JP7056246B2 - ヒートポンプ式蒸気生成システム - Google Patents

Description

本発明は、熱源温水の温度応答性を高くしつつ、該熱源温水の高温化に伴うヒートポンプの運転停止を簡易に防止することができるヒートポンプ式蒸気生成システムに関する。

蒸気生成装置の一つとして、ヒートポンプ装置を利用したヒートポンプ式蒸気生成装置がある。ヒートポンプ式蒸気生成装置は、工場排水や使用済冷却水等の排温水（温水）から排熱を回収して蒸気を生成するものである。すなわち、ヒートポンプ式蒸気生成装置は、ヒートポンプ装置の蒸発器を排熱回収器として機能させ、ここで排温水から排熱を冷媒に回収し、回収した熱を利用して凝縮器で被加熱水を加熱して蒸気を生成するため、ボイラ設備等を利用して蒸気を発生させる燃焼系蒸気生成装置に比べてランニングコストやＣＯ_２の排出量を低減できるメリットがある。

例えば特許文献１には、ヒートポンプ式蒸気生成装置において、熱源となる温水を熱源水タンク（温水タンク）に貯留しておき、この温水タンクから排熱回収器に供給する構成が開示されている。

特開２０１３－２１０１１８号公報

ところで、熱源温水タンクから複数台のヒートポンプに熱源温水を供給する場合や、熱源温水をヒートポンプ以外の熱利用設備などにも供給するようなシステム構成において、熱源温水の需要が増加して給水量が増加した場合、給水に対する加熱が間に合わず熱源温水の温度が低下してしまう場合があるため、応答性の高い加熱手段が必要となる。

熱源温水の温度が低下した場合はヒートポンプの熱効率が悪化する一方、熱源温水タンク内が過剰に加熱され、ヒートポンプに供給される熱源温水の温度が所定温度、例えば９０℃を超えると、ヒートポンプが高温により緊急停止してしまう場合がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、熱源温水の温度応答性を高くしつつ、該熱源温水の高温化に伴うヒートポンプの運転停止を簡易に防止することができるヒートポンプ式蒸気生成システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるヒートポンプ式蒸気生成システムは、ヒートポンプを用いて熱源温水から冷媒に熱を回収し、回収した熱を前記冷媒から被加熱水に伝達して蒸気を生成し、生成した蒸気を熱利用設備に供給するヒートポンプ式蒸気生成システムであって、供給水を熱源温水タンクに供給する給水部と、前記熱源温水タンク内の供給水を所定温度に加熱して前記熱源温水とする加熱部と、前記熱源温水を前記ヒートポンプの蒸発器に供給して冷媒を加熱する蒸発器供給ラインと、前記熱源温水タンク内の供給水の温度を検出する温度センサと、を備え、前記加熱部とは別に、生成した蒸気の少なくとも一部を加熱蒸気として前記熱源温水タンクに供給する加熱蒸気供給機構を含み、前記加熱蒸気供給機構は、前記加熱蒸気の前記熱源温水タンクへの供給を制御可能な加熱蒸気弁を有し、前記温度センサが前記所定温度に基づいて設定された蒸気加熱停止温度を超える温度を検出した場合、前記加熱蒸気弁を閉制御して前記加熱蒸気の前記熱源温水タンクへの供給を停止することを特徴とする。

また、本発明にかかるヒートポンプ式蒸気生成システムは、上記の発明において、前記加熱蒸気供給機構は、前記加熱蒸気を外気に排出可能とする蒸気排出弁を有し、前記温度センサが前記所定温度に基づいて設定された蒸気排出温度を超える温度を検出した場合、前記蒸気排出弁を開として前記加熱蒸気を外気に排出する制御を行う切替弁制御部を備えたことを特徴とする。

