JP2016205683A - 熱交換器、給湯システム、及び熱交換器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 低廉かつ十分な耐食性を有する熱交換器、給湯システム、及び熱交換器の製造方法を提供する。
【解決手段】内部を水が流れる第一チューブ３１と、第一チューブ３１の入口から出口にわたって該第一チューブ３１に沿って延びて、内部を流れる冷媒と前記水とを熱交換させることで該水を下流側ほど高温となるように加熱する第二チューブ３２と、を備え、第一チューブ３１は、水の入口側を含む領域が、相対的に耐食性の高い材料から形成された高耐食性領域３１１とされ、高耐食性領域３１１の下流側に接続されるとともに前記水の出口側を含む領域が、相対的に耐食性の低い材料から形成された低耐食性領域３１２とされた熱交換器３。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱交換器、給湯システム、及び熱交換器の製造方法に関する。

外気温の熱エネルギーを利用して湯を沸かす装置として、ヒートポンプ方式の給湯器が知られている。ヒートポンプは、冷媒流路上にそれぞれ配置された圧縮機、蒸発器、熱交換器を有する熱源機と、水（湯）が流れる給水流路を介して上記熱交換器と接続された貯湯タンクと、を備えている。給水流路を経て熱交換器に到達した水は、該熱交換器中で冷媒流路中の冷媒との間における熱交換によって昇温される。

以上のような給湯器では、給水流路中の水の特性（水質）に応じて、スケールの析出や部材の腐食が生じることがある。このような腐食を抑制するための技術として、例えば下記特許文献１に記載された構成が知られている。特許文献１に係る給湯器は、銅製のヘッダ、及び中間ヘッダと、これらヘッダ、及び中間ヘッダの間に延びる水管と、水管の内部に挿通された冷媒管と、を備えている。特に、上記の水管のうち、ヘッダ、及び中間ヘッダに接するわずかな領域はそれぞれ銅管で構成される。一方で、銅管同士の間の領域はステンレス管によって構成される。

特開２０１４−９８７３号公報

しかしながら、上記のような水管（給水流路）中では、入口側から出口側にかけて水の温度が変化することから、スケール析出量、腐食深さ、及び腐食の進行速度は、水管中における位置によって変化する。すなわち、水管中では相対的に高い耐食性が要求される領域と、相対的に低い耐食性が要求される領域とが混在している。したがって、上記特許文献１のように、水管の主要部を全てステンレスで構成した場合、コストの上昇を招く可能性がある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、低廉かつ十分な耐食性を有する熱交換器、給湯システム、及び熱交換器の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。
本発明の一態様によれば、熱交換器は、内部を水が流れる第一チューブと、前記第一チューブの入口から出口にわたって該第一チューブに沿って延びて、内部を流れる冷媒と前記水とを熱交換させることで該水を下流側ほど高温となるように加熱する第二チューブと、を備え、前記第一チューブは、前記水の入口側を含む領域が、相対的に耐食性の高い材料から形成された高耐食性領域とされ、前記高耐食性領域の下流側に接続されるとともに前記水の出口側を含む領域が、相対的に耐食性の低い材料から形成された低耐食性領域とされている。

上述のような構成によれば、第一チューブにおける腐食が進行しやすい領域は耐食性の高い材料によって形成される一方で、スケール析出に伴う被膜形成によって腐食が進行しにくい領域は耐食性の低い材料によって形成される。これにより、高耐食性領域では腐食の進行を抑制することができることに加えて、低耐食性領域を設けることで、第一チューブ全体を高耐食性の材料によって形成した場合に比べて製造コストを低廉化することができる。

本発明の一態様によれば、前記高耐食性領域は、前記入口から前記第一チューブの全長の１／２以上３／４以下の位置まで延びるように構成されてもよい。

上述のような構成によれば、入口側の領域は高耐食性領域とされる一方で、スケール析出量が大きくなる領域（すなわち、スケール析出に伴う被膜形成によって腐食の進行が緩和される領域）を低耐食性領域とすることができる。すなわち、高耐食性領域と低耐食性領域との境界を正確に決定することができる。

