(57)【要約】【課題】内部を冷媒が流れる冷媒管及び内部を水が流れる水管を備え、前記冷媒管内を流れる冷媒により前記水管内を流れる水が加熱される熱交換器において、水が接触する部分にスケールが付着せず、熱交換性能が低下しない熱交換器を提供する。【解決手段】内部を冷媒が流れる冷媒管（内管２）及び内部を水が流れる水管（外管１）を備え、冷媒管内を流れる冷媒により水管内を流れる水が加熱される熱交換器である。冷媒管及び水管は銅又は銅合金製であり、その水と接触する表面の少なくとも一部に、高さが０．０５乃至１．０μｍであるＣｕ２Ｏ及びＣｕＯの少なくとも１種を含む析出相が形成されている。この析出相の形状は針状又は粒状である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部を冷媒が流れる冷媒管及び内部を水が流れる水管を備え、冷媒管内を流れる冷媒により水管内を流れる水が加熱される熱交換器において、前記冷媒管及び水管は銅又は銅合金製であり、その水と接触する表面の少なくとも一部に、高さが０．０５乃至１．０μｍであるＣｕ２Ｏ及びＣｕＯの少なくとも１種を含む析出相が形成されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記析出相の形状が針状であ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】
前記析出相の形状が粒状であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記冷媒管が前記水管内に設置されており、前記水は前記水管と前記冷媒管との間を通流することを特徴とする請求項１乃至３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、内部を冷媒が流れる冷媒管及び内部を水が流れる水管を備え、前記冷媒管内を流れる冷媒により前記水管内を流れる水が加熱される熱交換器に関し、特に、水が接触する部分にスケールが付着することを防止した熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、超臨界状態の二酸化炭素冷媒又はフロン系冷媒により水が加熱される熱交換器が実用化され、給湯及び床暖房等の用途に多用されるようになってきた。このような熱交換器は設置スペースが限定されることが多く、限られた体積でできるだけ高温の水が得られるように、加熱される水の流速は一般に小さく設計されている。水の流速が小さいことから、熱交換器の水と接触する部分に炭酸カルシウム又はこれを主体とするスケールが付着しやすい。炭酸カルシウムの水への溶解度は水温が高いほど低下するため、水温が高くなる部分において炭酸カルシウムが特に析出しやすい。このため、水温が高温になる部分ほどスケール付着が発生しやすくなる。また、一旦スケールが付着した部分では、付着したスケールの温度が高いことと、水の流速が小さいこと等から、スケールの更に一層の付着が進み、スケールが厚く成長してしまう。このように形成されたスケールにより、熱交換効率の低下、水通路の断面積減少による流通水量の低下、ポンプ圧の上昇及びポンプの消費電力増大等の問題が発生し、その改善が求められている。
【０００３】
水を冷却媒体又は加熱媒体として循環して用いる熱交換器においては、カルシウム系スケールの防止のため、マレイン酸、アクリル酸、又はイタコン酸等を重合したカルボキシル基を有する重合体等のスケール防止剤が循環水に添加されている。
【０００４】
一方、飲用又は風呂用の給湯水を加熱する熱交換器等においては、その性質上スケール防止剤を添加することができない。スケール防止剤添加以外の熱交換器におけるスケール付着防止方法として、熱交換器内面へのフロロシリコン又はフッ素樹脂を被覆したり（特許文献１）、二重管式熱交換器において、外管の曲げ半径をこの外管の内径の３倍以上とすることによりスケールによる管の閉塞までの期間を延長させたり（特許文献２）、冷却水が通流する管内にねじり板を回転自在に設け、このねじり板により形成される乱流によりスケール付着を防止したり（特許文献３）、磁気処理によりスケールの付着を防止したり等、種々の方法が提案されている。
【０００５】
【特許文献１】特開昭６１−１４９７９４号公報
【特許文献２】特開２００５−６９６２０号公報
