JP2007523315A - ヒートポンプの流体ダイオード型膨張装置 - Google Patents

Abstract

ヒートポンプ応用例の膨張装置はこの装置を通る流れの方向によって冷媒流に対して異なる抵抗をもつ流動抵抗装置で構成される。流動抵抗装置は可動性の部品を持たないため、従来技術の可動性ピストンにおける損傷、磨耗や汚染の問題を回避する。流動抵抗装置は固定妨害物であり、冷媒が膨張装置を通して移動する際にこの周りを通過しなければならない。

Description

本発明はヒートポンプの膨張装置に関する。

ヒートポンプは、圧縮機、屋内熱交換器、屋外熱交換器、膨張装置、および冷暖房モード間の運転を切り替える四方切替え弁を使用する。ヒートポンプは冷媒流を高圧、高温から低圧、低温へと膨張させる膨張装置を利用する。適切なシステムの運転には、ヒートポンプの運転が冷房モードにあるか暖房モードにあるかにより、膨張装置に大きさの異なる制限が必要である。明らかなように、システムが冷房モードもしくは暖房モードで運転するとき、膨張装置を通る冷媒流の方向は逆転する。

単一の膨張装置をもつ従来技術のヒートポンプシステムは可動式ピストンを使用する。この可動式ピストンが第１の方向に移動したとき流動抵抗はこのピストンが逆の第２の方向に移動したときに比べて実質的に高い。この第１の方向は暖房モードに対応し、第２の方向は冷房モードに対応する。ピストンは磨耗しやすく、好ましくないほど大きい誤差や汚染のためシステムの運転や信頼性に悪影響を及ぼす。さらに、現行のヒートポンプシステムは、Ｒ４１０ＡやＰＯＥオイルのような代替冷媒を取り入れている。Ｒ４１０Ａ冷媒を利用するシステムは、過去にこのシステム内で使用されていたより一般的なＲ２２およびＲ１３４Ａ冷媒に比べてはるかに高い圧力差で運転する。これにより膨張装置の磨耗、潤滑に悪影響を及ぼし、運転の過渡状態中にさらに高い負荷をもたらす。

したがって、磨耗や信頼性の問題に直面しにくい、ヒートポンプシステムにおける単一で信頼性のある、安価な膨張装置が必要とされる。

本発明のヒートポンプ膨張装置は、この装置を通る流れの方向によって冷媒流に対して異なる抵抗をもつ流動抵抗装置で構成される。流動抵抗装置は第１および第２の流路に対して固定、すなわち剛的に取り付けられて、従来技術の可動式ピストンにおける磨耗の問題を回避する。本発明のいくつかの実施例の流体流動抵抗装置は固定妨害物であり、冷媒が膨張装置を通して移動する際にこの周りを通過しなければならない。流動抵抗装置は、冷媒が一方に流れるときに低い抗力係数をつくり出すが、冷媒がこの反対方向に流れるときに高い抗力係数をつくり出す特徴を片側にもつ。

したがって、本発明は磨耗しにくい信頼性のある、安価な膨張装置を提供し、信頼性に関する問題を軽減する。

本発明を利用する冷暖房モードの両方で運転が可能なヒートポンプ１０を図１に模式的に示す。ヒートポンプ１０は圧縮機１２を含む。圧縮機１２は吸入ポート１６を通してこの圧縮機へと戻される冷媒を、吐出ポート１４を通して供給する。

冷媒は、暖房位置と冷房位置の間で切り替えが可能な四方弁１８を通して移動し、要求された運転モードに応じて所望のように案内される（図１の弁１８に関連した矢印で示す）。弁１８が冷房位置に置かれているとき、冷媒は吐出ポート１４から弁１８を通して屋外熱交換器２０へと流れ、圧縮された冷媒からの熱が、例えば空気のような二次流体へと放出される。冷媒は屋外熱交換器２０から本発明の膨張装置２２の第１の流路２６を通流する。冷媒がこの順方向に流れるときに、第１の流路から第２の流路２８へと移動するに従い膨張し、これにより冷媒の圧力および温度は減少する。膨張した冷媒は屋内熱交換器２４を通流し、別の二次流体から熱を吸収して屋内に冷気を供給する。冷媒は屋内熱交換器２４から弁１８を通して吸入ポート１６へと戻る。

弁１８が暖房位置のとき、冷媒は吐出ポート１４から弁１８を通して屋内熱交換器２４へと流れ、ここで屋内に熱が放出される。冷媒は屋内熱交換器２４から第２の流路２８を通して膨張装置２２へと流れる。冷媒が第２の流路２８から膨張装置２２を通して第１の流路２６へと逆方向に流れるため、冷媒流は順方向に比べてこの方向にいっそう制限が加えられる。冷媒は第１の流路２６から屋外熱交換器２０、四方弁１８を通流し、この弁１８を通して吸入ポート１６へと戻る。

