專利名稱：諧振強(qiáng)聲合成(rms)的能量轉(zhuǎn)換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及那些可以用脈沖點火驅(qū)動的或是熱聲驅(qū)動的用于能量轉(zhuǎn)換的諧振強(qiáng)聲合成(Resonant Macrosonic Synthsis)(RMS)共鳴器，它可以被專用于發(fā)電領(lǐng)域。
歷史上出現(xiàn)過各種各樣用來發(fā)電的技術(shù)方案。最吸引人的莫過于那些通過燃燒液體或是氣體燃料而產(chǎn)生電能的技術(shù)。
已經(jīng)采用了許多種內(nèi)燃機(jī)將燃料的化學(xué)勢能轉(zhuǎn)換成用來驅(qū)動交流發(fā)電機(jī)的機(jī)械能。然而，內(nèi)燃機(jī)需要經(jīng)常的周期性維護(hù)，并且轉(zhuǎn)換效率比較低?，F(xiàn)今的汽輪機(jī)能夠更有效地將諸如天然氣一類燃料的能量轉(zhuǎn)換成電能。汽輪機(jī)技術(shù)在設(shè)計和制造上固有的復(fù)雜性體現(xiàn)在其初期的成本和運(yùn)行成本上。
不斷有人努力以聲音的駐波作為發(fā)電的手段。例如，Swift提出了可以用熱聲驅(qū)動的駐波之振蕩壓力來驅(qū)動一臺交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能(G.W.Swift，“熱聲發(fā)動機(jī)”“Thermoacoustic Engines，”J.Acoust.Soc.Am.84，1166(1988))。其實現(xiàn)方式是將一個活塞連接在聲波共鳴器的開口端，并且用振動的活塞驅(qū)動一臺線性交流發(fā)電機(jī)。這種活塞應(yīng)該是氣密的，以便可靠地形成隔膜或是真空膜盒?；钊倪\(yùn)動還會限制其從駐波獲得的動態(tài)力，這樣就會限制熱聲發(fā)電機(jī)的效率。
Swift還提出了另一種用聲音駐波來發(fā)電的設(shè)備，它是在熱聲驅(qū)動的液體鈉駐波發(fā)動機(jī)中利用了磁流體動力(MagnetoHydrodynamic)效應(yīng)(G.W.Swift，“Thermoacoustic Engines，”J.Acoust.Soc.Am.84，1169(1988))。
脈沖燃燒(PC)是利用聲音駐波發(fā)電的另一個探索領(lǐng)域。與磁流體動力(Magneto Hydrodynamic)的情況不同，PC領(lǐng)域作為發(fā)電的手段普遍被認(rèn)為意義不大。在PC領(lǐng)域中重要的研究和發(fā)展甚至可以追溯到上一個世紀(jì)。早在本世紀(jì)20年代，脈沖燃燒作為驅(qū)動汽輪發(fā)電機(jī)的一種手段就首先引起了人們的注意，參見授予Nikola Tesla的美國專利US1329559。目前的大多數(shù)研究主要是用來發(fā)熱或是噴氣式發(fā)動機(jī)。在這些應(yīng)用中，脈沖燃燒一向是比較有吸引力的，因為它可以自身維持燃燒循環(huán)，結(jié)構(gòu)簡單，并且很少產(chǎn)生污染。Putnam，Belles和Kentfield全面地概括了脈沖燃燒器的發(fā)展史，在脈沖燃燒領(lǐng)域中提出了許多實施例和應(yīng)用(A.A.Putnam，F(xiàn).E.Belles，andJ.A.C.Kentfield，“Pulse Combustion，”Prog.EnergyCombust.Sci.12，43-79(1986))。PC研究的領(lǐng)域非常活躍，主要的研究機(jī)構(gòu)有Gas Research Institute，Sandia Combustion Labs，以及許多大學(xué)。
總而言之，已經(jīng)有人提出了可以用熱聲發(fā)動機(jī)來驅(qū)動活塞作用的交流發(fā)電機(jī)用于發(fā)電的手段。然而，這種原理還需要進(jìn)一步的優(yōu)化，實用的改進(jìn)，以及結(jié)構(gòu)上的簡化。對于利用PC驅(qū)動的駐波為手段來發(fā)電的實用系統(tǒng)的開發(fā)到目前為止還沒有多大進(jìn)展。與傳統(tǒng)的技術(shù)諸如汽輪發(fā)電機(jī)相比，PC發(fā)電機(jī)可以提供非常簡單的從燃料到電能的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的是提供一種脈沖燃燒(PC)驅(qū)動的聲波共鳴器，用它的振蕩運(yùn)動來驅(qū)動一交流發(fā)電機(jī)。
本發(fā)明的下一目的是采用諧振強(qiáng)聲合成(RMS)共鳴器作為一個PC腔，以便用一給定的燃料消耗率產(chǎn)生最大的聲波反應(yīng)力，從而改善從燃料到電能的轉(zhuǎn)換效率。
本發(fā)明的再一目的是通過設(shè)置調(diào)諧的電感和預(yù)熱以及預(yù)先混合的燃燒反應(yīng)物來提高PC的功率密度。
本發(fā)明的另一目的是提供一種比較廉價的技術(shù)，用來將天然氣一類的燃料轉(zhuǎn)換成電能。
