JP6065212B2 - 給水加温システム - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプを用いた給水加温システムに関するものである。

従来、下記特許文献１に開示されるように、ボイラ（２４）の給水タンク（２３）への給水を、ヒートポンプ（１２）を用いて加温できるシステムが知られている。また、出願人は、この従来技術に比べてヒートポンプの効率をさらに向上した給水加温システムを提案し、既に特許出願を済ませている（特願２０１２−７９１９１）。

この出願中の給水加温システムは、ヒートポンプと給水タンクとを備え、給水路を介した給水タンクへの給水は、サイクル外熱交換器（廃熱回収熱交換器）、過冷却器および凝縮器を順に通される。サイクル外熱交換器は、給水路を介した給水タンクへの給水と、蒸発器を通過後の熱源流体との間接熱交換器であり、過冷却器は、給水路を介した給水タンクへの給水と、凝縮器から膨張弁への冷媒との間接熱交換器である。給水路を介した給水タンクへの給水中、ヒートポンプを運転すると共に、ヒートポンプの凝縮器の出口側水温を設定温度に維持するように、凝縮器への通水量を調整するのが好ましい。

特開２０１０−２５４３１号公報（図２、図３）

しかしながら、熱源流体は、ヒートポンプの蒸発器を通された後、サイクル外熱交換器に通される。言い換えれば、サイクル外熱交換器において給水を加温するための流体は、ヒートポンプの熱源として利用されて温度低下した後、サイクル外熱交換器に供給される。そのため、サイクル外熱交換器において、給水の加温を十分に行えないおそれがある。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、ヒートポンプを用いた給水加温システムにおいて、ヒートポンプへの給水をサイクル外熱交換器において所望に加温でき、それによりヒートポンプの効率を向上することにある。

本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器が順次環状に接続されて冷媒を循環させ、前記蒸発器に通される熱源流体から熱をくみ上げ、前記凝縮器に通される水を加温するヒートポンプと、サイクル外熱交換器、過冷却器および前記凝縮器を順に通されて給水路により給水可能な給水タンクとを備え、前記サイクル外熱交換器は、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水と、熱源流体との間接熱交換器であり、前記過冷却器は、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水と、前記凝縮器から前記膨張弁への冷媒との間接熱交換器であり、前記蒸発器と前記サイクル外熱交換器とに、熱源流体が並列に通されることを特徴とする給水加温システムである。

請求項１に記載の発明によれば、給水タンクへの給水は、サイクル外熱交換器、過冷却器および凝縮器を順に通される一方、熱源流体は、蒸発器とサイクル外熱交換器とに並列に通される。サイクル外熱交換器や過冷却器において、凝縮器への給水を予熱しておくことで、ヒートポンプの効率を向上することができる。また、サイクル外熱交換器には、蒸発器と並列に熱源流体が通されるので、蒸発器を通過後の熱源流体が直列に通される場合と比較して、給水の加温量を増やすことができる。

さらに、請求項２に記載の発明は、前記給水タンクの水位に基づき、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水の有無と、前記ヒートポンプの出力を制御し、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水中、前記凝縮器の出口側の水温を設定温度に維持するように通水量を調整することを特徴とする請求項１に記載の給水加温システムである。

請求項２に記載の発明によれば、給水路を介した給水タンクへの給水中、凝縮器の出口側水温を設定温度に維持するように、凝縮器への通水量（給水路を介した給水タンクへの給水流量）を調整することで、給水源の水温や熱源流体の温度に拘わらず、所望温度の温水を得ることができる。

本発明によれば、ヒートポンプを用いた給水加温システムにおいて、ヒートポンプへの給水をサイクル外熱交換器において所望に加温でき、それによりヒートポンプの効率を向上することができる。

本発明の給水加温システムの一実施例を示す概略図である。

以下、本発明の具体的実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の給水加温システム１の一実施例を示す概略図である。

