JP2020098040A - 蒸気生成ヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】１つの圧縮機に対して複数の凝縮器が並列接続される場合であっても、簡易な構成で、各凝縮器に流れる冷媒の質量流量を均等に配分すること。【解決手段】熱源水ＨＷから回収した熱で低圧冷媒を蒸発させる蒸発器３と、低圧冷媒を高圧冷媒に圧縮する圧縮機１と、被加熱水Ｗとの熱交換により高圧冷媒を凝縮させる並列接続された複数の凝縮器２ａ，２ｂと、各凝縮器２ａ，２ｂで凝縮した高圧冷媒を低圧冷媒に減圧膨張して蒸発器３に供給する並列接続された複数の容積型膨張機４ａ，４ｂとを有したヒートポンプ部１０と、複数の凝縮器２ａ，２ｂそれぞれに対して被加熱水Ｗを供給し、高圧冷媒との熱交換により生成された水蒸気を外部に送出する蒸気生成部２０と、複数の容積型膨張機４ａ，４ｂの回転数を制御する制御部Ｃとを備え、制御部Ｃは、容積型膨張機４ａ，４ｂに導入される冷媒の質量流量が同一になるよう容積型膨張機４ａ，４ｂの回転数を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、１つの圧縮機に対して複数の凝縮器が並列接続される場合であっても、簡易な構成で、各凝縮器に流れる冷媒の質量流量を均等に配分することができる蒸気生成ヒートポンプ装置に関する。

蒸気生成装置の一つとして、工場排水や使用済冷却水等の排温水から熱を回収して蒸気を発生する蒸気生成ヒートポンプ装置がある。蒸気生成ヒートポンプ装置は、ヒートポンプ部の蒸発器を排熱回収器として機能させ、ここで熱源温水から熱を冷媒に回収し、回収した熱を利用して凝縮器で被加熱水を加熱して水蒸気を生成するため、ボイラ設備等を利用して水蒸気を発生させる燃焼系蒸気生成装置に比べてランニングコストやＣＯ_２の排出量を低減できるメリットがある。

ここで、特許文献１には、水を貯留する気液分離器と、冷媒が流通するヒートポンプの凝縮器（蒸発器）とを備え、前記気液分離器と前記蒸発器の上部及び下部をそれぞれ上部配管と下部配管で連通することにより、気液分離器内の水を前記下部配管を介して蒸発器に供給すると共に前記冷媒との熱交換によって蒸発させ、該蒸発器で生成した水蒸気を前記上部配管を介して気液分離器に供給すると共に、該気液分離器から送り出すサーモサイフォン回路を形成した蒸気生成装置が記載されている。また、前記サーモサイフォン回路には水を供給するための給水配管が接続されている。

また、特許文献２には、加熱された気相作動媒体を膨張室に吸入し、吸入した作動媒体の圧力により、膨張室の容積変化に応じて回転力を得る容積型膨張機が記載されている。

特許第５９６７３１５号公報 特開２０１６−１８０３２２号公報

ところで、蒸気生成ヒートポンプ装置の大容量化を行うには、安全性や信頼性の観点から、加熱源である凝縮器と、蒸気を生成する水蒸気分離器とをそれぞれ並列接続した複数台とすることが好ましい。この場合、１つの圧縮機から導出された冷媒は分岐され、並列接続された複数の凝縮器に導入される。

しかしながら、１つの圧縮機から導出された冷媒を、並列接続された各凝縮器に導入すると、各凝縮器に対する冷媒の質量流量が不均等になる可能性が高く、この場合、凝縮器内の熱交換量が設計の最適点から外れて運転効率が悪化してしまう。

なお、各凝縮器の下流側に配置される各膨張弁によって各凝縮器の冷媒の質量流量を均等に配分しようとすると、分岐された各流路にそれぞれ冷媒状態を測定するための温度センサや圧力センサが必要となってしまう。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、１つの圧縮機に対して複数の凝縮器が並列接続される場合であっても、簡易な構成で、各凝縮器に流れる冷媒の質量流量を均等に配分することができる蒸気生成ヒートポンプ装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる蒸気生成ヒートポンプ装置は、熱源水から回収した熱で低圧冷媒を蒸発させる蒸発器と、低圧冷媒を高圧冷媒に圧縮する圧縮機と、被加熱水との熱交換により高圧冷媒を凝縮させる並列接続された複数の凝縮器と、各凝縮器で凝縮した高圧冷媒を低圧冷媒に減圧膨張して前記蒸発器に供給する並列接続された複数の容積型膨張機とを有したヒートポンプ部と、前記複数の凝縮器それぞれに対して前記被加熱水を供給し、前記高圧冷媒との熱交換により生成された水蒸気を外部に送出する蒸気生成部と、前記複数の容積型膨張機の回転数を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記複数の容積型膨張機に導入される冷媒の質量流量が同一になるよう前記複数の容積型膨張機の回転数を制御することを特徴とする。

