(57)【要約】  本発明は、源から加温器シンクへ熱を移動するヒートポンプに関し、概して加温器のヒートシンクの流れにおいて温度を下げることによってこの移動を達成するベルヌーイヒートポンプを備えている。熱は、概して、冷却器の熱源の流れからベンチュリの絞り部であるヒートシンクの流れの局所的な冷たい部分に自然に流れる。温度の低下は、乱雑な気体粒子の運動（温度及び圧力）の方向性を持った運動（流れ）へのベルヌーイ変換に起因する。本発明は、ベンチュリの絞り部への熱伝達が希ガスの独特な熱力学的輸送特性を有効に利用するベルヌーイヒートポンプである。希ガス、特にその混合物は、通常小さなプラントル数を有し、したがって方向性を持った粒子の運動（粘性）に対して乱雑な粒子の運動（熱）の拡散を容易にし、粘性摩擦はベルヌーイヒートポンプによって消費される大部分のエネルギーに関与する。【選択図】  図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベルヌーイヒートポンプにおいて、噴出されたヒートシンクの流体の流れの絞り部に熱を移送するものにおいて、
熱伝達と粘性損失を平衡させる方法が、熱を当該絞り部に移送しながら、前記ヒートシンクの流れとして前記絞り部を介して１つ又はそれより多い希ガスを流すことからなる方法。
【請求項２】
前記ヒートシンクの流れが、成分として、少なくともモル分率１％の希ガスを含む請求項１の方法。
【請求項３】
前記希ガスの成分が、少なくともモル分率１％の希ガス元素を含む請求項２の方法。
【請求項４】
前記希ガスの成分が、複数の希ガス元素の混合物を含む請求項２の方法。
【請求項５】
前記複数の希ガス元素の混合物が、ヘリウムと、１つ又はそれより多いより重い希ガス元素との混合物を含む請求項２の方法。
【請求項６】
前記ガスの混合物が、相対的に軽いガス元素成分と重いガス元素成分を含む請求項２の方法。
【請求項７】
前記ヒートシンクの流れが、当該流れを押し込むことにより生じる圧力差によって維持される請求項１の方法。
【請求項８】
前記ヒートシンクの流れが、当該流れを引出すことにより生じる圧力差によって維持される請求項１の方法。
【請求項９】
もともとのヒートシンクの流れが戻る前に、前記ヒートシンクの流れから他のヒートシンクへと熱が移送される閉鎖サイクルにおいて、前記ヒートシンクの流体の流れが、操作される請求項１の方法。
【請求項１０】
ベルヌーイヒートポンプにおいて、噴出されたヒートシンクの流体の流れの絞り部に熱を移送するものにおいて、
熱伝達と粘性損失を平衡させる方法が、熱を当該絞り部に移送しながら、前記ヒートシンクの流れとして前記絞り部を介して比較的軽いガス元素の成分と重いガス元素の成分との混合物を流すことからなる方法。
【請求項１１】
前記混合物が希ガスを含む請求項１０の方法。
【請求項１２】
・熱源の流体の流れ、
・前記熱源の流体の流れと良好に熱接触しているヒートシンクの流体の流れ、
・前記熱源の流体の流れと前記ヒートシンクの流体の流れを維持する送風機機構、
・前記ヒートシンクの流れにベンチュリ形状を与える断面積の変化する少なくとも１つの硬い管路からなり、
・前記ヒートシンクの流体の流れが、成分として、少なくともモル分率１％の希ガスを含むヒートポンプ。
【請求項１３】
前記ヒートシンクの流れの前記希ガス成分が、少なくともモル分率１％の単一の希ガス元素を含む請求項１２のヒートポンプ。
【請求項１４】
前記ヒートシンクの流れの前記希ガス成分が、少なくとも２つのモル分率１％の希ガス元素を含む請求項１２のヒートポンプ。
【請求項１５】
前記ヒートシンクの流れの前記希ガス成分が、ヘリウムとより重い希ガス元素の混合物を少なくともモル分率１％含む請求項１２のヒートポンプ。
【請求項１６】
前記ヒートシンクの流れが、ヘリウムと少なくとも２つの異なるより重い希ガス元素との混合物を少なくともモル分率１％含む請求項１２のヒートポンプ
【請求項１７】
前記送風機機構が、少なくとも１つの前記ベンチュリの排気から前記ヒートシンクの流れを引出す請求項１２のヒートポンプ。
【請求項１８】
