JP2015048965A - 熱交換型流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】 羽根車に熱交換機能を付加することで、熱交換の効率が高く、かつ水力や風力を利用してエネルギ消費を抑えることができる熱交換型流体機械を提供する。
【解決手段】 回転軸と回転軸に取り付けられた翼からなる羽根車を備え、翼が中空部を有していて、中空部内を内部流体が流れており、内部流体と、翼の外側を流れる外部流体とが、翼の表面を介して熱交換する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水車・風車またはポンプ・送風機として機能する熱交換型流体機械に関する。

エアコンやボイラーなどの熱交換器においては、空間を隔てる伝熱面の両側に高温流体および低温流体を流して、その温度差により熱交換が行われる。一般に、流体が流れる流路は固定されており、高温流体と低温流体の流れの方向によって、並流型、向流型、直交型などに分類される。

ところで、こうした従来の熱交換器においては、熱交換の効率を高めるために、伝熱面積を大きくし、流体を高速で流して対流熱伝達を向上させている。そのため、流路は狭く長くなっており、流路に流体を流すためのポンプや送風機を高出力なものにしなければならず、消費エネルギが大きい点が問題であった。

本発明は、上記事情を鑑みたものであり、羽根車に熱交換機能を付加することで、熱交換の効率が高く、かつ水力や風力を利用してエネルギ消費を抑えることができる熱交換型流体機械を提供することを目的とする。

本発明のうち請求項１の発明は、回転軸と回転軸に取り付けられた翼からなる羽根車を備え、翼が中空部を有していて、中空部内を内部流体が流れており、内部流体と、翼の外側を流れる外部流体とが、翼の表面を介して熱交換することを特徴とする。

本発明のうち請求項２の発明は、羽根車の翼の中空部にポンプ作用発生装置を接続してあり、ポンプ作用発生装置が、羽根車の回転により圧力差を生じて内部流体を循環させるものであることを特徴とする。

本発明のうち請求項３の発明は、羽根車の回転軸に回転力発生装置を接続してあり、回転力発生装置が、内部流体の圧力により回転力を生じて羽根車を回転させるものであることを特徴とする。

本発明のうち請求項１の発明によれば、回転する羽根車の翼の表面を介して、内部流体と外部流体とで熱交換が行われるため、対流熱伝達が向上し、熱交換の効率が高い。そして、羽根車は水車や風車となる構造のものであるから、自然エネルギ（水力や風力など）により羽根車を回転させることができ、さらに発電しながら熱交換を行うことで、よりエネルギ消費を抑えることができる。

本発明のうち請求項２の発明によれば、羽根車の回転によって内部流体が循環するので、内部流体を循環させるためのポンプなどを必要としない。そして、特に羽根車を自然の流水または風により回転させれば、自然エネルギのみによって作動するシステムを構築することができる。

本発明のうち請求項３の発明によれば、内部流体の圧力によって羽根車を回転させるので、羽根車を回転させるためのポンプなどを必要としない。そして、特に内部流体を自然の圧力源により循環させれば、自然エネルギのみによって作動するシステムを構築することができる。

第一実施形態を示し、（ａ）は全体図、（ｂ）は翼の拡大図である。 第二実施形態を示し、（ａ）はＡ−Ａ線断面図、（ｂ）は全体図である。 第三実施形態を示し、（ａ）は羽根車の正面図、（ｂ）は全体図である。 第四実施形態の全体図である。 第五実施形態の全体図である。 第六実施形態を示し、（ａ）はＢ−Ｂ線断面図、（ｂ）は全体図である。 第一の実用例の全体図である。 （ａ）は第二の実用例の全体図、（ｂ）は第三の実用例の全体図である。

