JP2018066548A - 熱交換器及び空気調和装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】発明が解決しようとする課題は、シンプルな構成で且つ熱交換効率の高い熱交換器を提供することである。【解決手段】実施形態の熱交換器は、流体が流れる管と、前記流体を前記管に供給する供給部と、を備える熱交換器であって、前記管は、前記流体の流れにより変形する変形部と、前記流体の流通方向の前記変形部の下流側に狭窄部を有する。【選択図】図1
Description
本発明の実施形態は、熱交換器及び空気調和装置に関する。
圧縮機により高温、高圧となった配管内の液体及び気体は、凝縮器により外部へ熱を放熱する。その後、膨張弁を介して低温、低圧となった液体及び気体が外部より熱を吸収することにより熱交換が繰り返される。このような熱交換器では、混相流冷媒の流れが不均一になることにより熱交換効率が低下する等の課題がある。
熱交換効率向上のためには、熱交換を行う熱交換部の温度境界層を薄くすることが知られている。例えば、フィンと伝熱管を支持する枠体に加振器を取付け、伝熱管とフィンを振動させることによりフィン近傍の熱による温度境界層を破壊することができる。この場合は、加振器とそれを振動させる制御装置を新たに設ける必要があるため装置構成が複雑になること及びコストアップ要因につながる等の課題がある。
発明が解決しようとする課題は、シンプルな構成で且つ熱交換効率の高い熱交換器及び空気調和装置を提供することである。
実施形態の熱交換器は、流体が流れる管と、前記流体を前記管に供給する供給部と、を備える熱交換器であって、前記管は、前記流体の流れにより変形する変形部と、前記流体の流通方向の前記変形部の下流側に狭窄部を有する。
また、実施形態の空気調和装置は、上記熱交換器と、ファンと制御部の少なくとも一方を含む。
以下、図面を参照して実施形態にかかる熱交換器及び空気調和装置について説明する。同じ符号が付されているものは同様のものを示す。なお、図面は模式的又は概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係や部分間の大きさの比係数などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比係数が異なって表される場合もある。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態にかかる熱交換器1の一例を示す図である。
図1は、第1の実施形態にかかる熱交換器1の一例を示す図である。
図1に示すように、熱交換器1は、流体が循環する伝熱管4と、流体を伝熱管4に供給する供給部と、を備える。供給部とは、ここでは圧縮機5及び膨張弁6を指し、流体を膨張弁6から蒸発器2を介して圧縮機5へ流す伝熱管4と、流体を圧縮機5から凝縮器3を介して膨張弁6へ流す伝熱管4とにより流体を循環させている。図1では、伝熱管4のうち一部、蒸発器2及び凝縮器3内に設けられる部分については、これを伝熱管8で示している。
第1の実施形態にかかる熱交換器1では、一部が自己振動することにより流体の熱交換を効率的に行う。
流体とは、液体又は気体あるいはその両方を含み水や空気、フッ素化合物、アンモニア、炭化水素や二酸化炭素等の冷媒が好ましいが、その他のガス、油等も含む。
蒸発器2は、伝熱管4と繋がり膨張弁6を介して低温及び低圧にされた流体が流れこむことによって、流体が外部の空気から熱を吸収し外部の空気を冷やす。
