JP7305144B1 - 伝熱部材、及び輻射パネル - Google Patents

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Abstract

【課題】効率的な輻射により外部との熱交換を促進し、利用者に対する快適性を高めることができる伝熱部材、及び輻射パネルを提供する。【解決手段】本発明に係る輻射パネル1は、左右一対の支柱3、3間に熱媒体流通管5を有するパネル本体2を備えている。パネル本体2は、鉛直方向に延在する長尺状の複数の伝熱部材4が支柱3、3間に並設されている。伝熱部材4は長尺状の本体部40を有し、本体部40の両側には開口部42が長手方向に沿って連続的に形成され、肉抜き部41と外部空間とはこの開口部42を通じて連通状態となっているため、肉抜き部41内で熱が滞留することなく、外部との間で積極的に熱交換を促進することが可能となるため、熱交換性能を向上させることが可能となる。

Description

本発明は、伝熱部材、及び輻射パネルに関する。詳しくは、効率的な輻射により外部との熱交換を促進し、利用者に対する快適性を高めることができる伝熱部材、及び輻射パネルに関するものである。
近年、省エネルギー性と快適性のニーズに対して、冷風や温風を直接室内に吹き出すことなく熱エネルギーの熱輻射により室内の空調を行う輻射式空調装置が注目されている。この輻射式空調装置は、熱媒体流通管を設けた伝熱部材が並設された輻射パネルを床面から天井面に向けて設置し、その熱媒体流通管に温水や冷水などの熱媒体を循環させることで、輻射パネルにより室内への熱輻射や室内空気との熱交換を行って、室内の冷暖房を行うように構成されている(例えば、特許文献1参照。)。
特許文献1に開示された伝熱部材の断面構造を図6に示す。伝熱部材101は押出成形した断面略楕円状に形成されており、略中心には熱媒体流通管が挿通する挿通孔102が形成されるとともに、伝熱部材101の表面は接触面積を広げるために、ローレット加工により複数のフィン部103が形成されている。フィン部103は伝熱部材101の長手方向、つまり輻射パネルを立設した状態で鉛直方向に延在しており、冷房時に伝熱部材101に付着する結露水を下方へ案内する機能も有している。
以上のような従来の構成において、室内の暖房を行う場合には、高温の熱媒体が熱媒体流通管に供給されることにより、熱媒体の高温熱が熱伝導により伝熱部材101の表面から輻射熱、及び対流熱として低温となっている室内側に移動し、徐々に室内全体の温度を温めることができる。
一方、室内の冷房を行う場合には、暖房を行う場合とは逆の原理となり、低温の熱媒体が熱媒体流通管に供給されることにより周囲の空気が冷却され、輻射による熱移動により、温かい室内側の空気が輻射熱として伝熱部材に接触し、伝熱部材周辺で対流が起こることで徐々に室内全体の温度を下げることができる。
特開2015-025650号公報
しかしながら、前記した特許文献1に開示された従来の輻射パネルの場合、伝熱部材と熱媒体流通管との間に形成された肉抜き部は閉塞領域となっているため、熱媒体流通管から放出される放射熱は外部に放出されずに閉塞領域内に滞留する。その結果、外部との熱交換が促進されず、輻射効率が低下する要因となっていた。
本発明は、以上の点を鑑みて創案されたものであり、効率的な輻射により外部との熱交換を促進し、利用者に対する快適性を高めることができる伝熱部材、及び輻射パネルを提供することを目的とするものである。
前記の目的を達成するために、本発明の伝熱部材は、長尺状の本体部を有し、該本体部の内部には、肉抜き部、及び熱媒体流通管が貫設される挿通孔が長手方向に沿って形成され、前記本体部は、前記肉抜き部と外部とが連通する開口部が形成されている。
ここで、伝熱部材が長尺状の本体部を有し、本体部の内部には、肉抜き部、及び熱媒体流通管が貫設される挿通孔が長手方向に沿って形成されていることにより、挿通孔に貫設された熱媒体流通管に熱媒体となる冷水、または温水を通水することで、肉抜き部周辺の空気を加熱(または冷却)することができる。
