專利名稱：蒸氣漩渦散熱裝置的制作方法
蒸氣漩渦散熱裝置
發(fā)明背景
本發(fā)明涉及通過強制對流沸騰的廢熱提取，涉及用于防止加熱表面的蒸氣氣泡的 裝置，且涉及用于從廢熱中發(fā)電的有機蘭金循環(huán)(organic Rankine cycle)。
芯片冷卻
來自數字信號處理器(DSP)和其他高熱通量電子組件(本文統(tǒng)一為“CPU” )的廢 熱使性能降低。從CPU提取廢熱的任務耗費過度的能量，并且是數據中心的主要消耗。
CPU的表面積是小的，并且通過CPU的小的表面積的熱通量必須是高的，以除去 熱量。加入散熱片以增加表面積和在散熱片處鼓風不能克服直接的空氣冷卻的基本限制， 即其低的熱通量?？諝庵蟹肿拥臄U散分布意味著每次僅有很少的分子可以與散熱片或其 他固體表面接觸，所以傳遞到空氣中的熱量是小的，小于iw/cm2(在散熱片的表面積上)。 如果使用施加壓力(forcing)以使更多的分子吹向表面，那么用于熱傳遞的空氣分子在表 面的停留時間將是短的。理論預測和實踐經歷證實，CPU的直接的空氣冷卻將很快變得不 存在，因為對高熱通量的需求增加。即使具有散熱片和施加壓力，用空氣冷卻的最大的芯 片熱通量小于lOOW/cm2。間接的液體冷卻是優(yōu)選的技術，其具有高達400W/cm2的芯片熱 通量。見“High Powered Chip Cooling-Air and Beyond(高能芯片冷卻-空氣及更優(yōu)越 的)，Michael J. Ellsworth, Jr.禾口 Robert Ε. Simons,Electronics Cooling(2005 年 8 月) http://www, electronics-coolinR. com/articles/2005/o
強制對流沉浸式液體冷卻(沒有從液體到蒸氣的狀態(tài)變化)具有比任何空氣模式 大得多的熱通量。在具有強制對流沉浸的散熱片上可獲得的熱通量是50W/cm2(平方厘米 的散熱片面積)，這比噴射沖擊空氣冷卻多五十倍。強制對流是優(yōu)于自然對流沉浸(其中， 僅浮力驅使流體流動)的重要的改進，自然對流沉浸的熱通量僅為lW/cm2-大約與空氣噴 射冷卻相同。強制對流液體冷卻的實例是Roy的美國專利第7，055，531號(2006年6月 6日)，一種安置在CPU表面上方的室中的電動機驅動的離心葉輪；Remsburg的美國專利第 6，604，572號(2000年5月16日)，其特征為CPU上方的室中的熱虹吸對流，沒有機械泵裝 置；mi等人的美國專利第6，894，899號(2005年5月17日)，一種電動機驅動的離心葉輪； Burward-Hoy的美國專利第5，442，102號(1995年8月15日)，一種電動機驅動的離心葉 輪；以及Farrow等人的美國專利第6，945，314號(2005年9月20日)，其也是一種電動機 驅動的離心葉輪。高度惰性的全氟化冷卻劑(也稱作FC冷卻劑)用于電子組件的直接的 液體冷卻是安全的。用于廢熱提取的狀態(tài)的改變可以通過池沸騰或強制對流沸騰來完成。 池沸騰具有僅20W/cm2的熱通量限制，這比強制對流沉浸(50W/cm2)差。問題是，來自加熱 的散熱片或其他表面的蒸氣阻止熱通量進入液體，且變得過熱使其更難冷凝。蒸氣在加熱 表面成核，且小的氣泡在加熱表面處聚結直至聚集的氣泡的浮力足夠使其從表面分離。不 存在蒸氣一形成就將其從加熱表面掃除的施加壓力裝置(forcing means)意味著，蒸氣變 為阻止熱通量進入液體冷卻劑的過熱氣體的隔熱袋(insulating pocket) 0必須在冷凝 端提取過熱，這是冷卻能力的浪費。用于CPU冷卻的池沸騰的實例是=Paters0n的美國專 利第5，390，077號(1995年2月14日)，一種具有散熱片和使蒸氣沿著內部散熱片向上和徑向地向外流動的內部擋板的按鈕狀的夾上的冷卻劑箱；以及karls等人的美國專利第 6，550，531號(2003年4月22日)，其中，蒸氣在室的外圍上升，用散熱片空氣冷卻來冷凝， 然后滴在CPU的中心。
池沸騰設備(pool boiling device)的一種特殊的種類是熱管，密封的蒸氣在管 中循環(huán)，其中，工作流體例如水在蒸發(fā)端蒸發(fā)，且蒸氣在管中上升到冷凝端，其中，工作流體 冷凝且將其潛熱釋放到外部的散熱裝置，例如環(huán)境空氣或其他冷卻裝置。熱管沒有移動部 分。為了將冷凝物拉回到蒸發(fā)端以完成蒸氣循環(huán)，在熱管的內層壁處安置芯吸或毛細管裝 置。熱管內的壓力近似于期望的運行溫度下的CPU的蒸氣壓力。用于冷卻CPU的熱管的實 例是Tsai等人的美國專利第7，352，580號(2008年4月1日)，其特征為具有用于冷凝端 排熱的散熱管的一組傾斜的熱管；以及Herring等人的美國專利第7，352，579號(2008年 4月1日)，其中熱管彈簧負載到CPU上，用于改進的傳導。應避免蒸氣和返回的冷凝物之 間的熱交換，使得可能存在盡可能直接地從熱芯片到排熱裝置的熱通量。熱管的導熱率比 銅高四倍。
強制對流沸騰是所有已知的冷卻模式中最好的，具有超過lOOW/cm2的熱通量。此 外，相對于這個值的表面是包括散熱片的加熱表面，而不是芯片表面。蒸氣連續(xù)地從加熱表 面掃過，加熱表面可以是間接的液體冷卻裝置的內部，且蒸氣很快地被密度更大的液體代 替，所以熱傳遞到液體從未被過熱蒸氣的隔熱的氣泡層阻止。施加壓力需要一些施加壓力 裝置，通常是攪拌器或由外部電動機提供動力的泵，其用平流輸送冷凝物。
Burward-Hoy的美國專利第5，441，102號(1995年8月15日)教導了作為替 換的一種安置在CPU上方的短室中的電動機驅動的離心泵，用于熱管的芯吸毛細管裝置 (wicking capillary means)。在Burward-Hoy設備中的流體流動由室中的外部驅動的離心 泵驅動，在蒸發(fā)端的中心向下，越過CPU的中心，且然后徑向地向外到達外圍，且然后上升 到外部的排熱裝置。這與常規(guī)的熱管中的方向是相反的，常規(guī)的熱管中的蒸氣在中心處上 升。雖然Burward-Hoy提到了一種熱管，但是該熱管被描述為沒有狀態(tài)變化的強制對流液 體冷卻設備。未提到冷凝裝置，并且其顯示沒有用于蒸氣形成的空間。在Burward-Hoy中 的向后的流體流動將使得蒸氣向上流動到外圍，而不是向上流動到熱管的蒸發(fā)端的中心。 Farrow等人的美國專利第6，945，314(2005年9月20日)也教導了一種內部電動機驅動的 泵裝置，用于逆著CPU的中心用平流向下輸送流體，且然后徑向地向外越過加熱表面，類似 于 Burward-Hoy0
Burward-Hoy 禾口 Farrow 等人的這種向下 _ 禾口一出來、流動(down-and-out flow)的 缺點是，易于在加熱表面的最熱部分形成、越過CPU的中心的蒸氣可變得被捕獲在越過CPU 的最熱部分的隔熱袋中，直到浮力使其上升，通過向下流動的液體，參與和冷卻的流體的熱 交換，而不是和熱管的外部排熱裝置的熱交換。類似于Burward-Hoy，Farrow等人未提到冷 凝或任何蒸氣循環(huán)。
蘭金循環(huán)
理想的蘭金循環(huán)是一種封閉系統(tǒng)(沒有質量流入或流出)，其中，熱能(熱)從環(huán) 境輸入到蒸發(fā)器(boiler)，引起工作流體例如水的蒸發(fā)。蒸氣將功輸出到環(huán)境，通過流過渦 輪機而失去焓，且在渦輪機排氣處的蒸氣中的剩余能量通過冷凝器排放到環(huán)境。使功從環(huán) 境中輸入，以將冷凝物從冷凝器用泵抽回到蒸發(fā)器，重新開始質量流循環(huán)。實際上，由于在冷凝器處的損失，存在以補充水的形式流到循環(huán)中的小量的質量流。附圖中的圖9顯示常 規(guī)的蘭金循環(huán)的流程圖。
有機蘭金循環(huán)
