スケール析出防止方法及び熱交換器
【解決課題】水の加熱温度が６０℃以上となる熱交換器の水流路の壁面にスケールが析出するのを防止することができるスケール析出防止方法、及びそのスケール防止方法を実施するための熱交換器を提供すること。
【解決手段】冷媒と水との熱交換により水を加熱するための冷媒が流通する冷媒流路と、該冷媒により加熱される水が流通する水流路とを有する熱交換器を、水流路の熱交換部出口の水温が６０℃以上となる条件で運転するときに、該水流路にマイクロバブルを導入することを特徴とするスケール析出防止方法。
【解決手段】冷媒と水との熱交換により水を加熱するための冷媒が流通する冷媒流路と、該冷媒により加熱される水が流通する水流路とを有する熱交換器を、水流路の熱交換部出口の水温が６０℃以上となる条件で運転するときに、該水流路にマイクロバブルを導入することを特徴とするスケール析出防止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプ式給湯器など、二酸化炭素冷媒、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ等の冷媒、特に、二酸化炭素冷媒と水との間で熱交換を行う熱交換器において、水流路にスケールが析出するのを防止するためのスケール析出防止方法及びそれを実施するための熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、高温の冷媒（熱交換媒体）と水との間で熱交換を行い、冷媒により水の加熱を行う熱交換器があり、近年、その冷媒として二酸化炭素冷媒を用いる熱交換器が注目を受けている。
【０００３】
このような熱交換器を長期にわたって使用すると、水中に含まれるカルシウム等の成分が、水流路内にスケールとして析出して、水流路の内壁に付着する。そして、スケールの析出量（付着厚さ）が増大すると、最終的には、水流路を閉塞してしまうという危険性がある。
【０００４】
このスケール析出の問題は、水温が６０℃以上になると起こり易くなる。特に、水温が８０℃以上となる二酸化炭素冷媒を用いる熱交換器では、スケールの析出の問題が顕著になる。
【０００５】
そこで、カルシウム等のスケールの析出を防止することを課題とした熱交換器の開発が行われている。例えば、特開２００６−１４５０５６号公報（特許文献１）では、水流路の流出側の流路断面積を流入側の流路断面積より拡大し、水流路の流入側の内面に突起を設けること、特開２００６−１６２１６５号公報（特許文献２）では、水流路の流出側の流路断面積を流入側の流路断面積より拡大し、水流路の流入側に乱流促進手段を内包させること、特開２００６−２６６５１４号公報（特許文献３）には、水流路壁面近傍を可動する可動手段を挿入すること、特開２００６−３１７０６９号公報（特許文献４）には、水流路の壁面を振動させるための振動モーター等の振動発生手段を設置すること、特開２００７−２６３４６９号公報（特許文献５）には、水流路管に磁束密度が３０００ガウス以上の磁場発生手段を設置することなどが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１４５０５６号公報（特許請求の範囲）
【特許文献２】特開２００６−１６２１６５号公報（特許請求の範囲）
【特許文献３】特開２００６−２６６５１４号公報（特許請求の範囲）
【特許文献４】特開２００６−３１７０６９号公報（特許請求の範囲）
【特許文献５】特開２００７−２６３４６９号公報（特許請求の範囲）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１〜５に提案されている手段では、ある程度スケールの析出防止効果はあるものの、その効果は不十分であり、更なるスケールの析出防止効果の向上が求められている。
【０００８】
従って、本発明は、水の加熱温度が６０℃以上となる熱交換器の水流路の壁面にスケールが析出するのを防止することができるスケール析出防止方法、及びそのスケール析出防止方法を実施するための熱交換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記従来技術における課題を解決すべく、鋭意研究を重ねた結果、熱交換器の水流路に、マイクロバブルを導入することにより、水流路にスケールが析出するのを効果的に防止することができることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００１０】
すなわち、本発明（１）は、冷媒と水との熱交換により水を加熱するための冷媒が流通する冷媒流路と、該冷媒により加熱される水が流通する水流路とを有する熱交換器を、該水流路の熱交換部出口の水温が６０℃以上となる条件で運転するときに、該水流路にマイクロバブルを導入することを特徴とするスケール析出防止方法を提供するものである。
【００１１】
また、本発明（２）は、冷媒と水との熱交換により水を加熱するための冷媒が流通する冷媒流路と、
該冷媒により加熱される水が流通する水流路と、
該水流路にマイクロバブルを導入するためのマイクロバブル発生装置と、
を有することを特徴とする熱交換器を提供するものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、水の加熱温度が６０℃以上となる熱交換器の水流路の壁面にスケールが析出するのを防止することができるスケール析出防止方法、及びそのスケール析出防止方法を実施するための熱交換器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の熱交換器の模式的な側面図である。
【図２】図１に示す熱交換器の平面図である。
【図３】図１に示す熱交換器の水流路の熱交換部出口近傍の外管を切り開いた拡大図である。
【図４】図３中の外管及び内管を水の流通方向に対して垂直な面で切ったときの断面図である。
【図５】一定の運転条件で熱交換器を連続運転した時のスケールの析出量の経時変化を示す模式的なグラフである。
【図６】中心管の周りに側管を巻き回してなる熱交換部の模式的な斜視図である。
【図７】中心管の管側壁に側管を埋め込んでなる熱交換部を水の流通方向に対して垂直な面で切ったときの模式的な断面図である。
【図８】実施例１〜３及び比較例１で用いた試験装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明のスケール析出防止方法及び本発明の熱交換器について、図１〜図４を参照して説明する。図１は、本発明の熱交換器の模式的な側面図であり、図２は、図１に示す熱交換器の平面図であり、図３は、図１に示す熱交換器の水流路の熱交換部出口近傍の外管を切り開いた拡大図であり、図４は、図３中の外管及び内管を水の流通方向に対して垂直な面で切ったときの断面図である。
【００１５】
熱交換器２０は、螺旋状に巻き回されている外管１と、該外管１の管内に設置されている内管２と、マイクロバブルを発生させるためのマイクロバブル発生装置８とを有する。該外管１の両端には、管内に水１１を流入するための水流入管７及び管内から該水１１を流出するための水流出管６が取り付けられている。そして、該マイクロバブル発生装置８は、該水流入管７に取り付けられている。該内管２の両端には、管内に冷媒１２を流入するための冷媒流入管９及び管内から冷媒１２を流出するための冷媒流出管１０が取り付けられている。
【００１６】
