JP2020522668A - 再循環流体加熱システム - Google Patents

Abstract

液体加熱システムは、リザーバ（６２）に接続された入口（２０）を有する瞬間ヒータ（１８）を備えている。ヒーターの出口（２２）は、加熱された液体を用いる備品（７２）に接続されると共に、戻り接続部（３０）を通してリザーバに接続されている。アイドルモードでは、ポンプ（４０）がリザーバ（６２）から液体を引き出し、これによって、液体がヒーター内を循環し、リザーバに戻る。制御装置（５２）は、液体を第１の設定温度に加熱するようにヒーターを作動させ、これによって、リザーバ内の温度が第１の設定温度で安定する。供給モードでは、加熱された液体の一部又は全てが出口から備品（７２）に流れる。冷液が供給源（６０）からリザーバに供給され、冷液は、望ましくは、リザーバーからの液体と共にヒータに供給され、これによって、ヒータの入口は、これらの混合物を受け入れる。制御装置は、ヒーター出口から放出される液体の温度を設定温度又はその近傍に維持しながらヒーターを設定加熱速度に維持するために、混合物におけるリザーバからの液体に対する冷液の比率を制御する。

Description

［関連出願の相互参照］
本願は、２０１７年６月６日に出願された米国仮特許出願第６２／５１５，８３１号の利得を主張するものであり、その開示内容は、参照することによって、ここに含まれるものとする。

［発明の分野］
本発明は、流体を加熱するための装置及び関連する方法に関する。

多くの用途において、液体を特定の使用温度に加熱することが望まれている。例えば、飲料水を供給するために用いられる配管系統は、一般的に、水道施設の接続部、井戸、又は貯水槽のような水の供給源と、入浴、手洗い、洗濯、等の用途に温水をもたらすために水の一部を加熱するためのヒーターとを備えている。

主に２つの形式の液体ヒーターが前述の配管系統に用いられている。「タンク式（tank-type）」ヒーターは、水に満たされたタンクを加熱し、使用温度の温水の予備を蓄えるために、オイル又はガスバーナ又は電気抵抗要素のような熱源を用いる。タンクに接続された備品は、タンクの頂部から温水を間欠的に引き出し、その間、冷水が供給源からタンクの底に流入する。典型的には、熱源は、ピーク需要の期間中にタンクから引き出される温水の全てを置き換えるのに十分な高速度で水を加熱することができない。従って、ピーク需要の期間中、温水の蓄えが枯渇し、備品に供給される水の温度が低下することがある。タンクは、加熱される圧力容器なので、通常、誤動作が起こった場合に蒸気爆発を防ぐために安全特徴部を備える大型の工場で作られるユニットである。これは、タンク自体を高価なものとし、タンクの搬送及び設置のコストも上昇させる傾向にある。更に、タンクから周囲空気への熱損によって、通常、タンク式ヒーターは、温水が備品から引き出されない時でもエネルギーを消耗する。

「瞬間（instataneous）」ヒーターは、供給源から備品に供給される水として該供給源からの水を加熱するように構成され、多量の加熱水を貯留しない。瞬間ヒーターは、流れる水を加熱するように構成されたバーナー及び熱交換器、電気抵抗のような熱源、又は流れる水内に電流を導くように構成された電極を備えている。瞬間ヒーターは、小型化することができ、搬送コスト及び設置コストを抑えることができる。しかし、瞬間ヒーターは、典型的には、ピーク需要の期間中に最大流量の水を加熱するのに十分な速度で加熱しなければならない。これは、ヒーターの大きさ及びコストを増大させる傾向にある。更に、加熱速度は、利用可能な電源、例えば、利用可能な電力によって制限されることがある。

しかし、更なる改良が望まれている。

本発明の一態様によれば、液体加熱システムが提供される。本発明のこの態様によるシステムは、望ましくは、リザーバーとリザーバーに連通する冷液供給源とを備えている。システムは、望ましくは、リザーバーに接続された入口及び加熱された液体を用いる１つ又は複数の備品に接続された出口を有するヒーターを備えている。本発明のこの態様によるシステムは、望ましくは、ヒーターの出口とリザーバーとの間に接続された加熱液体戻り接続部も備えている。システムは、望ましくは、ヒーターに直列に接続されたポンプを更に備えている。ポンプは、リザーバーから液体を引き出し、該液体を所定の下流方向においてヒーター及び戻り接続部を通してリザーバーに送り出すことができる。好ましくは、システムは、出口における液体を設定温度にするために入口から出口に流れる液体に熱を供給するようにヒーターを作動させるように操作可能な制御装置を備えている。戻り接続部及びポンプは、望ましくは、ヒーターの出口からリザーバーへの液体流れを可能にし、リザーバーから戻り接続部を通る備品への液体流れを防ぐように、構成且つ配置されている。本発明のこの態様によるシステムは、冷液の供給源とヒーターの入口との間に接続された冷液吸込接続部を備えていてもよく、制御装置は、吸込接続部を通る冷液流れを阻止するように又は冷液流れを供給するように冷液吸込接続部を作動させるように操作可能であり、これによって、冷液とリザーバーからの液体との混合物がヒーターの入口に供給されるようになっていてもよい。制御装置は、リザーバーからヒーターの入口に供給される液体（ｉｉ）に対する冷液吸込接続部からの冷液（ｉ）の比率を制御し、これによって、ヒーターから放出される液体を設定温度又はその近傍に維持しながら、ヒーターの加熱速度を設定加熱速度又はその近傍に維持するように、操作可能であってもよい。以下に更に述べるように、本発明のこの態様によるいくつかのシステムは、種々の流れ条件下において有用な加熱性能をもたらすことができる。

