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KR20080025411A - Venturi Ducts for Heat Transfer - Google Patents

Venturi Ducts for Heat Transfer Download PDF

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KR20080025411A
KR20080025411A KR1020087001932A KR20087001932A KR20080025411A KR 20080025411 A KR20080025411 A KR 20080025411A KR 1020087001932 A KR1020087001932 A KR 1020087001932A KR 20087001932 A KR20087001932 A KR 20087001932A KR 20080025411 A KR20080025411 A KR 20080025411A
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KR
South Korea
Prior art keywords
heat transfer
heat
venturi
duct structure
flow
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
KR1020087001932A
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Korean (ko)
Inventor
아써 윌리엄
찰스 아고스타
Original Assignee
아써 윌리엄
찰스 아고스타
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 아써 윌리엄, 찰스 아고스타 filed Critical 아써 윌리엄
Publication of KR20080025411A publication Critical patent/KR20080025411A/en
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Abstract

열펌프는 열원으로부터 더 고온인 열싱크에 열을 전달하기 위해 동력을 소비한다. 본 발명은 열원으로부터 일반적으로 온도가 더 높은 작동유체에서 베르누이 효과에 의해 열원의 온도 보다 낮은 온도로 국부적으로 냉각되는 작은 부뷴에 열이 자발적으로 전달되도록 한다. 베르누이 효과는 부속 유동을 유지하도록 형성된 벤튜리형 덕트에서 발생한다. 벤튜리에서 유동 온도, 속도, 압력구배 및 너셀 효과가 열전달을 증대시키는 작은 부분에 열전달을 제한시켜 열전달 효율을 개선한다. 이 부분에서 벤튜리 목부를 가로질러 연장하는 열전도성 그리드에 의해 열전달이 최대화 된다. The heat pump consumes power to transfer heat from the heat source to the hotter heat sink. The present invention allows for the spontaneous transfer of heat from a heat source to a small jet that is locally cooled to a temperature lower than that of the heat source by a Bernoulli effect in a generally higher working fluid. The Bernoulli effect occurs in venturi-like ducts formed to maintain an accessory flow. In venturi, the flow temperature, velocity, pressure gradient, and nussel effect limit heat transfer to small portions that increase heat transfer, improving heat transfer efficiency. At this point, heat transfer is maximized by a thermally conductive grid extending across the venturi neck.

Description

열전달용 벤튜리 덕트{VENTURI FOR HEAT TRANSFER}Venturi ducts for heat transfer {VENTURI FOR HEAT TRANSFER}

본 발명은 열원으로부터 더 온도가 높은 열싱크로 열을 이동시키는 열펌프, 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 베르누이 열펌프에 관한 것이다. The present invention relates to a heat pump, apparatus for transferring heat from a heat source to a higher temperature heat sink. More specifically, the present invention relates to a Bernoulli heat pump.

열기관은 열원으로부터 열싱크 쪽으로 열을 이동시키는 장치이다. 열기관은 열이 이동하는 방향에 따라 두 개의 기본적인 종류로 분류될 수 있다. 열은 자발적으로 "하향"으로 흐르는데 즉 저온 측으로 흐르게 된다. 물의 유동처럼 이러한 "하향" 열 흐름은 내연기관 등에 의해 기계적인 일을 얻는데 이용될 수 있다. 열을 "상향"으로 즉 고온측으로 이동시키는 장치를 열펌프라고 한다. 이 열펌프는 필연적으로 동력을 소비하게 된다. 냉동기와 공기 조화기가 이러한 열펌프의 예이다. 대부분의 열펌프는 열원과 열싱크의 온도를 포함하는 범위에서 작동유체 (1) 의 온도를 변화시켜서 작동하게 된다. 이렇게 해서 열은 자발적으로 열원으로부터 작동유체내에서 온도가 그 열원보다 낮은 부분으로 흐를 수 있게 된다. 유사하게 열은 자발적으로 작동유체 내에서 열싱크보다 온도가 높은 부분으로부터 그 열싱크로 흐르게 된다. 작동유체의 요구되는 온도 변화는 일반적으로 작동유체의 압축과 팽창에 영향을 받는다.   The heat engine is a device for moving heat from the heat source toward the heat sink. Heat engines can be classified into two basic types according to the direction of heat movement. The heat spontaneously flows downward, ie to the cold side. Like the flow of water, this "downward" heat flow can be used to obtain mechanical work by internal combustion engines and the like. A device that moves heat "up" or to the hot side is called a heat pump. This heat pump inevitably consumes power. Refrigerators and air conditioners are examples of such heat pumps. Most heat pumps operate by varying the temperature of the working fluid 1 in a range including the temperature of the heat source and the heat sink. In this way, the heat can spontaneously flow from the heat source to the lower temperature of the heat source in the working fluid. Similarly, heat spontaneously flows from the portion of the working fluid that is higher in temperature than the heat sink. The required temperature change of the working fluid is generally affected by the compression and expansion of the working fluid.

이와 대조적으로 베르누이 열펌프에서는 무작위 분자 운동(유체의 온도와 압 력에서 반영됨)을 방향성 운동(거시적 유체유동에서 반영됨)으로 전환시켜서 필요한 작동유체 온도 변화를 얻게 된다 (무작위 운동과 방향성 운동간의 구별은 분자 속도의 통계학적 분포에서 특히 명확하게 나타난다. 무작위 운동은 분포의 폭이며 방향성 운동은 동일 분포의 평균이다). 유동이 노즐 또는 벤튜리를 통과할 때처럼 유동의 단면적이 감소하면 유체는 자발적으로 무작위 분자 운동에서 방향성 운동으로 전환된다. 단면적과 함께 온도 밀도 및 압력의 연결 변화를 베르누이 원리라고 한다. 압축시에는 동력이 소비되지만 베르누이 전환에서는 그렇지 않다. 베르누이 전환의 에너지 보존 특성은 베르누이 열펌프에서 이용되는 기본적인 효율인 것이다. In contrast, Bernoulli heat pumps convert random molecular motion (reflected from fluid temperature and pressure) into directional motion (reflected from macroscopic fluid flow) to obtain the required change in working fluid temperature (the distinction between random and directional motion is This is particularly evident in the statistical distribution of molecular velocities: random motion is the width of the distribution and directional motion is the average of the same distribution). As the flow cross section decreases, such as when the flow passes through a nozzle or venturi, the fluid spontaneously switches from random molecular motion to directional motion. The change in the connection of temperature density and pressure along with the cross-sectional area is called the Bernoulli principle. Power is consumed in compression, but not in Bernoulli. The energy conservation characteristic of Bernoulli conversion is the basic efficiency used in Bernoulli heat pumps.

종래의 열펌프와 베르누이 열펌프가 도 1a 와 도 1b 에 비교되어 있다. 도 1a 에서 보는 바와 같이 종래의 열펌프는 4개의 기본 구성요소, 즉 압축기 (4), 팽창밸브 (7), 저온 열교환기 (3) 및 고온 열교환기 (2) 로 이루어져 있다. 도 1b 는 베르누이 열펌프가 팽창밸브 (7) 와 저온 열교환기 (8) 가 하는 역할을 열전달 가능한 벤튜리 (8) 로 병합한 것을 보여준다. 종래의 시스템은 비교적 적은 작동유체 유량을 위해 큰 압력 변화를 필요로 하게 되지만 베르누이 열펌프는 큰 작동유체 유량에서 더 작은 압력 변화를 필요로 한다. 따라서 종래 시스템의 압축기 (4) 구성요소(도 1a 참고)는 베르누이 열펌프에서 팬 또는 송풍기 (9) 로 대체된다 (도 1b 참고). 종래의 열펌프, 베르누이 열펌프, 열교환기, 압축기, 송풍기 및 벤튜리 모두는 폭넓게 설명하였다. 본 발명은 벤튜리를 통해 흐르는 유체에 열 (3) 이 효율적으로 전달될 수 있는 새로운 구조를 설명한다. 본 발명의 중요성은 베르누이 열펌프에 제공하는 개선된 효율에 있다. 이하의 논의에서는 이와 관련하여 본 발명이 다루고 해결할 수 있는 종래 기술의 문제점들을 설명하고자 한다. Conventional heat pumps and Bernoulli heat pumps are compared to FIGS. 1A and 1B. As shown in FIG. 1A, a conventional heat pump consists of four basic components: a compressor 4, an expansion valve 7, a low temperature heat exchanger 3 and a high temperature heat exchanger 2. 1B shows that the Bernoulli heat pump merges the role of the expansion valve 7 and the low temperature heat exchanger 8 into a heat transferable venturi 8. Conventional systems require large pressure changes for relatively low working fluid flow rates, while Bernoulli heat pumps require smaller pressure changes at high working fluid flow rates. The compressor 4 component (see FIG. 1A) of the conventional system is thus replaced by a fan or blower 9 in a Bernoulli heat pump (see FIG. 1B). Conventional heat pumps, Bernoulli heat pumps, heat exchangers, compressors, blowers and venturis have all been described extensively. The present invention describes a new structure in which heat 3 can be efficiently transferred to the fluid flowing through the venturi. The importance of the present invention lies in the improved efficiency provided to Bernoulli heat pumps. The following discussion describes the problems of the prior art that the present invention can address and solve in this regard.

