JP2009097818A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】メンテナンス性が高い熱交換器を提供すること。
【解決手段】第１作動流体を内部に流通させる板状の第１流路部材と、第２作動流体を内部に流通させる第２流路部材とが着脱可能であるため、第１流路部材と第２流路部材とを容易に分離することができる。第１流路部材及び第２流路部材のうちいずれか一方のみのメンテナンスを行う場合には、第１流路部材と第２流路部材とを分離してメンテナンスを行うことができるため、大掛かりなメンテナンスを行わなくても済むことになる。これにより、熱交換器のメンテナンス性を向上させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、第１作動流体と第２作動流体との間で熱交換を行わせる熱交換器に関する。

水道水を流通させる流路を内部に有する流路部材と高温・高圧の二酸化炭素を流通させる流路を内部に有する流路部材とを接合して水道水及び二酸化炭素のそれぞれの流路内を熱的に接触させた状態にし、水道水と二酸化炭素との間で熱の移動を行わせる熱交換器が知られている（例えば、特許文献１参照）。

水道水に例えばカルシウム成分が多く含まれている場合、水道水を流通させる流路部材の内部にスケールが付着することがある。流路部材の内部にスケールが付着すると、熱交換の性能が低下したり、流路内が詰ったりするなどの問題があるため、このような場合は水道水の流路部材を修理又は交換する必要がある。
特開平５−１９６３７７号公報

しかしながら、上記の構成においては、水道水用の流路部材と二酸化炭素用の流路部材とが一体化されている場合、水道水用の流路部材のみを修理する場合であっても熱交換器全体を取り外す必要がある。熱交換器全体を取り外す場合、流路部材内の二酸化炭素が外部に漏れ出すことになるため、工場など設備が整った場所で二酸化炭素を再度流路部材内に圧縮して充填させる必要がある。修理・交換に限られず、流路部材の清掃などを行う場合についても同様であり、このようなメンテナンス作業が大掛かりなものになってしまうという問題がある。水道水と二酸化炭素とを作動流体として用いる場合に限られず、他の作動流体を用いる場合においても同様の問題が生じうる。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、メンテナンス性が高い熱交換器を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る熱交換器は、第１作動流体を内部に流通させる板状の第１流路部材と、前記第１流路部材に着脱可能に巻回され、前記第１作動流体との間で熱交換を行わせる第２作動流体を内部に流通させる第２流路部材とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、第１作動流体を内部に流通させる板状の第１流路部材と、第２作動流体を内部に流通させる第２流路部材とが着脱可能であるため、第１流路部材と第２流路部材とを容易に分離することができる。第１流路部材及び第２流路部材のうちいずれか一方のみのメンテナンスを行う場合には、第１流路部材と第２流路部材とを分離してメンテナンスを行うことができるため、大掛かりなメンテナンスを行わなくても済むことになる。これにより、熱交換器のメンテナンス性を向上させることができる。また、本発明によれば、板状の第１流路部材に第２流路部材を巻回することとしたので、板状の第１流路部材の一面のみならず他の面においても熱交換を行うことができるため、熱交換の効率を高めることができる。

上記の熱交換器は、前記第１流路部材と前記第２流路部材とが接着部材を介して着脱可能に接着されていることを特徴とする。
本発明によれば、第１流路部材と第２流路部材とが接着部材を介して着脱可能に接着されていることとしたので、当該接着部材によって第１流路部材と第２流路部材との間の位置ずれを防ぐことができ、第１流路部材と第２流路部材との間の熱的な接触の度合いを高めることができる。加えて、接着部材によって着脱可能に接着されているので、第１流路部材と第２流路部材とを容易に分離することができ、高いメンテナンス性を確保することもできる。

上記の熱交換器は、前記第１流路部材は、前記第２流路部材によって巻回される部分に溝部を有することを特徴とする。
本発明によれば、第１流路部材が第２流路部材によって巻回される部分に溝部を有することとしたので、第２流路部材が第１流路部材の溝部に沿って巻回されることになる。これにより、溝部によって第１流路部材と第２流路部材との間の位置ずれを防ぐことができ、第１流路部材と第２流路部材との間の熱的な接触の度合いを高めることができる。

