JP2007263469A - Heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水と冷媒を熱交換させ、特に、給湯、床暖房等の用途に使用される熱交換器に関する。 The present invention relates to a heat exchanger for exchanging heat between water and a refrigerant, and particularly used for applications such as hot water supply and floor heating.
最近、超臨界状態の二酸化炭素冷媒や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、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、貯湯タンクに貯めた水を熱交換部で加熱し、加熱された水は温水となって再び貯湯タンクに戻り、また、給湯の際には、貯湯タンクから温水が供給される。 Recently, a heat exchanger in which water is heated by a supercritical carbon dioxide refrigerant or a chlorofluorocarbon refrigerant has been put into practical use, and has come to be widely used in applications such as hot water supply and floor heating. In such a heat exchanger, the water stored in the hot water storage tank is heated in the heat exchanging section, and the heated water becomes warm water and returns to the hot water storage tank again. Supplied.
このような熱交換器においては、水は循環して加熱されるため、貯湯タンク内の水に含まれる炭酸化合物が濃縮され、通常のガス式の瞬間湯沸器に比べ、熱交換部、配管(水流入管、水流出管)及び貯湯タンクの内部に炭酸カルシウムを主体とするスケールが付着しやすくなるという問題があった。また、熱交換器の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を得られるよう、加熱される水の流速は一般に小さく設計されている。このため、熱交換器の水と接触する部分に炭酸カルシウムまたはこれを主体とするスケールが付着しやすくなる。 In such a heat exchanger, since water is circulated and heated, the carbonate compound contained in the water in the hot water storage tank is concentrated, and compared with a normal gas type instantaneous water heater, the heat exchange section, piping There has been a problem that scales mainly composed of calcium carbonate easily adhere to the inside of the (water inflow pipe, water outflow pipe) and hot water storage tank. In addition, the installation space for the heat exchanger is often limited, and the flow rate of the heated water is generally designed to be small so that water as hot as possible can be obtained with a limited volume. For this reason, calcium carbonate or a scale mainly composed of this easily adheres to the portion of the heat exchanger that comes into contact with water.
さらに、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。そして、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、水の流速が小さいこと等からスケールの更なる付着が進み、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、配管における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、ポンプの消費電力増大等の問題が発生するため、熱交換器におけるスケール付着性の改善が求められている。 Furthermore, since the solubility of calcium carbonate in water decreases as the water temperature increases, calcium carbonate is particularly likely to precipitate in the portion where the water temperature increases. For this reason, scale adhesion tends to occur as the temperature of the water becomes higher. In the portion where the scale has once adhered, the scale further adheres due to the high temperature of the adhered scale and the low flow rate of water, and the scale grows thick. The scale formed in this way causes problems such as a decrease in heat exchange efficiency, a decrease in the amount of circulating water due to a decrease in the cross-sectional area of the water passage in the piping, an increase in pump pressure, and an increase in power consumption of the pump. There is a need for improvement in scale adhesion.
従来、水を冷却媒体または加熱媒体として循環して用いる熱交換器においては、炭酸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、イタコン酸など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。 Conventional heat exchangers that circulate water as a cooling medium or a heating medium are scales such as polymers having carboxyl groups obtained by polymerizing maleic acid, acrylic acid, itaconic acid, etc. to prevent calcium carbonate scales. An inhibitor is added to the circulating water.
一方、飲用や風呂用の給湯水を加熱する熱交換器においては、その性質上、スケール防止剤を添加することができない。そのため、スケール防止剤の添加以外のスケール付着防止方法として、特許文献1では、熱交換器内面へのフロロシリコンまたはフッ素樹脂を被覆することが記載されている。また、特許文献2では、二重管式熱交換器において、外管の曲げ半径を該外管の内径の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することが記載されている。さらに、特許文献3では、冷却水が流通する管内にねじり板を回転自在に設け、該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することが記載されている。
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はなく、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。さらに、特許文献3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用的ではない。
However, the invention described in Patent Document 1 has been made in order to prevent scale adhesion of a radiator of an automobile, and has no effect on prevention of scale mainly composed of calcium carbonate. Further, the invention described in
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、その目的は、水と冷媒とを熱交換させて水を加熱する熱交換器において、温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にある。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to prevent a scale from adhering to a portion where hot water contacts in a heat exchanger that heats water by exchanging heat between water and a refrigerant. An object of the present invention is to provide a heat exchanger in which the heat exchange performance does not deteriorate.
前記課題を解決するため、請求項1の発明は、水と冷媒を熱交換する熱交換部と、前記水を前記熱交換部に流入する水流入管と、前記冷媒で熱交換された水を前記熱交換部から流出する水流出管と、前記冷媒を前記熱交換部に流入する冷媒流入管と、前記水で熱交換された冷媒を前記熱交換部から流出する冷媒流出管とを備える熱交換器であって、前記水流入管および前記水流出管の少なくとも一方の管が、その一部に管軸方向に沿って1組の扁平面が形成された扁平部を有し、前記扁平部を挟んでN極とS極が対向するように前記扁平面に磁場発生手段が設置され、前記磁場発生手段の磁束密度が3000ガウス以上である熱交換器として構成したものである。 In order to solve the above-mentioned problem, the invention of claim 1 is directed to a heat exchange part that exchanges heat between water and a refrigerant, a water inflow pipe that flows the water into the heat exchange part, and water that is heat-exchanged by the refrigerant. Heat exchange comprising a water outflow pipe flowing out from the heat exchange section, a refrigerant inflow pipe through which the refrigerant flows into the heat exchange section, and a refrigerant outflow pipe through which the refrigerant heat-exchanged with the water flows out from the heat exchange section And at least one of the water inflow pipe and the water outflow pipe has a flat portion in which a set of flat surfaces is formed along a tube axis direction at a part thereof, and sandwiches the flat portion. The magnetic field generating means is installed on the flat surface so that the N pole and the S pole face each other, and the magnetic flux density of the magnetic field generating means is configured as a heat exchanger of 3000 gauss or more.
