JP6268984B2

JP6268984B2 - 熱源機

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Publication number: JP6268984B2
Application number: JP2013244833A
Authority: JP
Inventors: 堤　明; 明堤
Original assignee: Noritz Corp
Current assignee: Noritz Corp
Priority date: 2013-11-27
Filing date: 2013-11-27
Publication date: 2018-01-31
Anticipated expiration: 2033-11-27
Also published as: JP2015102312A

Description

本発明は、熱源機に関し、特に、低温および高温端末を循環する熱媒と燃焼ガスとの間で熱交換可能な熱源機に関するものである。

昨今、省エネルギー志向が強まっているため、暖房熱源機には更なる熱効率の向上が求められている。たとえば、特開２００１−６５９８１号公報（特許文献１）には、熱交換器での熱交換効率を高めた給湯器が開示されている。この給湯器では、通常運転時には給水制御手段によって主給水管路から熱交換器への給水状態とすることで熱交換器の長い導水管全体を通じて水を昇温させることができる。つまり、熱交換器を高効率で使用できる。一方、外気温が低くて白煙化現象が起きるおそれのあるときには、給水制御手段によってバイパス給水管路からの給水状態とすることで熱交換が抑えられる。これにより、白煙化現象が防止される。

特開２００１−６５９８１号公報

しかしながら、上記公報に開示されたような給湯器では、給湯器内を循環する熱媒の放熱が熱効率の向上の妨げになるという問題がある。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、熱媒の放熱を抑制することにより熱効率を向上できる熱源機を提供することである。

本発明の熱源機は、低温および高温端末を循環する熱媒と燃焼ガスとの間で熱交換可能なものである。熱源機は、熱媒循環回路と、一次および二次熱交換器と、循環ポンプと、熱媒タンクとを備えている。熱媒循環回路は熱媒が循環するためのものである。一次および二次熱交換器は熱媒循環回路に接続され、かつ熱媒と燃焼ガスとの間で熱交換するためのものである。循環ポンプは一次熱交換器よりも熱媒循環回路の上流側に配置されている。熱媒タンクは循環ポンプよりも熱媒循環回路の上流側に配置されている。熱媒循環回路は、低温往き回路と、高温往き回路と、バイパス回路とを含んでいる。低温往き回路は、低温および高温端末から戻ってきた熱媒を二次熱交換器で加熱して低温端末に供給する。高温往き回路は低温および高温端末から戻ってきた熱媒を二次熱交換器で加熱した後に一次熱交換器で加熱して高温端末に供給する。バイパス回路は高温往き回路を分岐し、高温端末に供給する熱媒の一部を循環ポンプよりも上流側の熱媒循環回路に合流させる。熱源機は、バイパス回路を循環ポンプよりも上流側であり、熱媒タンクよりも下流側の熱媒循環回路に接続する構成、および二次熱交換器への熱媒流入量を制御可能な熱媒流入量制御装置を備え、熱媒流入量制御装置を二次熱交換器に接続する構成、の少なくともいずれかの構成を有する。

本発明の熱源機によれば、熱源機は、バイパス回路を循環ポンプよりも上流側であり、熱媒タンクよりも下流側の熱媒循環回路に接続する構成、および二次熱交換器への熱媒流入量を制御可能な熱媒流入量制御装置を二次熱交換器に接続する構成の少なくともいずれかを有する。バイパス回路を循環ポンプよりも上流側であり、熱媒タンクよりも下流側の熱媒循環回路に接続することにより、バイパス回路から熱媒が熱媒タンクに流入しないため、熱媒タンクの熱媒の温度を下げることができる。このため、熱媒タンクにおける熱媒の放熱を抑制することができる。これにより、熱源機の熱効率を向上することができる。また、熱媒流入量制御装置を二次熱交換器に接続することにより、二次熱交換器を流れる熱媒の流量を制御することができる。したがって、熱媒の流量を抑制することによって、二次熱交換器における熱媒の温度を下げることができる。このため、二次熱交換器における熱媒の放熱を抑制することができる。これにより、熱源機の熱効率を向上することができる。

