(57)【要約】【課題】スケールの析出による機器性能の低下を抑制することが可能な熱交換器を提供する。【解決手段】給湯装置１は、水が流通する水管２２ｂと、水管２２ｂの一部において水が所定温度域となるスケール処理部４０と、水管２２ｂに接触して配置され、冷媒が流通する水管２２ｂと、スケール処理部４０における流路に配置され、水の流れを利用し、一部分がスケール処理部４０の内壁面４０ａに接触しながら運動するブラシ４２とを備えている。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水と冷媒との間で熱交換を行う熱交換器（２２）であって、
前記水が流通する水管（２２ｂ）と、
前記水管に接触して配置され、冷媒が流通する冷媒管（２２ａ）と、
前記水管の一部において、前記水が所定温度域となるスケール処理部（４０）と、
前記スケール処理部における流路に配置され、前記水の流れを利用して運動する運動部品（４２）と、
を備えている、熱交換器。
【請求項２】
前記運動部品は、一部分が前記スケール処理部の内壁面に接触しながら運動するブラシ（４２）である、
請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記ブラシは、前記水の流通方向に沿って螺旋リング状に配置されている、
請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記スケール処理部の直径（ｄ１）は、前記水管の直径（ｄ２）よりも大きい、
請求項１から３のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記スケール処理部における流路に配置され、前記水に含まれる過飽和状態のスケールＳの析出を促進させる析出部（４１）を、さらに備えている、
請求項１から４のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記運動部品は、粒状の核生成物（４１）である、
請求項１から５のいずれか１項に記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水と冷媒との間で熱交換させるための熱交換器の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮機と熱交換器と減圧機構と空気熱交換器とを順次接続したヒートポンプユニットと、上記水熱交換器にて構成される熱交換路に未加熱水を供給し、熱交換器において加熱された（沸き上げられた）水を貯湯タンクに返流させる貯湯ユニットとを備えている給湯装置が従来より用いられている（例えば、特許文献１に示す給湯装置）。
【０００３】
そして、このような給湯装置では、冷媒回路中に設けられた空気熱交換器を蒸発器として機能させると共に水熱交換器を凝縮器として機能させることにより給湯運転を行うことが可能である。
【特許文献１】特開２００７−２７１２１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の給湯装置では、以下に示すような問題点を有している。
【０００５】
すなわち、例えば、熱交換器において水を加熱していくと、水に含まれるスケールが過飽和状態となり、スケールが析出するようになる。そして、析出したスケールが、配管の内壁面に付着すると、伝熱性能の低下等、機器性能の低下を招いてしまうおそれがある。
【０００６】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、スケールの析出による機器性能の低下を抑制することが可能な熱交換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明に係る熱交換器は、水と冷媒との間で熱交換を行う熱交換器であって、水管と、冷媒管と、運動部品と、を備えている。水管は、水が流通している。冷媒管は、水管に接触して配置され、冷媒が流通している。運動部品は、水管の一部において、水が所定温度域となる。
【０００８】
ここでは、水管の一部に運動部品が配置されているスケール処理部を設けている。そして、この運動部品は、水の流れによって運動する。
【０００９】
なお、ここでいう所定領域温度域とは、水管に流通する水に含まれるスケールが過飽和状態となる温度域をいう。
【００１０】
熱交換器においては、過飽和状態となったスケールが析出して配管の内壁面に付着し、伝熱性能の低下等、機器性能の低下を招いてしまうという問題がある。
【００１１】
そこで、本発明の熱交換器においては、水が所定温度域となる水管の一部に運動部品を配置したスケール処理部を設けている。そして、その運動部品の一部が、水管を流れる水の流れによって運動する。
【００１２】