このように構成すれば、水流入管および水流出管の少なくとも一方の管に、管の扁平部を挟んで磁場発生手段が設置されていることによって、管内部を流れる水に直角方向の磁場が作用し、熱交換器内部を循環する水に磁場が付与される。それにより、循環する水にCa2+、およびCO3 2-イオンが含まれていても、水に可溶であるCa(HCO3)が生成し、スケールの原因であるCaCO3(炭酸カルシウム)の生成が防止される。その結果、炭酸カルシウムを主体とするスケールの熱交換器内部への付着が抑制される。また、熱交換部へ磁場発生手段を設置する必要がなくなるため、熱交換部の設計の自由度が高くなる。 With this configuration, the magnetic field generating means is installed on at least one of the water inflow pipe and the water outflow pipe with the flat portion of the pipe interposed therebetween, so that a perpendicular magnetic field acts on the water flowing inside the pipe. Then, a magnetic field is applied to the water circulating inside the heat exchanger. As a result, even if Ca 2+ and CO 3 2- ions are contained in the circulating water, Ca (HCO 3 ) that is soluble in water is generated, and CaCO 3 (calcium carbonate), which is the cause of scale, is generated. Generation is prevented. As a result, the adhesion of the scale mainly composed of calcium carbonate to the inside of the heat exchanger is suppressed. In addition, since it is not necessary to install a magnetic field generating means in the heat exchange part, the degree of freedom in designing the heat exchange part is increased.
請求項2の発明は、前記扁平部の内表面に多数のフィンが形成されている熱交換器として構成したものである。
このように構成すれば、扁平部の内表面にフィンが形成されていることによって、フィン先端間に磁場が発生し、磁場のN極とS極との間の距離が短くなり、熱交換器内部を循環する水に付与される磁場が強くなる。
The invention of
If comprised in this way, since the fin is formed in the inner surface of a flat part, a magnetic field will generate | occur | produce between fin tips, the distance between the N pole of a magnetic field, and a S pole will become short, and a heat exchanger The magnetic field applied to the water circulating inside becomes stronger.
請求項3の発明は、前記扁平部の内表面に磁性を有する金属または合金の皮膜が形成されている熱交換器として構成したものである。
このように構成すれば、扁平部の内表面に形成された皮膜の磁性によって、扁平部の内部の磁場の減衰が少なくなり、熱交換器内部を循環する水に付与される磁場が強くなる。
The invention of claim 3 is configured as a heat exchanger in which a film of magnetic metal or alloy is formed on the inner surface of the flat portion.
If comprised in this way, attenuation | damping of the magnetic field inside a flat part will decrease with the magnetism of the film | membrane formed in the inner surface of a flat part, and the magnetic field provided to the water which circulates the inside of a heat exchanger will become strong.
請求項1に係る熱交換器においては、水と冷媒とを熱交換させる熱交換部に水を流入する水流入管、および、熱交換された水を熱交換部から流出する水流出管の少なくとも一方の管に扁平部を設け、その扁平部を挟んで磁束密度が3000ガウス以上の磁場発生手段を設置することによって、水と冷媒とを熱交換させる熱交換部、水流出管、熱交換された水(温水)を貯留する貯湯タンク等の温水が接触する部分へのスケール付着を半永久的に防止することが可能になる。 In the heat exchanger according to claim 1, at least one of a water inflow pipe that flows water into a heat exchange section that exchanges heat between water and a refrigerant, and a water outflow pipe that flows out heat-exchanged water from the heat exchange section. A heat exchanging unit, a water outflow pipe, and a heat exchanging unit for heat exchange between water and a refrigerant are provided by providing a flat part in the pipe and installing magnetic field generation means having a magnetic flux density of 3000 gauss or more across the flat part. It becomes possible to semi-permanently prevent the scale from adhering to a portion where hot water contacts, such as a hot water storage tank for storing water (hot water).
また、水と冷媒とを熱交換させる熱交換部は、熱交換器の形式により二重管形式、冷媒管と水管とを接触させる形式、冷媒管と内部を水が流れる箱体とを接触させる形式等、種々の形式があるが、これらの熱交換部に磁場発生手段を設置する必要がなく、例えば、水流入管に磁場発生手段を設置すればよいため、熱交換部の設計の自由度が高くなり、熱交換部(熱交換器)のコンパクト化に貢献する。 In addition, the heat exchanging section for exchanging heat between water and the refrigerant is a double pipe type depending on the type of the heat exchanger, a type in which the refrigerant pipe and the water pipe are brought into contact, and a refrigerant pipe and a box through which water flows inside. There are various types, such as types, but it is not necessary to install magnetic field generating means in these heat exchange units. For example, it is only necessary to install magnetic field generating means in the water inflow pipe. It becomes higher and contributes to the downsizing of the heat exchanger (heat exchanger).
請求項2に係る熱交換器においては、磁場発生手段を設置する扁平部の内表面に多数のフィンが形成されていることによって、対向するフィン先端間の磁場が強くなり、スケール付着の防止効果がより一層大きくなる。
In the heat exchanger according to
請求項3に係る熱交換器においては、磁場発生手段を設置する扁平部の内表面に磁性を有する金属または合金の皮膜が形成されていることによって、水に付与される磁場の影響を強くするため、スケール付着の防止効果がより一層大きくなる。 In the heat exchanger according to claim 3, the effect of the magnetic field applied to the water is strengthened by forming a magnetic metal or alloy film on the inner surface of the flat portion where the magnetic field generating means is installed. Therefore, the effect of preventing scale adhesion is further increased.
