JP2018040532A

JP2018040532A - 熱交換装置

Info

Publication number: JP2018040532A
Application number: JP2016174395A
Authority: JP
Inventors: 高杉　真司; Shinji Takasugi; 真司高杉
Original assignee: Geo System Co Ltd
Current assignee: Geo System Co Ltd
Priority date: 2016-09-07
Filing date: 2016-09-07
Publication date: 2018-03-15

Abstract

【課題】流路長の長い流水状態を作り出して熱交換を行うことができるようにしたプレハブ的に構築できる熱交換効率のよい流水利用型の熱交換装置を得る。
【解決手段】流入部１０ａから流出部１０ｂに向けて井水等の熱源水が流される流水槽１０と、流水槽１０内で熱源水に浸漬される熱交換器２０とを含み、熱交換器２０内に利用側機器の熱媒体が流され熱源水との間で熱交換が行われる熱交換装置において、流水槽１０内には、案内板１１によって流水方向が逆となるように複数の流水路１２がジグザグ状に形成されており、熱交換器２０には、熱媒体流入側の第１端管と熱媒体流出側の第２端管との間に可撓性を有する複数本のパイプを並列的に接続してなる面状熱交換器が用いられ、各流水路１２内にそれぞれ面状熱交換器２０が配置され、各面状熱交換器２０に自身が配置される流水路２０内の流水方向とは逆方向に熱媒体が流される。
【選択図】図２

Description

本発明は、井水等の水を熱源として利用側機器の熱媒体との間で熱交換を行う熱交換装置に関し、さらに詳しく言えば、装置の小型化と熱交換効率の高効率化を図る技術に関するものである。

井水（井戸水、地下水）の温度は、年間を通してほぼ一定（地域によって多少異なるがほぼ１５〜２０℃程度）であることから、近年においては、井水や河川水等の自然水を熱源として、エアコン等の利用側機器の熱媒体との間で熱交換を行う熱交換装置が提案されている。

この種の熱交換装置は、自然熱を利用側機器の熱源の一部として利用することから、省エネ技術の一つとして注目されており、その一つに例えば特許文献１に記載されているように、河川等の流水中に熱交換器を浸漬した流水利用型熱交換装置がある。

これによれば、熱交換器の周囲に水が停滞しないため、高効率で安定した熱交換を行うことができるが、まずは河川がない地域では成り立たない。また、河川に熱交換器を設置するにしても、増水対策や濁流対策等を講じる必要がある。

特開２０１１−１４９６６４号公報

したがって、本発明の課題は、水槽内に流路長の長い流水状態を作り出して熱交換を行うことができるようにした熱交換効率のよい流水利用型の熱交換装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、流入部と流出部とを有し上記流入部から上記流出部に向けて井水等の熱源水が流される流水槽と、上記流水槽内で上記熱源水に浸漬される熱交換器とを含み、上記熱交換器内に利用側機器の熱媒体が流され上記熱源水との間で熱交換が行われる熱交換装置において、
上記流水槽内には、上記流入部と上記流出部との間に案内板によって流水方向が逆となるように複数の流水路がジグザグ状に形成されており、上記熱交換器には、熱媒体流入側の第１端管と熱媒体流出側の第２端管との間に可撓性を有する複数本のパイプを並列的に接続してなる面状熱交換器が用いられ、上記各流水路内にそれぞれ上記面状熱交換器が配置され、上記各面状熱交換器には自身が配置される上記流水路内の流水方向とは逆方向に上記熱媒体が流されることを特徴としている。

本発明の好ましい態様によると、上記流出部には、第１開閉弁および循環ポンプを含み上記熱源水を上記流出部から上記流入部に戻す循環経路と、第２開閉弁を含み上記熱源水を上記流水槽から排水する排水手段とが設けられているとともに、上記流入部には、上記流水槽に新たな熱源水を供給する給水手段が設けられる。

また、上記流水槽内で上記熱源水の水温を検出する水温センサーと、上記水温センサーの水温情報に基づいて上記第１，第２開閉弁を制御する制御手段とをさらに備え、上記制御手段は、上記熱源水の水温が経時的に所定温度以上変化した場合、上記第１開閉弁を「閉」、上記第２開閉弁を「開」として上記流水槽から所定量の上記熱源水を排水するようにすることが好ましい。

