(57)【要約】【課題】簡便な構造によって、熱源から熱を吸収し冷却部から放熱する機構を開発し、コンピュータや居住空間から低エネルギーにて放出する。【解決手段】真空容器と真空容器内に作動流体を液相と気相の２相状態で封入し、真空容器は集熱部と冷却部を備えた減圧沸騰冷却・集熱装置であって、重力場においては冷却部が集熱部より上方に設定されていることを特徴とする減圧沸騰冷却・集熱装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器と真空容器内に作動流体を液相と気相の２相状態で封入し、真空容器は集熱部と冷却部を備えた減圧沸騰冷却・集熱装置であって、重力場においては冷却部が集熱部より上方に設定されていることを特徴とする減圧沸騰冷却・集熱装置。
【請求項２】
請求項１に記載された減圧沸騰冷却・集熱装置が、集熱部を発熱部に隣接して配置され、冷却部を機器の外面に配置したことを特徴とする内部から外部へ放熱する放熱器を備えた機器。
【請求項３】
請求項１に記載された減圧沸騰冷却・集熱装置が、屋根面に配置され、冷却部が雪止め部に接触し、集熱部が冷却部に連続した下方斜面に配置されていることを特徴とする融雪装置であることを特徴とする屋根用融雪装置。
【請求項４】
請求項１に記載された減圧沸騰冷却・集熱装置が備えられた移動車両であって、
集熱部が車両内面の床、壁などに配置され、冷却部が車両の天井、後部等に配置されていることを特徴とする移動車両用の空調装置。
【請求項５】
請求項１に記載された減圧沸騰冷却・集熱装置が備えられた建造物であって、
集熱部が屋内に配置され、冷却部が屋外へ配置されたことを特徴とする建造物用の空調装置。
【請求項６】
真空容器と真空容器内に作動流体を液相と気相の２相状態で封入し、真空容器は下部側を集熱部とし上側を冷却部とした減圧沸騰冷却・集熱装置であって、冷却部は冷媒と熱交換可能とされており、集熱部は熱媒と熱交換可能とされており、これらを内部に組み込んだ冷暖房用パーティション。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、効率的な熱輸送を行う装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽熱や低温排水から熱を取り出して有効利用使用する技術は、太陽集熱器やヒートパイプとして実用されている。
本発明者は、先に特許文献１（特許第３８８６０４５号公報）として高効率低温集熱パネルとその熱輸送システム（図８参照）を提案した。この提案は、太陽熱を利用することを目的とし、その構成は、太陽熱集熱部、減圧機、ヘッダー、凝縮器を備え、各機器を連結して熱媒体を循環させる熱媒体循環経路を形成した低温集熱輸送システムであって、熱媒体循環経路は、傾斜して設置された集熱部の上部とヘッダーを介して凝縮器と連結し、該凝縮器と前記集熱部の下部と連結する経路と、ヘッダーから分岐して前記の凝縮器と集熱部の下部と連結する経路の途中に連接された分岐経路を備えており、ヘッダーは、集熱部で発生する突沸による気液混合物から液を分離して前記分岐経路へ液を流す邪魔板を設けて、熱媒体循環経路を減圧にして気液両状態の熱媒体を利用し、かつ循環経路を備えたことを特徴とする低温集熱熱輸送システムとするものであり、飲料水などを得るために用いるシステムを提供するものである。
【０００３】
その他、特許文献２（特開平１０−３００２４２号公報）には、内部を減圧下に保持した外側ガラス管１内に、液体の作動媒体が封入された内側ガラス管２の一部を挿入して成るとともに、内側ガラス管２における外側ガラス管内の挿入部で作動媒体を気化せしめ、内側ガラス管における外側ガラス管外の露出部で気化させた作動媒体を液化するようにして、液化に伴う潜熱を利用して、水を加温して温水とする温水装置（図９参照。符号は特許文献２に記載されたものを援用）が開示されている。このような形式の太陽熱利用装置は、集熱部は太陽光を透過し、外気から遮断するために外側を透明なガラス管で覆われ、断熱性能を上げるために外側のガラス管も真空とされる。
【０００４】
【特許文献１】特許第３８８６０４５号公報
【特許文献２】特開平１０−３００２４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、集熱部を真空ガラス管で覆う必要が無く、全体として簡便な構造によって、熱源から熱を吸収し冷却部から放熱する機構を開発し、コンピュータや居住空間から低エネルギーにて放出することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、真空容器内に液相と気相の２相状態に作動流体を封入し、外部の熱を液相部から吸収し、気相部おいて冷却されて気体から液体に相変化するときに潜熱を外部へ放出することを利用する物である。減圧下に封入されている作動流体は、常に飽和状態であり、冷却部よりも高温であれば容易に沸騰して冷却部に効率よく熱を運ぶことができる現象を利用する物である。冷却部と集熱部に温度差があればよく、集熱部を真空ガラス管で覆う必要はない。
【０００７】
本発明の主な構成は次のとおりである。
１．真空容器と真空容器内に作動流体を液相と気相の２相状態で封入し、真空容器は集熱部と冷却部を備えた減圧沸騰冷却・集熱装置であって、重力場においては冷却部が集熱部より上方に設定されていることを特徴とする減圧沸騰冷却・集熱装置。
集熱部は真空容器の外周を外筒で覆われる必要はなく熱源に暴露されている。
