(57)【要約】【課題】スケールの付着を確実に抑制することのできるプレート式熱交換器を得る。【解決手段】複数層の伝熱面を介して第１の流路１１と第２の流路２１とを交互に配置した複数のプレート１、２からなる積層体を備え、複数層の伝熱面のそれぞれの周囲にシール構造が設けられ、積層体の最外側部に、第１の流路１１に連通する冷媒通路孔１２、１３と第２の流路２１に連通する媒体通路孔２２、２３とが設置されている。複数のプレート１、２の各中心部を支持する円柱形状の軸をさらに備え、複数層の伝熱面は、第１および第２の流路１１、２１として、それぞれ円弧に沿った流路を形成し、円弧の中心部に軸を通すための１つの中心孔１９、２９が設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数層の伝熱面を介して第１の流路と第２の流路とを交互に配置した複数のプレートからなる積層体を備え、
前記複数層の伝熱面のそれぞれの周囲にシール構造が設けられ、
前記積層体の最外側部に、前記第１の流路に連通する冷媒通路孔と前記第２の流路に連通する媒体通路孔とが設置されたプレート式熱交換器において、
前記複数のプレートの各中心部を支持する円柱形状の軸をさらに備え、
前記複数層の伝熱面は、前記第１および第２の流路として、それぞれ円弧に沿った流路を形成し、
前記円弧の中心部に前記軸を通すための１つの中心孔が設けられたことを特徴とするプレート式熱交換器。
【請求項２】
前記複数のプレートは、前記第１および第２の流路を形成するために交互に積層され、かつ前記中心孔の開いた部分を回転中心として、前記第１および第２の流路を個別に形成するためにそれぞれ独立に位置決めされることを特徴とする請求項１に記載のプレート式熱交換器。
【請求項３】
前記複数層の伝熱面において、前記第１の流路を形成する伝熱面と、前記第２の流路を形成する伝熱面とは、相似形を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプレート式熱交換器。
【請求項４】
前記第１および第２の流路を形成する各伝熱面は、互いに積層されたときに両者の相似形が一致する積層状態を原点として、前記軸を回転中心として相対角度θだけ相対的にずれて形成されたときに、３０°≦θ≦３３０°の範囲内で回転固定されることを特徴とする請求項３に記載のプレート式熱交換器。
【請求項５】
前記複数のプレートにおいて、１枚のプレートに１つの流路が形成され、
前記第１および第２の流路を形成する各伝熱面は、前記相対角度θが１２０°≦θ≦２４０°の範囲内で回転固定されることを特徴とする請求項４に記載のプレート式熱交換器。
【請求項６】
前記複数のプレートは、前記第１の流路を形成するプレートと前記第２の流路を形成するプレートとが交互に積層され、
前記複数のプレートのうち、前記第１の流路を形成する第１群は、流路がすべて同一になるように積層され、かつ前記第２の流路を形成する第２群は、流路がすべて同一になるように積層されたことを特徴とする請求項４に記載のプレート式熱交換器。
【請求項７】
前記第１群および前記第２群は、前記軸を回転中心として任意の相対角度で回転固定されるための回転機構を備えたことを特徴とする請求項６に記載のプレート式熱交換器。
【請求項８】
前記プレート式熱交換器の動作パラメータを検出するセンサ、または前記プレート式熱交換器の動作時間を計測するタイマを備え、
前記第１群および前記第２群は、前記センサまたは前記タイマの出力信号に応じて、任意に相対角度θが設定されて回転固定されることを特徴とする請求項７に記載のプレート式熱交換器。
【請求項９】
前記第１および第２の流路の内部を洗浄するための洗浄手段を備え、
前記洗浄手段は、前記回転機構を用いて、前記第１群および前記第２群を、前記軸を回転中心として相対角度θが０°〜３６０°の範囲内で連続的に変化するように、回転させることを特徴とする請求項７に記載のプレート式熱交換器。
【請求項１０】
前記第２の流路の内部に付着した析出物を剥離するための析出物剥離手段を備え、
前記析出物剥離手段は、
前記第１群および前記第２群の相対角度θがほぼ０°になるように固定させる第１のステップと、
冷媒側の前記第１の流路に、媒体および前記析出物が凍結する温度の冷媒を通して前記媒体および前記析出物を凍結させる第２のステップと、
前記回転機構を用いて、前記第１群および前記第２群を相対的に回転させて、凍結した前記媒体および前記析出物を前記第２の流路内の伝熱面から剥離する第３のステップと、
を備えたことを特徴とする請求項７に記載のプレート式熱交換器。
【請求項１１】
前記複数層の伝熱面を有する前記複数のプレートのそれぞれの外側に、前記軸の中心から放射上に描かれる線に沿った形状の検査窓が設置されたことを特徴とする請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載のプレート式熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、冷媒との間で熱交換する媒体として水道水を利用した給湯システムに関し、特に給湯システム中に含まれるプレート式熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、熱効率の高い給湯システムとして、ヒートポンプを熱源に利用したシステムが良く知られている。この種の給湯システムにおいては、ヒートポンプで加熱された冷媒と、冷媒との間で熱交換する水道水（媒体）とを熱交換器に通して、水道水からお湯を生成している。
【０００３】
通常、水道水に含まれる成分としてカルシウムがあり、カルシウムは水の硬度に関係する。一般的に、水道水は硬度の高い硬水と呼ばれるので、水道水を用いて長時間にわたって給湯すると、熱交換器内部に、「スケール」と呼ばれる炭酸カルシウムが、熱交換器内部表面に付着して層を成すことになる。
【０００４】
