JP6341465B2 - 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、ヒートポンプを用いた給水加温システムが知られている。この給水加温システム（１）は、ヒートポンプ（４）と給水加温用熱交換器（１２）とを備え、給水路（８）を介した給水タンク（３）への給水は、給水加温用熱交換器（１２）、過冷却器（１７）および凝縮器（１４）を順に通される。給水加温用熱交換器（１２）は、給水路（８）を介した給水タンク（３）への給水と、蒸発器（１６）を通過後の熱源流体との熱交換器であり、過冷却器（１７）は、給水路（８）を介した給水タンク（３）への給水と、凝縮器（１４）から膨張弁（１５）への冷媒との熱交換器であり、凝縮器（１４）は、給水路（８）を介した給水タンク（３）への給水と、圧縮機（１３）からの冷媒との熱交換器である。

また、下記特許文献２に開示されるように、第１冷凍サイクル（１０）と第２冷凍サイクル（１０´）とを並列に備えたヒートポンプ装置が知られている。このヒートポンプ装置によれば、配管（１６）により、第２冷凍サイクル（１０´）の凝縮器（１２´）で昇温された中間温水をさらに第１冷凍サイクル（１０）の凝縮器（１２）に通して高温水化する。

特開２０１３−２１０１１８号公報 実開昭６０−２３６６９号公報（第２図）

従来技術では、熱源流体の温度が低い場合（たとえば３０〜４０℃の場合）、ヒートポンプで加温後の出湯温度を高めることが難しい。特に、前記特許文献１に記載の発明では、熱源流体は、ヒートポンプの蒸発器を通された後、給水加温用熱交換器に通されるので、給水加温用熱交換器において、給水の加温を十分に行えないおそれがある。つまり、給水加温用熱交換器において給水を加温するための流体は、ヒートポンプの熱源として利用されて温度低下した後、給水加温用熱交換器に供給されるので、給水加温用熱交換器において、給水の加温を十分に行えないおそれがある。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、熱源流体の温度が低くても、効率よく給水を所望温度まで加温できる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るヒートポンプを複数備えると共に、熱源流体との熱交換により通水を加温する給水加温用熱交換器を備え、前記各ヒートポンプの凝縮器は、ヒートポンプの冷媒と通水との熱交換器であり、前記各ヒートポンプの蒸発器は、ヒートポンプの冷媒と熱源流体との熱交換器であり、前記各ヒートポンプの蒸発器に、熱源流体が、設定順序で直列に通されるか、一部の蒸発器には並列に通され、これら各蒸発器への熱源流体の供給とは並列に、前記給水加温用熱交換器に熱源流体が通され、給水路を介した給水タンクへの給水が、前記給水加温用熱交換器に通された後、前記各ヒートポンプの凝縮器に順に通される給水加温システムであって、前記ヒートポンプとして、少なくとも低温側ヒートポンプと高温側ヒートポンプとを備え、前記低温側ヒートポンプは、低温側圧縮機、低温側凝縮器、低温側過冷却器、低温側膨張弁および低温側蒸発器が順次環状に接続されて冷媒を循環させ、前記高温側ヒートポンプは、高温側圧縮機、高温側凝縮器、高温側過冷却器、高温側膨張弁および高温側蒸発器が順次環状に接続されて冷媒を循環させ、前記高温側蒸発器および前記低温側蒸発器に、熱源流体が順に通され、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水が、前記給水加温用熱交換器、前記低温側過冷却器、前記低温側凝縮器、前記高温側過冷却器および前記高温側凝縮器に順に通され、前記給水タンクの水位が下限水位を下回ると、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水を開始すると共に、前記各圧縮機を起動し、前記給水タンクの水位が上限水位を上回ると、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水を停止すると共に、前記各圧縮機を停止す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、熱源流体は、各ヒートポンプの蒸発器に設定順序で直列に通されるか、一部の蒸発器には並列に通されると共に、これと並列に給水加温用熱交換器に通される。その一方、給水路を介した給水タンクへの給水は、給水加温用熱交換器に通された後、各ヒートポンプの凝縮器に順に通される。給水加温用熱交換器には、各蒸発器と並列に熱源流体が通されるので、各蒸発器を通過後の熱源流体が直列に通される場合と比較して、給水の加温量を増すことができ、各ヒートポンプの効率を向上することができる。また、並列に配置された複数のヒートポンプにより、熱源流体が比較的低温であっても、給水路の通水を所望に加温することができる。

請求項１に記載の発明によれば、少なくとも低温側ヒートポンプと高温側ヒートポンプとを備え、熱源流体は、高温側蒸発器および低温側蒸発器に順に通されると共に、これと並列に給水加温用熱交換器に通される。その一方、給水路を介した給水タンクへの給水は、給水加温用熱交換器、低温側過冷却器、低温側凝縮器、高温側過冷却器および高温側凝縮器に順に通される。給水加温用熱交換器には、各蒸発器と並列に熱源流体が通されるので、各蒸発器を通過後の熱源流体が直列に通される場合と比較して、給水の加温量を増やすことができ、各ヒートポンプの効率を向上することができる。また、並列に配置された複数のヒートポンプは、比較的高温の給水を加温するヒートポンプほど、比較的高温の熱源流体を用いるので、各ヒートポンプにおける汲み上げ温度差を低減して、ヒートポンプの効率を向上することができる。
請求項１に記載の発明によれば、給水タンクの水位に応じて、各ヒートポンプを制御して、給水タンクへの給水を制御することができる。

