JP5482519B2 - 蒸気システム - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプと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。

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

しかしながら、特許文献１に記載の発明は、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り、各蒸気発生装置（ＳＴ１，ＳＴ２）による蒸気との関係では、ヒートポンプ（１０）は実質的に制御されない。しかも、ヒートポンプ（１０）を用いた第１蒸気発生装置（ＳＴ１）からの蒸気には、排ガスボイラ（１３０）を用いた第２蒸気発生装置（ＳＴ２）からの蒸気も合流される。従って、圧縮機（３０）による昇圧や、ノズル（３５）による注水を制御しても、所望の蒸気を得にくいものである。

特に、蒸気使用設備における蒸気の使用負荷の変化に応じて、蒸気発生量を調整することができない。そのため、蒸気使用設備における蒸気の使用量が増えれば、所望の蒸気圧の蒸気を供給できなくなるし、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、蒸気が余ることになる。

ところで、ヒートポンプの熱源として、工場などからの排温水を用いようとする場合、排温水の温度や流量などの変化に応じて、蒸気発生量は変化してしまうが、この点からも蒸気使用設備へ安定して蒸気を供給できるものではない。

本発明が解決しようとする課題は、ヒートポンプとボイラとを備える蒸気システムにおいて、蒸気の使用負荷の変化に対応可能とすることにある。また、熱源の温度が変化した場合にも、蒸気使用設備へ安定して蒸気を供給可能とすることを課題とする。

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、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前記冷媒と水とを熱交換して蒸気を発生させるヒートポンプと、蒸気を発生させ、この蒸気を前記凝縮器からの蒸気に合流させるボイラと、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設けられる圧力センサとを備え、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、前記圧力センサの検出圧力に基づき、前記圧縮機および前記ボイラを制御可能であると共に、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し、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、前記ボイラは、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、前記第二設定圧力は、前記第一設定圧力よりも低く設定され、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、ヒートポンプからの蒸気と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た圧力センサの検出圧力に基づき圧縮機とボイラとを制御することで、ヒートポンプおよびボイラの一方または双方から所望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。

請求項１に記載の発明によれば、ボイラの設定圧力を、ヒートポンプの制御圧力よりも下げておくことで、ヒートポンプの運転を優先することができる。また、ヒートポンプの熱源の温度が低下したり、ヒートポンプの熱源が一時的になくなったりしても、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１に記載の発明によれば、工場などから排出される排温水など、被冷却流体の熱をくみ上げて蒸気を発生させることができる。また、蒸発器を通された後の被冷却流体の温度に基づき圧縮機を制御することができる。

請求項１に記載の発明によれば、蒸発器出口温度を所望に維持することで、ヒートポンプの効率を安定させることができる。

請求項２に記載の発明は、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１に記載の蒸気システムである。
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）

偏差率が小さいほど、目標値に近いので、圧縮機の操作量は小さくなる。仮に、偏差率が大きい方、つまり操作量が大きい方で圧縮機を制御しようとすると、偏差率が小さい方、つまり操作量が小さい方は目標値にすぐに到達してしまうことになる。ところが、請求項２に記載の発明によれば、偏差率の小さい方の制御に適宜切り替えて制御することで、圧縮機が停止する頻度を少なくすることができる。また、停止するにしても、停止状態へ緩やかに移行することができる。さらに、圧力制御か温度制御かを手動設定する必要もない。

請求項３に記載の発明は、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１に記載の蒸気システムである。

仮に、操作量が大きい方で圧縮機を制御しようとすると、操作量が小さい方は目標値にすぐに到達してしまうことになる。ところが、請求項３に記載の発明によれば、操作量の小さい方の制御に適宜切り替えて制御することで、圧縮機が停止する頻度を少なくすることができる。また、停止するにしても、停止状態へ緩やかに移行することができる。さらに、圧力制御か温度制御かを手動設定する必要もない。

請求項４に記載の発明は、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１に記載の蒸気システムである。
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）

偏差率が小さいほど、目標値に近いので、各圧縮機の操作量は小さくなる。仮に、偏差率が大きい方、つまり操作量が大きい方で各圧縮機を制御しようとすると、偏差率が小さい方、つまり操作量が小さい方は目標値にすぐに到達してしまうことになる。ところが、請求項４に記載の発明によれば、偏差率の小さい方の制御に適宜切り替えて制御することで、各圧縮機が停止する頻度を少なくすることができる。また、停止するにしても、停止状態へ緩やかに移行することができる。さらに、圧力制御か温度制御かを手動設定する必要もない。

請求項５に記載の発明は、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１に記載の蒸気システムである。

仮に、操作量が大きい方で各圧縮機を制御しようとすると、操作量が小さい方は目標値にすぐに到達してしまうことになる。ところが、請求項５に記載の発明によれば、操作量の小さい方の制御に適宜切り替えて制御することで、各圧縮機が停止する頻度を少なくすることができる。また、停止するにしても、停止状態へ緩やかに移行することができる。さらに、圧力制御か温度制御かを手動設定する必要もない。

請求項６に記載の発明は、前記凝縮器からの蒸気と前記ボイラからの蒸気とは、それぞれ逆止弁を介して互いに合流するよう構成され、前記圧力センサは、前記各逆止弁よりも下流に設置されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項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、ヒートポンプが停止中、ボイラからの蒸気が凝縮器へ逆流するのが防止され、逆に、ボイラが停止中、ヒートポンプからの蒸気がボイラへ逆流するのが防止される。

請求項７に記載の発明は、前記ヒートポンプを複数台備え、前記各ヒートポンプの凝縮器からの蒸気と前記ボイラからの蒸気とが互いに合流するよう構成され、前記各ヒートポンプの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、互いに異なる複数の前記第一設定圧力を用いて、前記各ヒートポンプの圧縮機を制御することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項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、圧力上昇時、複数のヒートポンプを順に停止させ、圧力下降時、複数のヒートポンプを順に作動させることができる。

