JPWO2020240847A1 - 分子を振動回転させる装置を用いた暖冷房システム - Google Patents

Abstract

瞬時エネルギー変換装置１を適用した暖冷房システムは、高圧熱冷媒を縦振動回転させて液化させる螺旋状太管２３と、螺旋状太管２３に接続され、液冷媒を横振動回転させて中圧過冷却させる螺旋形状管２２と、螺旋形状管２２に接続され、液冷媒をスピン振動回転させて減圧膨張させる螺旋状細管２１とを有する。また、冷媒を圧縮するコンプレッサと、圧縮された冷媒の熱を放熱させる渦巻管７０と、を有する。

Description

本発明は、分子を振動回転させる装置を用いた暖冷房システムに関するものである。

速度−熱変換器およびこれを用いた暖冷房システムに関しては、本願の発明者が既に特許文献１等において提案している。この特許文献１に記載の通り、速度−熱変換器は、螺旋状細管と螺旋状太管を直列に接続した直列管を１または複数並列に配列して形成するものである。

本願の発明者は、特許文献１において、コンプレッサから吐出した熱媒体を熱交換器に導入して環境に放熱し、液化した液熱媒体を螺旋状細管で減圧気化し、さらに螺旋状太管において螺旋状細管にて形成された減圧条件を維持しつつ気化作用を補助することにより気化された熱媒体を完全気化し、これにより得られた熱媒体を直接もしくはコンデンサを介してコンプレッサに導入することにより暖房システムを構築している。また、熱媒体を逆に流すことによって冷房システムとして利用することができることを示し、これによって全体として暖冷房システムを提供している。

特許第４５４５８２４号公報

本発明は、このような従来の暖冷房システムをさらに進化させ、電力使用量を大幅に削減しながら、十分な暖房効果と十分な冷房効果を発揮することのできる暖冷房システムを提供することを目的とする。

前記目的は、以下（１）〜（５）の本発明により達成される。

（１） 高圧の熱媒体を縦振動回転させて液化させる螺旋状太管と、
前記螺旋状太管に接続され、液熱媒体を横振動回転させて中圧過冷却させる螺旋形状管と、
前記螺旋形状管に接続され、前記液熱媒体をスピン振動回転させて減圧膨張させる螺旋状細管とを有することを特徴とする瞬時エネルギー変換装置。

（２） 前記熱媒体を圧縮するコンプレッサと、
圧縮された前記熱媒体の熱を放熱させる渦巻管とを有する上記（１）に記載の瞬時エネルギー変換装置。

（３） 前記螺旋状細管から前記螺旋状太管へ向かって前記熱媒体を流すように制御を行うことで暖房として機能する上記（１）または（２）に記載の瞬時エネルギー変換装置。

（４） 前記螺旋状太管から前記螺旋状細管へ向かって前記熱媒体を流すように制御を行うことで冷房として機能する上記（１）または（２）に記載の瞬時エネルギー変換装置。

（５） 高圧の熱媒体を縦振動回転させて液化させる螺旋状太管と、液熱冷媒をスピン振動回転させて減圧膨張させる螺旋状細管との間に接続して用いられ、
前記液熱媒体を横振動回転させて中圧過冷却させる螺旋形状管を備えることを特徴とする瞬時エネルギー変換装置。

図１は、本発明の好適な実施形態に係る瞬時エネルギー変換装置の全体構成を示す図である。 図２は、図１に示す瞬時エネルギー変換装置が有する速度−熱変換器を示す平面図である。 図３は、図２に示す速度−熱変換器の主要部である螺旋管を直管とした場合の溝構造を示す断面図である。

図１に、好適な実施形態に係る瞬時エネルギー変換装置の構成を示す。本実施形態に係る瞬時エネルギー変換装置１は、暖冷房システムとして用いられ、熱媒体（冷媒）を圧縮するコンプレッサ１０と、熱交換器５０と、速度−熱変換器２０と、渦巻管７０と、を備える。なお、瞬時エネルギー変換装置１で用いる熱媒体としては、特に限定されず、例えば、ＨＦＣ−１３４ａ、Ｒ−１２３４ｙｆ等を用いることができるが、オゾン破壊係数および地球温暖化係数が低く環境に優しいことから、特にＲ−１２３４ｙｆを用いることが好ましい。

