(57)【要約】【課題】管壁面付近の流速、流量を大きくすることで、熱交換効率を向上させることができる。【解決手段】管内部に流体を流すことによって管周囲の環境と熱交換を行うための熱交換パイプであって、管内には、板厚方向が管軸方向にほぼ一致するように配置されるとともに、開口部３４を有する第１邪魔板３Ａが設けられ、開口部３４は、管の内径との比率が３／４となる基準円Ｐの円外領域Ｐ２に配置される第２開口部３４Ｂを有し、第１開口部３４Ａの第１総面積Ｓ１が、第２開口部３４Ｂの第２総面積Ｓ２よりも小さい構成の熱交換パイプを提供する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
管内部に流体を流すことによって管周囲の環境と熱交換を行うための熱交換パイプであって、
管内には、板厚方向が管軸方向にほぼ一致するように配置されるとともに、少なくとも１つの開口部を有する板が設けられ、
前記開口部は、
前記管の内径との比率が３／４となる基準円の円内領域に配置される円内開口部の第１総面積が、前記基準円の円外領域に配置される円外開口部の第２総面積よりも小さくなるように配置され、
又は、
前記円内開口部が無く、前記円外開口部のみが配置されていることを特徴とする熱交換パイプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換パイプに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の熱交換パイプとして、一般家庭空調、融雪設備等の熱源として用いられる地中熱交換器として採用されているのが知られている。一般的な地中熱交換器としては、ヒートポンプ内で熱交換された熱が地中熱交換器のパイプ（熱交換パイプ）内を流れる流体へ移動し、地中に埋設された熱交換パイプを循環する間に地中へ熱を放熱（又は採熱）している。つまり熱交換パイプ内の熱媒体を受熱部で加熱蒸発させて蒸気流とし放熱部に移動させ、その放熱部において蒸気流を放熱させて凝縮液として還流させ、熱媒体の循環を発生させている。そして、熱媒体の循環中の蒸発及び凝縮の潜熱によりヒートパイプの熱交換を行っている。
【０００３】
また、このような熱交換パイプの伝熱効果を向上させるために、例えば特許文献１に記載されているように、管壁面に蛇腹状、螺旋状、或いはシボ状の起伏面を形成したものや、管断面に半円状の邪魔板を設け、熱交換パイプ内を流れる流体を乱流とすることにより、熱交換効率を高めることが行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１９０４７１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の熱交換パイプでは、以下のような問題があった。
すなわち、一般的に管内に流体が流れる場合、その流速は、断面中央部が最も大きく、壁面に近づくほど小さくなり、断面中央部の流量が多くなることから、壁面近傍を流れる流量が少なくなっている。そして、特許文献１の熱交換パイプの管壁面に起伏面を形成したり、邪魔板を設けて乱流を発生させる方法では、管壁面付近に多くの流量を十分に流すことを可能としたものではないことから、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、管壁面付近の流速、流量を大きくすることで、熱交換効率を向上させることができる熱交換パイプ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パイプでは、管内部に流体を流すことによって管周囲の環境と熱交換を行うための熱交換パイプであって、管内には、板厚方向が管軸方向にほぼ一致するように配置されるとともに、少なくとも１つの開口部を有する板が設けられ、前記開口部は、前記管の内径との比率が３／４となる基準円の円内領域に配置される円内開口部の第１総面積が、前記基準円の円外領域に配置される円外開口部の第２総面積よりも小さくなるように配置され、又は、前記円内開口部が無く、前記円外開口部のみが配置されていることを特徴としている。
【０００８】
