JP6610950B2 - 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（２）の給水タンク（３）への給水を、ヒートポンプ（４）を用いて加温できるシステムが知られている。このシステムでは、ヒートポンプ（４）は、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冷媒を循環させ、蒸発器（１５）に通される熱源流体から熱をくみ上げ、凝縮器（１３）に通される水を加温する。給水路（８）を介した給水タンク（３）への給水は、廃熱回収熱交換器（１７）および凝縮器（１３）を順に通される。廃熱回収熱交換器（１７）は、凝縮器（１３）より上流側の給水路（８）の水と、蒸発器（１５）を通過後の熱源流体との熱交換器である。

そして、給水路（８）を介した給水タンク（３）への給水中、蒸発器（１５）への熱源流体温度に基づき、ヒートポンプ（４）の発停が制御される。具体的には、給水路（８）を介した給水タンク（３）への給水中、蒸発器（１５）への熱源流体温度が設定温度未満であれば、ヒートポンプ（４）を作動させた状態で、凝縮器（１３）の出口側水温を第一目標温度に維持するように、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。一方、給水路（８）を介した給水タンク（３）への給水中、蒸発器（１５）への熱源流体温度が設定温度以上になると、ヒートポンプ（４）を停止させた状態で、凝縮器（１３）の出口側水温を前記第一目標温度よりも低い第二目標温度に維持するように、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。

特開２０１５−５５４６０号公報（請求項１−２、図１）

上述のようなシステムにおいて、たとえば、凝縮器の破損によってもヒートポンプの冷媒が給水タンクへの給水に混入することがないように、ヒートポンプの回路外に第一熱交換器を設け、この第一熱交換器と凝縮器との間で循環液を循環させ、循環液を介して第一熱交換器において給水を加温することが考えられる。

ところが、第一熱交換器を設けて、循環液を介して給水を加温すると、循環液を介する分だけ給水の加温が行い難く、効率が劣ることになる。循環液を介して給水を加温する場合、第一熱交換器において可能な限り循環液と給水とを熱交換して、給水の加温を図る一方、循環液の冷却を図り、循環液の温度を下げることで、凝縮器などからの吸熱量を増す必要がある。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、凝縮器と第一熱交換器との間に循環液を循環させ、循環液を介して給水を加温する給水加温システムにおいて、給水の加温効率を向上することにある。

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循環液を加温するヒートポンプと、前記凝縮器との間で循環液を循環させ、その循環液で給水路の水を加温する第一熱交換器とを備え、前記ヒートポンプを作動させた状態で前記給水路を介した給水中、前記凝縮器の出口側循環液温度を第一目標温度に維持するように、循環液の循環流量を調整すると共に、前記第一熱交換器の出口側循環液温度と前記第一熱交換器の入口側水温との温度差が設定値になるように、前記給水路を介した給水流量を調整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、凝縮器と第一熱交換器との間で循環液を循環させ、凝縮器において冷媒と循環液とを熱交換して循環液を加温し、第一熱交換器において循環液と給水とを熱交換して給水を加温する。このようにして、凝縮器における冷媒の凝縮熱を、循環液を介して給水の加温に用いることができる。また、ヒートポンプを作動させた状態で給水路を介した給水中、凝縮器の出口側循環液温度を第一目標温度に維持するように、循環液の循環流量を調整することで、熱源流体の温度に拘わらず、所望温度の循環液を得ることができる。そして、第一熱交換器の出口側循環液温度と第一熱交換器の入口側水温との温度差が設定値になるように、給水路を介した給水流量を調整することで、詳細は後述するが、循環液から給水への加温を促し、循環液の冷却を図ることで、ヒートポンプにおける循環液への加温を促すことができる。つまり、第一熱交換器において循環液を給水により所望に冷却することで、ヒートポンプにおいて冷媒から循環液への加温量を増すことができる。

