JPH0726756B2 - 温水発生器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 《産業上の利用分野》 本発明は、家庭の水道の水等を温水とする温水発生器に
関し、特に、ヒートパイプを用いた温水発生器の加熱手
段を改良したものに関するものである。

《従来の技術》 従来のこの種の温水発生器としては一般に、火や電気ヒ
ータにより、直接、水を加熱して温水とする温水発生器
や応答性を考慮して上記した温水発生器に温水貯留タン
クを設けた温水発生器が知られている。

しかし、このような従来の温水発生器では、温水が必要
な時に直接水を加熱して温水を得る構造となっているた
め、単位時間且つ単位面積当たりの熱授受量を大きくし
なければならず、電気ヒータの熱容量が大きくなる。こ
の結果、電気ヒータを通電してから所要温度となるまで
に時間がかかり、温水を得るまでの応答性が悪いという
欠点があった。

また、温水貯留タンクを設けると、あらかじめ温水を蓄
えておくことができるため温水が必要な時に瞬時に温水
を得ることができ応答性は良いが、装置全体が大型化す
るという欠点があった。

このような問題に対して、例えば、特公昭61−31390号
公報には、ヒートパイプを用いた温水発生器が提案され
ており、この温水発生器によれば、ヒートパイプ内に封
入されている作動流体の熱伝達率および応答性が良好な
ので、上記欠点が解消されることが期待できるが、この
公報に開示されている温水発生器には、以下に説明する
技術的課題があった。

《発明が解決しようとする課題》 すなわち、上記公報に示されている温水発生器では、単
管式のヒートパイプを用い、その一端の凝縮部を貯水タ
ンク内に挿入し、他端の蒸発部を加熱手段で加熱する構
成を採用しているが、加熱手段としてガスバーナを用い
ているので、ガスを燃焼させるために空気の取入および
排気ガスの排出が必要となるだけでなく、火災や地震、
さらには物理的な衝撃等に対する配慮も必要になって、
取付け場所に大きな制約があった。

この場合、加熱手段として電気ヒータを採用することも
考えられるが、電気ヒータでは、空気の取入および排気
ガスの排出は不要になるので、設置場所の自由度はある
程度緩和されるが、十分な自由度が得られない。

また、単管式のヒートパイプでは、ヒートパイプの内部
で気体と液体とが異った方向に移動するので、封入され
た作動流体を制御して、温水の温度を調整することがで
きず、温水の温度調整に別の手段を設けなければならな
いという問題もあった。

この発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされた
ものであって、その目的とすることろは、形状および取
付場所に極めて大きな自由度を有するとともに、温水の
温度調整が簡単に行える温水器を提供することにある。

《課題を解決するための手段》 上記目的を達成するために、この発明は、蒸発および凝
縮可能な作動流体が封入された密閉循環管路を有するヒ
ートパイプと、前記密閉循環管路中に介装された制御手
段と加熱手段および凝縮手段とを備え、前記凝縮手段で
前記作動流体と外部の流水とを熱交換させて、この流水
を温水となす温水発生器であって、前記加熱手段は、比
熱および熱伝導率の大きな炭化珪素または窯化珪素から
なるセラミックス製の固体蓄熱体で前記ヒートパイプを
囲繞するとともに、熱膨張差による応力を緩和する緩衝
材および前記蓄熱体の温度を検出するセンサを介在させ
て活性金属法にて前記ヒートパイプと一体的に接合され
ており、前記固体蓄熱体はヒータを備えるとともに周囲
を断熱材で囲繞されてなることを特徴としている。

《作用・効果》 上記構成の温水発生器によれば、ヒートパイプは、作動
流体が封入された密閉循環管路を有しているので、蒸発
した気体と凝縮した液体とが管路内を同一方向に移動す
ることになり、管路中に制御手段、例えば、制御弁を設
けて作動流体の流れをコントロールすれば、凝縮手段で
行なわれる作動流体と外部の流水との熱交換量を簡単に
調整できる。

また、ヒートパイプの加熱手段が断熱材で囲繞された固
体蓄熱器で構成されているので、蓄熱器の形状が任意に
選択できるとともに、火災、地震、物理的な衝撃に対し
て強く、設置場所に制御を受けず、極めて幅広い自由度
を備えている。

