JP2005164051A - 温度伝達装置及びその温度伝達装置を利用した加熱装置または冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱交換効率の高効率化が図れ、しかも設備コストも高騰する虞れがない温度伝達装置及びその温度伝達装置を利用した加熱装置または冷却装置を提供する。
【解決手段】 熱媒用液体ｂを流通させる熱伝達用容体２内に作動液ａを封入した真空容体１を１〜複数体投入し、該熱伝達用容体２内に熱媒用液体ｂで充満させるとともに前記真空容体１外面を熱媒用液体ｂに接触させ、真空容体１外面に接触する熱媒用液体ｂを作動液ａへの熱源及び作動液ａの保温源として使用して、真空容体ａに対する熱伝達用容体２内の熱媒用液体ｂの熱伝達面積が大幅に拡大して効率的に熱交換し、更に外部雰囲気での熱吸収を作動液ａに伝達させずに熱媒用液体ｂで抑制した上に熱媒用液体ｂが作動液ａの加熱または冷却を継続して真空容体１内を気液平衡状態にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、温度伝達装置及びその温度伝達装置を利用した加熱装置、更に詳しくは土壌の加熱消毒用、育苗用、住宅やビニールハウスの暖房用、植栽トイレ加温用、魚介類，にんにく，おから，りんご等の乾燥用、床暖房用、融雪用、銭湯，温泉，温水プールの加温用、堆肥の発酵用、立木（庭木）の衰弱防止用、アルコール類の発酵促進用、土壌加熱用冷却用、生簀や養殖場の温度調整、蒸し器、湯沸し器等様々な分野に等しく活用可能な温度伝達装置及びその温度伝達装置を利用した加熱装置または冷却装置に関するものである。

従来、温度伝達装置（ヒートパイプ）Ａ１には、図６に示すように作動液ａを封入する真空パイプ８に、熱媒用液体（温水や油）ｂを加熱源、冷却源とするパイプ９を貫挿したものがある（例えば、特許文献１）。

ところで、特許文献１は、共に温風加熱装置のように石油燃焼式の場合、農業用ハウス内の汚染、温風による作物への影響の解消。ボイラを使用した温水循環方式のように熱源となる温度効果が大きく放熱量が低い出口の放熱量を所定に維持するために温水温度を高くすることに伴う高額燃料費の低減。等を図ることを特徴とするものであり、平面的に広いエリアで使用する場合には、隣設する温度伝達装置（ヒートパイプ）Ａ１、Ａ１同士を合成樹脂製のホース１０を嵌着して接続している。
しかしながら、前記特許文献１では下記する様々な問題点がある。
○垂直状や斜め状にすると、作動液ａが真空パイプ８の下端部のみに集中することになり、作動液が繰り返す、蒸発→移動→凝縮→還流のサイクルが行なえない。そのため、水平状に配設しないと使用できず、使用用途が限定されてしまう。
○外部雰囲気で真空パイプ８を介して作動液ａが直接冷却（または加熱）されることから、作動液ａが繰り返す、蒸発→移動→凝縮→還流のサイクルが効率的とはいえず、所定の温度までの温度上昇（温度下降）が非常に遅い。
○真空パイプ８内部空間に対して１／３〜１／２程度の量をもって封入された作動液ａに全体が浸るように埋設して前記パイプ９を貫挿する必要が生じるため、必然的にそのパイプ９が小径になる。そのため、熱媒用液体ｂの流れ抵抗が大きくなり、温度伝達装置Ａ１を必要本数、並列的に繋いで使用するにしても、熱媒用液体ｂの循環スピードが遅く、所定の循環スピードで熱媒用液体ｂを圧送するに際して、高出力のポンプを必要とする。
○パイプ９が直管であるため、必然的に真空パイプ８を直管にする必要が生じ、真空パイプ８を任意形状に製作できない。
○真空パイプ８が耐久性の劣化等を原因として破損すると真空破壊するため、全体として交換する必要が生じ、コスト高。
○その小径なパイプ９であるため、目詰まりが早急で、熱媒用液体である、例えば水の垢等が付着した際の清掃も困難。
○合成樹脂製のホース１０が長期使用でこびり付き、隣設する温度伝達装置Ａ１、Ａ１同士との接続を解いて保守管理する時のその作業性を面倒なものにする。
特開平１０−２８８４８２号公報（第６頁、図２）

