(57)【要約】本発明は、供給源と負荷との間で熱エネルギーを伝達する熱交換機であって、供給源に関連する一次側と、負荷に関連する流体を導く二次側とを有する熱交換機を含み、流体の一部が消費されたときに熱交換機の二次側が受動的に逆流置換される、熱エネルギー・システムを提供する。受動逆流置換によって、循環する流体中に存在する可能性のある沈殿物、垢、および鉱物堆積物による熱交換機の汚染が防止される。
2005520110.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱エネルギー・システムにおいて、
供給源と負荷との間で熱エネルギーを伝達する熱交換機であって、該供給源に関連する一次側と、該負荷に関連する流体を導く二次側とを有する熱交換機を含み、
流体の一部が消費されたときに熱交換機の二次側が受動逆流置換される、熱エネルギー・システム。
【請求項２】
負荷に関連する貯蔵タンクをさらに含む、請求項1記載の熱エネルギー・システム。
【請求項３】
流体が水である、請求項1記載の熱エネルギー・システム。
【請求項４】
負荷が、供給される湯であり、流体が水である、請求項1記載の熱エネルギー・システム。
【請求項５】
負荷が、供給される冷水であり、流体が水である、請求項1記載の熱エネルギー・システム。
【請求項６】
熱交換機の二次側が、加熱されていない水によって受動的に逆流置換される、請求項4記載の熱エネルギー・システム。
【請求項７】
熱交換機の二次側が、冷却されていない水によって受動的に逆流置換される、請求項5記載の熱エネルギー・システム。
【請求項８】
逆流置換弁をさらに含み、逆流置換弁が、熱交換機の二次側の逆流置換を受動的に調節する、請求項1記載の熱エネルギー・システム。
【請求項９】
逆流置換弁を、流体の流速、温度、および圧力のうちの少なくとも1つによって作動させる、請求項8記載の熱エネルギー・システム。
【請求項１０】
逆流置換弁を流体の流速によって作動させる、請求項8記載の熱エネルギー・システム。
【請求項１１】
逆流置換弁は、閉じられたときにバイパス流を供給する、請求項8記載の熱エネルギー・システム。
【請求項１２】
バイパス流は、流体の消費中には約1%から約20%の流速である、請求項11記載の熱エネルギー・システム。
【請求項１３】
供給源が、太陽熱、廃熱、地熱、工業プロセス加熱、熱ポンプ、ボイラ、および炉から選択される加熱源である、請求項1記載の熱エネルギー・システム。
【請求項１４】
加熱源が太陽熱である、請求項1記載の熱エネルギー・システム。
【請求項１５】
熱エネルギー・システムにおいて、
供給源と負荷との間で熱エネルギーを伝達する熱交換機であって、供給源に関連する一次側と、加熱または冷却すべき流体を受け該加熱または冷却された流体を出力する二次側とを有し、流体が、熱交換機の二次側を通って第1の方向に流れる熱交換機と、
本流を受ける投入口と、
加熱または冷却された流体および本流の流量を調節する逆流置換弁とを含み、
加熱または冷却された流体の一部が消費されたときに、逆流置換弁が、本流を受動的に、熱交換機の二次側を通して、加熱または冷却された流体が流れる方向とは逆の第2の方向に送る、熱エネルギー・システム。
【請求項１６】
流体が水である、請求項15記載のシステム。
【請求項１７】
熱交換機の二次側における第1の方向への流体の流れが対流によってもたらされる、請求項15記載のシステム。
【請求項１８】
逆流置換弁を、流体の流速、温度、および圧力のうちの少なくとも1つによって作動させる、請求項15記載のシステム。
【請求項１９】
逆流置換弁を流体の流速によって作動させる、請求項15記載のシステム。
【請求項２０】
逆流置換弁を流体の温度によって作動させる、請求項15記載のシステム。
【請求項２１】
供給源が、太陽熱、廃熱、地熱、工業プロセス加熱、熱ポンプ、ボイラ、および炉から選択される加熱源である、請求項15記載のシステム。
【請求項２２】
加熱源が太陽熱である、請求項15記載のシステム。
【請求項２３】
逆流置換弁は、閉じられたときにバイパス流を供給する、請求項15記載のシステム。
【請求項２４】
バイパス流は、流体の消費中には約1%から約20%の流速である、請求項23記載のシステム。
【請求項２５】
負荷に関連する貯蔵タンクを含む熱エネルギー・システム用のモジュールにおいて、
加熱源から負荷へと熱エネルギーを伝達する熱交換機であって、加熱源から熱を受ける一次側と、加熱すべき水を受け該加熱された水を負荷に出力する二次側とを有し、加熱された水が、熱交換機の二次側を通って第1の方向に流れる熱交換機と、
本流を受ける投入口と、
加熱すべき水および本流の流量を調節する逆流置換弁とを含み、
加熱すべき水の一部が消費されたときに、逆流置換弁が、本流を受動的に、熱交換機の二次側を通して、加熱すべき水が流れる方向とは逆の第2の方向に送る、モジュール。
【請求項２６】
逆流置換弁は、閉じられたときにバイパス流を供給する、請求項25記載のモジュール。
【請求項２７】
バイパス流は、流体の消費中には約1%から約20%の流速である、請求項26記載のモジュール。
【請求項２８】
熱エネルギー・システムにおける熱交換機を受動的に逆流置換する方法において、
供給源と負荷との間で熱エネルギーを伝達する熱交換機であって、供給源に関連する一次側と、負荷に関連する流体を導く二次側とを有する熱交換機を設ける段階と、
