JP2012017925A - 蒸気システム - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートポンプと排ガスボイラとを備える蒸気システムであって、蒸気使用設備における蒸気の使用負荷の変化に対応できるようにする。
【解決手段】ヒートポンプ２と排ガスボイラ５とを備える。ヒートポンプ２は、圧縮機３、凝縮器６、膨張弁７および蒸発器８が順次環状に接続されて冷媒を循環させ、凝縮器６において冷媒と水とを熱交換して蒸気を発生させる。排ガスボイラ５は、圧縮機３を駆動するエンジン４からの排ガスを用いて蒸気を発生させる。凝縮器６からの蒸気に、排ガスボイラ５からの蒸気が合流するよう構成される。この合流蒸気の圧力を検出可能な位置に圧力センサ３２が設けられる。この圧力センサ３２の検出圧力に基づき、ダンパ２９を制御して、排ガスボイラ５への排ガス供給を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプおよび／または蒸気圧縮機と、排ガスボイラとを備えた蒸気システムに関するものである。

従来、下記特許文献１において、ヒートポンプ（１０）と排ガスボイラ（１３０）とを用いた蒸気発生システム（Ｓ１）が提案されている。この蒸気発生システム（Ｓ１）は、ヒートポンプ（１０）と、第１蒸気発生装置（ＳＴ１）と、ガスタービン装置（１００）と、第２蒸気発生装置（ＳＴ２）とを備える。そして、第１蒸気発生装置（ＳＴ１）は、ヒートポンプ（１０）からの熱伝達によって蒸気を発生させ、第２蒸気発生装置（ＳＴ２）は、ガスタービン装置（１００）からの排熱を用いて蒸気を発生させる。また、ガスタービン装置（１００）によって、ヒートポンプ（１０）の圧縮機（１２）が駆動される。

特開２００８−４５８０７号公報（請求項１、請求項２、段落番号００１５、００２９、図１）

しかしながら、特許文献１に記載の発明は、蒸気圧縮機（３０）による昇圧と、ノズル（３５）による注水とにより、所望の蒸気を得ようとするものである。しかも、その［００２５］に記載のとおり、蒸気圧縮機（３０）は、タンク（４７）内の圧力に基づき制御される。従って、蒸気使用設備における蒸気の使用負荷の変化に応じて、蒸気圧縮機（３０）からの蒸気量や、排ガスボイラ（１３０）からの蒸気量を調整できるものではない。

本発明が解決しようとする課題は、ヒートポンプおよび／または蒸気圧縮機と、排ガスボイラとを備える蒸気システムであって、蒸気の使用負荷の変化に対応できるようにすることにある。

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、ヒートポンプまたは蒸気圧縮機と、排ガスボイラとを備え、前記ヒートポンプは、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、前記凝縮器において冷媒と水とを熱交換して蒸気を発生させ、前記蒸気圧縮機は、蒸気を吸入し圧縮して吐出し、前記排ガスボイラは、前記圧縮機または前記蒸気圧縮機を駆動するエンジンからの排ガスを用いて蒸気を発生させ、前記凝縮器または前記蒸気圧縮機からの蒸気に、前記排ガスボイラからの蒸気が合流するよう構成され、この合流蒸気の圧力を検出可能な位置に圧力センサが設けられ、この圧力センサの検出圧力に基づき、前記排ガスボイラへの排ガス供給を制御することを特徴とする蒸気システムである。

請求項１に記載の発明によれば、ヒートポンプまたは蒸気圧縮機と、それらを駆動するエンジンからの排ガスを用いた排ガスボイラとを備え、ヒートポンプまたは蒸気圧縮機からの蒸気と、排ガスボイラからの蒸気とを合流させ、その蒸気圧に基づき排ガスボイラへの排ガス供給を制御することで、所望の蒸気圧の蒸気を得ることができる。これにより、蒸気使用設備における蒸気の使用負荷の変化に対応することも可能となる。たとえば、蒸気使用設備における蒸気の使用量が増えれば、蒸気圧（圧力センサの検出圧力）が下がるので排ガスボイラへの排ガス供給量を増やせばよく、逆に、蒸気使用設備における蒸気の使用量が減るか無くなれば、蒸気圧が高くなるので排ガスボイラへの排ガス供給量を減らすか無くせばよい。

請求項２に記載の発明は、前記エンジンからの排ガスは、前記排ガスボイラを介して排出可能とされると共に、前記排ガスボイラを介さずにバイパス路を介しても排出可能とされ、前記排ガスボイラと前記バイパス路との内、いずれを介して排ガスを排出するかまたはその分配割合を、前記圧力センサの検出圧力に基づき制御することを特徴とする請求項１に記載の蒸気システムである。

請求項２に記載の発明によれば、排ガスボイラとバイパス路との内、いずれを介して排ガスを排出するかまたはその分配割合を調整することで、排ガスボイラへの排ガス供給を容易に調整することができる。

請求項３に記載の発明は、前記エンジンから前記圧縮機または前記蒸気圧縮機への動力伝達の有無を切り替えるクラッチを備え、前記圧力センサの検出圧力に基づき前記クラッチを制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蒸気システムである。

請求項３に記載の発明によれば、クラッチを制御して、圧縮機または蒸気圧縮機の作動の有無を切り替え、ヒートポンプまたは蒸気圧縮機からの蒸気発生の有無を切り替えることができる。

請求項４に記載の発明は、前記エンジンは、前記クラッチを介して前記圧縮機または前記蒸気圧縮機を駆動すると共に、前記クラッチを介することなく発電機を駆動することを特徴とする請求項３に記載の蒸気システムである。

