JP2021089106A - 真空式温水機および真空式温水機の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 装置の複雑化と大型化を抑制しながら、熱効率が高く、年間エネルギー消費量とランニングコストの低減及びＣＯ２の削減等を図れるようにする。【解決手段】 内部が大気圧以下に保持された密閉状の缶体(２)と、缶体(２)内の下部に形成されて熱媒液(３)を貯留する熱媒液槽(４)と、缶体(２)内の上部に形成された減圧蒸気室(５)と、減圧蒸気室(５)に配置されて発生した蒸気を水との熱交換により凝縮して液化させる温水熱交換器(６)と、缶体(２)内の熱媒液(３)を加熱蒸発させる加熱手段(７)とを備える。熱媒液槽(４)と温水熱交換器(６)との間に、温水熱交換器(６)で凝縮された熱媒液(３)を受け止める受液槽(８)が配置してある。加熱手段(７)は受液槽(８)内に配置されている加熱器(９)を備えている。【選択図】 図１

Description

本発明は、内部が大気圧以下に保持された密閉状の缶体と、缶体内の下部に形成された熱媒液を貯留する熱媒液槽と、缶体内の上部に形成された減圧蒸気室と、熱媒液槽内の熱媒液を加熱蒸発させる加熱手段と、減圧蒸気室に配置されて発生した蒸気を水との熱交換により凝縮して液化させる温水熱交換器とを備え、温水発生装置として用いられる真空式温水機とその運転方法に関する。

従来、温水発生装置として用いられる真空式温水機としては、例えば、図７に示す構造のものが知られている（特許文献１参照、以下、従来技術１という。）。

即ち、前記真空式温水機は、図７に示す如く、缶体(51)、バーナ(52)、燃焼室(53)、減圧蒸気室(54)、熱媒水(55)、温水熱交換器(56)、水管(57)、抽気ポンプ（図示省略）等を備えており、缶体(51)内を抽気ポンプにより大気圧以下に減圧して真空に近い状態とし、この状態でバーナ(52)により熱媒水(55)を加熱沸騰させて減圧蒸気室(54)内にそのときの熱媒水(55)の温度と同じ蒸気を発生させ、その蒸気が温水熱交換器(56)の表面で凝縮することで温水熱交換器(56)内の給水を加熱し、温水を作るようにしたものである。
この真空式温水機は、缶体(51)内が減圧されているため、要求される温度の温水を素早く負荷側へ供給できるメリットがある。

しかし、従来技術１のように燃焼式バーナにより熱媒水を加熱している真空式温水機においては、熱効率が８０％〜９５％程度までとなる問題点があり、さらに、缶体容量や使用燃料に応じたバーナの選定が必要となるため、多種類のバーナを用意しておく必要があるという問題点もある。

上記の熱効率を高めるため、燃焼排ガス中に含まれる水蒸気の潜熱を回収する熱回収装置を付設することが提案されている（特許文献２参照、以下、従来技術２という。）。しかし従来技術２では、熱回収装置を別個に設けるため装置全体が大型化するうえ、燃焼排ガスが熱交換により低温となるため白煙が生じたり、燃焼排ガス中の水蒸気が凝縮するため発生する凝縮液の中和処理装置や腐食対策が必要になる問題点がある。

また、熱効率を高めるため、ヒートポンプ給湯器などの高温水と補助用の燃焼式バーナとを用いる真空式温水機の発明がある（特許文献３参照、以下、従来技術３という。）。この従来技術３は前記高温水を主熱源としており、燃焼式バーナを補助的に使用しているため、缶体効率が高く、年間エネルギー消費量とランニングコストの低減及びＣＯ_２の削減を図ることができる利点がある。しかし従来技術３では、熱媒液槽を燃焼用バーナのための熱媒液槽と、高温水用の熱媒液槽との二つの槽に区画していることから、装置が大型化する問題がある。さらに、前記温水熱交換器を低温側と高温側とに分け、低温側温水交換器の下方位置の高温水用熱媒液槽に温水交換器で凝縮した熱媒液を導く構造となっており、温水熱交換器を二つに分割するため装置が複雑化、大型化する問題もある。

また、減圧蒸気室に排ガスが流通する伝熱管を設け、前記伝熱管に温水熱交換器で凝縮した熱媒液を散布することで、熱効率を向上させる真空式温水機が提案されている（特許文献４参照、以下、従来技術４という。）。しかしこの従来技術４では、減圧蒸気室の熱交換器の下方に凝縮熱媒液受皿と散布装置と上記の伝熱管とを配置しなければならず、真空式温水機の缶体が大型化する問題がある。しかも、上記伝熱管は減圧蒸気室内の蒸気中で散布される熱媒液と熱交換されるため熱媒液との接触時間が短く、熱交換効率を高めることが容易でない問題もある。

特開平１１−３３７００２号公報 特開２０１２−１０２９０６号公報 特許６３５９３２１号公報 特開２００１−１７４０５６号公報

本発明は、これらの問題点に鑑みて為されたものであり、装置の複雑化と大型化を抑制しながら、熱効率が高く、年間エネルギー消費量とランニングコストの低減及びＣＯ_２の削減等を図れるようにした真空式温水機とその運転方法を提供することにある。