請求項２に記載の発明は、前記低温側ヒートポンプは、低温側液ガス熱交換器を備える一方、前記高温側ヒートポンプは、高温側液ガス熱交換器を備え、前記低温側液ガス熱交換器は、前記低温側凝縮器から前記低温側過冷却器への冷媒と、前記低温側蒸発器から前記低温側圧縮機への冷媒との熱交換器であり、前記高温側液ガス熱交換器は、前記高温側凝縮器から前記高温側過冷却器への冷媒と、前記高温側蒸発器から前記高温側圧縮機への冷媒との熱交換器であ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、各ヒートポンプに液ガス熱交換器を設置して、各ヒートポンプの効率を向上することができる。凝縮器と過冷却器とを備えるヒートポンプに液ガス熱交換器を設置する場合、文字通り液冷媒とガス冷媒との熱交換を図るために、過冷却器から膨張弁への冷媒と、蒸発器から圧縮機への冷媒とを熱交換させるのが通常であろうが、本請求項に記載の発明では、凝縮器から過冷却器への冷媒と、蒸発器から圧縮機への冷媒とを熱交換させる。比較的高温の凝縮器出口側の冷媒により、ガス冷媒の過熱を確保して、ヒートポンプの効率を向上することができる。

請求項３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中、設定条件を満たすと、前記高温側圧縮機の運転を維持しつつ、前記低温側圧縮機の運転を停止することを特徴とする請求項１または請求項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、給水路を介した給水タンクへの給水中、所望により、低温側圧縮機を停止させて、高温側ヒートポンプのみで給水の加温を図ることができる。

請求項４に記載の発明は、前記高温側蒸発器への熱源流体温度が低温側停止温度を超えると、前記設定条件を満たしたとして、前記低温側圧縮機を停止す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、熱源流体温度が所定より高ければ、低温側圧縮機を停止させて、高温側ヒートポンプのみで給水の加温を図ることができる。これにより、消費電力の削減を図ることができる。

請求項５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中、前記高温側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し、前記通水量を調整するポンプの回転数または弁の開度が低温側停止値を超えると、前記設定条件を満たしたとして、前記低温側圧縮機を停止することを特徴とする請求項３または請求項４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、給水路を介した給水タンクへの給水中、高温側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。また、通水量を調整するポンプの回転数または弁の開度が所定より大きくなり過ぎると、前記通水量の調整が不可能になるおそれがあるので、低温側圧縮機を停止させることで、出湯温度一定制御を安定して行うことができる。

請求項６に記載の発明は、前記給水タンクの水位が低温側停止水位を上回ると、前記設定条件を満たしたとして、前記低温側圧縮機を停止することを特徴とする請求項３〜５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、給水タンクの水位が所定より高まれば、低温側圧縮機を停止させて、高温側ヒートポンプのみで給水の加温を図るので、給水量を落とした制御が容易となる。

請求項７に記載の発明は、前記各圧縮機の停止状態からの起動時、まずは前記高温側圧縮機を起動し、その後、設定タイミングで前記低温側圧縮機を起動することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の給水加温システムである。

仮に、先に低温側圧縮機を起動し、遅れて高温側圧縮機を起動すると、高温側圧縮機の起動時に通水温度（高温側凝縮器の出口側水温）が高くなり過ぎるおそれがあるが、請求項７に記載の発明によれば、先に高温側圧縮機を起動し、遅れて低温側圧縮機を起動するので、低温側圧縮機の起動時に通水温度が過度に上昇するのが防止される。

請求項８に記載の発明は、前記給水加温用熱交換器への熱源流体温度と、前記給水加温用熱交換器の出口側水温との温度差を設定値に維持するように、前記給水加温用熱交換器への熱源流体の供給流量を調整することを特徴とする請求項１〜７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８に記載の発明によれば、給水加温用熱交換器への熱源流体温度と、給水加温用熱交換器の出口側水温との温度差を設定値に維持するように、給水加温用熱交換器への熱源流体の供給流量を制御することで、給水加温用熱交換器における熱交換効率を高めることができる。また、給水加温用熱交換器への熱源流体温度が、給水加温用熱交換器の入口側水温よりも低い場合には、給水加温用熱交換器への熱源流体の供給が規制されるので、給水加温用熱交換器に熱源流体を通すと却って給水を冷却してしまう不都合が防止される。

さらに、請求項９に記載の発明は、前記各ヒートポンプの蒸発器に、熱源流体が設定順序で順に通され、前記各ヒートポンプの蒸発器を通過後の熱源流体温度と、前記給水加温用熱交換器を通過後の熱源流体温度とが等しくなるように、前記各蒸発器と前記給水加温用熱交換器とへの熱源流体の分配割合を調整することを特徴とする請求項１〜７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９に記載の発明によれば、各ヒートポンプの蒸発器を通過後の熱源流体温度と、給水加温用熱交換器を通過後の熱源流体温度とが等しくなるように、各蒸発器と給水加温用熱交換器とへの熱源流体の分配割合を調整することで、各ヒートポンプと給水加温用熱交換器とにバランスよく熱を分配することができる。

