JP5640815B2 - 蒸気システム - Google Patents

Description

本発明は、廃熱を用いて蒸気を発生させるヒートポンプ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に開示されるように、廃熱を用いて蒸気を発生させるヒートポンプが提案されている。このヒートポンプは、蒸発器である熱交換器（１０）において、工場の排温水などから熱を吸収し、凝縮器である熱交換器（５）において、蒸気を発生させる。

特開２０１０−３８３９１号公報

しかしながら、従来技術では、凝縮器にて発生させる蒸気の使用負荷や、蒸発器に通される排温水などの熱源の状況（たとえば温度の変化）に応じて、ヒートポンプを制御できるものではない。そのため、発生させる蒸気に過不足を生じるおそれがあり、蒸気使用設備へ安定して蒸気を供給することができない。また、蒸発器に通される流体が高温過ぎたり低温過ぎたりしても、それに対応した処理を行うこともできない。さらに、蒸気使用設備のドレンが有する廃熱を有効利用するものでもない。

本発明が解決しようとする課題は、蒸気の使用負荷の変化や、熱源の状況の変化に対応できる蒸気システムを提供することにある。また、蒸気使用設備のドレンの廃熱を有効利用して、蒸気を発生させ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を備え、蒸気使用設備からドレン排出機構を介して排出される流体が、前記蒸発器に通されて前記冷媒と熱交換可能とされ、第一センサと第二センサとの一方または双方を備え、その検出値に基づき前記圧縮機が制御され、前記第一センサは、前記凝縮器からの蒸気の圧力を検出し、前記第二センサは、前記蒸発器の入口側または出口側において、前記ドレン排出機構からの流体の圧力または温度を検出す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、蒸気使用設備からのドレンの廃熱を用いて、蒸気を発生させることができる。しかも、凝縮器からの蒸気の圧力と、蒸発器を通されるか通された流体の圧力または温度との内、一方または双方に基づきヒートポンプの圧縮機を制御するので、蒸気の使用負荷の変化や、熱源の状況の変化に対応することができる。

請求項２に記載の発明は、前記蒸気使用設備のドレンは、前記ドレン排出機構により低圧下に排出された後、前記蒸発器を通過後にさらに低圧の大気圧下に排出され、前記第二センサは、前記蒸発器の入口側または出口側において、前記流体の圧力または温度を検出す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。

請求項２に記載の発明によれば、ドレン排出機構を介して排出される流体は、蒸発器を通過する際、大気圧を超える圧力、つまり１００℃を超える温度とできる。これにより、ヒートポンプの熱源温度を高めることができ、効率よく蒸気を発生させることができる。

請求項３に記載の発明は、前記蒸気使用設備のドレンは、前記ドレン排出機構により大気圧下に排出され、前記第二センサは、前記蒸発器の出口側において、前記流体の温度を検出す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。

請求項３に記載の発明によれば、蒸気使用設備のドレンをドレン排出機構により大気圧下に排出し、蒸発器出口側の温度に基づきヒートポンプの圧縮機を制御することで、簡易な構成で、ドレンの廃熱を用いて蒸気を発生させることができる。

請求項４に記載の発明は、前記ドレン排出機構からの流体流路は、前記ドレン排出機構からの流体を前記蒸発器を介して排出する第一流路と、前記蒸発器を介さずに排出弁を介して排出する第二流路とに分岐されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の蒸気システムである。

請求項４に記載の発明によれば、第一流路と第二流路とを有し、排出弁を用いて蒸発器への熱源流体の供給の有無または量を調整することができる。

請求項５に記載の発明は、前記蒸気使用設備からのドレンを溜めるドレン貯留部と、このドレン貯留部からのドレンを導入弁および前記蒸発器を介して排出する第一流路と、前記ドレン貯留部からのドレンを前記導入弁および前記蒸発器を介さずに排出する第三流路とを備え、前記ドレン排出機構は、前記ドレン貯留部と前記導入弁とを備えて構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の蒸気システムである。

請求項５に記載の発明によれば、第一流路と第三流路とを有し、導入弁を用いて蒸発器への熱源流体の供給の有無または量を調整することができる。

請求項６に記載の発明は、前記凝縮器からの蒸気に、ボイラからの蒸気がボイラ蒸気供給弁を介して合流するよう構成され、前記第一センサは、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、前記圧縮機は、前記第一センサの検出値を第一設定値に維持するよう制御され、前記ボイラ蒸気供給弁は、それより下流側の圧力を第三設定値に維持するよう開閉または開度が調整され、前記第三設定値は、前記第一設定値よりも低く設定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、ヒートポンプとボイラの双方から蒸気使用設備へ蒸気が供給可能とされ、しかもボイラからの蒸気路に設けたボイラ蒸気供給弁の設定圧力を、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、ボイラが併設されることで、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７に記載の発明は、前記凝縮器からの蒸気に、ボイラからの蒸気が合流するよう構成され、前記第一センサは、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、前記圧縮機は、前記第一センサの検出値を第一設定値に維持するよう制御され、前記ボイラは、前記第一センサの検出値を第三設定値に維持するよう制御され、前記第三設定値は、前記第一設定値よりも低く設定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７に記載の発明によれば、ヒートポンプとボイラの双方から蒸気使用設備へ蒸気が供給可能とされ、しかも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、ボイラが併設されることで、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８に記載の発明は、前記圧縮機は、前記第二センサの検出値を第二設定値に維持するよう制御され、前記排出弁は、それより上流側の圧力もしくは温度または前記第二センサの検出値を、第四設定値に維持するよう開閉または開度が調整され、前記第二設定値は、前記第四設定値よりも低く設定されることを特徴とする請求項４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、ヒートポンプの制御圧力を、排出弁の設定圧力よりも下げておくことで、蒸発器を介さずに熱源流体を排出するよりも、蒸発器を介して熱源流体を排出するのが優先される。これにより、ヒートポンプの運転時間を長くとることができる。

請求項９に記載の発明は、前記圧縮機は、前記第二センサの検出値を第二設定値に維持するよう制御され、前記導入弁は、それより下流側を第四設定値に維持するよう開閉または開度が調整され、前記第二設定値は、前記第四設定値よりも低く設定されることを特徴とする請求項５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、ヒートポンプの制御圧力を、導入弁の設定圧力よりも下げておくことで、蒸発器を介さずに熱源流体を排出するよりも、蒸発器を介して熱源流体を排出するのが優先される。これにより、ヒートポンプの運転時間を長くとることができる。

