JPH1123094A - 水熱源ヒートポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 都市下水等の熱源水の持つ熱エネルギーを保
守性のよい装置で利用し、更に熱源水を蒸発、再凝縮さ
せた湯或いは水を水資源として利用する。 【解決手段】 熱源水を直接蒸発器２により蒸発させて
冷媒とし、圧縮機１で圧縮したのち凝縮器６で温水と熱
交換する。更にここで生成された凝縮熱源水を貯水槽７
へ蓄えて利用する。直接蒸発器２及び貯水槽７の天井面
を熱源水水面より１０ｍ以上高くして、ポンプ５の吸引
だけで汚れた熱源水を供給、蒸発させることで、熱源水
による汚れ等の除去などが容易になる。また圧縮機は、
潤滑剤として油を用いない遠心圧縮機を用いて、貯水槽
７に蓄え利用する水資源の油汚染を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は水熱源ヒートポンプ
に係り、特に工場排水、都市下水、河川水、或いは海水
等を熱源水として、大規模建築物の空気調和、給湯ない
し地域冷暖房、給湯等を行うのに好適な水熱源ヒートポ
ンプに関する。

【０００２】

【従来の技術】水熱源ヒートポンプの熱源水として、工
場排水、都市下水、河川水、海水（以下単に都市下水等
という）などを利用する技術の開発が、エネルギー資源
の有効利用、地球温暖化の防止等の観点から望まれてい
る。これに関連した従来技術としては、蒸発器を用いて
熱源水と冷媒（ＨＦＣ類など）の間で熱交換を行い、そ
の冷媒を圧縮機で圧縮したのち凝縮器へ導いて温水と熱
交換することによりその温水を加熱する、という構成の
ヒートポンプが知られている。

【０００３】また、特開昭６３−２３１１５０号に開示
された「ヒートポンプ」では、排蒸気や温水を熱源水と
してこれを密封した気液分離器へ導き、この気液分離器
内の気体部分を圧縮機としてのポンプで吸引して低圧と
して水蒸気を蒸発させると共に、その水蒸気を圧縮して
高温とし、この高温・高圧の水蒸気を凝縮器へ導いてこ
こで温水と熱交換するようにしている。このヒートポン
プでは、ＨＦＣ類等の冷媒を介在させずに熱源水のエネ
ルギーを利用している点に特徴がある。

【０００４】また、特開平３−３６４７２号に開示され
た「オープン型ヒートポンプ」では、蒸発器を用いて熱
源水と冷媒としての水との間で熱交換を行い、その冷媒
を圧縮機で圧縮したのち凝縮器へ導く。さらにその凝縮
器で凝縮し液化した水をそのまま温水として外部へ取り
出し利用する。この構成においても、ＨＦＣ類等の冷媒
は用いられていない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来技術のう
ち、特開平３−３６４７２号やその他のヒートポンプ
で、蒸発器において熱源水と冷媒との間で熱交換を行う
ようにしたヒートポンプでは、熱源水として都市下水等
を用いる場合、その熱源水には各種の懸濁物が含まれて
いるため、フィルタ等を設けたとしても、熱交換器の伝
熱管内面の汚れの付着による伝熱性能の劣化が著しくな
る。このため伝熱管内側の洗浄装置を設置する必要があ
り、設備費が増加するのみならず、運転保守、信頼確保
の点でも維持費が増大するという問題がある。また、冷
媒としてＨＦＣ類等を介在させる場合には、その冷媒の
管理が必要となり、同時に熱交換効率も低下する。

【０００６】一方、特開昭６３−２３１１５０号に開示
されたヒートポンプの場合には、熱源水と冷媒との熱交
換はなく、熱源水を直接蒸発させてその水蒸気の熱を利
用するから、都市下水等を熱源水として用いても熱交換
器内の伝熱管の汚れを考慮する必要はない。さらにＨＦ
Ｃ類等の冷媒を介在させていないので、その管理も必要
なく、熱利用率も向上する。しかしこのヒートポンプで
は熱源水として排蒸気或いは温水が想定されており、特
にその汚れの影響や熱源水の供給方法は考慮されていな
い。また、蒸発したのち凝縮されて温水に熱を与えた後
の水を水資源として利用することも考慮されていない。

