JP4029103B2 - 温水システムの収容タンク - Google Patents

Description

本発明は一般に、高温層と低温層との分離のための機械的絶縁体を含む温水システムの収容タンクに関連する。

温水システムは一般に、排熱用熱交換器の冷媒を冷却する水などの流体を収容する収容タンクを含む。収容タンクを使用することにより、高温水生成部品のサイズ、コスト、および循環を縮小できる。ヒートポンプシステムでは、収容タンクの外部で高温水が生成される。ヒートポンプシステムの効率は、冷媒と熱を交換するヒートシンク内の水の流入温度に直接関係する。ヒートシンクへの流体の流入温度が低下すると、システムの効率は上昇する。

収容タンクへ水を低速で流入させることにより、熱的境界層により分離された高温層と低温層とが収容タンクに形成され得る。高温水生成能力は一般にシステムの負荷需要と一致しないので、収容タンクの高温水の量は常に変化する。そのため、システムに負荷が加えられると熱的境界層は収容タンク内で上下動し、高温層と低温層との間の温度範囲を含む。

また、２５から４２℃の間で沈降物とスケール生成のためにレジオネラ菌が高温水収容タンクで発生するという問題が見られる。

ヒートポンプ水加熱システムは、圧縮機と、排熱用熱交換器と、膨張装置と、受熱用熱交換器とを含む。冷媒は閉回路システム内を循環する。

収容タンクは、排熱用熱交換器内の冷媒と熱を交換する水を収容する。収容タンクの高温容器と低温容器との間に配置された機械的境界板は、高温容器と低温容器の水の間での熱伝達を低下させる。低温容器の低温水は高温容器の高温水よりも密度が高いので、高温容器の下にある。機械的境界板は、高温水と低温水の密度の間にある効果的な密度を持つように設計され、機械的境界板は二つの容器の間で浮動できる。

システムの性能係数は、排熱用熱交換器の流入口における水の温度によって決定される。水の流入温度が上昇するにつれて、ヒートポンプシステムの性能係数は低下する。

水加熱モードでは、低温容器の低温水が排熱用熱交換器へ流入して冷媒を冷却する。水が冷媒と熱を交換するにつれて、水は加熱され、排熱用熱交換器を出る。加熱された水は収容タンクの高温容器へ流入する。排水モードでは、高温容器の高温水が収容タンクから排出されて高温水排出口へ流入する。水供給源からの低温水が収容タンクの低温容器へ流入して、収容タンクを補充する。

あるいは、高温容器と低温容器のブラダーやベローズのような膨張要素に高温水および／または低温水がそれぞれ収容される。高温層と低温層との間には境界板が設けられる。高温水と低温水の両方が膨張要素内に配置されると、二つの層の間の熱伝達ポテンシャルが最小となる。この例では、膨張要素の一方または両方によって境界板が支持されるので、境界板が効果的な密度で設計される必要はない。さらにこの例では、高温容器は低温容器の上方、下方、または側方に配置できる。

本発明の以上および他の特徴は、以下の明細書および図面から最もよく理解されるであろう。

本発明の様々な特徴と長所は、現時点において好適な実施例についての以下の詳細な説明から、当該技術の熟練者には明白となるであろう。

図１は、圧縮機２２と、排熱用熱交換器２４と、膨張装置２６と、受熱用熱交換器２８とを含む、従来技術によるヒートポンプ水システム２０を示す。冷媒は、閉回路システム２０内を循環する。

冷媒は、コンプレッサ２２を高い圧力とエンタルピーで出て、排熱用熱交換器２４を通過する。排熱用熱交換器２４では、冷媒は熱を失い、低エンタルピー・高圧で排熱用熱交換器２４を出る。水などの媒介流体がヒートシンク３２を流れ、排熱用熱交換器２４を通過する冷媒と熱を交換する。冷媒との熱交換の後、加熱された水はヒートシンク流出口３６を出る。その後、冷媒は膨張装置２６を通過して、圧力が低下する。膨張後、冷媒は受熱用熱交換器２８を流れて、高エンタルピー・低圧で出る。冷媒は再び圧縮機２２へ入り、システム２０を終了させる。

システム２０はさらに、排熱用熱交換器２４で冷媒と熱を交換する水を収容する収容タンク４４を含む。水加熱モードでは、排熱用熱交換器２４での冷媒の冷却が必要な時には、収容タンク４４の低温層４６からの低温水がタンク４４の開口部５６から流入口３４を通ってヒートシンク３２へ流れ、排熱用熱交換器２４で冷媒を冷却する。水が冷媒と熱を交換すると、水はヒートシンク３２で加熱されて流出口３６を介してヒートシンク３２から出る。加熱された水は、開口部５８を通って収容タンク４４の高温層４８へ流入する。

