(57)【要約】【課題】内部流体の状態や温度が変化しても、耐久性に優れた熱交換器１を提供すること。【解決手段】第１流体が内方を流通する内管２と、前記内管２の外周に設けられ、第２流体が流通する外管４と、を備え、前記内管２の内部には中空部１０を有する挿入体３が挿入されており、前記中空部１０の内部が水密構造なるように、前記中空部１０には、複数の栓１２と、前記複数の栓１２に当接するバネ１１とが設けられていることで、内部流体の状態や温度が変化しても、耐久性に優れた熱交換器１を提供できる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１流体が内方を流通する内管と、
前記内管の外周に設けられ、第２流体が流通する外管と、を備え、
前記内管の内部には中空部を有する挿入体が挿入されており、
前記中空部の内部が水密構造なるように、
前記中空部には、複数の栓と、前記複数の栓に当接するバネとが設けられていることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記挿入体の断面積、前記中空部の断面積、前記バネの外径は、前記第１流体の流れの上流側より下流側の方が小さく形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記バネのバネ定数は、前記第１流体の流れの下流側より上流側の方が大きく形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記中空部において、断面積の小さい側の部位に配置されている前記栓が、断面積の小さい側の部位から断面積の大きい側の部位に移動しないように、前記断面積の小さい側の部位に、前記栓の移動を停止させる突起を設けたことを特徴とする請求項２または３に記載の熱交換器。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換器を備えたことを特徴とする温水生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の流体間で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、この種の熱交換器は、水通路を構成する内管と、内管の外周に螺旋状に巻き付けられて冷媒通路を構成する外管とからなり、前記水通路を流れる水を、前記冷媒通路を流れる冷媒により加熱されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図４は、特許文献１に記載された従来の熱交換器を示すものである。図４に示すように、熱交換器１０１は、内管１０２と、内管１０２の外周に所定のピッチで螺旋状に巻き付けた外管１０３とから成っている。内管１０２の内部を流れる水の流れの方向と外管１０３の内部を流れる冷媒の流れの方向が対向して熱交換するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−９７８９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来における構成では、冬期の低外気温時、熱交換器の内管内の水が凍結膨張した場合、膨張した水の逃げ場がない構成であるため、内管内の水圧が著しく上昇し熱交換器が破壊してしまう可能性があるという課題を有していた。
【０００６】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、内部流体の状態や温度が変化しても、耐久性に優れた熱交換器を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、第１流体が内方を流通する内管と、前記内管の外周に設けられ、第２流体が流通する外管と、を備え、前記内管の内部には中空部を有する挿入体が挿入されており、前記中空部の内部が水密構造なるように、前記中空部には、複数の栓と、前記複数の栓に当接するバネとが設けられていることを特徴とするものである。
【０００８】
これによって、外気温の変化にともなう水の体積の変動をバネの伸縮で吸収でき、水が凍結に至っても、内管内の圧力上昇を抑制できるため、信頼性の高い熱交換器を提供できる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、内部流体の状態や温度が変化しても、耐久性に優れた熱交換器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１における熱交換器の断面図
【図２】同熱交換器に挿入された挿入体とその周辺の断面図
【図３】同熱交換器に挿入された他の挿入体とその周辺の断面図