速度−熱変換器２０は、図２に示すように、熱媒体の分子を縦振動回転させて熱媒体を液化させる螺旋状太管２３と、螺旋状太管２３の一端に接続され、液化した熱媒体（以下「液熱媒体」とも言う）の分子を横振動回転させて液熱媒体を中圧過冷却させる螺旋形状管２２と、螺旋形状管２２の一端に接続され、液熱媒体の分子をスピン振動回転させて液熱媒体を減圧膨張させる螺旋状細管２１とを備える。つまり、螺旋状太管２３と螺旋形状管２２と螺旋状細管２１とで熱媒体にそれぞれ異なる回転振動を生じさせる。これら３つの管２１、２２、２３のうち、特に、螺旋形状管２２は、形状管であり、熱媒体の熱によって内部が変形し、除熱すると形状が復帰する物理的特性を有する。

また、螺旋状太管２３と螺旋形状管２２とは中継管２４により結合されており、螺旋形状管２２と螺旋状細管２１とは中継管２５により結合されている。つまり、螺旋状太管２３、螺旋形状管２２および螺旋状細管２１は、この順で直列に接続されている。なお、螺旋状太管２３と螺旋形状管２２と螺旋状細管２１とが中継管２４、２５で接合されてなる直列管２００は、図示の構成では、２本並列に設けられている。ただし、直列管２００の本数は、特に限定されず、１本であってもよいし、３本以上並列に設けられていてもよい。直列管２００の本数は、例えば、熱媒容量（暖房、冷房能力）に応じて設定することができる。

また、各直列管２００における螺旋状細管２１側の端部には、これら複数の螺旋状細管２１を結合する集合管２６が接続されている。また、各直列管２００における螺旋状太管２３側の端部には、これら複数の螺旋状太管２３を結合する集合管２７が接続されている。集合管２６は、熱交換器５０から導入される熱媒体を螺旋状細管２１に淀みなく導入するためのバッファとして機能し、集合管２７は、渦巻管７０から導入される熱媒体を螺旋状太管２３に淀みなく導入するためのバッファとして機能する。

螺旋状細管２１の内径は、螺旋状太管２３の内径よりも小径である。螺旋状細管２１の内径は、螺旋状太管２３の内径よりも小径であればよく、熱媒容量等によって適宜設定することができ、例えば、１〜５ｍｍ程度とすることができる。同様に、螺旋状太管２３の内径は、螺旋状細管２１の内径よりも大径であればよく、熱媒容量等によって適宜設定することができ、例えば、２〜１０ｍｍ程度とすることができる。

また、螺旋形状管２２の内径は、螺旋状細管２１および螺旋状太管２３の内径との関係において特に制限されず、螺旋状細管２１の内径よりも小径であってもよく、螺旋状細管２１の内径以上かつ螺旋状太管２３の内径以下であってもよく、螺旋状太管２３の内径より大径であってもよい。図示の構成では、螺旋形状管２２は、螺旋状細管２１とほぼ同じ内径を有する。

また、図示の構成では、螺旋状細管２１の螺旋径は、螺旋状太管２３の螺旋径よりも小径である。螺旋状細管２１の螺旋径は、熱媒容量等によって適宜設定することができ、例えば、１５〜２０ｍｍ程度とすることができる。同様に、螺旋状太管２３の螺旋径は、熱媒容量等によって適宜設定することができ、例えば、３５〜４０ｍｍ程度とすることができる。ただし、螺旋状細管２１および螺旋状太管２３の螺旋径およびその大小関係は、これに限定されない。

