JP2012037095A - 蒸気冷水併給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー効率の向上を効果的に図ることができながら、装置の性能低下を防止することができ、蒸気だけでなく、冷水をも発生させて蒸気及び冷水の両者を供給する。
【解決手段】圧縮機１、凝縮器２、膨張弁３、蒸発器４の順に冷媒Ｒを循環させる圧縮式のヒートポンプ回路５が備えられ、圧縮機１は、エンジン８にて発生される駆動力にて駆動自在に構成され、凝縮器２は、供給される水を冷媒Ｒにて加熱して蒸気Ｔ３を発生自在に構成され、エンジン８の排熱を回収した排熱回収熱媒Ｕを蒸発器４に供給自在な排熱回収熱媒供給手段９を備え、ヒートポンプ回路５において膨張弁３と蒸発器４との間に、供給される水を冷媒Ｒにて冷却して冷水Ｓ２を発生自在な冷水発生器６が備えられ、凝縮器２にて発生される蒸気Ｔ３と冷水発生器６にて発生される冷水Ｓ２とを供給自在な蒸気冷水併給形式に構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器の順に冷媒を循環させる圧縮式のヒートポンプ回路が備えられ、そのヒートポンプ回路により蒸気及び冷水を発生させ、その発生させた蒸気及び冷水を供給自在な蒸気冷水併給装置に関する。

従来、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器の順に冷媒を循環させる圧縮式のヒートポンプ回路が備えられ、そのヒートポンプ回路により蒸気を発生させ、その発生させた蒸気を所望の箇所に供給自在な蒸気供給装置が知られている。
この蒸気供給装置では、蒸気殺菌や加熱、及び、洗浄等の工程を行うことで発生した排温水を蒸発器に供給し、蒸発器においてその排温水にて冷媒を加熱している。そして、ヒートポンプ回路では、蒸発器にて排温水から吸熱した熱を凝縮器にて放熱することで、凝縮器に供給される水を加熱して蒸気を発生させ、その発生された蒸気を所望の箇所に供給している（例えば、特許文献１、２参照。）。

特開２００８−８５９５号公報 特開２０１０−３８３９１号公報

上記特許文献１、２に記載の装置では、蒸発器に供給される排温水の熱を用いて、凝縮器にて供給される水を加熱して蒸気を発生させており、ヒートポンプ回路の熱源を排温水とすることで、エネルギー効率の向上を図るようにしている。しかしながら、圧縮機の駆動力等、ヒートポンプ回路を運転させるための動力に加えて、ヒートポンプ回路の熱源をも、装置の外部から与えなければならず、エネルギー効率の向上を図るためには限界があった。そして、排温水は、蒸気殺菌や加熱、及び、洗浄等の各工程を行うことで発生するが、各工程での状況によって発生する排温水の温度が大きく変動する。例えば、排温水の温度は、５０〜８０℃の範囲で変動する。それ故に、蒸発器にて冷媒が排温水から吸熱する熱量が大きく変動することになり、ヒートポンプ回路での熱の授受状態が不安定になってしまい、凝縮器にて発生される蒸気の発生量の低下やヒートポンプ回路を運転させるために必要となる駆動力の増大等を招き、装置の性能が低下してしまう虞がある。

また、上記特許文献１、２に記載の装置では、凝縮器にて蒸気を発生させているだけで、蒸気を供給するための専用の装置となっている。しかしながら、例えば、蒸気の供給先となる工場等では、機器を冷却することが必要であったり、一年を通じて冷房を行う場合もあり、機器を冷却するため及び冷房を行うための冷熱源が必要となっている。そこで、蒸気だけでなく、冷熱源としての冷水も供給可能とする装置が求められるが、上記特許文献１、２に記載の装置では、その要求に応えることができなかった。

本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、エネルギー効率の向上を効果的に図ることができながら、装置の性能低下を防止することができ、蒸気だけでなく、冷水をも発生させて蒸気及び冷水の両者を供給自在な蒸気冷水併給装置を提供する点にある。

この目的を達成するために、本発明に係る蒸気供給装置の第１特徴構成は、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器の順に冷媒を循環させる圧縮式のヒートポンプ回路が備えられ、前記圧縮機は、エンジンにて発生される駆動力にて駆動自在に構成され、前記凝縮器は、供給される水を冷媒にて加熱して蒸気を発生自在に構成され、前記エンジンの排熱を回収した排熱回収熱媒を前記蒸発器に供給自在な排熱回収熱媒供給手段を備え、前記ヒートポンプ回路において前記膨張弁と前記蒸発器との間に、供給される水を冷媒にて冷却して冷水を発生自在な冷水発生器が備えられ、前記凝縮器にて発生される蒸気と前記冷水発生器にて発生される冷水とを供給自在な蒸気冷水併給形式に構成されている点にある。

