JP2529608B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、大型ビルや地域冷暖房プラントなどにおけ
る熱源システムで使用する熱交換器に関する。

「従来の技術」 夏季は冷却塔、冬季は加熱塔として使用される従来の
クロスフロー型の熱交換器は、周知の冷却塔の延長線上
で考えられているため、以下のような問題がある。

冷却塔は、潜熱交換が主体で、加熱塔は顕熱交換が主
体となるため熱交換性能が著しく異なる。また、加熱塔
として使用した時の循環水量は冷却塔として使用した時
の循環水量の約60％内外である。このように、冷却塔使
用時と加熱塔使用時では熱交換量や循環水量に大きな違
いがあるにもかかわらず、従来方式では潜熱交換に比べ
熱交換性能が低下する顕熱交換の加熱塔使用時も、循環
水の全てが潜熱交換を主体に設けられた前記水槽及び充
填材を経由して下水槽へ導かれる。

このため、顕熱交換が主体の加熱塔使用時には、充填
材の高さの関係で循環水と空気との接触時間が短くな
り、熱交換性能が低下するため、充填材の容量を割り増
しし、充填材単位面積当たりの循環水量を著しく低減さ
せることにより適当な温度差（５℃内外）を確保させて
いる。

このことは、水、空気比（熱交換のため充填材内を通
過する循環水と空気の重量比）を著しく悪くするため、
熱交換効率も低下させ、その結果コスト及び設置スペー
ス効率を著しく悪化させている。

「発明が解決しようとする課題」 しかしながら、潜熱交換が主体に作られた熱交換器
を、加熱塔として利用する時に 循環水（エチレングリコール水溶液等）の飛散を防止
する機能、 循環水に雨水が侵入して循環水の濃度を薄くさせない
機能、 等を追加し、充填材の容量を冷却塔利用に比べて著しく
増加させて、加熱塔の顕熱交換能力を確保させている。
つまり、従来の方式では、顕熱交換を主とする加熱塔使
用時の配慮に欠けていることもあって、設置スペースが
大きくなり、また加熱塔使用時の効率を悪いものにして
いる。

そこで、本発明は水、空気比を最適レベルで維持でき
るとともに、熱交換器自体の設置スペースを小さくする
ことのできる熱交換器を提供することを目的としてい
る。

「課題を解決するための手段」 本発明の熱交換器の第１の態様は、構造物等の室内に
配設された循環水用配管内を循環する循環水との間で熱
交換を行う熱交換器であって、 充填材の満たされた複数の充填槽が上下に離間して配
置され、前記充填槽のうち最上部に位置する充填槽の上
方に上部配水槽が設けられ、前記複数の充填槽の少なく
とも一つの空隙に中間配水槽が設けられ、 前記循環水用配管からの循環水の供給を、前記上部配
水槽および前記中間配水槽にそれぞれ供給する状態と、
前記上部配水槽のみに供給する状態とで切り替える切替
手段と、 前記中間配水槽の上部に回動自在に設けられた板体を
有し、該板体の回動により該中間配水槽の直上部の充填
槽から落下する循環水の流路を、該中間配水槽内に導く
状態と該中間配水槽外に導く状態とに変更する流路変更
装置とが設けられていることを特徴としている。

また、本発明の第２の態様は、構造物等の室内に配設
された循環水用配管内を循環する循環水との間で熱交換
を行う熱交換器であって、 充填材の満たされた複数の充填槽が上下に離間して配
置され、前記充填槽のうち最上部に位置する充填槽の上
方に上部配水槽が設けられ、前記複数の充填槽の少なく
とも一つの空隙に中間配水槽が設けられ、 前記循環水用配管からの循環水の経路を前記上部配水
槽および前記中間配水槽にそれぞれ連通させるとともに
該中間配水槽の直上部の充填槽から落下する循環水の経
路を該中間配水槽外に導く状態と、前記循環水用配管か
らの循環水の経路を前記上部配水槽のみに連通させると
ともに前記中間配水槽の直上部の充填槽から落下する循
環水の経路を該中間配水槽内に導く状態とに経路を切り
替えるバルブが設けられていることを特徴としている。

