JP6249282B2 - 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、給水路（８）を介した給水タンク（３）への給水中、ヒートポンプ（４）を運転すると共に、ヒートポンプ（４）の凝縮器（１４）の出口側水温を設定温度に維持するように、典型的には給水ポンプ（１０）をインバータ制御して、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。

特許第５２６３４２１号公報

給水路を介した給水タンクへの給水流量の調整は、給水ポンプをインバータ制御して行うのではなく、給水路に設けた給水弁の開度を調整して行いたい場合がある。たとえば、給水元圧（給水源の水圧）により給水路を介して給水タンクへ給水できる場合、給水路に給水ポンプは不要であり、その代わりに給水路に設けた給水弁の開度を調整すれば足りる。

ところが、開度調整可能な弁（モータバルブ）から構成される給水弁は、インバータポンプから構成される給水ポンプと比較して、制御の応答速度が遅い。そのため、給水弁を閉鎖すると共にヒートポンプの圧縮機を停止した状態から、給水弁を開放すると共に圧縮機を起動した直後、凝縮器の通水流量が不足して、凝縮器における冷媒の凝縮不足が生じ、ひいては圧縮機の吐出側の冷媒圧力が上限値を超えて、圧縮機がインターロック停止するおそれがある。すなわち、圧縮機の起動直後、凝縮器の通水流量が十分でないと、凝縮器における冷媒の凝縮が所望になされず、圧縮機の吐出側において冷媒の圧力が過度に上昇し、圧縮機が強制停止するおそれがある。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、給水路を介した給水タンクへの給水流量の調整を給水弁の開度調整により行う給水加温システムにおいて、圧縮機の起動時に吐出側の冷媒圧力が過度に上昇することを防止することにある。また、それにより、圧縮機のインターロック停止を回避して、給水加温システムの所期の運転を実現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水を加温するヒートポンプと、前記凝縮器を介して給水路により給水可能な給水タンクと、前記給水路に設けられ、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水流量を調整する給水弁と、前記凝縮器の出口側の前記給水路に設けられた出湯温度センサと、前記給水路に設けられた流量検出手段と、制御器とを備え、前記制御器は、前記給水弁を開いた前記給水タンクへの給水中、前記出湯温度センサの検出温度を設定温度に維持するように前記給水弁の開度を調整する給水加温システムであって、前記制御器は、前記給水弁を閉鎖すると共に前記圧縮機を停止した状態から、前記給水弁を開放すると共に前記圧縮機を起動した状態とする際、（ｉ）前記設定温度として起動用設定温度を設定すると共に、前記給水弁を開放し；（ｉｉ）前記流量検出手段で所定流量以上の給水が確保されることを検知したことを条件に、前記圧縮機を起動し；（ｉｉｉ）前記圧縮機の起動後、設定時間ごとに、前記設定温度を前記起動用設定温度から第一設定温度まで段階的に上昇させ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、圧縮機の起動時に吐出側の冷媒圧力が過度に上昇することを防止できる。そして、それにより、圧縮機のインターロック停止を回避して、給水加温システムの所期の運転を実現することができる。

給水路を介した給水タンクへの給水中、凝縮器の出口側水温を設定温度に維持するように給水弁の開度を調整する出湯温度一定制御では、設定温度が低いほど給水流量を増すことができる。請求項１に記載の発明によれば、給水弁を開放すると共に圧縮機を起動する際、出湯温度一定制御の設定温度を下げておくことで、給水路を介した給水タンクへの給水流量を確保して、圧縮機の起動時に吐出側の冷媒圧力が過度に上昇することを防止できる。

請求項１に記載の発明によれば、給水弁を開放すると共に圧縮機を起動する際、出湯温度一定制御の設定温度を、比較的低い温度から徐々に高めていくことで、給水路を介した給水タンクへの給水流量の急激な減少と、それに伴う圧縮機の吐出側の冷媒圧力の過度の上昇とを防止することができる。