蒸発器2は、略平行に並ぶ複数の板状のフィン7と複数のフィン7に載置される伝熱管8を有する。フィン7と伝熱管8は接した状態で配置される。複数のフィン7は、それぞれ所定の間隔を空けて配置され、その間に気体が流通する。フィン7の形状は、板状に限定されず、伝熱管8の側面から伸びる複数の柱状のフィン7であっても良い。伝熱管8が外部の空気と接触する面積が増える構造であれば、どんな構造でも良い。フィン7の材料は、一般的にアルミニウム、アルミニウム合金やそれらに親水性被膜や耐食性被膜を塗布したものを用いる。伝熱管8は、S字状に曲げられフィン7に接して配置される。複数のフィン7と伝熱管8が接した状態とは、複数のフィン7を伝熱管8が貫通している場合も含む。
図1に示すように、蒸発器2の伝熱管8は、中空の柔軟部8aと、流体が流れる柔軟部8aの下流側に中空の狭窄部8bを含む。伝熱管8は、柔軟部8aと狭窄部8bの組を複数有し、それぞれの間には伝熱管8cを有する。柔軟部8aは、膨張及び収縮可能な弾性部材で形成される。弾性部材とは、ゴム等の材料であり、外形に応力が加わることにより変形する(柔軟部は、変形部とも称される)。狭窄部8bは、柔軟部8aより内径が小さく柔軟部8aに向けて内径がすぼまっている箇所である。詳しく述べると、狭窄部8bは、伝熱管8cと繋がる箇所では伝熱管8cと同一の内径であるが、伝熱管8cから柔軟部8aに向けて内径が小さくなる形状である。狭窄部8bは、柔軟部8aと同一の材料で形成されても良いし、伝熱管8cと同一の材料で形成されても良い。伝熱管8cは、パイプ状の管であり、アルミニウムや銅等の熱伝導率の高い材料が用いられる。伝熱管8cと狭窄部8bは、接着剤等で接続される。また、狭窄部8bが伝熱管8cに設けられている場合は、柔軟部8aと狭窄部8bは、接着剤等で接続される。接着剤は、柔軟部8aと狭窄部8b又は伝熱管8cを流体の漏れが生じない程度に十分に接着できるものなら何でも良い。柔軟部8aの内径は、伝熱管8cの内径より大きいのが好ましい。また、狭窄部8bの内径は、伝熱管8cの内径より小さいのが好ましいがこれに限定されない。また、狭窄部8bの内径は、柔軟部8aに向かうにつれて内径が小さくなる形状について説明したが、これに限定されず内径が一定である場合も含む。
次に、蒸発器2の伝熱管8内に流体が流れる際の伝熱管8に生じる作用について説明する。
伝熱管8内を流れる流体は、まず伝熱管8cを通り、柔軟部8aに流入する。次に、狭窄部8bに流体が流れ込む。狭窄部8bの柔軟部8a側の内径が伝熱管8cより小さいことにより、狭窄部8bに流入する流体が淀み乱流が発生する。乱流による圧力変動により、ゴム等で形成された柔軟部8aの内部管壁が励振する。これにより、柔軟部8aは、自己振動を始める。狭窄部8bを通り抜けた流体は、下流側に位置する隣の伝熱管8cを通り柔軟部8aに流れ込む。柔軟部8aと狭窄部8bは、複数存在するため伝熱管8中の柔軟部8aそれぞれで振動が生じる。流体は、一般的に液体と気体の二相流であり、二相流であることによって、狭窄部8bに流入する際に柔軟部8aを振動させる。また、柔軟部8aの振動により二相流の流体がミキシング(かき混ぜる、混合する)される。
この柔軟部8aの振動により、柔軟部8aと外部の空気との接触面積が増加すること、さらに熱交換の際の抵抗となる温度境界層を薄くするため、外部の空気と効果的に熱交換できる。また、狭窄部8bにより伝熱管内を流れる流体は乱流により拡散されるため、柔軟部8aの内壁に効果的に接触し熱交換が促進される。
凝縮器3は、伝熱管4と繋がり、圧縮機5で高温及び高圧にされた流体が流れ込むことによって、流体が外部の空気へ熱を放出し外部の空気を暖める。
凝縮器3は、図1に示すように、略平行に並ぶ複数の板状のフィン7と複数のフィン7に載置される伝熱管8を有する。フィン7と伝熱管8は接した状態で配置される。複数のフィン7は、それぞれ所定の間隔を空けて配置され、その間に気体が流通する。蒸発器2と同様、複数のフィン7を伝熱管8が貫通している場合でも良い。この伝熱管8とフィン7の構成は、蒸発器2と同様である。また、伝熱管8の構成も蒸発器2と同様であり、中空の柔軟部8aと、流体が流れる柔軟部8aの下流側に中空の狭窄部8bを含む。伝熱管8は、柔軟部8aと狭窄部8bの組を複数有し、それぞれの間には伝熱管8cを有する。この伝熱管8の構成により、伝熱管8に流体が流れた際に狭窄部8b付近で乱流が発生し、柔軟部8aは、自己振動を始める。
