(57)【特許請求の範囲】
【請求項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するために配管の経路上に設置される流体撹拌装置であって、
一方を第１の鏡板により閉塞され、他方を第２の鏡板により閉塞された筐体と、
一端が前記配管の１つに接続可能であり、前記筐体の中心軸から離れた位置にて前記第１の鏡板を当該中心軸と並行な方向に貫通し、他端が前記第２の鏡板の方向に開口する第１の管体と、
一端が前記配管の別の１つに接続可能であり、前記筐体の中心軸上にて前記第２の鏡板を当該中心軸の方向に貫通し、他端が前記第１の鏡板の方向に開口する第２の管体と、
巻線が円錐形状に巻かれており、頂点側の開口から内部に前記第２の管体が挿入され、前記筐体の中心軸を軸として前記筐体の内部に設置されており、前記円錐形状に巻かれた巻線が振動可能である円錐部を含むスプリングと、
を備え、
前記スプリングの円錐部の底面における巻線が前記第２の鏡板の底面の近傍に位置する、
ことを特徴とする流体撹拌装置。
【請求項２】
前記第１の管体が、前記第１の鏡板の底面の近傍まで延在し、
前記第２の管体が、前記第１の鏡板の底面の近傍まで延在する、
ことを特徴とする請求項１に記載の流体撹拌装置。
【請求項３】
前記筐体が、前記第１の鏡板と前記第２の鏡板の間に円筒形状の胴体部を有し、
前記スプリングが、前記筐体の中心軸を軸として前記筐体の胴体部の内面上に設置され、円筒形状に巻かれた巻線が振動可能である円筒部を含む、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の流体撹拌装置。
【請求項４】
前記第１の管体の他端の開口の縁が、前記筐体の中心軸側が長く、周縁側が短くなるように傾斜していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の流体撹拌装置。
【請求項５】
前記第２の管体の外面上に螺旋状のネジ山とネジ溝による凹凸が軸方向に交互に形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の流体撹拌装置。
【請求項６】
室内冷房時には、前記第１の管体から流体が流入するとともに、前記第２の管体から流体が流出するように設置され、前記第１の管体が、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ることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の流体撹拌装置。
【請求項７】
室内暖房時には、前記第２の管体から流体が流入するとともに、前記第１の管体から流体が流出するように設置され、前記第１の管体が、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ることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の流体撹拌装置。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の流体撹拌装置が、配管の経路上に設置されていることを特徴とするヒートポンプシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体を撹拌するために配管の経路上に設置される流体撹拌装置およびそれを用いたヒートポンプシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
業務用の冷凍サイクルシステムや空調システム等のヒートポンプサイクルを利用したヒートポンプシステムでは、ＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  Ｏｆ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）を計測する際の配管長は７．５ｍとされているが、実際の配管は長く、その設置条件も多様である。ヒートポンプサイクルは、圧縮機、凝縮器、膨張器および蒸発器を主要機器として備える。冷媒は、これらの機器を接続する配管を通して循環する。冷媒には、圧縮機のための潤滑油として冷凍機油が混合されている。圧縮機には冷凍機油溜まりが設けられている。冷凍機油は、冷媒に溶解した状態で圧縮機から吐出され、ヒートポンプサイクルを冷媒とともに循環して圧縮機に戻る。【０００３】
かつての塩素を含む特定フロンによる冷媒は冷凍機油との相溶性に優れていたが、特定フロンにはオゾン層破壊問題等があったため、代替フロンによる冷媒（以下、ノンフロン冷媒と称する。）に切り替えられた。しかし、ノンフロン冷媒は冷凍機油との相溶性が特定フロンよりもよくない。このため、圧縮機から冷媒と共に吐出された冷凍機油はノンフロン冷媒から分離し、ヒートポンプサイクルの凝縮器等の機器や配管内に滞留して圧縮機の潤滑油不足を生じやすくなった。潤滑油不足は圧縮機の焼き付きに繋がる。【０００４】
また、冷凍機油との相溶性のよくないノンフロン冷媒は、それ自体の流動性も低下する上に、凝縮器等の機器や配管内に滞留した冷凍機油が、冷媒の円滑な流れならびに凝縮器および蒸発器における熱交換を阻害する。この結果、ヒートポンプシステムの熱交換効率を低下させる。ノンフロン冷媒と冷凍機油との相溶性を確保するために、ノンフロン冷媒に対して様々な化学合成油が添加されているが十分ではない。【０００５】