また、本発明にかかるヒートポンプ式蒸気生成システムは、上記の発明において、前記ヒートポンプの出力を制御するヒートポンプ出力制御部をさらに備え、該ヒートポンプ出力制御部は、前記温度センサが前記蒸気排出温度を超える温度を検出した場合、前記ヒートポンプの出力を通常運転時よりも低減することを特徴とする。

また、本発明にかかるヒートポンプ式蒸気生成システムは、上記の発明において、前記蒸発器から排出された熱源温水の少なくとも一部を前記熱源温水タンクに戻す熱源温水戻しラインを備えたことを特徴とする。

また、本発明にかかるヒートポンプ式蒸気生成システムは、上記の発明において、前記熱源温水を前記被加熱水として前記ヒートポンプの凝縮器に直接供給可能な被加熱水供給ラインをさらに備えることを特徴とする。

本発明によれば、温度センサが所定温度に基づいて設定された蒸気加熱停止温度を超える温度を検出した場合、加熱蒸気弁を閉制御して加熱蒸気の熱源温水タンクへの供給を停止するようにしているので、熱源温水の温度応答性を高くしつつ、該熱源温水の高温化に伴うヒートポンプの運転停止を簡易に防止することができる。

図１は、本本発明の実施の形態に係るヒートポンプ式蒸気生成システムの構成を示す図である。 図２は、図１に示した水位制御部による水位制御処理手順を示すフローチャートである。 図３は、水位レベルに対する給水量の関係の一例を示す図である。 図４は、図１に示した温度制御部による温度制御処理手順を示すフローチャートである。 図５は、熱源温水温度に対するヒートポンプ出力の関係の一例を示す図である。

以下、添付図面を参照してこの発明を実施するための形態について説明する。

<全体構成>
図１は、本発明の実施の形態に係るヒートポンプ式蒸気生成システム１０の構成を示す図である。ヒートポンプ式蒸気生成システム１０は、熱源温水から熱を回収し、回収した熱を利用して水蒸気を生成するシステムであり、生成した水蒸気は洗浄施設などの外部の熱利用設備１００に送られる。

図１に示すように、ヒートポンプ式蒸気生成システム１０は、蒸気生成のための熱源として供給するヒートポンプ２０、蒸気生成時に用いる気液分離器３０、熱源温水を貯留する熱源温水タンク４０、制御部６０を有する。熱源温水タンク４０に貯留される熱源温水は、蒸発器供給ラインＬ３を介したヒートポンプ２０の熱源、被加熱水供給ラインＬ４を介した蒸気生成のための被加熱水の熱源として供給される。制御部６０は、ヒートポンプ２０の運転制御、熱源温水の水位制御、熱源温水の温度制御などを行う。

ヒートポンプ２０は、熱源温水から熱を回収して冷媒を加熱する蒸発器２１と、蒸発器２１で加熱された冷媒を圧縮する圧縮機２２と、圧縮機２２で圧縮された冷媒を放熱させて凝縮させる凝縮器２３と、凝縮器２３から出力された冷媒を膨張させる絞り膨張器２４とを順に冷媒配管で環状に接続し、冷媒を循環させる冷凍サイクル装置である。

圧縮機２２で圧縮されて高温高圧となった冷媒は、凝縮器２３において被加熱水供給ラインＬ４及び被加熱水供給ポンプＰ２から供給され、気液分離器３０を介した循環ラインＬ５で循環する被加熱水と熱交換して冷却され凝縮する。凝縮器２３から出力された冷媒は電子膨張弁である絞り膨張器２４で絞り膨張され、蒸発器２１において、蒸発器供給ラインＬ３及び熱源温水供給ポンプＰ１を介して供給される熱源温水から吸熱して蒸発し、再び圧縮機２２へと戻る。

気液分離器３０は、鉛直方向に沿った円筒状容器で構成され、下部壁に接続された循環ラインＬ５に接続された被加熱水供給ラインＬ４から被加熱水が給水補給されることで容器内部に水を貯留する。被加熱水供給ラインＬ４の被加熱水は、熱源温水タンク４０の熱源温水である。なお、被加熱水は、熱源温水ではなく、図示しない水道管や水タンク等の給水源の水であってもよい。

