JP5865494B2 - 蓄熱熱交加熱装置 - Google Patents
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Description
そのため、再び加熱が開始されるまでの時間間隔が長いと、滞留した熱媒体が放熱し、エネルギーを浪費してしまうという問題点があった。
また、熱交換器内に滞留した熱媒体によって熱交換器内の加熱対象が過熱されることで、熱交換器内でスケールの生成が進行し、加熱対象の圧力損失の増大や詰まりが発生して、熱交換器の性能低下や短寿命化を招くという問題点があった。
また、本発明は、加熱を停止した後の加熱対象の過熱を抑制して、スケールの生成の進行に伴う熱交換器の性能低下や短寿命化を抑制した蓄熱熱交加熱装置を得るものである。
また、本発明は、加熱対象の加熱運転を停止した後に、循環方向切替手段を逆流方向に設定した状態で熱媒体を循環させる制御手段を備えることで、熱交換器内に滞留した熱媒体によって熱交換器内の加熱対象が過熱することを抑制することができ、スケールの生成の進行に伴う熱交換器の性能低下や短寿命化を抑制することができる。
なお、実施の形態1及び実施の形態2では、蓄熱熱交加熱装置が給湯に用いられる場合を説明しているが、蓄熱熱交加熱装置は、他の用途に用いられてもよい。
また、実施の形態3では、蓄熱熱交加熱装置が追焚に用いられる場合を説明しているが、蓄熱熱交加熱装置は、他の用途に用いられてもよい。
各図において、同一部材又は同一部分には同一の符号を付している。
細かい構造については、適宜図示を省略している。
重複する説明については、適宜簡略化又は省略している。
以下に、実施の形態1に係る蓄熱熱交加熱装置について、説明する。
(装置構成)
まず、実施の形態1に係る蓄熱熱交加熱装置の構成について、図1を用いて説明する。
図1は、実施の形態1に係る蓄熱熱交加熱装置の構成を示す図である。
蓄熱熱交加熱装置100は、ヒートポンプ1と、蓄熱用循環流路2と、蓄熱槽3と、加熱用循環流路4と、加熱用熱交換器5と、給湯用流路6と、を有する。
ヒートポンプ用熱媒体は、例えば、炭化水素系や二酸化炭素等であり、使用温度圧力範囲内で気液二相化されることが可能である。
蓄熱用循環流路2では、蓄熱用熱媒体が循環する。
蓄熱用熱媒体は、例えば、グリセリン等を混ぜた水等であり、低温でも凝固しない不凍液である(なお、蓄熱用熱媒体は、本発明における「熱媒体」に相当する。)。
蓄熱用循環流路2には、蓄熱用熱媒体を循環させる蓄熱用ポンプ13と、蓄熱用循環流路2の往路2aの途中と復路2bの途中を接続するバイパス流路14と、蓄熱用熱媒体をバイパス流路14に流すか蓄熱槽3に流すかを切り替える切替弁15と、ヒートポンプ用熱交換器9と切替弁15の間の蓄熱用熱媒体の温度を検知する温度センサ16と、が設けられる。
切替弁15は、蓄熱用循環流路2の往路2aの途中のバイパス流路14との分岐部に設けられる。
蓄熱槽3には、蓄熱用熱媒体が貯えられる。
蓄熱槽3の下部(本発明における「低温側」に相当する。)は、蓄熱用循環流路2に接続される。
加熱用循環流路4では、蓄熱用熱媒体が循環する。
加熱用循環流路4には、蓄熱用熱媒体を循環させる加熱用ポンプ17と、蓄熱槽3の上部と加熱用熱交換器5の間の蓄熱用熱媒体の温度を検知する温度センサ18と、が設けられる。
加熱用循環流路4は、蓄熱槽3の下部に接続される。
加熱用ポンプ17は、加熱用循環流路4における蓄熱用熱媒体の循環方向を、蓄熱槽3の上部から蓄熱槽3の下部へ向かう方向と蓄熱槽3の下部から蓄熱槽3の上部へ向かう方向とに切り替える循環方向切替手段として機能する(なお、蓄熱槽3の上部から蓄熱槽3の下部へ向かう方向の循環を正流方向の循環といい、蓄熱槽3の下部から蓄熱槽3の上部へ向かう方向の循環を逆流方向の循環という。)。
給湯用流路6には、給湯水が供給される(なお、給湯水は、本発明における「加熱対象」に相当する。)。
給湯用流路6には、給水源19と加熱用熱交換器5の間の給湯水の流動の有無を検知する流動センサ20と、加熱用熱交換器5と給湯先21の間の給湯水の温度を検知する温度センサ22と、が設けられる。
流動センサ20は、給湯水の流動の有無で接点がon/offされるセンサである。
(全体動作)
以下に、実施の形態1に係る蓄熱熱交加熱装置における全体動作を説明する。
ヒートポンプ1は、熱源であり、加熱されたヒートポンプ用熱媒体をヒートポンプ用熱交換器9に供給する。
蓄熱用ポンプ13は、蓄熱槽3の下部から蓄熱用熱媒体を蓄熱用循環流路2に供給し、蓄熱用循環流路2に供給された蓄熱用熱媒体をヒートポンプ用熱交換器9に供給する。
ヒートポンプ用熱交換器9における熱交換で加熱された蓄熱用熱媒体は、蓄熱槽3の上部に供給され、蓄熱槽3は、加熱された蓄熱用熱媒体を所定量貯える、つまり、ヒートポンプ1で発生した熱を貯える。
