JP5183948B2 - Heat exchanger - Google Patents
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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。 The present invention relates to a heat exchange device that performs heat exchange with the outside by filling a liquid inside and circulating the liquid.
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。
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。 However, the geothermal utilization apparatus described in Patent Document 1 extracts geothermal energy using air as a medium by forcibly sucking or discarding air that is a heat exchange medium. That is, in order to operate the heat exchange device of Patent Document 1, a drive source and drive energy for air intake / exhaust are required. In addition, a complicated structure is required, such as a double pipe structure for the heat exchange part of water and air. Furthermore, in order to circulate water in the ground using the temperature difference in the ground, it is difficult to reduce the size because a water circulation portion having a height difference of about 1.5 meters from a depth of 4 to 5 meters is required.
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。 The present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to provide a heat exchange device that does not require a drive source and can be reduced in size according to the installation environment with a simple structure. And
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、
前記第1の熱交換部及び第2熱交換部は、複数の細管と、前記複数の細管の上端部と下端部で接続された上部および下部に一時収容部とを備え、
前記上部および下部の一時収容部はそれぞれ前記液体循環路に接続されて、前記第1および第2の熱交換部内の前記液体は、外部環境の温度変動によってそれぞれ一方向に移動することで、前記液体が自然対流により前記液体循環路を循環することを特徴とする。
In order to solve the above-described problems, the heat exchange device of the present invention is filled with a liquid serving as a heat exchange medium and is connected to the first heat exchange unit and the first heat exchange unit connected by a highly heat-insulating liquid circulation path. A heat exchange device comprising two heat exchange units ,
The before and Symbol first heat exchanging portion and the second heat exchange unit, arranged at different locations temperature environment, and the first heat exchange unit and the second heat exchange portion, of the each heat exchanger Installed so that there is a height difference at the entrance and exit of the liquid ,
The first heat exchanging unit and the second heat exchanging unit include a plurality of thin tubes, and temporary storage units at upper and lower portions connected by upper and lower ends of the plural thin tubes,
The upper and lower temporary storage units are respectively connected to the liquid circulation path, and the liquid in the first and second heat exchange units moves in one direction due to temperature fluctuations in the external environment, respectively, The liquid circulates in the liquid circulation path by natural convection .
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。
また、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。
According to the present invention, when heat exchange with the outside is performed in the first and second heat exchange units, the temperature of a part of the liquid inside is warmed or cooled. When the liquid temperature changes, the specific gravity of the liquid changes. On the other hand, since the first and second heat exchanging units are installed with a height difference, the warmed liquid moves upward by natural convection. Conversely, the cooled liquid moves downward. Furthermore, since the first heat exchange unit and the second heat exchange unit are installed in different temperature environments, the liquid circulates in one direction due to a temperature difference. Thus, heat exchange can be repeated in the first exchange unit and the second heat exchange unit by the circulation of the liquid by natural convection.
Further, by using the
本発明の他の態様にかかる熱交換装置は、前記複数の細管が、外周の細管と内部の細管からなるとともに、前記内部の細管は前記外周の細管よりも細いことを特徴とする。
本発明の他の態様にかかる熱交換装置は、前記複数の細管は平面上に並行配置されるとともに、前記上部および下部の一時収容部は、前記複数の細管の上端と下端が接続された一時滞留管であることを特徴とする
本発明の他の態様にかかる熱交換装置は、前記複数の細管は、内部で対流が発生しない程度の径であることを特徴とする。
本発明の他の態様にかかる熱交換装置は、前記複数の細管が、管径18mm以下の銅管からなることを特徴とする。
本発明の他の態様にかかる熱交換装置は、前記複数の細管が、管径5mm以下の銅管からなることを特徴とする。
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。
これらの態様によれば、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。
The heat exchange device according to another aspect of the present invention is characterized in that the plurality of thin tubes are composed of an outer thin tube and an inner thin tube, and the inner thin tube is narrower than the outer thin tube.
In the heat exchange device according to another aspect of the present invention, the plurality of thin tubes are arranged in parallel on a plane, and the upper and lower temporary storage portions are temporarily connected to the upper and lower ends of the plurality of thin tubes. It is a retention pipe
The heat exchange device according to another aspect of the present invention is characterized in that the plurality of thin tubes have a diameter such that convection does not occur inside.
The heat exchange apparatus according to another aspect of the present invention is characterized in that the plurality of thin tubes are made of copper tubes having a tube diameter of 18 mm or less.
The heat exchange device according to another aspect of the present invention is characterized in that the plurality of thin tubes are made of a copper tube having a tube diameter of 5 mm or less.
In the heat exchanging device according to another aspect of the present invention, the first heat exchanging portion and the second heat exchanging portion are made of a material having excellent heat conductivity, and the material having excellent heat conductivity is used. The heat energy of the liquid is transferred to the liquid to absorb the heat, or the heat energy of the liquid is dissipated to the outside, and the liquid is unidirectionally convected by the temperature difference of the liquid generated by the heat absorption or heat dissipation. It is made to move.
