JP2008249260A

JP2008249260A - 熱交換装置

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Publication number: JP2008249260A
Application number: JP2007092356A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kayahara; 崇茅原; Takayuki Matsuoka; 孝幸松岡; Yasuhiro Naka; 恭宏仲; Hisashi Koaizawa; 久小相澤
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2008-10-16
Anticipated expiration: 2027-03-30
Also published as: JP5183948B2

Abstract

【課題】温度差以外の駆動源が不要な熱交換装置を提供すること。
【解決手段】温度の異なる環境に配置される第１の熱交換部１１と第２の熱交換部１２と、第１及び第２の熱交換部１１、１２を接続する断熱性の高い材料で構成された第１の循環路１４及び第２の循環路１５と、第１及び第２の循環路１４，１５を介して第１の熱交換部及び第２の熱交換部を循環することにより熱伝達媒体として使用される液体とを備えており、各熱交換部を高低差が生じるように配置することにより、熱交換に伴う温度差による前記液体の自然対流により前記液体を循環させて熱交換を行うことにより、温度差以外の駆動力を不要とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、内部に液体を充填し、該液体を循環させることにより、外部との熱交換を行う熱交換装置に関するものである。

地球環境の保護等の観点から、化石エネルギーに依存しないエネルギーの開発及び、エネルギーを再利用する技術や効率的に利用するための各種技術が開発されている。例えば、特許文献１には、地熱を空気に伝達して空気を循環させて暖冷房を行う地熱利用装置が開示されている。特許文献１では、循環する空気を地中において循環する水により冷却又は加熱して、地中の受熱量又は放熱量を増やして熱利用率を向上させている。
特許第３６１６７６０号公報

しかし、特許文献１に記載の地熱利用装置は、熱交換媒体である空気を強制的に吸引または廃棄することにより、空気を媒介として地熱エネルギーを取り出している。すなわち、特許文献１の熱交換装置を作動させるためには、空気の吸排気のための駆動源及び駆動エネルギーが必要となる。また、水と空気の熱交換部を２重配管構造にする等複雑な構造が要求される。さらに地中の温度差を利用して地中で水循環させるため、少なくとも４〜５メートルの深さから１．５メートル程度の高低差のある水循環部が必要であるので小型化が困難である。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、駆動源が不要であり、簡単な構造で設置環境に応じて小型することも可能な熱交換装置を提供することを目的とする。

本発明の熱交換装置は、上記課題を解決するために、内部に熱交換媒体となる液体が充填されており、断熱性の高い液体循環路により接続されている第１の熱交換部と第２の熱交換部とを備えた熱交換装置であって、前記第１の熱交換部と前記第２の熱交換部を、温度環境の異なる場所に配置し、かつ前記第１の熱交換部及び第２熱交換部を、前記各熱交換部への前記液体の出入り口に高低差が生じるように設置したことを特徴とする。

本発明によれば、第１及び第２の熱交換部において外部との熱交換が行われると、内部の液体の一部の温度が温められ、又は冷却される。液体温度が変わると液体の比重が変化する。一方、第１及び第２の熱交換部は、それぞれ高低差をもって設置されているので、暖められた液体は自然対流により上方へ移動する。逆に冷却された液体は下方向に移動する。更に、第１の熱交換部と、第２の熱交換部は異なる温度環境に設置されているので、液体は温度差により一方向に循環する。このように、自然対流による液体の循環により、第１交換部と第２の熱交換部において熱交換を繰り返すことができる。

本発明の他の態様にかかる熱交換装置は、さらに、前記第１の熱交換部及び第２の熱交換部が、熱伝導性に優れる材料で構成され、該熱伝導性に優れた材料を介して外部の熱エネルギーを前記液体に伝えて吸熱し、又は前記液体の熱エネルギーを外部に放熱し、該吸熱または放熱に伴い発生する前記液体の温度差による対流により、該液体を一方向に移動させることを特徴とする。この態様によれば、熱交換媒体である液体を熱伝導率の高い熱交換部を通過させるだけで熱交換が可能であり、熱交換に伴う温度差による自然対流のみで熱交換動作を繰り返すことができ、他の駆動源を必要としない。

