專利名稱：用于傳熱的文丘里管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將熱量從熱源移到取暖器散熱裝置(warmer heat sink)的熱 泵、設(shè)備。更明確地說，本發(fā)明涉及伯努利(Bernoulli)熱泵。
背景技術(shù)：
熱機(jī)是將熱量從熱源移到散熱器(sink)的設(shè)備。根據(jù)熱量的流動(dòng)方向 熱機(jī)主要分為兩類。熱量自發(fā)地"向下"移動(dòng)、即朝較低溫度流動(dòng)。舉例 來說，如通過內(nèi)燃機(jī)所說明的那樣，利用這種"向下"的熱流產(chǎn)生機(jī)械功， 就象水流一樣。使熱量"向上"移動(dòng)的設(shè)備、即使之朝更高溫度移動(dòng)的設(shè) 備被稱為熱泵。熱泵需要消耗功率。制冷機(jī)和空調(diào)器是熱泵的一些實(shí)例。 大多數(shù)熱泵通過使工作流體1在包括熱源和散熱器的溫度的范圍內(nèi)改變溫 度來工作。在這種情況下，熱量可從熱源自發(fā)地流到溫度低于熱源的那部 分工作流體內(nèi)。類似地，熱量也可自發(fā)地從溫度高于散熱器的那部分工作 流體流動(dòng)到散熱器內(nèi)。工作流體的所需溫度變化通常通過對(duì)工作流體進(jìn)行 壓縮和膨脹來實(shí)現(xiàn)。比較起來，伯努利熱泵通過將不規(guī)則的分子運(yùn)動(dòng)(呈現(xiàn)于流體的溫度 和壓力中)轉(zhuǎn)換成定向(directed)運(yùn)動(dòng)(呈現(xiàn)于宏觀的流體流動(dòng)中)來實(shí) 現(xiàn)工作流體所需的溫度改變。(不規(guī)則和定向運(yùn)動(dòng)的區(qū)別在分子速度的固 定分布中特別清晰。不規(guī)則運(yùn)動(dòng)是這種分布的寬度，而定向流動(dòng)則是相同 分布上的平均值。)當(dāng)流動(dòng)的橫截面面積減小時(shí)，如當(dāng)流體經(jīng)過噴嘴或文丘 里管(Venturi)時(shí)，流體自發(fā)地將不規(guī)則運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成定向運(yùn)動(dòng)。與橫截面面 積相關(guān)的溫度、密度和壓力的改變是所謂的伯努利原理。盡管壓縮消耗功 率，但伯努利轉(zhuǎn)換不消耗功率。伯努利轉(zhuǎn)換的能量轉(zhuǎn)換特性是被伯努利熱 泵利用的主要性能?？蓪⒉麩岜门c圖la和lb所示的傳統(tǒng)熱泵進(jìn)行比較。如圖la所示， 傳統(tǒng)的熱泵由四個(gè)基本部件構(gòu)成壓縮機(jī)4、膨脹閥7、低溫?zé)峤粨Q器3和 高溫?zé)峤粨Q器2。圖lb示出了伯努利熱泵將膨脹閥7和低溫?zé)峤粨Q器8所起的作用結(jié)合到能進(jìn)行傳熱的文丘里管8內(nèi)的情況。伯努利熱泵在工作流 體通量較大時(shí)要求較小的壓力變化，而傳統(tǒng)的系統(tǒng)工作流體通量較小時(shí)要求較大的壓力變化。因此，傳統(tǒng)系統(tǒng)(圖la)中的壓縮機(jī)4部件在伯努利 熱泵(圖lb)中可用風(fēng)扇或風(fēng)機(jī)9代替。人們已對(duì)傳統(tǒng)熱泵、伯努利熱泵、 熱交換器、壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)和文丘里管進(jìn)行過廣泛討論。本發(fā)明描述的是用 于將熱量3高效地傳遞到流經(jīng)文丘里管的流體內(nèi)的新穎結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的重 要性是提高了伯努利熱泵的效率。下文將集中描述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題和 本發(fā)明的技術(shù)解決方案。圖2和3提供了對(duì)包括伯努利熱泵的現(xiàn)有技術(shù)和本發(fā)明進(jìn)行比較的基 礎(chǔ)。圖1示出了溫度、密度、壓力、流速和經(jīng)受所謂一維流的可壓縮氣體 的^f黃截面面積的相關(guān)變化。