(57)【要約】【課題】鉱物質を多量に溶存している温泉水が持つ熱エネルギーを、熱交換面にスケールを生成させることなく、液体或いは気体の熱媒へ伝熱する熱交換技術を提供する。【解決手段】温泉水流出口兼通気口１４から流入した水蒸気分圧の低い大気が、温泉水散布手段１３より散布され温泉水通流部１０内を落下する温泉水１２と接触することで水蒸気分圧の高い混合気体となる。この水蒸気分圧の高い混合気体は、潜熱化構造体１Ａから連絡部４１を通り熱媒加熱構造体２に流入し、混合気体通流部２０内に設けられた熱交換体２５の伝熱面において、混合気体内の水蒸気分圧を飽和水蒸気圧とする温度（露点温度）で混合気体内の水蒸気が凝縮することで、水蒸気分圧を低下しつつ混合気体通流部２０内を流下し、送風機３１ａにより排出される。その過程で、水蒸気が凝縮するさいに放出する潜熱を利用して熱交換体２５内を流れる液体或いは気体の熱媒を加熱する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温泉水通流部、温泉水導入部、温泉水散布手段、温泉水流出口兼通気口、混合気体流出口で構成された潜熱化構造体と、混合気体通流部、混合気体流入口、ドレイン排出部、熱媒供給部、熱交換体、熱媒排出部、送風機で構成された熱媒加熱構造体と、潜熱化構造体と熱媒加熱構造体を繋ぐ連絡部とを備えており、温泉水導入部から導入された温泉水は温泉水散布手段より散布され温泉水通流部内を落下して温泉水流出口より流出するようになされており、送風機が混合気体通流部内から水蒸気分圧が低下した混合気体を排出することにより、水蒸気分圧の低い大気が温泉水通流部に設けられた通気口から吸引される形で温泉水通流部内に流入し、この水蒸気分圧の低い大気が温泉水通流部内の温泉水の流れに対向するように流通する際に、温泉水と接触し、温泉水温度を飽和温度とする蒸気圧で温泉水から蒸発する水蒸気と混合することで水蒸気分圧の高い混合気体となり、この水蒸気分圧の高い混合気体が、潜熱化構造体から連絡部を通り熱媒加熱構造体に流入し、混合気体通流部内に設けられた熱交換体の伝熱面において、混合気体内の水蒸気分圧を飽和水蒸気圧とする温度（露点温度）で混合気体内の水蒸気が凝縮することで、この混合気体が水蒸気分圧を低下しつつ混合気体通流部内を流下し、その過程で、水蒸気が熱交換体表面で凝縮するさいに放出する潜熱を利用して熱交換体内を流れる液体或いは気体の熱媒を加熱するようになされている熱交換システム。
【請求項２】
熱媒加熱構造体の混合気体通流部内から吸引した水蒸気分圧の低い混合気体をヘッダーから吹き出し口を通して温泉水通流部内へ送り込むように送風機が設けられている請求項１記載の熱交換システム。
【請求項３】
潜熱化構造体の混合気体流出口の手前に気水分離器を備えている請求項１ないし請求項２のいずれかの項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、温泉水を熱源とする熱交換装置内でのスケール生成による熱交換器の機能低下さらには機能停止を回避するための熱交換システムに関する。
【背景技術】
【０００２】  一般に、温泉水にはカルシウム、鉄、シリカ等の種々多様な鉱物質が多量に溶存している。地下では完全に溶解していた温泉水中のこれら溶存物質も温度や圧力の降下等に伴い沈殿物として析出し、温泉地では給湯管やバルブ内に沈着してスケールとなり給湯管やバルブを詰まらせる原因となる。それに対処するため、スケール防止薬剤を用いる化学的方法等による温泉水スケール防止処理装置が開発され利用されているが、温泉水には種々の鉱物質が多量に溶存しているため、スケールの発生を完全に抑制することは困難である。