請求項１０に記載の発明は、前記第一センサの検出値に基づき、第一上限値と第一下限値との範囲で、且つその第一上限値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、前記第二センサの検出値に基づき、第二上限値と第二下限値との範囲で、且つその第二下限値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各センサによる現在値に基づき、次式により第一偏差率と第二偏差率とを求め、前記第一センサによる制御と前記第二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。
第一偏差率＝（第一上限値−現在値）／（第一上限値−第一下限値）
第二偏差率＝（現在値−第二下限値）／（第二上限値−第二下限値）

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１０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。

さらに、請求項１１に記載の発明は、前記第一センサの検出値に基づき、第一上限値と第一下限値との範囲で、且つその第一上限値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、前記第二センサの検出値に基づき、第二上限値と第二下限値との範囲で、且つその第二下限値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各センサによる現在値に基づき、前記第一センサによる制御における前記圧縮機の操作量と、前記第二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、前記第一センサによる制御と前記第二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。

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１１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。

本発明によれば、蒸気の使用負荷の変化や、熱源の状況の変化に対応できる蒸気システムを実現することができる。また、蒸気使用設備のドレンの廃熱を有効利用して、蒸気を発生させることができる。

本発明の蒸気システムの実施例１を示す概略図である。 第一センサの検出圧力、ボイラ蒸気供給弁の開閉状態、および圧縮機の動作状態の対応関係を示す概略図である。 図２の変形例を示す図である。 第二センサの検出圧力または検出温度、排出弁の開閉状態、および圧縮機の動作状態の対応関係を示す概略図である。 図４の変形例を示す図である。 実施例１の蒸気システムの変形例を示す図であり、変更箇所のみを示している。 本発明の蒸気システムの実施例２を示す概略図である。 第二センサの検出圧力または検出温度、導入弁の開閉状態、および圧縮機の動作状態の対応関係を示す概略図である。 図８の変形例を示す図である。 本発明の蒸気システムの実施例３を示す概略図である。 本発明の蒸気システムの実施例４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実施例１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、本実施例では、ヒートポンプ２は、蒸発器７において、蒸気使用設備８のドレンから熱をくみ上げ、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。あるいは、純水もしくは軟水に代えてまたはこれに混ぜられて、蒸気使用設備８からのドレンを、凝縮器５に供給してもよい。本実施例では、給水タンク１０に、純水または軟水が貯留されると共に、蒸気使用設備８からのドレンが貯留され、その混合水がボイラ３および凝縮器５へ供給される。

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、外部から熱をくみ上げ、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。

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）を設けてもよい。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よい。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９を設けてもよい。サブクーラ９は、凝縮器５から膨張弁６への冷媒と、凝縮器５への給水とを混ぜることなく熱交換する間接熱交換器である。サブクーラ９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９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。

液ガス熱交換器とサブクーラ９との双方を設ける場合、凝縮器５からの冷媒は、液ガス熱交換器を通過後にサブクーラ９に通してもよいし、サブクーラ９を通過後に液ガス熱交換器に通してもよいし、液ガス熱交換器とサブクーラ９とに並行に通してもよい。

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。なお、駆動装置としてモータを用いる場合、後述するＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）の電力でモータを駆動してもよい。

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。また、蒸発器７も同様に、蒸気使用設備８からのドレンと、ヒートポンプ２の冷媒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。

凝縮器５には給水タンク１０の水が供給可能とされ、凝縮器５には所望量の水が貯留される。本実施例では、給水タンク１０の水は、給水ポンプ１１、給水弁１２、逆止弁１３、さらにサブクーラ９が設置されている場合にはサブクーラ９を介して、凝縮器５に供給される。この場合、給水ポンプ１１を作動させた状態で、凝縮器５内の水位に基づき給水弁１２の開閉を制御すればよい。たとえば、下限水位になれば給水弁１２を開け、上限水位になれば給水弁１２を閉めればよい。但し、給水弁１２の設置を省略する代わりに、給水ポンプ１１をインバータ制御して、凝縮器５内に所望量の水を貯留してもよい。なお、給水タンク１０は、適宜、水（純水または軟水）が補給されて設定水位に維持される。

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、蒸気圧を所望に維持するように、電気ヒータへの給電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可能とされるのがよい。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。

いずれにしても、ボイラ３には、給水ポンプ１４と逆止弁１５とを介して水が供給可能とされ、ボイラ３の缶体内の水位は所望に維持される。

凝縮器５からの蒸気路１６と、ボイラ３からの蒸気路１７とは、合流するよう構成される。この合流は、蒸気ヘッダを用いて行うこともできる。また、本実施例では、凝縮器５からの蒸気路１６には、合流部よりも上流側に、逆止弁１８が設けられる。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る。

さらに、本実施例では、ボイラ３からの蒸気路１７には、合流部よりも上流側に、ボイラ蒸気供給弁１９が設けられる。ボイラ蒸気供給弁１９は、本実施例では自力式の減圧弁（二次圧力調整弁）とされる。なお、ボイラ蒸気供給弁１９より上流側は、下流側よりもボイラ３により高圧に維持される。

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、圧力センサからなる第一センサ２０が設けられる。本実施例では、凝縮器５からの蒸気路１６とボイラ３からの蒸気路１７とが合流された後の蒸気路２１に、第一センサ２０が設けられるが、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、その蒸気ヘッダに第一センサ２０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１６であって合流部よりも上流側に設けてもよいし、ボイラ３からの蒸気路１７であって合流部よりも上流側に設けてもよい。但し、凝縮器５からの蒸気路１６に逆止弁１８を設ける場合には、逆止弁１８より下流側に設けられ、ボイラ３からの蒸気路１７にボイラ蒸気供給弁１９または後述する逆止弁が設けられる場合には、ボイラ蒸気供給弁１９または逆止弁より下流側に設けられる。