２．１．に記載された減圧沸騰冷却・集熱装置が、集熱部を発熱部に隣接して配置され、冷却部を機器の外面に配置したことを特徴とする内部から外部へ放熱する放熱器を備えた機器。
３．１．に記載された減圧沸騰冷却・集熱装置が、屋根面に配置され、冷却部が雪止め部に接触し、集熱部が冷却部に連続した下方斜面に配置されていることを特徴とする融雪装置であることを特徴とする屋根用融雪装置。
４．１．に記載された減圧沸騰冷却・集熱装置が備えられた移動車両であって、
集熱部が車両内面の床、壁などに配置され、冷却部が車両の天井、後部等に配置されていることを特徴とする移動車両用の空調装置。
移動車両は自動車、乗用車、貨物部、電車等に適用でき、冷却用吸熱装置として、空冷、水冷の双方が利用でき、水源として空調の凝縮水や水素自動車の排水を利用できる。
５．１．に記載された減圧沸騰冷却・集熱装置が備えられた建造物であって、集熱部が屋内に配置され、冷却部が屋外へ配置されたことを特徴とする建造物用の空調装置。
建造物が住居、ビル、工場、倉庫、商業施設、畜舎、園芸施設、屋内スポーツ施設、東屋などに適用することができる。屋根材、壁材などの建材、建具にも応用することができる。
【０００８】
６．真空容器と真空容器内に作動流体を液相と気相の２相状態で封入し、真空容器は下部
側を集熱部とし上側を冷却部とした減圧沸騰冷却・集熱装置であって、冷却部は冷媒と熱交換可能とされており、集熱部は熱媒と熱交換可能とされており、これらを内部に組み込んだ冷暖房用パーティション。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、簡便な機構によって、廃熱あるいは熱供給ができ、そのために必要なエネルギーは零か殆ど必要がなく、省エネルギーである。
廃熱すべき熱源に対して直接接触させることができ、形状も自由であるので、省スペースである。
基本的には、吸熱側は冷却側が暴露される温度よりも高い状態において利用できるので、大気（室温）に暴露する場合は外気よりも高い温度であれば、普通に利用できる。冷却部を水滴などと接触させれば、冷却部を外気よりも低温化することができ、集熱部を気温（室温）より低い状態あるいは移送する熱量を多くすることができるので、急冷が可能である。真空容器に真空（減圧）状態に作動流体を液相と気相の２相状態で封入し、該真空容器は該作動流体が液相に存在する部分である集熱部と該作動流体が気相として存在する冷却部を備えており、作動流体が容器外部から熱エネルギーを吸収あるいは容器外部へ放熱することにより液相と気相とに可逆的に相変化可能に設けられた減圧沸騰冷却・集熱装置である。
空調、コンピュータの冷却、車両の空調、融雪屋根、屋根や壁などの建材、冷暖房パーティションなどに応用可能であり、省エネルギーが可能である。
減圧沸騰パネルを用いて、室内温度コントロールの実証試験の結果、室内温度を外気温より高くできることが確認できた。減圧沸騰型ソーラーパネルと組み合わせることにより、ソーラーパネルにより得た熱を蓄熱槽に貯留し、屋内に設けた減圧沸騰パネルの熱源とすることができ、本件発明の減圧沸騰冷却・集熱構造を用いることにより太陽熱を利用した、屋内温度コントロールが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
真空引きしたケース内に作動流体を液体と気体の2相状態で封入し、冷却部を冷やすことで集熱部の熱を効率よく冷却部に輸送するものである（作動流体は水やエタノール水溶液等）。このような簡単な組み合わせで空調・集熱・冷却・融雪等々様々な用途で最小の動力で熱利用することが可能となる。ヒートパイプと似ているが、ウイックの毛細管現象を用いるのではなく、減圧沸騰現象を利用するものである。集熱部および冷却部はプレートや管の形状である。重力場では冷却部は集熱部より上部にあることが必要である。集熱部は水平である必要はなく、集熱部と冷却部が垂直に接続する必要もない。集熱部の集熱方法あるいは冷却部の冷却方法は、空冷や水の蒸散、ヒートポンプで冷却した水を流すなど様々な方法がある。
【００１１】
各構成要素について説明する。
１．作動流体
水、アルコール、アルコール・水混合液などが安全で取扱いが容易である。水は１ｇを気化し、集熱することによって、２〜２．５kwのエネルギーを吸収するので、効率の良い媒体である。アルコールは凝固点が低いので、寒冷な環境でも使用できる。作動流体は、この３種類に限らず、液体と気体の相変化を起こすものであれば、理論上は使用可能である。
【００１２】
２．真空容器
真空容器は密閉した空間を減圧して、作動流体を封入するものである。真空に近く減圧するので、容器は大気圧で変形しないような内部に支持壁などの構造を設ける必要がある。金属、合成樹脂などによって製造することができる。金属製は、溶媒によって密閉性を確保する必要があること、平板状にすると大気圧対策として、中間支持部材を多数設ける必要があり、加工精度が要求される。合成樹脂は、形成型により全体を一括成形できるので、気密性や中間の支持体も含めて、一体的に同時に製造することが可能である。一方、型技術の制約がある。
真空容器は、熱部に接触し、冷却部は放冷部となる。冷却部は、水などの作動流体が気体として存在する場所であるので、液体として存在する集熱部より上方に位置する必要がある。集熱部と冷却部は屈曲しても良く、直線状でも良い。
【００１３】
３．集熱部
集熱部は水などの作動流体が液相として存在しており、高温部に直接接触するか、太陽光から熱エネルギーを吸収して、突沸状に気化する部分である。突沸して気化した気体は、上方にある冷却部へ移行する。集熱部は集熱する対象物の大きさや形状に合わせて設計することができる。
