JPWO2017158938A1 - 熱交換システムおよび熱交換システムのスケール抑制方法 - Google Patents

Abstract

熱交換システムは、第１の液体が循環する環状の第１の循環回路と、第２の液体が循環する環状の第２の循環回路と、第１の液体と第２の液体との間で熱交換を行う熱交換器と、第２の液体の一部を加圧して保持する圧力保持部と、熱交換器の第２の液体の流入側に設けられ、熱交換器に流入する第２の液体を、第２の循環回路と圧力保持部との間で切り替える開閉機構部と、圧力保持部に保持された第２の液体に対する加圧量、および開閉機構部の切り替えを制御する制御部とを備える。

Description

本発明は、シャワー等に利用される水などの被加熱液体を加熱する熱交換システムおよび熱交換システムのスケール抑制方法に関するものである。

浴室や台所に温水を供給する給湯器は、例えば、電気給湯器、ガスボイラー等のガス給湯器、石油給湯器などに大別され、このような給湯器においては、熱を水に伝えるための熱交換器が設けられている。最近では、特に、省エネルギー性および地球温暖化対策のために二酸化炭素を削減する観点から、電気給湯器の中でも、ヒートポンプ熱交換式の電気給湯器であるヒートポンプ給湯器が注目されている。

このようなヒートポンプ給湯器は、大気の熱を熱媒体に移し、その熱を用いることでお湯を沸かすものである。より具体的に、ヒートポンプ給湯器の原理は、熱媒体を気体状に圧縮した際に発生する熱を熱交換器によって水に移し、その熱媒体を膨張させた際に発生する冷気により、熱媒体の温度を再び大気温まで戻す冷熱サイクルによるものである。

ここで、理論上は、給湯器を運転させるために投入されたエネルギー以上の熱エネルギーを取り出すことはできない。しかしながら、このような冷熱サイクルを利用したヒートポンプ給湯器は、大気の熱を利用する仕組みであるため、給湯器の運転に要するエネルギーよりも多くの熱エネルギーを利用することができる。

ところで、熱交換器は、内部を流れる熱媒体と表面を流れる水などの流体との間で熱交換を行う。そのため、伝熱面である熱交換器の表面を常に清浄な状態に保つことが重要となる。これは、熱交換器の表面が汚れると、有効な伝熱面が減少し、熱伝達性能が低下してしまうためである。また、このような汚れが蓄積した場合には、水などの流路が閉塞してしまう虞がある。
特に、硬度成分、硫酸塩、ケイ酸成分、金属イオンなどを含む結晶状の生成物であるスケール成分を含む水を給湯器に供給すると、スケールが熱交換器、給湯タンクまたは配管内に付着し、熱交換率が低下したり、流路が閉塞したりしてしまうという問題点があった。

そこで、最近では、スケールの付着により発生するこのような問題点を解決するための様々な方法が提案されている。例えば、特許文献１および特許文献２には、給湯用水の圧力に脈動を印加することによって発生する、流量が変化する脈流を用いてスケールの発生を抑制することが記載されている。

特許文献１および特許文献２に記載されたヒートポンプ式給湯器は、貯湯タンクと、貯湯タンク下部から湯水を取り出し、貯湯タンクの上部に戻す加熱循環経路と、加熱循環経路内の湯水を加熱する加熱用熱交換器と、加熱循環経路の加熱用交換機の上流に設けられ、加熱循環経路内の湯水を脈流させる脈動発生手段と、加熱循環経路内の湯水を循環させる循環手段と、脈動発生手段および循環手段を制御する制御部とを備えている。
また、制御部は、脈動発生手段を加熱用熱交換器による加熱中に動作させ脈流を発生させるとともに、加熱循環経路内の流量が予め設定した所定値以上となるように循環手段を制御する。

このようなヒートポンプ式給湯器では、硬度成分が高い水を用いてお湯を沸かした場合でも、加熱用熱交換器内でのスケールの堆積を抑制することができ、スケールによる配管閉塞の速度を緩和し、ヒートポンプ式給湯器の長寿命化を図ることができる。

また、特許文献３には、水の脈動時におけるせん断応力が一定流量のせん断応力よりも大きく、脈動を印加することにより、スケールの付着を効率的に抑制できることが記載されている。

そして、特許文献１〜特許文献３に記載のヒートポンプ式給湯器においては、熱交換システム内で水を循環させるためのポンプを駆動するモータの回転数を制御することによって水に脈動を印加している。

特開２０１０−１４５０３７号公報 特開２０１２−１１７７７６号公報 特開２０１４−１６０９８号公報

しかしながら、特許文献１〜特許文献３に記載されているように、モータの回転数によって脈動の印加を制御する場合には、モータの回転数が瞬時に上昇しない。そのため、スケール抑制効果を発揮するポンプ流量を実現するモータ回転数に達するまでに時間を要するという問題点があった。

その結果、水の流量がスケール抑制効果を発揮する流量に到達する前に、熱交換器に対して単位時間あたりに接触するカルシウムイオン等のスケール原因物質の量が、一定流量の場合と比較して増えてしまう。そのため、スケールの付着が促進されることになり、脈動を印加することによるスケール抑制効果が低減してしまう。

本発明は、上記従来の技術における問題点に鑑みてなされたものであって、熱交換器に対するスケールの発生および成長をより効率的かつ確実に抑制することが可能な熱交換システムおよび熱交換システムのスケール抑制方法を提供することを目的とする。

本発明の熱交換システムは、第１の液体が循環する環状の第１の循環回路と、第２の液体が循環する環状の第２の循環回路と、前記第１の液体と前記第２の液体との間で熱交換を行う熱交換器と、前記第２の液体の一部を加圧して保持する圧力保持部と、前記熱交換器の前記第２の液体の流入側に設けられ、前記熱交換器に流入する前記第２の液体を、前記第２の循環回路と前記圧力保持部との間で切り替える開閉機構部と、前記圧力保持部に保持された前記第２の液体に対する加圧量、および前記開閉機構部の切り替えを制御する制御部とを備えるものである。

以上のように、本発明によれば、予め設定された圧力が印加された２次側液体を、予め設定されたタイミングで熱交換器に対して供給することにより、熱交換器に対するスケールの発生および成長をより効率的かつ確実に抑制することが可能になる。

実施の形態１に係る熱交換システムの構成の一例を示すブロック図である。 図１の圧力保持部の構成の一例を示す概略図である。 図１の開閉機構部の構成の一例を示す概略図である。 図１の圧力印加部の動作について説明するためのフローチャートである。 従来のポンプにおけるモータの回転数を増加させた場合のせん断応力の時間変化の一例を示すグラフである。 図１の熱交換器の接触面に付着する気泡と析出するスケールとの関係について説明するための概略図である。 図１の熱交換器の接触面に析出したスケールの一例を示す概略図である。 図１の熱交換器から気泡が離脱する際の気泡離脱径とせん断応力との関係の一例を示すグラフである。 図１の熱交換システムにおいて、２次側被加熱液体にせん断応力を印加した場合のせん断応力の時間変化の一例を示すグラフである。 せん断応力パルスの印加回数と気泡の平均径との関係の一例を示すグラフである。 せん断応力パルスの印加タイミングを変化させた場合の熱交換器に対するスケールの付着量について説明するためのグラフである。 せん断応力パルスのせん断応力を変化させた場合の熱交換器に対するスケールの付着量について説明するためのグラフである。 せん断応力パルスのパルス幅を変化させた場合の熱交換器に対するスケールの付着量について説明するためのグラフである。 せん断応力パルスのせん断応力およびパルス幅を変化させた場合の熱交換器に対するスケールの付着量について説明するためのグラフである。 実施の形態２に係る熱交換システムの構成の一例を示すブロック図である。 図１５の第２の開閉機構部の構成の一例を示す概略図である。 第１のせん断応力パルス〜第３のせん断応力パルスを印加した場合の熱交換器に対するスケールの付着量について説明するためのグラフである。 実施の形態３に係る熱交換システムの構成の一例を示すブロック図である。 第１のせん断応力パルス〜第３のせん断応力パルスを印加した場合の熱交換器２に対するスケールの付着量について説明するためのグラフである。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１に係る熱交換システムについて説明する。
この熱交換システムは、ヒートポンプによって加熱または冷却された１次側の液体の熱により、水などの２次側の液体を加熱または冷却するものである。また、この熱交換システムでは、２次側液体を加熱または冷却する際に、熱交換器における２次側液体との接触面に発生するスケールの付着を抑制する。
なお、以下では、ヒートポンプによって加熱された被加熱液体の熱により、シャワー等に利用される水などの被加熱液体を加熱して温水を生成する熱交換システムを例にとって説明する。

