JP2016128727A - 蒸気発生システム - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートポンプ式の蒸気発生システムにおいて、起蒸に伴う蒸気の乾き度の低下を防止する。【解決手段】ヒートポンプ２の凝縮器４において、貯留水を加熱して蒸気を発生させる。凝縮器４からの気水混合体は、気水分離器７にて気水分離され、蒸気は出口管１２へ導出される一方、分離水は降水管１３により凝縮器４へ戻される。気水分離器７内の水位を検出する水位検出器８と、凝縮器４へ給水する給水手段９と、凝縮器４から排水するブロー手段１０とを備える。凝縮器４からの起蒸前および起蒸後、気水分離器７内の水位を設定水位に維持するように、水位検出器８の検出信号に基づき給水手段９およびブロー手段１０を制御する。好ましくは、起蒸前の第一設定水位Ｈ１は、起蒸後の第二設定水位Ｈ２よりも低く設定されている。【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプを用いて蒸気を発生させる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の第２図に示されるように、ヒートポンプ（１０）の蒸発器（蒸発部１）において排温水から熱をくみ上げ、凝縮器（凝縮部３）において水を加熱して蒸気を発生させ、その蒸気を、気水分離器（１６）を介して取出口（１７）から取り出す蒸気発生システムが知られている。

この種の蒸気発生システムでは、凝縮器内の水位を上げ過ぎると、蒸気と共に缶水が持ち出されて、蒸気の乾き度を低下させる一方、凝縮器内の水位を下げ過ぎると、缶水の循環比（ＮＣＲ）が低くなり、凝縮器内にスケール（水中の硬度成分が炭酸イオンやシリカ等と結合して析出したもの）が付着し易いし、圧縮機の吐出圧が高くなり過ぎて、ヒートポンプの運転ができなくなるおそれもある。そこで、凝縮器内の水位制御をいかに行うかが重要となる。

燃料焚きのボイラについては、下記特許文献２の図１に示されるように、缶体（２０）内の水位を外部水位検出手段（５０）で検出して、その検出水位に応じて給水手段（６０）を制御することが知られている。この特許文献２に記載の発明では、上部ヘッダ（２４）内に気水分離器を内蔵し、上部ヘッダ（２４）内下部と下部ヘッダ（２２）とを連通する降水管（８４）と、外部水位検出手段（５０）による検出水位に基づき給水手段（６０）を制御する制御手段（７０）とを備える。制御手段（７０）は、外部水位検出手段（５０）の検出水位が第一設定水位を超えると、缶体内水位が低下するように給水手段（６０）を制御する第一制御と、検出水位が第一設定水位より低い第二設定水位以下になると、缶体内水位が上昇するように給水手段（６０）を制御する第二制御とを行う。そして、第一設定水位が乾き度限界水位に設定される一方、第二設定水位が過熱度限界水位以上であって、降水管（８４）による缶水の循環比（特許文献２の段落［００５０］）を設定値以上とする水位に設定される。

特開昭５８−４０４５１号公報（第２図） 特開２０１３−１９４９５０号公報（図１、要約、請求項１）

しかしながら、前記特許文献２に記載のような燃料焚きのボイラの水位制御を、ヒートポンプ式の蒸気発生システムにそのまま適用することはできない。特に、設定水位に維持するように給水手段を制御するだけでは、蒸気発生システムの起動時、起蒸に伴い（言い換えれば凝縮器内の水の沸騰開始に伴い）、凝縮器内の貯留水のボイド分（気泡が占める割合）が増加して水位が上がるので、蒸気と共に缶水が持ち出されて、蒸気の乾き度を低下させることになる。また、ヒートポンプ式の蒸気発生システムの場合、燃料焚きボイラのように伝熱面が燃焼ガスで過熱されるおそれがないので、起蒸前の水位を定常時（起蒸後）よりも高めておく必要もない。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、特に起蒸に伴う蒸気の乾き度の低下を防止できるヒートポンプ式の蒸気発生システムを提供することにある。また、缶水の循環比を適正に維持して、蒸気の乾き度の低下を防止できると共に、凝縮器内にスケールが付着するのを防止できるヒートポンプ式の蒸気発生システムを提供することを課題とする。