上記の熱交換器は、前記第１流路部材のうち前記第２流路部材に巻回される部分の角部が丸みを帯びた形状になっていることを特徴とする。
本発明によれば、前記第１流路部材のうち前記第２流路部材に巻回される部分の角部が丸みを帯びた形状になっていることとしたので、第１流路部材と第２流路部材との間の密着性を一層向上させることができる。これにより、第１流路部材と第２流路部材との間の熱的接触の度合いを更に高めることができる。

上記の熱交換器は、前記第１流路部材及び前記第２流路部材は、前記第１作動流体が一方向に流通し前記第２作動流体が前記一方向とは逆方向へ流通するように配置されていることを特徴とする。
本発明によれば、第１流路部材及び第２流路部材は、第１作動流体が一方向に流通し第２作動流体が一方向とは逆方向へ流通するように配置されているので、第１作動流体と第２作動流体との間で効率的に熱交換を行わせることができる。

上記の熱交換器は、前記第１流路部材は、所定温度以上の前記第１作動流体が流通する高温部と前記所定温度より低い前記第１作動流体が流通する低温部とを有し、前記第２流路部材は、前記第１流路部材に螺旋状に巻回されており、前記第２流路部材の螺旋方向の単位長さあたりの巻回数は、前記低温部よりも前記高温部の方が少なくなっていることを特徴とする。
本発明によれば、第１流路部材のうち所定温度より低い温度の第１作動流体が流通する低温部よりも所定温度以上の温度の第１作動流体が流通する高温部の方が、第１流路部材に螺旋状に巻回された第２流路部材の螺旋方向の単位長さあたりの巻回数が少なくなっているので、高温部では低温部に比べて緩やかに熱交換が行われることになる。高温部でのスケールの付着が抑えられることになるため、メンテナンスの回数を抑えることができる。所定温度としては、スケールが付着し始める温度、例えば６５℃〜７０℃程度が好ましい。

上記の熱交換器は、前記第１流路部材は、所定温度以上の温度の前記第１作動流体が流通する高温部と前記所定温度より低い温度の前記第１作動流体が流通する低温部とを有し、前記高温部は、前記低温部に比べて前記第１作動流体の流路断面積が大きくなっていることを特徴とする。
本発明によれば、第１流路部材のうち所定温度以上の温度の第１作動流体が流通する高温部が、所定温度より低い温度の第１作動流体が流通する低温部に比べて第１作動流体の流路断面積が大きくなっているので、高温部においてスケールの付着による流路の詰まりを防ぐことができる。所定温度としては、スケールが付着し始める温度、例えば６５℃〜７０℃程度が好ましい。

上記の熱交換器は、前記第１流路部材は、所定温度以上の温度の前記第１作動流体が流通する高温部と前記所定温度より低い温度の前記第１作動流体が流通する低温部とを有し、前記高温部と前記低温部とが分離可能に設けられていることを特徴とする。
本発明によれば、第１流路部材のうち所定温度以上の温度の第１作動流体が流通する高温部と、所定温度より低い温度の第１作動流体が流通する低温部とが分離可能に設けられているので、メンテナンスの際にはスケールが付着しやすい高温部のみを分離して修理・交換などを行うことができる。これにより、メンテナンス性を一層向上させることができる。所定温度としては、スケールが付着し始める温度、例えば６５℃〜７０℃程度が好ましい。

本発明によれば、メンテナンス性が高い熱交換器を提供することができる。

以下、図面をもとにして、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、給湯システム１の全体構成を示す模式図である。
本発明に係る給湯システム１は、水加熱部２と、冷媒循環部３と、熱交換器４とを備えている。

