(57)【要約】      （修正有）【課題】環境汚染の問題のないクリーンな多成分系冷媒等を導入した新規な螺旋管型の速度−熱変換器を有する冷却システム等を提供する。【解決手段】性質の異なる複数種類の熱媒を組み合わせて配合した多成分系熱媒を用い、当該性質の異なる熱媒成分ごとにその速度−熱変換を専ら担う螺旋管３１、３２，３３を多段に複数設け、それぞれの螺旋管３１、３２，３３内で当該性質の異なる熱媒成分ごとに最適な液化・冷却条件が形成され、当該熱媒成分をそれぞれ略完全に液化し、減圧・冷却する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
性質の異なる複数種類の熱媒を組み合わせて配合した多成分系熱媒が導入された加熱又は冷却システムにおいて利用される速度−熱変換器であって、
前記多成分系熱媒の熱媒成分ごとにその速度−熱変換を担う螺旋管を多段に複数設けたことを特徴とする、速度−熱変換器。
【請求項２】
前記螺旋管は、互いに管径が異なることを特徴とする請求項１に記載の速度−熱変換器。
【請求項３】
前記螺旋管は、互いに巻数が異なることを特徴とする請求項１又は２に記載の速度−熱変換器。
【請求項４】
前記多成分系熱媒は、第１の熱媒成分として炭化水素ガスを含み、第２の熱媒成分として希ガス又は不活性ガスを含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の速度−熱変換器。
【請求項５】
管径の異なる螺旋管を３段に直列連結してなり、第２の螺旋管の内径が第１の螺旋管の内径に対して４０〜７０％であり、第３の螺旋管の内径が第２の螺旋管の内径に対して３０〜７０である、請求項１乃至４の何れか１項に記載の速度−熱変換器。
【請求項６】
第１の螺旋管の巻数が２０〜３２巻であり、第２の螺旋管の巻数が１４〜３０巻であり、第３の螺旋管の巻数が１０〜２８巻である、請求項５に記載の速度−熱変換器。
【請求項７】
性質の異なる複数種類の熱媒を組み合わせて配合した多成分系熱媒と、
前記多成分系熱媒の熱媒成分ごとにその速度−熱変換を担う螺旋管を多段に複数設けてなる速度−熱変換器と、
を有することを特徴とする、加熱又は冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は速度−熱変換器及びこれを利用した加熱又は冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
エアコン等の冷暖房システムは、システムの大小、用途に拘らず同じ原理に基づき、ほぼ同じ構成要素から構成されている。
【０００３】
図２は、一般的な家庭用エアコンの概略の構成図であり、図３はその動作を示す図である。図２に示すように、エアコン２００は、コンプレッサ１に対して、コンデンサ１３、レシーバタンク１４、膨張弁１５、熱交換器３が媒体管で接続され、能力に応じた量の熱媒が封入されて構成されている。
【０００４】
上記構成において、暖房サイクル（図３、矢印２１（ａ））では、まず、コンプレッサ１で気熱媒は圧縮され高温・高圧気熱媒となり熱交換器３に送られる。熱交換器３では、図３の熱交換器３の下方に示した熱媒の相変化説明図のように、熱媒は熱交換器３の入口付近では気体であるが、熱交換器３内を進むに従い、液化して液体が増え、熱交換器３の出口付近では略液化（９０％液、１０％気体）する。すなわち、熱交換器３では高温・高圧気熱媒が熱を環境に放出して冷却され、中温・液熱媒となり、膨張弁１５に導入される。膨張弁１５を開くと、中温・液熱媒は気化され、コンプレッサ１によって引き圧になっているコンデンサ１３に入り、完全気化され、低温気熱媒となり、コンプレッサ１に入り、再び圧縮されて高温・高圧気熱媒となって循環する。
【０００５】
一方、冷房サイクル（矢印２１（ｂ））では、コンプレッサ１で気熱媒は圧縮され高温・高圧気熱媒となりコンデンサ１３に送られる。コンデンサ１３では高温・高圧気熱媒が熱を放出して冷却され、中温・液熱媒（大よそ９０％液・１０％ガス状態のまま）となり、これがレシーバタンク１４に一端貯留され、膨張弁に導入される。膨張弁１５を開くと、中温の液熱媒はコンプレッサ１によって吸引され減圧されている熱交換器３に入り、対象環境から熱を奪って、低温気熱媒となり、コンプレッサ１に入り、再び圧縮されて高温・高圧気熱媒となって循環する。冷房サイクルでは、熱媒が熱交換器３で周囲の雰囲気から熱を吸収、ここで得た熱をコンデンサ１３で放熱して循環する。
【０００６】
これに対し、本発明者は、先に、螺旋管からなる速度−熱変換器を利用した冷却システム等を開発した（例えば、特許文献１及び２参照）。かかる冷却システム等によれば、コンデンサでの液化率を５０％程度に留め（コンデンサ容量を小さくし）、該螺旋管内で熱媒の液化・冷却条件を形成して、熱媒を略完全に液化し、減圧、冷却するので、それまでの冷却システムのような膨張弁、コンデンサ、レシーバタンクを必要とせず、かつコンデンサ容量の小さい冷却システム等を構築することができるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２００７／３１８９４７号
