JP4155404B2 - 熱交換器ユニット - Google Patents

Description

本発明は、熱源機を含む一次側循環回路を流れる温水と放熱機器を含む二次側循環回路を流れる温水との間で熱交換を行う熱交換器ユニットに関する。

従来から、熱源機を含む一次側循環回路と、放熱機器を含む二次側循環回路と、一次側循環回路を流れる温水と二次側循環回路を流れる温水との間で液−液の熱交換を行う熱交換ユニットと、を備えた温水暖房システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。この温水暖房システムでは、熱源機により温水が生成され、かく生成された温水が一次側温水循環回路を通して循環され、また二次側循環回路を通して温水（温度が低いときには水）が循環され、熱交換ユニットにおいて、一次側循環回路の温水と二次側循環回路の温水との間で熱交換され、熱交換により加温された温水が放熱機器に送給され、この放熱機器において放熱されて室内空間が暖房される。

このような温水暖房システムでは、熱交換ユニットの交換器本体において穴あきが発生すると、一次側循環回路を流れる温水が発生した穴を通して二次側循環回路に流れ、その流入量が多くなると、二次側循環回路の温水温度が異常に上昇して放熱機器の表面温度が高くなったり、二次側循環回路を流れる温水の量が異常に多くなってその一部が損傷、破損するおそれがあり、このようなことから、交換器本体における穴あきを検知するための検知機構が設けられている。この温水暖房システムでは、二次側循環回路が半密閉回路から構成され、この二次側循環回路に、温水の溜めとなる温水タンクと、温水タンクに接続されたドレンタンクが設けられ、このドレンタンクに関連して水位検知器が設けられている。

この温水暖房システムにおいて、熱交換ユニットの交換器本体に穴あきが発生して一次側循環回路の温水が発生した穴を通して二次側循環回路に流入すると、二次側循環回路の温水の一部が温水タンクを経てドレンタンク内に流入し、ドレンタンクの水位が正常レベルから上昇する。そして、温水の流入によって、この水位が異常レベルまで上昇すると、水位検知器がこの上昇した水位を検知し、この水位の検知によって、熱交換ユニットに不具合（即ち、穴あき）が発生したことを検知することができる。

特開平５−１１８５６７号公報

上述した温水暖房システムでは、二次側循環回路が半密閉回路であるので、上述した構成の検知機構を採用することができるが、このような半密閉回路（開放回路においては当然に）を作用する温水暖房システムでは、二次側循環回路に溶存酸素を含んだ温水が循環するようになる。それ故に、放熱機器、温水配管などを鉄などから形成したものを用いると、その溶存酸素によって鉄製の放熱機器、温水配管が腐食するという問題があり、そのために、放熱機器、温水配管を錆難い高価な材料から形成する必要があり、温水暖房システムの製作コストが高くなる問題がある。

そこで、温水暖房システムの二次側循環回路を密閉回路としたものも知られている。この温水暖房システムでは、二次側循環回路を循環する温水に酸素がほとんど含まれず、従って、放熱機器、温水配管などの錆の発生を著しく抑えることができ、これらの材料として安価な鉄を用いることができ、温水暖房システムの製作コストの低減を図ることができる。

しかしながら、二次側循環回路を密閉型にした温水暖房システムでは、熱交換ユニットにおける穴あきの発生を検知するのに上述した検知機構（半密閉型の検知機構）を作用することができず、このような検知機構を採用するとすれば、二次側循環回路の密閉構造を維持することができなくなる。

本発明の目的は、二次側循環回路の密閉構造を維持しながら、交換器本体における穴あきを検知することができる熱交換器ユニットを提供することである。

本発明の請求項１に記載の熱交換器ユニットは、熱源機を含む一次側循環回路を流れる温水と放熱機器を含む二次側循環回路を流れる温水との熱交換を交換器本体で行う熱交換器ユニットであって、
前記一次側循環回路は大気に開放された開放回路から構成され、前記二次側循環回路は密閉された密閉回路から構成され、前記一次側循環回路には、前記一次側循環回路を流れる温水からインプットされるインプット熱量を計測するためのインプット熱量計測手段が設けられ、前記二次側循環回路には、前記二次側循環回路を流れる温水にアウトプットされるアウトプット熱量を計測するためのアウトプット熱量計測手段が設けられ、前記インプット熱量計測手段及び前記アウトプット熱量計測手段による計測熱量に基づいて前記交換器本体の穴あきを検知することを特徴とする。