気液分離器３０の上端壁には、生成した水蒸気を外部の熱利用設備１００側へと送り出す蒸気送出ラインＬ６が接続されている。凝縮器２３を出た水と水蒸気とが混在した二相流は、凝縮器２３の出口側の循環ラインＬ５から気液分離器３０内に導入され、ここで水が分離された後の水蒸気が蒸気送出ラインＬ６へと送り出される。

蒸気送出ラインＬ６に送り出された蒸気は、蒸気圧縮機Ｐ３によって圧縮されて昇圧される。昇圧された蒸気は、蒸気送出ラインＬ７を介して熱利用設備１００側に送出されるとともに、リリーフ弁Ｖ２によって余剰蒸気が切替弁Ｖ１２側に送出される。切替弁Ｖ１２は、余剰蒸気ラインＬ８を介した熱源温水タンク４０への供給と、余剰蒸気の排水とを切り替える。なお、蒸気送出ラインＬ７から供給される蒸気は、例えば１２０℃である。

熱源温水タンク４０には、給水部である、給水ラインＬ１及び給水弁Ｖ１を介して、市水などの供給水（軟水）が供給される。熱源温水タンク４０内には、熱源温水を加熱するヒーター４１、熱源温水の温度を検出する温度センサ５２、熱源温水の水位を検出する水位センサ５０が配置される。熱源温水は、上記した蒸発器供給ラインＬ３、被加熱水供給ラインＬ４を介して、それぞれ蒸発器２１、凝縮器２３に供給される。

蒸発器２１に供給され吸熱された熱源温水は、熱源温水戻しラインＬ１３を介して熱源温水タンク４０に戻される。なお、蒸発器２１に供給され吸熱された熱源温水は、熱源温水タンク４０に戻さず、外部に排水してもよい。また、上記のように、切替弁Ｖ１２及び余剰蒸気ラインＬ８を介して余剰蒸気が熱源温水タンク４０に供給される。

熱源温水タンク４０の上部には、オーバーフロー排出ラインＬ２が接続されている。オーバーフロー排出ラインＬ２は、熱源温水タンク４０のオーバーフローを防止するための排出ラインであり、熱源温水タンク４０内の熱源温水の水位が所定以上に上昇した際に上昇分の熱源温水を外部に排出するものである。

制御部６０には、ヒートポンプ２０、ヒーター４１、水位センサ５０、温度センサ５２、給水弁Ｖ１、切替弁Ｖ１２、熱源温水供給ポンプＰ１、被加熱水供給ポンプＰ２が接続される。制御部６０は、水位制御部６１、温度制御部６２、切替弁制御部６３、及びヒートポンプ出力制御部６４を有する。

水位制御部６１は、水位センサ５０が検出した水位をもとに給水弁Ｖ１の開口を制御し、熱源温水タンク４０への給水量を制御する。温度制御部６２は、温度センサ５２が検出する温度をもとに、ヒーター４１への通電量を制御して熱源温水への加熱量を制御する。温度制御部６２は、熱源温水を所定温度、例えば８０℃に制御する。なお、供給水の温度は、８０℃未満である。

切替弁制御部６３は、温度センサ５２が所定温度に基づいて設定された蒸気加熱停止温度を超える温度を検出した場合、余剰蒸気ラインＬ８を介した余剰蒸気の熱源温水タンク４０への供給を停止する切替制御を行う。また、切替弁制御部６３は、温度センサ５２が所定温度に基づいて設定された蒸気排出温度を超える温度を検出した場合、切替弁Ｖ１２の蒸気排出側を開として余剰蒸気を外気に排出する制御を行う。これにより、熱源温水の高温化が防止され、ヒートポンプ２０の運転を継続することができる。なお、切替弁制御部６３は、温度センサ５２が所定温度に基づいて設定された蒸気加熱停止温度を超える温度を検出した場合、切替弁Ｖ１２を切り替えて余剰蒸気を、図示しない余剰蒸気ラインを介して熱利用設備１００側に供給するようにしてもよい。これにより、余剰蒸気を有効利用することができる。

