CN109716054A - 斐波那契优化径向热交换器 - Google Patents

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杰拉尔德·A·菲奥里迪
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Abstract

一种用于将热能传递到径向流过多个柱或管的气体或流体的传热装置，或从径向流过多个柱或管的气体或流体来传递热能的传热装置，包括具有板表面的板。多个柱或管设置在板表面上并且基本垂直于板表面而突出。根据叶序布置而设置多个柱或管中的至少约50％。叶序布置的多个叶序螺旋弧的每个弧终止于沿着板上的弧半径的不同位置处，其中叶序弧终止半径小于周边半径。

Description

斐波那契优化径向热交换器
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年6月6日提交的共同未决的美国临时专利申请序列号62/346,085，名为“FIBONACCI OPTIMIZED RADIALHEAT EXCHANGER”，以及在2017年5月31日提交的美国专利申请序列号15/609,331，名为“FIBONACCI OPTIMIZED RADIALHEAT TRANSFER”的优先权和权益，这些申请通过引用整体并入本文。
技术领域
本申请涉及热交换器，并且特别涉及用于径向热交换器的热交换器管或杆分配。
背景技术
加热水的有效方法是使来自燃烧器的热气体流过热水加热器的热交换器。通常通过使水或加热的气体(例如烟道气)通过多个管同时水或加热的气体中的另一个在管的外部而将热气体的热能传递到水中。一种常见类型的圆柱形热交换器具有两个或更多个管板以支撑圆筒内的多个管。沿纵向延伸通过圆筒的管沿管板分布。
发明内容
根据一个方面，一种用于将热能传递到径向流过多个柱或管的气体或流体的传热装置、或从该气体或流体传递热能的传热装置，包括具有板表面的板。多个柱或管设置在板表面上并且基本垂直于板表面而突出。根据叶序布置设置多个柱或管中的至少约50％。叶序布置的多个叶序螺旋弧的每个弧终止于沿着板上的弧半径的不同位置处，其中叶序弧终止半径小于周半径。
在一个实施例中，所述多个柱或管中的至少一个或多个柱或管包括热管。
在另一个实施方案中，所述多个柱或管中的至少一个或多个柱或管的表面包括纳米纹理或半多孔表面处理或材料沉积。
在又一个实施方案中，所述多个柱或管中的至少一个或多个柱或管的表面包括表面处理或可变密度表面处理。
在又一个实施例中，叶序布局包括斐波纳契优化的径向热传递(FORHT)图案，并且多个叶序螺旋弧包括第一数量的顺时针螺旋弧和第二不同数量的逆时针螺旋弧。
在又一个实施例中，第一数量的顺时针螺旋弧包括第一斐波纳契数，第二不同数量的逆时针螺旋弧包括第二斐波那契数，第一斐波纳契数和第二斐波纳契数是连续的斐波那契数。
在又一个实施例中，板包括具有孔图案的第一管板，其中多个管中的每个管机械性地固定在孔图案的每个孔中。
在又一个实施例中，传热装置还包括第二管板，该第二管板具有与第一管板基本相同的孔图案。多个管中的每个管在每个管的与第一管板相对的一端处机械性地固定在孔图案的每个孔中。
在又一个实施例中，第一管板和所述多个管设置在圆柱形外壳中。
在又一个实施例中，传热装置包括热水加热器的热交换器。
在又一个实施例中，气体流过每个管，并且流体沿着多个外管壁在圆柱形外壳中大致径向流动，以在气体和流体之间交换热能。
在又一个实施例中，传热装置还包括至少一个环形挡板，以使进入热交换器的冷水径向流动。
在又一个实施例中，传热装置还包括至少一个盘挡板，以在从热交换器的圆柱形外壳的内壁表面朝向圆柱形外壳的中心长轴的方向上引起水的大致径向流动。
在又一个实施例中，传热装置还包括至少一个盘挡板和至少一个相邻的环形挡板，以在从圆柱形外壳的内壁表面朝向相邻的环形挡板中心开口的方向上引起大致径向的水流。
在又一个实施例中，柱或管包括散热器的柱或管。
