JP5912707B2 - 太陽熱利用システム及びそのポンプ回転数制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、太陽熱利用システム及びそのポンプ回転数制御方法に関する。

従来、集熱器に対して熱媒を供給し、太陽光の受光によって加熱された熱媒を利用して冷水を加熱し、加熱により得られた温水を家庭内等に供給する太陽熱利用システムが提案されている。この太陽熱利用システムには、缶体内における冷水の上昇温度から求められる熱量と、熱媒温度とに基づいて、熱媒の流量を求めるものが提案されている（特許文献１参照）。

特開２０１１−１７４６６４号公報

一般に太陽熱利用システムでは、熱媒をポンプの駆動により循環させている。しかし、特許文献１に記載の太陽熱利用システムでは、熱媒を循環させるにあたり適切なポンプの回転数が考慮されておらず、回転数が大きい場合にはポンプの無駄な運転となり、消費電力の増大につながっている。

本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、消費電力の増大を抑制することが可能な太陽熱利用システム及びそのポンプ回転数制御方法を提供することにある。

本発明の太陽熱利用システムは、太陽光を受光することで熱媒を加熱する集熱器と、集熱器にて加熱された熱媒を利用して冷水を加熱する熱交換器と、熱交換器による加熱により得られた温水を貯湯する缶体と、熱交換器から集熱器を経て再度熱交換器に熱媒を循環させるポンプと、を備えた太陽熱利用システムであって、熱交換器から集熱器まで熱媒が移送される配管上に設置され、当該設置箇所における熱媒の温度を検出する温度検出部と、温度検出部により検出された熱媒温度が高くなるに従って、ポンプの回転数を小さくすると共に、当該熱媒温度が所定温度以上である場合、ポンプを停止させる制御部と、を備え、ポンプは、配管上に設置されると共に、ポンプ及び温度検出部は、熱交換器及び缶体と共に、同一ユニット内に配置されていることを特徴とする。

本発明の太陽熱利用システムによれば、検出された熱媒温度が高くなるに従って、ポンプの回転数を小さくする。ここで、本件発明者らは、熱媒の温度が高くなるに従って熱媒の粘度が低くなることを見出した。このため、熱媒温度が高くなるに従ってポンプの回転数を小さくすることで、熱媒の粘度が低くなった場合に熱媒の粘度が高いときと同様にポンプを回転させて無駄に電力を消費してしまう事態を防止することができる。従って、消費電力の増大を抑制することができる。

また、本発明の太陽熱利用システムにおいて、制御部は、温度検出部により検出された熱媒温度が高くなるほど、ポンプの回転数の変化量を小さくすることが好ましい。

この太陽熱利用システムによれば、熱媒温度が高くなるほどポンプの回転数の変化量を小さくする。ここで、本件発明者らは、熱媒の粘度の変化量は、温度が高くなるに従って小さくなることを見出した。よって、ポンプの回転数の変化量についても熱媒温度が高くなるほど小さくすることで、より適切に回転数を設定することができ、一層消費電力の増大を抑制することができる。

また、本発明の太陽熱利用システムのポンプ回転数制御方法は、太陽光を受光することで熱媒を加熱する集熱器と、集熱器にて加熱された熱媒を利用して冷水を加熱する熱交換器と、熱交換器による加熱により得られた温水を貯湯する缶体と、熱交換器から集熱器を経て再度熱交換器に熱媒を循環させるポンプと、熱交換器から集熱器まで熱媒が移送される配管上に設置され、当該設置箇所における熱媒の温度を検出する温度検出部と、を備え、ポンプは、配管上に設置されると共に、ポンプ及び温度検出部は、熱交換器及び缶体と共に、同一ユニット内に配置されている太陽熱利用システムのポンプ回転数制御方法であって、温度検出部により検出された熱媒温度が高くなるに従って、ポンプの回転数を小さくすると共に、当該熱媒温度が所定温度以上である場合、ポンプを停止させる制御工程、を備えることを特徴とする。

この太陽熱利用システムのポンプ回転数制御方法によれば、検出された熱媒温度が高くなるに従って、ポンプの回転数を小さくする。ここで、本件発明者らは、熱媒の温度が高くなるに従って熱媒の粘度が低くなることを見出した。このため、熱媒温度が高くなるに従ってポンプの回転数を小さくすることで、熱媒の粘度が低くなった場合に熱媒の粘度が高いときと同様にポンプを回転させて無駄に電力を消費してしまう事態を防止することができる。従って、消費電力の増大を抑制することができる。