本特徴構成によれば、圧縮機がエンジンにて発生される駆動力にて駆動自在であるので、ヒートポンプ回路を運転させるための動力は、エンジンにて与えることができる。排熱回収熱媒供給手段は、そのエンジンの排熱を回収した排熱回収熱媒を蒸発器に供給するので、蒸発器において排熱回収熱媒にて冷媒を加熱し、凝縮器においてその冷媒にて水を加熱して蒸気を発生させることができる。このようにして、ヒートポンプ回路を運転させるための動力を与えるエンジンの排熱を熱源として蒸気を発生させることができるので、エンジンは、ヒートポンプ回路を運転させるための動力を与えるだけでなく、ヒートポンプ回路の熱源としても使用することができ、エネルギー効率の向上を図ることができる。そして、エンジンの排熱の熱量は、比較的安定していることから、排熱回収熱媒供給手段が、エンジンから回収する排熱の熱量は比較的安定したものとなる。したがって、蒸発器にて熱媒が排熱回収熱媒から吸熱する熱量も安定したものとなって、ヒートポンプ回路での熱の授受状態の安定化を図ることができ、装置の性能低下を防止することができる。しかも、冷水発生器では、供給される水を冷媒にて冷却して冷水を発生することができるので、その発生された冷水を冷熱源として用いて、機器の冷却や冷房等を行うことができる。
このようにして、本特徴構成によれば、エネルギー効率の向上を効果的に図ることができながら、装置の性能低下を防止することができ、蒸気だけでなく、冷水をも発生させて蒸気及び冷水の両者を供給自在な蒸気冷水併給装置を実現できる。

本発明に係る蒸気供給装置の第２特徴構成は、前記ヒートポンプ回路における冷媒は、プロパンである点にある。

本特徴構成によれば、凝縮器にて蒸気を発生させるとともに、冷水発生器にて冷水を発生させるための冷媒として、好適なプロパンを用いることができる。したがって、蒸気及び冷水の両者を的確に発生させることができる。

本発明に係る蒸気供給装置の第３特徴構成は、前記エンジンは、そのエンジンの回転速度を一定の目標回転速度とする定格運転を行うように構成されている点にある。

本特徴構成によれば、エンジンが定格運転を行うことで、エンジンの運転が安定しており、そのエンジンにて圧縮機を駆動させてヒートポンプ回路を運転させるので、ヒートポンプ回路の運転を安定して行うことができる。しかも、エンジンが定格運転を行うので、排熱回収熱媒供給手段が、エンジンから回収する排熱の熱量が安定したものとなり、蒸発器にて熱媒が排熱回収熱媒から吸熱する熱量も安定したものとなる。よって、ヒートポンプ回路での熱の授受状態の安定化を的確に図ることができ、装置の性能低下を確実に防止することができる。

蒸気冷水併給装置の概略構成図 ヒートポンプ回路の圧力―エントロピーの関係を示す図

本発明に係る蒸気冷水併給装置の実施形態について図面に基づいて説明する。
本発明に係る蒸気冷水併給装置１００には、図１に示すように、圧縮機１、凝縮器２、膨張弁３、蒸発器４の順に冷媒Ｒを循環させる圧縮式のヒートポンプ回路５が備えられている。ここで、ヒートポンプ回路５における冷媒Ｒは、プロパンである。ヒートポンプ回路５において膨張弁３と蒸発器４との間に、供給される水Ｓ１を冷媒Ｒにて冷却して冷水Ｓ２を発生自在な冷水発生器６が備えられ、ヒートポンプ回路５において凝縮器４と膨張弁３との間に、供給される水Ｔ１を冷媒Ｒにて加熱して温水Ｔ２を発生する温水発生器７が備えられている。そして、温水発生器７にて発生された温水Ｔ２を凝縮器２に供給自在となっており、凝縮器２は、供給される水Ｔ２（温水）を冷媒Ｒ１にて加熱して蒸気Ｔ３を発生自在に構成されている。

圧縮機１は、エンジン８にて発生される駆動力にて駆動自在に構成されており、この蒸気冷水併給装置１００には、エンジン８の排熱を回収した排熱回収熱媒Ｕを蒸発器４に供給自在な排熱回収熱媒供給手段９が備えられている。排熱回収熱媒供給手段９は、エンジン８を冷却させるためのエンジン冷却水を排熱回収熱媒Ｕとしており、エンジン冷却部１０と蒸発器４との間で排熱回収熱媒Ｕ（エンジン冷却水）を循環させるエンジン冷却水循環路１１と、そのエンジン冷却水循環路１１に備えられたエンジン冷却水循環ポンプ１２とから構成されている。エンジン冷却部１０は、例えば、シリンダヘッドやシリンダブロック等に排熱回収熱媒Ｕを通流させることによりエンジン８を冷却させるように構成されている。これにより、排熱回収熱媒供給手段９は、エンジン冷却部１０を通過してエンジン８の排熱を回収した排熱回収熱媒Ｕを蒸発器４に循環供給して、蒸発器４において排熱回収熱媒Ｕにて冷媒Ｒを加熱自在に構成されている。

