DE19983375B4

DE19983375B4 - Verschiebungsgenerator, Verfahren zur Erzeugung einer Verschiebung und thermo-akustische Kühlvorrichtung

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Publication number: DE19983375B4
Application number: DE19983375T
Authority: DE
Inventors: Robert Henry Parktown Sinclair; Philip Loveday; David Ronald Basingstoke Jones; Michael Yuri Meyerspark Shatalov; Frederik A. Koch; Jeremy Moreleta Park Wallis; Johannes Nicolaas Meyerspark Bothma; Jonathan Du Pre Le Roux
Original assignee: CSIR CORPORATE BUILDING SCIENT; CSIR CORPORATE BUILDING SCIENTIA
Current assignee: CSIR CORPORATE BUILDING SCIENT; CSIR CORPORATE BUILDING SCIENTIA
Priority date: 1998-07-14
Filing date: 1999-07-12
Publication date: 2009-05-07
Anticipated expiration: 2019-07-13
Also published as: GB2355287A; US6490881B1; AU4792399A; WO2000004287A1; DE19983375T1; GB0100896D0; GB2355287B

Abstract

Verschiebungsgenerator (10; 110; 210) mit
einem Gehäuse (12, 112; 212), das eine umschlossene Kammer (14; 114; 214) bildet, wobei das Gehäuse eine Öffnung (22, 122; 222) enthält, die zur Kammer offen ist,
wenigstens einer flexiblen Wand (16.1, 16.2; 116.1, 116.2; 216.1, 216.2), die der Kammer ausgesetzt und in einer allgemeinen Biegerichtung flexibel ist,
einem in der Kammer enthaltenen Fluid (15; 115; 215),
einem beweglichen Element (24; 124; 224) in der Öffnung, wobei das bewegliche Element dem Fluid ausgesetzt ist,
einem Bewegungswandler (20; 120; 220), der fähig ist, eine Bewegung in einer Bewegungswandlerrichtung zu erzeugen, und der mit der wenigstens einen flexiblen Wand in Wirkverbindung steht, um wahlweise die wenigstens eine flexible Wand zu biegen,
dadurch gekennzeichnet, sich der Bewegungswandler separat und in einem Abstand von der flexiblen Wand mit Ausnahme der Wirkverbindung mit der flexiblen Wand befindet und die allgemein Biegerichtung quer zur Bewegungswandlerrichtung...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verschiebungsgenerator gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, ein Verfahren zur Erzeugung einer Verschiebung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 12 und eine thermo-akustische Kühlvorrichtung.
Die US 5,481,152 offenbart einen gattungsgemäßen Verschiebungsgenerator.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfachen, eleganten und effektiven Antrieb für eine thermo-akustische Kühlvorrichtung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung gelöst durch einen Verschiebungsgenerator mit einem Gehäuse, das eine umschlossene Kammer bildet, wobei das Gehäuse eine Öffnung enthält, die zur Kammer offen ist, wenigstens einer flexiblen Wand, die der Kammer ausgesetzt und in einer allgemeinen Biegerichtung flexibel ist, einem in der Kammer enthaltenen Fluid, einem beweglichen Element in der Öffnung, wobei das bewegliche Element dem Fluid ausgesetzt ist, einem Bewegungswandler, der fähig ist, eine Bewegung in einer Bewegungswandlerrichtung zu erzeugen, und der mit der wenigstens einen flexiblen Wand in Wirkverbindung steht, um wahlweise die wenigstens eine flexible Wand zu biegen, dadurch gekennzeichnet, sich der Bewegungswandler separat und in einem Abstand von der flexiblen Wand mit Ausnahme der Wirkverbindung mit der flexiblen Wand befindet und die allgemein Biegerichtung quer zur Bewegungswandlerrichtung verläuft.
Wenn die Wand im Gebrauch gebogen ist, wird das Volumen der Kammer verändert, was eine Bewegung der Flüssigkeit durch die Öffnung verursacht, die eine entsprechende Bewegung des beweglichen Elements verursacht, was als eine Verschiebungsausgabe des Verschiebungsgenerators wirkt.
In einer Ausführungsform kann die wenigstens eine flexible Wand eine Außenwand des Gehäuses sein und einen Teil einer äußeren Begrenzung der Kammer bilden.
Vorzugsweise kann die wenigstens eine flexible Wand eine erste flexible Wand sein, die Außenwand des Gehäuses auch eine gegenüberliegende zweite flexible Wand gegenüber der ersten flexiblen Wand liefern, wobei die erste und die zweite flexible Wand ein gegenüberliegendes Wandpaar liefern, das zum Biegen in entgegensetzten Richtungen zum Vergrößern/Verkleinern eines dazwischen befindlichen Raumes angeordnet ist, wobei das gegenüberliegende Wandpaar eine umschlossene Stellkammer bildet, die die umschlossene Kammer ist.