本発明は上記従来事情に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、前記各種問題点を一掃する構造簡単な温度伝達装置及びその温度伝達装置を利用した加熱装置または冷却装置を提供することにある。

本発明者等は、鋭意研究を重ねた結果、作動液を封入する真空容体が外面から所定温度での熱供給を受け続けている間はその真空容体内が気液平衡を継続することを知見し、本発明に至ったものである。
即ち、本発明は、熱媒用液体を流通させる熱伝達用容体内に作動液を封入した真空容体を１〜複数体投入し、該熱伝達用容体内を前記熱媒用液体で充満させて前記真空容体外面を熱媒用液体に接触させてその真空容体外面に接触する熱媒用液体を作動液への熱源及び作動液の保温源として使用して、熱媒用液体流通時の真空容体内を気液平衡にすることを特徴とする温度伝達装置である（請求項１）。
前記真空容体は、両端を閉塞した筒状やその他の形状の内部中空体のみならず、熱伝達用容体内に連通する連通路を横断状や縦断状、斜め状等をもって有する内部中空体の内部に作動液を封入するものであれば、如何なる形状のものでも良いものである。

上記手段にあっては、真空容体（作動液封入）に対する熱伝達用容体内での熱媒用液体との熱伝達面積が大幅に拡大して効率的に熱交換し、更に外部雰囲気での熱吸収を作動液に伝達することなく熱媒用液体で行って熱媒用液体が作動液の加熱または冷却を継続する。それ故、真空容体内を気液平衡状態にすることが可能になった。
そして、水平状に関わらず任意な向きで使用可能とする。
その上、真空パイプ内部空間に対して１／３〜１／２程度の量をもって封入された作動液に全体が完全に浸るように埋設してパイプ（入口、出口）を小径にしざるをえない先行技術と同様な入口、出口径（形）の制約を与えない。
また、熱伝達用容体が真空容器の保護体として機能し、熱伝達用容体が損傷、破損しても、その熱伝達用容体の交換で対処可能とする。
その上、熱伝達用容体に形状の自由度を与える。
特に、その真空容体が複数個投入されている場合には、必然的に真空容体が小形となり、熱伝達用容体の形状任意性の自由度を拡大することができる。

また、真空容体が内部に作動液を封入した内部中空な球体であり、複数個前記熱伝達用容体内に投入されていると、より好適なものである（請求項２）。

前記手段によれば、請求項１の作用に加えて、熱伝達用容体内に投入される複数個の真空容体（作動液封入）が熱媒用液体との熱伝達面積を更に拡大して、早急に気液平衡状態にする。

その真空容体が、半割体の両端または一端に接着剤を塗布しておき、真空吸引する時に両半割体同士が貼着固定される構成にした場合には、簡単構成となる（請求項３）。

また、更に前記温度伝達装置の熱伝達用容体複数個を流通可能に並列や直列に接続して使用すると好適なものである（請求項４）。
並列に接続すれば、平面的な部分で使用でき、直列に接続すれば、加熱または冷却対象とする土壌に垂直状、斜め状、水平状等任意方向を向けて埋設したり、生簀、養殖場等で使用可能となる。

そして、前記熱伝達用容体相互間の接続部が、双方に設けられた内部に連通する接続短管と、その接続短管に解除可能に螺装されるフレキシブル管とを備えていると、隣設する熱伝達用容体同士の接続及びその解除を簡単にする（請求項５）。

また、前記熱伝達用容体相互間の接続部が、両端を開放した熱伝達用容体のその開放部に固定されるフランジと、そのフランジ同士を連結する連結具とを備えていると、必要体の熱伝達用容体を直列に接続して使用する際の流れ抵抗を小さく抑制する（請求項６）。