According to these aspects, it is possible to exchange heat only by passing a liquid that is a heat exchange medium through a heat exchange section having high thermal conductivity, and the heat exchange operation is repeated only by natural convection due to a temperature difference associated with heat exchange. Can be, and no other drive source is required.
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。 In the heat exchanging device according to another aspect of the present invention, the first heat exchanging unit and the second heat exchanging unit further have a difference in height from the inlet to the outlet of the liquid passage in the liquid passage. It is configured to increase the heat exchange area in contact with the liquid while maintaining it to change in one direction. As a result, the warmed liquid is likely to rise and the cooled liquid is likely to be lowered, so that circulation of the liquid in one direction by natural convection is promoted.
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。
In the heat exchange device according to another aspect of the present invention, the first and second heat exchange units perform heat exchange by allowing the liquid to pass through a plurality of thin tubes made of a material having excellent heat conductivity. It is characterized by. In this way, by passing the liquid through the plurality of thin tubes in the heat exchange section,
The heat exchange area is increased and efficient heat exchange is possible.
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。 The heat exchange device according to another aspect of the present invention is characterized in that the thin tube has a ridge-shaped unevenness on an outer surface and an inner surface. By providing bowl-shaped irregularities on the outer and inner surfaces of the thin tube, the contact area with the external environment increases on the outer surface of the thin tube and the contact area with the liquid increases on the inner surface, thereby enabling more efficient heat exchange.
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。 The heat exchange device according to another aspect of the present invention is characterized in that the thin tube includes a plurality of valleys and peaks extending in the longitudinal direction. In this aspect, by providing a plurality of crests and troughs extending along the longitudinal direction (parallel to the axis) on the surface and the inner surface of the thin tube, the contact area between the thin tube and the liquid is prevented without hindering the flow of liquid due to natural convection. Can be increased.
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。 The heat exchange apparatus according to another aspect of the present invention is characterized in that the first heat exchange unit is installed in the atmosphere and the second heat exchange unit is installed in the ground. According to this aspect, in Japan, the liquid that is a heat exchange medium is heated by solar energy in the first heat exchange section in summer and cooled by geothermal heat in the second heat exchange section. In winter, the second heating unit heats with geothermal heat and the first heat exchange unit cools.
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、設置場所を移設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。 The heat exchange device according to another aspect of the present invention is characterized in that the first and second heat exchange units can be downsized, the circulation path is made of a flexible material, and the installation location can be moved. To do. Since the heat exchanging device of the present invention can have a heat exchanging portion with a very simple configuration, according to this aspect, a portable or mobile heat exchanging device can be provided.
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。 According to the present invention, as described above, heat exchange can be performed by natural convection between the first heat exchange unit and the second heat exchange unit, so that no drive source is required. Therefore, it is possible to provide a heat exchange device that does not require driving energy other than the temperature difference and can operate permanently. In addition, since the first heat exchanging part and the second heat exchanging part are connected by a liquid passage made of a highly heat-insulating material and liquid is simply sealed inside, a large-scale heat exchanging system can be used. It is also possible to provide a heat exchanger that is small and portable. Furthermore, since the structure is simple, it is possible to provide an extremely inexpensive heat exchange device.
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。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the principle of the heat exchange device of the present invention.
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h1が、第2の熱交換部12は高低差h2が生じるように配置されている。
The first
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。
As the first
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h1、h2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。
The first
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。
This will be described in more detail with reference to FIGS. As the liquid (heat exchange medium) filled in the interior, water, antifreeze liquid, and other liquids can be used. FIGS. 1B and 1C show an example in which water is used as the liquid filled therein, and the first
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。
FIG. 1B schematically shows the state of the first
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。
On the other hand, when the external environment temperature of the first
(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。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2 shows a simple (portable or mobile) heat exchange device 20 according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 (a) uses the heat exchange device 20 according to one embodiment of the present invention to absorb heat from the waste pesticide solution and dissipate it into the ground, thereby preventing the waste pesticide solution from becoming hot due to a chemical reaction. An example is shown. FIG. 2B is a cross-sectional view showing the internal structure of the first and second
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。
In the heat exchanging device 20 according to the first embodiment, the first
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。
It is desirable that the heat exchange part of the heat exchange device has a heat exchange area as large as possible. Therefore, the 1st and 2nd
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。
Further, the size of the
Although not shown in the figure, a rectangular pipe can also be formed by providing a crest and a trough with a cross section of a gear shape or a star shape so as to extend in the longitudinal direction of the
Moreover, the above ridges and valleys can be provided only on the contact surface side with the external environment.
