JP6341170B2 - ヒートポンプ式蒸気生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、温水から熱を回収して蒸気を生成するヒートポンプ式蒸気生成装置に関する。

蒸気生成装置の一つとして、工場排水や使用済冷却水等の排温水等の温水から熱を回収して蒸気を生成するヒートポンプ式蒸気生成装置がある（例えば特許文献１参照）。ヒートポンプ式蒸気生成装置は、ヒートポンプ部の蒸発器を排熱回収器として機能させ、ここで熱源温水から熱を冷媒に回収し、回収した熱を利用して凝縮器で被加熱水を加熱して蒸気を生成するため、ボイラ設備等を利用して蒸気を発生させる燃焼系蒸気生成装置に比べてランニングコストやＣＯ_２の排出量を低減できるメリットがある。

特開２０１２−１７９２６号公報

従来のヒートポンプ式蒸気生成装置では、蒸発器におけるヒートポンプ部の冷媒と温水供給部の温水との間での熱交換性能が低下した場合には、装置全体の効率も低下することになる。このため、蒸発器の内部では冷媒や温水を円滑に且つ均等に流通させる必要があるが、排温水の供給が不安定な場合、蒸発器の入口側および出口側の双方から空気が混入する。蒸発器内に空気が一定量以上混入した場合、蒸発器内での熱源温水の均等な分配を阻害するため、熱交換性能低下の原因となる。

本発明は、上記従来技術の課題を考慮してなされたものであり、蒸発器での温水と冷媒間の熱交換性能を向上させ、装置全体の性能を向上させることができるヒートポンプ式蒸気生成装置を提供することを目的とする。

本発明に係るヒートポンプ式蒸気生成装置は、冷媒を圧縮する圧縮機、圧縮機で圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器、凝縮器を出た冷媒を減圧する膨張機構、及び、温水から回収した熱で冷媒を蒸発させる蒸発器を環状に接続したヒートポンプ部と、凝縮器に被加熱水を供給し、該被加熱水を冷媒によって加熱して蒸気を生成する蒸気生成部と、蒸発器に温水を供給する温水供給経路、及び、蒸発器から温水を排出する温水排出経路を有する温水供給部と、を備えるヒートポンプ式蒸気生成装置であって、蒸発器は温水供給経路が接続される温水入口が上部側、温水排出経路が接続される温水出口が下部側に設けられ、温水排出経路は、温水入口よりも高い位置まで立ち上げられた部分を有することを特徴とする。

温水供給経路にはエア抜き機構を備えてもよい。また、エア抜き機構は温水入口よりも高い位置に配置してもよく、さらにエア抜き機構から温水入口の区間においてエア抜き機構が最も高い位置となり温水入口が最も低い位置となるよう配置してもよい。

また、温水排出経路は前記エア抜き機構よりも高い位置まで立ち上げられた部分を有してもよい。
また、蒸発器内の温水経路天井面は、温水入口部分で最も高くなるよう傾斜が付けられていてもよく、蒸発器の底面を温水入口側が高くなるように傾斜させて設置することで天井面を傾斜させてもよい。

本発明によれば、蒸発器内に空気が混入することを抑制できるので、蒸発器内部での温水の均等な分流が確保される。これにより、蒸発器内に流入した温水がその内部を略均等に流通するため、温水と冷媒との間の熱交換性能が向上し、ヒートポンプ部や蒸気生成部での出力や効率が向上し、装置性能が向上する。

本発明の第１の実施形態に係るヒートポンプ式蒸気生成装置の全体構成図である。 従来の蒸発器の構成例を示す図である。 本発明の第１の実施形態を示す図である。 本発明の第２の実施形態を示す図である。 本発明の第３の実施形態を示す図である。 本発明の第４の実施形態を示す図である。

以下、本発明に係るヒートポンプ式蒸気生成装置について好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るヒートポンプ式蒸気生成装置１０の全体構成図である。ヒートポンプ式蒸気生成装置１０は、工場排水等の温水から排熱を回収し、回収した排熱を利用して水蒸気を生成するシステムであり、生成した水蒸気は乾燥装置や殺菌装置等の外部の蒸気利用設備に送られる。

図１に示すように、ヒートポンプ式蒸気生成装置１０は、水を蒸発させて水蒸気を生成し、外部へと送り出す蒸気生成部１２と、温水供給部１４によって供給される温水（熱源温水）から熱を回収し、この熱を蒸気生成部１２での蒸気生成のための熱源として供給するヒートポンプ部１６とを備える。