本発明によれば、消費電力の増大を抑制することが可能な太陽熱利用システム及びそのポンプ回転数制御方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る太陽熱利用システムを示す斜視図である。 熱媒平均温度とポンプの回転数との相関を示す図である。 本実施形態に係る太陽熱利用システムのポンプ回転数制御方法を含むポンプＰの駆動制御を示すフローチャートである。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る太陽熱利用システムの概略構成図である。図１に示すように、本実施形態に係る太陽熱利用システム１は、太陽熱を利用して温水を得るものであって、集熱器１０と、貯湯タンクユニット２０と、これらを接続する配管Ｌとを備えている。

集熱器１０は、太陽光を受光することで熱媒を加熱するものであって、例えば屋根の上などの太陽光を受光し易い位置に設置されるものである。

貯湯タンクユニット２０は、集熱器１０にて暖められ配管Ｌを通じて液送されてきた熱媒を利用して冷水を加熱すると共に、加熱により得られた温水を家庭等に供給するものである。また、貯湯タンクユニット２０は、家庭等にて温水が使用されていないときには温水を貯湯しておくものである。この貯湯タンクユニット２０は、冷水配管２１と、缶体２２と、熱交換器２３と、温水配管２４と、ポンプＰと、制御部２５とを備えている。

冷水配管２１は、缶体２２内に冷水を供給するための配管である。缶体２２は、冷水配管２１から冷水を導入すると共に加熱により得られた温水を貯湯しておくものである。熱交換器２３は、缶体２２内に設けられており、配管Ｌを通じて流れてきた熱媒と冷水との熱交換を行って、冷水を加熱するものである。温水配管２４は、熱交換器２３の加熱により得られた温水を家庭等に供給するための配管である。

ポンプＰは、配管Ｌ上に設けられており、その駆動により熱交換器２３から集熱器１０を経て再度熱交換器２３に熱媒を循環させるものである。制御部２５は、貯湯タンクユニット２０の弁の開閉制御や、ポンプＰのオンオフ制御等を行うものである。

さらに、太陽熱利用システム１は、高温センサＴ１、低温センサＴ２、熱媒入サーミスタ（温度検出部）Ｔ３、及び熱媒出サーミスタ（温度検出部）Ｔ４を備えている。

高温センサＴ１は集熱器１０内又は集熱器１０の出口近傍に設けられ、集熱器１０にて加熱された熱媒の温度を検出するものである。低温センサＴ２は、缶体２２の下部外壁に設置され、熱交換器２３付近における水（加熱時には温水）の温度を検出するものである。

熱媒入サーミスタＴ３は、集熱器１０から液送され貯湯タンクユニット２０に流入する熱媒の温度を検出するものであり、熱交換前の熱媒温度を検出するものである。熱媒出サーミスタＴ４は、貯湯タンクユニット２０から集熱器１０に液送される熱媒の温度を検出するものであり、熱交換後の熱媒温度を検出するものである。

次に、本実施形態に係る太陽熱利用システム１のポンプ制御方法の概略について説明する。まず、ポンプＰが停止しているものとする。この状態において、制御部２５は、高温センサＴ１と低温センサＴ２からの信号に基づいて、それぞれの温度を検出し、これらの温度差（Ｔ１−Ｔ２）がＡ℃以上であるか否かを判断する。これらの温度差（Ｔ１−Ｔ２）がＡ℃以上であると判断した場合、制御部２５は、ポンプＰをオンさせる。

また、ポンプＰの運転中においても、制御部２５は、高温センサＴ１と低温センサＴ２からの信号に基づいて、それぞれの温度を検出する。そして、制御部２５は、これらの温度差（Ｔ１−Ｔ２）がＢ℃以下であるか否かを判断する。これらの温度差（Ｔ１−Ｔ２）がＢ℃以下であると判断した場合、制御部２５は、ポンプＰをオフする。

さらに、制御部２５は、ポンプＰが高温の熱媒により故障しないように、熱媒温度に応じてポンプＰを強制的にオフする。この場合において制御部２５は、熱媒出サーミスタＴ４からの信号に基づいて熱媒温度を検出し、この温度がＸ℃以上であるか否かを判断する。熱媒温度がＸ℃以上であると判断した場合、制御部２５は強制的にポンプＰをオフし、所定の時刻に到達するまでポンプＰのオフ状態を維持することとなる。

さらに、本実施形態に係る太陽熱利用システム１では、熱媒温度に基づいてポンプＰの回転数を制御する。具体的に制御部２５は、熱媒入サーミスタＴ３及び熱媒出サーミスタＴ４からの信号に基づいて熱媒平均温度（（Ｔ３＋Ｔ４）／２）を算出する。次いで、制御部２５は、熱媒平均温度に基づいてポンプＰの回転数を決定する。

図２は、熱媒平均温度とポンプＰの回転数との相関を示す図である。制御部２５は、図２に示す相関データを記憶しており、熱媒平均温度を算出すると相関データに基づいてポンプＰの回転数を決定する。例えば、図２に示すように熱媒平均温度がＴａ℃である場合、制御部２５は、相関データに基づいてポンプＰの回転数をＰａと決定する。