請求項２に記載の発明は、前記第一熱交換器から前記凝縮器への循環液と、前記凝縮器から前記膨張弁への冷媒とを熱交換する過冷却器と、前記第一熱交換器から前記過冷却器への循環液と、前記蒸発器を通過後の熱源流体とを熱交換する第二熱交換器とをさらに備え、前記循環液は、前記第二熱交換器、前記過冷却器、前記凝縮器および前記第一熱交換器を順に通されて循環され、前記給水路を介した給水中、前記蒸発器への熱源流体温度が設定温度未満であれば、前記ヒートポンプを作動させた状態で、前記凝縮器の出口側循環液温度を第一目標温度に維持するように、循環液の循環流量を調整すると共に、前記第一熱交換器の出口側循環液温度と前記第一熱交換器の入口側水温との温度差が設定値になるように、前記給水路を介した給水流量を調整し、前記給水路を介した給水中、前記蒸発器への熱源流体温度が設定温度以上になると、前記ヒートポンプを停止させた状態で、前記凝縮器の出口側循環液温度を前記第一目標温度よりも低い第二目標温度に維持するように、循環液の循環流量を調整すると共に、前記第一熱交換器の出口側循環液温度と前記第一熱交換器の入口側水温との温度差が設定値になるように、前記給水路を介した給水流量を調整す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、過冷却器において、凝縮器を通過後の冷媒により凝縮器への循環液を予熱したり、第二熱交換器において、蒸発器を通過後の熱源流体により過冷却器への循環液を予熱したりすることができる。また、蒸発器への熱源流体温度が設定温度未満であれば、ヒートポンプを作動させた状態で、凝縮器の出口側循環液温度を第一目標温度に維持するように、循環液の循環流量を調整することで、熱源流体の温度に拘わらず、所望温度の循環液を得ることができる。そして、第一熱交換器の出口側循環液温度と第一熱交換器の入口側水温との温度差が設定値になるように、給水路を介した給水流量を調整することで、詳細は後述するが、循環液から給水への加温を促し、循環液の冷却を図ることで、第二熱交換器やヒートポンプにおける循環液への加温を促すことができる。つまり、第一熱交換器において循環液を給水により所望に冷却することで、第二熱交換器において熱源流体から循環液への加温量を増すことができると共に、ヒートポンプにおいて冷媒から循環液への加温量を増すことができる。一方、蒸発器への熱源流体温度が設定温度以上になると、ヒートポンプを停止させるので、圧縮機の保護を図ることができる。但し、その場合でも、第二熱交換器において、循環液と熱源流体とを熱交換して、熱源流体からの熱回収を図ることができる。しかも、凝縮器の出口側循環液温度の制御目標温度を、第一目標温度よりも低い第二目標温度に切り替えることで、循環流量をある程度以上に確保して、熱源流体からの熱回収を有効に図ることができる。

請求項３に記載の発明は、前記給水路を介した給水流量の調整は、前記給水路に設けた給水弁を開度調整することで行い、給水流量が上限流量を超えないように、前記給水弁の上限開度が予め設定されており、その上限開度を超えない範囲で、前記給水弁を開度調整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、給水弁の上限開度が予め設定されているので、給水流量が上限流量を超えることがない。従って、たとえば、給水路に硬水軟化装置が設置されている場合でも、給水と陽イオン交換樹脂床との最低接触時間を確保するために設定された上限線速度（ＬＶ値）を超える流量での通水が防止され、ひいては硬度漏れを防止することができる。

請求項４に記載の発明は、前記給水路を介した給水流量の調整は、前記給水路に設けた給水弁を開度調整することで行い、前記給水路に設けた流量計の検出流量が上限流量を超えない範囲で、前記給水弁を開度調整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４に記載の発明によれば、給水路に設けた流量計の検出流量が上限流量を超えない範囲で、給水弁を開度調整するので、給水流量が上限流量を超えることがない。従って、たとえば、給水路に硬水軟化装置が設置されている場合でも、給水と陽イオン交換樹脂床との最低接触時間を確保するために設定された上限線速度（ＬＶ値）を超える流量での通水が防止され、ひいては硬度漏れを防止することができる。

請求項５に記載の発明は、前記給水路を介した給水流量の調整は、前記給水路に設けた給水ポンプの駆動周波数ひいては回転数を、インバータを用いて調整することで行い、給水流量が上限流量を超えないように、前記給水ポンプの上限駆動周波数が予め設定されており、その上限駆動周波数を超えない範囲で、前記給水ポンプの回転数を調整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５に記載の発明によれば、給水ポンプの上限駆動周波数が予め設定されているので、給水流量が上限流量を超えることがない。従って、たとえば、給水路に硬水軟化装置が設置されている場合でも、給水と陽イオン交換樹脂床との最低接触時間を確保するために設定された上限線速度（ＬＶ値）を超える流量での通水が防止され、ひいては硬度漏れを防止することができる。

さらに、請求項６に記載の発明は、前記給水路を介した給水流量の調整は、前記給水路に設けた給水ポンプの駆動周波数ひいては回転数を、インバータを用いて調整することで行い、前記給水路に設けた流量計の検出流量が上限流量を超えない範囲で、前記給水ポンプの回転数を調整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６に記載の発明によれば、給水路に設けた流量計の検出流量が上限流量を超えない範囲で、給水ポンプの回転数を調整するので、給水流量が上限流量を超えることがない。従って、たとえば、給水路に硬水軟化装置が設置されている場合でも、給水と陽イオン交換樹脂床との最低接触時間を確保するために設定された上限線速度（ＬＶ値）を超える流量での通水が防止され、ひいては硬度漏れを防止することができる。

本発明によれば、凝縮器と第一熱交換器との間に循環液を循環させ、循環液を介して給水を加温する給水加温システムにおいて、給水の加温効率を向上することができる。

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。

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への給水が通される第一熱交換器６と、この第一熱交換器６との間で循環液を循環させるヒートポンプ４と、このヒートポンプ４の熱源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への給水用のポンプ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）は、給水タンク３へ戻されてもよい。あるいは、蒸気使用設備からのドレンは、熱源水タンク７へ供給されてもよい。

給水タンク３は、補給水タンク５から、第一熱交換器６を介して給水路９により給水可能であると共に、第一熱交換器６を介さずに補給水路１０により給水可能である。給水路９には給水ポンプ１１が設けられ、補給水路１０には補給水ポンプ１２が設けられる。給水ポンプ１１の作動により、給水路９を介した給水がなされ、補給水ポンプ１２の作動により、補給水路１０を介した給水がなされる。