Ferner kann das Fluid ein inkompressibles Stellfluid, vorzugsweise eine Flüssigkeit sein, wobei der Verschiebungsgenerator eine Modulierkammer, die die Stellkammer umgibt, und ein relativ kompressibles Modulierfluid, vorzugsweise ein Gas, in der Modulierkammer enthält, wobei das flexible Wandpaar Außenflächen gegenüber den Innenflächen aufweist, die dem Stellfluid ausgesetzt sind, wobei die Außenflächen dem Modulierfluid ausgesetzt sind. Eine geeignete Auswahl des Stellfluids und des Modulierfluids in Verbindung mit der physikalischen Konfiguration der Vorrichtung werden dann den Erhalt einer gewünschten Eigenfrequenz der Vorrichtung erlauben.
In einer weiteren Ausführungsform kann die wenigstens eine flexible Wand eine Innenwand in dem Gehäuse sein, wobei das Gehäuse ein die umschlossene Kammer definierendes Außengehäuse ist und die wenigstens eine flexible Wand eine Innenwand in der umschlossenen Kammer bildet. Vorzugsweise kann die wenigstens eine flexible Wand eine erste flexible Wand sein, der Verschiebungsgenerator auch eine gegenüberliegende zweite flexible Wand gegenüber der ersten flexiblen Wand enthalten, wobei die ersten und zweiten flexiblen Wände ein gegenüberliegendes Wandpaar liefern, das zum Biegen in entgegengesetzten Richtungen zum Vergrößern/Verkleinern eines dazwischen befindlichen Raumes gestaltet ist, wobei das gegenüberliegende Wandpaar eine umschlossene Modulierkammer bildet, die eine innere Kammer in der umschlossenen Kammer ist, die eine Stellkammer ist. Ferner kann das Fluid in der Stellkammer relativ inkompressibel, z. B. eine Flüssigkeit, sein, und der Verschiebungsgenerator ein Modulierfluid, z. B. ein Gas enthalten, das relativ kompressibel in der Modulierkammer ist.
Die ersten und zweiten flexiblen Wände des flexiblen Wandpaares können vorteilhafterweise gebogen sein, wobei der Bewegungswandler gestaltet ist, um gegenüberliegende Enden des flexiblen Wandpaares relativ zueinander zu verschieben und die Biegung der jeweiligen Wände zu verändern und somit eine relativ große Volumenänderung der Stellkammer als Antwort auf eine relativ kleine Verschiebung der gegenüberliegenden Enden zu verursachen. Somit kann der Bewegungswandler zwischen den gegenüberliegenden Enden angeschlossen sein, wobei der Bewegungswandler wahlweise ausziehbar/zusammenziehbar ist.
Der Bewegungswandler kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus einer Elektrostriktionseinrichtung, einer Magnetostriktionseinrichtung und einer piezoelektrischen Einrichtung besteht. Vorzugsweise kann der Bewegungswandler in Form eines piezoelektrischen Keramikstapels vorliegen, der sich zwischen den gegenüberliegenden Enden erstreckt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bereitgestellt ein Verfahren zur Erzeugung einer Verschiebung mittels eines Verschiebungsgenerators mit einem Gehäuse, das eine umschlossene Kammer bildet, wobei das Gehäuse eine Öffnung enthält, die zur Kammer offen ist, wenigstens einer flexiblen Wand, die zur Kammer ausgesetzt und in einer allgemeinen Biegerichtung flexibel ist, einem in der Kammer enthaltenen Fluid, einem beweglichen Element in der Öffnung, wobei das bewegliche Element dem Fluid ausgesetzt ist, und einem Bewegungswandler, der mit der flexiblen Wand in Wirkverbindung steht und sich separat und in einem Abstand von der flexiblen Wand mit Ausnahme der Wirkverbindung mit der flexiblen Wand befindet, gekennzeichnet durch Betätigen des Bewegungswandlers zum Bewegen in einer Bewegungswandlerrichtung, um wahlweise die wenigstens eine flexible Wand zu biegen und das Volumen der Kammer zum Bewegen des beweglichen Elements zu ändern.
Dabei kann vorgesehen sein, daß die wenigstens eine flexible Wand eine Außenwand des Gehäuses ist und einen Teil einer äußeren Begrenzung der Kammer bildet, wobei die wenigstens eine flexible Wand eine erste flexible Wand ist, die Außenwand des Gehäuses auch eine gegenüberliegende zweite flexible Wand gegenüber der ersten flexiblen Wand liefert, wobei die ersten und zweiten flexiblen Wände eine gegenüberliegendes Wandpaar liefern, das eine umschlossene Stellkammer bildet, die die umschlossene Kammer ist, und daß der Bewegungswandler betätigt wird, um wahlweise das gegenüberliegende Wandpaar in entgegengesetzten Richtungen zum Vergrößern/Verkleinern eines zwischen den ersten und zweiten flexiblen Wänden befindlichen Raumes zu biegen.
