通過羅茨式風(fēng)機和膨脹機相位匹配的連通管道的噪聲消除的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種容積式組件，包括：羅茨式增壓器裝置；羅茨式膨脹機裝置；從增壓器流體入口延伸出的第一導(dǎo)管，第一導(dǎo)管提供流體到羅茨式增壓器裝置；和從膨脹機流體出口延伸出的第二導(dǎo)管，第二導(dǎo)管引導(dǎo)流體離開羅茨式膨脹機裝置，其中第一導(dǎo)管布置成鄰近所述第二導(dǎo)管，和其中第一導(dǎo)管限定出第一開孔和第二導(dǎo)管限定出第二開孔，所述第一和第二開孔大致對準(zhǔn)；和在第一和第二導(dǎo)管之間布置在所述第一和第二開孔中的柔性膜，所述柔性膜將第二導(dǎo)管與第一導(dǎo)管密封隔開，和當(dāng)流體在第一和第二導(dǎo)管中流動時柔性膜撓曲以抵消與流體流動有關(guān)的噪聲。
【專利說明】通過羅茨式風(fēng)機和膨脹機相位匹配的連通管道的噪聲消除
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求2013年3月15日提交的美國專利申請?zhí)?1/793，499的優(yōu)先權(quán)，其公開內(nèi)容通過引用整體結(jié)合入本文。

【背景技術(shù)】
[0003]羅茨式裝置為容積式裝置，其每轉(zhuǎn)輸出固定體積流體。在一些情形下，羅茨式裝置用在增壓器系統(tǒng)作為風(fēng)機以增強供給到動力源例如內(nèi)燃機或燃料電池的流體壓力。在其它應(yīng)用中，羅茨式裝置用作膨脹機以從來自動力源的廢熱中吸取能量，否則所述廢熱會被浪費，所述廢熱例如是來自燃料電池的排出氣流，吸取來自內(nèi)燃機的熱量的工作流體，或來自內(nèi)燃機的排出流體流。在所有情形中，存在與通過羅茨式裝置的流體通道相關(guān)的噪音。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]在一個方案中，提供一種容積式組件，包括:具有至少兩個增壓器轉(zhuǎn)子的羅茨式增壓器裝置，每個增壓器轉(zhuǎn)子具有兩個或更多個葉片，該羅茨式增壓器裝置限定出增壓器流體入口和增壓器流體出口 ；具有至少兩個膨脹機轉(zhuǎn)子的羅茨式膨脹機裝置，每個膨脹機轉(zhuǎn)子具有兩個或更多個葉片，所述羅茨式膨脹機裝置限定出膨脹機流體入口和膨脹機流體出口 ；從增壓器流體入口延伸出的第一導(dǎo)管，第一導(dǎo)管向羅茨式增壓器裝置供應(yīng)流體；和從膨脹機流體出口延伸出的第二導(dǎo)管，第二導(dǎo)管引導(dǎo)流體離開羅茨式膨脹機裝置，其中第一導(dǎo)管布置成鄰近第二導(dǎo)管，和其中第一導(dǎo)管限定出第一開孔和第二導(dǎo)管限定出第二開孔，第一和第二開孔大致對準(zhǔn)；和在第一和第二導(dǎo)管之間布置在第一和第二開孔中的柔性膜，所述柔性膜將第二導(dǎo)管與第一導(dǎo)管密封隔開，和當(dāng)流體在第一和第二導(dǎo)管中流動時所述柔性膜撓曲以削弱與流體流動相關(guān)的噪聲。
[0005]在另一方案中，提供一種系統(tǒng)，包括:動力源；和容積式組件，該容積式組件包括:具有至少兩個增壓器轉(zhuǎn)子的羅茨式增壓器裝置，其每個增壓器轉(zhuǎn)子具有兩個或更多個葉片，該羅茨式增壓器裝置限定出增壓器流體入口和增壓器流體出口，增壓器流體出口連接到動力源以提供流體給動力源增壓；具有至少兩個膨脹機轉(zhuǎn)子的羅茨式膨脹機，其每個膨脹機轉(zhuǎn)子具有兩個或更多個葉片，羅茨式膨脹機裝置限定出膨脹機流體入口和膨脹機流體出口，膨脹機流體入口連接到工作流體或動力源的排氣裝置以向膨脹機流體入口提供流體，和羅茨式膨脹機裝置施加轉(zhuǎn