特許 7374776 熱交換システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-10-27

(45)【発行日】2023-11-07

(54)【発明の名称】熱交換システム

(51)【国際特許分類】

   E01C 11/26 20060101AFI20231030BHJP

【ＦＩ】

E01C11/26 B

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2020005171

(22)【出願日】2020-01-16

(65)【公開番号】P2021113407

(43)【公開日】2021-08-05

【審査請求日】2022-12-21

(73)【特許権者】

【識別番号】000002299

【氏名又は名称】清水建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100161506

【弁理士】

【氏名又は名称】川渕 健一

(74)【代理人】

【識別番号】100161207

【弁理士】

【氏名又は名称】西澤 和純

(72)【発明者】

【氏名】小島 啓輔

(72)【発明者】

【氏名】渡部 陽介

(72)【発明者】

【氏名】平野 尭将

(72)【発明者】

【氏名】加藤 雄大

(72)【発明者】

【氏名】隅倉 光博

【審査官】石川 信也

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－２２６２９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５９－１９２８６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０２－２２９３０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－３０７３５３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｅ０１Ｃ １／００－１７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

熱回収部と放熱部との間で熱エネルギーを交換可能な熱交換システムであって、
前記熱回収部に接して配置され、第１蒸発部および第１凝縮部を有するヒートパイプと、
前記放熱部に接して配置され、第２蒸発部および第２凝縮部を有し、環状に形成された循環熱交換装置と、を備え、
前記ヒートパイプの前記第１凝縮部と、前記循環熱交換装置の前記第２蒸発部と、が互いに熱伝達可能に接触する熱交換部を有し、
前記ヒートパイプは、管内部に熱媒体を封入することで管周囲の環境と熱交換を行うように前記第１蒸発部が地中に配置され、
前記ヒートパイプの前記第１蒸発部において熱エネルギーを回収し、該熱エネルギーは前記第１凝縮部に伝達され、
前記循環熱交換装置は、管内に熱媒体が封入され、該熱媒体を循環移動させるように環状の配管のみで形成されており、
前記循環熱交換装置は、前記第２凝縮部から前記第２蒸発部に向かう間に冷却する第１循環路と、前記第２蒸発部から前記第２凝縮部に向かう間において前記第２蒸発部で気化した蒸気が移動する第２循環路と、が設けられ、
前記熱交換部が位置する前記第２蒸発部、前記第２凝縮部、及び前記第２循環路は、地上に配置され、
前記ヒートパイプの前記第１凝縮部は、前記第２蒸発部のうち前記循環熱交換装置に封入されている前記熱媒体の水面を含む領域に接触していることを特徴とする熱交換システム。

【請求項2】

前記循環熱交換装置は、
熱媒体の循環方向で前記第２凝縮部から前記第２蒸発部に向かう間の第１循環路で冷却され、
前記循環方向で前記第２蒸発部から前記第２凝縮部に向かう間の第２循環路のうち少なくなくとも一部が断熱されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換システム。

【請求項3】

前記熱回収部は、路盤であり、
前記放熱部は、地中に埋設される排水貯留設備内部の排水であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱交換システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、路面の高温化は、ヒートアイランド現象の要因の一つとして考えられているだけではなく、道路の耐久性を低下させる要因となっている。このような路面の高温化の対策としては、既存のコンクリート舗装やアスファルト舗装を保水性舗装へ変更したり、下水再生水の活用による道路散水等が知られている。
また、他のヒートアイランド現象の対策で路面の熱を回収する方法としては、例えば特許文献１に示されるように、道路表層部に流体を送り込み、路面と流体とで熱交換を行うことで路面を冷却する方法がある。

【0003】

特許文献１には、生産井から汲み上げられた地下水を、道路舗装部に設けた帯水層からなる表層部に供給して冷却または加熱する道路冷却・融雪システムであって、道路舗装部が、表層部に流体を導入する導入口と、生産井から汲み上げられた地下水を導入口に供給する送り流路と、表層部に供給されて一定量を超えた流体を排出する排出部と、該排出部から流体を還元井または下水路に導く排出流路と、を設けた構成について記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００７－０４６３３１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１に示されるような路面の熱を回収する方法では、流体を送り込んだり、循環させたりするためのポンプが必要となることから、無動力で路面の熱を回収することが求められており、その点で改善の余地があった。

