JP2022047232A

JP2022047232A - 過熱水蒸気処理装置

Info

Publication number: JP2022047232A
Application number: JP2020153029A
Authority: JP
Inventors: 康弘横山; Yasuhiro Yokoyama; 賢哲安嶋; Kentetsu Yasujima; 正道岩崎; Masamichi Iwasaki
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2020-09-11
Filing date: 2020-09-11
Publication date: 2022-03-24
Anticipated expiration: 2040-09-11
Also published as: JP7543796B2

Abstract

【課題】効率よく過熱水蒸気を発生させることのできる過熱水蒸気処理装置を提供する。【解決手段】過熱水蒸気処理装置１０Ｂは、冷媒を圧縮する圧縮機１８、冷媒を凝縮させる冷媒凝縮器２０、冷媒を減圧する膨張弁２２、冷媒を蒸発させる冷媒蒸発器２４を環状に接続したヒートポンプ回路部１４と、冷媒凝縮器２０で加熱した被加熱水を飽和蒸気と温水とに分離する水蒸気分離器３４と、蒸気加熱部３８で発生した過熱水蒸気により被加熱体Ｗを熱処理する過熱水蒸気処理炉１２と、熱源温水を循環ポンプ５２によって循環させる熱源温水循環回路５０とを備える。熱源温水循環回路５０は、過熱水蒸気が過熱水蒸気処理炉１２で利用された後の排気蒸気の少なくとも一部が導入されて、熱源温水を加熱する熱交換器５４を有する。ヒートポンプ回路部１４における冷媒の圧縮機出口温度Ｔ１が第１上限温度Ｈ１以下となるように、熱交換器５４の蒸気流量を調整する。【選択図】図２

Description

本発明は、被加熱体の熱処理をする過熱水蒸気処理装置に関する。

過熱水蒸気は飽和水蒸気をさらに加熱して昇温させた蒸気であり、還元作用、大きい熱容量、不活性などの特徴があることから様々な用途に用いられている。特許文献１では、過熱水蒸気を用い有機物を熱分解してガス化、および炭化する装置が開示されている。特許文献１に記載の装置では、ボイラによって得られた水蒸気を過熱水蒸気発生装置に導入し誘導加熱によってさらに加熱して過熱水蒸気を発生させている。

特開２００４－２０９３１４号公報

過熱水蒸気を発生させるためには、特許文献１に記載の装置のようにまずボイラなどの燃焼装置によって飽和水蒸気を生成しているが、燃焼装置による加熱は熱効率が高くない。また、過熱水蒸気は被加熱体の熱処理をした後も依然としてエネルギーが高い状態となっているが排気されており、有効利用されていない。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、効率よく過熱水蒸気を発生させることができる過熱水蒸気処理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、本発明にかかる過熱水蒸気処理装置は、冷媒を圧縮する圧縮機、該圧縮機で圧縮された冷媒を被加熱水と熱交換して凝縮させる冷媒凝縮器、該冷媒凝縮器で凝縮した冷媒を減圧する膨張機構、および該膨張機構で膨張した冷媒を熱源温水から回収した熱により蒸発させる冷媒蒸発器を環状に接続したヒートポンプ回路部と、前記冷媒凝縮器で加熱された前記被加熱水を飽和蒸気と温水とに分離する水蒸気分離器と、前記水蒸気分離器から供給される前記飽和蒸気を加熱して過熱水蒸気を発生させる蒸気加熱部と、前記蒸気加熱部で発生した前記過熱水蒸気により被加熱体を熱処理する過熱水蒸気処理炉と、を備えることを特徴とする。

前記熱源温水を循環ポンプによって循環させる熱源温水循環回路を備え、前記熱源温水循環回路は、前記過熱水蒸気が前記過熱水蒸気処理炉で利用された後の排気蒸気の少なくとも一部が導入されて、前記熱源温水を加熱する熱交換器を有してもよい。

前記冷媒蒸発器で前記熱源温水から前記冷媒に供給される熱量を制限する熱量制限機構を備えてもよい。

前記熱量制限機構は、前記ヒートポンプ回路部における所定箇所の前記冷媒が閾値温度以下となるように、または、前記熱源温水循環回路における所定箇所の前記熱源温水が閾値温度以下となるように、前記熱交換器に導入される前記排気蒸気の流量を調整してもよい。

前記熱量制限機構は、前記ヒートポンプ回路部における所定箇所の前記冷媒が閾値温度以下となるように、または、前記熱源温水循環回路における所定箇所の前記熱源温水が閾値温度以下となるように、放熱手段によって前記熱源温水を放熱させてもよい。

前記熱量制限機構は、前記ヒートポンプ回路部における所定箇所の前記冷媒が閾値温度以下となるように、または、前記熱源温水循環回路における所定箇所の前記熱源温水が閾値温度以下となるように、前記循環ポンプの回転数を変化させてもよい。

