JP4491066B2 - 冷却剤性能向上のための磁気装置 - Google Patents

Description

関連出願
本出願は米国特許法３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．１９９条の下、２００２年３月２７日付け米国仮特許出願番号第６０／３６８，０７７号および２００２年１０月４日付け米国特許出願番号第１０／２６４，９２２号に対して優先権を主張し、これらは、この参照より本明細書に組み込まれるものとする。

本発明は気体圧縮システムに関するものであり、具体的には、磁性部品を有する気体圧縮システムであって、熱ポンプおよび冷却装置の性能と気体圧縮システムの効率とを高める方法に関するものである。

現在の最先端においては、種々の環境を冷却するために、気体圧縮システムが多くの装置に使用されている。気体圧縮はエアコン、冷蔵庫、冷凍庫、ブラストフリーザー（急速冷却庫）、およびその他の冷却装置に使用されている。冷却は減圧下で冷却剤または冷却媒体（冷媒）を蒸発させ、前記冷却剤の温度を下げ周囲から熱を吸収することによって達成される。

従来の気体圧縮システムでは、沸点の低い冷却剤または冷却剤の混合物が作動流体として使用されている。冷却剤はポンプで圧縮器へ送り込まれ、そこで冷却剤の温度および圧力が上げられる。熱せられた冷却剤は第１の熱交換器（あるいは冷却器）へ送り出されて、冷却剤から熱が奪われる。熱が冷却器の高圧下で奪われる際に冷却剤は液相に変換する。次に、冷却剤は膨張弁へ運ばれ、そこで冷却剤の圧力が急速に下げられる。急速な圧力減少により冷却剤は勢いよく非常に低い温度の液体と蒸気との混合物になる。冷却剤は第２の熱交換器（あるいは蒸発器）へ送り出され、そこで冷却剤は熱を吸収する。加えられた熱により、残留する液相の大部分は気相へ変化する。冷却剤は圧縮器へ循環して戻され、そこで前述の工程が繰り返される。

現在の気体圧縮システムの重要な問題点はその過度な作業費である。気体圧縮は膨大な量のエネルギーを消費する。気体圧縮システムのエネルギー効率は、多くの場合冷却剤の不完全または非効率的な蒸発および凝縮によって制限される。蒸発が不完全であると、冷却剤の幾らかが圧縮器シェルに液相のままで入り込む。圧縮器は圧縮器シェルに入り込んだ液相の冷媒を沸騰させるために追加のエネルギーを消費しなければならない。これによりシステム・コンポーネントの成績係数（ＣＯＰ）およびそのシステムの全体的効率が減少する。

本発明の第１の態様では、作動流体を効率的に気化し、環境を冷却する気体圧縮装置が提供されている。前記作動流体は圧縮器、凝縮器、膨張弁、および蒸発器へ流体ラインを通って運ばれる。１若しくはそれ以上の磁石を流体ラインへ接続し、前記作動流体に磁場を発生させる。前記磁場は前記作動流体の分子間力を分裂させ、液相の分子が分散することを許容する。前記分散された分子はより容易に気相へと変換されるため、より効率的に気化することができる。前記装置は多様な作動流体を用いることができ、様々な範囲の沸点および凝縮温度で動作可能であり、これに限定されるものではないが、冷却、エアコン、熱ポンプ、急速冷却への応用が可能である。

本発明は優れて熟練した専門家がいなくとも構築および操作することができる。動作において、本発明は蒸発器の冷却能力および成績係数（ＣＯＰ）を向上させる。また、本発明は前記圧縮器シェルに入り込む液相の流体の量を減少させ、前記圧縮器によるエネルギー消費量を減らし、さらに圧縮器部品の摩滅を減少させる。また、本発明はシステム性能を改善してシステム・サイクルを減少させ、前記凝縮器、圧縮器および他の構成部品の摩滅を減少させる。前記システム性能の向上およびサイクルの減少により、前記システム全体のエネルギー消費量を減少してエネルギーを節約し、温室効果ガスの環境への放出が削減できる。

