JP2008546984A - Heat transfer venturi - Google Patents
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Abstract
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。 A heat pump consumes power to transfer heat from a heat source to a hotter sink. The present invention allows natural heat transfer from the heat source to a portion of the hotter working fluid, and the working fluid is locally cooled to a temperature below that of the heat source by the Bernoulli effect. The Bernoulli effect occurs in a venturi-shaped duct shaped to maintain laminar flow. Heat transfer efficiency is improved by restricting heat transfer to a small portion (10) of the venturi-type duct where flow temperature, flow rate, pressure gradient and Nusselt effect all promote heat transfer. Heat transfer within this region (10) is maximized by a thermally conductive grid extending across the venturi-shaped neck.
Description
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。 The present invention relates to a heat pump, i.e., a device that transfers heat from a heat source to a hotter heat sink. In particular, the present invention relates to a Bernoulli heat pump.
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。 A heat engine is a device that moves heat from a heat source to a sink. Heat engines are divided into two basic types that are distinguished by the direction in which heat travels. The heat naturally flows in the “downhill direction”, that is, toward the lower temperature. Similar to water flow, such “downhill” heat flow can be used to generate mechanical work as described, for example, by internal combustion engines. A device that moves heat in the “uphill” direction, that is, toward higher temperatures, is called a heat pump. A heat pump inevitably consumes power. A refrigerator and an air conditioner are examples of a heat pump. Many heat pumps operate by varying the temperature of the working fluid over a range that includes the temperature of the heat source and sink. In this way, heat naturally flows from the heat source to the portion of the working fluid that has a lower temperature than that temperature. Similarly, heat naturally flows from the portion of the working fluid having a temperature above the sink temperature to the sink. The required temperature change of the working fluid is generally performed by compression and expansion of the working fluid.
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。 In contrast, Bernoulli-type heat pumps transform the random molecular motion reflected in fluid temperature and pressure into directional motion reflected in macroscopic fluid flow, thereby reducing the required working fluid. Achieving temperature changes. The distinction between random and directional motion is particularly evident in the statistical distribution of molecular velocities. Random motion is the width of such statistical distribution, and directional flow is the average in the same statistical distribution. When the flow cross-sectional area decreases, for example, when the flow passes through a nozzle or venturi, the fluid naturally converts random molecular motion into directional motion. The change in temperature, density and pressure associated with the cross-sectional area is called Bernoulli's law. Compression consumes power, but the Bernoulli transformation does not consume power. The energy conservation characteristics of Bernoulli conversion are the basic efficiencies utilized by Bernoulli heat pumps.
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。
As shown in FIGS. 1a and 1b, the Bernoulli heat pump is in contrast to the conventional heat pump. As shown in FIG. 1a, the conventional heat pump is composed of four basic components: a compressor 4, an
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。 2 and 3 provide a basis for comparing the present invention with the prior art including a Bernoulli heat pump. FIG. 2 shows the associated changes in temperature, density, pressure, flow rate and cross-sectional area of a so-called one-dimensional compressible gas. There are no new points or issues about this known and much studied phenomenon. The reason why the related changes in these properties of the flowing compressible fluid are reproduced here is that such related changes are compared between earlier technical efforts utilizing the Bernoulli transform and such initial technical efforts and the present invention. It provides a concise basis for comparison. In a one-dimensional flow, the designation for any one of the four quantities that change together implies the remaining three values, and pressure is the product of temperature and density. FIG. 2 shows the temperature, density, pressure and cross-sectional area implied by the flow velocity (squared). The flow velocity is displayed as a dimensionless Mach number. The linear decrease in temperature with the change in the square of the flow velocity is a direct result of energy conservation, ie, conversion from random kinetic energy to directional kinetic energy. It is not surprising that the velocity scale at which the Bernoulli effect occurs is the Mach number, which is the ratio of the two velocities. The quantities shown in FIG. 2 are normalized to the respective values in the stationary gas.
