JP6787855B2 - 冷却加熱装置 - Google Patents

Description

本開示は、植物を栽培する農業用ハウスを加温するための燃焼により発生した燃焼排ガスの冷却及び加熱を行う冷却加熱装置に関する。

特許文献１には、燃焼装置から発生する燃焼排ガス中の二酸化炭素を回収し、農業用ハウス内に供給する二酸化炭素施用装置が開示されている。
この二酸化炭素施用装置は、燃焼装置と、内部に化合物の水溶液を貯留し、燃焼排ガスを気泡状にして該水溶液中を通過させる液体貯留タンクと、を備える。

また、二酸化炭素施用装置は、液体貯留タンクに流入する燃焼排ガスを冷却する熱交換器を備える。この熱交換器は、冷却水タンクと、該冷却水タンクに接続された配管と、の間で循環する冷却水と、燃焼排ガスと、の間で熱交換を行わせる。燃焼排ガスは、熱交換器によって冷却され、温度を低下させた状態で液体貯留タンク内の水溶液中を通過する。このため、水溶液の沸騰や水蒸気爆発が抑制される。

特開２０１５−１４２５３１号公報

特許文献１の構成では、冷却水と燃焼排ガスとの間で熱交換が行われる。燃焼排ガスから奪われた熱エネルギーは、何ら利用されることなく、液体貯留タンク内で分散される。よって、燃焼排ガスの熱エネルギーが有効利用されているとはいえなかった。

本開示の一局面は、植物を栽培する農業用ハウスを加温するための燃焼により発生した燃焼排ガスの熱エネルギーを有効利用できる技術を提供することを目的としている。

本開示の一態様は、植物を栽培する農業用ハウスを加温するための燃焼により発生した燃焼排ガスの冷却及び加熱を行う冷却加熱装置であって、第１液体貯留タンクと、流入流路と、排出流路と、熱交換器と、を備える冷却加熱装置である。第１液体貯留タンクは、化合物を含む液体を貯留し、燃焼排ガスが当該液体中を通過するように構成される。流入流路は、燃焼排ガスを第１液体貯留タンクへと流す流路である。排出流路は、第１液体貯留タンクを通過した燃焼排ガスを農業用ハウス内に排出する流路である。熱交換器は、流入流路を流れている燃焼排ガスと、排出流路を流れている燃焼排ガスと、の間で熱交換を行わせるように構成される。

このような構成によれば、熱交換によって、農業用ハウス内に供給される燃焼排ガスが温められる一方、第１液体貯留タンクに流入する燃焼排ガスが冷却される。その結果、農業用ハウス内に温風が供給される。つまり、燃焼排ガスから奪われた熱エネルギーが、農業用ハウス内の暖房効果に使用される。また、第１液体貯留タンク内の液体の温度上昇が抑制されるため、二酸化炭素施用装置の冷却工程が補助される。したがって、上記構成によれば、燃焼排ガスの熱エネルギーを有効利用できる。

本開示の一態様では、排出流路には、少なくとも１つの吸着タンクが設けられてもよい。少なくとも１つの吸着タンクは、燃焼排ガス中の二酸化炭素を吸着する吸着材が内部に配置されている。熱交換器は、流入流路を流れている燃焼排ガスと、排出流路のうち少なくとも１つの吸着タンクのいずれよりも下流の流路を流れている燃焼排ガスと、の間で熱交換を行わせてもよい。

このような構成によれば、燃焼排ガスは、少なくとも１つの吸着タンクのすべてを通過した後で熱交換により加熱される。このため、燃焼排ガスが少なくとも１つの吸着タンクに流入する前に熱交換により加熱される構成と比較して、温度上昇した燃焼排ガスが吸着タンクに供給され、吸着材が損傷するリスクを低減できる。

本開示の一態様は、排出流路には、吸着タンクに供給される空気である施用空気を、当該排出流路内に空気を取り込むための施用空気流路が接続されていてもよい。そして、熱交換器は、流入流路を流れている燃焼排ガスと、排出流路を流れている施用空気と、の間でも熱交換を行わせてもよい。

このような構成によれば、熱交換により加熱された施用空気を農業用ハウス内に供給できる。その結果、燃焼排ガスから奪われた熱エネルギーが、農業用ハウス内の暖房効果に使用される。よって、施用空気を農業用ハウス内に供給するときも、燃焼排ガスから奪われた熱エネルギーを有効利用できる。