本発明の給水加温システムによれば、熱源流体の温度が低くても、効率よく給水を所望温度まで加温することができる。

本発明の一実施例の給水加温システムを示す概略図である。 図１の給水加温システムの変形例を示す概略図である。

本発明の一実施形態の給水加温システムは、ヒートポンプを用いて、給水タンクへの給水を加温するシステムである。ヒートポンプとして、蒸気圧縮式のヒートポンプを並列に複数備える。各ヒートポンプは、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る。各ヒートポンプの凝縮器は、ヒートポンプの冷媒と通水との熱交換器であり、各ヒートポンプの蒸発器は、ヒートポンプの冷媒と熱源流体との熱交換器である。

給水加温システムは、さらに、給水加温用熱交換器を備える。この給水加温用熱交換器は、熱源流体との熱交換により通水を加温する。熱源流体は、各ヒートポンプの蒸発器に設定順序で直列に通されるか、一部または全部の蒸発器には並列に通される。そして、これら各熱交換器への熱源流体の供給とは並列に、給水加温用熱交換器に熱源流体が通される。一方、給水路を介した給水タンクへの給水は、給水加温用熱交換器に通された後、各ヒートポンプの凝縮器に順に通される。たとえば、熱源流体は、各ヒートポンプの蒸発器に設定順序で直列に通されると共に、これと並列に給水加温用熱交換器に通される一方、給水タンクへの給水は、給水加温用熱交換器に通された後、熱源流体が通される順序とは逆の順序で、各ヒートポンプの凝縮器に順に通される。

給水加温用熱交換器には、各蒸発器と並列に熱源流体が通されるので、各蒸発器を通過後の熱源流体が直列に通される場合と比較して、給水の加温量を増やすことができる。ヒートポンプの手前で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、並列に配置された複数のヒートポンプにより、熱源流体が比較的低温であっても、給水路の給水を所望に加温することができる。さらに、各蒸発器と並列に給水加温用熱交換器に熱源流体を通すことで、給水加温用熱交換器への熱源流体の供給流量を、各蒸発器への熱源流体の供給流量とは別個に調整することが可能となる。

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、本発明の一実施例の給水加温システム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４，５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６と、この補給水タンク６から給水タンク３への給水を加温するヒートポンプ４，５と、このヒートポンプ４，５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７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８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６から、ヒートポンプ４，５を介して給水路９により給水可能であると共に、ヒートポンプ４，５を介さずに補給水路１０により給水可能である。給水路９に設けた給水ポンプ１１と、補給水路１０に設けた補給水ポンプ１２との作動を制御することで、給水路９と補給水路１０との内、いずれか一方または双方を介して、補給水タンク６から給水タンク３へ給水可能である。

給水ポンプ１１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１１の回転数を変更することで、給水路９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１２は、本実施例では、オンオフ制御される。

補給水タンク６は、給水タンク３への給水を貯留する。補給水タンク６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６に供給され貯留される。補給水タンク６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６の水位は所望に維持される。

ヒートポンプは、並列に複数設置され、少なくとも低温側ヒートポンプ４と高温側ヒートポンプ５とを備える。各ヒートポンプ４，５は、蒸気圧縮式のヒートポンプである。各ヒートポンプ４，５の冷媒や出力は、同じでもよいし、異なってもよい。たとえば、各ヒートポンプ４，５は、同一冷媒であるが、高温側ヒートポンプ５の圧縮機の出力や質量流量は、低温側ヒートポンプ４より大きく構成される。

低温側ヒートポンプ４は、低温側圧縮機１３、低温側凝縮器１４、低温側過冷却器１５、低温側膨張弁１６および低温側蒸発器１７が順次環状に接続されて、冷媒を循環させる。低温側ヒートポンプ４は、低温側蒸発器１７において、冷媒が外部から熱を奪って気化する一方、低温側凝縮器１４および低温側過冷却器１５において、冷媒が外部へ放熱して凝縮、過冷却する。これを利用して、低温側ヒートポンプ４は、低温側蒸発器１７において熱源水から熱を汲み上げ、低温側過冷却器１５および低温側凝縮器１４において給水路９の水を加温する。

低温側ヒートポンプ４の各構成要素を順に説明する。低温側圧縮機１３は、ガス冷媒を圧縮して高温高圧にする。低温側凝縮器１４は、低温側ヒートポンプ４の冷媒と給水路９の水とを混ぜることなく熱交換する間接熱交換器であり、低温側圧縮機１３からのガス冷媒を凝縮する一方、給水路９の水を加温する。低温側過冷却器１５は、低温側ヒートポンプ４の冷媒と給水路９の水とを混ぜることなく熱交換する間接熱交換器であり、低温側凝縮器１４からの冷媒を過冷却する一方、給水路９の水を加温する。低温側膨張弁１６は、低温側過冷却器１５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。低温側蒸発器１７は、低温側ヒートポンプ４の冷媒と熱源水とを混ぜることなく熱交換する間接熱交換器であり、低温側膨張弁１６からの冷媒を蒸発させる一方、熱源水を冷却する。

高温側ヒートポンプ５は、高温側圧縮機１８、高温側凝縮器１９、高温側過冷却器２０、高温側膨張弁２１および高温側蒸発器２２が順次環状に接続されて、冷媒を循環させる。高温側ヒートポンプ５は、高温側蒸発器２２において、冷媒が外部から熱を奪って気化する一方、高温側凝縮器１９および高温側過冷却器２０において、冷媒が外部へ放熱して凝縮、過冷却する。これを利用して、高温側ヒートポンプ５は、高温側蒸発器２２において熱源水から熱を汲み上げ、高温側過冷却器２０および高温側凝縮器１９において給水路９の水を加温する。