請求項８に記載の発明は、前記ボイラを複数台備え、前記ヒートポンプの凝縮器からの蒸気と前記各ボイラからの蒸気とが互いに合流するよう構成され、前記ヒートポンプの凝縮器からの蒸気と前記各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、互いに異なる複数の前記第二設定圧力を用いて、前記各ボイラを制御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、圧力上昇時、複数のボイラを順に停止させ、圧力下降時、複数のボイラを順に作動させることができる。

請求項９に記載の発明は、前記圧力センサの検出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１〜８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、蒸気圧や被冷却流体の温度が上限値を超えると圧縮機を強制停止させることで、安全性を高めることができる。

さらに、請求項１０に記載の発明は、工場などからの排温水、前記圧縮機の潤滑油の冷却水、前記圧縮機の冷却水、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１〜９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、工場などからの排温水や、各種冷却水として用いることで加温された水を、凝縮器への給水、蒸発器への給水、またはボイラへの給水として用いたり、これら給水と熱交換して給水の加温を図ったりすることができる。

本発明によれば、ヒートポンプとボイラとを備える蒸気システムにおいて、蒸気の使用負荷の変化に対応可能となる。また、蒸気発生用ヒートポンプに燃料焚きボイラなどを併設して、ヒートポンプによる蒸気発生を優先させつつ、蒸気使用設備へ安定して蒸気を供給することができる。

本発明の蒸気システムの一実施例を示す概略図である。 図１の蒸気システムにおける、蒸気圧とボイラおよび圧縮機の状態とを示す概略図である。 図２の変形例を示す図である。 図２において、ボイラおよび圧縮機が複数台の場合を示す図である。 図１の蒸気システムにおける、水温とバイパス弁および圧縮機の状態とを示す概略図である。 図５の変形例を示す図である。 圧力センサによる制御と温度センサによる制御とが切り替えられる複数段のヒートポンプを備える蒸気システムの一例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一実施例を示す概略図である。
本実施例の蒸気システム１は、ヒートポンプ２とボイラ３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４、凝縮器５、膨張弁６および蒸発器７が順次環状に接続されて構成される。そして、圧縮機４は、ガス冷媒を圧縮して高温高圧にする。また、凝縮器５は、圧縮機４からのガス冷媒を凝縮液化する。さらに、膨張弁６は、凝縮器５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７は、膨張弁６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７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５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７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（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５において、水を加温して蒸気を発生させる。凝縮器５への給水としては、凝縮器５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。

ヒートポンプ２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は、単段に限らず、複数段でもよい。複数段の場合は、最下段のヒートポンプ２の蒸発器７において、温水、空気、排ガスなどから熱をくみ上げ、最上段のヒートポンプ２の凝縮器５において、水を加温して蒸気を発生させる。以下、特に明示のない限り、単に蒸発器７というときは、ヒートポンプ２が複数段の場合は最下段のヒートポンプ２の蒸発器７をいい、また単に凝縮器５というときは、ヒートポンプ２が複数段の場合は最上段のヒートポンプ２の凝縮器５をいう。

凝縮器５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５への給水を制御して、凝縮器５内には所望量の水が貯留される。

単段のヒートポンプ２、または複数段のヒートポンプ２の内の一部または全部のヒートポンプ２において、凝縮器５から膨張弁６への冷媒と蒸発器７から圧縮機４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）を設置してもよい。これにより、蒸発器７から圧縮機４への冷媒は、液ガス熱交換器により、凝縮器５から膨張弁６への冷媒で過熱される。このようにして、圧縮機４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４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４へ液冷媒が供給される不都合も防止できる。但し、複数段のヒートポンプ２の場合、最上段のヒートポンプ２には液ガス熱交換器を設けない方が好ましい。高温高圧となる最上段のヒートポンプ２には液ガス熱交換器を設けないことで、圧縮機４の出口側の温度上昇を防止することができ、圧縮機４の潤滑油の劣化を防止することができる。

単段のヒートポンプ２、または複数段のヒートポンプ２の内の最上段のヒートポンプ２において、凝縮器５と膨張弁６との間に、所望によりサブクーラ（図示省略）を設けてもよい。サブクーラは、凝縮器５から膨張弁６への冷媒と、凝縮器５への給水との間接熱交換器である。サブクーラにより、凝縮器５への給水で、凝縮器５から膨張弁６への冷媒を過冷却することができると共に、凝縮器５から膨張弁６への冷媒で、凝縮器５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と、主として潜熱による熱交換部としての凝縮器５とに分けられるので、伝熱効率を向上することができる。

圧縮機４は、圧縮機本体とその駆動装置とを備え、駆動装置はエンジン（典型的にはガスエンジンまたはディーゼルエンジン）および／またはモータから構成される。圧縮機４の制御の具体的態様としては、たとえば、駆動装置がオンオフ制御される。あるいは、圧縮機本体と駆動装置との間に、駆動装置から圧縮機本体への動力伝達装置（クラッチおよび／または変速機）を設けておき、駆動装置から圧縮機本体への動力伝達の有無や量を変更するように、動力伝達装置が制御される。あるいは、駆動装置を構成するモータをインバータで制御して、モータの回転数（回転速度ともいえる）を変える。あるいは、駆動装置を構成するエンジンのアクセルを制御して、エンジンの出力を変える。あるいは、圧縮機本体の冷媒吐出流量（吸込側を調整することにより吐出流量を変える場合も含む）を機械的に調整するために、圧縮機本体が制御される。これらの内、複数のものを組み合わせて、圧縮機４を制御してもよい。

ボイラ３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（後述する圧力センサ８の検出圧力）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（後述する圧力センサ８の検出圧力）を所望に維持するように、電気ヒータへの電力供給の有無や量が調整される。

但し、ボイラ３は、燃料焚きボイラまたは電気ボイラに限らず、廃熱ボイラなどであってもよい。廃熱ボイラは、廃熱を用いて水を蒸気化する装置であり、蒸気圧（後述する圧力センサ８の検出圧力）を所望に維持するように、廃熱ボイラへの廃熱の供給の有無や量が調整される。廃熱ボイラの場合、その熱源は特に問わず、たとえば、圧縮機４のエンジンなどからの排ガス、またはＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）からの廃熱を用いることができる。