前記作動液は、メタノールまたはエタノールまたは純水が好適なものであり、また、前記熱媒用液体が水または油であり、水の場合には、還元水を使用すると塩素の影響で酸化することがなく、発生する錆で液路の熱交換効率の低下する虞れが全くなく、高効率な熱交換効率を恒久的に維持することができる。
そして、熱伝達用容体の両端中央部に熱媒用液体の入口、出口を設けていると、両端を開放した熱伝達用容体を形成した後、両端を閉塞するように入口、出口を有する蓋部材を溶接等で封止する場合でも入口、出口の位置を注意して組み込む面倒さを無くし、簡単施工となる。

本発明は以上のように構成したから、下記の利点がある。
（請求項１）
○熱媒用液体を流通させる熱伝達用容体内に作動液を封入した真空容体を１〜複数体投入し、該熱伝達用容体内を前記熱媒用液体で充満させるとともに前記真空容体外面を熱媒用液体に接触させ、その真空容体外面に接触する熱媒用液体を作動液への熱源及び作動液の保温源として使用して、熱媒用液体流通時の真空容体内を気液平衡にすることを知見したものであるから、熱交換効率が非常に高効率で所定温度への昇温、降温が早急な温度伝達装置を新規に提供することができる。
○熱伝達用容体内の熱媒用液体は対流するので、温度伝達装置を垂直状、斜め状、水平状等任意方向に向けても、その向きに関わらず熱伝達用容体内の熱媒用液体を全域に亘って均一温度にして、高効率な熱交換効率を維持した上に設置場所の状況等に応じた向きを自在に選択する自由度を持たせることができる。
○熱伝達用容体内に作動液を封入した真空容体を投入し、熱伝達用容体に熱媒用液体の入口、出口を設けた単純構成であって、先行技術のようにパイプを貫挿する必要がなく、設備コストが高騰したり、構造的に複雑化することもなく、廉価で提供することができる。
○作動液を封入した真空容器を収容する熱伝達用容体が真空容器の保護体として機能するから、その熱伝達用容体を任意な形状に形成することができるし、特殊な加工も行なえる。
○真空パイプ内部空間に対して１／３〜１／２程度の量をもって封入された作動液に全体が浸るように小径なパイプを埋設して入口、出口を構成しざるをえない先行技術のように入口、出口が小径となる制約を受けないので、所定の循環スピードを求めるために、高出力のポンプを必要としないし、熱媒用液体がその入口や出口に垢として付着しても、清掃が簡単である。
○仮に熱伝達用容体が損傷しても、作動液を封入する内部の真空容体に悪影響を与えないので、その熱伝達用容体のみの交換で対処でき、先行技術のように全体交換でコスト高になることがない。

（請求項２）
○熱伝達用容体に対して作動液を封入した球形の真空容体を複数個収容させると、作動液に対する熱媒用液体からの熱伝達面積が拡大して、熱交換効率を更に高めることができるし、熱伝達用容体の形状自由度を更に拡大することができる。

（請求項３）
○真空容体が半割体で形成されていると、真空吸引時に両半割体が自ずと吸着固定して内部中空状の真空容体を簡単に形成することができる。

（請求項４、５）
○温度伝達装置同士との接続をメンテナンス等の際に解く場合には、フレキシブル管の螺装を解除すれば良く、先行技術の合成樹脂製のホースがこびり付いて、接続の解除を面倒することがない。

（請求項６）
○必要体の熱伝達用容体を直列に接続して使用する際の流れ抵抗を小さく抑制し、縦方向に必要本の熱伝達用容体を接続して、例えば生簀や養殖場等での水温調整で水中に垂設して使用する場合等でも熱媒用液体の液路抵抗による圧損を少なくして高出力のポンプを敢えて使用せずに縦長な加熱装置や冷却装置を提供することができる。

以下、本発明温度伝達装置及びそれを利用した加熱装置または冷却装置の実施の形態例を図１〜図５に基づいて説明すると、図１は温度伝達装置の実施の形態、図２は加熱装置の第１の実施の形態を、更に図３は同加熱装置の第２の実施の形態を、更に図４は、同第３の実施の形態を、図５は、同第４の実施の形態を各々示している。

