JP4304142B2 - 蒸気調節弁とこれを備えた熱交換装置および蒸気給湯システム - Google Patents

Description

本発明は、蒸気で冷水を加熱することにより温水を生成するようにした給湯装置で使用される蒸気調節弁とこれを備えた熱交換装置および蒸気給湯システムに関する。

従来、給水源から供給される冷水を蒸気で加熱することにより温水を生成する給湯装置が知られている。この給湯装置は、蒸気の熱で冷水を加熱することにより温水を生成する熱交換器と、循環タンクを介さずに給水源に直結されて該給水源からの冷水を前記熱交換器に導く冷水配管と、熱交換器で生成された温水を導出する温水配管と、外部の蒸気供給源に連結されて該蒸気供給源からの蒸気を前記熱交換器に導く蒸気配管とを備え、前記給水源からの冷水の一部を前記温水配管内の温水に混合させる混合配管を前記温水配管に連結している。前記温水配管および混合配管は、温水と冷水とを混合し、かつ、その混合比の調節可能な混合弁を介して連結されている。また、前記温水配管に配設され、該温水配管内の温水から与えられる熱エネルギにより変位部材に機械的変位を得る温度センサと、前記蒸気配管に配設され、前記変位部材の機械的変位に応じて前記蒸気配管内における蒸気の通過量を調節する蒸気調節弁とを備えている（例えば特許文献１参照）。
特開２０００−２４１０２３号公報

ところが、前記給湯装置によれば、温度センサと蒸気調節弁とが離間しており、これら温度センサと調節弁の間がキャピラリーチューブと呼ばれる細い銅管により接続されているため、次のような問題が生じる。すなわち、前記蒸気調節弁の感温体として、ケロシン（ジェット燃料）が使用され、その温度膨張量を利用して弁の開閉を行っているが、温度調整可能な範囲をカバーし、高精度の制御を行うためには、前記感温体の容量が大きくなってしまうので、小型軽量化を図るのが難しい。また、感温部で感温してから蒸気調節弁の弁が動作するまでのタイムラグが発生する。そのために、何らかの要因により、蒸気圧力、蒸気量、給水圧力、給水量などが急激に変化したときでも、それに迅速に追従して熱交換器内で生成される熱水の温度を設定値に保持できない場合がある。また、キャピラリーチューブ内も感温体が注入され、銅管で成形されているので、例えば雰囲気温度が高温になる箇所では、温度設定制御誤差が発生する。そのために、給湯装置内に配したとき、蒸気管近辺にキャピラリーチューブを配置できないという設計上の制約がある。

そこで、本発明の目的は、タイムラグおよび雰囲気温度による影響が少なくて温度設定精度に優れ、かつ、設計上の制約が少なく、コンパクトな蒸気調節弁とこれを備えた熱交換装置および蒸気給湯システムを提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明に係る蒸気調節弁は、蒸気の熱で被加熱流体を加熱する加熱システムに設けられて、加熱後の被加熱流体の温度に応じて蒸気の流量を調節する蒸気調節弁であって、ケーシング内に、蒸気の流量を調節する調節弁部と、前記被加熱流体の温度に応じて前記調節弁部を駆動する駆動部とを備え、前記駆動部は、前記被加熱流体の通路と、この通路内に位置する感熱素子を内蔵し前記被加熱流体の熱エネルギを機械的変位に変換する温度・変位変換器と、この温度・変位変換器の変位を前記調節弁部に伝達するピストンとを有し、前記ケーシングは、前記調節弁部を収納する下ケースに前記駆動部およびピストンを収納する上ケースが連結されてなり、前記調節弁部は、蒸気通路内の蒸気の圧力を開弁方向に受ける弁体と、前記蒸気通路と弁内方空間とを区画するベローズと、前記弁体を貫通して蒸気通路と前記弁内方空間とを連通させる連通路とを有している。