【特許文献３】実開平２−１０９１９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の発明は、自動車のラジエーターのスケール付着を防止するためになされたものであり、炭酸カルシウムを主体とするスケールの防止に対しては効果がないものである。また、特許文献２に記載の発明は、スケール付着を積極的に防止するものでなく、スケールが付着することを前提として熱交換器の使用可能期間の延長を図るものである。実際には、水温が高くなる部分に炭酸カルシウムを主体とするスケールの付着が避けられず、それによる熱交換性能の低下、流通水量の低下等を防止することは難しい。また、特許文献２に記載の発明は管内に回転可能なねじり板を設置するものであるが、二重管式伝熱管、管に曲がり部がある場合、管の内径が小さい場合には適用できず、実際的ではない。また、磁気処理による方法は熱交換器の一部に強力な磁石を設置し、管内の水に磁力を作用させることにより、スケール付着を防止しようとするものであるが、強磁場を発生させる磁石そのものが高価である、熱交換器筐体の限られたスペースに磁石を組み込むことが難しい等の問題点がある。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、内部を冷媒が流れる冷媒管及び内部を水が流れる水管を備え、前記冷媒管内を流れる冷媒により前記水管内を流れる水が加熱される熱交換器において、水が接触する部分にスケールが付着せず、熱交換性能が低下しない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】
【０００８】
本発明に係る熱交換器は、内部を冷媒が流れる冷媒管及び内部を水が流れる水管を備え、冷媒管内を流れる冷媒により水管内を流れる水が加熱される熱交換器において、前記冷媒管及び水管は銅又は銅合金製であり、その水と接触する表面の少なくとも一部に、高さが０．０５乃至１．０μｍであるＣｕ２Ｏ及びＣｕＯの少なくとも１種を含む析出相が形成されていることを特徴とする。
【０００９】
この熱交換器において、例えば、前記析出相の形状が針状であるか、又は前記析出相の形状が粒状である。
【００１０】
また、例えば、前記冷媒管が前記水管内に設置されており、前記水は前記水管と前記冷媒管との間を通流するように構成することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、内部を冷媒が流れる冷媒管及び内部を水が流れる水管を備え、前記冷媒管内を流れる冷媒により前記水管内を流れる水が加熱される熱交換器において、水が接触する部分にＣｕ２Ｏ又はＣｕＯの少なくとも１種を含む析出相を化学的に形成するものであり、それにより、前記熱交換器の水が接触する部分にスケールが付着することを有効に防止することが可能になる。このため、従来の熱交換器に比べ、長期間使用による熱交換効率の低下、流通水量の低下、ポンプ圧の上昇及びポンプの消費電力増大等の問題が発生することを防止することができ、省エネルギーに貢献する。また、前述のＣｕ２Ｏ又はＣｕＯの少なくとも１種を含む析出相の形成は容易に実施可能であり、本発明は、経済性及び実用性にも優れたものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
「（１）本発明の熱交換器」
先ず、本発明が対象とする熱交換器は、内部を冷媒が流れる冷媒管及び内部を水が流れる水管を備え、冷媒管内を流れる冷媒により水管内を流れる水が加熱されるというように構成されたものであり、冷媒管と水管との間で熱交換するように構成されているものである。具体的には、（ａ）大径管の内部に小径管が挿入され、前記大径管内を流れる媒体と前記小径管内を流れる媒体とが熱交換する熱交換器、（ｂ）大径管の外側に小径管が接触し、前記大径管内を流れる媒体と前記小径管内を流れる媒体とが熱交換する熱交換器等が考えられるが、管内媒体同士でなく、例えば、箱型筐体と前記箱型筐体に管が接触し、前記箱型筐体を流れる媒体と前記管内を流れる媒体とが熱交換する熱交換器等、冷媒が流れる流路と水が流れる流路とが熱交換する熱交換器であれば本発明を適用可能である。大径管、小径管、及び筐体には曲げ加工性、ろう付け性、水、冷媒、及び設置環境等に対する耐食性及び耐圧強度等が求められることから、銅又は銅合金が使用される。即ち、無酸素銅、脱酸銅等の銅、又はＳｎ、Ｐ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｓｉ等から選択した元素を含み、前記特性を満足する銅合金より適当なものを選択しても良い。
（１−ａ）
上述の熱交換器として、大径管の内部に小径管が挿入され、前記大径管内を流れる媒体と前記小径管内を流れる媒体とが熱交換する熱交換器がある。