さらに炭酸カルシウムが多く付着すると、熱交換器内部を閉塞するほど堆積して、水道水が通過できなくなる可能性もある。また、炭酸カルシウム層の熱抵抗が高いことから、加熱された冷媒を用いて水道水を温める際の熱伝達効率が低下して、結果的にシステムの省エネ性能が低下することもある。
【０００５】
このように、従来から、スケールの堆積によって発生する問題があり、この問題を軽減するためのプレート式熱交換器が種々提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載の従来技術においては、熱交換器内部の水道水出口部（すなわち、水道水が冷媒温度の最も高い状態で加熱される部位）が、最もスケールが付着しやすく、かつ閉塞しやすい部位であることから、これを回避するために、水道水の出口部位の断面積を相対的に拡大して、スケールが付着しても直ちに閉塞といった状態にならないような工夫が施されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１６２６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来のプレート式熱交換器では、カルシウムを多く含有する水道水を加熱する際に、水道水中のカルシウム分が炭酸カルシウムとして析出し、熱交換器内部の伝熱面に付着し、この固形物の付着により伝熱効率が低下するので、より多くの熱エネルギーを発生する必要があり、省エネに貢献できなくなるという課題があった。
また、特許文献１に記載の閉塞回避技術を適用しても、さらにスケールの付着が進行すると、結局は熱交換器内部を閉塞してしまい、水道水が流れ難くなるので、内部洗浄しなければならず、メンテナンス作業が必要になるという課題があった。
【０００８】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、スケールの付着を確実に抑制することのできるプレート式熱交換器を得ることを目的とする。
また、スケールの清浄を可能にしたプレート式熱交換器を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明によるプレート式熱交換器は、複数層の伝熱面を介して第１の流路と第２の流路とを交互に配置した複数のプレートからなる積層体を備え、複数層の伝熱面のそれぞれの周囲にシール構造が設けられ、積層体の最外側部に、第１の流路に連通する冷媒通路孔と第２の流路に連通する媒体通路孔とが設置されたプレート式熱交換器において、複数のプレートの各中心部を支持する円柱形状の軸をさらに備え、複数層の伝熱面は、第１および第２の流路として、それぞれ円弧に沿った流路を形成し、円弧の中心部に軸を通すための１つの中心孔が設けられたものである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、積層された複数のプレートを支持するために１つの中心孔を設け、ドーナツ円盤型のプレート式熱交換器を実現することにより、積層作業を簡便化するとともに、プレートを任意に回転させることを可能として、スケールの堆積を確実に回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るプレート式熱交換器（積層構造体）を示す分解斜視図であり、１枚のプレートごとに１つの流路（回路）が形成された場合を示している。
図１において、積層熱交換器３（プレート式熱交換器）は、冷媒流通用の回路１１（第１の流路）を構成する冷媒回路プレート１と、水流通用の回路２１（第２の流路）を構成する水回路プレート２とが、交互に積層されることにより形成されている。
【００１２】
なお、言うまでもなく、積層熱交換器３の各プレート１、２は密着されているが、図１では、内部構造を理解しやすくするために、プレート垂直方向に離間された状態で示している。
また、図１では図示を省略するが、円弧状かつ相似形の流路を構成する各回路１１、２１（伝熱面）の周囲には、流体の漏れを防止するためのシール構造が設けられている。
【００１３】
また、図１では、煩雑さを回避するために、図示を省略するが、積層熱交換器３の上端部および下端部には、ふた３３、３４（後述するが取り付けられる。
さらに、図１では、代表的に３層のプレート構造を示しているが、任意数のプレートが積層可能なことは言うまでもない。
【００１４】
冷媒回路プレート１に形成された冷媒用の回路１１と、水回路プレート２に形成された水用の回路２１との各形状は、互いに相似形を有している。
また、冷媒回路プレート１には中心孔１９が形成され、同様に、水回路プレート２には中心孔２９が形成されており、これら２種類のプレート１、２は、それぞれの中心孔１９、２９に支持棒（後述する軸３１）を貫通させることにより、整列して積層構成される。
【００１５】
また、各プレート１、２は、互いに密着させるために、上下から圧力をかけて固定されており、これにより、冷媒および水が漏れることなく使用されるようになっている。
さらに、冷媒回路プレート１の一端の外周突出部には、支持孔１８が設けられており、支持孔１８にも別の支持棒３２（後述する）を通すことにより、積層熱交換器３の全体構造をさらに堅固に固定することができる。
【００１６】
冷媒回路プレート１には、回路１１を分割隔離するための仕切り１７が設けられ、同様に、水回路プレート２には、回路２１を分割隔離するための仕切り２７が設けられている。
ここで、冷媒回路プレート１の中心孔１９の中心を通り、かつ仕切り１７の中心線を通る線１６（１点鎖線参照）と、水回路プレート２の中心孔２９の中心を通り、かつ仕切り２７の中心線を通る線２６（１点鎖線参照）とを定義すると、冷媒回路プレート１と水回路プレート２とは、線１６と線２６との相対角度θが１２０°となるように積層されている。
【００１７】
このように、各プレート１、２の相対角度θを１２０°に設定することにより、冷媒温度が熱交換作用で低下して中温となった状態で、水道水の水出口２２と接触して熱交換することが可能になる。これについては、追って詳述する。
