JP5255236B2 - 熱交換器、および熱交換システム - Google Patents

Description

本発明は、発熱した電線との間で、高い効率で熱交換を行うことが可能であり、また、製造方法が簡単であり、かつ、長寿命、低コストである熱交換器及び熱交換システムに関するものである。

地球温暖化等の環境問題が注目されている中、化石燃料を使用せず、既存の熱を回収し、当該熱を有効に利用する様々な熱交換システムが開発されている。このような熱交換器としては、例えば、鋼管杭に熱交換用パイプを螺旋状に巻きつけて、地熱との熱交換を行う地熱利用鋼管杭がある（特許文献１）。

一方、送電線等の電力ケーブルは、送電により電線自体が発熱することが知られている。しかし、電線の温度上昇は送電容量の低下を招くため、送電容量を増大させるためには、送電に伴う電線の温度上昇を抑制することが有効とされている。

送電線の冷却装置としては、例えば、氷冷凍機で製氷した氷を氷蓄熱槽内に貯留し、この氷を含んだ冷却水を送水ポンプにより、洞道内の冷却配管に送り出し、洞道内を循環することで内部を冷却し、送電線を間接的に冷却する装置がある（特許文献２）。
特開２００５−１８８８６６号公報 特開２０００-１３９０１９号公報

しかし、特許文献１による熱交換用パイプを螺旋状に巻きつけた地熱利用鋼管杭は、地熱との熱交換を行う熱交換器であり、パイプを螺旋状に巻いた状態で鋼管杭を地面にねじ込むものであるが、設置時に螺旋状パイプのピッチが変形等により変化し、設計通りの熱交換効率を得ることができず、また、パイプ同士の接触の恐れがあるため、パイプのピッチを詰めることができず、単位長さ辺りの熱交換効率が低いという問題がある。特に、地熱との熱交換であるため、交換できる熱容量には限界があるという問題がある。

また、特許文献２による冷却装置は、送電線を冷却することはできるが、氷冷凍機で製氷した氷を用いるため、冷却のためのエネルギーを要し、また、大口径の洞道の場合には、当該冷却装置で送電線の冷却が可能ではあるが、比較的小口径の電線管内の電線を冷却することは困難であるという問題がある。特に、冷却を終えた廃熱を利用することもできないという問題がある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、熱交換器のパイプのピッチずれなどが生じる恐れが無く、加工が容易であり、電線との熱交換を行うことができる高効率な熱交換器及び熱交換システムを提供することを目的とする。

前述した目的を達成するため、第１の発明は、外面に螺旋状の溝を有する樹脂製の螺旋溝付管と、前記螺旋溝付管の前記溝に沿って巻き付けられる樹脂製のパイプと、前記螺旋溝付管の内部を貫通する電線と、を具備し、前記螺旋溝付管に巻き付けられた状態の前記パイプの外径が、前記溝の溝幅よりも大きく、前記螺旋溝付管に前記パイプが巻き付けられた状態において、少なくとも前記パイプまたは前記螺旋溝付管のいずれかが変形し、前記パイプの外径における曲率と前記溝の底部における曲率とが略同一となり、前記パイプと前記溝とが面接触し、前記パイプの外径が前記溝の深さよりも小さく、前記螺旋溝付管に巻き付けられた前記パイプが、前記螺旋溝付管の外周面からはみださず、前記パイプが巻き付けられた前記螺旋溝付管の外周面に、前記パイプと接触しないように、内層側の保温材と外層側の保護フィルムとの二層構造のフィルムが巻き付けられ、前記パイプ内に流体を流すことを特徴とする熱交換器である。

ここで、溝幅とは、螺旋溝の深さ方向の略中央における溝幅を指すものとし、螺旋溝付管に巻き付けられた状態のパイプの外径、及び、パイプが巻き付けられた状態の溝の溝幅とは、パイプを螺旋溝に巻きつけた際の変形をも考慮し、それぞれ変形後におけるパイプの外径、及び溝幅を指す。

第１の発明によれば、パイプが螺旋溝付管の溝に沿って巻きつけられるため、加工時、運搬時、埋設時等にパイプの巻きピッチが変化する事が無いため、熱設計や製造が容易であり、螺旋形状を加工しやすく、埋設時にピッチずれを生じず、このため、単位長さ当たり螺旋溝付管に大きなパイプ巻き長さを得ることが可能な、低コストで長寿命な熱交換器を提供することができる。特に、螺旋溝付管内部に電線が貫通されており、周囲に巻き付けられたパイプを螺旋溝の溝底部に近付けることができるため、高い効率で電線から発熱した熱量とパイプを流れる流体とで熱交換を行うことが可能な熱交換器を提供することができる。

第２の発明は、外面に螺旋状の溝を有する樹脂製の螺旋溝付管の前記溝に沿って樹脂製のパイプが巻き付けられ、前記螺旋溝付管に巻き付けられた状態の前記パイプの外径が、前記パイプが巻き付けられた状態の前記溝の溝幅と略同一又は前記溝幅よりも小さく、前記螺旋溝付管に前記パイプが巻き付けられた状態において、少なくとも前記パイプまたは前記螺旋溝付管のいずれかが変形し、前記パイプの外径における曲率と前記溝の底部における曲率とが略同一となり、前記パイプと前記溝とが面接触し、前記パイプの外径が前記溝の深さよりも小さく、前記螺旋溝付管に巻き付けられた前記パイプが、前記螺旋溝付管の外周面からはみださず、前記パイプが巻き付けられた前記螺旋溝付管の外周面に、前記パイプと接触しないように、内層側の保温材と外層側の保護フィルムとの二層構造のフィルムが巻き付けられ、前記パイプが巻きつけられた前記螺旋溝付管内を、電線が貫通する熱交換器を設け、前記パイプ内を流れる流体が、前記電線から発生した熱と熱交換を行うことを特徴とする熱交換システムである。

