JP2848113B2 - 冷媒加熱器の制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は燃焼ガス等の高温ガスに
より水、フロン等の冷媒を加熱し冷暖房装置に利用する
冷媒加熱器の制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の被加熱側流体に冷媒を用いて、燃
焼ガスにより加熱して液状冷媒を蒸発気化させて潜熱に
より熱を運び暖房を行うものに図３に示すような冷媒加
熱暖房機がある。これは燃焼ガスと冷媒との熱交換を行
う熱交換器１と放熱器２を循環用の密閉管路３で連結す
ると共に、密閉管路３中に設けた冷媒搬送機４により冷
媒を強制循環するように構成されている。図４は、熱交
換器１の従来例を示したもので（特開昭５９−１０７１
６７号公報）、水平方向に延びる円筒状の筒体の内周面
に長手方向に沿い多数のフィン５を設け、外周面の軸方
向にはパイプ保持部６及び冷媒が内部を流れるパイプ７
を設け、そして、バーナ８からの燃焼ガスを筒体内面に
沿い水平横方向に流して、冷媒搬送機４により送られ、
パイプ７内を流れる冷媒を加熱するものである。９は温
度検知器であり、前記パイプ保持部６の間の表面に取り
付け、冷媒が異常に温度上昇した場合、温度検知器９が
一定以上になると加熱を停止するように制御している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この暖房シス
テムでは冷媒搬送に外部動力としての冷媒搬送機４が必
要であり、そこで暖房運転時のランニングコストを低減
することが望まれている。

【０００４】暖房運転時のランニングコスト低減には冷
媒搬送用の外部動力を無くして無動力で熱搬送すること
が有効である。無動力熱搬送により冷媒加熱暖房を行う
場合、液状冷媒が加熱されて発生する気体冷媒の浮力に
よる自然循環力が重要となる。

【０００５】しかしながら上記従来の構成で冷媒加熱の
熱交換機１は、冷媒は水平方向に延びるパイプ７内を流
れるため、加熱されて気液二相混合状態の冷媒の気体成
分がスムーズに出口に向かって流れないため冷媒の淀み
を生じ、局部的な異常過熱を発生する。また筒体内の燃
焼室と熱交換部が一体であるため熱交換量が燃焼状態に
より不均一となり、局部過熱を生じ冷媒の熱分解あるい
は機器の異常温度上昇など、機器の信頼性能上、課題が
あった。また、冷媒が異常温度上昇する時、冷媒が潜熱
変化した後顕熱変化するため、この時、冷媒は急激に温
度上昇し、温度検知器の熱容量による応答遅れが生じ
た。そのため、冷媒が高温に過熱され熱分解を発生し、
性能劣化や腐食等、機器の信頼性で問題であった。

【０００６】本発明は上記課題を解決するため、バーナ
等で加熱する冷媒加熱器の自然循環サイクルの自然循環
力を増進させ、冷媒をスムーズに循環させて無動力熱搬
送を確実におこなわせ、高温燃焼ガスを燃焼室から均一
に熱交換部に導き冷媒の均一温度の維持により冷媒の熱
分解を生じなく信頼性の高いシステムとし、さらに冷媒
加熱器に冷媒が不足した場合等、冷媒が過熱された時、
直ちにこれを検知し機器の保護とシステムの動作を正常
化する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、冷媒入口部と冷媒出口部に連通した熱交換部
と、前記熱交換部を加熱する熱源部と、前記熱交換部に
設けた過熱温度検知手段と、前記過熱温度検知手段の温
度出力が一定値以上である時は過熱信号を出力する制御
部とを備え、前記制御部は前記過熱温度検知手段の温度
出力が所定の値１になってからこの過熱温度検知手段の
温度出力が前記値１より大なる所定の値２になるまでの
時間を演算し、この演算した時間が所定の値以下である
時は過熱信号を出力する構成としてある。

【０００８】

【作用】本発明は上記構成によって、通常時、冷媒は、
冷媒入口部から連通した熱交換部にはいり、熱源部によ
り熱交換部で加熱され、高温冷媒ガスとなって冷媒出口
部から出て循環する。この時、冷媒は蒸発による潜熱で
熱を搬送する。このため、熱交換部は熱源部から加熱さ
れる熱量と冷媒に放出する熱量でバランスしており、運
転中に冷媒が外部に洩れる等、充填量の減少あるいは循
環量が減少した時等の、熱を冷媒に正常に放出できない
時は、熱交換部が急激に過熱し高温となって冷媒並びに
冷凍機油が高温劣化する。また、異常時として、運転開
始時に熱交換部に冷媒が無い時は、熱源部により熱交換
部が過熱され過熱温度検知手段の温度出力は急激に上昇
する。そこで、過熱温度検知手段の温度出力が一定値以
上になると過熱信号を制御部に出力し、機器の保護とシ
ステムの動作を正常化する。