도 2 와 도 3 은 베르누이 열펌프를 포함한 종래기술과 본 발명의 비교를 위한 기초를 제공한다. 도 1 은 소위 1차원 유동을 하는 압축성 기체의 온도, 밀도, 압력, 유동속도 및 단면적의 연결 변화를 보여주고 있다. 잘 알려져 있고 많이 연구된 이 현상에 대해 새롭고 논란의 여지가 있는 것은 없다. 흐르는 압축성 유체의 이들 특성의 연결 변화는 베르누이 전환을 이용하고자 하는 초기의 노력들을 서로 비교해 보고 또한 본 발명과도 비교하기 위한 간결한 기초를 제공하므로 여기서 다시 나타내었다. 1차원 유동에서 함께 변하는 4개의 양들중 임의의 한 양의 상세는 나머지 세 양에 대한 값을 암시해준다. 도 2 는 유동속도(유동속도의 제곱)와 연관된 온도, 밀도, 압력 및 단면적을 보여준다. 유동속도에는 대응하는 무차원 마하수가 부여되어 있다. 유동속도의 제곱에 따라 온도가 선형적으로 감소하는 것은 에너지 보존, 즉 무작위 운동 에너지가 방향성 운동 에너지로 전환된 직접적인 결과이다. 베르누이 효과가 나타나는 유동속도 스케일이 마하수(두 속도의 비)라는 것은 놀라운게 아니다. 도 1 에 나타난 양들은 정지 기체에서 그들의 값에 대해 정규화된 것이다. 2 and 3 provide a basis for comparison of the present invention with prior art, including Bernoulli heat pumps. FIG. 1 shows the change in the connection of temperature, density, pressure, flow rate and cross-sectional area of a compressible gas with so-called one-dimensional flow. There is nothing new and controversial about this well-known and highly studied phenomenon. The change in the linkage of these properties of the flowing compressible fluid is presented here again as it compares each other's initial efforts to exploit Bernoulli conversion and also provides a concise basis for comparison with the present invention. The detail of any one of the four quantities that change together in one-dimensional flow suggests values for the other three quantities. 2 shows temperature, density, pressure and cross-sectional area associated with flow rate (squared of flow rate). The flow rate is given the corresponding dimensionless Mach number. The linear decrease in temperature with the square of the flow velocity is a direct result of energy conservation, ie the conversion of random kinetic energy into directional kinetic energy. It is not surprising that the flow velocity scale with the Bernoulli effect is the Mach number (ratio of two velocities). The amounts shown in FIG. 1 are normalized to their values in the stationary gas.

도 2 는 미국특허 3,049,891 호와 다른 발명 및 본 발명의 관계를 바로 보여주고 있다. 미국특허 3,049,891 호에서는 유동이 초음속(마하수가 1 보다 크다)이어야 한다. 도 2 는 초음속 유동에서는 기체 온도가 정말 더 낮아짐을 보여준다. 그러나 도 2 는 또한 아음속 유동에 의한 온도 감소는 많은 실제적인 목적상 더 적 절하다는 것도 보여준다. 이와 관련하여 언급해 두고자 할 바는 도 2 에서 온도 스케일은 절대값 이라는 것이다. 즉, 예컨대 마하 1 의 유동속도에서 기체 온도는 25% 감소했다. 예컨대 정지 기체의 온도가 70°F 라면 마하 1 이 되는 벤튜리의 목부 근처에서의 온도는 제로보다 낮은 ∼60°F 이다. 도 2 에 나타난 수치값들은 단원자 기체의 비열비(즉, 5/3)가 특징인 완전 기체의 등엔트로피 유동을 가정한 것이다. 따라서 베르누이 열펌프에서 주어지는 과제는 충분히 낮은 온도의 발생이 아니라 벤튜리, 심지어 아음속 벤튜리의 목부 근처에서 나타나는 저온을 효율적으로 이용하는 것이다. Figure 2 immediately shows US Patent No. 3,049,891 and other inventions and the relationship of the present invention. In U.S. Patent 3,049,891 the flow must be supersonic (the Mach number is greater than one). 2 shows that the gas temperature is really lower in supersonic flows. However, Figure 2 also shows that the temperature reduction by subsonic flow is more appropriate for many practical purposes. In this regard, it should be noted that the temperature scale in FIG. 2 is an absolute value. In other words, at a Mach 1 flow rate, for example, the gas temperature was reduced by 25%. For example, if the temperature of the stationary gas is 70 ° F, the temperature near the neck of the venturi to be Mach 1 is -60 ° F, which is lower than zero. The numerical values shown in FIG. 2 assume the isentropic flow of the complete gas characterized by the specific heat ratio (ie 5/3) of the monoatomic gas. The challenge for Bernoulli heat pumps, therefore, is not to produce sufficiently low temperatures, but to efficiently use the low temperatures that appear near the throat of venturis and even subsonic venturis.

도 2 가 주는 두번째의 직접적인 암시는 벤튜리 목부에서 고속 유동을 유지하는데 필요한 동력이 상당할 수 있다는 것이다. 벤튜리 목부 근처에서의 압력은 벤튜리 입구에서의 압력의 대략 절반이다. 이 압력 강하가 디퓨저(벤튜리의 확대부)에 의해 회복되지 않으면 베르누이 열펌프의 잠재적인 효율이 떨어지게 된다. 디퓨저가 필요한 것 외에도 효율을 위해서는 디퓨저에서 비박리 유동을 유지해야 한다. 이러한 요건 때문에 매우 점진적으로 확대되는 디퓨저, 즉 매우 비대칭적인 벤튜리(아주 다른 축소부와 확대부를 갖는 벤튜리)가 필요하게 된다. 소위 넓은 의미의 "임계 유동 벤튜리" 와 관련된 많은 문헌은 예컨대 원추형 디퓨저의 반각(원추벽과 대칭축선 사이의 각도)이 10 도 미만이어야 함을 나타내고 있다. 비대칭 벤튜리의 효율 요건은 다루어지지 않고 있다. 미국특허 2,325,036 호, 2,441,279, 및 3,200,607 호는 베르누이 열펌프에 대해 설명하고 있지만 디퓨저의 효율과 역할에 대해서는 언급하고 있지 않다. 기 특허문헌 중 처음 2건은 항공기 기술에 관한 것 인데 항공기 기술에서는 짧은 디퓨저에서 소비되는 동력은 이용가능한 동력 중에서 무시할 수 있는 부분이다. The second direct implication of Figure 2 is that the power required to maintain high velocity flow in the venturi neck can be significant. The pressure near the venturi neck is approximately half of the pressure at the venturi inlet. If this pressure drop is not recovered by the diffuser (enlargement of the venturi), the potential efficiency of the Bernoulli heat pump will be reduced. In addition to the need for a diffuser, efficiency also requires maintaining a non-peelable flow in the diffuser. This requirement requires a very progressively expanding diffuser, a highly asymmetric venturi (a venturi with very different reductions and enlargements). Many documents related to the so-called "critical flow venturi" in the broad sense indicate that the half angle (the angle between the cone wall and the axis of symmetry) of a conical diffuser, for example, should be less than 10 degrees. The efficiency requirements of asymmetric venturis are not addressed. U.S. Patent Nos. 2,325,036, 2,441,279, and 3,200,607 describe Bernoulli heat pumps but do not mention the efficiency and role of the diffuser. The first two of these patents relate to aircraft technology, where the power consumed by a short diffuser is a negligible part of the available power.

