噪声消除容积式组件以及噪声消除能量回收系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种噪声消除容积式组件，包括：罗茨式增压器装置；罗茨式膨胀机装置；从增压器流体入口延伸出的第一导管，第一导管提供流体到罗茨式增压器装置；和从膨胀机流体出口延伸出的第二导管，第二导管引导流体离开罗茨式膨胀机装置，其中第一导管布置成邻近所述第二导管，和其中第一导管限定出第一开孔和第二导管限定出第二开孔，所述第一和第二开孔大致对准；和在第一和第二导管之间布置在所述第一和第二开孔中的柔性膜，所述柔性膜将第二导管与第一导管密封隔开，和当流体在第一和第二导管中流动时柔性膜挠曲以抵消与流体流动有关的噪声。本实用新型还提供一种包括动力源和上述容积式组件的噪声消除能量回收系统。
【专利说明】噪声消除容积式组件以及噪声消除能量回收系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2013年3月15日提交的美国专利申请号61/793，499的优先权，其公开内容通过引用整体结合入本文。
【技术领域】
[0003]本实用新型涉及噪声消除容积式组件以及包含这种容积式组件的噪声消除能量回收系统。
【背景技术】
[0004]罗茨式装置为容积式装置，其每转输出固定体积流体。在一些情形下，罗茨式装置用在增压器系统作为风机以增强供给到动力源例如内燃机或燃料电池的流体压力。在其它应用中，罗茨式装置用作膨胀机以从来自动力源的废热中吸取能量，否则所述废热会被浪费，所述废热例如是来自燃料电池的排出气流，吸取来自内燃机的热量的工作流体，或来自内燃机的排出流体流。在所有情形中，存在与通过罗茨式装置的流体通道相关的噪音。
实用新型内容
[0005]在一个方案中，提供一种噪声消除容积式组件，包括:具有至少两个增压器转子的罗茨式增压器装置，每个增压器转子具有两个或更多个叶片，该罗茨式增压器装置限定出增压器流体入口和增压器流体出口 ；具有至少两个膨胀机转子的罗茨式膨胀机装置，每个膨胀机转子具有两个或更多个叶片，所述罗茨式膨胀机装置限定出膨胀机流体入口和膨胀机流体出口 ；从增压器流体入口延伸出的第一导管，第一导管向罗茨式增压器装置供应流体；和从膨胀机流体出口延伸出的第二导管，第二导管引导流体离开罗茨式膨胀机装置，其中第一导管布置成邻近第二导管，和其中第一导管限定出第一开孔和第二导管限定出第二开孔，第一和第二开孔大致对准；和在第一和第二导管之间布置在第一和第二开孔中的柔性膜，所述柔性膜将第二导管与第一导管密封隔开，和当流体在第一和第二导管中流动时所述柔性膜挠曲以削弱与流体流动相关的噪声。
[0006]在另一方案中，提供一种噪声消除能量回收系统，包括:动力源；和容积式组件，该容积式组件包括:具有至少两个增压器转子的罗茨式增压器装置，其每个增压器转子具有两个或更多个叶片，该罗茨式增压器装置限定出增压器流体入口和增压器流体出口，增压器流体出口连接到动力源以提供流体给动力源增压；具有至少两个膨胀机转子的罗茨式膨胀机，其每个膨胀机转子具有两个或更多个叶片，罗茨式膨胀机装置限定出膨胀机流体入口和膨胀机流体出口，膨胀机流体入口连接到工作流体或动力源的排气装置以向膨胀机流体入口提供流体，和罗茨式膨胀机装置施加转矩到动力源；从增压器流体入口延伸出的第一导管，所述第一导管向罗茨式增压器装置提供流体；和从膨胀机立体出口延伸出的第二导管，所述第二导管引导流体离开罗茨式膨胀机装置，其中第一导管布置成邻近第二导管，和其中所述第一导管限定出第一开孔和第二导管限定出第二开孔，第一和第二开孔大致对准；和在第一和第二导管之间布置在第一和第二开孔中的柔性膜，柔性膜将第二导管与第一导管密封隔开，和当流体在第一和第二导管中流动时柔性膜挠曲以削弱与流体流动相关的噪声。
[0007]在又一个方案中，提供一种给动力设备增压和从动力设备的废热回收能量的方法，包括:提供罗茨式增压器装置以给动力设备增压，罗茨式增压器装置具有入口导管；提供罗茨式膨胀机装置以从动力设备的排气装置回收能量，该罗茨式膨胀机装置具有出口导管；将所述入口导管邻近所述出口导管布置；和将膜配置成在所述入口和出口导管之间布置于所述开孔中，以当入口导管和出口导管中的压力变化时挠曲。
[0008]本实用新型教导的上述特征和优点以及其它特征和优点当结合附图时从下面用于实施本实用新型教导的最佳方式的详细描述中更明显。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1是包括动力源和容积式装置的系统示意图。
