JP2008025973A - Heat exchange system - Google Patents

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JP2008025973A JP2006202086A JP2006202086A JP2008025973A JP 2008025973 A JP2008025973 A JP 2008025973A JP 2006202086 A JP2006202086 A JP 2006202086A JP 2006202086 A JP2006202086 A JP 2006202086A JP 2008025973 A JP2008025973 A JP 2008025973A
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Yukio Honmo
行雄 本望
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GIJUTSU KAIHATSU SOGO KENKYUSH
GIJUTSU KAIHATSU SOGO KENKYUSHO KK
Enomoto Industry Co Ltd
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GIJUTSU KAIHATSU SOGO KENKYUSH
GIJUTSU KAIHATSU SOGO KENKYUSHO KK
Enomoto Industry Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a heat exchange system, to which gas brine, high-pressure fluid or supercritical fluid can be applied. <P>SOLUTION: In the heat exchange system, a high temperature-side heat exchanger 4 for absorbing heat and a low temperature-side heat exchanger 3 for releasing heat are mutually connected through a conduit 5 in a closed loop environment, and a medium composed of high-pressure gas brine such as carbon dioxide gas, methane, ethane or air is sealed in the closed loop environment while preventing its phase change. One of both the heat exchangers is disposed as a using-side heat exchanger, and the other as a heating source-side heat exchanger, and at least the heat source-side heat exchanger is formed of a heat exchanger including a number of thin flow passages 22 connected with the conduit. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、気体ブラインを用いて基本的に相変化させずに熱交換を行う熱交換システムに関する。   The present invention relates to a heat exchange system that performs heat exchange basically using a gaseous brine without causing a phase change.

従来、冷蔵庫、エアコン、冷凍機、或いはヒートポンプには、液体が気体に相変化する際に大きな蒸発熱が生じる冷媒又は熱媒が使用されている。この冷媒としては、例えば、アンモニア、メチルクラロイド、フレオンF−11、フレオンF−22が用いられており、これらの気体の他に、炭酸ガス(CO2)も使用されている。 Conventionally, a refrigerator or an air conditioner, a refrigerator, or a heat pump uses a refrigerant or a heat medium that generates a large amount of heat of evaporation when a liquid changes phase to a gas. As this refrigerant, for example, ammonia, methyl claloid, Freon F-11, and Freon F-22 are used, and in addition to these gases, carbon dioxide (CO 2 ) is also used.

また、原子力発電所等の高温熱交換器においては、融点が低く、沸点の高い、ナトリウム(融点=97.8(℃)、沸点=760(℃))、ナトリウムーカリウム合金(融点=19(℃)、沸点=825(℃))等の溶融金属が使用されている。   In a high-temperature heat exchanger such as a nuclear power plant, sodium (melting point = 97.8 (° C.), boiling point = 760 (° C.)), sodium-potassium alloy (melting point = 19 (low melting point) and high boiling point. ° C), boiling point = 825 (° C)) and the like are used.

一方、熱を伝える媒体として、冷媒又は熱媒の他に、ブライン(気体と液体とで相状態が変換しない媒体)が使用されている。このブラインの種類は、液体ブラインと気体ブラインとに分けることができる。   On the other hand, as a medium for transferring heat, in addition to a refrigerant or a heat medium, brine (a medium in which a phase state is not converted between gas and liquid) is used. The types of brine can be divided into liquid brine and gas brine.

液体ブラインとしては、例えば、水、無機質ブライン(塩化カルシウム溶液、塩化マグネシウム溶液)、有機質ブライン(エチレングリコール、プロピレングリコール)等の液体が使用されている。この液体ブラインとしての水は、例えば、自動車用エンジンの冷却に使用されており、自動車用エンジンの適切な温度管理を可能にしている。他方、自動二輪車用のエンジンは、空気冷却による開放型の熱交換システムであるが、水も液体ブラインとして使用されている。   As the liquid brine, for example, liquids such as water, inorganic brine (calcium chloride solution, magnesium chloride solution), organic brine (ethylene glycol, propylene glycol) and the like are used. The water as the liquid brine is used for cooling an automobile engine, for example, and enables appropriate temperature management of the automobile engine. On the other hand, an engine for a motorcycle is an open heat exchange system by air cooling, but water is also used as a liquid brine.

気体ブラインは、熱安定性(熱により分解しない性格)、安全性(毒性がないこと)、粘性係数(循環時の圧力損失(エネルギー損失))に優れている。この気体ブラインとしては、例えば、水蒸気(定圧比熱=2.05(J/g/℃)at 100(℃))がある。この水蒸気は、非常に安定したブラインであり、高温用ブラインとしても活用される、優れた媒体である。この気体ブラインとしての水蒸気は、例えば、ボイラーやスチーム・ヒーター等に使用されている。   The gas brine is excellent in thermal stability (characteristic that does not decompose by heat), safety (no toxicity), and viscosity coefficient (pressure loss during circulation (energy loss)). As this gas brine, there is, for example, water vapor (constant pressure specific heat = 2.05 (J / g / ° C.) at 100 (° C.)). This water vapor is a very stable brine and is an excellent medium that is also utilized as a high temperature brine. The water vapor as the gaseous brine is used for boilers, steam heaters, and the like, for example.

しかしながら、上述の気体ブラインにおいて、水蒸気を利用したボイラーやスチーム・ヒーターは、システム全体として考えれば、水蒸気と水との相変化を上手く活用したものであり、作動原理として見ると、単純に気体ブラインを利用したシステムではない。また、水蒸気と同様に、輻射熱の吸収・放射効果を有する炭酸ガスをブラインとして活用している例は見当たらない。   However, in the above-mentioned gas brine, boilers and steam heaters that use water vapor make good use of the phase change between water vapor and water when considered as a whole system. It is not a system that uses. In addition, as in the case of water vapor, there is no example in which carbon dioxide gas having an effect of absorbing and radiating radiant heat is used as a brine.

また、複数本の蓮根状の細孔流路によって熱交換器を構成する技術が提案されている(例えば、特許文献1〜特許文献3参照)。この技術では、直径約20μmの細孔状の細孔流路を複数設けることにより、ブラインが送流される細孔流路の流路断面積(熱交換面積A)の総面積を増加させることができる。
特許第3040371号公報 特願2000−26223号公報 特願2001−247144号公報
Moreover, the technique which comprises a heat exchanger by several lotus root-shaped pore flow paths is proposed (for example, refer patent document 1-patent document 3). In this technique, by providing a plurality of fine pore channels having a diameter of about 20 μm, the total area of the channel cross-sectional area (heat exchange area A) of the pore channels through which the brine is sent can be increased. it can.
Japanese Patent No. 3040371 Japanese Patent Application No. 2000-26223 Japanese Patent Application No. 2001-247144

上述の通り、現状では、液体ブラインは使用されているが、気体ブラインは使用されていない。従来において、例えば、自動車用エンジンや原子力発電所等に活用するもので、当該システムにおける適切な伝熱媒体としては、比熱が大きく、熱度伝導率が大きく、比重量が大きく、粘性係数が小さく、低い充填圧力で液体となる、安定した安全な媒体が望まれる。しかし、基本的には、このような特性を満たす最適なブラインとしての気体は存在せず、水と比べて、比重量、熱伝導率とも著しく劣っており、優れている点は、気体特有の粘性係数が小さい点のみと言っても過言ではない。   As described above, at present, liquid brine is used, but gas brine is not used. Conventionally, for example, for use in automobile engines, nuclear power plants, etc., as a suitable heat transfer medium in the system, the specific heat is large, the thermal conductivity is large, the specific weight is large, the viscosity coefficient is small, A stable and safe medium that becomes liquid at low filling pressures is desired. However, basically, there is no gas as an optimal brine that satisfies these characteristics, and the specific weight and thermal conductivity are significantly inferior to water. It is no exaggeration to say that the viscosity coefficient is only small.

すなわち、気体ブラインが使用されていない原因としては、以下の(1)、(2)の2つの理由が挙げられる。
(1)「比重量Cp×比熱γの積」が液体に比して、約1/200〜1/300倍小さいこと、すなわち、「熱容量」が小さいことが挙げられる。
That is, the following two reasons (1) and (2) can be cited as reasons why the gas brine is not used.
(1) “Product of specific weight Cp × specific heat γ” is about 1/200 to 1/300 times smaller than the liquid, that is, “heat capacity” is small.

これは、「熱交換量dQ(kJ/s)」は、媒体の比熱を「Cp(kJ/kg/k)」、比重量を「γ(kg/m3)」、容積流量を「dV(m3/s)」、温度差を「ΔT(k)」とすると、熱交換量は次式で与えられる。 This is because the “heat exchange amount dQ (kJ / s)” is the specific heat of the medium “Cp (kJ / kg / k)”, the specific weight “γ (kg / m 3 )”, and the volume flow rate “dV ( m 3 / s) ”and the temperature difference is“ ΔT (k) ”, the heat exchange amount is given by the following equation.

dQ=(Cp×γ)×dV×ΔT ・・・ (A)
上記の式のごとく、同じ「dQ」を、同じ「ΔT」で得るためには、(Cp×γ)が小さい分、流量dVをその割合分増加させなければならないが、この流量dVを200倍〜300倍以上増加させること(液体ブラインが水の場合と比べると、水と同じ性能を得るためには、約4000倍の流量dVが必要)は現実的に不可能である。
(2)気体の「熱伝導率」が液体に比して小さいことが挙げられる。
dQ = (Cp × γ) × dV × ΔT (A)
As in the above equation, in order to obtain the same “dQ” with the same “ΔT”, the flow rate dV must be increased by the proportion of (Cp × γ), but this flow rate dV is increased by 200 times. It is practically impossible to increase it by ˜300 times or more (in order to obtain the same performance as water when the liquid brine is water, approximately 4000 times the flow rate dV is required).
(2) The “thermal conductivity” of gas is smaller than that of liquid.

熱交換dQを考える場合、熱通過率をH、熱交換面積(管路内でブラインが接する面積)をA、温度差をΔTとすると、熱通過率との関係は、次式で与えられる。   When considering heat exchange dQ, assuming that the heat transfer rate is H, the heat exchange area (area where the brine is in contact with the pipe) is A, and the temperature difference is ΔT, the relationship with the heat transfer rate is given by the following equation.

dQ=H×A×ΔT ・・・ (B)
(ただし、H=1/(1/α+L/λ)、α=熱伝達率、L=厚さ、λ=熱伝導率)
上記の式のごとく、実際の熱通過率は、「熱伝導率、熱伝達率」より構成されるが、ここでは、単純化して、「H∝λ」と考えると、ΔTが同じ条件で、「水」に対する「炭酸ガス」の熱交換量dQを等しくするには、「A」水/「A」炭酸ガス=2.2/600=1/273となる。これより明らかなごとく、そのまま炭酸ガスを用いた場合は、水の場合の273倍の熱交換面積が必要となる。この数値も、現在の熱交換器の構造からは困難である。
dQ = H × A × ΔT (B)
(Where H = 1 / (1 / α + L / λ), α = heat transfer coefficient, L = thickness, λ = heat conductivity)
As in the above formula, the actual heat transmission rate is composed of “thermal conductivity, heat transfer rate”, but here, when considered simply as “H∝λ”, ΔT is the same as In order to equalize the heat exchange amount dQ of “carbon dioxide gas” with respect to “water”, “A” water / “A” carbon dioxide gas = 2.2 / 600 = 1/273. As is clear from this, when carbon dioxide is used as it is, a heat exchange area 273 times that of water is required. This value is also difficult from the current heat exchanger structure.

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、システム全体を大きくすることなく気体ブライン、高圧流体、または超臨界流体の適用を可能とし、これらの気体ブライン等を送流させるための動力を低減させることができる熱交換システムを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and enables the application of a gas brine, a high-pressure fluid, or a supercritical fluid without enlarging the entire system, and for feeding these gas brines and the like. It aims at providing the heat exchange system which can reduce motive power.

本発明では、熱を吸収する高温側熱交換器と、熱を放出する低温側熱交換器とを、管路を介して閉ループ環境で連結し、当該閉ループ環境内に炭酸ガス、メタン、エタンまたは空気等の高圧気体ブラインからなる媒体を、相変化を起こさない状態で循環可能に封入し、両熱交換器の内のいずれか一方を利用側の熱交換器、他方を熱源側の熱交換器として配置し、少なくとも前記熱源側の熱交換器を、前記管路に連なる多数の細孔流路を備えた熱交換器で構成したことを特徴とする。   In the present invention, a high-temperature side heat exchanger that absorbs heat and a low-temperature side heat exchanger that releases heat are connected in a closed loop environment via a pipe, and carbon dioxide, methane, ethane, or A medium composed of high-pressure gas brine such as air is circulated in a state that does not cause a phase change, and either one of the two heat exchangers is a heat exchanger on the use side, and the other is a heat exchanger on the heat source side. And at least the heat source side heat exchanger is constituted by a heat exchanger provided with a large number of pore flow channels connected to the pipe line.

この構成によれば、高圧気体ブラインを用いたとしても、システム全体を大きくすることなく熱交換を行うことができる。   According to this configuration, even if high-pressure gas brine is used, heat exchange can be performed without increasing the size of the entire system.

また、本発明では、熱を吸収する高温側熱交換器と、熱を放出する低温側熱交換器とを、管路を介して閉ループ環境で連結し、当該閉ループ環境内にエタン、プロパン、エチレン、炭酸ガス等の高圧液体からなる媒体を、相変化を起こさない状態で循環可能に封入し、両熱交換器の内のいずれか一方を利用側の熱交換器、他方を熱源側の熱交換器として配置し、少なくとも前記熱源側の熱交換器を、前記管路に連なる多数の細孔流路を備えた熱交換器で構成したことを特徴とする。   Further, in the present invention, a high-temperature side heat exchanger that absorbs heat and a low-temperature side heat exchanger that releases heat are connected in a closed loop environment via a pipeline, and ethane, propane, ethylene is connected in the closed loop environment. A medium consisting of high-pressure liquid such as carbon dioxide is circulated in a state that does not cause a phase change, and either one of the two heat exchangers is used as the heat exchanger on the use side, and the other is used as the heat exchange on the heat source side. And at least the heat source side heat exchanger is constituted by a heat exchanger provided with a large number of pore channels connected to the pipe line.

この構成によれば、高圧流体を用いたとしても、システム全体を大きくすることなく熱交換を行うことができる。   According to this configuration, even if a high-pressure fluid is used, heat exchange can be performed without enlarging the entire system.

さらに、本発明では、熱を吸収する高温側熱交換器と、熱を放出する低温側熱交換器とを、管路を介して閉ループ環境で連結し、当該閉ループ環境内にエタン、プロパン、エチレン、炭酸ガス、水等の超臨界流体からなる媒体を、相変化を起こさない状態で循環可能に封入し、両熱交換器の内のいずれか一方を利用側の熱交換器、他方を熱源側の熱交換器として配置し、少なくとも前記熱源側の熱交換器を、前記管路に連なる多数の細孔流路を備えた熱交換器で構成したことを特徴とする。   Further, in the present invention, a high-temperature side heat exchanger that absorbs heat and a low-temperature side heat exchanger that releases heat are connected in a closed loop environment via a pipeline, and ethane, propane, ethylene is connected in the closed loop environment. A medium composed of a supercritical fluid such as carbon dioxide or water is circulated in a state that does not cause a phase change, and either one of the two heat exchangers is used as a heat exchanger and the other is used as a heat source side. And at least the heat exchanger on the heat source side is configured by a heat exchanger having a large number of pore channels connected to the pipe.