余分な流体の供給源を設ける段階と、
流体を熱交換機の二次側を通して第1の方向に流す段階と、
負荷によって流体の少なくとも一部が消費されたときに、余分な流体を受動的に熱交換機の二次側を通して第1の方向とは逆の第2の方向に流す段階とを含む方法。
【請求項２９】
流体が水である、請求項28記載の方法。
【請求項３０】
熱エネルギー・システムが給湯システムである、請求項28記載の方法。
【請求項３１】
熱エネルギー・システムが冷水システムである、請求項28記載の方法。
【請求項３２】
逆流置換段階を、流体の流速、温度、および圧力のうちの少なくとも1つによって作動させる、請求項28記載の方法。
【請求項３３】
逆流置換段階を流体の流速によって作動させる、請求項28記載の方法。
【請求項３４】
供給源が、太陽熱、廃熱、地熱、工業プロセス加熱、熱ポンプ、ボイラ、および炉から選択される加熱源である、請求項30記載の方法。
【請求項３５】
加熱源が太陽熱である、請求項30記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、熱交換機を用いた熱エネルギー・システムに関する。特に、本発明は、熱交換機の受動逆流置換を伴う熱エネルギー・システムと、受動逆流置換システムの方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
熱交換機を組み込んだ熱エネルギー・システムは通常、熱が供給または除去される一次ループと、熱が伝達される二次ループとを備えている。熱交換機は、一次ループと二次ループとの間で熱を伝達する。伝熱流体は、一次ループを通って循環し、熱交換機の一次側に熱を供給し、一次側から熱を除去する。熱が供給または除去される二次流体は、熱交換機の二次側を通って流れる。熱交換機の一次側および二次側は通常、流体が流れ、一次側と二次側との間の熱エネルギーの伝達を推進する、互いに密に関連する多数の小さな通路を有している。
【０００３】
現代の熱交換機は小形で高性能であり、すなわち、熱を高速に伝達する。高性能は通常、通路を非常に小さくし、かつ多数設けることによって達成される。しかし、通路のサイズが小さくなるにつれて、通路には、循環する流体中に存在する可能性のある沈殿物、垢、および鉱物堆積物が蓄積することによって汚染または完全な閉塞が起こる可能性が高い。熱交換機が汚染すると、システムの性能が実質的に低下する。汚染を最小限に抑えるために用いられる特定の手段には、流体の化学的組成の監視および調節、頻繁に分解することによる流路の清掃、汚染によって有効性が低下したときでも十分な能力を有するように熱交換機表面および流路のサイズを必要以上に大きくすることが含まれる。飲料水またはプロセス用水を加熱する熱システムの場合、鉱物塩およびその他の不純物が水中に存在する可能性が高い。そのような場合、熱交換機の日常的な清掃または蓄積した物質の洗浄を行わない場合、熱交換機が汚染される可能性がある。住宅設置先や小規模の商業的設置先のような多くの用途では、水の化学的組成を監視すること、熱交換機を日常的に分解および清掃すること、およびサイズを必要以上に大きくすることは、関連するコストのために実際的ではない。
【発明の開示】
【０００４】
発明の概要
本発明の一局面によれば、供給源と負荷との間で熱エネルギーを伝達する熱交換機であって、熱交換機が、供給源に関連する一次側と、負荷に関連する流体を導く二次側とを有する熱交換機を含み、流体の一部が消費されたときに熱交換機の二次側が受動逆流置換される、熱エネルギー・システムが提供される。ある態様では、熱エネルギー・システムは、負荷に関連する貯蔵タンクをさらに含んでいる。
【０００５】
一態様では、負荷は湯の供給であり、流体は水である。他の態様では、負荷は冷水の供給であり、流体は水である。
【０００６】
他の態様では、本発明の熱エネルギー・システムは、熱交換機の二次側の逆流置換を受動的に調節する逆流置換弁をさらに含んでいる。ある態様では、逆流置換弁を、流体の流速、温度、および圧力のうちの少なくとも1つによって作動させる。好ましい態様では、逆流置換弁を流体の流速によって作動させる。他の態様では、逆流置換弁は、閉じられたときにバイパス流を供給する。ある態様では、バイパス流は、流体の消費中には約1%から約20%の流速である。
【０００７】
ある態様では、供給源は、太陽熱、廃熱、地熱、工業プロセス加熱、熱ポンプ、ボイラ、および炉から選択される加熱源である。好ましい態様では、加熱源は太陽熱である。
【０００８】
本発明のさらなる態様では、供給源と負荷との間で熱エネルギーを伝達する熱交換機であって、供給源に関連する一次側と、加熱または冷却すべき流体を受け加熱または冷却された流体を出力する二次側とを有し、流体が、熱交換機の二次側を通って第1の方向に流れる熱交換機と、本流を受ける投入口と、加熱または冷却された流体および本流の流量を調節する逆流置換弁とを含み、加熱または冷却された流体の一部が消費されたときに、逆流置換弁が、本流を受動的に、熱交換機の二次側を通して、加熱または冷却された流体が流れる方向とは逆の第2の方向に送る、熱エネルギー・システムが提供される。ある態様では、バイパス流は、流体の消費中には約1%から約20%の流速である。
【０００９】