本發(fā)明其它的目的是為熱聲發(fā)電機(jī)提供必要的優(yōu)化和實用性改進(jìn)。
根據(jù)以下參照附圖的說明可以了解到本發(fā)明的上述和其它目的，特征和優(yōu)點，所有附圖中相同的標(biāo)號都代表相同的部件。


圖1是按照本發(fā)明的一種脈沖燃燒式發(fā)電機(jī)的截面圖；圖2的曲線代表對應(yīng)著圖1的共鳴器2在基本模式下的峰值壓力分布圖；圖3的曲線代表一種壓力-時間波形，利用本發(fā)明的優(yōu)點就可以用RMS共鳴器來提供這種波形；
圖4是按照本發(fā)明的一種脈沖燃燒式發(fā)電機(jī)的截面圖，共鳴器的幾何形狀可以增大共鳴器上的聲波驅(qū)動的動態(tài)力；圖5的曲線代表對應(yīng)著圖4的共鳴器32在基本模式下的峰值壓力分布圖；圖6是按照本發(fā)明的一種脈沖燃燒式發(fā)電機(jī)的截面圖，它具有調(diào)諧的感應(yīng)壓縮機(jī)和反應(yīng)物的預(yù)先燃燒混合；圖7的曲線代表與圖6的感應(yīng)壓縮機(jī)有關(guān)的靜態(tài)和動態(tài)壓力圖；圖8是按照本發(fā)明的一種熱聲驅(qū)動的發(fā)電機(jī)的截面圖。
(共鳴器)燃燒室在聲波驅(qū)動下的結(jié)構(gòu)振蕩往往是PC在工作中不希望的副產(chǎn)品。主要的研究方向是盡量減少這種不良影響。與此相反，本發(fā)明試圖以這種振蕩為手段，通過用駐波的靜態(tài)壓力往復(fù)驅(qū)動整個共鳴器來發(fā)電。
在圖1表示的本發(fā)明的一個實施例中有一個RMS共鳴器2，用周圍的彈簧3和5將其彈性地安裝在定子上，從而使其沿著其圓筒軸線z不受限制，并且可自由發(fā)生振動。共鳴器2具有一個剛性的端壁26，一個環(huán)形的排氣口24，環(huán)形的排氣箱25，任選的節(jié)流閥14，火花塞22，以及一個閥門頭4。閥門頭4包括一個燃料氧化劑箱6，一個燃料入口8，一個氧化劑入口10，以及反應(yīng)劑入口閥門12。
連接到共鳴器2上的交流發(fā)電機(jī)16包括剛性連接到共鳴器2上的電樞18和彈性連接在電樞18上的定子20。在圖中用彈簧28和減振器30示意性地表示了這種彈性連接。此處所說的定子并不是說定子20是靜止的。與此相反，定子20可以不受限制并且可自由振動，或者是可以交變地受到剛性的限制?？梢杂脧椈蓪㈦姌?8安裝在共鳴器2上，以便進(jìn)一步控制定子20，電樞18和共鳴器2的相對振動量。
起動脈沖燃燒器的方法有許多種，火花塞22就可以完成這種工作。在工作中用火花塞22產(chǎn)生的火花來起動共鳴器2內(nèi)部的燃料氧化劑混合物。用這種初始燃燒來起動由共鳴器2內(nèi)部產(chǎn)生的振蕩壓力所驅(qū)動的公知的自身維持PC循環(huán)。一旦起動，火花塞就不起作用了，而PC系統(tǒng)將會按照其特性的諧振頻率工作。
諸如圖1所示的點火定時控制電路7和旋轉(zhuǎn)閥等等廣泛公知的其它方法也可以用來改變諧振頻率?？勺冋{(diào)諧的共鳴器分支也可以用來改變諧振頻率。例如，一可變調(diào)諧的分支可以包括一個窄小的圓筒形管子，其一端敞開進(jìn)入燃燒共鳴器，而另一端固定在一個調(diào)諧活塞上。在管子內(nèi)部滑動調(diào)諧活塞就可以改變?nèi)紵业闹C振頻率。
燃燒的產(chǎn)物通過環(huán)形口24從共鳴器2中排出，環(huán)形口必須具有足夠的流動面積來滿足設(shè)計的排氣流速。圖2表示在基本模式下沿著共鳴器2長度方向上的峰值壓力分布圖，圖中的z是它的軸向?qū)ΨQ軸，為此，窄端的z＝O，而寬端的z＝L。盡管口24可以設(shè)置在共鳴器2壁內(nèi)的任何部位，在圖2中還是表示了與基礎(chǔ)壓力節(jié)點相對應(yīng)的最佳位置，這樣就能減少通過口24輸送的動態(tài)壓力。如果動態(tài)壓力是通過口24傳送的，就不能將其按照以下方式轉(zhuǎn)換成有用的力。一般來說，排氣口的位置應(yīng)該選擇在使共鳴器的內(nèi)部動態(tài)壓力最大的位置。口24可裝有任選的節(jié)流閥14，或者是裝備有諸如簧片閥或是片狀閥那樣的壓縮機(jī)式排放閥，它可以響應(yīng)電樞閥門兩側(cè)的壓力差而打開。
在產(chǎn)生駐波時，其振蕩壓力對共鳴器2的內(nèi)壁形成動態(tài)的力，使其沿著z方向象一個剛性體那樣按照聲音的頻率振動。將電樞18連接到共鳴器2上使其和共鳴器一同振動。由此產(chǎn)生的電樞18與定子20的相對運(yùn)動就可以按照發(fā)電機(jī)原理所確定的方式產(chǎn)生電功率。在本實施例中，定子20并不是靜止的，而是可以相對于電樞18的運(yùn)動在某些相位角上自由移動。交流發(fā)電機(jī)16可以是一個音圈交流發(fā)電機(jī)，或是在美國專利US5174130中所示的可變磁阻交流發(fā)電機(jī)，或是在美國專利US5389844中所示的交流發(fā)電機(jī)，或是任何其它各種各樣的線性交流發(fā)電機(jī)，上述文獻(xiàn)的全文可供本文參考。也可以采用其它的設(shè)計方案，但是沒有字面意義上的電樞和定子，包括壓電和磁至伸縮的交流發(fā)電機(jī)。交流發(fā)電機(jī)的選擇將反映了具體的設(shè)計要求，這其中包括工作頻率，共鳴器的振動位移量，以及機(jī)械功率和電功率之間的轉(zhuǎn)換效率。