)矩到動力源；從增壓器流體入口延伸出的第一導(dǎo)管，所述第一導(dǎo)管向羅茨式增壓器裝置提供流體；和從膨脹機立體出口延伸出的第二導(dǎo)管，所述第二導(dǎo)管引導(dǎo)流體離開羅茨式膨脹機裝置，其中第一導(dǎo)管布置成鄰近第二導(dǎo)管，和其中所述第一導(dǎo)管限定出第一開孔和第二導(dǎo)管限定出第二開孔，第一和第二開孔大致對準(zhǔn)；和在第一和第二導(dǎo)管之間布置在第一和第二開孔中的柔性膜，柔性膜將第二導(dǎo)管與第一導(dǎo)管密封隔開，和當(dāng)流體在第一和第二導(dǎo)管中流動時柔性膜撓曲以削弱與流體流動相關(guān)的噪聲。
[0006]在又一個方案中，提供一種給動力設(shè)備增壓和從動力設(shè)備的廢熱回收能量的方法，包括:提供羅茨式增壓器裝置以給動力設(shè)備增壓，羅茨式增壓器裝置具有入口導(dǎo)管；提供羅茨式膨脹機裝置以從動力設(shè)備的排氣裝置回收能量，該羅茨式膨脹機裝置具有出口導(dǎo)管；將所述入口導(dǎo)管鄰近所述出口導(dǎo)管布置；和將膜配置成在所述入口和出口導(dǎo)管之間布置在所述開孔中，以當(dāng)入口導(dǎo)管和出口導(dǎo)管中的壓力變化時撓曲。
[0007]本發(fā)明教導(dǎo)的上述特征和優(yōu)點以及其它特征和優(yōu)點當(dāng)結(jié)合附圖時從下面用于實施本發(fā)明教導(dǎo)的最佳方式的詳細描述中更明顯。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是包括動力源和容積式裝置的系統(tǒng)示意圖。
[0009]圖2是圖1中系統(tǒng)的示例性容積式增壓器裝置的透視圖。
[0010]圖3是圖2中容積式增壓器裝置的轉(zhuǎn)子的示意圖。
[0011]圖4是圖1中系統(tǒng)的示例性容積式膨脹機裝置的截面圖。
[0012]圖5是圖4中容積式膨脹機裝置的轉(zhuǎn)子的示意圖。
[0013]圖6是圖1中容積式組件的透視圖。
[0014]圖7是圖6中容積式組件的一部分的示意圖。
[0015]圖8是圖7中容積式組件的示例性柔性件的示意圖。
[0016]圖9是另一系統(tǒng)的不意圖。
[0017]圖10是在圖1中所示的系統(tǒng)的噪音消除操作示意圖。

【具體實施方式】
[0018]參照附圖，其中在所有附圖中，相似的附圖標(biāo)記表示相似的部件，圖1表示包括動力源102如內(nèi)燃機或燃料電池，和連接到該動力源的容積式組件104的示例性系統(tǒng)100。
[0019]動力源102用于向多種裝置如車輛提供動力。在一個實施例中，燃料電池用作動力源。
[0020]容積式組件104包括容積式增壓器裝置110和容積式膨脹機裝置112。這兩種裝置110，112都是羅茨式裝置。羅茨式裝置是固定排量裝置，其每轉(zhuǎn)輸出固定體積的流體。
[0021]參照附圖2-3，在該例子中，容積式增壓器裝置110 (有時稱為“增壓器”或“風(fēng)機”)用于從大氣向動力源102泵送流體。增壓器用于增強輸送至動力源102的流體的壓力，其增加的氧氣允許加更多的燃料。這提高了動力源102的性能。這對于燃料電池同樣是成立的，除電能輸出增加之外。
[0022]示例性容積式增壓器裝置110包括兩個轉(zhuǎn)子220，222。轉(zhuǎn)子220，222在結(jié)構(gòu)上呈螺旋形且以并列的方式相對于彼此轉(zhuǎn)動。在容積式增壓器裝置110的流體入口 210處提供的流體由容積式增壓器裝置110泵送并通過出口 212輸送到動力源102。通過動力源102或其它外部能量源提供的轉(zhuǎn)矩使容積式增壓器裝置110旋轉(zhuǎn)。