さらに、各プレート１、２の最外側部には、それぞれ、冷媒用の通路孔となる冷媒入口１２および冷媒出口１３と、水用の通路孔となる水入口２２および水出口２３とが形成されている。冷媒入口１２および冷媒出口１３は、回路１１に連通する冷媒通路孔を構成しており、水入口２２および水出口２３は、回路２１に連通する媒体通路孔を構成している。
【００１８】
図２は冷媒回路プレート１（Ｈｏｔ冷媒側回路）の構成を示す斜視図であり、回路１１に流れる冷媒（破線矢印参照）の温度状態を、「高温Ｈ」、「中温Ｍ」、「低温Ｌ」で示している。
図２において、破線矢印で示すように、冷媒入口１２から流入する高温の冷媒は、回路１１を通過しながら、水への熱移動により、高温Ｈ、中温Ｍ、低温Ｌへと温度が低下して、冷媒出口１３から排出される。
【００１９】
一方、図３は冷媒回路プレート１に隣接する水回路プレート２（水道水側回路）の構成を示す斜視図であり、回路２１に流れる水（破線矢印参照）の温度状態を、「低温Ｌ」、「中温Ｍ」、「高温Ｈ」で示している。
図３において、破線矢印で示すように、水入口２２から流入する低温の水は、回路２１を通過しながら、冷媒からの熱移動により、低温Ｌ、中温Ｍ、高温Ｈへと温度が上昇して、水出口２３から排出される。
【００２０】
このように、積層される各プレート１、２の相対角度θを１２０°に設定し、冷媒入口１２および冷媒出口１３と、水入口２２および水出口２３とを、図１〜図３の位置関係となるように規定する。
これにより、図２および図３から明らかなように、水出口２３の部位における水は、中温Ｍの冷媒と熱交換することになり、過度な熱交換現象を抑制することができる。
【００２１】
したがって、水出口２３の部位における水温が過剰に高くならないので、スケール（炭酸カルシウム）の発生を抑制することができ、この結果、スケールによる熱交換器の閉塞時間が長くなり、清掃する頻度を低下させることができるという効果がある。
このとき、図１のように、１枚のプレートごとに１つの流路（回路１１、回路２１）が形成されている場合には、相対角度θの範囲を、１２０°≦θ≦２４０°の範囲内に設定することが実質的に望ましい。
【００２２】
なお、ここでは図示しないが、積層熱交換器３が４枚以上のプレート群で構成される場合も、冷媒回路プレート１と水回路プレート２とは、交互に積層される。
このとき、冷媒回路プレート１のプレート群を冷媒プレート群と定義し、水回路プレート２のプレート群を水プレート群と定義すると、冷媒プレート群の各プレートは、相似形であり、その相似形が重なるように積層されることが望ましい。同様に、水プレート群の各プレートも相似形であり、その相似形が重なるように積層されることが望ましい。
【００２３】
また、スケール析出の抑制を考慮した場合、冷媒プレート群と水プレート群との相対角度θは、３０°≦θ≦３３０°の範囲内に設定することが望ましい。
仮に、相対角度θの範囲の下限値を０°〜３０°とし、上限値を３３０°〜３６０°とすることも考えられるが、この場合の積層状態は、加熱された冷媒と水との熱交換方式に鑑みて、この発明の現象「水出口２３において中温Ｍの冷媒と熱交換すること」とは異なる。
【００２４】
なお、図１では、１枚のプレートごとに１つの流路（回路１１、回路２１）が形成されている場合を示したが、たとえば、図４の分解斜視図に示すように、１枚のプレートごとに２つの流路（回路１１、１１、回路２１、２１）が形成されている積層構造体の場合には、相対角度θを、６０°≦θ≦１２０°の範囲内に設定することが実質的に望ましい。
【００２５】
また、図５は６層構造の積層熱交換器３（ふた付き積層構造体）を示す斜視図であり、冷媒回路プレート１と水回路プレート２とが、それぞれ３層からなり、交互に積層された状態を示している。
図５において、複数のプレート１、２のうち、回路１１を形成する第１群は、流路がすべて同一になるように積層され、かつ回路２１を形成する第２群は、流路がすべて同一になるように積層されている。
【００２６】
また、積層熱交換器３の上端部には、配管付きふた３３が設けられ、積層熱交換器３の下端部には、ふた３４が設けられている。
配管付きふた３３は、冷媒入口１２および冷媒出口１３に連通する配管と、水入口２２および水出口２３に連通する配管とを備えている。
【００２７】
また、配管付きふた３３は、冷媒回路プレート１と同様に、外周突出部に支持孔１８を備えており、冷媒回路プレート１とともに、支持棒３２により一体的に支持される。
さらに、配管付きふた３３およびふた３４は、中心孔に貫通された軸３１により、回転自在に支持される。
【００２８】
図５に示すように、積層熱交換器３は、冷媒および水を通す配管を有する配管付きふた３３と、流体の流れをストップするふた３４とを備えている。
このように、冷媒出入口１２、１３と水出入口２２、２３に配管を設けることにより、ヒートポンプのような熱源および水道水の配管（いずれも図示せず）に容易に接続することができる。
また、軸３１および支持棒３２を介して、積層熱交換器３を給湯システム（図示せず）の内部に固定することができる。
【００２９】
さらに、図６は冷媒回路プレート１の他の構成例（ディンプル付きＨｏｔ冷媒側回路）を示す斜視図であり、回路１１の表面にディンプル加工を施して複数のディンプル４１、４２を形成した状態を示している。
図６のように、伝熱面として機能する回路１１の表面積を実質的に大きくすることにより、伝熱効率を改善することができる。
【００３０】
図６の場合、ディンプル４１は角型にディンプル加工され、ディンプル４２は丸型にディンプル加工されているが、任意の形状に加工することが可能である。ただし、回路１１を通過する流体（冷媒）に対する抵抗を考慮して、あまり抵抗が大きくならない形状に設計することが望ましい。
【００３１】
なお、図６のディンプル構造は、冷媒回路プレート１の回路１１に限らず、水回路プレート２の回路２１の表面にも構成され得る。
また、図６のディンプル構造は、後述する実施の形態２、３にも適用可能であり、同等の作用効果を奏することは言うまでもない。
さらに、ディンプル加工に限らず、エッチング加工により伝熱面の素材に凸凹を加工することも有効である。
