(57)【要約】  ヒートポンプは、熱を熱源からそれよりも温度の高いシンクに移送するために動力を消費する。本発明により、熱源からそれよりも高温の作動流体の一部分への自然な熱移送が可能になり、作動流体は、ベルヌーイ効果により熱源の温度よりも低い温度まで局所的に冷却される。ベルヌーイ効果は、層流を維持するような形状のベンチュリ形ダクト内で生じる。伝熱効率は、流れ温度、流速、圧力勾配及びヌッセルト効果の全てが熱移送を促進するベンチュリ形ダクトの僅かな部分(10)に熱移送を制限することによって向上する。この領域(10)内における熱移送は、ベンチュリ形ネック部を横切って延びる熱伝導性グリッドによって最大になる。
2008546984.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流れを案内することが可能な固体の熱移送ベンチュリダクト構造体であって、
熱移送ベンチュリダクトの断面積は、熱移送ベンチュリダクトの軸線に沿って変化し、
断面積の変化により、少なくとも１つの局所的な最小断面積箇所を有し、
熱移送ベンチュリダクトの壁は、最小断面積箇所の近くに位置する少なくとも１つの薄い熱伝導性断面部分及びこの熱伝導性断面部分を熱源に結合させる熱伝導体以外、断熱性である、熱移送ベンチュリダクト構造体。
【請求項２】
熱移送ベンチュリダクトの壁の熱伝導性断面部分から熱移送ベンチュリダクト構造体の内部に延びる少なくとも１つの熱伝導性フィンを有する、請求項１に記載の熱移送ベンチュリダクト構造体。
【請求項３】
熱伝導性フィンは、熱移送ベンチュリダクトを横切って延びる、請求項２に記載の熱移送ベンチュリダクト構造体。
【請求項４】
多数の熱伝導性フィンは、熱移送ベンチュリダクトの熱伝導性断面部分内で、熱伝導性グリッドを形成する、請求項２に記載の熱移送ベンチュリダクト構造体。
【請求項５】
熱伝導性フィンは、熱移送ベンチュリダクト構造体の中を流れる流体に働く空力学的抗力を最小にするように形状決めされる、請求項２に記載の熱移送ベンチュリダクト構造体。
【請求項６】
熱伝導性フィンは、流体の流れに働く抗力を減少させるために、熱移送ベンチュリダクト構造体の中を流れる流体の流線と整列する、請求項２に記載の熱移送ベンチュリダクト構造体。
【請求項７】
熱伝導性フィンの断面積は、ベンチュリの壁からの距離に応じて変化する、請求項２に記載の熱移送ベンチュリダクト構造体。
【請求項８】
熱移送速度は、熱移送ベンチュリダクト構造体にわたって圧力降下を変化させることによって制御される、請求項１に記載の熱移送ベンチュリダクト構造体。
【請求項９】
ディフューザを有する、請求項１に記載の熱移送ベンチュリダクト構造体。
【請求項１０】
前記ディフューザは、層流を維持するのに十分緩やかに拡大する、請求項９に記載の熱移送ベンチュリダクト構造体。
【請求項１１】
熱移送ベンチュリダクトは、流れをその局所周囲環境中に排出する、請求項１に記載の熱移送ベンチュリダクト構造体。
【請求項１２】
ベルヌーイ型ヒートポンプシステムであって、
熱源と、
請求項１に記載の熱移送ベンチュリダクト構造体と、
前記熱源と前記熱移送ベンチュリダクト構造体の熱伝導セクションとの間の熱結合部と、
前記熱移送ベンチュリダクト構造体の中を流れる作動流体と、
前記熱移送ベンチュリダクト構造体の中を通る前記作動流体の流れを維持するブロワ機構と、
前記熱移送ベンチュリダクト構造体を前記ブロワ機構に連結するダクト構造体と、を有するベルヌーイ型ヒートポンプシステム。
【請求項１３】
更に、ヒートシンクと、
熱を前記作動流体の流れから前記ヒートシンクに移送する熱交換機構と、
前記ブロワ機構を前記熱交換機構に連結するダクト構造体と、
前記熱交換機構を前記熱移送ベンチュリダクト構造体の入口に連結するダクト構造体と、を有する請求項１２に記載のベルヌーイ型ヒートポンプシステム。
【請求項１４】
熱を流れに移送する方法であって、
請求項１に記載された熱移送ベンチュリダクト構造体の中を通る流体の流れを維持するように、圧力降下を維持するステップと、
・前記熱移送ベンチュリダクト構造体の熱移送スライス部の少なくとも１つの熱伝導性断面部分の中への熱の流れを維持するステップと、を有する方法。