前記送風機機構が、少なくとも１つの前記ベンチュリの入口に前記ヒートシンクの流れを押し込む請求項１２のヒートポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱源から加温器ヒートシンクへ熱を移動する装置、ヒートポンプに関し、より詳細には、ベルヌーイヒートポンプ及びその手順に向けられている。
【背景技術】
【０００２】
熱機関は源からシンクへと熱を移動する。熱を移動する向きによって区別される２つの基本的な種類に熱機関を分けることができる。熱は、「低い方へ」すなわちより低い温度へ自然に流れる。水の流れと同様に、「低い方へ」の熱の流れは、例えば内燃機関により示されるような機械的作用を生じさせるのに利用することができる。「高い方へ」すなわちより高い温度へ熱を移動する装置はヒートポンプと呼ばれている。ヒートポンプはエネルギーを必ず消費する。最も一般的なヒートポンプは、作動流体（気体の又は液体の）を使用し、その流体の温度は、その間を熱が行ったり来たりする源とシンクの両方の温度を含む範囲にわたって変化する。この温度変化は、一般に、作動流体の圧縮によって達成される。ベルヌーイヒートポンプは、乱雑な分子運動（温度及び圧力）が方向性を持った運動（巨視的な流体流）に変換されるが、全体の運動エネルギーが変化せず維持されることにしたがう、よく知られているベルヌーイの法則を有効に利用することにより必要とされる温度変化を生じさせる。ベルヌーイ変換は、流体流の断面積が流れの経路に沿って最小の箇所を通過するベンチュリ形状の管路におけるような、流体流の断面積が縮小する際に、最も一般的に生じる。流体を気体又は液体の何れかとすることができる。そのような従来の例は、「Cooling by flowing gas at supersonic velocity」と題する1960年10月21日付けの米国特許第3,049,891号においてC. H. Barkelewにより、及び「Space Conditioning Apparatus」と題する1963年11月7日付けの米国特許第3,200,607号においてV. C. Williamsにより記載されている。
【０００３】
園芸用ホースのノズルのように、断面積が縮小した場合にも一定の質量流束を維持するために、方向性を持った運動は増大されなければならない。このような変換は、付加的なエネルギーを加えることなく、温度及び圧力に反映される乱雑な分子運動の局所的な減少により自然に生じる。圧縮はエネルギーを消費するが、ベルヌーイ変換は消費しない。ベルヌーイ変換はそれ自体エネルギーを消費しないが、一般に、流体の噴出しは、ヒートシンクの流れの中に強い速度勾配を含む。速度勾配は粘性損失を伴う。したがって、ベルヌーイヒートポンプの開発に関する課題の中心は、粘性損失を最小としながら、熱伝達を容易にする材料及び構造を見出し、開発することである。
【０００４】
希ガスの混合物が異常に小さな粘性を有することが、熱音響用途において近年見出された。この開発の議論及び付加的な言及は、M. E. H. Tijani、J. C. H Zeegers、A. T. A. M. deWaelaによるJournal of the Acoustical Society of America, 112, No.1, pp.134-143（2002年7月）の「Prandtl number and thermoacoustic refrigerators」に見出すことができる。
【０００５】
ヒートポンプに関する従来の効率的な測定基準は、消費されたエネルギーに対する熱伝達速度の比である「性能係数」（CoP）である。ベルヌーイヒートポンプにおいて、エネルギー消費の主要源は、流速が最大となるベンチュリの絞り部における粘性摩擦である。熱伝達をもたらす温度差と粘性消散との双方は流速の二乗に比例する。作動流体の２つの特性、その熱伝導率及びその粘性は、ベルヌーイヒートポンプの効率に極めて重要である。プラントル数と呼ばれる気体の無次元の特性は、基本的にはこれら２つの特性の比である。したがって、CoPは小さなプラントル数によって特徴付けられる材料を利用することから直接利益を享受する。希ガスの混合物が一般に小さなプラントル数を有するという、熱音響装置の文脈におけるTijaniらによる上記所見は、ベルヌーイヒートポンプの操作及びその方法の改善に対するこの所見の新規な出願として、さらに、本発明にしたがい適用される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、本発明の主目的は、ベルヌーイヒートポンプ及び類似のものの新しい及び改善された操作方法を提供し、粘性流体流損失を最小としながら効率的な熱伝導をもたらす新規な結果生じるポンプ装置を提供することである。
