JP7105516B2 - 気液混合機能付き混合冷媒容器、気液混合機能付き混合冷媒容器使用方法 - Google Patents
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Description
特許文献2には、省エネ、地球温暖化防止、冷媒廃棄処理コストの大幅低減、冷媒充填量の減少を可能とする炭化水素混合冷媒が開示されている。
特許文献3には、非共沸冷媒の組成比率の変化をあらかじめ予測し、充填当初の組成比率に回復でき、冷凍回路の性能低下を未然に防止可能な補充用混合冷媒及びその製造方法が開示されている。
特許文献4には、二液分離した非共沸混合冷媒を均一に分散させることができるヒートポンプシステムが開示されている。具体的には、下方伝熱管、上方伝熱管、それらをつなぐ接続管を有するものである。
特許文献5には、残量が少なくなっても組成が変化せず、チャージを行う場合に、残量チェックを行う必要のない冷媒容器が開示されてている。具体的には、容器本体の底部にボンベ口を形成し、内部に下室と上室に区画することができるとともに、容器本体内において上下に移動可能な隔壁ピストンを組み込むものである。
特許文献6には、非共沸混合冷媒を組成変化を生じさせることなく、かつ圧縮機に故障を生じさせることなく充填できる方法が開示されている。具体的には、圧縮機と室内熱交換機とを連結する冷媒配管に三方弁を介してボンベを接続し、エアコンを冷房運転し電動膨張弁を調整して過熱度制御運転とし、その後、ボンベから非共沸混合冷媒を液状態で充填するものである。
特許文献7には、非共沸混合冷媒を組成変化を生じさせることなく、かつ圧縮機の故障を生じさせることなく充填する方法が開示されている。具体的には、圧縮機の吸込側に配設されたアキュムレータの入り口側にボンベを接続し、冷凍運転を運転させながらボンベから冷媒回路内へ液状態の非共沸混合冷媒をアキュムレータの容量に応じた所定量ずつ充填するものである。
特許文献8には、非共沸混合冷媒を小分け充填する方法が開示されている。具体的には、冷媒貯槽中の小分け用冷媒の気相又は液相を、この小分け用冷媒と実質的に同等な組成を有する調整用冷媒の気相と導通させながら小分け充填するものである。
特許文献9には、移充填する際に生じる組成変化を冷媒性能の許容範囲内に収める充填方法が開示されている。具体的には、供給側容器中の液相から抜き出しを行って移充填するものである。
特許文献10には、移充填する際に生じる組成変化を冷媒性能の許容範囲内に収める充填方法が開示されている。具体的には、40℃以下で、供給側容器中の液相から抜き出しを行って移充填するものである。
特許文献11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12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13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14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15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。
特許文献16には、振動及び揺動可能なバネを設けた構造を有する液化促進装置が開示されている。
特に、特許文献1、特許文献8に見られるように、出荷する際に一つ一つのボンベ内の組成が、異ならないように気を配る必要がある。
また、特許文献5、特許文献6、特許文献7、特許文献9、特許文献10に見られるように、ボンベからヒートポンプシステムに移す際に生じる組成変化を許容範囲内に収めるという課題がある。
一方、特許文献4に見られるように、ヒートポンプシステムが運転する際に、混合冷媒が均一に分散させるべきという課題もある。
同様の課題は、特許文献11にも見られる。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ことを前提として、その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12から15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。
さらに、特許文献16には、振動及び揺動可能なバネを設けた構造を有する液化促進装置が開示されている。
本発明の目的は、混合冷媒装置の製造時において小分けする容器への充填する際の均一化、ヒートポンプサイクルに混合冷媒を充填する際の組成の均一化、ヒートポンプサイクルを運転する際の混合冷媒の組成の均一化を実現する装置及び方法を提供することを目的とする。
液相と気相とに分離した状態で混合冷媒を保存する原料容器と、
液相と気相とを均一に混合する気液混合装置と、
前記原料容器から前記混合冷媒の液相を前記気液混合装置内に導入する液相弁と、
前記原料容器から前記混合冷媒の気相を前記気液混合装置内に導入する気相弁と、
前記気液混合装置を所定時間運転した後、前記気液混合装置内の混合冷媒を小分け容器に移す導入弁と
を有するものである。
これにより、小分け容器に充填した混合冷媒の組成比率を所定の許容範囲内のものとすることができる。
気液混合装置内に、混合冷媒の液相と気相とをそれぞれ導入するステップと、