給水ポンプ１１は、本実施例では、出口側圧力が設定圧力未満になると起動し、設定圧力以上になると停止する。この際、設定圧力にディファレンシャル（動作隙間）を設けてもよいことはもちろんである。また、給水ポンプ１１は、モータの駆動周波数ひいては回転数をインバータで変更して、出口側圧力を設定圧力に維持するように制御されてもよい。一方、補給水ポンプ１２は、詳細は後述するが、本実施例では、給水タンク３の水位に基づき、オンオフ制御される。

給水路９には、給水ポンプ１１よりも下流（図示例では第一熱交換器６の入口側）に、給水弁１３が設けられる。この給水弁１３は、開度調整可能な電動弁（モータバルブ）から構成される。給水ポンプ１１は、前述したとおり出口側圧力に基づき自動で発停するので、給水弁１３を開くと給水ポンプ１１が自動で起動し、給水弁１３を閉じると給水ポンプ１１が自動で停止する。給水弁１３の開放時、給水弁１３の開度を調整することで、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。給水弁１３は、詳細は後述するが、本実施例では、給水タンク３の水位に基づき開閉が切り替えられ、開放中は所定に開度が調整される。

このようにして、本実施例では、給水路９に設けた給水弁１３の開閉と、補給水路１０に設けた補給水ポンプ１２の発停とを制御することで、給水路９と補給水路１０との内、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。

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、陽イオン交換樹脂を用いた硬水軟化装置（図示省略）にて水中の硬度成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の水位に基づき硬水軟化装置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。但し、後述するように、硬水軟化装置は、たとえば、給水路９の内、給水ポンプ１１の出口側に設けられてもよい。

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１４、凝縮器１５、膨張弁１６および蒸発器１７が順次環状に接続されて構成される。そして、圧縮機１４は、ガス冷媒を圧縮して高温高圧にする。また、凝縮器１５は、圧縮機１４からのガス冷媒を凝縮液化する。さらに、膨張弁１６は、凝縮器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。そして、蒸発器１７は、膨張弁１６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１７において、冷媒が外部から熱を奪って蒸発する一方、凝縮器１５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１７において、熱源水から熱をくみ上げ、凝縮器１５において、循環液（第一熱交換器６との間の循環液）を加温する。

ヒートポンプ４は、さらに、凝縮器１５と膨張弁１６との間に、過冷却器１８を備えるのが好ましい。過冷却器１８は、第一熱交換器６から凝縮器１５への循環液と、凝縮器１５から膨張弁１６への冷媒との間接熱交換器である。過冷却器１８により、第一熱交換器６から凝縮器１５への循環液で、凝縮器１５から膨張弁１６への冷媒を過冷却することができると共に、凝縮器１５から膨張弁１６への冷媒で、第一熱交換器６から凝縮器１５への循環液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１５において潜熱を放出し、過冷却器１８において顕熱を放出する。

その他、ヒートポンプ４には、圧縮機１４の入口側にアキュムレータを設置したり、圧縮機１４の出口側に油分離器を設置したり、凝縮器１５の出口側（凝縮器１５と過冷却器１８との間）に受液器を設置したりしてもよい。

また、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１４のモータの駆動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。但し、以下においては、ヒートポンプ４は、圧縮機１４のモータの駆動周波数が一定に維持され、一定出力で運転される例について説明する。

第一熱交換器６は、ヒートポンプ４（特にその凝縮器１５）との間で循環液を循環させると共に、その循環液により給水路９の水を加温する。この際、前述したように、ヒートポンプ４が過冷却器１８を備える場合、循環液は過冷却器１８にも通される。いずれにしても、第一熱交換器６は、ヒートポンプ４との間の循環液と給水路９の水との間接熱交換器である。

本実施例の給水加温システム１は、さらに第二熱交換器１９を備える。第二熱交換器１９は、過冷却器１８への循環液と、蒸発器１７を通過後の熱源水との間接熱交換器である。

循環液は、第二熱交換器１９、過冷却器１８、凝縮器１５および第一熱交換器６を順に通されて、循環される。具体的には、次のようにして、循環回路２０が構成される。すなわち、本実施例では、循環回路２０は、循環液を貯留する循環タンク２１を備え、循環タンク２１から第二熱交換器１９へは、第一循環路２０ａを介して循環液が供給され、第二熱交換器１９から過冷却器１８へは、第二循環路２０ｂを介して循環液が供給され、過冷却器１８から凝縮器１５へは、第三循環路２０ｃを介して循環液が供給され、凝縮器１５から第一熱交換器６へは、第四循環路２０ｄを介して循環液が供給され、第一熱交換器６から循環タンク２１へは、第五循環路２０ｅを介して循環液が戻される。そして、第一循環路２０ａ（または他の循環路２０ｂ〜２０ｅ）には、循環ポンプ２２が設けられている。循環ポンプ２２を作動させると、循環タンク２１からの循環液は、第二熱交換器１９、過冷却器１８、凝縮器１５および第一熱交換器６を順に通されて、循環タンク２１へ戻される。この際、循環液は、第二熱交換器１９において、熱源水により加温され、過冷却器１８および凝縮器１５において、ヒートポンプ４の冷媒により加温され、第一熱交換器６において、給水路９の水を加温して自身は冷却を図られる。

