JP2024075055A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】メンテナンスが簡単にできる熱交換装置を提供する。【解決手段】本発明は、タンク１と箱体２を備え、前記タンクは、流入管１７Ａと流出管１７Ｂを有し、一次熱媒体Ｗを出し入れできるものであり、前記箱体を出し入れできる蓋部１５を有し、密閉されているものであり、内部に複数の前記箱体を収めており、前記箱体は、外壁２２に曲がりやすい構造物が設けられておらず、内部に二次熱媒体５を流すものであることを特徴とする熱交換装置ＥＸとすることで課題を解決した。【選択図】図２

Description

本発明は、熱交換器に関するものである。

従来、特許文献１のような、地下水を熱源とする熱交換器があった。熱交換するために汲み上げる地下水は、シルト（泥）や砂を含むことがある。さらに、地下水は、鉄やマンガンなどの不純物が含まれることがあり、その酸化物は、スケールと呼ばれる強固な付着物に変化する（非特許文献１）。スケールは、非常に簡単に除去できるものではない。スケールが、熱交換フィンなどの繊細な構造物に付着すると、最悪の場合、熱交換部ごと破棄するしかなかった。

特許第７０８２７６９号号公報

山口県宇部市から情報発信、Infomation from Ube City, Japan水浄化フォーラム －科学と技術－URL：http://water-solutions.jp/commentary/heavy-metals/chromium_manganese_iron/

本発明は、メンテナンス性の向上課題とする。

このような課題に鑑み、本発明は、タンクと箱体を備え、前記タンクは、流入管と流出管を有し、一次熱媒体を出し入れできるものであり、前記箱体を出し入れできる蓋部を有し、密閉されているものであり、内部に複数の前記箱体を収めており、前記箱体は、外壁に曲がりやすい構造物が設けられておらず、内部に二次熱媒体を流すものであることを特徴とする熱交換装置とすることで課題を解決した。

一つの態様として、前記曲がりやすい構造物は、フィンであり、外壁に前記フィンが設けられていない前記熱交換装置も開示する。

一つの態様として、前記箱体の材質は、少なくとも耐酸性のある耐腐食性材料である前記熱交換装置も開示する。

一つの態様として、一次熱媒体は、夾雑物や不純物を含む液体または気体である前記熱交換装置を開示する。

本発明の熱交換装置は、メンテナンスが簡単にできる。

図１は実施例の熱交換装置を用いた設備の説明図である。 図２は熱交換装置の説明図である。図２（Ａ）はタンクの説明図である。図２（Ｂ）は箱体の説明図である。図２（Ｃ）はタンクの底部と箱体の説明図である。 図３は、タンク内に設置された箱体の説明図である。図３（Ａ）は、タンクに設置された箱体の状態を示す斜視図である（説明のため、箱体を図示していない。）。図３（Ｂ）は、箱体の透視図である。図３（Ｃ）は、図３（Ｂ）に付したＡ－Ａ間の断面図である。 図４は、箱体を並列に連結した変形例の説明図である。 図５は連結管の変形例である。 図６は変形例の説明図である。図６（Ａ）は蓋部１５の第１の変形例である。図６（Ｂ）は蓋部１５の第２の変形例である。

以下、図面を参照して本発明の実施例１を説明する。以下の説明で、異なる図における同一符号は同一機能の部位を示しており、各図における重複説明は適宜省略する。

（実施例）
図１は実施例の熱交換装置ＥＸを用いた設備の説明図である。一次熱媒体Ｗは、地下水を温冷熱源９としたものであり、冬季は温熱源として、夏季は冷熱源として使われる。地下水は、砂やシルトといった微粒子を夾雑物として含む。また、地下水は、地下水に含まれるシリカ、マンガン、鉄、クロムといった金属やイオンを、不純物として含んでいる。