【特許文献２】特開２０１０−２８１５５８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
一方、従来熱媒として用いられていたＣＦＣ冷媒（Ｒ１２）、ＨＣＦＣ（Ｒ２２）等のフロン類はオゾン層を破壊し地球温暖化の原因となることから利用が制限され、その代替としてイソブタンや二酸化炭素等の単一成分或いは混合成分による新冷媒が利用されるようになってきたが、上記従来のシステムにそのまま導入しても十分な冷却効率が得られない等の問題があった。
【０００９】
本発明は上記従来技術の有する問題点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、環境汚染の問題のないクリーンな多成分系冷媒等を導入した新規な螺旋管型の速度−熱変換器を有する冷却システム等を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の上記目的は、下記の手段によって達成される。
【００１１】
（１）即ち、本発明は、性質の異なる複数種類の熱媒を組み合わせて配合した多成分系熱媒が導入された加熱又は冷却システムにおいて利用される速度−熱変換器であって、前記多成分系熱媒の熱媒成分ごとにその速度−熱変換を担う螺旋管を多段に複数設けたことを特徴とする、速度−熱変換器である。
【００１２】
（２）本発明はまた、前記螺旋管は、互いに管径が異なることを特徴とする（１）に記載の速度−熱変換器である。
【００１３】
（３）本発明はまた、前記螺旋管は、互いに巻数が異なることを特徴とする（１）又は（２）に記載の速度−熱変換器である。
【００１４】
（４）本発明はまた、前記多成分系熱媒は、第１の熱媒成分として炭化水素ガスを含み、第２の熱媒成分として希ガス又は不活性ガスを含むことを特徴とする（１）乃至（３）の何れか１項に記載の速度−熱変換器である。
【００１５】
（５）本発明はまた、管径の異なる螺旋管を３段に直列連結してなり、第２の螺旋管の内径が第１の螺旋管の内径に対して４０〜７０％であり、第３の螺旋管の内径が第２の螺旋管の内径に対して３０〜７０である、（１）乃至（４）の何れか１項に記載の速度−熱変換器である。
【００１６】
（６）本発明はまた、第１の螺旋管の巻数が２０〜３２巻であり、第２の螺旋管の巻数が１４〜３０巻であり、第３の螺旋管の巻数が１０〜２８巻である、（５）に記載の速度−熱変換器である。
【００１７】
（７）さらに、本発明は、性質の異なる複数種類の熱媒を組み合わせて配合した多成分系熱媒と、前記多成分系熱媒の熱媒成分ごとにその速度−熱変換を担う螺旋管を多段に複数設けてなる速度−熱変換器と、を有することを特徴とする、加熱又は冷却システムである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の冷却・加熱システムによれば、性質の異なる複数種類の熱媒を組み合わせて配合した多成分系熱媒を用い、当該性質の異なる熱媒成分ごとにその速度−熱変換を専ら担う螺旋管を多段に複数設けているので、それぞれの螺旋管内で当該性質の異なる熱媒成分ごとに最適な液化・冷却条件が形成され、当該熱媒成分をそれぞれ略完全に液化し、減圧・冷却することができる。従って、従来の冷凍システム等では十分な冷却効率等の得られなかった熱媒を複数組み合わせて、小型でかつ環境汚染の問題がなく極めて冷却効率等の高い冷却・加熱システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態にかかる冷却・加熱システム１００の全体構成を示す概略図である。
【図２】一般的な家庭用エアコン２００の全体構成を示す概略図である。
【図３】エアコン２００の動作を説明するための概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
【００２１】
本発明の冷却・加熱システムにおいては、熱媒として、性質の異なる複数種類の熱媒を組み合わせて配合した多成分系熱媒が利用される。利用する熱媒としては、第１の熱媒成分として、メタン、エタン、ブタン等の炭化水素ガス等、第２の熱媒成分として、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン等の希ガス、窒素、二酸化炭素等の不活性ガス等が挙げられ、前記第１の熱媒成分及び第２の熱媒成分からそれぞれ１種以上の熱媒を選択して組み合わせて配合する。なお、前記第１の熱媒成分及び第２の熱媒成分に加えて、前記第１の熱媒成分及び第２の熱媒成分とは性質の異なる更に他の熱媒成分を組み合わせても構わない。
【００２２】
次に、本発明の冷却・加熱システムの構成について説明する。図１は、本発明の実施形態にかかる冷却・加熱システム１００の全体構成を示す概略図である。図１に示すように、冷却・加熱システム１００は、圧縮機（コンプレッサ）１と、凝縮器（コンデンサ）１１と、速度−熱変換器３０と、蒸発器３とを備え、これらは熱媒管２１、２２、２３及び２４によりそれぞれ連通されている。
