JP2007017079A - 放熱管及び空調システム - Google Patents

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Abstract

【課題】 伝熱効率を向上させつつ温度分布の不均一性を軽減した放熱管、及びこの放熱管を用いた空調システムを提供すること。
【解決手段】 熱媒体M1を流出する複数の噴流孔12hを有する内流路12と、内流路12を内部に有する外流路13とを備え、噴流孔12hから流出する熱媒体M1が噴流として外流路13に衝突するように構成されている放熱管11とすると、よどみ点近傍の伝熱量が増大して放熱量を増大させることができると共に、複数の噴流孔の各噴流孔から流出される熱媒体の温度の不均一性が軽減される。この放熱管11を利用して輻射冷暖房を行う空調システムを構築する。
【選択図】 図1

Description

本発明は放熱管及び空調システムに関し、特に衝突噴流により熱伝達効率を向上させた放熱管及びこの放熱管から放出される熱を用いて被空調室の冷暖房を行う空調システムに関するものである。
近年、省エネルギーと快適性とを両立する空調方式として、輻射空調システムが注目されている。輻射空調システムは、天井面や床面等に設置された輻射パネルを冷やし(暖め)、輻射パネルからの輻射熱により被空調室の温度を調整するシステムである。輻射パネルを冷やす(暖める)には、輻射パネルの近傍に長尺のパイプを多数の箇所で屈曲して配置し、このパイプに冷(温)水を流すことにより行われている。ところが、長尺のパイプに水を流すのでパイプの始点と終点とで温度差がついてしまい、場所によって輻射熱量が相違することとなり被空調室の温度分布に不均一が生じてしまっていた。
被空調室の温度分布の均一性を向上させる輻射空調システムの一例として、スラブと床パネルとの間に冷(温)水を通水する冷(温)水パイプと冷(温)風を流す通気空間とを設け、冷(温)水及び冷(温)風により床パネルを冷却(加熱)してパネルからの輻射熱により被空調室の冷房(暖房)を行う空調システムが知られている(例えば特許文献1参照)。
特開平6−265180号公報(図6等)
しかしながら、上述の空調システムでは、水と空気の搬送に相当の搬送動力を要することとなる。さらなる省エネルギーの実施が叫ばれている昨今においては、被空調室の温度分布の均一性を維持しつつ投入するエネルギーを削減することができれば、快適性を向上させた上で、より地球環境保護に資することとなる。
本発明は上述の課題に鑑み、伝熱効率を向上させつつ温度分布の不均一性を軽減した放熱管、及びこの放熱管を用いて被空調室の温度分布の不均一性を軽減し省エネルギー性を向上させた空調システムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明に係る放熱管は、例えば図1に示すように、熱媒体M1を流し、熱媒体M1を流出する複数の噴流孔12hを有する内流路12と;内流路12を内部に有し、噴流孔12hから流出した熱媒体M1を流す外流路13とを備え;噴流孔12hから流出する熱媒体M1が噴流として外流路13に衝突するように構成されている。
このように構成すると、噴流孔から流出する熱媒体が噴流として外流路に衝突するので、よどみ点近傍の伝熱量が増大して放熱量を増大させることができると共に、複数の噴流孔の各噴流孔から流出される熱媒体の温度の不均一性が軽減される。ここで「放熱」は、温熱を放熱する場合のみならず冷熱を放熱する場合も含む。すなわち「放熱」は、温度を調節する対象(例えば被空調室)となる環境の温度を変化させるために、その対象となる環境に熱を投入することを意味し、典型的には、対象となる環境を冷やしたい場合は対象となる環境の熱を奪うような冷熱を放熱し、逆に暖めたい場合は対象となる環境に熱を与えるように温熱を放熱する。厳密にいえば、対象となる環境を冷やしたい場合は対象となる環境から熱を奪うのであるが、これを「冷熱を放熱する」と表現することとする。
また、請求項2に記載の発明に係る放熱管は、例えば図1に示すように、請求項1に記載の放熱管11において、内流路12及び外流路13が断面円筒形のパイプで形成され;噴流孔12hから噴流が衝突する外流路13までの距離Hの、噴流孔12hの直径Dに対する比が1.9以上、9.6以下に構成されている。
このように構成すると、内流路及び前記外流路が断面円筒形のパイプで形成されているので、汎用品を利用して放熱管を製作することが可能となり、また、噴流孔から噴流が衝突する外流路までの距離の、噴流孔の直径に対する比が1.9以上、9.6以下なので、熱伝達率が高くなる。
また、請求項3に記載の発明に係る放熱管は、例えば図1に示すように、請求項1又は請求項2に記載の放熱管11において、内流路12に一端が閉塞された閉塞端12eが形成され;熱媒体M1が、閉塞端12eに向かって内流路12内を流れ、内流路12内の流れ方向とは逆向きに外流路13内を流れるように構成されている。
このように構成すると、内流路に閉塞端が形成されているので確実に熱媒体を噴流孔から噴出させることができ、また、熱媒体が内流路内の流れ方向と逆向きに外流路内を流れるので放熱管内での熱媒体の滞留を防ぐことができる。
上記目的を達成するために、請求項4に記載の発明に係る空調システムは、例えば図2に示すように、請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の放熱管11と;内流路12に送る熱媒体M1の温度を調節する温調機器21とを備え;放熱管11が、被空調室Rを区画する仕切部材51に熱媒体M1の熱を伝えるように配設されている。
このように構成すると、被空調室を区画する仕切部材に熱媒体の熱を伝えるように放熱管が配設されているので、放熱管から放出された熱が仕切部材に伝達され、仕切部材からの輻射熱で被空調室を空調することができる。