【０００７】本発明の目的は、都市下水等の汚れのある
熱源水を用いても、その運転や保守が容易で熱効率がよ
く、かつ低コストで作成できると共に、更に熱回収後の
水も水資源として利用できるようにした水資源ヒートポ
ンプを提供するにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、熱源水供給源
から供給された熱源水を蒸発させて冷媒蒸気を生成する
ための直接蒸発器と、該直接蒸発器で生成された冷媒蒸
気を圧縮するための圧縮機と、該圧縮機で圧縮された冷
媒蒸気と温水との熱交換を行って前記冷媒蒸気を凝縮し
て凝縮熱源水とするための凝縮器と、該凝縮器で生成さ
れた凝縮熱源水を水資源として利用するために一時蓄え
るための貯水槽と、を備えたことを特徴とする水熱源ヒ
ートポンプを開示する。

【０００９】更に本発明は、前記熱源水供給源に於る熱
源水水面から前記直接蒸発器の天井面までの高さが１０
ｍをこえ、かつ前記熱源水水面から前記直接蒸発器の底
面までの高さが１０ｍ以下である位置に前記直接蒸発器
を設置し、前記熱源水供給源に於る熱源水水面から前記
貯水槽の天井面までの高さが１０ｍ以上となる位置に前
記貯水槽を設置したことを特徴とする水熱源ヒートポン
プを開示する。

【００１０】更に本発明は、前記熱源水供給源に於る熱
源水水面から１０ｍ以上高い位置に前記圧縮機を設置し
たことを特徴とする水熱源ヒートポンプを開示する。

【００１１】更に本発明は、前記凝縮器により生成され
た凝縮熱源水を通すことによって前記熱源水及び冷媒蒸
気の一方または双方を予熱するための予熱管を前記直接
蒸発器に設けたことを特徴とする水熱源ヒートポンプを
開示する。

【００１２】更に本発明は、前記凝縮器により生成され
た凝縮熱源水の一部を取り込んで減圧するための減圧弁
と、該減圧弁で減圧された凝縮熱源水を蒸発させて冷水
と熱交換するための冷水蒸発器と、該冷水蒸発器で蒸発
した蒸気を圧縮して前記凝縮器もしくは直接蒸発器へ戻
すための補助圧縮機と、を備えたことを特徴とする水熱
源ヒートポンプを開示する。

【００１３】更に本発明は、前記圧縮機が、その潤滑材
として油を用いない遠心圧縮機であることを特徴とする
水熱源ヒートポンプを開示する。

【００１４】更に本発明は、前記補助圧縮機が、その潤
滑材として油を用いない遠心圧縮機であることを特徴と
する水熱源ヒートポンプを開示する。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。図１は、本発明になる水資源ヒートポンプの構成
例を示す図で、直接蒸発器２は、その底面の熱源水水面
からの高さｈ1 が１０ｍ以下で、かつその天井面の熱源
水水面からの高さｈ2 が１０ｍ以上となるように設置さ
れている。また圧縮機１も熱源水水面から１０ｍ以上の
高さに設置されている。そして熱源水配水管４に取り付
けられたポンプ５を駆動すると、熱源水は熱源水給水管
３から吸い上げられて直接蒸発器２へ供給される。この
直接蒸発器２に供給された熱源水の一部は、直接蒸発器
２で圧縮機１の吸引作用により低気圧となって蒸発し、
圧縮機１へ送られるが、残りの熱源水は熱源水配水管４
を経て熱源水排水ポンプ５により排水される。 圧縮機
１へ送られて圧縮された水蒸気は、凝縮器６内で帰還温
水と熱交換して凝縮し温湯になる。この際発生する凝縮
熱により帰還温水は加熱されて温水系に供給され、一
方、水蒸気が凝縮した温湯は給水管８を介して給水槽７
に導かれ、ここから給水ポンプ９により外部へ取り出さ
れて水資源として利用される。この温湯は、熱源水に比
較して浮遊物、不純物が著しく少ないので、水資源とし
て再利用可能である。尚、給水槽７には、均圧管１０が
設けられており、またその中の水面から凝縮器６の天井
面の高さｈ3も１０ｍ以上であるとし、かつ圧縮機１も
給水槽７の水面より１０ｍ以上の高さに設置されている
とする。

