(57)【要約】  【課題】熱交換器性能を低下させることなく、任意の区間の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。内管２の壁面２ａにスケールが付着しても、形状記憶合金製の螺旋線材８が変形温度以上となって伸びるのに連動してバイアスコイル９が壁面２ａに略平行に摺動してスケールを剥がし取るので、螺旋線材８の管軸方向の長さを調節することで任意の可動幅を設定し、バイアスコイル９を任意の区間にまで摺動させることができて、簡素な構造で、任意の可動幅で任意の区間のスケールつまりによる熱交換器性能の低下、水流路の閉塞を自動的に抑制し、熱交換器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と、前記第一の流路内を移動する可動手段と、を有し、前記可動手段は、第一の駆動部と第二の駆動部と、で構成され、前記第一の駆動部に連動して前記第二の駆動部が移動するものであり、かつ、前記第二の駆動部が前記第一の流路の壁面の近傍を前記壁面に略平行に移動することを特徴とした熱交換器。
【請求項２】
前記第一の駆動部の管軸方向の長さを前記第二の駆動部より短くし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】
前記第一の駆動部の管軸方向の長さを前記第二の駆動部より長くしたことを特徴とした請求項１に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記第一の駆動部は、前記第一の流体の温度検知手段を備えて、前記温度検知手段の検知に基づいて動作するものであり、前記第一の流路の管軸に垂直な方向の最大寸法を、前記第二の駆動部より小さくし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】
前記温度検知手段は、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４に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記第一の流路を内管とし、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、前記第二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したことを特徴とした請求項１から５のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記第二の駆動部と、前記第一の流路とを同じ材質にしたことを特徴とした請求項１から６のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記第一の駆動部は、温度依存性のある伸縮性部材で形成したことを特徴とした請求項１から７のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項９】
前記第一の流体は水、前記第二の流体は二酸化炭素であることを特徴とした請求項１から８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６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。
【０００６】
熱交換器１００は、水管１０１と、冷媒管１０２と、水連結管１０３、冷媒連結管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。
【０００７】
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。
【０００８】
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２００４−０９３０３７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】
【０００９】
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。
【００１０】
本発明は、上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、任意の区間の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】
【００１１】
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と、前記第一の流路内を移動する可動手段と、を有し、前記可動手段は、第一の駆動部と第二の駆動部と、で構成され、前記第一の駆動部に連動して前記第二の駆動部が移動するものであり、かつ、前記第二の駆動部が前記第一の流路の壁面の近傍を前記壁面に略平行に移動するものである。
【００１２】
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の第二の駆動部が略平行に移動することで第一の流路の壁面に付着したスケールを第二の駆動部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。また、第一の駆動部を動作させることで第二の駆動部が移動するので、第一の駆動部の管軸方向の長さを調節して任意の可動幅を設定して、スケールを除去したい任意の区間にまで第二の駆動部を移動させることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の熱交換器は、任意の可動幅で任意の区間の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】
【００１４】
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と、前記第一の流路内を移動する可動手段と、を有し、前記可動手段は、第一の駆動部と第二の駆動部と、で構成され、前記第一の駆動部に連動して前記第二の駆動部が移動するものであり、かつ、前記第二の駆動部が前記第一の流路の壁面の近傍を前記壁面に略平行に移動するものである。
【００１５】
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の第二の駆動部が略平行に移動することで第一の流路の壁面に付着したスケールを第二の駆動部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。また、第一の駆動部を動作させることで第二の駆動部が移動するので、第一の駆動部の管軸方向の長さを調節して任意の可動幅を設定し、スケールを除去したい任意の区間にまで第二の駆動部を移動させて、任意の可動幅で任意の区間の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。