また、請求項5に記載の発明に係る空調システムは、例えば図3及び図4に示すように、請求項4に記載の空調システム2において、空気M2を流し、空気M2を流出する複数の流出孔42hを有する内通路42と;内通路42を内部に有し、流出孔42hから流出した空気M2を流す外通路43と;外通路43を流れる空気M2を導入する熱媒チャンバ32と、熱媒チャンバ32に導入された空気M2を、被空調室Rを区画する仕切部材51の表面に沿って噴出する噴流ノズル33とを有する噴出器具31とを備え;噴出器具31から噴出された空気M2の熱が仕切部材51を介して被空調室R内の温度を調節するように構成されている。
このように構成すると、被空調室を区画する仕切部材の表面に沿って空気を噴出するので、空気の速度の減衰が小さくなり空気の到達距離が大きくなって仕切部材への伝熱量が増大し、仕切部材からの輻射熱が増大する。
また、請求項6に記載の発明に係る空調システムは、例えば図4に示すように、請求項5に記載の空調システム4において、放熱管11がコンクリート52に埋設されて構成され;温調機器21から導出された熱媒体M1が被空調室Rの熱負荷処理に必要な熱量以上の熱量を有するときに熱媒体M1が保有する熱を放熱管11を介してコンクリート52に蓄熱し、被空調室Rの熱負荷があるときに外流路13を流れる熱媒体M1を内通路42に導いてコンクリート52に蓄熱した熱を放熱するように熱媒体M1の流れを制御する制御装置60を備える。ここで「熱量」は、温熱量のみならず冷熱量も含む概念である。
このように構成すると、被空調室の熱負荷の変動にかかわらず温調機器を安定的に運転することができ、空調システムの効率が向上して省エネルギーに資することとなる。特に、蓄熱運転を夜間に発電される電力を用いて行うこととすると、発電所の電力負荷の平準化に貢献できると共に、空調システムのランニングコストの低減となる。
上記目的を達成するために、請求項7に記載の発明に係る空調システムは、例えば図3に示すように、空気M2を流し、空気M2を流出する複数の流出孔42hを有する内通路42と;内通路42を内部に有し、流出孔42hから流出した空気M2を流す外通路43と;内通路42に送る空気M2の温度を調節する温調機器21と;外通路43を流れる空気M2を導入する熱媒チャンバ32と、熱媒チャンバ32に導入された空気M2を、被空調室Rを区画する仕切部材51の表面に沿って噴出する噴流ノズル33とを有する噴出器具31とを備え;噴出器具31から噴出された空気M2の熱が仕切部材51を介して被空調室R内の温度を調節するように構成されている。
このように構成すると、被空調室を区画する仕切部材の表面に沿って空気を噴出するので、空気の速度の減衰が小さくなり空気の到達距離が大きくなって仕切部材への伝熱量が増大する。
また、請求項8に記載の発明に係る空調システムは、例えば図3及び図4に示すように、請求項5乃至請求項7のいずれか1項に記載の空調システム3、4において、噴出器具31が、複数の噴流ノズル33が熱媒チャンバ32に仕切部材51の表面と平行な面上で放射状に配置されて構成されている。
このように構成すると、複数の噴流ノズルが熱媒チャンバに、仕切部材の表面と平行な面上で放射状に配置されているので、空気が仕切部材に接触する面積が増大して、仕切部材への伝熱面積が増大する。特に、噴出された空気同士が重なり合う部分が生じる場合は、重なった部分の速度が大きくなり空気の到達距離が大きくなって仕切部材への伝熱量が増大する。
本発明に係る放熱管によれば、噴流孔から流出する熱媒体が噴流として外流路に衝突するので、よどみ点近傍の伝熱量が増大して放熱量を増大させることができると共に、複数の噴流孔の各噴流孔から流出される熱媒体の温度の不均一性が軽減される。また、本発明に係る空調システムによれば、被空調室を区画する仕切部材に熱媒体の熱を伝えるように放熱管が配設されているので、放熱管から放出された熱が仕切部材に伝達され、仕切部材からの輻射熱で被空調室を空調することができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、互いに同一又は相当する部分には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。
―第1の実施の形態―
まず図1を参照して本発明の第1の実施の形態に係る放熱管11の構成について説明する。図1は、放熱管の構成を示す図であり、(a)は部分斜視図、(b)は長さ方向に平行に切断した断面図、(c)は長さ方向に垂直に切断した断面図、(d)はスペーサを示す詳細図である。放熱管11は、内流路としての内管12と、外流路としての外管13と、スペーサ14とを備えている。
内管12は、断面円筒形の長尺パイプであり、一端が閉塞されて閉塞端12eが形成され、側面には熱媒体M1を外管13の壁面に向かって噴出する複数の噴流孔12hが形成されている。閉塞端12eは、キャップが熱融着されることにより形成される。複数の噴流孔12hは、内管12の長さ方向に所定の間隔をもって形成されている。また、複数の噴流孔12hは、長さ方向に対して垂直に切断した断面の円筒の中心12cを対称中心として(図1(c)参照)、内管12の長さ方向に交互に現れる(いわゆる千鳥状)ように形成されている。噴流孔12hは、典型的には円孔であり、その大きさは、噴流孔12hから外管13の衝突壁面までの距離Hや内管12内の圧力を考慮して決定されるが、噴流孔12hから噴出される熱媒体M1が噴流となるような大きさであればよい。外管13の衝突壁面までの距離Hの、噴流孔12hの直径Dに対する比H/Dは、1.9〜9.6、好ましくは3.8〜7.7とするとよい。ここで「噴流」とは、典型的には、外管13の壁面に沿って存在していた対流の小さい境界層(境膜)を破壊することができるような流れである。内管12は、典型的には高密度架橋ポリエチレン管であるが、この他架橋ポリエチレン管、架橋ポリブデン管等の可とう性が大きいパイプ、あるいは硬質塩化ビニル管、銅管、ステンレス管等の可とう性が小さいパイプであってもよい。