「作用」 本発明の第１の態様によれば、熱交換器を冷却塔とし
て使用する時には、切替手段により上部配水槽及び中間
配水槽にそれぞれ循環水を供給させ、流路変更装置の板
体により、中間配水槽の直上部の充填槽から落下する循
環水の流路を該中間配水槽外に導く状態にする。これに
より、上部配水槽に供給された循環水はその直下であっ
て中間配水槽より上側の充填槽のみで熱交換され、中間
配水槽に供給された循環水はその直下の充填槽のみで熱
交換され、よって、上部配水槽の直下であって中間配水
槽より上側の充填槽と、中間配水槽の直下の充填槽とが
並列で用いられる。

一方加熱塔として使用する時には、切替手段により上
部配水槽のみに循環水を供給させ、流路変更装置の板体
により、中間配水槽の直上部の充填槽から落下する循環
水の流路を該中間配水槽内に導く状態にする。これによ
り、上部配水槽のみに供給された循環水はその直下であ
って中間配水槽より上側の充填槽で熱交換され、続いて
中間配水槽に供給されてその直下の充填槽で熱交換さ
れ、よって、上部配水槽の直下であって中間配水槽より
上側の充填槽と、中間配水槽の直下の充填槽とが直列で
用いられる。

本発明の第２の態様によれば、熱交換器を冷却塔とし
て使用する時には、バルブにより、循環水用配管からの
循環水の経路を上部配水槽および中間配水槽にそれぞれ
連通させるとともに該中間配水槽の直上部の充填槽から
落下する循環水の経路を該中間配水槽外に導く状態に経
路を切り替える。これにより、上部配水槽に供給された
循環水はその直下であって中間配水槽より上側の充填槽
のみで熱交換され、中間配水槽に供給された循環水はそ
の直下の充填槽のみで熱交換され、よって、上部配水槽
の直下であって中間配水槽より上側の充填槽と、中間配
水槽の直下の充填槽とが並列で用いられる。

一方加熱塔として使用する時には、バルブにより、循
環水用配管からの循環水の経路を上部配水槽のみに連通
させるとともに中間配水槽の直上部の充填槽から落下す
る循環水の経路を該中間配水槽内に導く状態に経路を切
り替える。これにより、上部配水槽のみに供給された循
環水はその直下であって中間配水槽より上側の充填槽で
熱交換され、続いて中間配水槽に供給されてその直下の
充填槽で熱交換され、よって、上部配水槽の直下であっ
て中間配水槽より上側の充填槽と、中間配水槽の直下の
充填槽とが直列で用いられる。

「実施例」 以下、本発明の蓄熱構造物の一実施例について、図面
を参照して説明する。

第１図ないし第７図は、本発明の熱交換器の一実施例
を示した図であって、図中符号１は本実施例の熱交換器
を示す。

本発明の熱交換器１は、潜熱交換に合わせた充填材３
の満たされた２つの充填槽５、６が上下に離間して配置
され、前記充填槽５、６のうち最上部に位置する充填槽
５の上方に上部配水槽10が設けられ、前記充填槽５、６
の間の空隙には中間配水装置（中間配水槽）12が設けら
れている。

そして、構造物等の室内を循環する循環水用配管15を
介して前記上部配水槽10とその直下に位置する充填槽５
が接続されて第１の経路が形成され、前記中間配水装置
12とその直下に配置された充填槽６が接続されて第２の
経路が形成されている。

前記中間配水装置12は、外観略楔形の箱型部材であっ
て、その内部には、さらに循環水用配管15が配設されて
いる。

また、この中間配水装置12の上面には、上段充填槽５
から落下する循環水の流路を変更する流路変更装置13が
設けられている。

この流路変更装置13は、第５図ないし第７図に示すよ
うに、中間配水装置12の幅方向に延在する回転軸を中心
に回動自在に設けられた循環水案内用板体14を主体とし
て構成されているものである。この案内用板体14は、前
記中間配水装置12の上部開口部を覆うように形成され、
その側方には回転軸14aが突設されている。そして、こ
の回転軸14aは、前記中間配水装置12の長手方向ほぼ中
央上面に形成された回転軸受け12aによって回動自在に
支持されている。前記中間配水装置12の下面には、散水
用充填材17が適宜設けられている。