本発明の熱交換型流体機械の具体的な構成について、各図面に基づいて説明する。この熱交換型流体機械の第一実施形態は、図１（ａ）に示すように、回転軸１１に螺旋状の翼１２を取り付けた螺旋水車型のものである。より詳しくは、回転軸１１の周囲に二枚の螺旋状の翼１２を取り付けて羽根車１を構成してあり、この羽根車１を、略直方体形の箱体４に納めてある。箱体４は、羽根車１の翼１２が丁度納まる大きさであって、回転軸１１が両端から突出しており、羽根車１は箱体４に軸支されている。そして、箱体４の内部には、回転軸１１に直交する隔壁４１を二箇所に設けてある。隔壁４１は、箱体４の内部を回転軸１１に沿う方向に略１：４：１に仕切っており、隔壁４１の位置においては羽根車１の翼１２が途切れていて、回転軸１１が隔壁４１を貫通している。この貫通部において、回転軸１１と隔壁４１の隙間はシールされており、隔壁４１の両側の空間は水密が確保されている。ここで、箱体４の内部の空間のうち、二枚の隔壁４１の間の空間を中央空間４２、その両側の空間を端部空間４３とする。なお、中央空間４２の隔壁４１に平行な向きの断面形状は、上側半分が矩形で下側半分が半円形であり、下側においては翼１２と中央空間４２の外壁の間に隙間がほとんどない構成となっている。一方、端部空間４３の隔壁４１に平行な向きの断面形状は、矩形であり、下側においても翼１２と端部空間４３の外壁の間に隙間がある構成となっている。そして、このように構成した機械全体（羽根車１および箱体４）は、回転軸１１の長手方向に沿って傾斜しており、回転軸１１の上方側の端部には、発電機５を取り付けてある。また、中央空間４２の両端（隔壁４１に近接する位置）には、外部との連通口を形成してあり、傾斜上方側を中央空間入口部４２ａ、傾斜下方側を中央空間出口部４２ｂとしてある。さらに、両端部空間４３にも外部との連通口を形成してあり、傾斜上方側の端部空間４３に形成した連通口を端部空間入口部４３ａ、傾斜下方側の端部空間４３に形成した連通口を端部空間出口部４３ｂとしてある。

そして、図１（ｂ）に示すように、羽根車１の翼１２が中空部１３を有している。中空部１３は、断面略正方形で翼１２の半径方向に複数並んでおり、翼１２の周方向に沿って螺旋状に形成してある。そして、中空部１３は羽根車１の両端部において開口していて、端部空間４３と連通している。なお、隔壁４１の位置の翼１２が途切れた部分においては、回転軸１１の内部に中空部１３ａを形成してあり、回転軸１１の中空部１３ａが隔壁４１の両側の翼１２の中空部１３と繋がっていて、羽根車１の一端から他端にわたって中空部１３，１３ａが連通している。

このように構成した熱交換型流体機械の第一実施形態は、中央空間入口部４２ａおよび端部空間入口部４３ａからそれぞれ流体（たとえば水など）が流入することで動作する。すなわち、中央空間入口部４２ａから流体が流入することで、羽根車１が回転し、発電機５により発電が行われる。この流体は翼１２の外部を流れる外部流体に相当し、中央空間出口部４２ｂから流出する。なお、中央空間４２では、下側部分において翼１２と外壁の間に隙間がほとんどないので、各翼１２の上方側と下方側とで液面の高さが異なる。一方、端部空間入口部４３ａから流入する流体は、翼１２の中空部１３の上方側の開口が羽根車１の回転により流体中（水面下）を通過するたびに中空部１３内に取り込まれ、羽根車１の回転に伴って下方に移動する。この流体は翼１２の中空部１３内を流れる内部流体に相当し、内部流体が中央空間４２を通過する際に、外部流体と翼１２の表面を介して熱交換する。そして、熱交換を終えた内部流体は、翼１２の中空部１３の下方側の開口から排出され、さらに端部空間出口部４３ｂから流出する。なお、端部空間４３では、下側部分において翼１２と外壁の間に隙間があるので、各翼１２の上方側と下方側とで液面の高さは同じである。また、内部流体が回転軸１１の内部の中空部１３ａを通過するには、中空部１３ａの高さが上方側の端部空間４３内の液面の高さよりも低くなければならない。