前記気液混合装置を所定時間運転するステップと、
前記気液混合装置内の混合冷媒を小分け容器に移して充填するステップと
を有するものである。
これにより、、小分け容器に充填した混合冷媒の組成比率を所定の許容範囲内のものとすることができる。
個別のヒートポンプサイクルに用いる混合冷媒を当該ヒートポンプサイクルに適した分量で、かつ適した組成比率で保存する容器であって、
当該ヒートポンプサイクルの配管途中に接続可能な出入口を開閉制御可能な状態で二つ有し、当該ヒートポンプサイクルを運転する際にも取り付けたまま運転することを可能とすべく、前記二つの出入口の一方から入った流体が、前記容器内を運動した後に、前記二つの出入り口のうちの他方から出ていくように導く構造を有することを特徴とするものである。
これにより、混合冷媒を当該ヒートポンプサイクルへ導入する時のみならず、当該ヒートポンプサイクルを運転する際に、冷媒(及び機械油)が当該混合冷媒容器内を通過するものとなる。従って、当初、当該混合冷媒容器内にあった混合冷媒がすべて無駄なく、かつ適正な組成比率で当該ヒートポンプサイクルに充填される。
ヒートポンプサイクルの配管途中にバイパスを設けるバイパス設置ステップと、
当該バイパスを設けた部分の配管途中に前記混合冷媒容器の二つの出入り口を接続する混合冷媒容器接続ステップと、
前記バイパスを用いて前記ヒートポンプサイクルから真空引きを行う真空引きステップと、
前記パイパスを閉じて、前記混合冷媒容器側に切り替えるバイパス閉鎖ステップと、
前記ヒートポンプサイクル内の圧縮機などの機器に悪影響を与えないように、前記混合冷媒容器のバルブを段階的に開いて、前記ヒートポンプサイクルに前記混合冷媒容器内の混合冷媒を充填する充填ステップと、
前記ヒートポンプサイクルを運転する際にも、前記混合冷媒が前記混合冷媒容器内を通過するように前記ヒートポンプサイクルを運転する運転ステップと
を有することを特徴とする。
これにより、混合冷媒を当該ヒートポンプサイクルへ導入する時のみならず、当該ヒートポンプサイクルを運転する際に、冷媒(及び機械油)が当該混合冷媒容器内を通過するものとなる。従って、当初、当該混合冷媒容器内にあった混合冷媒がすべて無駄なく、かつ適正な組成比率で当該ヒートポンプサイクルに充填される。
個別のヒートポンプサイクルに用いる混合冷媒を当該ヒートポンプサイクルに適した分量で、かつ適した組成比率で保存する容器であって、
当該ヒートポンプサイクルの配管途中に接続可能な出入口を開閉制御可能な状態で二つ有し、
さらに、その内部に気液混合機能を有する構造を有する
ことを特徴とするものである。
これにより、混合冷媒を当該ヒートポンプサイクルへ導入する時のみならず、当該ヒートポンプサイクルを運転する際に、冷媒(及び機械油)が当該混合冷媒容器内を通過するものとなるのみならず、通過する際に気液混合がなされ、ヒートポンプサイクル内を冷媒が循環する際の組成比率が良好な状態であることを保つ。従って、当初、当該混合冷媒容器内にあった混合冷媒がすべて無駄なく、かつ適正な組成比率で当該ヒートポンプサイクルに充填されるのみならず、ヒートポンプサイクル内における均一化を図ることができる。
ヒートポンプサイクルの配管途中にバイパスを設けるバイパス設置ステップと、
当該バイパスを設けた部分の配管途中に前記混合冷媒容器の二つの出入り口を接続する混合冷媒容器接続ステップと、
前記バイパスを用いて前記ヒートポンプサイクルから真空引きを行う真空引きステップと、
前記パイパスを閉じて、前記混合冷媒容器側に切り替えるバイパス閉鎖ステップと、
前記ヒートポンプサイクル内の圧縮機などの機器に悪影響を与えないように、前記混合冷媒容器のバルブを段階的に開いて、前記ヒートポンプサイクルに前記混合冷媒容器内の混合冷媒を充填する充填ステップと、
前記ヒートポンプサイクルを運転する際にも、前記混合冷媒が前記混合冷媒容器内を通過させて、気液混合機能を実現するように前記ヒートポンプサイクルを運転する気液混合運転ステップと
を有することを特徴とする。
これにより、混合冷媒を当該ヒートポンプサイクルへ導入する時のみならず、当該ヒートポンプサイクルを運転する際に、冷媒(及び機械油)が当該混合冷媒容器内を通過し、気液混合をするものとなる。従って、当初、当該混合冷媒容器内にあった混合冷媒がすべて無駄なく、かつ適正な組成比率で当該ヒートポンプサイクルに充填されるのみならず、ヒートポンプサイクル内における均一化を図ることができる。
≪混合冷媒製造装置≫
≪回転型気液混合装置を用いる≫
図1は、本発明に係る混合冷媒製造装置の実施形態を示す図である。原料容器150から、仕分け容器160に混合冷媒を充填するにあたって、混合比率が許容範囲内に収まるように、回転型気液混合装置101を用いるものである。
この実施形態における回転型気液混合装置101は、撹拌層110を有し、回転駆動源(モーター)120に連結した回転軸125に取り付けられる混合回転体130を回転させることにより、撹拌層110内の流体を均一混合するものである。混合回転体130の構造については、図2から図4までを参照しつつ説明するが、ハニカム状の小室を多数備えたものである。
なお、混合回転体130を数組(たとえば、3組)重ねたものを用いても良い。重ねて用いる際には、大径円板同士、小径円板同士が接しあうように重ねることができる。
