JP2008512635A - 温度制御弁を有する熱交換器 - Google Patents

Abstract

要約
本発明は、温度センサを有する熱交換器に関し、特に、地域暖房水を使用して温水を加熱するために使用可能な熱交換器に関する。熱交換器（１）は、第１媒体（Ｆｊ）と第２媒体（ＶＶ）用の別々の複数の溝が互い違いのプレート（２）の組の間で形成されるようにパック中に配置されて一緒にろう付けされている前記プレート（２）と、前記第１媒体（Ｆｊ）用の入口（５）および出口（６）と、第２媒体（ＶＶ）用の入口（３）および出口（４）とのそれぞれための２組の接続と、前記熱交換器（１）を通る前記第１媒体（Ｆｊ）の供給を制御する第１弁（７）に接続可能な温度センサ（９）とを有する。前記第１媒体（Ｆｊ）は第２媒体（ＶＶ）に熱を供給させる。前記温度センサ（９）は、複数のプレート（２）を通して配置され、前記温度センサ（９）が前記第１弁（７）を制御するように前記複数のプレート（２）と熱伝導接触している。

Description

本発明は温度センサを有する熱交換器に関し、特に、地区暖房水を用いて温水を加熱するために使用可能な熱交換器に関する。本発明は、適切な位置で弁を制御する温度センサとの接続によって急速に開閉され得る弁に接続させた熱交換器を提供する。

従来より、熱交換器が温水を加熱するのに使用し得ることが知られている。この点での特別な問題は、温水の湯だしが中断された場合に、地域暖房システムからの温水の供給を迅速に止めなければならないことである。そうでなければ、温水が加熱されすぎてやけどをする危険などを生む危険がある。欧州特許第６０８１９５号公報はこの問題の解決法を記載している。温度センサは地域暖房と温水系統の両方の温水と接触する浸漬管中に配置されている。
欧州特許第６０８１９５号公報

しかしながら、センサが水中に配置されているので、水温の好ましい検出が達成されない。これは遅い流れ、特に静止した水の場合に特に当てはまる。別のよく知られた問題は、湯出しの間の温水の温度変動である。これは、特に、湯出しの流れの間の変化に当てはまる。この問題に対する最も共通する理由は、温度検出が遅過ぎることである。

発明の概要
本発明は、熱交換器の複数のプレートと金属の熱伝導接触で温度センサを配置することによって、問題の解決法を提供する。従って、センサへの熱伝導が急速に行われて、次に、温度検出速度を同様に増加させる。

したがって、本発明は、パック中に配置され、第１媒体と第２媒体用の別々の溝がプレートの互い違いの組の間で形成されるように一緒にろう付けされている前記プレートと、前記第１媒体用の入口および出口と、第２媒体用の入口および出口と、のためのそれぞれ２組の接続部と、前記第２媒体に熱を供給する前記第１媒体の熱交換器を通した供給を制御する第１弁に接続可能な温度センサと、を有する熱交換器について言及する。

本発明によると、前記温度センサは、複数のプレートを通る複数の穴の中に配置され、前記複数の穴は、熱伝導接触が前記プレートで達成されるように、尾根が前記第１媒体と第２媒体用のうちの１つの媒体のための溝中で出会うように、プレート中に提供されており、前記温度センサは前記第１弁を制御するために配置されている。

好ましくは、前記温度センサは、前記第１弁に機械的に作用する膨張する部分（bulb）を組み込んでいる。

好ましくは、前記膨張する部分ブは予め決められた温度付近で溶融範囲を有するワックスを含んでいる。

本発明は付属図面を参照して以下で詳細に記載される。

プレート式熱交換器は、２つの異なる媒体間の熱交換のための一般によく知られたデバイスである。プレート式熱交換器は多くの異なったアプリケーションで使用されてており、本発明は地域暖房を使用して温水を供給させるものとして特に展開されているが、本発明は特別なアプリケーションに制限されるものではない。本発明は完全にろう付けされた種類のすべてのプレート式熱交換器に最も適用しやすい。言い換えれば、この熱交換器は、２つの媒体のための入口と出口の接続を有する複数の溝パターンを有する複数のプレートから成る。複数のプレートは、パック中に配置され、単一のユニットを形成するために一緒にろう付けされている。分離した溝は、互い違いの組のプレートの間を互いに循環する２つの媒体のために形成されている。この技術は一般に、よく知られているので、ここでは詳細に記載されない。

