JP5742079B2 - 蒸気システム - Google Patents

Description

本発明は、蒸気使用設備からのドレンを熱源に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、工場から排出される５０〜９５℃程度の排温水を熱源に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、給水を加熱し蒸気を発生させる。

特開２０１０−３８３９１号公報

しかしながら、従来技術は、蒸気使用設備からのドレンを用いるものではない。一般に、蒸気使用設備からのドレンの方が単なる排温水よりも高温であるが、従来、ドレンは、ボイラへの給水タンクに戻して再利用される程度であった。

本発明が解決しようとする課題は、蒸気使用設備から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、単段または複数段のヒートポンプを備え、このヒートポンプは、蒸気使用設備からのドレンが蒸発器に通される一方、凝縮器において水を加熱して蒸気を発生させ、前記蒸気使用設備のドレンは、第一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、第二ドレン排出機構によりさらに低圧下に排出され、前記蒸発器を通過後のドレンの一部を、大気圧下へ開放することなく、前記第二ドレン排出機構より上流側から、給水ポンプを介して前記凝縮器へ供給して蒸気化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。

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を凝縮器に供給して蒸気化するので、ドレンの廃熱をさらに回収することができる。しかも、ドレンは、純水に近いので、凝縮器を構成する熱交換器へのスケールの付着を防止することができる。

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を、蒸発器に通した後、一部を凝縮器へ供給して蒸気化するので、ヒートポンプで熱回収後、凝縮器でさらに熱回収を図ることができる。

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を、大気圧下へ開放することなく凝縮器へ供給するので、１００℃を超える状態で凝縮器へ供給することができ、効率的に蒸気を発生させることができる。

さらに、請求項２に記載の発明は、前記凝縮器内の水位、または前記凝縮器からの蒸気の過熱度に基づき、前記凝縮器への給水を制御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、凝縮器内の水位、または凝縮器からの蒸気の過熱度に基づき、凝縮器への給水を制御して、所望の蒸気を得ることができる。

本発明によれば、蒸気使用設備から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（後述するようにドレンを含む）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、たとえば純水または軟水が用いられる。たとえば、純水または軟水が貯留された給水タンク１０内の水を、適宜、給水ポンプ１１で凝縮器５へ供給すればよい。なお、給水タンク１０内の水は、凝縮器５への給水に代えてまたはこれに加えて、ボイラ３への給水として用いてもよい。

また、凝縮器５への給水として、蒸気使用設備８からのドレンを用いることもできる。ドレンは純水に近いので、ドレンを凝縮器５に供給する場合も、凝縮器５を構成する熱交換器内へのスケールの付着を防止することができる。

さらに、凝縮器５への給水として、純水または軟水と、ドレンとの混合水を用いてもよい。たとえば、純水または軟水を適宜補給可能な給水タンク１０に、蒸気使用設備８からのドレンを排出し、その給水タンク１０内の水を、適宜、給水ポンプ１１で凝縮器５へ供給すればよい。または、蒸気使用設備８からのドレンを凝縮器５へ供給する管路に、純水または軟水の供給管路（図示省略）を合流させてもよい。

凝縮器５への給水として蒸気使用設備８からのドレンを用いる場合、蒸気使用設備８からのドレンを、たとえば開放タンクとしての給水タンク１０に排出するなどして大気圧下に開放後に、その水（ドレンのみまたはこれに純水または軟水を混ぜたもの）を凝縮器５へ供給してもよいし、蒸気使用設備８からのドレンを、大気圧下に開放することなく、凝縮器５へ供給してもよい。後者の場合、１００℃を超える状態で凝縮器５へ供給することができ、効率的に蒸気を発生させることができる。蒸気使用設備８からのドレンを一旦、給水タンク１０に排出した後、凝縮器５へ供給する場合でも、給水タンク１０が上方へ開口せず大気圧を超える圧力でドレンを貯留可能に構成すれば、蒸気使用設備８からのドレンを、１００℃を超える温度で凝縮器５へ供給することもできる。なお、ここでは、凝縮器５への給水系統について説明したが、ボイラ３への給水系統を同様に構成することもできる。