【００１４】
４．冷却部
冷却部は、水などの作動流体が気相として存在しており、放冷して気体から凝縮時に潜熱を放出して、液体に変化する。液体は下方にある集熱部に移行する。液体はシステム内あるいは別に設けられた管内を通り集熱部に移行する。冷却部は集熱部より低い温度雰囲気にあるときに、この放冷は生ずる。水を流す霧状の雰囲気にするなどにより、強制的に低温域を作り出すことも可能である。冷却部は放冷し易いようにフィン状など、広面積にすると効率的である。
集熱部と冷却部は、作動流体が移動できるように直通している。
【００１５】
５．構造
構造を様式的に示すと、極めて簡便な構造とすることができる。例えば図１に示すと、水平な集熱部２とＬ型に屈曲して立ち上がった冷却部３から減圧沸騰現象を利用する集熱装置１が構成される。図示の例では、作動流体４の流面は、Ｌ型の立ち上がった部分で集熱部２の水平よりも高い位置にあり、突沸した気体は確実に冷却部に移行することとなる。
【００１６】
応用は、放冷目的に使用する用途に主に使うことができる。また、放冷した熱を利用する用途に使用することもできる、例えば、空調、コンピュータの冷却、各種機器の放冷、車両の空調、融雪屋根、屋根や壁などの建材、冷暖房パーティションなどが可能である。建造物が住居、ビル、工場、倉庫、商業施設、畜舎、園芸施設、屋内スポーツ施設、東屋等にも適用可能である。
【００１７】
＜機能試験＞
本願発明の減圧沸騰冷却・集熱機構のエネルギー効率を確認する実験を行った。装置概要を図２に示す。真空引きをして水を半分入れた太陽熱集熱器Ｂに凝縮器Ｃを繋ぎ、冷却塔Eで冷やした水を循環させて太陽熱吸収を行う簡単な屋外装置である。
自然環境では、外気温の上昇は太陽熱がその主な要因であり、その熱を植物は主に葉から水を蒸散させることで温度制御を行っている。この装置はこの自然の温度制御機構を参考に作成した装置である。太陽熱集熱器で吸収された熱を木の葉の代わりに冷却塔から水を蒸散させることで大気に捨てる構成とした。
集熱器は、透明ガラス製で、直接空気に曝されており、二重管構造ではない。透明なので，液面の状態などを直接観察することができる。真空ポンプは、注入する液量を変化させるなど、実験条件を変更するときに使用するもので、実機では必要ない。
本試験装置は凝縮器Ｃが、冷却部に相当し、凝縮器Ｃの構成は、冷却部の配管が冷却水の中に通されている。この冷却水は、冷却塔Ｅを循環し、凝縮時に放出される潜熱は循環する冷却水によって、運ばれて冷却塔Ｅで蒸発して放冷される構成である。この冷却塔で蒸発する環境温度と蒸発量を計測して、集熱放冷の効果を測定する。
また、この装置では、凝縮した液は、復路を経由して、ヘッダーＡに回帰するように構成している。この装置は実験系として、作成したものであって、実機では、必ずしも復路を別にする必要はない。
【００１８】
計測した結果を表１に示す。表１に示すように冷却塔での水の蒸散温度は外気温よりも常に低温であり、太陽から得た熱を外気に低温で捨てることを可能としていることがわかる。一般に、熱は高温から低温へ移動すると思い込まれていて、冷房時の排熱は高温で捨てられヒートアイランドの一因となっている。しかしながら、ここでは、自然の仕組みに学び、低温の熱として周囲環境に排熱することを可能としている。
【００１９】
【表１】
2009008382.tif 000003
【００２０】
この現象は、集熱器内の水は空気が抜かれて低圧になっていて常に沸騰寸前の飽和状態にあり、集熱器にわずかな太陽熱などの熱入力があれば、あるいは冷却水よりも集熱器内の水が少しでも高温であれば直ちに周囲から熱を奪って水が勢いよく沸騰する現象を利用するものである。これは減圧沸騰であり、かなり激しい水の運動となる。集熱器内の水は蒸発した水蒸気とともに集熱器と凝縮器である冷却器の閉じた系内を勢いよく回ることになる。そして、効率よく集熱器に与えられた熱を冷却器に運ぶ。
【００２１】
図２に示す試験装置を用いて、実験計測を継続した。様々な太陽熱入力（日射量、横軸）に対して、冷却塔からの水の蒸散量に蒸発潜熱を掛け合わせた蒸散熱量を縦軸にとって図３に示した。蒸散以外の熱移動の影響や温度上昇の時間的なずれも影響しているので厳密ではないが、日射量の約９割が蒸散により排熱されている。この試験データにより、日射量と蒸散熱量の関係を求めると次の式で表すことができる。
ｙ＝０．８７５３ｘ−０．００４
【００２２】
この排熱は表１に示したとおり外気温度よりも低温で行われる。すなわち、冷却塔に入れた水よりも出てくる水の方が低温であり、この水を凝縮器内に流すことで再度集熱器が冷却されることとなる。例えば、1.5 kWの太陽熱が集熱器に当たっても、このシステム全体は常に周囲温度程度に保たれ高温にはならない。なお、冷却塔で蒸散する水の量は自然界では植物が根に蓄えている程度であり、降雨量の百分の一程度と見積もっている。このような集熱器をクールソーラーパネルと呼び、夏季に陽当たりの暑さを緩和する空間の提供、あるいは、冷却塔を止めて太陽熱で温められた熱媒体をそのまま循環させることにより冬季の冷気を緩和する空間の提供、そして、詳細な説明は省略するけれどもエアコンやヒートポンプ給湯器などの室外機の補助システムとして利用することで大幅な省エネルギー化にも貢献することができる。
【実施例１】
【００２３】
＜減圧沸騰冷却・集熱装置＞
本実施例は、減圧沸騰冷却・集熱装置１の基本形を示している。水平部を集熱部２としＬ字形に冷却部３とする真空容器を設けて、この集熱部からＬ字形の部分にかけて水などを充填して作動流体とする。冷却部は、真空に減圧状態にあり、作動流体が気相状態で飽和している。