【０００９】また、別の異常時として、運転開始時に熱
交換部に冷媒が有りかつ冷媒の循環が停止した時は、最
初、熱源部により熱交換部が受けた熱はこの冷媒の蒸発
潜熱に変わるため、過熱温度検知手段の温度出力の応答
が遅くなる。そこで、熱交換部に有る冷媒が全て蒸発す
る時間を予知することにより、機器を停止する。すなわ
ち、加熱を始め、熱交換器の冷媒が蒸発し始める過熱温
度検知手段の温度出力が所定の値になってからこの過熱
温度検知手段の温度出力が所定の値になるまでの時間を
制御部で演算し、この演算した時間が所定の値以下であ
る場合は過熱信号を出力することにより、機器の保護と
システムの動作を正常化する。そのため、冷媒加熱器に
冷媒が不足した場合等冷媒が過熱する時、直ちに冷媒の
温度を検知し機器の保護とシステムの動作を正常化で
き、冷媒の熱分解、劣化が生じ無く信頼性の高いシステ
ムになる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面を参照して
説明する。

【００１１】図１から図２において、１０は内面に断熱
材２３を設けて燃焼室１０ａを形成した円筒状の燃焼室
ケースで、底部にバーナ８を臨ませている。この燃焼室
ケース１０は先端の開口面を、多数の縦方向の高温ガス
通路１２を有する高温ガス通路体１２ａの外面に接合さ
せている。高温ガス通路体１２ａは上下に２分割して両
者間に、各高温ガス通路１２が燃焼室１０ａのガス出口
１３へ連通するように横長の入口１２ｂを形成してい
る。そして、高温ガス通路体１２ａは伝熱隔壁１１に接
合して、これに高温ガス通路１２の熱及び伝熱フィン２
２を通じて熱を均一に伝える。１４ａは燃焼室ケース１
０の先端を延長して、高温ガス通路体１２ａの各高温ガ
ス通路１２の上下の出口側および高温ガス通路体１２ａ
の左右側を囲んで排気室１４ｂを形成した排気ケース
で、上部に排気路１４を有する。１５は伝熱隔壁１１の
外面に熱的に結合させた熱交換部であり、縦方向の冷媒
通路１６が多数設けられている。１７は熱交換部１５の
下端に設けた入口ヘッダー管、１８は熱交換部１５の上
端に設けた出口ヘッダー管であり、それぞれ冷媒入口管
１９、冷媒出口管２０を接続し、この各々により冷媒回
路と接続しており、入口ヘッダー管１７の他端には下方
に曲折しオイル抜き管２１を設けてある。入口ヘッダー
管１７と出口ヘッダー管１８はそれぞれ縦方向の冷媒通
路１６により連通している。２２は伝熱隔壁１１の内側
に熱的に接するように設けられた伝熱フィンであり、多
数枚としてある。燃焼室１０ａはその高温ガス通路１２
と接しない残りの外面を覆う断熱材２３を燃焼ケース１
０の内部に設けてある。高温ガス通路１２の伝熱隔壁１
１の一部に、この伝熱隔壁１１に密着して伝熱具２４を
設け、この伝熱具２４に対抗する位置の熱交換部１５に
過熱温度検知手段として温度サーミスタ２５を取り付け
た構成としたものである。

【００１２】本実施例では、伝熱具２４、伝熱フィン２
２、伝熱隔壁１１をアルミ材とし、伝熱具２４は伝熱フ
ィン２２に嵌合した状態で伝熱隔壁１１にブレージング
ロー付けすることにより、伝熱隔壁１１と伝熱フィン２
２に伝熱具２４を密着して設けてある。この伝熱具２４
のほぼ中央に伝熱隔壁１１を貫通し、熱交換部１５の冷
媒通路１６の近傍に至る穴を設け、この穴に温度サーミ
スタ２５を熱伝導材を塗布して挿入し固定具２６で保持
している。温度サーミスタ２５の温度感温部は、先端に
設けてあり冷媒通路１６の近くに位置する。２７は冷媒
温度検知手段であり、出口管２０の外壁面に保持具２８
で咬めて取り付けた温度サーミスタである。２９は出力
部と演算部を有する制御部であり、温度サーミスタ２５
と温度サーミスタ２７の検出出力を演算し、その結果の
出力によりシステムを制御するマイコン等で構成した制
御器である。温度サーミスタ２７の検出出力によりバー
ナ８の燃焼量を制御する。

