JPH05240589A - 汚れた温排水と清水との熱交換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ヒートパイプの原理を使用した温排水から清
水へ熱を伝達する熱交換装置であって、温排水の貯留槽
を設けなくとも効率よく、衛生上安全に熱交換できる装
置を提供する。 【構成】 管の外周に多孔性のウイックが設けられてお
り、前記多孔性のウイックは管の外周下部側の方が比較
的厚く設けられている温排水管３と、前記温排水管３の
上方に配置した清水管４とを外筒１の中に取り付け、ヒ
ートパイプの作動液１０を入れて密閉したユニットを複
数本直列に接続してある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はヒートパイプの原理を使
用して高温排水と低温清水との間で衛生上安全に熱交換
を行わせる熱交換装置に関するものであり、比較的きれ
いな高温排水と清水との間の熱交換だけでなく、とくに
夾雑物などを含む各種の汚れた工場排水や各種の汚れた
排水と清水との間で熱交換する場合に有効な熱交換装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】各種の汚物、あるいは繊維など各種の夾
雑物を含む温排水は、住宅、ホテル、レストラン、公衆
浴場、温泉、洗濯工場、紙・パルプ工場など各種の建物
や各種の工場から排出されている。しかし、これまで、
これらの非常に汚れた温排水から熱を有効に回収するこ
とは困難であった。

【０００３】これまで一般に使われている熱交換器を汚
れた温排水からの熱回収に使用すると、熱交換器内の排
水の管や排水の通路などが夾雑物によって閉塞したり、
前記の管や排水の通路にスケールが付着して効率が低下
したり、さらに温排水が清水中に洩れるなどの問題が発
生する。このため、従来の熱交換器を、汚れた温排水と
清水との熱交換に使用することはできなかった。

【０００４】しかしヒートパイプの原理を使用すると、
汚れた温排水から清水への熱伝達を効果的に行うことが
でき、かつ、温排水と清水とが完全に遮断されて接触し
ない、衛生上安全な熱交換装置を作ることができる。

【０００５】ヒートパイプは沸点の低い各種の作動液の
働きにより、熱を放出する作動液の蒸発部から熱を吸収
する作動液の凝縮部に熱が連続的に伝達される閉鎖系の
熱伝達システムである。熱を吸収する凝縮部で熱を伝達
して液化した作動液は、重力または毛細管作用により、
熱を放出する蒸発部に戻る。

【０００６】スウェーデン特許第７６１３９６２−５号
および第７９１０４７２−５号には、温排水から熱を回
収するためにヒートパイプの原理を使用した熱交換装置
が示されている。これら発明の熱交換装置は、温排水の
貯留槽とその上方に清水の貯留槽を設け、下部の温排水
の貯留槽と上部の清水の貯留槽との間にヒートパイプを
設置し、温排水から清水へ熱を伝達する温排水と清水と
の熱交換装置である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】スウェーデン特許第７
９１０４７２−５号に記載されている熱交換装置は、一
戸建住宅では効果的に働くことが実証された。しかし、
トイレの汚水をこの熱交換装置に流入させることはでき
ないので、トイレの汚水管を他の排水管と別に設置しな
ければならない。このため、設備費が増大する。また温
排水の貯留槽を設置するため、この槽に汚物が溜まり、
また臭気が発生する。このため本貯留槽は、絶えず清掃
しなければならない。

【０００８】本願発明はヒートパイプの原理を使用した
汚れた温排水から清水へ熱を伝達する熱交換装置であっ
て、温排水の貯留槽を設けなくても効率よく、衛生上安
全に熱交換できる装置を提供することを目的としてい
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、温排水の貯留
槽を設けず、温排水管を、直接、熱を放出するヒートパ
イプの作動液の蒸発部とし、また前記温排水管の上方に
取り付けられた清水管を、直接、熱を吸収するヒートパ
イプの作動液の凝縮部として、簡単な装置で効果の高い
温排水の熱回収装置を提供する。そこで本願発明は、次
のような種々の改善を行ったものである。

【００１０】即ち第１に、地中に埋設するなど排水管の
一部としても使用することができる温排水管とその上方
に取り付けた清水管を設け、これらの管をヒートパイプ
の作動液とその蒸気を含む外筒に気密に封入して、温排
水の貯留槽を不用にしたものである。