本発明の請求項１に記載の熱交換器ユニットによれば、一次側循環回路を流れる温水と二次側循環回路を流れる温水との間で熱交換が行われ、熱交換が行われる交換器本体における穴あきを検知するために、一次側循環回路にインプット熱量計測手段が設けられ、また二次側循環回路にアウトプット熱量計測手段が設けられている。熱交換器ユニットの交換器本体に不具合（例えば、交換器本体の穴あき）が発生すると、熱源機で加熱された高温（例えば、８０℃程度）の温水が、この交換器本体を流れる際に発生した穴を通して二次側循環回路に流入するようになる。このように一次側循環回路の温水が二次側循環回路に流入すると、インプット熱量に対するアウトプット熱量の比率が正常に熱交換が行われる場合に比べて大きくなり、この伝達熱量の比率を計測することによっても交換器本体に不具合、例えば穴あきが発生したことを検知することができ、二次側循環回路を密閉状態に維持した状態で検知することができる。

交換器本体に不具合が発生していないときには、一次側循環回路の温水から伝達されるインプット熱量の８５〜９５％の熱量がアウトプット熱量として二次側循環回路の温水に伝達されるが、交換器本体に不具合（例えば、穴あき）が発生すると、一次側循環回路からの温水の流入によって、このインプット熱量の９６％以上の熱量がアウトプット熱量として二次側循環回路の温水に伝達されるようになり、異常伝達比率を例えば９７％程度に設定すると、インプット熱量計測手段の計測インプット熱量に対するアウトプット熱量計測手段の計測アウトプット熱量の比率がこの異常伝達比率に達すると、この異常伝達比率に達した時点で熱交換器部の不具合発生を検知することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための熱交換器ユニットの最良の実施形態について説明する。
［第１の実施形態］
まず、図１を参照して、第１の実施形態の熱交換器ユニットについて説明する。図１は、第１の実施形態の熱交換器ユニットを含む温水暖房システムの一例を簡略的に示す簡略図である。

図１において、この温水暖房システムは、温水を生成して循環するための一次側循環回路２と、加温された温水を循環して放熱するための二次側循環回路４と、一次側循環回路２を流れる温水と二次側循環回路４を流れる温水との間で熱交換を行う熱交換器ユニット６とを備えている。

一次側循環回路２は、温水を生成するための熱源機８と、熱源機８及び熱交換器ユニット６を通して温水を循環するための一次側循環流路１０とを備え、この一次側循環流路１０に一次側送給ポンプ１２が配設されている。熱源機８及び一次側送給ポンプ１２が作動すると、熱源機８にて生成された温水が矢印で示すように一次側循環流路１０を介して熱交換器ユニット６を通して循環される。尚、熱源機８は、例えば、燃料用ガス、燃料用油などを燃焼させて温水を生成するものでよい。

また、二次側循環回路４は、温水の熱を放熱するための放熱機器１４と、放熱機器１４及び熱交換器ユニット６を通して温水を循環するための二次側循環流路１６とを備え、この二次側循環流路１６に二次側送給ポンプ１８が配設されている。二次側循環流路１６には、更に、熱動弁２０及びサーモバルブ２２が配設され、また熱動弁２０、サーモバルブ２２及び放熱機器１４をバイパスしてバイパス流路２４が接続されている。二次側送給ポンプ１８が作動すると、二次側循環流路１６を通り、熱交換器ユニット６を通して温水が循環される。熱動弁２０及び／又はサーモバルブ２２が閉状態のときには、二次側循環回路４の温水は、二次側循環流路１６の一部及びバイパス流路２４を介し、熱交換器ユニット６を通して循環され、二次側送給ポンプ１８の空回りによる過加熱が防止される。熱動弁２０は放熱機器１４の作動（オン）、作動停止（オフ）により開、閉され、サーモバルブ２２は室温により開閉制御される。尚、この放熱機器１４とは、例えば、放熱パネル、放熱チューブなどでよい。

この実施形態では、一次側循環回路２は大気に開放された開放回路であり、一次側循環流路１０が熱源機８において大気に開放されている。これに対して、二次側循環回路４は大気に開放されない密閉回路であり、大気中の空気が二次側循環流路１６の温水に混入することがない。従って、二次側循環回路４において腐食がほとんど発生することがなく、二次側循環流路１６を規定する配管、放熱機器１４などを鉄などの安価な材料で形成することが可能となり、また長期にわたって使用可能となる。