外管13は、内管12を内部に収容する、内径が内管12の外径よりも大きい断面円筒形の長尺パイプであり、閉塞端12eと同じ側の端部が閉塞されて閉塞端13eが形成されている。閉塞端13eは、キャップが熱融着されることにより形成される。外管13は、内管12と同様に、典型的には高密度架橋ポリエチレン管であるが、この他架橋ポリエチレン管、架橋ポリブデン管等の可とう性が大きいパイプ、あるいは硬質塩化ビニル管、銅管、ステンレス管、等の可とう性が小さいパイプであってもよい。
内管12は、スペーサ14を用いて外管13に対してほぼ同軸に配置されている。スペーサ14は、外管13の内径と同様の曲率を有する押さえ部14aと、内管12の外径と同様の曲率を有し内管12の円周長さの半分よりも長く形成された、内管12を把持する把持部14bと、押さえ部14aと把持部14bとをつなぐ連結部14cとから構成されている。なお、把持部14bの長さは、内管12の円周長さの半分より長くすると内管12から離れにくくなって内管12を外管13に挿入しやすくなり好ましいが、内管12の円周長さの半分以下であってもよい。すなわち、スペーサ14は、内管12の外周と外管13の内周との間に所定の距離を保つことができればよい。このような観点から見れば、スペーサ14は上記の構成に限定されず、例えばプラスチック製結束バンド等をスペーサとして用いてもよい。スペーサ14は、典型的にはポリエチレン製であるが、例えば内管12とのズレを防ぐために内管12との接触面を硬質ゴムとしてもよい。スペーサ14は、内管12に対して、噴流孔12hを塞がない位置に取り付けられ、中心12cを対称中心として内管12の長さ方向に交互に取り付けられることが好ましい。
スペーサ14が取り付けられた内管12が、外管13に挿入されて放熱管11が形成される。スペーサ14は、内管12が外管13に対してほぼ同軸を保つことができるような数が用いられる。内管12は、閉塞端12eが外管13の閉塞端13eに近接するが接触しないように、外管13に挿入される。放熱管11は、内管12の内部を閉塞端12eに向かって熱媒体M1を流し、閉塞端12eに至る途中に形成された複数の噴流孔12hから熱媒体M1を噴出し、噴出した熱媒体M1を外管13の内壁に衝突させた後、外管13の内部を内管12内の流れ方向とは逆向きに流すように構成されている。噴出した熱媒体M1が外管13の内壁に衝突した点がよどみ点となり、よどみ点近傍(よどみ領域)では高い伝熱特性を有することとなる。熱媒体M1は、典型的には空気であるが、水やその他の媒体であってもよい。
―第2の実施の形態―
次に図2を参照して本発明の第2の実施の形態に係る空調システムの構成を説明する。図2は空調システム2の概略系統図である。(a)は熱媒体M1を空気とした場合の、空気M1を被空調室Rの近傍で循環させる空調システムの概略系統図、(b)は放熱管11の敷設状態を示す平面図、(c)は(a)の変形例の空調システムの相違部分の構成を示す系統図である。空調システム2は、放熱管11と、温調機器としての熱交換器21と、エアコンプレッサ22と、レシーバタンク23とを備えている。
図2(a)を参照して、熱媒体M1を空気とした場合の、空気M1を被空調室Rの近傍で循環させる空調システム2の構成を説明する。
放熱管11は、既に説明した本発明の第1の実施の形態に係る放熱管が用いられる。放熱管11の管径(外管13の管径)は、シンダーコンクリート層52の厚さを考慮して決定される。本実施の形態では、外管13として呼び径16Aの高密度架橋ポリエチレン管を、内管12として呼び径6Aの高密度架橋ポリエチレン管を利用して放熱管11が形成されている。また、内管12には、長さ方向に300mmの間隔で、直径0.5〜1.0mmの噴流孔12hが、上下千鳥状に形成されている。このとき、放熱管11の衝突距離Hと噴流孔12hの直径Dとの比H/Dは、およそ3.85〜7.7となっている。また、長さ方向に600mmの間隔でスペーサ14を設け、内管12と外管13とがほぼ同軸になるように形成している。
熱交換器21は、空気M1の温度を調節するための機器である。熱交換器21は、典型的にはフィンチューブ熱交換器であり、空気M1を流す空気流路と、空気流路の内部に配設されて空気M1と熱交換する冷温水Nを流すフィン付チューブを有している。フィン付チューブのフィンは、空気流路内を流れる空気の動圧により破損しない程度の強度を有している。熱交換器21のフィン付チューブは、冷温水発生器等の熱源機器(不図示)で生成された冷水又は温水を流す冷温水管81と接続されている。他方、熱交換器21の空気流路のうち、空気M1を流出する空気流出口と放熱管11の内管12とが配管82を介して接続されており、空気M1を流入する空気流入口とエアコンプレッサ22とが配管83を介して接続されている。なお、空気M1と熱交換を行う媒体を、冷温水Nの代わりに冷媒ガス等にしてもよい。
エアコンプレッサ22は、放熱管11の内流路12を流れる空気M1を圧縮するための機器である。エアコンプレッサ22は、配管84を介してレシーバタンク23と接続されており、レシーバタンク23から空気を吸入して加圧することができるように構成されている。また、内流路12を流れる空気M1は、エアコンプレッサ22によって、噴流孔12hから流出する際に噴流となるように加圧される。上述のように、エアコンプレッサ22は、配管83を介して熱交換器21の空気流入口と接続されている。
レシーバタンク23は、系内の圧力を所定の圧力に保ち、エアコンプレッサ22での吸引圧力の上昇を抑制して、エアコンプレッサ22から吐出される空気M1の温度の上昇を抑制するための機器である。レシーバタンク23は、余剰空気を大気へ開放する大気開放管23aを有している。また、レシーバタンク23は、圧縮空気の脈動を緩和し、使用する空気量の変動を吸収することができるように構成されている。レシーバタンク23は、配管84を介してエアコンプレッサ22と接続されており、また、配管85を介して放熱管11の外管13と接続されている。