本発明の他の態様にかかる熱交換装置は、さらに、前記第１の熱交換部及び第２の熱交換部が、前記液体の通路を、前記交換部への入口から出口までの高低差が一方向に変化するように維持しつつ前記液体と接触する熱交換面積を大きくするように構成されていることを特徴とする。これにより、暖められた液体は上昇しやすくなり、冷却された液体は下降しやすくなるので、自然対流による液体の一方向への循環が促進される。

本発明の他の態様にかかる熱交換装置は、前記第１及び第２の熱交換部が、前記液体を、熱伝導性に優れる材料からなる複数の細管を通過させることにより熱交換を行うことを特徴とする。このように、熱交換部において液体を複数の細管を通過させることにより、
熱交換面積が大きくなり、効率的な熱交換が可能となる。

本発明の他の態様にかかる熱交換装置は、前記細管が、外面及び内面に皴状の凹凸を備えることを特徴とすることを特徴とする。細管の外部及び内面に皴状の凹凸を設けることにより、細管の外面において外部環境との接触面積が増え、内面において液体との接触面積が増えるので、より効率的な熱交換が可能となる。

本発明の他の態様にかかる熱交換装置は、前記細管が、長手方向に伸びる複数の谷部及び山部を備えることを特徴とする。この態様では、細管表面および内面に長手方向（軸に平行に）に沿って伸びる複数の山部と谷部を設けることにより、自然対流による液体の流れを妨げることなく、細管と液体の接触面積を増やすことが可能となる。

本発明の他の態様にかかる熱交換装置は、前記第１の熱交換部を大気中に設置し、前記第２の熱交換部を地中に設置したことを特徴とする。この態様によれば、日本においては、熱交換媒体である液体を、夏期は第１の熱交換部において太陽エネルギーにより加熱し、第２の熱交換部において地熱により冷却する。冬期は、第２の加熱部において地熱により加熱し、第１の熱交換部において冷却する。

本発明の他の態様にかかる熱交換装置は、前記第１及び第２の熱交換部を小型化し、前記循環路を可撓性材料で構成し、目的の設置場所に移動可能であることを特徴とする。本発明の熱交換装置は、熱交換部部を極めてシンプルな構成とすることができるので、この態様によれば、可搬型または移動式の熱交換装置を提供することができる。

本発明によれば、上述のように、第１の熱交換部と第２の熱交換部の自然対流により、熱交換を行うことができるので、駆動源を必要としない。従って、温度差以外の駆動エネルギーを必要とせず、永続的に動作可能な熱交換装置を提供することができる。また、第１の熱交換部と第２の熱交換部を断熱性の高い材料の液体通路で接続し、内部に液体を封入しただけの簡単な構造であるので、大規模な熱交換システムを提供することも、小型で可搬可能な熱交換器を提供することも可能である。さらに、簡単な構造であるから、極めて廉価な熱交換装置を提供可能である。

図面を用いて本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の熱交換装置の原理を説明するための模式図である。１１は第１の熱交換部、１２は第２の熱交換部を示している。第１の熱交換部１１及び第２の熱交換部１２の端部は配管等のように内部が中空の第１の循環路１４及び第２の循環路１５により接続されている。第１の循環路１４、第２の循環路１５は断熱性の高い部材で構成されており、熱損失ができるだけ少ないことが望ましい。

第１の熱交換部１１、第２の熱交換部１２、第１の循環路１４及び第２の循環路１５の内部には、水、不凍液その他の熱エネルギーを吸収し易い液体が充填されている。図１（ａ）では、紙面上下方向に高低差があるものとし、第１の熱交換部１１は下部から上部にかけて高低差ｈ_１が、第２の熱交換部１２は高低差ｈ_２が生じるように配置されている。

