(57)【要約】【課題】膨張タンクの設置位置が液封入系と同じレベルであっても該液封入系の圧力変動を効率よく吸収できる膨張タンクシステムの提供。【構成】液封入系に連通する膨張タンク１は上部に空間部４が形成され下部に液貯蔵部５が形成される。加圧気体補給手段８を空間部４に直接連通し、または加圧気体補給手段８を備えた加圧気体タンク７を空間部４に連通し、液貯蔵部５に先端が大気開放された液ヘッド管１２を連通するか、または先端が大気開放された液ヘッド管１２を前記加圧気体タンク７にマノメータ管３０を介して連通する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液封入系の圧力変動を抑制するため、上部に空間部４が形成され下部に液貯蔵部５が形成される膨張タンク１を液封入系に連通した膨張タンクシステムにおいて、加圧気体補給手段８を前記空間部４に直接連通し、または加圧気体補給手段８を備えた加圧気体タンク７を前記空間部４に連通し、先端が大気開放された液ヘッド管１２を前記液貯蔵部５に連通するか、または先端が大気開放された液ヘッド管１２を前記加圧気体タンク７にマノメータ管３０を介して連通したことを特徴とする膨張タンクシステム。
【請求項２】
請求項１において、前記マノメータ管３０と液ヘッド管１２の接続部に液貯蔵タンク３２を設けたことを特徴とする膨張タンクシステム。
【請求項３】
請求項２において、前記液貯蔵タンク３２に液の蒸発を防止するためのシール液を補給するシール液補給手段４０を設けたことを特徴とする膨張タンクシステム。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかにおいて、前記液ヘッド管１２にオーバフロー管１４を接続したことを特徴とする膨張タンクシステム。
【請求項５】
請求項４において、前記オーバフロー管１４にオーバフロー液の回収手段１６（４４）を設けたことを特徴とする膨張タンクシステム。
【請求項６】
前記１ないし５のいずれかにおいて、少なくとも前記膨張タンクおよび加圧気体タンク７の外側に保温手段２０を設けたことを特徴とする膨張タンクシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱交換システムなどの液封入系の圧力変動を抑制するため、上部に空間部が形成され下部に液貯蔵部が形成される膨張タンクを液封入系に連通した膨張タンクシステムに関し、特に液封入系の液圧が高い場合でも膨張タンクを高所に設置する必要のない膨張タンクシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
タンクや配管系統、またはそれらの複合体が、水やその他の液を封入した熱交換システムなどの液封入系を構成する場合、液の温度が変化すると系統内の液体が膨張、収縮する。液封入系の体積変動が大きく、特に温度が上昇すると液体は非圧縮系流体のため、配管、機器の体積を越えて膨張し、これらを損傷させて流出するという問題が生じる。そこで従来から、上部に空間部が形成され下部に液貯蔵部が形成される膨張タンクを液封入系に連通し、体積変動をその膨張タンクで吸収する方法が採用されている。
【０００３】
図４は従来の膨張タンクシステムのプロセスフロー図である。膨張タンク１は液封入系２より高所に設置され、両者の間は液管３で連通される。膨張タンク１は密閉型とされ、その上部に空間部４が形成され、下部に液貯蔵部５が形成される。高い位置であればある程Ｈの部分のヘッド圧が液封入系２にかかり、液封入系２の沸騰温度が高くなるため、液体で使用できる温度範囲が広くなるという効能を有する。
【０００４】