【請求項１５】
熱移送速度は、前記圧力降下の変化によって制御される、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプ、即ち、熱を熱源からそれよりも高温のヒートシンクに移動させる装置に関する。特に、本発明は、ベルヌーイ型ヒートポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱機関（ヒートエンジン）は、熱を熱源からシンクに移動させる装置である。熱機関は、熱が移動する方向によって区別される２つの基本的な種類に分けられる。熱は、自然に「ダウンヒル（下り）方向」に、即ち、低温に向かって流れる。水の流れと同様、かかる「ダウンヒル（下り）方向」熱の流れを利用すると、例えば内燃エンジンによって説明されるように機械的仕事を生じさせることができる。熱を「アップヒル（上り）方向」に、即ち高温に向かって移動させる装置は、ヒートポンプと呼ばれている。ヒートポンプは、必然的に動力を消費する。冷凍機及び空調機は、ヒートポンプの例である。多くのヒートポンプは、作動流体の温度を、熱源及びシンクの温度を含む範囲にわたって変化させることによって作動する。このように、熱は、熱源から、その温度よりも低い温度を有する作動流体の部分に自然に流れる。同様に、熱は、シンクの温度よりも高い温度を有する作動流体の部分からシンクに自然に流れる。作動流体の所要の温度変化は、一般に、作動流体の圧縮及び膨張によって行われる。
【０００３】
これとは対照的に、ベルヌーイ型ヒートポンプは、流体の温度及び圧力に反映されるランダムな分子運動を、巨視的な流体の流れに反映される有方向運動に変換することによって、所要の作動流体温度変化を達成する。ランダムな運動と有方向運動の区別は、分子速度の統計学的分布において特に明らかである。ランダムな運動は、かかる統計学的分布の幅であり、有方向流れは、同じ統計学的分布における平均である。流れの断面積が減少するとき、例えば、流れがノズル又はベンチュリを通るとき、流体は、ランダムな分子運動を有方向運動に自然に変換する。断面積と関連した温度、密度及び圧力の変化は、ベルヌーイの法則と呼ばれる。圧縮は、動力を消費するが、ベルヌーイ変換は、動力を消費しない。ベルヌーイ変換のエネルギー保存特性は、ベルヌーイ型ヒートポンプにより利用される基本的な効率である。
【０００４】
図１ａ及び図１ｂに示すように、ベルヌーイ型ヒートポンプは、従来型ヒートポンプとは対照的である。図１ａに示すように、従来型ヒートポンプは、４つの基本構成要素、即ち、圧縮機４、膨張弁７、低温側熱交換器６及び高温側熱交換器５からなる。図１ｂは、ベルヌーイ型ヒートポンプが、膨張弁７及び低温側熱交換器６が果たす役割を組合せて、１つの熱移送可能なベンチュリ８にしていることを示している。従来型システムでは、作動流体の流量が比較的少ないために、大きい圧力変化が必要であるけれども、ベルヌーイ型ヒートポンプでは、作動流体の流量が比較的多いので、より小さい圧力変化しか必要としない。かくして、ベルヌーイ型ヒートポンプ（図１ｂ）では、従来型システム（図１ａ）の構成要素である圧縮機４がファン又はブロワ９に置き換えられている。従来型ヒートポンプ、ベルヌーイ型ヒートポンプ、熱交換器、圧縮機、ブロワ及びベンチュリは全て、広く説明されてきた。本発明は、ベンチュリの中を流れる流体に熱３を効率的に移送するための新規な構造体を提供する。本発明の重要な点は、本発明がベルヌーイ型ヒートポンプにもたらす向上した効率にある。以下の記載により、本発明が検討し且つ解決した従来技術の問題を説明する。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第３，０４９，８９１号明細書
【特許文献２】米国特許第２，３２５，０３６号明細書
【特許文献３】米国特許第２，４４１，２７９号明細書
