專利名稱：空氣循環(huán)熱泵技術(shù)及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施方式涉及用于壓縮最接近熱交換器的空氣及其它可行氣體的技術(shù)， 以及用于將這些技術(shù)應(yīng)用于冷卻系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)以及其它用途的技術(shù)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)今，大多數(shù)商用、汽車用、住宅用及其它制冷系統(tǒng)、熱泵和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)基于將 制冷劑作為工作流體在熱交換器之間泵送熱的應(yīng)用。例如，在典型空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的情況下， 在第一熱交換器處在工作流體的作用下冷卻建筑物內(nèi)空氣，然后在第二熱交換器處將工作 流體收集的熱釋放到建筑物外部。這類系統(tǒng)涉及壓縮工作流體的壓縮機(jī)、內(nèi)外熱交換器之 間的管路、產(chǎn)生氣流的風(fēng)扇以及管理系統(tǒng)操作的控制器。由于涉及大量昂貴的耗能系統(tǒng)，這 類系統(tǒng)昂貴、笨重且在操作期間消耗大量能量。此外，制冷工作流體通常危害或污染環(huán)境。 并且由于為使系統(tǒng)工作而必需容納工作流體，這類系統(tǒng)的安裝和維護(hù)困難且昂貴。通常，需 要專門訓(xùn)練的技術(shù)人員來正確維護(hù)這類系統(tǒng)，并且所用的工作流體由于其危害性而經(jīng)常受 到政府機(jī)構(gòu)管制。 因此，非常期望不使用危害或有害工作流體的系統(tǒng)。事實(shí)上，已成功設(shè)計(jì)出基于使 用外殼內(nèi)部的空氣作為工作流體的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)或熱泵系統(tǒng)。這類系統(tǒng)由于將空氣自身作 為工作流體而通常被稱為空氣循環(huán)系統(tǒng)。在這樣的系統(tǒng)中，建筑物空氣被壓縮以升高其溫 度，使用熱交換器將其冷卻回接近外部環(huán)境溫度同時(shí)保持部分高壓，然后使冷卻并壓縮的 空氣膨脹以產(chǎn)生冷卻氣流。盡管這類系統(tǒng)的操作、安裝和維護(hù)簡單，但是遺憾的是與使用制 冷工作流體的系統(tǒng)相比它們不太有效，并因此僅用于特殊用途。值得注意的是，由于噴氣發(fā) 動機(jī)進(jìn)口上已具有可用的高容量壓縮機(jī)并由于僅使用空氣作為工作流體的安全性優(yōu)點(diǎn)，噴 氣飛機(jī)通常使用這里所述的空氣循環(huán)冷卻系統(tǒng)。 因此，本領(lǐng)域需要的是一種克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題的系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，在一個實(shí)施方式中，提供一種靜電壓縮機(jī)。在該實(shí) 施方式中，所述靜電壓縮機(jī)包括多個壓縮機(jī)葉片、熱交換器以及電路。所述壓縮機(jī)葉片響應(yīng) 于電剌激，并且基本相互隔開，使得流體至少局部占據(jù)相鄰對的所述壓縮機(jī)葉片之間的空 間。所述熱交換器與所述壓縮機(jī)葉片之間的所述空間中的所述流體熱耦合。所述電路提供所述電剌激。所述壓縮機(jī)葉片響應(yīng)于所述電剌激而壓縮并釋放所述相鄰對的所述壓縮機(jī)葉 片之間的所述流體。 在另一實(shí)施方式中，提供一種向流體中傳遞熱和從流體中傳遞出熱的方法。在該具體實(shí)施方式
中，該方法包括使流體在靜電壓縮機(jī)附近流動以及致動所述靜電壓縮機(jī)的多 個壓縮機(jī)葉片。所述靜電壓縮機(jī)的所述多個壓縮機(jī)葉片通過電剌激而被致動，使得至少一 部分所述流體在相鄰對的所述壓縮機(jī)葉片之間被壓縮和釋放，從而通過與所述流體熱耦合 的熱交換器從所述流體傳遞出熱。 在再一實(shí)施方式中，提供一種熱泵系統(tǒng)。在該實(shí)施方式中，該熱泵系統(tǒng)包括外殼和 靜電壓縮機(jī)。所述外殼基本上填充有第一流體。所述靜電壓縮機(jī)包括多個壓縮機(jī)葉片、熱 交換器和控制模塊。所述多個壓縮機(jī)葉片響應(yīng)于電剌激，并且基本上相互隔開，使得所述第 一流體延伸至相鄰對的所述壓縮機(jī)葉片之間的空間并至少局部占據(jù)該空間。所述熱交換器 與所述壓縮機(jī)葉片之間的所述空間中的所述第一流體熱耦合，還與基本位于所述外殼的外 部的第二流體熱耦合。所述控制模塊響應(yīng)于輸入信息并包括向所述壓縮機(jī)葉片提供所述電 剌激的電路。所述壓縮機(jī)葉片響應(yīng)于所述電剌激而壓縮并釋放所述相鄰對的所述壓縮機(jī)葉 片之間的所述第一流體。


圖1示出空氣循環(huán)熱泵系統(tǒng)的一個實(shí)施方式，移除了系統(tǒng)外殼的一側(cè)，從而可觀
察到內(nèi)部操作和部件。 圖2示出靜電壓縮機(jī)和熱交換器組件的一個實(shí)施方式。 圖3示出可用于構(gòu)造靜電壓縮機(jī)的葉片和間隔件的組件的一個實(shí)施方式。 圖4示出靜電壓縮機(jī)的一部分組件的一個實(shí)施方式。 圖5示出處于壓縮相位的一對壓縮機(jī)葉片的實(shí)施方式，并示出葉片可如何利用填