エンジン８は、通常の４サイクルエンジンと同様の構成を有しており、燃料ガス（例えば天然ガス）と空気の混合気を燃焼室に吸気したのち、燃焼室において混合気を圧縮し、その後、燃焼室において混合気を点火して燃焼膨張させ、燃焼により発生した排ガスを排気路に排気させている。図示は省略するが、圧縮機１は、ベルトとプーリ等から構成された動力伝達機構を介してエンジン８のクランク軸等のエンジン出力軸に接続されており、エンジン８の軸出力により圧縮機１を駆動自在に構成されている。エンジン８の運転は、蒸気冷水併給装置１００の運転を制御する運転制御装置１３により制御されている。そして、図示は省略するが、エンジン出力軸の回転速度を検出する回転速度センサが設けられており、運転制御装置１３は、例えば、回転速度センサの検出情報に基づいて、エンジン出力軸の回転速度を目標回転速度の一定速度とする定格運転にてエンジン８を運転させるように構成されている。

蒸気冷水併給装置１００には、温水発生器７に水Ｔ１を供給する第１供給路１４が備えられ、その第１供給路１４には、第１供給ポンプ１５が備えられている。この第１供給路１４は、温水発生器７に水Ｔ１を供給するとともに、温水発生器７の出口側と凝縮器２の入口側とを接続しており、温水発生器７にて発生された温水Ｔ２を凝縮器２に供給自在に構成されている。さらに、第１供給路１４は、凝縮器２にて発生された蒸気Ｔ３を蒸気使用箇所である所望の箇所に供給自在に構成されている。

蒸気冷水併給装置１００には、冷水発生器６に水Ｓ１を供給する第２供給路１６が備えられ、その第２供給路１６には、第２供給ポンプ１７が備えられている。第２供給路１６は、冷水発生器６にて発生された冷水Ｓ２を冷水使用箇所である所望の箇所に供給自在に構成されている。ここで、例えば、機器等を冷却するための機器冷却箇所を冷水使用箇所として、冷水発生器６にて発生された冷水Ｓ２をそのまま機器冷却箇所に供給することができる。また、空調を行うときの冷熱源として、空調装置を冷水使用箇所として、冷水発生器６にて発生された冷水Ｓ２を冷熱源として空調装置に供給することができる。この場合、空調装置としては、例えば、吸収式ヒートポンプ装置等を適応することができる。

運転制御装置１３による蒸気冷水併給装置１００の運転について、図１及び図２に基づいて説明する。ここで、図２は、ヒートポンプ回路５における圧力−エンタルピーの関係を示すｐｈ線図である。
運転制御装置１３は、エンジン８を運転させて圧縮機１を駆動させるとともに、エンジン冷却水循環ポンプ１２、第１供給ポンプ１５及び第２供給ポンプ１７を作動させて、蒸気冷水併給装置１００を運転させる。ヒートポンプ回路５では、圧縮機１にて冷媒Ｒが圧縮されるので、冷媒Ｒが高温高圧の状態となる（例えば、冷媒Ｒの温度が１２７℃、冷媒Ｒの圧力が２．０ＭＰａとなる、図中Ａ点）。その高温高圧の冷媒Ｒは、凝縮器２に供給されて放熱して冷媒Ｒの温度が低下し、凝縮器２を通過した冷媒Ｒが温水発生器７に供給されて放熱して冷媒Ｒの温度がさらに低下する（例えば、温度が１２７℃から５７℃に低下する、図中Ｂ点）。一方、温水発生器７には、冷媒Ｒの放熱対象として第１供給路１４により水Ｔ１（例えば、５０℃の水）が供給されているので、温水発生器７では、冷媒Ｒにて水Ｔ１が加熱されて温水Ｔ２が発生される。そして、凝縮器２には、冷媒Ｒの放熱対象として第１供給路１４により温水発生器７にて発生された温水Ｔ２が供給されているので、凝縮器２では、冷媒Ｒにて温水Ｔ２が加熱されて蒸気Ｔ３（例えば、１２０℃の蒸気）が発生される。