[0023]在該例子中，轉(zhuǎn)子220，222中的每一個具有四個葉片224。當(dāng)轉(zhuǎn)子220，222旋轉(zhuǎn)以泵送流體通過容積式增壓器裝置I1時，這些葉片224相互嚙合。可以使用更多或更少的葉片。
[0024]容積式增壓器裝置的一個非限制例子在2012年6月4日提交的國際專利申請?zhí)朠CT/US12/40736中描述，其通過引用整體結(jié)合入本文。其它的構(gòu)造是可行的。
[0025]參照圖4-5，示例性膨脹機裝置112(有時也稱為“膨脹機”)包括兩個轉(zhuǎn)子320，322。轉(zhuǎn)子320，322在構(gòu)造上呈螺旋形且以并列的方式相對于彼此轉(zhuǎn)動。當(dāng)流體移動通過容積式膨脹機112到出口 312時，在容積式膨脹機裝置112的流體入口 310處提供的流體使轉(zhuǎn)子320，322旋轉(zhuǎn)。通常，所述流體來自動力源102的排放氣體(廢氣)和包括來自朗肯循環(huán)的或排放氣體(廢氣)或其它流體。在朗肯循環(huán)中的容積式膨脹機的使用和運行在已公開PCT國際專利申請W02013/130774中有所描述，其通過引用整體結(jié)合入本文。由容積式膨脹機裝置112產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩被輸送至動力源102或其它部件。
[0026]在一種包括燃料電池的設(shè)計中，壓縮機向燃料電池堆提供氧氣。壓力越高，氧氣濃度越大，因此，如果氫氣燃料被增加到燃料電池堆，產(chǎn)生的電量增加。為了補償壓縮機向燃料電池堆提供高壓使用的能量的一部分，可以使用膨脹機。直接連接到羅茨式壓縮機的膨脹機控制在燃料電池堆上建立的壓力。
[0027]在這個例子中，轉(zhuǎn)子320，322中的每一個具有兩個葉片324。當(dāng)轉(zhuǎn)子320，322旋轉(zhuǎn)時，這些葉片324相互嚙合?？梢允褂酶嗷蚋俚娜~片。
[0028]容積式膨脹機裝置的一個非限制例子在2013年2月28日提交的國際專利申請?zhí)朠CT/US13/28273中有所描述，其通過引用結(jié)合入本文。其它構(gòu)造是可行的。
[0029]參照圖6-8，再次示出了容積式組件104。在該例子中，容積式增壓器裝置110的流體入口 210連接到入口導(dǎo)管510，該入口導(dǎo)管510傳送流體通過入口導(dǎo)管510形成的通道512并進入容積式增壓器裝置110。另外，容積式膨脹機裝置112的流體出口 312連接到出口導(dǎo)管520以使當(dāng)流體流出容積式膨脹機裝置112時來自容積式膨脹機裝置112的流體穿過通道522。
[0030]如圖7-8所示，導(dǎo)管510，512被布置成會聚到一起以使導(dǎo)管510，512彼此鄰接。導(dǎo)管510包括開孔516和導(dǎo)管520包括開孔526，當(dāng)導(dǎo)管510，512彼此鄰接時，所述開孔通常彼此對準(zhǔn)。柔性膜610布置在這些開孔516，526中以閉合所述開孔516，526，以使通過通道512的流體不與通過通道522的流體混合。
[0031]在這個例子中，容積式組件104控制成使在柔性膜610處的壓力波大致彼此異相180度。換言之，容積式增壓器裝置110和容積式膨脹機裝置112控制成使容積式增壓器裝置110的入口壓力與容積式膨脹機裝置112的出口壓力大致異相180度。參照圖10，示意圖描繪了容積式增壓器裝置110的循環(huán)入口壓力1002和容積式膨脹機裝置1112的出口壓力的循環(huán)出口壓力1004的頻率與振幅?？梢钥闯?，入口壓力1002被示出與出口壓力1004異相180度，其中入口和出口壓力1002，1004具有相同的振幅和頻率。入口和出口壓力1002,1004最后相疊加的結(jié)果以壓力線1006示出，其被示出為完全平直的，這是因為入口和出口壓力1002，1004完全彼此抵消。