［熱交換システムの構成］
図１は、本発明の実施の形態１に係る熱交換システム１の構成の一例を示すブロック図である。
図１に示すように、熱交換システム１は、第１の循環回路としての１次側循環回路１０、第２の循環回路としての２次側循環回路２０、および１次側循環回路１０と２次側循環回路２０との間に設けられた熱交換器２で構成されている。この熱交換システム１は、熱交換器２により、１次側循環回路１０を循環する第１の液体としての１次側被加熱液体と、２次側循環回路２０を循環する第２の液体としての２次側被加熱液体との間で熱交換を行う。そして、熱交換システム１は、１次側被加熱液体の熱によって２次側被加熱液体を加熱する。

ここで、本実施の形態１では、例えば、１次側循環回路１０を流れる１次側被加熱液体の温度が６０℃となり、ヒートポンプ１１の出口側温度が６５℃となるように制御を行う。また、２次側循環回路２０の２次側被加熱液体の温度は、熱交換器２の出口側温度が５７℃とする。なお、２次側循環回路２０では、例えば２週に一度程度、２次側被加熱液体中の細菌の除去を目的として、熱交換器２における２次側被加熱液体の出口側温度を６５℃まで昇温する滅菌運転を、１時間だけ行う。

１次側循環回路１０は、ヒートポンプ１１、ヒータ１２、流路切替装置１３、第１のポンプ１４、ラジエータ１５、膨張容器１６、および熱交換器２を備えている。
１次側循環回路１０において、ヒートポンプ１１、ヒータ１２、膨張容器１６、流路切替装置１３、熱交換器２、および第１のポンプ１４は、配管１７によって環状に接続されている。また、ラジエータ１５は、流路切替装置１３と第１のポンプ１４との間に設けられた、配管１７とは異なる配管１８によって接続されている。配管１７および配管１８は、流路切替装置１３によって分岐し、熱交換器２と第１のポンプ１４との間で合流するようにして接続されている。

ヒートポンプ１１は、例えば、内部に冷凍サイクルが形成され、第１のポンプ１４によって供給された１次側被加熱液体を加熱する。
ヒータ１２は、ヒートポンプ１１から供給された１次側被加熱液体をさらに加熱するために設けられている。ヒータ１２は、ヒートポンプ１１から供給された１次側被加熱液体を加熱し、流路切替装置１３に供給する。

流路切替装置１３は、例えば電磁式の三方弁であり、１つの流入口と、２つの流出口とを有している。流路切替装置１３は、ヒータ１２を介してヒートポンプ１１から供給された１次側被加熱液体を、熱交換器２およびラジエータ１５のいずれか一方へ供給するために流出口が選択され、流路を切り替える。

第１のポンプ１４は、図示しないモータによって駆動され、熱交換器２またはラジエータ１５からヒートポンプ１１へ１次側被加熱液体を供給する。
ラジエータ１５は、例えば熱交換器であり、配管１８を流れる１次側被加熱液体と空調対象空間である室内の空気との間で熱交換を行い、１次側被加熱液体の熱によって室内の空気を加熱する。

熱交換器２は、１次側循環回路１０を流れる１次側被加熱液体と、２次側循環回路２０を流れる２次側被加熱液体との間で熱交換を行い、１次側被加熱液体の熱によって２次側被加熱液体を加熱する。
膨張容器１６は、ヒータ１２から流出する１次側被加熱液体を一時的に貯留するために設けられている。

２次側循環回路２０は、タンク２１、第２のポンプ２２、スケールトラップ２３、圧力印加部３０、および熱交換器２を備えている。２次側循環回路２０において、タンク２１、第２のポンプ２２、熱交換器２、およびスケールトラップ２３は、配管２４および配管２５によって環状に接続されている。
また、圧力印加部３０は、タンク２１と、第２のポンプ２２および熱交換器２の間とに、配管２４および配管２５によって形成される流路とは異なる、配管３６および配管３７によって形成されるバイパス回路としての流路に設けられている。

タンク２１は、熱交換器２で加熱された２次側被加熱液体が供給され、この２次側被加熱液体を蓄える。また、タンク２１は、給水配管２１ａを介して外部から水道水等が供給され、供給された水道水等を２次側被加熱液体として流出させて第２のポンプ２２に供給する。タンク２１に蓄えられた、加熱された２次側被加熱液体は、温水配管２１ｂを介して外部に放出され、シャワー等の温水として利用される。

第２のポンプ２２は、図示しないモータによって駆動され、タンク２１から熱交換器２へ２次側被加熱液体である水を供給する。第２のポンプ２２は、モータの回転数によって熱交換器２へ供給する２次側被加熱液体の流速を変化させることができる。例えば、第２のポンプ２２は、モータの回転数を上昇させることにより、熱交換器２へ供給する２次側被加熱液体の流速を増加させることができる。

スケールトラップ２３は、熱交換器２の２次側被加熱液体との接触面に付着し除去されたスケールを捕捉するために設けられている。なお、スケールトラップ２３のスケール捕捉効果は、２次側被加熱液体の循環回数が多いほど大きい。そのため、循環回数が１回の沸き上げ方式の場合には、スケール捕捉効果がほとんど期待できないため、スケールトラップ２３は設置しなくてもよい。

圧力印加部３０は、タンク２１から２次側被加熱液体が供給される。圧力印加部３０は、供給された２次側被加熱液体に対して予め設定された圧力を印加した後、この２次側被加熱液体を熱交換器２に対して供給する。
圧力印加部３０は、第３のポンプ３１、圧力保持部３２、開閉機構部３３、および開閉制御部３４で構成されている。

第３のポンプ３１は、図示しないモータによって駆動され、タンク２１から圧力保持部３２へ被加熱液体を供給する。

圧力保持部３２は、第３のポンプ３１を介してタンク２１から２次側被加熱液体が供給される。圧力保持部３２の内部は、２次側被加熱液体によって常に満たされるとともに、２次側循環回路２０内の配管を流れる２次側被加熱液体よりも高い圧力が印加された状態となっている。

図２は、図１の圧力保持部３２の構成の一例を示す概略図である。
図２に示すように、圧力保持部３２は、中空のシリンダー状に形成されたシリンダー構造部３２ａに、電磁弁３２ｂおよび電磁弁３２ｃ、水量センサ３２ｄ、圧力センサ３２ｅ、加圧力部３２ｆが設けられている。これら電磁弁３２ｂ〜加圧力部３２ｆは、信号線３５を介して開閉制御部３４に接続されている。
圧力保持部３２は、配管３６を介してシリンダー構造部３２ａに流入した２次側被加熱液体に対して予め設定された圧力を印加する。そして、圧力保持部３２は、圧力が印加された２次側被加熱液体を、配管３７を介して後述する開閉機構部３３に対して流出させる。

電磁弁３２ｂは、第３のポンプ３１を介して配管３６を流れる２次側被加熱液体が流入する流入口に設けられている。電磁弁３２ｂは、弁の開閉状態を示す情報を、信号線３５を介して開閉制御部３４に供給するとともに、信号線３５を介して開閉制御部３４から供給される制御信号に基づき、弁の開閉状態が制御される。
電磁弁３２ｃは、例えば圧力保持部３２の上部に設けられている。電磁弁３２ｃは、弁の開閉状態を示す情報を、信号線３５を介して開閉制御部３４に供給するとともに、信号線３５を介して開閉制御部３４から供給される制御信号に基づき、弁の開閉状態が制御される。
これら電磁弁３２ｂおよび電磁弁３２ｃは、通常時には「開」状態とされており、後述する水量センサ３２ｄの検出結果に基づき、開閉制御部３４によって弁の開閉状態が制御される。そして、シリンダー構造部３２ａ内が２次側被加熱液体によって満たされたことを水量センサ３２ｄが検出すると、電磁弁３２ｂおよび電磁弁３２ｃは、開閉制御部３４の制御に基づき「閉」状態となるように制御される。

水量センサ３２ｄは、シリンダー構造部３２ａ内に蓄積された２次側被加熱液体の水量を検出し、得られた検出結果を、信号線３５を介して開閉制御部３４に供給する。
圧力センサ３２ｅは、シリンダー構造部３２ａ内に蓄積された２次側被加熱液体の圧力を検出し、得られた検出結果を、信号線３５を介して開閉制御部３４に供給する。

加圧力部３２ｆは、棒状に形成されている。加圧力部３２ｆは、信号線３５を介して開閉制御部３４から供給される制御信号に基づきシリンダー構造部３２ａに押し込まれることにより、シリンダー構造部３２ａ内に蓄積された２次側被加熱液体に対して予め設定された圧力を印加する。
そして、シリンダー構造部３２ａ内の２次側被加熱液体の圧力が予め設定された圧力に達したことを圧力センサ３２ｅが検出すると、シリンダー構造部３２ａは、開閉制御部３４の制御に基づき、２次側被加熱液体に対して圧力を印加した状態を保持する。これにより、シリンダー構造部３２ａ内の２次側被加熱液体は、現在の圧力を保持した状態となる。