凝縮器５からの蒸気路９と、ボイラ３からの蒸気路１０とは、合流するよう構成（たとえば合流するよう配管）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。なお、凝縮器５からの蒸気路９と、ボイラ３からの蒸気路１０とには、合流部よりも手前に、それぞれ逆止弁１１，１２が設けられている。これにより、ヒートポンプ２が停止中、ボイラ３からの蒸気が凝縮器５へ逆流するのが防止され、逆に、ボイラ３が停止中、ヒートポンプ２からの蒸気がボイラ３へ逆流するのが防止される。

ヒートポンプ２（具体的にはその凝縮器５）からの蒸気とボイラ３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８が設けられる。図示例では、凝縮器５およびボイラ３からの蒸気が合流された後の蒸気路１３に、圧力センサ８が設けられているが、ヒートポンプ２からの蒸気とボイラ３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８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、凝縮器５からの蒸気路９であって合流部よりも上流側でもよいし、ボイラ３からの蒸気路１０であって合流部よりも上流側に設けてもよい。但し、逆止弁１１，１２を設ける場合には、逆止弁１１，１２より下流側に設けられる。

いずれにしても、この圧力センサ８の検出圧力に基づき、ヒートポンプ２とボイラ３が制御される。典型的には、ヒートポンプ２の圧縮機４と、ボイラ３の燃焼とが制御される。

ところで、図１ではヒートポンプ２は一台のみを示しているが、ヒートポンプ２は並列に複数台であってもよい。その場合、各ヒートポンプ２の凝縮器５からの蒸気と、ボイラ３からの蒸気とが互いに合流するよう構成される。また、各ヒートポンプ２の凝縮器５からの蒸気とボイラ３からの蒸気との合流蒸気の圧力を検出可能な位置に、圧力センサ８が設けられる。そして、その圧力センサ８の検出圧力に基づき、各ヒートポンプ２の圧縮機４とボイラ３が制御される。

また、図１ではボイラ３は一台のみを示しているが、ボイラ３は複数台であってもよい。その場合、ヒートポンプ２の凝縮器５からの蒸気と、各ボイラ３からの蒸気とが互いに合流するよう構成される。また、ヒートポンプ２の凝縮器５からの蒸気と各ボイラ３からの蒸気との合流蒸気の圧力を検出可能な位置に、圧力センサ８が設けられる。そして、その圧力センサ８の検出圧力に基づき、ヒートポンプ２の圧縮機４と各ボイラ３が制御される。

さらに、ヒートポンプ２とボイラ３の双方がそれぞれ複数台であってもよい。その場合、各ヒートポンプ２の凝縮器５からの蒸気と、各ボイラ３からの蒸気とが互いに合流するよう構成される。また、各ヒートポンプ２の凝縮器５からの蒸気と各ボイラ３からの蒸気との合流蒸気の圧力を検出可能な位置に、圧力センサ８が設けられる。そして、その圧力センサ８の検出圧力に基づき、各ヒートポンプ２の圧縮機４と各ボイラ３が制御される。

いずれにしても、圧力センサ８の検出圧力に基づき、ヒートポンプ２の圧縮機４と、ボイラ３が制御される。典型的には、圧縮機４は、圧力センサ８の検出圧力を第一設定圧力Ｐ１に維持するよう制御され、ボイラ３は、圧力センサ８の検出圧力を第二設定圧力Ｐ２に維持するよう制御される。この際、第二設定圧力Ｐ２を第一設定圧力Ｐ１よりも低く設定しておけば、ヒートポンプ２による蒸気発生を、ボイラ３による蒸気発生に優先させることができる。

図２は、圧力センサ８の検出圧力、ボイラ３の動作状態、およびヒートポンプ２の動作状態を示す概略図である。ここでは、ヒートポンプ２が第一設定圧力Ｐ１でオンオフされ、ボイラ３が第二設定圧力Ｐ２でオンオフされる例について説明する。

圧力センサ８の検出圧力が第二設定圧力Ｐ２未満であると、ヒートポンプ２の圧縮機４が駆動されると共にボイラ３も駆動される。これにより、ヒートポンプ２およびボイラ３からの蒸気が蒸気使用設備へ供給される。そして、第二設定圧力Ｐ２以上になると、ボイラ３が停止し、ヒートポンプ２から蒸気供給される。圧力センサ８の検出圧力が第一設定圧力Ｐ１以上になると、圧縮機４が停止し、ヒートポンプ２からの蒸気供給も停止される。そして、圧力センサ８の検出圧力が第一設定圧力Ｐ１未満になると、圧縮機４が駆動され、その後、ヒートポンプ２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、ボイラ３が作動してボイラ３からも蒸気が供給される。

第一設定圧力Ｐ１および第二設定圧力Ｐ２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。また、圧縮機４は、その駆動と停止のオンオフ制御でなく、たとえば回転数を調整することで、比例制御やＰＩＤ制御されてもよい。また、ボイラ３も、オンオフ制御（たとえば燃料焚きボイラでは燃焼とその停止）ではなく、三位置制御（たとえば燃料焚きボイラでは高燃焼、低燃焼、停止）、または比例制御やＰＩＤ制御（たとえば燃料焚きボイラでは燃焼量の調整）されてもよい。なお、燃料焚きボイラを三位置制御する場合、低燃焼時の設定圧が第二設定圧力Ｐ２に相当し、高燃焼時の設定圧はそれより低圧に設定される。

図３に基づきさらに詳細に説明する。なお、図３では、第一設定圧力Ｐ１のディファレンシャル（または比例帯）Ｐ１Ｈ〜Ｐ１Ｌと、第二設定圧力Ｐ２のディファレンシャル（または比例帯）Ｐ２Ｈ〜Ｐ２Ｌとはオーバーラップしていないが、一部をオーバーラップさせてもよい。つまり、第二上限圧力Ｐ２Ｈは、第一下限圧力Ｐ１Ｌよりも高圧に設定されてもよい。