伝熱管4は、蒸発器2と圧縮機5と凝縮器3と膨張弁6を環状に繋ぐ。伝熱管4の内部に流体が流れ蒸発器2及び凝縮器3の伝熱管8の内部に流体が流れ込みことにより流体は、熱交換器1内を循環する。図1に示すように、流体は、伝熱管4と伝熱管8を通り時計回り(CCW)に流れる。伝熱管4は、蒸発器2及び凝縮器3の伝熱管8cと繋がる。伝熱管4は、パイプ状の管で形成され、伝熱管8cと同一材料であることが好ましい。
圧縮機5は、ピストン等の往復運動によるエネルギーを流体の有するエネルギーに変換するものであり、流体を高温及び高圧にする。圧縮機5としては、例えば、ポンプ、コンプレッサ、アキュムレータ、等で良い。
膨張弁6は、流体の圧力降下をもたらす弁のことであり、高温及び高圧の液化した流体を減圧して蒸発し易い状態にする。圧縮機5と膨張弁6は、伝熱管4とそれぞれ繋がり伝熱管4、蒸発器2及び凝縮器3に流体を供給するため供給部とも称される。
上記説明では、流体が伝熱管内を時計回り(CCW)に流れる場合について説明したが、これに限定されず、流体が反時計回り(CCAW)に流れる場合も含む。反時計回りに流体が流れる場合は、蒸発器2と凝縮器3の機能が逆となる。
次に、伝熱管8の柔軟部8aと狭窄部8b及び伝熱管8cの構成について詳しく説明する。
上述したように、伝熱管8に流体が流れることにより柔軟部8aが自己振動する。柔軟部8aの外形表面は、伝熱面としても作用する。そのため柔軟部8aの外形は、表面積が大きくなるような形状であることが好ましい。本実施形態の柔軟部8aの外形は、柔軟部8aの中心付近の径が最も大きくなり狭窄部8b及び伝熱管8cに向かうにつれて径が小さくなる形状である、いわゆる楕円体形状である。また、熱交換効率を上げるために、表面に突起を複数設けても良い。
図2は、柔軟部8aの表面形状の一例を示す図である。
図2に示すように、柔軟部8aの表面形状は、円柱状又は角柱状の突起、あるいは円錐状又は角錐状の突起、あるいは半球状の突起を複数設けても良い。また、柔軟部8aの表面を荒らして表面積を増しても良い。
図2に示すように、柔軟部8aの表面形状は、円柱状又は角柱状の突起、あるいは円錐状又は角錐状の突起、あるいは半球状の突起を複数設けても良い。また、柔軟部8aの表面を荒らして表面積を増しても良い。
柔軟部8aと流体との温度境界層は、柔軟部8aが自己振動することにより薄くなる。ここで、温度境界層とは、流体の温度が急変する領域のことである。例えば、固体と流体で温度差がある場合、その接触領域を温度境界層という。境界層の速度が速い程、温度境界層は薄くなり、流体の粘性が高い程厚くなる。柔軟部8aが共振する時に温度境界層は、より薄くなり流体との熱交換が顕著となる。よって、柔軟部8aのヤング率及び重量、柔軟部8aの形状、狭窄部8bの径、流入する流体の圧力や狭窄部8bの流路抵抗から柔軟部8aの固有振動数及び流入する流体の圧力等を調整するのが良い。例えば、柔軟部8aの固有振動数を高くしたい場合は、剛性の高い材料を用いると良く、固有振動数を低くしたい場合は、剛性の低い材料を用いると良い。
本実施形態にかかる熱交換器1は、伝熱管8に柔軟部8aと狭窄部8bを設けることで柔軟部8aが自己振動し、柔軟部8aの内部を流れる流体と外部の空気との熱交換効率を向上することができる。
また、本実施形態にかかる熱交換器1は、外部に伝熱管8やフィン7を振動させるための加振器及び振動制御器等を取付ける必要が無いため、低コストかつ省スペースな装置構成とすることができる。
また、上述した伝熱管8は、複数の柔軟部8a及び狭窄部8bを有することを説明したが、柔軟部8a及び狭窄部8bの数は複数に限定されず、柔軟部8a及び狭窄部8bの1組であっても良い。この場合でも、柔軟部8aを流れる流体と外部の空気との熱交換効率を向上できる。
