JP3848129B2 - 熱交換装置及び熱交換処理方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電機を駆動するエンジン等の駆動源や燃料電池等を熱源に用いた熱交換装置及び熱交換処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、発電機を駆動するエンジン等の駆動源の排熱利用には排熱回収制御装置が知られている。この排熱回収は、駆動源のウォータージャケット部に流す冷却水や排熱回収水を熱媒として利用し、この熱媒に吸収させた熱を利用するものである。この熱媒が吸収した熱を蓄熱し、又は、その熱で上水等を加熱して給湯利用することが行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、熱源である駆動源に流される冷却水等の流体の温度は駆動源側の排熱量に依存することになる。また、循環させる流体の吸熱が駆動源を冷却させることになるが、過度な冷却状態を持続させることや、不十分な冷却で過熱状態を持続させることは駆動源の耐久性能を低下させることになる。
【０００４】
そこで、本発明は、熱源の熱量に依存することなく流体の温度調節を可能とし、熱源側の耐久性能の低下を防止した熱交換装置及び熱交換処理方法を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の熱交換装置は、熱源（駆動源２）に設置されて第１の流体を循環させ、前記熱源の熱を前記第１の流体（８）に吸収させる第１の流路（循環路６）と、この第１の流路に設置され、前記第１の流体を圧送して前記第１の流路を循環させる第１のポンプ（１０、循環ポンプ１０Ａ）と、前記第１の流路と別個に設置されて第２の流体（１４、温水１４Ａ）を流す第２の流路（循環路１２）と、この第２の流路に設置され、前記第２の流体を圧送して前記第２の流路を循環させる第２のポンプ（２０、循環ポンプ２０Ａ）と、前記第１の流路から前記第１の流体、前記第２の流路から前記第２の流体を流して両者間で熱交換を行い、前記第１の流体の熱で前記第２の流体を加熱する熱交換手段（熱交換器１６、１６Ａ）と、前記第１の流路に設置され、前記熱源の入側から前記第１の流体の温度を検出する第１の温度検出手段（温度センサ３０）と、前記第１の流路に設置され、前記熱源の出側から前記第１の流体の温度を検出する第２の温度検出手段（温度センサ３２）と、前記第１の温度検出手段の検出温度、前記第２の温度検出手段の検出温度、これら検出温度から求められる温度差を監視し、前記第１のポンプの回転数によって前記第１の流体の流量を加減することにより、前記熱源を循環する前記第１の流体の前記熱源の入側及び出側の温度差を所定値又は所定値を超える値に制御し、前記第２のポンプの回転数によって前記第２の流路を循環する前記第２の流体の流量を加減することにより、前記第１の流体の温度を所定値又は所定値を超える値に制御する制御手段（制御部１８）とを備えたことを特徴とする。
【０００６】
即ち、この熱交換装置では、第１の流路を流れる第１の流体に熱源の熱を吸収させ、この第１の流体と第２の流路を流れる第２の流体とを熱交換手段に流し、第１及び第２の流体間で熱交換を行う。第１の流体は第１のポンプ、第２の流体は第２のポンプを以てそれぞれ独立して流量調整が可能である。そこで、第１及び第２のポンプを制御手段で制御することを可能とし、第１のポンプ又は第２のポンプの一方又は双方の制御により、第１の流体の熱源前後の温度差の調節、第２の流路側の第２の流体の流量調整によって第１の流体の温度調節を行うものである。この結果、熱源側の排熱量（即ち、能力）に依存することなく、第１の流体の温度制御が実現され、熱源の耐久性能の低下を防止することができ、上記課題を解決することができ得るものである。
【０００７】
また、本発明の熱交換装置において、前記第２の流路に設けられて前記第２の流体を貯留させ、その貯留流体（２４、温水１４Ａ）の下層部流体が前記第２の流体として前記第２の流路に流され、前記熱交換手段で加熱された前記第２の流体が前記貯留流体の上層部側に流し込まれて蓄積する蓄熱手段（タンク２２、貯湯タンク２２Ａ）を備えたことを特徴とする。
【０００８】
即ち、この熱交換装置では、第２の流体は、上水、浴槽水等、加熱すべき流体であればどのようなものでもよく、その形態に限定されない。そこで、第２の流体が吸熱によって得た熱を有効に利用する手段として蓄熱手段を設置することが可能である。そして、この蓄熱手段には、いわゆる階層蓄熱が可能なものを用いることができ、階層蓄熱とは、蓄熱手段を例えば、貯留タンクを想定して説明すると、その内部の貯留流体の下層部、即ち、温度の低い流体を第２の流体として熱交換手段に流し、熱交換手段で加熱された第２の流体を貯留流体の上層部に戻すことで、蓄熱手段には上層部側から温度が階層的に低下する蓄熱が可能となる。このような蓄熱手段では、蓄熱初期時にも貯留流体の下層部が低温でも上層部から高温の第２の流体を利用でき、瞬時出湯等、熱の利用効率が高く、利便性のよい蓄熱ができる。
【０００９】
