为了将能量传送给在确定外壳中的流体，现有技术使用多种方法， 包括正位移、搅动例如通过机械搅拌、或者施加行进声波或驻波声波、 施加离心力以及添加热能。通过这些方法将机械能传递给流体可以用 于多种用途，它们例如可以包括压缩、泵送、混合、雾化、合成射流、 流体计量、取样、用于生物战药剂的空气取样、喷墨、过滤、由于化 学反应而驱动物理变化、或者在悬浮颗粒中的其它材料变化，例如粉 碎或聚集，或者任意这些处理的组合(仅举几个例子)。
在正位移种类的机器中，隔膜已经广泛使用。没有摩擦能量损失 使得隔膜特别有利于小尺寸正位移机器，同时试图保持很高的能量效 率。在MESO和MEMS规模的装置中甚至更依靠隔膜类型和隔膜/ 活塞(即具有柔性包围部分的活塞)类型的装置来用于将能量传送至 在很小泵或其它流体装置内的流体中。这里使用的术语“泵”涉及这样 的装置，该装置设计成用于使液体或气体压缩和/或流动。应当知道， 这里使用的术语“流体”包括液体和气体状态的物质。
用于驱动更大隔膜泵的促动器已经证明用于MESO或MEMS机 器时有问题，因为当它们的尺寸按比例减小时很难保持它们的效率和 低成本。例如，与电磁和音圈类型促动器相关的气隙必须按比例减小， 以便保持很高的转换效率，且这增加了制造的复杂性和成本。还有， 马达迭片结构将磁饱和，因为马达按比例缩小，同时试图保持恒定的 机械功率输出。在可接受的产品成本目标内，普遍认为这些换能器的 电—机械效率将随着尺寸减小而明显降低。
与普通磁促动器相关的这些按比例问题导致广泛使用其它技术来 用于MESO和MEMS用途，例如电致伸缩促动器(例如压电陶瓷)、 压电陶瓷弯曲器、静电和磁致伸缩促动器。压电弯曲器盘当然可以将 流体隔膜和促动器组合在单个部件中。
使用压电作为流体隔膜的优点被压电固有的位移限制所抵消。因 为陶瓷相对较脆，压电陶瓷隔膜/盘能够提供的位移只是由其它材料例 如金属、塑料和弹性体提供的位移的很小部分。夹持圆形压电陶瓷盘 能够在无故障的情况下提供的峰值振荡位移通常小于盘的夹持直径的 1％。因为隔膜位移直接与每个冲程传递的流体能量相关，因此压电弯 曲器对于较小流体装置(例如MESO尺寸的泵和压缩机)的功率密度 和总体性能产生明显的限制。这些与位移相关的能量限制特别对于气 体来说是正确的。
依赖于压电材料的较大弯曲特性的其它类型压电促动器可以通过 在非常高的频率下操作(但是在甚至更小的冲程情况下)而向液体提 供很高的能量传递。这些较小促动器的冲程使得泵的设计不现实。而 且，高性能泵使用被动阀，该被动阀在各泵送循环中打开和关闭，以 便提供最佳的泵送效率。这些泵阀不能在kHz-MHz频率范围内提供 所需的性能，较大压电促动器需要在该kHz-MHz频率范围内传递足 够能量。
目前，总是越来越要求更小的流体装置，这些流体装置不能通过 当前的压电泵技术来获得，或者不能在功能上具有一致性。例如，泵 和压缩机需要能够提供更高的功率密度以及在更高压头下和在更小尺 寸单元中的比流速(即流体容积流速除以泵的物理容积)。需要高性能 MESO尺寸泵的用途实例包括：小型的燃料电池，用于便携式电子装 置，例如便携式计算装置、PDA和蜂窝电话；独立的热管理系统，它 能够装配在电路卡上，并提供用于微处理器和其它半导体电子的冷却； 以及用于不卧床病人的便携式个人医疗装置。因此，需要一种紧凑和 经济可行的压电泵，它弥补了目前压电泵的至少一些缺点。

为了满足这些要求和克服现有技术的限制，本发明提供了一种流 体能量传递装置，它使用新的浮动反作用驱动促动器来驱动隔膜和活 塞流体装置，例如泵、压缩机、合成射流和声学装置(在驱动频率， 有时处于或接近它们的系统谐振)。为了进一步满足这些需要和克服现 有技术的限制，本发明提供了一种流体能量传递装置，它能够使用低 冲程较高力的促动器来驱动流体装置的较大隔膜和活塞冲程，所述流 体装置例如泵、压缩机和合成射流(在驱动频率，有时处于或接近它 们的系统谐振)。
根据本发明一个实施例的流体能量传递装置包括流体腔室，该流 体腔室有：内壁，该内壁形成具有开口的腔室容积；以及流体隔膜， 该流体隔膜刚性地安装在开口的周边上，且具有安装在流体隔膜上的 可变磁阻促动器。根据本发明一些实施例的反作用驱动能量传递装置 提供了用于驱动流体隔膜的位移的独特系统，该流体隔膜位移的数量 级可以大于现有压电隔膜的位移。
根据本发明大部分实施例的反作用驱动系统能够高性能地用于装 置例如MESO尺寸泵、压缩机、合成射流和声学装置。根据本发明一 些实施例的泵和压缩机可以包括调谐口和阀，它们根据周期性压缩而 允许低压流体进入压缩腔室和允许高压流体离开压缩腔室。反作用驱 动系统可以使用多种促动器，例如包括单形态、双形态和多层PZT弯 曲器的弯曲器促动器、压电聚合物组分例如PVDF、结晶材料、磁致 伸缩材料、电活化聚合物换能器(EPT)、电致伸缩聚合物和各种“聪 明材料”例如形状记忆合金(SMA)、径向场PZT隔膜(RFD)促动 器以及各种可变磁阻促动器和音圈促动器。
本发明的流体装置可以在允许能量储存至系统的机械谐振中的驱 动频率下操作，从而提供能够更大的隔膜或活塞位移，该位移通常比 促动器的位移大得多。系统谐振可以根据隔膜、促动器和相关部件的 有效运动质量、流体、流体隔膜和其它可选机械弹簧的弹簧刚度和/ 或影响谐振频率的其它部件/环境来确定。
根据本发明一些实施例的泵可以用于多种用途，例如包括如空气、 烃、处理气、高纯度气体、有毒和腐蚀性气体的气体压缩、用于制冷、 空调和液体热泵的相变制冷剂压缩、以及其它特定蒸气压缩或相变传 热用途。根据本发明一些实施例的泵还可以泵送液体例如燃料、水、 油、润滑剂、冷却剂、溶剂、液压流体、有毒或反应化学试剂(根据 特殊泵设计)。本发明的泵还可以提供用于气体或液体操作的可变容 量。
更具体地说，本发明示例实施例包括流体腔室，该流体腔室有形 成腔室容积的内壁，还有开口。流体隔膜或活塞刚性地安装在流体腔 室中的开口周边上，且隔膜或活塞有能够相对于外周边在多个第一位 置和多个第二位置之间运动的柔性部分，该第一和第二位置离流体腔 室内壁的距离变化。腔室充装有流体，该流体包括系统的负载部分。 在流体腔室内的流体包括弹簧，流体隔膜也包括弹簧。具有安装点的 促动器安装在流体隔膜上。质量-弹簧机械谐振频率由促动器和隔膜 或活塞的组合有效运动质量以及机械弹簧和气体弹簧来确定，促动器 可在一定范围的驱动频率下操作，其中，一些频率导致能量储存在质 量-弹簧机械谐振中，并向流体隔膜或活塞提供比促动器的位移更大 (在很多情况下是大得多)的位移，这样，增大的能量传递给流体腔室 内的流体负载。
在本发明的另一实施例中，一种流体能量传递装置包括：
腔室，用于接收流体，该腔室的至少一部分包括活动部分，该活 动部分可相对于腔室的另外部分运动，通过活动部分的运动，该活动 部分用于使腔室的容积从第一容积改变成第二容积；以及
可变磁阻促动器，该可变磁阻促动器安装在活动部分上；
其中，可变磁阻促动器是以下情况的至少一个：(i)与活动部分 直接连接；以及(ii)与活动部分联接；以便形成促动器-活动部分 组件；
可变磁阻促动器并不与装置的、除了活动部分之外的任意其它部 件有效连接和有效联接；以及
促动器-活动部分组件用于基本只由于促动器在驱动频率的振荡 而运动。
在本发明的另一实施例中，有如上面和/或后面所述的流体传递装 置，其中，促动器在将能量储存于系统谐振中的频率下驱动，这样， 活动部分的位移与储存的能量成比例地增加。
在本发明的另一实施例中，有如上面和/或后面所述的流体传递装 置，其中，促动器与装置的、与活动部分分离的部件弹性连接。
在本发明的另一实施例中，有如上面和/或后面所述的流体传递装 置，其中，可变磁阻促动器的气隙用于在位移幅值和频率下振荡，这 样，促动器和活动部分将基本只由于促动器的移动而在第一位置和第 二位置之间运动，且在第一位置和第二位置之间的距离大于促动器气 隙的位移幅值。
在本发明的另一实施例中，有如上面和/或后面所述的流体传递装 置，其中，活动部分包括隔膜。
在本发明的另一实施例中，有如上面和/或后面所述的流体传递装 置，其中，活动部分包括具有柔性包围部分的活塞。
在本发明的另一实施例中，有如上面和/或后面所述的流体传递装 置，其中，该装置还包括：
流体进口孔，该流体进口孔与腔室流体连通；以及
流体出口孔，该流体出口孔与腔室流体连通；
其中，装置用于在活动部分以增加腔室容积的方式运动的过程中 通过进口孔将流体吸入腔室内；
装置用于在活动部分以减少腔室容积的方式运动的过程中通过出 口孔而将流体排出腔室。
在本发明的另一实施例中，有如上面和/或后面所述的流体传递装 置，其中，在腔室中提供开口，该开口允许流体进入和离开腔室，且 通过所述开口的振荡流产生合成射流。
在本发明的另一实施例中，有如上面和/或后面所述的流体传递装 置，其中，腔室的活动部分包括波纹管。
在本发明的另一实施例中，一种流体能量传递装置包括：
腔室，用于接收流体，该腔室的至少一部分包括活动部分，该活 动部分可相对于腔室的另外部分运动，通过活动部分的运动，该活动 部分用于使腔室的容积从第一容积改变成第二容积；以及
电活化促动器，该电活化促动器安装在活动部分上；
其中，电活化促动器是以下情况的至少一个：(i)与活动部分直 接连接；以及(ii)与活动部分联接；以便形成促动器-活动部分组 件；
电活化促动器并不与装置的、除了活动部分之外的任意其它部件 有效连接和有效联接；以及
促动器-活动部分组件用于基本只由于促动器在驱动频率下的振 荡而运动。
在本发明的另一实施例中，有如上面和/或后面所述的流体传递装 置，其中，反作用质量安装在电活化促动器上。
在本发明的另一实施例中，一种流体传递装置包括：