【００１１】長期間使用した数多くの排水管を調査した
結果、排水が流れる管の底部には汚物の付着や堆積が殆
どなく、比較的きれいに保たれていることが分った。ま
た通常排水が流れるのは、排水管の直径の１／３以下の
底の部分である。よって、排水管を熱を放出するヒート
パイプの作動液の蒸発部として使用することができれ
ば、特に排水管の下部を前記蒸発部として効率よく使用
することができれば、温排水の貯留槽が不用になり、保
守が簡単な熱交換装置を作ることができる。

【００１２】前記において熱交換は、効率を高くするた
めに、対向流式で行う。

【００１３】第２に、ヒートパイプはほぼ一定の温度範
囲で機能する。しかし温排水の温度は１５〜５０℃程度
の範囲で変化することが多いので、本願発明の熱交換装
置においてはヒートパイプは、このような温度範囲で機
能するようにしなければならない。

【００１４】このため本発明の熱交換装置は、封入した
作動液の沸点が異なるいくつかの外筒のヒートパイプの
ユニット（以下ユニットと称す）を直列に接続して構成
されている。したがって熱交換は、各ユニットごとにい
くつかの温度範囲の部分に分けて行われる。

【００１５】第３に、温排水の温度は一定ではなく、通
常、変化している。このため高い効率を得るために、温
排水の熱交換装置は、排水の温度変化に即座に対応でき
るようにしなければならない。

【００１６】このため、本発明の熱交換装置は、温排水
管の材質を薄い金属のパイプ（通常ステンレススチー
ル）とし、この温排水管に作動液を浸透させる熱溶射し
た金属、とくにアルミニュームまたは銅で構成される多
孔性のウイックを設けることでヒートパイプの作動液の
量を少なくし、排水の温度変化に即座に対応できるよう
にしている。

【００１７】第４に、排水の温度は急に変化することが
ある。例えば住宅の場合には、浴室、食器洗い器、温水
使用の洗濯機などから温い排水が排出されると温排水が
熱交換装置を通って流れ、そして温排水管の周囲のヒー
トパイプの作動液が蒸発して清水管側に移動し、そこで
凝縮することによって熱は直ちに清水管に伝達される。
所で、温排水が排出された直後に冷たい排水が排出され
て、これが熱交換装置に入ることがある。

【００１８】このように排水の温度が急に変化した場
合、既に清水管側に伝達された熱が失われないようにし
なければならない。

【００１９】所で、ヒートパイプは、熱を一方向にのみ
伝達させることができる。即ちこのような場合、清水管
の周囲には蒸発したヒートパイプの作動液が存在しなく
なるので、清水管側からの熱の損失は、自動的に防止さ
れる。したがって本発明の装置では、排水の温度が急に
変化しても、高温の温排水側から低温の清水側に一旦伝
達された熱が、その後清水側から失われることはない。

【００２０】第５に、小規模な建築物や小規模な工場な
どでは、温排水の排出と加温された清水の使用が同時に
行われないことがある。このため直列に接続したいくつ
かのユニットごとに貯留槽と循環ポンプを設けて加温さ
れた清水を循環させることができるようにした。

【００２１】したがって、加温された清水が使用されな
いときには、該加温された清水はいくつかのユニットご
とに循環し、温排水の温度が高い場合には、循環してい
る加温された清水の温度をさらに上昇させることができ
る。

【００２２】

【作用】本発明は、前記のように、管の外周に熱溶射し
た金属、とくにアルミニュームまたは銅で構成される多
孔性のウイックを設け、この多孔性のウイックは管の外
周下部側の方ではその他の部分より厚く設けられている
温排水管と、その上方に配置した清水管を外筒の中に取
り付け、ヒートパイプの作動液を入れて密閉したユニッ
トを複数本直列に接続し、温排水と清水が対向流で流れ
る温排水と清水との熱交換装置で、温排水から清水への
熱伝達は、作動液の蒸発と凝縮によるヒートパイプの原
理を使用した熱交換装置である。

【００２３】前記本願発明の装置には温排水の貯留槽が
無く、したがって、臭気を発生したり、たびたび槽を清
掃するなどのメンテナンスが不用で、かつ衛生上非常に
清潔である。

【００２４】次に、温排水管と清水管は離れており、そ
してヒートパイプの作動液を媒体として熱伝達を行うの
で、汚れた温排水が清水中に混入する恐れは全くない。
このため、病原菌を含むような、例えば病院などから排
出される温排水からでも、衛生上安全に熱を回収でき
る。

