JP2010091177A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】スケールの析出による機器性能の低下を抑制することが可能な熱交換器を提供する。
【解決手段】水が流通する水管２２ｂと、水管２２ｂに接触して配置され、冷媒が流通する水管２２ｂと、水が所定温度域となる水管２２ｂの一部において、水管２２ｂに対して着脱可能に配置されている着脱配管４０とを備えている。
【選択図】図４

Description

本発明は、水と冷媒との間で熱交換させるための熱交換器の構造に関する。

圧縮機と熱交換器と減圧機構と空気熱交換器とを順次接続したヒートポンプユニットと、上記水熱交換器にて構成される熱交換路に未加熱水を供給し、熱交換器において加熱された（沸き上げられた）水を貯湯タンクに返流させる貯湯ユニットと、を備えている給湯装置が従来より用いられている（例えば、特許文献１に示す給湯装置）。

そして、このような給湯装置では、冷媒回路中に設けられた空気熱交換器を蒸発器として機能させると共に水熱交換器を凝縮器として機能させることにより給湯運転を行うことが可能である。
特開２００７−２７１２１３号公報

しかしながら、上記従来の給湯装置では、以下に示すような問題点を有している。

すなわち、熱交換器において水を加熱していくと、水に含まれるスケールが過飽和状態となり、スケールが析出するようになる。そして、析出したスケールが、配管の内壁面に付着すると、伝熱性能の低下等、機器性能の低下を招いてしまうおそれがある。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、スケールの析出による機器性能の低下を抑制することが可能な熱交換器を提供することを目的とする。

第１の発明に係る熱交換器は、水と冷媒との間で熱交換を行う熱交換器であって、水管と、冷媒管と、着脱部とを備えている。水管は、水が流通している。冷媒管は、水管に接触して配置され、冷媒が流通している。着脱部は、水が所定温度域となる水管の一部において、水管に対して着脱可能に配置されている。

ここでは、水が所定温度域となる水管の一部に水管に対して着脱可能な着脱部を設けている。

なお、ここでいう所定温度域とは、水管に流通する水に含まれるスケールが過飽和状態となる温度域をいう。すなわち、水管において、水が所定温度域まで加熱されると、スケールが析出しやすくなる。

熱交換器においては、過飽和状態となったスケールが析出して配管の内壁面に付着し、伝熱性能の低下等、機器性能の低下を招いてしまうという問題がある。

そこで、本発明の熱交換器においては、水が所定温度域となる水管の一部に水管に対して着脱可能な着脱部を設けている。

これにより、着脱可能な着脱部に選択的にスケールを析出させて、他の水管の部位にスケールが析出することを抑制している。また、着脱部において析出し、着脱部に付着するスケールについては、着脱部を取り外して新しい着脱部と交換することによって取り除くことが可能となる。

この結果、水管の内壁面にスケールが付着することによって発生する機器性能の低下を抑制することが可能となる。

第２の発明に係る熱交換器は、第１の発明に係る熱交換器であって、着脱部の内径は、水管の内径よりも大きい。

ここでは、着脱部の内径を水管の内径よりも大きく設定している。

これにより、着脱部において析出させるスケールによって、流路が閉塞してしまうことを防止することができる。

第３の発明に係る熱交換器は、第１または第２の発明に係る熱交換器であって、着脱部は、着脱部における流路に配置され、水に含まれる過飽和状態のスケールの析出を促進させる析出部を有している。

ここでは、水に含まれる過飽和状態のスケールの析出を促進させる析出部を着脱部における流路に設けている。

これにより、着脱可能な着脱部において確実にスケールを析出させることが可能となる。

第４の発明に係る熱交換器は、第３の発明に係る熱交換器であって、析出部は、着脱部の内壁面にスケールの析出を促進させる核生成物が塗布されている。

ここでは、着脱部の内径面にスケールの析出を促進させる核生成物を塗布している。

これにより、着脱部における流路内において確実にスケールを析出させることが容易に可能となる。

第５の発明に係る熱交換器は、第３または第４の発明に係る熱交換器であって、析出部は、着脱部における流路内に配置された金網と、金網に塗布されており、スケールの析出を促進させる核生成物と、によって形成されている。