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。 FIG. 2 directly shows the relationship between the invention described in Patent Document 1, another invention, and the present invention. The invention described in Patent Document 1 requires that the flow is supersonic, that is, the value of Mach number is greater than one. FIG. 2 shows that the gas temperature is indeed low for supersonic flow. However, FIG. 2 also shows that the temperature reduction caused by subsonic flow is more than sufficient for many practical purposes. In this regard, it should be noted that the temperature scale in FIG. 2 is an absolute scale. That is, for example, at a flow rate of Mach 1, the gas temperature decreases by 25%. For example, if the temperature of the stationary gas is 70 ° F. (21.11 ° C.), the temperature near the venturi neck at Mach number 1 is −60 ° F. (−51.1 ° C.), which is lower than zero degrees. ). The numerical values shown in FIG. 2 assume an isentropic flow of an ideal gas (perfect gas), and the ideal gas is characterized by a specific heat ratio of monoatomic gas of 5/3. Thus, the challenge posed by Bernoulli-type heat pumps is not the generation of sufficiently low temperatures, but rather the efficient utilization of the low temperatures found near the neck of a venturi, particularly a subsonic venturi.
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。
The second direct implication of FIG. 2 is that the power required to maintain high velocity flow in the venturi neck is substantial. The pressure near the venturi neck is about half of the pressure at the venturi inlet. If this pressure drop is not recovered by the diffuser, i.e., the venturi divergent portion, the potential efficiency of the Bernoulli heat pump is reduced. In order to increase efficiency, in addition to requiring a diffuser, it is a requirement to maintain laminar or non-separated flow within the diffuser. This requirement is directly paraphrased as a diffuser with a very gradual slope at the divergent portion, ie, the venturi is very asymmetric and the converging and diverging sections are very different. Extensive literature relating to so-called “critical flow venturi” indicates, for example, that a conical diffuser should have a half angle of less than 10 ° (the angle between the cone wall and the axis of symmetry). Venturi asymmetry requirements for efficiency are not addressed. Although
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。
The interest of the present invention is directed to the third aspect of FIG. 2 which is not addressed by any of the patent documents 1-4, ie between the flow velocity and the cross-sectional area of the flow, especially for flow velocities close to Mach number 1. Is directed to the relationship. FIG. 2 shows that when the flow rate is increased, the reciprocal of the area passes through the maximum value. This maximum value is the basis of the Laval nozzle. Another implied by this maximum is that when considered as a function of distance along the venturi axis, the temperature, density and pressure are all small transients near the venturi neck (the maximum of the reciprocal area). Have a negative reduction. That is, FIG. 2 shows that near Mach number 1, the temperature, density, and flow velocity all change significantly, while the cross-sectional area changes only slightly. Thus, when considered as a function of distance along the venturi axis, or in a similar sense as a function of cross-sectional area, temperature, density and pressure all have a significant temporary decrease at the venturi neck. Have. FIG. 3 shows the change in temperature with respect to the shape of the
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。 The importance of this effect is altered and enhanced by four additional effects, the four additional effects being the so-called Nusselt effect and the three effects associated with the boundary layer. The Nusselt effect is an improvement in heat transfer at the fluid-solid interface by convection obtained by fluid flow. Since the flow velocity becomes zero at the interface, the heat transfer from the solid to the working fluid depends on the thermal conductivity. However, the flow of working fluid across the boundary layer dissipates (by convection) the heat transferred by conduction into the boundary layer. Convection is generally much more effective than conduction. At flow velocities near Mach number 1, the Nusselt effect is significant. For example, if the heat source is a fluid that flows slowly, the area where heat is transferred into the working fluid is much smaller than the area where heat is transferred outside the flow of the heat source.
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。 Two additional effects are associated with changes in the thickness of the boundary layer along the Venturi tube. Heat transferred to the working fluid at the venturi wall must pass through the boundary layer of the working fluid flow. The boundary layer is a region of fluid that flows adjacent to the solid-fluid interface. Since the flow velocity is zero at the interface, the flow velocity of the working fluid must increase or change rapidly near the interface. The narrow area where this increase or change occurs is called the boundary layer. Temperature transfer, and hence heat transfer by conduction, is significantly enhanced where the boundary layer is thin. The boundary layer thickness is greatly affected by the pressure gradient along the direction of working fluid flow.
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。 The first of the two boundary layer effects relates to the sign of the pressure gradient. It is known that so-called “reverse” or positive pressure gradients thicken the boundary layer. The pressure gradient becomes “reverse” in the end-spread portion (diffuser portion) of the venturi.
