JP6153203B2 - 熱交換構造体、および、熱交換構造体の施工方法 - Google Patents

Description

本発明は、内部を流れる流体との間で熱交換を行う熱交換構造体、および、熱交換構造体の施工方法に関する。

従来の屋内空調手段として、床下を通る流体（水や空気）により床板の温度を調整して、屋内の冷暖房を行うことが知られている。そして、暖房を行う場合において、床板の裏側にコンクリート板からなる蓄熱体を配置して流体により加熱し、この蓄熱体から徐々に放熱して屋内の暖房を持続させる旨が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−３０４５９４号公報

ところで、上記特許文献においては、送風ダクトの温風吹出口から吹き出した温風がコンクリート板の下方に広がる温風通路へ送出される。このため、温風通路内が十分に温められてからコンクリート板が温められることになる。また、温風の代わりに冷風を用いて冷房を行おうとした場合でも、通路内の温度が十分に下がってからコンクリート板の温度が下がることになる。したがって、空気とコンクリート板との熱交換を効率的に行うことができない。さらに、構造が複雑であるために施工が煩雑であった。

本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、施工の簡略化を図ることができ、流体との熱交換の効率を向上させることができる熱交換構造体、および、熱交換構造体の施工方法を提供しようとするものである。

本発明は、上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１に記載のものは、施工面に沿って延在するコンクリート製の本体部と、該本体部内に配置される流路区画部材により区画形成された熱交換流路と、を備え、該熱交換流路を通る流体と本体部との間で熱交換を行う熱交換構造体であって、
前記流路区画部材のうち熱交換流路よりも施工面側には、熱交換流路に沿って延在する流体導入路と、該流体導入路と熱交換流路との間を仕切るセパレータと、を備え、
該セパレータには、流体導入路内の流体を熱交換流路へ通す流体供給開口を熱交換流路に沿って開設し、
前記流体導入路には、その上流側となる一端側に、熱交換するための源流から流体を導入する流体導入口を開設する一方、下流側となる他端側を閉塞し、
前記流体導入口に対応する熱交換流路の一端側を閉塞する一方、他端側には流体排出口を開口し、
前記流体導入口から流体導入路内に導入した流体を流体供給開口から熱交換流路内に供給して、流体排出口から排出することを特徴とする熱交換構造体である。

請求項２に記載のものは、前記流体供給開口を熱交換流路の側縁に沿って開設したことを特徴とする請求項１に記載の熱交換構造体である。

請求項３に記載のものは、前記流路区画部材は、熱交換流路を本体部側へ凹んだ断面円弧状に区画形成したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱交換構造体である。

請求項４に記載のものは、前記請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱交換構造体の施工方法であって、
前記流路区画部材を施工面へ設置する区画部材設置工程と、
前記流路区画部材が埋没するまで施工面にコンクリートを打設する本体部形成工程と、
を含むことを特徴とする熱交換構造体の施工方法である。

請求項５に記載のものは、前記区画部材設置工程では、予め複数の流路区画部材を区画ベース上へ並べて複数の熱交換流路が並列状態で位置決めされた区画ユニットを作成しておき、該区画ユニットを施工面へ設置することを特徴とする請求項４に記載の熱交換構造体の施工方法である。

本発明によれば、以下のような優れた効果を奏する。
請求項１に記載の発明によれば、流体導入路には、その上流側となる一端側に、熱交換するための源流から流体を導入する流体導入口を開設する一方、下流側となる他端側を閉塞し、流体導入口に対応する熱交換流路の一端側を閉塞する一方、他端側には流体排出口を開口し、流体導入口から流体導入路内に導入した流体を流体供給開口から熱交換流路内に供給して、流体排出口から排出するので、熱交換構造体内に流体を滞りなく流すことができ、流体と本体部との熱交換の効率を向上させることができる。また、流路区画部材が熱交換流路を備えるとともに、該熱交換流路と流体導入路とを仕切るセパレータを備えるので、この流路区画部材がコンクリートに埋設されるだけで流体導入路と熱交換流路とを設けることができ、施工の簡略化を図ることができる。