本発明に係る熱交換パイプによれば、管の内径との比率が３／４となる基準円の円内領域に位置する円内開口部の開口面積（第１総面積）より円外領域に位置する円外開口部の開口面積（第２総面積）を大きく設定した板、或いは基準円の円外領域のみに開口部（円外開口部）が配置されていて円内領域に開口部を有しない板を管内に設けることで、管内に流通する流体が開口率の大きな管壁面側に多く流れるような乱流を起こすことができる。
そして、板で乱された流体の速度分布は直ぐには元の流れに戻らず、板を通過した下流側の流れもしばらくは乱流の影響を受けたままとなる。したがって、管周囲の環境との熱交換効率が高い管壁面付近に沿って多くの流量を通過させることができ、管全体としての熱交換効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の熱交換パイプによれば、管壁面付近の流速、流量を大きくすることで、熱交換効率を向上させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施の形態による第１邪魔板を備えた熱交換パイプを示す側断面図である。
【図２】パイプ内に設けられる第１邪魔板の構成を示す拡大斜視図である。
【図３】図２に示す第１邪魔板を管軸方向から見た平面図である。
【図４】図２に示すＡ−Ａ線断面図である。
【図５】第１変形例による第２邪魔板の平面図である。
【図６】第２変形例による第３邪魔板の平面図である。
【図７】第３変形例による第４邪魔板の平面図である。
【図８】第２の実施の形態による第５邪魔板の平面図である。
【図９】第３の実施の形態による第６邪魔板の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態による熱交換パイプについて、図面に基づいて詳細に説明する。
【００１２】
（第１の実施の形態）
図１に示すように、本実施の形態の熱交換パイプは、例えば建物内に備えた図示しないヒートポンプに接続される熱交換器１０（採熱管／放熱管）に適用され、管内部に流体を流すことによって管周囲の環境と熱交換を行うためのパイプである。具体的には、鉛直方向に地中に削孔されたボーリング孔２内に熱交換器１０が挿通された状態で埋設され、その熱交換器１０が互いに平行に延びる往路用地上配管１５及び復路用地上配管１６を介して前記ヒートポンプに接続されている。
【００１３】
ここで、図１において、地上のヒートポンプから地下の熱交換器１０の下端までを流通する熱媒体Ｎ（流体）の往路方向を符号Ｅとし、熱交換器１０の下端からヒートポンプまでを流通する熱媒体Ｎの復路方向を符号Ｆとする。
【００１４】
往路用地上配管１５は、熱媒体Ｎをヒートポンプから熱交換器１０の往路側パイプ１１へ向けて流通させるための配管である。一方、復路用地上配管１６は、熱媒体を復路側パイプ１２からヒートポンプへ向けて流通させるための配管である。往路用地上配管１５と復路用地上配管１６は、互いに間隔をもって略平行に且つ地上部に沿って配置され、双方の間にボーリング孔２（熱交換器１０）が配置されている。
【００１５】
そして、例えば室内の暖房として使用する場合には、往路用地上配管１５において冷えた熱媒体Ｎが往路方向Ｅに流通し、復路用地上配管１６において熱交換器１０で採熱された熱媒体Ｎが復路方向Ｆに流通する。なお、上記「地上」とは、地表面より上側のみでなく、例えば地表面より１〜２ｍ程度の地中に埋設される場合も地上とする。
さらに、熱媒体Ｎ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ており、熱交換器１０内に封入されている。
【００１６】
熱交換器１０は、ポリエチレン（ＰＥ）などの樹脂製のパイプからなる一対の往路側パイプ１１及び復路側パイプ１２が設けられ、これらパイプ１１、１２がそれぞれ軸方向をボーリング孔２に沿って鉛直方向に向けて配置され、これらパイプ１１、１２の下端１１ｂ、１２ｂ同士を接続するＵ字継手１３が設けられている。
【００１７】
