JP2019086241A - Heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、空調装置、給湯装置等の機器に用いられ、特にヒートポンプ式の給湯機等のように、水等の流体と冷媒等との二種の流体を熱交換させるための熱交換器に関するものである。 The present invention relates to a heat exchanger for heat exchange between a fluid such as water and a refrigerant such as a heat pump-type water heater, which is used for equipment such as an air conditioner and a water heater. It is a thing.
従来、この種のヒートポンプ式給湯機用の熱交換器は、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、内管を流れる水を、外管を流れる冷媒により加熱するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
図９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。
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とから構成される。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とを対向させ、水と冷媒との間で熱交換するものである。
以上のように構成された熱交換器１０１は、内管１０２の内部を流れる低温の水と、外管１０３の内部を流れる高温の二酸化炭素とを対向する方向に流して熱交換させ、例えば、約９℃の水を約９０℃まで沸き上げることが可能である。このように、二酸化炭素を用いたヒートポンプ式給湯機（ＣＯ２ヒートポンプ式給湯機と呼ぶ）は、水の沸き上げ温度を９０℃と高くできるので、貯湯タンクへの蓄熱量を大きくできる。
Conventionally, a heat exchanger for a heat pump type water heater of this type comprises an inner pipe forming a water passage, and an outer pipe spirally wound around the outer periphery of the inner pipe to form a refrigerant passage, and the inner pipe It is known to heat flowing water with a refrigerant flowing through an outer pipe (see, for example, Patent Document 1).
FIG. 9 shows a conventional heat exchanger described in Patent Document 1. As shown in FIG.
The heat exchanger 101 includes an inner pipe 102 and an outer pipe 103 spirally wound around the outer circumference of the inner pipe 102 at a predetermined pitch. The direction of the flow of water flowing in the inside of the inner pipe 102 and the direction of the flow of the refrigerant flowing in the inside of the outer pipe 103 are opposed to each other, and heat is exchanged between the water and the refrigerant.
The heat exchanger 101 configured as described above causes heat exchange between the low-temperature water flowing inside the inner tube 102 and the high-temperature carbon dioxide flowing inside the outer tube 103, flowing in opposite directions, for example, It is possible to boil water at about 9 ° C to about 90 ° C. As described above, the heat pump type water heater using carbon dioxide (referred to as a CO 2 heat pump type water heater) can raise the boiling temperature of water to 90 ° C., so the heat storage amount to the hot water storage tank can be increased.
しかしながら、従来における構成では、冬期の低外気温時、螺旋状に巻き付けた外管（螺旋状流路）１０３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１０２内の水圧が著しく上昇し熱交換器１０１が破壊してしまう可能性がある。 However, in the conventional configuration, when the water in the spirally wound outer tube (helical flow channel) 103 freezes and expands at low external temperature in winter, there is no escape space for the expanded water. There is a possibility that the water pressure in the pipe 102 will rise significantly and the heat exchanger 101 will be destroyed.
そこで、本発明は、螺旋状流路内の水が凍結膨張しても、水の逃げ場を確保することによって破壊されることのない信頼性の高い熱交換器を提供することを目的とする。 Therefore, it is an object of the present invention to provide a highly reliable heat exchanger which is not destroyed by securing an escape place for water even if the water in the spiral flow channel freezes and expands.
上記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、内管の内部を流れる水を前記内管の外部から加熱又は冷却する熱交換器であって、前記内管の内部に挿入体を挿入し、前記挿入体は、軸部と、前記軸部の外表面に形成された突部とからなり、前記内管と前記突部との間に、前記水が流れる螺旋状流路を形成し、前記軸部の内部に、中空部を形成したものである。
この構成によって、冬期の低外気温時、螺旋状流路内の水が凍結し始めて内管内の水圧が上昇し始めても、挿入体の中空部が上昇する水圧によって押しつぶされるように変形収縮するので、螺旋状流路内の水側の螺旋状流路容積が拡大できる。
このように膨張した水の逃げ場を確保できるため、凍結時の体積膨張を吸収緩和して内管内の水圧上昇を阻止でき、熱交換器の破壊を回避することができる。
また、前記軸部の一部に、薄肉部を形成したものである。
この構成によって、凍結膨張の際に、肉厚が薄い軸部部分から変形、又は割れ始めるので、いち早く、螺旋状流路内の水側の容積が拡大でき圧力上昇を回避できる。
このため、凍結破壊を速やかに回避できる効果がある。
また、前記軸部に、前記螺旋状流路と前記中空部とを連通させる複数の連通穴を設け、複数の前記連通穴を、前記軸部の軸方向に配置したものである。
この構成によって、水が流れる螺旋状流路に対し、連通穴を介した気体溜まりを中空部に形成するので、凍結膨張して発生する圧力を、連通穴を経由して直接中空部分へ逃がすことができる。
このため、挿入体を変形させることなく凍結破壊を回避でき、挿入体の破損の心配が無くなる。さらに、複数の連通穴を軸方向に配置したため、凍結箇所が軸方向に複数発生したとしても、凍結箇所に近い連通穴によって凍結破壊を回避できる。
また、内部に気体を有する弾性体を前記中空部に設けたものである。
この構成によって、凍結膨張時に弾性体が収縮変形することで水の圧力上昇を抑制緩和する。凍結が解除されると弾性体は膨張し元の形状に戻るので、複数回の凍結にも繰返し対応可能となる。
また、前記中空部を複数の空間に仕切る栓を備えたものである。
この構成によって、中空部内の気体は水密構造となる栓で水と完全分離される。凍結膨張時に栓が気体を圧縮しながら内部に移動することで、螺旋状流路内の水側の容積が拡大できるため、水の圧力上昇を抑制緩和できる。
このことにより、比較的簡素な構成で、複数回の凍結にも対応可能となる。
また、前記中空部に、隣接する前記栓を連結する弾性体を備えたものである。
この構成によって、凍結膨張して発生する圧力上昇を気体と弾性体の両方で吸収することができる。よって、中空部内の気体の体積が小さかったとしても、問題なく凍結膨張を吸収して、熱交換器の破壊を回避できる。
また、前記中空部の中空部内容積を、前記螺旋状流路の流路内容積の８％以上としたものである。
この構成によって、中空部が保有する容積は、螺旋状流路内の水が全て凍結した時に増加する容積以上である。よって螺旋状流路内の水が全て凍結したとしても、凍結膨張した容積を中空部にて全て吸収できるので、熱交換器の凍結破壊を確実に防止することができる。
また、前記挿入体の表面にバリヤー性のコーティング材を施したものである。
この構成によって、挿入体がガス透過性や水分透過性を有する樹脂材料の場合、バリヤー性のコーティング材によって、中空部内からの気体流出と中空部内への水の浸入を阻止できる。
このことにより、長期間に亘り中空構造を維持できるので、熱交換器の凍結破壊防止において、信頼性の高い熱交換器を提供することができる。
In order to solve the above-mentioned conventional problems, the heat exchanger of the present invention is a heat exchanger which heats or cools the water flowing inside the inner pipe from the outside of the inner pipe, and is inserted into the inside of the inner pipe. A body is inserted, and the insertion body is composed of a shaft portion and a projection formed on the outer surface of the shaft portion, and a spiral flow path in which the water flows between the inner pipe and the projection And a hollow portion is formed inside the shaft portion.
