JP2015230133A - 流水利用型熱交換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】より熱交換効率を高めた流水利用型熱交換装置を提供する。【解決手段】川等の流水域に沈設され、上記流水域内の流水を熱源として、上記流水と利用側の熱媒体との間で熱交換を行う水−熱媒体熱交換器を有する流水利用型熱交換装置において、熱媒体が一端から他端に向かって常に同一方向に流れる熱交換シート６を備え、熱交換シート６を熱媒体の流れ方向と水の流れ方向とがほぼ平行となるように流水域Ｔに沈設する。【選択図】図１

Description

本発明は、河川などを流れる水と利用側の熱媒体との間で熱交換する流水利用型熱交換装置に関し、さらに詳しく言えば、より熱交換効率を高めた流水利用型熱交換装置に関する。

節電などの省エネ技術の１つとして、最近では、地中熱や河川などの自然熱を採取して、エアコンなどの利用側熱源との間で熱交換する熱交換装置が注目されている。この種の自然熱を利用した熱交換装置の１つとして流水利用型熱交換装置がある。

例えば特許文献１に示すように、流水利用型熱交換装置は、河川などの流水域を流れる流水を熱源側として用いる熱交換装置であり、熱交換器を水の中に沈めて配置し、水の流れを利用することにより、高い熱交換効率を維持することができる熱交換装置である。

しかしながら、特許文献１に記載の流水利用型熱交換装置は、池や湖などの止水域に沈めて用いることを前提とし、１本の熱交換チューブを螺旋状に巻いて形成された熱交換ユニットを用いている。したがって、河川などの流水域で用いることに対しての考慮がなく、熱交換チューブの表面に乱流が生じるなどして、熱交換効率が低下することがある。

特開２０１１−１４９６６４号公報

そこで、本発明の課題は、流水域における熱交換効率を高めた流水利用型熱交換装置を提供することにある。

上述した課題を解決するため、本発明は、河川等の流水域に沈設され、上記流水路内の流水を熱源として、上記流水と利用側の熱媒体との間で熱交換を行う水−熱媒体熱交換器を有する流水利用型熱交換装置において、上記水−熱媒体熱交換器は、所定の間隔をもって互いに平行に配置された流入側ヘッダ管と流出側ヘッダ管との間に複数本の熱交換チューブを並列に接続してなり、上記利用側の熱媒体が上記流入側ヘッダ管から上記各熱交換チューブを同一方向に流れて上記流出側ヘッダ管に至る熱交換シートを備え、上記熱交換シートが上記流水域内で流水方向に沿って配置されることを特徴としている。

また、上記水−熱媒体熱交換器は、上記熱交換シートを保持する支持フレームを有し、上記支持フレームに、複数の上記熱交換シートが所定間隔をもって互いにほぼ平行に配置されていることが好ましい。

別の態様として、上記水−熱媒体熱交換器は、上記熱交換シートを保持する支持フレームを有し、複数の上記熱交換シートが、上記流水路の上流側から下流側に向かうにつれて互いの間隔が漸次狭くなるように上記支持フレームに配置されていることが好ましい。

より好ましい態様として、上記水−熱媒体熱交換器は、上記各熱交換チューブ内に流れる上記熱媒体の流れ方向と上記水の流れ方向とが互いに逆行するように配置される。

さらには、上記支持フレームは、前面と後面とにそれぞれ開口部を有し、残りの天面、底面、左側面および右側面が所定の遮水部材によりそれぞれ閉塞された直方体状を呈し、上記支持フレームの前面開口部および後面開口部が上記水の流れ方向に対向して配置されることが好ましい。

より好ましい態様として、支持フレームは、上記支持フレーム内の流路が、上流側から下流側に向かって漸次絞られていることが好ましい。

本発明によれば、熱媒体が一端側から他端側に向かって同一方向に流れる熱交換チューブを、熱冷媒の流れ方向と、水の流れ方向とが、互いに平行となるように水中に埋設することにより、より熱交換効率を高めることができる。

本発明の一実施形態に係る流水利用型熱交換装置の概略図。 上記流水利用型熱交換装置の水−熱媒体熱交換器を模式的に示した斜視図。 上記水−熱媒体熱交換器の内部構造を模式的に示した（ａ）平面図および（ｂ）Ａ−Ａ線断面図。 熱交換シートの構成を模式的に示した斜視図。 （ａ）〜（ｃ）支持フレーム内に熱交換シートを配置する変形例を示す断面図。 上記水−熱媒体熱交換器の変形例を示す正面図。 上記水−熱媒体熱交換器の変形例を示す正面図。