放熱管11は、シンダーコンクリート層52に埋設されている。シンダーコンクリート層52は、コンクリートスラブ54の上に敷かれた押出法ポリスチレンフォーム保温板等の断熱材53の上にシンダーコンクリートが打設されて形成されている。シンダーコンクリート層52の上には、被空調室Rの仕上げ床となる、仕切部材としての床材51が敷設されている。床材51には、フローリング、タイルカーペット、ビニールシート等が用いられる。シンダーコンクリート層52に埋設される放熱管11は、50m、30m、25m等の長尺のものが用いられる。シンダーコンクリート層52に埋設される長尺の放熱管11は、図2(b)に示すように、被空調室Rの端毎にU字状に折り返され、放熱管11の間隔が約200〜300mmとなるように並べられて敷設されている。これにより、伝熱面積を増加させている。なお、放熱管11は二重管の構造を有しており、長尺のパイプの一端で空気M1の出入りがなされるので、材料を無駄にすることなく使用することができる。すなわち、熱媒体を一端から導入して他端から導出するような放熱管では、両端部をヘッダー等に接続するために適切な箇所で切断して長さを調節する必要があるが、二重管構造の放熱管11は閉塞端13e側をどこかに接続する必要がないので、定尺の長さのまま敷設することができる。端材が出ないということは、材料を有効に利用できるのみならず、端材の処理コストを削減でき、さらに廃棄物の減少により地球環境保護にも資することとなる。
上記のような構成を有する空調システム2は、以下のように運転される。エアコンプレッサ22で圧縮された空気M1は、熱交換器21に流入して熱源機器(不図示)から送水される冷水又は温水との間で熱交換を行い所定の温度に調整される。所定の温度は、システムとして被空調室Rを設定温度にするために必要な温度である。なお、外気冷房が可能な場合は、エアコンプレッサ22から外気を導入して熱媒体の空気とし、熱交換器21での熱交換を行わなくてもよい。所定の温度に調整された空気M1は、放熱管11の内管12に流入し、閉塞端12eに向かって内管12の内部を流れる。内管12の内部を流れる空気M1は、閉塞端12eに至る途中で複数の噴流孔12hから外管13の内壁に向かって流出する。
噴流孔12hから流出する空気M1は、エアコンプレッサ22によって加圧されたことにより、噴流となって流出する。この噴流の空気M1は、圧力が0.02〜0.2MPa(圧力はゲージ圧、以下同じ。)、好ましくは0.05〜0.1MPaとなるように加圧されているとよい。噴流となった空気M1は、外管13の内壁に衝突し、外管13の内壁に沿って放射状に拡散し対流する。空気M1の衝突噴流により、外管13の内壁に空気が滞留することにより形成される境界層を生じさせず、また、境界層が生じていた場合はこれを破壊する。境界層の破壊により空気M1から外管13への伝熱量が増加し、外管13からシンダーコンクリート層52へ多くの熱が伝達される。したがって、水に比べて熱容量が小さい空気であっても被空調室Rの室温の調節を行うのに十分な熱をシンダーコンクリート層52に伝えることができる。また、各噴流孔12hから噴流として流出する空気M1は、内管12内を閉塞端12eに向かって流れる空気M1の流速が速いため、閉塞端12eに近くなってもほとんど温度変動がなく、放熱管11の全体からほとんど同様の熱量が放熱され、場所による温度ムラがほとんどなく、被空調室R内の温度分布を均一にできる。
外管13の内壁に衝突し、外管13の内壁に沿って放射状に拡散した空気M1は、噴流孔12hが形成された位置から放熱管11の断面円周方向に約90度ずれた位置の還流空間15(図1(c)参照)に向かって流れ、還流空間15を内管12内の流れ方向とは逆方向(閉塞端13eから離れる方向)に流れる。還流空間15を流れる空気M1は、配管85を経由してレシーバタンク23に流入する。レシーバタンク23に流入した空気M1は、大気開放管23aから余剰空気が大気に向けて排出され、ほぼ大気圧まで降圧する。ほぼ大気圧となった空気M1は、配管84を経由してエアコンプレッサ22に流入して加圧され、熱交換器21に向けて導出されて、以後同様のサイクルを繰り返す。
ところで、放熱管11からシンダーコンクリート層52に伝わった熱は、さらに床材51へと伝熱し、床材51から被空調室Rへ冷熱(冷房時)又は温熱(暖房時)が輻射される。被空調室R内は、床材51からの輻射熱により設定温度に調節される。また、被空調室R内を設定温度に維持するために、制御装置(不図示)によりフィードバック制御あるいはフィードフォワード制御が行われ、熱交換器21での交換熱量が調節されて放熱管11からの放熱量が調節される。
なお、以上では、熱媒体M1が空気であるとして説明したが、熱媒体M1を水としてもよい。熱媒体M1を水とした場合はエアコンプレッサ22及びレシーバタンク23が不要となる。しかしながら、熱媒体M1を水とした場合はポンプが必要になると共に、噴流とするために必要な圧力、及び圧力上昇に伴う圧力損失の増加により、熱媒体M1の搬送動力が大きくなるので、熱媒体M1は空気であることが好ましい。さらに熱媒体M1を空気とすると、漏水の危険性がなくなると共に、熱媒体M1の重量が小さくなってコンクリートスラブ等の構造体に加わる荷重が小さくなるという利点がある。
また、以上では、放熱管11がシンダーコンクリート層52に埋設されるとして説明したが、シンダーコンクリートを打設せずに、断熱材53あるいはコンクリートスラブ54上に放熱管を配設してもよい。この場合、放熱管11から放出された冷熱又は温熱は、輻射により床材51に伝わった後に被空調室Rに輻射される。さらに、放熱管11の配設場所は、床下に限らず、被空調室Rに対して、仕切部材としての天井材を隔てた天井裏や、同じく仕切部材としての壁材を隔てた壁中であってもよく、これらのうちの複数の箇所であってもよい。。いずれの場合も、漏水防止や軽量化の観点から、熱媒体M1は空気であることが好ましい。
また、以上では、熱媒体M1を被空調室Rの近傍で循環させる空調システムとしたが、熱媒体M1を中央機械室(不図示)等から供給される空調システムとしてもよい。