This configuration causes the hollow portion of the insert to be deformed and shrunk so as to be crushed by the rising water pressure even if the water in the spiral channel starts to freeze and the water pressure in the inner pipe starts to rise at low external temperature in winter. The spiral channel volume on the water side in the spiral channel can be expanded.
Thus, since the escape place of the expanded water can be secured, absorption and relaxation of volumetric expansion at the time of freezing can be prevented to prevent the rise of water pressure in the inner pipe, and destruction of the heat exchanger can be avoided.
Moreover, the thin part is formed in a part of said axial part.
According to this configuration, during freezing and expansion, the thin wall portion begins to deform or break from the thin walled part, so that the volume on the water side in the spiral channel can be expanded quickly, and a pressure rise can be avoided.
For this reason, there is an effect that freeze destruction can be avoided promptly.
Further, the shaft portion is provided with a plurality of communication holes communicating the spiral flow passage and the hollow portion, and the plurality of communication holes are disposed in the axial direction of the shaft portion.
With this configuration, a gas reservoir is formed in the hollow portion through the communication hole with respect to the spiral flow path through which water flows, so that the pressure generated by freezing and expanding is released directly to the hollow portion through the communication hole. Can.
For this reason, freeze fracture can be avoided without deforming the insert, and there is no risk of breakage of the insert. Furthermore, since the plurality of communication holes are arranged in the axial direction, even if a plurality of freezing points are generated in the axial direction, the freeze fracture can be avoided by the communication holes close to the freezing portion.
Further, an elastic body having gas inside is provided in the hollow portion.
By this configuration, the pressure rise of water is suppressed and relaxed by the contraction and deformation of the elastic body at the time of freeze expansion. When the freezing is released, the elastic body expands and returns to the original shape, so that it is possible to repeatedly cope with freezing several times.
Moreover, the stopper which divides the said hollow part into several space is provided.
With this configuration, the gas in the hollow portion is completely separated from the water by the watertight plug. Since the volume on the water side in the spiral channel can be expanded by moving to the inside while compressing the gas at the time of freeze expansion, the pressure rise of water can be suppressed and relaxed.
This makes it possible to cope with multiple freezes with a relatively simple configuration.
Further, the hollow portion is provided with an elastic body connecting the adjacent plugs.
With this configuration, it is possible to absorb the pressure rise generated by freezing and expanding by both the gas and the elastic body. Therefore, even if the volume of the gas in the hollow portion is small, the freeze expansion can be absorbed without any problem, and the destruction of the heat exchanger can be avoided.
In addition, the volume of the hollow portion of the hollow portion is 8% or more of the volume of the helical flow channel.
With this configuration, the volume held by the hollow portion is equal to or more than the volume that increases when all the water in the spiral flow channel is frozen. Therefore, even if all the water in the spiral flow path is frozen, the freeze-expanded volume can be entirely absorbed by the hollow portion, so that the freeze destruction of the heat exchanger can be reliably prevented.
Further, the surface of the insert is coated with a barrier coating material.
According to this configuration, when the insert is a resin material having gas permeability or water permeability, the barrier coating material can prevent gas outflow from the hollow portion and water infiltration into the hollow portion.
As a result, since the hollow structure can be maintained for a long time, it is possible to provide a highly reliable heat exchanger in preventing freeze fracture of the heat exchanger.
本発明の熱交換器は、螺旋状流路内の水が凍結する際の水の体積膨張を、挿入体の中空部にて吸収緩和させることにより、熱交換器の破壊を回避することができる。 The heat exchanger according to the present invention can avoid the destruction of the heat exchanger by absorbing and relaxing the volume expansion of water when the water in the spiral flow channel is frozen in the hollow portion of the insert. .
第１の発明は、内管内部の流れる水を前記内管の外部から加熱又は冷却する熱交換器であって、前記内管の内部に挿入体を挿入し、前記挿入体は、軸部と、前記軸部の外表面に形成された突部とからなり、前記内管と前記突部との間に、前記水が流れる螺旋状流路を形成し、前記軸部の内部に、中空部を形成したものである。
かかる構成とすることにより、冬期の低外気温時、螺旋状流路内の水が凍結し始めて内管内の水圧が上昇し始めても、挿入体の中空部が上昇する水圧によって押しつぶされるように変形収縮することで、螺旋状流路内の水側の容積が拡大でき、膨張した水の逃げ場が設けられる。
よって、凍結による水の体積膨張を中空部で吸収緩和することができ、内管内の水圧上昇を阻止して熱交換器の破壊を回避できる。
A first invention is a heat exchanger for heating or cooling water flowing inside an inner pipe from the outside of the inner pipe, inserting an insert into the inside of the inner pipe, the insert having a shaft and And a protrusion formed on an outer surface of the shaft portion, and a spiral flow passage through which the water flows is formed between the inner pipe and the protrusion, and a hollow portion is formed in the shaft portion. Form.