次に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１に示すように、この流水利用型熱交換装置１は、利用側としてのヒートポンプユニット２と、河川などの流水域Ｔ内に沈設される熱源側としての水−熱媒体熱交換ユニット３とを備えている。

本発明において、流水域Ｔは、河川などの水を蓄えつつ、さらに、適度な水の流れのある場所をいう。水流には、人の目で流れていると確認できない微流速も含まれ、湖やため池なども含まれる。

ヒートポンプユニット２は、内部にコンプレッサなどの冷凍サイクル機構を備えたユニット本体２１と、室内側に配置される室内側熱交換器２２と、室外側に配置される室外側熱交換器２３とを備えている。この実施形態において、ヒートポンプユニット２は空気調和機（エアコン）である。

本発明において、ヒートポンプユニット２は、熱媒体を介して室内側熱交換器２２と室外側熱交換器２３との間で熱を移動させる冷凍サイクル回路を有していればよく、その具体的な構成は、仕様に応じて任意に変更されてよい。

水−熱媒体熱交換ユニット３は、流水域Ｔ内に埋設される水−熱冷媒熱交換器４と、内部に熱媒体が循環する熱媒体循環路５とを備えている。図２および図３を併せて参照して、水−熱媒体熱交換器４は、扁平な直方体状の支持フレーム４１と、同支持フレーム４１で支持される熱交換シート６とを備えている。

冷媒循環路５は、内部に水や不凍液などの液体の熱媒体が一方向に向かって循環する閉ループ回路であって、熱媒体を循環させるための図示しない循環ポンプが設けられている。冷媒循環路５の具体的な構成や、熱媒体の種類については、仕様に応じて任意に選択されてよい。

支持フレーム４１は、例えば鋼材パイプを直方体状に組み合わせたパイプフレームからなり、前面（図３（ａ）では上面）には前面開口部４２が設けられ、後面（図３（ａ）には下面）に後面開口部４３が設けられている。

この実施形態において、支持フレーム４１の残りの面、すなわち上面、底面、左側面および右側面はそれぞれ、遮水部材４３〜４７によって閉塞されている。これにより、支持フレーム４１は、前面開口部４２と後面開口部４３が開放された角筒型に形成されている。

水−熱媒体熱交換器４は、流水域Ｔ内に沈設されるが、その際、前部開口部４２が水の流れの上流側に向かって配置されている。したがって、後部開口部４２は、水の流れの下流側に向けて配置される。

この実施形態において、各遮水部材４３〜４６は、例えば工事用ビニールシートや帆布などのシート材をパイプフレームに紐などによって固定したものが用いられているが、これ以外に樹脂板などであってもよい。遮水部材４３〜４６は、前部開口部４２から後部開口部４２に向かって水の流れをある程度整流するものであればよく、透水性を備えていてもよい。

本発明において、支持フレーム４１には、後述する熱交換シート６が少なくとも１つ設けられていればよい。すなわち、整流機能を持たせるための遮水部材４３〜４６は絶対必要条件ではない。

また、支持フレーム４１は、直方体状のパイプフレームに遮水部材を固定したものからなるが、前後に開口部４２，４３を備えている構造であれば、例えばコンクリート製の構造物（例えばマンホール管）であってもよい。

図４を参照して、熱交換シート６は、熱媒体循環路５の流入側配管５１に接続される流入側ヘッダ管６１と、熱媒体循環路５の流入側配管５２に接続される流出側ヘッダ管６２と、流入側ヘッダ管６１および流出側ヘッダパイプ６２との間に架け渡される複数の熱交換チューブ６３とを備えている。

この実施形態において、流出側ヘッダ管６１および流出側ヘッダ管６２はともに、ポリエチレン製の管材からなる。流入側ヘッダ管６１は、下端側が開放され、上端側が閉塞されている。これに対し、流出側ヘッダ管６２は、上端側が開放され、他端側が閉塞されている。

熱交換チューブ６３は、可撓性を有する合成樹脂、好ましくはポリエチレンチューブからなり、一端が流入側ヘッダ管６１に差し込まれ、他端が流出側ヘッダ管６２の管内に差し込まれ、それらが互いに平行に配置されている。流入側ヘッダ管６１および流出側ヘッダ管６２は熱媒体の幹管であり、熱交換チューブ６３はそれらの枝管である。