熱交換を終えた前記流体を構造物に流し、前記流体の熱を構造物に利用してもよく、熱交換を終えた前記流体の熱を熱機器の予熱に利用してもよい。

第２の発明によれば、パイプが螺旋溝付管の溝に沿って巻きつけられるため、加工時、運搬時、埋設時等にパイプの巻きピッチが変化する事が無いため、熱設計や製造が容易であり、内部に電線が貫通され、周囲に巻き付けられたパイプを螺旋溝の溝底部に近付けることができるため、高い効率で電線から発熱した熱量とパイプを流れる流体とで熱交換を行うことが可能な熱交換な熱交換システムを提供することができる。

本発明によれば、熱交換器のパイプのピッチずれなどが生じる恐れが無く、加工が容易であり、電線との熱交換を行うことができる高効率な熱交換器及び熱交換システム等を提供する。

以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本実施の形態にかかる熱交換器１の外観を示す斜視図であり、図２は、螺旋溝付管７の外観を示す斜視図である。

熱交換器１は、主に、螺旋溝付管７、パイプ５及び電線３１より構成される。螺旋溝付管７は外面に螺旋溝３を有する管状部材である。パイプ５は螺旋溝付管７の外面の螺旋溝３に沿って巻きつけられ、螺旋溝付管７の内部には電線３１が貫通されている。パイプ５の両端には継手６が設けられ、ポンプ等と接続される。パイプ５の内部には熱媒体である流体が流される。

図１において、Ａ方向よりパイプ５内に流体を流すと、流体は、螺旋溝付管７の周囲の螺旋溝３に沿って螺旋状に巻きつけられたパイプ５内を流れ、螺旋溝付管７の端部まで流れるとＢ方向へ流出する。ここで、電線３１に通電を行うと、電線３１を流れる電流と電線３１の電気抵抗値等に応じた発熱を生じる。電線３１は、通常の電力供給用の電線を用いても良いし、螺旋溝付管７の強度が低下しない範囲であれば、これより抵抗値の高い電線を用いて発熱量を稼ぐこともできるし、このようにすることにより、熱交換器の性能をより向上させることできる。熱交換器１は、電線３１より発生した熱と、螺旋溝付管７の周囲を流れる流体との間で熱交換を行うことができる。

ここで、より効率の高い熱交換器を得るためには、パイプ５と螺旋溝付管７（溝底部４）とを近づける必要があり、望ましくは、パイプ５と溝底部４とが接触している方がよい。図３は、螺旋溝付管７に巻きつけられたパイプ５の断面を示す図である。螺旋溝３とパイプ５とを近づけるためには、図３（ａ）に示すように、パイプ５の外径が螺旋溝３の溝幅よりも小さければよい。この場合は、パイプ５は螺旋溝３にはまり込み、パイプ５と溝底部４との距離が近くなる。また、螺旋溝３の形状等によっては、パイプ５は、螺旋溝３の側部のみでなく、溝底部４と接触し、溝底部４とパイプ５との接触部である接触部８を得ることができる。

ここで、溝底部４とは、螺旋溝３における溝形状の底部近傍を意味し、螺旋溝３の形状にもよるが、例えば螺旋溝３において螺旋溝付管７の軸方向と略平行な部分（図３（ａ））や、螺旋溝３の底近傍における略一定の曲率を有する部分（図３（ｂ）、（ｃ））等を意味し、螺旋溝３の最深部のみでなく、一定の幅を有する部分を意味するものである。また、溝幅とは、螺旋溝３の溝深さ１１の略中央（溝深さ中央１３）における溝幅を指し、後述するように螺旋溝３が変形した場合は、変形後の溝幅を指すものである（図３（ａ）〜（ｃ））。

パイプ５を螺旋溝３に近づける形態としては、図３（ｂ）に示すように、パイプ５の外径における曲率と溝底部４の曲率を略一致させることにより、パイプ５を溝底部４に効率よく近づける事ができる。また、望ましくは、パイプ５と溝底部４とが接触し、接触部８を形成させる方がよい。この場合は、パイプ５と溝底部４との接触部８は、線接触ではなく面接触に近くなるため、螺旋溝付管７内部に貫通する電線３１とパイプ５を流れる流体との熱交換を更に効率よく行うことができる。

更に、図３（ｃ）に示すように、巻きつけられるパイプ５が変形することで、螺旋溝３（溝底部４）の形態に合致し、その結果、パイプ５を溝底部４に近づけることもできる。この場合でも、望ましくはパイプ５と溝底部４とで接触部８を形成する方がよい。すなわち、パイプ５の外径が螺旋溝３よりもやや大きい場合であっても、パイプ５を螺旋溝３に対して強く巻きつけることで（図中Ａ方向）、パイプ５が巻きつけ張力と螺旋溝３から受ける力によって変形する。この場合も、図３（ｂ）と同様に、パイプ５と溝底部４とが接触する場合には、接触部８は面接触に近くなるため、螺旋溝付管７内部に貫通する電線３１とパイプ５を流れる流体との熱交換をより効率よく行うことができる。

なお、パイプ５の変形抵抗が螺旋溝３（溝底部４）に対して十分大きい場合は、螺旋溝３（溝底部４）側が変形しても同様の効果を得ることができ、当然にパイプ５、螺旋溝３（溝底部４）の両者が変形しても良い。また、パイプ５の外径が螺旋溝３よりも小さい場合であっても、パイプ５を螺旋溝３に対して強く巻きつけることで、パイプ５が巻き付け張力によって、螺旋溝３の深さ方向に潰れるように変形しても良い。いずれの場合であっても、パイプ５と溝底部４との間ができるだけ近くなる方が良く、望ましくは接触部８が形成され、更に望ましくは接触部８が面接触となることである。

