JP2010014380A - 熱流体供給システム及び熱流体供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高エネルギー効率を有しかつ、様々な温度レベルの熱流体を供給することが可能な熱流体供給システムを提供する。
【解決手段】熱流体供給システムは、第１装置（１０）と、熱交換装置（４１，４２，４３）と、第２装置（２０）を備える。第１装置（１０）は、少なくとも２段を有する多段圧縮部（１２）を含むヒートポンプ（１０）を備える。熱交換装置（４１，４２，４３）において、第１流体からの熱が第２流体に伝わる。第２装置（２０）は、第１流体からの伝達熱を受けた第２流体を出力する。熱流体供給システムはさらに、１段ごとに圧縮部（１２）で圧縮された第１流体からの熱が第２流体に伝わる第１モードと、圧縮部（１２）の少なくとも２段で連続して圧縮された第１流体からの熱が第２流体に伝わる第２モードと、第１モードと第２モードとを切り替える制御装置（７０）と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱流体供給システム及び熱流体供給方法に関する。

熱流体供給システムとして、ヒートポンプを利用したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。ヒートポンプは、サイクル外の熱（例えば大気の熱）を利用することにより、エネルギー利用効率が比較的高いことが知られている。
特開２００４−２８４７９号公報

ヒートポンプの成績係数（ＣＯＰ：coefficient of performance）は、被加熱流体の入出力温度差に応じて変化する。ヒートポンプを利用した熱流体供給システムの仕様において、出力温度範囲が比較的限定的である。

本発明は、高エネルギー効率を有しかつ、様々な温度レベルの熱流体を供給することが可能な熱流体供給システム及び熱流体供給方法を提供することを目的とする。

本発明の態様に従えば、第１流体が流れる第１装置であり、少なくとも２段を有する多段圧縮部を含むヒートポンプを備える前記第１装置と、前記第１流体からの熱が第２流体に伝わる熱交換装置と、前記第２流体が流れる第２装置であり、前記第１流体からの伝達熱を受けた前記第２流体を出力する前記第２装置と、１段ごとに前記圧縮部で圧縮された前記第１流体からの熱が前記第２流体に伝わる第１モードと、前記圧縮部の少なくとも２段で連続して圧縮された前記第１流体からの熱が前記第２流体に伝わる第２モードと、前記第１モードと前記第２モードとを切り替える制御装置と、を備える熱流体供給システムが提供される。

この熱流体供給システムによれば、エネルギー効率を考慮した、最適なモードの選択により、高エネルギー効率を有しかつ、要求に応じて、様々な温度レベルの熱流体を供給することができる。

本発明の別の態様に従えば、多段圧縮部を含むヒートポンプからの伝達熱を受けた流体を出力する工程と、１段ごとに前記圧縮部で圧縮された作動媒体からの熱を前記流体に伝える第１モードと、前記圧縮部の少なくとも２段で連続して圧縮された前記作動媒体からの熱を前記流体に伝える第２モードとを切り替える工程と、を含む、熱流体供給方法が提供される。

この熱流体供給方法によれば、エネルギー効率を考慮した、最適なモードの選択により、高エネルギー効率を有しかつ、要求に応じて、様々な温度レベルの熱流体を供給することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、第１実施形態にかかる熱流体供給システムＳ１を示す概略図である。図１において、熱流体供給システムＳ１は、作動流体（作動媒体、第１流体）が流れるヒートポンプ１０（第１装置）と、被加熱流体（被加熱媒体、第２流体）の供給系２０（第２装置）と、制御装置７０とを備える。本実施形態において、被加熱流体は水である。制御装置７０は、システム全体を統括的に制御する。熱流体供給システムＳ１の構成は、熱流体供給システムＳ１の設計要求に応じて様々に変更可能である。

ヒートポンプ１０は、蒸発、圧縮、凝縮、及び膨張の各工程からなるサイクルにより、低温の物体から熱を汲み上げ、高温の物体に熱を与える装置である。ヒートポンプは一般に、エネルギー効率が比較的高く、結果として、二酸化炭素等の排出量が比較的少ないという利点を有する。

本実施形態において、ヒートポンプ１０は、吸熱部１１、圧縮部１２、放熱部（第１放熱部１３Ａ、第２放熱部１３Ｂ、第３放熱部１３Ｃ）、及び膨張部１４を有し、これらは導管を介して接続されている。

吸熱部１１では、主経路１５内を流れる作動流体がサイクル外の熱源の熱を吸収する。本実施形態において、ヒートポンプ１０の吸熱部１１は、冷熱供給装置９０の放熱管９１に熱的に接続されている。冷熱供給装置９０において、放熱管９１を流れる媒体（冷媒など）の熱（温排熱）がヒートポンプ１０の吸熱部１１に吸収される。冷却された媒体が冷熱供給装置９０から所定の設備に供給される。ヒートポンプ１０の吸熱部１１が大気など他の熱源の熱を吸収する構成とすることもできる。