腔室，用于接收流体，该腔室的至少一部分包括柔性部分，该柔 性部分可相对于腔室的另外部分运动，这样，在柔性部分上的最大偏 转点提供了比柔性部分上的任意其它点更大的位移，通过柔性部分的 弯曲，该柔性部分用于使腔室的容积从第一容积改变成第二容积；以 及
力产生促动器，该力产生促动器在不同于最大偏转点的点处安装 在柔性部分上；
其中，力产生促动器是以下情况的至少一个：(i)与柔性部分直 接连接；以及(ii)与柔性部分联接；以便形成促动器-活动部分组 件；
力产生促动器并不与装置的、除了柔性部分之外的任意其它部件 有效连接和有效联接；以及
促动器-活动部分组件用于基本只由于促动器在驱动频率下的振 荡而运动。
在本发明的另一实施例中，有如上面和/或后面所述的流体传递装 置，其中，隔膜还包括成为最大偏转点的中心活塞部分。
在本发明的另一实施例中，有如上面和/或后面所述的流体传递装 置，其中，柔性部分包括波纹管，该波纹管有至少一个波纹管部分。
在本发明的另一实施例中，有如上面和/或后面所述的流体传递装 置，其中，波纹管还包括中心活塞部分，该中心活塞部分成为最大偏 转点。
在本发明的另一实施例中，有如上面和/或后面所述的流体传递装 置，其中，所述力产生促动器包括弯曲器促动器。
在本发明的另一实施例中，有如上面和/或后面所述的流体传递装 置，其中，所述力产生促动器包括可变磁阻促动器。
在本发明的另一实施例中，有如上面和/或后面所述的流体传递装 置，其中，所述力产生促动器包括固体电活化促动器。
在本发明的另一实施例中，一种流体传递装置包括：
腔室，用于接收流体，该腔室的至少一部分包括柔性部分，该柔 性部分可相对于腔室的第二部分运动，通过柔性部分的弯曲，该柔性 部分用于使腔室的容积从第一容积改变成第二容积；
枢轴夹持器，该枢轴夹持器环绕柔性部分的封闭环夹持柔性部分， 从而将柔性部分分成2个部分，这2个部分包括在封闭环内的内部部 分和在封闭环外的外部部分，枢轴夹持器允许外部部分和内部部分绕 枢轴夹持器枢轴转动，这样，该内部部分和外部部分的位移沿相反方 向；以及
至少单个力产生促动器，该力产生促动器有安装在柔性部分的外 部部分上的安装点；
其中，力产生促动器是以下情况的至少一个：(i)与柔性部分的 外部部分直接连接；以及(ii)与柔性部分的外部部分联接；以便形 成促动器-活动部分组件；
力产生促动器并不与装置的、除了柔性部分的外部部分之外的任 意其它部件有效连接和有效联接；以及
促动器-活动部分组件用于基本只由于促动器在驱动频率的振荡 而运动。
在本发明的另一实施例中，一种流体传递装置包括：
腔室，用于接收流体，该腔室的至少一部分包括第一柔性部分， 该第一柔性部分可相对于腔室的第二部分运动，这样，在第一柔性部 分上的最大偏转点提供了比在第一柔性部分上的任意其它点更大的位 移，通过第一柔性部分的弯曲，该第一柔性部分用于使腔室的容积从 第一容积改变成第二容积；以及
至少单个力产生促动器，该力产生促动器有在不同于最大偏转点 的点处安装在柔性部分上的安装点以及安装在腔室的第二部分上的安 装点；
其中，力产生促动器在腔室的柔性部分和腔室的第二部分之间施 加交替力，且腔室容积产生相应变化；以及
所形成的、最大偏转点的峰值位移大于力产生促动器的位移。
在本发明的另一实施例中，有如上面和/或后面所述的流体传递装 置，其中：
腔室的第二部分包括可相对于腔室的第一柔性部分运动的、腔室 的第二柔性部分，这样，在第二柔性部分上的最大偏转点提供了比第 二柔性部分上的任意其它点更大的位移；以及
力产生促动器还有在不同于其最大偏转点的点处安装在第二柔性 部分上的安装点；
其中，力产生促动器在腔室的第一和第二柔性部分之间施加交替 力，从而导致在第一和第二柔性腔室部分的最大偏转点之间的峰值位 移，该峰值位移大于力产生促动器的位移。
在本发明的另一实施例中，有如上面和/或后面所述的流体传递装 置，其中，第一柔性部分包括具有柔性包围部分的第一活塞，第二部 分包括具有柔性包围部分的第二活塞。
在本发明的另一实施例中，一种流体传递装置包括：
腔室，用于接收流体，该腔室的至少一部分包括第一柔性部分， 该第一柔性部分可相对于腔室的第二部分运动，通过第一柔性部分的 弯曲，该第一柔性部分用于使腔室的容积从第一容积改变成第二容积； 以及
至少单个力产生促动器，该力产生促动器有在零挠曲位移点处安 装在第一柔性部分上的安装点以及安装在腔室的第二部分上的安装 点，并产生沿第一柔性部分的挠曲位移的方向的力；
其中，力产生促动器在腔室的柔性部分和腔室的第二部分之间施 加交替力，且由于促动器位移和第一柔性部分的挠曲位移的瞬时总和 而使腔室容积变化。
在本发明的另一实施例中，有如上面和/或后面所述的流体传递装 置，其中：
与腔室流体连通的流体进口孔；
与腔室流体连通的流体出口孔；
装置用于在柔性部分以增加腔室容积的方式运动的过程中通过进 口孔将流体吸入腔室内；
装置用于在柔性部分以减少腔室容积的方式运动的过程中通过出 口孔而将流体排出腔室。
在本发明的另一实施例中，有如上面和/或后面所述的流体传递装 置，其中，
腔室的第二部分包括可相对于腔室的第一柔性部分运动的、腔室 的第二柔性部分；
力产生促动器还有在第二柔性部分的零挠曲位移的点处安装在第 二柔性部分上的安装点；
力产生促动器在腔室的第一和第二柔性部分之间施加交替力，从 而形成在第一和第二柔性腔室部分的最大偏转点之间的峰值位移，该 峰值位移大于力产生促动器的轴向位移。
在本发明的另一实施例中，一种流体传递装置包括：
腔室，用于接收流体，该腔室的至少一部分包括第一柔性部分， 该第一柔性部分可相对于腔室的第二部分运动，通过第一柔性部分的 弯曲，该第一柔性部分用于使腔室的容积从第一容积改变成第二容积； 以及
至少单个力产生促动器，该力产生促动器有在零挠曲位移点处安 装在第一柔性部分上的安装点，并产生沿横向于第一柔性部分的挠曲 位移的方向的力；
其中，力产生促动器在腔室的第一柔性部分上施加交替的横向力， 且由于第一柔性部分的轴向振动而形成腔室容积变化。
在本发明的另一实施例中，有如上面和/或后面所述的流体传递装 置，其中：
腔室的第二部分包括可相对于腔室的第一柔性部分运动的、腔室 的第二柔性部分；
力产生促动器还有在第二柔性部分的零挠曲位移的点处安装在第 二柔性部分上的安装点，并产生沿横向于第二柔性部分的挠曲位移的 方向的力；
力产生促动器在腔室的第一和第二柔性部分上施加交替的横向 力，从而由于第一和第二柔性部分的轴向振动而形成腔室容积变化。
在本发明的另一实施例中，一种流体传递装置包括：
腔室，用于接收流体，该腔室的至少一部分包括第一柔性部分， 该第一柔性部分可相对于腔室的第二部分运动，通过第一柔性部分的 弯曲，该第一柔性部分用于使腔室的容积从第一容积改变成第二容积； 以及
力产生促动器，该力产生促动器有安装在第一柔性部分的中心上 的安装点，并产生沿横向于第一柔性部分的轴向挠曲位移的方向的力；
其中，力产生促动器在腔室的第一柔性部分上施加交替的横向力， 且由于第一柔性部分的轴向振动而形成腔室容积变化。
在本发明的另一实施例中，一种流体传递装置包括：
腔室，用于接收流体，该腔室的至少一部分包括柔性部分，该柔 性部分可相对于腔室的第二部分运动，通过柔性部分的弯曲，该柔性 部分用于使腔室的容积从第一容积改变成第二容积；
枢轴夹持器，该枢轴夹持器环绕柔性部分的封闭环夹持柔性部分， 从而将柔性部分分成2个部分，这2个部分包括在封闭环内的内部部 分和在封闭环外的外部部分，枢轴夹持器允许外部部分和内部部分绕 枢轴夹持器枢轴转动，这样，该内部部分和外部部分的位移沿相反方 向；以及
至少单个力产生促动器，该力产生促动器有安装在柔性部分的外 部部分上的安装点和安装在枢轴夹持器上的安装点，并产生沿与柔性 部分的挠曲位移相同方向的力；
其中，力产生促动器在枢轴夹持器和柔性部分的外部部分之间施 加交替力，且由于柔性部分的挠曲而使腔室容积变化。
在本发明的另一实施例中，有如上面和/或后面所述的流体传递装 置，用于将能量传递给声学谐振器。
在本发明的另一实施例中，有如上面和/或后面所述的流体传递装 置，其中，声学谐振器包括谐振合成射流。
在本发明的另一实施例中，有如上面和/或后面所述的流体传递装 置，其中，声学谐振器包括声学压缩机的谐振器。
附图说明
包含在说明书中并作为说明书的一部分的附图表示了本发明的实 施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。附图中：
图1是用于本发明中的可变磁阻(VR)促动器的实施例的剖视图；
图2是具有VR促动器的本发明实施例的剖视图，该VR促动器 驱动反作用驱动流体能量传递装置；
图3是图2的实施例的剖视图，还包括稳定弹簧；
图4是具有VR促动器的本发明实施例的剖视图，该VR促动器 驱动在反作用驱动流体泵中的活塞；
图5是具有VR促动器的本发明实施例的剖视图，该VR促动器 驱动用于产生合成射流的隔膜；
图6是具有音圈促动器的本发明实施例的剖视图，该VR促动器 驱动反作用驱动流体能量传递装置；
图7是具有VR促动器的本发明实施例的剖视图，该VR促动器 驱动在反作用驱动泵或压缩机中的波纹管压缩腔室；
图8是具有固体电活化促动器的本发明实施例的剖视图，该固体 电活化促动器驱动反作用驱动流体能量传递装置；
图9是具有固体电活化促动器的本发明实施例的剖视图，该固体 电活化促动器具有反作用质量，驱动反作用驱动流体能量传递装置；
图10是具有环形柱体形状的固体电活化促动器的本发明实施例 的剖视图，该固体电活化促动器具有反作用质量，驱动反作用驱动流 体泵；
图10A是具有波纹管压缩腔室的本发明实施例的剖视图，该波纹 管压缩腔室由在反作用驱动流体泵中的两个固体电活化促动器来驱 动；