본 발명의 촛점은 상기 네 특허문헌 중 어느 것도 다루고 있지 않는 도 2 의 제 3 의 양태에 관한 것이다. 특히 마하 1 근처의 유동속도에 대해 유동속도와 유동 단면적간에 도 2 에 나타난 관계는 유동속도가 증가함에 따라 면적의 역수가 최대값을 지남을 보여준다. 이 최대값은 라발(Laval) 노즐의 기초가 된다. 이 최대값이 주는 다른 암시는 벤튜리 축선을 따르는 거리의 함수로 생각할 때 온도, 밀도 및 압력 모두는 벤튜리 목부(면적의 역수가 최대값이 되는 부분) 근처에서 좁은 급감소(dip) 영역을 나타낸다는 것이다. 즉, 도 2 에서 보는 바와 같이 마하 1 근처에서 온도, 밀도 및 유동속도 모두는 크게 변하지만 단면적은 그의 변하지 않는다. 따라서 벤튜리 축선을 따르는 거리의 함수로 생각할 때, 또는 등가적으로 단면적의 함수로 생각할 때, 온도, 밀도 및 압력 모두는 벤튜리의 목부에서 강한 급감소를 나타낸다. 많이 연구되고 있는 특정한 벤튜리 형상 (11) 에 대한 온도 변화가 도 3 에 나타나 있다 (벤튜리 축선을 따르는 온도, 밀도, 압력 및 유동속도의 변화는 벤튜리 축선을 따르는 거리의 함수로 단면적을 특정해서 도 2 에 (암시적으로) 주어져 있다. 도 3 은 단면적의 면적 변화를 소위 "환상체형 임계 유동 벤류리" 의 것으로 하여 얻어진 것이다. 이들 장치에서 벤튜리의 축소부는 원환체형이고 확대부는 원추형이다). 벤튜리 벽이 도 3 에 도시된 급감소 영역 외부에서 열전도성이면 이 벤튜리 벽은 작동유체 유동의 다른 곳에서부터 동일 유동의 저온 목부로의 열전달을 위한 열경로를 제공한다. 즉, 작동유체 유동의 목부에 전달된 열은 동일한 작 동유체 유동의 다른 곳에서 온 것이어서 순수 이득은 없다. 순수 이득은 없지만 희생이 따른다. 작동유체 유동에 전달된 열은 열원 유동으로부터 전달된 열(원하는 효과)과 작동유체 유동의 다른 곳에서 전달된 열의 합이기 때문에 급감소 영역 외부의 열전달에 의해 원하는 열전달이 직접 감소하게 됨을 알 수 있다. 작동유체와 벤튜리 벽 간의 열전달을 도 3 에 도시된 급감소 영역에 제한하는 것이 본 발명의 촛점이다. 이러한 제한은 이전의 특허문헌에서는 다루고 있지 않다. The focus of the present invention relates to the third aspect of FIG. 2, which does not cover any of the above four patent documents. In particular, the relationship shown in FIG. 2 between the flow velocity and the flow cross-sectional area for the flow velocity near Mach 1 shows that the inverse of the area exceeds the maximum as the flow velocity increases. This maximum is the basis for the Laval nozzle. The other implication of this maximum is that as a function of distance along the Venturi axis, temperature, density and pressure all create a narrow dip near the venturi neck (where the reciprocal of the area is at its maximum). It is indicated. That is, as shown in FIG. 2, the temperature, density and flow rate all change greatly near Mach 1 but the cross-sectional area does not change. Thus, when considered as a function of distance along the Venturi axis, or equivalently as a function of cross-sectional area, temperature, density and pressure all show a strong decrease in the neck of the Venturi. The temperature change for a particular venturi shape 11, which is being studied a lot, is shown in FIG. 3 (changes in temperature, density, pressure and flow rate along the venturi axis are specified as a function of distance along the venturi axis). (Implicitly) given in Fig. 2. Fig. 3 is obtained by making the area change of the cross-sectional area so-called "annular-shaped critical flow venturi." In these devices, the reduced portion of the venturi is toric and the enlarged portion is conical). . If the venturi wall is thermally conductive outside of the sharply reduced region shown in FIG. 3, the venturi wall provides a heat path for heat transfer from the other side of the working fluid flow to the cold throat of the same flow. That is, the heat transferred to the neck of the working fluid flow comes from elsewhere in the same working fluid flow, so there is no net gain. There is no net gain, but sacrifice comes. Since the heat transferred to the working fluid flow is the sum of the heat (desired effect) transferred from the heat source flow and the heat transferred elsewhere in the working fluid flow, it can be seen that the desired heat transfer is directly reduced by heat transfer outside the abrupt reduction zone. . It is the focus of the present invention to limit the heat transfer between the working fluid and the venturi wall to the sharply reduced area shown in FIG. This limitation is not addressed in previous patent literature.

이러한 효과의 중요성은 4개의 추가적인 효과, 즉 소위 너셀(Nusselt) 효과 및 경계층과 관련된 세 효과에 의해 수정 및 증대된다. 너셀 효과는 유체 유동으로 주어지는 대류에 의해 유체-고체 계면에서 열전달이 증대되는 것이다. 유동속도는 계면에서 사라지기 때문에 고체에서 작동유체로의 열전달은 열전도에 의존하게 된다. 그러나 경계층을 넘어선 작동유체의 유동은 전도에 의해 경계층에 전달된 열을 휩쓸고 지나가게 된다(대류). 일반적으로 대류는 전도 보다 더욱더 효과적이다. 마하 1 근처의 유동속도에서 너셀 효과는 크게 된다. 예컨대 열원이 저속으로 흐르는 유체이면 작동유체에 열이 전달되는 영역은 열원 유동으로부터 열이 전달되는 영역 보다 훨씬 작을 수 있다. The importance of this effect is modified and augmented by four additional effects, the so-called Nusselt effect and three effects associated with the boundary layer. The Nussell effect is an increase in heat transfer at the fluid-solid interface by convection brought into fluid flow. Since the flow rate disappears at the interface, the heat transfer from the solid to the working fluid depends on the heat conduction. However, the flow of working fluid over the boundary layer sweeps away the heat transferred to the boundary layer by conduction (convection). In general, convection is much more effective than conduction. At the flow rate near Mach 1, the Nussel effect is large. For example, if the heat source is a slow flowing fluid, the area where heat is transferred to the working fluid may be much smaller than the area where heat is transferred from the heat source flow.

두개의 추가적인 효과는 벤튜리 벽을 따른 경계층 두께의 변화에 관계된 것이다. 벤튜리 벽에서 작동유체에 전달되는 열은 작동유체 유동의 경계층을 통과해야 한다. 경계층은 고체-유체 계면에 인접하여 흐르는 유체의 영역이다. 이 계면에서 유동속도가 사라지기 때문에 작동유체 유동의 속도는 계면 근처에서 급격하게 변하게 된다. 이러한 변화가 일어나는 좁은 영역을 경계층이라고 한다. 온도 구배 및 따라서 전도 열전달은 경계층이 얇은 곳에서 크게 증대된다. 경계층의 두께는 작동유체 유동의 방향을 따르는 압력 구배에 크게 영향을 받는다. Two additional effects are related to the change in boundary layer thickness along the venturi wall. Heat transferred from the venturi wall to the working fluid must pass through the boundary layer of the working fluid flow. The boundary layer is the region of fluid flowing adjacent to the solid-fluid interface. Since the flow velocity disappears at this interface, the velocity of the working fluid flow changes rapidly near the interface. The narrow area where these changes occur is called the boundary layer. The temperature gradient and thus the conduction heat transfer is greatly increased where the boundary layer is thin. The thickness of the boundary layer is greatly influenced by the pressure gradient along the direction of the working fluid flow.

두 경계층 효과중 첫번째 것은 압력 구배의 방향에 관계된다. 잘 알려져 있는 바와 같이, 소위 "역"(즉, 양의) 압력 구배는 경계층을 두껍게 만든다. 벤튜리의 확대부(디퓨저) 에서 "역" 압력 구배가 생기게 된다. The first of the two boundary layer effects relates to the direction of the pressure gradient. As is well known, the so-called "reverse" (ie positive) pressure gradient makes the boundary layer thicker. There is a "reverse" pressure gradient in the venturi enlargement (diffuser).