加熱用ポンプ17は、蓄熱槽3の上部から蓄熱用熱媒体を加熱用循環流路4に供給し、加熱用循環流路4に供給された蓄熱用熱媒体を加熱用熱交換器5に供給する。
給湯水が、給水源19から給湯用流路6に供給され、加熱用熱交換器5に供給される。
加熱用熱交換器5における熱交換で加熱された給湯水は、給湯先21から出湯される。
以下に、実施の形態1に係る蓄熱熱交加熱装置におけるヒートポンプの動作を説明する。
ヒートポンプ用循環流路7では、ヒートポンプ用熱媒体が循環する。
圧縮機8は、気相化されたヒートポンプ用熱媒体を圧縮して高温高圧化する。
ヒートポンプ用熱交換器9は、高温高圧化されたヒートポンプ用熱媒体と蓄熱用熱媒体とを熱交換し、ヒートポンプ用熱媒体を冷却して液相化するとともに蓄熱用熱媒体を加熱する。
膨張弁10は、液相化されたヒートポンプ用熱媒体を膨張させて気液混合相化して低温低圧化する。
外気熱交11は、低温低圧化されたヒートポンプ用熱媒体とファン12から送風された外気とを熱交換して、ヒートポンプ用熱媒体を加熱して気相化する。
このように蓄熱熱交加熱装置100は、熱源としてヒートポンプ1を採用し、外気から吸熱した熱をヒートポンプ用熱媒体の凝縮と気化とを利用して蓄熱用熱媒体に放熱するものであるため、主に圧縮機8における圧縮に要する動力だけで効率良く外気と蓄熱用熱媒体との間で熱を移動することができる。
以下に、実施の形態1に係る蓄熱熱交加熱装置における蓄熱動作を説明する。
ヒートポンプ用熱交換器9で加熱された蓄熱用熱媒体は、蓄熱用循環流路2の往路2aを通って蓄熱槽3の上部に供給される。
それに伴って、蓄熱槽3の下部から蓄熱用循環流路2の復路2bを通って低温の蓄熱用熱媒体がヒートポンプ用熱交換器9に供給される。
これが繰り返されて、低温の蓄熱用熱媒体が高温の蓄熱用熱媒体に蓄熱槽3の上部から下部に向かって徐々に置き換えられ、ヒートポンプ1で発生した熱が蓄熱槽3に貯えられる(なお、この蓄熱方法を温度成層蓄熱という。)。
また、切替弁15は、蓄熱用熱媒体が蓄熱機能を発揮できる温度に加熱されている時は、蓄熱用熱媒体を蓄熱槽3の上部に供給する。
このような構成により、蓄熱槽3の温度成層蓄熱がより効率化される。
なお、蓄熱熱交加熱装置100は、切替弁15としての3方弁を、往路2aからバイパス路14への分岐部に有しているが、復路2bとバイパス路14との合流部に有してもよい。
そのような場合には、使用環境が低温となり、切替弁の寿命が向上し、また、切替弁からの放熱が減少する。
また、蓄熱熱交加熱装置100は、切替弁15として、3方弁を有しているが、切り替えられる流路毎に2方弁を有してもよい。
そのような場合には、流路を切り替える態様の選択肢が増加する。
温度センサ16で検知された蓄熱用熱媒体の温度が所定の温度(例えば、63℃。)に維持されるように、蓄熱用ポンプ13の回転数が変化されて、蓄熱用循環流路2を循環する蓄熱用熱媒体の流量が制御される。
また、ヒートポンプ1において外気から蓄熱用熱媒体へ移動する熱量が、外気やヒートポンプ用熱交換器9における蓄熱用熱媒体の温度条件で許容される熱量(最短時間で蓄熱する場合は、最大熱量。)になるように、且つ、ヒートポンプ用循環流路7の各部におけるヒートポンプ用熱媒体の温度や圧力に応じて、圧縮機8の回転数(周波数)や膨張弁10の開度が制御される。
次に、実施の形態1に係る蓄熱熱交加熱装置における加熱動作を説明する。
給湯状態では、蓄熱槽3の上部から加熱用循環流路4の往路4aを通って蓄熱用熱媒体が加熱用熱交換器5に供給される。
それに伴って、加熱用熱交換器5から加熱用循環流路4の復路4bを通って蓄熱槽3の下部に蓄熱用熱媒体が供給される。
また、給湯状態では、加熱用熱交換器5において、加熱用循環流路4の蓄熱用熱媒体と給湯用流路6の給湯水とが熱交換される。
この時、加熱用熱交換器5から給湯先21へ出湯される給湯水と同量の給湯水が給水源19から加熱用熱交換器5に供給される。
給湯水が加熱用熱交換器5に供給されるための動力源は、給水源19と給湯先21における給湯水の圧力差である。
流動が検知された場合には、給湯のための加熱動作が実行され、流動が検知されない場合には、給湯のための加熱動作が実行されない。
ここでいう加熱動作は、加熱用ポンプ17の運転と同義である。
つまり、加熱動作を行う時は、加熱用ポンプ17が駆動され、加熱動作を行わない時は、加熱用ポンプ17が駆動されない。
給水源19から加熱用熱交換器5に給湯水(例えば、20℃。)が供給される。
蓄熱用熱媒体と熱交換して加熱された給湯水(例えば、40℃。)は、給湯先21へ出湯される。
加熱用熱交換器5を経由した蓄熱用熱媒体は、給湯水と熱交換して低温となり、加熱用循環流路4の復路4bを通って蓄熱槽3の下部へ戻る。
