JP7064156B2 - 熱搬送方法 - Google Patents

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Description

熱搬送システムを用いた熱搬送方法に関する。
特許文献1(国際公開第2011/099629号)のように、水を熱搬送媒体に利用する熱搬送システムを用いる熱搬送方法が知られている。代替フロン等の冷媒に代えて水を熱搬送媒体に用いる熱搬送方法は、地球温暖化対策の観点からは好ましい熱搬送方法である。
しかし、代替フロン等の冷媒と比較して、水は単位質量当たりの熱搬送量が小さいため、代替フロン等を用いる場合に比べて媒体搬送のための配管が大型化し、設備導入費用が高額になりやすいという課題がある。
第1観点の熱搬送方法は、熱搬送システムを用いた熱搬送方法である。熱搬送システムは、熱源ユニットと、利用ユニットと、第1流路と、第2流路と、を備える。熱源ユニットでは、熱搬送媒体と熱源との間で熱交換が行われる。利用ユニットでは、熱搬送媒体と温度調整対象との間で熱交換が行われる。第1流路は、熱源ユニットと利用ユニットとの間を接続する。第1流路には、熱源ユニットから利用ユニットへと熱搬送媒体が流れる。第2流路は、熱源ユニットと利用ユニットとの間を接続する。第2流路には、利用ユニットから熱源ユニットへと熱搬送媒体が流れる。熱搬送方法には、熱搬送媒体として、水に、水への溶解時に吸熱する無機水和物が混ぜられている無機水和物スラリーが使用される。熱搬送方法では、熱搬送システムを、第1流路及び第2流路を流れる熱搬送媒体の温度が無機水和物の融点以下の温度になるように制御する。また、熱搬送方法では、第1流路を流れる熱搬送媒体の単位質量の水あたりの無機水和物の溶解量を、第2流路を流れる熱搬送媒体の単位質量の水あたりの無機水和物の溶解量とは変化させる。
第1観点の熱搬送方法では、熱搬送に顕熱だけではなく溶解熱(溶解潜熱)を利用でき、単なる水を熱搬送媒体に用いる場合に比べて効率の良い熱搬送が可能である。そのため、この熱搬送方法では、水を熱搬送媒体に用いる場合に比べて、配管の大型化を抑制し、熱搬送システムの導入費用を抑制できる。
第2観点の熱搬送方法は、第1観点の熱搬送方法であって、熱源ユニットから利用ユニットに冷熱を搬送する。
第2観点の熱搬送方法では、効率よく温度調整対象の冷却を行うことができる。
第3観点の熱搬送方法は、第2観点の熱搬送方法であって、熱搬送媒体として、水にリン酸系無機水和物が混ぜられているリン酸系無機水和物スラリーを使用する。
第4観点の熱搬送方法は、第3観点の熱搬送方法であって、リン酸系無機水和物は、リン酸水素二ナトリウム十二水和物である。リン酸系無機水和物スラリー中の、リン酸水素二ナトリウムの重量濃度は2~7%の範囲である。熱搬送方法では、熱搬送システムを、第1流路から利用ユニットに流入する熱搬送媒体の温度が2℃~6℃の範囲となり、利用ユニットから第2流路に流出する熱搬送媒体の温度が15℃~19℃の範囲となるように制御する。
第4観点の熱搬送方法では、通常の水チラー(水を熱搬送媒体に用いるチラー)と比べ、利用ユニットの入口-出口の温度差を大きく確保しているため、熱搬送媒体の搬送流量を低下させることが可能である。そのため、この熱搬送方法では、単なる水を熱搬送媒体に用いる場合に比べ、配管の大型化を抑制し、熱搬送システムの導入費用を抑制できる。
また、第4観点の熱搬送方法は、食品添加物としても利用されているリン酸水素二ナトリウムを利用するため、安全性が高い。
第5観点の熱搬送方法は、第2観点から第4観点のいずれかの熱搬送方法であって、第1流路を構成する配管の径は、第2流路を構成する配管の径より大きい。
第5観点の熱搬送方法では、利用ユニットへの冷熱の搬送時に、低温で溶解していない無機水和物の量が多い無機水和物スラリーが流れる第1流路を構成する配管の径を、高温で溶解していない無機水和物の量が少ない或いは全ての無機水和物が溶解している無機水和物スラリーが流れる第2流路を構成する配管の径より大きくしている。そのため、第5観点の熱搬送方法では、熱搬送媒体の第1流路における圧力損失の増大を抑制することができる。
第6観点の熱搬送方法は、第5観点の熱搬送方法であって、利用ユニットの定格の冷却能力と、第1流路を構成する配管の外径及び第2流路を構成する配管の外径とは、以下の関係を満たす。利用ユニットの定格の冷却能力が2.2kWより大きく5.6kW以下である場合に、第1流路を構成する配管の外径は12.7mmで、第2流路を構成する配管の外径は6.4mmである。利用ユニットの定格の冷却能力が5.6kWより大きく14kW以下である場合に、第1流路を構成する配管の外径は15.9mmで、第2流路を構成する配管の外径は9.5mmである。利用ユニットの定格の冷却能力が14kWより大きく22.4kW以下である場合に、第1流路を構成する配管の外径は19.1mmで、第2流路を構成する配管の外径は9.5mmである。利用ユニットの定格の冷却能力が22.4kWより大きく28kW以下である場合に、第1流路を構成する配管の外径は22.2mmで、第2流路を構成する配管の外径は9.5mmである。利用ユニットの定格の冷却能力が28kWより大きく40kW以下である場合に、第1流路を構成する配管の外径は25.4mmで、第2流路を構成する配管の外径は12.7mmである。利用ユニットの定格の冷却能力が40kWより大きく45kW以下である場合に、第1流路を構成する配管の外径は28.6mmで、第2流路を構成する配管の外径は12.7mmである。利用ユニットの定格の冷却能力が45kWより大きく69kW以下である場合には、第1流路を構成する配管の外径は28.6mmで、第2流路を構成する配管の外径は15.9mmである。利用ユニットの定格の冷却能力が69kWより大きく100kW以下である場合に、第1流路を構成する配管の外径は31.8mmで、第2流路を構成する配管の外径は19.1mmである。利用ユニットの定格の冷却能力が100kWより大きく150kW以下である場合に、第1流路を構成する配管の外径は38.1mmで、第2流路を構成する配管の外径は19.1mmである。
第6観点の熱搬送方法では、冷却能力と第1流路及び第2流路を構成する配管の外径とが上記の関係を満たすことで、配管の大径化およびこれに伴う熱搬送システムの導入費用を抑制しつつ、第1流路及び第2流路における圧力損失の増大を抑制できる。
第7観点の熱搬送方法は、第3観点又は第4観点の熱搬送方法であって、熱搬送媒体には、リン酸系無機水和物の結晶の分散性を向上させる添加剤が添加される。
第7観点の熱搬送方法では、水に溶解していないリン酸系無機水和物の流路等への堆積を抑制できる。
第8観点の熱搬送方法は、第7観点の熱搬送方法であって、添加剤は、界面活性剤のドデシル硫酸ナトリウムであり、熱搬送媒体に対する質量パーセント濃度は0.1wt%~1wt%の範囲である。
第8観点の熱搬送方法では、水に溶解していないリン酸系無機水和物の流路等への堆積を抑制できる。
第9観点の熱搬送方法は、第7観点の熱搬送方法であって、添加剤は、オクチル硫酸ナトリウム、デシル硫酸ナトリウム、ヘキサデシル硫酸ナトリウム、ステアリル硫酸ナトリウム、又はオクタデシル硫酸ナトリウムである。
第9観点の熱搬送方法では、水に溶解していないリン酸系無機水和物の流路等への堆積を抑制できる。
第10観点の熱搬送方法は、第7観点の熱搬送方法であって、添加剤は、不凍たんぱく質である。
第10観点の熱搬送方法では、水に溶解していないリン酸系無機水和物の流路等への堆積を抑制できる。
第11観点の熱搬送方法は、第7観点の熱搬送方法であって、添加剤は、不凍たんぱく質の代替物質である。
第11観点の熱搬送方法では、水に溶解していないリン酸系無機水和物の流路等への堆積を抑制できる。
第12観点の熱搬送方法は、第7観点の熱搬送方法であって、添加剤は、酸化チタンナノシートである。
第12観点の熱搬送方法では、水に溶解していないリン酸系無機水和物の流路等への堆積を抑制できる。
第13観点の熱搬送方法は、第1観点から第12観点のいずれかの熱搬送方法であって、利用ユニットは、熱搬送媒体と温度調整対象との間で熱交換が行われる利用熱交換器を含む。第1流路の内面、第2流路の内面、及び、利用熱交換器の熱搬送媒体が流れる流路の内面の少なくとも1つは、親水面と疎水面とが交互に配置されたエリアを含む。
第13観点の熱搬送方法では、熱搬送媒体中の固体の無機水和物が熱搬送媒体の流路内面に付着し堆積するのを抑制できる。