ここで、本件発明者らは、熱媒の温度が高くなるに従って熱媒の粘度が低くなることを見出した。このため、図２に示す相関データは、熱媒平均温度が高くなるに従って回転数が小さくなるように設定されており、制御部２５は、平均熱媒温度が高くなるに従って、ポンプＰの回転数を小さくすることとなる。これにより、熱媒の粘度が低くなった場合に熱媒の粘度が高いときと同様にポンプＰを回転させて、無駄に電力を消費してしまう事態を防止することができる。

さらに、本件発明者らは、熱媒の粘度の変化量は、温度が高くなるに従って小さくなることを見出した。このため、図２に示す相関データはやや下に凸となるように設定されており、制御部２５は、平均熱媒温度が高くなるほど、ポンプＰの回転数の変化量を小さくすることとなる。より具体的に説明すると、図２において温度Ｔａ℃からΔｔ℃上昇した場合、回転数の変化量はＰａ−Ｐａ’である。これに対して、温度Ｔｂ（＞Ｔａ）℃からΔｔ℃上昇した場合、回転数の変化量はＰｂ−Ｐｂ’である。図２から明らかなように、回転数の変化量Ｐｂ−Ｐｂ’は、回転数の変化量Ｐａ−Ｐａ’よりも小さく、制御部２５は、平均熱媒温度が高くなるほど、ポンプＰの回転数の変化量を小さくすることとなる。これにより、適切に回転数を設定することができ、無駄に電力を消費してしまう事態を一層防止することができる。

図３は、本実施形態に係る太陽熱利用システム１のポンプ回転数制御方法を含むポンプＰの駆動制御を示すフローチャートである。まず、図３において、ポンプＰは停止しているものとする。この状態において制御部２５は、高温センサＴ１及び低温センサＴ２の信号から、それぞれの温度を検出する（Ｓ１）。

次いで、制御部２５は、これらの温度差（Ｔ１−Ｔ２）がＡ℃以上であるか否かを判断する（Ｓ２）。温度差（Ｔ１−Ｔ２）がＡ℃以上でないと判断した場合（Ｓ２：ＮＯ）、処理はステップＳ１に移行する。

温度差（Ｔ１−Ｔ２）がＡ℃以上であると判断した場合（Ｓ２：ＹＥＳ）、制御部２５は、ポンプＰをオンさせる（Ｓ３）。その後、制御部２５は、ポンプＰの回転数を最大とし（Ｓ４）、最大回転数でｔ分以上経過したか否かを判断する（Ｓ５）。このステップＳ４，Ｓ５の処理により、熱媒を循環させて、配管Ｌ内や集熱器１０内に存在するエアーを抜き切ることとなる。

ｔ分以上経過していないと判断した場合（Ｓ５：ＮＯ）、制御部２５は、熱媒出サーミスタＴ４からの信号に基づいて熱媒温度を検出し（Ｓ６）、この温度がＸ℃以上であるか否かを判断する（Ｓ７）。熱媒温度がＸ℃以上であると判断した場合（Ｓ７：ＹＥＳ）、制御部２５は強制的にポンプＰをオフする（Ｓ８）。そして、図３に示す処理は終了する。なお、上記処理を経てポンプＰが停止された場合、ポンプＰは、所定の時刻に到達するまでオフ状態を維持することとなる。一方、熱媒温度がＸ℃以上でないと判断した場合（Ｓ７：ＮＯ）、処理はステップＳ４に移行する。

ところで、ｔ分以上経過したと判断した場合（Ｓ５：ＹＥＳ）、制御部２５は、熱媒入サーミスタＴ３及び熱媒出サーミスタＴ４からの信号に基づいて熱媒平均温度（（Ｔ３＋Ｔ４）／２）を算出する（Ｓ８）。次いで、制御部２５は、熱媒平均温度に基づいてポンプＰの回転数を決定する（Ｓ９）。なお、ステップＳ９においては図２を参照して説明したようにしてポンプＰの回転数を決定する。

その後、制御部２５は、高温センサＴ１及び低温センサＴ２の信号から、それぞれの温度を検出する（Ｓ１０）。次いで、制御部２５は、これらの温度差（Ｔ１−Ｔ２）がＢ℃以下であるか否かを判断する（Ｓ１１）。温度差（Ｔ１−Ｔ２）がＢ℃以下であると判断した場合（Ｓ１１：ＹＥＳ）、制御部２５は強制的にポンプＰをオフする（Ｓ８）。そして、図３に示す処理は終了する。

