(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地下水又は地下温水と空気との間で熱交換する熱交換装置において、
連通する放出口及び吸入口を開口した樹脂製又は金属製の熱交換容器に、折り畳まれて平行となる各直線パイプ部分の中心軸を側面視正三角形の各角部に一致するように蛇行させた樹脂製の熱交換パイプを収納して構成され、
熱交換容器は、放出口にファンを設けて吸入口から放出口に向けた空気の流れを形成し、
熱交換パイプは、開口端の一方にポンプを接続して前記開口端の一方から他方に向けて汲み上げた地下水又は地下温水そのままの流れを形成したことを特徴とする熱交換装置。
【請求項２】
熱交換容器は、上部に放出口、下部に吸入口を設け、吸入口から放出口に向けた下から上への空気の流れを形成し、熱交換パイプは、上部の開口端を流入口、下部の開口端を流出口として、流入口から流出口に向けた上から下への地下水又は地下温水の流れを形成した請求項１記載の熱交換装置。
【請求項３】
熱交換容器は、折り畳まれて平行となる熱交換パイプの各直線パイプ部分の間に、空気の流れる方向に傾斜した案内板を向かい合う関係で互い違いに設けた請求項１又は２いずれか記載の熱交換装置。
【請求項４】
案内板には、スリットを設けた請求項３記載の熱交換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地下水又は地下温水と空気との間で熱交換する熱交換装置に関する。
【０００２】
本発明に言う地下水は、後記地下温水に比べて相対的に低温（温度25℃未満）で、冷房又は暖房補助に利用できる。また、地下温水は、前記地下水に比べて相対的に高温（温度25℃以上）で、暖房に利用できる。以下では、特に断りのない限り、両者を合わせて地下水等と呼ぶ。
【背景技術】
【０００３】
地球温暖化を避ける手段の一つとして、例えば特許文献１に見られるように、地下水等と空気との間で熱交換する熱交換装置を利用した空調システムを構築し、電力消費を低減することが提案されている。特許文献１の空調システムは、熱交換装置を居住区の床下空間や天井裏空間に設置し、前記熱交換装置にヒートポンプを接続する構成で、ヒートポンプに冷媒としての地下水を循環させる。ヒートポンプを用いる理由は、地下水を汲み上げて家屋全体に循環させるより、ヒートポンプまで地下水を汲み上げて熱のみを空調に利用する方が、家屋における循環経路を簡略にし、メンテナンスも容易にできるとの考えによる。
【０００４】
地下水等は通年を通して略一定の温度に保たれているが、気温との温度差の範囲でしか熱交換できないため、例えば部屋を急激に冷やしたり、暖めたりすることができない。このため、特許文献１のようにヒートポンプにより地下水等から熱だけを取り出して利用することにも一利ある。しかし、地下水等は十分すぎる容量を有する熱交換媒体であるから、長時間にわたって部屋をゆっくりと冷やしたり、暖めたりして、部屋の気温を一定に保つ手段として熱交換媒体と考えることができる。特許文献２は、部屋の空気と地下水等との間で熱交換する熱交換装置を用いた空調システムを提案している。
【０００５】
特許文献２が開示する熱交換装置は、相対的に大径の樹脂パイプ（胴部）を空気経路とし、相対的に小径の樹脂パイプ（管部）を折り返して水経路とし、空気経路内に水経路を挿入して構成され、例えば空調対象となる部屋の屋根裏空間に設置される。地下水等は、ポンプにより地下から汲み上げられ、水経路を通った後、野外へ放流される。空気は、熱交換装置を設置した屋根裏空間と部屋とを連通させる一対のダクトの一方に設けた送風機を利用した対流により、空気経路に送り込まれ、熱交換を終えて屋根裏空間に放出される。熱交換された空気は、まず屋根裏空間を冷却して屋根裏空間からの輻射熱を低減しながら、ダクトを通じて部屋に供給され、外気温が高ければ部屋を冷房し、逆に外気温が低ければ部屋を暖房する。
