溫度時(shí)期，由于形成的排氣壓力高于必需的排氣壓力，壓縮機(jī)浪費(fèi)了能量。另外，電動(dòng)機(jī)也是在考慮最壞條件下進(jìn)行選擇的。電動(dòng)機(jī)必須在較高的室溫期間能起動(dòng)和斷開發(fā)熱的制冷機(jī)。因此，要采用功率消耗大于正常運(yùn)行時(shí)所需的最小功率的電動(dòng)機(jī)。
總之，任何冷凝介質(zhì)的溫度變化的壓縮-蒸發(fā)系統(tǒng)，都會(huì)有效率低的缺點(diǎn)。這些固定的排氣壓力形成的缺點(diǎn)也會(huì)出現(xiàn)在熱泵和空調(diào)機(jī)中。在室內(nèi)外溫差較小時(shí)期，所需的最小壓力差也會(huì)降低。
由于機(jī)械壓縮機(jī)不容易改變其氣缸工作容量，因此壓縮-蒸發(fā)系統(tǒng)就不能使由于排氣壓力變化所提高的效率發(fā)揮出來。
設(shè)計(jì)具有可變工作容量的機(jī)械壓縮機(jī)也總是導(dǎo)致增加更多的活動(dòng)部件。這些增加的活動(dòng)部件降低了壓縮機(jī)的效率和工作可靠性。因此，可變排氣壓力的優(yōu)點(diǎn)難以發(fā)揮出來。
總的來說，人們更努力地致力于設(shè)計(jì)那些沒有傳統(tǒng)的活動(dòng)部件和與之相關(guān)聯(lián)缺陷的壓縮機(jī)。某些努力的結(jié)果是生產(chǎn)出了靠泵介質(zhì)來運(yùn)行的泵，這種泵使用非機(jī)械裝置。典型的這種泵是靠壓縮利用熱能的泵介質(zhì)來運(yùn)行，或利用惰性-液體-活塞效應(yīng)激發(fā)泵介質(zhì)來運(yùn)行。
這些泵中最突出的是Mandroian發(fā)明的、1973年7月3日批準(zhǔn)的3，743，446號(hào)關(guān)于惰性液體活塞式泵的專利，該專利要保護(hù)的權(quán)利要求提供了一種泵，其泵作用是由于駐聲波的特性而產(chǎn)生的。雖然上述專利能提供泵作用，但它不能采用某些能提供較高壓差和較高效率的運(yùn)行方式。因此，Mandroian的專利不能提供用于蒸汽壓縮系統(tǒng)的較為實(shí)用的壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)需要較高的壓縮比和較高的效率。
Henderson于1968年8月20日獲得的專利公開了另一種實(shí)例，該實(shí)例具有一個(gè)腔室，氣體在該腔室中被加熱，然后使氣體通過一個(gè)出口止回閥排出。由于腔室中保留的氣體變冷，所以引起的壓差可以使更多的氣體由進(jìn)口止回閥進(jìn)入腔室中。1975年8月5日批準(zhǔn)的專利3，898，017號(hào)(發(fā)明人Mandroian)中使用了相同的方法。
上面提到的任一種泵方法都很少應(yīng)用于制冷和空調(diào)領(lǐng)域。在Spencer發(fā)明的專利2，050，391(申請日為1936年8月11日)中可看出這樣一種嘗試。在Spencer的專利中，提供了一個(gè)在其內(nèi)利用火花放電來加熱氣態(tài)制冷劑的腔室，然后由于造成的壓力提高而迫使氣態(tài)制冷制流經(jīng)一個(gè)出口止回閥。由于腔室保持的氣體變冷，產(chǎn)生的壓力差引起更多的氣體通過一個(gè)入口止回閥被吸入腔室內(nèi)。這種方法導(dǎo)致了制冷劑的電離，并會(huì)在制冷設(shè)備中產(chǎn)生特別不希望出現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)。對于一個(gè)實(shí)際的制冷系統(tǒng)來說，這些化學(xué)反應(yīng)是十分令人不滿意的。
顯然，那種能提供可變排氣壓力并只需極少數(shù)活動(dòng)部件的無潤滑油制冷和空調(diào)壓縮機(jī)尚未被滿意地研制出來。此外，在蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)中應(yīng)用聲能來壓縮氣體還沒有實(shí)現(xiàn)。如果能得到這種壓縮機(jī)，就會(huì)簡化新制冷劑的研制，并且能提高工作的可靠性和效率，從而促進(jìn)能量的保存。
本發(fā)明的目的是提供一種用于蒸汽-壓縮制冷系統(tǒng)的壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)利用聲能壓縮流體，并且壓縮流體是利用了聲音在流體中的共振這一特性。
本發(fā)明的另一目的是提供一種具有排氣壓力的壓縮機(jī)，排氣壓力在運(yùn)行期間能響應(yīng)蒸汽壓縮系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)而改變，這樣，由于減少了壓縮機(jī)的能量消耗而提高了系統(tǒng)的效率。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種非機(jī)械式的聲驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器利用了流體對電磁能的吸收作用，并且還提供了一種無潤滑油壓縮機(jī)。
本發(fā)明還有一個(gè)目的是提供一種利用駐聲波的熱一聲特性來過度冷卻制冷劑的壓縮機(jī)，因此，在不附加任何活動(dòng)部件的情況下可提供制冷劑的過冷。
本發(fā)明在于制冷劑壓縮機(jī)，這種壓縮機(jī)利用了在流體中的聲音共振來壓縮流體的特性，并且還提供了在運(yùn)行期間可以變化的排氣壓力?？勺兊呐艢鈮毫τ赡芨淖兟曭?qū)動(dòng)器功率的控制電路來控制，該功率的改變就起到改變蒸汽壓縮系統(tǒng)的工作狀態(tài)的作用。
另一方面，本發(fā)明在于一種利用產(chǎn)生駐聲波來壓縮制冷劑的制冷劑壓縮機(jī)。駐波造成了一個(gè)沿諧振腔方向上的溫差，這樣，使得該腔的第一部份的溫度高于該腔第二部份的溫度。將一個(gè)熱交換器聯(lián)接到靠近該腔的第二部份的諧振腔上，這樣，熱交換器就能在制冷劑與諧振腔的第二部份之間提供熱接觸。在熱交換器內(nèi)，制冷劑在輸送到蒸發(fā)器之前被過度冷卻，從而強(qiáng)化了制冷效率。在諧振腔內(nèi)設(shè)置熱抽吸面就可以進(jìn)一步增強(qiáng)過冷能力。熱抽吸面容易受到駐聲波的作用，因而在沿?zé)岢槲娴姆较蛏闲纬闪藴夭睢?br> 本發(fā)明的上述其他目的和優(yōu)點(diǎn)從說明書下文中以及附圖中可以明顯看出，其中相同的標(biāo)號(hào)表示相同的部件。


圖1是本發(fā)明的機(jī)械驅(qū)動(dòng)實(shí)施例的局部示意剖視圖;
圖2是一個(gè)功能與圖1實(shí)施例功能相同的實(shí)施例，但它具有最少的壓力波節(jié)和波腹;
圖3是一個(gè)功能與圖1實(shí)施例功能相同的實(shí)施例，但是增加了壓力波節(jié)和波腹以及增加了入口和出口;
圖4是一個(gè)將全波排氣周期所需的出口止回閥的總數(shù)減少到最多為兩個(gè)的實(shí)施例;
圖5是一個(gè)本發(fā)明的實(shí)施例，它將半波排氣周期所需的出口止回閥的數(shù)量限制到一個(gè)的實(shí)施例;
圖6是本發(fā)明的實(shí)施例，該實(shí)施例將入口和出口設(shè)置在壓力波腹處;
圖7是一個(gè)將全波吸氣和排氣周期所需的入口和出口止回閥的總數(shù)減少到最多為四個(gè)的實(shí)施例;
圖8是一個(gè)半波吸氣和排氣周期所需的入口和出口止回閥的總數(shù)減少到最多為兩個(gè)的實(shí)施例;
圖9是一個(gè)振幅與時(shí)間的曲線圖，它表示由高頻超聲能量能解調(diào)到低頻脈沖的情況;
圖10是一個(gè)本發(fā)明的無閥的實(shí)施例，它提供了一個(gè)超聲驅(qū)動(dòng)器;
圖11是一種能被本發(fā)明采用的止回閥;
圖12是一控制電路，它能用來在改變工作條件的情況下保持合適的驅(qū)動(dòng)頻率;
圖13是一個(gè)諧振腔，它有一變化的橫截面，該諧振腔提供較大的壓差并抑制不希望出現(xiàn)的聲共振模;
圖14是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，它提供了作為驅(qū)動(dòng)手段的駐微波，駐微波在空間上與駐聲波同時(shí)發(fā)生;
圖15是另一種微波驅(qū)動(dòng)裝置，它提供了在空間上與駐聲波同時(shí)發(fā)生的駐微波;
圖16是一曲線圖，它表示出相對于圖14和圖15的諧振腔的電能分布曲線;
圖17是另一種以微波能作為手段來驅(qū)動(dòng)駐聲波的方法;
圖18是另一種以微波能作為手段來驅(qū)動(dòng)駐聲波的方法;
圖19是本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，它能提供作為一種保持駐聲波的手段的激光;
圖20表示了作為曲型的蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)的那部份的本發(fā)明;
圖21是一控制電路的方框圖，它保持發(fā)生冷凝所需的最小排氣壓，該電路還能在變化工作狀態(tài)下保持適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)頻率;
圖22是一個(gè)作為具有制冷劑過冷系統(tǒng)的蒸汽壓縮系統(tǒng)的那部份的本發(fā)明的透視圖;
圖23是圖22的3-3線的斷面圖;
圖24是圖22的剖視圖，它提供了熱泵板組的詳細(xì)視圖;
圖25是圖23實(shí)施例的微波驅(qū)動(dòng)方式。
圖1為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該實(shí)施例具有一個(gè)腔2，它有入口4和出口6。出口6上裝有一個(gè)止回閥8，任何通過出口6的氣體/液體(以后稱為介質(zhì))，為了能達(dá)到通道36，就必須通過止回閥8。止回閥8只允許流出腔2，但不允許流入腔2內(nèi)。
驅(qū)動(dòng)器10構(gòu)成了腔2的一個(gè)壁，該驅(qū)動(dòng)器10包括一個(gè)彈性膜片16，有一個(gè)線圈22連接在該膜片上。線圈22繞在恒定園柱形磁鐵18的端部。園柱形磁鐵18被壓裝入驅(qū)動(dòng)器10的主體20內(nèi)。利用振蕩器12(例如一個(gè)振蕩電路)，通過電路14給驅(qū)動(dòng)器10的線圈22通電。圖1的驅(qū)動(dòng)器10很容易用來解釋本發(fā)明，它被人為地描述為低阻抗驅(qū)動(dòng)器(即較小的力，較大的位移)，因此將它設(shè)置在靠近壓力波節(jié)的地方?？偟膩碚f，驅(qū)動(dòng)器10的材料、結(jié)構(gòu)和布置將取決于對特殊應(yīng)用的需求。關(guān)于驅(qū)動(dòng)器的進(jìn)一步細(xì)節(jié)將在“驅(qū)動(dòng)器”一節(jié)中加以描述。
在工作時(shí)，振蕩器12利用預(yù)定頻率的周期性波形來使線圈22受到驅(qū)動(dòng)，隨后又在線圈22周圍建立了振蕩磁場。由于振蕩磁場的極性交替變化，線圈-膜片組件被園柱形磁鐵18交替地排斥和吸引。因此，膜片16以預(yù)定頻率振動(dòng)，這就在腔2的介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)行波26。
當(dāng)該行波26撞到腔2的遠(yuǎn)壁30時(shí)，它以波28返回，返回的波與原波的相位相差180℃。如果腔2的長度做成等于介質(zhì)內(nèi)行波的1/4波長的整數(shù)倍時(shí)(即1/4nl，這里l是波長，n是整數(shù))，那么腔2將起一個(gè)諧振腔的作用，并在腔內(nèi)形成一駐波形。該諧振條件使得駐聲波的壓力振幅提高到需要較大壓縮比的程度。因此，在腔2內(nèi)建立的駐波形在端壁30和點(diǎn)34處形成壓力波腹或位移波節(jié)，在膜片16和點(diǎn)32處形成壓力波節(jié)或位移波腹。
入口4和出口6的布置描述如下出口6位于壓力波腹34處。壓力波腹34處的壓力在介質(zhì)未受擾動(dòng)的壓力上下振蕩。另外，由于非線性，在處于較高聲波振幅時(shí)，壓力波腹的平均壓力提高到高于介質(zhì)未受擾動(dòng)的壓力。入口4位于壓力波節(jié)32處。由于非線性，當(dāng)處在較高聲波振幅時(shí)，壓力波節(jié)處的最小壓力可以低于介質(zhì)未受擾動(dòng)時(shí)的壓力。