ボイラ３やヒートポンプ２からの蒸気は、一または複数の蒸気使用設備（たとえば食品機械）８へ送られる。蒸気使用設備８のドレンは、ドレン排出機構としての第一蒸気トラップ２２を介して、中空容器状のセパレータタンク２３へ排出される。セパレータタンク２３には、上部に第一流路２４が接続され、下部に第二流路２５が接続される。

第一流路２４には、セパレータタンク２３の側から順に、蒸発器７と第二蒸気トラップ２６とが設けられる。このような構成であるから、蒸気使用設備８のドレンは、第一蒸気トラップ２２により低圧下に排出された後、蒸発器７を通過後に、第二蒸気トラップ２６によりさらに低圧の大気圧下に排出される。つまり、蒸気使用設備８のドレンは、第一蒸気トラップ２２を介して排出されることにより、フラッシュ蒸気およびその凝縮水となり、蒸発器７においてさらに凝縮を図られた後、第二蒸気トラップ２６から排出される。このような構成の場合、蒸発器７において冷媒に熱を与える流体は、大気圧を超える圧力で、１００℃を超える温度に維持できる。

第二蒸気トラップ２６からの排水は、給水タンク１０へ戻される。この際、次に述べるサブヒータ２７により、第二蒸気トラップ２６からの排水で、膨張弁６から蒸発器７への冷媒の加温を図ってもよい。

単段のヒートポンプ２、または複数段のヒートポンプ２の内の最下段のヒートポンプ２において、膨張弁６と蒸発器７との間に、所望によりサブヒータ２７を設けてもよい。サブヒータ２７は、膨張弁６から蒸発器７への冷媒と、第二蒸気トラップ２６からの排水とを混ぜることなく熱交換する間接熱交換器である。サブヒータ２７により、第二蒸気トラップ２６からの排水で、膨張弁６から蒸発器７への冷媒の加温を図ることができる。

一方、第二流路２５には、排出弁２８が設けられる。排出弁２８は、本実施例では自力式の減圧弁（一次圧力調整弁）とされる。このような構成であるから、蒸気使用設備８のドレンは、第一蒸気トラップ２２により低圧下に排出された後、排出弁２８によりさらに低圧の大気圧下に排出可能とされる。そして、排出弁２８からの流体は、給水タンク１０へ戻される。なお、排出弁２８と並行に、蒸気トラップ（図示省略）を設けてもよい。この場合、この蒸気トラップから液体だけを排出することで、第一流路２４に蒸気だけを送ることができる。

緊急時や停電時のために、第一流路２４には、セパレータタンク２３と蒸発器７との間に、ノーマルクローズド型の電磁弁２９を設ける一方、第二流路２５には、排出弁２８と並行に、ノーマルオープン型の電磁弁３０を設けるのが好ましい。この場合、通常時には、第一流路２４の電磁弁２９は開かれた状態に維持され、第二流路２５の電磁弁３０は閉じられた状態に維持される。そして、緊急時や停電時には、第一流路２４の電磁弁２９が閉じられ、第二流路２５の電磁弁３０が開かれるので、蒸気使用設備８からのドレンは、蒸発器７を介さずに排出される。

蒸発器７の入口側または出口側において、第一流路２４内を通る流体（前述したように気液二相流）の圧力または温度を検出可能に、圧力センサまたは温度センサからなる第二センサ３１が設けられる。本実施例では、第二センサ３１は、第一流路２４の内、セパレータタンク２３と蒸発器７との間に設けられるが、蒸発器７と第二蒸気トラップ２６との間に設けたり、セパレータタンク２３に設けたりしてもよい。

本実施例では、ヒートポンプ２は、第一センサ２０と第二センサ３１との一方または双方の検出値に基づき圧縮機４が制御される。具体的には、（１）第一センサ２０による制御、（２）第二センサ３１による制御、（３）第一センサ２０と第二センサ３１との切換制御のいずれかが行われる。以下、それぞれの制御について、順に説明する。なお、第一センサ２０による制御を行う場合には、所望により第二センサ３１の設置を省略することができ、逆に、第二センサ３１による制御を行う場合には、所望により第一センサ２０の設置を省略することができる。

〈（１）第一センサ２０による制御〉
図２は、第一センサ２０の検出圧力、ボイラ蒸気供給弁１９の開閉状態、および圧縮機４の動作状態の対応関係を示す概略図である。ここでは、圧縮機４は、第一設定値（第一設定圧力）Ｐ１でオンオフされ、ボイラ蒸気供給弁１９は、第三設定値（第三設定圧力）Ｐ３で開閉される。

具体的には、第一センサ２０の検出圧力が第三設定値Ｐ３未満であると、圧縮機４は駆動されていると共にボイラ蒸気供給弁１９は開放している。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８へ供給される。そして、第三設定値Ｐ３以上になると、ボイラ蒸気供給弁１９が閉鎖し、ボイラ３からの蒸気供給は停止され、ヒートポンプ２から蒸気供給される。第一センサ２０の検出圧力が第一設定値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、第一センサ２０の検出圧力が第一設定値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、第三設定値Ｐ３未満になると、ボイラ蒸気供給弁１９が開いてボイラ３からも蒸気が供給される。なお、ボイラ蒸気供給弁１９が自力式の減圧弁の場合、ボイラ蒸気供給弁１９は、これらの動作を機械的に自力で行う。

第一設定値Ｐ１および第三設定値Ｐ３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されることで、比例制御やＰＩＤ制御されてもよい。さらに、ボイラ蒸気供給弁１９を電磁弁や電動弁により構成し、第一センサ２０の検出圧力に基づき、第三設定値Ｐ３でボイラ蒸気供給弁１９を開閉したり、第三設定値Ｐ３に維持するようにボイラ蒸気供給弁１９を開度調整したりしてもよい。

これらの場合について、図３に基づき説明する。なお、図３では、第一設定値Ｐ１のディファレンシャル（または比例帯）Ｐ１Ｈ〜Ｐ１Ｌと、第三設定値Ｐ３のディファレンシャル（または比例帯）Ｐ３Ｈ〜Ｐ３Ｌ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、第三上限圧力Ｐ３Ｈは、第一下限圧力Ｐ１Ｌよりも高圧に設定されてもよい。