ここでは、着脱部の流路内に金網を設け、その金網にスケールの析出を促進させる核生成物を塗布している。

これにより、着脱部内においてスケールを確実に析出させることが容易に可能となる。

第１の発明に係る熱交換器によれば、水管の内壁面にスケールが付着することによって発生する機器性能の低下を抑制することが可能となる。

第２の発明に係る熱交換器によれば、着脱部において析出させるスケールによって、流路が閉塞してしまうことを防止することができる。

第３の発明に係る熱交換器によれば、脱可能な着脱部において確実にスケールを析出させることが可能となる。

第４の発明に係る熱交換器によれば、着脱部における流路内において確実にスケールを析出させることが容易に可能となる。

第５の発明に係る熱交換器によれば、着脱部内においてスケールを確実に析出させることが容易に可能となる。

本発明の一実施形態に係る水熱交換器（熱交換器）２２を含む給湯装置１について、図１〜図６を用いて説明すれば以下の通りである。

＜ヒートポンプ式給湯装置の構成＞
本発明の一実施形態に係る水熱交換器２２を含むヒートポンプ式給湯装置のシステムを図１に示す。ヒートポンプ式給湯装置１は、冷凍装置２と貯湯装置３とによって構成されている。冷凍装置２は、圧縮機２１、水熱交換器２２内の冷媒管２２ａ、減圧手段としての膨張弁２３および空気熱交換器２４が、冷媒配管２５によって環状に接続される圧縮式の冷凍回路２０を有する。

さらに、冷凍回路２０には、水熱交換器２２から出る高圧高温の冷媒と、空気熱交換器２４から出る低圧低温の冷媒との間で熱交換を行うため、ガス熱交換器２６が配置されている。具体的には、水熱交換器２２と膨張弁２３とを連結する冷媒通路と、空気熱交換器と圧縮機２１とを連結する冷媒通路との間で熱交換が行われる。

貯湯装置３は、貯湯タンク３１、水熱交換器２２内の水管２２ｂ及び水循環ポンプ３２が、水配管３５によって環状に接続された水循環回路３０を有する。

冷凍装置２には、設置場所の外気温を検出する外気温センサ８、圧縮機２１の吐出管温度を検出する吐出管温度センサ９および空気熱交換器２４の温度を検出する温度センサ１０が設けられており、これらのセンサの検出信号は、マイコン６に入力される。そして、水熱交換器２２で加熱された水の温度が所定温度となるように、水循環ポンプ３２によって水の循環量が制御される。マイコン６は、所定温度の水を得るために必要な冷媒温度を確保するために、膨張弁２３の開度を制御する。

＜冷凍装置の構造＞
図２は、冷凍装置２の内部構造を示す断面図である。図２において、断熱壁２ｃの右側区画が機械室２ａであり、断熱壁２ｃの左側区画がファン室２ｂである。機械室２ａには、圧縮機２１、膨張弁２３が配置されている。

ファン室２ｂには、図２の正面視において、前方にファン２７が配置されている。ファン２７の後方には、ファン２７を駆動するモータが、モータ支持台２８に固定された状態で配置されている。ファン室２ｂの下方には、断熱壁２ｄを隔てて水熱交換器２２が配置されている。水熱交換器２２内にて、冷媒管２２ａ（図１参照）を流れる冷媒と、水管２２ｂ（図１参照）を流れる水との間で熱交換が行われる。