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、基本的には、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。ここでは、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。

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サブクーラ（図示省略）を設けてもよい。

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（ドレンを含む）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には給水ポンプ１１により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からの純水または軟水、あるいはこれに代えてまたはこれに混ぜられて、蒸気使用設備８からのドレンが、給水ポンプ１１、給水弁１２、逆止弁１３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、凝縮器５内の水位に基づき、給水弁１２を制御するのではなく、給水ポンプ１１をインバータ制御してもよい。この場合、給水弁１２の設置を省略することもできる。また、凝縮器５への給水は、凝縮器５内の水位に基づき制御する以外に、凝縮器５からの蒸気の過熱度に基づき制御してもよい。この場合、凝縮器５からの蒸気路１６（逆止弁１８より上流側）に、圧力センサ（図示省略）と温度センサ（図示省略）とを設け、その検出圧力と検出温度とから蒸気の過熱度を把握し、所望の過熱度になるように給水弁１２または給水ポンプ１１を同様に制御すればよい。

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によりさらに低圧下（典型的には大気圧下）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。なお、第二蒸気トラップ２６からの排水は、そのまま捨ててもよいし、ボイラ３および／または凝縮器５への給水タンク１０へ供給してもよいし、このような給水タンク１０を介さずに凝縮器５への給水として用いてもよい。

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によりさらに低圧下（典型的には大気圧下）に排出可能とされる。そして、排出弁２８からの流体は、そのまま捨ててもよいし、ボイラ３および／または凝縮器５への給水タンク１０へ供給してもよいし、このような給水タンク１０を介さずに凝縮器５への給水として用いてもよい。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。

前述したように、凝縮器５へは、純水もしくは軟水、蒸気使用設備８からのドレン、またはこのようなドレンと純水もしくは軟水との混合水が供給される。そのための給水系統は特に問わないが、たとえば、以下の構成とすることができる。なお、蒸気使用設備８からのドレンは、液体のみの状態の他、気液二相の状態（大気圧を超える状態のドレンをそれより低圧下に放出した場合に生じるフラッシュ蒸気とその凝縮水）であってもよい。
（Ａ）二点鎖線Ａで示すように、セパレータタンク２３で分離された液体からなるドレンを、排出弁２８より上流側から、給水ポンプ１１の入口側へ供給する。
（Ｂ）二点鎖線Ｂで示すように、蒸発器７を通過後のドレンを、第二蒸気トラップ２６より上流側から、給水ポンプ１１の入口側へ供給する。
（Ｃ）二点鎖線Ｃで示すように、蒸発器７を通過後のドレンを、第二蒸気トラップ２６より下流側から、給水ポンプ１１の入口側へ供給する。
（Ｄ）図１下部の破線領域に示すように、第二蒸気トラップ２６からのドレン、および／または、排出弁２８からのドレンなどを、一旦、給水タンク１０に溜め、この給水タンク１０内の水を、給水ポンプ１１の入口側へ供給する。給水タンク１０には、蒸気使用設備８からのドレンの他、純水または軟水が適宜供給されてもよい。
（Ｅ）前記Ａ〜Ｄのいずれか二以上の組合せでもよい。この場合、二以上の給水路が合流して凝縮器５へ給水されるが、各給水路内の圧力が異なる場合には、各給水路が合流した後に給水ポンプ１１を設けるのではなく、合流部より手前において各給水路に給水ポンプ１１を設ければよい。

ところで、仮にヒートポンプ２を設置せず、蒸気使用設備８からのドレンを単にボイラ３への給水として回収する場合には、蒸気使用設備８からボイラ３への距離が長いと、ドレンがボイラ３へ戻るまでに放熱してしまい熱回収率が下がるし、逆に蒸気使用設備８からボイラ３への距離が短くても、給水タンク１０においてフラッシュ蒸気を逃がしていたのでは、その分だけ熱回収率が下がることになる。ところが、本実施例のように、蒸気使用設備８からのドレンの少なくとも一部をヒートポンプ２の熱源として用いることで、そのような不都合を防止することができる。つまり、蒸気使用設備８の近くで比較的高温のドレンからヒートポンプ２で熱回収して、蒸気を発生させることができる。しかも、ヒートポンプ２の熱源として用いることで、フラッシュ蒸気による大気中への放熱を抑制して、熱回収率を向上することもできる。