本発明の第２の態様では、気体圧縮システムを動作する方法が提供されている。上述したように、気体圧縮システムの作動流体に磁場が加えられ、前記作動流体の分子間力を分散させる。前記磁場は前記流体が膨張弁に運ばれる前に前記流体に加えられ、前記流体の蒸発を向上させる。

図１〜３は全体として、特に図１は、本発明に従った気体圧縮システムの概略図を示し、前記気体圧縮システムは概して２０として指定されている。前記システム２０はこのシステム内を流れる作動流体を凝縮および蒸発するように動作可能である。磁場を前記作動流体に生成し、前記システム２０の性能係数およびエネルギー効率を増加させる。

前記気体圧縮システム２０は圧縮器２２と、凝縮器２４と、膨張弁２６と、蒸発器２８とを有する。動作条件によって前記システム２０は、気体圧縮に使用される他の機器を組み込むこともできる。例えば、これに限定されるもではないが、前凝縮器（ｐｒｅ−ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ）、後凝縮器（ｐｏｓｔ−ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ）、前蒸発器（ｐｒｅ−ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ）、後蒸発器（ｐｏｓｔ−ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ）、反転弁、吸引蒸圧器およびその他の装置を含む。前記システム２０では前記凝縮器２４および蒸発器２８にあらゆる種類の熱交換器が使用可能であり、これに限定されるものではないが、冷却剤／空気、冷却剤／水、あるいは冷却剤／不凍剤の間の交換器を含む。

磁気装置３０が前記システムに接続され、磁場を前記作動流体中に生成する。前記磁場を液相の前記作動流体に加えることにより、前記作動流体の分子間力を分裂させ、前記作動流体の分子の分散さを増大させる。これにより前記圧縮器シェル内で気化する残留液体の量が減少し、前記圧縮器のエネルギー消費量が減り、且つ前記システムの全体の効率を改善する。前記システム２０の前記作動流体の流れの方向は図１に矢印で示してある。

前記システム２０は気体圧縮システムにおいて、これに限定されるものではないが、純粋な冷却剤および多成分ＨＦＣ混合物などを含む多数の作動流体の性能を高めることを目的としている。作動流体の前記種類は、数ある中でも、望む用途と、前記凝縮器および前記蒸発器の動作温度とに依存する。本発明が凝縮器の温度２０℃〜９０℃間、および蒸発器の温度−８５℃〜２５℃間の作動流体のパフォーマンスを向上させることが発見された。前記システム２０は、これに限定されるものではないが、Ｒ−１２、Ｒ−２２、Ｒ−５０２、Ｒ−１１、Ｒ−１１４、Ｒ−１３４ａ、Ｒ−５０７（Ｒ−１２５／Ｒ−１４３ａ：５０／５０％）、Ｒ−４０４Ａ（Ｒ−１２５／Ｒ−１４３ａ／Ｒ−１３４ａ：４４／５２／４％）、Ｒ−４１０Ａ（Ｒ−３２／Ｒ−１２５：５０／５０％），およびＲ−４０７Ｃ（Ｒ−３２／Ｒ−１２５／Ｒ−１３４ａ：２３／２５／５２％）などを含む純粋な冷却剤あるいは冷却剤混合物で使用される。また、アンモニア、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、および二酸化炭素が本発明において作動流体として用いられる。前述の冷却剤リストは使用される可能性のある幾つかを示しただけであり、すべてを網羅することを目的としたものではなく、明確に言及していない他の冷却剤を除外するものではない。後に続く説明では、前記システム２０は冷却剤を用いたものとして分かり易く説明されるが、これには様々な純粋な冷却剤、多成分ＨＦＣ冷却剤の混合物、および異なる用途に適したその他の作動流体を含むことは理解されるものとする。