熱交換チューブ６３は、各ヘッダ管６１，６２の軸線方向に沿って所定間隔をもって多数、この実施形態では、φ６ｍｍ×長さ５．６ｍの熱交換チューブ６３が１１７本が配置されており、それら全体が規則的に並んで配置されることにより、見かけ上、１枚のシート状に形成される。

熱交換チューブ６３には、熱交換チューブ６３の並びを整然と配列するためのスペーサ６４が、この実施形態では３箇所に設けられている。

これによれば、熱媒体は、流入側ヘッダ管６１の下端から熱交換シート６内に入り、各熱交換チューブ６３内を、同一方向に流出側ヘッダ管６２に向かって流れつつ、水との間で熱交換され、流出側ヘッダ管６２の上端から吐出されて熱媒体循環路５に戻る。

この実施形態において、熱交換シート６の大きさは、長さ５．６ｍ×幅０．９ｍである。この種の熱交換シート６の一例としては、ＭＡＧＥＮ（イスラエル）社製の製品名「Ｇカーペット」が好適に用いられる。

再び図３（ａ）を参照して、この熱交換シート６は、支持フレーム４１の図３（ａ）において上下方向に平行となるように設置されている。この実施形態において、熱交換シート６は、６枚が所定の間隔をもって互いに平行に設置されている。

この実施形態において、熱交換シート６は、いわゆる結束バンドにより支持フレーム４１に固定されるが、降雨時などの流速が早い状態にも耐えうる強度に支持フレーム４１に保持されていれば、その保持方法は、仕様に応じて任意に選択されてよい。

熱交換シート６の設置数は、利用側で要求される熱交換容量に応じて任意に選択可能である。各熱交換シート６は、各流入側ヘッダ管６１同士が流入側中継管６５により互いに連結され、そこから熱媒体循環路５の流入側配管５１に接続されている。同様に流出側ヘッダ管６２は、流出側中継管６６により１つにまとめられ、熱媒体循環路５２の流出側配管５２に接続されている。

図３（ｂ）のＡ−Ａ線断面図に示すように、各熱交換シート６は、支持フレーム４１の前面開口部４２から後面開口部４３にかけて上下方向に沿って互いに平行に配置されており、さらに天面４４から底面４５にかけて垂直となるように配置されている。

これによれば、前部開口部４２から水−熱媒体熱交換器４の内部に導かれた水は、各熱交換シート６の間を通って下流側に移動しながら熱媒体との間で熱交換し、後部開口部４２から排出される。これにより、水の抵抗によって熱交換シート６の表面に乱流を生じて、高効率の熱交換を行うことができる。

この実施形態において、各熱交換シート６は、図３（ｂ）では、縦に並べて、かつ、互いに平行となるように配置されているが、図５（ａ）に示すように、斜めに平行に配置されてもよい。さらには、図５（ｂ）に示すように、各熱交換シート６を交互に斜めにするＶ字状に配置してもよい。なお、Ｖ字状に配置した場合、各熱交換シート６の端部同士の突き合わせ部分にゴミが溜まることを防止するため、突き当て部を少し離して隙間を設けておくことが好ましい。

これによれば、支持フレーム４１の高さよりも大きい幅（高さ）を有する熱交換シート６を斜めに支持フレーム４１の中に収納することができるため、支持フレーム４１を大きくすることなく、熱交換容量を増やすことができる。

さらには、図５（ｃ）に示すように，熱交換シート６を支持フレーム４１に水平に設置し、高さ方向に所定間隔で積層してもよい。熱交換シート６の設置態様は、水の流れ方向と冷媒の流れ方向とが互いに平行となれば、仕様に応じて任意に変更可能である。

より好ましい態様として、水−熱媒体熱交換器４は、熱媒体の流れ方向（図では白矢印）と水の流れ方向（図３では黒矢印）が互いに逆行するように配置されることが好ましい。すなわち、図３に示すように、水−熱媒体熱交換器４の前部開口部４２側に熱交換シート６の流出側ヘッダ管６２を配置し、後部開口側４２に流入側ヘッダ管６１を配置する。