彈性安裝的特征是用電樞18和定子20之間的彈簧28和減振器30示意性地表示的，它會影響到系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。通過對系統(tǒng)的動態(tài)模擬并且考慮到整體的運(yùn)動質(zhì)量和系統(tǒng)中的彈簧和減振器，就可以找到最佳的功率因數(shù)。具體的分析模型可以反映出系統(tǒng)中所采用的交流發(fā)電機(jī)類型。
在圖2所示的疊加上動態(tài)壓力的情況下，口24，排氣箱25和選定的節(jié)流閥14對排出氣流的阻力會影響到平均壓力P0。影響平均壓力P0的其它因素還包括入口氣流阻力，流體性質(zhì)，以及共鳴器的幾何形狀。節(jié)流閥14可以被用來調(diào)節(jié)出口流量阻力，從而改變平均壓力P0。增大出口流量阻力就會使P0增加，而減少出口流量阻力則會降低P0。在給定功率輸入的情況下，增加P0往往會增大峰-峰動態(tài)壓力，從而增大共鳴器上的動態(tài)力，進(jìn)而增加電功率的輸出。因此，為了使燃料-電能的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大，只要是負(fù)峰值壓力-p不至于因為超過反應(yīng)劑供應(yīng)壓力而造成新鮮反應(yīng)劑供應(yīng)的中斷，平均壓力就應(yīng)該盡可能地高。如果配合口24來使用排氣閥，閥門系統(tǒng)的流量面積和閥門的彈性負(fù)荷就會影響到P0?；蛘呤菍嚎s機(jī)式的動態(tài)排氣閥設(shè)置在z＝0的位置，此處的排氣壓力比較高，致使排氣的體積流率降低。
本發(fā)明的最佳實施例采用了圖1和2所示的共鳴器的第一種縱向結(jié)構(gòu)，以期獲得最大的反應(yīng)力和最高的燃料-電能轉(zhuǎn)換效率?；蛘呤怯弥T如波紋管的一種柔性密封方式將剛性的壁26彈性附加在共鳴器2上，讓壁26的振動與共鳴器2無關(guān)。共鳴器2可以受到剛性的限制，同時允許壁26沿著z軸按照動態(tài)壓力發(fā)生振動，從而驅(qū)動交流發(fā)電機(jī)16的電樞18。另外，在本發(fā)明的范圍內(nèi)也可以使用Helmholtz式的共鳴器，同樣將交流發(fā)電機(jī)連接到圖1和4所示的共鳴器上。
共鳴器的設(shè)計在本發(fā)明的優(yōu)選方案中占有重要的地位。具體的共鳴器結(jié)構(gòu)選擇決定了在給定的聲波功率輸入下可以獲得的動態(tài)壓力值，因而在確定本發(fā)明的燃料-電能轉(zhuǎn)換效率時具有重要的意義。在美國專利US5515684和5319938及其分案和后續(xù)的申請中提出了利用特定的波形獲得無沖擊波的超高動態(tài)壓力的RMS共鳴器，這些文獻(xiàn)的全文可供本文參考。
除了能提供超高的動態(tài)壓力之外，RMS共鳴器還可以通過波形合成獲得其它的優(yōu)點。例如在圖3表示的RMS共鳴器的波形中，|-p|＞|+p|，其中的|-p|≡p0+(-p)，并且|+p|≡(+p)-p0。這種波形可以使脈沖燃燒器在比較高的平均壓力p0下運(yùn)行，并且仍保持負(fù)峰值壓力-p低于反應(yīng)劑供應(yīng)壓力，使得反應(yīng)劑不會停止流動。如上所述，采用較高的p0值可以改善燃料-電能轉(zhuǎn)換效率。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，RMS共鳴器顯然可以為本發(fā)明提供許多優(yōu)點，所有這些優(yōu)點都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
增大p0的另一個方面是進(jìn)氣閥12在圖1中的位置。在共鳴器2的小直徑端處具有最大的動態(tài)壓力，因而在給定的p0值下具有最低的負(fù)峰值壓力-p。因此，這一閥門位置允許pc按照能夠獲得上述所有優(yōu)點的最高p0值工作。作為優(yōu)選，可以將閥門安置在共鳴器內(nèi)壁上具有基本動態(tài)壓力的任何其它位置上。
圖4表示本發(fā)明中采用RMS共鳴器32的一個實施例，它在縱向方向上的對稱性增大了通過基本模式的壓力分布在共鳴器上產(chǎn)生的聲波力。共鳴器32的曲率是由D(z)＝Dth+k(sin(πz/L))確定的，其中的D是直徑，Dth是喉部或是起動直徑，z是共鳴器32的軸對稱軸線，k是一個加權(quán)系數(shù)，L是共鳴器的軸向總長度。共鳴器32的曲率也可以是用其它函數(shù)來表示的，包括雙曲線，拋物線或是橢圓形，所有這些函數(shù)將提供不同的力學(xué)特征。