在又一个实施例中，传热装置还包括风扇，用于沿着所述多个柱或管的每个柱或管的长轴方向将冷却空气吹入多个柱或管中，使得空气流变成横跨柱或管的基本对称的径向流动模式，以产生通过板上方的多个柱或管的基本均匀的径向空气流。
在又一个实施例中，散热器还包括至少一个挡板，以实现基本垂直于多个柱的径向气流。
根据以下描述和权利要求，本申请的前述和其他方面，特征和优点将变得更加明显。
附图说明
参考下面描述的附图和权利要求，可以更好地理解本申请的特征。附图不一定按比例绘制，而是通常将重点放在说明本文所述的原理上。在附图中，各个视图中相同的数字用于表示相同的部件。
图1示出了示例性笛卡尔坐标管板布局的图示；
图2A示出了另一示例性径向管板布局的图示；
图2B示出了图2A的管板布局的放大视图；
图3A示出了根据新的斐波那契(Fibonacci)优化径向热传递(FORHT)管板布局管板系统和方法计算孔位置的示例性工作表的表格。
图3B示出了图3A的计算的FORHT管板布局的图表。图3A；
图4A示出了示例性FORHT管板图案；
图4B示出了较大的FORHT管板的又一示例性实施例；
图5示出了以N＝0开始，跳过N＝1-9的FORHT管板的另一示例性实施例；
图6示出了具有挡板的示例性FORHT散热器的示意流程图；
图7示出了具有挡板的示例性FORHT热交换器的示意流程图；和
图8示出了示例性FORHT图案的图，该图案限定了八个逆时针螺旋弧和十三个顺时针螺旋弧；
图9示出了示例性FORHT图案解决方案，其提供由箭头表示的径向热能流，基本上没有优选的流路；
图10示出了现有技术的示例性HEX图案，作为对照；
图11示出了现有技术的另一示例性同心环图案；
图12A示出了示例性双板叶序热交换器的FORHT流动模式的示意图；
图12B示出了图12A的叶序热交换器的端视图；
图12C示出了图12A的叶序热交换器的等距视图；
图13A示出了单板叶序散热器的示例性实施例的等距视图；和
图13B示出了图13A的单板叶序散热器的空气流程图。
具体实施方式
定义：
热交换器：如下文所用的热交换器包括如下结构：该结构通过使用固体结构从固体、液体或气体交换或传递热量至另一种不同的固体、液体或气体交换或。例如，散热器，例如电子应用中使用的散热器，通常通过固体散热器结构将热量从一个或多个电子封装的固体壳体传递到空气。或者，例如，在热水器中，热交换器通常包括多个管，这些管将热能从热烟道气传递以加热冷水。烟道气可以通过管子以在热交换器外壳中加热管子外部的水。或者，待加热的水可以流过管子，烟气沿着热交换器管的外部流动，同时使待加热的水流动。
柱和管：通常，管是圆柱形管。然而，如下文所用，管包括任何合适形状的任何长型结构，其允许气体或流体在其内纵向流动，并且另一气体或流体沿外表面流动，以便在管内的气体或流体与流过管外表面的气体或流体之间交换热能。例如，管可以是方形或矩形管，其内部具有方形纵向路径。可以使用任何合适的外部几何形状的管。类似地，内部纵向通道可以是正方形、矩形，圆形或具有任何其他合适形状的开口。诸如散热器的柱之类的柱，通常通过传导到固体柱或从固体柱传导热能到达流经或流过多个柱中每个柱的外表面的气体或流体。柱可以是圆形、矩形、正方形、三角形或任何合适的柱形。
热管：下文中的任一个管或柱可以部分或全部由热管替代。热管通过蒸发-冷凝循环将热量从一端传递到另一相对端，通常基于液体和气体之间的相变。
周半径(perimeter radius)：根据新的斐波纳契优化径向传热(FORHT)布局，柱和/或管可以分布在任何合适板的任何合适的表面上，如下文更详细描述的。FORHT布局具有圆形对称图案，其可以在图案半径内定义。此外，图案半径可以落在周半径内，以与传热装置的外边缘具有足够的间隙。支撑FORHT布局的柱和/或管的板的形状不是重要的。例如，板可以是圆形板，其中周半径是圆形板的半径。或者，在其他示例性实施例中，板可以是正方形或矩形板，其包括非圆形板表面上的周半径。类似地，周半径可以由设置在圆形或非圆形板上或上方的圆柱形外壳的内壁表面限定。