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、前記凝縮器において冷媒と貯留水とを熱交換して、貯留水を加熱して蒸気を発生させるヒートポンプと、前記凝縮器からの気水混合体を気水分離して、蒸気を出口管へ導出する一方、分離水を降水管により前記凝縮器へ戻す気水分離器と、この気水分離器内および／または前記降水管内の水位を検出する水位検出器と、前記凝縮器へ給水する給水手段と、前記凝縮器から排水するブロー手段と、前記ヒートポンプの作動中、前記凝縮器からの起蒸前および起蒸後、前記気水分離器内および／または前記降水管内の水位を設定水位に維持するように、前記水位検出器の検出信号に基づき前記給水手段および前記ブロー手段を制御する制御手段とを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、気水分離器や降水管内の水位を設定水位に維持するように、給水手段だけでなくブロー手段も制御するので、特に起蒸に伴い（言い換えれば凝縮器内の水の沸騰開始に伴い）、凝縮器内の貯留水のボイド分（気泡が占める割合）が増加して水位が上がろうとしても、ブロー手段により排水することで、蒸気の乾き度を所望に維持することができる。この際、水位検出器は、凝縮器そのものではなく、気水分離器や降水管内の水位を検出するので、沸騰による影響を抑えて、水位の監視を容易に確実に行える。また、起蒸の前後で設定水位を変えないことで、水位制御を簡易に行える。

請求項２に記載の発明は、前記設定水位は、前記凝縮器からの起蒸前と起蒸後で異なる水位とされ、起蒸前の第一設定水位は、起蒸後の第二設定水位よりも低く設定されており、前記制御手段は、前記水位検出器の検出信号に基づき、前記給水手段と前記ブロー手段との内、少なくとも前記給水手段を制御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、起蒸前の第一設定水位を、起蒸後の第二設定水位よりも低く設定しておくことで、起蒸に伴い凝縮器内の貯留水のボイド分が増加して水位が上がっても、所望の乾き度の蒸気を導出することができる。この際、起蒸後の第二設定水位は、所定の乾き度を得られる水位に設定されており、起蒸前の第一設定水位は、起蒸に伴い（つまり貯留水の沸騰開始に伴い）第二設定水位になる水位に設定されているのが好ましい。これにより、起蒸に伴い、ブロー手段により排水する必要がない。言い換えれば、制御手段は、水位検出器の検出信号に基づき給水手段を制御するだけでも足りるよう構成することもできる。なお、ヒートポンプ式の蒸気発生システムの場合、燃料焚きボイラのように伝熱面が燃焼ガスで過熱されるおそれがないので、起蒸前の第一設定水位を起蒸後の第二設定水位よりも低く設定しておいても、不都合はない。

請求項３に記載の発明は、前記給水手段は、前記降水管または前記気水分離器を介して前記凝縮器へ給水する手段であり、前記ブロー手段は、前記降水管または前記気水分離器を介して前記凝縮器から排水するか、前記降水管または前記気水分離器を介さずに前記凝縮器から排水する手段であり、前記凝縮器からの起蒸前、前記気水分離器内および／または前記降水管内の水位を設定水位に維持する一方、前記凝縮器からの起蒸後、前記降水管による缶水の循環比を設定値に維持するように、前記給水手段および前記ブロー手段を制御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３に記載の発明によれば、起蒸後には、缶水の循環比を設定値に維持するように制御することで、蒸気の乾き度を所望に維持しつつ、凝縮器内へのスケールの付着を防止することができる。

さらに、請求項４に記載の発明は、前記給水手段による給水温（Ｔ_１）、前記気水分離器により気水分離された分離水の水温（Ｔ_２）または蒸気の圧力（Ｐ）、および前記降水管による前記凝縮器への戻り水温（Ｔ_３）に基づき、前記循環比を監視することを特徴とする請求項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、所定箇所の温度または圧力に基づき、循環比を容易に監視して制御することができる。

本発明の蒸気発生システムによれば、起蒸に伴う蒸気の乾き度の低下を防止することができる。また、缶水の循環比を適正に維持して、蒸気の乾き度の低下を防止できると共に、凝縮器内にスケールが付着するのを防止できる。

本発明の一実施例の蒸気発生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蒸気発生システム１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を備える。このヒートポンプ２は、圧縮機３、凝縮器４、膨張弁５および蒸発器６を順次環状に接続されて、冷媒を循環させる。詳細は後述するが、ヒートポンプ２は、凝縮器４において冷媒と貯留水とを熱交換して、貯留水を加熱して蒸気を発生させる。