【特許文献４】米国特許第３，２００，６０７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図２及び図３は、ベルヌーイ型ヒートポンプを含む先行技術と本発明とを比較するための基礎を提供している。図２は、いわゆる一次元流れをなす圧縮性ガスの温度、密度、圧力、流速及び断面積の関連した変化を示している。この既知であり且つ多くの研究がなされた現象について新たな点又は論点は全く無い。流れている圧縮性流体のこれら特性における関連した変化をここで再現する理由は、かかる関連した変化が、ベルヌーイ変換を利用した初期の技術的努力同士の比較及びかかる初期の技術的努力と本発明との比較のための簡潔な基礎を提供しているからである。一次元流れでは、共に変化する４つの量の任意の１つについての指定は、残りの３つの値を暗に示しており、圧力は、温度と密度の積である。図２は、流速（の２乗）によって暗に示される温度、密度、圧力及び断面積を示している。流速は、それに対応する無次元のマッハ数で表示されている。流速の２乗の変化に伴う温度の線形の減少は、エネルギー保存、即ち、ランダム運動エネルギーから有方向運動エネルギーへの変換の直接的な結果である。ベルヌーイ効果が生じる流速の目盛りが２つの速度の比であるマッハ数であることは驚くべきことではない。図２に示す量は、静止したガスにおけるそれぞれの値に正規化されている。
【０００７】
図２は、特許文献１に記載の発明と他の発明と本発明との関係を直接示している。特許文献１に記載の発明は、流れが超音速である、即ち、マッハ数の値が１よりも大きいことを必要とする。図２は、超音速流れについて、ガスの温度が確かに低いことを示している。しかしながら、図２はまた、亜音速流れによって生じる温度の減少が、多くの実用的な目的に十分なものよりも多いことを示している。これに関して、図２における温度の目盛りが絶対目盛りであることに注目すべきである。即ち、例えば、マッハ１の流速では、ガスの温度は２５％減少する。例えば、静止したガスの温度が７０°Ｆ（２１．１１℃）である場合、マッハ数１におけるベンチュリのネック部の近くの温度は、ゼロ度よりも低い−６０°Ｆ（−５１．１℃）である。図２に示す数値は、理想気体（完全ガス）の等エントロピー流れを仮定し、理想気体は、単原子ガスの比熱比５／３によって特徴付けられる。かくして、ベルヌーイ型ヒートポンプによって提起される課題は、十分に低い温度の発生ではなく、むしろ、ベンチュリ、特に亜音速ベンチュリのネック部の近くに見られる低い温度の効率的利用である。
【０００８】
図２の第２の直接的な暗示は、ベンチュリのネック部の中に高速な流れを維持するのに必要な動力が相当大きなものになることである。ベンチュリのネック部の近くの圧力は、ベンチュリの入口のところの圧力の約半分である。この圧力降下がディフューザ、即ち、ベンチュリの末広がり部分によって回復されない場合、ベルヌーイ型ヒートポンプの潜在的な効率が減少する。効率を高めるためには、ディフューザを要件とすることに加えて、ディフューザ内の層流又は非剥離流れを維持することを要件とする。この要件は、末広がり部分の勾配が非常に緩やかなディフューザであること、即ち、ベンチュリが極めて非対称であり、先すぼまりセクションと末広がりセクションとが非常に異なっていることに直接言い換えられる。いわゆる「臨界流れベンチュリ」と関連した膨大な文献は、例えば、円錐形ディフューザが１０°未満の半角（円錐壁と対称軸線との間の角度）を有するべきであることを指示している。効率のためのベンチュリの非対称性の要件は、扱われていない。特許文献２〜４は、ベルヌーイ型ヒートポンプを記載しているけれども、これらま特許文献２〜４は、効率及びディフューザの役割について扱っていない。これらの特許文献２〜４のうちの最初の２つは、飛行機技術を想定し、かかる飛行機技術では、短いディフューザにより消費される動力は、利用可能な動力の無視できる部分である。
【０００９】