この構成によれば、超臨界流体を用いたとしても、システム全体を大きくすることなく熱交換を行うことができる。   According to this configuration, even if a supercritical fluid is used, heat exchange can be performed without enlarging the entire system.

この場合において、前記細孔流路の熱交換面積が当該細孔流路を設けない場合の流路の熱交換面積と比べて大きくなるように前記細孔流路の孔径が形成されている。   In this case, the pore diameter of the pore channel is formed so that the heat exchange area of the pore channel is larger than the heat exchange area of the channel when the pore channel is not provided.

この構成によれば、前記細孔流路の孔径を、現在、自動車用ラジエーターで使用されている最少径であるφ6より、更に小さな、例えば、φ2〜20μm以下にすることで、熱交換面積を大きくすることができる。   According to this configuration, the heat exchange area can be reduced by setting the pore diameter of the pore flow channel to be smaller than, for example, φ2 to 20 μm or less, which is the smallest diameter currently used in automobile radiators. Can be bigger.

また、利用側の熱交換器と熱源側の熱交換器を垂直配置し、両熱交換器を連結する管路を中心軸管とその周囲を取り囲む外装管の二重管で構成することができる。   Further, the heat exchanger on the use side and the heat exchanger on the heat source side are arranged vertically, and the pipe connecting the both heat exchangers can be constituted by a central axis tube and a double tube of an outer tube surrounding the periphery. .

この構成によれば、気体ブライン等に上昇流及び下降流を生じさせることにより、強制的に送流させる機器を不要とすることができる。   According to this configuration, it is possible to eliminate the need for a device for forcibly sending the gas brine or the like by generating an upward flow and a downward flow.

さらに、前記管路に永久磁石等で構成されたピストンまたはインペラを内在すると共に、当該管路の外部に、循環のためのピストンまたはインペラを駆動する電磁石を配置し、ピストンまたはインペラの駆動により前記媒体を循環させることができる。   Furthermore, a piston or impeller composed of a permanent magnet or the like is included in the pipe line, and an electromagnet that drives the piston or impeller for circulation is arranged outside the pipe line, and the piston or impeller is driven by driving the piston or impeller. The medium can be circulated.

この構成によれば、変性しない単純組成の気体ブラインを用いた完全密封構造の熱交換器を構成することができる。   According to this configuration, it is possible to configure a completely sealed structure heat exchanger using a simple composition of gas brine that does not denature.

さらに、前記管路に当該管路内の圧力が異常高圧に至った場合に開放される開放弁を連結し、開放弁に前記媒体を膨張させるボックスを連結することができる。   Furthermore, an open valve that is opened when the pressure in the pipe line reaches an abnormally high pressure can be connected to the pipe line, and a box that expands the medium can be connected to the open valve.

この構成によれば、管路内の異常高圧を防止する安全システムを設けることができる。   According to this structure, the safety system which prevents the abnormal high voltage | pressure in a pipe line can be provided.

また、前記低温側熱交換器がエンジン冷却用ジャケットであってもよい。   The low temperature side heat exchanger may be an engine cooling jacket.

この構成によれば、本システムをエンジン冷却に利用することができる。   According to this configuration, the present system can be used for engine cooling.

また、前記低温側熱交換器がコンピューター熱発生部に配置されていてもよい。   The low temperature side heat exchanger may be disposed in the computer heat generation unit.

この構成によれば、本システムをコンピューター熱発生部の冷却に利用することができる。   According to this configuration, the present system can be used for cooling the computer heat generation unit.

本発明によれば、気体ブラインを使用しているので、細孔流路を用いたとしても、気体ブラインの粘性係数による圧損が小さく、気体ブラインの変性によるデポジットの形成や目詰まりのおそれがない。そのため、細孔流路を用いて熱交換面積を大きく確保することができる。その結果、熱交換面積を大きくするためにシステム全体を大きくする必要がない。また、粘性係数の小さな気体ブラインを用いて熱交換を行うことにより、気体ブラインを送流させるための動力を小さくすることができる。また、炭酸ガスを始めとするメタンやエタン等の気体を有効に利用することができる。   According to the present invention, since the gas brine is used, even if the pore channel is used, the pressure loss due to the viscosity coefficient of the gas brine is small, and there is no risk of deposit formation or clogging due to the modification of the gas brine. . Therefore, a large heat exchange area can be secured by using the pore channel. As a result, it is not necessary to enlarge the entire system in order to increase the heat exchange area. Further, by performing heat exchange using a gas brine having a small viscosity coefficient, power for sending the gas brine can be reduced. Further, carbon dioxide and other gases such as methane and ethane can be used effectively.

また、本発明によれば、高圧液体又は超臨界流体を使用しているので、細孔流路を用いたとしても、気体ブラインの粘性係数による圧損が小さく、気体ブラインの変性によるデポジットの形成や目詰まりのおそれがない。そのため、細孔流路を用いて熱交換面積を大きく確保することができる。その結果、熱交換面積を大きくするためにシステム全体を大きくする必要がない。また、粘性係数の小さな気体ブラインを用いて熱交換を行うことにより、気体ブラインを送流させるための動力を小さくすることができる。また、炭酸ガスを始めとするメタンやエタン等の気体を有効に利用することができる。   Further, according to the present invention, since a high-pressure liquid or a supercritical fluid is used, even if a pore channel is used, the pressure loss due to the viscosity coefficient of the gas brine is small, the formation of deposits due to the modification of the gas brine, There is no risk of clogging. Therefore, a large heat exchange area can be secured by using the pore channel. As a result, it is not necessary to enlarge the entire system in order to increase the heat exchange area. Further, by performing heat exchange using a gas brine having a small viscosity coefficient, power for sending the gas brine can be reduced. Further, carbon dioxide and other gases such as methane and ethane can be used effectively.

図1は、本発明の実施の形態に係る熱交換システムであって、ブロアーを用いて気体ブラインを送流させる「密閉サイクル」の概要図である。この図1を用いて、「気体ブライン」の適用を可能とさせる技術について説明する。   FIG. 1 is a schematic diagram of a “sealed cycle”, which is a heat exchange system according to an embodiment of the present invention, in which gas brine is sent using a blower. A technique for enabling application of “gas brine” will be described with reference to FIG.

この熱交換システム1は、図1に示すように、気体ブラインを送流させるブロアー2と、低温領域(外気領域)に接続されて放熱する低温側熱交換器3と、高温領域に接続されて吸熱する高温側熱交換器4とを備えている。この低温側熱交換器3の内部及び高温側熱交換器4の内部には、熱交換ユニット6をそれぞれ備えている。また、ブロアー2、低温側熱交換器3の熱交換ユニット6、高温側熱交換器4の熱交換ユニット6とは、それぞれ流路(管路)5で連結され、閉ループ環境における循環路が形成されている。この流路5内には気体ブラインが充填されており、ブロアー2によって送流された気体ブラインは、循環路内を循環するようになっている。   As shown in FIG. 1, the heat exchange system 1 is connected to a blower 2 for sending a gas brine, a low-temperature side heat exchanger 3 connected to a low temperature region (outside air region) for radiating heat, and a high temperature region. And a high temperature side heat exchanger 4 that absorbs heat. A heat exchange unit 6 is provided in each of the low temperature side heat exchanger 3 and the high temperature side heat exchanger 4. Further, the blower 2, the heat exchange unit 6 of the low temperature side heat exchanger 3, and the heat exchange unit 6 of the high temperature side heat exchanger 4 are respectively connected by a flow path (pipe) 5 to form a circulation path in a closed loop environment. Has been. The flow path 5 is filled with a gas brine, and the gas brine sent by the blower 2 circulates in the circulation path.

このブロアー2は、図1において、時計回りに送流させることにより、高温側10から熱を奪い、低温側11で熱を放出することができるようにしている。また、反時計回りに送流させることにより、低温側11から熱を吸収し、高温側で熱を放出することができるようにしている。   In FIG. 1, the blower 2 is configured to draw heat from the high temperature side 10 and to release heat from the low temperature side 11 by being sent clockwise. Further, by sending it counterclockwise, heat is absorbed from the low temperature side 11 and heat can be released on the high temperature side.

図2(A)は、低温側熱交換器3及び高温側熱交換器4に使用される熱交換ユニット6を示す側部断面図であり、図2(B)は図2(A)の断面図である。   2A is a side sectional view showing a heat exchange unit 6 used in the low temperature side heat exchanger 3 and the high temperature side heat exchanger 4, and FIG. 2B is a cross section of FIG. 2A. FIG.

熱交換ユニット6には、図2(A)及び図2(B)に示すように、気体ブラインが通過する複数のステンレス製パイプ21(図2(B)において19本のパイプ21が記載されているが、例えば、10,000本やそれ以上にすることもできる)を備えている。このステンレス(その他、金属製も含む)製パイプ21は貫通孔(細孔流路)22を備えている。この細孔流路22は、例えば、現状の技術であれば直径約0.02mm(約20μm)である。また、将来的には直径約0.001mm(約1μm)以下程度であれば、実現可能であり、約100MPaを超える耐圧性能を確保することができる。これらの細孔流路22は、流路5とそれぞれ接続されている。なお、細孔流路22の長手方向に対し直交する断面における形状は、丸形以外の形状であっても、例えば、製作が可能であれば四角形や他の形状であってもよい。   As shown in FIGS. 2A and 2B, the heat exchange unit 6 includes a plurality of stainless steel pipes 21 through which gas brine passes (19 pipes 21 in FIG. 2B). For example, it can be 10,000 or more). The stainless steel (other than metal) pipe 21 is provided with a through hole (pore channel) 22. For example, in the case of the current technology, the pore channel 22 has a diameter of about 0.02 mm (about 20 μm). In the future, if the diameter is about 0.001 mm (about 1 μm) or less, it can be realized, and a pressure resistance performance exceeding about 100 MPa can be secured. These pore channels 22 are connected to the channel 5 respectively. In addition, the shape in the cross section orthogonal to the longitudinal direction of the pore channel 22 may be a shape other than a round shape, for example, a rectangle or other shapes as long as it can be manufactured.

これらのステンレス(その他、金属製も含む)製パイプ21は、大きなステンレス製の外管23内に収納され、この外管23の内側であって複数本のステンレス製パイプ21の外側面との隙間には、金属製隙間充填材料24が充填されている。この金属製隙間充填材料24は、ステンレス製の外管23よりも融点の低い例えばアルミニウム、錫、鉛、真鍮、銀、金、銅等の粉末状のものであり、この金属製隙間充填材料24が溶融する温度下で溶融させてポーラス状に充填されている。   These stainless steel (including metal) pipes 21 are accommodated in a large stainless steel outer tube 23, and a gap between the outer surface of the plurality of stainless steel pipes 21 inside the outer tube 23. Is filled with a metal gap filling material 24. The metallic gap filling material 24 is a powdery material such as aluminum, tin, lead, brass, silver, gold, copper or the like having a melting point lower than that of the stainless steel outer tube 23. Is melted at a melting temperature and filled in a porous shape.

この熱交換ユニット6では、すべての貫通孔22に気体ブラインを送流すると、気体ブラインの熱は、優れた熱伝導率で上記ポーラス状の金属製隙間充填材料24に伝熱されるようになる。また、この金属製隙間充填材料24の充填部は、多孔性を有するポーラス状であるため大きな熱交換面積を有しており、この金属製隙間充填材料24の充填部に、例えば、空気や水素等の流体を流せば、空気や水素等の流体を極めて高い熱交換効率で加熱或いは冷却することができる。   In this heat exchange unit 6, when the gas brine is sent to all the through holes 22, the heat of the gas brine is transferred to the porous metal gap filling material 24 with excellent thermal conductivity. Further, since the filling portion of the metallic gap filling material 24 is porous and has a large heat exchange area, the filling portion of the metallic gap filling material 24 includes, for example, air or hydrogen. If a fluid such as air is flowed, fluid such as air or hydrogen can be heated or cooled with extremely high heat exchange efficiency.

なお、上述した熱交換ユニット6の構成は1つの例であり、細孔流路22を備えた他の熱交換ユニットの構造も、本実施の形態の技術的思想に含まれるものである。例えば、図3に示すように、熱交換器ユニット25には、管体29の内側に金属製の縄状熱交換エレメント26を配置して構成されている。この熱交換エレメント26は複数の流路を備え、この流路内に媒体を通して熱交換が行われる。この縄状熱交換エレメント26は、図4に示すように、媒体が通る流路を備えたステンレス(その他、金属製も含む)製の複数本(例えば6本)の細管27を撚って複数(例えば3つ)の基本素材28を形成し、各基本素材28をさらに撚って形成される。この製造方法によれば、多数の細孔流路22を備えた縄状熱交換エレメント26を簡単に製造することができる。また、その他の構成であっても、熱交換面積を増加させるものであれば、本実施の技術的思想に含まれる。   In addition, the structure of the heat exchange unit 6 mentioned above is an example, and the structure of the other heat exchange unit provided with the pore flow path 22 is also included in the technical idea of this Embodiment. For example, as shown in FIG. 3, the heat exchanger unit 25 is configured by disposing a metal rope-shaped heat exchange element 26 inside a tube body 29. The heat exchange element 26 includes a plurality of flow paths, and heat exchange is performed through a medium in the flow paths. As shown in FIG. 4, the rope-shaped heat exchange element 26 is formed by twisting a plurality of (for example, six) thin tubes 27 made of stainless steel (including other metal) having a flow path through which a medium passes. (For example, three) basic materials 28 are formed, and each basic material 28 is further twisted. According to this manufacturing method, the rope-shaped heat exchange element 26 having a large number of pore channels 22 can be easily manufactured. Moreover, even if it is another structure, if it increases a heat exchange area, it is contained in the technical idea of this Embodiment.

送流される気体ブラインには、「熱変性しない安定な気体ブライン」を使用する。この気体ブラインは、液体ブラインと比べて粘性係数が低いという利点を有することから、液体ブラインを使用する際に問題となる粘性係数による圧損や、熱媒体の変性によるデポジットの形成や目詰まりという大きな問題を解決することができる。しかも、この熱変性しない安定性を生かして、−200℃〜1500℃に至る広範囲の熱交換システムを可能にしている。   “Stable gas brine that is not heat denatured” is used as the gas brine to be sent. Since this gas brine has the advantage that the viscosity coefficient is lower than that of the liquid brine, the pressure loss due to the viscosity coefficient, which is a problem when using the liquid brine, and the formation and clogging of deposits due to the modification of the heat medium are large. The problem can be solved. In addition, a wide range of heat exchange systems ranging from −200 ° C. to 1500 ° C. is made possible by taking advantage of the stability without heat denaturation.