図1を参照しつつ、本発明に係る混合冷媒製造方法を説明する。原料容器150には、液相と気相とに分離した状態で混合冷媒を保存している。原料容器150の上端部には、気相弁151が設けられ、その気相弁151を介して原料容器150は、回転型気液混合装置101と配管がつながっている。また、原料容器150の液相の部分から回転型気液混合装置101に原料のうちの液相となった部分を供給すべく配管がつなげられ、その途中には液相弁153が設けられている。
気相弁151、液相弁153の近傍には、圧力計又は流量計(図示を省略)が設けられており、気相弁151、液相弁153をそれぞれ開けることにより、どれだけの気相、液相がそれぞれ回転型気液混合装置101に流れ込んだかを知ることができる。目的とする混合冷媒の組成比率に対して必要となる量の気相、液相がそれぞれ回転型気液混合装置101に入ったときに、気相弁151、液相弁153をそれぞれ閉める。このとき、小分け容器への導入弁159も閉めておく。
そして、回転駆動源120を動作させて回転軸125を介して混合回転体130が回転するようにする。所定時間の運転をすることにより、回転型気液混合装置101内の流体(気相と液相と)が均一に混合する。この時、回転型気液混合装置101と気相弁151との間の配管、回転型気液混合装置101と液相弁153との間の配管、回転型気液混合装置101と導入弁159との間の配管、それぞれの内部にある流体もまた、均一に混合がなされる。
このようにして、均一になった混合冷媒を導入弁159を開けることにより、小分け容器160に移すことができる。小分け容器160に適量が入ったら、別の容器に入れることを繰り返して、いくつかの小分け容器を適切な組成比率の混合冷媒で満たすことができる。導入弁159の近くに圧力計又は流量計を設けることにより、小分け容器に適量を移すことが可能である。
図5は、円筒状ケーシング510の両端に鏡板520、530を設け、当該鏡板520、530をそれぞれ貫く上部管体60、下部管体70と、円筒状ケーシング510の内側に振動(及び揺動)が可能なコイルばね550を設けた気液混合機能付き混合冷媒容器501の例を示す断面図である。
図5に描く気液混合機能付き混合冷媒容器501は、上に述べたハニカム状の小室を有しない。そのかわりに円筒状ケーシング510の内側にスプリング550を有している。コイルばね550は、らせん状にまかれたバネ(つるまきバネ)であって、コイルばね550の外径は、円筒状ケーシング510の内径よりも小さい。コイルばね550と円筒状ケーシング510の内壁との間には、すきま(たとえば、0.1mmから5mm)が生じるようにコイルばね550の大きさが調整される。そのすきまがあることによりコイルばね550は、自由振動(及び若干の揺動)が可能である。
二つの導入弁158、159は、当該ヒートポンプサイクルの配管途中に接続可能な出入口を開閉制御可能な状態で二つ有するものに相当する。そして、当該ヒートポンプサイクルを運転する際にも、この容器を取り付けたまま運転することを可能とすべく、前記二つの出入口の一方から入った流体が、前記容器内を運動した後に、前記二つの出入り口のうちの他方から出ていくように導く構造を有するものである。図5において、例えば、上部管体60から流入する流体は、コイルばね550を振動させ、下部鏡板530にぶつかって跳ね返り、再びコイルばね550を振動させて、上部鏡板520にあたる。このような運動を何度か繰り返して、下部管体70に入って出ていく。
逆に、下部管体70から流体が流入する場合は、上部鏡板520にぶつかって跳ね返り、コイルばね550を振動及び揺動させ、下部鏡板520にぶつかって跳ね返り、コイルばね550を振動及び揺動させる。その運動を何度か繰り返して、上部管体60に入って、出ていく。
このように、ヒートポンプサイクルを運転する際にも取り付けたまま運転することを可能とすべく、前記二つの出入口の一方から入った流体が、前記容器内を運動した後に、前記二つの出入り口のうちの他方から出ていくように導く構造を有している。
バイパス設定ステップは、ヒートポンプサイクルの配管途中のある場所(気液混合機能付き混合冷媒容器を設置する場所)にバイパスを設けるステップである。
混合冷媒容器接続ステップは、当該バイパスを設けた部分の配管途中に前記混合冷媒容器の二つの出入り口を接続するステップである。このとき、混合冷媒容器内の流体が通過する経路と、前記バイパスとが、平行の経路になるようにする。バイパスと混合冷媒容器の経路とが交差する部分(2カ所)には、それぞれ三方弁を設ける。そして、二つの三方弁を操作することにより、バイパス部分がヒートポンプサイクルの配管を構成する一部となって混合冷媒容器内の経路は閉ざされるか、バイパス部分が閉ざされて混合冷媒容器内の経路がヒートポンプサイクルの配管を構成する一部となるかの二者択一を実現する。
真空引きステップは、前記二つの三方弁を用いて混合冷媒容器内の経路を閉じた状態とし、バイパスをヒートポンプサイクルの一部とした状態にして、バイパスを用いて前記ヒートポンプサイクルから真空引きを行うステップである。このとき、バイパスの途中に真空ポンプを接続することにより、真空引きを実行することができる。