二次側循環回路４が密閉回路であることに関連して、二次側循環流路１６には、更に、過圧逃し弁２６及び膨張タンク２８が設けられている。過圧逃し弁２６は、二次側循環流路１６の圧力が設定異常圧力値を超えると開状態になって圧力を外部に逃がし、これによって、二次側循環流路１６内の圧力が異常に上昇するのを防止する。また、膨張タンク２８は、その内部が二次側循環流路１６に連通され、温度上昇によって温水の体積が増大すると二次側循環流路１６の温水の一部が流入し、温度低下によってその体積が減少すると膨張タンク１８内の温水が二次側循環流路１６に流出し、このようにして温度変動に伴う温水の体積変化を吸収する。

熱交換器ユニット６は、一次側循環回路２の温水と二次側循環回路４の温水とを熱交換するための交換器本体３０を備え、この実施形態では、二次側循環流路１６を流れる温水は、交換器本体３０内に設けられた熱交換チューブ３２内を流れ、一次側循環流路１０を流れる温水は、交換器本体３０内の熱交換チューブ３２の外側を流れ、熱交換チューブ３２を介して一次側循環回路２の温水と二次側循環回路４の温水との熱交換が行われ、この熱交換によって二次側循環流路１６の温水が加温される。

このような温水暖房システムでは、一次側循環流路１０を流れる温水の送給圧力が二次側循環流路１６の温水の送給圧力よりも大きくなるように構成されている。このように構成されているので、熱交換器ユニット６の交換器本体３０の例えば熱交換チューブ３２で腐食などにより穴あきが発生すると、一次側循環流路１０を流れる温水が二次側循環流路１６に流入するようになり、このような穴あきによる一次側循環回路２の温水の二次側循環流路１６への流入を検知するように、次のように構成されている。

熱交換器ユニット６は、温水の温度を検知するための温度センサ３４（温度検知手段を構成する）を含み、この温度センサ３４が二次側循環流路１６（具体的には、バイパス流路２４の接続部位より下流側）に配設されている。この温度センサ３４は、二次側循環流路１６を通して放熱機器１４に送給される温水の温度を検知する。

次に、熱交換器ユニット６を含む温水暖房システムの暖房運転及び不具合発生による運転停止について説明する。暖房運転時には、一次側循環回路２においては、熱源機８及び一次側送給ポンプ１２が作動し、熱源機８にて生成された例えば８０℃程度の温水が一次側循環流路１０を通して循環され、また二次側循環回路４においては、二次側送給ポンプ１８及び熱動弁２０が作動し、熱動弁２０及びサーモバルブ２２が開状態になり、温水が二次側循環流路１６及び放熱機器１４を通して循環される。このように循環されるので、熱交換器ユニット６の交換器本体３０において、一次側循環流路１０を流れる温水と二次側循環流路１６を流れる温水との間で熱交換が行われ、例えば７０〜７４℃程度に加温された温水が二次側循環流路１６通して放熱機器１４に送給され、放熱機器１４における放熱によって室内空間が暖房される。

このような暖房運転中に交換器本体３０に不具合（例えば、熱交換チューブ３２の穴あき）が発生すると、一次側循環流路１０を流れる温水の一部が開いた穴を通して二次側循環流路１６に流入する。このように温水が流入すると、二次側循環流路１６の温水の温度が上昇し、その流入量が多くなるほど温度上昇は大きくなり、一次側循環流路１０を流れる温水の温度に近づくようになる。温度センサ３４は二次側循環流路１６の温水の温度を検知し、穴があいていない状態では二次側循環流路１６温水の温度は、例えば７０〜７４℃程度に維持されるが、穴があいた状態では一次側循環流路１０の温水が流入するので、その温度が上昇して例えば７５〜７９℃程度になる。このようなことから、この実施形態では、二次側循環流路１６の温水の温度が例えば７６℃まで上昇すると、異常信号が生成されるように構成される。従って、一次側循環流路１０からの温水の流入によって温度センサ３４の検知温度が７６℃まで上昇すると、異常信号が生成され、この異常信号により交換器本体３０に不具合（例えば、穴あき）が発生したことを検知することができる。尚、異常信号が生成されると、この異常信号に基づいて、一次側循環回路２（熱源機８及び一次側送給ポンプ８）及び二次側循環回路４（二次側送給ポンプ１８及び熱動弁２０）の作動が停止される。