【０００６】
特許文献２が開示する熱交換装置は、樹脂パイプに代えて金属パイプでも良いとしている。しかし、汲み上げた地下水等をそのまま水経路に流す場合、金属パイプではスカムが発生して流水抵抗が増加し、ポンプに負荷が掛かったり、何より発錆する虞がある。これから、地下水等の利用を前提とした場合、樹脂パイプにより熱交換装置を構成することが好ましい。このほか、樹脂パイプを用いる熱交換装置は、金属パイプを用いる熱交換装置に比較して、安価に製造できたり、また軽量化されるため、特許文献２に見られるように、屋根裏空間に設置する場合に好ましい。
【０００７】
【特許文献１】特開2005-207704号公報
【特許文献２】特開2007-085679号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献２が開示する熱交換装置は、地下水等を流す水経路により熱交換できる範囲を空気経路の内部に限定し、熱交換する範囲における地下水等と空気との熱容量をできるだけ同じになるようにして、熱交換効率を高めようとしている。しかし、相対的に大径の樹脂パイプからなる空気経路に、相対的に小径の樹脂パイプを折り返して収納した程度では、熱交換できる空気の総量は限られ、屋根裏空間、ひいては部屋を冷房又は暖房するに足りるだけの空気の熱交換をすることが難しかった。このため、例えば猛暑日や厳冬日等に、樹脂パイプにより構成される熱交換装置を利用した空調システムは、十分に対応できなかった。
【０００９】
対策として、空気経路を長くしたり、熱交換装置を多数配置することで、必要十分な空気を熱交換することが考えられる。しかし、空気経路を長くすることは単体の熱交換装置の重量を増やすばかりで、熱交換効率が大きく改善されるものではない。熱交換装置を多数設置することも、設置場所に対する熱交換装置総数の重量増を招くことになるだけで、熱交換効率が大きく改善されるものではない。そこで、汲み上げた地下水等をそのまま利用することから、あくまで樹脂パイプを用いて構成することとしながら、熱交換効率を大幅に向上させた熱交換装置を開発すべく、検討した。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
検討の結果開発したものが、地下水等と空気との間で熱交換する熱交換装置において、連通する放出口及び吸入口を開口した樹脂製又は金属製の熱交換容器に、折り畳まれて平行となる各直線パイプ部分の中心軸を側面視正三角形の各角部に一致するように蛇行させた樹脂製の熱交換パイプを収納して構成され、熱交換容器は、放出口にファンを設けて吸入口から放出口に向けた空気の流れを形成し、熱交換パイプは、開口端の一方にポンプを接続して前記開口端の一方から他方に向けて汲み上げた地下水等そのままの流れを形成した熱交換装置である。ファンは、風量当たりの消費電力の少ないクロスファンが好ましい。
【００１１】
本発明の熱交換装置は、地下水等によるスカムの発生や発錆を抑制するため、熱交換パイプを樹脂製としている。樹脂製の熱交換パイプは、加工が容易で、スカムの発生や発錆を抑制して、耐久性に優れている。そして、前記熱交換パイプを折り畳んで蛇行させることにより、空気に接触する面積（伝熱面積）を増加させる。また、１本の熱交換パイプを折り畳んで蛇行させたことにより、多数の熱交換パイプを平行にした場合に比べ、熱交換パイプに流す地下水の水量を減らしながら、地下水の流速を速くできる。こうして、伝熱面積を増加させながら地下水の流速を速くすると、熱交換パイプ内面の表面熱伝達係数が大きくなり、伝熱性能を向上させることができる。
【００１２】