本発明のさらなる態様によれば、負荷に関連する貯蔵タンクを含む熱エネルギー・システム用のモジュールにおいて、加熱源から負荷へと熱エネルギーを伝達する熱交換機であって、加熱源から熱を受ける一次側と、加熱すべき水を受け加熱された水を負荷に出力する二次側とを有し、加熱された水が、熱交換機の二次側を通って第1の方向に流れる熱交換機と、本流を受ける投入口と、加熱すべき水および本流の流量を調節する逆流置換弁とを含み、加熱すべき水の一部が消費されたときに、逆流置換弁が、本流を受動的に、熱交換機の二次側を通して、加熱すべき水が流れる方向とは逆の第2の方向に送る、モジュールが提供される。一態様では、逆流置換弁は、閉じられたときにバイパス流を供給する。ある態様では、バイパス流は、流体の消費中には約1%から約20%の流速である。
【００１０】
本発明の他の態様では、熱エネルギー・システムにおいて熱交換機を受動的に逆流置換する方法であって、供給源と負荷との間で熱エネルギーを伝達する熱交換機であって、供給源に関連する一次側と、負荷に関連する流体を導く二次側とを有する熱交換機を設ける段階と、余分な流体の供給源を設ける段階と、流体を熱交換機の二次側を通して第1の方向に流す段階と、負荷によって流体の少なくとも一部が消費されたときに、余分な流体を受動的に熱交換機の二次側を通して第1の方向とは逆の第2の方向に流す段階とを含む方法が提供される。
【００１１】
この方法の一態様では、熱エネルギー・システムは、給湯システムである。ある態様では、加熱源は、太陽熱、廃熱、地熱、工業プロセス加熱、熱ポンプ、ボイラ、および炉から選択される。好ましい態様では、加熱源は太陽熱である。この方法の他の態様では、熱エネルギー・システムは冷水システムである。
【００１２】
一態様では、逆流置換段階を、流体の流速、温度、および圧力のうちの少なくとも1つによって作動させる。好ましい態様では、逆流置換段階を流体の流速によって作動させる。
【００１３】
本発明の各態様を以下に一例として、添付の図面を参照して説明する。
【００１４】
発明の詳細な説明
本発明によれば、熱交換機は、熱が供給または除去される一次側と、熱が得られるかまたは失われる二次側とを有している。加熱源または冷却源は、熱交換機の一次側に直接接触させても、熱交換機から離れた位置に位置させてもよい。加熱源の例には、太陽熱、廃熱（たとえば、排気）、地熱、工業プロセス加熱、熱ポンプ、ボイラ、および炉がある。冷却源の例には、冷却装置（たとえば、冷凍装置）および地供給源がある。供給源が熱交換機から離れた位置に位置している場合、供給源は、伝熱流体を介して熱交換機に結合することができる。伝熱流体は、熱交換機の二次側の管路に密に関連付けされた熱交換機の一次側の複数の管路を通って流れる。伝熱流体は、たとえば、水（たとえば、浄化、たとえば希釈された水や、廃水、たとえば工業プロセスによる水）、不凍液（たとえば、プロピレングリコール）、蒸気、冷媒、排気ガス、オイルなどであってよい。ある態様では、熱交換機の一次側は、伝熱流体（たとえば、排気ガス）が熱交換機の一次側を通過した後に単に解放される開ループを含んでいる。他の態様では、熱交換機の一次側は、伝熱流体がシステムに保持され、加熱／冷却源と熱交換機の一次側との間を循環する閉ループを含んでいる。開一次ループを有するシステムでは、伝熱流体中の不純物による熱交換機の一次側の汚染はたとえば、熱交換機のサイズを必要以上に大きくすることによって軽減することができる。閉一次ループを有するシステムでは、伝熱流体中の不純物による熱交換機の一次側の汚染を、あらゆる不純物を除去するように伝熱流体の化学的組成を調節することによって軽減することができる。
【００１５】
熱交換機の二次側も、汚染が起こりやすく、システムの性能を劣化させる最も重要な要因になりうる。熱交換機の二次側の汚染は、二次ループ内の流体が消費され補充しなければならない用途で特に頻繁に起こる。このようなシステムの例には、飲用の湯または冷水の供給、プロセス中に水を消費する、加熱または冷却された水などの流体を必要とする工業プロセスがある。これらの例の双方において、水は供給源に入り、熱交換機を汚染させる不純物（たとえば、沈殿物、鉱物、塩、その他の溶質）を運ぶ。システムに入る水は、不純物を除去するように事前に処理（たとえば、濾過）することができるが、このような事前処理は、住宅設置先および小規模の商業的設置先では実際的ではない。したがって、たとえば、住宅設置先および商業的設置先の両方における、太陽熱加熱システム、熱ポンプ・システム、および地域加熱システムのような、熱を湯として貯蔵し、かつ／または飲用の湯を供給する熱エネルギー・システムでは、熱交換時の汚染が起こりやすい。
【００１６】
本発明の一態様では、熱交換機を含む熱エネルギー・システムであって、熱交換機の二次側が受動的に逆流置換されるシステムが提供される。好ましい態様では、熱交換機の二次側は、熱交換機の二次側における流体の1つまたは複数の変数（たとえば、温度、圧力、流速）の変化に応答して受動的に逆流置換される。本発明は、熱が供給または除去される流体を消費する用途に特に適している。このようなシステムでは、熱交換機の二次側は、システムに流体が補充されるたびに受動的に逆流置換される。本発明によれば、熱交換機の受動逆流置換は、システムの通常動作であり、ユーザの介入や外部制御を必要としない。逆流置換は、日常的に短期間（たとえば、1日）内に何度も行われる。逆流置換中に、熱交換機から垢、鉱物堆積物、および沈殿物が洗浄され、したがって、熱交換機の汚染が防止される。
【００１７】