また、パイプ５の外径（螺旋溝付管７へ巻きつけた時にパイプ５が変形した場合には、変形後のパイプ５における螺旋溝３の深さ方向に対する径）は、螺旋溝３の深さよりも小さいことが望ましい。すなわち、パイプ５は螺旋溝３内に収まり、螺旋溝付管７の外周面（螺旋溝３の頂部）に対して、パイプ５がはみ出さないことが望ましい。パイプ５がはみ出すことで、熱交換器１の運搬時や、取り扱い時、施工時等においてパイプ５が外部と接触し、パイプ５が損傷を受けることを防ぐためである。

螺旋溝付管７、パイプ５のサイズは使用場所や電線３１の外径等に応じても変わるが、例えば螺旋溝付管７は内径３０〜８０ｍｍ、パイプ５は内径５〜１３ｍｍ程度のものが使用できる。ここで、内径８０ｍｍ×ピッチ２５ｍｍ×長さ２ｍの螺旋溝付管７に、内径１３ｍｍ×肉厚２ｍｍ（外径１７ｍｍ）のパイプを約８０回の巻きつけが可能で、約２８ｍ分のパイプを巻き付けることができる。また、上記の例で、内径１７ｍｍ×肉厚２．５ｍｍ（外径２２ｍｍ）のパイプを用いると、螺旋溝付管７のピッチに対するパイプ密度が高くなる。

また、例えば、内径３０ｍｍ×ピッチ１０ｍｍ×長さ２ｍの螺旋溝付管７に、内径６ｍｍ×外径８．５ｍｍのパイプ５を２００回の巻き付けが可能で、この場合も約２８ｍを巻きつけることができる。つまり、螺旋溝付管７の長さの１０倍以上のパイプを螺旋溝付管７に等しいピッチで巻き付けることが可能である。ここで、上記の熱交換器１の長さを５０ｃｍで構成すれば、５０ｃｍ×４本の熱交換器１で構成することもできる。なお、熱交換器の数は４本でなく、熱交換器の容量に応じていくつに設計することもできる。

ここで、螺旋溝付管７の材質は、絶縁性のある樹脂製が好ましい。また、熱交換器１を地中に埋設して使用する場合であっても、螺旋溝付き管７は、樹脂製でも、通常それ自体で埋設時の土圧に耐えることができるため、特に充填剤を充填する必要はないが、場合により熱伝導性の良い充填剤を螺旋溝付管７内部に充填することも可能である。この場合は、電線３１から螺旋溝付管７への熱伝導も良好となる。

ここで、継手６の構造は特定しないが、通常住宅の給排水用に使用する公知の継手をそのまま使用することができるが、それと同等の機能を有するものであれば、いかなる構造のものでも用いることができる。通常は、ゴムパッキンと抜け止めリングなどを組み合わせた構造のものが多い。例えば継手６の本体の材質は、青銅等の金属製やポリエチレン等の合成樹脂製の継手が使用できる。

また、流体は合成樹脂管や金属管の特性の劣化をともなわないものであればいかなるものでも使用できるが、例えば水や不凍液を加えた水、アルコール等の有機溶媒を希釈したものが使用できる。また、パイプ５の材質は特定しないが、絶縁性、コストを考慮すると、公知の合成樹脂製の材料を使用でき、特に架橋ポリエチレン管が望ましいが、銅、アルミニウムなどの金属製のパイプも使用することが可能である。

さらに、図４に示すように、内面に金属層１２、外面に樹脂層１０を有する多層構造のパイプ５を使用することもでき、例えば金属層１２としてのアルミニウムと樹脂層１０としてのポリエチレンのクラッド管などを用いることもできる。このようなパイプ５を使用すれば、パイプ５の絶縁性と熱伝導性を両立することが可能となる。

パイプ５の材質として金属を用いた場合、電線３１が被覆線の場合は、被覆により絶縁が確保されているので、そのまま使用すれば良いが、電線３１として裸線を用いる場合は、パイプ５と電線３１の絶縁は両者の間に電線３１の発熱温度より高温の耐熱性を有する樹脂製のスペーサを配置するなどすれば良い。施工の容易さを考慮すれば、被覆線を用いることが良く、発熱量を稼ぐことを考えれば、裸線を用いるのが良い。

パイプ５の材質として架橋ポリエチレンを使用した場合は、熱交換器１は以下のように製造される。まず、架橋処理前のポリエチレン製であるパイプ５を螺旋溝付管７に巻き付ける。パイプ５は架橋前であるので巻きつけ作業が容易である。次に、パイプ５を螺旋溝付管７に巻きつけた状態で加熱し、架橋処理を行う。架橋処理によりパイプ５は架橋ポリエチレンとなり、巻きつけられたパイプ５の螺旋形状が安定する。

本実施の形態にかかる熱交換器１によれば、簡易に高効率の熱交換を行うことができる。すなわち、熱交換器１は、パイプ５と溝底部４の距離が近いため、螺旋溝付管７を貫通する電線３１より発生する熱とパイプ５内を流れる流体とが、効率よく熱交換を行うことができる。特に、接触部８を有する場合は、更に効率よく熱交換を行うことができる。

また、熱交換器１は、螺旋溝付管７の螺旋溝３に沿ってパイプ５を巻き付けた構造であるため、パイプ５を螺旋形状に加工するのが容易であり、また螺旋溝３により施工時等に螺旋ピッチが変化することがない。このため、当初設計通りの性能を得ることができ、設計、製造も容易である。

また、螺旋溝３はパイプ５の螺旋形状を確実に保ち、ピッチがずれることがないため、パイプ５のピッチをパイプ５同士が接触しない範囲で狭くすることができ、熱交換器の単位長さ辺りのパイプ５の巻き長さを長くすることができるため、熱交換効率を高めることができる。