With this configuration, even when the water in the spiral channel starts to freeze and the water pressure in the inner pipe starts to rise at low external temperature in winter, the hollow portion of the insert is deformed so as to be crushed by the rising water pressure. By contracting, the volume on the water side in the spiral flow channel can be expanded, and a relief space for expanded water is provided.
Therefore, the volume expansion of water due to freezing can be absorbed and relaxed in the hollow portion, and the rise of water pressure in the inner pipe can be prevented to prevent the heat exchanger from being broken.
第２の発明は、第１の発明に加えて、軸部の一部に、薄肉部を形成したものである。
かかる構成とすることにより、凍結膨張の際に、肉厚が薄い軸部部分から変形、又は割れ始めるので、いち早く、螺旋状流路内の水側の容積が拡大でき圧力上昇を回避できる。このため、凍結破壊を速やかに回避できる。
In the second invention, in addition to the first invention, a thin-walled portion is formed on a part of the shaft portion.
With this configuration, during freezing and expansion, the thin wall portion begins to deform or break from the thin walled part, so that the volume on the water side in the spiral channel can be expanded quickly, and a pressure rise can be avoided. For this reason, freeze destruction can be avoided promptly.
第３の発明は、第１の発明に加えて、前記軸部に、前記螺旋状流路と前記中空部とを連通させる複数の連通穴を設け、複数の前記連通穴を、前記軸部の軸方向に配置したものである。
かかる構成とすることにより、凍結膨張して上昇する水圧を、連通穴を経て直接中空部へ逃がすことができる。
よって、挿入体を変形させることなく凍結破壊を回避でき、挿入体の破損の心配が無くなる。さらに、複数の連通穴を軸方向に配置したため、凍結箇所が軸方向に複数発生したとしても、凍結箇所に近い連通穴によって凍結破壊を回避できる。
According to a third aspect of the present invention, in addition to the first aspect, the shaft portion is provided with a plurality of communication holes communicating the spiral flow channel with the hollow portion, and the plurality of communication holes are It is arranged in the axial direction.
With this configuration, the water pressure that freezes and expands can rise directly to the hollow portion through the communication hole.
Thus, freeze fracture can be avoided without deforming the insert, and there is no risk of breakage of the insert. Furthermore, since the plurality of communication holes are arranged in the axial direction, even if a plurality of freezing points are generated in the axial direction, the freeze fracture can be avoided by the communication holes close to the freezing portion.
第４の発明は、第１から第３の発明に加えて、内部に気体を有する弾性体を中空部に設けたものである。
かかる構成とすることにより、凍結膨張時に弾性体が収縮変形することで水の圧力上昇を抑制緩和する。凍結が解除されると弾性体は膨張して元の形状に戻るので、複数回の凍結にも繰返し対応可能となる。
According to a fourth invention, in addition to the first to third inventions, an elastic body having a gas inside is provided in a hollow portion.
With this configuration, the elastic body is contracted and deformed at the time of freezing and expansion, whereby the pressure rise of water is suppressed and relaxed. When the freezing is released, the elastic body expands and returns to the original shape, so that it is possible to repeatedly cope with freezing several times.
第５の発明は、第１の発明に加えて、中空部を複数の空間に仕切る栓を備えたものである。
かかる構成とすることにより、中空部内の気体は水密構造となる栓で水と完全分離される。凍結膨張時に栓が気体を圧縮しながら内部に移動することで、螺旋状流路内の水側の容積が拡大できるため、水の圧力上昇を抑制緩和できる。このことにより、比較的簡素な構成で、複数回の凍結にも対応可能となる。
A fifth invention is, in addition to the first invention, provided with a plug for dividing the hollow portion into a plurality of spaces.
With this configuration, the gas in the hollow portion is completely separated from the water by the watertight plug. Since the volume on the water side in the spiral channel can be expanded by moving to the inside while compressing the gas at the time of freeze expansion, the pressure rise of water can be suppressed and relaxed. This makes it possible to cope with multiple freezes with a relatively simple configuration.
第６の発明は、第５の発明に加えて、中空部に、隣接する前記栓を連結する弾性体を備えたものである。
かかる構成とすることにより、凍結膨張して発生する圧力上昇を中空部内の気体と弾性体の両方で吸収することができる。よって、中空部内の気体の体積が小さかったとしても、問題なく凍結膨張を吸収して、熱交換器の破壊を回避できる。
According to a sixth aspect of the present invention, in addition to the fifth aspect, the hollow portion is provided with an elastic body connecting the adjacent plugs.
With this configuration, the pressure rise generated by freezing and expanding can be absorbed by both the gas and the elastic body in the hollow portion. Therefore, even if the volume of the gas in the hollow portion is small, the freeze expansion can be absorbed without any problem, and the destruction of the heat exchanger can be avoided.
第７の発明は、第１から第６の発明に加えて、中空部の中空部内容積を、前記螺旋状流路の流路内容積の８％以上としたものである。
かかる構成とすることにより、中空部が保有する容積は、螺旋状流路内の水が全て凍結した時に増加する容積以上であるので、螺旋状流路内の水が全て凍結したとしても、凍結膨張した容積を中空部にて全て吸収できる。
According to a seventh invention, in addition to the first to the sixth inventions, the internal volume of the hollow portion of the hollow portion is 8% or more of the internal volume of the spiral flow channel.
With this configuration, the volume held by the hollow portion is equal to or greater than the volume that increases when all the water in the spiral flow channel is frozen, so even if all the water in the spiral flow channel is frozen, freezing occurs. The expanded volume can be absorbed entirely in the hollow part.
第８の発明は、第１から第７の発明に加えて、挿入体の表面にバリヤー性のコーティング材を施したものである。
かかる構成とすることにより、挿入体がガス透過性や水分透過性を有する樹脂材料の場合、バリヤー性のコーティング材によって、中空部内からの流出する気体や中空部内への浸入する水を阻止できる。
このため、より長期に亘り中空部内に気体を維持しながら熱交換器の凍結破壊に対処できるので、より信頼性の高い熱交換器を提供することができる。
According to an eighth invention, in addition to the first to seventh inventions, a barrier coating material is applied to the surface of the insert.
With this configuration, when the insert is a resin material having gas permeability and water permeability, the barrier coating material can prevent the gas flowing out of the hollow portion and the water entering the hollow portion.
