JP3942214B2 - 熱交換装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、タンクに貯留された流体と、そのタンク内に配設された給送管に給送される流体との間で熱交換を行う熱交換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば食器洗浄機の分野においては、省エネを図ってランニングコストを下げると言う観点から、すすぎ完了後の排湯の熱を利用して新たに供給されるすすぎ水を昇温するということが行われている。具体的には、食器洗浄機からの排湯を回収するタンク内に、すすぎ水の原水を給送する給送管を設け、原水を給送管に給送する間に排湯と熱交換させて原水を昇温するというものである。
このようにタンク内に給送管を設ける場合に、熱交換面積を極力大きく取るためには、給送管をコイル状に巻回してタンク内に設けることが好ましい。また、一定のコイル形状に対して、できるだけ少量の排湯でコイルを全部浸漬させようとすれば、タンクの形状を、コイルがすっぽりと中に収まるような円形とすることが理想的である。
しかるに、タンク内に収められた給送管は外部の配管と接続される必要があって、通常は、給送管の端部をコイルの外側に引き出してタンクの上面に立ち上げ、そこで外部の配管と接続している。したがってタンク内には、給送管の端部の立ち上がった部分を通すためのスペースを確保せねばならず、従来そのために、タンクの形状を正方形断面に形成し、その中にコイル状の給送管を収納する一方、給送管の端部を、正方形の２つの角の部分を利用して立ち上げるようにしていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来のような正方形断面のタンクでは、正方形の残りの２つの角の部分が無駄なスペースとなり、言い換えると、給送管のコイルを全部を浸そうと思えば多量の排湯が必要となって、排湯の量を考えた場合に効率が悪いという欠点があった。もっとも、給送管の端部をコイルの内側に引き出して立ち上げるようにすれば、タンクを円形とすることも可能であるが、コイルの内側には、例えば熱交換を促進するための攪拌具等の付帯機器を装備したい場合があって、コイルの内側を通して給送管の端部を立ち上げてしまうと、そのような付帯機器を設けることができず、製作上の自由度が損なわれることとなる。
本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、その目的は、付帯機器を装備する上での自由度を確保したまま、タンク内の無駄なスペースを除去して熱交換を効率良く行えるようにした熱交換装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、第１の流体を貯留するタンク内に、第２の流体を給送する給送管をコイル状に巻回して収納し、両流体間で熱交換を行うようにした熱交換装置において、前記タンクの断面形状が、前記給送管のコイルが嵌まる円形の一部に、前記給送管の端部の立ち上がった部分を挿通することが可能な出っ張り部を設けた異形断面に形成されており、かつ、前記タンクにはその上面の開口に嵌まる蓋板が備えられていて、その蓋板には、撹拌具と、タンクの底面に設けられた排水弁口を開閉する弁体機構が、前記給送管のコイルの内側に向けて垂下するように設けられている構成としたところに特徴を有する。
【０００５】
【発明の作用及び効果】
＜請求項１の発明＞
給送管のコイルはタンクの円形内にすっぽりと収められ、給送管の端部は出っ張り部を通って立ち上げられて、外部の配管と接続可能とされる。タンクが円形に近い形状であって内部に無駄なスペースが無くなったため、貯留される第１の流体が少量でも給送管のコイルを浸漬させることができ、効率良く熱交換を行うことができる。また貯留量が少なくて済む分、貯留も排出も短時間で行うことができ、繰り返し熱交換を行う場合に回転良く行うことができる。
また、蓋板を閉じることによって、撹拌具と弁体機構とがコイルの内側に装備される。その際、タンクが異形断面であるので、いちいち蓋板の向きを合わせなくても、蓋板を単に被せれば、撹拌具と弁体機構とを正規位置に自動的に位置決めして装備することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図１ないし図７に基づいて説明する。ここでは、食器洗浄器で使用するすすぎ用の温水をヒートポンプを備えた温水生成装置で生成する場合であって、そのヒートポンプを構成する冷凍サイクルの蒸発器部分に流通する冷媒と、食器洗浄機からの排湯とを熱交換する部分に本発明を適用した例を示している。