上記各流水路内における上記熱源水の流速は任意に設定することができるが、熱交換効率を高めるうえで、上記熱源水の流速は毎分１〜２ｍであることが好ましい。

また、上記流水路が偶数列であり、上記面状熱交換器が直列の２枚１組として用いられることが好ましいが、特には、上記流水路の列数が４例以上であり、上記面状熱交換器を直列の２枚１組とするにあたって、１列以上離れた２枚が選択されるようにするとよい。

本発明によれば、流水槽内に案内板によってジグザグ状で流水方向が逆となる複数の流水路が形成され、その各々に面状熱交換器が配置され、各面状熱交換器には自身が配置される流水路内の流水方向とは逆方向に利用機器側の熱媒体が流されるようにしたことにより、河川がない地域においても、限られた設置スペース内で流路長の長い流水状態が作り出され、熱交換効率のよい流水利用型の熱交換装置が提供される。また、この熱交換装置は、プレハブ工法的な組み立てにより簡単に構築することができる。

本発明の一実施形態に係る熱交換装置を示す模式的な斜視図。上記熱交換装置を示す模式的な平面図。上記熱交換装置に用いられる熱交換器（面状熱交換器）を示す正面図。上記熱交換器の好ましい接続例を示す模式図。上記熱交換器の別の接続例を示す模式図。上記熱交換器のさらに別の接続例を示す模式図。

次に、図１ないし図６により、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

まず、図１と図２を参照して、この実施形態に係る熱交換装置１は、水が流される直方体形状の流水槽１０を備えている。この実施形態において、流水槽１０は長さＬが６ｍ程度，幅が１．２ｍ程度、高さ（深さ）が１．４ｍ程度であるが、これらの寸法は要求される熱交換能力に応じて適宜決められてよい。また、流水槽１０は、鋼板パネル等のパネル材により構築することができるが、コンクリート製等の構築物としてもよい。

また、熱源として使用する水は、好ましくは井水（井戸水、地下水）で、以下、この水を熱源水と言うことがある。なお、熱源水に水道水や河川の水が用いられてもよい。

流水槽１０は、熱源水の流入部１０ａと流出部１０ｂとを有し、流入部１０ａから流出部１０ｂに向けて熱源水が流されるが、流入部１０ａと流出部１０ｂとの間には、案内板１１によって流水方向が互いに逆となるように複数の流水路１２がジグザグ状に形成されている。

図２において、流入部１０ａが右上隅、流出部１０ｂが左上隅に配置されており、それらの間で５枚の案内板１１ａ〜１１ｅが互い違いに等間隔で配置され、これにより６列の流水路１２ａ〜１２ｆが形成されている。

１列目の流水路１２ａが流入部１０ａ側で、６列目の流水路１２ｅが流出部１０ｂであり、流入部１０ａに給水された熱源水は、１列目の流水路１２ａ→２列目の流水路１２ｂ→３列目の流水路１２ｃ→４列目の流水路１２ｄ→５列目の流水路１２ｅ→６列目の流水路１２ｆへとジグザグ状に流れ流出部１０ｂに至る。

図２に、各流水路１２を流れる熱源水の流れ方向を鎖線矢印で示すが、奇数列の流水路１２ａ，１２ｃ，１２ｅと、偶数列の流水路１２ｂ，１２ｄ，１２ｆとでは流れ方向が逆向きとなり、流水槽１０内に流路長の長い流水路が形成される。

流出部１０ｂと流入部１０ａとの間には、第１開閉弁３１ａと循環ポンプ３１ｂを含み熱源水を流出部１０ｂから流入部１０ａに戻す循環経路３１が設けられている。また、流出部１０ｂには、第２開閉弁３２ａを有し流水槽１０から熱源水を排水する排水パイプ３２が接続されている。流出部１０ｂは、好ましくは流水槽１０の底部側に設けられる。

また、この実施形態に係る熱交換装置１は、熱源水の水温を検出する水温センサー４２と、水温センサー４２にて検出された水温情報に基づいて第１，第２開閉弁３１ａ，３２ａを制御する制御部４１を備えている。制御部４１により制御するうえで、第１，第２開閉弁３１ａ，３２ａには電磁弁が好ましく採用される。