벤튜리의 축소부(여기서 축방향 압력 구배는 순방향이다)에서 내비어-스톡스 방정식을 직접 따르는 일반적인 의견에 의하면 경계층의 두께는 축방향 압력구배의 제곱근에 반비례하게 된다. 축방향 압력구배는 온도 급감소 영역에서 급격히 증가하게 된다. 온도 급감소 영역에서 이렇게 경계층이 추가로 얇아짐으로 해서 열전달을 이 영역에 제한하기 위한 네번째 동기가 생기게 된다. In the general view that directly follows the Navier-Stokes equation in the venturi's curtailment, where the axial pressure gradient is forward, the thickness of the boundary layer is inversely proportional to the square root of the axial pressure gradient. The axial pressure gradient increases rapidly in the temperature drop zone. This further thinning of the boundary layer in the temperature abatement region creates a fourth motivation for limiting heat transfer to this region.

베르누이 열펌프의 효율에 영향을 주는 다섯번째 및 마지막 고려 사항은 본 발명에서 다루고 있다. 도 3 에서 벤튜리에서 "열전달 슬라이스" 가 표시된 부분은 벤튜리 축선에서 열전달 조건이 좋은 부분을 나타낸다. 이들은 모두 대부분 작동유체 유동의 특성이다. 즉, 온도와 축방향 압력구배는 단면 둘레에 있는 얇은 경계층은 제외한 작동유체 유동의 전체 단면의 특성이다. 온도 급감소 영역의 외부에서 발생하는 점성 손실은 이득이 없는 손해를 의미한다. 본 발명의 촛점은 벤튜리에서 도 3 의 급감소 영역 외부에 있는 부분과 관련된 점성 손실을 유발하지 않고 도 3 에서 벤튜리 축선에서 "열전달" 이 표시된 얇은 부분 (10) 의 특성을 이용하는데 있다. 따라서 종래기술에서 다루고 있지 않는 도 3 의 급감소 영역과 관련하여 아래와 같은 5개의 이슈가 있다. The fifth and final considerations affecting the efficiency of Bernoulli heat pumps are addressed in the present invention. In FIG. 3, the portion marked “heat transfer slice” in the venturi represents a portion in which the heat transfer condition is good in the Venturi axis. All of these are mostly characteristics of the working fluid flow. That is, temperature and axial pressure gradients are characteristic of the entire cross section of the working fluid flow, excluding the thin boundary layer around the cross section. Viscous losses occurring outside of the temperature abatement zone represent lossless gains. The focus of the present invention is to exploit the properties of the thin portion 10 marked " heat transfer " in the Venturi axis in FIG. 3 without causing viscous losses associated with the portion outside the abrupt area of FIG. 3 in the venturi. Accordingly, there are five issues related to the sudden decrease area of FIG. 3 which are not addressed in the prior art.

1. 벤튜리 경계층의 목부를 통한 열전달의 너셀 증대, 1.Nugels of heat transfer through the neck of the venturi boundary layer,

2. 작동유체 유동의 다른 곳에서부터 급감소 영역으로의 바람직하지 않은 열전달. 2. Undesirable heat transfer from elsewhere in the working fluid flow to the abatement zone.

3. 디퓨저에서 축방향 압력구배가 순방향이 아니라는 점. 3. The axial pressure gradient in the diffuser is not forward.

4. 급감소 영역에서 벤튜리의 축소부내에 있는 부분에서 순방향 압력구배의 크기. 4. The magnitude of the forward pressure gradient at the part within the reduced part of the venturi in the steep decrease.

5. 경계층에서 도 3 의 온도 급감소 영역 외부에 있는 부분에서의 점성 손실로 인한 효율 저하. 5. Efficiency deterioration due to viscosity loss in the portion of the boundary layer outside the temperature abatement zone of FIG.

상기 5개의 도전 과제중 어느 것도 종래기술에서는 다루고 있지 않다. None of the five challenges are addressed in the prior art.

관련 기술에 대한 논의를 마침에 있어 베르누이 전환은 에너지 보존적(동력 소비가 없음)이지만 베르누이 열펌프는 영구운동 장치가 아니라는 것도 말해두고자 한다. 먼저 열역학 제 2 법칙에 따르면 열이 추가(3) 되어 다른 온도의 작동유체 유동에서 제거(2) 될 때 가역적인 일로 보상되어야 하는 순수 엔트로피 증가가 있게 된다. 이러한 제 2 법칙의 효과 때문에 도 1a, 1b에서 "열배출" 화살표를 대응하는 "열유입" 화살표보다 크게 한 것이다. 이 엔트로피 발생을 보상하는데 필요한 동력은 열이 추가되고 제거되는 온도차에 비례하게 된다. 두번째로 더욱 양적으로 중요한 경계층에서의 유동속도 변화는 역시 가역적인 일로 보상되어야 하는 점성 소산(viscous dissipation)을 암시한다. 첫 번째 효과가 주 과제라면 카르노 효율이 가까이하기 쉬울 것이다. 더 큰 과제는 경계층에서의 점성 소산으로 인한 것이다. At the end of the discussion of the relevant technology, I would say that the Bernoulli transition is energy conserving (no power consumption), but Bernoulli heat pumps are not permanent motion devices. First, according to the second law of thermodynamics, there is an increase in pure entropy that must be compensated for by reversible work when heat is added (3) and removed from the working fluid flow at different temperatures (2). Because of the effect of this second law, the " heat dissipation " arrow in FIGS. 1A and 1B is made larger than the corresponding " heat inflow " arrow. The power required to compensate for this entropy is proportional to the temperature difference at which heat is added and removed. The second, more quantitatively significant, flow rate change in the boundary layer suggests viscous dissipation, which must also be compensated for by reversible work. If the first effect is the main task, the Carnot efficiency will be close. A larger challenge is due to viscous dissipation in the boundary layer.

본 발명은 도 3 에 도시된 "열전달" 구역을 이용하는 구조 및 이 구조를 이용하는 시스템에 관한 것이다. 이 구조는 특히 벤튜리를 통해 흐르는 유체에 열이 효과적으로 전달되도록 설계된 벤튜리이다. 본 발명은 "열전달" 구역을 두 가지 유형으로 이용한다. 첫째, 열전달은 열전달 구역에 제한된다. 둘째, 열전달 구역 내의 열전달은 그 열전달 구역내에 있는 특별한 핀(fin)의 사용으로 최대화된다. The present invention relates to a structure using the "heat transfer" zone shown in FIG. 3 and to a system using the structure. This structure is a venturi specifically designed to transfer heat efficiently to the fluid flowing through the venturi. The present invention utilizes two types of "heat transfer" zones. First, heat transfer is limited to heat transfer zones. Second, heat transfer within the heat transfer zone is maximized by the use of special fins within that heat transfer zone.