図１において、符号１は食器洗浄機であって、その側方に、ヒートポンプ２１を装備した温水生成装置２０が設置される。まず食器洗浄機１の構造について説明すると、その内部の上方側には、図示しないラックを介して食器が出し入れ可能に収納される洗浄室２が形成されており、この洗浄室２の上面側と下面側に、洗浄ノズル３とすすぎノズル４とが一対ずつ配設されている。洗浄室２の底面の一側には、アルカリ洗剤の混入された洗浄水を貯留する洗浄タンク６が形成され、そこに貯められた洗浄水は、洗浄ポンプ７により汲み上げられて上記した洗浄ノズル３から食器に向けて噴射され、そののち洗浄タンク６内に回収されるといったように循環供給される。
【０００７】
洗浄タンク６の下方には、すすぎ用の温水を貯留する貯湯タンク８が装備されている。この貯湯タンク８内には、詳しくは後記するように温水生成装置２０で生成された温水が、給湯弁９の介設された給水管１０により供給されて貯留される。貯められた温水は、すすぎポンプ１１により汲み上げられてすすぎノズル４から食器に向けて噴射され、上記の洗浄タンク６内に回収される。洗浄タンク６にはオーバーフローパイプ１３が装備されており、このオーバーフローパイプ１３は、洗浄タンク６からオーバーフローした排湯を取り込んで、排湯管１４を通して温水生成装置２０に設けられた排湯回収タンク３０内に排出するようになっている。なお、洗浄タンク６と貯湯タンク８内にはそれぞれヒータ１５，１６と図示しないサーモスタットが装備されていて、洗浄水は約６０℃に、すすぎ用の温水は約８０℃に保温されるようになっている。
すなわち食器が洗浄室２に収納されると、洗浄ノズル３から洗浄水が噴射されて食器が洗浄され、続いてすすぎノズル４から温水が噴射されてすすぎが行われる。そして、洗浄タンク６に回収し切れずにオーバーフローした排湯が温水生成装置２０側に排出されて排熱が回収され、その回収した熱が、給水管１０に給送される水道水等の原水と熱交換されることで温水が生成されて、上記した貯湯タンク８に供給されるようになっている。
【０００８】
続いて温水生成装置２０について説明する。この温水生成装置２０はヒートポンプ２１を備えており、箱状をなすケーシング２２内に収納されるようになっている。ヒートポンプ２１は、図６にも示すように、圧縮機２４、凝縮器２５、膨張弁２６及び蒸発器２７が循環接続され、その中に冷媒であるフロンガス（Ｒ−２２）が流通可能に封入されることで冷凍サイクルを構成している。
圧縮機２４は比較的大型のものであって、図２，３に示すように、ケーシング２２内の底面上に設置されている。その圧縮機２４の側方には、上記した食器洗浄機１から排湯を貯留する排湯回収タンク３０が設置されている。
【０００９】
この排湯回収タンク３０は、図４，５に示すように、その断面形状が、正方形の半分の領域を半円形とした形状に形成されており、その正方形の２つの角の部分に、円形に対する余剰空間６２が形成されている。この排湯回収タンク３０の上面の開口には、同じ断面形状で周縁に折曲部３１ａの形成された蓋板３１が被着されている。この排湯回収タンク３０内には、上記の冷凍サイクルの構成部品であるパイプ状の蒸発器２７が収納されている。この蒸発器２７はコイル状に巻回されて形成されており、このコイル部６３が排湯回収タンク３０の円形部分の内側にすっぽりと嵌まるようにして収納されている。コイル部６３の下端側に設けられた入り口２７ａと、上端側に設けられた出口２７ｂとは、それぞれコイル部６３の接線方向に沿って同一方向に引き出され、そこから対応する余剰空間６２を通って立ち上げられ、蓋板３１を貫通してその上面に突出されて、冷媒配管２１ａと接続されている。
排湯回収タンク３０の上部の一側には排湯の導入口３２が設けられ、食器洗浄機１における洗浄タンク６のオーバーフローパイプ１３から引き出された排湯管１４と接続されており、洗浄タンク６からオーバーフローした排湯を導入し得るようになっている。他側には、排湯回収タンク３０自身のオーバーフロー水を排出する排出口３３が設けられ、排水管３４が接続されている。
【００１０】
上記した蓋板３１の図４，５における右側の領域には、先端にプロペラ状の攪拌具３６を設けたシャフト３８が垂下して設けられ、攪拌具３６が蒸発器２７のコイル部６３の内側の略中央高さ部分に位置するようになっていて、この攪拌具３６が、蓋板３１上に設けられた駆動モータ３７によりシャフト３８を介して回転駆動されるようになっている。