本明細書では、「熱エネルギー」という用語は、当技術分野の用語であり、加熱と冷却の両方を包含すると理解される。
【００１８】
本発明が水の加熱または冷却に限らないことが理解されよう。したがって、本明細書では本発明を主として水に対する使用に関して説明するが、本発明は他の流体に使用することができる。
【００１９】
本明細書では本発明を主として熱エネルギー・システムに関して説明するが、本発明は熱エネルギー・システムに限らない。本発明は、消費され、時折補充される流体媒体を用いるシステムなどの、システムの少なくとも一部（たとえば、フィルタ）を補充流体で逆流置換すると有利な他の用途での使用に適している。
【００２０】
一態様では、本発明による熱エネルギー・システムは、たとえば、家庭用の飲用の湯を供給する水加熱システムである。図1の態様に示されているように、一次ループは、加熱源2、および加熱源2と熱交換機4の一次側との間で伝熱流体を循環させる適切な配管または管6を含む閉ループである。ポンプ18は、伝熱流体の循環を推進するように任意に一次ループに挿入することができる。水ベースの伝熱流体（たとえば、水−プロピレングリコール溶液）を用いる態様のようなある態様では、一次ループは、伝熱流体の温度の変化に応じて伝熱流体の膨張／収縮を補償する膨張タンク（図示せず）も含んでいる。システムの二次ループは、熱交換機4の二次側と、貯水タンク8と、「T」字形管継手10と、逆流置換調節弁12とを含む。湯は、管またはチューブ16を介して貯水タンクの頂部から汲み出される。本流は「T」字形管継手10を介して二次ループに入り、管16を介して二次ループから汲み出される水を補充する。
【００２１】
本明細書では、「本流」という用語は、水道供給網または井戸などの水源からシステムに入る水を指す。本流は、加熱または冷却すべきシステムの二次ループに入る。
【００２２】
図1の態様は充填モードで示されており、すなわち、水は管16を介してシステムから汲み出されておらず、水は、「T」字形管継手10を介して二次ループに入っていない。充填モードでは、流体（この例では、水）が流れる方向は図1の矢印で示されている。この態様の動作は以下のとおりである。水が貯蔵タンク8から汲み出されていないとき、逆流置換調節弁12は開いている。水は、熱交換機4の二次側および貯蔵タンク8を通って循環し、したがって、加熱された水は弁12を通って上向きに流れ、タンクの頂部に入り、タンクの底部から熱交換機に入る。この流れは、ポンプまたは対流によって確立することができ、最も高温の湯がタンクの頂部に位置するように貯蔵タンク8を層状にする。好ましくは、流れは対流によって確立され、この場合、システムの構造が簡略化され、熱交換機の二次側の逆流置換が推進される（後述）。さらに、貯蔵タンク8内の水の混合を避けるためにこの流速は遅い（たとえば、最高で約2.5L/分）であることが好ましい。
【００２３】
水が貯蔵タンク8から汲み出されると、逆流置換調節弁12は受動的に閉じる。図2に示されているように、弁12が閉じると、本流が熱交換機4の二次側を通って貯蔵タンク8に底部から入る。さらに、熱交換機4の二次側を通る本流の流れは、加熱時（本流がシステムに引き込まれていないとき）の水の流れとは逆方向である。この逆方向の流れによって、熱交換機4の二次側の受動逆流置換が起こる。したがって、水が貯蔵タンク8から汲み出されるたびに、熱交換機4の二次側が受動的に逆流置換される。
【００２４】
水中の汚染成分の多くは、高温で沈殿する溶質（たとえば、CaCO3、Mg(OH)2、CaSiO3、CaSO4などの逆可溶塩）である（Purdyら、「会議議事録（Conference Proceedings）」, Solar Energy Society of Canada Inc.、モントリオール、1998年）。加熱されていない本流によって熱交換機4を逆流置換することによって、熱交換機4の二次側に沈殿した溶質が溶液に戻される。溶質は貯蔵タンク8に堆積し、そこで沈殿し、システムにほとんど影響を与えず、かつ／または最終的に、湯がタンクから汲み出されるときにタンクから排出される。
【００２５】
他の態様では、本発明による熱エネルギー・システムは、たとえば家庭用の飲用の冷水を供給する水冷却システムである。図3に示されているように、一次ループは、開ループであっても閉ループであってもよく、冷却源すなわち冷却装置17、および冷却装置17と熱交換機4の一次側との間で伝熱流体を循環させる適切な配管または管6を含んでいる。ポンプ18は、伝熱流体の循環を推進するように任意に一次ループに挿入することができる。水ベースの伝熱流体（たとえば、水−プロピレングリコール溶液）を用いる態様のようなある態様では、一次ループは、伝熱流体の温度の変化に応じて伝熱流体の膨張／収縮を補償する膨張タンク（図示せず）も含んでいる。システムの二次ループは、熱交換機4の二次側と、貯水タンク8と、「T」字形管継手10と、逆流置換調節弁12とを含んでいる。冷水は、管またはチューブ16を介して貯水タンクの底部から汲み出される。本流は「T」字形管継手10を介して二次ループに入り、二次ループから汲み出される水を補充する。
【００２６】