本発明の関心は、特許文献１〜４のどれによっても扱われていない図２の第３の側面に向けられ、即ち、特にマッハ数１に近い流速に関して、流速と流れの断面積との間の関係に向けられている。図２は、流速を増大させると、面積の逆数が最大値を通ることを示している。この最大値は、ラバルノズルの基礎である。この最大値が他に暗示することは、ベンチュリの軸線に沿う距離の関数として考えた場合、温度、密度及び圧力はすべて、ベンチュリのネック部（面積の逆数の最大値）の近くで小幅な一時的減少を有することである。即ち、図２が示していることは、マッハ数１の近くにおいて、温度、密度及び流速がすべて著しく変化するのに対し、断面積が僅かしか変化していないことである。かくして、ベンチュリの軸線に沿う距離の関数として考えた場合、又は、同様な意味合いで断面積の関数として考えた場合、温度、密度及び圧力はすべて、ベンチュリのネック部のところで大幅な一時的減少を有する。図３に、特定の且つ多くの研究がなされたベンチュリ１１の形状に関する温度の変化が示されている。ベンチュリ軸線に沿う温度、密度、圧力及び流速の変化は、ベンチュリの軸線に沿う距離の関数として断面積を特定することによって、図２から暗示的に与えられている。図３は、断面積の面積変化をいわゆる「ドーナツ形」臨界流れベンチュリの断面積の変化であると見なすことによって得られる。これらの装置では、ベンチュリの先すぼまり部分は、トーラス形であり、末広がり部分は、円錐形である。もしもベンチュリ壁が、図３に示す一時的減少領域の外側で熱伝導性であれば、ベンチュリ壁は、作動流体の流れの低温のネック部までそれと同じ流れの中のどこかの他の場所から熱を移送する熱経路になる。即ち、作動流体の流れのネック部分に移送される熱は、それと同じ作動流体の流れ中のどこか他の場所から来たものであり、正味の利益は無い。利益が無いだけでなくコストがかかる。作動流体の流れに移送される熱は、熱源の流れから移送される熱（望ましい効果）と、作動流体の流れ中のどこか他の場所から移送された熱の合計であるので、所望の熱移送量は、一時的減少領域の外側の熱移送量だけ直接減少することが分かる。作動流体とベンチュリ壁との間の熱移送を図３に示す一時的減少領域に制限することが、本発明の核心である。この制限は、上述の特許文献には記載されていない。
【００１０】
この効果の重要性は、４つの追加の効果によって変更されると共に高められ、４つの追加の効果は、いわゆるヌッセルト効果と、境界層と関連した３つの効果である。ヌッセルト効果は、流体の流れによって得られる対流による流体と固体の界面における熱移送の向上である。流速が界面のところでゼロになるので、固体から作動流体への熱移送は、熱伝導率に依存する。しかしながら、境界層を越える作動流体の流れは、伝導によって境界層中に移送される熱を流し去る（対流によって）。対流は、一般的に、伝導よりもずっと効果的である。マッハ数１の近くの流速では、ヌッセルト効果は、大きい。例えば、熱源が低速で流れる流体である場合、熱が作動流体中に移送される面積は、熱を熱源の流れの外側に移送する面積よりも非常に小さい。
【００１１】
２つの追加の効果は、ベンチュリ管に沿う境界層の厚さの変化と関連する。ベンチュリ壁のところで作動流体に移送される熱は、作動流体の流れの境界層を通り抜けなければならない。境界層は、固体と流体の界面に隣接して流れる流体の領域である。流速が界面のところでゼロになるので、作動流体の流れの速度は、界面の近くでは急激に増大又は変化しなければならない。この増大又は変化が生じる狭い領域が、境界層と呼ばれている。温度勾配、したがって伝導による熱移送は、境界層が薄いところで著しく高められる。境界層の厚さは、作動流体の流れの方向に沿う圧力勾配によって大きい影響を受ける。
【００１２】
２つの境界層効果のうちの第１の効果は、圧力勾配の符号に関する。いわゆる「逆の」即ち、正の圧力勾配が境界層を厚くすることは既知である。圧力勾配は、ベンチュリの末広がり部分（ディフューザ部分）において「逆」になる。
【００１３】
軸線方向の圧力勾配が好都合な符号を有しているベンチュリの先すぼまり部分では、ナビエストークスの方程式から直接的に導き出される一般的な議論の示すところによれば、境界層の厚さは、軸線方向の圧力勾配の平方根に反比例する。軸線方向の圧力勾配は、温度の一時的減少領域で急激に増大する。温度の一時的減少領域内において境界層が更に薄くなることは、熱移送をこの領域に制限する第４の動機である。
【００１４】