排湯回収タンク３０の底面の左側の領域には、常開式の排水弁４０が設けられている。詳細には、タンク３０の底面に弁口４２が開口されているとともに、その上方に、ロッド４１が蓋板３１を貫通して上下動可能に設けられ、そのロッドの下端に、弁口４２に上面側から接離して開閉する略半球形をなす弁体４３が設けられている。ロッド４１は、蓋板３１の下面に設けられたガイド６４の上下の孔６５に嵌められて上下方向に案内されるようになっているが、少しクリアランスを持って嵌められている。またロッド４１の上端部と蓋板３１の上面との間には、ロッド４１を上動付勢するばね部材４４が設けられているとともに、蓋板３１にはブラケット４５を介してソレノイド４６が下向きに取り付けられている。そして常には、ばね部材４４の弾力でロッド４１が上動付勢されて、ソレノイド４６のプランジャ４６ａに突き当たり、図５の鎖線に示すように弁体４３が引き上げられた状態となって弁口４２が開いており、ソレノイド４６が励磁されると、同図の実線に示すように、プランジャ４６ａが進出してロッド４１並びに弁体４３を付勢力に抗して押し下げることで弁口４２が閉じられるようになっている。この排水弁４０は上記した排水管３４に合流して接続されている。
また、排湯回収タンク３０の蓋板３１には、蒸発器２７に向けて温水を散水することでそれを洗浄するための２個の散水ノズル４８が設けられている。
【００１１】
凝縮器２５は大径のパイプ状に形成されており、その中に、すすぎ水の原水を給送する給水管１０の途中部分が挿通され、熱交換を可能とした二重管部２８が形成されている。この二重管部２８が、図２，３に示すように、ケーシング２２の２つの側面の内側にわたって回曲しつつ張り巡らされている。給水管１０の出口側は、上記のように食器洗浄機１の貯湯タンク８に接続されている。また膨張弁２６は、感温筒２６ａが付設された温度式のものである（図６参照）。なお、ケーシング２２内には、ヒートポンプ２１の冷凍サイクルや給排水等を制御するための装置を収納した制御ボックス４９が備えられている。
【００１２】
さらに図６によって冷凍サイクルについて言及する。圧縮機２４の高圧側と低圧側との間にはバイパス管５１が設けられ、そこに容量調整弁５２が設けられている。この容量調整弁５２は、熱負荷（熱源）が足りないときや、初期給湯時のようにまったく無いときに、高圧側のホットガスを低圧側にバイパスして、低圧側の圧力が過剰に低下することを防止するように機能する。
給水管１０における二重管部２８から出たところには、自動給水弁５３が設けられている。この自動給水弁５３は、高圧側の圧力を検知してそれに応じて給水量を調節し、高圧側の圧力を一定に保つように機能する。それに伴い、略一定温度の温水を取り出すことができる。
給水管１０における自動給水弁５３の上流側には、分流弁５４を介設した散水ホース５５が分岐して接続され、この散水ホース５５が、前記した排湯回収タンク３０の蓋板３１に設けられた散水ノズル４８に接続されている。この分流弁５４は、運転の停止時に開弁することで、二重管部２８内に残っている温水を排出し、蒸発器２７の洗浄に利用するとともに、運転立上り時の過渡的な凝縮能力不足を防止するように機能する。
【００１３】
凝縮器２５の出口側の冷媒配管２１ａと、原水の給水管１０における二重管部２８に入る手前側の部分とが密着状に並列配管されることにより、第１の補助熱交換部５７が構成されている。この第１補助熱交換部５７は、凝縮器２５から出た液冷媒とすすぎ水の原水との間で熱交換させることによって、原水を予熱するように機能する。
また、上記の第１補助熱交換部５７を構成する部分の下流側の冷媒配管２１ａと、蒸発器２７の出口側の冷媒配管２１ａとが同じく密着状に並列配管されることで、第２の補助熱交換部５８が構成されている。この第２補助熱交換部５８は、蒸発器２７を経た低温冷媒を凝縮器２５から出た高温液冷媒で加熱することにより、特に運転後半において圧縮機２４側への液戻り現象が起きるのを抑制し、併せて熱利用効率を高めるように機能する。
【００１４】
上記の第２補助熱交換部５８を構成する部分と、膨張弁２６との間における冷媒配管２１ａにはレシーバ５９が介設されている。このレシーバ５９は、例えば冷媒を過充填したときや、内部のバランスが崩れて液冷媒が過剰となった場合にそれを溜め、凝縮器２５に液冷媒が滞留するのを防止するように機能する。