図１に示す実施の形態を説明すると、符号Ａは温度伝達装置である。
温度伝達装置Ａは、図示するようにメタノールまたはエタノールまたは純水からなる作動液ａを封入した真空容体１複数体（１体でも良いものである）を、熱伝達用容体２に投入し、該熱伝達用容体２の両端の内、一方に熱媒用液体ｂの入口３を、他方に同出口４を設けた構成になっている。
前記真空容体１、熱伝達用容体２は、本実施の形態ではステンレス製である。

前記入口３、出口４は、熱伝達用容体２の両端に溶接した両側板１２の中央部に、内面に雌螺子１５ａを有する接続短管１５を内部と連通して溶接し、該接続短管１５に中央部に操作部２５ａを一体に形成した中間プラグ２５一半部の雄螺子筒部２５ｂを螺嵌し、その中間プラグ２５他半部の雄螺子筒部２５ｃに袋ナット４５を介してフレキシブル管３５の一端側を接続して接続部５を各々形成している。

前記真空容体１のその形状は任意であり、内部にその空間に対して１／３〜１／２の容積をもって前記作動液ａが封入されている。

そして、前記入口３から所要温度の還元温水（熱媒用液体）ｂを強制供給して、熱伝達用容体２内を還元温水ｂで充満させて、所定の圧力でその還元温水ｂを強制循環手段（ポンプ、加熱手段並びに圧送路）を介して圧送して、隣設する温度伝達装置に強制循環するようになっている。

斯かる本実施の形態の温度伝達装置Ａは、熱伝達用容体２内に充満する還元温水ｂで真空容体１内の作動液ａを真空容体１外面全面から加熱する。
そのため、真空容体１に対する還元温水ｂの熱伝達面積が大幅に拡大されて効率的な熱交換が行なわれ、その上、外部雰囲気での熱吸収が還元温水ｂで行なわれて作動液ａに伝達させずにその還元温水ｂが作動液ａへの熱伝達を継続することができる。そのため、作動液ａを活発化させ速く沸騰させた上に真空容体１内を気液平衡状態にする。
従って、水、土壌、空気中等外部雰囲気に関わらず、所定温度まで速く昇温させて、熱交換効率を非常に高効率にする。
そして、還元温水ｂは、塩素の影響で酸化せず、錆の発生を阻止して、恒久的に高効率な熱交換効率を持続する。
その上、還元温水ｂが熱伝達用容体２内の空間を対流し、垂直状、斜め状、水平状等設置方向に関わらず、熱伝達用容体２全体を均一に加熱する。

尚、この実施の形態では前記温水とする例について説明したが、油を使用しても良いものである。その場合には、加熱源の温度を高温（１００℃以上）にできるため、暖房装置として特に有効なものとなる。

次に、図２に示すその温度伝達装置を利用した加熱装置を説明すると、この加熱装置Ｄは、平行する供給本管６、６の長さ方向に間隔をおいて平行状に複数本の前記温度伝達装置Ａ…を並列に接続し、その両供給本管６、６を強制循環手段（ポンプ、加熱手段並びに圧送路）Ｃに連結した構成になっている。
供給本管６において温度伝達装置Ａと対応する部分には、図示しないが、内面に雌螺子１５ａを有する接続短管１５を内部と連通して溶接すると共に、該接続短管１５に、中央部に操作部２５ａを一体に形成した中間プラグ２５一半部の雄螺子筒部２５ｂを螺嵌しており、図１と同様に一端側を袋ナット４５を介して中間プラグ２５他半部の雄螺子筒部２５ｃに接続した前記フレキシブル管３５の他端側を、袋ナット４５を介して連結することによって、温度伝達装置Ａが接続されている。

斯様な加熱装置Ｄは、平面的なエリアに使用する際の特に有効なものであり、袋ナット４５の接続及びその解除で組付け及び分解が行える。
そのため、各温度伝達装置Ａ…の保守管理が簡単である。