【００３２】
以上のように、この発明の実施の形態１（図１〜図６）に係るプレート式熱交換器は、複数層の伝熱面を介して第１の流路（回路１１）と第２の流路（回路２１）とを交互に配置した複数のプレート（冷媒回路プレート１、水回路プレート２）からなる積層体を備え、複数層の伝熱面のそれぞれの周囲にシール構造が設けられ、積層体の最外側部に、回路１１に連通する冷媒通路孔（１１、１２）と回路２１に連通する媒体通路孔（２２、２３）とが設置されている。
【００３３】
また、複数のプレート１、２の各中心部を支持する円柱形状の軸３１をさらに備え、複数層の伝熱面は、回路１１、２１として、それぞれ円弧に沿った流路を形成し、円弧の中心部に軸３１を通すための１つの中心孔（中心孔１９、２９）が設けられている。
このように、ドーナツ円盤型のプレート式熱交換器において、各プレート１、２を支持するために１つの中心孔１９、２９を設けることにより、各プレート１、２の積層作業が簡便になるうえ、各プレート１、２を任意に回転させることができる効果がある。
また、伝熱面（回路１１、２１）が、円弧に沿った形状を有することにより、各プレート１、２が回転しても、冷媒および媒体（水）の各伝熱面が常に一致するという効果がある。
【００３４】
また、積層熱交換器３の複数のプレート１、２は、回路１１、２２を形成するために交互に積層され、かつ中心孔１９、２９の開口部分を回転中心として回転可能なので、回路１１、２１を個別に形成するためにそれぞれ独立に位置決めされ、冷媒と媒体とが伝熱面を介して接触する各プレート１、２を相対角度θだけずれた状態で積層することができる。
したがって、冷媒に対する媒体の最初の段階における接触温度を任意に決めることができるので、たとえば図２および図３のように、冷媒の伝熱面中において中心部分（中温Ｍ）から媒体を接触させることができる。
【００３５】
また、複数層の伝熱面において、回路１１を形成する伝熱面と回路２１を形成する伝熱面とが相似形を有しているので、回転中心に対してそれぞれが独立に回転して任意の位置にずれていても、各伝熱面は一致しており、面積に対する伝熱効率が最適化されるという効果がある。
【００３６】
また、回路１１、２１を形成する各伝熱面は、互いに積層されたときに両者の相似形が一致する積層状態を原点として、軸３１を回転中心として相対角度θだけ相対的にずれて形成されたときに、３０°≦θ≦３３０°の範囲内で回転固定され、プレート式熱交換器の水出口２３のお湯に対して中温Ｍの冷媒が接触するように構成したので、加熱におけるエネルギー効率は若干低下するものの、マイルドな熱の入力を行うことができ、炭酸カルシウムの付着を軽減することができるという効果がある。
【００３７】
仮に、θ≒０°のときに媒体を加熱するためには、対向流で入力した方が加熱の効率は高く、熱交換器の出口で十分に暖かいお湯を得るが、媒体が硬度の高い水道水である場合には、炭酸カルシウムが熱交換器出口で大量に付着するという課題が生じる。
しかし、上述のように、相対角度θを３０°≦θ≦３３０°の範囲内で回転固定して使用することにより、熱伝導が緩和されて、炭酸カルシウムが熱交換器出口での付着を回避することができる。
【００３８】
すなわち、従来は、冷媒温度が最も高い温度Ｈの状態で水道水と接触するように設計されていたのに対し、この発明の実施の形態１では、水道水の水出口２３の部位において、熱交換作用により冷媒温度の温度が低下した（中温Ｍなった）状態で、水出口２３の水と接触して熱交換する構造を有する。
【００３９】
ここで、最も高い温度Ｈの冷媒とは、熱源（ヒートポンプ）の出口から排出されて冷媒入口１２から積層熱交換器３に供給された直後の状態の冷媒である。また、中温Ｍの冷媒とは、最も高い温度Ｈの冷媒が冷たい水道水と熱交換を行い、温度が低下した状態の冷媒である。ただし、中温Ｍの冷媒は、熱交換器の冷媒出口１３から排出される、最も温度が低下した（低温Ｌになった）状態の冷媒の温度よりも、まだ幾分か高い温度の状態の冷媒である。
【００４０】
また、従来の熱交換器は、水道水の水入口２２では最も温度の低い（低温Ｌの）状態の冷媒と接触するように、水道水の水出口２３では最も温度の高い状態の冷媒と接触するように設計されていたのに対し、この発明では、上記回転位置決め構造により、従来の水道水と冷媒との接触方式と、上記スケール付着防止用の新接触方式とを自由に切り替えることができる。
これにより、従来方式の高効率の熱交換と上記新方式のスケール付着防止機能とを、必要に応じて両立させることができる。
【００４１】
ここで、相対角度θに関して具体的に言えば、複数のプレートにおいて、１枚のプレートに１つの流路（回路）が形成された積層熱交換器３において、相似形の回路１１、２１を形成する各伝熱面は、相対角度θが１２０°≦θ≦２４０°の範囲内で回転固定される。これにより、上述したように、炭酸カルシウムの付着を確実に軽減することができる。
【００４２】
また、複数のプレートにおいて、１枚のプレートに２つの流路（回路）が形成された積層熱交換器３（図４参照）において、相似形の回路１１、２１を形成する各伝熱面は、相対角度θが６０°≦θ≦１２０°の範囲内で回転固定される。これにより、上述したように、炭酸カルシウムの付着を確実に軽減することができる。
【００４３】
また、複数のプレートは、回路１１を形成する冷媒回路プレート１と、回路２１を形成する水回路プレート２とが交互に積層された積層熱交換器３（図５参照）において、複数のプレートのうち、回路１１を形成する第１群は、流路がすべて同一になるように積層され、かつ回路２１を形成する第２群は、流路がすべて同一になるように積層されている。
これにより、２種類のプレート１、２を２群に分け、それぞれの群体で整列させて操作することができ、各プレート１、２を相対角度θで一括に積層することができる。
【００４４】
さらに、図６のように、複数層の伝熱面（回路１１、２１）のそれぞれにディンプル加工を施し、ディンプル４１、４２を形成することにより、実質的な表面積が増大し、熱伝達効率が改善される効果がある。