請求項２に記載の発明は、前記起動用設定温度の初期値は、前記給水路への給水源の水温に所定温度を加算した温度とされ、前記所定温度は、前記給水源の水温と前記第一設定温度との差の１／２〜４／５の範囲で設定され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、圧縮機起動時の設定温度（起動用設定温度の初期値）を、給水源の水温と最終的な設定温度（第一設定温度）とに応じて設定することで、給水路を介した給水タンクへの給水流量を所望に確保して、圧縮機の起動時に吐出側の冷媒圧力が過度に上昇することを防止しつつ、給水の加温を所望に図ることができる。

請求項３に記載の発明は、前記（ｉｉ）の検知は、前記流量検出手段が前記所定流量を検出するまで前記給水弁を開いて、所定時間までその状態を継続できるかの検知であ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１に記載の発明によれば、圧縮機の起動前に所定流量以上の給水の有無を確認することで、給水流量不足による圧縮機の吐出側の冷媒圧力の過度の上昇を防止できる。そして、請求項３に記載の発明によれば、その確認を、簡易な制御で行うことができる。

さらに、請求項４に記載の発明は、前記凝縮器より上流側の前記給水路の水と、前記蒸発器を通過後の熱源流体とを熱交換する廃熱回収熱交換器を備え、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水の有無は、前記給水タンクの水位に基づき切り替えられ、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水中、前記蒸発器への熱源流体温度が規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、前記出湯温度センサの検出温度を前記第一設定温度に維持するように前記給水弁の開度を調整し、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水中、前記蒸発器への熱源流体温度が規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、前記出湯温度センサの検出温度を前記第一設定温度よりも低い第二設定温度に維持するように前記給水弁の開度を調整することを特徴とする請求項１〜３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４に記載の発明によれば、蒸発器への熱源流体温度が規定温度未満であれば、ヒートポンプを作動させた状態で、出湯温度センサの検出温度を第一設定温度に維持するように給水弁の開度を調整することで、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。一方、蒸発器への熱源流体温度が規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、廃熱回収熱交換器において、給水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、出湯温度一定制御の設定温度を、第一設定温度よりも低い第二設定温度に切り替えることで、給水路を介した給水タンクへの給水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。

本発明によれば、給水路を介した給水タンクへの給水流量の調整を給水弁の開度調整により行う給水加温システムにおいて、圧縮機の起動時に吐出側の冷媒圧力が過度に上昇することを防止することができる。また、それにより、圧縮機のインターロック停止を回避して、給水加温システムの所期の運転を実現することができる。

本発明の給水加温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、本発明の給水加温システム１の一実施例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への給水を加温するヒートポンプ４と、このヒートポンプ４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５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６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。あるいは、蒸気使用設備からのドレンは、熱源水タンク５へ供給してもよい。

給水タンク３には、本実施例では、軟水装置７において水中の硬度分が除去された水（軟水）が供給される。給水タンク３には、軟水装置７からの水が、ヒートポンプ４を介して給水路８により給水可能であると共に、ヒートポンプ４を介さずに補給水路９により給水可能である。給水路８と補給水路９とは、軟水装置７の側において共通管路とされている。給水路８に設けた給水弁１０と、補給水路９に設けた補給水弁１１とを制御することで、給水路８と補給水路９との内、一方または双方を介して給水タンク３へ給水可能である。

給水弁１０を開くと、給水元圧（給水源の水圧）により軟水装置７からの水を、給水路８を介して給水タンク３へ給水できる。一方、補給水弁１１を開くと、給水元圧により軟水装置７からの水を、補給水路９を介して給水タンク３へ給水できる。なお、給水弁１０は、給水路８の内、後述する廃熱回収熱交換器１２より上流側に設けるのが好ましい。

給水弁１０は、モータバルブのような開度調整可能な電動弁から構成される。給水弁１０の開度を調整することで、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ことができる。一方、補給水弁１１は、電動弁または電磁弁から構成される。補給水弁１１の開閉を切り替えることで、補給水路９を介した給水タンク３への給水の有無を切り替えることができる。