Therefore, since it is possible to cope with the freeze destruction of the heat exchanger while maintaining the gas in the hollow for a longer period of time, a more reliable heat exchanger can be provided.
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この発明が限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited by the embodiment.
（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一部を断面とした構成図である。図２は同実施の形態における熱交換器の挿入体を示す構成図である。
図１において、熱交換器１は、内部を第１流体（例えば、水）が流れる内管２と、内管２の内部に挿入された挿入体３と、内部を第２流体（例えば、二酸化炭素冷媒）が流れ、かつ、内管２の外周に密着する少なくとも１本以上の外管４とから構成され、水と二酸化炭素とを対向する方向に流し、水と二酸化炭素とで熱交換するものであり、給湯機（例えば、冷媒を二酸化炭素としたＣＯ２ヒートポンプ式給湯機）に搭載されている。そして、外管４は内管２の外周に所定のピッチで、螺旋状に巻き付けられている。
図１及び図２において、挿入体３は、軸部５と、軸部５の外表面に螺旋状に設けられた突部６とからなり、内管２と突部６との間に、水が流れる螺旋状流路７を形成し、軸部５の内部に、中空部８を形成している。
中空部８には、気体９（例えば空気）を有する。
Embodiment 1
FIG. 1: is the block diagram which made the heat exchanger part in Embodiment 1 of this invention the cross section. FIG. 2 is a block diagram showing the insert of the heat exchanger in the same embodiment.
In FIG. 1, the heat exchanger 1 has an inner pipe 2 through which a first fluid (for example, water) flows, an insert 3 inserted into the inner pipe 2, and a second fluid (for example, carbon dioxide) It consists of at least one or more outer pipe 4 in which the carbon refrigerant flows and which is in close contact with the outer circumference of the inner pipe 2, flows water and carbon dioxide in the opposite direction, and exchanges heat between water and carbon dioxide It is mounted on a hot water heater (for example, a CO 2 heat pump type hot water heater using carbon dioxide as a refrigerant). The outer pipe 4 is spirally wound around the outer circumference of the inner pipe 2 at a predetermined pitch.
In FIG. 1 and FIG. 2, the insert 3 is composed of the shaft 5 and the projection 6 spirally provided on the outer surface of the shaft 5, and between the inner pipe 2 and the projection 6, water Forms a spiral flow passage 7 and a hollow portion 8 is formed inside the shaft portion 5.
The hollow portion 8 has a gas 9 (for example, air).
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。
熱交換器１は、外管４の内部を流れる高温の二酸化炭素と、内管２と挿入体３の間に形成された環状の螺旋状流路７を流れる低温の水との間で熱交換して給湯用のお湯を生成する。
この螺旋状流路７による旋回流と、水の矩形流路断面化による二次流れ効果により、ＣＯ２ヒートポンプ給湯機のように水の流速が遅い場合でもその熱交換効率を向上できる。
冬期の低外気温時に、螺旋状流路７内の水が凍結し始めると、水の体積膨張により内管２内の水圧が著しく上昇し始め熱交換器１が破壊してしまう問題があるが、本発明の実施の形態１では、挿入体３に気体９を封入した中空部８を有するので、凍結膨張時の水圧上昇により中空部８が押しつぶされるように変形収縮する。
この中空部８の変形収縮によって、螺旋状流路７内の水側の容積が拡大でき、膨張した水の逃げ場が設けられる、所謂、中空部８の中の気体９のクッション効果によって、内管２内の水圧上昇を吸収緩和でき、熱交換器１の破壊を回避できる。
The operation of the heat exchanger configured as described above will be described below.
The heat exchanger 1 exchanges heat between the high temperature carbon dioxide flowing inside the outer tube 4 and the low temperature water flowing in the annular spiral channel 7 formed between the inner tube 2 and the insert 3 To produce hot water for hot water supply.
The heat exchange efficiency can be improved even when the flow velocity of water is slow as in a CO 2 heat pump water heater due to the swirling flow by the spiral flow passage 7 and the secondary flow effect by the rectangular flow passage cross-sectioning of water.
When water in the spiral channel 7 starts to freeze at low external temperature in winter, there is a problem that the water pressure in the inner pipe 2 starts to rise remarkably due to volumetric expansion of the water and the heat exchanger 1 is destroyed. In the first embodiment of the present invention, since the insert 3 has the hollow portion 8 in which the gas 9 is sealed, the hollow portion 8 is deformed and shrunk so that the hollow portion 8 is crushed by the rise in water pressure at the time of freeze expansion.
The volume on the water side in the spiral channel 7 can be expanded by the deformation and contraction of the hollow portion 8, and a relief space for expanded water is provided. The so-called cushion effect of the gas 9 in the hollow portion 8 The water pressure rise in 2 can be absorbed and mitigated, and destruction of the heat exchanger 1 can be avoided.
以上のように、挿入体３に中空部８を設けることで、冬期の低外気温時の凍結などで水圧が異常上昇しても、中空部８が押しつぶされるように変形収縮し水側の容積が拡大でき、螺旋状流路７内の水の体積膨張を吸収緩和できるので、凍結による熱交換器１の破壊を回避でき、信頼性の高い熱交換器１を提供できる。
本発明の実施の形態１では、外管４内を流れる流体として、例えば二酸化炭素として説明を行ったが、ハイドロカーボン系やＨＦＣ系（Ｒ４１０Ａ、Ｒ３２等）の冷媒、あるいはこれらの代替冷媒としても同様の作用効果が期待できる。また、気体９の一例として空気を引用したが、気体であれば同様の効果を有するため、種類については特に限定しない。
As described above, by providing the hollow portion 8 in the insert 3, the water side volume is deformed and shrunk so that the hollow portion 8 is crushed even if the water pressure rises abnormally due to freezing at low external temperature in winter. Since the expansion of the volume of water in the spiral flow path 7 can be absorbed and relaxed, destruction of the heat exchanger 1 due to freezing can be avoided, and a highly reliable heat exchanger 1 can be provided.
In the first embodiment of the present invention, the fluid flowing in the outer pipe 4 has been described as, for example, carbon dioxide, but it is also possible to use a hydrocarbon-based or HFC-based refrigerant (R410A, R32, etc.) or an alternative refrigerant thereof. Similar effects can be expected. Moreover, although air was quoted as an example of the gas 9, since it will have the same effect if it is gas, it does not specifically limit about a kind.