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。
(Second embodiment)
FIG. 3 shows a
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h1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。
The first
第2の熱交換部32も地中に広がり、高低差h2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。
Second
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。
The heat exchange operation of the second embodiment will be described. The temperature of the underground 41 varies depending on the latitude, but in Japan, for example, it is a constant temperature of about 15 ° C. at 4 m or less. In Japan, since the temperature is 30 ° C. or higher in summer and 0 ° C. or lower in winter, the temperature environment between the first
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。 FIG. 4 schematically shows the summer and winter temperature environments and the circulation direction of the liquid 13 in the second embodiment. FIG. 4 (a) shows the summer state, and FIG. 4 (b) shows the winter state.
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。
First, the operation in summer will be described. In summer, as shown in FIG. 4A, the temperature of the first heat conversion section rises to near 60 ° C. The liquid 13a in the
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。
Since the first circulation path is composed of a heat insulating member, the liquid 13b warmed by the first
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。
As described above, the heat absorption effect of the first
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。
Next, the heat exchange operation in winter will be described. In winter, as shown in FIG. 4B, the outside air temperature drops to near 0 ° C., so the temperature of the liquid 13 a drops to near 0 ° C. in the first
The liquid heated by the second
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。 As described above, according to the second embodiment, heat exchange can be repeated by the circulation of the liquid by natural convection based on the temperature difference between the atmosphere and the ground, so that no special drive source is required, and the cooling is performed in summer. In the winter, it is possible to provide a heat exchange device having a heating effect.
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。 As mentioned above, although two examples of the heat exchange device of the present invention were shown, the heat exchange device of the present invention is a place where the temperature environment is different (environment with temperature difference and no temperature difference, but the presence or absence of sunlight irradiation) As long as it includes both environments with different temperature energies, etc.). For example, not only geothermal and atmospheric temperatures, but also heat exchange can be performed using the temperature difference between seawater temperature and atmospheric temperature. Moreover, it becomes possible to utilize the waste heat in a factory or a plant as a heat source of another place using the heat exchange apparatus concerning this invention.
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。 As described above, according to the present invention, the first heat exchange unit and the second heat exchange unit are simply installed at different locations in the temperature environment, and the heat exchange is repeated without requiring another drive source. It becomes possible. Further, since the heat exchange device of the present invention has a simple structure, it can be a large heat exchange system or a small heat exchange device. For example, it is also possible to provide a portable heat exchange device by using the first and second circulation paths as heat insulating tubes made of a flexible material.
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/m2)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。 The diameter of the thin tube in the heat exchange part will be described in more detail with reference to FIG. FIG. 5 is a graph showing the relationship between the heat flow rate in the tube and the tube diameter. The vertical axis represents the heat flow rate (unit: W / m 2 ), and the horizontal axis represents the tube diameter (unit: m). The heat flow was calculated by calculating the amount of energy transport based on the experimental results of experiments using a copper tube as a thin tube. From this graph, it can be seen that the heat flow rate suddenly increases when the diameter of the narrow tube is approximately 5 mm or less. The diameter of the thin tube of the heat exchange part is preferably determined according to the temperature environment (the magnitude of heat energy) in which the heat exchange part is installed.
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/m2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/m2を超える管径18mm以下とすることが望ましい。
For example, since the energy given to the ground surface per unit time and unit area in midsummer is about 1000 W / m 2 , the
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
11, 21, 31: 1st heat exchange part
12, 22, 32: second
26-29: Temporary storage unit 30:
Claims (13)
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、
前記第1の熱交換部及び第2熱交換部は、複数の細管と、前記複数の細管の上端部と下端部で接続された上部および下部に一時収容部とを備え、
前記上部および下部の一時収容部はそれぞれ前記液体循環路に接続されて、前記第1および第2の熱交換部内の前記液体は、外部環境の温度変動によってそれぞれ一方向に移動することで、前記液体が自然対流により前記液体循環路を循環することを特徴とする熱交換装置。 A heat exchange device comprising a first heat exchange section and a second heat exchange section, which are filled with a liquid serving as a heat exchange medium and connected by a liquid circulation path made of a highly heat-insulating material. There,
The first heat exchanging unit and the second heat exchanging unit are arranged at different locations in a temperature environment, and the first heat exchanging unit and the second heat exchanging unit are connected to the respective heat exchanging units. Install so that there is a height difference at the entrance and exit of the liquid ,
The first heat exchanging unit and the second heat exchanging unit include a plurality of thin tubes, and temporary storage units at upper and lower portions connected by upper and lower ends of the plural thin tubes,
The upper and lower temporary storage units are respectively connected to the liquid circulation path, and the liquid in the first and second heat exchange units moves in one direction due to temperature fluctuations in the external environment, respectively, A heat exchanging apparatus, wherein the liquid circulates in the liquid circulation path by natural convection .
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乃至6のいずれか1項に記載の熱交換装置。 The first heat exchange part and the second heat exchange part are:
Constructed of a material having excellent thermal conductivity, and transferring the external thermal energy to the liquid through the material having excellent thermal conductivity to absorb heat, or dissipating the thermal energy of the liquid to the outside, thereby absorbing or releasing the heat. The heat exchange apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein the liquid is moved in one direction by convection due to a temperature difference of the liquid generated along with the heat.
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