この気体ブラインとしては、例えば、炭酸ガス(CO2)、メタン、エタン、または空気等が使用されている。例えば、この炭酸ガスは、高温(炭酸ガスの融点であって、例えば1500℃)であって高圧(例えば、100MPa以上)に処理された超臨界流体である。また、この炭酸ガスは、メタン、エタン、空気等を超臨界流体に至る温度環境で代替使用することもできる。 For example, carbon dioxide (CO 2 ), methane, ethane, or air is used as the gas brine. For example, the carbon dioxide gas is a supercritical fluid that has been processed at a high temperature (for example, 1500 ° C., which is the melting point of carbon dioxide gas) and at a high pressure (for example, 100 MPa or more). In addition, this carbon dioxide gas can be substituted for methane, ethane, air or the like in a temperature environment that reaches a supercritical fluid.

また、気体ブラインの他、エタン、プロパン、エチレン、炭酸ガス等の高圧液体からなる媒体や、エタン、プロパン、エチレン、炭酸ガス、水等の超臨界流体からなる媒体を送流させることもできる。   In addition to gas brine, a medium composed of a high-pressure liquid such as ethane, propane, ethylene, carbon dioxide, or a medium composed of a supercritical fluid such as ethane, propane, ethylene, carbon dioxide, water can be sent.

このような構成に基づく熱交換システム1によれば、例えば、細孔流路22がN=10,000本形成されている場合、熱交換面積A(流路面積A)は、単管の√N倍=100倍となるため、同じ条件ならば、dQも100倍となる。ゆえに、100MPaに至る高耐圧性能において、熱伝達の基本式
dQ=C×A×ΔT
(dQ=単位時間当たりに伝えられる熱量、C=熱伝達係数、A=熱交換面積、ΔT=熱交換温度差)
において、気体ブラインを、高圧化「気体」/高圧化「液体」/高圧化「超臨界流体」の形態で、充填循環させて、「冷媒」領域(−200℃以上)から「熱媒」領域(1500℃以下)の広い範囲で適用することを可能にしている。
According to the heat exchange system 1 based on such a configuration, for example, when N = 10,000 fine pore channels 22 are formed, the heat exchange area A (channel area A) is √ of a single tube. Since N times = 100 times, dQ also becomes 100 times under the same conditions. Therefore, in the high pressure resistance performance up to 100 MPa, the basic formula of heat transfer dQ = C × A × ΔT
(DQ = amount of heat transferred per unit time, C = heat transfer coefficient, A = heat exchange area, ΔT = heat exchange temperature difference)
, Gas brine is filled and circulated in the form of high pressure “gas” / high pressure “liquid” / high pressure “supercritical fluid”, from the “refrigerant” region (−200 ° C. or higher) to the “heat medium” region. It can be applied in a wide range (1500 ° C. or less).

この流路断面積Aを試算すると、例えば、自動車用ラジエーターの代表例としての「直径8mmの放熱管×20本×L300mm」の流路断面積A0と等価な、一例として、「20μmの細孔流路×L300mm」のマルチチューブ構造の熱交換エレメント(MT)の流路断面積A1の比α1は、
α1=A1/A0
=MT型の流路本数×MT型の熱交換面積/市販ラジエーターの熱交換面積
=(82×20/0.022)×(0.02π×300)/(8π×20×300)
=400倍
となる。すなわち、400倍もの大きな熱交換が可能となる。
When this flow path cross-sectional area A is estimated, for example, as an example equivalent to the flow path cross-sectional area A0 of “radiation tube of diameter 8 mm × 20 pipes × L300 mm” as a typical example of an automobile radiator, “20 μm pore The ratio α1 of the channel cross-sectional area A1 of the heat exchange element (MT) having a multi-tube structure of “channel × L300 mm” is
α1 = A1 / A0
= Number of MT-type flow paths x MT-type heat exchange area / heat-exchange area of commercial radiator = (8 2 x 20 / 0.02 2 ) x (0.02π x 300) / (8π x 20 x 300)
= 400 times. That is, heat exchange as large as 400 times is possible.

また、細孔流路22を直径1μmで構成したマルチチューブ構造の熱交換エレメント(MT)の流路断面積A2の比α2は、
α2=A2/A0
=MT型の流路本数×MT型の熱交換面積/市販ラジエーターの熱交換面積
=(82×20/0.0012)×(0.001π×300)/(8π×20×300)
=8000倍
となり、すなわち、8000倍もの大きな熱交換が可能となる。
Further, the ratio α2 of the channel cross-sectional area A2 of the heat exchange element (MT) having a multi-tube structure in which the pore channel 22 is configured with a diameter of 1 μm is:
α2 = A2 / A0
= Number of MT-type flow passages x MT-type heat exchange area / heat exchange area of commercially available radiator = (8 2 × 20 / 0.001 2 ) × (0.001π × 300) / (8π × 20 × 300)
= 8000 times, that is, heat exchange as large as 8000 times becomes possible.

他方、粘性係数について説明すると、超臨界流体の粘性は、層流状態では「粘性係数に比例」し、乱流状態では「粘性係数の二乗に比例」する特性を有する。しかし、気体の粘性係数は水等の液体に比べて極めて小さく、特に「超臨界流体」の場合、液体の特性を有しながら気体の物性値を有し、粘性係数が小さい。すなわち、高圧気体ブラインの使用は、ブロアー2(循環ポンプ)の仕事の低減も図ることが可能である。   On the other hand, the viscosity coefficient will be described. The viscosity of the supercritical fluid has a characteristic of “proportional to the viscosity coefficient” in the laminar flow state and “proportional to the square of the viscosity coefficient” in the turbulent flow state. However, the viscosity coefficient of gas is extremely smaller than that of liquid such as water, and in particular, in the case of “supercritical fluid”, it has physical properties of gas while having liquid characteristics, and its viscosity coefficient is small. That is, the use of the high-pressure gas brine can reduce the work of the blower 2 (circulation pump).

例えば、0℃の状態で比較すると、
「水」の粘性係数=1.829×10-4(kg・s/m2
(動粘性係数=64.4×10-4(m2/hour))に対して、
「炭酸ガス」の粘性係数=1.58×10-5(kg・s/m2
(動粘性係数=4.83×10-4(m2/hour))
であり、
炭酸ガスの粘性係数/「水」の粘性係数≫≒(1/11.6)
(動粘性係数;(1/13.3))
と、炭酸ガスの粘度は大幅に小さいため、同じ熱容量の確保のために、2倍程度に循環流量を増加させても、流路圧損は、寧ろ、1/2〜1/5程度小さいと予測される。すなわち、同じ熱交換性能を維持しても、循環ポンプ(ボイラー)の駆動エネルギーを1/2〜1/5程低減させることが可能である。
For example, when compared at 0 ° C,
Viscosity coefficient of “water” = 1.829 × 10 −4 (kg · s / m 2 )
(Kinematic viscosity coefficient = 64.4 × 10 −4 (m 2 / hour))
Viscosity coefficient of “carbon dioxide gas” = 1.58 × 10 −5 (kg · s / m 2 )
(Kinematic viscosity coefficient = 4.83 × 10 −4 (m 2 / hour))
And
Viscosity coefficient of carbon dioxide gas / Viscosity coefficient of “water” >> ≒ (1 / 11.6)
(Kinematic viscosity coefficient; (1 / 13.3))
Since the viscosity of carbon dioxide gas is significantly small, even if the circulation flow rate is increased about twice to ensure the same heat capacity, the flow path pressure loss is predicted to be about 1/2 to 1/5 smaller. Is done. That is, even if the same heat exchange performance is maintained, the driving energy of the circulation pump (boiler) can be reduced by about 1/2 to 1/5.

また、上述の気体ブラインを使用するとともに、気体ブラインの熱伝導率に対する水の熱伝導率の割合以上に熱交換器面積Aを増加させることにより、(Cp×γ)の値を大きくすることができる。   In addition, the value of (Cp × γ) can be increased by using the above-mentioned gas brine and increasing the heat exchanger area A to be equal to or higher than the ratio of the thermal conductivity of water to the thermal conductivity of the gas brine. it can.

一例として、原子力発電所等で使用されている金属ナトリウム(200℃)の場合には、比熱と比重量の積(Cp×γ)Naは、
(Cp×γ)Na=1.325(kJ/kg・k)×903(kg/m3
≒1197(kJ/kg・k)・(kg/m3
である。
As an example, in the case of metallic sodium (200 ° C.) used in nuclear power plants, the product of specific heat and specific weight (Cp × γ) Na is
(Cp × γ) Na = 1.325 (kJ / kg · k) × 903 (kg / m 3 )
≒ 1197 (kJ / kg ・ k) ・ (kg / m 3 )
It is.

また、これと同等の熱容量で、単純に高圧化を図った気体ブラインであって炭酸ガス(CO2)の場合には、比熱と比重量の積(Cp×γ)CO2は、
(Cp×γ)CO2=1.977(kJ/kg・k)×0.82(kg/m3
≒1.62(kJ/kg・k)・(kg/m3
である。
Further, in the case of a gas brine having a heat capacity equivalent to this and simply increasing the pressure, and in the case of carbon dioxide (CO 2 ), the product of specific heat and specific weight (Cp × γ) CO 2 is
(Cp × γ) CO 2 = 1.977 (kJ / kg · k) × 0.82 (kg / m 3 )
≒ 1.62 (kJ / kg ・ k) ・ (kg / m 3 )
It is.

これらの比αは、
α=(Cp×γ)Na/(Cp×γ)CO2
=1197/1.62
≒738倍
となる。すなわち、大気圧基準で考えれば、
α=738×0.1013≒74.8(MPa abs)で等価になる。
すなわち、100MPa以上の耐圧の熱交換器を用意しておけば、原理的には、水と同じ熱容量での熱交換が可能となる。
These ratios α are
α = (Cp × γ) Na / (Cp × γ) CO 2
= 1197 / 1.62
≒ 738 times. In other words, if considered on the basis of atmospheric pressure,
It becomes equivalent when α = 738 × 0.1013≈74.8 (MPa abs).
That is, if a heat exchanger having a pressure resistance of 100 MPa or more is prepared, in principle, heat exchange with the same heat capacity as water is possible.

一方、気体は、高圧化により液化を生じ、更に臨界点を超えると、超臨界流体となる。液化炭酸ガスの場合、「γ」≒933kg/m3、比熱「Cp」≒1.97kJ/kg・kであるので、
(Cp×γ)CO2液体=1.97(kJ/kg・k)×933(kg/m3
≒1838(kJ/kg・k)×(kg/m3
となる。
On the other hand, the gas is liquefied by high pressure and becomes a supercritical fluid when the critical point is exceeded. In the case of liquefied carbon dioxide gas, “γ” ≈933 kg / m 3 and specific heat “Cp” ≈1.97 kJ / kg · k,
(Cp × γ) CO 2 liquid = 1.97 (kJ / kg · k) × 933 (kg / m 3 )
≒ 1838 (kJ / kg ・ k) × (kg / m 3 )
It becomes.

また、水の場合は、
(Cp×γ)水=4.18(kJ/kg・k)×998(kg/m3
=4172(kJ/kg・k)×(kg/m3
である。
In the case of water,
(Cp × γ) Water = 4.18 (kJ / kg · k) × 998 (kg / m 3 )
= 4172 (kJ / kg · k) x (kg / m 3 )
It is.

これらから、「冷却水」を用いたシステムでは、「液体炭酸ガス」を用いたシステムと比べて、
「4172/1838」≒2.3倍
の循環流量が必要となる。
From these, in the system using “cooling water”, compared with the system using “liquid carbon dioxide”,
“4172/1838” ≈2.3 times the circulation flow rate is required.

一方、0(℃)状態で比較すると、
「水」の粘性係数=1.829×10-4(kg・s/m2){動粘性係数=64.4×10−4(m2/hour)}
に対して、
「炭酸ガス」の粘性係数=1.58×10-5(kg・s/m2) {動粘性係数=4.83×10-4(m2/hour)}}
であり、
「炭酸ガス」の粘性係数/「水」の粘性係数≫≒(1/11.6){動粘性係数;(1/13.3)}
となる。
「炭酸ガス」の粘度は大幅に小さいため、2倍程度に循環流量を増加させても、流路圧損は、寧ろ、1/2(乱流)〜1/5(層流)程度小さいと予測される。
On the other hand, when compared in the 0 (° C) state,
Viscosity coefficient of “water” = 1.829 × 10 −4 (kg · s / m 2 ) {Kinematic viscosity coefficient = 64.4 × 10 −4 (m 2 / hour)}
Against
Viscosity coefficient of “carbon dioxide gas” = 1.58 × 10 −5 (kg · s / m 2 ) {Kinematic viscosity coefficient = 4.83 × 10 −4 (m 2 / hour)}}
And
Viscosity coefficient of “carbon dioxide” / viscosity coefficient of “water” >> ≈ (1 / 11.6) {kinematic viscosity coefficient; (1 / 13.3)}
It becomes.
Since the viscosity of “carbon dioxide gas” is significantly small, the flow pressure loss is predicted to be about 1/2 (turbulent flow) to 1/5 (laminar flow) even if the circulation flow rate is increased by about 2 times. Is done.

ここで、高圧の気体ブラインについて説明する。   Here, the high-pressure gas brine will be described.

気体を高圧化すると、一般に、
比重量(G/V)=(P/RT)
(但し、P=充填圧力、R=当該気体のガス定数、T=気体温度)
の式で表され、充填圧力Pと一次比例の関係で増加することになる。しかし、図5に示す「水」及び「炭酸ガス」の相変化図式の例から明らかな如く、気体ブラインの高圧化は、温度との関わりで、「高圧気体 → 液化気体 → 超臨界流体」と、相変化を生じる。本実施の形態では、これらの「高圧気体 → 液化気体 → 超臨界流体」の総てに適用可能な技術を提案するものである。すなわち、気体ブラインの適用を阻む(Cp×γ)を、気体ブラインを高圧化して「γ」等の改善を図ることにより、熱容量を大きくして、効率的な熱交換が行い得るようにしている。
When the pressure of the gas is increased,
Specific weight (G / V) = (P / RT)
(However, P = filling pressure, R = gas constant of the gas, T = gas temperature)
And increases in a proportional relationship with the filling pressure P. However, as is clear from the example of the phase change diagram of “water” and “carbon dioxide” shown in FIG. 5, the high pressure of the gas brine is related to the temperature as “high pressure gas → liquefied gas → supercritical fluid”. Cause a phase change. In the present embodiment, a technique applicable to all of these “high-pressure gas → liquefied gas → supercritical fluid” is proposed. In other words, the application of gas brine is obstructed (Cp × γ), and by increasing the pressure of gas brine and improving “γ” and the like, the heat capacity is increased so that efficient heat exchange can be performed. .

図6に、各種気体の臨界圧力と温度の一覧を、また、図7には、各種気体の「温度と飽和圧力」の関係を示す。図7より明らかな如く、水は、0℃以上の領域では、飽和圧力で液体を維持しており、優れた熱媒体であることが分かる。そして、古典的なアンモニアは、約0,5MPa以下の負荷で液体となり、−78℃以上の近くの領域からの使用では得がたい熱媒体であることが分かる。   FIG. 6 shows a list of critical pressures and temperatures of various gases, and FIG. 7 shows a relationship between “temperature and saturation pressure” of various gases. As is apparent from FIG. 7, water is maintained as a liquid at a saturation pressure in the region of 0 ° C. or higher, indicating that it is an excellent heat medium. And it turns out that classic ammonia turns into a liquid at the load of about 0.5 Mpa or less, and is a heat medium which cannot be obtained when it uses from the area | region near -78 degreeC or more.