特許文献１では、冷媒が凝縮器において液化する際にラジカル状態で残存する気泡を除去して冷媒を完全に液化しようとする気泡除去装置が開示されている。この装置は、円筒容器を備えており、冷房時における凝縮器（室外機）の出口側に設置される。円筒容器内に螺旋状の旋回流を形成することで冷媒を撹拌し、気泡を除去する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開２０１３／０９９９７２号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載の気泡除去装置は、気泡除去を目的とするが、冷媒を撹拌するため、冷媒への冷凍機油の溶解を促進する効果も有する。
しかし、特許文献１に記載の気泡除去装置は、長いコイルにより螺旋状の旋回流を形成するため、円筒容器が長くなり、容量が大きい。このため、気泡除去装置を設置する際に、広い設置場所が必要であり、また、多量の冷媒と冷凍機油を追加する必要がある。【０００８】
本発明の目的は、可能な限り小型化可能な流体撹拌装置およびそれを用いたヒートポンプシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の流体撹拌装置は、
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するために配管の経路上に設置される流体撹拌装置であって、
一方を第１の鏡板により閉塞され、他方を第２の鏡板により閉塞された筐体と、
一端が前記配管の１つに接続可能であり、前記筐体の中心軸から離れた位置にて前記第１の鏡板を当該中心軸と並行な方向に貫通し、他端が前記第２の鏡板の方向に開口する第１の管体と、
一端が前記配管の別の１つに接続可能であり、前記筐体の中心軸上にて前記第２の鏡板を当該中心軸の方向に貫通し、他端が前記第１の鏡板の方向に開口する第２の管体と、
巻線が円錐形状に巻かれており、頂点側の開口から内部に前記第２の管体が挿入され、前記筐体の中心軸を軸として前記筐体の内部に設置されており、前記円錐形状に巻かれた巻線が振動可能である円錐部を含むスプリングと、
を備え、
前記スプリングの円錐部の底面における巻線が前記第２の鏡板の底面の近傍に位置する、
ことを特徴とする。
【００１０】
好ましくは、本発明の流体撹拌装置は、
前記第１の管体が、前記第１の鏡板の底面の近傍まで延在し、
前記第２の管体が、前記第１の鏡板の底面の近傍まで延在する、
ことを特徴とする。【００１２】
好ましくは、本発明の流体撹拌装置は、
前記筐体が、前記第１の鏡板と前記第２の鏡板の間に円筒形状の胴体部を有し、
前記スプリングが、前記筐体の中心軸を軸として前記筐体の胴体部の内面上に設置され、円筒形状に巻かれた巻線が振動可能である円筒部を含む、
ことを特徴とする。【００１３】
好ましくは、本発明の流体撹拌装置は、
前記第１の管体の他端の開口の縁が、前記筐体の中心軸側が長く、周縁側が短くなるように傾斜していることを特徴とする。【００１４】
好ましくは、本発明の流体撹拌装置は、
前記第２の管体の外面上に螺旋状のネジ山とネジ溝による凹凸が軸方向に交互に形成されていることを特徴とする。【００１５】
好ましくは、本発明の流体撹拌装置は、
室内冷房時には、前記第１の管体から流体が流入するとともに、前記第２の管体から流体が流出するように設置され、前記第１の管体が、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ることを特徴とする。【００１６】
好ましくは、本発明の流体撹拌装置は、
室内暖房時には、前記第２の管体から流体が流入するとともに、前記第１の管体から流体が流出するように設置され、前記第１の管体が、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ることを特徴とする。【００１７】
また、本発明のヒートポンプシステムは、
上述した流体撹拌装置が、配管の経路上に設置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、流体撹拌装置を可能な限り小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ヒートポンプシステムが空調機である場合に、冷房時のヒートポンプサイクルの一例を模式的に示した図である。
【図２】ヒートポンプシステムが空調機である場合に、暖房時のヒートポンプサイクルの一例を模式的に示した図である。
【図３】比較例である流体撹拌装置の構成の一例を示す図である。図３（ａ）は縦断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ視図、図３（ｃ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ断面図、図３（ｄ）は図３（ａ）のＣ−Ｃ視図である。
【図４】図３に示した流体撹拌装置の左側面図である。
【図５】図３に示したコイルスプリングの一例を示す図である。図５（ａ）は、コイルスプリングの平面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。
【図６】図３に示した下部管体の例を示す図である。図６（ａ）は、下部管体の一例の外観斜視図であり、図６（ｂ）は下部管体の別の例を示す外観斜視図である。
【図７】室内冷房装置に流体撹拌装置を設置し、６日後に取り外した場合の消費電力の変化の一例を示すグラフである。
【図８】本発明の第１の実施形態に係る流体撹拌装置の構成の一例を示す図である。図８（ａ）は縦断面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＥ−Ｅ視図、図８（ｃ）は図８（ａ）のＦ−Ｆ視図である。