更に、図３は、平行する前記供給本管６、６間に架設する温度伝達装置Ａ…を横一列に複数体接続した加熱装置Ｄの実施の形態を示すものである。
この実施の形態は、平面的に広いエリアに使用する場合に好適であり、温度伝達装置Ａ、Ａ同士は、前記接続部５で接続されている。

次に図４に示す実施の形態を説明すると、この実施の形態は、温度伝達装置Ａ…を直列に接続して構成された加熱装置Ｄを示している。
この温度伝達装置Ａは、熱伝達用容体２を、両端を開放した筒状とし、フランジ付き短筒部７のその筒部１７を、熱伝達用容体２の両端の開放部内面に溶接し、フランジ２７、２７同士を、シール材４７を介して連結具３７であるボルト・ナットを介して連結して、熱伝達用容体２…を直列に接続している。
符号Ｃは、強制循環手段（ポンプ、加熱手段並びに圧送路）である。

図５は、内部に作動液ａを封入した真空容体１を中空な球体にしたものであり、半割体１１、１１の両端または一端に接着剤（図示せず）を塗布しておき、作動液ａが封入されるように真空吸引する時に両半割体１１、１１同士を貼着固定して真空容体１を形成するようになっている。
熱伝達用容体２は、真空容体１が球形で小形であるので、加熱対象、冷却対象である外部雰囲気に適した例えば図示するような湾曲形状等任意な形状に形成することができる。

尚、入口３と出口４を熱伝達用容体２の同一側に配して、隣設する温度伝達装置相互間において、出口と入口を接続するようにすれば、共通する片側のみに熱媒用液体の供給管類を集中させて熱媒用液体の強制循環が可能である、このようにしておくことによって、例えば土壌に垂直状、斜め状等任意方向を向けて埋設する際に供給管類を表面から露出させておいて、その供給管類に温度伝達装置自体の荷重や土壌等の影響を受けないようにすることができる。

また、各実施の形態において、投入される真空容体で熱伝達用容体内の出口、入口が閉塞されるのを防止するために、スペーサー的機能を有する突部を熱伝達用容体内に突設しても良いものであるし、熱伝達用容体内に投入される各真空容体を、熱伝達用容体内で移動不能に掛止する構成にしても良いものである。
特に第３の実施の形態の熱伝達用容体の両端が開放されているタイプのように真空容体が隣りの熱伝達用容体に移動する可能性がある場合には、真空容体を熱伝達用容体内で移動不能に掛止するのが好ましいものである。
更に、図示しないが、温度伝達装置を利用する冷却装置の場合には、前記強制循環手段における加熱手段が冷水装置に置換される構成となるだけであり、説明は省略する。

φ１０ｍｍ（内径８ｍｍ）のパイプ９をφ６０ｍｍ（内径５８ｍｍ）、全長を４０００ｍｍとする真空パイプ８に貫通状に挿通した従来の温度伝達装置（ヒートパイプ）Ａ１と、φ６０ｍｍ（内径５８ｍｍ）、全長を４０００ｍｍとし、入口３、出口４の最小径部である中間プラグ２５の内径を１８ｍｍとする熱伝達用容体２内にφ４０ｍｍ、全長を１５００ｍｍとする真空容体１を２体投入した本発明温度伝達装置Ａとの性能試験を行った。還元温水の温度は双方共に８０度である。

この表１は、空気中での温度伝達装置の温度上昇を示している。本発明の温度伝達装置Ａが温度伝達開始から８分程度で７０℃程度にまでその熱伝達用容体（周面）２が昇温されたものであるのに対して従来の温度伝達装置（ヒートパイプ）Ａ１では、１０分経過しても６０℃程度までしか真空パイプ（周面）８が昇温せず、それ以上加熱を継続しても６０℃程度以上までに昇温されず、熱交換効率が悪いことが立証された。これは本発明の温度伝達装置Ａにおける真空容体内が速く気液平衡状態になって、熱媒用液体の供給を継続して限りその状態を継続することがその要因である。