本発明の一態様によれば、前記高耐食性領域の下流側端部は、前記第一チューブ内における前記水の温度が５５〜６５℃となる位置に設定されてもよい。

上述のような構成によれば、水の温度に基づいて高耐食性領域の寸法を決定することができる。これにより、長期にわたるスケール析出量の直接的な測定等を経ることなく、第一チューブを構成することができる。

本発明の他の態様によれば、給湯システムは、前記第一チューブ上に接続され、水を貯留するタンクと、前記タンク中の水を圧送するポンプと、前記第二チューブ上に接続され、前記冷媒を圧縮する圧縮機と、請求項１から３のいずれか一項に記載の熱交換器と、前記熱交換器から排出された冷媒を減圧する膨張弁と、を備える。

上述のような構成によれば、十分な耐食性を有する熱交換器、及びこれを備える給湯システムを低廉に実現することができる。

本発明のさらに他の態様によれば、熱交換器の製造方法は、内部を水が流れる第一チューブと、前記第一チューブの入口から出口にわたって該第一チューブに沿って延びて、内部を流れる冷媒と前記水とを熱交換させることで該水を下流側ほど高温となるように加熱する第二チューブと、を備える熱交換器の製造方法であって、予め定められた水の温度、及びスケール析出量の関係に基づいて、前記第一チューブ内でスケール析出量が大きくなり始める位置としての境界位置を特定するステップと、前記第一チューブにおける前記入口から前記境界位置までの領域を相対的に耐食性の高い材料によって形成するステップと、前記境界位置から前記出口までの領域を、相対的に耐食性の低い材料によって形成するステップと、を含む。

上述のような構成によれば、水の温度、及びスケール析出量の関係に基づいて、高耐食性領域と低耐食性領域との境界位置を正確に決定することができる。

本発明によれば、低廉かつ十分な耐食性を有する熱交換器、及び熱交換器の製造方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る給湯システムの全体図である。 本発明の実施形態に係る熱交換器の平面図である。 本発明の実施形態に係る第一チューブにおける材料ごとの構成比率を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る熱交換器における水温、スケール析出量、腐食深さの関係を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る熱交換器の製造方法の各ステップを示す工程図である。

本発明の実施形態に係る給湯システム１００について、図面を参照して説明する。図１に示すように、給湯システム１００は、タンク部１と、冷媒を圧縮、昇温する熱源部２と、これら水と冷媒とを熱交換させる熱交換器３と、を備えている。

タンク部１は、水を貯留するタンク本体１０と、このタンク本体１０と熱交換器３との間で水を循環させる第一チューブ３１と、を有している。詳しくは後述するが、第一チューブ３１の延在長における一部の領域は、冷媒が流通する第二チューブ３２と接触することで熱交換器３の一部を構成する。さらに、第一チューブ３１上には、ポンプ１１が設けられている。このポンプ１１によって、タンク本体１０中の水が下流側に圧送される。

熱源部２は、内部にＣＯ２等の冷媒が充填された第二チューブ３２と、この第二チューブ３２上に設けられた圧縮機２１と、複数の膨張弁２２と、気液分離器２３と、蒸発器２４と、を有している。圧縮機２１は、第二チューブ３２の内部を流通する冷媒を圧縮・昇温する。これにより、圧縮機２１からは高温高圧の気体冷媒が生成される。

圧縮機２１の下流側（すなわち、第二チューブ３２中において、高温高圧の気体冷媒が流れ去る側）には、熱交換器３が設けられている。この熱交換器３では、上記の第一チューブ３１と第二チューブ３２とが互いに熱的に接続されることで、水と冷媒との間で熱交換が行われる。すなわち、高温高圧の気体冷媒は、水に対して熱を放出することで凝縮し、低温高圧の液体冷媒として排出される。

第二チューブ３２上における熱交換器３の下流側には、上記冷媒液体の圧力を開放する（減圧する）ための第一膨張弁２２１が設けられている。第一膨張弁２２１の下流側には、気液分離器２３が設けられている。気液分離器２３では、上記の低温低圧の液体冷媒に含まれる液相成分と気相成分とが分離される。