图11是本发明实施例的剖视图，它提供了反作用驱动流体能量传 递装置的“轴外驱动”的概念图示；
图12是轴外驱动的反作用驱动流体能量传递装置的剖视图，该流 体能量传递装置由弯曲器促动器来驱动，该弯曲器促动器具有中心动 力输出(PTO)点；
图13是轴外驱动的反作用驱动流体能量传递装置的剖视图，该流 体能量传递装置由具有周边PTO点的弯曲器促动器来驱动；
图14是轴外驱动的本发明实施例的剖视图，它有两个弯曲器促动 器，这两个弯曲器促动器驱动在反作用驱动泵或压缩机中的双活塞波 纹管压缩腔室；
图15是轴外驱动的本发明实施例的剖视图，它有两个弯曲器促动 器，这两个弯曲器促动器驱动在反作用驱动泵或压缩机中的双活塞双 波纹管压缩腔室；
图16是轴外驱动的本发明实施例的剖视图，它有固体电活化促动 器，该固体电活化促动器有在反作用驱动流体能量传递装置中的反作 用质量；
图17是轴外驱动的本发明实施例的剖视图，它有弯曲器促动器， 该弯曲器促动器有反作用质量和中心PTO点，其驱动隔膜，该隔膜再 驱动反作用驱动流体能量传递装置中的活塞；
图18是轴外驱动的本发明实施例的剖视图，它有弯曲器促动器， 该弯曲器促动器有反作用质量和周边PTO点，其驱动隔膜，该隔膜再 驱动反作用驱动流体能量传递装置中的活塞；
图18A是轴外边缘驱动的反作用驱动的本发明实施例的剖视图， 它有环形电活化促动器，该环形电活化促动器在隔膜夹持圆的外侧驱 动隔膜边缘；
图18B是轴外边缘驱动的反作用驱动的本发明实施例的剖视图， 它有环形电活化促动器，该环形电活化促动器有反作用质量，它在隔 膜夹持圆的外侧驱动隔膜边缘；
图19是轴外驱动的本发明实施例的剖视图，它有普通机械接地的 促动器，该促动器驱动流体能量传递装置内的隔膜；
图20是轴外驱动的本发明实施例的剖视图，它有普通机械接地的 促动器，该促动器驱动隔膜，该隔膜再驱动流体能量传递装置内的活 塞；
图21是轴外驱动的本发明实施例的剖视图，它有机械接地的VR 促动器，该VR促动器驱动流体能量传递装置内的隔膜；
图22是轴外驱动的本发明实施例的剖视图，它有弯曲器促动器， 该弯曲器促动器在它的中心机械接地，它驱动在流体能量传递装置内 的隔膜；
图23是轴外驱动的本发明实施例的剖视图，它有机械接地的VR 促动器，该VR促动器驱动流体能量传递装置内的隔膜；
图24是轴外驱动的本发明实施例的剖视图，它有机械接地的环形 电活化促动器，该环形电活化促动器驱动流体能量传递装置内的隔膜；
图25是轴外驱动的本发明实施例的剖视图，它有双重机械接地的 环形电活化促动器，该环形电活化促动器驱动流体能量传递装置内的 隔膜；
图26是轴外驱动的本发明实施例的剖视图，它有机械接地的音圈 促动器，该音圈促动器驱动流体能量传递装置内的隔膜；
图27是轴外驱动的本发明实施例的剖视图，它有双重机械接地的 环形电活化促动器，该环形电活化促动器驱动泵或压缩机内的波纹管 压缩腔室；
图28是轴外驱动的本发明实施例的剖视图，它有双重机械接地的 环形电活化促动器，该环形电活化促动器驱动泵或压缩机内的双活塞 波纹管压缩腔室；
图29是轴外驱动的本发明实施例的剖视图，它有机械接地的VR 促动器，该VR促动器驱动泵或压缩机内的双活塞波纹管压缩腔室；
图30是轴向夹持驱动的本发明实施例的剖视图，它有机械接地的 环形电活化促动器，该环形电活化促动器驱动流体能量传递装置内的 隔膜；
图31是轴向夹持驱动的本发明实施例的剖视图，它有机械接地的 环形电活化促动器，该环形电活化促动器驱动流体能量传递装置内的 回旋隔膜；
图32是轴向夹持驱动的本发明实施例的剖视图，它有环形电活化 促动器，该环形电活化促动器驱动流体能量传递装置内的两个隔膜；
图32A是轴向夹持驱动的本发明实施例的剖视图，它有机械接地 的可变磁阻促动器，该可变磁阻促动器驱动流体能量传递装置内的隔 膜；
图33是径向夹持驱动的本发明实施例的剖视图，它有机械接地的 环形电活化促动器，该环形电活化促动器驱动流体能量传递装置内的 隔膜；
图34是径向夹持驱动的本发明实施例的剖视图，它有机械接地的 环形电活化促动器，该环形电活化促动器驱动流体能量传递装置内的 回旋隔膜；
图35是径向夹持驱动的本发明实施例的剖视图，它有机械接地的 环形电活化促动器，该环形电活化促动器驱动流体能量传递装置内的 回旋隔膜；
图36是径向夹持驱动的本发明实施例的剖视图，它有双重环形电 活化促动器，该环形电活化促动器驱动泵或压缩机内的波纹管压缩腔 室；
图37是径向夹持驱动的本发明实施例的剖视图，它有双重环形电 活化促动器，该环形电活化促动器驱动泵或压缩机内的双活塞波纹管 压缩腔室；
图37A是挠曲径向驱动的本发明实施例的剖视图，它有单个隔膜， 该隔膜有径向挠曲促动器；
图37B是挠曲径向驱动泵的本发明实施例的剖视图，它有单个隔 膜，该隔膜有径向挠曲促动器；
图37C是挠曲径向驱动泵的本发明实施例的剖视图，它有双隔膜， 该隔膜有径向挠曲促动器；
图37D是挠曲径向驱动泵的本发明实施例的剖视图，它有波纹管 部分，该波纹管部分有两个径向挠曲促动器；
图37E是挠曲径向驱动的本发明实施例的剖视图，它有隔膜，该 隔膜有驱动第二活塞的径向挠曲促动器；
图38是边缘驱动的本发明实施例的剖视图，它有环形电活化促动 器，该环形电活化促动器在夹持圆的外侧驱动隔膜的边缘；
图39是边缘驱动的本发明实施例的剖视图，它有双重环形电活化 促动器，该促动器在夹持圆的外侧驱动隔膜的边缘；
图40是边缘驱动的本发明实施例的剖视图，它有环形电活化促动 器，该环形电活化促动器在夹持圆的外侧驱动隔膜的边缘，所述隔膜 再驱动活塞；
图40A是边缘驱动的本发明实施例的剖视图，它有环形可变磁阻 促动器，该促动器在夹持圆的外侧驱动隔膜的边缘；
图41以局部剖表示了本发明的流体能量传递装置，它驱动声学谐 振器；
图42以局部剖表示了本发明的流体能量传递装置，它驱动另一声 学谐振器；
图43表示了本发明的流体能量传递装置，它驱动扁平声学谐振 器；
图44表示了本发明的流体能量传递装置，它驱动谐振合成射流。

在本部分中，本发明实施例的说明在子标题下进行组织，这些子 标题介绍了施加在本发明的隔膜或活塞上的力。力的名称通常指示力 相对于隔膜/活塞轴线的方向(即轴向或径向)以及施加点(例如在中 心/轴线上、偏离中心、或者在夹持点)。
反作用驱动布局
PCT专利申请PCT/US2005/046557介绍了具有浮动弯曲器促动 器(例如压电陶瓷或任意数目的其它电活化促动器)的反作用驱动装 置，该文献的整个内容被本文参引。反作用驱动系统的浮动促动器的 动力学特征能够使用较高力、低冲程的促动器，因此省略了驱动普通 泵和压缩机的昂贵电马达。本发明还提供了能够用于反作用驱动系统 中的促动器。对于反作用驱动的实施例，力沿轴向方向。反作用驱动 促动器根据它们的力施加在流体系统上的位置而分组成两个不同类： (i)轴向或活塞驱动；以及(ii)轴外驱动。
轴向和/或活塞驱动
在该标题下介绍的促动器用于在隔膜的中心驱动该隔膜或者驱动 活塞。
下面参考图1，图中表示了本发明反作用驱动系统的一个促动器 实施例的剖视图。图1表示了轴对称可变磁阻(VR)促动器2，它有 线圈缠绕部分4和盘部分6。电线绕组8缠绕在中心柱10上，且线圈 缠绕部分4通过连杆12和弹簧14而安装在盘部分6上，以便提供气 隙16。当线圈8以DC电流通电时，所形成的吸引磁力使得盘部分6 和线圈缠绕部分4相互吸引，从而减少气隙16。当电流变成零时，弹 簧14使得盘部分6和线圈缠绕部分4返回它们的初始位置。当频率为 f的交流电施加给线圈8时，产生两个吸引力，其中，一个吸引力一 直恒定，另一个振荡。振荡的力使得盘部分6和线圈缠绕部分4周期 性地相互吸引，且形成的振动频率为2f，通常称为参数响应。恒定力 导致平均气隙减少，同时部件进行振荡。
图2表示了图1的VR马达20，它用作反作用驱动隔膜系统的促 动器。马达20通过支架18而与隔膜16的中心刚性连接，且流体腔室 15由外壳22和隔膜16来界定。隔膜16的振动将能量传递给流体腔 室15中的流体。流体口28和30用于使得流体能够进出流体腔室15， 与泵的情况一样。不过，图2的口28和30并不意味着表示特定流体 系统例如泵、压缩机或合成射流，而是将介绍为普通流体系统，它由 用于将能量传递给流体的特定驱动系统实施例来驱动。这样的相同表 示方法将一直使用，且重点在于驱动系统，该驱动系统可以用于任意 数目的不同流体用途，例如泵、压缩机、合成射流、谐振声学系统等。
在工作时，频率为f的交流电压波形施加在马达20的线圈上，从 而产生频率为2f的随时间变化力，该力使得马达元件24和26以彼此 180°异相振动。部件24的质量通常小于部件26的质量，从而使得部 件24的振幅大于部件26的振幅。部件24的运动通过支架18而直接 传递给隔膜16，该隔膜再将能量传递给流体腔室15内的流体。图2 的反作用驱动流体系统将有机械系统谐振频率f0＝(1/2π)(K/M)1/2， 其中K＝隔膜16和流体腔室15中的流体的弹簧刚度的组合刚度，M＝ 大致隔膜16、马达20和支架12的组合有效运动质量，而f0是指系统 谐振频率，它由以最低阶轴向模式形状振荡的夹持流体隔膜6而引起。 为了精确预测f0，外壳22的运动也必须考虑。集总元件机械和电模拟 数字模型和其它模型可以用于预测和/或估计图2的流体系统的基础谐 振频率。
当驱动频率f选择为接近或等于系统的基础谐振频率f0的1/2时， 能量可以储存在谐振中，它与系统的谐振质量因素Q和驱动频率f与 谐振频率f0的接近成比例。当能量储存在系统的谐振中时，隔膜16 的位移可以超过马达20的实际气隙振荡。这样，低位移VR马达可以 用于提供目前的MESO和MEMS流体用途所需的更高隔膜位移。因 为与图2的马达20的基本(或者换句话说，有效)机械连接只是支架 18，因此马达20随着隔膜16的更大位移自由地漂浮或浮动，即使当 气隙的振荡幅值只是隔膜16的挠曲幅值的一小部分时。