本発明は前記課題を解決するために、次のように構成したものである。
即ち本発明１に係る真空式温水機は、内部が大気圧以下に保持された密閉状の缶体と、缶体内の下部に形成されて熱媒液を貯留する熱媒液槽と、缶体内の上部に形成された減圧蒸気室と、減圧蒸気室に配置されて発生した蒸気を水との熱交換により凝縮して液化させる温水熱交換器と、缶体内の熱媒液を加熱蒸発させる加熱手段とを備えた真空式温水機であって、前記熱媒液槽と温水熱交換器との間に前記温水熱交換器で凝縮された熱媒液を受け止める受液槽が配置してあり、前記加熱手段は前記受液槽内に配置されている加熱器を備えていることを特徴とする。

前記缶体内には熱媒液槽と温水熱交換器との間に受液槽が配置されるが、前記加熱器は前記受液槽内に格納されるので、例えば前記従来技術４と比較して、真空式温水機は過剰に大型化、複雑化することが抑制される。前記温水熱交換器で凝縮され滴下した凝縮熱媒液は、前記受液槽に受け止められ、受液槽内で前記加熱器により加熱されて蒸発する。このとき、受液槽内の熱媒液は、温水熱交換器での熱交換により凝縮して滴下した直後であるので低温であるうえ、加熱器が熱媒液中に配置されているので、効率よく熱交換され加熱される。

なお、前記受液槽は、温水熱交換器から滴下する凝縮熱媒液の全量または大半を受け止めるように、温水熱交換器の下方全体または少なくとも温水熱交換器の水入口側を含む大部分を覆うように配置されるのが好ましい。

前記真空式温水機は、前記受液槽内の熱媒液を前記加熱器の周囲で流動させる流動手段を備えると、前記加熱器の表面で熱媒液が入れ替わるため効率よく加熱器で加熱されて、好ましい。

前記流動手段は、例えば受液槽内に配置された撹拌装置や、受液槽の一方の端部から取り出した熱媒液を他方の端部へ循環させる循環ポンプを備えた熱媒循環路などであってもよく、任意の構成を採用することができる。しかし、前記受液槽が一方の端部に排出部を備え、前記流動手段が前記排出部に向かって下り傾斜となる受液槽底面であると、受液槽に受け止められた凝縮熱媒液は重力の作用で受液槽底面に沿って排出部側へ移動し、加熱器の周囲を自然に流動するため、簡単な構造でありながら、熱媒液が流動して効率よく加熱器で加熱されて好ましい。

前記排出部を設ける受液槽の一方の端部は、前記温水熱交換器の水入口側とは反対側の端部に設けると、温水熱交換器の水入口側の、低温の水で冷却され滴下する多量の凝縮熱媒液が排出部とは反対側に受け止められ、受液槽内を排出部側へ流動する間に加熱器で良好に加熱されるので好ましい。

前記加熱器は、前記受液槽内に配置されて受液槽内の熱媒液を加熱する装置であればよく、特定の加熱装置に限定されない。例えば、加熱器は電気ヒータなどであっても良い。しかし前記加熱器が、高温の流体が内部を流通する配管を備えていると、熱媒液と効率よく熱交換できて好ましい。なお、本発明にいう加熱器の配管の内部を流通する高温の流体とは、前記減圧された缶体内での前記熱媒液の蒸発温度よりも高温の流体をいう。

特に、前記高温の流体がヒートポンプの冷媒であり、前記加熱器が、ヒートポンプの冷媒を冷却するための冷媒熱交換器、すなわち凝縮器であると、例えば凝縮器を用いた温水設備などを別途必要とせず、簡単でコンパクトな構成にできるうえ、ヒートポンプで発生する熱量が直接的に利用されるので、熱媒液が効率よく加熱されて好ましい。

また前記高温の流体としては、ヒートポンプの冷媒のほか、高温水が好ましく用いられるが、燃焼式バーナから排出される排ガスなどの高温ガスであってもよい。なお、前記高温水とは、具体的には例えば、ヒートポンプ給湯機により得られた高温水、コージェネレーションシステムのエンジン冷却水、太陽熱温水器により得られた高温水、温泉水、その他の高温水などをいう。

前記受液槽内の熱媒液を前記加熱器の周囲で流動させている場合に、前記加熱器がヒートポンプの凝縮器であるなど、高温の流体が内部を流通する加熱器である場合は、加熱器内を高温流体が流通する方向が、加熱器の周囲を熱媒液が流動する方向と対向していると、加熱器の全体にわたって高温流体と熱媒液との間の温度差が大きく維持され、効率よく加熱できて好ましい。

前記本発明１の真空式温水機は、前記加熱手段が、前記熱媒液槽内の熱媒液を加熱蒸発させる補助用加熱装置をさらに備え、前記熱媒液槽内の熱媒液温度を検出する液温検出器と、前記液温検出器の検出液温に基づき前記補助用加熱装置を駆動する制御装置とを備え、前記熱媒液槽内の熱媒液が設定温度以下になったときに、前記制御装置が前記補助用加熱装置を駆動して前記熱媒液槽内の熱媒液を加熱することを特徴とすることができる。