前記熱交換器と前記冷媒蒸発器との間には温水加熱部が設けられ、起動時に前記温水加熱部によって前記熱源温水が加熱されてもよい。

本発明にかかる過熱水蒸気処理装置では、飽和水蒸気を生成する段階でヒートポンプ回路部を採用している。ヒートポンプは燃料の燃焼によって直接的に熱を得る方法と比べ大幅な省エネルギーが可能であることか、効率よく過熱水蒸気を発生させることができる。

図１は、第１の実施形態にかかる過熱水蒸気処理装置を示す回路図である。図２は、第２の実施形態にかかる過熱水蒸気処理装置を示す回路図である。図３は、第２の実施形態にかかる過熱水蒸気処理装置の温度制御方法のフローチャートである。図４は、第２の実施形態にかかる過熱水蒸気処理装置の温度制御方法の変形例のフローチャートである。図５は、第３の実施形態にかかる過熱水蒸気処理装置を示す回路図である。図６は、第３の実施形態にかかる過熱水蒸気処理装置の温度制御方法のフローチャートである。図７は、第３の実施形態にかかる過熱水蒸気処理装置の温度制御方法の変形例のフローチャートである。図８は、第４の実施形態にかかる過熱水蒸気処理装置を示す回路図である。図９は、第４の実施形態にかかる過熱水蒸気処理装置の温度制御方法のフローチャートである。図１０は、第４の実施形態にかかる過熱水蒸気処理装置の温度制御方法の変形例のフローチャートである。

以下に、本発明にかかる過熱水蒸気処理装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の第１実施形態である過熱水蒸気処理装置１０Ａを示す回路図である。過熱水蒸気処理装置１０Ａは過熱水蒸気を発生させて、過熱水蒸気処理炉１２の内部で被加熱体Ｗの熱処理をするものである。過熱水蒸気処理装置１０Ａは、ヒートポンプ回路部１４と、蒸気生成移送部１６とを備える。

ヒートポンプ回路部１４は矢印Ａ１で示すように冷媒を循環させる回路であり、循環経路に沿って圧縮機１８、冷媒凝縮器２０、膨張弁（膨張機構）２２、冷媒蒸発器２４が順に接続されている。

ヒートポンプ回路部１４では、圧縮機１８で圧縮された冷媒が冷媒凝縮器２０において蒸気生成移送部１６の被加熱水と熱交換をして凝縮される。冷媒凝縮器２０において凝縮した冷媒は膨張弁２２において膨張および減圧され冷媒蒸発器２４に導入される。冷媒蒸発器２４では、冷媒が熱源温水流路２６の熱源温水と熱交換し、その回収した熱により蒸発する。蒸発した冷媒は圧縮機１８に導入されて循環する。圧縮機１８の出口管路には圧力計２８および温度計３０が設けられており、それぞれ計測値は図示しない制御部（例えば、コントローラ４２や後述するコントローラ６２，６８など）に供給されて監視される。

熱源温水流路２６には冷媒蒸発器２４で冷媒を蒸発させるのに必要な熱量を有する温水が供給されている。この温水は、例えば他のシステムで生成および利用された後の排温水を用いることでエネルギーの利用効率を向上させることができる。

蒸気生成移送部１６は矢印Ａ２で示すように水および蒸気が移送される経路であり、経路に沿って給水ポンプ３２、冷媒凝縮器２０、水蒸気分離器３４、圧力調整弁３６、蒸気加熱部３８、過熱水蒸気処理炉１２が順に接続されている。

給水ポンプ３２は給水接続口３２ａから吸い取った水を冷媒凝縮器２０に供給する。冷媒凝縮器２０はヒートポンプ回路部１４と共通のものであり、該ヒートポンプ回路部１４を流れる冷媒と熱交換して水が蒸発する。蒸発して水分を含む蒸気は水蒸気分離器３４に供給されて飽和水蒸気と水とに分離される。分離された水は冷媒凝縮器２０に戻される。水蒸気分離器３４から導出された飽和水蒸気は圧力調整弁３６によって圧力が調整された後に蒸気加熱部３８に供給される。

蒸気加熱部３８は、ヒータ３８ａに加熱管３８ｂが巻回されたものであり、供給される飽和水蒸気をさらに加熱して過熱水蒸気を生成する。ヒータ３８ａの加熱方式は特に限定されず、例えば電熱式、誘導加熱式などである。

生成された過熱水蒸気は過熱水蒸気処理炉１２に供給される。上記のとおり過熱水蒸気処理炉１２は内部で被加熱体Ｗの熱処理をするものである。過熱水蒸気処理炉１２で行われる熱処理としては、例えば加熱、脱脂、乾燥、焼成および殺菌などが挙げられる。過熱水蒸気処理炉１２の内部温度は温度計４０によって計測され、コントローラ４２がヒータ３８ａを調整することによって所定温度に維持される。