【図９】図８に示した円錐状スプリングの一例を示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る流体撹拌装置の構成の一例を示す縦断面図である。
【図１１】図１０に示した円錐部付きコイルスプリングの一例を示す図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態に係る流体撹拌装置の構成の一例を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態に係る流体撹拌装置およびヒートポンプシステムについて図面を参照しながら詳細に説明する。なお、比較例および実施形態を説明する全図において、共通の構成要素には同一の符号を付し、繰り返しの説明を省略する。
本明細書に記載の流体撹拌装置は、ヒートポンプサイクルを利用したヒートポンプシステムを流れる流体を撹拌する。ヒートポンプシステムには、空調機、冷凍機、冷蔵器、給湯機、冷凍倉庫、チラー等、多様な形態が含まれる。これらの流体撹拌装置は、いずれのヒートポンプシステムにも適用可能である。また、これらの流体撹拌装置は、新規システムに限らず、既設システムにも同様に適用可能である。
【００２１】
本明細書における「ヒートポンプシステム」とは、「水・空気などの低温の物体から熱を吸収し、その熱を高温の水・空気などの物体に与える装置」を意味する。よって、低温の物体をさらに冷やす目的および高温の物体をさらに温める目的のいずれかに用いる場合、ならびに、切替により双方の目的に用いる場合を含むものとする。例えば、空調機の場合、冷房のみを行う装置も、切り替えにより冷房と暖房の双方を行う装置も、本発明のヒートポンプシステムに含まれるものとする。また、本明細書において、「流体」は、ヒートポンプサイクルにおいて循環する流体を意味し、少なくとも冷媒と冷凍機油を含むものである。また、「流体」は、ヒートポンプサイクル内のどの工程に存在するかによって、気体状態、液体状態、または気体と液体の混合状態のいずれの状態もとりうる。
【００２２】
図１および図２は、ヒートポンプシステムが空調機である場合に、ヒートポンプサイクルの一例を模式的に示す。空調機では、屋外に設置された室外機と、屋内に設置された室内機との間を流体が循環する。図１は、室内の冷房時のサイクルの例である。図２は、室内の暖房時のサイクルの例である。
【００２３】
ヒートポンプサイクルは、流体撹拌装置１と、圧縮部２と、凝縮部３と、膨張部４と、蒸発部５とを備える。密閉された配管がこれらの構成要素同士を接続する。それらの配管内を流体が循環する。図１および図２中の配管経路上の矢印は流体の流れの方向を示す。白抜き矢印は、熱交換器である凝縮部３および蒸発部５における熱の移動を示す。点線の矢印は、室内および室外における空気の流れを示す。
流体撹拌装置１の例として、比較例である流体撹拌装置１Ａと、本発明の第１の実施形態に係る流体撹拌装置１Ｂと、本発明の第２の実施形態に係る流体撹拌装置１Ｃと、本発明の第３の実施形態に係る流体撹拌装置１Ｄについて後で説明する。
【００２４】
図１および図２中の英大文字は、次の意味で用いている。ただし、気体と液体の混合状態である場合は、気体か液体のいずれか支配的な方に基づいて「気体状態」または「液体状態」と称することとする。また、「高温」および「低温」と、「高圧」および「低圧」とにおける「高」および「低」の意味は、絶対的ではなく、英大文字で示された箇所の前工程または後工程における流体の温度または圧力との相対的な違いを大まかに表しているにすぎない。例えば、「ＧＳ（ＨＴ，ＨＰ）」は「高温、高圧の気体状態」を意味し、「ＬＱ（ＬＴ，ＬＰ）」は「低温、低圧の液体状態」を意味する。各記号の意味を以下に示す。
ＧＳ：気体状態の冷媒
ＬＱ：液体状態の冷媒
ＨＴ：高温
ＬＴ：低温
ＨＰ：高圧
ＬＰ：低圧
【００２５】
図１の室内冷房時のサイクルにおいて、圧縮部２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、冷凍機油を貯留するための油溜まり１１ａ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２から凝縮部３（室外機）へ吐出される。凝縮部３はコンデンサを備える。冷房時は、室外機が凝縮部３として熱交換を行う。凝縮部３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液体冷媒である。
【００２６】
しかしながら、Ｒ４１０など混合冷媒系でかつ非フロン系冷媒には、冷凍機油は溶けない。冷媒と冷凍機油は分離された状態になりやすい。このため、凝縮部３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込める場合がある。さらに、凝縮部３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３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および／または気体冷媒を含む可能性がある。
【００２７】
実内冷房時には、流体撹拌装置１は凝縮部３と膨張部４の間に挿入される。流体撹拌装置１の流入口は、室外機である凝縮部３の出口側に接続される。流体撹拌装置１の流出口は、膨張部４の入口側に接続される。凝縮部３から流出した流体は、流体撹拌装置１内で十分に撹拌される。これにより、分離した冷凍機油は液体冷媒に溶解した状態となり、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、流体撹拌装置１から流出した流体は、膨張部４に送られる。