蒸気発生システム１は、さらに、凝縮器４からの気水混合体を気水分離する気水分離器７と、気水分離器７内の水位を検出する水位検出器８と、凝縮器４へ給水する給水手段９と、凝縮器４から排水するブロー手段１０と、水位検出器８の検出信号などに基づき前記各手段９，１０を制御する制御手段（図示省略）とを備える。

ヒートポンプ２は、本実施例では単段のヒートポンプから構成される。具体的には、前述したとおり、圧縮機３、凝縮器４、膨張弁５および蒸発器６が順次環状に接続されて、冷媒を循環させる。この内、圧縮機３は、ガス冷媒を圧縮して高温高圧にする。凝縮器４は、圧縮機３からのガス冷媒を凝縮する。さらに、膨張弁５は、凝縮器４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６は、膨張弁５からの冷媒の蒸発を図る。なお、膨張弁５として、場合により、キャピラリーチューブなどを用いることもできる。

ヒートポンプ２では、蒸発器６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４において、冷媒が外部へ放熱して液化する。これを利用して、ヒートポンプ２は、蒸発器６において、熱源流体から熱をくみ上げ、凝縮器４において、水を加熱して蒸気を発生させる。

凝縮器４は、ヒートポンプ２の冷媒と貯留水とを混ぜることなく熱交換する間接熱交換器である。本実施例では、凝縮器４は、中途まで水が貯留され、その貯留水が冷媒で加熱され蒸気化される。その蒸気は、気水分離器７を介して、各種の蒸気使用設備（図示省略）へ送られる。

蒸発器６は、ヒートポンプ２の冷媒と熱源流体とを混ぜることなく熱交換する間接熱交換器である。熱源流体は、特に問わないが、たとえば、蒸気使用設備からのドレン、燃焼装置からの排ガス、工場などから排出される排温水、またはオイルフリー式圧縮機からの高温の圧縮空気もしくはその冷却水が用いられる。

なお、ヒートポンプ２の回路には、所望により、圧縮機３の出口側に油分離器を設置したり、凝縮器４の出口側に受液器を設置したり、圧縮機３の入口側にアキュムレータを設置したり、凝縮器４から膨張弁５への冷媒と蒸発器６から圧縮機３への冷媒とを混ぜることなく熱交換する液ガス熱交換器を設置したりしてもよい。その他、冷媒の過冷却器として、ヒートポンプ２の凝縮器４から膨張弁５への冷媒と凝縮器４への給水との間接熱交換器を設置したり、冷媒の過熱器として、ヒートポンプ２の蒸発器６から圧縮機３への冷媒と熱源流体との間接熱交換器を設置したりしてもよい。

気水分離器７は、凝縮器４から入口管１１を介して導入された気水混合体（湿り蒸気）を気水分離して、乾き度を向上した蒸気を出口管１２へ導出する一方、分離水を降水管１３により凝縮器４へ戻す。本実施例では、遠心式の気水分離器７とされ、上下方向へ沿って円筒状の胴１４を有し、この胴１４の周側壁に接線方向に接続された入口管１１を介して、凝縮器４の上部から気水混合体が胴１４内へ導入される。胴１４内へ導入された気水混合体は、胴１４内で旋回し、その遠心力で水滴は胴１４の周側壁に当たって下方へ脱落し、そのようにして乾き度を向上された蒸気が、胴１４の上部に接続された出口管１２から導出される。出口管１２には、逆止弁１５が設けられている。一方、胴１４の下部は、降水管１３を介して凝縮器４の下部（貯水部）に接続されている。

水位検出器８は、本実施例では、気水分離器７内の水位を検出する。但し、水位検出器８は、場合により、降水管１３内の水位を検出するか、気水分離器７と降水管１３とに跨った領域の水位を検出してもよい。

水位検出器８は、その構成を特に問わないが、本実施例では、水位に応じた出力を得られるアナログ式の水位検出器とされる。たとえば、静電容量式の水位検出器とされ、気水分離器７内の水位を連続的に検出する。但し、水位検出器８は、このようなアナログ式のものに限らず、場合により、電極式水位検出器などを用いることもできる。電極式水位検出器の場合、検出したい水位の数に応じて、一または複数の電極棒を用いて、水位が各電極棒の下端部を下回っているか否かで、下端部における水位の有無を検出する。

