[发明专利]基于稀有气体的柏努利热泵和方法

说明书

技术领域

本发明涉及热泵——将热量从热源移动到温热的散热器(heat sink)的装置，更具体的是涉及柏努利(Bernoulli)热泵和方法。

背景技术

热机将热量从源头移动到散热器。通过区分热量移动的方向，热机可以被分为两种基本类型。热量自发地“向下”流动，也就是朝着较低温度流动。对于水的流动，“向下的”热量流动可用于产生机械功，例如像内燃机所表示的。将热量“向上”移动的装置，也就是朝着较高温度移动的装置，被称为热泵。热泵必须消耗能量。冰箱和空调是热泵的实例。通常使用的热泵使用的工作流体(气体或者液体)的温度在一范围上改变，该范围包括源头和散热器的温度，热量在所述源头和散热器之间被泵送。这个温度变化通常通过压缩工作流体来实现。柏努利热泵通过使用公知的柏努利原理实现了所需要的温度变化，根据该原理，随机分子运动(温度和压力)被转变成定向运动(宏观流体流动)，同时保持整体动能不变。通常当流体流动的横截面面积减小时发生柏努利转换，如在文丘里管形的管道中，其中，流体流动的横截面面积沿着流动路径经过最小值。流体可以是气体或者液体。现有的这种实例由C.H.Barkelew在美国专利3,049,891中描述，名为“Cooling by flowing gas atsupersonic velocity”，10/21/60；并且由V.C.Williams在美国专利3,200,607中描述，名为”Space Conditioning Apparatus”，11/7/63。

随着横截面面积减小，如在花园用软管喷嘴中，定向运动必须被增大从而保持恒定的质量通量(mass flux)。通过在温度和压力中反映出的随机分子运动的局部降低，这种转换自发地发生，也就是不需要另外的能量。然而压缩消耗能量，柏努利转换不需要。虽然柏努利转换本身不消耗能量，但是流体喷嘴状结构(nozzling)通常意味着散热流内强烈的速度梯度。速度梯度意味着粘滞损失。因此，在柏努利热泵的发展中关键的挑战是发现并且使用有助于热传递同时使粘滞损失最小化的结构和材料。

近来在热声应用中已经发现，稀有气体的混合物具有异常小的粘性。这种发展的讨论和另外的参考可以参见M.E.H.Tijani，J.C.H.Zeegers and A.T.A.M.de Waele，“Prandtl number andthermoacoustic refrigerators”，Journal of the AcousticSociety of America，112，No.1，pp.134-143，(July，2002)。

对于热泵来说，通常的效率度量(metric)是“性能系数”(CoP)，其是热流量(heat-transfer rate)与所消耗能量的比率。在柏努利热泵中，能量消耗的主要来源是文丘里管颈部内的粘滞摩擦，在其处，流动速度最大。驱动热传递的温差和粘性耗散与流速的平方成比例。工作流体的两个特性对于柏努利热泵的效率是至关重要的：它的导热率和它的粘性。气体的无量纲特性，称为普朗特数，是最基本的这两个特性的比率。CoP因此可以直接受益于使用具有小的普朗特数的材料。Tijani等在热声装置中的上述发现，即稀有气体的混合物具有不寻常小的普朗特数，现在已经根据本发明被应用，这种发现的新的应用改进了柏努利热泵和方法的操作。

发明内容

因此本发明的主要目的是提供一种操作柏努利热泵等的新的和改进的方法，并且产生新的泵设备，其提供了有效的热传递，同时使粘性流体流动损失最小化。

另一个目的是提供稀有气体在柏努利热泵中的新的使用，并且优选的是这种和其它气体的混合物，所述混合物提供了具有不同质量的气体成分(原子，分子)——相对轻和相对重——在泵的流体流动操作中产生了显著低的普朗特数。

另一个目的是提供这样一种新的柏努利热泵，其中，向文丘里管颈部中的热传递使用了稀有气体的不寻常的热力传输特性。

下面将详细描述其它和另外的目的，并且在权利要求中充分限定。

然而，总的来说，根据它的较宽的方面中的一个，本发明包括一种柏努利热泵，其中，热量被传递到喷嘴式(nozzled)散热流体流的颈部中，平衡热传递和粘滞损失的方法，包括：使一种或多种稀有气体作为所述散热流流动穿过颈部，同时热量被传递到其处。

从设备的观点，本发明的方法可以利用热泵实施，该热泵包括：

·热源流体流，

·散热流体流，与所述热源流体流良好的热接触，