塊在其端部終止以最小化壓縮空氣或其它氣體逃逸的細(xì)節(jié)。 圖6示出具有二相位操作的靜電壓縮機(jī)的實(shí)施的示意圖。 圖7示出通過捕獲、保存并重復(fù)使用儲存的能量而降低能耗的電路的電氣原理 圖。 圖8示出具有增強(qiáng)葉片間隔件和增強(qiáng)壓縮機(jī)葉片的靜電壓縮機(jī)的一個實(shí)施方式。
圖9a示出處于打開位置的兩個靜電壓縮機(jī)葉片的一個實(shí)施方式，示出的增強(qiáng)葉 片間隔件具有凸出形狀。 圖9b示出處于局部壓縮位置的兩個靜電壓縮機(jī)葉片的一個實(shí)施方式，示出的增 強(qiáng)葉片間隔件具有凸出形狀。 圖9c示出處于完全壓縮位置的兩個靜電壓縮機(jī)葉片的一個實(shí)施方式，其中示出
具有負(fù)的溫度膨脹系數(shù)的葉片材料與凸出形狀的增強(qiáng)葉片間隔件相結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)。 圖10示出具有增強(qiáng)構(gòu)造的壓縮機(jī)葉片的剖視圖。
具體實(shí)施例方式
圖1示出空氣循環(huán)熱泵100，移除了該系統(tǒng)的外殼101的一側(cè)從而可對內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn) 行說明。在外殼101的前側(cè)就位的情況下(同樣，在圖1中移除了該側(cè))，外殼101將基本密封，從而流入進(jìn)氣口 104的空氣會穿過空氣循環(huán)熱泵100，然后流出排氣口 106。流過該 系統(tǒng)的空氣可被風(fēng)扇推動或者可僅通過自然流動而運(yùn)動，靜電壓縮機(jī)206的操作如稍后所 述?？諝庋h(huán)熱泵100的一個實(shí)施方式如所示構(gòu)造，并將描述成實(shí)施為冷卻系統(tǒng)，不過該系 統(tǒng)可提供冷卻或加熱操作。對于加熱操作，一個可行實(shí)施方式為其中靜電壓縮機(jī)和熱交換 器組件102安裝成使得靜電壓縮機(jī)206可使用(access)外殼101外部的空氣并通過熱交 換器200將來自空氣的熱泵送至外殼101中(從稍后所述將會清楚這將如何實(shí)現(xiàn))。如圖 1中所示，對于冷卻操作，通過進(jìn)氣口 104輸入暖空氣，通過排放口 106通過外部管道(未示 出)排放冷卻空氣。在圖1中還在該圖的右側(cè)以框箭頭示出了空氣進(jìn)出空氣循環(huán)熱泵100 的方向和流動。靜電壓縮機(jī)和熱交換器組件102對流過空氣循環(huán)熱泵100的空氣進(jìn)行操作， 以從其泵送熱。將在對其它圖進(jìn)行說明時(shí)詳細(xì)描述這些操作。靜電壓縮機(jī)206在某些實(shí)施 方式中會對灰塵敏感，因而包括進(jìn)氣過濾器114和排氣過濾器118的結(jié)合。當(dāng)靜電壓縮機(jī) 206操作時(shí)，其通過安裝在外殼101上的熱交換器200將熱移出外殼101。熱交換器200在 圖1中僅部分可見，并將在圖2中進(jìn)一步描述。為避免不期望的熱傳導(dǎo)，外殼101通常由絕 緣材料構(gòu)成或者襯有絕熱材料。類似地，在圖1中可見的熱交換器200的露出部分通常也 覆蓋有絕熱材料。為了使圖1不太混亂，在該圖中去掉了該絕熱材料。
靜電壓縮機(jī)206以這樣的方式壓縮并釋放空氣，使得釋放的空氣可有助于驅(qū)動空 氣通過空氣循環(huán)熱泵IOO而循環(huán)。在圖1中，靜電壓縮機(jī)206就此而言有利地定位，使得退 出靜電壓縮機(jī)206的氣流被引向排氣口 106，從而利于氣流通過該系統(tǒng)。
圖1中的冷凝器118可實(shí)施為金屬絲網(wǎng)或金屬網(wǎng)，或者實(shí)施為允許空氣流動的其 它材料。來自靜電壓縮機(jī)206的冷空氣被引向冷凝器118，使得冷凝器118的表面是冷的， 從而致使在其上流動的空氣凝結(jié)成濕氣。隨著該濕氣的積累，其流向冷凝器118的底部并 進(jìn)入冷凝排放管120。冷凝排放管120示出為端部敞開的槽，但是也可在一端閉合并在一端 或兩端裝設(shè)管道至排水管?？赏ㄟ^管路將冷的冷凝水有利地引向熱交換器200，并用于幫助 冷卻熱交換器200。在某些情況下，有可能在冷凝器118和/或靜電壓縮機(jī)206上積累霜或 冰。通常，霜或冰會在系統(tǒng)空轉(zhuǎn)期間簡單地融化，或者可通過升溫氣流而融化。在某些實(shí)施 方式中，還可實(shí)施其中對冷凝器進(jìn)行加熱的除霜循環(huán)。 控制模塊108為接收控制輸入、監(jiān)測系統(tǒng)操作并驅(qū)動靜電壓縮機(jī)206的電子控制 器。輸入至控制模塊108的控制輸入可包括溫度設(shè)定點(diǎn)、濕度設(shè)定點(diǎn)或其它控制參數(shù)。盡 管圖1中未示出，這些控制輸入可由鍵盤或控制模塊108自身上的其它控制器進(jìn)行，或者可 通過有線或無線連接從其它源發(fā)送?？刂颇K108可包括模擬電路、功率控制電路、邏輯電 路、存儲器、微處理器、繼電器、印刷線路板、電機(jī)和其它電子元件、電元件、機(jī)械元件或機(jī)電 元件。適于在本發(fā)明的實(shí)施方式中使用的控制模塊108的構(gòu)造和設(shè)計(jì)是公知的，因而這里 不再進(jìn)行說明。在圖1所示的實(shí)施方式中，進(jìn)氣口溫度傳感器112和排放口溫度傳感器110 通過所示布線連接，并允許控制模塊108監(jiān)測進(jìn)氣和排氣溫度?？