また、直線パイプ部分の端部を結ぶ折返しパイプ部分を小さくすれば、前記直線パイプ部分相互の隙間を小さくして、直線パイプ部分の密集度を高めることができる。これにより、熱交換容器内を流れる空気の量が一定でも空気の流速を速くでき、熱交換パイプ外面の表面伝達係数を大きくして、伝熱性能を向上させることができる。更に、直線パイプ部分の密集度を高めることができれば、伝熱面積も増やすことができ、熱交換効率を高めながら、熱交換装置を小型化できる利点も得られ、本発明の熱交換装置を設置可能な場所が増える。小さな折返しパイプ部分として、一対の樹脂製のエルボーパイプを短尺な樹脂製のストレートパイプを介して薬品融着により接合したＵ字状ジョイントを例示できる。
【００１３】
熱交換容器の断面形状は自由であるが、熱交換容器内を満たすように、折り畳んで蛇行させた熱交換パイプを収納する観点から、熱交換容器は直方体形状にすることが望ましい。また、熱交換パイプは、折り畳まれて蛇行していればよいが、熱交換容器内における空気の流れに直行して折り畳まれ、蛇行していることが好ましい。例えば熱交換容器内の空気の流れが左右方向であれば、樹脂パイプは上下方向に折り畳まれ、蛇行する格好になる。また、熱交換容器は、上部に放出口、下部に吸入口を設け、吸入口から放出口に向けた下から上への空気の流れを形成し、熱交換パイプは、上部の開口端を流入口、下部の開口端を流出口として、流入口から流出口に向けた上から下への地下水等の流れを形成する。
【００１４】
熱交換パイプは、折り畳まれて平行となる熱交換パイプの各直線パイプ部分の中心軸を側面視正三角形の各角部に一致するように蛇行させるとよい。これにより、熱交換容器の断面積に対する熱交換パイプの直線パイプ部分の断面積合計を最大にすることができるほか、空気の流れが一定の場合に各直線パイプ部分の表面における空気の乱流が最大となり、熱交換効率を向上させることができる。
【００１５】
熱交換容器は、折り畳まれて平行となる各直線パイプ部分の間に、空気の流れる方向に傾斜した案内板を向かい合う関係で互い違いに設けるようにしてもよい。案内板の傾斜角は、通常、熱交換パイプの直線パイプ部分を結んだ倣い面の傾斜角にする。ここで、本発明の案内板は、そのまま板材で構成されるものを指すが、例えば複数の棒材を並べた構成であっても、前記各棒材の倣い面が空気の流れる方向に傾斜していれば、並べられた棒材も本発明に言う案内板に相当する。案内板は、空気の流れを蛇行させ、空気が熱交換パイプ近辺を通過する速度を増やす。
【００１６】
しかし、案内板は空気の流れを蛇行させるが、案内板の背後に隠れる熱交換パイプの直縁パイプ部分に空気が当たらなくなる。そこで、案内板背後に隠れる熱交換パイプの直縁パイプ部分にも空気を当てるため、案内板には、スリットを設けるとよい。スリットの長さ及び幅や開口形状、そして数は自由であるが、通常、案内板の傾斜方向に対して直交する長方形状の開口で、案内板の幅にわたる長さを有するスリットを１本又は２〜3本設ける構成を例示できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明により、地下水等を流す熱交換パイプに樹脂パイプを用いながら、空気との熱交換率を高めた熱交換装置を提供できるようになる。これは、熱交換容器内に樹脂パイプを畳んで折り返した熱交換パイプを収納し、熱交換容器内を流れる空気と、前記熱交換パイプを流れる地下水等との間で熱交換するようにした構成に基づく効果である。このように、本発明は樹脂パイプを熱交換パイプとして用いた熱交換装置の実用性を高める効果を有する。また、熱交換パイプを樹脂製とし、折返しパイプ部分を同じ樹脂製のエルボーパイプを利用したＵ字状ジョイントで構成することにより、加工が容易で、製造コストが低廉な熱交換装置を提供できる利点もある。
【００１８】