冷却媒体の磁気の増強は、多成分ＨＦＣ冷却剤の混合物を用いると最も良く機能することが分かった。これは本発明に好ましく、最も望ましい結果を得たのは三成分冷却剤の混合物である。ただし、二成分混合物およびＲ−１３４Ａのような純粋な冷却剤も使用可能である。システム性能の向上は、前記Ｒ−４０４ＡおよびＲ−４１０Ａの冷却剤の混合物を用いたシステムに磁気増強を加えた場合に顕著に認められた。特に、蒸発器の能力における有意な改善は、磁気増強にＲ−４０４Ａを用いた場合に認められた。凝縮器の能力における有意な改善は、磁気増強にＲ−４１０Ａを用いた場合に認められた。

図１および２では、前記システム２０をより詳細説明している。前記システム２０は閉ループシステムであり、前記冷却剤は再循環される。流体ライン４０は前記閉ループシステム内の前記圧縮器２２、凝縮器２４、膨張弁２６および蒸発器２８を接続する。前記磁気装置３０は前記流体ライン４０に近接して固定される１若しくはそれ以上の磁石３２を有する。前記磁石３２は永久磁石または電磁石の何れかである。前記流体ライン４０中に磁場を発生させるために磁石３２の様々な配置が用いられる。例えば、前記磁石３２は単一型若しくは二重型の磁石により構成され得る。また、前記磁石３２は前記流体ライン４０に対して単極若しくは双極配置を有し得る。

前記磁石３２はあらゆるタイプの接合具若しくは導管の配置により前記流体ライン４０に接続して保持される。例えば、前記磁石を前記流体ラインの周囲に接続する留め金で前記流体ライン４０に固定する。あるいは、前記磁石３２は、連結器、接続器具、若しくは他の技術を用いて前記流体導管４０に沿って接続するように構成された短い導管の周囲に収めてもよい。前記磁気装置３０は、前記流体ラインに直接に接するように前記流体ライン４０に接続することが望ましいが、前記磁気装置と前記流体ラインの間には隙間が存在するであろう。前記磁気装置３０は、前記磁石から発生した前記磁場が前記作動流体に影響を及ぼすのに十分なぐらい、前記流体ライン４０に近接していなければならない。

図２では、３つの磁石３２が流体ライン４０に接続している図を示す。各磁石３２は留め金３４で前記流体ライン４０に接続されている。各留め金３４は、前記流体ラインと磁石の周囲に接続される一対のプレートを有する。前記プレートは前記磁石を前記流体ラインの外側に直接接するように保持する。具体的には、図２に示されるように、前記留め金３４は全体に彎曲した形状を有する第１のプレート３６を有し、磁石３２および前記流体ライン４０の片面を囲むように適合する。また、前記留め金３４は全体に平らな第２のプレート３８を有し、前記流体ライン４０を挟んだ前記第１のプレート３６と反対側に置かれる。前記第１のプレート３６は、一対の外側に延出したフランジ３７を有し、これは前記第２のプレート３８上の一対の端部３９と連携するように構成されている。第１のプレート３６上の前記フランジ３７と第２のプレート３８上の端部３９には穴部を有し、この穴部は前記プレートが前記流体ライン４０の周囲に位置される際お互いに調整する。前記プレート３６および３８は、前記穴部の位置で調整されて前記穴部に螺子を通して螺合して結合する。この方法では、前記プレート３６および３８は前記磁石３２を前記流体ライン４０の外側に堅く固定するように構成されている。前述したように、前記磁石は前記流体ライン４０に対して多数の構成で配置が可能である。後述の説明および図２の参照は、本発明で使われる多くの配置の中のただ１つの例を示したものである。例えば、磁石が前記流体ラインの両側に配置されるように、図２の前記第１のプレート３６と類似した２つの彎曲したプレートを前記流体ライン４０の周りに留め金で留めることで、磁石は前記流体ラインの両側に配置される。