（一次熱媒体）
実施例の熱交換装置ＥＸは、夾雑物や不純物が多い温熱源や冷熱源に有効である。例えば、温冷熱源９は、夾雑物や不純物が多い井戸、海水、下水処理水などでよい。実施例の温冷熱源９は、井戸であり、汲み上げた地下水を一次熱媒体Ｗとして使用している。
実施例の熱交換装置ＥＸは、後述するように不純物による汚染の影響を受けにくく、かつ、洗浄が容易であるため、一次熱媒体Ｗは、下水、工場用排水、人工透析器を洗浄した排水でさえも温冷熱源９として使うことができる。
また、蒸気や加熱した空気のように、気体であってもよい。

（流入管）
流入管１７Ａは、井戸（温冷熱源９）からタンク１へ一次熱媒体Ｗを送る間である。地下水である一次熱媒体Ｗは井戸（温冷熱源９）からポンプＰにより汲み上げられ、流入管１７Ａを通ってタンク１へ送られる。

（タンク）
タンク１は、実施例の熱交換装置ＥＸの主要な部品である。タンク１は、流入管１７Ａに接続されており、ポンプＰを介して送られて来る一次熱媒体Ｗでタンク１の内部が満たされる。
タンク１内には、多数の箱体２が収納されている。箱体２の内部は、二次熱媒体５で満たされている。箱体２は、箱体２の外壁２２と接触する一次熱媒体Ｗの熱を箱体２の内部の二次熱媒体５と交換する熱交換部としての役割を果たす。
タンク１のより詳しい説明は、後述する。

（箱体）
実施例の箱体２は、外形が直方体であるが、形状は任意である。複数の箱体２がタンク１に収められるため、収めやすい形であることが好ましい。また、複数の箱体２の大きさは、互いに異なる大きさでもよい。また、タンク１に収容される箱体２の数は、２個以上あればよいが、多数になるほど熱交換効率が上がるので好ましい。実施例の箱体２は、連結管２１により直列に繋がれており、内部の二次熱媒体５が隣の箱体２へと運ばれるうちに徐々に冷却又は加熱される。
なお、連結管２１による箱体２の連結は、並列でもよく、適宜である。
箱体２のより詳しい説明は、後述する。

（箱体の材質）
箱体２の材質は、少なくとも耐酸性のあるステンレスなどの耐腐食性材料であることが好ましい。
箱体２は、熱交換装置ＥＸが備えている、熱交換を行う部材の主要な部材であるため、熱交換効率を落とさないために定期的に洗浄を繰り返す必要がある。
箱体２の材質に耐腐食性材料が求められることは、箱体２の洗浄で、スケールなどの付着物を落とすために薬剤が使われることがあるためである。
タンク１は、内部にスケールなどの付着物が付着しても熱交換効率を落とすことがほとんどないため、耐腐食性材料でなくとも構わないが、箱体２を収容したまま薬剤が使われることもあるため耐腐性材料であることが好ましい。

（温冷熱利用機器）
二次熱媒体５は、室内に設置された温冷熱利用機器４へ運ばれ、二次熱媒体５に蓄えられた熱エネルギーが使われ、戻り管５Ｂを介してタンク１に戻される。温冷熱利用機器４は、どのようなものでもよい。たとえば温冷熱利用機器４は、駐車場に積もった雪を融解する融雪装置のように巨大な構造物であってもよい。

（二次熱媒体）
二次熱媒体５は、不凍液など熱を運ぶのに適した媒体が選ばれる。また、二次熱媒体は、気体でもよい。たとえば、タンク１で冷やされた二次熱媒体５である空気が、そのまま室内へ導かれ、冷房として使われるような態様である。温冷熱利用機器４は不要となり、コストダウンできる。

箱体２の内部を通る内に冷却又は加熱された二次熱媒体５は、送出管５Ａを介して箱体２の外へ送られ、そして、タンク１の外へ出る。そして、エアコンなどの温冷熱利用機器４に送られ、室内の冷暖房に使われて熱エネルギーを失った二次熱媒体５は、戻り管５Ｂを通って、再びはタンク１内にある箱体２へと戻る。