これに対して、流入部１０ａには、井戸等から流水槽１０に新たな熱源水を供給（補給）する給水ポンプ３３ａを有する給水管３３が設けられている。給水ポンプ３３ａは、ボールタップ（定水位弁、フロート弁とも呼ばれる。）３３ｂにより、そのオンオフが制御されてよい。

各流水路１２（１２ａ〜１２ｆ）内には、それぞれ、熱交換器２０（２０ａ〜２０ｆ）が熱源水に浸漬するように配置される。後述するように、熱交換器２０（２０ａ〜２０ｆ）には、利用機器側の熱媒体が流される。

この実施形態において、熱交換器２０には、図３に示すように、熱媒体流入（ＩＮ）側の第１端管２１と熱媒体流出（ＯＵＴ）側の第２端管２２との間に、可撓性を有する複数本のポリエチレン製の細いパイプ２３を並列的に接続してなる面状熱交換器（カーペット状熱交換器）が用いられる。

好ましくは、熱交換器２０の中央部分に多列のパイプ２３をシート状に束ねておくための梁部３４が設けられる。以下の説明で熱交換器２０を「面状熱交換器」と言うことがあるが、この種の面状熱交換器の一例としては、ダイカポリマー社製の商品名「Ｇ−カーペット」が好適である。

なお、説明の便宜上、第１端管２１を熱媒体流入（ＩＮ）側、第２端管２２を熱媒体流出（ＯＵＴ）側としているが、面状熱交換器２０には熱媒体を流す方向が決められているわけではなく、第１端管２１側を熱媒体流出（ＯＵＴ）側、第２端管２２を熱媒体流入（ＩＮ）側としてもよい。

流水路１２は好ましくは偶数列であり、面状熱交換器２０は直列の２枚１組として用いられる。より好ましくは、流水路１２の列数が４例以上で、各組での熱冷媒流入側と熱冷媒流出側との温度差に大きなバラツキが生じないようにするため、面状熱交換器２０を直列の２枚１組とするにあたって、１列以上離れた２枚を選択するとよい。

図４を併せて参照して、この実施形態では、第１列目の面状熱交換器２０ａと第４列目の面状熱交換器２０ｄのペアを第１組、第２列目の面状熱交換器２０ｂと第５列目の面状熱交換器２０ｅのペアを第２組、第３列目の面状熱交換器２０ｃと第６列目の面状熱交換器２０ｆのペアを第３組としている。

図４に示すように、利用側機器５０は熱媒体を循環させるための往路管（供給管）５１と復路管（戻り管）５２とを有し、往路管５１の端部には分配器５１ａが設けられ、復路管５２の端部には集水器５２ａが設けられている。

各面状熱交換器２０は、往路管５１の分配器５１ａと復路管５２の集水器５２ａとの間に接続されて利用側機器５０の熱媒体が流されるが、各列において、面状熱交換器２０の熱媒体の流れ方向は熱源水の流れ方向とは逆方向とする。熱媒体の流れ方向を実線矢印で示す。

そのため、第１組では、第１列目の面状熱交換器２０ａのＩＮ側の第１端管２１と第４列目の面状熱交換器２０ｄのＯＵＴ側の第２端管２２とを接続するとともに、第４列目の面状熱交換器２０ｄのＩＮ側の第１端管２１を往路管５１の分配器５１ａに接続し、第１列目の面状熱交換器２０ａのＯＵＴ側の第２端管２２を復路管５２の集水器５２ａに接続している。

第２組では、第２列目の面状熱交換器２０ｂのＩＮ側の第１端管２１と第５列目の面状熱交換器２０ｅのＯＵＴ側の第２端管２２とを接続するとともに、第５列目の面状熱交換器２０ｅのＩＮ側の第１端管２１を往路管５１の分配器５１ａに接続し、第２列目の面状熱交換器２０ｂのＯＵＴ側の第２端管２２を復路管５２の集水器５２ａに接続している。

また、第３組では、第３列目の面状熱交換器２０ｃのＩＮ側の第１端管２１と第６列目の面状熱交換器２０ｆのＯＵＴ側の第２端管２２とを接続するとともに、第６列目の面状熱交換器２０ｆのＩＮ側の第１端管２１を往路管５１の分配器５１ａに接続し、第３列目の面状熱交換器２０ｃのＯＵＴ側の第２端管２２を復路管５２の集水器５２ａに接続している。