また、本発明の熱交換器においては、熱交換部および水流出管のスケール付着を有効に防止することができると共に、貯湯タンクでのスケール付着も防止されるため、長期間使用による熱交換効率の低下、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、ポンプの消費電力増大等の問題の発生が防止され、省エネルギーに貢献することができる。 Further, in the heat exchanger of the present invention, scale adhesion of the heat exchanging part and the water outflow pipe can be effectively prevented, and scale adhesion in the hot water storage tank is also prevented. Occurrence of problems such as a decrease in water flow rate, a decrease in the amount of circulating water due to a reduction in the cross-sectional area of the water passage, an increase in pump pressure, and an increase in power consumption of the pump can be prevented.
以下に本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図1は本発明の熱交換器を使用した給湯システムを模式的に示す図、図2(a)は水流入管(水流出管)の管軸方向に沿った断面図、(b)は(a)のX1−X1線における端面図、(c)は扁平部の他の形態を示す管軸方向に沿った断面図、図3(a)は扁平部の他の形態を示す管軸方向に沿った断面図、(b)は(a)のX2−X2線における端面図、図4は図3(b)のフィンの部分拡大図、図5(a)は熱交換部の一例を示す部分破断斜視図、(b)は(a)の小径管の他の形態を示す管軸直交断面図、図6(a)は熱交換部の他の形態を示す側面図、(b)は(a)のX3−X3線における端面図、図7(a)、(b)は巻回部を有する熱交換部の斜視図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a view schematically showing a hot water supply system using the heat exchanger of the present invention, FIG. 2 (a) is a cross-sectional view along the tube axis direction of a water inflow pipe (water outflow pipe), and FIG. ) In the X1-X1 line, (c) is a cross-sectional view along the tube axis direction showing another form of the flat part, and FIG. 3 (a) is along the tube axis direction showing another form of the flat part. (B) is an end view taken along line X2-X2 of (a), FIG. 4 is a partially enlarged view of the fin of FIG. 3 (b), and FIG. 5 (a) is a partially broken view showing an example of a heat exchange section. The perspective view, (b) is a cross-sectional view perpendicular to the tube axis showing another form of the small-diameter pipe of (a), FIG. 6 (a) is a side view showing another form of the heat exchange section, and (b) is (a). FIG. 7: (a), (b) is a perspective view of the heat exchange part which has a winding part.
<熱交換器>
図1に示すように、本発明の熱交換器10は、例えば、給湯システム30に使用されるもので、水ユニット21の貯湯タンク23から供給される水を、冷媒ユニット22から供給される冷媒(図1ではCO2)との熱交換によって湯(温水)となし、その湯(温水)を貯湯タンク23に戻している。
<Heat exchanger>
As shown in FIG. 1, the heat exchanger 10 of the present invention is used in, for example, a hot
熱交換器10は、熱交換部1と、水流入管6aと、水流出管6bと、冷媒流入管9aと、冷媒流出管9bとを備えるものである。以下、各構成について説明する。
The heat exchanger 10 includes a heat exchange unit 1, a
(1)熱交換部
本発明の熱交換器10に適用できる熱交換部1には、以下のような形態のものがあるが、冷媒により水が加熱される形式の熱交換部であれば形態を問わず適用が可能である。なお、水と熱交換する冷媒としては二酸化炭素(CO2)、フロン系冷媒等がある。
(1) Heat Exchanger The heat exchanger 1 that can be applied to the heat exchanger 10 of the present invention includes the following forms, but any form can be used as long as the heat exchanger is of a type in which water is heated by a refrigerant. It can be applied regardless of Note that the refrigerant that exchanges heat with water includes carbon dioxide (CO 2 ), a fluorocarbon refrigerant, and the like.
(二重管式熱交換部)
図5(a)に示すように、大径管2の内部に小径管3Aが挿入され、大径管2内を流れる媒体W(水)と小径管3A内を流れる冷媒Xとが熱交換する形式の熱交換部1Aであり、冷媒として超臨界のCO2等を使用する場合、小径管3A内にCO2を流通させ、大径管2内(小径管3Aの外側の領域)に水を流通させることが通常行われる。
(Double tube heat exchange part)
As shown in FIG. 5A, the
熱交換部1Aの伝熱量を大きくするには、小径管3Aの数を2本以上とすること、大径管2内を流れる媒体Wと小径管3A内を流れる冷媒X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、図示しないが、小径管3Aの内側または/および大径管2の内側に直線状/らせん状などの溝を設ける、小径管3Aの外側に直線状またはらせん状のフィンを設ける、大径管2または/および小径管3A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、熱伝達を促進させてもよい。さらに、図示しないが、大径管内にバッフル材等を挿入して、流体(媒体W)の流れを乱すことにより、熱伝達を促進させてもよい。
In order to increase the heat transfer amount of the heat exchanging portion 1A, the number of the