該熱交換器２０では、該外管１と該内管２との隙間が、水流路１３となり、該内管２の管内が、冷媒流路１４となる。そして、該熱交換器２０では、該水流入管７から該水１１を流入させ該水流出管６から該水１１を流出させて、該水流路１３に該水１１を流通させつつ、該冷媒流入管９から該冷媒１２を流入させ該冷媒流出管１０から該冷媒１２を流出させて、該冷媒流路１４に該冷媒１２を流通させることにより、該冷媒１２と該水１１との間で熱交換が行われ、該水１１は該冷媒１２により加熱される。
【００１７】
このとき、該外管１と該内管２との二重管になっている部分で、熱交換が起こるので、この熱交換が起こる部分を、熱交換部と呼ぶ。該熱交換器２０では、該水流入管７から該外管１への入口から、該外管１から該水流出管６への出口までが、該熱交換部に相当する。そして、該熱交換器２０において、該水１１が該水流入管７から該外管１に入る入口、すなわち、該水１１が該熱交換部に流入する入口を、水流路の熱交換部入口（図示せず）と呼び、また、該水１１が該外管１から該水流出管６に出る出口、すなわち、該水１１が該熱交換部から流出する出口を、水流路の熱交換部出口４（図３参照）と呼ぶ。また、該冷媒１２が該冷媒流入管９から該内管２に入る入口、すなわち、該冷媒１２が該熱交換部に流入する入口を、冷媒流路の熱交換部入口１５（図３参照）と呼び、また、該冷媒１２が該内管２から該冷媒流出管１０に出る出口、すなわち、該冷媒１２が該熱交換部から流出する出口を、冷媒流路の熱交換部出口（図示せず）と呼ぶ。
【００１８】
そして、該水１１の該水流路の熱交換部出口４の水温が６０℃以上となる条件で、該熱交換器２０を運転する。そのとき、該マイクロバブル発生装置８で処理した該水１１を、該水流入管７より、該外管１に流入することで、該水流路１３に、該マイクロバブル発生装置８により発生させたマイクロバブルを導入する。
【００１９】
すなわち、本発明のスケール析出防止方法は、冷媒と水との熱交換により水を加熱するための冷媒が流通する冷媒流路と、該冷媒により加熱される水が流通する水流路とを有する熱交換器を、該水流路の熱交換部出口の水温が６０℃以上となる条件で運転するときに、該水流路にマイクロバブルを導入することを特徴とするスケール析出防止方法である。
【００２０】
また、本発明の熱交換器は、冷媒と水との熱交換により水を加熱するための冷媒が流通する冷媒流路と、
該冷媒により加熱される水が流通する水流路と、
該水流路にマイクロバブルを導入するためのマイクロバブル発生装置と、
を有する熱交換器である。
【００２１】
本発明のスケール析出防止方法に係る該冷媒としては、熱交換器の冷媒として用いられるものであれば、特に制限されず、二酸化炭素を主成分とする冷媒、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ等が挙げられる。該二酸化炭素を主成分とする冷媒は、二酸化炭素単独か、あるいは、冷凍機油を０〜１５質量％含有する二酸化炭素冷媒である。そして、該二酸化炭素を主成分とする冷媒を用いる熱交換器では、水流路の熱交換部出口の水温が高いので、本発明のスケール析出防止方法は、該冷媒として、該二酸化炭素を主成分とする冷媒を用いる場合に、特に優れたスケールの析出防止効果を発揮する。
【００２２】
本発明のスケール析出防止方法に係る水としては、淡水、例えば、水道水、井戸水、工業用水、河川水、伏流水、湧水、中水等が挙げられる。
【００２３】
本発明のスケール析出防止方法に係る該水流路及び該冷媒流路の形態は、特に制限されず、該冷媒と水との間で熱交換が行える形態であればよい。該水流路及び該冷媒流路により形成される該熱交換部の形態例としては、例えば、図１〜図４に示すような外管と該外管の管内に設置されている内管との二重管からなる熱交換部、図６に示すような中心管の周りに側管を巻き回してなる熱交換部、図７に示すように中心管の管側壁に側管を埋め込んでなる熱交換部などが挙げられる。なお、図６は、中心管の周りに側管を巻き回してなる熱交換部の模式的な斜視図であり、図７は、中心管の管側壁に側管を埋め込んでなる熱交換部を水の流通方向に対して垂直な面で切ったときの模式的な断面図である。また、本発明のスケール析出防止方法に係る該熱交換器は、該冷媒と水との熱交換により水を加熱するための該冷媒が流通する該冷媒流路と、該冷媒により加熱される水が流通する該水流路とを有する熱交換器であるが、その形態は、特に制限されず、該冷媒と水との間で熱交換が行える形態であればよい。また、該熱交換器が、二重管からなる熱交換部を有する場合、漏洩検知機構を有することができる。
【００２４】
本発明のスケール析出防止方法では、該冷媒流路の熱交換部入口での該冷媒の温度、該冷媒の流入量、該水流路の熱交換部入口での水の温度、及び水の流入量等を適宜調節することにより、該水流路の熱交換部出口の水温が６０℃以上となる条件で、該熱交換器を運転する。そして、本発明のスケール析出防止方法では、該熱交換器の運転中に、該水流路に該マイクロバブルを導入する。
【００２５】
該水流路の熱交換部出口の水温が６０℃以上となると、該水流路の壁面に、カルシウム等のスケールが析出し易くなる。例えば、図１〜図４に示す該熱交換器２０では、該外管１の内壁及び該内管２の外壁に、カルシウム等のスケールが析出する。
【００２６】
水中では、気泡は、その径が小さいほど、内圧が高くなるので、スケールと衝突した時に、高い衝撃エネルギーをスケールに与えることができる。また、気泡の内圧が高くなるほど、容易に合一し難くなり、壁面での乱流促進機能が高くなる。そのため、本発明のスケール析出防止方法では、該マイクロバブルが、該水流路の内壁に析出したスケールに衝突してはじける時の衝撃力及び高い乱流促進機能により、スケールを剥離することができる。
【００２７】
また、水中では、気泡は、その径が小さいほど、表面電荷が均一となり、そのゼータ電位はマイナスに帯電しているとされるので、陽イオンを吸着し易い。そのため、本発明のスケール析出防止方法では、カルシウムイオン等の陽イオンが、該マイクロバブルの表面に吸着されて、該水流路外に排出され易くなるので、スケールが析出し難くなる。また、剥離されたスケールも、該マイクロバブルの表面に吸着されて、該水流路外に排出され易くなる。
【００２８】
該水流路に導入されるマイクロバブルは、上記のような機能を有する微細な気泡の集合体である。そして、上記のような機能を発揮し易くなる点、つまり、スケールの析出防止効果が高まる点で、該水流路に導入されるマイクロバブルは、１〜５００μｍの径の気泡を含んでいることが好ましく、１〜５００μｍの径の気泡の数が、全気泡の数の５０％以上であることが特に好ましく、１〜５００μｍの径の気泡の数が、全気泡の数の８０％以上であることが更に好ましい。なお、該水流路に導入されるマイクロバブルは、径が１〜５００μｍの範囲をはずれる気泡を含んでいてもよい。
【００２９】
該水流路の水の流速、言い換えると、該マイクロバブルの移動速度は、特に制限されないが、好ましくは０．０５〜３ｍ／秒、特に好ましくは０．１〜２ｍ／秒である。該水流路の水の流速が、上記範囲にあることにより、該マイクロバブルによる衝撃力を発生させ易くなる。
【００３０】
該水流路に導入されるマイクロバブルの発生方法であるが、一般にマイクロバブル発生装置と呼ばれる装置により、該マイクロバブルを発生させることができる。該マイクロバブル発生装置としては、特に制限されないが、例えば、特開２００８−８６９８６号公報に記載されているような加圧溶解方式のマイクロバブル発生装置や、特許第４０１９１５４号公報に記載されているような旋回流方式のマイクロバブル発生装置や、特開２００８−８６８６８号公報に記載されているようなエゼクタ方式のマイクロバブル発生装置などが挙げられる。
【００３１】