【図４】従来の熱交換器の概略図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
第１の発明は、第１流体が内方を流通する内管と、前記内管の外周に設けられ、第２流体が流通する外管と、を備え、前記内管の内部には中空部を有する挿入体が挿入されており、前記中空部の内部が水密構造なるように、前記中空部には、複数の栓と、前記複数の栓に当接するバネとが設けられていることを特徴とする熱交換器である。
【００１２】
これによって、外気温の変化にともなう水の体積の変動をバネの伸縮で吸収でき、水が凍結に至っても、内管内の圧力上昇を抑制できるため、信頼性の高い熱交換器を提供できる。
【００１３】
第２の発明は、特に、第１の発明において、前記挿入体の断面積、前記中空部の断面積、前記バネの外径は、前記第１流体の流れの上流側より下流側の方が小さく形成されていることを特徴とするものである。
【００１４】
挿入体の断面積、中空部の断面積が、第１流体の流れの上流側より下流側の方が小さく形成されていることで、内管内に溜まったスケールによる流路の不通を防止しつつ、温水を効率的に生成できる。
【００１５】
さらに、バネの外径も、第１流体の流れの上流側より下流側の方が小さく形成されていることで、中空部に設けられている栓が、第１流体の凍結後の凍結膨張により移動する際に、中空部の断面積の大きい側に設けられているバネの蛇行を抑制でき、スムースな栓の移動を実現できる。
【００１６】
第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、前記バネのバネ定数は、前記第１流体の流れの下流側より上流側の方が大きく形成されていることを特徴とするものである。
【００１７】
これによって、中空部の断面積の大きい側に設けられているバネのバネ定数が大きくなるため、バネの反力も大きくなり、凍結前における栓の移動量を最小限に抑えることができ、その結果、第１流体の凍結前の中空部の空気容積を大きく保つことができるため、第１流体の凍結時の熱交換器の水圧上昇を抑制することができる。
【００１８】
第４の発明は、特に、第２または３の発明において、前記中空部において、断面積の小さい側の部位に配置されている前記栓が、断面積の小さい側の部位から断面積の大きい側の部位に移動しないように、前記断面積の小さい側の部位に、前記栓の移動を停止させる突起を設けたことを特徴とするものである。
【００１９】
これによって、中空部の断面積の小さい側に設けられている栓は、突起の位置までしか移動できないので、第１流体の凍結時においても、中空部の内部が水密構造を維持できる。
【００２０】
第５の発明は、特に、第１〜４のいずれかの発明の熱交換器を備えたことを特徴とする温水生成装置である。
【００２１】
これによって、耐久性の高い熱交換器を用いた温水生成装置を提供できる。
【００２２】
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。
【００２３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における熱交換器の一部の断面を示すものである。
【００２４】
図１において、熱交換器１は、第１流体（例えば、水）が内部に流れる銅製の内管２と、この内管２の外表面に密着するように螺旋状に巻き付けられ、冷媒である第２流体（例えば、二酸化炭素）が内部に流れる銅製の外管４と、内管２の内方に配置されている挿入体３と、を備えている。
【００２５】
挿入体３は、軸部５と、その軸部５の外表面に設けられている螺旋状の突部６と、から形成されている。そして、挿入体３を内管２に挿入し配置した際に、内管２の内表面と突部６の先端部とが接するようになっている。これにより、内管２の内表面と、螺旋状の突部６で区画された空間が、第１流体の流路７となる。
【００２６】
さらに、挿入体３は、内部に中空構造に形成された中空部１０を有している。そして中空部１０の両端には、水密なる一対の第１の栓１２ａ、第２の栓１２ｂを設けることで、中空部１０内の気体（例えば、空気）を封じ込め、中空部１０が水密構造となるようにしている。
【００２７】
また、挿入体３の軸部５の断面積および中空部１０の断面積は、第１流体の流路７の上流側より下流側の方が小さく形成されている。
【００２８】
すなわち、軸部５の軸径は、二つの軸径で形成された構造で、一端が大口径で他端が小口径なる異径構造である。このため、中空部１０も軸部５と同様に、一端が大口径で他端が小口径なる異径構造である。
【００２９】
図２に示すように、軸部５の大口径側の内方に位置する中空部１０の大口径側の部位１０ａは、第１流体の流路７の上流側に配置されており、軸部５の小口径側の内方に位置する中空部１０の小口径側の部位１０ｂは、第１流体の流路７の下流側に配置されている。