また、本発明の熱交換処理方法は、第１の流体を熱源側に循環させ、前記熱源の熱を前記第１の流体に熱交換により吸収させる処理と、前記第１の流体とともに第２の流体を熱交換手段に流し、前記第１の流体が持つ熱で前記第２の流体を加熱する熱交換を行う処理と、前記熱源の入側から前記第１の流体の温度を検出する処理と、前記熱源の出側から前記第１の流体の温度を検出する処理と、これら各検出温度から求められる温度差を監視する処理と、前記第１の流体の流量を加減することにより、前記第１の流体の前記熱源の入側及び出側の温度差を所定値又は所定値を超える値に制御する処理と、前記第２の流体の流量を加減することにより、前記第１の流体の温度を所定値又は所定値を超える値に制御する処理とを含むことを特徴とする。
【００１０】
即ち、第１の流体を熱源側に循環させて熱源の熱を第１の流体に吸収させ、第１の流体とともに第２の流体を熱交換手段に流すことにより、第１の流体が持つ熱で第２の流体を加熱する熱交換を行うことで、熱源からの排熱を利用することができる。しかし、このような熱交換を成り行きに任せると、熱源の排熱量に第１及び第２の流体の温度が依存し、過度な吸熱による熱源の冷え込みや不十分な吸熱による熱源側の過熱等が予想され、熱源側の耐久性能を損なうおそれがある。そこで、この熱交換処理方法では、第１の流体の流量調整によって熱源前後の温度差の調節を行う処理と、第２の流体の流量調整によって第１の流体の温度調節を行う処理とを併用することで、最適な吸熱処理を実現し、熱源側の耐久性能の低下等を防止したものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に示した実施例を参照して説明する。
【００１２】
図１は、本発明の熱交換装置及び熱交換処理方法の実施例を示している。この実施例では、発電機を駆動するエンジン等の駆動源２が熱源として用いられている。熱源には、この種の駆動源２の他、排熱を生じる燃料電池や、燃料ガスや灯油等を燃焼させて燃焼熱を生じるバーナ等を用いることができる。
【００１３】
この駆動源２には熱交換手段として水冷ジャケット等の冷却手段が設置されているが、この実施例では、これを熱交換部４として構成し、第１の流路として循環路６が形成され、この循環路６には熱媒としての水等の第１の流体８を循環させる。この循環路６には、流体８を強制的に循環させるためのポンプ１０、第２の流路である循環路１２側の水等の第２の流体１４との熱交換を行う手段として熱交換器１６が設置されている。ポンプ１０には、例えば、回転数の制御が容易なＤＣモータが用いられ、その回転制御手段として制御部１８から制御出力が加えられている。また、熱交換器１６は、図示しないが、例えば、循環路１２側にその管径より断面積の大きい筒状部を設け、この筒状部内に流体１４と独立して流体８を流す螺旋管を設けることにより熱交換を可能にした構成である。矢印ａは流体８の流れ方向、矢印ｂは流体１４の流れ方向を示している。
【００１４】
また、循環路１２側には流体１４を強制的に循環させるためのポンプ２０、流体１４とともにその熱を蓄熱する蓄熱手段としてのタンク２２が設置されている。ポンプ２０には、循環路６側と同様に例えば、回転数の制御が容易なＤＣモータが用いられ、その回転制御手段として制御部１８から制御出力が加えられている。この場合、タンク２２は流体１４を貯留して下層部から上層部に向かって温度勾配が高くなるという階層蓄熱を行うことから、タンク２２の底部側から貯留流体２４を抜き出し、高温化した流体１４をタンク２２の上方、貯留流体２４の上層部側に供給させている。
【００１５】
また、タンク２２には、タンク２２内の貯留流体２４を利用するため、流路２６、２８が形成されており、例えば、流路２６から流体１４として上水が供給され、タンク２２内の貯留流体２４の上層部側から流体１４が抜き取られ、この流体１４は例えば、温水として一般給湯等に利用される。
【００１６】
上記構成に基づいて、熱交換処理方法を説明すると、熱源としての駆動源２の排熱で熱交換部４が加熱されるので、この熱交換部４に流体８をポンプ１０によって通流させると、駆動源２の熱を吸収させる処理が行われる。この処理によって加熱された流体８は、この加熱処理とともにポンプ１０によって熱交換器１６に流れ、熱交換器１６では流体８と流体１４との間で熱交換が行われる。即ち、熱交換部４での流体８の熱吸収処理と、流体８、１４間の熱交換処理が同時に行われる。
【００１７】
そして、流体８の循環流量はポンプ１０の回転数によって調整され、また、流体１４の循環流量はポンプ２０の回転数によって調整されるので、各流体８、１４の各流量は循環路６、１２毎に独立して調整される。即ち、流体８の流量調整により吸熱量が変化するので、流体８の温度調節が行われ、熱交換部４の前後の流体温度として入側温度及び出側温度を調整する処理が行われる。また、流体１４の流量調整により流体８との熱交換量が変化するので、流体１４の温度調節を行う処理が行われる。この場合、例えば、ポンプ１０、２０にＤＣモータを駆動源とするポンプを用いた場合、制御部１８の制御電圧に応じて連続的に各回転数を増減させることができるので、各流体８、１４の流量調整を容易に行うことができる。
【００１８】
このような処理を行えば、流体８、１４の各温度調節を独立して行うことができるので、流体８側の最適な吸熱処理、流体８、１４間の熱交換処理の最適化を図ることができ、駆動源２側の排熱量（即ち、能力）に依存することなく、流体８の温度制御を行うことができ、駆動源として例えば、エンジンの耐久性能の低下を防止することができる。
【００１９】