【０００３】  従来、温泉水が持つ熱エネルギーを給湯、暖房等の熱源として利用しようとするとき、熱交換器に温泉水或いはスケール防止処理した温泉水を通水する方法が採られるが、泉質によっては、スケール除去に多大な労力と費用を要し、経済的に引き合わないことから、温泉水の熱交換器による熱利用をあきらめる場合が多く見られる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  温泉水が持つ熱エネルギーは、給湯、暖房、さらには温泉水が８０℃以上の高温であれば吸収冷凍機等の熱源としての利用が考えられる。しかしながら、温泉水が持つ熱エネルギーを液体或いは気体の熱媒へ熱交換するとき、従来の熱交換器に温泉水或いはスケール防止処理した温泉水を通水する方法では、泉質によっては、温泉水側熱交換面へのスケール生成による熱伝達率の大幅な低下は避けられず、長期にわたり熱交換機能を維持することは非常に困難で、甚だしい場合は短時日の内に熱交換機能を停止することがある。【０００５】  本発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、熱交換面にスケールを生成させることなく、温泉水の持つ熱エネルギーを液体或いは気体の熱媒へ伝熱する熱交換技術を確立すれば、温泉水を熱源とする熱利用は飛躍的に拡大するものと推定され、構造が簡素でメンテナンスが容易なランニングコストが少なくてすむ熱交換システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段及びその効果】
【０００６】  本発明による熱交換システム（１）は、温泉水通流部、温泉水導入部、温泉水散布手段、温泉水流出口兼通気口、混合気体流出口で構成された潜熱化構造体と、混合気体通流部、混合気体流入口、ドレイン排出部、熱媒供給部、熱交換体、熱媒排出部、送風機で構成された熱媒加熱構造体と、潜熱化構造体と熱媒加熱構造体を繋ぐ連絡部とを備えており、温泉水導入部から導入された温泉水は温泉水散布手段より散布され温泉水通流部内を落下して温泉水流出口より流出するようになされており、送風機が混合気体通流部内から水蒸気分圧が低下した混合気体を排出することにより、水蒸気分圧の低い大気が温泉水通流部に設けられた通気口から吸引される形で温泉水通流部内に流入し、この水蒸気分圧の低い大気が温泉水通流部内の温泉水の流れに対向するように流通する際に、温泉水と接触し、温泉水温度を飽和温度とする蒸気圧で温泉水から蒸発する水蒸気と混合することで水蒸気分圧の高い混合気体となり、この水蒸気分圧の高い混合気体が、潜熱化構造体から連絡部を通り熱媒加熱構造体に流入し、混合気体通流部内に設けられた熱交換体の伝熱面において、混合気体内の水蒸気分圧を飽和水蒸気圧とする温度（露点温度）で混合気体内の水蒸気が凝縮することで、この混合気体が水蒸気分圧を低下しつつ混合気体通流部内を流下し、その過程で、水蒸気が熱交換体表面で凝縮するさいに放出する潜熱を利用して熱交換体内を流れる液体或いは気体の熱媒を加熱するようになされている。
【０００７】  上記の熱交換システム（１）によれば、潜熱化構造体において、温泉水自身が蒸発することで温泉水の保有する熱エネルギーが水蒸気の形に潜熱変換され、その水蒸気が水蒸気分圧の低い気体と混合して、水蒸気分圧の高い混合気体となる。この水蒸気分圧の高い混合気体は温泉水に溶解していた鉱物質を含まず、連絡部を通り、熱媒加熱構造体に流入する。すなわち、混合気体は温泉水の保有していた熱エネルギーのみを潜熱化構造体から熱媒加熱構造体へ輸送することになる。したがって、この混合気体内の水蒸気が混合気体通流部内の熱交換体表面で凝縮伝熱する際にスケールを生成することなく、温泉水の持つ熱エネルギーを液体或いは気体の熱媒へ伝熱することができる。