ヒートポンプ出力制御部６４は、例えば通常運転時、圧縮行程中の冷媒が所定の過熱度以上になるように圧縮機２２の駆動回転数及び絞り膨張器２４の開度を調整する過熱度制御で運転される。この過熱度制御は、例えば圧縮機２２の吸入側、吐出側の一方若しくは両方に設けられた図示しない圧力センサ及び温度センサの検出値（吸入圧及び吸入温度、吐出圧及び吐出温度）に基づき実行される。なお、ヒートポンプ出力制御部６４は、後述するように、温度センサ５２が蒸気排出温度を超える温度を検出した場合、ヒートポンプ２０の出力を通常運転時よりも低減し、余剰蒸気の排出を抑える制御を行う。

なお、水位制御は、温度制御部６２内の水位制御を優先する水位制御がなされる。

＜水位制御処理＞
次に、図２に示したフローチャートを参照して水位制御部６１による水位制御処理手順について説明する。図２に示すように、まず、水位制御部６１は、給水初期設定として１．５Ｌ／ｍｉｎの供給量を設定する（ステップＳ１０１）。その後、水位センサ５０から熱源温水の現在の水位レベルを取得する（ステップＳ１０２）。その後、図３に示した水位レベルに対する給水量の関係をもとに、取得した水位レベルに対する給水量に設定する制御を行い（ステップＳ１０３）、ステップＳ１０４に移行する。

ステップＳ１０４では、水位制御処理の終了指示があったか否かを判定し、終了指示がない場合（ステップＳ１０４，Ｎｏ）には、ステップＳ１０２に移行して上述した処理を続行し、終了指示があった場合（ステップＳ１０４，Ｙｅｓ）には、本処理を終了する。

図３に示した水位レベルに対する給水量の関係では、水位レベルが２０％から９０％の間、給水量を２．５Ｌ／ｍｉｎとし、水位レベルが９０％から９５％の間、水位レベルの増大に応じて給水量を０に設定し、水位レベルが９５％から１００％の間では、供給量を０に設定している。図３に示した水位レベルに対する給水量の関係では、水位レベルが９０％まで比較的大きな給水量とし、適切な水位レベルを９０％から９５％の間としている。このような水位制御を行うことによって、水位レベルを迅速に９０％から９５％の間に保つことができる。

なお、水位レベルが２０％以下になった場合には、ヒートポンプ２０を緊急停止させる異常処理を行う。

＜温度制御処理＞
次に、図４に示したフローチャートを参照して温度制御部６２による温度制御処理手順について説明する。図４に示すように、まず、温度制御部６２は、初期温度設定として熱源温水温度を８０℃に設定する（ステップＳ２０１）。その後、温度制御部６２は、温度センサ５２が検出した温度（熱源温水温度）が８０℃以下であるか否かを判定する（ステップＳ２０２）。

熱源温水温度が８０℃以下の場合（ステップＳ２０２，Ｙｅｓ）には、ヒーター４１への通電をＯＮにし（ステップＳ２０３）、さらに切替弁Ｖ１２を熱源温水側（余剰蒸気ラインＬ８側）に切り替え（ステップＳ２０４）、余剰蒸気を用いて熱源温水を加熱し、ステップＳ２０７に移行する。

一方、熱源温水温度が８０℃以下でない場合（ステップＳ２０２，Ｎｏ）には、ヒーター４１への通電をＯＦＦにし（ステップＳ２０５）、さらに切替弁Ｖ１２を蒸気排出側に切り替え（ステップＳ２０６）、余剰蒸気を熱源温水側に供給しないように、ステップＳ２０７に移行する。このときの温度（８０℃）は、加熱蒸気停止温度である。なお、上記したように、余剰蒸気は蒸気排出側ではなく、熱利用設備１００側に供給するようにしてもよい。