また、腐食など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好ましい。具体的には、図5(b)に示すように、外管3aの内側に、外管3aより小さい外径を有する内管3bを、空間部4が形成されるように嵌合した小径管3Bとすることが好ましい。また、空間部4を形成するために、外管3aの内側または/および内管3bの外側に直線状/らせん状などの溝を設けることが好ましい。
なお、上記構成において、大径管2内と小径管3A、小径管3B(内管3b)内の流体を逆に、すなわち、大径管2内に冷媒X、小径管3A(内管3b)内に媒体Wを流してもよい。
Further, when the inside of the small-diameter pipe is torn due to corrosion or the like, the fluid in the pipe mixes with the fluid in the large-diameter pipe. Therefore, in order to avoid this, it is preferable that the small-diameter pipe has a double structure having a detection structure. Specifically, as shown in FIG. 5B, a small-diameter tube in which an
In the above configuration, the fluid in the large-
図7(a)、(b)に示すように、大径管2の少なくとも一部にらせん状に巻回した巻回部5A、渦巻状に巻回した巻回部5B等を設けて、熱交換部1Aのスペースを節約してもよい。なお、巻回部5A、5Bの巻回軸Yに対して直交する断面形状は、円形形状(図7(a)参照)、直線路とその直線路の両側に形成された半円状の湾曲路とからなる小判形状(図7(b)参照)であることが好ましい。
As shown in FIGS. 7A and 7B, a winding
(冷媒管と水管が接触する形式の熱交換部)
この形式の熱交換部は、図6(a)、(b)に示すような大径管2の外側に設けた溝に小径管3Cが嵌合されている熱交換部1B、図示しないが大径管の外側に小径管がろう付けされている熱交換部等である。冷媒として超臨界のCO2等を使用する場合、小径管3C内にCO2を流通させ、大径管2内(小径管3Cの外側の領域)に水を流通させることが通常行われる。
(Heat exchange part in which refrigerant pipe and water pipe are in contact)
This type of heat exchanging part is a
熱交換部1Bの伝熱量を大きくするには、小径管3Cの数を2本以上とすること、大径管2内を流れる水と小径管3C内を流れる冷媒の流れの向きを逆向き(対向流)にすることが好ましい。また、図示しないが、小径管3Cの内側または/および大径管2の内側に直線状/らせん状などの溝を設ける等の方法により、管内の面積を増加させ、熱伝達性を促進させてもよい。また、図示しないが、大径管内にバッフル材等を挿入して、水の流れを乱すことにより、熱伝達を促進させてもよい。さらに、大径管2と小径管3Cの接触を長くして伝熱面積を増大させるために、大径管2の外側に小径管3Cをらせん状に配置することが好ましい。そして、前記した熱交換部1Aと同様に、熱交換部1Bの大径管2の少なくとも一部にらせん状、渦巻状等の巻回部を有することが、熱交換部1Bのスペース節約のために好ましい。
In order to increase the heat transfer amount of the
(箱型筐体と前記箱型筐体に管が接触する形式の熱交換部)
この形式の熱交換部は、図示しないが、例えば、箱型筐体に適当な寸法の管を巻き付けてろう付けし、箱型筐体内に水、管内に冷媒を流す組合せのものがある。また、箱型筐体内にバッフル材等を設けて、水の流路を定めてやるほうが熱交換効率が向上する。
(Heat exchange part in which the tube contacts the box-shaped housing and the box-shaped housing)
Although this type of heat exchange section is not shown in the figure, for example, there is a combination in which a tube of an appropriate size is wound around a box-shaped housing and brazed, and water is supplied into the box-shaped housing and a refrigerant is passed through the tube. In addition, heat exchange efficiency is improved by providing a baffle material or the like in the box-shaped housing and determining the flow path of water.
前記した大径管2、小径管3A、3B(外管3a、内管3b)、3C、筐体には、熱伝導性、曲げ加工性、ろう付け性、水、冷媒、設置環境等に対する耐食性、耐圧強度等が求められることから、銅または銅合金を用いることが好ましい。即ち、無酸素銅、脱酸銅等の銅、またはSn、P、Ni、Fe、Co、Zn、Zr、Cr、Ti、Mg、Mn、Si等より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よい。
The
(2) 水流入管、水流出管
水流入管は、熱交換器の熱交換部に水を流入するための配管であり、水流出管は、熱交換部で熱交換された水(湯)を熱交換部から流出するための配管である。例えば、図1に示すように、給湯システム30において、水流入管6aは、水ユニット21の貯湯タンク23、水道管(図示せず)等より熱交換部1(1A、1B)に水を流入するための配管であり、水流出管6bは、熱交換された水(湯)を貯湯タンク23に流出するための配管である。そして、水流入管6aおよび水流出管6bは、熱交換部1(1A、1B)の大径管2(図5、図6参照)、および、箱型筐体(図示せず)に接合されている。なお、水流入管6aおよび水流出管6bの管形状は、大径管および箱型筐体と接合できれば特に限定されない。
(2) Water inflow pipe, water outflow pipe The water inflow pipe is a pipe for flowing water into the heat exchange part of the heat exchanger, and the water outflow pipe heats the water (hot water) heat-exchanged in the heat exchange part. It is piping for flowing out from the exchange part. For example, as shown in FIG. 1, in the hot
図1、図2(a)、(b)に示すように、水流入管6aおよび水流出管6bは、その少なくとも一方の管が、その一部に管軸方向に沿って1組の扁平面7aが形成された扁平部7を有する。熱交換部1(1A、1B)の上流に設けられた水流入管6aが扁平部7を有することが、スケール付着防止には有利である。扁平部7を設ける理由は、後記する磁場発生手段M(磁石等)と水流入管6aまたは/および水流出管6bとの接触面積を増大させ、扁平部7の外面(扁平面7a)に設置した磁場発生手段MのN極とS極の間隔を小さくすることにより、より強い磁場が管内の水に伝わるようにするためである。