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１３、凝縮器１４、膨張弁１５および蒸発器１６が順次環状に接続されて構成される。そして、圧縮機１３は、ガス冷媒を圧縮して高温高圧にする。また、凝縮器１４は、圧縮機１３からのガス冷媒を凝縮液化する。さらに、膨張弁１５は、凝縮器１４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１６は、膨張弁１５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１６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１４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１６において、熱源水から熱をくみ上げ、凝縮器１４において、給水路８の水を加温する。

ヒートポンプ４は、さらに、凝縮器１４と膨張弁１５との間に、過冷却器１７を備えるのが好ましい。過冷却器１７は、凝縮器１４より上流側の給水路８の水と、凝縮器１４から膨張弁１５への冷媒との間接熱交換器である。過冷却器１７により、凝縮器１４への給水で、凝縮器１４から膨張弁１５への冷媒を過冷却することができると共に、凝縮器１４から膨張弁１５への冷媒で、凝縮器１４への給水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１４において潜熱を放出し、過冷却器１７において顕熱を放出する。

つまり、凝縮器１４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１７に供給されて、過冷却器１７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４には、圧縮機１３の入口側にアキュムレータを設置したり、圧縮機１３の出口側に油分離器を設置したり、凝縮器１４の出口側（凝縮器１４と過冷却器１７との間）に受液器を設置したりしてもよい。

ところで、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１３のモータの電源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１３のモータの電源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。

本実施例の給水加温システム１は、さらに廃熱回収熱交換器１２を備える。この廃熱回収熱交換器１２は、過冷却器１７より上流側の給水路８の水と、蒸発器１６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８の水は、廃熱回収熱交換器１２、過冷却器１７および凝縮器１４へと順に通されることになる。一方、熱源水タンク５の熱源水は、熱源供給路１８を介して、蒸発器１６を通された後、廃熱回収熱交換器１２に通される。

熱源水タンク５は、ヒートポンプ４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。なお、熱源水タンク５には、熱源水の供給路１９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２０が設けられている。

熱源水タンク５の熱源水は、熱源供給路１８を介して、ヒートポンプ４の蒸発器１６に通された後、廃熱回収熱交換器１２に通される。熱源供給路１８には、蒸発器１６より上流側に熱源供給ポンプ２１が設けられており、この熱源供給ポンプ２１を作動させることで、熱源水タンク５からの熱源水を、蒸発器１６と廃熱回収熱交換器１２とに順に通すことができる。

蒸発器１６を先に通した後に廃熱回収熱交換器１２に熱源水を通すことで、廃熱回収熱交換器１２を先に通した後に蒸発器１６に熱源水を通す場合と比較して、蒸発器１６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１３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。

給水タンク３には、水位検出器２２が設けられる。この水位検出器２２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２３〜２６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１０制御用の給水開始電極棒２３と給水停止電極棒２４の他、補給水弁１１制御用の補給水開始電極棒２５と補給水停止電極棒２６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２４、補給水停止電極棒２６、給水開始電極棒２３、補給水開始電極棒２５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２３〜２６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２３が検出する水位を給水開始水位Ｈ１、給水停止電極棒２４が検出する水位を給水停止水位Ｈ２、補給水開始電極棒２５が検出する水位を補給水開始水位Ｈ３、補給水停止電極棒２６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５には、熱源水の有無を確認するために、水位検出器２７が設けられる。この水位検出器２７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５には、低水位検出電極棒２８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。

給水路８には、凝縮器１４の出口側に、出湯温度センサ２９が設けられる。出湯温度センサ２９は、凝縮器１４を通過後の水温を検出する。出湯温度センサ２９の検出温度に基づき、給水弁１０が制御される。ここでは、給水弁１０は、出湯温度センサ２９の検出温度を設定温度に維持するように開度が調整される。これにより、給水路８を介した給水タンク３への給水は、出湯温度センサ２９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。