高温側ヒートポンプ５の各構成要素を順に説明する。高温側圧縮機１８は、ガス冷媒を圧縮して高温高圧にする。高温側凝縮器１９は、高温側ヒートポンプ５の冷媒と給水路９の水とを混ぜることなく熱交換する間接熱交換器であり、高温側圧縮機１８からのガス冷媒を凝縮する一方、給水路９の水を加温する。高温側過冷却器２０は、高温側ヒートポンプ５の冷媒と給水路９の水とを混ぜることなく熱交換する間接熱交換器であり、高温側凝縮器１９からの冷媒を過冷却する一方、給水路９の水を加温する。高温側膨張弁２１は、高温側過冷却器２０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。高温側蒸発器２２は、高温側ヒートポンプ５の冷媒と熱源水とを混ぜることなく熱交換する間接熱交換器であり、高温側膨張弁２１からの冷媒を蒸発させる一方、熱源水を冷却する。

なお、各ヒートポンプ４，５には、圧縮機１３，１８の入口側にアキュムレータを設置したり、圧縮機１３，１８の出口側に油分離器を設置したり、凝縮器１４，１９の出口側（凝縮器１４，１９と過冷却器１５，２０との間）に受液器を設置したりしてもよい。また、各ヒートポンプ４，５の圧縮機１３，１８は、本実施例では、オンオフ制御され、作動中には、回転数が一定に維持されるが、場合により、所定箇所の温度もしくは圧力または水位などに基づき、インバータにより回転数を変更させてもよい。

熱源水タンク７は、各ヒートポンプ４，５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。本実施例の給水加温システム１の場合、熱源水温度が比較的低くても（たとえば３０〜４０℃程度であっても）、後述するように所望温度の温水を製造することができる。なお、熱源水タンク７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。

給水加温システム１は、さらに、給水加温用熱交換器２５を備える。この給水加温用熱交換器２５は、給水路９を介した給水タンク３への給水と、熱源水タンク７からの熱源水とを混ぜることなく熱交換する間接熱交換器である。

給水路９を介した給水タンク３への給水は、給水加温用熱交換器２５、低温側過冷却器１５、低温側凝縮器１４、高温側過冷却器２０および高温側凝縮器１９に、順に通される。一方、熱源水タンク７からの熱源水は、低温側蒸発器１７、高温側蒸発器２２および給水加温用熱交換器２５に、設定順序で直列に通されるか、一部または全部の熱交換器には並列に通される。好ましくは、熱源水タンク７からの熱源水は、各蒸発器１７，２２に設定順序で直列に通されるか並列に通され、これら各蒸発器１７，２２への熱源水の供給とは並列に、給水加温用熱交換器２５に熱源水が通される。

本実施例では、熱源水タンク７からの熱源水は、熱源供給ポンプ２６を介した後、第一熱源供給路２７と第二熱源供給路２８とに分岐され、第一熱源供給路２７の熱源水は、高温側蒸発器２２および低温側蒸発器１７を順に通される一方、第二熱源供給路２８の熱源水は、給水加温用熱交換器２５に通される。つまり、本実施例では、高温側蒸発器２２と低温側蒸発器１７とに熱源水が順に通されると共に、これと並行に、給水加温用熱交換器２５に熱源水が通される。

第二熱源供給路２８には、開度調整可能な流量調整弁２９が設けられる。この流量調整弁２９の開度を調整することで、給水加温用熱交換器２５への熱源水の供給流量（通水流量）を調整することができる。

給水路９には、高温側凝縮器１９の出口側に、出湯温度センサ３０が設けられる。出湯温度センサ３０は、高温側凝縮器１９を通過後の水温を検出する。出湯温度センサ３０の検出温度に基づき、給水ポンプ１１が制御される。ここでは、給水ポンプ１１は、出湯温度センサ３０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９を介した給水タンク３への給水は、出湯温度センサ３０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３０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３１が設けられる。この水位検出器３１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３２，３３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。具体的には、給水停止電極棒３２および給水開始電極棒３３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、破線で示すように、低温側停止電極棒３４を設けてもよく、その場合、給水停止電極棒３２、低温側停止電極棒３４および給水開始電極棒３３の順に、下端部の高さ位置を低くして、給水タンク３に挿入される。いずれにしても、各電極棒３２〜３４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。なお、給水停止電極棒３２による検出水位を給水停止水位（上限水位）、給水開始電極棒３３による検出水位を給水開始水位（下限水位）、低温側停止電極棒３４による検出水位を低温側停止水位ということにする。

給水加温用熱交換器２５への熱源供給路（第一熱源供給路２７と第二熱源供給路２８との分岐部よりも上流の共通路であるのが好ましいが、場合により前記分岐部よりも下流の第二熱源供給路２８であってもよい）には、給水加温用熱交換器２５への熱源水温度を検出する熱源温度センサ３５が設けられる。一方、給水路９の内、給水加温用熱交換器２５の出口側には、給水加温用熱交換器２５の出口側水温を検出する水温センサ３６が設けられる。

各ヒートポンプ４，５（特にその圧縮機１３，１８）、給水ポンプ１１、補給水ポンプ１２、熱源供給ポンプ２６、流量調整弁２９、出湯温度センサ３０、水位検出器３１、熱源温度センサ３５および水温センサ３６などは、制御器（図示省略）に接続される。そして、制御器は、各センサ３０，３１，３５，３６の検出信号などに基づき、各ヒートポンプ４，５、各ポンプ１１，１２，２６および流量調整弁２９などを制御して、以下に述べる各制御を実行する。

