JP2008111612A - 熱交換システム - Google Patents

Abstract

【課題】水をベース材に改善剤を混合して熱媒とし、その物理性質により帯熱条件と相変化温度を改善し、水の相変化温度を拡大して熱交換性能のニーズに符合させ、充分な強度の熱を交換することができる、熱交換システムの提供。
【解決手段】本発明の熱交換システムは、吸熱端を含み、前記吸熱端が循環経路を介しヒートシンク端に結合され、熱媒が前記経路の中に充填され、そのうち、前記経路内に充填される熱媒が水をベース材とし、水の中に約15〜50％の凍結防止剤や絶縁剤などの物理性改善剤を混合することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は熱交換システムに関し、詳細には、水をベース材とし、内圧を有する熱交換循環経路を組み合わせ、充分な帯熱強度が得られると共に、環境保護の課題を明確に解決することができる、熱交換システムに関する。

熱交換装置については、一般的に工業用の恒温維持装置または室内暖房用の循環式オイルフィン電気ヒーターなどがあるが、その内部の帯熱媒体は鉱物油であり、鉱物油の比熱は比較的低く、熱を吸収しやすいが、油体そのものの粘性係数が高いため流動しにくく、且つ、油質が電気加熱器の高温の熱作用を受け焦げ付きを形成しやすく、加熱器表面に炭化層が形成されて発熱効率に影響し、且つ、油質が劣化しやすく有効な帯熱作用が失われてしまうため、一般に約三年使用したら新たに交換する必要があり、工業用は半年で交換する必要がある場合もあり、交換後の廃油が大きな汚染問題を引き起こすため、特に日本ではその販売が普遍的に受け入れられないことからも問題があることが分かる。

さらに、電気加熱器の温度超過状態での作業により、内圧が蓄積されて超過し、構造体の強度に影響を与え、管路の接合箇所が裂けてしまい、漏油が発生して電気の短絡が鉱物油に引火し、火災を引き起こして人命や財産の損失を招く危険がある。

上述のように発生する廃油の汚染量は、現在世界年間量産台数が約三千万台以上であることから、一台が必要とする熱伝導油の体積を約5リットルとし、相乗すると1億リットル以上の廃油が発生することになる。このような汚染危害は看過するわけにいかず、加えて、リサイクル機制も経済的価値が高くないことから確立しにくく、明らかに環境保護に対する危害の源となっている。

本発明の第一の目的は、水をベース材に改善剤を混合して熱媒とし、その物理性質が帯熱条件と相変化温度を改善し、内圧を有する閉回路式熱交換経路内に充填して用い、水の相変化温度を拡大し、熱交換性能のニーズに符合させ、且つ、充分な強度の熱を交換できる、熱交換システムを提供することにある。

本発明の第二の目的は、水内部に高熱伝導の帯熱粒子を加え、この帯熱粒子により迅速な帯熱效果が得られる、熱交換システムを提供することにある。

本発明の第三の目的は、前記閉回路熱交換システムの経路空間が耐圧性を備え、比較的高い内圧を形成して水の沸点温度を上げることができる、熱交換システムを提供することにある。

本発明の第四の目的は、前記閉回路熱交換システムの経路空間に熱媒が充填され、熱媒の体積比を約70〜85％とし、膨張吸収空間を予め留めておいた、熱交換システムを提供することにある。

本発明の第五の目的は、前記水が低温に耐えられるよう凍結防止剤を加え、その凝固温度を低くした、熱交換システムを提供することにある。

本発明の熱交換システムは、吸熱端を含み、前記吸熱端が循環経路を介しヒートシンク端に結合され、熱媒が前記経路の中に充填され、そのうち、前記経路内に充填される熱媒が水をベース材とし、水の中に約15〜50％の凍結防止剤や絶縁剤などの物理性改善剤を混合することを特徴とする。

本発明の実施によれば、次のような利点が得られる。
1.
汚染がなく、不燃性の安全特性を備えている。
2.
廃棄時に環境保護におけるリサイクルの問題がない。
3.
システムに漏洩が起きても環境汚染の問題がない。
4.
不燃性であるため、漏洩しても絨毯など住居内の物品に対し汚染を起こしたり、燃焼を補助したりすることがない。

