(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
管路を流れる流体が第１熱交換器により一次加温され、さらに下流に設置された第２熱交換器により二次加温されて貯溜槽に貯溜されるものであって、一次加温は、貯溜槽に貯溜された流体が利用された後の廃棄流体が有する余熱を向流式の第１熱交換器で回収することにより行い、二次加温は、圧縮機と凝縮器と蒸発器とそれらをつなぐ管路とを備えるヒートポンプシステム中で凝縮器の役割を果たす向流式の第２熱交換器が行うように構成され、第１熱交換器で余熱を回収された廃棄流体は、さらに圧縮機と凝縮器と蒸発器とそれらをつなぐ管路とを備えるヒートポンプシステム中で蒸発器の役割を果たす熱交換用コイル管に余熱を供給するため、熱交換用コイル管が収容されている熱源槽に送られて用いられるように構成されてなることを特徴とする熱交換システム。
【請求項２】
該熱交換用コイル管が並列に配置されており、上流に設けた電磁弁により交互にあるいは同時に開とされることを特徴とする、請求項１に記載される熱交換システム。
【請求項３】
該ヒートポンプシステムの管路には電気絶縁手段が施されており、圧縮機と凝縮器と蒸発器とは互いに電気的に絶縁されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載される熱交換システム。
【請求項４】
該第１熱交換器と第２熱交換器が、銅管からなる外管の内部に、ステンレス管からなる蛇腹状で可撓性の内管を、外管と内管との間にほぼ均等な流路を構成するように配設してなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載される熱交換システム。
【請求項５】
該第１熱交換器と第２熱交換器に用いられる該ステンレス管からなる蛇腹状で可撓性の内管が、長手方向に螺旋形状の外形を呈していることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載される熱交換システム。
【請求項６】
該第１熱交換器と第２熱交換器に用いられる該外管が直管部と曲管部とが交互に連続する形状であって、外管は内管一端部を基準として時計回りあるいは反時計回りのいずれかの方向に略直角に折り曲げ加工されて多数の曲管部が形成されるものであり、隣接する直管部同士の間隔がほぼ等しくされてなることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載される熱交換システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体を廃棄流体の余熱で一次加温し、さらに廃棄流体の余熱を蒸発器で回収するヒートポンプシステムの凝縮器の発する熱で二次加温する熱交換システムと、熱交換システムに用いて好適な熱交換器の分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１に記載される発明は、「基本的にはボイラ６により鉱泉水と水道水をそれぞれ加熱するものであって、オーバーフロー水の廃熱を使って第１の熱交換器２２で鉱泉水を予熱しさらに、第２の熱交換器２３で水道水を予熱するもの」であって、廃熱の２段階での利用によってエネルギー節約効果が期待でき、「オーバーフロー水を再循環させる」ことで、水量節約効果も期待できるものである。しかし、予熱を２段階で行うためには、鉱泉水の予熱は１段階であるから、必ず別途水道水の予熱を行う必要がある。つまり、鉱泉水と水道水とを別個に加熱するシステムにおけるエネルギー回収技術であると言うべきである。
【０００３】
また、特許文献２に記載される発明は、「温水を得るためのヒートポンプシステムに関するものであって、確かに温水は凝縮器３の潜熱により加熱された後、顕熱回収器８で冷媒の顕熱により加熱されている」から、「２段階で加熱している」ということができるかもしれない。しかし、これはヒートポンプシステムの効率的運転に関する技術であって、顕熱回収器８では顕熱のみが回収され、凝縮器３では潜熱のみが回収される、と言いきれるものでもないから、単に凝縮器の熱交換部を長くしたものとの差異が明確でない。そして、排水から熱エネルギーを回収するというエコロジーについて教えていない。
【０００４】
また、特許文献３に記載される発明は、「大管径のＳＵＳ製フレキシブルチューブ内に小管径のＳＵＳ製フレキシブルチューブを内蔵して、所望形状に巻いた熱交換器」が示されている。しかしフレキシブルチューブの材質はステンレスであり、形状は巻回形状である。
【０００５】
また、特許文献４に記載される発明は、「内管または外管いずれか一方の断面が、楕円形や長円形等の非円形に形成されている熱交換器に使用する多重管」であって、Ｕ字型に連続配列することを教えるに留まっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１３７１４０号公報