レシーバ５９と膨張弁２６との間には冷媒電磁弁６０が介設されている。この冷媒電磁弁６０は、運転停止時に膨張弁２６から高圧ガスが低圧側に漏れることを防いで高圧力を維持するように機能する。
【００１５】
本実施形態は上記のような構造であって、続いてその作動を図７のタイミングチャートを参照しつつ説明する。洗浄運転は、食器洗浄機１の洗浄タンク６と貯湯タンク８とが満水の状態から行われる。
初めに洗浄すべき食器をラックに収めて洗浄室２内に収容する（ラック作業）。ラック作業が完了すると洗浄サイクルが開始され、洗浄タンク６内の洗浄水が洗浄ポンプ７で汲み上げられて洗浄ノズル３から噴出されるといった洗浄作業が数十秒間にわたって行われる。５秒程度の停止時間（水切り時間）があったのち、引き続いてすすぎサイクルが開始され、貯湯タンク８内の温水がすすぎポンプ１１で汲み上げられてすすぎノズル４から噴出されるといったすすぎ作業が７秒程度行われる。そののち５秒程度の停止時間（同じく水切り時間）が設定され、それにより１回の洗浄工程が完了する。
【００１６】
上記において、すすぎサイクルが開始されると、貯湯タンク８内に備えられたフロートスイッチがオフとなることで給湯弁９が開弁されるとともに、圧縮機２４がオンしてヒートポンプ２１が稼働し始める。同時に冷媒電磁弁６０も開弁される。また、攪拌具３６が回転駆動されるとともに、排湯回収タンク３０に設けられたソレノイド４６が励磁されて常開式の排水弁４０が閉弁される。この場合、ソレノイド４６のプランジャ４６ａがロッド４１を押して、弁体４３を弁口４２の上面側に押し付けるのであるが、ロッド４１はガイド６４に対してがたつきを持って支持されているとともに、弁体４３が半球形に形成されているから、弁体４３と弁口４２とが芯ずれしていたとしても、球面で案内されつつ自動的に芯出しされ、弁体４３により弁口４２が確実に閉止される。すすぎサイクルの開始後に洗浄タンク６からオーバーフローしてくる排湯は、少し遅れて排湯回収タンク３０に流入し、実際に蒸発器２７が吸熱を始めるのは数秒後となる。
【００１７】
さて排湯回収タンク３０では、食器洗浄機１の洗浄タンク６からオーバーフローした排湯が少しずつ（数十秒をかけて）取り込まれる。排湯の取り込みの最中からヒートポンプ２１はフル運転して蒸発器２７に液冷媒を供給し、攪拌具３６により排湯が攪拌されて熱交換が促進されつつ吸熱を始める。実際に吸熱に掛けることのできる時間は数十秒であるため、膨張弁２６は比較的大きな流量（冷凍能力）のものが使用され、立上りからすぐに多くの冷媒が供給される。
その吸熱の最中に、まず洗浄タンク６からのオーバーフローが終わり、排湯回収タンク３０が満水となる。吸熱はさらに継続されるが、蒸発器２７に冷媒が十分に行き届くと、感温筒２６ａで検知される温度が低下することで膨張弁２６が閉じ始める。しかしながら、膨張弁２６の流量制御のタイミングがどうしても遅れるので少し液戻りぎみになる。そのため、第２補助熱交換部５８で加熱されることで液戻りの抑制が図られ、それと併せて熱利用効率の向上が図られる。
【００１８】
この間、給水管１０に送給されたすすぎ水の原水は、第１補助熱交換部５７で予熱されたのち、二重管部２８において冷媒と熱交換されて昇温され、温水となって給湯弁９を介して食器洗浄機１の貯湯タンク８に次第に供給される。貯湯タンク８に所定量温水が溜まってフロートスイッチがオンすると、圧縮機２４がオフとなるとともに、冷媒電磁弁６０が閉弁してヒートポンプ２１の運転が停止される。
また、ソレノイド４６の励磁が解除されることで排湯回収タンク３０の排水弁４０が開弁されるとともに、攪拌具３６が停止される。これにより、排湯回収タンク３０内の排湯が排出されるが、排湯は慣性力により渦流となって排出されるので、例えば排湯中に食材の細片等の異物が混じっていたとしても、渦流とともにすべて排出され、タンク３０内が汚れるおそれがない。また上記のフロートスイッチがオンすることに伴って分流弁５４が１０〜１５秒間開弁され、二重管部２８内に残った温水が散水ホース５５側に分流される。その温水は、排湯回収タンク３０の散水ノズル４８から蒸発器２７に向けて散水され、蒸発器２７の表面が洗浄される。そののち、排湯回収タンク３０の排湯が完全に排出され、食器洗浄機１がすすぎ可能な状態とされる。
以上のようにして、洗浄作業と、熱回収を伴った温水の生成とが繰り返し行われる。
【００１９】
