特開 2022-32507 給湯システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022032507

(43)【公開日】2022-02-25

(54)【発明の名称】給湯システム

(51)【国際特許分類】

   F24H 1/10 20220101AFI20220217BHJP

   F24H 15/10 20220101ALI20220217BHJP

   F24H 1/14 20220101ALI20220217BHJP

   F28F 27/00 20060101ALI20220217BHJP

   F24D 17/00 20220101ALN20220217BHJP

【ＦＩ】

F24H1/10 Z

F24H1/10 303Z

F24H1/14 D

F28F27/00 511C

F24D17/00 M

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020136352

(22)【出願日】2020-08-12

(71)【出願人】

【識別番号】000137889

【氏名又は名称】株式会社ミヤワキ

(74)【代理人】

【識別番号】100087941

【弁理士】

【氏名又は名称】杉本 修司

(74)【代理人】

【識別番号】100112829

【弁理士】

【氏名又は名称】堤 健郎

(74)【代理人】

【識別番号】100154771

【弁理士】

【氏名又は名称】中田 健一

(74)【代理人】

【識別番号】100155963

【弁理士】

【氏名又は名称】金子 大輔

(72)【発明者】

【氏名】森 真也

【テーマコード（参考）】

3L034

3L073

【Ｆターム（参考）】

3L034BA38

3L073AA08

3L073AA13

3L073AB09

3L073DD05

(57)【要約】

【課題】熱交換器の劣化を判定し、交換時期を判別することができる給湯システムを提供する。
【解決手段】給湯システム１は、加熱流体Ｆ１と水Ｗ１との間の熱交換により熱水を生成する熱交換器４を備えている。熱交換器４に加熱流体Ｆ１を供給する加熱流体供給通路３４に圧力センサ３８が設けられている。理論熱交換量算出手段６０は、この圧力センサ３８の検出値と加熱流体調節弁３６の開度から理論熱交換量Ｅ１を算出する。熱交換量算出手段６２は、熱交換器４に供給される水Ｗ１の流量および温度と、熱交換器４から導出された熱水Ｗ２の温度から実際の熱交換量Ｅ２を算出する。判定手段６４は、理論熱交換量Ｅ１と熱交換量Ｅ２から熱交換器４の劣化を判定する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

加熱流体と水との間の熱交換により熱水を生成する熱交換器と、
前記熱交換器に前記加熱流体を供給する加熱流体供給通路に設けられた圧力または温度を検出するセンサの値と加熱流体調節弁の開度から理論熱交換量を算出する理論熱交換量算出手段と、
前記熱交換器に供給される水の流量および温度と、前記熱交換器から導出された熱水の温度から実際の熱交換量を算出する熱交換量算出手段と、
前記理論熱交換量と前記熱交換量から前記熱交換器の劣化を判定する判定手段と、を備えた給湯システム。

【請求項2】

請求項１に記載の給湯システムにおいて、さらに、
前記センサの値、前記加熱流体調節弁の開度、前記熱交換器に供給される水の流量および温度から前記熱交換器の出口の理論復水温度を算出する理論復水温度算出手段と、
前記理論復水温度と前記熱交換器の出口の復水温度とから前記熱交換器の劣化の判定を修正する修正手段と、を備えた給湯システム。

【請求項3】

請求項１または２に記載の給湯システムにおいて、前記センサが、前記加熱流体供給通路の前記加熱流体の圧力を測定する圧力センサである給湯システム。

【請求項4】

請求項１から３のいずれか一項に記載の給湯システムにおいて、前記加熱流体が蒸気である給湯システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、加熱流体と水との間の熱交換により熱水を生成する熱交換器を備えた給湯システムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、冷水または温水を蒸気のような加熱流体で加熱することにより、温水または熱水を生成する加熱システムの一種である給湯装置が知られている（例えば、特許文献１）。生成された温水または熱水はユーザに供給される。このような給湯装置の一種として、循環式の給湯システムがある。循環式の給湯システムでは、熱交換器からの配管にタンクへの戻り管を設けることにより、温水または熱水を使用していない時でも温水または熱水を循環させて水温が一定に保たれている。このため、給湯装置から離れた場所であっても、ユーザは、ほぼ待ち時間なしで、温水または熱水を使用することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第５１０３４９５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