Vorteilhafterweise ist das Fluid ein relativ unkompressibles Stellfluid, wobei der Verschiebungsgenerator eine Modulierkammer, die die Stellkammer umgibt, und ein relativ kompressibles Modulierfluid in der Modulierkammer enthält, wobei das flexible Wandpaar Innenflächen, die dem Stellfluid ausgesetzt sind, und Außenflächen gegenüber den Innenflächen aufweist, ferner die Außenflächen dem Modulierfluid ausgesetzt sind, wobei das Verfahren ein Modulieren der Volumenänderung der Stellkammer durch elastisches Widerstandleisten gegenüber der Volumenänderung mittels des Modulierfluids einschließt.
Auch ist denkbar, daß die wenigstens eine flexible Wand eine Innenwand in dem Gehäuse ist, wobei das Gehäuse eine die umschlossene Kammer definierende Außengehäusewand ist, die ferner die wenigstens eine flexible Wand eine erste flexible Wand ist, ferner der Verschiebungsgenerator auch eine gegenüberliegende zweite flexible Wand gegenüber der ersten flexiblen Wand enthält, wobei die ersten und zweiten flexiblen Wände ein gegenüberliegendes Wandpaar innerhalb der umschlossenen Kammer liefern, ferner das gegenüberliegende Wandpaar gestaltet ist, um in entgegengesetzten Richtungen zum Vergrößern/Verkleinern eines dazwischen befindlichen Raumes zu biegen, wobei das gegenüberliegende Wandpaar eine umschlossene Modulierkammer bildet, die eine innere Kammer in der umschlossenen Kammer ist, ferner die umschlossene Kammer eine Stellkammer ist, wobei das Fluid in der Stellkammer relativ inkompressibel ist und der Verschiebungsgenerator ein Modulierfluid enthält, das relativ kompressibel in der Modulierkammer ist, wobei das Verfahren Modulieren der Volumenänderung der Stellkammer durch elastisches Widerstandleisten gegenüber der Volumenänderung mittels des Modulierfluids einschließt.
Zweckmäßigerweise sind die ersten und zweiten flexiblen Wände des flexiblen Wandpaares gebogen, wobei das Verfahren ein Verschieben von gegenüberliegenden Enden des flexiblen Wandpaares relativ zueinander mittels des Bewegungswandlers zum Ändern der Biegung der jeweiligen Wände und somit Verursachen einer relativ großen Volumenänderung der Stellkammer als Antwort auf eine relativ kleine Verschiebung der gegenüberliegenden Enden einschließt.
Der Bewegungswandler kann zwischen den gegenüberliegenden Enden angeschlossen sein, wobei eine Betätigung des Bewegungswandlers wahlweise den Bewegungswandler auszieht oder zusammenzieht.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bereitgestellt eine thermo-akustische Kühlvorrichtung mit einem Resonator und einem damit verbundenen Verschiebungsgenerator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11.
Dabei kann vorgesehen sein, daß eine Resonanzfrequenz des Verschiebungsgenerators auf eine Resonanzfrequenz des Resonators durch geeignete Auswahl wenigstens des Modulierfluids oder des Druckes des Modulierfluids in der Modulierkammer abgestimmt worden ist.
Die Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen beschrieben werden. In den Zeichnungen zeigen die 1, 2 und 3 schematisch im Schnitt drei Ausführungsformen von Verschiebungsgeneratoren gemäß der Erfindung und zeigt 4 im Axialschnitt fragmentartig eine thermo-akustische Kühlvorrichtung gemäß der Erfindung.
Unter Bezugnahme auf 1 der Zeichnungen ist eine erste Ausführungsform eines Verschiebungsgenerators gemäß der Erfindung allgemein gekennzeichnet durch Bezugszeichen 10. Es wird betont, daß der Verschiebungsgenerator 10 zur Erläuterung der Prinzipien der Erfindung schematisch gezeigt ist.
Der Verschiebungsgenerator 10 enthält ein Gehäuse 12, das eine Kammer 14 definiert. Die Kammer 14 ist eine Stellkammer und mit einem relativ inkompressiblen Fluid, vorzugsweise einer Fluid, gefüllt, das allgemein durch Bezugszeichen 15 gekennzeichnet ist.
In der Kammer 14 ist ein Paar gegenüberliegende flexible Wände 16.1 und 16.2 vorgesehen, die Innenwände des Gehäuses 12 bilden. Die flexiblen Wände 16.1 und 16.2 sind gebogen und liegen sich gegenüber, um ein flexibles Wandpaar in Form einer konvexen Gestalt zu bilden, die dazwischen eine Modulierkammer 18 bildet.