このように、(Cp×γ)の改善を図るために、気体ブラインを高圧化して、「液化気体〜超臨界流体」と相変化を生じさせる。「熱媒体」としては、気体としての(Cp×γ)や「熱伝導率」が大きく、液化圧力(飽和圧力)が低く、臨界条件が低く、安全且つ環境に優しい、等々が要求される。しかし、これら総てを満たす気体ブラインは無いと言っても過言でない。したがって、これら総ての気体に対応可能な、「100MPa以上に至る超高耐圧」を実現させると共に、上述のように「熱通過率(熱伝達率、熱伝達率)×熱交換面積」性能の技術構成を実現することにより、気体ブラインを用いた熱交換システムを構築している。   Thus, in order to improve (Cp × γ), the pressure of the gas brine is increased to cause a phase change of “liquefied gas to supercritical fluid”. As the “heating medium”, (Cp × γ) as a gas, “thermal conductivity” is large, liquefaction pressure (saturation pressure) is low, critical conditions are low, safe and environmentally friendly, and so on. However, it is no exaggeration to say that there is no gas brine that satisfies all of these. Therefore, it is possible to deal with all of these gases and realize “ultra high pressure resistance up to 100 MPa or more” and, as described above, “heat passage rate (heat transfer rate, heat transfer rate) × heat exchange area” performance. By realizing the technical configuration, a heat exchange system using gas brine is constructed.

自動車用エンジンの冷却システムには、(Cp×γ)が比較的大きく、液化圧力も低いため、「エタン」や「プロパン」等の炭化水素系が望ましいが、着火性を有している等の安全性の面で、問題がある。このため、臨界温度が31℃と低く、エンジンの管理適温である80℃近傍では、超臨界流体作動が期待されること、また、地球温暖化物質として削減及び固定化が社会的問題で、これを、「自動車用エンジン」の冷却媒体として充填・固定されれば、社会的な意義を有することから、「炭酸ガス」の自動車用エンジンへの適用を考えた。   For automobile engine cooling systems, hydrocarbons such as “ethane” and “propane” are desirable because (Cp × γ) is relatively large and the liquefaction pressure is low. There is a problem in terms of safety. For this reason, the critical temperature is as low as 31 ° C, and supercritical fluid operation is expected in the vicinity of 80 ° C, which is the optimal temperature for engine management, and reduction and immobilization as a global warming substance is a social problem. If it is charged and fixed as a cooling medium for "automobile engine", it has social significance, so we considered the application of "carbon dioxide" to the automobile engine.

図5に示すように、炭酸ガスの相状態は、充填圧力と温度により変化する。炭酸ガスは、臨界圧力7.38MPa(73kg/cm2 gauge)以上、臨界温度31℃以上では、超臨界流体となる。超臨界流体は、液体と気体の種別のつかない流体で、分子密度のゆらぎが大きく、分子密度は液体に近いが、粘性係数は気体に近くて小さく、拡散が早
く、熱伝導特性は液体並に大きいという特徴がある。この特性は、多数の細孔流路を有するマルチチューブ型熱交換エレメントのように、細孔流路を有する熱交換器では、流路圧損の低減が図れるため、多数の細孔流路構成で熱伝達面積を大幅に向上させる方法に最適である。
As shown in FIG. 5, the phase state of carbon dioxide changes depending on the filling pressure and temperature. Carbon dioxide gas becomes a supercritical fluid at a critical pressure of 7.38 MPa (73 kg / cm 2 gauge) or higher and a critical temperature of 31 ° C. or higher. Supercritical fluids are fluids that cannot be classified into liquids and gases.The fluctuations in molecular density are large and the molecular density is close to that of liquids, but the viscosity coefficient is close to that of gas and the diffusion is fast. There is a feature that is large. This characteristic is because a heat exchanger having a pore flow path, such as a multi-tube heat exchange element having a large number of pore flow paths, can reduce the flow path pressure loss. It is most suitable for the method of greatly improving the heat transfer area.

この特性は、炭酸ガスに限らず、エタン等の他の気体に対しても適用可能である。とりわけ、エチレン(CH2=CH2)の場合は、分子量も大きく、臨界点が、5.04MPa、9.2℃と、エンジンの作動温度に近いために、環境負荷(漏洩、大気開放した場合の環境への影響)を除けば有効と考えられる。自動車用エンジンへの高圧炭酸ガスブラインとしての適用の場合には、例えば、充填圧力≒5MPa程度の場合は、20℃環境では、液体状態が保持される。しかし、エンジン温度が上昇すると、当該部分で液体から気体へ変化して、密度が減少する。この結果、強い対流現象が起きる。更に、エンジンの放熱で充填ブラインの温度が上昇すると、その温度により充填圧力が増加し、仮に、7.38MPa以上を越えると、超臨界流体状態に移行する。超臨界流体では、密度は温度の他に圧力にも影響も大きく受けるため、拡散性、強い対流も期待される。このようにして、循環ポンプが不要な冷却システムが考えられる。このため、この例の場合は、シンプル且つ軽量なシステムが要求される「二輪車用エンジン」への適用が考えられる。但し、大型「自動車用エンジン」等、放熱が不足の場合は、循環ポンプが併用される。   This characteristic is applicable not only to carbon dioxide but also to other gases such as ethane. In particular, in the case of ethylene (CH2 = CH2), the molecular weight is large and the critical point is 5.04 MPa, 9.2 ° C., which is close to the engine operating temperature. This is considered to be effective. In the case of application as a high-pressure carbon dioxide brine to an automobile engine, for example, when the filling pressure is about 5 MPa, the liquid state is maintained in a 20 ° C. environment. However, when the engine temperature rises, the density changes from liquid to gas at that portion, and the density decreases. As a result, a strong convection phenomenon occurs. Further, when the temperature of the filling brine rises due to engine heat dissipation, the filling pressure increases due to the temperature, and if it exceeds 7.38 MPa, the supercritical fluid state is entered. In supercritical fluids, density is greatly affected by pressure as well as temperature, so diffusivity and strong convection are also expected. In this way, a cooling system that does not require a circulation pump can be considered. For this reason, in the case of this example, application to a “motorcycle engine” requiring a simple and lightweight system is conceivable. However, if the heat dissipation is insufficient, such as a large “automotive engine”, a circulation pump is used together.

これらのシステムを可能とさせるのが、100MPa以上に至る超耐圧性能を有し、超巨大な熱交換器面積を可能とさせる、熱交換器技術を用いた高圧気体ブラインシステムである。   What makes these systems possible is a high-pressure gas brine system using heat exchanger technology that has ultra-high pressure performance up to 100 MPa and enables an enormous heat exchanger area.

このような構成において、例えば、図1に示す熱交換システムで自動車用エンジンを冷却する場合には、高温側10がエンジンに相当する場所に配置され、エンジンのシリンダー外壁からエンジンの放熱を受け取り、流路5を介して、低温側11(外気)に連接される。そして、放熱のための低温側11に配置された低温側熱交換器3(ラジエーター)で外気冷却されて、ブロアー2で再びエンジンのシリンダー外壁に冷却された気体ブラインが供給されるようになっている。   In such a configuration, for example, when the automobile engine is cooled by the heat exchange system shown in FIG. 1, the high temperature side 10 is arranged at a place corresponding to the engine, receives heat from the engine from the cylinder outer wall, It is connected to the low temperature side 11 (outside air) through the flow path 5. Then, the outside air is cooled by the low temperature side heat exchanger 3 (radiator) disposed on the low temperature side 11 for heat radiation, and the cooled brine is supplied again to the cylinder outer wall of the engine by the blower 2. Yes.

現在は、「熱媒体」として、「不凍液添加―冷却水」が用いられている。これを「高圧炭酸ガス」成分のブラインに変えることにより、「腐食性がないこと、永久安定素材であること」等々により、赤錆の発生や蒸発による損失等の経時変化が全くないため、安定したエンジン状態の確保が可能となる。   At present, “antifreeze added—cooling water” is used as the “heat medium”. By changing this to brine of the “high pressure carbon dioxide” component, there is no change over time such as red rust generation or loss due to evaporation, etc. The engine state can be secured.

冷媒としての液体炭酸ガスブラインは、通常考えられる使用方法であって、冷却熱媒として使用する場合には、温度維持範囲が80℃内外で、例えば、5MPa程度のブライン圧力において、エンジンの熱を受けて気体化し、熱交換を阻害するおそれがある。このような「自動車用エンジン」の冷却システムに使用するには、炭酸ガスの臨界圧力である7.43MPa以上の充填圧力でブラインを封入して使用することになる。この結果、「充填された炭酸ガス」は「超臨界流体」となり、一般に、「超臨界流体」では拡散性が向上することから、熱交換を阻害する温度境界層が破壊されて、熱伝達の基本式「dQ=C×A×ΔT」において、同じ温度差ΔT、同じ熱交換面積Aで、熱伝達率「C」の大幅向上される効果が期待される結果、単位時間当たりの伝達熱量dQが改善される効果が期待される。しかも、「シリンダー・ライナー内側では、6MPa内外の燃焼圧力」が反復負荷されており、漏れに対する懸念はないため、適用が易しいと言える。   Liquid carbon dioxide brine as a refrigerant is a conceivable method of use, and when used as a cooling heat medium, the temperature of the engine is maintained at a temperature maintaining range of 80 ° C. or outside, for example, at a brine pressure of about 5 MPa. It may be gasified and hinder heat exchange. For use in such a cooling system of an “automotive engine”, brine is enclosed at a filling pressure of 7.43 MPa or more which is a critical pressure of carbon dioxide gas. As a result, the “filled carbon dioxide gas” becomes a “supercritical fluid”, and in general, the “supercritical fluid” has improved diffusivity, so the temperature boundary layer that inhibits heat exchange is destroyed, and heat transfer is prevented. In the basic formula “dQ = C × A × ΔT”, the heat transfer rate “C” is expected to be greatly improved with the same temperature difference ΔT and the same heat exchange area A. Is expected to be improved. In addition, “the combustion pressure inside and outside 6 MPa” is repeatedly applied inside the cylinder liner, and there is no concern about leakage, so it can be said that the application is easy.

なお、上述した温度境界層とは、例えば、熱い風呂に、体の周りに乱れを生じないように、静かに入浴したときに、皮膚の周りに形成される層と同じものであり、攪拌すると、急激に熱くなるのは、この温度境界層が破壊されるためである。   The above-mentioned temperature boundary layer is the same as the layer formed around the skin when gently bathed in a hot bath so as not to disturb the surroundings of the body. The reason why the temperature suddenly becomes hot is that this temperature boundary layer is destroyed.

現在、ブラインは、冷媒用、熱媒用とその使用領域が区分けされているのが現状である。しかし、「高耐圧」且つ「高熱交換」性能を有する熱交換器を用いることにより、水蒸気を含む、炭酸ガスや空気等との気体ブラインを、冷媒領域(−200℃以上)〜熱媒領域(1500℃以下)の広い範囲で適用することを可能とした。特に、自動車用エンジンにおいては、炭酸ガスの高圧(例えば、7.5MPa以上)充填を行うことにより、拡散特性を活かすことにより、現状の水冷却以上の温度管理を行うことが可能となる。   At present, brine is divided into use areas for refrigerant and heat medium. However, by using a heat exchanger having “high pressure resistance” and “high heat exchange” performance, gas brine containing carbon dioxide, air, etc. containing water vapor can be converted into a refrigerant region (−200 ° C. or higher) to a heat medium region ( It was possible to apply in a wide range of 1500 ° C. or less. In particular, in an automobile engine, by performing a high pressure (for example, 7.5 MPa or more) filling with carbon dioxide gas, it is possible to perform temperature control more than the current water cooling by utilizing diffusion characteristics.

図8は、本発明の実施の形態に係る熱交換システム100であって、「対流式の密閉サイクル」の概要図である。   FIG. 8 is a heat exchange system 100 according to an embodiment of the present invention, and is a schematic diagram of a “convective closed cycle”.

この「対流式の密閉サイクル」では、図8に示すように、利用側の熱交換器と熱源側の熱交換器を垂直配置し、両熱交換器を連結する管路を中心軸管とその周囲を取り囲む外装管の二重管で構成している。例えば、自動車用エンジンを冷却する場合、高温側110がエンジンに相当する場所に配置され、高温側熱交換器104がエンジンのシリンダー外壁からエンジンの放熱を受け取り、システムに充填されている気体ブラインが加熱されて、密度が低下して、連絡流路105で上昇流れを生じる。一方、低温側111(外気)に設けられた放熱のための低温側熱交換器103により、気体ブラインは冷却されて密度が大となり、下降流を生じる。このように、「対流式」では、図1で構成されていたブロアー2が不要であり、冷却システムがよりコンパクト且つ省エネルギー化が可能となる。   In this “convection type closed cycle”, as shown in FIG. 8, a heat exchanger on the use side and a heat exchanger on the heat source side are arranged vertically, and a pipe connecting the both heat exchangers is a central axis tube and its It consists of a double tube with an outer tube that surrounds it. For example, when cooling an automobile engine, the high temperature side 110 is disposed at a location corresponding to the engine, the high temperature side heat exchanger 104 receives the heat radiation of the engine from the cylinder outer wall of the engine, and the gas brine filled in the system is changed. When heated, the density decreases and an upward flow is generated in the communication channel 105. On the other hand, the low temperature side heat exchanger 103 for dissipating heat provided on the low temperature side 111 (outside air) cools the gas brine, increases the density, and generates a downward flow. Thus, in the “convection type”, the blower 2 configured in FIG. 1 is not necessary, and the cooling system can be made more compact and energy saving.

また、図8に示すシステムの「熱媒体」として、超臨界炭酸ガスを用いた場合は、エンジンのおおよその維持温度である80℃に対して、臨海温度条件が31℃以上と低いため、小さな隙間にも進入できる拡散性能(熱伝達率の向上が期待される)、流動性(気体の特性を有するため、対流が期待される)等々から、安定した冷却状態が期待される。   In addition, when supercritical carbon dioxide is used as the “heating medium” of the system shown in FIG. 8, the coastal temperature condition is as low as 31 ° C. or lower with respect to 80 ° C., which is the approximate engine maintenance temperature. A stable cooling state is expected from the diffusion performance (expected improvement in heat transfer coefficient) that can enter the gap, fluidity (because it has gas characteristics and convection is expected), and the like.