本発明の更なる態様によれば、液体システムに用いられる加熱ユニットが提供される。本発明のこの態様による加熱ユニットは、望ましくは、フレームと、フレームに取り付けられる構成部品とを備えている。これらの構成部品は、望ましくは、入口及び出口を有するヒーターを含み、更にヒーターの出口に接続された出口端接続部のアセンブリであって、リザーバー戻り接続点及び備品接続点を備える、出口端接続部のアセンブリと、ヒーターの入口に連通するリザーバー引出し接続手を画定する入口端接続部とを含んでいる。フレームに取り付けられる構成部品は、ヒーターに直列に接続されたポンプを更に含んでいてもよい。ポンプは、液体を入口端接続部からヒーターを通して出口端接続部に送り出すように操作可能であり、出口端接続アセンブリは、ヒーターの出口からリザーバー戻り接続点への液体流れを可能にし、リザーバー戻り接続点からヒーターの出口及び備品接続点への液体流れを防ぐように配置されていてもよい。本発明のこの態様によるユニットは、望ましくは、出口から流れる液体を設定温度に維持するために入口から出口に流れる液体に熱を供給するように作動するように操作可能な制御装置を更に備えている。本発明のこの態様のユニットは、例えば、前述のシステムの構成に用いられてもよい。

本発明の一実施形態による加熱ユニット及びシステムの一部を断面で示す図式である。 図１のユニット及びシステムにおいて使用可能な制御レジームを示す図式である。 本発明の他の実施形態によるユニット及びシステムを示す図１と同様の図である。 本発明の更に他の実施形態によるユニット及びシステムを示す図１，３と同様の他の図である。

本発明の一実施形態によるモジュール式加熱ユニット１０（図１）は、ユニットの他の構成部品を取り付けるために用いられるフレーム１２を備えている。この実施形態では、フレーム１０は、以下に述べる他の構成部品を支持するために用いられる構造要素１４と、カバー１６とを備えている。カバー１６は、該カバー及び構造要素が協働して筐体を画定するように配置されている。ユニット１０の他の構成部品は、部分的又は全体的に筐体内に配置され、従来の要素（図示せず）によってフレームに固定されるとよい。望ましくは、ユニット１０は、該ユニットが設置される場所における現地作業の必要性を軽減するために、例えば、工場での大量生産によって予め組み立られるとよい。

ユニット１０は、入口２０及び出口２２を有するヒーター１８を備えている。ヒーター１８は、入口２０から出口２２に流れる液体を加熱するように構成且つ配置されている。ヒーター１８は、当技術分野において「瞬間（instantaneous ）」ヒーターと一般的に呼ばれる形式のヒーターであるとよい。瞬間ヒーターの１つの形態は、オーミックヒーターである。オーミックヒーターは、電流を液体自体内に導くことによって液体を加熱する。すなわち、液体は、電気エネルギーが液体内の熱に変換されることによって加熱される。いくつかの特に望ましいオーミックヒーターが、米国特許第７，８１７，９０６号及び第９，５８７，８５３号に開示されており、また国際特許出願公開第２０１８／０８５７７３号に公開されている。これらの開示内容は、参照することによって、ここに含まれるものとする。他の形式の瞬間ヒーターが用いられてもよい。例えば、ヒーター１８は、電気抵抗ヒーターであってもよいし、又は燃焼ヒーターであってもよい。電気抵抗ヒーターは、液体から電気的に絶縁された固体加熱要素を通して電流を導き、該加熱要素からの熱を液体に伝達させるように、構成されている。燃焼ヒーターは、バーナー及び熱交換器を備え、燃焼ガスからの熱を液体に伝達させるようになっている。ヒーター１８は、望ましくは、ヒーターの作動時に本明細書において「加熱速度（heating rate）」と呼ばれる単位時間当たりの液体に供給される熱量を非ゼロ値範囲内において変動させるように構成されている。このような変動は、連続的であってもよいし、又は段階的であってもよい。しかし、変動が段階的である場合、その段階的な変動は、望ましくは、連続的な変動と近似される多数の段階を含むとよい。

出口端接続部２４は、ヒーターの出口２２に接続されたパイプ２６を備えている。分岐接続パイプ２７が、パイプ２６から備品接続点２８に延在している。他の分岐パイプ３０が、パイプ２６からリザーバー戻り接続点３２に延在している。逆止弁３４が分岐パイプ３０に取り付けられている。逆止弁は、ヒーター出口２２からリザーバー戻り接続点３２への流れを許容するが、反対方向への流れを遮断する。

入口端接続部３６が、リザーバー引出し接続点３８とヒーター１８の入口２０との間に延在している。ポンプ４０が、入口端接続部に接続されている。従って、ポンプ４０は、ヒーター１８に直列流れの形態で接続されている。ポンプは、液体をリザーバー引出し接続点３８から引出し、該液体をヒーターの入口内に送り出すことによって、液体を前方流れ方向に移動させるように、構成且つ配置されている。この実施形態では、ポンプ３８は、比較的低出力ポンプであるとよい。

冷水吸込接続パイプ４２が、冷液供給接続点４５から入口端接続部３６に延在している。スロットル弁４４が、冷水吸込接続パイプ４２に取り付けられている。弁４４は、ソレノイド駆動又はモータ駆動アクチュエータのようなアクチュエータによって、作動される。アクチュエータは、弁４４を（弁が冷水吸入口４２内の流れを完全に遮断する）完全な閉位置、（弁が冷水吸込口内の流れに低抵抗をもたらす）完全な開位置、又は中間位置に切り替え、これによって、冷水吸込口内の流れ抵抗を変動させることができる。

モジュール式加熱ユニット１０は、ヒーターの出口２２を通って備品接続点２７に流れる液体に熱連通する温度センサ５０を更に備えている。望ましくは、この温度センサは、出口に隣接して、例えば、ヒーターの出口又はいくらか出口の上流側、具体的には、ヒーターの作動要素と出口との間、又は出口端接続部２４のパイプ２６内に配置されている。ヒーターの作動要素の近くに温度センサを配置することによって、ヒーターの作動の変化に応答するために温度センサに必要な時間を最小限に抑えることができる。