一実施形態に係る熱搬送方法に用いられる熱搬送サブシステム(熱搬送システム)を含む、空気調和システムの概略構成図である。 一実施形態に係る熱搬送方法において、熱搬送媒体に使用されるリン酸水素二ナトリウムの相図である。 利用ユニットの冷凍能力(kW)に対して必要なリン酸水素二ナトリウム及び水の流量(L/min)を示したグラフである。 利用ユニットの冷凍能力(kW)に対して必要なリン酸水素二ナトリウム及び水を、内径7.52mmの直管に流した場合の圧損(kPa/m)を示したグラフである。 熱搬送媒体が流れる流路の内面に設けられる親水面及び疎水面の配置の態様の例を示す模式図である。 他の例に係る熱搬送方法において、熱搬送媒体に使用される塩素酸リチウムの相図である。 他の例に係る熱搬送方法において、熱搬送媒体に使用されるフッ化カリウムの相図である。 他の例に係る熱搬送方法において、熱搬送媒体に使用される硝酸マンガン(II)の相図である。 他の例に係る熱搬送方法において、熱搬送媒体に使用される塩化カルシウムの相図である。 他の例に係る熱搬送方法において、熱搬送媒体に使用される硝酸リチウムの相図である。 他の例に係る熱搬送方法において、熱搬送媒体に使用される硫酸ナトリウムの相図である。 他の例に係る熱搬送方法において、熱搬送媒体に使用される炭酸ナトリウムの相図である。 他の例に係る熱搬送方法において、熱搬送媒体に使用される硝酸亜鉛の相図である。 他の例に係る熱搬送方法において、熱搬送媒体に使用される硝酸カルシウムの相図である。 他の例に係る熱搬送方法において、熱搬送媒体に使用されるチオ硫酸ナトリウムの相図である。 他の例に係る熱搬送方法において、熱搬送媒体に使用される酢酸ナトリウムの相図である。 他の例に係る熱搬送方法において、熱搬送媒体に使用される硝酸カドミウムの相図である。 他の例に係る熱搬送方法において、熱搬送媒体に使用される水酸化ナトリウムの相図である。 他の例に係る熱搬送方法において、熱搬送媒体に使用される水酸化バリウムの相図である。 他の例に係る熱搬送方法において、熱搬送媒体に使用される硝酸マグネシウムの相図である。 他の例に係る熱搬送方法において、熱搬送媒体に使用される硫酸アンモニウムアルミニウムの相図である。 他の例に係る熱搬送方法において、熱搬送媒体に使用される塩化マグネシウムの相図である。
本開示の熱搬送方法の一実施形態について以下に説明する。
(1)空気調和システム
本開示の熱搬送方法に用いられる熱搬送サブシステム100を含む空気調和システム1について、図1を参照して説明する。図1は、空気調和システム1の概略構成図である。熱搬送サブシステム100は、特許請求の範囲における熱搬送システムの一例である。
空気調和システム1は、温度調整対象としての空調対象空間の空気の温度を冷却して、空調対象空間を冷房し、また、温度調整対象としての空調対象空間の空気の温度を加熱して、空調対象空間を暖房するシステムである。本実施形態では、空気調和システム1は、空調対象空間の冷房及び暖房を行うシステムであるが、これに限定されるものではない。空気調和システム1は、空調対象空間の冷房専用のシステムであってもよい。
また、熱搬送サブシステム100の用途は空気調和システム1に限定されるものではない。例えば、熱搬送サブシステム100は、各種機器を冷却する冷却システムにおいて、蒸気圧縮式冷凍サイクル装置等の熱源装置の熱を搬送するシステムとして利用されてもよい。
空気調和システム1は、熱搬送サブシステム100と、冷凍サイクルサブシステム200と、を主に含む。
熱搬送サブシステム100は、熱搬送媒体が循環する媒体回路30を備える。熱搬送サブシステム100は、媒体回路30において熱搬送媒体を循環させて熱を搬送する。具体的には、熱搬送サブシステム100は、冷凍サイクルサブシステム200から供給される熱を、熱搬送媒体により、熱搬送サブシステム100の温度調整対象(本実施形態では、空調対象空間の空気)へと搬送する。空気調和システム1が空調対象空間の冷房を行う場合、熱搬送サブシステム100は、熱搬送媒体を用いて、冷凍サイクルサブシステム200から供給される冷熱を熱搬送サブシステム100の温度調整対象へと搬送する。空気調和システム1が空調対象空間の暖房を行う場合、熱搬送サブシステム100は、熱搬送媒体を用いて、冷凍サイクルサブシステム200から供給される温熱を熱搬送サブシステム100の温度調整対象へと搬送する。
冷凍サイクルサブシステム200は、蒸気圧縮式冷凍サイクルを利用して、冷媒を冷却又は加熱し、冷媒の冷熱又は温熱を熱搬送サブシステム100に供給する。本実施形態では、冷凍サイクルサブシステム200は、空気を熱源として利用する。ただし、これに限定されるものではなく、冷凍サイクルサブシステム200は、水等の液体を熱源に利用してもよい。
冷凍サイクルサブシステム200で用いられる冷媒は、冷媒の種類を限定するものではないが、例えば、R32のようなハイドロフルオロカーボン(HFC)系の冷媒である。ハイドロフルオロカーボン(HFC)系の冷媒は、オゾン層破壊係数はゼロであるが、地球温暖化係数(GWP)は比較的高い冷媒である。
(2)詳細構成
冷凍サイクルサブシステム200と、熱搬送サブシステム100と、について詳細を説明する。
(2-1)冷凍サイクルサブシステム
図1を参照しながら、冷凍サイクルサブシステム200について説明する。
冷凍サイクルサブシステム200は、後述する熱搬送サブシステム100の熱源ユニット10の熱源となるシステムである。なお、冷凍サイクルサブシステム200と、後熱搬送サブシステム100の熱源ユニット10とは、冷媒配管の長さを抑制して、冷媒使用量を抑制するため、比較的近くに配置されることが好ましい。
冷凍サイクルサブシステム200は、図1に示すように、主に、圧縮機210、流路切換機構220、第1熱交換器230、膨張機構240、ファン260及び制御装置270を含む。
冷凍サイクルサブシステム200では、圧縮機210、流路切換機構220、第1熱交換器230、膨張機構240及び、後述する熱搬送サブシステム100の熱源ユニット10の熱源熱交換器12が冷媒配管により接続され、冷媒回路250を構成する(図1参照)。冷凍サイクルサブシステム200の各種構成を接続する冷媒配管には、吸入管251、吐出管252、第1ガス冷媒管253、液冷媒管254、及び第2ガス冷媒管255を含む(図1参照)。吸入管251は、圧縮機210の吸入口(図示せず)と、流路切換機構220と、を接続する。吐出管252は、圧縮機210の吐出口(図示せず)と、流路切換機構220と、を接続する。第1ガス冷媒管253は、流路切換機構220と、第1熱交換器230のガス側と、を接続する配管である。液冷媒管254は、第1熱交換器230の液側と、熱源ユニット10の熱源熱交換器12の液側と、を接続する配管である。液冷媒管254には、膨張機構240が配置される。第2ガス冷媒管255は、流路切換機構220と、熱源ユニット10の熱源熱交換器12のガス側と、を接続する配管である。
圧縮機210、流路切換機構220、第1熱交換器230、膨張機構240及びファン260は、例えば1つの筐体に収容されたユニットとして屋外等に設置される。または、圧縮機210、流路切換機構220、第1熱交換器230、膨張機構240及びファン260に加え、熱搬送サブシステム100の熱源ユニット10の熱交換器12も、1つの筐体に収容されてもよい。
(2-1-1)圧縮機
圧縮機210は、吸入管251を介して冷凍サイクルにおける低圧の冷媒を吸入して、圧縮機構(図示せず)により冷媒を圧縮し、吐出管252を介して、圧縮後の冷凍サイクルにおける高圧の冷媒を吐出する。
圧縮機210は、例えばスクロール圧縮機である。ただし、圧縮機210のタイプはスクロール式に限定されるものではなく、ロータリー圧縮機、スクリュー圧縮機、ターボ圧縮機等であってもよい。圧縮機210は、容量可変の圧縮機であるが、定容量の圧縮機であってもよい。
(2-1-2)流路切換機構
流路切換機構220は、空気調和システム1の運転モードに応じて、冷媒回路250における冷媒の流れ方向を切り換える機構である。空気調和システム1の運転モードには、冷房モードと、暖房モードと、を含む。
本実施形態では、流路切換機構220は四路切換弁である。ただし、流路切換機構220は、四路切換弁に限定されるものではなく、複数の電磁弁及び配管を組み合わせることで、以下のような冷媒の流れ方向の切り換えを実現できるように構成されてもよい。
空気調和システム1の運転モードが冷房モードである場合、流路切換機構220は、圧縮機210が吐出する冷媒が第1熱交換器230に送られるように、冷媒回路250における冷媒の流向を切り換える。具体的には、冷房モードでは、流路切換機構220は、吸入管251と第2ガス冷媒管255とを連通させ、吐出管252と第1ガス冷媒管253とを連通させる(図2の流路切換機構220中の実線参照)。
