JP6066071B2 - 給水加温システム - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプを用いた給水加温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、ボイラ（２４）の給水タンク（２３）への給水を、ヒートポンプ（１２）を用いて加温できるシステムが知られている。また、出願人は、この従来技術に比べてヒートポンプの効率をさらに向上した給水加温システムを提案し、既に特許出願を済ませている（特願２０１２−７９１９１）。

この出願中の給水加温システムは、ヒートポンプと給水タンクとを備え、給水路を介した給水タンクへの給水は、廃熱回収熱交換器、過冷却器および凝縮器を順に通される。廃熱回収熱交換器は、給水路を介した給水タンクへの給水と、蒸発器を通過後の熱源流体との間接熱交換器であり、過冷却器は、給水路を介した給水タンクへの給水と、凝縮器から膨張弁への冷媒との間接熱交換器である。給水路を介した給水タンクへの給水中、ヒートポンプを運転すると共に、ヒートポンプの凝縮器の出口側水温を設定温度に維持するように、凝縮器への通水量を調整するのが好ましい。

特開２０１０−２５４３１号公報（図２、図３）

しかしながら、一旦給水タンクへ水が供給されると、その給水タンク内の水をヒートポンプで加温することはできない。そのため、たとえば朝一などの冷態起動時には、低温の水がボイラへ供給される不都合がある。

本発明が解決しようとする課題は、給水タンク内の貯留水の加温が可能な給水加温システムを提供することにある。

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、前記蒸発器に通される熱源流体から熱をくみ上げ、前記凝縮器に通される水を加温するヒートポンプと、このヒートポンプを介して給水路により給水可能であると共に、ヒートポンプを介さずに補給水路により給水可能な給水タンクとを備え、前記給水タンク内の貯留水は、前記ヒートポンプとの間で循環して加温可能であることを特徴とする給水加温システムである。

請求項１に記載の発明によれば、給水タンクには、ヒートポンプを介して給水路により給水可能であると共に、ヒートポンプを介さずに補給水路により給水可能であり、しかも、給水タンク内の貯留水は、ヒートポンプとの間で循環して加温可能である。

請求項２に記載の発明は、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水は、廃熱回収熱交換器、過冷却器および前記凝縮器を順に通され、前記廃熱回収熱交換器は、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水と、前記蒸発器を通過後の熱源流体との間接熱交換器であり、前記過冷却器は、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水と、前記凝縮器から前記膨張弁への冷媒との間接熱交換器であり、前記給水タンク内の貯留水の循環水は、前記凝縮器を通されることを特徴とする請求項１に記載の給水加温システムである。

請求項２に記載の発明によれば、給水路を介した給水タンクへの給水は、廃熱回収熱交換器、過冷却器および凝縮器を順に通される一方、ヒートポンプの熱源流体は、蒸発器および廃熱回収熱交換器を順に通される。蒸発器を通過後の熱源流体の熱や、凝縮器を通過後の冷媒の熱を用いて、凝縮器への給水を予熱しておくことで、ヒートポンプの効率を向上することができる。また、給水タンク内の貯留水は、少なくとも凝縮器との間で循環して加温可能である。

請求項３に記載の発明は、前記給水タンク内の貯留水の循環水は、前記過冷却器および前記凝縮器を順に通されることを特徴とする請求項２に記載の給水加温システムである。

請求項３に記載の発明によれば、給水タンク内の貯留水は、過冷却器および凝縮器を順に通されつつ、これら熱交換器との間で循環して加温可能である。

請求項４に記載の発明は、前記給水タンク内の貯留水の循環水は、前記廃熱回収熱交換器、前記過冷却器および前記凝縮器を順に通されることを特徴とする請求項３に記載の給水加温システムである。

請求項４に記載の発明によれば、給水タンク内の貯留水は、廃熱回収熱交換器、過冷却器および凝縮器を順に通されつつ、これら熱交換器との間で循環して加温可能である。

請求項５に記載の発明は、循環運転と通水運転とを切替可能とされ、前記循環運転では、吐出圧を設定値に維持するように前記圧縮機を制御すると共に、前記給水タンク内の貯留水が上限温度になるまで前記循環を行い、前記通水運転では、前記給水タンクの水位に基づき、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水の有無と前記ヒートポンプの出力を制御すると共に、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水中、前記凝縮器の出口側の水温を設定温度に維持するように通水量を調整することを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の給水加温システムである。

請求項５に記載の発明によれば、循環運転により、給水タンク内の貯留水の初期加温や保温を図ることができる。また、通水運転により、給水路を介した給水タンクへの給水中、凝縮器の出口側水温を設定温度に維持するように、凝縮器への通水量（給水路を介した給水タンクへの給水流量）を調整することで、給水源の水温や熱源流体の温度に拘わらず、所望温度の温水を得ることができる。