説明は図１に戻り、開閉機構部３３は、例えば三方弁であり、圧力保持部３２側の配管３７を流れる２次側被加熱液体と、第２のポンプ２２側の配管２４を流れる２次側被加熱液体とのうちいずれか一方の２次側被加熱液体を選択し、熱交換器２側に流出させる。
なお、通常時において、開閉機構部３３は、圧力印加部３０と２次側循環回路２０におけるタンク２１側とが圧力的に絶縁された状態を保持するようにされている。

図３は、図１の開閉機構部３３の構成の一例を示す概略図である。
図３に示すように、開閉機構部３３は、電磁弁３３ａおよび電磁弁３３ｂを有している。

電磁弁３３ａは、圧力保持部３２に接続された配管３７に設けられている。電磁弁３３ａは、弁の開閉状態を示す情報を、信号線３８を介して開閉制御部３４に供給するとともに、信号線３８を介して開閉制御部３４から供給される制御信号に基づき、弁の開閉状態が制御される。
電磁弁３３ａには、金属シャッター３３ｃが設けられている。金属シャッター３３ｃは、開閉制御部３４の制御に基づき動作し、電磁弁３３ａの開閉状態を決定する。金属シャッター３３ｃは、例えば、中央部近傍に貫通孔が設けられており、この貫通孔を配管３７と一致させることにより、電磁弁３３ａが「開」状態となる。

電磁弁３３ｂは、第２のポンプ２２に接続された配管２４に設けられている。電磁弁３３ｂは、弁の開閉状態を示す情報を、信号線３８を介して開閉制御部３４に供給するとともに、信号線３８を介して開閉制御部３４から供給される制御信号に基づき、弁の開閉状態が制御される。
電磁弁３３ｂには、金属シャッター３３ｄが設けられている。金属シャッター３３ｄは、開閉制御部３４の制御に基づき動作し、電磁弁３３ｂの開閉状態を決定する。金属シャッター３３ｄは、例えば、中央部近傍に貫通孔が設けられており、この貫通孔を配管２４と一致させることにより、電磁弁３３ｂが「開」状態となる。

開閉機構部３３は、開閉制御部３４の制御に基づき、電磁弁３３ａおよび電磁弁３３ｂが互いに連動するように動作する。
開閉機構部３３では、例えば、金属シャッター３３ｃが移動して電磁弁３３ａが「開」状態となると同時に、金属シャッター３３ｄが移動して電磁弁３３ｂが「閉」状態となる。

このように電磁弁３３ａおよび電磁弁３３ｂが動作することにより、配管３７および配管２４を流れる２つの２次側被加熱液体が同時に流出するのを防ぐことができる。また、圧力保持部３２側の２次側被加熱液体に印加された圧力がタンク２１の方向に印加されるのを防ぐことができる。
なお、電磁弁３３ａおよび電磁弁３３ｂをこのような構造とするのは、開閉制御部３４による制御に対する応答を速くするためである。

説明は図１に戻り、開閉制御部３４は、圧力保持部３２および開閉機構部３３における各部を制御する。
開閉制御部３４は、図２に示す圧力保持部３２の水量センサ３２ｄの検出結果を受信し、この結果が示す情報に基づき、電磁弁３２ｂおよび電磁弁３２ｃの開閉を制御するための制御信号を、信号線３５を介して圧力保持部３２に供給する。
また、開閉制御部３４は、図２の圧力センサ３２ｅの検出結果を圧力保持部３２から受信し、この結果が示す情報に基づき、加圧力部３２ｆの動作を制御するための制御信号を、信号線３５を介して圧力保持部３２に供給する。
さらに、開閉制御部３４は、予め設定されたタイミングで、図３に示す開閉機構部３３の電磁弁３３ａおよび電磁弁３３ｂの開閉を制御するための制御信号を、信号線３８を介して開閉機構部３３に供給する。

［熱交換システムの動作］
１次側被加熱液体は、第１のポンプ１４によってヒートポンプ１１に供給され、加熱される。加熱された１次側被加熱液体は、ヒータ１２によって再度加熱された後、流路切替装置１３に流入する。

流路切替装置１３において、ラジエータ１５側の流出口が選択されている場合、１次側被加熱液体は、ラジエータ１５側の流出口から流出する。流路切替装置１３から流出した１次側被加熱液体は、ラジエータ１５に流入し、室内の空気との間で熱交換を行うことによって室内の空気を加熱する。そして、ラジエータ１５から流出した１次側被加熱液体は、第１のポンプ１４に流入する。

また、流路切替装置１３において、熱交換器２側の流出口が選択されている場合、１次側被加熱液体は、熱交換器２側の流出口から流出する。流路切替装置１３から流出した１次側被加熱液体は、熱交換器２に流入し、２次側被加熱液体との間で熱交換を行うことによって２次側被加熱液体を加熱する。そして、熱交換器２から流出した１次側被加熱液体は、第１のポンプ１４に流入する。

一方、タンク２１に供給された水などの２次側被加熱液体は、タンク２１から流出し、第２のポンプ２２によって圧力印加部３０を介して熱交換器２に流入する。熱交換器２に流入した２次側被加熱液体は、１次側被加熱液体との間で熱交換を行うことによって加熱され、熱交換器２から流出する。

熱交換器２から流出した２次側被加熱液体は、スケールトラップ２３を介してタンク２１に流入し、タンク２１内に蓄えられる。タンク２１に蓄えられた２次側被加熱液体は、例えば水などと混合されることにより、シャワー等の温水として利用される。

また、タンク２１に蓄えられた２次側被加熱液体は、圧力印加部３０に供給される。圧力印加部３０に供給された２次側被加熱液体は、圧力印加部３０の第３のポンプ３１によって圧力保持部３２に流入する。

圧力保持部３２に流入した２次側被加熱液体は、開閉制御部３４の制御に基づき予め設定された圧力が印加され、圧力保持部３２から流出する。圧力保持部３２から流出した２次側被加熱液体は、開閉機構部３３に流入する。
開閉機構部３３に流入した２次側被加熱液体は、開閉制御部３４の制御に基づき開閉動作を行う電磁弁３３ａが「開」状態となった際に、開閉機構部３３から流出し、熱交換器２に流入する。

このとき、開閉機構部３３では、圧力保持部３２側の電磁弁３３ａと、第２のポンプ２２側の電磁弁３３ｂとが互いに連動し、電磁弁３３ａおよび電磁弁３３ｂのいずれか一方が「開」状態となるように制御されている。そのため、電磁弁３３ａが「開」状態とされている場合には、圧力保持部３２から流出した２次側被加熱液体のみが熱交換器２に流入する。そして、このときの電磁弁３３ａの開閉動作と、圧力保持部３２における２次側被加熱液体に対して印加する圧力を制御することにより、圧力保持部３２から流出する２次側被加熱液体を予め設定されたタイミングおよび圧力で熱交換器２に流入させる。

図４は、図１の圧力印加部３０の動作について説明するためのフローチャートである。
図４を参照して、タンク２１から２次側被加熱液体が圧力印加部３０に供給され、圧力印加部３０に保持された２次側被加熱液体が熱交換器２に流入するまでの動作について説明する。

まず、開閉制御部３４の制御に基づき、電磁弁３２ｃが「開」状態とされるとともに、電磁弁３２ｂが「開」状態とされる（ステップＳ１、Ｓ２）。そして、第３のポンプ３１により、タンク２１に蓄えられた２次側被加熱液体が圧力保持部３２に供給される（ステップＳ３）。２次側被加熱液体が圧力保持部３２に供給されると、開閉制御部３４の制御に基づき、電磁弁３２ｃが「閉」状態とされるとともに、電磁弁３２ｂが「閉」状態とされる（ステップＳ４、Ｓ５）。
圧力保持部３２では、開閉制御部３４の制御に基づき、圧力保持部３２内の２次側被加熱液体に対して設定圧力が加圧力部３２ｆによって印加される（ステップＳ６）。そして、圧力保持部３２内の２次側被加熱液体に対する加圧が保持される（ステップＳ７）。

次に、開閉制御部３４から開閉機構部３３の電磁弁３３ｂに対して制御信号が発信される（ステップＳ８）。開閉機構部３３では、当該制御信号に基づき、金属シャッター３３ｄがスライドし、電磁弁３３ｂが「閉」状態とされる（ステップＳ９）。
また、開閉制御部３４から開閉機構部３３の電磁弁３３ａに対して制御信号が発信される（ステップＳ１０）。開閉機構部３３では、当該制御信号に基づき、金属シャッター３３ｃがスライドし、電磁弁３３ａが「開」状態とされる（ステップＳ１１）。
これにより、圧力保持部３２内の２次側被加熱液体が圧力保持部３２から流出し、熱交換器２に流入する（ステップＳ１２）。

次に、開閉制御部３４から開閉機構部３３の電磁弁３３ａに対して制御信号が発信される（ステップＳ１３）。開閉機構部３３では、当該制御信号に基づき、金属シャッター３３ｃがスライドし、電磁弁３３ａが「閉」状態とされる（ステップＳ１４）。
また、開閉制御部３４から開閉機構部３３の電磁弁３３ｂに対して制御信号が発信される（ステップＳ１５）。開閉機構部３３では、当該制御信号に基づき、金属シャッター３３ｄがスライドし、電磁弁３３ｂが「開」状態とされる（ステップＳ１６）。

