JP2012042205A - ヒートポンプ式蒸気発生装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】圧縮機3、凝縮器4、膨張弁5および蒸発器6が順次環状に接続されて冷媒を循環させるヒートポンプ2を備える。このヒートポンプ2の凝縮器4において、冷媒と水とを熱交換して、蒸気を発生させる。この蒸気の圧力は、圧力センサ34で監視される。この圧力センサ34の検出圧力を所望に維持するように、ヒートポンプ2の圧縮機3を制御する。
【選択図】図1
Description
第一偏差率=(第一上限圧力−現在圧力)/(第一上限圧力−第一下限圧力)
第二偏差率=(現在温度−第二下限温度)/(第二上限温度−第二下限温度)
第一偏差率=(第一上限圧力−現在圧力)/(第一上限圧力−第一下限圧力)
第二偏差率=(現在温度−第二下限温度)/(第二上限温度−第二下限温度)
(a)下段ヒートポンプの圧縮機からの冷媒と上段ヒートポンプの膨張弁からの冷媒とを受けて、両冷媒を混ぜることなく熱交換する間接熱交換器を備え、この間接熱交換器が下段ヒートポンプの凝縮器であると共に上段ヒートポンプの蒸発器である。
(b)下段ヒートポンプの圧縮機からの冷媒と上段ヒートポンプの膨張弁からの冷媒とを受けて、両冷媒を直接に接触させて熱交換する中間冷却器を備え、この中間冷却器が下段ヒートポンプの凝縮器であると共に上段ヒートポンプの蒸発器である。
(c)下段ヒートポンプの圧縮機からの冷媒と上段ヒートポンプの膨張弁からの冷媒とを受けて、両冷媒を直接に接触させて熱交換すると共に、この両冷媒と上段ヒートポンプの凝縮器から膨張弁を介することなく供給される冷媒とを混ぜることなく熱交換する中間冷却器を備え、下段ヒートポンプの圧縮機、前記中間冷却器、上段ヒートポンプの圧縮機、上段ヒートポンプの凝縮器、前記中間冷却器、下段ヒートポンプの膨張弁、下段ヒートポンプの蒸発器、そして再び下段ヒートポンプの圧縮機へ戻るよう冷媒を循環させる。
(a)炭素数が4以上のハイドロフルオロカーボン、またはこれに水および/または消火液を加えたもの。
(b)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。
(c)水。
図1は、本発明のヒートポンプ式蒸気発生装置1の一実施例を示す概略図であり、1段のヒートポンプ2を用いた場合を示している。また、図2から図8は、本実施例のヒートポンプ式蒸気発生装置1の変形例を示す図であり、図2から図4は2段のヒートポンプ2(2A,2B)を用いた場合、図5から図8は3段のヒートポンプ2(2A,2B,2C)を用いた場合を示している。
第二偏差率η2=(現在温度T−第二下限温度T2L)/(第二上限温度T2H−第二下限温度T2L)
2(2A〜2C) ヒートポンプ
3(3A〜3C) 圧縮機
4(4A〜4C) 凝縮器
4Z 蒸気発生用凝縮器(最上段のヒートポンプの凝縮器)
5(5A〜5C) 膨張弁
6(6A〜6C) 蒸発器
6Z 温水冷却用蒸発器(最下段のヒートポンプの蒸発器)
7 間接熱交換器
8 (タンク型)中間冷却器
9 (熱交型)中間冷却器
15 ボイラ
33 (蒸気発生用凝縮器からの)蒸気路
34 圧力センサ
35 液ガス熱交換器
36 (ボイラからの)蒸気路
37 減圧弁
38 排水路
39 温度センサ
40 サブクーラ
41 給水路
42 バイパス路
43 バイパス弁
Claims (25)
- 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るヒートポンプを備え、
前記凝縮器において、前記冷媒と水とを熱交換して蒸気を発生させ、
この凝縮器にて発生させた蒸気の圧力を検出する圧力センサの検出圧力に基づき、前記圧縮機を制御し、
前記凝縮器からの蒸気に、ボイラからの蒸気が弁を介して合流するよう構成され、
前記凝縮器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前記圧力センサが設けられ、
前記圧縮機は、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、
前記弁は、それより下流側の蒸気圧を第二設定圧力に維持するよう開閉または開度が調整され、
前記第二設定圧力は、前記第一設定圧力よりも低く設定される
ことを特徴とするヒートポンプ式蒸気発生装置。 - 前記弁は、自力式減圧弁から構成され、
この減圧弁の設定圧力が前記第一設定圧力よりも低い
