JP5381340B2

JP5381340B2 - 温水システム

Info

Publication number: JP5381340B2
Application number: JP2009129474A
Authority: JP
Inventors: 諒一山崎; 河内　　敏弘
Original assignee: Noritz Corp
Current assignee: Noritz Corp
Priority date: 2009-05-28
Filing date: 2009-05-28
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2029-05-28
Also published as: JP2010276281A

Description

本発明は、たとえばソーラ温水システムやコージェネレーションシステムのように温水生成機能を有する温水システムに関する。

たとえば、ソーラ集熱器により不凍液などの熱媒を加熱させるタイプのソーラ温水システムにおいては、熱媒循環経路に熱交換器を設けて、この熱交換器を利用して湯水加熱し、温水を生成するように構成されている。このようなソーラ温水システムでは、熱媒循環経路に膨張タンクを設けておき、熱媒循環経路において熱媒が熱膨張した際には、熱媒の一部を膨張タンクに吸収させることによって、熱媒循環経路中における熱媒の圧力が異常上昇しないようにされているのが通例である（たとえば、特許文献１，２を参照）。また、膨張タンクには、オーバフロー配管部が接続されているのが一般的であり、膨張タンクに流入した熱媒の液面レベルが異常上昇した際には、この熱媒の一部を膨張タンクの外部に排出させるように構成されている。膨張タンクにおける熱媒のオーバフローは、たとえば熱媒循環経路に設けられている熱交換器が破損し、この熱交換器の破損箇所から熱媒循環経路内に湯水が流入することに起因して生じ得る。そこで、膨張タンクのオーバフロー配管部に、熱媒のオーバフローが生じた際にこれを検出するための検出手段を付属して設けておき、熱媒の所定流量以上のオーバフローが生じたときには、熱媒循環経路に設けられている機器に異常があるものと判断し、その旨を報知させるといった手段を、本出願人は先に提案している（特許文献３を参照）。

しかしながら、従来においては、次に述べるように、未だ改善すべき点があった。

すなわち、ソーラ温水システムを一例に説明すると、まず膨張タンクにおける熱媒のオーバフローは、熱媒循環経路に設けられた熱交換器が破損した場合のみならず、たとえば家屋の屋根上に設置されたソーラ集熱器から地上に設置された膨張タンク側に向けて熱媒が流れ落ちるいわゆる落水を生じた場合にも発生する。この落水は、たとえばソーラ温水システムを長期間にわたって使用しない場合においてソーラ集熱器内の配管内に多くのエアが進入した場合や、ソーラ集熱器の配管部に穴あき破損を生じた場合などに生じ得る。一方、膨張タンクからの熱媒のオーバフロー流量は、熱交換器が破損した際には、たとえば毎分２００ｃｃ程度と比較的少量であるのに対し、前記した落水を生じた際には、たとえば毎分５．８Ｌ以上とかなり多い。

一方、従来において、膨張タンクのオーバフロー配管部は、１本のみ設けられているに過ぎない。このため、熱交換器の破損に起因して小流量のオーバフローが発生した場合のみならず、前記した落水に起因して大流量のオーバフローが発生した場合においても１本のオーバフロー配管部のみを介して熱媒のオーバフローが行なわれている。これでは、オーバフローの検出手段がたとえば熱交換器の破損に対応するように毎分２００ｃｃ程度の流量検出を行なうのに最適な構成とされている場合において、落水に起因する大流量のオーバフローが生じた場合に好適に対処できない場合が生じ得る。具体例を挙げると、前記特許文献３においては、オーバフロー配管部を流通した熱媒を所定の排水ホッパに導き、この排水ホッパに熱媒が一定量以上溜められると、これがセンサによって検出されるように構成されている。このような構成では、落水に起因する大流量のオーバフローを生じた際に、前記排水ホッパから熱媒が溢れ出し、その周辺部がいわゆる水浸し状態となる不具合を生じる。このような不具合を解消する手段としては、落水に起因して膨張タンク内に多量の熱媒が流れ込んだ際にこの熱媒の多くを膨張タンク内に留めておくための余裕空間部を膨張タンクに大容量で形成しておくことが考えられる。ところが、このような手段を採用したのでは、膨張タンクが大型化し、温水システムのコンパクト化を図る上で余り好ましいものではない。