刂颇K108還通過線束 122連接至靜電壓縮機(jī)206，從而直接驅(qū)動和控制靜電壓縮機(jī)206。控制模塊108可更改其 驅(qū)動靜電壓縮機(jī)206的方式以優(yōu)化系統(tǒng)操作并減少噪音。多種公知系統(tǒng)優(yōu)化算法，例如最 小均方(LMS)算法或其它公知算法是可行的。靜電壓縮機(jī)206可通過如稍后所述的增減電 壓和/或驅(qū)動其的波形的頻率而以限度內(nèi)的較高或較低水平操作。增設(shè)傳感器以感測外殼 101外部的氣流、濕度、氣壓、空氣溫度、熱交換器200的溫度、系統(tǒng)噪音水平以及其它參數(shù)都是可行的，使得控制模塊108可從這些參數(shù)的角度來優(yōu)化系統(tǒng)性能。還可不利用傳感器 而操作空氣循環(huán)熱泵100并簡單地按需要使系統(tǒng)開關(guān)循環(huán)以進(jìn)行冷卻，或者可響應(yīng)于簡單 的溫控器或溫度設(shè)定點(diǎn)而操作系統(tǒng)。 圖2示出圖1中所示的靜電壓縮機(jī)和熱交換器組件102的一個實(shí)施方式。其包括 利用安裝螺釘208安裝至熱交換器200的靜電壓縮機(jī)206。熱交換器200包括去除區(qū)204， 以避免熱交換器200接觸電氣布線210。熱交換器200還包括散熱片202，以利于熱從靜電 壓縮機(jī)206流過熱交換器200并流到外殼101的外部的空氣上。盡管在該實(shí)施方式中熱交 換器200示出為空氣冷卻，但是熱交換器200也可通過液體冷卻、熱傳導(dǎo)至其它結(jié)構(gòu)、電子 冷卻或通過其它機(jī)構(gòu)散熱。熱交換器200可由導(dǎo)熱材料構(gòu)造，例如鋁、銅、黃銅以及其它金 屬或非金屬導(dǎo)熱器。安裝螺釘208的使用是任選的，可通過利用螺栓、夾、楔、粘合劑、焊料、 焊接和/或其它技術(shù)將靜電壓縮機(jī)206安裝至熱交換器200。用于將靜電壓縮機(jī)206安裝 至熱交換器200的技術(shù)應(yīng)當(dāng)提供密切且高質(zhì)量的導(dǎo)熱路徑，并包括熱化合物、墊圈、散熱膏 或金屬接觸 一 例如焊料或焊接 一 或其它技術(shù)。圖2中所示的靜電壓縮機(jī)206由各葉片 212、安裝板214以及將要描述的其它部件構(gòu)成。安裝板214可由金屬或塑料或其它材料構(gòu) 成。理想的是對安裝板214使用絕熱材料或使用絕緣罩。安裝板214還包括電氣布線210， 所述電氣布線可形成為安裝板214的表面上的光刻圖案導(dǎo)體，如延伸穿過安裝板214或穿 過其它構(gòu)造的導(dǎo)體。 圖3示出靜電壓縮機(jī)206的放大組件的一部分。靜電壓縮機(jī)206通常包括至少兩 個葉片，但是也可具有數(shù)量更多的葉片。圖3中示出葉片212為具有嵌入的導(dǎo)電區(qū)域306 的矩形材料平面。葉片212可以具有多種不同的形狀和尺寸，圖3的實(shí)施方式僅為一個可 行實(shí)施方式。導(dǎo)電區(qū)域306電連接至過孔302中的一個或多個，所述過孔向葉片212提供 電連接。圖3中還示出了葉片間隔件300。該實(shí)施方式包括葉片間隔件300中的過孔304， 但是不需要葉片間隔件300中的過孔304的實(shí)施方式也是可行的。葉片212可由電絕緣材 料制成，或者可涂覆有電絕緣材料，使得導(dǎo)電區(qū)域306與離開過孔302的葉片的表面絕緣。 存在多種公知的用于利用絕緣聚合物或其它材料模制或?qū)訅簩?dǎo)體的方法，因而這里不再對 其進(jìn)行描述。葉片212可由絕緣材料制成，例如碳纖維、石墨纖維、聚酰亞胺、對位芳香聚酰 胺、芳香聚酰胺、二氧化硅、氮化硅、塑料、尼龍、聚合物組份、玻璃、金剛石、金剛石類材料、 納米管紗或片材、或其它絕緣材料，導(dǎo)電區(qū)域306由鋁、銅、金、鎳、鈦、金屬合金、其它金屬、 聚合物導(dǎo)體、導(dǎo)電塑料、納米管紗或片材、或其它導(dǎo)電材料制成。 葉片間隔件300提供葉片212的機(jī)械分隔，還將來自壓縮在葉片之間的空氣或其 它氣體的熱傳導(dǎo)至熱交換器200。葉片間隔件300可由導(dǎo)熱材料構(gòu)成，例如金屬、導(dǎo)熱聚合 物以及其它材料。若過孔304包括在葉片間隔件300中，則導(dǎo)熱且電絕緣的材料一例如鋁、 金剛石或其它類似材料一是優(yōu)選的。另選的是，可在葉片間隔件300的主體和過孔304之 間使用電絕緣插入件或絕緣層，從而可采用導(dǎo)電材料。 圖3示出壓縮機(jī)葉片212如何與葉片間隔件300交替疊置，從而制造一組隔開的 葉片，這些葉片具有通過分別包括在葉片間隔件300和葉片212 二者中的電氣過孔304和 302的電連接。在靜電壓縮機(jī)206組裝之后，壓縮機(jī)葉片212上的過孔302與葉片間隔件 300的過孔304對準(zhǔn)，從而形成用于各電信號的連續(xù)導(dǎo)體。在靜電壓縮機(jī)206中，可利用粘 合劑、膠、其它結(jié)合技術(shù)將壓縮機(jī)葉片212和葉片間隔件300結(jié)合在一起，或者另選地可利用機(jī)械緊固件一例如，卡扣、夾、螺釘、螺栓或其它可行緊固件一將其保持在一起。圖2中 所示的安裝板214可通過類似手段 一 即，利用粘合劑、膠、機(jī)械緊固件、利用其它技術(shù)或這 些技術(shù)的組合 一 固定至組裝起來的壓縮機(jī)葉片212和葉片間隔件300。