ユニット１０は、制御装置５２を更に備えている。制御装置５２は、出口の液体温度情報を受信するために温度センサ５０に連結され、制御装置がヒーターによって与えられる加熱速度を検出し、該加熱速度を調整するためにヒーター１８に連結され、制御装置がポンプを作動及び停止するためにポンプ４０に連結され、制御装置が弁４４を開閉し、弁４４を中間位置に調整するために弁アクチュエータ４６に連結されている。制御装置５２は、以下に述べる制御操作を行うように構成されている。制御装置は、アナログ電子要素、デジタル電子要素、又はそれらの混合電子要素を備えているとよく、光学要素、機械要素、及び電気機械要素も備えているとよい。更に典型的には、制御装置は、以下に述べる制御操作を行うようにプログラム化された１つ又は複数のプログラム可能なデジタルマイクロ電子回路を備えている。プログラムは、回路内に配線（hard-wired）によって組み込まれていてもよいし、又は制御装置内に組み入れられたメモリ（図示せず）内に１つ又は複数の組の命令として記憶されていてもよい。制御装置は、記憶された設定温度及び製造中に永久的に記憶された設定加熱速度を有していてもよいし、又は設定温度及び設定加熱速度の一方又は両方を調整するためのユーザー調整可能なつまみ（図示せず）を有していてもよい。制御装置は、典型的には、論理レベル信号と他の構成部品を作動するのに必要なレベルの信号との間の変換を行うための従来のインターフェイス駆動回路（図示せず）を備え、従来のアナログーデジタル変換器及びデジタルーアナログ変換器も備えているとよい。ユニット１０は、電力をシステムの他の要素に供給するための適切な電力供給接続部（図示せず）を更に備えている。ヒーターが燃焼ヒーターである場合、望ましくは、適切な燃料接続部がユニット１０内に設けられている。ヒーターに対する電力供給源及び燃料供給接続部は、制御装置の駆動回路に接続されているとよい。制御装置は、図１において単一構造を有するものとして示されているが、以下に述べる種々の機能を果たす多数の要素を備えていてもよい。また、制御装置は、フレーム１０によって画定された筐体内に収容されるものとして示されているが、制御装置を構成する要素のいくつか又は全てが制御装置の外側に配置されていてもよい。制御装置の要素間の接続、及び制御装置とユニット１０の他の要素との間の接続は、どのような通信媒体を通してなされてもよい。

また、ユニット１０は、構成部品が機能不全に陥った場合に安全を確保するためにバックアップ要素（図示せず）を備えているとよい。例えば、ユニットは、ヒーター１８内の温度が安全閾値を超えて上昇した場合にヒーター１８への電力を遮断するためのフュージブルリンク又は他の熱応答要素のような要素、及びヒーター内の過剰な圧力を緩和する安全弁を備えているとよい。

本発明の更なる実施形態による加熱流体供給システムは、ユニット１０を備えている。図１に示されるシステムは、例えば、建物又は車両内に加熱された飲料水を供給するために配置されている。システムは、冷水の供給源６０を備えている。供給源６０は、配管系統に通常用いられる圧力、例えば、平方インチ当たり約４０−約１２５ポンド又は約２７５−約８６０ＫＰａの圧力下にある冷水を供給するために配置されている。例えば、冷液源は、公共水道系統システムへの接続部であってもよいし、又は地方において一般的に用いられる井戸ポンプ及び圧力タンクであってもよい。また、システムは、冷液源によって加えられる圧力に耐えることができるタンクのような圧力容器の形態にあるリザーバー６２を備えている。タンク６２は、供給ポート６４を有している。供給ポート６４は、逆止弁６７を通して供給源６０に接続され、これによって、供給源からの冷水がタンクの底又はその近傍においてタンクに流入するが、水がタンクから流出することができない。また、供給源６０は、接続点４５においてユニット１０の冷水吸込接続パイプ４２に接続されている。

タンク６２は、温水出口ポート６６を有している。温水出口ポート６６は、ユニット１０のリザーバー引出し接続点３８において入口端接続部３６に接続されている。戻り流れチューブ６８が、接続点３２においてユニット１０の出口端接続部２４に接続されている。戻り流れチューブは、タンク６２の壁を貫通し、タンクの上端の下方及びポート６６の下方並びにタンクの底の上方で終端している。

最も好ましくは、リザーバー又はタンク６２は、内部加熱源を備えていない。換言すれば、タンク６２は、望ましくは、「未燃焼（unfired）」型の圧力容器である。

出口端接続部２４は、接続点２８において建物又は車両内の温水配管に接続され、これによって、温水を用いる建物内の種々の備品７２に接続されている。図式的に示されるように、備品の例としては、シャワーヘッド７２ａ，洗濯機７２ｂ，及び飲料水調製装置７２ｃのような装置が挙げられる。また、これらの備品のいくつか又は全てが、他の配管（図示せず）によって冷水源６０に接続されていてもよい。

操作に際して、本発明の更なる態様による加熱流体を供給する方法によれば、前述のタンク６２並びにパイプ及び接続部は、供給源６０によって加圧下で維持される。

制御装置５２は、センサ５０によって測定される（ヒーターから流出する）水の温度を監視し、この温度を設定値に維持するように加熱速度を調整し、加熱速度を設定加熱速度に維持するように冷液吸込弁４４も調整する。この制御スキームは、図２に示されている。ヒーター内に流れる水は、入口温度である。ヒーター１８は、ヒーターを通る流量によって除された加熱速度と等しい量だけ水の温度を上昇させ、これによって、センサ５０によって検出される出口温度を生じる。設定温度と出口温度との間の差は、温度エラー信号を構成し、この温度エラー信号は、温度伝達関数Ｓ_Ｔを通り、処理されたエラー信号をもたらし、加熱速度は、出口温度が低下した時に加熱速度を上昇させ、又はその逆に出口温度が上昇した時に加熱速度を低下させるように、処理されたエラー信号に従って調整されることになる。伝達関数は、制御システム業界において一般的に呼称されている比例成分、積分成分、及び微分成分の１つ又は複数を含んでいるとよい。

また、制御装置は、ヒーター１８によって与えられる加熱速度を監視し、該加熱速度を設定加熱速度から差し引き、加熱速度エラーを生じさせる。加熱速度エラーは、加熱速度伝達関数Ｓ_Ｈによって処理され、処理されたエラー信号を生じる。ここでも、伝達関数は、比例成分、積分成分、及び微分成分の１つ又は複数を含んでいるとよい。もし加熱速度が設定加熱速度未満であるなら、制御装置は、弁アクチュエータ４６を作動させ、これによって冷水吸込弁４４を徐々に開かせ、弁４４を通る流れ抵抗を減少させるとよい。