在用于發(fā)電的蒸汽渦輪機中，水是用于蘭金循環(huán)的通常的工作流體，但是有機蘭 金循環(huán)使用有機化合物例如鹵代烷，而不是水。與水相比，高分子質量的有機化合物在給定 的蒸氣溫度下給予有機分子更高的動量。所選擇的有機工作流體應該是環(huán)境友好的，例如 作為Genetron 245fa由Honeywell市場化的HFC_245fa。在25°C下，水的飽和蒸氣具有小 于HFC-M5fa的飽和蒸氣287倍的密度，所以可通過使用適當的有機工作流體來完成在低 的熱輸入溫度下運行的簡潔的蘭金循環(huán)。有機蘭金循環(huán)設備的優(yōu)點包括(1)高的循環(huán)效 率；( 非常高的渦輪機效率(高達百分之85) ； (3)低的對渦輪機的機械應力；和(4)低的 渦輪機的每分鐘轉數，允許發(fā)電機的直接驅動，而不用齒輪減速。使用有機蘭金循環(huán)從低溫 廢熱中發(fā)電是可能的，然而，為了具有滿意的熱力學效率，常規(guī)的蒸氣循環(huán)需要來自化石燃 料的燃燒或核熱源的高得多的輸入溫度。
密封的蘭金循環(huán)
完全密封的蘭金循環(huán)在運行期間將不會以功的形式輸出或輸入能量，也不會存在 任何質量流入或流出循環(huán)。如在常規(guī)的蘭金循環(huán)中，以熱的形式輸入的能量將流過設備且 在冷凝器處被排放到環(huán)境。一種至少部分地密封的蘭金循環(huán)是本發(fā)明的目的，其保持循環(huán) 內的功，以給泵提供動力。在密封的蘭金循環(huán)中使用有機工作流體將允許僅由熱流提供動 力的特別有效的強制對流廢熱提取器(forced convection waste heat extractor)。提供 這種改進的散熱裝置且提供用于從廢熱中提取功而不發(fā)生來自環(huán)境的功的任何輸入的裝 置是本發(fā)明的目的。
發(fā)明概述
蒸氣漩渦散熱裝置(vapor vortex heat sink)是一種密封的蘭金循環(huán)設備，包 括內部渦輪機和內部泵；渦輪機驅動泵。不需要外部泵裝置來維持循環(huán)。不同于常規(guī)的熱 管，這里不存在芯吸裝置，且在循環(huán)期間，蒸氣和冷凝物之間存在最小的熱交換。
有機工作流體允許低溫的廢熱給密封的蘭金循環(huán)的內部渦輪機提供動力，密封的 蘭金循環(huán)的內部渦輪機則給內部泵提供動力，內部泵驅使冷凝物進入蒸發(fā)器以重新開始循 環(huán)。
強制對流沸騰將熱源例如數據中心中的CPU結合到遠端的散熱裝置，遠端的散熱 裝置是常規(guī)的設計且通過使通過熱傳遞可利用的面積的熱通量最大化而具有高冷卻能力。 廢熱變?yōu)檎魵庵械臐摕?，蒸氣中的潛熱在漩渦組織體(vortex organizer)內上升的蒸氣漩 渦中旋轉，漩渦組織體安置在封閉的殼體的軸處。這種對流質量流動能的一些被在內部渦 輪機中去除，以給內部離心冷凝物泵提供動力。離心泵將冷凝物從冷凝端拉下，且驅使冷凝 物徑向地向內越過蒸發(fā)端的加熱表面，以重新開始蒸氣循環(huán)。高剪切和吸引提供用于使蒸 氣逃離加熱表面且收斂地流到蒸氣空間的徑向漩渦導管。在由高冷卻能力的最后的散熱裝 置作用的冷凝表面的快速冷凝吸引質量流通過內部渦輪機。
通過強制對流質量流中的蒸氣，廢熱被作為潛熱輸送到用于排熱的更方便的位 置，而不是運行進入數據中心的冷液體的線，且從而存在使冷凝物滴在靈敏的組件上的危險。
在優(yōu)選的實施方案中，飽和蒸氣流入蒸氣漩渦散熱裝置的冷凝端，且如在Hero蒸 汽發(fā)動機中的徑向地向外通過蒸氣管，使得是內部渦輪機的漩渦組織體旋轉。通過具有高 冷卻能力的常規(guī)的散熱裝置提取潛熱。由冷凝引起的真空吸引更多的蒸氣通過漩渦組織體 和蒸氣管，驅使質量流且也使漩渦組織體以自持的方式旋轉，僅由從CPU到散熱裝置的熱 流提供動力。
冷凝物通過重力在下降的冷凝物漩渦中沿著冷凝物流道從漩渦組織體的外側流 下。冷凝器中的冷凝物的勢能變?yōu)閯幽?，也使漩渦組織體以相同的方向旋轉，如上升的蒸氣 漩渦和蒸氣管所做的。蒸氣向上和冷凝物向下的軸向逆流給密封的蘭金循環(huán)的內部渦輪機 和內部泵提供動力。有機工作流體的使用使其成為有機的密封的蘭金循環(huán)。
在引起漩渦組織體在向下的流中的旋轉之后，冷凝物被離心泵盤徑向地向外用泵 抽吸，離心泵盤連接到漩渦組織體且安置在蒸發(fā)端。這個盤是密封的蘭金循環(huán)的內部泵，且 由內部渦輪機提供動力，其是通過從密封的殼體的蒸發(fā)端到冷凝端的強制對流質量流而旋 轉的漩渦組織體。質量流給予漩渦組織體的轉矩克服了盤的旋轉慣性，在啟動時如果需要， 由小的外部的啟動電動機來協助。冷凝物在平流空間中沿著盤的上部表面徑向地向外流 動，然后從蒸發(fā)端的外圍彈回，且通過徑向漩渦空間徑向地向內流動到在泵盤的中心的孔， 冷凝物在泵盤的中心的孔處進入在漩渦組織體的中心的蒸氣空間。在這個徑向地向內流動 期間，蒸發(fā)提取廢熱，廢熱被以潛熱的形式從蒸氣空間向上輸送到散熱裝置。蒸發(fā)和泵的功 驅使質量流連續(xù)的循環(huán)。質量流是平穩(wěn)的，因為湍流是有組織的，類似于颶風。僅僅由于熱 流引起的颶風的自持的強制對流機制維持質量流并給泵提供動力。
在泵盤之下的徑向漩渦空間中的高剪切沿著加熱表面攪動流體并將蒸氣掃入徑 向漩渦核心。蒸氣不在表面上形成隔熱氣泡，與在常規(guī)的熱管中的池沸騰一樣。通過有組 織的湍流避免了蒸氣的過熱。窄的空間中的由盤旋轉強制的和通過蒸氣空間中的吸引保持 一致的徑向漩渦提供用于從加熱表面掃除的蒸氣的匯流導管。
在冷凝物和蒸氣的氣旋軸向逆流中，蒸發(fā)端和冷凝端之間的強制對流提供質量 流，以驅動密封的蘭金循環(huán)的內部渦輪機和內部泵。通過在期望的工作溫度下使用適當的 工作流體，單獨的廢熱可驅動強制對流沸騰，用于強有力的熱提取和發(fā)電。
討論集中在計算機芯片冷卻的應用上，但是本發(fā)明也應用于所有其他的廢熱提取 需求，諸如例如內燃發(fā)動機冷卻、注塑模具冷卻、化學反應器冷卻、渦輪機廢蒸汽冷卻以及 食物和飲料處理中的應用。本發(fā)明也應用于從低溫的廢熱源中發(fā)電，例如IGCC發(fā)電廠的布 雷頓循環(huán)渦輪機排氣。
附圖簡述


圖1顯示根據本發(fā)明的蒸氣漩渦散熱裝置的優(yōu)選的實施方案的橫截面示意圖。
圖2顯示朝著加熱表面2向下看的圖1中顯示的設備的橫截面圖。
圖3顯示在圖1中顯示的設備的中心區(qū)域的一部分的詳細的橫截面圖，說明蒸氣 和冷凝物的軸向逆流。
圖4顯示在圖1中顯示的設備的冷凝端的一部分的細節(jié)。
圖5顯示機械連接在一起的且具有共同的最后的散熱裝置8的蒸氣漩渦散熱裝置 的構造。
圖6顯示樞銷組件13的細節(jié)。
圖7顯示在泵盤20和加熱表面2之間的徑向漩渦空間中的流動的上視圖，并且顯 示各向異性湍流中的徑向漩渦21的陣列。
圖8顯示加熱表面2和蒸氣空間5的中心的細節(jié)。
圖9顯示常規(guī)的蘭金循環(huán)的流程圖。
圖10顯示離心泵盤20的頂部表面及其流道(runner) 23的細節(jié)。
圖11顯示用于將多個垂直的母板連接到根據本發(fā)明的散熱裝置的裝置。
圖12顯示加熱表面2及其徑向渦體28的上視圖。
圖13顯示本發(fā)明公開的密封的蘭金循環(huán)的流程圖。
圖14顯示泵盤20、其流道23、軸承組件四及其加熱表面2的徑向渦體28的詳細 的橫截面圖。
圖15顯示可選的實施方案的蒸發(fā)端3a的細節(jié)。
圖16顯示可選的實施方案的冷凝端北的細節(jié)。
附圖參考數字
1-熱源
2-蒸氣漩渦散熱裝置的加熱表面
3-密封的殼體
3a-密封的殼體的蒸發(fā)端
3b-密封的殼體的冷凝端
4-漩渦組織體
5-漩渦組織體內的蒸氣空間
6-冷凝表面
7-蒸氣冷凝室
8-包括用于排熱的裝置的常規(guī)的散熱裝置
9-冷凝物空間
10-推力軸承
11-蒸氣流道
12-冷凝物流道
13-反作用式渦輪機、樞銷組件
14-蒸氣口
15-蒸氣管
16-外部驅動軸
17-外部驅動電動機或發(fā)電機
18-用于填充殼體或排空殼體的清除口(purge port)
19-用于清除口的調節(jié)裝置，包括在超壓情況下的突出體(pop-out)