請求項４に記載の発明によれば、クラッチを外して圧縮機または蒸気圧縮機を停止した状態でも、エンジンにより発電機を駆動させて発電を行うことができる。

請求項５に記載の発明は、前記排ガスボイラへの排ガス供給は、前記圧力センサの検出圧力を第一設定圧力に維持するよう制御され、前記クラッチは、前記圧力センサの検出圧力を第二設定圧力に維持するよう制御され、前記第一設定圧力と前記第二設定圧力とは、互いにずらした値に設定されることを特徴とする請求項４に記載の蒸気システムである。

請求項５に記載の発明によれば、排ガスボイラの設定圧力と、クラッチを切り替える設定圧力とをずらしておくことで、排ガスボイラによる蒸気供給と、ヒートポンプまたは蒸気圧縮機による蒸気供給とに、優先度をつけることができる。たとえば、第二設定圧力を第一設定圧力よりも下げておけば、排ガスボイラによる蒸気供給を優先させることができ、逆に、第一設定圧力を第二設定圧力よりも下げておけば、ヒートポンプまたは蒸気圧縮機からの蒸気供給を優先させることができる。

請求項６に記載の発明は、前記凝縮器または前記蒸気圧縮機からの蒸気と、前記排ガスボイラからの蒸気とに、ボイラからの蒸気がボイラ蒸気供給弁を介して合流するよう構成され、前記圧力センサは、前記凝縮器または前記蒸気圧縮機からの蒸気と、前記排ガスボイラからの蒸気と、前記ボイラからの蒸気との合流蒸気の圧力を検出可能な位置に設けられ、前記ボイラ蒸気供給弁は、それより下流側の圧力を第三設定圧力に維持するよう開閉または開度が調整され、前記第三設定圧力は、前記第一設定圧力および前記第二設定圧力よりも低く設定されることを特徴とする請求項５に記載の蒸気システムである。

請求項６に記載の発明によれば、さらに別のボイラを備え、このボイラからの蒸気路に設けたボイラ蒸気供給弁の設定圧力を、排ガスボイラやヒートポンプなどの制御圧力よりも下げておくことで、排ガスボイラと、ヒートポンプまたは蒸気圧縮機との運転を優先することができる。また、排ガスボイラと、ヒートポンプまたは蒸気圧縮機とから蒸気を吐出できないか、あるいはそれらからの蒸気だけでは足りない状況になっても、ボイラから蒸気使用設備へ安定して蒸気を供給することができる。

請求項７に記載の発明は、前記凝縮器または前記蒸気圧縮機からの蒸気と、前記排ガスボイラからの蒸気とに、ボイラからの蒸気が合流するよう構成され、前記圧力センサは、前記凝縮器または前記蒸気圧縮機からの蒸気と、前記排ガスボイラからの蒸気と、前記ボイラからの蒸気との合流蒸気の圧力を検出可能な位置に設けられ、前記ボイラは、前記圧力センサの検出圧力を第三設定圧力に維持するよう制御され、前記第三設定圧力は、前記第一設定圧力および前記第二設定圧力よりも低く設定されることを特徴とする請求項５に記載の蒸気システムである。

請求項７に記載の発明によれば、さらに別のボイラを備え、このボイラの設定圧力を、排ガスボイラやヒートポンプなどの制御圧力よりも下げておくことで、排ガスボイラと、ヒートポンプまたは蒸気圧縮機との運転を優先することができる。また、排ガスボイラと、ヒートポンプまたは蒸気圧縮機とから蒸気を吐出できないか、あるいはそれらからの蒸気だけでは足りない状況になっても、ボイラから蒸気使用設備へ安定して蒸気を供給することができる。

請求項８に記載の発明は、前記凝縮器または前記蒸気圧縮機からの蒸気と、前記排ガスボイラからの蒸気との合流部に、エゼクタが設けられ、このエゼクタは、前記排ガスボイラからの蒸気をノズルから噴出させることで、前記凝縮器または前記蒸気圧縮機からの蒸気を吸引して、前記ノズルからの蒸気と混合して吐出することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の蒸気システムである。

請求項８に記載の発明によれば、凝縮器または蒸気圧縮機からの蒸気を、エゼクタで昇圧して蒸気使用設備へ供給することができる。そのため、エゼクタでの昇圧がない場合と比較して、凝縮器または蒸気圧縮機の出口における蒸気圧を下げることができ、ヒートポンプの効率を向上したり、ヒートポンプまたは蒸気圧縮機の大型化を防止したりすることができる。しかも、蒸気の使用負荷の変化に応じた蒸気を、蒸気使用設備へ供給することができる。

請求項９に記載の発明は、前記凝縮器からの蒸気は、蒸気圧縮機で昇圧されて、前記排ガスボイラからの蒸気と合流し、この合流蒸気の圧力を検出可能な位置に、前記圧力センサが設けられることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の蒸気システムである。

請求項９に記載の発明によれば、ヒートポンプからの蒸気を蒸気圧縮機で昇圧して送り出すことができる。

さらに、請求項１０に記載の発明は、前記排ガスボイラからの蒸気または前記合流蒸気は、排蒸弁を介して外部へ排出可能とされ、前記排ガスボイラへの排ガス供給を調整することに代えてまたはこれに加えて、前記排蒸弁の開閉または開度を調整することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の蒸気システムである。

請求項１０に記載の発明によれば、排ガスボイラへの排ガス供給を調整することに代えてまたはこれに加えて、排蒸弁を制御して適宜、蒸気を排出することでも、前記各請求項に記載の作用効果を奏することができる。