この熱交換型流体機械の第一実施形態においては、回転する羽根車１の翼１２の表面を介して、内部流体と外部流体とで熱交換が行われるため、対流熱伝達が向上し、熱交換の効率が高い。この際、内部流体と外部流体のどちらが高温であってもよい。そして、羽根車１はいわゆるアルキメデスポンプの原理の逆の動作となって回転し、これにより発電しながら熱交換を行うことで、エネルギ消費を抑えることができる。特に、中央空間入口部４２ａに流入する外部流体と、端部空間入口部４３ａに流入する内部流体の両方を自然の水力や風力などにより取り込めば、エネルギの供給を必要とせず、さらに発電しながら熱交換を行うことができる。また、外部流体を自然の水力や風力により取り込み、発電した電力によりポンプなどを動作させて内部流体を取り込んでもよい。さらに、自然の水力や風力がない場合や弱い場合には、発電機５をモータとして駆動させて羽根車１を回転させることにより、外部流体および内部流体を取り込んで熱交換を行うこともできる。この場合でも、二つの流体に対して一つのモータしか必要としないので、従来の熱交換装置よりもエネルギ消費を抑えることができる。

次に、熱交換型流体機械の第二実施形態について説明する。第二実施形態は、図２に示すように、回転軸１１に直線状の翼１２を取り付けたクロスフロー水車型のものである。より詳しくは、二枚の円盤状の支持板１４が対向しており、それぞれの支持板１４の対向面の反対側面の中心に回転軸１１を設けてあり、二枚の支持板１４の間に、回転軸１１と平行に延びる直線状の翼１２を複数枚取り付けて羽根車１を構成してある。

そして、羽根車１の翼１２は、回転軸１１方向に延びる中空部１３を有している。また、回転軸１１の内部にも中空部１３ａを形成してあり、さらに、支持板１４の内部にも中空部１３ｂを形成してある。そして、翼１２の中空部１３と、回転軸１１の中空部１３ａと、支持板１４の中空部１３ｂとが繋がっていて、一方の回転軸１１から、一方の支持板１４、翼１２、他方の支持板１４を通って他方の回転軸１１まで、中空部１３，１３ａ，１３ｂが連通している。

また、他方の回転軸１１には、ポンプ作用発生装置２を接続してある。ポンプ作用発生装置２は、いわゆる遠心ポンプであり、インペラ２１が回転軸１１に直結されていて、回転軸１１とともに回転する。回転軸１１の中空部１３ａから流入した流体は、インペラ２１と一緒に回転して遠心力により外周側に吐出され、この際、外周部が高圧になることで中心部が低圧となり、中心部（回転軸１１の中空部１３ａ）から流体が吸引される。さらに、インペラ２１には発電機５を取り付けてある。

このように構成した熱交換型流体機械の第二実施形態は、羽根車１に外部流体（たとえば水など：白抜き矢印で流れを表示）が当たり、また一方の回転軸１１の中空部１３ａに内部流体（たとえば水など：機械内部の矢印で流れを表示）が流入することで動作する。すなわち、外部流体により羽根車１が回転し、発電機５により発電が行われる。また、羽根車１の回転によりポンプ作用発生装置２が吸引力を発生して、内部流体が、一方の回転軸１１から、一方の支持板１４、翼１２、他方の支持板１４、他方の回転軸１１の各中空部１３，１３ａ，１３ｂを通り、ポンプ作用発生装置２から外周部に排出される。そして、内部流体が翼１２の中空部１３を通過する際に、外部流体と翼１２の表面を介して熱交換する。

この熱交換型流体機械の第二実施形態においては、回転する羽根車１の翼１２の表面を介して、内部流体と外部流体とで熱交換が行われるため、対流熱伝達が向上し、熱交換の効率が高い。この際、内部流体と外部流体のどちらが高温であってもよい。そして、羽根車１は外部流体の衝突により回転し、これにより発電しながら熱交換を行うことで、エネルギ消費を抑えることができ、また発電機５により回転速度を調整することもできる。特に、外部流体を自然の水力や風力などにより羽根車１に衝突させれば、内部流体はポンプ作用発生装置２により取り込まれるので、エネルギの供給を必要とせず、さらに発電しながら熱交換を行うことができる。この際、内部流体は、循環させる構造としてもよい。さらに、自然の水力や風力がない場合や弱い場合には、発電機５をモータとして駆動させて羽根車１を回転させることにより、内部流体を取り込んで熱交換を行うこともできる。この場合でも、二つの流体に対して一つのモータしか必要としないので、従来の熱交換装置よりもエネルギ消費を抑えることができる。また、外部流体が気体である場合に、気体中の蒸気が凝縮により翼１２の表面（伝熱面）に液滴として付着しても、羽根車１が回転することによって、遠心力により液滴を除去することができるので、熱伝達の効率が低下しにくい。なお、このような構成の第二実施形態において、翼１２の断面形状を翼形状とし、揚力により回転する、いわゆるダリウス水車（風車）型としてもよい。その場合、回転速度は速くなるが、起動性に劣るので、モータなどにより起動することが望ましい。