导致储存能量的驱动频率和并不导致储存能量的驱动频率都在本 发明的范围内考虑，而与特定实施例无关。
由VR马达产生的磁力可以近似为Fmag＝Li/2G，其中，L是马达 的感应系数，i是电流，G是气隙距离。马达损失随着i而变化，对于 给定电流产生的力将随着气隙距离G而反向变化。因此，马达效率也 随着G而反向变化。如上所述，在反作用驱动系统中，气隙并不需要 以与流体隔膜相同的振幅来振荡。因此，可以使用较小气隙，该较小 气隙能够使小型VR马达有很高的转换效率。反作用驱动和可变磁阻 促动器的组合将不需要高成本的普通小型电马达。在图1中，盘部分 6和线圈缠绕部分4可以由软磁组分(SMC)(类似Hoganas材料) 制成，它在更高频率时有较低损失，例如高于100Hz。这些材料很便 宜，并能够形成与图1中的马达2类似的形状。
尽管图1的马达2提供了优良的线圈使用，但是也可以使用并不 轴对称的其它布局，例如EI、EIE、IEEI和CI磁部分，这些布局可 以由变压器钢迭片结构或SMC材料构成，如本领域公知。受益于小 气隙的任何促动器都可以使用。美国专利6388417介绍了很多不同的 VR促动器布局和相关驱动和控制系统，它们可以在本发明的范围内 使用，该文献的整个内容被本文参引。
可以对图2中所示的反作用驱动装置进行多种改进，如PCT申请 No.PCT/US2005/046557中所述，例如图3中所示的稳定弹簧32。在 引用的PCT申请中的这些实施例和改进的进一步应用对本领域技术 人员是显而易见的。对于与图3的实施例类似的实施例，稳定弹簧32 可以用作系统的主要弹簧刚度，因此能够使隔膜或活塞的弹簧刚度更 软(当对于给定用途希望这样时)。参考图2，稳定弹簧或辅助弹簧的 其它安装点可以包括马达部件24或支架18。
图4表示了VR马达能够怎样用于反作用驱动系统中以便驱动活 塞泵或压缩机。在泵体36中，马达34与活塞38刚性连接，该活塞 38有安装在它上面的柔性包围部分39，且该柔性包围部分39环绕它 的周边被夹持，从而使活塞38能够轴向振动。除非另外说明，这里使 用的术语“活塞”的意思是具有柔性包围部分的活塞，与图4的活塞38 类似。柔性包围部分可以由金属、塑料、弹性体或其它适合给定用途 的结构、应力和化学相容性要求的任意材料来构成。流体腔室40由活 塞38和泵体36来界定。进口孔42位于活塞38中，出口孔44位于泵 体36中。还提供两个簧片阀(具有与簧片阀48类似的布局)，用于覆 盖进口孔和出口孔。进口簧片阀处于活塞38的上表面上，出口簧片阀 处于泵体36的表面49上。进口和出口簧片阀在它们的中心通过簧片 顶端来固定，以便响应在流体腔室40中的振荡流体压力而自由地打开 和关闭。工作时，马达34驱动振荡活塞位移，从而导致流体压缩和流 动，因此，流体通过口50进入泵体36，并通过口52离开。在泵的系 统谐振频率处或附近操作该泵将导致活塞位移变得更大，与储存在系 统中的能量成比例。图2中所示的隔膜实施例还可以受益于图4中所 示的锥形压缩腔室。对于压缩机用途，锥形压缩腔室将减小间隙容积， 从而对于给定冲程振幅增加了压缩比。在图3中，压缩腔室的顶部将 形成为与隔膜的弯曲形状匹配。
图5表示了VR马达能够怎样用于驱动合成射流。在工作时，马 达58使得隔膜54振荡，这样，在流体腔室56中的流体经历周期性的 压力变化，从而产生通过口60的振荡流体流，并产生口60外部的脉 冲流，其沿轴向离开口60。在系统谐振频率处或附近操作装置将导致 隔膜位移变得更大，与储存在系统中的能量成比例。本发明的任何流 体驱动系统将用于与合成射流组合。例如，使用活塞、隔膜、电活化 弯曲器促动器、VR马达、电活化材料的较大挠曲、或者本发明的任 何实施例(包括在PCT申请No.PCT/US2005/046557中所示的实施例) 的驱动实施例可以用于驱动合成射流。由本发明对于合成射流提供的 优点能够在给定尺寸的装置中通过该口驱动明显更大的振荡空气/气 体流，从而导致更大射流流速。
图6表示了驱动反作用驱动流体系统的音圈促动器62。该音圈促 动器62包括永磁体部分64，该永磁体部分64通过弹簧70而与音圈 部分66连接，该音圈部分具有与它刚性连接的音圈68。当音圈68以 交流电来供能时，马达部分66和64将彼此180°异相振动。在它的系 统谐振频率处或附近操作该装置将导致隔膜的位移变得更大，与储存 在系统中的能量成比例。当能量储存在系统的谐振中时，隔膜16的位 移可以超过在音圈部分66和磁体部分64之间的相对位移。同样，马 达62随隔膜72的更大位移自由地漂浮或浮动。所形成的隔膜72振荡 将能量传递给流体腔室74内的流体。
图7提供了具有泵体80的另一反作用驱动实施例，该泵体80装 有VR马达76，该VR马达76刚性安装在活塞78上，该活塞78刚 性安装在波纹管82的单个部分上。波纹管82再刚性安装在泵体80 上。波纹管82可以有2个、3个或任意数目的部分，这取决于特定用 途的设计需要。压缩腔室84由泵体80、波纹管82和活塞78来界定。 波纹管82在确定泵的系统谐振频率时用作泵的有效机械弹簧刚度的 一部分。图7的泵将有与图4的簧片阀48类似的进口和出口簧片阀， 且进口簧片阀安装在活塞78的顶部表面上，以便覆盖进口孔90，而 出口簧片阀安装在泵体80的表面98上，从而覆盖出口孔94。簧片阀 的附加瓣将覆盖图7的剖视平面中未示出的口。
在工作时，马达76驱动波纹管82，从而导致压缩腔室84的容积 振荡，因此使流体压缩和流动，从而使流体通过口88进入泵体80和 通过口86离开。在系统谐振频率处或附近操作该装置将导致活塞的位 移变得更大，与储存在系统中的能量成比例。尽管图7中的泵使用单 个波纹管部分，但是也可以使用任意数目的波纹管部分。使用的波纹 管部分的数目将由特定用途的需要来确定。这里所述的任意其它促动 器也可以用于驱动图7的实施例，例如电活化弯曲器促动器、固体电 活化促动器和各种VR促动器布局，以及任意其它产生力的促动器。
图8表示了又一简单的较高力、低冲程促动器，该促动器可以与 反作用驱动系统组合使用，其中，柱形电活化促动器102与隔膜100 刚性连接。电活化促动器102可以由任意数目的电活化材料构成，包 括压电陶瓷、压电聚合物合成物例如PVDF、结晶材料、磁致伸缩材 料、电活化聚合物换能器(EPT)、电致伸缩聚合物以及各种“聪明材 料”例如由材料例如Nitinol制造的形状记忆合金(SMA)促动器或者 磁致伸缩材料例如Terfenol-D。响应周期性施加能量而改变形状的任 何材料都几乎可以用作图8中的促动器102或者用于本发明任意其它 实施例中。
为了解释促动器102的操作，假定促动器102由压电陶瓷材料制 成。促动器102的方位为这样，施加给定极性的电场将使得促动器102 的Z尺寸缩小。当电场极性相反时，促动器102的Z尺寸将增大。当 施加极性以频率f振荡的电场时，促动器的Z尺寸将以频率f振荡。 这将是选择电活化促动器类型，因此促动器102的主要振动将为轴向。
在工作时，促动器102的Z轴振动将使得隔膜100振动，从而将 能量传递给流体腔室105中的流体。为了增加隔膜位移和流体能量传 递，振荡电场施加给促动器102，它的频率与系统谐振频率足够接近， 这样，能量储存在系统谐振中，导致与储存的能量成比例的隔膜位移。 驱动频率越接近瞬时系统谐振频率，储存的能量越大，流体能量传递 也越大。导致储存能量的驱动频率和并不导致储存能量的驱动频率都 在本发明的范围内，而与特定实施例无关。
在图9中表示了图8的反作用驱动系统的改进形式，其中，反作 用质量106刚性安装在促动器108上。促动器108以与图8的促动器 102相同的方式工作。如PCT专利申请No.PCT/US2005/046557中所 述，反作用质量可以增加从促动器向隔膜(因此向流体)传递的能量 大小和效率。
图10表示了另一促动器在反作用驱动系统中的使用。促动器110 有环形柱形形状。促动器110的底部安装在反作用质量112上，促动 器110的顶部安装在隔膜114上。在工作时，图10的反作用驱动系统 与图8和9中相同。
多种不同的电活化促动器可以用于图8-10的实施例范围中，只要 它们沿Z方向挠曲。选择的形状和材料将反映给定用途的要求。例如， “复合”或层状压电促动器(它减少了给定位移所需的施加电压)可以 用于图8-10的实施例中。
应当知道，对于图8-10的实施例，促动器—隔膜安装或者促动器 —活塞安装的刚性或刚度将反映使用的促动器的类型。例如，尽管沿 Z方向的挠曲向系统传递能量，但是大部分电活化促动器通常沿所有 尺寸都挠曲，尽管并不相等。参考图8，当促动器102沿Z方向挠曲 时，它也沿X和Y方向挠曲。当促动器-隔膜安装为刚性时，沿所有 方向的挠曲都将受到限制，用于给定的施加电压幅值传递的能量将减 少。因此，点类型的连接通常将为优选，与图8-10中所述的表面连接 相反。例如，处于图8的促动器102的柱形轴线上的点连接将减小对 3D挠曲的限制，并优化能量传递。另外的方案可以包括使用弹性表面 连接，但是必须注意，这些连接并不吸收能量，因为它们只用作系统 的阻尼器。通常，电活化促动器的极性和材料特性将被选择成使得促 动器沿力传送方向的偏转最大，促动器沿其它方向的偏转最小。
图8-10的电活化促动器实施例表示为驱动隔膜，但是也可以驱动 活塞和波纹管设计，如图4和7中所示。
