JPH0886576A

JPH0886576A - 熱交換方法及び熱交換器

Info

Publication number: JPH0886576A
Application number: JP24694094A
Authority: JP
Inventors: Jiro Nishimura; 二郎西村
Original assignee: Kajima Corp
Current assignee: Kajima Corp
Priority date: 1994-09-14
Filing date: 1994-09-14
Publication date: 1996-04-02

Abstract

(57)【要約】【目的】気体と液体との熱交換を、管壁、フィン等を
介して間接的に行わないようにすることで、熱伝達時に
おける熱抵抗を無くし、熱損失を低減させ、熱交換効率
の向上、維持管理費の低減を図る。【構成】受熱体となる液体５を断熱された液体槽３に
注入し、この液体５中に冷熱又は温熱を有する気体を気
泡Ｂとして送気する。この気体と液体５とを直接接触さ
せた後、液体５の表面から放出された気体を回収するこ
とにより、気体と液体５とを熱交換させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、気体と液体を直接接触
させて伝熱を行う熱交換方法及び熱交換器に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱交換器は、高温流体から低温流体へ熱
を伝達させる装置であり、自動車エンジンのラジエター
やクーラーの蒸発器、ボイラ、蒸気タービンなどの復水
器、あるいは原子炉の炉心部など種々の形で使用されて
いる。例えば、気体と液体との熱交換が行われるラジエ
ターの場合では、受熱流体側となる気体の流れ方向に直
交して、エンジンからの冷却水管が複数本設けられ、こ
の冷却水管には熱伝達率の小さい空気側の伝熱面積を拡
大するための波状のフィンが幾層にも設けられる。そし
て、冷却水管に高温冷却水を循環させるとともに、フィ
ンに冷却空気を通過させることにより、媒体である冷却
水によって運ばれたエンジンからの熱が、冷却水管の管
壁、フィン表面から冷却空気へと伝達され、排熱される
ことになる。即ち、このような熱交換器では、熱が管
壁、フィン表面を介して間接的に伝熱され、なお且つ、
顕熱のみの交換が行われていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た、ラジエターなどの熱交換方法では、二つの流体が管
壁及びフィンを介して間接的に接触するため、熱損失が
発生し、熱交換効率に限界があった。また、上述のラジ
エターの例では、冷却水管内にスケールが付着する一
方、フィン表面には埃・塵が付着する。従って、熱は高
温の冷却水から先ず管内のスケールに熱伝達で伝わり、
次にそのスケール中を伝わり、管壁、フィンの順に熱伝
達で伝わり、最後に埃・塵の面から冷却空気に熱伝達に
より伝わる。この際のスケールの熱抵抗は、熱伝達率の
逆数である汚れ係数（fouling factor）として表され
る。この汚れ係数は、流体の種類、温度、流速、管壁及
びフィン表面の状態、期間などにより変化するが、一般
に経年的には増加し、熱交換効率を低下させることとな
った。更には、管壁、フィンには経年的に、金属腐食が
発生する問題もあった。このような問題を解消するた
め、従来では、定期的な清掃が行われたり、或いは腐食
防止の薬剤投入が行われたりし、維持管理に多大な手間
と費用が費やされていた。本発明は上記状況に鑑みてな
されたもので、気体と液体との熱交換を、管壁、フィン
等を介して間接的に行わないようにすることで、熱伝達
時における熱抵抗を無くし、熱損失を低減させることが
できる熱交換方法及び熱交換器を提供し、熱交換効率の
向上、維持管理費の低減を図ることを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明に係る熱交換方法は、受熱体となる液体を断熱
された液体槽に注入し、液体中に冷熱又は温熱を有する
気体を気泡として送気し、気体と液体とを直接接触させ
た後、液体の表面から放出された気体を回収することに
より、気体と液体とを熱交換させることを特徴とするも
のである。また、本発明に係る熱交換器の構成は、断熱
された液体槽に受熱体となる液体が注入され、液体槽の
底部に液体へ気泡を発生させる気泡発生手段が設けら
れ、冷熱又は温熱を有する気体を送気する送気管が気泡
発生手段に接続され、液体の表面から放出された気体を
回収する回収管が液体槽に接続されたことを特徴とする
ものである。