請求項６に記載の発明は、前記給水タンクの水位に基づき、前記補給水路を介した前記給水タンクへの給水を制御し、前記給水タンク内の貯留水の水温が第一設定温度以下になると、前記ヒートポンプを運転しつつ前記循環を行い、前記給水タンク内の貯留水の水温が第二設定温度以上になると、前記給水タンクの水位が上限水位に達するまで、前記ヒートポンプを運転しつつ前記給水路を介して前記給水タンクへ給水し、前記ヒートポンプの運転中、吐出圧を設定値に維持するように前記圧縮機を制御すると共に、前記凝縮器の出口側の水温を設定温度に維持するように通水量を調整することを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の給水加温システムである。

請求項６に記載の発明によれば、給水タンク内の貯留水の水温が第一設定温度以下になると、給水タンク内の貯留水を循環して加温し、給水タンク内の貯留水の水温が第二設定温度以上になると、給水タンクの水位が上限水位に達するまで、給水路を介して給水タンクへ給水する。この際、圧縮機の吐出圧を一定に制御すると共に、凝縮器の出口側水温を設定温度に維持するように通水量を調整することで、給水タンク内に所望温度の温水を得ることができる。

さらに、請求項７に記載の発明は、前記ヒートポンプは、前記凝縮器と前記過冷却器との間にリヒータを備え、このリヒータは、前記ヒートポンプの冷媒と前記給水タンク内の貯留水との間接熱交換器であり、前記給水タンク内の貯留水は、前記凝縮器との間を循環することに代えて、前記リヒータとの間を循環することを特徴とする請求項２に記載の給水加温システムである。

請求項７に記載の発明によれば、給水タンク内の貯留水は、リヒータとの間で循環して加温可能である。また、凝縮器で奪えなかった冷媒の潜熱を、リヒータで奪うことができ、これにより、受液器がなくても、過冷却器に確実に液冷媒を供給することができる。また、万一、補給水タンクから給水路を介した給水タンクへの給水が断水しても、給水タンク内の貯留水をリヒータとの間で循環しておくことで、ヒートポンプの冷媒の急激な圧力上昇を抑えることができる。

本発明によれば、給水タンク内の貯留水の加温が可能な給水加温システムを実現することができる。

本発明の給水加温システムの実施例１を示す概略図である。 本発明の給水加温システムの実施例２を示す概略図である。 本発明の給水加温システムの実施例３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、本発明の給水加温システム１の実施例１を示す概略図である。
本実施例の給水加温システム１は、ボイラ２の給水タンク３への給水をヒートポンプ４で加温できるシステムであり、ボイラ２への給水を貯留する給水タンク３と、この給水タンク３への給水を貯留する補給水タンク５と、この補給水タンク５から給水タンク３への給水を加温するヒートポンプ４と、このヒートポンプ４の熱源としての熱源水（たとえば廃温水）を貯留する熱源水タンク６とを備える。

ボイラ２は、蒸気ボイラであり、給水タンク３からの給水を加熱して蒸気にする。ボイラ２は、典型的には、蒸気の圧力を所望に維持するように、燃焼量を調整される。また、ボイラ２は、缶体内の水位を所望に維持するように、給水タンク３からボイラ２への給水路またはボイラ２の内部に設けたポンプ７が制御される。ボイラ２からの蒸気は、各種の蒸気使用設備（図示省略）へ送られるが、蒸気使用設備からのドレン（蒸気の凝縮水）を給水タンク３へ戻してもよい。

給水タンク３は、補給水タンク５から、ヒートポンプ４を介して給水路８により給水可能であると共に、ヒートポンプ４を介さずに補給水路９により給水可能である。給水路８に設けた給水ポンプ１０と、補給水路９に設けた補給水ポンプ１１との作動を制御することで、給水路８と補給水路９との内、いずれか一方または双方を介して、補給水タンク５から給水タンク３へ給水可能である。

給水ポンプ１０は、本実施例では、インバータにより回転数を制御可能とされる。給水ポンプ１０の回転数を変更することで、給水路８を介した給水タンク３への給水流量を調整することができる。一方、補給水ポンプ１１は、本実施例では、オンオフ制御される。

補給水タンク５は、給水タンク３への給水を貯留する。補給水タンク５への給水として、本実施例では軟水が用いられる。すなわち、軟水器（図示省略）にて水中の硬度分を除去された軟水は、補給水タンク５に供給され貯留される。補給水タンク５の水位に基づき軟水器からの給水を制御することで、補給水タンク５の水位は所望に維持される。

ヒートポンプ４は、蒸気圧縮式のヒートポンプであり、圧縮機１２、凝縮器１３、膨張弁１４および蒸発器１５が順次環状に接続されて構成される。そして、圧縮機１２は、ガス冷媒を圧縮して高温高圧にする。また、凝縮器１３は、圧縮機１２からのガス冷媒を凝縮液化する。さらに、膨張弁１４は、凝縮器１３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１５は、膨張弁１４からの冷媒の蒸発を図る。

従って、ヒートポンプ４は、蒸発器１５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１３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４は、蒸発器１５において、熱源水から熱をくみ上げ、凝縮器１３において、給水路８の水を加温する。