图10A表示了另一轴向反作用驱动实施例，它有由上部隔膜452 和底部隔膜454形成的波纹管450，且该波纹管450通过软环形弹簧 458而绕它的周边安装在壳体456上。促动器460的上表面安装在可 选的反作用质量464上，底表面安装在上部隔膜452的中心上。促动 器462的底表面安装在可选的反作用质量466上，上表面安装在底部 隔膜454的中心上。上部隔膜452有出口孔468，底部隔膜454有进 口孔470。这些口通常将由簧片阀覆盖，该簧片阀响应波纹管450内 部的变化压力而打开和关闭，且使用的簧片阀材料需要足够柔顺，以 便不管隔膜怎样弯曲都保持密封覆盖该口。对于簧片阀的布置，在上 部隔膜452中的口可以用作进口孔或出口孔，底部隔膜454也是这样。 在图10A中，进口簧片阀安装在底部隔膜454上，出口簧片阀安装在 上部隔膜452上。
为了解释，假定促动器460和462是固体电活化促动器，例如压 电陶瓷，尽管在本发明中所述的任意促动器都可以选择地使用。在工 作时，促动器460和462以频率为f的交变电场来通电，且所形成的 促动器460和462的周期性位移使得波纹管450的容积以频率f变化。 所形成的、在波纹管450内的随时间变化压力将使得流体被吸入口472 中和从口474排出。可选的反作用质量464和466可以用于调节系统 的谐振频率。在系统谐振频率处或附近操作图10A中的泵将导致波纹 管位移变得更大，与储存在系统中的能量成比例。
轴外驱动
轴外驱动提供了用于将负载阻抗调节成反作用驱动系统中的促动 器的阻抗的装置，还可以用于降低促动器上的、与加速度相关的应力。
图11表示了轴外驱动的原理。反作用驱动系统有壳体116和半径 R的隔膜118。在上述实施例中，促动器的力通常施加在隔膜118的 中心，如标记为F1的箭头所示。隔膜118作为边缘夹持隔膜而自由弯 曲，且它的弯曲包迹由虚线表示。在理想情况下，轴向驱动可以认为 在r＝0处施加力F1。通常，r＝0只是多个不同径向位置(在这些位置， 能够施加力以便使隔膜118振荡)的特殊情况。更普通的是，图11表 示了在轴外点施加的力F2，称它为r＝x。当力的施加点从r＝0变化至 r＝R时，使隔膜的中心移动给定量h所需的力增加，但是在施力点处 的相关隔膜位移减小。换句话说，对于固定驱动频率，负载的机械阻 抗随着r而增加。
图12表示了在反作用驱动系统中的轴外驱动的一个实施例，其 中，弯曲器促动器120在它的中心处与支架124的底部连接，且支架 124的环形唇缘126与隔膜122弹性连接，以便并不限制隔膜122的 正常弯曲。环形反作用质量128安装在弯曲器促动器的周边上。弯曲 器促动器120的动力输出在它的中心。工作时，隔膜122的中心将经 历比弯曲器促动器120的中心更大的振动位移，其中假定支架124为 刚性。在系统谐振频率处或附近操作图12的装置将导致隔膜位移变得 更大，与储存在系统中的能量成比例。
作为反作用驱动系统的特征，弯曲器促动器120随隔膜122的位 移漂浮或浮动。即使弯曲器促动器120的弯曲位移比隔膜122的弯曲 位移小得多，促动器120也可以经受与随隔膜122的高加速度漂浮相 关的附加应力。图12的轴外驱动系统通过使弯曲器促动器120的安装 点离开隔膜的中心(在该中心处可以看见最大加速度)而降低弯曲器 促动器120的隔膜施加加速度。
图13表示了用于反作用驱动系统的轴外驱动实施例，它进一步降 低了由隔膜132施加在弯曲器促动器130上的加速度。弯曲器促动器 130有与它的中心连接的反作用质量。用于弯曲器促动器130的PTO 点通过环形支架136而环绕它的周边。与图12的轴外驱动系统相比， 图13的系统进一步减少了由隔膜施加在弯曲器促动器上的加速度，因 为支架136有更大的隔膜接触半径。轴外驱动的还一优点可以通过比 较图13和图9而看出。当促动器安装在隔膜的中心时，如图9所示， 可能导致横向不稳定，其中，促动器可能经受不希望的横向运动，从 而产生在隔膜和促动器上的附加应力以及装置的附加噪音和振动。因 为图13中的促动器安装为靠近隔膜132的夹持点，因此当与图9的实 施例相比时将提供更大程度的横向排斥。
图14表示了用于反作用驱动系统的轴外驱动的另一施加方式。泵 体138装有双重活塞、双重促动器系统。压缩腔室154由波纹管140、 活塞142和活塞144来界定。弯曲器促动器148有安装在它的中心处 的反作用质量150和安装在它的周边上的环形支架156，且该支架156 再安装在波纹管140的上部部分上。弯曲器促动器146有安装在它的 中心处的反作用质量152和安装在它的周边上的环形支架158，且该 支架158再安装在波纹管140的底部部分上。波纹管140的外周通过 柔软的环形弹簧160而安装在泵的壳体138上，并用于使波纹管140 与泵壳体138的振动隔离。活塞144和活塞142各自有具有阀的口。 进口和出口簧片阀(与图4中所示的簧片阀48类似)可以用于图14 的泵实施例中。例如，进口簧片阀可以安装在活塞142的上表面上， 出口簧片阀可以安装在活塞144的上表面上。在支架156和支架158 中需要流动通过通气孔，以便允许流体流入和流出进口孔和出口孔。
在操作时，弯曲器促动器148和146将通电，以便向波纹管140 施加振荡和相反力，这又使得活塞144和142彼此180°异相振动。当 施加力的频率处于系统的谐振频率或在该谐振频率附近时，较大活塞 位移将导致流体压缩和流动，从而使流体通过口162进入泵体138和 通过口164离开。在图14的实施例中，活塞142和144可以省略和由 两个隔膜代替，从而提供本发明的另一实施例。
图15表示了用于反作用驱动系统的轴外驱动的另一施加方式。该 实施例与图14的实施例类似，除了附加第二波纹管部分。任意数目的 波纹管部分都可以用于本发明中，且使用部分的确切数目为特定用途 的要求的函数。
图16表示了可以用于反作用驱动系统的轴外驱动的另一促动器。 提供了环形电活化促动器166，它的上表面安装在隔膜168上，它的 底表面安装在可选的反作用质量172上。可选的调节质量170可以安 装在隔膜168的中心。为了解释促动器166的操作，假定促动器166 由压电陶瓷材料制成。促动器166的方位为这样，施加给定极性的电 场将使得它的Z尺寸缩小。当电场极性相反时，促动器166的Z尺寸 将增大。当施加极性以频率f振荡的电场时，促动器的Z尺寸将以频 率f振荡。
在工作时，促动器166的Z轴向振动将使得隔膜168振动，从而 将能量传递给在流体腔室171中的流体。为了增加隔膜位移和流体能 量传递，施加给促动器166的振荡电场的频率足够接近系统谐振频率， 这样，能量储存在系统谐振中，从而产生与储存能量成比例的隔膜位 移。
图17表示了与图12的驱动系统类似的轴外驱动系统，其中，隔 膜174驱动活塞176，且流体腔室178由外壳180和活塞176界定。 用于弯曲器促动器182的PTO在它的中心。
图18表示了与图13的驱动系统类似的轴外驱动系统，其中，隔 膜186驱动活塞188，且用于弯曲器促动器184的PTO点在它的周边。
图18A表示了本发明的轴外边缘驱动隔膜实施例，它有外壳434、 隔膜430、可选的调节质量442、环形电活化促动器432和环形刀刃夹 持器438和440。促动器432的顶表面通过连接器436而安装在隔膜 430的边缘或周边上。当促动器432通电时，它产生与Z轴线平行的 力。当力沿Z方向时，隔膜430的中心将沿+Z方向运动。同样，当 力沿+Z方向时，隔膜430的中心将沿-Z方向运动。
当隔膜430由促动器432以频率f(该频率f低于隔膜430的更高 阶谐振模式)激励时，隔膜将通过在频率f下以它的基本轴向模式振 荡而进行响应。当隔膜430以接近或等于系统基本谐振频率的频率f 来驱动时，能量将储存在系统谐振中，且隔膜430的位移将与该储存 能量成比例地增加。系统谐振可以利用可选质量442来调节。质量442 和促动器432总是沿相反方向运动，因此通过选择正确的质量，施加 在外壳434上的力可以减小或消除，从而降低外壳振动和相关噪音。
图18B的实施例以与图18A的实施例相同的方式工作，除了环形 反作用质量444附加在促动器445上，用于提高向流体的能量传递。 与图18A的实施例中相同，调节质量446、促动器445和反作用质量 444的质量可以选择成降低或消除外壳振动和相关噪音。
本领域技术人员显然知道，本发明的反作用驱动实施例可以进行 多种改进和变化。例如，由于促动器的振动，无支承的促动器引线可 能受到过大应力。解决该问题的方案参考图2所示。来自马达20的引 线将粘在支架18和隔膜16上，从而沿着完全支承通路返回壳体22， 该壳体22机械接地。其它促动器也可以用于本发明，例如运动磁体促 动器和运动线圈促动器。
机械接地促动器
在下面的本发明实施例中，促动器并不浮动，而是机械接地地连 接在流体装置的壳体上。
轴外驱动
图19表示了接地促动器设计，其中，普通促动器190的底表面安 装在壳体192上，它的顶表面与支架194连接，该支架194再与隔膜 196弹性连接。调节质量198与隔膜196的中心连接，并可以用于调 节系统谐振频率。根据前述的轴外驱动原理，由于系统的机械放大， 促动器190的较小偏转将导致隔膜196的中心处的更大偏转。所形成 的放大系数与支架194的直径成比例地变化。在本发明的范围内，任 意类型的促动器都可以用于图19的流体能量传送系统中。
图19的流体能量传递系统也将有机械系统谐振频率f0＝(1/2π) (K/M)1/2，其中K＝隔膜16和流体腔室200中的流体的弹簧刚度的组 合有效刚度，M＝隔膜196和调节质量198的组合有效运动质量，而 f0是指系统谐振频率，它导致隔膜196以最低阶模式形状轴向振荡。 为了精确预测f0，壳体192的运动也必须考虑。集总元件机械和电模 拟数字模型和其它模型可以用于预测和/或估计图19的流体系统或本 发明任意实施例的基础谐振频率。