また、タンク２２には、流体１４を貯留させることができ、タンク２２内の貯留流体２４の下層部流体が流体１４として循環路１２を通して熱交換器１６に流れ、熱交換器１６で加熱された流体１４が貯留流体２４の上層部側に流し込まれるので、タンク２２内の貯留流体２４は上層部側が高温、下層部側が低温となるような温度勾配を以て蓄熱される。この場合、時間経過とともに、流体循環が行われる結果、タンク２２内の貯留流体２４の温度は上限温度に到達することになる。
【００２０】
そして、流体１４が例えば、上水であるとすれば、流路２６を通してタンク２２の貯留流体２４の下層部側に冷水を供給しながら、その上層部側から高温水を流路２８を通して抜き取ることができ、階層蓄熱の結果、熱交換開始直後から高温水を利用することができる。即ち、熱交換開始直後に瞬時出湯を実現できる。
【００２１】
このような熱交換装置及び熱交換処理方法には、次のような各種の実施の形態が存在する。
【００２２】
ａ 熱源には、発電機を駆動するエンジン等の駆動源２の他、燃料電池等の排熱源を用いることができ、電熱源、気体燃料や液体燃料を燃焼させる燃焼熱源、太陽熱、地熱、温泉等を利用した自然熱源等を利用することができる。
【００２３】
ｂ 熱交換部４には、駆動源２のラジエータ等、流体８を直接通流させる手段の他、間接流体を熱媒として流体８を加熱するものも含まれる。
【００２４】
ｃ 熱媒としての流体８には、気体、液体、固体の何れでもよく、所定温度以上で流体化する物質を用いてもよい。
【００２５】
ｄ ポンプ１０、２０は、ＤＣモータを駆動源とするポンプ以外のものでもよい。
【００２６】
ｅ 流体１４は、上水の他、浴槽水等の液体であってもよい。即ち、熱交換が可能で、タンク２２に蓄熱できる手段であればどのようなものでもよい。タンク２２を蓄熱手段としない場合には、熱交換が可能な液体、粉粒体等を流体１４として用いてもよい。
【００２７】
ｆ タンク２２を蓄熱手段として構成したが、タンク２２を設置することなく、そのタンク２２に代えて放熱器を設置してもよい。このようにすれば、暖房装置として利用することができる。
【００２８】
ｇ タンク２２に代えて熱交換器を設置してもよく、その場合、熱媒としての流体１４に対して他の流体の熱交換を行ってもよい。その場合、他の流体は上水又は浴槽水の他、放熱器に流す熱媒でもよい。このような構成とすれば、単一の駆動源２からなる熱源を以て流体８、１４、他の流体を以て熱移送を行うことができ、タンク２２のような蓄熱手段を設ければ、駆動源２を停止した状態でタンク２２内に蓄熱された熱を給湯、暖房、浴槽水の追焚等、活用することができる。
【００２９】
次に、この熱交換装置及び熱交換処理方法の具体的な実施例を説明すると、図２ないし図４は熱交換装置及び熱交換処理方法の実施例を示し、図２は熱源側の熱交換及び蓄熱系統、図３は図２に続く蓄熱系統及び熱利用系統、図４は図３に続く熱利用系統を示したものである。
【００３０】
この実施例では、熱を放出する熱源として図示しない発電機を駆動する駆動源２にはエンジンが用いられており、この駆動源２の熱交換部４は、駆動源２の冷却手段であって、排熱回収路を兼ねる循環路６を通じて流体８を循環させている。この流体８は、排熱回収用のエンジン冷却水、排熱回収水であって、熱媒として機能するものである。この循環路６の駆動源２の入口側及び出口側にはそれぞれ温度検出手段としてサーミスタ等からなる温度センサ３０、３２が設置されているとともに、流路切換手段としての三方弁３４を介して第１のバイパス路３６が形成されている。また、循環路６には、流体８を強制循環させるための循環ポンプ１０Ａ、循環路６に循環させる流体８を溜める循環タンク４０、図示しない発電機の出力によって加熱する電気ヒータ４２、流体８の循環流量を検出する流量センサ４４、第１及び第２の熱交換器１６Ａ、１６Ｂ等が設けられるとともに、バイパス路３６とは別に、暖機時の循環路を短縮化するための第２のバイパス路４６が形成され、このバイパス路４６と循環路６の間には三方弁４８が介在している。循環ポンプ１０Ａは電圧等で容易に回転数が制御可能な直流モータ５０によって駆動される。
【００３１】
熱交換器１６Ａは流体８と、流体１４として、貯湯タンク２２Ａに溜められる温水１４Ａとの熱交換を行い、温水１４Ａを流体８が持つ熱で加熱する手段である。貯湯タンク２２Ａには、温水１４Ａを循環させる循環路１２が貯湯タンク２２Ａの底面側と天井側とを結ぶ閉回路として構成され、この循環路１２には第３及び第４のバイパス路５４、５６が設けられているとともに、これらバイパス路５４、５６には流路切換手段として三方弁５８、６０が設けられている。また、循環路１２には熱交換器１６Ａ、流量センサ６２、循環ポンプ２０Ａ、温度センサ６６等が設けられている。循環ポンプ２０Ａは電圧等で容易に回転数が制御可能な直流モータ６７によって駆動される。循環ポンプ２０Ａが運転されると、貯湯タンク２２Ａの下層部側から抜かれた温水１４Ａが熱交換器１６Ａで加熱された後、貯湯タンク２２Ａの上層部側に戻される。そのため、貯湯タンク２２Ａ内の温水１４Ａの供給や取出しによる階層蓄熱の乱調防止手段として、貯湯タンク２２Ａの上部側に第１の緩衝板６８、その底部側に第２の緩衝板７０が設置されている。
【００３２】