圖4示出部分完成的靜電壓縮機(jī)子組件400的實(shí)施方式。壓縮機(jī)葉片212示出從 子組件400的葉片間隔件300所在的一側(cè)延伸。壓縮機(jī)葉片212和葉片間隔件300的疊置 結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沿著后表面404由過孔(壓縮機(jī)葉片212的過孔302和葉片間隔件300的過孔 304)形成的連續(xù)導(dǎo)體。這些導(dǎo)體明確示出為也在圖2中示出的電氣布線210。順便提及，應(yīng) 指出可向組成電氣布線210的各過孔302和304增設(shè)附加導(dǎo)體、導(dǎo)電層或焊料層，以確保橫 過該結(jié)構(gòu)的一致連接，并避免對各壓縮機(jī)葉片212和葉片間隔件300上的各過孔302和304 的兩側(cè)的完美接觸的依賴。其中過孔302和304位于壓縮機(jī)葉片212和葉片間隔件300的 端部或嵌入其內(nèi)部(即，過孔不位于這些結(jié)構(gòu)的邊緣處)的其它構(gòu)造也是可行的。完全組 裝的靜電壓縮機(jī)206包括至少兩個葉片212，但是也可包括數(shù)百個或甚至數(shù)千個葉片212。 一旦完成了完整構(gòu)造的壓縮機(jī)子組件400，就可將其安裝至圖2中所示的安裝板214。圖4 中示出了靜電壓縮機(jī)端視圖402，以使人清楚在一些后繼圖中所稱的術(shù)語"端視圖"。此外， 術(shù)語長度或縱向是指如圖4中所示沿壓縮機(jī)葉片212的最長矩形尺寸的長度(注意，指示 端視圖402的箭頭指向縱向)。將壓縮機(jī)葉片212的與橫過其最大平坦表面的長度垂直的 尺寸作為壓縮機(jī)葉片212的寬度。壓縮機(jī)葉片212的厚度為圖4中所示的壓縮機(jī)葉片212 的最小直線尺寸。壓縮機(jī)子組件400的后表面404固定至熱交換器200以產(chǎn)生從葉片間隔 件300至熱交換器200的質(zhì)量良好的導(dǎo)熱路徑。可應(yīng)用散熱膏、墊片、粘合劑、焊料、焊接、 特殊涂層、夾、螺栓、螺釘及其它安裝技術(shù)。其中葉片間隔件300延伸過后表面404以與熱 交換器200互鎖并可局部或完全形成熱交換器200的其它實(shí)施方式也是可行的。
靜電壓縮機(jī)206包括多個壓縮機(jī)葉片212，可通過控制施加至這些葉片的電極性 和電壓而致動這些葉片。少量空氣在葉片之間被截獲，葉片被如此致動以對著葉片間隔件 300壓縮這些空氣。由于葉片間隔件300是導(dǎo)熱的并且壓縮空氣處于高溫，因而熱從壓縮空 氣流過葉片間隔件300并流到熱交換器200上。 一旦完成傳熱，則釋放葉片，使得空氣膨脹 從而溫度下降。以這種型式，使空氣變冷從而適于冷卻目的。根據(jù)系統(tǒng)的構(gòu)造方式以及具 體應(yīng)用，葉片間距、葉片厚度、葉片寬度和長度、葉片形狀、電壓使用以及操作頻率可以有相
當(dāng)大的變化。葉片僅具有一厘米寬(或更小)，以幾分之一毫米間隔并在幾千赫茲下操作的 應(yīng)用是可行的。然而，尺寸顯著更大以及甚至更小的系統(tǒng)也是可行的，因?yàn)椴僮麟妷汉皖l率 為非常寬的范圍。 圖5示出一對壓縮機(jī)葉片212，其端部具有填塊(fillet) 506，以阻擋從壓縮機(jī)葉 片212的端部逃逸的壓縮空氣或其它氣體流動。填塊506在各相鄰壓縮機(jī)葉片212之間安 裝至葉片間隔件300或形成在葉片間隔件300上。葉片間隔件300在圖5中未明確示出， 但是其如上所述容納在壓縮機(jī)葉片和安裝板214之間，并且安裝板214示出以避免任何混 淆。圖5中所示的兩個壓縮機(jī)葉片，即第一壓縮機(jī)葉片502和第二壓縮機(jī)葉片504示出壓 縮在一起。第二壓縮機(jī)葉片504與填塊506相遇的區(qū)域示出為輪廓區(qū)域508。有利的是在 輪廓區(qū)域508中在葉片與填塊506之間使用兼容材料，或者墊圈、泡沫、油脂、濕氣或密封件 中的某一形式，以利于壓縮機(jī)葉片212與填塊506之間的密封。還可在填塊506的與壓縮 機(jī)葉片接觸的區(qū)中嵌入導(dǎo)電層，使得在施加適當(dāng)?shù)碾娦盘枙r(shí)，第一壓縮機(jī)葉片502與第二壓縮機(jī)葉片504被靜電強(qiáng)制與填塊506密切接觸。若如圖6中所示使用正負(fù)偏置電壓使壓 縮機(jī)葉片212偏置，則僅使填塊506接地，即，使其電連接至地電勢，將致使壓縮機(jī)葉片212 被電吸引至該填塊。還可使用沿壓縮機(jī)葉片的長度間隔的多個填塊506以限制空氣或其它 工作流體的縱向流動，而不是如圖5所示僅在端部處。這在某些填塊506發(fā)生泄漏時(shí)對保 持至少部分操作會是有利的。用于密封靜電壓縮機(jī)206中的壓縮機(jī)葉片212的端部的其它 技術(shù)也是可行的。也可使用抵接葉片212的端部的機(jī)械特征件，用于使葉片212的端部延 伸并彼此重疊地折疊的方法，用于使葉片212的端部相互固定以形成密封的方法，在需要 密封時(shí)壓在葉片端部上的致動機(jī)械元件以及其它可行技術(shù)。 圖6示出示意圖，該示意圖表示為該實(shí)施方式可如何電驅(qū)動葉片212，在該實(shí)施方 式中靜電壓縮機(jī)206形成有均具有一個導(dǎo)電區(qū)域306(如圖3中所示)的葉片212。圖6 示出其中葉片212示出為處于未偏置靜止?fàn)顟B(tài)的靜止相位601以及其中相同葉片被示出為 成對被壓縮在一起的第一操作相位620和第二操作相位622。示出安裝板214作為參照， 并且由于安裝板214阻擋觀察葉片間隔件300，因而未明確示出葉片間隔件300。