なお、循環液は、特に問わないが、本実施例では水である。この水として、本実施例では、補給水タンク５からの水が用いられる。具体的には、補給水タンク５から給水タンク３への給水路９には、給水ポンプ１１の出口側において、循環タンク２１への補水路２３が設けられている。循環タンク２１には、ボールタップ２４が設けられており、循環タンク２１内の水位は所望に維持される。つまり、循環液（循環タンク２１の貯留液）が蒸発等により減れば、ボールタップ２４の作用により、補水路２３から自動的に補われる。

循環ポンプ２２は、本実施例では、モータの駆動周波数ひいては回転数をインバータで変更可能とされる。循環ポンプ２２の回転数を変更することで、循環回路２０の循環流量を調整することができる。

熱源水タンク７は、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７には、熱源水の供給路２５が設けられると共に、貯水可能量を超える熱源水をあふれさせるオーバーフロー路２６が設けられている。

熱源水タンク７の熱源水は、熱源供給路２７を介して、蒸発器１７に通された後、第二熱交換器１９に通される。熱源供給路２７には、蒸発器１７より上流側に熱源供給ポンプ２８が設けられており、この熱源供給ポンプ２８を作動させることで、熱源水タンク７からの熱源水を、蒸発器１７と第二熱交換器１９とに順に通すことができる。

給水タンク３には、水位検出器２９が設けられる。この水位検出器２９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３０〜３３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。本実施例では、給水弁１３の開閉制御用の給水開始電極棒３０と給水停止電極棒３１の他、補給水ポンプ１２の発停制御用の補給水開始電極棒３２と補給水停止電極棒３３が、給水タンク３に挿入されている。この際、詳細は後述するが、本実施例では、給水停止電極棒３１、補給水停止電極棒３３、給水開始電極棒３０、補給水開始電極棒３２の順に、下端部の高さ位置を低くして、給水タンク３に挿入されている。

各電極棒３０〜３３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。以下において、給水開始電極棒３０が検出する水位を給水開始水位Ｈ１、給水停止電極棒３１が検出する水位を給水停止水位Ｈ２、補給水開始電極棒３２が検出する水位を補給水開始水位Ｈ３、補給水停止電極棒３３が検出する水位を補給水停止水位Ｈ４という。

熱源水タンク７には、熱源水の有無を確認するために、水位検出器３４が設けられる。この水位検出器３４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７には、低水位検出電極棒３５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。

循環回路２０には、凝縮器１５の出口側（つまり第四循環路２０ｄ）に、第一温度センサ３６が設けられる。第一温度センサ３６は、凝縮器１５を通過後の循環液温度を検出する。給水路９を介した給水中、第一温度センサ３６の検出温度に基づき、循環ポンプ２２が制御される。ここでは、循環ポンプ２２は、第一温度センサ３６の検出温度を目標温度に維持するようにインバータ制御される。

循環回路２０には、第一熱交換器６の出口側（つまり第五循環路２０ｅ）に、第二温度センサ３７が設けられる。第二温度センサ３７は、第一熱交換器６を通過後の循環液温度を検出する。給水路９を介した給水中、第二温度センサ３７の検出温度と、後述する第三温度センサ３８の検出温度とに基づき、給水弁１３が制御される。具体的には、給水路９を介した給水タンク３への給水は、第二温度センサ３７の検出温度と第三温度センサ３８の検出温度との温度差が設定値になるように、給水弁１３の開度調整により、流量が調整される。

補給水タンク５から給水タンク３への給水路９には、第一熱交換器６の入口側（図示例では給水弁１３の入口側）に、第三温度センサ３８が設けられる。第三温度センサ３８は、第一熱交換器６への給水温度を検出する。給水路９を介した給水中、前述したとおり、第二温度センサ３７の検出温度と第三温度センサ３８の検出温度とに基づき、給水弁１３が制御される。具体的には、給水路９を介した給水タンク３への給水は、第二温度センサ３７の検出温度と第三温度センサ３８の検出温度との温度差が設定値になるように、給水弁１３の開度調整により、流量が調整される。

熱源供給路２７には、蒸発器１７の入口側に、熱源温度センサ３９が設けられる。熱源温度センサ３９は、蒸発器１７へ供給される熱源水の温度を検出する。但し、熱源温度センサ３９は、場合により、熱源水タンク７に設けられてもよい。詳細は後述するが、熱源温度センサ３９の検出温度に基づき、ヒートポンプ４（より具体的には圧縮機１４）の発停と、前記目標温度の変更が可能とされる。

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。

給水タンク３への給水は、給水タンク３に設けた水位検出器２９の検出信号に基づき、給水弁１３と補給水ポンプ１２とを制御することでなされる。つまり、給水路９を介した給水タンク３への給水は、給水タンク３内の水位が給水開始水位Ｈ１を下回ると開始し、この給水開始水位Ｈ１よりも高い給水停止水位Ｈ２を上回ると停止する。また、補給水路１０を介した給水タンク３への給水は、給水タンク３内の水位が補給水開始水位Ｈ３を下回ると開始し、この補給水開始水位Ｈ３よりも高い補給水停止水位Ｈ４を上回ると停止する。本実施例では、補給水開始水位Ｈ３は、給水開始水位Ｈ１よりも低く設定され、補給水停止水位Ｈ４は、給水開始水位Ｈ１よりも高いが給水停止水位Ｈ２よりも低く設定される。