また、柔軟部8aの表面に突起等を設けることにより外部の空気との接触面積を増加でき熱交換効率を向上できる。
また、柔軟部8aの下流側に狭窄部8bを設けることにより狭窄部8bに流入する流体が乱流により拡散されるため、流体が柔軟部8aの内壁に効果的に接触し熱交換効率を向上できる。
(第2の実施形態)
図3は、第2の実施形態にかかる熱交換器1の一例を示す図である。
図3は、第2の実施形態にかかる熱交換器1の一例を示す図である。
図3に示すように熱交換器1は、蒸発器2及び凝縮器3の上流の伝熱管4にそれぞれ設置される振動発生器9を備える。それ以外の構成については第1の実施形態にかかる熱交換器と同様である。
具体的に振動発生器9の設置位置はそれぞれ、圧縮機5と凝縮器3の間と、膨張弁6と蒸発器2の間に設置される。振動発生器9は、脈動を加えて流体を流出する。脈動とは、脈を打つように流体の流れに周期的な動きがあることを意味し、定常流とは異なる状態である。伝熱管8内に流入した脈動をもつ流体は、柔軟部8aの内部に流れ込む。柔軟部8aは、振動発生器9で流出された流体と同一の周期で振動し始める。この時、脈動をもつ流体は、柔軟部8aの固有振動数と同一の振動数で脈動することが好ましい。これにより柔軟部8aが共振することにより振幅が増大し、流体と外部の空気の熱交換効率をより向上できる。
振動発生器9は、例えば、ロータリーバルブを備え、ロータリーバルブの回転により流体に脈動を発生させる。振動発生器9から流出する流体の周期は、圧縮機5及び膨張弁6から流出される流体の圧力、柔軟部8aの形状、狭窄部8bの内径等により適宜調整できる。
また、振動発生器9は、周期的に流体を流出するのみでなく、流体をミキシングする機構を有していても良い。流体は、一般的に液体及び気体の二相流であるが、流体をミキシングすることにより二相流の特徴が顕著となり、熱交換効率を向上できる。ミキシングする機構としては、例えば、モータに羽を設置し羽を回転させることによりミキシングしても良い。上述したように、二相流の流体は、狭窄部8bに流入する際に柔軟部8aを振動させる。また、柔軟部8aの振動によっても二相流の流体はミキシングされる。
本実施形態にかかる熱交換器1は、振動発生器9を設けることにより柔軟部8aへの流体の流入に応じて柔軟部8aを振動させることができる。また、柔軟部8aの固有振動数と略同一の振動を加えた流体を流入することにより柔軟部8aを共振させることができる。これにより、流体と外部の空気との温度境界層を薄くすることにより熱交換効率を向上できる。
(第3の実施形態)
図4は、第3の実施形態にかかる熱交換器1の一例を示す図である。
図4は、第3の実施形態にかかる熱交換器1の一例を示す図である。
図4に示すように熱交換器1は、狭窄部8bとして流体が流れる狭窄箇所の径を変更可能な弁10と、弁10の駆動を制御する弁制御部(図示しない)と、を備える。それ以外の構成については第1及び2の実施形態にかかる熱交換器と同様である。
弁10は、柔軟部8aの下流側に設置され、流体が流れる狭窄箇所の径を自在に変更可能である。つまり、弁10の開放箇所が狭窄箇所にあたる。開放箇所とは、弁が開いている箇所を意味し、流体が流れる箇所である。弁10は、弁制御部と接続され、弁制御部からの指令に従い弁10の開放を制御する。弁10は、完全に閉じている時を0%として、伝熱管8cの内部の断面積を100%とすると、0〜100%の範囲で開放率を制御できる。弁10と柔軟部8a及び弁10と伝熱管8cは、接着剤等で接着される。弁10は、例えば、電磁弁、電磁バルブや比例制御弁等で良い。
弁10は、伝熱管8に複数存在する柔軟部8aの流体の流通方向の下流側にそれぞれ設置され、複数の弁10の開放率は、別個に変更可能である。
また、柔軟部8aの流体の流通方向の上流側と弁10の下流側に圧力センサを設置することによりその圧力データから弁10の開放率を調整しても良い。