【0006】

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、無動力で効率よく熱回収部の温度を低減することができる熱交換システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するため、本発明に係る熱交換システムは、熱回収部と放熱部との間で熱エネルギーを交換可能な熱交換システムであって、前記熱回収部に接して配置され、第１蒸発部および第１凝縮部を有するヒートパイプと、前記放熱部に接して配置され、第２蒸発部および第２凝縮部を有し、環状に形成された循環熱交換装置と、を備え、前記ヒートパイプの前記第１凝縮部と、前記循環熱交換装置の前記第２蒸発部と、が互いに熱伝達可能に接触する熱交換部を有し、前記ヒートパイプは、管内部に熱媒体を封入することで管周囲の環境と熱交換を行うように前記第１蒸発部が地中に配置され、前記ヒートパイプの前記第１蒸発部において熱エネルギーを回収し、該熱エネルギーは前記第１凝縮部に伝達され、前記循環熱交換装置は、管内に熱媒体が封入され、該熱媒体を循環移動させるように環状の配管のみで形成されており、前記循環熱交換装置は、前記第２凝縮部から前記第２蒸発部に向かう間に冷却する第１循環路と、前記第２蒸発部から前記第２凝縮部に向かう間において前記第２蒸発部で気化した蒸気が移動する第２循環路と、が設けられ、前記熱交換部が位置する前記第２蒸発部、前記第２凝縮部、及び前記第２循環路は、地上に配置され、前記ヒートパイプの前記第１凝縮部は、前記第２蒸発部のうち前記循環熱交換装置に封入されている前記熱媒体の水面を含む領域に接触していることを特徴としている。

【0008】

本発明に係る熱交換システムでは、熱回収部からヒートパイプの第１蒸発部で熱を回収した熱エネルギーが第１凝縮部から熱交換部を介して循環熱交換装置の第２蒸発部に伝達される。そして、熱交換部から供給された熱によって循環熱交換装置内の熱媒体が第２蒸発部で蒸発して熱媒体に循環流が生じ、移動した蒸気が第２凝縮部で凝縮されて流体に戻ることで熱交換が行われる。例えば、熱回収部である路面にヒートパイプの第１蒸発部を配置し、放熱部である下水管内の排水に循環熱交換装置の少なくとも一部を配置することで、路面の熱をヒートパイプにより無動力で回収し、その回収した熱を環状の循環熱交換装置により無動力で排水に放熱することができる。

【0009】

また、本発明の熱交換システムでは、ヒートパイプ内に封入する媒体量と圧力を調整することによって、熱回収部の温度が所定の温度に低下したときにはヒートパイプによる熱回収を自動的に停止させ、また熱回収部の温度が所定の温度に上昇したときにはヒートパイプによる熱回収を自動的に開始させることができる。

【0011】

さらに、熱交換部においてヒートパイプで回収された熱を、循環熱交換装置に封入されている熱媒体の水面を含む領域に対して直接伝達することができるので、循環熱交換装置の第２蒸発部で効率よく熱媒体を蒸発させることができ、熱効率のよい熱交換を行うことができる。

【0012】

また、本発明に係る熱交換システムは、前記循環熱交換装置は、熱媒体の循環方向で前記第２凝縮部から前記第２蒸発部に向かう間の第１循環路で冷却され、前記循環方向で前記第２蒸発部から前記第２凝縮部に向かう間の第２循環路のうち少なくなくとも一部が断熱されていることを特徴としてもよい。

【0013】

この場合には、循環熱交換装置の第２循環路のうち少なくとも一部が断熱されているので、外部の温度の影響を小さく抑えることができる。すなわち、夏場で外気が高温になって第２循環路自体が高温になることを防止でき、熱交換の効率の低下を抑制することができる。

【0014】

また、本発明に係る熱交換システムは、前記熱回収部は、路盤であり、前記放熱部は、地中に埋設される排水貯留設備内部の排水であることを特徴としてもよい。

【0015】

この場合には、夏場に外気に比べて大幅に低温となる地中の排水が循環熱交換装置が配置される放熱部となるから、効果的な熱交換を行うことができる。

【発明の効果】

【0016】

本発明の熱交換システムによれば、路盤等の熱回収部からの熱回収を行う熱交換と、回収した熱を下水や生活排水もしくは地盤に放熱する熱交換を併用することで、無動力で効率よく熱回収部の温度を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の実施形態による熱交換システムの構成を示す縦断面図である。