バイパス閉鎖ステップは、三方弁を用いてパイパスを閉じて、混合冷媒容器内の流体の経路をヒートポンプサイクルの配管を構成する一部になるように切り替えるステップである。このとき混合冷媒容器には、導入弁158、159がその出入口(管体60、70につながる部分)についているので、導入弁158,159を最初は、閉じておく。導入弁158,159は、段階的に開け閉めができるように連続的な調整が可能な構成となっている。
充填ステップは、前記ヒートポンプサイクル内の圧縮機などの機器に悪影響を与えないように、前記混合冷媒容器のバルブ(導入弁158、159)を段階的に開いて、前記ヒートポンプサイクルに前記混合冷媒容器内の混合冷媒を充填するステップである。
運転ステップは、前記ヒートポンプサイクルを運転する際に、前記混合冷媒が前記混合冷媒容器内を通過するように前記ヒートポンプサイクルを運転するステップである。ヒートポンプを運転すると、コンプレッサーにより圧縮された流体が高い圧力でヒートポンプサイクルを移動する。その流体が混合冷媒容器内を通過することにりその運動エネルギーでスプリング250を振動(及び揺動)させ、流体とさまざまな向きでぶつかるのでせん断効果を生じる。これにより混合冷媒の均一化がなされ、適正な組成比率で当該ヒートポンプサイクルを循環することになる。
図6は、円筒状ケーシング610の両端に鏡板620、630を設け、当該鏡板620、630をそれぞれ貫く管体60、70(上部管体60、下部管体70)を設け、円筒状ケーシング610の内部に振動(及び揺動)が可能なコイルばね650を設け、さらに下部から延びる管体(下部管体70)には、導流単位体(図2に示す混合回転体130、すなわち大径円板と小径円板との間に小室を多数設けたものを二組、小径円板同士が接しあうように重ねたもの)21,22,23を三枚重ねたものをつなげてなる気液混合機能付き混合冷媒容器601の一例を示す図である。図2では、モーターで回転させるので、混合回転体と呼んだが、ここでは静止した状態で用いるので導流単位体と呼ぶ。
図6に描く気液混合機能付き混合冷媒容器601は、導流単位体(21,22,23)を三枚重ねたものを下部管体70につなげて設けている点が、図5に描く気液混合機能付き混合冷媒容器501と異なる点である。円筒状ケーシング610の内側にコイルばね650を有していること、そのの外径は、円筒状ケーシング610の内径よりも小さいこと、コイルばね650と円筒状ケーシング610の内壁との間には、すきま(たとえば、0.1mmから5mm)が生じるようにコイルばね650の大きさが調整されること、そのすきまがあることによりコイルばね650は、自由振動(及び若干の揺動)が可能であることは、図5に描く気液混合装置付き混合冷媒容器501と同様である。
ここで、導流単位体は、図2に示す混合回転体と同様に中央部に連通孔を有しており、三つの導流単位体21,22,23を重ねた状態にあっても、それら三つの導流単位体を貫いて流体が流れることができる。流体の一部は、小室を通ってから連通孔に進み、他の一部は、直接的に連通孔を通り抜ける。
また、図6に示すように、三つの導流単位体を重ねたものを円筒状の筐体が包む。この円筒状の筐体には適宜、孔を設けて流体の流れる経路を作ることができる。つまり、連通孔から小室を通って外側に向かう流体の一部が円筒状の筐体から外に出ることができるようにする。
二つの導入弁158、159は、当該ヒートポンプサイクルの配管途中に接続可能な出入口を開閉制御可能な状態で二つ有するものに相当する。そして、当該ヒートポンプサイクルを運転する際にも、この容器を取り付けたまま運転することを可能とすべく、前記二つの出入口の一方から入った流体が、前記容器内を運動した後に、前記二つの出入り口のうちの他方から出ていくように導く構造を有するものである。図6において、例えば、上部管体60から流入する流体は、コイルばね650を振動させ、下部鏡板630にぶつかって跳ね返り、再びコイルばね650を振動させて、上部鏡板620にあたる。このような運動を何度か繰り返した後に、導流単位体21,22,23を通って、下部管体70に入って出ていく。このとき、導流単位体を包む円筒状の筐体に孔を設けた場合は、その孔を通じた流体の動きもある。
逆に、下部管体70から流体が流入する場合は、導流単位体21,22,23を通って、上部鏡板620にぶつかって跳ね返り、コイルばね650を振動及び揺動させ、下部鏡板620にぶつかって跳ね返り、コイルばね650を振動及び揺動させる。その運動を何度か繰り返して、上部管体60に入って、出ていく。上述と同様に、導流単位体を包む円筒状の筐体に孔を設けた場合は、その孔を通じた流体の動きもある。
図6では、導流単位体3枚を重ねた部分を円筒状の筐体に収めていて、導流単位体の一つに入った流体は、すべてその三枚の導流単位体を通り抜けて、他方の導流単位体に抜けていく構造をもつように描いている。この円筒状の筐体については、いくつかの孔を設けて流体が通り抜けるようにする実施例も可能である。導流単位体三枚を流体が通り抜けるのにあまりにも抵抗が大きくなりすぎる場合には、この円筒状の筐体にいくつか孔を設けることで調整が可能となる。また、導流単位体を包む円筒状の筐体に孔を数カ所設けることにより、導流単位体の中心部(連通孔のある部分)から小室を通って外側に向かう流体の流れができるので、流体が小室の壁に当たってせん断される効果が見込まれる。