空気調和システム1の運転モードが暖房モードである場合、流路切換機構220は、圧縮機210が吐出する冷媒が熱搬送サブシステム100の熱源ユニット10の熱源熱交換器12に送られるように、冷媒回路250における冷媒の流向を切り換える。具体的には、暖房モードでは、流路切換機構220は、吸入管251と第1ガス冷媒管253とを連通させ、吐出管252と第2ガス冷媒管255とを連通させる(図2の流路切換機構220中の破線参照)。
(2-1-3)第1熱交換器
第1熱交換器230は、第1熱交換器230の周囲の熱源としての空気と、第1熱交換器230の内部を流れる冷媒と、の間で熱交換をさせる熱交換器である。第1熱交換器230は、タイプを限定するものではないが、例えばクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器である。第1熱交換器230は、空気調和システム1の運転モードが冷房モードにある時には、凝縮器(放熱器)として機能する。また、第1熱交換器230は、空気調和システム1の運転モードが暖房モードにある時には、蒸発器として機能する。
(2-1-4)膨張機構
膨張機構240は、液冷媒管254を流れる冷媒を膨張させて、冷媒の圧力や流量の調節を行う機構である。本実施形態では、膨張機構240は、開度調整が可能な電子膨張弁である。なお、膨張機構240は、電子膨張弁に限定されるものではない。膨張機構240は、感温筒を有する温度自動膨張弁であってもよいし、キャピラリチューブであってもよい。
(2-1-5)ファン
ファン260は、第1熱交換器230における冷媒と空気との熱交換を促進するため、第1熱交換器230を空気が通過するように気流を生成する機構である。ファン260は、タイプを限定するものではないが、例えばプロペラファンである。
(2-1-6)制御装置
制御装置270は、冷凍サイクルサブシステム200の各種構成の動作を制御する装置である。
制御装置270は、冷凍サイクルサブシステム200の各種構成の動作を制御するための構成として、各種電気回路及び電子回路や、CPUやCPUが実行するプログラムが記憶されたメモリを含むマイクロコンピュータ等を有している。制御装置270は、単体の装置であってもよいし、複数の装置が協働して制御装置270として機能してもよい。
制御装置270は、圧縮機210、流路切換機構220、膨張機構240及びファン260と電気的に接続されている。また、制御装置270は、冷凍サイクルサブシステム200の各部に設けられた各種のセンサ(冷媒の温度を計測する温度センサや、冷媒の圧力を計測する圧力センサ等)と、センサの計測値に関する信号を取得可能に接続されている。また、冷凍サイクルサブシステム200の制御装置270は、熱搬送サブシステム100の制御装置70と、通信可能に接続されている。
制御装置270による冷凍サイクルサブシステム200の各種構成の動作の制御については後述する。
(2-2)熱搬送サブシステム
熱搬送サブシステム100は、特許請求の範囲における熱搬送システムの一例である。
熱搬送サブシステム100は、熱源ユニット10と、利用ユニット20と、第1流路32と、第2流路34と、ポンプ50と、第1温度センサ62と、第2温度センサ64と、制御装置70と、を主に含む。図1では、利用ユニット20を1つだけ描画しているが、これに限定されるものではなく、熱搬送サブシステム100は、利用ユニット20を複数有してもよい。第1流路32及び第2流路34は、それぞれ、熱源ユニット10と利用ユニット20との間を接続する。熱源ユニット10と利用ユニット20との間が、第1流路32及び第2流路34により接続されることで、熱搬送媒体が循環する媒体回路30が構成される。
熱搬送サブシステム100の機能について説明する。熱搬送サブシステム100は、媒体回路30において熱搬送媒体を循環させることで、熱源ユニット10から利用ユニット20へと熱(冷熱/温熱)を搬送するシステムである。
本実施形態の熱搬送サブシステム100では、熱搬送媒体として水ではなく、水に無機水和物が混ぜられている無機水和物スラリーを使用する。水に混ぜられる無機水和物は、特に、水への溶解時に吸熱する無機水和物である。熱搬送サブシステム100で用いられる熱搬送媒体については後程詳述する。
熱源ユニット10、利用ユニット20、第1流路32、第2流路34、ポンプ50、第1温度センサ62、第2温度センサ64及び制御装置70について詳細を説明する。
(2-2-1)熱源ユニット
熱源ユニット10は、熱源となる冷凍サイクルサブシステム200から(冷凍サイクルサブシステム200の冷媒から)、熱の供給を受けるユニットである。
熱源ユニット10は、主に熱源熱交換器12を含む。
本実施形態では、熱源熱交換器12はプレート式熱交換器である。ただし、熱源熱交換器12のタイプは、プレート式熱交換器に限定されるものではなく、冷媒と熱搬送媒体との間で熱交換が可能であれば、熱交換器の種類は適宜選択されればよい。
熱源熱交換器12には、液冷媒管254と、第2ガス冷媒管255と、第1流路32を構成する第1配管32aと、第2流路34を構成する第2配管34aと、が接続される。
熱源熱交換器12は、空気調和システム1の運転モードが冷房モードである時には冷媒の蒸発器として機能し、空気調和システム1の運転モードが暖房モードである時には冷媒の凝縮器として機能する。言い換えれば、空気調和システム1の運転モードが冷房モードである時には、冷媒は、液冷媒管254から気液二相の状態で流入し、熱搬送媒体を冷却して熱源熱交換器12内で蒸発して気相の冷媒ガスとなり、第2ガス冷媒管255へと流出する。一方、空気調和システム1の運転モードが暖房モードである時には、気相の冷媒が第2ガス冷媒管255から流入し、熱搬送媒体を加熱して熱源熱交換器12内で凝縮して液相の冷媒となり、液冷媒管254へと流出する。
熱搬送媒体は、熱源ユニット10の熱源熱交換器12に、第2配管34aから流入し、第1配管32aから流出する。空気調和システム1の運転モードが冷房モードである時には、第2配管34aから流入した熱搬送媒体は、冷媒により冷却され、第1配管32aへと流出する。空気調和システム1の運転モードが暖房モードである時には、第2配管34aから流入した熱搬送媒体は、冷媒により加熱され、第1配管32aへと流出する。
(2-2-2)利用ユニット
利用ユニット20は、タイプを限定するものではないが、熱源ユニット10で冷却/加熱された熱搬送媒体と温度調整対象である空調対象空間の空気とを熱交換させて空調を行う、エアハンドリングユニットやファンコイルユニットである。
利用ユニット20は、主に、利用熱交換器22と、ファン24と、を含む。
利用熱交換器22は、熱交換器の種類を限定するものではないが、例えばプレートフィンコイルである。ファン24は、ファンの種類を限定するものではないが、例えばクロスフローファンである。利用熱交換器22及びファン24は、図示しない利用ユニット20の筐体内に収容されている。ファン24は、利用ユニット20の筐体内に空調対象空間の空気を取り込んで利用熱交換器22に供給し、利用熱交換器22において冷媒と熱交換した空気を、空調対象空間へと吹き出す。
利用熱交換器22には、第1流路32を構成する第1配管32aと、第2流路34を構成する第2配管34aと、が接続される。
空気調和システム1の運転モードが冷房モードである時には、利用熱交換器22において、第1配管32aから流入した熱搬送媒体により温度調整対象の空気が冷却される。空気を冷却することで利用熱交換器22において加熱された(温度が上昇した)熱搬送媒体は、第2配管34aへと流出する。
空気調和システム1の運転モードが暖房モードである時には、利用熱交換器22において、第1配管32aから流入した熱搬送媒体により温度調整対象の空気が加熱される。空気を加熱することで利用熱交換器22において冷却された(温度が低下した)熱搬送媒体は、第2配管34aへと流出する。
(2-2-3)第1流路
第1流路32は、主に第1流路32を構成する第1配管32aを含む。第1流路32は、熱源ユニット10と利用ユニット20との間を接続する熱搬送媒体の流路である。第1流路32には、熱源ユニット10から利用ユニット20へと熱搬送媒体が流れる。
空気調和システム1の運転モードが冷房モードである時には、第1流路32を流れる熱搬送媒体の温度は、第2流路34を流れる熱搬送媒体の温度よりも低温である。空気調和システム1の運転モードが暖房モードである時には、第1流路32を流れる熱搬送媒体の温度は、第2流路34を流れる熱搬送媒体の温度よりも高温である。
(2-2-4)第2流路
第2流路34は、主に第2流路34を構成する第2配管34aを含む。第2流路34は、熱源ユニット10と利用ユニット20との間を接続する熱搬送媒体の流路である。第2流路34には、利用ユニット20から熱源ユニット10へと熱搬送媒体が流れる。