【図2】図１の熱交換システムの要部拡大図であって、ヒートパイプの熱供給部と循環熱交換装置の接続状態を示す縦断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明の実施形態による熱交換システムについて、図面に基づいて説明する。

【0019】

図１に示す本実施形態による熱交換システム１は、地上の路面１０ａを有する路盤１０（熱回収部）と、地中に埋設される下水管２（排水貯留設備）内の排水Ｗ（放熱部）との間で熱エネルギーを交換可能とするシステムである。すなわち路盤１０の路面１０ａの熱を回収して、その熱を排水Ｗに放熱するものである。
本実施形態の熱交換システム１の放熱部である排水Ｗが流れる下水管２は、雨水や生活排水などの排水Ｗが流入され、流れを有した状態で貯留されている。

【0020】

熱交換システム１は、路盤１０に接して配置され、第１蒸発部３Ａおよび第１凝縮部３Ｂを有するヒートパイプ３と、排水Ｗに接して配置され、第２蒸発部４Ａおよび第２凝縮部４Ｂを有し、環状に形成された循環熱交換装置４と、を備えている。熱交換システム１では、ヒートパイプ３の第１凝縮部３Ｂと、循環熱交換装置４の第２蒸発部４Ａと、が互いに熱伝達可能に接触する熱交換部Ｐを有している。

【0021】

図２に示すように、ヒートパイプ３は、棒状に形成され、管内部に熱媒体３１を封入することで管周囲の環境と熱交換を行うためのものである。ヒートパイプ３は、長さ方向の一端側の第１蒸発部３Ａにおいて路面１０の熱エネルギーを回収し、その熱エネルギーは他端側の第１凝縮部３Ｂに伝達される。本実施形態では、例えば地上から０．１～２ｍ程度の浅い路盤１０中に第１蒸発部３Ａを水平方向に向けた状態でヒートパイプ３が埋設される。
ヒートパイプ３の管内に封入される熱媒体３１としては、水、エタノール、アンモニア水などの液体が用いられる。

【0022】

ヒートパイプ３の第１凝縮部３Ｂは、第１蒸発部３Ａから斜め上方に向けて延びる連結部３Ｃを介して各部が連通した状態で設けられ、熱交換部Ｐである循環熱交換装置４の地上部分に位置する第１縦配管４２Ａの外周面４２ａにおける第２蒸発部４Ａに対して熱伝達可能に接触した状態で設けられている。第１凝縮部３Ｂは、第２蒸発部４Ａのうち循環熱交換装置４に封入されている熱媒体４１の水面４１ａを含む領域に接触している。

【0023】

第１凝縮部３Ｂは、熱交換部Ｐで第１縦配管４２Ａの外周面４２ａに接触していればよいが、より高温の熱を第１凝縮部３Ｂから第１縦配管４２Ａに付与できる観点から第１凝縮部３Ｂの接触面積は小さい方が好ましい。
なお、第１凝縮部３Ｂの構成として、例えば第１縦配管４２Ａの外周面４２ａに外嵌するような筒状に形成されていてもよい。

【0024】

第１蒸発部３Ａでは、管内部の熱媒体３１が外部の路盤１０より熱を奪って蒸発することにより採熱する。採熱により蒸発した蒸気は、蒸気の圧力差により第１凝縮部３Ｂに向かって高速で移動する。そして、第１凝縮部３Ｂでは、熱交換部Ｐで循環熱交換装置４に熱伝達されることにより蒸気が凝縮潜熱を放出して液化し、重力によって液が還流する。すなわち、熱媒体３１の液は、第１凝縮部３Ｂから第１蒸発部３Ａへ移動する。