本発明によれば、ヒートポンプおよび／または蒸気圧縮機と、排ガスボイラとを備える蒸気システムであって、蒸気の使用負荷の変化に対応可能となる。

本発明の蒸気システムの実施例１を示す概略図である。 圧力センサの検出圧力、ダンパの開閉状態、クラッチの着脱状態、およびボイラ蒸気供給弁の開閉状態の対応関係を示す概略図である。 図２の変形例を示す図である。 本発明の蒸気システムの実施例２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、本発明の蒸気システムの実施例１を示す概略図である。
本実施例の蒸気システム１は、温水、空気または排ガスなどから熱をくみ上げて蒸気を発生させるヒートポンプ２と、このヒートポンプ２の圧縮機３を駆動するエンジン４と、このエンジン４からの排ガスを用いて蒸気を発生させる排ガスボイラ５とを備える。

ヒートポンプ２は、蒸気圧縮式のヒートポンプであり、圧縮機３、凝縮器６、膨張弁７および蒸発器８が順次環状に接続されて構成される。そして、圧縮機３は、ガス冷媒を圧縮して高温高圧にする。また、凝縮器６は、圧縮機３からのガス冷媒を凝縮液化する。さらに、膨張弁７は、凝縮器６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８は、膨張弁７からの冷媒の蒸発を図る。

従って、ヒートポンプ２は、蒸発器８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６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、ヒートポンプ２は、蒸発器８において、温水（たとえば工場などから排出される排温水）、空気（外気の他、空気圧縮機からの吐出空気のように熱を持った空気を含む）、または排ガスなどから熱をくみ上げ、凝縮器６において、水を加温して蒸気を発生させる。凝縮器６への給水としては、凝縮器６を構成する熱交換器内へのスケール（水中の硬度分が析出したもの）の付着を防止するために、純水または軟水であるのが好ましい。

凝縮器６は、冷媒と水とを混ぜることなく熱交換する構成であれば、その具体的構成を特に問わない。たとえば、プレート式熱交換器またはシェルアンドチューブ式熱交換器が用いられる。凝縮器６には、第一給水路９を介して水が供給される。凝縮器６への給水を制御することで、凝縮器６内には所望量の水が貯留される。凝縮器６内の水は、冷媒と熱交換して蒸気化され、その蒸気は、第一蒸気路１０へ導出される。

蒸発器８は、温水、空気または排ガスなどの熱源流体と、ヒートポンプ２の冷媒とを混ぜることなく熱交換する構成であれば、その具体的構成を特に問わない。蒸発器８には、熱源流体の供給路１１と排出路１２とが設けられており、熱源流体が通される。

ヒートポンプに用いる冷媒は、特に問わないが、炭素数が４以上のハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）またはこれに水および／または消火液を加えたもの、アルコール（たとえばエチルアルコールまたはメチルアルコール）またはこれに水および／または消火液を加えたもの、または水（たとえば純水または軟水）が好適に用いられる。

ヒートポンプ２には、凝縮器６から膨張弁７への冷媒と蒸発器８から圧縮機３への冷媒とを混ぜることなく熱交換する液ガス熱交換器（図示省略）を設けてもよい。これにより、蒸発器８から圧縮機３への冷媒は、凝縮器６から膨張弁７への冷媒で過熱される。このようにして、圧縮機３の入口側のエンタルピを高めて、そしてそれにより圧縮機３の出口側のエンタルピも高めることで、ヒートポンプ２の成績係数（ＣＯＰ）を高めることができる。しかも、圧縮機３へ液冷媒が供給される不都合も防止できる。

ヒートポンプ２には、凝縮器６と膨張弁７との間に、所望によりサブクーラ１３を設けてもよい。サブクーラ１３は、凝縮器６から膨張弁７への冷媒と、凝縮器６への給水とを混ぜることなく熱交換する。サブクーラ１３により、凝縮器６への給水で、凝縮器６から膨張弁７への冷媒を過冷却することができると共に、凝縮器６から膨張弁７への冷媒で、凝縮器６への給水を加温することができる。また、冷媒と水との熱交換は、顕熱による熱交換部としてのサブクーラ１３と、主として潜熱による熱交換部としての凝縮器６とに分けられるので、伝熱効率を向上することができる。

液ガス熱交換器とサブクーラ１３との双方を設ける場合、凝縮器６からの冷媒は、液ガス熱交換器を通過後にサブクーラ１３に通してもよいし、サブクーラ１３を通過後に液ガス熱交換器に通してもよいし、液ガス熱交換器とサブクーラ１３とに並行に通してもよい。

エンジン４は、典型的にはガスエンジンまたはディーゼルエンジンである。エンジン４は、圧縮機３を駆動すると共に、所望により発電機１４も駆動する。発電機１４で発電した電力で、蒸気システム１の各機器に必要な電力を賄うのが好ましい。

エンジン４と圧縮機３との間には、クラッチ１５が設けられており、このクラッチ１５により、エンジン４から圧縮機３への動力伝達の有無を切り替えることができる。前記発電機１４を備える場合、クラッチ１５を切った状態（エンジン４から圧縮機３へ動力伝達しない状態）でも、発電機１４はエンジン４により駆動されるよう構成される。つまり、エンジン４は、クラッチ１５を介して圧縮機３を駆動すると共に、クラッチ１５を介することなく発電機１４を駆動する。図示例の場合、エンジン４の出力軸１６と圧縮機３の駆動軸１７とがクラッチ１５を介して接続されると共に、エンジン４の出力軸１６と発電機１４の駆動軸１８とが、たとえばベルト伝動機構１９により接続されている。

エンジン４の潤滑油は、オイルクーラ２０との間で循環され、オイルクーラ２０において冷却水により冷却を図られる。また、エンジン４は、それを覆うジャケット２１に冷却水が通されて、冷却を図られる。