このような構成であるから、いま、給水停止電極棒３１が水位を検知しているとすると、給水タンク３の水位が十分にあるとして、給水弁１３を閉じると共に、補給水ポンプ１２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３０が水位を検知しなくなると、給水弁１３を開ける。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３１が水位を検知すると、給水弁１３を閉じる。なお、前述したとおり、給水弁１３の開閉に伴い給水ポンプ１１が発停する。つまり、給水弁１３の開放時には給水ポンプ１１が作動し、給水弁１３の閉鎖時（全閉時）には、循環タンク２１への給水時を除き、給水ポンプ１１は停止する。一方、給水路９を介した給水だけでは、給水タンク３の水位を回復できず、給水タンク３の水位がさらに下がり、補給水開始電極棒３２が水位を検知しなくなると、補給水ポンプ１２も作動させる。これにより、補給水路１０を介しても給水タンク３に給水されるが、給水タンク３の水位が回復して、補給水停止電極棒３３が水位を検知すると、補給水ポンプ１２を停止し、さらに水位が回復して、給水停止電極棒３１が水位を検知すると、給水弁１３を閉じる。なお、給水弁１３を開けて、給水路９を介した給水タンク３への給水中、熱源供給ポンプ２８も作動させる。

ヒートポンプ４は、基本的には、給水路９を介した給水中（それに伴い熱源供給路２７に熱源水を通水中）に作動するが、後述するように所定の場合に停止してもよい。ヒートポンプ４は、その圧縮機１４の作動の有無により、運転と停止が切り替えられる。ヒートポンプ４の運転中、圧縮機１４は、モータの駆動周波数が一定に維持され、一定出力を維持される。

循環ポンプ２２は、給水路９を介した給水中（それに伴い熱源供給路２７に熱源水を通水中）に作動する。つまり、給水路９を介した給水タンク３への給水中であれば、ヒートポンプ４の停止中でも循環ポンプ２２の作動を継続させる。循環ポンプ２２は、作動中、第一温度センサ３６の検出温度を目標温度に維持するように、回転数をインバータ制御される。

給水弁１３は、開放中、第二温度センサ３７および第三温度センサ３８の各検出信号に基づき、開度が調整される。具体的には、第二温度センサ３７の検出温度Ｔ２と第三温度センサ３８の検出温度Ｔ３との温度差が設定値（Ｔ２−Ｔ３＝一定）になるように、給水弁１３の開度を調整して給水流量を調整する。なお、第二温度センサ３７の検出温度（循環液の温度）は、第三温度センサ３８の検出温度（給水源の水温）よりも常に高い。

前述したように、本実施例の給水加温システム１では、給水タンク３内の水位に基づき、給水路９を介した給水タンク３への給水が制御されるが、給水路９を介した給水タンク３への給水中、熱源温度センサ３９により蒸発器１７への熱源水温度を監視し、その温度が設定温度以上になると、ヒートポンプ４を停止させるのがよい。その場合でも、給水タンク３内の水位に基づく給水条件が満たされる限りは、給水路９を介して給水タンク３へ給水する。

より詳細には、本実施例では、次のように制御される。すなわち、給水路９を介した給水タンク３への給水中、熱源温度センサ３９の検出温度が設定温度（たとえば６０℃）未満であれば、ヒートポンプ４を作動させた状態で、第一温度センサ３６の検出温度を第一目標温度（たとえば７５℃）に維持するように、循環ポンプ２２をインバータ制御して、循環液の循環流量を調整すると共に、第二温度センサ３７の検出温度と第三温度センサ３８の検出温度との温度差が設定値（たとえば５℃）になるように、給水弁１３の開度を調整して、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（第一制御）。なお、ここでは、第一目標温度は、前記設定温度よりも高い温度とされる。また、前記設定値は、後述するように、本来は小さいほど好ましい。

一方、給水路９を介した給水タンク３への給水中、熱源温度センサ３９の検出温度が設定温度（たとえば６０℃）以上になると、第二制御に切り替える。第二制御では、ヒートポンプ４を停止させるが、循環ポンプ２２は作動させたままとする。そして、第一温度センサ３６の検出温度を第一目標温度よりも低い第二目標温度（たとえば６０℃）に維持するように、循環ポンプ２２をインバータ制御して、循環液の循環流量を調整すると共に、第二温度センサ３７の検出温度と第三温度センサ３８の検出温度との温度差が設定値（たとえば５℃）になるように、給水弁１３の開度を調整して、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。ここでは、第二目標温度は、前記設定温度と同一温度とされるが、場合により、前記設定温度よりも低い温度とされてもよい。

