專利名稱：基于稀有氣體的柏努利熱泵和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱泵一一將熱量從熱源移動到溫?zé)岬纳崞?br> (heat sink)的裝置，更具體的是涉及柏努利(Bernoulli)熱泵 和方法。
背景技術(shù)：
熱機將熱量從源頭移動到散熱器。通過區(qū)分熱量移動的方向， 熱機可以被分為兩種基本類型。熱量自發(fā)地"向下"流動，也就是 朝著較低溫度流動。對于水的流動，"向下的"熱量流動可用于產(chǎn) 生機械功，例如像內(nèi)燃機所表示的。將熱量"向上"移動的裝置， 也就是朝著較高溫度移動的裝置，被稱為熱泵。熱泵必須消耗能量。 冰箱和空調(diào)是熱泵的實例。通常使用的熱泵使用的工作流體(氣體 或者液體)的溫度在一范圍上改變，該范圍包括源頭和散熱器的溫 度，熱量在所述源頭和散熱器之間被泵送。這個溫度變化通常通過 壓縮工作流體來實現(xiàn)。柏努利熱泵通過使用公知的柏努利原理實現(xiàn) 了所需要的溫度變化，根據(jù)該原理，隨機分子運動(溫度和壓力) 被轉(zhuǎn)變成定向運動(宏觀流體流動)，同時保持整體動能不變。通 常當流體流動的橫截面面積減小時發(fā)生柏努利轉(zhuǎn)換，如在文丘里管 形的管道中，其中，流體流動的橫截面面積沿著流動路徑經(jīng)過最小 值。流體可以是氣體或者液體?，F(xiàn)有的這種實例由C.H.Barkelew 在美國專利3,049,891中描述，名為"Cooling by flowing gas atsupersonic velocity", 10/21/60;并且由V. C. Williams在美國 專利3, 200， 607中描述，名為，，Space Conditioning Apparatus", 11/7/63。
隨著橫截面面積減小，如在花園用軟管噴嘴中，定向運動必 須被增大從而保持恒定的質(zhì)量通量(massflux)。通過在溫度和壓 力中反映出的隨機分子運動的局部降低，這種轉(zhuǎn)換自發(fā)地發(fā)生，也 就是不需要另外的能量。然而壓縮消耗能量，柏努利轉(zhuǎn)換不需要。 雖然柏努利轉(zhuǎn)換本身不消耗能量，但是流體噴嘴狀結(jié)構(gòu)(nozzling) 通常意味著散熱流內(nèi)強烈的速度梯度。速度梯度意味著粘滯損失。 因此，在柏努利熱泵的發(fā)展中關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是發(fā)現(xiàn)并且使用有助于熱 傳遞同時使粘滯損失最小化的結(jié)構(gòu)和材料。
近來在熱聲應(yīng)用中己經(jīng)發(fā)現(xiàn)，稀有氣體的混合物具有異常小 的粘性。這種發(fā)展的討論和另外的參考可以參見M.E.H.Tijani, J. C. H. Zeegers and A. T. A. M, de Waele， "Prandtl number and thermoacoustic refrigerators", Journal of the Acoustic Society of America, 112， No. 1， pp. 134—143, (July, 2002)。
對于熱泵來說，通常的效率度量(metric)是"性能系數(shù)" (CoP)，其是熱流量(heat-transfer rate)與所消耗能量的比率。 在柏努利熱泵中，能量消耗的主要來源是文丘里管頸部內(nèi)的粘滯摩 擦，在其處，流動速度最大。驅(qū)動熱傳遞的溫差和粘性耗散與流速 的平方成比例。工作流體的兩個特性對于柏努利熱泵的效率是至關(guān) 重要的它的導(dǎo)熱率和它的粘性。氣體的無量綱特性，稱為普朗特 數(shù)，是最基本的這兩個特性的比率。CoP因此可以直接受益于使用 具有小的普朗特數(shù)的材料。