給水路９を介した給水タンク３への給水は、給水タンク３の水位に基づき制御される。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３２が水位を検知し、給水タンク３の水位が十分にある場合（つまり給水停止水位を上回っている場合）、給水タンク３への給水は不要であるから、給水ポンプ１１を停止している。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３３が水位を検知しなくなると（つまり給水開始水位を下回った場合）、給水ポンプ１１を作動させる。これにより、給水路９を介して給水タンク３に給水されるが、給水停止電極棒３２が水位を検知すると、給水ポンプ１１を停止する。

給水タンク３には、給水路９を介して給水可能であると共に補給水路１０を介しても給水可能であるが、給水路９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、上述したとおり給水路９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１０を介しても給水タンク３へ給水するのが好ましい。その場合、給水タンク３の水位検出器３１は、補給水ポンプ１２を発停するための水位（補給水開始水位と補給水停止水位）も検出可能に構成しておけばよい。

給水路９を介した給水タンク３への給水中（つまり給水ポンプ１１の作動中）、熱源供給ポンプ２６を作動させると共に、ヒートポンプ４，５（後述するように少なくとも高温側ヒートポンプ５）を作動させる。つまり、熱源供給ポンプ２６およびヒートポンプ４，５は、給水ポンプ１１と連動するよう発停される。但し、ヒートポンプ４，５の起動時、まずは給水ポンプ１１および熱源供給ポンプ２６を作動させて、ヒートポンプ４，５への給水および熱源水の供給を確認した後、ヒートポンプ４，５を起動するのが好ましい。なお、ヒートポンプ４，５は、その圧縮機１３，１８の作動の有無により、運転と停止が切り替えられる。

給水路９を介した給水タンク３への給水中、給水ポンプ１１は、出湯温度センサ３０の検出温度を設定温度に維持するように、回転数をインバータ制御されるのがよい。以下、この制御を、出湯温度一定制御という。

ヒートポンプ４，５の起動時、まずは高温側ヒートポンプ５を起動し、その後、設定タイミングで低温側ヒートポンプ４を起動するのがよい。たとえば、まずは高温側ヒートポンプ５を起動し、その起動から設定時間（高温側ヒートポンプ５の運転が安定するまでの時間であり、たとえば５分）後、低温側ヒートポンプ４を起動するのがよい。その理由は、次のとおりである。

すなわち、仮に、低温側ヒートポンプ４を先に起動し、遅れて高温側ヒートポンプ５を起動する場合、低温側ヒートポンプ４のみ運転中でも、前述した出湯温度一定制御により、出湯温度センサ３０の検出温度を設定温度に維持するように給水量が調整されるので、その状態で、給水路９の下流側の高温側ヒートポンプ５をさらに起動すると、出湯温度センサ３０の検出温度が設定温度を超えるおそれがある。また、比較的高温の水が高温側ヒートポンプ５に通されるので、高温側ヒートポンプ５の起動時、高温側凝縮器１９や高温側過冷却器２０において冷媒を所望に凝縮できず、高温側ヒートポンプ５の冷媒の圧力や温度が高まり過ぎて、高温側ヒートポンプ５をインターロック停止させるおそれもある。これに対し、高温側ヒートポンプ５を先に起動しておけば、そのような不都合を防止することができる。

ヒートポンプ４，５を運転して、補給水タンク６から給水路９を介して給水タンク３へ給水する際、補給水タンク６からの給水は、給水加温用熱交換器２５、低温側過冷却器１５、低温側凝縮器１４、高温側過冷却器２０および高温側凝縮器１９に順に通され加温される。一方、熱源水タンク７からの熱源水は、本実施例では、高温側蒸発器２２と低温側蒸発器１７とに順に通されると共に、これと並行に給水加温用熱交換器２５に通される。各蒸発器２２，１７と給水加温用熱交換器２５とに熱源水を直列に順に通す場合と比較して、各蒸発器２２，１７と給水加温用熱交換器２５とに熱源水を並列に通す場合、比較的高温の熱源水を給水加温用熱交換器２５に通すことができる。これにより、給水加温用熱交換器２５における熱交換量を高めることができ、ヒートポンプ４，５の手前における給水の加温が図られるので、各圧縮機１３，１８の動力を小さくして、ヒートポンプ４，５の効率を向上することができる。さらに、各蒸発器２２，１７と給水加温用熱交換器２５とに順に熱源水を通した場合、各蒸発器２２，１７が圧損要素となるが、各蒸発器２２，１７と給水加温用熱交換器２５とに熱源水を並列に通す場合、そのような圧損要素がないというメリットもある。

また、本実施例の給水加温システム１によれば、第一熱源供給路２７を介した熱源水は、高温側ヒートポンプ５に通された後、低温側ヒートポンプ４に通される一方、給水路９を介した給水は、低温側ヒートポンプ４に通された後、高温側ヒートポンプ５に通される。このようにして、比較的高温の給水を加温するヒートポンプほど、比較的高温の熱源水を用いるので、各ヒートポンプ４，５における汲み上げ温度差を小さくして、ヒートポンプ４，５の効率を向上することができる。

両ヒートポンプ４，５を運転して、給水路９を介した給水タンク３への給水中、設定条件を満たすと、高温側圧縮機１８の運転を維持しつつ、低温側圧縮機１３の運転を停止してもよい。つまり、高温側ヒートポンプ５のみを運転しつつ、給水路９を介した給水タンク３への給水を図ってもよい。