（スケールの付着）
図２は熱交換装置ＥＸの説明図である。図２（Ａ）はタンク１の説明図である。図２（Ｂ）は箱体２の説明図である。
実施例のタンク１は、複数の箱体２を内部に収納している。複数の箱体２は、図示されていない連結管２１で相互に連結されており、エアコンなどで熱交換を終えた二次熱媒体５が戻り管５Ｂを通して、箱体２へと送られる。流入管１７Ａからタンク１内へ送られた一次熱媒体Ｗは箱体２の周囲を流れながら箱体２内部の二次熱媒体５と熱交換される。熱交換を終えた一次熱媒体Ｗは、流出管１７Ｂを通ってタンク１から排出され、温冷熱源９（井戸）に戻される。

一次熱媒体Ｗに夾雑物や不純物が含まれることは避けられないことである。特に一次熱媒体Ｗが多くの夾雑物や不純物を含む場合、熱交換部である箱体２の外壁２２に水垢とも呼ばれるスケールが固くこびりつく。たとえば、石灰質地層を流れる地下水に含まれるカルシウムは、二酸化炭素と共に高圧環境下におかれて、重炭酸カルシウムという形で溶解している。地下から地上に出てくると、圧力が低下することから、二酸化炭素が地下水から放出される。すると、溶解していた重炭酸カルシウムは、二酸化炭素を放出することで水に溶けにくい炭酸カルシウムになって析出する。特に熱交換器は、地下水と温度差があることから溶けた化合物が析出しやすく、ケイ酸マグネシウムやケイ酸カルシウムとなって強固に付着する。

一旦固着したスケールは、除去することが困難である。たとえば、アルミニウム製の熱交換フィンにこびりついたスケールは、金属ブラシなどでこすっても、なかなか取り除けない。さらに、熱交換フィンは、金属ブラシなどで強くこすると熱交換フィンが曲がってしまう不都合が生じる。熱交換フィンと熱交換フィンの隙間は小さく、熱交換フィンと熱交換フィンの間に詰まったスケールを除去することは、なかなかできない。
その結果、スケールが、熱交換フィンに厚く堆積してしまうと、熱交換器は廃棄せざるを得なくなる。

（箱体の外壁）
箱体２の外壁２２は、フィンなどの曲がりやすい構造物などが無く、スケールを落としやすいように構成されている。熱交換フィンなどの簡単に曲がりやすい部材は、外壁２２に存在せず、金属ブラシや金属のヘラなどを使うことさえできる。
また、熱交換フィンや熱交換部本体を構成するアルミニウムは、熱伝導性は良好であるものの酸に著しく弱く、市販の酸性のスケール除去剤を使うことができない。

（曲がりやすい構造物）
箱体２は、簡単に取り外すことができる曲がりやすい構造物が取り付けられていることを妨げない。当該構造物を取り外すことで、箱体２は、曲がりやすい構造物が無くなるからである。
また、曲がりやすいという程度は、スケールなどの強固な付着物を落とすために使われる一般的な洗浄手段により曲がってしまうものをいう。

実施例の箱体２は、耐腐食性材料で構成されており、スケール除去剤で腐食することはない。さらに、箱体２は熱伝導性が良く耐腐食性の金属合金で作られていることが好ましい。さらに好ましくは、箱体２は、スケール除去剤のような酸性の薬剤で腐食することが無い、少なくとも耐酸性の耐腐食性の金属合金で作られていることが好ましい。また、箱体２は、金属ブラシや、金属のヘラなどを使う硬度を有していることが好ましい。物理的手段で実施例の箱体２は、アルミニウムよりも固い金属合金で形成されており、外壁２２に曲がりやすい構造物が設けられていないため、金属ブラシなどの物理的な除去手段を使うことで、短時間にスケールを除去することができる。
実施例の箱体２は、このように、メンテナンスと耐久性を重視した熱交換装置ＥＸの部材であり、これまでにないものである。