往路側パイプ１１及び復路側パイプ１２の材質としては、可撓性及びガスバリア性を有する樹脂材料が好適に採用される。このような樹脂材料としては、例えば、ポリ塩化ビニリデン，ポリカーボネート，ポリアミド，ポリエチレンテレフタレート，エポキシ樹脂，ボリビニルアルコール，エチレン−ビニルアルコール共重合体，又は内壁面が金属蒸着されたポリプロピレン，ポリエチレン，ポリエチレンテレフタレート等の樹脂材料が挙げられる。
【００１８】
Ｕ字継手１３は、それぞれ２本のパイプのうち往路側パイプ１１と復路側パイプ１２の下端１１ｂ、１２ｂ同士を加熱融着することにより接続している。Ｕ字継手１３は、一端に口部が配設され、この口部から二股に分岐されて略Ｕ字状に延在する貫通孔を有した構造が用いられ、Ｕ字状の貫通孔内で往路側パイプ１１から復路側パイプ１２へ向けて熱媒体Ｎが流通する。
【００１９】
つまり、このような熱交換器１０を用いることで、ヒートポンプ２を暖房として使用する場合において、地上に配置される往路用地上配管１５から送り込まれて往路側パイプ１１Ａ内を流通する熱媒体Ｎ（矢印Ｅ）は、Ｕ字継手１３を通過し、復路側パイプ１１Ｂ内を通過（矢印Ｆ）して復路用地上配管１６へ向けて送り出される。これにより、地中内のパイプ１１、１２、及びＵ字継手１３で熱交換が行われることになり、このような熱交換器１０を用いることで、室内を効果的に冷暖房させることが可能となる。
【００２０】
図２及び図３に示すように、熱交換器１０を構成する管材（往路側パイプ１１、復路側パイプ１２、及びＵ字継手１３）のそれぞれの管内には、乱流を発生させるとともに、開口部３４を有する第１邪魔板３（３Ａ）（板）が管軸Ｏ方向に沿って所定ピッチ（例えば１ｍピッチ）で設けられている。第１邪魔板３Ａは、板状をなし、板厚方向が管軸Ｏ方向にほぼ一致するように配置され、すなわち板面方向を管軸Ｏ方向に直交する平面方向に向けて配置されている。
【００２１】
第１邪魔板３Ａは、往路側パイプ１１と復路側パイプ１２と同軸で管内径Ｌよりも小さい円板３１と、円板３１よりも大径で管壁面１ａに沿って設けられるリング状の環状部３２と、円板３１と環状部３２とを連結する連結片３３と、を備えている。円板３１は、環状部３２の内周面３２ａに対して半径方向に間隔をあけて設けられ、円板３１の外周面３１ａと環状部３２の内周面３２ａとの間に開口部３４が形成されている。
環状部３２は、外周面３２ｂが管壁面１ａに接して、例えば接着剤等の固定手段により固定されている。連結片３３は、周方向に等間隔で４箇所設けられている。
【００２２】
ここで、往路側パイプ１１と復路側パイプ１２と同軸で、且つパイプ１１、１２の内径Ｌとの比率が３／４（図３で３／４Ｌ）となる円を基準円Ｐとする。
円板３１は、基準円Ｐよりも径方向の内側に配置されている。そして、開口部３４は、基準円Ｐの円内領域Ｐ１に配置される第１開口部３４Ａ（円内開口部）と、基準円Ｐの円外領域Ｐ２に配置される第２開口部３４Ｂ（円外開口部）とに区画されるとともに、第１開口部３４Ａの第１総面積Ｓ１が第２開口部３４Ｂの第２総面積Ｓ２よりも小さくなっている。
【００２３】
このように構成される熱交換パイプでは、図３に示すように、往路側パイプ１１、復路側パイプ１２、及びＵ字継手１３（図１参照）と同軸で、かつそれら管の内径との比率が３／４となる基準円Ｐの円内領域Ｐ１の開口面積（第１総面積Ｓ１）より円外領域Ｐ２の開口面積（第２総面積Ｓ２）を大きく設定した第１邪魔板３Ａを管内に設けることができる。そのため、図４に示すように、管内に流通する熱媒体Ｎが開口率の大きな管壁面１ａ側に多く流れるような乱流を起こすことができる。そして、第１邪魔板３Ａで乱された熱媒体Ｎの速度分布は直ぐには元の流れに戻らず、第１邪魔板３Ａを通過した下流側の流れもしばらくは乱流の影響を受けたままとなる。
したがって、管周囲の環境との熱交換効率が高い管壁面１ａ付近に沿って多くの流量を通過させることができ、管全体としての熱交換効率を向上させることができる。
【００２４】
上述のように本実施の形態による熱交換パイプでは、管壁面１ａ付近の流速、流量を大きくすることで、熱交換効率を向上させることができる効果を奏する。
【００２５】
次に、本発明の熱交換パイプによる変形例及び他の実施の形態について、添付図面に基づいて説明するが、上述の第１の実施の形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、第１の実施の形態と異なる構成について説明する。