水加熱部２は、水供給源２１と、配管２２と、循環ポンプ２３と、配管２４と、配管２５と、湯供給部２６とを有している。水加熱部２では、第１作動流体としての水（Ｈ_２Ｏ）が、水供給源２１から配管２２、循環ポンプ２３、配管２４を順に流通して熱交換器４に供給され、熱交換器４によって加熱されて湯になり、当該湯が熱交換器４から配管２５を流通して湯供給部２６から供給されるようになっている。

水供給源２１は、水加熱部２を流通する水の供給源であり、例えば水道管や水貯留タンクなどが挙げられる。配管２２は、水供給源２１と循環ポンプ２３とを接続する配管である。循環ポンプ２３は、水供給源２１の水を吸引し、配管２４側へと供給するポンプである。配管２４は、循環ポンプ２３と熱交換器４とを接続する配管である。配管２５は、熱交換器４と湯供給部２６とを接続する配管である。

冷媒循環部３は、冷媒用熱交換器３１と、配管３２と、コンプレッサ３３と、配管３４と、配管３５と、膨張弁３６と、配管３７とを有しており、冷媒循環部３内には冷媒（第２作動流体）としての二酸化炭素（ＣＯ_２）が封入されている。冷媒循環部３は閉じた空間になっており、冷媒が冷媒用熱交換器３１、配管３２、コンプレッサ３３、配管３４を順に流通して熱交換器４に供給され、当該熱交換器４から配管３５、膨張弁３６、配管３７を流通して再び冷媒用熱交換器３１に供給されるようになっている。このように、冷媒循環部３では、冷媒が上記各部を循環する構成になっている。

冷媒用熱交換器３１は、大気を取り込むファン３８を有しており、取り込んだ大気の熱を冷媒に吸収させて配管３２へと冷媒を供給する装置である。配管３２は、冷媒用熱交換器３１とコンプレッサ３１を接続する配管である。コンプレッサ３３は、冷媒を圧縮して配管３４側へと供給する装置であり、冷媒を圧縮することで当該冷媒の温度を上昇させることができるようになっている。コンプレッサ３３を冷媒用熱交換器３１の下流側に配置することで、コンプレッサ３３に流入する冷媒の温度をある程度上昇させておくことができるようになっており、その分コンプレッサ３３で高温を作るために投入するエネルギーを少なくすることができるようになっている。配管３４は、コンプレッサ３３と熱交換器４とを接続する配管である。配管３５は、熱交換器４と膨張弁３６とを接続する配管である。膨張弁３６は、冷媒を膨張させて配管３７側へと供給する装置であり、冷媒を膨張させることで当該冷媒の温度を下げることができるようになっている。

熱交換器４は、水加熱部２を流通する水と冷媒循環部３を循環する冷媒との間で熱を交換する装置であり、水加熱部２及び冷媒循環部３の流通経路上に設けられている。図２は、熱交換器４の外観を示す図である。図３は、熱交換器４を上面から見たときの構成を示す図である。図２及び図３に示すように、熱交換器４は、水流通用の流路部材４１と、冷媒流通用の流路部材４２とを備えている。

水流通用の流路部材４１は、水流入口４３と、水流通部４４と、水流出口４５とを有する板状部材である。水流入口４３は、水加熱部２の配管２４に接続されている。図４は、水流通部４４の内部構成を示す断面図である。図４に示すように、水流通部４４は、内部に複数の流路壁４４ａが設けられており、当該流路壁４４ａによって水流通部４４の内部に流路４４ｂが形成されている。図２及び図４に示すように、水流出口４５は、水加熱部２の配管２５に接続されている。流路部材４１においては、水が水流入口４３から流入し、水流通部４４内部の流路４４ｂを流通して水流出口４５から流出されるようになっている。流路部材４１全体では、水の流通する方向は例えば図２における下側から上側（水流入口４３側から水流出口４５側）の方向となっている。