工作时，促动器190的Z轴向振动使得隔膜196振动，从而将能 量传递给流体腔室200内的流体。为了增加隔膜位移和流体能量传递， 振荡电场施加在促动器190上，其频率足够接近系统谐振频率，这样， 能量储存在系统谐振中，从而形成与储存能量成比例的隔膜位移。驱 动频率越接近瞬时系统谐振频率，储存的能量越大，流体能量传递也 越大。导致储存能量的驱动频率和并不导致储存能量的驱动频率都在 本发明的范围内，而与特定实施例无关。
图20表示了与图19中所示相同的驱动系统，除了隔膜202用于 驱动活塞204。结果是机械放大，因此活塞204的位移大于促动器208 的位移。所形成的放大系数与支架206的直径成比例地变化。活塞位 移可以通过以在系统谐振中储存能量的频率驱动装置而增大。
图21表示了类似于图19的轴线外驱动系统，其中，接地促动器 是环形VR马达。系统的机械放大使得VR马达不必提供较大位移。 因此，VR马达可以保持较小气隙，因此有较高电机械效率，如前面 所述。可选的反作用质量212可以用于调节系统的谐振频率。图21 的流体能量传递装置以与图19的流体能量传递装置相同的方式工作。
图22表示了使用接地弯曲器促动器214的另一轴外驱动系统，该 促动器214在它的中心通过柱216而与外壳218接地连接。弯曲器促 动器214的周边通过环形支架222而与隔膜220连接。系统的放大系 数使得能够使用非常高的力和小位移的弯曲器促动器，且特定放大系 数与支架206的直径成比例地变化。图22的流体能量传递装置以与图 19的流体能量传递装置相同的方式工作。可选的反作用质量221能够 用于调节系统的谐振频率。
图23表示了使用接地VR促动器224的另一轴外驱动系统。VR 促动器的力通过刚性盘226和环形支架228而传递给隔膜230。图23 的流体能量传递装置以与图19的流体能量传递装置相同的方式工作。 可选的反作用质量231能够用于调节系统的谐振频率。
图24表示了使用环形电活化促动器232的另一轴外驱动系统。促 动器232的底部通过夹持环234而接地连接在外壳236上，且促动器 232的顶部通过支架240而与隔膜238弹性连接。图24的流体能量传 递装置以与图19的流体能量传递装置相同的方式工作。可选的反作用 质量239可以用于调节系统的谐振频率。
图25表示了使用两个相对环形电活化促动器244和242的另一轴 外驱动系统，该促动器244、242通电以便向隔膜246施加类似方向的 力。另外，图25的流体能量传递装置以与图19的流体能量传递装置 相同的方式工作。可选的反作用质量245可以用于调节系统的谐振频 率。
图26表示了使用接地音圈促动器248的另一轴外驱动系统，该促 动器248有环形永磁体部分250，该环形永磁体部分250在它的底表 面与壳体253机械接地连接，并有音圈部分252，该音圈部分252通 过弹簧258而与永磁体部分250连接。音圈部分252的顶表面通过环 形支架254而与隔膜256弹性连接。当音圈257以频率f的交流电来 通电时，所形成的磁力使得音圈部分252相对于永磁体部分250振动， 这又使得隔膜256也以频率f振动，从而将能量传递给流体腔室255 内的流体。当驱动频率f处于或接近系统谐振频率时，隔膜256的位 移将更大，与储存在系统谐振中的能量成比例。可选的反作用质量249 用于调节系统的谐振频率。
图27表示了具有波纹管258的轴外驱动泵，该波纹管258环绕它 的周边通过软弹簧264而安装在壳体266上。机械接地促动器260和 262在靠近它的周边处与波纹管258弹性连接，且所述促动器通电， 以便向波纹管258施加相对方向力，从而能够根据施加力的方向而增 大或减小波纹管258的容积。波纹管258的上部隔膜270有出口孔272， 底部隔膜268有进口孔274。如前所述，这些口通常由簧片阀覆盖， 该簧片阀响应波纹管258内部的变化压力而打开和关闭，且使用的簧 片阀材料需要足够柔顺，以便不管隔膜怎样弯曲都保持密封覆盖该口。 对于簧片阀的布置，在底部隔膜270中的口可以用作进口孔或出口孔， 底部隔膜268也是这样。在图27中，假定进口簧片阀安装在底部隔膜 268上，出口簧片阀安装在上部隔膜270上。
为了进行解释，假定促动器260和262是压电陶瓷促动器，尽管 可以选择使用结合本发明所述的任意促动器。在工作时，促动器260 和262以频率f的交流电场来通电，且所形成的、促动器260和262 的周期性位移使得波纹管258的容积以频率f变化。所形成的、在波 纹管258内的随时间变化压力将使得流体吸入口276中和从口278排 出。可选的反作用质量280和282可以用于调节系统的谐振频率。图 27的装置在系统谐振频率处或附近操作将使得波纹管位移变得更大， 与储存在系统中的能量成比例。
图27的泵的可选设计将是以具有相同形状的被动柱来代替促动 器262。不过剩余的促动器必须提供更大的位移，以便在波纹管258 中产生相同的容积量度变化，泵仍然是可操作的。
图28表示了另一轴外驱动泵，它与图27的泵类似地工作，除了 将两个活塞添加在图27的纯波纹管结构上。另外，图28的泵以与图 27的泵相同的方式工作。
图29通过使用VR马达来提供图28的泵的变化，以便向各活塞/ 隔膜的周边施加相对力。
夹持驱动
在本发明的前述实施例中，弹簧、波纹管或其它流体部件通常夹 持在壳体本体上，弹簧或隔膜的柔性部分由促动器驱动。夹持驱动的 特征差别是促动器驱动弹簧、隔膜或其它流体部件的夹持点。为了进 行定义，弯曲部件的夹持点或夹持部分是不能由于夹持而弯曲或挠曲 的部分，不过夹持点通常可以相对于装置壳体运动。
轴向夹持驱动
图30表示了轴向夹持驱动实施例，其中，流体能量传递装置有外 壳300、环形电活化促动器302、隔膜304和可选的调节质量306。促 动器302的顶表面与壳体300机械接地连接，促动器302的底表面安 装在隔膜304上。在促动器302和隔膜304之间的连接包括隔膜304 的夹持点303。促动器302的振动位移处在与隔膜304的振动位移相 同的方向。电活化促动器的类型将选择成使得促动器322的主要振动 为轴向。夹持点303的振动位移传递给隔膜304。当振动位移的频率f 低于隔膜的更高阶谐振模式时，隔膜将通过在频率f下以它的基本轴 向模式振荡而进行响应。当驱动频率f处于或接近系统基本谐振频率 时，能量将储存在系统谐振中，且隔膜304的位移将与该储存能量成 比例地增加。系统谐振可以利用可选质量306来调节。
图31的实施例以与图30的实施例类似的方式工作，除了附加隔 膜308的回旋部分307。回旋部分307通过降低它的弹簧刚度而使隔 膜308增加轴向柔性，从而使得隔膜308能够获得更大位移。可以用 于通过降低其弹簧刚度来增加隔膜位移的其它隔膜改进例如包括所谓 的“活铰链”(见美国专利No.4231287)。
因为图30和31的促动器都将经历X、Y和Z轴向尺寸变化，因 此，促动器一壳体的安装的弹性也必须考虑，以避免过度限制促动器 的振动，如前所述。而且，可选的隔膜调节质量可以用于图30-35的 实施例，以便调节系统谐振。
图32表示了轴向夹持驱动的泵实施例，其中，环形电活化促动器 309安装在隔膜313和314上，还通过柔性安装环315而安装在泵壳 体316上。环形楔形件312降低了在压缩腔室317中的间隙容积。促 动器309的振动位移处于与隔膜313和314的位移相同的方向。促动 器309的挠曲将使得隔膜313和314彼此180°异相振荡。
图32A表示了具有可变磁阻促动器319的轴向夹持驱动的另一实 施例，该可变磁阻促动器319驱动隔膜318的夹持点。隔膜318在它 的周边通过柔性波纹管类型密封件323而密封。在其他方面，图32A 的实施例以与图30和31的实施例相同的方式工作。
径向夹持驱动
在下面的实施例中，施加在夹持点上的力处于径向方向。
图33表示了径向夹持驱动实施例，其中，流体能量传递装置具有 外壳320、环形电活化促动器322、隔膜324和可选调节质量326。促 动器322的顶表面通过柔性安装件328而弹性安装在壳体320上，以 便使促动器322能够径向挠曲。隔膜324安装在促动器322的底表面 上。电活化促动器的类型将选择为使得促动器322的主要振动为径向。 促动器322的径向振动位移将在隔膜324中产生振荡径向拉伸应力， 这可以转换成隔膜324的Z轴向振动。通过使促动器322也沿隔膜位 移方向(即Z轴向)振动来帮助开始该径向至轴向的转变过程，尽管 轴向位移幅值可以小于径向位移幅值。促动器322以频率f的径向振 动位移可能根据隔膜324的结构(例如扁平隔膜、预应力弯曲隔膜、 轴向和/或径向刚度和/或非线性程度等)而导致隔膜324以频率f或f/2 轴向振动位移。
当隔膜324以频率f(该频率f低于隔膜324的更高阶谐振模式) 激励时，隔膜将通过在频率f下以它的基本Z轴向模式振荡而进行响 应。当隔膜324被激励从而以接近或等于系统基本谐振频率的频率f 轴向振荡时，能量将储存在系统谐振中，且隔膜324的位移将与该储 存能量成比例地增加。系统谐振可以利用可选质量326来调节。
图34和35表示了回旋隔膜用于增加隔膜位移的目的，且其他方 面以与图33中的实施例相同的方式操作。可以用于通过降低其弹簧刚 度来增加隔膜位移的其它隔膜改进包括所谓的“活铰链”(见美国专利 No.4231287)。
图30-35的实施例都可以用于驱动第二活塞，如本发明其它实施 例中所示，例如图17和图20。