このように、蒸発器１７への熱源水温度が設定温度未満であれば、ヒートポンプ４を作動させた状態で、凝縮器１５の出口側循環液温度を第一目標温度に維持するように、循環液の循環流量を調整することで、熱源水の温度に拘わらず、所望温度の循環液を得ることができる。そして、第一熱交換器６の出口側循環液温度と第一熱交換器６の入口側水温との温度差が設定値になるように、給水路９を介した給水流量を調整することで、循環液から給水への加温を促し、循環液の冷却を図ることで、第二熱交換器１９やヒートポンプ４における循環液への加温を促すことができる。

より詳細に説明すると、第一熱交換器６において、循環液と給水との熱交換を可能な限り図るとすれば、理想的には、第一熱交換器６の出口側循環液温度と第一熱交換器６の入口側水温との温度差が小さいほどよく、究極的には温度差がなくなる（温度差が０になる）のがよい。しかしながら、実際上、温度差を０にすることはできないので、温度差が設定値になるように制御している。このようにして、第一熱交換器６において循環液を給水により所望に冷却することで、第二熱交換器１９において熱源水から循環液への加温量を増すことができると共に、ヒートポンプ４において冷媒から循環液への加温量を増すことができる。

一方、蒸発器１７への熱源水温度が設定温度以上になると、ヒートポンプ４を停止させるので、圧縮機１４の保護を図ることができる。但し、その場合でも、第二熱交換器１９において、循環液と熱源水とを熱交換して、熱源水からの熱回収を図ることができる。しかも、凝縮器１５の出口側循環液温度の制御目標温度を、第一目標温度よりも低い第二目標温度に切り替えることで、循環流量をある程度以上に確保して、熱源水からの熱回収を有効に図ることができる。

なお、第二制御から第一制御への切替えは、次のように行われる。すなわち、ヒートポンプ４を停止した状態で、第一温度センサ３６の検出温度を第二目標温度に維持するように、循環液の循環流量を調整すると共に、第二温度センサ３７の検出温度と第三温度センサ３８の検出温度との温度差が設定値になるように、給水路９を介した給水タンク３への給水流量を調整中（つまり第二制御中）、熱源温度センサ３９の検出温度が設定温度未満を設定時間（たとえば６０秒）継続した場合には、第一制御に戻される。つまり、ヒートポンプ４を再起動して、第一温度センサ３６の検出温度を第一目標温度に維持するように、循環ポンプ２２をインバータ制御すると共に、第二温度センサ３７の検出温度と第三温度センサ３８の検出温度との温度差が設定値になるように、給水弁１３の開度を調整する第一制御に切り替えればよい。

但し、第二制御から第一制御への切替えは、次のように行ってもよい。すなわち、ヒートポンプ４を停止した状態で、第一温度センサ３６の検出温度を第二目標温度に維持するように、循環液の循環流量を調整すると共に、第二温度センサ３７の検出温度と第三温度センサ３８の検出温度との温度差が設定値になるように、給水路９を介した給水タンク３への給水流量を調整中（つまり第二制御中）、熱源温度センサ３９の検出温度が設定温度よりも低い所定温度（たとえば５８℃）未満になった場合には、第一制御に戻される。つまり、ヒートポンプ４を再起動して、第一温度センサ３６の検出温度を第一目標温度に維持するように、循環ポンプ２２をインバータ制御すると共に、第二温度センサ３７の検出温度と第三温度センサ３８の検出温度との温度差が設定値になるように、給水弁１３の開度を調整する第一制御に切り替えればよい。

いずれにしても、蒸発器１７への熱源水温度が所定に下がると、ヒートポンプ４を停止させた第二制御から、ヒートポンプ４を稼働させた第一制御に戻すことができる。このようにして、蒸発器１７への熱源水温度に応じて、第一制御と第二制御との切り替えが行われる。

ところで、本実施例では、給水路９を介した給水タンク３への給水流量の調整は、給水路９に設けた給水弁１３を開度調整することでなされる。給水弁１３の開放時、給水路９を介した給水タンク３への給水流量（つまり給水路９の通水流量）が上限流量を超えないように、給水弁１３の上限開度を制御器に予め設定しておき、その上限開度を超えない範囲で、給水弁１３を開度調整してもよい。その場合、たとえば、給水路９（給水ポンプ１１の出口側）に硬水軟化装置が設置されている場合でも、給水と陽イオン交換樹脂床との最低接触時間を確保するために設定された上限線速度（ＬＶ値）を超える流量での通水が防止され、ひいては軟水器からの硬度漏れを防止することができる。

但し、給水弁１３の開放時、給水路９を介した給水流量が上限流量を超えないようにするために、次のように構成してもよい。すなわち、図１において二点鎖線で示すように、給水路９（補水路２３との分岐部よりも下流の給水路９）の適宜の箇所に、流量計４０を設置する。そして、給水弁１３の開放時、流量計４０の検出流量が上限流量を超えない範囲で、給水弁１３を開度調整してもよい。