用彈簧35和37將共鳴器32彈性安裝到周圍的固定物上，故其不會受到限制并可自由地沿著其圓筒軸線z方向上振動。在共鳴器32的每一端安裝上相同的閥頭34，在每次聲波循環(huán)中發(fā)生兩次燃燒，從而提高pc發(fā)電機(jī)的功率密度。或者是在降低功率密度的情況下讓圖4的脈沖燃燒器僅僅用一個閥頭運(yùn)行。共鳴器32具有一環(huán)形的排氣口39和環(huán)形的排氣箱38，其作用與圖1中的環(huán)形排氣口24和環(huán)形排氣箱25相同。在圖中示意性地表示了一個發(fā)電機(jī)40，它可以按照圖1所示的方式將共鳴器32在z軸方向上的振動轉(zhuǎn)換成電功率。
圖5表示沿著共鳴器32長度方向上基本模式之峰值壓力分布圖，其中的z是其軸向?qū)ΨQ的軸線，而+p是正峰值壓力，-p是負(fù)峰值壓力。在基本模式下，內(nèi)表面區(qū)域上局部的z分量都應(yīng)如此指向，即所有局部的壓力與面積之乘積任何時刻在共鳴器壁上產(chǎn)生與z軸相同方向的力。只要是dr/dz的數(shù)學(xué)符號在峰值壓力分布圖的數(shù)學(xué)符號改變時也改變，就能始終保持這種狀態(tài)。對于共鳴器32來說，這種狀態(tài)發(fā)生在z＝L/2處，L是共鳴器的長度。除了z＝L/2之外還有一個連續(xù)的z值，dr/dz和峰值壓力分布圖的數(shù)學(xué)符號在該值上可以同時改變。
共鳴器32的相對尺寸是可以調(diào)節(jié)的，以便通過改變最大-最小直徑比而進(jìn)一步增大聲波產(chǎn)生的力。對于共鳴器32來說，最大直徑出現(xiàn)在z＝L/2處，而最小直徑處在z＝O和z＝L處，其中的直徑＝Dth。例如，如果共鳴器32的直徑比max/min從1.7開始增大到7倍，力就可以增大到40倍。在此處假設(shè)用Dth測量的峰-峰動態(tài)壓力在兩種情況下都保持不變。
在某些情況下，空氣或是給定的氧化劑，在反應(yīng)劑點火之前必須被加壓送入共鳴器中。本發(fā)明同樣也可以采用這種起動方法工作。
本發(fā)明的另一種起動方式是使用交流發(fā)電機(jī)作為起動電機(jī)使pc發(fā)電機(jī)暫時當(dāng)作一個聲波壓縮機(jī)來工作。在起動狀態(tài)下為電機(jī)提供一個交流電壓，用電機(jī)往復(fù)驅(qū)動共鳴器使其達(dá)到基本的諧振狀態(tài)。閥門響應(yīng)這種機(jī)械驅(qū)動的動態(tài)壓力并且將反應(yīng)劑吸入燃燒室，在此時就能用火花起動pc循環(huán)。為了避免從電機(jī)突然地切換到交流發(fā)電機(jī)的方式，可以剛好在發(fā)射點燃火花之前關(guān)閉電機(jī)。一旦起動了pc循環(huán)，電機(jī)就可以切換回交流發(fā)電機(jī)狀態(tài)，并且按照上述方式提供電能。
如上所述，大的p0值可以增加pc發(fā)電機(jī)的效率和功率密度。圖6表示了本發(fā)明的另一個實施例，它利用感應(yīng)沖壓的諧振感應(yīng)壓縮機(jī)提供了更高的p0值。圖6的實施例中還提供了反應(yīng)劑預(yù)加熱和充分的預(yù)先混合。這些特征由于反應(yīng)劑的完全燃燒和高頻工作的快速燃燒速度而促進(jìn)了高效率。
在圖6中，共鳴器42內(nèi)部的幾何形狀類似于圖4的共鳴器32的形式和功能。用彈簧53，55，57和59將共鳴器42彈性安裝到周圍的靜止固定物上，使其不會受到限制和可沿著其圓筒軸線z方向上自由振動。共鳴器42具有火花塞43，環(huán)形的排氣口44和環(huán)形的排氣箱46，其作用與圖4中的環(huán)形排氣口39和環(huán)形排氣箱38相同。在共鳴器42的各端安裝了由諧振箱50構(gòu)成的相同的聲波感應(yīng)壓縮機(jī)48，一級閥門52和二級閥門54。該箱50被設(shè)置的具有和共鳴器42接近相同的共振頻率。在燃料入口58和氧化劑入口60設(shè)有相同的熱交換器罩56。罩子56不需要剛性地附加在共鳴器42上，但是必須與共鳴器42形成密封以免反應(yīng)劑泄漏。如果罩子56是彈性安裝的，它們就不會與共鳴器42共同振動，這樣就能同時實現(xiàn)絕熱和抑制噪聲。另外，在每個罩子中可以為燃料和氧化劑提供單一的入口而不是圖示的兩個分開的入口。
許多交流發(fā)電機(jī)的基本剖面圖可以是圍住共鳴器42的環(huán)形結(jié)構(gòu)。例如，圖6表示了一種成環(huán)形圍繞在共鳴器42周圍的可變磁阻交流發(fā)電機(jī)45。交流發(fā)電機(jī)45具有剛性連接到共鳴器42的法蘭62上的環(huán)形電樞47，通過環(huán)形彈簧51和環(huán)形連接環(huán)61彈性連接到電樞47上的環(huán)形定子49，裝在環(huán)形定子49內(nèi)部的驅(qū)動線圈65，以及驅(qū)動線圈引線67。與圖1中交流發(fā)電機(jī)16響應(yīng)共鳴器2的z軸向振動的方式一樣，交流發(fā)電機(jī)45動態(tài)地響應(yīng)共鳴器42在z軸上的振動。