20-泵盤
21-在泵盤和加熱表面之間的徑向漩渦
22-加熱表面的尖角的隆起物
23-在泵盤上的離心地用平流輸送的流道
24-熱收集器
25-熱散熱片
26-芯片
27-板
28-徑向渦體
29-軸承組件
a-a是漩渦組織體、樞銷組件和泵盤的共同的旋轉軸。
優(yōu)選的實施方案的詳述
圖1顯示本發(fā)明的優(yōu)選的實施方案的橫截面示意圖。熱源1例如與CPU熱相通的 金屬表面與加熱表面2熱相通，加熱表面2是密封的殼體3的部分，該殼體具有蒸發(fā)端3a 和冷凝端北。冷凝端北包括與常規(guī)的散熱裝置8熱相通的冷凝表面6。散熱裝置8可以 是冷卻器或制冷領域已知的用于將熱排放到環(huán)境中的其他高冷卻能力裝置?；蛘咂淇梢允?片管式冷凝器(fin and tube condenser)或水池或水管。許多其他的常規(guī)的散熱裝置對 本領域來說是已知的且作為散熱裝置8可能是適當的，取決于廢熱提取應用。散熱裝置8 是對于冷卻能力依尺寸制造的，通常用制冷噸來測量(1制冷噸=3517瓦)，根據其作用的 熱負荷來要求。圖5中顯示根據本發(fā)明的多個蒸氣漩渦散熱裝置共用一個共同的散熱裝置 8。本發(fā)明提供用于使廢熱從熱源1最佳流動到散熱裝置8的裝置，排熱發(fā)生在散熱裝置8 的方便的位置。通過在密封的蘭金循環(huán)中的強制對流沸騰來完成將高冷卻能力散熱裝置8 結合到小的熱的表面區(qū)域。
殼體3包括用于蒸氣循環(huán)的工作流體。工作流體出現在液相和蒸氣相兩者中。有 機蘭金循環(huán)工作流體具有用于驅動渦輪機且從而驅動本發(fā)明公開的密封的蘭金循環(huán)的泵 的高分子質量的優(yōu)點。具有低沸點的有機工作流體的實例包括丁烷、戊烷、丙酮、甲醇和制 冷劑例如來自3M的FC-87。水也可以是工作流體，優(yōu)選地以凈化的形式以防止來自重復的 沸騰和冷凝循環(huán)的污垢的沉積。殼體是密封地封閉的，并且殼體3內部的壓力可通過清除 口 18來調整，使得蒸氣漩渦散熱裝置的運行溫度足夠高，以避免大氣水蒸氣在殼體外部上 冷凝。
在一些應用中，水可優(yōu)選地作為工作流體，因為水是容易地可得到的，且具有高的 蒸發(fā)潛熱(hfg)，所以水可以將大負荷的廢熱從加熱表面2攜帶到冷凝表面6，用于提取到外 部的散熱裝置8。然而，對于發(fā)電，水不是優(yōu)選的，因為水具有低的分子重量，且對于低溫熱 源不是有效的。利用清除口 18將不可凝結氣體從殼體3中清除，使得冷凝不會被不可凝結 氣體的存在阻止。清除口也設置用于將工作流體引入到殼體的裝置。
在圖1和圖11中顯示的設備是用于芯片冷卻的優(yōu)選的實施方案，因為其可以容易 地適合于在數據中心的現有的CPU結構?？蛇x地，熱源1例如CPU可以安置在殼體3的蒸 發(fā)端3a的內部且在用于在湍流流動中的直接冷卻的泵盤20之下。這個可選的實施方案將 由權利要求覆蓋。使用本發(fā)明的教導，母板和卡可以用將電子組件沉浸在湍流非傳導性的 工作流體浴中的方式來制作。在此情形，熱交換可以從組件引導到工作流體，而沒有中間的 加熱表面2。加熱表面2不是必需的元件，但是，與這個可選的加熱表面2 —起的是另一個 用于將廢熱從熱源1傳遞到殼體3中的冷卻流體且最后到達散熱裝置8的裝置。
近似圓柱形的漩渦組織體4安置在殼體3之內，漩渦組織體4在其中心具有蒸氣 空間且包括至少一個內部蒸氣流道11，內部蒸氣流道11接合蒸氣空間中的蒸氣。適當的裝10置將漩渦組織體4與殼體3分離，以允許漩渦組織體的自由旋轉并界定在殼體和漩渦組織 體之間的環(huán)形的冷凝空間，該冷凝空間提供用于使冷凝物從殼體3的冷凝端北流動到蒸發(fā) 端3a的裝置，使得蒸氣循環(huán)可以是連續(xù)的。在此顯示的作為用于分離的裝置是環(huán)形的推力 軸承10，推力軸承10嚙合漩渦組織體上的凸緣和殼體的表面；冷凝物的流動也用來潤滑推 力軸承。圖14和圖15顯示用于將可旋轉的漩渦組織體與殼體分離的可選的裝置。
漩渦組織體的旋轉軸a-a處在殼體的中心線處，殼體的中心線也是蒸氣漩渦從蒸 發(fā)端到冷凝端的旋轉軸。蒸氣漩渦提供用于工作流體的低焓的飽和蒸氣從蒸發(fā)端流動到冷 凝端的導管。夾帶的霧被旋轉出蒸氣漩渦。
蒸氣空間5處在漩渦組織體4的中心。圖3中顯示漩渦組織體4和殼體3的中心 部分的細節(jié)。漩渦組織體4連接到泵盤20，且是本發(fā)明的密封的蘭金循環(huán)的內部渦輪機。 見圖13。漩渦組織體4維持蒸氣和冷凝物的軸向氣旋逆流，且使蒸氣和冷凝物互相熱隔離， 且其也通過其流道11、12從對流質量流中提取功以驅動內部泵20。流道11、12提供用于使 漩渦組織體由于工作流體在殼體的蒸發(fā)端和冷凝端之間流動時的沖擊而旋轉的裝置。
通過蒸氣空間5的質量流沖擊蒸氣流道11，且從而，給予漩渦組織體4圍繞軸a-a 的轉矩。有機工作流體例如HFC-M5fa是優(yōu)選的，因為其蒸氣具有高的密度，且因此，通過 蒸氣空間的對流質量流引起高的動量從工作流體的蒸氣轉移到漩渦組織體4且通過漩渦 組織體4到達泵盤20。通過推動渦輪機，一些工作流體的蒸氣損失焓且部分地冷凝。然后， 冷凝物沿著蒸氣流道11流回泵盤20和加熱表面2之間的徑向漩渦空間，其中，冷凝物被剪 切和重新蒸發(fā)。不沿著流道冷凝的包括渦輪機排氣和蒸氣漩渦的低焓的飽和蒸氣核心的蒸 氣繼續(xù)流動到殼體的冷凝端北。
蒸氣漩渦將蒸氣流中夾帶的冷凝物離心至殼體3的壁，如圖15和圖16所顯示的， 或離心至漩渦組織體4的壁，如圖1所顯示的。在蒸氣流進入冷凝端北之前，其已被除霧。 冷凝物的離心去除避免了浪費冷卻能力的夾帶的冷凝物的低溫冷卻。
蒸氣漩渦旋轉將對流質量流離心地分離為高焓的蒸氣漩渦壁和工作流體的低焓 的飽和蒸氣的蒸氣漩渦核心，高焓的蒸氣漩渦壁嚙合蒸氣流道11，工作流體的低焓的飽和 蒸氣的蒸氣漩渦核心進入冷凝室7，在冷凝室7中其將其潛熱釋放到散熱裝置8。蒸氣漩渦 壁做功，且當其沖擊漩渦組織體時而引起漩渦組織體圍繞軸a-a旋轉。在做功時，蒸氣漩渦 壁損失焓，而剩余的飽和蒸氣結合漩渦核心。
蒸氣不是過熱的，因為徑向漩渦空間中的湍流防止蒸氣在加熱表面逗留。分子的 麥克斯韋速率分布的高焓部分被強迫做功，且因此損失焓而變?yōu)榈挽实娘柡驼魵狻Ｒ驗榈?達冷凝表面6的工作流體易于冷凝，所以散熱裝置8的冷卻能力沒有浪費。
對比圖9中顯示的常規(guī)的蘭金循環(huán)的流程圖和圖13中顯示的本發(fā)明的密封的蘭 金循環(huán)的流程圖。渦輪機的功被保存在本發(fā)明的循環(huán)中以使泵運行，然而，在常規(guī)的蘭金循 環(huán)中，泵是通過外部動力運行的。
離心泵盤20被連接到漩渦組織體4且在殼體3的蒸發(fā)端3a內延伸到與加熱表面 2近似平行。泵盤20與殼體3隔開，以便界定(1)在其上方的平流空間，平流空間與圍繞 漩渦組織體的冷凝物空間相通，且包括通過泵盤從軸a-a徑向地向外用平流輸送的工作流 體；和(2)在其之下的徑向漩渦空間，漩渦空間與平流空間相通，且也通過在泵盤的中心的 孔與蒸氣空間5相通。
存在工作流體的連續(xù)的循環(huán)流動路線，從冷凝空間7，通過冷凝物空間9，通過平 流空間，通過徑向漩渦空間，通過漩渦空間5和通過反作用式渦輪機13進入冷凝空間9。
通過離心泵盤20平流輸送的冷凝物圍繞泵盤的邊緣沿著界定蒸發(fā)端3a的外圍的 壁流動，且進入徑向漩渦空間，冷凝物在徑向漩渦空間變?yōu)檎魵?。這通過圖1中的箭頭表 示。徑向漩渦空間提供用于工作流體從蒸發(fā)端3a的外圍到蒸氣空間5的湍流的收斂的流 動通道，該流動通道是由于在冷凝端北的冷凝引起吸引的低壓匯(low pressure sink)。 在泵盤20和加熱表面2之間的剪切的工作流體中的湍流包括一致的匯流導管的徑向陣列， 其是徑向漩渦。見圖7。
