蒸气漩涡散热装置 发明背景
本发明涉及通过强制对流沸腾的废热提取， 涉及用于防止加热表面的蒸气气泡的 装置， 且涉及用于从废热中发电的有机兰金循环 (organic Rankine cycle)。
芯片冷却 ：
来自数字信号处理器 (DSP) 和其他高热通量电子组件 ( 本文统一为 “CPU” ) 的废 热使性能降低。从 CPU 提取废热的任务耗费过度的能量， 并且是数据中心的主要消耗。
CPU 的表面积是小的， 并且通过 CPU 的小的表面积的热通量必须是高的， 以除去 热量。加入散热片以增加表面积和在散热片处鼓风不能克服直接的空气冷却的基本限制， 即其低的热通量。空气中分子的扩散分布意味着每次仅有很少的分子可以与散热片或其 他固体表面接触， 所以传递到空气中的热量是小的， 小于 1W/cm2( 在散热片的表面积上 )。 如果使用施加压力 (forcing) 以使更多的分子吹向表面， 那么用于热传递的空气分子在表 面的停留时间将是短的。理论预测和实践经历证实， CPU 的直接的空气冷却将很快变得不 存在， 因为对高热通量的需求增加。即使具有散热片和施加压力， 用空气冷却的最大的芯 2 片热通量小于 100W/cm 。间接的液体冷却是优选的技术， 其具有高达 400W/cm2 的芯片热 通量。见 “High Powered Chip Cooling-Air and Beyond( 高能芯片冷却 - 空气及更优越 的 )， Michael J.Ellsworth， Jr. 和 Robert E.Simons， Electronics Cooling(2005 年 8 月 ) http://www.electronics-cooling.com/articles/2005/。
强制对流沉浸式液体冷却 ( 没有从液体到蒸气的状态变化 ) 具有比任何空气模式 大得多的热通量。在具有强制对流沉浸的散热片上可获得的热通量是 50W/cm2( 平方厘米 的散热片面积 )， 这比喷射冲击空气冷却多五十倍。强制对流是优于自然对流沉浸 ( 其中， 仅浮力驱使流体流动 ) 的重要的改进， 自然对流沉浸的热通量仅为 1W/cm2- 大约与空气喷 射冷却相同。强制对流液体冷却的实例是 ： Roy 的美国专利第 7,055,531 号 (2006 年 6 月 6 日 )， 一种安置在 CPU 表面上方的室中的电动机驱动的离心叶轮 ； Remsburg 的美国专利第 6,604,572 号 (2000 年 5 月 16 日 )， 其特征为 CPU 上方的室中的热虹吸对流， 没有机械泵装 置； Wu 等人的美国专利第 6,894,899 号 (2005 年 5 月 17 日 )， 一种电动机驱动的离心叶轮 ； Burward-Hoy 的美国专利第 5,442,102 号 (1995 年 8 月 15 日 )， 一种电动机驱动的离心叶 轮； 以及 Farrow 等人的美国专利第 6,945,314 号 (2005 年 9 月 20 日 )， 其也是一种电动机 驱动的离心叶轮。高度惰性的全氟化冷却剂 ( 也称作 FC 冷却剂 ) 用于电子组件的直接的 液体冷却是安全的。用于废热提取的状态的改变可以通过池沸腾或强制对流沸腾来完成。 池沸腾具有仅 20W/cm2 的热通量限制， 这比强制对流沉浸 (50W/cm2) 差。问题是， 来自加热 的散热片或其他表面的蒸气阻止热通量进入液体， 且变得过热使其更难冷凝。蒸气在加热 表面成核， 且小的气泡在加热表面处聚结直至聚集的气泡的浮力足够使其从表面分离。不 存在蒸气一形成就将其从加热表面扫除的施加压力装置 (forcing means) 意味着， 蒸气变 为阻止热通量进入液体冷却剂的过热气体的隔热袋 (insulating pocket)。必须在冷凝 端提取过热， 这是冷却能力的浪费。用于 CPU 冷却的池沸腾的实例是 ： Paterson 的美国专 利第 5,390,077 号 (1995 年 2 月 14 日 )， 一种具有散热片和使蒸气沿着内部散热片向上和
径向地向外流动的内部挡板的按钮状的夹上的冷却剂箱 ； 以及 Searls 等人的美国专利第 6,550,531 号 (2003 年 4 月 22 日 )， 其中， 蒸气在室的外围上升， 用散热片空气冷却来冷凝， 然后滴在 CPU 的中心。
池沸腾设备 (pool boiling device) 的一种特殊的种类是热管， 密封的蒸气在管 中循环， 其中， 工作流体例如水在蒸发端蒸发， 且蒸气在管中上升到冷凝端， 其中， 工作流体 冷凝且将其潜热释放到外部的散热装置， 例如环境空气或其他冷却装置。热管没有移动部 分。为了将冷凝物拉回到蒸发端以完成蒸气循环， 在热管的内层壁处安置芯吸或毛细管装 置。热管内的压力近似于期望的运行温度下的 CPU 的蒸气压力。用于冷却 CPU 的热管的实 例是 ： Tsai 等人的美国专利第 7,352,580 号 (2008 年 4 月 1 日 )， 其特征为具有用于冷凝端 排热的散热管的一组倾斜的热管 ； 以及 Herring 等人的美国专利第 7,352,579 号 (2008 年 4 月 1 日 )， 其中热管弹簧负载到 CPU 上， 用于改进的传导。应避免蒸气和返回的冷凝物之 间的热交换， 使得可能存在尽可能直接地从热芯片到排热装置的热通量。热管的导热率比 铜高四倍。
强制对流沸腾是所有已知的冷却模式中最好的， 具有超过 100W/cm2 的热通量。此 外， 相对于这个值的表面是包括散热片的加热表面， 而不是芯片表面。 蒸气连续地从加热表 面扫过， 加热表面可以是间接的液体冷却装置的内部， 且蒸气很快地被密度更大的液体代 替， 所以热传递到液体从未被过热蒸气的隔热的气泡层阻止。施加压力需要一些施加压力 装置， 通常是搅拌器或由外部电动机提供动力的泵， 其用平流输送冷凝物。 Burward-Hoy 的 美 国 专 利 第 5,441,102 号 (1995 年 8 月 15 日 ) 教 导 了 作 为 替 换的一种安置在 CPU 上方的短室中的电动机驱动的离心泵， 用于热管的芯吸毛细管装置 (wicking capillary means)。 在 Burward-Hoy 设备中的流体流动由室中的外部驱动的离心 泵驱动， 在蒸发端的中心向下， 越过 CPU 的中心， 且然后径向地向外到达外围， 且然后上升 到外部的排热装置。这与常规的热管中的方向是相反的， 常规的热管中的蒸气在中心处上 升。虽然 Burward-Hoy 提到了一种热管， 但是该热管被描述为没有状态变化的强制对流液 体冷却设备。未提到冷凝装置， 并且其显示没有用于蒸气形成的空间。在 Burward-Hoy 中 的向后的流体流动将使得蒸气向上流动到外围， 而不是向上流动到热管的蒸发端的中心。 Farrow 等人的美国专利第 6,945,314(2005 年 9 月 20 日 ) 也教导了一种内部电动机驱动的 泵装置， 用于逆着 CPU 的中心用平流向下输送流体， 且然后径向地向外越过加热表面， 类似 于 Burward-Hoy。