注意到反映任何剩余未抵消的聲音的壓力線1006可具有非零值，其中入口和出口壓力1002，1004不會完全彼此抵消。如果振幅是不同的，如果頻率是不同的，和/或相位不是彼此完全異相，那么震蕩的入口和出口壓力1002，1004的相疊加將不會完全彼此抵消。還有，抵消不可能發(fā)生在某些情況下，即其中增壓器轉(zhuǎn)子和膨脹機轉(zhuǎn)子具有不同數(shù)量的葉片。在一個例子中，四葉片壓縮機與四葉片膨脹機結(jié)合使用，其中該膨脹機以壓縮機速度的一半運行，如果壓力振幅相同，會導(dǎo)致僅僅噪音的一半被抵消。
[0032]在這樣的構(gòu)造中，與流體流動通過導(dǎo)管510，520相關(guān)的噪音可以被削弱。特別地，來自流動通過導(dǎo)管510，520中的一個的流體的一些動能通過柔性膜在給定的時間周期被傳遞到導(dǎo)管510，520中的另一個以削弱噪音。
[0033]為了完成衰減，如果速度(即，每分鐘轉(zhuǎn)數(shù))相同，每個容積式裝置的轉(zhuǎn)子葉片數(shù)目是相等的。如果一個容積式裝置比另一個運行得更快，那么葉片數(shù)目必須變化以使轉(zhuǎn)速比等于葉片比。
[0034]例如，在示出的實施例中，容積式增壓器裝置110每個轉(zhuǎn)子221，222具有四個葉片224，和容積式膨脹機裝置112每個轉(zhuǎn)子320，322具有兩個葉片324。在這樣的構(gòu)造中，容積式膨脹機裝置112是以容積式增壓器裝置110速度兩倍的速度運行。
[0035]柔性件610定位成靠近容積式組件104，使得導(dǎo)管510，520中的每一個中的溫度和壓力通常是相同的。這會使得在導(dǎo)管510，520中每個的脈動頻率的波長非常接近相同。
[0036]在這個例子中，柔性膜610是能夠處理I到2psi壓力輸入且基本透聲的(即具有高度柔韌性)以允許導(dǎo)管510，520之間的盡可能多的傳遞。用于柔性膜610的材料配置成柔軟(柔性)，但也是堅韌的。這樣的材料一個可行的例子是聚酯膜(Mylar)。也可使用其它聚合材料。
[0037]柔性件610可以構(gòu)造成具有多個周向折疊以允許大角度運動。例如，附接到導(dǎo)管510，520上的柔性件610包括位于柔性件610的端部622的折疊624。當(dāng)安裝到導(dǎo)管510，520時，這允許柔性件610的最大彎曲。其它構(gòu)造也是可行的。
[0038]現(xiàn)在參照圖9，示出了可替代的示例性系統(tǒng)700。該系統(tǒng)700可與內(nèi)燃機或燃料電池結(jié)合使用，如上所述。
[0039]系統(tǒng)700包括聯(lián)接到羅茨式膨脹機的入口 702。入口 702通向主管706。而主管706又連接到出口 704。由入口 702，主管706，出口 704形成的路徑允許流體從膨脹機中流過。
[0040]如圖所示，主管706圍繞第二組管。該第二組管包括入口管710和出口管712。出口管712連接到羅茨式壓縮機的入口。
[0041]入口和出口管710，712之間布置有柔性膜720。該柔性膜720以與上述的柔性件610相似的方式起作用。通過控制流體通過兩個通道(如上述)的流動的時間選擇，柔性膜720可以提供噪聲消除的益處。
[0042]可使用其它替代設(shè)計。例如，在一個替代實施例中，導(dǎo)管隔開放置，且“T”字形導(dǎo)管或管子是在它們之間延伸。一個或多個柔性膜布置在T形導(dǎo)管中以提供聲學(xué)性能。T形導(dǎo)管的長度可以是變化的以在給定的應(yīng)用中達到期望的聲學(xué)性能。例如，導(dǎo)管的長度可以被調(diào)節(jié)以調(diào)節(jié)從源到抵消膜的距離從而保證壓力異相180度。其它例子是可行的。