［熱交換器に対して発生するスケールの抑制］
次に、熱交換器２に対して発生するスケールの抑制について説明する。
図５は、従来のポンプにおけるモータの回転数を増加させた場合のせん断応力の時間変化の一例を示すグラフである。

本実施の形態１においては、タンク２１に蓄えられる２次側被加熱液体として、例えば水道水などが用いられている。このような２次側被加熱液体には、例えば、カルシウムに代表される金属イオンの酸化物、炭酸化合物などのスケール成分が含まれている。そのため、熱交換器２によって２次側被加熱液体を１次側被加熱液体と熱交換する際には、２次側被加熱液体に含まれるスケール成分が熱交換器２における２次側被加熱液体との接触面に析出し、付着する。そして、析出したスケールが熱交換器２に付着すると、このスケールが流路を閉塞するため、熱交換効率が低下する。

そこで、背景技術の項でも説明したように、従来は、被加熱液体に対して脈流を発生させたり、被加熱液体が熱交換器を通過する際の通過速度を増加させたりすることにより、被加熱液体と熱交換器における被加熱液体との接触面との間にせん断応力を発生させる。そして、従来は、このせん断応力によって、熱交換器の接触面に析出したスケールを剥離することにより、スケールの成長を抑制するようにしている。

ここで、例えば、被加熱液体の速度を増加させる場合は、通常、被加熱液体を送り出すポンプを駆動するモータの回転数を上昇させることによって行う。しかしながら、ポンプを駆動するモータは、その回転数が目標とする回転数に到達するまでには時間を要する。そのため、モータの回転数を上昇させることによって目標とするせん断応力を得ようとする場合には、図５に示すように、例えば２秒間の時間が必要となる。

すなわち、従来の方法では、被加熱液体の流量がスケール抑制効果を発揮する流量に到達するまでの時間を要し、スケールの成長が促進されるため、スケール抑制効果が低減してしまう。
本実施の形態１では、スケールの成長を抑制するように、予め設定された圧力を付与した２次側被加熱液体を予め設定されたタイミングで熱交換器２に流入させることにより、熱交換器２における２次側被加熱液体との接触面に析出したスケールを除去可能なせん断応力を与えるようにする。

（スケールの析出）
図６は、図１の熱交換器２の接触面に付着する気泡と析出するスケールとの関係について説明するための概略図である。
図７は、図１の熱交換器２の接触面に析出したスケールの一例を示す概略図である。

図６に示すように、２次側被加熱液体に含まれる気泡４０が熱交換器２における２次側被加熱液体との接触面に付着した場合、気泡４０と熱交換器２の接触面との界面には、界面以外の領域の１．５倍程度のイオン濃縮が発生するマイクロ層４１が形成される。このマイクロ層４１では、気泡４０が付着していない部分と比較して、スケールの起点となるスケール核が多く析出される。そして、図７に示すように、気泡４０と熱交換器２の接触面との界面には、気泡４０の形状に対応するようにしてスケール核が析出される。

このようにして析出されたスケールは、せん断応力を印加することによって除去することができる。このとき、成長していない核の状態で熱交換器２の接触面に付着している場合には、一般的に、成長したスケールと比較して低いせん断応力で除去することができる。

また、スケール核は、成長したスケールと比較して微少であるため、熱交換器２および配管の表面などへ再付着したり、配管の澱み部に沈殿したりする虞がない。そのため、スケール核の状態でスケールを除去する場合には、成長したスケールを除去する場合と比較して低流量、低せん断応力で効率的に除去することができる。

（せん断応力と気泡離脱径との関係）
図８は、図１の熱交換器２から気泡４０が離脱する際の気泡離脱径とせん断応力との関係の一例を示すグラフである。
図８に示すように、２次側被加熱液体に印加されるせん断応力が大きくなるにしたがって、熱交換器２における２次側被加熱液体との接触面から離脱する気泡４０の径が小さくなることがわかる。例えば、２次側被加熱液体に対して５０［Ｐａ］のせん断応力を印加した場合には、１００［μｍ］程度の径の気泡４０を熱交換器２の接触面から離脱させることができる。

図９は、図１の熱交換システム１において、２次側被加熱液体にせん断応力を印加した場合のせん断応力の時間変化の一例を示すグラフである。なお、図９において、点線で示すせん断応力の時間変化は、図５のせん断応力の時間変化を示す。
図９に示すように、本実施の形態１では、２次側被加熱液体に対してパルス状のせん断応力（以下、「せん断応力パルス」とここでは定義する）を印加する。この場合、印加されたせん断応力は、図５に示す場合と比較して立ち上がりが急峻となり、熱交換器２に付着した気泡４０およびスケール核に対して短時間で目標となるせん断応力を印加することができる。そのため、図５に示す場合と比較して、スケール核を効率的に除去できるとともに、スケールの成長を抑制することができる。

ここで、図９に示すせん断応力パルスを印加すると、上述したように、印加されたせん断応力に応じて熱交換器２における２次側被加熱液体との接触面に付着した気泡４０が移動する。例えば、図８に示す例では、印加時間が０．５［秒］であり、大きさが５０［Ｐａ］のせん断応力を印加した場合には、気泡径が１００［μｍ］程度の気泡４０を移動させることができる。

図１０は、せん断応力パルスの印加回数と気泡４０の平均径との関係の一例を示すグラフである。なお、図１０は、印加時間が０．５［秒］であり、大きさが５０［Ｐａ］であるせん断応力を、０．５秒間隔で２次側被加熱液体に印加した場合の例を示す。
図１０に示すように、印加するせん断応力パルスの回数が増加するにしたがって、熱交換器２における２次側被加熱液体との接触面に付着した気泡４０の平均径が増加する。例えば、せん断応力パルスを３回印加した場合、気泡４０の平均径は、１０００［μｍ］以上となっている。これは、せん断応力パルスを複数回印加することにより、複数の気泡４０が集合して大きな１つの気泡４０が形成されるためである。

また、図８に示すように、気泡４０の気泡径が大きいほど、小さいせん断応力で気泡を除去することができる。例えば、３．３［Ｐａ］のせん断応力パルスを印加することにより、気泡径が１０００［μｍ］程度となるように集合させた気泡４０を除去することができる。

すなわち、本実施の形態１では、せん断応力が目標せん断応力となるような大きいせん断応力パルスを複数回印加し、気泡４０を移動および集合させて大きな気泡を形成した後、当該せん断応力よりも小さいせん断応力のせん断応力パルスを印加する。これにより、熱交換器２に付着した気泡４０およびスケール核を効率的に除去し、スケールの成長を抑制することができる。

［スケール抑制効果の検証］
次に、熱交換器２に付着するスケールの抑制効果について検証する。
ここでは、せん断応力パルスの印加タイミングを変化させた場合、せん断応力パルスのせん断応力を変化させた場合、せん断応力パルスの印加時間であるパルス幅を変化させた場合、ならびに、せん断応力パルスのせん断応力およびパルス幅を変化させた場合のそれぞれにおけるスケール抑制効果について検証する。

（第１の検証：せん断応力パルスの印加タイミングを変化させた場合）
まず、第１の検証として、せん断応力パルスの印加タイミングを変化させた場合の熱交換器２に対するスケールの付着量について説明する。

図１１は、せん断応力パルスの印加タイミングを変化させた場合の熱交換器２に対するスケールの付着量について説明するためのグラフである。
この例では、通常状態の流量でのせん断応力である１［Ｐａ］の２次側被加熱液体に対して、予め設定された大きさのせん断応力を有する第１のせん断応力パルスと、第１のせん断応力パルスよりもせん断応力が小さい第２のせん断応力パルスとを組み合わせたせん断応力パルスサイクルを、以下の条件で印加する。そして、熱交換システム１を１００時間運転したときに、せん断応力パルスサイクルを印加する周期を変化させた場合の、熱交換器２に対するスケール付着量を計測した。
（ａ）第１のせん断応力パルス
せん断応力 ：５０［Ｐａ］
印加時間（パルス幅）：０．５［秒］
パルス休止時間 ：０．５［秒］
印加回数 ：３回
（ｂ）第２のせん断応力パルス
せん断応力 ：３．３［Ｐａ］
印加時間（パルス幅）：０．５［秒］
パルス休止時間 ：０．５［秒］
印加回数 ：１回