該水流路では、該水流路の熱交換部入口から該水流路の熱交換部出口に向かって、水温が高くなっていくため、該水流路の熱交換部出口に近いほど、スケールが析出し易く、該水流路の熱交換部入口に近いほど、水温が低いのでスケールが析出し難い。そのため、該熱交換器の運転条件によっては、該水流路の熱交換部入口に近い方では、スケールが析出しない箇所やスケールが析出しても問題とならない量である箇所もある。そこで、本発明のスケール析出防止方法では、該熱交換器の運転条件等により、該水流路へのマイクロバブルの導入位置を、適宜選択することができる。例えば、スケールの析出が該水流路の熱交換部出口近傍の壁面で集中して起こるような場合は、該水流路の熱交換部出口近傍の該水流路から、該マイクロバブルを導入することができる。また、該水流路の熱交換部入口に近い箇所は水温が低いため、該マイクロバブルの合一が起こり難いので、例えば、該水流路の熱交換部入口から該マイクロバブルを導入することができ、この場合は、該熱交換部の水流路の壁面全体に、該マイクロバブルを衝突させることができるので、該熱交換部の水流路の壁面全体のスケールの析出を防ぐことができる。
【００３２】
該水流路の熱交換部出口又はその近傍に達したマイクロバブルは、１〜５００μｍの径の気泡を含んでいることが好ましく、１〜５００μｍの径の気泡の数が、全気泡の数の５０％以上であることが特に好ましく、１〜５００μｍの径の気泡の数が、全気泡の数の８０％以上であることが更に好ましい。
【００３３】
なお、本発明において、該水流路に導入されるマイクロバブルの径、及び該水流路の熱交換部出口又はその近傍に達したマイクロバブルの径は、例えば、図１に示す該熱交換器２０において、該水流入管７又は該水流出管６の一部を、透明管にして、この部分で、水中のマイクロバブルの径を画像解析することにより求められる。
また、透明材質でできた箱形の容器を用意し、該容器に水を張り、そこに、水流路に導入するときと同じ条件でマイクロバブル発生装置でマイクロバブルを導入し、画像解析してマイクロバブルの径を測定することにより、該水流路に導入されるマイクロバブルの径を測定することもできる。
また、透明材質でできた箱形の容器を用意して、該容器で、該水流路から流出する水を受け、その水を画像解析してマイクロバブルの径を測定することにより、該水流路の熱交換部出口又はその近傍に達したマイクロバブルの径を測定することもできる。
【００３４】
該水流路へのマイクロバブルの導入量は、該水流路を流通する水の流量に対する、該水流路に導入される該マイクロバブルの流量（導入される気体量であり、これが全気泡量に該当する。）の体積割合（（マイクロバブルの流量（Ｌ／分）／水の流量（Ｌ／分））×１００）で、５〜４０％が好ましく、１０〜３０％が特に好ましい。マイクロバブルの流量の体積割合が小さ過ぎると、スケール析出防止に有効な気泡径のマイクルバブルの数が少なくなり過ぎることがあり、また、一方、マイクロバブルの流量の体積割合が大き過ぎると、熱交換性能を低下せる要因となり易い。
【００３５】
該水流路への該マイクロバブルの導入は、連続であってもよいし、あるいは、間欠的であってもよい。
【００３６】
該水流路の壁面へのスケールの析出は、時間の経過と共に、一定の速度で析出量が増加していくという挙動を示すのではなく、ある時期になると、急激に増加するという挙動を示す。図５を参照して、該水流路の壁面へのスケールの析出の挙動を説明する。図５は、一定の運転条件で熱交換器を連続運転した時のスケールの析出量の経時変化を示す模式的なグラフである。図５に示すように、運転を開始してａ時間経過した時点では、ほとんどスケールは発生していない。その後、ｂ時間が経過するまでは、徐々にスケールの析出量が増えていく。そして、ｂ時間が経過した後からｃ時間までの間に急激にスケールの析出量が増え、ｃ時間経過以降は、ｅ時間、更にそれ以上の時間が経過しても、スケールの析出量の増加はあまりなくなる。
【００３７】
該水流路への該マイクロバブルの導入を連続で行う場合は、微細な状態のスケールを常に剥離できるので、スケールの析出防止効果が高い。
【００３８】
また、ｂ時間経過後にスケールが急激に析出するので、ｂ時間経過する前、例えば、ｄ時間経過時に、該マイクロバブルを一定時間該水流路に導入して、それまでに析出したスケールを剥離すれば、急激なスケールの析出による水流路の閉塞を防ぐことができる。よって、ｄ時間経過時に該マイクロバブルを一定時間導入し、その後ｄ時間経過した時点で、また該マイクロバブルを一定時間導入するというように、一定間隔毎に間欠的に該マイクロバブルを導入することもできる。熱交換器の運転条件が一定しているような場合は、スケールが除去された状態から急激なスケールの析出が起こり始めるまでの経時時間は、毎回ほぼ同じになるので、ｄ時間経過毎に、該マイクロバブルの導入を行うというように、運転時間で該マイクロバブルの導入時期を管理することができる。
【００３９】
また、熱交換器の運転条件が一定していない場合でも、急激なスケールの析出が起こり始めるときのスケールの析出量、例えば、図５では、ｂ時間経過時点でのスケール析出量ｘを、水の流入量及び水温等から把握できる場合は、熱交換器の運転条件から、急激なスケールの析出が起こり始めるときのスケールの析出量を推測して、その析出量に達する前に、該マイクロバブルの導入を一定時間行うというように、熱交換器の運転条件からスケールの析出量を推測して、不定期間隔毎に間欠的に該マイクロバブルを導入するという管理も行える。
【００４０】
本発明の熱交換器に係る該水流路、該冷媒、該溶媒流路、及び該マイクロバブル発生装置は、本発明のスケール析出防止方法に係る該水流路、該冷媒、該溶媒流路及び該マイクロバブル発生装置と同様である。
【００４１】
そして、本発明の熱交換器は、該マイクロバブル発生装置により発生させたマイクロバブルを水流路に導入することができるので、スケールの析出量が多くなるような条件で、つまり、該水流路の熱交換部出口の水温が６０℃以上、特に、８０℃以上となる運転条件で運転される場合に、特に、優れたスケールの析出防止効果を発揮する。
【実施例】
【００４２】
（実施例１〜３及び比較例１）
下記のような試験装置にて、マイクロバブル導入の効果を確認した。
＜試験装置の構成＞
図８に示す試験装置であり、試験装置４０は、循環ポンプ２１と、試験部２２と、調合タンク２３と、循環配管２４と、マイクロバブル発生装置２６と、からなり、調合タンク２３には、給水管２８と、排水管２９が付設されている。試験部２２は、スケール確認用の銅管２５と、その周囲を覆うように取り付けられた加熱用のヒーター５０から構成されている。スケール確認用の銅管２５内には、循環ポンプ２１及び循環配管２４により、調合タンク２３内の循環水２７が循環流通される。また、スケール確認用の銅管２５内には、マイクロバブル発生装置２６により、マイクロバブルが導入される。なお、説明の都合上、循環配管２４を１本の直線で示した。また、試験部２２は断面図である。
【００４３】
＜試験条件＞
（１）循環水２７
調合タンク２３内で下記水質の試験水を調整し、これを循環ポンプ２１で循環させ、循環水２７とした。水質は、給水管２８より、調合タンク２３内に一定水質の水を適宜補給し、これに水酸化カルシウムと炭酸ガスを添加することによって、ｐＨ７〜８、カルシウム硬度１００〜２００ＣａＣＯ３ｍｇ／Ｌに調整した。補給水としては、名古屋市の上水（水道水）を用いた。また、循環水２７を、調合タンク２３内で水温２５℃で一定に保ち、流量１Ｌ／分で循環させた。なお、循環水２７の流通方向を、図８中の矢印３３で示した。
【００４４】
（２）試験部２２