【００１３】温度サーミスタ２５の検出出力が一定値以
上である時は、過熱信号を制御部２９が出力し、また、
制御部２９の演算部にて、温度サーミスタ２５の検出出
力が４５℃（所定の値１）（図５に示す）になってか
ら、この検出出力が７０℃（所定の値２）（図５に示
す）になるまでの時間を演算し、この演算した時間が９
０秒（所定の値）以下である時は過熱信号を出力する。
本実施例では冷媒としてＲ−２２を用いている。そし
て、冷媒回路は、行き管３０から、戻り管３１に至る間
に放熱用の熱交換器等（図示せず）を構成する。なお、
３２は気液分離タンクである。３３は雰囲気温度検知手
段であり、熱交換部１５近隔に設けた温度サーミスタで
ある。

【００１４】上記構成において、燃料の供給装置により
供給した燃料をバーナ８で燃焼させ、燃焼室１０ａに発
生した高温ガスは燃焼ガス出口１３から入口１２ｂを通
り高温ガス通路体１２ａの上下に２分割した各々に流れ
て高温ガス通路１２と伝熱フィン２２の間の通路を通
り、高温ガス通路１２の上の出口から排気室１４ｂに流
れる高温ガスと、高温ガス通路１２の下の出口から高温
ガス通路体１２ａの左右側を囲んだ排気室１４ｂに流れ
る高温ガスは上の排気室１４ｂで合流し排気路１４に流
れる。

【００１５】冷媒入口管１９を通って入口ヘッダー管１
７に入った液冷媒は、熱交換部１５の下部より多数の縦
方向の冷媒通路１６に分流して流れ、高温ガス通路１２
内を流れる燃焼ガスおよび伝熱フィン２２から伝熱隔壁
１１を介して熱を熱交換部１５に伝熱する。したがっ
て、この熱交換部１５の縦方向の冷媒通路１６内の冷媒
を入口ヘッダー１７に近い下部より十分に加熱する。そ
こで加熱された液状冷媒は気化蒸発を開始し液の中に気
泡を生じる気液二相状態となる。発生した気泡は浮力効
果で縦方向に設けた冷媒通路１６内を下方から上方に上
昇する。特に燃焼ガスは燃焼室１０ａから燃焼ガス出口
１３を出たのち高温ガス通路１２より伝熱隔壁１１を介
し冷媒に伝熱するために、燃焼ガスの温度と流れが均一
となり熱交換部１５の各部を均一に加熱できスムーズか
つ均一に冷媒を蒸発させ、かつ冷媒を局部過熱させるこ
とがなく無動力熱搬送を確実におこなわせ冷媒の熱分解
を生じない。

【００１６】そして、熱交換部１５の冷媒通路１６を均
一加熱できることにより、冷媒通路１６の各々の流量が
均等となり全体としての抵抗を低減させ、気泡上昇力は
強められ自然循環力が強くなり上部へ冷媒を送る気泡ポ
ンプ作用が発生する。冷媒通路１６の上端に達した冷媒
は出口ヘッダー管１８に流入し冷媒出口管２０より気液
分離タンク３２に流れ、分離したガス冷媒は行き管３０
から放熱用の熱交換器（図示せず）に向かって流出す
る。この熱交換器の放熱量の変動に対して、冷媒の温度
を温度センサ２７で常に検知し、一定の温度になるよう
にバーナ８の燃焼量を制御部２９でコントロールする。

【００１７】また、高温ガス通路１２を高温ガス通路体
１２ａで形成し、かつ伝熱隔壁１１と密着した熱交換部
１５で構成した二重壁構成により、前記内壁から伝熱フ
ィン２２を通じて冷媒通路１６に伝熱するため、伝熱効
率が上昇しまた多孔管構成の熱交換部１５で構成した二
重壁構成による冷媒の燃焼ガス部への洩れ防止と高温の
燃焼室１０ａと冷媒通路１６を高温ガス通路体１２ａで
完全に分離したため局部過熱による冷媒の熱分解、劣化
が生じ無く信頼性の高いシステムである。燃焼室１０ａ
の高温ガス通路１２と接しない燃焼室ケース１０の内面
は断熱材２３で覆い放熱を防止する。

