JP6250963B2

JP6250963B2 - 気液接触装置

Info

Publication number: JP6250963B2
Application number: JP2013140237A
Authority: JP
Inventors: 木村　太; 太木村
Original assignee: 株式会社育水舎アクアシステム
Priority date: 2013-07-03
Filing date: 2013-07-03
Publication date: 2017-12-20
Anticipated expiration: 2033-07-03
Also published as: JP2015014394A

Description

本発明は、水を媒体とする気液接触装置に関する。

地下水を利用した冷暖房システムが提案されている。地下水はヒートポンプの蒸発器として機能する熱交換器の熱源として利用され、凝縮器の放出温熱を冷暖房用熱交換器に導き、加温することが提案されている（特許文献１参照）。

特開平８−２４７４９６号公報

本発明の目的は、省エネルギー性能が向上した気液接触装置を提供することにある。

本発明の気液接触装置は、
気体と地下水との間で熱交換を行うための気液接触室と、
前記気液接触室内に地下水を導入するための地下水導入口と、
前記気液接触室内の地下水を導出するための地下水導出口と、
前記気液接触室内に気体を導入するための気体導入口と、
前記気液接触室内の気体を導出するための気体導出口と、
前記気液接触室内の気体の圧力、又は、前記気液接触室内に導入する気体の圧力を制御する圧力制御手段と、を含み、
前記圧力制御手段は、コンプレッサーを用いずに気体の圧力制御を行い、ブロワを含んで構成される。

本発明においては、圧力制御手段がコンプレッサーを用いずに気体の圧力制御を行い、ブロワを含んで構成されていることで、省エネルギー性能が向上した気液接触装置を実現することができる。

本発明において、前記ブロワは、吐出圧が０．１〜２．０ｋｇｆ／ｃｍ^２とすることができる。

本発明において、前記ブロワは、前記気液接触室内に気体を導入する前において、当該気体を加圧することができる。これにより、気液接触室内の気体が加圧状態になり、気液接触室から導出された気体が外に排出される際に、断熱的に膨張するために気体の温度を低下させることができる。

本発明において、前記ブロワは、前記気液接触室内の気体を吸引することができる。これにより、気液接触室内の圧力が負圧状態となることから、気体が断熱的に膨張し、温度が低下し、飽和水蒸気量が低下する。このため、気体中に含まれる水蒸気の一部が液体の水となり、潜熱が発生し、その潜熱エネルギーが気体に取り込まれる。また、気体の圧力が負圧の状態になっているため、気体が外部に放出される際に、断熱的に加圧されるために、温度がその分だけ、向上することになる。

本発明において、前記ブロワは、前記気体導入口および前記気体導出口に接続され、前記気体導入口と前記ブロワとの間に第１の開閉部が設けられ、前記気体導出口と前記ブロワとの間に第２の開閉部が設けられていることができる。これにより、開閉部を切り替えることで、ブロワを気液接触室の上流側と下流側との切り替えをすることができる。

気液接触装置を模式的に示す図である。冷房運転時における気液接触装置の説明図である。暖房運転時における気液接触装置の説明図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について図面を参照しながら説明する。

１．気液接触装置
気液接触装置１０は、冷房又は暖房装置として機能することができる。気液接触装置１０は、気体と地下水との間で熱交換を行うための気液接触室２０と、気液接触室２０内に地下水を導入するための地下水導入口３０と、気液接触室２０内の地下水を導出するための地下水導出口３２と、気液接触室２０内に気体を導入するための気体導入口４０と、気液接触室２０内の気体を導出するための気体導出口４２と、気液接触室２０の気体の圧力を制御する圧力制御手段５０と、を含む。

気液接触室２０は、たとえば、直接気液接触塔により構成することができる。気液接触室２０内には、ラシヒリングなどの充填材２２を設けてもよい。気液接触室２０内の圧力を計測するための圧力計２４を設けることができる。