過熱水蒸気処理炉１２で被加熱体Ｗの熱処理に利用された過熱水蒸気は、後段室１２ａから蒸気排出路４４を通って排出される。この排出される過熱水蒸気は過熱状態がほぼ維持されているが一部が液化する可能性もあるため、後段室１２ａには液排出路４６が設けられている。

このように過熱水蒸気処理装置１０Ａでは、飽和水蒸気を生成する段階でヒートポンプ回路部１４を採用している。ヒートポンプは燃料の燃焼によって直接的に熱を得る方法と比べ大幅な省エネルギーが可能であることから、効率よく過熱水蒸気を発生させることができる。また、熱源温水流路２６に他のシステムで生成および利用された後の排温水を用いることでエネルギーの有効利用が可能になる。

次に、他の実施形態にかかる過熱水蒸気処理装置１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄについて順に説明する。以下に説明する各実施形態では、それ以前に説明した実施形態と同様の構成要素について同符号を付してその詳細な説明を省略する。

図２は、第２の実施形態にかかる過熱水蒸気処理装置１０Ｂを示す回路図である。過熱水蒸気処理装置１０Ｂは上記の過熱水蒸気処理装置１０Ａに対して熱源温水循環回路５０が付加されたものである。

熱源温水循環回路５０は矢印Ａ３で示すように、ヒートポンプ回路部１４で熱源温水として利用される水を循環させる回路であり、循環経路に沿って循環ポンプ５２、熱交換器５４、補助タンク５６および冷媒蒸発器２４が順に接続されている。

過熱水蒸気処理装置１０Ｂでは、蒸気排出路４４が第１排出路４４ａと第２排出路４４ｂとに分岐している。第２排出路４４ｂには制御弁５８が設けられており、流れる過熱水蒸気の流量を調整可能である。制御弁５８はアクチュエータ５８ａによって開度が調整される。制御弁５８の流量制御により、蒸気排出路４４の過熱水蒸気が第２排出路４４ｂと第１排出路４４ａとに分配される。

制御弁５８は直接的には第２排出路４４ｂの流量を制御するが、間接的には第１排出路４４ａの流量を制御可能である。制御弁５８は、直接または間接的に第１排出路４４ａの流量を調整可能な形態であればよく、例えば蒸気排出路４４が第１排出路４４ａと第２排出路４４ｂとに分岐する箇所に比例動作可能な三方弁を設けてもよい。

第１排出路４４ａを流れる過熱水蒸気は熱交換器５４において熱源温水循環回路５０の熱源温水と熱交換をした後に排出される。循環ポンプ５２から吐出された熱源温水は熱交換器５４において熱交換によって加熱された後、補助タンク５６に導入される。

補助タンク５６にはヒータ（温水加熱部）５６ａが設けられており、内部に貯留している温水を加熱させることができる。補助タンク５６内部の温度は温度計６０で計測されてコントローラ６２に供給される。コントローラ６２は、補助タンク５６内部の温度が所定値となるようにヒータ５６ａおよびアクチュエータ５８ａを制御する。ヒータ５６ａは主に過熱水蒸気処理装置１０Ｂの起動時に稼動させる。アクチュエータ５８ａを介した制御弁５８の制御は主に過熱水蒸気処理装置１０Ｂの通常運転時に行われる。コントローラ６２とコントローラ４２は共通でもよい。

冷媒蒸発器２４はヒートポンプ回路部１４と共通のものであり、該ヒートポンプ回路部１４を流れる冷媒と熱交換して熱源温水は降温する。すなわち、蒸気の過熱水蒸気処理装置１０Ａで熱源温水流路２６を流れる温水は、過熱水蒸気処理装置１０Ｂでは熱源温水循環回路５０を流れる温水に置き換えられている。この対応関係を示すため、図２では冷媒蒸発器２４の導入管路を括弧付きの符号２６で示している。冷媒蒸発器２４で降温した熱源温水は循環ポンプ５２に導入されて循環する。

次に、過熱水蒸気処理装置１０Ｂの温度制御方法について説明する。過熱水蒸気処理装置１０Ｂの運転は、ヒートポンプ回路部１４では圧縮機１８が駆動され、蒸気生成移送部１６では給水ポンプ３２および蒸気加熱部３８が駆動され、熱源温水循環回路５０では循環ポンプ５２が駆動されることによって行われる。

ただし、起動直後には系全体が低温となっており、蒸気排出路４４を流れる蒸気は運転に必要な温度に達していない。したがって、熱交換器５４から熱源温水循環回路５０に伝達される熱量も小さく、該熱源温水循環回路５０から冷媒蒸発器２４を介してヒートポンプ回路部１４に伝達される熱量も小さい。このため、コントローラ６２は温度計６０の計測値に基づいてヒータ５６ａに通電して補助タンク５６内部の温水を加熱する。コントローラ６２は、補助タンク５６内部の温度が所定温度となったらヒータ５６ａの通電を停止し、通常運転に移行する。このように、起動時にヒータ５６ａによって熱源温水を加熱することによって、通常運転に迅速に移行することができる。