【００２４】
集熱部２を高熱部に接触させるように配置して、作動流体を沸騰状に気化させて冷却部３に送る。冷却部３では冷やされて液体に戻るときに潜熱を放出する構成となっている。放冷によって液相に戻るので冷却部は減圧状態に保たれ、集熱部での熱を受けた場合に、容易に沸騰状態に気化することができる。
【実施例２】
【００２５】
＜水冷式コンピュータ・ケースの例＞
この実施例は、大型コンピュータなどに複数段にコンピュータ機器を積載し、筐体内部に熱がこもるようなコンピュータの積載棚の下側に実施例１に示した装置と基本構成が同じ減圧沸騰冷却・集熱装置を設けた例である。集熱部２２ａ、２２ｂを水平に設けＬ型に屈曲して立ち上げた冷却部２３ａ、２３ｂを設けた。本装置例では冷却部２３ａ、２３ｂはスリットとフィン（縦方向に枚数を増やす方がより良い）を設け、水滴を滴下して放冷効果を高めて、水冷式コンピュータ・ケース２１を構成している。放冷が十分である場合は水滴の滴下は必ずしも必要が無く空冷とすることも可能である。放熱量が大きい場合は、ヒートポンプにより低温水などを循環させて冷却することもできる。
【００２６】
本実施例では、小さな放熱量を想定しケース内の自然対流を用いるので、ファンは必要が無く、冷却に伴う動力は不用であるので、省エネルギーである。減圧下におかれた水は常に飽和状態にあり、冷却部より高温であれば常に沸騰して冷却部に効率よく熱を運び、ケース内に熱が籠ることを防ぐことができる。多層に重ねて天井部を冷却することも可能である。コンピュータ・ケース全体を一様な温度に保つことができる。 
【実施例３】
【００２７】
＜太陽熱融雪装置の例＞
この実施例は、実施例１に示した減圧沸騰冷却・集熱装置を傾斜屋根に設けて、放熱された熱を融雪用の熱に利用する例（図５参照）である。
集熱部３２ａ、３２ｂからＬ型に屈曲した冷却部３３ａ、３３ｂから構成される太陽熱を利用した減圧沸騰冷却・集熱装置太陽熱融雪装置３１が構成されている。本実施例では、寒冷地に設置されるので、凝固点が低いアルコールなどの作動流体が使用される。雪は屋根から自由に落下できる状態では、落下による事故の危険があるので、屋根には雪を一時止める滑り止め突起が形成されるので、Ｌ字形に屈曲した放冷部はこの雪止めに活用す
ることができる。
【００２８】
集熱部の太陽熱で雪を溶かす。気温にもよるが熱効率は１００％以上まで期待できる。集熱部の降雪は滑らすなどして集熱面に雪が積もらないようにする。減圧下におかれた水は常に飽和状態にあり、雪の温度より高温であれば常に沸騰して雪に効率よく熱を運び、効率よく太陽熱で融雪することができる。雪の中に垂直方向にフィンを入れて伝熱面を拡大することもできる。多層に重ねて融雪することも可能である。
【実施例４】
【００２９】
＜移動車両に応用した例＞
この実施例は、室温が上昇しやすい移動車両に設けた例（図６参照）である。車両としては、乗用車、バス、貨物自動車等の自動車、あるいは、電車の車両などに適用することができる。
集熱部４２を室内床面に設け、冷却部４３を後部などの車外に設ける。移動車両は、移動中は冷却部を空冷することができ、十分に対応できる。移動車両の場合は、エンジンからの熱と屋根から入力する太陽熱も大きな熱源であるので、真空断熱パネル４５を屋根側に設置して断熱することにより室内温の上昇を抑えることができる。さらに、多孔質体４４を屋根に設置して、水滴を流すことにより、気化熱によって屋根面を冷却する手段などと併用することにより、省エネルギー効果を高めることができる。燃料電池や水素エンジンが実用化できると、排出される水を冷却部４３の冷却用や、屋根面の多孔質体４４に供給することにより一層放冷効果を高めることが可能である。
この構造は、電車などの車両にも応用できる。現在の空調を併用する場合は、空調によって凝縮された水分や冷媒の冷熱を冷却部の冷却用に使用することが可能であり、空調の負荷を小さくすることができる。作動流体は、冬期の凝固を回避するために不凍液やアルコールなども使える。
減圧下におかれた水は常に飽和状態にあり、冷却部より高温であれば常に沸騰して冷却部に効率よく熱を運び、室内に熱が籠ることを防ぐことができる。室内全体を一様な温度に保つことができる。例えば冷却部はスリットを設け空冷する。毛細管現象等を用いた水供給装置を設け、水の蒸発潜熱で冷却することでより大きな効果が得られる。
【実施例５】
【００３０】
＜パーティションの例＞
この実施例は、減圧沸騰冷却・集熱装置を冷暖房用パネル５１に応用した例（図７参照）である。
この例は、縦方向に真空容器５４ａ〜５４ｚを多数設け、内部に作動流体を封入する。上部側を冷却部５３とし下部側を集熱部５２とする減圧沸騰冷却・集熱装置５５を構成する。集熱部５２及び冷却部５３には、それぞれパネル外から温水源と冷水源に接続して、熱媒や冷媒に接触する構造が設けられている。
【００３１】
上部に冷熱流体あるいは下部に温熱流体が流れるとパネル内の作動流体が沸騰して、全面がほぼ流れている冷（温）熱流体に近い温度になる。パーティションに用いると冷（温）熱流体の量があまり増えなく、流動抵抗も小さいまま、全体を温めたり冷やしたりすることができる。冷（温）熱流体配管にプラグで繋ぐだけで冷暖房用パネルとして使える。本例は、移動可能なパーティションの例を示したが、壁や建具に応用することが可能であり、送風ファンなどは不用であり、静穏で省エネルギーのパーソナル空調等局所的な冷暖房装置を提供することができる。