給水路８には、さらに、通水流量（給水路８を介した給水タンク３への給水流量）を監視するために、所望により流量検出手段が設けられる。流量検出手段は、本実施例では流量計３０とされるが、場合によりフロースイッチなどでもよい。流量計３０は、図示例の場合、給水弁１０より下流で、廃熱回収熱交換器１２より上流に設けられる。

熱源供給路１８には、蒸発器１６の入口側に、熱源温度センサ３１が設けられる。熱源温度センサ３１は、蒸発器１６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３１は、場合により、熱源水タンク５に設けられてもよい。詳細は後述するが、本実施例では、熱源温度センサ３１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１３）の発停と、前記設定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２２の検出信号に基づき、給水弁１０と補給水弁１１とを制御することでなされる。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。ここで、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２４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１０を閉鎖すると共に、補給水弁１１も閉鎖している。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２３が水位を検知しなくなると、給水弁１０を開放する。これにより、給水路８を介して給水タンク３に給水されるが、給水停止電極棒２４が水位を検知すると、給水弁１０を閉鎖する。一方、給水弁１０を開放しても、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２５が水位を検知しなくなると、補給水弁１１も開放する。これにより、補給水路９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２６が水位を検知すると、補給水弁１１を閉鎖し、さらに水位が回復して、給水停止電極棒２４が水位を検知すると、給水弁１０を閉鎖する。なお、給水弁１０を開放して、給水路８を介した給水タンク３への給水中、熱源供給ポンプ２１も作動させる。

本実施例では、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。その結果、給水開始水位Ｈ１と給水停止水位Ｈ２との間の水位域と、補給水開始水位Ｈ３と補給水停止水位Ｈ４との間の水位域とは、一部が重複することになる。そのため、給水開始水位Ｈ１と給水停止水位Ｈ２との水位差や、補給水開始水位Ｈ３と補給水停止水位Ｈ４との水位差を、それぞれ確保し易い。これに伴い、給水弁１０や補給水弁１１の開閉回数を少なくすることができる。さらに、補給水停止水位Ｈ４が比較的高いので、給水タンク３への給水速度を速めることができると共に、給水タンク３には比較的多めの水を貯留できる。よって、給水タンク３内の貯水量が不足するおそれはなく、最も重要なボイラ２やその蒸気使用設備の稼働を優先することができる。また、給水タンク３を空の状態から満水にするまでの時間を短縮することができる。

給水開始水位Ｈ１と補給水開始水位Ｈ３との水位差は、給水開始水位Ｈ１と給水停止水位Ｈ２との水位差よりも小さく設定するのが好ましい。給水開始水位Ｈ１と補給水開始水位Ｈ３とを近づけることで、給水路８を介した給水と補給水路９を介した給水との双方を実行させ易くすることができる。これにより、給水タンク３への給水速度を速めることができる。

ヒートポンプ４は、後述するように、所定の場合に作動する。ヒートポンプ４は、その圧縮機１３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１３は、モータの電源周波数が一定に維持され、一定出力を維持される。

給水路８を介した給水タンク３への給水中、出湯温度センサ２９の検出温度を設定温度に維持するように、給水弁１０の開度が調整される（ＰＩＤ制御による出湯温度一定制御）。設定温度は、基本的には固定（その場合の設定温度を特に第一設定温度という）であるが、後述するように状況に応じて変更してもよい。