アイドル条件下では、水が備品７２（図１）によってシステムから引き出されないので、冷液吸込弁４４を横切る差圧が殆ど又は全く生ぜず、これによって、弁の開閉に関わらず、冷液吸込接続部４２を通る流れが本質的に存在しない。この条件下では、ポンプ４０は、水をタンクから温水出口６６、ヒーター１８、出口端接続部２４、及びチューブ６８を通してタンクに戻るように循環させる。従って、ヒーター内を通る水の入口温度は、タンクの頂部の近くの水の温度と等しくなる。タンク６２が冷水によって満たされている開始時、この温度は、設定温度よりも遥かに低く、制御装置は、ヒーター１８を高加熱速度に調整する。加熱操作が継続されると、加熱された水がタンクの頂部の近くまで貯まり、入口温度は、設定値からの予設定公差内において徐々に上昇し、加熱速度がゼロまで減少する。もし加熱速度が一定間隔にわたってゼロに維持されたなら、制御装置は、ある停止間隔、例えば、数分から３０分の間、ポンプ及びヒーターを停止し、次いで、この停止間隔の終端においてポンプ４０を作動させ、ヒーター１８を作動させることなく、センサ５０によって出口温度の監視を再開する。もし水がある期間、例えば、数分間にわたって循環した後にこの温度が所定の公差を超えて設定温度未満に維持されたなら、制御装置は、ポンプ４０の操作を維持しながら、ヒーター１８を作動させる。もしヒーター１８が停止している間に循環水の温度が設定温度又はその公差内にあったなら、制御装置は、ヒーターを停止させたまま、ポンプも停止させ、他の停止間隔にわたって待機し、次いで、前述のステップを繰り返す。従って、タンク６２の頂部の近くの水が設定温度又はその近傍にあり、水がシステムから引き出されない限り、制御装置は、ヒーターを作動させず、ポンプのみを短間隔にわたって作動させる。典型的には、タンクの頂部近くの温水は、タンクの底の近くのより冷えた水への伝導及び対流の熱伝達によって迅速に冷却される。従って、大抵の場合、タンク６２が設定温度に近い温度の温水によって実質的に満たされるまで、ポンプ及びヒーターは、継続的に作動されることになる。いったんタンクが温水によって実質的に満たされたなら、ヒーターは、タンクからの熱損を補うために間欠的に作動されればよい。

備品の１つ又は複数が開かれ、温水をシステムを引き出す時、システムは、供給モードで作動する。この作動モードでは、供給源６０からの冷水が冷液吸込ポート６４を通してタンクの底内に流入すると共に弁４４を通して入口端接続部３６内にも流入し、これによって、ポンプ４０は、タンクから引き出された温水と冷水との混合物をヒーターの入口に送達する。これは、センサ５０によって測定される出口温度を低下させる傾向にあり、制御システムは、加熱速度を上昇させることによってこれに応じることになる。もし加熱速度が設定加熱速度を超えたなら、制御装置は、弁４４の開度を絞るようにアクチュエータ４６を作動させ、これによって、冷液吸込接続部４２と入口端接続部３６との間の流れ抵抗を増大させ、その結果、弁４４を通る冷水流れを低減させ、タンクの底のポート６４を通る冷水流れを増大させる。これは、ポンプ４０によって供給される水におけるタンクの頂部から引き出される温水の比率を増大させ、入口温度を上昇させる。従って、システムは、平衡条件に達する傾向にあり、ヒーターが設定加熱速度で作動され、出口温度が設定温度と等しくなる。換言すれば、ヒーターを通る流量は、備品７２の要求によって変化する。制御装置は、ヒーターの入口から供給される冷水入口接続部の冷水に対するリザーバーから引き出される温水の比率を調整し、これによって、ヒーターの入口から入る水の入口温度を調整し、その結果、支配的な流速において、ヒーターは、設定加熱速度で作動され、設定温度と等しい出口温度を生じることになる。

望ましくは、設定加熱速度は、ヒーターがもたらす最大加熱速度であるか又は最大加熱速度よりもいくらか低い。備品が適度の温水流れしか引き出さない場合、弁４４は、完全に開き、これによって、システムから出る温水の全てが冷水入口を通る水によって置き換えられ、設定温度に加熱される。この条件下では、システムは、無限の時間、具体的には理論的に無限の時間にわたって、タンク６２に貯留される温水を枯渇させないように作動される。この作動条件下では、ヒーターは、継続的に設定加熱速度未満の加熱速度で作動する。備品がシステムから多量の温水を引き出す場合、弁４４は、部分的に閉鎖され、多量の温水がタンクから引き出され、タンクの底において入口ポート６４を通してタンクに入る冷水によって置き換えられる。しかし、ヒーターが設定加熱速度未満に維持されている限り、弁４４は、完全に閉鎖されない。この条件下では、ヒーター１８は、システムが設定温度の温水を継続的に供給する時間を延ばすように作動する。換言すれば、この条件下では、ヒーター１８は、タンク６２の枯渇を遅らせるように作動する。この供給モードでは、水がヒーター１８を介してのみリザーバー６２から備品７２に流れ、入口２０から出口２２に向かって下流方向にヒーターを通ってのみ流れる。

図１を参照して前述したヒーターの数多くの特徴は、変更されてもよい。例えば、出口端接続部２４は、リザーバー又はタンク６２に接続されてもよく、この場合、温水は、リザーバーの底又はその近傍においてリザーバーに戻され、戻された温液と冷液とをタンク６２内においてより混合させることができる。これは、タンク６２内に均一な温度分布をもたらす傾向にある。このような一構成では、出口端接続部２４の戻り流体接続点２４は、例えば、逆止弁６７と冷水入口ポートとの間においてタンクの冷水入口ポート６４に接続されてもよい。