泵盤20優(yōu)選地包括在其頂部表面上的螺旋形的流道23的徑向陣列，這確保了泵 盤的旋轉驅動工作流體徑向地向內通過泵盤和加熱表面2之間的徑向漩渦空間，從而將更 多的冷凝物從冷凝器中向下拉出，通過冷凝物空間9和平流空間。見圖10，泵盤20的流 道23的細節(jié)?？蛇x地，泵盤的有凹痕的上表面或泵盤的下表面上的勺式流道(scooping runner)可以是用于確保泵盤的旋轉用平流輸送工作流體徑向地向內通過徑向漩渦空間到 達蒸氣空間5的裝置。
漩渦組織體的旋轉可通過外部驅動的電動機17的協助開始啟動，外部驅動的電 動機17通過驅動軸16臨時地連接到漩渦組織體4，驅動軸16連接到樞銷組件13，樞銷組 件13是反作用式渦輪機。見圖6。在殼體3和驅動軸16之間的適當的密封裝置防止工作 流體泄漏和不可凝結物干擾。驅動軸16可連接到發(fā)電機而不是電動機17，使得廢熱在部分 地密封的蘭金循環(huán)中產生電。
在圖15和圖16中顯示的可選的實施方案顯示沒有驅動軸16，且完全地用于廢熱 提取。來自漩渦組織體的蒸氣漩渦延伸到冷凝空間7，而不通過反作用式渦輪機13。但是， 可選的實施方案也可包括安置在其冷凝端且連接到驅動軸的反作用式渦輪機13，如在圖6 中所顯示的，且其也可包括連接到漩渦組織體的驅動軸或用于機械協助啟動的泵盤。
—旦熱源1和散熱裝置8之間的熱流已產生足夠的氣旋軸向逆流來維持漩渦組織 體4的旋轉，外部電動機17可以斷開，且在漩渦組織體4具有足夠的角動量來維持連續(xù)的 廢熱循環(huán)之后，連接到軸16以利用任何能量的發(fā)電機被留下。用于調節(jié)驅動軸的旋轉的適 當的裝置可以連接到驅動軸，以在廢熱流變小時提高驅動軸的旋轉或在廢熱流變大時使驅 動軸的旋轉減速。驅動軸16也提供用于檢測漩渦組織體4是否適當地旋轉的裝置。
可以看到，密封的蘭金循環(huán)的渦輪機和泵是單一的連接單元，使得渦輪機的旋轉 使離心泵旋轉，而不需要來自系統(tǒng)外部的功來維持循環(huán)，不同于常規(guī)的蘭金循環(huán)。如果內部 渦輪機例如反作用式渦輪機13連接到外部設備例如發(fā)電機，那么蘭金循環(huán)將是部分地密 封的，因為輸出了 一些功，但是不過，當蘭金循環(huán)運行時，其將是密封的，因為沒有功輸入。 內部渦輪機(漩渦組織體4，且在優(yōu)選的實施方案中，連接到漩渦組織體4的反作用式渦輪 機13)的功至少部分地保存在循環(huán)中，且為內部泵(泵盤20)提供動力。這個自持的內部 泵驅動強制對流沸騰，以便將廢熱以潛熱的形式從熱源傳遞相當大的距離到達高冷卻能力 散熱裝置，在高冷卻能力散熱裝置可發(fā)生排熱。
除通過電動機17和驅動軸16的啟動之外，未輸入功。一旦循環(huán)在進行中，就沒有 功輸入，且甚至可存在通過連接到發(fā)電機的電樞的驅動軸16的功輸出。蘭金循環(huán)不僅作為 封閉系統(tǒng)關于質量守恒是密封的，而且關于以功的形式的能量守恒也是密封的，如在圖13中所顯示的。以熱的形式的能量從熱源1到散熱裝置8平穩(wěn)地流動通過循環(huán)，且從而引起 質量流，質量流驅動渦輪機，且從而驅動維持循環(huán)的泵。
在蒸發(fā)端3a的中心，來自加熱表面2或來自徑向漩渦21的壁的蒸氣進入在漩渦 組織體4的中心的蒸氣空間5。蒸氣流動通過蒸氣空間5到達在漩渦組織體4的頂部附近 的一個或多個蒸氣口 14，且然后，通過與蒸氣口 14相通的彎曲的蒸氣管15退出蒸氣空間。 所述蒸氣口和蒸氣管包括在樞銷組件13中，樞銷組件13在圖6中詳細地顯示。樞銷組件 提供反作用式渦輪機13，類似于Hero蒸汽發(fā)動機，在優(yōu)選的實施方案中，Hero蒸汽發(fā)動機 引起漩渦組織體4旋轉。這個在下面的圖4的討論中解釋。
退出蒸氣管15的蒸氣由于其中的低壓而進入冷凝端3a的冷凝室7。低壓是由冷 凝引起的，冷凝是由高冷卻能力散熱裝置8引起的，高冷卻能力散熱裝置8從蒸氣中提取潛 熱且引起蒸氣改變狀態(tài)回到冷凝物，冷凝物是工作流體的液相。
液體工作流體具有比蒸氣相低得多的比容(立方米每千克的質量，m3/kg)。蒸氣 沿著由散熱裝置8冷卻的冷凝表面6冷凝且體積收縮，從而通過蒸氣管15將更多的蒸氣拉 入冷凝室7，且引起反作用式渦輪機13運行。散熱裝置8通過其冷卻能力維持冷凝室7中 的低壓，且低壓將蒸氣通過蒸氣空間5拉離加熱表面2，通過徑向漩渦空間中的徑向漩渦， 在徑向漩渦空間中，工作流體在泵盤20和加熱表面2之間被剪切。蒸氣通過蒸氣空間5的 流動為更多的蒸氣在加熱表面2形成讓路，且防止蒸氣在加熱表面變得過熱，且從而更難 冷凝。圖1中顯示的是加熱表面2和冷凝表面6之間的非常短的距離，但是該距離可以是 使小的加熱表面1與高冷卻能力散熱裝置8連接所需的任何長度，高冷卻能力散熱裝置8 位于用于大的排熱的方便的位置。
與常規(guī)的熱管相比，未使用毛細管或芯吸裝置來引起冷凝物從冷凝端到蒸發(fā)端的 流動。內部泵(泵盤20)用平流輸送冷凝物，使冷凝物從冷凝端北通過冷凝空間9進入蒸 發(fā)端3a的平流空間，然后通過徑向漩渦空間進入蒸氣漩渦的旋轉軸a-a處的蒸氣空間5。 在優(yōu)選的實施方案中，通過將冷凝物空間完全界定到冷凝端的漩渦組織體的連續(xù)的內壁， 在冷凝物和蒸發(fā)端附近的蒸氣之間的熱交換被最小化，使得熱以通過循環(huán)的最小的熱循環(huán) 從熱源傳遞到散熱裝置。存在能量的循環(huán)，以功的形式從渦輪機到泵，而不是以熱的形式。
通過泵盤20徑向地向外用平流輸送到殼體3的蒸發(fā)端3a的外圍的冷凝物彈回且 從蒸發(fā)端3a的外圍越過加熱表面2徑向地向內流動。加熱的工作流體在由泵盤的旋轉引 起的高的剪切中朝著漩渦組織體4的中心處的蒸氣空間5會聚。在這個流動路線中，由于 與加熱表面2的熱交換，冷凝物變?yōu)檎魵?。由于高的湍流，蒸氣不能在加熱表面逗留且在?泡中過熱化，且由于其較低的密度，蒸氣必須為新鮮的冷凝物占據加熱表面讓路。在泵盤20 和加熱表面2之間的高剪切中的蒸氣被卷起進入徑向漩渦21，徑向漩渦21提供進入蒸氣空 間5的匯流導管。見圖7。
如前所述，熱交換也可以是與通過直接的液體冷卻的內部熱源進行，在可選的實 施方案中，在密封的殼體內，包括在非傳導性的工作流體例如FC-87的湍流浴中的芯片。這 為未來的芯片設計提供了可選方案，只要使用適當的密封裝置來維持密封的殼體。
漩渦組織體4將蒸氣空間5和冷凝物空間9分離，且優(yōu)選地由具有低密度的隔熱 材料制造。蒸氣和冷凝物的氣旋軸向逆流沖擊漩渦組織體4上的流道11、12，且從而提供用 于使漩渦組織體旋轉的裝置。由所述沖擊產生的轉矩在圖2中用彎曲的箭頭表示。漩渦組13織體的旋轉使連接到漩渦組織體的離心泵盤20旋轉，且也用來組織冷凝物和蒸氣的軸向 逆流，使得這些流動不互相干擾，且使得在蒸氣和冷凝物之間存在最小的熱交換，這將縮短 冷凝端北且從而減少熱源1和散熱裝置8之間的熱流。
圖2顯示蒸氣空間5和冷凝物空間9以及漩渦組織體4上的轉矩的詳細的橫截 面圖，漩渦組織體4上的轉矩是由通過這些空間的氣旋軸向逆流中的工作流體的沖擊產生 的。漩渦組織體轉矩也可由外部驅動裝置16、17來協助，如果有必要，例如在啟動時，如上 面所解釋的。可從安置在冷凝室7中的裝置增加轉矩，例如連接到漩渦組織體的反作用式 渦輪機13。優(yōu)選的實施方案是圖1中顯示的設備，該設備使用對漩渦組織體內的流道的蒸 氣沖擊、對漩渦組織體外部的流道的冷凝物沖擊、為樞銷組件的連接的反作用式渦輪機13 和啟動電動機17，總共四個用于旋轉的手段。任何一個將是足夠的。一旦廢熱驅動氣旋軸 向逆流，啟動的外部驅動裝置的驅動軸16就可連接到代替啟動電動機的發(fā)電機，且從而用 作電樞以從廢熱中產生電。這樣的連接也將提供用于調節(jié)驅動軸的旋轉、使驅動軸的旋轉 減速或推動驅動軸的旋轉的裝置，以根據需要來維持工作流體的穩(wěn)定流動。
圖3顯示漩渦組織體4及其流道11、12的詳細的橫截面圖。蒸氣的流動和冷凝物 的流動由箭頭表示。蒸氣流動通過在漩渦組織體4的中心的蒸氣空間5。優(yōu)選地，蒸氣具 有在蒸氣空間5的中心的部分地無阻礙的通道。比高焓的飽和蒸氣密度小(具有較高的比 容)的低焓的飽和蒸氣在無阻礙的通道中冷凝，同時在蒸氣漩渦外圍的高焓的飽和蒸氣在 其上升期間被強迫做功，且從而損失推動蒸氣流道11的焓。對于將功脫除至泵，有機工作 流體是優(yōu)選的，因為有機工作流體具有高分子質量，且從而具有在低的輸入溫度下的高分 子動量，不同于水。