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発生装置。 - 前記蒸発器において、前記冷媒と被冷却流体とを熱交換して被冷却流体の冷却を図り、
前記蒸発器の出口側に設けた温度センサの検出温度に基づき、前記圧縮機を制御可能であり、
前記圧力センサによる制御と前記温度センサによる制御とを切り替えて前記圧縮機を制御する
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。 - 前記圧力センサによる制御では、前記圧縮機は、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、
前記温度センサによる制御では、前記温度センサの検出温度を第二設定温度に維持するよう前記圧縮機が制御され、
前記温度センサの検出温度を第一設定温度に維持するよう前記蒸発器への被冷却流体供給量が制御され、
前記第二設定温度は、前記第一設定温度よりも低く設定される
ことを特徴とする請求項3に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。 - 前記圧力センサの検出圧力に基づき、第一上限圧力と第一下限圧力との範囲で、且つその第一上限圧力を設定値として前記圧縮機を比例制御またはPID制御するか、
前記温度センサの検出温度に基づき、第二上限温度と第二下限温度との範囲で、且つその第二下限温度を設定値として前記圧縮機を比例制御またはPID制御し、
設定タイミングで次式により第一偏差率と第二偏差率とを求め、前記圧力センサによる制御と前記温度センサによる制御との内、偏差率の小さい方で前記圧縮機を制御することで、前記圧力センサによる制御と前記温度センサによる制御とを切り替える
ことを特徴とする請求項3または請求項4に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。
第一偏差率=(第一上限圧力−現在圧力)/(第一上限圧力−第一下限圧力)
第二偏差率=(現在温度−第二下限温度)/(第二上限温度−第二下限温度) - 前記圧力センサの検出圧力に基づき、第一上限圧力と第一下限圧力との範囲で、且つその第一上限圧力を設定値として前記圧縮機を比例制御またはPID制御するか、
前記温度センサの検出温度に基づき、第二上限温度と第二下限温度との範囲で、且つその第二下限温度を設定値として前記圧縮機を比例制御またはPID制御し、
設定タイミングで、前記圧力センサによる制御における前記圧縮機の操作量と、前記温度センサによる制御における前記圧縮機の操作量とを求め、前記圧力センサによる制御と前記温度センサによる制御との内、操作量の小さい方で前記圧縮機を制御することで、前記圧力センサによる制御と前記温度センサによる制御とを切り替える
ことを特徴とする請求項3または請求項4に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。 - 複数段のヒートポンプを備え、
最下段のヒートポンプの蒸発器において、冷媒と被冷却流体とを熱交換し、
最上段のヒートポンプの凝縮器において、蒸気を発生させ、
前記圧力センサの検出圧力に基づき、第一上限圧力と第一下限圧力との範囲で、且つその第一上限圧力を設定値として最上段のヒートポンプの圧縮機を比例制御またはPID制御するか、
前記温度センサの検出温度に基づき、第二上限温度と第二下限温度との範囲で、且つその第二下限温度を設定値として最下段のヒートポンプの圧縮機を比例制御またはPID制御し、
前記圧力センサの検出圧力に基づき最上段のヒートポンプの圧縮機を制御する場合、それより下段の各ヒートポンプの圧縮機は、その段の凝縮器または一つ上段の蒸発器の冷媒の圧力に基づき制御され、
前記温度センサの検出温度に基づき最下段のヒートポンプの圧縮機を制御する場合、それより上段の各ヒートポンプの圧縮機は、その段の蒸発器または一つ下段の凝縮器の冷媒の圧力に基づき制御され、
設定タイミングで次式により第一偏差率と第二偏差率とを求め、前記圧力センサによる制御と前記温度センサによる制御との内、偏差率の小さい方の制御に切り替えることで、前記圧力センサによる制御と前記温度センサによる制御とを切り替える
ことを特徴とする請求項3または請求項4に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。
第一偏差率=(第一上限圧力−現在圧力)/(第一上限圧力−第一下限圧力)
第二偏差率=(現在温度−第二下限温度)/(第二上限温度−第二下限温度) - 複数段のヒートポンプを備え、