【特許文献２】特開平５−３３２６３９号公報
【特許文献３】実全昭５９−１８１７４号マイクロフィルム
【特許文献４】特開２００５−１６４２１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
先行例を見ると、本発明と同一の発明を見いだすことはできない。また、部分手段において類似するものはあっても、熱交換システム全体に目を向けた視点から類似するものを見いだすことができない。本発明が解決しようとする課題は、「ヒートポンプシステムを用いて流体を加温するものを提供する」に当たり、「流体の加温を２段階に分けて無理なく行う」と共に、「加温した流体をただ廃棄することなく、廃棄流体が有する余熱を充分に回収する」ことにより、「システム自体の効率を高めると共にエコロジーに寄与する」ことを第１の課題とする。そして、「熱交換システムにおいてその性能を左右する熱交換器についても、熱の授受が円滑に行われる構成や、伝熱性や加工性に配慮した材料の選択をおこない、熱効率に優れた熱交換器の提供」を第２の課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に関する熱交換システムは、管路を流れる流体が第１熱交換器により一次加温され、さらに下流に設置された第２熱交換器により二次加温されて貯溜槽に貯溜されるものであって、一次加温は、貯溜槽に貯溜された流体が利用された後の廃棄流体が有する余熱を向流式の第１熱交換器で回収することにより行い、二次加温は、圧縮機と凝縮器と蒸発器とそれらをつなぐ管路とを備えるヒートポンプシステム中で凝縮器の役割を果たす向流式の第２熱交換器が行うように構成され、第１熱交換器で余熱を回収された廃棄流体は、さらに圧縮機と凝縮器と蒸発器とそれらをつなぐ管路とを備えるヒートポンプシステム中で蒸発器の役割を果たす熱交換用コイル管に余熱を供給するため、熱交換用コイル管が収容されている熱源槽に送られて用いられるように構成されてなることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る熱交換システムは、熱交換用コイル管が並列に配置されており、上流に設けた電磁弁により交互にあるいは同時に開とされることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る熱交換システムは、ヒートポンプシステムの管路には電気絶縁手段が施されており、圧縮機と凝縮器と蒸発器とは互いに電気的に絶縁されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明に関する熱交換システムは、該第１熱交換器と第２熱交換器が、銅管からなる外管の内部に、ステンレス管からなる蛇腹状で可撓性の内管を、外管と内管との間にほぼ均等な流路を構成するように配設してなることを特徴とする。
【００１２】
本発明に関する熱交換システムは、該第１熱交換器と第２熱交換器に用いられる該ステンレス管からなる蛇腹状で可撓性の内管が、長手方向に螺旋形状の外形を呈していることを特徴とする。
【００１３】
本発明に関する熱交換システムは、該第１熱交換器と第２熱交換器に用いられる該外管が直管部と曲管部とが交互に連続する形状であって、外管は内管一端部を基準として時計回りあるいは反時計回りのいずれかの方向に略直角に折り曲げ加工されて多数の曲管部が形成されるものであり、隣接する直管部同士の間隔がほぼ等しくされてなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の熱交換システムは、廃棄流体が有する余熱で流体を一次加温すると共に、さらに廃棄流体の有する余熱を熱源槽で回収するヒートポンプシステムを用いて流体の二次加温を行うものであるから、廃棄流体の廃熱利用が完璧であってヒートポンプシステムの小容量化を図ることができるから、エコロジーに寄与するところが大きい。
本発明の熱交換システムは、蒸発器の役目を果たす熱交換用コイル管が並列に配置されて電磁弁により交互に切り換えることができるので、所望により熱交換用コイル管の解氷を行うことが容易である。
本発明の熱交換システムは、そこで用いられるヒートポンプシステム中の圧縮機と凝縮器と蒸発器とが互いに、管路に設けた電気絶縁手段により電気的に絶縁されているので、感電を防止できるほか、熱交換に用いられる銅管等の電触防止に寄与することが期待される。
本発明の熱交換システムは、熱交換器が銅管の内部に蛇腹状で可撓性のステンレス管を配設したものであるから、折り曲げ加工が容易で、加工に特殊な折り曲げ機械を必要としない。