また本発明２の真空式温水機の運転方法は、内部が大気圧以下に保持された密閉状の缶体と、缶体内の下部に形成され、熱媒液を貯留する熱媒液槽と、缶体内の上部に形成された減圧蒸気室と、減圧蒸気室に配置され、発生した蒸気を水との熱交換により凝縮して液化させる温水熱交換器と、前記熱媒液槽と温水熱交換器との間に配置され、前記温水熱交換器で凝縮された熱媒液を受け止める受液槽と、前記受液槽内に配置された加熱器と、前記熱媒液槽内の熱媒液を加熱する補助用加熱装置とを備える真空式温水機の運転方法であって、前記熱媒液槽内の熱媒液が設定温度以下になったときに、前記補助用加熱装置を駆動して前記熱媒液槽内の熱媒液を加熱することを特徴とする。

ここで、本発明において、前記補助用加熱装置としては、多量の熱媒液を速やかに加熱できる装置が用いられ、例えば燃焼式バーナが好ましいが、電気ヒータなどであっても良い。なお、燃焼式バーナのように火力の強い補助用加熱装置は、熱媒液槽の熱媒液を激しく沸騰させるため、その沸騰した熱媒液が前記温水熱交換器に飛散すると熱媒液蒸気の凝集熱伝達が阻害される恐れがある。しかし本発明では、熱媒液槽と温水熱交換器との間に受液槽が配置してあるので、熱媒液槽の熱媒液が激しく沸騰してもその飛散による熱伝達の低下のおそれがなく、好ましい。

前記補助用加熱装置と液温検出器とを備えた真空式温水機および本発明２の真空式温水機の運転方法では、前記受液槽内の熱媒液は前記加熱器により加熱され蒸発するが、真空式温水機から多量の温水が取り出されるなど、温水熱交換器での負荷が加熱器の加熱能力よりも大きい場合は、受液槽内の液量が多くなり、その貯留液量が設定上限液量を超えるとオーバーフローして、例えば一方の端部の排出部から下方の熱媒液槽へ排出される。そして熱媒液槽内の熱媒液の温度が設定温度以下になると、前記補助用加熱装置が駆動され、熱媒液槽内の熱媒液が加熱され蒸発される。この結果、前記受液槽内で加熱され蒸発した熱媒液蒸気と、前記熱媒液槽内で加熱され蒸発した熱媒液蒸気とで、前記温水熱交換器内を流通する水が効率よく加熱され、真空式温水機から多量の温水が取り出される。

なお、真空式温水機から取り出される温水が少なくなり、前記受液槽内で加熱され蒸発した熱媒液蒸気により、温水熱交換器を流通する水が十分に加熱されるようになると、前記補助用加熱装置の運転を低下もしくは休止することができ、真空式温水機全体を一層効率よく運転することができる。

上記のように温水熱交換器での負荷が大きい場合は、受液槽内の液量が多くなり、その貯留液量が予め設定された上限液量を超えるとオーバーフローする。従って、そのオーバーフローの有無など、受液槽内の液量を把握することにより、温水熱交換器での負荷が大きいことを判定して、前記補助用加熱装置を駆動するように構成してもよい。

即ち、前記本発明１の真空式温水機は、前記加熱手段が、前記熱媒液槽内の熱媒液を加熱蒸発させる補助用加熱装置をさらに備え、前記受液槽内の熱媒液の液量を計測もしくは推定する液量把握装置と、前記液量把握装置の把握液量に基づき前記補助用加熱装置を駆動する制御装置とを備え、前記受液槽内の熱媒液が設定上限液量を超えたときに、前記制御装置が前記補助用加熱装置を駆動して前記熱媒液槽内の熱媒液を加熱することを特徴とすることができる。

この場合、受液槽内の熱媒液の液量を計測もしくは推定する液量把握装置としては、受液槽内の熱媒液の液量が設定液量に達したかを検出できればよく、例えば、受液槽の液位を検出する装置や、受液槽からのオーバーフロー等による流出を検出する装置などであってもよく、さらには、熱媒液槽の熱媒液温度や、加熱器から送り出される高温流体の温度などから間接的に液量を推定する装置であってもよい。

また本発明３の真空式温水機の運転方法は、内部が大気圧以下に保持された密閉状の缶体と、缶体内の下部に形成され、熱媒液を貯留する熱媒液槽と、缶体内の上部に形成された減圧蒸気室と、減圧蒸気室に配置され、発生した蒸気を水との熱交換により凝縮して液化させる温水熱交換器と、前記熱媒液槽と温水熱交換器との間に配置され、前記温水熱交換器で凝縮された熱媒液を受け止める受液槽と、前記受液槽内に配置された加熱器と、前記熱媒液槽内の熱媒液を加熱する補助用加熱装置とを備える真空式温水機の運転方法であって、前記受液槽内の熱媒液が設定上限液量を超えたときに、前記補助用加熱装置を駆動して前記熱媒液槽内の熱媒液を加熱することを特徴とする。

前記補助用加熱装置と液量把握装置とを備えた真空式温水機および本発明３の真空式温水機の運転方法では、本発明２と同様に、前記受液槽内の熱媒液は前記加熱器により加熱され蒸発するが、真空式温水機から多量の温水が取り出されるなど、温水熱交換器での負荷が加熱器の加熱能力よりも大きい場合は、受液槽内の液量が多くなり、その貯留液量が設定上限液量を超えるとオーバーフローして、例えば一方の端部の排出部から下方の熱媒液槽へ排出される。そして、受液槽内の液量が設定上限液量を超えたことを前記液量把握装置が把握したとき、前記補助用加熱装置が駆動され、熱媒液槽内の熱媒液が加熱され蒸発される。この結果、前記受液槽内で加熱され蒸発した熱媒液蒸気と、前記熱媒液槽内で加熱され蒸発した熱媒液蒸気とで、前記温水熱交換器内を流通する水が効率よく加熱され、真空式温水機から多量の温水が取り出される。