圖7表示壓縮工作的各個階段中動態(tài)和靜態(tài)壓力的關(guān)系。在工作中，脈沖燃燒驅(qū)動的駐波是由火花塞43產(chǎn)生的。反應(yīng)劑流經(jīng)入口58和60時的入口壓力是Pinlet-1(P入口-1)，通過罩子56的反應(yīng)劑從共鳴器42的壁上帶走熱量，并且在一定程度上混流。整個發(fā)電機(jī)組的振動會激起諧振箱50的基本共鳴。由此在諧振箱50內(nèi)部產(chǎn)生的動態(tài)壓力會將加熱的反應(yīng)劑通過閥門52從罩子56吸入諧振箱50對反應(yīng)劑加壓，達(dá)到平均的箱內(nèi)壓力P0-plenum(P0-箱)。反應(yīng)劑在諧振箱50內(nèi)部由于最初的擾動閥門氣流和隨后的循環(huán)聲波質(zhì)點遷移而受到進(jìn)一步的混合。
諧振箱50內(nèi)部的動態(tài)壓力會再次將反應(yīng)劑從平均箱內(nèi)壓力P0-plenum壓縮到諧振箱排放壓力Pinlet-2(P入口-2)，在此時通過2級閥門54從諧振箱50中將反應(yīng)劑排入共鳴器42內(nèi)。諧振箱50的峰值聲波壓力和共鳴器42的最小聲波壓力的重疊可迫使第二級閥門54在每個循環(huán)中打開，以將加熱和混合的反應(yīng)劑排放到共鳴器42中燃燒。通過閥門54的反應(yīng)劑得到進(jìn)一步的混合。如圖7所示，這一過程的結(jié)果是由于感應(yīng)壓縮機(jī)48形成的升壓作用而提高了平均的共鳴器壓力P0-res(P0-合)。
在必要時還可以級連其他的感應(yīng)壓縮機(jī)以期獲得更高的P0-res值。罩子56本身還可以提供聲波的共鳴，并且能夠提供額外增強(qiáng)的動態(tài)壓力增值。
考慮到共鳴器箱50必須具備聲學(xué)構(gòu)造，如圖7所示，諧振箱的駐波和共鳴器的駐波之間的相位在壓縮過程中是必要的。諧振箱的共鳴是由兩個(能)源驅(qū)動的打開二級閥門54和整個諧振箱的振動運(yùn)動。在設(shè)計諧振箱幾何形狀時必須考慮到這兩個驅(qū)動源的位置重疊。如果諧振箱諧振頻率等于共鳴器的諧振頻率，諧振箱的結(jié)構(gòu)就必須保證閥門是比較弱的(能)源。
熟悉調(diào)諧壓縮機(jī)或是發(fā)動機(jī)箱和脈沖燃燒器技術(shù)領(lǐng)域的人員完全有能力對圖6的實施例提出許多改進(jìn)。例如，可以將諧振箱調(diào)諧到共鳴器的二次諧波頻率，在這種情況下可以用二級閥門作為單一的驅(qū)動源，并且能夠為感應(yīng)沖壓提供準(zhǔn)確的相位。另外可以利用一級和二級閥門面積的比例來增大P0-plenum以致P0-res值。進(jìn)而，如果由于安全原因不能在罩子56內(nèi)預(yù)先混合反應(yīng)劑，也可以使用單獨的氧化劑和燃料罩來保持反應(yīng)劑在到達(dá)感應(yīng)壓縮機(jī)之前是分離的。同樣也可以環(huán)形卷繞在共鳴器42外圍的形式設(shè)置單獨的燃料和氧化劑管線，使其與共鳴器發(fā)熱的壁保持熱接觸。
如果氣體燃料供應(yīng)的壓力足夠高，感應(yīng)壓縮機(jī)48就能被用來僅僅壓縮氧化劑，而燃料可以通過共鳴器42內(nèi)部的普通氣體分配器來提供。
作為另一種形式的pc，本發(fā)明的聲學(xué)駐波也可以用熱聲技術(shù)來驅(qū)動。如上所述，目前采用的熱聲驅(qū)動發(fā)電機(jī)需要在聲音共鳴器的開口端連接一個活塞，并且用振動的活塞驅(qū)動一個線性交流發(fā)電機(jī)。這種活塞需要諸如隔膜或是真空膜盒一類的氣密措施，從而會帶來可靠性的問題。這種系統(tǒng)產(chǎn)生的動態(tài)壓力會受到聲波壓力值以及活塞表面面積的限制。
本發(fā)明利用了共鳴器的整個內(nèi)表面面積，因而不會受到活塞表面面積的限制，這樣就能產(chǎn)生很大的動態(tài)壓力。這樣采用RMS共鳴器可以通過提供極高的動態(tài)壓力進(jìn)一步增大所需的動態(tài)壓力。
圖8表示按照本發(fā)明的一種熱聲驅(qū)動的實施例。對熱聲發(fā)動機(jī)基本原理的解釋可以參見G.W.Swift，“Thermoacoustic Engines，”J.Acoust.Soc.Am.84，1169(1988)。在圖8中，具有熱平板疊層64的剛性外壁共鳴器63是按照熱聲發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟悉的原動機(jī)模式工作的。用彈簧72和74將共鳴器63彈性安裝到周圍的靜止固定物上，使其不會受限制并可沿著其圓筒軸線z方向自由振動。在熱交換器66上提供熱量，并且從熱交換器68提取熱量，從而沿著平板疊層提供一個足以驅(qū)動聲學(xué)駐波的溫度梯度。駐波一旦形成，其振蕩壓力就會將動態(tài)的力施加在共鳴器63的壁上，使其響應(yīng)這種動態(tài)的力按照聲音的頻率沿著z軸產(chǎn)生一剛體振動。和原先一樣，在圖中示意性地表示了一個發(fā)電機(jī)70，用來將共鳴器32在z軸上的振動轉(zhuǎn)換成電功率。
熱聲發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的技術(shù)人員完全有能力對圖8的實施例提出許多改進(jìn)。例如，可以選擇使用兩個平板疊層。另外，RMS共鳴器也可以配合使用平板疊層來獲得更高的壓力值，從而獲得理想的波形和前述的所有優(yōu)點。另外，圖8的實施例中使用的熱源可以包括來自上述pc發(fā)電機(jī)的廢棄熱量，來自其他工序的廢棄熱量，燃料的直接燃燒，以及太陽能等等。