【００１６】図１の実施の形態によると以下の特徴と効
果がある。 （１）熱源水は直接蒸発器２内で沸騰、蒸発するので沸
騰伝熱面が不要であるため、生下水の如く浮遊物が多い
熱源水を使用しても、伝熱面の汚れによる性能低下が生
じない。 （２）前述のように直接蒸発器２内の天井面が熱源水よ
り１０ｍ以上高い位置に設置されているので、 熱源水
を熱源水水温の飽和圧力まで減圧するための減圧機構が
不要であり、生下水の如く浮遊物が多い場合でも減圧機
構に於る閉塞を心配する必要がない。また圧縮機停止時
に水面が直接蒸発器２内の天井に達することはないの
で、熱源水の侵入による圧縮機１の水没を防止できる。 （３）前述のように凝縮器６内の天井面は給水槽７の水
面より１０ｍ以上高い位置にあり、かつその水面は均圧
管１０を介して大気圧となっているから、圧縮機１の停
止時に凝縮器６内の水面がその天井より上昇することは
なく、凝縮熱源水の進入による圧縮機６の水没と外気の
侵入を確実に防止できる。

【００１７】図２は、本発明の水熱源ヒートポンプの別
の構成例を示すもので、図１と異なるのは、給水管８の
途中に直接蒸発器２内を通る予熱配管１３を挿入し、凝
縮器６で生成した凝縮熱源水をその予熱配管１３に流す
ことにより、直接蒸発器２内の熱源水及び水蒸気を加熱
するようにした点である。この構成によると、給水槽７
への水温は低下するが、直接蒸発器２での蒸発量が増え
て圧縮機１を駆動するための動力をより多く必要とする
ようになる。しかし、それ以上に多くの熱を熱源水から
回収できるので、供給する熱量当たりの所要動力が減
り、圧縮機の効率が向上する。或いは圧縮機の動力を上
げることによりより多くの熱を利用できる。

【００１８】図３は、本発明の更に別の構成例を示し、
温水のみでなく冷水の供給も行えるようしたもので、図
２の構成に冷水蒸発器１４と補助圧縮機１６、及びそれ
らに関する配管を付加したものである。この構成で、予
熱配管１３の途中から凝縮熱源水の１部を減圧弁１５で
減圧のうえ冷水蒸発器１４へ導く。冷水蒸発器１４内気
体部は補助圧縮機１６で吸引されて減圧されているか
ら、減圧弁１５経由で送られてきた凝縮熱源水は蒸発
し、この蒸発熱により帰還冷水を冷却する。一方、補助
圧縮機１６で圧縮された水蒸気は、冷却運転時のみ開と
される閉止弁１７を介装した配管１８経由で凝縮器６へ
戻される。ここで冷水蒸発器１４内の蒸気圧は直接蒸発
器２内の圧力より低いので、補助圧縮機１５により凝縮
器６の圧力までこれを昇圧している。

【００１９】図４は、本発明の更に別の構成例を示した
もので、図３の変形例である。即ち、図３の配管１８を
凝縮器６に直接接続しないで、直接蒸発器２から圧縮機
１への配管に接続し、補助圧縮機１６は冷水蒸発器１４
内の低い圧力を直接蒸発器２の圧力まで昇圧する。この
構成の動作は図３のものと同様である。また、図３、図
４の構成では、直接蒸発器２内で熱交換した凝縮熱源水
の一部を冷水蒸発器１４に導入しているが、 直接蒸発
器２内を通過しない凝縮熱源水を用いて冷水を生成する
構成も可能で、図５、図６はその構成例である。図５、
図６は凝縮熱源水を冷水蒸発器１４へ導く配管部分のみ
を示しており、他の構成は図３または図４のいずれでも
よい。そして図５、図６では、凝縮器６から出た凝縮熱
源水をすぐに分岐させ、その一方を冷水蒸発器１４へ導
く構成であり、分岐されたもう一方の方は、図５では直
接蒸発器２を通った後給水槽７へ導かれ、図６ではその
まま給水槽７へ導かれる。これら図５、図６の構成で
は、図３、図４の場合と比べてエネルギー効率は低下す
るものの、構造は簡略化される利点がある。