貯湯タンク２２Ａの底面側には、給水路７２が設けられるとともに、排水栓７４が設けられ、給水管７６から上水Ｗが貯湯タンク２２Ａの底面側に給水される。給水路７２には、給水温度を検出する温度センサ７７が設けられ、給水管７６には、減圧弁７８及び流量センサ８０が設けられているとともに、ミキシングバルブ８２を介して給湯管８４が接続されている。また、貯湯タンク２２Ａの側面部には積層沸き上げされる温水１４Ａの温度を検出する温度検出手段として複数の温度センサ８６１、８６２、８６３、８６４、８６５、８６６、８６７、８６８、８６９、８７０が一定の間隔で設置されている。この実施例では、１０個の温度センサ８６１〜８７０が設置されているが、計測ゾーンに応じてこれより少なく又は多く設置してもよい。
【００３３】
また、貯湯タンク２２Ａの上部側には温水取出路８８が設けられ、この温水取出路８８の一端は、過圧逃し弁９０及び負圧弁９２を介して外気に開放されており、温度センサ９４が設けられている。この温水取出路８８の他端側には、給湯バックアップ用の第３の熱交換器９６、出湯温検出用の温度センサ９８等が設けられている。熱交換器９６は、バーナ１００による燃料ガスの燃焼熱を熱源とする。この熱交換器９６の出口側の給湯管８４には、前記ミキシングバルブ８２、流量センサ１０１、水比例弁１０２、混合温検出用の温度センサ１０４等が設けられている。
【００３４】
また、給湯管８４から出湯される温水ＨＷは、追焚用循環路１０６側に供給されて浴槽１０８に注湯可能である。追焚用循環路１０６側には、三方弁１１０、循環ポンプ１１２、水位センサ１１４、温度センサ１１６、第４の熱交換器１１８等が設けられている。
【００３５】
そして、循環路６に設けられた熱交換器１６Ｂは、流体８を熱源とする暖房用熱媒としての温水１１９の加熱手段であって、暖房用循環路１２０に設けられている。この暖房用循環路１２０は、室内放熱器１２２や浴室暖房乾燥機１２４等の暖房端末に温水１１９を循環させる手段であって、温水１１９を溜めて膨張沸騰を抑制する手段としての温水タンク１２８、循環ポンプ１３０、流量センサ１３２、熱交換器１１８、１３４等が設けられている。温水タンク１２８には、給水管１３６が接続されるとともに、給水を調整するためのバルブ１３８が設けられている。レベルセンサ１４０は、温水タンク１２８に適正量の温水１１９を溜めるためのレベル制御に用いられる。熱交換器１３４は、バーナ１４２による燃料ガスの燃焼熱を熱源とし、浴槽１０８内の浴槽水ＢＷの追焚の他、暖房用熱源としての温水１１９のバックアップ加熱に用いられる。また、熱交換器１１８は、温水１１９が持つ熱を追焚用循環路１０６の加熱に用いられる。
【００３６】
この熱交換装置において、図２に三方弁３４、４８、５８、６０の切換方向Ａ、Ｂ、Ｃ又はＤが示されており、例えば、暖機運転時、三方弁３４はＣ−Ａ方向、三方弁４８はＣ−Ａ方向に切り換られ、このとき、温水１４Ａの自然対流防止のため、三方弁５８はＤ−Ａ方向、三方弁６０はＤ−Ｃ（閉止）方向に切り換えられる。
【００３７】
そして、この熱交換制御手段としてコンピュータ等で構成された制御部１８が設置されており、この制御部１８は、演算手段としてのＣＰＵ、記憶手段としてのＲＯＭ、ＲＡＭ、駆動出力や検出出力の入出力手段としてＩ／Ｏ等を備えているとともに、給湯積算手段として給湯積算出力カウンタ１４４を備えている。この制御部１８で実行される制御は、暖房端末の運転状態に応じて直流モータ５０、６７の回転制御及び循環ポンプ１０Ａ、２０Ａの回転制御、三方弁３４、４８、５８、６０の開閉制御等である。このような制御を行うため、制御部１８には温度センサ３０、３２、６６、９８、１０４、流量センサ４４、６２、１０１等、各種センサ等から検出出力が制御入力として加えられ、この制御部１８から得られる制御出力が直流モータ５０、６７や三方弁３４、４８、５８、６０等、各種の制御機器のアクチュエータに加えられる。また、制御部１８には、アラーム等の表示を行う表示手段として表示器１４６が設けられ、この表示器１４６は文字表示器、音声発生器等で構成できる。なお、この実施例では、ディジタル制御を行うため、コンピュータ等を用いた制御部１８を例に取って説明しているが、アナログ処理を行う制御回路を用いてもよい。
【００３８】
次に、この熱交換制御動作のメインルーチンを図５に示すフローチャートを参照して説明する。
【００３９】
電源が投入されると、ステップＳ１では、三方弁３４、４８、５８、６０等の各種弁を初期位置に設定した後、ステップＳ２に移行する。ステップＳ２では、常時起動プログラムが実行される。この常時起動プログラムでは、エンジン異常停止制御、エンジン運転許可制御、エンジン停止制御、エンジン強制停止制御、暖房命令制御、給湯積算出力カウンタ１４４の制御、弁異常チェック制御、温度センサ異常チェック制御等が行われる。また、ステップＳ３では、暖房命令が制御部１８に付与されたか否かが判定され、暖房命令がない場合にはステップＳ４に移行し、エンジン運転が許可されたか否かを判定する。即ち、季節に応じて設定される運転許可時間内であるか否かがステップＳ４で確認される。
【００４０】
ステップＳ４でエンジン運転が許可された場合には、ステップＳ５に移行し、要求蓄熱量が所定蓄熱量以上か否かを判定する。即ち、ステップＳ５では、例えば、
【００４１】
（給湯負荷×１．２−積算出力−タンク蓄熱量）＞１０００ｋｃａｌ・・・（１）
であるか否かを判定し、予想される給湯需要から貯湯タンク２２Ａの蓄熱量を引いた値が所定蓄熱量以上である場合に駆動源２を運転可能とする。この場合、係数１．２は給湯負荷に余裕を持たせるための数値の一例であり、この数値に限定されるものではない。
【００４２】