また、仮にヒートポンプ２を設置せず、蒸気使用設備８からのドレンを単にボイラ３への給水として回収する場合には、ドレンを大気圧下に開放することなく回収するよう構成しても、次のような不都合がある。すなわち、ボイラ３にエコノマイザ（図示省略）を設けて、ボイラ３からの排ガス熱でボイラ３への給水を予熱しようとすると、ドレン回収により給水が高温になり過ぎると、ボイラ３の効率の向上が望めない。ところが、本実施例のように、蒸気使用設備８からのドレンをヒートポンプ２の熱源として用いた後に、ボイラ３への給水に用いれば、エコノマイザにおいて有効に熱回収を図ることができる。

さらに、仮にヒートポンプ２を設置せず、蒸気使用設備８からのドレンを単にボイラ３への給水として回収する場合には、ドレンを大気圧下に開放するか否かに拘わらず、ボイラ３への給水路に、フラッシュ蒸気が混ざりやすく、配管内の圧損が大きくなるおそれがある。ところが、本実施例のように、蒸気使用設備８からのドレンをヒートポンプ２の熱源として用いた後に、ボイラ３への給水に用いれば、ボイラ３への給水路へのフラッシュ蒸気の混入を防止して、圧損を低減することもできる。

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によりさらに低圧下（典型的には大気圧下）に排出される。そして、第二蒸気トラップ２６からの排水は、そのまま捨ててもよいし、ボイラ３および／または凝縮器５への給水タンク１０へ供給してもよいし、このような給水タンク１０を介さずに凝縮器５への給水として用いてもよい。

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を介して排出される。そして、第三蒸気トラップ３８からの排水は、そのまま捨ててもよいし、ボイラ３および／または凝縮器５への給水タンク１０へ供給してもよいし、このような給水タンク１０を介さずに凝縮器５への給水として用いてもよい。

本実施例２の場合も、凝縮器５へは、純水もしくは軟水、蒸気使用設備８からのドレン、またはこのようなドレンと純水もしくは軟水との混合水が供給される。そのための給水系統は特に問わないが、たとえば、前記実施例１と同様に、以下の構成とすることができる。
（Ａ）二点鎖線Ａで示すように、バッファタンク３５からのドレンを、導入弁３７より上流側（後述する電磁弁３９を設ける場合は、それより上流側または下流側のいずれでもよい。）から、給水ポンプ１１の入口側へ供給する。
（Ｂ）二点鎖線Ｂで示すように、蒸発器７を通過後のドレンを、第二蒸気トラップ２６より上流側から、給水ポンプ１１の入口側へ供給する。
（Ｃ）二点鎖線Ｃで示すように、蒸発器７を通過後のドレンを、第二蒸気トラップ２６より下流側から、給水ポンプ１１の入口側へ供給する。
（Ｄ）図７下部の破線領域に示すように、第二蒸気トラップ２６からのドレン、および／または、第三蒸気トラップ３８からのドレンなどを、一旦、給水タンク１０に溜め、この給水タンク１０内の水を、給水ポンプ１１の入口側へ供給する。給水タンク１０には、蒸気使用設備８からのドレンの他、純水または軟水が適宜供給されてもよい。なお、給水タンク１０は、前記実施例１と同様に、上方へ開口せず大気圧を超える圧力でドレンを貯留可能としてもよい。
（Ｅ）前記Ａ〜Ｄのいずれか二以上の組合せでもよい。この場合、二以上の給水路が合流して凝縮器５へ給水されるが、各給水路内の圧力が異なる場合には、各給水路が合流した後に給水ポンプ１１を設けるのではなく、合流部より手前において各給水路に給水ポンプ１１を設ければよい。

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３７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、排出される。

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。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。