止回閥8對處于壓力波腹34處的振蕩壓力進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)波腹34處的壓力達(dá)到一預(yù)定值(該值高于介質(zhì)未受擾動(dòng)時(shí)的壓力)時(shí)，止回閥8打開。這樣，某些介質(zhì)逸出腔2并通過出口6、止回閥8、然后進(jìn)入通道36。當(dāng)波腹34處的壓力降到預(yù)定值以下時(shí)，止回閥8關(guān)閉并阻止排出的介質(zhì)流回到腔2內(nèi)。
結(jié)果是腔2內(nèi)的介質(zhì)量繼續(xù)減少，波節(jié)32處的壓力甚至降到低于正常的最小值，這又引起新補(bǔ)充的介質(zhì)通過入口4被吸入腔2內(nèi)。因此，當(dāng)腔2內(nèi)的介質(zhì)被驅(qū)動(dòng)器10的作用激勵(lì)并在腔內(nèi)形成由壓力波節(jié)和波腹組成的駐波形時(shí)，腔2內(nèi)處于波腹34處的某些介質(zhì)將被周期性地壓出腔2，當(dāng)然，這應(yīng)部份地歸因于止回閥8對出口6處的振蕩壓力的調(diào)整。此外，腔2外面進(jìn)口4處的介質(zhì)將直接被吸入腔2內(nèi)。這樣，圖1的實(shí)施例壓縮和輸送了由入口4處引入的介質(zhì)。
應(yīng)該注意的是本發(fā)明沒有一個(gè)實(shí)施例將腔室限制為只有一個(gè)長度。因而，對于給定的波長l，并假設(shè)驅(qū)動(dòng)器10為合適的阻抗，圖1中的腔2的長度可以是等于l/4的任何長度，所以腔2不限制為等于l/4的長度。比如圖1的實(shí)施例可以縮小到圖2的實(shí)施例，并仍能以完全相同的方式起作用。圖2顯示出n＝1時(shí)的實(shí)施例，該實(shí)施例確定的腔長度為l/4＝l/4。在這種情況下，只有一個(gè)壓力波節(jié)和一個(gè)壓力波腹，它們分別位于膜片16和端壁30處。入口4的位置與所述波節(jié)一致，而出口6的位置與所述波腹一致。總之，可以有長度大于l/4的任何數(shù)量的腔。
圖3顯示了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，它有一個(gè)具有多個(gè)入口4a、4b、4c和多個(gè)出口6a、6b、6c的腔2。通道40具有入口4a、4b、4c，它們都通過各自的管道5a、5b、5c連接在通道40上，這樣，任何介質(zhì)要從入口4a、4b、4c進(jìn)入腔2，就都必須先通過通道40。出口6a、6b、6c具有分別連接在它們上面的止回閥8a、8b、8c，所述止回閥利用各自的管道3a、3b、3c連接在通道36上，這樣，任何流過出口6a、6b、6c的介質(zhì)都要經(jīng)過各自的止回閥8a、8b、8c才能到達(dá)通道36。止回閥8a、8b、8c只允許流出腔2，但不允許流入腔2。驅(qū)動(dòng)器10構(gòu)成了腔2的一個(gè)壁，所述驅(qū)動(dòng)器的形狀和功能與圖1的驅(qū)動(dòng)器10的相同。驅(qū)動(dòng)器10由振蕩器12，如一個(gè)振蕩電路來提供能量。
圖3的實(shí)施例以跟圖1的實(shí)施例完全相同的方式，以及相同的理論和原理工作。這一點(diǎn)在由圖1的單一入口4和止回閥8之間產(chǎn)生發(fā)聲過程、也可以由圖3的多個(gè)入口4a、4b、4c和多個(gè)止回閥8a、8b、8c之間產(chǎn)生發(fā)聲過程得到理解。如果需要的話，圖3中的入口數(shù)量可以減少到一個(gè)。
在圖4中說明了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，它把出口止回閥的數(shù)量限制為2個(gè)，而不管出口的數(shù)量是多少。一般說來，每個(gè)依次相連的壓力波腹與其相鄰的壓力波腹位相相差180°。例如，如果波腹n壓力為+P，那么波腹n+1壓力為-P，而波腹n+2壓力為+P，等等，以此類推。換句話說，如果在某一時(shí)刻“t”已知波腹壓力是高的，那么在同一時(shí)刻其相鄰波腹的壓力就是低的，并且下一個(gè)波腹的壓力又是高的，等等。因此，由于只存在兩個(gè)壓力相位，所以一個(gè)相位的所有出口都可以通到一個(gè)止回閥，而其他所有相位的出口的都可以通到另一個(gè)止回閥。
圖4顯示出具有入口4a、4b、4c、4d的通道40，這些入口都通過各自的管道5a、5b、5c、5d與通道40相連，這樣，任何從入口4a、4b、4c、4d進(jìn)入腔2的介質(zhì)，都要先經(jīng)過通道40。出口6a和6c通過各自的管道3a和3c與止回閥8b相連，這樣，任何通過出口6a和6c的介質(zhì)都必須經(jīng)過止回閥8b才能到達(dá)通道36。出口6b和6d通過各自的管道3b和3d與止回閥8a相連，這樣，任何通過出口6b和6d的介質(zhì)都必須先經(jīng)過止回閥8a才能到達(dá)通道36。
這種布置可以擴(kuò)展到任何不同的出口數(shù)，因此，只要兩組同類壓力位相出口都通到它們的兩個(gè)各自的止回閥，那么不管出口數(shù)是多少，有兩個(gè)止回閥就足夠了。同類壓力位相出口必須相一致，這是因?yàn)槿绻麅蓚€(gè)或多個(gè)不同類壓力位相的出口連接在一起時(shí)，介質(zhì)就會(huì)交替地在高壓和低壓出口之間來回流動(dòng)。因此，介質(zhì)可以被允許分流到出口止回閥然后再進(jìn)入腔內(nèi)，所在不會(huì)有排氣發(fā)生。除了設(shè)置新的出口止回閥的情況之外，圖4的實(shí)施例以跟圖3的實(shí)施例相同的方式并按相同的理論和原理工作。如果需要的話，圖4中入口的數(shù)量可以減到一個(gè)。
在圖5中顯示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該實(shí)施例將出口止回閥的數(shù)量限制為一個(gè)，而不管有幾個(gè)出口，通道40具有入口4a和4b，它們通過各自的管道5a和5b與通道40相連，這樣，任何從入口4a和4b進(jìn)入腔2的介質(zhì)，都必須先經(jīng)過管道40。出口6a和6b通過各自的管道3a和3b與止回閥8相連，這樣，任何通過出口6a和6b的介質(zhì)都必須先經(jīng)過止回閥8才能到達(dá)通道36。之所以能將并行的幾個(gè)出口都通過一個(gè)單一的止回閥也是由于同類壓力位相波腹相一致的緣故。這種布置可擴(kuò)展到任何數(shù)量的出口，這樣，只要同類壓力位相的出口都通到一個(gè)單一的止回閥，那么不管出口的數(shù)量是多少，只采用一個(gè)止回閥就足夠了。除了設(shè)置新的出口止回閥的情況之外，圖5的實(shí)施例以跟圖3的實(shí)施例相同的方式并按相同的理論和原理工作。如果有此必要的話圖5的入口數(shù)量可以減少到一個(gè)。
圖3和圖4的實(shí)施例將在一個(gè)駐波周期上排出兩次介質(zhì)。采用這種全波排氣是由于出口被連接到兩壓力位相的壓力波腹的緣故。圖1、2和5的實(shí)施例在一個(gè)駐波周期上將排出一次介質(zhì)。采用這種半波排氣是由于出口只與一個(gè)壓力位相的壓力波腹連接的緣故。
圖6顯示了本發(fā)明的一個(gè)重新又把入口設(shè)置在壓力波腹的實(shí)施例。腔2有多個(gè)入口4a、4b、4c和多個(gè)出口6a、6b、6c。出口6a、6b、6c具有分別與它們相連的止回閥8a、8b、8c，并且所述止回閥通過各自的管道3a、3b、3c與通道36相連，這樣，任何通過出口6a、6b、6c的介質(zhì)都還必須先經(jīng)過止回閥8a、8b、8c才能到達(dá)通道36。入口4a、4b、4c具有分別與它們相連的止回閥38a、38b、38c，并且所述止回閥通過它們各自的管道5a、5b、5c與通道40相接。這樣，任何流入通道40的介質(zhì)，都必須先經(jīng)過各止回閥38a、38b、38c才能到達(dá)各入口4a、4b、4c。止回閥38a、38b、38c只允許流進(jìn)但不允許流出腔2。驅(qū)動(dòng)器10構(gòu)成了腔2的一個(gè)壁，所述驅(qū)動(dòng)器的止回閥8a、8b、8c只允許流出而不允許流進(jìn)腔2。形狀和功能與圖1的驅(qū)動(dòng)器10的相同。驅(qū)動(dòng)器10由振蕩器12，例如一個(gè)振蕩線路來提供能量。
在工作期間，圖6的驅(qū)動(dòng)器10在腔2內(nèi)保持給定波長“l(fā)”的駐波，并導(dǎo)致出現(xiàn)了多個(gè)壓力波節(jié)32a、32b、32c和波腹34a、34b、34c。入口4a、4b、4c和出口6a、6b、6c都與各壓力波腹34a、34b、34c位置相一致。當(dāng)波腹34a、34b、34c中的任何一個(gè)波腹處壓力達(dá)到預(yù)定值(該預(yù)定值高于介質(zhì)未受擾動(dòng)時(shí)的壓力值)時(shí)，其對應(yīng)的入口止回閥關(guān)閉，而其對應(yīng)的出口止回閥打開。因此，當(dāng)一個(gè)波腹壓力增加時(shí)，可防止介質(zhì)通過波腹入口流出腔2，但允許介質(zhì)經(jīng)過波腹出口流出腔2，然后流過出口止回閥，再流過通道36。
當(dāng)波腹34a、34b、34c中的任何一個(gè)波腹的壓力降低到一個(gè)預(yù)定值(該值低于介質(zhì)未受擾動(dòng)時(shí)的壓力值)時(shí)，其對應(yīng)的入口止回閥打開，而其對應(yīng)的出口止回閥關(guān)閉。因此，當(dāng)某一個(gè)波腹壓力降低時(shí)，可防止介質(zhì)通過該波腹出口重新流入腔2，但允許介質(zhì)先經(jīng)過通道40，然后經(jīng)過波腹入口止回閥，再經(jīng)過其入口而流入腔2。
因此，當(dāng)腔2內(nèi)的介質(zhì)被驅(qū)動(dòng)器10的作用所激發(fā)時(shí)，便在腔2內(nèi)建立由壓力波節(jié)和波腹組成的駐波形式。結(jié)果，在壓力波腹34a、34b、34c處的介質(zhì)由于出口6a、6b、6c處振蕩壓力受到止回閥8a、8b、8c的調(diào)整，使它們周期性地被壓出腔2。此外，由于止回閥38a、38b、38c對入口4a、4b、4c處振蕩壓力的調(diào)整，在腔2外的通道40處的介質(zhì)將周期性地被吸入腔2內(nèi)。因而，圖6中的實(shí)施例壓縮和傳送由通道40引入的介質(zhì)。圖6中的入口和出口數(shù)量可以各減少到一個(gè)，或擴(kuò)展到多個(gè)。
圖7中顯示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該實(shí)施例將所需的入口止回閥的數(shù)量限定為2個(gè)，所需的出口止回閥的數(shù)量也限定為2個(gè)，不管入口和出口的數(shù)量是多少。圖7顯示出了出口6a和6c通過各自的管道3a和3c與止回閥8b相連，這樣，任何通過了出口6a和6c的介質(zhì)都還必須經(jīng)過止回閥8b才能到達(dá)通道36。出口6b和6d通過各自的管道3b和3d與止回閥8a相連，這樣，任何通過了出口6b和6d的介質(zhì)都必須經(jīng)過止回閥8a才能到達(dá)通道36。入口4a和4c通過各自的管道5a和5c與止回閥38a相連，這樣，任何通過了通道40的介質(zhì)，都必須先經(jīng)過止回閥38a才能到達(dá)入口4a和4c。入口4b和4d通過各自的管道5b和5d與止回閥38b相連，這樣，任何通過通道40的介質(zhì)，必須先經(jīng)過止回閥38b才能到達(dá)入口4b和4d。
入口和出口，連同它們各自的止回閥之所以進(jìn)行如此布置，也是由于同類壓力位相的波腹相一致的緣故。圖7的這種布置可以擴(kuò)展到任何數(shù)量的入口和出口，這樣，只要有兩組同類壓力位相的出口和兩組同類壓力位相的入口通到4個(gè)各自的止回閥，那么不管入口和出口的數(shù)量是多少，只需2個(gè)入口止回閥和2個(gè)出口止回閥就足夠了。除了設(shè)置新的入口和出口止回閥的情況之外，圖7的實(shí)施例以跟圖6的實(shí)施例相同的方式并按相同的理論和原理工作。