圧縮部１２は、圧縮機等によって作動流体を圧縮する。この際、通常、作動流体の温度が上がる。本実施形態において、圧縮部１２は、作動流体を複数段に圧縮する多段圧縮構造を有し、すなわち、第１圧縮部１２Ａ及び第２圧縮部１２Ｂを含む２段圧縮構造を有する。圧縮の段数は、熱流体供給システムＳ１の仕様に応じて設定され、２、３、４、５、６、７、８、９、あるいは１０以上である。圧縮部１２は、軸流圧縮機、遠心圧縮機、レシプロ式圧縮機、ロータリー式圧縮機などの様々な圧縮機のうち、作動流体の圧縮に適するものが適用される。圧縮機には動力が供給される。圧縮部１２は、各圧縮部１２Ａ〜１２Ｂに対応する回転数が個々に制御される多軸圧縮構造を有することができる。あるいは、圧縮部１２は、同軸圧縮構造を有することができる。圧縮部１２の圧縮比（圧力比）は、熱流体供給システムＳ１の仕様に応じて設定される。

放熱部１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃは、圧縮部１２で圧縮された作動流体が流れる導管を有し、主経路１５内を流れる作動流体の熱をサイクル外の熱源に与える。本実施形態において、作動流体の流れ方向に沿って、３つの放熱部１３Ａ，１３Ｂ，及び１３Ｃが実質的に直列に配置されている。放熱部の数は、熱流体供給システムＳ１の仕様に応じて設定され、３、４、５、６、７、８、９、１０、あるいは１１以上である。

膨張部１４は、減圧弁またはタービン等によって作動流体を膨張させる。この際、通常、作動流体の温度が下がる。タービンを使用した場合には膨張部１４から動力を取り出すことができ、その動力を例えば圧縮部１２に供給してもよい。ヒートポンプ１０に使用される作動流体として、フロン系媒体（HFC 245fa、R134aなど）、アンモニア、水、二酸化炭素、空気などの公知の様々な熱媒体が、熱流体供給システムＳ１の仕様及び熱バランスなどに応じて用いられる。ヒートポンプ１０の放熱部１３Ａ，１３Ｂを流れる作動流体の少なくとも一部が超臨界状態であってもよい。

本実施形態において、ヒートポンプ１０は、第１圧縮部１２Ａから第２放熱部１３Ｂの間における、作動流体のルートを切り替えるルート切替装置１５０を有する。作動流体用の第１ルートにおいて、概略的に、第１圧縮部１２Ａ、第１放熱部１３Ａ、第２圧縮部１２Ｂ、第２放熱部１３Ｂ、及び第３放熱部１３Ｃの順に作動流体が流れる。作動流体用の第２ルートにおいて、概略的に、第１圧縮部１２Ａ、第２圧縮部１２Ｂ、第１放熱部１３Ａ、第２放熱部１３Ｂ、及び第３放熱部１３Ｃの順に作動流体が流れる。ルート切替装置１５０は、ルート切替のための分岐配管１５１，１５２、及びバルブ１６１、１６２、１６３，１６４，１６５，１６６等を有する。バルブ１６１〜１６６は、例えば実質的な三方バルブ、レギュレータ、流量制御弁、又は開閉バルブである。ルート切替装置１５０の形態は、図１に示す構成に限定されず、様々な形態が適用可能である。バルブ１６１〜１６６を含むルート切替装置１５０は、制御装置７０によって制御される。

本実施形態において、ヒートポンプ１０はさらに、バイパス経路１７と、再生器１８とを有する。バイパス経路１７の入口端がヒートポンプ１０の主経路１５における放熱部１３Ａ，１３Ｂと第３放熱部１３Ｃとの間の導管に流体的に接続される。バイパス経路１７の出口端が主経路１５における第３放熱部１３Ｃと膨張部１４との間の導管に流体的に接続される。バイパス経路１７の入口に、作動流体のバイパス流量を制御する流量制御弁を設けることができる。バイパス経路１７において、第１及び第２放熱部１３Ａ，１３Ｂからの作動流体の一部が、第３放熱部１３Ｃを迂回し、膨張部１４の手前で第３放熱部１３Ｃからの作動流体と合流する。第１及び第２放熱部１３Ａ，１３Ｂからの残りの作動流体は、第３放熱部１３Ｃを流れ、後述する第３熱交換器４３においてその作動流体と供給系２０内の水とが熱交換する。

再生器１８は、バイパス経路１７の導管の一部と、ヒートポンプ１０の主経路１５の導管（吸熱部１１と圧縮部１２との間の導管）の一部とが熱的に接続された構成を有する。例えば、両導管が互いに接触あるいは隣接して配置される。ヒートポンプ１０において、吸熱部１１からの作動流体に比べて、第１及び第２放熱部１３Ａ，１３Ｂからの作動流体は高温である。再生器１８において、バイパス経路１７を流れる第１及び第２放熱部１３Ａ，１３Ｂからの作動流体と、ヒートポンプ１０の主経路１５を流れる吸熱部１１からの作動流体とが熱交換する。この熱交換により、バイパス経路１７内の作動流体の温度が降下し、主経路１５内の作動流体の温度が上昇する。再生器１８は、低温の流体（主経路１５内の作動流体）と高温の流体（バイパス経路１７内の作動流体）とが対向して流れる向流型の熱交換方式を有することができる。あるいは、再生器１８は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換方式を有してもよい。