加熱用のヒーター５０で覆ったスケール確認用の銅管２５を、水循環サイクル中に組み込み、試験部２２とした。図８に示すように、ヒーターを２分割して設置し、スケール確認用の銅管２５の全長のほぼ中央部（図８中、符号Ｂ）における循環水２７の温度が６０℃、試験部２２の出口側（図８中、符号Ｃ）における循環水２７の温度が９０℃でほぼ一定に保たれるように、ヒーター５０での加熱を調整した。
【００４５】
（３）スケール確認用の銅管２５
・スケール確認用の銅管２５：外径１５．８８ｍｍ、内径１４．４６ｍｍ、肉厚０．７１ｍｍ、内外面とも平滑な管、材質はりん脱酸銅
・試験部２２のヒーターで覆われている部分のスケール確認用の銅管２５の長さ（図８中、符号３０から符号３１までの長さ）：４ｍ
・スケール確認用の銅管２５内での循環水２７の平均流速：０．１ｍ／秒
【００４６】
（４）マイクロバブル発生装置２６
エゼクタ方式のマイクロバブル発生装置を、試験部２２の入口側のスケール確認用の銅管２５に取り付け、下記の条件でマイクロバブルを導入した。
・マイクロバブル導入条件１（実施例１）：
マイクロバブルを循環水２７の循環開始時から連続的に導入
マイクロバブルの流量（導入する気体量であり、これが全気泡量に該当する。）は０．２Ｌ／分、循環水の流量に対する体積割合で２０％（（マイクロバブルの流量（Ｌ／分）／循環水の流量（Ｌ／分））×１００）
全気泡中の径が１〜５００μｍのマイクロバブルの気泡数が全気泡数の８５％
なお、マイクロバブルの流量は、導入する気体量であり、これが全気泡量に該当する。また、循環水の流量に対する体積割合（％）は、「（マイクロバブルの流量（Ｌ／分）／循環水の流量（Ｌ／分））×１００」である（以下、同様）。
・マイクロバブル導入条件２（実施例２）：
マイクロバブルを循環水２７の循環開始時から連続的に導入
マイクロバブルの流量は、０．２Ｌ／分、循環水の流量に対する体積割合で２０％
全気泡中の径が１〜５００μｍのマイクロバブルの気泡数が全気泡数の５０％
・マイクロバブル導入条件３（実施例３）：
循環水２７の循環開始後、６時間マイクロバブルを導入せずに通水後、６時間マイクロバブルを導入した。その後、６時間マイクロバブルの導入を停止（インターバル）し、次いで、６時間マイクロバブルを導入するという操作を繰り返し行った。
マイクロバブルの流量は、０．２Ｌ／分、循環水の流量に対する体積割合で２０％
全気泡中の径が１〜５００μｍのマイクロバブルの気泡数が全気泡数の８５％
・マイクロバブル導入条件４（比較例１）：
マイクロバブルの導入を行わない。
【００４７】
なお、マイクロバブルの径及び数の割合であるが、あらかじめ、銅管２５の試験部２２への入口近傍（図８中、符号Ｄ）に、銅管２５と同じ内径のポリカーボネート製の透明な管を取り付け、画像解析により、マイクロバブルの径及び数の割合を事前調査した。
【００４８】
＜試験結果＞
２４時間試験を行った後、スケール確認用の銅管２５を取り出し、Ａ位置（銅管２５の試験部２２の入口側）、Ｂ位置（銅管２５の全長のほぼ中央部）及びＣ位置（銅管２５の試験部２２の出口側）でのスケール析出の有無を確認した。
（実施例１）
Ａ位置、Ｂ位置及びＣ位置の全て、スケール析出は見られなかった。
（実施例２）
Ａ位置及びＢ位置で、スケールの析出は見られなかった。Ｃ位置では、若干のスケールの析出が見られたものの、管内面表面積の５％以下程度の軽度のスケール析出であり、通常の定期的なオーバーホールで容易に除去可能な量であり、問題のないレベルであった。
（実施例３）
Ａ位置、Ｂ位置及びＣ位置の全て、スケール析出は見られなかった。
（比較例１）
Ａ位置では、スケール析出は見られなかった。Ｂ位置及びＣ位置では、スケールの析出が見られた。特に、Ｃ位置では、管内面全体がスケールで覆われていた。
【００４９】
（実施例４及び比較例２）
図４に示す断面形状の二重管式熱交換器で、図１〜図３に示すような形態の装置を作製にした。
＜二重管＞
・外管：外径１９．０ｍｍ、内径１７．０ｍｍ、肉厚１．０ｍｍ、りん脱酸銅
・内管：外径６．０ｍｍ、内径５．０ｍｍ、肉厚０．５ｍｍ、りん脱酸銅
・熱交換部の長さ：４５００ｍｍ
【００５０】
＜試験条件＞
２本の各内管内のそれぞれにＣＯ２冷媒を流通させ、外管と内管との間隙の流路に水温２５℃の低温水を、１Ｌ／分の流量で、対向流で流通させ、熱交換させた。外管と内管との間隙の流路を流通する水の熱交換部出口での温度は９０℃であった。
このとき、外管と内管との間隙の流路へ、熱交換部入口側より、下記条件でマイクロバブルを導入した。
・マイクロバブル導入条件１（実施例４）：
マイクロバブルを水の流通開始時から連続的に導入
マイクロバブルの流量は、１Ｌ／分、水の流量に対する体積割合で２０％
・マイクロバブル導入条件４（比較例２）：
マイクロバブルの導入を行わない。
【００５１】
＜試験結果＞
１週間の通水試験を行った後、熱交換部の出口側の外管と内管の間隙を観察した。
（実施例４）
スケールの析出は見られなかった。
（比較例２）
水流路の管壁のほぼ全面にスケールの析出が見られた。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明によれば、熱交換器のスケールの析出を有効に防止することができるので、熱交換器の寿命又はオーバーホールまでの時間を長くすることができる。
【符号の説明】
【００５３】
１ 外管
２ 内管
４ 水流路の熱交換部出口
６ 水流出管
７ 水流入管
８ マイクロバブル発生装置
９ 冷媒流入管
１０ 冷媒流出管
１１ 水
１２ 冷媒
１３ 水流路
１４ 冷媒流路
１５ 冷媒流路の熱交換部入口
２０ 熱交換器
２１ 循環ポンプ
２２ 試験部
２３ 調合タンク
２４ 循環配管
２５ スケール確認用の銅管
２６ マイクロバブル発生装置
２７ 循環水
２８ 給水管
２９ 排水管
４０ 試験装置
５０ ヒーター
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプ式給湯器など、二酸化炭素冷媒、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ等の冷媒、特に、二酸化炭素冷媒と水との間で熱交換を行う熱交換器において、水流路にスケールが析出するのを防止するためのスケール析出防止方法及びそれを実施するための熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、高温の冷媒（熱交換媒体）と水との間で熱交換を行い、冷媒により水の加熱を行う熱交換器があり、近年、その冷媒として二酸化炭素冷媒を用いる熱交換器が注目を受けている。
【０００３】
このような熱交換器を長期にわたって使用すると、水中に含まれるカルシウム等の成分が、水流路内にスケールとして析出して、水流路の内壁に付着する。そして、スケールの析出量（付着厚さ）が増大すると、最終的には、水流路を閉塞してしまうという危険性がある。
【０００４】
このスケール析出の問題は、水温が６０℃以上になると起こり易くなる。特に、水温が８０℃以上となる二酸化炭素冷媒を用いる熱交換器では、スケールの析出の問題が顕著になる。
【０００５】
そこで、カルシウム等のスケールの析出を防止することを課題とした熱交換器の開発が行われている。例えば、特開２００６−１４５０５６号公報（特許文献１）では、水流路の流出側の流路断面積を流入側の流路断面積より拡大し、水流路の流入側の内面に突起を設けること、特開２００６−１６２１６５号公報（特許文献２）では、水流路の流出側の流路断面積を流入側の流路断面積より拡大し、水流路の流入側に乱流促進手段を内包させること、特開２００６−２６６５１４号公報（特許文献３）には、水流路壁面近傍を可動する可動手段を挿入すること、特開２００６−３１７０６９号公報（特許文献４）には、水流路の壁面を振動させるための振動モーター等の振動発生手段を設置すること、特開２００７−２６３４６９号公報（特許文献５）には、水流路管に磁束密度が３０００ガウス以上の磁場発生手段を設置することなどが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１４５０５６号公報（特許請求の範囲）