このような給湯システムにおいて、熱交換器が故障すると、熱水の生成ができなくなる、つまり、ユーザへの温水または熱水の供給が不可能となり、生産設備等に大きな影響を与えることになる。

【0005】

本発明は、熱交換器の劣化を判定し、交換時期を判別することができる給湯システムを提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記目的を達成するために、本発明の給湯システムは、加熱流体と水との間の熱交換により熱水を生成する熱交換器と、前記熱交換器に前記加熱流体を供給する加熱流体供給通路に設けられた圧力または温度を検出するセンサの値と加熱流体調節弁の開度から理論熱交換量を算出する理論熱交換量算出手段と、前記熱交換器に供給される水の流量および温度と、前記熱交換器から導出された熱水の温度から実際の熱交換量を算出する熱交換量算出手段と、前記理論熱交換量と前記熱交換量から前記熱交換器の劣化を判定する判定手段と、を備えている。センサは、例えば、加熱流体供給通路の加熱流体の圧力を測定する圧力センサである。また、前記加熱流体は、例えば、蒸気である。

【0007】

この構成によれば、理論熱交換量算出手段が、加熱流体供給通路に設けられた圧力または温度を検出するセンサの値と加熱流体調節弁の開度から理論熱交換量を算出する。また、熱交換量算出手段が、熱交換器に供給される水の流量および温度と、熱交換器から導出された熱水の温度から実際の熱交換量を算出する。これらの理論熱交換量と熱交換量から判定手段が熱交換器の劣化を判定する。つまり、判定手段は、熱交換器が劣化していない理論上の熱交換量と、現状の実際の熱交換量とを比較して、その差から熱交換器の劣化を判定する。これにより、熱交換器の交換時期を判別することができ、熱交換器が故障に至る前に熱交換器を交換することが可能になる。その結果、ユーザへの温水または熱水の供給が不可能となることが回避され、生産設備等に悪影響を与えるのを防ぐことができる。

【0008】

本発明において、さらに、前記センサの値、前記加熱流体調節弁の開度、前記熱交換器に供給される水の流量および温度から前記熱交換器の出口の理論復水温度を算出する理論復水温度算出手段と、前記理論復水温度と前記熱交換器の出口の復水温度とから前記熱交換器の劣化の判定を修正する修正手段とを備えていてもよい。

【0009】

この構成によれば、理論復水温度算出手段が、加熱流体供給通路に設けられたセンサの値、加熱流体調節弁の開度、熱交換器に供給される水の流量および温度から熱交換器の出口の理論復水温度を算出する。修正手段は、この理論復水温度と熱交換器の出口の復水温度とから熱交換器の劣化の判定を修正する。つまり、修正手段は、熱交換器が劣化していない理論上の復水温度と、現状の実際の復水温度とを比較して、その差から熱交換器の劣化を判定し、判定手段による熱交換器の劣化判定を修正する。これにより、熱交換器の劣化の判定精度が向上し、熱交換器の交換時期をより正確に判別することができる。

【発明の効果】

【0010】

本発明の給湯システムによれば、熱交換器の交換時期を判別することができ、熱交換器が故障に至る前に熱交換器を交換することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の第１実施形態に係る給湯システムを示す概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る給湯システム１を示す概略構成図である。本実施形態の給湯システム１は、循環式の給湯システムであるが、循環式に限定されない。給湯システム１は、水Ｗ１が貯留されるタンク２と、加熱流体Ｆ１とタンク２から導出された水Ｗ１との間の熱交換により熱水Ｗ２を生成する熱交換器４とを備え、熱交換器４からの熱水Ｗ２がユーザを経てタンク２に戻されている。

【0013】

ユーザに供給される熱水Ｗ２は、例えば、９８℃に設定されている。このような熱水Ｗ２は、例えば、食品メーカの生産設備における殺菌、滅菌等の作業に用いられる。また、本実施形態では、加熱流体Ｆ１として、蒸気が用いられている。ただし、加熱流体Ｆ１は、蒸気に限定されず、例えば、高温高圧水であってもよい。