また、前記実施例では、第一熱交換器６は、第二熱交換器１９ならびに過冷却器１８および凝縮器１５との間で循環液を循環させ、第二熱交換器１９では、循環液と熱源水とを熱交換したが、次のように構成してもよい。すなわち、第一熱交換器６は、過冷却器１８および凝縮器１５との間で循環液を循環させ、第二熱交換器１９には、循環液の代わりに、第一熱交換器６への給水を通してもよい。つまり、補給水タンク５から給水タンク３への給水は、第二熱交換器１９と第一熱交換器６を順に通される。そして、第二熱交換器１９において、第一熱交換器６への給水と蒸発器１７からの熱源水とを熱交換する。この場合、ヒートポンプ４の停止中、循環ポンプ２２も停止させてもよい。なお、第二温度センサ３７は、第一熱交換器６の出口側循環液温度を検出し、第三温度センサ３８は、第一熱交換器６の入口側水温を検出する。そして、次のように制御すればよい。

すなわち、給水路９を介した給水タンク３への給水中、熱源温度センサ３９の検出温度が設定温度未満であれば、ヒートポンプ４を作動させた状態で、第一温度センサ３６の検出温度を第一目標温度に維持するように、循環ポンプ２２をインバータ制御して、循環液の循環流量を調整すると共に、第二温度センサ３７の検出温度と第三温度センサ３８の検出温度との温度差が設定値になるように、給水弁１３の開度を調整して、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（第一制御）。一方、給水路９を介した給水タンク３への給水中、熱源温度センサ３９の検出温度が設定温度以上になると、ヒートポンプ４および循環ポンプ２２を停止して、第二制御に切り替える。第二制御では、第三温度センサ３８の検出温度を第一目標温度よりも低い第二目標温度に維持するように、給水弁１３の開度を調整して、給水路９を介した給水タンク３への給水流量を調整すればよい。

本発明の給水加温システム１は、前記実施例の構成（制御を含む）に限らず、適宜変更可能である。特に、ヒートポンプ４と第一熱交換器６とを備え、ヒートポンプ４を作動させた状態で給水路９を介した給水中、凝縮器１５の出口側循環液温度を第一目標温度に維持するように、循環液の循環流量を調整すると共に、第一熱交換器６の出口側循環液温度と第一熱交換器６の入口側水温との温度差が設定値になるように、給水路９を介した給水流量を調整するのであれば、その他の構成は適宜に変更可能である。

たとえば、前記実施例において、過冷却器１８と第二熱交換器１９との内、一方または双方の設置を省略してもよい。また、補給水ポンプ１２を備えた補給水路１０は、場合により省略可能である。

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、給水弁１３の開度を調整したが、給水弁１３の設置を省略する代わりに、給水ポンプ１１をインバータ制御してもよい。つまり、給水ポンプ１１のモータの駆動周波数ひいては回転数を、インバータを用いて調整することで、給水流量を変更してもよい。この場合、給水タンク３の水位に基づき、給水ポンプ１１の発停が制御される。つまり、給水開始電極棒３０が水位を検知しなくなると、給水ポンプ１１を起動し、給水停止電極棒３１が水位を検知すると、給水ポンプ１１を停止させる。そして、給水ポンプ１１の作動中、前述したとおり、第二温度センサ３７の検出温度と第三温度センサ３８の検出温度との温度差が設定値になるように、給水ポンプ１１がインバータ制御される。

給水ポンプ１１をインバータ制御する場合において、給水路９を介した給水流量が上限流量を超えないようにするために、次のように構成してもよい。つまり、給水流量が上限流量を超えないように、給水ポンプ１１の上限駆動周波数を予め制御器に設定しておき、その上限駆動周波数を超えない範囲で、給水ポンプ１１の回転数（周波数）を調整してもよい。その場合、たとえば、給水路９（給水ポンプ１１の出口側）に硬水軟化装置が設置されている場合でも、給水と陽イオン交換樹脂床との最低接触時間を確保するために設定された上限線速度（ＬＶ値）を超える流量での通水が防止され、ひいては軟水器からの硬度漏れを防止することができる。

但し、給水ポンプ１１をインバータ制御する際に、給水路９を介した給水流量が上限流量を超えないようにするために、次のように構成してもよい。すなわち、給水路９（補水路２３との分岐部よりも下流の給水路９）の適宜の箇所に、流量計４０を設置する。そして、給水ポンプ１１の作動時、流量計４０の検出流量が上限流量を超えない範囲で、給水ポンプ１１の回転数を調整してもよい。

また、前記実施例では、循環回路２０を流れる循環流量を調整するために、循環ポンプ２２をインバータ制御したが、循環ポンプ２２をオンオフ制御しつつ、循環回路２０（たとえば循環ポンプ２２の出口側）に設けた弁の開度を調整してもよい。

また、前記実施例では、循環回路２０の一部に循環タンク２１を設けて、循環タンク２１において大気に開放したが、循環タンク２１の設置を省略して、循環回路２０を大気に開放しない密閉回路としてもよい。その場合、第一熱交換器６の出口側と第二熱交換器１９の入口側とを循環路で接続して、その循環路に循環ポンプ２２を設置すればよい。

また、前記実施例の場合、給水タンク３に、給水路９により給水可能であると共に、補給水路１０により給水可能であれば、給水路９や補給水路１０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９と補給水路１０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９と補給水路１０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１０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９から分岐するように設けてもよいし、補給水路１０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９に合流するように設けてもよい。補給水路１０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９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９に給水ポンプ１１を設ける一方、補給水路１０に補給水ポンプ１２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９および／または補給水路１０に設けた弁の開度を調整することで、給水路９や補給水路１０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５から給水タンク３へ給水可能としたが、これら給水は、硬水軟化装置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硬水軟化装置に接続し、給水ポンプ１１の設置を省略する代わりに給水路９に設けた給水弁１３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。