【００４５】
実施の形態２．
なお、上記実施の形態１では、相対角度θの設定手段について具体的に言及しなかったが、たとえば、図７のように、水回路プレート２の外周部を歯車形状に構成して、水回路プレート２のみを駆動軸５３で回転位置決め可能に構成してもよい。
図７はこの発明の実施の形態２に係るプレート式熱交換器（回転機構付き熱交換器）を示す斜視図であり、前述（図５）と同様のものについては、前述と同一符号を付して詳述を省略する。
【００４６】
図７において、水回路プレート２の外周部には、歯車の歯２ａが形成されており、これにより、水回路プレート２自体が歯車を構成している。
水回路プレート２の歯２ａには、駆動軸５３の歯５３ａが噛み合っており、水回路プレート２は、駆動軸５３の回転に応じて回転位置決め可能に構成されている。
駆動軸５３は、水回路プレート２の歯２ａとともに、水回路プレート２の回転機構を構成している。
【００４７】
一方、冷媒回路プレート１は、前述と同様に、支持棒３２によって固定されているので回転できない。
駆動軸５３は、たとえばステッピングモータ（図示せず）の回転軸と接続されており、コントローラ（図示せず）の制御下で、回転方向および回転角度を自由に制御操作されるようになっている。これにより、水回路プレート２の回転方向および回転角度も制御操作される。
【００４８】
図８は図７内の水回路プレート２（歯車付き水回路プレート）を示す斜視図であり、図９は図７内の冷媒回路プレート１（シール材付き冷媒回路プレート）を示す斜視図である。ここでは、各プレート１、２は、それぞれ１つの回路１１、２１を形成する場合を示している。
【００４９】
図８および図９において、前述（図２、図３参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して詳述を省略する。
図９において、冷媒回路プレート１には、回転機構を有する水回路プレート２に対するシール構造を確保するために、冷媒および水が漏れないように、回路１１の最外側（伝熱面の外周部）にシール材５２が埋め込まれている。
また、各流通孔（冷媒入口１２、冷媒出口１３、水入口２２、水出口２３）の周りにはＯリング５１が取り付けられている。
【００５０】
図７に示す回転機構付きのプレート式熱交換器によれば、回転機構を用いて、冷媒回路プレート１と水回路プレート２との相対角度θを、１２０°または０°の任意角度に回転操作することができる。
これにより、前述のように、伝熱面の相対角度θが１２０°ずれたプレート式熱交換器（スケール付着を抑制するモード）と、相対角度θが０°に設定された従来構造（熱効率の高いモード）との両方のモードを、１つのプレート式熱交換器で切り替えて実現することができる。
【００５１】
また、上記モードの切り替えを可能にするために、図７においては、相対角度θ＝１２０°における水入口２２および水出口２３に加えて、相対角度θ＝０°における水入口２２０および水出口２３０が設けられている。水入口２２０および水出口２３０の配設位置は、水入口２２および水出口２３に対して相対角度θ（＝１２０°）だけずれている。
これにより、相対角度θを任意に切り替え変更しても、プレート式熱交換器から水および冷媒が漏れることなく、熱交換を行うことができる。
【００５２】
次に、図７に示したこの発明の実施の形態２による駆動軸５３を含む回転機構の実際の使用方法（動作）について説明する。
図７において、まず、プレート式熱交換器の使い始めの当初は、新方式モード（相対角度θ＝１２０°に固定）のまま使用することにより、スケール付着を抑制しながら熱交換し続ける。
【００５３】
しかしながら、完全にスケール付着を抑制することができない場合もあり、スケール膜厚が所定厚さ以上になった（熱交換能力が低下した）場合には、駆動軸５３（回転機構）を用いて、相対角度θ＝０°に修正する。
これにより、伝熱面にスケールが付着して熱交換能力が低下しているものの、水と冷媒との接触方式を従来の高効率モードに切り替えられるので、水の加熱を目標温度に十分に加熱することができる。
【００５４】
また、相対角度θ＝０°に切り替えた場合においても、スケールの付着が進行するが、たとえば、使用始めから従来モード（相対角度θ＝０°）で一定で使用してスケールが付着した場合と比較すれば、使用途中で新方式モード（相対角度θ＝１２０°）から従来モード（θ＝０°）に変化させた方が、スケール膜の析出速度が遅くなる。
したがって、この発明の実施の形態２のように、使用途中で相対角度θを０°に変化させた方が、スケール洗浄が必要となるまでの時間を延長させることができるという効果がある。
【００５５】
また、回転機構の別の使用方法として、駆動軸５３をセンサ（炭酸カルシウム溶液の濃度センサなど）に応動させることもできる。
前述のように、スケールが析出する原因は、水に含まれる炭酸カルシウム溶液の濃度に関係している。したがって、溶解した炭酸カルシウムの濃度を検知できるセンサ（図示せず）を水入口２２の上流側に設置することが望ましい。
【００５６】
この場合、ステッピングモータと連動する駆動軸５３（回転機構）は、センサ（炭酸カルシウム濃度計）において、水入口２２から積層熱交換器３に供給される水の炭酸カルシウム濃度が所定濃度（スケール付着が顕著な濃度）以上であることが検知された場合に、水回路プレート２を回転動作させて、スケール付着抑制モード（相対角度θ＝１２０°）にする。
【００５７】
一方、センサによる炭酸カルシウム濃度が所定濃度未満である場合には、高効率の熱交換を実現するために、従来モード（相対角度θ＝０°）に切り替える。
これにより、スケール付着を抑制して、スケール洗浄が必要となる時間を延長する効果を奏するとともに、熱効率の高い熱交換によりエネルギー効率を改善して、省エネ効果を奏することができる。
【００５８】
ここで、センサ（炭酸カルシウム濃度計）としては、カルシウムイオン濃度を測定可能なイオン電極を用いることができる。
また、炭酸カルシウム以外の不純物が少ない水道水であることが分かっていれば、単に導電率計であってもよい。