図示例では、水位検出器８は、気水分離器７の胴１４外に、水位検出筒１６を備え、その水位検出筒１６に、水位検出棒（電極棒）１７が差し込まれて、静電容量式（または電極式）の水位検出器が構成されている。水位検出筒１６は、上端部が、上部連通管１８を介して気水分離器７の胴１４の上部に接続される一方、下端部が、下部連通管１９を介して降水管１３に接続されている。

給水手段９は、凝縮器４の下部（貯水部）へ給水する手段である。この際、給水手段９は、降水管１３または気水分離器７を介して凝縮器４へ給水してもよいし、降水管１３または気水分離器７を介さずに凝縮器４へ直接に給水してもよい。特に、後述する第三制御を実施する場合、給水手段９は、降水管１３または気水分離器７を介して凝縮器４へ給水する手段とされる。

給水手段９は、降水管１３もしくは気水分離器７または凝縮器４への給水路２０を備える。この給水路２０は、図示例では、降水管１３（の垂直管部）の下部に接続されている。この場合、給水路２０からの給水は、降水管１３を介して、凝縮器４へも給水される。給水路２０には、下流へ向けて、給水ポンプ２１と逆止弁２２とが順に設けられている。給水ポンプ２１を作動させることで、降水管１３や凝縮器４などへ給水することができる。なお、給水ポンプ２１は、オンオフ制御されるが、場合により、インバータにより回転数を制御されるか、そのようなインバータ制御を行う代わりに、給水路２０に電動弁を設けてその開度を調整することで、給水流量を調整可能としてもよい。

ブロー手段１０は、凝縮器４の下部（貯水部）から排水する手段である。この際、ブロー手段１０は、降水管１３または気水分離器７を介して凝縮器４から排水してもよいし、降水管１３または気水分離器７を介さずに凝縮器４から直接に排水してもよい。

ブロー手段１０は、降水管１３もしくは気水分離器７または凝縮器４からの排水路２３を備える。この排水路２３は、図示例では、降水管１３（の垂直管部）の下部に接続されている。この場合、凝縮器４内の貯留水も、降水管１３を介して、排水路２３へ排水される。排水路２３には、排水弁２４が設けられている。排水弁２４を開くことで、降水管１３や凝縮器４などから排水することができる。なお、排水弁２４は、オンオフ制御されるが、場合により開度を調整されることで、排水流量を調整可能としてもよい。

その他、本実施例の蒸気発生システム１は、所望により、蒸気圧や水温などを監視する各種センサが設けられる。図示例では、圧力センサ２５の他、第一温度センサ２６、第二温度センサ２７および第三温度センサ２８が設けられている。

圧力センサ２５は、生成した蒸気の圧力Ｐを検出する。図示例では、気水分離器７からの出口管１２の内、逆止弁１５の上流側に、圧力センサ２５が設けられる。

第一温度センサ２６は、給水手段９による給水の水温Ｔ_１を検出する。図示例では、給水路２０には、逆止弁２２の上流側に、第一温度センサ２６が設けられる。

第二温度センサ２７は、気水分離器７により気水分離された分離水の水温Ｔ_２を検出する。図示例では、降水管１３の上部（気水分離器７の出口側）に、第二温度センサ２７が設けられる。

第三温度センサ２８は、降水管１３による凝縮器４への戻り水温Ｔ_３を検出する。図示例では、降水管１３の下部（凝縮器４への入口側）に、第三温度センサ２８が設けられる。

但し、いずれのセンサを設置するか（あるいは用いるか）は、後述する制御の種類に応じて変更される。特に、後述する第三制御を実施する場合、各温度センサ２６〜２８を設置するのがよい（但し第二温度センサ２７に代えてまたはそれに加えて圧力センサ２５を用いてもよい）が、その他の制御の場合、必ずしも各センサ２５〜２８を設置する必要はない。

また、これら以外のセンサを設置してもよく、たとえば、熱源流体が通される熱源流体路２９には、蒸発器６の出口側における熱源流体の温度を検出する第四温度センサ（図示省略）を設けてもよい。また、後述するように、凝縮器４からの起蒸（つまり貯留水の沸騰開始による蒸気発生）を検出するセンサや、凝縮器４内の貯留水の水温を検出するセンサなどを、前記各センサ２５〜２８とは別に設けてもよい。