【実施例６】
【００３２】
この実施例は、実施例５に示したパーティションを屋内に配置した例である。減圧沸騰ふく射パネルは、パネル内に水を封入し減圧しているので、パネル下部に熱を加えるだけでパネル内部の水が沸騰し、パネル表面に熱を放出することによりパネル全体を暖めることが出来るものである。パネル下部へ与える熱を太陽熱で賄うことにより、自然エネルギーを利用したふく射暖房システムとして屋内空間で利用できる。
【００３３】
実験装置概略図を図１０に示す。実験装置は減圧沸騰ふく射パネルＡ、熱交換器Ｇ，Ｂ、恒温槽Ｃ、真空ポンプＤ、それらを結ぶ配管などから構成される。
図１０において、恒温槽Ｃに付属しているポンプで押し出された水は熱交換器Ｇの内管内を通過し、外管の内側とパネル下部を満たしている作動流体である水に熱を伝え、再び恒温槽Ｃへともどる。系内が減圧されているため、温水から水に熱が伝わると、水が沸騰し、水蒸気になってパネル上部へと移動する。室内空間へ曝されているパネル表面は蒸気よりも低温であるため、蒸気からパネルへと潜熱が放出される。蒸気は凝縮し水になり、パネル下部へと落下する。なお、試験室内の温度に影響を及ぼさないようにするため、恒温槽Cと熱交換器Gを結ぶホースには断熱材を巻き、恒温槽は室外に置いた。
各部の温度を測定するために8つの熱電対６１〜６８を用いた。熱電対はデータロガーＨに接続されており、これを用いてデータをパソコンに取り込み記録した。各部温度の測定場所の詳細を表２に示す。
【００３４】
【表２】
2009008382.tif 000004
【００３５】
実験に使用した試験室及び機器の仕様を表３に示す。
（１）減圧沸騰ふく射パネルは、水で満たされている下ヘッダー管とそれに接続している4本の細い管からなっている。
（２）恒温槽は、一定温度の温水を流し、パネルに封入されている水に熱を与えるために用いている。
（３）測定機器
グローブ温度は、仮想黒体の球であるグローブ温度計を用いて測定する温度であり、本実施例では、グローブ温度計の中に熱電対を入れることにより測定した。グローブ温度は、周囲からの熱ふく射による影響を観測するために測定した。また、恒温槽で消費される電力を電力計により測定した。
（４）試験室の設置場所
装置の設置場所は、横浜市にある慶應義塾大学理工学部矢上キャンパスの図書館屋上（北緯３６°３３’０７”，東経１３９°３９’２８”）にある試験室内である。
【００３６】
【表３】
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【００３７】
実験は以下の手順で行った。
（１）上下の熱交換器を接続しているホースの途中に設置された弁を開いて、水を封入する。水の封入量は、実験ごとに水面が「下ヘッダー管」、「パネル下端から25 cm」の位置になるようにした。水を封入した後で系内を密閉する。
（２）実験ごとに恒温槽内の温度を25〜50 ℃まで5 ℃刻みで設定し、温水を循環させる。
（３）真空ポンプを用いて真空排気する。水の温度の飽和圧力となった時点で、真空排気を停止する。
（４）温度・圧力が安定したら各部温度を、データロガーを用いて5秒間隔で記録する。
（５）温水の流量を記録する。
【００３８】
実験は、2007年11月12日から2008年1月18日の間に計19回行った。それぞれの実験日における条件を表４に示す。実験9は、温水温度25 ℃で実験を開始し、13時に温水温度を30 ℃、14時に35 ℃、15時に40 ℃、16時に45 ℃、16時30分に50 ℃に設定した。また、実験10は、温水温度25 ℃で実験を開始し、12時に温水温度を30 ℃、以後1時間おきに温水温度を5 ℃ずつ上げていった。
【００３９】
【表４】
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【００４０】
実験例１０〜１９における減圧沸騰ふく射パネルの各部の1分ごとの平均温度の変化を図１１〜図２０に示す。
また、比較のため、パネル内にパネル下端から25cmの位置まで水を封入し減圧せずに、40 ℃の温水を流したときの各部の温度変化を図２１に示す。
【００４１】
室内環境コントロール用としてふく射パネルには、パネル温度が安定していて、パネル温度を利用者の好みの温度に設定できることが求められる。以下に、減圧沸騰を用いたふく射パネル温度を決定付ける要因やパネル温度が室内環境に及ぼす影響について示す。
【００４２】
減圧しないパネルを用いた実験の図２１と減圧したパネルを用いた実験の図１１〜図２０を比較すると、パネル内を減圧することによりパネル内の温度が上げられていることがわかる。パネルの温度分布を見ても、パネル下部だけでなくパネルの上部まで温度が上げられていることから、減圧沸騰により熱を輸送できていることが分かる。パネル内水量以外の条件が同じ図１２、図１３、図１４を比較すると、図１２、図１３のようにパネル内の水量が多いときの方がパネル下部温度は高くなり、また、図１４のようにパネル内の水量が少ないときの方がパネル中部および上部温度が高くなった。
パネル内の水量が多いときにパネル下部温度が高くなったのは、蒸気が凝縮する際の潜熱によりパネル下部温度が上昇したわけではなく、パネル下部温度の測定位置よりパネル内水面の方が高く、パネル下部温度が温水から直接熱を受けているパネル内水温を表しているからである。
【００４３】