このように、気液混合機能付き混合冷媒容器601も、ヒートポンプサイクルを運転する際にも取り付けたまま運転することを可能とすべく、前記二つの出入口の一方から入った流体が、前記容器内を運動した後に、前記二つの出入り口のうちの他方から出ていくように導く構造を有している。
気液混合機能付き混合冷媒容器601をヒートポンプサイクルに設置する際の手順は、上述した気液混合機能付き混合冷媒容器501と同じである。
図7は、導流単位体(21,22,23)を三枚重ねたものを内部に収納した円筒容器785と、その周辺を囲む外槽790を有し、導入弁159につながる下部管体70が導流単位体23の下部に接続され、上部管体60は導流単位体21と外槽790を接続し、外槽780からは導入弁158につながる外槽配管780を設けた気液混合機能付き混合冷媒容器701の一例を示す図である。
導流単位体21,22,23を三枚重ねること、そして、その周囲を囲む円筒容器785があること、その円筒容器には、適宜、孔が設けられてよいことは、図6に示した気液混合機能付き混合冷媒容器601と同様である。
外槽790は、例えば10メガパスカルの流体が内部を流れることができるような圧力容器として構成される。外槽790の大きさは、個別のヒートポンプサイクルに必要な混合冷媒をすべて収容することが可能なだけの体積を有するものとして設計される。規模の大きなヒートポンプサイクルのためには、大きなものを設計することが可能である。
また、二つの導入弁158、159は、当該ヒートポンプサイクルの配管途中に接続可能な出入口を開閉制御可能な状態で二つ有するものに相当する。そして、当該ヒートポンプサイクルを運転する際にも、この容器を取り付けたまま運転することを可能とすべく、前記二つの出入口の一方から入った流体が、前記容器内を運動した後に、前記二つの出入り口のうちの他方から出ていくように導く構造を有するものである。図7において、例えば、導入弁158を介して外槽配管780から外槽790に入る流体は、上部管体60から導流単位体21,22,23を通過して、下部管体70、導入弁159を介して出ていく。また、上部管体60から導流単位体21,22,23に流入する流体の他の一部は、導流単位体を構成する多数の小室を通過して円筒容器785に開けられた孔から外槽790に戻り、再び上部管体60から導流単位体21,22,23を通過することを何度か繰り返したのちに、下部管体70、導入弁159を介して出ていく。
逆に、下部管体70から流体が流入する場合は、流体の一部は、導流単位体21,22,23、そして上部管体60を通って外槽790に入り、流体の他の一部は、導流単位体21,22,23の小室を通過して円筒容器785に設けられた孔を介して外槽790に入る。そして、外槽790内の流体は、外槽配管780、導入弁158を介して、出ていく。
円筒容器785にどれだけの孔を設けるかは、流体が流れる向きがどちらであっても、導流単位体21,22,23の小室を通り抜けることによる流体のせん断効果が現われるように調整される。
このように、ヒートポンプサイクルを運転する際にも取り付けたまま運転することを可能とすべく、前記二つの出入口の一方から入った流体が、前記容器内を運動した後に、前記二つの出入り口のうちの他方から出ていくように導く構造を有している。
図8は、導流単位体21,22,23を三枚重ねたものを内部に収納した円筒容器865と、その周辺を囲む振動(及び揺動)が可能なコイルばね850と、コイルばね850を囲む中槽875と、中槽875の周辺を囲む外槽を有する気液混合機能付き混合冷媒容器801の一例を示す図である。
導流単位体21,22,23を三枚重ねること、そして、その周囲を囲む円筒容器865があること、その円筒容器には、適宜、孔が設けられてよいことは、図6に示した気液混合機能付き混合冷媒容器601、図7に示した気液混合機能付き混合冷媒容器701と同様である。
外槽890は、例えば10メガパスカルの流体が内部を流れることができるような圧力容器として構成される。外槽890の大きさは、個別のヒートポンプサイクルに必要な混合冷媒をすべて収容することが可能なだけの体積を有するものとして設計される。規模の大きなヒートポンプサイクルのためには、大きなものを設計することが可能である。
また、二つの導入弁158、159は、当該ヒートポンプサイクルの配管途中に接続可能な出入口を開閉制御可能な状態で二つ有するものに相当する。そして、当該ヒートポンプサイクルを運転する際にも、この容器を取り付けたまま運転することを可能とすべく、前記二つの出入口の一方から入った流体が、前記容器内を運動した後に、前記二つの出入り口のうちの他方から出ていくように導く構造を有するものである。図8において、例えば、導入弁158を介して外槽配管880から外槽890に入る流体の一部は、上部管体60から中槽875にはいり、コイルばね850を振動及び揺動させて、中槽の上下にぶつかって跳ね返ることを何度か繰り返してから、導流単位体21,22,23を通過して、下部管体70、導入弁159を介して出ていく。また、上部管体60から導流単位体21,22,23に流入する流体の他の一部は、導流単位体を構成する多数の小室を通過して円筒容器865に開けられた孔から中槽875に戻り、さらに中槽875に開けられた孔から外槽890に戻って、再び上部管体60から導流単位体21,22,23を通過することを何度か繰り返したのちに、下部管体70、導入弁159を介して出ていく。