本開示の一態様は、第２液体貯留タンクと、機器と、を更に備えていてもよい。第２液体貯留タンクは、流入流路に設けられ、液体を貯留し、燃焼排ガスが当該液体中を通過するように構成される。機器は、排出流路に設けられ、第１液体貯留タンクに貯留された液体中を通過した燃焼排ガスを農業用ハウス内に導く。

十分に冷却されていない燃焼排ガスが機器に供給された場合、機器が破損する場合がある。上記構成によれば、第２液体貯留タンクにおいても燃焼排ガスが冷却される。よって、熱交換器における熱交換及び第１液体貯留タンク内の液体のみによって燃焼排ガスを冷却する構成と比較して、機器の破損を抑制できる。

図１は、実施形態の二酸化炭素施用装置の構成を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本開示を実施するための形態を説明する。
［１．構成］
図１に示す冷却加熱装置１は、農業用ハウスＡを加温するための燃焼により発生した燃焼排ガスの冷却及び加熱を行う装置である。冷却加熱装置１は、二酸化炭素施用装置１００の一部として実装される。二酸化炭素施用装置１００は、燃焼排ガスに含まれる二酸化炭素を回収し、植物を栽培する農業用ハウスＡ内に供給するための装置である。二酸化炭素施用装置１００は、冷却加熱装置１のほかに、吸着タンク７と、濃度センサ８ａ，８ｂと、切替え部９と、制御部１０と、施用空気流路１４と、開閉弁１４ａと、を備える。

冷却加熱装置１は、燃焼装置２と、第１液体貯留タンク３と、ブロワ４と、熱交換器５と、第２液体貯留タンク６と、を備える。また、冷却加熱装置１は、排ガス流路１１と、取込流路１２と、排出流路１３と、を備える。

＜燃焼装置＞
燃焼装置２は、主に夜間、重油や灯油等の燃料を燃焼させ、農業用ハウスＡ内の空気を温める装置である。燃焼により発生した燃焼排ガスは、煙突である排ガス流路１１を介して農業用ハウスＡ外に排出される。

＜第１液体貯留タンク＞
第１液体貯留タンク３は、燃焼装置２から発生した燃焼排ガスの一部を、内部に貯留した液体Ｌによって冷却及び浄化するためのタンクである。

第１液体貯留タンク３は、燃焼装置２で発生した燃焼排ガスを取り込み、取り込んだ燃焼排ガスが液体Ｌ中を通過するように構成されている。燃焼排ガスは、液体Ｌとの熱交換により冷却されるとともに、液体Ｌに含まれる化合物によって燃焼排ガスが含有する成分の一部が取り除かれる。

具体的には、第１液体貯留タンク３には、取込流路１２が接続されており、取込流路１２から液体Ｌ中に燃焼排ガスが供給される。取込流路１２は、排ガス流路１１に接続され、燃焼排ガスが取り込まれる。

なお、図１では、取込流路１２の端部は、第１液体貯留タンク３の下面に接続されているが、取込流路１２の端部は第１液体貯留タンク３の側面に接続されてもよい。また、取込流路１２は、第１液体貯留タンク３の上面から第１液体貯留タンク３の内部を通って液体Ｌ中に開口するように配置されてもよい。

液体Ｌ中に供給された燃焼排ガスは、液体Ｌ中を気泡となって浮上する。つまり、バブリングが行われる。液体Ｌ中を通過した燃焼排ガスは、排出流路１３に流入し、吸着タンク７に取り込まれる。

第１液体貯留タンク３に貯留される液体Ｌとしては、燃焼排ガス中に含まれる窒素酸化物や硫黄酸化物等の有害物質を除去できるものが好ましい。例えば、窒素酸化物や硫黄酸化物と反応する化合物の水溶液が液体Ｌとして好適に使用できる。