パネル内の水量が少ないと、パネル中部および上部温度が高く、時間が経過しても温度が低下しないため、効果的に熱輸送が行われていることがわかる。これは、パネル内の水温が同じであればパネル内の水が得る熱量は同じであり、単位量あたりの水が得る熱量が増え、上部の水から受ける水圧も小さくなるため、沸騰が起こりやすくなり、蒸気や突沸液が上部へと移動しやすくなるからである。
パネル温度の時間変化を見てみると、ほとんどの実験日で時間が経過しても安定したパネル温度が得られたが、図１２、図１７、図１８にあるように実験11、16、17はパネル温度が不安定であった。
パネル内の水の封入量を考えたとき、水面が下ヘッダー管まであるときとパネル下端から25 cmの位置にあるときの両方で、パネル温度が安定している日も安定していない日もあるため、パネル温度の安定度とパネル内水量の関係はないと考えられる。
パネル温度が安定しなかった要因として挙げられるのは、パネル内の水の初期水温である。実験条件が同じ図１２と図１３を比較すると、実験開始直後におけるパネル下部温度が図１２では約30 ℃であるのに対して、図１３では約31 ℃であった。同様に実験条件が同じ図１７、図１８、図２０を比較すると、実験開始直後におけるパネル内水温とほぼ等しいと考えられるパネル下ヘッダー管温度が図１７では約26 ℃、図１８では約27 ℃であるのに対して、図２０では約30 ℃であった。
【００４４】
熱交換器を流れる温水とパネル内の水が熱平衡状態に達している状態で真空を引く場合、真空を引く時にパネル内の水が蒸発することにより水温は下がるが、元々パネル内水温は安定していたため、その温度分布は小さい。一方、熱交換器を流れる温水からパネル内の水へと熱が移動しているときに真空を引く場合、パネル内水温はより低くなり、パネル内の水には大きな温度分布が生じる。この状態で沸騰が起こると、突沸液の温度も一定ではなくなり、その温度差が生じた突沸液とパネルが熱交換することにより、パネル温度を一定に保つことができなかったと考えられる。したがって、安定化させる要因の一つとして、真空引き処理の際にパネル内水温を安定化させることが重要である。
【００４５】
次に、下ヘッダー管まで水面がある実験10および実験13〜19におけるパネル下部とパネル上部の温度差を比較する。図２２に恒温槽設定温度とパネル上下温度差の関係を示す。この図からは、恒温槽設定温度が高いほどパネル上下の温度差が大きくなる傾向が見られる。減圧沸騰ふく射パネルは、蒸気や突沸液が上部へと移動する管と凝縮水が下部へと移動する管が同じであり、凝縮水と蒸気や突沸液が熱交換してパネルへの熱移動が妨げられている。温水温度が高いほど発生する蒸気や突沸の量、凝縮する水の量がともに多くなると考えられ、この現象が多く生じ、パネル上部への熱輸送が妨げられ、パネル下部と上部の温度差が大きくなったと考えられる。
【００４６】
ふく射パネルを利用する場合、利用者が自分の好みの温度にパネル温度を設定できることは、快適性維持のために重要である。そこで、パネル内の水と熱交換をする温水の設定温度とパネル温度の関係を調べた。
夜間実験におけるそれぞれの恒温槽設定温度の中で最もパネルの平均温度が高かった実験13、14、15、17、18（以下「夜間実験」と称する場合はこの５つの実験例を指す。）および1時間ごとに恒温槽設定温度を5 ℃ずつ上げた実験10の恒温槽設定温度とパネルの上、中、下部の平均温度の関係を図２３に示す。なお、実験10においては恒温槽設定温度とパネルの温度が十分に安定したと考えられる恒温槽温度設定後20分後から60分後までで平均をとることにした。
図２３の夜間実験におけるプロットはほぼ一直線上に並び、線形近似すると式 (6.1)のようになる。
また、実験10における恒温槽設定温度とパネル平均温度との近似式は、式 (6.2) と表せる。
【００４７】
ｙ＝０．７９ｘ−３．３       (6.1)
ｙ＝０．８１ｘ−４．６       (6.2)                
【００４８】
実験10では真空ポンプを用いたのは実験開始時のみであるが、それぞれの実験で真空を引いた夜間実験のパネル平均温度とほぼ一致しており、飽和状態が維持できている。式 (6.1)、(6.2)の傾きや切片はほぼ同じであり、恒温槽温度を1 ℃上げればパネル温度を0.8 ℃上げられることになる。このように恒温槽温度を設定することによりパネル温度も制御可能である。
【００４９】
次に、温水温度とパネル内水温、パネル平均温度の関係を見てみる。図２４に最もパネルの平均温度が高かった実験13、14、15、17、18（夜間実験）および実験10におけるパネル内水温とパネルの上、中、下部の平均温度の関係を示す。
実験10では、パネル内を減圧したまま温水温度を30 ℃から50 ℃まで変化させたとき、パネル内水温は27.3 ℃から43.4 ℃まで16.1 ℃上昇し、パネル平均温度は20.1 ℃から36.0 ℃まで15.9 ℃上昇した。また、夜間実験では、パネル内水温は27.4 ℃から43.3 ℃まで15.9 ℃上昇し、パネル平均温度は21.7 ℃から36.5 ℃まで14.8 ℃上昇した。夜間実験におけるパネル平均温度上昇はやや少ないが、全体的に見たとき、パネル内の水の温度上昇とパネル平均の温度上昇はほぼ同じであると考えられる。
【００５０】
また、温水からパネル内の水への熱移動量を見てみると、表５に示すように温水温度を上げるとパネル内の水が受ける熱量も増加している。パネル内の水の温度が一定になった状態でそれが受ける熱量が増加すれば、発生する蒸気の量とともに突沸の頻度も増える。パネル面での凝縮能力が十分であれば、蒸気量が多いほど凝縮量も増え、多くの潜熱を放出することになりパネル温度が上昇する。