また、本体部には、肉抜き部と外部とが連通する開口部が形成されていることにより、暖房時には、肉抜き部内の加熱された空気を、開口部を通じて外部に向けて直接放出することができる。また、冷房時には外部の高温の空気を、開口部を通じて肉抜き部に直接導入して冷却することができる。これにより、冷暖房時の熱交換率を高め、短時間で室内空間を快適な温度に保つことができる。
さらに、暖房時には熱媒体流通管の外郭部(中心部)から伝熱部材の表面への輻射熱移動を利用して伝熱部材の表面を温め、冷房時には伝熱部材の表面から熱媒体流通管の中心部への輻射熱移動を利用して伝熱部材の表面を冷やすことができるため、熱交換効率を向上させることができる。
また、開口部は、本体部の長手方向に沿って連続的に形成されている場合には、熱交換率をさらに高めることができる。
また、挿通孔の軸方向で相互に略相似形状である第1の本体部と第2の本体部とから構成され、第1の本体部は第1の開口部を通じて外部と連通する第1の肉抜き部が形成され、第2の本体部は第2の開口部を通じて外部と連通する第2の肉抜き部が形成されている場合には、熱媒体流通管が貫設される挿通孔を中心として、一方側である第1の本体部と他方側である第2の本体部がそれぞれ外部と連通するため、肉抜き部と外部との熱交換効率を高めることができる。
第1の本体部と第2の本体部とは相互に分離可能な半割体から構成されている場合には、第1の本体部と第2の本体部の半割体を接合することで伝熱部材を簡単に組み立て可能となるため、製造コストを抑制することができる。
また、本体部は、アルミ材による押出成型により一体成型されている場合には、成型のためのコストを抑制することができる。さらに、アルミ材は熱伝導率が高いため、熱媒体流通管から外部に向けて、或いは外部から熱媒体流通管に向けて効率的に伝熱することができる。
また、本体部の表面の全体がアルマイト加工により酸化被膜が生成されることにより、輻射熱の移動が促進され、熱交換率をさらに高めることができる。
また、本体部の表面は、ローレット加工により長手方向に沿って突き出たフィン部が、幅方向に沿って所定の間隔で波状に形成されている場合には、接触面積を増加させることができるため、熱媒体流通管とフィン部との間の伝熱を向上させることができる。
前記の目的を達成するために、本発明の輻射パネルは、設置面に対して鉛直方向に立設する左右一対の支柱と、長尺状の本体部の内部に、肉抜き部、及び熱媒体流通管が貫設される挿通孔が長手方向に沿って形成されるとともに、前記肉抜き部と外部とが連通する開口部が形成された伝熱部材を有し、該伝熱部材が前記一対の支柱間に所定の方向に沿って並設されたパネル本体とを備える。
ここで、輻射パネルが、設置面に対して鉛直方向に立設する左右一対の支柱を備えることにより、後記する伝熱部材を一対の支柱で支持し、輻射パネルとして室内に設置することができる。
また、輻射パネルは、長尺状の本体部の内部に、肉抜き部、及び熱媒体流通管が貫設される挿通孔が長手方向に沿って形成されるとともに、肉抜き部と外部とが連通する開口部が形成された伝熱部材からなるパネル本体を備えることにより、挿通孔に貫設された熱媒体流通管に熱媒体となる冷水、または温水を通水することで、肉抜き部周辺の空気を加熱(または冷却)することができる。
また、パネル本体は、伝熱部材が一対の支柱間に所定の方向に沿って並設された構成であるため、パネル本体の前面、及び背面は室内空間に露出した構成であるとともに、複数の伝熱部材を設置することで熱効率を高めることができる。
また、伝熱部材に形成された開口部は、本体部の一方側、及び一方側の反対側である他方側にそれぞれ形成され、伝熱部材の並設方向に対して所定の角度で交わる方向に向けて開放されている場合には、暖房時には熱媒体流通管からの放射熱を輻射パネルの外方に積極的に放出することができる。また、冷房時には、室内の空気を開口部伝熱部材の本体部内へと積極的に導入することができる。従って、暖房時、及び冷房時の熱効率を高め、短時間で室内の温度調整を行うことができる。
本発明の伝熱部材、及び輻射パネルによれば、効率的な輻射により外部との熱交換を促進し、利用者に対する快適性を高めることができる。