Ein Keramikstapel 20 in Form von wenigstens einem und in der Praxis mehreren in länglichen piezoelektrischen Elementen ist an seinen Ende mit gegenüberliegenden Enden des flexiblen Wandpaares 16.1, 16.2 verbunden und erstreckt sich dazwischen. Die Enden des Stapels 20 sind mit Enden des Wandpaares derart verbunden, daß ein Zusammenziehen des Stapels ein Ausbauchen des flexiblen Wandpaares verursachen wird, das heißt das Volumen der Modulierkammer 18 vergrößern wird und somit das Volumen der Stellkammer 14 verkleinern und den Druck in der Stellkammer 14 vergrößern wird. Umgekehrt wird ein Auseinanderziehen des Keramikstapels 20 das flexible Wandpaar glätten, wodurch die Kammer 18 zu einer Volumenverkleinerung gebracht wird und das Volumen der Stellkammer 14 vergrößert und der Druck in der Stellkammer 14 verkleinert wird.
Das Gehäuse 12 definiert eine Öffnung 22, die mittels eines verschiebbaren Elements 24 verschlossen ist, das günstigerweise in Form einer Kolbenscheibe vorliegen kann und entlang der Öffnung 22 beweglich ist.
Wenn somit der Keramikstapel 20 zum Ausbauchen und Vergrößern der Kammer 18 und zum Vergrößern des Druckes in der Kammer 14 zusammengezogen wird, fließt die Fluid 15 durch die Öffnung 22 heraus und verschiebt sie die Kolbenscheibe 24 nach außen. Umgekehrt ebnet ein Auseinanderziehen des Keramikstapels 20 das flexible Wandpaar, verkleinert es die Kammer 18, verkleinert es den Druck in dem Gehäuse 12 und veranlaßt es die Fluid 15, nach innen entlang der Öffnung 22 zu fließen, wodurch äußerlicher Umgebungsdruck auf die Kolbenscheibe 24 dazu gebracht wird, diese mit der nach innen gerichteten Bewegung der Fluid 15 einhergehend zu bewegen.
Unter Bezugnahme auf 2 ist eine zweite Ausführungsform eines Verschiebungsgenerators gemäß der vorliegenden Erfindung allgemein durch Bezugszeichen 110 gekennzeichnet. Der Verschiebungsgenerator 110 ähnelt in vielerlei Hinsicht dem Verschiebungsgenerator 10 von 1 und gleiche Bezugszeichen beziehen sich auf gleiche Merkmale bzw. Komponenten. Die Ausführungsform von 2 wird nicht im Detail beschrieben und es wird nur ein Unterschied betont.
Das flexible Wandpaar 116.1 und 116.2 liefert einen außen konkaven Körper. Wenn sich somit der Keramikstapel 120 zusammenzieht, vergrößert dies die Biegung der flexiblen Wände 116.1 und 116.2, wodurch somit eine Volumenverkleinerung der Kammer 118 bewirkt wird, was die Kammer 114 zu einer Volumenvergrößerung und den Druck zur Abnahme veranlaßt, wodurch somit ein Rückfluß der Fluid 115 durch die Öffnung 122 und somit eine nach innen gerichtete Bewegung der Kolbenscheibe 124 verursacht wird.
Wenn umgekehrt der Keramikstapel 120 auseinandergezogen wird, werden die flexiblen Wände 116.1 und 116.2 eben werden, wodurch eine Volumenvergrößerung der Kammer 118 und somit ein Fluß von Fluid 115 aus der Öffnung 122 heraus verursacht wird.
Somit verursacht ein Zusammenziehen der piezoelektrischen Stapel in den Ausführungsformen der 1 und 2 jeweilige entgegengesetzte Verschiebungen der Kolbenscheibe.
Unter Bezugnahme auf 3 ist eine dritte Ausführungsform eines Verschiebungsgenerators gemäß der Erfindung allgemein durch Bezugszeichen 210 gekennzeichnet. Auch die Ausführungsform 210 ist in vielerlei Hinsicht ähnlich zu den Ausführungsformen von 1 und 2 und wiederum werden dieselben Bezugszeichen zum Kennzeichnen gleicher Komponenten und Merkmale verwendet. Die Ausführungsform von 3 ist wiederum nicht im Detail beschrieben und es wird bloß ein einziger Unterschied betont.
In der Ausführungsform von 3 ist die Kammer in dem Gehäuse 212 in der Tat die Modulierkammer 218, und die zwischen den gegenüberliegenden flexiblen Wänden 216.1 und 216.2 umschlossene Kammer ist die mit einer inkompressiblen Fluid 215 gefüllte Stellkammer 214. Die Öffnung 222 steht mit der Stellkammer 214 in Verbindung. Somit verursacht ein Zusammenziehen des Keramikstapels 220 in der Ausführungsform von 3 eine Vergrößerung der Biegung der flexiblen Wände 216.1 und 216.2, wodurch somit das Volumen der Kammer 214 verkleinert wird und die Fluid 215 in der Öffnung 222 nach außen gezwungen und somit das Verschiebungselement bzw. der Kolben 224 nach außen verschoben wird.