また、本発明にかかる蒸気生成ヒートポンプ装置は、熱源水から回収した熱で低圧冷媒を蒸発させる蒸発器と、低圧冷媒を高圧冷媒に圧縮する圧縮機と、被加熱水との熱交換により高圧冷媒を凝縮させる並列接続された複数の凝縮器と、各凝縮器で凝縮した高圧冷媒を低圧冷媒に減圧膨張して前記蒸発器に供給する並列接続された複数の容積型膨張機とを有したヒートポンプ部と、前記複数の凝縮器それぞれに対して前記被加熱水を供給し、前記高圧冷媒との熱交換により生成された水蒸気を外部に送出する蒸気生成部と、を備え、前記複数の容積型膨張機は、同一の回転軸によって連結されることを特徴とする。

また、本発明にかかる蒸気生成ヒートポンプ装置は、上記の発明において、前記回転軸は、電気制動機に接続されることを特徴とする。

本発明によれば、１つの圧縮機に対して複数の凝縮器が並列接続される場合であっても、簡易な構成で、各凝縮器に流れる冷媒の質量流量を均等に配分することができる。

図１は、本発明の実施の形態である蒸気生成ヒートポンプ装置の構成を示す回路図である。

以下、添付図面を参照してこの発明を実施するための形態について説明する。

＜装置構成＞
図１は、本発明の実施の形態である蒸気生成ヒートポンプ装置１００の構成を示す回路図である。図１に示すように蒸気生成ヒートポンプ装置１００は、ヒートポンプ部１０及び蒸気生成部２０有する。

ヒートポンプ部１０は、工場排水等の排温水（熱源水）ＨＷから回収した熱で低圧冷媒を蒸発させる蒸発器３と、蒸発器３から導入される低圧冷媒を高圧冷媒に圧縮する圧縮機１と、圧縮機１によって圧縮された高圧冷媒を凝縮させ、被加熱水Ｗを加熱して沸騰させる並列接続された凝縮器２ａ，２ｂと、凝縮器２ａ，２ｂによって凝縮された冷媒をそれぞれ減圧膨張し、蒸発器３に導出する容積型膨張機４ａ，４ｂとを有し、冷媒循環経路順次接続されるヒートポンプサイクルを構成している。ここで、圧縮機１から吐出された高圧冷媒は、分岐されて各凝縮器２ａ，２ｂに導入される。また、容積型膨張機４ａ，４ｂから導出された冷媒は、合流して蒸発器３に導入される。

容積型膨張機４ａ，４ｂは、同一の回転軸１５によって連結される。回転軸１５の一端には、電気制動機１４が連結される。したがって、各容積型膨張機４ａ，４ｂの回転数は、電気制動機１４による電気制動によって制御され、かつ、同一の回転をすることになる。容積型膨張機４ａ，４ｂは、各凝縮器２ａ，２ｂから導入される冷媒を吸入し、回転軸１５の回転力によって膨張室の容積変化が調整される。各容積型膨張機４ａ，４ｂは、同一の回転数となるため、膨張室の容積変化も同じとなり、各凝縮器２ａ，２ｂに流れる冷媒の質量流量を均等に配分することができる。

なお、電気制動機１４が電気制動を行う場合、容積型膨張機４ａ，４ｂの容積変化に応じた回転力を得ることができる。この回転力を発電機などエネルギー変換機によって電気エネルギー（回収エネルギー）に変換して出力することができるため、装置全体のエネルギー効率を高めることができる。

蒸気生成部２０は、複数の給水ポンプ５ａ，５ｂ、複数のサーモサイフォン回路Ａ，Ｂ、複数の圧力調整弁７ａ，７ｂを有する。導入された被加熱水Ｗは、複数の給水ポンプ５ａ，５ｂに分岐し、各給水ポンプ５ａ、５ｂは、それぞれサーモサイフォン回路Ａ，Ｂに被加熱水を導出する。

各サーモサイフォン回路Ａ，Ｂは、各凝縮器２ａ，２ｂに対応して複数の水蒸気分離器６ａ，６ｂを有する。各水蒸気分離器６ａ，６ｂは、各凝縮器２ａ，２ｂで沸騰した被加熱水Ｗを水蒸気と水とに分離する。各凝縮器２ａ，２ｂと各水蒸気分離器６ａ，６ｂとの上部及び下部は、それぞれ上部配管２１ａ，２１ｂと、下部配管２２ａ，２２ｂとで連通される。各水蒸気分離器６ａ，６ｂ内の水は、それぞれ下部配管２２ａ，２２ｂを介してそれぞれ凝縮器２ａ，２ｂに導出されるとともに、各凝縮器２ａ，２ｂで沸騰した水蒸気は、それぞれ上部配管２１ａ，２１ｂを介してそれぞれ水蒸気分離器６ａ，６ｂに導出して、それぞれ圧力調整弁７ａ，７ｂ側に出力される。圧力調整弁に出力される。すなわち、下部配管２２ａ、凝縮器２ａ、上部配管２１ａ、水蒸気分離器６ａからなるサーモサイフォン回路Ａと、下部配管２２ｂ、凝縮器２ｂ、上部配管２１ｂ、水蒸気分離器６ｂからなるサーモサイフォン回路Ｂという２系統のサーモサイフォン回路Ａ，Ｂが形成されている。なお、各給水ポンプ５ａ，５ｂから導出された被加熱水Ｗは、それぞれ下部配管２２ａ，２２ｂに導入されることによって、各サーモサイフォン回路Ａ，Ｂに導入される。