ステップＳ２０７では、図５に示した熱源温水温度に対するヒートポンプ出力の関係をもとに、ヒートポンプ出力制御部６４に対してヒートポンプ出力制御を行わせ、ステップＳ２０８に移行する。

ステップＳ２０８では、温度制御処理の終了指示があったか否かを判定し、終了指示がない場合（ステップＳ２０８，Ｎｏ）には、ステップＳ２０２に移行して上述した処理を続行し、終了指示があった場合（ステップＳ２０８，Ｙｅｓ）には、本処理を終了する。

図５に示した熱源温水温度に対するヒートポンプ出力の関係では、熱源温水温度が８１℃まで、ヒートポンプ出力を１００％に設定し、熱源温水温度が８１℃から８６℃の間、熱源温水温度の上昇とともに、ヒートポンプ出力を小さくし、熱源温水温度が８６℃では、ヒートポンプ出力を５０％に設定している。さらに、熱源温水温度が８６℃以上では、ヒートポンプ出力を５０％一定に設定している。このようなヒートポンプ出力制御を行うことによって、熱源温水温度が８０℃（所定温度）に基づいて設定された蒸気排出温度（８１℃）を超える温度である場合、常に出力される余剰蒸気による熱源温水の温度上昇を抑えることができる。

なお、切替弁制御部６３の切替弁Ｖ１２に対する切替制御と、ヒートポンプ出力制御部６４による出力低減制御とは、双方の制御を行ってもよいし、いずれか一方の制御のみを行ってよい。

また、上述した切替弁Ｖ１２は、１つの弁で、余剰蒸気を熱源温水側と蒸気排出側とに切り替えるようにしていたが、これに限らず、切替弁Ｖ１２に替えて、余剰蒸気を熱源温水側に供給する加熱蒸気弁と、余剰蒸気を蒸気排出側の外気に排出可能にする蒸気排出弁との２つの独立した弁によって構成してもよい。なお、上記したように蒸気排出弁は、熱利用設備１００に余剰蒸気を供給するものであってもよい。あるいは、蒸気排出弁の下流側に、上記排出側の外気に排出するか、熱利用設備１００側に供給するかの切替を行う切替弁を設けるようにしてもよい。また、切替弁Ｖ１２を介して熱源温水側に供給される余剰蒸気（加熱蒸気）は、生成した蒸気の一部であればよく、余剰蒸気の全てである必要はない。

本実施の形態では、余剰蒸気が熱源温水を加熱し続け、冷却手段がない場合、熱源温水が所定温度を超えやすくなり、所定温度を超えるとヒートポンプ２０が運転できなくなるが、切替弁制御部６３により余剰蒸気の排気及びヒートポンプ出力制御部６４による余剰蒸気の発生低減を行うようにしているので、熱源温水が所定温度を超えにくくなり、ヒートポンプ２０の運転を継続して行うことができる。

また、本実施の形態では、切替弁Ｖ１２の切替を、余剰蒸気の流量を計測する流量計などを用いず、温度センサ５２が検出する温度をもとに行っているので、簡易な構成で切替弁Ｖ１２の切替制御を行うことができる。切替弁Ｖ１２の切替制御は、温度が所定温度を超える場合、余剰蒸気が供給されているものとみなすことができることに基づいている。

さらに、本実施の形態では、熱源温水が軟水器などを通した水道水などの供給水（軟水）であり、不純物が少ないものを用いているが、これに限らず、工場排水などの廃熱排水を利用してもよい。