この構成によれば、蒸気の流量を調節する調節弁部と、前記被加熱流体の温度に応じて前記調節弁部を駆動する駆動部とが一つのケーシング内に設けられているので、従来のように両者を接続するためのキャピラリーチューブが不要となる。このことにより、配管接続に制約がなく、コンパクト設計が可能となる。また、キャピラリーチューブが不要となることで、タイムラグおよび雰囲気温度による影響が少なくなる結果、温度検出が正確になされるので、温水の温度設定の精度が向上する。

また、前記駆動部は、感熱素子を内蔵し、前記被加熱流体の熱エネルギを機械的変位に変換する温度・変位変換器を備えているから、駆動部が感熱素子の機械的変位によって調節弁部を直接駆動できるので、駆動部の構造を簡略化できる。さらに、この駆動部は前記温度・変位変換器の変位を前記調節弁部に伝達するピストンを有しているから、電気的手段のような他の手段に比べ、比較的構造が簡素で故障も少なく、メンテナンスも楽に行える。また、前記ケーシングは、上ケースと上ケースに２分割されているので、分解および組立が容易である。

さらに、前記調節弁部の弁体は、蒸気通路内の蒸気の圧力を開弁方向に受ける、いわゆる外接型の弁であるから、弁周囲の通路の抵抗が小さくなる利点を持つ反面、大きな閉弁力を必要とする傾向にあるが、本発明では、蒸気通路の圧力が弁体内の連通路を介してベローズ内側の弁内方空間に連通しているから、弁内方空間の蒸気が弁体を閉弁方向に押圧するので、駆動部による閉弁力を軽減することができ、それだけ、駆動部を小型化できる。

前記温度・変位変換器の感熱素子としてサーモワックスを使用することができる。この構成によれば、コンパクトなサーモワックスを利用して、その温度変化に伴う体積変化によって機械的変位が得られる。

本発明に係る熱交換器は、蒸気の熱で被加熱流体を加熱するプレート型熱交換器と、前記構成の蒸気調節弁とを有し、前記熱交換器の蒸気入口が前記した下ケースの蒸気導出口に連結され、熱交換器の被加熱流体出口が前記上ケースの被加熱流体導入口に連結されている。

この構成によれば、プレート型熱交換器と蒸気調節弁とが連結されることで、全体としてコンパクトな熱交換装置が得られる。

本発明に係る蒸気給湯システムは、蒸気の熱で温水を生成する蒸気給湯システムであって、外部の蒸気源に接続された前記熱交換装置と、冷水を前記熱交換器に導く冷水通路と、前記冷水通路の分岐点から導出された冷水の一部を前記熱交換器からの熱水に混合して温水を生成する湯水混合弁とを備えている。

温水を熱交換器装置から直接供給する場合には、蒸気圧力や給水圧力等の変動によって温水の温度が変動し、任意の温度の温水を安定的に得るのが難しいが、上記構成によれば、温水を熱交換器から直接得るのではなく、湯水混合弁において、冷水通路の分岐点から導出された冷水の一部を前記熱交換器からの熱水に混合して温水を生成するので、その混合比を制御することによって、任意の温度の温水を安定的に得ることができる。

本発明によれば、蒸気の流量を調節する調節弁部と、加熱後の被加熱流体の温度に応じて前記調節弁部を駆動する駆動部とが一つのケーシング内に設けられているので、従来のように両者を接続するためのキャピラリーチューブが不要となるから、コンパクト設計が可能となり、また、温水の温度設定の精度が向上する。さらに、駆動部の構造が簡略化され、ケーシングの分解および組立も容易であり、外接型の弁体でありながら、塀弁力が軽減されて駆動部が小型化される。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る蒸気給湯システムの系統図である。同図に示す蒸気給湯システム１０は、蒸気の熱で被加熱流体である冷水Ｃを加熱することにより熱水Ｈを生成するプレート型熱交換器１１を備えている。プレート型熱交換器１１は複数のプレートを重ねて、その間に加熱流体の通路と被加熱流体の通路とをプレートを介して交互に配置したもので、小形で熱交換容量が大きい。