まず、第一設定圧力Ｐ１および第二設定圧力Ｐ２に、それぞれディファレンシャルが設定されたオンオフ制御を説明する。この場合、第一設定圧力Ｐ１については、第一上限圧力Ｐ１Ｈと第一下限圧力Ｐ１Ｌとが設定され、圧力上昇時、圧力センサ８の検出圧力が第一上限圧力Ｐ１Ｈ以上になると圧縮機４が停止し、圧力下降時、圧力センサ８の検出圧力が第一下限圧力Ｐ１Ｌ未満になると圧縮機４が駆動する。また、第二設定圧力Ｐ２については、第二上限圧力Ｐ２Ｈと第二下限圧力Ｐ２Ｌとが設定され、圧力上昇時、第二上限圧力Ｐ２Ｈ以上になるとボイラ３が停止し、圧力下降時、第二下限圧力Ｐ２Ｌ未満になるとボイラ３が作動する。

次に、圧縮機４とボイラ３を比例制御する場合の一例について説明する。この場合、圧力センサ８の検出圧力に基づき、第一上限圧力Ｐ１Ｈと第一下限圧力Ｐ１Ｌとの範囲で、且つその第一上限圧力Ｐ１Ｈを設定値（目標値）として圧縮機４を比例制御する。典型的には圧縮機４の回転数を変える。また、圧力センサ８の検出圧力に基づき、第二上限圧力Ｐ２Ｈと第二下限圧力Ｐ２Ｌとの範囲で、且つその第二上限圧力Ｐ２Ｈを設定値（目標値）としてボイラ３を比例制御する。これには、燃料焚きボイラの場合には燃焼量を調整し、電気ボイラの場合には電気ヒータへの給電量を調整し、廃熱ボイラの場合には供給熱量を調整すればよい。ここで、第一上限圧力Ｐ１Ｈ以上では、圧縮機４は停止し、第一下限圧力Ｐ１Ｌ未満では、圧縮機４は全負荷運転する。また、第二上限圧力Ｐ２Ｈ以上では、ボイラ３は停止し、第二下限圧力Ｐ２Ｌ未満では、ボイラ３は全負荷運転する。なお、比例制御ではなくＰＩＤ制御を行ってもよい。

いずれの場合も、後述する温度センサ１４により蒸発器７の出口側の水温を監視し、この温度が下限値未満になると、ヒートポンプ２を運転しても所望の蒸気を得られないとして、圧縮機４を停止させてもよい。

第二設定圧力Ｐ２を第一設定圧力Ｐ１よりも低く設定しておくことで、ヒートポンプ２の運転を優先しつつ、蒸気使用設備へ蒸気を安定して供給することができる。つまり、ヒートポンプ２の運転を優先させつつ、それでは足りない場合にボイラ３からの蒸気を蒸気使用設備へ送ることができる。

図４は、図２の変形例を示す図であり、ボイラ３およびヒートポンプ２の双方が複数台である例を示している。

ヒートポンプ２が複数台の場合、互いに異なる複数の第一設定圧力Ｐ１（Ｐ１´，Ｐ１´´，…）を用いて、各ヒートポンプ２（２Ａ，２Ｂ，…）の圧縮機４を制御すればよい。これにより、圧力上昇時、複数のヒートポンプ２は順に停止され、圧力下降時、複数のヒートポンプ２は順に作動を開始することになる。

図示例では、第一ヒートポンプ２Ａの第一設定圧力Ｐ１´と、第二ヒートポンプ２Ｂの第一設定圧力Ｐ１´´とが互いにずらして設定されて、各ヒートポンプ２Ａ，２Ｂの圧縮機４，４が制御される。具体的には、圧力上昇時、まずＰ１´以上になると第一ヒートポンプ２Ａが停止し、Ｐ１´´以上になると第二ヒートポンプ２Ｂも停止する。また、圧力下降時、Ｐ１´´未満になると第二ヒートポンプ２Ｂが運転を開始し、Ｐ１´未満になると第一ヒートポンプ２Ａも運転を開始する。

ヒートポンプ２を複数台備え、互いに異なる複数の第一設定圧力Ｐ１を用いて、ヒートポンプ２の運転台数を変更する場合、発停させるヒートポンプ２は次のようにして切り替えるのが好ましい。すなわち、いずれか１台を停止させる際には、稼働時間の長い圧縮機４を停止させ、いずれか１台を駆動する際には、稼働時間の短い圧縮機４を駆動するのがよい。なお、稼働時間として、各圧縮機４の積算回転数を用いてもよい。

一方、ボイラ３が複数台の場合、互いに異なる複数の第二設定圧力Ｐ２（Ｐ２´，Ｐ２´´，…）を用いて、各ボイラ３（３Ａ，３Ｂ，…）を制御すればよい。これにより、圧力上昇時、複数のボイラ３は順に停止され、圧力下降時、複数のボイラ３は順に作動を開始することになる。

図示例では、第一ボイラ３Ａの第二設定圧力Ｐ２´と、第二ボイラ３Ｂの第二設定圧力Ｐ２´´とが互いにずらして設定されて、各ボイラ３Ａ，３Ｂが制御される。具体的には、圧力上昇時、まずＰ２´以上になると第一ボイラ３Ａが停止し、Ｐ２´´以上になると第二ボイラ３Ｂも停止する。また、圧力下降時、Ｐ２´´未満になると第二ボイラ３Ｂが運転を開始し、Ｐ２´未満になると第一ボイラ３Ａも運転を開始する。

ボイラ３を複数台備え、互いに異なる複数の第二設定圧力Ｐ２を用いて、ボイラ３の運転台数を変更する場合、発停させるボイラ３は次のようにして切り替えるのが好ましい。すなわち、いずれか１台を停止させる際には、稼働時間の長いボイラ３を停止させ、いずれか１台を駆動する際には、稼働時間の短いボイラ３を駆動するのがよい。

なお、図４では、ボイラ３およびヒートポンプ２の双方が２台の例を示したが、ボイラ３およびヒートポンプ２の一方が一台の場合、およびボイラ３およびヒートポンプ２の一方または双方が３台以上の場合も、同様にして制御可能である。また、ここでは、オンオフ制御する場合を例に説明したが、前述したように比例制御やＰＩＤ制御してもよいことは言うまでもない。