（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２における熱交換器の一部を断面とした構成図である。実施の形態１と同一構成については説明を省略し、実施の形態１との相違点について以下に説明する。
実施の形態２では、中空部８は、セル状形状であり、軸部５の中に複数設けられている。軸部５の一部には薄肉部ｔ２を形成している。すなわち、中空部８を形成する軸部５は、厚肉部ｔ１と、厚肉部ｔ１より薄い薄肉部ｔ２とからなる。セル状形状に区画されたそれぞれの中空部８には、少なくとも一つの薄肉部ｔ２を形成している。
Second Embodiment
FIG. 3: is the block diagram which made the cross section a part of heat exchanger in Embodiment 2 of this invention. The description of the same configuration as that of the first embodiment will be omitted, and the difference from the first embodiment will be described below.
In the second embodiment, the hollow portion 8 has a cell-like shape, and a plurality of hollow portions 8 are provided in the shaft portion 5. A thin portion t2 is formed in a part of the shaft portion 5. That is, the shaft portion 5 forming the hollow portion 8 includes the thick portion t1 and the thin portion t2 thinner than the thick portion t1. At least one thin-walled portion t2 is formed in each hollow portion 8 partitioned into a cell-like shape.
このように、軸部５に厚肉部ｔ１と薄肉部ｔ２の両方を備えると、凍結膨張の際に、肉厚が薄い薄肉部ｔ２の部位から変形、又は割れ始めるので、いち早く、螺旋状流路７内の水側の容積が拡大でき圧力上昇を回避できる。このため、凍結破壊を速やかに回避できる。
また、中空部８をセル状形状として複数に区画して設けておくと、複数回の凍結膨張に対応することができる。
さらに、水が凍結する際には約８％体積が膨張することから、中空部８の内容積を螺旋状流路７内の水の占める容積の８％以上とすることにより、中空部８の容積の方が凍結膨張して増加する体積よりも必ず大きくなるので、膨張を全て吸収することができ、凍結破壊を確実に防止できる。
As described above, when both the thick portion t1 and the thin portion t2 are provided in the shaft portion 5, since the thin portion t2 starts to be deformed or broken from the thin portion t2 during freezing and expansion, the spiral flow is quicker. The volume on the water side in the passage 7 can be expanded and pressure increase can be avoided. For this reason, freeze destruction can be avoided promptly.
In addition, when the hollow portion 8 is divided into a plurality of cell shapes and provided, it is possible to cope with a plurality of times of freeze expansion.
Furthermore, since about 8% of the volume expands when water freezes, by making the internal volume of the hollow part 8 8% or more of the volume occupied by water in the spiral channel 7, Since the volume is always larger than the volume which freeze-expands and increases, it is possible to absorb all the expansion and to surely prevent the freeze destruction.
（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３における熱交換器の一部を断面とした構成図である。実施の形態１と同一構成については説明を省略し、実施の形態１との相違点について以下に説明する。
実施の形態３では、軸部５に、螺旋状流路７と中空部８とを連通させる複数の連通穴１０を設け、複数の連通穴１０を、軸部５の軸方向に配置している。
これにより、凍結膨張して上昇する水圧を、連通穴１０を経て直接中空部８へ逃がすことができ、中空部８の気体９は連通穴１０を介して挿入体３の周囲の水と圧力バランスを形成する。
よって、挿入体３を変形させることなく凍結破壊を回避でき、挿入体３の破損の心配が無くなる。さらに、複数の連通穴１０を軸方向に配置したため、凍結箇所が軸方向に複数発生したとしても、凍結箇所に近い連通穴１０によって凍結破壊を回避できる。
Third Embodiment
FIG. 4 is a configuration diagram of a cross section of a part of the heat exchanger in the third embodiment of the present invention. The description of the same configuration as that of the first embodiment will be omitted, and the difference from the first embodiment will be described below.
In the third embodiment, the shaft portion 5 is provided with a plurality of communication holes 10 communicating the spiral flow passage 7 and the hollow portion 8, and the plurality of communication holes 10 are arranged in the axial direction of the shaft portion 5. .
Thereby, the water pressure which freezes and expands and rises can be directly released to the hollow portion 8 through the communication hole 10, and the gas 9 in the hollow portion 8 is pressure balanced with the water around the insert 3 through the communication hole 10. Form
Therefore, the freeze fracture can be avoided without deforming the insert 3, and the fear of breakage of the insert 3 is eliminated. Furthermore, since the plurality of communication holes 10 are arranged in the axial direction, even if a plurality of freezing points are generated in the axial direction, the freeze fracture can be avoided by the communication holes 10 near the freezing point.
（実施の形態４）
図５は本発明の実施の形態４における熱交換器の一部を断面とした構成図である。実施の形態１と同一構成については説明を省略し、実施の形態１との相違点について以下に説明する。
実施の形態４では、内部に気体９を有する弾性体１１（例えば、ゴム製の袋）を挿入体３の中空部８内に設けている。
これにより、冬期の低外気温時など螺旋状流路７内の水が凍結すると、凍結膨張して発生する圧力を、連通穴１０を経て直接中空部８へ逃がすことができる。
よって、挿入体３を変形させることなく凍結破壊を回避でき、挿入体３の破損の心配が無くなる。さらに、複数の連通穴１０を軸方向に配置したため、凍結箇所が軸方向に複数発生したとしても、凍結箇所に近い連通穴１０によって凍結破壊を回避できる。
さらに、内部に気体９を有する弾性体１１を中空部８に設けた構成とすることにより、凍結膨張時に、内部に気体を有する弾性体１１が収縮変形することで水の圧力上昇を抑制緩和できる。
凍結が解除されると、内部に気体９を有する弾性体１１は膨張して元の形状に戻るので、複数回の凍結にも繰返し対応可能となる。
Embodiment 4
FIG. 5 is a configuration diagram showing a cross section of a part of the heat exchanger in the fourth embodiment of the present invention. The description of the same configuration as that of the first embodiment will be omitted, and the difference from the first embodiment will be described below.