前述の温度調整フィードバック制御システム以外の制御スキームが用いられてもよい。本発明の更なる実施形態によるシステム（図３）は、図１，２に関連して前述したシステムと略同様であるが、冷液入口パイプ１４２に関連する流れセンサ１０４及び温度センサ１０２を有している。流れセンサ１０６及び温度センサ１０８が、入口端接続部１３６の区域１０１に設けられている。区域１０１は、リザーバー１６２に接続され、使用中にリザーバーから水のみを運ぶ区域である。出口端接続部は、圧力センサ１０３及び流れセンサ１１９を備えている。これらのセンサの全てが制御装置１５２に連結されている。ここでも、スロットル弁１４４が冷液入口パイプ１４２と入口端接続部１３６との間に設けられている。弁１４４は、制御装置１５２に連結されたアクチュエータによって制御される。制御装置１６２に連結された他のスロットル弁及びアクチュエータが、出口端接続部１２４においてヒーターの出口１２２とリザーバー１６２への戻り流れ接続部との間に設けられている。逆止弁が、出口端接続部と建物の温水配管１７０との間の接続部に設けられ、配管及び部品１７２からの水の逆流を防ぐようになっている。

この実施形態では、リザーバー１６２は、未加圧及び未燃焼式の容器である。リザーバーは、貯留された水の汚染を防ぐためにカバー１６３を備えているが、このカバーは、リザーバーが大気と連通するために緩く嵌合されている。冷水供給源１６０は、リザーバー１６２内に位置するフロート１６９によって作動されるフロート弁１６７を介してリザーバー１６２と連通している。弁１６７は、リザーバー内の水レベルが低下した時に開き、水レベルが上昇した時に閉鎖し、これによって、必要に応じて、リザーバーの底に隣接する箇所からの水の流入を可能にし、実質的に一定レベルの水をリザーバー内に保持するようになっている。

操作に際して、制御装置１５２は、ポンプ４０を作動させ、水をヒーター１１８内に送給する。制御装置は、弁１１１を調整し、センサ１０３によって検出される圧力に応じてポンプ１４０の操作速度を調整し、これによって、出口端接続部の圧力を一定に維持する。アイドル操作中、備品１７２からの要求がないので、流れセンサ１１９は、建物配管１７０への出口端接続部を通る流れがゼロであることを示す。制御装置は、スロットル弁１１１を開状態で維持し、スロットル弁１４４を閉鎖し、その一方、液体をヒーター内に循環させるために、ポンプ１４０を比較的低出力で作動させる。この条件下では、ポンプは、単純にヒーター及びリザーバーを通る水を再循環させる。制御装置１５２は、センサ１０６によって検出された流量及びセンサ１０８によって検出された水温度に応じてヒーター１４０の加熱速度を設定し、これによって、ヒーターは、循環水の温度を設定温度に上昇させる。

備品１７２の１つ又は複数が開き、温水を引き出す時、備品への流れがセンサ１１９によって検出される。これに応じて、制御装置は、能動的供給モードに入る。このモードでは、制御装置は、ヒーター１１８の加熱速度を設定加熱速度に設定し、ポンプ１４０によって送達されるポンプ送給出力を高レベルに上昇させ、部分的に又は全体的にスロットル弁１１１を閉鎖し、センサ１０３によって検出される圧力を所望レベルに維持する。圧力を維持するのに必要なスロットル弁１１１の設定は、備品１７２の要求によって変化する。すなわち、要求が増すと、弁１１１は、徐々に閉鎖し、ヒーター１１８からリザーバー１６２に戻る加熱された水の量を減らすことになる。弁１１１が備品からの要求に応じて開閉すると、ヒーターを通る全流量が変化する。備品１７２が水を適度に引き出す場合、制御装置１１０は、センサ１０４によって検出される冷水の流量とセンサ１０６によって検出される温水の流量とを合計することによって、全流量を監視し、支配的な流量及び設定加熱速度においてヒーターから流出する水が設定温度になるように、温水と冷水との混合物を送達するようにスロットル弁１４４を調整する。ここでも、温水と冷水との混合物をヒーターに供給し、この混合物をヒーターによって設定温度に加熱することによって、システムは、設定温度の水を長期にわたって供給することが可能になる。

いくつかの作動条件下において、例えば、リザーバー１６２からの水が設定温度よりも遥かに低い温度にある場合、制御装置１４４は、設定温度に加熱されるべき混合物が設定加熱速度に達する前に、弁１４４を完全閉状態にする。もし設定加熱速度がヒーターの最大加熱速度未満であったなら、制御装置は、加えられる加熱速度を設定加熱速度を超えるまで増大させる。他の作動条件下では、例えば、備品１７２が低流量の水を引き出し、リザーバー１７２から引き出される水が設定温度又はその近傍にある場合、設定加熱速度でのヒーターの作動によって、弁１４４が完全に開いていても、ヒーター１１８内を通る水を設定温度を超える温度に加熱する。この条件下において、制御装置１１０は、与えられる加熱速度を設定速度未満に低下させる。

前述の実施形態において用いられるセンサ及び制御システムは、変更されてもよい。例えば、図３を参照して述べた流れ検知式制御スキームは、図１と同様の加圧リザーバーを用いる実施形態に用いられてもよい。逆に、図１を参照して述べた温度検知フィードバック制御システムは、図３を参照して述べたポンプ送給システムに用いられてもよい。

図３のシステムがアイドル条件下にある時、制御装置は、ポンプ１４０及びヒーター１１８を停止間隔にわって停止し、次いで、ポンプを再始動させる。ここでも、もしリザーバーから引き出される水の温度がポンプの再始動後に設定温度又はその近傍にあったなら、制御装置は、更なる停止間隔にわたってポンプを停止してもよい。もしそうでないなら、制御装置は、ポンポの操作を維持し、ヒーターを始動させる。

前述のシステムでは、流れが調整可能な弁によって部分的に制御されるようになっている。これらは、可変流れをもたらすことができる他の要素、例えば、冷水吸込口、リザーバー引出し接続部、及びリザーバーへの戻り接続部に関連付けられた可変速度ポンプによって置き換えられてもよい。また、前述の実施形態では、冷水入口接続部を通る流れは、リザーバーの冷水入口への接続部を絞るか又は該接続部にポンプ送給することによって間接的に制御されてもよい。例えば、図１を参照して述べた実施形態では、スロットル弁４４は、冷水入口接続部４４ではなくリザーバーの冷水入口６４内への接続部内に設けられてもよい。この構成では、スロットル弁の閉鎖が入口接続部を通して冷水の流れを増大させる。更なる構成では、スロットル弁４４は、レザーバ引出し接続部３８に再配置され、リザーバー６２からの温水を制御するようになっていてもよい。これらの構成のいずれも、リザーバーからの水と冷水入口接続部からの水との比率を制御し、混合物をヒーター入口２０内に送るようになっている。また、ポンプは、ヒーターの出口の下流に接続されてもよいし、又はヒーター内に組み込まれてもよい。