【特許文献２】特開２００６−１６２１６５号公報（特許請求の範囲）
【特許文献３】特開２００６−２６６５１４号公報（特許請求の範囲）
【特許文献４】特開２００６−３１７０６９号公報（特許請求の範囲）
【特許文献５】特開２００７−２６３４６９号公報（特許請求の範囲）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１〜５に提案されている手段では、ある程度スケールの析出防止効果はあるものの、その効果は不十分であり、更なるスケールの析出防止効果の向上が求められている。
【０００８】
従って、本発明は、水の加熱温度が６０℃以上となる熱交換器の水流路の壁面にスケールが析出するのを防止することができるスケール析出防止方法、及びそのスケール析出防止方法を実施するための熱交換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記従来技術における課題を解決すべく、鋭意研究を重ねた結果、熱交換器の水流路に、マイクロバブルを導入することにより、水流路にスケールが析出するのを効果的に防止することができることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００１０】
すなわち、本発明（１）は、冷媒と水との熱交換により水を加熱するための冷媒が流通する冷媒流路と、該冷媒により加熱される水が流通する水流路とを有する熱交換器を、該水流路の熱交換部出口の水温が６０℃以上となる条件で運転するときに、該水流路にマイクロバブルを導入することを特徴とするスケール析出防止方法を提供するものである。
【００１１】
また、本発明（２）は、冷媒と水との熱交換により水を加熱するための冷媒が流通する冷媒流路と、
該冷媒により加熱される水が流通する水流路と、
該水流路にマイクロバブルを導入するためのマイクロバブル発生装置と、
を有することを特徴とする熱交換器を提供するものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、水の加熱温度が６０℃以上となる熱交換器の水流路の壁面にスケールが析出するのを防止することができるスケール析出防止方法、及びそのスケール析出防止方法を実施するための熱交換器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の熱交換器の模式的な側面図である。
【図２】図１に示す熱交換器の平面図である。
【図３】図１に示す熱交換器の水流路の熱交換部出口近傍の外管を切り開いた拡大図である。
【図４】図３中の外管及び内管を水の流通方向に対して垂直な面で切ったときの断面図である。
【図５】一定の運転条件で熱交換器を連続運転した時のスケールの析出量の経時変化を示す模式的なグラフである。
【図６】中心管の周りに側管を巻き回してなる熱交換部の模式的な斜視図である。
【図７】中心管の管側壁に側管を埋め込んでなる熱交換部を水の流通方向に対して垂直な面で切ったときの模式的な断面図である。
【図８】実施例１〜３及び比較例１で用いた試験装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明のスケール析出防止方法及び本発明の熱交換器について、図１〜図４を参照して説明する。図１は、本発明の熱交換器の模式的な側面図であり、図２は、図１に示す熱交換器の平面図であり、図３は、図１に示す熱交換器の水流路の熱交換部出口近傍の外管を切り開いた拡大図であり、図４は、図３中の外管及び内管を水の流通方向に対して垂直な面で切ったときの断面図である。
【００１５】
熱交換器２０は、螺旋状に巻き回されている外管１と、該外管１の管内に設置されている内管２と、マイクロバブルを発生させるためのマイクロバブル発生装置８とを有する。該外管１の両端には、管内に水１１を流入するための水流入管７及び管内から該水１１を流出するための水流出管６が取り付けられている。そして、該マイクロバブル発生装置８は、該水流入管７に取り付けられている。該内管２の両端には、管内に冷媒１２を流入するための冷媒流入管９及び管内から冷媒１２を流出するための冷媒流出管１０が取り付けられている。
【００１６】
該熱交換器２０では、該外管１と該内管２との隙間が、水流路１３となり、該内管２の管内が、冷媒流路１４となる。そして、該熱交換器２０では、該水流入管７から該水１１を流入させ該水流出管６から該水１１を流出させて、該水流路１３に該水１１を流通させつつ、該冷媒流入管９から該冷媒１２を流入させ該冷媒流出管１０から該冷媒１２を流出させて、該冷媒流路１４に該冷媒１２を流通させることにより、該冷媒１２と該水１１との間で熱交換が行われ、該水１１は該冷媒１２により加熱される。
【００１７】
このとき、該外管１と該内管２との二重管になっている部分で、熱交換が起こるので、この熱交換が起こる部分を、熱交換部と呼ぶ。該熱交換器２０では、該水流入管７から該外管１への入口から、該外管１から該水流出管６への出口までが、該熱交換部に相当する。そして、該熱交換器２０において、該水１１が該水流入管７から該外管１に入る入口、すなわち、該水１１が該熱交換部に流入する入口を、水流路の熱交換部入口（図示せず）と呼び、また、該水１１が該外管１から該水流出管６に出る出口、すなわち、該水１１が該熱交換部から流出する出口を、水流路の熱交換部出口４（図３参照）と呼ぶ。また、該冷媒１２が該冷媒流入管９から該内管２に入る入口、すなわち、該冷媒１２が該熱交換部に流入する入口を、冷媒流路の熱交換部入口１５（図３参照）と呼び、また、該冷媒１２が該内管２から該冷媒流出管１０に出る出口、すなわち、該冷媒１２が該熱交換部から流出する出口を、冷媒流路の熱交換部出口（図示せず）と呼ぶ。
【００１８】
そして、該水１１の該水流路の熱交換部出口４の水温が６０℃以上となる条件で、該熱交換器２０を運転する。そのとき、該マイクロバブル発生装置８で処理した該水１１を、該水流入管７より、該外管１に流入することで、該水流路１３に、該マイクロバブル発生装置８により発生させたマイクロバブルを導入する。
【００１９】
すなわち、本発明のスケール析出防止方法は、冷媒と水との熱交換により水を加熱するための冷媒が流通する冷媒流路と、該冷媒により加熱される水が流通する水流路とを有する熱交換器を、該水流路の熱交換部出口の水温が６０℃以上となる条件で運転するときに、該水流路にマイクロバブルを導入することを特徴とするスケール析出防止方法である。
【００２０】
また、本発明の熱交換器は、冷媒と水との熱交換により水を加熱するための冷媒が流通する冷媒流路と、
該冷媒により加熱される水が流通する水流路と、
該水流路にマイクロバブルを導入するためのマイクロバブル発生装置と、
を有する熱交換器である。
【００２１】
本発明のスケール析出防止方法に係る該冷媒としては、熱交換器の冷媒として用いられるものであれば、特に制限されず、二酸化炭素を主成分とする冷媒、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ等が挙げられる。該二酸化炭素を主成分とする冷媒は、二酸化炭素単独か、あるいは、冷凍機油を０〜１５質量％含有する二酸化炭素冷媒である。そして、該二酸化炭素を主成分とする冷媒を用いる熱交換器では、水流路の熱交換部出口の水温が高いので、本発明のスケール析出防止方法は、該冷媒として、該二酸化炭素を主成分とする冷媒を用いる場合に、特に優れたスケールの析出防止効果を発揮する。