圖8中顯示了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，它將所需的入口止回閥的數(shù)量限定為一個(gè)，將所需的出口止回閥的數(shù)量也限定為一個(gè)，不管入口和出口的數(shù)量是多少。圖8顯示出，出口6a和6b通過各自的管道3a和3b與止回閥8相連，這樣，任何通過出口6a和6b的介質(zhì)都必須經(jīng)過止回閥8才能到達(dá)通道36。入口4a和4b通過各自的管道5a和5b與止回閥38相連，這樣，任何通過了通道40的介質(zhì)，必須先經(jīng)過止回閥38才能到達(dá)入口4a和4b。入口和出口連同他們各自的止回閥之所以如此布置，也是由于同類壓力位相的波腹相一致的緣故。
在圖8中，入口和出口設(shè)置在不同的同類壓力位相波腹處，但入口和出口也可以設(shè)置在相同的同類壓力位相波腹處。這樣布置可以擴(kuò)展到任何數(shù)量的入口和出口，因此，只要同類壓力位相出口和同類壓力入口都通到它們的兩個(gè)各自的止回閥，那么不管入口和出口的數(shù)量是多少，只要有一個(gè)入口止回閥和一個(gè)出口止回閥就足夠了。除了設(shè)置新的入口和出口止回閥的情況外，圖8的實(shí)施例以跟圖6的實(shí)施例相同的方式并按相同的理論和原理工作。
圖6和圖7的實(shí)施例在駐波的一個(gè)周期期間將吸入介質(zhì)兩次，并且在駐波的一個(gè)周期期間還排出介質(zhì)兩次。采用這種全波吸入和排出是由于入口和出口被連接到兩個(gè)壓力位相的壓力波腹的緣故。圖8的實(shí)施例在駐波的一個(gè)周期期間將吸入介質(zhì)一次，并且在駐波的一個(gè)周期期間還將排出介質(zhì)一次。采用這種半波吸入和排出是由于入口被連接到唯一的一個(gè)壓力位相的壓力波腹，而出口被連接到唯一的一個(gè)壓力位相的壓力波腹的緣故。
無閥機(jī)械驅(qū)動(dòng)實(shí)施例人們很早以前便知道，在不使用閥的情況下腔內(nèi)的駐聲波能在波節(jié)和波腹之間形成可以察覺出的壓差。利用這種效應(yīng)來測量聲波波長的Kundt管從19世紀(jì)早期以來就已被采用了。但是這種無閥裝置一直未被選擇用作制冷壓縮機(jī)。
正如前面提到的，出現(xiàn)在壓力波節(jié)和波腹之間的壓差是一種非線性效應(yīng)。因此，相對峰值壓力振幅來說，該波節(jié)-波腹壓差的數(shù)量值在有較高聲壓振幅時(shí)逐漸增大。在本發(fā)明處在較大聲壓振幅時(shí)，這種波節(jié)-波腹壓差能為蒸汽壓縮致冷系統(tǒng)提供氣體壓縮的實(shí)際動(dòng)力源。對于不需高壓縮比的蒸汽壓縮系統(tǒng)來說，這種無閥實(shí)施例消除了除了驅(qū)動(dòng)器之外的所有活動(dòng)部件。對于需要較高壓縮比的應(yīng)用來說，可以采用有閥的實(shí)施例。
圖13顯示了一個(gè)本發(fā)明的無閥實(shí)施例。腔73由變截面部分74、變截面部分75和圓柱中心段71組成。腔73以排放板76和排放腔77為界。排放板76被夾在聲腔73和排放腔77之間，并且利用通用法蘭螺栓固定在一起。在排放板76上開有許多排放孔78。在中心段71上開有許多吸入孔79。吸入腔80在吸入孔79周圍形成一個(gè)外腔。變截面部分的使用將在下文的“腔”一節(jié)中加以討論。
聲驅(qū)動(dòng)器84以適當(dāng)頻率將聲能作用于腔73內(nèi)的流體，以建立腔73內(nèi)的聲波81。聲波81代表腔73的第一諧振模式，它是一種半波長駐波。壓力波節(jié)存在于中心段71處，而壓力波腹存在于排放板76和驅(qū)動(dòng)器84處。由于大振幅駐聲波的非線性，低平均壓力將出現(xiàn)在壓力波節(jié)處，而高平均壓力將出現(xiàn)在壓力波腹處。因此，中心段71將經(jīng)受低平均壓力，而排放板76將經(jīng)受高平均壓力。
在聲腔73內(nèi)一旦建立了聲波81，氣態(tài)制冷劑就通過吸氣管82被吸入吸入腔80，通過吸入孔79被吸入聲腔73。由聲波81進(jìn)行聲波壓縮之后，氣態(tài)制冷劑通過排放孔78流入排放腔77，然后流過排氣管83。
從效率的觀點(diǎn)來看，波節(jié)-波腹壓力與峰間聲壓之比會(huì)隨著聲壓振幅的增大而增大。因此，當(dāng)無閥實(shí)施例被進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)到非線性區(qū)域內(nèi)(即較高壓力振幅)時(shí)，該無閥實(shí)施例的效率將會(huì)提高。當(dāng)然，在消耗力抵消進(jìn)一步增大效率時(shí)它會(huì)有實(shí)際限度。由于必需有高的聲壓振幅，所以這種特性對壓縮機(jī)的應(yīng)用來說是最有利的。
聲壓振幅本發(fā)明提供較大壓縮比的能力，主要取決于能否獲得較大的聲壓振幅。為了獲得較大的聲壓振幅，就必須在聲腔內(nèi)有一較高程度的諧振。對于大多數(shù)諧振系統(tǒng)來說，諧振的程度或諧振的能力可以用參數(shù)“Q”來表示。
在本發(fā)明中，Q是流體和聲腔的幾何形狀的函數(shù)。許多制冷劑的熱聲特性對于提供較大Q值來說是有利的，因此，對于蒸汽壓縮應(yīng)用來說，本發(fā)明可取得較大的聲壓振幅。
驅(qū)動(dòng)器圖1中的驅(qū)動(dòng)器10很容易解釋本發(fā)明?？偟恼f來，可以采用許多不同的驅(qū)動(dòng)器。
給制冷應(yīng)用優(yōu)選的驅(qū)動(dòng)器通常稱之為“線性電動(dòng)機(jī)”。這種驅(qū)動(dòng)器遵循與電動(dòng)機(jī)相同的原理工作，只是這種電機(jī)是一維的而不是旋轉(zhuǎn)的。一般說來，運(yùn)動(dòng)的活塞由一個(gè)振蕩磁場來回驅(qū)動(dòng)。該活塞可以是實(shí)際上飄浮在活塞和腔壁之間的薄氣墊上的“自由活塞”。對于本發(fā)明來說，這層氣體是由工作流體組成的。由于有這種氣體軸承，在腔壁和活塞之間就不會(huì)發(fā)生接觸，因此就不需要使用潤滑油?，F(xiàn)在效率高達(dá)95%的線性電機(jī)已被設(shè)計(jì)出來。線性電機(jī)的例子可以參見Sunpower的美國專利4，602，174(批準(zhǔn)日期為1986年7月22日和Helix技術(shù)公司的美國專利4，924，675(批準(zhǔn)日1990年5月15日)。
在某些應(yīng)用中，使用超聲波源可能是比較理想的。超聲波驅(qū)動(dòng)器可用于非諧振或諧振模。
在非諧振模中，驅(qū)動(dòng)器的頻率高于聲共振的頻率，而能量的轉(zhuǎn)換取決于流體對聲的吸收。在該模中，超聲驅(qū)動(dòng)器以大大高于聲共振頻率的頻率工作，并且按照與聲共振頻率相同的頻率脈動(dòng)地關(guān)閉和打開。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器迅速通斷時(shí)，可成功地產(chǎn)生短脈沖;每個(gè)脈沖都由一系列高頻振蕩的短脈沖組成。圖9顯示出一個(gè)剛剛離開驅(qū)動(dòng)器之后的單個(gè)“高頻脈沖”的聲波形。在通過介質(zhì)一個(gè)短距離之后，這種“高頻脈沖”就發(fā)展成“解調(diào)脈沖”。解調(diào)發(fā)生在高頻聲波被介質(zhì)吸收的時(shí)候，它把脈沖留在后面。駐聲波的理想的駐聲波?？捎山庹{(diào)脈沖來激勵(lì)?？梢栽O(shè)置一個(gè)或多個(gè)超聲驅(qū)動(dòng)器，這種驅(qū)動(dòng)器在一個(gè)或多個(gè)壓力波腹處與氣體相接觸。
作為脈沖的替代物，超聲驅(qū)動(dòng)器的輸出可以由低頻波形來調(diào)制。這樣，由于一個(gè)正的解調(diào)脈沖在每一次調(diào)制波形時(shí)都會(huì)產(chǎn)生，所以駐聲波就可以被激勵(lì)，其頻率等于調(diào)制頻率。
在諧振模中，超聲驅(qū)動(dòng)器的頻率等于聲共振的頻率，并提供一連續(xù)的聲輸出。圖10顯示出本發(fā)明的一個(gè)無閥實(shí)施例，它以諧振超聲模工作。設(shè)置一個(gè)腔134，其一端以端壁152以界，其另一端具有一個(gè)腔法蘭140。圖10中腔134的長度被夸張了，實(shí)際上要短得多，其數(shù)量級(jí)為超聲波長。
入口136位于壓力波節(jié)處，而出口138位于壓力波腹處。端部法蘭142用通用法蘭螺栓154固定。在腔法蘭140上。超聲驅(qū)動(dòng)器148上固定有一個(gè)超聲喇叭146。喇叭法蘭144被固定在超聲喇叭146的節(jié)平面上，并且將喇叭法蘭144夾在端部法蘭142和腔法蘭140之間。同軸電纜150將射頻能量輸送給超聲驅(qū)動(dòng)器148。圖10所示的超聲驅(qū)動(dòng)器和帶法蘭的喇叭裝置可以從賓夕法尼亞州牛頓市的聲學(xué)系統(tǒng)公司買到。
在工作時(shí)，超聲驅(qū)動(dòng)器148和超聲喇叭146產(chǎn)生一種高壓超聲波，該超聲波傳播穿過腔134內(nèi)的氣體。所述超聲波從端壁152處被反射。正如前面實(shí)施例所描述的，超聲驅(qū)動(dòng)器148的頻率和腔134的長度的選擇，應(yīng)能形成一個(gè)如圖10所示的駐聲波。由于上述的非線性效應(yīng)，在壓力波節(jié)和壓力波腹之間形成了一壓差。因此，低壓氣體將在入口136處被吸入，而高壓氣體將在出口138處被排出。應(yīng)注意到，在圖10中可以采用任意數(shù)量的入口和出口。另外，同類壓力位相的匹配對于無閥實(shí)施例來說不是必需的，這是因?yàn)楣ぷ鳡顟B(tài)更取決于平均壓力，而不是瞬時(shí)壓力的緣故。
在美國專利申請07/493，380(申請日為1990年3月14日)中進(jìn)一步討論了驅(qū)動(dòng)器的類型和方法，因此，讀者可將其內(nèi)容作為參考，這里不再重述。
上面對驅(qū)動(dòng)器的討論建議了許多設(shè)計(jì)有效高功率聲驅(qū)動(dòng)器的其它方法。應(yīng)該指明，上面對專門的驅(qū)動(dòng)器的討論并不對本發(fā)明的保護(hù)范圍形成限制，本發(fā)明可以采用各種不同的聲驅(qū)動(dòng)器。
閥的類型如上所述，本發(fā)明的某些實(shí)施例使用了止回閥。應(yīng)當(dāng)理解到，“止回閥”這一術(shù)語指的是一種閥的功能，而不是指一種特殊類型的閥。許多不同種類的調(diào)整元件都可以采用，是否能準(zhǔn)確地選擇閥要取決于具體應(yīng)用的特殊設(shè)計(jì)需求。
對于在亞干赫聲音范圍內(nèi)工作的應(yīng)用系統(tǒng)中，可以采用簧片閥。簧片閥一般用于往復(fù)式壓縮機(jī)。包括吸氣簧片閥和排氣簧片閥的簧片閥組件一般都夾在氣缸和往復(fù)式壓縮機(jī)的蓋之間。圖20所示的本發(fā)明采用的簧片閥組件將在下文的“制冷和空調(diào)應(yīng)用的說明”一節(jié)中加以描述。必須注意，應(yīng)使吸氣口和排氣口與端壁的總面積相比相對的小，這樣就不會(huì)干擾腔內(nèi)的諧振。
圖11中顯示了另一種可能性，即一種串接節(jié)流孔口閥151。這種閥在某一方向上能提供比其它方向上更大的流動(dòng)阻力。由于在壓力波腹處的壓力是振蕩的，所以產(chǎn)生的振蕩流動(dòng)能由這種孔口閥來調(diào)整，這樣就形成在一個(gè)方向上的凈流。
在某些應(yīng)用中，以高于最標(biāo)準(zhǔn)閥的響應(yīng)時(shí)間的聲頻來驅(qū)動(dòng)本發(fā)明的有閥實(shí)施例也許是比較理想的。在這種情況下，如果閥不能足夠快地打開以讓介質(zhì)通過，壓縮機(jī)的性能就會(huì)降低?？卓陂y可以解決這個(gè)問題。另一種解決方案是采用一種控制閥，該閥響應(yīng)電信號(hào)來打開和關(guān)閉。這種控制閥靠一個(gè)控制電路來操縱，它與駐波的壓力振蕩始終保持同步?？刂崎y可以每個(gè)周期打開一次，或者也可好幾個(gè)周期打開一次。可以利用壓電元件來驅(qū)動(dòng)這種閥，這會(huì)提供高速工作性能。本領(lǐng)域的技術(shù)人員還可以采用許多其它種類的調(diào)整部件。