仮に、温度条件が上記のような温度条件(蓄熱用熱媒体の温度が63℃、加熱用熱交換器5を経由する前の給湯水の温度が20℃、加熱用熱交換器5を経由した後の給湯水の温度が40℃。)で、給湯水の流量が蓄熱用熱媒体の流量の1.5倍で、放熱が無視でき、加熱用熱交換器5から蓄熱槽3の下部へ戻る蓄熱用熱媒体の温度が33℃になるような熱交換性能を加熱用熱交換器5が有しているとする(なお、蓄熱槽3の下部へ戻る蓄熱用熱媒体の温度は、給湯水の流量や温度、加熱用循環流路4の蓄熱用熱媒体の流量や温度、加熱用熱交換器5の熱交換性能や放熱性能に依存する。)。
このような状態で、給湯先21で要求される給湯水の温度(例えば、40℃。)が一定で、給湯水の流量が半分になった場合には、仮に加熱用熱交換器5の性能を一定に維持できるとすると、蓄熱用熱媒体の流量は上記の半分、つまり、半減した給湯水の流量の1.5倍でよくなる(なお、一般に、流量が減ると熱交換器の熱交換量が減り、熱交換器の単位流量当たりの熱交換効率が下がる一方で熱交換面積は変化しないため、熱交換器の熱交換性能が向上する傾向にある。)。
蓄熱熱交加熱装置100は、これを利用し、制御部30は、加熱用ポンプ17の回転数、つまり加熱用循環流路4における蓄熱用熱媒体の流量を変化させて、温度センサ22で検知される給湯水の温度が所望の温度になるように制御する。
また、制御部30は、流量の変化によって熱交換器の熱交換性能が変化する場合、例えば、上記例において、給湯水の流量が半減した際に熱交換器の熱交換性能が1.2倍に向上しても、加熱用循環流路4における蓄熱用熱媒体の流量を変化させることで、温度センサ22で検知される給湯水の温度を所望の温度(40℃)になるように制御することができる。
この場合、加熱用循環流路4の復路4bにおける蓄熱用熱媒体の温度は27℃となる。
次に、実施の形態1に係る蓄熱熱交加熱装置における循環方向切替動作について説明する。
蓄熱熱交加熱装置100は、加熱用ポンプ17に回転方向を逆転可能な双方向回転ポンプを採用しているため、加熱用循環流路4の蓄熱用熱媒体を、正流方向と逆流方向とに循環させることが可能である。
加熱用ポンプ17は、給湯水を加熱する際は、蓄熱用熱媒体を正流方向に循環させる。
加熱用ポンプ17は、給湯水の加熱を停止した際は、蓄熱用熱媒体を逆流方向に循環させて、加熱用循環流路4や加熱用熱交換器5に滞留している高温の蓄熱用媒体を蓄熱槽3に戻す。
制御部30は、逆流方向の循環を予め設定された時間(なお、この時間を逆流待機時間という。また、逆流待機時間は、本発明における「第1所定時間」に相当する。)が経過した後に開始する。
制御部30は、逆流方向の循環を予め設定された時間(なお、この時間を逆流実行時間という。また、逆流実行時間は、本発明における「第2所定時間」に相当する。)だけ実行する。
制御部30は、逆流方向の循環を開始した後に、温度センサ18で検知される蓄熱用熱媒体の温度が予め設定された設定下限温度(例えば、60℃。)を下回った際は、逆流方向の循環を開始した後の経過時間が逆流実行時間を経過していない場合でも、逆流方向の循環を停止する(なお、設定下限温度は、本発明における「第2所定温度」に相当する。)。
逆流実行時間は、加熱用循環流路4の往路4aと加熱用熱交換器5とが接続する領域にある蓄熱用熱媒体の温度等、他の温度に達する前までの時間に設定されてもよい。
逆流実行時間が、蓄熱用熱媒体の温度が大きく低下し始める前までの時間に設定される場合は、加熱用循環流路4に滞留する全ての蓄熱用熱媒体を蓄熱槽3に戻すことができ、加熱動作を停止した後の放熱や過熱をより抑制することが可能となる。
なお、設定下限温度は、給湯水を加熱する際に、加熱用循環流路4の往路4aと加熱用熱交換器5とが接続する領域にある蓄熱用熱媒体の温度等、他の温度に設定されてもよい。
設定下限温度が、給湯水を加熱する際に、加熱用循環流路4の復路4bと蓄熱槽3の下部とが接続する領域にある蓄熱用熱媒体の温度に設定される場合は、加熱用循環流路4に滞留する高温の蓄熱用熱媒体の全てが温度センサ18の設けられた位置より蓄熱槽3側に戻ったか否かを判別できる(なお、温度センサ18の設けられた位置は、本発明における「所定位置」に相当する。)。
そのように構成することで、加熱用循環流路4に滞留する設定下限温度以上の蓄熱用熱媒体の全てが蓄熱槽3に戻ったか否かを判別できる。
なお、温度センサ18と蓄熱槽3の上部の間の加熱用循環流路4における放熱と加熱用熱交換器5における過熱を抑制する必要がない場合には、温度センサ18は、加熱用循環流路4の復路4bに設けられてもよい。
図2は、実施の形態1に係る蓄熱熱交加熱装置のタイムチャートを示す図である。
制御部30は、流動センサ20が給湯水の流動が有ること、つまり給湯状態にあることを検知すると、加熱用ポンプ17を正回転方向に駆動して、蓄熱用熱媒体を正流方向へ循環させる。