ベルヌーイ型ヒートポンプの効率に影響を及ぼす第５の、即ち最終の考察が、本発明によって扱われている。図３に「熱移送」と表示されたベンチュリの部分は、熱移送のための条件が好ましいベンチュリ軸線方向の部分を示している。これらは、作動流体の流れのバルクの全ての特性である。即ち、温度及び軸線方向の圧力勾配は、断面の周囲の薄い境界層を除いた、作動流体の流れの断面全体の特性である。温度の一時的減少領域の外側で生じる粘性の低下は、利点が無くコストがかかる。本発明の焦点は、図３の一時的減少領域の外側に位置するベンチュリの部分と関連した粘性の低下を生じさせることなしに、図３で「熱移送」と表示されたベンチュリ軸線方向の薄い（細幅の）セクション１０の特性を利用することにある。
【００１５】
かくして、図３の一時的減少領域と関連し、且つ、先行技術で扱われていない５つの問題がある。これらの問題は次の通りである。
１．ベンチュリ壁のネック部分を通る熱移送のヌッセルト効果の向上
２．一時的減少領域への作動流体の流れ中のどこか他の場所からの望ましくない熱移送  ３．ディフューザ中の軸線方向の圧力勾配の望ましくない符号
４．ベンチュリの先すぼまり部分内に位置する一時的減少領域の部分における好ましい圧力勾配の大きさ
５．図３の温度の一時的減少領域の外側に位置する境界層の部分の粘性低下に起因する効率の低下
【００１６】
これら５つの課題のどれもが、先行技術において扱われていない。
【００１７】
本出願人が、先行技術の説明の終わりにあたって注目していることは、ベルヌーイによる変換がエネルギー保存現象であり、即ち、動力を消費しないことは真実であるけれども、ベルヌーイ型ヒートポンプが永久機関ではないことも真実であることである。ベルヌーイ型ヒートポンプは、動力を２つの仕方で消費する。第１に、熱力学第２法則の要件として、熱３が作動流体の流れに加えられる温度と、熱２が作動流体の流れから取り去られる温度とが異なるとき、エントロピーの正味の増加が生じ、それを可逆的仕事によって補償しなければならない。この熱力学第２法則の効果が、図１ａ及び図１ｂに矢印で示す「熱出力」が「熱入力」よりも大きい理由である。このエントロピー発生を補償するのに必要な動力は、熱が加えられる温度と熱が取り去られる温度の差に比例する。第２に、より重要なこととして、境界層にわたる流速の変化は、可逆的仕事によって補償されなければならない粘性消散を暗示している。第１の効果が主要な課題である場合、カルノー効率が達成可能である。より大きな課題は、境界層中の粘性消散に起因する課題である。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、図３に示す「熱移送」セクションを利用する構造体及びこの構造体を利用するシステムである。この構造体は、特にベンチュリの中を通る流体への効果的な熱の移送が行われるように特に設計されたベンチュリである。本発明は、「熱移送」セクションの２通りの利用から成る。第１に、熱移送は、熱移送セクションに制限される。第２に、熱移送セクション内の熱移送は、熱移送セクション内の専用フィンを用いることによって最大にされる。
【００１９】
本発明の別の側面によれば、作動流体に移送される熱の熱源は、流れている流体、ガス又は液体であってもよいし、発熱電気構成要素等の非流体であってもよい。流体熱源と非流体熱源の両方に関し、重要な要件は、「熱移送」セクションとして図３に示すベンチュリ軸線方向の狭い部分に熱源を連結する熱伝導体である。
【００２０】
本発明の別の側面によれば、消費される動力は、層流又は付着流れを維持するためにディフューザの広がりを非常に緩やかにすることによって減少させられる。
【００２１】
本発明の別の側面によれば、多数のベンチュリが、より大きい容量又はより大きい温度差のいずれかを得るために多段で構成される。
【００２２】
本発明の別の側面によれば、ベンチュリ壁の波形は、単一のベンチュリ内に多数の「熱移送スライス部」を生じさせる。
【００２３】
本発明の別の側面によれば、作動流体への熱移送速度を、ベンチュリの中を通る流速の変化によって連続的に変化させることができる。
【００２４】
本発明の別の側面によれば、熱移送ベンチュリに基づくシステムは、開いてもよいし、閉じていてもよい。即ち、システムは、熱が加えられた作動流体を排出してもよいし、熱移送又はその他の特性のために最適化された作動流体を循環させてもよい。
【００２５】