【0025】

循環熱交換装置４は、図１に示すように、管内に熱媒体４１が封入され、熱媒体４１を循環方向（図１及び図２に示す符号Ｅ方向）に循環移動させるように環状に形成された配管である。循環熱交換装置４は、循環方向Ｅで第２凝縮部４Ｂから第２蒸発部４Ａに向かう間に冷却する第１循環路４Ｃが設けられ、循環方向Ｅで第２蒸発部４Ａから第２凝縮部４Ｂに向かう間において第２蒸発部４Ａで気化した蒸気が移動する第２循環路４Ｄが設けられている。ここで、本実施形態では、熱交換部Ｐが位置する第２蒸発部４Ａ、第２凝縮部４Ｂ、及び第２循環路４Ｄは、地上に配置されている。

【0026】

第１循環路４Ｃには、下水管２の排水Ｗを通過する冷却部４３を有している。第１循環路４Ｃと第２循環路４Ｄには、上下方向に延びて第２蒸発部４Ａが配置される第１縦配管４２Ａと、上下方向に延びて第２凝縮部４Ｂが配置される第２縦配管４２Ｂと、を有している。第１縦配管４２Ａと第２縦配管４２Ｂとは平行に配置されている。循環熱交換装置４は、第１縦配管４２Ａ内の熱媒体４１の水位（第１水面４１ａの高さ）と、第２縦配管４２Ｂ内の熱媒体４１の水位（第２水面４１ｂの高さ）とが同じ位置を保とうとしている。
循環熱交換装置４の管内に封入される熱媒体４１としては、水、エタノール、アンモニア水などの液体が用いられる。

【0027】

また、循環熱交換装置４では、管内の圧力が大気圧よりも減圧され、熱媒体４１の沸点が低く設定されている。これにより熱媒体４１は、大気圧における流体の沸点より低い温度で蒸発する。
図１に示すように、第１循環路４Ｃには、上述したように排水Ｗに接触する部分において螺旋状の冷却部４３が形成されている。冷却部４３は、排水Ｗの流れ方向を中心とした螺旋状に形成されている等、排水Ｗに対する接触面積を増大して放熱の熱効率が高められた構成となっている。

【0028】

また、循環熱交換装置４は、ヒートパイプ３の第１凝縮部３Ｂが接触する熱交換部Ｐ（第２蒸発部４Ａ）から循環方向Ｅに沿って第２凝縮部４Ｂ（第２水面４１ｂ）までの第２循環路４Ｄうち少なくなくとも一部が不図示の断熱材等で被覆されることによって断熱されている。

【0029】

次に、上述した熱交換システム１の作用について、図面に基づいて詳細に説明する。
本実施形態による熱交換システム１では、図１に示すように、熱回収部である路盤１０からヒートパイプ３の第１蒸発部３Ａで熱を回収した熱エネルギーが第１凝縮部３Ｂから熱交換部Ｐを介して循環熱交換装置４の第２蒸発部４Ａに伝達される。そして、熱交換部Ｐから供給された熱によって循環熱交換装置４内の熱媒体４１が第１水面４１ａの位置で蒸発（図２に示す蒸気Ｅ１）して熱媒体４１に循環流が生じる。そして、第１縦配管４２Ａ内における熱媒体４１の第１水面４１ａとは反対側に位置する第２縦配管４２Ｂの第２水面４１ｂ（熱媒体４１）に熱を供給することで、移動した蒸気Ｅ１が第２凝縮部４Ｂで凝縮されて流体（図２に示す流体Ｅ２）に戻ることで熱交換が行われる。

【0030】

このとき、本熱交換システム１では、熱交換部Ｐ（第２蒸発部４Ａ）でヒートパイプ３より供給された熱によって第１縦配管４２Ａ内の熱媒体４１が蒸発することで、一時的に第１水面４１ａの位置が低下するが、第２蒸発部４Ａと反対側で第２凝縮部４Ｂに位置する第２縦配管４２Ｂ内に存在する熱媒体４１の第２水面４１ｂの高さと等しくなろうとする力が働くため循環熱交換装置４内では、循環流が生じることになる。
この循環流が生じている間に下水管２内の排水Ｗに位置する第１循環路４Ｃ（主に冷却部４３）で熱媒体４１と排水Ｗとで熱交換が行われる。

【0031】

そのため、本実施形態のように、熱回収部である路盤１０にヒートパイプ３の第１蒸発部３Ａを配置し、放熱部である排水Ｗに循環熱交換装置４の第１循環路４Ｃを配置することで、路盤１０の熱をヒートパイプ３により無動力で回収し、下水管２の排水Ｗに放熱することができる。