請求項２に記載の発明によれば、流体供給開口を熱交換流路の側縁に沿って開設したので、流体供給開口を通った流体を直ちに熱交換流路の壁面に沿わせて流すことができ、流体と本体部との熱交換の効率を一層向上させることができる。

請求項３に記載の発明によれば、熱交換流路を本体部側へ凹んだ断面円弧状に区画形成したので、流体供給開口を通った流体をスムーズに熱交換流路の壁面の全体に到達させ易くなり、流体と本体部との熱交換の効率をさらに向上させることができる。

請求項４に記載の発明によれば、請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱交換構造体の施工方法であって、流路区画部材を施工面へ設置する区画部材設置工程と、流路区画部材が埋没するまで施工面にコンクリートを打設する本体部形成工程と、を含むので、簡単に熱交換構造体を施工することができる。

請求項５に記載の発明によれば、区画部材設置工程では、予め複数の流路区画部材を区画ベース上へ並べて複数の熱交換流路が並列状態で位置決めされた区画ユニットを作成しておき、該区画ユニットを施工面へ設置するので、複数の熱交換流路の位置決めを容易に行うことができ、熱交換構造体の施工作業の負担を軽減することができる。

熱交換構造体を含む冷暖房システムの概略図である。 熱交換構造体の断面図である。 流路区画部材の斜視図である。 熱交換構造体の施工の説明図であり、（ａ）は区画部材設置工程の説明図、（ｂ）は本体部形成工程の説明図、（ｃ）は施工完了の説明図である。 区画ユニットの説明図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。まず、本発明における熱交換構造体を含んで構成される冷暖房システムについて説明する。
冷暖房システム１は、熱交換構造体２の温度を循環空気（本発明における流体に相当）により調節し、熱交換構造体２とその周辺との伝熱に基づいて冷暖房を行うシステムであり、図１に示すように、屋内の施工面３（本実施形態では床面）に施工された熱交換構造体２と、該熱交換構造体２内に空気（具体的には温風や冷風）を循環させる循環流路４と、熱交換を行うための源流として循環流路４の途中に配設された空調機５とを備えて構成されている。また、図２に示すように、施工面３と熱交換構造体２との間にはシート状の断熱材６を介在させて、熱交換構造体２内の熱が施工面３側へ逃げることを抑制し、熱交換構造体２の表面（上面）には、床板やカーペット等の内装材７を被覆して内装仕上げを施している。

次に、熱交換構造体２について説明する。
熱交換構造体２は、図１および図２に示すように、施工面３に沿って延在するコンクリート製の本体部９と、該本体部９内に捨て型枠として升目状に配置される複数（本実施形態では５個×６列の３６個）の流路区画部材１０とを備えて構成されている。そして、当該熱交換構造体２の一側から他側へ向かう直列方向（図１中、左右方向）に流路区画部材１０を連結し、この流路区画部材１０の連結体（本実施形態では５個の流路区画部材１０で組まれる連結体）により熱交換流路１１および流体導入路１３を各１本ずつ区画形成している。さらに、流路区画部材１０の連結体を前記直列方向とは直交する並列方向に複数（本実施形態では６組）並べて、複数の熱交換流路１１および流体導入路１３を互いに平行となる状態で配置している。また、当該熱交換構造体２の一側（図１中、左側）には流体受入部１７を介して、循環流路４のうち空調機５の送気口に通じる送出側流路４ａを接続する一方、他端（図１中、右側）には流体回収部１８を介して、循環流路４のうち空調機５の吸気口に通じる回収側流路４ｂを接続し、送出側流路４ａから流体受入部１７へ受け入れた空気（流体）を流体導入路１３、熱交換流路１１の順に通して流体回収部１８へ排出し、回収側流路４ｂへ戻すように構成されている。