電子控制在本發(fā)明的所有機(jī)械驅(qū)動(dòng)的實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的自動(dòng)頻率控制在變化的工作條件下能確保最佳性能。通過流體的聲波波速是作為工作條件，如溫度和壓力的函數(shù)而變化。從關(guān)系式l＝v/f中可以看出，如果波的速度“v”發(fā)生變化，那么速度“f”會(huì)發(fā)生變化，以保持波長“l(fā)”恒定。如上文所述，在駐波的位置與入口和出口之間存在著某些種最好的排列方式，這能導(dǎo)致本發(fā)明的最佳性能。為了在工作期間保持這種排列，必須靠響應(yīng)壓縮機(jī)內(nèi)變化的狀況而改變頻率的方法來保持波長的恒定。
圖12表示一個(gè)典型的電路，它可用來保持駐波的所需要的波長。
在工作過程中，利用積分器62對點(diǎn)70處通過驅(qū)動(dòng)器10的電壓降進(jìn)行調(diào)整和積分。然后利用比較器64將積電壓與點(diǎn)72處的基準(zhǔn)電壓相比較。比較器64的輸出電壓用于調(diào)整電壓控制振蕩器66的頻率。驅(qū)動(dòng)器10由放大器68驅(qū)動(dòng)，該放大器放大電壓控制振蕩器66的輸出。
對于給定的壓縮比，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器10的頻率等于腔2的諧振頻率時(shí)，驅(qū)動(dòng)器10兩端的壓降達(dá)到最小值。該電壓能達(dá)到最小值是由于驅(qū)動(dòng)器10在諧振時(shí)的位移達(dá)到最小值，也就使驅(qū)動(dòng)器10的反電動(dòng)勢達(dá)到最小值的緣故。
如果腔2的諧振頻率開始變化，那么驅(qū)動(dòng)器10的反電動(dòng)勢也會(huì)改變。在比較器64上可看出這一變化，該變化不會(huì)使比較器輸出電壓發(fā)生變化，這樣，電壓控制振蕩器的頻率再返回來控制腔2的諧振。
利用現(xiàn)有技術(shù)可以設(shè)計(jì)出許多其他控制電路?？梢栽O(shè)有一個(gè)相位鎖定環(huán)路，它能比較來自腔2內(nèi)部的壓力信號(hào)的相位，以及驅(qū)動(dòng)器10的波長。另一方面，為了保持驅(qū)動(dòng)器對腔2的諧振所需的牽制頻率，可以采用微信息處理機(jī)來監(jiān)測各種系統(tǒng)的參數(shù)。
控制系統(tǒng)也適用于下文描述的電磁驅(qū)動(dòng)實(shí)施例，在這種情況下，脈沖重復(fù)頻率或調(diào)制頻率會(huì)響應(yīng)腔諧振的變化而改變。
入口和出口的布置關(guān)于本發(fā)明入口和出口的布置，應(yīng)指出下述幾種情況。很明顯，對于有閥或無閥布置，腔內(nèi)可獲得的最高壓力點(diǎn)將是壓力波腹，它包括端壁。就這一點(diǎn)來說，最好將有閥和無閥時(shí)的出口設(shè)置在這些位置。還可明顯看出，對于無閥布置來說腔內(nèi)的最低壓力點(diǎn)將是壓力波節(jié)。就這一點(diǎn)來說，最好將無閥時(shí)的入口設(shè)置這些點(diǎn)處。對于有閥入口，在壓力波腹處可獲得低壓，它包括端壁在內(nèi)。因此，壓力波節(jié)和波腹給入口和出口提供了理想的位置。
然而可以理解到，本發(fā)明并不局限于相對于壓力波節(jié)和波腹精確地布置入口和出口。上文中描述了許多種閥和入口/出口的布置方案，這種布置有效地利用了與駐聲波相關(guān)的壓力效應(yīng)。這些壓力效應(yīng)在波節(jié)或波腹處為最小或最大，但是壓力效應(yīng)不一定只存在于壓力波節(jié)和波腹處。相反，它們也存在于離開壓力波節(jié)和波腹一定距離的點(diǎn)處，盡量這些點(diǎn)效應(yīng)會(huì)降低。事實(shí)上，任何數(shù)量的中間位置對入口和出口的設(shè)置來說都是可能的。雖然這些中間位置能導(dǎo)致壓差和效率的降低，但它們?nèi)钥梢宰鳛楸景l(fā)明的一種可行的工作形式。由于入口和出口可移到許多中間的位置上，所以準(zhǔn)確的入口和出口位置不應(yīng)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
對于所有有閥的實(shí)施例，如果閥設(shè)置在離腔2有一定距離的地方，就必須給出管道的長度。壓力脈沖就是在這些管道內(nèi)傳播的。為了達(dá)到最佳性能，這些脈沖應(yīng)該在相同的時(shí)刻到達(dá)任何一個(gè)通用止回閥。所以，管道的長度應(yīng)該與這一目的相配合。
腔具有變截面的腔能帶來某些優(yōu)點(diǎn)。
圖13顯示出一個(gè)具有變截面的聲腔73，聲腔的結(jié)構(gòu)在上文“無閥機(jī)械驅(qū)動(dòng)實(shí)施例”一節(jié)中已作了描述。聲腔73具有下述三個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
第一，正確設(shè)計(jì)變截面部分74、變截面部分75和中心段71的相對長度，可以抑制不希望有的較高有序諧振模。這些較高的模能削弱駐波的理想的特性，因而降低了本發(fā)明的效率。
第二，聲腔73在吸氣孔和排氣孔之間提供了比標(biāo)準(zhǔn)圓柱形腔的壓差更高的壓差，這是由于聲腔73的變截面產(chǎn)生了文互里效應(yīng)的緣故。
第三，設(shè)置多個(gè)小直徑的吸氣孔和排氣孔可以減小紊流。較大的孔會(huì)產(chǎn)生會(huì)消耗聲能，從而降低效率的紊流。
圖13的無閥腔可以很容易改變成圖20的有閥腔，其方法是消除吸氣孔79，并設(shè)置具有一個(gè)吸氣簧片閥131、一個(gè)排氣簧片閥133、一個(gè)吸氣室137和一個(gè)排氣室135的排放板76。
圖13中所示的聲腔可以有許多種改型，并且它們都具有那些同樣的優(yōu)點(diǎn)。設(shè)置帶插入件的圓柱形腔可以實(shí)現(xiàn)變截面，而不是像目前那樣靠加工腔本身來實(shí)現(xiàn)變截面。變截面具有能使任何這類腔消弱不希望有的諧振模的共同特性。因此，這就是變截面的益處，而不是任何特殊設(shè)計(jì)特性的益處，這也就是設(shè)計(jì)這種腔的原因。
電磁驅(qū)動(dòng)實(shí)施例圖14、15、17、18和19顯示了幾個(gè)用電磁能驅(qū)動(dòng)駐聲波的裝置。這些裝置只是在工作方式上彼此互不相同，在這些裝置中，電磁能被射向壓力波腹。為了簡單起見，圖14、15、17、18和19省略了各入口、出口和上文描述的閥的布置等細(xì)節(jié)，而只打算說明電磁能如何被用來形成駐聲波?？梢岳斫猓魏螆D14、15、17、18和19的電磁驅(qū)動(dòng)裝置可以與上文描述的任何有閥或無閥的裝置一起使用。當(dāng)與無閥實(shí)施例一起采用時(shí)，下述的電磁驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)置不需活動(dòng)部件的壓縮機(jī)。
在圖14中，設(shè)置的帶法蘭的腔2具有由通用法蘭螺栓連接其上的帶法蘭的波導(dǎo)管102，這樣，波導(dǎo)管102內(nèi)的微波能量通過孔口104傳入腔2?？卓?04用微波窗將其壓力密封，該微波窗用微波透射材料，如Pryex、云母或某些陶瓷制成。這種微波窗能讓微波能從波導(dǎo)管102傳入腔2，但能防止腔2內(nèi)的介質(zhì)進(jìn)入波導(dǎo)管102。
在工作時(shí)，微波源產(chǎn)生的微波由波導(dǎo)管102傳導(dǎo)到腔2，然后微波能通過孔口104進(jìn)入腔2。選擇的微波輻射頻率，應(yīng)該能沿腔2的長度方向形成駐微波，其能量分布類似圖16的曲線。這樣，腔2就起一個(gè)用于微波輻射的諧振腔的作用。
駐微波頻率的選擇還應(yīng)使最大能量聚集的區(qū)域與駐聲波101的同類壓力位相波腹34a、34b、34c相一致。最大能量聚集區(qū)域是電區(qū)還是磁區(qū)要取決于腔2內(nèi)駐微波的模。選擇哪一種微波模取決于在腔2內(nèi)的介質(zhì)的微波分子吸收特性。例如，如果分子具有電偶極矩，那么該最大能量聚集區(qū)域應(yīng)當(dāng)是電區(qū)，而不是磁區(qū)。下文中為了舉例說明，假定這些最大能量聚集區(qū)是電區(qū)。
當(dāng)腔2內(nèi)出現(xiàn)駐微波時(shí)，微波能由基本上在最大電能聚集區(qū)內(nèi)的介質(zhì)所吸收。該微波源是脈沖的，或是調(diào)制的微波源，其脈沖或調(diào)制頻率能激勵(lì)理想的聲模。利用脈沖的或調(diào)制的微波源，可使駐微波形的密度發(fā)生周期性的改變。微波密度的這種周期性的改變，引起主要在同類壓力位相波腹34a、34b、34c處的壓力周期性地增加，這是由于它們是最大電能聚集的點(diǎn)。這種周期性地增壓，形成了從各壓力波腹34a、34b、34c處發(fā)生的壓力波前，從而構(gòu)成了沿腔2的長度方向雙向傳播的縱波。
該微波源是具有一定頻率的脈沖或是調(diào)制的微波源，該頻率是保持與同類壓力位相波腹34a、34b、34c的壓力振蕩同相的介質(zhì)的周期性熱激發(fā)。換句話說，當(dāng)壓力波腹34a、34b、34c處在峰值正壓時(shí)，微波場的密度最大，因此使得保持駐聲波101的能力得到適當(dāng)加強(qiáng)。只要這些波腹都是同類壓力位相的，該方法就可以擴(kuò)展到有任意數(shù)量的壓力波腹的情況。
圖15表示出在腔2內(nèi)形成駐微波的另一種方法。該實(shí)施例具有帶法蘭的腔2，腔2內(nèi)有一沿腔2的軸線設(shè)置的中央導(dǎo)管106。中央導(dǎo)管106電連接到同軸電纜107的中央導(dǎo)線上。同軸電纜107的屏蔽套管電連接到腔2上。中央導(dǎo)管106也電連接到腔2的端壁上。這種裝置基本上可以說是一個(gè)短的同軸電纜，它的外部套管構(gòu)成了腔2。脈沖或調(diào)制的微波源，利用同軸電纜107向中央導(dǎo)管106和腔2輸送具有經(jīng)選擇了頻率的微波能。所述微波能使得中央導(dǎo)管106和腔2之間沿腔2的長度方向上形成了駐微波。這種形成駐微波的方式類似于在同軸電纜內(nèi)形成駐微波的方式。駐微波具有的電能沿腔2的長度方向上分布，這與圖16的曲線相似。一旦駐微波被以這種方式建立，該實(shí)施例就會(huì)以跟圖14的實(shí)施例相同的方式，并按照相同的理論和原理產(chǎn)生了駐聲波。圖15的實(shí)施例非常有助于微型化。
圖17的實(shí)施例具有一環(huán)形微波腔112，該微波腔112橫向地插在腔2的壓力波腹34處。為了避免使駐聲波中斷，可以在微波腔112中填充固體絕緣材料。這種固體絕緣材料只填充在微波腔112的空間內(nèi)而不是填充整個(gè)腔2。另外，環(huán)形微波腔112的半徑也可以等于腔2半徑。
屏網(wǎng)111和屏網(wǎng)113橫跨放置在腔2內(nèi)，這樣，使微波腔112的邊界延伸過腔2。屏網(wǎng)111和屏網(wǎng)113有助于把微波能限制在它們之間的區(qū)域，同時(shí)仍允許沿腔2的介質(zhì)產(chǎn)生軸向振蕩。微波腔112上連接有同軸電纜110，因此，由同軸電纜110攜載的微波能通過微波輻射器114傳到微波腔112。
在工作時(shí)，微波源產(chǎn)生的微波按順序傳播通過同軸電纜110、微波輻射器114然后進(jìn)入微波腔112。屏網(wǎng)111和屏網(wǎng)113將微波能限制在腔2內(nèi)對應(yīng)于壓力波腹34的區(qū)域。該微波源是具有某一頻率的脈沖或已調(diào)制的微波源，該頻率能激勵(lì)理想的聲模。由于腔2內(nèi)位于壓力波腹34處的區(qū)域暴露于微波腔112內(nèi)的激波能，所以會(huì)引起位于壓力波腹34處的壓力周期性地增大。因此，周期性的微波脈沖產(chǎn)生了從壓力波腹34處發(fā)出的壓力波前，這就構(gòu)成了沿腔2長度方向傳播的縱波。該微波源是具有某一頻率的脈沖源，該頻率能使與壓力波腹34的壓力振蕩同相的介質(zhì)保持熱激發(fā)?？吭黾痈嗟奈⒉ㄇ豢梢允乖摲椒〝U(kuò)展到具有任意數(shù)量的壓力波腹的情況。只要這些增加的腔是位于同類壓力位相的波腹處的，這些腔就能用一個(gè)單一微波源驅(qū)動(dòng)。
圖18中的實(shí)施例顯示出該實(shí)施例利用了來自同軸電纜的泄漏輻射。帶法蘭的腔2沿腔的軸線設(shè)置有同軸電纜116。微波能靠外部同軸電纜119輸送到同軸電纜116。同軸電纜116的中心導(dǎo)管118和屏蔽套管120之間填充有固體絕緣材料117。同軸電纜的屏蔽套管120在對應(yīng)于同類壓力位相的波腹34a和34b的點(diǎn)處是打開的。