次に、熱交換型流体機械の第三実施形態について説明する。第三実施形態は、図３に示すように、回転軸１１にプロペラ状の翼１２を取り付けたプロペラ水車型のものである。より詳しくは、回転軸１１の周囲に四枚のプロペラ状の翼１２を取り付けて羽根車１を構成してあり、羽根車１は、略円筒形の支持枠６に納まっている。また、回転軸１１に外挿するようにして、発電機５を取り付けてある。

そして、羽根車１の翼１２は、回転の半径方向に延びる中空部１３を有している。また、回転軸１１の内部にも中空部１３ａを形成してあり、さらに、支持枠６の内部にも中空部１３ｃを形成してある。そして、翼１２の中空部１３と、回転軸１１の中空部１３ａとが繋がっており、また、翼１２の外縁部が、支持枠６の内周面に摺動自在に係合しており、翼１２の中空部１３と、支持枠６の中空部１３ｃも繋がっていて、回転軸１１から、翼１２を通って支持枠６まで、中空部１３，１３ａ，１３ｃが連通している。

また、羽根車１を納めた支持枠６の外部に、貯留槽７を設けてあり、貯留槽７と回転軸１１の中空部１３ａが、入口管７１により接続されている。さらに、支持枠６の中空部１３ｃと貯留槽７が、出口管７２により接続されており、貯留槽７から羽根車１を経由して貯留槽７へ戻る循環流路が形成されている。

このように構成した熱交換型流体機械の第三実施形態は、循環流路が内部流体（たとえば水など：機械内部の矢印で流れを表示）で満たされ、羽根車１に外部流体（たとえば水など：白抜き矢印で流れを表示）が当たることで動作する。すなわち、外部流体により羽根車１が回転し、発電機５により発電が行われる。また、羽根車１の回転により、翼１２の中空部１３内の内部流体が遠心力を受け、遠心ポンプと同じ原理により中心部（回転軸１１の中空部１３ａ）から内部流体が吸引されるので、羽根車１の回転により内部流体が循環する。よって、羽根車１がポンプ作用発生装置としても機能することになる。そして、内部流体が翼１２の中空部を通過する際に、外部流体と翼１２の表面を介して熱交換する。

この熱交換型流体機械の第三実施形態においては、回転する羽根車１の翼１２の表面を介して、内部流体と外部流体とで熱交換が行われるため、対流熱伝達が向上し、熱交換の効率が高い。この際、内部流体と外部流体のどちらが高温であってもよい。そして、羽根車１は外部流体により回転し、これにより発電しながら熱交換を行うことで、エネルギ消費を抑えることができ、また発電機５により回転速度を調整することもできる。特に、外部流体を自然の水力や風力などにより流せば、内部流体はポンプ作用発生装置として機能する羽根車１により循環するので、エネルギの供給を必要とせず、さらに発電しながら熱交換を行うことができる。さらに、自然の水力や風力がない場合や弱い場合には、発電機５をモータとして駆動させて羽根車１を回転させることにより、内部流体を循環させて熱交換を行うこともできる。この場合でも、二つの流体に対して一つのモータしか必要としないので、従来の熱交換装置よりもエネルギ消費を抑えることができる。また、外部流体が気体である場合に、気体中の蒸気が凝縮により翼１２の表面（伝熱面）に液滴として付着しても、羽根車１が回転することによって、遠心力により液滴を除去することができるので、熱伝達の効率が低下しにくい。

