CN104471344A - 热交换器 - Google Patents

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copper pipe
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铃木基啓
森本晓
保手浜健一
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Abstract

所公开的热交换器(100)是在第1流体和第2流体之间进行热交换的热交换器。热交换器(100)具备：形成第1流体流过的第1流路的树脂结构体(10)、和形成第2流体流过的第2流路的铜管(20)，且该铜管(20)的至少一部分配置于第1流路内。构成树脂结构体(10)的树脂组合物的树脂成分以聚苯醚树脂和聚苯乙烯树脂的聚合物合金为主成分。在该聚合物合金中，聚苯醚树脂与聚苯乙烯树脂的质量比在40/60～65/35的范围内。

Description

热交换器
技术领域
本发明涉及用于在第1流体和第2流体之间进行热交换的热交换器。
背景技术
在热泵式供热水机、空调设备、地采暖装置等中，使用用于在第1流体和第2流体之间(例如，水和制热剂之间、空气和制热剂之间)进行热交换的热交换器。
用于在第1流体和第2流体之间进行热交换的热交换器的一例在专利文献1中公开。专利文献1的热交换器包括金属制的弯曲的管道、和容纳该管道的树脂制容器。弯曲的管道成为制热剂流过的流路。另外，弯曲的管道的外周面与树脂制容器的内面之间的空间成为水流过的流路。
另外，热交换器的另一例在专利文献2中公开。专利文献2的热交换器具备由合成树脂形成的外管、和配置于该外管内的内管。专利文献2中记载了，外管与内管之间的空间成为水的流路的一例。另外，专利文献2中公开了扭曲成螺旋状的多条内管配置于外管内的一例。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2002－333290号公报
专利文献2：日本特开2006－078082号公报
发明内容
发明要解决的课题
作为形成水流过的流路的树脂容器的材料，一直以来，在供热水机用配管连接构件等中使用的是化学稳定性优异的聚苯硫醚树脂。但是，聚苯硫醚树脂的密度为1.3～1.4kg/L，与通用的热塑性树脂(聚丙烯、聚乙烯等)的密度(0.9～1.0kg/L)相比，高出40～50％。因此，聚苯硫醚树脂的耐热性及长期可靠性虽然高，但难以兼顾这些特性与轻量化及低成本化。在这样的状况下，本发明的目的之一在于提供耐热性及长期可靠性高、能够实现轻量化及低成本化的热交换器。
用于解决课题的手段
为了达成上述目的，本发明的热交换器是在第1流体和第2流体之间进行热交换的热交换器，其具备：形成所述第1流体流过的第1流路的树脂结构体，和形成所述第2流体流过的第2流路的铜管，且该铜管的至少一部分配置于所述第1流路内，构成所述树脂结构体的树脂组合物的树脂成分以聚苯醚树脂和聚苯乙烯树脂的聚合物合金为主成分，在所述聚合物合金中，聚苯醚树脂与聚苯乙烯树脂的质量比在40/60～65/35的范围内。
发明效果
根据本发明，能够得到耐热性及长期可靠性高、能够实现轻量化及低成本化的热交换器。
附图说明
图1是表示本发明的热交换器的一例的立体图。
图2是图1中所示热交换器的分解立体图。
图3是图1中所示热交换器的剖视图。
图4是表示本发明的热交换器的另一例的立体图。
图5是图4中所示热交换器的分解立体图。
图6是表示本发明的热交换器的另外一例的俯视图。
图7是表示图6中所示热交换器的一部分的剖视图。
图8是表示图6中所示热交换器的一部分的分解图。
图9是示意性表示使用本发明的热交换器的热泵式供热水装置的一例的构成图。
图10是表示实施例1中使用的合金A的1H NMR光谱的图。