また、螺旋形状管２２の螺旋径は、熱媒容量等によって適宜設定することができ、螺旋状細管２１および螺旋状太管２３の螺旋径との関係においても特に制限されず、螺旋状細管２１および螺旋状太管２３の少なくとも一方よりも小径であってもよいし、大径であってもよい。図示の構成では、螺旋形状管２２は、螺旋状細管２１とほぼ同じ螺旋径を有する。

また、図示の構成では、螺旋状細管２１の全長は、螺旋状太管２３の全長よりも短い。螺旋状細管２１の全長は、熱媒容量等によって適宜設定することができ、例えば、５００〜１０００ｍｍ程度とすることができる。同様に、螺旋状太管２３の全長は、熱媒容量等によって適宜設定することができ、例えば、１５００〜２０００ｍｍ程度とすることができる。ただし、螺旋状細管２１および螺旋状太管２３の全長およびその大小関係は、これに限定されない。

また、螺旋形状管２２の全長は、熱媒容量等によって適宜設定することができ、螺旋状細管２１および螺旋状太管２３の全長との関係においても特に制限されず、螺旋状細管２１および螺旋状太管２３の少なくとも一方よりも短くてもよいし、長くてもよい。図示の構成では、螺旋形状管２２は、螺旋状細管２１とほぼ同じ全長を有する。

以上のような螺旋状細管２１、螺旋形状管２２および螺旋状太管２３は、例えば、以下のような方法により形成される。特許文献１で述べられていることではあるが、まず、銅管を準備し、この銅管にピアノ線を入れ込んで、銅管をピアノ線の外径（太さ）まで絞って直管を形成する。さらに、この直管を螺旋状に巻いて螺旋状管とすることにより、螺旋状細管２１、螺旋形状管２２および螺旋状太管２３が形成される。

銅管を捩じることにより、図３に示すように、螺旋状細管２１、螺旋形状管２２および螺旋状太管２３の内壁に傾斜した溝６０が形成される。この溝６０は、螺旋状太管２３側から螺旋状細管２１側へ向かって左旋回しながら進むように形成される。さらには、溝６０が形成された直管を螺旋状に巻くことにより、螺旋の外側においては全体として長さ方向へ引っ張られ、溝６０のピッチが直管状態と比べて広がり、これとは反対に、螺旋の内側においては全体として長さ方向へ圧縮され、溝６０のピッチが直管状態と比べて狭くなる。また、直管を螺旋状に巻く過程で、銅管を軸方向に捩じることにより、少なくとも１つの「くびれ」が形成される。なお、溝６０の送り角度およびピッチや「くびれ」の形成位置および数は、螺旋状細管２１、螺旋形状管２２および螺旋状太管２３でそれぞれ適宜設定される。

このように、溝６０のピッチが螺旋状管の外側と内側とで異なっていること、さらには、「くびれ」が形成されていることによって、螺旋状細管２１では熱媒体がスピン振動回転し、螺旋形状管２２では熱媒体が横振動回転し、螺旋状太管２３では熱媒体が縦振動回転し、速度−熱変換器における熱変換に特別の好適な影響を与えるものである。言い換えると、螺旋状細管２１では、その内部で熱媒体がスピン振動回転するように溝６０の送り角度およびピッチや「くびれ」の形成位置および数が設定され、螺旋形状管２２では、その内部で熱媒体が横振動回転するように溝６０の送り角度およびピッチや「くびれ」の形成位置および数が設定され、螺旋状太管２３では、その内部で熱媒体が縦振動回転するように溝６０の送り角度およびピッチや「くびれ」の形成位置および数が設定されている。ただし、螺旋状細管２１、螺旋形状管２２および螺旋状太管２３の構成や形成方法としては、それぞれ、その機能を発揮することができれば特に限定されない。

図１に示すように、集合管２６（速度−熱変換器２０の一端）とコンプレッサ１０との間には熱交換器５０が設けられている。熱交換器５０は、例えば外気等に放熱を行うもので、ファンにより冷却される。また、集合管２６と熱交換器５０とは配管５１で接続されており、コンプレッサ１０と熱交換器５０とは配管５２で接続されている。配管５１、５２の内径は、螺旋状太管２３より大径であればよく、例えば、螺旋状太管２３の内径の３倍程度とすることができる。