図１１に示す例は、せん断応力パルスを印加しない場合のスケール付着量を１００％とし、せん断応力パルスサイクルを印加する周期をそれぞれ３［分］、５［分］および７［分］とした場合のスケール付着量比を示す。また、参考として、従来のポンプにおけるモータの回転数を増加させて脈動を発生させた脈動運転の場合の結果も併せて示す。
図１１に示すように、３分周期でせん断応力パルスサイクルを印加した場合には、熱交換器２に対するスケール付着量がせん断応力パルスを印加しない場合の５０％となった。また、５分周期でせん断応力パルスサイクルを印加した場合には、熱交換器２に対するスケール付着量がせん断応力パルスを印加しない場合の６１％となった。さらに、７分周期でせん断応力パルスサイクルを印加した場合には、熱交換器２に対するスケール付着量がせん断応力パルスを印加しない場合の６５％となった。なお、従来の脈動運転では、熱交換器２に対するスケール付着量がせん断応力パルスを印加しない場合の７３％となった。

この結果から、３分周期でせん断応力パルスサイクルを印加した場合のスケール付着量が最も小さくなり、他の周期でせん断応力パルスサイクルを印加した場合と比較して、スケール抑制効果が最も大きくなっている。
すなわち、せん断応力パルスサイクルを印加する周期が短いほど、熱交換器２に対するスケール付着量が少なくなり、スケール抑制効果が高くなる。

なお、大きいせん断応力パルスである第１のせん断応力パルスを印加する回数が多い、または時間が長いほど熱交換器２の表面温度が低下し、熱交換効率が低下することが知られている。そのため、熱交換器２表面のスケール付着量に応じて、熱交換効率がより向上するように、せん断応力パルスサイクルにおける第１のせん断応力パルスの印加回数および印加時間を設定する必要がある。

（第２の検証：せん断応力パルスのせん断応力を変化させた場合）
次に、第２の検証として、せん断応力パルスのせん断応力を変化させた場合の熱交換器２に対するスケールの付着量について説明する。

図１２は、せん断応力パルスのせん断応力を変化させた場合の熱交換器２に対するスケールの付着量について説明するためのグラフである。
この例では、通常状態の流量でのせん断応力である１［Ｐａ］の２次側被加熱液体に対して、せん断応力パルスサイクルを以下の条件で印加する。そして、熱交換システム１を１００時間運転したときに、せん断応力パルスサイクルを５分毎に１回印加する周期で印加した場合の、熱交換器２に対するスケール付着量を計測した。
（ａ）第１のせん断応力パルス
せん断応力 ：０［Ｐａ］〜７０［Ｐａ］
印加時間（パルス幅）：０．５［秒］
パルス休止時間 ：０．５［秒］
印加回数 ：３回
（ｂ）第２のせん断応力パルス
せん断応力 ：３．３［Ｐａ］
印加時間（パルス幅）：０．５［秒］
パルス休止時間 ：０．５［秒］
印加回数 ：１回

図１２に示す例は、せん断応力パルスを印加しない場合のスケール付着量を「１００」とし、第１のせん断応力パルスの大きさを０［Ｐａ］〜７０［Ｐａ］まで変化させた場合のスケール付着量を示す。
図１２に示すように、第１のせん断応力パルスの大きさが５［Ｐａ］以上の場合には、せん断応力パルスを印加しない場合と比較して、熱交換器２に対するスケール付着量が抑制された。一方、第１のせん断応力パルスの大きさが５０［Ｐａ］以上の場合には、スケール付着量が変化せず、スケール抑制効果が飽和する傾向となった。

このように、第１のせん断応力パルスの大きさが５［Ｐａ］以上でスケール抑制効果を得ることができ、第１のせん断応力パルスの大きさが５０［Ｐａ］以上でスケール抑制効果が飽和する。すなわち、２次側被加熱液体に印加する第１のせん断応力パルスの大きさは、５［Ｐａ］〜５０［Ｐａ］の範囲で設定すると好ましい。

また、第２のせん断応力パルスの大きさが３．３［Ｐａ］であるため、第１のせん断応力パルスの大きさと第２のせん断応力パルスの大きさの比率は、「５：３．３」〜「５０：３．３」の範囲で設定するとより好ましい。

（第３の検証：せん断応力パルスのパルス幅を変化させた場合）
次に、第３の検証として、せん断応力パルスのパルス幅を変化させた場合の熱交換器２に対するスケールの付着量について説明する。

図１３は、せん断応力パルスのパルス幅を変化させた場合の熱交換器２に対するスケールの付着量について説明するためのグラフである。
この例では、通常状態の流量でのせん断応力である１［Ｐａ］の２次側被加熱液体に対して、せん断応力パルスサイクルを以下の条件で印加する。そして、熱交換システム１を１００時間運転したときに、せん断応力パルスサイクルを５分毎に１回印加する周期で印加した場合の、熱交換器２に対するスケール付着量を計測した。
（ａ）第１のせん断応力パルス
せん断応力 ：３０［Ｐａ］
印加時間（パルス幅）：０［秒］〜５．０［秒］
パルス休止時間 ：０．５［秒］
印加回数 ：１回
（ｂ）第２のせん断応力パルス
せん断応力 ：３．３［Ｐａ］
印加時間（パルス幅）：０．５［秒］
パルス休止時間 ：０．５［秒］
印加回数 ：１回

図１３に示す例は、せん断応力パルスを印加しない場合のスケール付着量を「１００」とし、第１のせん断応力パルスの印加時間であるパルス幅を０［秒］〜５．０［秒］まで変化させた場合のスケール付着量を示す。
図１３に示すように、第１のせん断応力パルスのパルス幅が０［秒］〜５．０［秒］のすべての範囲において、せん断応力パルスを印加しない場合と比較して、熱交換器２に対するスケール付着量が抑制された。
特に、第１のせん断応力パルスのパルス幅が０．１［秒］〜１．０［秒］の範囲では、スケール付着量がせん断応力パルスを印加しない場合の７０％以下となり、スケール抑制効果がより高い傾向となった。

このように、第１のせん断応力パルスのパルス幅を０［秒］〜５．０［秒］の範囲で設定した場合には、せん断応力パルスを印加しない場合と比較して、スケール抑制効果を得ることができる。特に、パルス幅を０．１［秒］〜１．０［秒］の範囲で設定した場合には、より高いスケール抑制効果を得ることができる。
また、このようにせん断応力パルスのパルス幅を設定した場合には、上述したようなポンプの制御によってスケールを抑制する際に必要とされる時間は、２秒程度であるのに対して、短い時間でスケールを抑制することができる。

（第４の検証：せん断応力パルスのせん断応力およびパルス幅を変化させた場合）
次に、第４の検証として、せん断応力パルスのせん断応力およびパルス幅を変化させた場合の熱交換器２に対するスケールの付着量について説明する。この第４の検証は、上述した第２の検証および第３の検証を組み合わせたものである。

図１４は、せん断応力パルスのせん断応力およびパルス幅を変化させた場合の熱交換器２に対するスケールの付着量について説明するためのグラフである。
この例では、通常状態の流量でのせん断応力である１［Ｐａ］の２次側被加熱液体に対して、せん断応力パルスサイクルを以下の条件で印加する。そして、熱交換システム１を１００時間運転したときに、せん断応力パルスサイクルを５分毎に１回印加する周期で印加した場合の、熱交換器２に対するスケール付着量を計測した。
第１および第２のせん断応力パルスの大きさの比率 ：「３：１」〜「３０：１」
第１および第２のせん断応力パルスのパルス幅 ：０．１［秒］〜２．０［秒］
第１および第２のせん断応力パルスのパルス休止時間：０．５［秒］
（ａ）第１のせん断応力パルスの印加回数 ：３回
（ｂ）第２のせん断応力パルスの印加回数 ：１回

図１４に示す例は、せん断応力パルスを印加しない場合のスケール付着量を「１００」とした場合のスケール抑制効果の結果を示す。なお、同図においては、スケール抑制効果が２０％以上、すなわちスケール付着量が８０％以下となった場合の結果を「−」と記載し、スケール抑制効果が２０％未満、すなわちスケール付着量が８０％を超える場合の結果を「＋」と記載している。

図１４に示すように、第１のせん断応力パルスの大きさと第２のせん断応力パルスの大きさとの比率が「５：１」以上であり、かつ、せん断応力パルスのパルス幅が１．０［秒］以内である場合には、スケール抑制効果が２０％以上となった。
また、第１のせん断応力パルスの大きさと第２のせん断応力パルスの大きさとの比率が「１０：１」以上であり、かつ、せん断応力パルスのパルス幅が１．５［秒］以内である場合には、スケール抑制効果が２０％以上となった。
さらに、第１のせん断応力パルスの大きさと第２のせん断応力パルスの大きさとの比率が「２０：１」以上であり、かつ、せん断応力パルスのパルス幅が２．０［秒］以内である場合には、スケール抑制効果が２０％以上となった。

この結果から、第１のせん断応力パルスの大きさと第２のせん断応力パルスの大きさとの比率が大きいほど、せん断応力パルスのパルス幅を短くしても、熱交換器２に対するスケール抑制効果を得られることがわかる。

