(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
摩擦抵抗を低減する界面活性剤を添加した水溶液を熱搬送媒体に用いる伝熱管であって、
前記伝熱管の内周面に設けられた帯状の突出部を備え、
前記突出部の間の平坦部の幅は、２．０ｍｍ以上２０ｍｍ以下である伝熱管。
【請求項２】
前記突出部の高さは、０．０１ｍｍ以上０．５ｍｍ未満であり、
前記突出部は、スパイラル状に等間隔に設けられる請求項１記載の伝熱管。
【請求項３】
摩擦抵抗を低減する界面活性剤を添加した水溶液を熱搬送媒体に用いる熱搬送システムであって、
前記熱搬送媒体に熱を供給する熱供給側プラントと、
前記熱搬送媒体の熱を利用する熱利用側プラントと、
前記熱供給側プラントと前記熱利用側プラントとの間で前記熱搬送媒体を循環させる配管とを備え、
前記熱供給側プラント及び前記熱利用側プラントの少なくとも一方は、請求項１又は２記載の伝熱管を有し、前記配管を介して前記伝熱管により構成される前記熱搬送媒体を加熱又は冷却する熱交換器を備える熱搬送システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、伝熱管及びそれを用いた熱交換器を備える熱搬送システムに関し、特に、摩擦抵抗を低減する界面活性剤を添加した水溶液を熱搬送媒体に用いる伝熱管及びそれを用いた熱交換器を備える熱搬送システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の地域冷暖房システムにおいて、熱搬送媒体である水を熱供給側プラントから熱利用側プラントであるビルまで循環させるための配管の長さは、数ｋｍ以上になり、その水搬送動力は、かなり大きくなる。このため、水を搬送するために使用されるコストは、地域冷暖房システムのランニングコストに占める電気代の約６０％〜７０％を占めている。
【０００３】
最近、この水搬送動力を低減させる有効な方法として、粘弾性を示す界面活性剤を添加した水溶液を熱搬送媒体に用い、配管内の流動摩擦抵抗を著しく低減させる方法が提案されている。
【０００４】
上記の流動摩擦抵抗の低減効果は、以下に起因するといわれている。すなわち、配管内を流動する水に所定の陽イオン性界面活性剤とサリチル酸ナトリウム等の対イオンを数１０〜数１０００ｐｐｍ溶解させると、界面活性剤は、水中で疎水基部を中心にして外周に親水基部を配置してミセル（会合体）を形成し、そのミセルが、棒状の形態をなして高次に絡まり、粘弾性を示すといわれている。
【０００５】
このような特性を示す界面活性剤及び水搬送配管内の摩擦低減方法として、例えば、特公平３−７６３６０号公報、特公平４−６２３１号公報、特公平５−４７５３４号公報、特開平８−３１１４３１号公報等に開示されるものがある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の界面活性剤を添加した水溶液の特性として、流動摩擦抵抗の減少とともに、伝熱特性が低下することが知られている。このため、上記の界面活性剤を添加した水溶液を地域冷暖房システムやビル空調システム等の熱搬送システムに利用した場合、流動摩擦抵抗の減少により水搬送動力が削減され、省エネルギー型熱搬送システムを構築することができるが、熱供給側プラント及び熱利用側プラントの空調機内にそれぞれ設置されている熱交換器での伝熱性能が低下する。この結果、界面活性剤を添加した水溶液を用いた熱搬送システムでは、界面活性剤を添加していない従来の水又は配管等の機器材料の腐食を防止する添加物を溶解した水溶液を熱搬送媒体に用いた熱搬送システムと比較して、熱供給側プラント及び熱利用側プラント内の熱交換器の伝熱部分の面積が大きくなり、熱交換器が大型化するという問題があった。
【０００７】
本発明の課題は、摩擦抵抗を低減する界面活性剤を添加した水溶液を熱搬送媒体に用いた場合でも、配管での摩擦抵抗を低減させたままで、熱交換器における伝熱特性を低下させないで熱交換器を小型化できる伝熱管及びそれを用いた熱交換器を備える熱搬送システムを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、鋭意検討を行い、種々の実験を行った結果、界面活性剤を添加した水溶液の伝熱性能は、伝熱管の内周面の形状により大きく変化することを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