たとえば、高温側蒸発器２２への熱源水温度が低温側停止温度を超えると、前記設定条件を満たしたとして、低温側圧縮機１３を停止させればよい。具体的には、熱源温度センサ３５の検出温度が低温側停止温度を超えると、低温側圧縮機１３を停止させればよい。その後、給水ポンプ１１の作動が継続中であることを前提に、熱源温度センサ３５の検出温度が低温側起動温度以下になれば、低温側圧縮機１３を起動すればよい。このようにして、熱源水が比較的高温の場合には、高温側ヒートポンプ５のみで給水を所望に加温できるから、低温側ヒートポンプ４を停止させて、消費電力の削減を図ることができる。

また、給水ポンプ１１の回転数をインバータで制御しつつ、出湯温度一定制御を実施する場合において、給水ポンプ１１の回転数が低温側停止値を超える（たとえば、インバータ制御による給水ポンプ１１のモータの駆動周波数が予め設定された最大周波数を超える）と、前記設定条件を満たしたとして、低温側圧縮機１３を停止すればよい。その後、給水ポンプ１１の作動が継続中であることを前提に、給水ポンプ１１の回転数が低温側起動値以下になれば、低温側圧縮機１３を起動すればよい。

出湯温度一定制御により、給水ポンプ１１の回転数（周波数）を調整中、通水量（給水ポンプ１１の回転数）が高くなり過ぎ、出湯温度センサ３０の検出温度を設定温度に維持できないおそれがある場合には、低温側ヒートポンプ４を停止させることで、そのような不都合を防止できる。また、高温側ヒートポンプ５の冷媒圧が高くなり過ぎるのを防止できる。

さらに、給水タンク３の水位検出器３１において、前述したとおり、給水停止電極棒３２および給水開始電極棒３３の他に、低温側停止電極棒３４を設けておくなどして、給水停止水位と給水開始水位との間（典型的には中央）で、低温側停止水位を検知可能としておき、給水タンク３の水位が低温側停止水位を上回ると、前記設定条件を満たしたとして、低温側圧縮機１３を停止するようにしてもよい。この場合、給水開始電極棒３３が水位を検知せず（つまり給水開始水位を下回っており）、両ヒートポンプ４，５が作動中だとして、水位上昇時、低温側停止電極棒３４が水位を検知する（つまり低温側停止水位を上回る）と、まずは低温側ヒートポンプ４を停止し、さらに給水停止電極棒３２が水位を検知する（つまり給水停止水位を上回る）と、高温側ヒートポンプ５も停止する。その状態から逆に、水位下降時、低温側停止電極棒３４が水位を検知しなくなる（つまり低温側停止水位を下回る）と、まずは高温側ヒートポンプ５を起動し、さらに給水開始電極棒３３が水位を検知しなくなる（つまり給水開始水位を下回る）と、低温側ヒートポンプ４も起動する。

ところで、給水加温用熱交換器２５への熱源水温度と、給水加温用熱交換器２５の出口側水温との温度差を設定値に維持するように、給水加温用熱交換器２５への熱源水の供給流量を制御するのがよい。具体的には、給水ポンプ１１の作動中、水温センサ３６の検出温度Ｔ１と、熱源温度センサ３５の検出温度Ｔ２とを比較し、Ｔ２−Ｔ１が一定温度（たとえば１℃）になるように、流量調整弁２９の開度を調整すればよい。これにより、給水加温用熱交換器２５への熱源水の供給流量を最小限にできる。また、給水加温用熱交換器２５への熱源水温度が、給水加温用熱交換器２５の入口側水温よりも低い場合には、給水加温用熱交換器２５への熱源水の供給が制限されるので、給水加温用熱交換器２５に熱源水を通すと却って給水を冷却してしまう不都合が防止される。

次に、本実施例の給水加温システム１の変形例について説明する。
図２は、図１の給水加温システム１の変形例を示す概略図である。この給水加温システム１は、低温側ヒートポンプ４に低温側液ガス熱交換器３７を設ける一方、高温側ヒートポンプ５に高温側液ガス熱交換器３８を設けた点が、前記実施例と異なる。

低温側液ガス熱交換器３７は、低温側凝縮器１４から低温側過冷却器１５への冷媒と、低温側蒸発器１７から低温側圧縮機１３への冷媒とを混ぜることなく熱交換する間接熱交換器である。一方、高温側液ガス熱交換器３８は、高温側凝縮器１９から高温側過冷却器２０への冷媒と、高温側蒸発器２２から高温側圧縮機１８への冷媒とを混ぜることなく熱交換する間接熱交換器である。