圧力制御手段５０は、コンプレッサーを用いずに圧力制御を行い、ブロワＢ１により構成されている。ブロワＢ１は、吐出圧がたとえば気圧の２倍前後、具体的には、０．１〜２．０ｋｇｆ／ｃｍ^２、好ましくは０．１〜１．５ｋｇｆ／ｃｍ^２、より好ましくは０．１〜１．０ｋｇｆ／ｃｍ^２とすることができる。ブロワＢ１は、気液接触室２０内に気体を導入する前において気体を加圧する機能、及び、気液接触室２０内の気体を吸引する機能の少なくとも一方の機能を有する。ブロワＢ１は、ターボ機能を有するターボブロワであってもよい。

気液接触装置１０は、第１〜第５の管路７０ａ〜７０ｅおよび第１〜７の開閉部６０ａ〜６０ｇを有する。第１〜第５の管路７０ａ〜７０ｅは、気体が通過する管路であり、公知の管を適用することができる。第１〜第７の開閉部６０ａ〜６０ｇは、たとえば、開閉バルブなどから構成され、開いたときには気体又は液体を通過させ、閉じたときには気体又は液体を通過させないようにするものである。

第１の管路７０ａは、一方の端が気液接触室２０の気体導入口４０に接続されている。
第２の管路は、一方の端が気液接触室２０の気体導出口４２に接続されている。

第３の管路７０ｃは、第１の管路７０ａと第２の管路７０ｂとをつないでいる。第３の管路７０ｃには、ブロワＢ１が設けられている。ブロワＢ１と第１の管路７０ａとの間の第３の管路７０ｃの途中に第１の開閉部６０ａが設けられている。ブロワＢ１と第２の管路７０ｂとの間の第３の管路７０ｃの途中に第２の開閉部６０ｂが設けられている。第１の管路７０ａにおいて、第３の管路７０ｃとの接続箇所を基準に気液接触室２０とは逆側に、第３の開閉部６０ｃが設けられている。第２の管路７０ｂにおいて、第３の管路７０ｃとの接続箇所を基準に気液接触室２０とは逆側に、第４の開閉部６０ｄが設けられている。

第４の管路７０ｄは、第１の管路７０ａとブロワＢ１との間の第３の管路７０ｃに接続されている。第４の管路７０ｄには、第５の開閉部６０ｅが設けられている。第５の管路７０ｅは、第１の管路７０ａとブロワＢ１との間の第３の管路７０ｃに接続されている。第５の管路７０ｅには、第６の開閉部６０ｆが設けられている。

気液接触室２０には、地下水を導入するための液体導入管８０が設けられている。必要に応じて、ポンプにより地下水を気液接触室２０に導入することができる。地下水の導入の仕方は、特に限定されず、たとえば導入管から公知の噴霧装置により霧状にして導入してもよいし、噴霧装置を介さずに導入管から直接導入してよい。噴霧装置を介さずに導入管から直接導入する場合には、ラシヒリングなどの充填材２２や多層の接触板などに地下水を供給し、気液接触を図ってもよい。このようにすることで、気液接触の熱交換効率を高めることができる。

気液接触室２０には、下に貯まった地下水を排出するための地下水排出管８２が設けられている。地下水排出管８２には、第７の開閉部６０ｇが設けられている。

２．動作原理
（１）冷房運転時の場合
冷房運転時においては、第１の開閉部６０ａ、第４の開閉部６０ｄおよび第６の開閉部６０ｆを開くと共に、第２の開閉部６０ｂ、第３の開閉部６０ｃ、第５の開閉部６０ｅを閉じる。

ポンプＰ１を稼働させ地下水を気液接触室２０内に導入し、第７の開閉部６０ｇを開き、気液接触室２０の地下水を排出する。地下水は、気液接触室２０内に霧状で導入することができる。地下水は、気体の温度よりも低い温度とすることができる。

ブロワＢ１を稼働させ、第５の管路７０ｅ、第３の管路７０ｃ、第１の管路７０ａを通じて、気体を気液接触室２０内に導入する。ブロワＢ１により気体に加えられる圧力により、気体が断熱的に加圧され、その分だけ、温度が上昇する。

気液接触室２０内に導入された気体は、地下水と直接に接触し、熱交換が行われ、地下水により冷却される。気体は加圧された状態で地下水の温度と同じかその温度に近い温度まで冷却される。冷却された気体は、第２の管路７０ｂを通じて、排出される。その排出時において、断熱的に膨張し、気体の温度が低下することになる。つまり、地下水による冷却の他に、排出時に、断熱的に膨張する作用により、気体の温度がより低下することになる。