また、上記蓄熱器を構成する固体蓄熱体は比熱及び熱伝
導率の大きな炭化珪素または窯化珪素からなるセラミッ
ク製であるから、蓄熱器を小型化できるだけでなく蓄熱
器の温度が迅速に上昇し、すぐに熱い湯が得られる。特
に、炭化珪素、窯化珪素の熱伝導率は15〜55Kcal/m.hr.
℃でレンガ等（MgO₂系、ZrO₂系）の熱伝導率１〜2Kcal/
m.hr.℃に比べて著しく大きいから、本発明の炭化珪素
または窯化珪素からなる固体蓄熱体を使用した温水発生
器では極めて優れた熱伝導効率を得ることができる。

また、固体蓄熱体は熱膨張差により応力を緩和する緩衝
材を介在させてヒートパイプと接合させているから、固
体蓄熱体とヒートパイプとを密着させても、ヒートパイ
プの熱膨張変化が緩衝材によって吸収され、上記の優れ
た熱伝導効率を常時得ることができるとともに固体蓄熱
体またはヒートパイプがその熱膨張差によって生ずる応
力によって損傷されることが無い。

また、固体蓄熱体はその温度を検出するセンサを介在さ
せてヒートパイプと一体的に接合されているから、ヒー
トパイプ近傍の蓄熱体の温度を正確に検出してその温度
制御を正確なものとすることができる。

更にまた、固体蓄熱体は活性金属法にてヒートパイプと
一体的に接合されており、蓄熱体にはヒータが備えられ
ているので、ヒータによって生じた蓄熱体の熱が極めて
効率よくヒートパイプに伝導される。

《実施例》 以下、本発明の一実施例を添付図面に基づいて説明す
る。

第１図及び第２図は本考案に係る温水発生器の一実施例
を示している。

同図に示す温水発生器は、蒸発および凝縮可能な作動流
体Ａ、例えば水が封入され、内部をほぼ真空状態にした
密閉循環管路からなるヒートパイプ１を有している。

上記ヒートパイプ１には、蒸発部２と凝縮部３および凝
溜め部４が設けられている。

上記蒸発部２および凝縮部３は、蒸発側の本体パイプ1a
と凝縮側の本体パイプ1bとの間にそれぞれ介装され、蒸
発部２は、３本の分岐パイプ1c〜1eから構成され、各分
岐パイプ1c〜1eを両端で連結し、合流された各連結部が
本体パイプ1a,1bにそれぞれ気密状態で接続されてい
る。

また、凝縮部３は、波形に折曲された湾曲パイプ1fから
構成され、その両端が本体パイプ1a,1bにそれぞれ気密
状態で接続されている。

さらに、液溜め部４は、凝縮側の本体パイプ1bの途中に
設けられていて、パイプ1bの直径よりも大径な拡径部で
構成され、拡径部はほぼ鉛直方向に位置しており、凝縮
部３で凝縮された液状の作動流体Ａがその下部に貯留さ
れる。

液溜め部４と蒸発部２との間には、後述する制御装置で
コントロールされる制御弁５が介装されている。

一方、上記蒸発部２の外周には、各分岐パイプ1c〜1eを
覆うようにしてヒートパイプ１の加熱手段である蓄熱器
が設けられている。

蓄熱器は、分岐パイプ1c〜1eの外周に一体的に設けられ
た固体蓄熱体６と、各分岐パイプ1c〜1eと直交するよう
に蓄熱体６内に密接状態で埋設されたヒータ７とから構
成されている。

ここで用いられる固体蓄熱体６は、比熱および熱伝導率
の比較的大きな炭化珪素または窯化珪素からなるセラミ
ックスが採用され、分岐パイプ1c〜1eと蓄熱体６とは、
第２図に示すように、熱膨脹差による応力を緩和するた
めに銅などの緩衝材８と、蓄熱体６の温度を検出するセ
ンサ９とを介在させて活性金属法により一体的に接合さ
れている。

この活性金属法とはメタライズ法の一種で、Ti,Zr等の
セラミックスと反応を生ずるような活性金属をAg,Ni,Cu
等の比較的低温度で共融する金属で被覆したセラミック
スと封着金属（この場合分岐パイプ1c〜1e）との間に挿
入し、真空中または不活性ガス中で加熱処理することに
よってこれらを封着する方法であって、この方法によれ
ば分岐パイプ1c〜1eと蓄熱体６との間の熱応答性が良好
になり、また、熱損失が少なくなる。