Umgekehrt ebnet ein Auseinanderziehen des Keramikstapels 220 die flexiblen Wände 216.1 und 216.2, um die Kammer 214 zu vergrößern und einen äußeren Druck der Verschiebungskammer 224 sie und die Fluid 215 in der Öffnung 222 nach innen zu bewegen.
Ein weiterer wichtiger Aspekt dieser Erfindung wird unter Bezugnahme auf 3 beschrieben, kann aber auch auf die Ausführungsformen der 1 und 2 angewendet werden.
Die Modulierkammer 218 ist mit einem kompressiblen Gas 219 gefüllt, das dazu neigt, der Zusammenzieh- und Auseinanderziehwirkung des Keramikstapels 220 entgegenzuwirken. Wenn somit der Keramikstapel 220 auseinandergezogen wird, um das Volumen der Kammer 214 zu vergrößern, wird dies das Volumen der Kammer 218 verkleinern, was das kompressible Gas 219 unter Druck setzen wird. Man muß anerkennen, daß das Kompressionsverhältnis in der Ausführungsform von 3 relativ klein sein wird, wenn man im Auge behält, daß die Modulierkammer 218 wahrscheinlich viel größer als die Stellkammer 214 ist. Ferner sollte man anerkennen, daß das Gas 219 kompressibel ist.
Wenn ein Moduliergas bei den Ausführungsformen der 1 und 2 verwendet wird, wird das Gas innerhalb des flexiblen Wandpaares enthalten sein.
Der Druck des Moduliergases wird in Verbindung mit dem Nenndruck, dem das verschiebbare Element ausgesetzt ist, derart ausgewählt, daß, wenn die Vorrichtung nicht im Betrieb ist, aber mit einem System verbunden ist, das zum Antreiben vorgesehen ist, keine oder eine nur geringe Restspannung in dem Antriebssystem vorliegt. Somit werden sich die Spannungen und Verformungen in dem Antriebssystem hauptsächlich oder ausschließlich aufgrund des Betriebs des Antriebssystems selbst gegenüber dem Aussetzen des Antriebssystem mit Restspannung und Restverformung und Überlagern mit zyklischen Spannungen und Verformung aufgrund seines Betriebs ergeben. Zweckmäßigerweise kann das Gas über eine kleine Entlüftungsblende oder -öffnung einem Kühlgas einer Kühlvorrichtung, wie noch beschrieben wird, zum Druckausgleich ausgesetzt werden. Im Gebrauch ist die Entlüftungsblende zu klein, um einen sofortigen Ausgleich entsprechend den Druckschwankungen zu erlauben, wenn die Vorrichtung in Betrieb ist.
Während der Gestaltung des Verschiebungsgenerators besteht eine Zahl von Optionen zum Gestalten für eine gewünschte Eigenfrequenz, z. B. durch Auswählen des Kammervolumens, der Biegung der flexiblen Wand und dergleichen. Wenigstens einige davon können zum Einstellen der Eigenfrequenz eingestellt werden.
Man muß erkennen, daß ein Verschiebungsgenerator, wie oben erwähnt, für eine spezielle Eigenfrequenz gestaltet sein kann. In der Praxis kann die tatsächliche Eigenfrequenz sich von der gewünschten Eigenfrequenz unterscheiden.
Die obengenannte Entwicklung weist den Vorteil auf, daß es möglich ist, das relativ inkompressible Fluid, vorzugsweise Fluid, und das relativ kompressible Fluid, vorzugsweise Gas, in Bezug auf deren physikalische Eigenschaften und auch im Falle des kompressiblen Gases den Druck, mit dem es in der Modulierkammer 218 vorhanden ist, auszuwählen. Somit kann ein Verschiebungsgenerator gemäß der Erfindung auf diese Weise in Bezug auf seine Eigenfrequenz abgestimmt werden. Dieses Merkmal ist besonders wichtig, wenn eine spezielle Eigenfrequenz oder eine Eigenfrequenz innerhalb eines schmalen Bereiches gewünscht ist.
Unter Bezugnahme auf 4 ist eine thermo-akustische Kühlvorrichtung gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung allgemein durch Bezugszeichen 30 gekennzeichnet.