如上所述，加热水的有效方法是使来自燃烧器的热气体流过热水加热器的热交换器。热气体的热能通常通过如下过程而传递到水中：使加热的气体(例如烟道气)通过多个管，将水或加热的气体通过管的外部。一种常见类型的圆柱形热交换器具有两个或更多个管板以支撑圆筒内的多个管。沿纵向延伸通过圆筒的管沿管板分布。
例如，Fioriti的美国专利申请No.13/892,920，名为“WATERHEATING APPARATUSWITH PARALLEL HEATEXCHANGERS”，该专利也被转让给当前的受让人AERCO，International，Inc.,其中描述了这种热交换器，在第一流体(优选为热气体)和第二流体(优选为水)之间传递。热水热交换器可以例如由直立的圆柱形外壳和两个管板构成。上管板可位于燃气入口/水流出口处，下管板可位于燃气出口/水流入口处。上管板和下管板通常在其周边焊接到外壳的相应部分。'920专利的示例性热交换器还包括至少一个，但优选多个热交换管。在一个实施例中，管板通常是具有多个孔的扁平盘，热交换管配合在这些孔中。热交换管焊接在两个管板之间。在一个例子中，下管板沿其外边缘包含圆形图案的孔，入口水流过该孔。出于所有目的，'920申请通过引用并入本文。
在Fioriti等人的美国专利No.9,175,853B2，名为“WATERHEATING SYSTEM WITHOXYGEN SENSOR”中，描述了另一种水加热系统，其还包括连接到燃烧室的热交换器系统。在那里，气体的燃烧也通过使用热交换器系统离开燃烧室以加热水。该热交换系统可具有不同的配置，例如，示例性'853专利的热交换器系统可包括本领域已知的火管或交替的水管。出于所有目的，'853专利通过引用整体并入本文。
两个或更多个管板中的开口的布局或图案建立了多个热交换器管的图案，例如用于圆柱形热交换器。传统上，开口以便于笛卡尔坐标系的图案提供，或者以其他方式设置圆柱对称布局，其中可以安装最大数量的管。设计问题包括管之间的足够的间距和体积以及与热交换器外壳的内壁的足够间距，其中该外壳通常是圆柱形外壳。
图1示出了已经在AERCO热交换器中使用的示例性笛卡尔坐标管板布局的图。在一个示例性管板中，有106个管，在管之间具有7.5mm的腹板间隔。该管布置产生冷却流体行进的从中心到周边的不期望的优选流路，从而使其他位置处于饥饿状态(更严格的流动)并导致热传递和温度的不平衡。
图2A示出了另一示例性圆管分布管板200布局的图。在基本平坦的板中的圆柱形壁201为热交换器的每个管(图2A中未示出)限定孔203。图2B示出了一些管孔之间可能不足的间隔213的示例，作为图2A的圆管分配管板布局的一部分的放大视图。最小3.68毫米的网太密集了。这种圆管分配管板布局设计的一个潜在问题是管到管板焊缝可能彼此重叠。而且，在制造期间，焊管与管板之间可能存在焊接相互作用。另一个问题是在加热引起的膨胀期间可能没有足够的支撑。然而，径向分布的问题在于，管的每次尝试布置都留下至少一个不期望的优选流路，用于径向向外行进的流体，导致流动和从管到流体的热传递的不平衡。
所需要的是一种新型的传热结构，其优化径向传热模式。而且，新的传热结构可以应用于管板图案，用于构建热水热交换器，其运行更有效且成本更低。
在解决热水器热交换器中径向流动不均匀的问题的同时，认识到径向流动的解决方案可用于解决在许多类型的热交换器中径向流动不均匀的问题。此外，意识到该解决方案包括一种新型径向流散热器，例如可用于替代许多类型的传统电子散热器。
本申请总体上涉及到从中心径向行进向外到热交换器周边的流体的热传递。热在固体管壁或柱之间传递，并且流体径向向外行进。叶序图案(模式)“Phyllotaxis pattern”出现在自然界中，松果，褪色柳，花瓣。固体构件(例如柱，管或热管)的叶序图案新应用于热交换器称为斐波纳契优化径向传热(FORHT)。
Yushan等人于2015年8月5日提交的CN105070696A，名为“一种柱状叶序排布展开结构的微型散热器”，描述了具有叶序配置的微型散热器。'696CN的图1中，菠萝叶和松锥排列顺序结构图的交叉线叶序排列图案适用于Yushan的微型散热器。发明人教导了从图案的侧面或外部得到的交叉曲线图案，并采用交叉流动而不是径向流动。'696CN专利申请的图1-8中所有散热柱个遵循相同的交叉线图案。虽然可能存在与叶序螺旋相关的线的一些轻微弯曲，但散热柱中没有中心螺旋结构。