これにより、着脱可能な着脱部に選択的にスケールを析出させて、他の水管の部位にスケールが析出することを抑制している。そして、スケール処理部の内壁面に付着したスケールは、例えば、水の流れによって運動する運動部品の一部を内壁面に接触させることによって除去することができる。さらに、本発明の熱交換器においては、通常の運転における水の流れによって運動部品を運動させることができる。このため、除去運転等の特別な運転制御をすることなく、スケール処理部の内壁面に付着したスケールを除去することが可能となる。
【００１３】
この結果、水管の内壁面にスケールが付着することによって発生する機器性能の低下を抑制することが可能となる。
【００１４】
第２の発明に係る熱交換器は、第１の発明に係る熱交換器であって、運動部品は、一部分がスケール処理部の内壁面に接触しながら運動するブラシである。
【００１５】
ここでは、スケール処理部の内壁面に接触させる運動部品としてブラシを採用している。
【００１６】
これにより、容易にスケール処理部の内壁面に付着したスケールを除去することが可能となる。
【００１７】
第３の発明に係る熱交換器は、第２の発明に係る熱交換器であって、ブラシは、水の流通方向に沿って螺旋リング状に配置されている。
【００１８】
ここでは、ブラシが、水の流通方向に沿って螺旋リング状に配置されている。
【００１９】
これにより、スケール処理部における内壁面全体に対してブラシの一部を接触させることが可能となる。
【００２０】
第４の発明に係る熱交換器は、第１から第３の発明のいずれか１つに係る熱交換器であって、スケール処理部の直径は、水管の直径よりも大きい。
【００２１】
ここでは、スケール処理部の直径を水管の直径よりも大きく設定している。
【００２２】
これにより、スケール処理部において析出させるスケールによって、流路が閉塞してしまうことを防止することができる。
【００２３】
第５の発明に係る熱交換器は、第１から第４の発明のいずれか１つに係る熱交換器であって、スケール処理部における流路に配置され、水に含まれる過飽和状態のスケールＳの析出を促進させる析出部を、さらに備えている。
【００２４】
ここでは、水に含まれる過飽和状態のスケールの析出を促進させる析出部をスケール処理部における流路に設けている。
【００２５】
これにより、内壁面に付着するスケールを除去することができるスケール処理部において確実にスケールを析出させることが可能となる。
【００２６】
第６の発明に係る熱交換器は、第１から第５の発明のいずれか１つに係る熱交換器であって、運動部品は、粒状の核生成物である。
【００２７】
ここでは、スケール処理部内に、粒状の核生成物を配置している。なお、粒状の核生成物は、スケール処理部内において固定されている必要はなく、流路内を自由に移動できるような状態であってもよい。
【００２８】
これにより、粒状の核生成物にスケールが析出するように誘導し、スケール処理部における内壁面にスケールが析出することを抑制することが可能となる。また、スケールが付着した粒状の核生成物は、容易に交換することができるので、メンテナンスにかかる手間を低減することができる。
【発明の効果】
【００２９】
第１の発明に係る熱交換器によれば、水管の内壁面にスケールが付着することによって発生する機器性能の低下を抑制することが可能となる。
【００３０】
第２の発明に係る熱交換器によれば、容易にスケール処理部の内壁面に付着したスケールを除去することが可能となる。
【００３１】
第３の発明に係る熱交換器によれば、スケール処理部における内壁面全体に対してブラシの一部を接触させることが可能となる。
【００３２】
第４の発明に係る熱交換器によれば、スケール処理部において析出させるスケールによって、流路が閉塞してしまうことを防止することができる。
【００３３】
第５の発明に係る熱交換器によれば、内壁面に付着するスケールを除去することができるスケール処理部において確実にスケールを析出させることが可能となる。
【００３４】
第６の発明に係る熱交換器によれば、粒状の核生成物にスケールが析出するように誘導し、スケール処理部における内壁面にスケールが析出することを抑制することが可能となる。また、スケールが付着した粒状の核生成物は、容易に交換することができるので、メンテナンスにかかる手間を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
本発明の一実施形態に係る水熱交換器（熱交換器）２２を含む給湯装置１について、図１〜図６（ｂ）を用いて説明すれば以下の通りである。
【００３６】
＜ヒートポンプ式給湯装置の構成＞
本発明の一実施形態に係る水熱交換器２２を含むヒートポンプ式給湯装置のシステムを図１に示す。ヒートポンプ式給湯装置１は、冷凍装置２と貯湯装置３とによって構成されている。冷凍装置２は、圧縮機２１、水熱交換器２２内の冷媒管２２ａ、減圧手段としての膨張弁２３および空気熱交換器２４が、冷媒配管２５によって環状に接続される圧縮式の冷凍回路２０を有する。
【００３７】