【０００５】

【作用】熱交換方法では、冷熱又は温熱を有する気体が
送気管から送気され、この気体が液体槽の下部より細か
い気泡となって吹き出され、気泡が直接、液体槽中の液
体と接触して熱交換される。これにより、伝熱抵抗によ
る損失がなくなり、熱交換効率が高められることにな
る。熱交換器では、冷熱又は温熱を有する気体と液体槽
中の液体とが直接接触され、二つの流体を仕切る部材、
即ち、管壁、フィン等が不要となり、これらの仕切り部
材が介在する場合に生じていたスケール、塵等の付着が
無くなる。

【０００６】

【実施例】以下、本発明に係る熱交換方法及び熱交換器
の好適な実施例を図面を参照して詳細に説明する。図１
は本発明による熱交換器の原理図である。本実施例によ
る熱交換器１では、断熱された液体槽３に受熱体である
液体、例えば水５が注入され、水５は液体槽３内で水面
が形成される程度の量となっている。液体槽３の底部に
は例えば多孔質材料からなる気泡発生手段７が設けら
れ、気泡発生手段７は液体槽３を貫通する送気管９に接
続されている。気泡発生手段７は、送気管９の空気の圧
送により、液体槽３内の水５に気泡Ｂを発生させる。こ
の際、気泡Ｂは送気抵抗を増大させない範囲で、可能な
限り微小のもので発泡される。

【０００７】これは、気泡Ｂを球体とみなした場合、気
泡半径をｒ、体積をＶ、表面積をＳとすれば、Ｓ／Ｖ＝（４πｒ²）／（４・πｒ³／３）即ち、Ｓ／Ｖ＝３／ｒとなり、気泡半径ｒを小さくすればするほど、単位体積当たりの
表面積Ｓ／Ｖが大きく確保でき、水５との熱交換効率を
向上させることができるためである。気泡発生手段７と
しては、砂等の微細な粒子を焼結又は接着により固形化
したもの（所謂、エアストーン）、或いは発泡用木材
（エアウッド）等の上述した多孔質材料の他、オリフィ
スによる液体の噴流により生じた負圧部分から気体を吸
引させて液体中に微細気泡を拡散させる、所謂デュフュ
ーザー形式のものが考えられる。

【０００８】送気管９には送気装置１１が設けられ、送
気装置１１は気泡発生手段７からの発泡が可能となるよ
うに、所定空気圧力での送気が行えるようになってい
る。送気装置１１の給気側には図示しない例えば暖気を
排気する排熱装置が接続される。一方、液体槽３内の水
面上には気体空間１３が形成され、気体空間１３は液体
槽３を貫通する回収管１５に連通している。回収管１５
は、図示しない排気管又は、回収熱を利用する装置へと
接続される。即ち、熱を持った気体を気泡発生手段７よ
り吹き出し、その気泡Ｂが上昇する間の水５との接触に
より気体の熱を直接水５へ熱交換し、熱を水５へ回収す
る場合には、回収管１５は図示しない排気管等に接続さ
れる。一方、逆に、水５に蓄熱された熱を気体（気泡
Ｂ）に熱交換し、熱を気体として回収する場合には、回
収管１５は図示しない回収熱を利用する装置等に接続さ
れる。

【０００９】図２は冷熱回収時の説明図、図３は温熱回
収時の説明図である。熱交換器１は、冷熱を回収する場
合、水５の水面を液体槽３内の気体空間１３に開放した
状態とする。これは、気泡Ｂが気体空間１３中に放出さ
れることにより、水５の表面の蒸発が促進され、蒸発潜
熱により水５の冷却を更に促進させるためである。一
方、温熱を回収する場合、気泡Ｂの放出を阻止しない程
度で、水５の水面を水面覆い部材で覆う。水面覆い部材
としては、例えば、図３（ａ）に示すように、発泡スチ
ロール球１７を水面に重ねて浮かせたり、図３（ｂ）に
示すように、蒸発防止板１９又は膜等を水面に設けたり
するものが考えられる。これにより、水面覆い部材が水
５の蒸発を阻止し、蒸発潜熱による水５の温度低下が防
止されることになる。

