特開 2024-53426 熱交換器及びパイプクーリング方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024053426

(43)【公開日】2024-04-15

(54)【発明の名称】熱交換器及びパイプクーリング方法

(51)【国際特許分類】

   E04G 21/02 20060101AFI20240408BHJP

   F28C 1/04 20060101ALI20240408BHJP

   C04B 40/02 20060101ALI20240408BHJP

   B28B 11/24 20060101ALI20240408BHJP

【ＦＩ】

E04G21/02 104

F28C1/04

C04B40/02

B28B11/24

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022159708

(22)【出願日】2022-10-03

(71)【出願人】

【識別番号】000222668

【氏名又は名称】東洋建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001999

【氏名又は名称】弁理士法人はなぶさ特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】森田 浩史

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 隆広

(72)【発明者】

【氏名】杉森 厚

(72)【発明者】

【氏名】中部 陽介

【テーマコード（参考）】

2E172

4G055

4G112

【Ｆターム（参考）】

2E172AA05

2E172EA10

4G055AA01

4G055BA02

4G055BA10

4G112RA05

4G112RC00

(57)【要約】

【課題】パイプクーリング方法に係る建設コストの増大を抑制することが可能な熱交換器及びその方法を提供する。
【解決手段】水槽５（貯水槽）の開口部６に複数枚の放熱板３２を積み上げて熱交換部３１を形成し、水槽１５（回収槽）に貯留された水を複数本の撒水管４２によって熱交換部３１の上から撒布するとともに、複数台の送風機５１によって熱交換部３１へ上下の放熱板３２間の間隙３７を抜けるように送風することで熱交換器２０を構成した。これにより、チラーを使用しないで大量の水を処理（冷却）することが可能であり、チラーを使用することで発生する設備コスト及びランニングコスト、延いてはコンクリート構造物２の建設コストを削減することができる。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

コンクリート構造物に埋設された冷却パイプと、貯水槽に貯留された水を前記冷却パイプへ供給する給水手段と、前記コンクリート構造物の冷却に使用された水を回収して回収槽へ送る回収手段と、を備える水循環式パイプクーリングシステムに用いられる熱交換器であって、
前記貯水槽の開口部の直上に設けられる熱交換部と、前記回収槽に貯留された水を前記熱交換部上に撒く撒水部と、前記熱交換部へ送風する送風機と、を備え、
前記熱交換部は、一定の間隔をあけて積み上げられた複数段の放熱板を有することを特徴とする熱交換器。

【請求項2】

請求項１に記載の熱交換器であって、
前記放熱板は、鋼管足場に使用される床材であることを特徴とする熱交換器。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の熱交換器であって、
前記熱交換部は、隣接する前記放熱板間に設けられた間隙を有することを特徴とする熱交換器。

【請求項4】

コンクリート構造物に埋設された冷却パイプと、貯水槽に貯留された水を前記冷却パイプへ供給する給水手段と、前記コンクリート構造物の冷却に使用された水を回収して回収槽へ送る回収手段と、を備える水循環式パイプクーリングシステムに用いられるパイプクーリング方法であって、
前記貯水槽の開口部の直上に設けられる熱交換部と、前記回収槽に貯留された水を前記熱交換部上に撒く撒水部と、前記熱交換部へ送風する送風機と、を有する熱交換器を含む水循環式パイプクーリングシステムを構成し、前記熱交換部を、一定の間隔をあけて積み上げた複数段の放熱板によって構成し、
前記放熱板の段数を選択することで前記熱交換器の冷却能力を調整することを特徴とするパイプクーリング方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水循環式パイプクーリングシステムに用いられる熱交換器及びパイプクーリング方法であって、パイプクーリングシステムの冷媒としての水を冷却する熱交換器及びその方法に関する。

