JP4728815B2 - 温度調節弁とこれを備えた熱交換装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば蒸気のような加熱流体で被加熱流体を加熱することにより高温流体を生成する給湯装置で使用される温度調節弁とこれを備えた熱交換装置に関する。

従来、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この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この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ている。また、前記温水配管に配設され、この温水配管内の温水から与えられる熱エネルギにより駆動部に機械的変位を得る温度センサ（感温部）と、前記蒸気配管に配設され、前記駆動部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

前記給湯装置では、熱交換器で生成した温水の温度を温度センサで感知し、温水の温度が高ければ蒸気調節弁により蒸気の供給量を減少して温水の温度を下げ、温水の温度が低ければ蒸気調節弁により蒸気の供給量を増加して温水の温度を上昇させている。この際、温度センサを熱交換器の出口に配置することで、温水の温度調整の応答性を向上させることができる反面、温度センサと熱交換器の間が離間しており、これらの間をキャピラリーチューブと呼ばれる細い銅管により接続しているので、構造が複雑となり、部品点数も多くなる。そこで、本件出願人は、先に感温素子を有する駆動部と蒸気調節弁とを一つのケーシング内に設けて、キャピラリーチューブを不要にしたコンパクトな蒸気調節弁を提案した（特願２００４−３０１０２８）。しかしながら、この蒸気調節弁は大きさ等の問題で、熱交換器から離間した位置（熱交換器の温水出口の下流）に設置しているのが実情である。その結果、応答性が十分でないために、次の問題がある。

任意の流量で温水を流した後に、給湯装置の給湯口弁を閉止して熱交換器からの温水の流量を急減させた場合、熱交換器内の温水の温度が過剰に上昇する。この温水の過熱を回避するため、本来は、温水の温度上昇を感温素子が感知して蒸気の供給量を減少するのであるが、温水は流れていないため、熱交換器内で高温化した温水は自然対流で緩やかに感温素子に到達することになる。このため、感温素子付近の温水の温度上昇が遅く、蒸気調節弁を駆動して蒸気の供給量を減少させるのに時間がかかり、過剰に高温の温水を生成してしまう。また、それだけ蒸気が無駄に消費される。

そこで、本発明は、コンパクトでかつ応答性に優れた温度調節弁とこれを備えた熱交換装置を提供することを目的とする。

上記した目的を達成するために、本発明に係る温度調節弁は、加熱流体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加熱流体の流量を調節する温度調節弁であって、ケーシング内に、加熱流体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内に臨む感熱素子を有し、前記ケーシングに、前記被加熱流体の通路と遮断され、前記感熱素子の近傍に前記加熱流体を導入する保温通路が形成されている。

この構成によれば、調節弁部と駆動部とが一つのケーシング内に収納されており、伝熱用のキャピラリチューブが不要になるから、温度調節弁がコンパクトになる。また、例えば給湯口弁を急激に閉止するなどして、温水のような被加熱流体の流量がゼロになった場合、保温通路によって感熱素子の近傍に導入された加熱流体により、この近傍の被加熱流体通路内に滞留している被加熱流体が加熱されて温度上昇し、この温度上昇を感熱素子が速やかに感知する。感熱素子が前記被加熱流体の温度上昇を感知すると、駆動部が調節弁部を駆動し、調節弁部の開度が調節され、調節弁部からの加熱流体の供給量が速やかに減少する。このように、従来の対流による熱伝達の場合とは異なり、加熱流体の供給量を速やかに減少させることができるので、被加熱流体の温度が過度に上昇することがなく、加熱流体が無駄に消費されることもない。

好ましくは、前記調節弁部と駆動部は、前記ケーシングの中心線上に配置され、前記保温通路は前記ケーシングの側部に、周方向に等間隔で複数配置されている。この構成によれば、調節弁部と駆動部をケーシングの中心線上に配置することで、ケーシングを中心線方向に細長く形成できるので、ケーシング内に形成した保温通路を駆動部に接近させることで駆動部の周囲の被加熱流体を介して感熱素子に速やかに熱伝達できる。

好ましくは、前記ケーシングは前記調節弁部により開閉される加熱流体の通路を形成する第１ボデイと、一端が前記第１ボデイに連結されて前記被加熱流体の通路を形成する第２ボデイと、前記被加熱流体の導出口を有し第２ボデイの他端を閉止するカバーとを備え、前記第２ボデイに、前記加熱流体の通路に連通する前記保温通路が形成されている。

この構成によれば、メンテナンスの際に、第１ボデイと第２ボデイとカバーとを分解して、内部の調節弁部および駆動部に容易にアクセスできるので、メンテナンス性が向上する。