また、パイプ５が架橋ポリエチレンであれば、パイプ５を螺旋溝付管７に巻き付けた後に架橋処理を行うため、低コストであり、かつ形状の安定性に優れ、耐久性、熱疲労特性に優れた熱交換器１を得ることができる。

また、パイプ５が螺旋溝３内に収まり、螺旋溝付管７の外周よりはみ出すことがないため、熱交換器１の運搬時や取り扱い時、施工時等において、パイプ５が外部と接触することで損傷を受けることがない。

次に、熱交換器１を用いた熱交換システム５０について説明する。図５は、熱交換器１を利用した、床下暖房を目的とした熱交換システム５０の概略図である。熱交換器１は地面９に埋設されている。熱交換器１は土圧に耐えられる範囲では深く埋設することも可能であるが、通常２〜３ｍ以内の深さに埋設する。

地面９下に埋設された電線３１が貫通する螺旋溝付管７には、パイプ５が巻きつけられ、さらにその周囲には保護管３２が設けられる。ここで、螺旋溝付管７は、電線３１の保護としての機能と、パイプ５のピッチを安定させコンパクトな熱交換器１を実現するための筒体としての機能の２つの機能を有している。

図６は、保護管３２に挿入された熱交換器１の概略図である。保護管３２は、特に螺旋溝付管７やパイプ５が樹脂製の場合に効果があり、地中に埋設された螺旋溝付管７やパイプ５が土圧によって変形または潰されることを防止する役割を持つ。このため保護管３２は土圧に耐え得る強度が必要であり、例えば、アルミニウム管や鋼管等の金属製のものが使用できる。

また、保護管３２は、電線３１から発熱した熱を、地面へ逃がさず、効率よく回収する役割を持つ。このため、熱交換器１と保護管３２との間は、可能な限り断熱した方が良い。この場合、例えば図６に示すように、当該クリアランスに断熱材３３を充填することで、電線３１より回収した熱が地面へ放出されることを抑えることができる。

断熱材３３としては、電線３１からの発熱に耐え、断熱性を有すればよく、例えば、断熱ウールや発泡樹脂などが使用でき、その他の材料も設計に応じて適宜選定使用することができる。なお、前述の通り、螺旋溝付管７及びパイプ５が、地中において土圧によって変形等する恐れがなければ、保護管３２及び断熱材３３を使用する必要はない。また、電線３１の冷却効果を高めたい場合も保護管３２及び断熱材３３を使用する必要はない。

図５に示すように、熱交換器１ａに配されるパイプ５は、地上に設けられたポンプ２１に接続される。ポンプ２１は、パイプ５内に水等の流体を循環する。パイプ５内を循環する流体は、地中にて熱交換器１ａにより電線３１との熱交換を行う。

ポンプ２１はまた、熱交換を終えた流体を床２５下に配置されたパイプ２３に流す。ここで、電線３１による発熱量は条件によっても異なるが、電線３１より生じた熱との熱交換により、熱交換を終えた流体は、おおよそ４０〜６０℃程度となることが見込まれる。よって熱交換を行った流体を床２５下に流すことで、床２５の暖房を行うことができる。

ここで、熱交換器１ｂのように、継手６の設置を終えた状態までの施工が完了していれば、更に大きな熱量を必要とする場合や、離れた場所に新規に家を建設する場合などにおいても、必要に応じて継手６にパイプやポンプ等を接続すれば、簡易に増設が可能であり、有効に熱を利用することができる。

なお、パイプ２３の材質は特定しないが、例えば鋼管、アルミニウム管、架橋ポリエチレン管が使用できる。また、パイプ２３の代わりにこれらのパイプを熱伝導率の良いアルミニウム条等で挟み込んだ熱交換パイプユニットを使用することもできる。

また、熱交換器１への流体の循環と、床２５下のパイプ２３への流体の循環は、パイプ５とパイプ２３をそれぞれ接続することで１系統とし、ポンプ２１の１台で循環を行っても良く、また、パイプ５、パイプ２３それぞれを別の系統として、別々のポンプを使用して循環させても良い。この場合、更に、ヒートポンプ等を使用しても良い。

なお、螺旋溝付管７の中の電線３１は、熱交換器の設計に応じて、必ずしも１本でなく、別々の電線を複数本配設することもできるし、１本の電線を折り返して挿通させて配設することもできる。

また、熱交換器１は、１個設けることも可能であるが、複数設けることもでき、通常は熱交換器１の性能を向上させるため、複数個設けることが多い。本発明の熱交換器１は、コンパクト化でき複数個設置してもそれほど場所を取らないので、電線３１（螺旋溝付管７）が1本の場合は、熱交換器１を、所定間隔を空けて直線状に並べることができる。また、電線３１（螺旋溝付管７）が複数本ある場合は、熱交換器１を、電線３１に対して直線状に並べることもできるし、各電線３１に並列に配設することもできる。さらに、直線状又は並列に配列した熱交換器１は、それぞれ独立して使用することもできるし、直列に接続して使用することも可能である。

また、図５に示すように、熱交換器１は、地中に埋設する場合に工事が簡単であることから、通常横型に使用するが、必要によっては縦型にして使用することもできる。螺旋溝付管へのパイプ５の巻き付け長さは適宜設計でき、敷設した螺旋溝付管７の全長に渡って巻くこともできるが、熱交換器の設計に応じて、所定長さを所定個所に何箇所でも巻き付けることができる。

以上説明したように、本実施の形態にかかる熱交換器１を用いた熱交換システム５０によれば、簡易にコンパクトで高効率に電線３１との熱交換を行うことができる。また、熱交換器１の埋設には、電線３１が埋設される深さまで掘削すればよく、必要以上に深い穴を掘削する必要がない。

