JP3914406B2 - 熱交換システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱媒が持つ熱で上水を間接加熱する等、所謂液−液熱交換を行う熱交換システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、熱媒が持つ熱を上水等の間接加熱を行う所謂液−液熱交換が実用化されている。このような熱交換では、例えば、暖房に用いられる熱媒を上水の加熱に利用できる等、熱の有効利用を図ることができるという利点がある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような熱交換では、熱媒、即ち、加熱側の液体と被加熱側の液体が隣接しているため、その隣接箇所の腐食等の破損で液漏れが生じて両液が混じり合うという不都合が懸念される。逆止弁やバキュームブレーカー等の縁切り機構を設けることにより、両液の混合阻止が行われているが、液漏れの発生を知ることは極めて重要である。
【0004】
また、暖房回路の液漏れは開放タンクの液位低下によって知ることが可能であるが、従来の液位低下による方法では開放タンクの液位が常に変動し、また、加熱側と受熱側との液体の圧力差が液位に影響を与えるため、液−液熱交換部での液漏れを知ることは不可能であった。
【0005】
そこで、本発明は、液−液熱交換における液漏れ検出を実現した熱交換システムを提供することを課題とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の熱交換システムは、第1の液体(熱媒2)を流す第1の流路(循環路4)と、第2の液体(上水W)を流す第2の流路(6)と、前記第1の流路を通じて前記第1の液体、前記第2の流路を通じて前記第2の液体が供給されて前記第1及び第2の液体間で熱交換を行う第1の熱交換手段(熱交換器8)と、前記第1の流路に設置されて加熱手段(バーナ10)からの熱によって前記第1の液体を加熱する第2の熱交換手段(熱交換器12)と、前記第1の流路に設置されて前記第1の液体が溜められるタンク(開放タンク18)と、このタンク内の液位を検出する液位検出手段(水位電極32)と、前記第1の流路側の圧力が前記第2の流路側の圧力より低い場合、前記第2の熱交換手段側の前記加熱手段を停止させた後、前記液位検出手段の検出液位が上限値を超えたとき、液漏れと判定する液漏れ判定手段(制御部48)とを備えたことを特徴とする。
【0009】
即ち、第1の流路の第1の液体は第2の熱交換器に流れ、加熱手段で発生した熱によって加熱され、第1の熱交換器に流れる。そこで、第1の流路側の圧力が第2の流路側の圧力より低い場合には、加熱手段を加熱停止としたにも拘わらず、液位検出手段の検出液位が上限値を超えたとき、第1の液体の熱膨張や補給はなく、第2の液体が第1の液体側に流れ込んでいることが予想されるので、液漏れと判定する。
【0014】
また、本発明の熱交換システムにおいて、所定時間内に所定回数だけ前記液位検出手段の検出液位が上限値を検出したとき、前記液漏れ判定手段が液漏れと判定することを特徴とする。即ち、僅かな液漏れ状態は液位検出手段の検出液位に顕著な変化を生じない。そこで、液位検出手段の検出液位が所定時間内に所定回数だけ上限値を検出した場合には、液漏れと判定する。
【0016】
そして、本発明の熱交換システムにおいて、前記液漏れ判定手段の判定結果に応じて液漏れ表示をする表示手段(表示器50)を備えたことを特徴とする。このように、液漏れ判定が行われたとき、表示手段を通じて液漏れ表示やアラームを発生し、その告知をする。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に示した実施例を参照して説明する。
【0018】
図1は本発明の熱交換システムの実施例を示している。
【0019】