以下、本発明について詳細に説明する。まず、図１に示すように、本発明の熱交換システム１００は吸熱端１を備え、この吸熱端１は循環経路１０を介しヒートシンク端２に接続され、熱媒３がこのシステムの経路１０の中に充填され、且つ、吸熱端１及びヒートシンク端２が接続され、電子機器の冷却システムに実施する場合は、ヒートシンク端２の外側に風力モーターを利用して放熱を行い、吸熱端１は廃熱を発生する電子部材に付着させることができる。

熱交換システム１００を室内暖房としての環境空気温度を上げる加温器に応用する場合、加熱器４を利用して熱媒３に熱を発生させ、加熱器４は電熱動作し、電熱装置４０により熱電作用を発生し、外囲は熱伝導殼体４１で覆われる。

熱交換システム１００の熱媒３が充填される経路は、耐内圧性を有する収容空間を備え、その耐内圧性を利用し、水の沸点温度を上げることができ、一般の水は100℃まで吸熱すると相変化を起こして気化し、その気化が膨張圧力を形成して交換システムの構造にダメージを与えるが、水が液態から気態へと変化するための一つの主要条件として、温度のほか、圧力と沸点の関係があり、クラペイロン方程式△Ｐ／△Ｔ＝λ／Ｔ（Ｖ_２−Ｖ_１）に基づき、このうちλはモル蒸発熱、Ｔは沸点、Ｖ_２は気態のモル体積、Ｖ_１は液態のモル体積とし、ここから圧力が大きいときその沸点もそれに伴って上昇することが分かる。即ち、圧力容器の中で、水の沸点温度はその圧力値の大きさと正比例し、水の沸点温度を上げることができる。

本発明の実施は、圧力容器の観念で、水の沸点を約125℃まで上げることができ、その条件は交換システムが内圧0.15Mpaの圧力値を許容することを前提としている。本発明の実験によれば、水性溶液の大気圧（常圧）下の沸点が約100℃であり、密閉容器を利用し圧力が0.1Mpaのとき、その沸点は約120℃まで上がり、内圧を設定0.15Mpaに設定したとき、沸点は約125℃に到達する。また、この沸点が125℃まで上がったとき、同様に国際安全基準ULの130℃以下の規定の対象となり、或いはヨーロッパIECの110℃以下の規定の対象としてヨーロッパの規格に合わせる場合は、その圧力を低く調整し、温度を110℃以下にすることができる。この安全基準温度は室内暖房におけるフィン式ヒーターの温度上昇規格であり、この安全温度を利用して、適切にヒーターの熱を取り出し、室内温度に対し加温を行うことができる。

熱媒３は熱交換システム１００の内部経路空間の中に充填され、その充填する体積比は約70〜85％を最良とし、経路空間に予め約15〜30％の静態空間を留めておく。この予め保留しておく空間は、熱媒３が相変化後に膨張する体積を吸収することができ、環境温度が氷点下に下がると、熱媒３が凍結するときに発生する膨張体積、或いは電気加熱器が異常動作し熱媒３の温度が沸点を超過し、相変化後に気体となる膨張体積をこの予め保留しておく空間で前もって安全防護することができる。

加熱器の表面は水に接触させ熱エネルギーの交換を行わせることができ、微小な単位面積でその点における熱エネルギーの集中が高く、且つ、水の流れが相対して不足する状況下においては、その面積に触れる水の温度が急速に上昇して気化し、球状の気泡が形成され、この気泡との接点の加熱器表面に気穴が形成されるため、本考案はこれを解決する補助を次のように提供する。