また、前記実施例では、ヒートポンプ４を運転する際、圧縮機１４のモータの駆動周波数を一定に維持したが、場合により、圧縮機１４の吐出圧を所定に維持するように制御してもよい。あるいは、給水タンク３内の水位、または蒸発器１７への熱源水温度などに基づき、圧縮機１４の出力を調整してもよい。

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、低段ヒートポンプの圧縮機からの冷媒と高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、この中間冷却器が低段ヒートポンプの凝縮器であると共に高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。

さらに、前記実施例では、ヒートポンプ４の圧縮機１４は、電気モータにより駆動されたが、圧縮機１４の駆動源は特に問わない。たとえば、圧縮機１４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。

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 第一熱交換器
７ 熱源水タンク
８ ポンプ
９ 給水路
１０ 補給水路
１１ 給水ポンプ
１２ 補給水ポンプ
１３ 給水弁
１４ 圧縮機
１５ 凝縮器
１６ 膨張弁
１７ 蒸発器
１８ 過冷却器
１９ 第二熱交換器
２０ 循環回路（２０ａ〜２０ｅ：循環路）
２１ 循環タンク
２２ 循環ポンプ
２３ 補水路
２４ ボールタップ
２５ 熱源水の供給路
２６ オーバーフロー路
２７ 熱源供給路
２８ 熱源供給ポンプ
２９ 水位検出器
３０ 給水開始電極棒
３１ 給水停止電極棒
３２ 補給水開始電極棒
３３ 補給水停止電極棒
３４ 水位検出器
３５ 低水位検出電極棒
３６ 第一温度センサ
３７ 第二温度センサ
３８ 第三温度センサ
３９ 熱源温度センサ
４０ 流量計
Ｈ１ 給水開始水位
Ｈ２ 給水停止水位
Ｈ３ 補給水開始水位
Ｈ４ 補給水停止水位

Claims (6)

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循環液を加温するヒートポンプと、
   前記凝縮器との間で循環液を循環させ、その循環液で給水路の水を加温する第一熱交換器とを備え、
   前記ヒートポンプを作動させた状態で前記給水路を介した給水中、前記凝縮器の出口側循環液温度を第一目標温度に維持するように、循環液の循環流量を調整すると共に、前記第一熱交換器の出口側循環液温度と前記第一熱交換器の入口側水温との温度差が設定値になるように、前記給水路を介した給水流量を調整する
   ことを特徴とする給水加温システム。
2. 前記第一熱交換器から前記凝縮器への循環液と、前記凝縮器から前記膨張弁への冷媒とを熱交換する過冷却器と、
   前記第一熱交換器から前記過冷却器への循環液と、前記蒸発器を通過後の熱源流体とを熱交換する第二熱交換器とをさらに備え、
   前記循環液は、前記第二熱交換器、前記過冷却器、前記凝縮器および前記第一熱交換器を順に通されて循環され、
   前記給水路を介した給水中、前記蒸発器への熱源流体温度が設定温度未満であれば、前記ヒートポンプを作動させた状態で、前記凝縮器の出口側循環液温度を第一目標温度に維持するように、循環液の循環流量を調整すると共に、前記第一熱交換器の出口側循環液温度と前記第一熱交換器の入口側水温との温度差が設定値になるように、前記給水路を介した給水流量を調整し、
   前記給水路を介した給水中、前記蒸発器への熱源流体温度が設定温度以上になると、前記ヒートポンプを停止させた状態で、前記凝縮器の出口側循環液温度を前記第一目標温度よりも低い第二目標温度に維持するように、循環液の循環流量を調整すると共に、前記第一熱交換器の出口側循環液温度と前記第一熱交換器の入口側水温との温度差が設定値になるように、前記給水路を介した給水流量を調整する
   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給水流量の調整は、前記給水路に設けた給水弁を開度調整することで行い、
   給水流量が上限流量を超えないように、前記給水弁の上限開度が予め設定されており、その上限開度を超えない範囲で、前記給水弁を開度調整する
   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. 前記給水路を介した給水流量の調整は、前記給水路に設けた給水弁を開度調整することで行い、
   前記給水路に設けた流量計の検出流量が上限流量を超えない範囲で、前記給水弁を開度調整する
   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。
5. 前記給水路を介した給水流量の調整は、前記給水路に設けた給水ポンプの駆動周波数ひいては回転数を、インバータを用いて調整することで行い、
   給水流量が上限流量を超えないように、前記給水ポンプの上限駆動周波数が予め設定されており、その上限駆動周波数を超えない範囲で、前記給水ポンプの回転数を調整する
   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。
6. 前記給水路を介した給水流量の調整は、前記給水路に設けた給水ポンプの駆動周波数ひいては回転数を、インバータを用いて調整することで行い、
   前記給水路に設けた流量計の検出流量が上限流量を超えない範囲で、前記給水ポンプの回転数を調整する
   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。

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