對(duì)于這種公知的和深入研究過的現(xiàn)象沒有新的本發(fā)明的伯努利轉(zhuǎn)換的早期效果的簡明基礎(chǔ)，此處可再現(xiàn)流動(dòng)的可壓縮流 體的這些性能的相關(guān)變化。在一維流中，四個(gè)共變量中的任一個(gè)的技術(shù)要 求(specification)間接表示其余三個(gè)的值。(壓力是溫度和密度的產(chǎn)物)。 圖2示出了根據(jù)流速(其平方)間接表示的溫度、密度、壓力和橫截面面 積。流速用相應(yīng)的無量綱的馬赫數(shù)(Mach number )標(biāo)出。溫度隨流速的平 方線性減小是能量轉(zhuǎn)換、即將不規(guī)則動(dòng)能轉(zhuǎn)換成有向動(dòng)能(directed kinetic energy)的直接結(jié)果。所以產(chǎn)生伯努利效應(yīng)的流速刻度是兩種速度的比率的 馬赫數(shù)是不奇怪的。圖1所示的量被標(biāo)準(zhǔn)化為它們?cè)陟o止氣體中的值。圖2示出了 US Patent 3,049,891與其他發(fā)明和與本發(fā)明的直接關(guān)系。US Patent 3,049,891要求流動(dòng)是超音速的(馬赫數(shù)值大于1 )。圖2示出了對(duì)于 超音速流動(dòng)來說氣體溫度確實(shí)較低。但是圖2同時(shí)也示出了由亞音速流動(dòng) 引起的溫度降低更適合于很多實(shí)際目的。值得注意的是，就此而論，在圖2 所示的溫標(biāo)是絕對(duì)溫度。也就是說，例如，在馬赫數(shù)為1的流速時(shí)，氣體 溫度降低25°/。。例如，若靜止氣體的溫度是70下，那么靠近文丘里管頸部 的溫度在馬赫數(shù)為1時(shí)是零下約60°FD圖2所示的一些數(shù)值假定用單原子 氣體的比熱容比(specific-heat ratio )表征的理想氣體的等熵流動(dòng)，即，5/3 。 因此，由伯努利熱泵提出的挑戰(zhàn)不是產(chǎn)生足夠的低溫，而是尋求在文丘里 管、甚至亞音速文丘里管頸部附近低溫的有效利用。圖2所示的第二種直接關(guān)系(direct implication)是為保持文丘里管頸部內(nèi)的高速流動(dòng)所需的動(dòng)力可能是重要的?？拷那鹄锕茴i部的壓力幾乎 是文丘里管入口壓力的一半。如果此壓降不能借助于擴(kuò)散器(文丘里管的 擴(kuò)大部分)恢復(fù)，則將降低伯努利熱泵的潛在效率。除了需要擴(kuò)散器外， 有效性要求在擴(kuò)散器內(nèi)維持層流。這就要求直接轉(zhuǎn)移到具有非常平緩地?cái)U(kuò) 大的特征的擴(kuò)散器內(nèi)，即，轉(zhuǎn)移到極不對(duì)稱的文丘里管(具有極不同的收 縮和擴(kuò)張截面的文丘里管)中。與所謂的"臨界流文丘里管"相關(guān)的大量 文獻(xiàn)資料指出，例如，圓錐形擴(kuò)散器應(yīng)具有小于IO度的一半的角度(圓錐壁和對(duì)稱軸線之間的角度)。雖然在美國專利2,325,036號(hào)；2,441,279號(hào)和 3,200,607號(hào)中披露了伯努利熱，但它們沒有陳述擴(kuò)散器的效率和作用，也 沒討論文丘里管非對(duì)稱性的效率需求。若將這些文件的前兩篇預(yù)想為飛機(jī) 技術(shù)，由短擴(kuò)散器所消耗的功率是可用功率的可忽略的小部分。本發(fā)明的注意力集中于未被作為參考的所述四項(xiàng)發(fā)明中的任 一 項(xiàng)提到 的圖2所示的第三方面。流速、尤其是馬赫數(shù)l附近的流速和流動(dòng)物(flow) 的橫截面面積之間的關(guān)系。圖2示出了隨著流速增加面積的倒數(shù)(inverse area)經(jīng)過最大值的情況。該最大值基于拉代爾(Laval)噴管。該最大值的 另一含義是，考慮到作為沿文丘里管軸線的距離的函數(shù)時(shí)，文丘里管頸部 附近(面積倒數(shù)最大值)的溫度、密度和壓力均呈現(xiàn)出范圍狹小的斜坡。 也就是說，圖2示出了在馬赫數(shù)為1的附近溫度、密度和流速的改變均很 顯著而橫截面面積的改變很小的情況。