本実施例３の場合も、凝縮器５へは、純水もしくは軟水、蒸気使用設備８からのドレン、またはこのようなドレンと純水もしくは軟水との混合水が供給される。そのための給水系統は特に問わないが、たとえば、前記実施例１と同様に、以下の構成とすることができる。
（Ａ）二点鎖線Ａで示すように、セパレータタンク２３で分離された液体からなるドレンを、排出弁２８より上流側から、給水ポンプ１１の入口側へ供給する。
（Ｂ）二点鎖線Ｂで示すように、蒸発器７を通過後のドレンを、給水ポンプ１１の入口側へ供給する。
（Ｃ）図１０下部の破線領域に示すように、蒸発器７からのドレン、および／または、排出弁２８からのドレンなどを、一旦、給水タンク１０に溜め、この給水タンク１０内の水を、給水ポンプ１１の入口側へ供給する。給水タンク１０には、蒸気使用設備８からのドレンの他、純水または軟水が適宜供給されてもよい。
（Ｄ）前記Ａ〜Ｃのいずれか二以上の組合せでもよい。この場合、二以上の給水路が合流して凝縮器５へ給水されるが、各給水路内の圧力が異なる場合には、各給水路が合流した後に給水ポンプ１１を設けるのではなく、合流部より手前において各給水路に給水ポンプ１１を設ければよい。

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、排出される。

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。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。

本実施例４の場合も、凝縮器５へは、純水もしくは軟水、蒸気使用設備８からのドレン、またはこのようなドレンと純水もしくは軟水との混合水が供給される。そのための給水系統は特に問わないが、たとえば、前記実施例２と同様に、以下の構成とすることができる。
（Ａ）二点鎖線Ａで示すように、バッファタンク３５からのドレンを、導入弁３７より上流側（電磁弁３９を設ける場合は、それより上流側または下流側のいずれでもよい。）から、給水ポンプ１１の入口側へ供給する。
（Ｂ）二点鎖線Ｂで示すように、蒸発器７を通過後のドレンを、給水ポンプ１１の入口側へ供給する。
（Ｃ）図１１下部の破線領域に示すように、蒸発器７からのドレン、および／または、第三蒸気トラップ３８からのドレンなどを、一旦、給水タンク１０に溜め、この給水タンク１０内の水を、給水ポンプ１１の入口側へ供給する。給水タンク１０には、蒸気使用設備８からのドレンの他、純水または軟水が適宜供給されてもよい。
（Ｄ）前記Ａ〜Ｃのいずれか二以上の組合せでもよい。この場合、二以上の給水路が合流して凝縮器５へ給水されるが、各給水路内の圧力が異なる場合には、各給水路が合流した後に給水ポンプ１１を設けるのではなく、合流部より手前において各給水路に給水ポンプ１１を設ければよい。

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、純水もしくは軟水、蒸気使用設備８からのドレン、またはこのドレンと純水もしくは軟水との混合水を、凝縮器５に供給して蒸気化する例を説明したが、純水または軟水を凝縮器５へ供給する場合、その純水または軟水と、蒸気使用設備８からのドレンとを熱交換器で間接熱交換して、純水または軟水を予熱してから凝縮器５に供給するようにしてもよい。ドレンを直接に凝縮器５に供給する場合には、配管内の状況によっては、錆などがドレンと共に凝縮器５へ供給されて、凝縮器５を構成する熱交換器を詰まらせるおそれがあるが、ドレンの熱で加温した純水または軟水を凝縮器５へ供給することで、錆などで凝縮器５を詰まらせることが防止される。

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 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

Claims (2)

1. 単段または複数段のヒートポンプを備え、
   このヒートポンプは、蒸気使用設備からのドレンが蒸発器に通される一方、凝縮器において水を加熱して蒸気を発生させ、
   前記蒸気使用設備のドレンは、第一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、第二ドレン排出機構によりさらに低圧下に排出され、
   前記蒸発器を通過後のドレンの一部を、大気圧下へ開放することなく、前記第二ドレン排出機構より上流側から、給水ポンプを介して前記凝縮器へ供給して蒸気化する
   ことを特徴とする蒸気システム。
2. 前記凝縮器内の水位、または前記凝縮器からの蒸気の過熱度に基づき、前記凝縮器への給水を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の蒸気システム。

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