まず、第一設定値Ｐ１および第三設定値Ｐ３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、第一設定値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、第一センサ２０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、第一センサ２０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、第三設定値Ｐ３については、第三上限圧力Ｐ３Ｈと第三下限圧力Ｐ３Ｌとが設定され、圧力上昇時、第三上限圧力Ｐ３Ｈ以上になるとボイラ蒸気供給弁１９が閉鎖し、圧力下降時、第三下限圧力Ｐ３Ｌ未満になるとボイラ蒸気供給弁１９が開放する。

次に、圧縮機４とボイラ蒸気供給弁１９を比例制御する場合の一例について説明する。この場合、第一センサ２０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。また、第一センサ２０の検出圧力に基づき、第三上限圧力Ｐ３Ｈと第三下限圧力Ｐ３Ｌとの範囲で、且つその第三上限圧力Ｐ３Ｈを設定値（目標値）としてボイラ蒸気供給弁１９を比例制御する。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、第三上限圧力Ｐ３Ｈ以上では、ボイラ蒸気供給弁１９は全閉し、第三下限圧力Ｐ３Ｌ未満では、ボイラ蒸気供給弁１９は全開する。なお、比例制御ではなくＰＩＤ制御を行ってもよい。

いずれにしても、第三設定値Ｐ３を第一設定値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８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８へ送ることができる。なお、いずれの場合も、第二センサ３１の検出値が下端値未満になると、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。

ところで、ボイラ蒸気供給弁１９の設置を省略する代わりに、第一センサ２０の検出圧力に基づき、ボイラ３を制御してもよい。この場合、図２において、圧縮機４は、第一設定値Ｐ１でオンオフされ、ボイラ３は、第三設定値Ｐ３でオンオフされる。

具体的には、第一センサ２０の検出圧力が第三設定値Ｐ３未満であると、圧縮機４は駆動されていると共にボイラ３も駆動されている。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８へ供給される。そして、第三設定値Ｐ３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。第一センサ２０の検出圧力が第一設定値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、第一センサ２０の検出圧力が第一設定値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、第三設定値Ｐ３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。

この場合も、図３と同様に、第一設定値Ｐ１および第三設定値Ｐ３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されることで、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三設定値Ｐ３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。

まず、第一設定値Ｐ１および第三設定値Ｐ３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、第一設定値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、第一センサ２０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、第一センサ２０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、第三設定値Ｐ３については、第三上限圧力Ｐ３Ｈと第三下限圧力Ｐ３Ｌとが設定され、圧力上昇時、第三上限圧力Ｐ３Ｈ以上になるとボイラ３が停止し、圧力下降時、第三下限圧力Ｐ３Ｌ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、第一センサ２０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。また、第一センサ２０の検出圧力に基づき、第三上限圧力Ｐ３Ｈと第三下限圧力Ｐ３Ｌとの範囲で、且つその第三上限圧力Ｐ３Ｈ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、第三上限圧力Ｐ３Ｈ以上では、ボイラ３は停止し、第三下限圧力Ｐ３Ｌ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、第二センサ３１により圧力または温度を監視し、この圧力または温度が下端値以下になると、ヒートポンプ２を運転しても所望の蒸気を得られないので、圧縮機４を停止させるのがよい。

ところで、ボイラ蒸気供給弁１９の設置を省略する代わりに、第一センサ２０の検出圧力に基づきボイラ３を制御する場合、ボイラ３からの蒸気路１７には、凝縮器５からの蒸気路１６との合流部よりも上流側に、逆止弁を設けておくのが好ましい。これにより、ボイラ３が停止中、凝縮器５からの蒸気がボイラ３へ逆流するのが防止される。

〈（２）第二センサ３１による制御〉
図４は、第二センサ３１の検出圧力または検出温度、排出弁２８の開閉状態、および圧縮機４の動作状態の対応関係を示す概略図である。ここでは、圧縮機４は、第二設定値（第二設定圧力Ｐ２または第二設定温度Ｔ２）でオンオフされ、排出弁２８は、第四設定値（第四設定圧力Ｐ４または第四設定温度Ｔ４）で開閉される。

なお、以下では、第二センサ３１が圧力センサとされ、第二設定値および第四設定値が圧力値Ｐ２，Ｐ４として設定され、圧力制御される場合について説明するが、第二センサ３１が温度センサとされ、第二設定値および第四設定値が温度値Ｔ２，Ｔ４として設定され、温度制御されてもよい。その場合、Ｐ２をＴ２、Ｐ４をＴ４、ＰＨをＴＨと読み替えれば、同様に制御可能である。

第二センサ３１の検出圧力が第二設定値Ｐ２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は停止されていると共に排出弁２８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８へ供給される。そして、第二センサ３１の検出圧力が第二設定値Ｐ２以上になると、圧縮機４が作動し、ヒートポンプ２から蒸気供給される。また、第四設定値Ｐ４以上になると、排出弁２８が開放し、ヒートポンプ２の保護が図られる。その後、万一、第二センサ３１の検出圧力がさらに上昇して上端値ＰＨ以上になると、圧縮機４を強制停止してもよい。一方、第四設定値Ｐ４未満になると、排出弁２８が閉じられ、その後、第二設定値Ｐ２未満になると、圧縮機４が停止する。なお、排出弁２８が自力式の減圧弁の場合、排出弁２８は、これらの動作を機械的に自力で行う。

第二設定値Ｐ２および第四設定値Ｐ４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されることで、比例制御やＰＩＤ制御されてもよい。さらに、排出弁２８を電磁弁や電動弁により構成し、第二センサ３１の検出圧力に基づき、第四設定値Ｐ４で排出弁２８を開閉したり、第４設定値Ｐ４に維持するように排出弁２８を開度調整したりしてもよい。

これらの場合について、図５に基づき説明する。なお、図５では、第二設定値Ｐ２のディファレンシャル（または比例帯）Ｐ２Ｈ〜Ｐ２Ｌと、第四設定値Ｐ４のディファレンシャル（または比例帯）Ｐ４Ｈ〜Ｐ４Ｌ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、第四下限圧力Ｐ４Ｌよりも高圧に設定されてもよい。