制御部30は、流動センサ20が給湯水の流動が有ること、つまり給湯状態にあることを検知しなくなると、加熱用ポンプ17の駆動を即座に停止して、蓄熱用熱媒体の正流方向の循環を停止する。
制御部30は、蓄熱用熱媒体の正流方向の循環を停止した後、逆流待機時間(例えば、30秒。)だけ加熱用ポンプ17の駆動を停止状態に維持する。
制御部30は、蓄熱用熱媒体の正流方向の循環を停止した後の経過時間が逆流待機時間を経過すると、加熱用ポンプ17を逆回転方向に駆動して、蓄熱用熱媒体を逆流方向へ循環させる。
制御部30は、蓄熱用熱媒体の正流方向の循環を停止した後の経過時間の記録をリセットする。
制御部30は、蓄熱用熱媒体の逆流方向の循環を開始した後、逆流実行時間(例えば、10秒。)だけ逆流方向の循環を継続する。
制御部30は、蓄熱用熱媒体の逆流方向の循環を開始した後の経過時間が逆流実行時間を経過すると、加熱用ポンプ17の駆動を停止して、蓄熱用熱媒体の逆流方向の循環を停止する。
制御部30は、蓄熱用熱媒体の逆流方向の循環を開始した後の経過時間の記録をリセットする。
制御部30は、この動作を繰り返す。
図3は、実施の形態1に係る蓄熱熱交加熱装置のタイムチャートを示す図である。
制御部30は、流動センサ20が給湯水の流動が有ること、つまり給湯状態にあることを検知すると、加熱用ポンプ17を正回転方向に駆動して、蓄熱用熱媒体を正流方向へ循環させる。
制御部30は、流動センサ20が給湯水の流動が有ること、つまり給湯状態にあることを検知しなくなると、加熱用ポンプ17の駆動を即座に停止して、蓄熱用熱媒体の正流方向の循環を停止する。
制御部30は、蓄熱用熱媒体の正流方向の循環を停止した後、加熱用ポンプ17の駆動を停止状態に維持する。
制御部30は、蓄熱用熱媒体の正流方向の循環を停止した後の経過時間が逆流待機時間を経過する前に、流動センサ20が給湯水の流動が有ること、つまり給湯状態にあることを検知した際は、加熱用ポンプ17を正回転方向に駆動して、蓄熱用熱媒体を正流方向へ循環させる。
制御部30は、蓄熱用熱媒体の正流方向の循環を停止した後の経過時間の記録をリセットする。
これ以降の動作は、図2と同様である。
図4は、実施の形態1に係る蓄熱熱交加熱装置のタイムチャートを示す図である。
制御部30は、流動センサ20が給湯水の流動が有ること、つまり給湯状態にあることを検知すると、加熱用ポンプ17を正回転方向に駆動して、蓄熱用熱媒体を正流方向へ循環させる。
制御部30は、流動センサ20が給湯水の流動が有ること、つまり給湯状態にあることを検知しなくなると、加熱用ポンプ17の駆動を即座に停止して、蓄熱用熱媒体の正流方向の循環を停止する。
制御部30は、蓄熱用熱媒体の正流方向の循環を停止した後、逆流待機時間(例えば、30秒。)だけ加熱用ポンプ17の駆動を停止状態に維持する。
制御部30は、蓄熱用熱媒体の正流方向の循環を停止した後の経過時間が逆流待機時間を経過すると、加熱用ポンプ17を逆回転方向に駆動して、蓄熱用熱媒体を逆流方向へ循環させる。
制御部30は、蓄熱用熱媒体の正流方向の循環を停止した後の経過時間の記録をリセットする。
制御部30は、蓄熱用熱媒体の逆流方向の循環を開始した後の経過時間が逆流実行時間を経過する前に、流動センサ20が給湯水の流動が有ること、つまり給湯状態にあることを検知した際は、加熱用ポンプ17を正回転方向に駆動して、蓄熱用熱媒体を正流方向へ循環させる。
制御部30は、蓄熱用熱媒体の逆流方向の循環を開始した後の経過時間の記録をリセットする。
これ以降の動作は、図2と同様である。
そのため、実施の形態1に係る蓄熱熱交加熱装置は、放熱を減らすとともに余熱を有効活用することができ、省エネ性能を向上することが可能である。
また、実施の形態1に係る蓄熱熱交加熱装置は、蓄熱槽3に貯えられた熱を有効活用できるため、蓄熱槽3を少容量化することが可能である。
また、実施の形態1に係る蓄熱熱交加熱装置は、加熱用熱交換器5における蓄熱用熱媒体から給湯水への過熱を抑制できるため、スケール生成を抑制し、加熱用熱交換器5の性能低下や短寿命化を抑制することが可能である。
そのため、実施の形態1に係る蓄熱熱交加熱装置は、蓄熱用熱媒体からの放熱が少ない時間内、つまり逆流待機時間内に再び給湯状態になった場合に、逆流方向の循環が実行されずに加熱用循環流路4や加熱用熱交換器5の蓄熱用熱媒体が高温に維持されるため、再び加熱を開始した際に給湯水をより早く所望の温度に上昇することができ、快適性や利便性の低下を抑制することが可能である。
そのため、実施の形態1に係る蓄熱熱交加熱装置は、高温の蓄熱用熱媒体だけを確実に蓄熱槽3へ戻すことが可能である。
そのため、実施の形態1に係る蓄熱熱交加熱装置は、放熱が予定より大きくなった場合でも、低温の蓄熱用熱媒体が蓄熱槽3へ戻ることを抑制でき、高温の蓄熱用熱媒体だけをより確実に蓄熱槽3へ戻すことが可能である。
そのため、実施の形態1に係る蓄熱熱交加熱装置は、蓄熱用熱媒体を逆流するための構成を簡単かつ安価に実現することが可能である。