[0043]雖然，用于實施本發(fā)明教導(dǎo)的許多方面的最好模式已經(jīng)被詳細陳述，但是熟知這些教導(dǎo)涉及的領(lǐng)域的人會意識到對于實施本發(fā)明教導(dǎo)的各種變型方案都在后附的權(quán)利要求范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種容積式組件，包括: 羅茨式增壓器裝置，其具有至少兩個增壓器轉(zhuǎn)子，其中每個所述增壓器轉(zhuǎn)子具有兩個或更多個葉片，所述羅茨式增壓器裝置限定出增壓器流體入口和增壓器流體出口 ； 羅茨式膨脹機裝置，其具有至少兩個膨脹機轉(zhuǎn)子，其中每個所述膨脹機轉(zhuǎn)子具有兩個或更多個葉片，所述羅茨式膨脹機裝置限定出膨脹機流體入口和膨脹機流體出口 ； 從該增壓器流體入口延伸出的第一導(dǎo)管，所述第一導(dǎo)管向該羅茨式增壓器裝置供應(yīng)流體；和 從該膨脹機流體出口延伸出的第二導(dǎo)管，所述第二導(dǎo)管引導(dǎo)流體離開該羅茨式膨脹機裝置，其中該第一導(dǎo)管布置成鄰近該第二導(dǎo)管，且其中所述第一導(dǎo)管限定出第一開孔和所述第二導(dǎo)管限定出第二開孔，所述第一和第二開孔大致對準(zhǔn)；和 柔性膜，該柔性膜在所述第一和第二導(dǎo)管之間布置于所述第一和第二開孔中，所述柔性膜將該第一導(dǎo)管與該第二導(dǎo)管密封隔開，當(dāng)流體在所述第一和第二導(dǎo)管中流動時所述柔性膜撓曲以削弱與流體流動相關(guān)的噪聲。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的容積式組件，其中，所述柔性膜包括至少一個折疊部以增強柔性膜的柔性。
3.根據(jù)權(quán)利要 求2所述的容積式組件，其中，該羅茨式增壓器裝置的第一速度同步于羅茨式膨脹機裝置的第二速度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的容積式組件，其中，所述增壓器轉(zhuǎn)子中的每一個具有四個葉片，所述膨脹機轉(zhuǎn)子中的每一個具有兩個葉片，其中該第二速度是該第一速度的兩倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的容積式組件，其中，該羅茨式增壓器裝置的第一速度同步于該羅茨式膨脹機裝置的第二速度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的容積式組件，其中，所述增壓器轉(zhuǎn)子中的每一個具有四個葉片，所述膨脹機轉(zhuǎn)子中的每一個具有兩個葉片，其中該第二速度是該第一速度的兩倍。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的容積式組件，其中，所述柔性膜由聚酯膜制成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的容積式組件，其中，所述柔性膜包括多個折疊部以增強柔性膜的柔性。
9.一種系統(tǒng),包括: 動力源；和 容積式組件，所述容積式組件包括: 羅茨式增壓器裝置，其具有至少兩個增壓器轉(zhuǎn)子，其中每個所述增壓器轉(zhuǎn)子具有兩個或更多個葉片，所述羅茨式增壓器裝置限定出增壓器流體入口和增壓器流體出口，所述增壓器流體出口連接到動力源以提供給動力源增壓的流體； 羅茨式膨脹機裝置，其具有至少兩個膨脹機轉(zhuǎn)子，其中每個所述膨脹機轉(zhuǎn)子具有兩個或更多個葉片，所述羅茨式膨脹機裝置限定出膨脹機流體入口和膨脹機流體出口，所述膨脹機流體入口連接到動力源的排氣裝置以向該膨脹機流體入口提供流體，所述羅茨式膨脹機裝置施加轉(zhuǎn)矩到所述動力源； 