＜排出流路＞
第１液体貯留タンク３には、排出流路１３が接続されている。排出流路１３は、第１液体貯留タンク３を通過した燃焼排ガスを農業用ハウスＡ内に排出する。本実施形態では、排出流路１３は、当該排出流路１３の途中の分岐部１３ａにおいて第１分岐流路１３ｂ及び第２分岐流路１３ｃに分岐する。第１分岐流路１３ｂ及び第２分岐流路１３ｃは、分岐部１３ａの下流に位置する合流部１３ｄで合流する。第２分岐流路１３ｃは、第１分岐流路１３ｂよりも分岐部１３ａから合流部１３ｄまでの流路長さが短い。

＜ブロワ＞
ブロワ４は、燃焼排ガスを液体貯留タンク３内の液体Ｌに通過させて吸着タンク７又は農業用ハウスＡ内に送るために、燃焼排ガスを吸引し、液体貯留タンク３を通過した燃焼排ガスを農業用ハウスＡ内若しくは農業用ハウスＡ外に導く機器（いわゆる吸引器）である。ブロワ４は、二酸化炭素の吸着時に運転され、吸着を停止する際に運転が停止される。ブロワ４は、排出流路１３における分岐部１３ａよりも上流に設けられている。

ここで、吸着タンク７は、燃焼排ガス中の二酸化炭素を吸着する吸着材が内部に配置されたタンクである。本実施形態では、吸着タンク７は、第１分岐流路１３ｂに配置されている。吸着材としては、例えば活性炭、ゼオライト等の多孔質材料などが使用できる。

二酸化炭素施用装置における二酸化炭素の吸着工程では、ブロワ４の運転により、第１液体貯留タンク３内が負圧となり、燃焼装置２で発生した燃焼排ガスが第１液体貯留タンク３を経由して吸着タンク７に圧送される。そして、燃焼排ガスが吸着タンク７を通過することで、燃焼排ガス中の二酸化炭素が吸着材に吸着される。

一方、二酸化炭素の施用工程では、二酸化炭素施用装置１００の施用空気流路１４から空気（以下、施用空気）が吸着タンク７内に供給され、吸着材から二酸化炭素が脱離する。脱離した二酸化炭素は、排出流路１３を介して農業用ハウスＡ内に施用される。

ここで、施用空気流路１４は、分岐部１３ａよりも上流で排出流路１３に接続されている。施用空気流路１４の一方の端部は排出流路１３に接続されている。施用空気流路１４の他方の端部は大気に開放している。
施用空気流路１４から流入した施用空気の流入圧力は、第１液体貯留タンク３の液面を押し下げる圧力よりも小さいため、施用空気は排出流路１３に導かれる。

開閉弁１４ａは、施用空気流路１４に設けられる。開閉弁１４ａは、施用空気流路１４による施用空気の供給時に開けられる。開閉弁１４ａとしては、例えばソレノイド弁を用いることができる。

＜熱交換器＞
熱交換器５は、当該熱交換器５の外部から供給される２つの流体をその内部に通過させ、両流体間で熱交換を行わせる熱交換器である。熱交換器５は、取込流路１２と、排出流路１３のうち合流部１３ｄよりも下流の流路と、に跨がるように設けられる。熱交換器５は、取込流路１２を流れている燃焼排ガスと、排出流路１３のうち合流部１３ｄよりも下流の流路を流れている流体と、の間で熱交換を行わせる。すなわち、熱交換器５は、第１液体貯留タンク３よりも上流の流路を流れている燃焼排ガスと、第１液体貯留タンク３よりも下流の流路を流れている流体と、の間で熱交換を行わせる。

この熱交換により、二酸化炭素の吸着工程では、第１液体貯留タンク３を通過して窒素酸化物等の有害物質が除去された燃焼排ガスが加熱され、クリーンな温風が生成される。そして、生成された温風が農業用ハウスＡ内に供給される。

一方、二酸化炭素の施用工程では、施用空気流路１４から排出流路１３に流入した施用空気が吸着タンク７を介して熱交換器５に送られる。そして、熱交換器５における熱交換により施用空気が加熱され、温風が生成される。そして、生成された温風が農業用ハウスＡ内に供給される。

また、熱交換により、第１液体貯留タンク３に流入する燃焼排ガスが冷却される。
＜第２液体貯留タンク＞
第２液体貯留タンク６は、燃焼装置２から発生した燃焼排ガスの一部を、内部に貯留した液体Ｍによって冷却するためのタンクである。