冷媒流通用の流路部材４２は、図２に示すように、冷媒流入口４６と、冷媒流通部４７と、冷媒流出口４８とを有する管状部材である。冷媒流入口４６は、冷媒循環部３の配管３４に接続されている。冷媒流通部４７は、流路部材４１に対して水流入口４３から水流出口４５の方向へらせん状に巻回されている。

図３に示すように、冷媒流通部４７と流路部材４１との間には接着部材４９が設けられている。接着部材４９は、例えば銀ロウなどのロウ材やエポキシなどの樹脂材料から構成されている。当該接着部材４９によって流路部材４２の内部と流路部材４１の内部とが熱的に接触した状態になっていると共に、流路部材４２と流路部材４１との間が着脱可能に接着された状態になっている。

冷媒流出口４８は、図２に示すように、冷媒循環部３の配管３５に接続されている。流通部材４２においては、冷媒が冷媒流入口４６から流入し、冷媒流通部４７を流通して冷媒流出口４８から流出されるようになっている。流路部材４２全体では、冷媒の流通する方向は例えば図２における上側から下側（冷媒流入口４６側から冷媒流出口４８側）の方向となっており、水の流通する方向とはちょうど逆方向になっている。

次に、上記のように構成された給湯システム１の動作を説明する。
水加熱部２においては、循環ポンプ２３を作動させて水供給源２１から配管２２へと水を流通させる。この水は、循環ポンプ２３により配管２２から配管２４、水流入口４３を介して熱交換器４へと流入する。熱交換器４へ流入するときの水の温度は１５℃程度になっている。

一方、冷媒循環部３においては、コンプレッサ３３及び膨張弁３６によって冷媒を循環させる。冷媒用熱交換器３１においてファン３８によって取り込まれた外気の熱を吸収して冷媒の温度を上昇させる。この冷媒は、圧力が３０気圧、温度が１０℃程度の状態で配管３２を流通し、コンプレッサ３３に流入する。コンプレッサ３３に流入した冷媒は、当該コンプレッサ３３において圧縮され、１００気圧程度にまで加圧されると共にこの圧縮によって温度が１３０℃程度にまで上昇した状態で配管３４へ供給する。この冷媒は、配管３４から冷媒流入口４６を介して熱交換器４に流入する。

熱交換器４では、水流入口４３を介して流路部材４１の内部に流入した水が、水流通部４４の流路４４ｂを流通する。また、冷媒流入口４６を介して流路部材４２の内部に流入した冷媒が、冷媒流通部４７の内部を流通する。流路部材４１の内部と流路部材４２の内部との間が熱的に接触した状態になっているため、流路部材４１内部の水と流路部材４２内部の冷媒との間で熱の交換が行われることになる。具体的には、流路部材４２内部の冷媒から流路部材４１内部の水に熱が移動し、冷媒の圧力及び温度が低下すると共に水の温度が上昇することになる。流路部材４１全体における水の流通方向と流路部材４２全体における冷媒の流通方向とが逆方向になっているため、水と冷媒との間で効率的に熱交換が行われることになる。

温度の上昇した水は、９０℃程度の湯となって配管２５に流出し、湯供給部２６から供給されることになる。このように、水加熱部２においては水供給源２１の水を循環ポンプ２３によって熱交換器４に流入させ、熱交換器４において生成された湯を湯供給部２６から供給する動作を繰り返すことになる。

水加熱部２において上記動作を繰り返す場合、水供給源２１から例えばカルシウム成分を多く含む水が供給されると、水流通部４４の例えば流路壁４４ａや流路４４ｂなどにスケールが付着することがある。このようなスケールが水流通部４４の内部に付着すると、熱交換の性能が低下したり、流路４４ｂ内が詰ったりするなどの問題があるため、流路部材４１を定期的に交換する必要がある。本実施形態では、流路部材４１と流路部材４２とが接着部材４９によって着脱可能に接着されているため、流路部材４１の交換時には流路部材４１と流路部材４２と分離して流路部材４１のみを取り替えるようにすればよい。この場合、流路部材４２については冷媒循環部３から切り離す必要は無いため、冷媒循環部３内に封入された冷媒を再度封入しなおす必要は無い。