水の比熱は大鉱物油より大きく、全体の温度上昇が遅いため、加熱器表面に過熱が起こると気泡の気穴現象が発生する。解決方法は次の通りである。
1.
水中の加熱伝導粒子が迅速に加熱器表面の高温を運び去り、且つ気泡の離脱速度を加速して気泡を取り除く。
2.
加熱器表面を毛穴状にし、毛穴状の粗い面の凹凸の落差構造と二点の温度差を利用し、生成された気泡が安定した状態で接触しないようにして離脱させる。
3.
加熱器表面に網状構造を設け、網を構成する線材を利用し気泡構造を破壊して分解させる。
4.
加熱器に超音波振動装置を連動させ、振動エネルギーを利用して気泡と加熱器表面の接触部位を切り離して移動させ、水圧と液体の凝集力を加えて気泡を離脱させる。
5.
仕事率制御方法を利用し、加熱器の平均的表面におけるmm²ごとの面積が発生する仕事率を0.04W以下に維持して効果的に気穴の発生を防ぐ。

一般的には、加温用の熱交換システムの目的は、加熱器の熱エネルギーを迅速に目的地へと放出することであり、その速度が速ければ速いほどよいが、これまでのように鉱物油を利用すると粘性の問題があり、回流が緩慢になってしまい、この緩慢さが管路に層流を形成し、中心の熱が管壁またはヒートシンク端表面になじまず、交換機能が失われてしまう。

本発明は水という粘性が低い液体を利用し、その循環速度を速くすることができ、速度を速くすることで経路中に擾乱を形成しやすくし、この擾乱を利用して管路中心の熱媒が運ぶ熱を周辺と混合させて管路壁面に伝わりやすくし、管路内中心点と周辺の液体を容易に擾乱させて管壁に熱を伝え、外部に向かって熱エネルギーを交換させることができる。

本発明の熱媒はその物理性質を改善するため、水の中に約15〜50％の改善剤を加えるが、この改善剤は防腐剤や絶縁剤、或いはエチレングリコール凍結防止剤とすることができ、エチレングリコール凍結防止剤はその凝結温度を約在−15〜−40℃下げることができ、このため、非常に寒い居住環境の室内に応用するとき、熱媒が凍結し作動できなくなるのを防ぐことができる。

本発明はさらに、熱媒３中に低比熱の帯熱粒子を加えることができる。この帯熱粒子は金属または酸化物の微粒子とすることができ、上述の微粒子はナノ化を経て水に動かされやすく、熱伝導粒子の低比熱の特性を利用し、吸熱端で吸熱しやすくすると共に、水の迅速な運送によりヒートシンク端で速やかに熱を放出させることができる。

前述のナノ微粒子は水溶性分散剤を加えることで水をベースとした液態熱媒中に均等に安定した状態にナノ微粒子を分布させることができる。

熱媒３はさらに、純水をベース材としてもよく、雑物を避け安定した物理性を維持することができる。

熱交換システム１００の熱媒３の流れの経路は耐内圧性を備え、熱媒３の充填前に真空状態とするか、或いは熱態で充填し負圧を形成し、その後真空充填方式または負圧充填方式で熱媒３を充填し、内部の空気の残存をなくすと、熱交換器の腐蝕を防ぐことができる。

上述のように真空充填方式で実施する場合は、吸熱端１の近隣位置に緩衝タンク１１を設置する必要があり、この緩衝タンク１１は超過圧力を吸収し、加熱器４の不安定な電流により発生する異常な状況でシステム内部に高圧が発生したとき、圧力を緩衝し、異状に対する安全防護を形成することができ、この緩衝タンク１１にはさらにリリーフバルブ１１０を設けることができる。

図２に示すように、本発明をフィン式ヒーター５に応用する場合、このヒーター５は複数のフィン５１が並べて排列され、上下端を通じさせて分流側５１１及び集流側５１２が設けられ、分流側５１１内部に加熱器４が設置され、フィンは分流側５１１及び集流側５１２間が相通されて管路５２が形成される。この管路５２は長孔状の断面を備え、長辺側５２１及び短辺側５２２を有し、両者の比率は６：１に等しいまたはそれ以上であることが望ましい。