在2015年8月5日提交的CN105161472A中，具有带有叶序结构的端面的针柱式小尺寸散热器，类似的曲线交叉线的交叉线结构适用于向日葵纹理叶序结构。再次，发明人教导了交叉曲线的替代图案作为用于将向日葵纹理叶状结构应用于微柱散热器针端面而不是中心螺旋图案，并且具有交叉流动而不是径向的特征。
在Winfield等人的2003年3月18日颁发的美国专利No.6,533,684，名为“Phyllotaxis-based dimple patterns”中，描述了一种利用用于高尔夫球的叶序填充凹坑的方法。Winfield在图1B示出了图1A的叶序图案的视图中心的细节。叶序图案的正视图显示了整个螺旋图案。如Winfield所述，叶序是对称模式或排列的研究。这是一种自然发生的现象。通常，图案具有弧形，螺旋形或螺纹形。'684专利的全部内容通过引用并入本文，用于描述在数学和植物叶序中也是众所周知的叶序和相关数学。出于许多空气动力学和制造原因，Winfield教导了一种高尔夫球，其中多个凹坑的至少一部分由叶序产生的弧限定，并且其中多个弧从位于高尔夫球的赤道附近的凹坑延伸，其中多个弧中的至少一个终止于与其他弧不同的位置。
已经认识到，通过将诸如黄金比率叶序布局的叶序布局应用于热交换器的管板管孔图案，可以使热交换器更加有效。下面更详细地描述基于“黄金比率”确定热交换器内管的位置的斐波纳契优化径向传热(FORHT)设计。与现有技术的针柱式小型散热器的有限使用的叶序交叉线的教导相反，认识到在将叶序图案应用于热交换器的管板图案的新应用中，螺旋形图案可用于制造新型且更有效的FORHT设计型热交换器。
对于这种新的FORHT应用(例如，对于径向流动散热器或用于热交换器管板)，在一些实施例中，管板孔的图案可以通过以下方式确定：
其中，在柱面坐标系中，r是半径，n是散热片或管孔或管板上的管中心点的特定柱的数量，θ是该孔的角度，而(phi)是黄金比率数0.618033988。n可以从0或1开始，或任何其他数字(例如10，跳过前9个管)。
n＝hn*c等式(3)
其中hn是孔数，c是度量常数。
管板中每个管孔的相应笛卡尔坐标可以通过常规柱面到笛卡尔坐标转换方程计算：
x＝r·cos(θ)等式(4)
x＝r·cos(θ)等式(5)
其中x和y是管板每个孔的计算笛卡尔坐标。
FORHT在流体和/或气体的热交换器中的应用
在下面的描述中，描述了FORHT的应用，该热交换器包括根据FORHT布局的多个管。管可包括液体或水流。在管外可以有液体或水流。因此，热交换器可以是气体到气体的热交换器，气体到液体的热交换器(管中的气体或液体)，或液体到液体的热交换器。热水加热器的热交换仅是径向流热交换器的一个示例，其可以将热量从气体传递到液体。
图3A和图3B示出了示例性Excel TM模型，其可用于基于等式1-3以及用于转换为笛卡尔坐标的等式4-5而计算和显示用于不同度量常数的各种FORHT管板的图表，例如对于一些可用计算机控制的制造机器和过程。图3A和图3B的工作表同样适用于其他径向传热结构，例如径向流热沉。
图3A示出了根据新的FORHT管板布局管板系统和方法的Excel TM工作表示例性计算的孔位置的表格。图3B示出了图3A的计算的FORHT管板布局的图。已经认识到，设计变化对于常数c的小变化非常敏感，例如，在约0.9至1.2的相对窄的范围内。图3B的示例性管板孔图示出了模拟数量的孔(可在模型工作表上设置)和圆柱形热交换器外壳的所需圆柱形外壳边界的设置。