逆に、下部管体70から流体が流入する場合は、流体の一部は、導流単位体21,22,23、そして上部管体60を通って外槽790に入り、流体の他の一部は、導流単位体21,22,23の小室を通過して円筒容器785に設けられた孔を介して外槽890に入る。そして、外槽890内の流体は、外槽配管880、導入弁158を介して、出ていく。
円筒容器865にどれだけの孔を設けるか、そして中槽875にどれだけの孔をあけるかは、流体が流れる向きがどちらであっても、導流単位体21,22,23の小室を通り抜けることによる流体のせん断効果が現われるように調整される。
このように、ヒートポンプサイクルを運転する際にも取り付けたまま運転することを可能とすべく、前記二つの出入口の一方から入った流体が、前記容器内を運動した後に、前記二つの出入り口のうちの他方から出ていくように導く構造を有している。
図9は、導流単位体21,22,23を三枚重ねたものを内部に収納した円筒容器965と、その周辺を囲む外槽990とを設け、外槽990の内部であって、円筒容器965の外側に振動(及び揺動)が可能なコイルばね950を設けた気液混合機能付き混合冷媒容器901の一例を示す図である。
導流単位体21,22,23を三枚重ねること、そして、その周囲を囲む円筒容器965があること、その円筒容器には、適宜、孔が設けられてよいことは、図6に示した気液混合機能付き混合冷媒容器601、図7に示した気液混合機能付き混合冷媒容器701、図8に示した気液混合機能付き混合冷媒容器801と同様である。
外槽990は、例えば10メガパスカルの流体が内部を流れることができるような圧力容器として構成される。外槽990の大きさは、個別のヒートポンプサイクルに必要な混合冷媒をすべて収容することが可能なだけの体積を有するものとして設計される。規模の大きなヒートポンプサイクルのためには、大きなものを設計することが可能である。
また、二つの導入弁158、159は、当該ヒートポンプサイクルの配管途中に接続可能な出入口を開閉制御可能な状態で二つ有するものに相当する。そして、当該ヒートポンプサイクルを運転する際にも、この容器を取り付けたまま運転することを可能とすべく、前記二つの出入口の一方から入った流体が、前記容器内を運動した後に、前記二つの出入り口のうちの他方から出ていくように導く構造を有するものである。図9において、例えば、導入弁158を介して外槽配管980から外槽990に入る流体の一部は、コイルばね850を振動及び揺動させて、上部管体60から、導流単位体21,22,23を通過して、下部管体70、導入弁159を介して出ていく。また、上部管体60から導流単位体21,22,23に流入する流体の他の一部は、導流単位体を構成する多数の小室を通過して円筒容器965に開けられた孔から外槽990に戻り、再び上部管体60から導流単位体21,22,23を通過することを何度か繰り返したのちに、下部管体70、導入弁159を介して出ていく。
逆に、下部管体70から流体が流入する場合は、流体の一部は、導流単位体21,22,23、そして上部管体60を通って外槽990に入り、流体の他の一部は、導流単位体21,22,23の小室を通過して円筒容器965に設けられた孔を介して外槽990に入る。そして、外槽990内の流体は、外槽配管980、導入弁158を介して、出ていく。
円筒容器965にどれだけの孔を設けるかは、流体が流れる向きがどちらであっても、導流単位体21,22,23の小室を通り抜けることによる流体のせん断効果が現われるように調整される。
このように、ヒートポンプサイクルを運転する際にも取り付けたまま運転することを可能とすべく、前記二つの出入口の一方から入った流体が、前記容器内を運動した後に、前記二つの出入り口のうちの他方から出ていくように導く構造を有している。
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用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るものである。
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、コンプレッサー内、配管内、熱交換器内などを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10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バイパス40と平行に設置して三方弁42,43の働きにより、ヒートポンプサイクル内の配管を流れる流体がバイパス40を通過するか、(気液混合機能付き)混合冷媒容器160、(501,601、701、801、901)を通過するかを選択可能であるようにする様子を示している。図10(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10(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。
三方弁は、3方向に流体の出入口を有する弁である。三方バルブとも呼ばれる。電磁バルブは、電磁石(ソレノイド)の磁力を用いてプランジャと呼ばれる鉄片を動かすことで弁(バルブ)を開閉する仕組みを持つものである。ソレノイド弁、ソレノイドバルブとも呼ばれる。電動バルブは、電動モーターによりバルブを開閉させるものである。
