JP2019120451A - 振動及び揺動可能なバネを有する液化促進装置 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献2には、冷媒に含まれる不純物を再結合させる装置が開示されている。円筒状の筐体の内面に設けられた螺旋溝により、不純物を切断し、冷媒組成に再結合するものである。
特許文献3には、ヒートポンプシステムにおける撹拌装置が開示されている。円筒状の筐体の内部に螺旋バネを上下動可能に設けたものである。
特許文献4には、ヒートポンプシステムに用いる液化促進装置が開示されている。二つの鏡板に閉塞された円筒状の筐体の内部に、円錐部を含むスプリングをもうけ、スプリングの円錐部の底面における巻線が鏡板の底面の近傍に位置するものである。
特許文献5には、冷凍空調システムにおける冷媒処理装置が開示されている。円筒の内部には螺旋溝が形成されており、管部の外周面には螺旋溝が形成されているものである。
また、特許文献2から5までには、円筒状の容器内部に、螺旋溝または螺旋バネが設けられた構造を有する撹拌装置が提案されている。
本発明の目的は、ヒートポンプの運転効率の向上をもたらす液化促進装置を提供することを目的とする。
前記小径の螺旋バネの螺旋のピッチは、上から下に向かって、広い、狭い、広い、又は狭い、広い、狭いと変化する不等ピッチであることを特徴とする。これにより、バネの揺動及び振動の自由度が高まり、撹拌効果を高めることができる。
前記上部管体の他端の開口の縁は、前記中心軸側が低く周縁側が高くなるように傾斜していることを特徴とする。これにより、ヒートポンプサイクルを循環する流体が螺旋バネにぶつかる向きをさまざまな向きに変えることができ、撹拌効果を高める。
<構成>
図1は液化促進装置1をヒートポンプシステムに用いた例を示す図である。ヒートポンプシステムには、空調機、冷凍機、冷蔵機、給湯機、冷凍倉庫、チラー等、多様な形態が含まれる。電力を消費するものに限らず、ガスヒーポンなどの他のエネルギーを用いるものにも適用可能である。また、新たにヒートポンプシステムを設計する場合のみならず、既存のヒートポンプシステムにあとから追加で設置することも可能である。
ヒートポンプシステムは、低温の物体から熱を奪い、高温の物体に与える装置である。低温の物体をさらに冷やす、高温の物体をさらにあたためる目的で用いられる。切換により冷房と暖房との双方を行う装置もヒートポンプである。
本明細書にいう流体は、ヒートポンプサイクルにおいて循環する流体である。冷媒と冷凍機油とを含む。流体は、ヒートポンプサイクル内のどの工程であるかによって、気体状態、液体状態、気液混合状態のいずれかの状態をとる。冷媒は、現在では地球環境保護の観点からフロンが使われなくなっており、代替フロンと呼ばれるものが用いられている。
ヒートポンプサイクルは、冷房時でいえば、圧縮部83、凝縮部(室外機84)、膨張部81及び蒸発部(室内機82)の4つの構成要素を備えている。これらの構成要素同士を接続する密閉された配管内を流体が循環する。図1(a)及び図1(b)での矢印は流体の流れの向きを示す。白抜き矢印は、熱交換器である凝縮部(冷房時は室外機84、暖房時は室内機82)及び蒸発部(冷房時は室内機82、暖房時は室外機84)における熱の移動を示している。破線矢印は、室内と室外にまたがる熱の移動を示している。LTは低温、HTは高温である。
図1(a)の室内冷房時のサイクルにおいて、圧縮部83は、低圧の気体冷媒を圧縮するためのコンプレッサを密閉容器内に備えている。コンプレッサを収容した密閉容器内には、通常、冷凍機油(コンプレッサーオイル)を貯留するための油溜まり(図で底の部分)が設けられている。気体冷媒は、圧縮されて高圧かつさらに高温の気体となる。この気体冷媒は冷凍機油と混合された後、圧縮部83から凝縮部(室外機84)へ吐出される。凝縮部はコンデンサを備える。冷房時は、室外機84が凝縮部として熱交換を行う。凝縮部に流入した高温高圧の気体流体は、熱を外部に放出することにより凝縮して低温の液体流体となる。この液体流体は、理想的には、冷凍機油を溶解した(又は均一混合した)液体冷媒である。