流路区画部材１０は、図３に示すように、内部に空気が通過する空間を区画形成した略蒲鉾形筒状部材であり、施工面３側が開放した断面逆Ｕ字状の区画本体部２２と、該区画本体部２２の施工面３側に位置する端部から施工面３に沿って延設された止着用フランジ部２３と、区画本体部２２の内側空間に設けられて施工面３に沿って延在する平板状のセパレータ２４とを備えて構成されており、セパレータ２４により区画本体部２２の内側空間を本体部９側（図３中、上側）の流路構成空間部２２ａと、施工面３側（図３中、下側）の導入路構成空間部２２ｂとに仕切っている。そして、複数の当該流路区画部材１０を前記直列方向に並べて構成される連結体では、隣り合う流路区画部材１０の流路構成空間部２２ａ同士が連通して１本の熱交換流路１１が本体部９側へ凹んだ断面円弧状に区画形成され、導入路構成空間部２２ｂ同士が連通して１本の流体導入路１３が熱交換流路１１に沿って断面矩形状に区画形成されている。さらに、セパレータ２４が熱交換流路１１の長手方向に沿って並び、熱交換流路１１と流体導入路１３との間を仕切っている。

また、セパレータ２４のうち区画本体部２２に接続される両側部には、流体導入路１３内の空気を熱交換流路１１へ通すスリット状の流体供給開口２４ａを熱交換流路１１の側縁に沿って複数開設している。さらに、セパレータ２４の一側に位置する流体供給開口２４ａと、他側に位置する流体供給開口２４ａとをセパレータ２４の長手方向に沿って互い違いに配置し、一側の流体供給開口２４ａを通った空気の流れと、他側の流体供給開口２４ａを通った空気の流れとが熱交換流路１１内で対向する不都合、ひいては熱交換流路１１内の空気の流れが滞ってしまう不都合を抑制し易いように構成されている。

そして、熱交換構造体２は、図２に示すように、流体導入路１３の上流側となる一端側（図２中、流体受入部１７側である左側）に、循環流路４（または、熱交換するための源流となる空調機５）から空気を導入する流体導入口１３ａを開設し、流体導入路１３の下流側となる他端側（図２中、流体回収部１８側である右側）を導入路用蓋２５で閉塞して空気を流出不能としている。また、熱交換流路１１のうち流体導入口１３ａに対応する一端側（図２中、流体受入部１７側である左側）を流路用蓋２６で閉塞して空気を流出不能とし、他端側（図２中、流体回収部１８側である右側）には、熱交換流路１１内の空気を排出するための流体排出口１１ａを開設している。

このような構成の熱交換構造体２を施工面３へ施工するには、予め施工面３を断熱材６で覆っておき、この施工面３（詳しくは、断熱材６で被覆された施工面３）に流路区画部材１０を設置し、アンカーボルト等の止着具２９で止着用フランジ部２３を施工面３に止着して流路区画部材１０を固定する（区画部材設置工程）。さらに、流体導入路１３または熱交換流路１１内へのコンクリートの侵入を阻止するために、隣り合う流路区画部材１０同士の隙間や、流路区画部材１０と施工面３（詳しくは施工面３上の断熱材６）との隙間をシール材等（図示せず）で塞ぐ。

施工面３に流路区画部材１０を設置したならば、型枠３０で流路区画部材１０を囲むとともに熱交換流路１１および流体導入路１３の両端部を閉塞し、流路区画部材１０が埋没するまで型枠３０内の施工面３にコンクリートＣを打設する（本体部形成工程）。コンクリートＣが固まって本体部９が形成されたならば、型枠３０を外して熱交換流路１１および流体導入路１３の両端部を開放し、熱交換流路１１の流体受入部１７側を流路用蓋２６で閉塞し、流体導入路１３の流体回収部１８側を導入路用蓋２５で閉塞する。このようにして施工された熱交換構造体２に流体受入部１７および流体回収部１８を接続し、さらには循環流路４および空調機５を接続して冷暖房システム１が完成する。このように、流路区画部材１０をコンクリートＣに埋設する構成を採ると、流路区画部材１０が熱交換流路１１を備えるとともに、該熱交換流路１１と流体導入路１３とを仕切るセパレータ２４を備えるので、この流路区画部材１０がコンクリートＣに埋設されるだけで流体導入路１３と熱交換流路１１とを設けることができ、施工の簡略化を図ることができる。