以上のように、本実施の形態１では、１次側被加熱液体が循環する環状の１次側循環回路１０と、２次側被加熱液体が循環する環状の２次側循環回路２０と、１次側被加熱液体と２次側被加熱液体との間で熱交換を行う熱交換器２と、２次側被加熱液体の一部を加圧して保持する圧力保持部３２と、熱交換器２の２次側被加熱液体の流入側に設けられ、熱交換器２に流入する２次側被加熱液体を、２次側循環回路２０と圧力保持部３２との間で切り替える開閉機構部３３と、圧力保持部３２に保持された２次側被加熱液体に対する加圧量、および開閉機構部３３の切り替えを制御する開閉制御部３４とを備える。
このように、加圧された２次側被加熱液体を熱交換器２に対して供給することにより、より効率的かつ確実にスケールの発生および成長を抑制することができる。

また、開閉制御部３４は、圧力の大きさが異なる複数のせん断応力パルスを組み合わせたせん断応力パルスサイクルを印加した２次側被加熱液体を熱交換器２に対して供給するように、圧力保持部３２および開閉機構部３３を制御する。
さらに、せん断応力パルスサイクルは、第１のせん断応力パルスと、第１のせん断応力パルスよりも圧力の大きさが小さい第２のせん断応力パルスとによって形成され、第１のせん断応力パルスおよび第２のせん断応力パルスの順序で組み合わせられる。
これにより、熱交換器２の接触面に付着した気泡４０を第１のせん断応力パルスによって移動および集合させて大きな気泡が形成された後、第２のせん断応力パルスによって大きな気泡を除去することができる。そのため、熱交換器２における２次側被加熱液体との接触面に付着した気泡４０およびスケール核を効率的に除去することができる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２に係る熱交換システムについて説明する。
本実施の形態２に係る熱交換システムは、第２の圧力印加部を備える点で、上述した実施の形態１と相違する。本実施の形態２において、２次側被加熱液体は、タンク２１と熱交換器２との間を複数回循環することによって沸き上げられる（以下、「複数回沸き上げ方式」と適宜称する）。

［熱交換システムの構成］
図１５は、本実施の形態２に係る熱交換システム１の構成の一例を示すブロック図である。なお、以下の説明において、上述した実施の形態１と共通する部分には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
図１５に示すように、熱交換システム１は、１次側循環回路１０、２次側循環回路２０および熱交換器２で構成されている。２次側循環回路２０には、実施の形態１と同様の構成に加えて、第２の圧力印加部５０が設けられている。

第２の圧力印加部５０は、第４のポンプ５１、配管５６によって第４のポンプ５１に接続された第２の圧力保持部５２、および配管５７によって第２の圧力保持部５２に接続された第２の開閉機構部５３で構成されている。第４のポンプ５１は、第３のポンプ３１と同様の構成および機能を有している。また、第２の圧力保持部５２は、圧力保持部３２と同様の構成および機能を有している。

図１６は、図１５の第２の開閉機構部５３の構成の一例を示す概略図である。
図１６に示すように、第２の開閉機構部５３は、電磁弁５３ａおよび電磁弁５３ｂを有している。

電磁弁５３ａは、第２の圧力保持部５２に接続された配管５７に設けられている。電磁弁５３ａは、弁の開閉状態を示す情報を、信号線５８を介して開閉制御部３４に供給するとともに、信号線５８を介して開閉制御部３４から供給される制御信号に基づき、弁の開閉状態が制御される。
電磁弁５３ａには、金属シャッター５３ｃが設けられている。金属シャッター５３ｃは、開閉制御部３４の制御に基づき動作し、電磁弁５３ａの開閉状態を決定する。金属シャッター５３ｃは、例えば、中央部近傍に貫通孔が設けられており、この貫通孔を配管５７と一致させることにより、電磁弁５３ａが「開」状態となる。

電磁弁５３ｂは、タンク２１に接続された配管２５に設けられている。電磁弁５３ｂは、弁の開閉状態を示す情報を、信号線５８を介して開閉制御部３４に供給するとともに、信号線５８を介して開閉制御部３４から供給される制御信号に基づき、弁の開閉状態が制御される。
電磁弁５３ｂには、金属シャッター５３ｄが設けられている。金属シャッター５３ｄは、開閉制御部３４の制御に基づき動作し、電磁弁５３ｂの開閉状態を決定する。金属シャッター５３ｄは、例えば、中央部近傍に貫通孔が設けられており、この貫通孔を配管２５と一致させることにより、電磁弁５３ｂが「開」状態となる。

第２の開閉機構部５３は、開閉制御部３４の制御に基づき、電磁弁５３ａおよび電磁弁５３ｂが互いに連動するように動作する。
第２の開閉機構部５３では、例えば、金属シャッター５３ｃが移動して電磁弁５３ａが「開」状態となると同時に、金属シャッター５３ｄが移動して電磁弁５３ｂが「閉」状態となる。

このように電磁弁５３ａおよび電磁弁５３ｂが動作することにより、配管５７を介して第２の圧力保持部５２から流出した２次側被加熱液体がタンク２１の方向へ流れるのを防ぐことができる。なお、電磁弁５３ａおよび電磁弁５３ｂをこのような構造とするのは、開閉制御部３４による制御に対する応答を速くするためである。

説明は図１５に戻り、開閉制御部３４は、実施の形態１と同様の制御に加えて、第２の圧力保持部５２および第２の開閉機構部５３における各部を制御する。
例えば、開閉制御部３４は、第２の圧力保持部５２の動作を制御するための制御信号を、信号線５５を介して第２の圧力保持部５２に供給する。また、開閉制御部３４は、予め設定されたタイミングで、図１６に示す第２の開閉機構部５３の電磁弁５３ａおよび電磁弁５３ｂの開閉を制御するための制御信号を、信号線５８を介して第２の開閉機構部５３に供給する。

なお、この例では、実施の形態１と異なり、開閉制御部３４が圧力印加部３０から独立して構成されているが、これはこの例に限られない。例えば、実施の形態１と同様に、開閉制御部３４が圧力印加部３０に含まれていてもよいし、第２の圧力印加部５０に含まれるようにしてもよい。

［熱交換システムの動作］
本実施の形態２に係る熱交換システム１における、１次側循環回路１０を流れる１次側被加熱液体の流れ、および２次側循環回路２０を流れる２次側被加熱液体の流れについては、実施の形態１と同様である。また、圧力印加部３０の動作についても、実施の形態１と同様である。

タンク２１に蓄えられた２次側被加熱液体は、第２の圧力印加部５０に供給される。第２の圧力印加部５０に供給された２次側被加熱液体は、第２の圧力印加部５０の第４のポンプ５１によって第２の圧力保持部５２に流入する。

第２の圧力保持部５２に流入した２次側被加熱液体は、開閉制御部３４の制御に基づき予め設定された圧力が印加され、第２の圧力保持部５２から流出する。第２の圧力保持部５２から流出した２次側被加熱液体は、第２の開閉機構部５３に流入する。
第２の開閉機構部５３に流入した２次側被加熱液体は、開閉制御部３４の制御に基づき開閉動作を行う電磁弁５３ａが「開」状態となった際に、第２の開閉機構部５３から流出し、熱交換器２に流入する。

このとき、電磁弁５３ａの開閉動作と、第２の圧力保持部５２における２次側被加熱液体に対して印加する圧力を制御することにより、第２の圧力保持部５２から流出する２次側被加熱液体を予め設定されたタイミングおよび圧力で熱交換器２に流入させる。

ここで、第２の圧力保持部５２から熱交換器２に流入する２次側被加熱液体は、熱交換器２内部におけるせん断応力パルスの方向が、圧力保持部３２から熱交換器２に流入する２次側被加熱液体と逆方向になる。本実施の形態３では、このような逆方向のせん断応力パルスを第３のせん断応力パルスとして、実施の形態１で示した第１のせん断応力パルスと、第１のせん断応力パルスよりも小さい第２のせん断応力パルスとの間に加える。なお、この場合の第３のせん断応力パルスは、印加方向を除いて第１のせん断応力パルスと同等とする。

このように、熱交換器２内へ押し出す方向の第１のせん断応力パルスを印加することによって気泡の移動および集合を行い、熱交換器２内から引き戻す方向の第３のせん断応力パルスを印加する。これにより、第１のせん断応力パルスによって移動および集合して形成される大きな気泡の生成効率を高めることができる。
この場合、第１および第２のせん断応力パルスのみを印加した場合よりも、熱交換器２における２次側被加熱液体との接触面に付着した気泡４０およびスケール核が、より効率的に除去される。

［スケール抑制効果の検証］
次に、熱交換器２に付着するスケールの抑制効果について検証する。
本実施の形態２では、実施の形態１における第１のせん断応力パルスおよび第２のせん断応力パルスに加えて、熱交換器２に対する応力の印加方向が第１および第２のせん断応力パルスとは逆方向となる第３のせん断応力パルスからなるせん断応力パルスサイクルを、熱交換器２に対して印加する。