【００１３】
この場合、冷媒として超臨界のＣＯ２等を使用する場合、小径管内にＣＯ２を流通させ、大径管内（小径管の外側の領域）に水を流通させることが通常行われるが、これに拘らず大径管内と小径管内の冷媒を逆にしても良い。また、伝熱量を大きくするには、小径管の数を２本以上とすること、大径管内を流れる媒体と小径管内を流れる媒体の流れの向きを逆向き（対向流）にすることが望ましい。また、小径管の内側又は／及び大径管の内側に直線状／螺旋状等の溝を設ける、小径管の外側に直線状又は螺旋状のフィンを設ける、大径管又は／及び小径管をコルゲート管にする等の方法により管内の面積を増加させ、また管内の流体の流れを乱すことにより熱伝達を促進させても良い。また、腐食等により小径管内が破れた場合は、管内の流体が大径管内の流体と混じり合うことから、これを避けるには小径管を検知構造を有する二重構造とすることが望ましい。また、このような熱交換器はスペース節約のため、螺旋状、渦巻状等に巻回してもよい。
【００１４】
（１−ｂ）
次に、上述の熱交換器として、大径管の外側に小径管が接触し、前記大径管内を流れる媒体と前記小径管内を流れる媒体とが熱交換する熱交換器がある。
【００１５】
この形式の熱交換器は、例えば、大径管の外側に設けた溝に小径管が嵌合されているもの、大径管の外側に小径管がろう付けされているもの等がある。冷媒として超臨界のＣＯ２等を使用する場合、小径管内にＣＯ２を流通させ、大径管内（小径管の外側の領域）に水を流通させることが通常行われるが、これに拘らず大径管内と小径管内の冷媒を逆にしても良い。また、伝熱量を大きくするには、小径管の数を２本以上とすること、大径管内を流れる媒体と小径管内を流れる媒体の流れの向きを逆向き（対向流）にすることが望ましい。また、小径管の内側又は／及び大径管の内側に直線状／螺旋状等の溝を設ける等の方法により管内の面積を増加させ、また管内の流体の流れを乱すことにより熱伝達を促進させても良い。また、大径管と小径管の接触を長くして伝熱面積を増大させるために、大径管の外側に小径管を螺旋状に配置しても良い。また、このような熱交換器はスペース節約のため、螺旋状、渦巻状等に巻回してもよい。
【００１６】
「（２）高さが０．０５乃至１．０μｍのＣｕ２Ｏ及びＣｕＯの少なくとも１種を含む析出相」
次に、水と接触する表面の少なくとも一部に形成される析出相について説明する。この析出相は、高さ０．０５乃至１．０μｍのＣｕ２Ｏ又はＣｕＯの少なくとも１種を含むものである。化学的に調整した水によりＣｕ２Ｏ又は／及びＣｕＯの析出相を形成することができる。針状の析出相を得るためには、水温９０〜９５℃の水に過塩素酸ナトリウム、水酸化ナトリウム、りん酸三ナトリウムを所定の比率で添加し、一定時間浸漬して得られる。また、粒状の析出層を得るためには、水温７０℃の水に水酸化ナトリウム、メタけい酸ナトリウム、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムを所定の比率で添加し、一定時間浸漬して得られる。
【００１７】
このようにして得られた析出相は、浸漬時間により、浸漬時間が短かすぎると、０．０５μｍ以下の析出相が斑に存在し、不均一な析出層となってしまい、スケールの抑制が十分でない。また、浸漬時間が長すぎると１．０μｍ以上の厚すぎる析出層が存在し、水の流速で析出層が剥れることがあり、スケールの抑制が十分でない。よって、所定時間の浸漬により、析出層の高さを０．０５〜１．０μｍに限定することにより、安定した析出層が存在し、スケールの付着を抑制することができる。なお、これらの析出層の厚さは断面を走査型電子顕微鏡で観察することにより測定した。
【００１８】
スケールを抑制する機構は、銅表面に析出したＣｕ２Ｏ又は／及びＣｕＯの析出相の形状によるもので、表面に凹凸が形成されることで炭酸カルシウムとの接触領域を小さくすることにより、付着を困難にさせていると考えられる。よって、所望の凹凸が形成されていれば、Ｃｕ２ＯとＣｕＯの存在する比率は任意でよい。この理由から、粒状析出相＜針状析出相の順に効果は大きくなる。
【００１９】
「（３）熱交換器の水と接触する表面の少なくとも一部」
熱交換器の水と接触する表面とは、前記（１−ａ）の熱交換器において、大径管内を水が流れる場合は、大径管の内側と小径管の外側であるが、それ以外の熱交換器においては水が流れる管の内側のみである。
【００２０】