【００２８】
膨張部４はエキスパンションバルブまた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５（室内機）へ送られる。蒸発部５はエバポレータを備える。室内冷房時は、室内機が蒸発部５として熱交換を行う。蒸発部５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２へ戻される。
【００２９】
図２の室内暖房時のサイクルにおいては、図１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を切り替えるためのバルブは周知であるので、図示および説明を省略する。暖房時は、圧縮部２から吐出された高温高圧の気体流体は、凝縮部３として熱交換を行う室内機に送られる。凝縮部３（室内機）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。
【００３０】
ここで、凝縮部３において冷媒が気体から液体となるとき、図１の冷房時のサイクルと同様に、凝縮部３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および／または気体冷媒を含む可能性がある。暖房時には、凝縮部３から流出する液体流体は、さらに膨張部４に送られ、低圧かつさらに低温の液体となる。膨張部４の通過後にも、分離した冷凍機油、捕捉された液体冷媒および／または気体冷媒が残存している可能性がある。
【００３１】
室内暖房時には、流体撹拌装置１は膨張部４と蒸発部５（室外機）の間に挿入される。流体撹拌装置１の流入口は、膨張部４の出口側に接続される。流体撹拌装置１の流出口は、室外機である蒸発部５の入口側に接続される。膨張部４から流出した流体は、流体撹拌装置１内で十分に撹拌される。分離した冷凍機油は液体冷媒に溶解した状態となり、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、流体撹拌装置１から流出した流体は、蒸発部５に送られる。
実内暖房時は、室外機が蒸発部５として熱交換を行う。蒸発部５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２へ戻される。
【００３２】
図１および図２に示した通り、流体撹拌装置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。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流体撹拌装置１と交換して接続することにより、流体撹拌装置１を容易に取り付けることができる。図１および図２に示した通り、例えば、流体撹拌装置１を室外機近傍の屋外配管に設置することができる。
【００３３】
上述した図１および図２では、ヒートポンプシステムの基本形態に対して流体撹拌装置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。流体撹拌装置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。
【００３４】
図３は、比較例である流体撹拌装置１Ａの構成の一例を示す。図３（ａ）は縦断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ視図、図３（ｃ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ断面図、図３（ｄ）は図３（ａ）のＣ−Ｃ視図である。図４は、図３に示した流体撹拌装置１Ａの左側面図である。
流体撹拌装置１Ａは、筐体１１を有する。筐体１１は、上下方向の中心軸をもつ円筒形状の胴体部１１ａと、胴体部１１ａの上端側を閉塞する半球形状の上部鏡板１１ｂ１と、胴体部１１ａの下端側を閉塞する半球形状の下部鏡板１１ｂ２とを備える。ここで「鏡板」とは、一般的に圧力容器を閉塞する蓋部材を意味する。本実施形態における流体も、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１１も圧力容器の一種とみなすことができる。図３（ａ）に示される上部鏡板１１ｂ１および下部鏡板１１ｂ２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１１ａの半径と等しい。
【００３５】
筐体１１に対する流体の流入または流出のために、２つの管体が設けられている（図３（ａ）では、これらの管体の断面ではなく側面を示している）。流体撹拌装置１Ａ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および図２で示した通り、冷房時と暖房時とでは流体の循環方向は逆となる。従って、流体撹拌装置１Ａ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流体撹拌装置１Ａの効果は実証されている。従って、空調機の冷房と暖房を切り替えても、流体撹拌装置１Ａの取り付け状態を変更する必要はない。
【００３６】
上部管体１２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１２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、冷房時と暖房時で流体撹拌装置１Ａ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１２は、図１に示した冷房時には凝縮部３（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５（室外機）の入口側に接続されることになる。