図１は地域暖房ネットワークから温水を使用して水を加熱するための熱交換器を示す図である。熱交換器１は、２組の接続を持つプレート２を有する。１組の接続は、地域暖房水Ｆｊ用の入口３と出口４からなる。第２組の接続は温水ＶＶ用の入口５と出口６から成る。従来の温水の流通システム１２は、点線によって示されるように、温水システムに接続されることができる。温水は実際は冷たいか、少なくとも入口５で低温であり、出口６まで通過するときに熱交換器で加熱されることが理解される。

地域暖房水の供給は、好ましくは図示されるように、熱交換器１への地域暖房水の給送ライン中、あるいは、熱交換器１から地域暖房水の戻りライン中に取り付けられている弁７によって制御される。代わりに、弁７は熱交換器１中に設置されることができる。弁７の開閉は、以下の詳細で説明される温度センサ９と、弁７を開閉することができるアクチュエータとを含むサーモスタット機能によって制御される。温水の取り出しは、少なくとも１つの弁８を使用して通常の方法で制御される。通常、弁８は外部にあり、熱交換器の一部でなく、通常複数の温水取り出し口が建物の種々のポイントに配置されている。

入ってくる地域暖房水は通常１００℃の温度である。この温度は、外部温度、本地域暖房システムの設計データ、および他の要素に依存して、より高くなる、またはより低くなる場合がある。地域暖房水は、蛇口８が開いている場合、または接続された温水系統１２が温水を加熱するために作動している場合には連続的に、あるいは、温水系統１２が休みで稼働していない場合および、蛇口８が熱交換器中で温水の熱保持させるために閉じられ場合、この場合においてでさえ蛇口８が開かれると温水へ直接アクセスできるように間欠的に、熱交換器を通って流れるべきである。一方、地域暖房弁７が温水の温度変化に直接反応して、蛇口８が閉じられるときにすぐに閉じることは、重要である。もしも地域暖房弁７が長すぎる時間開いたままであるならば、地域暖房弁７がどの程度急速に閉じるのかに依存しながら温水は多少危険なまでに過熱（overheat）され得る。次に、蛇口８が再び開かれるならば、やけどの危険がある。通常、出口温水は約５５℃より高い温度となるべきではない。また、弁７を閉じるのが遅れると、エネルギー消費が増加して、熱交換器にカルシウム堆積物の問題は引き起こし得る。

図２は、本発明に基づいて設計された温度センサ９を示す。温度センサ９は複数のプレート２を通って配置されている。このことは、好ましくは、尾根が地域暖房水用の溝の中で出会う複数のプレート中に提供される穴によって可能にされる。温度センサは、プレートと非常に良い実際的な直接金属の熱伝導接触を持っていて、温水ＶＶ（すなわち、加熱されるべき媒体）によって囲まれているが、一方、地域暖房水Ｆｊ用の溝は、尾根の幅に依存するがセンサ９からあるわずかな距離にある。センサは地域暖房水Ｆｊの入口３の近くの熱交換器中に配置される。したがって、センサは温水が熱交換器を出る前に影響を受ける。

熱交換器を通る穴の設計に関して、国際出願第９８/３７３７４号パンフレットおよび同第００/０３１８９号パンフレットに記載されている。

センサは直接プレート２に直接押しつけられるかろう付けされることができる、または、それ自体がプレートに押しつけられているまたはろう付けされている管中に配置することができる。後者の変形は、温度センサが熱交換器から取り外し可能であり、容易に取り替えることができることを意味する。