なお、第1配管32aの径は、第2配管34aの径よりも大きいことが好ましい。第1配管32aの径が第2配管34aの径よりも大きいことが好ましい理由や、第1配管32a及び第2配管34aに用いられる配管の寸法の具体例については後述する。
(2-2-5)ポンプ
ポンプ50は、媒体回路30内で熱搬送媒体を循環させるポンプである。言い換えれば、ポンプ50は、熱源ユニット10から利用ユニット20へと熱搬送媒体を送り、利用ユニット20から熱源ユニット10へと熱搬送媒体を戻すポンプである。
本実施形態では、ポンプ50は、第2流路34に配置されている。ただし、これに限定されるものではなく、ポンプ50は、第1流路32に配置されていてもよい。
ポンプ50は、例えば流量可変のインバーターポンプである。ただし、これに限定されるものではなく、ポンプ50は、定速のポンプであってもよい。ポンプ50のタイプは、適宜選択されればよい。
(2-2-6)第1温度センサ及び第2温度センサ
第1温度センサ62及び第2温度センサ64は、媒体回路30を流れる熱搬送媒体の温度を計測する温度センサである。
第1温度センサ62は、第1流路32の、熱源ユニット10の熱源熱交換器12との接続部付近に設置され、熱源熱交換器12から流出する熱搬送媒体の温度を計測する。第1温度センサ62により検出される熱搬送媒体の温度は、第1流路32における熱損失を微小とすれば、利用ユニット20の利用熱交換器22に流入する熱搬送媒体の温度に等しい。なお、利用ユニット20の利用熱交換器22に流入する熱搬送媒体の温度を把握可能であれば、第1温度センサ62の設置場所は、例示の場所に限定されない。
第2温度センサ64は、第2流路34の、熱源ユニット10の熱源熱交換器12との接続部付近に配置され、熱源熱交換器12へと流入する熱搬送媒体の温度を計測する。第2温度センサ64により検出される熱搬送媒体の温度は、第2流路34における熱損失を微小とすれば、利用ユニット20の利用熱交換器22から流出する熱搬送媒体の温度に等しい。なお、利用ユニット20の利用熱交換器22から流出する熱搬送媒体の温度を把握可能であれば、第2温度センサ64の設置場所は、例示の場所に限定されない。
(2-2-7)制御装置
制御装置70は、熱搬送サブシステム100の各種構成の動作を制御する装置である。
制御装置70は、熱搬送サブシステム100の各種構成の動作を制御するための構成として、各種電気回路及び電子回路や、CPUやCPUが実行するプログラムが記憶されたメモリを含むマイクロコンピュータ等を有している。制御装置70は、単体の装置であってもよいし、複数の装置が協働して制御装置70として機能してもよい。
制御装置70は、ファン24及びポンプ50と電気的に接続されている。また、制御装置270は、第1温度センサ62及び第2温度センサ64を含む、熱搬送サブシステム100の各部に設けられた各種のセンサと、センサの計測値に関する信号を取得可能に接続されている。また、熱搬送サブシステム100の制御装置70は、冷凍サイクルサブシステム200の制御装置270と、通信可能に接続されている。
制御装置70による、熱搬送サブシステム100の各種構成の動作の制御については後述する。
(3)空気調和システムの制御
冷凍サイクルサブシステム200の制御装置270と、熱搬送サブシステム100の制御装置70とは、協働して以下のように空気調和システム1の各部の動作を制御する。なお、ここでは、制御装置270と制御装置70とを別の装置としたが、これに限定されるものではなく、一台の制御装置で空気調和システム1の各部の動作を制御してもよい。以後、制御装置270及び制御装置70を集合的に、制御装置Cと呼ぶ場合がある。
制御装置270は、前述のように、圧縮機210、流路切換機構220、膨張機構240及びファン260を主に制御する。制御装置70は、前述のように、ファン24及びポンプ50を主に制御する。
空気調和システム1の運転時には、制御装置Cは、冷房モード及び暖房モードを問わず、熱搬送サブシステム100のポンプ50及びファン24を運転する。
また、空気調和システム1の運転モードが冷房モードである場合には、制御装置270は、流路切換機構220の動作を制御して、図1の実線で示される状態とし、圧縮機210の吐出側と第1熱交換器230のガス側とを連通させ、かつ、圧縮機210の吸入側と熱源熱交換器12のガス側とを連通させる。この状態で、制御装置270は、圧縮機210及びファン260を運転する。その結果、圧縮機210に吸入管251から吸入される冷凍サイクルにおける低圧のガス冷媒は、圧縮機210により圧縮されて、冷凍サイクルにおける高圧のガス冷媒となる。冷凍サイクルにおける高圧のガス冷媒は、吐出管252、流路切換機構220及び第1ガス冷媒管253を経て第1熱交換器230に流入する。冷凍サイクルにおける高圧のガス冷媒は、第1熱交換器230において、ファン260により送られる空気と熱交換を行うことで、凝縮して冷凍サイクルにおける高圧の液冷媒となる。第1熱交換器230から流出した冷凍サイクルにおける高圧の液冷媒は、膨張機構240に流入する。膨張機構240において減圧された冷凍サイクルにおける低圧の冷媒は、液冷媒管254を流れ、熱源熱交換器12に流入する。熱源熱交換器12に流入した冷媒は、熱搬送媒体と熱交換を行うことで蒸発して冷凍サイクルにおける低圧のガス冷媒となって熱源熱交換器12から流出する。熱源熱交換器12から流出した冷媒は、第2ガス冷媒管255及び吸入管251を流れて圧縮機210に再び吸入される。
なお、ポンプ50の運転により第2流路34から熱源熱交換器12に流入した熱搬送媒体は、冷媒と熱交換を行うことで冷却され、第1流路32を流れて利用ユニット20に送られる。利用ユニット20の利用熱交換器22では、熱搬送媒体が温度調整対象である空調対象空間の空気と熱交換して空気を冷却する(空調対象空間を冷房する)。利用熱交換器22を通過した、空気との熱交換後の熱搬送媒体は、第2流路34を流れて再び熱源熱交換器12に流入する。
空気調和システム1の運転モードが冷房モードである場合、制御装置Cは、第1温度センサ62により計測される温度(後述するTin)及び第2温度センサ64により計測される温度(後述するTout)が所定の温度になるように、冷凍サイクルサブシステム200及び熱搬送サブシステム100の動作を制御する。例えば、制御装置Cは、第1温度センサ62により計測される温度及び第2温度センサ64により計測される温度が所定の温度になるように、圧縮機210の容量、膨張機構240としての電子膨張弁の開度、ファン260の回転数、ポンプ50の回転数等を適宜調整する。
また、空気調和システム1の運転モードが暖房モードである場合には、制御装置270は、流路切換機構220の動作を制御して、図1の点線で示される状態とし、圧縮機210の吐出側と熱源熱交換器12のガス側とを連通させ、かつ、圧縮機210の吸入側と第1熱交換器230のガス側とを連通させる。この状態で、制御装置270は、圧縮機210及びファン260を運転する。その結果、圧縮機210に吸入管251から吸入される冷凍サイクルにおける低圧のガス冷媒は、圧縮機210により圧縮されて、冷凍サイクルにおける高圧のガス冷媒となる。冷凍サイクルにおける高圧のガス冷媒は、吐出管252、流路切換機構220及び第2ガス冷媒管255を経て熱源熱交換器12に流入する。冷凍サイクルにおける高圧のガス冷媒は、熱源熱交換器12において、熱源熱交換器12を流れる熱搬送媒体がと熱交換を行うことで、凝縮して冷凍サイクルにおける高圧の液冷媒となる。熱源熱交換器12から流出した冷凍サイクルにおける高圧の液冷媒は、膨張機構240に流入する。膨張機構240において減圧された冷凍サイクルにおける低圧の冷媒は、液冷媒管254を流れ、第1熱交換器230に流入する。第1熱交換器230に流入した冷媒は、ファン260により送られる空気と熱交換を行うことで蒸発して冷凍サイクルにおける低圧のガス冷媒となって第1熱交換器230から流出する。第1熱交換器230から流出した冷媒は、第1ガス冷媒管253及び吸入管251を流れて圧縮機210に再び吸入される。
なお、ポンプ50の運転により第2流路34から熱源熱交換器12に流入した熱搬送媒体は、冷媒と熱交換を行うことで加熱され、第1流路32を流れて利用ユニット20に送られる。利用ユニット20の利用熱交換器22では、熱搬送媒体が温度調整対象である空調対象空間の空気と熱交換して空気を加熱する(空調対象空間を暖房する)。利用熱交換器22を通過した、空気との熱交換後の熱搬送媒体は、第2流路34を流れて再び熱源熱交換器12に流入する。