液封入系２の温度が平常なときは、膨張タンク１の液面は液封入系２の温度による膨張量とバランスする位置（液面ａ）に上昇する。すなわち液体は非圧縮流体であるので自由膨張する高さに上昇し、圧力で抑えることは出来ない。温度上昇等により液体が膨張して膨張タンク１に液が液封入系２から流入すると液面ｂまで上昇し、逆に液封入系２の温度が低下すると液体は収縮するため膨張タンク１の液は液封入系２に流出して液面ｃまで下降し、これら動作の繰り返しにより液封入系２の液体膨張、収縮変動が吸収される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし液封入系２の使用温度が高く、通常の圧力で沸騰してしまうような場合は、それに応じて液ヘッドＨも大きくして液体の沸騰を抑える必要があり、膨張タンク１の設置位置は高くなる。膨張タンク１は例えば鉄骨架構の上に設置されるが、膨張タンク１の設置位置を高くするほどその建設コストは大きくなる。また設置位置の高さが大きいと地震や強風にも弱くなるのでその対策も必要になる。
【０００６】
そこで本発明は、このような従来の温度の高い条件で動作する熱交換システムなどの液封入系の膨張タンクシステムにおける問題を解決することを課題とし、そのための新しい膨張タンクシステムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決する本発明は、液封入系の圧力変動を抑制するため、上部に空間部が形成され下部に液貯蔵部が形成される膨張タンクを液封入系に連通した膨張タンクシステムにおいて、加圧気体補給手段を前記空間部に直接連通し、または加圧気体補給手段を備えた加圧気体タンクを前記空間部に連通し、先端が大気開放された液ヘッド管を前記液貯蔵部に連通するか、または先端が大気開放された液ヘッド管を前記加圧気体タンクにマノメータ管を介して連通したことを特徴とする（請求項１）。
【０００８】
上記システムにおいて、前記マノメータ管と液ヘッド管の接続部に液貯蔵タンクを設けることができる（請求項２）。
【０００９】
上記液貯蔵タンクを設ける場合において、その液貯蔵タンクに液の蒸発を防止するためのシール液を補給するシール液補給手段を設けることができる（請求項３）。
【００１０】
上記いずれかのシステムにおいて、前記液ヘッド管にオーバフロー管を接続することができる（請求項４）。
【００１１】
上記オーバフロー管を設ける場合において、そのオーバフロー管にオーバフロー液の回収手段を設けることができる（請求項５）。
【００１２】
さらに上記いずれかのシステムにおいて、少なくとも前記膨張タンクおよび加圧気体タンクの周囲に保温手段を設けることができる（請求項６）。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面により説明する。図１は本発明に係る膨張タンクシステムのプロセスフロー図である。本システムに用いられる膨張タンク１は図４に示したものと同様に、上部に空間部４が形成され下部に液貯蔵部５が形成される。そして膨張タンク１の底部は液管３により熱交換システムなどの液封入系（図示せず）と接続され、該液管３には必要に応じて開閉弁３ａが設けられる。
【００１４】
膨張タンク１の空間部４に加圧気体タンク７が加圧気体管６を介して連通している。加圧気体タンク７は液封入系の圧力に比例した圧力の加圧気体を貯蔵すると共に、空間部４のバッファータンクとして機能する。この加圧気体タンク７には加圧気体補給手段８が設けられ、その加圧気体補給手段８から随時加圧気体を補給できるようになっている。加圧気体補給手段８は空気圧縮装置等の加圧気体発生手段９と加圧気体タンク７を接続する加圧気体補給管１０と開閉弁１１を有し、開閉弁１１を開けることにより加圧気体発生手段９からの加圧気体が加圧気体タンク７に補給される。なお加圧気体タンク７を介さず、膨張タンク１の空間部４と加圧気体補給手段８を直接連通し、加圧気体補給手段８から空間部４に直接加圧気体を供給することもできる。
【００１５】