As shown in FIGS. 1, 2 (a), and 2 (b), at least one of the
水流入管6aおよび水流出管6bの材質としては、耐食性が必要であるため、銅、銅合金、ステンレス鋼等を使用することが好ましい。管の肉厚は、薄いほうが管内の磁場の減衰が少なく有利であり、管内の水圧、長時間使用後の肉厚減少を考慮して定めればよい。通常は、0.2〜1.5mm程度の厚さを採用すればよい。
As the material of the
図2(a)、(b)に示すように、扁平部7Aの幅D1と管軸方向の長さLは大きいほうが、磁場発生手段Mの磁場が広くなる(大型の磁石を設置することができる)ため、スケール付着防止には有利である。水流入管6aおよび水流出管6bの外径は通常7〜30mm程度であり、これらの管の一部を、扁平部7Aの幅D1が5〜12mm、管内面の間隔D2が1〜10mm程度になるように扁平化させればよい。なお、扁平部7Aの長さLは20〜200mm程度にすればよい。あるいは、前記寸法の扁平部7Aを有する管を、ろう付け等の方法で水流入管6aまたは/および水流出管6bに組み込んでもよい。
As shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), the magnetic field of the magnetic field generating means M becomes wider as the width D1 of the
図2(a)に示すように、扁平部7Aは、平行に対面する扁平面7aを有する形態が好ましい。しかしながら、管内の水に十分な磁場が付与されれば、図2(c)に示すように、扁平面7aが管軸方向に沿って傾斜した、すなわち、扁平部7Aの外径が水(媒体W)の流れ方向に拡大または縮小した形態であってもよい。
As shown in FIG. 2A, the
図1に示すように、扁平部7に磁場発生手段Mを設置した際、扁平部内部の磁力線は最短距離を結ぶような軌跡を描くため、図3(a)、(b)に示すように、扁平部7Bの内表面に多数のフィン7bを設けておくと、管内の磁場が強くなり、スケール付着防止に有利である。フィン7bは、例えば内面溝付管を転造する方法で形成すればよい。
As shown in FIG. 1, when the magnetic field generating means M is installed in the flat part 7, the magnetic lines of force inside the flat part draw a trajectory that connects the shortest distance. If a large number of
図4に示すように、フィン7bの管内面よりのフィン高さhは0.1〜1.0mm程度とすればよい。フィン高さhが0.1mm未満ではフィン7bを設けることによるスケール付着防止効果が小さく、フィン高さhが1.0mmを超えると、特に管内面のフィン先端間の距離が小さい場合、水の流動に対する圧力損失が大きくなる。フィン先端のピッチPfは、フィン数n、フィン高さh、底肉厚T、管外径D(扁平部7を形成する前の管外径)とすると、ピッチPf=π×(D−2×h−2×T)/n)で定義され、0.2〜3mm程度でよい。フィン先端のピッチPfが3mmを超えると、フィン7bを設けることによるスケール付着防止効果が小さく、フィン先端のピッチPfが0.2mm未満であると、特に管内面のフィン先端間の距離が小さい場合、水の流動に対する圧力損失が大きくなる。フィン7b間に形成される溝7cの底肉厚Tは、薄いほうが管内の磁場の減衰が少なく有利である。また、溝7cのリード角θ(図3(a)参照)は磁気的にはあまり大きな影響を及ぼさず、0〜45°の範囲より適当な値を選定すればよい(θ=0°は管軸に平行な溝を意味する)。
As shown in FIG. 4, the fin height h from the inner surface of the
図2(b)に示すように、扁平部7A内表面に磁性を有する金属または合金の皮膜8を形成すると、管内の磁場の減衰が少なく、スケール付着防止に更に有利である。前記金属または合金は、耐食性がよい強磁性体より選択すればよく、例えば、Ni、Ni−Co等より選択すればよい。なお、図3(b)に示すように、扁平部7B内部に多数のフィン7b(溝7c)を形成した場合にも、フィン7bおよび溝7cの表面に磁性を有する皮膜(図示せず)を形成することが好ましい。
As shown in FIG. 2B, when a magnetic metal or
(3)冷媒流入管、冷媒流出管
冷媒流入管は、熱交換器の熱交換部に冷媒を流入するための配管であり、冷媒流出管は、熱交換された冷媒を熱交換部から流出するための配管である。例えば、図1に示すように、給湯システム30において、冷媒流入管9aは、冷媒ユニット22の圧縮器25より熱交換器10に冷媒を流入するための配管であり、冷媒流出管9bは、熱交換された冷媒を膨張弁26に流出するための配管である。そして、冷媒流入管9aおよび冷媒流出管9bは、熱交換部1(1A、1B)の小径管3A、3B、3C(図5、図6参照)に接合されている。なお、冷媒流入管9aおよび冷媒流出管9bの管形状は、小径管3A、3B、3Cと接合できれば特に限定されない。
(3) Refrigerant inflow pipe, refrigerant outflow pipe The refrigerant inflow pipe is a pipe for flowing the refrigerant into the heat exchange part of the heat exchanger, and the refrigerant outflow pipe flows out the heat exchanged refrigerant from the heat exchange part. It is piping for. For example, as shown in FIG. 1, in the hot
(4)磁場発生手段
図2(a)、(b)に示すように、磁場発生手段Mは、扁平部7Aを挟んでN極とS極が対向するように扁平面7aに設置されている。磁場発生手段Mは、磁場を発生するものであれば特に限定されず、永久磁石、電磁コイル(電磁石)が好ましい。磁場発生手段Mの設置方法は、扁平面7aと隙間なく設置されていることが好ましいので、万力等で扁平面7aに固定する。
(4) Magnetic field generating means As shown in FIGS. 2A and 2B, the magnetic field generating means M is installed on the
磁場発生手段Mの磁束密度は、3000ガウス(0.3テスラ)以上である必要がある。管内を流れる水に磁気を照射すると、スケール付着の防止に有効であることが知られている。本発明の水と冷媒とを熱交換させる熱交換器においては、一般に水の流速が小さいこと、また貯湯タンクの温水が循環して加熱される場合は水に含まれるCaやSi濃度が高くなり、水温も高いことから、通常の水配管に比べてスケールが一層付着しやすくなる。したがって、磁束密度が3000ガウス(0.3テスラ)未満であると、長期間にわたり、スケール付着を防止することが難しいため、本発明においては、磁場発生手段の磁束密度を3000ガウス(0.3テスラ)以上とした。 