図1(b)の室内暖房時のサイクルにおいては、図1(a)の冷房時とは流体の循環方向が逆となる。ヒートポンプシステムにおいて流体の循環方向の切り替えを行うために周知のバルブを用いる(図示及び説明を省略)。暖房時は、圧縮部83から吐出された高温高圧の気体流体は、凝縮部として熱交換を行う室内機82に送られる。凝縮部(室内機82)に流入した高温高圧の気体流体は、熱を外部に放出することにより凝縮して低温の液体流体となる。これにより、室内の空気が暖められる。
図4を参照しつつ詳しく説明するが、大径の螺旋バネ20は、バネ取付部に近い部分のピッチは狭く、固定されていない中間部のピッチを広くする不等ピッチの螺旋バネとすること、すなわち図8(a)に示すように、広い→狭い→広い、または図8(b)に示すように、狭い→広い→狭い、とすることが好適である。
小径の螺旋バネ30は、取り付け部31、32、33,34の4ヶ所、すなわち、小径の螺旋バネ30の上端部と下端部のみにおいて、下部管体70の外壁に(たとえば溶接により)固定されており、固定されていない中間部は、揺動及び振動(上下動)が可能である。上端部、下端部の取付個所は、2箇所ずつ、3箇所ずつ、4箇所ずつとする実施例も可能である。小径の螺旋バネ30は、バネ取付部に近い部分のピッチは狭く、固定されていない中間部のピッチを広くする不等ピッチの螺旋バネとすることが好適である。
小径の螺旋バネ30は、その上端部が下部管体70の上端に固定されて、小径の螺旋バネ30の下端部は、下部管体70の外壁に固定される。固定の方法は、たとえば、溶接によってなされる。
小径の螺旋バネ30は、下部管体70を取り巻くように位置する。そのため、下部管体70の周囲1ミリメートルから30ミリメートルの領域で揺動及び振動が可能である。下部管体70の上端70aは、たとえば鍔(つば、フランジ)を設けた形状とすることができる。そして、このフランジ形状の部分をバネ取付部31、32とすることができる。固定の手段としては、複数個所、たとえば4箇所の溶接を用いることができる。フランジ形状の部分に小径のバネ30を取り付けることにより、下部管体70の外壁よりも1ミリメートルから30ミリメートル離れた領域において、小径のバネ30が揺動及び振動するようにすることができる。
筐体10の中心軸から離れた位置に開口する上部管体60を通して上方から流体が流入した場合は、次のような流体の流れを生じる。流入した流体は下方に向かって直進した後、下部鏡板13により上方へ方向転換(Uターン)させられる。これは、下部鏡板13の形状が、半球形状であることによって実現される。方向転換した流体は、上方に直進した後、上部鏡板12により下方へ方向転換(Uターン)させられる。これは、上部鏡板12の形状が、半球形状であることによって実現される。これにより、縦方向の強い流れが形成され、この結果、流体は筐体10の内部空間全体に亘って大きく撹拌される。また、筐体10の中心軸から離れて位置する上部管体60の開口の縁が、中心軸側が低くかつ周縁側が高くなるように傾斜していることにより、下方に直進する流れを形成し易くなる。この結果、縦方向の流れを円滑に生じさせる。この上下の流体の流れは、大径の螺旋バネ20及び小径の螺旋バネ30の揺動及び振動を引き起こす。そして、流体が大径の螺旋バネ20及び小径の螺旋バネの巻線に衝突することと二つの螺旋バネの揺動及び振動の相乗効果により、効果的な流体の撹拌が実現される。流体は、十分撹拌された後、下部管体70を通して下方に流出して行く。
