JP6152661B2 - 蒸気発生システム - Google Patents

Description

本発明は、エンジンで駆動されるヒートポンプを用いた蒸気発生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）。

特開２０１０−２５４３１号公報（図２、図３）

本発明が解決しようとする課題は、エンジンで駆動されるヒートポンプを用いて給水を加温し、その水をさらにエンジンからの排熱を用いて蒸気にできる蒸気発生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、前記蒸発器において熱源流体から熱をくみ上げ、前記凝縮器において給水路の水を加温するヒートポンプと、このヒートポンプの圧縮機を駆動するエンジンとを備え、前記給水路の水は、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、前記凝縮器を通過後の水を、前記エンジンからの排ガスで加温して蒸気とする排ガス熱交換器をさらに備えることを特徴とする蒸気発生システムである。

請求項１に記載の発明によれば、エンジンで駆動されるヒートポンプを用いた蒸気発生システムにおいて、給水路の給水は、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廃熱や、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。そして、凝縮器を通過後の水を、エンジンからの排ガスで加温して蒸気とすることができる。

請求項２に記載の発明は、前記凝縮器を通過後の水を、前記エンジンのジャケットの冷却に用いて加温するジャケット熱交換器をさらに備え、このジャケット熱交換器を通過後の水を、前記排ガス熱交換器において前記エンジンからの排ガスで加温して蒸気とすることを特徴とする請求項１に記載の蒸気発生システムである。

請求項２に記載の発明によれば、給水をヒートポンプで加温した後、エンジンのジャケット冷却時の排熱でさらに加温することができる。そして、その加温後の水を、エンジンからの排ガスでさらに加温して蒸気とすることができる。

請求項３に記載の発明は、前記ジャケット熱交換器を通過後の水の内、一部のみを前記排ガス熱交換器へ供給して蒸気とすることを特徴とする請求項２に記載の蒸気発生システムである。

請求項３に記載の発明によれば、温水と蒸気の双方を得ることができる。また、ジャケット熱交換器を通過後の温水の一部だけを排ガス熱交換器へ供給することで、排ガス熱交換器における蒸気発生を容易に行うことができる。

さらに、請求項４に記載の発明は、前記エンジンは、ガスエンジンであり、前記ジャケット熱交換器の出口側の水温、または前記排ガス熱交換器の出口側の蒸気圧に基づき、前記ガスエンジンへの供給ガス量を調整することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の蒸気発生システムである。

請求項４に記載の発明によれば、ジャケット熱交換器の出口側の水温、または排ガス熱交換器の出口側の蒸気圧に基づき、ガスエンジンへの供給ガス量を調整することで、所望の温水または蒸気を得ることができる。

本発明によれば、エンジンで駆動されるヒートポンプを用いて給水を加温し、その水をさらにエンジンからの排熱を用いて蒸気にすることができる。

本発明の蒸気発生システムの一実施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、本発明の蒸気発生システム１の一実施例を示す概略図である。
本実施例の蒸気発生システム１は、蒸気圧縮式のヒートポンプ２と、このヒートポンプ２を駆動するエンジン３とを備える。そして、蒸気発生システム１は、給水路４の水を、ヒートポンプ２で加温した後、エンジン３の排熱を用いて蒸気にする。

ヒートポンプ２は、圧縮機５、凝縮器６、膨張弁７および蒸発器８が順次環状に接続されて構成される。そして、圧縮機５は、ガス冷媒を圧縮して高温高圧にする。また、凝縮器６は、圧縮機５からのガス冷媒を凝縮液化する。さらに、膨張弁７は、凝縮器６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８は、膨張弁７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８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６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８において熱源流体から熱をくみ上げ、凝縮器６において給水路４の水を加温する。なお、熱源流体は、特に問わないが、本実施例では熱源水（たとえば廃温水）である。