前述の検討では、設定温度は、一定値として処理されている。しかし、制御装置は、設定温度を変化させてもよい。例えば、水が備品に流れない時に第１の比較的低い設定温度が設定され、水が備品に流れる時に第２のより高い設定温度が設定されてもよい。この構成では、リザーバー内の水の温度は、第１の設定温度で安定になり、第２のより高い設定温度において水が備品に供給される。この構成は、リザーバーの熱損を低減させるのみならず、より高い設定温度で備品に送達される最大流量を低減させる。この構成の変更例では、低要求が予測され時、例えば、典型的な個人住宅の夜間のみにおいて、第１の低設定温度が設定されるとよい。

本発明の更なる実施形態によるシステム（図４）は、前述の図１，２のシステムと略同様である。しかし、出口端接続部２２４は、ヒーターの出口２２２及び３つの出口接続パイプ２２７ａ，２２７ｂ，２２７ｃに接続されたマニホールドを備えている。各出口接続パイプ２２７は、該当する遮断弁２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃを備えている。遮断弁２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃは、該遮断弁を開閉することができるソレノイド機構又はモータ機構のようなアクチュエータを有している。マニホールド２２６は、リザーバー戻り接続点及びリザーバー２６８内に延在する戻り導管２６８に繋がる分岐パイプ２３０に接続されている。

入口端接続部２３６は、ここでも、ポンプ２４０を備え、リザーバー引出し接続部２３８を通してリザーバーの温水出口ポート２６６に接続されている。冷水入口接続部２４２は、ここでも、スロットル弁２４６を介して入口端接続部に接続されている。バイパスパイプ２０３が、リザーバー引出し接続点２３８と入口端コネクタ及び冷水入口間の接合部との間の箇所において、入口端コネクタ２３６に連通している。逆止弁２０７が、バイパスパイプ２０３との接合部と冷水入口２４２との接合部との間において、入口端コネクタに設けられている。逆止弁は、図４に示されるように上向きの方向の流れを可能にするが、その逆の流れを遮断する。バイパスパイプは、出口接続パイプの弁２０１ｃの下流の点において、出口接続パイプ２２７の１つと連通している。バイパス制御弁２０５が、バイパスパイプ２０５に接続されている。バイパス制御弁２０５は、関連するアクチュエータを有している。再循環遮断弁２１５が、入口端接続構造に対する出口端接続構造の分岐パイプ２０５に接続されている。制御装置は、マニホールド２２６からリザーバーへの逆流を防ぐために弁２１５を閉鎖し、このような流れを可能にするために開放させる。前述の弁のアクチュエータは、制御装置２０５に連結され、制御装置がこれらの弁の全てを作動させることができる。

この実施形態では、出口端接続部２２４は、逆止弁を備えていない。代わって、ポンプ２４０は、再循環遮断弁２１５が開いている時はいつでも連続的に作動し、リザーバー２６３内の圧力よりも高い出口端接続部内の圧力を維持し、これによって、リザーバーから出口端接続部への流れを阻止するするようになっている。

制御装置２５２は、信号受信機２５３、例えば、無線受信機又はネットワーク接続可能な受信機、例えば、インターネット接続可能な受信機を備えている。

出口接続パイプ２２７の各々は、適切な個々の接続ラインを通して異なる備品に接続されている。この場合、種々の備品は、種々の温度の温水を必要とする。例えば、出口接続パイプ２２７ｃは、備品２７２ｃ、例えば、人の皮膚と接触するように送達されるために用いられるシャワーヘッド又はシンクに接続され、第１の最低使用温度、例えば、約１０５−１１０Ｆ°（４０−４３℃）の温水を必要とする。出口接続パイプ２２７ｂは、第２の高使用温度、例えば、１４０−１６０Ｆ°（６０−７１℃）の温水を必要とする食器洗い機又は洗濯機のような備品１７２ｂに接続されている。出口接続パイプ２２７ｃは、第３の更に高い使用温度、例えば、１９０−２００Ｆ°（８８−９３℃）の温水を必要とするコーヒー湯沸器のような備品に接続されている。備品の各々は、該当する送信機２１１を備えている。送信機２１１は、受信機２５３によって受信可能な形態の信号を送信するように構成され、温水を必要とする特別の備品を指す予信号化されたコードによって関連する備品を識別する。

アイドルモーでは、制御装置２５２は、出口弁２０１ａ−２０１ｃ及びバイパス弁２０５を閉状態で維持し、再循環遮断弁２１５を開き、これによって、水をマニホールド２２６からリザーバー２６２に導く。アイドリモードでは、制御装置は、設定温度を接続された備品のいくつかによって必要とされる最低水温度に対応する第１の使用温度に維持する。前述の手法と同様、ヒーターは、リザーバー２６２内の水を第１の使用温度に加熱し、該水をこの温度に維持するように作動する。備品の１つが温水を要求したなら、該備品が関連する送信機２１１を通して信号を送信する。もしこの信号が第２又は第３の使用温度の水が供給されねばならないことを指示したなら、制御装置は、ヒーター２１８の設定温度を第２又は第３の使用温度に調整する。温度センサ２５０がヒーター２１８から放出される水が新しい設定温度に達したことを示したなら、制御装置は、信号を送信した備品に関連する出口接続パイプを開くことになる。例えば、もし備品２７２ａが信号を送信したなら、ヒーターは、設定温度を第３の使用温度に高め、次いで、弁２０１ａを開く。制御装置は、リザーバー２６２内の水の温度を第１の使用温度に保つために、再循環弁２１５をを部分的又は完全に閉鎖するとよい。システムは、備品２７２aがもはや水を必要としないことを示す他の信号を送信するまで、この状態を維持する。もし備品の１つに水を供給している間に、他の備品が更なる信号を送信したなら、制御装置は、他の出口弁を閉状態で維持する、制御装置は、この更なる信号を単に無視するか、又はこの要求を順番待ちの要求として記憶し、後で実行することになる。しかし、もし第１の備品２７２がこの時に水を要求したなら、制御装置は、出口弁２０１ｃを閉位置に維持し、バイパス制御弁２０５を開くことによってこの要求に応え、これによって、第１の使用温度の水がヒーターを通らずにリザーバーから備品２７２ｃに供給されることになる。