膨張タンク１の液貯蔵部５には先端が大気開放された液ヘッド管１２が連通する。液貯蔵部５から液ヘッド管１２に接続する部分に開閉弁１２ａが設けられ、それから先の液ヘッド管１２は途中で上方に立ち上げられ、その立ち上がり部分の先端はベント管１３によって大気に開放されている。また液ヘッド管１２にはそのベント管１３との接続部分から分岐して下方に延長するオーバフロー管１４が連通し、液ヘッド管１２のヘッド液１５をオーバフローできるようになっている。さらに、オーバフロー管１４の先端はオーバフロー液の回収手段１６に開口しており、その回収手段１６は回収槽１７と、その底部に連通する回収管１８と、回収管１８に配置した開閉弁１９を備えている。
【００１６】
本発明に係る膨張タンクシステムが設置される環境の温度が大幅に変動するような場合は、熱交換システムなどの液封入系の温度変動による膨張、収縮の変動吸収作用が、ガス部分の温度変動に伴うガス圧力変動によって影響を受けることがある。そのような場合には、少なくとも膨張タンクシステムを構成する主要部分である膨張タンク１および加圧気体タンク７の周囲に、点線で示すような断熱被覆層などで構成した保温手段２０を設けることが望ましく、更にそれ以外の液管３、加圧気体管６および液ヘッド管１２等の周囲にも保温手段２０を設けることがより望ましい。
【００１７】
次に、図１に示す膨張タンクシステムにおける液封入系の膨張、収縮変動の吸収作用について説明する。先ず開閉弁３ａと開閉弁１２ａを閉じた状態で加圧気体補給手段８の開閉弁１１を開け、加圧気体発生装置９からの加圧気体を加圧気体タンク７に補給する。加圧気体タンク７に設けた圧力計（図示せず）により加圧気体タンク７の圧力を規定値にする。
具体的には膨張タンク１の設置位置が液封入系と同じレベルであっても、開閉弁３ａにかかる圧力はヘッドＬ分だけ大気圧より高くできるので、簡単に沸騰を起こさない温度使用領域の広い熱交換システムなどの液封入系を実現できる。
【００１８】
開閉弁３ａを開けて膨張タンク１を図示しない液封入系に連通した状態で、液封入系のシステムの温度が上昇すると、液封入系に満たされている水などの液は膨張して液管３内を上昇し膨張タンク１の液貯蔵部５に流入する。そして膨張タンク１の液面は上昇した液の圧力（液封入系の圧力）と空間部４の圧力がバランスする位置（液面ａ）で安定する。
【００１９】
開閉弁１２ａは開いているので、液貯蔵部５の液の一部が液ヘッド管１２に流出し、その立ち上がり部分にヘッド液として上昇する。この上昇（または下降）は数ｍ変動しても一向に差し支えない。なお液貯蔵部５から流出した液の補給は液管３から自動的になされる。立ち上がり部分のヘッド液１５は膨張タンク１における空間部４の圧力と立ち上がり部分の液ヘッド（液頭圧）がバランスする位置まで上昇し、液面ｄを形成して安定化する。
【００２０】
その際、膨張タンク１の液面ａから立ち上がり部分の液面ｄまでの高さＬが有効ヘッドになり、この有効ヘッドは空間部４の圧力とバランスする。熱交換システムなどの液封入系のシステムにおける温度が１００℃を越えても、上記圧力ヘッドがかかっているため容易には沸騰しない。つまり液封入系のシステムの温度使用領域を広くできる膨張タンクシステムが、膨張タンクを低い位置に置いて実現できる。
【００２１】
液封入系の温度が平常なときに膨張タンク１は液面ａで安定化し、液封入系の温度が上昇すると液体は膨張して液面ｂまで上昇し、逆に液封入系２の温度が低下すると液体は収縮するので液面ｃまで下降する。なお、加圧気体の空間容積は膨張タンク１の空間部４の容積と加圧気体タンク７の容積の合計であるが、液封入系の温度が上昇または下降したときの液体の膨張、収縮による空間容積の収縮容量または膨張容量は十分に取っておくことにより、液封入系の温度変動がかなり大きくても、膨張タンク１のガス圧変動を十分に小さく抑えることができる。従って膨張タンク１はその容積をかなり小さく設計できると共に、液ヘッド管１２の液面変動を小さく抑えることができる。勿論、本システムでは数ｍの変動は十分に許容する。