図3の態様は充填モードで示されており、すなわち、水は管18を介してシステムから汲み出されておらず、水は、「T」字形管継手10を介して二次ループに入っていない。充填モードでは、流体（この例では、水）が流れる方向は図3の矢印で示されている。この態様の動作は以下のとおりである。水が貯蔵タンク8から汲み出されていないとき、逆流置換調節弁12は開いている。水は、熱交換機4の二次側および貯蔵タンク8を通って循環し、したがって冷却された水は弁12を通って下向きに流れ、タンクの底部に入り、タンクの頂部から熱交換機に入る。この流れは、ポンプまたは対流によって確立することができ、最も低温の水がタンクの底部に位置するように貯蔵タンク8を層状にする。好ましくは、流れは対流によって確立され、この場合、システムの構造が簡略化され、熱交換機の二次側の逆流置換が推進される（後述）。さらに、貯蔵タンク8内の水の混合を避けるためにこの流速は遅い（たとえば、最高で約2.5L/分）であることが好ましい。
【００２７】
水が貯蔵タンク8から汲み出されると、逆流置換調節弁12は受動的に閉じる。図4に示されているように、弁12が閉じると、本流が熱交換機4の二次側を通って貯蔵タンク8に頂部から入る。さらに、熱交換機4の二次側を通る本流の流れは、冷却時（本流がシステムに引き込まれていないとき）の水の流れとは逆方向である。この逆方向の流れによって、熱交換機4の二次側の受動逆流置換が起こる。したがって、水が貯蔵タンク8から汲み出されるたびに、熱交換機4の二次側が受動的に逆流置換される。
【００２８】
好ましい態様では、熱エネルギー・システムは太陽熱給湯システムである。給湯システムは、図1に示されている汎用システムに非常に類似しており、加熱源2として1つまたは複数の太陽熱収集装置をさらに含んでいる。伝熱流体は、太陽熱収集装置内で加熱され、熱は熱交換機4内の水に伝達される。
【００２９】
より好ましい態様では、貯蔵タンク8は任意の標準的な市販の家庭用給湯タンク（たとえば、180リットルから450リットル）であり、システムの様々な要素（たとえば、熱交換機、逆流置換調節弁）はこのような給湯タンクに取り付けられるようになっている。一例として付録1に示すさらなる態様では、本発明は、既存の給湯タンク上に容易に設置できるモジュールであって、熱交換機と、逆流置換調節弁とを含み、ならびに1つまたは複数の循環ポンプ、伝熱流体用の1つまたは複数の膨張タンク、および電子インタフェースといった任意の他の要素を含んでいる。任意の電子インタフェースは、たとえば、システム性能に関する情報を与えることができる。本発明によるシステムを標準的な給湯タンクに使用すると、給湯タンクを補助し、したがって、水を加熱するエネルギー・コストが削減される。
【００３０】
熱交換機の有効性を最大にし、全体的なシステム効率を向上させるために、熱交換機の一次側と二次側の流速は同様であるべきである。加熱源または冷却源は、一次ループおよび二次ループにおける流速を決定する際の影響因子である。しかし、上記の態様で説明したような家庭給湯用の貯蔵タンクを用いるシステムの全体的な効率を最大にするには、タンクを層状にし、たとえば、最も高温の湯が頂部に位置するようにすると共に、流速を遅くする必要がある。
【００３１】
たとえば（付録1も参照）、本発明の好ましい態様では、代表的な住宅用途、たとえば、湯消費量が約200〜300L/日であり、270Lの給湯タンクを使用する北アメリカの世帯（最大家族5人）向けに最適化された太陽熱給湯システムが提供される。1日当たり平均8時間（480分）加熱し、かつ約3m2から6m2の太陽熱収集装置領域を用いた場合、給湯タンクを充填するための流速は約0.6L/分である。このような設置先では、総熱交換面積が約0.25m2から約1m2である熱交換機が適切である。たとえば、スウェーデンのSWEPインターナショナル（SWEP International）から市販されているステンレススチールろう付けプレート熱交換機型番号E8-20が適している。
【００３２】
したがって、本発明の好ましい態様は、従来の高流速構造に用いられる流速よりも遅い流体流速を熱交換機において利用する。本発明によれば、伝熱流体の流速は約0.5〜2.5L/分、好ましくは約0.5L/分〜1.5L/分の範囲である。熱交換機の二次側を通る流体の流速は0L/分から約2.5L/分である。熱交換機の二次側を通る最高流速は、貯蔵タンクが低温である（すなわち、充填されていない）ときに生じ、流速は、タンク内の水が加熱されるにつれて徐々に遅くなっていく。この対流は基本的に、タンクが完全に充填されたとき、すなわち、貯蔵タンク内の温度が一次ループの温度とほぼ同じになったときに停止する。たとえば、ある態様では、対流はタンク内の水が約60℃に達したときに停止する。なお、システムは、タンク内の水の最高温度に関して自己制限的である。
【００３３】
本発明による熱エネルギー・システムが、より大きな設置先またはより小さな設置先、および太陽熱給湯加熱以外の用途向けに適切にスケーリングできることが理解されよう。
【００３４】