第１の熱交換部１１及び第２の熱交換部１２として、同じ構造の熱交換器を用いても、異なるタイプの熱交換器を用いても良い。以下の説明では、第１の熱交換部と第２の熱交換部として同じ構造の熱交換器を用いるものとして説明する。

第１の熱交換部１１及び第２の熱交換部１２は、外気温または光等の外部エネルギーを吸収して、内部の液体に熱エネルギーを伝達して液体の温度を上昇させ、又は液体の熱エネルギーを外部に放出して液体の温度を低下させる。液体の温度が上昇すると液体の比重（密度）は低下し、液体の温度が下降すると液体の比重は低下する。従って、第１の熱交換部１１、１２は高低差ｈ_１、ｈ_２が設けられているので、温度の高い液体は上昇し、温度の低い液体は下降する。

図１（ｂ）及び（ｃ）を用いてより詳しく説明する。内部に充填される液体（熱交換媒体）としては、水、不凍液、その他の液体を使用可能である。図１（ｂ）及び図１（ｃ）では、内部に充填される液体として水を用いた例を示しており、第１の熱交換部１１では外部エネルギーを吸収して水の温度を上昇させるものとし、第２の熱交換部１２では水の熱エネルギーを外部に放出して、水の温度が低下するものとして説明する。

図１（ｂ）は、第１の熱交換部１１の状態を模式的に示している。第１の熱交換部１１においては、外部エネルギーを吸収して水温の一部が上昇する。暖まった温水は冷水より比重が小さい（密度が低い）ので、矢印に示すように上方向に上昇する。これにより、上方向への自然対流が発生する。一方、第２の熱交換部１２では、図１（ｃ）に示すように、温水が外気温により冷却されるので温水の一部に冷水ができる。冷水は温水に比べて比重が大きいので下降し、矢印方向（下方）への自然対流が発生する。このようにして、図１（ａ）に黒い矢印で示すように時計回り方向の自然対流による液体の循環が起こり、自然対流による熱交換が可能となる。

逆に、第１の熱交換部１１の外部環境温度が低く、第２の熱交換部の外部環境温度が高い場合には、第１の熱交換部１１で水が冷やされ、第２の熱交換部１２で水が温められるので、図１（ａ）において白い矢印で示すように反時計方向の自然対流による液体の循環が起こる。尚、ここで、外部環境温度が高いまたは低いというのは、第１の熱交換部１１の設置環境と第２の熱交換部１２の設置環境における相対的な温度差の高低を意味している。すなわち、第１の熱交換部１１と第２の熱交換部１２に一定の温度差があれば良い。また、熱交換の媒体液として使用する液体は、熱交換装置の使用環境に応じて選択可能である。例えば、低温環境で利用する場合には、使用環境条件でも凍結しない不凍液を利用することが望まし。また、高温環境で使用する場合には、沸点の高い液体を利用することが望ましい。

（第１の実施例）
図２を用いて本発明の第１の実施例を説明する。図２は、本発明の第１の実施例にかかる簡易型（可搬型、又は移動型）の熱交換装置２０を示している。図２（ａ）は、本発明の一実施例にかかる熱交換装置２０を用いて、廃棄農薬液から吸熱して地中に放熱し、化学反応により廃棄農薬液が高温になるのを防止している例を示している。図２（ｂ）は、熱交換装置２０の第１及び第２の熱交換部２１、２２の内部構造を示す断面図である。

第１の実施例にかかる熱交換装置２０は、第１の熱交換部２１が農薬液４２の中に高低差ｈ１を持って配置され、第２の熱交換部２２は地中に高低差ｈ２を持って配置されている。第２の熱交換部２２は、農薬液との温度差が十分あれば、地中ではなく地上に設置してもよい。