本実施例の給水加温システム１は、ボイラ２の給水タンク３への給水をヒートポンプ４で加温できるシステムであり、ボイラ２への給水を貯留する給水タンク３と、この給水タンク３への給水を貯留する補給水タンク５と、この補給水タンク５から給水タンク３への給水を加温するヒートポンプ４と、このヒートポンプ４の熱源としての熱源水（たとえば廃温水）を貯留する熱源水タンク６とを備える。

ボイラ２は、蒸気ボイラであり、給水タンク３からの給水を加熱して蒸気にする。ボイラ２は、典型的には、蒸気の圧力を所望に維持するように、燃焼量を調整される。また、ボイラ２は、缶体内の水位を所望に維持するように、給水タンク３からボイラ２への給水路またはボイラ２の内部に設けたポンプ７が制御される。ボイラ２からの蒸気は、各種の蒸気使用設備（図示省略）へ送られるが、蒸気使用設備からのドレン（蒸気の凝縮水）を給水タンク３へ戻してもよい。

給水タンク３は、補給水タンク５から、ヒートポンプ４を介して給水路８により給水可能であると共に、ヒートポンプ４を介さずに補給水路９により給水可能である。給水路８に設けた給水ポンプ１０と、補給水路９に設けた補給水ポンプ１１との作動を制御することで、給水路８と補給水路９との内、いずれか一方または双方を介して、補給水タンク５から給水タンク３へ給水可能である。

給水ポンプ１０は、本実施例では、インバータにより回転数を制御可能とされる。給水ポンプ１０の回転数を変更することで、給水路８を介した給水タンク３への給水流量を調整することができる。一方、補給水ポンプ１１は、本実施例では、オンオフ制御される。

補給水タンク５は、給水タンク３への給水を貯留する。補給水タンク５への給水として、本実施例では軟水が用いられる。すなわち、軟水器（図示省略）にて水中の硬度分を除去された軟水は、補給水タンク５に供給され貯留される。補給水タンク５の水位に基づき軟水器からの給水を制御することで、補給水タンク５の水位は所望に維持される。

ヒートポンプ４は、蒸気圧縮式のヒートポンプであり、圧縮機１２、凝縮器１３、膨張弁１４および蒸発器１５が順次環状に接続されて構成される。そして、圧縮機１２は、ガス冷媒を圧縮して高温高圧にする。また、凝縮器１３は、圧縮機１２からのガス冷媒を凝縮液化する。さらに、膨張弁１４は、凝縮器１３からの液冷媒を通過させることで、冷媒の圧力と温度とを低下させる。そして、蒸発器１５は、膨張弁１４からの冷媒の蒸発を図る。

従って、ヒートポンプ４は、蒸発器１５において、冷媒が外部から熱を奪って気化する一方、凝縮器１３において、冷媒が外部へ放熱して凝縮することになる。これを利用して、本実施例では、ヒートポンプ４は、蒸発器１５において、熱源水から熱をくみ上げ、凝縮器１３において、給水路８の水を加温する。

ヒートポンプ４は、さらに、凝縮器１３と膨張弁１４との間に、過冷却器１６を備えるのが好ましい。過冷却器１６は、凝縮器１３から膨張弁１４への冷媒と、凝縮器１３への給水との間接熱交換器である。過冷却器１６により、凝縮器１３への給水で、凝縮器１３から膨張弁１４への冷媒を過冷却することができると共に、凝縮器１３から膨張弁１４への冷媒で、凝縮器１３への給水を加温することができる。ヒートポンプ４の冷媒は、好適には、凝縮器１３において潜熱を放出し、過冷却器１６において顕熱を放出する。

つまり、凝縮器１３において、ガス冷媒は凝縮して液冷媒となり、その液冷媒が過冷却器１６に供給されて、過冷却器１６において、液冷媒はさらに冷却（過冷却）される。冷媒の凝縮用と過冷却用とで熱交換器を分けることで、熱交換器の設計が容易となり、熱交換器を簡易な構造で小型化でき、コスト削減を図ることができる。また、汎用の熱交換器の利用も可能となる。

その他、ヒートポンプ４には、圧縮機１２の入口側にアキュムレータを設置したり、圧縮機１２の出口側に油分離器を設置したり、凝縮器１３の出口側（凝縮器１３と過冷却器１６との間）に受液器を設置したりしてもよい。