上記の熱源機においては、熱媒タンクは熱媒循環回路に連通する出口を含んでいる。バイパス回路は出口よりも下流側の熱媒循環回路に接続されている。このため、熱媒タンクの出口よりも下流側において熱媒循環回路にバイパス回路を接続することができる。

上記の熱源機においては、熱媒流入量制御装置は弁を含んでいる。このため、二次熱交換器への熱媒の流入量を容易に制御することができる。

以上説明したように、本発明によれば、熱源機の熱効率を向上できる。

本発明の実施の形態１における熱源機の構成および高温暖房時の動作を示す概略図である。図１に示す制御装置の構成を説明するための機能ブロック図である。図１に示す熱源機の熱媒タンクとバイパス回路との接続を説明するための概略図である。本発明の実施の形態１における熱源機の低温暖房時の動作を示す概略図である。比較例の熱源機の高温暖房時の動作を示す概略図である。比較例の熱源機の低温暖房時の動作を示す概略図である。本発明の実施の形態２における熱源機の構成を示す概略図である。図７に示す制御装置の構成を説明するための機能ブロック図である。図７に示す二次熱交換器の動作を示す概略図である。本発明の実施の形態２における変形例１の熱源機の動作を示す概略図である。本発明の実施の形態２における変形例２の熱源機の動作を示す概略図である。本発明の実施の形態３のおける熱源機の構成を示す概略図である。

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
（実施の形態１）
まず本発明の実施の形態１における熱源機の構成について説明する。

図１を参照して、温水端末２０を循環する熱媒（水）と燃焼ガスとの間で熱交換可能なものである。温水端末２０は、低温端末２１および高温端末２２を含んでいる。この低温端末２１はたとえば床暖房装置であり、この高温端末２２はたとえば浴室暖房装置である。

本実施の形態の熱源機は、熱媒循環回路１と、一次熱交換器２と、二次熱交換器３と、循環ポンプ４と、熱媒タンク５と、燃焼装置（バーナ）６と、送風装置（ファン）７と、弁８，９と、制御装置１０と、低温サーミスタ１１と、高温サーミスタ１２とを主に備えている。

熱媒循環回路１は熱媒が循環するためのものである。一次熱交換器２および二次熱交換器３は熱媒循環回路１に接続されている。一次熱交換器２および二次熱交換器３は、熱媒と燃焼ガスとの間で熱交換するためのものである。一次熱交換器２は燃焼ガスの顕熱を回収可能に構成されており、二次熱交換器３は燃焼ガスの潜熱を回収可能に構成されている。一次熱交換器２と二次熱交換器３とは互いに接続されている。一次熱交換器２は、燃焼装置６の上方に位置し、二次熱交換器３は一次熱交換器２の上方に位置している。

循環ポンプ４は熱媒循環回路１に熱媒を循環させるためのものである。循環ポンプ４は、一次熱交換器２よりも熱媒循環回路１の上流側に配置されている。熱媒タンク５は、熱媒の温度変化に起因した体積の膨張に伴う圧力上昇または収縮に伴う圧力低下を抑制するためのものである。また、熱媒タンクは熱媒を補水可能に構成されている。熱媒タンク５は循環ポンプ４よりも熱媒循環回路１の上流側に配置されている。

燃焼装置（バーナ）６は燃焼ガスを供給するためのものである。送風装置（ファン）７は、燃焼装置６に燃焼用の空気を供給するためのものである。送風装置７は、燃焼装置６よりも下方に配置されている。弁８は低温往き回路１ａから低温端末２１への熱媒の流れを許容するように構成されており、弁９は高温往き回路１ｂから高温端末２２への熱媒の流れを許容するように構成されている。弁８は高温往き回路１ｂから高温端末２２へ熱媒が流れているときに閉止可能に構成されており、弁９は低温往き回路１ａから低温端末２１へ熱媒が流れているときには閉止可能に構成されている。