In the fourth embodiment, the elastic body 11 (for example, a bag made of rubber) having the gas 9 inside is provided in the hollow portion 8 of the insert 3.
Thereby, when the water in the spiral flow path 7 freezes at low ambient temperature in winter, the pressure generated by freezing and expanding can be directly released to the hollow portion 8 through the communication hole 10.
Therefore, the freeze fracture can be avoided without deforming the insert 3, and the fear of breakage of the insert 3 is eliminated. Furthermore, since the plurality of communication holes 10 are arranged in the axial direction, even if a plurality of freezing points are generated in the axial direction, the freeze fracture can be avoided by the communication holes 10 near the freezing point.
Further, by providing the hollow body 8 with the elastic body 11 having the gas 9 inside, the elastic body 11 having gas inside shrinks and deforms at the time of freezing and expansion, thereby suppressing the pressure rise of water and relaxing it. .
When the freezing is released, the elastic body 11 having the gas 9 inside is expanded and returns to the original shape, so that it is possible to repeatedly cope with freezing several times.
以上のように、中空部８に連通穴１０を設けることにより、内管２内の水圧が過度に上昇しても中空部８の気体９が連通穴１０を通じて直接収縮するので熱交換器１の破壊を回避できる。
さらに、内部に気体を有する弾性体１１を中空部８に設けることにより、過度の水圧力上昇にも内部に気体を有する弾性体１１が変形して水圧上昇を抑制緩和し凍結破壊を回避できる。
凍結が解除されると内部に気体を有する弾性体１１は、元の形状に戻るので複数回の凍結に対しても繰返し対処可能となる。
As described above, by providing the communication hole 10 in the hollow portion 8, the gas 9 in the hollow portion 8 is directly contracted through the communication hole 10 even if the water pressure in the inner pipe 2 is excessively increased. You can avoid destruction.
Further, by providing the hollow body 8 with the elastic body 11 having gas inside, the elastic body 11 having gas inside deforms even if the water pressure rises excessively, thereby suppressing the pressure rise and avoiding freeze fracture.
When the freezing is released, the elastic body 11 having the gas inside returns to the original shape, and thus can be repeatedly coped with a plurality of freezings.
（実施の形態５）
図６は、本発明の実施の形態５における熱交換器の一部断面図である。実施の形態１と同一構成については説明を省略し、実施の形態１との相違点について以下に説明する。
実施の形態５では、栓１２ａは、ふた１４ａと、ふた１４ａの外周に設けた溝に配置したＯリング１３ａからなり、中空部８の内面に対して水密構造となるように配置されている。
栓１２ｂも、栓１２ａと同様に、ふた１４ｂと、ふた１４ｂの外周に設けた溝に配置したＯリング１３ｂからなり、中空部８の内面に対して水密構造となるように配置されている。
水密構造となる栓１２ａと栓１２ｂは、中空部８の中で正対するように配置され、栓１２ａと栓１２ｂの間に気体９を有する。
水密構造となる栓１２ａによって、螺旋状流路７内の水と気体９は常に混ざることなく分離している。
このように、実施の形態４では、中空部８を複数の空間に仕切る栓１２ａ、１２ｂを備えている。
Fifth Embodiment
FIG. 6 is a partial cross-sectional view of the heat exchanger in the fifth embodiment of the present invention. The description of the same configuration as that of the first embodiment will be omitted, and the difference from the first embodiment will be described below.
In the fifth embodiment, the plug 12a is composed of a lid 14a and an O-ring 13a disposed in a groove provided on the outer periphery of the lid 14a, and is disposed to form a watertight structure against the inner surface of the hollow portion 8.
Similarly to the plug 12a, the plug 12b also includes a lid 14b and an O-ring 13b disposed in a groove provided on the outer periphery of the lid 14b, and is disposed to form a watertight structure with respect to the inner surface of the hollow portion 8.
The watertight structure of the stopper 12a and the stopper 12b is disposed to face each other in the hollow portion 8, and has the gas 9 between the stopper 12a and the stopper 12b.
The water and gas 9 in the spiral channel 7 are separated without mixing at all times by the plug 12a having a watertight structure.
As described above, in the fourth embodiment, the plugs 12a and 12b for dividing the hollow portion 8 into a plurality of spaces are provided.
また、中空部８の内面には、水分や気体の透過を防止する作用を有したバリヤー性のコーティング材１５が施されている。
これにより、冬期の低外気温時に、螺旋状流路７内の水が凍結し始めると、水の体積膨張により内管２内の水圧が上昇し始める。この時、対をなす栓１２ａと栓１２ｂは、中空部８の内面との水密構造を保ちながら、内管２内の水圧と気体９との圧力差によって、気体９を圧縮しながら栓１２ａと栓１２ｂが互いに近づくように移動する。
この栓１２ａと栓１２ｂが互いに近づくよう移動することで水側の容積を一時的に拡大でき、所謂中空部８の気体９のクッション効果によって、内管２内の水圧上昇を吸収緩和でき、熱交換器１の破壊を回避できる。
螺旋状流路７内が解氷し氷から水へ戻ると、内管２内の水圧が気体９の圧力よりも低くなるので、その圧力差により、栓１２ａと栓１２ｂが広がるように移動し、凍結前の位置に戻る。
こうして、螺旋状流路７内の水が凍結すると、栓１２ａと栓１２ｂが互いに近づくように移動して水側の容積を拡大し、凍結破壊を防止する一方、螺旋状流路７内の水が解氷すると、栓１２ａと栓１２ｂが広がるように移動して凍結前の位置に戻るので、比較的簡素な構成で、凍結破壊の防止を繰返し図る効果がある。
Further, on the inner surface of the hollow portion 8, a barrier coating material 15 having a function of preventing permeation of moisture and gas is applied.
Thereby, when the water in the spiral flow path 7 starts to freeze at low external temperature in winter, the water pressure in the inner pipe 2 starts to rise due to the volume expansion of the water. At this time, the pair of plug 12a and the plug 12b maintain the watertight structure with the inner surface of the hollow portion 8 and compress the gas 9 by the pressure difference between the water pressure in the inner pipe 2 and the pressure of the gas 9. The plugs 12b move closer to one another.