気液分離器２３と圧縮機２１とは、バイパス流路２５によって接続されている。低温低圧の液体冷媒から分離された気相成分はこのバイパス流路２５を通じて圧縮機２１中に供給される。

気液分離器２３の下流側には、蒸発器２４が設けられている。さらに、これら気液分離器２３と蒸発器２４との間には、第二膨張弁２２２が設けられている。すなわち、上記液体冷媒のうち、気相成分を除く液相成分は、第二膨張弁２２２を経て蒸発器２４に流入する。第二膨張弁２２２では、液体冷媒がさらに減圧される。

蒸発器２４では、第二膨張弁２２２を経て供給された低温低圧の液体冷媒が気化して、低温低圧の気体冷媒となる。低温低圧の気体は、再び圧縮機２１に供給されて高温高圧の気体冷媒となる。第二チューブ３２中の冷媒に対して、以上の各サイクルが連続的に繰り返される。

続いて、本実施形態に係る熱交換器３の詳細な構成について、図２を参照して説明する。同図に示すように、熱交換器３は、上記のタンク部１から延びる第一チューブ３１と、この第一チューブ３１の外周に沿って螺旋状に巻回された第二チューブ３２と、を備えている。さらに、第一チューブ３１は平面視で渦巻状に巻回されている。すなわち、この熱交換器３中では、第一チューブ３１と第二チューブ３２とが熱的に接続されている。これにより、上述のように、第二チューブ３２中の冷媒（高温高圧の気体冷媒）の熱は、第一チューブ３１中の水に伝播し、水が昇温される。

ここで、第一チューブ３１中を流れる水の特性（水質）によっては、第一チューブ３１の内壁面上で腐食やスケール析出が進行する可能性がある。加えて、このような腐食やスケール析出は、水の温度に依存する。例えば、第一チューブ３１全体を銅管によって一体に構成した場合、第一チューブ３１内における入口３１Ａ側からの位置と、スケール付着量、及び腐食の進行速さとの関係は、図４に示すような変化を示すことが知られている。

同図に示すように、入口３１Ａ側（圧縮機２１側）における水温が５℃で、出口側（第一膨張弁２２１側）における水温が９０℃である場合、スケール付着量は、水温が６０℃となる位置よりも下流側（出口側）の領域で顕著に大きくなる。その一方で、腐食の進行速さは、水温が６０℃となる位置よりも上流側（入口３１Ａ側）の領域で相対的に高く、下流側の領域では相対的に低くなる。すなわち、スケール付着量が大きい下流側の領域では、スケールによって第一チューブ３１の内壁がコーティングされた状態となるため、さらなる腐食の進行が緩和される。

このような腐食の低減を目的として、第一チューブ３１を銅よりも腐食性の高いステンレス等の材料で構成することも考えられる。しかしながら、製造コストを低減する上で、第一チューブ３１全体をステンレス等の比較的に高価な材料で構成することは不利となる。

そこで、本実施形態に係る熱交換器３では、入口３１Ａから出口３１Ｃにかけての水温分布に応じて、第一チューブ３１が２つの異なる材料によって構成される。より詳細には図２、図３に示すように、本実施形態に係る第一チューブ３１は、相対的に高い耐腐食性を有する材料で形成された高耐食性チューブ３１１（高耐食性領域３１１）と、相対的に低い耐腐食性を有する材料で形成された低耐食性チューブ３１２（低耐食性領域３１２）と、これら高耐食性チューブ３１１、及び低耐食性チューブ３１２を互いに接続する接続配管４と、を有している。

高耐食性チューブ３１１としては、例えばステンレス管や、内壁に錫メッキを施した銅管が好適に用いられる。後者の具体例としては、特にＳＴＣ銅管（スーパーティンコート銅管）や、ピコレス（登録商標）が特に好適に用いられる。第一チューブ３１における水の入口３１Ａを含む領域は、上記のような高耐食性の材料で形成される。