また、図２において、空気熱交換器２４は、ファン室２ｂの左側壁と背面壁に沿って配置されており、空気熱交換器２４の右端は機械室２ａの中央まで延出している。制御ボックス４は、機械室２ａの上部とファン室２ｂの上部を跨ぐように配置されている。制御ボックス４には、マイコン６（図４参照）、インバータ７（図４参照）を搭載した制御装置５が内蔵されている。

＜冷凍装置の運転制御＞
図３は、冷凍装置２の制御ブロック図である。マイコン６は、外気温センサ８、空気熱交換器２４の温度センサ１０からの検出信号に基づき、目標吐出管温度設定部６２で目標吐出管温度を設定する。そして、マイコン６は、吐出管温度センサ９で検出される吐出管温度が目標吐出管温度に近づくように、膨張弁開度制御部６３を介して膨張弁２３の開度を制御する。なお、目標吐出管温度の設定に必要なデータは、目標吐出管温度設定部６２内に予め記憶されている。

さらに、マイコン６は、冷凍装置２の能力に及ぼす外気温の影響を考慮して、さらに給湯負荷が一日の時間帯によって変化することを考慮して、インバータ制御部６４を介して圧縮機２１の運転周波数を制御している。例えば、外気温が低く、給湯負荷が大きい時間帯では、湯切れを防止するため、効率を無視して圧縮機２１の運転周波数を高める。一方、外気温が高く、給湯負荷が小さい時間帯では、圧縮機２１の運転周波数を高効率点に設定する。

給湯負荷が大きいとき、マイコン６は、圧縮機２１を保護する目的で、吐出管温度が１２０℃を超えないように圧縮機２１の運転制御を行う。実際に、吐出管温度が１２０℃のとき、圧縮機２１の内部温度は、１４０℃〜１４５℃に到達しており、内部温度がさらに上昇して１５０℃を超えると、圧縮機２１内部のマグネットの磁力が低下、オイルの劣化が発生し故障に至る。したがって、本実施形態では、吐出管温度の上限を１２０℃と設定している。

但し、外気温ｔ１が−２０℃以下のときは、圧縮機２１が過負荷になり易いので、さらなる安全措置として吐出管温度センサ９の検出値の補正量を大きくとり、実際の吐出管温度が１２０℃に達する前に吐出管温度センサ９の検出値を１２０℃にする必要がある。そこで、外気温ｔ１が−２０℃以下のときの補正量が実験的に求められ、マイコン６の温度補正部６１の第２補正手段６１ｂに記憶されている。なお、外気温ｔ１＞−２０℃の温度範囲では、第１補正手段６１ａによって、補正されている。

＜水熱交換器の構造＞
ここでは、水熱交換器２２の構成について、図４，図５を用いて説明する。ここで、図４は、水熱交換器２２の構成を、また、図２は、水熱交換器２２における要部の構成を示している。

水熱交換器２２は、冷媒管２２ａと、水管２２ｂと、着脱配管（着脱部）４０とを有している。

冷媒管２２ａは、その内側に冷媒を流通させる断面が円形の円管である。本実施形態の冷媒管２２ａは、図４に示すように、２本の第１，第２冷媒細管２２１ａ、２２２ａに分岐され、後述する水管２２ｂに巻回されている。第１，第２冷媒細管２２１ａ、２２２ａは、長手方向に沿って平行に、水管２２ｂの外周面上に相互に等しい所定の間隔をおいて、かつ、所定の巻き角を有して螺旋状に巻回されている。なお、本実施形態の冷媒管２２ａには、冷媒ガスとして二酸化炭素が流されている。

水管２２ｂは、その内側に水を流通させる断面円形の円管であって、所定の長さと所定の内径ｄ２を有して構成されている。

水熱交換器２２は、上記の構成により、入水側２２ａａより入水した水を徐々に加熱することができ、出水側２２ａｂから出水する水を所望の温度にすることができる。

着脱配管４０は、上記水管２２ｂの一部に配置されており、水管２２ｂに対して着脱可能に配置されている。また、着脱配管４０は、水管２２ｂを流通する水が所定温度域となる位置、すなわち、水管２２ｂを流通する水に含まれるスケールＳが過飽和状態となる温度域に配置されている。具体的には、着脱配管４０は、例えば、水管２２ｂに硬度２００の水を流通させる場合、水管２２ｂを流通する水が６５℃となる位置に設けられる。