示出了八 個葉片212，包括第一葉片602、第二葉片604、第三葉片606、第四葉片608、第五葉片610、 第六葉片612、第七葉片614以及第八葉片616。盡管為避免混亂在圖6的示出第一操作相 位620和第二操作相位622的部分中未對葉片212進(jìn)行編號，但是它們與靜止相位601中 的順序相同。在該實(shí)施方式中，僅使用兩個操作相位，即第一操作相位620和第二操作相位 622，并且靜電壓縮機(jī)206通過在這兩個相位之間往復(fù)循環(huán)而操作。虛線603表示在某些 實(shí)施中，在靜電壓縮機(jī)206的完整構(gòu)造中可包括更多葉片。注意在圖6中在第一操作相位 620和第二操作相位622的示意圖中壓縮機(jī)葉片212附近的正號(+)和負(fù)號(-)。這些正 號(+)和負(fù)號(_)表示在各操作相位中驅(qū)動壓縮機(jī)葉片212的電信號的極性。注意，第一 葉片602和第五葉片610具有恒定的正偏置極性，而第三葉片606和第七葉片614具有恒 定的負(fù)偏置極性。第二葉片604和第六葉片612在第一操作相位620中具有負(fù)偏置，在第 二操作相位622中具有正偏置。而第四葉片608和第八葉片616在第一操作相位620中具 有正偏置，在第二操作相位622中具有負(fù)偏置。如所示，各組四個后繼葉片212隨時(shí)間而基 本相同地偏置，因而若向靜電壓縮機(jī)206增設(shè)附加葉片，圖6中所示的偏置順序也以從圖中 清楚的順序適用于這些葉片。盡管圖3中所示的葉片212的實(shí)施方式以及圖6中所示的電 驅(qū)動信號的實(shí)施方式基于均具有單個導(dǎo)電區(qū)域306的葉片212，但是可創(chuàng)建具有多個導(dǎo)電 區(qū)域的實(shí)施方式。以各種形狀在多種位置形成并嵌入在葉片212中并且由適當(dāng)電信號驅(qū)動 的多個導(dǎo)電區(qū)域允許更精密地控制開閉葉片的致動，從而針對具體實(shí)施方式
以有利型式壓 縮空氣或其它氣體。圖6的實(shí)施方式示出驅(qū)動信號的偏置和定相的一個可行順序，控制模 塊108可合成該順序以驅(qū)動葉片212。然而，多種其它可行偏置和定相方式也是可行的。例 如，使用不止兩個相位的偏置和定相方式是可行的，并且這些方式可設(shè)計(jì)成避免對葉片212 中所用的電介質(zhì)施加直流電應(yīng)力。還可使用寬范圍的波形驅(qū)動葉片212以減小聲噪聲，更 改驅(qū)動波形的頻率和電壓以提高效率，并從寬范圍的可行驅(qū)動波形獲得其它好處。
圖7示出可適于驅(qū)動葉片212的電路的實(shí)施方式，該實(shí)施方式也可保存并重復(fù)使 用儲存在成對葉片212之間的能量。圖7的電路可實(shí)施為包含于控制模塊108中的電子電 路的一部分。在圖7中，安裝板214以及包括第一葉片602、第二葉片604、第三葉片606、 第四葉片608、第五葉片610、第六葉片612、第七葉片614、第八葉片616的壓縮機(jī)葉片212與圖6中所示的相同。正電源電壓702和負(fù)電源電壓706向電路提供電能。圖7的電路示 出處于第一操作相位620，開關(guān)位置如所示，并且虛線603表示在具體實(shí)施方式
中可存在更 多葉片。第一葉片602和第五葉片610連接至正電源電壓702，第三葉片606和第七葉片 614連接至負(fù)電源電壓706。圖7的電路通過以下方式保存并重復(fù)使用能量，S卩將各操作 相位結(jié)束時(shí)儲存在葉片之間的電容中的能量轉(zhuǎn)換成感應(yīng)器754中的電流，然后重新施加該 能量以將葉片充電成相反極性。這通過暫時(shí)關(guān)閉聯(lián)動開關(guān)756，借助感應(yīng)器754使要在下 一相位轉(zhuǎn)換中轉(zhuǎn)換極性的相位上的正負(fù)電壓短路而實(shí)現(xiàn)。第二葉片604和第六葉片612連 接至聯(lián)動開關(guān)756的一側(cè)，而第四葉片608和第八葉片616連接至聯(lián)動開關(guān)756的另一側(cè)。 當(dāng)聯(lián)動開關(guān)756接通時(shí)，聯(lián)動開關(guān)756的兩側(cè)以及與其連接的葉片通過感應(yīng)器754 —起短 路。為了更加清楚，聯(lián)動開關(guān)控制波形758對于其中聯(lián)動開關(guān)756接通從而將感應(yīng)器754 連接至葉片的狀態(tài)表現(xiàn)為正脈沖。第一開關(guān)750和第二開關(guān)752 —起操作以作為與其連接 的葉片的十字開關(guān)。在第一操作相位620中，與第二開關(guān)752相連的第二葉片604和第六 葉片612連接至負(fù)電源電壓706，而與第一開關(guān)750相連的第四葉片608和第八葉片616連 接至正電源電壓702。在第二操作相位622中，與第二開關(guān)752相連的葉片連接至正電源電 壓702，與第一開關(guān)750相連的那些葉片連接至負(fù)電源電壓706。第一開關(guān)750和第二開關(guān) 752還可在高阻抗?fàn)顟B(tài)下操作，在高阻抗?fàn)顟B(tài)中連接至兩個開關(guān)的葉片不與任何電源連接， 開關(guān)僅向與其連接的葉片提供高阻抗。十字開關(guān)控制波形760示出第一開關(guān)750和第二開 關(guān)752的受控方式，并示出用于第一操作相位620的低電平以及用于第二操作相位622的 高電平。