一方、圧力及び温度の低下した冷媒は、圧力が１００気圧、温度が２０℃程度の状態で配管３５に流出する。この冷媒は配管３５を介して膨張弁３６に流入し、当該膨張弁３６によって膨張されて圧力が３０気圧程度まで減圧される。また、当該膨張によって温度が５℃程度にまで低下する。減圧されて温度低下した冷媒は、配管３７を介して再び冷媒用熱交換器３１に供給される。冷媒用熱交換器３１では、上記のようにファン３８によって取り込まれた外気の熱を吸収して冷媒の温度が１０℃程度にまで上昇する。このように、冷媒循環部３では、コンプレッサ３３において冷媒を圧縮し温度を上昇させて熱交換器４に流入させ、熱交換器４において冷却された冷媒を膨張弁３６にて膨張させて減圧し、冷媒用熱交換器３１において外気の熱を吸熱させる動作を繰り返すことになる。

このように、本実施形態によれば、第１作動流体としての水を内部に流通させる板状の流路部材４１と、第２作動流体としての冷媒を内部に流通させる流路部材４２とが着脱可能であるため、流路部材４１と流路部材４２とを容易に分離することができる。流路部材４１及び流路部材４２のうちいずれか一方のみのメンテナンスを行う場合には、流路部材４１と流路部材４２とを分離してメンテナンスを行うことができるため、大掛かりなメンテナンスを行わなくても済むことになる。これにより、熱交換器４のメンテナンス性を向上させることができる。

また、本実施形態によれば、板状の流路部材４１に管状の流路部材４２を巻回することとしたので、板状の流路部材４１の一面のみならず他の面においても熱交換を行うことができるため、熱交換の効率を高めることができる。

本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更を加えることができる。
例えば、図５に示すように、流路部材４１の表面のうち流路部材４２によって巻回される部分に溝部５０を設ける構成であっても構わない。流路部材４２が流路部材４１の溝部５０に沿って巻回されることになるため、溝部５０によって流路部材４１と流路部材４２との間の位置ずれを防ぐことができ、流路部材４１と流路部材４２との間の熱的な接触の度合いを高めることができる。

この場合、溝部５０に沿って流路部材４２を巻回させると図６に示される状態となる。図６は、図５に流路部材４２を巻きつけた状態においてＡ−Ａ断面に沿った構成を示す図である。流路部材４１と流路部材４２との接着については、接着部材４９を流路部材４１と流路部材４２との間を埋めるように配置する必要は無く、例えば図６に示すように溝部５０の端辺に沿って接着部材４９を配置するようにすることもできる。このような構成であっても、流路部材４１と流路部材４２とを着脱可能に接着することができる上、流路部材４１内部と流路部材４２内部とを熱的に接触させることができる。

また、図７に示すように、流路部材４１のうち流路部材４２によって巻回される部分の角部４１ａが丸みを帯びた形状であっても良い。これにより、流路部材４１と流路部材４２とが流路部材４１の角部４１ａにおいても密着することになるため、両者の間の密着性を一層向上させることができ、流路部材４１と流路部材４２との間の熱的接触の度合いを更に高めることができる。

また、図８に示すように、流路部材４１のうちスケールが付着し始める温度、すなわち６５℃〜７０℃の範囲で設定した所定温度よりも低い温度の水が流通する部分を低温部４１ｃとすると共に所定温度以上の温度の水が流通する部分を高温部４１ｂとし、流路部材４２の螺旋方向の単位長さあたりの巻回数を低温部４１ｃよりも高温部４１ｂの方が少なくする、すなわち、低温部４１ｃよりも高温部４１ｂの方が流路部材４２の密度が粗くなるように流路部材４２を巻回する構成であっても構わない。この構成によれば、高温部４１ｂでは低温部４１ｃに比べて緩やかに熱交換が行われることになる。高温部４１ｂでのスケールの付着が抑えられることになるため、メンテナンスの回数を抑えることができる。