盡管上述的說明中包含了許多特定內(nèi)容，但是這并不構(gòu)成對本發(fā)明范圍的限制，而僅僅是為了解釋最佳的實施例。因此，本發(fā)明的范圍不會受到具體的脈沖燃燒器結(jié)構(gòu)或是熱聲學(xué)設(shè)計方案的限制。
本發(fā)明可以用來發(fā)電。如果將本發(fā)明實施例的pc頻率鎖定在當(dāng)?shù)仉娫吹碾娋W(wǎng)頻率上，就可以實現(xiàn)諸如點火定時，起動閥門如旋轉(zhuǎn)閥門的定時，以及可變地調(diào)諧共鳴器的分支。按照這種方式就可以將發(fā)出的電能提供給當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)。交流發(fā)電機(jī)的AC輸出可以被轉(zhuǎn)換成其他頻率或是DC。PC發(fā)電機(jī)可以被用做混合電動車輛的車載電源，包括那些目前使用氣體渦輪機(jī)的用機(jī)械飛輪儲存能量的車輛。本發(fā)明可以按照功率輸出的要求制成各種尺寸。
這種PC技術(shù)為脈沖燃燒器的設(shè)計和發(fā)展提供了多種途徑，這其中包括使用氣態(tài)或是液態(tài)的燃料，燃料分配器頭，各種閥門的應(yīng)用，用閥門和不用閥門的燃燒器，多級燃燒器，燃料-氧化劑的混合，帶擋板的閥門結(jié)構(gòu)，Tesla閥門，以及旋轉(zhuǎn)閥門。在以下的出版物中可以看到許多此類的內(nèi)容A.A.Putnam，F(xiàn).E.Belles，and J.A.C.Kentfield，“PulseCombustion，”Prog.Energy Combust.Sci.12，43(1986)，J.C.Griffiths，E.J.Weber，“The Design of Pulse CombustionBurners，”Research Bulletin 107，American Gas AssociationLaboratories(1969)，P.S.Vishwanath，“Advanceement ofDevelopmental Technology for Pulse Combustion Applications，”Gas Research Institute Report No.GRI-85/0280(1985)，所有這些內(nèi)容都可供本文參考。本發(fā)明所采用的PC設(shè)計中目前所具備的信息對本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該是公知的。
因此，本發(fā)明的范圍不應(yīng)該由實施例來確定，而是被附帶的權(quán)利要求書及其等效物所限定。
權(quán)利要求
1.一種能量轉(zhuǎn)換裝置包括a)一個聲波共鳴器，b)脈沖燃燒裝置，用來在上述共鳴器內(nèi)部產(chǎn)生一駐波，c)一個交流發(fā)電機(jī)，d)把上述交流發(fā)電機(jī)連接到上述共鳴器，以將聲波驅(qū)動的機(jī)械振動轉(zhuǎn)換成電功率。
2.按照權(quán)利要求1的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征是上述脈沖燃燒裝置包括至少一個將反應(yīng)劑饋送給上述共鳴器的入口，以及一個用來從上述共鳴器中排出氣體的出口。
3.按照權(quán)利要求2的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征是上述脈沖燃燒裝置進(jìn)一步包括一用于上述燃料點火的裝置。
4.按照權(quán)利要求3的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征是上述用于點火的裝置包括一個用來向上述共鳴器內(nèi)部的區(qū)域提供火花的點火裝置，在上述區(qū)域中包含上述燃料。
5.按照權(quán)利要求1的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征是進(jìn)一步包括一個連接到上述共鳴器上的活塞，用上述駐波的動態(tài)壓力產(chǎn)生的機(jī)械運(yùn)動來驅(qū)動上述活塞，上述活塞被連接到上述交流發(fā)電機(jī)上。
6.按照權(quán)利要求1的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征是上述交流發(fā)電機(jī)附加在上述共鳴器上，并且上述共鳴器的運(yùn)動會造成上述交流發(fā)電機(jī)的至少一部分運(yùn)動。
7.按照權(quán)利要求6的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征是上述交流發(fā)電機(jī)包括一個電樞和一個定子，其中，上述至少一部分包括所述電樞，其被安裝得相對于定子可做相對運(yùn)動。
8.按照權(quán)利要求7的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征是上述電樞剛性連接到上述共鳴器上，并且將上述電樞彈性連接到上述定子上。