まず、第二設定値Ｐ２および第四設定値Ｐ４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、第二設定値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、第二センサ３１の検出圧力が第二上限圧力Ｐ２Ｈ以上になると圧縮機４が作動し、圧力下降時、第二センサ３１の検出圧力が第二下限圧力Ｐ２Ｌ未満になると圧縮機４が停止する。また、第四設定値Ｐ４については、第四上限圧力Ｐ４Ｈと第四下限圧力Ｐ４Ｌとが設定され、圧力上昇時、第四上限圧力Ｐ４Ｈ以上になると排出弁２８が開放し、圧力下降時、第四下限圧力Ｐ４Ｌ未満になると排出弁２８が閉鎖する。

次に、圧縮機４と排出弁２８を比例制御する場合の一例について説明する。この場合、第二センサ３１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、且つその第二下限圧力Ｐ２Ｌを設定値（目標値）として圧縮機４を比例制御する。また、第二センサ３１の検出圧力に基づき、第四上限圧力Ｐ４Ｈと第四下限圧力Ｐ４Ｌとの範囲で、且つその第四下限圧力Ｐ４Ｌを設定値（目標値）として排出弁２８を比例制御する。ここで、第二下限圧力Ｐ２Ｌ未満では、圧縮機４は停止し、第二上限圧力Ｐ２Ｈ以上では、圧縮機４は全負荷運転する。また、第四下限圧力Ｐ４Ｌ未満では、排出弁２８は全閉し、第四上限圧力Ｐ４Ｈ以上では、排出弁２８は全開する。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、第一センサ２０により蒸気圧を監視し、この圧力が上端値以上になると、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。

第二センサ３１の検出圧力に基づき圧縮機４を制御する場合、第一センサ２０の検出圧力に基づき圧縮機４を制御する場合のように、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、前述したようにボイラ蒸気供給弁１９などにより、ボイラ３からの給蒸を調整することで、蒸気使用設備８へは安定して蒸気を供給することができる。

〈（３）第一センサ２０と第二センサ３１との切換制御〉
第一センサ２０と第二センサ３１との切換制御は、図３による制御と、図５による制御との組合せといえる。具体的には、まず、圧縮機４は、第一センサ２０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、第二センサ３１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、且つその第二下限圧力Ｐ２Ｌ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、第一センサ２０による制御と第二センサ３１による制御との内、偏差率の小さい方の制御に適宜切り替えて、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、第一センサ２０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、第二センサ３１の検出圧力に基づき圧縮機４を比例制御すればよい。なお、次式において、現在圧力Ｐは、第一センサ２０により検出され、現在圧力Ｐ´は、第二センサ３１により検出される。

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＝（現在圧力Ｐ´−第二下限圧力Ｐ２Ｌ）／（第二上限圧力Ｐ２Ｈ−第二下限圧力Ｐ２Ｌ）

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、第二センサ３１の検出圧力が下端値未満になったり、第二センサ３１の検出圧力が上端値以上になったり、第一センサ２０の検出圧力が上端値以上になったりすると、圧縮機４を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。

また、第二センサ３１による制御では、第二センサ３１が圧力センサとされ、第二設定値が圧力値Ｐ２（第二上限圧力Ｐ２Ｈ，第二下限圧力Ｐ２Ｌ）で設定される場合について説明したが、第二センサ３１が温度センサとされ、第二設定値が温度値Ｔ２（第二上限温度Ｔ２Ｈ，第二下限温度Ｔ２Ｌ）で設定されてもよい。その場合、現在温度Ｔ´を第二センサ３１により検出して、次式を用いて第二偏差率η２を算出して、同様に制御すればよい。

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）

なお、第一上限圧力Ｐ１Ｈを第一上限値、第一下限圧力Ｐ１Ｌを第一下限値、第二上限圧力Ｐ２Ｈおよび第二上限温度Ｔ２Ｈを第二上限値、第二下限圧力Ｐ２Ｌおよび第二下限温度Ｔ２Ｌを第二下限値、第一センサ２０および第二センサ３１の各検出値を現在値ということで、第一偏差率η１と第二偏差率η２の算定式を次のようにまとめることができる。

第一偏差率η１＝（第一上限値−現在値）／（第一上限値−第一下限値）
第二偏差率η２＝（現在値−第二下限値）／（第二上限値−第二下限値）

第一センサ２０による制御と第二センサ３１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、第一センサ２０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、第二センサ３１の検出圧力（または検出温度）に基づき、第二上限圧力Ｐ２Ｈ（または第二上限温度Ｔ２Ｈ）と第二下限圧力Ｐ２Ｌ（または第二下限温度Ｔ２Ｌ）との範囲で、且つその第二下限圧力Ｐ２Ｌ（または第二下限温度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、第一センサ２０による制御における圧縮機４の操作量と、第二センサ３１による制御における圧縮機４の操作量とを求め、第一センサ２０による制御と第二センサ３１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、第一センサ２０による制御では操作量Ｘとする必要がある一方、第二センサ３１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、第一センサ２０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、第二センサ３１の検出圧力（または検出温度）に基づき圧縮機４を制御すればよい。

なお、操作量に基づき切替制御する場合において、ヒートポンプ２が複数段の場合、設定タイミング（たとえば設定時間ごと）で、第一センサ２０による制御における最上段の圧縮機４の操作量（第一操作量ｙ１）と、第二センサ３１による制御における最下段の圧縮機４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、第一センサ２０による制御を行う一方、前記定数以上なら第二センサ３１による制御を行えばよい。

図６は、本実施例１の蒸気システム１の変形例を示す図であり、変更箇所のみを示している。前記実施例では、ドレン排出機構として蒸気トラップ２２を用いたが、この図に示すように、水位検出器３２と排水弁３３とから構成してもよい。具体的には、蒸気使用設備８のドレンは、ドレンタンク３４と排水弁３３とを順に介して、セパレータタンク２３へ排出可能とされる。ドレンタンク３４には水位検出器３２が設けられており、水位検出器３２の検出信号に基づき排水弁３３の開閉が制御される。たとえば、電極式水位検出器を用いて、上限水位になれば排水弁３３を開け、下限水位になれば排水弁３３を閉じればよい。なお、図６では、第一蒸気トラップ２２の変形例として示しているが、第二蒸気トラップ２６についても同様に変更可能である。