ところで、本実施例の蒸気システム１は、凝縮器５からの蒸気圧に基づき圧縮機４を制御する以外に、蒸発器７を通された後の水温に基づき圧縮機４を制御してもよい。具体的には、蒸発器７にて冷却後の水温を検出するために、蒸発器７またはそこからの排水路１５には温度センサ１４が設けられ、この温度センサ１４の検出信号に基づきヒートポンプ２の圧縮機４が制御される。このような構成の場合、蒸発器７において、所望温度まで確実に温水を冷却することができる。

蒸発器７を通された後の水温に基づき圧縮機４を制御する場合、凝縮器５にて発生させる蒸気量を直接には制御できないが、前述したように蒸気システム１にボイラ３を併設して、圧力センサ８の検出信号に基づきボイラ３を制御することで、蒸気使用設備へは安定して蒸気を供給することができる。

蒸発器７を通された後の水温に基づき圧縮機４を制御する場合、蒸発器７に対する給排水は図１のような構成とするのが好ましい。すなわち、蒸発器７への給水路１６と蒸発器７からの排水路１５とがバイパス路１７で接続され、排水路１５には、バイパス路１７との合流部より上流側に温度センサ１４が設けられる。この温度センサ１４により、蒸発器７の出口側の水温が監視される。

また、蒸発器７を介することなくバイパス路１７を介して排水路１５へ流すバイパス流量を調整可能に構成される。具体的には、図示例の場合、給水路１６とバイパス路１７との分岐部に、三方弁からなるバイパス弁１８が設けられる。但し、分岐部に三方弁を設置する代わりに、分岐部より下流の給水路１６および／またはバイパス路１７に弁を設けて、バイパス流量を調整可能としてもよい。いずれにしても、バイパス流量を調整することで、蒸発器７を通す流量が調整される。

図５は、温度センサ１４の検出温度、バイパス弁１８の開閉状態、および圧縮機４の動作状態を示す概略図である。ここでは、バイパス弁１８が第一設定温度Ｔ１で開閉され、圧縮機４が第二設定温度Ｔ２でオンオフされる例について説明する。なお、バイパス弁１８をオンオフ制御する場合、バイパス弁１８が閉鎖されると、バイパス路１７への給水が完全に停止される一方、バイパス弁１８が開放されると、バイパス路１７への給水が開始される。この際、蒸発器７とバイパス路１７とに所定割合で給水してもよいし、蒸発器７への給水は停止してもよい。

温度センサ１４の検出温度が第二設定温度Ｔ２未満であると、ヒートポンプ２を運転しても所望の蒸気を得られないとして、圧縮機４が停止されると共にバイパス弁１８は閉鎖している。この状態では、ボイラ３からの蒸気が蒸気使用設備へ供給される。そして、第二設定温度Ｔ２以上になると、圧縮機４が作動し、ヒートポンプ２から蒸気が供給される。温度センサ１４の検出温度が第一設定温度Ｔ１以上になると、バイパス弁１８が開放し、ヒートポンプ２の保護が図られる。なお、温度センサ１４の検出温度がさらに上昇して上限値ＴＨ以上になると、圧縮機４を強制停止するのがよい。

第一設定温度Ｔ１および第二設定温度Ｔ２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。また、圧縮機４およびバイパス弁１８は、オンオフ制御だけでなく、比例制御されてもよい。

これらの場合について、図６に基づき説明する。なお、図６では、第一設定温度Ｔ１のディファレンシャル（または比例帯）Ｔ１Ｈ〜Ｔ１Ｌと、第二設定温度Ｔ２のディファレンシャル（または比例帯）Ｔ２Ｈ〜Ｔ２Ｌとはオーバーラップしていないが、一部をオーバーラップさせてもよい。つまり、第二上限温度Ｔ２Ｈは、第一下限温度Ｔ１Ｌよりも高温に設定されてもよい。

まず、第一設定温度Ｔ１および第二設定温度Ｔ２に、それぞれディファレンシャルが設定されたオンオフ制御を説明する。この場合、第一設定温度Ｔ１については、第一上限温度Ｔ１Ｈと第一下限温度Ｔ１Ｌとが設定され、温度上昇時、温度センサ１４の検出温度が第一上限温度Ｔ１Ｈ以上になるとバイパス弁１８が開き、温度下降時、温度センサ１４の検出温度が第一下限温度Ｔ１Ｌ未満になるとバイパス弁１８が閉じる。また、第二設定温度Ｔ２については、第二上限温度Ｔ２Ｈと第二下限温度Ｔ２Ｌとが設定され、温度上昇時、第二上限温度Ｔ２Ｈ以上になると圧縮機４が作動し、温度下降時、第二下限温度Ｔ２Ｌ未満になると圧縮機４が停止する。

次に、圧縮機４とバイパス弁１８を比例制御する場合の一例について説明する。この場合、温度センサ１４の検出温度に基づき、第一上限温度Ｔ１Ｈと第一下限温度Ｔ１Ｌとの範囲で、且つその第一下限温度Ｔ１Ｌを設定値（目標値）としてバイパス弁１８を比例制御する。また、温度センサ１４の検出温度に基づき、第二上限温度Ｔ２Ｈと第二下限温度Ｔ２Ｌとの範囲で、且つその第二下限温度Ｔ２Ｌを設定値（目標値）として圧縮機４を比例制御する。ここで、第一下限温度Ｔ１Ｌ未満では、バイパス弁１８は全閉し、第一上限温度Ｔ１Ｈ以上では、バイパス弁１８は全開する。また、第二下限温度Ｔ２Ｌ未満では、圧縮機４は停止し、第二上限温度Ｔ２Ｈ以上では、圧縮機４は全負荷運転する。なお、比例制御ではなくＰＩＤ制御を行ってもよい。

いずれの場合も、前述した圧力センサ８により蒸気圧を監視し、この圧力が上限値以上になると、ヒートポンプ２を運転して蒸気を発生させる必要はないので、圧縮機４を停止させるのがよい。また、バイパス弁１８は、温度センサ１４の検出温度に基づき制御される以外に、この制御と同様に開閉される自力式の温調弁とされてもよい。