ところで、ヒートポンプ４は、その出力を変更可能とされてもよい。たとえば、圧縮機１２のモータの電源周波数ひいては回転数をインバータで変更することで、ヒートポンプ４の出力を変更することができる。

給水加温システム１は、さらに、サイクル外熱交換器１７を備える。このサイクル外熱交換器１７は、過冷却器１６への給水と、熱源水タンク６からの熱源水との間接熱交換器である。従って、給水路８の水は、サイクル外熱交換器１７、過冷却器１６および凝縮器１３へと順に通されることになる。一方、熱源水タンク６の熱源水は、蒸発器１５とサイクル外熱交換器１７とに並列に通される。具体的には、熱源水タンク６の熱源水は、第一熱源供給路１８を介して蒸発器１５に通されると共に、第二熱源供給路１９を介してサイクル外熱交換器１７に通される。

熱源水タンク６は、ヒートポンプ４の熱源としての熱源水を貯留する。熱源水とは、たとえば廃温水（工場などから排出される温水）である。なお、熱源水タンク６には、熱源水の供給路２０が設けられると共に、所定以上の水をあふれさせるオーバーフロー路２１が設けられている。

熱源水タンク６の熱源水は、前述したように、第一熱源供給路１８を介して、ヒートポンプ４の蒸発器１５を通されると共に、これと並行に、第二熱源供給路１９を介して、サイクル外熱交換器１７を通される。第一熱源供給路１８には、蒸発器１５より上流側に第一熱源供給ポンプ２２が設けられており、この第一熱源供給ポンプ２２を作動させることで、熱源水タンク６からの熱源水を、蒸発器１５に通すことができる。一方、第二熱源供給路１９には、サイクル外熱交換器１７より上流側に第二熱源供給ポンプ２３が設けられており、この第二熱源供給ポンプ２３を作動させることで、熱源水タンク６からの熱源水を、サイクル外熱交換器１７に通すことができる。

各熱源供給ポンプ２２，２３は、オンオフ制御されてもよいが、インバータ制御されてもよい。後者の場合、蒸発器１５やサイクル外熱交換器１７への熱源水の供給流量を調整可能とできる。たとえば、第一熱源供給ポンプ２２は、蒸発器１５の出口側の熱源水温度に基づき流量調整し、第二熱源供給ポンプ２３は、サイクル外熱交換器１７の出口側の熱源水温度に基づき流量調整してもよい。それにより、熱源水の排出温度を所望に調整することができる。

給水路８には、凝縮器１３の出口側に、出湯温度センサ２４が設けられる。出湯温度センサ２４は、凝縮器１３を通過後の水温を検出する。出湯温度センサ２４の検出温度に基づき、給水ポンプ１０が制御される。ここでは、給水ポンプ１０は、出湯温度センサ２４の検出温度を設定温度（たとえば７５℃）に維持するようにインバータ制御される。つまり、給水路８を介した給水タンク３への給水は、出湯温度センサ２４の検出温度を設定温度に維持するように、流量が調整される。但し、場合により、このような出湯温度センサ２４による流量調整制御を省略することもできる。

給水タンク３には、水位検出器２５が設けられる。この水位検出器２５は、その構成を特に問わないが、本実施例では電極式水位検出器とされる。この場合、給水タンク３には、長さの異なる複数の電極棒２６〜２８が、その下端部の高さ位置を互いに異ならせて差し込まれて保持されている。本実施例では、給水停止電極棒２６、給水開始電極棒２７および負荷切替電極棒２８が、順に下端部の高さ位置を低くして、給水タンク３に挿入されている。各電極棒２６〜２８は、その下端部が水に浸かるか否かにより、下端部における水位の有無を検出する。

熱源水タンク６には、熱源水の有無を確認するために、水位検出器２９が設けられる。この水位検出器２９は、その構成を特に問わないが、本実施例では電極式水位検出器とされる。この場合、熱源水タンク６には、低水位検出電極棒３０が差し込まれており、熱源水の水位が設定を下回っていないかを監視する。さらに、熱源水タンク６には、熱源水の温度を検出する熱源温度センサ３１が設けられる。