The magnetic flux density of the magnetic field generating means M needs to be 3000 gauss (0.3 Tesla) or more. It is known that irradiating water flowing in a pipe with magnetism is effective in preventing scale adhesion. In the heat exchanger for exchanging heat between the water and the refrigerant of the present invention, the flow rate of water is generally small, and when the hot water in the hot water storage tank is circulated and heated, the concentration of Ca and Si contained in the water increases. Also, since the water temperature is high, the scale is more easily adhered as compared to normal water piping. Therefore, if the magnetic flux density is less than 3000 gauss (0.3 Tesla), it is difficult to prevent scale adhesion over a long period of time. Therefore, in the present invention, the magnetic flux density of the magnetic field generating means is 3000 gauss (0.3 Tesla)
<給湯システム> <Hot water supply system>
つぎに、本発明の熱交換器を給湯システムに使用した例を図1で説明する。熱交換器10において、熱交換部1(1A、1B)の大径管(図示せず)に水を流通させ、熱交換部1(1A、1B)の小径管(図示せず)にCO2を流通させる。CO2は、冷媒ユニット22の蒸発器24において大気熱を吸収した後、圧縮器25により圧縮され、高温高圧の流体として、熱交換器10の冷媒流入管9aに送られる。冷媒流入管9aを介して小径管に供給されたCO2は、大径管内の水と熱交換して低温の流体となって冷媒流出管9bを介して冷媒ユニット22の膨張弁26に送られる。CO2は膨張弁26により膨張し、蒸発器24で再度吸熱する。一方、水ユニット21の貯湯タンク23の水は、ポンプPで熱交換器10の水流入管6aに送られる。水流入管6aに送られた水は、扁平部7に設置された磁場発生手段Mにより磁気が付与される。磁気が付与された低温の水は、水流入管6aを介して大径管に供給され、小径管と接触することにより加熱され、高温の水(湯)となって、水流出管6bを介して水ユニット21の貯湯タンク23に戻る。ここで、熱交換器10(熱交換部1)の内部を循環する水に磁気が付与されているため、温水と接触する熱交換部1、水流出管6bおよび貯湯タンク23の内部にスケールが付着することが防止される。
Next, an example in which the heat exchanger of the present invention is used in a hot water supply system will be described with reference to FIG. In the heat exchanger 10, water is circulated through a large diameter pipe (not shown) of the heat exchange section 1 (1A, 1B), and CO 2 is passed through a small diameter pipe (not shown) of the heat exchange section 1 (1A, 1B). Circulate. The CO 2 absorbs atmospheric heat in the
本発明の実施例について説明する。
実施例(No.1〜6)として、以下の熱交換部、水流入管、水流出管、冷媒流入管、冷媒流出管および磁場発生手段を備える熱交換器を作製した。
Examples of the present invention will be described.
As an example (No. 1-6), the heat exchanger provided with the following heat exchange parts, a water inflow pipe, a water outflow pipe, a refrigerant inflow pipe, a refrigerant outflow pipe, and a magnetic field generation means was produced.
<熱交換部>
熱交換部として、大径管の内部に小径管を3本配置した二重管式熱交換部(図5(a)参照)を作製した。なお、大径管の一部に内径250mmのらせん状巻回部(図7(a)参照)を設けた。
<Heat exchange part>
As a heat exchange part, a double pipe type heat exchange part (see FIG. 5A) in which three small diameter pipes were arranged inside a large diameter pipe was produced. In addition, the spiral winding part (refer FIG. 7 (a)) with an internal diameter of 250 mm was provided in a part of large diameter pipe | tube.
(1)大径管
JIS規定のりん脱酸銅(C1220)からなる、外径15mm、肉厚0.8mm、長さ8mの平滑管を使用した。
(1) Large-diameter pipe A smooth pipe made of JIS-regulated phosphorus-deoxidized copper (C1220) having an outer diameter of 15 mm, a thickness of 0.8 mm, and a length of 8 m was used.
(2)小径管
図5(b)に示すように、外管と内管よりなる検知構造(空間部)を有する2重管を使用した。
(2) Small-diameter pipe As shown in FIG. 5B, a double pipe having a detection structure (space part) composed of an outer pipe and an inner pipe was used.
(外管)
JIS規定のりん脱酸銅(C1220)からなる、外径5.5mm、底肉厚(T)0.5mm、フィン高さ(h)0.25mm、溝数50、溝リード角(θ)18°、山頂角(δ)35°、長さ8mの内面溝付管を使用した(溝形状は、図3(a)、図4に示す扁平部と同様である)。
(Outer pipe)
Made of JIS stipulated phosphorous deoxidized copper (C1220), outer diameter 5.5mm, bottom thickness (T) 0.5mm, fin height (h) 0.25mm, number of grooves 50, groove lead angle (θ) 18 An internally grooved tube with a peak angle (δ) of 35 ° and a length of 8 m was used (the groove shape is the same as the flat portion shown in FIGS. 3A and 4).
(内管)
JIS規定のりん脱酸銅(C1220)からなる、外径4.0mm、肉厚0.5mm、長さ8mの平滑管を使用した。
(Inner pipe)
A smooth tube made of JIS-defined phosphorous deoxidized copper (C1220) having an outer diameter of 4.0 mm, a thickness of 0.5 mm, and a length of 8 m was used.