特開２００４−４４９５２号公報特開２００２−１９５６６３号公報特開２００５−２４１１１９号公報

本発明は、前記したような事情のもとで考え出されたものであって、膨張タンクから比較的小流量のオーバフローが生じる場合と大流量のオーバフローが生じる場合とのいずれにも好適に対処することが可能な温水システムを提供することを、その課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明により提供される温水システムは、熱源機により加熱される熱媒が一定経路で循環し、かつ前記熱媒と加熱対象の湯水との熱交換を行なって前記湯水を加熱するための熱交換器が設けられている熱媒循環経路と、この熱媒循環経路に設けられ、かつ内部に流入している熱媒の液面レベルが異常上昇したときに前記熱媒の一部を外部に流出させるためのオーバフロー配管部が接続されている膨張タンクと、を備えている、温水システムであって、前記オーバフロー配管部として、前記熱媒のオーバフローが発生したときにその旨を検出可能な検出手段が付属して設けられる第１のオーバフロー配管部と、この第１のオーバフロー配管部とは別個に設けられた第２のオーバフロー配管部とを備えており、前記膨張タンク内と前記第１のオーバフロー配管部内とを互いに連通させるオーバフロー用の第１の開口部と、前記膨張タンク内と前記第２のオーバフロー配管部内とを互いに連通させるオーバフロー用の第２の開口部とは、高さおよび開口面積が相違しており、前記第２の開口部の方が前記第１の開口部よりも下縁部の高さが高く、かつ開口面積が大きくされていることにより、前記第２のオーバフロー配管部は、前記膨張タンク内の熱媒が前記第１のオーバフロー配管部を介してオーバフローが開始されるときの第１の液面レベルよりも高い第２の液面レベルとなったときに前記熱媒のオーバフローを開始させるように構成され、かつ前記第１および第２のオーバフロー配管部のそれぞれにおいて前記熱媒のオーバフローが生じるときには、前記第１のオーバフロー配管部よりも前記第２のオーバフロー配管部の方が熱媒の流量を多くすることが可能に構成されていることを特徴としている。

このような構成によれば、次のような効果が得られる。
すなわち、膨張タンクにおいて熱媒の大流量のオーバフローを生じた場合には、まず第１のオーバフロー配管部が利用された熱媒のオーバフローが開始され、その後に第２のオーバフロー配管部が利用された熱媒のオーバフローが開始されることとなる。この場合、第１のオーバフロー配管部を流通する熱媒の流量は、第２のオーバフロー配管部よりも小流量となる。したがって、第１のオーバフロー配管部に付属して設けられている検出手段として、比較的小流量のオーバフローに対応する検出手段が用いられていたとしても、とくに不具合を生じることなく、オーバフローが発生したことを適切に検出することができる。熱媒がオーバフローする場合、第２のオーバフロー配管部よりも先に第１のオーバフロー配管部に熱媒が流れるために、前記検出手段によるオーバフロー検出を早期に行なうことも可能である。
一方、第２のオーバフロー配管部においては、第１のオーバフロー配管部よりも大流量で熱媒を流通させることができるために、熱媒循環経路から膨張タンク内に多量の熱媒が流れ込んだ場合に、これに対応して多くの熱媒を膨張タンクの外部に適切に排出することが可能となり、オーバフロー流量を少なくすることを目的として膨張タンクに大容量の余裕空間部を設けておく必要はない。したがって、膨張タンクの大型化を抑制するのにも好ましいものとなる。

さらに、上記構成によれば、膨張タンク内に多量の熱媒が流れ込んだ場合に、膨張タンク内の熱媒の一部は、まず第１の開口部を通過して第１のオーバフロー配管部に流れ込み
、その後に第２の開口部を通過して第２のオーバフロー配管部に流れ込むこととなる。この場合、第１の開口部よりも開口面積が大きい第２の開口部の方が熱媒の通過量を多くすることができる。したがって、前記した簡易な構成により、本発明が意図する作用を適切に得ることができる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行なう発明の実施の形態の説明から、より明らかになるであろう。

本発明が適用された膨張タンクの一例を示す概略説明図である。（ａ）は、図１に示す膨張タンクの要部正面断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の矢視IIの要部側面図である。図１に示す膨張タンクを具備する温水システムの一例を示す概略説明図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。

図１および図２は、本発明が適用された膨張タンクの一例を示している。これらの図に示すように、本実施形態の膨張タンク３は、たとえば偏平な略直方体状に形成されたタンク本体部３０と、このタンク本体部３０に接続された第１および第２のオーバフロー配管部８Ａ，８Ｂとを具備している。