その他、前記実施例およびその変形例において、セパレータタンク２３に代えて、単にＴ字継手を用いてもよい。また、セパレータタンク２３と排出弁２８に代えて、第一流路２４と第二流路２５との分岐部に三方弁を設け、この三方弁を排出弁２８と同様に制御してもよい。つまり、第一蒸気トラップ２２からのドレンを、第一流路２４へ流すか、第二流路２５へ流すかを、排出弁２８に代えて三方弁で調整することもできる。

図７は、本発明の蒸気システム１の実施例２を示す概略図である。本実施例２の蒸気システム１も、基本的には前記実施例１（その変形例を含む）と同様である。そこで、以下においては、両者の異なる点を中心に説明し、対応する箇所には同一の符号を付して説明する。

本実施例２では、蒸気使用設備８のドレンは、一旦、ドレン貯留部としてのバッファタンク３５に溜められる。そして、バッファタンク３５のドレンは、第一流路２４により蒸発器７へ供給可能とされると共に、第三流路３６により蒸発器７を介することなく排出可能とされる。

具体的には、バッファタンク３５には、下部に第一流路２４が接続され、それより上部に第三流路３６が接続される。第一流路２４には、バッファタンク３５の側から順に、導入弁３７、蒸発器７および第二蒸気トラップ２６が設けられる。導入弁３７は、本実施例では自力式の減圧弁（二次圧力調整弁）とされる。本実施例２では、蒸気使用設備８からのドレン排出機構は、バッファタンク３５と導入弁３７とを備えて構成される。

このような構成であるから、蒸気使用設備８のドレンは、導入弁３７により低圧下に排出された後、蒸発器７を通過後に、第二蒸気トラップ２６によりさらに低圧の大気圧下に排出される。そして、第二蒸気トラップ２６からの排水は、サブヒータ２７が設けられている場合にはサブヒータ２７を介して、給水タンク１０へ戻される。

一方、第三流路３６には、第三蒸気トラップ３８が設けられる。バッファタンク３５に対して第三流路３６は第一流路２４よりも上方に接続されているので、バッファタンク３５からオーバーフローするドレンが第三流路３６から排出される。そして、その排水は、第三蒸気トラップ３８を介して、給水タンク１０へ戻される。

緊急時や停電時のために、第一流路２４には、導入弁３７とバッファタンク３５との間に、ノーマルクローズド型の電磁弁３９を設けるのが好ましい。この場合、通常時には、第一流路２４の電磁弁３９は開かれた状態に維持される。そして、緊急時や停電時には、第一流路２４の電磁弁３９が閉じられるので、蒸気使用設備８のドレンは、第三流路３６により蒸発器７を介さずに排出される。

蒸発器７の入口側または出口側において、第一流路２４内を通る流体の圧力または温度を検出可能に、圧力センサまたは温度センサからなる第二センサ３１が設けられる。本実施例では、第二センサ３１は、第一流路２４の内、導入弁３７と蒸発器７との間に設けられるが、蒸発器７と第二蒸気トラップ２６との間に設けてもよい。

ところで、図示例では、第三流路３６を第一流路２４よりも上方においてバッファタンク３５に接続することで、バッファタンク３５からオーバーフローするドレンを第三流路３６の第三蒸気トラップ３８を介して排出する例を示したが、バッファタンク３５内の水位によりドレンを適宜排出してもよい。具体的には、第三流路３６もバッファタンク３５の下部（または第一流路２４の内、導入弁３７や電磁弁３９より上流側から分岐するよう設けてもよい）に接続し、その第三流路３６に電磁弁または電動弁を設け、バッファタンク３５内の水位が所定以上にならないように適宜、この弁を開けるように制御してもよい。

本実施例でも、ヒートポンプ２は、第一センサ２０と第二センサ３１との一方または双方の検出値に基づき圧縮機４が制御される。具体的には、（１）第一センサ２０による制御、（２）第二センサ３１による制御、（３）第一センサ２０と第二センサ３１との切換制御のいずれかが行われる。この内、第一センサ２０による制御は、前記実施例１と同様であるから、ここでは、第二センサ３１による制御について説明する。

図８は、第二センサ３１の検出圧力または検出温度、導入弁３７の開閉状態、および圧縮機４の動作状態の対応関係を示す概略図である。ここでは、圧縮機４は、第二設定値（第二設定圧力Ｐ２または第二設定温度Ｔ２）でオンオフされ、導入弁３７は、第四設定値（第四設定圧力Ｐ４または第四設定温度Ｔ４）で開閉される。

なお、以下では、第二センサ３１が圧力センサとされ、第二設定値および第四設定値が圧力値Ｐ２，Ｐ４として設定され、圧力制御される場合について説明するが、第二センサ３１が温度センサとされ、第二設定値および第四設定値が温度値Ｔ２，Ｔ４として設定され、温度制御されてもよい。その場合、Ｐ２をＴ２、Ｐ４をＴ４、ＰＨをＴＨと読み替えれば、同様に制御可能である。

第二センサ３１の検出圧力が第二設定値Ｐ２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は停止されていると共に導入弁３７は開放している。この状態では、ボイラ３からの蒸気が蒸気使用設備８へ供給される。そして、第二センサ３１の検出圧力が第二設定値Ｐ２以上になると、圧縮機４が作動し、ヒートポンプ２から蒸気供給される。また、第四設定値Ｐ４以上になると、導入弁３７が閉鎖し、ヒートポンプ２の保護が図られる。その後、万一、第二センサ３１の検出圧力がさらに上昇して上端値ＰＨ以上になると、圧縮機４を強制停止してもよい。一方、第四設定値Ｐ４未満になると、導入弁３７が開かれ、その後、第二設定値Ｐ２未満になると、圧縮機４が停止する。なお、導入弁３７が自力式の減圧弁の場合、導入弁３７は、これらの動作を機械的に自力で行う。

第二設定値Ｐ２および第四設定値Ｐ４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されることで、比例制御やＰＩＤ制御されてもよい。さらに、導入弁３７を電磁弁や電動弁により構成し、第二センサ３１の検出圧力に基づき、第四設定値Ｐ４で導入弁３７を開閉したり、第４設定値Ｐ４に維持するように導入弁３７を開度調整したりしてもよい。