また、余剰蒸気を熱源温水タンク４０に供給しているため、省エネルギー効果が得られるとともに、ヒーター４１などの加熱手段の加熱容量を抑えることができる。

なお、蒸発器２１に供給された熱源温水は、吸熱後、熱源温水タンク４０に戻されるので、省エネルギー効果を得ることができる。

また、熱源温水の加熱は、ヒーター４１に限らず、他の加熱手段を用いてもよい。例えば、熱交換器を介して工場排水などの廃熱排水の熱量で加熱してもよい。

さらに、上記の実施の形態で図示した各構成は機能概略的なものであり、必ずしも物理的に図示の構成をされていることを要しない。すなわち、各装置及び構成要素の分散・統合の形態は図示のものに限られず、その全部又は一部を各種の使用状況などに応じて、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。

１０ ヒートポンプ式蒸気生成システム
２０ ヒートポンプ
２１ 蒸発器
２２ 圧縮機
２３ 凝縮器
２４ 絞り膨張器
３０ 気液分離器
４０ 熱源温水タンク
４１ ヒーター
５０ 水位センサ
５２ 温度センサ
６０ 制御部
６１ 水位制御部
６２ 温度制御部
６３ 切替弁制御部
６４ ヒートポンプ出力制御部
１００ 熱利用設備
Ｌ１ 給水ライン
Ｌ１３ 熱源温水戻しライン
Ｌ２ オーバーフロー排出ライン
Ｌ３ 蒸発器供給ライン
Ｌ４ 被加熱水供給ライン
Ｌ５ 循環ライン
Ｌ６，Ｌ７ 蒸気送出ライン
Ｌ８ 余剰蒸気ライン
Ｐ１ 熱源温水供給ポンプ
Ｐ２ 被加熱水供給ポンプ
Ｐ３ 蒸気圧縮機
Ｖ１ 給水弁
Ｖ１２ 切替弁
Ｖ２ リリーフ弁

Claims (4)

1. ヒートポンプを用いて熱源温水から冷媒に熱を回収し、回収した熱を前記冷媒から被加熱水に伝達して蒸気を生成し、生成した蒸気を熱利用設備に供給するヒートポンプ式蒸気生成システムであって、
   供給水を熱源温水タンクに供給する給水部と、
   前記熱源温水タンク内の供給水を所定温度に加熱して前記熱源温水とする加熱部と、
   前記熱源温水を前記ヒートポンプの蒸発器に供給して冷媒を加熱する蒸発器供給ラインと、
   前記熱源温水タンク内の供給水の温度を検出する温度センサと、
   を備え、
   前記加熱部とは別に、生成した蒸気の少なくとも一部を加熱蒸気として前記熱源温水タンクに供給する加熱蒸気供給機構を含み、
   前記加熱蒸気供給機構は、前記加熱蒸気の前記熱源温水タンクへの供給を制御可能な加熱蒸気弁を有し、
   前記温度センサが前記所定温度に基づいて設定された蒸気加熱停止温度を超える温度を検出した場合、前記加熱蒸気弁を閉制御して前記加熱蒸気の前記熱源温水タンクへの供給を停止し、
   前記加熱蒸気供給機構は、前記加熱蒸気を外気に排出可能とする蒸気排出弁を有し、
   前記温度センサが前記所定温度に基づいて設定された蒸気排出温度を超える温度を検出した場合、前記蒸気排出弁を開として前記加熱蒸気を外気に排出する制御を行う切替弁制御部を備えたことを特徴とするヒートポンプ式蒸気生成システム。
2. 前記ヒートポンプの出力を制御するヒートポンプ出力制御部をさらに備え、該ヒートポンプ出力制御部は、前記温度センサが前記蒸気排出温度を超える温度を検出した場合、前記ヒートポンプの出力を通常運転時よりも低減することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式蒸気生成システム。
3. 前記蒸発器から排出された熱源温水の少なくとも一部を前記熱源温水タンクに戻す熱源温水戻しラインを備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートポンプ式蒸気生成システム。
4. 前記熱源温水を前記被加熱水として前記ヒートポンプの凝縮器に直接供給可能な被加熱水供給ラインをさらに備えることを特徴とする請求項１～３のいずれか一つに記載のヒートポンプ式蒸気生成システム。

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