これにより、各面状熱交換器２０には、実線矢印で示すように、熱源水の流れ方向（鎖線矢印方向）とは逆方向に熱媒体が流れるため、熱交換効率が高められる。

なお、この実施形態では、面状熱交換器２０を分配器５１ａと集水器５２ａを介して熱媒体の往路管５１と復路管５２に接続しているが、分配器５１ａと集水器５２ａを省略して、面状熱交換器２０を往路管５１と復路管５２に直接接続してもよい。

流水槽１０内に熱源水が所定水位（面状熱交換器２０が浸かる水位）にまで溜められている状態において、ボールタップ３３ｂにより給水ポンプ３２ａはオフで、第２開閉弁３２ｂは「閉」である。また、制御部４１は、水温センサー４２にて検出される熱源水の水温を常時もしくは定期的に監視する。

利用側機器５０が運転を開始すると、往路管５１および復路管５２を介して各面状熱交換器２０に熱媒体が流されるとともに、制御部４１は、第１開閉弁３１ａを「開」として循環ポンプ３１ｂを起動する。これにより、熱源水が循環経路３１を介して流出部１０ｂから流入部１０ａに流れ、流水槽１０内を循環する。

利用側機器５０の運転モードが冷房運転であると、熱媒体との熱交換により熱源水の水温が経時的に上昇する。一例として、運転当初時の熱源水の水温が１７℃で、熱媒体との熱交換により水温が２５℃にまで上昇（ΔＴ：上昇幅８℃）すると、制御部４１は、第１開閉弁３１ａを「閉」、循環ポンプ３１ｂを停止して、第２開閉弁３２ｂを「開」にする。

これにより、流水槽１０から熱源水の一部が排水される。この排水により水位が低下してボールタップ３３ｂのスイッチがオンになると、給水ポンプ３３ａが起動して井戸等から熱源水が流水槽１０内に補給される。

これに伴って、制御部４１は第２開閉弁３２ｂを「閉」にし、再び第１開閉弁３１ａを「開」として循環ポンプ３１ｂを起動し、流水槽１０内の熱源水を循環させる。

利用側機器５０の運転モードが暖房運転の場合には、熱媒体との熱交換により熱源水の水温が経時的に下がる。一例として、運転当初時の熱源水の水温が１７℃で、熱媒体との熱交換により水温が９℃にまで下降（ΔＴ：下降幅８℃）すると、上記と同様に、制御部４１は、第１開閉弁３１ａを「閉」、循環ポンプ３１ｂを停止し、第２開閉弁３２ｂを「開」にして流水槽１０から熱源水の一部を排水し、給水ポンプ３３ａによりその排水分とほぼ同量の熱源水が補給される。ΔＴは面状熱交換器２０の熱交換量に応じて適宜決められてよい。

いずれにしても、各流水路１２内における熱源水の流速は毎分１〜２ｍであることが好ましい。一例として、循環用ポンプ３１ｂの能力が２００Ｌ（リットル）／ｍｉｎで、流水槽１０の有効水位が１ｍとして、熱源水の流速を１ｍ／ｍｉｎとするには、流水路１２の有効断面積０．２ｍ^２、すなわち流水路１２の幅を２０ｃｍとすればよい。

また、上記のように、面状熱交換器２０の２枚を直列につなげて２枚１組とするが、熱冷媒を流す量は１組あたり３０Ｌ／ｍｉｎ、３組合計で９０Ｌ／ｍｉｎとすれば、熱交換効率が高められる。

面状熱交換器２０の接続の仕方の変形例として、隣接する列の面状熱交換器２０を２枚１組として直列に接続してもよい。

すなわち、図５に示すように、第１組として、第１列目の面状熱交換器２０ａのＩＮ側の第１端管２１と第２列目の面状熱交換器２０ｂのＯＵＴ側の第２端管２２とを直列に接続し、第２組として、第３列目の面状熱交換器２０ｃのＩＮ側の第１端管２１と第４列目の面状熱交換器２０ｄのＯＵＴ側の第２端管２２とを直列に接続し、第３組として、第５列目の面状熱交換器２０ｅのＩＮ側の第１端管２１と第６列目の面状熱交換器２０ｆのＯＵＴ側の第２端管２２とを直列に接続してもよい。