【０００７】
他の目的は、ベルヌーイヒートポンプにおいて、希ガス、好ましくは希ガスの混合物、異なる質量を備えるガス成分（原子、分子）をもたらす他のガスの新規な利用を提供することであり、異なる質量は、相対的に軽い質量と相対的に重い質量であり、ポンプの流体流操作において著しく低いプラントル数を生じさせる。
【０００８】
さらに他の目的は、そのような新規のベルヌーイヒートポンプを提供することであり、ベンチュリの絞り部分への熱伝達は、希ガスの独特の熱力学的輸送特性を有効に利用する。
【０００９】
他の目的及びさらなる目的を以下に詳細に記載し、添付の特許請求の範囲の記載においてより完全に正確に概説する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
しかしながら、そのより広い局面の１つから、要約すれば、本発明は、熱が、噴出されたヒートシンクの流体流の絞られた部分に伝達されるベルヌーイヒートポンプに採用され、熱伝達と粘性損失を平衡させる方法は、熱がヒートシンクに伝達され、ヒートシンクの流れとして絞り部を介して１つ又はそれより多いガスを流すことからなる。
【００１１】
装置の観点から、本発明の手順はヒートポンプとともに実施され、そのヒートポンプは、
・熱源の流体の流れ、
・前記熱源の流体の流れと良好に熱接触しているヒートシンクの流体の流れ、
・前記熱源とヒートシンクの流体の流れを維持する送風機機構、
・前記ヒートシンクの流れにベンチュリ形状を与える断面積の変化する少なくとも１つの硬い管路からなり、
・前記ヒートシンクの流体の流れが、成分として、少なくともモル分率１％の希ガスを含む。
【００１２】
好ましい形態及び最良の形態を以下において完全に記載する。
【００１３】
本発明の他の局面によれば、作動流体に基本的な希ガスを含ませることができる。プラントル数が、比熱に比例し、すなわち作動流体において利用可能でありエネルギーを吸収する自由度の数に比例するので、プラントル数は、比較的単純な粒子からなるガスに関して常に比較的小さな値となる。もっとも単純な粒子からなるガスは希ガスである。したがって、基本的な希ガスが、ベルヌーイヒートポンプに対する作動流体として魅力的であることが証明されているので、それらのガスは、希ガスのそれらの独特の熱力学的輸送特性を活用する本発明の目的に好ましい。
【００１４】
したがって、本発明は、ヒートシンクの流体の流れ、「作動流体」が、かなりの部分、希ガス又は、軽い希ガスと重い希ガスの混合物、より一般的には、後に説明するように相対的に軽いガス成分と重いガス成分の混合物からなることが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
さらに、本発明を添付の図面に関連して記述する。
【００１６】
本発明の実施形態において、流体流はベンチュリ形状を採用することにより生じ、ベンチュリ形状の一般的な形状は、図1の変化する断面積を有する硬い管路に示され、比較的遅く熱い流体流4が圧力により押し込まれるベンチュリ管路の入口ノズル部分1を含み、比較的速く冷たい流体流として発散ノズル部分3を介して出る流れ5によって、断面積が縮小し又は減少した中間の絞り部分2へと収束し、発散ノズル又は拡散部分3において、ベルヌーイ変換は逆転し、入口1と同様であるが、ベンチュリの絞り部の流れに対して熱が伝達されることにより熱せられた遅い流れ6を生成する。よく知られているように、図7のような送風機機構を利用して、熱源とヒートシンクの流体の流れの良好な熱接触を維持する圧力差を生じさせることができ、ヒートシンクの流れは出口から引出され、又はヒートシンクの流れはベンチュリの入口に押し込まれる。