ヒートポンプ４は、さらに、凝縮器１３と膨張弁１４との間に、過冷却器１６を備えるのが好ましい。過冷却器１６は、凝縮器１３から膨張弁１４への冷媒と、凝縮器１３への給水との間接熱交換器である。過冷却器１６により、凝縮器１３への給水で、凝縮器１３から膨張弁１４への冷媒を過冷却することができると共に、凝縮器１３から膨張弁１４への冷媒で、凝縮器１３への給水を加温することができる。ヒートポンプ４の冷媒は、好適には、凝縮器１３において潜熱を放出し、過冷却器１６において顕熱を放出する。

つまり、凝縮器１３において、ガス冷媒は凝縮して液冷媒となり、その液冷媒が過冷却器１６に供給されて、過冷却器１６において、液冷媒はさらに冷却（過冷却）される。冷媒の凝縮用と過冷却用とで熱交換器を分けることで、熱交換器の設計が容易となり、熱交換器を簡易な構造で小型化でき、コスト削減を図ることができる。また、汎用の熱交換器の利用も可能となる。

その他、ヒートポンプ４には、圧縮機１２の入口側にアキュムレータを設置したり、圧縮機１２の出口側に油分離器を設置したり、凝縮器１３の出口側（凝縮器１３と過冷却器１６との間）に受液器を設置したりしてもよい。

ところで、ヒートポンプ４は、その出力を変更可能とされてもよい。たとえば、圧縮機１２のモータの電源周波数ひいては回転数をインバータで変更することで、ヒートポンプ４の出力を変更することができる。

給水加温システム１は、さらに、廃熱回収熱交換器１７を備えるのが好ましい。この廃熱回収熱交換器１７は、過冷却器１６への給水と、蒸発器１５を通過後の熱源水との間接熱交換器である。従って、給水路８の水は、廃熱回収熱交換器１７、過冷却器１６および凝縮器１３へと順に通されることになる。一方、熱源水タンク６の熱源水は、熱源供給路１８を介して、蒸発器１５を通された後、廃熱回収熱交換器１７に通される。

ところで、給水タンク３内の貯留水は、過冷却器１６および凝縮器１３を順に通されつつ、これら熱交換器（１６，１３）との間で循環して加温可能とされている。そのために、廃熱回収熱交換器１７から過冷却器１６への給水路８と、給水タンク３とが循環路１９で接続されており、その循環路１９には循環ポンプ２０が設けられている。また、廃熱回収熱交換器１７から過冷却器１６への給水路８と、給水タンク３からの循環路１９とには、互いの合流部よりも上流側にそれぞれ逆止弁２１，２２が設けられている。

このような構成であるから、循環ポンプ２０を停止した状態で給水ポンプ１０を作動させると、補給水タンク５からの水を、廃熱回収熱交換器１７、過冷却器１６および凝縮器１３に順に通して給水タンク３へ給水することができる。一方、給水ポンプ１０を停止した状態で循環ポンプ２０を作動させると、給水タンク３内の貯留水を過冷却器１６および凝縮器１３に順に通して給水タンク３へ戻して、給水タンク３内の貯留水を循環させることができる。

熱源水タンク６は、ヒートポンプ４の熱源としての熱源水を貯留する。熱源水とは、たとえば廃温水（工場などから排出される温水）である。なお、熱源水タンク６には、熱源水の供給路２３が設けられると共に、所定以上の水をあふれさせるオーバーフロー路２４が設けられている。

熱源水タンク６の熱源水は、熱源供給路１８を介して、ヒートポンプ４の蒸発器１５を通された後、廃熱回収熱交換器１７を通される。熱源供給路１８には、蒸発器１５より上流側に熱源供給ポンプ２５が設けられており、この熱源供給ポンプ２５を作動させることで、熱源水タンク６からの熱源水を、蒸発器１５と廃熱回収熱交換器１７とに順に通すことができる。

蒸発器１５を先に通した後に廃熱回収熱交換器１７に熱源水を通すことで、廃熱回収熱交換器１７を先に通した後に蒸発器１５に熱源水を通す場合と比較して、蒸発器１５における冷媒の蒸発温度（つまり蒸発圧力）を高めることができ、圧縮機１２の圧力比を小さくすることができ、省エネルギーを図ることができる。

給水路８には、凝縮器１３の出口側に、出湯温度センサ２６が設けられる。出湯温度センサ２６は、凝縮器１３を通過後の水温を検出する。出湯温度センサ２６の検出温度に基づき、給水ポンプ１０が制御される。ここでは、給水ポンプ１０は、出湯温度センサ２６の検出温度を設定温度（たとえば７５℃）に維持するようにインバータ制御される。つまり、給水路８を介した給水タンク３への給水は、出湯温度センサ２６の検出温度を設定温度に維持するように、流量が調整される。但し、場合により、このような出湯温度センサ２６による流量調整制御を省略することもできる。