본 발명의 다른 양태에 따르면 작동유체에 전달되는 열원은 흐르는 유체, 기체 또는 액체일 수 있거나 또는 열발생 전기 부품의 경우처럼 비유체일 수 있다. 유체원과 비유체원 모두에 대해 중요한 요건은 도 3 에서 "열전달" 구역으로 지정된 벤튜리 축선의 좁은 부분에 열원을 연결해주는 열전도체가 있어야 한다는 것이다. According to another aspect of the invention, the heat source delivered to the working fluid may be a flowing fluid, gas or liquid or may be non-fluid as in the case of heat generating electrical components. An important requirement for both fluid and non-fluid sources is that there must be a thermal conductor connecting the heat source to a narrow portion of the Venturi axis, which is designated as the “heat transfer” zone in FIG. 3.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면 소비되는 동력은 부속 유동(attached flow)을 유지하기 위해 디퓨저가 매우 점진적으로 확대되게 하면 줄어든다. According to another aspect of the invention, the power consumed is reduced by allowing the diffuser to expand very gradually in order to maintain an attached flow.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면 더 큰 용량 또는 더 큰 온도차를 얻기 위해 벤튜리를 다단화할 수 있다. According to another aspect of the present invention, the venturi can be cascaded to obtain a larger capacity or a larger temperature difference.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면 벤튜리 벽을 파형으로 만들면 단일 벤튜리내에서 다수의 "열전달 슬라이스" 가 얻어진다. According to another aspect of the present invention, the waveform of the venturi wall is obtained with multiple "heat transfer slices" within a single venturi.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면 작동유체로의 열전달 속도는 벤튜리를 통과하는 유동속도를 변화시켜서 연속적으로 변화시킬 수 있다. According to another aspect of the invention the heat transfer rate to the working fluid can be continuously varied by varying the flow rate through the venturi.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면 열전달 벤튜리에 기초한 시스템은 개방형 또는 폐쇄형일 수 있다. 즉, 이 시스템은 열이 추가된 작동유체를 배출시킬 수 있거나 또는 열전달 또는 다른 특성을 위해 최적화된 작동유체를 순환시킬 수 있다. According to another aspect of the invention, a system based on heat transfer venturi may be open or closed. That is, the system can drain the working fluid with added heat or circulate the working fluid optimized for heat transfer or other properties.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면 열전달 벤튜리에 기초한 시스템은 열을 "하향"으로 펌핑하는데 사용될 수 있다. 즉, 정지되어 있을 때 작동유체 보다 온도가 높은 열원은 전도에 의해 냉각된다. 작동유체를 유동시킴으로써 너셀 효과와 대류를 이용할 수 있다. 작동유체가 벤튜리를 통해 흐르면 냉각이 더욱 향상된다. 작동유체가 열전달 벤튜리를 통해 흐르면 냉각이 더욱 향상된다. According to another aspect of the invention a system based on heat transfer venturi may be used to pump heat “down”. That is, the heat source, which is higher in temperature than the working fluid when it is stopped, is cooled by conduction. By flowing the working fluid, the nussel effect and convection can be used. Cooling is further enhanced as the working fluid flows through the venturi. Cooling is further enhanced as the working fluid flows through the heat transfer venturi.

다른 열펌프 기술에서와 같이, 베르누이 열펌프는 가열 또는 냉각의 목적으로 사용될 수 있다. As with other heat pump technologies, Bernoulli heat pumps can be used for heating or cooling purposes.

도 1a 은 종래의 열펌프의 구성요소를 보여준다. 1A shows the components of a conventional heat pump.

도 1b 는 베르누이 열펌프의 구성요소를 보여준다. 1b shows the components of a Bernoulli heat pump.

도 2 는 압축성 기체의 층류 유동의 유동속도, 온도, 밀도, 압력 및 단면적의 연결 변화를 보여준다. 2 shows the change in the connection of the flow rate, temperature, density, pressure and cross-sectional area of the laminar flow of a compressible gas.

도 3 은 벤튜리내에서 축선방향 온도변화를 나타내는 그래프와 벤튜리의 "열전달" 구역를 보여주며, 점선 곡선은 상응하는 벤튜리의 형상을 나타낸다. 3 shows a graph showing the axial temperature change in the venturi and the “heat transfer” region of the venturi, with the dashed line curve representing the shape of the corresponding venturi.

도 4 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 열전달 벤튜리의 단면도이다. 4 is a cross-sectional view of a heat transfer venturi according to one embodiment of the present invention.

도 5a 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 벤튜리의 열전달 구역을 가로지르는 열전도성 핀의 그리드를 포함하는 "열전달" 구역에서 취한 직사각형 벤튜리의 단면 도이다. 5A is a cross-sectional view of a rectangular venturi taken in a “heat transfer” zone that includes a grid of thermally conductive fins across a heat transfer zone of a venturi according to one embodiment of the invention.

도 5b 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 벤튜리의 열전달 구역을 가로지르는 열전도성 핀의 그리드를 포함하는 "열전달" 구역에서 취한 비직사각형 벤튜리의 단면도이다.5B is a cross-sectional view of a non-rectangular venturi taken in a “heat transfer” zone that includes a grid of thermally conductive fins across the heat transfer zone of the venturi in accordance with one embodiment of the present invention.

도 6a 는 본 발명의 일 실시형태에 따라 증가된 용량을 얻기 위해 병렬로 단을 이룬 다수의 열전달 벤튜리의 단면도이다. 6A is a cross-sectional view of multiple heat transfer venturis staged in parallel to obtain increased capacity in accordance with one embodiment of the present invention.

도 6b 는 본 발명의 일 실시형태에 따라 증가된 용량을 얻기 위해 직렬로 단을 이룬 다수의 열전달 벤튜리의 개략도이다. 6B is a schematic of a number of heat transfer venturis staged in series to obtain increased capacity in accordance with one embodiment of the present invention.

도 7 은 본 발명의 일 실시형태에 따라 파형 벽과 다수의 "열전달" 구역을 포함하는 벤튜리의 단면도이다. 7 is a cross-sectional view of a venturi comprising a corrugated wall and multiple “heat transfer” zones in accordance with one embodiment of the present invention.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *

1: 작동유체, 열전달 베튜리에 의해 열이 추가되는 유체1: working fluid, fluid to which heat is added by heat transfer

2: (더 높은) 열싱크 온도에서 작동유체로부터 제거되는 열2: heat removed from the working fluid at a (higher) heat sink temperature

3: (더 낮은) 열원 온도에서 작동유체에 추가되는 열3: heat added to the working fluid at the (lower) heat source temperature

4: 작동유체의 온도와 압력을 높이는 압축기4: Compressor to increase working fluid temperature and pressure

5: 작동유체로부터 열싱크에 열을 전달하는 고온 열교환기5: high temperature heat exchanger transfers heat from working fluid to heat sink

6: 열원으로부터 작동유체에 열을 전달하는 저온 열교환기6: low temperature heat exchanger that transfers heat from the heat source to the working fluid

7: 작동유체의 압력을 감소시키는 팽창 밸브7: expansion valve to reduce pressure of working fluid

8: 벤튜리, 단면적이 변하는 덕트8: Venturi, duct with varying cross section

9: 작동유체 유동을 유지시키는 팬/송풍기9: Fan / Blower to Maintain Working Fluid Flow

10: 벤튜리에서 압력, 온도 및 밀도가 낮고 속도와 압력구배는 큰 단면부10: Cross section with low pressure, temperature and density, large velocity and pressure gradient in venturi

11: 일반적인 "임계 유동 벤튜리"의 단면적11: cross-sectional area of a typical "critical flow venturi"

12: 작동유체 유동에서 느리게 이동하고 비교적 고온인 부분12: slow moving and relatively hot parts of the working fluid flow

13: 작동유체 유동에서 빠르게 이동하고 비교적 저온인 부분13: Fast moving, relatively low temperature part of the working fluid flow

14: 작동유체 유동에서 압력구배가 "비순방향" 인 가속부14: Accelerator with pressure gradient "non-forward" in working fluid flow

15: 벤튜리의 "열전달" 구역에서 추가된 열을 가지고 작동유체 유동이 벤튜 리를 빠져 나갈 때의 부분 15: Part of the working fluid flow exiting the venturi with added heat in the "heat transfer" section of the venturi

16: 벤튜리 벽16: Venturi Wall

17: 도면의 평면안으로 또는 밖으로 흐르는 열원 유체17: Heat source fluid flowing into or out of the plane of the drawing

18: 열원 유동으로부터 작동유체 유동에 열을 전달하는 열전도체18: heat conductor transfers heat from the heat source flow to the working fluid flow

18: 벤튜리로부터 작동유체 유동에 열을 전달하는 열전도성 핀18: Thermally conductive fins transfer heat from the venturi to the working fluid flow

본 발명은 베르누이 열펌프에 사용되는 개선된 열전달 구조를 제공한다. 이 열전달 구조의 실시형태들이 도 4∼7 에 제시되어 있다. 모든 실시형태는 도 3 에 표시된 벤튜리의 "열전달" 구역을 이용한다. 이 열전달 구역은 두 가지의 기본적인 방식으로 이용된다. 첫째, 벤튜리를 관류하는 작동유체로의 열전달은 "열전달" 구역 (10) 에 제한된다. 둘째, "열전달" 구역 (10) 내에서의 열전달은, 벤튜리의 "열전달" 구역 내에서의 열전달에 이용될 수 있는 표면적을 증대시키는 역할을 하는 열전도성 핀을 제공함으로써 최대화된다. The present invention provides an improved heat transfer structure for use in Bernoulli heat pumps. Embodiments of this heat transfer structure are shown in FIGS. 4 to 7. All embodiments use the "heat transfer" zone of the venturi shown in FIG. 3. This heat transfer zone is used in two basic ways. First, heat transfer to the working fluid flowing through the venturi is limited to the "heat transfer" zone 10. Second, heat transfer in the “heat transfer” zone 10 is maximized by providing a thermally conductive fin that serves to increase the surface area available for heat transfer within the “heat transfer” zone of the Venturi.