因此，考慮作為沿文丘里管的距離 函數(shù)時(shí)，或等同地作為橫截面面積函數(shù)時(shí)，在文丘里管頸部處溫度、密度 和壓力均顯示出陡的斜坡。圖3示出了用于特定的和被詳細(xì)研究的文丘里 管形狀11的溫度變化。(沿文丘里管軸線的溫度、密度、壓力和流速的變 化由圖2借助于以橫截面面積作為沿文丘里管的軸線的距離的函數(shù)為條件 而給定(隱含)。通過使所謂的"環(huán)形臨界流文丘里管"的橫截面面積的面 積變化可獲得圖3。在這些裝置中，文丘里管的縮小部分是環(huán)面，而擴(kuò)張部 分是圓錐形)。如果文丘里管壁在圖3所示的斜坡的區(qū)域外側(cè)導(dǎo)熱，那么文 丘里管壁提供了用于將熱量從其他處的工作流體流動(dòng)物中傳到相同流體流 動(dòng)物的冷頸的傳熱路徑。即，在沒有凈效益的情況下，傳遞到工作流體流 動(dòng)物的頸部部分的熱量來自其他處的相同的工作流體流動(dòng)物。雖然沒有效 益，但有成本。由于傳遞到工作流體流動(dòng)物的熱量是從熱源流動(dòng)物(期望 的效果)傳遞的熱量和從其他處的工作流體流動(dòng)物中傳遞的熱量之和，我們看到理想的熱量傳遞被斜坡外側(cè)的熱量傳遞直接減少。將工作流體流動(dòng) 物和文丘里管壁之間的熱量傳遞限制到圖3所示的傾斜區(qū)域是本發(fā)明的焦 點(diǎn)。這種限制在之前的專利中沒有提及。這種效應(yīng)的重要性可由四種附加效應(yīng)所謂努謝爾特效應(yīng)(Nusseit effect)和與邊界層相關(guān)的三種效應(yīng)改變和增強(qiáng)。努謝爾特效應(yīng)是通過由流 體流動(dòng)物提供的對(duì)流增強(qiáng)流體-固體界面處的熱量傳遞。因?yàn)榱魉僭诮缑嫦?失，從固體到工作流體的熱量傳遞依賴于熱傳導(dǎo)。但是，邊界層之外的工 作流體的流動(dòng)通過傳導(dǎo)將傳遞到邊界層內(nèi)的熱量帶走(對(duì)流)。通常對(duì)流比 傳導(dǎo)更有效。當(dāng)流速接近馬赫數(shù)1時(shí)，努謝爾特效應(yīng)大。例如，如果熱源 是以較低流速流動(dòng)的流體，那么將熱量傳到工作流體所流過的面積比將熱 量傳出熱源流動(dòng)物所流過的面積小得多。兩種附加效應(yīng)包括邊界層沿文丘里管壁的厚度變化。文丘里管壁處傳 到工作流體的熱量必須經(jīng)過工作流體流動(dòng)物的邊界層。邊界層是鄰近固體-流體界面流動(dòng)的流體的區(qū)域。因?yàn)榱魉僭诮缑嫦?，工作流體流動(dòng)物的速 度在靠近界面處必須迅速增加。發(fā)生這種增加的狹窄區(qū)域被稱為邊界層。 在薄邊界層處溫度梯度和因此引起的熱傳導(dǎo)顯著增強(qiáng)。沿工作流體流動(dòng)物 的方向的壓力梯度對(duì)邊界層的厚度產(chǎn)生強(qiáng)烈影響。兩種邊界層效應(yīng)中的第一種涉及壓力梯度的符號(hào)。眾所周知的是，所 謂"不利的"(即，正的)壓力梯度加厚邊界層。在文丘里管的擴(kuò)張(擴(kuò)散 器)部分中的壓力梯度是"不利的"。在文丘里管的縮小部分中，軸向壓力梯度具有有利的符號(hào)，從那維爾-斯托克斯方程(Navier-Stokes equations )直接導(dǎo)出的 一般理論表示出邊界層 的厚度與軸向壓力梯度的平方根成反比。軸向壓力梯度在溫度傾斜的區(qū)域 急劇增加。在溫度傾斜區(qū)域內(nèi)的邊界層的附加變薄描述為用于限制將熱量 傳到該區(qū)域的第四種因素。本發(fā)明討論的是影響伯努利熱泵的效率的第五種和最后考慮的因素。 圖3中標(biāo)出的"傳熱薄層(heat-transfer slice )"的文丘里管的部分看成為內(nèi) 部條件對(duì)熱量傳遞有利的文丘里管軸線部分。這些條件是大部分工作流體 流動(dòng)物的所有性能。也就是說，除在橫截面周邊處的薄邊界層外，溫度、 軸向壓力梯度是工作流體流動(dòng)物的整個(gè)橫截面的性能。出現(xiàn)在溫度傾斜區(qū) 域外側(cè)的粘滯損失代表沒有效益的費(fèi)用。