【００２５】また、前述したように、排水が流れる管の
底部は、比較的きれいに保たれている。そして排水が流
れるのは、通常、排水管の直径の１／３以下の底の部分
で、これは、第２図に示すように、排水管の下面約１２
０°の部分に相当する。

【００２６】そこで、本願発明の熱交換装置において
は、温排水管の外周にヒートパイプの作動液を浸透させ
る熱溶射した金属、とくにアルミニュームまたは銅で構
成される多孔性のウイックを設けるわけであるが、この
多孔性のウイックの厚さは、温排水管の外周の下面約１
２０°の範囲の部分に設けられるウイックの厚さの方
が、その他の部分に設けられるウイックの厚さより大き
くなるように構成した方が、温排水管から清水管へ熱を
効率よく伝達できる。

【００２７】通常温排水が温排水管内を流れる部分に相
当する温排水管の外周の下面約１２０°の範囲の部分に
設けられる多孔性のウイックが比較的厚ければ、このウ
イックの中に入り、含まれるヒートパイプの作動液の量
も比較的多くなり、作動液が温排水管を介して温排水の
熱を奪って蒸発する動作がより効率よく行なわれるから
である。

【００２８】なお、前記温排水管の外周の下面約１２０
°の範囲の部分に設けられる多孔性のウイックの厚さ
は、おおむね１〜２mmの範囲であることが好ましい。発
明者の多くの実験によれば、この部分に設けられるウイ
ックの厚さがおおむね１〜２mmの範囲にある時に、温排
水管から清水管への熱伝達が最も効果的に行なわれた。
これよりもウイックが薄いと熱伝達の効率が低下した。
逆にこれよりも厚くなりすぎるとウイック内部の温排水
管外周に近い方に存在している作動液の蒸発が、ウイッ
クの外側近くの作動液の存在によって妨げられ、かえっ
て熱伝達の効率が低下した。そこで製造コスト上の観点
および装置の効率上の観点から、温排水管の外周の下面
約１２０°の範囲の部分に設けられる前記ウイックの厚
さの上限をおおむね２mmとすることが好ましい。

【００２９】温排水管の外周の下面１２０°の範囲以外
の部分は、通常、温排水が流れないので、この部分に厚
いウイックを設ける必要はない。このため前記の範囲以
外の部分には、おおむね厚さ０．１〜０．５mmの薄い多
孔性のウイックを設ける。

【００３０】この比較的薄い多孔性のウイックの存在に
よって、清水管から落下する作動液が温排水管に当って
飛散するのが防止され、そして、温排水管に落下した作
動液がこの薄いウイックを伝わって温排水管の外周表面
を下方に流れ、温排水管の外周下面の比較的厚いウイッ
ク内に入り込んでいくことができる。

【００３１】排水管は、排水を流過させるために、通常
少し傾斜させなければならない。このため外筒内のヒー
トパイプの作動液は常に温排水管の下部に接していると
は限らない。

【００３２】そこで温排水管の外周の下端に多孔性のウ
イックを設けた縦方向の突起物を設け、外筒下部の作動
液が前記突起物のウイックにより毛細管現象で温排水管
の外周下面のウイックまで上昇するようにしている。

【００３３】温排水管は熱を速やかに伝えるため、でき
るだけ薄い金属としたほうが良い。しかし、温排水管内
を高温の排水が流れた場合、急に多量のヒートパイプの
作動液が蒸発して、外筒内の圧力が上昇する。このた
め、温排水管をこの圧力から保護するために、補強リン
グ６を設けている。

【００３４】

【実施例】以下、本発明の実施例について、図面を参照
して説明する。

【００３５】図１と図２に示すように、本熱交換装置の
一つのユニットは、外筒１、境板２、温排水管３、清水
管４で構成されている。前記温排水管３は、通常、薄い
ステンレススチールのパイプで構成されている。

【００３６】温排水管３にはウイックを備えた縦方向の
突起物５が取り付けられており、また外筒１内の圧力に
耐えるようにするために補強リング６を取り付けてい
る。

【００３７】温排水管３の外周の下面約１２０°の部分
には、ヒートパイプの作動液が浸透する厚さおおむね１
〜２mmの多孔性のウイック７が設けられている。また温
排水管３の外部のその他の部分には厚さおおむね０．１
〜０．５mmの薄い多孔性のウイック２６が設けられてい
る。

【００３８】前記ウイック７は熱溶射した金属、とくに
熱溶射したアルミニュームまたは銅で構成することがで
きる。

【００３９】清水管４は、通常、ステンレススチールの
パイプで構成されており、熱の伝達を良くするために、
フィンまたは伝熱面積を大きくする他の類似のものを取
り付けることができる。