また、熱交換器１の周囲は保護管３２が設けられるため、螺旋溝付管７やパイプ５が土圧によって変形や潰れることがない。よって、設計通りの熱効率を長期に渡り維持することができる。また、保護管３２と内部に挿入される熱交換器１とのクリアランスには、断熱材３３を充填すれば、電線３１より回収した熱が地面に放出されることを抑えることができる。

また、熱交換器１によって、電線３１より発生した熱を回収するため、電線３１の温度抑制効果も得ることができ、電力の電送ロスを抑えることができる。

熱交換器１により電線３１との熱交換を行い、熱交換を終えた流体を床２５下に流すことで、床の暖房を効率よく行うことができ、簡易で省エネルギーである床下暖房システムを得ることができる。

次に、熱交換器１を用いた他の熱交換システム６０〜９０について説明する。本発明の応用としては、道路、ビニルハウス、温水プール等の構造体への熱の供給システムへの応用と給湯システムへの応用が考えられる。熱交換システム６０では道路、熱交換システム７０はビニルハウス、熱交換システム９０は温水プールへの応用例を示し、熱交換システム８０は給湯システムへの応用例を示す。なお、以下の熱交換システムの説明において、熱交換システム５０と同一の機能を果たす構成要素には、図５と同一の番号を付し、重複した説明を避ける。

〔道路上の融雪等を目的とした熱交換システム〕
図７は、熱交換器１を利用した、道路上の融雪等を目的とした熱交換システム６０の概略図である。熱交換器１は地上に設置された螺旋溝付管７に設けられる。螺旋溝付管７内には、電線３１が設けられており、電線３１は、熱交換器１内を貫通している。

熱交換器１ａを構成するパイプ５は、地上に設置されたポンプ２１に接続されている。ポンプ２１は、パイプ５内に水等の流体を循環する。パイプ５内を循環する流体は、熱交換器１ａにより電線３１からの発熱等との熱交換を行う。

ポンプ２１は、水平方向に屈曲され、道路等の地面９下に埋設されているパイプ２３と接続されている。よって、ポンプ２１によって、熱交換を終えた流体をパイプ２３に流すことができる。電線３１より発生した熱との熱交換を終えた流体を地面９下に流すことで、道路上の積雪の融雪や、道路の凍結を防止することができる。

ここで、熱交換器１ｂのように、継手６の設置を終えた状態までの施工が完了していれば、更に大きな熱量を必要とする場合や、離れた場所に新規に融雪システムを設置する場合などにおいても、必要に応じて継手６にパイプやポンプ等を接続すれば、簡易に増設が可能であり、有効に熱を利用することができる。

以上説明したように、本実施の形態にかかる熱交換器１を用いた熱交換システム６０によれば、熱交換システム５０による効果と同様に、簡易に高効率の熱交換システムを得ることができる。

熱交換システム６０によれば、電線３１により発生した熱量との熱交換を行うことができる。よって、大きな熱量を道路下に流すことができるので、道路上の融雪や凍結防止を効率よく行うことができ、小型で簡易かつ省エネルギーである道路の融雪システムを得ることができる。

〔ビニルハウスの温調を目的とした熱交換システム〕
次に、熱交換器１を用いた熱交換システム７０について説明する。図８は、熱交換器１を利用した、ビニルハウス３５の温調を目的とした熱交換システム７０の概略図である。熱交換器１は地上に設けられた螺旋溝付管７に設けられる。螺旋溝付管７内には電線３１が設けられており、電線３１は、熱交換器１内を貫通している。

熱交換器１ａを構成するパイプ５は、地上に設置されたポンプ２１に接続されている。ポンプ２１は、パイプ５内に水等の流体を循環する。パイプ５内を循環する流体は、熱交換器１ａにより電線３１からの発熱との熱交換を行う。

ポンプ２１はまた、ビニルハウス３５内に屈曲して設けられるパイプ２３と接続されており、熱交換を終えた流体をパイプ２３に流すことができる。よって、電線３１より生じた熱との熱交換を行った流体をビニルハウス３５内に流すことで、ビニルハウス３５内の温調を行うことができる。

ここで、熱交換器１ｂのように、継手６の設置を終えた状態までの施工が完了していれば、更に大きな熱量を必要とする場合や、離れた場所に新規にビニルハウスを設置した場合などにおいても、必要に応じて継手６にパイプやポンプ等を接続すれば、簡易に増設が可能であり、有効に熱を利用することができる。

このように、本実施の形態にかかる熱交換器１を用いた熱交換システム７０によれば、熱交換システム５０による効果と同様に、簡易に高効率の熱交換システムを得ることができる。

熱交換システム７０によれば、電線３１により発生した熱量との熱交換を行うことができ、より大きな熱量をビニルハウス３５内に流すことができるので、ビニルハウス３５の温調を効率よく行うことができ、小型で簡易かつ省エネルギーであるビニルハウス温調システムを得ることができる。

〔湯沸かし器の給湯予熱を目的とした熱交換システム〕
次に、熱交換器１を用いた熱交換システム８０について説明する。図９は、熱交換器１を利用した、湯沸かし器３７の給湯予熱を目的とした熱交換システム８０の概略図である。熱交換器１は地上に設けられた螺旋溝付管７に設けられる。螺旋溝付管７内には電線３１が設けられており、電線３１は、熱交換器１内を貫通している。

熱交換器１ａを構成するパイプ５は、地上に設置されたポンプ２１に接続されている。ポンプ２１は、パイプ５内に水等の流体を循環する。パイプ５内を循環する流体は、熱交換器１ａにより電線３１からの発熱との熱交換を行う。

ポンプ２１はまた、熱機器である湯沸かし器３７に接続さているパイプ２３と接続されており、熱交換を終えた流体をパイプ２３に流すことができる。よって、電線３１より生じた熱との熱交換を行った流体を湯沸かし器３７内に流すことで、湯沸かし器３７における給湯の予熱を行うことができる。