9.按照權(quán)利要求8的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征是上述共鳴器具有一個圓筒的軸線，并且上述共鳴器被支撐得便于沿著上述共鳴器的圓筒軸線運(yùn)動。
10.按照權(quán)利要求7的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征是上述電樞被彈性連接到上述共鳴器上，并且上述電樞被彈性連接到上述定子上。
11.按照權(quán)利要求1的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征是上述共鳴器具有一圓筒的軸線，并且上述共鳴器被支撐得便于沿著上述共鳴器的圓筒軸線運(yùn)動，從而使整個上述共鳴器響應(yīng)于由上述脈沖燃燒裝置產(chǎn)生的駐波而振蕩。
12.一種能量轉(zhuǎn)換裝置包括a)一個聲波共鳴器，b)在上述共鳴器內(nèi)部產(chǎn)生駐波的裝置，上述駐波產(chǎn)生裝置包括用于在上述共鳴器內(nèi)導(dǎo)入反應(yīng)劑并且點火的裝置，從而產(chǎn)生脈沖燃燒，c)上述共鳴器具有一圓筒的軸線，并被安裝得便于沿著上述圓筒軸線作振動運(yùn)動，其中，上述脈沖燃燒產(chǎn)生的駐波可驅(qū)動上述共鳴器的振動運(yùn)動，d)一個裝有一個電樞和一個定子的交流發(fā)電機(jī)，上述電樞和定子被安裝得可相對地運(yùn)動，以及e)上述電樞被附加在上述共鳴器上，以將上述共鳴器之由聲波驅(qū)動的機(jī)械振動轉(zhuǎn)換成上述電樞的運(yùn)動，隨之轉(zhuǎn)換成電功率。
13.一種能量轉(zhuǎn)換裝置包括a)一個聲波共鳴器，b)在上述共鳴器內(nèi)部產(chǎn)生駐波的熱聲裝置，c)一個交流發(fā)電機(jī)，d)上述交流發(fā)電機(jī)被附加在上述共鳴器上，以將上述共鳴器之由聲波驅(qū)動的機(jī)械振動轉(zhuǎn)換成電功率，以及e)上述共鳴器具有一個圓筒的軸線，上述共鳴器被支承得便于沿著上述共鳴器的圓筒軸線運(yùn)動，因而，上述整個共鳴器響應(yīng)于上述熱聲裝置產(chǎn)生的駐波而振蕩。
14.按照權(quán)利要求13的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征是上述交流發(fā)電機(jī)裝有一個電樞和一個定子，上述電樞被安裝得可相對于上述定子作相對運(yùn)動。
15.按照權(quán)利要求14的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征是上述電樞被剛性連接到上述共鳴器上，并且上述電樞被彈性連接到上述定子上。
16.按照權(quán)利要求15的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征是上述共鳴器具有一縱向?qū)ΨQ的軸線，并且上述共鳴器被支撐得便于沿著上述共鳴器的縱向?qū)ΨQ軸線運(yùn)動。
17.按照權(quán)利要求14的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征是上述電樞被彈性地連接到上述共鳴器上，并且將上述電樞被彈性連接到上述定子上。
18.按照權(quán)利要求13的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征是上述共鳴器具有一縱向?qū)ΨQ的軸線，并且上述共鳴器被支撐得便于沿著上述共鳴器的縱向?qū)ΨQ軸線運(yùn)動，從而使上述整個共鳴器響應(yīng)于上述熱聲裝置產(chǎn)生的駐波而振蕩。
19.一種能量轉(zhuǎn)換裝置包括a)一個聲波共鳴器，b)在上述共鳴器內(nèi)部產(chǎn)生駐波的熱聲裝置，c)上述共鳴器具有一個圓筒的軸線，并被安置得沿著上述圓筒軸線做振動運(yùn)動，其中，上述駐波可驅(qū)動上述共鳴器的振動運(yùn)動，d)具有一個電樞和一個定子的交流發(fā)電機(jī)，上述電樞和定子被安裝得可做相對運(yùn)動，以及e)上述電樞被附加在上述共鳴器上，以將上述共鳴器之由聲波驅(qū)動的機(jī)械振動轉(zhuǎn)換成上述電樞的運(yùn)動，并且隨之轉(zhuǎn)換成電功率。
20.一種能量轉(zhuǎn)換裝置包括a)一個聲波共鳴器，b)在(1)脈沖燃燒裝置和(2)熱聲裝置當(dāng)中的一個，用于在上述共鳴器內(nèi)部產(chǎn)生駐波，c)一個交流發(fā)電機(jī)，d)上述交流發(fā)電機(jī)被連接到上述共鳴器上，以將聲波驅(qū)動的機(jī)械振動轉(zhuǎn)換成電功率，e)上述共鳴器具有一個含有液體的腔，用諧振方式驅(qū)動上述的腔，并且所述腔具有一個用來提供諧波相位和幅值的裝置，它包括上述腔的至少一個內(nèi)壁結(jié)構(gòu)，用來合成一非正弦波形和無激波的波形。