Tijani等在熱聲裝置中的上述發(fā)現(xiàn)， 即稀有氣體的混合物具有不尋常小的普朗特數(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)根據(jù)本發(fā)明被應(yīng)用，這種發(fā)現(xiàn)的新的應(yīng)用改進了柏努利熱泵和方法的操作。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的主要目的是提供一種操作柏努利熱泵等的新的 和改進的方法，并且產(chǎn)生新的泵設(shè)備，其提供了有效的熱傳遞，同 時使粘性流體流動損失最小化。
另一個目的是提供稀有氣體在柏努利熱泵中的新的使用，并 且優(yōu)選的是這種和其它氣體的混合物，所述混合物提供了具有不同 質(zhì)量的氣體成分(原子，分子)——相對輕和相對重——在泵的流 體流動操作中產(chǎn)生了顯著低的普朗特數(shù)。
另一個目的是提供這樣一種新的柏努利熱泵，其中，向文丘 里管頸部中的熱傳遞使用了稀有氣體的不尋常的熱力傳輸特性。
下面將詳細描述其它和另外的目的，并且在權(quán)利要求中充分 限定。
然而，總的來說，根據(jù)它的較寬的方面中的一個，本發(fā)明包
括一種柏努利熱泵，其中，熱量被傳遞到噴嘴式(nozzled)散熱 流體流的頸部中，平衡熱傳遞和粘滯損失的方法，包括使一種或 多種稀有氣體作為所述散熱流流動穿過頸部，同時熱量被傳遞到其 處。
從設(shè)備的觀點，本發(fā)明的方法可以利用熱泵實施，該熱泵包
括
.熱源流體流，
.散熱流體流，與所述熱源流體流良好的熱接觸，
.鼓風(fēng)機構(gòu)，保持所述熱源和散熱流體流，
.至少一個具有可變橫截面的固體管道，其將文丘里管形狀施加在所述散熱流上，和
.其中所述散熱流體流包括至少1%摩爾分數(shù)的稀有氣體作為 一種成分。
優(yōu)選的并且最好的實施方式下面充分描述。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，工作流體可以包括基本的
(elemental)稀有氣體。因為普朗特數(shù)與具體的熱量成比例，其 依次與工作流體中可用于吸收能量的自由度(degrees of freedom) 的數(shù)目成比例，對于包括相對簡單微粒的氣體來說，普朗特數(shù)已經(jīng) 相對小。包括最簡單微粒的氣體是稀有氣體。因此，利用稀有氣體 的這些不尋常的熱力傳輸特性，甚至基本稀有氣體現(xiàn)在已經(jīng)證實對 于作為柏努利熱泵的工作流體是有吸引力的，并且它們因此對于本 發(fā)明的目的是優(yōu)選的。
本發(fā)明因此構(gòu)思一種柏努利熱泵，其中，散熱流體流一_"工 作流體"一一事實上優(yōu)選包括顯著部分的稀有氣體或者稀有氣體的 混合物，輕的和重的；并且通常，相對輕和相對重的氣體成分的混 合物，下面進行解釋。


下面參考附圖描述本發(fā)明，附圖中
圖1是一剖視圖，示出了文丘里噴嘴中的流體溫度和速度， 其中，優(yōu)選稀有氣體是流體的組成成分，用于實現(xiàn)本發(fā)明的目的。 圖2是自形成的文丘里管結(jié)構(gòu)。
圖3是隨機-到-定向運動的柏努利轉(zhuǎn)換圖。 圖4是本發(fā)明的優(yōu)選的熱泵，其中，從熱源流向圖1的散熱 文丘里管的頸部的熱傳遞提供了可與本發(fā)明的優(yōu)選稀有氣體方法流動一起使用的泵送。
圖5示出了封閉無管道的柏努利熱泵，可與稀有氣體流體等
一起使用。
圖6是圖2和圖5中顯示的環(huán)形的渦輪類型泵。 圖6a是包括環(huán)形渦輪的盤的俯視圖。 圖6b是示出環(huán)形渦輪的葉片的盤的側(cè)視圖。 圖7是閉合的基于管道的柏努利熱泵，用于與本發(fā)明的稀有 氣體流體流一起使用。
具體實施例方式