なお、図8と同じ作動を行うものに、ヒートパイプがある。これは、熱交換器内部に微量の水やアルコールを充填し、その内圧を真空として、気化(蒸発)と凝縮(液化)とを利用したもので、ほぼ音速で熱伝導が行われるため、機材の冷却や外気の冷エネルギーの蓄熱、融雪等に大きな力を発揮する。しかしながら、このヒートパイプを機能させるには、一端に、必ず、凝縮(液化)部分(低温部分)を構成させなければならず、この面での制約がある。これに対して、本実施の形態のように熱媒体を用いる方式では、例えば1000℃の高温側から受熱し、低温側で1000(℃)の蓄熱を行うことが可能となる。   In addition, there exists a heat pipe to perform the same operation | movement as FIG. This is because the heat exchanger is filled with a small amount of water or alcohol, the internal pressure is set to vacuum, and vaporization (evaporation) and condensation (liquefaction) are used, and heat conduction takes place at almost the speed of sound. It exerts great power for cooling the air, storing the cold energy of the outside air, melting snow, etc. However, in order for this heat pipe to function, a condensing (liquefying) portion (low temperature portion) must be formed at one end, which is restricted in this respect. On the other hand, in the method using the heat medium as in the present embodiment, for example, heat can be received from the high temperature side of 1000 ° C., and heat storage of 1000 (° C.) can be performed on the low temperature side.

図9は、気体ブラインを用いた熱交換システム200であって、絞り流路を有する循環式熱交換器(いわゆる、ヒートポンプ)を示す概要図である。   FIG. 9 is a schematic diagram showing a heat exchange system 200 using a gas brine and a circulation heat exchanger (so-called heat pump) having a throttle channel.

既存の技術としては、環境問題から、熱媒体として「炭酸ガス」が一般的に使用されている。この他にも、「フレオン」、「アンモニア」等の沸点の高いものが使用されている。このように、良く知られたヒートポンプでも、本実施の形態とは稼動システムが異なる。すなわち、ヒートポンプでは、低温側211が室内温度を下げたい領域(例えば、エアコン)とすると、流路205内に炭酸ガスを充填し、圧縮機202でこれを圧縮し、発生した熱を高温側210の高温側熱交換器204を介して、生活温水利用のための水で放熱して、熱媒体の炭酸ガスを液化させる。次いで、液化熱媒体を絞り206を通じて膨張させて、その蒸発熱により熱媒体温度を下げて、低温側熱交換器203で室内空気温度を低下させている。この例の場合は、高温側210の温度を低下させればさせる程、低温側熱交換器203の温度は低温が得られる。一方、高温側210を給湯器等に利用する場合は、低温側熱交換器203の温度を高めて、例えば、廃熱利用、太陽熱利用することになる。しかし、何れも、気体から液体への相変化時の蒸発熱(凝縮熱)を利用したものであり、本実施の形態のように、相変化しない「高圧気体ブライン」の適用例とは異なる。なお、この相変化しないということには、例えば、微量の気体が意図せずに液体になってしまう場合などを含まず、基本的に相変化をさせないでという意味である。   As an existing technology, “carbon dioxide” is generally used as a heat medium because of environmental problems. In addition, those having a high boiling point such as “Freon” and “Ammonia” are used. As described above, even a well-known heat pump has a different operation system from the present embodiment. That is, in the heat pump, if the low temperature side 211 is a region where the room temperature is desired to be lowered (for example, an air conditioner), the flow path 205 is filled with carbon dioxide gas, and the compressor 202 compresses the generated heat. The heat medium carbon dioxide gas is liquefied by radiating heat with water for using hot water for daily life through the high-temperature side heat exchanger 204. Next, the liquefied heat medium is expanded through the diaphragm 206, the heat medium temperature is lowered by the heat of evaporation, and the indoor air temperature is lowered by the low temperature side heat exchanger 203. In the case of this example, the lower the temperature of the high temperature side 210, the lower the temperature of the low temperature side heat exchanger 203. On the other hand, when the high temperature side 210 is used for a hot water heater or the like, the temperature of the low temperature side heat exchanger 203 is increased to use, for example, waste heat or solar heat. However, both use heat of evaporation (condensation heat) at the time of phase change from gas to liquid, and are different from the application example of “high-pressure gas brine” that does not change phase as in this embodiment. The fact that the phase does not change does not include, for example, a case where a trace amount of gas becomes liquid unintentionally, and basically means that the phase does not change.

図10は、本発明の実施の形態に係る熱交換システムであって、高圧気体ブラインを用いた「密閉−対流式熱交換器」の概要図を示す。   FIG. 10 is a heat exchange system according to an embodiment of the present invention, and shows a schematic diagram of a “sealed-convection heat exchanger” using a high-pressure gas brine.

基本的な構成は、図1に示すシステムと同じである。すなわち、エンジン320内の冷却ジャケット部321が、高温側熱交換器の一端として構成されている。エンジン320の冷却のための熱媒体として、高圧気体ブライン(例えば、炭酸ガス)が、システム内に充填されている。エンジン320と放熱(冷却)のための低温側熱交換器303とは、流路305で連接されている。   The basic configuration is the same as that of the system shown in FIG. That is, the cooling jacket portion 321 in the engine 320 is configured as one end of the high temperature side heat exchanger. As a heat medium for cooling the engine 320, a high-pressure gas brine (for example, carbon dioxide gas) is filled in the system. The engine 320 and the low temperature side heat exchanger 303 for heat radiation (cooling) are connected by a flow path 305.

流路305は、エンジン320の上側に連接され、エンジン320で加熱された熱媒体が比重量の減少により上昇対流を生じる構造としている。その熱媒体温度が、例えば60℃を越えた時、サーモスタット弁322等の温度制御弁が開放されて、低温側熱交換器303への熱媒体の流入を促す。なお、充填気体が正常か否かの確認のための圧力計323が流路305等(場所は、密閉構造のため、どこでも良い)に接続されている。
低温側熱交換器303で熱媒体が冷却されることにより「比重量」が増加し、下降流れを起こす。これを流路324により、エンジン320の下側に連接させ、「流路324から流路305」の循環流れを形成させている。このようにして、「循環ポンプ」不要での冷却システムを構成させている。
The flow path 305 is connected to the upper side of the engine 320 and has a structure in which the heat medium heated by the engine 320 generates upward convection due to a decrease in specific weight. When the temperature of the heat medium exceeds, for example, 60 ° C., a temperature control valve such as the thermostat valve 322 is opened to prompt the heat medium to flow into the low temperature side heat exchanger 303. A pressure gauge 323 for confirming whether or not the filling gas is normal is connected to the flow path 305 or the like (the place may be anywhere because of a sealed structure).
When the heat medium is cooled by the low temperature side heat exchanger 303, the “specific weight” increases and a downward flow is caused. This is connected to the lower side of the engine 320 by a flow path 324 to form a circulation flow of “flow path 324 to flow path 305”. In this way, a cooling system that does not require a “circulation pump” is configured.

なお、低温側熱交換器303には、(1)耐圧性能及び(2)熱交換効率(熱交換面
積)に極めて優れる、例えば、「蓮根状の多数の細孔流路から構成される熱交換器(図2参照)が使用される。
The low temperature side heat exchanger 303 has (1) pressure resistance performance and (2) heat exchange efficiency (heat exchange area), for example, “Heat exchange composed of many lotus-like pore channels” A vessel (see FIG. 2) is used.

また、低温側熱交換器303での負荷の低減のために、エンジン320の外周部には、放熱フィン325が設けられることもある。低温側熱交換器303及び放熱フィン325によるエンジン・ルーム内温度の低減のために、冷却ファン326が設けられており、温度計327から熱媒体温度あるいはエンジン・ルーム内温度の信号を受けて、電磁クラッチ328(あるいは電動モーター)が機能して、冷却ファン326を駆動させる。その他、万一の際の安全性確保のために、流路に連接して自動弁329(開放弁)が装備されることがある。すなわち、流路内圧力が任意の圧力を越えた場合、「スプリングの押し付け力と背圧」に勝って、当該自動弁329が開放され、熱媒体圧力を逃がす。そして、それを大気開放若しくは、リザーバー・タンク(ボックス)330に逃がされる。   Further, in order to reduce the load on the low temperature side heat exchanger 303, heat radiation fins 325 may be provided on the outer periphery of the engine 320. A cooling fan 326 is provided to reduce the temperature in the engine room by the low temperature side heat exchanger 303 and the heat radiating fins 325, and receives a signal of the heat medium temperature or the engine room temperature from the thermometer 327, The electromagnetic clutch 328 (or electric motor) functions to drive the cooling fan 326. In addition, in order to ensure safety in the event of an emergency, an automatic valve 329 (open valve) may be provided in connection with the flow path. That is, when the pressure in the flow path exceeds an arbitrary pressure, the automatic valve 329 is opened over the “spring pressing force and back pressure”, and the heat medium pressure is released. Then, it is released to the atmosphere or released to the reservoir tank (box) 330.

図10に示すシステムの優れる点は、(イ)熱媒体として「炭酸ガス」等の安定な物質を使用しているため、半永久的な稼動が期待されること、(ロ)「超臨界流体」領域では、その拡散性により、均質なエンジン温度管理が可能となること、(ハ)「超臨界流体」では、液体の「比重量×比熱」の特性で、気体の「粘性係数」を活用して、多数の蓮根状流路から構成される高性能熱交換器等の使用が可能となること、(ニ)自然対流を利用しているため、「循環ポンプ」が不要のため、当該駆動のためのエネルギー削減が図れること、(ホ)不凍液等の添加物無しで、−50℃〜の環境温度でメンテンナンス・フリーの稼動が出来ること、(へ)炭酸ガスの資源化・固定化技術のため、環境保全に貢献できること、等々が上げられる。このシステムは、二輪車用エンジンに対しても応用可能である。   The excellent point of the system shown in FIG. 10 is that (a) since a stable substance such as “carbon dioxide” is used as a heat medium, semipermanent operation is expected, and (b) “supercritical fluid”. In the region, the diffusivity makes it possible to manage the engine temperature uniformly. (C) In the “supercritical fluid”, the “viscosity coefficient” of the gas is used with the characteristic of “specific weight × specific heat” of the liquid. Therefore, it is possible to use a high-performance heat exchanger composed of many lotus root-like channels, and (d) since natural convection is used, a “circulation pump” is not required. Energy savings, (e) maintenance-free operation at -50 ° C and below, without additives such as antifreeze, and (f) carbon dioxide resource recycling and immobilization technology Can contribute to environmental conservation. This system can also be applied to motorcycle engines.

図11は、本発明の実施の形態に係る熱交換システムであって、高圧気体ブラインを用いた「密閉−循環式熱交換器」の概要図(基本的な作動図で有り、冷却ファン等の補機を割愛)を示す。基本的な構成は、図8に示すシステムと同じである。   FIG. 11 is a heat exchange system according to an embodiment of the present invention, and is a schematic diagram of a “closed-circulation heat exchanger” using a high-pressure gas brine (basic operation diagram, such as a cooling fan). Omit auxiliary equipment). The basic configuration is the same as the system shown in FIG.

大型自動車用エンジンの場合や高出力エンジンの場合には、前掲の自然対流式熱交換器では充分な冷却管理が不可能な場合がある。このために、エンジン内の熱媒体を強制的に循環させて、エンジンの温度管理を図るシステムが、図11の実施例である。   In the case of a large vehicle engine or a high output engine, the natural convection heat exchanger described above may not be able to perform sufficient cooling control. For this purpose, a system for forcibly circulating the heat medium in the engine and managing the temperature of the engine is the embodiment of FIG.

エンジン420には、熱媒体として、「高圧気体ブライン(例えば、炭酸ガス等)」が充填されている。エンジン420を冷却した熱媒体は、エンジン420に連接された流路405を経て、放熱のための低温側熱交換器403に導かれる。低温側熱交換器403で冷却された熱媒体は、循環ポンプ421により流路424を経て、エンジン420に循環される。   The engine 420 is filled with “high pressure gas brine (for example, carbon dioxide gas)” as a heat medium. The heat medium that has cooled the engine 420 is guided to a low-temperature side heat exchanger 403 for heat dissipation through a flow path 405 connected to the engine 420. The heat medium cooled by the low temperature side heat exchanger 403 is circulated to the engine 420 via the flow path 424 by the circulation pump 421.

図11の例では、エンジン420の上側(高温側)から下側(低温側)への循環流路であるが、エンジン420温度の均質化のために、流路はこの説明と逆でも構わない。「高圧気体ブライン」が適正充填されているかの確認・管理のために、流路405に圧力計423が設けられている。また、エンジン420温度の適正管理のために、温度計427と、PID制御等の機能を有するモーター・コントローラー428が装備されている。そして、このPID制御等の機能を有するモーター・コントローラー428により、熱媒体の適正な循環流量管理が行なわれる。   In the example of FIG. 11, the circulation flow path is from the upper side (high temperature side) to the lower side (low temperature side) of the engine 420, but for the homogenization of the engine 420 temperature, the flow path may be reversed to this description. . A pressure gauge 423 is provided in the flow path 405 for checking and managing whether or not “high-pressure gas brine” is properly filled. In addition, a thermometer 427 and a motor controller 428 having functions such as PID control are provided for proper management of the engine 420 temperature. The motor controller 428 having a function such as PID control performs appropriate circulation flow rate management of the heat medium.

このシステムの優れる点は、(イ)熱媒体として炭酸ガス等の安定な物質を使用しているため、半永久的な稼動が期待されること、(ロ)超臨界流体領域では、その拡散性により、均質なエンジン温度管理が可能となること、(ハ)「超臨界流体」では、液体の「比重量×比熱」の特性で、気体の粘性係数を活用して、多数の蓮根状流路から構成される高性能熱交換器等の使用が可能となること、(ニ)強制循環を行うことにより、現在の「冷却水システム」と同等以上の温度管理が可能なこと、(ホ)不凍液等の添加物無しで、「−50(℃)〜」の環境温度でメンテンナンス・フリーの稼動が出来ること、(へ)「炭酸ガス」の資源化・固定化技術のため、環境保全に貢献できること、等々が上げられる。   The advantages of this system are (a) that a stable substance such as carbon dioxide is used as the heat medium, and that semipermanent operation is expected. (B) In the supercritical fluid region, due to its diffusivity. (C) “Supercritical fluid” is a characteristic of “specific weight x specific heat” of liquid, and it uses the viscosity coefficient of gas to create a large number of lotus root flow paths. It is possible to use a high-performance heat exchanger that is configured, (d) it is possible to perform temperature control equivalent to or higher than the current “cooling water system” by performing forced circulation, (e) antifreeze, etc. It is possible to operate maintenance-free at an environmental temperature of “−50 (° C.) −” Without any additive, and (f) to contribute to environmental conservation due to the resource and immobilization technology of “carbon dioxide gas”. And so on.

なお、図にはないが、循環ポンプ421が故障の場合の安全性確保のために、図10の例と同様に、流路のライン圧力が異状に上昇した際、その圧力を逃がす図示しない自動弁と、熱媒体を一時保管する図示しないリザーバー・タンクを付設する場合もある。   Although not shown in the figure, in order to ensure safety in the event of a failure of the circulation pump 421, as in the example of FIG. 10, when the line pressure of the flow path rises abnormally, the pressure is released (not shown) In some cases, a valve and a reservoir tank (not shown) for temporarily storing the heat medium are attached.

ここで、自動車用エンジンの冷却熱媒体として、炭酸ガスを用いた場合の炭酸ガスの削減効果について記述する。   Here, the reduction effect of carbon dioxide when carbon dioxide is used as a cooling heat medium for automobile engines will be described.