【００２６】
（第１変形例）
図５に示す第１変形例による第２邪魔板３Ｂ（板）は、上述した第１の実施の形態の第１邪魔板３Ａにおいて、環状部３２（図３参照）が省略された形状をなしている。すなわち、第２邪魔板３Ｂの４箇所の連結片３３は、それぞれの外周側端部３３ａが管壁面１ａに直接固定されている。
【００２７】
（第２変形例）
また、図６に示すように、第２変形例による第３邪魔板３Ｃ（板）は、第１の実施の形態の第１邪魔板３Ａの変形例であって、円板３１内に複数（ここでは４つ）の小径穴（第３開口部３４Ｃ）が形成されている。この場合、基準円Ｐより内側の円内領域Ｐ１における円内開口部の第１総面積Ｓ１は、第１開口部３４Ａと第３開口部３４Ｃとを合わせた面積となり、第１総面積Ｓ１が第２開口部３４Ｂ（円外開口部）の第２総面積Ｓ２よりも小さくなっている。
【００２８】
（第３変形例）
また、図７に示すように、第３変形例による第４邪魔板３Ｄ（板）は、円板３１内にこれと同軸のリング状の第４開口部３４Ｄ（円内開口部）が形成された構成となっている。つまり、円板３１は、小径円板３１１と、小径円板３１１の外周側に間隔をあけて設けられたリング状の外周部３１２とが連結部３１３によって連結されている。この場合、基準円Ｐより内側の円内領域Ｐ１における第１総面積Ｓ１は、第１開口部３４Ａと第４開口部３４Ｄとを合わせた面積となり、第１総面積Ｓ１が第２開口部３４Ｂの第２総面積Ｓ２よりも小さくなっている。
【００２９】
（第２の実施の形態）
次に、図８に示すように、第２の実施の形態による熱交換パイプの第５邪魔板３Ｅ（板）は、閉塞板３６に複数（ここでは８つ）の円形穴３７が形成された構成となっている。閉塞板３６は、外径が管の内径に一致し、外周面３６ａが管壁面１ａに隙間なく固定されている。
【００３０】
ここで、本実施の形態では、基準円Ｐは、管（上述した図１に示す往路側パイプ１１、復路側パイプ１２、及びＵ字継手１３）の内径Ｌ（図３参照）との比率が３／４である。
円形穴３７は、閉塞板３６の外周寄りで、且つ周方向に沿って間隔をあけて配置されている。円形穴３７は、基準円Ｐの円内領域Ｐ１に配置される第６開口部３７Ａと、基準円Ｐの円外領域Ｐ２に配置される第７開口部３７Ｂ（円外開口部）と、に区画されるとともに、第６開口部３７Ａ（円内開口部）の第１総面積Ｓ１が第７開口部３７Ｂの第２総面積Ｓ２よりも小さくなっている。
【００３１】
（第３の実施の形態）
また、図９に示すように、第３の実施の形態による熱交換パイプの第６邪魔板３Ｆ（板）は、閉塞板３６において、大中小の３種類の複数の円形穴３８（開口部３８Ａ、３８Ｂ、３８Ｃ）が、径方向の外側から中心側に向けてその順で形成されている。同径の円形穴３８同士は、周方向に間隔をあけて配置されている。３種の径のうち最も大径の第８開口部３８Ａは、前記第２の実施の形態における基準円Ｐ（前記比率が３／４の円）より外側の円外領域Ｐ２に配置されるもの（円外開口部）と、円内領域Ｐ１に配置されるもの（円内開口部）とに区画され、中小系の第９開口部３８Ｂ、及び第１０開口部３８Ｃは、基準円Ｐより内側の円内領域Ｐ１に配置され、円内開口部をなしている。
この場合、基準円Ｐより内側の円内領域Ｐ１における第１総面積Ｓ１は、第９開口部３８Ｂと第１０開口部３８Ｃとを合わせた面積となり、第１総面積Ｓ１が第８開口部３８Ａの第２総面積Ｓ２よりも小さくなっている。
【００３２】
次に、上述した実施の形態による熱交換パイプの効果を裏付けるための実施例について、以下説明する。
本実施例では、呼びＡが２５Ａ（外径３４ｍｍ、内径３０．７ｍｍ）の寸法で、長さ１００ｍの直管を使用し、その直管の周囲に直径５ｍの円筒状の土を配置し、その直管内に邪魔板を所定条件で設けた場合と設けない場合で、直管内部に熱媒体を一端（入口）から他端（出口）に向けて流通させたときの直管の出口温度を測定した。
【００３３】
ここで、直管は、円筒状の土と同軸に配置されている。邪魔板は、板厚が５ｍｍで、外周側に直管の内面に沿って周方向に、開口幅５ｍｍのリング状の開口を有している。つまり、径方向において直管の内径（３０．７ｍｍ）に対して外周側の１０ｍｍが開口していることになり、この開口は、直管と同軸で、且つ直管の内径との比率が３／４となる基準円の外周側（上記、円外領域Ｐ２に相当）となる。