ヒートポンプ回路５に戻り、温水発生器７を通過した冷媒Ｒは、膨張弁３にて膨張されて低温低圧の状態となる（例えば、冷媒Ｒの温度が７℃、冷媒Ｒの圧力が０．８ＭＰａ、図中Ｃ点）。その低温低圧の冷媒Ｒは、冷水発生器６に供給されて吸熱して冷媒Ｒの温度が上昇し、冷水発生器６を通過した冷媒Ｒが蒸発器４に供給されて吸熱して冷媒Ｒの温度がさらに上昇する（例えば、冷媒Ｒの温度が、冷水発生器６にて１７℃に上昇され、蒸発器４にて８７℃に上昇される、図中Ｄ点）。一方、冷水発生器７には、冷媒Ｒの吸熱対象として第２供給路１６により水Ｓ１（例えば、２０℃の水）が供給されているので、冷水発生器７では、冷媒Ｒにて水Ｓ１が冷却されて冷水Ｓ２（例えば、１０℃の水）が発生される。そして、蒸発器４には、冷媒Ｒの吸熱対象としてエンジン冷却水循環路１１により排熱回収熱媒Ｕ（例えば、８０〜９０℃のエンジン冷却水）が供給されているので、蒸発器４では、排熱回収熱媒Ｕにて冷媒Ｒが加熱される。

上述の如く、本発明に係る蒸気冷水併給装置１００は、凝縮器２にて蒸気Ｔ３を発生しその発生した蒸気Ｔ３を第１供給路１４にて所望の箇所に供給するとともに、冷水発生器６にて冷水を発生しその発生した冷水Ｓ２を第２供給路１６にて所望の箇所に供給するように構成されている。これにより、本発明に係る蒸気冷水併給装置１００は、蒸気Ｔ３だけでなく、冷水Ｓ２をも供給自在な蒸気冷水併給形式に構成されている。
そして、本発明に係る蒸気冷水併給装置１００では、蒸発器４に対してエンジン８の排熱を回収した排熱回収熱媒Ｕ（エンジン冷却水）を供給しており、ヒートポンプ回路５における凝縮器２にて蒸気Ｔ３を発生するための熱源として、エンジン８の排熱を回収した排熱回収熱媒Ｕ（エンジン冷却水）を用いている。そして、エンジン８の排熱を回収した排熱回収熱媒Ｕ（エンジン冷却水）の温度は、温度差が小さい所定範囲内（例えば、８０〜９０℃の温度範囲）となっていることから、蒸発器４において冷媒Ｒが吸熱する吸熱量が大きく変動するのを防止することができ、ヒートポンプ回路５での熱の授受状態の安定化を図ることができる。

ここで、運転制御装置１３は、例えば、回転速度センサの検出情報に基づいて、エンジン出力軸の回転速度を目標回転速度の一定速度とする定格運転にてエンジン８を運転させている。これにより、排熱回収熱媒Ｕにて回収されるエンジン８の排熱の熱量が大きく変動することなく、蒸発器４に供給される排熱回収熱媒Ｕの温度が安定したものとなる。よって、ヒートポンプ回路５での熱の授受状態をより一層安定させることができ、エンジン８の排熱を有効に且つ効率よく活用することができながら、蒸気Ｔ３と冷水Ｓ２とを供給することができ、装置の性能向上を図ることができる。

〔別実施形態〕
（１）上記実施形態では、ヒートポンプ回路５における冷媒Ｒをプロパンとしたが、例えば、フロン系の冷媒等、各種の冷媒を適応することができる。

本発明は、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器の順に冷媒を循環させる圧縮式のヒートポンプ回路が備えられ、エネルギー効率の向上を効果的に図ることができながら、装置の性能低下を防止することができ、蒸気だけでなく、冷水をも発生させて蒸気及び冷水の両者を供給自在な各種の蒸気冷水併給装置に適応可能である。

１ 圧縮機
２ 凝縮器
３ 膨張弁
４ 蒸発器
５ ヒートポンプ回路
６ 冷水発生器
８ エンジン
９ 排熱回収熱媒供給手段
Ｒ 冷媒
Ｓ２ 冷水
Ｔ３ 蒸気
Ｕ 排熱回収熱媒

Claims (3)

1. 圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器の順に冷媒を循環させる圧縮式のヒートポンプ回路が備えられ、前記圧縮機は、エンジンにて発生される駆動力にて駆動自在に構成され、前記凝縮器は、供給される水を冷媒にて加熱して蒸気を発生自在に構成され、前記エンジンの排熱を回収した排熱回収熱媒を前記蒸発器に供給自在な排熱回収熱媒供給手段を備え、前記ヒートポンプ回路において前記膨張弁と前記蒸発器との間に、供給される水を冷媒にて冷却して冷水を発生自在な冷水発生器が備えられ、前記凝縮器にて発生される蒸気と前記冷水発生器にて発生される冷水とを供給自在な蒸気冷水併給形式に構成されている蒸気冷水併給装置。
2. 前記ヒートポンプ回路における冷媒は、プロパンである請求項１に記載の蒸気冷水併給装置。
3. 前記エンジンは、そのエンジンの回転速度を一定の目標回転速度とする定格運転を行うように構成されている請求項１又は２に記載の蒸気冷水併給装置。

Images