［第２の実施形態］
次に、図２及び図３を参照して、第２の実施形態の熱交換器ユニットについて説明する。図２は、第２の実施形態の熱交換器ユニットを含む温水暖房システムの他の例を簡略的に示す図であり、図３は、図２の温水暖房システムの制御系を簡略的に示すブロック図である。尚、第２の実施形態において、第１の実施形態と実質上同一の部材には同一の参照番号を付し、その説明を省略する。

図２において、この第２の実施形態の熱交換器ユニット６Ａにおいては、一次側循環流路１０の温水のインプット熱量に対する二次側循環流路１６の温水のアウトプット熱量の比率の変動を利用して交換器本体３０の不具合（例えば、穴あき）を検知している。更に説明すると、一次側循環流路１０にインプット熱量を計測するためのインプット熱量計測手段５２が設けられている。図示のインプット熱量計測手段５２は、一次側循環流路１０の交換器本体３０より上流側に配設された第１温度センサ５４と、交換器本体３０より下流側に配設された第２温度センサ５６と、交換器本体３０の下流側に配設された第１流量センサ５８とから構成されている。なお、第１流量センサ５８は、一次側循環流路１０の交換器本体３０より上流側に配設するようにしてもよい。

また、二次側循環流路１６にアウトプット熱量を計測するためのアウトプット熱量計測手段６０が設けられている。図示のアウトプット熱量計測手段６０は、二次側循環流路１６の交換器本体３０より上流側に配設された第３温度センサ６２と、交換器本体３０より下流側に配設された第４温度センサ６４（具体的には、バイパス流路２４の接続部位より下流側）と、交換器本体３０の上流側に配設された第２流量センサ６６とから構成されている。なお、第２流量センサ６６は、二次側循環流路１６の交換器本体３０より下流側に配設するようにしてもよい。

この温水暖房システムは、図３に示す制御系によって制御される。図３をも参照して、温水暖房システムは、更に、システムを制御するためのコントローラ６８を備えている。このコントローラ６８は例えば制御用マイクロプロセッサから構成され、インプット熱量演算手段７０、アウトプット熱量演算手段７２、アウトプット比率演算手段７３、異常判定手段７４、異常信号生成手段７６及びメモリ７８を含んでいる。インプット熱量計測手段５２及びアウトプット熱量計測手段６０からの検知信号はコントローラ６８に送給され、インプット熱量演算手段７０はインプット熱量計測手段５２からの検知信号に基づいてインプット熱量を演算する。インプット熱量は、一次側循環流路１０を流れる温水が交換器本体３０を通して流れたときに奪われた熱量であり、次式（１）で算出される。

インプット熱量Ｅ１＝（交換器本体３０の流入側の温水温度Ｔ１−交換器本体３０の流 出側の温水温度Ｔ２）×一次側循環流路１０の温水流量Ｗ１
＝（第１温度センサ５４の検知温度Ｔ１−第２温度センサ５６の検 知温度Ｔ２）×第１流量センサ５８の検知流量Ｗ１ ・・・（１）
また、アウトプット熱量は、二次側循環流路１６を流れる温水が交換器本体３０を通して流れたときに得た熱量であり、次式（２）で算出される。

アウトプット熱量Ｅ２＝（交換器本体３０の流出側の温水温度Ｔ４−交換器本体３０の 流入側の温水温度Ｔ３）×二次側循環流路１６の温水流量Ｗ２
＝（第４温度センサ６４の検知温度Ｔ４−第３温度センサ６２の検 知温度Ｔ３）×第２流量センサ６６の検知流量Ｗ２ ・・・（２）
アウトプット比率演算手段７３は、インプット熱量（Ｅ１）に対するアウトプット熱量（Ｅ２）の比率を演算し、次式（３）で算出される。

アウトプット比率Ｐ＝（アウトプット熱量Ｅ２÷インプット熱量Ｅ１）×１００
・・・（３）
このアウトプット比率は、交換器本体３０に不具合（例えば、穴あき）がなく、正常に熱交換が行われるときには８５〜９５％であるが、交換器本体３０に不具合が生じて一次側循環流路１０の温水の一部が二次側循環流路１６に流入したときには９６％以上に変化する。このようなことから、メモリ７８には、不具合が発生したと判断する設定比率（例えば、９７％に設定される）が記憶され、異常判定手段７４はこの設定比率とアウトプット比率演算手段７３により演算したアウトプット比率とを比較し、演算したアウトプット比率が上記設定比率を超えると交換器本体３０に不具合が生じたと判定し、異常信号生成手段７６は異常信号を生成する。