在工作時(shí)，微波源利用外部同軸電纜119向中央導(dǎo)管118和同軸電纜屏蔽套管120輸送選擇了頻率后的微波能。由于套管在同類壓力位相波腹34a和34b處是開放的，所以微波能通過同軸電纜116傳送并泄漏出來。這樣，同類壓力位相波腹34a和34b就將暴露于微波能。微波源以激勵(lì)理想的聲模的頻率發(fā)射脈沖或被調(diào)制。由于腔2內(nèi)壓力波腹34a和34b處的區(qū)域暴露了微波能。所以引起在壓力波腹34a和34b處的壓力周期性增大。因此，脈沖的或經(jīng)調(diào)制的微波能產(chǎn)生從壓力波腹34a和34b處發(fā)出的壓力波前，因而就構(gòu)成了沿腔2長度方向傳播的縱波。該微波源是具有某一頻率的脈沖或經(jīng)調(diào)制的微波源，該頻率應(yīng)能保持與壓力波腹34a和34b的壓力振蕩同相的介質(zhì)的熱激發(fā)。當(dāng)壓力波腹34a和34b處于峰值正壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生脈沖，從而使得保持駐聲波的能力得到適當(dāng)加強(qiáng)。借助于在同軸電纜116上增加更多的泄漏點(diǎn)可使這種方法擴(kuò)展到有任意多個(gè)壓力波腹的情況，只要所有的這些泄漏點(diǎn)位于同類壓力位相的波腹處就可以。
圖14、15、17和18的實(shí)施例所用的微波源可以是任何微波發(fā)生裝置，例如是磁控管(MA-GNETRON)或速調(diào)管(KLYSTRON)，或者也可以是固體裝置，例如耿氏(GONN)二極管或碰撞雪崩-渡越時(shí)間(IMPATT)2極管，只要能為給定的應(yīng)用提供足夠的功率。脈沖重復(fù)頻率在1KHZ到100KHZ的磁控管是可以買到的。所以如果需要這樣的話，可采用磁控管來驅(qū)動(dòng)頻率為正常頻率到超聲頻率范圍的駐聲波。
應(yīng)當(dāng)注意到，利用貫穿電磁吸收區(qū)內(nèi)的氣體的靜電場或磁場可以增強(qiáng)氣體的吸收特性。
圖19表示出本發(fā)明的一種實(shí)施例，它提供了一種用于維持駐波的激光驅(qū)動(dòng)裝置。將激光束波導(dǎo)管90a、90b、90c、90d、90e于腔2的相間隔的壓力波腹處橫向貫穿地設(shè)置在該腔2上。激光束波導(dǎo)管裝有反射表面a、b、c、d、e、f，它們從90°角反射激光束，這樣就使激光束沿激光束波導(dǎo)管行進(jìn)。相同的光學(xué)窗98在各激光束波導(dǎo)管和腔2的內(nèi)部之間提供壓力密封。光束擴(kuò)散器100控制激光束的橫斷面的幾何形狀，以使介質(zhì)暴露于壓力波腹處光束的程度達(dá)到最大。激光器92發(fā)射激光束94，使激光束94按順序通過光束擴(kuò)散器100、光學(xué)窗98，然后被引導(dǎo)沿著光束波導(dǎo)管90a行進(jìn)。由于有反射表面a、b、c、d、e、f，因此光束94經(jīng)歷了重復(fù)反射，使它先后通過光束波導(dǎo)管90a、90b、90c、90d、90e。反射表面96為光束波導(dǎo)管90e的終端，它沿180°的方向反射光束，使光束沿相同路徑返回。另外，也可使波導(dǎo)管90e終止于一個(gè)吸收器，它能吸收光束能量，并防止光束反射。
在工作時(shí)，激光束94是脈沖形式的，所以引起介質(zhì)定位壓力的周期性增大。因此，周期性的激光脈沖就形成了從壓力波腹34a、34b、34c、34d處發(fā)出的，并以縱波形式沿腔2的長度方向傳播的壓力波前。激光脈沖的重復(fù)頻率能保持與同類壓力位相波腹34a、34b、34c、34d的壓力振蕩同相位的介質(zhì)的瞬時(shí)熱激發(fā)。當(dāng)所述壓力波腹處于峰值正壓時(shí)就產(chǎn)生脈沖，因而使必須維持駐波所需的能量得到適當(dāng)加強(qiáng)。只要這些波腹全部是同類壓力位相的，該方法就可以擴(kuò)展到有任意數(shù)量的壓力波腹的情況。另外本發(fā)明實(shí)施例也可以將光束腔的相交點(diǎn)減到一個(gè)，只需所述相交點(diǎn)位于壓力波腹處并且按上述方式激發(fā)與其壓力振蕩同相位的介質(zhì)。
激光器92可以是二氧化碳激光器或紅外激光器，它們能直接激發(fā)介質(zhì)的分子振動(dòng)態(tài)?？蛇x擇的另一種驅(qū)動(dòng)方法是把每個(gè)激光器放置在各同類壓力位相波腹處，只要它們能為特殊的應(yīng)用提供足夠的功率。另外，太陽能也能為驅(qū)動(dòng)圖19的實(shí)施例提供豐富的紅外輻射源。
下述考慮將普遍適用于所有微波驅(qū)動(dòng)實(shí)施例，并且在某種程度上也適用于紅外驅(qū)動(dòng)的實(shí)施例。在各實(shí)施例中，電磁現(xiàn)象導(dǎo)致介質(zhì)壓力的增加的原因，是由于對介質(zhì)的分子能態(tài)形成了電磁激發(fā)。分子振蕩用于把那些激發(fā)出的分子態(tài)的能量轉(zhuǎn)變成增加氣體的動(dòng)能，并從而提高了壓力。通常造成微波吸收的分子能態(tài)是旋轉(zhuǎn)的，但在某些情況下會(huì)阻礙運(yùn)動(dòng)。阻礙運(yùn)動(dòng)的一個(gè)例子是氨在24GH2時(shí)反轉(zhuǎn)躍遷。由于分子吸收譜線在高壓時(shí)(即大氣壓力或高于大氣壓力系數(shù))的展寬，就可用大范圍的頻率。總之，任何電磁輻射的頻率，只要它的吸收能導(dǎo)致氣體壓力的改變就都能被采用。
就氣體來說，壓力波腹處對微波的吸收，要大大高于預(yù)期的氣體未受擾動(dòng)時(shí)的壓力。一般情況下，氣體對微波的吸收隨著氣體壓力和密度的增加而增加。在工作期間，當(dāng)壓力波腹處的壓力處于最大值(該最大值高于氣體未受擾動(dòng)時(shí)的壓力)時(shí)，微波場被接通。因此，氣體在該瞬間的微波吸收系數(shù)要高于氣體未受擾動(dòng)時(shí)的吸收系數(shù)。
如果微波能量在工作期間提高了，則有更多的微波能量被吸收，并且下一個(gè)聲波周期的壓力波腹處的氣體壓力和密度將會(huì)增大。壓力和密度的增大反過來又會(huì)提高氣體對微波的吸收，在后續(xù)的微波脈沖期間甚至?xí)懈嗄芰勘晃?。另外，如果微波?qū)動(dòng)的實(shí)施例以高壓振幅工作，就會(huì)開始形成激波。由于大振幅壓力波的非線性效應(yīng)而形成的激波，會(huì)引起壓力波腹處的壓力和密度急劇增大。因此，形成激波能進(jìn)一步提高氣體對微波的吸收。
在W.D.Hershberger的論文(“伴隨氣體對微波的吸收出現(xiàn)的熱和聲效應(yīng)”《美國無線電公司評論》第7卷，1946年9月3日出版)中用實(shí)驗(yàn)顯示出，由于微波吸收隨微波能的二次方變化，所以聲能提高了。平方律特性表明，電聲效率隨著微波輸入功率的提高而提高。對于需要有較大壓縮比來實(shí)現(xiàn)較大聲波振幅的情況來說，這種特性是最為合適的。
只要一開始就激發(fā)理想聲模，那么利用向壓力波腹提供強(qiáng)度不變的電磁能的方法也可以驅(qū)動(dòng)駐聲波。氣體的電磁吸收隨氣體的壓力和密度而變。由于氣體在壓力波腹處的壓力和密度都與諧振模同相位變化，所以對微波吸收會(huì)在原來相位上自動(dòng)改變，以驅(qū)動(dòng)諧振模，因此，只要初始時(shí)就激發(fā)理想聲模，那么能量就會(huì)從恒定強(qiáng)度的電磁場加到聲波中去。在某些情況下，恒定強(qiáng)度電磁場的突變作用也是以給理想聲模提供原始激發(fā)。
恒定場的方案增加了不需要使用定時(shí)電路的優(yōu)點(diǎn)，該定時(shí)電路是用來保持與聲波的壓力振蕩同相位的脈沖或調(diào)制的電磁源的。
上文描述的紅外和微波驅(qū)動(dòng)方法表明了應(yīng)如何利用整個(gè)寬頻率范圍的電磁輻射在聲諧振腔內(nèi)建立駐聲波。然而，這些方法沒有提供在光學(xué)、紅外和微波技術(shù)上的詳盡技術(shù)細(xì)節(jié)，這是因?yàn)檫@些技術(shù)中有許多可供選擇的方法用于將是電磁輻射引導(dǎo)到腔內(nèi)的區(qū)域。相反，這些實(shí)例只是說明電磁能一旦引導(dǎo)到腔的適當(dāng)區(qū)域應(yīng)如何用來在腔內(nèi)建立駐聲波。
制冷和空調(diào)應(yīng)用的說明圖20說明了本發(fā)明在蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)中作為壓縮機(jī)使用的情況。在圖20中，本發(fā)明接在一個(gè)封閉循環(huán)內(nèi)，該封閉循環(huán)由冷凝器124、毛細(xì)管126和蒸發(fā)器130組成。另外毛細(xì)管也可用任何數(shù)量已知的致冷膨脹裝置代替。這種布置方案構(gòu)成了一個(gè)典型的蒸汽壓縮系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于制冷、空調(diào)、熱泵、水冷卻器、除濕和許多其它的應(yīng)用。
在圖20中顯示的本發(fā)明的有閥實(shí)施例，裝有一個(gè)吸氣簧片閥131、一個(gè)排氣簧片閥133、一個(gè)吸氣箱137和一個(gè)排氣箱135。
在工作時(shí)，一種加壓液態(tài)制冷劑從毛細(xì)管126流入蒸發(fā)器130，在毛細(xì)管內(nèi)制冷劑出現(xiàn)壓力降。然后蒸發(fā)器130內(nèi)的低壓液態(tài)制冷劑從制冷空間128吸收汽化熱，于是變成低壓蒸汽。低壓蒸汽被抽出蒸發(fā)器后進(jìn)入吸氣箱137，然后通過吸氣簧片閥131進(jìn)入腔132。進(jìn)入腔132后，低壓蒸汽被聲壓縮并在高溫高壓下經(jīng)過排氣簧片閥133被排入排氣箱135，然后進(jìn)入冷凝器124。當(dāng)高壓氣態(tài)制冷劑通過冷凝器124時(shí)，它放出熱量并再一次冷凝成加壓液態(tài)。然后該加壓液態(tài)制冷劑流過毛細(xì)管126，并重復(fù)蒸汽壓縮循環(huán)。
本發(fā)明的各種實(shí)施例中的任何一個(gè)實(shí)施例都能用于圖20的系統(tǒng)，該系統(tǒng)在上文中已經(jīng)給出了說明和工作過程。選擇實(shí)施例要取決于對特殊應(yīng)用的設(shè)計(jì)要求。對于某些應(yīng)用，最好將本發(fā)明進(jìn)行密封，包括將驅(qū)動(dòng)裝置密封在密封容器里。
當(dāng)設(shè)計(jì)像圖20那樣的系統(tǒng)時(shí)，如適當(dāng)選擇聲腔內(nèi)的平均壓力將會(huì)得到某些優(yōu)越性。這種平均壓力是在聲腔內(nèi)沒有聲波的情況下未受擾動(dòng)的壓力。在工作期間，駐波造成了一個(gè)壓差，它的吸氣壓低于平均壓力，而它的排氣壓高于此平均壓力。因此，為了使吸氣壓等于蒸發(fā)器壓力，平均腔內(nèi)壓力應(yīng)是處于蒸發(fā)器壓力和冷凝器壓力之間某一壓力。為了增強(qiáng)對腔內(nèi)平均壓力的控制，可以采用各種能控制吸氣或排氣氣流的調(diào)節(jié)閥和調(diào)節(jié)裝置。
在某些應(yīng)用中，蒸汽壓縮系統(tǒng)可以利用太陽能來驅(qū)動(dòng)。太陽能是用于本發(fā)明電磁驅(qū)動(dòng)的極好的紅外源。比如一個(gè)像圖19那樣的實(shí)施例就可用太陽能來驅(qū)動(dòng)。一個(gè)簡單的太陽能驅(qū)動(dòng)裝置可以包括用于加強(qiáng)太陽輻射的反射鏡和提供脈沖光束的光束斷續(xù)器。
作為另一種方案，本發(fā)明可以由恒定強(qiáng)度的電磁能來驅(qū)動(dòng)，盡管需要對理想聲模進(jìn)行初始激發(fā)。理想聲模的初始激發(fā)可利用機(jī)械驅(qū)動(dòng)器來完成。在某些情況下，突然地暴露于恒定強(qiáng)度的電磁能可足以激發(fā)理想聲模。
如果要利用恒定強(qiáng)度源驅(qū)動(dòng)一個(gè)以上的壓力波腹，那么理想聲模的自激發(fā)則變?yōu)楦涌煽?。多重波腹?qū)動(dòng)會(huì)有助于鎖定理想模。對于太陽能驅(qū)動(dòng)的實(shí)施例，由于沒有脈沖裝置，恒定強(qiáng)度驅(qū)動(dòng)會(huì)變得大為簡化。一般來說，脈沖源會(huì)帶來較高的效率。然而，由于太陽能是免費(fèi)的，所以更為簡單的恒定源則變得更合乎需要。