ところで、給水弁１０を閉鎖すると共に圧縮機１３を停止した状態から、給水弁１０を開放すると共に圧縮機１３を起動する際、給水弁１０の応答速度が遅いので、圧縮機１３の起動直後に、凝縮器１４の通水流量が不足して、圧縮機１３の吐出側の冷媒圧力が上限値を超え、圧縮機１３がインターロック停止するおそれがある。つまり、圧縮機１３の起動時、圧縮機１３は定常回転数まで比較的迅速に立ち上がるが、その際、吐出側の冷媒圧力の上昇に、給水弁１０の開度調整が遅れやすく、凝縮器１４の通水流量が所望に確保されない状態が生じ、凝縮器１４における冷媒の凝縮が所望になされず、圧縮機１３の吐出側において冷媒の圧力が過度に上昇し、圧縮機１３が強制停止するおそれがある。そこで、本実施例の給水加温システム１は、給水弁１０を閉鎖すると共に圧縮機１３を停止した状態から、給水弁１０を開放すると共に圧縮機１３を起動する際、特有の制御（起動制御）として、下記（Ａ）〜（Ｃ）のいずれかの制御を実行する。なお、「給水弁１０を開放すると共に圧縮機１３を起動する際」とは、給水弁１０の開放と圧縮機１３の起動が必ずしも同時に行われる必要はなく、後述するように、まずは給水弁１０を開放後に圧縮機１３を起動する場合も含まれる。

≪（Ａ）出湯温度一定制御の設定温度を下げる≫
給水弁１０を閉鎖すると共に圧縮機１３を停止した状態から、給水弁１０を開放すると共に圧縮機１３を起動する際、設定条件を満たすまで、出湯温度一定制御の設定温度（凝縮器１４出口側水温の目標値）を下げる。具体的には、出湯温度一定制御の設定温度は、基本的には第一設定温度（たとえば７５℃）とされるが、給水弁１０を開放すると共に圧縮機１３を起動する際には、設定条件（たとえば設定時間の経過）を満たすまで、第一設定温度よりも低い起動用設定温度（たとえば６０℃）とされる。出湯温度一定制御では、設定温度が低いほど給水流量を増すことができるので、給水弁１０を開放すると共に圧縮機１３を起動する際、設定温度を下げておくことで、給水路８を介した給水タンク３への給水流量を確保でき、圧縮機１３の起動時に吐出側の冷媒圧力が過度に上昇することを防止できる。言い換えれば、設定温度を下げるほど、圧縮機１３の吐出側の冷媒圧力を比較的低く抑えた運転とできるので、圧縮機１３の吐出側の冷媒圧力が上限値を超えるのを防止しやすい。

また、起動用設定温度は、設定時間（たとえば６０秒）ごとに、第一設定温度まで段階的に上昇させるのが好ましい。たとえば、設定温度を、６０秒ごとに、６０℃、６５℃、７０℃、７５℃と切り替えればよい。圧縮機１３起動時の起動用設定温度から第一設定温度まで一気に切り替えた場合には、給水路８を介した給水タンク３への給水流量の急激な減少が生じるおそれがあるが、段階的に切り替えることでそのような不都合を回避することができる。

ところで、起動用設定温度の初期値（設定温度を段階的に変更する場合の最初の設定温度）は、給水路８への給水源の水温に所定温度を加算した温度とされる。そして、その所定温度は、給水源の水温（たとえば１０〜３０℃）と第一設定温度（たとえば７５℃）との差の１／２〜４／５の範囲で設定されるのが好ましい。低すぎては給水タンク３への給水の加温が十分に行えないし、高すぎては給水流量が不足して圧縮機１３起動時に圧縮機１３をインターロック停止するおそれがあることを考慮したものである。

≪（Ｂ）給水弁１０の開度を設定開度以上とする≫
給水弁１０を閉鎖すると共に圧縮機１３を停止した状態から、給水弁１０を開放すると共に圧縮機１３を起動する際、給水弁１０の開度を設定開度以上（好ましくは全開）とする。具体的には、給水弁１０を開放すると共に圧縮機１３を起動する際、出湯温度一定制御の開始時期を遅らせ、それまでは給水弁１０の開度を、好ましくは全開とする。給水弁１０を全開とするよう制御することで、給水路８を介した給水タンク３への給水流量を確保して、圧縮機１３の起動時に吐出側の冷媒圧力が過度に上昇することを防止できる。