图11是表示可靠性试验实施前的合金A的FT－IR光谱的图。
图12是表示可靠性试验1的实施后的合金A的FT－IR光谱的图。
图13是表示可靠性试验2的实施后的合金A的FT－IR光谱的图。
图14是表示可靠性试验3的实施后的合金A的FT－IR光谱的图。
图15是表示实施例2中使用的合金B的1H NMR光谱的图。
图16是表示可靠性试验实施前的合金B的FT－IR光谱的图。
图17是表示可靠性试验1的实施后的合金B的FT－IR光谱的图。
图18是表示可靠性试验2的实施后的合金B的FT－IR光谱的图。
图19是表示可靠性试验3的实施后的合金B的FT－IR光谱的图。
图20是表示比较例1中使用的合金C的1H NMR光谱的图。
图21是表示可靠性试验实施前的合金C的FT－IR光谱的图。
图22是表示可靠性试验1的实施后的合金C的FT－IR光谱的图。
图23是表示可靠性试验2的实施后的合金C的FT－IR光谱的图。
图24是表示可靠性试验3的实施后的合金C的FT－IR光谱的图。
图25是表示合金中的聚苯醚树脂的含有率与负荷挠曲温度的关系的图表。
图26是表示合金中的聚苯醚树脂的含有率与指定的吸光度峰的关系的图表。
具体实施方式
以下，对本发明的实施方式进行说明。需要说明的是，以下的说明中，举例对本发明的实施方式进行说明，但本发明不受以下说明的例子限定。以下的说明中有时例示特定的数值、特定的材料，但只要能得到本发明的效果，也可以应用其它数值、其它材料。
(热交换器)
本公开的第1方式提供在第1流体和第2流体之间进行热交换的热交换器。该热交换器具备：形成第1流体流过的第1流路的树脂结构体；和形成第2流体流过的第2流路的铜管，且该铜管的至少一部分配置于第1流路内。构成树脂结构体的树脂组合物的树脂成分以聚苯醚树脂和聚苯乙烯树脂的聚合物合金为主成分。以下，有时将聚苯醚树脂和聚苯乙烯树脂的聚合物合金称为“聚合物合金(P)”。在此，“主成分”是指在树脂组合物的树脂成分中所占的比例为50质量％以上。在树脂组合物的树脂成分中所占的聚合物合金(P)的比例可以为60质量％以上、70质量％以上、80质量％以上、90质量％以上、或95质量％以上。典型来说，树脂组合物的树脂成分的全部为聚合物合金(P)。
在第1方式的热交换器所使用的聚合物合金(P)中，聚苯醚树脂与聚苯乙烯树脂的质量比(聚苯醚树脂/聚苯乙烯树脂)在40/60～65/35的范围内。
典型来说，聚合物合金(P)为以下的式(1)所示的聚苯醚树脂和以下的式(2)所示的聚苯乙烯树脂的合金。
【化学式1】
【化学式2】
聚合物合金(P)可以使用市售的聚合物合金，也可以采用公知的方法进行制作。
如上所述，聚合物合金(P)中，聚苯醚树脂与聚苯乙烯树脂的质量比(聚苯醚树脂/聚苯乙烯树脂)在40/60～65/35的范围内。若聚苯醚树脂的质量比低于40％，则如后所述，树脂结构体的耐热性变得不充分。通过使聚苯醚树脂的质量比为40％以上，在使用二氧化碳(例如，最高达到120℃)作为第2流体的情况下，可以得到充分的耐热性。另一方面，若聚苯醚树脂的质量比大于65％，则如后所述，树脂结构体的长期可靠性变得不充分。
本公开的第2方式提供在第1方式的基础上，所述树脂组合物包含无机填充材料的热交换器。即，构成树脂结构体的树脂组合物可以包含树脂以外的成分。对无机填充材料没有限定，只要能够得到之前说明的效果，则可以采用任意的无机填充材料。无机填充材料的例子包括石墨、滑石、云母、二硫化钼及玻璃纤维等。这些无机填充材料可以单独使用，也可以组合使用多种。树脂组合物中所占的无机填充材料的比例没有限定，例如可以在0体积％～30体积％的范围内。
第1流体及第2流体分别为制热剂。本公开的第3方式提供在第1或第2方式的基础上，所述第1流体为水、所述第2流体为水以外的制冷剂的热交换器。本公开的第4方式提供在第3方式的基础上，所述第1流体为水、所述第2流体为二氧化碳的热交换器。