【００４０】本熱交換装置は金属で製作し、各部分は気
密に接合されている。

【００４１】熱交換装置内の温度が過度に高くなりそし
て外筒内の圧力が上昇した場合に備えて、外筒１には安
全弁または可溶プラグ９を取り付けている。

【００４２】外筒１には、ヒートパイプの作動液１０が
封入されている。

【００４３】この実施例では一本の温排水管３と２本の
清水管４とによって熱交換装置が構成されているが、温
排水管と清水管の本数はこれらに限定されるものではな
く、任意の本数の組み合わせが可能である。

【００４４】次に、本熱交換装置の作用について説明す
る。

【００４５】温い排水は温排水管３の中を流れる。温排
水管は排水で満管状態になることは殆どなく、通常、温
排水管３の底部を温い排水が流れている。

【００４６】冷たい清水は清水管４を、図１図の矢示の
ように温い排水と逆方向に流れる。

【００４７】温排水管３内の温い排水１１の熱は、温排
水管３の壁を通って多孔性のウイック７に伝わる。この
結果、ウイック７の中に浸透している作動液１０は、温
排水１１の熱を奪って蒸発する。

【００４８】作動液１０の蒸気は、温排水管３の上方に
ある清水管４に移動し、そこで凝縮して液体になり、こ
のとき蒸発するときに得た潜熱を清水管４に供給して清
水を加温する。

【００４９】凝縮して液化した作動液１０は、温排水管
３の上部の薄い多孔性のウイック２６および外筒１の下
部に流れ落ちて、再び多孔性のウイック７の中に浸透す
る。

【００５０】この作動液１０の蒸発即ち温排水からの熱
の放出と、凝縮即ち清水による熱の吸収は、温排水のほ
うが清水より温度が高い限り継続して行われる。

【００５１】一方、温い排水が排水管３を通過した直後
に冷たい排水が排水管３を通過して排水の温度が急激に
変化した場合、先に通過した温い排水の熱によって加温
された清水管４の周囲には蒸発したヒートパイプの作動
液が存在しなくなっているので、清水管４からの熱の損
失は起らない。

【００５２】温排水管３の底部の作動液１０は、その液
面レベルが低い場合、突起物５のウイックによる毛細管
現象により、温排水管３の外周下面のウイック７内に浸
透する。

【００５３】図３は本熱交換装置の２つのユニットの接
続部を示したものである。

【００５４】温排水管３はスリーブ１２で接続され、清
水管４は接続管１３を清水管４の接続部８に取り付けて
接続される。

【００５５】接続管１３が清水管内の水圧で本熱交換装
置から押し離されるのを防ぐために、接続管１３はロッ
ク板１４で本熱交換装置にロックされている。

【００５６】本熱交換装置は、断熱材１５で保温され
る。

【００５７】図４は、本熱交換装置全体の概要を示した
ものである。

【００５８】本願発明の熱交換装置の各ユニット１６、
１６ａ、１６ｂ、１６ｃが直列に接続されており、各ユ
ニット内を通る温排水管１７ａ、１７ｂは、その建物や
工場などの排水の排水管の一部として使用できる。

【００５９】清水は流入口１８から清水管に供給され、
本熱交換装置の各ユニット内で加温されて流出口１９か
ら取り出される。

【００６０】ここで、各ユニット内に封入するヒートパ
イプの作動液１０を、それぞれ沸点の異なるものにして
おけば、通過する温排水の温度が異なっていても、各温
度に応じていずれかのユニットにおいて効率よく熱交換
が行なわれ、熱交換装置全体としては温排水の異なる温
度範囲でも機能することができる。

【００６１】図５は、清水管に循環装置を備えた本熱交
換装置を示す。

【００６２】小規模な建築物や小規模な工場などでは、
温排水の排出と加温された清水の使用が同時に起こらな
いことがある。したがって、このような場合には、清水
を循環させることによって、この問題を解決することが
できる。

【００６３】清水は、幾つかのユニットの熱交換装置ご
とに循環させることが望ましい。

【００６４】図５の実施例では、排水は１７ａから本熱
交換装置のユニット２３ａ、２３ｂ、２３ｃを通り、つ
ぎにユニット２４ａ、２４ｂ、２４ｃを通って流れる。

【００６５】一方、清水は、矢示２２のように本熱交換
装置のユニット２４ｃ、２４ｂ、２４ａへ入って流れ、
つぎに矢示２５のようにユニット２３ｃ、２３ｂ、２３
ａへ入って流れ、矢示２６のように取り出される。