エンジン４からの排ガスは、煙道２２，２３および煙突２４を介して、外部へ排出される。煙道２２，２３には、エンジン４の側から順に、排ガスボイラ５と、所望により温水器２５とが設けられる。

排ガスボイラ５には、第二給水路２６を介して水が供給される。排ガスボイラ５への給水を制御することで、排ガスボイラ５内には所望量の水が貯留される。排ガスボイラ５内の水は、エンジンからの排ガスにより加温されて蒸気化され、その蒸気は、第二蒸気路２７へ導出される。

温水器２５は、排ガスボイラ５を通過後の排ガスとその冷却水との熱交換器である。温水器２５において、排ガスの一層の冷却が図られる一方、水の加温が図られる。

エンジン４から排ガスボイラ５への煙道２２の中途と、温水器２５から煙突２４への煙道２３の中途とは、バイパス路２８を介しても接続される。具体的には、エンジン４から排ガスボイラ５への煙道２２には、バイパス路２８が分岐して設けられ、そのバイパス路２８の先端は、温水器２５から煙突２４への煙道２３に接続されている。これにより、エンジン４からの排ガスは、排ガスボイラ５および温水器２５を介して排出可能とされると共に、これらを介することなくバイパス路２８を介して排出可能とされる。

エンジン４から排ガスボイラ５への煙道２２とバイパス路２８との分岐部には、ダンパ２９が設けられる。このダンパ２９により、排ガスボイラ５とバイパス路２８との内、いずれを介して排ガスを排出するかまたはその分配割合を変更可能とされる。但し、ダンパ２９に代えて、三方弁を用いてもよい。

排ガスボイラ５からの第二蒸気路２７は、凝縮器６からの第一蒸気路１０と合流するよう構成される。この合流は、蒸気ヘッダを用いて行うこともできる。また、この合流は、二点鎖線で示すように、エゼクタ３０により行ってもよい。この場合、排ガスボイラ５からの蒸気をエゼクタ３０のノズルへ供給して、ノズルから噴出させることで、凝縮器６からの蒸気がエゼクタ３０へ吸引され、ノズルからの蒸気と混合して吐出される。

なお、第一蒸気路１０には、第二蒸気路２７との合流部よりも上流側に、逆止弁３１を設けておくのが好ましい。これにより、ヒートポンプ２が停止中、ヒートポンプ２の凝縮器６へ蒸気が逆流するのが防止される。また、同様に、第二蒸気路２７には、第一蒸気路１０との合流部より上流側に、逆止弁（図示省略）を設けておくのが好ましい。これにより、排ガスボイラ５が停止中、排ガスボイラ５へ蒸気が逆流するのが防止される。

凝縮器６からの蒸気と排ガスボイラ５からの蒸気との合流蒸気の圧力を検出可能な位置には、圧力センサ３２が設けられる。本実施例では、第一蒸気路１０と第二蒸気路２７とが合流された後の第三蒸気路３３（エゼクタ３０が設けられる場合にはエゼクタ３０からの排蒸路でもある）に、圧力センサ３２が設けられるが、第一蒸気路１０からの蒸気と第二蒸気路２７からの蒸気とを蒸気ヘッダで合流させる場合、その蒸気ヘッダに圧力センサ３２を設けてもよい。また、合流蒸気の圧力を検出可能であれば、第一蒸気路１０の内、合流部よりも上流側に設けてもよいし、第二蒸気路２７の内、合流部よりも上流側に設けてもよい。この際、第一蒸気路１０に逆止弁３１が設けられる場合には、その逆止弁３１より下流側に圧力センサ３２が設けられ、第二蒸気路２７に逆止弁が設けられる場合には、その逆止弁より下流側に圧力センサ３２が設けられる。

ところで、二点鎖線で示すように、排ガスボイラ５とは別にボイラ３４を設け、このボイラ３４からの蒸気を、凝縮器６からの蒸気や排ガスボイラ５からの蒸気に合流可能としてもよい。図示例では、ボイラ３４からの第四蒸気路３５は、第三蒸気路３３と合流するよう構成されるが、第一蒸気路１０または第二蒸気路２７と合流するよう構成されてもよい。また、第一蒸気路１０からの蒸気、第二蒸気路２７からの蒸気、および第四蒸気路３５からの蒸気を、共通の蒸気ヘッダで合流させ、この蒸気ヘッダから第三蒸気路３３を介して蒸気使用設備へ蒸気を供給するようにしてもよい。なお、ボイラ３４を設置する場合、圧力センサ３２は、凝縮器６からの蒸気と、排ガスボイラ５からの蒸気と、ボイラ３４からの蒸気との合流蒸気の圧力を検出可能な位置に設けられる。

排ガスボイラ５とは別に設けられるボイラ３４は、典型的には燃料焚きボイラまたは電気ボイラである。燃料焚きボイラは、燃料の燃焼により水を蒸気化する装置であり、蒸気圧を所望に維持するように、燃焼の有無や量が調整される。また、電気ボイラは、電気ヒータにより水を蒸気化する装置であり、蒸気圧を所望に維持するように、電気ヒータへの給電の有無や量が調整される。

本実施例では、ボイラ３４からの第四蒸気路３５には、合流部よりも上流側に、ボイラ蒸気供給弁３６が設けられる。ボイラ蒸気供給弁３６は、図示例では自力式の減圧弁（二次圧力調整弁）とされる。但し、ボイラ蒸気供給弁３６は、圧力センサ３２の検出圧力に基づき制御される電磁弁または電動弁であってもよい。なお、ボイラ蒸気供給弁３６より上流側は、下流側よりもボイラ３４により高圧に維持される。