熱交換装置の熱交換部は、できるだけ熱交換面積を大きくすることが望ましい。そのため、熱交換装置２０の第１及び第２の熱交換部２１、２２は、図２（ｂ）に示すように、複数の細管２３の束で構成されている。細管２３は熱伝導性の高い銅のような金属、または使用環境に応じて熱伝導性が高く腐食耐性の強いアルミ等の金属その他の材料が用いられる。細管２３を用いることにより、外部環境温度と内部液体との接触面積を増やすことが可能となり、熱交換効率を向上させることが可能となる。また、細管２３の径が大きいと、細管２３の内部で上下の対流が発生してしまうので、細管の径はあまり大きくしない方が好ましい。径のサイズは、設置環境の温度や液体の粘性等をファクターとして、適宜決定することが好ましい。径のサイズについては、さらに後述する。

また、細管２３のサイズは均一である必要はなく、図２（ｂ）に示すように、外部は比較的太く、外部環境の影響を受けにくい内部の細管２３は外周の細管２３よりも細くするようにすることもできる。さらに、
図では示していないが、矩形状の配管とすることも、横断面が歯車状または星形の形状となるような山と谷を細管２３の長手方向に伸びるように設けて、外部環境との接触表面積を増やすようにすることもできる。
また、上述のような山部と谷部を外部環境との接触面側だけに設けることもできる。

第１及び第２の熱交換部２１、２２の上部及び下部には、一時収容部２６、２７、２８、２９が設けられている。一時収容部２６、２７、２８、２９には、細管２３の上端および下端部が接続されており、細管２３からに対して供給される温水又は冷水、又は細管２３から液体循環路へ供給される温水又は冷水が一時収容される。

（第２の実施例）
図３に、本発明の第２の実施例にかかる熱交換装置３０を示す。第２の実施例では、家の屋根３５に第１の熱交換部３１が設置され、地中４１に第２の熱交換部３２が設置されている。

第１の熱交換部３１は、熱交換部の面積を大きくするために、屋根面３５の表面全体に横方向に広がっている。第１の熱交換部３１は上下に高低差ｈ_１を持って設けられた一時滞留管３１ａと３１ｃとを備えており、複数の細管３１ｂにより上下の一時対流管３１ａと３１ｂとが接続されている。下部の一時滞留管３１ａは第２の循環路３５に接続されており、上部の一時滞留管３１ｃは第１の循環路３４に接続されている。

第２の熱交換部３２も地中に広がり、高低差ｈ_２が生じるように設けられた一時滞留管３２ａと３２ｃとが、複数の細管３２ｂにより接続されている。上部の一時滞留管３２ａは第１の循環路３４に接続されており、下部の一時滞留管３２ｃは第２の循環路３５に接続されている。また、第１及び第２の熱変換部３１、３５及び第１及び第２の循環路３４、３５は、液体１３で満たされている。第１及び第２の熱交換部３１、３２と、第１及び第２の循環路３４、３５の内部には、水または不凍液等の液体が熱交換媒体として充填されている。また、図示していないが、循環路３４、３５の途中に、熱交換媒体である液体を交換することができる交換部を設けることができる。これにより劣化した液体の交換等のメンテナンスが容易となる。

第２の実施例の熱交換動作について説明する。地中４１の温度は緯度により異なるが、例えば日本においては、４ｍ以下でほぼ１５℃前後の一定の温度となる。日本では、夏は３０℃以上、冬は０℃以下になるので、第１の熱交換部３１と第２の熱交換部との温度環境が逆転する。特に夏場は、第１の熱変換部に太陽光の直射日光が当たると、温度は６０℃近くまで上昇する。

図４に、第２の実施例における夏と冬の温度環境と、液体１３の循環方向を模式的に示す。図４（ａ）は夏期の状態を示し、図４（ｂ）は冬期の状態を示す。

まず、夏期における動作を説明する。夏は、図４（ａ）に示す通り、第１の熱変換部は６０℃近くまで温度上昇する。第１の熱変換部３１の下部に設けられた一時滞留管３１ａ内及び細管３１ｂ内の液体１３ａは、細管３１ｂにおいて外気温または太陽熱によって温められて、自然対流により細管３１ｂを介して一時収納管３１ｃに移動する。これにより一時滞留管３１ｃ内の温められた液体１３ｂは、第１の循環路３４に押し出される。