本公开的第5方式提供在第1～第4方式中的任一方式的基础上，构成所述树脂结构体的所述树脂组合物以ASTM－D648的应力1.82MPa条件测定的、所述树脂组合物的负荷挠曲温度为120℃以上的热交换器。
本公开的第6方式提供在第1～第5方式中的任一方式的基础上，在构成所述树脂结构体的所述树脂组合物的傅里叶变换型红外分光光谱(FT－IR光谱)中，来自于羰基的1700cm-1附近的吸光度峰的峰面积为1180cm-1的吸光度峰的峰面积的0.13倍以下的热交换器。特别期望的是，即使在进行实施例中所述的相当于实际使用10年的可靠性试验后，来自于羰基的1700cm-1附近的吸光度峰的峰面积也为1180cm-1的吸光度峰的峰面积的0.13倍以下。
本公开的热交换器中使用的铜管没有限定，可以应用公知的铜管。例如，铜管可以为单层的铜管，也可以为日本特开2006－078082号公报所公开那样的双层的铜管(泄露检测管)。
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。需要说明的是，只要没有特别说明，对同样的部分赋予同一符号且有时省略重复的说明。在以下的实施方式中，有时举在作为第1流体的水与作为第2流体的二氧化碳之间进行热交换的热交换器为例进行说明。
(实施方式1)
实施方式1的热交换器100的整体立体图示于图1。另外，热交换器100的分解立体图示于图2。热交换器100为散热用的热交换器。热交换器100包含：树脂结构体10、弯曲的铜管20、密封件19、及隔离件22。铜管20的一部分容纳于树脂结构体10的内部。树脂结构体10包含盖11和树脂容器12。需要说明的是，可以将隔离件22视为树脂结构体的一部分。另外，可以将盖11视为与树脂结构体不同的构件。在任何情况下，树脂结构体至少包含树脂容器12。
铜管20如图2所示多次(例如5次)弯折成蛇纹状。盖11上设置有铜管20的两端分别贯通的2处管道支承物11a。盖11与树脂容器12之间配置有用于密封的密封件19。铜管20按照其端部20c贯通盖11的管道支承物11a的方式容纳于树脂结构体10内。
树脂容器12内被图3所示的隔壁18分成3个多个柱状的空间。另外，各个柱状的空间被隔离件22间隔。利用隔壁18和隔离件22，在树脂容器12内形成沿着弯曲的铜管20的空间。该空间成为第1流体(水)流过的第1流路31。需要说明的是，树脂容器12上形成有与第1流路31连通的2个开口部(水接口)(省略图示)。水由该开口部导入和排出。另一方面，加热的第2流体(制冷剂)流过作为第2流路32的铜管20内。
对热交换器100的安装方法的一例进行说明。首先，在盖11上固定隔离件22。接着，将铜管20的2个端部20c***盖11的管道支承物11a进行固定。利用像这样铜管20和隔离件22被固定的盖11，封闭树脂容器12的开口。此时，为了气密式地进行密封，使用密封件19。若将盖11固定于树脂容器12，则隔离件22的弯曲的侧面接触容器的内壁，从而相对于树脂容器12使隔离件22定位。由此安装结束。安装结束后，如图3所示，在铜管20的外周形成顺着铜管20的弯曲而弯曲的第1流路31。另一方面，铜管20的内部成为第2流路32。
需要说明的是，树脂结构体10可以是粘接(例如溶敷)多个构件而成的结构体。这样的一例的热交换器100a的立体图示于图4。另外，热交换器100a的分解立体图示于图5。
如图5所示，铜管20被4次弯折成蛇纹状。热交换器100a中，在由两个半切容器片50a及50b构成的树脂结构体50内，容纳有弯曲的铜管20。铜管20构成第2流路，作为被加热的第2流体的制冷剂流过铜管20内。半切容器片50a及50b的内侧的沟沿着弯曲的铜管20的形状而形成。因此，对于半切容器片50a及50b，在其熔敷部分50c进行熔敷，由此沿着弯曲的铜管20形成第1流路。即，树脂结构体50具有与热交换器100的盖11、树脂容器12、及隔离件22同样的功能。