なお、真空式温水機から取り出される温水が少なくなり、前記受液槽内で加熱され蒸発した熱媒液蒸気により、温水熱交換器を流通する水が十分に加熱されるようになると、本発明２と同様に、前記補助用加熱装置の運転を低下もしくは休止することができ、真空式温水機全体を一層効率よく運転することができる。

前記本発明１の真空式温水機は、前記熱媒液槽と前記受液槽との間に循環ポンプを備える熱媒液供給路を設け、前記受液槽内の熱媒液の液量を計測もしくは推定する液量把握装置と、前記熱媒液槽内の熱媒液温度を検出する液温検出器と、前記液量把握装置の把握液量と前記液温検出器の検出液温とに基づき前記循環ポンプを駆動する制御装置とを備え、前記受液槽内の熱媒液が設定下限液量を下回っていると把握されるとともに、前記熱媒液槽内の熱媒液が設定温度以下になったときに、前記制御装置が前記循環ポンプを駆動して前記熱媒液槽内の熱媒液を前記受液槽に供給することを特徴とすることができる。

また、本発明４の真空式温水機の運転方法は、内部が大気圧以下に保持された密閉状の缶体と、缶体内の下部に形成され、熱媒液を貯留する熱媒液槽と、缶体内の上部に形成された減圧蒸気室と、減圧蒸気室に配置され、発生した蒸気を水との熱交換により凝縮して液化させる温水熱交換器と、前記熱媒液槽と温水熱交換器との間に配置され、前記温水熱交換器で凝縮された熱媒液を受け止める受液槽と、前記受液槽内に配置された加熱器と、前記熱媒液槽と前記受液槽との間に配置された循環ポンプを有する熱媒液供給路とを備える真空式温水機の運転方法であって、前記受液槽内の熱媒液が設定下限液量を下回るとともに、前記熱媒液槽内の熱媒液が設定温度以下であるとき、前記循環ポンプを駆動して前記熱媒液槽内の熱媒液を前記受液槽に供給することを特徴とする。

前記真空式温水機を、起動時や待機時などの無負荷時や低負荷時に運転する際には、減圧蒸気室内で温水熱交換器との熱交換により冷却されて滴下する凝縮熱媒液が少なくなる。一方、受液槽内の熱媒液は、前記加熱器により通常運転時と同様に加熱され蒸発していく。この結果、受液槽内の熱媒液の多くが蒸発してしまい、加熱器が熱媒液の蒸気と熱交換することとなって加熱効率が低下するおそれがある。特に、加熱器がヒートポンプの凝縮器である場合、凝縮器内を流通する冷媒が受液槽内の熱媒液で十分に冷却されないと、冷媒温度が上昇してヒートポンプが停止するおそれもある。

これに対し、前記循環ポンプを有する熱媒液供給路を備えた真空式温水機および本発明４の真空式温水機の運転方法では、受液槽内の熱媒液の液量が設定下限液量より少なくなると、前記循環ポンプが駆動され、熱媒液槽内から低温の熱媒液が熱媒液供給路を介して受液槽に供給されるので、加熱器による加熱効率の低下が抑制される。またこれにより、加熱器を流通する高温流体が十分に冷却されなくなることが防止される。従って、例えば加熱器としてヒートポンプの凝縮器を用いた場合であっても、加熱器である凝縮器を流通する冷媒の温度が過剰に上昇することがなく、ヒートポンプが停止するおそれが抑制される。そして、無負荷時や低負荷時の運転であっても、受液槽内の熱媒液が加熱器により効率よく加熱されているので、真空式温水機を正常運転に切り替える際に、速やかに所望温度の温水を取り出すことができて好ましい。

本発明の真空式温水機とその運転方法は、温水熱交換器で凝縮された熱媒液を受け止める受液槽を熱媒液槽と温水熱交換器との間に配置し、高温流体が流通する加熱器を前記受液槽内に配置しているので、真空式温水機を過剰に大型化、複雑化することを抑制できる。しかも、受液槽に受け止められた熱媒液は、温水熱交換器で凝縮して滴下した直後であるので低温であるうえ、熱媒液中の加熱器により加熱されるので、熱効率が高く、年間エネルギー消費量とランニングコストの低減及びＣＯ_２の削減等を図ることができる。

本発明の実施形態に係る真空式温水機を示し、真空式温水機の一部を省略した縦断正面図である。 図１のＡ−Ａ線矢視断面図である。 本発明の実施形態の、温水熱交換器と加熱器近傍の概略構成を示す一部破断斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る真空式温水機を示す、真空式温水機の一部を省略した縦断正面図である。 本発明の更に他の実施形態に係る真空式温水機を示す、真空式温水機の一部を省略した縦断正面図である。 本発明の更に他の実施形態に係る真空式温水機を示す、図２相当図である。 従来の真空式温水機の縦断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１〜図３は本発明の実施形態に係る真空式温水機を示し、当該真空式温水機(１)は、内部が大気圧以下に保持された密閉状の缶体(２)と、缶体(２)内の下部に形成され、熱媒液(３)（例えば、水）を貯留する熱媒液槽(４)と、缶体(２)内の上部に形成され抽気ポンプ（図示省略）により減圧された減圧蒸気室(５)と、減圧蒸気室(５)に配置され、発生した蒸気を水との熱交換により凝縮して液化させる温水熱交換器(６)と、缶体(２)内の熱媒液(３)を加熱蒸発させる加熱手段(７)とを備える。そして、前記減圧蒸気室(５)内には、前記熱媒液槽(４)と温水熱交換器(６)との間に、この温水熱交換器(６)で凝縮された熱媒液(３)を受け止める受液槽(８)が配置してあり、前記加熱手段(７)はこの受液槽(８)内に配置されている加熱器(９)を備えている。