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。 In the venturi where the axial pressure gradient has a favorable sign, the thickness of the boundary layer is, according to general discussion, derived directly from the Naviestokes equation. , Inversely proportional to the square root of the axial pressure gradient. The axial pressure gradient increases rapidly in the region of temporary decrease in temperature. The further thinning of the boundary layer within the region of temporary decrease in temperature is the fourth motivation for limiting heat transfer to this region.
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。 A fifth or final consideration affecting the efficiency of the Bernoulli heat pump is addressed by the present invention. The portion of the venturi labeled “heat transfer” in FIG. 3 indicates the portion in the venturi axial direction where the conditions for heat transfer are preferred. These are all properties of the bulk of the working fluid flow. That is, temperature and axial pressure gradient are characteristics of the entire cross section of the working fluid flow, excluding the thin boundary layer around the cross section. The decrease in viscosity that occurs outside the temporary temperature decrease region is inconvenient and costly. The focus of the present invention is the thinness in the Venturi axial direction labeled “Heat Transfer” in FIG. 3 without causing the viscosity drop associated with the portion of the Venturi located outside the temporarily reduced region of FIG. It is to use the characteristics of the section 10 (narrow).
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
Thus, there are five problems associated with the temporary reduction region of FIG. 3 and not addressed in the prior art. These problems are as follows.
1. 1. Improving the Nusselt effect of heat transfer through the neck of the venturi wall. 2. Undesirable heat transfer from somewhere else in the flow of working fluid to the
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。 None of these five issues are addressed in the prior art.
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。
What Applicants have noted at the end of the description of the prior art is that the Bernoulli conversion is an energy conservation phenomenon, ie it is true that it does not consume power, but the Bernoulli heat pump is not a permanent engine. That is also true. Bernoulli heat pumps consume power in two ways. First, as a requirement of the second law of thermodynamics, when the temperature at which
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。 The present invention is a structure utilizing the “heat transfer” section shown in FIG. 3 and a system utilizing this structure. This structure is a venturi specifically designed to provide effective heat transfer to the fluid, particularly through the venturi. The present invention consists of two uses of the “heat transfer” section. First, heat transfer is limited to the heat transfer section. Second, heat transfer within the heat transfer section is maximized by using dedicated fins within the heat transfer section.
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。 According to another aspect of the invention, the heat source of heat transferred to the working fluid may be a flowing fluid, gas or liquid, or may be a non-fluid such as an exothermic electrical component. For both fluid and non-fluid heat sources, an important requirement is a heat conductor that couples the heat source to a narrow portion of the venturi axis shown in FIG. 3 as a “heat transfer” section.
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。 According to another aspect of the invention, the power consumed is reduced by making the spread of the diffuser very slow to maintain laminar or attached flow.
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。 According to another aspect of the present invention, multiple venturis are configured in multiple stages to obtain either a larger capacity or a larger temperature difference.
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。 According to another aspect of the present invention, the venturi wall corrugation creates multiple “heat transfer slices” within a single venturi.
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。 According to another aspect of the present invention, the rate of heat transfer to the working fluid can be continuously varied by changing the flow rate through the venturi.
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。 According to another aspect of the invention, the heat transfer venturi based system may be open or closed. That is, the system may exhaust the heated working fluid or circulate a working fluid that is optimized for heat transfer or other characteristics.
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。 In accordance with another aspect of the invention, a heat transfer venturi based system may be used to pump heat in the “downhill” direction. That is, a heat source having a temperature higher than that of the stationary working fluid is cooled by heat conduction. As the working fluid flows, the Nusselt effect and convection are utilized. The working fluid flows through the venturi to further promote cooling. Cooling is further promoted by the working fluid flowing through the heat transfer venturi.
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。 As with other heat pump technologies, Bernoulli heat pumps can be used for heating or cooling purposes.