Burward-Hoy 和 Farrow 等人的这种向下 - 和 - 出来流动 (down-and-out flow) 的 缺点是， 易于在加热表面的最热部分形成、 越过 CPU 的中心的蒸气可变得被捕获在越过 CPU 的最热部分的隔热袋中， 直到浮力使其上升， 通过向下流动的液体， 参与和冷却的流体的热 交换， 而不是和热管的外部排热装置的热交换。类似于 Burward-Hoy， Farrow 等人未提到冷 凝或任何蒸气循环。
兰金循环 ：
理想的兰金循环是一种封闭系统 ( 没有质量流入或流出 )， 其中， 热能 ( 热 ) 从环 境输入到蒸发器 (boiler)， 引起工作流体例如水的蒸发。 蒸气将功输出到环境， 通过流过涡 轮机而失去焓， 且在涡轮机排气处的蒸气中的剩余能量通过冷凝器排放到环境。使功从环 境中输入， 以将冷凝物从冷凝器用泵抽回到蒸发器， 重新开始质量流循环。实际上， 由于在
冷凝器处的损失， 存在以补充水的形式流到循环中的小量的质量流。附图中的图 9 显示常 规的兰金循环的流程图。
有机兰金循环 ：
在用于发电的蒸汽涡轮机中， 水是用于兰金循环的通常的工作流体， 但是有机兰 金循环使用有机化合物例如卤代烷， 而不是水。 与水相比， 高分子质量的有机化合物在给定 的蒸气温度下给予有机分子更高的动量。所选择的有机工作流体应该是环境友好的， 例如 作为 Genetron 245fa 由 Honeywell 市场化的 HFC-245fa。在 25℃下， 水的饱和蒸气具有小 于 HFC-245fa 的饱和蒸气 287 倍的密度， 所以可通过使用适当的有机工作流体来完成在低 的热输入温度下运行的简洁的兰金循环。有机兰金循环设备的优点包括 ： (1) 高的循环效 率； (2) 非常高的涡轮机效率 ( 高达百分之 85) ； (3) 低的对涡轮机的机械应力 ； 和 (4) 低的 涡轮机的每分钟转数， 允许发电机的直接驱动， 而不用齿轮减速。 使用有机兰金循环从低温 废热中发电是可能的， 然而， 为了具有满意的热力学效率， 常规的蒸气循环需要来自化石燃 料的燃烧或核热源的高得多的输入温度。
密封的兰金循环 ：
完全密封的兰金循环在运行期间将不会以功的形式输出或输入能量， 也不会存在 任何质量流入或流出循环。如在常规的兰金循环中， 以热的形式输入的能量将流过设备且 在冷凝器处被排放到环境。一种至少部分地密封的兰金循环是本发明的目的， 其保持循环 内的功， 以给泵提供动力。在密封的兰金循环中使用有机工作流体将允许仅由热流提供动 力的特别有效的强制对流废热提取器 (forced convection waste heat extractor)。 提供 这种改进的散热装置且提供用于从废热中提取功而不发生来自环境的功的任何输入的装 置是本发明的目的。 发明概述
蒸气漩涡散热装置 (vapor vortex heat sink) 是一种密封的兰金循环设备， 包 括： 内部涡轮机和内部泵 ； 涡轮机驱动泵。 不需要外部泵装置来维持循环。 不同于常规的热 管， 这里不存在芯吸装置， 且在循环期间， 蒸气和冷凝物之间存在最小的热交换。
有机工作流体允许低温的废热给密封的兰金循环的内部涡轮机提供动力， 密封的 兰金循环的内部涡轮机则给内部泵提供动力， 内部泵驱使冷凝物进入蒸发器以重新开始循 环。
强制对流沸腾将热源例如数据中心中的 CPU 结合到远端的散热装置， 远端的散热 装置是常规的设计且通过使通过热传递可利用的面积的热通量最大化而具有高冷却能力。 废热变为蒸气中的潜热， 蒸气中的潜热在漩涡组织体 (vortex organizer) 内上升的蒸气漩 涡中旋转， 漩涡组织体安置在封闭的壳体的轴处。这种对流质量流动能的一些被在内部涡 轮机中去除， 以给内部离心冷凝物泵提供动力。 离心泵将冷凝物从冷凝端拉下， 且驱使冷凝 物径向地向内越过蒸发端的加热表面， 以重新开始蒸气循环。高剪切和吸引提供用于使蒸 气逃离加热表面且收敛地流到蒸气空间的径向漩涡导管。 在由高冷却能力的最后的散热装 置作用的冷凝表面的快速冷凝吸引质量流通过内部涡轮机。
通过强制对流质量流中的蒸气， 废热被作为潜热输送到用于排热的更方便的位 置， 而不是运行进入数据中心的冷液体的线， 且从而存在使冷凝物滴在灵敏的组件上的危 险。
在优选的实施方案中， 饱和蒸气流入蒸气漩涡散热装置的冷凝端， 且如在 Hero 蒸 汽发动机中的径向地向外通过蒸气管， 使得是内部涡轮机的漩涡组织体旋转。通过具有高 冷却能力的常规的散热装置提取潜热。 由冷凝引起的真空吸引更多的蒸气通过漩涡组织体 和蒸气管， 驱使质量流且也使漩涡组织体以自持的方式旋转， 仅由从 CPU 到散热装置的热 流提供动力。
冷凝物通过重力在下降的冷凝物漩涡中沿着冷凝物流道从漩涡组织体的外侧流 下。 冷凝器中的冷凝物的势能变为动能， 也使漩涡组织体以相同的方向旋转， 如上升的蒸气 漩涡和蒸气管所做的。 蒸气向上和冷凝物向下的轴向逆流给密封的兰金循环的内部涡轮机 和内部泵提供动力。有机工作流体的使用使其成为有机的密封的兰金循环。
在引起漩涡组织体在向下的流中的旋转之后， 冷凝物被离心泵盘径向地向外用泵 抽吸， 离心泵盘连接到漩涡组织体且安置在蒸发端。 这个盘是密封的兰金循环的内部泵， 且 由内部涡轮机提供动力， 其是通过从密封的壳体的蒸发端到冷凝端的强制对流质量流而旋 转的漩涡组织体。 质量流给予漩涡组织体的转矩克服了盘的旋转惯性， 在启动时如果需要， 由小的外部的启动电动机来协助。冷凝物在平流空间中沿着盘的上部表面径向地向外流 动， 然后从蒸发端的外围弹回， 且通过径向漩涡空间径向地向内流动到在泵盘的中心的孔， 冷凝物在泵盘的中心的孔处进入在漩涡组织体的中心的蒸气空间。 在这个径向地向内流动 期间， 蒸发提取废热， 废热被以潜热的形式从蒸气空间向上输送到散热装置。 蒸发和泵的功 驱使质量流连续的循环。质量流是平稳的， 因为湍流是有组织的， 类似于飓风。仅仅由于热 流引起的飓风的自持的强制对流机制维持质量流并给泵提供动力。 在泵盘之下的径向漩涡空间中的高剪切沿着加热表面搅动流体并将蒸气扫入径 向漩涡核心。蒸气不在表面上形成隔热气泡， 与在常规的热管中的池沸腾一样。通过有组 织的湍流避免了蒸气的过热。 窄的空间中的由盘旋转强制的和通过蒸气空间中的吸引保持 一致的径向漩涡提供用于从加热表面扫除的蒸气的汇流导管。
在冷凝物和蒸气的气旋轴向逆流中， 蒸发端和冷凝端之间的强制对流提供质量 流， 以驱动密封的兰金循环的内部涡轮机和内部泵。通过在期望的工作温度下使用适当的 工作流体， 单独的废热可驱动强制对流沸腾， 用于强有力的热提取和发电。
讨论集中在计算机芯片冷却的应用上， 但是本发明也应用于所有其他的废热提取 需求， 诸如例如内燃发动机冷却、 注塑模具冷却、 化学反应器冷却、 涡轮机废蒸汽冷却以及 食物和饮料处理中的应用。本发明也应用于从低温的废热源中发电， 例如 IGCC 发电厂的布 雷顿循环涡轮机排气。
附图简述
图 1 显示根据本发明的蒸气漩涡散热装置的优选的实施方案的横截面示意图。
图 2 显示朝着加热表面 2 向下看的图 1 中显示的设备的横截面图。
图 3 显示在图 1 中显示的设备的中心区域的一部分的详细的横截面图， 说明蒸气 和冷凝物的轴向逆流。
图 4 显示在图 1 中显示的设备的冷凝端的一部分的细节。