【００２２】
本発明のスケール析出防止方法に係る水としては、淡水、例えば、水道水、井戸水、工業用水、河川水、伏流水、湧水、中水等が挙げられる。
【００２３】
本発明のスケール析出防止方法に係る該水流路及び該冷媒流路の形態は、特に制限されず、該冷媒と水との間で熱交換が行える形態であればよい。該水流路及び該冷媒流路により形成される該熱交換部の形態例としては、例えば、図１〜図４に示すような外管と該外管の管内に設置されている内管との二重管からなる熱交換部、図６に示すような中心管の周りに側管を巻き回してなる熱交換部、図７に示すように中心管の管側壁に側管を埋め込んでなる熱交換部などが挙げられる。なお、図６は、中心管の周りに側管を巻き回してなる熱交換部の模式的な斜視図であり、図７は、中心管の管側壁に側管を埋め込んでなる熱交換部を水の流通方向に対して垂直な面で切ったときの模式的な断面図である。また、本発明のスケール析出防止方法に係る該熱交換器は、該冷媒と水との熱交換により水を加熱するための該冷媒が流通する該冷媒流路と、該冷媒により加熱される水が流通する該水流路とを有する熱交換器であるが、その形態は、特に制限されず、該冷媒と水との間で熱交換が行える形態であればよい。また、該熱交換器が、二重管からなる熱交換部を有する場合、漏洩検知機構を有することができる。
【００２４】
本発明のスケール析出防止方法では、該冷媒流路の熱交換部入口での該冷媒の温度、該冷媒の流入量、該水流路の熱交換部入口での水の温度、及び水の流入量等を適宜調節することにより、該水流路の熱交換部出口の水温が６０℃以上となる条件で、該熱交換器を運転する。そして、本発明のスケール析出防止方法では、該熱交換器の運転中に、該水流路に該マイクロバブルを導入する。
【００２５】
該水流路の熱交換部出口の水温が６０℃以上となると、該水流路の壁面に、カルシウム等のスケールが析出し易くなる。例えば、図１〜図４に示す該熱交換器２０では、該外管１の内壁及び該内管２の外壁に、カルシウム等のスケールが析出する。
【００２６】
水中では、気泡は、その径が小さいほど、内圧が高くなるので、スケールと衝突した時に、高い衝撃エネルギーをスケールに与えることができる。また、気泡の内圧が高くなるほど、容易に合一し難くなり、壁面での乱流促進機能が高くなる。そのため、本発明のスケール析出防止方法では、該マイクロバブルが、該水流路の内壁に析出したスケールに衝突してはじける時の衝撃力及び高い乱流促進機能により、スケールを剥離することができる。
【００２７】
また、水中では、気泡は、その径が小さいほど、表面電荷が均一となり、そのゼータ電位はマイナスに帯電しているとされるので、陽イオンを吸着し易い。そのため、本発明のスケール析出防止方法では、カルシウムイオン等の陽イオンが、該マイクロバブルの表面に吸着されて、該水流路外に排出され易くなるので、スケールが析出し難くなる。また、剥離されたスケールも、該マイクロバブルの表面に吸着されて、該水流路外に排出され易くなる。
【００２８】
該水流路に導入されるマイクロバブルは、上記のような機能を有する微細な気泡の集合体である。そして、上記のような機能を発揮し易くなる点、つまり、スケールの析出防止効果が高まる点で、該水流路に導入されるマイクロバブルは、１〜５００μｍの径の気泡を含んでいることが好ましく、１〜５００μｍの径の気泡の数が、全気泡の数の５０％以上であることが特に好ましく、１〜５００μｍの径の気泡の数が、全気泡の数の８０％以上であることが更に好ましい。なお、該水流路に導入されるマイクロバブルは、径が１〜５００μｍの範囲をはずれる気泡を含んでいてもよい。
【００２９】
該水流路の水の流速、言い換えると、該マイクロバブルの移動速度は、特に制限されないが、好ましくは０．０５〜３ｍ／秒、特に好ましくは０．１〜２ｍ／秒である。該水流路の水の流速が、上記範囲にあることにより、該マイクロバブルによる衝撃力を発生させ易くなる。
【００３０】
該水流路に導入されるマイクロバブルの発生方法であるが、一般にマイクロバブル発生装置と呼ばれる装置により、該マイクロバブルを発生させることができる。該マイクロバブル発生装置としては、特に制限されないが、例えば、特開２００８−８６９８６号公報に記載されているような加圧溶解方式のマイクロバブル発生装置や、特許第４０１９１５４号公報に記載されているような旋回流方式のマイクロバブル発生装置や、特開２００８−８６８６８号公報に記載されているようなエゼクタ方式のマイクロバブル発生装置などが挙げられる。
【００３１】
該水流路では、該水流路の熱交換部入口から該水流路の熱交換部出口に向かって、水温が高くなっていくため、該水流路の熱交換部出口に近いほど、スケールが析出し易く、該水流路の熱交換部入口に近いほど、水温が低いのでスケールが析出し難い。そのため、該熱交換器の運転条件によっては、該水流路の熱交換部入口に近い方では、スケールが析出しない箇所やスケールが析出しても問題とならない量である箇所もある。そこで、本発明のスケール析出防止方法では、該熱交換器の運転条件等により、該水流路へのマイクロバブルの導入位置を、適宜選択することができる。例えば、スケールの析出が該水流路の熱交換部出口近傍の壁面で集中して起こるような場合は、該水流路の熱交換部出口近傍の該水流路から、該マイクロバブルを導入することができる。また、該水流路の熱交換部入口に近い箇所は水温が低いため、該マイクロバブルの合一が起こり難いので、例えば、該水流路の熱交換部入口から該マイクロバブルを導入することができ、この場合は、該熱交換部の水流路の壁面全体に、該マイクロバブルを衝突させることができるので、該熱交換部の水流路の壁面全体のスケールの析出を防ぐことができる。
【００３２】
該水流路の熱交換部出口又はその近傍に達したマイクロバブルは、１〜５００μｍの径の気泡を含んでいることが好ましく、１〜５００μｍの径の気泡の数が、全気泡の数の５０％以上であることが特に好ましく、１〜５００μｍの径の気泡の数が、全気泡の数の８０％以上であることが更に好ましい。
【００３３】
なお、本発明において、該水流路に導入されるマイクロバブルの径、及び該水流路の熱交換部出口又はその近傍に達したマイクロバブルの径は、例えば、図１に示す該熱交換器２０において、該水流入管７又は該水流出管６の一部を、透明管にして、この部分で、水中のマイクロバブルの径を画像解析することにより求められる。
また、透明材質でできた箱形の容器を用意し、該容器に水を張り、そこに、水流路に導入するときと同じ条件でマイクロバブル発生装置でマイクロバブルを導入し、画像解析してマイクロバブルの径を測定することにより、該水流路に導入されるマイクロバブルの径を測定することもできる。
また、透明材質でできた箱形の容器を用意して、該容器で、該水流路から流出する水を受け、その水を画像解析してマイクロバブルの径を測定することにより、該水流路の熱交換部出口又はその近傍に達したマイクロバブルの径を測定することもできる。
【００３４】
該水流路へのマイクロバブルの導入量は、該水流路を流通する水の流量に対する、該水流路に導入される該マイクロバブルの流量（導入される気体量であり、これが全気泡量に該当する。）の体積割合（（マイクロバブルの流量（Ｌ／分）／水の流量（Ｌ／分））×１００）で、５〜４０％が好ましく、１０〜３０％が特に好ましい。マイクロバブルの流量の体積割合が小さ過ぎると、スケール析出防止に有効な気泡径のマイクルバブルの数が少なくなり過ぎることがあり、また、一方、マイクロバブルの流量の体積割合が大き過ぎると、熱交換性能を低下せる要因となり易い。