次に、本実施例の給水加温システム１の制御（運転方法）について説明する。以下に説明する一連の制御は、図示しない制御器を用いて自動でなされる。

給水タンク３には、給水路８を介して給水可能であると共に補給水路９を介しても給水可能であるが、給水路８を介した給水が優先されるように制御されるのが好ましい。たとえば、給水タンク３の水位を設定範囲に維持するように、給水路８を介した給水を制御するが、それでは給水タンク３の水位が設定範囲を維持できない場合には、補給水路９を介しても給水タンク３へ給水するのが好ましい。

具体的には、本実施例では、次のように制御される。いま、給水停止電極棒２６が水位を検知し、給水タンク３の水位が十分にある場合、給水タンク３への給水は不要であるから、給水ポンプ１０を停止すると共に、補給水ポンプ１１も停止している。給水タンク３からボイラ２への給水により、給水タンク３の水位が下がり、給水開始電極棒２７が水位を検知しなくなると、給水ポンプ１０を作動させる。これにより、給水路８を介して給水タンク３に給水されるが、給水停止電極棒２６が水位を検知すると、給水ポンプ１０を停止する。一方、給水ポンプ１０を作動させても、給水タンク３の水位を回復できず、さらに低い所定の補給水開始水位を下回ると、補給水ポンプ１１を作動させて、補給水路９を介しても給水タンク３に給水する。これにより、給水タンク３の水位が回復して、給水タンク３の水位が補給水停止水位を上回ると、補給水ポンプ１１を停止して、補給水路９を介しての給水を停止する。このような制御を実施する場合、補給水開始水位や補給水停止水位も、水位検出器２５により検出可能としておけばよい。

給水路８を介した給水中、ヒートポンプ４を運転すると共に、第一熱源供給ポンプ２２および第二熱源供給ポンプ２３を作動させる。ヒートポンプ４は、その圧縮機１２の作動の有無により、運転と停止が切り替えられる。また、ヒートポンプ４は、給水タンク３の水位に基づき出力を制御されるのがよい。本実施例では、給水タンク３の水位が下がり、給水開始電極棒２７が水位を検知しなくなると、ヒートポンプ４を低負荷運転し、それでも水位が回復せず、負荷切替電極棒２８が水位を検知しなくなると、ヒートポンプ４を高負荷運転に切り替える。そして、水位回復時には、給水開始電極棒２７が水位を検知すれば、ヒートポンプ４を低負荷運転に切り替え、給水停止電極棒２６が水位を検知すれば、ヒートポンプ４を停止させる。このように、本実施例では、ヒートポンプ４は、高負荷運転（典型的には全負荷運転＝１００％出力）、低負荷運転（たとえば５０％出力）および停止（０％出力）の三位置で制御される。

給水路８を介した給水中、給水ポンプ１０は、出湯温度センサ２４の検出温度を設定温度（出湯温度設定値）に維持するように、回転数をインバータ制御される。その結果、ヒートポンプ４の高負荷運転時は低負荷運転時よりも多い流量で、給水路８を介して給水タンク３へ給水可能となる。

ヒートポンプ４を運転して、補給水タンク５から給水路８を介して給水タンク３へ給水する際、補給水タンク５からの給水は、サイクル外熱交換器１７、過冷却器１６および凝縮器１３により徐々に加温されて、所定温度で給水タンク３へ供給される。給水タンク３とヒートポンプ４（凝縮器１３）との間で水を循環させる場合と比較して、補給水タンク５から給水タンク３への一回の通過（ワンススルー）で給水を加温するので、ヒートポンプ４を通過する前後の給水の温度差を確保して、ヒートポンプ４の成績係数（ＣＯＰ）の向上を図ることができる。また、各熱交換器をコンパクトに構成することもできる。