筐体10の中心軸上に位置する下部管体70を通して下方から流体が流入した場合は、次のような流体の流れを生じる。下部管体70の上端70aの開口から出た流体は、上方に直進した後、上部鏡板12により下方へ方向転換(Uターン)させられる。これは、上部鏡板12の形状が、半球形状であることによって実現される。さらに、下方に直進した流体は、下部鏡板13により上方へ方向転換(Uターン)させられる。これは、下部鏡板13の形状が、半球形状であることによって実現される。これにより、縦方向の強い流体の流れが形成される。この結果、流体は筐体10の内部空間全体に亘って大きく撹拌される。さらに、縦方向の流体の流れは、筐体10の上部において方向転換する際に中心軸から離れた位置にある上部管体60及び中心軸上に位置する下部管体70に衝突することにより、2つに分岐してそれぞれ流れを生じる。複数の流れが上部管体60及び下部管体70の周囲に次々に形成される。さらに、胴体部11の内面上に設けた大径の螺旋バネ20との摩擦、衝突及び、小径の螺旋バネとの摩擦、衝突により、揺動及び振動可能な巻線をもつ大径の螺旋バネ20、小径の螺旋バネ30がそれぞれ摩擦や衝突を受けた局所において、揺動及び振動を生じる。揺動及び振動に加えて、大径の螺旋バネ20及び小径の螺旋バネのそれぞれが有する多数の凹凸形状によっても流体に対して剪断力を及ぼす。この結果、流体が微細化され均一化される。本発明の液化促進装置1により、効果的な流体の撹拌が実現される。流体は、十分撹拌された後、上部管体60を通して上方に流出して行く。
音の倍音共鳴(スケーリング共鳴)で作用・機序を説明できると考えられる。
本発明に係る液化促進装置の中に、数メガパスカルの流体が流入すると、バネに衝撃が加わる。そして、その衝撃により、バネが振動及び揺動する。その振動及び揺動が伝わっていくことで、音(可聴域のものに限らず、それよりも低い音、あるいはそれよりも高い音の可能性を含む)が生じる。流体の流入が連続的であるため、この音も持続的に生じ続ける。
一方、冷媒と冷凍機油との混じり合うときに分子のクラスタ同士がぶつかる際にも、音が生じる。これらの二つの音は、倍音(高調波)の関係になり得る。バネの振動、揺動により発生する音の倍音(高調波)が、冷媒、冷凍機油の分子のクラスタのぶつかり合いに倍音共鳴(スケーリング共鳴)がなされる。それにより流体の混合撹拌、ひいては液化促進がなされる。
ここで、スケーリング共鳴は、数十オクターブ上の高調波(倍音)において、共鳴をする現象である。「タンパク質の音楽」(深川洋一著 ちくまプリマーブックス)に用いられている概念である。
共振と共鳴とは、似た概念であるが、本明細書においては、切り分けて考えることにする。たとえば、同じ木の枠(固体)に固定された二つの弦が、片方を振動させたときに、他方も振動する。この場合は、振動が木の枠という固体を通じて伝わるので、共振である。他方で、水や空気など(流体)をつたって音がつたわってその結果振動するのは、共鳴である。
本発明に係る液化促進装置の場合、バネから冷媒分子、冷凍機油の分子に振動がつたわるのは、流体を介してなされる。したがって、共鳴というべきである。そこで、音の倍音共鳴又はスケーリング共鳴が機能していると考えられる。
本発明に係る液化促進装置において、流体のマクロの挙動に着目すると、流体は、その高い圧力によって、バネに衝撃を与えて、バネを振動・揺動させる働きをする。一方、流体のミクロの挙動に着目すると、流体に含まれる冷媒、冷凍機油のクラスタ(分子がいくつかくっついたかたまり)が、倍音共鳴又はスケーリング共鳴により、そのクラスタの大きさを小さくするように力を受ける。これによりせん断効果を受けて、冷媒、冷凍機油がそのクラスタを小さくして、均一混合をする。
0.2メガパスカルから10メガパスカルの圧力にて、冷媒と冷凍機油を含む流体を本発明に係る液化促進装置に通す。それにより、本発明に係る液化促進装置が有するバネは、衝撃を受けて、振動及び揺動を起こす。この振動及び揺動は、さまざまな周波数の波を引き起こす。多くの高調波を豊富に含む波が発生する。この波を音波と捉えると、多くの高調波は、多くの倍音と捉えることができる。これらの高調波(倍音)は、分子レベルで、冷媒、冷凍機油のクラスタに作用し、かたまりの大きさを小さくするせん断効果をもたらす。このとき、高調波による共振、または倍音による共鳴の現象が起こると考えられる。すなわち、バネにおいて、振動及び揺動が起こるのに対応して、分子レベルでの高調波による共振または倍音による共鳴もまた、継続的に起こる。それにより、せん断効果がまんべんなく、冷媒と冷凍機油全体に行き渡る。