【００３０】
これにより、第１流体（例えば、水）の下流側の流路７の断面積を大きくできるので、第１流体が水の場合、水を加熱したときに生じるスケールに対する耐久性を向上できる。
【００３１】
さらに、中空部１０には、第１の栓１２ａと、第２の栓１２ｂにそれぞれ当接する第１のバネ１１ａと、第２のバネ１１ｂが配置されている。第１の栓１２ａに当接している第１のバネ１１ａの外径およびバネ定数は、第２の栓１２ｂに当接している第２のバネ１１ｂより、大きく形成されている。
【００３２】
すなわち、挿入体３の中空部１０において、中空部１０の大口径側の部位１０ａに設けられている第１の栓１２ａ、中空部１０の小口径側の部位１０ｂに設けられている第２の栓１２ｂの間に、第１のバネ１１ａと第２のバネ１１ｂが配置されている。
【００３３】
そして、中空部１０の大口径側の部位１０ａに配置された第１のバネ１１ａの外径は、中空部１０の小口径側の部位１０ｂに配置された第２のバネ１１ｂの外径より大きく、かつ、第１のバネ１１ａのバネ定数は、第２のバネ１１ｂのバネ定数よりも大きい。
【００３４】
これにより、バネ定数の大きい第１のバネ１１ａの反力も大きくなり、凍結前における栓の移動量を最小限に抑えることができ、その結果、第１流体の凍結前の中空部の空気容積を大きく保つことができるため、第１流体の凍結時の熱交換器の水圧上昇を抑制することができる。
【００３５】
さらに、第１流体が凍結後においても、凍結膨張により第１の栓１２ａが移動する際に、外径の大きい第１のバネ１１ａの蛇行を抑制でき、スムースな栓の移動を実現し、
また、中空部１０において、小口径側の部位１０ｂに配置されている栓が、小口径側の部位１０ｂから大口径側の部位１０ａに移動しないように、小口径側の部位１０ｂに、栓の移動を停止させる突起１３を設けている。
【００３６】
すなわち、図３に示すように、中空部１０の大口径側の部位１０ａと小口径側の部位１０ｂとの境目で、中空部１０の小口径側の部位１０ｂの内壁から突出する突起１３を設けている。
【００３７】
この突起１３により、小口径にある外径が小さい第２のバネ１１ｂと第２の栓１２ｂは、中空部１０の大口径側の部位１０ａまで移動して、中空部１０の水密構造が崩れるような不具合を防止でき、熱交換器１の凍結破壊防止の信頼性が向上する。
【００３８】
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。
【００３９】
本実施の熱交換器１において、第１流体と第２流体は、図２に示すような流入方向で、内管２と挿入体３の間に形成された流路７を流れる第１流体（例えば、水）は、内管２に巻かれた外管４の内部を流れる第２流体（例えば、二酸化炭素）と対向して流れることにより加熱され、お湯を生成する。
【００４０】
冬期の低外気温時において、第１流体が凍結し始めると、内管２内の水圧が上昇する。これに伴い、第１の栓１２ａ、第２の栓１２ｂは挿入体の中心方向へ互いに近づくように移動して、中空部１０内の空気が栓の移動で圧縮されており、栓の移動と中空部の容積が圧縮される体積により、第１流体の凍結膨張分を吸収して、熱交換器１の破壊を防止できる。
【００４１】
なお、第１流体の凍結膨張分を完全に吸収するため、中空部１０の容積を大きく設定した方が良い。
【００４２】
また、外気温の上昇に伴い、第１流体が解凍するとき、第１流体の凍結膨張により移動した第１の栓１２ａと第２の栓１２ｂは、第１のバネ１１ａと第２の１１ｂの力と、中空部１０内に圧縮された空気の反力で凍結前の位置へ互いに遠ざかるように移動できる。
【００４３】
以上のように、外気温の変化による、水の体積変化を挿入体による吸収することで、熱交換器の信頼性が向上できた。
【００４４】
なお、本実施の形態１の熱交換器１は、第１流体を水とし、その水を加熱して加熱した水を給湯や温水暖房等に利用できる温水生成装置に搭載できる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
以上のように、本発明にかかる熱交換器は、内部流体の状態や温度が変化しても、耐久性に優れているので、ヒートポンプ給湯機やヒートポンプ温水暖房機等の温水生成装置に適用できる。
【符号の説明】
【００４６】
１  熱交換器
２  内管
３  挿入体
４  外管
５  軸部
６  突部
７  流路
１０  中空部
１０ａ  大口径側の部位
１０ｂ  小口径側の部位
１１ａ  第１のバネ
１１ｂ  第２のバネ
１２ａ  第１の栓
１２ｂ  第２の栓
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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