図2(c)は、空調システム2の変形例2’を示す系統図のうち、空調システム2との相違部分を示している。すなわち、放熱管11の部分は空調システム2と同様であるので省略しており、熱媒体M1の供給源や温調機器21廻りを示している。変形例2’は、中央から供給される熱媒体M1を流す配管88が熱交換器21に接続されており、熱交換器21よりも上流側の配管88に予熱熱交換器24が配設されている。予熱熱交換器24は、同時に、放熱管11の外管13に接続された配管89にも配設されている。予熱熱交換器24は、外管13から流出した熱媒体M1と熱交換器21に流入する熱媒体M1との間で熱交換を行わせる機器である。熱媒体M1は、熱交換器21に流入する前に予熱熱交換器24で予冷又は予熱されることにより、消費エネルギーの削減を図っている。外管13から流出して予熱熱交換器24で熱交換した熱媒体M1は、系外に放出される。変形例2’に示す空調システムとすると、エアコンプレッサ等の機器の設置スペースを確保しやすくなると共に、騒音源となる機器を被空調室Rから離して設置することができる。
―第3の実施の形態―
次に図3を参照して、本発明の第3の実施の形態に係る空調システム3について説明する。空調システム3は、均圧管41と、温調機器としての熱交換器21と、エアコンプレッサ22と、噴出器具31とを備えている。均圧管41及び噴出器具31は、コンクリートスラブ54の上に敷かれた断熱材53と、仕切部材としての床材51との間に形成された床下空間55に配設されている。均圧管11は、断熱材53の上に設置されており、噴出器具31は頂部が床材に押し付けられるように設けられている。熱交換器21及びエアコンプレッサ22は、空調システム2と同様に被空調室Rの近傍に設置してもよく、空調システム2’と同様に被空調室Rから離れた中央機械室等に設置してもよい。
熱交換器21と、エアコンプレッサ22とは空調システム2で用いたものと同じである。また、均圧管41は、放熱管11とほぼ同様の構成を有する二重管である。すなわち、均圧管41は、内管12に相当する内通路としての内管42と、外管13に相当する外通路としての外管43とを有し、内管42は、スペーサ14(図1(d)参照)を用いて外管43に対してほぼ同軸に設置されている。また、内管42には、噴流孔12hに相当する流出孔42hが同様に複数形成され、端部には閉塞端42eが形成されている。外管43は、内管42の閉塞端42e側の端部に閉塞端43eが形成されている。そして、外管43は、閉塞端43eとは逆側の端部に内管42を通す開口が形成された蓋43fが設けられていること、及び、各流出孔42h同士の間に、噴出器具31の接続管34と接続するための接続口44が形成されていることが、放熱管11とは異なっている。本実施の形態では、均圧管41に、長さ方向に約1000mmの間隔で、設置したときに上部となる位置に接続口44が形成されている。均圧管41は、内管42内を閉塞端42eに向かって空気M2を流し、空気M2を閉塞端42eに至る途中で各流出孔から衝突噴流として外管43に向けて流出し、各流出孔42hから流出した空気M2を内管42とは逆向きに外管43内を流し、外管を流れる途中で各接続口から空気M2を流出するように構成されている。
噴出器具31は、空気M2を床下空間55内で床材51に沿って噴出する器具である。噴出器具31は、熱媒チャンバ32と、複数の噴流ノズル33と、接続管34とを備えている。熱媒チャンバ32は、均圧管41から空気M2を導出し、複数の噴流ノズル33に空気M2を分配するように構成されている。熱媒チャンバ32には、接続管34と接続される導入口32aが形成されている。熱媒チャンバ32は、典型的には、導入口32aを頂部とする円錐形状に、底面部分に噴流ノズル33の直径よりもやや長い高さを有する円筒形状が連接した形状となっている。円筒形状の端部には、床材51と接触する面32fが形成されている。
熱媒チャンバ32の円筒形状の側面に、複数の噴流ノズル33が放射状に取り付けられている。噴流ノズル33の数は、円筒形状端部の大きさや噴流ノズル33の径、熱媒チャンバ32内の圧力等によって異なるが、例えば円筒形状端部の直径が50mmの場合は、8個以上、好ましくは12個程度設けるとよい。このようにすると、隣り合う噴流ノズル33から噴出された空気M2が重なり合う部分が生じ、重なり合う部分の気流の速度が増加して到達距離が延びて床材51に伝わる熱量が増加する。
熱媒チャンバ32は、床下空間55に設置されるときは、円筒形状の面32fが床材51に接触し、導入口32aが下方となるように設置される。なお、熱媒チャンバ32は、円錐形状を主としたものの他、全体的に円筒形状にしたものや、四角柱状、三角柱状等であってもよい。しかしながら、円錐形状を基本形状とすると、導入口32aから各噴流ノズル33への空気M2の流れが乱れることが少なく、また複数の噴流ノズル33に対してほぼ均等に空気M2を分配することができる。また、熱媒チャンバ32は、典型的には亜鉛鉄板で製作されているが、他に銅板や合成樹脂等で製作されていてもよい。熱媒チャンバ32は、熱媒チャンバ32の内圧に耐えうる材料及び制作方法で製作されているとよい。
均圧管41の各接続口44と噴出器具31の導入口32aとは、接続管34で接続されている。噴出器具31は、均圧管41の接続口44の数と同数が設置されている。接続管34は、典型的には可とう性が大きい合成樹脂で形成されている。また、接続管34は、支持ブロック35に形成された貫通孔35h及び押圧ばね36に挿通された上で噴出器具31及び導入口32aに接続されている。押圧ばね36は、噴出器具31と支持ブロック35との間に配設されている。支持ブロック35は、典型的には四角柱状の非弾性部材で形成されている。貫通孔35hは、支持ブロック35に対し、支持ブロック35を床下空間35に設置したときに、一つの側面と上面とを貫通するように形成されている。支持ブロック35は、四角柱以外の円柱状や円錐形状等であってもよい。噴出器具31は、その円筒形状の面32fが押圧ばね36により床材51に押し付けられて、床下空間55に配設されるように構成されている。なお、床材51に金属部分が含まれている場合は、押圧ばね36に代えて噴出器具31の円筒形状の面32fに磁石を設け、磁石によりこの円筒形状の面32fを床材51に接触させるようにしてもよい。