【００３７】
上部管体１２は、筐体１１の中心軸から離れた位置において上部鏡板１１ｂ１を上下方向に貫通している。上部管体１２は、筐体１１内で胴体部１１ａの上端近傍まで下方に延在し、その下端１２ａは下方に開口している。図３（ａ）に示すように、上部管体１２の下端１２ａ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、流体の良好な流れを形成し易くするためのものである。
【００３８】
下部管体１３は、冷房時には流出口となり、暖房時には流入口となる。図３では、下部管体１３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される。
下部管体１３は、中心軸上において下部鏡板１１ｂ２を上下方向に貫通している。下部管体１３は、筐体１１内で中心軸に沿って胴体部１１ａの上端近傍まで上方に延在し、その上端１３ａは上方に開口している。
【００３９】
胴体部１１ａの内面上にはコイルスプリング１４が設置されている。コイルスプリング１４の軸は、胴体部１１ａの中心軸と一致している。コイルスプリング１４の各巻線は、胴体部１１ａの内面に固定されておらず、上下動可能である。
【００４０】
図５（ａ）は、図３に示したコイルスプリング１４の平面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。
コイルスプリング１４は、不等ピッチコイルスプリングであり、一方の端部から他方の端部へ向かってピッチが漸次長くなっている。「ピッチが漸次長くなる」とは、図５（ｂ）に２本の異なる点線で模式的に示すように、２つの意味を含む。１つは、複数の領域（例えば３つの領域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の関係となっている場合である。もう１つは、コイルスプリングの長さ全体に亘って連続的にピッチｐｘが長くなっていく場合である。さらに、これら２つの場合を組み合わせた場合も含む。なお、ピッチが異なれば共振周波数（固有振動数）が異なる。ピッチの長い領域では共振周波数が高く、ピッチの短い領域では共振周波数が低い。
【００４１】
流体は、上部管体１２の下端１２ａまたは下部管体１３の上端から筐体１１の内部に流入する。そして、流体は、下方に向かって直進した後、下部鏡板１１ｂ２により上方へ方向転換（Ｕターン）させられる。また、流体は、上方に向かって直進した後、上部鏡板１１ｂ１により下方へ方向転換（Ｕターン）させられる。このようにして、縦方向の強い流れが形成される。
縦方向の流れは、上部鏡板１１ｂ１と下部鏡板１１ｂ２で方向転換する際に、それぞれ上部管体１２と下部管体１３に衝突する。これにより流体に対して複雑な運動が付与される。
【００４２】
このように、複雑な運動が付与されて縦方向に流れる流体は、コイルスプリング１４と衝突および摩擦を生じる。コイルスプリング１４の巻線はこれらの衝突や摩擦を受けた局所において共振し、上下振動を生じる。このコイルスプリング１４と共振して、流体もまた局所的に上下振動を生じる。この上下振動により、流体に剪断力が作用する。また、コイルスプリング１４の凹凸自体によっても流体に剪断力が作用する。
これらの結果、流体に含まれる冷媒と冷凍機油は大きく撹拌されて均一化される。
【００４３】
図６（ａ）は、図３に示した下部管体１３の一例の外観斜視図であり、図６（ｂ）は下部管体１３の別の例を示す外観斜視図である。
下部管体１３の外面上に複数の凹凸を交互に形成することが好適である。例えば、図６（ａ）に示すように、下部管体１３を並行ネジ鋼管で形成することにより、外面上に螺旋状のネジ山とネジ溝による凹凸が軸方向に交互に繰り返される形状が得られる。螺旋状ではなく円周状の山と溝を交互に繰り返し形成してもよい。また、外面上にローレット加工を施してもよい。下部管体１３の外面上のこれらの細かい凹凸は、流体の気泡を捕捉する作用がある。流体撹拌装置１Ａによる撹拌を行っても最終的に溶解しない（液化されない）気体冷媒を捕捉することにより、液体冷媒すなわち液体流体と分離することができる。さらに、下部管体１３の外面上の細かい凹凸は、これらの凹凸に流体が衝突することにより、流体の撹拌にも寄与する。
なお、図６（ｂ）に示すように、下部管体１３の外面上に凹凸がなくともよい。図６（ｂ）の下部管体１３を用いても、後述する電力消費量低減の効果に大きく影響しないことが確認されている。
【００４４】
図７は、室内冷房装置に流体撹拌装置１Ａを設置し、６日後に取り外した場合の消費電力の変化の一例を示すグラフである。
室内冷房装置は１日当り８時間動作させた。破線は、流体撹拌装置１Ａ無しで室内冷房装置を動作させた場合を示す。実線は、流体撹拌装置１Ａを設置して室内冷房装置を動作させた場合を示す。２０１４年８月初旬から中旬にかけて消費電力を測定した。流体撹拌装置１Ａ無しで室内冷房装置を動作させて破線で示される消費電力を測定し、続けて流体撹拌装置１Ａを設置して室内冷房装置を動作させて実線で示される消費電力を測定した。
室内冷房装置に流体撹拌装置１Ａを取り付けた後、８時間は流体撹拌装置１Ａが無い場合よりも消費電力が高かった。８時間〜１６時間は、流体撹拌装置１Ａを設置した場合と無い場合で消費電力はほぼ等しかった。１６時間経過した後、流体撹拌装置１Ａを設置した場合の方が流体撹拌装置１Ａが無い場合よりも室内冷房装置は低消費電力となった。４８時間経過した時、流体撹拌装置１Ａを室内冷房装置から取り外したが、消費電力は低いままであった。