本發(fā)明的焦點(diǎn)是利用圖3中標(biāo)出的"熱量傳遞"的文丘里管軸線的薄部分10的性能，而不引起與處于圖3因此，存在五個(gè)與圖3所示的傾斜區(qū)域有關(guān)的問題，這些問題在現(xiàn)有 技術(shù)中均未提到。它們是1. 通過文丘里管壁的頸部的熱量傳遞的努謝爾特(Nusselt)增強(qiáng)；2. 從其他處的工作流體流動(dòng)物向傾斜區(qū)域的不希望的熱量傳遞；3. 擴(kuò)散器中軸向壓力梯度的不利符號(hào)；4. 文丘里管的縮小部分內(nèi)傾斜區(qū)域的所述部分中有利的壓力梯度 的大?。?. 由于位于圖3所示的溫度傾斜區(qū)域外側(cè)的邊界層的所述部分內(nèi)的 粘滯損失所引起的效率下降?，F(xiàn)有技術(shù)對(duì)這五個(gè)問題沒有一個(gè)進(jìn)行過討論。在結(jié)束對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的討論時(shí)我們注意到，不僅理想的是，伯努利轉(zhuǎn)換 是保存能量(不消耗功率)，還理想的是，伯努利熱泵不是長期運(yùn)動(dòng)的設(shè)備。 其以兩種方式消耗功率。首先，如熱力學(xué)第二定律所要求的那樣，在不同 溫度下將熱量加入工作流體流動(dòng)物3和從工作流體流動(dòng)物取出熱量2時(shí)具 有必須由可逆功補(bǔ)償?shù)膬綮卦?。第二定律效?yīng)是圖la和lb中以箭頭表示的 "熱量輸出，，大于以箭頭表示的"熱量輸入"的原因。用于補(bǔ)償熵產(chǎn)生所 需的功率正比于熱量被輸入和輸出時(shí)的溫度差。其次，更重要的是，橫過 邊界層的流速變化包含必須由可逆功補(bǔ)償?shù)恼硿纳?。如果第一效?yīng)發(fā)揮 主要作用(principal challenge),則可達(dá)到卡諾效率。更大的挑戰(zhàn)是來自邊 界層內(nèi)的粘滯耗散的堵塞物(stemming )。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明涉及一種利用與圖3所示一樣的"熱量-傳遞"部分的結(jié)構(gòu)以及 利用了這種結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。此結(jié)構(gòu)是一種具體設(shè)計(jì)成用于使熱量有效傳遞到 流經(jīng)文丘里管的流體內(nèi)的文丘里管。本發(fā)明由兩類利用"熱量傳遞"的部 分組成。第一類將熱量傳遞限制于熱量傳遞部分。第二類通過在所述熱量 傳遞部分內(nèi)使用特定的翅片使熱量傳遞部分內(nèi)的傳熱最大。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，在發(fā)熱電子組件的情況下，傳給工作流體的 熱量來源可以是流動(dòng)的流體、氣體或液體，或者其可以是非流體。對(duì)于流體和非流體兩種熱源來說，關(guān)鍵的要求是將熱源連接到作為"熱量-傳遞" 部分、圖3中表示為文丘里管軸線的狹窄部分的熱導(dǎo)體。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，針對(duì)保持層流的目的，可通過使擴(kuò)散器的擴(kuò) 張非常平緩來降低能耗。根據(jù)本發(fā)明的再一方面，將多個(gè)文丘里管分級(jí)設(shè)置，以便或者獲得較 大的容量或者較大的溫差。根據(jù)本發(fā)明的另 一方面，文丘里管壁的皺折在單個(gè)文丘里管內(nèi)形成多 個(gè)"熱量-傳遞薄層"。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，通過改變流過文丘里管的流速可連續(xù)改變向 工作流體傳遞熱量的傳熱率。根據(jù)本發(fā)明的再一方面，可開啟或封閉基于熱量-傳遞文丘里管的系統(tǒng)。 即，系統(tǒng)可排放加入熱量的工作流體，或使用于傳熱或其他性能最優(yōu)化的 工作流體循環(huán)。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，可用基于熱量-傳遞文丘里管的系統(tǒng)"向下" 泵送熱量。即，通過傳導(dǎo)可在靜止?fàn)顟B(tài)冷卻高于工作流體溫度的熱源。促 成工作流體流動(dòng)利用了努謝爾特效應(yīng)和對(duì)流。使工作流體流經(jīng)文丘里管可 進(jìn)一步增強(qiáng)冷卻。促進(jìn)工作流體流過"熱量-傳遞"文丘里管可進(jìn)一步增強(qiáng) 冷卻。如其他熱泵技術(shù)一樣，伯努利熱泵可用于加熱或冷卻目的。