一方、温度差（Ｔ１−Ｔ２）がＢ℃以下でないと判断した場合（Ｓ１１：ＮＯ）、制御部２５は、熱媒出サーミスタＴ４からの信号に基づいて熱媒温度を検出し（Ｓ１２）、この温度がＸ℃以上であるか否かを判断する（Ｓ１３）。熱媒温度がＸ℃以上でないと判断した場合（Ｓ１３：ＮＯ）、処理はステップＳ８に移行する。

熱媒温度がＸ℃以上であると判断した場合（Ｓ１３：ＹＥＳ）、制御部２５は強制的にポンプＰをオフする（Ｓ８）。そして、図３に示す処理は終了する。なお、上記処理を経てポンプＰが停止された場合、ポンプＰは、所定の時刻に到達するまでオフ状態を維持することとなる。

このようにして、本実施形態に係る太陽熱利用システム１及びポンプ回転数制御方法によれば、検出された熱媒温度が高くなるに従って、ポンプＰの回転数を小さくする。ここで、本件発明者らは、熱媒の温度が高くなるに従って熱媒の粘度が低くなることを見出した。このため、熱媒温度が高くなるに従ってポンプＰの回転数を小さくすることで、熱媒の粘度が低くなった場合に熱媒の粘度が高いときと同様にポンプＰを回転させて無駄に電力を消費してしまう事態を防止することができる。従って、消費電力の増大を抑制することができる。

また、熱媒温度が高くなるほどポンプＰの回転数の変化量を小さくする。ここで、本件発明者らは、熱媒の粘度の変化量は、温度が高くなるに従って小さくなることを見出した。よって、ポンプＰの回転数の変化量についても熱媒温度が高くなるほど小さくすることで、より適切に回転数を設定することができ、一層消費電力の増大を抑制することができる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。

例えば、本実施形態において熱媒入サーミスタＴ３及び熱媒出サーミスタＴ４からの信号に基づいて熱媒平均温度を算出し、これに基づいてポンプＰの回転数を決定しているが、特にこれに限らず、いずれか一方のみの温度に基づいてポンプＰの回転数を決定してもよい。さらには、高温センサＴ１により検出される熱媒温度に基づいてポンプＰの回転数を決定してもよいし、低温センサＴ２等により検出される温度から熱媒温度を推定してポンプＰの回転数を決定してもよい。

１…太陽熱利用システム
１０…集熱器
２０…貯湯タンクユニット
２１…冷水配管
２２…缶体
２３…熱交換器
２４…温水配管
２５…制御部
Ｌ…配管
Ｐ…ポンプ
Ｔ１…高温センサ
Ｔ２…低温センサ
Ｔ３…熱媒入サーミスタ（温度検出部）
Ｔ４…熱媒出サーミスタ（温度検出部）

Claims (3)

1. 太陽光を受光することで熱媒を加熱する集熱器と、前記集熱器にて加熱された熱媒を利用して冷水を加熱する熱交換器と、前記熱交換器による加熱により得られた温水を貯湯する缶体と、前記熱交換器から前記集熱器を経て再度前記熱交換器に熱媒を循環させるポンプと、を備えた太陽熱利用システムであって、
   前記熱交換器から前記集熱器まで熱媒が移送される配管上に設置され、当該設置箇所における熱媒の温度を検出する温度検出部と、
   前記温度検出部により検出された熱媒温度が高くなるに従って、前記ポンプの回転数を小さくすると共に、当該熱媒温度が所定温度以上である場合、前記ポンプを停止させる制御部と、を備え、
   前記ポンプは、前記配管上に設置されると共に、
   前記ポンプ及び前記温度検出部は、前記熱交換器及び前記缶体と共に、同一ユニット内に配置されている
   ことを特徴とする太陽熱利用システム。
2. 前記制御部は、前記温度検出部により検出された熱媒温度が高くなるほど、前記ポンプの回転数の変化量を小さくする
   ことを特徴とする請求項１に記載の太陽熱利用システム。
3. 太陽光を受光することで熱媒を加熱する集熱器と、前記集熱器にて加熱された熱媒を利用して冷水を加熱する熱交換器と、前記熱交換器による加熱により得られた温水を貯湯する缶体と、前記熱交換器から前記集熱器を経て再度前記熱交換器に熱媒を循環させるポンプと、前記熱交換器から前記集熱器まで熱媒が移送される配管上に設置され、当該設置箇所における熱媒の温度を検出する温度検出部と、を備え、前記ポンプは、前記配管上に設置されると共に、前記ポンプ及び前記温度検出部は、前記熱交換器及び前記缶体と共に、同一ユニット内に配置されている太陽熱利用システムのポンプ回転数制御方法であって、
   前記温度検出部により検出された熱媒温度が高くなるに従って、前記ポンプの回転数を小さくすると共に、当該熱媒温度が所定温度以上である場合、前記ポンプを停止させる制御工程、
   を備えることを特徴とする太陽熱利用システムのポンプ回転数制御方法。

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