從該增壓器流體入口延伸出的第一導(dǎo)管，所述第一導(dǎo)管供應(yīng)流體到該羅茨式增壓器裝置；和 從該膨脹機流體出口延伸出的第二導(dǎo)管，所述第二導(dǎo)管引導(dǎo)流體離開該羅茨式膨脹機裝置，其中該第一導(dǎo)管布置成鄰近該第二導(dǎo)管，且其中所述第一導(dǎo)管限定出第一開孔和所述第二導(dǎo)管限定出第二開孔，所述第一和第二開孔大致對準(zhǔn)；和 柔性膜，該柔性膜在所述第一和第二導(dǎo)管之間布置于所述第一和第二開孔中，所述柔性膜將該第一導(dǎo)管與該第二導(dǎo)管密封隔開，當(dāng)流體在所述第一和第二導(dǎo)管中流動時所述柔性膜撓曲以削弱與流體流動相關(guān)的噪聲。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述柔性膜包括至少一個折疊部以增強柔性膜的柔性。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述羅茨式增壓器裝置的第一速度同步于所述羅茨式膨脹機裝置的第二速度。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述增壓器轉(zhuǎn)子中的每一個具有四個葉片，所述膨脹機轉(zhuǎn)子中的每一個具有兩個葉片，其中該第二速度是該第一速度的兩倍。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述羅茨式增壓器裝置的第一速度同步于所述羅茨式膨脹機裝置的第二速度。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述增壓器轉(zhuǎn)子中的每一個具有四個葉片，所述膨脹機轉(zhuǎn)子中的每一個具有兩個葉片，其中該第二速度是該第一速度的兩倍。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述柔性膜由聚酯膜制成。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中，所述柔性膜包括多個折疊部以增強柔性膜的柔性。
17.一種用于內(nèi)燃機增壓和回收來自內(nèi)燃機排氣裝置的能量的方法，所述方法包括: 提供羅茨式增壓器裝置以給內(nèi)燃機增壓，所述羅茨式增壓器裝置具有入口導(dǎo)管； 提供羅茨式膨脹機裝置以直接地或間接地從內(nèi)燃機的排氣裝置回收能量，所述羅茨式膨脹機裝置具有出口導(dǎo)管； 將所述入口導(dǎo)管鄰近所述出口導(dǎo)管布置；和 將膜配置成在所述入口和出口導(dǎo)管之間布置于開孔內(nèi)，以當(dāng)所述入口和出口導(dǎo)管內(nèi)的壓力變化時撓曲。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，還包括在所述膜上形成至少一個折疊部以增強所述膜的柔性。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，還包括同步該羅茨式增壓器裝置和該羅茨式膨脹機裝置的速度。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述羅茨式膨脹機裝置在有機朗肯循環(huán)中通過工作流體間接地從排氣裝置回收能量。
【文檔編號】F01C21/00GK104047855SQ201410182566
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年3月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月15日
【發(fā)明者】R·C·格羅夫三世, W·N·埃博根 申請人:伊頓公司