【０００８】  一般に、水蒸気の凝縮熱を利用する閉鎖系の熱交換器において、水蒸気内への非凝縮性気体の混入は、それがごく僅かであっても凝縮伝熱面における熱伝達率を大幅に低下させることになる。それは、熱交換器の水蒸気流入口から離れ水蒸気流速が低下した凝縮伝熱面において、非凝縮性気体の滞留が水蒸気の伝熱面への到達を阻害することに起因する。
本発明による熱交換システムの熱媒加熱構造体を構成する混合気体通流部内を流下する混合気体は、状況により５〜９０％の非凝縮性気体を含むものであるが、送風機による排気に伴い、混合気体通流部の末端近くを流下する混合気体においてもある程度の流速が付与され、混合気体通流部末端部の熱交換体の凝縮伝熱面でも強制対流伝熱が維持され、高い熱伝達率を確保することができる。
【０００９】  また、本発明による熱交換システム（２）は、上記熱交換システム（１）において、熱媒加熱構造体の混合気体通流部内から吸引した水蒸気分圧の低い混合気体をヘッダーから吹き出し口を通して温泉水通流部内へ送り込む（排出する）ように送風機が設けられている。
【００１０】  上記の熱交換システム（２）によれば、送風機が水蒸気分圧の低下した混合気体を熱媒加熱構造体の混合気体通流部から吸引しヘッダー内へ送風する。そして、この水蒸気分圧の低い混合気体は、上記熱交換システム（１）において通気口から温泉水通流部へ流入する大気に替えて、ヘッダーから吹き出し口を通して温泉水通流部内へ送り込まれるようになされている。この混合気体は、水蒸気分圧が低下したとはいえ、周辺大気に較べ水蒸気分圧は高く、循環利用することで、温泉水からの熱利用効率を高める効果がある。
【００１１】  また、本発明による熱交換システム（３）は，上記熱交換システム（１）ないし（２）のいずれかにおいて、潜熱化構造体の混合気体流出口の手前に気水分離器を備えている。
【００１２】  上記の熱交換システム（３）によれば、混合気体が鉱物質を溶解している温泉水の水滴を浮遊させた状態で潜熱化構造体から流出しようとするとき、気水分離器がこの水滴を捕捉するようになされている。したがって、混合気体通流部内の熱交換体表面でのスケール生成を非常に長期にわたり抑制する効果がある。
【００１３】  なお、本明細書で用いている「混合気体」とは、高温側の温泉水と低温側の低温熱媒との温度領域において、極めて相対湿度が高い、空気と水蒸気の混合した気体を意味する。混合気体流出口近傍の混合気体においては、混合気体温度が温泉水温度に近く、相対湿度が１００％に近くなるように、温泉水通流部に流入する水蒸気分圧の低い気体の流入量や温泉水導入量を調整し、温泉水散布手段を工夫するのがよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】  以下、図面を基に、本発明に係る熱交換システムの実施の形態を説明する。【００１５】  図１は本発明の実施の形態（１）に係る熱交換システムを説明するための図である。【００１６】  図１において、実施の形態（１）に係る熱交換システムは、潜熱化構造体１Ａと熱媒加熱構造体２と連絡部４１とを備えている。潜熱化構造体１Ａは、温泉水通流部１０、温泉水通流部１０の上部に設けられた温泉水導入部１１及び温泉水散布手段１３及び混合気体流出口１７、温泉水通流部１０の末端部に設けられた温泉水流出口兼通気口１４で構成されている。熱媒加熱構造体２は、混合気体通流部２０、混合気体通流部２０の上部に設けられた混合気体流入口２１、混合気体通流部２０の末端部に設けられたドレイン排出部２２及び送風機３１ａ、熱媒通流部で構成されており、混合気体通流部２０はある程度の容積を有するほぼ密閉された容器状をしており、熱媒通流部は容器状の混合気体通流部２０の末端部に設けられ外部に通じる熱媒供給部２３と、混合気体通流部２０の上部に設けられ外部に通じる熱媒排出部２６と、容器状の混合気体通流部２０の中に配置された熱交換体２５とで形成されている。