【0032】

また、本実施形態による熱交換システム１では、ヒートパイプ３の第１凝縮部３Ｂが循環熱交換装置４の熱媒体４１の第１水面４１ａの位置を含む領域（第２蒸発部４Ａ）に接触している。そのため、熱交換部Ｐにおいてヒートパイプ３で回収された熱を、循環熱交換装置４に封入されている熱媒体４１の第１水面４１ａに対して直接伝達することができるので、第２蒸発部４Ａで効率よく熱媒体４１を蒸発させることができ、熱効率のよい熱交換を行うことができる。

【0033】

また、本実施形態では、循環熱交換装置４において、第２蒸発部４Ａから第２凝縮部４Ｂに向かう間の第２循環路４Ｄのうち少なくなくとも一部が断熱された構成になっている。つまり、循環熱交換装置４のうち熱媒体４１が蒸気となって気化した部分が断熱されるので、外部の温度の影響を小さく抑えることができる。すなわち、夏場で外気が高温になって第２循環路４Ｄ自体が高温になることを防止でき、熱交換の効率の低下を抑制することができる。

【0034】

さらに、本実施形態では、夏場に外気に比べて大幅に低温となる地中の排水Ｗが循環熱交換装置４が配置される放熱部となるから、効果的な熱交換を行うことができる。

【0035】

上述のように本実施形態による熱交換システム１では、路盤１０からの熱回収を行うヒートパイプ３と、回収した熱を下水や生活排水もしくは地盤に放熱する循環熱交換装置４を併用することで、無動力で効率よく路面温度を低減することができる。

【0036】

以上、本発明による熱交換システムの実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

【0037】

例えば、本実施形態では、ヒートパイプ３の第１凝縮部３Ｂが循環熱交換装置４における第１縦配管４２Ａ内の熱媒体４１の第１水面４１ａの位置を含む領域（第２蒸発部４Ａ）に接触した構成としているが、熱交換部Ｐにおける第１凝縮部３Ｂと第２蒸発部４Ａとの接触位置として、第１縦配管４２Ａにおける熱媒体４１の第１水面４１ａの位置を含む領域であることに制限されることはない。要は、ヒートパイプ３における第１縦配管４２Ａと接触する第１凝縮部３Ｂから第１縦配管４２Ａ内の熱媒体４１の第１水面４１ａに対して蒸発可能な範囲で熱が伝達されればよいのであって、第１縦配管４２Ａにおける熱媒体４１の第１水面４１ａの近傍にヒートパイプ３の第１凝縮部３Ｂが接触していればよいのである。

【0038】

また、循環熱交換装置４において、第２循環路４Ｄに設けられる断熱材の設置範囲は適宜設定することができる。

【0039】

さらに、本実施形態では、循環熱交換装置４の放熱部として、下水管２（排水貯留設備）に貯留される排水Ｗを対象としているが、これに限定されることはない。例えば、下水管２に代えて貯水槽とし、貯水槽に貯留された排水を放熱部としてもよい。また、川の水を放熱部としてもかまわない。さらに、放熱部として水を対象とせずに地盤とすることも可能である。

【0040】

また、ヒートパイプ３及び循環熱交換装置４の設置位置、形状、大きさ、長さ等の構成は、熱回収部のスペースの大きさ等の条件を考慮して最適に設計すれば良い。

【0041】

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。

【符号の説明】

【0042】

１ 熱交換システム
２ 下水管（排水貯留設備）
３、３Ｃ ヒートパイプ
３Ａ 第１蒸発部
３Ｂ 第１凝縮部
４ 循環熱交換装置
４Ａ 第２蒸発部
４Ｂ 第２凝縮部
４Ｃ 第１循環路
４Ｄ 第２循環路
１０ 路盤（熱回収部）
１０ａ 路面
３１ ヒートパイプの熱媒体
４１ 循環熱交換装置の熱媒体
４２Ａ 第１縦配管
４２Ｂ 第２縦配管
４２ａ 外周面
４３ 冷却部
Ｐ 熱交換部
Ｗ 排水（放熱部）

【図1】

【図2】