前記冷却剤の気化は、外部からの磁場を液相の前記冷却剤に加えることにより向上する。磁場エネルギーは冷却剤分子の極性を変え、冷却剤分子間の分子間ファンデルワールス分散力を分裂させることが分かった。液化している前記冷却剤が蒸気へ変換される際、双極子相互作用およびファンデルワールス力によって生ずる分子間引力に打ち勝たねばならない。前記磁場は近接の分子間引力に影響を与えて分子を分散させる。具体的には、前記磁場は前記冷却剤中の前記分子間引力を弱めるとされており、それにより前記分子は容易に分散するようになる。これにより前記分子を分散させるのに必要なエネルギー量が減少し、その結果前記流体の気化を向上させる。

磁場は、好ましくは、前記冷却剤が前記膨張弁２６に流れる前に加えることが望ましい。図１に、前記磁石３２が前記凝縮器の前記出口と前記膨張弁２６の前記入口の間の前記流体ライン４０に接続された図を示している。前記磁石は流体ライン４０に配置されて、前記流体が前記膨張弁２６を通過する前に流体ライン全体に磁場が加わるようになる。前記冷却剤が前記凝縮器を通過した後完全に液相になる正確な位置は、前記冷却剤、前記流体ラインのサイズ、および動作条件によって異なってくる。好ましくは、前記磁石３２は凝縮器の出口から２０Ｄ〜１２０Ｄの間の距離で位置する（Ｄは前記流体ラインの外径を示す）。作動流体は典型的には前記凝縮器の出口からこの距離の地点で完全に液相に凝縮される。前記凝縮器の出口と前記膨張弁の入口の間の前記流体ライン４０は、好ましくは、ガスを閉じ込めたり、前記冷却剤の凝縮を防げるような接続金具若しくは遷移を有さない。前記凝縮器の出口と膨張弁の入口の間の前記ラインは垂直であり、これにより前記磁場を通過する前記流体ラインが閉じ込められたガスを少しも有さずに完全な液体の流れを運ぶことを確実にする。

前述したように、前記磁石３２には単一型または二重型の何れかの磁石が使用できる。図２に示すように、単一型磁石３２は前記流体ライン４０に接して保持され、それぞれの磁石の極性は前記流体ラインの流れの方向に対し直交に置かれる。ただし、磁石の極性が変更しても結果は達成される。要求される磁石の数および配置は動作条件により変化し、これに限定されるものではないが、この動作条件には前記磁石への接続に利用できる前記流体ラインの長さが含まれる。本発明では種々の配置を使用することができる。例えば、本発明ではある１つの比較的長い低強度の磁石、あるいはそれぞれがより高い強度を持つ一連の小型の磁石を利用する。磁石３２はそれぞれ３００ガウス未満の磁気強度を有している必要がある。ガウスレベルが増加するに従って前記システム２０の熱容量およびＣＯＰがさらに向上することが分かった。従って、磁石３２それぞれの磁気強度は好ましくは２０００ガウス未満であり、より好ましくは４０００ガウス未満である。４０００ガウスの磁石を３つ用いると、前記冷却剤用に直径３／８インチの導管を使用する冷却システム内の冷却剤の気化が増大されることが分かった。ただし、気化の増大は磁石の強度および導管の直径は他の組み合わせであっても達成できるであろう。前記磁石３２は、あらゆる適した材料或いは複数の材料の組み合わせによっても形成でき、これに限定されるものでがないが、ポリマーに埋め込まれたフェライトを含む。

前記磁石３２は前述したように前記流体ライン４０にそれぞれ個々に固定される。あるいは、前記磁石３２は前記流体ライン４０にアセンブリのように相互に連結して取り付けることもできる。図３では、磁石３２Ａ、３２Ｂ、および３２Ｃは螺状棒５０上に相互に連結し、流体ライン４０に接して保持されている。前記螺状棒５０は前記流体ライン４０上の磁石間の間隔を微妙に調整して、前記磁場の性質を変えることができる。磁石３２Ａは留め金３４によって前記流体ライン４０上の固定位置にしっかりと固定される。前記螺状棒５０は、磁石３２Ａの位置に対して固定されるように前記留め金３４に接続する。前記棒５０は前記留め金３４に溶接されるかあるいは前記棒上の螺状と一致する螺状を有するスリーブを通して挿入される。一旦磁石３２Ａを前記流体ライン４０上に留め金で固定すると、前記棒５０は追加の磁石を前記流体ラインに接して保持するように構成される。