次に、熱交換型流体機械の第四実施形態について説明する。第四実施形態は、第二実施形態と同様のクロスフロー水車型のものであり、図４に示すように、回転軸１１と翼１２からなる羽根車１は同様の構成である。そして、他方の回転軸１１にはポンプ作用発生装置２を接続してある。ポンプ作用発生装置２は、いわゆる遠心ポンプであり、回転軸１１を延長する軸管２２と、軸管２２の先端から回転軸１１の直交方向に延びる吐出口２３を有する。軸管２２は、回転軸１１の中空部１３ａと連通していて、かつ回転軸１１からは独立して回転するものである。吐出口２３は、ケーシング２４で覆われており、ケーシング２４から循環配管２５が延びていて、循環配管２５の先端が一方の回転軸１１の中空部１３ａに接続されており、内部流体が循環する構造となっている。また、他方の回転軸１１および軸管２２には、増速機構８を設けてある。増速機構８は、四つのプーリ８１，８２，８３，８４と、ベルト８５と、回転軸１１および軸管２２とは別個に設けた外部軸８６からなる。より詳しくは、他方の回転軸１１に第一プーリ８１を外挿して取り付けてあり、回転軸１１および軸管２２と平行な外部軸８６の第一プーリ８１に対向する位置に、第二プーリ８２を取り付けてある。さらに、外部軸８６の第二プーリ８２より他方側に、第三プーリ８３を取り付けてあり、軸管２２の第三プーリ８３に対向する位置に、第四プーリ８４を取り付けてある。そして、第一プーリ８１と第二プーリ８２および第三プーリ８３と第四プーリ８４にそれぞれベルト８５を掛け渡してある。また、外部軸８６の端部には、発電機５を取り付けてある。なお、各プーリの直径は、第一プーリ８１が最大で、第四プーリ８４が次に大きく、第二プーリ８２と第三プーリ８３が最小で同径である。

このように構成した熱交換型流体機械の第四実施形態は、循環流路が内部流体（たとえば水など：機械内部の矢印で流れを表示）で満たされ、羽根車１に外部流体（たとえば水など：白抜き矢印で流れを表示）が当たることで動作する。すなわち、外部流体により羽根車１が回転し、それに伴って回転軸１１に取り付けた第一プーリ８１も回転する。回転はベルト８５により第二プーリ８２に伝達され、第二プーリ８２も回転して、外部軸８６を回転させ、発電機５により発電が行われる。この際、第二プーリ８２は第一プーリ８１より直径が小さいので、外部軸８６は回転軸１１よりも増速され、より発電量が大きくなる。さらに、外部軸８６の回転に伴って第三プーリ８３も回転し、回転はベルト８５により第四プーリ８４に伝達され、第四プーリ８４も回転する。そして軸管２２および吐出口２３が回転することで、遠心ポンプと同様の原理により吸引力が発生する。この際、第四プーリ８４は第一プーリ８１より直径が小さいので、軸管２２は回転軸１１よりも増速され、より吸引力が大きくなる。これにより、内部流体が、吐出口２３を覆うケーシング２４から、循環配管２５、一方の回転軸１１、一方の支持板１４、翼１２、他方の支持板１４、他方の回転軸１１、軸管２２、吐出口２３を通ってケーシング２４まで循環する。そして、内部流体が翼１２の中空部１３を通過する際に、外部流体と翼１２の表面を介して熱交換する。

この熱交換型流体機械の第四実施形態においては、回転する羽根車１の翼１２の表面を介して、内部流体と外部流体とで熱交換が行われるため、対流熱伝達が向上し、熱交換の効率が高い。そして、羽根車１は外部流体により回転し、さらに増速機構８により回転速度を増速して発電しながら熱交換を行うことで、エネルギ消費を抑えることができ、また発電機５や増速機構８により回転速度を調整することもでき、さらに増速機構８により内部流体の循環速度も調整することができる。特に、外部流体を自然の水力や風力などにより流せば、内部流体はポンプ作用発生装置２により循環するので、エネルギの供給を必要とせず、さらに発電しながら熱交換を行うことができる。さらに、自然の水力や風力がない場合や弱い場合には、発電機５をモータとして駆動させてポンプ作用発生装置２を回転させることにより、内部流体を循環させて熱交換を行うこともできる。この場合でも、二つの流体に対して一つのモータしか必要としないので、従来の熱交換装置よりもエネルギ消費を抑えることができる。また、外部流体が気体である場合に、気体中の蒸気が凝縮により翼１２の表面（伝熱面）に液滴として付着しても、羽根車１が回転することによって、遠心力により液滴を除去することができるので、熱伝達の効率が低下しにくい。