熱交換効率は、例えば空気の流れを下から上へ、地下水等の流れを上から下へと特定することや、熱交換パイプの直線パイプ部分の位置関係を特定することや、前記直線パイプ部分の間に案内板を設けることや、更に前記案内板にスリットを設けることで、更に高めることができる。これにより、本発明の熱交換装置を特許文献２の空調システムに利用すれば、猛暑日や厳冬日等にも十分に対応できるようになる。また、熱交換効率の向上は、本発明が利用される空調システムに用いられていた従来同種の熱交換手段、例えばヒートポンプに比べて消費電力を少なくする。これは、間接的に同じ冷房能力又は暖房能力を発揮させる際に排出される二酸化炭素の量を削減する効果をもたらしている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について図を参照しながら説明する。図１は本発明を適用した熱交換装置１の前後方向に分断した断面図、図２は本例の熱交換装置１の左右方向に分断した断面図、図３は熱交換パイプ３の折り畳み状態を表す斜視図、図４はスリット371を設けた案内板37の正面図であり、そして図５は熱交換パイプ３における折返しパイプ部分34の断面図である。図３は、説明の便宜上、熱交換モジュール35の上にファン23を図示し、案内板37の図示を省略している。
【００２０】
本例の熱交換装置１は、図１〜図３に見られるように、熱交換パイプ３を蛇行させて折り畳んだ熱交換モジュール35に、直方体外形の熱交換容器２を被せた構成である。本例の熱交換モジュール35は、空気Ａの流れる方向に傾斜した案内板37を向かい合う関係で互い違いに前記支持プレート36間に予め組み付けている。熱交換パイプ３の流入口31は、最上段の直線パイプ部分33の開放された左端、流出口32は最下段の直線パイプ部分33の開放された左端である。これから、地下水等Ｗは、流れる向きを左右反転させながら、全体として上から下に向けて流れている。
【００２１】
熱交換パイプ３は、直線パイプ部分33及び折返しパイプ部分34が共に樹脂製（例えばPVC製パイプ）である。これは、熱交換パイプ３に汲み上げた地下水等Ｗをそのまま流すことにより、前記熱交換パイプ３内にスカムや錆を発生させず、耐久性を高める性能効果と、熱交換パイプ３の加工を容易にして、製造コストを低減する経済効果とをもたらす。熱交換モジュール35は、左右一対の支持プレート36,36それぞれに設けた貫通孔361に直線パイプ部分33を貫通させ、熱交換パイプ３の蛇行して折り畳んだ状態を維持している。ここで、各直線パイプ部分33は、図２中拡大部分に見られるように、それぞれの中心軸が側面視正三角形の各角部に一致して配置されている。これにより、熱交換容器２の断面積に対する熱交換パイプ３の直線パイプ部分33の断面積合計を最大にでき、更に空気Ａの流れが一定の場合に各直線パイプ部分33の表面における空気Ａの乱流が最大にして、熱交換効率を向上させている。
【００２２】
熱交換容器２は、金属製のフレーム24（例えばステンレス製のアングル材）に側面に樹脂製のパネル25（例えばPVC製の板材）を嵌め込み、開放した底面を吸入口21、開放した上面を放出口22とする断面長方形の筒型容器である。フレーム24は、樹脂製でもよく、またパネル25が金属製であってもよい。本例のファン23は、空気Ａを吸引して特定方向に吹き出すクロスファンを用いており、放出口22に被せたファンケース231に内蔵している。ファンケース231は、熱交換容器２の外面に連続する外ケースと、ファンであるクロスファンの羽根の範囲に空気Ａの流れを特定する内ケースとの二重構造である。外ケース及び内ケースは、熱交換容器２同様、金属製のフレームに樹脂製のパネルを嵌め込んで構成している。内ケースは、熱交換容器２の放出口22に連通し、外ケースを貫通する吹出口232を設けている。
【００２３】