【００５９】
また、センサは、水入口２２の上流側に限らず、水出口２３の下流側に設置されてもよい。このように水出口２３の下流側に設置される場合、センサとしては、炭酸カルシウム濃度計などに代えて、濁度計を用いることもできる。
【００６０】
また、この場合、炭酸カルシウムを多く含んだ水である場合には、熱交換器で加熱すると水が白濁して濁るので、濁度計の検知信号に基づいて炭酸カルシウムが高濃度であることを判定してもよい。このとき、判定基準となる所定の炭酸カルシウム濃度としては、硬度に換算して、１００［ｍｇ／Ｌ］程度に設定するのが適切であり、一般的に「軟水」と呼ばれる濃度が望ましい。
【００６１】
また、駆動軸５３（回転機構）と協働するセンサの他の例として、水入口２２に温度計を取り付けてもよい。
この場合、センサ（温度計）の計測値が、たとえば５０℃以上に達した場合には、新方式モード（θ＝１２０°）として回転機構を動作させ、５０℃未満の場合には、従来モード（θ＝０°）で動作させる。
【００６２】
一般に、硬度の高い水は、温度が５０℃〜６０℃程度になると、急速に白濁して炭酸カルシウムを析出させてスケール付着が進行し、温度が５０℃未満では、炭酸カルシウムの析出はほとんどない。
したがって、水入口２２の水温が５０℃未満の場合には、高効率の熱交換を行うために従来モード（θ＝０°）に設定し、水入口２２において５０℃以上の水を加熱しようとする場合には、スケール付着を抑制するために新方式モード（θ＝１２０°）に設定する。
【００６３】
ここでは、水の温度の判定基準を、たとえば５０℃と定義したが、実際には、４５℃〜６０℃の範囲内の任意の温度に定義することができ、いずれの温度でも同等の作用効果を奏する。
この場合、駆動軸５３のコントローラ（図示せず）は、４５℃≦Ｔ≦６５℃の範囲内であらかじめ設定された所定温度Ｔを記憶しており、温度計による検出温度が０°〜Ｔの範囲内にある場合には、相対角度θがほぼ０°となるように、各プレート１、２（第１群および第２群）を回転固定し、検出温度がＴ〜９９°の範囲内にある場合には、相対角度θが３０°≦θ≦３３０°の範囲内となるように、各プレート１、２を回転固定する。
【００６４】
また、駆動軸５３のコントローラは、積層熱交換器３の内部を自動的に洗浄する洗浄手段（析出物剥離手段）を含み、回転機構をいわゆる「そうじロボット」機能として使用することもできる。
上述したように、回転機構により、水および冷媒の流通を止めたときに、相対角度θを０°から３６０°まで任意に変化させることができ、自由にスイングおよび回転することができる。
【００６５】
したがって、プレート式熱交換器として作用させた後に、たとえば給湯を停止した後、熱交換器の内部に炭酸カルシウムのスケールが付着したような場合には、水および冷媒の流通を止めて、回転機構により水回路プレート２を回転させることにより、熱交換器内部に残った水および冷媒を水回路プレート２の回転によって攪拌させることができる。
【００６６】
このとき、水用の回路２１の内部では、水が攪拌されることによって、伝熱面に付着したスケールをその攪拌水流によって剥離することができる。
また、プレートを回転させるのみでなく、スイングさせることによっても、複雑な攪拌水流を作ることができ、より効率的にスケールを剥離することができる。
この攪拌動作を実行した後は、水の中に懸濁されたスケールと水を熱交換器の外へ排出することで、プレート式熱交換器の内部を清掃することができる。
【００６７】
さらに、そうじロボット機能の他の例として、より強固に固着したスケールを剥離するための回転機構の使用方法について説明する。
この場合、析出物剥離手段は、駆動軸５３のコントローラのみならず、冷媒の温度を変化させるためのヒートポンプを含む。
【００６８】
まず、給湯用の熱交換動作を実行した後、たとえば給湯が終了した後に、水および冷媒を停止させる。このときの、相対角度θは０°にしておくことが望ましい。
続いて、ヒートポンプを用いて冷媒を冷却して、冷媒のみを循環させて、プレート式熱交換器の内部に残留した水が凍結するまで、冷媒で冷却する。
続いて、水が凍結して氷になった時点で、ヒートポンプを停止させ、冷媒の循環も止める。
【００６９】
次に、回転機構を用いて、水回路プレート２を１〜３回転させる。
このとき、プレート式熱交換器の内部においては、回路２１内の水が凍っているとともに、伝熱面に付着したスケールと氷とが一緒に氷ついた状態になっている。
この状態で、回転機構により水回路プレート２を回転させると、氷と伝熱面との間にずれが生じ、また、氷とスケールとが一緒に凍結されているので、結果として、氷とともにスケールが伝熱面から剥離される。
【００７０】
その後、ヒートポンプを動作させて冷媒を加熱し、冷媒の温度を、氷を溶かすのに十分な温度に設定して、冷媒を再度循環することにより、プレート式熱交換器の内部の水を溶かして液体にする。
続いて、氷が液体に戻った時点で、ヒートポンプおよび冷媒の循環を停止させて、スケールの懸濁した水を外部へ排出することにより、プレート式熱交換器の内部を清掃することができる。
【００７１】
このとき、水が凍結した状態か、または、氷が融解した状態かを判定するために、水用の回路２１の内部に温度センサ（熱電対）を挿入しておき、温度センサの検出温度が、たとえば０℃以下であれば凍結状態であり、５℃以上であれば融解状態であると判定することもできる。
【００７２】
なお、図７〜図９においては、水回路プレート２の外周部に歯２ａを設けたが、冷媒回路プレート１の外周部に歯（図示せず）を設けて、相対角度θを調整可能に構成してもよい。
また、プレート式熱交換器の動作時間を計測するタイマ（図示せず）を設け、動作時間が所定時間に達した時点で、凍結状態または融解状態を判定することもできる。
【００７３】
以上のように、この発明の実施の形態２（図７〜図９）によれば、冷媒回路プレート１からなる第１群と、水回路プレート２からなる第２群とは、軸３１を回転中心として任意の相対角度θで回転固定されるための回転機構（水回路プレート２の歯２ａ、駆動軸５３）を備えているので、軸３１（中心孔１９、２９）を回転中心として、それぞれのプレート群を制御操作することができる。