この水−熱媒体熱交換器４を前部開口部４２が水の上流側に向けて設置することにより、水の流れ方向（図３（ａ）では、上から下に向かって流れる方向：黒矢印）と、熱媒体の流れ方向（図３（ａ）では下から上に向かって流れる方向：白矢印）とが互いに逆行し、より熱交換効率を高めることができる。

また、上記実施形態において、水−熱媒体熱交換器４は、支持フレーム４１の各遮水部材４４〜４７は、それぞれ前面開口部４１から後面開口部４２にかけて直線状に形成されているが、図６に示すように、支持フレーム４１の右側面の遮水部材４６および／または左側面の遮水部材４７の間隔を上流側から下流側に向かって漸次狭めることにより、支持フレーム４１内の流路を上流側から下流側に向かって漸次絞られる。

これによれば、前面開口部４１から後部開口部４２に向かって水の流速が早められることにより、熱交換効率が増大する。

これによれば、支持フレーム４１の形状を中心に向かってくびれるように絞ることによって、支持フレーム４１内での水の流速を早めることができるため、水の流れが遅い場所であっても、より熱交換効率の高めることができる。

さらに別の態様として、図７に示すように、複数の熱交換シート６Ａを、流水路の上流側（図７では上側）から下流側（図３では下側）に向かうにつれて互いの間隔が漸次狭くなるように、いわゆる逆ハの字状に支持フレーム４１に配置してもよい。

これによれば、水が各熱交換シート６Ａの熱交換チューブ６３の隙間に通過させることによって、より熱交換効率を高めることができる。

なお、より好ましい態様としては、水−熱媒体熱交換器４を水中に沈設した際、流石などによって熱交換シート６が傷つけられないようにするため、防石ネットなどを用いて水−熱媒体熱交換器４を保護してすることが好ましい。防石ネットは、少なくとも前部開口部４２に取り付けられていればよいが、水−熱媒体熱交換器４の全体を囲んでもよい。

以上説明したように、本発明によれば、熱媒体が一端側から他端側に向かって同一方向に流れる熱交換チューブを、熱媒体の流れ方向と、水の流れ方向とが、互いに平行となるように水中に沈設したことにより、流水域においてより熱交換効率を高めることができる。

１ 流水利用型熱交換装置
２ ヒートポンプユニット
３ 水−熱媒体熱交換ユニット
４ 水−熱媒体熱交換器
４１ 支持フレーム
５ 熱媒体循環路
６ 熱交換シート

Claims (6)

1. 河川等の流水域に沈設され、上記流水域内の流水を熱源として、上記流水と利用側の熱媒体との間で熱交換を行う水−熱媒体熱交換器を有する流水利用型熱交換装置において、
   上記水−熱媒体熱交換器は、所定の間隔をもって互いに平行に配置された流入側ヘッダ管と流出側ヘッダ管との間に複数本の熱交換チューブを並列に接続してなり、上記利用側の熱媒体が上記流入側ヘッダ管から上記各熱交換チューブを同一方向に流れて上記流出側ヘッダ管に至る熱交換シートを少なくとも１つ備え、上記熱交換シートが上記流水域内で流水方向に沿って配置されることを特徴とする流水利用型熱交換装置。
2. 上記水−熱媒体熱交換器は、上記熱交換シートを保持する支持フレームを有し、上記支持フレームに、複数の上記熱交換シートが所定間隔をもって互いにほぼ平行に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の流水利用型熱交換装置。
3. 上記水−熱媒体熱交換器は、上記熱交換シートを保持する支持フレームを有し、複数の上記熱交換シートが、上記流水路の上流側から下流側に向かうにつれて互いの間隔が漸次狭くなるように上記支持フレームに配置されていることを特徴とする請求項１に記載の流水利用型熱交換装置。
4. 上記水−熱媒体熱交換器は、上記各熱交換チューブ内に流れる上記熱媒体の流れ方向と上記水の流れ方向とが互いに逆行するように配置されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の流水利用型熱交換装置。
5. 上記支持フレームは、前面と後面とにそれぞれ開口部を有し、残りの天面、底面、左側面および右側面が所定の遮水部材によりそれぞれ閉塞された直方体状を呈し、上記支持フレームの前面開口部および後面開口部が上記流水方向に対向して配置されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の流水利用型熱交換装置。
6. 上記支持フレームは、上記支持フレーム内の流路が、上流側から下流側に向かって漸次狭められていることを特徴とする請求項５に記載の流水利用型熱交換装置。

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