本発明の熱交換システムは、熱交換器が蛇腹状で可撓性のステンレス管が長手方向に螺旋形状の外形を呈しているので、たとえ外管に折り曲げ加工を施したとしても、外管と内管との間に形成される媒体流路が閉塞する惧れは全くない。
本発明の熱交換システムは、熱交換器が外管の直管部と曲管部とが交互に連続する構成を有すると共に、同一方向に略直角に折り曲げ加工されてなるものであって、直管部同士の間隔がほぼ等しくされてなるものであるから、本来所定の長さを必要とする直線状の熱交換器でも所定の面積内でコンパクト化することが可能であり、管路の密集構成により放熱ロスを少なくすることができる。折り曲げ加工により自動的に曲管部が形成されるものであるから、特殊な折り曲げ機械を必要とせず、容易に熱交換器を製作することができるのである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は本発明の熱交換システムの一例を表す回路図である。
【図２】図２は本発明の熱交換システム用熱交換器の一例を表す部分断面図である。
【図３】図３は本発明の熱交換システム用熱交換器の一例を表す外観図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明を実施するための形態としては、管路を流れる流体が第１熱交換器により一次加温され、さらに下流に設置された第２熱交換器により二次加温されて貯溜槽に貯溜されるものであって、一次加温は、貯溜槽に貯溜された流体が利用された後の廃棄流体が有する余熱を向流式の第１熱交換器で回収することにより行い、二次加温は、圧縮機と凝縮器と蒸発器とそれらをつなぐ管路とを備えるヒートポンプシステム中で凝縮器の役割を果たす向流式の第２熱交換器が行うように構成され、第１熱交換器で余熱を回収された廃棄流体は、さらに圧縮機と凝縮器と蒸発器とそれらをつなぐ管路とを備えるヒートポンプシステム中で蒸発器の役割を果たす熱交換用コイル管に余熱を供給するため、熱交換用コイル管が収容されている熱源槽に送られて用いられるように構成されてなることを特徴とする熱交換システム、とすることができる。
【００１７】
本発明を実施するための形態としては、該熱交換用コイル管が並列に配置されており、上流に設けた電磁弁により交互にあるいは同時に開とされることを特徴とする、請求項１に記載される熱交換システム、とすることが出来る。
【００１８】
本発明を実施するための形態としては、該ヒートポンプシステムの管路には電気絶縁手段が施されており、圧縮機と凝縮器と蒸発器とは互いに電気的に絶縁されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載される熱交換システム、とすることが出来る。
【００１９】
本発明を実施するための形態としては、該第１熱交換器と第２熱交換器が、銅管からなる外管の内部に、ステンレス管からなる蛇腹状で可撓性の内管を、外管と内管との間にほぼ均等な流路を構成するように配設してなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載される熱交換システム、とすることができる。
【００２０】
本発明を実施するための形態としては、該第１熱交換器と第２熱交換器に用いられる該ステンレス管からなる蛇腹状で可撓性の内管が、長手方向に螺旋形状の外形を呈していることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載される熱交換システム、とすることができる。
【００２１】
本発明を実施するための形態としては、該第１熱交換器と第２熱交換器に用いられる該外管が直管部と曲管部とが交互に連続する形状であって、外管は内管一端部を基準として時計回りあるいは反時計回りのいずれかの方向に略直角に折り曲げ加工されて多数の曲管部が形成されるものであり、隣接する直管部同士の間隔がほぼ等しくされてなることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載される熱交換システム、とすることができる。
【実施例】
【００２２】
図１は、本発明の熱交換システムの一例を表す回路図である。例えば比較的低温の水や鉱泉水のような流体は第１管路１を経て第１熱交換器２０で一次加温され、第２管路２を経て第２熱交換器２１でさらに二次加温され、第３管路３を経て第１貯溜槽２２に貯溜される。第１貯溜槽２２は例えばタンクや浴槽であって、利用された後に廃棄されたりオーバーフローした廃棄流体は余熱を保持した状態で第２貯溜槽２３に貯溜される。なお、第２管路２は管継手３２で接続されてなり、第４管路４は管継手３３で接続されてなっているので、管継手３２，３３部分で配管を外せば点検や清掃の際に好都合である。
【００２３】