図１および図２を参照して、制御装置１０は、循環ポンプ４、送風装置７、弁８，９と、低温および高温サーミスタ１１，１２の各々に電気的に接続されている。制御装置１０は、制御手段１０ａと、温度判定手段１０ｂとを主に有している。制御手段１０ａは、循環ポンプ４、送風装置７、弁８，９の各々を制御するためのものである。温度判定手段１０ｂは、低温および高温サーミスタ１１，１２の温度を受けて低温往き回路１ａおよび高温往き回路１ｂの温度を判定するためのものである。

低温サーミスタ１１は低温往き回路１ａの温度を測定するためのものである。低温サーミスタ１１は循環ポンプ４に接続されている。高温サーミスタ１２は高温往き回路１ｂの温度を測定するためのものである。高温サーミスタ１２は二次熱交換器２よりも下流側の熱媒循環回路１に接続されている。

熱媒循環回路１は、低温往き回路１ａと、高温往き回路１ｂと、バイパス回路１ｃとを含んでいる。低温往き回路１ａは、温水端末２０（低温端末２１および高温端末２２）から戻ってきた熱媒を二次熱交換器３で加熱して低温端末２１に供給するように構成されている。高温往き回路１ｂは温水端末２０（低温端末２１および高温端末２２）から戻ってきた熱媒を二次熱交換器３で加熱した後に一次熱交換器２で加熱して高温端末２１に供給するように構成されている。バイパス回路１ｃは高温往き回路１ｂを分岐し、高温端末２１に供給する熱媒の一部を循環ポンプ４よりも上流側の熱媒循環回路１に合流させるように構成されている。

本実施の形態の熱源機は、バイパス回路１ｃを循環ポンプ４よりも上流側であり、熱媒タンク５よりも下流側の熱媒循環回路１に接続する構成を有している。

図３を参照して、熱媒タンク５は熱媒循環回路に連通する出口５ａを含んでいる。バイパス回路１ｃはこの出口５ａよりも下流側の熱媒循環回路１に接続されている。具体的には、バイパス回路１ｃは熱媒タンク５の出口５ａよりも下流側において、バイパス回路１ｃに接続するための接続部材ＣＰに接続されている。この接続部材ＣＰは、振動源である循環ポンプ４と一体であると振動が伝播するため、循環ポンプ４と接続部材ＣＰとは、別体にして、ゴムホースなどの緩衝材で接続されていることが好ましい。また、熱媒タンク５と接続部材ＣＰとは一体でも別体でも良いが、一体の方がコストを低減することができる。また、接続部材ＣＰとバイパス回路１ｃもゴムホースなどの緩衝材で接続されていることがさらに好ましい。また、接続部材ＣＰをゴム製のチーズ（Ｔ字型接続具）としてもよい。この場合、接続部材ＣＰによって振動の伝播が遮断されるため、接続部材ＣＰにゴムホースなどの緩衝材ではなく銅管（剛体）を接続しても振動の伝播を防止することができる。

次に、本実施の形態の熱源機の高温暖房時の動作について説明する。
図１を参照して、温水端末２０（低温端末２１および高温端末２２）から戻ってきた熱媒が熱媒循環回路１を通って二次熱交換器３に流入し、二次熱交換器３で加熱される。温水端末２０から戻ってきた熱媒の温度はたとえば６０℃であり、二次熱交換器３で加熱された後の熱媒の温度はたとえば約６２℃である。二次熱交換器３で加熱された熱媒は熱媒タンク５に流入した後、熱媒タンク５から循環ポンプ４に流入する。そして、循環ポンプ４が熱媒を送り出すことで、熱媒が一次熱交換器２に流入する。一次熱交換器２で加熱された熱媒は高温往き回路１ｂを通って高温端末２２に供給される。高温端末２２に供給される熱媒の温度はたとえば８０℃である。この場合、高温往き回路１ｂに接続されたバイパス回路１ｃに流入する熱媒の温度も同じく８０℃である。