ヒートポンプ２は、さらに、凝縮器６と膨張弁７との間に、過冷却器９を備えるのが好ましい。過冷却器９は、凝縮器６から膨張弁７への冷媒と、凝縮器６への給水との間接熱交換器である。過冷却器９により、凝縮器６への給水で、凝縮器６から膨張弁７への冷媒を過冷却することができると共に、凝縮器６から膨張弁７への冷媒で、凝縮器６への給水を加温することができる。ヒートポンプ２の冷媒は、好適には、凝縮器６において潜熱を放出し、過冷却器９において顕熱を放出する。

つまり、凝縮器６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９に供給されて、過冷却器９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、コストの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２には、圧縮機５の入口側にアキュムレータを設置したり、圧縮機５の出口側に油分離器を設置したり、凝縮器６の出口側（凝縮器６と過冷却器９との間）に受液器を設置したりしてもよい。

蒸気発生システム１は、さらに、廃熱回収熱交換器１０を備えるのが好ましい。この廃熱回収熱交換器１０は、過冷却器９への給水と、蒸発器８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４の水は、給水ポンプ１１により、廃熱回収熱交換器１０、過冷却器９および凝縮器６へと順に通されることになる。

一方、熱源水は、熱源供給路１２を介して、蒸発器８を通された後、廃熱回収熱交換器１０に通される。本実施例では、熱源供給路１２には、蒸発器８より上流側に熱源供給ポンプ１３が設けられており、この熱源供給ポンプ１３を作動させることで、熱源水を、蒸発器８と廃熱回収熱交換器１０とに順に通すことができる。

蒸発器８を先に通した後に廃熱回収熱交換器１０に熱源水を通すことで、廃熱回収熱交換器１０を先に通した後に蒸発器８に熱源水を通す場合と比較して、蒸発器８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５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。

エンジン３は、ヒートポンプ２の圧縮機５を駆動する。図示例では、エンジン３の動力は、ベルト１４を介して圧縮機５を駆動する。エンジン３は、その構成を特に問わないが、たとえばガスエンジンまたはディーゼルエンジンであり、駆動に伴い排ガスを排出する。また、本実施例のエンジン３は、後述するように、ジャケット１５を備える水冷式とされている。

蒸気発生システム１は、ジャケット熱交換器１６と排ガス熱交換器１７との内、少なくとも排ガス熱交換器１７を備える。本実施例では、蒸気発生システム１は、ジャケット熱交換器１６と排ガス熱交換器１７との双方を備える。

ジャケット熱交換器１６は、凝縮器６を通過後の水を、エンジン３のジャケット１５の冷却に用いて加温するための間接熱交換器である。この際、凝縮器６からの水は、エンジン３のジャケット１５に直接に流してもよい（つまりジャケット１５自体をジャケット熱交換器１６としてもよい）が、ジャケット１５とジャケット熱交換器１６との間に液体（ジャケット冷却水）を循環させ、その循環液と給水路４の水とをジャケット熱交換器１６で熱交換するのがよい。これにより、循環液で、凝縮器６からの給水が加温される。逆に、凝縮器６からの給水により、循環液は冷却され、ひいてはジャケット１５やエンジン３の冷却が図られる。

排ガス熱交換器１７は、エンジン３からの排ガス路１８に設けられ、ジャケット熱交換器１６を通過後の水を、エンジン３からの排ガスで加温して蒸気化する間接熱交換器である。つまり、ジャケット熱交換器１６から排ガス熱交換器１７へ供給された温水は、排ガス熱交換器１７において、エンジン３からの排ガスと熱交換してさらに加温され、蒸気として蒸気路１９から導出される。