【0014】

タンク２に、熱交換器４に水Ｗ１を供給する水供給通路６が接続されている。水供給通路６に、ポンプ８および第１温度センサ１０が設けられている。ポンプ８は、タンク２内の水Ｗ１を圧送する。第１温度センサ１０は、水供給通路６内の水Ｗ１の温度（水温度）、つまり、タンク２内の水温度を検出する。本実施形態では、第１温度センサ１０は、ポンプ８の下流側で熱交換器４の上流側に配置されている。なお、水供給通路６には、ポンプ８に供給される水Ｗ１中の異物を除去するストレーナ１２と、水Ｗ１の流量を検出する流量計１４も設けられている。

【0015】

水供給通路６の下流端が、熱交換器４の水入口４ａに接続されている。一方、熱交換器４の水出口４ｂに熱水供給通路１６の上流端が接続されている。水入口４ａから熱交換器４に流入した水Ｗ１は、熱交換器４内において加熱流体Ｆ１との間で熱交換されて熱水Ｗ２となる。生成された熱水Ｗ２は、水出口４ｂから熱水供給通路１６に導出される。熱交換器４における加熱流体Ｆ１側の構成については後述する。

【0016】

熱水供給通路１６に、第２温度センサ１８および第１圧力センサ１９と、その上流側の逆止弁１７が設けられている。第２温度センサ１８は、熱水供給通路１６内の熱水Ｗ２の温度を検出する。熱水供給通路１６の下流端に、ユーザ側配管１００の入口が接続されている。

【0017】

ユーザ側配管１００の出口に、熱水戻り通路２２が接続されている。ユーザ側配管１００に供給された熱水Ｗ２は、熱水戻り通路２２を介してタンク２に戻される。熱水戻り通路２２に、電磁弁２４が設けられている。電磁弁２４は、例えば、ユーザ側配管１００から給湯システム内のタンク２への熱水Ｗ２の供給を停止する場合に閉止される。

【0018】

タンク２に水補給通路２６が接続されている。水補給通路２６の下流端部に、ボールタップ２８が設けられている。つまり、水補給通路２６は、タンク２内の水位が設定レベルよりも低下したときに冷水Ｗ３をタンク２に補給して、水位を設定レベルに保つ。冷水Ｗ３は、例えば、水道水であり、水補給通路２６の入口である給水口２６ａから水補給通路２６に供給される。

【0019】

熱交換器４における加熱流体（蒸気）Ｆ１側の構成について説明する。給湯システム１は、熱交換器４に加熱流体Ｆ１を供給する加熱流体供給通路３４を有している。加熱流体供給通路３４に、加熱流体調節弁３６および第２圧力センサ３８が設けられている。加熱流体調節弁３６は、熱交換器４への加熱流体Ｆ１の供給量を調節する。本実施形態の加熱流体調節弁３６は電動ボール弁である。ただし、加熱流体調節弁３６は、これに限定されない。第２圧力センサ３８は、加熱流体供給通路３４内の加熱流体Ｆ１の圧力を検出する。なお、加熱流体供給通路３４には、加熱流体調節弁３６に導入される加熱流体Ｆ１中の異物を除去するストレーナ４０も設けられている。

【0020】

加熱流体供給通路３４の下流端が、熱交換器４の加熱流体入口４ｃに接続されている。一方、熱交換器４の加熱流体出口４ｄに加熱流体排出通路４２の上流端が接続されている。加熱流体入口４ｃから熱交換器４に流入した加熱流体Ｆ１は、熱交換器４内において水Ｗ１との間で熱交換して水Ｗ１を加熱した後、加熱流体出口４ｄから加熱流体排出通路４２に導出される。

【0021】

加熱流体排出通路４２に、第３温度センサ４４が設けられている。第３温度センサ４４は、加熱流体排出通路４２内の加熱流体Ｆ１の温度を検出する。加熱流体排出通路４２の下流端に、スチームトラップ４６が設けられている。スチームトラップ４６により、加熱流体排出通路４２中の復水（ドレン）Ｆ２がドレン通路４８から排出される。