可以將幾個(gè)本發(fā)明太陽能驅(qū)動(dòng)設(shè)備串聯(lián)配置，以提供較大壓差，或并聯(lián)配置以提供較高的凈流流量。太陽能驅(qū)動(dòng)設(shè)備也可以應(yīng)用于外層空間，那里有豐富的來自太陽的強(qiáng)紅外能。
可把機(jī)械驅(qū)動(dòng)與太陽能驅(qū)動(dòng)結(jié)合起來，以提供一種混合式驅(qū)動(dòng)蒸汽壓縮系統(tǒng)。例如，可以利用一個(gè)機(jī)械驅(qū)動(dòng)器和利用太陽能來驅(qū)動(dòng)本發(fā)明。在沒有陽光時(shí)，機(jī)械驅(qū)動(dòng)器可提供驅(qū)動(dòng)本發(fā)明所需能量。在有太陽的晴天，機(jī)械驅(qū)動(dòng)器的能量消耗可利用太陽能來補(bǔ)充。如上所述，太陽紅外能被引導(dǎo)到壓力波腹。這種混合式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可根據(jù)變化的條件按下面三種模式運(yùn)行(1)全部為機(jī)械驅(qū)動(dòng)，(2)全部為太陽能驅(qū)動(dòng)，(3)同時(shí)采用機(jī)械和太陽能驅(qū)動(dòng)。根據(jù)運(yùn)行中工作條件的變化可自動(dòng)改變驅(qū)動(dòng)模式。
另一方面，太陽能驅(qū)動(dòng)裝置可用于其他傳統(tǒng)壓縮機(jī)的預(yù)壓器，這樣可在日照時(shí)間使傳統(tǒng)壓縮機(jī)上所必須提供的壓縮比降低。對于象空調(diào)這樣的冷卻應(yīng)用，在日照期間，當(dāng)熱負(fù)荷很高、而且功率消耗處于峰值時(shí)，該太陽能驅(qū)動(dòng)裝置可降低系統(tǒng)的功率消耗。
由于本發(fā)明消除了所有必須使用潤滑油的活動(dòng)部件，所以蒸汽壓縮系統(tǒng)可以靠無潤滑油制冷劑運(yùn)行。因此，許多與潤滑油有關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題消除了，并且使蒸汽壓縮系統(tǒng)的效率更接近理想制冷循環(huán)的效率。
可變排氣壓利用簡單地改變駐聲波的聲波振幅可以使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)可變的排氣壓。可以提供一個(gè)簡單的控制電路，用來改變作為冷凝介質(zhì)的溫度或其他系統(tǒng)變量的函數(shù)的聲波振幅。這樣，本發(fā)明的排氣壓決不會(huì)大于在現(xiàn)有運(yùn)行條件下產(chǎn)生冷凝所需的最小排氣壓。因此，也就不會(huì)出現(xiàn)由于產(chǎn)生超過出現(xiàn)冷凝所需要的最小壓力的排氣壓時(shí)的能量浪費(fèi)。
一般來說，當(dāng)增大聲波振幅以便在壓力波腹處提供較大排氣壓時(shí)，吸氣壓將趨于減少。所以，如果在聲波振幅改變時(shí)要保持蒸汽壓恒定，那么此時(shí)就應(yīng)當(dāng)小心。為了增強(qiáng)對蒸汽壓的控制，可采用各種調(diào)節(jié)閥和調(diào)節(jié)裝置，用以調(diào)節(jié)本發(fā)明系統(tǒng)的蒸發(fā)器和入口之間的壓力。
圖21顯示出一個(gè)提供排氣壓自動(dòng)控制的控制電路的實(shí)例，并且還提供自動(dòng)頻率控制，該控制能使得聲驅(qū)動(dòng)器10的頻率調(diào)諧到腔132的聲諧振的頻率。
在運(yùn)行時(shí)，圖21的電路的作用是將冷凝器124內(nèi)冷凝了的制冷劑的液面維持在傳熱管T1和T2之間。通過檢測傳熱管T1和T2內(nèi)制冷劑的熱傳導(dǎo)率的變化可以得知制冷劑是氣態(tài)還是液態(tài)。
微處理機(jī)153經(jīng)過雙模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器155監(jiān)測傳熱管T1和T2的變化。如果運(yùn)行狀態(tài)引起冷凝器124內(nèi)液態(tài)制冷劑的液面降低到傳熱管T2以下，那么微處理機(jī)153便作出響應(yīng)發(fā)出一控制信號(hào)，控制信號(hào)經(jīng)數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器156傳到放大器160?？刂菩盘?hào)提高了放大器160的增益，因而提高了聲驅(qū)動(dòng)器10的功率，功率的提高又增大了駐聲波157的振幅。增大了的振幅提供了能提高冷凝器124內(nèi)的冷凝率的較高排氣壓。一旦冷凝器124內(nèi)的液態(tài)制冷劑的液面上升到傳熱管T2之上，微處理機(jī)153就作出響應(yīng)，維持聲振幅恒定，從而也維持排氣壓恒定。
如果運(yùn)行狀況引起液態(tài)制冷劑的液面上升到傳熱管T1以上，那么微處理機(jī)153作出響應(yīng)，降低聲驅(qū)動(dòng)器10的功率，這就又降低了排氣壓。降低了排氣壓使冷凝器124內(nèi)的冷凝率減小。當(dāng)冷凝器124內(nèi)的液態(tài)制冷劑的液面降到傳熱管T1以下時(shí)，微處理機(jī)153作出響應(yīng)，維持聲振幅恒定，從而也就維持了排氣壓恒定。控制電路以這種方式將冷凝器10內(nèi)的液態(tài)制冷劑的液面維持在傳熱管T1和T2之間。
圖21的頻率控制電路具有一個(gè)積分器62、一個(gè)比較器64、一個(gè)電壓控制振蕩器66和一個(gè)放大器160。該頻率控制電路的組件以及它們的功能與圖12的電路相同。
許多不同的運(yùn)行條件是易于變化的，并且能造成冷凝器124內(nèi)液態(tài)制冷劑的液面發(fā)生改變。但是每一運(yùn)行條件都將由控制系統(tǒng)同等處理。因此，對于任何給定方式的運(yùn)行條件，控制電路都能使冷凝器124下部內(nèi)出現(xiàn)冷凝所需的最小排氣壓維持住。
系統(tǒng)的其它參數(shù)可由控制電路監(jiān)視，以提供輔助控制和冷卻系統(tǒng)的最優(yōu)化。
為了降低費(fèi)用，圖21的微處理機(jī)控制電路可以用簡單的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)取代。這種開關(guān)網(wǎng)絡(luò)能響應(yīng)來自傳熱管T1和T2的信號(hào)，為聲驅(qū)動(dòng)器10選擇許多固定的功率級(jí)。開關(guān)控制電路提供有限量的固定排氣壓，而不是象微處理機(jī)控制電路那樣提供連續(xù)的可變排氣壓。
像圖21那樣的控制電路也容易應(yīng)用于上述微波驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。首先，必須提供適當(dāng)?shù)念l率鎖定控制。為實(shí)現(xiàn)最佳運(yùn)行，微波源應(yīng)當(dāng)在壓力波腹處于一個(gè)聲周期的最高壓力點(diǎn)的時(shí)候啟動(dòng)。一個(gè)單壓力傳感器放在聲腔內(nèi)，它能為觸發(fā)微波發(fā)生器脈沖提供參考信號(hào)。由于微波能只在波腹壓力處于峰值時(shí)才啟動(dòng)，所以系統(tǒng)必然會(huì)保持諧振。這種簡單的方法就不需要更復(fù)雜的頻率鎖定電路。
其次，必須提供一個(gè)改變微波能量的裝置，以便得到可變排氣壓。一種簡易的改變平均微波能的方法是改變微波脈沖的保持時(shí)間與間歇時(shí)間之比。另一種方法是靠改變微波發(fā)生管的高電壓來控制微波能。
制冷劑過冷系統(tǒng)本發(fā)明提供一個(gè)二次冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)可應(yīng)用于制冷劑的過冷卻用作冷凝介質(zhì)的過冷。該二次冷卻系統(tǒng)處于諧振腔內(nèi)部，并且不需要活動(dòng)部件。
圖23是沿圖22的3-3線取的剖視圖，它表示本發(fā)明的制冷劑壓縮機(jī)的實(shí)施例，該實(shí)施例提供了一個(gè)制冷劑過冷卻系統(tǒng)。用于該蒸汽壓縮系統(tǒng)的壓縮系統(tǒng)由腔2、驅(qū)動(dòng)器10、吸氣簧片閥164、排氣簧片閥162、吸氣室168和排氣室166構(gòu)成。
在圖23中，排氣管170把排氣室166與冷凝器172連接起來。冷凝器172的出口連接到一個(gè)熱交換器盤管174。熱交換器盤管174構(gòu)成了一個(gè)圍繞著腔2并焊接在腔2上的盤狀管路，用以在腔2和熱交換器盤管174之間提供良好的熱接觸。熱交換器盤管174的輸出端連接在毛細(xì)管176上。毛細(xì)管176連接到一個(gè)位于制冷空間180內(nèi)的蒸發(fā)器178。吸氣管182將蒸發(fā)器178的輸出端連接到吸氣室168。
腔2的中間段用任意的絕熱材料184與環(huán)境進(jìn)行隔熱。利用任意的絕熱材料186使毛細(xì)管176與環(huán)境進(jìn)行隔熱。利用任意絕熱材料188使吸氣管182與環(huán)境進(jìn)行隔熱。
熱泵板組190設(shè)置在腔2內(nèi)部。熱泵板組190包括一組間隔均勻的平行不銹鋼板，這些板沿腔2的長度方向縱向設(shè)置。此外，板也可以用其他材料制造，如玻璃纖維或金屬絲網(wǎng)篩。圖24提供了熱泵板組190更詳細(xì)的視圖。
熱泵板組190除了在相對兩端TC和TH之外，每一個(gè)部位均與腔2熱絕緣。在熱泵板組190中的每一塊單板的相反兩TC和TH處都固定有相應(yīng)的銅板條192C和192H。如圖24所示，銅板條192C和192H沿?zé)岜冒褰M190的每一單板的端部延伸并焊接在端部。熱泵板組190中的板都不與腔2的內(nèi)表面接觸。利用銅板條192H和192C使熱泵板組190和腔2之間進(jìn)行熱接觸。每一銅板條的兩端都延伸出板組的板之外，以便與腔2的內(nèi)表面接觸，并且將它們焊接到內(nèi)表面上。銅板條192C在熱泵板組190的TC端和腔2的壁之間提供了良好的熱接觸。銅板條192H則在熱泵板組190的TH端和腔2的壁之間提供了良好的熱接觸。這種方案使熱泵板組190和腔2之間的熱傳導(dǎo)只發(fā)生在端部TC和TH處。腔2還裝有傳熱翅片194，用于把熱量從腔2的壁散到周圍空氣中。
在運(yùn)行時(shí)，聲驅(qū)動(dòng)器10向腔2內(nèi)部的氣態(tài)制冷劑發(fā)射聲波。聲驅(qū)動(dòng)器10的頻率由維持駐聲波的方法來控制，該駐聲波可被描繪成位移波形198。
如上所述，腔2內(nèi)的氣態(tài)制冷劑被聲波壓縮并排入排氣管170。然后，這種高壓氣態(tài)制冷劑進(jìn)入冷凝器172，在那里向周圍空氣放熱，于是冷凝成液體。液態(tài)制冷劑又從冷凝器172流入熱交換器盤管174，在盤管中被過冷到原來的冷凝器溫度之下。這種冷卻的根據(jù)將在下文單獨(dú)討論。過冷液態(tài)制冷劑又從熱交換器盤管174流出并進(jìn)入毛細(xì)管176，該毛細(xì)管測定出流入蒸發(fā)器178的液態(tài)制冷劑的流量。當(dāng)制冷劑由熱交換器盤管174進(jìn)入到蒸發(fā)器178時(shí)，絕熱材料186使毛細(xì)管176中的過冷制冷劑的發(fā)熱減少到最小。
一旦進(jìn)入蒸發(fā)器178，液態(tài)制冷劑就吸收來自制冷空間180的汽化熱。然后該低溫低壓蒸汽被抽出蒸發(fā)器178并經(jīng)吸氣管182流入腔2。腔2內(nèi)的氣態(tài)制冷劑被聲波壓縮并排入排氣管170，該循環(huán)又重復(fù)進(jìn)行。
在熱交換器盤管174內(nèi)發(fā)生的液態(tài)制冷劑的過冷將在下文中加以解釋。腔2內(nèi)形成的駐波，迫使熱量沿著腔的壁被抽吸，熱量從壓力波節(jié)處被泵向壓力波腹處。因此，在壓力波節(jié)處的腔壁逐漸變冷，而壓力波腹處的腔壁逐漸變熱。熱流容量的大小與暴露于駐聲波的表面積成正比。并且在腔2內(nèi)設(shè)置熱泵板組190可提高熱流容量。
在有駐聲波198存在的情況下，熱量將從熱泵板組190的冷側(cè)TC被泵向熱側(cè)TH。當(dāng)側(cè)部TC的溫度降到腔2鄰近壁的溫度時(shí)，熱量又從熱交換器盤管174通過腔2的壁、銅板條192C流入熱泵板組190的冷側(cè)TC。