ジャケット熱交換器１６を通過後の水は、その全部が排ガス熱交換器１７に供給されてもよいが、一部のみが排ガス熱交換器１７に供給されて蒸気化されるのが好ましい。図示例の場合、ジャケット熱交換器１６からの温水配管は、温水使用設備への給水路４Ａと、排ガス熱交換器１７への給水路４Ｂとに分岐されており、ジャケット熱交換器１６からの温水の一部だけを排ガス熱交換器１７に供給して蒸気化する。これにより、温水と蒸気の双方を得ることができる。また、ジャケット熱交換器１６を通過後の温水の一部だけを排ガス熱交換器１７へ供給することで、排ガス熱交換器１７における蒸気発生を容易に行うことができる。

ところで、廃熱回収熱交換器１０を通過後の熱源水の温度に基づき、蒸発器８への熱源水の供給流量を調整可能としてもよい。具体的には、熱源供給路１２には廃熱回収熱交換器１０の出口側に温度センサ２０を設けておき、この温度センサ２０の検出温度に基づき熱源供給ポンプ１３をインバータ制御するか、熱源供給路１２に設けた弁の開度を調整すればよい。これにより、熱源水の排出温度を所望に調整することができる。

また、ジャケット熱交換器１６の出口側の水温、または排ガス熱交換器１７の出口側の蒸気圧に基づき、エンジン３の出力を制御してもよい。本実施例では、エンジン３はガスエンジンとされ、ジャケット熱交換器１６の出口側の水温、または排ガス熱交換器１７の出口側の蒸気圧に基づき、ガスエンジン３への供給ガス量を調整する。これにより、所望の温水または蒸気を得ることができる。

本発明の蒸気発生システム１は、前記実施例の構成に限らず、適宜変更可能である。たとえば、前記実施例では、ヒートポンプ２で加温された給水は、ジャケット熱交換器１６でさらに加温され、その加温後の温水が排ガス熱交換器１７において蒸気化されたが、場合により、ジャケット熱交換器１６の設置を省略することもできる。その場合、ヒートポンプ２で加温された給水は、凝縮器６から排ガス熱交換器１７へ供給され、排ガス熱交換器１７において蒸気化される。その際、前記実施例１と同様に、凝縮器６からの温水の一部のみを排ガス熱交換器１７へ供給して蒸気化するのが好ましい。

また、前記実施例では、ヒートポンプ２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２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８においてヒートポンプ２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１０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。

１ 蒸気発生システム
２ ヒートポンプ
３ エンジン
４ 給水路
５ 圧縮機
６ 凝縮器
７ 膨張弁
８ 蒸発器
９ 過冷却器
１０ 廃熱回収熱交換器
１１ 給水ポンプ
１２ 熱源供給路
１３ 熱源供給ポンプ
１４ ベルト
１５ ジャケット
１６ ジャケット熱交換器
１７ 排ガス熱交換器
１８ 排ガス路
１９ 蒸気路
２０ 温度センサ

Claims (4)

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、前記蒸発器において熱源流体から熱をくみ上げ、前記凝縮器において給水路の水を加温するヒートポンプと、
   このヒートポンプの圧縮機を駆動するエンジンとを備え、
   前記給水路の水は、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、
   前記凝縮器を通過後の水を、前記エンジンからの排ガスで加温して蒸気とする排ガス熱交換器をさらに備える
   ことを特徴とする蒸気発生システム。
2. 前記凝縮器を通過後の水を、前記エンジンのジャケットの冷却に用いて加温するジャケット熱交換器をさらに備え、
   このジャケット熱交換器を通過後の水を、前記排ガス熱交換器において前記エンジンからの排ガスで加温して蒸気とする
   ことを特徴とする請求項１に記載の蒸気発生システム。
3. 前記ジャケット熱交換器を通過後の水の内、一部のみを前記排ガス熱交換器へ供給して蒸気とする
   ことを特徴とする請求項２に記載の蒸気発生システム。
4. 前記エンジンは、ガスエンジンであり、
   前記ジャケット熱交換器の出口側の水温、または前記排ガス熱交換器の出口側の蒸気圧に基づき、前記ガスエンジンへの供給ガス量を調整する
   ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の蒸気発生システム。

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