蒸気給湯システム１０にはさらに、給水源ＷＡから供給される冷水Ｃをその水圧により前記熱交換器１１に導く冷水通路１２と、前記熱交換器１１で生成された熱水Ｈを導出する熱水通路１３と、熱水通路１３の途中に配設された湯水混合弁１４と、前記冷水通路１２の分岐点Ａに接続されて冷水Ｃの一部を湯水混合弁１４に導く混合通路１５と、蒸気供給源ＶＡから供給される蒸気Ｓを前記熱交換器１１に導く蒸気通路１６と、前記熱交換器１１に供給された蒸気Ｓのドレン（凝縮水）を排出する排出通路１７とを備えている。前記湯水混合弁１４では、冷水Ｃを前記熱交換器１１からの熱水Ｈに混合して温水Ｍが生成される。

前記蒸気通路１６には、熱交換器１１での熱交換によって加熱された後の被加熱流体の温度、つまり熱水Ｈの温度に応じて蒸気Ｓの流量を調節する蒸気調節弁１８が配設されている。この蒸気調節弁１８は、蒸気Ｓの流量を調節する調節弁部１８ａと、熱水Ｈの温度に応じて前記調節弁部１８ａを駆動する駆動部１８ｂとを備えている。

前記排出通路１７にはスチームトラップ１９が配設されており、熱交換器１１から排出される蒸気とその凝縮水の混合流体が蒸気をトラップし、凝縮水のみを排出通路１７から外部にドレンＤとして排出するようになっている。

また、前記湯水混合弁１４の出口には、この湯水混合弁１４で生成された温水Ｍを給湯出口となる給湯口弁（カラン）２２に導く温水供給通路２１が接続され、その途中には温度センサ２５が配設されている。この温度センサ２５により、湯水混合弁１４を介して給湯口弁２２に導かれる温水Ｍの温度が検出され、このとき検出した温度データは前記温度センサ２５に接続された温度表示部２６に表示され、外部から確認できるようになっている。

前記給水源ＷＡには手動バルブ２８を備えた冷水Ｃの供給口２７が接続され、その下流側に冷水Ｃに混在するゴミを取り除く給水用Ｙ型ストレーナ２９が配設されている。同様に、前記蒸気供給源ＶＡには手動バルブ３１を備えた蒸気Ｓの供給口３０が接続され、その下流側に蒸気用Ｙ型ストレーナ３２が配設されている。

次に、前記蒸気調節弁１８の具体的構造について図２を参照しながら説明する。同図に示すように、蒸気調節弁１８は円筒状のケーシング４０内に収納されており、詳しくは調節弁部１８ａが下ケース４１内に、駆動部１８ｂが上ケース４２内にそれぞれ収納されている。このように、蒸気調節弁１８を収納するケーシング４０が下ケース４１と上ケース４２に２分割されているので、蒸気調節弁１８の分解および組立が容易に行える。また、前記下ケース４１内に収納されている調節弁部１８ａは、蒸気通路１６内の蒸気Ｓの圧力を開弁方向（図２の上方向）に受ける弁体４３と、前記蒸気通路１６と弁内方空間４６とを区画する蛇腹状のベローズ４４と、前記弁体４３を貫通して蒸気通路１６と前記弁内方空間４６とを連通させる連通路４５と、弁座４９とを有している。前記弁体４３は、弁座４９に着座する弁本体４３ａと、これの中央部のねじ孔にねじ結合された弁軸４３ｂとからなる。開弁時、下ケース４１の下端に設けられた蒸気導入口４７から蒸気通路１６の蒸気Ｓが導入され、下ケース４１の一側部に設けられた蒸気導出口４８から熱交換器１１（図１）に向けて導出される。