パネル内水温とパネル平均温度の上昇度合いが同じであるため、減圧沸騰ふく射パネルは突沸による熱輸送が多く生じていると考えられる。
【００５１】
【表５】
2009008382.tif 000007
【００５２】
このように、減圧沸騰ふく射パネルは、恒温槽温度を上げることにより温水からパネル内の水への熱移動量が増え、パネル内の水温が上昇し、蒸気による潜熱や突沸液による顕熱でパネル温度を上げることが可能である。
【００５３】
減圧沸騰ふく射パネルは、パネル温度を一定に保つことが出来、温水温度を変えることによりパネル温度を制御できる。さらに、パネル温度が室内環境に及ぼす影響について検討した。
【００５４】
夜間実験において、それぞれの恒温槽設定温度の中で最もパネルの平均温度が高かった実験13、14、15、17、18のパネルの上、中、下部の平均温度と「室温−外気温」、平均室温、平均グローブ温度の関係を図２５に、実験10において、パネルの温度が十分に安定したと考えられる恒温槽温度設定後20分後から60分後までで平均をとったパネル温度と「室温−外気温」、平均室温、平均グローブ温度の関係を図２６に示す。
図２５および図２６を見ると、パネル温度が上昇すれば室内環境が改善されていることが分かり、図２１で示した実験日における室温と外気温の温度差は約2.5 ℃であることから、減圧沸騰ふく射パネルによって室内環境を５℃以上改善できていることが分かる。実験10は曇りの日であり、外気温が実験中を通してほとんど変化していないため、図２６のようにパネル平均温度と全ての室内環境に相関性が見られる。一方、図２５は実験日によって外気温が異なるため室温やグローブ温度単独で見るよりも、室温と外気温の温度差を見た方がパネル平均温度との相関関係が得られた。
本実施例で用いたふく射パネルの放射率は約0.1と小さいがふく射パネルの放射率を大きくすることにより、ふく射効果を一層向上させることが可能となる。
【００５５】
ふく射パネルによる放熱は、ふく射放熱成分と対流放熱成分に分けられる。それぞれの放熱量は式 (6.3)、式 (6.4)〜(6.9)で表される。
【００５６】
2009008382.tif 000008
【００５７】
【表６】
2009008382.tif 000009
【００５８】
実験10における放熱量を、図２７に示す。温水温度50 ℃のときの放熱量を見てみるとふく射による放熱量は13.4 W/m2、対流による放熱量は77.5 W/m2となり、ふく射による放熱量が小さいことがわかる。前述したとおり、パネルの放射率が小さいことによりふく射による放熱が少なくなる一方、パネルの断熱効果によりパネル温度を高く維持することが出来ており、対流による放熱量が大きくなった。
【００５９】
ここで、減圧沸騰ふく射パネルとふく射を用いた機器として最も普及している床暖房、エアコンのランニングコストおよびCO2排出量を比較する。電力の単価は16.05 円/kWh、CO2排出原単位は0.399 kg-CO2/kWh、ガスの単価は122.19 円/m3、CO2排出原単位は2.21 kg-CO2/m3とする。
各機器を1日8時間、１か月間使用した時のランニングコストおよびCO2排出量を表７に示す。なお、減圧沸騰ふく射パネルの消費電力として2007年12月19日に計測した平均消費電力を用いることにし、エアコンのランニングコストは冷房能力2.2 kWの暖房時の定格消費電力から求めた。
【００６０】
【表７】
2009008382.tif 000010
【００６１】
表７から減圧沸騰ふく射パネルのランニングコストが小さく、また、CO2排出も少ないことが分かる。減圧沸騰ふく射パネルを稼動させるために必要な熱は、減圧沸騰ソーラーパネルで賄うことが出来る可能性があり、さらにランニングコストやCO2排出量を減らせる可能性がある。減圧沸騰ふく射パネルのパネル温度を高い温度で安定させることが出来ているため、実験環境やパネルの材質を変更することにより室内の温熱環境への効果を高めることが出来、省エネルギーや環境の観点で有効である。
【００６２】
減圧沸騰ふく射パネルの別例を図２８に示す。これは、パネルの下ヘッダー部分を温水で覆っており、熱交換器とふく射パネルが一体化したものである。特徴としては、パネル内に封入されている水は下ヘッダー部分とパネルと付着している細管の一部分のみであり、温水からの熱が水の沸騰に使われやすくなる。
減圧沸騰ふく射パネルの更なる可能性として、住宅の壁面にこの原理を応用することが考えられる。
【００６３】
減圧沸騰ふく射パネルの熱源として温水を用いたが、冬季における減圧沸騰ソーラーパネルと蓄熱槽を組み合わせた別途の試験により、46.2 ℃まで温水温度を上昇させることが出来た。減圧沸騰ふく射パネルを稼動させるために必要な熱は太陽熱で十分賄えるものである。そこで、減圧沸騰ソーラーパネルと減圧沸騰ふく射パネルを組み合わせたシステムを構築することができる。減圧沸騰ふく射パネルを夜間作動させるのに必要な熱量を全て減圧沸騰ソーラーパネルで賄うものとしたシミュレーション結果を図２９に示す。減圧沸騰ソーラーパネルは冬季の実験で比較的集熱効率の高かった試験日の凝縮器S2のデータ、減圧沸騰ふく射パネルは温水温度が適当な実験例１３（2007年12月19日）のデータを用いた。午後6時からふく射パネルを稼動させ、午前6時に停止するものとし、午前6時の温水温度が40 ℃に保たれるようにした。また、蓄熱槽からの熱損失は無く、ソーラーパネルで得られた熱が全て蓄熱槽に蓄えられるものとする。
【００６４】
