(57)【要約】  【課題】熱交換器性能を低下させることなく、スケールつまりを抑制し、熱交換器の長期信頼性を高める熱交換器を提供する。  【解決手段】内管２の内部を水が流動し、内管２と外管４との間の環状部４ａを二酸化炭素が対向して流れ、安全な二重壁を備え十分な接触面積を確保して高い熱交換効率を得る。さらに、内管２の壁面２ａにスケールが付着しても、水温が上昇し形状記憶合金製の螺旋線材８が変形温度以上となることで、バイアスコイル９の応力に勝り、螺旋線材８が摺動して壁面２ａに付着したスケールに擦れて、壁面２ａに堆積したスケールを剥離させ、簡素な構造で自動的に一定量以下にスケール付着を抑制し、内管２の閉塞を防止でき、熱交換器１Ｘの長期信頼性を高めることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
管状体または筐体の内部に第一の流体と第二の流体とが互いに熱交換可能に流動する第一の流路および第二の流路を有し、前記第一の流体と接触して熱交換する前記第一の流路の壁面の近傍を前記壁面に略平行に可動する可動手段を挿入したことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記可動手段が前記第一の流路の流れ方向に部分的に配置されたことを特徴とした請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記可動手段は、熱交換された前記第一の流体の高温側に挿入されたことを特徴とした請求項１または２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記第１の流路を内管とし、前記内管の外周を覆って前記内管に密着する中管と、前記中管の外周を覆うように設置し、前記中管との間に、前記第２の流路として環状部を有し、前記環状部内を第二の流体が第一の流体と対向して流動する外管とからなる多重管で構成されたことを特徴とした請求項１から３のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記可動手段は、全体あるいは部分的に伸縮性を有する螺旋状の線材で形成されたことを特徴とした請求項１から４のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記第一の流体の温度検知手段を備え、前記温度検知手段の検知に基づいて、自動または手動にて前記可動手段を動作させる請求項１から５のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記可動手段を形状記憶合金、あるいは形状記憶樹脂で形成したことを特徴とする請求項６に記載の熱交換器。
【請求項８】
第一の流体は水、第二の流体は二酸化炭素である請求項１から７のいずれか一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、ヒートポンプ式の給湯機や家庭用、業務用の空気調和機などにおいて、水と冷媒との熱交換を行う熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の熱交換器としては、使用していくと次第に水中のカルシウム、マグネシウム等の硬度成分がスケール（例えば炭酸カルシウム）として水側流路に析出、付着、堆積していく。スケールが熱交換する壁面に堆積すると、熱抵抗となって熱交換性能を低下させたり、流路抵抗を増加させて水を流すための加圧ポンプの水の流量を減少させたり、水側流路を閉塞して製品として機能しなくなってしまうという課題がある。水が高温になると、特に炭酸カルシウムの析出が極端に増加するので、熱交換器の高温側はスケールが堆積し易い。そのため、スケールが付き易い高温の下流側の水側流路の断面積を大きくしたもの（例えば、特許文献１参照）がある。
【０００３】
また、パイプ内のスケールの付着防止として、スケール除去手段を備えたもの（例えば、特許文献２参照）がある。
【０００４】
特許文献２には、パイプ内のスケール付着防止手段を備えた液体加熱装置に関して記載されている。スケール付着防止方法として、形状記憶コイルとバイアスばねを組み合わせた可動手段によりパイプ内の温度変化に合わせて可動手段が摺動し、スケールを除去することが開示されている。しかし、水と冷媒が熱交換する熱交換器とは、基本構成とが異なり、水を加熱する熱源について限定された構成の説明はなされていなかった。
【０００５】
また、図８は、特許文献１に記載された従来の熱交換器の部分断面図である。熱交換器１００は、水管１０１と、冷媒管１０２と、冷媒連結管１０３、水連結管１０４とから構成され、水管１０１は、下流側に上流側より大きな直径の管を用いている。
【０００６】
以上のように構成された上記の熱交換器１００について、以下その動作を説明する。
【０００７】
通常、水管１０１と冷媒管１０２は、熱の授受を行い、高温の冷媒からの熱で低温の水を加温する。水管１０１内にスケールが析出しても下流側は流路が大きいため、円滑に流れていく。また、付着してもつまるまでに時間がかかり、熱交換器の寿命を延命できた。
【特許文献１】特開２００４−１４４４４５号公報