金属プレートからセンサまでの熱伝達は静止した水からのセンサへの熱伝達より約７倍も速い。従って、また、温度検出も対応して従来技術に比較して速くなる。

様々なタイプの温度センサは従来から知られているが、本発明で使用することができる。本発明において、温度センサは、例えば、好ましいワックスやパラフィン（または、グリセリン）を持つなどのように、温度変化で体積または圧力が変化する媒体を含む（センサ基体）膨張する部分（bulb）１１を有することが提案された。この種類の温度センサを有する弁は以前から、例えば、水ベースの暖房システム用の通常のラジエータ中のサーモスタット弁の形態で知られている。膨張する部分が加熱されると、ワックスは溶けて、より大きい体積となる。好ましい実施例では、ワックスが溶けるとき、ワックスの体積増加は１９％である。膨張する部分は液圧で機械的に弁７に接続されて、膨張した体積は弁７を閉じる。ワックスが冷えると、再び固化して、より少な体積に縮む。その時、弁７に偏るスプリングは弁７を開く。このワックスは適切にいくらか異なる融点を有する種々のパラフィンの混合物であり、このことは、ワックスが完全な固体と液体の間の溶融範囲を有することを意味する。この混合物は弁が予め決められた温度Ｔ、例えば約５５℃（または、５３℃）で反応し、溶融範囲はかなり小さい、例えば、ΔＴ＝０．７℃の溶融範囲であるべきである。この溶融温度ＴからＴ＋ΔＴの範囲内で、弁７は少し大きい範囲または少し小さい範囲まで開く。従って、弁は溶融範囲より低い温度で完全に開くが、溶融範囲より高い温度で弁は完全に閉じられる。

ワックスの体積増加がアクチュエータまで毛細管を通って水圧式の液体によって運ばれる。アクチュエータにおいて、弁７に作用するプランジャーが動かされる。ワックスが圧縮可能ではなく、その結果圧力によって影響されないことに注意されるべきである。したがって、弁のアクチュエータは圧力でなく、体積によって制御される。この事実によって、この制御は地域暖房水システム中の圧力変化によって影響を受けない。

図３は本発明基づく熱交換器を有する２つの動作の場合の温度のグラフを示している。グラフは、例えば、図２のポイントＰの温度を示している。図の左に、地域暖房系統Ｆｊの温度を、中央に図３のＭとして示される金属プレートの温度、右に温水系統ＶＶ中の温度が示されている。温度センサ９は温水側上に金属接触で配置されており、センサ温度ｔは図３の金属壁の右側の温度にぴたりと従っている。この効果は、センサ９が温水溝ＶＶ中に配置され、地域暖房水Ｆｊが地域暖房水の溝の尾根中の配置に依存する所与の距離で循環しているため補強される。

第１動作の場合は、温水の蛇口８が閉じられており、上側の温度カーブＡで示されている状況である。蛇口８がちょうど閉じて、温水系統１２が稼働中でないと仮定する。地域暖房水Ｆｊはまだ暖かい。温水側では、層流条件が起こるような流れはない。このことは、金属壁中およびこれに近い温水中の温度は、急速に、例えば、約７６℃まで、すなわち予め決められた温度Ｔよりかなり高くまで増加するような、高い熱抵抗を有する。これはまた、温度センサの温度ｔである。したがって、膨張する部分（bulb）中のワックスは溶融して地域暖房弁７を閉じる。実際の温水ＶＶはかなりゆっくり暖まって、Ｔよりもかなり高い温度に到達しないことが注目される。