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。
The present invention provides an improved heat transfer structure for use in a Bernoulli heat pump. Embodiments of the heat transfer structure are shown in FIGS. All of these embodiments utilize the “heat transfer” section of the venturi shown in FIG. The heat transfer section is utilized in two basic ways. First, heat transfer to the working fluid through the venturi is limited to the “heat transfer”
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。
FIG. 4 shows a first embodiment of the
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。
The heat source shown in FIG. 4 selected as an example is a flowing fluid. The nature of the
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。
The second basic component of the present invention is the additional structure shown in FIG. 5 in an enlarged cross-sectional view of the “heat transfer” section of the venturi. In FIG. 5, it should be noted that, in contrast to FIG. 4, the “heat transfer” section of the venturi is located in the plane of the drawing. In this case, the amount of heat transfer to the working fluid is increased by thermally conductive fins 19 extending from the venturi wall 20 into the working fluid flow. Using fins to increase the amount of heat exchange is a common technique. The novel technique here over this content is that the spread of the thermally conductive fins 19 in the direction of flow, ie in a direction parallel to the axis of the venturi, is limited. Here, the thermally conductive fins 19 are limited to the scope of the “heat transfer”
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。 Another aspect of the present invention is the cross-sectional shape of the thermally conductive fin. The cross-sectional shape of the thermally conductive fin is an airfoil shape and is designed to minimize the aerodynamic drag acting on the working fluid flow by the fin. The vertical component of the drag, the so-called “pressure” component, is negligibly small due to the aerodynamic cross-sectional shape of the fin. Unlike the more common airfoils, the inventor's thermally conductive fins do not need to provide lift and do not need to change their angle of attack. Thus, the fins should be thin and oriented in a direction along the streamline of the working fluid flow to further reduce drag. In this regard, fixed airfoil arrays are often used to suppress turbulence in the flow in the duct.
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。 Another degree of design freedom with respect to the grid element is the change in the cross-section of the grid element as a function of distance from the venturi wall. This degree of freedom has a trade-off between heat transfer and structural strength. With respect to structural strength, there is a need to increase the area as the distance from the venturi wall increases. There is an opposite requirement for heat conduction. The appropriate balance depends on the material selected for the grid elements.
「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。 As with Bernoulli type heat pumps that do not utilize the “heat transfer” section, the multiple heat transfer venturis of the present invention may be configured in parallel to achieve greater capacity, and may have higher or lower temperatures. It may be configured in series to achieve. Such a configuration is shown in FIGS. 6a and 6b.
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。 The fin grid cross section can be optimized to minimize turbulence and drag on the scale of the heat transfer section, so that the overall shape of the venturi, especially the diffuser, can be independently It can be optimized to reduce drag and thus reduce the power required by the blower / fan mechanism 9 required to maintain working fluid flow. A common requirement in this regard is that the cross-sectional area of the venturi diffuser section must be very gentle in order to maintain laminar or attached flow. Laminar or attached flow helps to minimize the component with the highest aerodynamic drag, the so-called pressure drag, leaving only the small component associated with viscosity loss. A 95% recovery of the pressure drop required to achieve a Mach number 1 flow was reported.
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。 Another design option relates to the flow rate at which the present invention operates. In contrast to traditional heat pumps based on changes in the phase of the working fluid, the operating conditions of a Bernoulli heat pump may be easily and continuously changed. In particular, by changing the power delivered to the blower that maintains the heat sink flow, the flow rate of the heat sink flow, and hence its temperature, can be changed. One important implication of this degree of freedom is the inefficiency of conventional systems at start-up. In the Bernoulli type heat pump including the present invention, the heat pumping rate is continuously variable, thereby effectively eliminating the transient state and its inefficiency at the start. For example, a blower that maintains the flow of working fluid can be thermostat controlled. A second advantage of continuous change and control is to increase the thermodynamically acceptable efficiency with smaller temperature differences. Carnot efficiency is inversely proportional to the temperature difference when pumping heat. Thus, the present invention obtains an efficiency gain associated with longer operation over smaller temperature differences.
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。 Finally, FIG. 7 shows a corrugated form of a venturi wall designed to form multiple “heat transfer” sections within a single venturi. That is, as described above, the venturi wall is thermally insulating outside the “heat transfer” section, but here there are multiple “heat transfer” sections as shown in FIG.