【背景技術】

【0002】

水循環式パイプクーリング工法は、セメントの水和発熱によるコンクリート構造物の温度ひび割れの管理に適用される。例えば、特許文献１には、打設されるコンクリートＣよりも低い第１温度の水ＦＬ１が収容された第１流体収容手段２Ａと、第１温度よりも低い第２温度の水ＦＬ２が収容された第２流体収容手段２Ｂとを備え、温度測定手段３により測定されるコンクリートＣの温度が所定の温度となるように、コンクリートＣに埋設された冷却管４に供給される水ＦＬ１と水ＦＬ２との供給量の割合を制御するコンクリート冷却方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１７－１５０２６６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載されたコンクリート冷却方法（以下「従来方法」と称する）では、第２流体収容手段２Ｂに収容された水ＦＬ２の冷却にチラーユニット（以下「チラー」と称する）が使用される。従来方法に使用されるチラーは大型であり、現場までの輸送及び現場での設備管理が困難である。また、大型のチラーは、設備コスト（レンタル料金等）及びランニングコスト（消費電力量等）が高額となり、延いては建設コストが増大する要因となっていた。

【0005】

本発明は、パイプクーリング方法に係る建設コストの増大を抑制することが可能な熱交換器及びその方法を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の熱交換器は、コンクリート構造物に埋設された冷却パイプと、貯水槽に貯留された水を前記冷却パイプへ供給する給水手段と、前記コンクリート構造物の冷却に使用された水を回収して回収槽へ送る回収手段と、を備える水循環式パイプクーリングシステムに用いられる熱交換器であって、前記貯水槽の開口部の直上に設けられる熱交換部と、前記回収槽に貯留された水を前記熱交換部上に撒く撒水部と、前記熱交換部へ送風する送風機と、を備え、前記熱交換部は、一定の間隔をあけて積み上げられた複数段の放熱板を有することを特徴とする。
本発明のパイプクーリング方法は、コンクリート構造物に埋設された冷却パイプと、貯水槽に貯留された水を前記冷却パイプへ供給する給水手段と、前記コンクリート構造物の冷却に使用された水を回収して回収槽へ送る回収手段と、を備える水循環式パイプクーリングシステムに用いられるパイプクーリング方法であって、前記貯水槽の開口部の直上に設けられる熱交換部と、前記回収槽に貯留された水を前記熱交換部上に撒く撒水部と、前記熱交換部へ送風する送風機と、を有する熱交換器を含む水循環式パイプクーリングシステムを構成し、前記熱交換部を、一定の間隔をあけて積み上げた複数段の放熱板によって構成し、前記放熱板の段数を選択することで前記熱交換器の冷却能力を調整することを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、パイプクーリング方法に係る建設コストの増大を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】パイプクーリングシステムの概念図である。

【図2】本実施形態に係る熱交換器の斜視図である。

【図3】本実施形態に係る熱交換器の説明図であって、実機の月別の冷却能力をＬＣＥＭ（ライフサイクルエネルギーマネジメント）ツールを用いて試算した試算結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

本発明の一実施形態を添付した図を参照して説明する。
図１に、水循環式パイプクーリングシステム１の概念図を示す。当該パイプクーリングシステム１は、コンクリート構造物２に鉛直に埋設される複数本の冷却パイプ３を備える。冷却パイプ３は、上端部がコンクリート構造物２から突出される。なお、冷却パイプ３として、シース管が用いられる。

【0010】

図１に示されるように、パイプクーリングシステム１は、上面が開口された箱形の水槽５（貯水槽）を備える。水槽５には、当該パイプクーリングシステム１の冷媒として水が貯留される。パイプクーリングシステム１は、水槽５に貯留された水を複数本の冷却パイプ３へ供給する給水部（給水手段）と、コンクリート構造物２の冷却に使用された水を回収して水槽１５（回収槽）へ送る回収部（回収手段）と、を備える。