図３は、過熱水蒸気処理装置１０Ｂの通常運転時における温度制御方法のフローチャートである。この通常運転は、例えばコントローラ６２によって実行される。通常運転は上記の起動運転が終了した後に実行され、所定の運転停止指示があるまで微小時間ごとに繰り返し実行される。後述する各フローチャートの処理も同様である。運転の種類は起動運転および通常運転だけに限定されず、所定のモード移行運転や、終了処理運転などがあってもよい。通常運転には一時的な出力増加または低下の運転などが含まれていてもよい。

ステップＳ１において、温度計３０により圧縮機出口温度Ｔ１を読み取る。ステップＳ２において、圧縮機出口温度Ｔ１と第１上限温度（閾値温度）Ｈ１とを比較し、Ｔ１≧Ｈ１であればステップＳ３へ移り（Ｙｅｓ）、Ｔ１＜Ｈ１であればステップＳ４へ移る（Ｎｏ）。この圧縮機出口温度Ｔ１は冷媒凝縮器２０に導入される冷媒の温度であることから、ヒートポンプ回路部１４から蒸気生成移送部１６に伝熱される熱量をほぼ直接的に示していることになる。このステップＳ１では、その圧縮機出口温度Ｔ１を確認する。

ステップＳ２において、読み取った圧縮機出口温度Ｔ１と第１上限温度（閾値温度）Ｈ１とを比較し、Ｔ１≧Ｈ１であればステップＳ３へ移り（Ｙｅｓ）、Ｔ１＜Ｈ１であればステップＳ４へ移る（Ｎｏ）。

熱源温水循環回路５０は熱交換器５４から熱を回収してヒートポンプ回路部１４に伝達する作用があるが、蒸気排出路４４から排出される過熱水蒸気は相当に高温となっている場合があり、その熱量を全てヒートポンプ回路部１４に伝達すると系が熱的に不安定になる懸念がある。そのため、安定に運転することのできる温度として第１上限温度Ｈ１が設定されており、圧縮機出口温度Ｔ１がそれを上回る場合には次のステップＳ３で必要な措置をとる。後述する第２上限温度Ｈ２および第３上限温度Ｈ３も同様である。

ステップＳ３においては排熱が過剰であることから、アクチュエータ５８ａを操作して制御弁５８の開度を現状開度よりもやや開く。開く程度は所定量でもよいし、圧縮機出口温度Ｔ１と第１上限温度Ｈ１との偏差に比例した量としてもよい。また、ＰＩＤなど所定の制御手法に基づいてもよい。制御弁５８を開くことによって、蒸気排出路４４を流れる過熱水蒸気は第２排出路４４ｂに流れやすくなり、第１排出路４４ａおよび熱交換器５４に流れ込む量が減ることになる。そうすると、熱交換器５４から熱源温水循環回路５０を介してヒートポンプ回路部１４に伝達される熱量が適正に制限され、系が不安定になることがない。

一方、ステップＳ４において、読み取った圧縮機出口温度Ｔ１と第１下限温度Ｌ１とを比較し、Ｔ１＜Ｌ１であればステップＳ５へ移る（Ｙｅｓ）。

蒸気排出路４４から排出される過熱水蒸気のうち第１排出路４４ａに分配される量が減り、または何等かの要因によって温度が低くなるとヒートポンプ回路部１４に伝達する熱量も低下し、冷媒凝縮器２０で飽和水蒸気を生成するのに適さなくなる懸念がある。そのため、安定的に飽和水蒸気を生成することのできる温度として第１下限温度Ｌ１が設定されており、圧縮機出口温度Ｔ１がそれを下回る場合には次のステップＳ５で必要な措置をとる。後述する第２下限温度Ｌ２および第３下限温度Ｌ３も同様である。

ステップＳ５において、アクチュエータ５８ａを操作して制御弁５８の開度を現状開度よりもやや閉じる。閉じる程度はステップＳ３の場合と同様に種々の手段をとり得る。制御弁５８を閉じることによって、蒸気排出路４４を流れる過熱水蒸気は第２排出路４４ｂに流れにくくなり、第１排出路４４ａおよび熱交換器５４に流れ込む量が増加することになる。そうすると、熱交換器５４から熱源温水循環回路５０を介してヒートポンプ回路部１４に伝達される熱量が適正に増大し、安定的に飽和水蒸気を生成することができる。

ステップＳ４においてＴ１≧Ｈ１であれば（Ｎｏ）、熱源温水循環回路５０内の温水温度は適正に保たれているため、特に制御弁５８の操作は行わずに図３における今回の処理を終了する。ステップＳ３，Ｓ５の実行後も図３における今回の処理を終了する。なお、第１上限温度Ｈ１は第１下限温度Ｌ１よりも大きいが、その差Ｈ１－Ｌ１は設計条件によりある程度大きく設定してもよいし、十分に小さく設定してもよい。後述する第２上限温度Ｈ２と第２下限温度Ｌ２、および第３上限温度Ｈ３と第３下限温度Ｌ３についても同様である。また、ステップＳ３，Ｓ５における比較判断処理では、ハンチング防止などの目的からある程度のヒステリシス特性をもたせてもよい。後述する各フローチャートでも同様である。