いったん最初に水を要求した備品が該要求が果たされたことを示す信号を送信したなら、制御装置２５２は、設定温度を第１の使用温度に戻し、アイドルモード操作に復帰する。

この開示に用いられる「パイプ」という用語は、圧力下で流動液体を移送することができる任意の要素を含むと理解されたい。従って、「パイプ」という用語は、非円形断面の柔軟なホース、導管及びチューブ、並びに円形断面の一般的な剛性パイプのような構造体を含むことになる。

本発明によるシステム、ユニット、及び方法は、水以外の流体を加熱するために適用されてもよい。また、「冷（cold）」及び「温（hot）」という用語は、本発明の用途が通常の配管システムに適用された場合の温度範囲に制限されるものではない。例えば、溶融金属又は溶融塩のような液体を取り扱う工業システムにおいて、「冷」液体は、数百℃の温度の場合もあり、「温」液体は、更に高い温度の場合もある。

以下の段落において、本発明のいくつかの付加的な態様が記載されている。

リザーバーと、リザーバーに連通する冷液供給源と、リザーバーの頂部に隣接するレベルでリザーバーに連通するリザーバー引出し接続部を介してリザーバーに接続された入口と１つ又は複数の備品に接続された出口とを有するヒーターと、ヒーターの出口に接続された加熱液体戻り接続部であって、リザーバー引出し接続部のレベルの下方において流体をリザーバーに戻すようにリザーバーと連通する、加熱液体戻り接続部と、出口における液体を設定温度にするために入口から出口に流れる液体に熱を供給するようにヒーターを作動するように操作可能な制御装置と、を備える液体加熱システムであって、ヒーター、ポンプ、及び接続部は、リザーバーからの液体がリザーバー引出し接続部を介してのみヒーターを通って流れ、リザーバー戻り接続部を介してのみヒーターからリザーバーに流れるように構成且つ配置されている、液体加熱システム。

加熱液体供給システムを操作する方法であって、
（ａ）アイドルモードにおいて、液体をリザーバーからヒーターの入口に引き出し、液体を加熱するようにヒーターを作動させ、液体をリザーバーに戻し、リザーバー内の液体が第１の設定温度に達するようにヒーターの作動を制御するステップと、
（ｂ）供給モードにおいて、冷液とリザーバーからの液体の混合物を供給するために、液体をリザーバーからヒーター内に引き出すと共に第１の設定温度よりも低い温度の冷液をリザーバーに供給し、混合物を第１の設定温度以上の設定温度に加熱するようにヒーターを制御し、ヒーターが設定加熱速度で作動するように混合物におけるリザーバーからの液体（ｉ）と冷液（ｉｉ）との比率を制御し、加熱された混合物の少なくとも一部を備品に放出するステップと、
を含む方法。

アイドルモード及び供給モードのいずれにおいてもリザーバーからヒーターに液体を引き出すステップは、リザーバーの頂部に隣接する箇所から液体を引き出すことを含む、段落００４９に記載の方法。

（ａ）リザーバーと、
（ｂ）リザーバーに連通する冷液供給源と、
（ｃ）リザーバーに接続された入口及び１つ又は複数の備品に接続された出口を有するヒーターと、
（ｄ）冷液供給源と前記ヒーターの前記入口との間に接続された冷液吸込接続部と、
（ｅ）ヒーターの出口とリザーバーとの間に接続された戻り接続部と、
（ｆ）ヒーターに直列に接続されたポンプであって、リザーバーから液体を引き出し、該液体を所定の下流方向においてヒーター及びリザーバーの戻り接続部を通ってリザーバーに送り出すことができる、ポンプと、
（ｇ）ヒーターを作動させ、入口から出口に流れる液体に熱を供給し、ヒーターによって液体に供給される熱量を加熱速度の範囲内において変化させるように操作可能な制御装置であって、ヒーターの入口に供給されるリザーバーからの液体（ｉｉ）に対する冷液吸込接続部からの冷液（ｉ）の比率を制御し、これによって、ヒーターの出口から放出される液体を設定温度又はその近傍に維持しながら、ヒーターの加熱速度を設定加熱速度又はその近傍に維持するように、操作可能である、制御装置と、
を備える液体加熱システム。

ヒーターは、リザーバーの頂部に隣接してリザーバーに接続されている、段落００５１に記載のシステム。

以上、本発明を特定の実施形態を参照して説明してきたが、これらの実施形態は、本発明の原理及び用途の単なる例示にすぎないことを理解されたい。それ故、添付の請求項に記載される本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、例示的な実施形態に対して多くの修正がなされてもよく、他の構成が考案されてもよいことを理解されたい。

Claims (22)