ポンプ２４を稼働すると、余熱を保持した状態の廃棄流体は、第２貯溜槽２３の上層部から第５管路を介してポンプ２４に吸い込まれた後、第６管路６を介して入口管継手３４から第１熱交換器２０に流入して、第１管路１から流入する流体との間で向流式に熱交換を行い、温度が低下した状態で出口管継手３５から排出される。一次加温により余熱が回収された廃棄流体は第７管路７を経て切換弁２６に至るが、通常は第９管路９を経て熱源槽３０に供給されるようになっている。なお、切換弁２６を切り換えて第８管路８を第９管路９につなげば、別途、熱源槽３０に補給用熱源水を供給することもできる。熱源槽３０内で余熱を回収された廃棄流体は、適宜第１７管路１７を経て排出される。
【００２４】
引き続きヒートポンプ系統の説明を行う。圧縮機２５を稼働させると、媒体は高温・高圧に圧縮されて第１０管路１０を介して入口管継手３６から第２熱交換器２１に送られる。第２熱交換器２１はヒートポンプ系統において凝縮器の役割を果たすものであって、流入した媒体はその顕熱と媒体が液化するときに放出する潜熱（気化熱）とにより第２管路２から流入する流体との間で向流式に熱交換を行ない、流体を二次加温する。第２熱交換器２１で熱交換を終えた媒体は出口管継手３７から流出して第１１管路１１を経て第１２管路と第１３管路１３とに分岐する。第１２管路１２の下流には電磁弁２７と膨張弁２８が順に配置され好ましくは銅管製の熱交換用コイル管２９から第１４管路１４に至るよう構成されている。一方、分岐した第１３管路１３の下流には同じく電磁弁２７と膨張弁２８が順に配置され好ましくは銅管製の熱交換用コイル管２９から第１５管路１５に至るよう構成されている。双方の電磁弁２７は、通常、交互に開とされる様構成されているので、膨張弁２８に流入した媒体は急速に減圧されて熱交換用コイル管２９に至り、熱源槽３０内の廃棄流体の余熱を得ることにより気化される。第１４管路１４または第１５管路１５から流出した気化した媒体は第１６管路１６を経て再び圧縮機２５で圧縮されるサイクルを繰り返すのである。熱交換用コイル管２９に氷が付いたような場合、一方の電磁弁２７を閉とし他方の電磁弁２７を開とする管路切換操作を行い、第１２管路１２と第１３管路１３を切換えてヒートポンプシステムの運転を続ければ熱交換用コイル管２９に着氷した氷の解氷が熱源槽３０内の廃棄流体の余熱により行う事ができるのである。所望により、双方の電磁弁２７を共に開として第１２管路１２と第１３管路１３との同時運転を行うことを妨げるものでは決してない。圧縮機２５の上流には適宜アキュムレータを設置することができる。
【００２５】
上記ヒートポンプ系統の配管に関して、圧縮機２５と凝縮器たる第２熱交換器２１との間の第１０管路１０には第１電気絶縁手段４０が設けてある。また、凝縮器たる第２熱交換器２１と蒸発器たる熱交換用コイル管２９との間の第１１管路１１には第２電気絶縁手段４１が設けてある。そして、蒸発器たる熱交換用コイル管２９と圧縮機２５との間の第１６管路１６には第３電気絶縁手段４２が設けてある。各電気絶縁手段４０，４１，４２は管路１０，１１，１６を伝って電流が管路系を流れることを防止するもので、感電防止の役割や熱交換用銅管の電触の発生を防止する効果が期待できる。
【００２６】
図１の熱交換システムを、鉱泉水を加温して源泉掛け流し方式で用いるものに適用した場合の例につき、温度の説明をする。第１管路１には１０℃〜１５℃の鉱泉水を取り込み、第１熱交換器２０で３８℃に一次加温して第２熱交換器２１に送る。第２熱交換器２１で５０℃に二次加温して浴槽２２に送り源泉掛け流し方式の温泉として使用するものとする。オーバーフローしたお湯は排湯槽２３に貯溜されるが、温度は４２℃とする。第１熱交換器２０の入口管継手３４には４２℃のお湯が供給され、第１の熱交換器２０で熱交換がなされ出口管継手３５から１５℃で排出され熱源槽３０に送られる。熱源槽３０で余熱を失った水は、２℃〜３℃まで冷却された後、第１７管路１７より適宜排出される。鉱泉水は第１の熱交換器２０で３８℃まで加温されているので、さらに５０℃まで加温するに当たり、第２の熱交換器２１を含むヒートポンプ系統の容量を大きくする必要がない。
【００２７】