給水タンク３には、水位検出器２７が設けられる。この水位検出器２７は、その構成を特に問わないが、本実施例では電極式水位検出器とされる。この場合、給水タンク３には、長さの異なる複数の電極棒２８〜３０が、その下端部の高さ位置を互いに異ならせて差し込まれて保持されている。本実施例では、給水停止電極棒２８、給水開始電極棒２９および負荷切替電極棒３０が、順に下端部の高さ位置を低くして、給水タンク３に挿入されている。さらに、図示例の場合、運転切替電極棒３１も設けられているが、この運転切替電極棒３１は、給水開始電極棒２９と共用することで、設置を省略することもできる。各電極棒２８〜３１は、その下端部が水に浸かるか否かにより、下端部における水位の有無を検出する。

給水タンク３には、さらに、給水タンク３内の貯留水の温度を検出する貯留水温度センサ３２が設けられる。詳細は後述するが、貯留水温度センサ３２の検出温度に基づき、循環ポンプ２０が制御される。

熱源水タンク６には、熱源水の有無を確認するために、水位検出器３３が設けられる。この水位検出器３３は、その構成を特に問わないが、本実施例では電極式水位検出器とされる。この場合、熱源水タンク６には、低水位検出電極棒３４が差し込まれており、熱源水の水位が設定を下回っていないかを監視する。

熱源水タンク６には、熱源水の温度を検出する熱源温度センサ３５が設けられる。但し、熱源温度センサ３５は、熱源水タンク６から蒸発器１５への熱源供給路１８に設けてもよい。

次に、本実施例の給水加温システム１の制御（運転方法）について説明する。以下に説明する一連の制御は、図示しない制御器を用いて自動でなされる。

本実施例の給水加温システム１は、循環運転と通水運転とを切替可能とされている。基本的には、給水加温システム１の起動時に循環運転がなされ、給水タンク３の水位が所定水位を下回ると、通水運転へ移行する。通水運転への移行後、給水タンク３の貯留水の加温や保温が必要な場合に、手動で循環運転に切替可能とされる。但し、通水運転中、給水タンク３の水位との関係で、給水路８を介した給水タンク３への給水を制御するが、給水路８を介した給水タンク３への給水の停止に伴って、自動で循環運転に切替可能としてもよい。以下、各運転内容について、説明する。

《循環運転》
朝一の冷態起動時（ボイラ２の運転前）などの初期加温や保温のために、循環運転がなされる。循環運転は、給水タンク３の水位が所定以上あることを前提に実施される。具体的には、本実施例では、運転切替電極棒３１が水位を検知していることを前提に実施される。もし、給水タンク３内の水位が所定未満であれば、通水運転を実行する。

循環運転では、給水ポンプ１０および補給水ポンプ１１を停止した状態で、循環ポンプ２０を作動させる。これにより、給水タンク３内の貯留水は、過冷却器１６および凝縮器１３を順に通されて、これら熱交換器（１６，１３）との間で循環する。この際、熱源供給ポンプ２５を作動させると共にヒートポンプ４を作動させておくことで、循環水の加温を図ることができる。

循環運転では、圧縮機１２は、吐出圧を設定値に維持するように、インバータ制御される。具体的には、ヒートポンプ４には、圧縮機１２の出口側に、冷媒圧力を検出する圧力センサ３６が設けられており、この圧力センサ３６の検出圧力を設定値に維持するように、圧縮機１２のモータの電源周波数をインバータにより変えることで、出力が調整される。なお、圧力センサ３６に代えて温度センサを設け、圧縮機１２の出口側の温度を設定値に維持するように制御してもよい。いずれにしても、凝縮器１３における冷媒温度を安定させることで、循環水の加温に最適となる。

給水タンク３内の貯留水の循環は、給水タンク３内の貯留水が上限温度（たとえば７０℃）になるまで継続される。貯留水温度センサ３２の検出温度が上限温度以上になると、循環ポンプ２０を停止して待機し、所定温度まで下がると再び循環させればよい。

循環運転中、給水タンク３内の水位が所定未満になると、通水運転へ移行する。具体的には、給水タンク３からボイラ２への給水により、給水タンク３の水位が下がり、運転切替電極棒３１が水位を検知しなくなると、通水運転に移行する。詳細は後述するが、通水運転に移行すると、補給水タンク５の水が、給水路８を介して、ヒートポンプ４で加温されつつ給水タンク３へ供給される。この給水路８を介した給水は、給水タンク３の水位の基づき制御される。

《通水運転》
通水運転では、補給水タンク５から給水タンク３へ給水する。給水タンク３には、給水路８を介して給水可能であると共に補給水路９を介しても給水可能であるが、給水路８を介した給水が優先されるように制御されるのが好ましい。たとえば、給水タンク３の水位を設定範囲に維持するように、給水路８を介した給水を制御するが、それでは給水タンク３の水位が設定範囲を維持できない場合には、補給水路９を介しても給水タンク３へ給水するのが好ましい。