制御手段は、前記各センサ２５〜２８の検出信号などに基づき、給水手段９やブロー手段１０などを制御する制御器（図示省略）である。具体的には、制御器は、水位検出器８と、所望により圧力センサ２５や各温度センサ２６〜２８が設置される場合にはこれらセンサの他、ヒートポンプ２（特に圧縮機３）、給水ポンプ２１および排水弁２４などに接続されており、以下に述べるような各種制御を実行する。ここでは、第一制御、第二制御および第三制御の内、いずれか一以上の制御を実行可能に構成される。

なお、以下では、気水分離器７内の水位を監視して制御する例を示しているが、前述したように、気水分離器７内の水位に代えてまたはこれに加えて降水管１３内の水位を監視して制御する場合もあり得る。水位を上昇させた場合の乾き度の低下と、水位を低下させた場合の循環比の低下に伴う凝縮器４内へのスケールの付着のおそれなどを考慮して、制御目標水位としての設定水位が定められ、その設定水位の高さに応じて水位検出器８が設けられる。

また、以下において、起蒸とは、凝縮器４内の貯留水の沸騰開始時であり、起蒸に至ったことは、凝縮器４内圧力または凝縮器４内水温、あるいは、凝縮器４内圧力と凝縮器４内水温の双方で検出することができる。起蒸前の給水時、気水分離器７や凝縮器４内に空気があると、給水により圧力が上がるので、凝縮器４内の圧力と水温との双方を用いて判定することで、精度よく起蒸を検出することができる。但し、第一制御については、起蒸を特に検出することなく、制御することができる。なお、凝縮器４内圧力は、前記圧力センサ２５により検出することができ、凝縮器４内水温は、前記第三温度センサ２８または前記第二温度センサ２７により推定してもよいし、凝縮器４に別途設けた温度センサにより検出してもよい。

≪第一制御≫
第一制御では、ヒートポンプ２の作動中、凝縮器４からの起蒸前および起蒸後、気水分離器７内の水位を設定水位（後述する第二制御の第二設定水位Ｈ２に対応する水位）に維持するように、水位検出器８の検出信号に基づき給水手段９およびブロー手段１０を制御する。水位を上げるには、給水手段９により給水すればよく、逆に、水位を下げるには、ブロー手段１０により排水するか、蒸気生成中なら給水手段９による給水を停止するか、給水手段９による給水流量を低下させればよい。

第一制御について具体的に説明すると、まず、蒸気発生システム１の起動時、凝縮器４から蒸気が発生していない起蒸前（言い換えれば凝縮器４内の水の沸騰開始前）、水位検出器８が設定水位（Ｈ２）を検出するまで給水手段９により給水して、凝縮器４内の貯留水をヒートポンプ２で加熱する。

ヒートポンプ２は、圧縮機３を作動させることで稼働する。ヒートポンプ２をどのように運転するかは、特に限定されない。たとえば、圧縮機３のモータを定速で回転させてもよいし、蒸発器６の出口側の熱源流体温度が所定温度になるように、圧縮機３のモータの回転数をインバータ制御してもよい。あるいは、得られる蒸気が所定圧力になるように、圧縮機３をオンオフ制御またはインバータ制御してもよい。

ヒートポンプ２の運転に伴い、凝縮器４内の貯留水は昇温し、やがて沸騰し、蒸気化する。起蒸に伴い（言い換えれば凝縮器４内の水の沸騰開始に伴い）、凝縮器４内の貯留水のボイド分（気泡が占める割合）が増加して水位が上がろうとするが、その際、通常、ブロー手段１０により排水することで、気水分離器７内の水位は設定水位（Ｈ２）に維持される。

気水分離器７の出口管１２からは、所定圧力の蒸気が導出される。蒸気生成に伴い、気水分離器７内の水位が低下すれば、給水手段９により給水され、気水分離器７内の水位は設定水位（Ｈ２）に維持される。つまり、第一制御では、典型的には、起蒸直後（沸騰開始時）には、ブロー手段１０による排水で設定水位（Ｈ２）を維持するが、その後は、ブロー手段１０を用いずに、蒸気生成に伴う水位の低下分だけ給水手段９により給水することで、設定水位（Ｈ２）に維持することができる。