蓄熱熱交加熱装置100は、ヒートポンプ1を熱源として用いているが、それに限られず、例えば、ボイラーや太陽熱温水器等、蓄熱用熱媒体を所望の温度まで加熱できるものであれば他の熱源を用いてもよい。
なお、その場合には、蓄熱用ポンプ13は、耐熱性を必要とし、放熱が増加する。
蓄熱熱交加熱装置100は、加熱用ポンプ17を加熱用循環流路4の復路4bの途中に有しているが、加熱用循環流路4の往路4aの途中に有してもよい。
なお、その場合には、加熱用ポンプ17は、耐熱性を必要とし、放熱が増加する。
空調用負荷は、例えば、空調用のラジエータやファンコイルユニットや床暖房ユニット等である。
空調用負荷とヒートポンプ用熱交換器9との間の流路には、蓄熱用熱媒体が循環される。
制御部30は、例えば、蓄熱動作を開始した直後等、蓄熱用熱媒体が蓄熱機能を発揮できる温度に加熱されていない時は、上記空調用流路に蓄熱用熱媒体を供給する。
なお、このように構成する場合は、空調用流路がバイパス流路14として機能するため、蓄熱熱交加熱装置100は、バイパス流路14を有しなくてよい。
逆流方向の循環を開始した後の経過時間が逆流実行時間を経過しているか否かのみを判別する場合には、蓄熱熱交加熱装置100は、温度センサ18を有しなくてもよい。
温度センサ18で検知される蓄熱用熱媒体の温度が設定下限温度を下回っているか否かのみを判別する場合には、放熱の状態に応じて、高温の蓄熱用熱媒体だけを確実に蓄熱槽3へ戻すことが可能となる。
総流量は、逆流する蓄熱用熱媒体の流量を流量センサで検知し、検知された流量を積算することで求められる。
また、流量センサが設けられずに、加熱用ポンプ17の回転数から推定された流量を用いて総流量が積算されてもよい。
このような場合には、蓄熱熱交加熱装置100を低コスト化することができる。
短い時間間隔で再び給湯状態になった際の快適性や利便性は低下するが、その他の効果は同様に発揮される。
蓄熱動作において、蓄熱用熱媒体が蓄熱槽3へ流入する側が「高温側」、蓄熱用熱媒体が蓄熱槽3から流出する側が「低温側」であればよい。
以下に、実施の形態2に係る蓄熱熱交加熱装置について説明する。
なお、構成や動作や効果等について、実施の形態1と重複する説明は、適宜省略している。
まず、実施の形態2に係る蓄熱熱交加熱装置の構成について、図5を用いて説明する。
図5は、実施の形態2に係る蓄熱熱交加熱装置の構成を示す図である。
蓄熱熱交加熱装置200は、実施の形態1に示した蓄熱熱交加熱装置100に対して加熱用循環流路4のみが相違するため、加熱用循環流路4についてのみ説明する。
加熱用循環流路4では、蓄熱用熱媒体が循環する。
加熱用循環流路4には、蓄熱用熱媒体を循環させる加熱用ポンプ17と、切替配管23と、切替弁24と、蓄熱槽3の上部と加熱用熱交換器5の間の蓄熱用熱媒体の温度を検知する温度センサ18と、が設けられる。
加熱用循環流路4は、蓄熱槽3の下部に接続される。
切替弁24は、4方弁である。
切替弁24は、切替配管23から加熱用循環流路4への蓄熱用熱媒体の流出方向を切り替えるものであれば、4方弁に限定されない。
蓄熱熱交加熱装置200は、実施の形態1に示した蓄熱熱交加熱装置100に対して循環方向切替動作のみが相違するため、循環方向切替動作のみを説明する。
実施の形態2に係る蓄熱熱交加熱装置における循環方向切替動作について説明する。
蓄熱熱交加熱装置200は、加熱用ポンプ17に回転方向を逆転不能な一方向回転ポンプを採用し、切替弁24の開方向を制御することで、加熱用循環流路4の蓄熱用熱媒体を、正流方向と逆流方向とに循環させることが可能である。
切替弁24の開方向が制御されることで、切替配管23から加熱用循環流路4への蓄熱用熱媒体の流出方向が変化され、加熱用循環流路4における蓄熱用熱媒体の循環方向が正流方向と逆流方向とに切り替えられる。
タイムチャート等の他の動作は、実施の形態1に示した蓄熱熱交加熱装置100と同様である。
そのため、実施の形態2に係る蓄熱熱交加熱装置は、逆流実行時間を短く設定することが可能であり、また、省エネ性能を向上することが可能である。
以下に、実施の形態3に係る蓄熱熱交加熱装置について説明する。
なお、構成や動作や効果等について、実施の形態1と重複する説明は、適宜省略している。
また、主に、実施の形態3に係る蓄熱熱交加熱装置を単独で用いる場合を説明しているが、実施の形態1に係る蓄熱熱交加熱装置や実施の形態2に係る蓄熱熱交加熱装置と実施の形態3に係る蓄熱熱交加熱装置とを併用することも可能である。
まず、実施の形態3に係る蓄熱熱交加熱装置の構成について、図6を用いて説明する。
図6は、実施の形態3に係る蓄熱熱交加熱装置の構成を示す図である。
蓄熱熱交加熱装置300は、ヒートポンプ1と、蓄熱用循環流路2と、蓄熱槽3と、加熱用循環流路4と、加熱用熱交換器5と、追焚用循環流路25と、浴槽26と、を有する。