なお、空気調和システム1の運転モードが暖房モードである場合にも、制御装置Cは、第1温度センサ62により計測される温度及び第2温度センサ64により計測される温度が所定の温度になるように、冷凍サイクルサブシステム200及び熱搬送サブシステム100の動作を制御する。例えば、制御装置Cは、第1温度センサ62により計測される温度及び第2温度センサ64により計測される温度が所定の温度になるように、圧縮機210の容量、膨張機構240としての電子膨張弁の開度、ファン260の回転数、ポンプ50の回転数等を適宜調整する。
(4)熱搬送媒体
熱搬送サブシステム100で用いられる熱搬送媒体について説明する。
本実施形態の熱搬送サブシステム100では、熱搬送媒体として水ではなく、水に、水への溶解時に吸熱する無機水和物が混ぜられている無機水和物スラリーを使用する。
無機水和物スラリーを利用する理由、無機水和物スラリーの具体例について説明する。
(4-1)熱搬送媒体として無機水和物スラリーを使用する理由
本開示の熱搬送方法で、熱搬送媒体として無機水和物スラリーを使用する理由は、特に熱源ユニット10から利用ユニット20へと冷熱を搬送する際に、熱搬送量を、熱搬送に水を用いる場合に比べて増やすためである。
以下に、無機水和物スラリーを熱搬送媒体として使用し、さらに本開示の熱搬送方法を用いることで、このような効果が得られる理由について説明する。
まず、本開示の熱搬送方法について概説する。
本開示の熱搬送方法では、熱搬送媒体として、水への溶解時に吸熱する無機水和物が混ぜられている無機水和物スラリーが使用され、概ね以下のような条件で熱源ユニット10から利用ユニット20へと冷熱が搬送される。
1)利用ユニット20に流入する熱搬送媒体の温度は、無機水和物の融点以下に制御される。言い換えれば、第1流路32を流れる熱搬送媒体の温度は、無機水和物の融点以下に制御される。また、好ましくは、第2流路34を流れる熱搬送媒体の温度も、無機水和物の融点以下に制御される。
2)利用ユニット20に流入する熱搬送媒体において、無機水和物の少なくとも一部は溶解していない。要するに、利用ユニット20に流入する熱搬送媒体は、無機水和物の飽和溶液であり、かつ、利用ユニット20に流入する熱搬送媒体には水に溶解していない固体の無機水和物が存在している。
3)利用ユニット20から流出する(比較的高温の)熱搬送媒体における単位質量の水あたりの無機水和物の溶解量は、利用ユニット20に流入する(比較的低温の)熱搬送媒体における単位質量の水あたりの無機水和物の溶解量とは変化している。具体的には、利用ユニット20から流出する熱搬送媒体における単位質量の水あたりの無機水和物の溶解量は、利用ユニット20に流入する熱搬送媒体における単位質量の水あたりの無機水和物の溶解量よりも多い。好ましくは、利用ユニット20から流出する熱搬送媒体では、無機水和物が水に全て溶解している。言い換えれば、利用ユニット20から流出する熱搬送媒体は、未飽和の無機水和物の水溶液である。
本開示の熱搬送方法では、以上の1)~3)のような条件で熱搬送を行うことで、熱源ユニット10から利用ユニット20へと冷熱を搬送する際に、同一流量であっても、無機水和物を含まない水を熱搬送媒体に用いた熱搬送に比べて大きな熱量を搬送可能である。その理由は以下のとおりである。
利用ユニット20を熱搬送媒体が流れる際、温度調整対象へと冷熱が移動し、熱搬送媒体の温度が上昇すると、無機水和物の飽和溶解度は大きくなる。上述のように、利用ユニット20に流入する熱搬送媒体は、無機水和物の飽和溶液であり、かつ、無機水和物の少なくとも一部は溶解していない。そのため、熱搬送媒体の温度上昇に伴い、溶解していなかった無機水和物が水に溶解し、単位質量の水あたりの無機水和物の溶解量が増加する。そして、上述のように、本実施形態の無機水和物は溶解時に吸熱する物質であるため、同一流量で同一温度差の条件であれば、本熱搬送媒体は、熱搬送に水を用いる場合に比べて、より大きな冷熱を温度調節対象に移動させることができる。要するに、本開示の熱搬送方法では、溶解潜熱(吸熱)を利用することで、水を熱搬送に用いる場合に比べて大きな冷熱を温度調節対象に移動させることができる。
なお、本開示の熱搬送方法では、媒体回路30において、少なくとも局所的に、固体の無機水和物を含む無機水和物スラリーが流れる。そのため、固体の無機水和物が沈殿したり、固体の無機水和物が第1配管32a、利用熱交換器22、及び第2配管34aの内面等に付着したりするおそれがある。特に、熱源ユニット10から利用ユニット20へと冷熱が搬送される際に比較的低温の無機水和物スラリーが流れる、第1配管32aや利用熱交換器22(特に入口付近)では、固体の無機水和物の沈殿や付着が比較的起こりやすい。
そのため、無機水和物スラリーには、その無機水和物の結晶の分散性を向上させる添加剤が添加されることが好ましい。
また、第1流路32の内面(第1配管32aの内面)、第2流路34の内面(第2配管34aの内面)、及び、利用熱交換器22の熱搬送媒体が流れる流路の内面の少なくとも1つには、親水面と疎水面とが交互に配置されたエリアを含むことが好ましい。特に好ましくは、第1流路32の内面及び利用熱交換器22の熱搬送媒体が流れる流路の内面には、親水面と疎水面とが交互に配置されたエリアを含む。
このような親水面F1(図5中でハッチングの付された部分)と疎水面F2(図5中でハッチングの付されていない部分)とが交互に配置されたエリアは、図5のように、例えば第1流路32の内面、第2流路34の内面、及び/又は、利用熱交換器22の内面に凹凸を設け、凸部の先端にだけ親水加工を施すことで実現できる。
なお、親水面と疎水面とを交互に設けるのは、熱搬送媒体の流路の内面に無機水和物が付着したとしても、無機水和物を剥離しやすくするためである。具体的には、親水面と疎水面とを交互に設けることで、結晶が付着しやすい親水面の付着面積を小さくして、結晶の付着力を小さくすることができる。
(4-2)熱搬送媒体の具体例及び熱搬送方法に用いられる運転条件の具体例
本実施形態では、熱搬送媒体として、水にリン酸系無機水和物が混ぜられているリン酸系無機水和物スラリーが用いられる。より具体的には、本実施形態で用いられる熱搬送媒体は、水にリン酸系無機水和物としてのリン酸水素二ナトリウム十二水和物が混ぜられているリン酸水素二ナトリウムのスラリーである。
リン酸水素二ナトリウムは、食品添加物としても使用される物質であり、人体に対する毒性や危険性の低い物質である。そのため、リン酸水素二ナトリウムのスラリーの漏洩に対しては、毒性や危険性の高い物質を熱搬送媒体に用いる場合に必要となるような漏洩対策が不要という利点がある。
なお、熱搬送媒体としてリン酸水素二ナトリウムのスラリーを用いる際には、リン酸系無機水和物の結晶の分散性を向上させる添加剤が添加されることが好ましい。具体的には、リン酸水素二ナトリウム十二水和物の結晶の分散安定性を向上させるため、表面のζ電位を向上させる添加剤が加えられる。例えば、熱搬送媒体には、添加剤として、熱搬送媒体に対する質量パーセント濃度が0.1wt%~1wt%の範囲で、陰イオン性の界面活性剤のドデシル硫酸ナトリウムが添加される。より具体的には、本実施形態では、0.5wt%のドデシル硫酸ナトリウムがリン酸水素二ナトリウムのスラリーに添加される。なお、この条件では、リン酸水素二ナトリウム十二水和物の結晶は、ドデシル硫酸ナトリウムを添加しない場合に比べて結晶が微細化し、殆ど沈降しないことが確認されている。
なお、リン酸系無機水和物の結晶の分散性を向上させる添加剤としては、ドデシル硫酸ナトリウムに代えて、オクチル硫酸ナトリウム、デシル硫酸ナトリウム、ヘキサデシル硫酸ナトリウム、ステアリル硫酸ナトリウム、又はオクタデシル硫酸ナトリウムが用いられてもよい。また、リン酸系無機水和物の結晶の分散性を向上させる添加剤として、不凍たんぱく質が用いられてもよい。また、リン酸系無機水和物の結晶の分散性を向上させる添加剤として、不凍たんぱく質の代替物質が用いられてもよい。また、リン酸系無機水和物の結晶の分散性を向上させる添加剤として、酸化チタンナノシートが用いられてもよい。
次に、リン酸水素二ナトリウムのスラリー中のリン酸水素二ナトリウムの重量濃度は、熱源ユニット10から利用ユニット20に冷熱を搬送する際に、利用ユニット20に流入する熱搬送媒体が、リン酸水素二ナトリウム十二水和物の少なくとも一部が溶解していない状態になるように決定されればよい。
また、リン酸系無機水和物スラリー中のリン酸水素二ナトリウムの重量濃度は、熱源ユニット10から利用ユニット20に冷熱を搬送する際に、利用ユニット20から流出する熱搬送媒体が、リン酸水素二ナトリウム十二水和物が全て水に溶解した状態になるように決定されることが好ましい。