[0010]图2是图1中系统的示例性容积式增压器装置的透视图。
[0011]图3是图2中容积式增压器装置的转子的示意图。
[0012]图4是图1中系统的示例性容积式膨胀机装置的截面图。
[0013]图5是图4中容积式膨胀机装置的转子的示意图。
[0014]图6是图1中容积式组件的透视图。
[0015]图7是图6中容积式组件的一部分的示意图。
[0016]图8是图7中容积式组件的示例性柔性件的示意图。
[0017]图9是另一系统的示意图。
[0018]图10是在图1中所示的系统的噪音消除操作示意图。
【具体实施方式】
[0019]参照附图，其中在所有附图中，相似的附图标记表示相似的部件，图1表示包括动力源102如内燃机或燃料电池，和连接到该动力源的容积式组件104的示例性系统100。
[0020]动力源102用于向多种装置如车辆提供动力。在一个实施例中，燃料电池用作动力源。
[0021]容积式组件104包括容积式增压器装置110和容积式膨胀机装置112。这两种装置110，112都是罗茨式装置。罗茨式装置是固定排量装置，其每转输出固定体积的流体。
[0022]参照附图2-3，在该例子中，容积式增压器装置110 (有时称为“增压器”或“风机”)用于从大气向动力源102泵送流体。增压器用于增强输送至动力源102的流体的压力，其增加的氧气允许加更多的燃料。这提高了动力源102的性能。这对于燃料电池同样是成立的，除电能输出增加之外。
[0023]示例性容积式增压器装置110包括两个转子220，222。转子220，222在结构上呈螺旋形且以并列的方式相对于彼此转动。在容积式增压器装置110的流体入口 210处提供的流体由容积式增压器装置110泵送并通过出口 212输送到动力源102。通过动力源102或其它外部能量源提供的转矩使容积式增压器装置110旋转。
[0024]在该例子中，转子220，222中的每一个具有四个叶片224。当转子220，222旋转以泵送流体通过容积式增压器装置I1时，这些叶片224相互啮合。可以使用更多或更少的叶片。
[0025]容积式增压器装置的一个非限制例子在2012年6月4日提交的国际专利申请号PCT/US12/40736中描述，其通过引用整体结合入本文。其它的构造是可行的。
[0026]参照图4-5，示例性膨胀机装置112(有时也称为“膨胀机”)包括两个转子320，322。转子320，322在构造上呈螺旋形且以并列的方式相对于彼此转动。当流体移动通过容积式膨胀机112到出口 312时，在容积式膨胀机装置112的流体入口 310处提供的流体使转子320，322旋转。通常，所述流体来自动力源102的排放气体(废气)和包括来自朗肯循环的或排放气体(废气)或其它流体。在朗肯循环中的容积式膨胀机的使用和运行在已公开PCT国际专利申请W02013/130774中有所描述，其通过引用整体结合入本文。由容积式膨胀机装置112产生的转矩被输送至动力源102或其它部件。
[0027]在一种包括燃料电池的设计中，压缩机向燃料电池堆提供氧气。压力越高，氧气浓度越大，因此，如果氢气燃料被增加到燃料电池堆，产生的电量增加。为了补偿压缩机向燃料电池堆提供高压使用的能量的一部分，可以使用膨胀机。直接连接到罗茨式压缩机的膨胀机控制在燃料电池堆上建立的压力。
[0028]在这个例子中，转子320，322中的每一个具有两个叶片324。当转子320，322旋转时，这些叶片324相互啮合。可以使用更多或更少的叶片。
[0029]容积式膨胀机装置的一个非限制例子在2013年2月28日提交的国际专利申请号PCT/US13/28273中有所描述，其通过引用结合入本文。其它构造是可行的。
[0030]参照图6-8，再次示出了容积式组件104。在该例子中，容积式增压器装置110的流体入口 210连接到入口导管510，该入口导管510传送流体通过入口导管510形成的通道512并进入容积式增压器装置110。另外，容积式膨胀机装置112的流体出口 312连接到出口导管520以使当流体流出容积式膨胀机装置112时来自容积式膨胀机装置112的流体穿过通道522。
[0031]如图7-8所示，导管510，512被布置成会聚到一起以使导管510，512彼此邻接。导管510包括开孔516和导管520包括开孔526，当导管510，512彼此邻接时，所述开孔通常彼此对准。柔性膜610布置在这些开孔516，526中以闭合所述开孔516，526，以使通过通道512的流体不与通过通道522的流体混合。