この熱交換システムには、第1の液体として例えば、熱媒2を流す第1の流路として循環路4、第2の液体として例えば、上水Wを流す第2の流路6が設けられ、第1及び第2の液体間の液−液熱交換を行う熱交換手段として第1の熱交換器8が設けられている。この実施例では、流路6側に高圧の上水Wが供給されており、循環路4側には熱媒2が供給されているので、熱的には循環路4側が一次側、流路6側が二次側であって、一次側圧力P1 と二次側圧力P2 との関係はP1 <P2 に設定される。
【0020】
循環路4には、バーナ10等の加熱手段を熱源とする第2の熱交換器12、熱負荷14、ポンプ16、開放タンク18、温度センサ20等が設置され、バーナ10には開閉弁22及び比例弁24を介して燃料ガスGがガス供給管を通じて供給される。熱負荷14は、床暖房機器等の暖房放熱、浴槽水の追焚き加熱等に相当する。
【0021】
開放タンク18には、液位検出手段としてレベルセンサの水位電極26、28、30、32が設けられ、熱媒2との接触、非接触状態により熱媒2のレベルを電気的に検出し、水位電極26では熱媒2が空状態GND、水位電極28は熱媒2が下限値として低いレベルLo、水位電極30は熱媒2が高いレベルHi、水位電極32は熱媒2が開放タンク18のオーバーフローパイプ33に排出されるオーバーフローレベルUL、即ち、上限値としてのレベルULを表す検出信号を発生する。そして、この開放タンク18には流路6から分岐された補給管34を通して上水Wが供給され、その供給が開閉手段である補水弁36によって切り換えられる。
【0022】
また、流路6側には逆止弁38、流量検出手段である流量センサ40、混合弁42及び水制御弁44等が設けられており、この実施例の水制御弁44は、閉止機能を備えており、流路6の閉止手段を構成する。また、熱交換器8の入口側と混合弁42との間にはバイパス路46が設けられ、上水Wと湯HWとが混合弁42で混合されるようになっている。
【0023】
そして、この熱交換システムの制御手段、液漏れ判定手段として、制御部48が設けられ、この制御部48はコンピュータで構成されており、図示しないが処理手段としてCPU、記憶手段としてRAM、ROM等を備え、熱交換器8の液漏れ等を表示、告知する表示手段及び告知手段として表示器50が接続されている。この制御部48には、温度センサ20、水位電極26〜32、流量センサ40等の検出信号が加えられ、この検出信号等を制御情報として各種の制御出力が得られる。従って、ポンプ16、補水弁36、混合弁42、水制御弁44、開閉弁22、比例弁24の開閉制御や開度制御等が行われる。
【0024】
このように構成すれば、開放タンク18に供給された熱媒2はポンプ16の駆動により循環路4に流れ、熱交換器12、熱交換器8及び熱負荷14に循環する。矢印A、Bはその循環方向を示している。熱交換器12に循環する熱媒2は、バーナ10による燃料ガスGの燃焼熱を受けて加熱される。
【0025】
一方、流路6側には上水Wが流量センサ40、熱交換器8、混合弁42及び水制御弁44に流れる。熱交換器8では、循環路4側から熱媒2が流れ込むとともに、流路6側から上水Wが流れ、熱媒2と上水Wとの熱交換が行われ、熱媒2が持つ熱量によって上水Wが加熱され、湯HWが得られる。混合弁42には、バイパス路46を通して非加熱の上水Wが流れ、この上水Wと湯HWとの混合により所望の温度に制御された湯HWが流路6から給湯される。
【0026】
このような熱交換動作を行う場合の通常の補水動作では、循環路4に流体としての熱媒2を補給する。熱媒2に上水Wを用いる場合には、補水弁36を開けて水位電極30がレベルHiを検出するまで注水する。そして、循環路4内のエアー抜きのため、ポンプ16のON/OFF運転を行い、開放タンク18の水位が低下した場合は、再度、補水動作を行い、水位電極30がレベルHiを検出するまで補水を行う。この補水動作は水位電極30の検出レベルがレベルHiを維持し、液位低下が見られなくなるまで継続する。そして、熱交換器12等の加熱や熱負荷14による放熱等の使用の結果、水分蒸発が生じ、水位電極28がレベルLo以下を検出したとき、補水弁36を開いて補水を行う補水動作を実行し、水位電極30がレベルHiを検出するまで補水を行う。