図１７は、第１のせん断応力パルス〜第３のせん断応力パルスを印加した場合の熱交換器２に対するスケールの付着量について説明するためのグラフである。
この例では、通常状態の流量でのせん断応力である１［Ｐａ］の２次側被加熱液体に対して、予め設定された大きさのせん断応力を有する第１のせん断応力パルスと、第１のせん断応力パルスよりもせん断応力が小さい第２のせん断応力パルスと、第１のせん断応力パルスと同じ大きさで応力の印加方向が熱交換器２に対して逆方向となる第３のせん断応力パルスとを組み合わせたせん断応力パルスサイクルを、以下の条件で印加する。そして、熱交換システム１を１００時間運転したときに、せん断応力パルスサイクルを印加する周期を変化させた場合の、熱交換器２に対するスケール付着量を計測した。なお、せん断応力パルスは、第１のせん断応力パルス、第３のせん断応力パルス、第２のせん断応力パルスの順序で印加する。

（ａ）第１のせん断応力パルス
せん断応力 ：５０［Ｐａ］
印加時間（パルス幅）：０．５［秒］
パルス休止時間 ：０．５［秒］
印加回数 ：３回
（ｂ）第３のせん断応力パルス
せん断応力 ：５０［Ｐａ］
印加時間（パルス幅）：０．５［秒］
パルス休止時間 ：０．５［秒］
印加回数 ：３回
（ｃ）第２のせん断応力パルス
せん断応力 ：３．３［Ｐａ］
印加時間（パルス幅）：０．５［秒］
パルス休止時間 ：０．５［秒］
印加回数 ：１回

図１７に示す例は、せん断応力パルスを印加しない場合のスケール付着量を１００％とし、せん断応力パルスサイクルを印加する周期を３［分］とした場合のスケール付着量比を示す。ここでは、せん断応力パルスを印加しない場合の例を「比較例１」とし、第１、第３、第２のせん断応力パルスの順序でせん断応力パルスを印加するせん断応力パルスサイクルの場合の例を「実施例１」として示している。また、実施の形態１と同様に、第１、第２のせん断応力パルスの順序でせん断応力パルスを印加するせん断応力パルスサイクルの場合の例を「比較例２」として示している。
図１７に示すように、第１、第２のせん断応力パルスの順序でせん断応力パルスサイクルを印加した比較例２では、熱交換器２に対するスケール付着量がせん断応力パルスを印加しない比較例１の５０％となった。また、第１、第３、第２のせん断応力パルスの順序でせん断応力パルスサイクルを印加した実施例１では、熱交換器２に対するスケール付着量が比較例１の３５％となった。

この結果から、第１、第３、第２のせん断応力パルスの順序でせん断応力パルスサイクルを印加した場合には、第１、第２のせん断応力パルスの順序でせん断応力パルスサイクルを印加した場合と比較して、熱交換器２に対するスケール付着量が少なくなり、スケール抑制効果がより高くなる。

以上のように、本実施の形態２では、第１、第３、第２のせん断応力パルスの順序で組み合わせたせん断応力パルスサイクルを印加した２次側被加熱液体を、熱交換器２に対して供給する。これにより、より効率的かつ確実にスケールの発生および成長を抑制することができる。

実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３に係る熱交換システムについて説明する。
本実施の形態３に係る熱交換システムは、２次側循環回路２０に設けられたスケールトラップ２３を取り除いた点で、実施の形態２と相違する。本実施の形態３において、２次側被加熱液体は、タンク２１と熱交換器２との間を１回循環することによって沸き上げられる（以下、「１回沸き上げ方式」と適宜称する）。

２次側被加熱液体のタンク２１と熱交換器２との間の循環回数が１回の場合、図１５に示すスケールトラップ２３によるスケール捕捉効果は、循環回数が複数回の場合と比較して低く、熱交換器２に対するスケール付着の抑制効果がほとんど期待できない。そのため、熱交換器２へのスケール付着量は、同量の２次側被加熱液体を複数回循環させて沸き上げた場合と比較して多くなる。そこで、本実施の形態３では、１回沸き上げ方式の場合においても、実施の形態２と同様のせん断応力パルスサイクルを印加し、熱交換器２へのスケール付着を抑制する。

２次側被加熱液体を沸き上げる際に必要な循環回数は、例えば、ヒートポンプに使用される冷媒の種類によるエネルギー特性に依存する。例えば、２次側被加熱液体がＲ４１０等のフロン系ガスの場合は、複数回循環させて沸き上げる際のエネルギー効率が高い。また、２次側被加熱液体がＣＯ_２（二酸化炭素）等の自然冷媒の場合は、１回循環させて沸き上げる際の方が、エネルギー効率が高い。

［熱交換システムの構成］
図１８は、本発明の実施の形態３に係る熱交換システム１の構成の一例を示すブロック図である。なお、以下の説明において、上述した実施の形態１および２と共通する部分には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
図１８に示すように、熱交換システム１は、１次側循環回路１０、２次側循環回路２０および熱交換器２で構成されている。ただし、図１５に示す実施の形態２に係る熱交換システム１と比較して、スケールトラップ２３が取り除かれている。

［スケール抑制効果の検証］
次に、熱交換器２に付着するスケールの抑制効果について検証する。
本実施の形態３では、実施の形態２と同様に、第１〜第３のせん断応力パルスからなるせん断応力パルスサイクルを、熱交換器２に対して印加する。

図１９は、第１のせん断応力パルス〜第３のせん断応力パルスを印加した場合の熱交換器２に対するスケールの付着量について説明するためのグラフである。
この例では、通常状態の流量でのせん断応力である１［Ｐａ］の２次側被加熱液体に対して、予め設定された大きさのせん断応力を有する第１のせん断応力パルスと、第１のせん断応力パルスよりもせん断応力が小さい第２のせん断応力パルスと、第１のせん断応力パルスと同じ大きさで応力の印加方向が熱交換器２に対して逆方向となる第３のせん断応力パルスとを組み合わせたせん断応力パルスサイクルを、以下の条件で印加する。なお、せん断応力パルスは、第１のせん断応力パルス、第３のせん断応力パルス、第２のせん断応力パルスの順序で印加する。

熱交換器２に対するスケール付着量は、２次側被加熱液体を２０００Ｌ（リットル）沸き上げた時点の付着量を計測した。これは、例えばタンク２１の１個分の容量である２００Ｌを沸き上げた時点では、熱交換器２へのスケール付着量が十分でないためであり、評価に際しては、タンク２１の１０個分の容量の沸き上げが必要であったためである。

（ａ）第１のせん断応力パルス
せん断応力 ：５０［Ｐａ］
印加時間（パルス幅）：０．５［秒］
パルス休止時間 ：０．５［秒］
印加回数 ：３回
（ｂ）第３のせん断応力パルス
せん断応力 ：５０［Ｐａ］
印加時間（パルス幅）：０．５［秒］
パルス休止時間 ：０．５［秒］
印加回数 ：３回
（ｃ）第２のせん断応力パルス
せん断応力 ：３．３［Ｐａ］
印加時間（パルス幅）：０．５［秒］
パルス休止時間 ：０．５［秒］
印加回数 ：１回

図１９に示す例は、実施の形態２に示すようにスケールトラップ２３を有し、複数回沸き上げ方式で、せん断応力パルスを印加しない場合の例を上述した「比較例１」とし、熱交換器２に付着したスケール付着量を１００％とした。このときのタンク２１と熱交換器２との間の循環回数は、１００回である。
ここでは、スケールトラップ２３を取り除いた状態で、かつ１回沸き上げ方式で、第１、第３、第２のせん断応力パルスの順序でせん断応力パルスを印加するせん断応力パルスサイクルの場合の例を「実施例２」として示している。また、実施の形態２と同様に、複数回沸き上げ方式で、第１、第３、第２のせん断応力パルスの順序でせん断応力パルスを印加するせん断応力パルスサイクルの場合の例を上述した「実施例１」として示している。さらに、本実施の形態３のように１回沸き上げ方式であるものの、せん断応力パルスを印加しない場合の例を「比較例３」として示している。

図１９に示すように、スケールトラップ２３がなく、かつ１回沸き上げ方式で、せん断応力パルスを印加しない比較例３では、熱交換器２へのスケール付着量が比較例１の２１５％に増加した。また、スケールトラップ２３がなく、かつ１回沸き上げ方式で、第１、第３、第２のせん断応力パルスの順序でせん断応力パルスを印加する実施例２では、熱交換器２へのスケール付着量が比較例１の５８％となった。

以上の結果から、１回沸き上げ方式において、せん断応力パルスを印加した場合には、せん断応力パルスを印加しない場合と比較して、比較例１を基準とした場合のスケール付着量が２１５％から５８％に大幅に低減することができる。また、複数回沸き上げ方式では、せん断応力パルスを印加することにより、スケール付着量が１００％から３５％に低減するため、６５％の低減効果がある。これに対して、１回沸き上げ方式では、せん断応力パルスを印加することにより、スケール付着量が比較例３の２１５％から実施例２の５８％に低減し、１５７％の低減効果があり、複数回沸き上げ方式よりも高い低減効果を奏することができる。