追焚用循環流路25には、浴槽水が供給される(なお、浴槽水は、本発明における「加熱対象」に相当する。)。
追焚用循環流路25には、浴槽26と加熱用熱交換器5の間の浴槽水の流動の有無を検知する流動センサ20と、浴槽水を循環させる循環用ポンプ27と、温度センサ22と、温度センサ22aと、が設けられる。
流動センサ20は、浴槽水の流動の有無で接点がon/offされるセンサである。
温度センサ22は、追焚用循環流路25の復路25bの途中に設けられ、加熱用熱交換器5で加熱された後の浴槽水の温度を検知する。
また、温度センサ22aは、追焚用循環流路25の往路25aの途中や浴槽26内に設けられ、加熱用熱交換器5で加熱される前の浴槽水の温度を検知する。
その他の構成は、実施の形態1に示した蓄熱熱交加熱装置100と同様である。
蓄熱熱交加熱装置300は、実施の形態1に示した蓄熱熱交加熱装置100に対して加熱動作と循環方向切替動作のみが相違するため、加熱動作と循環方向切替動作についてのみ説明する。
実施の形態3に係る蓄熱熱交加熱装置における加熱動作について説明する。
追焚状態では、蓄熱槽3の上部から加熱用循環流路4の往路4aを通って蓄熱用熱媒体が加熱用熱交換器5に供給される。
それに伴って、加熱用熱交換器5から加熱用循環流路4の復路4bを通って蓄熱槽3の下部に蓄熱用熱媒体が供給される。
また、追焚状態では、加熱用熱交換器5において、加熱用循環流路4の蓄熱用熱媒体と追焚用循環流路25の浴槽水とが熱交換される。
この時、加熱用熱交換器5から浴槽26へ供給される浴槽水と同量の浴槽水が浴槽26から加熱用熱交換器5に供給される。
浴槽水が追焚用循環流路25を循環するための動力源は、浴槽26と加熱用熱交換器5の間の追焚用循環流路25の往路25aに設けられた循環用ポンプ27である。
この判別は、予め設定された時間間隔(例えば、10分。)で、循環用ポンプ27を所定時間だけ駆動した状態で行われる。
流動を検知し且つ浴槽水の温度が低い場合には、追焚のための加熱動作が実行され、流動を検知しない、或いは浴槽水の温度が低くない場合には、追焚のための加熱動作が実行されない。
ここでいう加熱動作は、加熱用ポンプ17の運転と同義である。
つまり、加熱動作を行う時は、加熱用ポンプ17が駆動され、加熱動作を行わない時は、加熱用ポンプ17が駆動されない。
つまり、蓄熱熱交加熱装置300と実施の形態1に示した蓄熱熱交加熱装置100とが併用される場合には、制御部30は、流動センサ20による浴槽水の流動の有無の検知結果に応じて、追焚動作を自動で給湯動作に切り替えることができ、浴槽26内の浴槽水の温度に加えて水位も制御することが可能である。
実施の形態1に示した蓄熱熱交加熱装置100は、給湯先21における蛇口の開度に応じて給湯用流路6の給湯水の流量が決まるため、加熱用熱交器5に供給される給湯水の流量を制御できない。
また、加熱用熱交換器5に供給される給湯水の温度は、大きく変化しない。
そのため、実施の形態1に示した蓄熱熱交加熱装置100は、加熱用循環流路4の蓄熱用熱媒体の流量を変化させて給湯水の温度が所望の温度になるように制御する。
一方、蓄熱熱交加熱装置300は、循環用ポンプ27の回転数を変化させることで、追焚用循環流路25の浴槽水の流量を制御することができる。
また、追焚が進むに連れて浴槽26内の浴槽水の温度が徐々に上昇するため、加熱用熱交換器5に供給される浴槽水の温度は、大きく変化する。
そのため、蓄熱熱交加熱装置300は、実施の形態1に示した蓄熱熱交加熱装置100と異なる制御を行う。
制御部30は、追焚用循環流路25の浴槽水の流量を決定する循環用ポンプ27の回転数を変化させて、温度センサ22で検知される浴槽水の温度が所望の温度(例えば、浴槽26内の浴槽水の設定温度が40℃であれば45℃。)になるように制御する。
制御部30は、温度センサ22aで検知される浴槽水の温度が、浴槽26内の浴槽水の設定温度(例えば、40℃。)に達した時に、加熱動作を停止する。
なお、このように制御した場合には、浴槽26内の浴槽水の温度が徐々に上昇するにつれて、温度センサ22で検知される浴槽水の温度が一定に維持されながら温度センサ22aで検知される浴槽水の温度が上がることになるため、追焚用循環流路25を循環する浴槽水の流量が徐々に増加することになる。
また、加熱用ポンプ17の回転数を決定するための必要熱量は、循環用ポンプ27が流すことができる浴槽水の最大流量と加熱動作を停止する際の加熱用熱交換器5を経由する前の浴槽水の温度(つまり、温度センサ22aで検知される浴槽水の温度)と加熱用熱交換器5を経由した後の浴槽水の温度(つまり、温度センサ22で検知される浴槽水の温度)の差(例えば、上記の例であれば5℃。)とから算出することができる。