第２液体貯留タンク６は、燃焼排ガスを取り込み、取り込んだ燃焼排ガスが液体Ｍ中を通過するように構成されている。燃焼排ガスは、液体Ｍとの熱交換により冷却される。
第２液体貯留タンク６は、取込流路１２において熱交換器５の下流に設けられる。熱交換器５における熱交換により冷却された燃焼排ガスが、第２液体貯留タンク６を介して更に冷却される。第２液体貯留タンク６を通過した燃焼排ガスは、取込流路１２を介して第１液体貯留タンク３に流入する。なお、本実施形態では、アルカリ性の冷却水が第２液体貯留タンク６に貯留されている。

一方、二酸化炭素施用装置１００が備える濃度センサ８ａ，８ｂは、燃焼排ガスに含まれる二酸化炭素の濃度を検出する。濃度センサ８ａは、第１分岐流路１３ｂにおいて吸着タンク７の上流に設けられる。濃度センサ８ｂは、第１分岐流路１３ｂにおいて吸着タンク７の下流に設けられる。濃度センサ８ａ，８ｂは、検出結果を示す信号を信号線１６ａ，１６ｂを介して制御部１０に送信する。

切替え部９は、分岐部１３ａに設けられる。切替え部９は、燃焼排ガスが第１分岐流路１３ｂを流れる第１切替え状態と、燃焼排ガスが第２分岐流路１３ｃを流れる第２切替え状態と、に選択的に切り替わる。切替え部９は、制御部１０により制御される。

制御部１０は、二酸化炭素施用装置１００の運転を制御する。具体的には、制御部１０は、信号線１６ｃを介してブロワ４の運転及び停止を制御し、信号線１６ｄを介して開閉弁１４ａの開閉を制御する。また、制御部１０は、濃度センサ８ａ，８ｂから取得した検出結果に基づき、信号線１６ｅを介して切替え部９を制御する。

詳細には、制御部１０は、濃度センサ８ａから取得した二酸化炭素の濃度と濃度センサ８ｂから取得した二酸化炭素の濃度と差分に基づき、吸着タンク７における二酸化炭素の吸着量が上限に達したか否かを判定する。

そして、制御部１０は、二酸化炭素の吸着量が上限に達してないと判定した場合には、切替え部９を第１切替え状態とする。切替え部９が第１切替え状態のときは、第１分岐流路１３ｂ側に燃焼排ガスが流れ、燃焼排ガスが吸着タンク７を通過する。一方、制御部１０は、二酸化炭素の吸着量が上限に達したと判定した場合には、切替え部９を第２切替え状態とする。切替え部９が第２切替え状態のときは、第２分岐流路１３ｃ側に燃焼排ガスが流れる。

［２．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１）熱交換器５は、取込流路１２を流れている燃焼排ガスと、排出流路１３を流れている燃焼排ガスと、の間で熱交換を行わせる。

したがって、熱交換によって、農業用ハウスＡ内に供給される燃焼排ガスが温められる一方、第１液体貯留タンク３に流入する燃焼排ガスが冷却される。その結果、農業用ハウスＡ内に温風が供給される。つまり、燃焼排ガスから奪われた熱エネルギーが、農業用ハウスＡ内の暖房効果に使用される。また、第１液体貯留タンク３内の液体の温度上昇が抑制されるため、二酸化炭素施用装置の冷却工程が補助される。したがって、燃焼排ガスの熱エネルギーを有効利用できる。

（２）本実施形態では、取込流路１２を流れている燃焼排ガスと、排出流路１３のうち吸着タンク７よりも下流の流路を流れている燃焼排ガスと、の間で熱交換器５による熱交換が行われる。つまり、燃焼排ガスは、吸着タンク７を通過した後で熱交換により加熱される。このため、燃焼排ガスが吸着タンク７に流入する前に熱交換により加熱される構成と比較して、温度上昇した燃焼排ガスが吸着タンク７に供給され、吸着材が損傷するリスクを低減できる。

（３）本実施形態では、熱交換器５は、取込流路１２を流れている燃焼排ガスと、供給流路１３を流れている施用空気と、の間でも熱交換を行わせる。
したがって、熱交換により加熱された施用空気を農業用ハウス内に供給できる。その結果、燃焼排ガスから奪われた熱エネルギーが、農業用ハウスＡ内の暖房効果に使用される。よって、施用空気を農業用ハウスＡ内に供給するときも、燃焼排ガスから奪われた熱エネルギーを有効利用できる。