均圧管41の内管42は、熱交換器21と配管82を介して接続されている。熱交換器21は、エアコンプレッサ22と配管83を介して接続されている。エアコンプレッサ22は、床下空間55に空気吸込口86aを有する配管86と接続されている。
上記のような構成を有する空調システム3は、以下のように運転される。エアコンプレッサ22で圧縮された空気M2は、熱交換器21に流入して熱源機器(不図示)から送水される冷水又は温水との間で熱交換を行い所定の温度に調整される。所定の温度は、システムとして被空調室Rを設定温度にするために必要な温度である。所定の温度に調整された空気M2は、均圧管41の内管42に流入し、閉塞端42eに向かって内管42の内部を流れる。内管42の内部を流れる空気M2は、閉塞端42eに至る途中で複数の流出孔42hから外管43の内壁に向かって流出する。
流出孔から流出する空気M2は、エアコンプレッサ22によって加圧されたことにより、噴流となって流出する。噴流となった空気M2は、外管43の内壁に衝突し、外管43の内壁に沿って放射状に拡散し対流する。空気M2の衝突噴流により、二重管構造で形成された均圧管41は、全体的にほぼ等しい圧力となる。また、空気M2の噴流により、外管43の内壁に境界層を生じさせず、また、境界層が生じていた場合はこれを破壊する。境界層の破壊により空気M2から外管43への伝熱量が増加し、外管43から輻射された熱が床材51に伝達される。なお、各流出孔42hから噴流として流出する空気M2は、内管42内を閉塞端42eに向かって流れる空気M2の流速が速いため閉塞端42eに近くなってもほとんど温度変動がない。
外管43の内壁に衝突し、外管43の内壁に沿って放射状に拡散した空気M2は、接続口44から接続管34を経由して熱媒チャンバ32に流入し、噴流ノズル33から床下空間55に噴き出される。噴き出された空気M2は、床材51の面に吸い寄せられて付着し、床材51の面に沿うように流れる(コアンダ効果)。そして、床材51の面が存在することから空気M2は片側にのみ拡散するので、自由噴流に比べて速度の減衰が小さく、到達距離が大きくなる。さらに噴流ノズル33から噴き出された空気M2は、隣り合う噴流ノズル33から噴き出された空気M2同士が重なり合う部分が生じ、重なり合う部分の気流の速度が増加して到達距離が大きくなる。このような空気M2の流れ速度の増加により床材51の面の対流が促進され、空気M2が保有していた冷熱又は温熱が床材51に効率よく伝熱する。さらに、均圧管41からの輻射熱も床材51に伝わる。床材51に伝わった熱は、床材51から被空調室Rへ冷熱(冷房時)又は温熱(暖房時)として輻射される。被空調室R内は、床材51からの輻射熱により設定温度に調節される。また、被空調室R内を設定温度に維持するために、制御装置(不図示)によりフィードバック制御あるいはフィードフォワード制御が行われ、熱交換器21での交換熱量が調節されて空気M2の温度が調節される。
噴流ノズル33から噴き出されて床材51の面に沿って流れた空気M2は、その後床材51の面から離れて床下空間55内を配管86の空気吸込口86aに向かって流れ、空気吸込口86aに流入する。空気吸込口86aに流入した空気M2は、配管86を通ってエアコンプレッサ22に導かれて圧縮され、熱交換器21に向けて導出されて、以後同様のサイクルを繰り返す。なお、床材51の面から離れて床下空間55内を流れる空気M2を空気吸込口86aに流入させずに被空調室Rに吹き出して、輻射冷暖房に加重して対流成分により被空調室Rの空調を行い、その後エアコンプレッサ22に導くようにしてもよい。
以上では、均圧管41が床下空間55に設けられるとして説明したが、床下に限らず、被空調室Rに対して、仕切部材としての天井材を隔てた天井裏や、同じく仕切部材としての壁材を隔てた壁中であってもよく、これらのうちの複数の箇所に設けられていてもよい。
―第4の実施の形態―
次に図4を参照して、本発明の第4の実施の形態に係る空調システム4について説明する。なお、図4中、破線は制御信号を表す。空調システム4は、放熱管11と、噴出器具31と、均圧管41と、温調機器としての熱交換器21と、エアコンプレッサ22と、レシーバタンク23と、制御装置60とを備えている。放熱管11及びレシーバタンク23は空調システム2で用いたものと同様であり、噴出器具31及び均圧管41は空調システム3で用いたものと同様であり、熱交換器21及びエアコンプレッサ22は空調システム2及び空調システム3で用いたものと同様である。放熱管11及び均圧管41が配置される周囲の構成は、コンクリートスラブ54の上にシンダーコンクリート層52が打設され、その上に断熱材53が敷かれ、床下空間55を挟んで仕切部材としての床材51が設けられており、空調システム2及び空調システム3の構成とは異なっている。放熱管11はシンダーコンクリート層52に埋設されており、均圧管41は床下空間55に配設されている。
各部材11、31、41、及び各機器21〜23の接続関係で、空調システム2及び空調システム3と異なる部分は以下の通りである。均圧管41の内管42は、配管82から分岐した配管92、及び配管85に合流する配管93と接続されている。配管92には制御弁62が、配管93には制御弁63がそれぞれ配設されている。制御弁62及び制御弁63は、制御装置60と信号ケーブルで接続されており、制御装置60からの開閉信号を受信して開閉動作ができるように構成されている。また、配管85の、配管93との合流部よりも下流側に制御弁61が配設されており、制御弁61は、制御装置60からの開閉信号を受信して開閉動作ができるように構成されている。また、配管86は、配管84に接続されている。配管86には制御弁64が配設されており、制御弁64は制御装置60からの開閉信号を受信して開閉動作ができるように構成されている。