また、前記充填槽５、６がそれぞれ相対向する面に
は、エリミネーター18等が取り付けられている。これ
は、充填槽５、６を上下２段に配置したために熱交換器
１の高さが２倍となることから、充填槽５、６の各断面
における通過風速をほぼ一定するためである。

このエリミネーター18は、外観板状の部材であって、
飛散した循環水を受け止め外部に流出させることなく循
環水系統に導き、送風機停止時に上部から侵入する雨水
が循環水側に流出しない機能も有した構成となってい
る。

また、外側には外部からの強風時の吹き込んだり雨水
の侵入を防止する機能を有するルーバー19が取り付けら
れている。さらに、熱交換器１の上面には、外部に開口
する開口部20及びファン21が設けられ、下面には、下部
水槽22が設けられている。

次に、本実施例の熱交換器１の使用方法について説明
する。

まず、循環水は熱交換器１を冷却塔として使用する時
には、例えば水を用いることとし、第１図（ｂ）に示す
ような熱交換経路を介して構造物の室内等を冷房する。
第１図（ｂ）中、符号30は構造物の室内等を循環する循
環水用配管31、31と、熱交換器１を循環する循環配水用
配管15、15の熱交換を行うためのヒートポンプ冷凍機を
示す。そして、切替手段としてのバルブＣを調節して矢
印、に示すような循環水の流路を構成する。このと
き、構造物の室内等を冷房してきた循環水の流れ（矢印
）は、室内の空気との熱交換で上昇させられるが、ヒ
ートポンプ冷凍機30で循環水（矢印）と熱交換させら
れることによって冷却される。

ここで、熱交換器１内での熱交換について説明する。
熱交換器１を循環する循環水は、第１図中、矢印、
で示すように上部配水槽10および中間配水装置12に供給
される。

上部配水槽10へ供給され上段充填槽５を通過した循環
水は、中間配水装置12の流路変更装置13の向きの設定に
よって、第１図（ａ）及び第６図中、矢印で示すよう
に上段の循環水を直接下部水槽８へ流して、外気との熱
交換によって冷却される。

また、本実施例の熱交換器１を加熱塔として使用する
場合は、熱交換器１の循環水としてエチレングリコール
のような不凍液を用いるものとする。

第２図（ｂ）に示すような熱交換経路を介して構造物
の室内等を冷房する。そして、バルブＣを調節して矢印
、に示すような循環水の流路を構成する。このと
き、構造物の室内等を暖房してきた循環水の流れ（矢印
）は、室内の空気との熱交換で冷却させられるが、ヒ
ートポンプ冷凍機30で循環水（矢印）と熱交換させら
れることによって温度上昇させられる。

ここで、熱交換器１内での熱交換について説明する。

加熱塔として使用する時には、第２図（ａ）中、矢印
に示すように上部配水槽10へのみ供給される。

そして、循環水は、第２図（ａ）及び第７図中、矢印
で示すように上部配水槽10の循環水を上段充填槽５、
中間配水装置12および下段充填槽６を経由させて下部水
槽22へ流されて、この間に外気との熱交換によって温度
上昇させられる。

本実施例の熱交換器１を潜熱交換主体の冷却塔として
使用する場合は、前述のようにして上下段の充填材５、
６を並列で使用することができる。

したがって、本実施例の熱交換器は中間配水装置12の
流路変更装置13を制御することによって、冷却塔並びに
加熱塔として各々の機能に合わせた使い方が可能とな
り、高効率利用が実現できる。

また、充填槽５、６を上下の２段式にすることで設置
スペースを小さくすることができ、著しく省スペース化
を図ることができるといった優れた効果を奏する。

また、本実施例の熱交換器１では、エリミネータ18、
ルーバー19によって循環水の飛散を防止することができ
るので、冷却塔として使用した時に補給水の量を少なく
することができ、循環水の有効利用を図ることができ
る。

さらに、熱交換器１を、循環水にエチレングリコール
等の不凍液を使用する加熱塔として使用する時は、不凍
液の飛散を防止するとともに雨水の侵入により濃度が低
下することを防止することができる。