（４）十分に冷却されていない燃焼排ガスがブロワ４に供給された場合、ブロワ４が破損する場合がある。本実施形態の構成によれば、第２液体貯留タンク６においても燃焼排ガスが冷却される。よって、熱交換器５における熱交換及び第１液体貯留タンク３内の液体Ｌのみによって燃焼排ガスを冷却する構成と比較して、ブロワ４の破損を抑制できる。

なお、本実施形態では、排ガス流路１１及び取込流路１２からなる流路が流入流路に相当し、ブロワ４が機器に相当する。
［３．他の実施形態］
以上、本開示を実施するための形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。

（１）上記実施形態において、熱交換器が複数設けられてもよい。そして、複数の熱交換器は、流入流路を流れている燃焼排ガスと、排出流路を流れている燃焼排ガスと、の間で熱交換を行わせてもよい。このような構成によれば、熱交換器が１つしか設けられていない構成と比較して、燃焼排ガスの冷却効果又は加熱効果を更に向上できる。

（２）第２液体貯留タンク６には、アルカリ性以外の液体、例えば、普通の水が貯留されてもよい。また例えば、第１液体貯留タンク３と同様の化合物を含む液体が貯留されてもよい。
（３）上記実施形態では、機器としてブロワ４を例示したが、機器はこれに限られるものではない。機器は、例えば、送風ファンなどでもよい。

（４）上記実施形態において、冷却加熱装置１は第２液体貯留タンク６を備えていなくてもよい。
（５）上記実施形態では、排出流路１３には１つの吸着タンク７が設けられるが、吸着タンクの数はこれに限られるものではない。排出流路１３には複数の吸着タンクが設けられてもよい。

（６）上記実施形態における１つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、１つの構成要素が有する１つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、１つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される１つの機能を、１つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言によって特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

１…冷却加熱装置、２…燃焼装置、３…第１液体貯留タンク、４…ブロワ、
５…熱交換器、６…第２液体貯留タンク、７…吸着タンク、８ａ，８ｂ…濃度センサ、
１１…排ガス流路、１２…取込流路、１３…排出流路、１４…施用空気流路。

Claims (3)

1. 植物を栽培する農業用ハウスを加温するための燃焼により発生した燃焼排ガスの冷却及び加熱を行う冷却加熱装置であって、
   化合物を含む液体を貯留し、前記燃焼排ガスが当該液体中を通過するように構成された第１液体貯留タンクと、
   前記燃焼排ガスを前記第１液体貯留タンクへと流す流入流路と、
   前記第１液体貯留タンクを通過した前記燃焼排ガスを前記農業用ハウス内に排出する排出流路と、
   前記流入流路を流れている前記燃焼排ガスと、前記排出流路を流れている前記燃焼排ガスと、の間で熱交換を行わせるように構成される熱交換器と、
   前記排出流路に設けられ、前記燃焼排ガス中の二酸化炭素を吸着する吸着材が内部に配置された少なくとも１つの吸着タンクと、
   を備え、
   前記熱交換器は、前記流入流路を流れている前記燃焼排ガスと、前記排出流路のうち前記少なくとも１つの吸着タンクのいずれよりも下流の流路を流れている前記燃焼排ガスと、の間で熱交換を行わせる、
   冷却加熱装置。
2. 請求項１に記載の冷却加熱装置であって、
   前記排出流路には、前記吸着タンクに供給される空気である施用空気を、前記排出流路内に取り込むための施用空気流路が接続されており、
   前記熱交換器は、前記流入流路を流れている前記燃焼排ガスと、前記排出流路を流れている前記施用空気と、の間でも熱交換を行わせる、冷却加熱装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の冷却加熱装置であって、
   前記流入流路に設けられ、液体を貯留し、前記燃焼排ガスが当該液体中を通過するように構成された第２液体貯留タンクと、
   前記排出流路に設けられ、前記第１液体貯留タンクに貯留された前記液体中を通過した前記燃焼排ガスを前記第１液体貯留タンクの下流側に導く機器と、
   を更に備える冷却加熱装置。

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