[0032]在这个例子中，容积式组件104控制成使在柔性膜610处的压力波大致彼此异相180度。换言之，容积式增压器装置110和容积式膨胀机装置112控制成使容积式增压器装置110的入口压力与容积式膨胀机装置112的出口压力大致异相180度。参照图10，示意图描绘了容积式增压器装置110的循环入口压力1002和容积式膨胀机装置1112的出口压力的循环出口压力1004的频率与振幅。可以看出，入口压力1002被示出与出口压力1004异相180度，其中入口和出口压力1002，1004具有相同的振幅和频率。入口和出口压力1002,1004最后相叠加的结果以压力线1006示出，其被示出为完全平直的，这是因为入口和出口压力1002，1004完全彼此抵消。注意到反映任何剩余未抵消的声音的压力线1006可具有非零值，其中入口和出口压力1002，1004不会完全彼此抵消。如果振幅是不同的，如果频率是不同的，和/或相位不是彼此完全异相，那么震荡的入口和出口压力1002，1004的相叠加将不会完全彼此抵消。还有，抵消不可能发生在某些情况下，即其中增压器转子和膨胀机转子具有不同数量的叶片。在一个例子中，四叶片压缩机与四叶片膨胀机结合使用，其中该膨胀机以压缩机速度的一半运行，如果压力振幅相同，会导致仅仅噪音的一半被抵消。
[0033]在这样的构造中，与流体流动通过导管510，520相关的噪音可以被削弱。特别地，来自流动通过导管510，520中的一个的流体的一些动能通过柔性膜在给定的时间周期被传递到导管510，520中的另一个以削弱噪音。
[0034]为了完成衰减，如果速度(即，每分钟转数)相同，每个容积式装置的转子叶片数目是相等的。如果一个容积式装置比另一个运行得更快，那么叶片数目必须变化以使转速比等于叶片比。
[0035]例如，在示出的实施例中，容积式增压器装置110每个转子221，222具有四个叶片224，和容积式膨胀机装置112每个转子320，322具有两个叶片324。在这样的构造中，容积式膨胀机装置112是以容积式增压器装置110速度两倍的速度运行。
[0036]柔性件610定位成靠近容积式组件104，使得导管510，520中的每一个中的温度和压力通常是相同的。这会使得在导管510，520中每个的脉动频率的波长非常接近相同。
[0037]在这个例子中，柔性膜610是能够处理I到2psi压力输入且基本透声的(即具有高度柔韧性)以允许导管510，520之间的尽可能多的传递。用于柔性膜610的材料配置成柔软(柔性)，但也是坚韧的。这样的材料一个可行的例子是聚酯膜(Mylar)。也可使用其它聚合材料。
[0038]柔性件610可以构造成具有多个周向折叠部以允许大角度运动。例如，附接到导管510，520上的柔性件610包括位于柔性件610的端部622的折叠部624。当安装到导管510，520时，这允许柔性件610的最大弯曲。其它构造也是可行的。
[0039]现在参照图9，示出了可替代的示例性系统700。该系统700可与内燃机或燃料电池结合使用，如上所述。
[0040]系统700包括联接到罗茨式膨胀机的入口 702。入口 702通向主管706。而主管706又连接到出口 704。由入口 702，主管706，出口 704形成的路径允许流体从膨胀机中流过。
[0041]如图所示，主管706围绕第二组管。该第二组管包括入口管710和出口管712。出口管712连接到罗茨式压缩机的入口。
[0042]入口和出口管710，712之间布置有柔性膜720。该柔性膜720以与上述的柔性件610相似的方式起作用。通过控制流体通过两个通道(如上述)的流动的时间选择，柔性膜720可以提供噪声消除的益处。
[0043]可使用其它替代设计。例如，在一个替代实施例中，导管隔开放置，且“T”字形导管或管子是在它们之间延伸。一个或多个柔性膜布置在T形导管中以提供声学性能。T形导管的长度可以是变化的以在给定的应用中达到期望的声学性能。例如，导管的长度可以被调节以调节从源到抵消膜的距离从而保证压力异相180度。其它例子是可行的。
[0044]虽然，用于实施本实用新型教导的许多方面的最好模式已经被详细陈述，但是熟知这些教导涉及的领域的人会意识到对于实施本实用新型教导的各种变型方案都在后附的权利要求范围内。
【权利要求】