圖la示出了傳統(tǒng)熱泵的組件； 圖lb示出了伯努利熱泵的組件；圖2的曲線示出了可壓縮氣體的層流的橫截面面積、流速、溫度、密 度、和壓力的相關(guān)變化；圖3示出了文丘里管內(nèi)顯示文丘里管的"熱量-傳遞"部分的溫度軸向 變化的情況，用虛線表示的曲線相應(yīng)于文丘里管形狀；圖4為本發(fā)明一實(shí)施例的熱量-傳遞文丘里管的橫截面圖；圖5a為本發(fā)明一實(shí)施例的矩形文丘里管的橫截面圖，它取自包含橫過 文丘里管的熱量-傳遞部分的導(dǎo)熱翅片的格柵的"熱量-傳遞"部分；圖5b為本發(fā)明一實(shí)施例的非矩形文丘里管的橫截面圖，它取自包含橫過文丘里管的熱量-傳遞部分的導(dǎo)熱翅片的格柵的"熱量-傳遞"部分；圖6a為本發(fā)明 一 實(shí)施例的為獲得增加的容量的分級(jí)并聯(lián)設(shè)置的多級(jí)熱 量-傳遞文丘里管的橫截面圖；圖6b為本發(fā)明 一 實(shí)施例的用來獲得增加的容量的分級(jí)串聯(lián)設(shè)置的多級(jí) 熱量-傳遞文丘里管的示意圖；圖7為本發(fā)明一實(shí)施例的含有皺折壁和多個(gè)"熱量-傳遞"部分的文丘 里管的橫截面圖。附圖標(biāo)記說明1 工作流體，借助于熱量-傳遞文丘里管將熱量加入其內(nèi)的流體2 在(較高的)散熱器溫度下從工作流體中取出熱量3 在(較低的)熱源溫度下向工作流體加入熱量4 壓縮機(jī)，其提高工作流體的溫度和壓力5 高溫?zé)峤粨Q器，其將熱量從工作流體傳遞到散熱器6 低溫?zé)峤粨Q器，其將熱量從熱源傳遞到工作流體7 膨脹閥，其降低工作流體的壓力8 文丘里管，其為橫截面面積變化的管9 風(fēng)扇/風(fēng)機(jī)，其保持工作流體流動(dòng)10 文丘里管的橫截面部分，在該部分壓力小、溫度和密度低、而速 度高和壓力梯度大11 通用"臨界流文丘里管"的橫截面面積12 工作流體緩慢流動(dòng)、相對(duì)溫暖的部分13 工作流體快速流動(dòng)、相對(duì)冷的部分14 工作流體流動(dòng)動(dòng)減速部分，該部分壓力梯度是"不利的"15 工作流體流動(dòng)動(dòng)部分，該部分離開文丘里管時(shí)攜帶有加入文丘里 管的"熱量傳遞"部分的熱量16 文丘里管壁17 流入或流出輪廓平面的熱-源流體18 熱導(dǎo)體，其將來自熱源流動(dòng)物(flow)的熱量帶到工作流體流動(dòng)物19 導(dǎo)熱翅片，其將熱量從文丘里管傳遞到工作流體流動(dòng)物具體實(shí)施方式
本發(fā)明提供了一種用于伯努利熱泵中的改進(jìn)的熱量-傳遞結(jié)構(gòu)。圖4-7中示出了這種熱量-傳遞結(jié)構(gòu)的一些實(shí)施例。這些實(shí)施例均使用了與圖3所示一樣的文丘里管的"熱量-傳遞，，部分。以兩種基本方式利用所述熱量-傳遞部分。第一種，將向流經(jīng)文丘里管的工作流體的熱量傳遞限制于"熱 量-傳遞"部分。第二種，通過引入導(dǎo)熱翅片使"熱量-傳遞"部分內(nèi)的傳熱 最大，所述導(dǎo)熱翅片用于增加可用來在文丘里管的"熱量-傳遞"部分內(nèi)進(jìn)4亍傳熱的表面面積。圖4示出了所述熱量-傳遞結(jié)構(gòu)的第一實(shí)施例，其形狀為非對(duì)稱的文丘 里管16(文丘里管在縮小和擴(kuò)張部分具有不同的形狀)。工作鴻體經(jīng)歷伯努 利轉(zhuǎn)換。箭頭長度表示流速，較長的箭頭表示較高的速度。工作流體12流 入文丘里管時(shí)，氣體緩慢運(yùn)動(dòng)，相對(duì)溫暖且相對(duì)密集。當(dāng)橫截面面積減小 時(shí)，流速必須提高以保持恒定的質(zhì)量流量。