JP2014202364A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 伝熱面を容易に、かつ短時間で確実に清掃・洗浄することを可能とした熱交換器を提供する。【解決手段】 開放型熱交換器１１は、注水口３と排水口４を有する水槽１と、水槽１内に並設され、下端が水槽１の底より高い位置に着脱自在に保持された複数の上仕切板５と、複数の仕切板５と交互に配置され、下端が水槽１の底に接触するように着脱自在に保持された複数の下仕切板６と、複数の上仕切板５と複数の仕切板６の間を上下に蛇行するように折り曲げ加工された複数の伝熱管７と、を備える。そして、注水口３から注入された水は、伝熱管７に沿って上下に蛇行しながら排水口４に流れるように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換器に関し、特に、地下水等を熱源として利用した熱交換器に関する。

従来の熱交換器としては、連続した凹凸面を形成してなる金属プレートを重ね合わせて通水路を形成するプレート式熱交換器（特許文献１）や、通水管の外周面に放熱（又は吸熱）部材を接合してなるパイプ式熱交換器（特許文献２）が知られている。

地下水や、排水を熱源として利用する場合、地下水等の水質によっては熱交換器を構成する通水管と地下水等の接触部に付着物や析出物が発生する。すると、熱伝導性の低下や、通水管の断面積の縮小化（詰まり）により、通水管の循環水量が不足し、ひいては熱交換器の熱交換効率が低下するという問題が生じる。

そこで、付着物等を清掃・洗浄により除去する必要がある。特に、工場の生産設備冷却用や、空調設備用に地下水等を利用する場合には、生産設備等の停止時間を最小にするために、付着物等を容易に、かつ短時間に清掃・洗浄により除去する必要がある。

特開２０１０−１２１９２５号公報 特開２０１０−０３６２５０号公報

しかしながら、従来のプレート式熱交換器や、パイプ式熱交換器では、伝熱面を容易に、かつ短時間で確実に清掃・洗浄することができなかった。具体的には、（１）付着物や析出物の付着状況や、通水管の詰まり等が、生産設備の冷却不良や空調不良が生じるまで分からない。（２）清掃・洗浄のための熱交換器の分解、取り外しに時間がかかり、生産設備等が長時間停止する。（３）洗浄の程度を目視観察することが非常に難しい等の問題があった。

本発明の熱交換器は、注水口と排水口を有する水槽と、前記水槽内に並設され、下端が前記水槽の底より高い位置に着脱自在に保持された複数の上仕切板と、前記複数の仕切板と交互に配置され、下端が前記水槽の底に接触するように着脱自在に保持された複数の下仕切板と、前記複数の上仕切板と前記複数の仕切板の間を上下に蛇行するように折り曲げ加工された複数の伝熱管と、を備え、前記注水口から注入された水が前記伝熱管に沿って上下に蛇行しながら前記排水口に流れるようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、水槽の上面を開放して、当該水槽の中に複数の上仕切板と下仕切板とを着脱自在に交互に並設し、それらの間を蛇行するように折り曲げ加工された複数の伝熱管を収納しているので、伝熱管の伝熱面積を確保して、水槽内の流体と伝熱管内の冷媒（例えば、水）との間の熱交換を促進すると同時に、伝熱面（伝熱管の外周面）を容易に、かつ短時間で確実に清掃・洗浄することが可能になる。

本発明の熱交換器によれば、伝熱面を容易に、かつ短時間で確実に清掃・洗浄することが可能になる。

本発明の実施形態における開放型熱交換器の平面図である。 本発明の実施形態における開放型熱交換器の正面図である。 本発明の実施形態における開放型熱交換器の側面図である。 本発明の実施形態における開放型熱交換器の上仕切板、下仕切板等の構成を示す部分平面図である。 本発明の実施形態における開放型熱交換器の上仕切板、下仕切板等の構成を示す部分正面図である。 本発明の実施形態における開放型熱交換器の上仕切板、下仕切板等の構成を示す部分側面図である。 本発明の実施形態における開放型熱交換器を利用した地下水利用システムを示す図である。

図１は、本発明の実施形態における開放型熱交換器１１の平面図、図２はその正面図、図３はその側面図である。開放型熱交換器１１は、水槽１、中央仕切板２、水槽１の側面に設けられた地下水の注水口３、排水口４、複数の上仕切板５、複数の下仕切板６、及び複数の伝熱管７、第１の元伝熱管８、第２の元伝熱管９、及び第３の元伝熱管１０を含んで構成される。

中央仕切板２は、水槽１の中央付近に設けられ、水槽１を２つの槽（Ａ槽，Ｂ槽）に仕切っている。注水口３はＡ槽の側面に設けられ、排水口４はＢ槽の側面に設けられている。注水口３と排水口４は水槽１の同じ側面に設けられているが、注水口３は排水口４よりも低い位置に設けられている。