次に、熱交換型流体機械の第五実施形態について説明する。第五実施形態は、第二実施形態と同様のクロスフロー水車型のものであるが、図５に示すように、羽根車１のうち翼１２および支持板１４については同様の構成であり、回転軸１１は、羽根車１の一方側から他方側まで貫通していて、他方側に突出している。そして、回転軸１１の中空部１３ａは、回転軸１１の中心を通って他方側端において開口し、一方側端において一方側の支持板１４の中空部１３ｂと連通している。さらに、他方側に突出する回転軸１１の内部には、中空部１３ａよりも中心から離れた位置に外側中空部１３ｄを形成してあり、外側中空部１３ｄは他方側の支持板１４の中空部１３ｂと連通している。そして、回転軸１１の他方側にはポンプ作用発生装置２を接続してある。ポンプ作用発生装置２は、いわゆる遠心ポンプであり、回転軸１１に外挿される軸管２２と、軸管２２の先端から回転軸１１の直交方向に延びる吐出口２３を有する。軸管２２は、回転軸１１からは独立して回転するものである。吐出口２３は、基端部（軸管２２側部分）において回転軸１１の外側中空部１３ｄと連通しており、全体がケーシング２４で覆われている。このケーシング２４は、回転軸１１の他方側端の開口も覆っており、吐出口２３と回転軸１１の他方側端の間には遮蔽壁２６が形成されているが、遮蔽壁２６は外周側部分が開口していて、吐出口２３と回転軸１１の開口が連通しており、内部流体が循環する構造となっている。また、回転軸１１および軸管２２には、増速機構８を設けてある。増速機構８は、四つのプーリ８１，８２，８３，８４と、ベルト８５と、回転軸１１および軸管２２とは別個に設けた外部軸８６からなる。より詳しくは、回転軸１１に第一プーリ８１を外挿して取り付けてあり、回転軸１１および軸管２２と平行な外部軸８６の第一プーリ８１に対向する位置に、第二プーリ８２を取り付けてある。さらに、外部軸８６の第二プーリ８２より他方側に、第三プーリ８３を取り付けてあり、軸管２２の第三プーリ８３に対向する位置に、第四プーリ８４を取り付けてある。そして、第一プーリ８１と第二プーリ８２および第三プーリ８３と第四プーリ８４にそれぞれベルト８５を掛け渡してある。また、外部軸８６の端部には、発電機５を取り付けてある。なお、各プーリの直径は、第一プーリ８１が最大で、第四プーリ８４が次に大きく、第二プーリ８２と第三プーリ８３が最小で同径である。

このように構成した熱交換型流体機械の第五実施形態は、循環流路が内部流体（たとえば水など：機械内部の矢印で流れを表示）で満たされ、羽根車１に外部流体（たとえば水など：白抜き矢印で流れを表示）が当たることで動作する。すなわち、外部流体により羽根車１が回転し、それに伴って回転軸１１に取り付けた第一プーリ８１も回転する。回転はベルト８５により第二プーリ８２に伝達され、第二プーリ８２も回転して、外部軸８６を回転させ、発電機５により発電が行われる。この際、第二プーリ８２は第一プーリ８１より直径が小さいので、外部軸８６は回転軸１１よりも増速され、より発電量が大きくなる。さらに、外部軸８６の回転に伴って第三プーリ８３も回転し、回転はベルト８５により第四プーリ８４に伝達され、第四プーリ８４も回転する。そして軸管２２および吐出口２３が回転することで、遠心ポンプと同様の原理により吸引力が発生する。この際、第四プーリ８４は第一プーリ８１より直径が小さいので、軸管２２は回転軸１１よりも増速され、より吸引力が大きくなる。これにより、内部流体が、吐出口２３を覆うケーシング２４から、回転軸１１（中空部１３ａ）、一方の支持板１４、翼１２、他方の支持板１４、回転軸１１（外側中空部１３ｄ）、吐出口２３を通ってケーシング２４まで循環する。そして、内部流体が翼１２の中空部１３を通過する際に、外部流体と翼１２の表面を介して熱交換する。