图 5 显示机械连接在一起的且具有共同的最后的散热装置 8 的蒸气漩涡散热装置 的构造。
图 6 显示枢销组件 13 的细节。
图 7 显示在泵盘 20 和加热表面 2 之间的径向漩涡空间中的流动的上视图， 并且显 示各向异性湍流中的径向漩涡 21 的阵列。
图 8 显示加热表面 2 和蒸气空间 5 的中心的细节。
图 9 显示常规的兰金循环的流程图。
图 10 显示离心泵盘 20 的顶部表面及其流道 (runner)23 的细节。
图 11 显示用于将多个垂直的母板连接到根据本发明的散热装置的装置。
图 12 显示加热表面 2 及其径向涡体 28 的上视图。
图 13 显示本发明公开的密封的兰金循环的流程图。
图 14 显示泵盘 20、 其流道 23、 轴承组件 29 及其加热表面 2 的径向涡体 28 的详细 的横截面图。
图 15 显示可选的实施方案的蒸发端 3a 的细节。
图 16 显示可选的实施方案的冷凝端 3b 的细节。
附图参考数字 ：
1- 热源
2- 蒸气漩涡散热装置的加热表面
3- 密封的壳体
3a- 密封的壳体的蒸发端
3b- 密封的壳体的冷凝端
4- 漩涡组织体
5- 漩涡组织体内的蒸气空间
6- 冷凝表面
7- 蒸气冷凝室
8- 包括用于排热的装置的常规的散热装置
9- 冷凝物空间
10- 推力轴承
11- 蒸气流道
12- 冷凝物流道
13- 反作用式涡轮机、 枢销组件
14- 蒸气口
15- 蒸气管
16- 外部驱动轴
17- 外部驱动电动机或发电机
18- 用于填充壳体或排空壳体的清除口 (purge port)
19- 用于清除口的调节装置， 包括在超压情况下的突出体 (pop-out)
20- 泵盘
21- 在泵盘和加热表面之间的径向漩涡
22- 加热表面的尖角的隆起物
23- 在泵盘上的离心地用平流输送的流道
24- 热收集器25- 热散热片
26- 芯片
27- 板
28- 径向涡体
29- 轴承组件
a-a 是漩涡组织体、 枢销组件和泵盘的共同的旋转轴。
优选的实施方案的详述
图 1 显示本发明的优选的实施方案的横截面示意图。热源 1 例如与 CPU 热相通的 金属表面与加热表面 2 热相通， 加热表面 2 是密封的壳体 3 的部分， 该壳体具有蒸发端 3a 和冷凝端 3b。冷凝端 3b 包括与常规的散热装置 8 热相通的冷凝表面 6。散热装置 8 可以 是冷却器或制冷领域已知的用于将热排放到环境中的其他高冷却能力装置。 或者其可以是 片管式冷凝器 (fin and tube condenser) 或水池或水管。许多其他的常规的散热装置对 本领域来说是已知的且作为散热装置 8 可能是适当的， 取决于废热提取应用。散热装置 8 是对于冷却能力依尺寸制造的， 通常用制冷吨来测量 (1 制冷吨＝ 3517 瓦 )， 根据其作用的 热负荷来要求。图 5 中显示根据本发明的多个蒸气漩涡散热装置共用一个共同的散热装置 8。本发明提供用于使废热从热源 1 最佳流动到散热装置 8 的装置， 排热发生在散热装置 8 的方便的位置。通过在密封的兰金循环中的强制对流沸腾来完成将高冷却能力散热装置 8 结合到小的热的表面区域。 壳体 3 包括用于蒸气循环的工作流体。工作流体出现在液相和蒸气相两者中。有 机兰金循环工作流体具有用于驱动涡轮机且从而驱动本发明公开的密封的兰金循环的泵 的高分子质量的优点。 具有低沸点的有机工作流体的实例包括 ： 丁烷、 戊烷、 丙酮、 甲醇和制 冷剂例如来自 3M 的 FC-87。水也可以是工作流体， 优选地以净化的形式以防止来自重复的 沸腾和冷凝循环的污垢的沉积。壳体是密封地封闭的， 并且壳体 3 内部的压力可通过清除 口 18 来调整， 使得蒸气漩涡散热装置的运行温度足够高， 以避免大气水蒸气在壳体外部上 冷凝。
在一些应用中， 水可优选地作为工作流体， 因为水是容易地可得到的， 且具有高的 蒸发潜热 (hfg)， 所以水可以将大负荷的废热从加热表面 2 携带到冷凝表面 6， 用于提取到外 部的散热装置 8。然而， 对于发电， 水不是优选的， 因为水具有低的分子重量， 且对于低温热 源不是有效的。利用清除口 18 将不可凝结气体从壳体 3 中清除， 使得冷凝不会被不可凝结 气体的存在阻止。清除口也设置用于将工作流体引入到壳体的装置。
在图 1 和图 11 中显示的设备是用于芯片冷却的优选的实施方案， 因为其可以容易 地适合于在数据中心的现有的 CPU 结构。可选地， 热源 1 例如 CPU 可以安置在壳体 3 的蒸 发端 3a 的内部且在用于在湍流流动中的直接冷却的泵盘 20 之下。这个可选的实施方案将 由权利要求覆盖。使用本发明的教导， 母板和卡可以用将电子组件沉浸在湍流非传导性的 工作流体浴中的方式来制作。 在此情形， 热交换可以从组件引导到工作流体， 而没有中间的 加热表面 2。加热表面 2 不是必需的元件， 但是， 与这个可选的加热表面 2 一起的是另一个 用于将废热从热源 1 传递到壳体 3 中的冷却流体且最后到达散热装置 8 的装置。
近似圆柱形的漩涡组织体 4 安置在壳体 3 之内， 漩涡组织体 4 在其中心具有蒸气 空间且包括至少一个内部蒸气流道 11， 内部蒸气流道 11 接合蒸气空间中的蒸气。 适当的装
置将漩涡组织体 4 与壳体 3 分离， 以允许漩涡组织体的自由旋转并界定在壳体和漩涡组织 体之间的环形的冷凝空间， 该冷凝空间提供用于使冷凝物从壳体 3 的冷凝端 3b 流动到蒸发 端 3a 的装置， 使得蒸气循环可以是连续的。在此显示的作为用于分离的装置是环形的推力 轴承 10， 推力轴承 10 啮合漩涡组织体上的凸缘和壳体的表面 ； 冷凝物的流动也用来润滑推 力轴承。图 14 和图 15 显示用于将可旋转的漩涡组织体与壳体分离的可选的装置。
漩涡组织体的旋转轴 a-a 处在壳体的中心线处， 壳体的中心线也是蒸气漩涡从蒸 发端到冷凝端的旋转轴。 蒸气漩涡提供用于工作流体的低焓的饱和蒸气从蒸发端流动到冷 凝端的导管。夹带的雾被旋转出蒸气漩涡。
蒸气空间 5 处在漩涡组织体 4 的中心。图 3 中显示漩涡组织体 4 和壳体 3 的中心 部分的细节。漩涡组织体 4 连接到泵盘 20， 且是本发明的密封的兰金循环的内部涡轮机。 见图 13。 漩涡组织体 4 维持蒸气和冷凝物的轴向气旋逆流， 且使蒸气和冷凝物互相热隔离， 且其也通过其流道 11、 12 从对流质量流中提取功以驱动内部泵 20。 流道 11、 12 提供用于使 漩涡组织体由于工作流体在壳体的蒸发端和冷凝端之间流动时的冲击而旋转的装置。
通过蒸气空间 5 的质量流冲击蒸气流道 11， 且从而， 给予漩涡组织体 4 围绕轴 a-a 的转矩。有机工作流体例如 HFC-245fa 是优选的， 因为其蒸气具有高的密度， 且因此， 通过 蒸气空间的对流质量流引起高的动量从工作流体的蒸气转移到漩涡组织体 4 且通过漩涡 组织体 4 到达泵盘 20。通过推动涡轮机， 一些工作流体的蒸气损失焓且部分地冷凝。然后， 冷凝物沿着蒸气流道 11 流回泵盘 20 和加热表面 2 之间的径向漩涡空间， 其中， 冷凝物被剪 切和重新蒸发。 不沿着流道冷凝的包括涡轮机排气和蒸气漩涡的低焓的饱和蒸气核心的蒸 气继续流动到壳体的冷凝端 3b。 蒸气漩涡将蒸气流中夹带的冷凝物离心至壳体 3 的壁， 如图 15 和图 16 所显示的， 或离心至漩涡组织体 4 的壁， 如图 1 所显示的。在蒸气流进入冷凝端 3b 之前， 其已被除雾。 冷凝物的离心去除避免了浪费冷却能力的夹带的冷凝物的低温冷却。
