JP6300339B1 - 振動及び揺動可能なバネを有する液化促進装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートポンプの運転効率向上。【解決手段】円筒形状の胴体部の上端側、下端側をそれぞれ半球形状の鏡板により閉塞された筐体と、中心軸から離れた位置にて上部鏡板を上下方向に貫通して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、中心軸上にて下部鏡板を上下方向に貫通して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、中心軸を軸として胴体部の内部に、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、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、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、下端が下部鏡板近傍まで延在し、各巻線が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、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とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、ヒートポンプシステムの配管途中に設置して冷凍機油と冷媒とを撹拌混合し、配管内を流れる流体の液化を促進する液化促進装置、とりわけその内部に振動及び揺動可能なバネを有する液化促進装置に関する。

特許文献１には、冷凍サイクルに気液混合装置を設けたものが開示されている。これにより運転効率の向上を図るものである。特許文献１における気液混合装置としては、乾き度調整用減圧装置、冷媒導入出管、Ｕ字管を用いるものが提案されている。
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。

特許第３０５５８５４号公報 特開２０１４−１６１８１２号公報 特開２０１５−２１２６０１号公報 特許第５９４５３７７号公報 特開２０１７−１４２０６１号公報

特許文献１に見られるように、ヒートポンプサイクルを循環する流体は、気体と液体との混合物である。そして、気液を混合することにより、液化促進、ひいてはヒートポンプの運転効率の向上をもたらすことができる。
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。

本発明の発明者は、この種の撹拌装置の内部構造について、改良を加えることにより、さらなる効果を挙げることができる可能性があると日夜、考えをめぐらし、実験をくり返した。そして、ついに有用な構造、すなわち振動及び揺動可能なバネを設ける構造を見出した。
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。

本発明に係る液化促進装置は、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、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近傍まで延在し、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と前記小径の螺旋バネとがそれぞれ揺動及び振動して、前記流体を撹拌することを特徴とする。これにより、冷媒と冷凍機油とを含む流体を撹拌、混合し、液化を促進して、ヒートポンプの運転効率の向上をもたらす。

また、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近傍まで延在し、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とすることができる。これにより、複数のバネが協働して、揺動、振動して流体を撹拌、混合し、液化を促進してヒートポンプの運転効率の向上をもたらす。

さらに、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。たとえば、図８(a)に示すように、広い→狭い→広い、又は図８(b)に示すように、狭い→広い→狭い、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。

さらに、上述の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とすることができる。これにより、馬力の大きなコンプレッサーを有するヒートポンプサイクルにおいても対応可能となる。

さらに、本発明に係る液化促進方法は、前述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。これにより、ヒートポンプサイクルの運転効率の向上をもたらす。

また、本発明に係る液化促進方法は、前述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。これにより、ヒートポンプサイクルの運転効率の向上をもたらす。

本発明に係る液化促進装置は、冷媒と冷凍機油とを含む流体を撹拌、混合し、液化を促進して、ヒートポンプの運転効率を向上する。したがって、これをヒートポンプサイクルの配管経路上に設置することにより、ヒートポンプの運転効率の向上、ひいてはエネルギーの削減効果がある。

本発明に係る液化促進装置をヒートポンプシステムに用いた例を示す図である。図１（ａ）は、冷房時の流体の流れ、熱の動きを説明する。図１（ｂ）は、暖房時の流体の流れ、熱の動きを説明する。 本発明の液化促進装置の断面図である（実施形態）。 本発明の液化促進装置の外観を説明する図である。 大径の螺旋バネの形状を説明する図である。 本発明の液化促進装置の断面図である（実施例１）。 本発明の液化促進装置の断面図である（実施例２）。 上部管体、下部管体のバリエーションを示す断面図である。 バネのピッチについての実施例を示す図である。 バネの径の変化についての実施例を示す図である。 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。 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。 ５つのバネを並べて設けた例を示す図である。 ５つのバネを並べて設けた他の例を示す図である。 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。 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。 ３つのバネを同心円状に設けたセットを、５セット設け、さらに全体を囲む大径のバネを設けた例を示す図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。図中の符号が同一のものは、同様の構成、機能を有する。

＜実施形態＞
＜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。

図１では、一般的な空調機を例にとって、ヒートポンプサイクルを模式的に示し、本発明に係る装置をその内部がわかるように断面図にて示している。図１（ａ）は、冷房時の流体の流れの向きが反時計回りであることを示す。図１（ｂ）は、暖房時の流体の流れの向きが時計回りであることを示す。
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。