これにより、着脱配管４０が配置された位置に選択的にスケールＳを析出させることが可能となり、スケールＳは、着脱配管４０の内壁面４０ａに付着するようになる。

また、着脱配管４０の内径ｄ１は、水管２２ｂの内径ｄ２に比べて大きく形成されている。これにより、内壁面４０ａにスケールＳが付着した場合であっても、着脱配管４０において流路が閉塞してしまうことを防止することができる。

また、着脱配管４０の内壁面４０ａには、図６に示すように、水管２２ｂを流通する水に含まれる過飽和状態のスケールＳの析出を促進させる核生成物４１が塗布されている。核生成物４１としては、例えば、ＣａＣＯ₃（炭酸カルシウム）を採用することができる。これにより、着脱可能な着脱配管４０において確実にスケールＳを析出させることが可能となる。

［給湯装置１の特徴］
（１）
本実施形態の給湯装置１は、水が流通する水管２２ｂと、水が所定温度域となる水管２２ｂの一部において、水管２２ｂに対して着脱可能に配置されている着脱配管４０と、を備えている。

これにより、着脱可能な着脱配管４０に選択的にスケールＳを析出させて、他の水管２２ｂの部位（着脱配管４０以外の部位）にスケールＳが析出することを抑制している。また、着脱配管４０において析出し、内壁面４０ａに付着するスケールＳについては、着脱配管４０を取り外して新しい着脱配管４０（内壁面４０ａにスケールＳが付着していない着脱配管４０）と交換することによって取り除くことが可能となる。この結果、水管２２ｂの内壁面４０ａにスケールＳが付着することによって発生する機器性能の低下を抑制することが可能となる。

（２）
本実施形態の給湯装置１では、着脱配管４０の内径ｄ１を水管２２ｂの内径ｄ２よりも大きく設定している。これにより、着脱配管４０において析出させるスケールＳによって、流路が閉塞してしまうことを防止している。

（３）
本実施形態の給湯装置１では、着脱配管４０の内壁面４０ａにスケールＳの析出を促進させる核生成物４１を塗布している。これにより、着脱配管４０内においてスケールＳを確実に析出させることを容易に可能としている。

［他の実施形態］
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

（Ａ）
上記実施形態の給湯装置１では、図６に示すように、着脱配管４０の内壁面４０ａにスケールＳの析出を促進させる核生成物４１が塗布されている例を挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。

本発明においては、水管２２ｂ内を流通する水に含まれるスケールＳが過飽和状態となる環境、すなわち、流通する水が所定温度域となる位置に着脱配管４０が配置されていればよい。なお、所定温度域となる位置に配置された着脱配管４０の内壁面４０ａに核生成物４１を塗布することは、着脱配管４０内で確実にスケールＳを析出させる上で有効である。

（Ｂ）
上記実施形態の給湯装置１では、着脱配管４０の内壁面４０ａに核生成物４１が塗布されている例を挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。

例えば、着脱配管（着脱部）１４０は、図７に示すように、その流通路内に金網（析出部）１４２が配置され、その金網１４２に核生成物（析出部）１４１が塗布されていてもよい。

また、図８に示すように、着脱配管（着脱部）２４０の内壁面２４０ａに、核生成物（析出部）２４１を塗布し、さらに、核生成物２４１が塗布された金網（析出部）２４２を流通路内に配置してもよい。この場合も、上記の実施形態に係る給湯装置１と同様の効果を得ることができる。

（Ｃ）
上記実施形態の給湯装置１では、着脱配管４０の内壁面４０ａに塗布されている核生成物４１として、炭酸カルシウムを採用した例を挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。