仮に、各ヒートポンプ４（５）において、過冷却器１５（２０）から膨張弁１６（２１）への冷媒と、蒸発器１７（２２）から圧縮機１３（１８）への冷媒とを熱交換するよう液ガス熱交換器を設置すると、過冷却器１５（２０）で過冷却した後の液冷媒で、圧縮機１３（１８）への冷媒を加熱することになり、過熱度を確保するのが難しい。これに対し、図２のように、各ヒートポンプ４（５）において、凝縮器１４（１９）から過冷却器１５（２０）への冷媒と、蒸発器１７（２２）から圧縮機１３（１８）への冷媒とを熱交換するよう液ガス熱交換器３７（３８）を設置すると、過冷却器１５（２０）で過冷却する前の比較的高温の冷媒（凝縮器１４（１９）からの冷媒であり気液二相冷媒でもよい）により、蒸発器１７（２２）からのガス冷媒の過熱を確保して、ヒートポンプ４（５）の効率を向上することができる。その他の構成および制御は、前記実施例と同様のため、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（変形例を含む）の構成に限らず、適宜変更可能である。特に、複数のヒートポンプ４，５と給水加温用熱交換器２５とを備え、熱源水が、各ヒートポンプ４，５の蒸発器１７，２２に設定順序で直列に通されるか、一部または全部の蒸発器１７，２２には並列に通され、これら各蒸発器１７，２２への熱源水の供給とは並列に、給水加温用熱交換器２５に熱源水が通される一方、給水路９を介した給水タンク３への給水が、給水加温用熱交換器２５に通された後、各ヒートポンプ４，５の凝縮器１４，１９に順に通されるのであれば、その他の構成（制御を含む）は適宜に変更可能である。たとえば、前記実施例において、各ヒートポンプ４，５の過冷却器１５，２０は、場合により設置を省略してもよい。

また、前記実施例において、低温側ヒートポンプ４と高温側ヒートポンプ５との間に、第三のヒートポンプを設けてもよい。その場合、その第三のヒートポンプは、蒸発器に、たとえば、高温側ヒートポンプ５から低温側ヒートポンプ４への熱源水が通され、過冷却器および凝縮器に、たとえば、低温側ヒートポンプ４から高温側ヒートポンプ５への給水が通される。同様にして、並列に設置するヒートポンプの数は、適宜に変更可能である。

また、前記実施例では、給水加温用熱交換器２５への第二熱源供給路２８に流量調整弁２９を設けたが、給水加温用熱交換器２５への熱源水の供給流量（あるいは後述するように第一熱源供給路２７と第二熱源供給路２８とへの熱源水の供給流量つまり分配割合）を調整可能であれば、その具体的構成は適宜に変更可能である。

たとえば、前記実施例では、第一熱源供給路２７との分岐後の第二熱源供給路２８に流量調整弁２９を設け、この流量調整弁２９を熱源温度センサ３５と水温センサ３６の各検出温度に基づき制御したが、第二熱源供給路２８に流量調整弁２９を設ける代わりに、第一熱源供給路２７と第二熱源供給路２８との分岐部に、図１において破線で示すように三方弁３９を設けてもよい。三方弁３９は、熱源供給ポンプ２６からの熱源水について、第一熱源供給路２７と第二熱源供給路２８への分配割合を調整する。前記実施例と同様に、給水加温用熱交換器２５への熱源水温度と、給水加温用熱交換器２５の出口側水温との温度差を設定値に維持するように、三方弁３９による分配割合を調整して、給水加温用熱交換器２５への熱源水の供給流量を調整してもよい。

また、このような三方弁３９を設けた場合（あるいは前記実施例と同様に流量調整弁２９を設けた場合）において、給水加温用熱交換器２５への熱源水温度と、給水加温用熱交換器２５の出口側水温との温度差を設定値に維持するように、給水加温用熱交換器２５への熱源水の供給流量を制御することに代えて、次のように制御してもよい。すなわち、低温側蒸発器１７と高温側蒸発器２２とに、熱源水が設定順序で順に通され、これら各蒸発器１７，２２への熱源水の供給とは並列に、給水加温用熱交換器２５に熱源水が通されるシステムにおいて、各蒸発器１７，２２を通過後の熱源水温度と、給水加温用熱交換器２５を通過後の熱源水温度とが等しくなるように、各蒸発器１７，２２と給水加温用熱交換器２５とへの熱源水の分配割合を調整してもよい。たとえば、図１において、熱源供給ポンプ２６の作動中、低温側蒸発器１７の出口側の熱源水温度（Ａ点の温度）と、給水加温用熱交換器２５の出口側の熱源水温度（Ｂ点の温度）とをそれぞれ温度センサ（図示省略）で監視し、両温度が等しくなるように三方弁３９などを制御すればよい。この場合、各蒸発器１７，２２および給水加温用熱交換器２５にバランスよく熱を分配することができる。

また、前記実施例では、給水路９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１１をインバータ制御したが、給水ポンプ１１をオンオフ制御しつつ、給水路９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３０の検出温度などに基づき給水路９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、前記実施例では、給水ポンプ１１の回転数をインバータで制御しつつ、出湯温度一定制御を実施する場合において、給水ポンプ１１の回転数（周波数）が低温側停止値を超えると、設定条件を満たしたとして、低温側圧縮機１３を停止させた。これに関し、給水ポンプ１１をインバータ制御するのではなく、給水路９の通水流量をバルブの開度調整で行う場合、次のように制御してもよい。すなわち、そのバルブの開度が低温側停止値を超えると、前記設定条件を満たしたとして、低温側圧縮機１３を停止させてもよい。その後、バルブの開度が低温側起動値以下になれば、低温側圧縮機１３を起動すればよい。

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６を設置したが、場合により補給水タンク６の設置を省略して、給水源から直接に給水路９および補給水路１０に水を通してもよい。

また、前記実施例では、給水路９および／または補給水路１０を介して、補給水タンク６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９および補給水路１０の基端部をまとめて軟水器に接続し、給水ポンプ１１の設置を省略する代わりに給水路９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１２の設置を省略する代わりに補給水路１０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４，５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。そして、場合により、補給水タンク６や補給水路１０を省略してもよい。

