JP7170011B2 - 熱交換装置 - Google Patents

Description

本発明は、井水や工場排水、農業用水等の水を熱源水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、熱交換効率の高効率化をはか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。

また、井水や河川水の他に、これまでに捨てられていた工場排水、農業用水等の排水も熱源水として利用することができるが、これら再生可能エネルギー熱を効率良く、安価に利用できる熱交換システムにおいて中心技術として重要な役割を果たすのは、耐久性に優れ、かつ、熱交換効率の高い熱交換器である。

特開２０１１－１４９６６４号公報

したがって、本発明の課題は、耐久性に優れ、かつ、熱交換効率の高い熱交換器を備えた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、熱源水流入部と熱源水流出部とを有し上記熱源水流入部から上記熱源水流出部に向けて熱源水が流される流水槽と、利用側機器の熱媒体が流され上記流水槽内で上記熱源水に浸漬されて上記熱源水との間で熱交換が行われる熱交換器とを含み、上記熱交換器として、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樹脂製のシート状熱交換器が用いられるとともに、上記流水槽の上記熱源水流入部と上記熱源水流出部との間に仕切板によって螺旋状の流水路が形成されており、上記シート状熱交換器が上記流水路に沿って螺旋状に配置され、上記シート状熱交換器には上記流水路内の熱源水流水方向とは逆方向に上記熱媒体が流される熱交換装置において、
上記流水槽の外周側でかつ上記流水槽の底部側に上記熱源水流入部が設けられるとともに、上記熱源水流出部として端部に上向きの越流口を有し同越流口が上記流水槽の中央部分で上記仕切板の上端よりも低い位置に配置されるオーバーフロー管が用いられ、上記熱源水が上記流水槽の外周側の底部側から上記流水槽の中央部分に向けて流され、上記シート状熱交換器は、上記第１端管が上記流水槽の中央部側に配置され、上記第２端管が上記流水槽の外周側に配置されるようにして上記流水路内に配置されることを特徴としている。

上記流水路内に複数枚の上記シート状熱交換器が配置され、上記各シート状熱交換器には上記熱媒体が同じ方向に流される態様も本発明に含まれる。

また、上記シート状熱交換器は高密度ポリエチレン製であることが好ましい。

本発明によれば、流水槽の熱源水流入部と熱源水流出部との間に仕切板によって螺旋状の流水路が形成され、シート状熱交換器がその流水路に沿って螺旋状に配置され、シート状熱交換器には流水路内の熱源水流水方向とは逆方向に熱媒体が流されるようにしたことにより、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。

本発明による熱交換装置の第１実施形態を示す（ａ）模式的な平面図、（ｂ）そのＡ－Ａ線に沿った模式的な断面図。 上記熱交換装置の第２実施形態を示す（ａ）模式的な平面図、（ｂ）そのＢ－Ｂ線に沿った模式的な断面図。 上記熱交換装置の第３実施形態を示す（ａ）模式的な平面図、（ｂ）そのＣ－Ｃに沿った模式的な断面図。 上記各実施形態で用いられているシート状熱交換器を示す正面図。

次に、図１ないし図４により、本発明のいくつか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（ａ）（ｂ）を参照して、第１実施形態に係る熱交換装置１は、水（熱源水）が流される流水槽１０を備えている。流水槽１０の寸法（容積）は要求される熱交換能力に応じて適宜決められてよい。

流水槽１０は平面視において円形であることが好ましいが、平面視で矩形状であってもよい。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。場合によっては、建造物の床下等に配置されてもよい。

また、熱源水として使用する水は、井水（井戸水、地下水）、水道水や河川水の他に、工場排水、農業用水、水産施設からの排水等が用いられてもよい。

流水槽１０は、熱源水流入部１１と熱源水流出部１２とを有し、熱源水流入部１１から熱源水流出部１２に向けて熱源水が流される。第１実施形態において、熱源水流入部１１は流水槽１０の底部側の中央部分に設けられ、熱源水流出部１２は流水槽１０の外周部側に配置されている。

第１実施形態によると、熱源水供給管１３の流出側端部を流水槽１０に対する熱源水流入部１１として、図１（ｂ）に示すように、熱源水供給管１３をＬ字状に折り曲げ、その折り曲げ部分を流水槽１０の上方から流水槽１０の中央部分に差し込むことにより、熱源水流入部１１を流水槽１０の底部側の中央部分に設けるようにしている。なお、図示しないが、流水槽１０の底部に孔を開けて熱源水流入部１１とし、その熱源水流入部１１に熱源水供給管１３を流水槽１０の外側から接続するようにしてもよい。