また、ヒートポンプ４の運転中、つまり給水路８を介した給水タンク３への給水中、熱源水タンク６の水温を熱源温度センサ３１で監視して、その温度に基づきヒートポンプ４の出力を調整してもよい。ヒートポンプ４の熱源としての熱源水の温度が高温なほど、ヒートポンプ４の出力を下げることができる。熱源水の温度を考慮してヒートポンプ４の出力を調整することで、熱源水の温度変化に拘わらず、給水路８を介した給水タンク３への給水流量を安定させることができる。

さらに、ヒートポンプ４の運転中、熱源水タンク６の水位が下がり、低水位検出電極棒３０が水位を検知しなくなると、ヒートポンプ４の運転を停止すると共に、各熱源供給ポンプ２２，２３を停止して蒸発器１５やサイクル外熱交換器１７への熱源水の供給を停止するのがよい。また、同様に、ヒートポンプ４の運転中（つまり給水路８を介した給水タンク３への給水制御中）、万一、給水路８を通る給水の量が設定を下回ると、ヒートポンプ４の運転を停止すると共に、各熱源供給ポンプ２２，２３を停止して蒸発器１５やサイクル外熱交換器１７への熱源水の供給を停止するのがよい。

給水路８を介した給水タンク３への給水中、熱源水タンク６からの熱源水は、蒸発器１５とサイクル外熱交換器１７とに並列に通される。蒸発器１５とサイクル外熱交換器１７とに熱源流体を直列に順に通す場合と比較して、蒸発器１５とサイクル外熱交換器１７とに熱源流体を並列に通す場合、比較的高温の熱源流体をサイクル外熱交換器１７に通すことができる。これにより、サイクル外熱交換器１７における熱交換量を高めることができ、ヒートポンプ４の手前における給水の加温が図られるので、圧縮機１２の動力を小さくして、ヒートポンプ４の効率を向上することができる。また、ヒートポンプ４の出力を抑えることができるので、過冷却器１６などを小さく構成することもできる。さらに、蒸発器１５とサイクル外熱交換器１７とに順に熱源流体を通した場合、蒸発器１５が圧損要素となるが、蒸発器１５とサイクル外熱交換器１７とに熱源流体を並列に通す場合、そのような圧損要素がないというメリットもある。

本発明の給水加温システム１は、前記実施例の構成に限らず、適宜変更可能である。たとえば、前記実施例では、給水路８を介した給水タンク３への給水流量を調整するために、給水ポンプ１０をインバータ制御したが、給水ポンプ１０をオンオフ制御しつつ、給水路８に設けたバルブの開度を調整してもよい。つまり、出湯温度センサ２４の検出温度などに基づき給水路８を介した給水の流量を調整可能であれば、その流量調整方法は適宜に変更可能である。

また、ヒートポンプ４は、単段に限らず複数段とすることもできる。ヒートポンプ４を複数段にする場合、隣接する段のヒートポンプ同士は、間接熱交換器を用いて接続されてもよいし、直接熱交換器（中間冷却器）を用いて接続されてもよい。後者の場合、下段ヒートポンプの圧縮機からの冷媒と上段ヒートポンプの膨張弁からの冷媒とを受けて、両冷媒を直接に接触させて熱交換する中間冷却器を備え、この中間冷却器が下段ヒートポンプの凝縮器であると共に上段ヒートポンプの蒸発器とされる。このように、複数段（多段）のヒートポンプには、一元多段のヒートポンプの他、複数元（多元）のヒートポンプ、あるいはそれらの組合せのヒートポンプが含まれる。

また、給水タンク３に、凝縮器１３を介して給水路８により給水可能であると共に、凝縮器１３を介さずに補給水路９により給水可能であれば、給水路８や補給水路９の具体的構成は、前記実施例の構成に限らず適宜変更可能である。たとえば、前記実施例では、給水路８と補給水路９とは、それぞれ補給水タンク５と給水タンク３とを接続するように並列に設けたが、給水路８と補給水路９との一端部（補給水タンク５側の端部）と他端部（給水タンク３側の端部）の一方または双方は、共通の管路としてもよい。言い換えれば、補給水路９の一端部は、補給水タンク５に接続するのではなく、給水路８から分岐するように設けてもよいし、補給水路９の他端部は、給水タンク３に接続するのではなく、給水タンク３の手前において給水路８に合流するように設けてもよい。補給水路９の一端部を、補給水タンク５に接続するのではなく、給水路８から分岐するように設ける場合、その分岐部より下流において、給水路８に給水ポンプ１０を設ける一方、補給水路９に補給水ポンプ１１を設ければよいが、分岐部よりも上流側の共通管路にのみポンプを設けて、分岐部より下流の給水路８および／または補給水路９に設けたバルブの開度を調整することで、給水路８や補給水路９を通る流量を調整してもよい。