若在半切容器片50a及50b之间加入铜管20，则成为铜管20的两端部从树脂容器50的2处开口部突出的状态。在铜管20从树脂容器50突出的部分，铜管20的外周卷绕有密封件(未图示)，凭借该密封件铜管20的外周和树脂容器50气密地连接。需要说明的是，由半切容器片50a及50b构成的树脂容器50形成有水接口(水続手)(未图示)。
另外，树脂结构体可以是树脂制的管。这样的一例的俯视图示于图6。另外，图6所示管的垂直于长度方向的剖视图示于图7，平行于长度方向的方向的分解剖视图示于图8。
图6所示热交换器100b包括管状的树脂结构体(外管)70和铜管20。树脂结构体70连接有用于导入水(第1流体)的管71。铜管20构成第2流路32，例如高温及高压的过热气体制冷剂流过。树脂结构体70与铜管20之间的空间成为第1流路31。在第1流路31，水以逆流的形式流过从而水被加热。热交换器100b的铜管20在即将进入树脂结构体70前分支成2个即铜管20a及20b。铜管20a及20b具有螺旋状的形状，在树脂结构体70内按照合搓在一起的方式配置。通过使用这样的铜管20，能够提高第1流体与第2流体的热交换的效率、降低第2流体的压力损失。通过使铜管20a及20b形成螺旋状的形状，能够搅拌流过第1流路31的第1流体。
上述的树脂结构体10、50和70、以及隔离件22以聚合物合金(P)、即聚苯醚树脂和聚苯乙烯树脂的聚合物合金为主成分。在一例中，它们仅由聚合物合金(P)形成，在另一例中，由包含聚合物合金(P)和无机填充材料的树脂组合物形成。
(热泵式供热水装置)
使用本实施方式的热交换器的热泵式供热水装置的一例示于图9。图9的热泵式供热水装置200包括制冷剂循环回路6和供热水回路9。制冷剂循环回路6包括压缩机1、减压单元3、吸热用热交换器4、及送风机5。供热水回路9包括散热用热交换器2、储热水槽7、及流量控制单元8。散热用热交换器2使用本实施方式的热交换器(例如上述的热交换器100、100a、100b等)。热泵式供热水装置200除了使用本实施方式的热交换器以外没有特别限定，可以应用公知的构成。
制冷剂循环回路6使用例如二氧化碳(二氧化碳：CO2)作为制冷剂使用、高压侧的制冷剂压力达到制冷剂的临界压以上的超临界热泵式循环。而且，压缩机1由内置的电动机(未图示)驱动，将吸引的制冷剂压缩到临界压力以上的压力后吐出。使用二氧化碳作为制冷剂时，将吐出温度控制在不超过120℃。另外，减压单元3通过驱动内置的步进电动机(未图示)，从而使流路的开度变化而改变制冷剂的减压量。吸热用热交换器4按照利用送风机5吸收大气热的方式发挥作用。散热用热交换器2在制冷剂循环回路6的制冷剂(第2流体)、和供热水回路9的水(第1流体)之间进行热交换。散热用交换器2是按照制冷剂的流动方向与水的流动方向相对的方式构成的逆流式热交换器。
【实施例】
以下，通过实施例具体说明本发明，但本发明不受以下的实施例限定。
(实施例1)
首先，关于实施例1中使用的、聚苯醚树脂和聚苯乙烯树脂的合金A，在以下进行说明。需要说明的是，合金A不含无机填充材料。
图10中示出合金A的1H NMR(核磁共振)光谱的测定结果。由测定结果算出聚苯醚树脂与聚苯乙烯树脂的质量比。该质量比通过对于聚苯醚树脂由2H、6H峰(图示为PPE)的各积分值算出的每1个H(氢原子)的积分值的平均值、和对于聚苯乙烯树脂由2H、3H峰(图示为PS)的各积分值算出的每1个H(氢原子)的积分值的平均值算出。算出的质量比(聚苯醚树脂/聚苯乙烯树脂)为41/59。
接着，为了评价上述合金A的耐热性，以ASTM－D648的应力1.82MPa的条件测定负荷挠曲温度。测定的负荷挠曲温度为120℃。
另外，为了评价上述合金A的长期可靠性，在高温条件下，实施3种可靠性试验。各试验内容如下。需要说明的是，以下的可靠性试验1～3在相当于实际使用10年的加速劣化条件(高温下的加速劣化条件)下进行。