排水モードでは、高温層４８からの高温水が開口部５８を介して収容タンク４４から排出され、高温水排出口５２へ流れる。水供給源４０からの低温水がシステム２０へ流入し、開口部５６から収容タンク４４の低温層４６へ入って、収容タンク４４を補充する。

収容タンク４４へ水を低速で流入させることにより、収容タンク４４には高温層４８と低温層４６とが形成され得る。熱的境界層５０が高温層４８と低温層４６との間に形成され、システム２０が作動して高温層４８と低温層４６との容量が変化すると、タンク４４内で上下動する。熱的境界層５０は、高温層４８と低温層４６との間の温度範囲を含む。

システム２０の性能係数は、排熱用熱交換器２４のヒートシンク３２の流入口３４における水温度によって決定される。流入水温度が上昇するにつれて、性能係数は低下する。

図２は、本発明による収容タンク１４４を示す。低温容器１４６と高温容器１４８の間の熱伝達を低下させるため、Ｙ方向に移動自在な機械的境界板１５０が容器１４６，１４８の間において収容タンク１４４に配置されている。低温容器１４６の低温水は高温容器１４８の高温水よりも高密度であるので、低温容器１４６は高温容器１４８の下方に配置されている。一例では、機械的境界板１５０は高温容器１４８の高温水よりも高いが低温容器１４６の低温水よりも低い密度を有するため、機械的境界板１５０は高温容器１４８と低温容器１４６との間で浮動する。収容タンク１４４において高温水と低温水とを分離するのに可動の機械的境界板１５０を使用することにより、収容タンク１４４内での内部熱伝達と混合損失が低下し、ヒートポンプシステム２０の有効効率が上昇する。

図３と図４はそれぞれ、水加熱モードと排水モードにおける収容タンク１４４を示す。図２と図４に見られるように、排水モードでは高温容器１４８の高温水が開口部１５８を介して収容タンク１４４から出て高温水排出口１５２へ流れる。高温水が収容タンク１４４から出るにつれて、水供給源１４０からの水が収容タンク１４４の開口部１５６から流入して低温容器１４６を満たす。高温容器１４８の高温水が収容タンク１４４から出るにつれて、水供給源１４０からの水が同じ流量で開口部１５６から供給され、収容タンク１４４の低温容器１４６へ流入する。境界板１５０は、排水モードでは高温容器１４８の側へ移動して、低温容器１４６の容量を増大させるとともに高温容器１４８の容量を減少させる。

図２と図５に見られるように、水加熱モードでは、低温容器１４６からの低温水が、開口部１５６から排熱用熱交換器２４のヒートシンク１３２へ流れる。排熱用熱交換器２４では、水が冷媒と熱を交換して、冷媒を冷却するとともに水を加熱する。加熱された水は次に、開口部１５８から収容タンク１４４の高温容器１４８へ送られる。水加熱モードでは境界板１５０が低温容器１４６の側へ移動して、高温容器１４８の容量を増大させるとともに低温容器１４６の容量を減少させる。

水加熱モードの操作は、レベルスイッチ１５１または他のセンサを介して機械的境界板１５０の位置により制御できる。境界板１５０がレベルスイッチ１５１より上へ移動したことをレベルスイッチ１５１が検出すると、水加熱モードが作動して、高温水がタンク１４４の高温容器１４６を満たし始め、境界板１５０を下降させて高温容器１４６の容量を膨張させる。同様に、境界板１５０が第２レベルスイッチ１５３より下まで低下すると、水加熱モードが終了する。これらのスイッチ１５１，１５３の箇所は、待機損失を含めたシステム２０ｂの全体的エネルギー消費量を最小にするように決定できる。当該技術の熟練者であれば、これらスイッチ１５１，１５３をどこに配置すべきかが分かるであろう。

水加熱モードと排水モードは、動作中に同時に発生することも可能である。

図５は、代替の収容タンク２４４を示す。収容タンク２４４は、収容タンク１４４と同様に作動する。高温容器２４８の高温水と低温容器２４６の低温水はそれぞれ、膨張要素２５４，２５６内に配置されている。膨張要素２５４，２５６は、ブラダーまたはベローズでよい。高温容器２４８と低温容器２４６との間には、境界板２５０が配置されている。高温水と低温水の両方がそれぞれ膨張要素２５６，２５４内に配置されると、二つの容器２４６，２４８の間の熱伝達ポテンシャルが最小となる。低温容器２４６と高温容器２４８の両方の水が膨張要素２５４，２５６内にあると図示および説明したが、高温容器２４８の水または低温容器２４６の水のみが膨張要素内にあることを理解すべきである。さらにこの例では、境界板２５０は膨張要素２５４，２５６の一方又は両方によって支持されるので、境界板２５０は効果的な密度で設計される必要はない。図示されていないが、高温容器２４８は低温容器２４６の上方、下方、または側方に配置できることを理解すべきである。