たとえば、地下水の温度を１５℃とし、導入する気体の温度を２５〜３０℃としたとき、ブロワＢ１により加圧された状態の気体は、地下水にて１５℃まで冷却される。加圧された状態の気体は、排出される際に断熱的に膨張し、気体温度はさらに低下し、気体温度は１５℃未満になる。排出された気体の湿度は、たとえば９５％以上となる。

（２）暖房運転時の場合
暖房運転時においては、第２の開閉部６０ｂ、第３の開閉部６０ｃおよび第５の開閉部６０ｅを開くと共に、第１の開閉部６０ａ、第４の開閉部６０ｄ、第６の開閉部６０ｆを閉じる。

ポンプＰ１を稼働させ地下水を気液接触室２０内に導入し、第７の開閉部６０ｇを開き、気液接触室２０に導入された地下水を排出する。地下水は、気液接触室２０内に霧状で導入することができる。地下水は、気体の温度よりも高い温度とすることができる。

ブロワＢ１を稼働させ、第１の管路７０ａを通じて、気体を気液接触室２０内に導入する。

気体は、地下水と直接に接触し、熱交換が行われ、地下水により加温される。気体は減圧された状態で地下水の温度と同じかその温度に近い温度まで加温される。加温された気体は、ブロワＢ１により吸引され、第２の管路７０ｂ、第３の管路７０ｃおよび第４の管路７０ｄを通じて、排出される。ブロワＢ１により、気液接触室２０内から気体が吸引されることで、気液接触室２０内の気体が減圧下（負圧状態）におかれる。気液接触室２０内の気体が減圧した分だけ、気液接触室２０内で気体が断熱的に膨張することになり、気体の温度が低下し、飽和水蒸気量が低下する。その結果、気体中に含まれる水蒸気の一部が液体の水になり、潜熱が発生する。その潜熱は気体に取り込まれる。

ブロワＢ１を通じて、気体は加圧され温度が上がると共に、第４の管路７０ｄを通じて排出された加温された減圧状態の気体は、断熱的に圧縮して放出されるため、気体の温度がさらに上昇することになる。

たとえば地下水の温度を１５℃とし、導入する気体の温度を−１０〜１０℃としたとき、気体は地下水にて１５℃まで加温される。減圧状態の気体は、ブロアＢ１により加圧され、かつ、排出される際に断熱的に圧縮されるため、気体温度はさらに上昇し、気体温度は１５℃を越えることになる。排出された気体の湿度は、たとえば９５％以下となる。

３．作用効果
本実施の形態によれば、気体を流すための動力源としてブロワＢ１を利用するのみで足りるため、消費電力が極端に少なく、地下水を汲むためのポンプと合わせても、大幅な省エネルギー効果を実現することができる。コンプレッサーを使用せず、動力はブロワＢ１のみで大量の空気を熱交換できるため、最小の電力で大きな熱エネルギーの移動を成し遂げることが可能となるシステムである。つまり、本実施の形態によれば、地下水をヒートポンプの冷却水として用いる方式に比べて、コンプレッサーを使用せず、動力はブロワＢ１のみで大量の空気を熱交換できるため、最小の電力で大きな熱エネルギーの移動を成し遂げることが可能となるシステムである。

本実施の形態によれば、地下水を熱源とした冷暖房装置を実現することができる。地下水の安定した水温（年間通じ約１５〜１８℃）を利用して空調を行う方式として、地下水を冷却水として直接水冷式のヒートポンプに導入し、熱回収を行い、冷水・温水を生み出す「地下水熱利用ヒートポンプ方式」が挙げられる。この方式は水を熱源とするため、空気大気からの採熱や一般的な地中熱利用ヒートポンプ方式に比べ熱効率がはるかに高く、効率の良いシステムとなっている。しかし大量の地下水利用には、恒常的に確保できる水量・水質が地域によって限界があり、実施が進んでいない。