これに対して、熱源水流出部１２は流水槽１０の外周部の所定高さ位置に越流（オーバーフロー）口として形成されている。

熱源水流入部１１と熱源水流出部１２との間には、仕切板１４によって螺旋状の流水路１５が形成されている。第１実施形態において、仕切板１４は約２巻き分として螺旋状に巻回され、これにより、流水路１５には内周側流水路１５ａと外周側流水路１５ｂのほぼ２周分が含まれるが、流水路１５を何周分とするかは任意に決められてよい。

仕切板１４は樹脂製、金属製のいずれであってもよいが、耐腐食性の面からすれば樹脂製が好ましい。なお、図１（ｂ）に示すように、仕切板１４は熱源水流出部（越流口）１２で規定される水面（溢水面）よりも上方に突出する高さを有している。

流水路１５に沿って熱交換器２０が配置される。本発明において、熱交換器２０にはシート状熱交換器２１が用いられる。なお、図１（ａ）において、作図の都合上、シート状熱交換器２１は点線で示されている。

図４を参照して、シート状熱交換器２１は、熱媒体流入（ＩＮ）側の第１端管２１１と熱媒体流出（ＯＵＴ）側の第２端管２１２との間に、可撓性を有する複数本の細いパイプ２１３を並列的に接続してなる熱交換器であり、その全体が樹脂製である。

好ましくは、シート状熱交換器２１の中央部分に多列のパイプ２１３をシート状に束ねておくための梁部２１４が設けられる。このシート状熱交換器２１は面状熱交換器、カーペット状熱交換器等とも呼ばれるが、この種のシート状熱交換器の一例としては、クリモトポリマー社製の商品名「Ｇ－カーペット」が好適である。

シート状熱交換器２０ａの多くはポリエチレン製であるが、高密度ポリエチレン製であることが好ましい。ポリエチレン製の場合、耐熱温度が約６０℃であるが、高密度ポリエチレン製とすることにより、耐熱温度を約８０℃にまで引き上げることができる。

なお、説明の便宜上、第１端管２１１を熱媒体流入（ＩＮ）側、第２端管２１２を熱媒体流出（ＯＵＴ）側としているが、シート状熱交換器２１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２１１側を熱媒体流出（ＯＵＴ）側、第２端管２１２を熱媒体流入（ＩＮ）側としてもよい。

シート状熱交換器２１には、図示しない利用側機器の熱媒体が流されるが、本発明においては、シート状熱交換器２１の熱媒体の流れ方向は、流水路１５内の熱源水の流れ方向とは逆方向とする。

第１実施形態によると、熱源水流入部１１は流水槽１０の底部側の中央部分に設けられ、熱源水流出部１２が流水槽１０の外周側に設けられ、図１（ａ）において、仕切板１４が反時計方向の左螺旋であることから、流水路１５には、図１（ａ）に黒塗り矢印で示すように、熱源水が反時計方向回りに流れる。

そこで、シート状熱交換器２１を流水路１５内に配置するにあたって、熱媒体流入（ＩＮ）側の第１端管２１１を外周側流水路１５ｂの越流口１２付近に配置し、熱媒体流出（ＯＵＴ）側の第２端管２１２を内周側流水路１５ａの流水入口付近に配置する。

これにより、シート状熱交換器２１には、図１（ａ）の白抜き矢印で示すように、利用側機器の熱媒体が熱源水の流れ方向とは逆方向の時計方向回りに流れるため、熱交換効率が高められる。

次に、図２（ａ）（ｂ）により第２実施形態について説明する。第２実施形態においても、上記第１実施形態と同じく、流水槽１０内に仕切板１４により螺旋状の流水路１５が形成され、また、熱交換器２０としてシート状熱交換器２１が用いられるが、熱源水流入部１１と熱源水流出部１２の配置が上記第１実施形態と異なっている。なお、図２（ａ）においても、作図の都合上、シート状熱交換器２１は点線で示されている。

すなわち、第２実施形態によると、流水槽１０の外周側に熱源水流入部１１が設けられ、流水槽１０の中央部分に熱源水流出部１２が設けられる。熱源水流入部１１は流水槽１０の外周の好ましくは流水槽１０の底部側寄りの位置に設けられるとよい。熱源水流入部１１には、熱源水供給管１３が接続される。熱源水流出部１２には、端部に上向きの越流口１２１を有するオーバーフロー管１２２が用いられる。

これによれば、熱源水供給管１３から供給される熱源水は熱源水流入部１１から流水槽１０内に入り、仕切板１４により形成された外周側流水路１５ｂから内周側流水路１０ａを経て流水槽１０の中央部分へと流れる。