以上のように、本実施の形態３では、実施の形態２と同様に、第１、第３、第２のせん断応力パルスの順序で組み合わせたせん断応力パルスサイクルを印加した２次側被加熱液体を、熱交換器２に対して供給する。これにより、実施の形態２と同様に、より効率的かつ確実にスケールの発生および成長を抑制することができる。

すなわち、このようなせん断応力パルスサイクルを熱交換器２に供給することによってスケールの発生および成長を抑制するという効果は、２次側循環回路２０における循環回数が実施の形態１および２のような複数回の場合だけでなく、例えば１回の場合であっても得ることができる。

以上、本発明の実施の形態１〜３について説明したが、本発明は、上述した本発明の実施の形態１〜３に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。

例えば、本実施の形態１〜３では、ヒートポンプ１１によって加熱された１次側被加熱液体の熱によって２次側被加熱液体を加熱する熱交換システム１を例にとって説明したが、これはこの例に限られない。例えば、熱交換システム１は、ヒートポンプ１１によって冷却された１次側液体の熱によって２次側液体を冷却するものであってもよい。

また、例えば、熱交換システム１は、タンク２１を備えていなくてもよい。この場合には、例えば、２次側循環回路２０における２次側被加熱液体が循環する経路から分岐した経路を設ける。そして、圧力印加部３０には、この分岐経路を流れる２次側被加熱液体を供給する。これにより、上述した説明と同様に、熱交換器２の接触面に付着した気泡４０およびスケール核を効率的に除去することができる。

１ 熱交換システム、２ 熱交換器、１０ １次側循環回路、１１ ヒートポンプ、１２ ヒータ、１３ 流路切替装置、１４ 第１のポンプ、１５ ラジエータ、１６ 膨張容器、１７、１８ 配管、２０ ２次側循環回路、２１ タンク、２１ａ 給水配管、２１ｂ 温水配管、２２ 第２のポンプ、２３ スケールトラップ、２４、２５ 配管、３０ 圧力印加部、３１ 第３のポンプ、３２ 圧力保持部、３２ａ シリンダー構造部、３２ｂ、３２ｃ 電磁弁、３２ｄ 水量センサ、３２ｅ 圧力センサ、３２ｆ 加圧力部、３３ 開閉機構部、３３ａ、３３ｂ、５３ａ、５３ｂ 電磁弁、３３ｃ、３３ｄ、５３ｃ、５３ｄ 金属シャッター、３４ 開閉制御部、３５、３８、５５、５８ 信号線、３６、３７、５６、５７ 配管、４０ 気泡、４１ マイクロ層、５０ 第２の圧力印加部、５１ 第４のポンプ、５２ 第２の圧力保持部、５３ 第２の開閉機構部。

本発明の熱交換システムは、第１の液体が循環する環状の第１の循環回路と、第２の液体が循環する環状の第２の循環回路と、前記第１の液体と前記第２の液体との間で熱交換を行う熱交換器と、前記第２の液体の一部を加圧して保持する圧力保持部と、前記熱交換器の前記第２の液体の流入側に設けられ、前記熱交換器に流入する前記第２の液体を、前記第２の循環回路と前記圧力保持部との間で切り替える開閉機構部と、前記圧力保持部に保持された前記第２の液体に対する加圧量、および前記開閉機構部の切り替えを制御する制御部とを備え、前記制御部は、圧力の大きさが異なる複数のせん断応力パルスを組み合わせたせん断応力パルスサイクルを印加した第２の液体を前記熱交換器に対して供給するように、前記圧力保持部および前記開閉機構部を制御するものである。

Claims (10)

1. 第１の液体が循環する環状の第１の循環回路と、
   第２の液体が循環する環状の第２の循環回路と、
   前記第１の液体と前記第２の液体との間で熱交換を行う熱交換器と、
   前記第２の液体の一部を加圧して保持する圧力保持部と、
   前記熱交換器の前記第２の液体の流入側に設けられ、前記熱交換器に流入する前記第２の液体を、前記第２の循環回路と前記圧力保持部との間で切り替える開閉機構部と、
   前記圧力保持部に保持された前記第２の液体に対する加圧量、および前記開閉機構部の切り替えを制御する制御部と
   を備える
   熱交換システム。
2. 前記開閉機構部と前記第２の循環回路との間にバイパス回路が設けられ、
   前記バイパス回路に前記圧力保持部が設けられている
   請求項１に記載の熱交換システム。
3. 前記第２の循環回路に前記第２の液体を蓄えるタンクが設けられ、
   前記開閉機構部と前記タンクとの間に前記バイパス回路が設けられている
   請求項２に記載の熱交換システム。
4. 前記制御部は、
   圧力の大きさが異なる複数のせん断応力パルスを組み合わせたせん断応力パルスサイクルを印加した第２の液体を前記熱交換器に対して供給するように、前記圧力保持部および前記開閉機構部を制御する
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱交換システム。
5. 前記せん断応力パルスサイクルは、
   第１のせん断応力パルスと、該第１のせん断応力パルスよりも圧力の大きさが小さい第２のせん断応力パルスとによって形成され、
   前記第１のせん断応力パルスおよび前記第２のせん断応力パルスの順序で組み合わせられる
   請求項４に記載の熱交換システム。
6. 前記開閉機構部は、
   前記圧力保持部から前記第２の循環回路に合流する流路に設けられた第１の弁と、
   前記第２の循環回路における前記流路との合流地点の上流側に設けられた第２の弁と
   を有し、
   前記制御部の制御に基づき、前記第２の弁を閉じるとともに前記第１の弁を開き、
   前記圧力保持部で加圧された前記第２の流体を前記第１のせん断応力パルスまたは前記第２のせん断応力パルスとして前記熱交換器に対して流入させ、
   前記制御部の制御に基づき、前記第１の弁を閉じるとともに前記第２の弁を開く
   請求項５に記載の熱交換システム。
7. 前記第２の液体の位置を加圧して保持する第２の圧力保持部と、
   前記熱交換器の前記第２の流体の流出側に設けられ、前記第２の圧力保持部に保持された前記第２の液体を、前記熱交換器に流入させるようにして、前記熱交換器の流出側に対する前記第２の液体の流入出を切り替える第２の開閉機構部と
   をさらに備え、
   前記制御部は、
   前記熱交換器に対して供給する方向が異なる複数のせん断応力パルスを組み合わせたせん断応力パルスサイクルを印加した第２の液体を前記熱交換器に対して供給するように、前記圧力保持部および前記開閉機構部、ならびに前記第２の圧力保持部および前記第２の開閉機構部を制御する
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱交換システム。
8. 前記せん断応力パルスサイクルは、
   第１のせん断応力パルスと、該第１のせん断応力パルスよりも圧力の大きさが小さい第２のせん断応力パルスと、前記第１のせん断応力パルスと同等の圧力で、印加方向が逆方向となる第３のせん断応力パルスとによって形成され、
   前記第１のせん断応力パルス、前記第３のせん断応力パルス、および前記第２のせん断応力パルスの順序で組み合わせられる
   請求項７に記載の熱交換システム。
9. 前記開閉機構部は、
   前記圧力保持部から前記第２の循環回路に合流する第１の流路に設けられた第１の弁と、
   前記第２の循環回路における前記第１の流路との合流地点の上流側に設けられた第２の弁と
   を有し、
   前記第２の開閉機構部は、
   前記第２の圧力保持部から前記第２の循環回路に合流する第２の流路に設けられた第３の弁と、
   前記第２の循環回路における前記第２の流路との合流地点の下流側に設けられた第４の弁と
   を有し、
   前記開閉機構部は、
   前記制御部の制御に基づき、前記第２の弁を閉じるとともに前記第１の弁を開き、
   前記圧力保持部で加圧された前記第２の流体を前記第１のせん断応力パルスまたは前記第２のせん断応力パルスとして前記熱交換器に対して流入させ、
   前記制御部の制御に基づき、前記第１の弁を閉じるとともに前記第２の弁を開き、
   前記第２の開閉機構部は、
   前記制御部の制御に基づき、前記第４の弁を閉じるとともに前記第３の弁を開き、
   前記第２の圧力保持部で加圧された前記第２の流体を前記第３のせん断応力パルスとして前記熱交換器に対して流入させ、
   前記制御部の制御に基づき、前記第３の弁を閉じるとともに前記第４の弁を開く
   請求項８に記載の熱交換システム。
10. 第１の液体が循環する環状の第１の循環回路と、第２の液体が循環する環状の第２の循環回路と、前記第１の液体と前記第２の液体との間で熱交換を行う熱交換器とを備えた熱交換システムにおいて、前記熱交換器における前記第２の液体との接触面に析出するスケールを抑制するスケール抑制方法であって、
    前記第２の液体の一部を加圧して保持するステップと、
    前記熱交換器に流入する前記第２の液体を、前記第２の循環回路と前記圧力保持部との間で切り替えるステップと
    を有する
    ことを特徴とするスケール抑制方法。