このような過熱水蒸気処理装置１０Ｂでは、熱源温水を循環ポンプ５２によって循環させる熱源温水循環回路５０を備えており、該熱源温水循環回路５０は、過熱水蒸気が過熱水蒸気処理炉１２で利用された後の排気蒸気の少なくとも一部が導入されて、熱源温水を加熱する熱交換器５４を有している。したがって、過熱水蒸気処理炉１２から出る過熱水蒸気がそのまま排出されるのではなく、少なくとも一部が再利用されることになりエネルギー効率が一層向上する。また、ヒートポンプ回路部１４における冷媒蒸発器２４で冷媒を蒸発させるための熱源温水がシステム自身で賄われるため、他のシステムから排温水の供給を受けることができない環境下においても運転が可能となり、さらに第２排出路４４ｂから排出される過熱水蒸気を他のシステムに供給することもできる。

過熱水蒸気処理装置１０Ｂでは、冷媒蒸発器２４で熱源温水から冷媒に供給される熱量を制限する熱量制限機構としてコントローラ６２および制御弁５８が設けられている。これらは図３（または後述する図４）に示すように動作し、ヒートポンプ回路部１４に伝達される熱量が適正に制限されて系が不安定になることがない。この場合の熱量制限機構は、ヒートポンプ回路部１４における圧縮機出口温度Ｔ１が第１上限温度Ｈ１以下となるように、熱交換器５４に導入される排気蒸気の流量を調整することにより、適正に熱量制限を行うことができる。

図３に示したフローチャートの制御方法では、ヒートポンプ回路部１４の内部で冷媒凝縮器２０に導入される冷媒の温度を圧縮機出口温度Ｔ１として温度計３０によって直接的に計測して熱量制限の制御を行うことから、冷媒凝縮器２０に過大な熱量が与えられることが確実に防止され、ヒートポンプ回路部１４が熱的に安定する。

図３（および後述する図５、図９）のフローチャートでは、冷媒が冷媒凝縮器２０に導入される前段階の圧縮機出口温度Ｔ１に基づいて熱量制限の制御を行っており、冷媒凝縮器２０から蒸気生成移送部１６に伝熱される熱量をほぼ直接的に計測できるため熱量制限の温度計測箇所として好適であるが、設計条件やシステム上の制約によっては他の箇所の温度（例えば、冷媒凝縮器２０の出口温度）に基づいて制御を行ってもよい。

図４は、過熱水蒸気処理装置１０Ｂの通常運転時における温度制御方法の変形例のフローチャートである。この通常運転は、例えばコントローラ６２によって実行される。

ステップＳ１１において、熱交換器５４によって熱交換された熱源水入口温度Ｔ２を読み取る。この熱源水入口温度Ｔ２は、熱交換器５４から冷媒蒸発器２４との間で実質的に同じであることから、補助タンク５６内部の温度を温度計６０によって読み取ることができる。この区間は、蒸気排出路４４から排出される過熱水蒸気から熱回収されて、冷媒蒸発器２４で冷媒を蒸発させるのに適した温度まで昇温可能となっている。このステップＳ１１では、その熱源水入口温度Ｔ２を確認する。

ステップＳ１２において、読み取った熱源水入口温度Ｔ２と第２上限温度（閾値温度）Ｈ２とを比較し、Ｔ２≧Ｈ２であればステップＳ１３へ移り（Ｙｅｓ）、Ｔ２＜Ｈ２であればステップＳ１４へ移る（Ｎｏ）。

ステップＳ１３においては排熱が過剰であることから、アクチュエータ５８ａを操作して制御弁５８の開度を現状開度よりもやや開く。ステップＳ１３は上記のステップＳ３と同様に行われ、同様の作用がある。

一方、ステップＳ１４において、読み取った熱源水入口温度Ｔ２と第２下限温度Ｌ２とを比較し、Ｔ２＜Ｌ２であればステップＳ５へ移る（Ｙｅｓ）。

ステップＳ１５において、アクチュエータ５８ａを操作して制御弁５８の開度を現状開度よりもやや閉じる。ステップＳ１５は上記のステップＳ５と同様に行われ、同様の作用がある。

ステップＳ１４においてＴ２≧Ｈ２であれば（Ｎｏ）、熱源温水循環回路５０内の温水温度は適正に保たれているため、特に制御弁５８の操作は行わずに図４における今回の処理を終了する。ステップＳ１３，Ｓ１５の実行後も図４における今回の処理を終了する。

この場合の熱量制限機構は、熱源温水循環回路５０における補助タンク５６の熱源温水が第２上限温度Ｈ２以下となるように、熱交換器５４に導入される排気蒸気の流量を調整することにより、適正に熱量制限を行うことができる。