【００２２】
一方、液ヘッド管１２の立ち上がり部分の液面は、膨張タンク１が液面ａになっているときには液面ｄで落ち着いているが、液封入系の温度変動による液体の膨張、収縮により、液面ｂまたは液面ｃになるとそれに応じて液面ｅに上昇またはｆに下降する。そしてこれら液面変動により液封入系の圧力膨張を効果的に吸収する。なお液ヘッド管１２の立ち上がり部分の液面変動は前記のように水柱で数ｍ程度を許容し、温度上昇して膨張したときのヘッドにより液封入系のシステムの沸騰を抑える方向に動作する。
【００２３】
次に、例えば液封入系のヘッド圧を考慮しても、液が沸騰して一部が蒸発する場合のように液封入系が異常に膨張したときは、その体積増大を吸収するために液管３から大量の液または気液混合物が膨張タンク１に流入し、余剰な液等が液ヘッド管１２の立ち上がり部分からオーバフロー管１４に排出する。このオーバフロー液は回収手段１６に回収され、適宜その開閉弁１９を開けて外部に排出される。なお液封入系の液が水である場合は、オーバフロー液をそのまま外部の排水系に排出してもよいが、不凍液などの場合は回収系または排水処理系などに排出する。この系統は常に大気開放されており密閉にはなっていないので、異常に圧力上昇するのを防ぐ極めて構造的に安全なシステムになっている。
【００２４】
図２は図１の変形例である。この実施形態が図１の例と異なる部分は、液ヘッド管１２が膨張タンク１ではなく加圧空気タンク７に連通している点で、その他は同じように構成される。従って同じ部分には同一符号を付し、重複する説明は可能な限り省略する。
液ヘッド管１２はマノメータ管３０を介してマノメータを形成するように加圧気体タンク７に連通し、そのマノメータ管３０に開閉弁３１を設け、さらにマノメータ管３０と液ヘッド管１２の接続部に液貯蔵タンク３２を設けている。なお場合によっては液貯蔵タンク３２を省略することもできる。
【００２５】
次に図２に示す膨張タンクシステムにおける液封入系の温度変動による膨張、収縮の吸収作用について説明する。図１について説明した方法により、加圧気体補給手段８から加圧気体タンク７と膨張タンク１に所定圧力の加圧気体を補給する。次にマノメータ管３０の開閉弁３１を開け、さらに液ヘッド管１２にはヘッド液１５として水を補給する。
【００２６】
液ヘッド管１２に水を補給するには、例えばタンク３２に図示しない弁をつけた給水配管より水を注入する方法などがある。またベント管１３または液ヘッド管１２の立ち上がり部分に細い分岐管と開閉弁を備えた液補給手段（図示せず）を設け、その液補給手段から水を補給してもよい。なおヘッド液１５の補給量は液貯蔵タンク３２の中間高さ程度までとする。また液ヘッド管１２への水補給操作に際して加圧気体タンク７の圧力が規定値より低下した場合には、加圧気体補給手段８により加圧気体を適宜補給する。
【００２７】
次に開閉弁３ａを開けて液封入系と膨張タンク１とを導通状態にする。液封入系の温度が平常値の場合、膨張タンク１は液面ａに落ち着き、液貯蔵タンク３２のヘッド液１５は圧力バランスから平常レベルの液面ｇになり、さらに液ヘッド管１２の立ち上がり部分も平常レベルの液面ｄになる。
【００２８】
一方、液封入系の温度が平常値より上昇して液体が膨張したときは、膨張タンク１は液面ｂに上昇し、それに応じて液貯蔵タンク３２は液面ｉまで下降し、液ヘッド管１２の立ち上がり部分は液面ｅに上昇して全体がバランスする。逆に液封入系の温度が平常値より下降したときは、膨張タンク１は液面ｃに下降し、それに応じて液貯蔵タンク３２は液面ｈに上昇し、液ヘッド管１２の立ち上がり部分は液面ｆまで下降して全体がバランスする。なお液貯蔵タンク３２の液面変動は図１の例より小さくなる。また液体が膨張してヘッドが上昇したときには、その圧力効果により沸騰の起こりにくい状態にできる。なお図面にはｅ，ｄ，ｆ等の動きは小さく表現されているが、実際には数ｍ程度動いてもよい。