少なくとも一部とは、前記（１−ａ）の熱交換器において、大径管内を水が流れる場合は、大径管の内側又は小径管の外側のいずれか、又は熱交換器全長における一部長さ部分における大径管の内側及び／又は小径管の外側である。それ以外の熱交換器においては、水管の全長の一部である。
【００２１】
熱交換器全長にＣｕ２Ｏ又はＣｕＯ析出相を形成しない場合は、炭酸カルシウムの析出が水温が高い部分で発生しやすいこと、及び流速が遅い部分で発生しやすいことから、これらのことを考えて前記析出相を設ける部位を決めればよい。
【００２２】
なお、本発明においては、熱交換器にのみ前記析出相を設けた構成であるが、温水を使用する場所までの配管、熱交換器内の配管等でも炭酸カルシウムのスケールが発生することから、これらの部分にも前記析出相を形成しても良い。
【実施例】
【００２３】
次に、本発明の効果を実証する実施例を本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。
（１）二重管式熱交換器の形態
水管  ：外径１２．７ｍｍ、肉厚０．８ｍｍ、長さ８ｍ
冷媒管：検知構造２重管、２本水管内に挿入
外管：外径５．５ｍｍ、底肉厚０．５ｍｍ、山高さ０．２５ｍｍ、山数５０
内管：外径４．０ｍｍ、肉厚０．５ｍｍ
構造  ：ドラム巻きタイプ
図１はこの二重管式熱交換器の概略図を示す。
【００２４】
（２）Ｃｕ２Ｏ又は／及びＣｕＯの析出層の形成方法
針状の析出物：水（９３℃）に過塩素酸ナトリウム５０ｇ／リットル、水酸化ナトリウム１５ｇ／リットル、りん酸三ナトリウム１０ｇ／リットルを添加し、この溶液に供試熱交換器の析出層を成形させたい部位を１０分間浸漬させ、厚さ０．３μｍの析出相を得た（実施例１、２、５）。また、同様の調整水に６０分間浸漬することにより、厚さ１．５μｍの析出相を得た（比較例２）。
【００２５】
粒状の析出物：水（７０℃）に水酸化ナトリウム１０ｇ／リットル、メタけい酸ナトリウム２０ｇ／リットル、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム１ｇ／リットルを添加し、この溶液に供試熱交換器の析出層を成形させたい部位を１０分間浸漬させ、厚さ０．２μｍの析出層を得た（実施例３、４）。
【００２６】
図２は、実施例１，２，５で使用した針状の析出相の断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を示す。図３は実施例３，４の粒状析出相の表面のＳＥＭ写真を示す。
【００２７】
（３）試験条件
水流量：１．２リットル／分
冷媒流量：１．３ｋｇ／分
水入り側温度：２０℃
水出側温度  ：８５℃
【００２８】
（４）試験の評価方法
実施例及び比較材の熱交換器について、耐水垢性テスト前後の重量を測定し、付着した水垢分の重量を算出した。重量増加量が１００ｍｇを超えた場合、水垢が付着したと判断した。また、皮膜の残存状況は断面観察を実施し、皮膜面積の５０％以上が剥れた場合、皮膜剥れとした。
（５−１）試験条件と結果
試験水中のＣａＣＯ３濃度：８００ＣａＣＯ３ｍｇ／リットル
試験時間：３５０時間
下記表１は供試材のＣｕＯ又はＣｕ２Ｏの形態と試験結果を示す。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
外観内側酸化皮膜の欄において、酸化処理をしなかったものを「−」で示すが、酸化皮膜測定では０．０３μｍの酸化膜厚が計測された。これは、通常無処理の状態でも酸化皮膜が生成していることを示している。なお、ＫＨＲＴは、Ｃｕ−０．６５％Ｓｎ−０．０３％Ｐ合金である。
【００３１】
（５−２）試験条件と結果
試験水：ＣａＣＯ３濃度が１２０ＣａＣＯ３ｍｇ／リットルの地下水
試験時間：６ヶ月
下記表２は供試材のＣｕＯ又はＣｕ２Ｏの形態と試験結果を示す。
【００３２】
【表２】
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【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】実施例の二重管式熱交換器を示す模式図である。
【図２】実施例１，２，５の針状析出相を示す断面のＳＥＭ写真である。
【図３】実施例３，４の粒状析出相を示す表面のＳＥＭ写真である。
【符号の説明】
【００３４】
１：外管
２：内管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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