続いて、本実施の形態の熱源機の低温暖房時の動作について説明する。
図４を参照して、上記の高温暖房時と同様に、温水端末２０（低温端末２１および高温端末２２）から戻ってきた熱媒が熱媒循環回路１を通って二次熱交換器３に流入し、二次熱交換器３で加熱される。低温暖房時においては、温水端末２０から戻ってきた熱媒の温度はたとえば４０℃であり、二次熱交換器３で加熱された後の熱媒の温度はたとえば約４２℃である。二次熱交換器３で加熱された熱媒は熱媒タンク５に流入した後、熱媒タンク５から循環ポンプ４に流入する。また、循環ポンプ４よりも上流側であり、熱媒タンク５よりも下流側の熱媒循環回路１にバイパス回路１ｃから流入した熱媒も循環ポンプ４に流入する。このバイパス回路１ｃを流れる熱媒の温度はたとえば約７５℃である。そして、循環ポンプ４が熱媒を送り出すことで、熱媒は低温往き回路１ａを通って低温端末２１に供給される。低温端末２１に供給される熱媒の温度はたとえば６０℃である。

次に、本実施の形態の熱源機の作用効果について、比較例１および２と対比して説明する。まず図５を参照して、比較例の熱源機の高温暖房時の動作を説明する。なお、特に説明しない限り、本実施の形態と同様の構成については同一の符号を付し、説明を繰り返さない。比較例の熱源機では、バイパス回路１ｃが熱媒タンク５に接続されているため、一次熱交換器２で加熱された高温の熱媒が熱媒タンク５に流入する。この結果、熱媒タンク５内の熱媒の温度は約７０℃となる。

続いて、図６を参照して、比較例の熱源機の低温暖房時の動作を説明する。上記の高温暖房時と同様に、低温暖房時においてもバイパス回路１ｃが熱媒タンク５に接続されているため、一次熱交換器２で加熱された高温の熱媒が熱媒タンク５に流入する。この結果、熱媒タンク５内の熱媒の温度はたとえば６０℃となる。

つまり、比較例の熱源機においては、高温暖房時および低温暖房時の両方とも本実施の形態の熱源機よりも熱媒タンク５内の熱媒の温度が高くなる。この結果、比較例の熱源機においては、本実施の形態の熱源機よりも熱媒タンク５内の熱媒の放熱量が大きくなる。

これに対して、本実施の形態の熱源機によれば、熱源機は、バイパス回路１ｃを循環ポンプ４よりも上流側であり、熱媒タンク５よりも下流側の熱媒循環回路１に接続する構成を有する。このため、バイパス回路１ｃから熱媒が熱媒タンク５に流入しないので、熱媒タンク５の熱媒の温度を下げることができる。このため、熱媒タンク５における熱媒の放熱を抑制することができる。これにより、熱源機の熱効率を向上することができる。

また、本実施の形態の熱源機においては、バイパス回路１ｃは熱媒タンク５の出口５ａよりも下流側の熱媒循環回路１に接続されている。このため、熱媒タンク５の出口５ａよりも下流側において熱媒循環回路１にバイパス回路１ｃを接続することができる。

（実施の形態２）
図７を参照して、本発明の実施の形態２における熱源機の構成について説明する。なお、特に説明しない限り、実施の形態１と同様の構成については同一の符号を付し、説明を繰り返さない。なお、本実施の形態では、バイパス回路１ｃが熱媒タンク５に接続されている。また低温サーミスタ１１が熱媒タンク５に接続されている。

本実施の形態の熱源機は、上記の実施の形態１と同様に、熱媒循環回路１と、一次熱交換器２と、二次熱交換器３と、循環ポンプ４と、熱媒タンク５と、燃焼装置（バーナ）６と、送風装置（ファン）７と、弁８，９と、制御装置１０と、低温サーミスタ１１と、高温サーミスタ１２とを主に備えている。さらに、雰囲気サーミスタ１３を備えている。また、図示されていないが、低温および高温端末２１，２２の回路が開いている系統数を検知可能な系統数センサを備えている。