【００３５】
該水流路への該マイクロバブルの導入は、連続であってもよいし、あるいは、間欠的であってもよい。
【００３６】
該水流路の壁面へのスケールの析出は、時間の経過と共に、一定の速度で析出量が増加していくという挙動を示すのではなく、ある時期になると、急激に増加するという挙動を示す。図５を参照して、該水流路の壁面へのスケールの析出の挙動を説明する。図５は、一定の運転条件で熱交換器を連続運転した時のスケールの析出量の経時変化を示す模式的なグラフである。図５に示すように、運転を開始してａ時間経過した時点では、ほとんどスケールは発生していない。その後、ｂ時間が経過するまでは、徐々にスケールの析出量が増えていく。そして、ｂ時間が経過した後からｃ時間までの間に急激にスケールの析出量が増え、ｃ時間経過以降は、ｅ時間、更にそれ以上の時間が経過しても、スケールの析出量の増加はあまりなくなる。
【００３７】
該水流路への該マイクロバブルの導入を連続で行う場合は、微細な状態のスケールを常に剥離できるので、スケールの析出防止効果が高い。
【００３８】
また、ｂ時間経過後にスケールが急激に析出するので、ｂ時間経過する前、例えば、ｄ時間経過時に、該マイクロバブルを一定時間該水流路に導入して、それまでに析出したスケールを剥離すれば、急激なスケールの析出による水流路の閉塞を防ぐことができる。よって、ｄ時間経過時に該マイクロバブルを一定時間導入し、その後ｄ時間経過した時点で、また該マイクロバブルを一定時間導入するというように、一定間隔毎に間欠的に該マイクロバブルを導入することもできる。熱交換器の運転条件が一定しているような場合は、スケールが除去された状態から急激なスケールの析出が起こり始めるまでの経時時間は、毎回ほぼ同じになるので、ｄ時間経過毎に、該マイクロバブルの導入を行うというように、運転時間で該マイクロバブルの導入時期を管理することができる。
【００３９】
また、熱交換器の運転条件が一定していない場合でも、急激なスケールの析出が起こり始めるときのスケールの析出量、例えば、図５では、ｂ時間経過時点でのスケール析出量ｘを、水の流入量及び水温等から把握できる場合は、熱交換器の運転条件から、急激なスケールの析出が起こり始めるときのスケールの析出量を推測して、その析出量に達する前に、該マイクロバブルの導入を一定時間行うというように、熱交換器の運転条件からスケールの析出量を推測して、不定期間隔毎に間欠的に該マイクロバブルを導入するという管理も行える。
【００４０】
本発明の熱交換器に係る該水流路、該冷媒、該溶媒流路、及び該マイクロバブル発生装置は、本発明のスケール析出防止方法に係る該水流路、該冷媒、該溶媒流路及び該マイクロバブル発生装置と同様である。
【００４１】
そして、本発明の熱交換器は、該マイクロバブル発生装置により発生させたマイクロバブルを水流路に導入することができるので、スケールの析出量が多くなるような条件で、つまり、該水流路の熱交換部出口の水温が６０℃以上、特に、８０℃以上となる運転条件で運転される場合に、特に、優れたスケールの析出防止効果を発揮する。
【実施例】
【００４２】
（実施例１〜３及び比較例１）
下記のような試験装置にて、マイクロバブル導入の効果を確認した。
＜試験装置の構成＞
図８に示す試験装置であり、試験装置４０は、循環ポンプ２１と、試験部２２と、調合タンク２３と、循環配管２４と、マイクロバブル発生装置２６と、からなり、調合タンク２３には、給水管２８と、排水管２９が付設されている。試験部２２は、スケール確認用の銅管２５と、その周囲を覆うように取り付けられた加熱用のヒーター５０から構成されている。スケール確認用の銅管２５内には、循環ポンプ２１及び循環配管２４により、調合タンク２３内の循環水２７が循環流通される。また、スケール確認用の銅管２５内には、マイクロバブル発生装置２６により、マイクロバブルが導入される。なお、説明の都合上、循環配管２４を１本の直線で示した。また、試験部２２は断面図である。
【００４３】
＜試験条件＞
（１）循環水２７
調合タンク２３内で下記水質の試験水を調整し、これを循環ポンプ２１で循環させ、循環水２７とした。水質は、給水管２８より、調合タンク２３内に一定水質の水を適宜補給し、これに水酸化カルシウムと炭酸ガスを添加することによって、ｐＨ７〜８、カルシウム硬度１００〜２００ＣａＣＯ３ｍｇ／Ｌに調整した。補給水としては、名古屋市の上水（水道水）を用いた。また、循環水２７を、調合タンク２３内で水温２５℃で一定に保ち、流量１Ｌ／分で循環させた。なお、循環水２７の流通方向を、図８中の矢印３３で示した。
【００４４】
（２）試験部２２
加熱用のヒーター５０で覆ったスケール確認用の銅管２５を、水循環サイクル中に組み込み、試験部２２とした。図８に示すように、ヒーターを２分割して設置し、スケール確認用の銅管２５の全長のほぼ中央部（図８中、符号Ｂ）における循環水２７の温度が６０℃、試験部２２の出口側（図８中、符号Ｃ）における循環水２７の温度が９０℃でほぼ一定に保たれるように、ヒーター５０での加熱を調整した。
【００４５】
（３）スケール確認用の銅管２５
・スケール確認用の銅管２５：外径１５．８８ｍｍ、内径１４．４６ｍｍ、肉厚０．７１ｍｍ、内外面とも平滑な管、材質はりん脱酸銅
・試験部２２のヒーターで覆われている部分のスケール確認用の銅管２５の長さ（図８中、符号３０から符号３１までの長さ）：４ｍ
・スケール確認用の銅管２５内での循環水２７の平均流速：０．１ｍ／秒
【００４６】
（４）マイクロバブル発生装置２６
エゼクタ方式のマイクロバブル発生装置を、試験部２２の入口側のスケール確認用の銅管２５に取り付け、下記の条件でマイクロバブルを導入した。
・マイクロバブル導入条件１（実施例１）：
マイクロバブルを循環水２７の循環開始時から連続的に導入
マイクロバブルの流量（導入する気体量であり、これが全気泡量に該当する。）は０．２Ｌ／分、循環水の流量に対する体積割合で２０％（（マイクロバブルの流量（Ｌ／分）／循環水の流量（Ｌ／分））×１００）
全気泡中の径が１〜５００μｍのマイクロバブルの気泡数が全気泡数の８５％
なお、マイクロバブルの流量は、導入する気体量であり、これが全気泡量に該当する。また、循環水の流量に対する体積割合（％）は、「（マイクロバブルの流量（Ｌ／分）／循環水の流量（Ｌ／分））×１００」である（以下、同様）。
・マイクロバブル導入条件２（実施例２）：
マイクロバブルを循環水２７の循環開始時から連続的に導入
マイクロバブルの流量は、０．２Ｌ／分、循環水の流量に対する体積割合で２０％
全気泡中の径が１〜５００μｍのマイクロバブルの気泡数が全気泡数の５０％
・マイクロバブル導入条件３（実施例３）：
循環水２７の循環開始後、６時間マイクロバブルを導入せずに通水後、６時間マイクロバブルを導入した。その後、６時間マイクロバブルの導入を停止（インターバル）し、次いで、６時間マイクロバブルを導入するという操作を繰り返し行った。
マイクロバブルの流量は、０．２Ｌ／分、循環水の流量に対する体積割合で２０％
全気泡中の径が１〜５００μｍのマイクロバブルの気泡数が全気泡数の８５％
・マイクロバブル導入条件４（比較例１）：
マイクロバブルの導入を行わない。
【００４７】
なお、マイクロバブルの径及び数の割合であるが、あらかじめ、銅管２５の試験部２２への入口近傍（図８中、符号Ｄ）に、銅管２５と同じ内径のポリカーボネート製の透明な管を取り付け、画像解析により、マイクロバブルの径及び数の割合を事前調査した。
【００４８】
＜試験結果＞