【００７４】
また、冷媒回路プレート１（第１群）と水回路プレート２（第２群）との間は、シール材５１を介した摺動構造によりシールされているので、各プレート１、２が相対的に回転しても、隙間から液体が漏れることがないという効果を奏する。
【００７５】
また、各プレート１、２（第１群および第２群）は、駆動軸５３（回転機構）により、相対角度θが０°≦θ＜３６０°の範囲内で任意に回転固定されるので、２種類のプレート１、２を２群に分けて、各群で整列させて操作することにより、相対角度θで一括に回転操作することができる。
【００７６】
また、プレート式熱交換器の動作パラメータを検出するセンサ、またはプレート式熱交換器の動作時間を計測するタイマを備え、各プレート１、２は、センサまたはタイマの出力信号に応じて、任意に相対角度θが設定されて回転固定されるので、相対角度θが常に一定とは限らず、外部のセンサ情報やタイマの支持にしたがって相対角度θを変化させることにより、スケール付着を抑制する効果と高熱効率を維持する効果との両方を奏することができる。
【００７７】
また、回転機構（駆動軸５３）と協働するセンサは、カルシウムイオン濃度を検出するカルシウムイオン濃度計を含み、回路１１、２１の上流または下流に設置されているので、水に含まれるカルシウム濃度の測定値からスケール発生を予測して、駆動軸５３を作動させることができる効果がある。
【００７８】
また、センサは、電導度を検出する電導度計を含み、回路１１、２１の上流または下流に設置されているので、水に含まれるカルシウム濃度をイオンとして測定して推定することにより、スケール発生を予測して、駆動軸５３を作動させることができる。
【００７９】
また、センサは、濁度を検出する濁度計を含み、回路１１、２１の上流または下流に設置されているので、プレート式熱交換器を通過後のお湯が白濁した場合に、カルシウム濃度が高いと判定して、駆動軸５３を作動させることができる。
【００８０】
また、センサは、温度を検出する温度計を含み、回路１１、２１の下流に設置されているので、水に含まれるカルシウム濃度が高いことが事前に分かっている場合に、プレート式熱交換器によりお湯の生成温度が高くなった時点で、駆動軸５３を作動させることができる。
【００８１】
また、回転機構（駆動軸５３のコントローラ）は、４５℃≦Ｔ≦６５℃の範囲内であらかじめ設定された所定温度Ｔを記憶しており、温度計による検出温度が０°〜Ｔの範囲内にある場合には、従来モード（相対角度θがほぼ０°）となるように各プレート１、２を回転固定し、検出温度がＴ〜９９°の範囲内にある場合には、新方式モード（相対角度θが３０°≦θ≦３３０°の範囲内）となるように各プレート１、２を回転固定するので、お湯の温度が低い場合には高効率の熱交換を行い、お湯の温度が高くなってきた時点でスケール付着を抑制することができる。
【００８２】
また、回路１１、２１の内部を洗浄するための洗浄手段（駆動軸５３のコントローラ）を備え、洗浄手段は、回転機構（駆動軸５３）を用いて、各プレート１、２を、軸３１を回転中心として相対角度θが０°〜３６０°の範囲内で連続的に変化するように、回転させるので、任意に回転可能な回転機構により自己洗浄機能を実現することができ、プレート式熱交換器の内部を、洗濯機のような攪拌流で清掃して、スケールを剥離することができる。
【００８３】
また、回路１１、２１の内部を洗浄するための洗浄手段（コントローラ）は、回転機構（駆動軸５３）を用いて、各プレート１、２を、軸３１を回転中心として相対角度θが連続的に変化するように、相対的にスイングさせるので、さらに強力な攪拌水流を形成することにより、スケール剥離を促進させることができる。
また、洗浄手段は、回転モードとスイングモードとを組み合わせてもよい。
【００８４】
また、回路２１の内部に付着した析出物（スケール）を剥離するための析出物剥離手段（駆動軸５３のコントローラ）を備え、析出物剥離手段は、各プレート１、２の相対角度θがほぼ０°になるように固定させる第１のステップと、冷媒側の回路１１に、水（媒体）および析出物が凍結する温度の冷媒を通して媒体および析出物を凍結させる第２のステップと、回転機構（駆動軸５３）を用いて、各プレート１、２を相対的に回転させて、凍結した媒体および析出物を回路２１内の伝熱面から剥離する第３のステップとを備え、一旦、水とスケールを一緒に凍結しておき、回転力によって、氷ごとスケールを伝熱面から剥離するようにしたので、伝熱面を確実に清掃することができる。
【００８５】
さらに、析出物剥離手段は、冷媒の温度を変化させるためのヒートポンプを含むので、ヒートポンプの冷熱を使用することにより、確実に水を氷にした後に、氷ごとスケールを伝熱面から剥離することができる。
【００８６】
実施の形態３．
なお、上記実施の形態２（図７〜図９）では、特に言及しなかったが、図１０のように、水回路プレート２の仕切り２７に検査窓５７を形成し、伝熱面の清浄状態を確認可能に構成してもよい。
図１０はこの発明の実施の形態３に係る水回路プレート２を示す斜視図であり、前述（図８参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して詳述を省略する。
【００８７】
図１０において、歯２ａを有する歯車付きの水回路プレート２の仕切り２７には、検査窓５７が取り付けられている。
すなわち、水回路プレート２の仕切り２７には、中心に貫通孔が開けられており、貫通孔内に透明なガラス板がはめ込まれて、検査窓５７が形成されている。
なお、ここでは図示を省略するが、水回路プレート２と同様に、冷媒回路プレート１の仕切り１７にも、ガラス窓がはめ込まれた検査窓が設置されている。
【００８８】
図１１は検査窓を有するプレート群を交互に積層した状態を示す斜視図であり、前述（図７参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して詳述を省略する。