图4A示出了用于热交换器的示例性FORHT管板400图案。如上所述，管板400图案的孔403由通过任何合适的制造装置在板410中制成的圆柱形壁401限定。可以使用109个管，但是所得的2mm腹板(web)间距可能太小，因此对于有效的热交换器操作而言不太理想。通过转到3.3mm的腹板，可以实现更有效的操作，但是管板上的外管可能最终太靠近热交换器圆柱形外壳的内壁。板410可以由具有足够强度，耐热性和机械耦合到管的能力的任何合适材料制成。板410可以例如由金属制成，例如任何合适类型的钢，其可以焊接到例如钢管上。图4B示出了FORHT管板的另一示例性较大实施例，其还解决了管间间隔和管与热交换器内壁之间的间隔的问题。图。图4B示出了具有较大孔间间隔的三个示例性螺旋。对于图4A中的较大的孔间间距仅修改了三个螺旋，用于比较和简化说明。图4B示出了如何在较大的管板上在图4A的FORHT图案上能够增加大约相同尺寸的孔之间的间隔。如图4B所示，虽然为了简单和比较仅扩展了三个螺旋，但在实践中，通常还可以修改其他螺旋以获得类似于三个示例性扩展螺旋的更大的孔间间距。
实施例：对于相同数量的109个管，可以改变度量常数并且管板可以从624mm增加到724mm，使得布局现在足够落在具有8.15mm叶序管孔间距的724mm管板内。在较大的实施例中，也可以有较少的孔，孔之间具有较大的空间。
图5示出了FORHT管板的另一示例性实施例，其中对于中心管N＝0，然后N＝10,11,12...跳过N＝1-9，这产生用于流体输送到热交换器中心的中心轴向流动通道，此时流体可以径向流过传热管或销。
现有的30“外壳(对热水加热器的外门进行了改进)可容纳稍大的管板，该管板在较早的624mm布局上增加了100mm的直径。通过将管板从624mm增加到724mm，我们获得了以下好处：1.允许独特的叶序(专利申请中)管定位模式，2.增加管之间的最小腹板间距，从AIC笛卡尔布局的3.68mm到新的8.15mm叶序图案布局，3.在管之间提供更宽的腹板，有助于在管膨胀期间支撑壁，4.焊缝不会重叠并产生应力上升位置，5.管之间的管板将更冷，提高了可靠性。已经认识到，使用一些现有技术的布局设计，管密度导致更高的热量和更频繁的热交换器失效，6.在管板下更均匀的热传递，因为这种模式没有任何不希望的从中心到周边的优选流路。其他笛卡尔模式具有从中心到周边的多个低压降路径。这将产生高流量和低流量的通道，低流量区更容易在管板下沸腾和水垢沉积，以及7。
实施例：热交换器具有至少两个管板。热交换器包括具有热交换器半径的热交换器圆柱形外壳。至少两个管板的每个管板具有管板400图案，该管板400图案限定了由板410中的圆柱形壁401限定的多个孔403。每个孔403支撑沿热交换器圆柱形外壳的长轴纵向设置的热交换器管。孔403根据叶序布局或图案设置。叶序布置的多个叶序弧中的每一个在沿着管板上弧半径的不同位置处终止，叶序弧终止半径小于管板半径。
现有技术的中心进给径向笛卡尔基流动模式被实现为不针对热交换器热流效率进行优化。根据上文描述的新FORHT布局，存在优化的元件数量和最小化的旁路。
通过用遵循新FORHT布局的管板图案替换传统的管板图案可以实现更高效和成本有效的热交换器操作，该FORHT布局基于“黄金比率”确定热交换器内的管的位置。
散热器
散热器通常是正方形或矩形。无论散热器基座结构的形状如何，先前的散热器的柱或散热片通常布置成行和/或列。散热器的一种变型包括十字线图案，其中线来自叶序的外臂。然而，这些解决方案中没有一个直接与径向热流出相关，而是使用传统的线性气流(例如来自侧面安装的风扇)来改善热传递。
已经认识到，观察散热器的新方法是根据径向热传递。为了有效地径向传递热量，径向路径应该基本平衡。将径向传热引入非优化结构(例如传统散热器)的问题在于可以建立径向或径向类似的热流，但是各种径向热流将是不均匀的，从而形成不期望的优选径向或径向偏好流动。这些不希望的优选径向流动使剩余的非优选径向路径匮乏，并导致散热效率低下。
例如，放置在常规散热器上方的风扇向下吹过传统设计的柱和/或带翅片的散热器的柱，可以产生各种径向或径向类似的热流。然而，将存在优选的和非优选的路径，导致低的总径向热流，并因此导致低效的径向模式散热器。类似地，使用叶序的边缘或交叉侧臂虽然可能改善线性流动散热器的操作，但将不会提供有效的径向流动散热器。
在现有技术中，无论入射散热器气流(或液体流)的来源和角度如何，都可以简单地提供散热器，其实验性地提供足够的热传递以在热量上保持期望的或可容许的ΔT热沉(例如外壳或封装与环境空气之间的温差)，或限制特定外壳或封装(例如半导体或CPU外壳或封装)的温升。