如圖2所示，提高流速所需的 能量可來自以溫度形式表征的不規(guī)則動(dòng)能。(溫度降低正比于流速平方的 變化，即，伯努利效應(yīng)。)因此，當(dāng)氣體經(jīng)過文丘里管時(shí)，流速提高直到其 在最小的橫截面面積處達(dá)到最大13為止。(流速的軸向變化是圖3所示的 溫度變化的鏡像。)當(dāng)文丘里管的擴(kuò)散器部分的橫截面面積開始增大時(shí)，氣 體行進(jìn)到文丘里管出口 15時(shí)流速14降低，而該處氣體被加溫到通過導(dǎo)熱 材料18從熱源流動(dòng)物17傳出熱量的程度。本發(fā)明的關(guān)鍵方面是熱導(dǎo)體18 在工作流體中的暴露部分被限制在與圖3所示一樣的"熱量-傳遞"部分IO 內(nèi)。文丘里管壁16在"熱量傳遞"部分10的外側(cè)的其他處是絕熱的。明 確地說，這種結(jié)構(gòu)可消除從工作流體的其他區(qū)域傳到工作流體的"熱量-傳 遞"部分10的不期望的熱量傳遞。作為說明，可將圖4所示的熱源選擇為流動(dòng)的流體。熱源的種類和其 與熱導(dǎo)體17的熱耦合完全是隨意的。而將向工作流體的熱量傳遞限制于"熱 量傳遞"部分10是本發(fā)明特有的。本發(fā)明的第二個(gè)基本組成部分是附加結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)以文丘里管的"熱 量-傳遞"部分的放大的橫截面圖的形式示于圖5中。值得注意的是，與圖 4相比，圖5所示的文丘里管的"熱量-傳遞"部分位于輪廓平面中。在此， 借助于從文丘里管壁20伸進(jìn)工作流體流動(dòng)物中的導(dǎo)熱翅片19增加傳遞到 工作流體內(nèi)的熱量。利用翅片來增進(jìn)熱交換是常用的。此外，此處不尋常的是，翅片沿流動(dòng)方向、即平行于文丘里管軸線方向有限地延伸。這里，翅片局限于"熱量-傳遞"部分IO。所用的翅片的圖形完全是隨意的。圖5a 和5b示出的翅片延伸對(duì)黃過文丘里管并交叉而形成"熱量-傳遞"部分10內(nèi) 的格柵19。這種格柵結(jié)構(gòu)的有效的直觀顯形可參照網(wǎng)球拍、蘋果取核器和 (平面)濾茶網(wǎng)設(shè)置。圖5a和5b還起到強(qiáng)調(diào)文丘里管的橫截面可為任意形 狀的作用。 一些文丘里管具有對(duì)稱的圓柱形，當(dāng)然這不是必需的。本發(fā)明的另一方面是導(dǎo)熱翅片的橫截面形狀。它們的橫截面形狀呈機(jī) 翼形且被設(shè)計(jì)成使翅片作用于工作流體流動(dòng)物上的空氣動(dòng)力阻力最小。由 翅片的空氣動(dòng)力橫截面形狀引起的正常的較大的阻力分量、即所謂"壓力" 分量小到可忽略不計(jì)。與很多常用的機(jī)翼形狀不同，我們的導(dǎo)熱翅片不需 要設(shè)置升角(lift)且不需要改變其沖角(angle of attack )。因此，它們可以 很薄且能沿工作流體流動(dòng)物的流線取向，以便進(jìn)一步降低阻力。就此而論， 常常用固定的機(jī)翼形陣列來抑制管道流動(dòng)物中的湍流。關(guān)于格柵元件的另 一設(shè)計(jì)自由度是其橫截面隨距文丘里管壁的距離的 變化。這種自由度意味著在熱導(dǎo)率和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度之間需折中。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求 隨著離文丘里管壁的距離的增加而增大面積。而熱傳導(dǎo)要求卻相反。可根 據(jù)選用于格柵元件的材料采取適當(dāng)?shù)钠胶?。如沒有采用"熱量-傳遞"部分的伯努利熱泵那樣，可將本發(fā)明的多個(gè) 熱量-傳遞文丘里管構(gòu)成為并聯(lián)形式以獲得更大的容量，或構(gòu)成為串聯(lián)形式 以獲得更高或更低的溫度。這些結(jié)構(gòu)示于圖6a和6b中。正如能優(yōu)化翅片-格柵的橫截面以使熱量-傳遞部分范圍內(nèi)的湍流和阻 力最小一樣，可獨(dú)立地優(yōu)化整個(gè)文丘里管的形狀、特別是擴(kuò)散器的形狀以 降低阻力進(jìn)而降低用來維持工作流體流動(dòng)的風(fēng)機(jī)/風(fēng)扇機(jī)構(gòu)9所需的功率。 