なお、本実施例の熱交換器１を積層式タワーにおいて
冷却塔専用として利用する場合は、充填槽５、６を並列
利用するように限定した中間配水装置12を用い、加熱塔
として使用する場合に必要な雨水の侵入防止の機能など
を取り除けば、省スペースな冷却塔として使用すること
ができる。

また、中間配水装置12に設けられる循環水案内用板体
14を、第８図ないし第10図に示すように小型のものとし
てもよい。循環水案内用板体14を小型にしても、前記実
施例と同様の作用効果を奏することができる。このよう
な循環水案内板体14の大きさは、熱交換器の使用状況、
必要度に応じて適宜決定することができる。

次に、本発明の第２の実施例について、第11図および
第12図を参照して説明する。なお、本実施例において、
前記実施例と同様の構成となる部分には、共通の符号を
付してその説明を省略する。

本実施例の熱交換器では、前記中間配水装置12への循
環水の切り替えを切り替えバルブＣを用いることによっ
て行う構成とした点で前記実施例と異なっている。

第11図において、上段充填槽５の下方に配置された中
間配水装置16は、循環水を矢印、およびにしたが
ってのみ循環させるように構成されている。

そして、熱交換器１を冷却塔として使用する場合に
は、バルブC₁、C₂を開放するとともに、バルブC₃を閉鎖
して図中矢印、、、及びに示すような循環経
路を形成する。

また、熱交換器１を加熱塔として使用する場合には、
バルブC₁、C₂を閉鎖するとともに、バルブC₃を開放して
図中矢印、、及びに示すような循環経路を形成
する。

本実施例の熱交換器１によっても前記実施例と同様の
効果を奏することができるとともに、循環水の流路をバ
ルブによって調整することとしたで中間配水装置16に流
路変更装置を設ける必要がないので、装置を簡略化する
ことができる。

次に、本発明の第３の実施例について、第13図および
第14図を参照して説明する。本実施例は、上部配水槽10
並びに中間配水装置12への送水をバルブによって切り替
える方法の他に、上部配水槽10のオーバーフローを利用
し、該上部配水槽10を切替手段とする方法を用いた点で
前記実施例と異なっている。

本実施例では、循環水はすべて一旦上部配水槽10へ送
水される。循環水は、循環水量が比較的多い冷却塔使用
時には、上段充填層５へ落水する流量より供給される流
量の方が多いため、余剰分（循環水量の50％）が上部配
水槽10からオーバーフローして中間配水装置12へ導かれ
る。

また、熱交換器１を循環水量が少ない加熱塔として使
用する時には、上部配水槽10から落水する水量と供給さ
れる水量とがオーバーフローレベル以下でバランスする
ため、中間配水装置12へは導かれない。この上部配水槽
10のオーバーフローレベルは、冷却等使用時に50％オー
バーフローするようにセットされているので、循環水量
が冷却塔使用時の約60％内外である加熱塔としての使用
時にいては、その差である10％がオーバーフローしない
ようにオーバーフローのレベルを高くする装置または、
充填槽６へ落水する穴の数を調節する装置が設けられて
いる。

このように、上部配水槽10のオーバーフローを利用す
る方法を用いた熱交換器を冷却塔もしくは加熱塔として
使用する場合も、前記実施例と同様の効果を奏すること
ができる。