然而，通过从线性热流改变为径向热流操作模式，认识到为热水加热器的热交换器(并且通常适用于热交换器)开发的新FORHT布局也可以是适用于新的FORHT散热器结构，例如用于电子冷却应用的散热器。
作为最一般的示例，上文描述的用于在热交换器的管板中设置孔的相同等式可用于确定散热器的柱，翅片，热管或任何其他合适的固体结构的位置。除了在它们之间支撑多个管的成对管板之外，通常散热器具有第一表面，柱、翅片、热管或任何其它合适的固体结构从第一表面向外突出。通常但非必要地，柱、翅片、热管或任何其它合适的固体结构大致垂直于散热器表面突出，通常是散热板的平坦表面。因此，针对管板描述的任何按比例缩放形式的图案也可用于在散热器的表面上设置柱，翅片，热管或任何其他合适的固体结构，该散热器以径向热传递操作模式操作。
挡板
还认识到，新的FORHT热交换器可包括挡板，以进一步改善通过FORHT散热器或热交换器的柱或管的气体或流体的径向流动。
图6示出了具有挡板的示例性FORHT散热器的示意性流程图，该挡板用于从热源699除热。在该示例性实施例中，存在两种类型的挡板，环形挡板627和盘挡板625。冷却空气681被吹过FORHT散热器，例如通过风扇689。径向空气流622被环形挡板627和盘挡板625组合更有效地引导通过从FORHT散热器的基板603延伸并安装到其上的柱601。盘形挡板625将径向空气流622引向外壳壁，例如圆柱形外壳638的壁。盘形挡板625下方的径向空气流622朝向下面的环形挡板627的中心孔向内返回。因此可以引导径向空气流622更接近柱601而基本上垂直的流动，进一步改善了柱601上的径向气流622的均匀性。可以使用任何数量、任何类型的合适的挡板，根据需要确定每种类型的挡板以及所需数量。在流过一个或多个挡板之后，径向暖空气683离开FORHT散热器。
图7示出了用于带挡板的热水器的示例性FORHT热交换器的示意流程图。来自火789的热气体799流过如上所述以FORHT图案布置的管。在通过FORHT热交换器将热能从热气体传递到冷水之后，所得到的冷气797在每个管701的相对端离开管701。冷水781经由冷水入口751进入热交换器外壳。第一环形挡板727使流入圆柱形热交换器外壳738的冷水从环形挡板727中的中心开口流动，作为径向流动的流体722流过热交换器管701。从图7的示例性FORHT热交换器的下部可以看出，即使仅一个环形挡板727也可以改善柱701上的径向流动的流体722。在径向流动的流体722基本上垂直于柱的长度方向流动的情况下，可以实现更高的效率。在热交换器的顶部附近可以看到一个这样的挡板布置，其中可以看到盘挡板725引导径向流动的流体722通过盘挡板725和外壳壁738的内表面之间的圆形开口朝向环形挡板727的中心开口，在图7的示例性热交换器中的盘挡板725上方示出。在热交换器的顶部，冷水781已经被热水出口753处的热交换器加热并作为热水783离开热交换器。
热管：上文描述的任何管或柱可以由一个或多个热管代替。在包括热管的实施例中，通常除了由柱或管的径向流动引起的来自柱或管的热流之外，在每个热量中还将存在从端到端的热能流。管。
示例：图8示出了示例性FORHT图案。示例性FORHT图案的圆圈限定多个螺旋弧。如示例性图8中所示，有8个逆时针螺旋弧和13个顺时针螺旋弧。圆圈可以表示例如管板的孔，或者从表面(例如散热器的表面)突出的杆或管或热管的位置。逆时针螺旋弧和顺时针螺旋弧的数量可以是任何合适的数和组合，例如，5,8；8,13；13,21；21,34；等等。FORHT图案的顺时针数和逆时针螺旋弧数分别是连续的斐波纳契数。
径向流动模式：如上所述，诸如FORHT图案的叶序图案改善了径向热流，特别是在使用管，柱和/或热管的传热应用中。径向流动模式的径向热传递可以例如通过流体或气体流过多个管，柱或热管来实现。现有图案和布局的问题在于，虽然看起来是径向对称的，但是这些现有技术的图案实际上导致不均匀的径向热流，其中不希望的优选区域和流路使图案的其他部分贫乏。所需要的是除了给出径向对称表观之外的布局或图案，实际上优化并提供基本均匀的径向热能流。已经认识到，诸如FORHT图案的叶序图案可以提供基本均匀的径向流动热能，特别是在使用管，柱和/或热管的传热应用中。