供給系２０は、加温部２１と、蒸発部２２と、圧縮機３０（吸引装置）と、必要に応じて流体駆動部２９とを有する。

加温部２１は、ヒートポンプ１０の第３放熱部１３Ｃに熱的に接続されかつ供給源（不図示）からの水が流れる導管を含む。加温部２１と第３放熱部１３Ｃとを含んで第３熱交換器４３（熱交換装置）が構成される。第３熱交換器４３は、低温の流体（供給系２０内の水）と高温の流体（ヒートポンプ１０内の作動流体）とが対向して流れる向流型の熱交換方式を有することができる。あるいは、第３熱交換器４３は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換方式を有してもよい。本実施形態において、第３熱交換器４３の熱交換構造として、公知の様々なものを採用することができる。加温部２１の導管と第３放熱部１３Ｃの導管とは互いに接触あるいは隣接して配置される。例えば、第３放熱部１３Ｃの導管を、加温部２１の導管の外周面や内部に配設することができる。加温部２１において、ヒートポンプ１０の第３放熱部１３Ｃからの伝達熱によって、供給系２０内の水が温度上昇する。

蒸発部２２は、少なくとも液状の被加熱流体（水）を貯溜するタンク４７と、タンク４７に流体的に接続された循環導管（第１循環導管４８Ａ、第２循環導管４８Ｂ）とを有する。加温部２１とタンク４７との間には、必要に応じて脱気槽（不図示）と、流体駆動部（不図示）とが配置される。タンク４７には、加温部２１からの水の供給口と、蒸気の排出口とが設けられる。タンク４７は、必要に応じて、液面を計測するレベルセンサ５０と、気液分離器（不図示）とを有することができる。

本実施形態において、１つのタンク４７に対して各循環導管４８Ａ，４８Ｂが流体的に接続されている。すなわち、循環導管４８Ａ及び４８Ｂの各入口端と各出口端とがタンク４７に流体的に接続される。循環導管の数は、熱流体供給システムＳ１の仕様に応じて設定され、２、３、４、５、６、７、８、９、あるいは１０以上である。第１循環導管４８Ａは、ヒートポンプ１０の第１放熱部１３Ａに熱的に接続される被加熱管５１Ａ（第１導管）と、ポンプ５２Ａと、必要に応じてバルブ（不図示）とを有する。同様に、第２循環導管４８Ｂは、ヒートポンプ１０の第２放熱部１３Ｂに熱的に接続される被加熱管５１Ｂ（第２導管）と、ポンプ５２Ｂと、必要に応じてバルブ（不図示）とを有する。本実施形態において、被加熱管５１Ａ及び５１Ｂは、個々に独立してタンク４７に流体的に接続される。また、被加熱管５１Ａ及び５１Ｂは、タンク４７及び供給系２０に対して並列に配置される。被加熱流体（水）の熱対流及び／又は外部との差圧などを利用してポンプ５２Ａ及び５２Ｂの少なくとも１つを省いてもよい。

本実施形態において、被加熱管５１Ａ（第１導管）と第１放熱部１３Ａとを含んで第１熱交換器４１（熱交換装置）が構成される。すなわち、第１熱交換器４１において、ヒートポンプ１０の第１放熱部１３Ａと蒸発部２２の被加熱管５１Ａとが熱的に接続される。第１放熱部１３Ａを流れる作動流体からの熱が被加熱管５１Ａを流れる水に伝わる。同様に、被加熱管５１Ｂ（第２導管）と第２放熱部１３Ｂとを含んで第２熱交換器４２（熱交換装置）が構成される。熱交換器４１，４２は、低温の流体（被加熱管５１Ａ又は５１Ｂ内の水）と高温の流体（ヒートポンプ１０内の作動流体）とが対向して流れる向流型の熱交換方式を有することができる。あるいは、熱交換器４１，４２は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換方式を有してもよい。熱交換器４１，４２の熱交換構造として、公知の様々なものを採用することができる。ヒートポンプ１０の第１放熱部１３Ａ（又は第２放熱部１３Ｂ）の導管と、被加熱管５１Ａ（又は被加熱管５１Ｂ）とは互いに接触あるいは隣接して配置される。例えば、ヒートポンプ１０の第１放熱部１３Ａ（又は第２放熱部１３Ｂ）の導管を、被加熱管５１Ａ（又は被加熱管５１Ｂ）の外周面や内部に配設することができる。第１及び第２熱交換器４１，４２は、互いに異なる熱交換構造を有してもよい。

圧縮機３０は、タンク４７の内部空間を吸引し、タンク４７からの蒸気を圧縮し、昇圧した蒸気を下流に流す。圧縮機３０は、供給系２０上に配設され、その配設位置はタンク４７に対して下流である。圧縮機３０としては、軸流圧縮機、遠心圧縮機、レシプロ式圧縮機、ロータリー式圧縮機などの様々な圧縮機が適用され、蒸気圧縮に適するものが用いられる。

圧縮機３０及び／又は供給系２０には、蒸気に対して水を供給するノズル３５が、必要に応じて配設される。ノズル３５の配設位置は、例えば、圧縮機３０の入口及び／又は出口である。圧縮機３０が多段式である場合には、ノズル３５を圧縮機３０の段間に配設することができる。圧縮機３０の圧縮比（圧力比）は、熱流体供給システムＳ１の仕様に応じて設定される。ノズル３５とタンク４７の液相位置とが導管３６を介して流体的に接続することができる。この導管構成では、比較的高温であるタンク４７内の液体がノズル３５への供給に有効利用される。ノズル３５からの液体の排出（スプレイ）には、ポンプ３７などの動力源を用いてもよく、導管３６の入口と出口との圧力差を利用してもよい。