本発明の実施形態に係る輻射パネルの全体構成を示す正面図である。 本発明の実施形態に係るパネル本体の斜め上方からの拡大図である。 本発明の実施形態に係る伝熱部材の平面図である。 伝熱部材周囲の熱の移動メカニズムを示す図であり、(a)は暖房時、(b)は冷房時の状態を示す。 実施例と比較例の暖房能力、及び冷房能力の実験結果を示す図である。 従来技術に係る伝熱部材の平面図である。
以下、伝熱部材、及び輻射パネルに関する本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明し、本発明の理解に供する。
まず、本発明の実施形態に係る輻射パネル1の全体構成について図1、及び図2に基づいて説明する。は、輻射パネル1は、図1に示すように、一対の支柱3、3、及び支柱3、3間に並設された複数の伝熱部材4が並設されたパネル本体2から主に構成されている。
支柱3、3は、パネル本体2の幅方向の左右両端に設けられ、各支柱3、3は設置面Gから鉛直上方に向けて立設している。なお、支柱3、3の強度を確保するために、支柱3、3の上端、及び下端のそれぞれに図示しない横架材を架設して、全体として方形状の枠体を構成してもよい。
支柱3、3の上端側には上部空間S1が形成され、この上部空間S1には、各伝熱部材4に設置された熱媒体流通管5に熱媒体を供給するための冷媒配管6が収容されている。この上部空間S1の前面側、及び背面側は、上部カバー7で覆われ、外部から冷媒配管6が目視できないようになっている。上部カバー7は支柱3、3の上部において、それぞれ着脱自在に取り付けられている。
なお、熱媒体流通管5内を流通する熱媒体としては、例えば温水、蒸気、冷水、或いは代替フロンであるハイドロクロロフルオロカーボン(HCFC)類やハイドロフルオロカーボン(HFC)等であるが、これに限定されるものではなく、その他公知の熱媒体を採用してもよい。
支柱3、3の下端側には下部空間S2が形成され、伝熱部材4で発生する結露水が滴下されるドレインパン8が設けられている。ドレインパン8に滴下された結露水は、ドレインポンプやドレインホースに送られて外部に排出される。この下部空間S2の前面側、及び背面側は、下部カバー9で覆われ、外部からドレインパン8が目視できない状態となっている。下部カバー9は支柱3、3の下部において、それぞれ着脱自在に取り付けられている。
パネル本体2は、鉛直方向に延在する長尺状の複数の伝熱部材4が支柱3、3間に並設されている。伝熱部材4はアルミ材の押し出し成型により製造されるとともに、表面部の全体がアルマイト加工され、上端、及び下端がパネル本体2の横架材に対してビス等の周知の固定手段により固定されている。
ここで、必ずしも、伝熱部材4はアルミ材により製造されている必要はなく、熱伝導率の高い材料であれば、アルミ材以外にも、銀、銅、金、ニッケル、白金等を材料として製造することもできる。
また、必ずしも、伝熱部材4の表面はアルマイト加工されている必要はない。但し、伝熱部材4の表面全体をアルマイト加工することにより、輻射熱として伝熱部材4の中心部から外部に向けて直接的に輻射熱移動が促進され、さらに外部空気との対流熱による交換により、熱交換性能を向上させることができる。
伝熱部材4の詳細な構造について、図3に基づいて説明する。伝熱部材4は長尺状の本体部40を有し、本体部40は前面部48と背面部49有し、内部に肉抜き部41が長手方向に沿って形成されるとともに、平面視で略中心位置には熱媒体流通管5が貫設される円形の挿通孔43が形成されている。
ここで、必ずしも、挿通孔43は本体部40の平面視で略中心位置に形成されている必要はない。但し、挿通孔43が本体部40の平面視で略中心位置に形成されていることにより、熱媒体流通管5に供給される熱媒体から本体部40の全体へと効率的に熱伝導されるため、輻射パネル1による輻射効果を高めることができる。
本体部40は、挿通孔43の軸方向で略相似形状である第1の本体部40aと第2の本体部40bとから構成され、第1の本体部40aと第2の本体部40bとは相互に分離可能な半割体から構成されている。具体的には、第1の本体部40aと第2の本体部40bとは、凹部44と突出片部45がそれぞれ形成され、これら凹部44と突出片部45を互いに嵌め合わせることで一体化させることができる。