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10(b)の室内暖房時のサイクルにおいては、図10(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(たとえば四方バルブ)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。
上述のようにせん断効果によって冷凍機油及び冷媒が微細化された状態で混合されていると、熱交換の効率を上げることが期待される。
図10のようにバイパス40を設けて三方弁42,43を設けることにより、気液混合機能付き混合冷媒容器を新しいものと交換する作業も容易に行える。このことは、冷媒の組成を変えたい場合であっても、気液混合機能を構成する構造を変更したい場合であっても、役に立つ。
導流単位体を三枚重ねて用いる気液混合機能付き混合冷媒容器601,701,801,901については、導流単位体を囲む円筒容器、中槽に適宜孔をあけることで、流体の流れの向きが逆の場合にも同様の効果を出せるように調整することができることを前述した。
流体の流れの向きが逆の場合に、同様の効果を出すことが困難な場合には、四方弁と、電動バルブ(電磁バルブ)との組み合わせによって、暖房時と冷房時とで、気液混合機能付き混合冷媒容器内の流体の流れの向きが同一になるように、配管の接続を変更するようにする変形実施例も可能である。
前述したコイルばね550、650、850、950は、例えば、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、すなわち広い→狭い→広い、または狭い→広い→狭い、とすることが好適である。コイルばねの作用は、音(超音波)をさまざまに発することにより、超音波による撹拌効果、せん断効果が期待されると考えられるので、さまざまな周波数の音を出すことが望ましいと考えられるからである。
本発明の気液混合機能付き混合冷媒容器の各構成要素の材料は、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。
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。
本発明に係る気液混合機能付き混合冷媒容器の中に、数メガパスカルの流体が流入すると、コイルばねに衝撃が加わる。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気液混合機能付き混合冷媒容器に通す。それにより、本発明に係る気液混合機能付き混合冷媒容器が有するコイルばねは、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。
また、ハニカム状の小室は、流体とさまざまな向きでぶつかり、クラスタを小さくするせん断効果を発揮する。
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。
気液混合機能付き混合冷媒容器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。本発明の気液混合機能付き混合冷媒容器は、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。
また、本発明の気液混合機能付き混合冷媒容器は、代替フロンとして採用されている混合冷媒が、均一混合が困難な場合があるにもかかわらず、適切な組成比率で保存できる容器として適切なものを提供できる。
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。
≪親出願の出願当初の特許請求の範囲≫
≪請求項1≫
液相と気相とに分離した状態で混合冷媒を保存する原料容器と、
液相と気相とを均一に混合する気液混合装置と、
前記原料容器から前記混合冷媒の液相を前記気液混合装置内に導入する液相弁と、
前記原料容器から前記混合冷媒の気相を前記気液混合装置内に導入する気相弁と、
前記気液混合装置を所定時間運転した後、前記気液混合装置内の混合冷媒を小分け容器に移す導入弁と
を有する混合冷媒製造装置。
≪請求項2≫
請求項1に記載した混合冷媒製造装置を用いて、混合冷媒を製造する混合冷媒製造方法であって、
気液混合装置内に、混合冷媒の液相と気相とをそれぞれ導入するステップと、
前記気液混合装置を所定時間運転するステップと、
前記気液混合装置内の混合冷媒を小分け容器に移して充填するステップと
を有する混合冷媒製造方法。
≪請求項3≫
個別のヒートポンプサイクルに用いる混合冷媒を当該ヒートポンプサイクルに適した分量で、かつ適した組成比率で保存する容器であって、
当該ヒートポンプサイクルの配管途中に接続可能な出入口を開閉制御可能な状態で二つ有し、当該ヒートポンプサイクルを運転する際にも取り付けたまま運転することを可能とすべく、前記二つの出入口の一方から入った流体が、前記容器内を運動した後に、前記二つの出入り口のうちの他方から出ていくように導く構造を有することを特徴とする混合冷媒容器。
≪請求項4≫
請求項3に記載した混合冷媒容器を使用する混合冷媒容器使用方法であって、
ヒートポンプサイクルの配管途中にバイパスを設けるバイパス設置ステップと、
当該バイパスを設けた部分の配管途中に前記混合冷媒容器の二つの出入り口を接続する混合冷媒容器接続ステップと、