進入蒸氣空間5的蒸氣將具有麥克斯韋速率分布，根據氣體的分子運動輪，麥克 斯韋速率分布包括所有的混合在一起的一部分高速分子(高焓部分)和一部分低速分子 (低焓部分)。在漩渦組織體4內部的蒸氣空間5中的漩渦旋轉將低焓部分和高焓部分離心 地分離，這是由于其密度差異。高焓部分沖擊漩渦組織體和做功使漩渦組織體旋轉，從而損 失焓。也存在由于來自冷凝端北的吸引而增加到蒸氣的一些動能，該吸引是由于其中的蒸 氣被高冷卻能力散熱裝置8冷凝而引起的。從而，一些蒸氣焓變?yōu)閮炔繙u輪機中的功。包 括來自這個渦輪機的排氣的低焓的飽和蒸氣進入冷凝端。低焓的飽和蒸氣比高焓的飽和蒸 氣更易于冷凝。將能量脫除來做密封的蘭金循環(huán)的泵的內功，這允許本發(fā)明僅由廢熱提供 動力。
顯示的是安置在漩渦組織體內的螺旋形蒸氣流道11，使得在從蒸發(fā)端到冷凝端流 動時沖擊蒸氣流道11的工作流體引起漩渦組織體如所顯示的旋轉。多于一個的蒸氣流道 11可以在漩渦組織體4上?；蜾鰷u組織體可包括面向蒸氣空間5的多皺壁(rugose wall)。 注意，由彎曲的箭頭顯示的漩渦組織體的旋轉由在冷凝物空間9中沖擊冷凝物流道12的向 下流動的冷凝物和在蒸氣空間5中沖擊蒸氣流道11的向上流動的蒸氣兩者來協助。
圖4顯示樞銷組件13的頂部橫截面圖，樞銷組件13包括用于給予漩渦組織體轉 矩的另外的裝置反作用式渦輪機。在圖1中顯示的優(yōu)選的實施方案中，樞銷組件和反作用 式渦輪機13被連接到漩渦組織體。蒸氣離開蒸氣空間5，且退出漩渦組織體4中的蒸氣口 14。彎曲的蒸氣管將蒸氣釋放到冷凝室7，彎曲的蒸氣管15是樞銷組件13中的通道。冷凝 室7中的真空是由散熱裝置8 (未顯示)引起的，散熱裝置8引起蒸氣冷凝和體積的收縮。由這個真空拉著通過蒸氣口 14和彎曲的蒸氣管15的蒸氣引起漩渦組織體4的旋轉。這與 Hero蒸汽發(fā)動機即反作用式渦輪機相似。在冷凝室7中的冷凝也將更多的蒸氣拖著通過漩 渦組織體4中的蒸氣空間5，且從而，當該蒸氣沖擊在蒸氣空間中的流道11時，引起漩渦組 織體旋轉?？蛇x地，反作用式渦輪機13可以與漩渦組織體分離，且可提供用于驅動蒸氣漩 渦的另外的裝置。漩渦組織體可從蒸發(fā)端驅動蒸氣漩渦，且反作用式渦輪機將從冷凝端獨 立地驅動蒸氣漩渦。在驅動其兩端的漩渦組織體和反作用式渦輪機之間，蒸氣漩渦可將冷 凝物離心出來到殼體3的壁，且從而使進入冷凝室7的飽和蒸氣除霧。
圖5顯示與共同的高冷卻能力散熱裝置8熱相通的多個蒸氣漩渦散熱裝置。根據 本發(fā)明的設備的機械連接允許因規(guī)模上的經濟節(jié)約，因為最后的散熱裝置8可以是本領域 已知的高冷卻能力設備，其可處理許多千瓦的排熱。本發(fā)明允許將這樣的強散熱裝置結合 到多個小的加熱表面區(qū)域，例如數據中心的數字信息處理器(DSP)或CPU。用于排熱的最后 的裝置可以在組裝件(building)的外部，從而通過熱交換機領域已知的適當的裝置將廢 熱排放到環(huán)境。由散熱裝置8排放的廢熱可以通過根據本發(fā)明的另一個設備被至少部分地 轉化為電，其中，軸16連接到發(fā)電機17，如圖1中所顯示的。
圖6顯示樞銷組件13中的反作用式渦輪機的側視圖的細節(jié)。樞銷組件可制作為 兩半，當兩半安裝在一起時界定多個螺旋形通道，該螺旋形通道是蒸氣管15。進料到蒸氣 管是在樞銷組件13的旋轉軸a-a，如常規(guī)的離心泵。軸a-a也是漩渦組織體4的旋轉軸和 泵盤20的旋轉軸。漩渦組織體4連接到樞銷組件13且與其一起旋轉，連接到漩渦組織體 4的泵盤20也一起旋轉。由樞銷組件13提供的反作用式渦輪機也可以與漩渦組織體4斷 開，使得反作用式渦輪機13的功使驅動軸16旋轉，且從而使發(fā)電機17的電樞旋轉?？梢?是本領域已知的多種類型的常規(guī)的散熱裝置8提供用于排熱的裝置，且從而驅動殼體3內 的冷凝物和蒸氣的氣旋軸向逆流。
用于調節(jié)驅動軸16的旋轉的適當的裝置將允許驅動軸在變化的熱負荷條件下運 行。例如，啟動時，連接到驅動軸16的電動機將驅動漩渦組織體4的旋轉，直至通過蒸氣空 間的質量流對于單獨地驅動漩渦組織體是足夠的。如果熱負荷開始降低，使得漩渦組織體 變慢，則驅動軸提供用于提高其旋轉的裝置，使其不會停止。如果熱負荷變的非常高，那么 電動機/發(fā)電機17可轉換到發(fā)電機模式且提供制動。
顯示從殼體的冷凝端北延伸出來的驅動軸16，在驅動軸和殼體之間具有密封件， 以排除不可凝結物的干擾和工作流體的損失。顯示連接到反作用式渦輪機13的驅動軸?？?選地，驅動軸可從殼體的蒸發(fā)端3a延伸，且可連接到漩渦組織體4。
圖7顯示在加熱表面2和泵盤(不可見)之間的空間到蒸氣空間5的收斂的流動 的上視圖。徑向漩渦21的陣列從加熱表面2的外圍彎曲進入加熱表面2的中心，加熱表面 2的中心是由虛線表示的漩渦組織體4內的蒸氣空間5的開始。由于泵盤20的功，液體的 流動徑向地向內到達蒸氣空間5，泵盤20首先如前面所描述的徑向地向外用平流輸送冷凝 物，且實施密封的蘭金循環(huán)中的內部的離心泵的功能。見圖9。通過泵盤20及其流道23的 旋轉被徑向地向外用平流輸送的冷凝物從殼體3的蒸發(fā)端3a的外圍彈回，且徑向地向內流 動到蒸氣空間5。徑向漩渦使在加熱表面2和泵盤20之間的湍流流動中的冷凝物沿著加熱 表面2旋轉，從而將蒸氣從加熱表面2掃除且由于在旋轉的流中的蒸氣的較低的密度(比 液體高的比容)而進入徑向漩渦21的核心。
蒸氣在加熱表面2和泵盤20之間的空間中的流動也是徑向地向內到達軸a-a，但 通過徑向漩渦的核心。與冷凝端北中的低壓相通的蒸氣空間5中的低壓吸收蒸氣，使之 通過徑向漩渦21且進入蒸氣空間5中的蒸氣漩渦。雖然高剪切和高湍流存在于加熱表面 2和泵盤20之間，但是湍流是各向異性的且具有有組織的特征，類似于旋風。徑向漩渦21 是在剪切的泵盤和加熱表面之間的窄的空間的有組織的湍流中的輻狀旋風(spoke-like tornado)，徑向漩渦21提供使蒸氣從加熱表面2進入蒸氣空間5的一致的匯流導管。在這 個窄的空間中的湍流將成核的蒸氣從加熱表面2掃除，且從而防止蒸氣堆積、過熱和阻礙 到液態(tài)工作流體的熱傳遞。
圖8顯示加熱表面2和蒸氣空間5的中心的細節(jié)。冷的冷凝物的流動是在泵盤20 上方從軸a-a徑向地向外的，泵盤20連接到漩渦組織體4且以箭頭所顯示的方向與漩渦組 織體4 一起旋轉。
在加熱表面2處的氣泡堆積是最小化的，因為熱的液體和任何形成的蒸氣都被掃 入徑向漩渦21，這在圖7中顯示。蒸氣和熱的液體兩者都具有比冷凝物低的密度(高的比 容)，且從而蒸氣和熱的液體在徑向漩渦核心處聚集，遠離加熱表面2，因此允許更多冷卻 的冷凝物在加熱表面處替換加熱的冷凝物。在加熱表面2和泵盤20之間的徑向漩渦21提 供用于將成核的蒸氣氣泡從加熱表面掃除的手段。
被卷起進入徑向漩渦21的加熱的冷凝物遭受低壓梯度，通過漩渦核心到達漩渦 空間5。低壓是由在殼體3的另一端的冷凝端北的蒸氣的冷凝和漩渦組織體4的旋轉引起 的。由于這個低壓梯度以及通過從加熱表面2傳遞的熱來形成蒸氣。在圖7中顯示的徑向 漩渦21提供用于形成蒸氣的管狀表面。蒸氣來自局部的低壓下的液體表面而不是成核到 加熱表面2和粘到加熱表面2，且通過由徑向漩渦的陣列提供的一致的匯流導管，蒸氣被連 續(xù)地用平流輸送到蒸氣空間5。
蒸氣空間5中的液體表面是用于形成蒸氣的另一個位置。加熱表面2中的尖角的 隆起物是作為可選的但優(yōu)選的特征顯示的，以避免流體流中的任何死點，蒸氣可能在液體 流中沿著加熱表面形成隔熱的口袋。從高度傳導性材料例如銅或銀制造尖角的隆起物22 將是有利的，因為尖角的隆起物22安置在CPU的中心之上，CPU的中心存在大部分的熱通 量。但是，見圖11，其中，未使用尖角的隆起物，因為中心不是最熱的部分。