在本發(fā)明的實施例中，使得流體流采用文丘里管形狀，其基 本形式在圖1的橫截面變化的固體管道中示出，包括文丘里管道的 入口噴嘴部分1，相對緩慢的高溫流體流4被壓力驅(qū)動到所述入口 噴嘴部分1中，匯聚到中間的頸部2中，頸部2具有減小的或者縮 減的橫截面，流5作為相對快速和冷卻的流體流通過擴張型
(diverging)噴嘴部分3離開，并且其中，在擴張型噴嘴或者擴 散部分3中，柏努利轉(zhuǎn)換反向進行，產(chǎn)生了與入口 l類似的緩慢的 流6，但是被傳遞到文丘里管頸部中的流的熱量所加熱。鼓風(fēng)機構(gòu)， 如圖7所示，可用于產(chǎn)生壓差，所述壓差保持熱源和散熱流體流良 好的熱接觸，這是眾所周知的；或者用于從出口或者從排出口牽引 散熱流，或者用于將散熱流推動到文丘里管的入口中。
可替換的是，噴嘴狀結(jié)構(gòu)可以是流體對于低壓區(qū)域的自組織
(self-organized)(無管道的(duct-free))響應(yīng)，所述低壓區(qū) 域由泵保持。圖2示出了這種自形成的文丘里管，其中，所述流沿 著文丘里管流的進入轉(zhuǎn)換"噴嘴"部分1被引導(dǎo)進入頸部2中，并且從此通過擴張型"噴嘴"部分3。在這個操作中，環(huán)形渦輪9維 持穿過盤7中圓周孔隙的流動，所述盤7圍繞豎直軸線8旋轉(zhuǎn)，并 且更具體的在圖6a和6b中示出，其中，虛線15表示側(cè)視圖的平 面。環(huán)形渦輪9的葉片在圖6b中以14示出。圖5中，定子ll隔 離所述散熱流，并且提供了定子換熱器12，換熱器12將熱量從散 熱流中去除。當環(huán)形渦輪9維持穿過在這個閉合的無管道的柏努利 操作熱泵結(jié)構(gòu)中的所述盤設(shè)備的流動時，熱源流以IO示出，平行 于旋轉(zhuǎn)盤7的旋轉(zhuǎn)軸線8。
文丘里管基本上可以是一維或者二維的。例如，穿過花園用 軟管噴嘴的流動的特征基本上可以是一維的，具有流動線(line of flow)。另一方面，圖1所示的結(jié)構(gòu)可以延伸到與圖1平面垂直的 第三維中，從而產(chǎn)生二維文丘里管、噴嘴和流動層(sheet of flow)。 所需要的噴嘴狀結(jié)構(gòu)可以通過下面的方式實現(xiàn)，即使用壓差來驅(qū)動 流體穿過橫截面變化的管道。
然而，在所有情況中，噴嘴狀結(jié)構(gòu)對于柏努利熱泵的操作是 很重要的，因為質(zhì)量守恒要求流速增大從而保持通過橫截面減小區(qū) 域的恒定的質(zhì)量通量。柏努利原理的"魔力"在于由增大的流動速 度表示的能量增加是以與流體微粒的隨機運動相關(guān)的能量為代價 獲得的。也就是說，隨著流動速度增大，溫度和壓力降低。圖3示 出了柏努利轉(zhuǎn)換可以在流體微粒的速度分布方面被描述。在這個分 布方面，均值(流動速度)是以方差(溫度)為代價而增大的。
當我們允許第二流體流、熱源流將熱量傳遞到噴嘴散熱流5 的柏努利冷卻頸部中時，噴嘴變成熱泵。 一種這樣的結(jié)構(gòu)在圖4中 示出，其中，熱源流垂直于圖中的平面被引導(dǎo)。
由柏努利熱泵提出的基本的挑戰(zhàn)涉及將熱量傳遞到噴嘴散熱流的頸部中。因為熱平衡消除了在緊靠流體-固體交界面的附近處 散熱流和固體的相對運動，因此這是一個挑戰(zhàn)。這是所謂的"非滑 動邊界條件"。雖然固體可以將熱量從熱源流傳導(dǎo)到與散熱流的交 界面，從而通過散熱流對流離開，但是熱量必須穿過邊界層，所述 邊界層將固體和散熱流的冷的核心分開。雖然邊界層非常薄，但是 構(gòu)成所述層的流體既不快速移動也不必然是冷的。
為了穿過邊界層，熱量必須被引導(dǎo)通過(也就是擴散)邊界 層。邊界層的厚度通過散熱流流體的粘度控制，并且導(dǎo)熱性的有效 性通過它的導(dǎo)熱率被控制。因此毫不奇怪的是，工作流體粘度與它 的導(dǎo)熱率的無量綱的比率是重要的設(shè)計參數(shù)。