温冷熱源９は、井戸から汲んだ地下水の他にも浄化処理した直後の温かい下水処理水や河川水・海水など夾雑物や不純物を含む温冷熱源９を使用することができる。箱体２は、外壁２２の洗浄が極めて簡単であるため、実施例の熱交換装置ＥＸは、多様な温冷熱源９を使うことが可能である。
また、飲用に適するレベルの地下水であっても、一次熱媒体Ｗとして長期にわたり使い続けると、熱交換フィンにスケールが溜まり使用不能になるが、実施例の箱体２は、洗浄ができるため使用不能になることがない。

（タンクの内部構成）
タンク１は、箱体２を取り出しやすいように、タンク１の上面を開放する蓋部１５を備えている。タンク１の内部には、複数の箱体２が収められている。
図２（Ｃ）はタンク１の底部１１と箱体２の説明図である。複数条の溝１１１がタンク１の底部１１に設けられている。この溝１１１は、箱体２と丁度嵌り合う幅になっており、箱体２が所定の間隔を空けて底部１１に取り付けられる。箱体２は、溝１１１に嵌合するだけで固定されているため、取り外し取り付けが簡単になっている。

スケールが付着し、熱交換効率が低下した箱体２は、タンク１から取り出される。そして、箱体２の外壁２２は、スケール除去剤や物理的な手段でスケールが取り除かれる。タンク１は、簡単に箱体２を再び収めることができる。

タンク１は、箱体２の他に特段の部材を内部に有していない。箱体２を取り外したタンク１は、洗浄が極めて簡単である。

（蓋部）
タンク１と蓋部１５は、断熱材を含む板体で作られており、タンク１内に入っている一次熱媒体Ｗの熱がタンク１から逃げないようになっている。また、蓋部１５は、シール材（図示せず）を介してタンク１に被せられている。蓋部１５とタンク１の接合部は、外気が蓋部１５とタンク１の間を通って入らない密閉構造になっている。

図３は、タンク１内に設置された箱体２の説明図である。図３（Ａ）は、タンク１に設置された箱体２の状態を示す斜視図である（説明のため、箱体２を図示していない。）。図３（Ｂ）は、箱体２の透視図である。図３（Ｃ）は、図３（Ｂ）に付したＡ－Ａ間の断面図である。
箱体２は、互い違いに間隔を空けて設置されることで、箱体２と箱体２の間に一次熱媒体Ｗが流れる流路ができるように配置されている。
他方、箱体２の内部に供給される二次熱媒体５は、図３（Ｂ）や図３（Ｃ）に示されたような、内部流路５１を通ることで効率な熱交換が行われる。隣接する箱体２は、連結管２１で相互に連結されている。内部流路５１と連結管２１により、二次熱媒体５は、長い距離を流れ、その間に、一次熱媒体Ｗから熱を受け取ることができる。

［変形例］
（連結管）
実施例では、箱体２の内部流路５１が直列に繋がるように連結管２１を取り付けたが、並列に繋げるように取り付けてもよい。
図４は、箱体２を並列に連結した変形例の説明図である。温冷熱利用機器４で熱が使われた二次熱媒体５は、戻り管５Ｂを通ってタンク１へと送られる。実施例と異なり変形例は、戻り管５Ｂと、熱交換を終えた二次熱媒体５を送り出す送出管５Ａは、共に、タンク１の内部に導かれる。箱体２は、連結管２１で並列に繋がれる。
なお、送出管５Ａがターンしているのは、戻り管５Ｂと送出管５Ａをタンク１の同じ側から取り出すためである。戻り管５Ｂと送出管５Ａが、タンク１の同じ側にあると、配管が楽になる。