十字開關(guān)控制波形760還將第一開關(guān)750和第二開關(guān)752的高阻抗?fàn)顟B(tài)的正時(shí)示 出為交叉影線區(qū)域(該高阻抗?fàn)顟B(tài)有時(shí)在電子電路中稱為"三態(tài)"狀態(tài))。應(yīng)注意，只要聯(lián) 動開關(guān)756接通且感應(yīng)器連接至葉片，第一開關(guān)750和第二開關(guān)752將保持處于高阻抗或 三態(tài)狀態(tài)。還應(yīng)注意，十字開關(guān)控制波形760的狀態(tài)表明每當(dāng)聯(lián)動開關(guān)756接通時(shí)，第一開 關(guān)750和第二開關(guān)752操作而在處于交替基礎(chǔ)上的第一操作相位620和第二操作相位622 交替連接葉片。實(shí)際上，當(dāng)聯(lián)動開關(guān)756接通時(shí)，葉片的電容與感應(yīng)器754協(xié)同操作，使得 儲存的電荷通過感應(yīng)器754放電并從靜電能轉(zhuǎn)化成儲存在感應(yīng)器754的磁場中的磁能。隨 著感應(yīng)器754中的電流的增大，電流積累至峰值，然后在其持續(xù)流動時(shí)開始將葉片的電容 充電至相反極性。忽略電路損失，若聯(lián)動開關(guān)保持接通大致理想時(shí)長，感應(yīng)器將按需要顛倒 葉片的相位，從而使壓縮機(jī)從第一操作相位620移動至第二操作相位622。然而，由于在實(shí) 際電路中會發(fā)生電路損失，因而第一開關(guān)750和第二開關(guān)752操作以完成葉片的充電，使得 在各操作相位中在各葉片上恢復(fù)滿電壓。應(yīng)注意，在各相位轉(zhuǎn)換時(shí)，從正偏置電壓移動到負(fù) 偏置電壓的壓縮機(jī)葉片212的數(shù)量與從負(fù)偏置電壓移動到正偏置電壓的數(shù)量基本相等。因 此，顯然，通過使用感應(yīng)器754和如所述操作的開關(guān)，在各相位轉(zhuǎn)換之前儲存在壓縮機(jī)葉片 212的電容中的能量可基本恢復(fù)并按需要施加以驅(qū)動壓縮機(jī)葉片212。
聯(lián)動開關(guān)754、第一開關(guān)750以及第二開關(guān)752可通過繼電器、機(jī)電開關(guān)、簧片開 關(guān)、半導(dǎo)體開關(guān)或用于構(gòu)造電氣開關(guān)的其它可行技術(shù)實(shí)施。 感應(yīng)器754的尺寸以及聯(lián)動開關(guān)756接通的持續(xù)時(shí)間根據(jù)具體實(shí)施方式
而改變， 并且如何構(gòu)造這樣的電路的技術(shù)是本領(lǐng)域公知的。在某些實(shí)施方式中聯(lián)動開關(guān)控制波形 758的可變正時(shí)功能、多個感應(yīng)器754或者可變感應(yīng)器754會是有利的。其它構(gòu)造也是可行 的，例如公知的直流對直流轉(zhuǎn)換器。在直流對直流轉(zhuǎn)換器中，感應(yīng)器被第一組葉片之間儲存的電荷賦能，然后切換離開為其充電的葉片并向第二組葉片中放電。該循環(huán)可重復(fù)多次以 消耗儲存在第一組中的能量并將其傳遞給第二組，在該過程中將第二組充電至期望電壓和 極性。 圖8示出具有增強(qiáng)葉片802、單個導(dǎo)電區(qū)域806以及凸出的增強(qiáng)葉片間隔件808 的靜電壓縮機(jī)的實(shí)施例。凸出的增強(qiáng)葉片間隔件808包括退切形狀部810并具有凸出輪廓 812。凸出的增強(qiáng)葉片間隔件808的形狀產(chǎn)生更大的用于導(dǎo)熱的表面積，并且凸出輪廓812 的形狀將壓縮在增強(qiáng)葉片802之間的空氣推入薄片材中，使得更容易從其移除熱。凸出的 增強(qiáng)葉片間隔件808可包括有紋理的、粗糙的、專門涂覆的或者其它形式的增強(qiáng)表面，以進(jìn) 一步提高其導(dǎo)熱性能。響應(yīng)于通過其導(dǎo)電區(qū)域806的靜電力并且還響應(yīng)于壓縮過程中產(chǎn)生 的高溫而使用增強(qiáng)葉片802。應(yīng)注意，導(dǎo)電區(qū)域806可不在增強(qiáng)壓縮機(jī)葉片802的整個寬度 (記得參照圖4定義的葉片的長度、寬度和厚度尺寸)上延伸，如圖8中所示。而且，圖8中 未具體示出導(dǎo)電區(qū)域806的電連接，因?yàn)樗鼈兾挥趫D8的視圖中未示出的系統(tǒng)區(qū)域。其中一 個增強(qiáng)壓縮機(jī)葉片802具有為參照而畫出的中心線804。圖8中的其它特征件包括熱交換 器200、葉片間隔件粘合劑816以及熱交換器粘合劑814。葉片間隔件粘合劑816和熱交換 器粘合劑814可不在所有實(shí)施方式中存在，并且當(dāng)存在時(shí)，可包括墊圈、粘合劑、熱化合物、 散熱膏、焊料或其它材料。 凸出的增強(qiáng)葉片間隔件808的退切形狀部810和凸出輪廓812設(shè)計(jì)成在增強(qiáng)壓縮 機(jī)葉片802被完全壓縮時(shí)在凸出的增強(qiáng)葉片間隔件808表面的上方形成薄空氣層。增強(qiáng)壓 縮機(jī)葉片802全部或局部由隨溫度改變其形狀和/或尺寸的材料構(gòu)成。在本專利申請中， 將這樣的材料稱為熱響應(yīng)材料。在圖8的具體實(shí)施方式