前記調節弁部１８ａの弁体４３は、蒸気通路１６内の蒸気の圧力を開弁方向（図２の上方向）に受ける、いわゆる外接型の弁であるから、弁体４３と弁座４９との隙間で形成される通路の抵抗が小さくなる利点を持つ反面、大きな閉弁力を必要とする傾向にあるが、この実施形態では、蒸気通路１６の圧力が弁体４３内の連通路４５を介してベローズ内側の弁内方空間４６に連通しているから、弁内方空間４６の蒸気Ｓが弁体４３を閉弁方向（図２の下方向）に押圧するので、駆動部１８ｂの後述する温度・変位変換器６１による閉弁力を軽減することができ、それだけ、駆動部１８ｂを小型化できる。

一方、上ケース４２内に収納されている駆動部１８ｂは、上ケース４２の軸心部に、変位伝達手段であるピストン６０が挿通され、その上方に第１および第２のばね体６２，６３を介して、加熱後の被加熱流体である熱水Ｈの熱エネルギを機械的変位に変換する温度・変位変換器６１が設けられている。駆動部１８ｂには、被加熱流体の通路である熱水通路１３の一部が形成されており、この熱水通路１３内に臨んで前記温度・変位変換器６１が配置されている。この温度・変位変換器６１には、温度を機械的変位に変換する感熱素子として、サーモワックスが内蔵されている。感熱素子として、バイメタルのような他の素子を使用することもできる。温度・変位変換器６１の下部のガイド部６１ａがピストン６０に設けたガイド孔６０ａに挿入され、ガイド部６１ａの先端のロッド６１ｂがサーモワックスの膨張により下方へ突出するように変位する。第１のばね体６２が温度・変位変換器６１を下方に押圧する一方で、第２のばね体６３が、ピストン６０の上部のつば部６０ｂを上方に押圧することで、温度・変位変換器６１とピストン６０の連結が保たれている。

上ケース４２の両側部には、熱水導入口６６と熱水導出口６７がそれぞれ形成されている。上ケース４２の上部はキャップ６４で覆われ、環状のガスケット６５で気密性が保たれている。キャップ６４は、図３に示すように、周方向に離間した３箇所に設けたねじ体７１により、上ケース４２に連結されている。図１の熱交換器１１の熱交換で生成された熱水Ｈが図２の熱水導入口６６から導入され、温度・変位変換器６１に熱エネルギを与える。なお、前記変位部材として、サーモワックスに代えて、形状記憶合金のような変位部材を使用することもできる。

下ケース４１の軸心部には貫通孔５５が設けられており、この貫通孔５５の上部に雌ねじ部５６が形成されている。この雌ねじ部５６に前記上ケース４２の下部の突起４２ａに設けた雄ねじ部５７をねじ結合することにより、両ケース４１，４２が気密性を保持した状態で連結されている。下ケース４１の貫通孔５５内に、前記弁体４３およびベローズ４４のほか、受け材５０が配置されている。この受け材５０に、連通路４５を有する弁軸４３ｂの上部の径小の連結棒部７０が挿通され、受け材５０の外周部が、上ケースの突起４２ａの先端面により、貫通孔５５に設けた段部５８にガスケット５９を介して押し付けられるることで、貫通孔５５内に支持されている。受け材５０に挿通された前記連結棒部７０はピストン６０の連結孔に挿入されており、これによって、ピストン６０と弁体４３が連結されている。このように、温度・変位変換器６１の変位を弁体４３に伝達する変位伝達手段がピストン６０であるから、電気的手段のような他の手段に比べ、比較的構造が簡単で故障も少なく、メンテナンスも容易である。