図４（および後述する図６）のフローチャートでは、熱源温水が冷媒蒸発器２４に導入される前段階の補助タンク５６の熱源水入口温度Ｔ２に基づいて熱量制限の制御を行っており、蒸気排出路４４からヒートポンプ回路部１４に介在して伝熱を行う熱源温水循環回路５０の伝熱作用を制限するため熱量制限の温度計測箇所として好適であるが、設計条件やシステム上の制約によっては他の箇所の温度（例えば、熱交換器５４の出口温度や冷媒蒸発器２４の出口温度）に基づいて制御を行ってもよい。

次に、第３の実施形態にかかる過熱水蒸気処理装置１０Ｃについて説明する。図５は、第３の実施形態にかかる過熱水蒸気処理装置１０Ｃを示す回路図である。

過熱水蒸気処理装置１０Ｃは上記の過熱水蒸気処理装置１０Ｂ（図２参照）における熱源温水循環回路５０に放熱手段６４が付加され、第２排出路４４ｂが省略されたものである。放熱手段６４は熱交換器５４と補助タンク５６との間に介挿されており、熱源温水が流れるラジエータ６４ａと、該ラジエータ６４ａに対して送風するファン６４ｂとを有する。ラジエータ６４ａには多数のフィンが設けられていて広い表面積が確保されており、内部を流れる熱源温水を放熱させることができる。放熱手段６４は、温度計６０よりも上流側であれば熱交換器５４と冷媒蒸発器２４との間のいずれの箇所に設けてもよい。ラジエータ６４ａは、例えばヒートシンクなどで代替してもよい。

ファン６４ｂは、コントローラ６２によって回転数制御、またはオン・オフ制御などが行われ、ラジエータ６４ａを空冷して放熱を促進させる。なお、熱源温水循環回路５０を流れる熱源温水を放熱させる必要がない場合には、図示しないバイパス切替回路により放熱手段６４を迂回させてもよい。

図６は、過熱水蒸気処理装置１０Ｃの通常運転時における温度制御方法のフローチャートである。この通常運転は、例えばコントローラ６２によって実行される。

ステップＳ２１において、上記のステップＳ１と同様に圧縮機出口温度Ｔ１を読み取る。ステップＳ２２において、上記のステップ２と同様に圧縮機出口温度Ｔ１と第１上限温度Ｈ１とを比較し、Ｔ１≧Ｈ１であればステップＳ２３へ移り（Ｙｅｓ）、Ｔ１＜Ｈ１であればステップＳ２４へ移る（Ｎｏ）。

ステップＳ２３においては排熱が過剰であることから、ファン６４ｂの回転を現状回転数よりも増速する。増速する程度はステップＳ２の場合と同様に種々の手段をとり得る。ファン６４ｂの回転を増速させることによって、ラジエータ６４ａを流れる熱源温水が一層放熱および冷却される。そうすると、熱交換器５４から熱源温水循環回路５０を介してヒートポンプ回路部１４に伝達される熱量が適正に制限され、系が不安定になることがない。

一方、ステップＳ２４において、読み取った圧縮機出口温度Ｔ１と第１下限温度Ｌ１とを比較し、Ｔ１＜Ｌ１であればステップＳ２５へ移る（Ｙｅｓ）。

ステップＳ２５において、ファン６４ｂの回転を現状回転数よりも減速する。減速する程度はステップＳ５の場合と同様に種々の手段をとり得る。ファン６４ｂの回転を減速させることによって、ラジエータ６４ａを流れる熱源温水の放熱が抑制される。そうすると、熱交換器５４から熱源温水循環回路５０を介してヒートポンプ回路部１４に伝達される熱量が適正に増大し、安定的に飽和水蒸気を生成することができる。

ステップＳ２４においてＴ１≧Ｈ１であれば（Ｎｏ）、熱源温水循環回路５０内の温水温度は適正に保たれているため、特にファン６４ｂの回転数増減は行わずに図６における今回の処理を終了する。ステップＳ２３，Ｓ２５の実行後も図６における今回の処理を終了する。

過熱水蒸気処理装置１０Ｃでは、冷媒蒸発器２４で熱源温水から冷媒に供給される熱量を制限する熱量制限機構として放熱手段６４が設けられている。これらは図６（または後述する図７）に示すように動作し、ヒートポンプ回路部１４に伝達される熱量が適正に制限されて系が不安定になることがない。

図７は、過熱水蒸気処理装置１０Ｃの通常運転時における温度制御方法の変形例のフローチャートである。この通常運転は、例えばコントローラ６２によって実行される。

ステップＳ３１において、上記のステップＳ１１と同様に熱源水入口温度Ｔ２を読み取る。ステップＳ３２において、上記のステップＳ１２と同様に熱源水入口温度Ｔ２と第２上限温度Ｈ２とを比較し、Ｔ２≧Ｈ２であればステップＳ３３へ移り（Ｙｅｓ）、Ｔ２＜Ｈ２であればステップＳ３４へ移る（Ｎｏ）。