次に、実施の形態3に係る蓄熱熱交加熱装置における循環方向切替動作について説明する。
蓄熱熱交加熱装置300は、加熱用ポンプ17に回転方向を逆転可能な双方向回転ポンプを採用しているため、加熱用循環流路4の蓄熱用熱媒体を、正流方向と逆流方向とに循環させることが可能である。
加熱用ポンプ17は、浴槽水を加熱する際は、蓄熱用熱媒体を正流方向に循環させる。
加熱用ポンプ17は、浴槽水の加熱を停止した際は、蓄熱用熱媒体を逆流方向に循環させて、加熱用循環流路4や加熱用熱交換器5に滞留している高温の蓄熱用媒体を蓄熱槽3に戻す。
制御部30は、逆流方向の循環を逆流実行時間だけ実行する。
制御部30は、逆流方向の循環を開始した後に、温度センサ18で検知される蓄熱用熱媒体の温度が予め設定された設定下限温度(例えば、60℃。)を下回った際は、逆流方向の循環を開始した後の経過時間が逆流実行時間を経過していない場合でも、逆流方向の循環を停止する。
なお、蓄熱熱交加熱装置300は、給湯と異なり、加熱動作を停止した直後に次の加熱動作を開始した際に浴槽水をより早く所望の温度に上昇する必要性がないため、逆流待機時間が設けられなくてよい。
図7は、実施の形態3に係る蓄熱熱交加熱装置のタイムチャートを示す図である。
制御部30は、流動センサ20が浴槽水の流動が有ることを検知し、且つ、温度センサ22aが浴槽水の温度が所定温度より低いことを検知する、つまり追焚状態にあることを検知すると、加熱用ポンプ17を正回転方向に駆動して、蓄熱用熱媒体を正流方向へ循環させる。
制御部30は、流動センサ20が浴槽水の流動が有ること又は温度センサ22aが浴槽水の温度が所定温度より低いことを検知しなくなる、つまり追焚状態にあることを検知しなくなると、加熱用ポンプ17の駆動を即座に停止して、蓄熱用熱媒体の正流方向の循環を停止する。
制御部30は、加熱用ポンプ17を逆回転方向に駆動して、蓄熱用熱媒体を逆流方向へ循環させる。
制御部30は、蓄熱用熱媒体の逆流方向の循環を開始した後、逆流実行時間(例えば、10秒。)だけ逆流方向の循環を継続する。
制御部30は、蓄熱用熱媒体の逆流方向の循環を開始した後の経過時間が逆流実行時間を経過すると、加熱用ポンプ17の駆動を停止して、蓄熱用熱媒体の逆流方向の循環を停止する。
制御部30は、蓄熱用熱媒体の逆流方向の循環を開始した後の経過時間の記録をリセットする。
図8は、実施の形態3に係る蓄熱熱交加熱装置のタイムチャートを示す図である。
制御部30は、流動センサ20が浴槽水の流動が有ることを検知し、且つ、温度センサ22aが浴槽水の温度が所定温度より低いことを検知する、つまり追焚状態にあることを検知すると、加熱用ポンプ17を正回転方向に駆動して、蓄熱用熱媒体を正流方向へ循環させる。
制御部30は、流動センサ20が浴槽水の流動が有ること又は温度センサ22aが浴槽水の温度が所定温度より低いことを検知しなくなる、つまり追焚状態にあることを検知しなくなると、加熱用ポンプ17の駆動を即座に停止して、蓄熱用熱媒体の正流方向の循環を停止する。
制御部30は、加熱用ポンプ17を逆回転方向に駆動して、蓄熱用熱媒体を逆流方向へ循環させる。
制御部30は、蓄熱用熱媒体の逆流方向の循環を開始した後の経過時間が逆流実行時間を経過する前に、流動センサ20が浴槽水の流動が有ることを検知し、且つ、温度センサ22aが浴槽水の温度が所定温度より低いことを検知する、つまり追焚状態にあることを検知した際は、加熱用ポンプ17を正回転方向に駆動して、蓄熱用熱媒体を正流方向へ循環させる。
制御部30は、蓄熱用熱媒体の逆流方向の循環を開始した後の経過時間の記録をリセットする。
これ以降の動作は、図7と同様である。
蓄熱熱交加熱装置300の加熱用循環流路4は、実施の形態2に示した蓄熱熱交加熱装置200の加熱用循環流路4に置き換えられてもよい。
その場合、蓄熱用熱媒体を給湯用の加熱用熱交換器5に供給するか、追焚用の加熱用熱交換器5に供給するか、それとも両方に供給するかの切替は、開方向を切り替える切替弁が設けられることで実現される。
また、その際、実施の形態1に示した蓄熱熱交加熱装置100や実施の形態2に示した蓄熱熱交加熱装置200における逆流方向への循環と蓄熱熱交加熱装置300における逆流方向への循環とが個別に制御されるとよい。
このように構成した場合には、加熱用ポンプ17が1台で良く、低コスト化及び省スペース化という効果が発揮される。
例えば、各実施の形態や各変形例が組み合わされてもよい。
また、そのような蓄熱熱交加熱装置は、実施の形態1に係る蓄熱熱交加熱装置や実施の形態2に係る蓄熱熱交加熱装置と併用されてもよく、また、実施の形態3に係る蓄熱熱交加熱装置と併用されてもよい。
いずれの場合でも、同様の効果が発揮される。
Claims (12)
- 熱源で加熱された熱媒体を貯える蓄熱槽と、
前記熱源と前記蓄熱槽との間で前記熱媒体が循環する蓄熱用循環流路と、