ここで、ステップＳ５における演算に用いる「給湯負荷」は、各季節毎に予め給湯予想負荷を決定するものである。
【００４３】
【表１】

【００４４】
即ち、「給湯負荷」は、その時点の季節及び時刻における次回の給湯予想量であるから、例えば、７月Ｘ日、１８：００に駆動源２の運転を開始する場合、給湯負荷は６０００ｋｃａｌで計算し、また、２月Ｙ日、５：００に駆動源２の運転を開始する場合、給湯負荷は２０００ｋｃａｌで計算する。
【００４５】
また、「積算出力」は、制御部１８に内蔵されている給湯積算出力カウンタ１４４を用いて求められる給湯及び注湯に使用された出力の合計である。即ち、給湯需要があると思われる時間帯で、バックアップと蓄熱利用を含めた全ての出力を求め、そのデータをエンジン運転時間にフィードバックする。
【００４６】
また、貯湯タンク２２Ａのタンク蓄熱量の計算は、例えば、タンク容量を２００リットルとし、図６に示すように、貯湯タンク２２Ａの各ゾーン１〜７は同容量であり、１ゾーン当たりの温水量は約２８．６リットルとなる。ここで、水温を冬期で５℃、春秋期で１５℃、夏期で２５℃と定義すると、各ゾーンの熱量Ｑ（ｋｃａｌ）は、
【００４７】
Ｑ＝２８．６×｛（上側検出温度＋下側検出温度）／２−水温｝・・・（２）
となり、タンク蓄熱量Ｑｍは全ゾーン１〜７の合計である。但し、一つの条件として｛（上側検出温度＋下側検出温度）／２−水温｝＜１０℃の場合には、そのゾーンは零とする。例えば、冬期、温度センサ８６１の検出温度が７５℃、温度センサ８６３の検出温度が７０℃のとき、ゾーン１の熱量Ｑ₁ は、
【００４８】
Ｑ₁ ＝２８．６×｛（７５＋７０）／２−５｝＝１９３０．５（ｋｃａｌ）・・・（３）
となる。なお、温度センサ８６１〜８７０の中、温度センサ８６２、８６９は蓄熱量Ｑｍの計算には使用しない。
【００４９】
そして、ステップＳ５で前記要求蓄熱量が１０００ｋｃａｌ以上であると判定されたとき、又はステップＳ３で暖房命令が発せられているとき、ステップＳ６に移行し、貯湯タンク２２Ａの最下部側の温度センサ８７０の検出温度が所定温度、例えば、４０℃以上か否かを判定し、所定温度以下の場合、ステップＳ７に移行する。ステップＳ７では、前回の駆動源２の停止から所定時間、例えば、６０分以上経過したか否かが判定され、所定時間以下の場合には、エンジン等の駆動源２の保護のためその起動を禁止する。即ち、貯湯タンク２２Ａの最下部側の湯温が低温であることを確認し、駆動源２のオーバーヒートを防止している。そして、所定時間が経過している場合には、ステップＳ８に移行し、駆動源２の起動を行うとともに、暖機運転を行う。この暖機運転では、三方弁４８を切り換えてバイパス路４６を介して循環路６を狭小化し、熱媒温度の急激な立上りを行う。
【００５０】
そして、この暖機運転の後、ステップＳ９に移行し、駆動源２の入口側の流体８の温度が所定温度、例えば、６５℃になるように制御する。この一定温度制御は、温度センサ３０、３２の検出温度を監視しながら、直流モータ５０の回転数を増減させ、循環ポンプ１０Ａで圧送される流体８の流量を加減することにより行われる。
【００５１】
ところで、ステップＳ１において、三方弁３４、４８、５８、６０等の弁初期位置設定のサブルーチンでは、三方弁５８はＤ−Ａ方向、三方弁６０はＤ−Ｃ（閉止）方向、三方弁４８はＣ−Ａ方向、三方弁３４はＣ−Ａ方向に切り換えられる。この結果、常時起動プログラムの実行が準備される。
【００５２】
また、ステップＳ２のサブルーチンであるエンジン異常停止制御では、エンジン２の運転状態が「運転」であるか否かが判定され、運転状態にあるとき、所定時間として例えば、１０秒経過の後、ガス弁が閉（ＯＦＦ）であるか否かが判定され、閉止している場合には、エンジン停止を行った後、表示器１４６にエンジン異常停止を行った旨の表示としてアラーム表示を行う。
【００５３】
また、駆動源２であるエンジンが運転状態でない場合には、所定時間として例えば、１０秒経過の後、ガス弁が開（ＯＮ）しているか否かが判定され、開の場合には、エンジン停止を行った後、表示器１４６に「エンジン停止せず」とのアラーム表示を行う。
【００５４】
また、メインルーチンのステップＳ２のサブルーチンであるエンジン運転許可制御では、エンジン運転が許可時間であるか否かが判定され、運転許可時間にある場合には、エンジン運転許可指示として「許可」を出力し、また、エンジン運転許可時間でない場合には、エンジン運転許可を禁止する指示として「禁止」を出力する。
【００５５】
また、メインルーチンのステップＳ２のサブルーチンであるエンジン停止制御では、駆動源２のエンジンの電源をＯＦＦにし、弁初期位置制御を実行した後、駆動源２のエンジンの運転状態を停止状態にする。
【００５６】
また、メインルーチンのステップＳ２のサブルーチンであるエンジン強制停止制御では、強制停止入力手段として例えば、Ｅｓｃキーが押されたか否かが判定され、このＥｓｃキーが押されたとき、エンジン停止制御を実行し、制御を終了する。
【００５７】
次に、図７は、図５のメインルーチンのステップＳ２のサブルーチンである給湯積算出力カウンタ１４４の制御を示している。即ち、このサブルーチンがスタートすると、ステップＳ１１では、エンジン運転が「許可」であるか否かが判定され、許可の場合にはステップＳ１２に移行し、カウンタリセットを行う。即ち、給湯積算出力カウンタ１４４に格納されている熱量Ｑｃを０ｋｃａｌとした後、ステップＳ１３に移行し、水温を決定する。即ち、冬期では５℃、春秋期では１５℃、夏期では２５℃を設定した後、ステップＳ１４に移行し、混合温サーミスタである温度センサ１０４の湯温測定を行う。