<水流入管>
JIS規定のりん脱酸銅(C1220)からなる、外径15mm、肉厚0.8mm、長さ2mの平滑管を使用した。水流入管の長さ方向の中央部に、種々の寸法の扁平部を有する扁平状水管をろう付けした。次に、扁平状水管の扁平部に、N極とS極が扁平部を挟んで対向するように後記する磁場発生手段(永久磁石)を固定して磁気設置部とした。
<Water inflow pipe>
A smooth tube made of JIS-defined phosphorous deoxidized copper (C1220) having an outer diameter of 15 mm, a wall thickness of 0.8 mm, and a length of 2 m was used. A flat water pipe having a flat part of various dimensions was brazed to the central part in the length direction of the water inflow pipe. Next, a magnetic field generating means (permanent magnet), which will be described later, is fixed to the flat portion of the flat water tube so that the N pole and the S pole face each other with the flat portion interposed therebetween, thereby forming a magnetic installation portion.
(扁平状水管)
JIS規定のりん脱酸銅(C1220)からなる、長さ200mm、外径15mm、肉厚0.8mmの平滑管を準備した。次に、図2(a)、(b)に示すように、平滑管の中央部に幅(D1)5〜12mm、長さ(L)120mmの扁平部を加工した扁平状水管(No.1〜3)、さらに、扁平部加工後に管内表面に電気メッキにより厚さ1.5μmのNi皮膜を形成した扁平状水管(No.4)を作製した。
(Flat water pipe)
A smooth tube having a length of 200 mm, an outer diameter of 15 mm, and a wall thickness of 0.8 mm made of JIS-defined phosphorous deoxidized copper (C1220) was prepared. Next, as shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), a flat water tube (No. 1) in which a flat portion having a width (D1) of 5 to 12 mm and a length (L) of 120 mm is processed at the center of the smooth tube. -3) Further, a flat water tube (No. 4) in which a Ni film having a thickness of 1.5 μm was formed on the inner surface of the tube by electroplating after the flat part was processed was produced.
また、前記平滑管の内表面に溝付加工を施した内面溝付管を準備した。内面溝付管の中央部に幅(D1)12mm、長さ(L)120mmの扁平部を加工した扁平状水管(No.5)、さらに、扁平部加工後に管内表面に電気メッキにより厚さ1.5μmのNi皮膜を形成した扁平状水管(No.6)を作製した。なお、内面溝付管の溝形状はフィン高さ(h)0.4mm、溝数80、溝リード角(θ)18°、山頂角(δ)25°、底肉厚(T)0.4mm、フィンピッチ(Pf)0.5mmとした(図3(a)、図4参照)。 Moreover, the inner surface grooved tube which prepared the grooved process on the inner surface of the said smooth tube was prepared. A flat water tube (No. 5) in which a flat portion having a width (D1) of 12 mm and a length (L) of 120 mm is processed at the center portion of the inner grooved tube, and the inner surface of the tube is electroplated to a thickness of 1 after the flat portion is processed. A flat water tube (No. 6) on which a 5 μm Ni film was formed was prepared. The groove shape of the internally grooved tube is fin height (h) 0.4 mm, number of grooves 80, groove lead angle (θ) 18 °, peak angle (δ) 25 °, bottom wall thickness (T) 0.4 mm. The fin pitch (Pf) was 0.5 mm (see FIGS. 3A and 4).
<水流出管>
JIS規定のりん脱酸銅(C1220)からなる、外径15mm、肉厚0.8mm、長さ2mの平滑管を使用した。
<Water outflow pipe>
A smooth tube made of JIS-defined phosphorous deoxidized copper (C1220) having an outer diameter of 15 mm, a wall thickness of 0.8 mm, and a length of 2 m was used.
<冷媒流入管、冷媒流出管>
JIS規定のりん脱酸銅(C1220)からなる、外径5.5mm、肉厚0.75mm、長さ2mの平滑管を使用した。
<Refrigerant inflow pipe, refrigerant outflow pipe>
A smooth tube made of JIS stipulated phosphorous deoxidized copper (C1220) having an outer diameter of 5.5 mm, a wall thickness of 0.75 mm, and a length of 2 m was used.
<磁場発生手段>
長さ100mm、幅25mm、厚さ25mmの永久磁石を使用した。永久磁石の磁束密度は3000〜6000ガウス(0.3〜0.6テスラ)のものを使用した。
<Magnetic field generation means>
A permanent magnet having a length of 100 mm, a width of 25 mm, and a thickness of 25 mm was used. The magnetic flux density of the permanent magnet was 3000 to 6000 gauss (0.3 to 0.6 Tesla).
<熱交換器の作製>
熱交換部の大径管に、水流入管(扁平状水管をろう付け、磁場発生手段を設置)および水流出管を接続、小径管に冷媒流入管および冷媒流出管を接続して熱交換器とした。
<Production of heat exchanger>
Connect the water inflow pipe (with a flat water pipe and braze the magnetic field generator) and the water outflow pipe to the large diameter pipe of the heat exchange section, and connect the refrigerant inflow pipe and the refrigerant outflow pipe to the small diameter pipe. did.
比較例(No.7)として、磁束密度2000ガウス(0.2テスラ)の永久磁石を使用した以外は実施例(No.2)と同様にして熱交換器を作製した。また、比較例(No.8)として扁平状水管、永久磁石を使用しないこと以外は実施例(No.1)と同様にして熱交換器を作製した。 As a comparative example (No. 7), a heat exchanger was produced in the same manner as in Example (No. 2) except that a permanent magnet having a magnetic flux density of 2000 gauss (0.2 Tesla) was used. Moreover, the heat exchanger was produced like Example (No. 1) except not using a flat water pipe and a permanent magnet as a comparative example (No. 8).