タンク本体部３０は、内部に不凍液などの熱媒を貯留させることが可能であり、その壁部には、配管連結用の短管部３１ａ，３１ｂが接続されて、熱媒用の流入口３２ａおよび流出口３２ｂが設けられている。図２（ａ）に示すように、タンク本体部３０には、熱媒の液面レベルを検出するためのセンサとして、上下一組の電極３３ａ，３３ｂが設けられており、通常時において、膨張タンク３内の熱媒の液面レベルは、下側の電極３３ｂの高さ以上であって、上側の電極３３ａの高さ以下となるように設定されている。タンク本体部３０の上部には、タンク本体部３０内に熱媒を補充するための熱媒補充口３４、およびこれを閉塞するための蓋３５が設けられている。

第１および第２のオーバフロー配管部８Ａ，８Ｂは、タンク本体部３０に接続された短管部８０Ａ，８０Ｂと、これらに接続されたホースなどの管体部８１Ａ，８１Ｂとを具備して構成されている。第１および第２のオーバフロー配管部８Ａ，８Ｂは、タンク本体部３０の側壁の上部に接続されており、前記側壁に設けられたオーバフロー用の第１および第２の開口部３６Ａ，３６Ｂを介してタンク本体部３０内と連通している。図２（ｂ）に示すように、第１および第２の開口部３６Ａ，３６Ｂは、たとえばともに円形状とされているが、その高さおよび開口面積は互いに相違している。

より具体的には、図２（ｂ）によく表われているように、第２の開口部３６Ｂの下縁部３６Ｂ’の方が第１の開口部３６Ａの下縁部３６Ａ’よりも適当な寸法ｓ１（たとえば、１．数ｍｍ〜数ｍｍ）だけ高さが高くされている。したがって、第１のオーバフロー配管部３６Ａを利用したオーバフローが開始される第１の液面レベルＬａ（下縁部３６Ａ’の高さ）よりも、第２のオーバフロー配管部３６Ｂを利用したオーバフローが開始される第２の液面レベルＬｂ（下縁部３６Ｂ’の高さ）の方が高い。第２の開口部３６Ｂの開口面積Ａ２は、第１の開口部３６Ａの開口面積Ａ１のたとえば数倍程度とされ、Ａ１＜Ａ２の関係にある。これに対応して、第２のオーバフロー配管部８Ｂの各所は、第１のオーバフロー配管部８Ａの各所よりも内径が大きくされている。このような構成により、膨張タンク３内に大量の熱媒が流れ込んでオーバフローを生じるときには、膨張タンク３内の熱媒は、まず第１のオーバフロー配管部８Ａ内に小流量で流れ込みを開始し、その後に第２のオーバフロー配管部８Ｂ内に大流量で流れ込みを開始することとなる。

図１に示すように、第１のオーバフロー配管部８Ａは、センサ９５が設けられた排水ホッパ９６内に熱媒を流入させるように設けられている。これらセンサ９５と排水ホッパ９６との組み合わせは、本発明でいう検出手段の一例に相当し、その構成は、既述した特許文献３に記載されている検出手段と同様である。すなわち、排水ホッパ９６は、第１のオーバフロー配管部８Ａから排出された熱媒を下方の排水用パレット９７に通過させるための通路９６ａを備えており、単位時間当たりの熱媒排出流量が一定値を超えるときには、この排水ホッパ９６内に熱媒が順次貯留されていき、その液面レベルが所定レベルに達すると、これがセンサ９５により検出されるようになっている。これに対し、第２のオーバフロー配管部８Ｂは、排水用パレット９７に熱媒を直接流れ込ませるように構成されている。排水用パレット９７は、第１および第２のオーバフロー配管部８Ａ，８Ｂから受けた熱媒を一纏めにして排出口９７ａから温水システムの外部に排出させるためのものである。

図３は、前記した膨張タンク３を備えて構成された温水システムの一例を示している。この温水システムＳは、ソーラ集熱器１を備えたソーラ温水システムとして構成されており、熱媒循環経路７、熱交換器４、貯湯槽２、補助熱源機５、および制御部６を備えている。この温水システムＳのうち、ソーラ集熱器１以外の構成要素は、外装ケース９９内に収容されてユニット化されている。ソーラ集熱器１は、太陽熱を利用して熱媒を加熱するためのものであり、本発明でいう熱源機の一例に相当する。