≪室内冷房時のサイクル≫
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。

しかしながら、凝縮部（室外機８４）において冷媒が気体から液体となるとき、冷凍機油の一部が冷媒に溶解（均一混合）せずに分離する場合がある。また、融合した冷凍機油の油相が液体冷媒を閉じこめる場合がある。さらに、凝縮部（室外機８４）をほぼ素通りした冷媒が、高温気体のまま残存する場合がある。このような現象により、凝縮部（室外機８４）から流出する液体流体は、分離した冷凍機油、冷凍機油の油相に捕捉された液体冷媒及び／又は気体冷媒を含む可能性がある。

図１（ａ）に示す室内冷房時には、本発明の液化促進装置１は、凝縮部（室外機８４）と膨張部８１の間に挿入されている。液化促進装置１の上部管体６０は、室外機８４である凝縮部の出口側に接続され、液化促進装置１の下部管体７０は膨張部８１の入口側に接続されている。凝縮部８４から流出した流体は、液化促進装置１内で十分にせん断効果が与えられ、混合される。これにより、分離した冷凍機油は液体冷媒に均一混合した状態となり、冷凍機油の油相に捕捉された液体溶媒は解放され、残存する気体冷媒は温度降下して液体冷媒となる。その後、液化促進装置１から流出した流体は、膨張部８１に送られる。

膨張部８１はエキスパンションバルブ又はキャピラリーチューブ等を備える。低温高圧の液体流体は、細い孔や管に通されることにより、低圧かつさらに低温の液体となる。その後、この流体は、蒸発部（室内機８２）へ送られる。蒸発部はエバポレータを備える。図１（ａ）に示す室内冷房時は、室内機８２が蒸発部として熱交換を行う。蒸発部に流入した低温低圧の液体流体は、熱を外部から吸収することにより蒸発して高温の気体流体となる。これにより、室内の空気が冷やされる。その後、気体流体は圧縮部８３へ戻される。

≪室内暖房時のサイクル≫
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。

ここで、凝縮部（室内機８２）において冷媒が気体から液体となるとき、図１（ａ）の冷房時のサイクルと同様に、凝縮部から流出する液体流体は、分離した冷凍機油、冷凍機油の油相に捕捉された液体冷媒及び／又は気体冷媒を含む可能性がある。暖房時には、凝縮部（室内機８２）から流出する液体流体は、さらに膨張部８１に送られ、低圧かつさらに低温の液体となる。膨張部８１の通過後にも、分離した冷凍機油、捕捉された液体冷媒及び／又は気体冷媒が残存している可能性がある。

図１（ｂ）に示す室内暖房時には、本発明の液化促進装置１は膨張部８１と蒸発部（室外機８４）の間に設置されている。液化促進装置１の下部管体７０は、膨張部８１の出口側に接続され、液化促進装置１の上部管体６０は、室外機８４である蒸発部の入口側に接続されている。膨張部８１から流出した流体は、液化促進装置１内で十分に均一混合される。分離した冷凍機油は液体冷媒に均一混合された状態となり、冷凍機油の油相に捕捉された液体溶媒は解放され、残存する気体冷媒は温度降下して液体冷媒となる。その後、液化促進装置１から流出した流体は、蒸発部（室外機８４）に送られる。

図１（ｂ）に示す室内暖房時は、室外機８４が蒸発部として熱交換を行う。蒸発部に流入した低温低圧の液体流体は、熱を外部から吸収することにより蒸発して高温の気体流体となる。その後、気体流体は圧縮部８３へ戻される。

図１（ａ）及び図１（ｂ）に示した通り、本発明の液化促進装置１は、ヒートポンプシステムを構成する配管の経路上に挿入されるものである。実際の配管は、複数の管部材を接続して形成されているから、例えば１つの管部材を取り外して本発明の液化促進装置１と交換し接続することにより、液化促進装置１を容易に取り付けることができる。図１（ａ）及び図１（ｂ）に示した通り、例えば、室外機近傍の屋外配管に設置することができる。このとき、配管内の流体がスムーズに動けるように、適切な大きさのなめらかなカーブを描くように配管がなされる。