第１の循環路は断熱部材で構成されているので、第１の熱交換部３１で温められた液体１３ｂは、ほぼそのままの温度を維持した状態で第１の循環路３４から第２の熱交換部３２の一時滞留部３２ａ及び細管３２ｂに送られる。地中の温度は１５℃前後であるので、この熱交換部で液体１３ｂの温度は１５℃近くまで下げられる。温度が下がった液体１３ｄは密度が高くなるので一時滞留管３２ｃまで下降し、第２の循環路３５に順次押し出される。第２の循環路３５も断熱性の高い材料で構成されているので、ほぼそのままの温度で第１の熱交換部３１まで送られる。従って、液体の温度１３ａと１３ｃはほぼ同じ温度である。このようにして、夏場は図４に示すように、自然対流による時計回りの循環により、熱交換を繰り返す。

このように、第１の熱交換部３１の吸熱作用により、屋根に照射される太陽光の熱エネルギーを吸収して屋根裏の温度上昇を防止するとともに、第２の熱交換部３２から供給される冷たい液体により屋根裏全体が冷やされる。

次に冬期の熱交換動作について説明する。冬は、図４（ｂ）に示す通り、外気温が０℃近くまで下がるので、第１の熱変換部３１において液体１３ａの温度は０℃近くまで下降する。液体１３ａの温度が下がると、冷たい液体１３ａが第２の循環路３５を通じて下降し、第２の熱交換部３２に送りこまれる。第２の熱交換部３２の設置環境は、地中のため温度１５℃前後であり、０℃の液体１３ｃは地熱を吸熱して温められる。
第２の熱交換部３２により温められた液体は、細管３１ｂ内を自然滞留により上昇して一時滞留管３２ａに移動する。このようにして自然対流により温められた液体１３ｂが細管３２ｂから一時滞留管３２ａに順次送り込まれることにより、一時滞留管３２ａ内の温められた液体１３ｂは、第１の循環路３４に押し出される。これにより、温められた液体１３ｂは第１の循環路３４を介してから第１の熱交換部３１まで押し上げられる。温められた液体１３ｂは、第１の熱交換部３１において放熱して再び０℃近くまで冷却される。冷却された液体１３ａは再び第２の循環路３５を通じて第２の熱交換部３２に送られて、同様の熱交換を順次繰り返す循環が実行される。このようにして、冬場は、図４（ｂ）に示すように、自然対流による反時計方向の液体の循環により、熱交換を繰り返す。これにより、冬場は、屋根裏に設けられた第１の熱交換部３１において、地熱により温められた１５℃前後の液体の熱エネルギーを放熱させることにより、屋根裏を暖めることが可能となる。

このように、第２の実施例によれば、大気と地中の温度差に基づく自然対流による液体の循環により熱交換を繰り返すことができるので、特別の駆動源を必要とせず、夏場は冷房、冬場は暖房の効果を有する熱交換装置を提供することが可能となる。

以上、本発明の熱交換装置の２つの実施例を示したが、本発明の熱交換装置は、温度環境が異なる場所（温度差のある環境、及び温度差は無いが、太陽光照射の有無等による温度エネルギーの異なる環境の双方を含む）であれば、どこでも使用可能である。例えば、地熱と大気の温度だけでなく、海水温と大気温の温度差を利用して熱交換を行うことも可能である。また、本発明にかかる熱交換装置を用いて、工場やプラントにおける廃熱を別の場所の熱源として利用することも可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、第１の熱交換部と第２の熱交換部を温度環境の異なる場所に設置するだけで、他の駆動源を必要とせずに熱交換を繰り返すことが可能となる。また、本発明の熱交換装置は簡単な構造であるので、大型の熱交換システムとすることも小型の熱交換装置とすることも可能である。例えば、第１及び第２の循環路を可撓性材料の断熱管とすることにより、可搬型の熱交換装置を提供することも可能である。