1. （ａ）リザーバーと、
   （ｂ）前記リザーバーに連通する冷液供給源と、
   （ｃ）前記リザーバーに接続された入口及び１つ又は複数の備品に接続された出口を有するヒーターと、
   （ｄ）前記ヒーターの前記出口と前記リザーバーとの間に接続された加熱液体戻り接続部と、
   （ｅ）前記ヒーターに直列に接続されたポンプであって、液体を前記リザーバーから引出し、該液体を所定の下流方向において前記ヒーター及び前記戻り接続部を通して前記リザーバーに送り出すことができる、ポンプと、
   （ｆ）前記出口における液体を設定温度にするために前記入口から前記出口に流れる液体に熱を供給するように前記ヒーターを作動させるように操作可能な制御装置であって、 前記戻り接続部及び前記ポンプは、前記ヒーターの前記出口から前記リザーバーへの液体流れを可能にし、前記リザーバーから前記戻り接続部を通る前記備品への液体流れを防ぐように、構成且つ配置されている、制御装置と、
   を備える液体加熱システム。
2. 前記戻り接続部は、逆止弁を備える、請求項１に記載のシステム。
3. 前記リザーバー内の液体を超大気圧下に保持するために、前記リザーバーは、閉鎖され、前記冷液供給源は、加圧下の冷液を供給するように構成されている、請求項２に記載のシステム。
4. 前記リザーバーが大気に開放され、これによって、前記リザーバー内の液体が大気圧下にある、請求項１に記載のシステム。
5. 前記ポンプは、液体を前記ヒーターを通して前記１つ又は複数の備品に送り出すように操作可能である、請求項４に記載のシステム。
6. 液体を前記ヒーターの前記出口から引き出す前記備品の１つ又は複数の作動を検出するように作動するデマンド型センサを更に備え、前記制御装置は、前記備品のいずれもが作動していない時に液体を前記ヒーター内に送るために第１のポンプ送給電力で前記循環ポンプを作動させ、前記備品の１つ又は複数が作動している時に第１のポンプ送給電力よりも高い第２のポンプ送給電力によって前記循環ポンプを作動させるように、操作可能である、請求項５に記載のシステム。
7. 前記リザーバーは、未燃焼型である、請求項１に記載のシステム。
8. 前記リザーバーは、積重ね型リザーバー、折畳み型リザーバー、及び現地組立型リザーバーからなる群から選択される、請求項７に記載のシステム。
9. 前記制御装置は、前記センサによって検出された温度に応じて、前記ヒーターによって液体に供給される熱量を非ゼロ加熱速度の範囲内において変化させるように、操作可能である、請求項１に記載のシステム。
10. 前記冷液供給源と前記ヒーターの前記入口との間に接続された冷液吸込接続部を更に備え、前記制御装置は、前記吸込接続部を通る冷液流れを供給するように前記冷液吸込接続部を作動させるように操作可能であり、これによって、冷液と前記リザーバーからの液体との混合物が前記ヒーターの前記入口に供給される、請求項９に記載のシステム。
11. 前記制御装置は、前記リザーバーから前記ヒーターの前記入口に供給される液体（ｉｉ）に対する前記冷液吸込接続部からの冷液（ｉ）の比率を制御し、これによって、前記ヒーターから放出される液体を前記設定温度又はその近傍に維持しながら、前記ヒーターの加熱速度を設定加熱速度又はその近傍に維持するように、操作可能である、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記ヒーターの前記出口から流出する液体の温度を検出するように操作可能な温度センサを更に備え、前記制御装置は、前記温度を前記設定温度に維持するために及び前記ヒーターによって与えられる前記加熱速度に応じて前記比率を制御するために前記ヒーターによって与えられる前記加熱速度を調整するように、操作可能である、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記制御システムは、前記備品の１つ又は複数に適用される条件を表す制御入力値に応じて前記設定温度を変更するように、操作可能である、請求項１に記載のシステム。
14. 前記制御システムは、前記ヒーターの前記出口から液体を引き出す前記備品のそれぞれの作動を表す制御入力値に応じて前記設定温度を変更するように、操作可能である、請求項１に記載のシステム。
15. 前記ヒーターから流出する液体の温度を検出するように操作可能な温度センサを更に備え、前記制御システムは、前記センサによって検出された温度が前記設定温度又はその近傍にあり、前記ヒーターが熱を供給していない時、前記ポンプ及び前記ヒーターを停止させるように、操作可能である、請求項１に記載のシステム。
16. 前記リザーバーから前記ヒーターに流れる液体の温度を検出するように操作可能な温度センサを更に備え、前記制御システムは、前記センサによって検出された温度が前記設定温度又はその近傍にある時、前記ポンプ及び前記ヒーターを停止するように、操作可能である、請求項１に記載のシステム。
17. 前記制御システムは、前記センサによって検出された前記温度と無関係に所定の停止期間の後前記ポンプを再び始動し、次いで、前記センサによって検出された温度に応じて、（ｉ）前記ポンプを作動状態に維持し且つ前記ヒーターを作動させるか又は（ｉｉ）前記ポンプを再び停止するように、操作可能である、請求項１５又は１６に記載のシステム。
18. 前記ヒーターの前記出口から液体を引き出す前記備品の１つ又は複数の作動を検出し、要求の検出に応じて前記設定温度を上昇させるように操作可能なデマンド型センサを更に備え、これによって、前記ヒーターは、前記タンク内に貯留された液体の温度よりも高い温度の加熱された液体を前記備品に供給する、請求項１に記載のシステム。
19. 液体加熱システムに用いられる加熱ユニットであって、
    （ａ）フレームと
    （ｂ）前記フレームに取り付けられる構成部品であって、
    （ｉ）入口及び出口を有するヒーターと、
    （ｉｉ）前記ヒーターの前記出口に接続された出口端接続部のアセンブリであって、リザーバー戻り接続点及び備品接続点を含む、出口端接続部のアセンブリと、
    （ｉｉｉ）前記ヒーターの前記入口に連通するリザーバー引出し接続点を画定する入口端接続部と、
    （ｉｖ）前記ヒーターに直列に接続されたポンプであって、前記ポンプは、液体を前記入口端接続部から前記ヒーターを通して前記出口端接続部に送り出すように操作可能であり、前記出口端接続アセンブリは、前記ヒーターの前記出口から前記リザーバー戻り接続点への液体流れを可能にし、前記リザーバー戻り接続点から前記ヒーターの前記出口及び前記備品接続点への液体流れを防ぐように配置されている、ポンプと、
    （ｖｉ）前記出口を通る液体を設定温度に維持するために、前記入口から前記出口に流れる液体に熱を供給するように前記ヒーターを作動させるように操作可能な制御装置と、
    を含む構成部品と、
    を備える加熱ユニット。
20. 前記出口端接続部は、前記ヒーターの前記出口と前記リザーバー戻り接続点との間に逆止弁を備える、請求項１９に記載のユニット。
21. 前記フレームは、筐体を画定し、前記ヒーター及び前記ポンプは、前記筐体内に配置され、前記接続点は、前記筐体の外側からアクセス可能になっている、請求項１９又は２０に記載のユニット。
22. 加熱液体供給システムを組み立てる方法であって、請求項１９に記載のユニットのリザーバー戻り接続点及びリザーバー引出し接続点を前記ユニットと別に形成されたリザーバーに接続することと、前記ユニットの前記備品接続点を加熱液体を用いるように適合された１つ又は複数の備品に接続することと、を含む方法。