2004年の統計に見る世界の自動車生産台数は、凡そ6200万台で、日本の生産台数は凡そ2000万台で、益々増加の一途にある。自動車用エンジンの冷却熱媒体としての「液化炭酸ガス」の量を5(リットル/台)とし、世界生産の10%の新車がこれを用いたと仮定する。この結果、62000000台/年×0.1×5リットル=31000000(リットル/年)=31000(キロリットル/年)の炭酸ガスが固定化される。この量は、200リットルドラム缶換算で、31000000(リットル/年)/200=155000(缶/年)≒16万(缶/年)に相当する。   According to the statistics of 2004, the world's automobile production is about 62 million, and Japan's production is about 20 million, which is increasing more and more. It is assumed that the amount of “liquefied carbon dioxide” as a cooling heat medium for an automobile engine is 5 (liters / unit), and 10% of new vehicles produced worldwide use this. As a result, 622,000,000 units / year × 0.1 × 5 liter = 311,000,000 (liter / year) = 31,000 (kiloliter / year) of carbon dioxide gas is fixed. This amount corresponds to 31000000 (liter / year) / 200 = 155000 (can / year) ≈160,000 (can / year) in terms of a 200-liter drum.

重量基準で考えると、臨界(液化)時の比重量を925(kg/m3)(0℃;内田秀雄―伝熱工学P.379 裳華房)と仮定すると、31000000(リットル/年)×925(kg/m3)/1000(m3/リットル)=28675000(kg/年)≒28675(ton/年)の削減効果が期待される。なお、仮に、30%の新車が採用した場合は、自動車分野のみで、28675×3=86025(ton/年)の削減効果が期待される。 Assuming that the specific weight at the critical (liquefaction) is 925 (kg / m 3 ) (0 ° C .; Hideo Uchida-P.379, Heat Transfer Engineering), 31 million (liters / year) × A reduction effect of 925 (kg / m 3 ) / 1000 (m 3 / liter) = 286675 (kg / year) ≈28675 (ton / year) is expected. If 30% of new cars are adopted, a reduction effect of 28675 × 3 = 86025 (ton / year) is expected only in the automobile field.

図12(A)及び図12(B)は、本発明の実施の形態に係る熱交換システムであって、「高圧気体ブライン」を用いた「循環式―熱交換器」の概要図を示したものである。   FIG. 12 (A) and FIG. 12 (B) are schematic views of a “circulation-heat exchanger” using a “high-pressure gas brine” in the heat exchange system according to the embodiment of the present invention. Is.

人間の生活環境を維持するための温度管理を、石油等の熱エネルギーや変換された電気エネルギーから得ることは極めて、不効率である。例えば、50℃の1kg当たりの熱エネルギーは、落差100mのダムの約217倍に相当する(東京大学名誉教授 田沼静一著「エネルギー変換」(株)裳華房 P.9)。すなわち、外気温度が0℃の環境下で、室温=0℃から、6畳相当の3.6m×2.7m×H3mの部屋を25℃に暖めるとすると、(25/50)×3.6×2.7×3×1.29kg/m3×217≒4081と言うように、落差100mのダムの何と「4081倍」相当のエネルギーを要してしまう。このように、「多用途性エネルギー(電気は、光、モーター、熱等々、多くの形態に変換できる)」である、電気エネルギー変換されたエネルギーを、再び、熱エネルギーに再変換することは極めて無駄と言える。このためには、自然エネルギーに恵まれた寒暖の差のある地方では、大気の自然エネルギーの活用を図ることが重要である。 It is extremely inefficient to obtain temperature management for maintaining the human living environment from thermal energy such as petroleum or converted electric energy. For example, the thermal energy per kg at 50 ° C is equivalent to about 217 times that of a dam with a drop of 100m (Shinichi Tanuma, Professor Emeritus, The University of Tokyo “Energy Conversion” Co., Ltd. P. 9). That is, assuming that a room of 3.6 m × 2.7 m × H3 m equivalent to 6 tatami mats is warmed to 25 ° C. in an environment where the outside air temperature is 0 ° C. from room temperature = 0 ° C., (25/50) × 3.6 × as saying that 2.7 × 3 × 1.29kg / m 3 × 217 ≒ 4081, it takes the energy equivalent of what "4081 times" of the drop 100m dam. In this way, it is extremely difficult to reconvert energy converted from electrical energy, which is "multi-use energy (electricity can be converted into many forms such as light, motor, heat, etc.)" into thermal energy again. It's a waste. For this purpose, it is important to utilize the natural energy of the atmosphere in regions where there is a difference in temperature and warmth blessed with natural energy.

図12(A)の「循環式熱交換器」(一端が凝固(液化)する状態の温度範囲の場合は、ヒートパイプの方が優れる。例えば、冷エネルギーの貯蔵の場合)では、「蓄熱槽」に、太陽熱等の暖エネルギーを貯熱する場合のシステム構成を有する。熱媒体には、高圧気体ブラインが用いられている。   In the case of the “circulation heat exchanger” in FIG. 12A (in the temperature range where one end is solidified (liquefied), the heat pipe is superior. For example, in the case of cold energy storage) The system configuration in the case of storing warm energy such as solar heat. As the heat medium, high-pressure gas brine is used.

蓮根状の細孔流路501から構成される、マルチチューブ型熱交換エレメント等の高性能熱交換器の外周部に、集熱フィン525が設けられている。この集熱フィン525により加温された熱媒体は、反転槽530で反転させられ、中心軸531に設けられた「熱媒体油送管」を介して、蓄熱槽側に送られる。高温熱媒体を中心軸531に設けられた「熱媒体油送管」を介して送ることにより、輸送の際の熱損失の改善が図られている。そして、逆支弁532を経て反転槽530で反転させられ、マルチチューブ型熱交換エレメント533に送られ、放熱フィン534により、蓄熱槽の熱媒体に暖エネルギーが伝えられる。   Heat collection fins 525 are provided on the outer peripheral portion of a high-performance heat exchanger such as a multi-tube heat exchange element, which is composed of a lotus root-shaped pore channel 501. The heat medium heated by the heat collecting fins 525 is reversed in the reversing tank 530 and sent to the heat accumulating tank side through the “heat medium oil feeding pipe” provided on the central shaft 531. By sending a high-temperature heat medium through a “heat medium oil feed pipe” provided on the central shaft 531, improvement in heat loss during transportation is achieved. Then, it is reversed in the reversing tank 530 through the reverse support valve 532, sent to the multi-tube heat exchange element 533, and warm energy is transmitted to the heat medium in the heat accumulating tank by the radiation fins 534.

蓄熱槽に暖エネルギーを伝えた熱媒体は、外周に配置された熱媒体輸送管535を介して、「集熱部」に送られる。熱媒体の循環は、熱媒体輸送管535内部に設けられた、図12(A)の例では、スプリング536、永久磁石537、リード弁(フェーザー弁)538、ラビリンス・シール539から構成されるピストン弁540と、電磁駆動装置541により行なわれる。詳細には、電磁駆動装置541が動作すると、スプリング536の弾性に抗してリード弁538の永久磁石537が電磁駆動装置541側へ引き寄せられ、ピストン弁540を開放させるようになっている。   The heat medium that has transmitted the warm energy to the heat storage tank is sent to the “heat collecting section” via the heat medium transport pipe 535 disposed on the outer periphery. In the example shown in FIG. 12A, the heat medium is circulated in the heat medium transport pipe 535. In the example shown in FIG. 12A, the piston is composed of a spring 536, a permanent magnet 537, a reed valve (phaser valve) 538, and a labyrinth seal 539. This is performed by a valve 540 and an electromagnetic driving device 541. Specifically, when the electromagnetic driving device 541 is operated, the permanent magnet 537 of the reed valve 538 is attracted toward the electromagnetic driving device 541 against the elasticity of the spring 536, and the piston valve 540 is opened.

上述の構造は、変性しない単純組成の気体ブラインを用いた完全密封構造の熱交換器のため、内部劣化を生じない。この結果、永久稼動が可能となる。また、上記、循環用ピストン弁540の代わりに、例えば、図示しない、循環用インペラを用いて熱媒体を循環させてもよい。   The above-described structure does not cause internal deterioration because of a completely sealed heat exchanger using a simple composition gas brine that does not denature. As a result, permanent operation is possible. Further, instead of the above-described circulation piston valve 540, for example, a heat medium may be circulated using a circulation impeller (not shown).

また、図12(B)は、「蓄冷槽」に、太陽熱等の「冷エネルギー」を貯熱する場合のシステム構成を示している。作動システムは、前述の「蓄冷システム」と全く同じで、熱媒体には、「高圧気体ブライン」が用いられている。異なる点は、循環方向(流体の流れ方向)が逆で、冷却された熱媒体が、外周に配置された熱媒体輸送管635を介して、「蓄冷槽」に送られる。すなわち、蓮根状の細孔流路601から構成されるマルチチューブ型熱交換エレメント633等の高性能熱交換器の外周部に、集冷フィン625が設けられている。この集冷フィン625により冷却された熱媒体は、外周に配置された熱媒体輸送管635を介して、図12(B)の例では、外周に配置された熱媒体輸送管635内部に設けられた、スプリング636、永久磁石637、リード弁(フェーザー弁)638、ラビリンス・シール639から構成されるピストン弁640と、電磁駆動装置641により循環が行なわれる。また、上記ピストン弁640の代わりに、例えば、インペラを用いて熱媒体を循環させてもよい。   FIG. 12B shows a system configuration in the case where “cold energy” such as solar heat is stored in the “cold storage tank”. The operation system is exactly the same as the above-described “cold storage system”, and “high pressure gas brine” is used as the heat medium. The difference is that the circulation direction (fluid flow direction) is reversed, and the cooled heat medium is sent to the “cold storage tank” via the heat medium transport pipe 635 disposed on the outer periphery. In other words, the cooling fins 625 are provided on the outer peripheral portion of a high-performance heat exchanger such as the multi-tube heat exchange element 633 constituted by the lotus root-shaped pore channel 601. In the example of FIG. 12B, the heat medium cooled by the cooling fins 625 is provided inside the heat medium transport pipe 635 disposed on the outer periphery via the heat medium transport pipe 635 disposed on the outer periphery. Circulation is performed by a piston valve 640 including a spring 636, a permanent magnet 637, a reed valve (phaser valve) 638, a labyrinth seal 639, and an electromagnetic drive device 641. Further, instead of the piston valve 640, for example, an impeller may be used to circulate the heat medium.

マルチチューブ型熱交換エレメント633に送られた熱媒体は、放熱フィン634により「蓄冷槽の熱媒体」に「冷エネルギー」が伝えられる。そして、反転槽630で反転させられ、中心軸631に設けられた熱媒体油送管を介して、集冷部に送られる。上昇した熱媒体は、逆支弁632を経て反転槽630で反転させられ、マルチチューブ型熱交換エレメント633に送られ、集冷フィン625により「冷エネルギー」を受け取る(冷エネルギーの貯冷に限れば、ヒートパイプの方が優れる)。   The heat medium sent to the multi-tube heat exchange element 633 is transmitted “cold energy” to the “heat medium of the cold storage tank” by the heat radiation fins 634. And it is reversed by the inversion tank 630, and is sent to a cold collection part through the heat-medium oil feed pipe provided in the center axis | shaft 631. The rising heat medium is reversed in the reversing tank 630 through the reverse support valve 632, sent to the multi-tube heat exchange element 633, and receives “cold energy” by the cooling fins 625 (if it is limited to cold energy storage). , Heat pipe is better).

この作動説明は、「強制循環式熱交換器」の一般的作動例を説明したもので、詳細は後述する図13に示す「自然対流式熱交換器」等の適用も、本実施の形態の「高圧気体ブライン」を使用したシステムに含まれる。   This operation explanation is a general operation example of the “forced circulation heat exchanger”, and the application of a “natural convection heat exchanger” shown in FIG. Included in systems using “high pressure gas brine”.

図13は、本発明の実施の形態に係る熱交換システムであって、図13(A)に「蓄熱システム」、図13(B)に「蓄冷システム」を示している。また、図13(C)は、図13(A)のA−A線で切断した断面図、図13(D)は、図13(A)のB部の拡大図である。なお、この2つは、対流による流れ方向が異なる以外は同じ基本構造であるので、以下、「蓄熱システム」について説明する。   FIG. 13 shows a heat exchange system according to the embodiment of the present invention. FIG. 13A shows a “heat storage system” and FIG. 13B shows a “cold storage system”. 13C is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 13A, and FIG. 13D is an enlarged view of a portion B in FIG. Since these two have the same basic structure except that the flow direction by convection is different, the “heat storage system” will be described below.

図13の説明の前に、「熱媒体」を用いた、既存の「蓄冷システム」を図14を用いて簡単に説明する。   Prior to the description of FIG. 13, an existing “cold storage system” using a “heat medium” will be briefly described with reference to FIG. 14.

既存のシステムにおいて、蓄冷槽701の蓄冷剤702(熱媒体)には、低温側熱交換器703内で熱の授受を行う熱媒体と同じものが使用されてきた。例えば、そのような熱媒体としては、塩化カルシウム溶液や塩化マグネシウム溶液等の、比重量、比熱、熱伝導率等の大きな液体の方が、効率的なシステム構築が簡単に可能なためである。この例の場合は、蓄冷槽701の蓄冷剤702上端中に、流路705が挿入され、その一端が、寒冷外気から熱吸収するための低温側熱交換器703に接続されている。そして低温側熱交換器703の他端と蓄冷槽701の底付近と流路705で接続されている。   In the existing system, the same heat medium that transfers heat in the low temperature side heat exchanger 703 has been used as the cold storage agent 702 (heat medium) of the cold storage tank 701. For example, as such a heat medium, a liquid having a large specific weight, specific heat, thermal conductivity, etc., such as a calcium chloride solution or a magnesium chloride solution, can easily construct an efficient system. In the case of this example, a flow path 705 is inserted into the upper end of the regenerator 702 of the regenerator 701, and one end thereof is connected to a low-temperature side heat exchanger 703 for absorbing heat from cold outside air. The other end of the low temperature side heat exchanger 703 is connected to the vicinity of the bottom of the cold storage tank 701 by a flow path 705.

低温側熱交換器703で熱媒体が冷却されることにより、熱媒体の比重量が大となるため、図14の矢印706に示すように、下向きの流れを生じる。蓄冷剤702の温度と並行すると、この対流作用は停止される。このように、循環ポンプ無しの蓄冷システムは、従来でも可能であるが、蓄冷槽701も含めた密閉サイクルを構成しないと難しいため、通常は、循環ポンプが使用されている。この従来仕様の場合は、「比重量×比熱」の問題から、低温側熱交換器703を通る熱媒体に、気体ブラインを使用することは困難である。   When the heat medium is cooled by the low temperature side heat exchanger 703, the specific weight of the heat medium becomes large, and thus a downward flow is generated as shown by an arrow 706 in FIG. In parallel with the temperature of the regenerator 702, this convection action is stopped. As described above, a cold storage system without a circulation pump can be conventionally used, but a circulation pump is usually used because it is difficult to configure a closed cycle including the cold storage tank 701. In the case of this conventional specification, it is difficult to use gas brine for the heat medium passing through the low temperature side heat exchanger 703 due to the problem of “specific weight × specific heat”.

図13(A)に戻って、本発明の「蓄熱システム」について説明する。   Returning to FIG. 13A, the “heat storage system” of the present invention will be described.