最下段のヒートポンプの蒸発器において、冷媒と被冷却流体とを熱交換し、
最上段のヒートポンプの凝縮器において、蒸気を発生させ、
前記圧力センサの検出圧力に基づき、第一上限圧力と第一下限圧力との範囲で、且つその第一上限圧力を設定値として最上段のヒートポンプの圧縮機を比例制御またはPID制御するか、
前記温度センサの検出温度に基づき、第二上限温度と第二下限温度との範囲で、且つその第二下限温度を設定値として最下段のヒートポンプの圧縮機を比例制御またはPID制御し、
前記圧力センサの検出圧力に基づき最上段のヒートポンプの圧縮機を制御する場合、それより下段の各ヒートポンプの圧縮機は、その段の凝縮器または一つ上段の蒸発器の冷媒の圧力に基づき制御され、
前記温度センサの検出温度に基づき最下段のヒートポンプの圧縮機を制御する場合、それより上段の各ヒートポンプの圧縮機は、その段の蒸発器または一つ下段の凝縮器の冷媒の圧力に基づき制御され、
設定タイミングで、前記圧力センサによる制御における最上段のヒートポンプの圧縮機の第一操作量(y1)と、前記温度センサによる制御における最下段のヒートポンプの圧縮機の第二操作量(y2)とから、前記第一操作量(y1)の前記第二操作量(y2)に対する比の値(y1/y2)を求め、この値が予め設定された定数未満なら、前記圧力センサによる制御を行う一方、前記定数以上なら前記温度センサによる制御を行うことで、前記圧力センサによる制御と前記温度センサによる制御とを切り替える
ことを特徴とする請求項3または請求項4に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。 - 複数段のヒートポンプを備え、
最上段のヒートポンプの凝縮器において、蒸気を発生させ、
隣接する段のヒートポンプ同士は次の(a)〜(c)のいずれかの関係にある
ことを特徴とする請求項7または請求項8に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。
(a)下段ヒートポンプの圧縮機からの冷媒と上段ヒートポンプの膨張弁からの冷媒とを受けて、両冷媒を混ぜることなく熱交換する間接熱交換器を備え、この間接熱交換器が下段ヒートポンプの凝縮器であると共に上段ヒートポンプの蒸発器である。
(b)下段ヒートポンプの圧縮機からの冷媒と上段ヒートポンプの膨張弁からの冷媒とを受けて、両冷媒を直接に接触させて熱交換する中間冷却器を備え、この中間冷却器が下段ヒートポンプの凝縮器であると共に上段ヒートポンプの蒸発器である。
(c)下段ヒートポンプの圧縮機からの冷媒と上段ヒートポンプの膨張弁からの冷媒とを受けて、両冷媒を直接に接触させて熱交換すると共に、この両冷媒と上段ヒートポンプの凝縮器から膨張弁を介することなく供給される冷媒とを混ぜることなく熱交換する中間冷却器を備え、下段ヒートポンプの圧縮機、前記中間冷却器、上段ヒートポンプの圧縮機、上段ヒートポンプの凝縮器、前記中間冷却器、下段ヒートポンプの膨張弁、下段ヒートポンプの蒸発器、そして再び下段ヒートポンプの圧縮機へ戻るよう冷媒を循環させる。 - 上下に隣接する段のヒートポンプ同士は、前記(a)の関係にあり、
下段ヒートポンプは、上段ヒートポンプよりも沸点の低い冷媒を用いた
ことを特徴とする請求項9に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。 - 請求項1〜10のいずれか1項に記載の、単段のヒートポンプ、または複数段のヒートポンプの内の一部または全部のヒートポンプにおいて、凝縮器から膨張弁への冷媒と蒸発器から圧縮機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を備える
ことを特徴とするヒートポンプ式蒸気発生装置。 - 複数段のヒートポンプの場合、最上段のヒートポンプには前記液ガス熱交換器が設けられない
ことを特徴とする請求項11に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。 - 蒸気発生用凝縮器から膨張弁への冷媒を、蒸気発生用凝縮器への給水で冷却するサブクーラを備える
ことを特徴とする請求項1〜12のいずれか1項に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。 - 蒸気発生用凝縮器へは、圧縮機の熱で加温された水が供給される