なお、第２図に示した例では、蓄熱体６を複数のブロッ
クに分割し、ブロック間に分岐パイプ1c〜1eを挟み込む
ようにして一体的に接合する方法を示したが、蓄熱体６
をブロックに分割しないで、挿入孔を穿設して、この挿
入孔内にパイプ1c〜1eを挿入して接合するようにしても
よい。

他方、凝縮部３の湾曲パイプ1fの外周には、パイプ1fを
覆うように給水管10が配設されている。この給水管10の
流入側は、流量調整バルブ11及び止水弁12を介して水道
水源13に連結されており、流出側は、蛇口14に連結され
ていて、湾曲パイプ1f内を移動する作動流体Ａと給水管
10内を流通する流水Ｗとの間で熱交換をさせる凝縮手段
を構成している。

また、給水管10と止水弁12との間には、水量センサ15お
よび流水温度センサ16が設けられるとともに、蛇口14の
上流には出湯温度センサ17が設けられている。

さらに、給水管10の外周は、断熱空間18を設けて断熱材
19により覆われている。

なお、断熱材19は、ヒートパイプ１の蒸発側の本体パイ
プ1a外周および蓄熱体６の外周をそれぞれ囲繞するよう
に設けられている。

上記した構成の温水発生器では、ヒートパイプ１内に封
入された作動流体Ａは、ヒータ７により加熱され蓄熱体
６に蓄えられた熱により蒸発部２で瞬時に加熱され高温
の蒸発気体となって本体パイプ1a内を流れ、凝縮部３に
て作動流体Ａの熱が給水管10内を流れる水Ｗに伝達され
熱交換が行われる。

これにより、給水管10内を流れる水Ｗが温水となって蛇
口14より放水されると共に作動流体Ａが凝縮され液体と
なって本体パイプ1b内を流下して液溜め部４に溜められ
る。

この結果、ヒートパイプ１の高速応答性を有効に活用し
て温水を得ることができる。

この場合、蓄熱体６に蓄えられる熱エネルギーは、例え
ば、深夜電力や癈熱回収エネルギーを利用して経済性の
向上を図ることができるとともに、固体蓄熱体６は、任
意の形状に成形できると同時に、地震や物理的な衝撃に
強く、また、断熱材19で囲繞しているので、火災の惧れ
もなく、例えば、建物の壁内などのデッドスペースに設
置でき、場所に制約を受けない幅広い自由度を備えてい
る また、固体蓄熱体６は、従来の貯湯式のものに比べて、
単位体積当りの蓄熱エネルギーが大きいので、全体の小
型化も可能となる。

本発明者らの試案によると、例えば、比重が3.2で比熱
が0.2（cal/gk）の炭化珪素若しくは窯化珪素の固体蓄
熱体６は、使用可能な温度がそれぞれ400℃,500℃であ
って、１リットル当りそれぞれ192Kcal,282Kcalの熱エ
ネルギーを蓄えられるので、85℃の温水を１リットル貯
湯する場合に対して、大きさがそれぞれ1/2.3（85/19
2）,1/3.3（85/282）で済むことが確認されている。

さらに、上記構成の温水発生器では、密閉循環管路を有
するヒートパイプ１を採用しているので、作動流体Ａの
移動は、蒸発部２から凝縮部３および液止め部４と移動
する一方向となるので、制御弁５の調整により、蛇口14
から放出される温水の温度を簡単にコントロールでき
る。

第３図および第４図は、温水の温度を調整する制御装置
の一例を示している。

同図に示す制御装置は、いわゆるマイクロコンピュータ
を用いたものであって、マイクロコンピュータ（以下、
CPUと称する）のポートP1には、温水の出湯温度を設定
する設定スイッチ20が接続され、ポートP2には、水量セ
ンサ15が接続されている。また、ポートP3には、蓄熱体
６の蓄熱温度を検出するセンサ９が接続されるととも
に、ポートP4には、凝縮出湯温度を検出する出湯温度セ
ンサ17が接続されている。さらに、ポートP5には、電圧
制御回路21を介して蒸発部２の流入側と液溜め部４との
間に配設され作動流体５の流量を制御する制御弁５が接
続されている。