前記温水熱交換器(６)は、減圧蒸気室(５)に水平姿勢で配置されており、缶体(２)の側壁面に水の入口(6a)とその上方の温水の出口(6b)とが形成され、水入口(6a)が折返部(6c)を経て温水出口(6b)に接続してある。

図１と図２に示すように、前記受液槽(８)は前記温水熱交換器(６)の真下で温水熱交換器(６)の下方全体を覆う状態に、温水熱交換器(６)に沿って略水平姿勢に配置してある。この受液槽(８)は、前記水入口(6a)の下方位置にある基端(8a)側が缶体(２)の内面に固定されており、基端(8a)とは反対側の端部に排出部(8b)が形成され、この排出部(8b)に向かって下り傾斜となる受液槽底面(8c)を備えている。この傾斜した受液槽底面(8c)は、受液槽(８)内の熱媒液(３)を重力の作用により排出部(8b)側へ移動させ、受液槽(８)内の熱媒液(３)を前記加熱器(９)の周囲で流動させる流動手段(10)を構成している。なお、受液槽底面(8c)の水平面に対する傾斜角度(θ)は、熱媒液が受液槽内を流動できる角度であればよく、特定の数値に限定されない。

図１に示すように、前記加熱器(９)には、ヒートポンプ(11)の冷媒を冷却するための冷媒熱交換器である凝縮器が用いてある。即ち、前記加熱器(９)の冷媒入口(9a)にはヒートポンプ(11)の圧縮機(12)からの導入配管(13)が接続してあり、加熱器(９)の冷媒出口(9b)にヒートポンプ(11)の膨張弁(14)への導出配管(15)が接続してある。

前記加熱手段(７)は、前記熱媒液槽(４)内の熱媒液(３)を加熱蒸発させる補助用加熱装置(17)をさらに備える。また、前記缶体(２)には、前記受液槽(８)内の熱媒液(３)の液量を検出する液量把握装置(18)と、前記熱媒液槽(４)内の熱媒液(３)の液温を検出する液温検出器(19)とが付設してある。そしてこの真空式温水機(１)に、前記液量把握装置(18)の検出液量と前記液温検出器(19)の検出液温とに基づき前記補助用加熱装置(17)を駆動する制御装置(20)が設けてある。この制御装置(20)は、前記受液槽(８)内の熱媒液(３)が設定上限液量を超えるとともに、前記熱媒液槽(４)内の熱媒液(３)が設定温度以下（例えば、８０℃以下、ただし本発明ではこの温度に限定されるものではない。）になったときに、前記制御装置(20)が前記補助用加熱装置(17)を駆動して前記熱媒液槽(４)内の熱媒液(３)を加熱する。

前記補助用加熱装置(17)は、熱源である燃焼用バーナ(21)と、燃焼室である火炉(22)と、水管(23)群と、排気筒(24)とを備えており、火炉(22)と水管(23)群は前記熱媒液槽(４)内の熱媒液(３)に水没されている。燃焼用バーナ(21)が制御装置(20)により駆動されると、バーナ(21)の強い火力により、火炉(22)の周囲の熱媒液(３)と水管(23)内を流通する熱媒液(３)が速やかに加熱される。

前記真空式温水機(１)において、受液槽(８)内の熱媒液(３)は、ヒートポンプ(11)の圧縮機(12)から導入配管(13)を経て加熱器(９)に送られてきた冷媒により、ヒートポンプで発生する熱量が直接的に利用され、加熱されて蒸発する。減圧蒸気室(５)に充満した熱媒液(３)の蒸気は、表面温度が蒸気の温度よりも低くなっている温水熱交換器(６)の表面で、温水熱交換器(６)内を流通する水と熱交換され、これにより蒸気の温度まで加熱された温水が温水出口(6b)から取り出される。一方、上記の熱交換により冷却された蒸気は、温水熱交換器(６)の表面で凝縮して凝縮熱媒液(３)となり、滴下して全量が下方の受液槽(８)に受け止められ、受液槽(８)内の熱媒液(３)が設定上限液量に達するまで排出部(8b)で堰き止められる。

このとき、熱媒液(３)の液滴は、温水熱交換器(６)の表面温度が低い水入口(6a)側で多量に発生し、しかも温度が低い傾向にある。従って、温水熱交換器(６)の表面で凝縮し滴下した低温の熱媒液(３)は、受液槽底面(8c)が高い位置の基端(8a)側に多く受け止められ、受液槽(８)内を排出部(8b)側へ流動する間に加熱器(９)と効率よく熱交換され、良好に加熱されて再度蒸発する。