具体的には、本実施例では、次のように制御される。いま、給水停止電極棒２８が水位を検知し、給水タンク３の水位が十分にある場合、給水タンク３への給水は不要であるから、給水ポンプ１０を停止すると共に、補給水ポンプ１１も停止している。給水タンク３からボイラ２への給水により、給水タンク３の水位が下がり、給水開始電極棒２９が水位を検知しなくなると、給水ポンプ１０を作動させる。これにより、給水路８を介して給水タンク３に給水されるが、給水停止電極棒２８が水位を検知すると、給水ポンプ１０を停止する。一方、給水ポンプ１０を作動させても、給水タンク３の水位を回復できず、さらに低い所定の補給水開始水位を下回ると、補給水ポンプ１１を作動させて、補給水路９を介しても給水タンク３に給水する。これにより、給水タンク３の水位が回復して、給水タンク３の水位が補給水停止水位を上回ると、補給水ポンプ１１を停止して、補給水路９を介しての給水を停止する。なお、給水ポンプ１０または循環ポンプ２０の作動中、熱源供給ポンプ２５も作動させる。

給水路８を介した給水中、ヒートポンプ４を運転する。ヒートポンプ４は、その圧縮機１２の作動の有無により、運転と停止が切り替えられる。また、ヒートポンプ４は、給水タンク３の水位に基づき出力を制御されるのがよい。本実施例では、給水タンク３の水位が下がり、給水開始電極棒２９が水位を検知しなくなると、ヒートポンプ４を低負荷運転し、それでも水位が回復せず、負荷切替電極棒３０が水位を検知しなくなると、ヒートポンプ４を高負荷運転に切り替える。そして、水位回復時には、給水開始電極棒２９が水位を検知すれば、ヒートポンプ４を低負荷運転に切り替え、給水停止電極棒２８が水位を検知すれば、ヒートポンプ４を停止させる。このように、本実施例では、ヒートポンプ４は、通水運転中、高負荷運転（典型的には全負荷運転＝１００％出力）、低負荷運転（たとえば５０％出力）および停止（０％出力）の三位置で制御される。

給水路８を介した給水中、給水ポンプ１０は、出湯温度センサ２６の検出温度を設定温度（出湯温度設定値）に維持するように、回転数をインバータ制御される。その結果、ヒートポンプ４の高負荷運転時は低負荷運転時よりも多い流量で、給水路８を介して給水タンク３へ給水可能となる。

ヒートポンプ４を運転して、補給水タンク５から給水路８を介して給水タンク３へ給水する際、補給水タンク５からの給水は、廃熱回収熱交換器１７、過冷却器１６および凝縮器１３により徐々に加温されて、所定温度で給水タンク３へ供給される。給水タンク３とヒートポンプ４（凝縮器１３）との間で水を循環させる場合と比較して、補給水タンク５から給水タンク３への一回の通過（ワンススルー）で給水を加温するので、ヒートポンプ４を通過する前後の給水の温度差を確保して、ヒートポンプ４の成績係数（ＣＯＰ）の向上を図ることができる。また、各熱交換器をコンパクトに構成することもできる。

また、ヒートポンプ４の運転中、つまり給水路８を介した給水タンク３への給水中、熱源水タンク６の水温を熱源温度センサ３５で監視して、その温度に基づきヒートポンプ４の出力を調整してもよい。ヒートポンプ４の熱源としての熱源水の温度が高温なほど、ヒートポンプ４の出力を下げることができる。熱源水の温度を考慮してヒートポンプ４の出力を調整することで、熱源水の温度変化に拘わらず、給水路８を介した給水タンク３への給水流量を安定させることができる。

さらに、ヒートポンプ４の運転中、熱源水タンク６の水位が下がり、低水位検出電極棒３４が水位を検知しなくなると、ヒートポンプ４の運転を停止すると共に、熱源供給ポンプ２５を停止して蒸発器１５への熱源水の供給を停止するのがよい。これにより、ヒートポンプ４を無駄に運転するのが防止される。また、同様に、ヒートポンプ４の運転中（つまり給水路８を介した給水タンク３への給水制御中）、万一、給水路８を通る給水の量が設定を下回ると、ヒートポンプ４の運転を停止すると共に、熱源供給ポンプ２５を停止して蒸発器１５への熱源水の供給を停止するのがよい。

本実施例１の給水加温システム１によれば、初期起動時に給水タンク３内の低温水を加温することができる。また、循環運転と通水運転とを適宜切り替えることで、用途に合わせた運転を行うことができる。

ところで、本実施例１では、循環運転において、給水タンク３内の貯留水は、過冷却器１６および凝縮器１３との間で循環されたが、二点鎖線Ｘで示すように、凝縮器１３との間だけを循環されてもよい。あるいは、給水タンク３内の貯留水は、廃熱回収熱交換器１７、過冷却器１６および凝縮器１３を順に通されつつ、これら熱交換器との間で循環されもよい。その場合、後述する実施例２と同様に、給水ポンプ１０と循環ポンプ２０とを共用して、循環ポンプ２０の設置を省略することもできる。