この熱交換型流体機械の第五実施形態は、第四実施形態と内部流体の流路が異なるのみであり、第四実施形態と同様の作用効果を奏するものである。

次に、熱交換型流体機械の第六実施形態について説明する。第六実施形態は、第二実施形態と同様のクロスフロー水車型のものであり、図６に示すように、回転軸１１と翼１２からなる羽根車１は同様の構成である。そして、一方側の回転軸１１には回転力発生装置３を接続してある。回転力発生装置３は、二枚の対向する円盤の間に放射状に翼を設けたランナ３１を有し、ランナ３１が回転軸１１に直結されている。このランナ３１対して外周側から流体が流入すると、ランナ３１とともに羽根車１が回転し、流体はランナ３１の中心部から一方側の回転軸１１の中空部１３ａに流入する。また、ランナ３１はケーシング３２で覆われている。さらに、羽根車１および回転力発生装置３の外部に、貯留槽７を設けてあり、貯留槽７とケーシング３２が、入口管７１により接続されている。入口管７１の貯留槽７側端部には、ポンプＰを取り付けてあり、貯留槽７から流体を取り込むことができる。さらに、他方側の回転軸１１の中空部１３ａと貯留槽７が、出口管７２により接続されており、貯留槽７から回転力発生装置３および羽根車１を経由して貯留槽７へ戻る循環流路が形成されている。

このように構成した熱交換型流体機械の第六実施形態は、循環流路を内部流体（たとえば水など：機械内部の矢印で流れを表示）で満たした上で、ポンプＰを駆動することで動作する。すなわち、ポンプＰにより貯留槽７から内部流体が取り込まれ、回転力発生装置３に流入してランナ３１を回転させ、それとともに羽根車１を回転させる。内部流体はランナ３１から羽根車１を通って貯留槽７に戻り循環する。そして、内部流体が翼１２の中空部１３を通過する際に、翼１２の周囲に存在する外部流体（たとえば空気など）と翼１２の表面を介して熱交換する。

この熱交換型流体機械の第六実施形態においては、回転する羽根車１の翼１２の表面を介して、内部流体と外部流体とで熱交換が行われるため、対流熱伝達が向上し、熱交換の効率が高い。そして、羽根車１は内部流体が回転力発生装置３に流入することにより回転する。内部流体の循環にはポンプＰを用いているが、二つの流体に対して一つのモータしか必要としないので、従来の熱交換装置よりもエネルギ消費を抑えることができる。また、ポンプＰの代わりに、内部流体を自然の水力や風力などにより流せば、羽根車１は内部流体により回転するので、エネルギの供給を必要とせず、効率の高い熱交換を行うことができる。さらに、外部流体が気体である場合に、気体中の蒸気が凝縮により翼１２の表面（伝熱面）に液滴として付着しても、羽根車１が回転することによって、遠心力により液滴を除去することができるので、熱伝達の効率が低下しにくい。

続いて、このように構成した熱交換型流体機械の実用例について説明する。第一の実用例は、空調用の室外機９に適用した例である。図７に示すように、建物の内部に空調用の室内機９１を取り付けてあり、冷媒の循環流路９２が室外側に延びていて室外に設置した水槽９３内を通過している。循環流路９２の途中にはポンプＰを設けてあり、循環流路９２内を冷媒が循環する。そして水槽９３の上部には熱交換型流体機械を設置してあり、ここでは、第五実施形態と略同じものである。より詳しくは、第五実施形態における一方側を上側、他方側を下側として、ケーシングが大きくなって水槽９３となったものであり、増速機構は備えておらず、回転軸１１の上端部に発電機５を取り付けてある。

このように構成した第一の実用例は、たとえば室内機９１を冷房として使用する場合、冷媒をポンプＰで循環させて室内機９１を動作させると、室内機９１から冷風Ｗ１が放出され、温度が上昇した冷媒が循環流路９２を通って室外側へ流れる。そして水槽９３内を通過することで、冷媒が水槽９３内の水と熱交換して冷やされ、また室内機９１へと循環する。一方、熱交換型流体機械の羽根車１が自然風Ｗ２により回転することで、発電機５により発電が行われるとともに、ポンプ作用発生装置２が吸引力を生じて、回転軸１１の下端から、冷媒と熱交換して温度が上昇した水を取り込む。水は回転軸１１から翼１２を通り、その際、翼１２の周囲の空気と翼１２の表面を介して熱交換して冷やされる。そして回転軸１１に戻って、ポンプ作用発生装置２から吐出されて水槽９３へと循環する。