なお、特に、水位検出器８が電極棒の下端部での水位の有無を検出する電極式水位検出器の場合、水位上昇に伴う給水の停止と、水位下降に伴う給水の開始との間に、適宜のディファレンシャル（動作隙間）を設けてもよいのはもちろんである。たとえば、水位上昇時、水位検出器８が水位を検出すると給水を停止する一方、水位下降時、水位検出器８が水位を検出しなくなってから設定時間経過すると給水を開始してもよい。もちろん、これと同様の制御を、下端部の高さを異ならせた二本の電極棒を用いて実施してもよく、その場合、上方の電極棒が水位を検出すると給水を停止する一方、下方の電極棒が水位を検出しなくなると給水を開始する。一方、特に、水位検出器８が水位を連続的に検出できる静電容量式水位検出器の場合、上述したのと同様に給水ポンプ２１をオンオフ制御する以外に、設定水位（Ｈ２）に維持するようにＰＩＤアルゴリズム等を用いて給水ポンプ２１の回転数をインバータ制御してもよい。

第一制御によれば、気水分離器７内の水位を設定水位（Ｈ２）に維持することで、蒸気の乾き度を所望に維持することができる。水位検出器８は、凝縮器４そのものではなく、気水分離器７内の水位を検出するので、沸騰による影響を抑えて、水位の監視を容易に確実に行える。また、起蒸の前後で設定水位を変えないことで、水位制御を簡易に行える。

≪第二制御≫
第二制御も、基本的には前記第一制御と同様であるため、ここでは両者の異なる点を中心に説明し、同様の箇所については説明を省略する。

第二制御では、前記設定水位は、凝縮器４からの起蒸前と起蒸後で異なる水位とされる。具体的には、起蒸前の第一設定水位Ｈ１と、起蒸後の第二設定水位Ｈ２とが設定されており、第一設定水位Ｈ１は第二設定水位Ｈ２よりも低く設定されている。第一設定水位Ｈ１があまりに低いと、圧縮機３の吐出圧が高くなり過ぎて、ヒートポンプ２の運転ができなくなるおそれがあるので、これを防止できる範囲で第一設定水位Ｈ１が規定される。一方、第二設定水位Ｈ２は、蒸気の乾き度を所定値以上にすることが可能な水位に設定される。

第二制御では、まず、蒸気発生システム１の起動時、凝縮器４から蒸気が発生していない起蒸前（言い換えれば凝縮器４内の水の沸騰開始前）、水位検出器８が第一設定水位Ｈ１を検出するまで給水手段９により給水して、凝縮器４内の貯留水をヒートポンプ２で加熱する。

ヒートポンプ２の運転に伴い、凝縮器４内の貯留水は昇温し、やがて沸騰し、蒸気化する。起蒸に伴い（言い換えれば凝縮器４内の水の沸騰開始に伴い）、凝縮器４内の貯留水のボイド分（気泡が占める割合）が増加して水位が上がろうとするが、その際、制御目標水位を、第一設定水位Ｈ１から第二設定水位Ｈ２に切り替える。この際、ブロー手段１０による排水を行うことなく、第二設定水位Ｈ２を目標水位とする制御に移行できるように、各設定水位を定めておくのが好ましい。

そして、起蒸後（沸騰開始後）には、第二設定水位Ｈ２を維持するように、基本的には給水手段９を制御する。このように、第二制御では、起蒸直後（沸騰開始時）には、ブロー手段１０による排水を行うことなく対応でき、その後も、基本的にはブロー手段１０を用いずに、蒸気発生に伴う水位の低下分だけ給水手段９により給水することで、設定水位に維持することができる。言い換えれば、制御手段は、水位検出器８の検出信号に基づき給水手段９を制御するだけでも足りるよう構成することもできる。

第二制御によれば、起蒸前の第一設定水位Ｈ１を、起蒸後の第二設定水位Ｈ２よりも低く設定しておくことで、起蒸に伴い凝縮器４内の貯留水のボイド分が増加して水位が上がっても、所望の乾き度の蒸気を導出することができる。この際、起蒸後の第二設定水位Ｈ２は、所定の乾き度を得られる水位に設定されており、起蒸前の第一設定水位Ｈ１は、前述したとおり、起蒸に伴い（つまり貯留水の沸騰開始に伴い）第二設定水位Ｈ２になる水位に設定されるのが好ましい。これにより、起蒸に伴い、ブロー手段１０により排水する必要がなく、省エネルギー化を図ることができる。