ことを特徴とする請求項1〜13のいずれか1項に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。 - 単段または最下段のヒートポンプの蒸発器へは、蒸気発生用凝縮器および/または圧縮機の熱で加温された水が供給される
ことを特徴とする請求項1〜14のいずれか1項に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。 - ヒートポンプの蒸発器と凝縮器との間に並列に設置される複数の圧縮機、複数のヒートポンプが並列に設置されることによる複数の圧縮機、またはヒートポンプが複数段に設置されることによる複数の圧縮機は、共通の制御器および/または個別の制御器で制御される
ことを特徴とする請求項1〜15のいずれか1項に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。 - ヒートポンプの蒸発器と凝縮器との間に並列に設置される複数の圧縮機、または複数のヒートポンプが並列に設置されることによる複数の圧縮機を備え、
単段もしくは最上段のヒートポンプの凝縮器にて発生させた蒸気の圧力、および/または単段もしくは最下段のヒートポンプの蒸発器を通された後の被冷却流体の温度に基づき、前記複数の圧縮機の内の運転台数を変更する
ことを特徴とする請求項16に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。 - 単段もしくは最上段のヒートポンプの凝縮器にて発生させた蒸気の圧力、および/または単段もしくは最下段のヒートポンプの蒸発器を通された後の被冷却流体の温度に基づき、前記複数の圧縮機の内、少なくとも一の圧縮機について、冷媒の吐出流量を調整する
ことを特徴とする請求項16または請求項17に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。 - 前記圧縮機を駆動するエンジンおよびモータを備え、
このエンジンおよびモータの内、いずれを用いて圧縮機を運転するか、または双方を用いて圧縮機を運転するかが、前記蒸気の圧力または前記蒸発器通過後の被冷却流体温度に基づき変更される
ことを特徴とする請求項1〜18のいずれか1項に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。 - 前記蒸気の圧力が上限値を超えるか、前記蒸発器の入口または出口の被冷却流体の温度が上限値を超えると、前記圧縮機を強制停止させる
ことを特徴とする請求項1〜19のいずれか1項に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。 - 蒸気発生用凝縮器へは、純水または軟水が供給される
ことを特徴とする請求項1〜20のいずれか1項に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。 - 蒸気発生用凝縮器内の水位を設定範囲に維持するように、蒸気発生用凝縮器への給水を制御する
ことを特徴とする請求項21に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。 - 前記圧縮機の積算回転数に基づき、蒸気発生用凝縮器内の水を入れ替える
ことを特徴とする請求項21または請求項22に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。 - 前記冷媒は、次の(a)〜(c)のいずれかである
ことを特徴とする請求項1〜23のいずれか1項に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。
(a)炭素数が4以上のハイドロフルオロカーボン、またはこれに水および/または消火液を加えたもの。
(b)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。
(c)水。 - 工場などからの排温水、前記圧縮機の冷却水、前記圧縮機のエンジンの潤滑油の冷却水、前記圧縮機のエンジンのジャケット冷却水、および前記ボイラからの排ガスの冷却水の内、少なくとも一つは、前記凝縮器への給水、前記蒸発器への給水、または前記ボイラへの給水とされるか、これら給水と熱交換される
ことを特徴とする請求項1〜24のいずれか1項に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。
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