２４時間試験を行った後、スケール確認用の銅管２５を取り出し、Ａ位置（銅管２５の試験部２２の入口側）、Ｂ位置（銅管２５の全長のほぼ中央部）及びＣ位置（銅管２５の試験部２２の出口側）でのスケール析出の有無を確認した。
（実施例１）
Ａ位置、Ｂ位置及びＣ位置の全て、スケール析出は見られなかった。
（実施例２）
Ａ位置及びＢ位置で、スケールの析出は見られなかった。Ｃ位置では、若干のスケールの析出が見られたものの、管内面表面積の５％以下程度の軽度のスケール析出であり、通常の定期的なオーバーホールで容易に除去可能な量であり、問題のないレベルであった。
（実施例３）
Ａ位置、Ｂ位置及びＣ位置の全て、スケール析出は見られなかった。
（比較例１）
Ａ位置では、スケール析出は見られなかった。Ｂ位置及びＣ位置では、スケールの析出が見られた。特に、Ｃ位置では、管内面全体がスケールで覆われていた。
【００４９】
（実施例４及び比較例２）
図４に示す断面形状の二重管式熱交換器で、図１〜図３に示すような形態の装置を作製にした。
＜二重管＞
・外管：外径１９．０ｍｍ、内径１７．０ｍｍ、肉厚１．０ｍｍ、りん脱酸銅
・内管：外径６．０ｍｍ、内径５．０ｍｍ、肉厚０．５ｍｍ、りん脱酸銅
・熱交換部の長さ：４５００ｍｍ
【００５０】
＜試験条件＞
２本の各内管内のそれぞれにＣＯ２冷媒を流通させ、外管と内管との間隙の流路に水温２５℃の低温水を、１Ｌ／分の流量で、対向流で流通させ、熱交換させた。外管と内管との間隙の流路を流通する水の熱交換部出口での温度は９０℃であった。
このとき、外管と内管との間隙の流路へ、熱交換部入口側より、下記条件でマイクロバブルを導入した。
・マイクロバブル導入条件１（実施例４）：
マイクロバブルを水の流通開始時から連続的に導入
マイクロバブルの流量は、１Ｌ／分、水の流量に対する体積割合で２０％
・マイクロバブル導入条件４（比較例２）：
マイクロバブルの導入を行わない。
【００５１】
＜試験結果＞
１週間の通水試験を行った後、熱交換部の出口側の外管と内管の間隙を観察した。
（実施例４）
スケールの析出は見られなかった。
（比較例２）
水流路の管壁のほぼ全面にスケールの析出が見られた。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明によれば、熱交換器のスケールの析出を有効に防止することができるので、熱交換器の寿命又はオーバーホールまでの時間を長くすることができる。
【符号の説明】
【００５３】
１ 外管
２ 内管
４ 水流路の熱交換部出口
６ 水流出管
７ 水流入管
８ マイクロバブル発生装置
９ 冷媒流入管
１０ 冷媒流出管
１１ 水
１２ 冷媒
１３ 水流路
１４ 冷媒流路
１５ 冷媒流路の熱交換部入口
２０ 熱交換器
２１ 循環ポンプ
２２ 試験部
２３ 調合タンク
２４ 循環配管
２５ スケール確認用の銅管
２６ マイクロバブル発生装置
２７ 循環水
２８ 給水管
２９ 排水管
４０ 試験装置
５０ ヒーター
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒と水との熱交換により水を加熱するための冷媒が流通する冷媒流路と、該冷媒により加熱される水が流通する水流路とを有する熱交換器を、該水流路の熱交換部出口の水温が６０℃以上となる条件で運転するときに、該水流路にマイクロバブルを導入することを特徴とするスケール析出防止方法。
【請求項２】
前記水流路に導入される前記マイクロバブルが、１〜５００μｍの径のマイクロバブルを含むことを特徴とする請求項１記載のスケール析出防止方法。
【請求項３】
前記マイクロバブルを、マイクロバブル発生装置より発生させることを特徴とする請求項１又は２いずれか１項記載のスケール析出防止方法。
【請求項４】
前記水流路の熱交換部出口又はその近傍に達したマイクロバブルの径が、１〜５００μｍであることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載のスケール析出防止方法。
【請求項５】
前記水流路の水の流速が、０．０５〜３ｍ／秒であることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載のスケール析出防止方法。
【請求項６】
前記冷媒が、二酸化炭素を主成分とする冷媒であることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項記載のスケール析出防止方法。
【請求項７】
冷媒と水との熱交換により水を加熱するための冷媒が流通する冷媒流路と、
該冷媒により加熱される水が流通する水流路と、
該水流路にマイクロバブルを導入するためのマイクロバブル発生装置と、
を有することを特徴とする熱交換器。
【請求項８】
前記冷媒が、二酸化炭素を主成分とする冷媒であることを特徴とする請求項７記載の熱交換器。
【請求項１】
冷媒と水との熱交換により水を加熱するための冷媒が流通する冷媒流路と、該冷媒により加熱される水が流通する水流路とを有する熱交換器を、該水流路の熱交換部出口の水温が６０℃以上となる条件で運転するときに、該水流路にマイクロバブルを導入することを特徴とするスケール析出防止方法。
【請求項２】
前記水流路に導入される前記マイクロバブルが、１〜５００μｍの径のマイクロバブルを含むことを特徴とする請求項１記載のスケール析出防止方法。
【請求項３】
前記マイクロバブルを、マイクロバブル発生装置より発生させることを特徴とする請求項１又は２いずれか１項記載のスケール析出防止方法。
【請求項４】
前記水流路の熱交換部出口又はその近傍に達したマイクロバブルの径が、１〜５００μｍであることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載のスケール析出防止方法。
【請求項５】
前記水流路の水の流速が、０．０５〜３ｍ／秒であることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載のスケール析出防止方法。
【請求項６】
前記冷媒が、二酸化炭素を主成分とする冷媒であることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項記載のスケール析出防止方法。
【請求項７】
冷媒と水との熱交換により水を加熱するための冷媒が流通する冷媒流路と、
該冷媒により加熱される水が流通する水流路と、
該水流路にマイクロバブルを導入するためのマイクロバブル発生装置と、
を有することを特徴とする熱交換器。
【請求項８】
前記冷媒が、二酸化炭素を主成分とする冷媒であることを特徴とする請求項７記載の熱交換器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図５】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図５】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−１５１４３６（Ｐ２０１０−１５１４３６Ａ）
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２６７６８７（Ｐ２００９−２６７６８７）
【出願日】平成２１年１１月２５日（２００９．１１．２５）
【出願人】（０００００２２７７）住友軽金属工業株式会社 (552)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月２５日（２００９．１１．２５）
【出願人】（０００００２２７７）住友軽金属工業株式会社 (552)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]