ところで、以上ではバイパス路２８とダンパ２９とを設けて排ガスボイラ５への排ガス供給量を調整する例を説明したが、これに代えてまたはこれに加えて、排ガスボイラ５からの蒸気、または排ガスボイラ５および凝縮器６（さらに所望によりボイラ３４）からの合流蒸気を、二点鎖線で示すように、排蒸弁３７を介して適宜外部へ排出可能としてもよい。図示例では、排ガスボイラ５からの第二蒸気路２７に排蒸路３８が分岐するよう設けられ、この排蒸路３８に排蒸弁３７が設けられている。排蒸弁３７の開閉または開度を調整することで、排ガスボイラ５などからの蒸気を適宜外部へ逃がすことができる。特に、バイパス路２８とダンパ２９の設置を省略して、エンジン４からの排ガスが全量排ガスボイラ５へ供給される場合、蒸気使用設備の蒸気の使用負荷によっては蒸気が余る場合があるので、その場合には排蒸弁３７を開ければよい。

前述したように、オイルクーラ２０、エンジン４のジャケット２１、温水器２５には、それぞれ水（冷却水）が通されるが、その内のいずれかを通過後の水を蒸発器８に通してもよい（図１においてＡ部をＢ１部へ接続）。つまり、オイルクーラ２０、エンジン４のジャケット２１、または温水器２５を通過することで加温された水を、蒸発器８に通して冷媒の加温に用いてもよい。但し、蒸発器８には、工場などからの排温水の他、空気または排ガスなどを通してもよいことは、前述したとおりである。

また、凝縮器６への第一給水路９に、間接熱交換器３９（以下、第一給水予熱器という）を設置して、オイルクーラ２０、エンジン４のジャケット２１、または温水器２５のいずれかを通過後の水を、第一給水予熱器３９に通してもよい（図１においてＡ部をＢ２部へ接続）。つまり、オイルクーラ２０、エンジン４のジャケット２１、または温水器２５を通過することで加温された水を、第一給水予熱器３９に通して、凝縮器６への給水の加温に用いてもよい。但し、第一給水予熱器３９を設置することに代えてまたはそれに加えて、オイルクーラ２０、エンジン４のジャケット２１、または温水器２５のいずれかを通過することで加温された水を、凝縮器６への給水として直接に用いてもよい。

さらに、排ガスボイラ５への第二給水路２６に、間接熱交換器４０（以下、第二給水予熱器という）を設置して、オイルクーラ２０、エンジン４のジャケット２１、または温水器２５のいずれかを通過後の水を、第二給水予熱器４０に通してもよい（図１においてＡ部をＢ３部へ接続）。つまり、オイルクーラ２０、エンジン４のジャケット２１、または温水器２５を通過することで加温された水を、第二給水予熱器４０に通して、排ガスボイラ５への給水の加温に用いてもよい。但し、第二給水予熱器４０を設置することに代えてまたはそれに加えて、オイルクーラ２０、エンジン４のジャケット２１、または温水器２５のいずれかを通過することで加温された水を、排ガスボイラ５への給水として直接に用いてもよい。

本実施例の蒸気システム１は、エンジン４の駆動を継続した状態で、圧力センサ３２の検出圧力に基づき、ダンパ２９（具体的にはその位置を調整するモータ）および／または排蒸弁３７が制御されると共に、好ましくはさらにクラッチ１５が制御される。典型的には、エンジン４を一定速度で回転させつつ、圧力センサ３２の検出圧力に基づき、クラッチ１５と、ダンパ２９および／または排蒸弁３７とが制御される。

図２は、圧力センサ３２の検出圧力、ダンパ２９の開閉状態、クラッチ１５の着脱状態、およびボイラ蒸気供給弁３６の開閉状態の対応関係を示す概略図である。ここでは、ダンパ２９は、第一設定圧力Ｐ１で排ガスボイラ５への排ガス供給の有無を切り替え、クラッチ１５は、第二設定圧力Ｐ２で圧縮機３の駆動の有無を切り替え、ボイラ蒸気供給弁３６は、第三設定圧力Ｐ３で開閉される。

具体的には、圧力センサ３２の検出圧力が第三設定圧力Ｐ３未満であると、ダンパ２９はエンジン４からの排ガスを排ガスボイラ５へ供給する位置にあり、また、クラッチ１５は入れられた状態とされてエンジン４が圧縮機３を駆動しており、さらに、ボイラ蒸気供給弁３６は開放している。これにより、排ガスボイラ５、凝縮器６およびボイラ３４からの蒸気が蒸気使用設備へ供給される。

そして、第三設定圧力Ｐ３以上になると、ボイラ蒸気供給弁３６が閉鎖し、ボイラ３４からの蒸気供給は停止され、排ガスボイラ５と凝縮器６から蒸気供給される。圧力センサ３２の検出圧力が第二設定圧力Ｐ２以上になると、クラッチ１５が切られて圧縮機３が停止することで、凝縮器６からの蒸気供給が停止される。さらに、圧力センサ３２の検出圧力が第一設定圧力Ｐ１以上になると、ダンパ２９はエンジン４からの排ガスをバイパス路２８へ供給する位置とされ、排ガスボイラ５からの蒸気供給も停止される。

一方、圧力センサ３２の検出圧力が第一設定圧力Ｐ１未満になると、ダンパ２９はエンジン４からの排ガスを排ガスボイラ５へ供給する位置とされ、排ガスボイラ５から蒸気供給され、その後、排ガスボイラ５による蒸気だけでは賄い切れず、第二設定圧力Ｐ２未満になると、クラッチ１５が入れられて圧縮機３が駆動されることで、凝縮器６からも蒸気供給される。さらに、第三設定圧力Ｐ３未満になると、ボイラ蒸気供給弁３６が開放して、ボイラ３４からも蒸気供給される。