21.一種能量轉(zhuǎn)換裝置包括a)一個聲波共鳴器具有一個被限定為z軸的圓筒軸線，和一半徑r其被限定為從上述共鳴器的內(nèi)表面到上述z軸的垂直距離，b)在(1)脈沖燃燒裝置和(2)熱聲裝置當(dāng)中的一個，用于在上述共鳴器內(nèi)部產(chǎn)生駐波，c)一個交流發(fā)電機(jī)，d)上述交流發(fā)電機(jī)被連接到上述共鳴器上，以將聲波驅(qū)動的機(jī)械振動轉(zhuǎn)換成電功率，e)上述共鳴器具有的內(nèi)部形狀使得沿著上述z軸的峰值壓力分布圖中靠近壓力波節(jié)點處的dr/dz等于零。
22.按照權(quán)利要求2的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征是進(jìn)一步包括一與上述聲波共鳴器形成熱接觸的導(dǎo)管，上述反應(yīng)劑的至少一部分通過上述導(dǎo)管，用于在上述至少一部分(反應(yīng)劑)被送入上述聲波共鳴器之前對其進(jìn)行預(yù)熱。
23.按照權(quán)利要求2的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征是進(jìn)一步包括一裝在上述聲波共鳴器上的諧振箱，用來將上述反應(yīng)劑的至少一部分被送入上述聲波共鳴器之前對其預(yù)先加壓。
24.按照權(quán)利要求22的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征是進(jìn)一步包括一裝在上述聲波共鳴器上的諧振箱，用來在上述反應(yīng)劑的至少一部分被送入上述聲波共鳴器之前對其預(yù)先加壓。
25.按照權(quán)利要求22的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征是上述共鳴器具有一個圓筒的軸線，并且所述共鳴器被支撐得便于沿著上述共鳴器的圓筒軸線運(yùn)動，從而上述整個共鳴器響應(yīng)于上述脈沖燃燒裝置產(chǎn)生的駐波而振蕩。
26.按照權(quán)利要求23的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征是上述共鳴器具有一個圓筒的軸線，并且所述共鳴器被支撐得便于沿著上述共鳴器的圓筒軸線運(yùn)動，從而上述整個共鳴器響應(yīng)于上述脈沖燃燒裝置產(chǎn)生的駐波而振蕩。
27.按照權(quán)利要求26的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征是上述諧振箱的結(jié)構(gòu)被設(shè)置得與上述聲波共鳴器具有大體上相同的諧振頻率。
28.按照權(quán)利要求2的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征是上述排出的氣體被連通到一個能量轉(zhuǎn)換裝置。
29.按照權(quán)利要求2的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征是上述排出的氣體被隔熱地連通到一個熱聲能量轉(zhuǎn)換裝置，上述熱聲能量轉(zhuǎn)換裝置包括a)一個聲波共鳴器，b)用來在上述共鳴器內(nèi)部產(chǎn)生駐波的熱聲裝置，上述熱聲裝置還包括一隔熱耦合的熱交換器，用來接收來自上述排出氣體的熱量，c)一個交流發(fā)電機(jī)，并且d)上述交流發(fā)電機(jī)被連接到上述共鳴器，以將上述共鳴器之由聲波驅(qū)動的機(jī)械振動轉(zhuǎn)換成電功率。
30.按照權(quán)利要求2的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征是進(jìn)一步包括a)一個裝在上述共鳴器上的諧振箱，b)上述至少一個連通在上述諧振箱和上述共鳴器之間的入口，c)一個諧振箱入口用于將上述反應(yīng)劑的至少一部分送入上述諧振箱，d)上述諧振箱內(nèi)具有一駐波，使得上述反應(yīng)劑的至少一部分在進(jìn)入上述共鳴器之前受到聲波的壓縮。
31.按照權(quán)利要求2的能量轉(zhuǎn)換裝置，其特征是進(jìn)一步包括a)一個與上述聲波共鳴器形成熱接觸的導(dǎo)管，上述反應(yīng)劑的第一和第二部分中至少之一通過上述導(dǎo)管，在上述第一和第二部分中的至少之一被送入上述聲波共鳴器之前對其進(jìn)行預(yù)熱，b)一個裝在上述共鳴器上的諧振箱，c)上述至少一個入口連通在上述諧振箱和上述共鳴器之間，d)一個諧振箱入口用于將上述第一和第二部分中的至少之一送入上述諧振箱，e)在上述諧振箱內(nèi)具有一駐波，使得被送入上述諧振箱的上述第一和第二部分中的至少之一在進(jìn)入上述共鳴器之前受到聲波的壓縮。
全文摘要
一種能量轉(zhuǎn)換裝置包括一個共鳴器(2),在上述共鳴器內(nèi)部產(chǎn)生駐波的脈沖點火裝置,以及一個交流發(fā)電機(jī)(16)。交流發(fā)電機(jī)(16)被連接到共鳴器(2)上,將聲波驅(qū)動的機(jī)械振動轉(zhuǎn)換成電能。
文檔編號F23C15/00GK1250556SQ98803369
公開日2000年4月12日 申請日期1998年1月15日 優(yōu)先權(quán)日1997年1月15日
發(fā)明者T·S·盧卡斯 申請人:馬克羅松尼克公司