図３において、磁石３２Ｂおよび３２Ｃは前記棒５０から磁石３２Ａの両側に位置する。磁石３２Ｂおよび３２Ｃはそれぞれ、スリーブ５２によって前記棒５０に接続している。スリーブ５２はそれぞれ前記棒を受け止めるために適応させた穴部５４を有し、前記棒の長さに沿って動かせるようになっている。一対のロックナット５６が磁石３２Ｂおよび３２Ｃ上の前記スリーブの各側にある前記棒に螺合している。前記棒に螺合されていると、前記ロックナット５６はそれを回すことによって棒上で軸方向に移動させることができる。前記ロックナットはスリーブと螺合して、前記流体ライン４０に対する磁石３２Ｂおよび３２Ｃの移動を限定する。具体的には、前記ロックナット５６は前記スリーブ５２に対して堅く締めるように構成され、前記流体ライン４０および磁石３２Ａに対して固定した位置に前記磁石３２Ｂおよび３２Ｃを保持する。前記ロックナットを回して堅く螺合したものを外し前記スリーブから離すことによって、前記磁石が前記棒上で動かせるような隙間を提供する。このように前記ロックナットは前記磁石３２Ｂおよび３２Ｃを棒５０上の固定した位置に保持するように構成され、前記磁石間の間隔を増やしたり減らしたりする動作が可能である。

ここに使用された用語および表現は説明の表現として使われたものであり、限定するものとして使われたのではない。そのような用語および表現の使用において、示されたおよび説明された特徴若しくはその部分のいかなる均等物も排除する意図を持つものではない。従って、本発明の範囲および要旨から逸脱しない範囲において様々な修正が可能である。それ故、本発明に付属する請求項の範囲内において様々な修正を含む。

以下の説明と同様に課題を解決するための手段は図面と併せて読むことにより、より深く理解できるであろう。
図１は、本発明に従った装置の模式図である。 図２は、本発明に従った装置の部分的斜視図であり、流体ラインに接続された磁石配置の一例を示す。 図３は、本発明に従った装置の部分的斜視図であり、流体ライン上の磁石の配置のもう一つの例を示す。

Claims (23)