第４図は、CPUによる温水の温度を調整する手順を示し
ている。

まず、フローがスタートすると、ステップS1〜S3におい
て、制御弁５の現在の弁開度Ｄを読み取り、その弁開度
を「０」に初期設定する。

ステップS4〜S5において水量センサ15により温水とする
水の水量Ｆを読み取り、水が流れているかを判別する。

ステップS6において、設定スイッチ20にて設定された設
定出湯温度Tsetと、出湯温度センサ17により検出された
現在の出湯温度T2とを読み取る。

ステップS7において設定出湯温度Tsetと出湯温度T2とを
比較し、出湯温度T2が設定出湯温度Tsetより小さい場合
においてステップS8〜S13において出湯温度T2を調整す
る。

ステップS8において設定スイッチ20,出湯温度センサ17,
蓄熱体６の温度センサ９及び水量センサ15により設定出
湯温度Tset,出湯温度T2、蓄熱体６の温度T,水量Ｆが読
み込まれる。

ステップS9では蓄熱体６の容積，材質、作動流体Ａの封
入量、制御弁５の応答速度、蓄熱体６と凝縮部３の伝熱
面積比などにより制御函数Ｋを求める。

ステップS10では、温水を設定温度に合到させるための
制御弁５の開度ΔＤが、 ΔＤ＝Ｋ・（Tset−T2） から算出される。ステップS11において現在の弁開度Ｄ
に必要な弁開度ΔＤを加え、弁開度Ｄを補正する。ステ
ップS12において水が流れているかを再度判別し、ステ
ップS13において補正された弁開度Ｄを出力し、制御弁
５を補正された開度に設定する。この後、ステップS8に
戻る。

上記した手順の如く、制御弁５の開度を制御して作動流
体Ａの流量を調整することにより、出湯温度T2を自由に
設定できると共に、設定した出湯温度Tsetに対応した正
確な出湯温度T2を得ることができる。これにより、使用
者は出湯温度を自由に設定でき且つ所望の出湯温度に対
して正確な温度の温水を得ることができる。

なお、第４図に示した手順では、ステップS7で設定出湯
温度Tsetが出湯温度T2よりも小さい場合には、ステップ
S1に戻るようにしているが、この時に上記ステップS8〜
S13で示した制御弁５の弁開度Ｄを大きく補正する手順
とは逆に、弁開度Ｄを徐々に小さくするような手順にし
てもよい。

また、制御弁５の制御手段はCPUだけでなく他の制御手
段であってもよく、さらに、流量調整バルブ11を開弁し
てその直後に出湯する際には、制御弁５をこれに応じて
直ちに開弁せず所定のタイムラグを設けて開弁させた
り、あるいはこれとは逆に出湯を停止する際には、流量
調整バルブ11が完全に閉弁される前に制御弁５を閉弁さ
せるようにしてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る温水発生器を表す平面図、第２
図は蓄熱体の部分拡大断面図、第３図は制御弁の制御装
置のブロック図、第４図は第３図に示した制御装置のフ
ローチャート図である。 １……ヒートパイプ、２……蒸発部 ３……凝縮部、５……制御弁 ６……蓄熱体（蓄熱手段）、７……ヒータ Ａ……作動流体、Ｗ……流水

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 999999999 株式会社イナックス 愛知県常滑市鯉江本町５丁目１番地 (72)発明者 鈴木 皓三 東京都千代田区内幸町１丁目１番３号 東 京電力株式会社内 (72)発明者 岡田 宗男 東京都千代田区内幸町１丁目１番３号 東 京電力株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−29859（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−252493（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−86775（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】蒸発および凝縮可能な作動流体が封入され
   た密閉循環管路を有するヒートパイプと、前記密閉循環
   管路中に介装された制御手段と加熱手段および凝縮手段
   とを備え、前記凝縮手段で前記作動流体と外部の流水と
   を熱交換させて、この流水を温水となす温水発生器であ
   って、前記加熱手段は、比熱および熱伝導率の大きな炭
   化珪素または窯化珪素からなるセラミックス製の固体蓄
   熱体で前記ヒートパイプを囲繞するとともに、熱膨張差
   による応力を緩和する緩衝材および前記蓄熱体の温度を
   検出するセンサを介在させて活性金属法にて前記ヒート
   パイプと一体的に接合されており、前記固体蓄熱体はヒ
   ータを備えるとともに周囲を断熱材で囲繞されてなるこ
   とを特徴とする温水発生器。