中，增強(qiáng)壓縮機(jī)葉片802由具有負(fù) 的熱膨脹系數(shù)的熱響應(yīng)材料構(gòu)成。也就是說，圖8的增強(qiáng)壓縮機(jī)葉片802由溫度升高時(shí)收 縮至更小的物理尺寸的材料制成。通過壓縮機(jī)葉片的操作，增強(qiáng)壓縮機(jī)葉片802的從中心 線804至增強(qiáng)壓縮機(jī)葉片802與凸出的增強(qiáng)葉片間隔件808之間的壓縮區(qū)的區(qū)域顯著熱于 至中心線804另一側(cè)的葉片區(qū)域。由于該效果，增強(qiáng)壓縮機(jī)葉片802的材料的熱收縮特性 用于使增強(qiáng)壓縮機(jī)葉片802基本形成凸出輪廓812的形狀。如此，增強(qiáng)壓縮機(jī)葉片802用 于從增強(qiáng)壓縮機(jī)葉片802與凸出的增強(qiáng)葉片間隔件808之間的壓縮區(qū)收獲熱能，并將該熱 能用于進(jìn)一步的壓縮過程。 應(yīng)注意，圖8的實(shí)施方式以及使用熱響應(yīng)材料的其它實(shí)施方式可獲益于對增強(qiáng)壓 縮機(jī)葉片802的正時(shí)及驅(qū)動電平的調(diào)節(jié)，使得增強(qiáng)壓縮機(jī)葉片802經(jīng)受的溫度基本上使從 所用的熱響應(yīng)材料獲得的益處最大化。驅(qū)動電平及信號正時(shí)的優(yōu)化可通過系統(tǒng)的設(shè)計(jì)調(diào) 節(jié)，或者可通過控制模塊108在操作期間優(yōu)化。 圖9a、圖9b和圖9c中進(jìn)一步示出了利用具有負(fù)的熱膨脹系數(shù)的材料實(shí)施的增強(qiáng) 壓縮機(jī)葉片802的操作。在圖9a中，示出處于靜止位置的兩個增強(qiáng)壓縮機(jī)葉片802。在圖 9b中，示出局部壓縮的兩個增強(qiáng)壓縮機(jī)葉片802。注意，在圖9b中，導(dǎo)電區(qū)域806附近的葉 片區(qū)被顯著壓縮，但是凸出的增強(qiáng)葉片間隔件808附近的區(qū)域未被顯著壓縮。在圖9c中， 示出完全壓縮的兩個增強(qiáng)壓縮機(jī)葉片802，并且由具有負(fù)的熱膨脹系數(shù)的材料構(gòu)成的增強(qiáng) 壓縮機(jī)葉片802的效應(yīng)表明增強(qiáng)壓縮機(jī)葉片802與凸出的增強(qiáng)葉片間隔件808之間的空氣 中產(chǎn)生的熱如何已引起進(jìn)一步的收縮和空氣壓縮。若凸出的增強(qiáng)葉片間隔件808具有與增 強(qiáng)壓縮機(jī)葉片802在完全壓縮時(shí)將采取的形狀基本匹配的形狀，則該技術(shù)的實(shí)施方式會是有利的。 通過由具有正的熱膨脹系數(shù)的材料構(gòu)造的增強(qiáng)壓縮機(jī)葉片802也可增強(qiáng)性能。在 這樣的實(shí)施方式中，應(yīng)用具有凹入輪廓的增強(qiáng)葉片間隔件會是有利的。預(yù)計(jì)使用多種形式 的熱響應(yīng)材料，該材料可隨向其施加的溫度的變化以多種可行方式改變其形狀或尺寸。具 有凸出、凹入、線性以及多種其它形狀的增強(qiáng)葉片間隔件是可行的。增強(qiáng)葉片間隔件還獲益 于熱響應(yīng)材料在其構(gòu)造中的結(jié)合。熱響應(yīng)材料所用的材料可以是形狀記憶聚合物、形狀記 憶金屬、形狀記憶合金、鎳鈦合金、金屬、聚合物以及其它可行材料。 圖10示出具有在某些實(shí)施方式中有利的特征的增強(qiáng)壓縮機(jī)葉片802的端部的剖 視圖。增強(qiáng)壓縮機(jī)葉片802包括嵌入該葉片兩側(cè)的熱響應(yīng)材料1004。這樣的構(gòu)造提供主要 由其它材料構(gòu)成的葉片中的熱響應(yīng)材料的優(yōu)點(diǎn)。該材料可嵌入、層壓或以其它方式固定在 沿增強(qiáng)壓縮機(jī)葉片802的長度的連續(xù)片材中，或者可以以較小的條或段施加。施加具有帶 紋理的、粗糙的、有凹痕的、特殊涂層的或者其它形式的專門構(gòu)造表面可提高導(dǎo)熱性并有益 于操作。 圖10和圖19b中還示出了葉片芯材1006。該材料可非常堅(jiān)固，從而允許增強(qiáng)壓縮 機(jī)葉片操作多個循環(huán)而不會疲勞或失效。葉片芯材1006若為此目的而適當(dāng)絕緣并偏置，則 可如所示與導(dǎo)電區(qū)域1008電接觸。另選的是，可在葉片芯材1006與導(dǎo)電區(qū)域1008之間放 置電絕緣層，或者可使用絕緣葉片芯材1006。在某些實(shí)施方式中對葉片芯材1006使用熱膨 脹系數(shù)與葉片間隔件和熱交換器的熱膨脹系數(shù)相似的導(dǎo)熱材料會是有利的。借此，增強(qiáng)壓 縮機(jī)葉片802將以與熱交換器和葉片間隔件基本相同的方式縱向(沿其與熱交換器接觸葉 片之處的表面平行的長度方向)膨脹和收縮，從而減少應(yīng)力。圖10中示出了熱過孔104，以 利于葉片芯材1006與葉片間隔件300之間的恒定溫度。示出了去除部1002，其在允許增 強(qiáng)壓縮機(jī)葉片802在期望部位更容易地彎曲和撓曲方面是有益的。葉片邊緣1012示出為 沿增強(qiáng)壓縮機(jī)葉片802的外邊緣的厚區(qū)域，其在設(shè)置鎮(zhèn)重以改善平滑操作以及在葉片材料 被腐蝕時(shí)提供更厚的磨損表面方面對某些實(shí)施方式中的操作方面是有利的。葉片主體材料 1018用于形成增強(qiáng)壓縮機(jī)葉片802并可以是為導(dǎo)電區(qū)域1008提供絕緣的電介質(zhì)。另選的 是，可使用單獨(dú)的電介質(zhì)在導(dǎo)電區(qū)域1008上提供電絕緣。 這里所示的實(shí)施方式中的葉片212通過靜電力和熱響應(yīng)材料致動。然而，也可使