【0027】
そして、循環路4側の水圧P1 が流路6側の水圧P2 より低い場合(P1 <P2 )、熱交換器8の内部に液漏れが発生したとき、上水W側から熱媒2側に上水Wが流入することになる。熱媒2側の保有液量は一定であるから、上水Wが循環路4に流入すると、流入量に応じて開放タンク18の熱媒2の液位が上昇する。この場合、運転中の熱媒2の体積膨張を避ければ、水位電極32が上限値であるレベルULを検知することはあり得ないから、非運転時、このレベルULを水位電極32が検知したとき、その検出信号を制御部48で受け、液漏れと判定する。その判定結果として、制御出力を発生し、表示器50にアラーム表示を行い、その液漏れを告知する。表示器50を音響発生器で構成すれば、その液漏れを警告音で告知することが可能である。
【0028】
また、運転中に水位電極32がレベルULを検出した場合には、その検出信号を保留とし、燃焼停止からの時間を測定する。正常状態であれば、湯温低下とともに開放タンク18の液位は低下し、レベルULを検出することはない。そこで、一定時間以上、レベルULを検知し続けた場合には、制御部48の検出信号から熱交換器8の内部に液漏れありと判断し、表示器50にアラーム告知を行う。
【0029】
また、熱交換器8に微少な漏れが発生し、運転のON/OFFも頻繁になる場合には、前記の液漏れ判定ができないおそれがある。そこで、通常状態であれば、熱媒2の自然蒸発により、開放タンク18の液位が徐々に低下するから、補水なしにレベルULを検出し、その検出信号の発生回数、即ち、一定の回数Nだけ繰り返し検出信号が得られたとき、制御部48では液漏れと判断し、表示器50にアラーム表示を行い、アラーム告知を行う。
【0030】
また、熱媒2側の水圧P1 が上水W側の水圧P2 より高い場合(P1 >P2 )には、熱交換器8の内部に液漏れが発生すると、熱媒2が上水W側に流出するおそれがある。この場合、熱媒2の保有液量は一定であるから、流路6側に熱媒2が流出すると、開放タンク18の液位が低下する。このとき、水位電極28がレベルLoより低下したことを検出すると、補水弁36を開き、水位電極30がレベルHiを検出するまで補水動作を行う。そこで、一定時間、例えば、2分以内にレベルHiが検出されなければ、熱交換器8に液漏れありと判断し、表示器50にアラーム表示を行い、液漏れ告知を行う。
【0031】
この場合、微少な液漏れでは、通常の蒸発量による補水頻度に比較し、補水の頻度が多くなるので、具体的には所定時間、例えば、64時間以内に3回以上の補水動作が行われた場合、制御部48は液漏れありと判定し、表示器50にアラーム表示を行い、液漏れのアラーム告知を行う。
【0032】
次に、図2及び図3は熱交換システムの液漏れ検知制御を示しており、a、bはフローチャート間の連結子を表している。
【0033】
ステップS1では、開放タンク18内の液位がレベルHiにあるか否か、即ち、水位電極30がレベルHiを検出してONとなるレベルHiにあるか否かを判定し、レベルHiより液位が高い場合にはステップS2に移行し、開放タンク18内の液位がレベルULより上であるか否か、即ち、水位電極32がレベルULを検出してONとなるレベルULにあるか否かを判定する。その液位がレベルULより上である場合には、ステップS3に移行し、熱交換器12の出口側温度、即ち、温度センサ20の検出温度が所定温度、例えば、40℃以下であるか否かを確認する。即ち、燃焼の影響による熱媒2の体積膨張を考慮する。
【0034】
温度センサ20が40℃以下を検出している場合には、ステップS4に移行し、所定時間、例えば、10分間、連続して水位電極32がレベルULを検出したか否かを確認し、ステップS5に移行する。この場合、ステップS5を通過する毎に制御部48では、通過をカウントし、そのカウント値(n+1)を保持する。