【００１７】  実施の形態（１）では、温泉水導入部１１から導入された温泉水１２は温泉水散布手段１３より散布され温泉水通流部１０内を落下して温泉水流出口兼通気口１４より流出するようになされている。混合気体通流部２０の末端部に設けられた送風機３１ａが混合気体通流部２０内の混合気体を排出することにより、熱交換システム内が陰圧となり、温泉水流出口兼通気口１４から水蒸気分圧の低い大気が吸引される形で温泉水通流部１０内に流入するようになされている。この水蒸気分圧の低い大気は、温泉水通流部１０内を、温泉水１２の流れに対向するように流通する際に、温泉水１２と接触し、温泉水温度を飽和温度とする蒸気圧で温泉水１２から蒸発する水蒸気と混合することで水蒸気分圧の高い混合気体となる。そして、この水蒸気分圧の高い混合気体が、潜熱化構造体１Ａから連絡部４１を通り熱媒加熱構造体２に流入する。すなわち、この水蒸気分圧の高い混合気体は、温泉水１２に溶解していた鉱物質を含まず、温泉水１２の保有していた熱エネルギーのみを潜熱化構造体１Ａから熱媒加熱構造体２へ輸送することとなる。【００１８】  熱媒加熱構造体２に流入した水蒸気分圧の高い混合気体は、その混合気体内の水蒸気分圧を飽和水蒸気圧とする温度（露点温度）で混合気体内の水蒸気が混合気体通流部２０内に設けられた熱交換体２５の表面で凝縮し、水蒸気分圧を下げながら混合気体通流部２０内を流下する。その過程で、水蒸気が熱交換体２５表面で凝縮するさいに放出する潜熱を利用して熱交換体２５内を流れる液体或いは気体の熱媒が加熱される。したがって、混合気体通流部２０内の熱交換体２５表面にスケールを生成することなく、温泉水の持つ熱エネルギーを液体或いは気体の熱媒へ伝熱することができる。
このとき、混合気体内の水蒸気分圧が低下するにつれ水蒸気の凝縮温度（露点温度）が下がるので、熱媒供給部２３は混合気体通流部２０の下部に、熱媒排出部２６は混合気体通流部２０の上部に設けられている。
熱交換体２５表面で凝縮した水蒸気はドレインとなってドレイン排出部２２より排出され、熱媒を加熱する能力がなくなった混合気体は送風機３１ａにより排出される。【００１９】  送風機３１ａの排気作用により熱交換システム内が陰圧となると上記したが、熱交換システム内の気体流速が１０ｍ／ｓ以下となるように気体通流各部の断面積を気体流量に合わせて設計すれば、気流を作るのに必要な圧力差と気体通流各部の圧力損失を合わせても、熱交換システム内外の気圧差は１００Ｐａ以下となる。このことは、装置を製作する際、外圧に対する耐圧性が小さくてすみ、装置の軽量化とコスト抑制につながる。【００２０】  温泉水流出口兼通気口１４から流入する水蒸気分圧の低い大気の流量に対して、連絡部４１を流れる水蒸気分圧の高い混合気体の流量は数倍となり、条件によっては１０倍以上となる場合がある。連絡部４１を設計する上で考慮しなければならないこの現象について、以下に説明する。【００２１】
【表１】
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【００２２】  表１は水の蒸気圧と温度との関係を示したものである。そして、上述したように、熱交換システム内外の気圧差が１００Ｐａ以下であるならば、圧力変化に伴う容積変化はごく僅かであるから、同種気体の分圧が熱交換システム内外で同じであれば、それらは同じ容積を占めるものとする。【００２３】  温泉水１２の温度が１００℃、外気が温度２４℃相対湿度７０％で、連絡部４１を流れる混合気体が温度９６℃相対湿度１００％となる場合を表１を参考にして説明する。