さらに、本発明に係る熱交換装置は、加熱流体の熱で被加熱流体を加熱するプレート型熱交換器と、前記構成の温度調節弁とを有し、前記熱交換器の加熱流体入口が前記ケーシングの加熱流体導出口に接続され、熱交換器の被加熱流体出口が前記ケーシングの被加熱流体導入口に接続されている。

この構成によれば、プレート型熱交換器と本発明の温度調節弁とが連結されることで、全体としてコンパクトで応答性に優れた熱交換装置が得られる。

本発明に係る温度調節弁および熱交換装置によれば、伝熱用のキャピラリーチューブが不要になるから、コンパクトな構造になる。また、被加熱流体の流量が急激にゼロになった時でも、感熱素子の近傍の被加熱流体は保温通路に導入される加熱流体によって加熱される。これにより、被加熱流体が温度上昇し、この温度上昇を同通路内の感熱素子が速やかに感知するので、応答性が向上する結果、被加熱流体の過度な温度上昇と加熱流体の浪費が防止される。

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は本発明に係る温度調節弁１６とこれを備えた熱交換装置ＨＸを使用した給湯システムのような高温流体供給システム１０の系統図である。同図に示す高温流体供給システム１０は、蒸気のような加熱流体Ｓの熱で冷水のような被加熱流体Ｃを加熱することにより温水のような高温流体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である冷水Ｃの通路とを、前記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。

高温流体供給システム１０はさらに、被加熱流体供給源ＷＡから供給される被加熱流体Ｃを前記熱交換器１１に導く被加熱流体通路１２と、前記熱交換器１１で生成された加熱後の被加熱流体である高温流体Ｈを導出する高温流体通路１３と、加熱流体供給源ＶＡから供給される加熱流体Ｓを前記熱交換器１１に導く加熱流体通路１４と、前記熱交換器１１を通った後の復水（ドレン）のような加熱流体Ｓを排出する排出通路１５と、熱交換器１１からの高温流体Ｈの温度に応じて熱交換器１１に導入される加熱流体Ｓの流量を調節する温度調節弁１６とを備えている。前記高温流体通路１３の下流側には、高温流体通路１３に導かれた高温流体Ｈの給湯出口となる給湯口弁（カラン）５０に導く高温流体供給通路１９が接続されている。

この温度調節弁１６は、加熱流体通路１４内に配置されて加熱流体Ｓの流量を調節する調節弁部１７と、高温流体通路１３内の高温流体Ｈの温度に応じて前記調節弁部１７を開閉動作させるように駆動する駆動部１８とを備えている。これら調節弁部１７および駆動部１８は、ケーシング２０の中心線ＣＣ上に配置されている。

次に、前記温度調節弁１６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、温度調節弁１６は筒状のケーシング２０内に収納されている。このケーシング２０は、第１ボデイ２１と、この第１ボデイ２１に一端が連結された第２ボデイ２２と、前記第２ボデイ２２の他端を閉止するカバー２３とから成る。第１ボデイ２１と第２ボデイ２２は、４本のボルト２５を第１ボディ２１の挿通孔に挿通し、第２ボディ２２のねじ孔にねじ込むことにより連結され、カバー２３は、４本のボルト２６をカバー２３の挿通孔に挿通し、第２ボデイ２２の四隅のねじ孔４０（図３）に捻じ込むことで、前記第２ボデイ２２に取り付けられている。これらの第１ボデイ２１と第２ボデイ２２とカバー２３の各接合部位には、シール材４１〜４３が装着され、気密性および水密性が確保されている。

第１ボデイ２１の内部には、調節弁部１７により開閉される加熱流体通路１４の一部が形成され、その加熱流体Ｓの導入口２８が一端面に開口し、導出口２９が下面に開口している。第２ボデイ２２の内部には、高温流体通路１３の一部が形成され、その高温流体Ｈの導入口３３が下面に開口し、導出口３４が他端面に開口している。図１に示すように、熱交換器１１の加熱流体入口３０が温度調節弁１６の加熱流体導出口２９に接続され、前記熱交換器１１の被加熱流体出口３２が被加熱流体導入口３３に接続されている。

図２のカバー２３の内面には、環状溝２３ａが全周にわたって形成されており、保温通路４４の他端部に連通している。

前記調節弁部１７と駆動部１８とは、一つのユニットＵとして構成されている。ユニットＵは、主要部３６ａの外周が六角形の横断面形状を有するボデイ３６と、その一端部にねじ連結された弁座ブロック３７と、ボデイ３６の段付き円柱形の他端部３６ｂにねじ連結されたキャップ３８とを有している。弁座ブロック３７にはボデイ３６の内方へ加熱流体Ｓを導入する加熱流体通路１４の一部を構成する導入孔３７ａが形成されている。ボデイ３６の６つの外壁のそれぞれに一つずつ合計６つの貫通孔３９が形成されており、ボデイ３６の径方向内方の加熱流体通路１４ａと径方向外方の加熱流体通路１４ｂとを連通している。