蒸气漩涡旋转将对流质量流离心地分离为高焓的蒸气漩涡壁和工作流体的低焓 的饱和蒸气的蒸气漩涡核心， 高焓的蒸气漩涡壁啮合蒸气流道 11， 工作流体的低焓的饱和 蒸气的蒸气漩涡核心进入冷凝室 7， 在冷凝室 7 中其将其潜热释放到散热装置 8。蒸气漩涡 壁做功， 且当其冲击漩涡组织体时而引起漩涡组织体围绕轴 a-a 旋转。在做功时， 蒸气漩涡 壁损失焓， 而剩余的饱和蒸气结合漩涡核心。
蒸气不是过热的， 因为径向漩涡空间中的湍流防止蒸气在加热表面逗留。分子的 麦克斯韦速率分布的高焓部分被强迫做功， 且因此损失焓而变为低焓的饱和蒸气。因为到 达冷凝表面 6 的工作流体易于冷凝， 所以散热装置 8 的冷却能力没有浪费。
对比图 9 中显示的常规的兰金循环的流程图和图 13 中显示的本发明的密封的兰 金循环的流程图。 涡轮机的功被保存在本发明的循环中以使泵运行， 然而， 在常规的兰金循 环中， 泵是通过外部动力运行的。
离心泵盘 20 被连接到漩涡组织体 4 且在壳体 3 的蒸发端 3a 内延伸到与加热表面 2 近似平行。泵盘 20 与壳体 3 隔开， 以便界定 (1) 在其上方的平流空间， 平流空间与围绕 漩涡组织体的冷凝物空间相通， 且包括通过泵盘从轴 a-a 径向地向外用平流输送的工作流 体； 和 (2) 在其之下的径向漩涡空间， 漩涡空间与平流空间相通， 且也通过在泵盘的中心的 孔与蒸气空间 5 相通。
存在工作流体的连续的循环流动路线， 从冷凝空间 7， 通过冷凝物空间 9， 通过平 流空间， 通过径向漩涡空间， 通过漩涡空间 5 和通过反作用式涡轮机 13 进入冷凝空间 9。
通过离心泵盘 20 平流输送的冷凝物围绕泵盘的边缘沿着界定蒸发端 3a 的外围的 壁流动， 且进入径向漩涡空间， 冷凝物在径向漩涡空间变为蒸气。这通过图 1 中的箭头表 示。径向漩涡空间提供用于工作流体从蒸发端 3a 的外围到蒸气空间 5 的湍流的收敛的流 动通道， 该流动通道是由于在冷凝端 3b 的冷凝引起吸引的低压汇 (low pressure sink)。 在泵盘 20 和加热表面 2 之间的剪切的工作流体中的湍流包括一致的汇流导管的径向阵列， 其是径向漩涡。见图 7。
泵盘 20 优选地包括在其顶部表面上的螺旋形的流道 23 的径向阵列， 这确保了泵 盘的旋转驱动工作流体径向地向内通过泵盘和加热表面 2 之间的径向漩涡空间， 从而将更 多的冷凝物从冷凝器中向下拉出， 通过冷凝物空间 9 和平流空间。见图 10， 泵盘 20 的流 道 23 的细节。可选地， 泵盘的有凹痕的上表面或泵盘的下表面上的勺式流道 (scooping runner) 可以是用于确保泵盘的旋转用平流输送工作流体径向地向内通过径向漩涡空间到 达蒸气空间 5 的装置。
漩涡组织体的旋转可通过外部驱动的电动机 17 的协助开始启动， 外部驱动的电 动机 17 通过驱动轴 16 临时地连接到漩涡组织体 4， 驱动轴 16 连接到枢销组件 13， 枢销组 件 13 是反作用式涡轮机。见图 6。在壳体 3 和驱动轴 16 之间的适当的密封装置防止工作 流体泄漏和不可凝结物干扰。 驱动轴 16 可连接到发电机而不是电动机 17， 使得废热在部分 地密封的兰金循环中产生电。 在图 15 和图 16 中显示的可选的实施方案显示没有驱动轴 16， 且完全地用于废热 提取。来自漩涡组织体的蒸气漩涡延伸到冷凝空间 7， 而不通过反作用式涡轮机 13。但是， 可选的实施方案也可包括安置在其冷凝端且连接到驱动轴的反作用式涡轮机 13， 如在图 6 中所显示的， 且其也可包括连接到漩涡组织体的驱动轴或用于机械协助启动的泵盘。
一旦热源 1 和散热装置 8 之间的热流已产生足够的气旋轴向逆流来维持漩涡组织 体 4 的旋转， 外部电动机 17 可以断开， 且在漩涡组织体 4 具有足够的角动量来维持连续的 废热循环之后， 连接到轴 16 以利用任何能量的发电机被留下。用于调节驱动轴的旋转的适 当的装置可以连接到驱动轴， 以在废热流变小时提高驱动轴的旋转或在废热流变大时使驱 动轴的旋转减速。驱动轴 16 也提供用于检测漩涡组织体 4 是否适当地旋转的装置。
可以看到， 密封的兰金循环的涡轮机和泵是单一的连接单元， 使得涡轮机的旋转 使离心泵旋转， 而不需要来自系统外部的功来维持循环， 不同于常规的兰金循环。 如果内部 涡轮机例如反作用式涡轮机 13 连接到外部设备例如发电机， 那么兰金循环将是部分地密 封的， 因为输出了一些功， 但是不过， 当兰金循环运行时， 其将是密封的， 因为没有功输入。 内部涡轮机 ( 漩涡组织体 4， 且在优选的实施方案中， 连接到漩涡组织体 4 的反作用式涡轮 机 13) 的功至少部分地保存在循环中， 且为内部泵 ( 泵盘 20) 提供动力。这个自持的内部 泵驱动强制对流沸腾， 以便将废热以潜热的形式从热源传递相当大的距离到达高冷却能力 散热装置， 在高冷却能力散热装置可发生排热。
除通过电动机 17 和驱动轴 16 的启动之外， 未输入功。一旦循环在进行中， 就没有 功输入， 且甚至可存在通过连接到发电机的电枢的驱动轴 16 的功输出。兰金循环不仅作为 封闭系统关于质量守恒是密封的， 而且关于以功的形式的能量守恒也是密封的， 如在图 13
中所显示的。以热的形式的能量从热源 1 到散热装置 8 平稳地流动通过循环， 且从而引起 质量流， 质量流驱动涡轮机， 且从而驱动维持循环的泵。
在蒸发端 3a 的中心， 来自加热表面 2 或来自径向漩涡 21 的壁的蒸气进入在漩涡 组织体 4 的中心的蒸气空间 5。蒸气流动通过蒸气空间 5 到达在漩涡组织体 4 的顶部附近 的一个或多个蒸气口 14， 且然后， 通过与蒸气口 14 相通的弯曲的蒸气管 15 退出蒸气空间。 所述蒸气口和蒸气管包括在枢销组件 13 中， 枢销组件 13 在图 6 中详细地显示。枢销组件 提供反作用式涡轮机 13， 类似于 Hero 蒸汽发动机， 在优选的实施方案中， Hero 蒸汽发动机 引起漩涡组织体 4 旋转。这个在下面的图 4 的讨论中解释。
退出蒸气管 15 的蒸气由于其中的低压而进入冷凝端 3a 的冷凝室 7。低压是由冷 凝引起的， 冷凝是由高冷却能力散热装置 8 引起的， 高冷却能力散热装置 8 从蒸气中提取潜 热且引起蒸气改变状态回到冷凝物， 冷凝物是工作流体的液相。
液体工作流体具有比蒸气相低得多的比容 ( 立方米每千克的质量， m3/kg)。蒸气 沿着由散热装置 8 冷却的冷凝表面 6 冷凝且体积收缩， 从而通过蒸气管 15 将更多的蒸气拉 入冷凝室 7， 且引起反作用式涡轮机 13 运行。散热装置 8 通过其冷却能力维持冷凝室 7 中 的低压， 且低压将蒸气通过蒸气空间 5 拉离加热表面 2， 通过径向漩涡空间中的径向漩涡， 在径向漩涡空间中， 工作流体在泵盘 20 和加热表面 2 之间被剪切。蒸气通过蒸气空间 5 的 流动为更多的蒸气在加热表面 2 形成让路， 且防止蒸气在加热表面变得过热， 且从而更难 冷凝。图 1 中显示的是加热表面 2 和冷凝表面 6 之间的非常短的距离， 但是该距离可以是 使小的加热表面 1 与高冷却能力散热装置 8 连接所需的任何长度， 高冷却能力散热装置 8 位于用于大的排热的方便的位置。