上述した図１（ａ）及び図１（ｂ）では、ヒートポンプシステムの基本形態に対して本発明の液化促進装置１を適用した例を示した。実際のヒートポンプシステムには、多くの応用形態が存在する。本発明の液化促進装置１は、基本形態に種々の構成要素が付加されたヒートポンプシステムに対しても適用可能である。例えば、気液二相状態の冷媒を分離する気液分離器を備えたシステムにおいても、本発明の液化促進装置１を併用することができる。また、例えば、膨張部に替えてエジェクターと気液分離器を設けたシステムにおいても、本発明の液化促進装置１を併用することができる。

図２は、本発明の液化促進装置の断面図である。また、図３は、本発明の液化促進装置の外観を説明する図である。液化促進装置１は、筐体１０を有する。筐体１０は、上下方向の中心軸をもつ円筒形状の胴体部１１と、胴体部の上端側を閉鎖する半球形状の上部鏡板１２と、胴体部の下端側を閉塞する半球形状の下部鏡板１３を具備する。ここで本発明の液化促進装置は、冷媒と冷凍機油とを含む流体を０．２メガパスカルから１０メガパスカルほどの圧力で通すものであるので、それだけの圧力に耐え得る構造であることを要する。本発明の液化促進装置における流体は、圧縮機から所定の圧力で吐出された圧力流体であるので、筐体１０も圧力容器であるといえる。圧力容器における「鏡板」は、一般的に円筒状圧力容器の上下端を閉鎖する半球状の蓋部材を意味する。図３に示される上部鏡板１２及び下部鏡板１３の断面は、中心角１８０度の半円であり、その半径は円筒形状の胴体部１１の半径と等しい。

筐体１０に対する流体の流入又は流出のために、２つの管体、上部管体６０、下部管体７０が設けられている。図３（ｄ）では、液化促進装置１を側面からみた外観を示している。上部管体６０が上部鏡板１２を貫いて設けられており、下部管体７０が下部鏡板１３を貫いて設けられているようすを示している。液化促進装置１をヒートポンプシステムの配管経路上に挿入する場合、挿入箇所において上部管体６０、下部管体７０の二つの管体のうち、一方の管体を一方の配管端部に接続し、他方の管体を他方の配管端部に接続する。上述した図１(a)及び図１(b)を参照しつつ説明した通り、冷房時と暖房時とでは流体の循環の向きが逆である。従って、液化促進装置１の冷房時の流入口は、暖房時には流出口となり、冷房時の流出口は、暖房時には流入口となる。循環方向が逆となる暖房時にも液化促進装置の効果は実証された。従って、空調機の冷房と暖房を切り替えても、本発明の液化促進装置の取り付け状態を変更する必要はない。

上部管体６０は、冷房時には流入口となり、暖房時には流出口となる。図３では上部管体６０の上方部分の図示を省略しているが、ヒートポンプシステムの適切な配管に接続可能である。なお、冷房時と暖房時で液化促進装置１の取付状態を変更することはないが、流体の循環方向が逆となるので、上部管体６０は、図１に示した冷房時には凝縮部（室外機）の出口側に接続され、図２に示した暖房時には蒸発部（室外機）の入口側に接続されることになる。

上部管体６０は、中心軸から離れた位置において上部鏡板１２を上下方向に貫通している。上部管体６０は、筐体１０内で胴体部１１の上端近傍まで下方に延在し、その下端６０ａは下方に開口している。図２に示すように、上部管体６０の下端６０ａの開口の縁は、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が好適である。この傾斜は、冷凍機油と冷媒とを含む流体の良好な流れを形成し、大径の螺旋バネ２０及び小径の螺旋バネ３０、すなわち大小二つのバネの揺動及び振動を起こして、せん断効果により流体の混合、ひいては液化促進を行うためのものである。

下部管体７０は、冷房時には流出口となり、暖房時には流入口となる。図２、図３では、下部管体７０の下方部分の図示を省略しているが、ヒートポンプシステムの適切な配管に接続可能である。下部管体７０は、中心軸上において下部鏡板１３を上下方向に貫通している。下部管体７０は、筐体１０内で中心軸に沿って胴体部１１の上端近傍まで上方に延在し、その上端７０ａは上方に開口している。

さらに、胴体部１１の内壁から、１ミリメートルから１０ミリメートル離れた内壁近傍には、大径の螺旋バネ２０が設置されている。大径の螺旋バネ２０の中心軸は、胴体部１１の中心軸と一致するように設けられる。大径の螺旋バネ２０は、バネ取付部２１，２２，２３，２４の４ヶ所、すなわち、大径の螺旋バネ２０の上端部と下端部のみにおいて、胴体部１１の内壁に（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。ここで揺動は、バネの伸び縮みの方向とは垂直の方向に動くことである。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。
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。