≪第三制御≫
第三制御も、基本的には前記第一制御（または第二制御）と同様であるため、ここでは両者の異なる点を中心に説明し、同様の箇所については説明を省略する。

第三制御では、凝縮器４からの起蒸前、気水分離器７内の水位を設定水位（前記第一設定水位Ｈ１または前記第二設定水位Ｈ２）に維持する一方、降水管１３による缶水の循環比を設定値に維持するように、給水手段９およびブロー手段１０を制御する。つまり、起蒸までは水位に基づき制御するのに対し、起蒸後には水位ではなく循環比に基づき制御する。但し、起蒸後の制御中、乾き度を所定以上に維持する観点から、気水分離器７内の水位が第二設定水位Ｈ２を上限に制御するのが好ましい。

循環比とは、（蒸発量＋降水量）／（給水量）で定義される。蒸発量は、気水分離器７からの蒸気流出量であり、降水量は、降水管１３を通して流下する缶水（循環水）の量である。ここで、定常時、蒸発量＝給水量となり、降水量が増加するにつれて循環比が大きくなる。

循環比について、さらに具体的に説明すると、給水路２０を介した降水管１３への給水流量をＧ_１（水温Ｔ_１）、気水分離器７から降水管１３への流量をＧ_２（蒸気の飽和温度Ｔ_２）、降水管１３から凝縮器４への流量（給水合流後の流量）をＧ_３（水温Ｔ_３）、缶水の定圧比熱をＣ_ｐとすると、エネルギー保存の法則から、次式が成立する。

［数１］ Ｃ_ｐＧ_１Ｔ_１＋Ｃ_ｐＧ_２Ｔ_２＝Ｃ_ｐＧ_３Ｔ_３

ここで、Ｇ_３＝Ｇ_１＋Ｇ_２の関係を利用すると、循環比として、以下の関係式が導出される。

［数２］ 循環比＝（Ｇ_１＋Ｇ_２）／Ｇ_１＝（Ｔ_２−Ｔ_１）／（Ｔ_２−Ｔ_３）

すなわち、給水手段９による給水温（つまり第一温度センサ２６の検出温度）Ｔ_１、気水分離器７により気水分離された分離水の水温（つまり第二温度センサ２７の検出温度）Ｔ_２、および降水管１３による凝縮器４への戻り水温（つまり第三温度センサ２８の検出温度）Ｔ_３に基づき、循環比を監視することができる。但し、飽和蒸気については、温度と圧力とが所定の関係にあるから、気水分離器７により気水分離された分離水の水温（つまり第二温度センサ２７の検出温度）Ｔ_２に代えて、気水分離器７内の蒸気の圧力（つまり圧力センサ２５の検出圧力）Ｐを監視して、それに基づき循環比を求めることもできる。

いずれにしても、第三制御によれば、所定箇所の温度または圧力に基づき、循環比を容易に監視して制御することができる。具体的には、循環比を設定値に維持するように、給水手段９およびブロー手段１０を制御する。循環比が低下すれば、水位を上げるように制御する一方、循環比が上昇すれば、水位を下げるように制御する。前記各制御と同様に、水位を上げるには、給水手段９により給水すればよく、逆に、水位を下げるには、ブロー手段１０により排水するか、給水手段９による給水を停止するか、給水手段９による給水流量を低下させればよい。

もちろん、このような各所の温度や圧力に基づき循環比を把握して制御する以外に、給水量および／または蒸発量と、降水量とを、流量計で検出して、これら検出流量に基づき循環比を把握して制御してもよい。

本発明の蒸気発生システム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、凝縮器４において貯留水を加熱して蒸気を発生させるヒートポンプ２と、凝縮器４からの気水混合体を気水分離する気水分離器７と、気水分離器７内および／または降水管１３内の水位を検出する水位検出器８と、凝縮器４へ直接または間接的に給水する給水手段９と、凝縮器４から直接または間接的に排水するブロー手段１０と、これら手段を制御する制御手段とを備え、制御手段は、ヒートポンプ２の作動中、凝縮器４からの起蒸前および／または起蒸後、気水分離器７内および／または降水管１３内の水位を設定水位に維持するように、給水手段９および／またはブロー手段１０を制御するのであれば、その他の構成は適宜に変更可能である。