도 4 는 열전달 구조가 비대칭 벤튜리 (16) (축소부와 확대부가 서로 다른 형상으로 된 벤튜리)의 형태로 된 제 1 실시형태를 보여준다. 작동유체는 베르누이 전환을 격게 된다. 화살표 길이는 유동속도를 나타내기 위한 것으로 긴 화살표는 더 높은 속도를 나타낸다. 작동유체가 벤튜리 (12) 에 들어가면 기체는 느리게 이동하고 비교적 고온이며 또한 비교적 밀도가 높다. 단면적이 감소함에 따라 일정한 질량 유량을 유지하기 위해 유동속도는 증가되어야 한다. 이러한 유동속도의 증가에 필요한 에너지는 도 2 에서 보는 바와 같이 온도에 반영되는 무작위 운동 에너지로부터 얻어진다 (온도는 유동속도의 제곱의 변화에 비례하여 낮아지게 되는데 이를 베르누이 효과라 한다). 그래서 기체가 벤튜리를 통해 흐름에 따라 유동속도는 최소 단면적에서 최대 (13) 에 이를 때까지 증가하게 된다 (유동속도의 축선방향 변화는 도 3 에 도시된 온도의 변화와 거울상 관계에 있다). 벤튜리의 디퓨저 부분에서 단면적이 증가하기 시작함에 따라 기체가 벤튜리 출구 (15) 쪽으로 흐름에 따라 유동속도는 감소하고(14), 벤튜리 출구에서 열전도성 재료 (18) 를 통해 열원 유동 (17) 으로부터 열이 전달된 정도로 기체의 온도가 올라게 된다. 본 발명에서 중요한 점은 작동유체에 열전도체 (18) 가 노출되는 것은 도 3 에 표시된 "열전달" 구역 (10) 에 제한된다는 것이다. 벤튜리 벽 (16) 은 "열전달" 구역 (10) 의 외부 모든 곳에서 절연되어 있다. 특히 이러한 구조에 의해 작동유체의 다른 영역으로 부터 작동유체의 "열전달" 구역 (10) 으로 원치 않는 열전달이 일어나는 것을 막을 수 있다. FIG. 4 shows a first embodiment in which the heat transfer structure is in the form of an asymmetric venturi 16 (venturi with reduced and enlarged portions). The working fluid suffers a Bernoulli shift. The length of the arrow is for indicating the flow rate and the longer arrow is for the higher velocity. When the working fluid enters the venturi 12, the gas moves slowly and is relatively hot and relatively dense. As the cross-sectional area decreases, the flow rate must increase to maintain a constant mass flow rate. The energy required to increase the flow rate is obtained from the random kinetic energy reflected in the temperature as shown in FIG. 2 (the temperature is lowered in proportion to the change in the square of the flow rate, which is called the Bernoulli effect). Thus, as the gas flows through the venturi, the flow velocity increases until it reaches maximum (13) at the minimum cross-sectional area (the axial change in flow velocity is mirror image of the change in temperature shown in FIG. 3). As the cross-sectional area in the diffuser portion of the venturi begins to increase, the flow rate decreases as the gas flows toward the venturi outlet 15 (14), and the heat source flow (17) through the thermally conductive material (18) at the venturi outlet The temperature of the gas rises to the extent that heat is transferred from it. An important point in the present invention is that the exposure of the thermal conductor 18 to the working fluid is limited to the “heat transfer” zone 10 shown in FIG. 3. The venturi wall 16 is insulated everywhere outside of the “heat transfer” zone 10. In particular, this structure prevents unwanted heat transfer from other areas of the working fluid into the "heat transfer" zone 10 of the working fluid.

도 4 에 도시된 열원은 흐르는 유체이며 이는 실례로 선택된 것이다. 열원의 특성과 열전도체 (18) 에 대한 그의 열적 커플링은 상당히 임의적이다. 본 발명에 서 특이한 점은 작동유체로의 열전달이 "열전달" 구역 (10) 에 제한된다는 것이다. The heat source shown in FIG. 4 is a flowing fluid, which is illustratively selected. The nature of the heat source and its thermal coupling to the heat conductor 18 are quite arbitrary. What is unique about the present invention is that heat transfer to the working fluid is limited to the "heat transfer" zone 10.

본 발명의 제 2 기본 구성요소는 도 5 에 있는 벤튜리의 "열전달" 구역의 확대 단면도로 도시된 추가적인 구조이다. 도 4 와 비교하여 도 5 에서는 벤튜리의 "열전달" 구역은 도면의 평면내에 있다. 여기서 작동유체로의 열전달은 벤튜리 벽 (20)으로부터 작동유체 유동내로 연장된 열전도성 핀 (19) 에 의해 증대된다. 열교환을 증가시키기 위해 핀을 사용하는 것은 일반적이다. 이러한 점 외에 본 발명 특유의 점은 유동방향 즉 벤튜리의 축선에 평행한 방향으로 핀의 범위가 제한되어 있다는 것이다. 여기서 핀은 "열전달" 구역 (10) 에 국한된다. 사용되는 핀의 패턴은 상당히 임의적이다. 도 5a 와 5b 는 "열전달" 구역 (10) 내에서 벤튜리를 가로질러 연장해 교차하여 그리드 (19) 를 형성하는 핀을 보여준다. 이러한 그리드 구조의 유용한 시각화는 테니스 라켓, 사과 응어리 채취 기구(corer) 및 (평면) 차여과기로 주어질 수 있다. 도 5a 와 5b 는 또한 벤튜리의 단면 형상의 임의성을 강조하는 역할도 한다. 많은 벤튜리는 원통 대칭형을 갖지만 이는 필수적인 요건은 아니다. The second basic component of the invention is an additional structure shown in an enlarged cross sectional view of the “heat transfer” zone of the venturi in FIG. 5. In FIG. 5, the “heat transfer” zone of the venturi is in the plane of the drawing as compared to FIG. The heat transfer to the working fluid here is augmented by thermally conductive fins 19 extending from the venturi wall 20 into the working fluid flow. It is common to use fins to increase heat exchange. In addition to this point, the unique point of the present invention is that the range of the fin is limited in the direction of flow, that is, the direction parallel to the axis of the venturi. The fins here are localized in the "heat transfer" zone 10. The pattern of pins used is quite arbitrary. 5A and 5B show fins extending across the venturi in the “heat transfer” zone 10 to intersect to form a grid 19. Useful visualization of this grid structure can be given with tennis rackets, apple corer and (planar) filter. 5A and 5B also serve to emphasize the randomness of the cross-sectional shape of the venturi. Many venturis have cylindrical symmetry, but this is not a requirement.

본 발명의 다른 양태는 열전도성 핀의 단면 형상에 관한 것이다. 이 핀의 단면 형상은 에어포일형이며 핀에 의해 작동유체 유동에 가해지는 공기역학적 항력(drag)이 최소하되로록 설계된다. 항력의 일반적으로 큰 성분, 소위 "압력" 성분은 핀의 공기역학적 단면 형상에 의해 무시할만하게 작게 된다. 더 일반적인 에어포일과는 다르게 본 발명의 열전도성 핀은 양력(lift)을 제공할 필요가 없으며 또한 받음각(angle of attack)을 변화시킬 필요도 없다. 따라서 본 발명의 핀은 얇아 질 수 있고 또한 작동유체 유동의 유선을 따라 배향될 수 있어 항력을 더욱 줄일 수 있다. 이와 관련하여 고정 에어포일 배열이 덕트 유동에서 난류를 억제하기 위해 종종 사용된다. Another aspect of the invention relates to the cross-sectional shape of a thermally conductive fin. The cross-sectional shape of the pin is airfoil and is designed to minimize the aerodynamic drag applied to the working fluid flow by the pin. The generally large component of drag, the so-called "pressure" component, is negligibly small due to the aerodynamic cross-sectional shape of the pin. Unlike the more common airfoils, the thermally conductive fins of the present invention do not need to provide a lift and also do not need to change the angle of attack. Thus, the fin of the present invention can be thinner and can be oriented along the streamline of the working fluid flow, further reducing drag. In this regard a fixed airfoil arrangement is often used to suppress turbulence in duct flow.