【0035】
そして、ステップS6では、所定時間、例えば、6時間が経過したか否かを判定し、6時間経過前にはステップS7に移行し、6時間経過後にはステップS8に移行する。ステップS7では温度センサ20が所定温度以上、例えば、40℃以上を検出しているか否かを判定し、温度センサ20が40℃以上を検出している場合にはステップS1に戻り、温度センサ20が40℃以上を検出していない場合にはステップS6に戻る。即ち、任意の時間まで燃焼による湯温上昇がないか確認する。
【0036】
ステップS8では、開放タンク18内の液位が水位電極32がレベルULを検出しているか否かを確認し、レベルULを検出している場合には循環路4以外から上水Wの流入ありとして液漏れと判断し、ステップS9に移行して液漏れアラームを表示し、液漏れを告知する。
【0037】
ステップS8で開放タンク18内の液位が水位電極32がレベルULを検出していない場合には、ステップS10に移行し、ステップS5のカウント値(n+1)が所定回数、例えば、10以上か否かを判定し、10未満の場合にはステップS1に戻り、10以上の場合には液漏れと判断し、ステップS11に移行して液漏れアラームを表示し、液漏れを告知する。
【0038】
また、ステップS1で水位電極30がOFF、即ち、レベルHiを検出していない場合には、ステップS12に移行し、開放タンク18の液位が水位電極28がレベルLoを検出しているか否かを確認する。水位電極28がレベルLoを検出している場合には、ステップS13に移行し、水位電極30がレベルHiを検出しているか否かを確認する。その場合、ステップS14に移行し、水位電極32がレベルULを検出しているか否かを確認し、レベルULを検出している場合、短時間の水位上昇であるから、著しい漏洩もしくは補水弁36の故障が予想されるので、液漏れと判断し、ステップS15に移行し、表示器50に液漏れ表示をし、アラーム告知を行う。
【0039】
また、ステップS12で水位電極28がレベルLoを検出していない場合には、ステップS16に移行し、ステップS16を通過する回数をカウントし、そのカウント値(n+1)を保持する。そして、ステップS17では、所定時間以内、例えば、64時間以内にそのカウント値が所定回数、例えば、3回に到達したとき、微小漏れ、即ち、自然蒸発に対して著しい液位低下があると判断し、ステップS18に移行し、表示器50に液漏れ表示をし、アラーム告知を行う。
【0040】
また、ステップS17で所定時間以内、例えば、64時間以内にそのカウント値が所定回数、例えば、3回に到達していない場合には、ステップS19に移行し、補水弁36を開いて開放タンク18に補水を開始し、ステップS20で水位電極30がレベルHiを検出したか否かを判断し、レベルHiを検出したとき、ステップS21に移行して補水弁36を閉じた後、ステップS1に戻る。即ち、補水弁36を開けて開放タンク18の熱媒2がレベルHiに到達するまで注水する。
【0041】
この補水処理において、ステップS20では、水位電極30がレベルHiを検出しない場合、ステップS22に移行し、補水開始から所定時間以上、例えば、2分以上経過しても、水位電極30がレベルHiを検出しない場合には、液漏れがあると判断してステップS23に移行し、表示器50に液漏れ表示をし、アラーム告知を行う。
【0042】
次に、図4は熱交換システムの開放タンク18の補水制御を示している。
【0043】
補水制御動作に移行すると、ステップS31では、水位電極28がレベルLoを検出しているか否かを確認する。即ち、開放タンク18内の液位がLoより低いか否かを確認する。レベルLoより液位が低い場合には、ステップS32に移行して補水弁36を開き、補水を開始する。この補水開始とともに、ステップS33に移行し、水位電極30がレベルHiを検出したか否かを判定し、レベルHiを検出しない場合には、ステップS34に移行し、補水開始から所定時間以上、例えば、2分以上経過したか否かを確認する。この場合、補水開始から所定時間以上、例えば、2分以上が経過しても、水位電極30がレベルHiを検出しない場合には、著しい液漏れがあると判断してステップS35に移行し、表示器50に液漏れ表示をし、アラーム告知を行う。