流水槽１０内の水位が上昇し、越流口１２１を超えると、余剰の熱源水がオーバーフロー管１２２より槽外に排出される。この第２実施形態において、流水槽１０内における熱源水の流れ方向は、図２（ａ）の黒塗り矢印で示すように時計方向回りである。

そこで、シート状熱交換器２１を流水路１５内に配置するにあたって、熱媒体流入（ＩＮ）側の第１端管２１１を内周側流水路１５ａの流水出口側付近に配置し、熱媒体流出（ＯＵＴ）側の第２端管２１２を外周側流水路１５ｂの流水入口側付近に配置する。

これにより、シート状熱交換器２１には、図２（ａ）の白抜き矢印で示すように、利用側機器の熱媒体が熱源水の流れ方向とは逆方向の反時計方向回りに流れるため、熱交換効率が高められる。

次に、図３（ａ）（ｂ）により第３実施形態について説明する。第３実施形態では、上記第１実施形態の態様のもとで、用いるシート状熱交換器２１を３枚としている。すなわち、仕切板１４により形成される螺旋状の流水路１５（内周側流水路１５ａ，外周側流水路１５ｂ）内に３枚のシート状熱交換器２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃを配置する。図３（ａ）においても、作図の都合上、シート状熱交換器２１は点線で示されている。

第３実施形態において、流水路１５（内周側流水路１５ａ，外周側流水路１５ｂ）内における熱源水の流れ方向は、上記第１実施形態と同じく反時計方向であるから、各シート状熱交換器２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの熱媒体流入（ＩＮ）側の第１端管２１１を外周側流水路１５ｂの越流口１２付近に配置し、熱媒体流出（ＯＵＴ）側の第２端管２１２を内周側流水路１５ａの流水入口付近に配置する。

これにより、各シート状熱交換器２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃには、図３（ａ）の白抜き矢印で示すように、利用側機器の熱媒体が熱源水の流れ方向とは逆方向の時計方向回りに流れるため、熱交換効率が高められる。

別の例として、シート状熱交換器２１を２枚もしくは４枚以上としてもよいが、いずれにしても熱交換効率を高くするうえで、各シート状熱交換器２１に流れる熱媒体の流れ方向は流水路内を流れる熱源水の流れ方向とは逆方向にする。

以上説明したように、本発明によれば、流水槽の熱源水流入部と熱源水流出部との間に仕切板によって螺旋状の流水路を形成するとともに、シート状熱交換器をその流水路に沿って螺旋状に配置し、シート状熱交換器には流水路内の熱源水流水方向とは逆方向に熱媒体が流されるようにしたことにより、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。

１ 熱交換装置
１０ 流水槽
１１ 熱源水流入部
１２ 熱源水流出部
１２１ 越流口
１２２ オーバーフロー管
１３ 熱源水供給管
１４ 仕切板
１５ 流水路
１５ａ 内周側流水路
１５ｂ 外周側流水路
２０ 熱交換器
２１ シート状熱交換器
２１１ 第１端管（ＩＮ側）
２１２ 第２端管（ＯＵＴ側）

Claims (3)

1. 熱源水流入部と熱源水流出部とを有し上記熱源水流入部から上記熱源水流出部に向けて熱源水が流される流水槽と、利用側機器の熱媒体が流され上記流水槽内で上記熱源水に浸漬されて上記熱源水との間で熱交換が行われる熱交換器とを含み、上記熱交換器として、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樹脂製のシート状熱交換器が用いられるとともに、上記流水槽の上記熱源水流入部と上記熱源水流出部との間に仕切板によって螺旋状の流水路が形成されており、上記シート状熱交換器が上記流水路に沿って螺旋状に配置され、上記シート状熱交換器には上記流水路内の熱源水流水方向とは逆方向に上記熱媒体が流される熱交換装置において、
   上記流水槽の外周側でかつ上記流水槽の底部側に上記熱源水流入部が設けられるとともに、上記熱源水流出部として端部に上向きの越流口を有し同越流口が上記流水槽の中央部分で上記仕切板の上端よりも低い位置に配置されるオーバーフロー管が用いられ、上記熱源水が上記流水槽の外周側の底部側から上記流水槽の中央部分に向けて流され、上記シート状熱交換器は、上記第１端管が上記流水槽の中央部側に配置され、上記第２端管が上記流水槽の外周側に配置されるようにして上記流水路内に配置されることを特徴とする熱交換装置。
2. 上記流水路内に複数枚の上記シート状熱交換器が配置され、上記各シート状熱交換器には上記熱媒体が同じ方向に流されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
3. 上記シート状熱交換器が高密度ポリエレン製であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換装置。

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