【0011】

給水部は、水槽５（貯水槽）に貯留された水が連通管１３を介して供給される水槽２５（給水槽）を備える。給水部は、水槽２５に貯留された水を複数の給水系列９（図１に「３系列」を例示）によって各冷却パイプ３へ供給する。ここで、相互の給水系列９は基本構造が同一である。よって、明細書の記載を簡潔にすることを目的に、並列に配列された複数本の給水系列９の一系列（以下「給水系列９」と称する）のみを説明する。なお、図１には、給水系列９が３本の冷却パイプ３へ給水するように例示されているが、給水系列９が給水する冷却パイプ３の本数、及びパイプクーリングシステム１に設けられる給水系列９の数は適宜に決定することができる。

【0012】

図１に示されるように、給水系列９は、水槽２５（給水槽）に貯留された水を給水ポンプ（図示省略）によって汲み上げ、給水ホース１０を介して分岐管１１へ圧送する。給水ホース１０は、分岐管１１で複数本（図１に「３本」を例示）の給水ホース１２に分岐される。即ち、給水ホース１０を通って分岐管１１へ圧送された水は、各給水ホース１２に分配される。なお、分岐管１１には、例えば配管用ステンレス鋼管が用いられる。

【0013】

ここで、各給水ホース１２は、下流側の端部が対応する冷却パイプ３の底部まで挿入されている。これにより、給水ホース１２から冷却パイプ３内へ流出した水は、給水ホース１２と冷却パイプ３との間の流路を流れ、コンクリート構造物２を冷却した後、コンクリート構造物２から突出した冷却パイプ３の上端部開口から流出される。冷却パイプ３から流出した水、即ちコンクリート構造物２の冷却に使用された水は、回収部によって回収され、送水ホース１４を通って水槽１５（回収槽）へ送られる。なお、本実施形態では、冷却パイプ３から流出した水は、埋め戻し前の立坑に回収される。

【0014】

図２に示されるように、パイプクーリングシステム１は、水槽１５（回収槽）に貯留された水、即ちコンクリート構造物２の冷却に使用された昇温した水を冷却する熱交換器２０を備える。熱交換器２０は、水槽５（貯水槽）を囲うように設けられたフレーム２１を有する。フレーム２１は、鋼管足場に使用される鋼管２２と付属金具２３とによって組まれる。フレーム２１は、水槽５の開口部６の直上を前後方向（図２参照）へ延びる複数本（本実施形態では「３本」）の鋼管２２Ａを有する。複数本の鋼管２２Ａは、左右方向（図２参照）に一定の間隔をあけて配置される。

【0015】

熱交換器２０は、フレーム２１の複数本の鋼管２２Ａによって支持される熱交換部３１を備える。熱交換部３１は、複数枚（本実施形態では「９枚」）の放熱板３２を積み上げることで構成される。積み上げられた放熱板３２間には、前後方向（図２参照）に延びて左右方向（図２参照）に一定の間隔をあけて配置された複数本（本実施形態では「３本」）の単管３６（角形鋼管）を介在させる。これにより、対向する放熱板３２間には、単管３６の高さに相当する一定の間隙３７が形成される。なお、放熱板３２は、鋼管足場に使用されるアルミ合金製の床材が適用される。放熱板３２（床材）には、複数個の水抜き穴（符号省略）が設けられる。

【0016】

また、熱交換器２０は、水槽１５（回収槽）に貯留された水を熱交換部３１に撒布する撒水部４１を備える。撒水部４１は、フレーム２１の上部に設けられる複数本（図２に１本のみ表示）の撒水管４２を有する。複数本の撒水管４２は、左右方向（図２参照）に延びて前後方向（図２参照）に一定の間隔をあけて配置される。なお、撒水管４２には、一端が閉塞された硬質塩化ビニル管が適用される。また、各撒水管４２には、複数個の撒水孔（図示省略）が設けられる。