【0022】

加熱流体供給通路３４における加熱流体調節弁３６の上流側に、ドレン取出用通路５０が接続されている。ドレン取出用通路５０の下流端にも、スチームトラップ５２が設けられている。

【0023】

給湯システム１の各機器は、制御装置５５により制御されている。具体的には、第１～第３温度センサ１０，１８，４４、第１および第２圧力センサ１９、３８、流量計１４等の出力値は制御装置５５に入力され、ポンプ８、電磁弁２４、加熱流体調節弁３６等の機器は制御装置５５の指令により動作する。制御装置５５は、リレー等からなる電気回路であってもよく、プログラムが実装された演算装置であってもよい。

【0024】

制御装置５５は、理論熱交換量算出手段６０と、熱交換量算出手段６２と、判定手段６４とを有している。理論熱交換量算出手段６０は、加熱流体供給通路３４に設けられた第２圧力センサ３８の値と加熱流体調節弁３６の開度から理論熱交換量Ｅ１を算出する。加熱流体供給通路３４の管径は既知であるから、加熱流体Ｆ１の圧力Ｐ１と加熱流体調節弁３６の開度Ｖ１が分かれば、熱交換器４に導入される加熱流体Ｆ１の流量Ｑ１が算出できる。この流量Ｑ１から、熱交換器４が正常な場合の理論上の熱交換量Ｅ１、つまり熱交換量の理想値を、例えば、以下の式（１）により算出できる。
Ｅ１＝ａ・Ｖ１×（ｂ・Ｐ１＋ｃ）・・・（１）
ここで、ａ，ｂ，ｃは係数である。

【0025】

本実施形態では、理論熱交換量Ｅ１の算出に、圧力センサの値が用いられているが、これに代えて、加熱流体供給通路３４の温度を検出する温度センサを設け、その値を用いてもよい。

【0026】

熱交換量算出手段６２は、熱交換器４に供給される水Ｗ１の流量Ｑ２および温度ｔ１と、熱交換器４から導出された熱水Ｗ２の温度ｔ２から実際の熱交換量Ｅ２を、例えば、以下の式（２）により算出する。
Ｅ２＝Ｃｐ×ρ×Ｑ２×（ｔ２－ｔ１）・・・（２）
ここで、Ｃｐは加熱流体の熱容量で、ρは加熱流体の密度である。

【0027】

水Ｗ１の流量Ｑ２は流量計１４の検出値が用いられ、水Ｗ１の温度ｔ１は第１温度計１０の検出値が用いられ、熱水Ｗ２の温度ｔ２は第２温度計１９の検出値が用いられている。水Ｗ１の流量Ｑ２と、熱交換器４の通過前および通過後の湯温ｔ１、ｔ２から実際の熱交換量Ｅ２を算出できる。

【0028】

判定手段６４は、上述の理論熱交換量Ｅ１と熱交換量Ｅ２から熱交換器４の劣化を判定する。つまり、判定手段６４は、熱交換器４が劣化していない理論上の熱交換量Ｅ１と、現状の実際の熱交換量Ｅ２とを比較して、その差から熱交換器４の劣化状況を判定する。例えば、理論上の熱交換量Ｅ１と実際の熱交換量Ｅ２との差（Ｅ１－Ｅ２）が、理論熱交換量Ｅ１の１５％よりも大きくなった場合（（Ｅ１－Ｅ２）／Ｅ１＞０．１５）に、判定手段６４は、熱交換器４が劣化したと判定する。ただし、劣化判定の数値は、これに限定されない。熱交換器４が劣化状態であると判定された場合、例えば、ランプ表示、音声ガイダンス等で通知する。

【0029】

制御装置５５は、さらに、理論復水温度算出手段６６と、修正手段６８とを有している。理論復水温度算出手段６６は、加熱流体供給通路３４に設けられた第２圧力センサ３８の値、加熱流体調節弁３６の開度、熱交換器４に供給される水Ｗ１の流量（流量計１４の検出値）および温度（第１温度計１０の検出値）から熱交換器４の出口４ｄの理論復水温度Ｔ１を算出する。