由于這些用于將成核的氣泡從加熱表面掃除的手段，以及這些用于通過徑向漩渦 將蒸氣用平流輸送到蒸氣空間5的手段，在加熱表面2處將存在液體工作流體層，而不是變 得無用地過熱的隔熱的氣泡層。因此，強制對流沸騰優(yōu)于間接的液體冷卻中的池沸騰的全 部益處都在本發(fā)明中實現。
直接的冷卻也可在相同的設備中實踐，其中，加熱表面本身是熱源。用于直接的液 體冷卻的適當的工作流體包括非傳導性的化合物，例如FC-87。
顯示產生蒸氣的狀態(tài)的改變，因為強制對流沸騰提供最高的可能的熱通量。但是， 相同的設備也可運行，但更少地有效，不發(fā)生在全-液體對流循環(huán)中轉態(tài)的改變。比進入徑 向漩渦空間的冷卻的液體密度小的加熱液體被卷起進入徑向漩渦且由于其更低的密度而 上升到蒸氣空間。加熱液體通過與散熱裝置的熱交換來冷卻，變得密度更大，且通過重力下 降，從而通過冷凝物空間中的冷凝物流道12使漩渦組織體旋轉。
圖9顯示常規(guī)的蘭金循環(huán)的流程圖。這是在發(fā)電中使用的眾所周知的熱力學概16念。熱源引起蒸發(fā)器中的工作流體例如水的蒸發(fā)，而來自蒸發(fā)器的蒸氣驅動渦輪機。渦輪 機對環(huán)境做功。蒸氣做功時損失焓，且包括一些冷凝物的飽和蒸氣在冷凝器例如列管式熱 交換器(shell-and-tube heat exchanger)中冷凝。冷凝器包括用于將熱排放到環(huán)境中的 裝置，例如冷卻塔。通過在蒸氣冷凝時通過渦輪機吸收蒸氣，冷凝器也改進循環(huán)的效率。通 過泵的功，現在是液態(tài)冷凝物的工作流體被重新引入蒸發(fā)器。泵由從環(huán)境輸入的能量提供 動力，且這個寄生的能量(parasitic energy)使效率降低。所以，可以看出，常規(guī)的非密封 的蘭金循環(huán)具有同時的熱流和通過熱流的功流(work flow)。本發(fā)明不同于常規(guī)的蘭金循 環(huán)，因為渦輪機(漩渦組織體4)的功被保存在循環(huán)內，用來驅動泵(泵盤20)。
Meacher等人的美國專利第4，362，020 (198 公開了一種有機蘭金循環(huán)發(fā)電機， 該有機蘭金循環(huán)發(fā)電機使用氟利昂(三氯三氟代乙烷)作為工作流體，在110°C的蒸發(fā)器溫 度(5. 5巴的飽和壓力)和35°C的散熱裝置下運行。存在兩個泵，連接到渦輪機的內部原 料泵(internal feed pump) 16和需要為內部泵提供凈正吸壓頭(net positive suction head)的外部增壓泵40 (3 =36,49-51 ；也見于權利要求15(6 :15-35)，其中表明，第二個泵 不在蘭金循環(huán)期間運行)。Meacham沒有顯示密封的蘭金循環(huán)，并且沒有預見本發(fā)明，因為 功被輸入用來使其的增壓泵40運行，以維持通過循環(huán)的流動。
圖10顯示泵盤的頂部表面上的流道23的細節(jié)。流道確保泵盤20和在泵盤20之 下的加熱表面2之間的質量流是徑向地向內到達軸a-a的。可選地，可使用多皺的頂部表 面?；虮帽P的底部表面可包括向心地用平流輸送的螺旋形的流道。向心地用平流輸送的流 道將是相對于頂部表面流道所顯示的旋轉方向來說相反的方位。換句話說，向心地用平流 輸送的流道將工作流體菌進，而不是將工作流體推出。
圖11顯示包括在板27上的芯片沈的多個母板。母板被安置在垂直的方位，因為 母板可能處在數據中心中。根據本發(fā)明的蒸氣漩渦散熱裝置3通過熱收集器M及其連接的 加熱散熱片25與芯片熱相通。散熱片25以本領域已知的方式和產品通過熱脂熱連接到芯 片。散熱片25收集來自芯片的廢熱，且將廢熱傳導到熱收集器M，熱收集器M與殼體3的 加熱表面3a接觸。熱收集器和加熱散熱片可以由銅或鋁制造，或可以是包括本領域已知的 設計的熱管的片狀物。散熱片可以形成為使表面接觸和來自加熱表面的熱的傳導最大化， 同時使整個表面積最小，這將在熱被傳遞到熱收集器和散熱裝置之前使這個熱重新散發(fā)到 其他地方。
圖12顯示包括渦體觀的加熱表面2的可選的實施方案的上視圖。螺旋形的渦體 的徑向陣列保持泵盤20從加熱表面2分離。泵盤20可通過環(huán)形的軸承組件四嚙合加熱表 面2的渦體觀。這在圖14中顯示。通過同時⑴由于泵盤20的旋轉引起的剪切；和(2) 由于殼體3的冷凝端北中的蒸氣的冷凝而使蒸氣進入蒸氣空間5的吸引，徑向漩渦21被 保持在由渦體觀、泵盤20的下部表面和加熱表面2界定的徑向通道中。通過徑向漩渦21 的核心的流徑向地向內到達蒸氣空間5。
圖13顯示本發(fā)明公開的完全密封的蘭金循環(huán)的流程圖。渦輪機的功保存在循環(huán) 中以使泵旋轉，且不被輸出到發(fā)電機或環(huán)境中的其他設備。循環(huán)的泵不是由來自環(huán)境的功 提供動力的。與圖9中顯示的常規(guī)的蘭金循環(huán)的流程圖形成對比，其中，功保存在循環(huán)中， 且功被輸入以使泵運行，用來維持循環(huán)。
圖14顯示具有與環(huán)形的軸承組件四接觸的泵盤20的可選的實施方案的詳細的橫截面圖，軸承組件四與加熱表面2的渦體觀嚙合。也見圖15。環(huán)形的軸承組件四安 置在泵盤20和加熱表面的渦體觀之間，以使它們之間的摩擦最小化并維持泵盤與加熱表 面的分離，以便允許徑向漩渦21的形成。環(huán)形的軸承組件四可以是本領域已知的多種設 計，包括夾在軸承座圈之間的滾珠軸承。浸泡環(huán)形的軸承組件的工作流體也可用作環(huán)形的 軸承組件的潤滑劑。如果軸承組件形成渦體和軸承盤之間的連接，那么不需要推力軸承10 來維持漩渦組織體和泵盤在殼體內旋轉時的適當的方位。圖15顯示環(huán)形的軸承組件四相 對于漩渦組織體4所處的位置。在圖15和圖16中顯示的可選的實施方案中，環(huán)形的軸承 組件維持漩渦組織體與殼體3的分離和適當的方位。渦體觀之間的徑向漩渦21提供用于 使包括溫水和蒸氣的低密度部分進入蒸氣空間5的匯流導管，且環(huán)形的軸承組件的面積足 夠小，使得其不會使泵盤和工作流體之間所需的接觸表面積減小。渦體觀使加熱表面2的 表面積增加。這個增加的表面積連續(xù)地被徑向漩渦掃除，從而將成核的蒸氣移入徑向漩渦 的核心，以被吸引到蒸氣空間5中。
在上面的圖1中描述的優(yōu)選的實施方案顯示加熱表面和散熱裝置之間的相對短 的導管，包括具有樞銷組件的相對長的漩渦組織體，但是在圖15和圖16中顯示的可選的實 施方案使用具有短的漩渦組織體而不具有樞銷組件的長的導管，其中，蒸氣被在蒸發(fā)端和 冷凝端之間傳遞了相當大的距離。
圖15顯示可選的實施方案的蒸發(fā)端3a的詳細的橫截面圖。在圖16中顯示冷凝 端北。將蒸發(fā)端連接到冷凝端的延伸的殼體3在這個附圖中省略，但是這個連接的殼體是 足夠長的，以將蒸氣傳送到方便的位置，用于具有足夠的冷卻能力的散熱裝置8的排熱。這 個延伸的殼體3可以是剛性的管或柔性的管的形式。蒸氣漩渦離心作用在蒸氣進入冷凝室 7之前將蒸氣除霧。在蒸氣流中的冷凝物由于其較高的密度而被離心，并且沖擊延伸的殼 體3的壁，然后流下壁進入蒸發(fā)端?？蛇x地，界定在靜態(tài)的內部壁和殼體之間的分離的環(huán)形 的冷凝物空間防止冷凝物和進入冷凝室7中的蒸氣之間的熱交換。如果冷凝物和蒸氣被允 許在這個延伸的殼體中保持接觸，例如通過使冷凝物沿著內部壁滴回，那么熱將再循環(huán)回 到冷凝物中，而不會被攜帶出來到達散熱裝置。用于維持泵盤20和加熱表面2的分離的裝 置包括環(huán)形的軸承組件四，環(huán)形的軸承組件四嚙合泵盤和加熱表面2上的靜態(tài)的渦體28， 如在圖14中所顯示的。安置在蒸發(fā)端3a中的漩渦組織體4包括蒸氣空間5，其中，來自加 熱表面2和泵盤20之間的空間的蒸氣收集和移動到如在圖16中顯示的冷凝端北。液態(tài) 工作流體冷凝物從冷凝端返回且流下壁或流到所述環(huán)形的冷凝物空間內，以收集在漩渦組 織體4和殼體3之間的冷凝物空間中。顯示的凈液體水平為漩渦組織體4的頂部之下。通 過蒸氣空間5從延伸的密封的殼體的蒸發(fā)端到冷凝端的質量流引起漩渦組織體4及其連接 的泵盤20旋轉，并且將冷凝物空間中的冷凝物從旋轉軸a-a徑向地向外用泵抽吸到蒸發(fā)端 3a的外圍，且進入加熱表面2和泵盤20之間的空間，其中，由于從熱源1傳遞的熱，液體變 為蒸氣。