このようにして、冷媒と冷凍機油との均一混合がなされる。
液化促進装置のせん断効果により、冷媒と冷凍機油とが均一混合する。そして、代替フロンの熱交換効率を改善することができる。本発明の液化促進装置は、ヒートポンプサイクルに使用されている冷媒及び冷凍機油の種類に関わらず効果を奏することができる。特に、特定フロンに比べて冷凍機油との相溶性に劣る代替フロンに適用することにより、代替フロンの熱交換効率を大幅に改善することができる。
本発明の装置は、電気をエネルギーとして用いるヒートポンプ、ガスをエネルギーとしてもちいるヒートポンプなど、熱交換をするヒートポンプであって、冷媒と冷凍機油とを循環させるヒートポンプにおいて広く利用することができ、エネルギー削減効果をもたらすものである。
図5は、液化促進装置2(実施例1)の断面図を示している。
図5における液化促進装置2は、大径のバネ20のみを設けて、小径のバネ30は省略した実施例を示す。図5における大径のバネ20は、上が小径、中が大径、下が小径という形状を有している。また、バネのピッチは、上から、狭い→広い→狭い、というピッチとすることができる。また、バネのピッチを、狭い→広い、とすることもできる。そのほかは、図2に示す実施形態と同様である。バネの上端及び下端において、胴体部11の内壁とバネとを溶接することも同様である。
図6は、液化促進装置3(実施例2)の断面図を示している。
図6における液化促進装置3は、大径のバネ20と、小径のバネ30とを同心円状に設けてある。これらの二つのバネは、いずれもそれぞれの径が、上から、小径→大径→小径となっている。二つのバネが接触せずに振動及び揺動が可能なように、上部及び下部が容器に対して、固定(溶接)される。
図7は、上部管体60及び下部管体70のバリエーションを示す図である。
図7に示した例では、上部管体60、下部管体70、いずれも上部鏡板12を貫いて設けるものとしている。図7に示すように、曲がり具合、延び具合が、さまざまなバリエーションがあり得る。図7においては、バネ及びそれを固定するための部材(バネ取付部)を描くのを省略している。
図8は、バネのピッチについての実施例を示す図である。図8(a)は、バネのピッチが上から、広い→狭い→広いと変化する例である。図8(b)は、バネのピッチが上から、狭い→広い→狭いと変化する例である。図8から図16までにおいては、筐体、上部管体、下部管体を描くのを省略している。
図9は、バネの径の変化についての実施例を示す図である。図9(a)は、上から、大きい→小さい→大きいと変化する例である。図9(b)は、上から、小さい→大きい→小さいと変化する例である。
図10は、3つの径の異なるバネを同心円状に設けた例を示す図である。それぞれのバネが互いに接触せずに、振動、揺動ができるように配慮される。
図11は、4つの径の異なるバネを同心円状に設けた例を示す図である。それぞれのバネが互いに接触せずに、振動、揺動ができるように配慮される。
図12は、5つのバネを並べて設けた例を示す図である。
図13は、5つのバネを並べて設けた他の例を示す図である。
図14は、5つのバネを並べ、さらに大径のバネを設けた例を示す図である。
図15は、3つのバネを同心円状に設けたセットを、5セット設けた例を示す図である。
10 筐体
11 胴体部
12 上部鏡板
13 下部鏡板
20 大径の螺旋バネ
21,22,23,24 バネ取付部
30 小径の螺旋バネ
31,32,33,34 バネ取付部
60 上部管体(冷房時の流入口、暖房時の流出口)
60a 上部管体の下端
70 下部管体(冷房時の流出口、暖房時の流入口)
70a 下部管体の上端
81 膨張部
82 室内機(冷房時においては蒸発部、暖房時においては凝縮部)