図1に示されている汎用態様および上述の太陽熱給湯システムでは、逆流置換調節弁は通常、貯蔵タンク内の水が加熱されているときに開き、水が貯蔵タンクから汲み出されているときに閉じ、したがって、熱交換機の二次側は逆流置換される。逆流置換調節弁は、1つまたは複数のシステム変数（たとえば、温度、圧力、流速）の変化によって作動させる任意の弁であってよい。逆流置換調節弁は受動的であり、すなわち、弁を作動させるのにユーザが介入する必要がなく、自動的に作動することが好ましい。さらに、弁の作動はスケジューリングされないことも好ましい。一態様では、逆流置換調節弁は熱によって作動せられる（すなわち、流体温度の変化によって作動せられる）。たとえば、システムが飲料水を加熱するためのシステムである場合、弁は、水が高温になったとき（たとえば、約15℃以上、好ましくは約25℃以上）に開き、より低い水温になったときに閉じる。もちろん、これらの弁開閉温度は本流の温度に依存する。この例では、貯蔵タンクから湯を汲み出すと、加熱されていない本流がシステムに流入し、本流が、熱によって作動する弁に到達すると、弁が閉じ、本流は熱交換機の二次側を通って流れ二次側を逆流置換する。
【００３５】
本発明の他の局面によれば、熱エネルギー・システム用の逆流置換調節弁が提供される。好ましい態様では、逆流置換調節弁は、それを通る流体の流速によって作動させる専用の玉弁である。一般に、逆流置換調節弁は、投入口、取出し口、および弁座を有する弁体と、弁座を通過するオリフィスと、弁座に係合するボールとを含んでいる。図5に示されている一態様では、弁は、縦向きに構成されており、取出し口24および弁座26が上向きであり、オリフィス32が弁座26を通過している。ボール28は、キャビティ30内の投入口22と弁座26との間に配置されている。好ましくは、キャビティは、乱流を避けるように、それが連結された管とほぼ同じ大きさの内径を有する。図5には示されていないが、ボール28は、適切なボスなど、または止めねじ（たとえば、図7を参照されたい）をキャビティ30内に設けることによってキャビティ30内に拘束（保持）できることが理解されよう。ボール28は図5では概ね球形として示されているが、本発明では他の形状（たとえば、楕円形や卵形）が考えられることに留意されたい。弁体は、プラスチック、真鍮、銅、青銅のような任意の適切な座で作ることができる。投入口22および取出し口24は、ねじ、はんだ付けなどを介して標準的な管またはコネクタに連結できるようになっている。
【００３６】
上述のように太陽熱給湯システムに使用できるように最適化された弁では、ボール28はキャビティ30内で自由に移動することができるが、一般に、約2.5L/分よりも低い流速で沈み、したがって、弁における流速が約2.5L/分よりも低いとき、ボールは弁座26に係合しない。しかし、貯蔵タンクから水が汲み出されて本流がシステムに入るときのように流速が約2.5L/分を超えると、ボールは上昇し、弁座26に係合する。したがって、本発明の熱エネルギー・システムでは、弁によって、加熱時に熱交換機を通る最高約2.5L/分の対流が可能になる。湯が貯蔵タンクから汲み出されると、本流が比較的高い流速でシステムに入り、このような高い流速によって弁が閉じる。弁が閉じると、本流は熱交換機の二次側を通過し、それによって熱交換機が逆流置換される。もちろん、上述の流速が例示的なものであり、家庭用給湯システムにおける最高約2.5L/分の対流速に基づく流速であることが理解されよう。システム／弁は、以下に検討するように他の流速向けに構成することができる。
【００３７】
弁が閉じる流速に影響を与える因子には、弁のキャビティの直径、弁座内のオリフィスの直径、ボールの直径／サイズ、ボールの密度、ボールに付着する気泡の有無が含まれる。ボールは気泡が存在してもしなくても同じ閉流速を実現することが好ましい。たとえば、弁が流速約1.5L/分（気泡あり）で閉じるようにボールの密度を選択すると、弁は表1に示されている流速で閉じ、ボールに気泡が付着することはない。
【００３８】
（表１）  弁閉流速に対するボールの直径および気泡の影響
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ボールの直径（およびそれに対応してキャビティの直径）が大きくなるにつれて、ボールに付着する気泡が存在するときと存在しないときとの、弁を閉じるのに必要な流速の差が大きくなる。したがって、互いに適度に近い（気泡が存在するときと存在しないときの）弁閉流速を得るには小さなキャビティ直径およびボール直径が必要である。
【００３９】
流速の関数としてのキャビティおよび弁座の直径の差による弁の圧力降下もシステム性能に影響を与える。一般に、ボールの直径が大きくなるか、または弁座を通るキャビティまたはオリフィスの直径が小さくなるにつれて、弁全体の圧力降下が大きくなる。さらに、ボールの直径が大きくなるにつれて、気泡を付着させるのに利用できる表面積が大きくなり、気泡が増えることによってボールの有効密度が低下する。したがって、弁構造は、受け入れられる圧力降下と十分な弁性能（すなわち、弁が作動する流速）との兼ね合せを表す。
【００４０】
したがって、最適な弁特性を得るには、圧力降下と閉流速との兼ね合いをとるべきである。図5および6に示されている態様は、これらの変数が標準的な3/4インチ配水管を用いる代表的な住宅設置先向けに最適化された弁の例である。これらの態様では、キャビティ直径は約16mm（約0.63インチ）であり、弁座直径は約9mm（約0.35インチ）であり、弁座角度は弁の長手方向軸に対して約45°であり、ボールの材料は、密度が約1400kg/m3で直径が約11mm（すなわち、キャビティの直径よりも約5mm小さい）のDelrin(商標)である。もちろん、これらの寸法は、任意の用途および望ましい閉流速に適用するように調整することができる。密度が約1550kg/m3のTflon(商標)のような、密度が約1200kg/m3から約1600kg/m3の他のボール材料も適している。図6に示されている態様は、「T」字形継手、すなわち、流体本流に連結される第3のポート38として構成されていることに留意されたい。図5および6の態様はどちらも、キャビティ内にボールを拘束（保持）する構成は示していない。しかし、そのような態様も、上述のように本発明によって提供される。