Die thermo-akustische Kühlvorrichtung 30 umfaßt allgemein einen Resonator 32, der mit einem Verschiebungsgenerator gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung verbunden ist, um von diesem angetrieben zu werden, und der allgemein durch Bezugszeichen 10 gekennzeichnet ist. Somit ist der Resonator 32 innen der Außenseite des Verschiebungselements bzw. der Kolbenscheibe 24 ausgesetzt. Zweckmäßigerweise wird auf einen Verschiebungsgenerator 10 und eine Kolbenscheibe 24 Bezug genommen. Es wird betont, daß der Verschiebungsgenerator irgendein geeigneter Verschiebungsgenerator gemäß der vorliegenden Erfindung, z. B. irgendeiner der Verschiebungsgeneratoren der 1, 2 und 3 sein kann.
Die thermo-akustische Kühlvorrichtung weist ferner ein Übergangsstück 34 auf der heißen Seite, einen Wärmetauscher 35 auf der heißen Seite, einen Schacht 36 und einen Wärmetauscher 38 auf der kalten Seite in herkömmlicher Weise auf.
Die thermo-akustische Kühlvorrichtung wird durch wahlweises Anlegen einer Wechselspannung an den Keramikstapel des Verschiebungsgenerators 10 zum Vibrierenlassen der Kolbenscheibe 24 und somit zum Antreiben des Resonators 32 betrieben. Diesbezüglich ist anzuerkennen, daß der Resonator 32 eine Eigenfrequenz aufweisen wird und die Eigenfrequenz des Verschiebungsgenerators vorzugsweise, wie es oben beschrieben ist, auf die Eigenfrequenz des Resonators 32 abgestimmt ist.
Es ist eine anerkannte Anforderung an thermo-akustische Kühlvorrichtungen, daß ein elektrischer Akustikwandler oder Lautsprecher, der herkömmlich zum Antreiben einer thermo-akustischen Kühlvorrichtung verwendet wird, eine hohe Last antreiben können muß und daß herkömmliche elektrodynamische Wandler oft keine ausreichende Verschiebung unter diesen Belastungsbedingungen erzeugen können. Die Anmelderin ist sich dessen bewußt, daß große Anstrengungen und viel Kapital in die Entwicklung von elektrisch- akustischen Wandlern bzw. Lautsprechern zur Erfüllung dieser Anforderungen investiert worden sind.
Die Anmelderin behauptet, daß diese Erfindung von der herkömmlichen Lehre bezüglich des Antreibens einer thermo-akustischen Kühlvorrichtung durch Piezoelektrizität weg lehrt. Es ist weit bekannt, daß eine piezoelektrische Wirkung z. B. in einem herkömmlichen keramischen piezoelektrischen Element, wie es in dem Ausziehmodus verwendet wird, allgemein eine hohe Kraft, aber eine sehr kleine Verschiebung aufweist, wobei die Verschiebung im Mikronbereich statt im Millimeterbereich liegt. Es ist somit sehr wichtig, daß gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verschiebungsgenerator zum Verstärken einer kleinen Verschiebung mit großer Kraft bereitgestellt wird. Es wird auch als sehr wichtig angesehen, daß der Verschiebungsgenerator gemäß der vorliegenden Erfindung auf der Grundlage des Verursachens einer relativ großen Volumenänderung mittels einer relativ kleinen eindimensionalen Änderung, das heißt einer Längenänderung, arbeitet. Es ist außerdem sehr wichtig, daß die Volumenänderung sehr effektiv auf eine Membran übertragen wird, die vibrieren kann. Es ist weiterhin wichtig, daß die Eigenfrequenz des Systems abgestimmt werden kann.
Die Erfindung glauben, daß die vorliegende Erfindung eine Verbesserung gegenüber anderen Systemen in Bezug auf die Kraft-Verschiebungs-Eigenschaften darstellt, die der Verschiebungsgenerator gemäß der vorliegenden Erfindung erzielen kann.
Somit liefert die vorliegende Erfindung einen einfachen, eleganten und effektiven Antrieb für eine thermo-akustische Kühlvorrichtung und eine Verbesserung speziell in Bezug auf seine Kraft/Verschiebungs-Eigenschaften gegenüber bekannten Systemen.

Claims

Verschiebungsgenerator (10; 110; 210) mit einem Gehäuse (12, 112; 212), das eine umschlossene Kammer (14; 114; 214) bildet, wobei das Gehäuse eine Öffnung (22, 122; 222) enthält, die zur Kammer offen ist, wenigstens einer flexiblen Wand (16.1, 16.2; 116.1, 116.2; 216.1, 216.2), die der Kammer ausgesetzt und in einer allgemeinen Biegerichtung flexibel ist, einem in der Kammer enthaltenen Fluid (15; 115; 215), einem beweglichen Element (24; 124; 224) in der Öffnung, wobei das bewegliche Element dem Fluid ausgesetzt ist, einem Bewegungswandler (20; 120; 220), der fähig ist, eine Bewegung in einer Bewegungswandlerrichtung zu erzeugen, und der mit der wenigstens einen flexiblen Wand in Wirkverbindung steht, um wahlweise die wenigstens eine flexible Wand zu biegen, dadurch gekennzeichnet, sich der Bewegungswandler separat und in einem Abstand von der flexiblen Wand mit Ausnahme der Wirkverbindung mit der flexiblen Wand befindet und die allgemein Biegerichtung quer zur Bewegungswandlerrichtung verläuft.
Verschiebungsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine flexible Wand (216.1, 216.2) eine Außenwand des Gehäuses ist und einen Teil einer äußeren Begrenzung der Kammer (214) bildet.
Verschiebungsgenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine flexible Wand eine erste flexible Wand (216.1) ist, die Außenwand des Gehäuses auch eine gegenüberliegende zweite flexible Wand (216.2) gegenüber der ersten flexiblen Wand liefert, wobei die erste und die zweite flexible Wand ein gegenüberliegendes Wandpaar liefern, das zum Biegen in entgegensetzten Richtungen zum Vergrößern/Verkleinern eines dazwischen befindlichen Raumes angeordnet ist, wobei das gegenüberliegende Wandpaar eine umschlossene Stellkammer bildet, die die umschlossene Kammer ist.
Verschiebungsgenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid ein relativ inkompressibles Stellfluid ist, wobei der Verschiebungsgenerator eine Modulierkammer (218), die die Stellkammer (214) umgibt, und ein relativ kompressibles Modulierfluid (219) in der Modulierkammer enthält, wobei das flexible Wandpaar (216.1, 216.2) Außenflächen gegenüber den Innenflächen aufweist, die dem Stellfluid (215) ausgesetzt sind, wobei die Außenflächen dem Modulierfluid ausgesetzt sind.
Verschiebungsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine flexible Wand (16.1., 16.2; 116.1, 116.2) eine Innenwand in dem Gehäuse (12; 112) ist, wobei das Gehäuse ein die umschlossene Kammer (14; 114) definierendes Außengehäuse ist und die wenigstens eine flexible Wand eine Innenwand in der umschlossenen Kammer bildet.
Verschiebungsgenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine flexible Wand eine erste flexible Wand (16.1; 116.1) ist, der Verschiebungsgenerator auch eine gegenüberliegende zweite flexible Wand (16.2; 116.2) gegenüber der ersten flexiblen Wand enthält, wobei die ersten und zweiten flexiblen Wände ein gegenüberliegendes Wandpaar liefern, das zum Biegen in entgegengesetzten Richtungen zum Vergrößern/Verkleinern eines dazwischen befindlichen Raumes gestaltet ist, wobei das gegenüberliegende Wandpaar eine umschlossene Modulierkammer (18; 118) bildet, die eine innere Kammer in der umschlossenen Kammer (14; 114) ist, die eine Stellkammer ist.
Verschiebungsgenerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid (15; 115) in der Stellkammer (14; 114) relativ inkompressibel ist und der Verschiebungsgenerator ein Modulierfluid enthält, das relativ kompressibel in der Modulierkammer ist.
Verschiebungsgenerator nach Anspruch 3 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten flexiblen Wände des flexiblen Wandpaares gebogen sind, wobei der Bewegungswandler gestaltet ist, um gegenüberliegende Enden des flexiblen Wandpaares relativ zueinander zu verschieben und die Biegung der jeweiligen Wände zu verändern und somit eine relativ große Volumenänderung der Stellkammer als Antwort auf eine relativ kleine Verschiebung der gegenüberliegenden Enden zu verursachen.
Verschiebungsgenerator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Bewegungswandler (20; 120; 220) zwischen den gegenüberliegenden Enden angeschlossen ist, wobei der Bewegungswandler wahlweise ausziehbar/zusammenziehbar ist.
Verschiebungsgenerator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Bewegungswandler aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Elektrostriktionseinrichtung, einer Magnetostriktionseinrichtung und einer piezoelektrischen Einrichtung besteht.
Verschiebungsgenerator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Bewegungswandler in Form eines piezoelektrischen Keramikstapels vorliegt, der sich zwischen den gegenüberliegenden Ende erstreckt.