【0044】
そして、ステップS33で水位電極30がレベルHiを検出したとき、ステップS36に移行して補水弁36を閉じるとともに、ステップS37に移行してポンプ16の運転を開始した後、ステップS38に移行する。
【0045】
ステップS38では、ポンプ16の運転開始から所定時間、例えば、60秒だけ待機し、60秒が経過したとき、ステップS39に移行し、水位電極30がレベルHiを検出したか否かを判定し、水位電極30がレベルHiを検出したとき、ステップS40に移行してポンプ運転を停止させた後、ステップS31に戻る。
【0046】
また、ステップS39で水位電極30がレベルHiを検出しないとき、ステップS41に移行してポンプ運転の停止後、ステップS42に移行して補水弁36を開き、開放タンク18に再び補水を行い、ステップS33に移行する。
【0047】
以上述べた処理を総合すれば、次の通りである。
(1) 循環路4の水圧P1 が流路6の水圧P2 より低い場合(P1 <P2 )
【0048】
a 開放タンク18に上限値を検出するための水位電極32が設置され、湯温上昇による体積膨張を除き、水位電極32がレベルULを検出したとき、液漏れと判断してアラーム告知を行う。
【0049】
b 仮にバーナ10の燃焼中、体積膨張により水位電極32がレベルULを検出した後、液漏れが発生した場合には、燃焼後、水位電極32が連続してレベルULを検出した場合に液漏れと判断してアラーム告知を行う。通常、湯温低下とともに熱媒2の容積減少のため、水位電極32はレベルULを検出することはない。
【0050】
c 極く僅かな漏れが発生し、燃焼のON/OFFの合間に水位電極32のレベルULの検出を繰り返す場合、上記a、bでは液漏れを検出、判定することができない。そこで、バーナ10の燃焼停止から一定時間経過後まで、水位電極32のレベルULが検出されることを監視し、この状態が数回繰り返された時点で液漏れと判断し、アラーム告知を行う。即ち、熱媒2の体積膨張によりオーバーフローすることで、次回の燃焼時には液位は同等以下となる筈であり、蒸発分を考慮すれば、熱媒2の全液量は減少傾向となるので、液漏れがない場合に水位電極32のレベルULを検出し続けることはあり得ないことである。
【0051】
d a〜cの水位電極32による液位の検出と並行して流量センサ40で流量変化の検出を行う。所定時間、例えば、24時間に一度、給湯側の水制御弁44を閉止し、この閉止状態を維持しても、流量センサ40から流量を表す検出信号、例えば、パルス出力が得られる場合には、給湯側、即ち、熱交換器8に液漏れが発生していると判断し、液漏れのアラーム告知を行う。
【0052】
(2) 循環路4の水圧P1 が流路6の水圧P2 より高い場合(P1 >P2 )
【0053】
e 開放タンク18の液位が低下し、水位電極28がレベルLoを検出しないとき、補水弁36を開き、開放タンク18に補水を開始する。所定時間の経過後、例えば、2分経過後、水位電極30がレベルHiを検出しない場合には液漏れありと判断し、アラーム告知を行う。
【0054】
f 微少漏れの場合には、水位電極28がレベルLoを検出しないとき、補水を開始し、水位電極30がレベルHiを検出したとき、補水を停止する。この補水動作及びレベル検出を所定時間以内、例えば、64時間以内に所定回数、例えば、3回繰り返した場合、蒸発に起因する減少より、熱媒2の減少速度が速いので、液漏れありと判断し、アラーム告知を行う。
【0055】