【特許文献２】特開平８−１８５９６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記従来の特許文献１に記載の熱交換器１００の構成では、水側流路を大きくすると、水の流速が低下するので、熱交換性能が低下するという課題を有していた。
【０００９】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、熱交換器性能を低下させることなく、スケールつまりを抑制し、熱交換器の長期信頼性を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、管状体または筐体の内部に第一の流体と第二の流体とが互いに熱交換可能に流動する第一の流路および第二の流路を有し、前記第一の流体と接触して熱交換する前記第一の流路の壁面の近傍を前記壁面に略平行に可動する可動手段を挿入したものである。
【００１１】
これによって、第一の流体を水とした場合、第一の流路内を可動手段が略平行に可動することで第一の流路の壁面に付着したスケールを可動手段の摺動にて剥がし取り、第一の流路の壁面へのスケールの付着を防止する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の熱交換器は、スケールつまりによる熱交換器性能の低下、水流路の閉塞を抑制し、熱交換器の長期信頼性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
請求項１に記載の発明は、管状体または筐体の内部に第一の流体と第二の流体とが互いに熱交換可能に流動する第一の流路および第二の流路を有し、前記第一の流体と接触して熱交換する前記第一の流路の壁面の近傍を前記壁面に略平行に可動する可動手段を挿入したものである。
【００１４】
これによって、第一の流体を水とした場合、第一の流路内を可動手段が略平行に可動することで第一の流路の壁面に付着したスケールを可動手段の摺動にて剥がし取り、第一の流路の壁面へのスケールの付着を防止し、スケールつまりによる熱交換器性能の低下、水流路の閉塞を抑制し、熱交換器の長期信頼性を高めることができる。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記可動手段が前記第一の流路の流れ方向に部分的に配置されたことを特徴としたものである。
【００１６】
これによって、前記可動手段が第一の流路の全長の部分的に設置された場合に、前記可動手段を任意に設定した可動距離で前記第一の流路の壁面に略平行に可動させ、前記壁面に付着したスケールを可動手段の摺動にて剥がし取り、第一の流路の壁面へのスケールの付着を防止すると共に、第一の流体の流動抵抗の上昇を低く抑えることができる。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記第一の流路の壁面の近傍を前記壁面に略平行に可動する可動手段が熱交換された前記第一の流体の高温側に挿入されたことを特徴としたものである。
【００１８】
これによって、スケールが付着し易い熱交換器本体の高温側に可動手段を備えることで、少ない部材で第一の流体の流路の閉塞を防止でき、部材挿入による第一の流体の流動抵抗増加を極力抑制しながら、また、より安価に熱交換器の長期信頼性を高めることができる。
【００１９】
請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明において、前記第１の流路を内管とし、前記内管の外周を覆って前記内管に密着する中管と、前記中管の外周を覆うように設置し、前記中管との間に、前記第２の流路として環状部を有し、前記環状部内を第二の流体が第一の流体と対向して流動する外管とからなる多重管で構成されたことを特徴としたものである。
【００２０】
これによって、第一の流体と第二の流体の間に安全性を確保する二重壁を備えた非常に簡易な構成で第一の流路と第二の流路の間で十分な接触面積を確保して高い熱交換効率を得ると共に、第一の流体として水が流動し、環状部を第二の流体として二酸化炭素等の冷媒が流動し水と熱交換して水が高温部となり、水（特に水道水）に含まれるカルシウムが析出し、第一の流路の流出部の内管の管壁に付着しても水の流動を封止させず、熱交換機能を停止することを抑制することができる。
【００２１】
請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか一項に記載の発明において、前記可動手段が、全体あるいは部分的に伸縮性を有する螺旋状の線材で形成されたことを特徴としたものである。
【００２２】
これによって、可動手段の一部に可動力を加えることで、第一の流路内を螺旋状の線材の可動手段が全体あるいは部分的に略平行に伸縮することで第一の流路の壁面に付着したスケールを可動手段の摺動にて剥がし取り、第一の流路の壁面へのスケールの付着を防止することができる。
【００２３】
請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれか一項に記載の発明において、前記第一の流体の温度検知手段を備え、前記温度検知手段の検知に基づいて、自動または手動にて前記可動手段を動作させるものである。
【００２４】