なお、ボイラ蒸気供給弁３６が自力式の減圧弁の場合、ボイラ蒸気供給弁３６は、これらの動作を機械的に自力で行う。但し、ボイラ蒸気供給弁３６を電磁弁や電動弁により構成し、圧力センサ３２の検出圧力に基づき、第三設定圧力Ｐ３でボイラ蒸気供給弁３６を開閉したり、開度調整したりしてもよい。また、上述した一連の動作中、エンジン４は作動を継続するので、その間、発電機１４により継続して発電がなされる。

前記各設定圧力Ｐ１〜Ｐ３には、所望によりそれぞれディファレンシャル（動作隙間）が設定されるのは言うまでもない。たとえば、第一設定圧力Ｐ１について、第一上限圧力Ｐ１Ｈと第一下限圧力Ｐ１Ｌ（但しＰ１Ｌ＜Ｐ１Ｈ）とを設定し、圧力上昇時、圧力センサ３２の検出圧力が第一上限圧力Ｐ１Ｈ以上になると排ガスをバイパス路２８へ供給し、圧力下降時、圧力センサ３２の検出圧力が第一下限圧力Ｐ１Ｌ未満になると排ガスを排ガスボイラ５へ供給する。

また、第二設定圧力Ｐ２について、第二上限圧力Ｐ２Ｈと第二下限圧力Ｐ２Ｌ（但しＰ２Ｌ＜Ｐ２Ｈ）とを設定し、圧力上昇時、圧力センサ３２の検出圧力が第二上限圧力Ｐ２Ｈ以上になるとクラッチ１５を切って圧縮機３を停止し、圧力下降時、圧力センサ３２の検出圧力が第二下限圧力Ｐ２Ｌ未満になるとクラッチ１５を入れて圧縮機３を駆動する。

さらに、第三設定圧力Ｐ３について、第三上限圧力Ｐ３Ｈと第三下限圧力Ｐ３Ｌ（但しＰ３Ｌ＜Ｐ３Ｈ）とを設定し、圧力上昇時、第三上限圧力Ｐ３Ｈ以上になるとボイラ蒸気供給弁３６を閉鎖し、圧力下降時、第三下限圧力Ｐ３Ｌ未満になるとボイラ蒸気供給弁３６を開放する。

ところで、ダンパ２９は、エンジン４からの排ガスを排ガスボイラ５へ供給するかバイパス路２８へ供給するかを択一的に切り替えて、排ガスボイラ５への排ガスの供給の有無を切り替える以外に、排ガスボイラ５への排ガス供給量を調整してもよい。その場合、圧力センサ３２の検出圧力を第一設定圧力Ｐ１に維持するように、圧力センサ３２の検出圧力に基づき比例制御やＰＩＤ制御により、ダンパ２９の位置を調整すればよい。

さらに、ボイラ蒸気供給弁３６は、それより下流側の圧力に基づき自力で開閉したり、圧力センサ３２の検出圧力に基づき開閉される以外に、圧力センサ３２の検出圧力に基づき開度調整されてもよい。その場合、圧力センサ３２の検出圧力を第三設定圧力Ｐ３に維持するように、圧力センサ３２の検出圧力に基づき比例制御やＰＩＤ制御により、ボイラ蒸気供給弁３６の開度を調整すればよい。

いずれにしても、第一設定圧力Ｐ１よりも第二設定圧力Ｐ２を低く設定しておくことで、排ガスボイラ５による蒸気発生を、ヒートポンプ２による蒸気発生よりも優先させることができる。つまり、排ガスボイラ５による蒸気発生を優先させつつ、それでは足りない場合に、ヒートポンプ２からも蒸気発生させることができる。そして、第一設定圧力Ｐ１および第二設定圧力Ｐ２よりも、第三設定圧力Ｐ３を低く設定しておくことで、排ガスボイラ５やヒートポンプ２による蒸気発生を、ボイラ３４による蒸気発生よりも優先させることができる。つまり、排ガスボイラ５さらにはヒートポンプ２により蒸気発生させ、それでは足りない場合に、ボイラ３４からも蒸気供給することができる。

以上の説明では、図２に示すように、第一設定圧力Ｐ１を第二設定圧力Ｐ２よりも高く設定した場合について説明したが、図３に示すように、第二設定圧力Ｐ２を第一設定圧力Ｐ１よりも高く設定してもよい。この場合、圧力上昇時、まず第一設定圧力Ｐ１でダンパ２９が切り替えられて排ガスボイラ５への排ガス供給を停止させ、その後、さらに第二設定圧力Ｐ２まで上昇するとクラッチ１５を切って圧縮機３を停止させる。また、圧力下降時、まずクラッチ１５を入れて圧縮機３を駆動させ、その後、凝縮器６からの蒸気だけでは足りない場合に、ダンパ２９の位置を切り替えて排ガスボイラ５へ排ガスを供給して、排ガスボイラ５からも蒸気を供給する。

つまり、第一設定圧力Ｐ１と第二設定圧力Ｐ２とを互いにずらした値に設定することで、排ガスボイラ５による蒸気発生と、ヒートポンプ２による蒸気発生とのいずれを優先させるかを決めることができる。そして、第一設定圧力Ｐ１および第二設定圧力Ｐ２の双方よりも低く第三設定圧力Ｐ３を設定しておけば、排ガスボイラ５とヒートポンプ２との双方による蒸気供給でも蒸気が足りない場合に、ボイラ３４から蒸気供給する構成にすることができる。