すなわち、本発明の伝熱管は、摩擦抵抗を低減する界面活性剤を添加した水溶液を熱搬送媒体に用いる伝熱管であって、前記伝熱管の内周面に設けられた帯状の突出部を備え、前記突出部の間の平坦部の幅は、２．０ｍｍ以上２０ｍｍ以下である。
【００１０】
また、前記突出部の高さは、０．０１ｍｍ以上０．５ｍｍ未満であり、前記突出部は、スパイラル状に等間隔に設けられることが好ましい。
【００１１】
また、本発明の熱搬送システムは、摩擦抵抗を低減する界面活性剤を添加した水溶液を熱搬送媒体に用いる熱搬送システムであって、前記熱搬送媒体に熱を供給する熱供給側プラントと、前記熱搬送媒体の熱を利用する熱利用側プラントと、前記熱供給側プラントと前記熱利用側プラントとの間で前記熱搬送媒体を循環させる配管とを備え、前記熱供給側プラント及び前記熱利用側プラントの少なくとも一方は、上記いずれかの伝熱管を有し、前記配管を介して前記伝熱管により構成される前記熱搬送媒体を加熱又は冷却する熱交換器を備える。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態の伝熱管を有する熱交換器を備えた熱搬送システムについて図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施の形態の伝熱管を有する熱交換器を備えた熱搬送システムの構成を示す図である。なお、以下の説明では、ビル等の空調を行う空調システムを例に説明するが、本発明の熱搬送システムは、この例に特に限定されず、地域冷暖房システム、ごみ焼却場、工場等の排熱システム、河川水、海水、下水処理水等の温度差エネルギーを利用した熱利用システム等に同様に適用することができる。
【００１３】
図１に示すように、熱搬送システムは、熱供給側プラント１、ビル等の熱利用側プラント２、配管３を備える。熱供給側プラント１は、冷凍機４を備える。配管３の内部には、摩擦抵抗を低減させる特性を有する陽イオン系界面活性剤を添加した水溶液である熱搬送媒体が流れ、熱搬送媒体は、冷凍機４の内部で冷却され、熱供給側プラント１から熱利用側プラント２へ搬送される。冷却された熱搬送媒体は、熱利用側プラント２で冷房の冷熱として利用され、その後、加熱された熱搬送媒体が再び熱供給側プラント１に搬送され、熱供給側プラント１と熱利用側プラント２との間を循環する。
【００１４】
次に、冷凍機４の内部に備えられる熱交換器について詳細に説明する。図２は、冷凍機４の内部に備えられる熱交換器の構造を示す一部断面斜視図である。
【００１５】
冷凍機内で発生する冷熱を熱搬送媒体に伝達する部分は、一般に蒸発器と呼ばれ、その内部には、シェルアンドチューブ型熱交換器である熱交換器が備えられる。図２に示すように、熱交換器１０は、シェル１１、伝熱管１２を備える。熱交換器１０のシェル１１内は、減圧下に保持され、多数の伝熱管１２が一定方向に平行に設置されている。熱搬送媒体は、各伝熱管１２の内部を連続的に流動し、シェル１１内では、吸収式冷凍機の場合には水が、電動式ターボ冷凍機の場合にはフロン液がそれぞれ、連続的に噴水され、水又はフロン液が伝熱管１２の外側をたれ落ちながら蒸発（気化）する。伝熱管１２内の熱搬送媒体は、このときの気化熱により冷却される。冷却された熱搬送媒体は、伝熱管１１に繋がる配管３を介してポンプ（図示省略）により熱利用側プラント２の熱交換器に供給され、熱利用側プラント２で冷房用の冷熱として利用される。
【００１６】
次に、伝熱管１２について詳細に説明する。図３は、図２に示す伝熱管の構造を示す一部断面斜視図である。図４は、図３に示すＡ部の拡大図である。なお、伝熱管の外周には、通常の伝熱管と同様に放熱用のフィン等が設けられているが、簡略化のため、図示及び説明を省略する。
【００１７】
図３及び図４に示すように、円筒形状の伝熱管１２の内周面には、帯状の突出部であるリッジ１３がスパイラル状に等間隔で設けられている。リッジ１３の高さは、０．０１ｍｍ以上０．５ｍｍ未満であることが好ましい。また、リッジ１３の間の平坦部１４の幅は、２．０ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることが好ましく、平坦部１４の表面粗度は、０．００１ｍｍ以下であることが好ましい。この場合、空調システムの熱供給側プラントの冷凍機に一般に使用される配管口径（内径）１０〜２０ｍｍの範囲内の伝熱管を用い、１．０〜２．５ｍ／ｓの流速範囲内で界面活性剤を添加した水溶液を熱搬送媒体として使用しても、水を熱搬送媒体として用いた場合と同等の伝熱性能（熱伝達率）を得ることができる。これは、疎水基部（親油基部）と親水基部からなる界面活性剤が、疎水基部を中心に外周を親水基部が取り巻くように自己集合して棒状ミセルを形成し、この棒状ミセルがリッジ１３により一時的に分裂されることにより、棒状ミセルの乱流抑制力が低下して熱搬送媒体の摩擦低減効果がなくなり、伝熱特性が低下しなくなったためであると推測される。