本発明の液化促進装置の各構成要素、すなわち筐体１０、上部管体６０、下部管体７０、大径の螺旋バネ２０、小径の螺旋バネ３０の材料は、ヒートポンプシステムの配管に使用可能材料であればよく、特に限定されないが、圧力容器に適切な材料を用いることができる。例えば、鋼製とする。
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。

図４（ａ）は、図２に示した大径の螺旋バネ２０の平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。大径の螺旋バネ２０は、不等ピッチ螺旋バネである。端部から中間部へ向かってピッチが漸次長くなっている。今、大径の螺旋バネの伸縮方向の長さ方向について、ｐ１、ｐ２、ｐ３、…、ｐ９の９つの領域に分けて説明する。ピッチは、大径の螺旋バネを構成する巻線とその隣の巻線との間にできる隙間の長さと考える。ｐ１とｐ９とは、ピッチが０．８ミリメートル、ｐ２とｐ８とは、ピッチが１．２ミリメートル。ｐ３とｐ７とは、ピッチが１．６ミリメートル、ｐ４とｐ６とは、ピッチが２．０ミリメートル、ｐ５は、ピッチが２．５ミリメートル、とすることができる。ピッチの大きさについてみると、上下対称である。すなわち、ｐ１のピッチをｐ１、ｐ２のピッチをｐ２、…、ｐ９のピッチをｐ９と表記すると、ｐ１＜ｐ２＜ｐ３＜ｐ４＜ｐ５＞ｐ６＞ｐ７＞ｐ８＞ｐ９、であって、ｐ１＝ｐ９、ｐ２＝ｐ８、ｐ３＝ｐ７、ｐ４＝ｐ６である。

複数の領域（ｐ１、ｐ２、ｐ３、…）の各々におけるピッチは一定であって各領域のピッチがｐ１＜ｐ２＜ｐ３＜…の関係となるのみならず、それぞれの領域の内部についてみても、一つ一つの螺旋バネの巻線の隣り合う間隔が漸次変化するようになっていてもよい。

液化促進装置１の内部に冷凍機油と冷媒とを含む流体が流入することにより、大径の螺旋バネ２０が、揺動及び振動し、流体に対する剪断効果を奏する。また、螺旋バネの表面がさまざまな面を有して、凹凸をもつこと自体によっても流体に対する剪断効果を奏する。この結果、流体が微細化、均一化され、液化を促進する。大径の螺旋バネ２０は、筐体１０の胴体部１１の内壁からは１ミリメートルから１０ミリメートル離れて設けられる。そして、その上端及び下端において、筐体１０に固定されるのみであり、他の部分は、自由に揺動及び振動が可能である。

図２に示した小径の螺旋バネ３０についても、不等ピッチ螺旋バネとすることが望ましい。大径の螺旋バネ２０と同様に、ピッチが上から、広い→狭い→広い、又は狭い→広い→狭い、というようにすることができる。
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。

＜上部管体６０から流体が流入する場合の動作＞
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。

＜下部管体７０から流体が流入する場合の動作＞
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。

＜作用・機序＞
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。

＜効果＞
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。

＜電力削減、エネルギー削減＞
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。

≪実施例１≫
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。

≪実施例２≫
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。

≪上部管体及び下部管体のバリエーション≫
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。

≪バネのピッチのバリエーション≫
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。

≪バネの径の変化のバリエーション≫
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。

≪三つのバネを同心円状に設ける≫
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。

≪四つのバネを同心円状に設ける≫
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。

≪５つのバネを並べる≫
図１２は、５つのバネを並べて設けた例を示す図である。

≪５つのバネを並べる他の例≫
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。

≪５つのバネ＋大径のバネ≫
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。

≪３つのバネを同心円状に設けたセットを５セット≫
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。

図１６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、さらに全体を囲む大径のバネを設けた例を示す図である。

図１０から図１６までに示すように、多くのバネを設ける実施例は、馬力の大きなコンプレッサー向けに、大きな液化促進装置を設計する際に、有利な構成である。その場合には、液化促進装置の筐体の大きさも大きなものとなる。図１０から図１６までに示すバネは、それぞれ、バネのピッチを不等ピッチにするバリエーション、バネの径の変化をもたせるバリエーションをそれぞれ施すことができるものであり、それらを多様に組み合わせることができる。

１，２ 液化促進装置
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)

1. 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。
2. 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近傍まで延在し、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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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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