熱媒循環経路７は、ソーラ集熱器１に接続された配管部材７０を含んで構成されており、ポンプＰ１の駆動によって熱媒を一定経路で循環駆動させることが可能である。この熱媒循環経路７に、熱交換器４および膨張タンク３が設けられている。熱交換器４は、熱媒と湯水との熱交換を行なって湯水を加熱するためのものである。貯湯槽２は、熱交換器４を用いて加熱された湯水を貯留しておくためのものであり、ポンプＰ２を駆動させて貯湯槽２内の湯水を下部配管２０から熱交換器４に送り込んで加熱させた後に、この加熱された湯水を貯湯槽２内にその上部配管２１から流入させて貯留させることが可能である。

補助熱源機５は、貯湯槽２内の湯水温度が目標給湯温度に満たない場合に湯水を加熱するためのものであり、たとえば一般のガス給湯器と同様な構成を有している。貯湯槽２内の湯水温度が目標給湯温度以上である場合には、補助熱源機５を駆動させる必要はないため、この場合には、バルブＶ１を閉じた状態において、入水口９０からの入水圧を利用して貯湯槽２の上部配管２１から湯水混合弁Ｖ２および出湯口９１に向けて湯水を流通させることとなる。これに対し、貯湯槽２内の湯水温度が目標給湯温度に満たない場合には、バルブＶ１を開いた状態において、ポンプＰ２を駆動させて補助熱源機５に湯水を供給して加熱し、この加熱された湯水を湯水混合弁Ｖ２および出湯口９１に向けて流通させることとなる。制御部６は、たとえばマイクロコンピュータを用いて構成されており、温水システムＳの各部の動作制御を実行する。センサ９５からの信号もこの制御部６に送信されるように構成されている。

次に、前記した温水システムＳの作用について説明する。

まず、膨張タンク３は、熱媒循環経路７を循環する熱媒が膨張した際にこの熱媒の一部を膨張タンク３内に流入させることにより、熱媒の圧力を安定させる役割を果たす。熱交換器４は、耐久性に優れたものとして構成されているが、熱媒と湯水とを隔離する箇所は多くの場合に伝熱性を良好とするために薄肉に形成されているために、なんらかの特殊な事情に起因して、前記の箇所に破損を生じる可能性があることは否定できない。万一、熱交換器４にそのような破損を生じ、前記湯水が熱媒循環経路７中に進入すると、膨張タンク３への熱媒流入量が増加するため、膨張タンク３内における熱媒の液面レベルが上昇する。このような液面レベルの上昇が生じると、膨張タンク３内の熱媒の一部は、まず第１のオーバフロー配管部８Ａに流れ込み、排水ホッパ９６を通過してからシステム外部に排出される。その際、オーバフローを生じた旨がセンサ９５により検出され、その時点で制御部６は異常なオーバフローを生じた旨の報知動作を行なわせるための処理を実行する。

前記したような熱交換器４の破損に起因する熱媒のオーバフロー流量は、たとえば毎分２００ｃｃ程度であって、比較的少量であるが、排水ホッパ９６とセンサ９５とは、そのような比較的小流量のオーバフローを検出するのに適するように構成されている。なお、オーバフロー流量が比較的少ない場合には、第１のオーバフロー配管部８Ａを利用したオーバフローのみによって対処することが可能であり、第２のオーバフロー配管部８Ｂを利用したオーバフローがなされず、または殆どなされないこととなる。

次いで、前記とは異なり、ソーラ集熱器１が長期間にわたって不使用とされてその内部配管に多くのエアが進入し、あるいはソーラ集熱器１の内部配管に穴あきが発生するなどして、ソーラ集熱器１内の熱媒がいわゆる落水をした場合には、多量の熱媒が膨張タンク３に流入する。この流入量は、たとえば毎分５．８Ｌ以上であり、熱交換器４が破損した場合よりも格段に多い。このような多量の熱媒の流入があった場合には、膨張タンク３内の熱媒のオーバフローは、第１および第２のオーバフロー配管部８Ａ，８Ｂの双方を利用して行なわれることとなる。ただし、この場合、第２のオーバフロー配管部８Ｂには、第１のオーバフロー配管部８Ａよりも多くの熱媒を流通させることができるために、熱媒を大流量で膨張タンク３の外部に排出させる動作を円滑に行なわせることが可能である。本実施形態とは異なり、膨張タンク３に第２のオーバフロー配管部８Ｂが設けられていない場合には、第１のオーバフロー配管部８Ａによって排出し切れない熱媒を貯留させるための余裕空間部を膨張タンク３に設ける必要があるが、本実施形態では、そのような必要はない。したがって、膨張タンク３の大型化を抑制するのに好ましいものとなる。