【００１６】
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、前記第一の駆動部の管軸方向の長さを前記第二の駆動部より短くしたことを特徴としたものである。
【００１７】
これによって、特に第一の流路内中心部に第一の駆動部が位置する場合、第一の流体の流速分布では流路壁面が最も遅く中心部が最も早いので、中心部に位置する駆動手段を短くすることによって、第一の駆動部による流動抵抗の増加を効果的に抑えて、可動手段の挿入による流動抵抗の増加を抑制することができる。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第一の駆動部の管軸方向の長さを前記第二の駆動部より長くしたことを特徴としたものである。
【００１９】
これによって、第二の駆動部と壁面との摩擦抵抗による移動時の第一の駆動部の負荷を小さく抑えて、可動手段の可動寿命をより長いものにすることができる。
【００２０】
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、前記第一の駆動部は、前記第一の流体の温度検知手段を備えて、前記温度検知手段の検知に基づいて動作するものであり、前記第一の流路の管軸に垂直な方向の最大寸法を、前記第二の駆動部より小さくしたことを特徴としたものである。
【００２１】
これによって、第一の流路内では、管軸に垂直な方向の第一の流体の温度分布が伝熱面である壁面近傍よりも、流路内中心部で低くなってスケールがつきにくいので、流路内中心部に温度検知手段を備えた第一の駆動部を配することで、熱抵抗となるスケールの、温度検知手段への付着を抑制して、温度検知手段の温度応答性の劣化を防止して、熱交換器の長期信頼性を高めることができる。
【００２２】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記温度検知手段は、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ものである。
【００２３】
これによって、熱交換された前記第一の流体の高温側は、製品運転時と運転停止時の第一の流体の温度変化が大きく、温度検知手段の温度応答をより確実に得るので、スケールの自動除去を確実に行って、熱交換器の長期信頼性を高めることができる。
【００２４】
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、前記第二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したことを特徴としたものである。
【００２５】
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、環状部で第二の流体の流体直径を小さくして熱伝達を促進し、熱交換器として高い熱交換効率を得ることができる。
【００２６】
請求項７に記載の発明は、請求項１から６のいずれか一項に記載の発明において、前記第二の駆動部と、前記第一の流路とを同じ材質にしたことを特徴としたものである。
【００２７】
これによって、第二の駆動部と前記第一の流路とが接した場合でも、同じ材質なので電食を防止して、熱交換器の長期信頼性を高めることができる。
【００２８】
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、前記第一の駆動部は、温度依存性のある伸縮性部材で形成したことを特徴としたものである。
【００２９】
これによって、温度検知手段と第一の駆動部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。
【００３０】
請求項９に記載の発明は、請求項１から８のいずれか一項に記載の発明において、前記第一の流体は水、前記第二の流体は二酸化炭素としたものである。
【００３１】
これによって、熱交換器として高い熱交換効率を得て、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。
【００３２】
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。ここで、先に説明した実施の形態と同一の構成については同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。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。
【００３３】
（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スケール付着状態を示す状態図であり、図４は、同実施の形態におけるスケール除去作用を示す状態図である。
【００３４】
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。
【００３５】
内管２の内部には、可動手段として、第一の駆動部である温度に依存して伸縮する形状記憶合金製の螺旋線材８と、螺旋線材８に連結してその一端に対向し相互に応力関係をもつ第二の駆動部である銅製のバイアスコイル９を有する。螺旋線材８とバイアスコイル９とは相互に押し合うように作用する。螺旋線材８は、内管２の、熱交換されて高温となる水の流出側２ｂの内部に挿入されて、バイアスコイル９より管軸方向の長さが短く、かつ、管軸方向に垂直な方向の螺旋巻きの径も小さく、流路内中心部に位置する。バイアスコイル９は、内管２の壁面２ａ近傍に位置する。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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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て内管２と中管３の間を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する。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する。
【００３９】
また、図３、図４で示すように、環状部４ａの二酸化炭素との熱交換で水の温度が上昇し、水（特に水道水）に含まれるカルシウムが析出して内管２の壁面２ａにスケールが付着しても、水温が上昇して螺旋線材８が変形温度以上となることで、バイアスコイル９の応力に勝って伸び、螺旋線材８に連動してバイアスコイル９が縮められて壁面２ａに略平行に摺動してスケールを剥がし取るので、螺旋線材８の管軸方向の長さを調節することで任意の可動幅を設定し、バイアスコイル９を任意の区間にまで摺動させることができて、さらに温度検知手段と可動手段を一体とすることができる。従って、任意の区間において任意の可動幅で自動的に一定量以下にスケール付着を抑制し、内管２の閉塞を防止する。