ここで、必ずしも、本体部40は、相互に分離可能な半割体である第1の本体部40aと第2の本体部40bから構成されている必要はなく、一体的に成型してもよい。但し、本体部40が、第1の本体部40aと第2の本体部40bとに分離可能に構成されていることにより、熱媒体流通管5に対して互いの方向から第1の本体部40aと第2の本体部40bを嵌め合わせるだけでパネル本体2を組み立てることができるため、製造工程の簡略化という観点では、本体部40は第1の本体部40aと第2の本体部40bの半割体から構成されていることが好ましい。
本体部40の表面には、例えばローレット加工により長手方向に沿って突き出たフィン部46を有し、フィン部46は本体部40の幅方向に沿って所定の間隔で形成され、全体として波状の凹凸面が形成されている。
ここで、必ずしも、本体部40の表面はローレット加工による凹凸面が形成されている必要はない。但し、本体部40の表面に凹凸面を形成することで、熱媒体流通管5と本体部40との接触面積を増加させることができ、接触熱抵抗を低減して熱媒体流通管5と本体部40との間の伝熱を向上させることができるため、熱交換性能を向上させることができる。
本体部40の四隅には、伝熱部材4をパネル本体2に固定するためのビスが挿通可能な略半円状の固定溝47が形成されている。伝熱部材4のパネル本体2への固定は、パネル本体2の横架材から固定溝にかけてビスを貫通させることで、伝熱部材4をパネル本体2に強固に固定することができる。
ここで、必ずしも、固定溝47は本体部40の四隅に形成されている必要はなく、本体部40の何れの位置に形成されていてもよい。但し、固定溝47が本体部40の四隅に形成されていることにより、伝熱部材4をパネル本体2に対して安定して取り付けることができるとともに、取付強度を高めることができる。
本体部40の両側には開口部42が長手方向に沿って連続的に形成され、肉抜き部41と外部空間とはこの開口部42を通じて連通状態となっている。前記した図6に示す従来の伝熱部材101では、本体部の両側は閉塞され、肉抜き部は閉塞空間が形成されていた。そのため、熱媒体流通管102から放出される放射熱は外部に放出されずに閉塞領域内で対流してしまい、外部との熱交換が促進されず、輻射効率が低下する要因となっていた。
一方、本発明の実施形態に係る伝熱部材4においては、肉抜き部41と外部空間とは開口部42を通じて連通状態となっているため、肉抜き部41内で熱が滞留することなく、外部との間で積極的に熱交換を促進することが可能となるため、熱交換性能を向上させることが可能となる。
図4は、本発明の実施形態に係る伝熱部材4のメカニズムを説明する図であり、図4(a)は暖房時、図4(b)は冷房時の熱交換の状態を示す説明図である。まず暖房時には、図示しない冷凍サイクルで作られた温熱の熱媒体が冷媒配管6を通じて、各伝熱部材4に設置された熱媒体流通管5に送られる。一方、冷房時には、図示しない冷凍サイクルで作られた冷熱の熱媒体は、図示しない室外熱交換器で凝縮され、凝縮された熱媒体は冷媒配管6を通じて熱媒体流通管5の内部に送られる。
以上の構成において、挿通孔43の表面から肉抜き部41内に放熱された放射熱は、肉抜き部41内のフィン部46に輻射熱として伝熱し、フィン部46自体を温めたり、或いは冷やしたりすることで、フィン部46の表面からの輻射熱による放熱、或いは吸熱により熱交換に寄与することができる。さらに、この作用効果により、フィン部46自体が温まったり冷えたりすることで、外部空気が対流熱となって本体部40の前面部48、及び背面部49の表面に接触を繰り返し、顕熱や潜熱を放熱、又は吸熱を繰り返して対流熱の交換を促進することができる。
さらに、第1の本体部40a、及び第2の本体部40bは、それぞれ一方側が解放されており、挿通孔43の表面と肉抜き部41の内面とで囲まれた略コの字型状を形成しているため、肉抜き部41内の空気を、暖房時には温めやすく、また冷房時に冷えやすくすることができる。これにより、肉抜き部41の内部と外部空気との温度差が大きくすることができるため、暖房時の温度上昇、或いは冷房時の温度下降を促進し熱交換が促進される。