リン酸水素二ナトリウムのスラリー中の適切なリン酸水素二ナトリウムの重量濃度は、利用ユニット20の入口及び出口の熱搬送媒体の温度を何℃に設定するかにより異なる。
本開示者は、熱搬送サブシステム100を空気調和システム1の用途で使用する際には、利用ユニット20の入口及び出口の熱搬送媒体の温度をそれぞれ以下のような数値範囲内とし、熱搬送媒体中のリン酸水素二ナトリウムの重量濃度を以下のような数値範囲とすることが好ましいことを見出した。
a)利用ユニット20に流入する熱搬送媒体の温度(Tin):2℃~6℃
b)利用ユニット20から流出する熱搬送媒体の温度(Tout):15℃~19℃
c)熱搬送媒体中のリン酸水素二ナトリウムの重量濃度:2wt%~7wt%
具体例としては、Tinは2℃に、Toutは17℃に、それぞれ設定され、熱搬送媒体中のリン酸水素二ナトリウムの重量濃度は5%とされる。この温度範囲で用いられる場合、温度上昇に伴いリン酸水素二ナトリウム十二水和物の飽和溶解度が増加することが、図2のリン酸水素二ナトリウムの相図から読み取ることができる。この温度条件及び濃度条件を用いる場合には、Tin及びToutを同温度に設定し、熱搬送に水を用いる場合に比べ、熱搬送量(冷熱の搬送量)を16J/gだけ増加させることができる。この熱搬送量の増加分は、熱搬送に水を用いる際の熱搬送量の約25%にあたる。
このようにして熱搬送量が増加する結果、図3のように、同じ冷却能力(冷熱の搬送能力)を実現する場合、リン酸水素二ナトリウムのスラリーの流量は、水の流量より少なくてもよいことになる。また、同じ冷却能力を少ない流量で実現できることから、図4のように、同一配管(管内径が7.52mmの直管)にリン酸水素二ナトリウムのスラリー又は水を流して同じ冷却能力(冷熱の搬送能力)を実現する場合、リン酸水素二ナトリウムを配管に流す時の圧損を、水を配管に流す時の圧損より低減できる。
なお、Tin=2℃、Tout=17℃という設定は、水チラーの冷水温度として一般的に使用される入口温度=7℃、出口温度=12℃という設定に比べて温度差が大きい。そのため、本実施形態のように、熱搬送に用いる運転条件をTin=2℃、Tout=17℃とし、熱搬送媒体中のリン酸水素二ナトリウムの重量濃度=5wt%とする場合の熱搬送量は、通常の水チラーにおいて運転条件を入口温度=7℃、出口温度=12℃とした場合の同一質量あたりの熱搬送量の約3.5倍とできる。
このように、TinとToutとの温度差を15℃と、一般的な水チラーの入口温度と出口温度との温度差である5℃に比べて大きくとるのは、熱搬送媒体により、冷媒と同等の熱搬送を行うためである。冷媒と同等の熱搬送を行う利点について説明する。
空調対象空間まで冷熱を搬送する手段としては、本開示の熱搬送方法のように冷凍サイクルサブシステム200の供給する熱を、二次媒体である熱搬送媒体により熱を利用する場所(利用ユニット20)まで搬送するという形態の他、熱の利用場所まで冷凍サイクルの冷媒を直接搬送することも考えられる。本実施形態の冷凍サイクルサブシステム200で用いられる冷媒のような、ハイドロフルオロカーボン系等の冷媒であれば、蒸発潜熱を利用できるため、単位質量あたりの熱搬送量は比較的大きい。そのため、配管サイズを抑制し、配管敷設コストを抑制するという観点からは、冷媒を熱搬送に直接用いることが好ましい。しかし、環境保全の観点から、ハイドロフルオロカーボン系の冷媒のような地球温暖化係数の比較的大きな冷媒の製造や使用の抑制が求められている。そのため、地球温暖化係数の大きな冷媒の使用量は抑制しつつ、配管サイズを抑制して配管敷設コストを抑制することが空気調和システムには求められている。
そこで、本開示の熱搬送方法では、質量当たりの熱搬送量を冷媒と同程度とするため、熱搬送媒体に無機水和物スラリー(特には、リン酸水素二ナトリウムのスラリー)を用いて熱搬送に溶解潜熱を利用するのに加え、TinとToutとの温度差を、通常の水チラーの入口温度と出口温度との温度差よりも大きく設定している。
なお、以上では、熱搬送方法に使用される好ましい、Tin,Tout,熱搬送媒体中のリン酸水素二ナトリウムの重量濃度の条件としてa)~c)の条件を示したが、本開示の熱搬送方法に使用される条件は、上記の条件に限定されるものではない。例えば、リン酸水素二ナトリウムの重量濃度を7%とした場合、Tinを2℃~6℃の範囲から選択し、Toutを20℃以上としてもよい。
(5)熱搬送サブシステムの配管径の選定
熱搬送サブシステム100の配管径の選定について説明する。
従来の水チラーでは、冷水の配管径は、想定される循環水量に合わせて、同一管径の配管が、利用ユニットに向かって水が流れる往き配管にも、利用ユニットからの水が流れる戻り配管にも、同一配管径の配管が用いられる。
これに対し、本開示の熱搬送方法に利用される熱搬送サブシステム100では、第1配管32aの径は、第2配管34aの径よりも大きいことが好ましい。
この理由は、上述のように、熱搬送サブシステム100では、熱源ユニット10から利用ユニット20へと冷熱が搬送される際、少なくとも第1流路32を流れる熱搬送媒体には、固体のリン酸水素二ナトリウム十二水和物が含まれる。要するに、熱搬送サブシステム100では、熱源ユニット10から利用ユニット20へと冷熱が搬送される際、第1流路32には、固液二相流が流れる。そのため、本開示の熱搬送方法が使用される熱搬送サブシステム100では、第1流路32における圧損が大きくなりやすい。一方、第2流路34には、上述のように、好ましくは全てのリン酸水素二ナトリウム十二水和物が水に溶解した状態の熱搬送媒体が流れる。リン酸水素二ナトリウム十二水和物が水に溶けている状態の熱搬送媒体を配管に流した時の圧損は、同一配管に水を流した時の圧損とほぼ同等であることが実験により確認されている。そのため、本開示の熱搬送方法に利用される熱搬送サブシステム100では、第1配管32aの径には、第2配管34aの径よりも大きいものが使用されることが好ましい。
具体的には、熱搬送サブシステム100では、利用ユニット20における定格の冷房能力(利用熱交換器22における定格の冷却能力)に応じて、第1配管32aの外径及び第2配管34aの外径に、表1のような寸法が選択される。
なお、配管外径が6.4mm、9.5mm、12.7mmの場合の配管の肉厚は0.8mm、配管外径が15.9mm、19.1mm、22.2mm、25.4mm、28.6mmの場合の配管の肉厚は1.0mm、配管外径が31.8mmの場合の配管の肉厚は1.1mm、配管外径が38.1mmの場合の配管の肉厚は1.35mmである。
Figure 0007064156000001
なお、上述のように例えば、Tinを2℃に、Toutを17℃に設定し、熱搬送媒体中のリン酸水素二ナトリウムの重量濃度を5wt%として、熱搬送媒体の単位質量当たりの熱搬送量を冷媒と同等とし、なおかつ、第1配管32aの外径を、第2配管34aの外径よりも大きくすることで、以下のような利点も得られる。
従来、冷凍サイクルシステムにより、冷媒で(水のような二次媒体を用いずに)、利用ユニット(冷凍サイクル装置の利用ユニット)を空調対象空間に設置し、熱を利用ユニットまで直接搬送する空気調和システムが広く使用されている。しかし、環境保全の観点から、地球温暖化係数の高い冷媒の使用の抑制が求められていることから、空気調和システムの更新の際には、冷媒で利用ユニットまで熱を直接搬送する空気調和システムではなく、冷媒を用いない二次媒体で利用ユニットまで熱を搬送する空気調和システムの採用が必要になる可能性がある。その際、従来の水チラーを、従来の使用条件(例えば、入口温度5℃、出口温度12℃)で用いる場合には、単位質量当たりの熱搬送量の違いから、冷媒で利用ユニットまで熱を直接搬送する空気調和システムにおける冷媒連絡配管を、二次媒体としての水を搬送するための配管として用いることは困難である。そのため、冷媒で利用ユニットまで熱を直接搬送する空気調和システムを、水を二次媒体に用いるチラーシステムに更新する際には、比較的大口径の配管の敷設工事が必要となる。
これに対し、本開示の熱搬送方法では、熱搬送媒体の単位質量当たりの熱搬送量が冷媒と同等であるため、冷媒で利用ユニットまで熱を直接搬送する空気調和システムにおける冷媒連絡配管を、熱搬送サブシステム100の第1配管32a及び第2配管34aに流用可能である。また、冷媒で利用ユニットまで熱を直接搬送する空気調和システムにおいて、ガス冷媒連絡配管の配管径は液冷媒連絡配管の配管径より大きいことから、ガス冷媒連絡配管を第1配管32aに、液冷媒連絡配管を第2配管34aに流用すれば、固液二相流に伴う圧損の課題にも対処可能である。
(6)特徴
(6-1)