前記蓄熱用循環流路における前記熱媒体の循環とは別に、前記蓄熱槽の高温側と低温側に接続され、前記熱媒体が循環する循環流路と、
前記循環流路に設けられ、前記熱媒体と加熱対象との間で熱交換して該加熱対象を加熱する熱交換器と、
前記循環流路における前記熱媒体の循環を、前記蓄熱槽の高温側から前記蓄熱槽の低温側への正流方向と前記蓄熱槽の低温側から前記蓄熱槽の高温側への逆流方向とに切り替える循環方向切替手段と、
前記加熱対象の加熱運転をする際、前記循環方向切替手段を前記正流方向に設定した状態で前記熱媒体を循環させ、前記加熱対象の加熱運転を停止した後に、前記循環方向切替手段を前記逆流方向に設定した状態で前記熱媒体を循環させる制御手段と、
を備えた蓄熱熱交加熱装置。 - 前記制御手段は、前記加熱対象の加熱運転を停止した直後から第1所定時間を経た後に、前記循環方向切替手段を前記逆流方向に設定した状態で前記熱媒体を循環させる、
請求項1に記載の蓄熱熱交加熱装置。 - 前記制御手段は、前記加熱対象の加熱運転を停止した直後に、前記循環方向切替手段を前記逆流方向に設定した状態で前記熱媒体を循環させる、
請求項1に記載の蓄熱熱交加熱装置。 - 前記制御手段は、前記循環流路の第1所定温度より高い前記熱媒体のみを前記蓄熱槽へ戻すのに必要な第2所定時間又は所定総流量だけ、前記循環方向切替手段を前記逆流方向に設定した状態で前記熱媒体を循環させる、
請求項1乃至3のいずれか一項に記載の蓄熱熱交加熱装置。 - 前記第1所定温度は、前記加熱対象の加熱運転をする際に、前記循環流路と前記蓄熱槽の低温側が接続する領域にある前記熱媒体の温度である、
請求項4に記載の蓄熱熱交加熱装置。 - 前記制御手段は、前記循環流路の所定位置における前記熱媒体の温度が第2所定温度より低くなるまで、前記循環方向切替手段を前記逆流方向に設定した状態で前記熱媒体を循環させる、
請求項1乃至5のいずれか一項に記載の蓄熱熱交加熱装置。 - 前記第2所定温度は、前記加熱対象の加熱運転をする際に、前記循環流路と前記蓄熱槽の低温側が接続する領域にある前記熱媒体の温度である、
請求項6に記載の蓄熱熱交加熱装置。 - 前記所定位置は、前記循環流路と前記蓄熱槽の高温側が接続する領域にある、
請求項6又は7に記載の蓄熱熱交加熱装置。 - 前記循環方向切替手段は、前記循環流路に設けられたポンプであり、前記正流方向と前記逆流方向とで前記ポンプの回転方向を変える、
請求項1乃至8のいずれか一項に記載の蓄熱熱交加熱装置。 - 前記循環方向切替手段は、前記循環流路に設けられた弁であり、前記正流方向と前記逆流方向とで前記弁の開方向を変える、
請求項1乃至8のいずれか一項に記載の蓄熱熱交加熱装置。 - 加熱された熱媒体を貯える蓄熱槽と、
前記蓄熱槽の高温側と低温側に接続され、前記熱媒体が循環する循環流路と、
前記循環流路に設けられ、前記熱媒体と加熱対象との間で熱交換して該加熱対象を加熱する熱交換器と、
前記循環流路における前記熱媒体の循環を、前記蓄熱槽の高温側から前記蓄熱槽の低温側への正流方向と前記蓄熱槽の低温側から前記蓄熱槽の高温側への逆流方向とに切り替える循環方向切替手段と、
前記加熱対象の加熱運転をする際、前記循環方向切替手段を前記正流方向に設定した状態で前記熱媒体を循環させ、前記加熱対象の加熱運転を停止した後に、前記循環方向切替手段を前記逆流方向に設定した状態で前記熱媒体を循環させる制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記循環流路の第1所定温度より高い前記熱媒体のみを前記蓄熱槽へ戻すのに必要な第2所定時間又は所定総流量だけ、前記循環方向切替手段を前記逆流方向に設定した状態で前記熱媒体を循環させる、
蓄熱熱交加熱装置。 - 加熱された熱媒体を貯える蓄熱槽と、
前記蓄熱槽の高温側と低温側に接続され、前記熱媒体が循環する循環流路と、
前記循環流路に設けられ、前記熱媒体と加熱対象との間で熱交換して該加熱対象を加熱する熱交換器と、
前記循環流路における前記熱媒体の循環を、前記蓄熱槽の高温側から前記蓄熱槽の低温側への正流方向と前記蓄熱槽の低温側から前記蓄熱槽の高温側への逆流方向とに切り替える循環方向切替手段と、
前記加熱対象の加熱運転をする際、前記循環方向切替手段を前記正流方向に設定した状態で前記熱媒体を循環させ、前記加熱対象の加熱運転を停止した後に、前記循環方向切替手段を前記逆流方向に設定した状態で前記熱媒体を循環させる制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記循環流路の所定位置における前記熱媒体の温度が第2所定温度より低くなるまで、前記循環方向切替手段を前記逆流方向に設定した状態で前記熱媒体を循環させる、
蓄熱熱交加熱装置。
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