与常规的热管相比， 未使用毛细管或芯吸装置来引起冷凝物从冷凝端到蒸发端的 流动。内部泵 ( 泵盘 20) 用平流输送冷凝物， 使冷凝物从冷凝端 3b 通过冷凝空间 9 进入蒸 发端 3a 的平流空间， 然后通过径向漩涡空间进入蒸气漩涡的旋转轴 a-a 处的蒸气空间 5。 在优选的实施方案中， 通过将冷凝物空间完全界定到冷凝端的漩涡组织体的连续的内壁， 在冷凝物和蒸发端附近的蒸气之间的热交换被最小化， 使得热以通过循环的最小的热循环 从热源传递到散热装置。存在能量的循环， 以功的形式从涡轮机到泵， 而不是以热的形式。
通过泵盘 20 径向地向外用平流输送到壳体 3 的蒸发端 3a 的外围的冷凝物弹回且 从蒸发端 3a 的外围越过加热表面 2 径向地向内流动。加热的工作流体在由泵盘的旋转引 起的高的剪切中朝着漩涡组织体 4 的中心处的蒸气空间 5 会聚。在这个流动路线中， 由于 与加热表面 2 的热交换， 冷凝物变为蒸气。由于高的湍流， 蒸气不能在加热表面逗留且在气 泡中过热化， 且由于其较低的密度， 蒸气必须为新鲜的冷凝物占据加热表面让路。 在泵盘 20 和加热表面 2 之间的高剪切中的蒸气被卷起进入径向漩涡 21， 径向漩涡 21 提供进入蒸气空 间 5 的汇流导管。见图 7。
如前所述， 热交换也可以是与通过直接的液体冷却的内部热源进行， 在可选的实 施方案中， 在密封的壳体内， 包括在非传导性的工作流体例如 FC-87 的湍流浴中的芯片。这 为未来的芯片设计提供了可选方案， 只要使用适当的密封装置来维持密封的壳体。
漩涡组织体 4 将蒸气空间 5 和冷凝物空间 9 分离， 且优选地由具有低密度的隔热 材料制造。 蒸气和冷凝物的气旋轴向逆流冲击漩涡组织体 4 上的流道 11、 12， 且从而提供用 于使漩涡组织体旋转的装置。由所述冲击产生的转矩在图 2 中用弯曲的箭头表示。漩涡组织体的旋转使连接到漩涡组织体的离心泵盘 20 旋转， 且也用来组织冷凝物和蒸气的轴向 逆流， 使得这些流动不互相干扰， 且使得在蒸气和冷凝物之间存在最小的热交换， 这将缩短 冷凝端 3b 且从而减少热源 1 和散热装置 8 之间的热流。
图 2 显示蒸气空间 5 和冷凝物空间 9 以及漩涡组织体 4 上的转矩的详细的横截 面图， 漩涡组织体 4 上的转矩是由通过这些空间的气旋轴向逆流中的工作流体的冲击产生 的。漩涡组织体转矩也可由外部驱动装置 16、 17 来协助， 如果有必要， 例如在启动时， 如上 面所解释的。可从安置在冷凝室 7 中的装置增加转矩， 例如连接到漩涡组织体的反作用式 涡轮机 13。优选的实施方案是图 1 中显示的设备， 该设备使用对漩涡组织体内的流道的蒸 气冲击、 对漩涡组织体外部的流道的冷凝物冲击、 为枢销组件的连接的反作用式涡轮机 13 和启动电动机 17， 总共四个用于旋转的手段。任何一个将是足够的。一旦废热驱动气旋轴 向逆流， 启动的外部驱动装置的驱动轴 16 就可连接到代替启动电动机的发电机， 且从而用 作电枢以从废热中产生电。这样的连接也将提供用于调节驱动轴的旋转、 使驱动轴的旋转 减速或推动驱动轴的旋转的装置， 以根据需要来维持工作流体的稳定流动。
图 3 显示漩涡组织体 4 及其流道 11、 12 的详细的横截面图。蒸气的流动和冷凝物 的流动由箭头表示。蒸气流动通过在漩涡组织体 4 的中心的蒸气空间 5。优选地， 蒸气具 有在蒸气空间 5 的中心的部分地无阻碍的通道。比高焓的饱和蒸气密度小 ( 具有较高的比 容 ) 的低焓的饱和蒸气在无阻碍的通道中冷凝， 同时在蒸气漩涡外围的高焓的饱和蒸气在 其上升期间被强迫做功， 且从而损失推动蒸气流道 11 的焓。对于将功脱除至泵， 有机工作 流体是优选的， 因为有机工作流体具有高分子质量， 且从而具有在低的输入温度下的高分 子动量， 不同于水。
进入蒸气空间 5 的蒸气将具有麦克斯韦速率分布， 根据气体的分子运动轮， 麦克 斯韦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 )。 在漩涡组织体 4 内部的蒸气空间 5 中的漩涡旋转将低焓部分和高焓部分离心 地分离， 这是由于其密度差异。 高焓部分冲击漩涡组织体和做功使漩涡组织体旋转， 从而损 失焓。也存在由于来自冷凝端 3b 的吸引而增加到蒸气的一些动能， 该吸引是由于其中的蒸 气被高冷却能力散热装置 8 冷凝而引起的。从而， 一些蒸气焓变为内部涡轮机中的功。包 括来自这个涡轮机的排气的低焓的饱和蒸气进入冷凝端。 低焓的饱和蒸气比高焓的饱和蒸 气更易于冷凝。将能量脱除来做密封的兰金循环的泵的内功， 这允许本发明仅由废热提供 动力。
显示的是安置在漩涡组织体内的螺旋形蒸气流道 11， 使得在从蒸发端到冷凝端流 动时冲击蒸气流道 11 的工作流体引起漩涡组织体如所显示的旋转。多于一个的蒸气流道 11 可以在漩涡组织体 4 上。 或漩涡组织体可包括面向蒸气空间 5 的多皱壁 (rugose wall)。 注意， 由弯曲的箭头显示的漩涡组织体的旋转由在冷凝物空间 9 中冲击冷凝物流道 12 的向 下流动的冷凝物和在蒸气空间 5 中冲击蒸气流道 11 的向上流动的蒸气两者来协助。
图 4 显示枢销组件 13 的顶部横截面图， 枢销组件 13 包括用于给予漩涡组织体转 矩的另外的装置 ： 反作用式涡轮机。 在图 1 中显示的优选的实施方案中， 枢销组件和反作用 式涡轮机 13 被连接到漩涡组织体。蒸气离开蒸气空间 5， 且退出漩涡组织体 4 中的蒸气口 14。弯曲的蒸气管将蒸气释放到冷凝室 7， 弯曲的蒸气管 15 是枢销组件 13 中的通道。冷凝 室 7 中的真空是由散热装置 8( 未显示 ) 引起的， 散热装置 8 引起蒸气冷凝和体积的收缩。由这个真空拉着通过蒸气口 14 和弯曲的蒸气管 15 的蒸气引起漩涡组织体 4 的旋转。这与 Hero 蒸汽发动机即反作用式涡轮机相似。 在冷凝室 7 中的冷凝也将更多的蒸气拖着通过漩 涡组织体 4 中的蒸气空间 5， 且从而， 当该蒸气冲击在蒸气空间中的流道 11 时， 引起漩涡组 织体旋转。可选地， 反作用式涡轮机 13 可以与漩涡组织体分离， 且可提供用于驱动蒸气漩 涡的另外的装置。漩涡组织体可从蒸发端驱动蒸气漩涡， 且反作用式涡轮机将从冷凝端独 立地驱动蒸气漩涡。在驱动其两端的漩涡组织体和反作用式涡轮机之间， 蒸气漩涡可将冷 凝物离心出来到壳体 3 的壁， 且从而使进入冷凝室 7 的饱和蒸气除雾。
图 5 显示与共同的高冷却能力散热装置 8 热相通的多个蒸气漩涡散热装置。根据 本发明的设备的机械连接允许因规模上的经济节约， 因为最后的散热装置 8 可以是本领域 已知的高冷却能力设备， 其可处理许多千瓦的排热。本发明允许将这样的强散热装置结合 到多个小的加热表面区域， 例如数据中心的数字信息处理器 (DSP) 或 CPU。 用于排热的最后 的装置可以在组装件 (building) 的外部， 从而通过热交换机领域已知的适当的装置将废 热排放到环境。由散热装置 8 排放的废热可以通过根据本发明的另一个设备被至少部分地 转化为电， 其中， 轴 16 连接到发电机 17， 如图 1 中所显示的。