本実施形態において、圧縮機３０による吸引作用により、供給系２０におけるヒートポンプ１０による加熱部位での内部空間、すなわちタンク４７の内部空間が減圧される。タンク４７の内部圧力が大気圧に比べて低い負圧（陰圧）となるように、供給系２０上の制御弁（流量制御弁など。不図示）や圧縮機３０が制御される。この制御は、例えば、タンク４７の内部圧力を計測するセンサ（不図示）の計測結果に基づいて行われる。

本実施形態において、供給系２０は、被加熱流体（水）のルートを切り替えるルート切替装置１７０を有する。被加熱流体用の第１ルートにおいて、加温部２１、タンク４７、及び第１又は第２循環導管４８Ａ，４８Ｂの順に、水が流れる。被加熱流体用の第２ルートにおいて、加温部２１、被加熱管５１Ｂ（第２導管）、及び被加熱管５１Ａの順に、水が流れる。ルート切替装置１７０は、ルート切替のためのバルブ１８１，１８２，１８３，１８４，１８５、及び導管等を有する。バルブ１８１〜１８５は、例えば実質的な三方バルブ、レギュレータ、流量制御弁、又は開閉バルブである。ルート切替装置１７０の形態は、図１に示す構成に限定されず、様々な形態が適用可能である。バルブ１８１〜１８５を含むルート切替装置１７０は、制御装置７０によって制御される。

後述するように、被加熱流体用の第１ルートの選択時、作動流体用の第１ルートが好ましく選択される。この場合、供給系２０から、蒸気が出力される。一方、被加熱流体用の第２ルートの選択時、作動流体用の第１ルート又は第２ルートが選択される。この場合、供給系２０から、比較的低温の液相の水又は比較的高温の液相の水が出力される。

次に、熱流体供給システムＳ１の動作について説明する。図２は、その動作を示す表である。図２に示すように、制御装置７０は、出力媒体に要求される条件に応じて、熱流体供給システムＳ１の運転状態を変化させることができる。制御装置７０は、システムを統括的に制御する。本実施形態において、熱流体供給システムＳ１は、Ａモード（第１モード／第１サブモード）、Ｂモード（第１モード／第２サブモード）、及びＣモード（第２モード）を有する。モードの切替は、制御装置７０によって行われる。

＜Ａモード＞
図３は、Ａモードを示す模式図である。Ａモードでは、ルート切替装置１５０によって作動流体用に第１ルートが選択され、ルート切替装置１７０によって被加熱流体用に第１ルートが選択される。Ａモードにおいて、供給系２０から出力される水は気相（蒸気）である。図４は、Ａモードにおける、被加熱流体（水）及び作動流体の温度変化を模式的に示す図である。

図３に示すように、供給系２０の第３熱交換器４３（加温部２１）において、供給系２０内の水がヒートポンプ１０の第３放熱部１３Ｃからの伝達熱によって温度上昇する（図４の（ａ）部）。供給系２０において、第１ルートに沿って、概略的に、加温部２１からの水が供給口を介してタンク４７に供給され、タンク４７及び循環導管４８Ａ，４８Ｂ内に水が貯溜される。タンク４７内の液面が所定範囲内になるように、タンク４７への水の供給量が制御される。例えば、レベルセンサ５０の計測結果に基づいて、タンク４７への水の供給量が制御される。一方、ヒートポンプ１０において、第１ルートに沿って、概略的に、第１圧縮部１２Ａ、第１放熱部１３Ａ、第２圧縮部１２Ｂ、第２放熱部１３Ｂ、及び第３放熱部１３Ｃの順に作動流体が流れる。

第１圧縮部１２Ａで圧縮された作動流体は温度上昇する（図４のｍ１）。第１圧縮部１２Ａからの作動流体が第１放熱部１３Ａを流れる。第１熱交換器４１において、第１放熱部１３Ａからの伝達熱によって第１循環導管４８Ａの被加熱管５１Ａ内の水が加熱される（図４の（ｃ）部）。第１熱交換器４１（第１放熱部１３Ａ）からの、放熱した作動流体は、第２圧縮部１２Ｂに入る。第２圧縮部１２Ｂで圧縮された作動流体は温度上昇する（図４のｍ２）。第２圧縮部１２Ｂからの作動流体が第２放熱部１３Ｂを流れる。第２熱交換器４２において、第２放熱部１３Ｂからの伝達熱によって第２循環導管４８Ｂの被加熱管５１Ｂ内の水が加熱される（図４の（ｂ）部）。このように、Ａモードでは、１段ごとに圧縮部１２Ａ，１２Ｂで圧縮された作動流体からの熱が被加熱流体（水）に伝わる。第２熱交換器４２（第２放熱部１３Ｂ）からの作動流体は、第３熱交換器４３（第３放熱部１３Ｃ）に入る。

圧縮機３０の吸引作用により、蒸発部２２の内部空間が減圧されている。熱を受けた被加熱管５１Ａ及び５１Ｂ内の水は、少なくとも一部が蒸発する。タンク４７内の蒸気は、ダクト２３内を圧縮機３０に向けて流れ、外部に向けて出力される。熱流体供給システムＳ１からの熱流体（蒸気）は、外部の所定施設、例えば食品製造設備、電子機器製造プラント、その他製造設備、調理施設、空調設備、発電プラントなどに供給される。