また、前記実施例では、ヒートポンプ４，５の熱源（給水加温用熱交換器２５において給水を加温する流体でもある。）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４，５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。

さらに、前記実施例では、ヒートポンプ４，５の圧縮機１３，１８は、電気モータにより駆動されたが、圧縮機１３，１８の駆動源は特に問わない。たとえば、圧縮機１３，１８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）により駆動されたり、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１３，１８の出力が調整可能である。

１ 給水加温システム
３ 給水タンク
４ 低温側ヒートポンプ
５ 高温側ヒートポンプ
７ 熱源水タンク
９ 給水路
１１ 給水ポンプ
１３ 低温側圧縮機
１４ 低温側凝縮器
１５ 低温側過冷却器
１６ 低温側膨張弁
１７ 低温側蒸発器
１８ 高温側圧縮機
１９ 高温側凝縮器
２０ 高温側過冷却器
２１ 高温側膨張弁
２２ 高温側蒸発器
２５ 給水加温用熱交換器
２６ 熱源供給ポンプ
２７ 第一熱源供給路
２８ 第二熱源供給路
２９ 流量調整弁
３０ 出湯温度センサ
３１ 水位検出器
３２ 給水停止電極棒
３３ 給水開始電極棒
３４ 低温側停止電極棒
３５ 熱源温度センサ
３６ 水温センサ
３７ 低温側液ガス熱交換器
３８ 高温側液ガス熱交換器
３９ 三方弁

Claims (9)

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るヒートポンプを複数備えると共に、熱源流体との熱交換により通水を加温する給水加温用熱交換器を備え、
   前記各ヒートポンプの凝縮器は、ヒートポンプの冷媒と通水との熱交換器であり、
   前記各ヒートポンプの蒸発器は、ヒートポンプの冷媒と熱源流体との熱交換器であり、
   前記各ヒートポンプの蒸発器に、熱源流体が、設定順序で直列に通されるか、一部の蒸発器には並列に通され、
   これら各蒸発器への熱源流体の供給とは並列に、前記給水加温用熱交換器に熱源流体が通され、
   給水路を介した給水タンクへの給水が、前記給水加温用熱交換器に通された後、前記各ヒートポンプの凝縮器に順に通される給水加温システムであって、
   前記ヒートポンプとして、少なくとも低温側ヒートポンプと高温側ヒートポンプとを備え、
   前記低温側ヒートポンプは、低温側圧縮機、低温側凝縮器、低温側過冷却器、低温側膨張弁および低温側蒸発器が順次環状に接続されて冷媒を循環させ、
   前記高温側ヒートポンプは、高温側圧縮機、高温側凝縮器、高温側過冷却器、高温側膨張弁および高温側蒸発器が順次環状に接続されて冷媒を循環させ、
   前記高温側蒸発器および前記低温側蒸発器に、熱源流体が順に通され、
   前記給水路を介した前記給水タンクへの給水が、前記給水加温用熱交換器、前記低温側過冷却器、前記低温側凝縮器、前記高温側過冷却器および前記高温側凝縮器に順に通され、
   前記給水タンクの水位が下限水位を下回ると、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水を開始すると共に、前記各圧縮機を起動し、
   前記給水タンクの水位が上限水位を上回ると、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水を停止すると共に、前記各圧縮機を停止する
   ことを特徴とする給水加温システム。
2. 前記低温側ヒートポンプは、低温側液ガス熱交換器を備える一方、前記高温側ヒートポンプは、高温側液ガス熱交換器を備え、
   前記低温側液ガス熱交換器は、前記低温側凝縮器から前記低温側過冷却器への冷媒と、前記低温側蒸発器から前記低温側圧縮機への冷媒との熱交換器であり、
   前記高温側液ガス熱交換器は、前記高温側凝縮器から前記高温側過冷却器への冷媒と、前記高温側蒸発器から前記高温側圧縮機への冷媒との熱交換器である
   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. 前記給水路を介した前記給水タンクへの給水中、設定条件を満たすと、前記高温側圧縮機の運転を維持しつつ、前記低温側圧縮機の運転を停止する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の給水加温システム。
4. 前記高温側蒸発器への熱源流体温度が低温側停止温度を超えると、前記設定条件を満たしたとして、前記低温側圧縮機を停止する
   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. 前記給水路を介した前記給水タンクへの給水中、前記高温側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し、
   前記通水量を調整するポンプの回転数または弁の開度が低温側停止値を超えると、前記設定条件を満たしたとして、前記低温側圧縮機を停止する
   ことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の給水加温システム。
6. 前記給水タンクの水位が低温側停止水位を上回ると、前記設定条件を満たしたとして、前記低温側圧縮機を停止する
   ことを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の給水加温システム。
7. 前記各圧縮機の停止状態からの起動時、まずは前記高温側圧縮機を起動し、その後、設定タイミングで前記低温側圧縮機を起動する
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の給水加温システム。
8. 前記給水加温用熱交換器への熱源流体温度と、前記給水加温用熱交換器の出口側水温との温度差を設定値に維持するように、前記給水加温用熱交換器への熱源流体の供給流量を調整する
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の給水加温システム。
9. 前記各ヒートポンプの蒸発器に、熱源流体が設定順序で順に通され、
   前記各ヒートポンプの蒸発器を通過後の熱源流体温度と、前記給水加温用熱交換器を通過後の熱源流体温度とが等しくなるように、前記各蒸発器と前記給水加温用熱交換器とへの熱源流体の分配割合を調整する
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の給水加温システム。

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