【００５８】
そして、ステップＳ１５では、給湯量を検出する流量センサ１０１が所定流量として例えば、１リットルカウントしたか否かを判定し、１リットルカウントを行った場合、ステップＳ１６に移行する。ステップＳ１６では、１リットル当たりの熱量計算として給湯積算出力熱量Ｑｃを演算する。即ち、この給湯積算出力熱量Ｑｃ（ｋｃａｌ）は、
【００５９】
Ｑｃ＝（湯温−水温）×１（ｋｃａｌ） ・・・（４）
で算出される。
【００６０】
そして、ステップＳ１７に移行し、エンジン運転許可が「禁止」されているか否かが判定され、エンジン運転が禁止されている場合にはステップＳ１１に復帰し、エンジン運転が禁止されていない場合にはステップＳ１４に移行し、ステップＳ１４〜ステップＳ１６の処理を実行する。
【００６１】
次に、図８は、図５に示すフローチャートのステップＳ８のサブルーチンであるエンジン起動及び暖機運転の制御を示している。
【００６２】
ステップＳ３１では、温水１４Ａの自然対流を防止するため、三方弁５８をＤ−Ａ方向、三方弁６０をＤ−Ｃ（閉止）方向、暖機回路を構成するため、三方弁４８をＣ−Ａ方向、三方弁３４をＣ−Ａ方向に切り換えるとともに、循環ポンプ１０Ａを中回転に設定した後、ステップＳ３２に移行し、温度センサ３２の検出温度が所定温度、例えば、５５℃以下であるか否かを判定し、この５５℃を超えている場合、ステップＳ３３に移行し、プリチェックの開始から所定時間として例えば、２０分が経過したか否かを判定する。５５℃を超えて２０分が経過している場合には何らかの異常が発生していることが予想されるので、ステップＳ３４に移行し、表示器１４６にアラームを発生させ、「異常停止」を告知する。このとき、駆動源２の停止モードに移行することになる。
【００６３】
ステップＳ３２で検出温度が所定温度として５５℃以下の場合、ステップＳ３５に移行して駆動源２の電源をＯＮとし、ステップＳ３６に移行してエンジン起動接点を所定時間、例えば、５秒間だけＯＮ状態とし、ステップＳ３７に移行してエンジン起動接点をＯＦＦにした後、所定時間、例えば、３秒間待機し、ステップＳ３８に移行する。ステップＳ３８では、ガス弁がＯＮ状態か否かを判定し、ガス弁がＯＮ状態でない場合、ステップＳ３９に移行し、その起動が所定回数、例えば、５回目か否かを判定する。所定回数以下の場合には、ステップＳ４０に移行し、所定回数に移行する所定時間、例えば、５秒間待機してステップＳ３６に戻る。また、ステップＳ３９でエンジン起動が所定回数に到達している場合、ステップＳ４１に移行してエンジン停止とし、ステップＳ４２で表示器１４６にアラームを発生させるとともに、エンジン起動失敗を告知させる。この告知によって利用者は、異常を知ることができる。
【００６４】
ステップＳ３８でガス弁がＯＮに移行したと判定されたとき、ステップＳ４３に移行して駆動源２は運転状態となり、ステップＳ４４に移行する。ステップＳ４４では温度センサ３２の検出温度が所定温度、例えば、６０℃を超えているか否かを判定し、６０℃を超えていない場合、ステップＳ４５に移行し、所定時間の経過、例えば、２０分が経過したか否かを判定し、所定時間が経過するまで、検出温度の推移を監視する。２０分が経過したにも拘わらず、検出温度が６０℃を超えない場合には、ステップＳ４６に移行してエンジン停止を行った後、ステップＳ４７に移行し、表示器１４６にアラームを発生させるとともに、エンジン・インバータ異常を告知させる。この告知によって利用者は、異常を知ることができる。
【００６５】
そして、ステップＳ４４で温度センサ３２の検出温度が６０℃を超えている場合、暖機運転が正常に行われたことを表し、ステップＳ４８に移行し、三方弁４８をＢ−Ｃ方向に切り換え、バイパス路４６を切り離した後、メインルーチン（図５）のステップＳ９に移行し、駆動源２による発電とともに、排熱回収を開始する。
【００６６】
次に、図９は、図５のフローチャートのステップＳ９のサブルーチンであるエンジン入温度制御（目標値６５℃の制御）を示している。
【００６７】
ステップＳ５１では駆動源２が運転状態か否かを常に監視し、ステップＳ５２では循環ポンプ２０Ａの回転制御等を実行する。即ち、駆動源２に対する流体８の入側温度、即ち、温度センサ３０の検出温度である戻り温度が所定温度、例えば、６５℃を目標値として循環ポンプ２０Ａの回転制御を行う。なお、この制御の結果、循環ポンプ２０Ａの回転が停止している場合には、三方弁６０をＡ−Ｃ方向に切り換え（閉）、循環ポンプ２０Ａが回転している場合は三方弁６０をＤ−Ｂ方向に切り換えた後、ステップＳ５３に移行する。
【００６８】
ステップＳ５３では、貯湯タンク２２Ａの最下部側の温度センサ８７０の検出温度が所定温度、例えば、５０℃以上か否かを判定し、所定温度以下の場合、ステップＳ５４に移行する。この場合、始動条件とのヒステリシス温度は例えば、１０℃に設定する。そして、ステップＳ５４では、駆動源２に対する流体８の入側温度、即ち、温度センサ３０の検出温度である戻り温度が所定温度、例えば、７５℃以上が所定時間、例えば、１０秒以上か否か、且つ、循環ポンプ２０Ａの回転数が最大か否かを判定する。戻り温度が所定温度で所定時間以下、且つ、循環ポンプ２０Ａの回転数が最大でない場合、ステップＳ５５に移行する。