【００１８】そして、通常運転中、冷媒は戻り管３１、
冷媒入口管１９から入口ヘッダ管１７から熱交換部１５
の冷媒通路１６の部材にはいり、熱源部であるバーナ８
により熱交換部１５で加熱され、高温冷媒ガスとなって
冷媒出口管２０から行き管３０に流出し循環する。冷媒
は蒸発による潜熱で搬送するため、冷媒の圧力に応じて
常に一定温度であり、冷媒出口管２０に設けた温度サー
ミスタ２７により検知した熱交換部から出る冷媒温度と
熱交換部１５に設けた温度サーミスタ２５により検知し
た熱交換部の温度はほぼ同じ温度となり、熱交換部は熱
源部から加熱される熱量と冷媒に放出する熱量でバラン
スして一定の温度に平衡し保っている。

【００１９】運転中に冷媒が外部に洩れるなど充填量の
減少あるいは循環量が減少した時等、熱を冷媒に正常に
放出できない時、熱交換部１５は冷媒が潜熱変化から顕
熱変化に移行し、冷媒の温度が急激に温度が上昇するた
め、温度サーミスタ２５は急速に上昇し応答遅れ無く検
知し、制御部２９はただちに燃焼をを停止するように動
作する。異常時の熱交換部１５の温度を図５に示す。異
常時として、運転開始時に熱交換部１５に冷媒が無い時
は、同様に、バーナ８の燃焼熱により熱交換部１５が過
熱され温度サーミスタ２５の温度出力は急激に上昇す
る。そこで、温度サーミスタ２５の出力が９０℃（一定
値）以上になると過熱信号を制御部２９に出力し、機器
の保護とシステムの動作を正常化する。この場合、冷媒
が無い為多少高温に過熱しても冷媒の劣化は生じない。
そして、別の異常時として、運転開始時に熱交換部１５
に冷媒が有り、かつ冷媒の循環が停止した時は、図５に
示すように、最初、バーナ８により熱交換部１５が受け
た熱はこの冷媒の蒸発潜熱に変わるため、温度サーミス
タ２５の出力の応答が遅くなる。そこで、熱交換部１５
に有る冷媒が全て蒸発する時間を予知することにより、
機器を停止する。すなわち、バーナ８により加熱を始め
熱交換器１５の冷媒が蒸発し始めると、同時に、熱交換
部１５の温度サーミスタ２５の出力は少しづつ上昇す
る。温度サーミスタ２５の最初の温度上昇は、熱交換部
１５の各部分の熱容量や周囲の温度の影響を受けてその
温度上昇カーブは多少は変化する。温度サーミスタ２５
の出力が４５℃（所定の値１）になった時、信号を制御
部２９に送り、この制御部２９で時間をカウントする。
そして、熱交換部１５に有る冷媒が全て蒸発するに必要
な時間は、熱交換部１５に有る冷媒量とバーナ８から受
ける熱量で決まる。そのため、熱交換部１５の冷媒がほ
とんど無くなり冷媒が顕熱で熱搬送を開始する時は、温
度サーミスタ２５の出力が急激に上昇を開始する。そこ
で、熱交換部１５の冷媒の蒸発開始を温度サーミスタ２
５で検知してから、温度サーミスタ２５の出力が７０℃
（所定の値２）になるまでの時間を制御部２９で演算
し、この演算した時間が９０秒（所定の値）以下である
時は過熱信号を出力することにより、図５に示す破線の
温度となる。このため、熱交換部１５の冷媒が完全に無
くなる前に、この異常を予知することが可能となり、応
答遅れによる熱交換部１５の異常な高温になることがな
く、機器の保護とシステムの動作を正常化する。前述の
冷媒の無い時の運転開始時に上記制御を行なうと図５の
破線の様になり熱交換部２５の熱ストレスを小さくでき
る。それによって、冷媒加熱器に冷媒が不足した場合等
冷媒が過熱する時、直ちに冷媒の温度を検知し機器の保
護とシステムの動作を正常化でき、過熱温度を低く保ち
冷媒の熱分解、劣化が生じ無く信頼性の高いシステムに
できる。温度サーミスタ２５と時間の所定の値は熱交換
部１５の熱容量と冷媒量、バーナ８による加熱量によ
り、最高値を設定することにより他の種類の冷媒、熱交
換部も同様の動作が可能となる。また、熱源部であるバ
ーナ８の加熱するための入力量を、加熱開始からすくな
くとも、一定時間は一定の入力量とすることにより、加
熱量を一定に保ち、バーナ８により加熱を始め熱交換器
の冷媒が蒸発し始める時に、熱交換部１５の温度サーミ
スタ２５の出力の温度上昇は、安定した温度上昇カーブ
となり、前記温度サーミスタ２５の出力が所定の値を高
精度に設定でき、より早く異常を検知できる。