ここで、熱交換器１ｂのように、継手６の設置を終えた状態までの施工が完了していれば、更に大きな熱量を必要とする場合や、離れた場所に新規に家を建設する場合などにおいても、必要に応じて継手６にパイプやポンプ等を接続すれば、簡易に増設が可能であり、有効に熱を利用することができる。

このように、本実施の形態にかかる熱交換器１を用いた熱交換システム８０によれば、熱交換システム５０による効果と同様に、簡易に高効率の熱交換システムを得ることができる。

熱交換システム８０によれば、電線３１により発生した熱量との熱交換を行うことができ、より大きな熱量を湯沸かし器３７内に流すことができるので、湯沸かし器３７において給湯の予熱を効率よく行うことができ、小型で簡易かつ省エネルギーである湯沸かし器給湯予熱システムを得ることができる。

〔温水プールの保温を目的とした熱交換システム〕
次に、熱交換器１を用いた熱交換システム９０について説明する。図１０は、熱交換器１を利用した、温水プールの保温を目的とした熱交換システム９０の概略図である。熱交換器１は地上に設けられた螺旋溝付管７に設けられる。螺旋溝付管７内には、また、電線３１が設けられており、電線３１は、熱交換器１内を貫通している。

熱交換器１を構成するパイプ５は、地上に設置されたポンプ２１に接続されている。ポンプ２１は、パイプ５内に水等の流体を循環する。パイプ５内を循環する流体は、熱交換器１により電線３１からの発熱との熱交換を行う。

ポンプ２１にはパイプ２３が接続され、パイプ２３は、図示しないフィルターを介して、温水プール３９と接続されている。ポンプ２１は熱交換を終えた流体をパイプ２３に流すことができる。よって、電線３１より生じた熱との熱交換を行った流体を温水プール３９に流すことで、温水プール３９の保温を行うことができる。

なお、温水プール３９と熱交換器１の間で流体を循環させても良く、または常に新たな流体を熱交換器１に流し、熱交換を終えた流体を温水プール３９に随時補充するようにしてもよい。

このように、本実施の形態にかかる熱交換器１を用いた熱交換システム９０によれば、熱交換システム５０による効果と同様に、簡易に高効率の熱交換システムを得ることができる。

熱交換システム９０によれば、電線３１により発生した熱量との熱交換を行うことができ、より大きな熱量を温水プール３９に流すことができるので、温水プール３９の保温を効率よく行うことができ、小型で簡易かつ省エネルギーである温水プール保温システムを得ることができる。

次に、第２の実施の形態に係る熱交換器３０について説明する。なお、以下の実施の形態の説明において、熱交換器１と同一の機能を果たす構成要素には、図１と同一の番号を付し、重複した説明を避ける。

図１１は、第２の実施の形態に係る熱交換器３０を示す概略図であり、図１１（ａ）は、本実施の形態にかかる熱交換器３０の外観を示す斜視図、図１１（ｂ）は螺旋溝付管７に巻きつけられたパイプ５の断面を示す図である。熱交換器３０は、主に、螺旋溝付管７、パイプ５、電線３１及びフィルム１４より構成される。螺旋溝付管７は外面に螺旋溝３を有する管状部材である。

パイプ５は螺旋溝付管７の外面の螺旋溝３に沿って巻きつけられ、螺旋溝付管７の内部には電線３１が貫通されている。パイプ５が巻き付けられた螺旋溝付管７の周囲は、フィルム１４で覆われる。ここで、フィルム１４は、パイプ５の外部からの保護と、熱交換器１の断熱の効果を有する。フィルム１４は保温材の外側表面にクロスフィルムを設けたものを用いても良い。このようにすることにより、フィルムの断熱性を向上させるとともに、フィルムの強度も向上させることができる。パイプ５の両端には継手６が設けられ、ポンプ等と接続される。パイプ５の内部には熱媒体である流体が流される。

図１１（ａ）において、Ａ方向よりパイプ５内に流体を流すと、流体は、螺旋溝付管７の周囲の螺旋溝３に沿って螺旋状に巻きつけられたパイプ５内を流れ、螺旋溝付管７の端部まで流れるとＢ方向へ流出する。ここで、電線３１に通電を行うと、電線３１を流れる電流と電線３１の電気抵抗値等に応じた発熱を生じる。よって、熱交換器３０は、電線３１より発生した熱と、螺旋溝付管７の周囲を流れる流体との間で熱交換を行うことができる。

ここで、より効率の高い熱交換器３０を得るためには、パイプ５と螺旋溝付管７（螺旋溝３）の底部とを近づけることが望ましい。また、パイプ５の外径（螺旋溝付管７へ巻きつけた時にパイプ５が変形した場合には、変形後のパイプ５における螺旋溝３の深さ方向に対する径）は、螺旋溝３の深さよりも小さいほうが良い。すなわち、パイプ５は螺旋溝３内に収まり、螺旋溝付管７の外周面（螺旋溝３の頂部）に対して、パイプ５がはみ出さないことが望ましい。これは、フィルム１４によるパイプ５の保護の効果と熱交換器３０の断熱効果を高めるためである。

なお、フィルム１４としては、強度、断熱性(低熱伝導率)、伸長性を有する材質であれば良く、例えば、フィルム材質としては、ポリエチレン製もしくは、架橋ポリエチレン製、またはポリプロピレン製のフィルムが使用できる。また、保護フィルムとして、保温材の外側表面にクロスフィルムを設けたものを用いる場合には、保温材としては、発泡ポリエチレン、発泡ポリプロピレン、発泡ウレタンなどの保温層の外側を、ポリエチレンやポリプロピレンなどのプラスチック繊維を網目状に編んだクロスフィルムで被覆したものを用いることができる。