(可靠性试验1)
可靠性试验1是将由合金A形成的哑铃试验片放置在空气中的试验。通过可靠性试验1，评价了与空气接触的树脂结构体的劣化。
(可靠性试验2)
可靠性试验2是将由合金A形成的哑铃试验片浸渍在水中的试验。通过可靠性试验2，评价了与水接触的树脂结构体的劣化。
(可靠性试验3)
可靠性试验3是将由合金A形成的哑铃试验片浸渍于含铜离子的水中的试验。通过可靠性试验3，评价了与含铜离子的水接触的树脂结构体的劣化。
对于实施可靠性试验前(初期)的合金A测定FT－IR(傅里叶变换型红外分光)光谱的结果示于图11。另外，图12～图14中示出进行相当于实际使用10年的可靠性试验1～3后的合金A的FT－IR光谱。通常来说，若空气中的氧、水中的溶解氧导致的氧化劣化进行，则伴随C＝O(羰基)的生成在1700cm-1附近产生峰。但是，合金A在可靠性试验1～3中均没有发现在1700cm-1附近的峰的上升。由此，可以推论合金A的氧化劣化没有进行。
另外，对于实施可靠性试验前(初期)及实施可靠性试验1～3后的实施例1的哑铃试验片，实施拉伸试验。其结果是，没有发现哑铃试验片的破坏强度的、可靠性试验导致的降低。
(实施例2)
实施例2中，对由聚苯醚树脂与聚苯乙烯树脂的合金B、和无机填充材料构成的树脂组合物进行评价。该树脂组合物由合金B 70质量份和无机填充材料30质量份构成。无机填充材料使用玻璃纤维。
图15中示出合金B的1H NMR(核磁共振)光谱的测定结果。基于测定结果，用与实施例1同样的方法算出聚苯醚树脂与聚苯乙烯树脂的质量比。算出的质量比(聚苯醚树脂/聚苯乙烯树脂)为47/53。
接着，为了评价上述合金B的耐热性，以ASTM－D648的应力1.82MPa的条件测定负荷挠曲温度。测定的负荷挠曲温度为140℃。
另外，为了评价上述合金B的长期可靠性，实施实施例1中说明的可靠性试验1～3。图16中示出实施可靠性试验前(初期)的合金B的FT－IR光谱。另外，图17～图19中示出实施相当于实际使用10年的可靠性试验1～3后的合金B的FT－IR光谱。如图16～图19所示，在可靠性试验1～3中均没有发现1700cm-1附近的峰的上升。因此，推论合金B的氧化劣化没有进行。
另外，对于实施可靠性试验前(初期)及实施可靠性试验1～3后的实施例2的哑铃试验片，实施拉伸试验。其结果是，没有发现哑铃试验片的破坏强度的、可靠性试验导致的降低。
(比较例1)
比较例1中，对于聚苯醚树脂和聚苯乙烯树脂的合金C进行评价。需要说明的是，合金C不含无机填充材料。
图20中示出合金C的1H NMR(核磁共振)光谱的测定结果。基于测定结果，用与实施例1同样的方法算出聚苯醚树脂与聚苯乙烯树脂的质量比。算出的质量比(聚苯醚树脂/聚苯乙烯树脂)为83/17。
接着，为了评价上述合金C的耐热性，以ASTM－D648的应力1.82MPa的条件测定负荷挠曲温度。测定的负荷挠曲温度为170℃。
图21中示出实施可靠性试验前(初期)的合金C的FT－IR光谱的测定结果。另外，图22～图24中示出实施相当于实际使用10年的可靠性试验1～3后的合金C的FT－IR光谱。如图21～图24所示，合金C在可靠性试验1～3中均发现了1700cm-1附近的峰的上升。该结果示意，在空气中、水中、含铜离子的水中的任一中，氧化劣化均进行。需要说明的是，峰的上升按可靠性试验1、可靠性试验2、可靠性试验3的顺序变大。
另外，对于实施可靠性试验前(初期)及实施可靠性试验1～3后的比较例1的哑铃试验片，实施拉伸试验。其结果是，在可靠性试验2及3的条件下，没有发现起因于氧化劣化的破坏强度的降低。但是，在可靠性试验1的条件下，氧化劣化的进行显著，破坏强度降低到初期值的41％。
对于实施例1、2及比较例1中使用的合金，在以下讨论合金的组成与特性的关系。