特に、第一チューブ３１の全長Ｌにおける高耐食性チューブ３１１が占める割合は、該第一チューブ３１の入口３１Ａから、全長Ｌの１／２以上３／４以下であることが望ましい。さらに望ましくは、入口３１Ａから全長Ｌの１／２以上３／５以下の領域が高耐食性領域３１１とされる。最も望ましくは、入口３１Ａから全量の１／２の領域が高耐食性領域３１１とされる。

一方で、第一チューブ３１における水の出口側を含む領域は、高耐食性チューブ３１１に比べて相対的に低い低耐食性チューブ３１２によって形成される。

高耐食性チューブ３１１の出口側端部３１Ｂと、低耐食性チューブ３１２の入口側端部３２Ａとは、接続配管４によって互いに接続される。接続配管４としては例えば樹脂性のチューブ等が用いられる。また、接続配管４と高耐食性チューブ３１１の接続部、及び接続配管４と低耐食性チューブ３１２の接続部は、それぞれ公知の管継手等によって適宜構成される。

なお、以下の説明では、高耐食性チューブ３１１の出口側端部３１Ｂを、低耐食性チューブ３１２との境界位置Ｐと定義する。すなわち、上記の低耐食性領域３１２には、接続配管４と、低耐食性チューブ３１２とが含まれる。

続いて、本実施形態に係る熱交換器３の製造方法について、図５を参照して説明する。同図に示すように、上記の熱交換器３を製造するに当たっては、まず所期の第一チューブ３１、第二チューブ３２と同等の寸法体格を有する試験用チューブを形成する（試験用チューブ準備ステップＳ１）。この試験用チューブにおける第一チューブ３１に相当する配管は、試験用第一チューブ３１とされる。この試験用第一チューブ３１は、例えば銅管によって一体に形成される。

次に、上述の圧縮機２１、蒸発器２４、膨張弁２２をそれぞれ接続した状態で、試験用チューブ内部の水を加熱昇温する。この状態で、試験用チューブの外部、又は内部から、水温を測定する（水温測定ステップＳ２）。さらに、第一チューブ３１中における水温が５５〜６０℃となる位置（境界位置Ｐ）を特定する（境界位置特定ステップＳ３）。換言すれば、本ステップでは、予め定められた水の温度、及びスケール析出量の関係に基づいて、第一チューブ３１内でスケール析出量が大きくなり始める位置が特定される。

続いて、上記のように特定された境界位置Ｐまでの入口３１Ａ側から長さに基づいて、第一チューブ３１における高耐食性チューブ３１１を得る（高耐食性領域形成ステップＳ４）。最後に、この高耐食性チューブ３１１の出口側端部に、上記した接続配管４、及び低耐食性チューブ３１２を順次接続した後、外周側から第二チューブ３２を螺旋状に巻回して、熱交換器３が完成する（仕上げステップＳ５）。

なお、上述したように、５℃の水を入口３１Ａから通水し、９０℃まで昇温する場合、第一チューブ３１中で水温が５５〜６０℃となる位置は、第一チューブ３１の全長Ｌにおける入口３１Ａから１／２〜３／４までの位置に相当する。したがって、同等の熱交換器３を量産する場合には、境界位置特定ステップＳ３によって得られた境界位置Ｐに基づいて、高耐食性領域形成ステップＳ４以降の各ステップを順次実行することが望ましい。

以上説明したように、本実施形態に係る熱交換器３では、第一チューブ３１における腐食が進行しやすい入口側領域は高耐食性チューブ３１１によって形成される一方で、スケール析出に伴う被膜形成によって腐食が進行しにくい出口側領域は低耐食性チューブ３１２によって形成される。これにより、入口側領域における腐食の進行を抑制することができることに加えて、出口側領域（低耐食性領域３１２）を、相対的に耐食性の低い材料で構成することができる。したがって、例えば上記のステンレスやＳＴＣ銅管、ピコレス等の比較的に高価な配管材料で第一チューブ３１全体を構成した場合に比して、製造コストを大幅に低廉化することができる。