本実施形態の熱搬送方法は、熱搬送方法の一例としての熱搬送サブシステム100を用いた熱搬送方法である。熱搬送サブシステム100は、熱源ユニット10と、利用ユニット20と、第1流路32と、第2流路34と、を備える。熱源ユニット10では、熱搬送媒体と熱源との間で熱交換が行われる。利用ユニット20では、熱搬送媒体と温度調整対象との間で熱交換が行われる。本実施形態では、温度調整対象は、空調対象空間の空気である。第1流路32は、熱源ユニット10と利用ユニット20との間を接続する。第1流路32には、熱源ユニット10から利用ユニット20へと熱搬送媒体が流れる。第2流路34は、熱源ユニット10と利用ユニット20との間を接続する。第2流路34には、利用ユニット20から熱源ユニット10へと熱搬送媒体が流れる。熱搬送方法には、熱搬送媒体として、水に、水への溶解時に吸熱する無機水和物が混ぜられている無機水和物スラリーが使用される。熱搬送方法では、熱搬送サブシステム100を、第1流路32を流れる熱搬送媒体の温度が無機水和物の融点以下の温度になるように制御する。また、熱搬送方法では、熱搬送サブシステム100を、第2流路34を流れる熱搬送媒体の温度が無機水和物の融点以下の温度になるように制御する。また、熱搬送方法では、第1流路32を流れる熱搬送媒体の単位質量の水あたりの無機水和物の溶解量を、第2流路34を流れる熱搬送媒体の単位質量の水あたりの無機水和物の溶解量とは変化させる。
本実施形態の熱搬送方法では、熱搬送に顕熱だけではなく溶解熱(溶解潜熱)を利用でき、単なる水を熱搬送媒体に用いる場合に比べて効率の良い熱搬送が可能である。そのため、この熱搬送方法では、水を熱搬送媒体に用いる場合に比べ、配管の大型化を抑制し、熱搬送サブシステム100の導入費用を抑制できる。
(6-2)
本実施形態の熱搬送方法では、熱源ユニット10から利用ユニット20に冷熱を搬送する。本実施形態の熱搬送方法では、効率よく温度調整対象の冷却を行うことができる。
(6-3)
本実施形態の熱搬送方法では、熱搬送媒体として、水にリン酸系無機水和物が混ぜられているリン酸系無機水和物スラリーを使用する。
特に本実施形態の熱搬送方法では、リン酸系無機水和物は、リン酸水素二ナトリウム十二水和物である。リン酸系無機水和物スラリー中の、リン酸水素二ナトリウムの重量濃度は2~7%の範囲である。熱搬送方法では、熱搬送システムを、第1流路から利用ユニットに流入する熱搬送媒体の温度が2℃~6℃の範囲となり、利用ユニットから第2流路に流出する熱搬送媒体の温度が15℃~19℃の範囲となるように制御する。
本実施形態の熱搬送方法では、通常の水チラーと比べ、利用ユニットの入口-出口の温度差を大きく確保しているため、冷熱の搬送に必要な熱搬送媒体の流量を低下させることが可能である。そのため、この熱搬送方法では、単なる水を熱搬送媒体に用いる場合に比べ、配管の大型化を抑制し、熱搬送システムの導入費用を抑制できる。
また、熱搬送媒体として利用されるリン酸水素二ナトリウムは、食品添加物としても使用されているため、安全性も高い。
(6-4)
本実施形態の熱搬送方法は、第1流路32を構成する第1配管32aの径は、第2流路34を構成する第2配管34aの径より大きい。
本実施形態の熱搬送方法では、利用ユニットへの冷熱の搬送時に、低温で溶解していない無機水和物の量が多い無機水和物スラリーが流れる第1配管32aの径を、高温で溶解していない無機水和物の量が少ない或いは全ての無機水和物が溶解している無機水和物スラリーが流れる第2配管34aの径より大きくしている。そのため、本実施形態の熱搬送方法では、熱搬送媒体の第1流路32における圧力損失の増大を抑制することができる。
なお、以下の理由から、本実施形態の熱搬送方法を利用することで、利用ユニットまで冷媒で熱を搬送する(熱搬送媒体を二次媒体として用いない)冷凍サイクル装置を、本開示の熱搬送方法を利用する熱搬送サブシステム100を含むシステムに置き換えるコストを抑制できる。
冷凍サイクル装置では、熱源機と利用機とを冷媒連絡配管で接続している。
このような冷凍サイクル装置を、水を熱搬送媒体とする熱搬送システム(従来の水チラー)を利用したシステムに置き換えようとすると、水の単位質量当たりの熱搬送量は冷媒に比べて小さいため、冷媒連絡配管をそのまま利用することは難しい。
これに対し、本開示の熱搬送方法では、上述のように水を熱搬送媒体に用いる場合に比べて効率の良い熱搬送が可能であるため(特には冷媒と同等の効率での熱搬送が可能であるため)、冷凍サイクル装置の冷媒連絡配管を、熱搬送システムの配管にそのまま利用できる。また、冷凍サイクル装置の冷媒連絡配管は、大径のガス冷媒連絡配管と小径の液冷媒連絡配管とを含む。そこで、大径のガス冷媒連絡配管を第1流路32に利用し、小径の液冷媒連絡配管を第2流路34に利用すれば、冷凍サイクル装置の冷媒連絡配管を利用しつつ、熱搬送媒体の搬送に伴う(特に固液二相の熱搬送媒体の搬送に伴う)圧力損失の増大を抑制できる。
(6-5)
本実施形態の熱搬送方法では、利用ユニットの定格の冷却能力と、第1流路32を構成する第1配管32aの外径及び第2流路34を構成する第2配管34aの外径とは、表1に示した関係を満たす。
本実施形態の熱搬送方法では、冷却能力と、第1配管32a及び第2配管34aの外径とが表1の関係を満たすことで、配管の大径化およびこれに伴う熱搬送サブシステム100の導入費用を抑制しつつ、第1流路32及び第2流路34における圧力損失の増大を抑制できる。
(6-6)
本実施形態の熱搬送方法では、熱搬送媒体には、リン酸系無機水和物の結晶の分散性を向上させる添加剤が添加される。
このような添加剤を添加することで、水に溶解していないリン酸系無機水和物の流路等への堆積を抑制できる。
好ましくは、添加剤は、界面活性剤のドデシル硫酸ナトリウムであり、熱搬送媒体に対する質量パーセント濃度は0.1wt%~1wt%の範囲である。
また、添加剤は、オクチル硫酸ナトリウム、デシル硫酸ナトリウム、ヘキサデシル硫酸ナトリウム、ステアリル硫酸ナトリウム、又はオクタデシル硫酸ナトリウムでもよい。
また、添加剤は、不凍たんぱく質であってもよい。
また、添加剤は、不凍たんぱく質の代替物質であってもよい。
また、添加剤は、酸化チタンシートであってもよい。
(6-7)
本実施形態の熱搬送方法では、利用ユニット20は、熱搬送媒体と温度調整対象との間で熱交換が行われる利用熱交換器22を含む。第1流路32の第1配管32aの内面、第2流路34の第2配管34aの内面、及び、利用熱交換器22の熱搬送媒体が流れる流路の内面の少なくとも1つは、親水面F1と疎水面F2とが交互に配置されたエリアを含む。
好ましくは、第1流路32の第1配管32aの内面、及び、利用熱交換器22の熱搬送媒体が流れる流路の内面は、親水面F1と疎水面F2とが交互に配置されたエリアを含む。
本実施形態の熱搬送方法では、熱搬送媒体中の固体の無機水和物が熱搬送媒体の流路内面に付着し堆積するのを抑制できる。
(7)変形例
以下に、上記実施形態の変形例を示す。なお、以下の変形例の内容は、互いに矛盾しない限り、他の変形例の内容の一部又は全部と組み合わされてもよい。
(7-1)変形例A
上記実施形態では、水への溶解時に吸熱する無機水和物の一例としてリン酸水素二ナトリウム十二水和物を使用する場合について説明したが、本開示の熱搬送方法に使用される無機水和物は、リン酸水素二ナトリウム十二水和物に限定されるものではない。
例えば、限定されるものではないが、本開示の熱搬送方法に使用される、水への溶解時に吸熱する無機水和物には、塩素酸リチウム三水和物、フッ化カリウム四水和物、硝酸マンガン(II)六水和物、塩化カルシウム六水和物、硝酸リチウム三水和物、硫酸ナトリウム十水和物、炭酸ナトリウム十水和物、硝酸亜鉛六水和物、硝酸カルシウム四水和物、チオ硫酸ナトリウム五水和物、酢酸ナトリウム三水和物、硝酸カドミウム四水和物、水酸化ナトリウム一水和物、水酸化バリウム八水和物、硝酸マグネシウム六水和物、硫酸アンモニウムアルミニウム十二水和物、塩化マグネシウム六水和物を含む。
なお、これらの無機水和物は、第1流路32から利用ユニット20に流入する熱搬送媒体の温度(Tin)を2℃~6℃とし、利用ユニット20から第2流路34に流入する熱搬送媒体の温度(Tout)を15℃~19℃とした場合に、図6~図22の各物質の相図に示すように、第1流路32及び第2流路34を流れる熱搬送媒体の温度が無機水和物の融点以下であり、TinとToutとの間の温度範囲で無機水和物の飽和溶解度が変化する物質である。
なお、無機水和物の濃度は、熱源ユニット10から利用ユニット20への冷熱の搬送時に以下の条件を満たすように適宜決定されればよい。