そして、熱交換構造体２を備えた冷暖房システム１を稼動すると、空調機５内で温度調整された空気が循環流路４の送出側流路４ａを通って流体受入部１７へ供給され、該流体受入部１７から流体導入口１３ａを通って流体導入路１３内に導入される。さらに、流体導入路１３から流体供給開口２４ａを通って熱交換流路１１内に流入し、熱交換流路１１内に流入した空気と本体部９との間で熱交換を行って本体部９を加熱したり冷却したりする。具体的には、空調機５を暖房設定で運転して空気を本体部９よりも高い温度に調整した場合には、空気の熱が流路区画部材１０の表面から本体部９内に伝達して本体部９が加熱され、さらに、加熱された本体部９がその周辺へ放熱して屋内の暖房が行われる。また、空調機５を冷房設定で運転して空気を本体部９よりも低い温度に調整した場合には、本体部９内の熱が空気に奪われて本体部９が流路区画部材１０を介して冷却され、さらに、冷却された本体部９がその周辺から吸熱して屋内の冷房が行われる。

そして、本実施形態においては、流路区画部材１０が鉄板あるいはアルミニウム板等の金属板を成形したものなので熱伝導率が高い。このため、前記空気と流路区画部材１０との間、ひいては本体部９との間の熱交換の効率を高めることができる。また、流路区画部材１０の外面にフィン（図示せず）を外方に向けて突設し、このフィンを本体部９内に埋没させれば、流路区画部材１０と本体部９と接触面積、すなわち熱伝導面積が増加し、熱交換の効率を一層向上させることができる。

本体部９との間で熱交換を行った熱交換流路１１内の空気は、流体排出口１１ａから流体回収部１８へ排出され、循環流路４の回収側流路４ｂを通って空調機５へ戻る。このとき、熱交換構造体２においては、空気（流体）を当該熱交換構造体２の一端側に開設された流体導入口１３ａから導入し、流体供給開口２４ａから熱交換流路１１内に供給して、当該熱交換構造体２の他端側に開設された流体排出口１１ａから排出するので、流体導入口１３ａと流体排出口１１ａとを同じ側に開設する場合（言い換えると、熱交換構造体２内における空気の通路が折り返し状態で形成される場合）と比較して、熱交換構造体２内の流路抵抗を小さくすることができる。これにより、熱交換構造体２内に空気を滞りなく流すことができ、空気と本体部９との熱交換の効率を向上させることができる。

また、流体供給開口２４ａを熱交換流路１１の側縁に沿って開設しているので、流体供給開口２４ａを通った空気を直ちに熱交換流路１１の壁面に沿わせて流すことができる。さらに、熱交換流路１１（言い換えると熱交換流路１１を構成する流路構成空間部２２ａ）を本体部９側へ凹んだ断面円弧状に区画形成しているので、流体供給開口２４ａを通った空気をスムーズに熱交換流路１１の壁面の全体に到達させ易い。したがって、空気と本体部９との熱交換の効率を一層向上させることができる。そして、熱交換構造体２が区画部材設置工程と本体部形成工程とを経て施工されるので、簡単に熱交換構造体２を施工することができる。

なお、図５に示すように、断熱材で構成される平板状の区画ベース３４上に複数の流路区画部材１０を並べて、複数の熱交換流路１１および流体導入路１３が並列状態で位置決めされた区画ユニット３５を予め作成しておき、区画部材設置工程において、断熱材６で覆われていない施工面３に直接区画ユニット３５を設置してもよい。このような区画ユニット３５を採用して熱交換構造体２を施工すれば、位置決めされた複数の流路区画部材１０を一度に設置することができる。したがって、複数の熱交換流路１１の位置決めを容易に行うことができ、熱交換構造体２の施工作業の負担を軽減することができる。

ところで、上記各実施形態の熱交換構造体２を備えた冷暖房システム１は、流体である空気を空調機５と熱交換構造体２との間に循環させるが、本発明はこれに限定されない。例えば、空調機５がその周辺から空気を取り込んで温度調節した後に熱交換構造体２へ送出し、熱交換構造体２から排出される空気を空調機５には戻さずに屋外等へ放出してもよい。

また、本発明における流体として空気を例示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、熱交換構造体内に通す流体は、空気以外の流体でもよい。さらに、本発明における源流として空調機を例示したが、本発明はこれに限定されない。要は、本体部と熱交換を行う流体を供給する供給源であれば、源流の構成は問わない。