第１のオーバフロー配管部８Ａを利用したオーバフローは、第２のオーバフロー配管部８Ｂを利用したオーバフローよりも先に生じ、この旨がセンサ９５により検出される。したがって、オーバフローの検出時期が遅くなるといった不具合もない。また、本実施形態では、膨張タンク３から外部への熱媒のオーバフロー量を非常に多くできる反面、第１のオーバフロー配管部８Ａにおける熱媒の流量を小流量に維持することができるために、異常なオーバフローが生じた旨は、センサ９５によって適切に検出される。排水ホッパ９６から熱媒が溢れ出るといった不具合は、適切に防止される。

このように、本実施形態の温水システムＳおいては、膨張タンク３に第１および第２のオーバフロー配管部８Ａ，８Ｂを設けて、これらを利用したオーバフローが開始される時期やオーバフロー流量を相違させているが、このことにより、オーバフロー流量が少ない場合と多い場合とのいずれにも好適に対処することが可能である。

本発明は、上述した実施形態の内容に限定されない。本発明に係る温水システムの各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

本発明に係る温水システムは、ソーラ温水システムに限らず、これ以外のたとえばヒートポンプを用いた温水システム、あるいはガスエンジンや燃料電池を利用したコージェネシステムなど、種々の温水システムとして構成することができる。したがって、本発明でいう熱源機としては、たとえばヒートポンプ、コージェネシステムにおけるガスエンジンあるいは燃料電池からの排熱回収加熱装置など、ソーラ集熱器以外の熱源機（加熱手段）を用いることができる。加えて、本発明では、熱源機として、燃焼装置を使用し、この燃焼装置によって加熱された熱媒との熱交換によって加熱された湯水を床下暖房などの暖房用途に用いる温水暖房システムとして構成することも可能である。この場合、熱媒との熱交換によって加熱される湯水として、不凍液を用いることが可能であり、本発明でいう「湯水」の概念には、不凍液も含まれる。一方、本発明でいう「熱媒」としては、不凍液以外の種々の液体を用いることができる。

膨張タンクは、合成樹脂製の他、たとえば金属製とすることも可能であり、その材質は限定されず、同様に、その具体的な形状やサイズも限定されない。第１および第２のオーバフロー配管部は、第１のオーバフロー配管部を介して熱媒がオーバフローを開始するときの液面レベルよりも高い液面レベルとなったときに熱媒のオーバフローが開始され、かつ第１のオーバフロー配管部よりも前記第２のオーバフロー配管部の方が熱媒の流量が多くなるように構成されていればよく、それらの具体的な取り付け高さ、内外径のサイズ、あるいは全体の寸法長さなどといった事項は限定されない。オーバフロー用の第１および第２の開口部を円形以外の形状に形成可能であることは言うまでもない。本発明でいう検出手段としては、前記実施形態で説明された排水ホッパ９６とセンサ９５とを組み合わせた手段とは異なった構成とすることもできる。

Claims

熱源機により加熱される熱媒が一定経路で循環し、かつ前記熱媒と加熱対象の湯水との熱交換を行なって前記湯水を加熱するための熱交換器が設けられている熱媒循環経路と、
この熱媒循環経路に設けられ、かつ内部に流入している熱媒の液面レベルが異常上昇したときに前記熱媒の一部を外部に流出させるためのオーバフロー配管部が接続されている膨張タンクと、
を備えている、温水システムであって、
前記オーバフロー配管部として、前記熱媒のオーバフローが発生したときにその旨を検出可能な検出手段が付属して設けられる第１のオーバフロー配管部と、この第１のオーバフロー配管部とは別個に設けられた第２のオーバフロー配管部とを備えており、
前記膨張タンク内と前記第１のオーバフロー配管部内とを互いに連通させるオーバフロー用の第１の開口部と、前記膨張タンク内と前記第２のオーバフロー配管部内とを互いに連通させるオーバフロー用の第２の開口部とは、高さおよび開口面積が相違しており、
前記第２の開口部の方が前記第１の開口部よりも下縁部の高さが高く、かつ開口面積が大きくされていることにより、前記第２のオーバフロー配管部は、前記膨張タンク内の熱媒が前記第１のオーバフロー配管部を介してオーバフローが開始されるときの第１の液面レベルよりも高い第２の液面レベルとなったときに前記熱媒のオーバフローを開始させるように構成され、かつ前記第１および第２のオーバフロー配管部のそれぞれにおいて前記熱媒のオーバフローが生じるときには、前記第１のオーバフロー配管部よりも前記第２のオーバフロー配管部の方が熱媒の流量を多くすることが可能に構成されていることを特徴とする、温水システム。