图 6 显示枢销组件 13 中的反作用式涡轮机的侧视图的细节。枢销组件可制作为 两半， 当两半安装在一起时界定多个螺旋形通道， 该螺旋形通道是蒸气管 15。进料到蒸气 管是在枢销组件 13 的旋转轴 a-a， 如常规的离心泵。轴 a-a 也是漩涡组织体 4 的旋转轴和 泵盘 20 的旋转轴。漩涡组织体 4 连接到枢销组件 13 且与其一起旋转， 连接到漩涡组织体 4 的泵盘 20 也一起旋转。由枢销组件 13 提供的反作用式涡轮机也可以与漩涡组织体 4 断 开， 使得反作用式涡轮机 13 的功使驱动轴 16 旋转， 且从而使发电机 17 的电枢旋转。可以 是本领域已知的多种类型的常规的散热装置 8 提供用于排热的装置， 且从而驱动壳体 3 内 的冷凝物和蒸气的气旋轴向逆流。
用于调节驱动轴 16 的旋转的适当的装置将允许驱动轴在变化的热负荷条件下运 行。例如， 启动时， 连接到驱动轴 16 的电动机将驱动漩涡组织体 4 的旋转， 直至通过蒸气空 间的质量流对于单独地驱动漩涡组织体是足够的。如果热负荷开始降低， 使得漩涡组织体 变慢， 则驱动轴提供用于提高其旋转的装置， 使其不会停止。如果热负荷变的非常高， 那么 电动机 / 发电机 17 可转换到发电机模式且提供制动。
显示从壳体的冷凝端 3b 延伸出来的驱动轴 16， 在驱动轴和壳体之间具有密封件， 以排除不可凝结物的干扰和工作流体的损失。 显示连接到反作用式涡轮机 13 的驱动轴。 可 选地， 驱动轴可从壳体的蒸发端 3a 延伸， 且可连接到漩涡组织体 4。
图 7 显示在加热表面 2 和泵盘 ( 不可见 ) 之间的空间到蒸气空间 5 的收敛的流动 的上视图。径向漩涡 21 的阵列从加热表面 2 的外围弯曲进入加热表面 2 的中心， 加热表面 2 的中心是由虚线表示的漩涡组织体 4 内的蒸气空间 5 的开始。由于泵盘 20 的功， 液体的 流动径向地向内到达蒸气空间 5， 泵盘 20 首先如前面所描述的径向地向外用平流输送冷凝 物， 且实施密封的兰金循环中的内部的离心泵的功能。见图 9。通过泵盘 20 及其流道 23 的 旋转被径向地向外用平流输送的冷凝物从壳体 3 的蒸发端 3a 的外围弹回， 且径向地向内流 动到蒸气空间 5。 径向漩涡使在加热表面 2 和泵盘 20 之间的湍流流动中的冷凝物沿着加热 表面 2 旋转， 从而将蒸气从加热表面 2 扫除且由于在旋转的流中的蒸气的较低的密度 ( 比 液体高的比容 ) 而进入径向漩涡 21 的核心。蒸气在加热表面 2 和泵盘 20 之间的空间中的流动也是径向地向内到达轴 a-a， 但 通过径向漩涡的核心。与冷凝端 3b 中的低压相通的蒸气空间 5 中的低压吸收蒸气， 使之 通过径向漩涡 21 且进入蒸气空间 5 中的蒸气漩涡。虽然高剪切和高湍流存在于加热表面 2 和泵盘 20 之间， 但是湍流是各向异性的且具有有组织的特征， 类似于旋风。径向漩涡 21 是在剪切的泵盘和加热表面之间的窄的空间的有组织的湍流中的辐状旋风 (spoke-like tornado)， 径向漩涡 21 提供使蒸气从加热表面 2 进入蒸气空间 5 的一致的汇流导管。在这 个窄的空间中的湍流将成核的蒸气从加热表面 2 扫除， 且从而防止蒸气堆积、 过热和阻碍 到液态工作流体的热传递。
图 8 显示加热表面 2 和蒸气空间 5 的中心的细节。冷的冷凝物的流动是在泵盘 20 上方从轴 a-a 径向地向外的， 泵盘 20 连接到漩涡组织体 4 且以箭头所显示的方向与漩涡组 织体 4 一起旋转。
在加热表面 2 处的气泡堆积是最小化的， 因为热的液体和任何形成的蒸气都被扫 入径向漩涡 21， 这在图 7 中显示。蒸气和热的液体两者都具有比冷凝物低的密度 ( 高的比 容 )， 且从而蒸气和热的液体在径向漩涡核心处聚集， 远离加热表面 2， 因此允许更多冷却 的冷凝物在加热表面处替换加热的冷凝物。在加热表面 2 和泵盘 20 之间的径向漩涡 21 提 供用于将成核的蒸气气泡从加热表面扫除的手段。 被卷起进入径向漩涡 21 的加热的冷凝物遭受低压梯度， 通过漩涡核心到达漩涡 空间 5。低压是由在壳体 3 的另一端的冷凝端 3b 的蒸气的冷凝和漩涡组织体 4 的旋转引起 的。由于这个低压梯度以及通过从加热表面 2 传递的热来形成蒸气。在图 7 中显示的径向 漩涡 21 提供用于形成蒸气的管状表面。蒸气来自局部的低压下的液体表面而不是成核到 加热表面 2 和粘到加热表面 2， 且通过由径向漩涡的阵列提供的一致的汇流导管， 蒸气被连 续地用平流输送到蒸气空间 5。
蒸气空间 5 中的液体表面是用于形成蒸气的另一个位置。加热表面 2 中的尖角的 隆起物是作为可选的但优选的特征显示的， 以避免流体流中的任何死点， 蒸气可能在液体 流中沿着加热表面形成隔热的口袋。从高度传导性材料例如铜或银制造尖角的隆起物 22 将是有利的， 因为尖角的隆起物 22 安置在 CPU 的中心之上， CPU 的中心存在大部分的热通 量。但是， 见图 11， 其中， 未使用尖角的隆起物， 因为中心不是最热的部分。
由于这些用于将成核的气泡从加热表面扫除的手段， 以及这些用于通过径向漩涡 将蒸气用平流输送到蒸气空间 5 的手段， 在加热表面 2 处将存在液体工作流体层， 而不是变 得无用地过热的隔热的气泡层。因此， 强制对流沸腾优于间接的液体冷却中的池沸腾的全 部益处都在本发明中实现。
直接的冷却也可在相同的设备中实践， 其中， 加热表面本身是热源。 用于直接的液 体冷却的适当的工作流体包括非传导性的化合物， 例如 FC-87。
显示产生蒸气的状态的改变， 因为强制对流沸腾提供最高的可能的热通量。 但是， 相同的设备也可运行， 但更少地有效， 不发生在全 - 液体对流循环中转态的改变。比进入径 向漩涡空间的冷却的液体密度小的加热液体被卷起进入径向漩涡且由于其更低的密度而 上升到蒸气空间。 加热液体通过与散热装置的热交换来冷却， 变得密度更大， 且通过重力下 降， 从而通过冷凝物空间中的冷凝物流道 12 使漩涡组织体旋转。
图 9 显示常规的兰金循环的流程图。这是在发电中使用的众所周知的热力学概
念。热源引起蒸发器中的工作流体例如水的蒸发， 而来自蒸发器的蒸气驱动涡轮机。涡轮 机对环境做功。蒸气做功时损失焓， 且包括一些冷凝物的饱和蒸气在冷凝器例如列管式热 交换器 (shell-and-tube heat exchanger) 中冷凝。冷凝器包括用于将热排放到环境中的 装置， 例如冷却塔。通过在蒸气冷凝时通过涡轮机吸收蒸气， 冷凝器也改进循环的效率。通 过泵的功， 现在是液态冷凝物的工作流体被重新引入蒸发器。泵由从环境输入的能量提供 动力， 且这个寄生的能量 (parasitic energy) 使效率降低。所以， 可以看出， 常规的非密封 的兰金循环具有同时的热流和通过热流的功流 (work flow)。本发明不同于常规的兰金循 环， 因为涡轮机 ( 漩涡组织体 4) 的功被保存在循环内， 用来驱动泵 ( 泵盘 20)。