图9示出了一种这样的示例性FORHT图案解决方案，其提供由箭头表示的径向热能流，基本上没有不期望的优选流路。所表示的热能流可以例如通过流体流动来促进，例如在热水加热器的热交换器的情况下流动，或者通过气体流动来促进例如，来自热水器燃烧器的烟道气，穿过任何合适的图案结构。
图10示出了现有技术的示例性HEX图案，用于比较。可以看出不希望的优选热能流路产生相对较大的低流量区。由于不希望的优选路径而引起低流量区域导致显着的低效率，因为这些区域中的管或柱在传热方面不太有效，因为传热系数与流体速度成正比。
图11示出了现有技术的另一示例性同心环图案。类似于图10的HEX模式，也存在明确定义的不合需要的优选路径和贫乏的低流动区域。
因此，现在可以更好地理解，如果用于通过径向流经多个多个柱或管而将热能传递到气体或流体或从气体或流体传递热能的传热装置包括多个柱或管，则传热装置(例如，热交换器或散热器)可以更有效，其中所述柱或管设置在板表面上并且基本上垂直于板表面突出，其中根据叶序布置设置所述多个柱或管中的至少约50％，所述叶序布置的多个叶序螺旋弧中的每个弧在沿着板上弧半径的不同位置处终止，叶序弧终止半径小于周半径。
来自叶序图案的变化：在一些实施方案中，至少约85％的管，柱，热管和/或孔根据叶序图案布置，例如FORHT图案。例如，在一些应用中，可能希望改变中心附近的图案，例如用于安装，焊接或其他典型的机械考虑。在其他实施例中，已经认识到，如上所述的传热装置可以是有效的，其中根据叶序布置设置所述多个柱或管中的约50％(至少约一半)。
替代的类似系列和模式：本领域技术人员将认识到存在其他的叶序模式，例如基于非常相似且众所周知的Lucas系列的模式。其他等效的叶序模式，例如基于Lucas系列的叶序模式，旨在落入本申请的范围内。
示例：图12A，图12B和图12C示出了具有通过中心孔挡板的FORHT(斐波纳契优化径向传热)流动模式的示例性双板叶序热交换器，其在上板和中心孔挡板之间具有径向向外流动。图12B示出了图12A的叶序热交换器的端视图。在挡板中可以看到中心孔。图12C示出了图12A的叶序热交换器的等距视图。
参见图如图12C所示，叶序热交换器传热装置将热能传递到径向流过多个柱或管120的气体或流体或从该气体或流体传热。板1203具有板表面1261。第二板1213具有第二板表面1263。多个柱或管1201设置在板表面1261上并且基本上垂直于板表面1261突出。多个柱或管1201中的至少约50％根据叶序布置设置，其中所述叶序布置的多个叶序螺旋弧的每个弧在沿着板上弧半径的不同位置处终止，于叶序弧终止半径小于周半径。
图12A示出了具有FORHT流动模式的示例性双板叶序热交换器1200的示意图。在图12A的示意流程图中，水沿着热气流管道流入圆柱形罐1238(例如图7中的799,797)。管1201由板1203,1213支撑。箭头表示流入热交换器的流体(例如冷水)和流出热交换器的流体(例如热水)。环形挡板1255使得示出为入口冷水1221的冷水进入热交换器、流过管道1201并通过环形挡板1255中的开口1211。排出开口1211的水作为径向流出水1223在径向靠近板1213的周围流动。
实施例：图13A和图13B示出了用于电子元件的径向流动空气冷却的单板叶序销散热器的示例性实施例。图13A示出了单板叶序散热器1300的示例性实施例的等距视图，其具有安装到单个板1303的销或柱1301。图13B示出了图13BA的单板叶序散热器的空气流程图。参考图13B，到示例性散热器1300的空气流可以例如如通过气流所示的那样被中心供给到热交换器1321并沿着销或柱1301或在它们之间。加热的空气(其冷却散热器)离开，空气从单板1303附近的热交换器1323流出。