「発明の効果」 本発明の熱交換器の第１の態様は、構造物等の室内に
配設された循環水用配管内を循環する循環水との間で熱
交換を行う熱交換器であって、 充填材の満たされた複数の充填槽が上下に離間して配
置され、前記充填槽のうち最上部に位置する充填槽の上
方に上部配水槽が設けられ、前記複数の充填槽の少なく
とも一つの空隙に中間配水槽が設けられ、 前記循環水用配管からの循環水の供給を、前記上部配
水槽および前記中間配水槽にそれぞれ供給する状態と、
前記上部配水槽のみに供給する状態とで切り替える切替
手段と、 前記中間配水槽の上部に回動自在に設けられた板体を
有し、該板体の回動により該中間配水槽の直上部の充填
槽から落下する循環水の流路を、該中間配水槽内に導く
状態と該中間配水槽外に導く状態とに変更する流路変更
装置とが設けられている構成とし、 また、本発明の第２の態様は、構造物等の室内に配設
された循環水用配管内を循環する循環水との間で熱交換
を行う熱交換器であって、 充填材の満たされた複数の充填槽が上下に離間して配
置され、前記充填槽のうち最上部に位置する充填槽の上
方に上部配水槽が設けられ、前記複数の充填槽の少なく
とも一つの空隙に中間配水槽が設けられ、 前記循環水用配管からの循環水の経路を前記上部配水
槽および前記中間配水槽にそれぞれ連通させるとともに
該中間配水槽の直上部の充填槽から落下する循環水の経
路を該中間配水槽外に導く状態と、前記循環水用配管か
らの循環水の経路を前記上部配水槽のみに連通させると
ともに前記中間配水槽の直上部の充填槽から落下する循
環水の経路を該中間配水槽内に導く状態とに経路を切り
替えるバルブが設けられている構成としたので、いずれ
においても、潜熱交換主体の冷却塔の使用時において
は、上下段の充填材を並列で使用することができ、冷却
塔並びに加熱塔各々の機能に合わせた使い方が可能とな
り、高効率利用が実現できる。また、２段式にすること
で設置スペースは小さくなり著しく省スペース化を図る
ことができる。

しかも、本発明の第１の態様によれば、板体の回動に
より流路を変更する流路変更装置を用いたので、低コス
ト化が図れることになる。

また、本発明の第２の態様によれば、経路を切り替え
るためにバルブを用いたので、装置のさらなる小型化が
図れることになる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第７図は、本発明の熱交換器の一実施例を
示す図であって、第１図（ａ）は冷却塔として使用した
ときの熱交換器の全体図、第１図（ｂ）は第１図（ａ）
における熱交換器の一使用例を示す経路図、第２図
（ａ）は加熱塔として使用した時の熱交換器の全体図、
第２図（ｂ）は第２図（ａ）における熱交換器の一使用
例を示す経路図、第３図は熱交換器の全体図、第４図は
第３図のＡ−Ａ矢視断面図、第５図は熱交換器を構造物
に設置したときの正面図、第６図ないし第７図は中間配
水装置の斜視図、第８図ないし第10図は中間配水装置の
他の実施例の斜視図、第11図ないし第14図は本発明の熱
交換器の他の実施例を示す図である。 １……熱交換器、 ３……充填材、 ５、６……充填槽、10……上部配水層、 12……中間配水装置、 13……流路変更装置。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】構造物等の室内に配設された循環水用配管
   内を循環する循環水との間で熱交換を行う熱交換器であ
   って、 充填材の満たされた複数の充填槽が上下に離間して配置
   され、前記充填槽のうち最上部に位置する充填槽の上方
   に上部配水槽が設けられ、前記複数の充填槽の少なくと
   も一つの空隙に中間配水槽が設けられ、 前記循環水用配管からの循環水の供給を、前記上部配水
   槽および前記中間配水槽にそれぞれ供給する状態と、前
   記上部配水槽のみに供給する状態とで切り替える切替手
   段と、 前記中間配水槽の上部に回動自在に設けられた板体を有
   し、該板体の回動により該中間配水槽の直上部の充填槽
   から落下する循環水の流路を、該中間配水槽内に導く状
   態と該中間配水槽外に導く状態とに変更する流路変更装
   置とが設けられていることを特徴とする熱交換器。
2. 【請求項２】構造物等の室内に配設された循環水用配管
   内を循環する循環水との間で熱交換を行う熱交換器であ
   って、 充填材の満たされた複数の充填槽が上下に離間して配置
   され、前記充填槽のうち最上部に位置する充填槽の上方
   に上部配水槽が設けられ、前記複数の充填槽の少なくと
   も一つの空隙に中間配水槽が設けられ、 前記循環水用配管からの循環水の経路を前記上部配水槽
   および前記中間配水槽にそれぞれ連通させるとともに該
   中間配水槽の直上部の充填槽から落下する循環水の経路
   を該中間配水槽外に導く状態と、前記循環水用配管から
   の循環水の経路を前記上部配水槽のみに連通させるとと
   もに前記中間配水槽の直上部の充填槽から落下する循環
   水の経路を該中間配水槽内に導く状態とに経路を切り替
   えるバルブが設けられていることを特徴とする熱交換
   器。