【００２０】以上に示した図１〜図６の構成例では、
（１）蒸発器内天井面が熱源水より１０ｍ以上高い位置
になるように直接蒸発器２を設置し、（２）凝縮器内天
井面が給水槽７の大気圧に接する水面より１０ｍ以上高
い位置になるように凝縮器６を設置し、（３）かつ熱源
水取水位置水面および給水槽水面より１０ｍ以上高い位
置に圧縮機１を設置する、という条件が満たされている
としたが、機器設置場所によってはこれらのいずれかの
条件が実施できない場合がある。図７はこのような場合
に対処するための構成例を示すもので、熱源水水面から
直接蒸発器２の天井面までの高さｈ2、及び給水槽水面
から凝縮器６の天井面までの高さｈ3が共に１０ｍ以下
としている。この条件で、圧縮機１停止時にその水没を
防止するために、図１の構成を基本とし、直接蒸発器２
に熱源水を供給する熱源水給水管３には熱源水給水閉止
弁２１を、熱源水排水管４には熱源水排水閉止弁２３を
設けている。そして圧縮機停止時には、熱源水給水閉止
弁２１、熱源水排水閉止弁２３を閉じて熱源水が直接蒸
発器２に流入するのを防ぐ。さらにこの構成では、直接
蒸発器２内の圧力を熱源水温度の飽和水蒸気圧まで減圧
するため、熱源水減圧弁２２を設ける必要がある。また
熱源水に浮遊物が多い場合は弁類の異物による閉塞を防
ぐため、ストレーナ２４を設ける。

【００２１】一方、給水槽７は気密構造とし、給水管８
には給水管閉止弁１９、給水ポンプ管路には給水ポンプ
閉止弁２０を設ける。そして圧縮機停止時は、給水管閉
止弁１９、給水ポンプ閉止弁２０を閉鎖して、凝縮器６
にポンプ側から凝縮熱源水が逆流するのを防ぐ。

【００２２】図１〜図６の構成では、都市下水等の混入
物の多い熱源水は、熱源水給水管３、熱源水配水管４、
ポンプ５のみを循環するから、単純な構造のため汚れも
少なく、その清掃等も簡単であるが、図７の構成では閉
止弁２１、２３、及び熱源水減圧弁２２等を介在させる
必要があるから、熱交換器内の配管ほどではないにして
も、その汚れへの対応は図１〜図６の構成に比べると手
間が係りコスト面でも不利になることは避けられない。
しかし機器の配置条件が制約された場所において適用で
き、都市下水等の廃熱を従来よりも有効かつ容易に利用
できる利点がある。

【００２３】次に、本発明の水熱源ヒートポンプに用い
る圧縮機の構成例を説明する。ヒートポンプでは一般に
遠心圧縮機が用いられるが、この遠心圧縮機では、羽根
車を高速で回転させるためギヤを用いて増速する。この
ためギヤの潤滑と強大なギヤ反力を支持する軸受けの潤
滑に潤滑油が用いられている。しかしこの潤滑油が凝縮
熱源水に混入すると、水資源としての利用が困難になる
のみならず、環境汚染防止のための排水処理が必要とな
る。従って圧縮機で用いる潤滑油の混入を防ぐ必要があ
り、図８はこのための遠心圧縮機の構成例を示してい
る。図８において、モータ２６のロータ２７は羽根車２
８と直結されて羽根車２８を直接駆動する。従ってギヤ
そのものも、従ってギヤの潤滑も不要である。また軸受
けは強大なギヤ反力を支持する必要が無いので、ラジア
ル軸受２４、スラスト軸受２５としては磁気軸受け、水
潤滑軸受けなど、負荷容量が小さく潤滑油を必要としな
い形式の軸受けを使用する。またモータ、圧縮機内部は
外部から遮断されているので軸封が不要であり、 軸封
用の潤滑油も不要である。

【００２４】図９は、遠心圧縮機の別の構成例を示して
おり、図８の構成で非磁性の隔壁２９をステータ３０と
ロータ２７の間に設けたものである。これによりステー
タ３０は水蒸気側と遮断されて大気側に置かれる。従っ
てステータコイルの冷却、腐蝕の問題を軽減できる利点
がある。むろん図８の構成と同様、本発明のヒートポン
プとして使用することにより凝縮熱源水を水資源として
利用したときに潤滑油の混入を完全に防止できる。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、工場排水、都市下水、
河川水、海水などの熱源水の持つ熱エネルギーを有効に
利用でき、かつ熱源水を蒸発、再凝縮させた湯或いは水
も水資源として利用可能になる。また、これらの熱源水
を利用する際問題となる伝熱管の洗浄装置が不要とな
り、運転保守、信頼性確保のための維持費の低減を図る
ことが可能になるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明になる水熱源ヒートポンプの第１の構成
例を示す図である。