【００６６】本熱交換装置のユニット２４ａ、２４ｂ、
２４ｃのグループにおいて加温された清水は、循環ポン
プ２１ａで貯留槽２０ａを経て本熱交換装置のユニット
２４ｃに戻される。

【００６７】また熱交換装置のユニット２３ａ、２３
ｂ、２３ｃのグループにおいて加温された清水は、循環
ポンプ２１ｂで貯留槽２０ｂを経て本熱交換装置のユニ
ット２３ｃに戻される。

【００６８】このようにして、加温した清水を本熱交換
装置内に循環・貯留することができ、また、温排水の温
度が高い場合には、加温した清水をさらに加温すること
ができる。

【００６９】

【発明の効果】本願発明は、温排水の貯留槽を設けず、
温排水管そのものを熱を放出するヒートパイプの作動液
の蒸発部とし、また前記温排水管の上方に取り付けられ
た清水管そのものを熱を吸収するヒートパイプの作動液
の凝縮部として用いるように構成にすることによって、
簡単な装置で効率よく、また衛生上安全に温排水から清
水へ熱を伝達させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明の熱交換装置の一つのユニットの一部
を省略した縦断面図。

【図２】同じく横断面図。

【図３】同じく熱交換装置の各ユニットの接続部の縦断
面図。

【図４】同じく熱交換装置の複数のユニットの接続状態
を現わす平面図。

【図５】同じく循環装置を備えた複数のユニットの接続
状態を現わす平面図。

【符号の説明】

１ 外筒 ２ 境板 ３ 温排水管 ４ 清水管 ５ 突起物 ６ 補強リング ７ ウイック ９ 可溶プラグ １０ ヒートパイプの作動液 １１ 温かい排水 １２ スリーブ １３ 接続管 １５ 断熱材 １６、１６ａ、１６ｂ、１６ｃ 熱交換装置のユニット １７ａ、１７ｂ 温排水管 １８ 清水の流入口 １９ 清水の流出口 ２０ａ、２０ｂ 貯留槽 ２１ａ、２１ｂ 循環ポンプ ２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ 熱
交換装置のユニット ２６ 薄いウイック

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱を吸収する側が１本または複数本のほ
   ぼ水平に取り付けられた清水管（４）で構成され、熱を
   放出する側が前記清水管（４）に対してほぼ平行に取り
   付けられた１本または複数本の温排水管（３）で構成さ
   れ、熱を放出する側の温排水管（３）の外周の下端にヒ
   ートパイプの作動液を浸透させる多孔性のウイックが設
   けられている縦方向の突起物を設け、熱を吸収する側の
   清水管と熱を放出する側の温排水管が前記作動液と該作
   動液の蒸気を含む気密の外筒（１）内に封入されてお
   り、そして複数の前記外筒を直列に接続し、夾雑物等を
   含む汚れた温排水と清水を対向流で流し、そして温排水
   管から清水管への対向流式の熱の伝達がヒートパイプの
   原理を使用して行われる温排水と清水との熱交換装置に
   おいて、熱を放出する側の温排水管の外周にヒートパイ
   プの作動液を浸透させる熱溶射した金属、とくにアルミ
   ニュームまたは銅で構成される多孔性のウイックを設
   け、前記多孔性のウイックは前記熱を放出する側の温排
   水管の外周の下面側の方がその他の部分の前記多孔性ウ
   イックより厚く設けられていることを特徴とする夾雑物
   を含む汚れた温排水と清水との熱交換装置。
2. 【請求項２】 前記多孔性のウイックの厚さは、前記熱
   を放出する側の温排水管の外周の下面約１２０°の部分
   ではおおむね１〜２mm、その他の部分ではおおむね０．
   １〜０．５mmであることを特徴とする請求項１に記載の
   夾雑物を含む汚れた温排水と清水との熱交換装置。
3. 【請求項３】 熱を吸収する清水管（４）の両端（８）
   に、補強体（１４）を設けることを特徴とする請求項１
   に記載の夾雑物を含む汚れた温排水と清水との熱交換装
   置。
4. 【請求項４】 直列に接続した熱交換装置の複数の外筒
   ごとに循環ポンプと貯留槽を設けて清水を循環せしめる
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記
   載の夾雑物を含む汚れた温排水と清水との熱交換装置。