前記調節弁部１７は、シリンダ１７ａの先端に弁体１７ｂが形成され、このシリンダ１７ａの中空部にピストン１７ｃが嵌合され、第１スプリング１７ｄによって図２の右方（駆動部１８側）へ弾性力が付加され、シリンダ１７ａに装着したストッパ１７ｅに押し当てられて位置規制されている。シリンダ１７ａがボデイ３６の中空部に挿入され、シリンダ１７ａと弁座ブロック３７との間に、シリンダ１７ａを右方へ押圧する第２スプリング１７ｆが装着されている。前記駆動部１８は、被加熱流体導出口３４側の先端に、温度を機械的変位に変換するサーモワックスのような感熱膨張体をケースに内蔵した感温素子１８ａを有しており、この感温素子１８ａがキャップ３８を介してボディ３６に取り付けられている。駆動部１８の円筒形のガイド部１８ｂに、感温素子１８ａ内の感熱膨張体の熱膨張・熱収縮によって変位する円柱状のロッド１８ｃが進退自在に嵌合されている。このロッド１８ｃの先端が調節弁部１７のピストン１７ｃに連結されている。感温素子１８ａとして、サーモワックス以外にバイメタルのような他の素子を使用することもできる。

前記ユニットＵは、右側の先端部が第２ボデイ２２の取付ねじ部４６にねじ込まれ、左側の弁座ブロック３７の一端部が第１ボデイ２１の取付孔４７に嵌合されてケーシング２０内に支持されている。

ケーシング２０の第２ボデイ２２の外周に複数の保温通路４４が中心線ＣＣに平行に延びて第２ボデイ２２を貫通しており、一端部が第１ボデイ２１内のユニットＵの外側の加熱流体通路１４ｂに連通し、他端部がカバー２３により閉塞されている。この保温通路４４は、図３に示すように、ケーシング２０の中心線ＣＣと同芯上に、周方向に等間隔で複数（図示のものは４つ）配置されている。図２に示すカバー２３の内面には、環状溝２３ａが全周にわたって形成されており、保温通路４４の他端部に連通している。こうして、保温通路４４は、前記被加熱流体通路１３と遮断されており、被加熱流体通路１３を流れる高温流体Ｈに、保温通路４４内の加熱流体Ｓが混入しないようになっている。

次に、上記構成の高温流体供給システムの動作について説明する。まず、通常の高温流体使用時、図１の図示しない加熱流体Ｓ側の手動バルブを開くと、加熱流体供給源ＶＡからの加熱流体Ｓが加熱流体通路１４を介して温度調節弁１６経由で熱交換器１１に導入される。同様に、図示しない被加熱流体Ｃ側の手動バルブを開くと、被加熱流体Ｃが、被加熱流体供給源ＷＡの内部圧力によって、被加熱流体通路１２を介して熱交換器１１に導入される。この熱交換器１１内で前記加熱流体Ｓと被加熱流体Ｃとが熱交換され、加熱された高温流体Ｈは高温流体通路１３を通って温度調節弁１６の駆動部１８に導かれた後、高温流体供給通路１９に導出される。カラン５０を開くことで、高温流体Ｈを取り出すことができる。

図２に示す温度調節弁１６において、感熱素子１８ａにより高温流体Ｈの温度が常時検出されて、機械的変位に変換される。高温流体Ｈの温度が高くなると、感熱素子１８ａの膨脹により、ロッド１８ｃが左方に進出し、第１スプリング１７ｄおよび第２スプリング１７ｆのばね力に抗してピストン１７ｃを左方に移動させる。これにより、弁体１７ｂが弁座ブロック３７に形成された弁座３７ｂに接近し、弁開度が絞られて小さくなる。弁開度が絞られて小さくなることで、加熱流体Ｓの流量が減少し、熱交換器１１での熱交換量が少なくなって、熱交換器１１から導出される高温流体Ｈの温度を低下させる。

また、高温流体Ｈの温度が低くなると、ロッド１８ｃによるピストン１７ｃの移動力が小さくなり、加熱流体通路１４の加熱流体Ｓの圧力と第１スプリング１７ｄおよび第２スプリング１７ｆのばね力とによって、弁体１７ｂが右方へ後退し、弁開度が大きくなる。これにより、図１の加熱流体通路１４を通って熱交換器１１に供給される加熱流体Ｓの流量が増大し、高温流体Ｈの温度が上昇する。