【図２】本発明になる水熱源ヒートポンプの第２の構成
例を示す図である。

【図３】本発明になる水熱源ヒートポンプの第３の構成
例を示す図である。

【図４】本発明になる水熱源ヒートポンプの第４の構成
例を示す図である。

【図５】本発明になる水熱源ヒートポンプの第５の構成
例を示す図である。

【図６】本発明になる水熱源ヒートポンプの第６の構成
例を示す図である。

【図７】本発明になる水熱源ヒートポンプの第７の構成
例を示す図である。

【図８】遠心圧縮機の第１の構成例を示す断面図であ
る。

【図９】遠心圧縮機の第２の構成例を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１ 圧縮機 ２ 直接蒸発器 ３ 熱源水給水管 ４ 熱源水排水管 ５ 熱源水排水ポンプ ６ 凝縮器 ７ 給水槽 ８ 給水管 ９ 給水ポンプ １０ 均圧管 １３ 予熱配管 １４ 冷水蒸発器 １５ 冷水蒸発器減圧弁 １６ 補助圧縮機 １７ 補助圧縮機閉止弁 １８ 補助圧縮機配管 １９ 給水管閉止弁 ２０ 給水ポンプ閉止弁 ２１ 熱源水給水閉止弁 ２２ 熱源水減圧弁 ２３ 熱源水排水閉止弁 ２４ ストレーナ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 桑原 健一 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社日 立製作所土浦工場内 (72)発明者 寺崎 正敏 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社日 立製作所土浦工場内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱源水供給源から供給された熱源水を蒸
   発させて冷媒蒸気を生成するための直接蒸発器と、 該直接蒸発器で生成された冷媒蒸気を圧縮するための圧
   縮機と、 該圧縮機で圧縮された冷媒蒸気と温水との熱交換を行っ
   て前記冷媒蒸気を凝縮して凝縮熱源水とするための凝縮
   器と、 該凝縮器で生成された凝縮熱源水を水資源として利用す
   るために一時蓄えるための貯水槽と、 を備えたことを特徴とする水熱源ヒートポンプ。
2. 【請求項２】 前記熱源水供給源に於る熱源水水面から
   前記直接蒸発器の天井面までの高さが１０ｍをこえ、か
   つ前記熱源水水面から前記直接蒸発器の底面までの高さ
   が１０ｍ以下である位置に前記直接蒸発器を設置し、 前記熱源水供給源に於る熱源水水面から前記貯水槽の天
   井面までの高さが１０ｍ以上となる位置に前記貯水槽を
   設置したことを特徴とする請求項１に記載の水熱源ヒー
   トポンプ。
3. 【請求項３】 前記熱源水供給源に於る熱源水水面から
   １０ｍ以上高い位置に前記圧縮機を設置したことを特徴
   とする請求項１に記載の水熱源ヒートポンプ。
4. 【請求項４】 前記凝縮器により生成された凝縮熱源水
   を通すことによって前記熱源水及び冷媒蒸気の一方また
   は双方を予熱するための予熱管を前記直接蒸発器に設け
   たことを特徴とする請求項１〜３の内の１つに記載の水
   熱源ヒートポンプ。
5. 【請求項５】 前記凝縮器により生成された凝縮熱源水
   の一部を取り込んで減圧するための減圧弁と、 該減圧弁で減圧された凝縮熱源水を蒸発させて冷水と熱
   交換するための冷水蒸発器と、 該冷水蒸発器で蒸発した蒸気を圧縮して前記凝縮器もし
   くは直接蒸発器へ戻すための補助圧縮機と、 を備えたことを特徴とする請求項１〜４の内の１つに記
   載の水熱源ヒートポンプ。
6. 【請求項６】 前記圧縮機は、その潤滑材として油を用
   いない遠心圧縮機であることを特徴とする請求項１〜５
   の内の１つに記載の水熱源ヒートポンプ。
7. 【請求項７】 前記補助圧縮機は、その潤滑材として油
   を用いない遠心圧縮機であることを特徴とする請求項５
   または６に記載の水熱源ヒートポンプ。