83 圧縮部
84 室外機(冷房時においては凝縮部、暖房時においては蒸発部)
Claims (8)
- ヒートポンプサイクルにおいて冷媒と冷凍機油とを含む流体を撹拌し、液化を促進するために配管の経路上に設置される液化促進装置であって、
上下方向の中心軸をもつ円筒形状の胴体部の上端側を半球形状の上部鏡板により閉塞されかつ下端側を半球形状の下部鏡板により閉塞された筐体と、
前記流体の流入又は流出のために、一端が前記配管の1つに接続可能でありかつ前記中心軸から離れた位置にて前記上部鏡板を上下方向に貫通して前記胴体部の上端近傍まで延在して他端が下方に開口する上部管体と、
前記流体の流出又は流入のために、一端が前記配管の別の1つに接続可能でありかつ前記中心軸上にて前記下部鏡板を上下方向に貫通して前記胴体部の上端近傍まで延在して他端が上方に開口する下部管体と、
前記中心軸を軸として前記胴体部の内部に、上端及び下端が固定されて設置されかつ中間部における各巻線が揺動及び振動が可能であり、前記胴体部の内径よりも1ミリメートルから10ミリメートル小さい径を有する大径の螺旋バネと
を備え前記流体の運動エネルギーのみで機能し、前記大径の螺旋バネが揺動及び振動して、前記流体を撹拌することを特徴とする液化促進装置。 - 請求項1に記載した液化促進装置であって、
前記下部管体の周囲に、上端が前記下部管体の上端に固定されて設置され、下端が前記下部鏡板機能まで延在し、各巻線が前記大径の螺旋バネとは接触しないように揺動及び振動が可能であり、前記下部管体の外形よりも1ミリメートルから30ミリメートル大きい径を有する小径の螺旋バネを
さらに有し、前記流体の運動エネルギーのみで機能し、前記小径の螺旋バネが前記大径の螺旋バネと同様に、かつ接触せずに揺動及び振動して、前記流体を撹拌することを特徴とする液化促進装置。 - 前記大径の螺旋バネの螺旋のピッチは、上から下に向かって、広い、狭い、広い、又は狭い、広い、狭いと変化する不等ピッチであることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載する液化促進装置。
- 前記小径の螺旋バネの螺旋のピッチは、上から下に向かって、広い、狭い、広い、又は狭い、広い、狭いと変化する不等ピッチであることを特徴とする請求項2に記載の液化促進装置。
- 前記上部管体の他端の開口の縁は、前記中心軸側が低く周縁側が高くなるように傾斜していることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の液化促進装置。
- 請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載した液化促進装置であって、
前記大径の螺旋バネ及び前記小径の螺旋バネを含む螺旋バネを3つ以上設けたことを特徴とする液化促進装置。 - 請求項1から請求項6までのいずれか1項に記載の液化促進装置を用いて、前記流体を撹拌し、液化を促進する液化促進方法であって、
室内冷房時には、
前記ヒートポンプサイクルにおける室外機である凝縮部の流体出口側に接続された前記上部管体から冷媒と冷凍機油とを含む流体を流入させて、
前記大径の螺旋バネ及び前記小径の螺旋バネの揺動及び振動によって、前記流体を撹拌するとともに、
前記下部管体から前記流体を流出させることを特徴とする液化促進方法。 - 請求項1から請求項6までのいずれか1項に記載の液化促進装置を用いて、前記流体を撹拌し、液化を促進する液化促進方法であって、
室内暖房時には、
前記下部管体から冷媒と冷凍機油とを含む流体を流入させて、
前記大径の螺旋バネ及び前記小径の螺旋バネの揺動及び振動によって、前記流体を撹拌するとともに、
前記ヒートポンプサイクルにおける室外機である蒸発部の流体入口側に接続された前記上部管体から前記流体を流出させることを特徴とする液化促進方法。
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