この通常の使用を急激に停止した場合、つまり、カラン５０を急激に閉止した場合には、高温流体通路１３内の高温流体Ｈの流れが急停止する。このとき、図２のケーシング２０内に設けられてた保温通路４４に入っている加熱流体Ｓにより、感熱素子１８ａ近傍に滞留している高温流体Ｈが加熱される。高温流体Ｈが加熱されて速やかに温度上昇することで、対流による従来の熱伝達の場合と異なり、前記感熱素子１８ａが高い応答性で高温流体Ｈの温度上昇を感知する。続いて、感熱素子１８ａの膨脹により、ロッド１８ｃが左方に移動してピストン１７ｃを左方に進出させる。これにより、弁体１７ｂが進出して弁座３７ｂに接近し、弁開度が絞られる。弁開度が絞られることで、加熱流体Ｓの流量が減少し、感熱素子１８ａ付近の高温流体Ｈの過度の温度上昇を速やかに抑制することができる。

ここで、調節弁部１７と駆動部１８がケーシング２０の中心線ＣＣ上に配置されているから、ケーシング２０を中心線ＣＣ方向に細長く形成できるので、ケーシング２０内に形成した保温通路４４を駆動部１８に接近させることで駆動部１８の周囲の高温流体Ｈを介して感熱素子１８ａに速やかに熱伝達できる。

また、少量の加熱流体Ｓを保温通路４４に導くことにより温度調節弁１６内の高温流体Ｈを加熱することができるので、加熱流体Ｓの浪費が抑制される。

さらに、調節弁部１７と駆動部１８とが一つのケーシング２０内に収納されており、伝熱用のキャピラリチューブが不要になるから、温度調節弁１６がコンパクトになる。

さらに、ケーシング２０は前記調節弁部１７により開閉される加熱流体Ｓの通路を形成する第１ボデイ２１と、一端が前記第１ボデイ２１に連結されて前記高温流体Ｈの通路を形成する第２ボデイ２２と、前記高温流体Ｈの導出口を有し、第２ボデイ２２の他端を閉止するカバーとを備え、前記第２ボデイ２２に、前記加熱流体Ｓの通路に連通する前記保温通路４４が形成されているから、メンテナンスの際に、第１ボデイ２１と第２ボデイ２２とカバー２３を分解して、内部の調節弁部１７と駆動部１８とに容易にアクセスできるので、メンテナンス性に優れる

なお、加熱流体Ｓとしては蒸気以外に熱水、熱ガス他も使用可能である。また、被加熱流体Ｃとしては冷水以外に、例えば各種スープのような液体食材を用いると、供給停止後にスープが過熱されることがないので、供給を再開したときに食に適した程度の温かいスープを容易に得ることができ、自販機での用途が期待できるなど、幅広い応用が可能となる。

本発明に係る温度調節弁とこれを備えた熱交換装置を使用した高温流体供給システムの系統図である。 本発明に係る温度調節弁の縦断面図である。 図２のＡ−Ａ線矢視図である。

符号の説明

１１ 熱交換器（プレート型熱交換器）
１２ 被加熱流体通路
１３ 高温流体通路
１４ 加熱流体通路
１６ 温度調節弁
１７ 調節弁部
１８ 駆動部
１８ａ 感熱素子
２０ ケーシング
４４ 保温通路
Ｃ 被加熱流体
Ｈ 高温流体（加熱後の被加熱流体）
Ｓ 加熱流体
ＨＸ 熱交換装置

Claims (4)

1. 加熱流体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加熱流体の流量を調節する温度調節弁であって、
   ケーシング内に、加熱流体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内に臨む感熱素子を有し、
   前記ケーシングに、前記被加熱流体の通路と遮断され、前記感熱素子の近傍に前記加熱流体を導入する保温通路が形成されている温度調節弁。
2. 請求項１において、前記調節弁部と駆動部は、前記ケーシングの中心線上に配置され、前記保温通路は前記ケーシングの側部に、周方向に等間隔で複数配置されている温度調節弁。
3. 請求項１または２において、前記ケーシングは前記調節弁部により開閉される加熱流体の通路を形成する第１ボデイと、一端が前記第１ボデイに連結されて前記被加熱流体の通路を形成する第２ボデイと、前記被加熱流体の導出口を有し、第２ボデイの他端を閉止するカバーとを備え、前記第２ボデイに、前記加熱流体の通路に連通する前記保温通路が形成されている温度調節弁。
4. 加熱流体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ないし３のいずれか一項に記載の温度調節弁とを有し、前記熱交換器の加熱流体入口が前記ケーシングの加熱流体導出口に接続され、熱交換器の被加熱流体出口が前記ケーシングの被加熱流体導入口に接続されている熱交換装置。

Images