By moving the plug 12a and the plug 12b closer to each other, the volume on the water side can be temporarily expanded, and the so-called cushioning effect of the gas 9 in the hollow portion 8 can absorb and alleviate the rise in water pressure in the inner pipe 2, Destruction of the exchanger 1 can be avoided.
Since the water pressure in the inner pipe 2 becomes lower than the pressure of the gas 9 when the inside of the spiral flow path 7 is de-iced and returned from ice to water, the pressure difference moves the plug 12a and the plug 12b to expand. , Return to the position before freezing.
Thus, when the water in the spiral flow channel 7 freezes, the plug 12a and the plug 12b move closer to each other to enlarge the volume on the water side, thereby preventing freeze fracture, while the water in the spiral flow channel 7 is Since the stopper 12a and the stopper 12b move so as to expand and return to the position before freezing when the ice is thawed, it has an effect of repeatedly preventing the freeze destruction with a relatively simple configuration.
また、挿入体３が樹脂材料の場合、中空部８の気体９が樹脂を透過して徐々に流出したり、水が中空部８の中に徐々に流入したり、気体９のクッション効果が損なわれる課題が考えられるが、挿入体３の表面に、バリヤー性のコーティング材１５を施すことにより、中空部８からの気体９の流出を阻止でき、かつ中空部８の中への水の浸入を阻止できる。
バリヤー性のコーティング材１５としては、例えば、EVOH、PVDC、PVA、アルミ蒸着フィルム、シリカ蒸着フィルムが好ましい。
こうして、より長期に亘り、中空部８内へ気体９を保有させて気体９のクッション効果を堅持させるので、より長い期間凍結破壊防止効果を保つことのできる信頼性の高い熱交換器１を提供できる。
When the insert 3 is a resin material, the gas 9 in the hollow portion 8 permeates the resin and gradually flows out, or water gradually flows into the hollow portion 8 or the cushioning effect of the gas 9 is impaired. However, by applying the barrier coating 15 to the surface of the insert 3, the outflow of the gas 9 from the hollow portion 8 can be prevented and the penetration of water into the hollow portion 8 can be prevented. You can stop it.
As the barrier coating material 15, for example, EVOH, PVDC, PVA, an aluminum deposited film, a silica deposited film is preferable.
Thus, the gas 9 is retained in the hollow portion 8 for a longer period of time to maintain the cushioning effect of the gas 9, thereby providing the highly reliable heat exchanger 1 capable of maintaining the freeze fracture preventing effect for a longer period of time. it can.
以上のように、螺旋状流路７内の水が凍結すると、栓１２ａと栓１２ｂが互いに近づくように移動して水側の容積を拡大させて水の体積膨張を吸収緩和できる一方、螺旋状流路７内が解氷すると栓１２ａと栓１２ｂは凍結前の位置に戻ることができる。
このため、凍結解氷のたびに常に中空部８の容積を確保できるので、比較的簡素な構成にて、凍結破壊を繰返し防止できる。
本発明の実施の形態５では、両端開放した中空部８に栓１２ａと栓１２ｂを一対設けている構成を引用したが、この他にも、一端が閉塞、他端が開放した中空部８と、開放した端部に栓１２ａを設けた構成においても同様の作用効果が期待できることは言うまでもない。
As described above, when the water in the spiral flow path 7 freezes, the plug 12a and the plug 12b move closer to each other to expand the volume on the water side, thereby absorbing and relaxing the volumetric expansion of the water When the inside of the flow path 7 is thawed, the stopper 12a and the stopper 12b can return to the position before freezing.
For this reason, since the volume of the hollow portion 8 can always be secured each time of freeze thaw, freeze destruction can be repeatedly prevented with a relatively simple configuration.
In the fifth embodiment of the present invention, although the structure in which the stopper 12a and the stopper 12b are provided in a pair at the hollow portion 8 open at both ends is cited, the hollow portion 8 closed at one end and the other end It is needless to say that the same operation and effect can be expected also in the configuration in which the plug 12a is provided at the open end.
（実施の形態６）
図７は、本発明の実施の形態６における熱交換器の凍結前の一部断面図である。図８は、同実施の形態における熱交換器の凍結後の一部断面図である。実施の形態１又は実施の形態５と同一構成については説明を省略し、実施の形態１との相違点について以下に説明する。
実施の形態６では、中空部８に、隣接する栓１２ａ、１２ｂを連結する弾性体１６を備えている。栓１２ａと栓１２ｂとは、弾性体（例えば、ばね）１６を介して連結し、弾性体１６は中空部８内に配置している。
凍結前の栓１２ａと栓１２ｂとの間の距離Ｌ１は、凍結後の栓１２ａと栓１２ｂとの間の距離Ｌ２に対して、Ｌ１＞Ｌ２となる。
Sixth Embodiment
FIG. 7 is a partial cross-sectional view of the heat exchanger according to Embodiment 6 of the present invention before freezing. FIG. 8 is a partial cross-sectional view of the heat exchanger in the same embodiment after freezing. The description of the same configuration as that of the first embodiment or the fifth embodiment will be omitted, and the difference from the first embodiment will be described below.
In the sixth embodiment, the hollow portion 8 is provided with the elastic body 16 connecting the adjacent plugs 12a and 12b. The stopper 12 a and the stopper 12 b are connected via an elastic body (for example, a spring) 16, and the elastic body 16 is disposed in the hollow portion 8.
The distance L1 between the stopper 12a and the stopper 12b before freezing is L1> L2 with respect to the distance L2 between the stopper 12a and the stopper 12b after freezing.