【００２９】
図２の実施形態によれば、液ヘッド管１２のヘッド液１５が液封入系の液と分離しているので、例えば液封入系の液が不凍液や他の化学物質を含む溶液の場合にも、ヘッド液１５として水を使用できる。例えば液封入系の温度が異常に上昇して沸騰などが生じる場合、その液の一部が膨張タンク１を経て加圧気体タンク７に侵入することにより、液ヘッド管１２の水の一部がオーバフロー管１４から自然にオーバフローするので、圧力が異常に高くなる心配はない。そしてその場合にはオーバフロー水はそのまま外部に排出できる。一方、液ヘッド管１２のヘッド液１５として水より高密度の液体を使用することができるが、その場合には、ヘッド液１５の密度に比例して液貯蔵タンク３２の液面変動や液ヘッド管１２の立ち上がり部分の液面高さを低く設けることができる。
【００３０】
図２の実施形態のように、マノメータ管３０と液ヘッド管１２の接続部分に液貯蔵タンク３２を設けると、加圧気体タンク７の圧力が異常に低下した場合などには、液ヘッド管１２のヘッド液１５は加圧気体タンク７側に逆流しようとするが、液貯蔵タンク３２のバッファー作用により僅かな液面変化として吸収でき、この部分の動作が遅いので、ヘッド液が液封入系に逆流することはない。
【００３１】
図３は図２の変形例である。この実施形態が図２の例と異なる部分は、液貯蔵タンク３２の液が徐々に蒸発（若しくは揮発）することを防止するためのシール液の補給をするシール液補給手段４０を設けたこと、およびオーバフロー管１４からのオーバフロー液を回収する回収手段４４として回収タンクを設けた点で、その他は同じように構成されている。従って同じ部分には同一符号を付し、重複する説明は可能な限り省略する。
【００３２】
本実施形態では液ヘッド管１２のヘッド液１５として、例えば水銀やフロン液などの高密度液を使用する。このような高密度液を使用ことにより単位高さあたりのヘッドが大きくなるので、液ヘッド管１２の立ち上がり部分の高さを低くできる。しかしそのような高密度液は蒸発しやすいものが多く、その一部が加圧気体タンク７側及び大気側に蒸発することを防止するために、液貯蔵タンク３２のヘッド液の上面および液ヘッド管１２の上部にシール液層４３を形成する。
【００３３】
このようなシール液層４３を形成するには、前記のシール液補給手段４０または、ベント管１３若しくはそれに付けた配管などを使用する。シール液補給手段４０は補給管４１と開閉弁４２により構成され、その開閉弁４２を開けることによりシール液、例えばシール水が液貯蔵タンク３２に上方から注入される。なお本実施形態では液ヘッド管１２の立ち上がり部分の液面上にもシール液層４３を形成し、ヘッド液１５がベント管１３から蒸発することを防止している。この部分のシール液層４３の形成は、例えばベント管１３からシール液を注入することにより行うことができる。また、万一ヘッド液１５がオーバフロー管１４からオーバフローした場合には、そのオーバフロー液を回収手段４４に回収する。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように本発明の膨張タンクシステムは、加圧気体補給手段を前記空間部に直接連通し、または加圧気体補給手段を備えた加圧気体タンクを前記空間部に連通し、先端が大気開放された液ヘッド管を膨張タンクの液貯蔵部に連通するか、または先端が大気開放された液ヘッド管を前記加圧気体タンクにマノメータ管を介して連通したことを特徴とする。
【００３５】
上記システムによれば、加圧気体タンクにより膨張タンクの圧力を液封入系の温度上昇に応じたレベルにすることができる。また、マノメータ加圧効果により使用流体の沸騰を抑えることができるので、膨張タンクに繋がった温度使用範囲の広い液封入系システムとすることができる。そのため従来のように、膨張タンクの設置位置を液封入系の圧力に応じて高くする必要がなく、液封入系と同じ高さであっても液封入系の通常では沸騰を起こすような温度変動を、沸騰を起こさずに液体の状態で吸収することができる。