この温水暖房システムは、更に、警報手段８０を備えている。警報手段８０としては、発光ダイオードなどから構成される光警報手段、スピーカなどから構成される音警報手段などを用いることができ、光警報手段は点灯して光により警報し、音警報手段は作動して音により警報する。この第２の実施形態におけるその他の構成は、上述した第１の実施形態と実質上同一である。

この第２の実施形態においても、暖房運転中に交換器本体３０に不具合（例えば、熱交換チューブ３２の穴あき）が発生すると、一次側循環流路１０を流れる温水の一部が開いた穴を通して二次側循環流路１６に流入する。このように温水が流入すると、一次側循環流路１０を流れる温水によるインプット熱量Ｅ１に対する二次側循環流路１６を流れる温水のアウトプット熱量Ｅ２のアウトプット比率Ｐ（＝Ｅ２／Ｅ１）が変動し、一次側循環流路１０の温水の流入量が多くなるほどこのアウトプット比率が大きくなる。一次側循環流路１０からの温水の流入によってアウトプット比率Ｐが上記設定比率（例えば９７％）を超えると、異常判定手段７４は交換器本体３０に不具合が発生した（例えば、熱交換チューブ３２に穴あきが発生した）と判定し、このようにしても交換器本体３０の不具合、例えば穴あきを検知することができる。

異常判定手段７４が異常と判定すると、異常信号生成手段７６が異常信号を生成し、この異常信号に基づいて警報手段８０が作動して警報を発し、この警報によって、熱交換器ユニット６Ａに穴あきなどの異常が発生したことを容易に知ることができる。また、この異常信号に基づいて、一次側循環回路２Ａ（熱源機８及び一次側送給ポンプ１２）及び二次側循環回路４Ａ（二次側送給ポンプ１８及び熱動弁２０）を作動停止するようにしてもよい。

以上、本発明に従う熱交換器ユニットの実施形態について説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能である。

この熱交換器ユニットは、一次側循環回路の温水と二次側循環回路の温水との熱交換を行う交換器本体に不具合、例えば穴あきが発生したときに、二次側循環回路を流れる温水の温度が変動するので、この温度変動を検知することによって不具合の発生を検知することができる。温水の温度変動については温度検知手段によって検知することができ、この温度検知手段の検知温度に基づいて不具合の発生を簡単に検知することができる。二次側循環回路の温水の温度変動に変えて、一次側循環回路のインプット熱量に対する二次側循環回路のアウトプット熱量の比率、換言するとアウトプット比率の変動を用いることもでき、この場合、インプット熱量計測手段及びアウトプット熱量計測手段による計測熱量に基づいて不具合の発生を同様に検知することができ、温水を利用して室内空間を暖房する温水暖房システムに好都合に適用することができる。

第１の実施形態の熱交換器ユニットを含む温水暖房システムの一例を簡略的に示す簡略図である。 第２の実施形態の熱交換器ユニットを含む温水暖房システムの他の例を簡略的に示す図である。 図２の温水暖房システムの制御系を簡略的に示すブロック図である。

符号の説明

２，２Ａ 一次側循環回路
４，４Ａ 二次側循環回路
６，６Ａ 熱交換器ユニット
８ 熱源機
１０ 一次側循環流路
１４ 放熱機器
１６ 二次側循環流路
３０ 交換器本体
３２ 熱交換チューブ
３４，５４，５６，６２，６４ 温度センサ
５２ インプット熱量計測手段
５８，６６ 流量センサ
６０ アウトプット熱量計測手段
６８ コントローラ
７０ インプット熱量演算手段
７２ アウトプット熱量演算手段
７３ アウトプット比率演算手段
７４ 異常判定手段

Claims (1)

1. 熱源機を含む一次側循環回路を流れる温水と放熱機器を含む二次側循環回路を流れる温水との熱交換を交換器本体で行う熱交換器ユニットであって、
   前記一次側循環回路は大気に開放された開放回路から構成され、前記二次側循環回路は密閉された密閉回路から構成され、前記一次側循環回路には、前記一次側循環回路を流れる温水からインプットされるインプット熱量を計測するためのインプット熱量計測手段が設けられ、前記二次側循環回路には、前記二次側循環回路を流れる温水にアウトプットされるアウトプット熱量を計測するためのアウトプット熱量計測手段が設けられ、前記インプット熱量計測手段及び前記アウトプット熱量計測手段による計測熱量に基づいて前記交換器本体の穴あきを検知することを特徴とする熱交換器ユニット。

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