そして、土の側面温度を１０度に固定するとともに、入口温度を０度とし、熱媒体の流量を１７Ｌ／ｍｉｎとして、測定開始時Ｔ０と４時間後の出口温度Ｔ１を測定した。すなわち、入口で０度の熱媒体を１０度の土中に配置される１００ｍの直管内で通過させたときの出口温度を測定している。
【００３４】
その結果、邪魔板を設けない場合には、測定開始時Ｔ０と４時間後との出口温度Ｔ１の温度差ΔＴ（Ｔ１−Ｔ０）が１．２３度となった。そして、上述の邪魔板を１ｍ間隔で設置した場合には、前記温度差ΔＴが１．６０度となり、同じく４ｍ間隔で設置した場合には、前記温度差ΔＴが１．５２度となった。
【００３５】
これにより、邪魔板が前記比率３／４で設けられる場合、すなわち基準円より外側の円外領域の開口面積が円内領域の開口面積（本実施例では０）よりも大きいときに、邪魔板が設けられない場合に比べて温度差ΔＴが大きくなり、熱伝達率が高いことが確認できた。さらに、管軸方向に設置間隔が狭い方（邪魔板の配置数量が多い方）がより熱伝達率が高くなることがいえる。
【００３６】
以上、本発明による熱交換パイプの実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の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、上述の実施の形態では、基準円Ｐの内側に円内開口部が配置された邪魔板とされているが、円内開口部が設けられることに制限されることはない。つまり、円内開口部が無く（上記第１開口面積Ｓ１＝０）、円外開口部のみが配置された邪魔板を用いることも可能である。
【００３８】
また、上述の本実施の形態では、往路側パイプ１１、復路側パイプ１２、及びＵ字継手１３のそれぞれに邪魔板３を配置しているが、これらすべての管材に配置しなくてもかまわない。例えば往路側パイプ１１、及び復路側パイプ１２のみに邪魔板３を配置するようにしてもよい。
また、邪魔板３の位置、数量、配置間隔等の構成は、配置する管径、熱媒体Ｎ（流体）の種類、流速などの条件に応じて適宜設定すればよい。
【００３９】
さらに、邪魔板３の形状は、上述した実施の形態に限定されることはなく、他の形状、開口部の大きさであっても勿論かまわない。例えば、第２の実施の形態や第３の実施の形態の円形穴３７、３８は、円形状であるが、角形であってもよい。
【００４０】
さらにまた、本実施の形態では、邪魔板３の環状部や、図８及び図９の閉塞板３６の外周面が管壁面１ａに固着した構成となっている。つまり、邪魔板の外径と管の内径とが一致しているが、これに限定されることはない。例えば、管の継手の座面に邪魔板３を接着により配置する一般的な構成であってもよい。なお、この場合には、継手の内径が邪魔板の外径よりも大きく、さらに邪魔板の外径が管の内径よりも大きくなる。
【００４１】
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の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  熱交換器
１ａ  管壁面
３、３Ａ〜３Ｅ  邪魔板（板）
１１  往路側パイプ（熱交換パイプ）
１２  復路側パイプ（熱交換パイプ）
１３  Ｕ字継手（熱交換パイプ）
３１  円板
３２  環状部
３４  開口部
３４Ａ  第１開口部（円内開口部）
３４Ｂ  第２開口部（円外開口部）
３４Ｃ  第３開口部
３４Ｄ  第４開口部（円内開口部）
３７、３８  円形穴
３７Ａ  第６開口部（円内開口部）
３７Ｂ  第７開口部（円外開口部）
３８Ａ、３８Ｂ、３８Ｃ  開口部
Ｎ  熱媒体（流体）
Ｏ  管軸
Ｐ  基準円
Ｐ１  円内領域
Ｐ２  円外領域
Ｓ１  第１総面積
Ｓ２  第２総面積
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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