所定時間、給水弁１０を全開とした後、設定条件を満たすまで、給水弁１０の開度を経時的に（典型的には経過時間に比例して）小さくするのが好ましい。給水弁１０の開度を絞るに伴い、出湯温度センサ２９の検出温度は上昇するが、その温度が第一設定温度に達した際に、出湯温度一定制御（ＰＩＤ制御）に切り替えるのが好ましい。給水弁１０の開度を全開から徐々に小さくしていくことで、給水路８を介した給水タンク３への給水流量の急激な減少と、それに伴う圧縮機１３の吐出側の冷媒圧力の過度の上昇とを防止することができる。なお、給水弁１０の開度を経時的に小さくする際、開度を連続的に小さくするのがよいが、場合により段階的に小さくしてもよい。

≪（Ｃ）蒸発器１６への熱源水の供給流量を設定流量以下とする≫
出湯温度一定制御中、熱源供給ポンプ２１により、蒸発器１６には所定流量の熱源水が通されるが、給水弁１０を開放すると共に圧縮機１３を起動する際には、設定条件を満たすまで蒸発器１６への熱源水の供給を前記所定流量よりも少なくする。具体的には、給水弁１０を開放すると共に圧縮機１３を起動する際、熱源供給ポンプ２１をインバータ制御するか、熱源供給ポンプ２１より下流に設けた弁（図示省略）の開度を絞ることで、蒸発器１６への熱源水の供給流量をたとえば半分程度に絞ればよい。蒸発器１６への熱源水の供給流量を制限することで、圧縮機１３の起動時に吐出側の冷媒圧力が過度に上昇することを防止できる。

設定時間が経過するか、圧縮機１３の吐出圧が所定以上になるか、圧縮機１３の回転数が所定にまで達すると、蒸発器１６への熱源水の供給流量を所定流量まで経時的に（典型的には経過時間に比例して）増加させればよい。これにより、圧縮機１３の吐出側の冷媒圧力の過度の上昇を防止することができる。なお、蒸発器１６への熱源水の供給流量を経時的に増加させる際、連続的に増加させるのがよいが、場合により段階的に増加させてもよい。

ところで、給水弁１０を開放すると共に圧縮機１３を起動する際、まずは給水弁１０を開放して所定流量以上の給水が確保されることを検知したことを条件に、圧縮機１３を起動するのが好ましい。圧縮機１３の起動時に給水流量が不足すれば、前述したように、圧縮機１３の吐出側の圧力が上昇して、圧縮機１３が停止してしまうためである。給水弁１０を開放して所定流量以上の給水が確保されることを確認するために、給水弁１０の開度を一定開度に開くだけでは、給水元圧などの変化に対応できない。そこで、本実施例では、次のように制御している。

つまり、給水路８に設けた流量計３０で通水流量を監視しつつ、給水弁１０の開度を徐々に（典型的には経過時間に比例して）大きくしていき、流量計３０が所定流量を検出すると、その状態で給水弁１０の開度を固定し、所定時間（たとえば給水弁１０開放から１０秒間）経過するまでその状態を継続できるかにより、所定流量以上の給水が確保されているか否かを判定する。なお、この際、流量計３０が所定流量を検出した時点で開度を固定するのではなく、所定流量になるように給水弁１０の開度を調整してもよい。いずれにしても、所定流量以上の給水が確保されることを判定した後、圧縮機１３を起動可能とし、たとえば前記（Ａ）の制御などを介して、出湯温度一定制御を実行するのがよい。

また、上述の起動制御は、蒸発器１６への熱源水の温度が高い場合に生じるので、蒸発器１６への熱源水の温度に応じて、実行の有無を切り替えるのが好ましい。つまり、起動制御は、熱源温度センサ３１の検出温度が切替温度を超える場合に行い、切替温度以下の場合には行わないようにするのが好ましい。熱源水温度が低い場合、起動制御を行わないので、給水加温システムの起動時間の短縮を図ることができる。なお、切替温度は、第一設定温度よりも低い温度であり、たとえば、前記起動用設定温度の初期値よりも所定温度低い温度として設定できる。