この表２、表３共、縦寸法３５２ｍｍ×横寸法１００２ｍｍ×高さ寸法１２３ｍｍの容体に約４３リットル貯水し、その貯水に本発明の温度伝達装置Ａ、従来の温度伝達装置（ヒートパイプ）Ａ１を浸し貯水の温度上昇を測定した。この温度伝達装置Ａ、Ａ１はともに実施例６で示す長さのものではなく短尺なものを使用し、水を貯水した容器に水平状に浸した。
これによると、本発明の温度伝達装置Ａを使用すると、３３分で６０．４℃まで昇温するのに対して、従来の温度伝達装置（ヒートパイプ）Ａ１では６０．２℃まで昇温するのに３６０分を要し、本発明温度伝達装置Ａが従来の温度伝達装置（ヒートパイプ）Ａ１に比べて１２倍程度をも熱交換効率が高効率であることが立証される。

また、本発明の温度伝達装置、従来の温度伝達装置（ヒートパイプ）において、埋設される土壌中の有害なバクテリア菌が死滅する６０℃程度まで加熱するに要する時間を各々測定した処、本発明の温度伝達装置では５時間、従来の温度伝達装置（ヒートパイプ）では丸２日を要する実験結果も得ている。
従って、本発明の温度伝達装置は、空気中、水中、土壌中どの外部雰囲気でも優れた熱交換効率を発揮し、特に水中、土壌中での熱交換効率が高効率であることが理解されるものである。

また、本発明の温度伝達装置は、蒸し器や湯沸し器の熱源として有効利用することもできる。火を使用しないため火事の危険性もない。

本発明温度伝達装置の実施の形態を示す正面断面図で、隣設する温度伝達装置または供給本管に接続している使用状態を示す。 その温度伝達装置を利用した加熱装置の第１の実施の形態の概略を示す平面図で、一部省略して示す。 同第２の実施の形態の概略を示す平面図で部分的に示す。 同第３の実施の形態の概略を示す正面図。 同第４の実施の形態の概略を示す平面図で部分的に示す。 従来の温度伝達装置の正面断面図。

符号の説明

Ａ：温度伝達装置 ２：熱伝達用容体
１：真空容体 ｂ：熱媒用液体
ａ：作動液 ５：接続部
１１：半割体 １５：接続短管
３５：フレキシブル管 ２７：フランジ
３７：連結具 Ｄ：加熱装置

Claims (6)

1. 熱媒用液体を流通させる熱伝達用容体内に作動液を封入した真空容体を１〜複数体投入し、該熱伝達用容体内を前記熱媒用液体で充満させて前記真空容体外面を熱媒用液体に接触させてその真空容体外面に接触する熱媒用液体を作動液への熱源及び作動液の保温源として使用して、熱媒用液体流通時の真空容体内を気液平衡にすることを特徴とする温度伝達装置。
2. 前記真空容体が内部に作動液を封入した内部中空な球体であり、複数個前記熱伝達用容体内に投入されていることを特徴とする請求項１記載の温度伝達装置。
3. 前記真空容体は、半割体の両端または一端に接着剤を塗布しておき、真空吸引する時に両半割体同士が貼着固定されることを特徴とする請求項２記載の温度伝達装置。
4. 前記請求項１〜３いずれか１項記載の温度伝達装置の熱伝達用容体必要体を、熱媒用液体を並列または直列に接続していることを特徴とする温度伝達装置を利用した加熱装置または冷却装置。
5. 前記熱伝達用容体相互間の接続部が、双方に設けられた内部と連通する接続短管と、その接続短管に解除可能に螺装されるフレキシブル管とを備えていることを特徴とする請求項４記載の温度伝達装置を利用した加熱装置または冷却装置。
6. 前記熱伝達用容体相互間の接続部が、両端を開放した熱伝達用容体のその開放部に固定されるフランジと、そのフランジ同士を連結する連結具とを備えていることを特徴とする請求項４記載の温度伝達装置を利用した加熱装置または冷却装置。

Images