核生成物としては、例えば、「シリカ」や「炭酸カルシウム以外のカルシウム化合物」であってもよい。この場合も、上記の実施形態に係る給湯装置１と同様の効果を得ることができる。

（Ｄ）
上記実施形態の給湯装置１では、水管２２ｂを流通する水が６５℃となる位置に着脱配管４０が設定されている例を挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。

所定温度域は、水管に流通させる水の質（硬度等）によって変化するものであり、流通させる水の質によって適切に設定することが必要である。

本発明によれば、スケールの析出による機器性能の低下を抑制することが可能になるため、スケール成分を有する水を使用する給湯装置への適用が特に有用である。

本発明の一実施形態に係る水熱交換器を含む給湯装置の水系統および冷媒系統回路図。 冷凍装置の内部構造を示す断面図。 冷凍装置の制御装置のブロック図。 冷凍装置の水熱交換器の内部配管を示す構造図。 図４の水熱交換器の内部配管における要部を示す拡大図。 図４の水熱交換器に含まれる着脱配管の構造を示す縦断面図。 本発明の他の実施形態に係る水熱交換器の着脱配管の構造を示す縦断面図。 本発明のさらに他の実施形態に係る水熱交換器の着脱配管の構造を示す縦断面図。

符号の説明

１ 給湯装置
２ 冷凍装置
２ａ 機械室
２ｂ ファン室
２ｃ，２ｄ 断熱壁
３ 貯湯装置
４ 制御ボックス
５ 制御装置
６ マイコン
７ インバータ
８ 外気温センサ
９ 吐出管温度センサ
１０ 温度センサ
２０ 冷凍回路
２１ 圧縮機
２２ 水熱交換器（熱交換器）
２２ａ 冷媒管
２２ｂ 水管
２２ａａ 入水側
２２ａｂ 出水側
２３ 膨張弁
２４ 空気熱交換器
２５ 冷媒配管
２６ ガス熱交換器
２７ ファン
２８ モータ支持台
３０ 水循環回路
３１ 貯湯タンク
３２ 水循環ポンプ
３５ 水配管
４０，１４０，２４０ 着脱配管（着脱部）
４０ａ，２４０ａ 内壁面
４１，１４１，２４１ 核生成物（析出部）
６１ 温度補正部
６１ａ 第１補正手段
６１ｂ 第２補正手段
６２ 目標吐出管温度設定部
６３ 膨張弁開度制御部
６４ インバータ制御部
１４２，２４２ 金網（析出部）
２２１ａ 第１冷媒管
２２２ａ 第２冷媒管
Ｓ スケール
ｄ１ 着脱配管の内径
ｄ２ 水管の内径

Claims (5)

1. 水と冷媒との間で熱交換を行う熱交換器（２２）であって、
   前記水が流通する水管（２２ｂ）と、
   前記水管に接触して配置され、冷媒が流通する冷媒管（２２ａ）と、
   前記水が所定温度域となる前記水管の一部において、前記水管に対して着脱可能に配置されている着脱部（４０）と、
   を備えている、熱交換器。
2. 前記着脱部の内径（ｄ１）は、前記水管の内径（ｄ２）よりも大きい、
   請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記着脱部は、前記着脱部における流路に配置され、前記水に含まれる過飽和状態のスケール（Ｓ）の析出を促進させる析出部（４１，１４１，１４２，２４１，２４２）を有している、
   請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 前記析出部は、前記着脱部の内壁面（４０ａ）に前記スケールの析出を促進させる核生成物（４１，１４１，２４１）が塗布されている、
   請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記析出部は、前記着脱部における流路内に配置された金網（１４２，２４２）と、前記金網に塗布されており、前記スケールの析出を促進させる核生成物（４１，１４１，２４１）と、によって形成されている、
   請求項３または４に記載の熱交換器。

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