【００４５】
室内冷房装置に流体撹拌装置１Ａを取り付けても最初の１６時間は消費電力が下がらず、流体撹拌装置１Ａを室内冷房装置から取り外した後も消費電力は低いまま維持された。この結果に基づいて、発明者らは、流体撹拌装置１Ａの設置により消費電力が削減される理由について以下のように考えた。
近年はノンフロン冷媒が使用されるが、これは複数の冷媒が混合されたものである。この冷媒と共に使用される冷凍機油は、部分合成油または１００％合成油である。合成油は高分子物質である。ノンフロン冷媒と冷凍機油が撹拌されることにより冷凍機油が微細化してノンフロン冷媒に溶け込み、流体は希薄な高分子が添加された高分子溶液となる。このため、配管を流れる流体に、乱流の摩擦抵抗が減少するトムズ効果が生じている。
【００４６】
この考えによれば、図７に示した消費電力の変化は次のように説明することができる。
室内冷房装置に流体撹拌装置１Ａを設置した後、ノンフロン冷媒と冷凍機油が高分子溶液化されるまで約１６時間かかり、高分子溶液状態のとき室内冷房装置は低消費電力となる。流体撹拌装置１Ａを室内冷房装置から取り外しても、ノンフロン冷媒と冷凍機油の高分子溶液状態を維持できている間は、消費電力は低いままである。
図７のグラフには示されていないが、ある程度時間が経過すると、高分子溶液状態を維持できなくなるため、消費電力は高くなると考えられる。
【００４７】
また、発明者らは、ノンフロン冷媒中の冷凍機油を微細化するためには、コイルスプリング１４、すなわちバネの共振周波数が最も重要であると考えるようになった。すなわち、上述したように、流体はコイルスプリング１４と共振して局所的に上下振動を生じる。この上下振動により、流体に剪断力が作用する。また、コイルスプリング１４の凹凸自体によっても流体に剪断力が作用する。主として、この剪断力により、冷凍機油が微細化されると考えるようになった。
さらに、発明者らは、連続して冷凍機油の微細化を続けていると、冷凍機油の塊の大きさと濃度が変動する。その大きさと濃度が変わるとノンフロン冷媒の共振周波数が変わると考えている。
【００４８】
流体撹拌装置１Ａのコイルスプリング１４は、図５に示したように様々なピッチを持つため、様々な共振周波数を持つ。このため、冷凍機油の塊の大きさと濃度が変わっても、コイルスプリング１４はノンフロン冷媒を効率よく高分子溶液化することができる。
しかし、コイルスプリング１４は長い。流体撹拌装置１Ａはコイルスプリング１４を収容しなければならないため、胴体部１１ａが長くなる。このため、筐体１１は大型化する。筐体１１は、例えば６３０ｃｃ程度の容量である。
このため、流体撹拌装置１Ａは、設置するために広い場所が必要となる。無理に狭い場所に設置すると、配管を曲げざるを得ない場合がある。配管の曲りは流れの抵抗を増加させ、その結果、消費電力を増加させる。
【００４９】
また、筐体１１の容量が６３０ｃｃ程度であると、流体撹拌装置１Ａの設置時にノンフロン冷媒を追加しなければならない。ところが、ノンフロン冷媒は混合冷媒であり、濃度比の制限が厳しいため、追加が困難である。設置済みの室内冷房装置等に流体撹拌装置１Ａを追加するためには、ノンフロン冷媒を全量入れ換えざるを得ず、コストがかかる。
【００５０】
一方、バネの口径、材質、またはバネ材の径（鉄線のφ数）を変えることによっても共振周波数を変えることができる。例えば、口径が大きいと共振周波数は低く、口径が小さいと共振周波数は高い。
図８は、本発明の第１の実施形態に係る流体撹拌装置１Ｂの構成の一例を示す。図８（ａ）は縦断面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＥ−Ｅ視図、図８（ｃ）は図８（ａ）のＦ−Ｆ視図である。
流体撹拌装置１Ｂは、筐体２１を有する。筐体２１は、球形である。筐体２１は、右側を閉塞する半球形状の右部鏡板２１ｂ１と、左側を閉塞する半球形状の左部鏡板２１ｂ２とを備える。筐体２１も圧力容器の一種とみなすことができる。図８に示される右部鏡板２１ｂ１および左部鏡板２１ｂ２の断面は、好適には中心角１８０度の半円であり、右部鏡板２１ｂ１の半径と左部鏡板２１ｂ２の半径とは等しい。ただし、右部鏡板２１ｂ１および左部鏡板２１ｂ２は、流体の流れの方向を転換（Ｕターン）させることができる形状であればよく、必ずしもそれらの断面の形状は中心角１８０度の半円でなくともよい。本明細書における半球形状とは、楕円が長軸で切断された半楕円の断面形状のものを含むものとする。
なお、この第１の実施形態では、半球形状の右部鏡板２１ｂ１において底面からの距離が最も遠い右部鏡板２１ｂ１の頂点と、半球形状の左部鏡板２１ｂ２において底面からの距離が最も遠い左部鏡板２１ｂ２の頂点とを通る軸を筐体２１の中心軸という。
右部鏡板２１ｂ１は本発明の第１の鏡板の例であり、左部鏡板２１ｂ２は本発明の第２の鏡板の例である。
【００５１】
比較例の流体撹拌装置１Ａと同様に、筐体２１に対する流体の流入または流出のために、２つの管体が設けられている（図８（ａ）では、これらの管体の断面ではなく側面を示している）。流体撹拌装置１Ｂ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。図１および図２で示した通り、冷房時と暖房時とでは流体の循環方向は逆となる。従って、流体撹拌装置１Ｂ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。空調機の冷房と暖房を切り替えても、流体撹拌装置１Ｂの取り付け状態を変更する必要はない。
【００５２】