図３に示すように、フィン式ヒーター５は複数のフィン５１上下の分流側５１１及び集流側５１２が結合されて循環回路が構成され、分流側５１１内部に電熱作用の加熱器４が設けられ、加熱器４が内部の熱媒３に対し熱作用を発生し、その温度を上昇させた後、熱媒３をフィン５１に設けられた管路５２を介して上に向かって流れさせるが、この流れの過程の動力は、加熱器の加温作用で物質が熱されることにより発生する対流効果により得られ、これにより冷熱循環回流作用線が形成される。

水は粘性が低いため、管路５２内部を迅速に流れ、この迅速な流れの速度が経路中の熱媒に擾乱を発生させ、この擾乱状態が管路５２の内壁面への接触を容易にし、管路内壁面との間の熱交換を促進する。

また、前記管路５２（図２参照）は、その長辺側５２１及び短辺側５２２が６：１の状態を形成し、短辺側を利用し長辺側内壁の相対的距離を短くすることができ、その距離を短くした後、レイノルズ数に基づき乱流の値を得ることができる。密度ρ×速度Ｖ×内側距離Ｄ/粘性係数μの公式により決定され、そのうち、短辺側の値が小さく、相対してＤ値が小さい場合、臨界レイノルズ数を超えやすくなり、管内の流れに乱流が形成しやすくなる。本発明の実験結果によれば、水の粘性係数を応用し相乗した後、その管路断面の長短辺の比は長辺側６、短辺側１（Ｄ値）を最良とする。

本発明は上述の管路設計により、短辺側 ５２２を利用して長辺側５２１内側の相対する面の距離Dを近づけ、レイノルズ数の計算におけるＤ値を小さくする。

レイノルズ数の基礎原理は、流体密度ρ×速度Ｖ×内側距離Ｄ/粘性係数μというレイノルズ数式において、そのうちのＤが小さいとき、臨界レイノルズ数の値も低くなり、管内に乱流が形成されやすくなるというものであり、当然、上述の式は同様に円形断面の管体において計算することもできる。そのうち、前記速度の存在はすでに一定面積と圧力により決定されており、Ｄは管壁内の相対距離であり、この公式から、そのうちの密度ρが熱の効果で大きくなると、臨界レイノルズ数への到達が遅くなることが分かるが、その変化値は大きくなく、顕著ではない。そのうちの粘性μは流体の性質により決定される。

前述の仕事率制御により加熱器表面における気穴の形成を防ぐ方法は、異なる大きさの仕事率の必要に応じ、加熱器表面積に対し大小の調整をすることができ、工率値で除算し平均化した単位mm²面積の熱伝導量に基づき、あらゆる異なる仕事率の大きさの加熱器に実施することができ、且つ、単位時間内において熱媒に充分な加熱を行うことができる。

図４に示すように、本発明の熱交換システム１００をヒーター５の実施条件下に応用するとき、ヒーター５は分流側５１１内部に加熱器４が設置され、この加熱器４は棒状体であり、そのものは均等な外囲寸法と一定の長さを備えており、各フィン５１が位置する内部空間を単位体積Ｖとすると、複数のフィン５１の数量に基づき複数の体積空間Ｖが区隔される。

熱媒の水は気温が低くて凍結するとき、その体積が膨張するため内部圧力を発生するが、その体積膨張は体積空間の大小に基づき等比級数の大小差値があり、例えば100ccの空間と90ccの空間が等比膨張すると、その最終体積は元の体積量の違いと等比級数差値の違いにより異なる体積の変化が発生する。本発明は各フィンの単位体積内の凍結後の膨張体積を均等化するため、フィン５１内部の体積空間を均一化して配置し、基本的には棒状型の加熱器４の縦方向の長さを左右に平均的に延伸し、少なくともその末端が最後のフィン５１の下方に到達するようにし、これにより各フィン内部の体積空間の大きさが比較的均一になり、凍結時の相変化で膨張する過程において、各フィンの体積空間内の膨張比率が比較的均等になり、単一のフィンの内圧が大きすぎて破裂してしまうのを防ぎ、且つ、各フィンの寿命を平均的にすると共に、熱作用時に各フィンそれぞれの体積が熱源に接触し、均等に熱を獲得させることができる。