（流入管）
実施例の熱交換装置ＥＸは、流入管１７Ａがタンク１に対して１つ取り付けられていた。変形例では、一次熱媒体Ｗは、複数の流入管１７Ａからタンク１に供給されてもよい。
多様な使い方ができるように、タンク１の外壁２２に多数の流入管１７Ａや流出管１７Ｂを取り付けることができる孔が開設されていてもよい。使わない孔（図示せず）は、断熱性のある栓で塞がれる。同様に、二次熱媒体５を通す送出管５Ａや戻り管５Ｂも複数取り付けられてもよく、それに対応した孔がタンク１に開設され、栓で塞がれる。

（海水の使用）
本発明は、海水を一次熱媒体Ｗとして使うことができる。箱体２の外壁２２は、熱交換装置ＥＸをしばらくの期間使うとフジツボや貝類などの海洋生物に覆われる。外壁２２は洗浄を妨げるフィンなどの曲がりやすい構造物などがないため、金属製のヘラやジェット水流などで簡単に海洋生物を除去することができる。

（連結管）
図５は連結管２１の変形例である。連結管２１は、内壁に螺旋状の溝が付けられている。二次熱媒体５は、螺旋状に旋回しながら連結管２１から箱体２の内部空間に出る。箱体２の内部は、実施例のように複雑な流路が設けられていない。連結管２１から出た二次熱媒体５は、螺旋状に旋回しなくとも、箱体２の内部空間を撹拌する作用がある。さらに、二次熱媒体５が螺旋状に旋回する水流となることで、箱体２の内部にある二次熱媒体５をさらに撹拌する。
この作用は、一次熱媒体Ｗと二次熱媒体５の熱交換を促す。
実施例のように箱体２の内部に複雑な流路を形成することはコストがかかるが、変形例のような工夫を施すことで、箱体２の内部構造が単純となりコストが削減される。

（箱体の間隔）
箱体２の間隔の変形例は、一次熱媒体Ｗの粘稠度に応じて、箱体２同士の間隔を変更できるようにする例である。
一次熱媒体Ｗは、地下水などの液体だけではなく、蒸気などの気体でもよいことは前述したとおりである。気体は、粘稠度が低い（ねばねばしていない）ので、箱体２同士の間隔を密にしても流れることができる。これにより、同じ大きさのタンク１内に、多くの箱体２を設置することでき、熱交換効率が向上する。
その一方、液体、特に夾雑物が多い排水などの液体は、粘稠度が高く流れにくい。箱体２と箱体２の間で詰まることが想定されるような高い粘稠度の液体を使用する場合、箱体２の間隔を広げることで対応できる。

（蓋部と箱体の隙間）
図３（Ａ）のように、箱体２は、互い違いに間隔を空けて設置されることで、箱体２と箱体２の間に一次熱媒体Ｗが流れる流路ができるように配置されている。ジグザグになるよう設けられた長い流路は、一次熱媒体Ｗと箱体２と接触時間を増やし、熱交換効率の向上に寄与する。
図２（Ａ）の箱体２の上面は、タンク１の上面より低くなっており、蓋部１５を被せると、箱体２と蓋部１５の間に隙間ができている。しかし、このような隙間があると、タンク１の水位が上昇すると、一次熱媒体Ｗが予定した流路を通らず、箱体２の上面を溢流することが起きる。しかも、隙間を一次熱媒体Ｗが通る方が、ジグザグの流路を通るより抵抗が少なく一次熱媒体Ｗは箱体２の上面を溢流するような流れが主流路となってしまう。これにより、熱交換効率が、低下する。

箱体２の上面は、タンク１の上面と略同じ高さとし、蓋部１５が箱体２の上面と当接して、蓋部１５と箱体２の間にできる隙間を無くすことが好ましい。

（蓋部）
図６は変形例の説明図である。図６（Ａ）は蓋部１５の第１の変形例である。蓋部１５の下面は、肉厚部１５１が設けられている。肉厚部１５１は、蓋部１５をタンク１に被せたとき、箱体２の上面に当接して、蓋部１５と箱体２の間にできる隙間を無くす。