次に、出湯温度一定制御について補足説明する。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８を介した給水タンク３への給水が制御されるが、給水路８を介した給水タンク３への給水中、熱源温度センサ３１により蒸発器１６への熱源水温度を監視し、その温度が規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８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８を介した給水タンク３への給水中、熱源温度センサ３１の検出温度が規定温度（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、出湯温度センサ２９の検出温度を第一設定温度（たとえば７５℃）に維持するように、給水弁１０の開度を調整して、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（第一制御）。なお、ここでは、第一設定温度は、前記規定温度よりも高い温度とされる。

一方、熱源温度センサ３１の検出温度が規定温度（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。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８を介して給水タンク３へ給水するが、凝縮器１４の出口側水温の制御目標温度を下げるのが好ましい。つまり、出湯温度センサ２９の検出温度を第一設定温度よりも低い第二設定温度（たとえば６０℃）に維持するように、給水弁１０の開度を調整して、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。なお、ここでは、第二設定温度は、前記規定温度と同一温度とされるが、場合により、前記規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１６への熱源水温度が規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１４の出口側水温を第一設定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ことで、給水源の水温や熱源水の温度に拘わらず、所望温度の温水を得ることができる。一方、蒸発器１６への熱源水温度が規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１３の保護を図ることができる。但し、その場合でも、廃熱回収熱交換器１２において、給水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１４の出口側水温の制御目標温度を、第一設定温度よりも低い第二設定温度に切り替えることで、給水路８を介した給水タンク３への給水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。

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、出湯温度センサ２９の検出温度を第二設定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中（つまり第二制御中）、熱源温度センサ３１の検出温度が規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、出湯温度センサ２９の検出温度を第一設定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、出湯温度センサ２９の検出温度を第二設定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中（つまり第二制御中）、熱源温度センサ３１の検出温度が規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、出湯温度センサ２９の検出温度を第一設定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制御に切り替えればよい。

いずれにしても、蒸発器１６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１６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。

但し、給水路８を介した給水タンク３への給水中、熱源温度センサ３１の検出温度が前記規定温度よりも高い上限温度（たとえば６５℃）以上になると、給水加温システム１の稼働を停止するのがよい。具体的には、ヒートポンプ４を停止すると共に、熱源供給ポンプ２１を停止して蒸発器１６への熱源水の供給も停止する。さらに、給水弁１０を全閉するのがよい。このようにして、蒸発器１６への熱源水温度が過度に上昇した場合には、給水加温システム１の稼働を停止することで、給水加温システム１の保護を図ることができる。なお、ここでは、上限温度は、前記規定温度よりも高いが、前記第一設定温度よりも低い温度とされる。

その他、ヒートポンプ４の運転中、熱源水タンク５の水位が下がり、低水位検出電極棒２８が水位を検知しなくなると、ヒートポンプ４の運転を停止すると共に、熱源供給ポンプ２１を停止して蒸発器１６への熱源水の供給を停止するのがよい。これにより、ヒートポンプ４を無駄に運転するのが防止される。また、同様に、給水路８を介した給水タンク３への給水中、万一、給水路８を通る給水の量が設定を下回ると、ヒートポンプ４の運転を停止すると共に、熱源供給ポンプ２１を停止して蒸発器１６への熱源水の供給を停止するのがよい。

本発明の給水加温システム１は、前記実施例の構成に限らず、適宜変更可能である。特に、給水弁１０を開放すると共に圧縮機１３を起動する際、出湯温度一定制御の設定温度を下げるか、給水弁１０を設定開度以上とするか、蒸発器１６への熱源水の供給を設定流量以下とするのであれば、その他の構成および制御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１７と廃熱回収熱交換器１２との内、一方または双方の設置を省略してもよい。また、補給水弁１１を備えた補給水路９は、場合により省略可能である。さらに、給水路８および補給水路９の上流側の共通管路には、場合により送水ポンプが設けられてもよいし、また軟水装置７に代えてまたはそれに加えて脱酸素装置などが設けられてもよい。