図２は、本発明の給水加温システム１の実施例２を示す概略図である。
本実施例２の給水加温システム１も、基本的には前記実施例１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用いて説明する。

本実施例２では、補給水タンク５から給水ポンプ１０までの給水路８と、給水タンク３とが循環路１９で接続される。そして、給水路８と循環路１９との合流部には、三方弁３７が設けられている。この三方弁３７を切り替えることで、補給水タンク５の水を、廃熱回収熱交換器１７、過冷却器１６および凝縮器１３を順に介して給水タンク３へ給水するか、給水タンク３の水を、廃熱回収熱交換器１７、過冷却器１６および凝縮器１３を順に通して、これら熱交換器（１７，１６，１３）との間で循環させるかを切替可能とされている。この三方弁３７の切替えは、給水タンク３または循環路１９に設けた貯留水温度センサ３２の検出温度に基づき行われる。なお、このような切替えは、給水路８と循環路１９との合流部に三方弁３７を設けて行う以外に、その合流部より上流において、給水路８と循環路１９とにそれぞれバルブを設け、そのいずれを開けるかにより行ってもよい。

本実施例２の場合、循環ポンプ２０は設置されない。また、給水タンク３の水位検出器２７の検出信号に基づき、補給水ポンプ１１を制御する。具体的には、補給水停止電極棒３８と補給水開始電極棒３９とが、順に下端部の高さ位置を低くして給水タンク３に挿入されており、補給水開始電極棒３９が水位を検知しなくなると、補給水ポンプ１１を作動させ、補給水停止電極棒３８が水位を検知すると、補給水ポンプ１１を停止する。

給水タンク３には、さらに、高水位検出電極棒４０が設けられている。後述するように、給水路８を介した給水タンク３への給水中、高水位検出電極棒４０が水位を検知すると、圧縮機１２を停止する。なお、高水位検出電極棒４０による検出水位は、補給水停止電極棒３８による検出水位よりも高水位とされる。但し、場合により、高水位検出電極棒４０は、補給水停止電極棒３８と共用することで、設置を省略することもできる。

本実施例２の場合、基本的には、給水タンク３内の貯留水を循環させる。つまり、給水タンク３内の貯留水は、循環路１９を介して、廃熱回収熱交換器１７、過冷却器１６および凝縮器１３を順に通され、給水タンク３へ戻される（循環運転）。

この循環中、貯留水温度センサ３２の検出温度が第一設定温度（たとえば４０℃）以下になると、圧縮機１２を作動させて、ヒートポンプ４により循環水を加温する（循環加温運転）。なお、圧縮機１２の発停と連動して、熱源供給ポンプ２５の発停が制御される。

このような循環加温運転中、圧縮機１２は、吐出圧を設定値に維持するように、インバータ制御される。つまり、ヒートポンプ４には、圧縮機１２の出口側に、冷媒圧力を検出する圧力センサ３６が設けられており、この圧力センサ３６の検出圧力を設定値に維持するように、圧縮機１２のモータの電源周波数をインバータにより変えることで、出力が調整される。なお、圧力センサ３６に代えて温度センサを設け、圧縮機１２の出口側の温度を設定値に維持するように制御してもよい。いずれにしても、凝縮器１３における冷媒温度を安定させることで、循環水の加温に最適となる。

また、このような循環加温運転中、凝縮器１３の出口側の水温を設定温度に維持するように通水量を調整する。つまり、出湯温度センサ２６の検出温度を設定温度（出湯温度設定値）に維持するように、給水ポンプ１０をインバータ制御する。

このような循環加温運転により、給水タンク３内の貯留水が昇温し、貯留水温度センサ３２の検出温度が第一設定温度より高い第二設定温度（たとえば４５℃）以上になると、三方弁３７を切り替えて、補給水タンク５から給水路８を介して給水タンク３へ給水する（通水運転）。この場合も、圧縮機１２は、その吐出圧を設定値に維持するように制御される。また、給水ポンプ１０をインバータ制御して、凝縮器１３の出口側の水温を設定温度に維持するように通水量を調整する。

通水運転による給水は、給水タンク３内の水位が上限水位に達するまで継続される。高水位検出電極棒４０が水位を検知すると、圧縮機１２を停止すると共に、三方弁３７を切り替えて、給水タンク３内の貯留水を、廃熱回収熱交換器１７、過冷却器１６および凝縮器１３に順に通して、これら熱交換器（１７，１６，１３）との間で循環させる。この際、圧縮機１２は停止しており、また給水ポンプ１０は最低周波数で作動させるのがよい。

このような圧縮機１２を停止した循環運転中、再び、給水タンク３内の貯留水の水温が第一設定温度以下になれば、循環加温運転に移行する。その他の構成は、前記実施例１と同様のため、説明を省略する。