【００１８】
なお、リッジ１３の断面形状は、図示のような四角形に特に限定されず、種々の形状を用いることができ、例えば、三角形、半円形等の種々の断面形状を用いることができる。リッジ１３の幅も、特に限定されないが、２０ｍｍ以下であることが好ましく、１０ｍｍ以下であることがより好ましく、５ｍｍ以下であることがさらに好ましい。また、伝熱管１２の外形形状、外径、内径、厚み、材質及び長さも特に限定されず、熱搬送システムの用途に応じて種々のものを用いることができ、熱搬送媒体の流速も、上記の範囲に特に限定されるものではない。
【００１９】
上記のように構成された伝熱管１２を、図１に示す熱搬送システムに使用する場合、伝熱管以外の配管３では、従来と同様に界面活性剤を添加した水溶液の流動摩擦抵抗低減効果により水搬送動力を低減することができるとともに、熱供給側プラント１の熱交換器１０内の伝熱管１２では、伝熱性能が低下しないため、熱搬送媒体から十分に熱交換を行うことができ、熱交換器を小型化することができる。
【００２０】
なお、上記の実施の形態では、熱供給側プラント１の熱交換器１０に本発明の伝熱管を用いた場合について説明したが、本発明の伝熱管は、熱利用側プラントの熱交換器にも同様に適用でき、上記と同様の効果を得ることができる。
【００２１】
【実施例】
以下、実施例をあげて、本発明の伝熱管の伝熱特性を具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
【００２２】
図５は、伝熱管の伝熱特性を評価するための評価装置の構成を示す図である。図５に示すように、１０℃に調整した熱搬送媒体を媒体タンク２１に充填し、ポンプ２２により媒体タンク２１内の熱搬送媒体を配管２３〜２５を介して伝熱特性計測部２６に導入する。伝熱特性計測部２６は、伝熱管１２と、伝熱管１２の周りを覆う円管２７とを備え、円管２７は、ステンレス製の呼び径４０Ａの円管である。伝熱管１２と円管２７とから構成される二重管の内側、すなわち円管２７と伝熱管１２との間の環状部分には、伝熱管１２の管壁の温度が８℃になるように、約２〜３℃の冷水が常時流入される。この冷水により伝熱管１２内に流動する１０℃の熱搬送媒体が冷却される。
【００２３】
上記の操作により、本評価装置では、冷却時の伝熱管１２の内側の伝熱特性として熱伝達率を算出する。なお、実際の冷凍機内の蒸発器と上記の評価装置とでは、伝熱管内を流動する熱搬送媒体を冷却する方法が異なるが、この相違点は、伝熱管の外側に関するものであり、本発明で議論する伝熱管の内側を流動する熱搬送媒体の伝熱特性には何ら影響しない。
【００２４】
また、比較する熱搬送媒体としては、上水に亜硝酸系の配管腐食防錆剤クリサワーＩ−１０８（栗田工業社製）を７５０ｐｐｍ溶解した水溶液（以下、従来型媒体という）と、この従来型媒体にオレイル−ビス（２−ヒドロキシエチル）メチルアンモニウムクロライドを主成分とする界面活性剤エソカードＯ−１２（ライオン社製）を７５０ｐｐｍ、サリチル酸ナトリウム（和光純薬社製）を４５０ｐｐｍ溶解した水溶液（以下、界面活性剤媒体という）とを使用し、両者による伝熱特性の相違を評価した。
【００２５】
（実施例１）
伝熱管として、高さ０．４ｍｍ、幅１．０７ｍｍの矩形形状の断面を有するリッジを内周面に３．０７ｍｍの等間隔（リッジ間の平坦部の幅２．０ｍｍ）でスパイラル状に形成した管内径１４．３６ｍｍ（リッジの高さを含まず）の銅管を使用した。この伝熱管を上記の評価装置に設置し、熱搬送媒体として従来型媒体と用いた場合と界面活性剤媒体を用いた場合との各熱伝達率（ｋｃａｌ／ｍ2・ｈ・℃）と流量比（ｌ／ｈ）（速度（ｍ／ｓ））を測定し、その結果を図６に示す。ここで、図６中の白丸が従来型媒体の測定点を示し、黒丸が界面活性剤媒体の測定点を示す。以下の図７〜図９においても上記と同様である。
【００２６】
図６からわかるように、一般に熱搬送システムで使用される熱搬送媒体の速度１．０〜２．５ｍ／ｓの範囲では、従来型媒体の熱伝達率と界面活性剤媒体の熱伝達率とは、ほぼ同じであり、実施例１の伝熱管に界面活性剤媒体を使用しても、摩擦低減効果は発揮されず、伝熱特性が低下しなかった。