【0017】

各撒水管４２の開口端には、取水ポンプ（図示省略）によって汲み上げられた水槽１５（回収槽）の水が給水ホース４３を介して供給される。各撒水管４２に供給された水は、各撒水管４２の撒水孔（図示省略）から熱交換部３１の最上段の放熱板３２の上面３４に撒布される。最上段の放熱板３２に撒布された水は、該放熱板３２の表面を伝って直下（２段目）の放熱板３２へ流下する。また、２段目の放熱板３２へ流下した水は、該放熱板３２の表面を伝って直下（３段目）の放熱板３２へ流下する。このように、熱交換部３１に撒布された水は、最上段の放熱板３２から最下段の放熱板３２まで各放熱板３２を伝って順次直下の放熱板３２へ流下し、最下段の放熱板３２を伝った水は、水槽５（貯水槽）へ流下して回収される。

【0018】

さらに、熱交換器２０は、熱交換部３１に向かって空気を送る複数台（本実施形態では「４台」）の送風機５１を備える。複数台の送風機５１は、水槽２５（給水槽）の開口部２６に架設された渡し板５２上に、左右方向（図２参照）に一定の間隔をあけて配置される。複数台の送風機５１から送られた風は、熱交換部３１の各放熱板３２間の間隙３７を前後方向（水の流下方向と直交する方向）へ抜ける。これにより、各放熱板３２の表面を伝う水の蒸発が促進され、熱交換部３１における水の冷却能力を高めることができる。なお、渡し板５２は、鋼管足場に使用される床材が適用される。

【0019】

ところで、発明者等は、熱交換部３１に設けられる放熱板３２が１枚である場合と、熱交換部３１に設けられる放熱板３２が０枚である場合との熱交換器２０の冷却能力（水温変化）を比較する実験を行った。なお、当実験において使用される撒水管４２の数は１本、送風機５１の数は３台である。その結果、放熱板３２が０枚である場合の水温変化が－７．４℃であったのに対し、放熱板３２が１枚である場合の水温変化は－１１．１℃であった。この結果から、撒水管４２から撒布された水が放熱板３２（床材）の表面を伝うことで水の蒸発が促進され、熱交換がより能率的に行われると推定できる。

【0020】

また、発明者等は、国土交通省大臣官房官庁営繕部が公開したＬＣＥＭ（ライフサイクルエネルギーマネジメント）ツールを用いて熱交換器２０の実機の月別の冷却能力を試算した。なお、図３に示される試算結果は、開放型冷却塔として計算したものである。この試算結果から、冷却前水温（ＩＮ）が高い程、また外気温度が高い程、冷却能力が低下することが明らかであり、冷却前水温（ＩＮ）が４０℃未満であると仮定した場合、概ね３０℃までの冷却が可能であると推定できる。他方、冷却前水温（ＩＮ）が４０℃を超える場合、熱交換器２０を直列に連結して冷却を繰り返すことにより、同程度（３０℃）までの冷却が可能であると推定できる。

【0021】

次に、パイプクーリングシステム１を用いたパイプクーリング方法を説明する。
まず、水槽５（貯水槽）、水槽１５（回収槽）、及び水槽２５（給水槽）を現場に配置し、給水ホース１０、給水ホース１２、及び送水ホース１４等を配管する。なお、各給水系列９の各給水ホース１２の下流側は、コンクリート構造物２に埋設された各冷却パイプ３に挿入する。

【0022】

次に、鋼管足場に使用される鋼管２２及び付属金具２３を用いて熱交換器２０のフレーム２１を組む。そして、水槽５（貯水槽）を囲うように組まれたフレーム２１の複数本の鋼管２２Ａ上に、複数枚の放熱板３２（床材）を単管３６を介在させて積み上げる。ここで、使用する放熱板３２の枚数（段数）は、経験値や冷却水出口温度の実測値に基づき調整してもよいが、外気湿球温度、冷却水入口温度、冷却水量比、冷却水温度設定値等に基づき決定することができる。