如图13A所示，单板叶序销散热器传热装置将热能传递到径向流过多个柱1301的气体或流体或从该气体或流体传热。板1303具有板表面1361。多个柱1301或管设置在其上并基本垂直第突出。所述多个柱1301或管中的至少约50％根据叶序布置设置，其中叶序布置的多个叶序螺旋弧的每个弧终止于沿着板上弧半径的不同位置，叶序弧终止半径小于周半径。至少一个销可以是热管。
如上所述的新型FORHT传热装置提供基本均匀的径向热流，以实现基本均匀且基本上最佳的传热过程。FORHT传热装置提供径向流动，基本上没有不希望的优选热流路径。在没有优选路径的情况下，在任何径向方向上从中心的径向流出限定了具有基本均匀的径向压降的相等向外(或向内)的流动。
表面纹理或处理：在一些实施方案中，所述多个柱或管中的至少一个或多个柱或管的表面可包括纳米纹理或半多孔表面处理或材料沉积物。而且，所述多个柱或管中至少一个或多个柱或管的表面可包括表面处理或可变密度表面处理。
应当理解，上述公开的变体和其他特征和功能或其替代方案可以组合到许多其他不同的系统或应用中。本领域技术人员随后可以进行各种目前无法预料或未预料到的替代，修改，变化或改进，这些也意图被权利要求所涵盖。

Claims (16)

1.一种传热装置，用于将热能传递到径向流过多个柱或管的气体或流体、或从所述气体或流体传热，所述传热装置包括：
具有板表面的板；和
多个柱或管，设置在所述板表面上并基本垂直于所述板表面突出，所述多个柱或管的至少约50％根据叶序布置设置；和
所述叶序布置的多个叶序螺旋弧中的每个弧终止于沿着所述板上弧半径的不同位置处，叶序弧终止半径小于周半径。
2.根据权利要求1所述的传热装置，其中所述多个柱或管中的至少一个或多个柱或管包括热管。
3.根据权利要求1所述的传热装置，其中所述多个柱或管中的至少一个或多个柱或管的表面包括纳米纹理或半多孔表面处理或材料沉积。
4.根据权利要求1所述的传热装置，其中所述多个柱或管中的至少一个或多个柱或管的表面包括表面处理或可变密度表面处理。
5.根据权利要求1所述的传热装置，其中所述叶序布置包括斐波纳契优化的径向传热(FORHT)图案，并且多个叶序螺旋弧包括第一数量的顺时针螺旋弧和第二不同数量的逆时针螺旋弧。
6.如权利要求5所述的传热装置，其中所述第一数量的顺时针螺旋弧包括第一斐波那契数，所述第二不同数量的逆时针螺旋弧包括第二斐波纳契数，所述第一斐波纳契数和所述第二斐波纳契数是连续的斐波纳契数。
7.如权利要求1所述的传热装置，其中所述板包括具有孔图案的第一管板，其中多个管中的每个管机械地固定在所述孔图案的每个孔中。
8.如权利要求7所述的传热装置，还包括第二管板，所述第二管板具有与所述第一管板基本相同的孔图案，多个管中的每个管在与所述第一管板相对的每个管的端部处，机械地固定在所述孔图案的每个孔中。
9.如权利要求7所述的传热装置，其中所述第一管板和所述多个管设置在圆柱形外壳中。
10.如权利要求9所述的传热装置，其中所述传热装置包括热水加热器的热交换器。
11.如权利要求10所述的传热装置，其中气体流过每个管，并且流体沿着多个外管壁在圆柱形外壳中大致径向流动，以在气体和流体之间交换热能。
12.根据权利要求10所述的传热装置，还包括至少一个环形挡板，以使进入所述热交换器的冷水大致径向流动。
13.根据权利要求10所述的传热装置，还包括至少一个盘挡板，以在从所述热交换器的所述圆柱形外壳的内壁表面朝向所述圆柱形外壳的中心长轴的方向上引起大致径向水流。
14.根据权利要求10所述的传热装置，还包括至少一个盘挡板和至少一个相邻的环形挡板，以在从所述圆柱形外壳的内壁表面朝向所述相邻的环形挡板的中心开口的方向上引起大致径向水流。
15.根据权利要求1所述的传热装置，其中所述柱或管包括散热器的柱或管。
16.根据权利要求15所述的传热装置，还包括风扇，用于沿着所述多个柱或管的每个柱或管的长轴方向将冷却空气吹入所述多个柱或管中，使得空气流动变成横跨所述柱或管的基本对称的径向流动模式，以使得基本均匀的径向气流通过所述板上的所述多个柱或管。
至少一个挡板，以实现大致垂直于所述多个柱的径向气流。
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