그리드 요소에 관한 다른 설계 자유도는 벤튜리 벽으로부터 멀어짐에 따라 그리드 요소의 단면을 변화시킬 수 있다는 것이다. 이러한 설계 자유도에서는 열전도성과 구조적 강도 사이에 트레이드오프(tradeoff)가 있게 된다. 구조적 강도를 확보하기 위해서는 벤튜리 벽으로부터의 거리가 증가함에 따라 면적을 증가시켜야 한다. 열전도성의 경우에는 그 반대이다. 적절한 균형은 그리드 요소에 사용되는 재료에 달려 있다. Another design degree of freedom for the grid element is that it can change the cross section of the grid element as it moves away from the venturi wall. In this design degree of freedom there is a tradeoff between thermal conductivity and structural strength. To ensure structural strength, the area must be increased as the distance from the venturi wall increases. In the case of thermal conductivity, the opposite is true. Proper balance depends on the material used for the grid elements.

"열전달" 구역을 이용하지 않는 베르누이 열펌프에서처럼 본 발명의 다수의 열전달 벤튜리는 더 큰 용량을 얻기 위해 병렬로 또는 더 높거나 더 낮은 온도를 얻기 위해 직렬로 구성될 수 있다. 이러한 구성은 도 6a 와 6b 에 도시되어 있다. As with Bernoulli heat pumps that do not use the "heat transfer" zone, a number of heat transfer venturis of the present invention can be configured in parallel to obtain greater capacity or in series to obtain higher or lower temperatures. This configuration is shown in Figures 6a and 6b.

열전달 구역의 스케일에서 난류와 항력을 최소화하기 위해 핀-그리드의 단면을 최적화할 수 있는 것과 같이 항력을 줄이고 따라서 작동유체 유동을 유지하기 위해 송풍기/팬 기구 (9) 에 요구되는 동력을 줄이기 위해 전체 벤튜리, 특히 디퓨저의 형상을 독립적으로 최적화할 수 있다. 이와 관련한 일반적인 요건은 부속 유동을 유지하기 위해 벤튜리의 디퓨저 부분에서의 단면적을 아주 점진적으로 확대시켜야 한다는 것이다. 부속 유동은 공기역학적 항력의 최대 성분, 즉 소위 압력항력을 최소화시켜 점성 손실과 관련된 더 작은 성분만 남게 하는 역할을 한다. 마하 1 의 유동을 얻는데 필요한 압력강하의 95% 가 회복된 것으로 보고되어 있다. To reduce the drag and thus reduce the power required on the blower / fan mechanism (9) to maintain the working fluid flow, such as to optimize the cross section of the fin-grid to minimize turbulence and drag on the scale of the heat transfer zone. The shape of venturis, especially diffusers, can be optimized independently. A common requirement in this regard is that the cross-sectional area at the diffuser portion of the venturi must be enlarged very gradually to maintain the accessory flow. The accessory flow serves to minimize the maximum component of the aerodynamic drag, the so-called pressure drag, leaving only the smaller component associated with the loss of viscosity. It has been reported that 95% of the pressure drop needed to obtain Mach 1 flow has recovered.

다른 설계 방안은 본 발명이 작동하는 유동속도에 관계된다. 작동유체의 상변화에 기초하는 전통적인 열펌프와는 대조적으로 베르누이 열펌프의 작동조건은 쉽고 연속적으로 변화될 수 있다. 특히 열싱크 유동의 유동속도 및 따라서 온도는 열싱크 유동을 유지하는 송풍기에 제공되는 동력을 변화시켜 변할 수 있다. 이러한 자유도와 관련한 중요한 암시는 종래 시스템은 시동시 비효율적이다 라는 것이다. 본 발명을 포함하여 베르누이 열펌프에서는 염펌핑 속도는 연속적으로 변할 수 있어 시동 과도기와 그의 비효율성을 효과적으로 제거할 수 있다. 예컨대 작동유체 유동을 유지시키는 송풍기는 온도조절 장치에 의해 제어될 수 있다. 연속적인 변화와 제어의 두번째 이득은 더 작은 온도차에서도 열역학적으로 허용된 효율의 증가이다(카르노 효율은 열이 펌핑되는 온도차에 반비례한다. 따라서 본 발명은 더 작은 온도차에 대해 더 긴 작동과 관련된 효율 이득을 준다. Another design approach relates to the flow rate at which the present invention operates. In contrast to traditional heat pumps based on a phase change of the working fluid, the operating conditions of the Bernoulli heat pump can be changed easily and continuously. In particular, the flow rate of the heat sink flow and thus the temperature can be varied by varying the power provided to the blower maintaining the heat sink flow. An important implication regarding this degree of freedom is that conventional systems are inefficient at startup. In the Bernoulli heat pump including the present invention, the salt pumping speed can be continuously changed to effectively eliminate the starting transient and its inefficiency. For example, a blower that maintains working fluid flow can be controlled by a thermostat. The second benefit of continuous change and control is the increase in thermodynamically acceptable efficiency even at smaller temperature differences (Carno efficiency is inversely proportional to the temperature difference at which heat is pumped. Thus, the present invention provides efficiency gains associated with longer operation over smaller temperature differences. Gives.

마지막으로 도 7 은 단일 벤튜리내에서 다수의 "열전달" 구역을 만들기 위해 설계된 파형 벤튜리 벽을 나타낸다. 즉, 이 벤튜리 벽은 "열전달" 구역 외부에서 단열되어 있지만 도 7 에서 보는 바와 같이 다수의 "열전달" 구역이 존재한다. Finally, Figure 7 shows a waveform venturi wall designed to create multiple "heat transfer" zones within a single venturi. That is, the venturi wall is insulated outside the “heat transfer” zone but there are a number of “heat transfer” zones as shown in FIG. 7.

*용어 정의** Term Definition *

벤튜리: 축선을 따라 단면적이 변하는 유체유동 덕트 또는 채널을 말한다. 덕트 축선을 따라 단면적이 변할 때 하나 이상의 최소 국부 단면적이 존재한다. 대부분의 벤튜리는 단면적이 축선을 따라 증가하는 디퓨저 구역을 갖고 있지만 벤 튜리에 대한 본 발명의 정의에서는 디퓨저 구역이 짧거나 존재하지 않는 노즐도 포함한다. 이러한 확장으로 본 발명을 동력 소비가 중요하지 않은 분야에도 적용시킬 수 있다. Venturi : A fluid flow duct or channel whose cross-sectional area changes along the axis. At least one minimum local cross section exists when the cross section changes along the duct axis. Most venturis have diffuser zones whose cross-sectional area increases along the axis, but the definition of the present invention for venturi also includes nozzles with short or no diffuser zones. This extension allows the present invention to be applied to applications where power consumption is not important.

작동유체: 온도가 국부적으로 변하여 작동유체 내외로 열이 자발적으로 흐를 수 있게 되는 유체. Working fluid : A fluid whose temperature changes locally so that heat can spontaneously flow into and out of the working fluid.

작동유체 유동: 벤튜리 구조를 통한 작동유체의 유동. Working fluid flow : The flow of working fluid through the venturi structure.

단면적: 벤튜리 축선에 수직인 면과 벤튜리 표면이 교차하여 생긴 폐곡선내의 면적. Cross-sectional area : The area within a closed curve formed by the intersection of a plane perpendicular to the venturi axis with the venturi surface.

열전달 구역: 벤튜리 축선에 수직인 두 평면 사이에서 벤튜리 목부 근처에 있는 부분으로, 저온과 빠른 유속이 특징이다 (도 3 참고) Heat transfer zone : A section near the Venturi neck between two planes perpendicular to the Venturi axis, characterized by low temperatures and high flow rates (see FIG. 3).