図３に示すように、前記加熱器(９)内を流通するヒートポンプ(11)からの冷媒は、冷媒入口(9a)から最初に受液槽(８)の排出部(8b)側に案内され、熱媒液(３)の流下とは対向する方向へ蛇行するように加熱器(９)内を流通して冷媒出口(9b)へ案内される。このため、加熱器(９)の全体にわたって高温の冷媒と受液槽(８)内を流動する熱媒液(３)との間の温度差が大きく維持され、熱媒液(３)が効率よく加熱される。なお、冷媒出口(9b)から送り出された冷媒は、前記導出配管(15)を経てヒートポンプ(11)の膨張弁(14)へ戻され、蒸発器(16)へ送られたのち、圧縮機(12)から導入配管(13)を経て再び加熱器(９)の冷媒入口(9a)へ送られる。

前記受液槽(８)内の熱媒液(３)は、受液槽(８)内を排出部(8b)側へ流動する間に前記加熱器(９)により加熱され蒸発する。このとき、温水熱交換器(６)から多量の温水が取り出されるなど、温水負荷が増加して加熱器(９)の加熱能力よりも大きくなると、温水熱交換器(６)の表面で凝縮し滴下する熱媒液(３)が多量となる。そして、受液槽(８)内の熱媒液(３)が増加して設定上限液量を超えると、排出部(8b)からオーバーフローして下方の熱媒液槽(４)へ排出される。

そこで、前記液量把握装置(18)の検出結果に基づき、受液槽(８)内の熱媒液(３)が設定上限液量（例えば、オーバーフローを開始する液量）を超えたとき、前記制御装置(20)は、補助用加熱装置(17)を駆動して熱媒液槽(４)内の熱媒液(３)を加熱する。或いは、前記液温検出器(19)の検出結果に基づき、熱媒液槽(４)内の熱媒液(３)が設定温度以下（例えば、８０℃以下）になったとき、前記制御装置(20)は、補助用加熱装置(17)を駆動して熱媒液槽(４)内の熱媒液(３)を加熱する。なお、設定上限液量がオーバーフローを開始する液量である場合は、液量把握装置(18)はオーバーフローを検出する装置、例えば排出部(8b)からの熱媒液(３)の排出を検出する装置であっても良い。なお、この実施形態では、液量把握装置(18)と液温検出器(19)の両方を設けたが、いずれも温水負荷が増加したことを検出できるので、本発明では、いずれか一方を設けたものであってもよい。

前記補助用加熱装置(17)は燃焼用バーナ(21)を熱源としているので、熱媒液槽(４)内の熱媒液(３)は速やかに加熱され、増加した温水負荷に対して不足する加熱器(９)の加熱能力が良好に補われる。即ち、前記受液槽(８)内で加熱され蒸発した熱媒液蒸気と、熱媒液槽(４)内で加熱され蒸発した熱媒液蒸気とで、前記温水熱交換器(６)内を流通する水が効率よく加熱され、温水出口(6b)から多量の温水が取り出される。

そして、温水負荷が低下して加熱器(９)の加熱能力よりも小さくなると、温水熱交換器(６)の表面から滴下する凝縮熱媒液(３)が少なくなり、受液槽(８)内の熱媒液(３)が設定上限液量よりも少なくなって、排出部(8b)からのオーバーフローが停止する。これにより、受液槽(８)内の熱媒液(３)が設定上限液量以下となったことを前記液量把握装置(18)が検出すると、制御装置(20)は前記補助用加熱装置(17)の駆動を停止する。或いは、熱媒液槽(４)内の熱媒液(３)が設定温度を超えたことを前記液温検出器(19)が検出すると、制御装置(20)は前記補助用加熱装置(17)の駆動を停止する。この結果、燃焼式バーナ(21)を用いる補助用加熱装置(17)は、温水負荷が高いときにのみ駆動されるので、缶体効率の向上、年間エネルギー消費量とランニングコストの低減及びＣＯ_２の削減を図ることができる。

前記燃焼式バーナ(21)を用いた補助用加熱装置(17)は、熱媒液槽(４)の熱媒液(３)を激しく沸騰させる。しかし、前記温水熱交換器(６)は下方全体が受液槽(８)で覆われているため、熱媒液槽(４)の液面で沸騰した熱媒液(３)が飛散して温水熱交換器(６)に降りかかるおそれがない。これにより、熱媒液(３)が沸騰し飛散しても温水熱交換器(６)表面での熱伝達の低下が防止される。

図４は本発明の他の実施形態に係る真空式温水機を示し、当該真空式温水機(１)は、熱媒液槽(４)と受液槽(８)との間に、循環ポンプ(25)を備える熱媒液供給路(26)を設けてある。また缶体(２)には、前記の実施形態と同様、受液槽(８)内の熱媒液(３)の液量を検出する液量把握装置(18)と、熱媒液槽(４)内の熱媒液(３)の液温を検出する液温検出器(19)とが付設してある。この真空式温水機(１)に設けてある制御装置(20)は、前記の実施形態と異なり、受液槽(８)内の熱媒液(３)が設定下限液量を下回るとともに、熱媒液槽(４)内の熱媒液(３)が設定温度以下になったときに、前記循環ポンプ(25)を駆動して熱媒液槽(４)内の熱媒液(３)を受液槽(８)に供給する。その他の構成は図１〜図３に示す真空式温水機の前記実施形態と同様構造に構成されているため、図１〜図３に示す真空式温水機と同じ部位・部材には同一の参照番号を付し、その詳細な説明を省略する。