【0023】

次に、フレーム２１の上部に複数本（図２に１本のみ表示）の撒水管４２を取り付けるとともに、水槽２５（給水槽）に架設した渡し板５２（床材）上に複数台（本実施形態では「４台」）の送風機５１を配置する。なお、前述した工程は、順序を限定するものではない。そして、給水ポンプ（図示省略）を作動させると、水槽２５（給水槽）に貯留された水が汲み上げられ、各給水系列９の給水ホース１０及び分岐管１１を経由して各給水ホース１２へ分配される。

【0024】

さらに、各給水ホース１２へ分配された水は、給水ホース１２と冷却パイプ３との間の流路を流れ、コンクリート構造物２（硬化過程のコンクリート）を冷却した後、埋め戻し前の立坑（回収部）によって回収され、送水ホース１４を通って水槽１５（回収槽）へ送られる。そして、水槽１５に貯留された水（コンクリート構造物２の冷却に使用された昇温した戻り水）は、取水ポンプ（図示省略）によって汲み上げられ、熱交換器２０の各撒水管４２から熱交換部３１に撒布される。

【0025】

さらに、熱交換部３１に撒布された水は、最上段の放熱板３２（床材）から順次直下の放熱板３２を伝って流下する過程で蒸発することで冷却され、熱交換部２０の直下の水槽５（貯水槽）によって回収される。なお、熱交換部３１を流下する水は、放熱板３２間を通過する送風機５１の風（空気）によって蒸発（気化）が促進される。

【0026】

ここで、従来方法では、パイプクーリングシステムを循環する水をチラーによって冷却していたので、設備コスト（レンタル料金等）及びランニングコスト（消費電力量等）が高額となり、延いては建設コストが増大する要因となっていた。また、大量の水を冷却するには大型のチラー又は複数台のチラーが必要であり、現場までの輸送及び現場での設備管理が困難であった。

【0027】

これに対し、本実施形態では、水槽５（貯水槽）の開口部６に複数枚の放熱板３２を積み上げて熱交換部３１を形成し、水槽１５（回収槽）に貯留された水を複数本の撒水管４２によって熱交換部３１の上から撒布するとともに、複数台の送風機５１によって熱交換部３１を流れる水の流下方向に対して直交する方向へ上下の放熱板３２間の間隙３７を抜けるように送風することで熱交換器２０を構成したので、チラーを使用しないで大量の水を処理（冷却）することが可能であり、チラーに関連する設備コスト及びランニングコスト、延いてはコンクリート構造物２の建設コストを削減することができる。
また、本実施形態では、鋼管足場に使用される鋼管２２と付属金具２３とを組んでフレーム２１を構成し、熱交換部３１の放熱板３２にも鋼管足場に使用される床材を流用したので、建設現場にある設備を流用して熱交換器２０を構成することが可能であり、設備コスト及び輸送コストを削減することができる。
さらに、本実施形態では、熱交換部３１を構成する放熱板３２の枚数（段数）が可変であるので、放熱板３２の段数を適宜選択することで熱交換器２０の冷却能力を調整することが可能であり、外気温度（季節）や冷却水温度設定値等に応じて熱交換器２０の冷却能力を調整することができる。

【0028】

なお、実施形態は、前述した形態に限定されるものではなく、例えば、次のように構成することができる。
本実施形態では、水槽５（貯水槽）と水槽２５（給水槽）とを連通管１３によって連通することで水槽５に貯留された水を水槽２５へ移動させ、水槽２５に貯留された水を各給水系列９によって各冷却パイプ３へ供給するようにパイプクーリングシステム１を構成したが、水槽２５は必須ではなく、水槽５（貯水槽）に貯留された水を各給水系列９によって各冷却パイプ３へ供給するようにパイプクーリングシステム１を構成することもできる。

【符号の説明】

【0029】

１ パイプクーリングシステム、２ コンクリート構造物、３ 冷却パイプ、５ 水槽（貯水槽）、６ 開口部、９ 給水系列（給水手段）、１４ 送水ホース（回収手段）、２０ 熱交換器、３１ 熱交換部、４１ 撒水部、５１ 送風機

【図1】

【図2】

【図3】