この第一の実用例は、自然風により羽根車１を回転させて水を取り込み、回転する羽根車１の翼１２の表面を介して、水（内部流体）と空気（外部流体）とで熱交換を行うため、対流熱伝達が向上し、熱交換の効率が高い。また、羽根車１の回転により発電機５で発電を行うので、この電力により冷媒を循環させるためのポンプＰを駆動することもできる。よって、この装置によれば、風の持つ運動エネルギと熱エネルギの両方を利用することになり、自然エネルギを有効に活用できる。また、風がない場合には、発電機５をモータとして駆動させることで、水を循環させて熱交換を行うことができる。

次に、第二および第三の実用例について説明する。第二および第三の実用例は、何れも空調用の送風機（室内機）１０に適用した例である。第二の実用例は、図８（ａ）に示すように、室内に熱交換型流体機械の第四実施形態を設置して、この循環配管２５を室外まで延ばして、ボイラー１０１に接続するものである。

これによれば、熱交換型流体機械の発電機５をモータとして駆動することで、ポンプ作用発生装置２が吸引力を発生し、ボイラー１０１で温められた水が循環する。そして羽根車１が回転することで、送風機として機能し、温風を送風する（羽根車１の翼１２の中空部１３を通過する水が、翼１２の周囲の空気と熱交換する）。

そして第三の実用例は、図８（ｂ）に示すように、室内に熱交換型流体機械の第六実施形態を設置して、入口管７１および出口管７２を室外まで延ばして、ボイラー１０１に接続するものであり、入口管７１の途中にポンプＰを取り付けてある。

これによれば、ポンプＰを駆動することで、ボイラー１０１で温められた水が循環し、回転力発生装置３が回転力を発生する。そして羽根車１が回転して送風機として機能し、温風を送風する（羽根車１の翼１２の中空部１３を通過する水が、翼１２の周囲の空気と熱交換する）。

従来、こうした空調システムにおいては、水（冷媒）を循環させるためのポンプと、送風機を駆動するためのモータの両方が必要であったが、第二の実用例によれば、水を循環させるためのポンプを必要とせず、また第三の実用例によれば、送風機を駆動するためのモータを必要としないので、何れもエネルギ消費を抑えることができる。

本発明は、上記の実施形態に限定されない。たとえば、第一実施形態において、端部空間内の、内部流体の取込部分および排出部分は、必ずしも螺旋状の翼形状である必要はなく、回転に伴って流体を取り込みおよび排出できる構造であれば、どのようなものであってもよい。その他、羽根車（翼）の形状や構造は、一般に水車や風車に用いられるものの中から、設置場所の環境や作動流体の種類などに応じて適宜選択できる。また、作動流体（外部流体および内部流体）は、水や空気のほか、どのようなものであってもよく、特に、内部流体を循環させる構造とすれば、フロンなどの冷媒を用いることもできる。そして、この熱交換型流体機械は、上記の空調用の室外機や室内機のほか、自動車のエンジンやモータなどの冷却用熱交換器、プラントなどの温度調整用の熱交換器、排水の有効利用（排水による水力発電、排水温度の給湯利用）、排気の有効利用（煙突出口での風力発電、排気温度の給湯利用）、ボイラーや火力発電機などの熱交換器（蒸発部、加熱部）、火力発電所などの凝縮器（復水器）など、種々の分野に応用することができる。

１ 羽根車
２ ポンプ作用発生装置
３ 回転力発生装置
１１ 回転軸
１２ 翼
１３ 中空部

Claims (3)

1. 回転軸と回転軸に取り付けられた翼からなる羽根車を備え、
   翼が中空部を有していて、中空部内を内部流体が流れており、
   内部流体と、翼の外側を流れる外部流体とが、翼の表面を介して熱交換することを特徴とする熱交換型流体機械。
2. 羽根車の翼の中空部にポンプ作用発生装置を接続してあり、
   ポンプ作用発生装置が、羽根車の回転により圧力差を生じて内部流体を循環させるものであることを特徴とする請求項１記載の熱交換型流体機械。
3. 羽根車の回転軸に回転力発生装置を接続してあり、
   回転力発生装置が、内部流体の圧力により回転力を生じて羽根車を回転させるものであることを特徴とする請求項１記載の熱交換型流体機械。

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