蓄熱槽801には、液体、粉体、固体も含めた「比重量×比熱」の大きい最適な蓄熱剤802が選定される。蓄熱剤802の中には、放熱(蓄熱)のための高温側熱交換器804が埋設されている。高温側熱交換器804に連接した流路805内には、高圧気体ブラインが充填されている。そして、高温側熱交換器804により吸熱し、熱媒体温度が上昇することにより、比重量が減少して、上昇方向の流れを生じる。一方、高温側熱交換器804と流路805に連接した熱交換器807では、蓄熱剤802への放熱が行なわれる。この結果、熱媒体の温度の低下と比重量の増加により、下降流れを生じる。このようにして自然対流により、蓄熱槽801へのエネルギー蓄積が行なわれる。   For the heat storage tank 801, an optimum heat storage agent 802 having a large “specific weight × specific heat” including liquid, powder, and solid is selected. In the heat storage agent 802, a high temperature side heat exchanger 804 for heat dissipation (heat storage) is embedded. A flow path 805 connected to the high temperature side heat exchanger 804 is filled with high-pressure gas brine. Then, heat is absorbed by the high temperature side heat exchanger 804 and the heat medium temperature rises, whereby the specific weight is reduced and a flow in the upward direction is generated. On the other hand, heat is released to the heat storage agent 802 in the heat exchanger 807 connected to the high temperature side heat exchanger 804 and the flow path 805. As a result, a downward flow is generated due to a decrease in the temperature of the heat medium and an increase in the specific weight. In this way, energy is stored in the heat storage tank 801 by natural convection.

直径1μmに至る細孔流路構造を有する熱交換器807及び高温側熱交換器804に、高圧気体ブラインを用いることにより、目詰まりや熱媒体の変性等の経時変化無しで、半永久的な稼動が可能となる。原子力発電所での適用では、高温側熱交換器804が原子炉炉心での熱交換に該当し、タービン駆動は、流路805熱媒体と隔離された蓄熱剤802の熱エネルギーを利用して行なわれるため、汚損物質が外部に漏出されることはない。   By using high-pressure gas brine for the heat exchanger 807 and the high-temperature side heat exchanger 804 having a pore flow channel structure with a diameter of 1 μm, the operation is semipermanent without any change over time such as clogging or heat medium degeneration. Is possible. In the application at the nuclear power plant, the high temperature side heat exchanger 804 corresponds to heat exchange in the nuclear reactor core, and the turbine is driven by using the heat energy of the heat storage agent 802 isolated from the flow path 805 heat medium. Therefore, the pollutant is not leaked to the outside.

図15は、本発明の実施の形態に係る熱交換システムであって、「循環ポンプ」を用いてコンピューターへ応用した概要図を示す。   FIG. 15 is a heat exchange system according to an embodiment of the present invention, and shows a schematic diagram applied to a computer using a “circulation pump”.

流路901内には、高圧気体ブラインとして、例えば、液化炭酸ガスが封入されている。循環ポンプ902により、コンピューター熱発生部903内に設けられた、マルチチューブ型熱交換エレメント904のごとく高性能熱交換器に供給される。ここで、コンピューターの発生熱を受熱し、連接流路905を介して、放熱用熱交換器906に導かれ、コンピューターの発生熱を排出する(循環ポンプを使用しない、自然対流型も可能)。   In the channel 901, for example, liquefied carbon dioxide gas is sealed as a high-pressure gas brine. The circulation pump 902 supplies the high-performance heat exchanger like a multi-tube heat exchange element 904 provided in the computer heat generation unit 903. Here, the heat generated by the computer is received and guided to the heat-dissipating heat exchanger 906 via the connection channel 905, and the heat generated by the computer is discharged (a natural convection type that does not use a circulation pump is also possible).

炭酸ガス等の高圧気体ブライン(液化炭酸ガス、超臨界流体)を使用することのメリットは、一例として、「炭酸ガス」の例で言えば、(1)金属への反応性がないため、腐食に対する考慮をせずに、最適な熱伝導率材料を使用できる。(2)熱変性等の経時変化が無いため、半永久的な稼動が可能。(3)粘性係数が「水」媒体の「約1/10」と小さく、同じ熱容量循環とするために約2倍の流量としても、循環圧損を「水」の場合の「1/2(乱流)〜1/5(層流)」とすることが可能。(4)「熱媒体」が漏洩した場合、「漏洩熱媒体」が機器損傷することが無い。(5)作動温度環境が、「水の0℃〜」に対して、「炭酸ガスの場合は、−50(℃)〜」が期待されるので、0(℃)以下の寒冷地でも、安心して活用できる、等が上げられる。   The merit of using high-pressure gas brine (liquefied carbon dioxide, supercritical fluid) such as carbon dioxide is, for example, (1) Corrosion because there is no reactivity to metal in the case of “carbon dioxide”. The optimum thermal conductivity material can be used without taking into account. (2) Semi-permanent operation is possible because there is no change over time such as heat denaturation. (3) The viscosity coefficient is as small as “about 1/10” of the “water” medium, and even if the flow rate is about twice to achieve the same heat capacity circulation, the circulation pressure loss is “½ (turbulence) in the case of“ water ”. Flow) to 1/5 (laminar flow) ". (4) When the “heat medium” leaks, the “leak heat medium” does not damage the equipment. (5) Since the operating temperature environment is expected to be “−50 (° C.) in the case of carbon dioxide gas” in contrast to “0 ° C. of water”, it is safe even in cold regions of 0 (° C.) or less. It can be used with heart.

本発明の実施の形態に係る熱交換システムは、以下のような工業的利用価値を有する。
(1)高圧気体ブラインを使用することで、原子力発電所等の高温エネルギーからの熱交換を始めとして、凡そ−200℃〜1500℃の広い温度範囲での熱交換を可能とする。
(2)しかも、熱変性しないため、多数の細孔流路から構成されるマルチチューブ型熱交換エレメント等の熱交換器のデポジット形成や目詰まりを生じさせないため、経時変化なしで、半永久的な稼動を可能としてくれる。
(3)温室効果ガスとして、固定化や深海への投棄が望まれる炭酸ガス等の気体ブラインを用いた高性能熱交換器を提供することができる。とりわけ、超臨界流体では、臨界点では、圧力、温度による密度変気圧力が大きく、その特徴を活かした効果的な自然対流による熱交換器の実現が期待される。
(4)熱伝導率に劣る気体をブラインとして使用することにより、熱交換器以外からの不要な外部への熱損失を低下することができる。ただし、熱交換性能部分には、巨大な熱交換面積を可能とするマルチチューブ型熱交換エレメント等を用いて、水と等価な熱伝導率を可能することにより、熱損失の少ないシステムを構築することが可能となる。
(5)気体を高圧充填することにより、「比熱×比重量」の小さい気体ブラインの欠点を補う技術を提供することができる。また、粘性係数が小さいため、マルチチューブ型熱交換エレメント構造のように細孔流路構成しても、流路圧損が小さくて良いため、循環ポンプに必要駆動仕事が小さくて済む。この結果、太陽熱利用の際に、当該駆動動力を太陽光発電で賄うことが可能となる。
(6)本実施の形態の熱交換器により、充填気体の圧力の程度に応じて、高圧気体、液化気体、超臨界流体の総ての状態で、その特徴に合せた熱交換器を提供可能となる。
The heat exchange system according to the embodiment of the present invention has the following industrial utility value.
(1) By using high-pressure gas brine, heat exchange can be performed in a wide temperature range of approximately -200 ° C to 1500 ° C, including heat exchange from high-temperature energy such as nuclear power plants.
(2) Moreover, since it is not heat-denatured, it does not cause deposit formation or clogging of heat exchangers such as multi-tube heat exchange elements composed of a large number of pore channels, so that it is semi-permanent without change over time. Enables operation.
(3) It is possible to provide a high-performance heat exchanger using a gaseous brine such as carbon dioxide gas that is desired to be fixed or dumped into the deep sea as a greenhouse gas. In particular, in supercritical fluids, the density transformation pressure due to pressure and temperature is large at the critical point, and the realization of an effective natural convection heat exchanger that takes advantage of these features is expected.
(4) By using a gas inferior in thermal conductivity as the brine, it is possible to reduce unnecessary heat loss from outside the heat exchanger. However, in the heat exchange performance part, a multi-tube type heat exchange element that enables a huge heat exchange area, etc. is used, and a system with low heat loss is constructed by enabling heat conductivity equivalent to water. It becomes possible.
(5) By filling the gas with high pressure, it is possible to provide a technique that compensates for the disadvantage of the gas brine having a small “specific heat × specific weight”. Further, since the viscosity coefficient is small, even if the pore flow path is configured as in the multi-tube type heat exchange element structure, the flow pressure loss may be small, so that the required driving work for the circulation pump is small. As a result, when using solar heat, the driving power can be covered by solar power generation.
(6) The heat exchanger according to the present embodiment can provide a heat exchanger tailored to its characteristics in all states of high-pressure gas, liquefied gas, and supercritical fluid according to the degree of pressure of the filling gas. It becomes.

本発明の実施の形態に係る熱交換システムでは、窒素ガス、空気、炭酸ガス等の気体ブラインを使用することにより、環境に安全な熱交換システムを実現させることができる。また、蒸発や損失等の経時変化がない永久安定素材である気体ブラインを用いて永久稼動熱交換器を実現させることができる。   In the heat exchange system according to the embodiment of the present invention, an environment-safe heat exchange system can be realized by using gas brine such as nitrogen gas, air, and carbon dioxide gas. In addition, a permanent operation heat exchanger can be realized using a gas brine that is a permanent stable material that does not change with time such as evaporation and loss.

また、低温側熱交換器3及び高温側熱交換器4を、複数の細孔流路22によって100MPa以上の耐圧性能を有する熱交換器で構成し、気体ブラインとして超臨界流体を使用することにより、(Cp×γ)の値を大きくすることができ、熱量Qの量を、液体ブラインと同等の性能に近付けることができる。   Further, the low-temperature side heat exchanger 3 and the high-temperature side heat exchanger 4 are configured by a heat exchanger having a pressure resistance performance of 100 MPa or more by using a plurality of pore channels 22, and using a supercritical fluid as a gas brine , (Cp × γ) can be increased, and the amount of heat Q can be made close to that of liquid brine.

さらに、「熱伝導率」に対しては、多数の細孔流路22から構成される高性能熱交換器(マルチチューブ構造の熱交換エレメント)等を用いて、「使用気体の熱伝導率」に対する水の熱伝導率の割合α(α=例えば、空気の場合、水の熱伝導率/空気の熱伝導率=600/2=300)相当まで、熱交換面積を増加させて、同等の熱交換性能にすることができる。   Furthermore, with respect to the “thermal conductivity”, a high-performance heat exchanger (multi-tube structure heat exchange element) composed of a large number of pore channels 22 or the like is used. The heat exchange area is increased up to the ratio α of the thermal conductivity of water to α (α = for example, in the case of air, the thermal conductivity of water / the thermal conductivity of air = 600/2 = 300) Exchange performance can be achieved.

さらにまた、従来では、高温熱源からの熱交換の場合、腐食性や反応性の強い液状金属が一般的であるが、気体ブラインとして高圧炭酸ガス成分を使用することにより、赤錆の発生等による腐食のおそれがなくなる。   Furthermore, in the past, in the case of heat exchange from a high-temperature heat source, a liquid metal that is highly corrosive or reactive is generally used, but by using a high-pressure carbon dioxide component as a gas brine, corrosion due to the occurrence of red rust, etc. The risk of being lost.

さらにまた、液状金属ではその融点以上の温度でしか利用できなかったが、例えば、炭酸ガスの場合では、−50℃〜1500℃、窒素ガスの場合は、−140℃〜1500℃のような広範囲での熱交換が可能である。   Furthermore, liquid metals could only be used at temperatures above their melting points. For example, in the case of carbon dioxide, -50 ° C to 1500 ° C, and in the case of nitrogen gas, a wide range such as -140 ° C to 1500 ° C. Heat exchange at is possible.

他方、自動車等から排出される温室効果ガスの一種として、炭酸ガスの増加が大きな問題となっており、その削減や、固定化、更には地中や深海への投棄が叫ばれて、炭酸ガスの販売権が商業化され、炭酸ガスの削減ができない国から低発生国への販売が行われようとしている。本実施の形態の熱交換システムでは、液体化された「投棄用の炭酸ガス」を、その製造エネルギーも含めて有効活用することができる。すなわち、「投棄用の炭酸ガス」を、熱媒/冷媒用のブラインとして使用可能な「熱交換器」を提供し、半永久的に隔離・有効利用することができる。このように、自動車エンジンへの適用は、このような炭酸ガスの有効活用と共に、地球環境保全に貢献することになる。   On the other hand, as a kind of greenhouse gas emitted from automobiles, etc., the increase of carbon dioxide gas has become a big problem, and its reduction, fixation, and dumping into the ground and deep sea have been screamed. The right to sell is now commercialized, and sales from countries that cannot reduce carbon dioxide gas to countries with low emissions are going to be made. In the heat exchange system according to the present embodiment, the liquefied “carbon dioxide for disposal” can be effectively utilized including its production energy. That is, it is possible to provide a “heat exchanger” that can use “discarding carbon dioxide” as a brine for a heat medium / refrigerant, and can be isolated and effectively used semi-permanently. Thus, the application to the automobile engine contributes to the global environmental conservation together with the effective use of such carbon dioxide gas.

また、自動車用エンジンに使用した場合には、「小型・軽量」の新しい冷却システムの提供が可能となると共に、安定したエンジン状態の確保が可能となる。   In addition, when used in an automobile engine, it is possible to provide a new “small and light” cooling system and to secure a stable engine state.

他方、同じ温度条件で、熱交換性能を向上させるには、「熱伝達の基本式―dQ=C×A×ΔT」において、熱伝達率や熱伝導率等の係数「C」や熱交換面積「A」を向上させる必要があるが、蓮根状の多数の細孔から構成される熱交換器では、細孔流路22の内径を1μm以下にすることも可能であるが、このような細孔流路22を有する「熱交換器」では、作動流体の変性による「デポジット」や「流路の目詰まり」が問題であった。しかし、「安定した気体ブライン」の使用は、このような懸念を払拭し、しかも、液体の特性を有しながら、気体の拡散性を有する超臨界流体は、粘性係数による流路圧損の軽減を図ることができる。   On the other hand, in order to improve the heat exchange performance under the same temperature condition, the coefficient “C” such as heat transfer coefficient and heat conductivity, heat exchange area, etc. in “Basic Formula of Heat Transfer—dQ = C × A × ΔT” Although it is necessary to improve “A”, in the heat exchanger composed of many lotus root-like pores, the inner diameter of the pore channel 22 can be 1 μm or less. In the “heat exchanger” having the hole flow path 22, “deposit” and “flow path clogging” due to modification of the working fluid have been problems. However, the use of “stable gas brine” eliminates such concerns, and supercritical fluids with gas diffusivity while having liquid properties can reduce flow path pressure loss due to viscosity coefficient. Can be planned.