空気Ａは、図２に見られるように、ファン23の吸引により、開放された底面である吸入口21を通じて外部から熱交換容器２内に取り込まれる。こうして熱交換容器２内に取り込まれた空気Ａは、熱交換モジュール35に組み付けられた案内板37に沿って全体として蛇行しながら、一部案内板37に設けられたスリット371を通じて直上しながら、熱交換パイプ３の間を縫って上昇し、開放された上面である熱交換容器２の放出口22からファンケース231内に吸引される。そして、ファン23により吹出口232から外部へ吹き出される。このように、本例の熱交換装置２は縦置きを原則とし、空気Ａを下から上へと流すが、熱交換容器２が直方体外形であることから、設置場所に応じて熱交換装置２を横置きしてもよい。
【００２４】
本例は、熱交換容器２の前面側最上段及び最下段（図２右側の最上段及び最下段）に配置された狭幅の案内板37と、熱交換容器２の前面側及び背面側それぞれから互い違いに突出して配置された広幅の案内板37とにより、空気Ａを前後方向に蛇行させながら下から上へ流す。案内板37による空気Ａの流れの蛇行は、空気Ａが流れる実質的な経路長を長くし、空気Ａと熱交換パイプ３近辺の通過する速度を増やす。本例の案内板37は、熱交換パイプ３の直線パイプ部分33の間に設けることで、熱交換モジュール35の組み立てを容易にする。
【００２５】
また、空気Ａの流れに対して案内板37の上面側に位置する直線パイプ部分33と空気Ａとの接触を妨げる影響を低減するため、広幅の案内板37は、図４に見られるようにスリット371を開口している。これにより、空気Ａの一部が案内板37の上面側に向けて直上するようになり（図２中上下方向に延びる太破線矢印参照）、案内板37の上面側に位置する直線パイプ部分33と空気Ａとの接触を確保している。本例のスリット371は、左右一対のスリット371を２列ずつ、案内板37の幅方向の半分より根元に近い側（図４中下側）に設けている。案内板37におけるスリット371の有無は、流れる空気Ａが隅にある熱交換パイプ３近辺に行き渡るようにして、冷暖房効率を改善する効果をもたらす。
【００２６】
本例の熱交換装置１は、図５に見られるような、折返し半径の小さい折返しパイプ部分34を用いて、直線パイプ部分33の隙間を小さくし、熱交換容器２の単位容積当たりの直線パイプ部分33の数を増やしている。本例の折返しパイプ部分34は、一対の樹脂製のエルボーパイプ341の折れ曲がった一方端の突出部分を切除し、前記切除した一方端同士を短尺な樹脂製のストレートパイプ342を介して薬品融着により接合したＵ字状ジョイントである。直線パイプ部分33は、樹脂製のエルボーパイプ341の折れ曲がった他方端に嵌合している。
【００２７】
本例の熱交換装置１は、ファン23を除き、いずれも入手容易な金属製又は樹脂製材料である。とりわけ、熱交換パイプ３は、直線パイプ部分33をストレートパイプのみで構成でき、また折返しパイプ部分34をエルボーパイプ341及びストレートパイプ342により簡単に加工して、構成することができる。これにより、本例の熱交換装置１は、極めて低廉に製造することができる。これは、本発明の熱交換装置１を用いた空調システムにおいて、空調システムの単価当たりに割り当てられる熱交換装置１の数を増やすことができる利点、そしてより効果的な空調システムを構成できる利点となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明を適用した熱交換装置の一例の前後方向に分断した断面図である。
【図２】本例の熱交換装置の左右方向に分断した断面図である。
【図３】熱交換パイプの折り畳み状態を表す斜視図である。
【図４】スリットを設けた案内板の正面図である。
【図５】熱交換パイプにおける折返しパイプ部分の断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  熱交換装置
２  熱交換容器
３  熱交換パイプ
Ｗ  地下水等
Ａ  空気
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図３】
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