柏努利熱泵的操作因此代表了兩個類似的物理效果之間的競 爭。這兩個效果，導(dǎo)熱率和粘性，反映出散熱流內(nèi)的宏觀特性的擴
散(diffusicm)。 二者的區(qū)別僅在于發(fā)生擴散的宏觀特性。也許毫 不奇怪的是，所述兩個相對擴散的量是通過柏努利轉(zhuǎn)換而連接的 量；也就是說，隨機和定向微粒運動。導(dǎo)熱率是溫度的擴散(隨機 運動)，而粘度是流動速度的擴散(定向運動)。導(dǎo)熱率控制優(yōu)點(熱 傳遞)，而粘度控制所消耗熱量的成本(粘性損失)。優(yōu)點與成本的 比率，優(yōu)選如上所述，稱為"性能系數(shù)"(CoP)，并且基本上與導(dǎo) 熱率和粘度的比率成比例，其與之前討論的稱為"普朗特數(shù)"的無 量綱氣體特性是相反的。
如上所述，之前提到的Tijani等進行的最近的研究，特別涉 及熱聲制冷，已經(jīng)顯示出，適當使用的稀有氣體的混合物具有異常 小的普朗特數(shù)。這促進了這樣的想法，即也許這種混合物也可以是 用于柏努利泵中工作(散熱)流體的有吸引力的選擇物。這種混合 物的關(guān)鍵特性是成分稀有氣體原子和分子的質(zhì)量差。例如，氤的原子量比氦大三十倍。同樣，相對集中的輕的和重的原子的普朗特數(shù) 的變化顯著地非線性。也就是說，相比于在純的氣體的普朗特數(shù)的 任何類型的簡單平均的基礎(chǔ)上所預(yù)期的，混合物的普朗特數(shù)顯著更 低。為了本發(fā)明的目的，散熱流體流優(yōu)選包括至少1%摩爾分數(shù)的 稀有氣體作為成分一一單獨的稀有氣體元素，或者兩種或多種稀有 氣體的組合，例如上述的較重的氙和較輕的氦，或者氦和一個或多 個較重稀有氣體元素的混合物等。
作為根據(jù)本發(fā)明的方法用于柏努利熱泵的工作流體，稀有氣 體同樣是有吸引力的，因為它們是惰性的。因此，它們釋放到大氣 中不具有普通冷卻劑的有害作用。
作為本發(fā)明的柏努利熱泵的工作流體，稀有氣體同樣是有吸 引力的，因為構(gòu)成所述氣體的單獨原子不具有這樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其 能夠在感興趣的溫度范圍中吸收能量。這種自由度的數(shù)目直接進入 具體的熱量中，其依次進入普朗特數(shù)和與特定流動速度相關(guān)的溫度 降低。
雖然普通流體例如周圍空氣用作熱源流和散熱流允許柏努利 熱泵作為開放系統(tǒng)工作，但是稀有氣體或者基于稀有氣體的混合物 的使用意味著系統(tǒng)必須被閉合。也就是說，散熱流必須在閉合的循 環(huán)中工作，其中，在返回到文丘里管之前，熱量從散熱流傳遞到另
一個散熱器。這種閉合系統(tǒng)的實例在上述的圖5和圖6中示出。
另外的變形對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的，并且被認為 是落在權(quán)利要求限定的本發(fā)明的實質(zhì)和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.在一種柏努利熱泵中，其中，熱量被傳遞到噴嘴式散熱流體流的頸部中，平衡熱傳遞和粘滯損失的方法，包括使一種或多種稀有氣體作為所述散熱流流動穿過所述頸部，同時熱量被傳遞到其處。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述散熱流包括 至少1%摩爾分數(shù)的稀有氣體作為成分。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述稀有氣體成 分包括至少1%摩爾分數(shù)的稀有氣體元素。
4. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述稀有氣體成 分包括多種稀有氣體元素的混合物。
5. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述多種稀有氣 體元素的混合物包括氦和一種或多種較重的稀有氣體元素的混合 物。
6. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述氣體混合物 包括相對輕的和重的氣體元素成分。
7. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，散熱流通過由在 所述流上推動產(chǎn)生的壓差而保持。
8. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，散熱流通過由在 所述流上牽引產(chǎn)生的壓差而保持。
9. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，散熱流體流在閉合的循環(huán)中工作，在所述閉合循環(huán)中，在返回到初始的散熱流之前， 熱量從散熱流被傳遞到另一個散熱器。
10. 在一種柏努利熱泵中，其中，熱量被傳遞到噴嘴式散熱流體流的頸部中，平衡熱傳遞和粘滯損失的方法，包括使相對輕 的和重的氣體元素成分的混合物作為所述散熱流流動穿過所述頸 部，同時熱量被傳遞到其處。
11. 如權(quán)利要求io所述的方法，其特征在于，所述混合物包 括稀有氣體。
12 . —種熱泵，包括 .熱源流體流，.散熱流體流，與所述熱源流體流良好的熱接觸， .鼓風(fēng)機構(gòu)，保持所述熱源和散熱流體流，.具有變化橫截面的至少一個固體管道，其將文丘里管形狀施 加在所述散熱流上，和.其中，所述散熱流體流包括至少1%摩爾分數(shù)的稀有氣體作為成分。
13. 如權(quán)利要求12所述的熱泵，其特征在于，所述散熱流的 所述稀有氣體成分包括至少1%摩爾分數(shù)的單獨的稀有氣體元素。
14. 如權(quán)利要求12所述的熱泵，其特征在于，所述散熱流的 所述稀有氣體成分包括至少兩種1%摩爾分數(shù)的稀有氣體元素。
15. 如權(quán)利要求12所述的熱泵，其特征在于，所述散熱流的 所述稀有氣體成分包括氦和較重稀有氣體元素的至少1%摩爾分數(shù) 的混合物。
16. 如權(quán)利要求12所述的熱泵，其特征在于，所述散熱流包 括氦和至少兩種不同的較重稀有氣體元素的至少1%摩爾分數(shù)的混 合物。
17. 如權(quán)利要求12所述的熱泵，其特征在于，所述鼓風(fēng)機構(gòu) 將所述散熱流從至少一個所述文丘里管的排出口牽引。
18. 如權(quán)利要求12所述的熱泵，其特征在于，所述鼓風(fēng)機構(gòu) 將所述散熱流推動到至少一個所述文丘里管的入口中。
全文摘要
熱泵將熱量從源頭移動到較溫?zé)岬纳崞?，其中柏努利熱泵通過下面方式實現(xiàn)這種移動，即通過降低通常較溫?zé)岬纳崃鞯牟糠种械臏囟?。熱量自發(fā)地從通常較冷的熱源流流動到散熱器流的局部寒冷的部分，其是文丘里管的頸部。這個溫度降低是由于隨機氣體微粒運動(溫度和壓力)的柏努利轉(zhuǎn)換成定向運動(流)而造成的。本發(fā)明是一種柏努利熱泵，其中，向文丘里管頸部中的熱傳遞使用了稀有氣體的不尋常的熱力傳遞特性。稀有氣體，特別是它們的混合物，具有不同尋常的小的普朗特數(shù)，并且從而有助于隨機微粒運動(熱量)相對于定向微粒運動的擴散(粘度)的擴散，粘性摩擦造成了柏努利熱泵消耗的大部分熱量。
文檔編號F25B9/00GK101317047SQ200680033296
公開日2008年12月3日 申請日期2006年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月11日
發(fā)明者A·R·威廉斯, C·C·阿戈斯塔 申請人:馬奇弗洛能源公司