Meacher 等人的美国专利第 4,362,020(1982) 公开了一种有机兰金循环发电机， 该有机兰金循环发电机使用氟利昂 ( 三氯三氟代乙烷 ) 作为工作流体， 在 110℃的蒸发器温 度 (5.5 巴的饱和压力 ) 和 35℃的散热装置下运行。存在两个泵， 连接到涡轮机的内部原 料泵 (internal feed pump)16 和需要为内部泵提供净正吸压头 (net positive suction head) 的外部增压泵 40(3 ： 36， 49-51 ； 也见于权利要求 15(6 ： 15-35)， 其中表明， 第二个泵 不在兰金循环期间运行 )。Meacham 没有显示密封的兰金循环， 并且没有预见本发明， 因为 功被输入用来使其的增压泵 40 运行， 以维持通过循环的流动。
图 10 显示泵盘的顶部表面上的流道 23 的细节。流道确保泵盘 20 和在泵盘 20 之 下的加热表面 2 之间的质量流是径向地向内到达轴 a-a 的。可选地， 可使用多皱的顶部表 面。或泵盘的底部表面可包括向心地用平流输送的螺旋形的流道。向心地用平流输送的流 道将是相对于顶部表面流道所显示的旋转方向来说相反的方位。换句话说， 向心地用平流 输送的流道将工作流体舀进， 而不是将工作流体推出。
图 11 显示包括在板 27 上的芯片 26 的多个母板。母板被安置在垂直的方位， 因为 母板可能处在数据中心中。 根据本发明的蒸气漩涡散热装置 3 通过热收集器 24 及其连接的 加热散热片 25 与芯片热相通。散热片 25 以本领域已知的方式和产品通过热脂热连接到芯 片。散热片 25 收集来自芯片的废热， 且将废热传导到热收集器 24， 热收集器 24 与壳体 3 的 加热表面 3a 接触。热收集器和加热散热片可以由铜或铝制造， 或可以是包括本领域已知的 设计的热管的片状物。散热片可以形成为使表面接触和来自加热表面的热的传导最大化， 同时使整个表面积最小， 这将在热被传递到热收集器和散热装置之前使这个热重新散发到 其他地方。
图 12 显示包括涡体 28 的加热表面 2 的可选的实施方案的上视图。螺旋形的涡体 的径向阵列保持泵盘 20 从加热表面 2 分离。 泵盘 20 可通过环形的轴承组件 29 啮合加热表 面 2 的涡体 28。这在图 14 中显示。通过同时 (1) 由于泵盘 20 的旋转引起的剪切 ； 和 (2) 由于壳体 3 的冷凝端 3b 中的蒸气的冷凝而使蒸气进入蒸气空间 5 的吸引， 径向漩涡 21 被 保持在由涡体 28、 泵盘 20 的下部表面和加热表面 2 界定的径向通道中。通过径向漩涡 21 的核心的流径向地向内到达蒸气空间 5。
图 13 显示本发明公开的完全密封的兰金循环的流程图。涡轮机的功保存在循环 中以使泵旋转， 且不被输出到发电机或环境中的其他设备。循环的泵不是由来自环境的功 提供动力的。与图 9 中显示的常规的兰金循环的流程图形成对比， 其中， 功保存在循环中， 且功被输入以使泵运行， 用来维持循环。
图 14 显示具有与环形的轴承组件 29 接触的泵盘 20 的可选的实施方案的详细的横截面图， 轴承组件 29 与加热表面 2 的涡体 28 啮合。也见图 15。环形的轴承组件 29 安 置在泵盘 20 和加热表面的涡体 28 之间， 以使它们之间的摩擦最小化并维持泵盘与加热表 面的分离， 以便允许径向漩涡 21 的形成。环形的轴承组件 29 可以是本领域已知的多种设 计， 包括夹在轴承座圈之间的滚珠轴承。浸泡环形的轴承组件的工作流体也可用作环形的 轴承组件的润滑剂。如果轴承组件形成涡体和轴承盘之间的连接， 那么不需要推力轴承 10 来维持漩涡组织体和泵盘在壳体内旋转时的适当的方位。图 15 显示环形的轴承组件 29 相 对于漩涡组织体 4 所处的位置。在图 15 和图 16 中显示的可选的实施方案中， 环形的轴承 组件维持漩涡组织体与壳体 3 的分离和适当的方位。涡体 28 之间的径向漩涡 21 提供用于 使包括温水和蒸气的低密度部分进入蒸气空间 5 的汇流导管， 且环形的轴承组件的面积足 够小， 使得其不会使泵盘和工作流体之间所需的接触表面积减小。涡体 28 使加热表面 2 的 表面积增加。这个增加的表面积连续地被径向漩涡扫除， 从而将成核的蒸气移入径向漩涡 的核心， 以被吸引到蒸气空间 5 中。
在上面的图 1 中描述的优选的实施方案显示加热表面和散热装置之间的相对短 的导管， 包括具有枢销组件的相对长的漩涡组织体， 但是在图 15 和图 16 中显示的可选的实 施方案使用具有短的漩涡组织体而不具有枢销组件的长的导管， 其中， 蒸气被在蒸发端和 冷凝端之间传递了相当大的距离。
图 15 显示可选的实施方案的蒸发端 3a 的详细的横截面图。在图 16 中显示冷凝 端 3b。将蒸发端连接到冷凝端的延伸的壳体 3 在这个附图中省略， 但是这个连接的壳体是 足够长的， 以将蒸气传送到方便的位置， 用于具有足够的冷却能力的散热装置 8 的排热。这 个延伸的壳体 3 可以是刚性的管或柔性的管的形式。蒸气漩涡离心作用在蒸气进入冷凝室 7 之前将蒸气除雾。在蒸气流中的冷凝物由于其较高的密度而被离心， 并且冲击延伸的壳 体 3 的壁， 然后流下壁进入蒸发端。可选地， 界定在静态的内部壁和壳体之间的分离的环形 的冷凝物空间防止冷凝物和进入冷凝室 7 中的蒸气之间的热交换。如果冷凝物和蒸气被允 许在这个延伸的壳体中保持接触， 例如通过使冷凝物沿着内部壁滴回， 那么热将再循环回 到冷凝物中， 而不会被携带出来到达散热装置。用于维持泵盘 20 和加热表面 2 的分离的装 置包括环形的轴承组件 29， 环形的轴承组件 29 啮合泵盘和加热表面 2 上的静态的涡体 28， 如在图 14 中所显示的。安置在蒸发端 3a 中的漩涡组织体 4 包括蒸气空间 5， 其中， 来自加 热表面 2 和泵盘 20 之间的空间的蒸气收集和移动到如在图 16 中显示的冷凝端 3b。液态 工作流体冷凝物从冷凝端返回且流下壁或流到所述环形的冷凝物空间内， 以收集在漩涡组 织体 4 和壳体 3 之间的冷凝物空间中。显示的净液体水平为漩涡组织体 4 的顶部之下。通 过蒸气空间 5 从延伸的密封的壳体的蒸发端到冷凝端的质量流引起漩涡组织体 4 及其连接 的泵盘 20 旋转， 并且将冷凝物空间中的冷凝物从旋转轴 a-a 径向地向外用泵抽吸到蒸发端 3a 的外围， 且进入加热表面 2 和泵盘 20 之间的空间， 其中， 由于从热源 1 传递的热， 液体变 为蒸气。
图 16 显示上面讨论的可选的实施方案的冷凝端 3b。在蒸气冷凝室 7 内没有枢销 组件。箭头显示进入蒸气冷凝室 7 的蒸气和退出蒸气冷凝室 7 的冷凝物的轴向逆流。散热 装置 8 是用于排热的设备， 该用于排热的设备可以是热交换器领域已知的多种类型。其工 作是提供用于从在加热表面 2 形成的工作流体蒸气中提取蒸发潜热的冷却表面 6， 和通过 适当的方式将废热排放到环境。空气冷却和蒸发冷却都是本领域已知的适当的方式。可选的实施方案提供用于将常规的设计的高冷却能力散热装置连接到远端的高热通量热源的 装置， 而不需要在灵敏的电子组件附近滴下冷凝物的冷却液体的线。