【００１０】次に、熱交換器１による冷熱回収作用、温
熱回収作用を説明する。冷熱を回収する場合では、図２
に示すように、低温空気が送気管９から送気され、この
低温空気が液体槽３の下部より細かい気泡Ｂとなって吹
き出され、気泡Ｂが直接水５と接触して熱交換され、水
５の温度が低くなる。この際、同時に、水５の水面から
気泡Ｂが放出され、水面からの蒸発が促進されることに
より、蒸発潜熱が奪われ、更に水５が冷却されることに
なる。

【００１１】一方、暖気を回収する場合では、高温空気
が送気管９から送気され、この高温空気が液体槽３の下
部より細かい気泡Ｂとなって吹き出され、気泡Ｂが直接
水５と接触して熱交換され、水５の温度が高くなる。こ
の際、暖気を送風するに駆動された送気装置１１（図１
参照）の発熱も同時に気泡中から伝達され、この熱も含
めて温熱が水５に回収されることになる。また、暖気回
収の場合、上述のように、水面覆い部材（例えば、発泡
スチロール球１７）が水５の蒸発を阻止することによ
り、水５から蒸発潜熱による熱の無駄な損失が防止され
る。

【００１２】このように、本実施例の熱交換器１は、顕
熱交換器としては元より、冷熱回収用に用いた場合で
は、蒸発潜熱による冷却も有するので、全熱交換器（顕
熱と潜熱の交換を行うもの）としても作用するものであ
る。用途としては、一般的な給湯用、冷温水供給方式の
空調設備用、ヒートポンプシステムの熱源用、ソーラー
システム用などの他、温泉用・排熱回収システム用にも
好適に用いることができる。

【００１３】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明に係
る熱交換方法によれば、受熱体となる液体を液体槽に注
入し、液体中に冷熱又は温熱を有する気体を気泡として
送気して直接液体と接触させて熱交換させるようにした
ので、伝熱抵抗による損失がなくなり、熱交換効率を高
めることができる。また、本発明に係る熱交換器によれ
ば、液体槽に受熱体となる液体を注入し、液体槽に気泡
発生手段を設け、冷熱又は温熱を有する気体を気泡とし
て送気できるようにしたので、二つの流体を仕切る部
材、即ち、管壁、フィン等が不要となり、これらの仕切
り部材が介在する場合に生じていたスケール、塵等の付
着が無くなる。この結果、スケール除去等に費やされて
いた維持管理費を著しく低減させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による熱交換器の原理図である。

【図２】冷熱回収時の説明図である。

【図３】温熱回収時の説明図である。

【符号の説明】

１熱交換器３液体槽５水（液体）７気泡発生手段９送気管１５回収管１７発泡スチロール球（水面覆い部材）１９蒸発防止板（水面覆い部材）Ｂ気泡

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】受熱体となる液体を断熱された液体槽に
注入し、該液体中に冷熱又は温熱を有する気体を気泡と
して送気し、該気体と前記液体とを直接接触させた後、
前記液体の表面から放出された気体を回収することによ
り、前記気体と前記液体とを熱交換させることを特徴と
する熱交換方法。
【請求項２】冷熱を有する前記気体を気泡として前記
液体に送気し、前記液体に冷熱を与えるに際し、前記気
泡を放出することによって前記液体表面からの前記液体
の蒸発を促進させ、該蒸発潜熱により該液体を冷却する
ことを特徴とする請求項１記載の熱交換方法。
【請求項３】断熱された液体槽に受熱体となる液体が
注入され、前記液体槽の底部に該液体へ気泡を発生させ
る気泡発生手段が設けられ、冷熱又は温熱を有する気体
を送気する送気管が該気泡発生手段に接続され、前記液
体の表面から放出された気体を回収する回収管が前記液
体槽に接続されたことを特徴とする熱交換器。
【請求項４】温熱を有する気体が前記液体に気泡とし
て送気される請求項３記載の熱交換器において、前記液体表面からの前記気体の放出を可能にし且つ前記
液体表面からの前記液体の蒸発を阻止する水面覆い部材
が該液体表面に設けられたことを特徴とする熱交換器。