このように、冬期の低外気温時に、螺旋状流路７内の水が凍結し始めると、水の体積膨張により内管２内の水圧が著しく上昇し始め熱交換器１が破壊してしまう問題があるが、本発明の実施の形態６では、水の凍結膨張時の水圧上昇の際に、ばね１６と気体９の両方を圧縮しながら、凍結前の栓１２ａと栓１２ｂが、互いに近づくように凍結後の栓１２ａと栓１２ｂとの間の距離Ｌ２まで移動することで、螺旋状流路７内の水側の容積が拡大でき、水の圧力上昇を抑制緩和できる。
その後、螺旋状流路７内が解氷すると、中空部８の気体９の圧力とばね１６の力により、栓１２ａと栓１２ｂとは、凍結前の栓１２ａと栓１２ｂとの間の距離Ｌ１まで広がる。
ここで、栓１２ａまたは栓１２ｂが移動する際に、気体９が外に漏れ出して気体９の圧力が水の圧力よりも高くなくなり、栓１２ａと栓１２ｂとが再び凍結前の位置まで戻らなくなり、凍結対応できなくなる心配があるが、中空部８の気体９の圧力に加えて、ばね１６の力を利用することで、栓１２ａと栓１２ｂとが、凍結前の栓１２ａと栓１２ｂとの間の距離Ｌ１まで戻ることを可能にしている。
As described above, when the water in the spiral flow path 7 starts to freeze at the low outside air temperature in winter, the water pressure in the inner pipe 2 starts to rise remarkably due to the volumetric expansion of the water, and the heat exchanger 1 is destroyed. Although there is a problem, in the sixth embodiment of the present invention, when water pressure rises during freezing and expansion of water, both the spring 16 and the gas 9 are compressed while the stopper 12a and the stopper 12b before freezing approach each other By moving to the distance L2 between the stopper 12a and the stopper 12b after freezing as described above, the volume on the water side in the spiral flow channel 7 can be expanded, and the pressure rise of water can be suppressed and relaxed.
Thereafter, when the inside of the spiral flow path 7 is thawed, the pressure of the gas 9 in the hollow portion 8 and the force of the spring 16 cause the plug 12a and the plug 12b to be the distance L1 between the plug 12a and the plug 12b before freezing. It extends to.
Here, when the stopper 12a or the stopper 12b moves, the gas 9 leaks out and the pressure of the gas 9 does not become higher than the pressure of water, and the stopper 12a and the stopper 12b do not return to the position before freezing again. There is a concern that freezing is not possible, but by using the force of the spring 16 in addition to the pressure of the gas 9 in the hollow portion 8, the stopper 12a and the stopper 12b are different from the stopper 12a and the stopper 12b before freezing. It is possible to return to the distance L1 between.
このように、中空部８内の気体９が外に漏れ出したとしても、中空部８の気体９の圧力とばね１６のような弾性体１６との両方の力を利用することで、栓１２ａと栓１２ｂとが凍結前の栓１２ａと栓１２ｂの間の距離Ｌ１まで広がり、中空部８の容積を常に確保することができる。 As described above, even if the gas 9 in the hollow portion 8 leaks out, the plug 12a is used by utilizing both the pressure of the gas 9 in the hollow portion 8 and the elastic body 16 such as the spring 16. And the plug 12b extend up to the distance L1 between the plug 12a and the plug 12b before freezing, so that the volume of the hollow portion 8 can always be secured.
以上のように、本発明にかかる熱交換器は、熱交換器内の水が凍結するような設置環境下においても破壊することがなく、水等の流体間で熱交換を行う熱交換器を搭載した機器に適用できる。 As described above, the heat exchanger according to the present invention does not break even in an installation environment where water in the heat exchanger freezes, and performs heat exchange between fluids such as water. It can be applied to installed devices.
１ 熱交換器
２ 内管
３ 挿入体
４ 外管
５ 軸部
６ 突部
７ 螺旋状流路
８ 中空部
９ 気体
ｔ１ 厚肉部
ｔ２ 薄肉部
１０ 連通穴
１１ 内部に気体を有する弾性体
１２ａ 栓
１２ｂ 栓
１３ａ Ｏリング
１３ｂ Ｏリング
１４ａ ふた
１４ｂ ふた
１５ コーティング材
１６ 弾性体（ばね）
Ｌ１ 凍結前の栓１２ａと栓１２ｂの間の距離
Ｌ２ 凍結後の栓１２ａと栓１２ｂの間の距離
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 heat exchanger 2 inner tube 3 insert 4 outer tube 5 axial part 6 protrusion 7 helical flow path 8 hollow part 9 gas t1 thick part t2 thin part 10 communicating hole 11 elastic body 12a having gas inside plug 12b plug 12b Plug 13a O-ring 13b O-ring 14a Lid 14b Lid 15 Coating material 16 Elastic body (spring)
L1 The distance between the stopper 12a and the stopper 12b before freezing L2 The distance between the stopper 12a and the stopper 12b after freezing
Claims (8)
前記内管の内部に挿入体を挿入し、
前記挿入体は、
軸部と、
前記軸部の外表面に形成された突部と
からなり、
前記内管と前記突部との間に、前記水が流れる螺旋状流路を形成し、
前記軸部の内部に、中空部を形成した
ことを特徴とする熱交換器。 A heat exchanger for heating or cooling water flowing inside the inner pipe from the outside of the inner pipe,
Insert an insert into the inner tube,
The insert is
With the shaft,
And a projection formed on the outer surface of the shaft,
Between the inner pipe and the projection, a spiral flow path in which the water flows is formed;
A heat exchanger characterized in that a hollow portion is formed inside the shaft portion.
ことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。 The heat exchanger according to claim 1, wherein a thin-walled portion is formed in a part of the shaft portion.
複数の前記連通穴を、前記軸部の軸方向に配置した
ことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。 The shaft portion is provided with a plurality of communication holes for communicating the spiral flow passage and the hollow portion,
The heat exchanger according to claim 1, wherein a plurality of the communication holes are arranged in the axial direction of the shaft portion.
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の熱交換器。 The heat exchanger according to any one of claims 1 to 3, wherein an elastic body having a gas inside is provided in the hollow portion.
ことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。 The heat exchanger according to claim 1, further comprising a plug for dividing the hollow portion into a plurality of spaces.
ことを特徴とする請求項５に記載の熱交換器。 The heat exchanger according to claim 5, characterized in that the hollow portion is provided with an elastic body connecting the adjacent plugs.
ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の熱交換器。 The heat exchanger according to any one of claims 1 to 6, wherein a hollow portion internal volume of the hollow portion is 8% or more of a channel internal volume of the spiral flow channel.
ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の熱交換器。
The heat exchanger according to any one of claims 1 to 7, wherein a barrier coating material is applied to the surface of the insert.
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