また、前記実施例では、給水タンク３への給水を貯留するために補給水タンク５を設置したが、場合により補給水タンク５の設置を省略して、給水源から直接に給水路８および補給水路９に水を通してもよい。

また、前記実施例では、給水路８および／または補給水路９を介して、補給水タンク５から給水タンク３へ給水可能としたが、これら給水は、軟水器から直接に行ってもよい。たとえば、図１において、給水路８および補給水路９の基端部をまとめて軟水器に接続し、給水ポンプ１０の設置を省略する代わりに給水路８に設けた電動弁（モータバルブ）の開度を調整し、補給水ポンプ１１の設置を省略する代わりに補給水路９に設けた電磁弁の開閉を制御すればよい。

また、前記実施例では、ボイラ２の給水タンク３への給水をヒートポンプ４で加温できるシステムについて説明したが、給水タンク３の貯留水の利用先は、ボイラ２に限らず適宜に変更可能である。そして、場合により、補給水タンク５や補給水路９を省略してもよい。

また、前記実施例では、ヒートポンプ４の熱源（サイクル外熱交換器１７において給水を加温する流体でもある。）として熱源水を用いた例について説明したが、ヒートポンプ４の熱源流体として、熱源水に限らず、空気や排ガスなど各種の流体を用いることができる。

さらに、前記実施例では、ヒートポンプ４の圧縮機１２は、電気モータにより駆動されたが、圧縮機１２の駆動源は特に問わない。たとえば、圧縮機１２は、電気モータに代えてまたはそれに加えて、蒸気を用いて動力を起こすスチームモータ（蒸気エンジン）により駆動されたり、ガスエンジンにより駆動されたりしてもよい。その場合、スチームモータへの給蒸量を調整したり、ガスエンジンへの供給ガス量を調整したりして、圧縮機１２の出力が調整可能である。

１ 給水加温システム
２ ボイラ
３ 給水タンク
４ ヒートポンプ
５ 補給水タンク
６ 熱源水タンク
８ 給水路
９ 補給水路
１０ 給水ポンプ
１１ 補給水ポンプ
１２ 圧縮機
１３ 凝縮器
１４ 膨張弁
１５ 蒸発器
１６ 過冷却器
１７ サイクル外熱交換器
１８ 第一熱源供給路
１９ 第二熱源供給路
２２ 第一熱源供給ポンプ
２３ 第二熱源供給ポンプ
２４ 出湯温度センサ
２５ 水位検出器

Claims (2)

1. 圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器が順次環状に接続されて冷媒を循環させ、前記蒸発器に通される熱源流体から熱をくみ上げ、前記凝縮器に通される水を加温するヒートポンプと、
   サイクル外熱交換器、過冷却器および前記凝縮器を順に通されて給水路により給水可能な給水タンクとを備え、
   前記サイクル外熱交換器は、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水と、熱源流体との間接熱交換器であり、
   前記過冷却器は、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水と、前記凝縮器から前記膨張弁への冷媒との間接熱交換器であり、
   前記蒸発器と前記サイクル外熱交換器とに、熱源流体が並列に通される
   ことを特徴とする給水加温システム。
2. 前記給水タンクの水位に基づき、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水の有無と、前記ヒートポンプの出力を制御し、
   前記給水路を介した前記給水タンクへの給水中、前記凝縮器の出口側の水温を設定温度に維持するように通水量を調整する
   ことを特徴とする請求項１に記載の給水加温システム。

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