図２は、本発明の熱交換システム用熱交換器の一例を表す部分断面図である。図示される熱交換器は熱交換用二重管５０から構成されている。銅製の外管５１の内部には、ステンレス製で蛇腹状の内管５２が同心状に配置されている。内管５２は蛇腹状を呈しているため山部と谷部が交互に続くものが一般的である。ステンレス材としては、SUS３１６、厚さ０．３ｍｍのものが好適である。図２では蛇腹状の内管５２が長手方向に螺旋状を描くものも包含することを表しているので、山部と谷部はそれぞれ長手方向に連続している。外管５１と内管５２との間には適宜位置決めスペーサー５５が配設されている。位置決めスペーサー５５は蛇腹の山部に適宜設けられるが、外管５１と内管５２との間に形成される媒体通路５３を決して塞ぐものであってはならない。元々内管５２が蛇腹状とされているので、伝熱面積が大きくなって伝熱効果が高まるものであるが、媒体流路５３に媒体を流し、流体流路に流体を矢印で示すように向流的に流せば、媒体も流体も共に蛇腹の谷部で渦が生じて乱流を発生するので熱交換が一層促進される。また、蛇腹状の内管５２を同心状に内部に収容した外管５１を折り曲げ加工する場合、内管５２は蛇腹状を呈しているため可撓性であるから、曲げ加工が容易な銅管からなる外管５１の曲げ加工に容易に追随して変形するので、総じて曲げ加工を容易に行うことができるのである。
【００２８】
図３は、本発明の熱交換システム用熱交換器の一例を表す外観図である。第２図に示される熱交換用二重管５０を用いて作成されたものであり、熱交換器６０は内管一端部６４を基準として外側に渦巻き状に似たような拡がりを見せる形状を呈している。しかし、この熱交換器６０は曲管のみで形成される渦巻き型とは異なり、直管部６１と曲管部６２を多数有していることが特徴である。つまり、直管部６１と曲管部６２とが交互に連続しているのである。製作に就き述べると、内管一端部６４の近傍で外管を反時計方向に略９０度折り曲げ加工する。次いで、直管部の適当な位置で、同様に外管を反時計方向に略９０度折り曲げ加工する。以下同様な折り曲げ加工を繰り返すことにより、外側に渦巻き状に似たような拡がりを見せる形状を形成させるが、多数の隣接する直管部６１同士の間隔はほぼ等しく形成する。このとき、隣接する曲管部６２同志の間隔もほぼ等しく形成される。このような構成により熱交換器６０は同一平面状に配置されて、略矩形状を呈する構成とされる。熱交換器６０の一端部では内管一端部６４が突出し、他端部では内管他端部６５が突出形成され、一端部には外管連通一端部６６が形成され、他端部には外管連通他端部６７が形成されている。折り曲げ加工は反時計方向ではなく、時計方向に行っても良いことは自明であるが、折り曲げ方向を一定にすることが前提である。このように熱交換器６０を構成すれば、長さを必要とする熱交換器６０であってもコンパクトに製作することが可能であって、配管同志が密集することにより放熱ロスを少なくすることができる。したがって、例えば内管一端部６４から鉱泉水等の流体を送り内管他端部６５から取り出し、外管連通他端部６７からお湯や冷媒等の媒体を送って外管連通一端部６６から取り出せば、狭い面積内で有効に熱交換を行うことができる。折り曲げ加工自体も、直管部６１を有効利用することにより折り曲げ加工を施した部分が曲管部６２を自動的に形成するものであるから、特殊な折り曲げ機械を採用しなくても、容易に熱交換器６０を製作することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
廃棄流体が持つ余熱で流体の一次加温をすると共に、さらに廃棄流体の有する余熱を熱源槽で回収するヒートポンプシステムを用いて流体の二次加温を行うものであるから、余熱利用が完璧であってヒートポンプシステムの小容量化を図ることができる。また、採用する材料も熱交換の効率や良好な機械加工性に寄与するものを選んでいるので、エコロジーやコスト低減に多大な貢献をすることが大いに期待される。そして、この発明を源泉掛け流しタイプの温泉や浴場に適用すれば、常に清潔なお湯を湯船に供給することができる上、燃料費を削減して濾過器やメンテも不要な低ランニングコストを実現できるのである。また、加温がボイラ加熱に比較して緩やかであるから、温泉水の泉質が変成しにくい特性のあることが明らかであることから広く普及が期待できる。
【符号の説明】
【００３０】
１    第１管路
２    第２管路
３    第３管路
４    第４管路
５    第５管路
６    第６管路
７    第７管路
８    第８管路
９    第９管路
２０    第１熱交換器
２１    第２熱交換器（凝縮器）
２２    第１貯溜槽（例．タンク、浴槽）
２３    第２貯溜槽（例．タンク、排湯槽）
２４    ポンプ
２５    圧縮機
２６    切換弁
２７    電磁弁
２８    膨張弁
２９    熱交換用コイル管（蒸発器）
３０    熱源槽
５０    熱交換用二重管
５１    外管
５２    内管
５３    媒体流路
５４    流体流路
５５    位置決めスペーサー
６０    熱交換器
６１    直管部
６２    曲管部
６４    内管一端部
６５    内管他端部
６６    外管連通一端部
６７    外管連通他端部
【図１】
0005358049.tif 000002
【図２】
0005358049.tif 000003
【図３】
0005358049.tif 000004