图25是表示合金中的聚苯醚树脂(PPE)的质量比与以上述的条件测定的负荷挠曲温度的关系的图表。如图25所示，若聚苯醚树脂的质量比变大，则负荷挠曲温度有变高的倾向。使用二氧化碳作为制冷剂时，由压缩机1吐出的制冷剂的最高温度为120℃。这种情况下，铜管20的入口的制冷剂的最高温度成为120℃。因此，通过使用负荷挠曲温度高于120℃的合金，能够避免树脂结构体的热变形。具体来说，从图25的图表中可知，使用聚苯醚树脂的质量比为40％以上的合金即可。
图26是表示合金中的聚苯醚树脂(PPE)的质量比与实施可靠性试验1～3后的羰基的吸光度峰(1700cm-1附近的吸光度峰)的关系的图表。需要说明的是，图26的纵轴表示将实施可靠性试验1～3后的1700cm-1附近的吸光度峰(羰基的吸光度峰)的峰面积用实施可靠性试验1～3后的1180cm-1的吸光度峰的峰面积归一化后的值(即前者除以后者的值)。
如图26所示，若聚苯醚树脂的质量比变大，则归一化的羰基的吸光度峰(1700cm-1附近的吸光度峰)有变高的倾向。对于聚苯醚树脂与聚苯乙烯树脂的质量比为83/17的聚合物合金，实施可靠性试验1后断裂强度降低到初期值的41％，与此相对，实施可靠性试验2后没有发现断裂强度的降低。由此可知，归一化的羰基的吸光度峰(1700cm-1附近的吸光度峰)若为到0.13以下为止的氧化劣化的进行度，则能够避免机械强度的降低。即，通过使用聚苯醚树脂的质量比为65％以下的合金，即使在空气中、水中及含铜离子的水中经过相当于实际使用10年的时间后，也能够维持充分的机械强度。聚苯醚树脂的质量比为65％时，由图25可以读取出合金的负荷挠曲温度约为160℃。
如上所述，通过使用以质量比计以40/60～65/35的比例含有聚苯醚树脂和聚苯乙烯树脂的聚合物合金(P)形成树脂结构体，能够确保与化学稳定性高的聚苯硫醚树脂同程度的耐热性及长期可靠性。由聚合物合金(P)形成的树脂结构体兼具对于空气的优异的耐久性(通过可靠性试验1可知)、对于水的优异的耐久性(通过可靠性试验2可知)以及对于含铜离子的水的优异的耐久性(通过可靠性试验3可知)。另外，聚合物合金(P)的密度在1.0～1.1kg/L的范围内，相对于密度为1.3～1.4kg/L的范围的聚苯硫醚树脂，轻30％左右。并且，聚合物合金(P)比聚苯硫醚树脂更廉价。因此，通过使用聚合物合金(P)代替聚苯硫醚树脂，能够实现热交换器的轻量化及低成本化。
产业上的可利用性
本发明可以用于热交换器及使用了其的各种设备。例如，本发明的热交换器作为使用了制冷剂的热泵式供热水机用的热交换器是有用的。另外，本发明的热交换器还可以用于进行气体之间、液体之间的热交换的热交换器。

Claims (6)

1.一种热交换器，其是在第1流体与第2流体之间进行热交换的热交换器，
所述热交换器具备：
形成所述第1流体流过的第1流路的树脂结构体、和
形成所述第2流体流过的第2流路的铜管，且所述铜管的至少一部分配置于所述第1流路内，
构成所述树脂结构体的树脂组合物的树脂成分以聚苯醚树脂与聚苯乙烯树脂的聚合物合金为主成分，
在所述聚合物合金中，聚苯醚树脂与聚苯乙烯树脂的质量比在40/60～65/35的范围内。
2.如权利要求1所述的热交换器，其中，所述树脂组合物包含无机填充材料。
3.如权利要求1所述热交换器，其中，所述第1流体为水，所述第2流体为水以外的制冷剂。
4.如权利要求3所述的热交换器，其中，所述第2流体为二氧化碳。
5.如权利要求1所述的热交换器，其中，以ASTM－D648的应力1.82MPa条件测定的所述树脂组合物的负荷挠曲温度为120℃以上。
6.如权利要求1所述的热交换器，其中，在所述树脂组合物的傅里叶变换型红外分光光谱中，来自于羰基的1700cm-1附近的吸光度峰的峰面积为1180cm-1的吸光度峰的峰面积的0.13倍以下。
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