中央仕切板２は、一方の端は注水口３及び排水口４が設けられた水槽１の側面に接続され水槽１の対向する側面に向けて延びているが、その他方の端は当該対向側面には接続されずに開放されている。つまり、中央仕切板２は水槽１を完全に仕切るのではなく、Ａ槽とＢ槽とは中央仕切板２の開放端で連通している。そのため、注水口３から注入された地下水はＡ槽からＢ槽に回り込んで逆方向に流れ、排水口４から排出されるようになっている。

複数の上仕切板５は、Ａ槽，Ｂ槽内で流水方向（図１の左右方向）に並設され、それらの下端が水槽１の底より高い位置に保持されている。複数の下仕切板６は、複数の上仕切板５と交互に配置され、それらの下端が水槽１の底に接触するように保持されている。

この場合、地下水の蛇行通路を形成するために、複数の下仕切板６の上端は、複数の上仕切板５の上端によりも低くなっている。水槽１の上面は開放されており、複数の上仕切板５及び複数の下仕切板６は後述する保持ガイドによって着脱自在に保持されている。

複数の伝熱管７は、Ａ槽，Ｂ槽内で流水方向に対して垂直方向に並設されており、複数の上仕切板５と複数の下仕切板６の間に挿入され、複数の上仕切板５と複数の下仕切板６の間を上下に蛇行するようにサーペンタイン状に折り曲げ加工されている。すなわち、図２に示すように、伝熱管７は、下仕切板６の下端と水槽１の底の間の空間を通って上方に延び、下仕切板６の上端の上方を通って再び、下方に延びて、下仕切板６の下端と水槽１の底の間の空間を通ることを繰り返す。伝熱管７は銅等の熱伝導性の良い金属材料で形成される。

そして、Ａ槽の複数の伝熱管７の一方の各端は、Ａ槽の端部上方に設けられた第１の元伝熱管８に接続され、Ａ槽の複数の伝熱管７の一方の各端は、Ａ槽の反対側端部の上方からＢ槽の端部上方にかけて設けられた第２の元伝熱管９に接続されている。また、Ｂ槽の複数の伝熱管７の一方の各端は、Ｂ槽の反対側端部上方に設けられた第３の元伝熱管１０に接続され、Ｂ槽の複数の伝熱管７の一方の各端は第２の元伝熱管９に接続されている。

第３の元伝熱管１０内の冷媒（例えば、水、代替フロン）は、第３の元伝熱管１０から、Ｂ槽の複数の伝熱管７の中を流れ、第２の元伝熱管９を介してＡ槽の複数の伝熱管７に流れ込み、さらに、第１の元伝熱管８に流入するようになっている。この場合、第１の元伝熱管８、第２の元伝熱管９、及び第３の元伝熱管１０は、冷媒の流量を確保するために伝熱管７より大きな口径を有している。

Ａ槽の注水口３から注入された地下水は、一番端に配置された上仕切板５に当たって、上仕切板５の下方（上仕切板５の下端とＡ槽の底の間の空間）に回り込み、上昇し、隣の下仕切板６の上端に回り込んで下降する。つまり、地下水は、Ａ槽の伝熱管７に沿って上下に蛇行しながら流れ、次に、Ｂ槽に流れ込み、同様にＢ槽の伝熱管７に沿って上下に蛇行しながら流れ、Ｂ槽の排出口４から排出される。

これにより、伝熱管７の伝熱面積（外周面積）を確保して、水槽１内の地下水と伝熱管７内の冷媒（例えば、水）との間の熱交換が促進される。例えば、伝熱管７の中を流れる水は、地下水により冷却されて生産設備の冷却や、空調設備に利用される。また、複数の上仕切板５と複数の下仕切板６は着脱自在に並設されているので、伝熱面である伝熱管７の外周面を容易に、かつ短時間で確実に清掃・洗浄することができる。

次に、図４乃至図５に基づいて、上仕切板５及び下仕切板６の保持ガイドの構成を説明する。図４乃至図５は、Ｂ槽の上仕切板５及び下仕切板６の保持ガイドを示しているが、Ｂ槽の保持ガイドも同様に構成されている。

上仕切板保持ガイドは、水槽１の内壁と、中央仕切板２に取り付けられ上仕切５板の側端が嵌合する上仕切板ガイド用溝部５ａと、上仕切板５が落下しないようにその下端を止めるストッパー部５ｂを有している。上仕切板ガイド用溝部５ａは、２枚の板（またはコの字状に折り曲げられた板）に挟まれた領域で形成され、ストッパー部５ｂは当該２枚の下端の底板で形成することができる。

下仕切板保持ガイドは、水槽１の底に取り付けられ、下仕切板６を上下方向にガイドする第１の下仕切板保持ガイド用溝部６ａと、水槽１の内壁に取り付けられ下仕切板６を上下方向にガイドする第２の下仕切板ガイド用溝部を６ｂ有している。

第１及び第２の下仕切板保持ガイド用溝部６ａ，６ｂも、上仕切板ガイド用溝部５ａと同様に、２枚の板（またはコの字状に折り曲げられた板）に挟まれた領域で形成される。第１の下仕切板保持ガイド６ａは、下仕切板６の下端部をカバーしているので、Ｂ槽を流れる地下水が下仕切板６の下端部から横方向に漏れるのを防止することができる。