1.一种噪声消除容积式组件，其特征是，包括: 罗茨式增压器装置，其具有至少两个增压器转子，其中每个所述增压器转子具有两个或更多个叶片，所述罗茨式增压器装置限定出增压器流体入口和增压器流体出口 ； 罗茨式膨胀机装置，其具有至少两个膨胀机转子，其中每个所述膨胀机转子具有两个或更多个叶片，所述罗茨式膨胀机装置限定出膨胀机流体入口和膨胀机流体出口 ； 从该增压器流体入口延伸出的第一导管，所述第一导管向该罗茨式增压器装置供应流体；和 从该膨胀机流体出口延伸出的第二导管，所述第二导管引导流体离开该罗茨式膨胀机装置，其中该第一导管布置成邻近该第二导管，且其中所述第一导管限定出第一开孔和所述第二导管限定出第二开孔，所述第一和第二开孔大致对准；和 柔性膜，该柔性膜在所述第一和第二导管之间布置于所述第一和第二开孔中，所述柔性膜将该第一导管与该第二导管密封隔开，当流体在所述第一和第二导管中流动时所述柔性膜挠曲以削弱与流体流动相关的噪声。
2.根据权利要求1所述的噪声消除容积式组件，其特征是，所述柔性膜包括至少一个折叠部以增强柔性膜的柔性。
3.根据权利要求2所述的噪声消除容积式组件，其特征是，该罗茨式增压器装置的第一速度同步于罗茨式膨胀机装置的第二速度。
4.根据权利要求3所述的噪声消除容积式组件，其特征是，所述增压器转子中的每一个具有四个叶片，所述膨胀机转子中的每一个具有两个叶片，其中该第二速度是该第一速度的两倍。
5.根据权利要求1所述的噪声消除容积式组件，其特征是，该罗茨式增压器装置的第一速度同步于该罗茨式膨胀机装置的第二速度。
6.根据权利要求5所述的噪声消除容积式组件，其特征是，所述增压器转子中的每一个具有四个叶片，所述膨胀机转子中的每一个具有两个叶片，其中该第二速度是该第一速度的两倍。
7.根据权利要求1所述的噪声消除容积式组件，其特征是，所述柔性膜由聚酯膜制成。
8.根据权利要求7所述的噪声消除容积式组件，其特征是，所述柔性膜包括多个折叠部以增强柔性膜的柔性。
9.一种噪声消除能量回收系统，其特征是，包括: 动力源；和 容积式组件，所述容积式组件包括: 罗茨式增压器装置，其具有至少两个增压器转子，其中每个所述增压器转子具有两个或更多个叶片，所述罗茨式增压器装置限定出增压器流体入口和增压器流体出口，所述增压器流体出口连接到动力源以提供给动力源增压的流体； 罗茨式膨胀机装置，其具有至少两个膨胀机转子，其中每个所述膨胀机转子具有两个或更多个叶片，所述罗茨式膨胀机装置限定出膨胀机流体入口和膨胀机流体出口，所述膨胀机流体入口连接到动力源的排气装置以向该膨胀机流体入口提供流体，所述罗茨式膨胀机装置施加转矩到所述动力源； 从该增压器流体入口延伸出的第一导管，所述第一导管供应流体到该罗茨式增压器装置；和 从该膨胀机流体出口延伸出的第二导管，所述第二导管引导流体离开该罗茨式膨胀机装置，其中该第一导管布置成邻近该第二导管，且其中所述第一导管限定出第一开孔和所述第二导管限定出第二开孔，所述第一和第二开孔大致对准；和 柔性膜，该柔性膜在所述第一和第二导管之间布置于所述第一和第二开孔中，所述柔性膜将该第一导管与该第二导管密封隔开，当流体在所述第一和第二导管中流动时所述柔性膜挠曲以削弱与流体流动相关的噪声。
10.根据权利要求9所述的噪声消除能量回收系统，其特征是，所述柔性膜包括至少一个折叠部以增强柔性膜的柔性。
11.根据权利要求10所述的噪声消除能量回收系统，其特征是，所述罗茨式增压器装置的第一速度同步于所述罗茨式膨胀机装置的第二速度。
12.根据权利要求11所述的噪声消除能量回收系统，其特征是，所述增压器转子中的每一个具有四个叶片，所述膨胀机转子中的每一个具有两个叶片，其中该第二速度是该第一速度的两倍。
13.根据权利要求9所述的噪声消除能量回收系统，其特征是，所述罗茨式增压器装置的第一速度同步于所述罗茨式膨胀机装置的第二速度。
14.根据权利要求13所述的噪声消除能量回收系统，其特征是，所述增压器转子中的每一个具有四个叶片，所述膨胀机转子中的每一个具有两个叶片，其中该第二速度是该第一速度的两倍。
15.根据权利要求9所述的噪声消除能量回收系统，其特征是，所述柔性膜由聚酯膜制成。
16.根据权利要求15所述的噪声消除能量回收系统，其特征是，所述柔性膜包括多个折叠部以增强柔性膜的柔性。
【文档编号】F02B33/38GK204163987SQ201420221488
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年3月14日 优先权日:2013年3月15日
【发明者】R·C·格罗夫三世, W·N·埃博根 申请人:伊顿公司