ヒートポンプ部１６は、冷媒を圧縮する圧縮機２０と、圧縮機２０で圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器２２と、凝縮器２２を出た冷媒を減圧する膨張機構２４と、温水から熱を回収して冷媒を蒸発させる蒸発器２６とを環状に接続し、冷媒を循環させる冷凍サイクル装置である。本実施形態では、凝縮器２２の出口側と膨張機構２４の入口側との間に給水を予備加熱する加熱器２８を接続している。膨張機構２４は、例えば電子膨張弁、手動膨張弁、定圧膨張弁、温度膨張弁、オリフィス、キャピラリー等から適宜選定することができる。

圧縮機２０で圧縮されて高温高圧となった冷媒は、凝縮器２２で蒸気生成部１２を循環する水と熱交換して冷却され凝縮する。凝縮器２２を出た冷媒は、加熱器２８で給水経路３０を流れる水を予熱してさらに冷却された後、膨張機構２４で断熱膨張され、蒸発器２６で温水供給部１４の温水供給経路３２ａから流入する温水から吸熱して蒸発し、圧縮機２０へと戻る。

圧縮機２０は図示しない制御部の制御下に、その吸入側や吐出側の冷媒の圧力及び温度に基づきインバータ（ＩＮＶ）４０を介してその運転回転数が制御される。

蒸発器２６は、例えば図２に示すように温水が流通する複数の温水経路３４と、ヒートポンプ部１６の冷媒回路を流れる冷媒が流通する複数の冷媒経路３５とを対向配置したプレート型熱交換器である。上部の一側部に設けられた温水入口３６ａから流入した温水は、奥側へと流れつつ分流して各温水経路３４を流れ、冷媒経路３５を流れる冷媒と熱交換した後、下部の一側部に設けられた温水出口３６ｂから排出される。また、下部の一側部に設けられた冷媒入口３７ａから流入した冷媒は、奥側へと流れつつ分流して各冷媒経路３５を流れ、温水経路３４を流れる温水と熱交換した後、上部の一側部に設けられた冷媒出口３７ｂから排出される。このように、蒸発器２６では温水供給経路３２ａが上側、温水排出経路３２ｂが下側に設けられている。

蒸気生成部１２は、ヒートポンプ部１６を循環する冷媒を熱源として水を蒸発させて蒸気を生成する凝縮器２２と、凝縮器２２で生成される水と蒸気を含む気液二相流を蒸気と水とに分離する水蒸気分離器４２と、水蒸気分離器４２で分離された蒸気を外部の蒸気利用設備に供給する蒸気供給経路４４と、水蒸気分離器４２で分離された水を給水経路３０から供給される水と合流させて凝縮器２２から水蒸気分離器４２へと導く水循環経路４６とを有する。

水蒸気分離器４２は、鉛直方向に沿った円筒状容器で構成され、下端壁に接続された水循環経路４６に接続された給水経路３０から水が給水補給されることで容器内部に水を貯留する。給水経路３０は、図示しない水道管や水タンクからの水（給水）を給水ポンプ４８によって加熱器２８を経て水循環経路４６まで導入する。給水ポンプ４８はインバータ（ＩＮＶ）５２を介してその運転回転数が制御される。

水循環経路４６は、水蒸気分離器４２の下端壁から凝縮器２２までを連通する液管４６ａと、凝縮器２２から水蒸気分離器４２の上部側壁までを連通する蒸気管４６ｂとから構成されている。液管４６ａには水が流通し、蒸気管４６ｂには水及び蒸気を含む気液二相流が流通する。蒸気供給経路４４は、水蒸気分離器４２の上端壁に接続され、分離された蒸気を外部に送り出す経路である。

温水供給部１４は、蒸発器２６に温水を供給する温水供給経路３２ａと、蒸発器２６から温水を排出する温水排出経路３２ｂとを有する。温水供給経路３２ａは、その下流端が蒸発器２６の温水入口３６ａに接続される。温水排出経路３２ｂは、その上流端が蒸発器２６の温水出口３６ｂに接続される。図３に示すように、温水供給経路３２ａの温水入口３６ａよりも高い位置には、温水に混入した空気を除去するエア抜き機構６５が設けられている。エア抜き機構６５は自動排気弁、手動弁などから適宜選択できる。さらに、温水排出経路３２ｂに立ち上げ部３８を設け、温水排出経路３２ｂをエア抜き機構６５よりも高い位置に立ち上げている。