水の顕熱加熱が主に第３熱交換器４３（加温部２１）において行われ、水の潜熱加熱が主に第１熱交換器４１及びは第２熱交換器４２において行われる。第３熱交換器４３が顕熱交換に適した形態であり、第１及び第２熱交換器４１，４２が潜熱交換に適した形態であるといった、装置構成の最適化が図られ、これに応じて、好ましい加熱プロセスを経て蒸気が生成される。

ボイラのエネルギー効率が一般に約０．７〜０．８（７０〜８０％）であるのに対して、ヒートポンプのエネルギー効率としての成績係数（ＣＯＰ：coefficient of performance）は一般に２．５〜５．０である。本実施形態において、顕熱交換及び潜熱交換に対応してヒートポンプが個別の加熱部を有することにより、より高いエネルギー効率で蒸気を発生させることができる。

多段式の圧縮部１２の段間の第１放熱部１３Ａの熱が奪われることによって、作動流体の圧縮過程における作動流体の温度上昇が抑制され、その結果、圧縮部１２の圧縮効率の向上及び圧縮機の動力の低減化が図られる。圧縮に伴う作動流体の温度上昇と、段間の放熱部における作動流体の温度降下との繰り返しの数（再熱の段数）は、２、３、４、５、６、７、８、９、あるいは１０以上である。再熱の段数が装置構成上の制約の範囲内で多いのが、エネルギー効率の向上に有利である場合がある。

タンク４７及びヒートポンプ１０は、タンク４７の内部空間が負圧状態において、水が蒸発するように設計（容量設計、能力設計など）されている。タンク４７の内部空間が負圧状態であるという条件により、高いＣＯＰでのヒートポンプ１０の使用が可能である。本実施形態において、熱流体供給システムＳ１からの蒸気の出力温度は、例えば、約７０℃〜約１００℃である。

＜Ｂモード＞
図５は、Ｂモード（第１モード／第２サブモード）を示す模式図である。Ｂモードでは、ルート切替装置１５０によって作動流体用に第１ルートが選択され、ルート切替装置１７０によって被加熱流体用に第２ルートが選択される。Ｂモードにおいて、供給系２０から出力される水は比較的低温の液相（温水）である。図６は、Ｂモードにおける、被加熱流体（水）及び作動流体の温度変化を模式的に示す図である。

図５に示すように、供給系２０の第３熱交換器４３（加温部２１）において、供給系２０内の水がヒートポンプ１０の第３放熱部１３Ｃからの伝達熱によって温度上昇する（図６の（ａ）部）。供給系２０において、第２ルートに沿って、概略的に、加温部２１からの水が被加熱管５１Ｂ、及び被加熱管５１Ａの順に流れる。一方、ヒートポンプ１０において、第１ルートに沿って、概略的に、第１圧縮部１２Ａ、第１放熱部１３Ａ、第２圧縮部１２Ｂ、第２放熱部１３Ｂ、及び第３放熱部１３Ｃの順に作動流体が流れる。

第１圧縮部１２Ａで圧縮された作動流体は温度上昇する（図６のｍ１）。第１圧縮部１２Ａからの作動流体が第１放熱部１３Ａを流れる。第１熱交換器４１において、第１放熱部１３Ａからの伝達熱によって被加熱管５１Ａ内の水が加熱される（図６の（ｃ）部）。第１熱交換器４１（第１放熱部１３Ａ）からの、放熱した作動流体は、第２圧縮部１２Ｂに入る。第２圧縮部１２Ｂで圧縮された作動流体は温度上昇する（図６のｍ２）。第２圧縮部１２Ｂからの作動流体が第２放熱部１３Ｂを流れる。第２熱交換器４２において、第２放熱部１３Ｂからの伝達熱によって被加熱管５１Ｂ内の水が加熱される（図６の（ｂ）部）。このように、Ｂモードにおいても、１段ごとに圧縮部１２Ａ，１２Ｂで圧縮された作動流体からの熱が被加熱流体（水）に伝わる。第２熱交換器４２（第２放熱部１３Ｂ）からの作動流体は、第３熱交換器４３（第３放熱部１３Ｃ）に入る。

Ｂモードにおいて、圧縮機３０は通常停止される。熱を受けた被加熱管５１Ａ及び５１Ｂ内の水は、さらに温度上昇し、外部に向けて出力される。熱流体供給システムＳ１からの熱流体（温水、圧縮水）は、外部の所定施設、例えば食品製造設備、電子機器製造プラント、その他製造設備、調理施設、空調設備、発電プラントなどに供給される。本実施形態において、熱流体供給システムＳ１からの温水（又は圧縮水）の出力温度は、例えば、約７０℃〜約１２０℃である。

＜Ｃモード＞
図７は、Ｃモード（第２モード）を示す模式図である。Ｃモードでは、ルート切替装置１５０によって作動流体用に第２ルートが選択され、ルート切替装置１７０によって被加熱流体用に第２ルートが選択される。Ｃモードにおいて、供給系２０から出力される水は比較的高温の液相（温水）である。図８は、Ｃモードにおける、被加熱流体（水）及び作動流体の温度変化を模式的に示す図である。