本発明の膨張装置のいくつかの実施例を図２〜図５に示す。本発明の膨張装置２２は第１の流路２６と第２の流路２８との間に配置された流動抵抗装置３０を含んでなる。従来技術の可動式ピストンとは異なり、流動抵抗装置３０は流路２６，２８に対して固定されており、損傷、磨耗、もしくは汚染を受けやすい特徴を持たない。流動抵抗装置３０がピンにより支持されているのが模式的に示される。冷媒が逆方向すなわち暖房方向に流れるときに比べ、冷媒が順方向すなわち冷房方向に流れるときのほうが流動抵抗装置３０の流体抵抗は低く、流体ダイオードとして機能する。この可変式の流体抵抗は流動抵抗装置３０の両側に異なる特徴を提供することにより達成され、一方向の流体抵抗を増大させるとともにもう一方の方向により低い流体抵抗を提供する。

図２を参照すると、流動抵抗装置３０が第２の流路２８側を向いた有刺端３２を含む。冷媒が順方向すなわち冷房方向に流れるとき、冷媒は流動抵抗装置３０の平滑面の周りを流れ、流路２６と流路２８との間の流動抵抗装置３０の配置は相対的にほとんど抵抗をつくり出さない。しかしながら、冷媒が逆方向すなわち暖房方向に流れるとき、冷媒は非常に高い抗力すなわち流体流への抵抗をつくり出す有刺端３２へと流れる。

本発明の別の実施例を図３に示し、流動抵抗装置３０として所定の角度をなす流路３４を利用している。この所定角度の流路３４は、冷房方向に流れる冷媒が所定角度の流路３４をほとんど通らずに第２の流路２８へとより直に通流するように配置されている。しかしながら、冷媒が暖房方向に流れるとき、所定角度の流路３４の、第２の流路２８に対する方向のため冷媒はこの所定角度の流路３４により流入しやすい。第２の流路２８と所定角度の流路３４の開口部の壁との間の壁の浅い角度のため、第２の流路２８から所定角度の流路３４の入口への流体の流れがより効果的に維持されている。冷媒は、第２の流路２８から第１の流路２６へと流れる冷媒の流れに戻されるように所定角度の流路３４を出て乱流をつくり出し冷房方向に流れる冷媒に比べ増大した流動抵抗を発生させる。

図４および図５を参照すると、流動抵抗装置３０が図２に示す装置と同様に流路２６と流路２８との間に配置されている。図４に示すように、流動抵抗装置３０は開放状の半球部３８であり、図５に示す流動抵抗装置３０は流路２６と流路２８との間に配置されたＣ字状のチャネル４０である。冷媒が冷房方向に流れるとき、流動抵抗装置３０の滑らかな丸い表面は相対的に低い抗力係数をもつ。しかしながら、冷媒が暖房方向に流動抵抗装置３０のカップ状の領域へと流れるとき、暖房方向に流動抵抗を増大させる相対的に高い抗力係数を受ける。

流動抵抗はさまざまな用語を用いて表現できることを理解されたい。例えば、流動抵抗は抗力係数と表すことができる。また流動抵抗は乱流や層流の相対的な度合いと表すことができる。いずれにせよ、冷媒流の方向に基づく流動抵抗の変化は固定された流動抵抗装置を利用することにより達成される。

本発明の膨張装置をもつヒートポンプの概略図。 本発明の膨張装置の第１の実施例の断面図。 本発明の膨張装置の第２の実施例の断面図。 本発明の膨張装置の第３の実施例の断面図。 本発明の膨張装置の第４の実施例の断面図。

Claims (7)

1. ヒートポンプとして運転する冷却システムであって、
   第１の熱交換器および第２の熱交換器に接続された圧縮機と、
   前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器との間に接続された膨張装置と、を備え、この膨張装置が、第１の流路と第２の流路の間にこれらに固定的な関係で配置される流動抵抗装置を含み、前記流動抵抗装置が、第１の方向に流れる前記流体に第１の流体抵抗と、反対の第２の方向に流れる前記流体に前記第１の抵抗よりも大きい第２の流体抵抗と、を提供することを特徴とする冷却システム。
2. 前記第１および第２の方向の各々に流体の流れを提供する暖房位置と冷房位置との間で切り替え可能な四方切替え弁を備えてなることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ。
3. 前記流動抵抗装置が、異なる形状の第１の端部と第２の端部とをもつ本体を含んでなることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ。
4. 前記第２の端部が、有刺状の面を含むことを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプ。
5. 前記第２の端部が、開放状の半球部であることを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプ。
6. 前記流動抵抗装置が、前記第２の端部に開放面を備えたＣ字状のチャネルであることを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプ。
7. 前記流動抵抗装置が、所定角度の迂回流路であることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ。

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