さらに、冷凍回路２０には、水熱交換器２２から出る高圧高温の冷媒と、空気熱交換器２４から出る低圧低温の冷媒との間で熱交換を行うため、ガス熱交換器２６が配置されている。具体的には、水熱交換器２２と膨張弁２３とを連結する冷媒通路と、空気熱交換器と圧縮機２１とを連結する冷媒通路との間で熱交換が行われる。
【００３８】
貯湯装置３は、貯湯タンク３１、水熱交換器２２内の水管２２ｂ及び水循環ポンプ３２が、水配管３５によって環状に接続された水循環回路３０を有する。
【００３９】
冷凍装置２には、設置場所の外気温を検出する外気温センサ８、圧縮機２１の吐出管温度を検出する吐出管温度センサ９および空気熱交換器２４の温度を検出する温度センサ１０が設けられており、これらのセンサの検出信号は、マイコン６に入力される。そして、水熱交換器２２で加熱された水の温度が所定温度となるように、水循環ポンプ３２によって水の循環量が制御される。マイコン６は、所定温度の水を得るために必要な冷媒温度を確保するために、膨張弁２３の開度を制御する。
【００４０】
＜冷凍装置の構造＞
図２は、冷凍装置２の内部構造を示す断面図である。図２において、断熱壁２ｃの右側区画が機械室２ａであり、断熱壁２ｃの左側区画がファン室２ｂである。機械室２ａには、圧縮機２１、膨張弁２３が配置されている。
【００４１】
ファン室２ｂには、図２の正面視において、前方にファン２７が配置されている。ファン２７の後方には、ファン２７を駆動するモータが、モータ支持台２８に固定された状態で配置されている。ファン室２ｂの下方には、断熱壁２ｄを隔てて水熱交換器２２が配置されている。水熱交換器２２内にて、冷媒管２２ａ（図１参照）を流れる冷媒と、水管２２ｂ（図１参照）を流れる水との間で熱交換が行われる。
【００４２】
また、図２において、空気熱交換器２４は、ファン室２ｂの左側壁と背面壁に沿って配置されており、空気熱交換器２４の右端は機械室２ａの中央まで延出している。制御ボックス４は、機械室２ａの上部とファン室２ｂの上部を跨ぐように配置されている。制御ボックス４には、マイコン６（図４参照）、インバータ７（図４参照）を搭載した制御装置５が内蔵されている。
【００４３】
＜冷凍装置の運転制御＞
図３は、冷凍装置２の制御ブロック図である。マイコン６は、外気温センサ８、空気熱交換器２４の温度センサ１０からの検出信号に基づき、目標吐出管温度設定部６２で目標吐出管温度を設定する。そして、マイコン６は、吐出管温度センサ９で検出される吐出管温度が目標吐出管温度に近づくように、膨張弁開度制御部６３を介して膨張弁２３の開度を制御する。なお、目標吐出管温度の設定に必要なデータは、目標吐出管温度設定部６２内に予め記憶されている。
【００４４】
さらに、マイコン６は、冷凍装置２の能力に及ぼす外気温の影響を考慮して、さらに給湯負荷が一日の時間帯によって変化することを考慮して、インバータ制御部６４を介して圧縮機２１の運転周波数を制御している。例えば、外気温が低く、給湯負荷が大きい時間帯では、湯切れを防止するため、効率を無視して圧縮機２１の運転周波数を高める。一方、外気温が高く、給湯負荷が小さい時間帯では、圧縮機２１の運転周波数を高効率点に設定する。
【００４５】
給湯負荷が大きいとき、マイコン６は、圧縮機２１を保護する目的で、吐出管温度が１２０℃を超えないように圧縮機２１の運転制御を行う。実際に、吐出管温度が１２０℃のとき、圧縮機２１の内部温度は、１４０℃〜１４５℃に到達しており、内部温度がさらに上昇して１５０℃を超えると、圧縮機２１内部のマグネットの磁力が低下、オイルの劣化が発生し故障に至る。したがって、本実施形態では、吐出管温度の上限を１２０℃と設定している。
【００４６】
但し、外気温ｔ１が−２０℃以下のときは、圧縮機２１が過負荷になり易いので、さらなる安全措置として吐出管温度センサ９の検出値の補正量を大きくとり、実際の吐出管温度が１２０℃に達する前に吐出管温度センサ９の検出値を１２０℃にする必要がある。そこで、外気温ｔ１が−２０℃以下のときの補正量が実験的に求められ、マイコン６の温度補正部６１の第２補正手段６１ｂに記憶されている。なお、外気温ｔ１＞−２０℃の温度範囲では、第１補正手段６１ａによって、補正されている。
【００４７】
＜水熱交換器の構造＞
ここでは、水熱交換器２２の構成について、図４，図５を用いて説明する。ここで、図４は、水熱交換器２２の構成を、また、図５は、水熱交換器２２における要部の構成を示している。
【００４８】
水熱交換器２２は、冷媒管２２ａと、水管２２ｂと、スケール処理部４０とを有している。
【００４９】
冷媒管２２ａは、その内側に冷媒を流通させる断面が円形の円管である。本実施形態の冷媒管２２ａは、図４に示すように、２本の第１，第２冷媒細管２２１ａ、２２２ａに分岐され、後述する水管２２ｂに巻回されている。第１，第２冷媒細管２２１ａ、２２２ａは、長手方向に沿って平行に、水管２２ｂの外周面上に相互に等しい所定の間隔をおいて、かつ、所定の巻き角を有して螺旋状に巻回されている。なお、本実施形態の冷媒管２２ａには、冷媒ガスとして二酸化炭素が流されている。
【００５０】