图36表示了径向夹持驱动的另一实施例，其中，泵348有泵壳体 350和波纹管364，该波纹管364环绕它的周边通过柔软的环形弹簧 366而安装在壳体350上。电活化促动器352和354与波纹管364的 周边连接，且所述促动器进行通电，以便向波纹管364施加径向力， 从而根据施加力的径向方向来增大或减小波纹管364的容积。电活化 促动器的类型将选择为使得促动器352和354的主要振动为径向。波 纹管358的上部隔膜358有出口孔360，波纹管364的底部隔膜356 有进口孔362。如前所述，这些口通常由簧片阀覆盖，该簧片阀响应 波纹管364内部的变化压力而打开和关闭，且使用的簧片阀材料需要 足够柔顺，以便不管波纹管隔膜怎样弯曲都保持密封覆盖该口。对于 簧片阀的布置，在顶部隔膜358中的口可以用作进口孔或出口孔，底 部隔膜356也是这样。在图36中，假定进口簧片阀安装在底部隔膜 356上，出口簧片阀安装在上部隔膜358上。
为了进行解释，假定促动器352和354是压电陶瓷促动器，尽管 可以使用能够施加径向力的任意电活化促动器。在工作时，促动器352 和354以频率f的交流电场来通电，且所形成的、促动器352和354 的周期性径向位移使得波纹管364的容积以频率f变化。所形成的、 在波纹管364内的随时间变化压力将使得流体吸入口368中和从口 370排出。可选的反作用质量可以添加在上部和底部波纹管隔膜上， 以便调节系统的谐振频率。
图37表示了另一径向夹持驱动泵，它与图36的泵类似地工作， 除了将活塞372和374添加在图36的纯波纹管结构上。另外，图37 的泵以与图36的泵相同的方式工作。
图33-37中，所有隔膜都将安装在环形促动器的内径中，不过这 可能在隔膜和促动器尺寸上需要更紧的公差。
挠曲径向驱动
图37A表示了本发明的挠曲径向驱动实施例。隔膜502具有安装 在其中心的盘形电活化促动器504。隔膜502环绕它的周边夹在环形 夹持器508上，从而安装在外壳500上。流体腔室506通过隔膜502、 促动器504和外壳500来界定。为了进行功能说明，假定促动器504 由压电陶瓷材料构成，但是也可以由任意数目的其它电活化材料构成。 促动器504的极性为这样，施加给定极性的电压将使它主要沿径向方 向膨胀或收缩。
工作时，交流电压施加在促动器504上。所形成的促动器504的 径向振动位移产生在隔膜502中在促动器504和环形夹持器508之间 的振荡径向拉伸应力。这些振荡拉伸应力转变成隔膜502的Z轴向振 动，且促动器504当然与隔膜502的Z轴向振动一起运行。通过使促 动器504也沿隔膜轴向位移方向振动来帮助开始该径向至轴向的转变 过程，尽管促动器的轴向位移幅值可以小于径向位移幅值。促动器504 以频率f的径向振动位移可以根据隔膜502的结构(例如扁平隔膜、 预应力弯曲隔膜、轴向和/或径向刚度和/或非线性程度等)而导致隔 膜502以频率f或f/2而沿Z轴向振动位移。当图37A的实施例在一 定频率下驱动，从而使得隔膜502以接近或等于系统基本谐振频率的 频率f而轴向振荡时，能量将储存在系统谐振中，且隔膜502的位移 将与储存能量成比例地增加。
在隔膜502和促动器504之间的粘接使得促动器504和隔膜502 稍微弯曲在粘接区域上，类似于普通的单形态弯曲器促动器，且根据 施加电压的极性，该弯曲形状可以是凹形或凸形。对于隔膜502的Z 轴向位移，促动器504将以与具有活塞(该活塞有柔性包围部分)的 本发明其它实施例类似的方式而象活塞一样起作用。
图37B表示了本发明的另一挠曲径向驱动泵的实施例。隔膜512 有安装在它的中心上的盘形电活化促动器510。隔膜512环绕它的周 边夹持在环形夹持器514上，因此安装在外壳516上。促动器510有 进口孔520，外壳516有出口孔522。与本发明的其它实施例中相同， 进口孔520和出口孔522如希望的那样装配有簧片阀或其它类型的阀。 流体腔室518由隔膜512、促动器510和外壳516来界定。为了进行 功能说明，假定促动器510由压电陶瓷材料构成，但是也可以由任意 数目的其它电活化材料构成。促动器510的极性为这样，施加给定极 性的电压将使它主要沿径向方向膨胀或收缩。
工作时，交流电压施加在促动器510上。所形成的促动器510的 径向振动位移产生在隔膜512中在促动器510和环形夹持器514之间 的振荡径向拉伸应力。这些振荡拉伸应力转变成隔膜512的Z轴向振 动，且促动器510当然与隔膜512的Z轴向振动一起运行。通过使促 动器510也沿隔膜轴向位移方向振动来帮助开始该径向至轴向的转变 过程，尽管促动器的轴向位移幅值可以小于径向位移幅值。促动器510 以频率f的径向振动位移可以根据隔膜512的结构而导致隔膜502以 频率f或f/2而沿Z轴向振动位移，如前面所述。隔膜112和促动器 110的轴向振荡将使流体吸入口524中和从口526排出。当图37B的 实施例在一定频率下驱动，从而使得隔膜512以接近或等于系统基本 谐振频率的频率f而轴向振荡时，能量将储存在系统谐振中，且隔膜 502的位移将与储存能量成比例地增加。
图37C表示了本发明的还一挠曲径向驱动泵实施例。第一隔膜 536有安装在它的中心上的盘形电活化促动器534，并环绕它的周边安 装在环形楔形件544上，该环形楔形件544再安装在外壳546上。第 二隔膜538有安装在它的中心上的盘形电活化促动器532，并环绕它 的周边安装在环形楔形件544上。隔膜528和530提供有相应的出口 孔536和进口孔538，该出口孔和进口孔通常都如所需那样装备有簧 片阀或其它类型的阀。第一和第二隔膜和各促动器以图37A和37B的 实施例的方式工作，从而使得流体腔室548振荡，这又使得流体吸入 口540中和从口542排出。
图37D表示了本发明的还一挠曲径向驱动泵实施例，它有波纹管 550和双重径向挠曲促动器552和554。图37E的实施例以与图37D 的实施例类似的方式工作，除了它是线性，而不是非参数操作。不过， 一些泵送性能可以通过参数驱动频率而实现。
图37E表示了本发明的还一挠曲径向驱动实施例，其中挠曲径向 隔膜556(它的操作如前所述)驱动具有柔性包围部分的第二活塞558。 柔性径向隔膜556将由挠曲纵向弹簧560代替，该挠曲纵向弹簧560 有粘在它上面的矩形电活化促动器562。也可以使用任意数目的其它 弹簧布局。
挠曲径向驱动的另一实施例是将挠曲径向隔膜556或挠曲纵向弹 簧560(图37E)夹在两半波纹管之间，例如图36中的波纹管364的 两半358和356。挠曲径向或挠曲纵向元件将向波纹管的周边施加振 荡径向力，从而使得波纹管的容积振荡，且该波纹管可用于本发明的 多个实施例。在为隔膜的情况下，在隔膜中需要孔或通气孔来允许流 体流过波纹管。回旋部分可以添加在图37A、37B和37C的实施例的 隔膜上。
边缘驱动
图38表示了本发明的边缘驱动隔膜实施例，它有外壳380、隔膜 386、可选的调节质量388、环形电活化促动器382和环形刀刃夹持器 390、392。促动器382的底表面安装在外壳380上。促动器382的顶 表面通过连接器384而安装在隔膜386的边缘或周边上。当促动器382 通电时，它产生与Z轴平行的力。当力沿-Z方向时，隔膜386的中心 将沿+Z方向运动。同样，当力沿+Z方向时，隔膜386的中心将沿-Z 方向运动。
当隔膜386由促动器382以频率f(该频率f低于隔膜386的更高 阶谐振模式)激励时，隔膜将通过在频率f下以它的基本轴向模式振 荡而进行响应。当隔膜386以接近或等于系统基本谐振频率的频率f 来驱动时，能量将储存在系统谐振中，且隔膜386的位移将与该储存 能量成比例地增加。系统谐振可以利用可选质量388来调节。
图39的实施例以与图38的实施例相同的方式工作，除了增加第 二环形电活化促动器394。由促动器394产生的力的方向将与由图38 的促动器382产生的力的方向相同。
在图40中，图38的边缘驱动结构用于驱动活塞396。由隔膜398 产生的机械放大使得活塞396的位移大于促动器400的位移。在本发 明的范围内，隔膜398可以由简单的片簧或能够弯曲和提供机械放大 的任意其它弹簧类型设计和材料来代替。
图40A的实施例以与图38的实施例相同的方式工作，除了图38 的电活化促动器由可变磁阻促动器450代替。促动器450的电枢399 和隔膜质量397总是沿相反方向运动，因此通过选择正确的质量，它 们施加在外壳上的力可以减小或抵销，从而减小外壳振动和所形成的 噪音。
本发明可以采用压电陶瓷单形态促动器，该压电陶瓷单形态促动 器预加应力(例如由NASA开发的Thunder Actuator)和被覆盖(由 美国专利5632841和6734603)。本发明还可以使用简单的层状单形态 或多形态弯曲器，该弯曲器为扁平，且并不预加应力，在很多情况下， 这些促动器为优选，因为本发明并不需要较大的压电位移，而是设计 成使用较大力、小位移促动器。(单形态压电弯曲器通常由粘在金属板 基质上的压电陶瓷板块来构成。)简单的层状单形态还有这样的优点， 当与预加应力促动器相比时，它们的制造成本相当低。使用小位移压 电单形态的另一优点是可以使用“更硬”陶瓷，当与必须用于大位移弯 曲器中的更软陶瓷比较时，更硬陶瓷提供了高得多的电-机械换能效 率。当高于100Hz时，这些更硬陶瓷比更软陶瓷效率更高。对于较小 泵和压缩机，特别希望更高频率下操作，以便在很小封装中提供很高 流量，这是因为每秒的大量泵送循环。
谐振声学负载的驱动
本发明的流体能量传递装置还可以用于驱动高功率谐振声学负 载，例如声学压缩机和热声发动机。美国专利No.5515684、5319938、 5579399、6230420公开了设计高能量密度声学谐振器的原理、特定的 谐振器形状和高能量密度声学谐振器的应用，这些文献的内容都整个 被本文参引。