図６（Ｂ）は蓋部１５の第２の変形例である。蓋部１５の下面は、多数の溝状の嵌め込み部１５２が設けられており、嵌め込み部１５２は箱体２の上部を呑み込むようになっている。

また、蓋部１５は、周囲にパッキン１５３が取付けてあり、蓋部１５はタンク１に被せられ、パッキン１５３が機能するように図示されていない圧着部材により気密に密閉される。熱交換効率の観点から、嵌め込み部１５２に上部が呑み込まれた箱体２は完全に一次熱媒体Ｗに完全に没していることが望ましく、密閉の程度は、加圧した一次熱媒体Ｗを流入管１７Ａから送り込んでも、蓋部１５と箱体２の間から一次熱媒体Ｗが漏れない程度になされる。
一次熱媒体Ｗとして蒸気などの気体を使用する場合は、より効果が顕著である。蒸気などの気体は、蓋部１５とタンク１との密閉が不完全だと勢いよく漏れ出す。熱源である一次熱媒体Ｗが漏れることは、熱交換効率を下げるばかりか、危険なことである。このような変形例は、パッキン１５３が必要である。

（洗浄）
簡易洗浄と本洗浄がある。簡易洗浄は、定期的に流入管１７Ａと流出管１７Ｂの流れを逆にすることでタンク１内を洗浄することで行われてもよい。
不純物の多い一次熱媒体Ｗを使用する場合は、不純物はタンク１の底部１１に溜まることが多いことからタンク１の底部１１側に新たな洗浄用流路を作ってもよい。また、変形例として、洗浄用の回転式ジェットノズルがタンク１内に取り付けられており、一次熱媒体Ｗを抜いたタンク内を洗浄することもできる。

本洗浄は、タンク１から箱体２を取り出し、タンク１と箱体２を個別に洗浄する。スケールがこびりついている場合は、水ジェット洗浄や薬液を使った洗浄が行われる。特に、熱交換フィンが密に設けられている従来の熱交換器は、水ジェット洗浄などを行うと、フィンが曲がり使用不能になる。しかし、実施例の箱体２は、変形しやすい部分は無く強度の強い洗浄に耐えることができる。また、箱体２は、ヘラなどの道具で物理的にスケールを剥がす洗浄手段に耐えることができる。

以上、本発明に係る実施の態様を、図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成は、これらの実施の態様に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。
また、前述の各実施の態様は、その目的および構成等に特に矛盾や問題がない限り、互いの技術を流用して組み合わせることが可能である。

１ タンク
１１ 底部
１１１ 溝
１５ 蓋部
１５１ 肉厚部
１５２ 嵌め込み部
１５３ パッキン
１７Ａ 流入管
１７Ｂ 流出管
２ 箱体
２１ 連結管
２２ 外壁
４ 温冷熱利用機器
５ 二次熱媒体
５Ａ 送出管
５Ｂ 戻り管
５１ 内部流路
９ 温冷熱源
ＥＸ 熱交換装置
Ｐ ポンプ
Ｗ 一次熱媒体

Claims (4)

1. タンクと箱体を備え、
   前記タンクは、
   流入管と流出管を有し、一次熱媒体を出し入れできるものであり、
   前記箱体を出し入れできる蓋部を有し、密閉されているものであり、
   内部に複数の前記箱体を収めており、
   前記箱体は、
   外壁に曲がりやすい構造物が設けられておらず、
   内部に二次熱媒体を流すものである
   ことを特徴とする熱交換装置。
   
2. 前記曲がりやすい構造物は、フィンであり、外壁に前記フィンが設けられていないことを特徴とする請求項１記載の熱交換装置。
   
3. 前記箱体の材質は、少なくとも耐酸性のある耐腐食性材料である請求項１記載の熱交換装置。
   
4. 前記一次熱媒体は、夾雑物や不純物を含む液体または気体である請求項１に記載の熱交換装置。

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