右部管体２２は、冷房時には流入口となり、暖房時には流出口となる。図８では、右部管体２２の右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、冷房時と暖房時で流体撹拌装置１Ｂ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、右部管体２２は、図１に示した冷房時には凝縮部３（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５（室外機）の入口側に接続されることになる。
右部管体２２は、筐体２１の中心軸から離れた位置において右部鏡板２１ｂ１を中心軸と並行な方向に貫通している。右部管体２２は、筐体２１内で右部鏡板２１ｂ１の底面の近傍まで延在し、その左端２２ａは左部鏡板２１ｂ２の方向に開口している。図８（ｂ）に示すように、右部管体２２の左端２２ａの開口の縁は、筐体２１の中心軸側が長く、周縁側が短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、流体の良好な流れを形成し易くするためのものである。
なお、右部管体２２は、本発明の第１の管体の例である。
【００５３】
左部管体２３は、冷房時には流出口となり、暖房時には流入口となる。図８では、左部管体２３の左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される。
左部管体２３は、筐体２１の中心軸上において左部鏡板２１ｂ２を中心軸の方向に貫通している。左部管体２３は、筐体２１内で中心軸に沿って右部鏡板２１ｂ１の底面の近傍まで延在し、その右端は右部鏡板２１ｂ１の方向に開口している。
左部管体２３は、比較例の流体撹拌装置１Ａにおける下部管体１３と同様に、並行ネジ鋼管で形成されており、外面上に螺旋状のネジ山とネジ溝による凹凸が軸方向に交互に繰り返される形状である。左部管体２３の外面上のこれらの細かい凹凸は、流体の気泡を捕捉する作用がある。流体撹拌装置１Ｂによる撹拌を行っても最終的に溶解しない（液化されない）気体冷媒を捕捉することにより、液体冷媒すなわち液体流体と分離することができる。さらに、左部管体２３の外面上の細かい凹凸は、これらの凹凸に流体が衝突することにより、流体の撹拌にも寄与する。
なお、左部管体２３は、本発明の第２の管体の例である。
【００５４】
左部鏡板２１ｂ２の内部には、図９に示す円錐状スプリング２４が設置されている。円錐状スプリング２４は、円錐部２４ａと、短い円筒部２４ｂとを有する。
円錐部２４ａは巻線が円錐形状に巻かれている。円錐部２４ａの頂点側の開口２４ｃにおける巻線の口径は、左部管体２３の外径よりわずかに大きい。円筒部２４ｂの巻線の直径は、円錐部２４ａの底面の巻線の直径と同一である。円筒部２４ｂの巻線の外径は、筐体２１の内径と略同じである。頂点側の開口２４ｃから円錐状スプリング２４の内部に左部管体２３が挿入される。円錐状スプリング２４は、筐体２１の中心軸を軸として筐体２１の内部に設置される。円錐状スプリング２４の円錐部２４ａの底面における巻線は、左部鏡板２１ｂ２の底面の近傍に位置する。
円錐状スプリング２４の各巻線は、筐体２１の内面に固定されておらず、振動可能である。
なお、ナット２５によって円錐状スプリング２４を左部鏡板２１ｂ２に固定してもよい。
【００５５】
流体は、右部管体２２の左端２２ａまたは左部管体２３の右端から筐体１１の内部に流入する。そして、流体は、筐体２１の内面に沿って回転する。そして、流体は、回転中に右部管体２２と左部管体２３に衝突する。これにより流体に対して複雑な運動が付与される。
このように、複雑な運動が付与されて回転する流体は、円錐状スプリング２４と衝突および摩擦を生じる。円錐状スプリング２４の巻線は衝突や摩擦を受けた局所において共振し、左右振動を生じる。この円錐状スプリング２４と共振して、流体もまた局所的に左右振動を生じる。この左右振動により、流体に剪断力が作用する。
この結果、流体は大きく撹拌され、冷凍機油が微細化してノンフロン冷媒に溶け込み、流体は希薄な高分子が添加された高分子溶液となる。
【００５６】
円錐状スプリング２４の巻線は、様々な口径を持つため、比較例の流体撹拌装置１Ａにおけるコイルスプリング１４と同様に、様々な共振周波数を持つ。このため、冷凍機油の微細化が進んで冷凍機油の塊の大きさと濃度が変わってもノンフロン冷媒を効率よく高分子溶液化することができる。
円錐状スプリング２４は小さいため、これを収容する筐体２１は、比較例である流体撹拌装置１Ａにおける筐体１１に比べて小型である。筐体２１は、例えば４０ｃｃ〜５０ｃｃ程度の容量である。このため、流体撹拌装置１Ｂは、狭い場所に容易に設置することができる。
また、筐体２１の容量が４０ｃｃ〜５０ｃｃ程度であると、設置済みの室内冷房装置等に流体撹拌装置１Ｂを設置するときにノンフロン冷媒を追加しなくてもよい。
【００５７】
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る流体撹拌装置１Ｃの構成の一例を示す。
流体撹拌装置１Ｃは、筐体３１を有する。筐体３１は、胴体部３１ａと、右側を閉塞する半球形状の右部鏡板３１ｂ１と、左側を閉塞する半球形状の左部鏡板３１ｂ２とを備える。
右部鏡板３１ｂ１と左部鏡板３１ｂ２の形状および大きさは、それぞれ第１の実施形態に係る右部鏡板２１ｂ１と左部鏡板２１ｂ２と同一である。胴体部３１ａは円筒形状である。なお、第２の実施形態では、胴体部３１ａの軸を筐体３１の中心軸という。第１の実施形態に係る流体撹拌装置１Ｂと同様に、中心軸は、右部鏡板３１ｂ１の頂点と左部鏡板３１ｂ２の頂点を通る。