一方、本実施の形態において、地下水を熱源とし、地下水を空気に直接気液接触させることで、ヒートポンプによる方式や、地下水を直接ファンコイルユニットに導く方式に比べても、熱交換部でのロスがなく、高い効率性を実現することができる。

また、動力源はブロワ程度のごく小電力の装置を使うだけなので、省エネルギー効果は極めて大きい。コンプレッサーを使用せず、大量の空気を熱交換できるため、最小の電力で大きな熱エネルギーの移動を成し遂げることができるシステムである。

さらに、気液接触室２０を接触塔形状とすることで、耐圧性を付与することができ、断熱膨張、圧縮による昇温、冷却効果も付加することができる。これはフェーン現象による昇温効果を塔内で再現することとなる。

ブロワ送風方式のために気体を排出する気体導出口４２に高性能フィルターをつけることも可能である。空気清浄器と同じレベルでの浄化空気を施設内に送ることが可能である。

本実施の形態によれば、冷房運転時と暖房運転時は空気の入口をバルブ操作で切り替える事のみで行うことが可能で、暖房運転時は、ブロワＢ１は気体導出口４２から吸引することで気液接触室２０内は弱い負圧状態となる、冷気は接触等で地下水温（一般的に１５〜１８℃）に限りなく近づき、出口において気体はブロワＢ１の加圧により若干昇温する。その後、フェーン現象が装置内で再現され、潜熱による温度上昇も加わることとなる。

冷房運転時は、真夏のケースでは、たとえば３０℃近くの空気がブロワＢ１で気液接触室２０内に導入される。この時、ブロワＢ１の加圧のため、気体の温度はやや上昇するものの、気液接触室２０内で地下水の温度に限りなく近く冷却される。気液接触室２０内は、弱い負圧状態であり、噴出されるときに膨張し、温度は更に低下する。

本実施の形態は、本発明の範囲内において種々の変形が可能である。

本発明は、冷暖房装置などの用途に適用することができる。

１０気液接触装置
２０気液接触室
３０液体導入口
３２液体導出口
４０気体導入口
４２気体導出口
５０圧力制御手段
６０ａ〜６０ｇ第１〜第７の開閉部
７０ａ〜７０ｅ第１〜第５の管路
８０液体導入管
８２液体排出管

Claims

気体と熱交換を行う液体として地下水を用いる気液接触装置であって、前記気体と前記地下水との間で熱交換を行うための気液接触室と、前記気液接触室内に前記地下水を導入するための地下水導入口と、前記気液接触室内の前記地下水を導出するための地下水導出口と、前記気液接触室内に前記気体を導入するための気体導入口と、前記気液接触室内の前記気体を導出するための気体導出口と、前記気液接触室内の気体の圧力又は前記気液接触室内に導入する気体の圧力を制御する圧力制御手段と、を含み、前記圧力制御手段は、コンプレッサーを用いないブロワで構成され、前記気体導入口および前記気体導出口に接続されるとともに、該ブロワと前記気体導入口との間に設けられた第１の開閉部と、該ブロワと前記気体導出口との間に設けられた第２の開閉部の開閉状態を切り替えることにより前記気液接触室の上流側に位置する状態と下流側に位置する状態とに切り替え自在に構成され、前記第１の開閉部を開き状態にするとともに、前記第２の開閉部を閉じ状態にして、前記ブロワが前記気液接触室の上流側に位置する状態に切り替えることで、前記気液接触室内に導入された気体が、前記ブロワにより加圧された状態で前記地下水と接触し熱交換により冷却された後、前記気体導出口を通じて排出される際に、断熱膨張作用により更に気体の温度が低下する冷却作用が生じ、前記第１の開閉部を閉じ状態にするとともに、前記第２の開閉部を開き状態にして、前記ブロワが前記気液接触室の下流側に位置する状態に切り替えることで、前記気液接触室内に導入された気体が、前記ブロワにより減圧された状態で前記地下水と接触し熱交換により加温された後、前記気体導出口を通じて排出される際に、断熱圧縮作用により更に気体の温度が上昇する加温作用が生じるように構成されていることを特徴とする気液接触装置。
前記ブロワは、吐出力が０．１〜２．０ｋｇｆ／ｃｍ^２とされることを特徴とする請求項１記載の気液接触装置。