上述の説明は、本発明の原理の例に過ぎない。以上の教示を考慮した本発明の多くの変形と変更が可能である。しかし、本発明の好適な実施例が開示されているため、ある種の変形が本発明の範囲に包含されることが、当該技術の通常の技量を有する者には理解できるであろう。そのため、添付された請求項の範囲内において、明記されたもの以外の形で本発明が実施されてもよいことを理解すべきである。そのため、添付の請求項は、本発明の真の範囲と内容を判断するために検討されるべきである。

以下、詳細な説明に付随する図面について簡単に説明する。

従来技術によるヒートポンプシステムの概略図。 本発明によるヒートポンプシステムを示す図。 本発明による収容タンクを水加熱モードで示す図。 本発明による収容タンクを排水モードで示す図。 本発明の代替例を示す図。

Claims (14)

1. 冷媒を高圧に圧縮するための圧縮装置と、
   前記冷媒を冷却するための排熱用熱交換器と、
   前記排熱用熱交換器で前記冷媒を冷却する低温媒介流体を低温容器に収容するとともに、該冷媒により加熱された高温媒介流体を高温容器に収容するタンクであって、タンク内の該低温媒介流体を該高温媒介流体から分離する可動境界板を含むタンクと、
   前記冷媒を低圧に減圧するための膨張装置と、
   前記冷媒を加熱するための受熱用熱交換器と、
   前記可動境界板の位置を検出する少なくとも一つのセンサと、
   を備えることを特徴とするヒートポンプシステム。
2. 前記低温媒介流体と前記高温媒介流体が水であることを特徴とする請求項１記載のシステム。
3. 水加熱モードにおいて、前記低温媒介流体が前記タンクの前記低温容器から前記排熱用熱交換器へ流れ、該排熱用熱交換器で前記冷媒と熱を交換して前記高温媒介流体となり、該高温媒介流体が該排熱用熱交換器から該タンクの前記高温容器へ流れることを特徴とする請求項１記載のシステム。
4. 前記水加熱モードにおいて、前記境界板が前記低温容器へ移動して、該低温容器の容量を減少させるとともに前記高温容器の容量を増大させることを特徴とする請求項３記載のシステム。
5. 排水モードにおいて、前記低温媒介流体が水供給源から前記タンクの前記低温容器へ流れ、前記高温媒介流体が前記高温容器から高温水排出口へ流れることを特徴とする請求項１記載のシステム。
6. 前記排水モードにおいて、前記境界板が前記高温容器へ移動して、該高温容器の容量を減少させるとともに前記低温容器の容量を減少させることを特徴とする請求項５記載のシステム。
7. 前記低温媒介流体が第１密度を有し、前記高温媒介流体が第２密度を有し、前記境界板が該第２密度より高く該第１密度より低い第３密度を有することを特徴とする請求項１記載のシステム。
8. 前記境界板が前記高温容器と前記低温容器との間で浮動することを特徴とする請求項７記載のシステム。
9. 前記高温媒介流体が高温開口部を介して前記高温容器に対して流入および流出し、前記低温媒介流体が低温開口部を介して前記低温容器に対して流入および流出することを特徴とする請求項１記載のシステム。
10. 前記高温媒介流体が高温膨張要素内にあることを特徴とする請求項１記載のシステム。
11. 前記低温媒介流体が低温膨張要素内にあることを特徴とする請求項１記載のシステム。
12. 前記水加熱モードの開始が前記可動境界板の位置により制御されることを特徴とする請求項１記載のシステム。
13. 前記水加熱モードの終了が前記可動境界板の位置により制御されることを特徴とする請求項１記載のシステム。
14. 冷媒を高圧に圧縮し、
    タンクの低温容器から低温媒介流体を流し、
    前記低温媒介流体と熱を交換することにより前記冷媒を冷却し、
    前記低温媒介流体を前記冷媒により加熱して高温媒介流体とし、
    前記タンクの高温容器へ前記高温媒介流体を流し、
    前記タンクの前記低温容器と前記高温容器とを分離する可動境界板を設け、
    前記冷媒を低圧へ膨張させ、
    前記冷媒を加熱し、
    前記可動境界板の位置を検出する
    ことを備えた流体を加熱する方法。

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