制御装置60は、熱交換器21から導出された熱媒体である空気が被空調室Rの熱負荷処理に必要な熱量以上の熱量を有するときに蓄熱運転をし、蓄熱運転完了後、被空調室Rの熱負荷があるときに放熱運転をし、被空調室Rの熱負荷が蓄熱した熱量だけでは不足するときに追いかけ運転をする制御を行うように構成されている。具体的には、制御装置60は、配管93との合流点よりも上流部分の配管85を流れる空気の温度を検知する温度検知器65、及び被空調室R内の室温を検知する室温検知器66から温度信号を受信して、蓄熱運転、放熱運転、追いかけ運転、システム停止のどの運転を行うか判断し、実行する運転モードに適した熱媒体の流れとなるように、制御弁61〜64に開閉信号を送信して、制御弁61〜64の開閉動作を行わせるように構成されている。
上記のような構成を有する空調システム4は、以下のように運転される。
(蓄熱運転)
夜間等の被空調室Rに熱負荷がないときは、制御装置60は、制御弁61を開に、制御弁62、63、64を閉にする。エアコンプレッサ22で圧縮された空気M1は、熱交換器21に流入して熱源機器(不図示)から送水される冷水又は温水との間で熱交換を行い所定の温度に調整される。所定の温度に調整された空気M1は、放熱管11の内管12に流入し、閉塞端12eに向かって内管12の内部を流れ、閉塞端12eに至る途中で複数の噴流孔12hから外管13の内壁に向かって流出する。噴流孔12hから流出する空気M1は、エアコンプレッサ22によって加圧されたことにより、噴流となって流出し、外管13の内壁に衝突して、外管13の内壁に沿って放射状に拡散し対流する。空気M1の衝突噴流により、外管13からシンダーコンクリート層52へ多くの熱が伝達される。
外流路13を流れてシンダーコンクリート層52へ熱を伝えた空気M1は、配管85を通ってレシーバタンク23に流入する。レシーバタンク23に流入した空気M1は、大気開放管23aから余剰空気が大気に向けて排出され、ほぼ大気圧まで降圧する。ほぼ大気圧となった空気M1は、配管84を経由してエアコンプレッサ22に流入して加圧され、熱交換器21に向けて導出されて、以後同様のサイクルを繰り返す。
シンダーコンクリート層52へ伝わった熱は、断熱層53の存在により床下空間55に放熱せず、シンダーコンクリート層52に蓄熱される。このような蓄熱運転は、温度検知器65で検知される温度が所定の温度になるまで継続される。ここでいう所定の温度は、内管12に供給される空気M1の温度との温度差が小さくなり、シンダーコンクリート層52にあまり熱が伝わらなくなった(シンダーコンクリート層52と熱平衡の状態に近づいた)と判断される温度である。また、蓄熱運転は、夜間に行うことが好ましい。蓄熱運転を夜間に行うと、発電所の負荷が小さいときに蓄熱運転することになるので、消費電力のピークカットに貢献できると共に、一般に割引料金が適用された電力を購入して蓄熱することができコストを削減することもできる。蓄熱運転が完了し、被空調室Rの熱負荷がない場合、制御装置60は空調システム4の運転を停止させる。
(放熱運転)
制御装置60は、室温検知器66で被空調室R内の温度を検知し、被空調室Rに熱負荷があると判断したときは、制御弁61、62を閉に、制御弁63、64を開にする。エアコンプレッサ22で圧縮された空気M1は、熱交換器21に流入するが、放熱運転のときは熱源機器(不図示)が停止しており冷水又は温水の流れがないため、温度調節が行われずそのまま熱交換器21から流出する。熱交換器21を通過した空気M1は、放熱管11の内管12を通り、閉塞端12eに向かう途中の複数の噴流孔12hから流出して外管13に至り、内管12内の流れとは逆向きに流れる。外管13を流れる空気M1は、シンダーコンクリート層52から冷熱又は温熱を受熱して温度が調節され、配管85、93を通って均圧管41の内管42に流入する。なお、空調システム3では、内管42に流入するのは空気M2であったが、空調システム4では内管12と内管42を流れる空気は同じ空気であり、これを空気M1とする。
放熱管11を通って所定の温度に調整された空気M1は、均圧管41の内管42に流入し、閉塞端42eに向かって内管42の内部を流れ、閉塞端42eに至る途中で複数の流出孔42hから外管43の内壁に向かって流出する。流出孔42hから噴流として流出する空気M1は、外管43の内壁に衝突し、外管43の内壁に沿って放射状に拡散し対流する。空気M1の衝突噴流により、二重管構造で形成された均圧管41は、全体的にほぼ等しい圧力となる。また、空気M1の噴流により、外管43の内壁に境界層を生じさせず、また、境界層が生じていた場合はこれを破壊する。境界層の破壊により、外管43から輻射された熱が床材51に伝達される。なお、各流出孔42hから噴流として流出する空気M1は、閉塞端12eに近くなってもほとんど温度変動がない。
外管43の内壁に衝突し、外管43の内壁に沿って放射状に拡散した空気M1は、接続口44から接続管34を経由して熱媒チャンバ32に流入し、噴流ノズル33から床材51の面に沿うように、床下空間55に噴き出される。噴き出された空気M1は、気流の速度が増加して到達距離が大きくなる。このような空気M1の流れ速度の増加により床材51の面の対流が促進され、空気M1が保有していた冷熱又は温熱が床材51に効率よく伝熱する。さらに、均圧管41からの輻射熱も床材51に伝わる。床材51に伝わった熱は、床材51から被空調室Rへ冷熱(冷房時)又は温熱(暖房時)として輻射される。被空調室R内は、床材51からの輻射熱により設定温度に調節される。
噴流ノズル33から噴き出され、床材51の面に沿って流れた空気M1は、床下空間55内を配管86の空気吸込口86aに向かって流れ、空気吸込口86aに流入する。空気吸込口86aに流入した空気M1は、配管86を通って配管84に流入し、エアコンプレッサ22に導かれて圧縮され、熱交換器21に向けて導出されて、以後同様のサイクルを繰り返す。なお、床材51の面から離れて床下空間55内を流れる空気M2を空気吸込口86aに流入させずに被空調室Rに吹き出して、輻射冷暖房に加重して対流成分により被空調室Rの空調を行い、その後エアコンプレッサ22に導くようにしてもよい。
(追いかけ運転)
