(57)【要約】【課題】  伝熱面の表面に蓄熱物質の固相が付着してしまい、伝熱性が悪くなるのを防止することができる熱交換装置を提供する。【解決手段】  本発明の熱交換装置は、液相から固相へ又は固相から液相へ相変化しうる媒体Ａと、媒体Ａと熱交換を行う媒体Ｂと、媒体Ａと媒体Ｂとの間に設けられ、媒体Ａに接触する伝熱面２ｃ（コラプシブルチューブ２の外周面）とを備える。伝熱面２ｃに付着した媒体Ａの固相を剥がせるように、伝熱面２ｃが変形できる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液相から固相へ又は固相から液相へ相変化しうる媒体Ａと、前記媒体Ａと熱交換を行う媒体Ｂと、前記媒体Ａと前記媒体Ｂとの間に設けられる伝熱面とを備え、
前記伝熱面に付着した前記媒体Ａの固相を剥がせるように、前記伝熱面が変形できることを特徴とする熱交換装置。
【請求項２】
前記伝熱面は、前記媒体Ｂがその内部を流れるチューブの外周面であり、
前記媒体Ｂが前記チューブの内部を流れることによって、前記チューブが変形することを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項３】
液相から固相へ又は固相から液相へ相変化しうる媒体Ａと、前記媒体Ａと熱交換を行う媒体Ｂと、前記媒体Ｂがその内部を流れ、伝熱面としての外周面が前記媒体Ａに接触するチューブとを備え、
前記伝熱面に付着した前記媒体Ａの固相を剥がせるように、前記媒体Ｂが前記チューブの内部を流れることによって、前記チューブが変形することを特徴とする熱交換装置。
【請求項４】
液相から固相へ又は固相から液相へ相変化しうる媒体Ａと、媒体Ｂとで、熱交換を行う際、
前記媒体Ａに接触する伝熱面に付着した前記媒体Ａの固相を剥離する熱交換装置の固相剥離方法において、
前記媒体Ａに接触する伝熱面を変形させて、前記伝熱面に付着した前記媒体Ａの固相を剥がすことを特徴とする熱交換装置の固相剥離方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、媒体Ａと媒体Ｂとで熱交換を行う熱交換装置に関し、特に媒体Ａとして液相から固相へ又は固相から液相へ相変化する蓄熱物質を用いた熱交換装置、及び熱交換装置の固相剥離方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
蓄熱物質が相変化するときに生じる潜熱を利用した熱交換装置として、潜熱蓄熱器が知られている。潜熱蓄熱器は、温度に応じて液相から固相へ又は固相から液相へ変化しうる蓄熱物質と、この蓄熱物質に接触する伝熱面を有する熱交換部と、熱交換部の内部を流れ、蓄熱物質と熱交換を行う媒体とを備える。
【０００３】
潜熱蓄熱器では、融点が高温での蓄熱の場合、熱交換部に蓄熱物質の融点よりも温度が高い媒体を流入させ、媒体から蓄熱物質へ伝熱面を介して伝熱し、これにより蓄熱物質を固相から液相へ相変化させる。一方、放熱の場合、熱交換部に蓄熱物質の融点よりも温度が低い媒体を流入させ、蓄熱物質から媒体へ伝熱面を介して熱を伝導させ、これにより蓄熱物質を液相から固相へ相変化させる。
【０００４】
しかしながら、特に放熱の場合、伝熱面に接触する部分の蓄熱物質が冷えることになるので、伝熱面に蓄熱物質の固相が付着する。この固相は液相よりも一般的に熱伝導率が悪いので、あたかも断熱材のような役割をし、この結果、蓄熱物質から媒体への伝熱性が悪くなり、熱をなかなか取り出せないという問題が生じていた。
【０００５】
このような熱応答性の悪さを解消するために、熱媒体流路を蛇行させたり、熱交換部としての鉄管にフィンを設けて伝熱面の面積を増やしたりすることが行われていた（例えば特許文献１、図１０参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２４０４６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、鉄管にフィンを設ける技術では、蓄熱物質が収容される蓄熱槽の容積が減るだけでなく、フィンにも蓄熱物質の固相が付着することには変わりない。この技術では、伝熱面に蓄熱物質の固相が付着してしまい、伝熱性が悪くなってしまうという根本的な問題を解決することができない。
【０００８】