ステップＳ３３においては排熱が過剰であることから、ファン６４ｂの回転を現状回転数よりも増速する。ステップＳ３３は上記のステップＳ２３と同様に行われ、同様の作用がある。

一方、ステップＳ３４において、読み取った熱源水入口温度Ｔ２と第２下限温度Ｌ２とを比較し、Ｔ２＜Ｌ２であればステップＳ３５へ移る（Ｙｅｓ）。

ステップＳ３５において、ファン６４ｂの回転を現状回転数よりも減速する。ステップＳ３５は上記のステップＳ２５と同様に行われ、同様の作用がある。

ステップＳ３４においてＴ２≧Ｈ２であれば（Ｎｏ）、熱源温水循環回路５０内の温水温度は適正に保たれているため、特にファン６４ｂの回転数増減は行わずに図７における今回の処理を終了する。ステップＳ３３，Ｓ３５の実行後も図７における今回の処理を終了する。

次に、第４の実施形態にかかる過熱水蒸気処理装置１０Ｄについて説明する。図８は、第４の実施形態にかかる過熱水蒸気処理装置１０Ｄを示す回路図である。

過熱水蒸気処理装置１０Ｄは上記の過熱水蒸気処理装置１０Ｂ（図２参照）における循環ポンプ５２をコントローラ６８によって給水量可変にしたものであり、第２排出路４４ｂが省略されたものである。さらに、過熱水蒸気処理装置１０Ｄにおける熱源温水循環回路５０では、温度計６６により冷媒蒸発器２４の熱源水出口温度Ｔ３を計測する。計測された熱源水出口温度Ｔ３はコントローラ６８に供給される。

図９は、過熱水蒸気処理装置１０Ｄの通常運転時における温度制御方法のフローチャートである。この通常運転は、例えばコントローラ６８によって実行される。

ステップＳ４１において、温度計３０により圧縮機出口温度Ｔ１を読み取る。ステップＳ４２において、圧縮機出口温度Ｔ１と第１上限温度（閾値温度）Ｈ１とを比較し、Ｔ１≧Ｈ１であればステップＳ４３へ移り（Ｙｅｓ）、Ｔ１＜Ｈ１であればステップＳ４４へ移る（Ｎｏ）。

ステップＳ４３においては、排熱が過剰であることから循環ポンプ５２の回転を現状回転数よりも減速する。減速する程度はステップＳ３の場合と同様に種々の手段をとり得る。循環ポンプ５２の回転を減速させることによって、熱源温水循環回路５０の熱源温水の流量が低下する。そうすると、単位時間あたりの伝熱媒体が減少するため、熱交換器５４から熱源温水循環回路５０を介してヒートポンプ回路部１４に伝達される熱量が適正に制限され、系が不安定になることがない。

一方、ステップＳ４４において、読み取った圧縮機出口温度Ｔ１と第１下限温度Ｌ１とを比較し、Ｔ１＜Ｌ１であればステップＳ４５へ移る（Ｙｅｓ）。

ステップＳ４５において、循環ポンプ５２の回転を現状回転数よりも増速する。増速する程度はステップＳ４の場合と同様に種々の手段をとり得る。循環ポンプ５２の回転を増速させることによって、熱源温水循環回路５０の熱源温水の流量が増加する。そうすると、単位時間あたりの伝熱媒体が増加するため、熱交換器５４から熱源温水循環回路５０を介してヒートポンプ回路部１４に伝達される熱量が適正に増大し、安定的に飽和水蒸気を生成することができる。

ステップＳ４４においてＴ１≧Ｈ１であれば（Ｎｏ）、熱源温水循環回路５０内の温水温度は適正に保たれているため、特に循環ポンプ５２の回転数増減は行わずに図９における今回の処理を終了する。ステップＳ４３，Ｓ４５の実行後も図９における今回の処理を終了する。

図１０は、過熱水蒸気処理装置１０Ｄの通常運転時における温度制御方法の変形例のフローチャートである。この通常運転は、例えばコントローラ６８によって実行される。

ステップＳ５１において、温度計６６により熱源水出口温度Ｔ３を読み取る。ステップＳ５２において、熱源水出口温度Ｔ３と第３上限温度（閾値温度）Ｈ３とを比較し、Ｔ３≧Ｈ３であればステップＳ５３へ移り（Ｙｅｓ）、Ｔ３＜Ｈ３であればステップＳ５４へ移る（Ｎｏ）。

ステップＳ５３においては、排熱が過剰であることから循環ポンプ５２の回転を現状回転数よりも減速する。ステップＳ５３は上記のステップＳ４３と同様に行われ、同様の作用がある。