次に、前記蒸気調節弁１８と熱交換器１１とが連結された熱交換装置１００について図４を参照しながら説明する。同図において、熱交換器１１の蒸気入口８０と蒸気調節弁１８の下ケース４１に形成された蒸気導出口４８との間が継手（図示省略）を介して連結されている。また、熱交換器１１の熱水出口８１と蒸気調節弁１８の上ケース４０に形成された熱水導入口６６との間が継手（図示省略）を介して連結されている。ここで、いずれの継手も短いものが使用されており、蒸気調節弁１８と熱交換器１１とが極めて近接した配置関係となっている。これにより、熱交換装置１００の全体がコンパクトになる。

上記構成の蒸気給湯システム１０において、まず、図１の、手動バルブ３１を開くと、蒸気供給源ＶＡからの蒸気Ｓが供給口３０から蒸気通路１６を介して蒸気調節弁１８経由で熱交換器１１に導入される。同様に、手動バルブ２８を開くと、給水源ＷＡからの冷水Ｃが、給水源ＷＡ自身の水圧によって、供給口２７から冷水通路１２を介して熱交換器１１に導入される。この熱交換器１１内で前記冷水Ｃと蒸気Ｓとが熱交換され、加熱された熱水Ｈ（例えば７５〜８５℃）は熱水通路１３を通って蒸気調節弁１８の駆動部１８ｂに導かれた後、湯水混合弁１４に導かれる。他方、冷水Ｃの一部が、冷水通路１２の分岐点Ａから混合通路１５を介して湯水混合弁１４に導かれ、冷水Ｃと熱水Ｈは所定の混合割合で混合されて温水Ｍ（例えば３０〜７０℃）となる。湯水混合弁１４は、例えば手動操作で混合割合を変更して温水Ｍの温度を調整できるようになっている。この温水Ｍは給湯口弁２２を開くことで、所定温度の温水Ｍとして利用される。

蒸気調節弁１８の駆動部１８ｂは温度・変位変換器６１を有し、この温度・変位変換器６１はサーモワックスのような変位部材を内蔵しているので、熱交換器１１（図１）から導出して熱水通路１３に導かれる熱水Ｈの温度は常時検出されて、機械的変位に変換されている。熱水Ｈの温度が高くなると、温度・変位変換器６１に内蔵されたサーモワックスの膨張により、ロッド６１ｂが下方に変位してピストン６０を下方に押し下げる。これにより、弁体４３が押し下げられて弁本体４３ａが弁座４９に接近し、弁開度が小さくなる。これにより、蒸気通路１６の蒸気流量が小さくなり、熱交換器１１から導出される熱水Ｈの温度が低下する。

また、前記熱水Ｈが蒸気圧や給水圧その他の要因により、異常に高温になる場合がある。その場合、駆動部１８ｂの温度・変位変換器６１が迅速に作動して、変位伝達手段であるピストン６０を介して即座に弁体４３を全閉状態にし、蒸気供給を停止させる。したがってタイムラグの大きいキャピラリーチューブを使用する従来の場合とは異なり、緊急時の蒸気遮断機能を有する。

熱水Ｈの温度が低くなると、ロッド６１ｂによるピストン６０の押し下げ力が小さくなり、蒸気通路１６の蒸気Ｓの圧力によって、弁体４３がピストン６０とともに上昇し、弁開度が大きくなる。これにより、蒸気通路１６を通って熱交換器１１（図１）に供給される蒸気量が増大して、熱水Ｈの温度が上昇する。こうして、熱水Ｈの温度が所定範囲（例えば７５〜８５°の温度範囲）に設定される。

このように、熱交換器１１への蒸気Ｓの供給量調節および供給停止は、蒸気調節弁１８の駆動部１８ｂを構成する温度・変位変換器６１で検出した被加熱流体の温度、つまり、熱交換器１１から導出されて熱水通路１３を流れる熱水Ｈの温度によって自動的に行われる。温水Ｍを熱交換器１１から直接給湯口弁２２に供給する場合には、蒸気圧力や給水圧力等の変動によって温水Ｍの温度が変動し、任意の温度の温水Ｍを安定的に得るのが難しい。これに対し、上記構成では、温水Ｍを熱交換器１１から直接得るのではなく、湯水混合弁１４において、冷水通路１２の分岐点Ａから導出された冷水Ｃの一部を熱交換器１１からの熱水Ｈに混合して温水Ｍを生成するので、その混合比を制御することによって、任意の温度の温水を安定的に得ることができる。