これらの場合について、図９に基づき説明する。なお、図９では、第二設定値Ｐ２のディファレンシャル（または比例帯）Ｐ２Ｈ〜Ｐ２Ｌと、第四設定値Ｐ４のディファレンシャル（または比例帯）Ｐ４Ｈ〜Ｐ４Ｌ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、第四下限圧力Ｐ４Ｌよりも高圧に設定されてもよい。

まず、第二設定値Ｐ２および第四設定値Ｐ４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、第二設定値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、第二センサ３１の検出圧力が第二上限圧力Ｐ２Ｈ以上になると圧縮機４が作動し、圧力下降時、第二センサ３１の検出圧力が第二下限圧力Ｐ２Ｌ未満になると圧縮機４が停止する。また、第四設定値Ｐ４については、第四上限圧力Ｐ４Ｈと第四下限圧力Ｐ４Ｌとが設定され、圧力上昇時、第四上限圧力Ｐ４Ｈ以上になると導入弁３７が閉鎖し、圧力下降時、第四下限圧力Ｐ４Ｌ未満になると導入弁３７が開放する。

次に、圧縮機４と導入弁３７を比例制御する場合の一例について説明する。この場合、第二センサ３１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、且つその第二下限圧力Ｐ２Ｌを設定値（目標値）として圧縮機４を比例制御する。また、第二センサ３１の検出圧力に基づき、第四上限圧力Ｐ４Ｈと第四下限圧力Ｐ４Ｌとの範囲で、且つその第四下限圧力Ｐ４Ｌを設定値（目標値）として導入弁３７を比例制御する。ここで、第二下限圧力Ｐ２Ｌ未満では、圧縮機４は停止し、第二上限圧力Ｐ２Ｈ以上では、圧縮機４は全負荷運転する。また、第四下限圧力Ｐ４Ｌ未満では、導入弁３７は全開し、第四上限圧力Ｐ４Ｈ以上では、導入弁２７は全閉する。なお、比例制御ではなくＰＩＤ制御を行ってもよい。その他の構成および制御は、前記実施例１と同様のため、説明を省略する。

図１０は、本発明の蒸気システム１の実施例３を示す概略図である。本実施例３の蒸気システム１も、基本的には前記実施例１（その変形例を含む）と同様である。そこで、以下においては、両者の異なる点を中心に説明し、対応する箇所には同一の符号を付して説明する。

本実施例３では、セパレータタンク２３からの第一流路２４には、第二蒸気トラップ２６が設けられず、第一流路２４の先端はそのまま大気圧下に開口されている。従って、蒸気使用設備８のドレンは、第一蒸気トラップ２２を介して直接に大気圧下（管路の圧力損失は無視）に排出されることになる。この場合、蒸気使用設備８のドレンは、第一蒸気トラップ２２を介して排出されることで、フラッシュ蒸気およびその凝縮水となり、蒸発器７において凝縮を図られた後、給水タンク１０へ排出される。

なお、図示例では、前記実施例１におけるサブヒータ２７の設置を省略しているが、本実施例３においても、所望によりサブヒータ２７を設置してもよい。その場合、蒸発器７からの排水で、膨張弁６から蒸発器７への冷媒の加温が図られる。

また、本実施例３では、第二蒸気トラップ２６の設置が省略されて、セパレータタンク２３および第一流路２４内が大気圧下に開放されるので、第二センサ３１として、圧力センサではなく温度センサが用いられる。また、第二センサ３１の設置位置は、第一流路２４の内、蒸発器７の出口側とするのがよい。サブヒータ２７が設けられる場合、第二センサ３１は、サブヒータ２７の出口側に設置するのがよい。さらに、排出弁２８は、自力式の減圧弁ではなく、電磁弁または電動弁とされる。

そして、第二センサ３１の検出温度に基づき、圧縮機４や排出弁２８が制御される。そのため、本実施例３では、第二設定値および第四設定値は、温度値Ｔ２，Ｔ４として設定される。但し、排出弁２８は、第二センサ３１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。その他の構成および制御は、前記実施例１と同様のため、説明を省略する。

図１１は、本発明の蒸気システム１の実施例４を示す概略図である。本実施例４の蒸気システム１は、基本的には前記実施例２（その変形例を含む）と同様である。そこで、以下においては、両者の異なる点を中心に説明し、対応する箇所には同一の符号を付して説明する。

本実施例４では、バッファタンク３５からの第一流路２４には、第二蒸気トラップ２６が設けられず、第一流路２４の先端はそのまま大気圧下に開口されている。従って、蒸気使用設備８のドレンは、導入弁３７を介して直接に大気圧下（管路の圧力損失は無視）に排出されることになる。この場合、蒸気使用設備８のドレンは、導入弁３７を介して排出されることで、フラッシュ蒸気およびその凝縮水となり、蒸発器７において凝縮を図られた後、給水タンク１０へ排出される。

なお、図示例では、前記実施例１におけるサブヒータ２７の設置を省略しているが、本実施例４においても、所望によりサブヒータ２７を設置してもよい。その場合、蒸発器７からの排水で、膨張弁６から蒸発器７への冷媒の加温が図られる。

また、本実施例４では、第二蒸気トラップ２６の設置が省略されて、導入弁３７より下流側の第一流路２４内が大気圧下に開放されるので、第二センサ３１として、圧力センサではなく温度センサが用いられる。また、第二センサ３１の設置位置は、第一流路２４の内、蒸発器７の出口側とするのがよい。サブヒータ２７が設けられる場合、第二センサ３１は、サブヒータ２７の出口側に設置するのがよい。さらに、導入弁３７は、自力式の減圧弁ではなく、電磁弁または電動弁とされる。

そして、第二センサ３１の検出温度に基づき、圧縮機４や導入弁３７が制御される。そのため、本実施例４では、第二設定値および第四設定値は、温度値Ｔ２，Ｔ４として設定される。但し、前記実施例３で述べた排出弁２８の場合と同様に、本実施例４の導入弁３７は、第二センサ３１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。その他の構成および制御は、前記実施例２と同様のため、説明を省略する。

本発明の蒸気システム１は、前記各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。

第一センサ２０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、第一センサ２０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。

第二センサ３１の検出圧力または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、第二センサ３１の検出値に基づき制御され、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。