本実施の形態にかかる熱交換器３０によれば、熱交換器１と同様の効果を得ることができる。すなわち、熱交換器３０は、螺旋溝付管７を貫通する電線３１より発生する熱とパイプ５内を流れる流体とが、効率よく熱交換を行うことができる。

また、フィルム１４が全体を覆っているため、運搬時や取り扱い時、施工時等において、パイプ５が外部と接触することがなく、このため、パイプ５が損傷を受けることがない。また、フィルム１４は、熱交換器３０の断熱効果も有する。すなわち、電線３１より発生した熱が外部へ放出されることを抑えることができる。ここで、パイプ５が螺旋溝付管７の外周よりはみ出さなければ、フィルム１４とパイプ５が接触せず、これらの効果をより効率良く得ることができる。

次に、第３の実施の形態にかかる熱交換器について説明する。第３の実施の形態に係る熱交換器は、熱交換器１と略同様の構造であるが、螺旋溝３とパイプ５との隙間に熱伝導媒体１６が充填される。図１２は、第３の実施の形態に係る熱交換器における、螺旋溝付管７に巻きつけられた状態のパイプ５の断面を示す図である。

螺旋溝３とパイプ５との隙間に熱伝導媒体１６を充填する形態としては、例えば図１２（ａ）に示すようにすればよい。すなわち、パイプ５と螺旋溝３との幅が略同一である場合には、螺旋溝３とパイプ５とで形成された空間に熱伝導媒体１６を充填すればよい。この場合、パイプ５は螺旋溝３の溝底部４とは線接触であるが、熱伝導媒体１６によって、間接的にパイプ５と螺旋溝３との接触面積を増やすことができる。

また、図１２（ｂ）に示すように、パイプ５と螺旋溝３との径が大きく異なり、パイプ５は螺旋溝３の溝底部４と線接触し、さらに、パイプ５と螺旋溝３とで空間が形成されない場合でも、図１２（ａ）と同様に、パイプ５と螺旋溝３との隙間に熱伝導媒体１６を充填すればよい。この場合、熱伝導媒体１６によって、間接的にパイプ５と螺旋溝３との接触面積を増やすことができ、更に、螺旋溝３内でパイプ５が動くことを防ぐことができる。

また、図１２（ｃ）に示すように、パイプ５と螺旋溝３の溝底部４とが接触していない場合でも、パイプ５と螺旋溝３とで形成された空間に熱伝導媒体１６を充填すればよい。パイプ５と溝底部４とは直接は接触していないが、その隙間に熱伝導媒体１６を充填することで、間接的にパイプ５と螺旋溝３とを接触させることができる。更に、パイプ５と螺旋溝３とが直接的には全く接触していなくとも、すなわち、パイプ５と螺旋溝３との間に熱伝導媒体１６が充填され熱伝導媒体層を形成している場合であっても、間接的にパイプ５と螺旋溝３とが接触していることとなり、同様の効果を得ることができる。

ここで、熱伝導媒体１６としては、高熱伝導率を有し、パイプ５と螺旋溝３との隙間を埋めることができれば良く、例えば、熱伝導セメント、熱伝導グリースが使用できる。

本実施の形態にかかる熱交換器によれば、熱交換器１と同様の効果を得ることができる。すなわち、螺旋溝付管７を貫通する電線３１より発生する熱とパイプ５内を流れる流体とが、効率よく熱交換を行うことができる。

特に、パイプ５と溝底部４とが熱伝導媒体１６によって、間接的に大きな接触面積を得ることができ、電線３１により発生した熱を、より効率よく熱交換することができる。また、熱伝導媒体１６によって、螺旋溝付管７に巻き付けられた後のパイプ５が、螺旋溝３内で動いたり、変形したりすることがないため、安定した熱交換効率を維持することができる。

次に、第４の実施の形態にかかる熱交換器について説明する。第４の実施の形態に係る熱交換器は、熱交換器１と略同様の構造であるが、一つの螺旋溝３に対して複数のパイプ５が巻きつけられる。図１３は、第４の実施の形態に係る熱交換器における、螺旋溝付管７に巻きつけられた状態のパイプ５の断面を示す図である。

図１３（ａ）は、螺旋溝３の幅が広く、深さが浅い場合等に有効であり、一つの螺旋溝３にパイプ５を並列して２列巻きつけたものである。この場合は、単位長さの螺旋溝付管７に対するパイプ５の巻き数（パイプ５の巻き長さ）を大きく取ることができ、また、螺旋溝３からパイプ５がはみ出すこともない。なお、螺旋溝３の幅や深さに応じて、一つの螺旋溝３へのパイプ５の巻き数を３列以上としても良い。

同様に図１３（ｂ）は、螺旋溝３の幅が狭く、深さが深い場合等に有効であり、一つの螺旋溝３にパイプ５を２段に巻きつけたものである。この場合も、単位長さの螺旋溝付管７に対するパイプ５の巻き数（パイプ５の巻き長さ）を大きく取ることができる。なお、螺旋溝３の幅や深さに応じて、一つの螺旋溝３へのパイプ５の巻き数を３段以上としても良い。

本実施の形態にかかる熱交換器によれば、熱交換器１と同様の効果を得ることができる。すなわち、螺旋溝付管７を貫通する電線３１より発生する熱とパイプ５内を流れる流体とが、効率よく熱交換を行うことができる。

特に、一つの螺旋溝３に複数のパイプ５が巻き付けられるため、螺旋溝付管７の単位長さ当たりのパイプ５の巻き数（パイプ５の巻き長さ）を増やすことができ、電線３１により発生した熱を、より効率よく熱交換することができる。