Verfahren zur Erzeugung einer Verschiebung mittels eines Verschiebungsgenerators mit einem Gehäuse (12, 112; 212), das eine umschlossene Kammer (14; 114; 214) bildet, wobei das Gehäuse eine Öffnung (22, 122; 222) enthält, die zur Kammer offen ist, wenigstens einer flexiblen Wand (16.1, 16.2; 116.1, 116.2; 216.1, 216.2), die zur Kammer ausgesetzt und in einer allgemeinen Biegerichtung flexibel ist, einem in der Kammer enthaltenen Fluid (15; 115; 215), einem beweglichen Element (24; 124; 224) in der Öffnung, wobei das bewegliche Element dem Fluid ausgesetzt ist, und einem Bewegungswandler (20, 120; 220), der mit der flexiblen Wand in Wirkverbindung steht und sich separat und in einem Abstand von der flexiblen Wand mit Ausnahme der Wirkverbindung mit der flexiblen Wand befindet, gekennzeichnet durch Betätigen des Bewegungswandlers zum Bewegen in einer Bewegungswandlerrichtung, um wahlweise die wenigstens eine flexible Wand zu biegen und das Volumen der Kammer zum Bewegen des beweglichen Elements zu ändern.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine flexible Wand (216.1, 216.2) eine Außenwand des Gehäuses ist und einen Teil einer äußeren Begrenzung der Kammer (214) bildet, wobei die wenigstens eine flexible Wand eine erste flexible Wand (216.1) ist, die Außenwand des Gehäuses auch eine gegenüberliegende zweite flexible Wand (216.2) gegenüber der ersten flexiblen Wand liefert, wobei die ersten und zweiten flexiblen Wände eine gegenüberliegendes Wandpaar liefern, das eine umschlossene Stellkammer (214) bildet, die die umschlossene Kammer ist, und daß der Bewegungswandler (220) betätigt wird, um wahlweise das gegenüberliegende Wandpaar in entgegengesetzten Richtungen zum Vergrößern/Verkleinern eines zwischen den ersten und zweiten flexiblen Wänden befindlichen Raumes zu biegen.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid (215) ein relativ inkompressible Stellfluid ist, wobei der Verschiebungsgenerator eine Modulierkammer (218), die die Stellkammer umgibt, und ein relativ kompressible Modulierfluid (219) in der Modulierkammer enthält, wobei das flexible Wandpaar Innenflächen, die dem Stellfluid (215) ausgesetzt sind, und Außenflächen gegenüber den Innenflächen aufweist, ferner die Außenflächen dem Modulierfluid (219) ausgesetzt sind, wobei das Verfahren ein Modulieren der Volumenänderung der Stellkammer (214) durch elastisches Widerstandleisten gegenüber der Volumenänderung mittels des Modulierfluids (219) einschließt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine flexible Wand (16.1, 16.2; 116.1, 116.2) eine Innenwand in dem Gehäuse (12; 112) ist, wobei das Gehäuse eine die umschlossene Kammer (14; 114) definierende Außengehäusewand ist, die wenigstens eine flexible Wand eine erste flexible Wand (16.1; 116.1) ist, ferner der Verschiebungsgenerator auch eine gegenüberliegende zweite flexible Wand (16.2; 1162) gegenüber der ersten flexiblen Wand enthält, wobei die ersten und zweiten flexiblen Wände ein gegenüberliegendes Wandpaar innerhalb der umschlossenen Kammer liefern, ferner das gegenüberliegende Wandpaar gestaltet ist, um sich in entgegengesetzten Richtungen zum Vergrößern/Verkleinern eines dazwischen befindlichen Raumes zu biegen, wobei das gegenüberliegende Wandpaar eine umschlossene Modulierkammer (18; 118) bildet, die eine innere Kammer in der umschlossenen Kammer ist, ferner die umschlossene Kammer eine Stellkammer (14; 114) ist, wobei das Fluid (15; 115) in der Stellkammer relativ inkompressibel ist und der Verschiebungsgenerator ein Modulierfluid enthält, das relativ kompressibel in der Modulierkammer ist, wobei das Verfahren Modulieren der Volumenänderung der Stellkammer (14; 114) durch elastisches Widerstandleisten gegenüber der Volumenänderung mittels des Modulierfluids einschließt.
Verfahren nach Anspruch 14 oder Anspruch 15, in dem die ersten und zweiten flexiblen Wände des flexiblen Wandpaares gebogen sind, wobei das Verfahren ein Verschieben von gegenüberliegenden Enden des flexiblen Wandpaares relativ zueinander mittels des Bewegungswandlers zum Ändern der Biegung der jeweiligen Wände und somit Verursachen einer relativ großen Volumenänderung der Stellkammer als Antwort auf eine relativ kleine Verschiebung der gegenüberliegenden Enden einschließt.
Verfahren nach Anspruch 16, in dem der Bewegungswandler zwischen den gegenüberliegenden Enden angeschlossen ist, wobei eine Betätigung des Bewegungswandlers wahlweise den Bewegungswandler auszieht oder zusammenzieht.
Thermo-akustische Kühlvorrichtung mit einem Resonator und einem damit verbundenen Verschiebungsgenerator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11.
Thermo-akustische Kühlvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Resonanzfrequenz des Verschiebungsgenerators auf eine Resonanzfrequenz des Resonators durch geeignete Auswahl wenigstens des Modulierfluids oder des Druckes des Modulierfluids in der Modulierkammer abgestimmt worden ist.