制御装置60は、放熱運転において、温度検知器65で検知した空気M1の温度が被空調室R内の温度を設定温度に調節するのに必要な温度になっていないと判断したときは、放熱運転が完了したと判断し、制御弁61、63を閉に、制御弁62、64を開にする。そして、熱源機器(不図示)を作動させた状態で、空調システム3の運転と同様の運転を行い、被空調室Rの輻射冷暖房を行う。このとき、制御弁61、63を閉にしているので、放熱管11内の空気の流れはなくなる。
以上では、放熱管11が床下のシンダーコンクリート層52の中に、均圧管41が床下空間55に設けられるとして説明したが、床下に限らず、被空調室Rに対して、仕切部材としての天井材を隔てた天井裏や、同じく仕切部材としての壁材を隔てた壁中であってもよく、これらのうちの複数の箇所に設けられていてもよい。また、放熱管11及び均圧管41を両方とも同一の場所に設けるのではなく、例えば、放熱管11を床下のシンダーコンクリート層に設け、均圧管41を天井裏に設けるようにしてもよい。
―各実施の形態の変形例―
以上の説明では、温調機器21は熱交換器であるとして説明したが、これに限らず、例えば、空調機、ファンコイルユニット等であってもよい。
以上で説明した空調システム2、3、4の温度条件の一例を以下に示す。冷房時は被空調室Rの設定温度を26℃とし、このときの噴流の温度を18℃とする。暖房時は被空調室Rの設定温度を22℃とし、このときの噴流の温度を35℃とする。
以上の説明では、放熱管11を空調システムに利用することとして説明したが、融雪システム等、他の熱を利用するシステムにも利用できることはいうまでもない。
本発明の第1の実施の形態に係る放熱管の構成を示す図である。(a)は部分斜視図、(b)は長さ方向に平行に切断した部分断面図、(c)は長さ方向に垂直に切断した断面図、(d)はスペーサを示す詳細図である。 本発明の第2の実施の形態に係る空調システムを説明する図である。(a)は熱媒体を空気とした場合の空調システムの概略系統図、(b)は被空調室への放熱管の敷設状態を示す平面図、(c)は(a)の変形例の空調システムの相違部分の構成を示す系統図である。 本発明の第3の実施の形態に係る空調システムを説明する図である。(a)は空調システムの概略系統図、(b)は空調システムで用いられる噴出器具の平面図、(c)は噴出器具の正面図、(d)は噴出器具の設置状態を示す図である。 本発明の第4の実施の形態に係る空調システムの概略系統図である。
符号の説明
2、3、4 空調システム
11 放熱管
12 内管(内流路)
12e 閉塞端
12h 噴流孔
13 外管(外流路)
21 熱交換器(温調機器)
31 噴出器具
32 熱媒チャンバ
33 噴流ノズル
42 内管(内通路)
42h 流出孔
43 外管(外通路)
51 仕切部材
52 シンダーコンクリート層(コンクリート)
60 制御装置
M1 熱媒体
M2 空気
R 被空調室

Claims (8)

  1. 熱媒体を流し、該熱媒体を流出する複数の噴流孔を有する内流路と;
    前記内流路を内部に有し、前記噴流孔から流出した前記熱媒体を流す外流路とを備え;
    前記噴流孔から流出する前記熱媒体が噴流として前記外流路に衝突するように構成された;
    放熱管。
  2. 前記内流路及び前記外流路が断面円筒形のパイプで形成され;
    前記噴流孔から前記噴流が衝突する外流路までの距離の、前記噴流孔の直径に対する比が1.9以上、9.6以下に構成された;
    請求項1に記載の放熱管。
  3. 前記内流路に一端が閉塞された閉塞端が形成され;
    前記熱媒体が、前記閉塞端に向かって前記内流路内を流れ、前記内流路内の流れ方向とは逆向きに前記外流路内を流れるように構成された;
    請求項1又は請求項2に記載の放熱管。
  4. 請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の放熱管と;
    前記内流路に送る前記熱媒体の温度を調節する温調機器とを備え;
    前記放熱管が、被空調室を区画する仕切部材に前記熱媒体の熱を伝えるように配設された;
    空調システム。
  5. 空気を流し、該空気を流出する複数の流出孔を有する内通路と;
    前記内通路を内部に有し、前記流出孔から流出した空気を流す外通路と;
    前記外通路を流れる空気を導入する熱媒チャンバと、
    該熱媒チャンバに導入された空気を、被空調室を区画する仕切部材の表面に沿って噴出する噴流ノズルとを有する噴出器具とを備え;
    前記噴出器具から噴出された空気の熱が前記仕切部材を介して前記被空調室内の温度を調節するように構成された;
    請求項4に記載の空調システム。
  6. 前記放熱管がコンクリートに埋設されて構成され;
    前記温調機器から導出された熱媒体が前記被空調室の熱負荷処理に必要な熱量以上の熱量を有するときに前記熱媒体が保有する熱を前記放熱管を介して前記コンクリートに蓄熱し、前記被空調室の熱負荷があるときに前記外流路を流れる熱媒体を前記内通路に導いて前記コンクリートに蓄熱した熱を放熱するように前記熱媒体の流れを制御する制御装置を備える;
    請求項5に記載の空調システム。
  7. 空気を流し、該空気を流出する複数の流出孔を有する内通路と;
    前記内通路を内部に有し、前記流出孔から流出した空気を流す外通路と;
    前記内通路に送る空気の温度を調節する温調機器と;
    前記外通路を流れる空気を導入する熱媒チャンバと、
    該熱媒チャンバに導入された空気を、被空調室を区画する仕切部材の表面に沿って噴出する噴流ノズルとを有する噴出器具とを備え;
    前記噴出器具から噴出された空気の熱が前記仕切部材を介して前記被空調室内の温度を調節するように構成された;
    空調システム。
  8. 前記噴出器具が、複数の前記噴流ノズルが前記熱媒チャンバに前記仕切部材の表面と平行な面上で放射状に配置されて構成された;
    請求項5乃至請求項7のいずれか1項に記載の空調システム。
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