【００４０】
また、螺旋線材８を、バイアスコイル９より管軸方向の長さが短く、螺旋巻きの径も小さくすることで、水の流速が最も早くて最も多くの流量が流れる流路内中心部の螺旋線材８による流動抵抗の増加を効果的に抑える。さらに、螺旋線材８を、螺旋巻きの径を小さくして流路内中心部に配することで、内管２内では、管軸に垂直な方向の水の温度分布が伝熱面である壁面２ａ近傍よりも、流路内中心部で低くなってスケールがつきにくいので、熱抵抗となるスケールの、螺旋線材８への付着を抑制して、形状記憶合金の温度応答性の劣化を防止する。加えて、一般的に単価の高い形状記憶合金の構成量を少なくして、材料コストを抑える。
【００４１】
また、螺旋線材８を、内管２の、熱交換されて高温となる水の流出側２ｂの内部に挿入することにより、流出側２ｂは製品運転時と運転停止時の水の温度変化が大きいので、螺旋線材８の温度応答をより確実に得る。
【００４２】
また、内管２の壁面２ａと第二の駆動部であるバイアスコイル９の材質を同じ銅製にすることで、異種金属の接触による電食を防止する。
【００４３】
また、第一の流体を水、第二の流体を二酸化炭素とすることで、熱交換器１Ｘとして高い熱交換効率を得る。
【００４４】
以上のように本実施の形態においては、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る三重管１としたことにより、環状部４ａにより二酸化炭素の流体直径を小さくして内管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す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。
【００４５】
また、水の温度が上昇し、内管２の壁面２ａにスケールが付着しても、螺旋線材８が変形温度以上となることで伸び、螺旋線材８に連動してバイアスコイル９が縮められて壁面２ａに略平行に摺動してスケールを剥がし取るので、螺旋線材８の管軸方向の長さを調節することで任意の可動幅を設定し、バイアスコイル９を任意の区間にまで摺動させることができて、さらに温度検知手段と可動手段を一体とすることができる。従って、簡素な構造で、任意の可動幅で任意の区間のスケールつまりによる熱交換器性能の低下、水流路の閉塞を自動的に抑制し、熱交換器の長期信頼性を高めることができる。
【００４６】
また、螺旋線材８を、バイアスコイル９より管軸方向の長さが短く、螺旋巻きの径も小さくすることで、水の流速が最も早くて最も多くの流量が流れる流路内中心部の螺旋線材８による流動抵抗の増加を効果的に抑えて、可動手段の挿入による流動抵抗の増加を抑制することができる。さらに、螺旋線材８を、螺旋巻きの径を小さくして流路内中心部に配することで、内管２内では、管軸に垂直な方向の水の温度分布が伝熱面である壁面２ａ近傍よりも、流路内中心部で低くなってスケールがつきにくいので、熱抵抗となるスケールの、螺旋線材８への付着を抑制して、形状記憶合金の温度応答性の劣化を防止して、熱交換器１Ｘの長期信頼性を高めることができる。加えて、一般的に単価の高い形状記憶合金の構成量を少なくして、材料コストを抑え、可動手段をより安価に製作することができる。
【００４７】
また、螺旋線材８を、内管２の、熱交換されて高温となる水の流出側２ｂの内部に挿入することにより、流出側２ｂは製品運転時と運転停止時の水の温度変化が大きいので、螺旋線材８の温度応答をより確実に得て、スケールの自動除去を確実に行うことができて、熱交換器の長期信頼性を高めることができる。
【００４８】
さらに、内管２の壁面２ａと第二の駆動部であるバイアスコイル９の材質を同じ銅製にすることで、異種金属の接触による電食の心配がなく、熱交換器１Ｘの長期信頼性を高めることができる。
【００４９】
また、第一の流体を水、第二の流体を二酸化炭素として、当該熱交換器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。
【００５０】
尚、本実施の形態では、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。
【００５１】
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。
【００５２】
尚、本実施の形態では、第二の駆動部として銅製のバイアスコイル９を示したが、それに限らず、他の金属製のバネや樹脂製のバネ等でもよい。
【００５３】
尚、本実施の形態では、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。
【００５４】
尚、本実施の形態では、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。
【００５５】
尚、本実施の形態では、螺旋状材８を形状記憶合金のＴｉ−Ｎｉ合金としたがＣｕ−Ｚｎ、Ｉｎ−Ｔｉなどの合金でも同様の効果を奏する。
【００５６】
（実施の形態２）
図５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断面図である。
【００５７】
図５において、可動手段の螺旋線材８は、バイアスコイル９より管軸方向の長さを長くしたものである。
【００５８】
これによって、バイアスコイル９と壁面２ａとの摩擦抵抗による摺動時の螺旋線材８の負荷を小さく抑える。
【００５９】
従って、可動手段の可動寿命をより長いものにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
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、任意の可動幅で任意の区間のスケール付着を自動的に一定量以下に抑制して、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】
【００６１】
【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スケール除去作用を示す状態図
【図５】本発明の実施の形態２における熱交換器の管軸方向の断面図
【図６】従来の熱交換器の部分断面図
【符号の説明】
【００６２】
１Ｘ  熱交換器本体
１    三重管
２    内管
２ａ  壁面
２ｂ  流出側
３    中管
４    外管
４ａ  環状部
８    螺旋線材
９    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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