以上のように構成されたヒートポンプ式蒸気生成装置１０では、その定常運転時、ヒートポンプ部１６によって温水供給部１４の温水供給経路３２ａを流れる温水の熱を蒸発器２６で冷媒に回収し、冷媒に回収した熱を凝縮器２２で蒸気生成部１２の給水経路３０を流れる水に移動させて蒸気を生成する。これにより、排熱を効率的に回収して利用し、高い省エネ性能が発揮される。

この際、温水供給経路３２ａから蒸発器２６の温水入口３６ａに流入した温水は、手前側から奥側へと温水経路３４上部の空間を流通しながら分配されて各温水経路３４を流通する。ところが、図２のように上記のようなエア抜き機構６５を設けていない構成の場合は、供給された温水中に混入した空気が、そのまま蒸発器２６内に流入してしまう。また、上記のような立ち上げ部３８を設けていない構成の場合は、温水流量が減少した時に温水排出経路３２ｂの排出口から空気が流入してしまう。流入した空気７０は蒸発器２６内に滞留し、温水の圧損を増大させる。温水入口３６ａから流入した温水は最も圧力損失の少ない経路、つまり温水入口３６ａに近い温水経路３４（図２中で右側の温水経路３４）に偏って流通し、温水入口３６ａから離れた温水経路３４（図２中で左側の温水経路３４）への流通量が低下する分配不良が生じる。この分配不良が生じると、温水の流通量が低下した温水経路３４では温水と冷媒との間の熱交換が十分に行われず、蒸発器２６全体としての熱交換性能が低下し、ヒートポンプ部１６や蒸気生成部１２を含めた装置全体の効率低下の要因となる。

そこで、本実施形態では、温水排出経路３２ｂに温水入口３６ａよりも高い位置に持ち上げる立ち上げ部３８を設けている。これにより蒸発器２６内を水封し、温水排出経路３２ｂの排出口からの空気流入を防止することができる。温水入口３６ａから蒸発器２６内に流入した温水は各温水経路３４を略均等に流通し、各冷媒経路３５を流れる冷媒との間の熱交換性能が確保される。これにより低コストで簡素な構成で、蒸発器２６内への空気混入を防止することができる。

立ち上げ部３８は蒸発器２６における温水入口３６ａよりも高い位置まで持ち上げられていれば上述した水封効果は得られるが、さらに立ち上げ部３８をエア抜き機構６５よりも高い位置に持ち上げることで、温水供給経路３２ａ中の圧力を高め、エア抜き機構６５からの空気の排出を促進することができる。本実施形態では立ち上げ部３８のみで温水の圧損を増大させているが、温水排出経路３２ｂに絞りや調節弁を追加で設けることで、温水の圧損をさらに増大させてもよい。また、エア抜き機構６５は常時閉とし、装置起動時など、温水への空気混入量が多い場合のみ開とする。また、温水の供給が安定している、装置外部で既に空気が除去された温水が供給されるなど、空気の混入が極めて少ない場合は、エア抜き機構６５を省略し、立ち上げ部３８のみを設ける構成としてもよい。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る蒸発器２６およびエア抜き機構６５の構成を示した図である。この第２の実施形態に係る蒸発器２６において、上記第１の実施形態に係る蒸発器２６と同一又は同様な機能及び効果を奏する要素には同一の参照符号を付し、詳細な説明を省略し、以下同様とする。

第１の実施形態のように蒸発器２６を水封した場合でも、温水流量が減少し温水の供給源で空気が大量に混入した場合、エア抜き機構６５で空気が全て除去できず、蒸発器２６内に空気が流入する場合がある。ただちに温水流量が十分に回復すれば、温水の勢いにより空気を温水排出経路３２ｂ側に吹き飛ばすことが可能であるが、温水流量が不足している状態が継続した場合、滞留した空気は、温水供給経路３２ａの温水入口３６ａ付近および蒸発器２６内に滞留し、温水の分配不良を生じる。

本発明の第２の実施形態では、温水供給経路３２ａ中に蒸発器２６に向かって高さが低くなるように配置された傾斜配管部５６を設け、この傾斜配管部５６の最高位置近傍にエア抜き機構６５を設けている。これにより、温水供給経路３２ａのエア抜き機構６５から蒸発器２６間において、エア抜き機構６５が最高位置に、蒸発器２６が最低位置に配置される。

滞留した空気が温水供給経路３２ａの傾斜配管部５６に存在する場合、滞留空気は浮力により、エア抜き機構６５方向に押し出される。これにより、エア抜き機構６５からの空気排出をより促進することができる。傾斜配管部５６の傾斜角度は自由に設定することができる。また、高さが順次高くなっていれば、傾斜配管部５６を複数設けてもよく、階段状とするなど、略水平部分を含んでもよい。