如在图 6 中显示的连接到驱动轴的反作用式涡轮机可以安置在冷凝室 7 中， 同时 驱动轴 16 从壳体 3 的冷凝端 3b 的顶部突出。反作用式涡轮机 13 可不连接到漩涡组织体 4， 如在图 1 中的优选的实施方案所显示的， 但是， 可由于通过其的对流质量流而独立地旋 转， 且从而可使驱动轴 16 独立地旋转， 以从废热产生电能。虽然在这个可选的可选性实施 方案中的分离的组件， 但是漩涡组织体和反作用式涡轮机两者都从其两端以相同的方向驱 动蒸气漩涡。通过保持在低焓的饱和蒸气的气旋中所组织的反作用式涡轮机进料， 漩涡组 织体将协助质量流进入反作用式涡轮机。
进一步论述
在图 1 所显示的优选的实施方案中， 用于使漩涡组织体 4 围绕轴 a-a 旋转的方式 包括 ： (1) 质量流冲击漩涡组织体 4 的内部上的蒸气流道 11 ； (2) 质量流冲击漩涡组织体 4 的外部上的冷凝物流道 12 ； (3) 由于流过蒸气通道 14、 15 的蒸气的影响， 通过枢销组件 13 提供的反作用式涡轮机 (Hero 发动机 ) 的旋转 ； 以及 (4) 通过轴 16 与枢销组件 13 相通的 外部驱动装置 17。在图 15 和图 16 所显示的可选的实施方案中， 用于使漩涡组织体 4 旋转 的方式是质量流冲击漩涡组织体 4 的内部上的蒸气流道 11， 且不存在所显示的连接到漩涡 组织体的反作用式涡轮机 13。 然而， 反作用式涡轮机， 例如在图 6 中显示的未连接到泵盘但 连接到驱动轴 16 的枢销组件 13， 可用在另一个可选的实施方案中来提取功。 在这个可选的 实施方案中， 没有功被输入用来使泵运行， 因为漩涡组织体的旋转完成了这个工作， 且功被 输出用来使发电机运行， 因为反作用式涡轮机处理了这个问题。由漩涡组织体建立的蒸气 漩涡保持冷凝物和蒸气的逆流分离， 即使漩涡组织体的干扰壁没有完全地到达冷凝端。蒸 气漩涡、 漩涡组织体 4 和连接到漩涡组织体 4 的泵盘 20 的旋转轴 a-a 大约在壳体 3 的中心 线 a-a 处。
在可选的实施方案中， 不存在用于使涡轮机旋转或用于使兰金循环的泵运行的外 部驱动装置。 来自涡轮机的能量保存在循环内， 以使泵完全地运行， 没有以功的形式从环境 中输入的补充能量。 可选的实施方案实践了完全地密封的兰金循环， 其中， 没有功被输入或 输出。在图 1 中显示的优选的实施方案实践了部分地密封的兰金循环， 其中， 没有功在循环 期间被输入， 但是一些功可能通过驱动轴 16 被输出， 以驱动发电机 17 或在启动时输入。
通过优选的实施方案和可选的实施方案实践了本发明公开的密封的兰金循环， 因 为循环的泵完全是由循环的涡轮机提供动力的。图 13 中， 密封的兰金循环的蒸发器包括加 热表面 2， 加热表面 2 将热传递到在加热表面 2 和泵盘 20 之间界定的工作流体中。涡轮机 是漩涡组织体 4， 漩涡组织体 4 通过其蒸气流道 11 将一些热能转变为功。 但是， 涡轮机的功 没有被输出， 如图 9 中的常规的兰金循环， 而是被保存用来使泵运行。冷凝器是已知的设计 的散热装置 8， 例如与用于制冷的装置或具有用于冷却水的蒸发冷却的列管式热交换器热 相通的冷却器。散热装置 8 引起来自蒸气室 5 的涡轮机排气变为液体， 从而减少涡轮机排 气的体积， 以便在冷凝室 7 中形成真空， 冷凝室 7 吸引更多的蒸气通过涡轮机， 涡轮机是漩 涡组织体 4。泵是连接到漩涡组织体 4 的泵盘 20。通过由涡轮机提供的功来驱动泵， 使得 这个兰金循环密封， 因为功和质量被保存。通过本发明的由热源 1 和散热装置 8 之间的废 热流驱动的质量流循环不具有输出或输入的功。一个有用的对比是飓风。根据本发明的级联设备 (cascading device)， 使得随后的阶段的加热表面 2 与之 前的阶段的冷凝表面 6 热相通， 可使废热在连接的设备中传递长的距离， 到达方便的散热 装置 8。各种阶段的运行温度将使阶梯 (cascade) 减少。废热从毛细管流入更大的导管， 且 最后到达由许多千瓦的冷却能力作用的非常大的废热导管。
本领域已知的常规的设计的热管可以代替在图 11 中显示的散热片 25 使用， 以将 废热从热的芯片拖入热收集器 24。例如， 可以使用捆在一起的片状的热管。热管具有比铜 大约四倍的导热率。
有机工作流体可能在相对小的废热的负荷被提取的应用中是优选的。 对于更高的 热通量， 低压下的水可能是优选的， 这是由于其高的蒸发潜热及其低的成本。 虽然水具有低 分子质量的缺点， 但是在这样的高热通量应用中的质量流可能是足够高的， 以驱动漩涡组 织体 4 和泵盘 20， 以便维持蒸气漩涡散热装置中的密封的兰金循环。普通技术人员的实验 和计算将发现用于本发明中公开的完全或部分密封的兰金循环的特定的应用中的适当的 工作流体。不可凝结气体应从壳体中清除， 使得其存在不会阻止冷凝。除围绕驱动轴 16 的 紧密密封之外， 一种用于防止运行期间的不可凝结气体的干扰的方式是壳体内的超过大气 压力 (1 巴 ) 的压力， 通过使用具有低沸点的工作流体可以获得该压力。
如本发明中公开的用于热提取和 / 或发电的密封的有机兰金循环的适当的工作 流体的一个实例是作为 Genetron 245fa 由 Honeywell 市场化的 HFC-245fa(CF3CH2CHF2)。 这个环境友好的有机化合物具有低沸点 ( 在一个大气压 100kPa 时 15 ℃ )， 且其具有高 分子重量 (134)， 所以其在任何温度下的饱和蒸气将具有比那个温度下饱和水蒸气高 得多的密度， 且因此可用低温热源驱动小型的涡轮机。在 149 ℃ (300° F) 的热源和 38℃ (100° F) 的散热装置之间运行， 其热力学效率 ( 相对于卡诺 ) 是 59.9％。蒸发器压 力是 3213kPa(466psi)， 且冷凝器压力是 132.4kPa(19.2psi)。比大气压力稍高的冷凝器压 力防止不可凝结物进入， 但没有那么高以至挑战用于驱动轴 16 的密封装置。
本发明的应用可能包括从注塑模具冷却水、 化学反应器、 旋转的机械例如涡轮机 上的密封件、 数据中心、 涡轮机废蒸汽和用在食物或饮料处理中的装置中提取废热。另一 个应用是从精炼厂或发电厂的热交换器的冷却水中提取废热， 作为浪费水的蒸发冷却塔或 热 - 污染的开放的液体冷却系统的可选方案。更有效的涡轮机废蒸汽冷凝将使发电的效率 增加以及使水保存。
又一应用是用于有机兰金循环来将废热转化为功。在这种兰金循环中， 轴 16 将连 接到外部的设备， 例如发电机或电动机， 以驱动外部的设备并不被外部的设备驱动。 循环将 是仅部分地密封的， 因为一些能量被作为功输出到外部的设备， 且一些被保存在循环中以 使泵运行。
用于依据本发明的有机兰金循环发电的热源可以是来自 IGCC 发电厂的布雷顿循 环的气体涡轮机排气。
对于有效的水蒸气循环来说太低的通常在 100℃和 350℃之间的地热热源可以用 于通过如本发明公开的有机兰金循环的发电。
结合本发明， 地下的散热装置例如含水层可提供用于从数据中心和其他源排放废 热的最后的散热装置。即使是通过大气散热装置的空气冷却可以是足够用于废热提取的。