前記バイパスを用いて前記ヒートポンプサイクルから真空引きを行う真空引きステップと、
前記パイパスを閉じて、前記混合冷媒容器側に切り替えるバイパス閉鎖ステップと、
前記ヒートポンプサイクル内の圧縮機などの機器に悪影響を与えないように、前記混合冷媒容器のバルブを段階的に開いて、前記ヒートポンプサイクルに前記混合冷媒容器内の混合冷媒を充填する充填ステップと、
前記ヒートポンプサイクルを運転する際にも、前記混合冷媒が前記混合冷媒容器内を通過するように前記ヒートポンプサイクルを運転する運転ステップと
を有する混合冷媒容器使用方法。
≪請求項5≫
個別のヒートポンプサイクルに用いる混合冷媒を当該ヒートポンプサイクルに適した分量で、かつ適した組成比率で保存する容器であって、
当該ヒートポンプサイクルの配管途中に接続可能な出入口を開閉制御可能な状態で二つ有し、
さらに、その内部に気液混合機能を有する構造を有する
ことを特徴とする気液混合機能付き混合冷媒容器。
≪請求項6≫
請求項5に記載した気液混合機能付き混合冷媒容器を使用する気液混合機能付き混合冷媒容器使用方法であって、
ヒートポンプサイクルの配管途中にバイパスを設けるバイパス設置ステップと、
当該バイパスを設けた部分の配管途中に前記混合冷媒容器の二つの出入り口を接続する混合冷媒容器接続ステップと、
前記バイパスを用いて前記ヒートポンプサイクルから真空引きを行う真空引きステップと、
前記パイパスを閉じて、前記混合冷媒容器側に切り替えるバイパス閉鎖ステップと、
前記ヒートポンプサイクル内の圧縮機などの機器に悪影響を与えないように、前記混合冷媒容器のバルブを段階的に開いて、前記ヒートポンプサイクルに前記混合冷媒容器内の混合冷媒を充填する充填ステップと、
前記ヒートポンプサイクルを運転する際にも、前記混合冷媒が前記混合冷媒容器内を通過させて、気液混合機能を実現するように前記ヒートポンプサイクルを運転する気液混合運転ステップと
を有することを特徴とする気液混合機能付き混合冷媒容器使用方法。
40 バイパス
42、43 三方弁
60、70 管体(上部管体、下部管体)
81 膨張部
82 室内機(冷房時における蒸発部、暖房時における凝縮部)
83 圧縮部
84 室外機(冷房時における凝縮部、暖房時における凝縮部)
101 (回転部を有する)気液混合装置
110 撹拌槽
120 回転駆動源
125 回転軸
130 混合回転体
131 大径円板
132 小径円板
150 原料容器
151 気相弁
153 液相弁
158,159 導入弁
160 小分け容器
501 (スプリングを用いた)気液混合機能付き混合冷媒容器
510 円筒状ケーシング
520 上部鏡板
530 下部鏡板
550 コイルばね
601 (スプリングを用い、導流単位体を設けた)気液混合機能付き混合冷媒容器
610 円筒状ケーシング
620 上部鏡板
630 下部鏡板
650 コイルばね
701 (導流単位体と外槽を備えた)気液混合機能付き混合冷媒容器
780 外槽配管
785 円筒容器
790 外槽
801 (導流単位体、コイルばね、中槽、外槽を備えた)気液混合機能付き混合冷媒容器
850 コイルばね
865 円筒容器
875 中槽
880 外槽配管
890 外槽
901 (導流単位体、コイルばね、外槽を備えた)気液混合機能付き混合冷媒容器
950 コイルばね
965 円筒容器
980 外槽配管
990 外槽
Claims (4)
- 個別のヒートポンプサイクルに用いる混合冷媒を当該ヒートポンプサイクルに適した分量で、かつ適した組成比率で保存する容器であって、
当該ヒートポンプサイクルの配管途中に接続可能な出入口を開閉制御可能な状態で二つ有し、
さらに、その内部に気液混合機能を有する構造を有する
ことを特徴とする気液混合機能付き混合冷媒容器。 - 前記気液混合機能を有する構造は、振動及び揺動可能なコイルばねを有することを特徴とする請求項1に記載する気液混合機能付き混合冷媒容器。
- 前記気液混合機能を有する構造は、ハニカム状の小室を複数有する構造であることを特徴とする請求項1に記載する気液混合機能付き混合冷媒容器。
- 請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載した気液混合機能付き混合冷媒容器を使用する気液混合機能付き混合冷媒容器使用方法であって、
ヒートポンプサイクルの配管途中にバイパスを設けるバイパス設置ステップと、
当該バイパスを設けた部分の配管途中に前記混合冷媒容器の二つの出入り口を接続する混合冷媒容器接続ステップと、
前記バイパスを用いて前記ヒートポンプサイクルから真空引きを行う真空引きステップと、
前記バイパスを閉じて、前記混合冷媒容器側に切り替えるバイパス閉鎖ステップと、
前記ヒートポンプサイクル内の圧縮機に悪影響を与えないように、前記混合冷媒容器のバルブを段階的に開いて、前記ヒートポンプサイクルに前記混合冷媒容器内の混合冷媒を充填する充填ステップと、
前記ヒートポンプサイクルを運転する際にも、前記混合冷媒が前記混合冷媒容器内を通過させて、気液混合機能を実現するように前記ヒートポンプサイクルを運転する気液混合運転ステップと
を有することを特徴とする気液混合機能付き混合冷媒容器使用方法。
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