本発明の別の側面によれば、熱移送ベンチュリに基づくシステムは、熱を「ダウンヒル（下り）」方向にポンプ送りするのに使用されるのがよい。即ち、静止している作動流体の温度よりも高い温度の熱源は、熱伝導により冷却される。作動流体が流れることにより、ヌッセルト効果及び対流を利用する。作動流体がベンチュリの中を流れることにより、冷却をいっそう促進させる。作動流体が熱移送ベンチュリの中を流れることにより、冷却をいっそう促進させる。
【００２６】
他のヒートポンプ技術の場合と同様、ベルヌーイ型ヒートポンプは、加熱目的又は冷却目的に使用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明は、ベルヌーイ型ヒートポンプに用いられる改良型熱移送構造体を提供する。熱移送構造体の実施形態を図４〜図７に示す。これら実施形態は全て、図３に示したベンチュリの「熱移送」セクションを利用している。熱移送セクションは、２通りの基本的な仕方で利用される。第１に、ベンチュリの中を通る作動流体への熱移送は、「熱移送」セクション１０に制限される。第２に、「熱移送」セクション１０内の熱移送を、ベンチュリの「熱移送」セクション内の熱移送に利用できる表面積を増大させるのに役立つ熱伝導性フィンの導入によって最大にする。
【００２８】
図４は、非対称ベンチュリ１６、即ち、先すぼまりセクションの形状と末広がりセクションの形状とが互いに異なるベンチュリの形状をなす熱移送構造体の第１の実施形態を示している。作動流体は、ベルヌーイ変換を経験する。矢印の長さは、流速を指示し、長い矢印は、速度が大きいことを指示する。作動流体１２がベンチュリに入ると、ガスは、ゆっくりと動き、比較的高温であり且つ比較的高密度である。断面積が減少するとき、一定の質量流量を維持するために、流れの速度は増大しなければならない。流速のこの増大に必要なエネルギーは、図２に示すように、温度に反映されるランダムな運動エネルギーから得られる。温度の減少は、流速の２乗の変化に比例し、即ち、ベルヌーイ効果が生じる。したがって、ガスがベンチュリの中を進むにつれて、流速は、増大し、最小断面積のところで最大速度１３に到達する。流速の軸線方向変化は、図３に示す温度の変化の鏡像である。ベンチュリのディフューザ部分で、断面積が増大し始めると、流速は、ガスがベンチュリ出口に進むにつれて減少１４し、ベンチュリの出口におけるガス１５は、熱が熱源流れ１７から熱伝導性材料１８を通って移送される程度に昇温する。作動流体への熱伝導体１８の露出が、図３に示した「熱移送」セクション１０に制限されることは、本発明の重要な側面である。ベンチュリ壁１６は、「熱移送」セクション１０の外側のどこにおいても断熱性である。特に、この構造体は、「熱移送」セクション１０への作動流体の他の領域からの作動流体の望ましくない熱移送を無くす。
【００２９】
一例として選択された図４に示す熱源は、流れている流体である。熱源１７の性質及び熱伝導体１８へのその熱的結合は、極めて任意である。作動流体への熱移送を「熱移送」セクション１０に制限することは、本発明に固有である。
【００３０】
本発明の第２の基本的な構成要素は、図５においてベンチュリの「熱移送」セクションの拡大断面図に示す追加の構造体である。図５では、図４とは対照的に、ベンチュリの「熱移送」セクションは、図面の平面内に位置していることに注目すべきである。この場合、作動流体への熱移送量は、ベンチュリ壁２０から作動流体の流れの中に延びる熱伝導性フィン１９によって増大する。熱交換量を増大させるためにフィンを使用することは、普通の技術である。この内容に優るここでの新規な技術は、流れの方向、即ち、ベンチュリの軸線と平行な方向への熱伝導性フィン１９の広がりが制限されていることである。ここで、熱伝導性フィン１９は、「熱移送」セクション１０の範囲に限定されている。用いられる熱伝導性フィンのパターンは、極めて任意である。図５ａ及び図５ｂは、ベンチュリを横切って延びるフィンを示し、このフィンは、「熱移送」セクション１０内にグリッド（格子）１９を形成するよう互いに交差している。かかるグリッドの構造体の役に立つ視覚化が、テニスラケット、りんご用芯抜き器及び茶漉し（平らな茶漉し）によって提供される。図５ａ及び図５ｂは又、ベンチュリの断面形状が任意であることを強調するのに役立つ。多くのベンチュリは、円筒形の対称性を備えるが、これは、要件ではない。