图41表示了本发明用于在谐振器中驱动纵向驻波。本发明的流体 能量传递装置400与谐振器402的较宽端刚性连接。能量传递装置400 有活塞和/或隔膜404，该活塞和/或隔膜404被驱动，以便以谐振器 402的给定纵向声学模式而振动，如本领域公知和如上述参考专利中 所述。本发明的任意实施例都可以用于使得能量传递装置400的隔膜 和/或活塞振动。能量传递装置400可以有纯隔膜(例如图3中)或具 有柔性包围部分的活塞(例如图20中)，并可以使用任意数目的不同 促动器。双重隔膜(例如图32中)也可以用于驱动径向模式，其中， 流体腔室317将用作声学谐振器。两个隔膜将更多能量传递至声学驻 波中。为了用于声学压缩机，图32的隔膜313、314中的口可以移动 成更靠近中心，以便利用更大的声学压力幅值的优点。
图42表示了使用本发明来在声学谐振器中驱动径向驻波。本发明 的流体能量传递装置406与径向谐振器410刚性连接。在谐振器410 内的流体充装空间由活塞/隔膜408和谐振器410界定，具有直径D和 高度h，该高度h随R而轴对称变化，其中，hmax在r＝D/2处，而hmin 在r＝0处。能量传递装置406有活塞/隔膜408，该活塞/隔膜408被驱 动，以便以谐振器402的给定径向声学模式频率而振动。当驱动最低 阶径向模式时产生最佳能量传递。本发明的任意实施例都可以用于使 得能量传递装置406的隔膜和/或活塞振动。能量传递装置406可以有 纯隔膜(例如图3中)或具有柔性包围部分的活塞(例如图20中)， 并可以使用任意数目的不同促动器。如美国专利5515684中所述，声 学谐振器的形状可以用于抑制声震的形成，并促进高能量密度和大声 压幅值。谐振器410的形状将减小在r＝0时测量的与给定声压幅值相 关的热-声损失。当图42的流体能量传递装置转换成声学压缩机时， 压缩机阀将位于中心处，以便利用更大的声压幅值的优点。很多其它 谐振器形状也可以使用，并将由特定用途来确定，如本领域公知。
图43表示了由本发明的流体能量传递装置412驱动的扁平声学谐 振器414。谐振器414设计成支持纵向驻波。最大声学压力幅值将存 在于较小端416处，当谐振器414用作声学压缩机时，该较小端是将 布置压缩机阀的位置。多个流体能量传递装置可以布置在谐振器414 的两侧或沿谐振器414的长度布置，以便增大功率输入。
使声学压缩机小型化的一个问题是设计能够提供实际用途所需功 率的促动器。当用于驱动较小声学谐振器时，本发明提供了高功率、 低成本的促动器，用于小型化声学压缩机和用于较小声学谐振器的多 个其它用途。
谐振合成射流
当由本发明或PCT申请No.PCT/US2005/046557的任意实施例来 驱动时，声学谐振器可以用于提高合成射流的流动性能。例如，图44 表示了具有径向声学谐振器420的声学谐振合成射流，该径向声学谐 振器由如图42的实施例中所述的本发明流体能量传递装置422来驱 动。合成射流口426位于谐振器420的中心424。可以储存在声学谐 振中的较高能量水平将导致较大压力振荡，这又能够产生通过口426 的较大振荡流。这些较大振荡流将产生在谐振器420外部的脉冲射流， 如本领域公知。
与图41中所示类似，谐振器可以通过使喉部405打开而用作谐振 合成射流。当进行纵向驻波模式激励时，可以在喉部405形成非常大 的振荡流。通常，最低阶纵向模式将提供最高外部脉冲射流。与图41 中所示类似的谐振器(大约11英寸长)在大约800Hz下提供超过 100CFM的测量射流。与图41中所示类似的另一谐振器(大约2.5英 寸长)在大约4000Hz下以大约2.7CFM/瓦提供超过5CFM的测量射 流，并能够在施加更大功率时提供更高流量。当喉部418打开时，图 43的谐振器能够提供类似结果。任意数目的合成射流口可以布置在声 学谐振器的外表面周围的任意数目位置处，所有这些都在本发明的范 围内。
尽管本发明能够使流体能量传递装置小型化，但是本发明的范围 决不是限制为任意给定尺寸的实施例。本发明可以按比例放大超过中 间尺寸范围和缩小至MEMS尺寸范围。这里公开了本发明的各种实 施例和改进，且本领域技术人员可以使用这些实施例和改进的多种不 同组合。这些实施例的所有各种组合都由给定用途的要求来确定，并 在本发明范围内。例如，使用的阀的数目、是否需要添加的轴向稳定 弹簧、使用一个或两个隔膜、促动器驱动弹簧或隔膜(它们再驱动活 塞)、在单个装置中使用的促动器数目、是否需要控制装置、用于连接 部件的方法类型、用于给定实施例中的促动器类型、使用的密封件类 型以及串联或并联使用泵都将由给定用途的性能和成本要求来确定。
本领域技术人员知道的、在本发明范围内的其它实施例可以将单 个弯曲器促动器(或其它促动器)布置在两个背靠背的流体隔膜或活 塞之间，且各薄膜或活塞有它自身的压缩腔室，以便通过单个促动器 以推拉结构驱动两个隔膜或活塞。本领域技术人员显然知道使用隔膜 或活塞的两侧来形成分离的压缩腔室以及通过使隔膜上的阀允许流体 从一个腔室流向下一个腔室而使得这些压缩腔室分级。还有，这里所 示的隔膜反作用质量表示为位于隔膜中心的盘，但是也可以采用许多 其它形式，或者可以偏心安装，例如当为环形质量时。此外，多种压 缩机和/或泵阀可以用于本发明。例如，给定实施例的活动活塞或隔膜 可以用于驱动进口和出口阀，例如当为滑动轴阀的情况，该滑动轴阀 将滑入口中，并周期性地打开和关闭进口孔或出口孔。本发明的泵的 尺寸可以按比例放大或缩小，并可以用于封闭循环系统以及开放循环 系统，如本领域技术人员所知道的。
本发明可以使用预加应力的压电陶瓷双形态促动器，例如由 NASA开发的、形成美国专利5632841和6734603的Thunder Actuator。本发明还可以使用简单的层状双形态，它为扁平，且并不 预加应力，在很多情况下，这些促动器为优选，因为本发明并不需要 较大的促动器位移，而是设计成使用较大力、小位移促动器。简单的 层状双形态还有这样的优点，当与预加应力促动器相比时，它们的制 造成本相当低。
本发明的所有流体能量传递实施例还可以用于驱动具有滑动密封 件的普通活塞以及用于泵、压缩机和很多其它流体用途。不过，必须 注意保证滑动密封件的摩擦损失不会过大，因为这将降低装置的能量 效率。
在本发明的范围内，本发明的实施例可以以任意频率来驱动。尽 管通过在等于或接近系统谐振的驱动频率下操作本发明可以提供性能 优点，但是本发明的范围并不局限于驱动频率和系统谐振频率附近。 当驱动频率足够接近系统谐振(能量储存在谐振中)时，隔膜和/或活 塞位移幅值将与储存能量成比例地增加。驱动频率越接近瞬时系统谐 振频率，储存的能量越大，活塞和/或隔膜位移越大，流体能量传递也 越大。在储存能量或不储存能量的情况下操作本发明都在本发明的范 围内。
还应当知道，本发明的隔膜可以由多种不同材料制造，例如金属、 塑料或弹性体。隔膜或活塞包围材料用作板或薄膜取决于使用的材料 和给定用途所需的偏转，所有这些材料和它们的性能都在本发明的范 围内。而且，各种活塞形状可以用于提供不同优点。例如，为了提供 重量轻的活塞，可以使用锥形活塞形状来增加刚度，同时使用更薄和 重量轻的材料。这时，压缩腔室也可以有锥形形状，以便接收锥形活 塞，从而避免过大的间隙容积。很多其它几何形状的活塞形状也可以 用于提供类似优点，这些对本领域技术人员都是显而易见的。还应当 知道，在本发明的很多实施例中，隔膜可以代替活塞，活塞也可以代 替隔膜，这对本领域技术人员也是显而易见的。
PCT申请No.PCT/US2005/046557(该文献已经被本文参引)介 绍了其它实施例、用途、控制器和控制方案，这些实施例与本发明的 任意组合也为本领域技术人员知道，且在本发明的范围内。
本发明用于将动能、增压能量和声能传递到流体的用途可以包括 例如：压缩、泵送、混合、雾化、合成射流、流体计量、取样、用于 生物战药剂的空气取样、喷墨、过滤、由于化学反应而驱动物理变化、 或者在悬浮颗粒中的其它材料变化，例如粉碎或聚集，或者任意这些 方法的组合(仅举几个例子)。本发明的泵和压缩机实施例的用途包括： MSM和MESO尺寸泵和压缩机，用于便携式电子装置(如便携式计 算装置、PDA和手机)的微型燃料电池；独立的热管理系统，它能够 装配在电路卡上，并提供用于微处理器和其它半导体电子装置的冷却； 以及用于不卧床病人的便携式个人医疗装置。
本发明一些实施例的前述说明是用于举例说明目的。在附图中， 为了清楚，这里提供的各实施例的子部件并不需要彼此按比例画出。 在实际产品中，各部件的相关比例由特定工程设计来确定。这里提供 的实施例并不是穷举或将本发明限制为所述精确形式，显然可以根据 上述教导进行多种变化和改变。实施例的选择和说明是为了更好地解 释本发明的原理和它的实际应用，从而使本领域其它技术人员能够以 适合预期特定用途的各种实施例和各种变化来最佳地实现本发明。尽 管上述说明包括很多详细说明，但是这些并不认为是对本发明范围的 限制，而是作为对可选实施例的解释。
相关专利申请的交叉引用
本申请要求美国临时专利申请No.60/780037的优先权，该美国临 时专利申请No.60/780037的申请日为2006年3月7日，申请人为美 国弗吉尼亚Providence Forge的Timothy S.Lucas，标题为“Fluidic Energy Transfer Devices”，该文献的整个内容被本文参引。
这里还参考PCT专利申请PCT/US2005/046557，该PCT专利申 请PCT/US2005/046557的申请日为2005年12月22日，标题为 “Reaction-Drive Energy Transfer Device”，申请人为Timothy S. Lucas，该文献的整个内容被本文参引。