もし温水の蛇口８が長期間閉じられたままでいるならば、温度カーブＡは低下し、レベルアウトする（図示しない）。膨張する部分（bulb）の温度ｔがＴ＋ΔＴより低く落ちると、ワックスは固化し始めて、地域暖房弁は開かれる。続いて、温水が加熱される。温水温度とその結果センサ温度ｔがＴ＋ΔＴを越えて上昇すると、地域暖房弁７は再び閉じる。ワックスが温度Ｔより低くに下がるやいなやすぐに弁が開くので、この特徴は、自動の熱保持機能として作用するが、同時に温水の短い応答時間を保証する。このように、温水の保持が温度Ｔの周囲で達成される。

一方、温水弁８が開いていると（すなわち、温水系統１２は温水ＶＶを循環させる）より速いプロセスがある。図３の下側の温度カーブＢは開いた温水の蛇口８を有する状況を示している。温水の蛇口８が開かれると、乱流が温水中に起こって急速に金属プレートを冷却し、特に、隣接している尾根、言い換えれば、温度センサ９が配置されている位置を冷却する。冷却は通常２秒以上かからない。センサ９の膨張する部分（bulb）中の温度ｔは、温度Ｔより低く下がり、ワックスは完全に固まって、地域暖房弁７を開かさせる。次に、温度カーブはすばやくＢのようになる。

温水の蛇口８が閉じるまで（すなわち温水系統１２が止まる）ずっとこの状況が続く。次に、温水流動が突然激しくなって、温水の熱抵抗が増加するので、金属は急速に加熱される。温水はかなりゆっくりと加熱されるが、温度センサ９は主として金属の温度を検出する。したがって、膨張する部分（bulb）１１は急速に温度Ｔ＋ΔＴを越えて加熱され、地域暖房弁７は完全に閉じられる。このように、温水の過熱（overheating）は起こらない。しばらくして、上側の温度カーブＡで示すようになる。

最良の機能において、センサ９は地域暖房の入口３にできるだけ近くに配置されるべきである。センサの非対称的な配置は、プレートを製造するとき、２つの工具が有利に使用されるべきであることを意味する。代替手段として、温度センサの出口は、熱交換器の上端と下端との両方の位置に回転対称で提供される。温度センサのために１つの出口だけが使用され、他の出口は空である。さらに、地域暖房水は温水の逆方向に流れるべきである。

温度センサは、全体の熱交換器パックを通して、または、より少ない数のプレートを通して配置することができる。

本発明に基づく制御は熱ＰＩＤコントローラとして作動する。つり合い作用は明白であり、温度Ｔより高い水温度で、溶融の増加した結果としてワックスが膨張する。統合的な作用は溶融したワックス対固体相の比率によって決定される。融解熱が１６０ｋＪ／ｋｇならば、これは約４０℃の温度変化のエネルギー値に対応している。このことは、ワックスの体積が温度Ｔに対して定められていないことを意味する。したがって、周囲温度が温度Ｔ付近であるとき、体積の変化はない。温度Ｔより低い周囲温度で、ワックススラッジは温度変化無しに固化する。ワックスが完全に固まったときだけ、ワックスの温度が変化し始める。対照的に、派生の作用は、ワックスと何の関係もない。派生の作用は、地域暖房水の入口の近くにワックスとともにセンサを配置することによって得られる。このことは、弁がさらに開くと、水の温度増加よりも速くワックスを囲む材料における温度増加があることを意味する。

当業者は、熱交換器の設計が、プレートの数、異なる尾根のパターン、熱交換器接続および弁などの点から変えられ得ることを理解するであろう。本発明の範囲は以下の請求項のみによって制限される。

図１は本発明に基づく熱交換器の概略的な平面図である。 図２は本発明に基づく温度センサを有する複数のプレートの断面図である。 図３は２つの操作の場合を表す温度ダイヤグラムを示す図である。

Claims (17)