圖16顯示上面討論的可選的實施方案的冷凝端北。在蒸氣冷凝室7內沒有樞銷 組件。箭頭顯示進入蒸氣冷凝室7的蒸氣和退出蒸氣冷凝室7的冷凝物的軸向逆流。散熱 裝置8是用于排熱的設備，該用于排熱的設備可以是熱交換器領域已知的多種類型。其工 作是提供用于從在加熱表面2形成的工作流體蒸氣中提取蒸發(fā)潛熱的冷卻表面6，和通過 適當的方式將廢熱排放到環(huán)境。空氣冷卻和蒸發(fā)冷卻都是本領域已知的適當的方式。可選的實施方案提供用于將常規(guī)的設計的高冷卻能力散熱裝置連接到遠端的高熱通量熱源的 裝置，而不需要在靈敏的電子組件附近滴下冷凝物的冷卻液體的線。
如在圖6中顯示的連接到驅動軸的反作用式渦輪機可以安置在冷凝室7中，同時 驅動軸16從殼體3的冷凝端北的頂部突出。反作用式渦輪機13可不連接到漩渦組織體 4，如在圖1中的優(yōu)選的實施方案所顯示的，但是，可由于通過其的對流質量流而獨立地旋 轉，且從而可使驅動軸16獨立地旋轉，以從廢熱產生電能。雖然在這個可選的可選性實施 方案中的分離的組件，但是漩渦組織體和反作用式渦輪機兩者都從其兩端以相同的方向驅 動蒸氣漩渦。通過保持在低焓的飽和蒸氣的氣旋中所組織的反作用式渦輪機進料，漩渦組 織體將協助質量流進入反作用式渦輪機。
進一步論述
在圖1所顯示的優(yōu)選的實施方案中，用于使漩渦組織體4圍繞軸a-a旋轉的方式 包括⑴質量流沖擊漩渦組織體4的內部上的蒸氣流道11 ； (2)質量流沖擊漩渦組織體4 的外部上的冷凝物流道12 ;C3)由于流過蒸氣通道14、15的蒸氣的影響，通過樞銷組件13 提供的反作用式渦輪機(Hero發(fā)動機)的旋轉；以及(4)通過軸16與樞銷組件13相通的 外部驅動裝置17。在圖15和圖16所顯示的可選的實施方案中，用于使漩渦組織體4旋轉 的方式是質量流沖擊漩渦組織體4的內部上的蒸氣流道11，且不存在所顯示的連接到漩渦 組織體的反作用式渦輪機13。然而，反作用式渦輪機，例如在圖6中顯示的未連接到泵盤但 連接到驅動軸16的樞銷組件13，可用在另一個可選的實施方案中來提取功。在這個可選的 實施方案中，沒有功被輸入用來使泵運行，因為漩渦組織體的旋轉完成了這個工作，且功被 輸出用來使發(fā)電機運行，因為反作用式渦輪機處理了這個問題。由漩渦組織體建立的蒸氣 漩渦保持冷凝物和蒸氣的逆流分離，即使漩渦組織體的干擾壁沒有完全地到達冷凝端。蒸 氣漩渦、漩渦組織體4和連接到漩渦組織體4的泵盤20的旋轉軸a-a大約在殼體3的中心 線a-a處。
在可選的實施方案中，不存在用于使渦輪機旋轉或用于使蘭金循環(huán)的泵運行的外 部驅動裝置。來自渦輪機的能量保存在循環(huán)內，以使泵完全地運行，沒有以功的形式從環(huán)境 中輸入的補充能量?？蛇x的實施方案實踐了完全地密封的蘭金循環(huán)，其中，沒有功被輸入或 輸出。在圖1中顯示的優(yōu)選的實施方案實踐了部分地密封的蘭金循環(huán)，其中，沒有功在循環(huán) 期間被輸入，但是一些功可能通過驅動軸16被輸出，以驅動發(fā)電機17或在啟動時輸入。
通過優(yōu)選的實施方案和可選的實施方案實踐了本發(fā)明公開的密封的蘭金循環(huán)，因 為循環(huán)的泵完全是由循環(huán)的渦輪機提供動力的。圖13中，密封的蘭金循環(huán)的蒸發(fā)器包括加 熱表面2，加熱表面2將熱傳遞到在加熱表面2和泵盤20之間界定的工作流體中。渦輪機 是漩渦組織體4，漩渦組織體4通過其蒸氣流道11將一些熱能轉變?yōu)楣?。但是，渦輪機的功 沒有被輸出，如圖9中的常規(guī)的蘭金循環(huán)，而是被保存用來使泵運行。冷凝器是已知的設計 的散熱裝置8，例如與用于制冷的裝置或具有用于冷卻水的蒸發(fā)冷卻的列管式熱交換器熱 相通的冷卻器。散熱裝置8引起來自蒸氣室5的渦輪機排氣變?yōu)橐后w，從而減少渦輪機排 氣的體積，以便在冷凝室7中形成真空，冷凝室7吸引更多的蒸氣通過渦輪機，渦輪機是漩 渦組織體4。泵是連接到漩渦組織體4的泵盤20。通過由渦輪機提供的功來驅動泵，使得 這個蘭金循環(huán)密封，因為功和質量被保存。通過本發(fā)明的由熱源1和散熱裝置8之間的廢 熱流驅動的質量流循環(huán)不具有輸出或輸入的功。一個有用的對比是颶風。
根據本發(fā)明的級聯設備(cascading device)，使得隨后的階段的加熱表面2與之 前的階段的冷凝表面6熱相通，可使廢熱在連接的設備中傳遞長的距離，到達方便的散熱 裝置8。各種階段的運行溫度將使階梯(cascade)減少。廢熱從毛細管流入更大的導管，且 最后到達由許多千瓦的冷卻能力作用的非常大的廢熱導管。
本領域已知的常規(guī)的設計的熱管可以代替在圖11中顯示的散熱片25使用，以將 廢熱從熱的芯片拖入熱收集器對。例如，可以使用捆在一起的片狀的熱管。熱管具有比銅 大約四倍的導熱率。
有機工作流體可能在相對小的廢熱的負荷被提取的應用中是優(yōu)選的。對于更高的 熱通量，低壓下的水可能是優(yōu)選的，這是由于其高的蒸發(fā)潛熱及其低的成本。雖然水具有低 分子質量的缺點，但是在這樣的高熱通量應用中的質量流可能是足夠高的，以驅動漩渦組 織體4和泵盤20，以便維持蒸氣漩渦散熱裝置中的密封的蘭金循環(huán)。普通技術人員的實驗 和計算將發(fā)現用于本發(fā)明中公開的完全或部分密封的蘭金循環(huán)的特定的應用中的適當的 工作流體。不可凝結氣體應從殼體中清除，使得其存在不會阻止冷凝。除圍繞驅動軸16的 緊密密封之外，一種用于防止運行期間的不可凝結氣體的干擾的方式是殼體內的超過大氣 壓力(1巴)的壓力，通過使用具有低沸點的工作流體可以獲得該壓力。
如本發(fā)明中公開的用于熱提取和/或發(fā)電的密封的有機蘭金循環(huán)的適當的工作 流體的一個實例是作為 Genetron 245fa 由 Honeywell 市場化的 HFC_245fa(CF3CH2CHF2)。 這個環(huán)境友好的有機化合物具有低沸點(在一個大氣壓lOOltfa時15°C )，且其具有高 分子重量(134)，所以其在任何溫度下的飽和蒸氣將具有比那個溫度下飽和水蒸氣高 得多的密度，且因此可用低溫熱源驅動小型的渦輪機。在149°C(300° F)的熱源和 380C (100° F)的散熱裝置之間運行，其熱力學效率(相對于卡諾)是59.9%。蒸發(fā)器壓 力是3213kPa(466psi)，且冷凝器壓力是132. 4kPa(19. 2psi)。比大氣壓力稍高的冷凝器壓 力防止不可凝結物進入，但沒有那么高以至挑戰(zhàn)用于驅動軸16的密封裝置。
本發(fā)明的應用可能包括從注塑模具冷卻水、化學反應器、旋轉的機械例如渦輪機 上的密封件、數據中心、渦輪機廢蒸汽和用在食物或飲料處理中的裝置中提取廢熱。另一 個應用是從精煉廠或發(fā)電廠的熱交換器的冷卻水中提取廢熱，作為浪費水的蒸發(fā)冷卻塔或 熱-污染的開放的液體冷卻系統(tǒng)的可選方案。更有效的渦輪機廢蒸汽冷凝將使發(fā)電的效率 增加以及使水保存。
又一應用是用于有機蘭金循環(huán)來將廢熱轉化為功。在這種蘭金循環(huán)中，軸16將連 接到外部的設備，例如發(fā)電機或電動機，以驅動外部的設備并不被外部的設備驅動。循環(huán)將 是僅部分地密封的，因為一些能量被作為功輸出到外部的設備，且一些被保存在循環(huán)中以 使泵運行。
用于依據本發(fā)明的有機蘭金循環(huán)發(fā)電的熱源可以是來自IGCC發(fā)電廠的布雷頓循 環(huán)的氣體渦輪機排氣。
對于有效的水蒸氣循環(huán)來說太低的通常在100°C和350°C之間的地熱熱源可以用 于通過如本發(fā)明公開的有機蘭金循環(huán)的發(fā)電。