水管２２ｂは、その内側に水を流通させる断面円形の円管であって、所定の長さと所定の内径ｄ２を有して構成されている。
【００５１】
水熱交換器２２は、上記の構成により、入水側２２ａａより入水した水を徐々に加熱することができ、出水側２２ａｂから出水する水を所望の温度にすることができる。
【００５２】
スケール処理部４０は、上記水管２２ｂの一部に配置されている。また、スケール処理部４０は、水管２２ｂを流通する水が所定温度域となる位置、すなわち、水管２２ｂを流通する水に含まれるスケールＳが過飽和状態となる温度域に配置されている。具体的には、スケール処理部４０は、例えば、水管２２ｂに硬度２００の水を流通させる場合、水管２２ｂを流通する水が６５℃となる位置に設けられる。
【００５３】
これにより、スケール処理部４０が配置された位置に選択的にスケールＳを析出させることが可能となり、スケールＳは、スケール処理部４０の内壁面４０ａに付着するようになる。
【００５４】
ここで、本実施形態のスケール処理部４０の流通路内には、図６（ａ）に示すように、運動部品としてのブラシ（運動部品）４２が、水の流通方向に沿って螺旋リング状に配置されている。そして、ブラシ４２は、図６（ａ）に示すように、水の流れを利用して、その一部分がスケール処理部４０の内壁面４０ａに接触しながら運動する。これにより、スケール処理部４０の内壁面４０ａに付着したスケールＳを、通常運転をしながら除去することが可能となる。さらに、ブラシ４２は、螺旋リング状に配置されているので、スケール処理部４０における内壁面４０ａ全体に対してブラシ４２の一部を接触させることができる。これにより、スケール処理部４０における内壁面４０ａ全体に対してスケールＳの付着を抑制することを可能としている。
【００５５】
また、スケール処理部４０の内径ｄ１は、図４に示すように、水管２２ｂの内径ｄ２に比べて大きく形成されている。これにより、内壁面４０ａにスケールＳが付着した場合であっても、スケール処理部４０において流路が閉塞してしまうことを防止することができる。
【００５６】
［給湯装置１の特徴］
（１）
本実施形態の給湯装置１は、水が流通する水管２２ｂと、水管２２ｂの一部において水が所定温度域となるスケール処理部４０と、スケール処理部４０における流路に配置され、水の流れを利用し、一部分がスケール処理部４０の内壁面４０ａに接触しながら運動するブラシ４２とを備えている。
【００５７】
これにより、流路内にブラシ４２が配置されたスケール処理部４０に選択的にスケールＳを析出させて、他の水管２２ｂの部位（スケール処理部４０以外の部位）にスケールＳが析出することを抑制している。また、スケール処理部４０で析出し、内壁面４０ａに付着するスケールＳについては、内壁面４０ａに接触しながら運動するブラシ４２によって除去することができる。この結果、水管２２ｂの内壁面４０ａにスケールＳが付着することによって発生する機器性能の低下を抑制することが可能となる。
【００５８】
（２）
本実施形態の給湯装置１では、スケール処理部４０における流路に配置される運動部品としてブラシ４２が配置されている。これにより、スケール処理部４０の内壁面４０ａに付着したスケールＳを容易に除去することを可能としている。
【００５９】
（３）
本実施形態の給湯装置１では、ブラシ４２が、水の流通方向に沿って螺旋リング状に配置されている。これにより、スケール処理部４０における内壁面４０ａ全体に対してブラシ４２の一部を接触させることを可能としている。
【００６０】
（４）
本実施形態の給湯装置１では、スケール処理部４０の内径ｄ１を水管２２ｂの内径ｄ２よりも大きく設定している。これにより、スケール処理部４０において析出させるスケールＳによって、流路が閉塞してしまうことを防止している。
【００６１】
［他の実施形態］
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００６２】
（Ａ）
上記実施形態の給湯装置１では、水が流通する水管２２ｂと、水管２２ｂの一部において水が所定温度域となるスケール処理部４０と、スケール処理部４０における流路内に配置されているブラシ４２とを備えている例を挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。
【００６３】
例えば、図７に示すように、水熱交換器１２２は、水管１２２ｂ、スケール処理部１４０、ブラシ（運動部品）１４２の他に、水に含まれる過飽和状態のスケールＳの析出を促進させる析出部１４１を備えていてもよい。ここで、析出部１４１は、スケール処理部４０の内壁面にＣａＣＯ3（炭酸カルシウム）等の核生成物を塗布している。この場合には、内壁面１４０ａに付着するスケールＳを除去することができるスケール処理部１４０において確実にスケールを析出させることが可能となる。なお、核生成物としては、「シリカ」や「炭酸カルシウム以外のカルシウム化合物」等であってもよい。
【００６４】