この真空式温水機(１)は、通常の温水負荷や高い温水負荷の場合は、図１〜図３に示す真空式温水機と同じように操作され、機能する。一方、この真空式温水機(１)を起動時や待機時などの無負荷時や低負荷時に運転する場合は、制御装置(20)により前記循環ポンプ(25)が駆動され、熱媒液槽(４)内から低温の熱媒液(３)が熱媒液供給路(26)を介して受液槽(８)に供給される。

即ち、通常、真空式温水機(１)を起動時や待機時などの無負荷時や低負荷時に運転する際は、温水熱交換器(６)への水の供給が停止されるか僅かであるので、温水熱交換器(６)との熱交換により冷却されて滴下する凝縮熱媒液(３)が少なくなる。また無負荷時や低負荷時は、補助用加熱装置(17)を駆動する必要がないので熱媒液槽(４)内の熱媒液(３)は低温となっている。一方、受液槽(８)内の熱媒液(３)は、加熱器(９)により通常運転時と同様に加熱され蒸発していく。そして、受液槽(８)内の熱媒液(３)の多くが蒸発し、少量となって設定下限液量を下回るとともに、熱媒液槽(４)内の熱媒液(３)が設定温度以下になったとき、制御装置(20)が前記循環ポンプ(25)を駆動して熱媒液槽(４)内の熱媒液(３)を熱媒液供給路(26)から受液槽(８)に供給する。

受液槽(８)内の加熱器(９)は、大部分が熱媒液(３)から露出してしまうと減圧蒸気室(５)内の熱媒液蒸気と熱交換することとなって、加熱効率が低下するおそれがあるが、受液槽(８)内の熱媒液(３)が少なくなると、熱媒液槽(４)から熱媒液供給路(26)を経て低温の熱媒液(３)が供給されるので、加熱器(９)は熱媒液(３)に浸漬され続け、加熱効率の低下が抑制される。また、加熱器(９)を流通するヒートポンプ(11)の冷媒は、低温の熱媒液(３)と効率よく熱交換されて冷却されるので、冷媒温度の上昇によるヒートポンプ(11)の停止が防止される。そして、無負荷時や低負荷時の運転であっても、受液槽(８)内の熱媒液(３)が加熱器(９)により効率よく加熱されているので、真空式温水機(１)を正常運転に切り替える際に、温水熱交換器(６)から速やかに所望温度の温水が取り出される。

なお、上記の設定下限液量とは、例えば、加熱器(９)の大部分が露出してしまう液量など、加熱器(９)の加熱効率が低下してしまう液量をいい、例えば液位計などで測定しても良いが、加熱器(９)の冷媒出口(9b)での冷媒温度により、受液槽(８)内の熱媒液(３)が設定下限液量を下回っているかを判断しても良い。

本発明は、上記の各実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更が可能である。

例えば、上記の各実施形態においては、加熱器(９)としてヒートポンプの凝縮器を用いた。しかし本発明で用いる加熱器は、受液槽内に配置されて受液槽内の熱媒液を加熱する装置であればよく、特定の加熱装置に限定されない。例えば、内部を高温水や高温ガスなどの流体が流通する配管や、電気ヒータなどを用いることも可能である。加熱器に用いることができる高温水とは、例えば、ヒートポンプ給湯機により得られた高温水、コージェネレーションシステムのエンジン冷却水、太陽熱温水器により得られた高温水、温泉水、その他の高温水などを挙げることができる。

また、上記の各実施形態においては、受液槽(８)内の熱媒液(３)を加熱器(９)の周囲で流動させる流動手段(10)として、傾斜した受液槽底面(8c)を用いた。しかし本発明で用いる流動手段は、受液槽内の熱媒液を加熱器の周囲で流動させることができればよく、例えば、図５に示す更に他の実施形態のように、受液槽(８)の排出部(8b)から切換弁(27)と循環ポンプ(25)を経て受液槽(８)の基端(8a)側に循環させる熱媒液循環路(28)により流動手段(10)を構成しても良い。

また、上記の各実施形態においては、補助用加熱装置(17)として燃焼式バーナ(21)と、熱媒液槽(４)内の熱媒液(３)に水没されている火炉(22)と水管(23)群を備える装置を用いた。しかし本発明で用いる補助用加熱装置は、多量の熱媒液を速やかに加熱できる装置であればよく、例えば電気ヒータなどであっても良い。また、燃焼式バーナを用いる場合には、例えば図５に示す更に他の実施形態のように、火炉(22)の側方に複数の煙管(29)を熱媒液(３)に水没させて配置したものであっても良い。

１…真空式温水機
２…缶体
３…熱媒液
４…熱媒液槽
５…減圧蒸気室
６…温水熱交換器
７…加熱手段
８…受液槽
8b…排出部
8c…受液槽底面
９…加熱器
10…流動手段
11…ヒートポンプ
17…補助用加熱装置
18…液量把握装置
19…液温検出器
25…循環ポンプ
26…熱媒液供給路

Claims (11)