在本說明書中一般的要求是，為了維持層流，文丘里管的擴(kuò)散器部分的橫 截面面積的擴(kuò)大必須非常平緩。層流的作用是使空氣動(dòng)力阻力的最大分量、 即所謂壓力阻力最小，而僅留下與粘滯損失相關(guān)的較小的分量。據(jù)報(bào)道， 為了獲得馬赫數(shù)為1的流動(dòng)需要補(bǔ)償壓降的95%。另一種設(shè)計(jì)選擇涉及本發(fā)明的工作流速。和傳統(tǒng)的基于工作流體的相 變的熱泵相比，可方便而連續(xù)地改變伯努利熱泵的工作條件。具體而言， 可通過改變提供給維持散熱裝置流動(dòng)物的風(fēng)機(jī)的功率來改變流速，從而改 變散熱裝置流動(dòng)物的溫度。這種自由度的一個(gè)重要意義是傳統(tǒng)系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)的效率極低。而利用包括本發(fā)明的伯努利熱泵，泵送熱量的速率可連續(xù) 改變，能瞬時(shí)啟動(dòng)且能有效消除它們的無效狀態(tài)。例如，可對(duì)維持工作流 體流動(dòng)的風(fēng)機(jī)進(jìn)行恒溫控制。連續(xù)改變和控制的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可在較小的 溫差下提高熱力學(xué)允許的效率。(卡諾效率與被泵送的熱量的溫度差成反 比。因此，本發(fā)明具有與較小溫差下長時(shí)間運(yùn)行相關(guān)的效益增益。)最后，圖7示出了將文丘里管壁的皺折設(shè)計(jì)成能在單一的文丘里管內(nèi) 形成多個(gè)"熱量-傳遞"部分的情況。也就是說，如圖7所示，除有多個(gè)"熱 量-傳遞"部分外，文丘里管壁在"熱量-傳遞"部分外側(cè)再次絕熱。定義文丘里管流體流動(dòng)管或通道結(jié)構(gòu)，其橫截面面積沿其軸線變化。沿管軸線的橫截面面積的改變具有至少一個(gè)局部最小部分。雖然大多數(shù)文丘 里管含有其橫截面沿軸線增加的擴(kuò)散器部分，包括在我們所定義的文丘里管噴嘴中的擴(kuò)散器部分要么很短要么不存在。因此本發(fā)明的實(shí)用性可擴(kuò)展 到功率消耗不是關(guān)鍵的那些應(yīng)用中。工作流體 一種流體，其溫度局部發(fā)生變化，因此當(dāng)熱源的溫度低于 散熱器的溫度時(shí)可使熱量自發(fā)地流入和流出工作流體。工作流體流動(dòng)物流過文丘里管結(jié)構(gòu)的工作流體。橫截面由文丘里管表面和垂直于文丘里管軸線的平面相交形成的封 閉彎曲的內(nèi)側(cè)面積。熱量-傳遞部分靠近文丘里管的頸部位于兩個(gè)垂直于文丘里管軸線的 平面之間的文丘里管部分，且具有低溫、高流速和大的負(fù)軸向壓力梯度的 特征，參看圖3。翅片由高導(dǎo)熱性材料構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，其從導(dǎo)熱表面延伸到鄰近該表面 的流體流動(dòng)物內(nèi)，其目的是使流動(dòng)阻力最小的同時(shí)增加所述表面和流體流 動(dòng)物之間的可用于傳熱的表面面積。擴(kuò)散器文丘里管的部分，其特征是具有沿軸線和流動(dòng)方向的單一地 增加的橫截面面積。
權(quán)利要求
1.一種能導(dǎo)引流體流動(dòng)的固體熱量-傳遞文丘里管結(jié)構(gòu)，其中，所述管的橫截面面積沿其軸線變化；所述橫截面面積的所述變化具有至少一個(gè)局部最小部分；和所述管的壁是絕熱的，除開位于靠近所述最小橫截面面積的所述管壁的至少一個(gè)薄的、導(dǎo)熱的橫截面部分，及將所述管壁的所述導(dǎo)熱部分連接到熱源的熱導(dǎo)體。
2. 如權(quán)利要求1所述的熱量-傳遞文丘里管結(jié)構(gòu)，其中，包括至少一個(gè) 從所述管壁的所述導(dǎo)熱部分延伸到所述管結(jié)構(gòu)內(nèi)部的導(dǎo)熱翅片。
3. 如權(quán)利要求2所述的熱量-傳遞文丘里管結(jié)構(gòu)，其中，所述翅片延伸 橫過所述管。