【００２７】
（実施例２）
伝熱管として、高さ０．３ｍｍ、幅３．０５ｍｍの矩形形状の断面を有するリッジを内周面に７．０ｍｍの等間隔で（リッジ間の平坦部の幅３．９５ｍｍ）スパイラル状に形成した管内径１４．６ｍｍ（リッジの高さを含まず）の銅管を使用した。この伝熱管を上記の評価装置に設置し、熱搬送媒体として従来型媒体と用いた場合と界面活性剤媒体を用いた場合との各熱伝達率と流量比（速度）を測定し、その結果を図７に示す。
【００２８】
図７からわかるように、熱搬送媒体の速度１．０〜２．５ｍ／ｓの範囲では、従来型媒体の熱伝達率と界面活性剤媒体の熱伝達率とは、ほぼ同じであり、実施例２の伝熱管に界面活性剤媒体を使用しても、摩擦低減効果は発揮されず、伝熱特性が低下しなかった。
【００２９】
（比較例１）
伝熱管として、高さ０．５ｍｍ、幅０．７ｍｍの矩形形状の断面を有するリッジを内周面に１．７ｍｍの等間隔で（リッジ間の平坦部の幅１．０ｍｍ）スパイラル状に形成した管内径１４．６ｍｍ（リッジの高さを含まず）の銅管を使用した。この伝熱管を上記の評価装置に設置し、熱搬送媒体として従来型媒体と用いた場合と界面活性剤媒体を用いた場合との各熱伝達率と流量比（速度）を測定し、その結果を図８に示す。
【００３０】
図８からわかるように、熱搬送媒体の速度１．０〜２．５ｍ／ｓの範囲では、界面活性剤媒体を用いた場合、従来型媒体より熱伝達率が低下しており、比較例１の伝熱管に界面活性剤媒体を使用すると、摩擦低減効果が発揮され、伝熱特性が低下した。
【００３１】
（比較例２）
伝熱管として、リッジを内周面に形成していない管内径１４．０ｍｍの銅管を使用した。この伝熱管を上記の評価装置に設置し、熱搬送媒体として従来型媒体と用いた場合と界面活性剤媒体を用いた場合との各熱伝達率と流量比（速度）を測定し、その結果を図９に示す。
【００３２】
図９からわかるように、熱搬送媒体の速度１．０〜２．５ｍ／ｓの範囲では、界面活性剤媒体を用いた場合、従来型媒体を用いた場合より熱伝達率が低下しており、比較例２の伝熱管に界面活性剤媒体を使用すると、摩擦低減効果が発揮され、伝熱特性が低下した。
【００３３】
【発明の効果】
本発明の伝熱管は、その内周面に帯状の突出部を設けることにより、界面活性剤を添加した水溶液を熱搬送媒体に用いた場合でも、伝熱管における伝熱特性が低下しないので、熱交換器を小型化することができる。
【００３４】
また、本発明の熱搬送システムは、上記伝熱管を熱交換器に用いることにより、伝熱管以外の配管では、従来と同様に界面活性剤水溶液の流動摩擦抵抗低減効果により水搬送動力を低減することができるとともに、熱交換器内の伝熱管では、伝熱性能が低下しないため、小型化した熱交換器を用いて熱搬送システムを構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の伝熱管を有する熱交換器を備えた熱搬送システムの構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す冷凍機の内部に備えられる熱交換器の構造を示す一部断面斜視図である。
【図３】図２に示す伝熱管の構造を示す一部断面斜視図である。
【図４】図３に示すＡ部の拡大図である。
【図５】伝熱管の伝熱特性を評価するための評価装置の構成を示すブロック図である。
【図６】実施例１の伝熱特性を示すグラフである。
【図７】実施例２の伝熱特性を示すグラフである。
【図８】比較例１の伝熱特性を示すグラフである。
【図９】比較例２の伝熱特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１  熱供給側プラント
２  熱利用側プラント
３  配管
４  冷凍機
１０  熱交換器
１１  シェル
１２  伝熱管
１３  リッジ
１４  平坦部
【図１】
0003750007.tif 000002
【図２】
0003750007.tif 000003
【図３】
0003750007.tif 000004
【図４】
0003750007.tif 000005
【図５】
0003750007.tif 000006
【図６】
0003750007.tif 000007
【図７】
0003750007.tif 000008
【図８】
0003750007.tif 000009
【図９】
0003750007.tif 000010