また、図９に示すように、図８の構成と同様に流路部材４１のうちスケールが付着し始める温度、すなわち６５℃〜７０℃の範囲で設定した所定温度よりも低い温度の水が流通する部分を低温部４１ｃとすると共に所定温度以上の温度の水が流通する部分を高温部４１ｂとし、高温部４１ｂにおいては、低温部４１ｃに比べて流路４４ｂの流路断面積が大きくなる構成であっても構わない。この構成によれば、高温部４１ｂにおいてスケールの付着による流路の詰まりを防ぐことができる。

また、図１０に示すように、図８の構成と同様に流路部材４１のうちスケールが付着し始める温度、すなわち６５℃〜７０℃の範囲で設定した所定温度よりも低い温度の水が流通する部分を低温部４１ｃとすると共に所定温度以上の温度の水が流通する部分を高温部４１ｂとし、当該高温部４１ｂと低温部４１ｃとを分離可能に設ける構成であっても構わない。この構成によれば、メンテナンスの際にはスケールが付着しやすい高温部４１ｂのみを分離して修理・交換などを行うことができる。これにより、メンテナンス性を一層向上させることができる。

本発明の実施形態に係る給湯システムの外観を示す図。 本実施形態に係る熱交換器の外観を示す図。 熱交換器の上面から見た構成を示す図。 熱交換器の内部の構成を示す断面図。 熱交換器の他の構成を示す図。 熱交換器の他の構成を示す図。 熱交換器の他の構成を示す図。 熱交換器の他の構成を示す図。 熱交換器の他の構成を示す図。 熱交換器の他の構成を示す図。

符号の説明

１…給湯システム ４…熱交換器 ４１…流路部材 ４１ａ…角部 ４１ｂ…高温部 ４１ｃ…低温部 ４２…流路部材 ４４ｂ…流路 ４９…接着部材 ５０…溝部

Claims (8)

1. 第１作動流体を内部に流通させる板状の第１流路部材と、
   前記第１流路部材に着脱可能に巻回され、前記第１作動流体との間で熱交換を行わせる第２作動流体を内部に流通させる第２流路部材と
   を備えることを特徴とする熱交換器。
2. 前記第１流路部材と前記第２流路部材とが接着部材を介して着脱可能に接着されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記第１流路部材は、前記第２流路部材によって巻回される部分に溝部を有する
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記第１流路部材のうち前記第２流路部材に巻回される部分の角部が丸みを帯びた形状になっている
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載の熱交換器。
5. 前記第１流路部材及び前記第２流路部材は、前記第１作動流体が一方向に流通し前記第２作動流体が前記一方向とは逆方向へ流通するように配置されている
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載の熱交換器。
6. 前記第１流路部材は、所定温度以上の温度の前記第１作動流体が流通する高温部と前記所定温度より低い温度の前記第１作動流体が流通する低温部とを有し、
   前記第２流路部材は、前記第１流路部材に螺旋状に巻回されており、
   前記第２流路部材の螺旋方向の単位長さあたりの巻回数は、前記低温部よりも前記高温部の方が少なくなっている
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のうちいずれか一項に記載の熱交換器。
7. 前記第１流路部材は、所定温度以上の温度の前記第１作動流体が流通する高温部と前記所定温度より低い温度の前記第１作動流体が流通する低温部とを有し、
   前記高温部は、前記低温部に比べて前記第１作動流体の流路断面積が大きくなっている
   ことを特徴とする請求項１から請求項６のうちいずれか一項に記載の熱交換器。
8. 前記第１流路部材は、所定温度以上の温度の前記第１作動流体が流通する高温部と前記所定温度より低い温度の前記第１作動流体が流通する低温部とを有し、
   前記高温部と前記低温部とが分離可能に設けられている
   ことを特徴とする請求項１から請求項７のうちいずれか一項に記載の熱交換器。

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