ところで、ボイラ蒸気供給弁３６の設置を省略する代わりに、圧力センサ３２の検出圧力に基づき、ボイラ３４を制御してもよい。この場合、図２において、ボイラ３４は、第三設定圧力Ｐ３でオンオフ（第三設定圧力Ｐ３（第三上限圧力Ｐ３Ｈ）以上でオフし第三設定圧力Ｐ３（第三下限圧力Ｐ３Ｌ）未満でオン）するか、圧力センサ３２の検出圧力を第三設定圧力Ｐ３に維持するように燃焼量などを調整すればよい。ボイラ蒸気供給弁３６の設置を省略する代わりに、圧力センサ３２の検出圧力に基づきボイラ３４を制御する場合、ボイラ３４からの第四蒸気路３５には、逆止弁を設けておくのが好ましい。これにより、ボイラ３４が停止中、ボイラ３４へ蒸気が逆流するのが防止される。

以上では、排蒸弁３７を制御せずにダンパ２９を制御する例について説明したが、ダンパ２９の制御に代えてまたはこれに加えて、排蒸弁３７を同様に制御してもよい。つまり、第一設定圧力Ｐ１以上で排蒸弁３７を開き、第一設定圧力Ｐ１未満で排蒸弁３７を閉じるように、排蒸弁３７を第一設定圧力Ｐ１で開閉してもよい。第一設定圧力Ｐ１にディファレンシャル（動作隙間）を設定する場合には、第一設定圧力Ｐ１について、第一上限圧力Ｐ１Ｈと第一下限圧力Ｐ１Ｌ（但しＰ１Ｌ＜Ｐ１Ｈ）とを設定し、圧力上昇時、圧力センサ３２の検出圧力が第一上限圧力Ｐ１Ｈ以上になると排蒸弁３７を開き、圧力下降時、圧力センサ３２の検出圧力が第一下限圧力Ｐ１Ｌ未満になると排蒸弁３７を閉じればよい。あるいは、排蒸弁３７を自力式の減圧弁（一次圧力調整弁）により構成し、排蒸弁３７より上流側の圧力に基づき自力で開閉させてもよい。あるいは、圧力センサ３２の検出圧力を第三設定圧力Ｐ３に維持するように、圧力センサ３２の検出圧力に基づき比例制御やＰＩＤ制御により、排蒸弁３７の開度を調整すればよい。

なお、排蒸弁３７を制御せずにダンパ２９を制御する場合には、排蒸路３８および排蒸弁３７の設置を省略することができ、逆に、ダンパ２９を制御せずに排蒸弁３７を制御する場合には、バイパス路２８およびダンパ２９の設置を省略することができる。

図４は、本発明の蒸気システムの実施例２を示す概略図である。本実施例２の蒸気システム１も、基本的には前記実施例１の蒸気システム１と同様である。そこで、以下では両者の異なる点を中心に説明し、対応する箇所には同一の符号を付して説明する。

前記実施例１では、蒸気システム１はヒートポンプ２を備えたが、本実施例では、ヒートポンプ２に代えて蒸気圧縮機４１を備える。そして、その蒸気圧縮機４１からの蒸気が、排ガスボイラ５からの蒸気や、ボイラ３４からの蒸気に合流可能とされる。

蒸気圧縮機４１は、蒸気を吸入し圧縮して吐出する装置である。蒸気圧縮機４１は、その構成を特に問わないが、たとえばスクリュ式の蒸気圧縮機とされる。スクリュ式の蒸気圧縮機は、互いにかみ合って回転するスクリュロータ間に蒸気を吸入して、スクリュロータの回転により圧縮して吐出する装置である。但し、蒸気圧縮機４１は、蒸気を圧縮して吐出するものであれば、スクリュ式に限らず、レシプロ式などであってもよい。

蒸気圧縮機４１は、供給路４２を介して蒸気を吸入し、圧縮して吐出する。より具体的には、図示例の場合、蒸気圧縮機４１は、供給路４２を介して、中空容器状のセパレータタンク４３と接続されている。そして、セパレータタンク４３には、流入路４４を介して蒸気（たとえばフラッシュ蒸気、未利用蒸気、低圧蒸気）が供給される。その蒸気の凝縮水は、セパレータタンク４３からの排出路４５を介して適宜排水され、蒸気が供給路４２を介して蒸気圧縮機４１へ供給される。このように、セパレータタンク４３は、気液分離部として機能する。なお、セパレータタンク４３に代えて、単にＴ字継手を用いてもよい。

蒸気使用設備のドレンからフラッシュ蒸気を生成して、そのフラッシュ蒸気を蒸気圧縮機４１で昇圧する例について説明する。この場合、蒸気使用設備のドレンは、第一蒸気トラップ（図示省略）を介して、流入路４４からセパレータタンク４３へ排出される。高圧高温のドレンが第一蒸気トラップを介して低圧下に排出されることで、フラッシュ蒸気およびその凝縮水となり、セパレータタンク４３で気液分離が図られる。そして、蒸気圧縮機４１は、セパレータタンク４３内の蒸気を吸入し圧縮して吐出する。一方、セパレータタンク４３で分離された水は、排出路４５から適宜排水される。そのために、セパレータタンク４３からの排出路４５には、第二蒸気トラップ（図示省略）を設けておくのが好ましい。

前記実施例１における圧縮機３に代えて、本実施例２では蒸気圧縮機４１を駆動する以外、その他の構成および制御は前記実施例１と同様のため、説明は省略する。

本発明の蒸気システム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、前記各実施例では、ヒートポンプ２（または蒸気圧縮機４１）と排ガスボイラ５とに加えてボイラ３４を設置する例について説明したが、場合によりボイラ３４やボイラ蒸気供給弁３６の設置および制御は省略することができる。

また、前記各実施例では、エンジン４から排ガスボイラ５への煙道２２とバイパス路２８との分岐部にダンパ２９または三方弁を設けたが、前記分岐部よりも下流において、煙道２２および／またはバイパス路２８に、ダンパまたは弁を設け、これを制御してもよい。