また、柔軟部8aの振動をカメラにより撮像して柔軟部8aの変形量を測定することにより、圧力センサや流量センサ等を用いずに流体の流量や圧力を推定して流体の流れを制御しても良い。
カメラは、光学式カメラ、高速度カメラ、PSD(Position Sensitive Detector)カメラ、CCD(Charge Coupled Devices)カメラ等で良い。
また、柔軟部8aに歪センサを貼り付け柔軟部8aの歪量を測定することにより、流体の流量や圧力を推定して流体の流れを制御しても良い。歪センサは、ピエゾ素子を用いた歪ゲージあるいは半導体素子等を用いたセンサで良い。
本実施形態にかかる熱交換器1は、柔軟部8aの下流側に弁10を設けることにより伝熱管8の狭窄率(開放率)を自由に変更することができる。また、柔軟部8aの振動状態に応じて弁10の開放率を調整することができる。例えば、流体の対流等により柔軟部8aに異常振動が生じた場合であっても、弁10を開放することにより異常振動を回避することができる。
(第4の実施形態)
図5は、第4の実施形態にかかる空気調和装置11の一例を示す図である。
図5は、第4の実施形態にかかる空気調和装置11の一例を示す図である。
図5に示すように空気調和装置11は、冷暖房を切り替える四方弁12と、蓄熱部13を備えた圧縮機5と、室内機17と、室外機18と、を備える。空気調和装置11は、第1乃至3にかかる熱交換器1を含む。
室内機17は 蒸発器2とその周辺の空気を室内に放出するファン14を備える。
室外機18は 凝縮器3とその周辺の空気を外部に放出するファン15を備える。
四方弁12は、熱交換器1の圧縮機5と蒸発器2及び圧縮機5と凝縮器3の間に配置される。四方弁12は、圧縮機5で圧縮された流体の循環方向を切り替える。この流体の循環方向に応じて、空気調和装置11の冷暖房が切替えられる。蓄熱部13は、圧縮機5の外周部に設置される。制御部16は、圧縮機5、四方弁12、室内機17、室外機18、と繋がり、これらの駆動を制御する。
四方弁12は、流体の循環方向を切替えることにより空気調和装置11の冷暖房を切替える。流体の循環方向に応じて、熱交換器1の蒸発器2と凝縮器3の機能が切替わる。つまり、上述した、蒸発器2と凝縮器3の配置は、流体が時計回り(CCW)に循環する場合であって、空気調和装置11が冷房時の循環である。圧縮機5で高温及び高圧にされた流体は、凝縮器3に流入し凝縮器3の周辺の空気と熱交換する。この場合、室外機18は、昇温された空気をファン15のモータを駆動することにより外部に放出する。その後、流体は、膨張弁6を介して低温及び低圧にされ蒸発器2に流入する。流体は、蒸発器2の周辺の空気と熱交換する。この場合、室内機17は、ファン14のモータを駆動することにより冷やされた空気を室内に放出する。
四方弁12により流体の循環方向が切替えられ、流体が反時計回り(CCAW)に循環する場合は、空気調和装置11が暖房時の循環となる。この時、室内機17内の蒸発器2は、凝縮器として働き、室外機18の凝縮器3は、蒸発器として働く。
空気調和装置11を暖房若しくは冷房のどちらかのみで機能させる場合、四方弁12は省略できる。
蓄熱部13は、圧縮機5の熱を蓄熱する。例えば、利用者による外部指令又は運転プログラムに基づいて空気調和装置11の暖房運転が停止される場合、圧縮機5の発熱がなくなるため、外気温度との温度差で蓄熱部13に囲まれた圧縮機5の温度は低下していく。そこで、蓄熱した蓄熱部13から圧縮機5に放熱することで圧縮機5の温度低下を抑制する。これにより、空気調和装置11の暖房の起動時の立ち上がり性能を向上する。蓄熱部13は、内部に蓄熱材を有し、例えば硫酸ナトリウム水和物、酢酸ナトリウム水和物、パラフィンといった潜熱蓄熱性を有する化合物を含む材料を用いることができる。蓄熱部13は、空気調和装置11が暖房時の構成であり、暖房機能を有さない場合は、必須の構成ではない。