これによって、第一の流体が水の場合、スケールが付着しやすく付着量が多くなる水温の上昇を検知してスケールの除去を行い、一定量以下にスケール付着を抑制し、熱交換器の長期信頼性を高めることができる。
【００２５】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、前記可動手段を形状記憶合金、あるいは形状記憶樹脂で形成したものである。
【００２６】
これによって、温度検知手段と可動手段を一体とすることができ、簡素な構造で自動的に一定量以下にスケール付着を抑制し、熱交換器の長期信頼性を高めることができる。
【００２７】
請求項８に記載の発明は、請求項１から７のいずれか一項に記載の発明において、第一の流体は水、第二の流体は二酸化炭素としたものである。
【００２８】
これによって、特にヒートポンプ式給湯機に用いると、製品として高い熱交換効率を得ることができる。
【００２９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００３０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における熱交換器の管軸方向の一部破断断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線断面図である。図３は、同実施の形態における熱交換器のスケール付着状態を示す状態図、図４は、同実施の形態における熱交換器のスケール除去作用を示す状態図、図５は同実施の形態における他の熱交換器の管軸方向の一部破断断面図である。
【００３１】
図１、図２において、熱交換器本体１Ｘは、内部に水が流動する内管２と、内管２の外周を覆って内管２に部分的に密着する中管３と、中管３の外周を覆って局部的に密着し、中管３との間に二酸化炭素が内管２内を流動する水と対向して流動する環状部４ａを形成する外管４とから構成された三重管１である。中管３は、内壁に内管２に部分的に密着する溝５を有する。外管４は、内壁に中管３に密着するリブ６を有する。三重管１の管端には分岐管７を取付ける。分岐管７内部に外管４の管端を設け、内管２と中管３は貫通させることで、水と二酸化炭素の出入口を分ける。分岐管７を貫通させた中管３の管端は、内管２よりも短くして、溝５を大気に連通させている。内管２、中管３、外管４は耐食性、熱伝導性の良い銅製である。
【００３２】
内管２の内部には形状記憶合金製で螺旋状に形成された螺旋線材８と、螺旋線材８の一端に対向し相互に応力関係をもつバイアスコイル９がある。ここで、形状記憶合金は塑性変形させた合金をある変形温度以上にすると変形以前の形状に戻る性質を持つ耐熱性、耐食性に優れたＴｉ−Ｎｉ合金である。
【００３３】
以上のように構成された熱交換器１Ｘについて、以下その動作、作用を説明する。
【００３４】
まず、内管２の内部を水が流動し、中管３と外管４との間の環状部４ａを二酸化炭素が対向して流れ、内管２と中管３の間の二重壁を介して水と二酸化炭素が熱交換する。
【００３５】
ここで、環状部４ａにより二酸化炭素の流体直径を小さくし内管２と中管３の間の二重壁とすることで、水と二酸化炭素との間の熱抵抗も低く、十分な接触面積を確保して高い熱交換効率を得ることができる。また、水と二酸化炭素との間に溝５を持つ二重壁構造とすることで、一方の管が腐食した場合、大気と連通する中管３の溝５で内部流体の漏洩を検知できる構造となっており、水と二酸化炭素の間に安全性を確保することができる。
【００３６】
さらに、図３、図４で示すように環状部４ａの二酸化炭素と熱交換され水の温度が上昇し、水（特に水道水）に含まれるカルシウムが析出し内管２の壁面２ａにスケールが付着しても、水温が上昇し形状記憶合金製の螺旋線材８が変形温度以上となることで、バイアスコイル９の応力に勝り、螺旋線材８が摺動して壁面２ａに付着したスケールに擦れて、壁面２ａに堆積したスケールを剥離させ、温度検知センサーと摺動するアクチュエータを一体とすることができ、簡素な構造で自動的に一定量以下にスケール付着を抑制し、内管２の閉塞を防止でき、熱交換器１Ｘの長期信頼性を高めることができる。
【００３７】
また、第一の流体を水、第二の流体を二酸化炭素として、熱交換器１Ｘをヒートポンプ式給湯機用水冷媒熱交換器として使用することで、高いヒートポンプ効率を得ることができる。
【００３８】
また、図５で示すように、内管２の内部には管軸方向に二方向性をもつ形状記憶合金製で螺旋状に形成された螺旋線材１０を設けることにより、内管２の壁面２ａにスケールが付着しても、水温が上昇し形状記憶合金製の螺旋線材１０が高温側の変形温度以上となることで管軸方向に縮み、螺旋線材１０が摺動して壁面２ａに付着したスケールに擦れて、壁面２ａに堆積したスケールを剥離させることができ、水と二酸化炭素の流動が各々停止し、熱交換されなくなり水の水温が低下すると低温側の変形温度以下になり、管軸方向に延びることができ、バイアスコイル９を無くした最も簡素構造で温度検知センサーと摺動するアクチュエータが実現でき、自動的に一定量以下にスケール付着を抑制し、熱交換器の長期信頼性を高めることができる。
【００３９】