【0030】

上述のように、加熱流体Ｆ１の圧力と加熱流体調節弁３６の開度が分かれば、熱交換器４に導入される加熱流体Ｆ１の流量が算出できる。正常な状態の（劣化していない）熱交換器４により、この流量の加熱流体Ｆ１と、熱交換器４に供給される流量および温度の水Ｗ１が熱交換された場合、熱交換後（熱交換器４の出口４ｄ）の加熱流体Ｆ１の熱交換器４が正常な場合の理論上の復水温度Ｔ１、つまり復水温度の理想値を算出できる。

【0031】

修正手段６８は、この理論復水温度Ｔ１と実際の熱交換器４の出口４ｄの復水温度Ｔ２とから熱交換器４の劣化を判定し、判定手段６４による判定結果を修正する。つまり、修正手段６８は、熱交換器４が劣化していない理論上の復水温度Ｔ１と、現状の実際の復水温度Ｔ２とを比較して、その差から熱交換器４の劣化状況を判定する。実際の熱交換器４の出口４ｄの復水温度Ｔ２は、第３温度計４４の検出値が用いられている。修正手段６８は、理論上の復水温度Ｔ１と実際の復水温度Ｔ２との差（Ｔ１－Ｔ２）から熱交換器４の劣化度を判断し、判定手段６４による判定結果を修正する。例えば、判定手段６４が劣化していないと判定した場合でも、修正手段６８で算出した値が所定値よりも大きい場合、判定手段６４が劣化していると判断してもよい。

【0032】

上記構成によれば、理論熱交換量算出手段６０が、第２圧力センサ３８の値と加熱流体調節弁３６の開度から理論熱交換量Ｅ１を算出する。また、熱交換量算出手段６２が、熱交換器４に供給される水Ｗ１の流量および温度と、熱交換器４から導出された熱水Ｗ２の温度から実際の熱交換量Ｅ２を算出する。これらの理論熱交換量Ｅ１と熱交換量Ｅ２から判定手段６４が熱交換器４の劣化を判定する。熱交換器４の交換時期を判別することができ、熱交換器４が故障に至る前に熱交換器４を交換することが可能なる。その結果、ユーザへの熱水Ｗ２の供給が不可能となることが回避され、生産設備等に悪影響を与えるのを防ぐことができる。

【0033】

また、理論復水温度算出手段が６６、第２圧力センサ３８の値、加熱流体調節弁３６の開度、熱交換器４に供給される水Ｗ１の流量および温度から熱交換器４の出口４ｄの理論復水温度Ｔ１を算出する。修正手段６８は、この理論復水温度Ｔ１と熱交換器４の出口４ｄの実際の復水温度Ｔ２（第３温度計４４の検出値）とから熱交換器４の劣化の判定を修正する。つまり、修正手段６６は、熱交換器４が劣化していない理論上の復水温度ｔ１と、現状の実際の復水温度Ｔ２とを比較して、その差から熱交換器４の劣化を判定し、必要に応じて判定手段６４による熱交換器４の劣化判定を修正する。これにより、熱交換器５の劣化の判定精度が向上し、熱交換器４の交換時期をより正確に判別することができる。

【0034】

加熱流体Ｆ１に蒸気を用いることで、熱交換器４による水の昇温を迅速に行うことができる。

【0035】

本発明は、以上の実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。例えば、上記実施形態では、循環式の給湯システムについて説明したが、本発明は循環式以外の給湯システムにも適用可能である。また、上記実施形態の給湯システムは水Ｗ１を貯留するタンク２を備えていたが、タンク２はなくてもよい。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

【符号の説明】

【0036】

１ 給湯システム
４ 熱交換器
３４ 加熱流体供給通路
３６ 加熱流体調節弁
３８ 第２圧力センサ（センサ）
６０ 理論熱交換量算出手段
６２ 熱交換量算出手段
６４ 判定手段
６６ 理論復水温度算出手段
６８ 修正手段
Ｆ１ 加熱流体（蒸気）
Ｗ１ 水
Ｗ２ 熱水

【図1】