また、前記実施例１において、凝縮器６からの第一蒸気路１０に蒸気圧縮機を設置し、凝縮器６からの蒸気を蒸気圧縮機で昇圧して、排ガスボイラ５からの蒸気などに合流させてもよい。この場合、蒸気圧縮機は、ヒートポンプ２の圧縮機３と連動するように、エンジン４により駆動してもよいし、ヒートポンプ２の圧縮機３とは異なる動力源で駆動してもよい。

さらに、前記実施例２の蒸気圧縮機４１、または前記実施例１において凝縮器６の出口側に設けられる蒸気圧縮機には、その入口もしくは出口において、適宜注水を図ってもよい。

１ 蒸気システム
２ ヒートポンプ
３ 圧縮機
４ エンジン
５ 排ガスボイラ
６ 凝縮器
７ 膨張弁
８ 蒸発器
１４ 発電機
１５ クラッチ
２８ バイパス路
２９ ダンパ
３０ エゼクタ
３２ 圧力センサ
３４ ボイラ
３６ ボイラ蒸気供給弁
３７ 排蒸弁
４１ 蒸気圧縮機
Ｐ１ 第一設定圧力
Ｐ２ 第二設定圧力
Ｐ３ 第三設定圧力

Claims (10)

1. ヒートポンプまたは蒸気圧縮機と、排ガスボイラとを備え、
   前記ヒートポンプは、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、前記凝縮器において冷媒と水とを熱交換して蒸気を発生させ、
   前記蒸気圧縮機は、蒸気を吸入し圧縮して吐出し、
   前記排ガスボイラは、前記圧縮機または前記蒸気圧縮機を駆動するエンジンからの排ガスを用いて蒸気を発生させ、
   前記凝縮器または前記蒸気圧縮機からの蒸気に、前記排ガスボイラからの蒸気が合流するよう構成され、
   この合流蒸気の圧力を検出可能な位置に圧力センサが設けられ、
   この圧力センサの検出圧力に基づき、前記排ガスボイラへの排ガス供給を制御する
   ことを特徴とする蒸気システム。
2. 前記エンジンからの排ガスは、前記排ガスボイラを介して排出可能とされると共に、前記排ガスボイラを介さずにバイパス路を介しても排出可能とされ、
   前記排ガスボイラと前記バイパス路との内、いずれを介して排ガスを排出するかまたはその分配割合を、前記圧力センサの検出圧力に基づき制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の蒸気システム。
3. 前記エンジンから前記圧縮機または前記蒸気圧縮機への動力伝達の有無を切り替えるクラッチを備え、
   前記圧力センサの検出圧力に基づき前記クラッチを制御する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蒸気システム。
4. 前記エンジンは、前記クラッチを介して前記圧縮機または前記蒸気圧縮機を駆動すると共に、前記クラッチを介することなく発電機を駆動する
   ことを特徴とする請求項３に記載の蒸気システム。
5. 前記排ガスボイラへの排ガス供給は、前記圧力センサの検出圧力を第一設定圧力に維持するよう制御され、
   前記クラッチは、前記圧力センサの検出圧力を第二設定圧力に維持するよう制御され、
   前記第一設定圧力と前記第二設定圧力とは、互いにずらした値に設定される
   ことを特徴とする請求項４に記載の蒸気システム。
6. 前記凝縮器または前記蒸気圧縮機からの蒸気と、前記排ガスボイラからの蒸気とに、ボイラからの蒸気がボイラ蒸気供給弁を介して合流するよう構成され、
   前記圧力センサは、前記凝縮器または前記蒸気圧縮機からの蒸気と、前記排ガスボイラからの蒸気と、前記ボイラからの蒸気との合流蒸気の圧力を検出可能な位置に設けられ、
   前記ボイラ蒸気供給弁は、それより下流側の圧力を第三設定圧力に維持するよう開閉または開度が調整され、
   前記第三設定圧力は、前記第一設定圧力および前記第二設定圧力よりも低く設定される
   ことを特徴とする請求項５に記載の蒸気システム。
7. 前記凝縮器または前記蒸気圧縮機からの蒸気と、前記排ガスボイラからの蒸気とに、ボイラからの蒸気が合流するよう構成され、
   前記圧力センサは、前記凝縮器または前記蒸気圧縮機からの蒸気と、前記排ガスボイラからの蒸気と、前記ボイラからの蒸気との合流蒸気の圧力を検出可能な位置に設けられ、
   前記ボイラは、前記圧力センサの検出圧力を第三設定圧力に維持するよう制御され、
   前記第三設定圧力は、前記第一設定圧力および前記第二設定圧力よりも低く設定される
   ことを特徴とする請求項５に記載の蒸気システム。
8. 前記凝縮器または前記蒸気圧縮機からの蒸気と、前記排ガスボイラからの蒸気との合流部に、エゼクタが設けられ、
   このエゼクタは、前記排ガスボイラからの蒸気をノズルから噴出させることで、前記凝縮器または前記蒸気圧縮機からの蒸気を吸引して、前記ノズルからの蒸気と混合して吐出する
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の蒸気システム。
9. 前記凝縮器からの蒸気は、蒸気圧縮機で昇圧されて、前記排ガスボイラからの蒸気と合流し、
   この合流蒸気の圧力を検出可能な位置に、前記圧力センサが設けられる
   ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の蒸気システム。
10. 前記排ガスボイラからの蒸気または前記合流蒸気は、排蒸弁を介して外部へ排出可能とされ、
    前記排ガスボイラへの排ガス供給を調整することに代えてまたはこれに加えて、前記排蒸弁の開閉または開度を調整する
    ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の蒸気システム。

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