また、利用側の熱交換器と熱源側の熱交換器を垂直配置し、両熱交換器を連結する管路を中心軸管とその周囲を取り囲む外装管の二重管で構成しているので、気体ブライン等に上昇流及び下降流を生じさせることにより、強制的に送流させる機器を不要とすることができる。その結果、使用エネルギーの省力化、及びシステム構成の簡素化を実現することができる。   In addition, since the heat exchanger on the use side and the heat exchanger on the heat source side are arranged vertically, the pipe connecting the two heat exchangers is composed of a central axis tube and a double tube of an outer tube surrounding the periphery. By generating an upward flow and a downward flow in a gas brine or the like, it is possible to eliminate the need for a device that forcibly sends the flow. As a result, it is possible to save energy and simplify the system configuration.

さらに、管路535に永久磁石等で構成された、循環用ピストン540またはインペラを内在すると共に、管路535の外部にピストン540またはインペラを駆動する電磁駆動装置541を配置し、ピストンまたはインペラの駆動により前記媒体を循環させているので、変性しない単純組成の気体ブラインを用いた完全密封構造の熱交換器を構成することができる。   Further, a circulation piston 540 or an impeller composed of a permanent magnet or the like is provided in the pipe line 535, and an electromagnetic driving device 541 for driving the piston 540 or the impeller is disposed outside the pipe line 535, so that the piston or the impeller Since the medium is circulated by driving, a heat exchanger having a completely sealed structure using a gas brine having a simple composition that does not denature can be formed.

さらに、管路に当該管路内の圧力が異常高圧に至った場合に開放される自動弁329を連結し、自動弁329に前記媒体を膨張させるリザーバー・タンク330を連結しているので、管路内の異常高圧を防止する安全システムをシステム内に構築することができる。   Further, the automatic valve 329 that is opened when the pressure in the pipe line reaches an abnormally high pressure is connected to the pipe line, and the reservoir tank 330 that expands the medium is connected to the automatic valve 329. A safety system that prevents abnormally high pressure in the road can be built in the system.

また、低温側熱交換器をエンジン冷却用ジャケット321として使用することにより、本システムをエンジン冷却に利用することができる。   Further, by using the low temperature side heat exchanger as the engine cooling jacket 321, the present system can be used for engine cooling.

また、低温側熱交換器をコンピューター熱発生部903に配置することにより、本システムをコンピューター熱発生部の冷却に利用することができる。   Further, by disposing the low temperature side heat exchanger in the computer heat generation unit 903, the present system can be used for cooling the computer heat generation unit.

本発明の実施の形態に係る熱交換システムであって、ブロアーを用いて気体ブラインを送流させる「密閉サイクル」の概要図である。It is a heat exchange system concerning an embodiment of the invention, and is a schematic diagram of a "sealed cycle" in which gaseous brine is sent using a blower. 図1の熱交換器に使用される熱交換ユニットであって、図2(A)は、断面図、図2(B)は図2(A)の側面図である。FIG. 2A is a cross-sectional view, and FIG. 2B is a side view of FIG. 2A, which is a heat exchange unit used in the heat exchanger of FIG. 熱交換ユニットの他の構成を示す概要図である。It is a schematic diagram which shows the other structure of a heat exchange unit. 縄状熱交換エレメントを示す斜視図である。It is a perspective view which shows a rope-shaped heat exchange element. 気体の相変化を示す図である。It is a figure which shows the phase change of gas. 各種気体の臨界圧力と温度を示す表である。It is a table | surface which shows the critical pressure and temperature of various gas. 温度と飽和圧力の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between temperature and saturation pressure. 本発明の実施の形態に係る熱交換システムであって、「対流式の密閉サイクル」の概要図である。1 is a schematic diagram of a “convective closed cycle”, which is a heat exchange system according to an embodiment of the present invention. 気体ブラインを用いた熱交換システムであって、絞り流路を有する循環式熱交換器(ヒートポンプ)を示す概要図である。It is a heat exchange system using gas brine, and is a schematic diagram showing a circulation type heat exchanger (heat pump) having a throttle channel. 本発明の実施の形態に係る熱交換システムであって、高圧気体ブラインを用いた「密閉−対流式熱交換器」の概要図である。It is a heat exchange system concerning an embodiment of the invention, and is a schematic diagram of a "sealed-convection heat exchanger" using high-pressure gas brine. 本発明の実施の形態に係る熱交換システムであって、高圧気体ブラインを用いた「密閉−循環式熱交換器」の概要図である。It is a heat exchange system concerning an embodiment of the invention, and is a schematic diagram of a "sealing-circulation type heat exchanger" using high-pressure gas brine. 本発明の実施の形態に係る熱交換システムであって、「高圧気体ブライン」を用いた「循環式―熱交換器」の概要図である。1 is a schematic diagram of a “circulation-heat exchanger” using a “high-pressure gas brine”, which is a heat exchange system according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態に係る熱交換システムであって、図13(A)は、蓄熱システムの概要図、図13(B)は、蓄冷システムの概要図、図13(C)は、図13(A)のA−A線で切断した断面図、図13(D)は、図13(A)のB部拡大図である。FIG. 13 (A) is a schematic diagram of a heat storage system, FIG. 13 (B) is a schematic diagram of a cold storage system, and FIG. 13 (C) is a diagram illustrating a heat exchange system according to an embodiment of the present invention. Sectional drawing cut | disconnected by the AA line of (A), FIG.13 (D) is the B section enlarged view of FIG. 13 (A). 図13(B)に示す「蓄冷システム」の既存のシステムを示す概要図である。It is a schematic diagram which shows the existing system of the "cold storage system" shown in FIG.13 (B). 本発明の実施の形態に係る熱交換システムであって、「循環ポンプ」を用いてコンピューターへ応用した概要図である。It is the heat exchange system which concerns on embodiment of this invention, Comprising: It is the schematic diagram applied to the computer using the "circulation pump."

符号の説明Explanation of symbols

1 熱交換システム
2 ブロアー
3 低温側熱交換器
4 高温側熱交換器
5 流路
6 熱交換ユニット
10 高温側
11 低温側
21 ステンレス製パイプ
22 細孔流路(貫通孔)
23 ステンレス製の外管
24 金属製隙間充填材料
103 低温側熱交換器
105 連絡流路
110 高温側
111 低温側
203 低温側熱交換器
204 高温側熱交換器
205 流路
206 絞り
210 高温側
211 低温側
303 低温側熱交換器
304 高温側熱交換器
305 流路
320 エンジン
321 冷却ジャケット部
322 サーモスタット弁
323 圧力計
324 流路
325 放熱フィン
326 冷却ファン
327 温度計
328 電磁クラッチ(電動モーター)
329 自動弁
330 リザーバー・タンク(ボックス)
403 低温側熱交換器
405 流路
420 エンジン
421 循環ポンプ
423 圧力計
424 流路
427 温度計
428 PID制御等の機能を有するモーター・コントローラー
501、601 細孔流路
525 集熱フィン
530、630 反転槽
531、631 中心軸
532、632 逆止弁
533、633 マルチチューブ型熱交換エレメント
534、634 放熱フィン
535、635 熱媒体輸送管
536、636 スプリング
537、637 永久磁石
538、638 リード弁(フェーザー弁)
539、639 ラビリンス・シール
540、640 ピストン弁
541、641 電磁駆動装置
625 集冷フィン
701 蓄冷槽
702 蓄冷剤
703 低温側熱交換器
705 流路
706 矢印
801 蓄熱槽
802 蓄熱剤
804 高温側熱交換器
805 流路
806 矢印
807 熱交換器
901 流路
902 循環ポンプ
903 コンピューター熱発生部
904 マルチチューブ型熱交換エレメント
905 連接流路
906 放熱用熱交換器

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Heat exchange system 2 Blower 3 Low temperature side heat exchanger 4 High temperature side heat exchanger 5 Flow path 6 Heat exchange unit 10 High temperature side 11 Low temperature side 21 Stainless steel pipe 22 Porous flow path (through hole)
23 Stainless steel outer tube 24 Metal gap filling material 103 Low temperature side heat exchanger 105 Communication channel 110 High temperature side 111 Low temperature side 203 Low temperature side heat exchanger 204 High temperature side heat exchanger 205 Channel 206 Throttle 210 High temperature side 211 Low temperature Side 303 low temperature side heat exchanger 304 high temperature side heat exchanger 305 flow path 320 engine 321 cooling jacket portion 322 thermostat valve 323 pressure gauge 324 flow path 325 heat radiation fin 326 cooling fan 327 thermometer 328 electromagnetic clutch (electric motor)
329 Automatic valve 330 Reservoir tank (box)
403 Low temperature side heat exchanger 405 Flow path 420 Engine 421 Circulating pump 423 Pressure gauge 424 Flow path 427 Thermometer 428 Motor controller 501 and 601 Pore flow path 525 Heat collecting fins 530 and 630 Inversion tank 531 and 631 Central shafts 532 and 632 Check valves 533 and 633 Multi-tube heat exchange elements 534 and 634 Radiation fins 535 and 635 Heat transfer pipes 536 and 636 Springs 537 and 637 Permanent magnets 538 and 638 Reed valves (phasor valves)
539, 639 Labyrinth seal 540, 640 Piston valve 541, 641 Electromagnetic drive device 625 Cold collector fin 701 Cold storage tank 702 Cold storage agent 703 Low temperature side heat exchanger 705 Flow path 706 Arrow 801 Heat storage tank 802 Thermal storage agent 804 High temperature side heat exchanger 805 Channel 806 Arrow 807 Heat exchanger 901 Channel 902 Circulation pump 903 Computer heat generation unit 904 Multi-tube heat exchange element 905 Articulated channel 906 Heat exchanger for heat dissipation

Claims (9)

熱を吸収する高温側熱交換器と、熱を放出する低温側熱交換器とを、管路を介して閉ループ環境で連結し、当該閉ループ環境内に炭酸ガス、メタン、エタンまたは空気等の高圧気体ブラインからなる媒体を、相変化を起こさない状態で循環可能に封入し、両熱交換器の内のいずれか一方を利用側の熱交換器、他方を熱源側の熱交換器として配置し、少なくとも前記熱源側の熱交換器を、前記管路に連なる多数の細孔流路を備えた熱交換器で構成したことを特徴とする熱交換システム。   A high-temperature side heat exchanger that absorbs heat and a low-temperature side heat exchanger that releases heat are connected in a closed loop environment via a pipe line, and high pressure such as carbon dioxide, methane, ethane, or air is connected to the closed loop environment. A medium consisting of gaseous brine is circulated in a state that does not cause a phase change, and either one of the two heat exchangers is arranged as a heat exchanger on the use side and the other as a heat exchanger on the heat source side, A heat exchange system, wherein at least the heat exchanger on the heat source side is constituted by a heat exchanger provided with a large number of pore channels connected to the pipe line. 熱を吸収する高温側熱交換器と、熱を放出する低温側熱交換器とを、管路を介して閉ループ環境で連結し、当該閉ループ環境内にエタン、プロパン、エチレン、炭酸ガス等の高圧液体からなる媒体を、相変化を起こさない状態で循環可能に封入し、両熱交換器の内のいずれか一方を利用側の熱交換器、他方を熱源側の熱交換器として配置し、少なくとも前記熱源側の熱交換器を、前記管路に連なる多数の細孔流路を備えた熱交換器で構成したことを特徴とする熱交換システム。   A high-temperature side heat exchanger that absorbs heat and a low-temperature side heat exchanger that releases heat are connected via a pipeline in a closed loop environment, and high pressures such as ethane, propane, ethylene, and carbon dioxide gas are connected to the closed loop environment. A liquid medium is circulated in a state that does not cause a phase change, and either one of the two heat exchangers is arranged as a heat exchanger on the use side and the other as a heat exchanger on the heat source side, and at least The heat exchange system, wherein the heat exchanger on the heat source side is configured by a heat exchanger having a large number of pore channels connected to the pipe line. 熱を吸収する高温側熱交換器と、熱を放出する低温側熱交換器とを、管路を介して閉ループ環境で連結し、当該閉ループ環境内にエタン、プロパン、エチレン、炭酸ガス、水等の超臨界流体からなる媒体を、相変化を起こさない状態で循環可能に封入し、両熱交換器の内のいずれか一方を利用側の熱交換器、他方を熱源側の熱交換器として配置し、少なくとも前記熱源側の熱交換器を、前記管路に連なる多数の細孔流路を備えた熱交換器で構成したことを特徴とする熱交換システム。   A high-temperature side heat exchanger that absorbs heat and a low-temperature side heat exchanger that releases heat are connected via a pipeline in a closed loop environment, and ethane, propane, ethylene, carbon dioxide, water, etc. are contained in the closed loop environment. A medium consisting of a supercritical fluid is circulated in a state that does not cause a phase change, and either one of the two heat exchangers is arranged as a heat exchanger on the use side and the other as a heat exchanger on the heat source side. A heat exchange system, wherein at least the heat source side heat exchanger is configured with a heat exchanger having a large number of pore channels connected to the pipe line. 前記細孔流路の熱交換面積が当該細孔流路を設けない場合の流路の熱交換面積と比べて大きくなるように前記細孔流路の孔径が形成されていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一項に記載の熱交換システム。   The pore diameter of the pore channel is formed so that the heat exchange area of the pore channel is larger than the heat exchange area of the channel when the pore channel is not provided. The heat exchange system according to any one of claims 1 to 3. 利用側の熱交換器と熱源側の熱交換器を垂直配置し、両熱交換器を連結する管路を中心軸管とその周囲を取り囲む外装管の二重管で構成したことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか一項に記載の熱交換システム。   The heat exchanger on the use side and the heat exchanger on the heat source side are arranged vertically, and the pipe connecting the two heat exchangers is composed of a central axis tube and a double tube of an outer tube surrounding it. The heat exchange system according to any one of claims 1 to 4. 前記管路に永久磁石等で構成された、循環のためのピストンまたはインペラを内在すると共に、当該管路の外部にピストンまたはインペラを駆動する電磁石を配置し、ピストンまたはインペラの駆動により前記媒体を循環することを特徴とする請求項1ないし5のいずれか一項に記載の熱交換システム。   A circulation piston or impeller composed of a permanent magnet or the like is provided in the pipe, and an electromagnet for driving the piston or impeller is arranged outside the pipe, and the medium is moved by driving the piston or impeller. The heat exchange system according to any one of claims 1 to 5, wherein the heat exchange system is circulated. 前記管路に当該管路内の圧力が異常高圧に至った場合に開放される開放弁を連結し、開放弁に前記媒体を膨張させるボックスを連結したことを特徴とする請求項1ないし6のいずれか一項に記載の熱交換システム。   7. An opening valve connected to the pipe line when the pressure in the pipe line reaches an abnormally high pressure is connected, and a box for expanding the medium is connected to the opening valve. The heat exchange system as described in any one. 前記低温側熱交換器がエンジン冷却用ジャケットであることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか一項に記載の熱交換システム。   The heat exchange system according to any one of claims 1 to 4, wherein the low temperature side heat exchanger is an engine cooling jacket. 前記低温側熱交換器がコンピューター熱発生部に配置されていることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか一項に記載の熱交換システム。

The heat exchange system according to any one of claims 1 to 4, wherein the low-temperature side heat exchanger is disposed in a computer heat generation unit.

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