【００４１】
他の態様では、逆流置換弁がバイパス流、すなわち、ボールが配置されたとき（すなわち、弁が閉状態のとき）に弁を通る流れを供給し、閉状態の弁全体の圧力差を小さくする。バイパス流は、弁を閉じることによって起こる機械的衝撃を軽減し、関連するシステムにおいて「水撃作用」を生じさせる可能性のある圧力波を無くす。この状況は、弁が本流入口の近くに位置するとき場合に特に起こりやすい。たとえば、本流圧力が1平方インチ当たり約40ポンド（PSI）である代表的な太陽熱家庭給湯システムでは、公称湯汲出し流速の約1%から約20%、好ましくは約2%から約10%、より好ましくは約5%から8%のバイパス流速が適している。湯汲出し流速に対するバイパス流速の割合が小さいとき、貯蔵タンクから供給される湯の温度に対するバイパス流の影響が少ないことが理解されよう。しかし、バイパス流速が速くなるにつれて、貯蔵タンクから汲み出される湯の冷却の度合いが増していく。したがって、バイパス流速をできるだけ低く維持することが好ましい。
【００４２】
バイパス流は、たとえば弁内、弁座上、または弁座の近くに鋳込むかまたは切削された適切なリッジまたは溝によって供給することができる。図7に示されている一態様では、バイパス流は、弁26の弁座に、流体流の方向に実質的に平行な方向に形成された小さい穴40（たとえば、直径約1〜1.5mm）によって供給される。このようなバイパス穴は、ボール28が配置されたときに少量の流体流が弁を通過するのを可能にすることが理解されよう。たとえば、本流圧力が1インチ当たり約40ポンド（PSI）であるとき、バイパス穴は、公称湯汲出し流速の約5%から約10%のバイパス流速を実現する。このような割合の流れは、貯蔵タンクから供給される湯の温度に対する影響が少なく、たとえば、1mmのバイパス穴の場合40PSIで4℃未満である。図7には、ボール28を弁内に保持する止めねじ42も示されている。
【００４３】
他の態様では、逆流置換弁が反転され、貯蔵タンクの頂部に設置される。この構成では、弁座26および取出し口24が下向きになる。したがって、ボール密度は、ボールが一般に、最高約1.5L/分から約2.5L/分の流速で浮動するが、それよりも速い流速で下降して弁座に係合するように選択される。
【００４４】
本発明をさらに以下の非制限的な例を介して説明する。
【００４５】
使用例
実施例1  受動逆流置換熱交換機の実験評価
受動逆流置換弁の動作を調査するために、各ループが、450L貯蔵タンクに連結された、上述のような熱交換機を有する、2つの互いに平行な自然対流ループを含む試験装置を構成した。これらのループは、本発明による受動逆流置換調節弁を一方のループ内に設置し、他のループを弁の利点なしに動作させたことを除いて同一である。両方のループ内に同じ流速および入口温度が維持されるように各熱交換機の一次側に同じ供給源から湯（60℃）を供給した。逆流置換弁を有するループの場合、水を貯蔵タンクの底部から汲み出し、この水を用いて熱交換機を1時間間隔で3分から4分にわたって逆流置換した。熱交換機ループ内の加熱された水と貯蔵タンク内の冷却された水との間に存在する密度差のために生じる自然対流によって、両方の熱交換機の二次側における流れ循環を駆動した。汚染試験を加速するために、タンクの水を最初、CaCO3、CaSiO3、およびMg(OH)2で飽和させた。5ヶ月の試験期間中、68.5gのCaCO3を間隔を置いて3回添加した。この量によって、タンクの水は飽和されたCaCO3溶液になった。
【００４６】
5ヶ月にわたる連続的な試験の後で、システムを停止し、両方の熱交換機を試験した。受動逆流置換弁を有する熱交換機を観測したところ、熱交換機の二次側の流路はきれいであり、残渣や詰まりがないことが分かった。さらに、熱交換機全体の圧力降下および関連する温度は、試験の開始時に観測された圧力降下および温度と一致した。受動逆流置換弁を有さないループから熱交換機を取り外すと、熱交換機の二次側に大量の固形沈殿物が発見され、したがって、流路は事実上詰まっていた。この状況に応じて、熱交換機の二次側全体の圧力降下は、試験の開始時の圧力降下よりもずっと大きく、逆流置換された熱交換機の圧力降下よりも大きかった。温度データを検討したところ、受動逆流置換弁を有さない熱交換機全体の熱伝導率は著しく低下したことが分かった。
【００４７】
したがって、この結果から、水組成物および温度の条件が同一である場合、逆流置換を行わない熱交換機はCaCO3沈殿物で著しく汚染され、一方、本発明の受動逆流置換弁を備える熱交換機では、それほどの汚染が起こらず、最初の設置時の動作が継続することが分かった。
【００４８】
実施例2  受動逆流置換システムの動作