これまで述べたように、圧縮機４は、圧力センサ８の検出圧力に基づき制御される（図２，図３）他、これに代えて温度センサ１４の検出温度に基づき制御される（図５，図６）。但し、圧縮機４は、圧力センサ８と温度センサ１４の双方に基づき、制御されてもよい。その一例について、次に説明する。これは、図３による制御と、図６による制御との組合せといえる。

まず、圧縮機４は、圧力センサ８の検出圧力に基づき、第一上限圧力Ｐ１Ｈと第一下限圧力Ｐ１Ｌとの範囲で、且つその第一上限圧力Ｐ１Ｈを設定値として比例制御可能とされる。また、圧縮機４は、温度センサ１４の検出温度に基づき、第二上限温度Ｔ２Ｈと第二下限温度Ｔ２Ｌとの範囲で、且つその第二下限温度Ｔ２Ｌを設定値として比例制御可能とされる。そして、設定タイミング（たとえば設定時間ごと）で、次式により第一偏差率η１と第二偏差率η２とを求め、圧力センサ８による制御と温度センサ１４による制御との内、偏差率の小さい方の制御に切り替えて、圧縮機４を制御すればよい。具体的には、η１＜η２の関係にある場合、圧力センサ８の検出圧力に基づき圧縮機４を比例制御すればよく、η１＞η２の関係にある場合、温度センサ１４の検出温度に基づき圧縮機４を比例制御すればよい。なお、現在圧力Ｐとは、圧力センサ８による検出圧力であり、現在温度Ｔとは、温度センサ１４による検出温度である。

第一偏差率η１＝（第一上限圧力Ｐ１Ｈ−現在圧力Ｐ）／（第一上限圧力Ｐ１Ｈ−第一下限圧力Ｐ１Ｌ）
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）

偏差率が小さいほど、目標値に近いので、圧縮機４の操作量は小さくなる。仮に、偏差率が大きい方、つまり操作量が大きい方で圧縮機４を制御しようとすると、偏差率が小さい方、つまり操作量が小さい方は目標値にすぐに到達してしまうことになる。ところが、偏差率の小さい方の制御に適宜切り替えて制御することで、圧縮機４が停止する頻度を少なくすることができる。また、停止するにしても、停止状態へ緩やかに移行することができる。さらに、圧力制御か温度制御かを手動設定する必要もない。

この制御中、温度センサ１４の検出温度が下限値未満になったり、温度センサ１４の検出温度が上限値以上になったり、圧力センサ８の検出圧力が上限値以上になったりすると、圧縮機４を強制停止させるのがよい。なお、比例制御ではなくＰＩＤ制御を行ってもよい。

圧力センサ８による制御と温度センサ１４による制御とは、上述したように偏差率に基づき切り替える以外に、圧縮機４の操作量に基づき切り替えてもよい。この場合も、圧縮機４は、圧力センサ８の検出圧力に基づき、第一上限圧力Ｐ１Ｈと第一下限圧力Ｐ１Ｌとの範囲で、且つその第一上限圧力Ｐ１Ｈを設定値として比例制御またはＰＩＤ制御可能とされる。また、圧縮機４は、温度センサ１４の検出温度に基づき、第二上限温度Ｔ２Ｈと第二下限温度Ｔ２Ｌとの範囲で、且つその第二下限温度Ｔ２Ｌを設定値として比例制御またはＰＩＤ制御可能とされる。そして、設定タイミング（たとえば設定時間ごと）で、圧力センサ８による制御における圧縮機４の操作量と、温度センサ１４による制御における圧縮機４の操作量とを求め、圧力センサ８による制御と温度センサ１４による制御との内、操作量の小さい方で圧縮機４を制御すればよい。たとえば、圧力センサ８による制御では操作量Ｘとする必要がある一方、温度センサ１４による制御では操作量Ｙとする必要がある場合において、Ｘ＜Ｙの関係にある場合、圧力センサ８の検出圧力に基づき圧縮機４を制御すればよく、Ｘ＞Ｙの関係にある場合、温度センサ１４の検出温度に基づき圧縮機４を制御すればよい。

ところで、蒸気システム１が複数段のヒートポンプ２を備える場合、蒸気システム１は複数の圧縮機４を備えることになる。その他、複数の圧縮機４を備える場合として、単段または複数段の各ヒートポンプ２の蒸発器７と凝縮器５との間に、圧縮機４を並列に複数台設置する場合もある。また、複数のヒートポンプ２を並列に設置する場合もある。いずれの場合も、複数の圧縮機４は、それぞれ圧縮機本体とその駆動装置とから構成し、複数の圧縮機本体をベルト伝動装置などにより共通の駆動装置で駆動してもよい。

また、複数の圧縮機４は、共通の制御器および／または個別の制御器で制御することができる。この際、ヒートポンプ２の蒸発器７と凝縮器５との間に複数の圧縮機４を並列に設置している場合、または蒸気発生用ヒートポンプ２を並列に設置して蒸気を合流させる場合、凝縮器５にて発生させた蒸気圧、および／または蒸発器７を通された後の水温に基づき、複数の圧縮機４の内の運転台数を変更してもよい。

また、凝縮器５にて発生させた蒸気圧、および／または蒸発器７を通された後の水温に基づき、複数の圧縮機４の内、少なくとも一の圧縮機４について、冷媒の吐出流量を調整してもよい。少なくとも一台の圧縮機４で、冷媒の吐出流量を調整すれば、例えば運転台数の変更を滑らかに行うことができる。なお、冷媒の吐出流量の調整は、たとえば、圧縮機本体を駆動するモータをインバータ制御することで実現できる。

また、圧縮機４の駆動装置として、エンジンおよびモータの双方を備える場合、このエンジンおよびモータの内、いずれを用いて圧縮機４を運転するか、または双方を用いて圧縮機４を運転するかを、凝縮器５にて発生させた蒸気圧、または蒸発器７を通された後の水温に基づき変更してもよい。なお、エンジンとモータとを備え、圧縮機４の制御をクラッチで行う場合、クラッチを切り離した状態でもエンジンは駆動したままであるから、その間はエンジンにより発電機で発電するのに適する。