以上、添付図を参照しながら、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施の形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、熱交換１は横向きに設置したが、電線３１の方向によって、縦向きに設置してもよい。また、熱交換器１を利用した図７〜１０に示した熱交換システム６０〜９０において、熱交換器１の設置場所は、電線３１の設置場所に応じて、地中であっても良く、また、電線３１の設置場所が地中である場合は、更に保護管３２および断熱材３３を使用しても良い。また、熱交換システム９０においては、パイプ２３を温水プール３９下に水平方向に屈曲させて、熱交換を終えた流体をパイプ２３に流すことで温水プール３９の保温を行っても良い。また、熱交換システム５０〜９０において、熱交換器１以外の他の実施の形態にかかる熱交換器を使用してもよい。

本実施の形態にかかる熱交換器１の外観を示す斜視図。 螺旋溝付管７を示す斜視図。 螺旋溝付管７とパイプ５の関係を示す断面図で、（ａ）はパイプ５の外径と螺旋溝３の溝幅が略同一の場合を示す図、（ｂ）はパイプ５の外径における曲率が螺旋溝３の溝底部４の曲率と略同一の場合を示す図、（ｃ）はパイプ５が変形して螺旋溝３に巻き付けられた状態を示す図。 金属層と樹脂層を有する多層構造からなるパイプ５の断面図。 熱交換器１を用い、床下冷暖房を目的とした熱交換システム５０を示す概略図。 熱交換器１に保護管３２及び断熱材３３を使用した状態を示す図。 道路の融雪を目的とした熱交換システム６０を示す概略図。 ビニルハウス３５の温調を目的とした熱交換システム７０を示す概略図。 湯沸かし器３７の給湯の予熱を目的とした熱交換システム８０を示す概略図。 温水プール３９の保温を目的とした熱交換システム９０を示す概略図。 第２の実施の形態にかかる熱交換器３０を示す図であり、（ａ）は熱交換器３０の外観を示す斜視図、（ｂ）は螺旋溝付管７とパイプ５の断面拡大図。 第３の実施の形態に係る熱交換器における、螺旋溝付管７とパイプ５との間に熱伝導媒体が充填された状態を示す図。 第４の実施の形態に係る熱交換器における、螺旋溝付管７とパイプ５の断面図で、一つの螺旋溝３に複数のパイプ５が巻き付けられた状態を示す図。

符号の説明

１、３０………熱交換器
３………螺旋溝
４………溝底部
５………パイプ
６………継手
７………螺旋溝付管
８………接触部
９………地面
１０………樹脂層
１１………溝深さ
１２………金属層
１３………溝深さ中央
１４………フィルム
１６………熱伝導媒体
２１………ポンプ
２３………パイプ
２５………床
３１………電線
３２………保護管
３３………断熱材
３５………ビニルハウス
３７………湯沸かし器
３９………温水プール
５０、６０、７０、８０、９０………熱交換システム

Claims (6)

1. 外面に螺旋状の溝を有する樹脂製の螺旋溝付管と、
   前記螺旋溝付管の前記溝に沿って巻き付けられる樹脂製のパイプと、
   前記螺旋溝付管の内部を貫通する電線と、
   を具備し、
   前記螺旋溝付管に巻き付けられた状態の前記パイプの外径が、前記溝の溝幅よりも大きく、
   前記螺旋溝付管に前記パイプが巻き付けられた状態において、少なくとも前記パイプまたは前記螺旋溝付管のいずれかが変形し、
   前記パイプの外径における曲率と前記溝の底部における曲率とが略同一となり、前記パイプと前記溝とが面接触し、
   前記パイプの外径が前記溝の深さよりも小さく、前記螺旋溝付管に巻き付けられた前記パイプが、前記螺旋溝付管の外周面からはみださず、
   前記パイプが巻き付けられた前記螺旋溝付管の外周面に、前記パイプと接触しないように、内層側の保温材と外層側の保護フィルムとの二層構造のフィルムが巻き付けられ、
   前記パイプ内に流体を流すことを特徴とする熱交換器。
2. 前記パイプが巻き付けられた前記螺旋溝付管が、保護管に挿入され、
   前記パイプと前記保護管との隙間には、断熱材が充填されることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
3. 外面に螺旋状の溝を有する樹脂製の螺旋溝付管の前記溝に沿って樹脂製のパイプが巻き付けられ、前記螺旋溝付管に巻き付けられた状態の前記パイプの外径が、前記パイプが巻き付けられた状態の前記溝の溝幅と略同一又は前記溝幅よりも小さく、前記螺旋溝付管に前記パイプが巻き付けられた状態において、少なくとも前記パイプまたは前記螺旋溝付管のいずれかが変形し、前記パイプの外径における曲率と前記溝の底部における曲率とが略同一となり、前記パイプと前記溝とが面接触し、前記パイプの外径が前記溝の深さよりも小さく、前記螺旋溝付管に巻き付けられた前記パイプが、前記螺旋溝付管の外周面からはみださず、前記パイプが巻き付けられた前記螺旋溝付管の外周面に、前記パイプと接触しないように、内層側の保温材と外層側の保護フィルムとの二層構造のフィルムが巻き付けられ、前記パイプが巻きつけられた前記螺旋溝付管内を、電線が貫通する熱交換器を設け、前記パイプ内を流れる流体が、前記電線から発生した熱と熱交換を行うことを特徴とする熱交換システム。
4. 前記パイプが巻き付けられた前記螺旋溝付管が、保護管に挿入され、
   前記パイプと前記保護管との隙間には、断熱材が充填されることを特徴とする請求項３記載の熱交換システム。
5. 熱交換を終えた前記流体を構造物に流し、前記流体の熱を構造物に利用することを特徴とする請求項３記載の熱交換システム。
6. 熱交換を終えた前記流体の熱を熱機器の予熱に利用することを特徴とする請求項３に記載の熱交換システム。
   

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