隨著熱量在熱泵板組190的熱端TH的溫度上升到腔2的壁溫以上。當(dāng)側(cè)部TH的溫度上升到高于腔2的鄰近壁處的溫度時(shí)，熱量又會(huì)從熱泵板組190的熱側(cè)TH通過銅板條192H、腔2的壁和傳熱翅片194流入周圍大氣中。因此，當(dāng)液態(tài)制冷劑流過熱交換器盤管174時(shí)，它被過冷到比空氣冷卻冷凝器172周圍的大氣溫度低的溫度。
上文對聲波熱泵效應(yīng)作了詳細(xì)的理論和實(shí)驗(yàn)的說明，它們的出處為下列出版物。(1)“本征不可逆熱聲式熱機(jī)”(An Intrinsically Irreversible Thermoacoustic Heat Engine)，美國聲學(xué)協(xié)會(huì)雜志第74卷第一冊第153頁，作者John Wheatley，T.Hofler，G.W.Swift和A.Migliori，1983年7月出版。(2)“理解應(yīng)用于聲熱機(jī)的熱聲學(xué)中幾個(gè)簡單現(xiàn)象”(Under-Standing Some Simple Phenomena In Thermoacoustics With Applications To Acoustical Heat Engines)，美國物理學(xué)雜志第53卷第2冊第147頁，作者John Wheatley，T.Hofler，G.W.Swift和A.Migliori，1985年2月出版。(3)“自然熱機(jī)”(The Natural Heat Engines)，Los Alamos科學(xué)第14冊，作者John Wheatley，G.W.Swift和A.Migliori，1986年秋出版。(4)“熱聲機(jī)”(Thermoacoustic Engine)，美國聲學(xué)協(xié)會(huì)雜志，第84卷，第4冊，第1145頁，作者G.W.Swift，1988年10月出版。這些論文定量地詳細(xì)指出了應(yīng)如何設(shè)計(jì)和預(yù)測聲熱泵系統(tǒng)的性能，因此這些公開的出版物也可一同作為參考。
為了將聲熱泵系統(tǒng)的冷卻能力提高到最大，熱泵板組190上的所有非制冷劑熱負(fù)荷應(yīng)保持最小。如下討論的方案有助于取得該最小值。
絕熱材料184減小了由腔2的壁吸收來自周圍空氣的熱量，因而使熱交換器盤管174內(nèi)的制冷劑成為熱泵板組190的主要熱負(fù)荷。絕熱材料188使吸氣管182內(nèi)制冷劑蒸汽的過熱降到最低，這樣就減少了熱泵板組190上的熱負(fù)荷。
把驅(qū)動(dòng)器10放在熱泵板組190的熱側(cè)TH處，就阻礙了驅(qū)動(dòng)器10產(chǎn)生的熱通過散熱翅片194散到環(huán)境中去。但是熱泵板組190可被移到腔2的有閥端，并且在熱容量減少時(shí)過冷仍在繼續(xù)。因此，圖23內(nèi)泵板組190的確定的布置方案不應(yīng)作為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。
所以，上述的聲冷卻系統(tǒng)將用于在液態(tài)制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器178之前降低它的溫度，這樣，可將閃蒸減少到最小，并提高了每單位循環(huán)制冷劑的制冷效率。
圖23的聲冷卻系統(tǒng)可按另一種模式運(yùn)行。熱交換器盤管174可提供溫度低于冷凝器172的溫度的冷凝介質(zhì)。這種低溫冷凝介質(zhì)可允許使用低排氣壓，同時(shí)維持冷凝。低排氣壓能減少用于氣體壓縮所耗費(fèi)的能量。
排氣壓基本上決定了進(jìn)入熱交換器盤管174的制冷劑是氣態(tài)、液態(tài)或液-汽混合物。如果排氣壓高得足夠使空冷冷凝器172內(nèi)發(fā)生冷凝的活，那么制冷劑將以液態(tài)形式進(jìn)入熱交換器盤管174。如果排氣壓并不高得能使空冷冷凝器172內(nèi)發(fā)生冷凝的話，則制冷劑將以氣態(tài)形式進(jìn)入熱交換器盤管174。如果壓力在這兩個(gè)壓力之間，那么制冷劑就將以液-汽混合物的形式進(jìn)入熱交換器盤管174。
對于低壓排氣來說，“有效的”冷凝器被認(rèn)為是把空冷冷凝器172與熱交換器盤管174結(jié)合起來形成的冷凝器。因此，應(yīng)以熱交換器盤管174內(nèi)的溫度作為選擇排氣壓的根據(jù)，該溫度要低于空冷冷凝器172的溫度。在這種模式中，排氣壓一點(diǎn)也不需要高于在熱交換器盤管174內(nèi)發(fā)生冷凝時(shí)所必需的壓力。所以，如果只使用空冷冷凝器172，使用的排氣壓比可能的要低。
這樣就可以看出，這對兩個(gè)極端排氣壓來講都有效率提高的好處?？偟膩碚f，控制電路冷卻負(fù)荷和冷凝介質(zhì)溫度之類的變化的工作條件，可以在排氣壓的整個(gè)范圍內(nèi)進(jìn)行控制。
圖25顯示出一個(gè)類似于圖23所表示出的制冷系統(tǒng)，與圖23的系統(tǒng)不同的是它的聲駐波是由電磁-氣體相互作用來驅(qū)動(dòng)的。圖23中的聲驅(qū)動(dòng)器10在圖25中由微波諧振腔200所代替。微波諧振腔200以腔2的各壁和熱泵板組190的熱端TH為界。熱泵板組190構(gòu)成了一個(gè)防止微波能離開微波腔200的金屬網(wǎng)。脈沖或經(jīng)調(diào)制的微波能，從微波發(fā)生器206經(jīng)同軸電纜202和微波輻射器204被輸送到微波諧振腔200。如前所述，如果在微波諧振腔200內(nèi)存在微波能，就會(huì)在腔2內(nèi)形成駐聲波。
一旦在腔2內(nèi)形成了駐聲波，圖25的制冷系統(tǒng)就以跟圖23的制冷系統(tǒng)相同的方式并按照相同的理論和原理運(yùn)行。
上文中描述的用于控制驅(qū)動(dòng)器頻率和排氣壓的電路可直接應(yīng)用于圖23和圖25的實(shí)施例。此外，可以有幾種不同的冷卻系統(tǒng)的布置及相應(yīng)的控制電路。比如，該系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)成將圖21的傳熱管T1和T2分別移到熱交換盤管174的入口和出口處并以低排氣壓運(yùn)行。對于這種布置，“有效的”冷凝器就是冷凝器172與熱交換器盤管174的結(jié)合。除了排氣壓維持在熱交換器盤管12內(nèi)發(fā)生冷凝所需要的程度之外，該控制電路以完全相同的方式工作。系統(tǒng)的許多其它參數(shù)可由控制電路監(jiān)測，以實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)的輔助控制和系統(tǒng)的最優(yōu)化。
蒸汽壓縮冷卻設(shè)備可采取許多形式并且在許多不同的部門和工業(yè)中得到應(yīng)用。本發(fā)明不只限于像上面描述的作為壓縮機(jī)應(yīng)用于冷卻系統(tǒng)，而是可以應(yīng)用于許多方面。因此，這里描述的蒸汽壓縮冷卻系統(tǒng)可以用在許多不同的冷卻應(yīng)用中，包括空調(diào)、熱泵、深冷裝置、水冷卻器、水箱及許多其它應(yīng)用。
本發(fā)明提供了一種用于蒸汽壓縮冷卻系統(tǒng)的新型壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)利用了在流體中壓縮流體的聲諧振的特性，并提供了能在運(yùn)行期間根據(jù)運(yùn)行條件的變化而改變的排氣壓，因此降低了壓縮機(jī)的能量消耗。另外，由于采用了流體對電磁能的吸收，本發(fā)明消除了所有活動(dòng)驅(qū)動(dòng)部件。此外，本發(fā)明提供了一種無潤滑油壓縮機(jī)。
本發(fā)明還進(jìn)一步提供了一種新型壓縮機(jī)。其中借助于聲熱泵系統(tǒng)壓縮液態(tài)制冷劑，然后使其過冷卻。另外該聲熱泵系統(tǒng)能提供低溫冷凝介質(zhì)，使冷凝在低于正常排氣壓的情況下發(fā)生。
雖然上文中包含了許多技術(shù)條件，但這些不應(yīng)當(dāng)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，而相反它只是作為一個(gè)選擇實(shí)施例的范例。本發(fā)明也可以有許多改型，并且對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說很容易想到。例如，在任何一個(gè)本發(fā)明的實(shí)施例中，都可使用一個(gè)以上的驅(qū)動(dòng)器，并且這些多個(gè)驅(qū)動(dòng)器的頻率和相位彼此之間相互制約以產(chǎn)生較大壓差、差拍頻率現(xiàn)象、駐波和行波的結(jié)合以及在各種應(yīng)用中證明是有用的其它作用。
另外，單個(gè)驅(qū)動(dòng)器也能設(shè)置在腔內(nèi)的中間位置，這樣，駐聲波就能在驅(qū)動(dòng)器的兩側(cè)形成，互相結(jié)合的兩個(gè)裝置可以串聯(lián)或并聯(lián)連接。另外，驅(qū)動(dòng)單個(gè)或多個(gè)驅(qū)動(dòng)器的波形不一定必須是正弦波，而可以是據(jù)齒波、方波、脈沖、或任何能滿足設(shè)計(jì)要求的波形。
此外，本發(fā)明的尺寸大小將由指定的應(yīng)用所需工作容量來確定，而不是由本發(fā)明本身確定。選擇了適當(dāng)聲波波長后，本發(fā)明可以增大比例或小型化。
除此之外，諧振聲腔，不一定是圓柱形，而可以是能維持駐聲波的任何幾何形狀。環(huán)形腔可用于電磁驅(qū)動(dòng)實(shí)施例。對于環(huán)形腔來說，波可以繞該圓環(huán)雙向傳播，因而形成駐波，而且電磁能可以被引導(dǎo)到壓力波腹處。由于環(huán)形腔是連續(xù)的，所在不像圓柱形腔那樣，這里不存在反射。
輔助腔的幾何結(jié)構(gòu)以及其它聲模均可以用于維持駐波波形。例如，一個(gè)半徑相對于長度來講較大時(shí)的圓柱形腔能按徑向模式振蕩。另外球形腔也能按徑向模式形成振蕩。徑向模式振蕩具有能將聲波壓力集中在腔的中央的優(yōu)點(diǎn)。腔的不同的幾何結(jié)構(gòu)，如圓柱形和球形，能結(jié)合起來構(gòu)成亥姆霍茲諧振腔?？傊梢允褂萌魏文芫S持駐聲波的腔。電磁-氣體相互作用可應(yīng)于任何一種腔的聲驅(qū)動(dòng)。
入口和出口也可以制成不同的幾何形狀，因此腔2內(nèi)的開口可以是一系列圓形孔、狹縫、缺口、或是相鄰但不相連的腔。另外，具有位于波節(jié)和波腹處的間斷開孔的同軸管，可以沿腔2的軸向開設(shè)入口和出口。對于無閥實(shí)施例，可在壓力波節(jié)處開設(shè)幾個(gè)入口，每一入口都與壓力波節(jié)相隔不同的距離。各入口的吸氣壓略有不同，并且在運(yùn)行期間可對入口進(jìn)行選擇，以保持吸氣壓恒定，同時(shí)聲振幅發(fā)生變化以改變排氣壓。
可以按這樣的方式將幾個(gè)裝置連接起來;使它們的入口和出口形成串聯(lián)和/或并聯(lián)結(jié)合，或?qū)⒏鳘?dú)立的腔插放在共同的壓力波腹處，所用這些方式都能提供較大壓差并提高工作容量。
聲熱泵系統(tǒng)也可以有許多改型。比如，在可以使用較小壓縮比時(shí)蒸發(fā)器溫度較高的應(yīng)用中，排出的氣體不是熱的，而且圖23和25的空冷冷凝器可以減少尺寸或全部去掉不用。在這種情況下，熱交換器盤管174充當(dāng)一次冷凝介質(zhì)用，并且熱交換器盤管174的環(huán)數(shù)和熱泵板組190的板數(shù)，都可按需要增加，以提高工作容量。
而且，在腔2內(nèi)可以使用一個(gè)以上熱泵板組190。由于板組是設(shè)置在壓力波節(jié)和波腹之間的，所以具有幾個(gè)波節(jié)和波腹的駐聲波能為一個(gè)板組提供保障。這種附加的板組可增加過冷系統(tǒng)的熱負(fù)荷能力。另外，一個(gè)板組可用于冷凝，其它板組可用于過冷。
還可以增加其它的制冷技術(shù)共有的特性。比如圖23和圖25的毛細(xì)管176可以用對運(yùn)行條件的變化更敏感的許多不同類型的通用制冷劑控制裝置來代替。
此外，除了使用圖23中的傳熱翅片194外，還可以采用其它能帶走過熱的傳熱裝置。強(qiáng)迫通風(fēng)的風(fēng)機(jī)也可加上翅片194，這樣可提高與周圍空氣的熱交換率。另一種選擇方案是提供一個(gè)具有熱交換器的閉環(huán)式冷卻液循環(huán)系統(tǒng)，冷卻液可以在該系統(tǒng)中流過熱交換器，該熱交換器與熱泵板組28的熱端TH熱接觸。冷卻液依次流過該熱交換器，然后再進(jìn)入一個(gè)空冷輻射器。