ファン14と15は、空気を送風する羽と、羽を回転駆動するためのモータと、を有する。羽の形状は、プロペラ状でも、ローラ状のものでも良い。羽の材質は、樹脂製でも金属製でも良い。
制御部16は、例えば、圧縮機5の回転数、四方弁12の切替え、室内機17と室外機18のファンのモータの回転数などを制御する。制御部16は、例えば、電子回路を含む演算部と、空気調和装置11の動作条件を設定する操作部と、空気調和装置11の動作履歴や動作条件を記憶する記憶部とで構成される。ソフトウェアとハードウェアのどちらか一方又は両方の制御方法が空気調和装置11の制御に含まれる。
本実施形態にかかる空気調和装置11は、第1乃至3の実施形態にかかる熱交換器1を含むことにより、外部の空気との熱交換効率を上げ、冷暖房時の性能を向上することができる。
また、蒸発器2と凝縮器3に熱交換効率を向上するための加振器等を付ける必要が無いため、室内機17と室外機18をコンパクトにすることができる。
上述した第1乃至3の熱交換器1は、フィン7を有する構成で説明したが、フィン7は必須の構成ではない。熱交換器1は、伝熱管8に柔軟部8aと狭窄部8bを有し、流体が流れた際に柔軟部8aが自己振動することにより必ずしもフィン7を有さなくても外部の空気との熱交換効率を向上できる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1 熱交換器
2 蒸発器
3 凝縮器
4 伝熱管
5 圧縮機
6 膨張弁
7 フィン
8 伝熱管
8a 柔軟部
8b 狭窄部
8c 伝熱管
9 振動発生器
10 弁
11 空気調和装置
12 四方弁
13 蓄熱部
14 ファン
15 ファン
16 制御部
17 室内機
18 室外機
2 蒸発器
3 凝縮器
4 伝熱管
5 圧縮機
6 膨張弁
7 フィン
8 伝熱管
8a 柔軟部
8b 狭窄部
8c 伝熱管
9 振動発生器
10 弁
11 空気調和装置
12 四方弁
13 蓄熱部
14 ファン
15 ファン
16 制御部
17 室内機
18 室外機
Claims (11)
- 流体が流れる管と、前記流体を前記管に供給する供給部と、を備える熱交換器であって、前記管は、前記流体の流れにより変形する変形部と、前記流体の流通方向の前記変形部の下流側に狭窄部を有する熱交換器。
- 前記変形部は、前記流体の流れにより膨張及び収縮して振動する請求項1に記載の熱交換器。
- 前記狭窄部の内径を変更可能な弁と、
前記弁の駆動を制御する弁制御部と、を更に備える請求項1又は2に記載の熱交換器。 - 前記狭窄部の内径は、前記変形部の内径より小さい請求項1乃至3のいずれか1項に記載の熱交換器。
- 前記変形部は、膨張及び収縮可能な弾性部材で形成される請求項1乃至4のいずれか1項に記載の熱交換器。
- 前記管と接し、並べて配置された複数のフィンを更に備える請求項1乃至5のいずれか1項に記載の熱交換器。
- 前記管は、前記流体の流れにより変形する第1の変形部と、前記流通方向の前記第1の変形部の下流側に第1の狭窄部と、前記第1の狭窄部より下流側に第2の変形部と、前記第2の変形部の下流側に第2の狭窄部と、を有する請求項1乃至6のいずれか1項に記載の熱交換器。
- 前記変形部に対して前記流通方向の上流側の前記管に設置され、前記供給部から供給された前記流体に振動を発生させる振動発生器を更に備える請求項1乃至7のいずれか1項に記載の熱交換器。
- 前記供給部は、前記流体を高圧にして流出する圧縮機又は、前記流体を低圧にして流出する膨張弁である請求項1乃至8のいずれか1項に記載の熱交換器。
- 請求項1乃至9に記載の熱交換器と、
ファンと制御部の少なくとも一方を含む空気調和装置。 - 前記流体の前記流通方向を変更する四方弁をさらに備える、請求項10に記載の空気調和装置。
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