さらに、本実施形態では、高耐食性チューブ３１１の出口の位置（境界位置Ｐ）は、スケール付着量が大きくなり始める位置（すなわち、水温が５５〜６０℃を呈する位置）に対応している。特に、上記の製造方法では、熱交換器３の量産に先立って試験用チューブを用いた境界位置Ｐの特定が行われる。これにより、高耐食性チューブ３１１の必要寸法をより的確に設定することができるため、製造コストの管理をさらに緻密化することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して説明した。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいては、上記構成に種々の変更を加えることが可能である。例えば、上記の実施形態では第一チューブ３１を渦巻状に巻回した例について説明した。しかしながら、熱交換器３を構成するに当たって、第一チューブ３１は必ずしも巻回されている必要はなく、設計や仕様に応じて形状や寸法を適宜変更することが可能である。

さらに、図４及び同図に基づく上記の説明は、あくまで特定の構成における各種の測定結果に基づくものである。すなわち、第一チューブ３１中に充填される水の特性（水質）に応じて、上記の各値（境界位置Ｐ等）は適宜変更されてよい。特に、上記のスケール析出量や腐食の進行速さは、主として水の硬度に依存することが考えられる。したがって、給湯システム１００、及び熱交換器３の運用される環境に併せて、上記の境界位置Ｐ等を決定することが望ましい。

１…タンク部 ２…熱源部 ３…熱交換器 １０…タンク本体 ２１…圧縮機 ２２…膨張弁 ２３…気液分離器 ２４…蒸発器 ２５…バイパス流路 ３１…第一チューブ ３２…第二チューブ １００…給湯システム ２２１…第一膨張弁 ２２２…第二膨張弁 ３１１…高耐食性チューブ ３１１…高耐食性領域 ３１２…低耐食性チューブ ３１２…低耐食性領域 ３１Ａ…高耐食性チューブの入口側端部 ３１Ｂ…高耐食性チューブの出口側端部 ３１Ｃ…第一チューブの出口側端部 ３２Ａ…低耐食性チューブの入口側端部 Ｐ…境界位置 Ｓ１…試験用チューブ準備ステップ Ｓ２…水温測定ステップ Ｓ３…境界位置特定ステップ Ｓ４…高耐食性領域形成ステップ Ｓ５…仕上げステップ

Claims (5)

1. 内部を水が流れる第一チューブと、
   前記第一チューブの入口から出口にわたって該第一チューブに沿って延びて、内部を流れる冷媒と前記水とを熱交換させることで該水を下流側ほど高温となるように加熱する第二チューブと、を備え、
   前記第一チューブは、
   前記水の入口側を含む領域が、相対的に耐食性の高い材料から形成された高耐食性領域とされ、
   前記高耐食性領域の下流側に接続されるとともに、前記水の出口側を含む領域が、相対的に耐食性の低い材料から形成された低耐食性領域とされている熱交換器。
2. 前記高耐食性領域は、前記入口から前記第一チューブの全長の１／２以上３／４以下の位置まで延びる請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記高耐食性領域の出口の位置は、前記第一チューブ内における前記水の温度が５５〜６５℃となる位置に設定される請求項１に記載の熱交換器。
4. 前記第一チューブ上に接続され、前記水を貯留するタンクと、
   前記タンク中の前記水を圧送するポンプと、
   前記第二チューブ上に接続され、前記冷媒を圧縮する圧縮機と、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の熱交換器と、
   前記熱交換器から排出された前記冷媒を減圧する膨張弁と、
   を備える給湯システム。
5. 内部を水が流れる第一チューブと、
   前記第一チューブの入口から出口にわたって該第一チューブに沿って延びて、内部を流れる冷媒と前記水とを熱交換させることで該水を下流側ほど高温となるように加熱する第二チューブと、を備える熱交換器の製造方法であって、
   予め定められた前記水の温度、及びスケール析出量の関係に基づいて、前記第一チューブ内でスケール析出量が大きくなり始める位置としての境界位置を特定するステップと、
   前記第一チューブにおける前記入口から前記境界位置までの領域を、相対的に耐食性の高い材料によって形成するステップと、
   前記境界位置から前記出口までの領域を、相対的に耐食性の低い材料によって形成するステップと、
   を含む熱交換器の製造方法。

Images