用其它致動技術(shù)致動葉片并產(chǎn)生這里所示的優(yōu)點(diǎn)，這些技術(shù)包括使用壓電材料、磁性材料、
磁性致動、氣動、液壓、人造肌肉、機(jī)械元件及其它技術(shù)?？墒褂盟緦?shí)施方式及其它可行實(shí)
施方式加熱和/或冷卻建筑物、封閉物、汽車、卡車、公共汽車或其它可行實(shí)體。 盡管以上描述包括多種具體說明，但是這些不應(yīng)解釋為限制本發(fā)明的范圍，而應(yīng)
解釋為僅提供本發(fā)明的一些當(dāng)前優(yōu)選實(shí)施方式的說明。因而，本發(fā)明的范圍應(yīng)當(dāng)由所附權(quán)
利要求及其法律等同物限定，而不是由給出的實(shí)施例限定。
權(quán)利要求
一種裝置，該裝置包括多個壓縮機(jī)葉片，所述壓縮機(jī)葉片響應(yīng)于電刺激，并且所述壓縮機(jī)葉片基本相互隔開，使得流體至少局部占據(jù)相鄰對的所述壓縮機(jī)葉片之間的空間；熱交換器，所述熱交換器與所述壓縮機(jī)葉片之間的所述空間中的所述流體熱耦合；以及提供所述電刺激的電路，其中所述壓縮機(jī)葉片響應(yīng)于所述電刺激而壓縮并釋放所述相鄰對的所述壓縮機(jī)葉片之間的所述流體。
2. 按照權(quán)利要求l所述的裝置，其中所述流體為空氣。
3. 按照權(quán)利要求1所述的裝置，其中各所述多個壓縮機(jī)葉片均具有至少一個嵌入其內(nèi) 的電分離的導(dǎo)電區(qū)域，其中各所述至少一個電分離的導(dǎo)電區(qū)域均電連接至至少一個過孔， 并且其中所述至少一個過孔提供電連接，使得外部供應(yīng)至所述壓縮機(jī)葉片的電信號基本傳 導(dǎo)至所述至少一個電分離的導(dǎo)電區(qū)域。
4. 按照權(quán)利要求1所述的裝置，其中至少一個所述壓縮機(jī)葉片至少局部由從以下組中 選擇的材料構(gòu)成，該組由碳纖維、石墨纖維、聚酰胺、對位芳香聚酰胺、芳香聚酰胺、二氧化 硅、氮化硅、金剛石、鎳、鈦、鋁、銅、金、以及納米管紗或片材構(gòu)成。
5. 按照權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述壓縮機(jī)葉片包括隨溫度改變形狀或尺寸的熱 響應(yīng)材料，從而從所述流體恢復(fù)能量。
6. 按照權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述電路至少部分恢復(fù)在所述相鄰對的所述壓縮 機(jī)葉片之間形成的電容中儲存的電能。
7. 按照權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述壓縮機(jī)葉片被葉片間隔件隔開，各所述葉片 間隔件均具有彎曲表面，以減小各所述壓縮機(jī)葉片之間的容積。
8. —種方法，該方法包括 使流體在靜電壓縮機(jī)附近流動；以及通過電剌激致動所述靜電壓縮機(jī)的多個壓縮機(jī)葉片，使得至少一部分所述流體在相鄰 對的所述壓縮機(jī)葉片之間被壓縮和釋放，從而通過與所述流體熱耦合的熱交換器從所述流 體傳遞出熱。
9. 按照權(quán)利要求8所述的方法，其中來自壓縮在所述相鄰對的所述壓縮機(jī)葉片中的第 一對之間的所述流體的能量在所述相鄰對的所述壓縮機(jī)葉片的所述第一對被釋放時(shí)，輔助 壓縮所述相鄰對的所述壓縮機(jī)葉片中的第二對中的所述流體。
10. —種系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 基本上填充有第一流體的外殼；以及靜電壓縮機(jī)，所述靜電壓縮機(jī)包括多個壓縮機(jī)葉片，所述壓縮機(jī)葉片響應(yīng)于電剌激，并且所述壓縮機(jī)葉片基本相互隔 開，使得所述第一流體延伸至相鄰對的所述壓縮機(jī)葉片之間的空間并至少局部占據(jù)所述空 間；熱交換器，所述熱交換器與所述壓縮機(jī)葉片之間的所述空間中的所述第一流體熱耦 合，還與基本位于所述外殼的外部的第二流體熱耦合；以及控制模塊，所述控制模塊響應(yīng)于輸入信息并包括向所述壓縮機(jī)葉片提供所述電剌激的 電路，其中所述壓縮機(jī)葉片響應(yīng)于所述電剌激而壓縮并釋放所述相鄰對的所述壓縮機(jī)葉片之間的所述第一流體:
全文摘要
在第一方面，提供一種熱泵系統(tǒng)，其包括外殼和靜電壓縮機(jī)。所述外殼基本填充有第一流體，并包括多個壓縮機(jī)葉片、熱交換器及控制模塊。所述多個壓縮機(jī)葉片響應(yīng)于電刺激，并且基本相互隔開，使得所述第一流體延伸至相鄰對的所述壓縮機(jī)葉片之間的空間并至少局部占據(jù)該空間。所述熱交換器與所述壓縮機(jī)葉片之間的所述空間中的所述第一流體熱耦合，并與基本位于所述外殼外部的第二流體熱耦合。所述控制模塊響應(yīng)于輸入信息并包括向所述壓縮機(jī)葉片提供所述電刺激的電路。所述壓縮機(jī)葉片響應(yīng)于所述電刺激而壓縮并釋放所述相鄰對的所述壓縮機(jī)葉片之間的所述第一流體。
文檔編號F25B30/02GK101749888SQ20091025312
公開日2010年6月23日 申請日期2009年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月6日
發(fā)明者托馬斯·R·克雷尼科 申請人:托馬斯·R·克雷尼科