1. 作動流体で作動する気体圧縮装置であって、
   Ａ：前記作動流体の圧力および温度を上昇させるように動作可能な圧縮器と、
   Ｂ：前記作動流体から前記熱を吸収するように動作可能な凝縮器と、
   Ｃ：前記作動流体の前記圧力を下げるように動作可能な膨張弁と、
   Ｄ：熱を前記作動流体に転換するように動作可能な蒸発器と、
   Ｅ：前記作動流体に磁場を発生させるように動作可能な磁気要素と、
   を有し、
   Ｆ：前記磁気要素は前記凝縮器と前記膨張弁との間の前記流体ラインに近接して配置され、前記流体ラインを通して前記凝縮器と前記膨張弁の前までの間に磁場を印加するものである
   ことを特徴とする気体圧縮装置。
2. 請求項１の装置において、前記凝縮器は熱交換媒体を有するものであって、それは空気、水、および不凍剤の内の１つを含むものである気体圧縮装置。
3. 請求項１の装置において、前記蒸発器は熱交換媒体を有するものであって、それは空気、水、および不凍剤の内の１つを含むものである気体圧縮装置。
4. 請求項１の装置において、前記作動流体は冷却剤を有するものである気体圧縮装置。
5. 請求項４の装置において、前記冷却剤は多成分ＨＦＣ混合物を有するものである気体圧縮装置。
6. 請求項５の装置において、前記ＨＦＣ混合物はＲ−１２、Ｒ−２２、Ｒ−５０２、Ｒ−１１、Ｒ−１１４、Ｒ−１３４ａ、Ｒ−５０７（Ｒ−１２５／Ｒ１４３ａ：５０／５０％）、Ｒ−４０４Ａ(Ｒ−１２５／Ｒ−１４３ａ／Ｒ−１３４ａ：４４／５２／４％)、Ｒ−４１０Ａ（Ｒ−３２／Ｒ−１２５／５０：５０％）、およびＲ−４０７Ｃ（Ｒ−３２／Ｒ−１２５／Ｒ−１３４ａ：２３／２５／５２％）の内の１つを有するものである気体圧縮装置。
7. 請求項１の装置において、前記作動流体はアンモニア、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、および二酸化炭素の内の１つを有するものである気体圧縮装置。
8. 請求項１の装置であって、この装置は、さらに、冷却剤の流れ方向を暖房および冷却の用途によって反転させることができる反転弁を有するものである気体圧縮装置。
9. 請求項１の装置において、前記磁場は前記作動流体中の分子間力を分裂させるのに十分な強さを有するものである気体圧縮装置。
10. 請求項１の装置において、第１の磁気要素に対して一定の角度に配置される第２の磁気要素を有するものである気体圧縮装置。
11. 請求項１の装置において、前記流体ラインは凝縮器から膨張弁まで作動流体を運ぶために構成される、全体として垂直な導管を有するものである気体圧縮装置。
12. 請求項１の装置であって、この装置は、前記作動流体が動作する流体ラインを有し、前記磁気要素は流体ラインに接続されているものである気体圧縮装置。
13. 請求項１２の装置において、前記磁気要素は前記流体ラインに接続された複数の磁石を有するものである気体圧縮装置。
14. 請求項１２の装置において、前記磁気要素は前記流体ラインに接続され、流体ラインに対して前記磁気要素を滑らせるように移動できるものである気体圧縮装置。
15. 請求項１の装置において、前記磁気要素は少なくとも３００ガウスの強度を有するものである気体圧縮装置。
16. 請求項１５の装置において、前記磁気要素は少なくとも２０００ガウスの強度を有するものである気体圧縮装置。
17. 請求項１５の装置において、前記磁気要素は少なくとも４０００ガウスの強度を有するものである気体圧縮装置。
18. 気体圧縮システムの作動流体の性能を向上させる方法であって、この方法は、
    Ａ．前記作動流体の圧力および温度を上げるために、前記作動流体を圧縮する工程と、
    Ｂ．熱を前記作動流体から解放して前記流体を液相に変換するために、前記作動流体を圧縮器へ放出する工程と、
    Ｃ．前記作動流体を気相に変化させるために、前記作動流体を前記圧縮器から膨張弁へ放出する工程と、
    Ｄ．磁場を第１の磁気要素から前記作動流体に印加する工程と、
    Ｅ．前記作動流体を前記膨張弁から放出する工程および熱を前記作業流体に移動する工程と、
    を有し、
    前記作動流体が導管を通って流れ、前記磁場を印加する工程は、前記作動流体を圧縮する工程から前記作動流体を膨張弁へ放出するまでの工程において、前記流体が前記膨張弁に入る前の間に磁場を前記作動流体に印加する工程を有するものである
    ことを特徴とする方法。
19. 請求項１８の方法において、前記磁場を印加する工程は、前記凝縮器の出口と前記膨張弁の入口との間の導管に磁石を接続する工程を有するものである方法。
20. 請求項１９の方法において、前記磁場を印加する工程は、前記凝縮器から約２０Ｄ〜１２０Ｄ（Ｄは前記導管の外径）の距離で前記導管に前記磁石を接続する工程を有するものである方法。
21. 請求項１８の方法において、前記作動流体は前記凝縮器で２０℃〜９０℃間の温度を有するものである方法。
22. 請求項１８の方法において、前記作動流体は前記蒸発器で−８５℃〜２５℃間の温度を有するものである方法。
23. 請求項１８の方法において、前記第１の磁気要素に対して一定の角度に配置される第２の磁気要素から第２の磁場を印加する工程を有するものである方法。

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