尚、本発明の実施の形態では、熱交換器１Ｘ全体を直線状としたが、湾曲及びコイルの形態でも同様な効果を得られる。また、内管２、中管３、外管４は一体に形成して構成したものでもよい。さらに、また、熱交換器１Ｘの本体を構成する管状体は三重管１としたが、これに限らず、内部に第一の流体と第二の流体とが互いに熱交換可能に流動する第一の流路および第二の流路を有し、剛的に一体または密着しているものであればよく、たとえば単に丸管を水管、冷媒管として重ね合せたもの（図示せず）等種々の形態でも、同様の効果を得られる。また、熱交換器１Ｘの本体を構成するのは、筺体でもよく、たとえば、第一の流体としての水側流路を箱状の筺体とし、筺体の外側壁面または内側壁面に第二の流体として冷媒通路となる管、多孔体を密着または一体に形成して構成したもの（図示せず）でもよい。
【００４０】
尚、本発明の実施の形態では、内管２、中管３、外管４の材料は、通常は銅製だが、真ちゅう、ＳＵＳ、耐食性を持った鉄、アルミ合金等でも同様な効果を得られる。
【００４１】
尚、本発明の実施の形態では、環状部４ａを流通する冷媒を二酸化炭素としたが、Ｒ４１０Ａ等の高圧で作動する冷媒でも同様な効果を得られる。
【００４２】
尚、本発明の実施の形態では、形状記憶合金製の螺旋線材をＴｉ−Ｎｉ合金としたがＣｕ−Ｚｎ、Ｉｎ−Ｔｉなどの合金でも、また、形状記憶樹脂でも、同様の効果を奏する。
【００４３】
尚、手動スイッチを用いることなど、手動にて可動手段を動作させることで、任意のタイミングでスケールを除去することができ、突発的にスケールが急成長した場合など、速やかに対応することができ、熱交換器の長期信頼性を高めることができる。
【００４４】
（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２における熱交換器の管軸方向の一部破断断面図である。
【００４５】
内管２の内部には形状記憶合金製で螺旋状に形成された螺旋線材１１と、螺旋線材１１の一端に対向し相互に応力関係をもつバイアスコイル１２が管軸方向に部分的に配置されている。
【００４６】
以上のように構成された熱交換器について、以下その動作を説明する。
【００４７】
内管２の壁面２ａにスケールが付着しても、温度検知センサーと摺動するアクチュエータを一体とした形状記憶合金製の螺旋線材１１が変形温度以上となることで、バイアスコイル１２の応力に勝り、螺旋線材１１が摺動して壁面２ａに付着したスケールに擦れて、壁面２ａに堆積したスケールを剥離させ、内管２の閉塞を防止でき、熱交換器１Ｘの長期信頼性を高めることができ、さらに螺旋線材１１が内管２内にあることによる水の流動抵抗の上昇を低く抑えることができる。
【００４８】
（実施の形態３）
図７は、本発明の実施の形態３における熱交換器の管軸方向の一部破断断面図である。
【００４９】
環状部４ａの二酸化炭素と対向して流動し内管２の水が高温となる流出側２ｂの内部に形状記憶合金製で螺旋状に形成された螺旋線材１３と、螺旋線材１３の一端に対向し相互に応力関係をもつバイアスコイル１４が配置されている。
【００５０】
以上のように構成された熱交換器について、以下その動作を説明する。
【００５１】
環状部４ａを二酸化炭素と対向して流動し高温となる内管２の流出側２ｂと熱交換して水が高温部となり、水に含まれるカルシウムが析出しスケールが付着し易い流出部２ｂの内壁面２ａに付着しても螺旋線材１３が摺動して付着したスケールに擦れて、堆積したスケールを剥離させ、内管２の閉塞を防止でき，流出側２ｂのみに設置された螺旋線材１３で内管２の閉塞を防止でき、部材挿入に水の流動抵抗増加を極力抑制しながら、また、より安価に熱交換器の長期信頼性を高めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
以上のように、本発明にかかる熱交換器は、非常に簡易な構造で同時に高い熱交換効率を実現できると共に、水が流動する流出側の内管の管壁にカルシウムが析出し付着しても、簡素な構造で自動的に一定量以下にスケール付着を抑制し、流路の閉塞を防止でき、熱交換器の長期信頼性を高めることが可能となるので、ヒートポンプ給湯器や家庭用、業務用の空気調和機、燃料電池等の用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の実施の形態１における熱交換器の管軸方向の一部破断断面図
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図
【図３】同実施の形態における熱交換器のスケール付着状態を示す状態図
【図４】同実施の形態における熱交換器のスケール除去作用を示す状態図
【図５】同実施の形態における他の熱交換器の管軸方向の一部破断断面図
【図６】本発明の実施の形態２における熱交換器の管軸方向の一部破断断面図
【図７】本発明の実施の形態３における熱交換器の管軸方向の一部破断断面図
【図８】従来の熱交換器の一部破断断面図
【符号の説明】
【００５４】
１Ｘ  熱交換器本体
１    三重管
２    内管
２ａ  壁面
２ｂ  流出側
３    中管
４ａ  環状部
８、１０、１１、１３  螺旋線材
９、１２、１４  バイアスコイル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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