【００２３】
凝縮器１１は、従来の圧縮機・凝縮器・膨張弁・蒸発器を有する循環型冷却システムのものと比べて３０〜７０％に小型化したものが利用され、圧縮機１１における熱交換が不十分になるように構成されている。
【００２４】
速度−熱変換器３０は、管径及び巻数の異なる３種類の螺旋管３１、３２及び３３が多段に直列連結されて構成されている。このように、本発明に係る冷却・加熱システムでは、導入される多成分系熱媒の性質の異なる熱媒成分ごとにその速度−熱変換を専ら担う螺旋管を多段に複数設けているので、それぞれの螺旋管内で当該性質の異なる熱媒成分ごとに最適な液化・冷却条件が形成され（螺旋管内壁を熱媒分子が超高速回転（スピン回転・楕円回転）しながら、熱及び運動エネルギーを移動（熱放出も含む）させ、熱媒の液化・減圧・冷却を促す）、当該熱媒成分をそれぞれ略完全に液化し、減圧・冷却することができる。従って、従来の冷凍システム等では十分な冷却効率等の得られなかった熱媒を複数組み合わせて利用しても、極めて高い冷却効率等を達成することができる。
【００２５】
本発明の冷却・加熱システムにおいて、速度−熱変換器を構成する多段の螺旋管の巻数及び管径は、導入される多成分系熱媒の各熱媒成分の性質によって適宜設計され得るものであるが、具体例を示せば、速度−熱変換器を例えば３種類の螺旋管を連結して構成する場合、第１の螺旋管の巻数は２０〜３２巻、好ましくは２２〜２６巻がよく、第２の螺旋管の巻数は１４〜３０巻、好ましくは１６〜２０巻がよく、第３の螺旋管の巻数は１０〜２８巻、好ましくは１２〜２０巻がよい。第１〜３の螺旋管の各巻数が上記範囲未満では十分なスピンが得られず、上記範囲を超えると内部抵抗が大きくなり、いずれも熱媒の分子を高速回転させられず分子間エネルギーの移動がスムーズに行われなくなり、十分な冷却・加熱効率が得られないので好ましくない。
【００２６】
また、第１〜３の螺旋管の内径の比率は、第２の螺旋管の内径が第１の螺旋管の内径に対して４０〜７０％、好ましくは４０〜６０％であり、第３の螺旋管の内径が第２の螺旋管の内径に対して３０〜７０、好ましくは３０〜５０である。第１〜３の螺旋管の内径の比率が上記範囲未満では、十分なスピンが得られず、上記範囲を超えると内部抵抗が大きくなり、いずれも熱媒の分子を高速回転させられず分子間エネルギーの移動がスムーズに行われなくなり、十分な冷却・加熱効率が得られないので好ましくない。
【００２７】
なお、速度−熱変換器３０は、螺旋管３１、３２及び３３が直列に連結された速度−熱変換器ユニットが２列に並列に連結されて構成されているが、速度−熱変換器は、前記速度−熱変換器ユニットを単列で、又は３列以上で構成しても構わない。
【００２８】
また、冷却・加熱システム１００において、速度−熱変換器３０と蒸発器３との間に図示しない膨張弁（キャピラリ管）を設けてもよく、例えば熱媒の１０〜２０％を膨張弁により膨張減圧させるように構成しても構わない。
【００２９】
冷却・加熱システム１００は、冷却サイクルにおいて、圧縮機１で高温高圧に圧縮された気体熱媒が、凝縮器１１で冷却されて気液混合熱媒になり、更に速度−熱変換器３０で熱媒成分ごとに完全液化され、減圧・冷却されて液体熱媒となる。そして、液体熱媒は蒸発器３で膨張気化して再び圧縮機１に戻される。また、冷却・加熱システム１００は、切換器１６により圧縮機１の入力と出力を繋ぎ換えることにより、加熱サイクルとして動作する。
【００３０】
次に、本発明の冷却・加熱システムの実施例について説明するが、本発明の冷却・加熱システムは係る実施例に限定されるものでないことはいうまでもない。
【実施例１】
【００３１】
図１の冷却・加熱システム１００と同様の構成によるシステムを用い、熱媒としてメタン４．８５ｖｏｌ％と、アルゴン５９．９５ｖｏｌ％と、窒素３５．２ｖｏｌ％とを配合した３成分熱媒を導入して冷却システムを構成した。この際、螺旋管３１、３２及び３３の巻数は、それぞれ２３巻、１９巻及び１７巻とし、内径比は１００：６０：３０とした。この冷却システムを運転したところ、庫内温度−２２℃を達成した。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
上述したように、本発明の冷却・加熱システムによれば、小型でかつ環境汚染の問題がなく極めて冷却効率等の高い冷却・加熱システムを構築することができる。
【符号の説明】
【００３３】
１  圧縮機
１１  凝縮器
１６  切換器
２１、２２、２３、２４  熱媒管
３  蒸発器
３０  速度−熱変換器
３１、３２、３３  螺旋管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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