この場合においても、面状熱交換器２０には、流水路１２を流れる熱源水の流れ方向とは逆方向に熱媒体を流す。そのため、第１組については、第２列目の面状熱交換器２０ｂのＩＮ側の第１端管２１を往路管５１の分配器５１ａに接続し、第１列目の面状熱交換器２０ａのＯＵＴ側の第２端管２２を復路管５２の集水器５２ａに接続する。

同様に、第２組については、第４列目の面状熱交換器２０ｄのＩＮ側の第１端管２１を往路管５１の分配器５１ａに接続し、第３列目の面状熱交換器２０ｃのＯＵＴ側の第２端管２２を復路管５２の集水器５２ａに接続する。

また、第３組については、第６列目の面状熱交換器２０ｆのＩＮ側の第１端管２１を往路管５１の分配器５１ａに接続し、第５列目の面状熱交換器２０ｅのＯＵＴ側の第２端管２２を復路管５２の集水器５２ａに接続する。

このようにしても、上記実施形態と同じく、利用機器側の熱媒体と熱源水（井水、地下水）との間で効率のよい熱交換が行われるが、さらには、図６に示すように、熱交換器２０ａ〜２０ｆを組（ペア）とせずに１枚単位で往路管５１と復路管５２に対して並列に接続し、それ自身が配置される流水路１２内の流水方向とは逆方向に熱媒体を流すようにしてもよく、このような態様も本発明に含まれる。

１熱交換装置
１０流水槽
１０ａ流入部
１０ｂ流出部
１１（１１ａ〜１１ｅ）案内板
１２（１２ａ〜１２ｆ）流水路
２０（２０ａ〜２０ｆ）熱交換器（面状熱交換器）
２１第１端管（ＩＮ側）
２２第２端管（ＯＵＴ側）
３１循環経路
３１ａ第１開閉弁
３１ｂ循環ポンプ
３２排水パイプ
３２ａ第１開閉弁
３３給水管
３３ａ給水ポンプ
３３ｂボールタップ（フロート弁）
４１制御部
４２水温センサー

Claims

流入部と流出部とを有し上記流入部から上記流出部に向けて井水等の熱源水が流される流水槽と、上記流水槽内で上記熱源水に浸漬される熱交換器とを含み、上記熱交換器内に利用側機器の熱媒体が流され上記熱源水との間で熱交換が行われる熱交換装置において、
上記流水槽内には、上記流入部と上記流出部との間に案内板によって流水方向が逆となるように複数の流水路がジグザグ状に形成されており、
上記熱交換器には、熱媒体流入側の第１端管と熱媒体流出側の第２端管との間に可撓性を有する複数本のパイプを並列的に接続してなる面状熱交換器が用いられ、
上記各流水路内にそれぞれ上記面状熱交換器が配置され、上記各面状熱交換器には自身が配置される上記流水路内の流水方向とは逆方向に上記熱媒体が流されることを特徴とする熱交換装置。
上記流出部には、第１開閉弁および循環ポンプを含み上記熱源水を上記流出部から上記流入部に戻す循環経路と、第２開閉弁を含み上記熱源水を上記流水槽から排水する排水手段とが設けられているとともに、上記流入部には、上記流水槽に新たな熱源水を供給する給水手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
上記流水槽内で上記熱源水の水温を検出する水温センサーと、上記水温センサーの水温情報に基づいて上記第１，第２開閉弁を制御する制御手段とをさらに備え、上記制御手段は、上記熱源水の水温が経時的に所定温度以上変化した場合、上記第１開閉弁を「閉」、上記第２開閉弁を「開」として上記流水槽から所定量の上記熱源水を排水することを特徴とする請求項２に記載の熱交換装置。
上記各流水路内における上記熱源水の流速が毎分１〜２ｍであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の熱交換装置。
上記流水路が偶数列であり、上記面状熱交換器が直列の２枚１組として用いられることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の熱交換装置。
上記流水路の列数が４例以上であり、上記面状熱交換器を直列の２枚１組とするにあたって、１列以上離れた２枚が選択されることを特徴とする請求項５に記載の熱交換装置。