減圧沸騰ソーラーパネルの総集熱量で、蓄熱槽内の水をその日の初期水温である10 ℃から昇温させ、ふく射パネルを18時から翌日6時までの12時間作動させるのに必要な熱量を賄うとすると、必要な蓄熱槽タンク容量は約108 Lであった。この決定したタンク水量を元に蓄熱槽内の温水の最高水温を計算すると45.6 ℃となり、沸騰ソーラーパネルの実験で確認されている温水の水温以下に収められている。これより、減圧沸騰ソーラーパネルと減圧沸騰ふく射パネルを組み合わせ、ソーラーパネル1枚から、減圧沸騰ふく射パネルを12時間作動させるだけの熱量が得られることから、このシステムの有効性示すことができる。
【００６５】
出来るだけ多くの自然エネルギーを取り入れ、人々が快適に暮らせる社会を創造することが、現在考えられる理想的な姿であるといえる。図３０に減圧沸騰を応用した住宅例を示す。
この住宅は屋根材に減圧沸騰ソーラーパネル、壁材に減圧沸騰ふく射パネルを用いたものである。なお、夏季は、減圧沸騰ソーラーパネルの凝縮器内に冷却塔からの冷却水を流すことにより表面温度の上昇を抑制する効果が得られる。また、エアコンの排熱の処理を冷却塔を通して行うことで、より有効的なシステムにもなり得る。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】減圧沸騰冷却・集熱装置の基本形（実施例１）
【図２】実験装置概略図
【図３】日射量と蒸散熱量の計測データを示す分布グラフ
【図４】コンピュータの放冷に応用した例
【図５】太陽熱融雪装置に応用した例
【図６】車両の冷房に応用した例
【図７】冷暖房パーティションに応用した例
【図８】先行文献１記載のシステム例
【図９】先行文献２記載の太陽熱利用機器の例
【図１０】装置概略図
【図１１】実験10の各部温度変化のグラフ
【図１２】実験11の各部温度変化のグラフ
【図１３】実験12の各部温度変化のグラフ
【図１４】実験13の各部温度変化のグラフ
【図１５】実験14の各部温度変化のグラフ
【図１６】実験15の各部温度変化のグラフ
【図１７】実験16の各部温度変化のグラフ
【図１８】実験17の各部温度変化のグラフ
【図１９】実験18の各部温度変化のグラフ
【図２０】実験19の各部温度変化のグラフ
【図２１】減圧しなかったときの各部の温度変化のグラフ
【図２２】恒温槽設定温度とパネル上下温度差の関係
【図２３】恒温槽設定温度とパネルの平均温度
【図２４】パネル内水温とパネル平均温度との関係
【図２５】夜間実験におけるパネル平均温度が室内環境に及ぼす影響
【図２６】実験10におけるパネル平均温度が室内環境に及ぼす影響
【図２７】実験10におけるパネルからの放熱量
【図２８】減圧沸騰ふく射パネルの例
【図２９】減圧沸騰ソーラーパネルとふく射パネルを組み合わせたシステムの例
【図３０】減圧沸騰ソーラーパネル−減圧沸騰ふく射パネル応用住宅の例
【符号の説明】
【００６７】
１  減圧沸騰冷却・集熱装置
２  集熱部
３  冷却部
２１  水冷式コンピュータ・ケース
２２ａ、２２ｂ  集熱部
２３ａ、２３ｂ  冷却部
３１  減圧沸騰冷却・集熱装置太陽熱融雪装置
３２ａ、３２ｂ  集熱部
３３ａ、３３ｂ  冷却部
４２  集熱部
４３  冷却部
４４  多孔質体  
４５  真空断熱パネル
５１  減圧沸騰冷却・集熱装置を冷暖房用パネル
５２  集熱部
５３  冷却部
５４ａ〜５４ｚ  真空容器
５５  減圧沸騰冷却・集熱装置
６1  室温
６2  グローブ温度
６3  パネル下部温度
６4  パネル中部温度
６5  パネル上部温度
６6  温水入口温度
６7  温水出口温度
６8  下ヘッダー管温度
【図４】
2009008382.tif 000011
【図５】
2009008382.tif 000012
【図６】
2009008382.tif 000013
【図７】
2009008382.tif 000014
【図１０】
2009008382.tif 000015
【図１】
2009008382.tif 000016
【図２】
2009008382.tif 000017
【図３】
2009008382.tif 000018
【図８】
2009008382.tif 000019
【図９】
2009008382.tif 000020
【図１１】
2009008382.tif 000021
【図１２】
2009008382.tif 000022
【図１３】
2009008382.tif 000023
【図１４】
2009008382.tif 000024
【図１５】
2009008382.tif 000025
【図１６】
2009008382.tif 000026
【図１７】
2009008382.tif 000027
【図１８】
2009008382.tif 000028
【図１９】
2009008382.tif 000029
【図２０】
2009008382.tif 000030
【図２１】
2009008382.tif 000031
【図２２】
2009008382.tif 000032
【図２３】
2009008382.tif 000033
【図２４】
2009008382.tif 000034
【図２５】
2009008382.tif 000035
【図２６】
2009008382.tif 000036
【図２７】
2009008382.tif 000037
【図２８】
2009008382.tif 000038
【図２９】
2009008382.tif 000039
【図３０】
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