外気の水蒸気分圧は０．０２気圧（２９８４×０．７Ｐａ）であるから、水蒸気以外の気体の分圧は０．９８気圧で占有割合は９８％となる。
連絡部４１を流れる混合気体の水蒸気分圧は０．８７気圧（８７６９２Ｐａ）であるから、水蒸気以外の気体の分圧は０．１３気圧で占有割合は１３％となる。
したがって、温泉水流出口兼通気口１４から流入する外気が１ｍ３／分とすると、連絡部４１を流れる混合気体の流量は７．５ｍ３／分以上となる。同様にして、送風機３１ａにより排出される混合気体が温度５０℃相対湿度１００％であるとき、その排出流量は１．１ｍ３／分となる。【００２４】  図２は本発明の実施の形態（２）に係る熱交換システムを説明するための図である。【００２５】  実施の形態（２）に係る熱交換システムは、熱媒加熱構造体２の混合気体通流部２０内から水蒸気分圧が低い混合気体を吸引した送風機３１ｂが、この混合気体を、図１に示したように外部へ排出するのではなく、図２に示されているように、ヘッダー３５から吹き出し口３６を通して温泉水通流部１０内へ送り込む（排出する）ように設けられている。【００２６】  実施の形態（２）によれば、送風機３１ｂが熱媒加熱構造体２の混合気体通流部２０から吸引する水蒸気分圧の低い混合気体は、上記熱交換システム（１）において温泉水流出口兼通気口１４から温泉水通流部１０内へ流入する大気に替えて、ヘッダー３５から吹き出し口３６を通して温泉水通流部１０内へ送り込まれるようになされている。この混合気体は、水蒸気分圧が低いとはいえ、温泉水流出口兼通気口１４から温泉水通流部１０内へ流入する大気に較べれば水蒸気分圧は数倍以上高く、循環利用することで、温泉水１２からの熱利用効率を高めるのに有効である。【００２７】  以上、実施の形態（１）、（２）について説明したが、実施の形態（１）、（２）のいずれの場合にも、図１、図２に示したような気水分離器１６を混合気体流出口１７の手前に設けることが好ましい。気水分離器１６は、混合気体が鉱物質を溶解している温泉水１２の水滴を浮遊させた状態で潜熱化構造体１Ａ、１Ｂから流出しようとするとき、この水滴を捕捉し、混合気体通流部２０内の熱交換体２５表面でのスケール生成を非常に長期にわたり抑制するのに有効である。【００２８】  また、実施の形態（１）、（２）のいずれの場合にも、図３に示したような、潜熱化構造体と熱媒加熱構造体２が、一つの側壁面を共有し、混合気体流出口１７と混合気体流入口２１とが同一となる実施形態とすることもできる。【００２９】  また、図１、図２に示したものでは、熱交換体２５がパイプ形状でコイル状に設けられているように図示してあるが、別の実施形態では、図示しないが、フィン付直管形状やプレート形状等、他の形状の熱交換体であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る熱交換システムの実施の形態（１）の構成を概略的に示した断面図である。
【図２】本発明に係る熱交換システムの実施の形態（２）の構成を概略的に示した断面図である。
【図３】本発明に係る熱交換システムの連絡部実施例の別形態を概略的に示した部分断面斜視図である。
【符号の説明】
１Ａ、２Ａ  潜熱化構造体
１Ｂ、２Ｂ  熱媒加熱構造体
１１  温泉水導入部
１３  温泉水散布手段
１４  温泉水流出口兼通気口
１６  気水分離器
２０  混合気体通流部
２２  ドレイン排出部
２３  熱媒供給部
２５  熱交換体
２６  熱媒排出部
３１ａ、３１ｂ  送風機
４１  連絡部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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