【００１７】
代替的に、噴出しを、ポンプにより維持される低圧領域に対する流体の自己組織化（管路のない）応答とすることができる。図2は、そのような自己形成ベンチュリを示し、流れは、ベンチュリの流れの入口変換「ノズル」部分1に沿って、絞り部2に導かれ、そこから発散「ノズル」部分3を通過する。この操作では、環状タービン9が、垂直軸8の周囲で回転するディスク7の周囲の開口部を介する流れを維持し、一転鎖線15が側面図の面を示す図6a、6bにより詳細に示す。環状タービン9のブレードを図6bにおいて参照番号14で示す。図5において、固定子11は、ヒートシンクの流れを分離し、ヒートシンクの流れから熱を取り除く固定子熱交換器12をもたらす。熱源の流れは、参照番号10により示され、環状タービン9がこの管路のない閉鎖式ベルヌーイ作用ヒートポンプ配置内のディスクの開口部を介する流れを維持するような、回転ディスク7の回転軸8と平行である。
【００１８】
ベンチュリは基本的に一次元又は二次元である。例えば、園芸用ホースのノズルを介する流れは、流線を備える一次元として基本的に特徴づけることができる。他方、図1に図式化する配置は、図1の平面に垂直な第三の次元に延伸し、二次元のベンチュリ、ノズルと一面のシートを生じる。必要とされる噴出しは、圧力差を利用して断面積の変化する管路を介する流れを生じさせることによって達成される。
【００１９】
しかしながら、全ての場合において、質量保存が、断面積の縮小した領域を介する一定の質量流束を維持するように流速が増大することを要求するので、噴出しはベルヌーイヒートポンプの操作の中心である。ベルヌーイの法則の「すばらしいところ」は、増大した流速によって表されるエネルギーの増大が、流体の粒子の乱雑な運動に関連するエネルギーを消費して獲得されることにある。すなわち、流速が増大すると、温度が低下し、圧力が減少する。図3は、ベルヌーイ変換が流体の粒子の速度分布に関して記述できることを示す。この分布に関して、平均値（流速）は分散（温度）を低下させて増大する。
【００２０】
第2の流体、熱源の流れを流し、ヒートシンクの流れ5が噴出す冷たいベルヌーイの絞り部に熱を移送すると、ノズルはヒートポンプとなる。このような配置の１つを図4に示すが、熱源の流れは、図の平面に対して垂直に導かれる。
【００２１】
ベルヌーイヒートポンプによって示される基本的な課題は、噴出されたヒートシンクの流れの絞り部への熱の移送に関係する。熱平衡が、流体と固体の界面のごく近傍におけるヒートシンクの流れと固体との相対運動を排除することから、これは課題となる。これは「すべることのない境界条件」と呼ばれている。固体は、源の流れからシンクの流れとの界面へ熱を伝導するが、ヒートシンクの流れにより対流によって循環するため、シンクの流れの冷たい中心部分と固体を分離する境界層を介して熱を横断させなければならない。境界層は非常に薄いとはいえ、層を構成する流体は、急速に移動することもなく、必ずしも冷たくもない。
【００２２】
境界層を横断するために、熱は、境界層を介して伝導（すなわち、拡散）しなければならない。境界層の厚みは、シンクの流れの流体の粘性によって左右され、熱伝導の有効性はその熱伝導率によって左右される。したがって、熱伝導率に対する作動流体の粘性の無次元の比が重要な設計因子であるということは驚くにあたらない。
【００２３】
よって、ベルヌーイヒートポンプの操作は、２つの同様な物理的効果の間の競合を示す。双方の効果、熱伝導率と粘性は、ヒートシンクの流れの中の巨視的な性質の拡散を反映する。これらの２つは、拡散する巨視的な性質である点でのみ相違する。おそらく予想通り、２つの関連する拡散量は、ベルヌーイ変換によって結び付けられる量であり、すなわち、乱雑な粒子の運動と方向性を持った粒子の運動である。熱伝導率は温度の拡散（乱雑な運動）であり、一方、粘性は流速の拡散（方向性を持った運動）である。熱伝導率は利得（熱伝達）を制御し、一方、粘性は消費された熱の損失（粘性損失）を制御する。損失に対する利得の比は、先に議論したように、「性能係数」（CoP）と呼ばれ、粘性に対する熱伝導率の比に基本的に比例し、プラントル数と呼ばれる先に議論した無次元の気体物性の逆数である。