また、例えば暖房時には、伝熱部材4の表面全体から輻射熱が外部空間へと放熱される。このとき、熱媒体の近傍にある挿通孔43の表面の輻射熱は、開口部42の外方に向かい、外部空間との間で熱交換が促進される。このように、本体部40は、伝熱部材4の熱伝導にあわせて輻射熱の移動による外部空間との熱交換の作用効果を付与することができる形状としたことで、熱媒体と外部空間との熱交換を飛躍的に向上させることが可能となる。
熱交換された空気は対流熱となって伝熱部材4に接触を繰り返すことで、さらに熱交換が促進される。このとき、前記した通り、本体部40の表面には複数のフィン部46が形成されていることにより、放射熱、或いは対流熱との接触面積を増やすことができる。以上のメカニズムにより、熱媒体の熱エネルギーを対流により熱交換する対流式の熱交換に加えて、輻射熱移動を利用し熱媒体との熱交換を促進することで、高い熱交換性能を実現することができる。
以上のように、本発明の実施形態に係る伝熱部材4は、開口部42が形成されていることにより、暖房時、及び冷房時の何れの場合でも放射熱による熱交換を促進することができるため、従来の伝熱部材に比べて熱交換効率がより一層高まる。
ここで、必ずしも、開口部42は伝熱部材4のそれぞれの側方に形成されている必要はなく、何れか一方側に形成されていてもよい。但し、この場合、開口部42が形成された一方側の開口部42からのみ放射熱が流出入することになるため、開口部42が両側方に形成される場合に比べて熱交換率は劣るものとなる。
また、必ずしも、開口部42は伝熱部材4の側方であって、長手方向に沿って連続的に形成されている必要はない。例えば、伝熱部材の側方であって、長手方向に沿って断続的に開口部42が形成されるようにしてもよい。但し、開口部42が断続的に形成されている場合には、肉抜き部41と外部空間との放射熱の流出入が制限されるため、開口部42が連続的に形成されている場合に比べて熱交換率は劣るものとなる。
また、必ずしも、開口部42は伝熱部材の側方に形成されている必要はなく、例えば放射熱の肉抜き部41への流出入が阻害されない範囲において、本体部40の何れかの位置に複数の貫通孔を形成するようにしてもよい。
なお、本発明の実施形態では、伝熱部材4は、開口部42がパネル本体2の幅方向と直交する向き(開口部42が外部空間を向く方向)に設置されているため、対流熱による熱交換は制限される一方で、肉抜き部41と外部空間との放射熱による熱交換を積極的に行うことができる。
これに対して、例えば、開口部42がパネル本体2の幅方向と平行となる向きに伝熱部材4を設置すると、対流熱による熱交換が促進される一方で、放射熱による熱交換が制限される。そのため、伝熱部材4の設置方向は、輻射パネル1を設置する設置空間の状況に応じて適宜変更することができる。
次に、本発明の実施形態に係る輻射パネルを実施例、図6に示す従来技術に係る伝熱部材を用いた輻射パネルを比較例として、それぞれ暖房性能と冷房性能とを比較した実験結果について説明する。
なお、本実験はJIS A1400:2007(暖房用自然対流・放射形放熱器―性能試験方法)の附属書Aに基づいて実施した。熱媒体の温度条件としては、冷房試験においては7℃の冷水を使用し、暖房試験においては50℃の温水を使用した。また、熱媒体が流れる冷媒配管の流路の内径は12mm、熱媒体流通管の流路の内径は35mmのものを使用し、実施例、及び比較例ともに熱媒体の流量として5L/min、6L/min、7.5L/min、8.5L/min、10L/minのそれぞれについて冷房能力Q(W)、及び暖房能力Q(W)を測定した。
ここで、Q(W)は、温度差Tによる吸・放熱の仕事率(吸・放熱仕事率)によって求めた。なお、水の密度ρは7℃で1.00×106(g/m)、50℃で9.90×105(g/m)、定圧比熱容量αの値は7℃で4.20(J(K・g))、50℃で4.18(J(K・g))をそれぞれ使用し、Q(W)はパネル入口・出口の温度差ΔT(℃)と1分あたりの熱媒体の流量L(l/min)から、以下に定める計算式を用いて算出した。