一方、集合管２７（速度−熱変換器２０の他端）とコンプレッサ１０との間には渦巻管７０が設けられている。渦巻管３０は、例えば、コンプレッサ１０の圧縮熱を放熱するためのもので、ファンにより冷却される。また、集合管２７と渦巻管７０とは配管７１で接続されており、コンプレッサ１０と渦巻管７０とは配管７２で接続されている。

この渦巻管７０は、冷房運転のときのみに用いるようにすることができる。瞬時エネルギー変換装置１によれば、コンプレッサ１０の回転数を従来よりもはるかに低い１０００ｒｐｍ以下に抑えても、十分な暖冷房効果を発揮することができ、その分、コンプレッサ１０の発熱を抑えることができる。そのため、渦巻管７０は、十分に短く小型とすることができる。

また、本実施形態は、瞬時エネルギー変換装置１を暖冷房システムとして使用するものであるから、冷房時と暖房時とでコンプレッサ１０の入力と出力を逆に切り替える機構が必要となる。そこで、コンプレッサ１０の入力口と出力口とに切替器８０（四方弁）が設けられている。

次に、暖房サイクルおよび冷房サイクルについて説明する。図１中の矢印Ａで示す暖房時には、コンプレッサ１０において熱媒体を高圧高温ガスとして、熱交換器５０に導入する。なお、高圧とは、暖房サイクル内において相対的に高い圧力を意味し、高温も暖房サイクル内において相対的に高い温度を意味する。熱媒体は、熱交換器５０において放熱し、中温の液体となる。液体となった熱媒体は、速度‐熱変換器２０に導入される。そして、螺旋状細管２１内での熱媒体のスピン回転振動によるエネルギー放射によって熱媒体が減圧膨張され、その下流に位置する中継管２５内で熱媒体が略気化（ガス化）する。しかしながら、ここでは、未だ湿った状態の気化である。この略気化された熱媒体が螺旋形状管２２および螺旋状太管２３に順に導入され、螺旋形状管２２内での熱媒体の横回転振動によるエネルギー放射および螺旋状太管２３内での熱媒体の縦回転振動によるエネルギー放射によって完全に気化（ガス化）される。このようにしてガス化された熱媒体は、渦巻管７０を通ってコンプレッサ１０へ戻される。

図１中の矢印Ｂで示す冷房時には、コンプレッサ１０において熱媒体を高圧高温ガスとして、渦巻管７０に導入する。渦巻管７０では熱媒体からコンプレッサ１０の熱が放熱され、熱媒体の流速を早くするため、速度−熱変換器２０に導入される。そして、螺旋状太管２３内での熱媒体の縦回転振動によるエネルギー放射によって熱媒体が略１００％液化する。螺旋状太管２３の下流側に接続された螺旋形状管２２および螺旋状細管２１も、螺旋状太管２３と同様に熱媒体を液化させる機能を備えているが、ここでは、主に、液化した熱冷媒を減圧冷却している。具体的には、螺旋状太管２３で略液化された熱媒体が螺旋形状管２２に導入され、螺旋形状管２２内での熱媒体の横回転振動によるエネルギー放射によって中圧過冷却される。なお、中圧とは、速度−熱変換器２０の入口圧よりも低く出口圧よりも高いことを意味する。さらに、この中圧過冷却された熱媒体が螺旋状細管２１に導入され、螺旋状細管２１内での熱媒体のスピン回転振動によるエネルギー放射によって減圧膨張される。このようにして減圧膨張した液体の熱媒体は、熱交換器５０に導入され、熱交換器５０で熱交換されて気化（ガス化）し、コンプレッサ１０へ戻される。なお、螺旋状細管２１は、その内部で熱媒体をスピン回転振動させることにより熱媒体の流速を速くするため、従来の膨張弁のような機能を発揮する。これにより、熱交換器５０での熱交換がより効果的に行われる。