各水蒸気分離器６ａ，６ｂから導出された水蒸気は、それぞれ圧力調整弁７ａ，７ｂ側に出力され、圧力調整弁７ａ，７ｂを介した水蒸気は合流され、蒸気Ｓとして外部の蒸気利用設備側に供給される。

ヒートポンプ部１０は、圧力検出センサ１３、温度検出センサ１２、及び制御部Ｃを有する。圧力検出センサ１３は、圧縮機１から吐出される高圧冷媒の圧力を検出する。温度検出センサ１２は、圧縮機１から吐出される高圧冷媒の温度を検出する。制御部Ｃは、圧力検出センサ１３及び温度検出センサ１２が検出する圧力及び温度をもとに、吐出過熱度を算出し、吐出過熱度が目標吐出過熱度となるように、電気制動機１４による回転軸１５の回転数を制御し、容積型膨張機４ａ，４ｂに導入される冷媒の質量流量を調整する。

本実施の形態では、複数の膨張機構に替えて、同一の回転軸１５によって連結される複数の容積型膨張機４ａ，４ｂによって冷媒を減圧膨張させているので、各凝縮器２ａ，２ｂに流れる冷媒の質量流量を均等に配分することができる。これにより、各凝縮器２ａ，２ｂでの熱交換量が同時に最適化され、凝縮器２ａ，２ｂを並列接続させる場合であっても、簡易な構成で運転効率の悪化を抑えることができる。

なお、上記の実施の形態では、凝縮器２ａ，２ｂ及び容積型膨張機４ａ，４ｂなどの２系統の並列接続としているが、大容量化に対応して、３系統以上の並列接続であってもよい。

また、上記の実施の形態では、容積型膨張機４ａ，４ｂが同一の回転軸１５によって連結されていたが、これに限らず、各容積型膨張機４ａ，４ｂの回転数が同一となるように、各別に制御するようにしてもよい。

さらに、上記の実施の形態では、容積型膨張機４ａ，４ｂを連結する同一の回転軸１５の回転数を、電気制動機１４を介して制御するようにしていたが、電気制動機１４に限らず、回転軸１５の回転を制御できる機器であればよい。

また、上記の実施の形態で図示した各構成は機能概略的なものであり、必ずしも物理的に図示の構成をされていることを要しない。すなわち、各装置及び構成要素の分散・統合の形態は図示のものに限られず、その全部又は一部を各種の使用状況などに応じて、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。

１ 圧縮機
２ａ，２ｂ 凝縮器
３ 蒸発器
４ａ，４ｂ 容積型膨張機
５ａ，５ｂ 給水ポンプ
６ａ，６ｂ 水蒸気分離器
７ａ，７ｂ 圧力調整弁
１０ ヒートポンプ部
１２ 温度検出センサ
１３ 圧力検出センサ
１４ 電気制動機
１５ 回転軸
２０ 蒸気生成部
２１ａ，２１ｂ 上部配管
２２ａ，２２ｂ 下部配管
１００ 蒸気生成ヒートポンプ装置
Ａ，Ｂ サーモサイフォン回路
Ｃ 制御部
ＨＷ 熱源水
Ｓ 蒸気
Ｗ 被加熱水

Claims (3)

1. 熱源水から回収した熱で低圧冷媒を蒸発させる蒸発器と、低圧冷媒を高圧冷媒に圧縮する圧縮機と、被加熱水との熱交換により高圧冷媒を凝縮させる並列接続された複数の凝縮器と、各凝縮器で凝縮した高圧冷媒を低圧冷媒に減圧膨張して前記蒸発器に供給する並列接続された複数の容積型膨張機とを有したヒートポンプ部と、
   前記複数の凝縮器それぞれに対して前記被加熱水を供給し、前記高圧冷媒との熱交換により生成された水蒸気を外部に送出する蒸気生成部と、
   前記複数の容積型膨張機の回転数を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記複数の容積型膨張機に導入される冷媒の質量流量が同一になるよう前記複数の容積型膨張機の回転数を制御することを特徴とする蒸気生成ヒートポンプ装置。
2. 熱源水から回収した熱で低圧冷媒を蒸発させる蒸発器と、低圧冷媒を高圧冷媒に圧縮する圧縮機と、被加熱水との熱交換により高圧冷媒を凝縮させる並列接続された複数の凝縮器と、各凝縮器で凝縮した高圧冷媒を低圧冷媒に減圧膨張して前記蒸発器に供給する並列接続された複数の容積型膨張機とを有したヒートポンプ部と、
   前記複数の凝縮器それぞれに対して前記被加熱水を供給し、前記高圧冷媒との熱交換により生成された水蒸気を外部に送出する蒸気生成部と、
   を備え、
   前記複数の容積型膨張機は、同一の回転軸によって連結されることを特徴とする蒸気生成ヒートポンプ装置。
3. 前記回転軸は、電気制動機に接続されることを特徴とする請求項２に記載の蒸気生成ヒートポンプ装置。

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