1. パック中に配置され、第１媒体（Ｆｊ）と第２媒体（ＶＶ）用の別々の溝がプレート（２）の互い違いの組の間で形成されるように一緒にろう付けされている前記プレート（２）と、
   前記第１媒体（Ｆｊ）用の入口（３）および出口（４）と、前記第２媒体（ＶＶ）用の入口（５）および出口（６）と、のためのそれぞれ２組の接続部と、
   前記第２媒体（ＶＶ）に熱を供給する前記第１媒体（Ｆｊ）の熱交換器（１）を通した供給を制御する第１弁（７）に接続可能な温度センサ（９）と、
   を有し、
   前記温度センサ（９）は、多数の前記プレート（２）を通る複数の穴の中に配置され、前記穴は、熱伝導接触が前記プレートで達成されるように、尾根が前記第１媒体（Ｆｊ）と前記第２媒体（ＶＶ）のうちの１つの媒体のための溝中で出会うように、前記プレート中に提供されており、
   前記温度センサ（９）は、前記第１弁（７）を制御するために配置されていることを特徴とする熱交換器。
2. 前記温度センサ（９）が前記プレート（２）に固定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. 前記温度センサ（９）が前記プレート（２）にろう付けされている、あるいは、押しつけられていることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記温度センサ（９）が前記プレート（２）に固定された管（１０）の中に取り外し可能に配置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。
5. 前記管（１０）が前記プレート（２）にろう付けされている、あるいは、押しつけられていることを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。
6. 前記温度センサ（９）が前記第２の媒体（ＶＶ）用の溝によって取り囲まれるように配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の熱交換器。
7. 前記第１媒体（Ｆｊ）と前記第２媒体（ＶＶ）が反対の方向に流れるように配置されており、前記温度センサ（９）は、前記第１媒体（Ｆｊ）の入口（３）と前記第２の媒体（ＶＶ）の出口（６）とが配置されている前記熱交換器（１）の部分に配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のうちのいずれか１項に記載の熱交換器。
8. 前記温度センサ（９）が前記第１媒体（Ｆｊ）の入口（３）の近くに配置されていることを特徴とする請求項７に記載の熱交換器。
9. 前記温度センサ（９）は、前記第１弁（７）に機械的に作用する膨張する部分（bulb）（１１）を含んでいることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の熱交換器。
10. 前記膨張する部分（bulb）（１１）は、前記第１弁（７）がワックスが溶融しているときに閉じて、前記ワックスが固化しているときに開くように前記ワックスを含んでいることを特徴とする請求項９に記載の熱交換器。
11. 前記ワックスが予め決められた温度Ｔ付近の溶融範囲を有することを特徴とする請求項１０に記載の熱交換器。
12. 前記予め決められた温度が約５５℃であることを特徴とする請求項１１に記載の熱交換器。
13. ワックスの溶融範囲が約０．７℃であることを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載の熱交換器。
14. 前記ワックスの融解熱が１６０ｋＪ／ｋｇであることを特徴とする請求項１１乃至請求項１３のいずれか１項に記載の熱交換器。
15. 前記温度センサ（９）が温度低下を検出し、検出された温度ｔが予め決められた温度Ｔより低いとき、前記第１弁（７）を開くように配置され、
    前記温度センサ（９）が前記第１弁（７）の近くに配置され、前記温度センサ（９）が温度上昇を検出し、検出された温度ｔが予め決められた温度Ｔ＋ΔＴよりもいくぶん高い場合に前記第１弁（７）を閉じるように配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１４のいずれか１項に記載の熱交換器。
16. 前記第１媒体（Ｆｊ）用の入口（３）と出口（４）とは地域暖房ネットワークに接続するように配置され、
    前記第２の媒体（ＶＶ）用の入口（５）と出口（６）は、前記熱交換器（１）を通る前記第２の媒体（ＶＶ）の供給を制御するための少なくとも１つの第２弁（８）を含む温水系統に接続するように配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１５のいずれか１項に記載の熱交換器。
17. 前記熱交換器が、温水循環システム（１２）を含む温水系統に接続されるように配置されていることを特徴とする請求項１６に記載の熱交換器。

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