次に、開放型熱交換器１１の清掃・洗浄作業を説明する。先ず、水槽１の上面は開放されているので、伝熱管７の汚れ状況（付着物や析出物の付着）を目視により常時観察することができる。そして、簡易的な清掃・洗浄を行う場合は、上仕切板５を上方に抜き取ることで、伝熱管７が露出され、伝熱管７の外周面をブラシ等の清掃具により容易に清掃・洗浄することができる。また、定期的な清掃・洗浄を行う場合は、伝熱管７を取り外し、これをブラシ等の清掃具により容易に清掃を行うことができる。また、水槽１の清掃・洗浄を行う場合は、上仕切板５、伝熱管７及び下仕切板６を取り外し、水槽１内をジェット水洗により容易に清掃・洗浄することができる。

水槽１に注入する流体は、伝熱管７の冷媒との温度差があれば、地下水に限らず、排水等でもよい。また、開放型熱交換器１１は、水槽１をＡ槽，Ｂ槽に仕切り、水流をＡ槽からＢ槽に折り返しているが、水槽１内にさらに多く槽を設けても良い。また、水槽１を仕切ることなく単一の槽とし、水槽１の一方の側面に注入口３を形成し、対向する他方の側面に排水口４を設けてもよい。

次に、図７に基づいて、開放型熱交換器１１を利用した地下水利用システムの一例を説明する。地中の温度は年間を通して安定しているため、ほぼ一定の高効率で稼働でき、冷暖房の省エネルギー化が可能である。

地表から帯水層の中に互いに離間して、第１の井戸１２及び第２の井戸１３が掘削される。第１の通水管１４の一端は第１の井戸１２の中に挿入され、他方の端は
井戸ポンプ１５を介して、開放型熱交換器１１の水槽１の注入口３に接続される。つまり、井戸ポンプ１５は第１の井戸１２から地下水を揚水し、第１の通水管１４及び供給口３を通して水槽１内に供給する。

第２の通水管１６の一方の端は第２の井戸１３の中に挿入され、他方の端は水槽１の排水口４に接続される。つまり、排水口４から排出された地下水は、第２の通水管１６を通して第２の井戸１３の中に排出される。

開放型熱交換器１１の第１の元伝熱管８は、循環ポンプ１７を介して生産設備１８
に接続される。第１の元伝熱管８内の冷媒は、開放型熱交換器１１による熱交換により冷却されて生産設備１８に供給される。生産設備１８に供給された冷媒は、第３の元伝熱管１０を通して回収され、水槽１内の伝熱管７に戻され、再冷却される。

一方、第１の元伝熱管８の冷媒は、第１の元伝熱管８から分岐した分岐伝熱管１９を通って空調機２０に供給することもできる。このようにして、地下水を熱源とした冷房システムを形成することができる。

１ 水槽
２ 中央仕切板
３ 注水口
４ 排水口
５ 上仕切板
５ａ 上仕切板ガイド用溝部
５ｂ ストッパー部
６ 下仕切板
６ａ 第１の下仕切板保持ガイド用溝部
６ｂ 第２の下仕切板ガイド用溝部
７ 伝熱管
８ 第１の元伝熱管
９ 第２の元伝熱管
１０ 第３の元伝熱管
１１ 開放型熱交換器
１２ 第１の井戸
１３ 第２の井戸
１４ 第１の通水管
１５ 井戸ポンプ
１６ 第２の通水管
１７ 循環ポンプ

Claims (4)

1. 注水口と排水口を有する水槽と、
   前記水槽内に並設され、下端が前記水槽の底より高い位置に着脱自在に保持された複数の上仕切板と、
   前記複数の仕切板と交互に配置され、下端が前記水槽の底に接触するように着脱自在に保持された複数の下仕切板と、
   前記複数の上仕切板と前記複数の仕切板の間を上下に蛇行するように折り曲げ加工された複数の伝熱管と、を備え、前記注水口から注入された水が前記伝熱管に沿って上下に蛇行しながら前記排水口に流れるようにしたことを特徴とする熱交換器。
2. 前記水槽の内壁に取り付けられ前記上仕切板の側端が嵌合する上仕切板ガイド用溝部と、前記上仕切板が落下しないようにその下端を止めるストッパー部を有する上仕切板保持ガイドと、
   前記水槽の底及び内壁に取り付けられ前記下仕切板を上下方向にガイドする下仕切板ガイド用溝部を有する下仕切板保持ガイドと、を備えることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記複数の伝熱管が接続され、該伝熱管より大きな口径を有する元伝熱管を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 地表から帯水層の中に互いに離間して掘削された第１及び第２の井戸と、
   一方の端が前記第１の井戸の中に挿入され、他方の端が前記水槽の前記注入口に接続された第１の通水管と、
   一方の端が前記第２の井戸の中に挿入され、他方の端が前記水槽の前記排水口に接続された第２の通水管と、
   前記第１の通水管を通して第１の井戸から地下水を揚水し、前記第１の通水管及び前記供給口を通して前記水槽内に供給するための井戸ポンプを備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の熱交換器。

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