なお、実施例で用いた水位電極30等は、他の液位検出手段を用いてもよい。即ち、この実施例では、水位電極32でレベルULを検出し、熱媒2の液位を確認しているが、例えば、サーミスタに印加する電圧を温度検出用低電圧(例えば、5V)から有水検知用高電圧(例えば、15V)に昇圧してサーミスタを自己発熱させた後、温度検出用低電圧に降下させ、サーミスタ電圧の変動から液位及び熱媒2の有無を判断してもよい。例えば、開放タンク18の上部側にレベルULより僅かに下側に温度検出手段としてサーミスタを配置し、このサーミスタの検出温度を用いて液漏れ判断を行ってアラーム告知をするようにしてもよい。このようにしても、同様に、高精度な液漏れ判定及びその告知を行うことができる。
【0056】
また、他の液位検出手段として、フロートスイッチを用いてもよい。例えば、永久磁石等を用いた接点式のフロートスイッチを開放タンク18内に設置し、レベルULを検出してもよい。
【0057】
また、他の液位検出手段として、超音波式水位センサを用いてもよい。例えば、開放タンク18の上部に超音波式水位センサを配置してレベルULを検出し、液漏れ判定及びアラーム告知を行うことができる。この場合、常時、熱媒2の液面高さで認識できるので水位電極26〜32による制御を全て液面高さに換算して行うことができる。
【0058】
なお、実施例では、加熱手段としてバーナ10を用いた場合について説明したが、本発明は、このような加熱手段の他、エンジンや燃料電池の排熱、電熱を熱源としてもよい。
【0059】
また、実施例では、第1の液体として熱媒2、第2の液体として上水Wを用いた場合について説明したが、本発明は、共に熱媒、共に上水であってもよい。
【0060】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、次の効果が得られる。
a 熱交換における液漏れを検知することができ、その検知に基づいて必要な対策を迅速に講じることができ、第1及び第2の液体の混合状態の持続を防止することができる。
b 液漏れを定期検査を待たずに管理することができ、安全性の高い熱交換を実現することができる。
c 液漏れの発生を告知によって知ることができ、保守管理が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の熱交換システムの実施例を示す系統図である。
【図2】熱交換システムの液漏れ検知制御を示すフローチャートである。
【図3】図2に続く熱交換システムの液漏れ検知制御を示すフローチャートである。
【図4】熱交換システムの開放タンク補水制御を示すフローチャートである。
【符号の説明】
2 熱媒(第1の液体)
4 循環路(第1の流路)
6 第2の流路
8 熱交換器(第1の熱交換手段)
10 バーナ(加熱手段)
12 熱交換器(第2の熱交換手段)
18 開放タンク
28、32 水位電極(液位検出手段)
40 流量センサ(流量検出手段)
48 制御部(液漏れ判定手段)
50 表示器(表示手段)
W 上水(第2の液体)
Claims (3)
- 第1の液体を流す第1の流路と、
第2の液体を流す第2の流路と、
前記第1の流路を通じて前記第1の液体、前記第2の流路を通じて前記第2の液体が供給されて前記第1及び第2の液体間で熱交換を行う第1の熱交換手段と、
前記第1の流路に設置されて加熱手段からの熱によって前記第1の液体を加熱する第2の熱交換手段と、
前記第1の流路に設置されて前記第1の液体が溜められるタンクと、
このタンク内の液位を検出する液位検出手段と、
前記第1の流路側の圧力が前記第2の流路側の圧力より低い場合、前記第2の熱交換手段側の前記加熱手段を停止させた後、前記液位検出手段の検出液位が上限値を超えたとき、液漏れと判定する液漏れ判定手段と、
を備えたことを特徴とする熱交換システム。 - 所定時間内に所定回数だけ前記液位検出手段の検出液位が上限値を検出したとき、前記液漏れ判定手段が液漏れと判定することを特徴とする請求項1記載の熱交換システム。
- 前記液漏れ判定手段の判定結果に応じて液漏れを表示する表示手段を備えたことを特徴とする請求項1又は2記載の熱交換システム。
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