ところで、本実施例２では、給水タンク３内の貯留水は、廃熱回収熱交換器１７、過冷却器１６および凝縮器１３を順に通され、これら熱交換器（１７，１６，１３）との間で循環されたが、この循環は、場合により、過冷却器１６および凝縮器１３との間、または凝縮器１３だけとの間において行ってもよい。

図３は、本発明の給水加温システム１の実施例３を示す概略図である。
本実施例３の給水加温システム１も、基本的には前記実施例１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用いて説明する。

本実施例３では、給水タンク３内の貯留水は、リヒータ４１との間で循環される。つまり、本実施例３では、ヒートポンプ４は、凝縮器１３と過冷却器１６との間にリヒータ４１を備える。このリヒータ４１は、ヒートポンプ４の冷媒と給水タンク３内の貯留水との間接熱交換器である。そして、給水タンク３内の貯留水は、循環路１９を介して、リヒータ４１との間を循環する。

この循環は、ヒートポンプ４の運転中、継続される。つまり、循環路１９に設けた循環ポンプ２０の発停は、ヒートポンプ４の圧縮機１２の発停と連動する。但し、循環ポンプ２０は、給水タンク３内の貯留水が上限温度を超えると停止される。

本実施例３では、前記実施例１における通水運転と同様に、給水タンク３の水位に基づき、給水路８を介した給水タンク３への給水の有無とヒートポンプ４の出力が制御される。また、給水路８を介した給水タンク３への給水中、凝縮器１３の出口側水温を設定温度に維持するように、給水ポンプ１０をインバータ制御して通水量が調整される。

本実施例３によれば、凝縮器１３で奪えなかった冷媒の潜熱を、リヒータ４１で奪うことができる。これにより、受液器を必要とせず、受液器がなくても、過冷却器１６には確実に液冷媒を供給することができる。

また、本実施例３では、万一、補給水タンク５から給水路８を介した給水タンク３への給水が断水しても、給水タンク３内の貯留水をリヒータ４１との間で循環しているため、ヒートポンプ４の冷媒の急激な圧力上昇を抑えることができる。

さらに、本実施例では、給水タンク３内の貯留水をリヒータ４１との間で循環させることで、給水タンク３内の貯留水を比較的高温に保持することができる。その他の構成は、前記実施例１と同様のため、説明を省略する。

本発明の給水加温システム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４で加温しつつ給水路８を介して給水タンク３へ給水可能であると共に、その給水タンク３内の貯留水をヒートポンプ４との間で循環して加温可能であれば、その他の構成は適宜に変更可能である。

また、前記実施例では、給水路８を介した給水タンク３への給水流量を調整するために、給水ポンプ１０をインバータ制御したが、給水ポンプ１０をオンオフ制御しつつ、給水路８に設けたバルブの開度を調整してもよい。つまり、出湯温度センサ２６の検出温度に基づき給水路８を介した給水の流量を調整可能であれば、その流量調整方法は適宜に変更可能である。

また、ヒートポンプ４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４を複数段にする場合、隣接する段のヒートポンプ同士は、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からの冷媒と上段ヒートポンプの膨張弁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であると共に上段ヒートポンプの蒸発器とされる。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。

また、給水タンク３に、凝縮器１３を介して給水路８により給水可能であると共に、凝縮器１３を介さずに補給水路９により給水可能であれば、給水路８や補給水路９の具体的構成は、前記実施例の構成に限らず適宜変更可能である。たとえば、前記実施例では、給水路８と補給水路９とは、それぞれ補給水タンク５と給水タンク３とを接続するように並列に設けたが、給水路８と補給水路９との一端部（補給水タンク５側の端部）と他端部（給水タンク３側の端部）の一方または双方は、共通の管路としてもよい。言い換えれば、補給水路９の一端部は、補給水タンク５に接続するのではなく、給水路８から分岐するように設けてもよいし、補給水路９の他端部は、給水タンク３に接続するのではなく、給水タンク３の手前において給水路８に合流するように設けてもよい。補給水路９の一端部を、補給水タンク５に接続するのではなく、給水路８から分岐するように設ける場合、その分岐部より下流において、給水路８に給水ポンプ１０を設ける一方、補給水路９に補給水ポンプ１１を設ければよいが、分岐部よりも上流側の共通管路にのみポンプを設けて、分岐部より下流の給水路８および／または補給水路９に設けたバルブの開度を調整することで、給水路８や補給水路９を通る流量を調整してもよい。

また、前記実施例では、給水タンク３への給水を貯留するために補給水タンク５を設置したが、場合により補給水タンク５の設置を省略して、給水源から直接に給水路８および補給水路９に水を通してもよい。

また、前記実施例では、給水路８および／または補給水路９を介して、補給水タンク５から給水タンク３へ給水可能としたが、これら給水は、軟水器から直接に行ってもよい。たとえば、図１において、給水路８および補給水路９の基端部をまとめて軟水器に接続し、給水ポンプ１０の設置を省略する代わりに給水路８に設けた電動弁（モータバルブ）の開度を調整し、補給水ポンプ１１の設置を省略する代わりに補給水路９に設けた電磁弁の開閉を制御すればよい。