このように本実施形態によれば、排湯回収タンク３０の断面形状を、蒸発器２７の入り口２７ａと出口２７ｂとが立ち上げられる部分を出っ張らせただけの円形に近い形状として、その中に蒸発器２７のコイル部６３をすっぽりと収めるようにしたから、言い換えると、排湯回収タンク３０内の無駄なスペースを無くしたから、食器洗浄機１からの排湯が少量でも蒸発器２７のコイル部６３を十分に浸漬させることができ、効率良く熱交換を行うことができる。またここでは、比較的短い周期で熱交換が繰り返されるが、貯留量が少なくて済む分、貯留も排出も短時間で行うことができ、繰り返しの熱交換にも対応することができる。
また、排湯回収タンク３０には、攪拌具３６と、排水弁４０とが装備されるが、蒸発器２７のコイル部６３の内側は開放された状態にあるので、それらを容易に装備することができる。上記の攪拌具３６や、弁体４３等は蓋板３１に設けられていて、蓋板３１を被せることによって排湯回収タンク３０内に装備されるのであるが、排湯回収タンク３０並びに蓋板３１は互いに整合した異形断面となっているので、いちいち蓋板３１の向きを合わせなくても、蓋板３１を単に被せれば、攪拌具３６や弁体４３等を正規位置に自動的に位置決めして装備することができる。
【００２０】
また本実施形態の排水弁４０の構造は、以下のような様々な利点を有している。駆動部であるソレノイド４６が蓋板３１の上といった排湯回収タンク３０の外部に設けられているため、タンク３０の漏水等が起こっても直接に水が掛かるおそれがなく、漏電や故障を起こすことが回避される。弁口４２が排湯回収タンク３０の底面に設けられ、その上面側に弁体４３を接離させて開閉する構造であるから、例えばタンクの底面に排水管を設けてそこに電磁弁を設ける場合と比較すると、排湯回収タンク３０の底面を設置床面により接近して設けることが可能となる。その結果、高さに制限があった場合に、タンク容量を大きく取ることが可能となる。
また、弁口４２並びに弁体４３を比較的簡単に大型にでき、流路抵抗の小さい排水機構が実現できる。さらに、ロッド４１を案内するガイド６４が排湯の液面の上方にあるから、排湯中の汚れ等が付着することでロッド４１の作動不良を起こすおそれがない。
なお上記の実施形態では常開式のものを例示したが、ばね力により常には弁体４３を弁口４２に押し付けて閉じ、ソレノイド等の駆動力によりばね力に抗して弁体４３を引き上げて開放するようにすれば、常閉式の排水弁を構成することができる。
【００２１】
＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
（１）本発明は、食器洗浄機からの排湯を回収するタンク内に、すすぎ水の原水を給送する給送管を設け、原水を給送管に給送する間に排湯と熱交換させて原水を予熱するようにして用いる熱交換装置にも同様に適用することができる。
（２）また本発明は、食器洗浄機の排湯に限らず、その他の生活排湯を用いて熱交換する装置にも適用できる。
（３）さらに、タンク内に低温流体を貯留して給水管に給送される流体を冷却するようにして用いる熱交換装置にも適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態の全体構造を示す概略図である。
【図２】 温水生成装置の上面から見た断面図である。
【図３】 その正面から見た断面図である。
【図４】 排湯回収タンクの上面から見た断面図である。
【図５】 その正面から見た断面図である。
【図６】 ヒートポンプの冷凍サイクル図である。
【図７】 洗浄運転時のタイミングチャートである。
【符号の説明】
１…食器洗浄機 ２１…ヒートポンプ ２７…蒸発器 ２７ａ…入り口 ２７ｂ…出口 ３０…排湯回収タンク ３１…蓋板 ３６…攪拌具 ４０…排水弁 ４１…ロッド ４２…弁口 ４３…弁体 ６２…余剰空間 ６３…（蒸発器２７の）コイル部

Claims (1)

1. 第１の流体を貯留するタンク内に、第２の流体を給送する給送管をコイル状に巻回して収納し、両流体間で熱交換を行うようにした熱交換装置において、
   前記タンクの断面形状が、前記給送管のコイルが嵌まる円形の一部に、前記給送管の端部の立ち上がった部分を挿通することが可能な出っ張り部を設けた異形断面に形成されており、
   かつ、前記タンクにはその上面の開口に嵌まる蓋板が備えられていて、その蓋板には、撹拌具と、タンクの底面に設けられた排水弁口を開閉する弁体機構が、前記給送管のコイルの内側に向けて垂下するように設けられていることを特徴とする熱交換装置。

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