そこで、本発明は、伝熱面の表面に蓄熱物質の固相が付着してしまい、伝熱性が悪くなるのを防止することができる熱交換装置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】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は、伝熱面を変形させてやることによって、伝熱面に付着した固相を剥ぎ取れるようにし、これにより熱交換装置の伝熱性を向上させた。
【００１０】
具体的には請求項１に記載の発明は、液相から固相へ又は固相から液相へ相変化しうる媒体Ａと、前記媒体Ａと熱交換を行う媒体Ｂと、前記媒体Ａと前記媒体Ｂとの間に設けられる伝熱面とを備え、前記伝熱面に付着した前記媒体Ａの固相を剥がせるように、前記伝熱面が変形できることを特徴とする熱交換装置により、上述した課題を解決する。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の熱交換装置において、前記伝熱面は、前記媒体Ｂがその内部を流れるチューブの外周面であり、前記媒体Ｂが前記チューブの内部を流れることによって、前記チューブが変形することを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、液相から固相へ又は固相から液相へ相変化しうる媒体Ａと、前記媒体Ａと熱交換を行う媒体Ｂと、前記媒体Ｂがその内部を流れ、伝熱面としての外周面が前記媒体Ａに接触するチューブとを備え、前記伝熱面に付着した前記媒体Ａの固相を剥がせるように、前記媒体Ｂが前記チューブの内部を流れることによって、前記チューブが変形することを特徴とする熱交換装置により、上述した課題を解決する。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、液相から固相へ又は固相から液相へ相変化しうる媒体Ａと、媒体Ｂとで、熱交換を行う際、前記媒体Ａに接触する伝熱面に付着した前記媒体Ａの固相を剥離する熱交換装置の固相剥離方法において、前記媒体Ａに接触する伝熱面を変形させて、前記伝熱面に付着した前記媒体Ａの固相を剥がすことを特徴とする熱交換装置の固相剥離方法により、上述した課題を解決する。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、熱交換装置の伝熱面に付着する固相を剥ぎ取ることができるので、伝熱性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下添付図面に基づいて本発明の熱交換装置を説明する。図１は熱交換装置の原理図を示す。蓄熱槽１には、液相から固相へ又は固相から液相へ相変化しうる媒体Ａとして、蓄熱物質Ａが充填される。蓄熱槽１の内部には、外周面２ｃが伝熱面となるコラプシブルチューブ２が通っている。コラプシブルチューブ２の内部には、蓄熱物質Ａと熱交換を行う媒体Ｂとして、流体Ｂが軸線方向に流れる。
【００１６】
このような熱交換装置は、蓄熱物質Ａが相変化（液体・固体）するときに生じる潜熱を利用するもので潜熱蓄熱器とも呼ばれる。蓄熱方法には、例えば水の潜熱を利用した氷蓄熱や、例えば融点８０℃の蓄熱物質の潜熱を利用した温熱蓄熱が考えられる。氷蓄熱の場合、蓄熱物質Ａには水が用いられ、コラプシブルチューブ２の内部を流れる流体Ｂには、例えば−２０℃まで凍らないクーラント等が用いられる。また、上記温熱蓄熱の場合、蓄熱物質Ａには融点８０℃の物質が用いられ、流体Ｂには例えば水が用いられる。
【００１７】
蓄熱の場合、蓄熱物質Ａの融点よりも温度が高い流体Ｂをコラプシブルチューブ２の内部に流入させる。これにより、流体Ｂから蓄熱物質Ａへコラプシブルチューブ２を介して熱が伝導し、蓄熱物質Ａが固相から液相へ相変化する。一方、放熱の場合、蓄熱物質Ａの融点よりも温度が低い流体Ｂをコラプシブルチューブ２の内部に流入させる。これにより、蓄熱物質Ａから流体Ｂへコラプシブルチューブ２を介して熱が伝導し、蓄熱物質Ａが液相から固相へ相変化する。
【００１８】
なおこの原理図では、蓄熱物質Ａは蓄熱槽１の内部に貯蔵され、流れていないが、蓄熱物質Ａを流れるようにしてもよい。この場合、蓄熱槽１には蓄熱物質Ａの入口と出口が設けられる。液体状の蓄熱物質Ａが蓄熱槽１の入口から入り、固相と液相が混ざったスラリー状の蓄熱物質Ａが蓄熱槽１の出口から出ることになる。
【００１９】
放熱の場合、コラプシブルチューブ２の外周面２ｃには、蓄熱物質Ａが相変化した固相が付着する。本実施形態では、コラプシブルチューブ２の外周面２ｃに付着した固相を、コラプシブルチューブ２を変形させることによって剥離することを特徴にしている。
【００２０】