そして、上記各実施形態では、熱交換構造体２を冷暖房システム１の一部として屋内の床面に施工したが、本発明はこれに限定されない。要は、熱交換構造体とその周辺との間で伝熱（放熱・吸熱）を行うシステムの一部として熱交換構造体を施工できれば、どのような構成のシステムに採用してもよいし、どのような場所を施工面に設定してもよい。例えば、屋内の起立壁面を施工面として熱交換構造体を施工してもよい。また、屋外に露出する面に施工してもよい。具体的には、積雪が多い地域の屋外（例えば道路）に融雪システムの一部として熱交換構造体を施工し、熱交換構造体を流体で加熱することにより熱交換構造体の周辺を融雪するようにしてもよい。

さらに、上記各実施形態では、熱交換流路１１を本体部９側へ凹んだ断面円弧状に区画形成したが、本発明はこれに限定されない。要は、熱交換流路内の流体と本体との間で熱交換を行うことができれば、熱交換流路の断面形状は問わない。また、セパレータ２４に流体供給開口２４ａを熱交換流路１１の側縁に沿ってスリット状に開設したが、本発明はこれに限定されない。要は、流体を流体導入路から熱交換流路へ供給可能であれば、流体供給開口をどのように構成してもよい。例えば、複数の円形孔を熱交換流路の側縁に沿って開設して流体供給開口を構成してもよい。

そして、前記した実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明は、上記した説明に限らず特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれるものである。

１ 冷暖房システム
２ 熱交換構造体
３ 施工面
４ 循環流路
４ａ 送出側流路
４ｂ 回収側流路
５ 空調機
６ 断熱材
７ 内装材
９ 本体部
１０ 流路区画部材
１１ 熱交換流路
１１ａ 流体排出口
１３ 流体導入路
１３ａ 流体導入口
１７ 流体受入部
１８ 流体回収部
２２ 区画本体部
２２ａ 流路構成空間部
２２ｂ 導入路構成空間部
２３ 止着用フランジ部
２４ セパレータ
２４ａ 流体供給開口
２５ 導入路用蓋
２６ 流路用蓋
２９ 止着具
３０ 型枠
３４ 区画ベース
３５ 区画ユニット

Claims (5)

1. 施工面に沿って延在するコンクリート製の本体部と、該本体部内に配置される流路区画部材により区画形成された熱交換流路と、を備え、該熱交換流路を通る流体と本体部との間で熱交換を行う熱交換構造体であって、
   前記流路区画部材のうち熱交換流路よりも施工面側には、熱交換流路に沿って延在する流体導入路と、該流体導入路と熱交換流路との間を仕切るセパレータと、を備え、
   該セパレータには、流体導入路内の流体を熱交換流路へ通す流体供給開口を熱交換流路に沿って開設し、
   前記流体導入路には、その上流側となる一端側に、熱交換するための源流から流体を導入する流体導入口を開設する一方、下流側となる他端側を閉塞し、
   前記流体導入口に対応する熱交換流路の一端側を閉塞する一方、他端側には流体排出口を開口し、
   前記流体導入口から流体導入路内に導入した流体を流体供給開口から熱交換流路内に供給して、流体排出口から排出することを特徴とする熱交換構造体。
2. 前記流体供給開口を熱交換流路の側縁に沿って開設したことを特徴とする請求項１に記載の熱交換構造体。
3. 前記流路区画部材は、熱交換流路を本体部側へ凹んだ断面円弧状に区画形成したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱交換構造体。
4. 前記請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱交換構造体の施工方法であって、
   前記流路区画部材を施工面へ設置する区画部材設置工程と、
   前記流路区画部材が埋没するまで施工面にコンクリートを打設する本体部形成工程と、
   を含むことを特徴とする熱交換構造体の施工方法。
5. 前記区画部材設置工程では、予め複数の流路区画部材を区画ベース上へ並べて複数の熱交換流路が並列状態で位置決めされた区画ユニットを作成しておき、該区画ユニットを施工面へ設置することを特徴とする請求項４に記載の熱交換構造体の施工方法。

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