一方、ステップＳ５４において、読み取った熱源水出口温度Ｔ３と第３下限温度Ｌ３とを比較し、Ｔ３＜Ｌ３であればステップＳ５５へ移る（Ｙｅｓ）。

ステップＳ５５において、循環ポンプ５２の回転を現状回転数よりも増速する。ステップＳ５５は上記のステップＳ４５と同様に行われ、同様の作用がある。

ステップＳ５４においてＴ３≧Ｈ３であれば（Ｎｏ）、熱源温水循環回路５０内の温水温度は適正に保たれているため、特に循環ポンプ５２の回転数増減は行わずに図１０における今回の処理を終了する。ステップＳ５３，Ｓ５５の実行後も図１０における今回の処理を終了する。

過熱水蒸気処理装置１０Ｄでは、冷媒蒸発器２４で熱源温水から冷媒に供給される熱量を制限する熱量制限機構としてコントローラ６８および循環ポンプ５２が設けられている。これらは図９または図１０に示すように動作し、ヒートポンプ回路部１４に伝達される熱量が適正に制限されて系が不安定になることがない。この場合の熱量制限機構は、圧縮機出口温度Ｔ１が第１上限温度Ｈ１以下となるように、または、熱源水出口温度Ｔ３が第３上限温度Ｈ３以下となるように、循環ポンプ５２の流量を調整して適正に熱量制限を行うことができる。

なお、過熱水蒸気処理装置１０Ｄの温度制御では、熱源水入口温度Ｔ２と熱源水出口温度Ｔ３との温度差に基づいて循環ポンプ５２の回転数制御を行ってもよい。各コントローラ４２，６２，６８は一体でもよい。各コントローラ４２，６２，６８の配置箇所は問われず、例えばネット回線を介して接続されていてもよい。

本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。

１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ過熱水蒸気処理装置
１２過熱水蒸気処理炉
１４ヒートポンプ回路部
１６蒸気生成移送部
１８圧縮機
２０冷媒凝縮器
２２膨張弁（膨張機構）
２４冷媒蒸発器
２６熱源温水流路
３０，４０，６０，６６温度計
３２給水ポンプ
３４水蒸気分離器
３８蒸気加熱部
４４蒸気排出路
４４ａ第１排出路
４４ｂ第２排出路
５０熱源温水循環回路
５２循環ポンプ（熱量制限機構）
５４熱交換器
５６ａヒータ（温水加熱部）
５６補助タンク
５８制御弁（熱量制限機構）
６４放熱手段（熱量制限機構）
Ｗ被加熱体

Claims

冷媒を圧縮する圧縮機、該圧縮機で圧縮された冷媒を被加熱水と熱交換して凝縮させる冷媒凝縮器、該冷媒凝縮器で凝縮した冷媒を減圧する膨張機構、および該膨張機構で膨張した冷媒を熱源温水から回収した熱により蒸発させる冷媒蒸発器を環状に接続したヒートポンプ回路部と、
前記冷媒凝縮器で加熱された前記被加熱水を飽和蒸気と温水とに分離する水蒸気分離器と、
前記水蒸気分離器から供給される前記飽和蒸気を加熱して過熱水蒸気を発生させる蒸気加熱部と、
前記蒸気加熱部で発生した前記過熱水蒸気により被加熱体を熱処理する過熱水蒸気処理炉と、
を備えることを特徴とする過熱水蒸気処理装置。
前記熱源温水を循環ポンプによって循環させる熱源温水循環回路を備え、
前記熱源温水循環回路は、前記過熱水蒸気が前記過熱水蒸気処理炉で利用された後の排気蒸気の少なくとも一部が導入されて、前記熱源温水を加熱する熱交換器を有することを特徴とする請求項１に記載の過熱水蒸気処理装置。
前記冷媒蒸発器で前記熱源温水から前記冷媒に供給される熱量を制限する熱量制限機構を備えることを特徴とする請求項２に記載の過熱水蒸気処理装置。
前記熱量制限機構は、前記ヒートポンプ回路部における所定箇所の前記冷媒が閾値温度以下となるように、または、前記熱源温水循環回路における所定箇所の前記熱源温水が閾値温度以下となるように、前記熱交換器に導入される前記排気蒸気の流量を調整することを特徴とする請求項３に記載の過熱水蒸気処理装置。
前記熱量制限機構は、前記ヒートポンプ回路部における所定箇所の前記冷媒が閾値温度以下となるように、または、前記熱源温水循環回路における所定箇所の前記熱源温水が閾値温度以下となるように、放熱手段によって前記熱源温水を放熱させることを特徴とする請求項３に記載の過熱水蒸気処理装置。
前記熱量制限機構は、前記ヒートポンプ回路部における所定箇所の前記冷媒が閾値温度以下となるように、または、前記熱源温水循環回路における所定箇所の前記熱源温水が閾値温度以下となるように、前記循環ポンプの回転数を変化させることを特徴とする請求項３に記載の過熱水蒸気処理装置。
前記熱交換器と前記冷媒蒸発器との間には温水加熱部が設けられ、
起動時に前記温水加熱部によって前記熱源温水が加熱されることを特徴とする請求項２～６のいずれか１項に記載の過熱水蒸気処理装置。