また、図８に示すように、スケール処理部２４０の内壁面２４０ａに、核生成物（析出部）２４１を塗布し、さらに、核生成物２４１が塗布された金網（析出部）２４２を流通路内に配置してもよい。この場合も、上記の実施形態に係る給湯装置１と同様の効果を得ることができる。
【００６５】
（Ｂ）
上記実施形態の給湯装置１では、スケール処理部４０の流路に配置される運動部品として、その一部分がスケール処理部４０の内壁面４０ａに接触しながら運動するブラシ４２を採用した例を挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。
【００６６】
例えば、図９に示すように、運動部品の一つとして、流路内に粒状の核生成物（運動部品）３４１を配置してもよい。この場合、粒状の核生成物３４１は、水の流れによって流路内を自由に運動し、粒状の核生成物自体にスケールＳを析出させる。これにより、スケール処理部３４０の内壁面３４０ａにスケールＳが析出することを抑制している。また、スケールＳが付着した核生成物３４１を、新しい核生成物３４１（スケールＳがしていない核生成物３４１）と交換することによって容易にスケールＳを除去することが可能となる。
【００６７】
（Ｃ）
上記実施形態の給湯装置１では、水管２２ｂを流通する水が６５℃となる位置にスケール処理部４０が設定されている例を挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。
【００６８】
所定温度域は、水管に流通させる水の質（硬度等）によって変化するものであり、流通させる水の質によって適切に設定することが必要である。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明によれば、スケールの析出による機器性能の低下を抑制することが可能になるため、スケール成分を有する水を使用する給湯装置への適用が特に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の一実施形態に係る水熱交換器を含む給湯装置の水系統および冷媒系統回路図。
【図２】冷凍装置の内部構造を示す断面図。
【図３】冷凍装置の制御装置のブロック図。
【図４】冷凍装置の水熱交換器の内部配管を示す構造図。
【図５】図５の水熱交換器の内部配管における要部を示す拡大図。
【図６】（ａ）、（ｂ）は、図４の水熱交換器に含まれるスケール処理部の構造を示す縦断面図。
【図７】本発明の他の実施形態に係るスケール処理部の構造を示す縦断面図。
【図８】本発明の他の実施形態に係るスケール処理部の構造を示す縦断面図。
【図９】本発明の他の実施形態に係るスケール処理部の構造を示す縦断面図。
【符号の説明】
【００７１】
１        給湯装置
２        冷凍装置
２ａ      機械室
２ｂ      ファン室
２ｃ，２ｄ    断熱壁
３        貯湯装置
４        制御ボックス
５        制御装置
６        マイコン
７        インバータ
８        外気温センサ
９        吐出管温度センサ
１０      温度センサ
２０      冷凍回路
２１      圧縮機
２２，１２２    水熱交換器（熱交換器）
２２ａ    冷媒管
２２ｂ，１２２ｂ    水管
２２ａａ  入水側
２２ａｂ  出水側
２３      膨張弁
２４      空気熱交換器
２５      冷媒配管
２６      ガス熱交換器
２７      ファン
２８      モータ支持台
３０      水循環回路
３１      貯湯タンク
３２      水循環ポンプ
３５      水配管
４０，１４０，２４０，３４０    スケール処理部
４０ａ，１４０ａ，２４０ａ，３４０ａ    内壁面
４２，１４２      ブラシ（運動部品）
６１      温度補正部
６１ａ    第１補正手段
６１ｂ    第２補正手段
６２      目標吐出管温度設定部
６３      膨張弁開度制御部
６４      インバータ制御部
１４１    析出部
２４１    核生成物（析出部）
２４２    金網（析出部）
２２１ａ  第１冷媒管
２２２ａ  第２冷媒管
３４１    核生成物（運動部品）
Ｓ      スケール
ｄ１    スケール処理部の内径
ｄ２    水管の内径
【図１】
2010091179.tif 000003
【図２】
2010091179.tif 000004
【図３】
2010091179.tif 000005
【図４】
2010091179.tif 000006
【図５】
2010091179.tif 000007
【図６】
2010091179.tif 000008
【図７】
2010091179.tif 000009
【図８】
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【図９】
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