結合本發(fā)明，地下的散熱裝置例如含水層可提供用于從數據中心和其他源排放廢 熱的最后的散熱裝置。即使是通過大氣散熱裝置的空氣冷卻可以是足夠用于廢熱提取的。
權利要求
1.一種用于熱源和散熱裝置之間的熱交換的設備，包括(1)至少一個封閉的殼體，其具有中心線且包括在所述中心線的一端的蒸發(fā)端，所述蒸發(fā)端包括與所述熱源熱相通的加熱表面，和在所述中心線的另一端的冷凝端，所述冷凝端包括與所述散熱裝置熱相通的冷凝表 面，所述散熱裝置提供用于從所述設備排熱的裝置；(2)工作流體，其密封地包含在所述殼體內；(3)漩渦組織體，其在所述蒸發(fā)端和所述冷凝端之間安置在所述殼體內，所述漩渦組織 體圍繞近似沿著所述中心線的軸可旋轉且與所述殼體隔開，以便界定環(huán)形的冷凝物空間， 所述環(huán)形的冷凝物空間提供用于使冷凝物在所述漩渦組織體和所述殼體之間從所述冷凝 端流到所述蒸發(fā)端的裝置，所述漩渦組織體包括中心的蒸氣空間，所述中心的蒸氣空間提 供用于使蒸氣從所述蒸發(fā)端流到所述冷凝端的裝置，且所述漩渦組織體包括用于由于工作 流體在所述蒸發(fā)端和所述冷凝端之間的流動的沖擊而引起旋轉的裝置；以及(4)離心泵盤，其連接到所述漩渦組織體，所述泵盤安置在所述殼體的所述蒸發(fā)端內， 且與所述殼體隔開，以便界定在所述殼體和所述泵盤之間的平流空間，所述平流空間與所述冷凝物空間相通，和在所述泵盤和所述加熱表面之間的徑向漩渦空間，所述徑向漩渦空間通過在所述泵盤 的中心的孔而與所述平流空間和所述蒸氣空間相通。
2.如權利要求1所述的設備，其中，所述漩渦組織體的所述引起旋轉的裝置包括在所 述漩渦組織體上的流道。
3.如權利要求1所述的設備，其中，所述加熱表面是安置在所述徑向漩渦空間內用于 直接冷卻的熱源。
4.如權利要求1所述的設備，其中，所述加熱表面包括徑向渦體，所述徑向渦體在所述 徑向漩渦空間中延伸且界定用于使工作流體徑向地向內流動到旋轉軸的徑向通道。
5.如權利要求1所述的設備，還包括驅動軸，所述驅動軸從所述殼體延伸出來且連接 到所述殼體內的渦輪機。
6.如權利要求5所述的設備，其中，所述驅動軸連接到發(fā)電機的電樞。
7.如權利要求5所述的設備，其中，所述驅動軸連接到電動機的轉子。
8.如權利要求1所述的設備，還包括安置在所述冷凝端內的反作用式渦輪機。
9.如權利要求1所述的設備，其中，所述工作流體是有機化合物。
10.如權利要求9所述的設備，其中，所述工作流體是CF3CH2CHF2。
11.如權利要求1所述的設備，其中，所述工作流體是水。
12.如權利要求1所述的設備，其中，多個熱源通過導熱裝置連接到所述設備的所述加 熱表面。
13.如權利要求1所述的設備，其中，多個所述殼體被熱連接到共同的散熱裝置。
14.一種使用密封的蘭金循環(huán)發(fā)電的設備，其中，沒有功被輸入來使所述循環(huán)的泵運 行，所述設備包括(1)封閉的殼體，其具有中心線且包括在所述中心線的一端的蒸發(fā)端，所述蒸發(fā)端包括與所述熱源熱相通的加熱表面，和在所述中心線的另一端的冷凝端，所述冷凝端包括與所述散熱裝置熱相通的冷凝表(2)有機工作流體，其以液相和蒸氣相兩者密封地包含在所述殼體內；(3)漩渦組織體，其在所述蒸發(fā)端和所述冷凝端之間安置在所述殼體內，所述漩渦組織 體圍繞近似沿著所述中心線的軸可旋轉且與所述殼體隔開，以便界定環(huán)形的冷凝物空間， 所述環(huán)形的冷凝物空間提供用于使冷凝物在所述漩渦組織體和所述殼體之間從所述冷凝 端流到所述蒸發(fā)端的裝置，所述漩渦組織體包括中心的蒸氣空間，所述中心的蒸氣空間提 供用于使蒸氣從所述蒸發(fā)端流到所述冷凝端的裝置，且所述漩渦組織體包括用于由于工作 流體在所述蒸發(fā)端和所述冷凝端之間的流動的沖擊而引起旋轉的裝置；以及(4)離心泵盤，其連接到所述漩渦組織體，所述泵盤安置在所述殼體的所述蒸發(fā)端內， 且與所述殼體隔開，以便界定以下兩者在所述殼體和所述泵盤之間的平流空間，所述平流空間與所述冷凝物空間相通，在所述泵盤和所述加熱表面之間的徑向漩渦空間，所述徑向漩渦空間通過在所述泵盤 的中心的孔而與所述平流空間和所述蒸氣空間相通，所述離心泵盤包括用于產生冷凝物的流動的裝置，冷凝物首先從所述旋轉軸徑向地向 外，通過所述平流空間，且然后徑向地向內通過所述徑向漩渦空間并穿過所述加熱表面而 流動進入所述漩渦空間；(5)反作用式渦輪機，其安置在所述冷凝端；和(6)驅動軸，其從所述殼體延伸出來，所述驅動軸連接到發(fā)電機的電樞和所述反作用式 渦輪機。
15.如權利要求14所述的設備，其中，所述漩渦組織體的所述引起旋轉的裝置包括在 所述漩渦組織體上的流道。
16.如權利要求14所述的設備，其中，所述加熱表面包括徑向渦體，所述徑向渦體在所 述徑向漩渦空間中延伸且界定用于使工作流體徑向地向內流動到所述旋轉軸的徑向通道。
17.如權利要求14所述的設備，還包括連接到所述驅動軸以調節(jié)所述驅動軸的旋轉 的裝置。
18.如權利要求14所述的設備，其中，所述工作流體是有機化合物。
19.如權利要求14所述的設備，其中，所述反作用式渦輪機連接到所述漩渦組織體。
20.一種用于從熱源中提取廢熱的方法，包括以下同時的步驟(1)通過加熱表面使熱通量從所述熱源進入包含在密封的殼體內的工作流體，從而形 成所述工作流體的蒸氣；(2)剪切在所述加熱表面和離心泵盤之間的所述工作流體，從而在所述密封的殼體的 蒸發(fā)端在所述泵盤和所述加熱表面之間引起徑向漩渦；(3)使蒸氣在所述密封的殼體的冷凝端的冷凝表面冷凝，以便引起真空，所述真空引起 質量流通過所述徑向漩渦的核心并通過漩渦組織體的中心，從而引起所述漩渦組織體和連 接到所述漩渦組織體的所述泵盤的旋轉，所述漩渦組織體在所述蒸發(fā)端和所述冷凝端之間 安置在所述密封的殼體中；(4)利用所述泵盤，用平流將冷凝物從所述冷凝表面輸送通過冷凝物空間，徑向地向外 到達所述密封的殼體的所述蒸發(fā)端的外圍，且徑向地向內朝著所述漩渦組織體的旋轉軸。
21.如權利要求20所述的方法，其中，用平流將冷凝物輸送通過所述冷凝物空間還引起所述漩渦組織體和連接到所述漩渦組織體的所述泵盤的旋轉。
22.—種工作流體的密封的蘭金循環(huán)，所述循環(huán)包括蒸發(fā)器、渦輪機、冷凝器和泵，其 中，所述渦輪機連接到所述泵，使得沒有功被輸入用來在所述循環(huán)期間使泵運行。
23.如權利要求22所述的密封的蘭金循環(huán)，還包括用于在啟動時使所述渦輪機和所 連接的泵開始旋轉的裝置。
24.如權利要求22所述的密封的蘭金循環(huán)，其中，所述工作流體是有機化合物。
25.如權利要求22所述的密封的蘭金循環(huán)，還包括用于將功從所述渦輪機輸出到在 所述循環(huán)的外部的設備的裝置。
全文摘要
在熱源和散熱裝置之間強制對流熱傳遞期間，封閉的殼體中的密封的蘭金循環(huán)給內部離心冷凝物泵與內部蒸氣渦輪機提供動力。在運行期間，沒有功被輸入到循環(huán)中。離心泵盤沿著加熱表面剪切工作流體，將形成的蒸氣掃入徑向漩渦，徑向漩渦提供到達在圓柱形渦輪機的中心的蒸氣空間的匯流導管。通過蒸氣空間到達殼體的冷凝端的對流質量流使渦輪機和連接到渦輪機的離心泵盤旋轉。蒸氣被連續(xù)地從加熱表面掃除，所以氣泡不會形成且過熱，同時阻止熱通量進入液態(tài)工作流體。蒸氣被吸引，通過徑向漩渦進入中心的蒸氣空間，且沿著由冷卻能力建立的漩渦核心中的低壓梯度進入殼體的冷凝端。從而，高的熱通量表面被熱連接到具有高冷卻能力的常規(guī)的散熱裝置，用于在數據中心或其他熱源的最大的熱提取。蒸氣漩渦組織連續(xù)的質量流循環(huán)中的蒸氣和冷凝物的逆流，且從熱中提取功。有機工作流體可以用在殼體中，以使即使低溫的廢熱成為動力源。
文檔編號F01D15/08GK102037306SQ200980117852
公開日2011年4月27日 申請日期2009年3月27日 優(yōu)先權日2008年3月31日
發(fā)明者W·H·麥卡欽, 大衛(wèi)·J·麥卡欽 申請人:麥卡欽公司