【００３１】
本発明の別の側面は、熱伝導性フィンの断面形状にある。熱伝導性フィンの断面形状は、翼形（エーロフォイル）の形状であり、フィンによって作動流体の流れに働く空力学的抗力を最小にするように設計される。抗力の垂直方向の大きな成分、いわゆる「圧力」成分は、フィンの空力学的断面形状によって無視できるほど小さくなっている。より一般的な翼形とは異なり、本発明者の熱伝導性フィンは、揚力をもたらす必要はなく、しかも、これらの迎え角を変更する必要がない。かくして、これらフィンは、抗力を一段と減少させるよう薄く且つ作動流体の流れの流線に沿う方向に差し向けられているのがよい。これに関して、固定翼形のアレイが、しばしば、ダクト内の流れの中の乱流を抑制するために用いられる。
【００３２】
グリッド要素に関する設計の別の自由度は、ベンチュリ壁からの距離に応じたグリッド要素の断面の変化である。この自由度は、熱移送と構造的強度との間のトレードオフを有している。構造的強度に関しては、ベンチュリ壁からの距離の増大に応じて面積を増大させる要求がある。熱伝導に関しては、これとは逆の要求がある。適当なバランスは、グリッド要素のために選択された材料に依存する。
【００３３】
「熱移送」セクションを利用しないベルヌーイ型ヒートポンプの場合と同様、本発明の多数の熱移送ベンチュリは、大きな容量を達成するために並列に構成されてもよいし、より高い温度又はより低い温度を達成するために直列に構成されてもよい。かかる構成を、図６ａ及び図６ｂに示す。
【００３４】
乱流を最小にすると共に熱移送セクションのスケールに働く抗力を最小にするように、フィン形グリッドの断面を最適化することがまさにできるので、ベンチュリ全体の形状、特にディフューザの形状を、独立に最適化して、抗力を減少させ、かくして、作動流体の流れを維持するのに必要とされるブロワ／ファン機構９による動力を減少させることができる。これに関連した一般的な要件は、層流又は付着流れを維持するために、ベンチュリのディフューザ部分の断面積の広がりが非常になだらかでなければならないことである。層流又は付着流れは、空力学的抗力の最も大きい成分、いわゆる圧力抗力を最小にするのに役立ち、粘性損失と関連した小さい成分だけを残す。マッハ数１の流れを達成するのに必要な圧力降下の９５％の回復が報告された。
【００３５】
もう１つの設計上のオプションは、本発明が作動する流速に関する。作動流体の相の変化に基づく伝統的なヒートポンプとは対照的に、ベルヌーイ型ヒートポンプの作動条件は、容易に且つ連続して変化してもよい。特に、ヒートシンク流れを維持するブロワに送られる動力を変化させることによって、ヒートシンク流れの流速、従って、その温度を、変化させることができる。この自由度の１つの重要な暗示は、始動時における従来型システムの非効率性である。本発明を含むベルヌーイ型ヒートポンプでは、熱のポンプ送り速度は、連続的に可変であり、それにより、始動時における過渡状態及びその非効率性を効果的に無くすことが可能である。例えば、作動流体の流れを維持するブロワを、サーモスタット制御することができる。連続の変化及び制御の第２の長所は、熱力学的に許容される効率をより小さい温度差で増大させることである。なお、カルノー効率は、熱をポンプ送りする際の温度差に反比例する。かくして、本発明は、より小さい温度差にわたるより長い作動に関連した効率の利得を得る。
【００３６】
最後に、図７に、単一のベンチュリ内における多数の「熱移送」セクションを形成するように設計されたベンチュリ壁の波形形態を示す。即ち、上述したように、ベンチュリ壁は、「熱移送」セクションの外側において断熱性であるが、ここでは、図７に示すように多数の「熱移送」セクションが存在している。
【００３７】
〔定義〕
ベンチュリ：流体流れダクト又はチャネル構造体であり、断面積が軸線方向に沿って変化する。ダクト軸線に沿う断面積の変化は、少なくとも１つの局所最小箇所を有している。ほとんどのベンチュリの断面積は、軸線に沿って増加するディフューザセクションを有しているけれども、本発明者のベンチュリの定義では、ディフューザセクションが短い又は存在していないノズルを含む。かくして、この定義の拡張により、動力消費が重要ではない適用例への本発明の利用可能性が拡張される。