핀(fin): 열전도성 표면으로부터 이 표면에 인접한 유체유동내로 연장해 있으며 높은 열전도성 재료로 이루어진 구조로서 이의 목적은 유동 저항을 최소화하면서 상기 표면과 유체유동 사이의 열전달에 이용가능한 표면적을 증대시키는 것이다. Fin : extends from a thermally conductive surface into a fluid flow adjacent to the surface and consists of a high thermally conductive material whose purpose is to increase the surface area available for heat transfer between the surface and the fluid flow while minimizing flow resistance. .

디퓨저: 벤튜리에서 축선과 유동 방향을 따라 단면적이 단조적으로 증가하는 부분. Diffuser : The portion of the venturi that monotonously increases in cross-section along the axis and flow direction.

Claims (17)

유체 유동을 안내할 수 있는 솔리드 열전달 벤튜리 덕트 구조로서, Solid heat transfer venturi duct structure that can direct fluid flow. 상기 덕트의 단면적은 그 축선을 따라 변하며, The cross-sectional area of the duct varies along its axis, 상기 단면적이 변하는 중에 하나 이상의 최소 국부 단면적이 존재하며, One or more minimum local cross sectional areas are present while the cross sectional area is changing, 상기 덕트의 벽은 이 덕트의 하나 이상의 단면부(슬라이스)를 제외하고는 단열되어 있으며 상기 단면부에서 유체 유동의 특성(온도와 경계층 두께)은 덕트벽으로부터 유체 유동으로의 열전달에 기여하고, The walls of the duct are insulated except for one or more cross sections (slices) of the duct and the nature of the fluid flow (temperature and boundary layer thickness) in the cross section contributes to heat transfer from the duct wall to the fluid flow, 상기 덕트의 열전도성 부분은 열전도체를 통해 열원에 연결되어 있는 열전달 벤튜리 덕트 구조. A heat transfer venturi duct structure in which the thermally conductive portion of the duct is connected to a heat source through a thermal conductor. 제 1 항에 있어서, 상기 덕트벽의 열전도성 부분으로부터 상기 덕트 구조의 내부안으로 연장하는 하나 이상의 열전도성 핀을 포함하는 열전달 벤튜리 덕트 구조. The heat transfer venturi duct structure of claim 1, comprising one or more thermally conductive fins extending into the interior of the duct structure from the thermally conductive portion of the duct wall. 제 2 항에 있어서, 상기 핀은 상기 덕트를 가로질러 연장하는 열전달 벤튜리 덕트 구조. 3. The heat transfer venturi duct structure of claim 2, wherein the fins extend across the duct. 제 2 항에 있어서, 상기 다수의 열전도성 핀은 상기 덕트의 열전도성 단면 부내에서 열전도성 그리드를 형성하는 열전달 벤튜리 덕트 구조. 3. The heat transfer venturi duct structure of claim 2, wherein the plurality of thermally conductive fins form a thermally conductive grid within the thermally conductive cross-section of the duct. 제 2 항에 있어서, 상기 핀은 상기 열전달 덕트 구조를 통해 흐르는 상기 유체에 대한 공기역학적 항력이 최소화되도록 형성되어 있는 열전달 벤튜리 덕트 구조.3. The heat transfer venturi duct structure of claim 2, wherein the fin is formed to minimize aerodynamic drag on the fluid flowing through the heat transfer duct structure. 제 2 항에 있어서, 상기 유체에 대한 항력을 줄이기 위해 상기 핀은 상기 열전달 덕트 구조를 통해 흐르는 상기 유체의 유선에 정렬되어 있는 열전달 벤튜리 덕트 구조. 3. The heat transfer venturi duct structure of claim 2, wherein the fins are aligned with the streamline of the fluid flowing through the heat transfer duct structure to reduce drag on the fluid. 제 2 항에 있어서, 상기 핀의 단면적은 상기 벤튜리 벽에서 멀어짐에 따라 감소하는 열전달 벤튜리 덕트 구조.3. The heat transfer venturi duct structure of claim 2, wherein the cross sectional area of the fin decreases away from the venturi wall. 제 1 항에 있어서, 열전달 속도는 상기 열전달 덕트 구조에서의 압력강하의 변화에 의해 제어되는 열전달 벤튜리 덕트 구조.The heat transfer venturi duct structure of claim 1, wherein the heat transfer rate is controlled by a change in pressure drop in the heat transfer duct structure. 제 1 항에 있어서, 디퓨저를 포함하는 열전달 벤튜리 덕트 구조. The heat transfer venturi duct structure of claim 1, comprising a diffuser. 제 9 항에 있어서, 상기 디퓨저는 부속 유동을 유지하도록 충분히 서서히 확대되는 열전달 벤튜리 덕트 구조.10. The heat transfer venturi duct structure of claim 9, wherein the diffuser expands slowly enough to maintain an accessory flow. 제 1 항에 있어서, 상기 덕트는 유동을 그의 국부 주변 환경으로 배출하는 열전달 벤튜리 덕트 구조.The heat transfer venturi duct structure of claim 1, wherein the duct discharges flow to its local surroundings. 베르누이 열펌프 시스템으로서, Bernoulli heat pump system 열원, Heat Source, 청구항 1 에 따른 열전달 벤튜리 덕트 구조, Heat transfer venturi duct structure according to claim 1, 상기 열원과 상기 열전달 벤튜리 덕트 구조의 열전도성 구역 사이에 있는 열적 연결부, A thermal connection between the heat source and the thermally conductive zone of the heat transfer venturi duct structure, 상기 열전달 덕트 구조에 흐르는 작동 유체, Working fluid flowing in the heat transfer duct structure, 상기 덕트 구조를 통한 작동유체 유동을 유지시키는 송풍기 기구, 및A blower mechanism for maintaining a working fluid flow through the duct structure, and 상기 열전달 벤튜리 덕트 구조와 상기 송풍기 기구를 연결시키는 덕트 구조를 포함하는 베르누이 열펌프 시스템. Bernoulli heat pump system comprising a duct structure for connecting the heat transfer venturi duct structure and the blower mechanism. 제 12 항에 있어서, 상기 열원의 온도는 작동유체의 온도 보다 높은 베르누이 열펌프 시스템. 13. A Bernoulli heat pump system according to claim 12, wherein the temperature of the heat source is higher than the temperature of the working fluid. 제 12 항에 있어서, The method of claim 12, 열싱크, Heat Sink, 상기 작동유체 유동에서 상기 열싱크로 열을 전달하는 열교환 기구, A heat exchange mechanism for transferring heat from the working fluid flow to the heat sink, 상기 송풍기 기구를 상기 열교환 기구에 연결하는 덕트 구조, 및 A duct structure connecting the blower mechanism to the heat exchange mechanism, and 상기 열교환 기구를 상기 열전달 벤튜리 덕트 구조의 입구에 연결하는 덕트 구조를 더 포함하는 베르누이 열펌프 시스템. Bernoulli heat pump system further comprising a duct structure for connecting the heat exchange mechanism to the inlet of the heat transfer venturi duct structure. 유체 유동에 열을 전달하는 방법으로서, A method of transferring heat to a fluid flow, 청구항 1 에 따른 열전달 벤튜리 덕트 구조를 통한 유체 유동을 유지하는 압력 강하를 유지시키는 단계와, Maintaining a pressure drop that maintains fluid flow through the heat transfer venturi duct structure according to claim 1, 상기 열전달 벤튜리 덕트 구조의 열전달 슬라이스의 하나 이상의 열전도성 단면부로의 열흐름을 유지시키는 단계를 포함하는 방법. Maintaining heat flow of the heat transfer slice of the heat transfer venturi duct structure to one or more thermally conductive cross-sections. 제 1 항에 있어서, 상기 덕트벽과 유체 유동 사이의 열전달 속도는 압력 강하의 변화로 제어되는 열전달 벤튜리 덕트 구조. The heat transfer venturi duct structure of claim 1, wherein the heat transfer rate between the duct wall and the fluid flow is controlled by a change in pressure drop. 제 1 항에 있어서, 상기 열전도체는 상기 유체 유동에 노출되는 경우 보다 두배 이상 큰 표면적으로 상기 열원에 노출되는 열전달 벤튜리 덕트 구조, The heat transfer venturi duct structure of claim 1, wherein the heat conductor is exposed to the heat source with a surface area that is at least twice as large as when exposed to the fluid flow.
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