本実施の形態の熱源機は、さらに熱媒流入量制御装置３０を備えている。熱媒流入量制御装置３０は、二次熱交換器３に接続されており、二次熱交換器３への熱媒流入量を制御可能に構成されている。図７および図８を参照して、制御手段１０ａは熱媒流入量制御装置３０を制御可能に構成されている。また、制御装置１０は、系統数センサに接続された低温および高温端末２１，２２の回路が開いている系統数を判定するための系統数判定手段１０ｃと、下記の補正値を記憶するための記憶手段１０ｄとをさらに有している。

図７および図９を参照して、熱媒流入量制御装置３０は、弁（開閉弁）３０ａを含んでいる。また、二次熱交換器３の上流側と下流側を結ぶバイパス３１が設けられている。バイパス３１の分岐と二次熱交換器３との間に弁３０ａが配置されている。弁３０ａは、通常、開弁している。一方、制御装置１０によって、二次熱交換器３で放熱が発生し得る状況と判断された場合には、弁３０ａが完全に閉止または部分的に閉止される。これにより、二次熱交換器３に流れる熱媒の流量が抑制される。したがって、二次熱交換器３における熱媒の放熱を抑制することができる。

制御装置１０は、二次熱交換器３の熱媒温度の算出値が一次熱交換器２の排気温度の算出値よりも高い場合に、二次熱交換器３で放熱が発生し得る状況と判断する。具体的には、二次熱交換器３の熱媒温度の算出値は、低温および高温サーミスタ１１，１２の測定温度と、低温および高温端末２１，２２の回路が開いている系統数、予め実験で求めておいた補正値とから算出される。つまり、低温および高温サーミスタ１１，１２からの温度を受けた温度判定手段１０ｂからの信号と、系統数判定手段１０ｃからの信号と、記憶手段１０ｄからの補正値とから制御手段１０ａによって二次熱交換器３の熱媒温度の算出値が算出される。一次熱交換器２の排気温度の算出値は、雰囲気サーミスタ１３の測定温度と、燃焼装置６のガス比例弁開度と、燃焼装置６の燃焼熱量の和から算出される。つまり、雰囲気サーミスタ１３からの温度を受けた温度判定手段１０ｂからの信号と、燃焼装置６からの信号とから制御手段１０ａによって一次熱交換器２の排気温度の算出値が算出される。

図１０を参照して、本実施の形態における変形例１の熱源機では、バイパス３１に弁（開放弁）３０ａが配置されている。弁３０ａは、通常、閉弁している。一方、制御装置１０によって、二次熱交換器３で放熱が発生し得る状況と判断された場合には、弁３０ａが開弁される。これにより、二次熱交換器３に流れる熱媒の流量が抑制される。

図１１を参照して、本実施の形態における変形例２の熱源機では、バイパス３１の分岐に弁（三方弁）３０ａが配置されている。弁３０ａは、通常、二次熱交換器３への流路のみが開弁している。一方、制御装置１０によって、二次熱交換器３で放熱が発生し得る状況と判断された場合には、二次熱交換器３への流路が完全に閉止または部分的に閉止され、バイパス３１側への流路が開放される。これにより、二次熱交換器３に流れる熱媒の流量が抑制される。

また、本実施の形態では、弁３０ａが閉弁された場合には、二次熱交換器３の流路が狭くなるため、圧力損失にあわせて循環ポンプ４の回転数を制御することが好ましい。

次に、本実施の形態の熱源機の作用効果について説明する。
本実施の形態の熱源機においては、熱媒流入量制御装置３０を二次熱交換器３に接続することにより、二次熱交換器３を流れる熱媒の流量を制御することができる。したがって熱媒の流量を抑制することによって、二次熱交換器３における熱媒の温度を下げることができる。このため、二次熱交換器３における熱媒の放熱を抑制することができる。これにより、熱源機の熱効率を向上することができる。