図７に示すように、供給系２０の第３熱交換器４３（加温部２１）において、供給系２０内の水がヒートポンプ１０の第３放熱部１３Ｃからの伝達熱によって温度上昇する（図８の（ａ）部）。供給系２０において、第２ルートに沿って、加温部２１からの水が、概略的に、被加熱管５１Ｂ、及び被加熱管５１Ａの順に流れる。一方、ヒートポンプ１０において、第２ルートに沿って、概略的に、第１圧縮部１２Ａ、第２圧縮部１２Ｂ、第１放熱部１３Ａ、第２放熱部１３Ｂ、及び第３放熱部１３Ｃの順に作動流体が流れる。

第１圧縮部１２Ａで圧縮された作動流体は温度上昇する（図８のｍ１）。第１圧縮部１２Ａからの作動流体は連続的に第２圧縮部１２Ｂに入る。第２圧縮部１２Ｂで圧縮された作動流体はさらに温度上昇する（図８のｍ２）。Ｃモードにおいて、第２圧縮部１２Ｂからの、連続的に圧縮された作動流体の温度は、Ａ及びＢモードに比べて高い。第２圧縮部１２Ｂからの作動流体が、第１放熱部１３Ａ及び第２放熱部１３Ｂを順に流れる。第２熱交換器４２において、第２放熱部１３Ｂからの伝達熱によって被加熱管５１Ｂ内の水が加熱される。第１熱交換器４１において、第１放熱部１３Ａからの伝達熱によって被加熱管５１Ａ内の水がさらに加熱される。

Ｃモードにおいて、圧縮機３０は通常停止される。熱を受けた被加熱管５１Ａ及び５１Ｂ内の水は、さらに温度上昇し、外部に向けて出力される。熱流体供給システムＳ１からの熱流体（温水、圧縮水）は、外部の所定施設、例えば食品製造設備、電子機器製造プラント、その他製造設備、調理施設、空調設備、発電プラントなどに供給される。本実施形態において、熱流体供給システムＳ１からの温水（又は圧縮水）の出力温度は、例えば、約９０℃〜約１５０℃である。

このように、本実施形態において、モードの切り替えに応じて、熱流体供給システムＳ１からの熱流体の出力形態が変化する。すなわち、Ａモードでは蒸気が出力され、Ｂモードでは比較的低温の温水（又は圧縮水）が出力され、Ｃモードでは比較的高温の温水（又は圧縮水）が出力される。制御装置７０は、要求される温度レベルに応じて、エネルギー効率を考慮して、最適なモードを選択する。作動流体及び／又は被加熱媒体のルートの切り替えによって、出力温度の変化に伴うＣＯＰの低下が回避される。したがって、熱流体供給システムＳ１は、高エネルギー効率を有しかつ、要求に応じて、様々な温度レベルの熱流体を供給することができる。

本実施形態において、熱流体供給システムＳ１は、設備からの戻りの熱流体を、再度、被加熱流体として使用することができる（循環方式）。循環方式において、Ａ及びＢモードは、戻り温度と出力温度との差が比較的小さい場合に適する。また、Ｃモードは、戻り温度と出力温度との差が比較的大きい場合に適する。

プラントや設備で必要な熱需要は、時間的に限定的である場合がある。様々な温度レベルの熱流体を供給することが可能な熱流体供給システムＳ１は、多くの用途に好ましく適用可能である。

代替的及び追加的に、被加熱媒体として、水以外の流体（オイルなど）を使用することができる。

また、本実施形態において、バイパス経路１７を介して作動流体の一部が第３熱交換器４３を迂回するから、第３熱交換器４３に入る作動流体の流量の最適化が図られる。これは、作動流体の保有熱を有効に使う上で有利である。

また、本実施形態において、バイパス経路１７を介して作動流体の一部が第３熱交換器４３を迂回することにより、第３熱交換器４３への作動流体の流入量が制御される。バイパス経路１７を流れる作動流体は、再生器１８において、ヒートポンプ１０の主経路１５を流れる吸熱部１１からの作動流体と熱交換する。この熱交換により、バイパス経路１７内の作動流体の温度が降下し、ヒートポンプ１０の主経路１５内の作動流体の温度が上昇する。圧縮部１２に対する作動流体の入力温度の上昇により、圧縮部１２の動力の低減が図られる。なお、作動流体のバイパス量は、被加熱流体及び作動流体の各物性値（比熱など）に応じて定められる。

また、本実施形態において、再生器１８で温度降下したバイパス経路１７内の作動流体は、膨張部１４の手前で、ヒートポンプ１０の主経路１５を流れる第３熱交換器４３（第３放熱部１３Ｃ）からの作動流体と合流する。前述したように、第３熱交換器４３からの作動流体の出力温度は比較的低く設定される。膨張部１４に対する作動流体の入力温度の降下により、作動流体の液ガス比の最適化が図られ、その結果、吸熱部１１においてサイクル外の熱源（冷熱供給装置９０の放熱管９１を流れる媒体）から有効に熱が吸収される。