さらに、凝縮器５にて発生させた蒸気圧は、前述したように設定範囲内に維持されるが、万一、その範囲を超えて設定上限値ＰＨに達すると、ヒートポンプ２の圧縮機４を強制停止させるよう構成しておけば、安全性を高めることができる。なお、水側の蒸気圧ではなく、冷媒側の蒸気圧を監視してもよい。その他、蒸発器７の入口または出口における被冷却流体（排温水など）の温度、またはヒートポンプサイクル内の冷媒の圧力または温度（たとえば、圧縮機４、膨張弁６または中間冷却器の入口または出口における冷媒の圧力または温度）を監視して、それが上限値を超えるとヒートポンプ２の運転にインターロックをかけるよう構成してもよい。

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。特に、ヒートポンプ２は、単段に限らず複数段とすることもできる。ヒートポンプ２を複数段にする場合、隣接する段のヒートポンプ２，２同士は、間接熱交換器を用いて接続されてもよいし、直接熱交換器（中間冷却器）を用いて接続されてもよい。後者の場合、下段ヒートポンプの圧縮機４からの冷媒と上段ヒートポンプの膨張弁６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５であると共に上段ヒートポンプの蒸発器７とされる。このように、複数段（多段）のヒートポンプには、一元多段のヒートポンプの他、複数元（多元）のヒートポンプ、あるいはそれらの組合せのヒートポンプが含まれる。

複数段のヒートポンプ２を用いる場合、隣接する段のヒートポンプ２，２同士が間接熱交換器を用いて接続されることにより、上下のヒートポンプ２，２の冷媒同士が混ざらないのであれば、上下のヒートポンプ２，２で互いに異なる冷媒を用いてもよい。この際、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るのが好ましい。仮に上下のヒートポンプ２，２に同一冷媒を用いる場合、下段ヒートポンプの方が低温になるので、冷媒の比容積が大きくなる。そのため、上下段の熱交換を行う熱交換器で上段冷媒の蒸発に必要な熱量を供給するために必要な下段冷媒の質量流量を作り出すためには、下段圧縮機の吸込み体積流量を大きくする必要があり、圧縮機が大型になる。ところが、複数段のヒートポンプにおいて、上段よりも下段の方が沸点の低い冷媒を用いることで、下段の冷媒の比容積を小さくできるので、圧縮機の大型化を防止することができる。

圧力センサ８の検出圧力に基づき複数段のヒートポンプ２を制御する場合、たとえば、最上段のヒートポンプ２の圧縮機４は、圧力センサ８の検出圧力に基づき制御され、それより下段の各ヒートポンプ２の圧縮機４は、それぞれ対応する段のヒートポンプ２の凝縮器５における冷媒（または一つ上段のヒートポンプ２の蒸発器７における冷媒）の圧力または温度に基づき制御すればよい。

温度センサ１４の検出温度に基づき複数段のヒートポンプ２を制御する場合、たとえば、最下段のヒートポンプ２の圧縮機４は、温度センサ１４の検出温度に基づき制御され、それより上段の各ヒートポンプ２の圧縮機４は、それぞれ対応する段のヒートポンプ２の蒸発器７における冷媒（または一つ下段のヒートポンプ２の凝縮器５における冷媒）の圧力または温度に基づき制御すればよい。

圧力センサ８による制御と温度センサ１４による制御とを、偏差率または操作量に基づき切替制御する場合において、図７に示すように、ヒートポンプ２は複数段であってもよい。なお、図７では、２段のヒートポンプ２Ｘ，２Ｙを示しているが、３段以上も同様に制御可能である。また、図７では、液ガス熱交換器やサブクーラなどを設けていないが、これらを設けてもよいことは言うまでもない。

この場合、最上段のヒートポンプ２Ｙの圧縮機４Ｙは、圧力センサ８の検出圧力に基づき、第一上限圧力Ｐ１Ｈと第一下限圧力Ｐ１Ｌとの範囲で、且つその第一上限圧力Ｐ１Ｈを設定値として比例制御またはＰＩＤ制御可能とされる。また、最下段のヒートポンプ２Ｘの圧縮機４Ｘは、温度センサ１４の検出温度に基づき、第二上限温度Ｔ２Ｈと第二下限温度Ｔ２Ｌとの範囲で、且つその第二下限温度Ｔ２Ｌを設定値として比例制御またはＰＩＤ制御可能とされる。

そして、破線で示すように、圧力センサ８の検出圧力に基づき最上段のヒートポンプ２Ｙの圧縮機４Ｙを制御する場合、それより下段の各ヒートポンプ２Ｘの圧縮機４Ｘは、その段の凝縮器５Ｘまたは一つ上段の蒸発器７Ｙの冷媒の圧力（冷媒圧センサ２０の検出圧力）に基づき制御される。また、一点鎖線で示すように、温度センサ１４の検出温度に基づき最下段のヒートポンプ２Ｘの圧縮機４Ｘを制御する場合、それより上段の各ヒートポンプ２Ｙの圧縮機４Ｙは、その段の蒸発器７Ｙまたは一つ下段の凝縮器５Ｘの冷媒の圧力（冷媒圧センサ２０の検出圧力）に基づき制御される。なお、凝縮器５の冷媒の圧力は、圧縮機４出口から膨張弁６入口までのいずれの箇所で検出してもよく、蒸発器７の冷媒の圧力は、膨張弁６出口から圧縮機４入口までのいずれの箇所で検出してもよい。

そして、偏差率に基づき切替制御する場合、設定タイミングで、上述したのと同様に第一偏差率η１と第二偏差率η２とを求め、圧力センサ８による制御と温度センサ１４による制御との内、偏差率の小さい方の制御に切り替えればよい。

あるいは、操作量に基づき切替制御する場合、設定タイミングで、圧力センサ８による制御における最上段の圧縮機４Ｙの操作量（第一操作量ｙ１）と、温度センサ１４による制御における最下段の圧縮機４Ｘの操作量（第二操作量ｙ２）とから、第一操作量ｙ１の第二操作量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、圧力センサ８による制御を行う一方、前記定数以上なら温度センサ１４による制御を行えばよい。