単段または複数段の各ヒートポンプ２は、図示例の構成に限らず、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。

また、前記各実施例では、蒸気システム１は、ヒートポンプ２とボイラ３との双方を備えたが、所望によりボイラ３は省略することができる。その場合、第一センサ２０は、凝縮器５またはそこからの蒸気路１６，２１などにおいて、凝縮器５からの蒸気の圧力を検出することになる。そして、この場合も、第一センサ２０と第二センサ３１との一方または双方を備えて、そのセンサの検出値に基づき圧縮機４を制御すればよい。

さらに、前記各実施例では、蒸気使用設備８のドレンは、各流路２４，２５，３６を介してボイラ３の給水タンク１０に排出されたが、必ずしも給水タンク１０へ戻さなくてもよい。また、たとえば、間接熱交換器を用いて、各流路２４，２５，３６からの流体で、ボイラ３の給水タンク１０の水の加温を図るようにしてもよい。

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 蒸気使用設備
１９ ボイラ蒸気供給弁
２０ 第一センサ
２２ 第一蒸気トラップ（ドレン排出機構）
２４ 第一流路
２５ 第二流路
２６ 第二蒸気トラップ
２８ 排出弁
３１ 第二センサ
３５ バッファタンク（ドレン貯留部）
３６ 第三流路
３７ 導入弁
３８ 第三蒸気トラップ
Ｐ１ 第一設定圧力（第一設定値）
Ｐ１Ｈ 第一上限圧力（第一上限値）
Ｐ１Ｌ 第一下限圧力（第一下限値）
Ｐ２ 第二設定圧力（第二設定値）
Ｐ２Ｈ 第二上限圧力（第二上限値）
Ｐ２Ｌ 第二下限圧力（第二下限値）
Ｔ２ 第二設定温度（第二設定値）
Ｔ２Ｈ 第二上限温度（第二上限値）
Ｔ２Ｌ 第二下限温度（第二下限値）
Ｐ３ 第三設定圧力（第三設定値）
Ｐ４ 第四設定圧力（第四設定値）
Ｔ４ 第四設定温度（第四設定値）

Claims (11)

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を備え、
   蒸気使用設備からドレン排出機構を介して排出される流体が、前記蒸発器に通されて前記冷媒と熱交換可能とされ、
   第一センサと第二センサとの一方または双方を備え、その検出値に基づき前記圧縮機が制御され、
   前記第一センサは、前記凝縮器からの蒸気の圧力を検出し、
   前記第二センサは、前記蒸発器の入口側または出口側において、前記ドレン排出機構からの流体の圧力または温度を検出する
   ことを特徴とする蒸気システム。
2. 前記蒸気使用設備のドレンは、前記ドレン排出機構により低圧下に排出された後、前記蒸発器を通過後にさらに低圧の大気圧下に排出され、
   前記第二センサは、前記蒸発器の入口側または出口側において、前記流体の圧力または温度を検出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の蒸気システム。
3. 前記蒸気使用設備のドレンは、前記ドレン排出機構により大気圧下に排出され、
   前記第二センサは、前記蒸発器の出口側において、前記流体の温度を検出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の蒸気システム。
4. 前記ドレン排出機構からの流体流路は、前記ドレン排出機構からの流体を前記蒸発器を介して排出する第一流路と、前記蒸発器を介さずに排出弁を介して排出する第二流路とに分岐されている
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の蒸気システム。
5. 前記蒸気使用設備からのドレンを溜めるドレン貯留部と、このドレン貯留部からのドレンを導入弁および前記蒸発器を介して排出する第一流路と、前記ドレン貯留部からのドレンを前記導入弁および前記蒸発器を介さずに排出する第三流路とを備え、
   前記ドレン排出機構は、前記ドレン貯留部と前記導入弁とを備えて構成される
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の蒸気システム。
6. 前記凝縮器からの蒸気に、ボイラからの蒸気がボイラ蒸気供給弁を介して合流するよう構成され、
   前記第一センサは、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、
   前記圧縮機は、前記第一センサの検出値を第一設定値に維持するよう制御され、
   前記ボイラ蒸気供給弁は、それより下流側の圧力を第三設定値に維持するよう開閉または開度が調整され、
   前記第三設定値は、前記第一設定値よりも低く設定される
   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. 前記凝縮器からの蒸気に、ボイラからの蒸気が合流するよう構成され、
   前記第一センサは、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、
   前記圧縮機は、前記第一センサの検出値を第一設定値に維持するよう制御され、
   前記ボイラは、前記第一センサの検出値を第三設定値に維持するよう制御され、
   前記第三設定値は、前記第一設定値よりも低く設定される
   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。
8. 前記圧縮機は、前記第二センサの検出値を第二設定値に維持するよう制御され、
   前記排出弁は、それより上流側の圧力もしくは温度または前記第二センサの検出値を、第四設定値に維持するよう開閉または開度が調整され、
   前記第二設定値は、前記第四設定値よりも低く設定される
   ことを特徴とする請求項４に記載の蒸気システム。
9. 前記圧縮機は、前記第二センサの検出値を第二設定値に維持するよう制御され、
   前記導入弁は、それより下流側を第四設定値に維持するよう開閉または開度が調整され、
   前記第二設定値は、前記第四設定値よりも低く設定される
   ことを特徴とする請求項５に記載の蒸気システム。
10. 前記第一センサの検出値に基づき、第一上限値と第一下限値との範囲で、且つその第一上限値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、
    前記第二センサの検出値に基づき、第二上限値と第二下限値との範囲で、且つその第二下限値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各センサによる現在値に基づき、次式により第一偏差率と第二偏差率とを求め、前記第一センサによる制御と前記第二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。
    第一偏差率＝（第一上限値−現在値）／（第一上限値−第一下限値）
    第二偏差率＝（現在値−第二下限値）／（第二上限値−第二下限値）
11. 前記第一センサの検出値に基づき、第一上限値と第一下限値との範囲で、且つその第一上限値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、
    前記第二センサの検出値に基づき、第二上限値と第二下限値との範囲で、且つその第二下限値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各センサによる現在値に基づき、前記第一センサによる制御における前記圧縮機の操作量と、前記第二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、前記第一センサによる制御と前記第二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。

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