図５は、本発明の第３の実施形態に係る蒸発器２６およびエア抜き機構６５の構成を示した図である。本実施形態では、蒸発器２６の天井部５８を、温水入口３６ａから奥に向かって低くなるように傾斜をつける。蒸発器２６内に滞留した空気は浮力により、温水入口３６ａから温水供給経路３２ａ側に押し出され、エア抜き機構６５から外部に排出される。

本実施例では、天井部５８を一律の傾斜としているが、例えば曲面とすることで温水入口３２ａへ空気の排出を促進してもよい。また、高さが順次高くなっていれば、階段状とするなど、略水平部分を含んでもよい。

図６は、本発明の第４の実施形態に係る蒸発器２６およびエア抜き機構６５の構成を示した図である。本実施形態では、蒸発器２６の温水入口３６ａ側下部に傾斜部材６０を配置することで、蒸発器２６全体を斜めに配置している。この蒸発器２６の設置角度ａは、機器動作条件の範囲内で適宜設定することができる。

これにより天井部５８が、温水入口３６ａから奥に向かって低くなるように傾斜され、従来の蒸発器を用いた場合でも、空気の温水供給経路３２ａ側への排出を促進することができる。

本実施形態では、傾斜部材６０を用いて蒸発器２６を配置しているが、蒸発器２６の温水入口３６ａ側が高くなるように傾斜をつけて配置することができれば、この方法には限られない。また、温水入口３６ａは蒸発器２６の天井面に設けてもよく、温水出口３６ｂは蒸発器２６の底面に設けてもよい。

なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できる。また、複数の実施形態を組み合わせて使用することで、空気の排出をさらに促進することができる。

１０ ヒートポンプ式蒸気生成装置
１２ 蒸気生成部
１４ 温水供給部
１６ ヒートポンプ部
２０ 圧縮機
２２ 凝縮器
２４ 膨張機構
２６ 蒸発器
２８ 加熱器
３０ 給水経路
３２ａ 温水供給経路
３２ｂ 温水排出経路
３４ 温水経路
３５ 冷媒経路
３６ａ 温水入口
３６ｂ 温水出口
３７ａ 冷媒入口
３７ｂ 冷媒出口
３８ 立ち上げ部
４２ 水蒸気分離器
４４ 蒸気供給経路
４６ 水循環経路
５６ 傾斜配管部
５８ 天井部
６０ 傾斜部材
６５ エア抜き機構
７０ 空気

Claims (7)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機、該圧縮機で圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器、該凝縮器を出た冷媒を減圧する膨張機構、及び、温水から回収した熱で冷媒を蒸発させる蒸発器を環状に接続したヒートポンプ部と、
   前記凝縮器に被加熱水を供給し、該被加熱水を前記冷媒によって加熱して蒸気を生成する蒸気生成部と、
   前記蒸発器に温水を供給する温水供給経路、及び、前記蒸発器から温水を排出する温水排出経路を有する温水供給部と、
   を備えるヒートポンプ式蒸気生成装置であって、
   前記蒸発器は前記温水供給経路が接続される温水入口が上部側、前記温水排出経路が接続される温水出口が下部側に設けられ、
   前記温水排出経路は、前記温水入口よりも高い位置まで立ち上げられた部分を有することを特徴とするヒートポンプ式蒸気生成装置。
2. 請求項１に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置であって、
   前記温水供給経路は、エア抜き機構を備えることを特徴とするヒートポンプ式蒸気生成装置。
3. 請求項２に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置であって、
   前記エア抜き機構は、前記温水入口よりも高い位置に配置されることを特徴とするヒートポンプ式蒸気生成装置。
4. 請求項３に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置であって、
   前記温水供給経路は前記エア抜き機構から前記温水入口の区間において、前記エア抜き機構が最も高い位置となり、前記温水入口が最も低い位置となるよう、順次高低差をつけて配置されることを特徴とするヒートポンプ式蒸気生成装置。
5. 請求項３または４に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置であって、
   前記温水排出経路は、前記エア抜き機構よりも高い位置まで立ち上げられた部分を有することを特徴とするヒートポンプ式蒸気生成装置。
6. 請求項３〜５のいずれか１項に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置であって、
   前記蒸発器内の天井面は、前記温水入口部分で最も高くなるよう、傾斜が付けられていることを特徴とするヒートポンプ式蒸気生成装置。
7. 請求項３〜５のいずれか１項に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置であって、
   前記蒸発器の底面を前記温水入口側が高くなるように傾斜させて設置したことを特徴とするヒートポンプ式蒸気生成装置。