コラプシブルチューブ２について説明する。コラプシブルチューブ２は、生体における静脈、気道、尿道などのように弾性的性質を有する管であり、管内圧に対して管外圧が相対的に高くなると容易に変形して潰れた形状となる。
【００２１】
図１に示されるように、コラプシブルチューブの上流側の圧力Ｐ１と下流側の圧力Ｐ２とで圧力差（Ｐ１＞Ｐ２又はＰ１＜Ｐ２）が生じると、コラプシブルチューブ２に部分的に膨らんだり、潰れたりする部分２ａ，２ｂが生じ、これら膨らんだり、潰れたりする部分２ａ，２ｂがコラプシブルチューブ２の軸線方向に伝播するようになる。コラプシブルチューブ２の上下流で圧力差が生じなくても、コラプシブルチューブ２の内部を流れる流体が脈動すると同様な現象が生じる。この現象は、コラプシブルチューブ２の内部を流れる流体と、コラプシブルチューブ２の変形が相互に干渉したコラプシブルチューブ２の自励振動とも呼ばれる。本実施形態では、このコラプシブルチューブ２の変形現象を利用して、コラプシブルチューブ２の外周面２ｃに付着した固相を剥がす。
【００２２】
コラプシブルチューブ２の材質・肉厚・管径等には特に指定はなく、上下流の圧力差を与えてやることで潰れるものであればよい。コラプシブルチューブ２の材質には、樹脂系の弾性を有する材質、例えばシリコン等を用いることができる。
【００２３】
図２は、本発明の第１の実施形態における熱交換装置を示す。蓄熱槽１には、蓄熱物質Ａが充填されている。蓄熱槽１の内部を通過するコラプシブルチューブ２は、循環回路３の一部をなしている。循環回路３には、入力用三方弁４を介して流体の入力がされ、出力用三方弁５を介して流体の出力がされる。流体Ｂには、上記図１で説明したものと同様なものを用いる。
【００２４】
循環回路３に組み込まれるポンプ６は、定常流れを発生する。ポンプによる定常流れによって、コラプシブルチューブ２の内部の流れの上流側と下流側との間には圧力差が生じる。一方、コラプシブルチューブ２の外圧は略一定である。コラプシブルチューブ２の内部の上下流の圧力差によって、コラプシブルチューブ２が部分的に膨らんだり、潰れたりする。このコラプシブルチューブ２の変形によって、コラプシブルチューブ２の表面に付着する固相が剥離される。
【００２５】
なお、ポンプ６とコラプシブルチューブ２との間に、弁などの流量調整機器７を配置してもよい。また、この図２において、ポンプ６、流量調整機器７をコラプシブルチューブ２の上流側に配置しているが、下流側に配置してもよい。
【００２６】
図３は、本発明の第２の実施形態における熱交換装置を示す。蓄熱槽１、蓄熱物質Ａ、コラプシブルチューブ２、流体Ｂについては、上記第１の実施形態と同様な構成なので、同一の符号を附してその説明を省略する。この実施形態では、ポンプ６に脈動流を発生することができるポンプが用いられ、ポンプ６の脈動流を利用してコラプシブルチューブ２を変形させている。
【００２７】
なお、第２の実施形態における熱交換装置においても、ポンプ６とコラプシブルチューブ２との間に、弁などの流量調整機器７を配置してもよい。また、この図３において、ポンプ６、流量調整機器７をコラプシブルチューブ２の上流側に配置しているが、下流側に配置してもよい。
【００２８】
図４は、本発明の第３の実施形態における熱交換装置を示す。蓄熱槽１、蓄熱物質Ａ、コラプシブルチューブ２、流体Ｂ、ポンプ６については、上記第１の実施形態と同様な構成なので、同一の符号を附してその説明を省略する。この第３の実施形態では、コラプシブルチューブ２の固有振動数を利用してコラプシブルチューブ２を変形すべく、ポンプ６とコラプシブルチューブ２との間に分岐管８を設け、この分岐管８から流体に音波を導入している。
【００２９】
なお、第３の実施形態における熱交換装置においても、ポンプ６とコラプシブルチューブ２との間に、弁などの流量調整機器７を配置してもよい。また、この図４において、ポンプ６、流量調整機器７をコラプシブルチューブ２の上流側に配置しているが、下流側に配置してもよい。
【００３０】
図５は、本発明の第４の実施形態における熱交換装置を示す。蓄熱物質Ａの固相と液相とで密度差（密度  固相＞液相）がある場合、この実施形態のようにコラプシブルチューブ２を蓄熱槽１の上部に配置するのが望ましい。このように配置すると、コラプシブルチューブ２の下方に剥離した固相を溜めておく領域を大きくとることができるので、蓄熱効率が向上する。
【００３１】