Q(W)=ρLαΔT/(1000×60)
図5は、実施例と比較例の輻射パネルについて、暖房性能と冷房性能とを比較した実験結果を示す図である。図5に示す通り、まず冷房能力については、実施例、及び比較例ともに熱媒体の流量の増加とともに冷房能力が増加し、さらに実施例は比較例に対して熱媒体の流量が5~7.5L/minの範囲では約20%程度向上し、熱媒体の流量が8.5~10L/minの範囲では約25%程度向上することが読み取れる。
また、暖房性能については、冷房性能と同じく実施例、及び比較例ともに熱媒体の流量の増加とともに暖房能力が増加する。そして、暖房能力については、冷房能力に比べて実施例と比較例との差がさらに顕著となり、熱媒体の流量が5~7.5L/minの範囲では約30%程度向上し、熱媒体の流量が8.5~10L/minの範囲では約35%程度向上することが読み取れる。
以上のように、実施例は比較例に比べると、暖房能力、及び冷房能力の何れにおいても能力の向上が認められ、本発明の実施形態に係る伝熱部材4が従来構造に対して顕著な効果を奏することが確認することができる。
以上のように、本発明に係る伝熱部材、及び輻射パネルは効率的な輻射により外部との熱交換を促進し、利用者に対する快適性を高めることができるものとなっている。
1 輻射パネル
2 パネル本体
3 支柱
4 伝熱部材
40 本体部
40a 第1の本体部
40b 第2の本体部
41 肉抜き部
42 開口部
43 挿通孔
44 凹部
45 突出片部
46 フィン部
47 固定溝
48 前面部
49 背面部
5 熱媒体流通管
6 冷媒配管
7 上部カバー
8 ドレインパン
9 下部カバー

Claims (8)

  1. 輻射パネルのパネル本体を構成する伝熱部材において、
    該伝熱部材は、
    長尺状の本体部を有し、該本体部の内部には、肉抜き部、及び熱媒体流通管が貫設される挿通孔が長手方向に沿って形成され、
    前記本体部は、前記肉抜き部と外部とが連通する開口部が形成されるとともに、前記本体部の四隅には、前記本体部を前記パネル本体に固定するための固定具が挿入される固定溝が形成された
    伝熱部材。
  2. 前記開口部は、
    前記本体部の長手方向に沿って連続的に形成された
    請求項1に記載の伝熱部材。
  3. 前記本体部は、前記挿通孔の軸方向で相互に略相似形状である第1の本体部と第2の本体部とから構成され、
    前記第1の本体部は第1の開口部を通じて外部と連通する第1の肉抜き部が形成され、前記第2の本体部は第2の開口部を通じて外部と連通する第2の肉抜き部が形成された
    請求項1または請求項2に記載の伝熱部材。
  4. 前記第1の本体部と前記第2の本体部とは相互に分離可能な半割体から構成された
    請求項3に記載の伝熱部材。
  5. 前記本体部は、アルミ材による押出成型により一体成型されるとともに、表面がアルマイト加工された
    請求項1または請求項2に記載の伝熱部材。
  6. 前記本体部の表面は、ローレット加工により長手方向に沿って突き出たフィン部が、幅方向に沿って所定の間隔で波状に形成された
    請求項1または請求項2に記載の伝熱部材。
  7. 設置面に対して鉛直方向に立設する左右一対の支柱と、該支柱間の所定の方向に沿って伝熱部材が並設されたパネル本体を有する輻射パネルにおいて、
    前記伝熱部材は、
    長尺状の本体部を有し、該本体部の内部には、肉抜き部、及び熱媒体流通管が貫設される挿通孔が長手方向に沿って形成され、
    前記本体部は、前記肉抜き部と外部とが連通する開口部が形成されるとともに、前記本体部の四隅には、前記本体部を前記パネル本体に固定するための固定具が挿入される固定溝が形成された
    輻射パネル。
  8. 前記開口部は、前記本体部の一方側、及び一方側の反対側である他方側にそれぞれ形成され、前記伝熱部材の並設方向に対して所定の角度で交わる方向に向けて開放された
    請求項7に記載の輻射パネル。
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