〔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。
[Definition]
Venturi: A fluid flow duct or channel structure whose cross-sectional area varies along the axial direction. The change in cross-sectional area along the duct axis has at least one local minimum. Although most venturi cross-sectional areas have diffuser sections that increase along the axis, the inventor's definition of venturi includes nozzles that are short or absent. Thus, this extension of the definition extends the applicability of the present invention to applications where power consumption is not critical.
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。 Working fluid: a fluid that allows natural heat inflow and natural heat outflow when the temperature is locally varied, for example when the temperature of the heat source is lower than the temperature of the sink.
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。 Working fluid flow: The working fluid flow through the venturi structure.
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。 Cross section: An area inside a closed curve formed by the intersection of a plane perpendicular to the venturi axis and the venturi surface.
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。 Heat transfer section: The portion of the venturi (see FIG. 3) that is located between two planes perpendicular to the venturi axis near the venturi neck and is characterized by low temperature, high flow rate.
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。 Fin: Made of a high thermal conductivity material, extending from a thermally conductive surface into a fluid flow adjacent to the thermally conductive surface, and heat between the thermally conductive surface and the fluid flow while minimizing resistance to flow It is a structure intended to increase the surface area available for transfer.
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。 Diffuser: The part of the venturi characterized by a monotonically increasing cross-sectional area along the axial direction, ie the flow direction.
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
1 Working fluid, fluid to which heat is applied by heat transfer venturi 2 Heat removed from working fluid at sink temperature (relatively high temperature) 3 Heat applied to working fluid at heat source temperature (relatively low temperature) 4 Temperature of working fluid And a compressor 5 for increasing pressure, a high temperature side heat exchanger 6 for transferring heat from the working fluid to the sink, a low temperature side heat exchanger 7 for transferring heat from the heat source to the working fluid, an expansion valve 8 for reducing the pressure of the working fluid, a venturi, That is, a duct 9 with a variable cross-sectional area 9 A fan or blower 10 that maintains the flow of working fluid A cross-sectional portion 11 of a venturi having a low pressure, temperature and density, a large flow velocity and pressure gradient, and a cross-sectional area 12 of a normal “critical flow venturi” Working fluid flow portion 13 moving at low speed and relatively hot 13 Working fluid flow portion 14 moving at high speed and relatively low temperature Pressure gradient "Undesirable" working fluid flow deceleration portion 15 Working fluid flow portion 16 when working fluid carrying heat applied in the "heat transfer" section of the venturi exits the venturi 16 Venturi wall 17 in the plane of the drawing A heat source fluid 18 that flows in and out of the heat conductor 19 that carries heat from the heat source stream to the working fluid stream 19 A heat conductive fin that transfers heat from the venturi to the working fluid stream
Claims (15)
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。 A solid heat transfer venturi duct structure capable of guiding a fluid flow comprising:
The cross-sectional area of the heat transfer venturi duct varies along the axis of the heat transfer venturi duct,
Having at least one local minimum cross-sectional area due to a change in cross-sectional area;
The heat transfer venturi duct wall is adiabatic, except for at least one thin heat conducting cross-section located near the minimum cross-sectional area and a heat conductor that couples the heat conducting cross-section to a heat source, heat transfer Venturi duct structure.
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。 Bernoulli type heat pump system,
A heat source,
A heat transfer venturi duct structure according to claim 1;
A thermal coupling between the heat source and a heat conducting section of the heat transfer venturi duct structure;
A working fluid flowing through the heat transfer venturi duct structure;
A blower mechanism that maintains the flow of the working fluid through the heat transfer venturi duct structure;
A Bernoulli type heat pump system comprising: a duct structure that couples the heat transfer venturi duct structure to the blower mechanism.
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。 Furthermore, with a heat sink,
A heat exchange mechanism for transferring heat from the working fluid flow to the heat sink;
A duct structure connecting the blower mechanism to the heat exchange mechanism;
The Bernoulli type heat pump system according to claim 12, further comprising a duct structure that connects the heat exchange mechanism to an inlet of the heat transfer venturi duct structure.
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。 A method of transferring heat to a flow,
Maintaining a pressure drop to maintain fluid flow through the heat transfer venturi duct structure of claim 1;
Maintaining a flow of heat into at least one thermally conductive cross-sectional portion of the heat transfer slice of the heat transfer venturi duct structure.
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