熱交換部における細管の径について、図５を用いてより詳細に説明する。図５は、管内の熱流量と管直径の関係を示すグラフである。縦軸が熱流量（単位：Ｗ／ｍ^２）であり、横軸が管の直径（単位：ｍ）である。細管として銅管を用いて実験した実験結果に基づきエネルギー輸送量を計算することにより熱流量を算出した。このグラフから、細管の径がほぼ５ｍｍ以下になると熱流量が急激に大きくなるのがわかる。熱交換部の細管の径は、熱交換部が設置される温度環境（熱エネルギーの大きさ）に応じて決定するのが好ましい。

例えば、真夏における単位時間、単位面積あたりに地表にあたえられるエネルギーは１０００Ｗ／ｍ^２程度であるので、実施例２の第１の熱交換部３１の細管３１ｂは、図５のグラフから熱流量が１０００Ｗ／ｍ^２を超える管径１８ｍｍ以下とすることが望ましい。

本発明の熱交換装置の原理を説明するための模式図である。本発明の第１の実施例にかかる簡易型の熱交換装置及びその使用例を示す模式図である。本発明の第２の実施例にかかる熱交換装置を示す模式図である。第２の実施例における夏と冬の温度環境と、液体の循環方向を示す模式図である。管内の熱流量と管直径の関係を示すグラフである。

符号の説明

１１、２１、３１：第１の熱交換部
１２、２２、３２：第２の熱交換部
１２ａ：温水
１２ｂ：冷水
１３：液体
１４、２４、３４：第１の循環路
１５、２５、３５：第２の循環路
２０：第１の実施例にかかる熱交換装置
２３、３１ｂ、３２ｂ：細管
２６〜２９：一時収容部
３０：第２の実施例にかかる熱交換装置
３１ａ、３１ｃ、３２ａ、３２ｃ：一時滞留部
４１：地中
４２：農薬液

Claims

内部に熱交換媒体となる液体が充填されており、断熱性の高い材料からなる液体循環路により接続されている第１の熱交換部と第２の熱交換部とを備えた熱交換装置であって、
前記第１の熱交換部と前記第２の熱交換部を、温度環境の異なる場所に配置し、かつ前記第１の熱交換部及び第２熱交換部を、前記各熱交換部への前記液体の出入り口に高低差が生じるように設置したことを特徴とする熱交換装置。
前記第１の熱交換部及び第２の熱交換部は、
熱伝導性に優れる材料で構成され、該熱伝導性に優れた材料を介して外部の熱エネルギーを前記液体に伝えて吸熱し、又は前記液体の熱エネルギーを外部に放熱し、該吸熱または放熱に伴い発生する前記液体の温度差による対流により、該液体を一方向に移動させることを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
前記第１の熱交換部及び第２の熱交換部が、前記液体の通路を、前記交換部への入口から出口までの高低差が一方向に変化するように維持しつつ前記液体と接触する熱交換面積を大きくするように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の熱交換装置。
前記第１及び第２の熱交換部は、前記液体を、熱伝導性に優れる材料からなる複数の細管を通過させることにより熱交換を行うことを特徴とする請求項３に記載の熱交換装置。
前記細管は、外面及び内面に皴状の凹凸を備えることを特徴とすることを特徴とする請求項４に記載の熱交換装置。
前記細管は、長手方向に伸びる複数の谷部及び山部を備えることを特徴とする請求項５に記載の熱交換装置。
前記第１の熱交換部を大気中に設置し、前記第２の熱交換部を地中に設置したことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の熱交換装置。
前記第１及び第２の熱交換部を小型化し、前記循環路を可撓性材料で構成し、目的の設置場所に移動可能であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の熱交換装置。