図１１において、積層熱交換器３の上端部の配管付きふた３３にも、同様に、ガラス板がはめ込まれた検査窓５８が形成されている。なお、下端部のふた３４にも、同様の検査窓（図示せず）が形成されている。
【００８９】
この場合、水回路プレート２のみならず、冷媒回路プレート１の外周部にも歯１ａが設けられており、冷媒回路プレート１も歯車を構成している。
したがって、冷媒回路プレート１および水回路プレート２は、すべてが個別に回転操作可能に構成されている。
駆動軸５３は、コントローラ（図示せず）の制御下で破線矢印方向に移動自在であり、任意のプレートを回転させることができる。
【００９０】
図１１の積層構成において、たとえば、すべてのプレート群を、相対角度θ＝０°になるように積層すれば、すべての検査窓５８、５７が整列するようにする構成すればよい。
回転機構部となる駆動軸５３の歯５３ａは、１枚のプレートのみを回転操作できるように、各プレート１、２の厚さと同一の厚さを有する。
また、駆動軸５３は、回転中心軸に対してスラスト方向（破線矢印方向）に自由に移動できる機構を有しており、プレート群の中から任意の１枚のみを選択的に抽出して、回転操作することができる。
【００９１】
これにより、たとえば図１１においては、駆動軸５３は、冷媒回路プレート１のうちの最上部の１枚のプレートのみを回転できるようになっている。
このとき、最上部の冷媒回路プレート１が回転することにより、検査窓５８、５７などを通して、上下の両側から目視で各プレートの伝熱面の清浄性などを検査することができる。
【００９２】
すなわち、駆動軸５３のコントローラ（図示せず）は、複数のプレート１、２の内部を検査する検査手段を含み、検査手段は、複数のプレートに設けられた検査窓のそれぞれを一列に並べて貫通孔を形成させる第１のステップと、駆動軸５３（回転機構）を用いて、選択された１枚のプレートのみを独立に回転させる第２のステップと、貫通孔を通して、回転中のプレートの伝熱面を検査する第３のステップと、を備えている。
また、光源を用いて、下から光を照射することにより、各プレート１、２の伝熱面にピンホールなどが開口されていないかを検査することもできる。
【００９３】
以上のように、この発明の実施の形態３（図１０、図１１）によれば、複数層の伝熱面を有する複数のプレート１、２のそれぞれの外側に、軸３１の中心から放射上に描かれる線２６に沿った形状の検査窓５７が設置されているので、任意のプレートの伝熱面を目視検査することができる効果を奏する。
【００９４】
また、複数のプレートは、回路１１が形成される伝熱面を有する冷媒回路プレート１（第１群）と、回路２１が形成される伝熱面を有する水回路プレート２（第２群）とを含み、各プレート１、２は交互に積層されており、複数のプレートのうちから任意の１枚のプレートのみを選択して独立に回転させる回転機構（駆動軸５３）を備えているので、検査窓５７から伝熱面を目視で検査することができる。
【００９５】
また、複数のプレートの内部を検査する検査手段（コントローラ）を備え、検査手段は、複数のプレートに設けられた検査窓のそれぞれを一列に並べて貫通孔を形成させる第１のステップと、回転機構を用いて、選択されたプレートのみを独立に回転させる第２のステップと、貫通孔を通して、回転中のプレートの伝熱面を検査する第３のステップと、を備えているので、検査窓から伝熱面を目視で検査することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】この発明の実施の形態１に係る第１のプレート式熱交換器を示す分解斜視図である。
【図２】図１内の冷媒回路プレートを示す斜視図である。
【図３】図１内の水回路プレートを示す斜視図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係る第２のプレート式熱交換器を示す分解斜視図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係る第３のプレート式熱交換器を示す斜視図である。
【図６】この発明の実施の形態１に係る第４のプレート式熱交換器の冷媒回路プレートを示す斜視図である。
【図７】この発明の実施の形態２に係る第１のプレート式熱交換器を示す斜視図である。
【図８】図７内の水回路プレートを示す斜視図である。
【図９】図７内の冷媒回路プレートを示す斜視図である。
【図１０】この発明の実施の形態３に係るプレート式熱交換器の水回路プレートを示す斜視図である。
【図１１】この発明の実施の形態３に係るプレート式熱交換器を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００９７】
１  冷媒回路プレート、１ａ、２ａ、５３ａ  歯、２  水回路プレート、３  積層熱交換器（プレート式熱交換器）、１１  回路（第１の流路）、１２  冷媒入口（冷媒通路孔）、１３  冷媒出口（冷媒通路孔）、１８  支持孔、１９、２９  中心孔、２１  回路（第２の流路）、２２、２２０  水入口（媒体通路孔）、２３、２３０  水出口（媒体通路孔）、１７、２７  仕切り、３１  軸、３２  支持棒、３３  配管付きふた、３４  ふた、４１、４２  ディンプル、５１  Ｏリング、５２  シール材、５３  駆動軸、５７、５８  検査窓、θ  相対角度。
【図１】
2010071553.tif 000003
【図２】
2010071553.tif 000004
【図３】
2010071553.tif 000005
【図４】
2010071553.tif 000006
【図５】
2010071553.tif 000007
【図６】
2010071553.tif 000008
【図７】
2010071553.tif 000009
【図８】
2010071553.tif 000010
【図９】
2010071553.tif 000011
【図１０】
2010071553.tif 000012
【図１１】
2010071553.tif 000013