1. 内部が大気圧以下に保持された密閉状の缶体と、缶体内の下部に形成されて熱媒液を貯留する熱媒液槽と、缶体内の上部に形成された減圧蒸気室と、減圧蒸気室に配置されて発生した蒸気を水との熱交換により凝縮して液化させる温水熱交換器と、缶体内の熱媒液を加熱蒸発させる加熱手段とを備えた真空式温水機であって、
   前記熱媒液槽と温水熱交換器との間に前記温水熱交換器で凝縮された熱媒液を受け止める受液槽が配置してあり、
   前記加熱手段は前記受液槽内に配置されている加熱器を備えていることを特徴とする、真空式温水機。
2. 前記受液槽内の熱媒液を前記加熱器の周囲で流動させる流動手段を備える、請求項１に記載の真空式温水機。
3. 前記受液槽は一方の端部に排出部を備え、前記流動手段は前記排出部に向かって下り傾斜となる受液槽底面である、請求項２に記載の真空式温水機。
4. 前記加熱器は、高温の流体が内部を流通する配管を備えている、請求項１から３のいずれかに記載の真空式温水機。
5. 前記高温の流体はヒートポンプの冷媒であり、前記加熱器はヒートポンプの冷媒を冷却するための凝縮器である、請求項４に記載の真空式温水機。
6. 前記加熱手段は、前記熱媒液槽内の熱媒液を加熱蒸発させる補助用加熱装置をさらに備え、
   前記熱媒液槽内の熱媒液温度を検出する液温検出器と、前記液温検出器の検出液温に基づき前記補助用加熱装置を駆動する制御装置とを備え、
   前記熱媒液槽内の熱媒液が設定温度以下になったときに、前記制御装置が前記補助用加熱装置を駆動して前記熱媒液槽内の熱媒液を加熱する、請求項１から５のいずれかに記載の真空式温水機。
7. 前記加熱手段は、前記熱媒液槽内の熱媒液を加熱蒸発させる補助用加熱装置をさらに備え、
   前記受液槽内の熱媒液の液量を計測もしくは推定する液量把握装置と、前記液量把握装置の把握液量に基づき前記補助用加熱装置を駆動する制御装置とを備え、
   前記受液槽内の熱媒液が設定上限液量を超えたときに、前記制御装置が前記補助用加熱装置を駆動して前記熱媒液槽内の熱媒液を加熱する、請求項１から５のいずれかに記載の真空式温水機。
8. 前記熱媒液槽と前記受液槽との間に循環ポンプを備える熱媒液供給路を設け、
   前記受液槽内の熱媒液の液量を計測もしくは推定する液量把握装置と、前記熱媒液槽内の熱媒液温度を検出する液温検出器と、前記液量把握装置の把握液量と前記液温検出器の検出液温とに基づき前記循環ポンプを駆動する制御装置とを備え、
   前記受液槽内の熱媒液が設定下限液量を下回っていると把握されるともに、前記熱媒液槽内の熱媒液が設定温度以下になったときに、前記制御装置が前記循環ポンプを駆動して前記熱媒液槽内の熱媒液を前記受液槽に供給する、請求項１から７のいずれかに記載の真空式温水機。
9. 内部が大気圧以下に保持された密閉状の缶体と、缶体内の下部に形成され、熱媒液を貯留する熱媒液槽と、缶体内の上部に形成された減圧蒸気室と、減圧蒸気室に配置され、発生した蒸気を水との熱交換により凝縮して液化させる温水熱交換器と、前記熱媒液槽と温水熱交換器との間に配置され、前記温水熱交換器で凝縮された熱媒液を受け止める受液槽と、前記受液槽内に配置された加熱器と、前記熱媒液槽内の熱媒液を加熱する補助用加熱装置とを備える真空式温水機の運転方法であって、
   前記熱媒液槽内の熱媒液が設定温度以下になったときに、前記補助用加熱装置を駆動して前記熱媒液槽内の熱媒液を加熱することを特徴とする、真空式温水機の運転方法。
10. 内部が大気圧以下に保持された密閉状の缶体と、缶体内の下部に形成され、熱媒液を貯留する熱媒液槽と、缶体内の上部に形成された減圧蒸気室と、減圧蒸気室に配置され、発生した蒸気を水との熱交換により凝縮して液化させる温水熱交換器と、前記熱媒液槽と温水熱交換器との間に配置され、前記温水熱交換器で凝縮された熱媒液を受け止める受液槽と、前記受液槽内に配置された加熱器と、前記熱媒液槽内の熱媒液を加熱する補助用加熱装置とを備える真空式温水機の運転方法であって、
    前記受液槽内の熱媒液が設定上限液量を超えたときに、前記補助用加熱装置を駆動して前記熱媒液槽内の熱媒液を加熱することを特徴とする、真空式温水機の運転方法。
11. 内部が大気圧以下に保持された密閉状の缶体と、缶体内の下部に形成され、熱媒液を貯留する熱媒液槽と、缶体内の上部に形成された減圧蒸気室と、減圧蒸気室に配置され、発生した蒸気を水との熱交換により凝縮して液化させる温水熱交換器と、前記熱媒液槽と温水熱交換器との間に配置され、前記温水熱交換器で凝縮された熱媒液を受け止める受液槽と、前記受液槽内に配置された加熱器と、前記熱媒液槽と前記受液槽との間に配置された循環ポンプを有する熱媒液供給路とを備える真空式温水機の運転方法であって、
    前記受液槽内の熱媒液が設定下限液量を下回るとともに、前記熱媒液槽内の熱媒液が設定温度以下であるとき、前記循環ポンプを駆動して前記熱媒液槽内の熱媒液を前記受液槽に供給することを特徴とする、真空式温水機の運転方法。
    

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