本発明による受動逆流置換システムの動作を示すために、典型的な用途（すなわち、太陽熱家庭給湯システム（SDHW））において典型的な湯汲出し時の流体温度を記録する温度センサを設けた。図8に示されているように、加熱された水を貯蔵する貯蔵タンク8と、貯蔵タンクの底部から熱交換機4の二次側を通して貯蔵タンクの頂部まで連結された自然対流ループと、本流入口「T」字形継手10と、図5に示されているのと同様の受動逆流置換弁12とでシステムを構成した。熱交換機の一次側から入った流体は、太陽熱収集装置2によって約70℃の公称温度に加熱される。試験中、熱交換機ループの二次側の特定の位置（T1〜T4と指定されている）で温度を測定した。図9に示されているデータは、出口16を介して貯蔵タンクの頂部から湯を汲み出す前、汲み出している間、および汲み出した後の時間間隔から成る期間にわたって記録された。図8には、汲出しモードに関する方向矢印が示されている。
【００４９】
T1の温度は、湯がシステムから汲み出される前に、冷水が貯蔵タンクの底部から熱交換機に16℃で入り、47℃まで加熱されたことを示した。熱交換機のこの側における公称流速は、この時点で1/L/分であり、水の加熱による浮力（たとえば、自然対流）によってもたらされる。汲出しの開始時に、貯蔵タンクの頂部から湯を取り出し、それによって、低温の「本流」を、二次ループ内の熱交換機よりも上に位置する「T」字形継手10に流入させた。この時点でのシステムへの水の流れによって、逆流置換弁12が閉じ、流れの方向が反転し、低温の本流は、熱交換機を通って、加熱時（汲出しの前）の方向と逆の方向に流れた。システム内の本流の流量は、加熱モードで生じた自然対流の約3.5倍であった。汲出し期間中に、「T」字形継手および逆流置換弁（T2およびT3）よりも下方の温度は、冷水の流入のために本流の温度まで低下した。貯蔵タンクから熱交換機への入口の温度は、汲出しの前は低かったが、汲出し中（すなわち、熱交換機の逆流置換中）にわずかに高くなった。この温度の上昇は、本流が熱交換機を通って加熱モードとは逆方向に流れたときに本流が加熱されたことによるものである。本流の温度上昇は、熱交換機内を通る本流の方が流速が速いため、自然対流駆動流の温度上昇よりも小さかった。
【００５０】
図9に示されているデータは、約3分の汲出し期間に対応する。汲出し期間の終了時に、システムからの水の取出しを停止させ、システムへの本流の流れが停止した。この時点で、逆流置換弁を再び開き、貯蔵タンクからの水の自然対流を再開した。データは、対流の約90%が30秒以内に再確立されたことを示している。このように自然対流が再確立されたため、逆流置換弁よりも下方のより低温の水が対流ループから貯蔵タンク内に押し出されたときの二次ループの頂部（T4）における温度の低下はわずかであった。
【００５１】
すべての引用文献および付録1の内容は参照として本明細書に全体的に組み入れられる。
【００５２】
当業者には、本明細書で説明した態様および実施例の変形例が認識され、または日常的な実験を通じて確認できよう。そのような変形例は、本発明の範囲内のものであり、添付の特許請求の範囲に及ぶことが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】充填モードで示されている、本発明による汎用熱エネルギー加熱システムのブロック図である。
【図２】逆流置換モードで示されている、本発明による汎用熱エネルギー加熱システムのブロック図である。
【図３】充填モードで示されている、本発明による汎用熱エネルギー冷却システムのブロック図である。
【図４】逆流置換モードで示されている、本発明による汎用熱エネルギー冷却システムのブロック図である。
【図５】本発明による逆流置換弁の概略図である。
【図６】本発明による逆流置換弁の概略図である。
【図７】本発明による逆流置換弁の他の態様の概略図である。
【図８】動作時に流体の温度を測定する温度センサを有する、本発明による熱エネルギー・システムの概略図である。矢印は、逆流置換時の流れ方向を示している。
【図９】3分間の汲出しの前、間、および後の、図8のシステムによって得られた水温を示すプロットである。
【００５４】
付録1
βモデル・ターゲット製品の特徴
βモデルA（予熱SDHWシステム）
3人から4人家族の住宅における新規設置用途または交換用途に適している。個別の電熱器またはガス補助ヒータに用いるようになっている。
このユニットは、2つの薄い（厚さ4.5cm）太陽熱収集装置で構成された太陽熱アレイ領域を備えている。
任意のエネルギー節約デジタル表示を利用して、システムによって収集された太陽熱エネルギーを示すと共に、システムの温度をユーザに報告することができる。
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太陽熱アレイ：2つの4'x8'収集装置（パラレル・ライザーおよびプロトタイプ・ケース）
ポンプ：Eckerle Ind.、ESP-80、AC120V太陽熱ポンプ
コントローラ：Helitrope Generalコントローラ、モデルDTT-84、AC120V
伝熱流体：抑制プロピレングリコール（50/50%水混合物）
貯蔵タンク：60 Impガロン（270L）予熱貯蔵タンク（Rheemモデル612またはRR620）
膨張タンク：Custom 1.2L（ブラダーレス）s.s.膨張リザーバ
熱交換機：SWEP E8x20ろう付けプレート、ステンレススチール
一体逆流弁
エネルギー計／表示
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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