また、蒸気調節弁１８は、蒸気Ｓの流量を調節する調節弁部１８ａと、熱水Ｈの温度に応じて前記調節弁部１８ａを駆動する駆動部１８ｂとが一つのケーシング４０内にきわめて近接して設けられているので、従来のように両者を接続するためのキャピラリーチューブが不要となる。このことにより、配管接続に制約がなく、コンパクト設計が可能となる。また、従来のキャピラリーチューブが不要となることで、タイムラグおよび雰囲気温度による影響が少なくなる結果、温度検出が正確になされるので、温水Ｍの温度設定の精度が向上する。

本発明に係る蒸気給湯システムの系統図である。 本発明に係る蒸気調節弁の縦断面図である。 同じく蒸気調節弁の平面図である。 蒸気調節弁と熱交換器とが連結された熱交換装置の斜視図である。

符号の説明

１０ 蒸気給湯システム
１１ 熱交換器
１２ 冷水通路
１４ 湯水混合弁
１８ 蒸気制御弁
１８ａ 調節弁部
１８ｂ 駆動部
２２ 給湯口弁
４０ ケーシング
４１ 下ケース
４２ 上ケース
４３ 弁体
４４ ベローズ
４５ 連通路
４６ 内方空間
４８ 蒸気導出口
６０ ピストン
６１ 温度・変位変換器
６６ 熱水導入口
８０ 蒸気入口
８１ 熱水導出口
１００ 熱交換装置
Ａ 分岐点
Ｃ 被加熱流体（冷水）
Ｈ 加熱後の被加熱流体（熱水）
Ｍ 温水

Claims (4)

1. 蒸気の熱で被加熱流体を加熱する加熱システムに設けられて、加熱後の被加熱流体の温度に応じて蒸気の流量を調節する蒸気調節弁であって、
   ケーシング内に、蒸気の流量を調節する調節弁部と、前記被加熱流体の温度に応じて前記調節弁部を駆動する駆動部とを備え、
   前記駆動部は、前記被加熱流体の通路と、この通路内に位置する感熱素子を内蔵し前記被加熱流体の熱エネルギを機械的変位に変換する温度・変位変換器と、この温度・変位変換器の変位を前記調節弁部に伝達するピストンとを有し、
   前記ケーシングは、前記調節弁部を収納する下ケースに前記駆動部およびピストンを収納する上ケースが連結されてなり、
   前記調節弁部は、蒸気通路内の蒸気の圧力を開弁方向に受ける弁体と、前記蒸気通路と弁内方空間とを区画するベローズと、前記弁体を貫通して蒸気通路と前記弁内方空間とを連通させる連通路とを有している蒸気調節弁。
2. 請求項１において、前記温度・変位変換器の感熱素子はサーモワックスである蒸気調節弁。
3. 蒸気の熱で被加熱流体を加熱するプレート型熱交換器と、請求項１または２に記載の蒸気調節弁とを有し、前記熱交換器の蒸気入口が前記下ケースの蒸気導出口に連結され、熱交換器の被加熱流体出口が前記上ケースの被加熱流体導入口に連結されている熱交換装置。
4. 蒸気の熱で温水を生成する蒸気給湯システムであって、外部の蒸気源に接続された請求項３に記載の熱交換装置と、冷水を前記熱交換器に導く冷水通路と、前記冷水通路の分岐点から導出された冷水の一部を前記熱交換器からの熱水に混合して温水を生成する湯水混合弁とを備えた蒸気給湯システム。
   

Images