・利用ユニット20に流入する(温度Tinの)熱搬送媒体は、無機水和物の飽和溶液であり、かつ、利用ユニット20に流入する熱搬送媒体には水に溶解していない固体の無機水和物が存在している。
・利用ユニット20から流出する(比較的高温である温度Toutの)熱搬送媒体における単位質量の水あたりの無機水和物の溶解量は、利用ユニット20に流入する(比較的低温である温度Tinの)熱搬送媒体における単位質量の水あたりの無機水和物の溶解量とは変化している。具体的には、利用ユニット20から流出する熱搬送媒体における単位質量の水あたりの無機水和物の溶解量は、利用ユニット20に流入する熱搬送媒体における単位質量の水あたりの無機水和物の溶解量よりも多い。好ましくは、利用ユニット20から流出する熱搬送媒体では、無機水和物が水に全て溶解している。言い換えれば、利用ユニット20から流出する熱搬送媒体は、未飽和の無機水和物の水溶液である。
なお、いずれの無機水和物を用いるかは、安全性、溶解時の吸熱量、熱搬送媒体の温度Tin,Tout等に基づいて適宜決定されればよい。
(7-2)変形例B
上記実施形態では、熱搬送サブシステム100が熱源ユニット10から利用ユニット20へと温熱を搬送する際(空気調和システム1の運転モードを暖房モード時)に、溶解潜熱を利用することは想定していない。ただし、これに限定されるものではない。
熱搬送媒体を使用する温度範囲(TinやToutの値)や、使用する無機水和物の種類によっては、熱源ユニット10から利用ユニット20へと温熱を搬送する際にも、溶解潜熱を利用可能である。
<付記>
以上、本開示の実施形態を説明したが、特許請求の範囲に記載された本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能なことが理解されるであろう。
本開示の熱搬送方法は、熱搬送システムを用いた熱搬送に広く適用でき有用である。
10 熱源ユニット
20 利用ユニット
32 第1流路
32a 第1配管(第1流路を構成する配管)
34 第2流路
34a 第2配管(第2流路を構成する配管)
100 熱搬送サブシステム(熱搬送システム)
F1 親水面
F2 疎水面
国際公開第2011/099629号

Claims (10)

  1. 熱搬送媒体と熱源との間で熱交換が行われる熱源ユニット(10)と、
    前記熱搬送媒体と温度調整対象との間で熱交換が行われる利用ユニット(20)と、
    前記熱源ユニットと前記利用ユニットとの間を接続し、前記熱源ユニットから前記利用ユニットへと前記熱搬送媒体が流れる第1流路(32)と、
    前記熱源ユニットと前記利用ユニットとの間を接続し、前記利用ユニットから前記熱源ユニットへと前記熱搬送媒体が流れる第2流路(34)と、
    を備える熱搬送システム(100)を用いた熱搬送方法であって、
    前記熱搬送媒体として、水に、水への溶解時に吸熱する無機水和物が混ぜられている無機水和物スラリーを使用し、
    前記熱源ユニットから前記利用ユニットに冷熱を搬送し、
    前記熱搬送システムを、前記第1流路及び前記第2流路を流れる前記熱搬送媒体の温度が前記無機水和物の融点以下の温度になるように制御するとともに、
    前記第1流路を流れる前記熱搬送媒体の単位質量の水あたりの前記無機水和物の溶解量を、前記第2流路を流れる前記熱搬送媒体の単位質量の水あたりの前記無機水和物の溶解量とは変化させ、
    前記熱搬送媒体として、水にリン酸系無機水和物が混ぜられているリン酸系無機水和物スラリーを使用し、
    前記リン酸系無機水和物は、リン酸水素二ナトリウム十二水和物であり、
    前記リン酸系無機水和物スラリー中の、リン酸水素二ナトリウムの重量濃度は2~7%の範囲であり、
    前記熱搬送システムを、前記第1流路から前記利用ユニットに流入する前記熱搬送媒体の温度が2℃~6℃の範囲となり、前記利用ユニットから前記第2流路に流出する前記熱搬送媒体の温度が15℃~19℃の範囲となるように、制御する、
    熱搬送方法。
  2. 前記第1流路を構成する配管(32a)の径は、前記第2流路を構成する配管(34a)の径より大きい、
    請求項に記載の熱搬送方法。
  3. 前記利用ユニットの定格の冷却能力が2.2kWより大きく5.6kW以下である場合に、前記第1流路を構成する配管の外径は12.7mmで、前記第2流路を構成する配管の外径は6.4mmであり、
    前記利用ユニットの定格の冷却能力が5.6kWより大きく14kW以下である場合に、前記第1流路を構成する配管の外径は15.9mmで、前記第2流路を構成する配管の外径は9.5mmであり、
    前記利用ユニットの定格の冷却能力が14kWより大きく22.4kW以下である場合に、前記第1流路を構成する配管の外径は19.1mmで、前記第2流路を構成する配管の外径は9.5mmであり、
    前記利用ユニットの定格の冷却能力が22.4kWより大きく28kW以下である場合に、前記第1流路を構成する配管の外径は22.2mmで、前記第2流路を構成する配管の外径は9.5mmであり、
    前記利用ユニットの定格の冷却能力が28kWより大きく40kW以下である場合に、前記第1流路を構成する配管の外径は25.4mmで、前記第2流路を構成する配管の外径は12.7mmであり、
    前記利用ユニットの定格の冷却能力が40kWより大きく45kW以下である場合に、前記第1流路を構成する配管の外径は28.6mmで、前記第2流路を構成する配管の外径は12.7mmであり、
    前記利用ユニットの定格の冷却能力が45kWより大きく69kW以下である場合に、前記第1流路を構成する配管の外径は28.6mmで、前記第2流路を構成する配管の外径は15.9mmであり、
    前記利用ユニットの定格の冷却能力が69kWより大きく100kW以下である場合に、前記第1流路を構成する配管の外径は31.8mmで、前記第2流路を構成する配管の外径は19.1mmであり、
    前記利用ユニットの定格の冷却能力が100kWより大きく150kW以下である場合に、前記第1流路を構成する配管の外径は38.1mmで、前記第2流路を構成する配管の外径は19.1mmである、
    請求項に記載の熱搬送方法。
  4. 前記熱搬送媒体には、リン酸系無機水和物の結晶の分散性を向上させる添加剤が添加される、
    請求項1から3のいずれか1項に記載の熱搬送方法。
  5. 前記添加剤は、界面活性剤のドデシル硫酸ナトリウムであり、前記熱搬送媒体に対する質量パーセント濃度は0.1wt%~1wt%の範囲である、
    請求項に記載の熱搬送方法。
  6. 前記添加剤は、オクチル硫酸ナトリウム、デシル硫酸ナトリウム、ヘキサデシル硫酸ナトリウム、ステアリル硫酸ナトリウム、又はオクタデシル硫酸ナトリウムである、
    請求項に記載の熱搬送方法。
  7. 前記添加剤は、不凍たんぱく質である、
    請求項に記載の熱搬送方法。
  8. 前記添加剤は、不凍たんぱく質の代替物質である、
    請求項に記載の熱搬送方法。
  9. 前記添加剤は、酸化チタンナノシートである、
    請求項に記載の熱搬送方法。
  10. 熱搬送媒体と熱源との間で熱交換が行われる熱源ユニット(10)と、
    前記熱搬送媒体と温度調整対象との間で熱交換が行われる利用ユニット(20)と、
    前記熱源ユニットと前記利用ユニットとの間を接続し、前記熱源ユニットから前記利用ユニットへと前記熱搬送媒体が流れる第1流路(32)と、
    前記熱源ユニットと前記利用ユニットとの間を接続し、前記利用ユニットから前記熱源ユニットへと前記熱搬送媒体が流れる第2流路(34)と、
    を備える熱搬送システム(100)を用いた熱搬送方法であって、
    前記熱搬送媒体として、水に、水への溶解時に吸熱する無機水和物が混ぜられている無機水和物スラリーを使用し、
    前記熱搬送システムを、前記第1流路及び前記第2流路を流れる前記熱搬送媒体の温度が前記無機水和物の融点以下の温度になるように制御するとともに、
    前記第1流路を流れる前記熱搬送媒体の単位質量の水あたりの前記無機水和物の溶解量を、前記第2流路を流れる前記熱搬送媒体の単位質量の水あたりの前記無機水和物の溶解量とは変化させ、
    前記利用ユニットは、前記熱搬送媒体と前記温度調整対象との間で熱交換が行われる利用熱交換器を含み、
    前記第1流路の内面、前記第2流路の内面、及び、前記利用熱交換器の前記熱搬送媒体が流れる流路の内面の少なくとも1つは、親水面(F1)と疎水面(F2)とが交互に配置されたエリアを含む
    搬送方法。
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