図５に示すように、ヒーター５に設けたフィン５１上下端に分流側５１１及び集流側５１２が連結されるが、図６５Ａに示すように、各フィン５１上下端にそれぞれカップ状のカバー体５１０が突出させて設けられ、このカバー体５１０の対外開口部は相対されて閉じ合わせられ、且つ、熱作用の溶接方式で密封され、複数のフィン５１が平行に並べて排列された状態で結合される。この排列において、溶接過程で裂開点（弱い点）６を設けることができ、この裂開点６の存在により、いずれかの保護装置が失効したとき、例えばリリーフバルブが故障した状況で、終結的安全防護措置を採ることができ、リリーフバルブが失効すると、内部圧力が加熱器に伴い増加を続けるが、このとき予め設けた裂開点６をまず裂開させて圧力を開放することでその他システム全体の構造の安全性を維持することができる。一般に内圧が0.4〜0.5Mpaに増加すると、裂開点が裂開し、過圧分の圧力がこの箇所から開放され、この裂開点６は熱作用で形成されているため、メンテナンス時に同様に再度溶接するだけでよく、その他部品を必要とすることなく、最低のコストで安全防護を得ることができる。

図７に示すように、一般に裂開点は10mpaの圧力に耐えることができるものとし、上述の裂開点６の実施の機械条件については、少なくとも流体の正常な作業状態の温度圧力より大きいまたはこれに等しいものとする。或いはリリーフバルブ１１０や、温度が高すぎるとそれを感知し自動的に電源を切る温度スイッチ７等のその他安全装置の補助を有するものとし、この温度スイッチ７は使用する熱媒の温度圧力の物理的性質に基づきその安全温度が設定されるものとする。

圧力が0.15mpaに達したとき、その温度が約120℃である場合、前記温度スイッチ７の動作温度を120℃以上に設定すれば、ヒーター５が必要とする作業温度120℃を維持し、且つ圧力の安全性を確保することができる。上述の付加条件は裂開点の耐圧性が少なくとも0.15mpa以上である必要がある。

本発明の試作結果では、その圧力温度座標函数が圧力0.12mpa、媒体沸騰温度105℃であり、圧力0.15mpaであるとき、媒体沸騰温度が120℃であり、上述の二組の対応する数値から、温度圧力関係の図形が直線である場合、方程式ｙ＝ax＋bにより求めることができ、裂開点６の耐圧が0.3mpaに設定されているとき、負荷可能な沸騰温度は195℃に達し（その媒体の物理的性質に基づき前記図形は曲線となる場合がある）、このため、作業温度の必要に応じ、沸点温度を超えない状況下において、裂開点６の耐圧レベルの設定は媒体の沸騰臨界温度よりやや高いものとすればよい（取る圧力と温度は、関係が前述のように対応する数値であり、且つ指定の熱媒とする）。

本発明の安全設計は、機械式リリーフバルブ１１０の設置を含み、リリーフバルブ１１０が動作すると同時に電源が切断されるようにするか、或いは温度スイッチ７の設置を含み、耐圧性の必要に応じて電源切断動作温度を設定するものとし、圧力状況に相対して予め裂開し危険を回避する前述の裂開点６と併せ、これらすべてが本発明の安全防護対策である。

上述の安全装置は相互間が順番に補助的に作用するようにすることができ、例えばリリーフバルブ１１０または温度スイッチ７を前置的な安全防護とし、最後の防護を裂開点６とすることができる。温度が作業に必要な値を超過し、相対して内部圧力が上昇すると、温度スイッチ７が前置的安全防護として電源を切断するか、圧力が設定値を超過するとリリーフバルブ１１０が圧力を逃がすか或いは電源を切断するようにし、上述のうちの一つまたは二つの防護策が働かない場合にも裂開点６が最終的な防護機能を発揮し、完全且つ効果的に環境の安全を守ることができる。

上述の実施が本発明のシステムであり、フィン式ヒーターを最良の実施例として説明してきたが、類似または同等効果を備えた技術の応用はすべて本発明の権利に含まれるとみなす。