次に、以下の条件で熱交換器(No.1〜8)を4000時間運転し、温水を循環させた。試験後、最もスケールの付着しやすい熱交換部のスケール付着状況を確認した。なお、熱交換部の小径管と大径管の内部に流通する媒体の流れは互いに逆向きとした。 Next, the heat exchangers (No. 1 to 8) were operated for 4000 hours under the following conditions, and hot water was circulated. After the test, the scale adhesion state of the heat exchange part where the scale is most likely to adhere was confirmed. In addition, the flow of the medium which distribute | circulates the inside of the small diameter pipe | tube of a heat exchange part and a large diameter pipe | tube was made into the reverse direction mutually.
<熱交換器の運転条件>
・水のCaCO3濃度:800mg/l
・水流量(大径管):1.2l/min
・冷媒(小径管):超臨界CO2
・冷媒流量(小径管):1.3kg/min
・熱交換部の水入側温度:20℃
・熱交換部の水出側温度:85℃
<Operating conditions of heat exchanger>
-CaCO 3 concentration in water: 800 mg / l
・ Water flow rate (large diameter pipe): 1.2 l / min
・ Refrigerant (small-diameter pipe): Supercritical CO 2
-Refrigerant flow rate (small diameter pipe): 1.3kg / min
・ Water inlet side temperature of heat exchanger: 20 ℃
・ Water outlet temperature of heat exchanger: 85 ℃
<スケール付着の評価方法>
運転前後の熱交換器の質量を測定し、運転後の質量増加量をスケール付着量とした。スケール付着量が5g/mを超えた場合をスケール付着が「あり」、5g/m以下の場合をスケール付着が「なし」と判断した。
運転前の質量は、熱交換部(全長8m)の質量を測定し、1mあたりの質量に換算した。運転後の質量は、水温が高くなる熱交換部の水出側部より長さ約1m切出して、その質量を測定し、長さで割って1mあたりの質量とした。その結果を表1に示す。
<Evaluation method of scale adhesion>
The mass of the heat exchanger before and after operation was measured, and the amount of mass increase after operation was taken as the amount of scale adhesion. When the scale adhesion amount exceeded 5 g / m, the scale adhesion was judged as “Yes”, and when it was 5 g / m or less, the scale adhesion was judged as “None”.
The mass before the operation was measured by measuring the mass of the heat exchange part (total length: 8 m) and converted to a mass per 1 m. The mass after operation was cut out by about 1 m in length from the water discharge side of the heat exchanging part where the water temperature becomes high, the mass was measured, and divided by the length to obtain the mass per 1 m. The results are shown in Table 1.
表1に示すように、実施例(No.1〜6)の熱交換器は、熱交換部にスケール付着が発生しなかった。一方、比較例(No.7)の熱交換器は、磁石の磁束密度が本発明の下限値より小さいため、熱交換部にスケールが発生した。比較例(No.8)の熱交換器は、扁平部および磁石を設置しなかったため、熱交換部に大量のスケールが発生した。 As shown in Table 1, in the heat exchangers of Examples (Nos. 1 to 6), scale adhesion did not occur in the heat exchange part. On the other hand, since the magnetic flux density of the magnet of the heat exchanger of the comparative example (No. 7) is smaller than the lower limit value of the present invention, a scale is generated in the heat exchange part. Since the flat part and the magnet were not installed in the heat exchanger of the comparative example (No. 8), a large amount of scale was generated in the heat exchange part.
これらの熱交換器の熱交換部について、大径管内面及び小径管外面を目視観察したところ、実施例(No.2〜6)では殆どスケール付着が見られなかった。実施例(No.1)ではわずかなスケール付着が見られた。それに対し、比較例(No.7)では実施例(No.1)に比べて大量のスケール付着が見られ、比較例(No.8)では管内の水の流路が狭くなるほど大量のスケール付着が見られた。 About the heat exchange part of these heat exchangers, when the large-diameter pipe inner surface and the small-diameter pipe outer surface were visually observed, scale adhesion was hardly seen in the examples (Nos. 2 to 6). In the example (No. 1), slight scale adhesion was observed. On the other hand, in the comparative example (No. 7), a large amount of scale adheres as compared to the example (No. 1), and in the comparative example (No. 8), a larger amount of scale adheres as the flow path of the water in the pipe becomes narrower. It was observed.
1、1A、1B 熱交換部
6a 水流入管
6b 水流出管
9a 冷媒流入管
9b 冷媒流出管
7、7A、7B 扁平部
7a 扁平面
10 熱交換器
M 磁場発生手段
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記水流入管および前記水流出管の少なくとも一方の管が、その一部に管軸方向に沿って1組の扁平面が形成された扁平部を有し、
前記扁平部を挟んでN極とS極が対向するように前記扁平面に磁場発生手段が設置され、
前記磁場発生手段の磁束密度が3000ガウス以上であることを特徴とする熱交換器。 A heat exchanging section for exchanging heat between water and the refrigerant, a water inflow pipe for flowing the water into the heat exchanging section, a water outflow pipe for flowing out the water heat-exchanged with the refrigerant from the heat exchanging section, and the refrigerant. A heat exchanger comprising a refrigerant inflow pipe flowing into the heat exchange section and a refrigerant outflow pipe for flowing out the refrigerant heat-exchanged with the water from the heat exchange section,
At least one of the water inflow pipe and the water outflow pipe has a flat portion in which one set of flat surfaces is formed along a tube axis direction in a part thereof,
Magnetic field generating means is installed on the flat surface so that the N pole and the S pole face each other across the flat portion,
The heat exchanger according to claim 1, wherein the magnetic field generating means has a magnetic flux density of 3000 gauss or more.
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CN102583668A (en) * | 2012-03-08 | 2012-07-18 | 蒋家响 | Scale and corrosion prevention device for inner wall of aqueous medium circulating system |
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2006
- 2006-03-28 JP JP2006089189A patent/JP2007263469A/en active Pending
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