【００６９】
ステップＳ５５では、駆動源２の運転状態が停止か否かを判定し、駆動源２が停止していないとき、即ち、運転状態のとき、ステップＳ５６に移行し、暖房接点がＯＮ状態か否かを判定する。ＯＮ状態でない場合には、ステップＳ５７に移行し、エンジン運転が許可されているか否かを判定し、エンジン運転が許可されている場合には、ステップＳ５８に移行してタンク蓄熱量が（給湯負荷×１．２−積算出力）より多いか否かを判定する。即ち、この判定は、暖房を行っていない場合、エンジン運転許可時間内であれば、この条件成立でエンジン運転停止を行うことを意図している。
【００７０】
ところで、ステップＳ５３で温度センサ８７０の検出温度が所定温度、即ち、５０℃を超えている場合、又は、ステップＳ５４で戻り温度が所定温度で所定時間以上、且つ、循環ポンプ２０Ａの回転数が最大である場合には、ステップＳ５９に移行し、循環ポンプ２０Ａを停止させ、ステップＳ６０に移行してエンジン停止を行う。ステップＳ６１では、エンジン停止から所定時間の経過、例えば、３０秒が経過するまで待機した後、ステップＳ６２に移行し、循環ポンプ１０Ａを停止させた後、図５に示すメインルーチンのステップＳ２に戻る。即ち、循環ポンプ２０Ａを停止させた後、循環ポンプ１０Ａを停止させるのは、貯湯タンク２２Ａ側の階層蓄熱の崩れを防止するためである。
【００７１】
また、ステップＳ５５でエンジン停止、ステップＳ５７でエンジン運転禁止、又は、ステップＳ５８でタンク蓄熱量が（給湯負荷×１．２−積算出力）を超えている場合には、ステップＳ６３に移行し、エンジン停止を行い、ステップＳ６４でエンジン停止から所定時間例えば、３０秒が経過するまで待機した後、ステップＳ６５に移行し、循環ポンプ２０Ａの停止を行い、ステップＳ６２に移行する。
【００７２】
そして、この熱交換装置では、駆動源２の冷却回路を構成する循環路６に排熱回収用の熱交換器１６Ａ、暖房用の熱交換器１６Ｂを設置しているので、温水１４Ａ、温水１１９に排熱を効率よく吸収させることができ、温水１４Ａを貯湯タンク２２Ａに導いて蓄熱させ、温水１１９を暖房用循環路１２０に流すことができる。
【００７３】
ところで、駆動源２の能力や耐久性を保つには、駆動源２からの排熱吸収には限度があり、流体８の戻り温度は一定温度、例えば、６５℃を中央値として一定温度幅、例えば、６５±５℃程度に維持することが望ましいものであるが、実際には、室内放熱器１２２、浴室暖房乾燥機１２４の運転状態や運転台数等で暖房負荷の変化や、外部からの給水温度等で駆動源２に戻る流体８の戻り温度は大きく変動する。そこで、循環路６側の流体８の循環流量の制御と、循環路１２側の温水１４Ａの循環流量の制御とを併用して流体８の戻り温度を制御する。この場合、例えば、消費電力が低く、制御性の良い直流モータ５０で駆動される循環ポンプ１０Ａや、同様に、直流モータ６７で駆動される循環ポンプ２０Ａを使用すれば、流体８や温水１４Ａの流量を暖房負荷の増減に応じて幅広く調整することができ、流体８の戻り温度を最適化することができる。
【００７４】
この場合、暖房要求がないとき、熱交換器１６Ａのみで熱交換が行われるので、この熱交換に応じて駆動源２への流体８の戻り温度が所定温度、例えば、６５℃となるように循環ポンプ２０Ａの回転数を制御して流量を調整し、貯湯タンク２２Ａへの蓄熱を行う。
【００７５】
また、暖房要求があったとき、暖房端末の放熱負荷の大きさで流体８の戻り温度が変動するが、その戻り温度が所定温度以下、例えば、６５℃以下の場合、熱交換器１６Ａでの熱回収は不要であるため、循環ポンプ２０Ａを停止し、流体８の戻り温度が所定温度、例えば、６５℃を超える場合、循環ポンプ２０Ａを運転させ、流体８の戻り温度が所定温度、即ち、６５℃となるように温水流量を調整し、貯湯タンク２２Ａへ蓄熱を行う。
【００７６】
しかし、暖房要求において、低温水で十分な低温要求の場合、例えば床暖房の場合には、その暖房端末には６０℃程度の温水循環で十分である。このような低い温度要求について、駆動源２への流体８の戻り温度は６５℃であり、流体８からの往き温度は７５℃であるため、熱交換器１６Ｂには６０℃を超える熱交換が行われる。このような高温の温水１１９を循環させると、床暖房パネルは過熱状態となり、好ましくない。
【００７７】
そこで、低温（６０℃）の暖房要求の場合には、駆動源２の流体８の戻り温度を低温要求に最適な戻り温度、例えば、６０℃、往き温度を７０℃にシフトさせるように循環ポンプ２０Ａの回転を制御し、温水１４Ａの流量を調整する。即ち、温水１４Ａの流量を増加させると、排熱回収熱量が増加し、駆動源２の循環路６の流体８の温度が低下することになる。
【００７８】
以上説明した熱交換処理において、駆動源２で発生する熱が例えば、３０００ｋｃａｌ／ｈとすれば、循環ポンプ１０Ａの回転数を制御して循環流量を例えば、５リットル／分となるように調節すると、駆動源２の熱交換部４の入側と出側との温度差は一定温度、例えば、１０℃となる。
【００７９】
このとき、循環ポンプ２０Ａの回転数を制御して循環流量を調節すると、熱交換部４の流体８の入側温度を例えば、６５℃に制御することができ、その場合、出側温度を１０℃だけ高い、７５℃にすることができる。即ち、駆動源２の耐久性等の問題で、流体８の出側温度の調整が必要な場合、温度制御を容易に行うことができる。
【００８０】