なお、第４の実施形態における熱交換装置においても、ポンプ６とコラプシブルチューブ２との間に、弁などの流量調整機器７を配置してもよい。また、この図５において、ポンプ６、流量調整機器７をコラプシブルチューブ２の上流側に配置しているが、下流側に配置してもよい。
【００３２】
図６は、本発明の第５の実施形態における熱交換装置を示す。蓄熱物質Ａの固相と液相とで密度差（密度  固相＜液相）がある場合、この実施形態のようにコラプシブルチューブ２を蓄熱槽１の下部に配置するのが望ましい。このように配置すると、コラプシブルチューブ２の上方に剥離した固相を溜めておく領域を大きくとることができるので、蓄熱効率が向上する。
【００３３】
なお、第５の実施形態における熱交換装置においても、ポンプ６とコラプシブルチューブ２との間に、弁などの流量調整機器７を配置してもよい。また、この図６において、ポンプ６、流量調整機器７をコラプシブルチューブ２の上流側に配置しているが、下流側に配置してもよい。
【００３４】
図７は、本発明の第６の実施形態における熱交換装置を示す。この実施形態では、コラプシブルチューブ２の外側を覆う容器に流体の入口９と出口１０が設けられ、コラプシブルチューブ２の外部をも流体が流れるようになっている。そして、実施形態としては、コラプシブルチューブ２の外部に流体Ｂを流し、コラプシブルチューブ２の内部に蓄熱物質Ａを流す。
【００３５】
また、この反対に、コラプシブルチューブ２の外部に蓄熱物質Ａを流し、コラプシブルチューブ２の内部に流体Ｂを流してもよい。この場合、液体状の蓄熱物質Ａが容器の入口９から入り、固相と液相が混ざったスラリー状の蓄熱物質Ａが容器の出口１０から出る。コラプシブルチューブは、上下流の圧力差によって変形する。
【００３６】
なお、第６の実施形態における熱交換装置においても、ポンプ６とコラプシブルチューブ２との間に、弁などの流量調整機器７を配置してもよい。また、この図７において、ポンプ６、流量調整機器７をコラプシブルチューブ２の上流側に配置しているが、下流側に配置してもよい。
【００３７】
図８は、本発明の第７の実施形態における熱交換装置を示す。この熱交換装置は、熱交換をより早く行うためのものであり、蓄熱槽１の内部には、コラプシブルチューブ２が平行に複数本設置される。複数本のコラプシブルチューブ２は、循環回路中において、並列に接続される。すなわち循環回路は、コラプシブルチューブ２の両端との接続箇所近傍において、複数に分岐し、分岐管はそれぞれコラプシブルチューブ２の端部に接続されている。この実施形態ように、コラプシブルチューブ２の本数・配置は、熱交換の程度に応じてさまざまに設定することができる。
【００３８】
なお、第７の実施形態における熱交換装置においても、ポンプ６とコラプシブルチューブ２との間に、弁などの流量調整機器７を配置してもよい。また、この図８において、ポンプ６、流量調整機器７をコラプシブルチューブ２の上流側に配置しているが、下流側に配置してもよい。さらにコラプシブルチューブは垂直方向に向けられているが、水平方向に向けられてもよい。
【００３９】
本発明は上記実施形態に限られることなく、様々に変更できる。例えば上下流の圧力差によって変形できるものであれば、チューブはコラプシキブルチューブに限られるものではない。また、伝熱面は円筒形状（コラプシブルチューブの外周面２ｃ）に形成されなくて、例えば平面であってもよい。さらに、伝熱面をピエゾアクチュエータ等の駆動機構を用いて変形させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】熱交換装置の原理図。
【図２】本発明の第１の実施形態における熱交換装置を示すシステム図。
【図３】本発明の第２の実施形態における熱交換装置を示すシステム図。
【図４】本発明の第３の実施形態における熱交換装置を示すシステム図。
【図５】本発明の第４の実施形態における熱交換装置を示すシステム図。
【図６】本発明の第５の実施形態における熱交換装置を示すシステム図。
【図７】本発明の第６の実施形態における熱交換装置を示すシステム図。
【図８】本発明の第７の実施形態における熱交換装置を示すシステム図。
【符号の説明】
【００４１】
２…コラプシブルチューブ
Ａ…蓄熱物質（媒体Ａ）
Ｂ…流体（媒体Ｂ）
【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】
2005241145.tif 000009
【図８】
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