なお、右部鏡板３１ｂ１は本発明の第１の鏡板の例であり、左部鏡板３１ｂ２は本発明の第２の鏡板の例である。
【００５８】
左部鏡板３１ｂ２と胴体部３１ａの内部には、図１１に示す円錐部付きコイルスプリング３４が設置されている。円錐部付きコイルスプリング３４は、円錐部３４ａと、円筒部３４ｂとを有する。
円錐部３４ａの形状および大きさは、第１の実施形態に係る円錐部２４ａと等しい。円筒部３４ｂは巻線が円筒形状に巻かれている。円筒部３４ｂの巻線の直径は、円錐部３４ａの底面の巻線の直径と同一である。円筒部３４ｂの巻線の外径は、筐体３１の内径と略同じである。円筒部３４ｂの長さは、筐体３１の胴体部３１ａと略等しい。頂点側の開口３４ｃから円錐部付きコイルスプリング３４の内部に左部管体２３が挿入される。円錐部付きコイルスプリング３４は、筐体３１の中心軸を軸として筐体３１の内部に設置される。円錐部３４ａの底面における巻線は、左部鏡板３１ｂ２の底面の近傍に位置する。
円錐部付きコイルスプリング３４の各巻線は、筐体３１の内面に固定されておらず、振動可能である。
なお、ナット２５によって円錐部付きコイルスプリング３４を左部鏡板３１ｂ２に固定してもよい。
【００５９】
流体撹拌装置１Ｃは、筐体３１が胴体部３１ａを有し、円錐部付きコイルスプリング３４の円筒部３４ｂの長さが筐体３１の胴体部３１ａと略等しい点が第１の実施形態に係る流体撹拌装置１Ｂと異なる。
室内冷房装置等に流体撹拌装置１Ｃを取り付けたとき、ノンフロン冷媒の中にその共振周波数が円筒部３４ｂの巻線の共振周波数と一致している領域がある場合に、円筒部３４ｂに含まれる複数の巻線でその領域の冷凍機油を微細化するため、ノンフロン冷媒が高分子溶液化して消費電力が低下するまでの時間を短くすることができる。
【００６０】
図１２は、本発明の第３の実施形態に係る流体撹拌装置１Ｄの構成の一例を示す。
流体撹拌装置１Ｄは、円錐部付きコイルスプリング３４の代わりに円錐状スプリング２４を備える点が第２の実施形態に係る流体撹拌装置１Ｃと異なる。
円錐状スプリング２４は、第１の実施形態に係る流体撹拌装置１Ｂで用いられるものと同一である。ただし、円錐状スプリング２４の設置方向は、流体撹拌装置１Ｂにおける設置方向と逆である。円錐状スプリング２４の頂点は右部鏡板３１ｂ１を向いており、円錐部２４ａの底面における巻線は、左部鏡板３１ｂ２の底面の近傍に位置する。ナット２５は、円錐状スプリング２４の頂点側の開口２４ｃにおける巻線を抑え、円錐状スプリング２４を固定する。
【００６１】
なお、流体撹拌装置１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ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な材料であればよく、特に限定されない。例えば、鋼製とすることができる。
【００６２】
上述した実施形態では、第１の実施形態に係る流体撹拌装置１Ｂと第２の実施形態に係る流体撹拌装置１Ｃと第３の実施形態に係る流体撹拌装置１Ｄとを横置きする例を示したが、これらの設置方向に特に制限はない。例えば、これらを縦置きしてもよい。
【００６３】
以上説明したように、本発明によれば、流体撹拌装置を可能な限り小型化することができる。
また、本発明の流体撹拌装置を空調機等のヒートポンプシステムに取り付けることにより、ヒートポンプシステムの液管配管内抵抗が軽減されるため、圧縮機での消費電力を低減することができる。
【００６４】
以上、本発明の実施形態について説明したが、設計上の都合やその他の要因によって必要となる様々な修正や組み合わせは、請求項に記載されている発明や発明の実施形態に記載されている具体例に対応する発明の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６５】
１Ａ…流体撹拌装置、１１…筐体、１１ａ…胴体部、１１ｂ１…上部鏡板、１１ｂ２…下部鏡板、１２…上部管体、１３…下部管体、１４…コイルスプリング、１Ｂ…流体撹拌装置、２１…筐体、２１ｂ１…右部鏡板、２１ｂ２…左部鏡板、２２…右部管体、２３…左部管体、２４…円錐状スプリング、２４ａ…円錐部、２４ｂ…円筒部、２５…ナット、１Ｃ…流体撹拌装置、３１…筐体、３１ａ…胴体部、３１ｂ１…右部鏡板、３１ｂ２…左部鏡板、３４…円錐部付きコイルスプリング、３４ａ…円錐部、３４ｂ…円筒部、１Ｄ…流体撹拌装置、２…圧縮部、３…凝縮部（冷房時：室外機、暖房時：室内機）、４…膨張部、５…蒸発部（冷房時：室内機、暖房時：室外機）
【要約】
流体撹拌装置を可能な限り小型化する。
流体撹拌装置１Ｂ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するために配管の経路上に設置される。筐体２１は、一方を右部鏡板２１ｂ１により閉塞され、他方を左部鏡板２１ｂ２により閉塞される。右部管体２２は、一端が配管の１つに接続可能であり、筐体２１の中心軸から離れた位置にて右部鏡板２１ｂ１を中心軸と並行な方向に貫通し、他端が左部鏡板２１ｂ２の方向に開口する。左部管体２３は、一端が配管の別の１つに接続可能であり、筐体２１の中心軸上にて左部鏡板２１ｂ２を中心軸の方向に貫通し、他端が右部鏡板２１ｂ１の方向に開口する。円錐状スプリング２４は、円錐部を含む。円錐部は、巻線が円錐形状に巻かれており、頂点側の開口から内部に左部管体２３が挿入され、筐体２１の中心軸を軸として筐体２１の内部に設置されている。【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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