このような制御によれば、駆動源２の能力に依存することなく、循環流体の温度を制御することが可能であるから、駆動源２の耐久性を考慮した温度制御が可能となり、結果として、駆動源２の耐久性能を高める等の熱交換制御を実現することができる。
【００８１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、次の効果が得られる。
ａ 熱源からの吸熱量を最適化できるとともに、熱源の排熱量に依存することなく、流体の温度調節を行うことができる。
ｂ 熱源の耐久性能を考慮した温度制御を行うことができ、エンジン等の駆動源を熱源に用いた場合、その耐久性を損なうことがない。
ｃ 熱源からの吸熱量の最適化により、熱源にエンジン等の駆動源を用いた場合、熱効率を高め、経済性や耐久性を向上させることができる。
ｄ 蓄熱手段に階層蓄熱を用いたので、効率的な蓄熱が可能であるとともに、即時出湯等、初期動作時から熱利用が可能であり、経済的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱交換装置及び熱交換処理方法の実施例を示す図である。
【図２】本発明の熱交換装置及び熱交換処理方法の具体的な実施例を示し、熱源側の熱交換及び蓄熱系統を示す図である。
【図３】本発明の熱交換装置及び熱交換処理方法の具体的な実施例を示し、図２に続く蓄熱系統及び熱利用系統を示す図である。
【図４】本発明の熱交換装置及び熱交換処理方法の具体的な実施例を示し、図３に続く熱利用系統を示す図である。
【図５】熱交換制御動作を示すフローチャートである。
【図６】貯湯タンクの蓄熱形態を示す図である。
【図７】メインルーチンにおける給湯積算出力カウンタ処理に関するサブルーチンを示すフローチャートである。
【図８】メインルーチンにおけるエンジン起動処理及び暖機運転処理に関するサブルーチンを示すフローチャートである。
【図９】メインルーチンにおけるエンジン入温度６５℃制御に関するサブルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
２ 駆動源（熱源）
６ 循環路（第１の流路）
８ 第１の流体
１０ 第１のポンプ
１０Ａ 循環ポンプ（第１のポンプ）
１２ 循環路（第２の流路）
１４ 第２の流体
１４Ａ 温水（第２の流体）
１６、１６Ａ 熱交換器（熱交換手段）
１８ 制御部（制御手段）
２０ 第２のポンプ
２０Ａ 循環ポンプ（第２のポンプ）
２２ タンク（蓄熱手段）
２２Ａ 貯湯タンク（蓄熱手段）
２４ 貯留流体

Claims (3)

1. 熱源に設置されて第１の流体を循環させ、前記熱源の熱を前記第１の流体に吸収させる第１の流路と、
   この第１の流路に設置され、前記第１の流体を圧送して前記第１の流路を循環させる第１のポンプと、
   前記第１の流路と別個に設置されて第２の流体を流す第２の流路と、
   この第２の流路に設置され、前記第２の流体を圧送して前記第２の流路を循環させる第２のポンプと、
   前記第１の流路から前記第１の流体、前記第２の流路から前記第２の流体を流して両者間で熱交換を行い、前記第１の流体の熱で前記第２の流体を加熱する熱交換手段と、
   前記第１の流路に設置され、前記熱源の入側から前記第１の流体の温度を検出する第１の温度検出手段と、
   前記第１の流路に設置され、前記熱源の出側から前記第１の流体の温度を検出する第２の温度検出手段と、
   前記第１の温度検出手段の検出温度、前記第２の温度検出手段の検出温度、これら検出温度から求められる温度差を監視し、前記第１のポンプの回転数によって前記第１の流体の流量を加減することにより、前記熱源を循環する前記第１の流体の前記熱源の入側及び出側の温度差を所定値又は所定値を超える値に制御し、前記第２のポンプの回転数によって前記第２の流路を循環する前記第２の流体の流量を加減することにより、前記第１の流体の温度を所定値又は所定値を超える値に制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする熱交換装置。
2. 前記第２の流路に設けられて前記第２の流体を貯留させ、その貯留流体の下層部流体が前記第２の流体として前記第２の流路に流され、前記熱交換手段で加熱された前記第２の流体が前記貯留流体の上層部側に流し込まれて蓄積する蓄熱手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の熱交換装置。
3. 第１の流体を熱源側に循環させ、前記熱源の熱を前記第１の流体に熱交換により吸収させる処理と、
   前記第１の流体とともに第２の流体を熱交換手段に流し、前記第１の流体が持つ熱で前記第２の流体を加熱する熱交換を行う処理と、
   前記熱源の入側から前記第１の流体の温度を検出する処理と、
   前記熱源の出側から前記第１の流体の温度を検出する処理と、
   これら各検出温度から求められる温度差を監視する処理と、
   前記第１の流体の流量を加減することにより、前記第１の流体の前記熱源の入側及び出側の温度差を所定値又は所定値を超える値に制御する処理と、
   前記第２の流体の流量を加減することにより、前記第１の流体の温度を所定値又は所定値を超える値に制御する処理と、
   を含むことを特徴とする熱交換処理方法。

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