また、前記実施例では、ボイラ２の給水タンク３への給水をヒートポンプ４で加温できるシステムについて説明したが、給水タンク３の貯留水の利用先は、ボイラ２に限らず適宜に変更可能である。

また、前記実施例では、ヒートポンプ４の熱源として熱源水を用いた例について説明したが、ヒートポンプ４の熱源流体として、熱源水に限らず、空気や排ガスなど各種の流体を用いることができる。但し、熱源流体は、蒸発器１５においてヒートポンプ４の冷媒に熱（顕熱）を与えつつ自身は温度低下を伴い、その後、廃熱回収熱交換器１７において給水に熱（顕熱）を与えつつ自身は温度低下を伴う流体が好ましい。

さらに、前記実施例では、ヒートポンプ４の圧縮機１２は、電気モータにより駆動されたが、圧縮機１２の駆動源は特に問わない。たとえば、圧縮機１２は、電気モータに代えてまたはそれに加えて、蒸気を用いて動力を起こすスチームモータ（蒸気エンジン）に駆動されたり、ガスエンジンにより駆動されたりしてもよい。その場合、スチームモータへの給蒸量を調整したり、ガスエンジンへの供給ガス量を調整したりして、圧縮機１２の出力を調整すればよい。

１ 給水加温システム
２ ボイラ
３ 給水タンク
４ ヒートポンプ
５ 補給水タンク
６ 熱源水タンク
８ 給水路
９ 補給水路
１０ 給水ポンプ
１１ 補給水ポンプ
１２ 圧縮機
１３ 凝縮器
１４ 膨張弁
１５ 蒸発器
１６ 過冷却器
１７ 廃熱回収熱交換器
１８ 熱源供給路
１９ 循環路
２０ 循環ポンプ
２６ 出湯温度センサ
２７ 水位検出器
３２ 貯留水温度センサ
３６ 圧力センサ
４１ リヒータ

Claims (7)

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、前記蒸発器に通される熱源流体から熱をくみ上げ、前記凝縮器に通される水を加温するヒートポンプと、
   このヒートポンプを介して給水路により給水可能であると共に、ヒートポンプを介さずに補給水路により給水可能な給水タンクとを備え、
   前記給水タンク内の貯留水は、前記ヒートポンプとの間で循環して加温可能である
   ことを特徴とする給水加温システム。
2. 前記給水路を介した前記給水タンクへの給水は、廃熱回収熱交換器、過冷却器および前記凝縮器を順に通され、
   前記廃熱回収熱交換器は、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水と、前記蒸発器を通過後の熱源流体との間接熱交換器であり、
   前記過冷却器は、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水と、前記凝縮器から前記膨張弁への冷媒との間接熱交換器であり、
   前記給水タンク内の貯留水の循環水は、前記凝縮器を通される
   ことを特徴とする請求項１に記載の給水加温システム。
3. 前記給水タンク内の貯留水の循環水は、前記過冷却器および前記凝縮器を順に通される
   ことを特徴とする請求項２に記載の給水加温システム。
4. 前記給水タンク内の貯留水の循環水は、前記廃熱回収熱交換器、前記過冷却器および前記凝縮器を順に通される
   ことを特徴とする請求項３に記載の給水加温システム。
5. 循環運転と通水運転とを切替可能とされ、
   前記循環運転では、吐出圧を設定値に維持するように前記圧縮機を制御すると共に、前記給水タンク内の貯留水が上限温度になるまで前記循環を行い、
   前記通水運転では、前記給水タンクの水位に基づき、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水の有無と前記ヒートポンプの出力を制御すると共に、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水中、前記凝縮器の出口側の水温を設定温度に維持するように通水量を調整する
   ことを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の給水加温システム。
6. 前記給水タンクの水位に基づき、前記補給水路を介した前記給水タンクへの給水を制御し、
   前記給水タンク内の貯留水の水温が第一設定温度以下になると、前記ヒートポンプを運転しつつ前記循環を行い、
   前記給水タンク内の貯留水の水温が第二設定温度以上になると、前記給水タンクの水位が上限水位に達するまで、前記ヒートポンプを運転しつつ前記給水路を介して前記給水タンクへ給水し、
   前記ヒートポンプの運転中、吐出圧を設定値に維持するように前記圧縮機を制御すると共に、前記凝縮器の出口側の水温を設定温度に維持するように通水量を調整する
   ことを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の給水加温システム。
7. 前記ヒートポンプは、前記凝縮器と前記過冷却器との間にリヒータを備え、
   このリヒータは、前記ヒートポンプの冷媒と前記給水タンク内の貯留水との間接熱交換器であり、
   前記給水タンク内の貯留水は、前記凝縮器との間を循環することに代えて、前記リヒータとの間を循環する
   ことを特徴とする請求項２に記載の給水加温システム。

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