このように、本実施形態において、熱流体の加熱に用いた後の作動流体が水の加温と作動流体の再生とに用いられることにより、熱の有効利用が図られる。

また、本実施形態において、供給系２０内の水が、ヒートポンプ１０（放熱部１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ）からの熱伝達によって比較的低圧力かつ低温度の蒸気となり、圧縮機３０による圧縮で比較的高圧力かつ高温度の蒸気とすることができる。すなわち、ヒートポンプ１０で加熱された水が、圧縮機３０による圧縮によってさらに加熱され、これにより、高温蒸気が発生できる。

図９は、熱流体供給システムＳ１における、蒸気生成プロセス（Ａモード）の状態変化の一例を示す Ｔ-ｓ 線図である。図９に示すように、水は、温度上昇した後、温度一定のまま相変化する。このとき、大気圧（Ｐ１＝１atm＝約０．１ＭＰａ）に比べて低い負圧Ｐ０の状態において、飽和蒸気ｄ０が発生する。飽和蒸気ｄ０の温度は標準沸点よりも低い。

次に、その飽和蒸気ｄ０は、圧縮機３０（図１参照）による圧縮で比較的高圧力かつ高温の蒸気（過熱蒸気ｅ２）になる。すなわち、その圧縮に伴って、蒸気が温度上昇する。過熱蒸気ｅ２の圧力Ｐ２は大気圧よりも高い、例えば０．８ＭＰａである。

例えば、０．８ＭＰａの過熱蒸気ｅ２を定圧下で冷却することにより、約１６０℃の飽和蒸気を得ることができる（図９の破線ａ）。同様に、大気圧（約０．１ＭＰａ）の過熱蒸気を定圧下で冷却することにより、約１００℃の飽和蒸気ｄ１を得ることができる。上記数値は理解のための一例であって本発明はこれに限定されない。

過熱蒸気から飽和蒸気への冷却に、液状の水または温水を直接混入することにより、蒸気のボリュームが増加する。この場合、例えば、圧縮機３０の出口において蒸気に対して水または温水が供給される。

水または温水の供給量及びタイミングの最適化により、比較的低圧力かつ低温度の飽和蒸気ｄ０から比較的高圧力かつ高温度の飽和蒸気ｄ２への変化を、より直接的にできる。例えば、圧縮機３０の入口で適量の水または温水が蒸気に供給されることにより、圧縮機３０の入口での飽和蒸気ｄ０が、圧縮機３０の出口で飽和蒸気ｄ２に変化する（図９の破線ｃ１（スプレー）及びｃ２（圧縮））。または、圧縮機３０の中間で圧縮機３０の段落ごとに適量の水または温水が蒸気に供給されることにより、圧縮機３０の入口での飽和蒸気ｄ０が、圧縮機３０の出口で飽和蒸気ｄ２に変化する（図９の破線ｂ）。すなわち、圧縮機３０による圧縮と水または温水による冷却との組み合わせの最適化により、効率良く圧縮機３０から飽和状態に近い蒸気を排出することができる。

このように、本実施形態では、ヒートポンプ１０及び圧縮機３０による順次加熱により、飽和蒸気及び過熱蒸気のいずれも容易に発生させることができる。つまり、熱流体供給システムＳ１は、蒸気仕様に対する柔軟性が高い。

また、本実施形態において、蒸気発生のための加熱過程の一部を圧縮機３０が補うから、高いＣＯＰでヒートポンプ１０が使用される。したがって、熱流体供給システムＳ１は、全体としての一次エネルギーの節減が期待される。

次に、本発明の第２実施形態について図面を参照して説明する。

図１０は、第２実施形態にかかる熱流体供給システムＳ２を示す概略図である。以下の説明では、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。

図１０に示すように、本実施形態において、熱流体供給システムＳ２は、図に示した熱流体供給システムＳ１の圧縮機３０が省かれた構成を有する。

本実施形態において、制御装置７０は、図１のシステムＳ１と同様に、出力媒体に要求される条件に応じて、熱流体供給システムＳ２の運転状態を変化させることができる。本実施形態においても、熱流体供給システムＳ２は、Ａモード、Ｂモード、及びＣモードを有する。モードの切替は、制御装置７０によって行われる。各モードは、図３、図５、及び図７と示したものと同様の、作動流体及び被加熱流体（水）のルートを採る。

本実施形態において、タンク４７の内部空間を吸引する圧縮機が省かれているから、熱流体供給システムＳ２からの熱流体の出力温度は、図１のシステムＳ１に比べて高い。Ａモードにおいて、蒸気の出力温度は、例えば、約１００℃〜約１３０℃である。Ｂモードにおいて、温水又は圧縮水の出力温度は、例えば、約９０℃〜約１３０℃である。Ｃモードにおいて、温水又は圧縮水の出力温度は、例えば、約１１０℃〜約１６０℃である。

このように、本実施形態においても、モードの切り替えに応じて、熱流体供給システムＳ１からの熱流体の出力形態が変化する。したがって、熱流体供給システムＳ２は、高エネルギー効率を有しかつ、要求に応じて、様々な温度レベルの熱流体を供給することができる。

上記説明において使用した数値は一例であって、本発明はこれに限定されない。

以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はこれら実施例に限定されることはない。上記説明において使用した数値は一例であって、本発明はこれに限定されない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付の請求の範囲によってのみ限定される。