熱交換システムの模式図である。 本発明を応用したヒーターの立体図である。 図２の側面図である。 加熱器の配置を示す側面図である。 フィン式ヒーターの裂開点の正面図である。 フィン式ヒーターの裂開点の側面図である。 フィン式ヒーターの裂開点及び安全装置の側面図である。

符号の説明

１ 吸熱端
１０ 経路
１００ 熱交換システム
１１ 緩衝タンク
１１０ リリーフバルブ
２ ヒートシンク端
３ 熱媒
４ 加熱器
４０ 電熱装置
４１ 殼体
５ フィン式ヒーター
５１ フィン
５１０ カバー体
５１１ 分流側
５１２ 集流側
５２ 管路
５２１ 長辺側
５２２ 短辺側
６ 裂開点
７ 温度スイッチ
Ｖ 体積

Claims (26)

1. 吸熱端を含み、前記吸熱端が循環経路を介しヒートシンク端に結合され、熱媒が前記経路の中に充填され、そのうち、前記経路内に充填される熱媒が水をベース材とし、水の中に物理性改善剤を混合することを特徴とする、熱交換システム。
2. 前記改善剤の比率が約15〜50％である、請求項１に記載の熱交換システム。
3. 前記改善剤がエチレングリコール凍結防止剤である、請求項１に記載の熱交換システム。
4. 前記改善剤が絶縁剤である、請求項１に記載の熱交換システム。
5. 前記改善剤が防腐剤である、請求項１に記載の熱交換システム。
6. 前記改善剤が高熱伝導の帯熱粒子である、請求項１に記載の熱交換システム。
7. 前記帯熱粒子が金属微粒子である、請求項６に記載の熱交換システム。
8. 前記熱伝導粒子が酸化物である、請求項６に記載の熱交換システム。
9. 前記金属微粒子がナノ化を経て成る、請求項７に記載の熱交換システム。
10. 前記水が純水である、請求項１に記載の熱交換システム。
11. 吸熱端を含み、前記吸熱端が循環経路を介しヒートシンク端に結合され、熱媒が前記経路の中に充填され、そのうち、前記循環経路が具有耐内圧性を有する熱交換システム循環経路であって、前記熱交換システム循環経路中の熱媒が水をベース材とし、水の中に物理性改善剤を混合することを特徴とする、熱交換システム。
12. 前記熱煤を熱交換循環経路内の空間に充填するときの体積比が約70〜85％である、請求項１１に記載の熱交換システム。
13. 前記熱交換システム循環経路がフィン管路であり、前記フィン管路の断面が長孔状である、請求項１１に記載の熱交換システム。
14. 前記長孔の断面が長辺側及び短辺側を備え、両者の比率が６：１に等しい、またはこれより大きい、請求項１３に記載の熱交換システム。
15. 前記熱媒に約15〜50％の改善剤を加えた、請求項１１に記載の熱交換システム。
16. 前記改善剤がエチレングリコールである、請求項１５に記載の熱交換システム。
17. 前記改善剤が防腐剤である、請求項１５に記載の熱交換システム。
18. 前記改善剤が絶縁剤である、請求項１５に記載の熱交換システム。
19. 前記熱媒中に熱伝導粒子を加えた、請求項１１に記載の熱交換システム。
20. 前記熱伝導粒子が金属微粒子である、請求項１９に記載の熱交換システム。
21. 前記熱伝導粒子が酸化物である、請求項１９に記載の熱交換システム。
22. 前記金属微粒子がナノ化を経て成る、請求項２０に記載の熱交換システム。
23. 前記酸化物がナノ化を経た粒子である、請求項２１に記載の熱交換システム。
24. 前記水が純水である、請求項１１に記載の熱交換システム。
25. 前記熱交換システムがフィン式ヒーターシステムであり、すべてのフィンの下端部に同等の体積の加熱器が均一に分布された、請求項１１に記載の熱交換システム。
26. 前記熱交換システムがフィン式ヒーターシステムであり、各フィンの相対するカバー体の結合部分に予め裂開点を設けた、請求項１１に記載の熱交換システム。

Images