暖房時と冷房時のコンプレッサ１０、熱交換器５０、螺旋状細管２１、螺旋形状管２２および螺旋状太管２３の条件を以下に示す。括弧内は、数値の範囲である。なお、下記の表１および表２に示す条件は一例であり、この条件は、求められる暖房能力および冷房能力に応じて適宜変更されることは言うまでもない。

以上説明したように、本発明に係る瞬時エネルギー変換装置１によれば、膨張弁、コンデンサ、レシーバタンクの不要な暖冷房システムを構成することができる。また、螺旋状細管２１、螺旋形状管２２および螺旋状太管２３のそれぞれで熱媒体の分子に回転振動がかかり、運動エネルギー放射が連続して生じるため、冷房および暖房共に高効率でエネルギー消費の低減を図ることができる。理論的には、コンプレッサ圧を２０〜４０％低減させることが可能であり、電力使用量を暖房時で６０〜８０％減、冷房時でも最高６０〜８０％減とすることが可能である。

なお、本実施形態において、瞬時エネルギー変換装置１を暖冷房システムに適用した場合につい説明したが、これに限定されず、瞬時エネルギー変換装置１を暖房のみのシステムあるいは冷房のみのシステムに適用してもよい。また、本実施形態では、瞬時エネルギー変換装置１が渦巻管７０を有しているが、渦巻管７０は、省略してもよい。上述したように、コンプレッサ１０から生じる熱が低いため、渦巻管７０を用いなくても十分に暖冷房効果を発揮することができる。また、本明細書の理解において、特許文献１を参酌することができる。

以上のように、本発明に係る瞬時エネルギー変換装置１は、高圧熱冷媒を縦振動回転させて液化させる螺旋状太管２３と、螺旋状太管２３に接続され、液冷媒を横振動回転させて中圧過冷却させる螺旋形状管２２と、螺旋形状管２２に接続され、液冷媒をスピン振動回転させて減圧膨張させる螺旋状細管２１とを有する。そのため、電力使用量を大幅に削減することができる。したがって、その産業上の利用可能性は大きい。

１ 瞬時エネルギー変換装置
１０ コンプレッサ
２０ 熱変換器
２００ 直列管
２１ 螺旋状細管
２２ 螺旋形状管
２３ 螺旋状太管
２４ 中継管
２５ 中継管
２６ 集合管
２７ 集合管
３０ 渦巻管
５０ 熱交換器
５１ 配管
５２ 配管
６０ 溝
７０ 渦巻管
７１ 配管
７２ 配管
８０ 切替器

Claims (5)

1. 高圧の熱媒体を縦振動回転させて液化させる螺旋状太管と、
   前記螺旋状太管に接続され、液媒体を横振動回転させて中圧過冷却させる螺旋形状管と、
   前記螺旋形状管に接続され、前記液媒体をスピン振動回転させて減圧膨張させる螺旋状細管とを有することを特徴とする瞬時エネルギー変換装置。
2. 前記熱媒体を圧縮するコンプレッサと、
   圧縮された前記熱媒体の熱を放熱させる渦巻管とを有する請求項１に記載の瞬時エネルギー変換装置。
3. 前記螺旋状細管から前記螺旋状太管へ向かって前記熱媒体を流すように制御を行うことで暖房として機能する請求項１または２に記載の瞬時エネルギー変換装置。
4. 前記螺旋状太管から前記螺旋状細管へ向かって前記熱媒体を流すように制御を行うことで冷房として機能する請求項１または２に記載の瞬時エネルギー変換装置。
5. 高圧の熱媒体を縦振動回転させて液化させる螺旋状太管と、液熱媒体をスピン振動回転させて減圧膨張させる螺旋状細管との間に接続して用いられ、
   前記液熱媒体を横振動回転させて中圧過冷却させる螺旋形状管を備えることを特徴とする瞬時エネルギー変換装置。

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