第１実施形態にかかる熱流体供給システムを示す概略図である。 熱流体供給システムの動作モードを示す図である。 １つのモードを示す模式図である。 図３のモードにおける、被加熱流体（水）及び作動流体の温度変化を模式的に示す図である。 別のモードを示す模式図である。 図５のモードにおける、被加熱流体（水）及び作動流体の温度変化を模式的に示す図である。 さらに別のモードを示す模式図である。 図７のモードにおける、被加熱流体（水）及び作動流体の温度変化を模式的に示す図である。 蒸気生成システムによる水の状態変化の一例を示す Ｔ-ｓ 線図である。 第２実施形態にかかる熱流体供給システムを示す概略図である。

符号の説明

Ｓ１，Ｓ２…熱流体供給システム、１０…ヒートポンプ（第１装置）、１１…吸熱部、１２…圧縮部、１３Ａ〜１３Ｃ…放熱部、１４…膨張部、１５…主経路、１７…バイパス経路、１８…再生器、２０…供給系（第２装置）、２１…加温部、２２…蒸発部、３０…圧縮機（吸引装置）、４２…熱交換器（熱交換装置）、４７…タンク、４８Ａ，４８Ｂ…循環導管、５１Ａ…被加熱管（第１導管）、５１Ｂ…被加熱管（第２導管）、７０…制御装置。

Claims (11)

1. 第１流体が流れる第１装置であり、少なくとも２段を有する多段圧縮部を含むヒートポンプを備える前記第１装置と、
   前記第１流体からの熱が第２流体に伝わる熱交換装置と、
   前記第２流体が流れる第２装置であり、前記第１流体からの伝達熱を受けた前記第２流体を出力する前記第２装置と、
   １段ごとに前記圧縮部で圧縮された前記第１流体からの熱が前記第２流体に伝わる第１モードと、
   前記圧縮部の少なくとも２段で連続して圧縮された前記第１流体からの熱が前記第２流体に伝わる第２モードと、
   前記第１モードと前記第２モードとを切り替える制御装置と、
   を備える熱流体供給システム。
2. 請求項１に記載の熱流体供給システムにおいて、
   前記第１モードにおいて、前記第２装置から出力される前記第２流体は、気相又は比較的低温の液相であり、
   前記第２モードにおいて、前記第２装置から出力される前記第２流体は、比較的高温の液相である、熱流体供給システム。
3. 請求項１又は２に記載の熱流体供給システムにおいて、
   前記熱交換装置は、前記圧縮部からの前記第１流体が流れる第１熱交換器及び第２熱交換器と、前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器の少なくとも一方からの前記第１流体が流れる第３熱交換器とを含む、熱流体供給システム。
4. 請求項３に記載の熱流体供給システムにおいて、
   前記圧縮部は、第１圧縮部と第２圧縮部とを有し、
   前記第１モードにおいて、前記第１圧縮部、前記第１熱交換器、前記第２圧縮部、前記第２熱交換器、及び前記第３熱交換器の順に、前記第１流体が流れ、
   前記第２モードにおいて、前記第１圧縮部、前記第２圧縮部、前記第１熱交換器、前記第２熱交換器、及び前記第３熱交換器の順に、前記第１流体が流れる、熱流体供給システム。
5. 請求項３又は４に記載の熱流体供給システムにおいて、
   前記第２装置は、前記第２流体を貯溜するタンクと、前記タンクに流体的に接続されかつ前記第２流体が流れかつ前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器の少なくとも一方で前記第１装置に熱的に接続される導管とを含む、熱流体供給システム。
6. 請求項５に記載の熱流体供給システムにおいて、
   前記第２装置は、前記タンクの内部空間を吸引する吸引装置をさらに含む、熱流体供給システム。
7. 請求項３から６のいずれかに記載の熱流体供給システムにおいて、
   前記第１モードは、前記第２装置から出力される前記第２流体が気相である第１サブモードと、前記第２装置から出力される前記第２流体が液相である第２サブモードとを有し、
   前記第１サブモードにおいて、前記第３熱交換器、前記タンク、及び前記第１又は第２熱交換器の順に、前記第１流体が流れ、
   前記第２サブモードにおいて、前記第３熱交換器、前記第２熱交換器、及び前記第１熱交換器の順に、前記第１流体が流れる、熱流体供給システム。
8. 請求項３から７のいずれかに記載の熱流体供給システムにおいて、
   前記ヒートポンプは、前記圧縮部からの前記第１流体の一部が前記第３熱交換器を迂回するバイパス経路と、前記バイパス経路内の前記第１流体からの熱が前記圧縮部の上流の前記第１流体に伝わる再生器と、をさらに含む熱流体供給システム。
9. 多段圧縮部を含むヒートポンプからの伝達熱を受けた流体を出力する工程と、
   １段ごとに前記圧縮部で圧縮された作動媒体からの熱を前記流体に伝える第１モードと、前記圧縮部の少なくとも２段で連続して圧縮された前記作動媒体からの熱を前記流体に伝える第２モードとを切り替える工程と、
   を含む、熱流体供給方法。
10. 請求項９に記載の熱流体供給方法において、
    要求される温度レベルに基づいて、前記第１モードと前記第２モードとが切り替えられる、熱流体供給方法。
11. 請求項９又は１０に記載の熱流体供給方法において、
    前記第１モードにおいて、気相又は比較的低温の液相の前記流体が出力され、
    前記第２モードにおいて、比較的高温の液相の前記流体が出力される、熱流体供給方法。

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