また、本実施の形態の熱源機においては、熱媒流入量制御装置３０は弁３０ａを含んでいる。このため、二次熱交換器３への熱媒の流入量を容易に制御することができる。

（実施の形態３）
図１２を参照して、本発明の実施の形態３における熱源機の構成について説明する。なお、特に説明しない限り、実施の形態１および２と同様の構成については同一の符号を付し、説明を繰り返さない。本実施の形態は、実施の形態１に実施の形態２の熱媒流入量制御装置３０を加えた構成を有している。

本実施の形態では、バイパス回路１ｃを循環ポンプ４よりも上流側であり、熱媒タンク５よりも下流側の熱媒循環回路１に接続することにより、熱媒タンク５における熱媒の放熱を抑制することができる。また、熱媒流入量制御装置３０を二次熱交換器３に接続することにより、二次熱交換器３における熱媒の放熱を抑制することができる。したがって、熱源機の熱効率をさらに向上することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１熱媒循環回路、１ａ低温往き回路、１ｂ高温往き回路、１ｃバイパス回路、２二次熱交換器、３一次熱交換器、４循環ポンプ、５熱媒タンク、５ａ出口、６燃焼装置、７送風装置、８，９，３０ａ弁、１０制御装置、１０ａ制御手段、１０ｂ温度判定手段、１０ｃ系統数判定手段、１０ｄ記憶手段、１１低温サーミスタ、１２高温サーミスタ、１３雰囲気サーミスタ、２０温水端末、２１低温端末、２２高温端末、３０熱媒流入量制御装置、３１バイパス。

Claims

低温および高温端末を循環する熱媒と燃焼ガスとの間で熱交換可能な熱源機であって、
前記熱媒が循環するための熱媒循環回路と、
前記熱媒循環回路に接続され、かつ前記熱媒と前記燃焼ガスとの間で熱交換するための一次および二次熱交換器と、
前記一次熱交換器よりも前記熱媒循環回路の上流側に配置された循環ポンプと、
前記循環ポンプよりも前記熱媒循環回路の上流側に配置された熱媒タンクとを備え、
前記熱媒循環回路は、
前記低温および高温端末から戻ってきた前記熱媒を前記二次熱交換器で加熱して前記低温端末に供給する低温往き回路と、
前記低温および高温端末から戻ってきた前記熱媒を前記二次熱交換器で加熱した後に前記一次熱交換器で加熱して前記高温端末に供給する高温往き回路と、
前記高温往き回路を分岐し、前記高温端末に供給する前記熱媒の一部を前記循環ポンプよりも上流側の前記熱媒循環回路に合流させるバイパス回路とを含み、
前記熱源機は、
前記二次熱交換器への熱媒流入量を制御可能な熱媒流入量制御装置を備え、前記熱媒流入量制御装置を前記二次熱交換器に接続する構成を有し、
燃焼装置と、前記低温往き回路の温度を測定するための低温サーミスタと、前記高温往き回路の温度を測定するための高温サーミスタと、雰囲気サーミスタと、制御手段と温度判定手段と系統数判定手段と記憶手段とを含み前記熱媒流入量制御装置を制御可能な制御装置と、を備え、
前記低温および前記高温サーミスタからの温度を受けた前記温度判定手段からの信号と、前記系統数判定手段からの信号と、前記記憶手段からの補正値と、から前記制御手段によって算出される前記二次熱交換器の熱媒温度の算出値が、前記雰囲気サーミスタからの温度を受けた前記温度判定手段からの信号と、前記燃焼装置からの信号と、から前記制御手段によって算出される前記一次熱交換器の排気温度の算出値よりも高い場合に、前記二次熱交換器で放熱が発生し得る状況と判断し、前記熱媒流入量制御装置で前記熱媒流入量を制御する、熱源機。
前記熱媒タンクは前記熱媒循環回路に連通する出口を含み、
前記バイパス回路は前記出口よりも下流側の上記熱媒循環回路に接続されている、請求項１に記載の熱源機。
前記熱媒流入量制御装置は弁を含んでいる、請求項１に記載の熱源機。