たとえば、前記実施例では、凝縮器４とは別に気水分離器７を設けたが、場合により、凝縮器４の上部に気水分離器７を一体的に設けてもよい。たとえば、前述した特許文献２に記載の缶体は、燃焼ガスと水との熱交換器といえるが、これを冷媒と水との熱交換器として用いて、凝縮器４としてもよい。このような構成とする場合、気水分離器７の胴１４は、下部が凝縮器４の貯水部と連通され、胴１４内には、貯水部からの蒸気を気水分離する適宜のバッフル板が設けられており、乾き度を向上した蒸気を上部から導出する。そして、胴１４の下部と凝縮器４の下部とが、降水管１３で接続される。また、水位検出器８は、通常、降水管１３の水位を検出する。

また、前記実施例では、ブロー手段１０による排水は、外部へ捨てる例を示したが、排水をタンクに貯留しておき、次回の給水手段９による給水には、前記タンク内の貯留水を優先して供給するようにしてもよい。

さらに、ヒートポンプ２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２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（低温側）ヒートポンプの圧縮機からの冷媒と高段（高温側）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。そして、ヒートポンプ２が複数段の場合、典型的には、最低段の蒸発器６において熱源流体から熱をくみ上げて、最高段の凝縮器４において貯留水を加熱して蒸気を発生させる。

１ 蒸気発生システム
２ ヒートポンプ
３ 圧縮機
４ 凝縮器
５ 膨張弁
６ 蒸発器
７ 気水分離器
８ 水位検出器
９ 給水手段
１０ ブロー手段
１１ 入口管
１２ 出口管
１３ 降水管
１４ 胴
１５ 逆止弁
１６ 水位検出筒
１７ 水位検出棒
１８ 上部連通管
１９ 下部連通管
２０ 給水路
２１ 給水ポンプ
２２ 逆止弁
２３ 排水路
２４ 排水弁
２５ 圧力センサ
２６ 第一温度センサ
２７ 第二温度センサ
２８ 第三温度センサ
２９ 熱源流体路
Ｈ１ 第一設定水位
Ｈ２ 第二設定水位

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、前記凝縮器において冷媒と貯留水とを熱交換して、貯留水を加熱して蒸気を発生させるヒートポンプと、
   前記凝縮器からの気水混合体を気水分離して、蒸気を出口管へ導出する一方、分離水を降水管により前記凝縮器へ戻す気水分離器と、
   この気水分離器内および／または前記降水管内の水位を検出する水位検出器と、
   前記凝縮器へ給水する給水手段と、
   前記凝縮器から排水するブロー手段と、
   前記ヒートポンプの作動中、前記凝縮器からの起蒸前および起蒸後、前記気水分離器内および／または前記降水管内の水位を設定水位に維持するように、前記水位検出器の検出信号に基づき前記給水手段および前記ブロー手段を制御する制御手段と
   を備えることを特徴とする蒸気発生システム。
2. 前記設定水位は、前記凝縮器からの起蒸前と起蒸後で異なる水位とされ、
   起蒸前の第一設定水位は、起蒸後の第二設定水位よりも低く設定されており、
   前記制御手段は、前記水位検出器の検出信号に基づき、前記給水手段と前記ブロー手段との内、少なくとも前記給水手段を制御する
   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. 前記給水手段は、前記降水管または前記気水分離器を介して前記凝縮器へ給水する手段であり、
   前記ブロー手段は、前記降水管または前記気水分離器を介して前記凝縮器から排水するか、前記降水管または前記気水分離器を介さずに前記凝縮器から排水する手段であり、
   前記凝縮器からの起蒸前、前記気水分離器内および／または前記降水管内の水位を設定水位に維持する一方、前記凝縮器からの起蒸後、前記降水管による缶水の循環比を設定値に維持するように、前記給水手段および前記ブロー手段を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の蒸気発生システム。
4. 前記給水手段による給水温（Ｔ_１）、前記気水分離器により気水分離された分離水の水温（Ｔ_２）または蒸気の圧力（Ｐ）、および前記降水管による前記凝縮器への戻り水温（Ｔ_３）に基づき、前記循環比を監視する
   ことを特徴とする請求項３に記載の蒸気発生システム。

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