另外板組190也可以用許多不同材料制成，如可采用玻璃纖維、塑料或金屬絲網(wǎng)篩等。這些不同的板組可以沿腔2縱向或橫向設(shè)置。除了板狀外，還可以采用其它幾何形狀，如可采用沿腔2縱向設(shè)置的連續(xù)螺旋狀板，或同軸圓柱板。應(yīng)注意到如果根本沒有一塊板，聲波熱泵作用會(huì)在沿腔壁的地方發(fā)生，但是作用的強(qiáng)度降低了。
另外，熱交換器盤管174可用其它類型的熱交換裝置代替?？捎靡环N具有與熱泵板組190冷端TC熱接觸的小通道的熱交換器代替銅板條30C。做成這樣一種熱交換器，制冷劑能通過這些通道，從而把熱傳給腔2內(nèi)側(cè)的板。這種布置方案在制冷劑和板之間提供了比熱交換器盤管174更直接的熱交換。
最后，由于本發(fā)明多方面的特性，例如各種聲驅(qū)動(dòng)器，可變排氣壓、聲波熱泵和電磁驅(qū)動(dòng)等等，就自然會(huì)有將這些特性進(jìn)行不同組合產(chǎn)生的許多實(shí)施例?？梢岳斫?，上面公開的本發(fā)明特性的所有特定組合，都構(gòu)成本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的一部分。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍不應(yīng)當(dāng)由所提出的實(shí)施例來確定，而是由所附加的權(quán)利要求和它們的法定等同物來確定。
權(quán)利要求
1.一種制冷劑壓縮機(jī)，包括一個(gè)用以容納待壓縮流體制冷劑的腔，所述腔具有至少一個(gè)入口和至少一個(gè)出口；用于在所述腔內(nèi)的流體制冷劑中建立行波的驅(qū)動(dòng)裝置，所述驅(qū)動(dòng)裝置和所述腔將所述腔內(nèi)的流體制冷劑中的行波轉(zhuǎn)變成駐波，由此壓縮流體制冷劑。
2.按照權(quán)利要求1所述的制冷劑壓縮機(jī)，其特征在于流體制冷劑內(nèi)的駐波具有至少一個(gè)壓力波節(jié)和至少一個(gè)壓力波腹。
3.按照權(quán)利要求2所述的制冷劑壓縮機(jī)，其特征在于所述腔的至少一個(gè)入口設(shè)置在至少一個(gè)壓力波節(jié)處，而所述至少一個(gè)所述腔的出口設(shè)置在所述至少一個(gè)壓力波腹處。
4.按照權(quán)利要求3所述的制冷劑壓縮機(jī)，其特征在于還包括用于使流體制冷劑經(jīng)所述至少一個(gè)出口流出所述腔，但防止流體經(jīng)所述至少一個(gè)出口流入所述腔的調(diào)整裝置。
5.按照權(quán)利要求4所述的制冷劑壓縮機(jī)，其特征在于所述調(diào)整裝置里包括至少一個(gè)簧片閥。
6.按照權(quán)利要求1所述的制冷劑壓縮機(jī)，其特征在于在流體制冷劑內(nèi)的駐波至少有一個(gè)壓力波節(jié)和至少有一個(gè)壓力波腹，每一個(gè)所述至少一個(gè)入口設(shè)在所述至少一個(gè)壓力波腹處，每一個(gè)所述至少一個(gè)出口設(shè)在所述至少一個(gè)壓力波腹處，所述制冷劑壓縮機(jī)還包括入口調(diào)整裝置，用于允許流體制冷劑流入而不允許流出所述腔;出口調(diào)整裝置，用于允許流體制冷劑流出而不允許流入所述腔。
7.按照權(quán)利要求6所述的制冷劑壓縮機(jī)，其特征在于所述入口調(diào)整裝置包括至少一個(gè)簧片閥，并且所述出口調(diào)整裝置包括至少一個(gè)簧片閥。
8.按照權(quán)利要求1所述的制冷劑壓縮機(jī)，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)裝置包括至少一個(gè)發(fā)射強(qiáng)度隨時(shí)間變化的超聲能量的超聲發(fā)生器;強(qiáng)度隨時(shí)間變化的超聲能量的聲頻高于駐波的聲頻，強(qiáng)度隨時(shí)間變化的超聲能量由流體制冷劑解調(diào)成脈沖，脈沖的重復(fù)頻率等于駐波的聲頻，以使脈沖驅(qū)動(dòng)駐波。
9.按照權(quán)利要求1所述的制冷劑壓縮機(jī)，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)裝置包括至少一個(gè)超聲驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器發(fā)射的超聲能的聲頻等于駐波的聲頻。
10.按照權(quán)利要求1所述的制冷劑壓縮機(jī)，其特征在于流體制冷劑包括一種氣態(tài)制冷劑。
11.按照權(quán)利要求1所述的制冷劑壓縮機(jī)，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)裝置包括一個(gè)線性電動(dòng)機(jī)。
12.按照權(quán)利要求1所述的制冷劑壓縮機(jī)，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)裝置包括一個(gè)可變功率聲驅(qū)動(dòng)器，所述制冷劑壓縮機(jī)還包括有控制裝置，用于根據(jù)工作條件的變化改變所述可變功率聲驅(qū)動(dòng)器的頻率，使排氣壓作為變化的工作條件的函數(shù)而改變。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制冷劑壓縮機(jī)，其特征在于所述腔包括用于聲波位移方向上改變所述腔的橫截面的可變橫截面裝置，因此防止在所述腔內(nèi)形成不合乎需要的聲諧振。
14.按照權(quán)利要求13所述的制冷劑壓縮機(jī)，其特征在于駐波有壓力波節(jié)和壓力波腹，所述可變橫截面裝置的作用還在于提高駐波的壓力波節(jié)和壓力波腹之間存在的壓差。
15.壓縮機(jī)包括一個(gè)用于容納待壓縮的制冷劑的腔，所述腔包括至少一個(gè)入口和至少一個(gè)出口;用于向制冷劑提供電磁能的驅(qū)動(dòng)裝置，所述驅(qū)動(dòng)裝置和所述腔在所述腔內(nèi)的制冷劑中建立一駐波，使所述腔內(nèi)的制冷劑受到壓縮。
16.按照權(quán)利要求15所述的壓縮機(jī)，其特征在于所提供的電磁能的強(qiáng)度是隨時(shí)間變化的。
17.按照權(quán)利要求15所述的壓縮機(jī)，其特征在于所提供的電磁能的強(qiáng)度隨時(shí)間是恒定的。
18.按照權(quán)利要求15所述的壓縮機(jī)，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)裝置包括可變功率驅(qū)動(dòng)器，用以改變電磁能的平均功率，所述制冷劑壓縮機(jī)還包括控制裝置，用于根據(jù)工作條件的變化改變所述可變功率驅(qū)動(dòng)器的平均功率，因此排氣壓作為變化的工作條件的函數(shù)而改變。
19.一個(gè)蒸汽壓縮冷卻系統(tǒng)，包括一個(gè)用于容納待壓縮的流體制冷劑的腔，所述腔包括至少一個(gè)入口和至少一個(gè)出口;用于在所述腔內(nèi)的所述流體制冷劑中建立一行波的驅(qū)動(dòng)裝置，所述驅(qū)動(dòng)裝置和所述腔內(nèi)的流體制冷劑中的行波轉(zhuǎn)變成駐波，從而使流體制冷劑被壓縮;一個(gè)與所述腔的至少一個(gè)出口相連的冷凝器;一個(gè)與所述冷凝器和所述腔的至少一個(gè)入口相連的蒸發(fā)器。
20.按照權(quán)利要求19所述的蒸汽壓縮冷卻系統(tǒng)，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)裝置包括一個(gè)可變功率聲驅(qū)動(dòng)器，所述蒸汽壓縮冷卻系統(tǒng)還進(jìn)一步包括控制裝置，用于根據(jù)工作條件的變化改變所述可變功率聲驅(qū)動(dòng)器的功率，使排氣壓作為變化的工作條件的函數(shù)而改變。
21.一種蒸汽壓縮冷卻方法，包括如下步驟將聲能引導(dǎo)到具有至少一個(gè)入口和至少一個(gè)出口的腔內(nèi)的流體制冷劑中;為所述聲能選擇一頻率，以在腔內(nèi)的流體制冷劑中建立一駐聲波;冷凝該壓縮后的流體制冷劑，以產(chǎn)生放熱的冷凝流體制冷劑;減小經(jīng)過冷凝的流體制冷劑的壓力，以產(chǎn)生減壓的流體制冷劑，該流體制冷劑是吸熱的。將減壓的流體制冷劑引入到腔的至少一個(gè)入口內(nèi)，駐聲波的壓力特征使減壓的流體制冷劑被吸入到腔的至少一個(gè)入口內(nèi)，并使壓縮后的流體制冷劑通過至少一個(gè)出口流出該腔，這樣，流體制冷劑通過一個(gè)蒸汽壓縮制冷循環(huán)。
22.按照權(quán)利要求21所述的蒸汽壓縮冷卻方法，其特征在于所述引導(dǎo)步驟包括根據(jù)工作條件的變化改變引導(dǎo)到流體制冷劑中的聲能功率，因此排氣壓作為變化的工作條件的函數(shù)而改變。
23.制冷劑壓縮機(jī)，包括一個(gè)用于容納待壓縮流體制冷劑的腔，所述腔包括至少一個(gè)入口和至少一個(gè)出口;用于在所述腔內(nèi)的流體制冷劑中建立一行波的驅(qū)動(dòng)裝置，所述驅(qū)動(dòng)裝置和所述腔將所述腔內(nèi)的流體制冷劑中的行波轉(zhuǎn)變成駐波，因此該流體制冷機(jī)被壓縮，駐波沿所述腔產(chǎn)生一溫度差，這樣，所述腔的第一部份的溫度高于所述腔的第二部份的溫度;一個(gè)在靠近所述腔的所述第二部份處與所述腔相連并輸送該流體制冷劑的熱交換器，所述熱交換器在流體制冷劑和所述腔的所述第二部份之間提供熱接觸。
24.按照權(quán)利要求23所述的制冷劑壓縮機(jī)，其特征在于還進(jìn)一步包括一個(gè)位于所述腔內(nèi)并且暴露于所述腔內(nèi)存在的駐波的熱泵表面，所述熱泵表面具有第一端和第二端，所述熱泵表面的第二端靠近所述腔的第二部份。
25.按照權(quán)利要求24所述的制冷劑壓縮機(jī)，其特征在于還進(jìn)一步包括一個(gè)與所述腔相連的輔助熱交換器，用于在散熱裝置和所述熱泵表面的第一端之間提供熱接觸。
26.按照權(quán)利要求23所述的制冷劑壓縮機(jī)，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)裝置包括一個(gè)可變功率聲驅(qū)動(dòng)器，所述制冷劑壓縮機(jī)還包括控制裝置，用于根據(jù)工作條件的變化改變所述可變功率聲驅(qū)動(dòng)器的功率，這樣，排氣壓是作為變化的工作條件的函數(shù)而變化的。
27.一個(gè)蒸汽壓縮冷卻系統(tǒng)，包括一個(gè)用于容納待壓縮的流體制冷劑的腔，所述腔包括至少一個(gè)入口和至少一個(gè)出口;用于在所述腔內(nèi)的流體制冷劑中建立一行波的驅(qū)動(dòng)裝置，所述驅(qū)動(dòng)裝置和所述腔將所述腔內(nèi)的流體制冷劑中的行波轉(zhuǎn)變成駐波，因此該流體制冷劑被壓縮，駐波沿所述腔產(chǎn)生一溫差，這樣，所述腔的第一部份的溫度高于所述腔的第二部份的溫度;一個(gè)與所述腔的所述至少一個(gè)出口相連的制冷劑冷凝器;一個(gè)與所述制冷劑冷凝器相連并在靠近所述腔的所述第二部份處與所述腔相連的熱交換器，所述熱交換器在流體制冷劑和所述腔的第二部份之間提供熱接觸;一個(gè)與所述熱交換器和所述腔的所述至少一個(gè)入口相連的制冷劑蒸發(fā)器，該蒸發(fā)器用于蒸發(fā)由所述熱交換器提供的冷凝制冷劑，并且還用于向所述腔提供蒸發(fā)后的制冷劑。
全文摘要
一種用于蒸汽壓縮冷卻系統(tǒng)的壓縮機(jī)，它利用能壓縮流體的流體中的聲諧振的特性，并提供在運(yùn)行中能隨運(yùn)行條件而改變的排氣壓，從而提供了一種無潤滑油壓縮機(jī)并減少了壓縮機(jī)的能量消耗。利用駐聲波的熱聲特性來提供一種制冷劑過冷系統(tǒng)。靠一個(gè)機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置，或靠使流體直接暴露于微波和紅外能(包括太陽能)的方法提供聲能。沿腔布置制冷劑的入口和出口。利用一個(gè)控制電路可使壓縮機(jī)的性能達(dá)到最佳。
文檔編號(hào)F25B1/00GK1055982SQ91102099
公開日1991年11月6日 申請日期1991年3月13日 優(yōu)先權(quán)日1990年3月14日
發(fā)明者蒂莫西·S·魯卡斯 申請人:蒂莫西·S·魯卡斯