【００３８】
作動流体：温度が局所的に変化させられ、例えば、熱源の温度がシンクの温度よりも低いとき、自然な熱の流入及び自然な熱の流出を許す流体である。
【００３９】
作動流体の流れ：ベンチュリ構造体の中を通る作動流体の流れである。
【００４０】
断面：ベンチュリ軸線と垂直な平面とベンチュリ表面との交差によって形成される閉曲線の内側の領域である。
【００４１】
熱移送セクション：ベンチュリのネック部の近くにおいてベンチュリ軸線と垂直な２つの平面の間に位置し、低温、大きい流速、によって特徴付けられるベンチュリの部分（図３参照）である。
【００４２】
フィン：高熱伝導率材料から成り、熱伝導性表面からこの熱伝導性表面に隣接した流体の流れの中に延び、流れに対する抵抗を最小にしながら熱伝導性表面と流体の流れとの間の熱移送に利用できる表面積を増大させることを目的とする構造体である。
【００４３】
ディフューザ：軸線方向、即ち、流れ方向に沿う断面積が単調に増大することによって特徴付けられるベンチュリの部分である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１ａ】従来型ヒートポンプの構成要素を示す図である。
【図１ｂ】ベルヌーイ型ヒートポンプの構成要素を示す図である。
【図２】圧縮性ガスの層流における関連した流速、温度、密度、圧力及び断面積の変化を示すグラフである。
【図３】ベンチュリの「熱移送」セクションを明らかにすると共に、ベンチュリ内の温度の軸線方向変化及びベンチュリ形状（破線）を示す図である。
【図４】本発明の実施形態による熱移送ベンチュリの断面図である。
【図５ａ】熱移送セクションを横切る熱伝導性フィンのグリッドを含む本発明の実施形態による矩形ベンチュリの、「熱移送」セクションにおける断面図である。
【図５ｂ】熱移送セクションを横切る熱伝導性フィンのグリッドを含む本発明の実施形態による非矩形ベンチュリの、「熱移送」セクションにおける断面図である。
【図６ａ】増大させた容量を得るために並列段に配置された本発明の実施形態による多数の熱移送ベンチュリの断面図である。
【図６ｂ】増大させた容量を得るために直列段（ステージ）に配置された本発明の実施形態による多数の熱移送ベンチュリの断面図である。
【図７】波形壁及び多数の「熱移送」セクションを有する本発明の実施形態によるベンチュリの断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１    作動流体、熱移送ベンチュリによって熱が加えられる流体
２    シンク温度（比較的高い温度）の作動流体から取り去られる熱
３    熱源温度（比較的低い温度）の作動流体に加えられる熱
４    作動流体の温度及び圧力を増大させる圧縮機
５    熱を作動流体からシンクに移送する高温側熱交換器
６    熱を熱源から作動流体に移送する低温側熱交換器
７    作動流体の圧力を減少させる膨張弁
８    ベンチュリ、即ち、断面積が変化するダクト
９    作動流体の流れを維持するファン又はブロワ
１０  圧力、温度及び密度が低く、流速及び圧力勾配が大きいベンチュリの断面部分
１１  通常の「臨界流れベンチュリ」の断面積
１２  低速で移動し且つ比較的高温である作動流体の流れの部分
１３  高速で移動し且つ比較的低温である作動流体の流れの部分
１４  圧力勾配が「望ましくない」作動流体の流れの減速部分
１５  ベンチュリの「熱移送」セクション内で加えられた熱を搬送する作動流体がベンチュリを出るときの作動流体の流れの部分
１６  ベンチュリ壁
１７  図面の平面に入りそれから出るように流れる熱源流体
１８  熱を熱源流れから作動流体の流れに搬送する熱伝導体
１９  熱をベンチュリから作動流体の流れに移送する熱伝導性フィン
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７】
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【国際調査報告】
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