【００２４】
また先に言及したように、特に熱音響冷却に向けられた、Tijaniらによる先に参照した研究は、好適に使用した希ガスの混合物が異常に小さなプラントル数を有することを示している。これは、このような混合物がまた、おそらくベルヌーイポンプにおける作動（ヒートシンク）流体の役割に関する興味ある候補であるという考えを生じさせる。このような混合物の臨界性質は、構成要素である希ガス原子又は分子の質量差である。例えば、キセノンの原子質量はヘリウムの原子質量の30倍以上である。また、軽い原子及び重い原子の相対濃度に関するプラントル数の変化は、顕著に非線形である。すなわち、混合物のプラントル数は、純ガスのプラントル数の何らかの単純平均に基づき予想されるよりも著しく低い。本発明の目的に関して、ヒートシンクの流体の流れは、構成要素として、少なくともモル分率１％の希ガスを含み、単一の希ガス成分、先に言及したより重いキセノンとより軽いヘリウムのような２つ又はそれより多い希ガスからなる組み合わせ、ヘリウムと１つ又はそれより多いより重い希ガス成分からなる混合物、類似のものからなることが好ましい。
【００２５】
また、希ガスは、また単純にそれらが不活性であることから、本発明の手順によればベルヌーイヒートポンプにおいて使用するための作動流体として興味が持たれる。したがって、大気中に解放される希ガスは、従来の冷却剤の負の要素を有さない。
【００２６】
また、希ガスは、ガスからなる別個の原子が対象の温度範囲においてエネルギーを吸収し得る内部構造を有さないために、本発明のベルヌーイヒートポンプに関する作動流体として興味ある。そのような自由度の数は、比熱に直接入れられ、すなわち、所与の流速に関連して低下する温度とプラントル数の双方に入れられる。
【００２７】
源及びシンクの流れの両方に、周囲空気のような共通の流体を利用することは、ベルヌーイヒートポンプを開放システムとして操作することを可能とするが、希ガス又は希ガスに基づく混合物の利用は、システムが閉鎖されていなければならないことを暗示する。これは、ヒートシンクの流れが、ベンチュリに戻る前に、ヒートシンクの流れから他のヒートシンクへと熱が移送される閉鎖サイクルにおいて操作されなければならないということである。このような閉鎖システムの例を上記した図5及び6に示す。
【００２８】
さらなる変更が当業者には明らかであり、そのような変更は、添付の特許請求の範囲において画定される本発明の精神及び範囲内にあると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】好ましくは、希ガスが本発明の目的のための流体の成分である、ベンチュリノズルの流体の温度と速度を示す断面図である。
【図２】自己形成ベンチュリ構成を示す図である。
【図３】乱雑な運動から方向性を持った運動へのベルヌーイ変換を示す図である。
【図４】本発明の好ましいヒートポンプを示す図であり、図１に示すヒートシンクのベンチュリの絞り部への熱源の流れからの熱伝達が、本発明の好ましい希ガスの流れ方式とともに有効なポンピングをもたらす。
【図５】希ガス流体及び類似のものとともに有効な、管路のない閉鎖式ベルヌーイヒートポンプを示す図である。
【図６】図２及び５に示す管状タービン式ポンプを示す図である。          図6aはディスクを含む管状タービンの平面図である。          図6bは管状タービンのブレードを示すディスクの側面図である。
【図７】本発明の希ガスの流体流とともに利用される管路に基づく閉鎖式ベルヌーイヒートポンプを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2010500524.tif 000007
【図６ａ】
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【図６ｂ】
2010500524.tif 000009
【図７】
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【国際調査報告】
2010500524.tif 000011
2010500524.tif 000012