【００３６】
そのため膨張タンクの設置架構等を高くした場合の地震や強風対策も必要ない。また加圧気体タンクは膨張タンクのバッファータンクとして作用するので、その分だけ膨張タンクの容量を小さくすることもできる。さらに、液封入系が異常に温度上昇して沸騰膨張した場合には、自然に液ヘッド管を上昇してヘッド液が外部に流出できるので、決して異常に圧力が上昇することのない極めて安全なシステムを構成できる。
【００３７】
上記システムにおいて、前記マノメータ管と液ヘッド管の接続部に液貯蔵タンクを設けることができる。このような液貯蔵タンクを設けると、ヘッド液に対するバッファー作用と共に、加圧気体タンクの圧力が異常に低下した場合にも、液ヘッド管のヘッド液が加圧気体タンク側に逆流することを防止できる。
【００３８】
上記液貯蔵タンクを設ける場合において、その液貯蔵タンクに液の蒸発を防止するためのシール液を補給するシール液補給手段を設けることができる。このようなシール液補給手段を設けることにより、液ヘッド管やその立ち上がり部分のヘッド液が蒸発し易い場合に、液貯蔵タンクや液ヘッド管の液面上にシール液補給手段からシール液を供給してシール液層を形成し、それによってヘッド液が加圧気体タンク側や環境に蒸発して少なくなることを防止できる。
【００３９】
上記いずれかのシステムにおいて、前記液ヘッド管にオーバフロー管を接続することができる。このようなオーバフロー管を液ヘッド管に接続することにより、例えば液封入系の圧力が異常に上昇した場合などに、液ヘッド管のヘッド液がベント管等の大気開放部から外部に排出することを防止できる。
【００４０】
上記オーバフロー管を設ける場合において、そのオーバフロー管にオーバフロー液の回収手段を設けることができる。このような回収手段を設けることにより、オーバフロー管からオーバフロー液として排出するヘッド液を別途回収もしくは処理することができる。
【００４１】
さらに上記いずれかのシステムにおいて、少なくとも前記膨張タンクおよび加圧気体タンクの周囲に保温手段を設けることができる。このような保温手段を設けることにより、膨張タンクシステムが設置される環境の温度が大幅に変動するような場合に、その温度変動が液封入系の膨張、収縮の吸収作用に影響を及ぼすことを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る膨張タンクシステムのプロセスフロー図。
【図２】図１の変形例のプロセスフロー図。
【図３】図２の変形例のプロセスフロー図。
【図４】従来の膨張タンクシステムのプロセスフロー図。
【符号の説明】
１  膨張タンク
２  （熱交換システムなどの）液封入系
３  液管
３ａ  開閉弁
４  空間部
５  液貯蔵部
６  加圧気体管
７  加圧気体タンク
８  加圧気体補給手段
９  加圧気体発生手段
１０  加圧気体補給管
１１  開閉弁
１２  液ヘッド管
１２ａ  開閉弁
１３  ベント管
１４  オーバフロー管
１５  ヘッド液
１６  回収手段
１７  回収槽
１８  回収管
１９  開閉弁
２０  保温手段
３０  マノメータ管
３１  開閉弁
３２  液貯蔵タンク
４０  シール液補給手段
４１  補給管
４２  開閉弁
４３  シール液層
４４  回収手段
ａ〜ｉ  液面
Ｈ，Ｌ  ヘッド
【図１】
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【図２】
2004332963.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004332963.tif 000006