単段または複数段の各ヒートポンプ２は、図１の構成に限らず、適宜に変更可能である。たとえば、蒸発器７を並列に設置したり、膨張弁６と蒸発器７とのセットを並列に設置したりしてもよい。また、圧縮機４の出口側に油分離器を設置したり、凝縮器５の出口側に受液器を設置したりしてもよい。さらに、圧縮機４の入口側にアキュムレータを設置してもよい。

前記実施例では、ヒートポンプ２では、温水から熱をくみ上げて蒸気を発生させる例について説明したが、温水に代えて、空気や排ガスなどを用いてもよい。また、凝縮器５やボイラ３の各出口に、気水分離器を設けて蒸気の乾き度を向上するようにしてもよい。

その他、凝縮器５は、断熱材で囲ってもなお放熱があるので、この放熱を用いて加温した水を、凝縮器５において蒸気化してもよい。

また、圧縮機４からも放熱があるので、この放熱を用いて加温した水を、凝縮器５へ供給して蒸気化してもよい。凝縮器５への給水で圧縮機４を冷却するには、圧縮機本体のケーシングに設けた水冷壁に水を通せばよい。

また、単段または最下段のヒートポンプ２の蒸発器７へは、凝縮器５および／または圧縮機４の熱で加温された水を供給してもよい。

さらに、工場などから排出される排温水、圧縮機４の冷却水として用いた水、エンジン（圧縮機４の駆動装置）のオイルクーラにおいて冷却水として用いた水、エンジンのジャケットの冷却水として用いた水、および、ボイラ３からの排ガスの冷却水として用いた水の内、一または複数を用いて、凝縮器５への給水の加温、蒸発器７への給水の加温、またはボイラ３への給水の加温ができる他、前記各冷却水として用いた水自体を凝縮器５やボイラ３への給水に用いたり、蒸発器７に通したりしてもよい。たとえば、凝縮器５への給水路１９（給水路１９にサブクーラを設ける場合にはそれより上流側）に、間接熱交換器を設置して、工場などからの排温水またはオイルクーラなどを通過後の水で、凝縮器５への給水の加温を図ることができる。

また、図１では、蒸発器７への給水路１６と蒸発器７からの排水路１５とをバイパス路１７で接続し、給水路１６とバイパス路１７との分岐部に設けたバイパス弁１８により蒸発器７に通す給水量を調整する構成としたが、蒸発器７を通過する水量を調整可能であれば適宜に変更可能である。たとえば、蒸発器７への給水路１６に三方弁を設けて、給水の一部を分岐させる点は図１と同じであるが、その分岐水を排水路１５に合流させずに、別系統としたり、クーリングタワーに戻したり、あるいはそのまま排水したりしてもよい。あるいは、図１において、バイパス路１７およびバイパス弁１８の設置を省略する代わりに、給水路１６に弁を設けて、その弁の開閉または開度を調整してもよい。なお、いずれの場合も、排水路１５からの排水は、そのまま捨てられるか、クーリングタワーなどに戻されるか、あるいは蒸発器７にて冷却された水なら設備へ戻してもよい。

ところで、ヒートポンプ２の運転に伴い、凝縮器５内の水が濃縮するので、適宜、排水弁（図示省略）を開けて排水（ブロー）し、凝縮器５内の水の一部または全部が入れ替えるのがよい。この排水のタイミングは、電気伝導度センサにより水の濃縮度を検知してもよいが、圧縮機４の積算回転数を利用するのが簡易である。具体的には、直前のブローからの圧縮機４の積算回転数で、次回のブローのタイミングを決定することができる。発生させた蒸気量で濃縮度が変化すること、および蒸気量は圧縮機４の回転数に比例することを考慮したものである。

１ 蒸気システム
２ ヒートポンプ
３ ボイラ
４ 圧縮機
５ 凝縮器
６ 膨張弁
７ 蒸発器
８ 圧力センサ
１１ 逆止弁
１２ 逆止弁
１４ 温度センサ
１５ 排水路
１６ 給水路
１７ バイパス路
１８ バイパス弁
Ｐ１ 第一設定圧力
Ｐ１Ｈ 第一上限圧力
Ｐ１Ｌ 第一下限圧力
Ｐ２ 第二設定圧力
Ｔ１ 第一設定温度
Ｔ２ 第二設定温度
Ｔ２Ｈ 第二上限温度
Ｔ２Ｌ 第二下限温度

Claims (10)

1. 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前記冷媒と水とを熱交換して蒸気を発生させるヒートポンプと、
   蒸気を発生させ、この蒸気を前記凝縮器からの蒸気に合流させるボイラと、
   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設けられる圧力センサとを備え、
   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、
   前記圧力センサの検出圧力に基づき、前記圧縮機および前記ボイラを制御可能であると共に、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し、
   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、
   前記ボイラは、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、
   前記第二設定圧力は、前記第一設定圧力よりも低く設定され、
   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
   ことを特徴とする蒸気システム。
2. 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１に記載の蒸気システム。
   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）
3. 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１に記載の蒸気システム。
4. 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１に記載の蒸気システム。
   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）
5. 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１に記載の蒸気システム。
6. 前記凝縮器からの蒸気と前記ボイラからの蒸気とは、それぞれ逆止弁を介して互いに合流するよう構成され、
   前記圧力センサは、前記各逆止弁よりも下流に設置される
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の蒸気システム。
7. 前記ヒートポンプを複数台備え、
   前記各ヒートポンプの凝縮器からの蒸気と前記ボイラからの蒸気とが互いに合流するよう構成され、
   前記各ヒートポンプの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、
   互いに異なる複数の前記第一設定圧力を用いて、前記各ヒートポンプの圧縮機を制御する
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の蒸気システム。
8. 前記ボイラを複数台備え、
   前記ヒートポンプの凝縮器からの蒸気と前記各ボイラからの蒸気とが互いに合流するよう構成され、
   前記ヒートポンプの凝縮器からの蒸気と前記各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、
   互いに異なる複数の前記第二設定圧力を用いて、前記各ボイラを制御する
   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. 前記圧力センサの検出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１〜８のいずれか１項に記載の蒸気システム。
10. 工場などからの排温水、前記圧縮機の潤滑油の冷却水、前記圧縮機の冷却水、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１〜９のいずれか１項に記載の蒸気システム。

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