4. 如權(quán)利要求2所述的熱量-傳遞文丘里管結(jié)構(gòu)，其中，多個(gè)所述導(dǎo)熱 翅片在所述管的所述導(dǎo)熱橫截面部分內(nèi)形成導(dǎo)熱格柵。
5. 如權(quán)利要求2所述的熱量-傳遞文丘里管結(jié)構(gòu)，其中，所述翅片被成 型為使流過所述熱量-傳遞管結(jié)構(gòu)的流體上的空氣動(dòng)力阻力最小。
6. 如權(quán)利要求2所述的熱量-傳遞文丘里管結(jié)構(gòu)，其中，所述翅片與流 過所述熱量-傳遞管結(jié)構(gòu)的所述流體的流線對(duì)準(zhǔn)，以便降低所述流體流動(dòng)物 上的阻力。
7. 如權(quán)利要求2所述的熱量-傳遞文丘里管結(jié)構(gòu)，其中，所述翅片的橫 截面面積隨距所述文丘里管壁的距離改變。
8. 如權(quán)利要求1所述的熱量-傳遞文丘里管結(jié)構(gòu)，其中，所述傳熱率通 過改變橫過所述熱量-傳遞管結(jié)構(gòu)的壓降控制。
9. 如權(quán)利要求1所述的熱量-傳遞文丘里管結(jié)構(gòu)，其中，還包括擴(kuò)散器。
10. 如權(quán)利要求9所述的熱量-傳遞文丘里管結(jié)構(gòu)，其中，所述擴(kuò)散器 足夠緩慢地?cái)U(kuò)大以保持層流。
11. 如權(quán)利要求1所述的熱量-傳遞文丘里管結(jié)構(gòu)，其中，所述管將流 動(dòng)物排入其局部周圍環(huán)境中。
12. —種伯努利熱泵系統(tǒng)，包括 熱源；如權(quán)利要求1所述的熱量-傳遞文丘里管結(jié)構(gòu)； 處于所述熱源和所述熱量-傳遞文丘里管結(jié)構(gòu)的所述導(dǎo)熱部分之間的熱 連接部分；在所述熱量傳遞管結(jié)構(gòu)中流動(dòng)的工作流體；用于維持所述工作流體流過所述管結(jié)構(gòu)的風(fēng)機(jī)機(jī)構(gòu)；將所述熱量-傳遞文丘里管結(jié)構(gòu)連接到所述風(fēng)機(jī)機(jī)構(gòu)的管結(jié)構(gòu)。
13. 如權(quán)利要求12所述的伯努利熱泵系統(tǒng)，其中，另外還包括 散熱器裝置；將熱量從所述工作流體流動(dòng)物傳遞到所述散熱器裝置的熱交換機(jī)構(gòu)；將所述風(fēng)機(jī)機(jī)構(gòu)連接到所述熱交換器機(jī)構(gòu)的管結(jié)構(gòu)；將所述熱交換機(jī)構(gòu)連接到所述熱量-傳遞文丘里管結(jié)構(gòu)的進(jìn)口的管結(jié)構(gòu)。
14. 一種將熱量傳遞到流動(dòng)物的方法，其包括以下步驟 保持用來維持流過如權(quán)利要求1所述的熱量-傳遞文丘里管結(jié)構(gòu)的流體的壓降；保持熱量流進(jìn)所述熱量-傳遞文丘里管結(jié)構(gòu)熱量-傳遞薄層的至少一個(gè) 導(dǎo)熱橫截面部分。
15. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中，通過所述壓降的改變控制所述 傳熱率。
全文摘要
為了將熱量從熱源傳遞到高溫散熱器，熱泵消耗功率。本發(fā)明能自發(fā)地將熱量從熱源傳遞到被伯努利效應(yīng)局部冷卻到低于熱源溫度的溫度的通常較溫暖的工作流體的一小部分。伯努利效應(yīng)發(fā)生于被成型為維持層流的文丘里管成形管內(nèi)。通過將熱量傳遞限制到文丘里管的小部分內(nèi)可改進(jìn)熱量-傳遞效率，在該文丘里管的小部分內(nèi)流動(dòng)物溫度、速度、壓力梯度和努謝爾特效應(yīng)均增強(qiáng)熱量傳遞。在該區(qū)域內(nèi)，借助于延伸橫過文丘里管頸部的導(dǎo)熱格柵可使熱量傳遞最大。
文檔編號(hào)F25B13/00GK101268430SQ200680026899
公開日2008年9月17日 申請(qǐng)日期2006年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月24日
發(fā)明者查爾斯·阿戈斯塔, 阿瑟·威廉斯 申請(qǐng)人:阿瑟·威廉斯;查爾斯·阿戈斯塔