【００２０】また、熱交換部１５の外周辺に雰囲気温度
検出手段する温度サーミスタ３３を設け、この温度サー
ミスタ３３の温度出力を制御部２９に出力する。そし
て、制御部２９ではこの出力に応じて冷媒過熱温度検知
手段の温度出力の所定の値を補正する（温度サーミスタ
３３の温度が低い時は前記所定の値を低く）ことによ
り、温度サーミスタ２５の最初の温度上昇時の、熱交換
部１５の周囲の温度の影響によるその温度上昇カーブの
変化を修正できる。これにより、冷媒温度検知手段の温
度出力の所定の値を、誤動作無く、より低く設定するこ
とが可能となり、機器の異常による温度上昇をより早く
検知でき、熱交換部、冷媒等に加わる熱的ストレスを小
さくなり、耐久的に信頼性が向上する。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、冷媒入口
部と冷媒出口部に連通した熱交換部と、前記熱交換部を
加熱する熱源部と、前記熱交換部に設けた過熱温度検知
手段と、前記過熱温度検知手段の温度出力が一定値以上
である時は過熱信号を出力する制御部とを備え、前記制
御部は前記過熱温度検知手段の温度出力が所定の値１に
なってから前記過熱温度検知手段の温度出力が前記の値
１より大きい所定の値２になるまでの時間を演算し、こ
の演算した時間が所定の値以下である時は過熱信号を出
力するものであるから、次の効果が得られる。

【００２２】（１）運転中に冷媒が外部に洩れる、ある
いは循環量が減少した時は、過熱温度検知手段の温度出
力が一定値以上になると過熱信号を制御部から出力する
ことにより、機器の保護とシステムの動作を正常化でき
る。また、運転開始時に熱交換部に冷媒が有り、かつ冷
媒の循環が停止した時も、応答遅れなく直ちに冷媒の温
度を検知し機器の保護とシステムの動作を正常化でき、
冷媒の熱分解、劣化が生じ無く信頼性の高いシステムに
できる。

【００２３】（２）熱交換部の外周辺に雰囲気温度検出
手段を設け、この温度出力を制御部に出力し、この出力
に応じて冷媒温度検知手段の温度出力の所定の値を補正
するので、冷媒過熱温度検知手段の温度出力の所定の値
を、誤動作無く、より低く設定することが可能となり、
機器の異常による温度上昇をより早く検知でき、熱交換
部、冷媒等に加わる熱的ストレスを小さくなり、耐久的
に信頼性が向上する。

【００２４】（３）制御部は熱源部の加熱するための入
力量を、加熱開始からすくなくとも、一定時間は一定の
入力量とすることにより、冷媒過熱温度検知手段の出力
の所定の値を高精度に設定でき、より早く異常を検知で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明冷媒加熱器の制御装置の一実施例におけ
る要部断面の斜視図

【図２】同装置の熱交換部の要部断面図

【図３】従来の冷媒加熱器の回路構成図

【図４】従来の冷媒加熱器の外観斜視図

【図５】冷媒加熱の熱交換器の冷媒が減少した時の温度
変化図

【符号の説明】

８ バーナー（熱源部） １５ 熱交換部 １７ 入口ヘッダ管（冷媒入口部） １８ 出口ヘッダ管（冷媒出口部） ２５ 過熱温度検知手段 ２９ 制御部

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F28F 27/00 F24F 11/02 F25B 1/00 F25B 13/00 F25B 49/02

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】冷媒入口部と冷媒出口部に連通した熱交換
   部と、前記熱交換部を加熱する熱源部と、前記熱交換部
   に設けた過熱温度検知手段と、前記過熱温度検知手段の
   温度出力が一定値以上である時は過熱信号を出力する制
   御部とを備え、前記制御部は前記過熱温度検知手段の温
   度出力が所定の値１になってからこの過熱温度検知手段
   の温度出力が前記値１より大なる所定の値２になるまで
   の時間を演算し、この演算した時間が所定の値以下であ
   る時は過熱信号を出力する冷媒加熱器の制御装置。
2. 【請求項２】熱交換部の周辺に設けた雰囲気温度検出手
   段と、この雰囲気温度検出手段の温度出力に応じて過熱
   温度検知手段の温度出力の所定の値を補正した請求項１
   記載の冷媒加熱器の制御装置。
3. 【請求項３】制御部は熱源部の加熱するための入力量
   を、加熱開始からすくなくとも、一定時間は一定の入力
   量とした請求項１記載の冷媒加熱器の制御装置。