また、前記実施例において、補給水停止水位Ｈ４は、給水開始水位Ｈ１よりも低く設定されてもよい。つまり、前記実施例では、給水停止水位Ｈ２、補給水停止水位Ｈ４、給水開始水位Ｈ１、補給水開始水位Ｈ３の順に水位が低くなるようにしたが、場合により、給水停止水位Ｈ２、給水開始水位Ｈ１、補給水停止水位Ｈ４、補給水開始水位Ｈ３の順に水位が低くなるようにしてもよい。

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、ヒートポンプを運転する際、圧縮機のモータの電源周波数を一定に維持したが、場合により、圧縮機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、給水タンク内の水位または蒸発器への熱源流体温度に基づき、圧縮機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１３は、電気モータにより駆動されたが、圧縮機１３の駆動源は特に問わない。たとえば、圧縮機１３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 熱源水タンク
７ 軟水装置
８ 給水路
９ 補給水路
１０ 給水弁
１１ 補給水弁
１２ 廃熱回収熱交換器
１３ 圧縮機
１４ 凝縮器
１５ 膨張弁
１６ 蒸発器
１８ 熱源供給路
２１ 熱源供給ポンプ
２２ 水位検出器
２９ 出湯温度センサ
３０ 流量計（流量検出手段）
３１ 熱源温度センサ

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水を加温するヒートポンプと、
   前記凝縮器を介して給水路により給水可能な給水タンクと、
   前記給水路に設けられ、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水流量を調整する給水弁と、
   前記凝縮器の出口側の前記給水路に設けられた出湯温度センサと、
   前記給水路に設けられた流量検出手段と、
   制御器とを備え、
   前記制御器は、前記給水弁を開いた前記給水タンクへの給水中、前記出湯温度センサの検出温度を設定温度に維持するように前記給水弁の開度を調整する給水加温システムであって、
   前記制御器は、前記給水弁を閉鎖すると共に前記圧縮機を停止した状態から、前記給水弁を開放すると共に前記圧縮機を起動した状態とする際、（ｉ）前記設定温度として起動用設定温度を設定すると共に、前記給水弁を開放し；（ｉｉ）前記流量検出手段で所定流量以上の給水が確保されることを検知したことを条件に、前記圧縮機を起動し；（ｉｉｉ）前記圧縮機の起動後、設定時間ごとに、前記設定温度を前記起動用設定温度から第一設定温度まで段階的に上昇させる
   ことを特徴とする給水加温システム。
2. 前記起動用設定温度の初期値は、前記給水路への給水源の水温に所定温度を加算した温度とされ、
   前記所定温度は、前記給水源の水温と前記第一設定温度との差の１／２〜４／５の範囲で設定される
   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（ｉｉ）の検知は、前記流量検出手段が前記所定流量を検出するまで前記給水弁を開いて、所定時間までその状態を継続できるかの検知である
   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. 前記凝縮器より上流側の前記給水路の水と、前記蒸発器を通過後の熱源流体とを熱交換する廃熱回収熱交換器を備え、
   前記給水路を介した前記給水タンクへの給水の有無は、前記給水タンクの水位に基づき切り替えられ、
   前記給水路を介した前記給水タンクへの給水中、前記蒸発器への熱源流体温度が規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、前記出湯温度センサの検出温度を前記第一設定温度に維持するように前記給水弁の開度を調整し、
   前記給水路を介した前記給水タンクへの給水中、前記蒸発器への熱源流体温度が規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、前記出湯温度センサの検出温度を前記第一設定温度よりも低い第二設定温度に維持するように前記給水弁の開度を調整する
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の給水加温システム。

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