(57)【要約】【課題】システム全体を制御するための制御装置を要することなくヒートポンプの台数制御を行うことができ、コストの削減を図ることが可能な熱供給システムを提供する。【解決手段】本発明にかかる熱供給システム１００の構成は、冷却処理設備および加熱処理設備と、２以上のヒートポンプと、ヒートポンプの蒸発器および冷却処理設備に熱媒体を供給する第１熱媒体経路と、ヒートポンプの凝縮器および加熱処理設備に熱媒体を供給する第２熱媒体経路と、を備え、２以上のヒートポンプの蒸発器または凝縮器は、第１熱媒体経路または第２熱媒体経路の少なくとも一方では直列に接続され、直列に接続された２以上のヒートポンプは同じ設定温度が設定されていて、この設定温度に基づいてそれぞれのヒートポンプが個別に動作を制御および停止することを特徴とする。【選択図】図１
2014134310.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却処理を行う冷却処理設備と、
加熱処理を行う加熱処理設備と、
凝縮器、膨張手段、蒸発器、および圧縮手段を有し、これらを冷媒が循環する２以上のヒートポンプと、
前記２以上のヒートポンプの蒸発器および前記冷却処理設備に熱媒体を供給する第１熱媒体経路と、
前記２以上のヒートポンプの凝縮器および前記加熱処理設備に熱媒体を供給する第２熱媒体経路と、
を備え、
前記２以上のヒートポンプの蒸発器または凝縮器は、前記第１熱媒体経路または第２熱媒体経路の少なくとも一方では直列に接続され、
直列に接続された前記２以上のヒートポンプは同じ設定温度が設定されていて、この設定温度に基づいてそれぞれのヒートポンプが個別に動作を制御および停止することを特徴とする熱供給システム。
【請求項２】
前記第１熱媒体経路または第２熱媒体経路のうち、前記ヒートポンプの動作を制御するために前記熱媒体の温度を監視していない側の経路に補助熱源が更に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の熱供給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被処理体の加熱処理に要する熱および冷却処理に要する冷熱を供給する熱供給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
飲料工場等の飲食物を生産する工場では、被処理体に対して加熱処理（加熱殺菌処理）および冷却処理の２つの処理が行われることがある。被処理体の例としては、飲食物そのものや、かかる飲食物（内容物）を充填した缶やペットボトル等の容器が挙げられる。以下、理解を容易にするために、飲食物（内容物）を充填した缶やペットボトル等の容器を被処理体とする場合を例示して説明する。
【０００３】
缶やペットボトル等の容器に飲食物（内容物）を充填した後に行われる殺菌工程（後殺菌工程と称されることもある。以下、後殺菌工程と称する。）にはパストライザが多く用いられている。パストライザは、高温水を散水することにより缶やペットボトル等の容器（以下、被処理体と称する。）を外側から加熱殺菌し、その後、低温水を散水することにより、加熱殺菌において温度が上昇した被処理体を冷却する。このように、高温水を散水することにより、殺菌だけでなく被処理体の外側を洗浄することができるため充填時に被処理体の外側に付着した内容物が除去される。また低温水を散水することにより、被処理体を迅速に冷却することができるため次の工程をスムーズに行うことができる。また、飲料が炭酸水である場合には、炭酸ガスを封入する際に飲料を冷却する工程が行われる。
【０００４】
上述したように、パストライザでは高温水および低温水が必要となる。近年、パストライザに高温水および低温水（以下、熱媒体と称する）を供給する装置としてヒートポンプが用いられている。ヒートポンプは、液体の一次冷媒が、膨張により気化するときに周囲の熱を吸収し、凝縮により液化するときに熱を発する性質を利用している。これにより、ボイラのような燃焼式設備に比べて、ＣＯ２排出量を大幅に削減することができる。また、ヒートポンプは従来用いられていたボイラやクーリングタワーに比べて、一次エネルギ消費量を大幅に削減することができ、ランニングコストを大幅に抑制することも可能である。
【０００５】
上記のように熱媒体を供給する装置としてヒートポンプを用いる場合、かかるヒートポンプは複数台併設されることが多い。熱媒体の供給先はパストライザではないが、例えば特許文献１では、直列に接続された２台のヒートポンプによって構成される給湯器が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２８１７１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１のように２台（複数）のヒートポンプが直列に接続されている場合、熱媒体を２台のヒートポンプに順に通過させることにより、かかる熱媒体を所望の温度まで加熱または冷却することとなる。このため、負荷に応じて複数のヒートポンプの出力（動作）を制御することになる。一方、負荷が設置しているよりも少ない台数で足りる場合には、稼働させるヒートポンプの台数を増減させる、いわゆる台数制御を行うことによって動力削減を図ることができる。しかしながら台数制御を行うためには熱媒体の状態と複数のヒートポンプの状態を監視し、システム全体を制御する制御装置が不可欠であった。
【０００８】
本発明は、このような課題に鑑み、システム全体を制御するための制御装置を要することなくヒートポンプの台数制御を行うことができ、コストの削減を図ることが可能な熱供給システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明にかかる熱供給システムの代表的な構成は、冷却処理を行う冷却処理設備と、加熱処理を行う加熱処理設備と、凝縮器、膨張手段、蒸発器、および圧縮手段を有し、これらを冷媒が循環する２以上のヒートポンプと、２以上のヒートポンプの蒸発器および冷却処理設備に熱媒体を供給する第１熱媒体経路と、２以上のヒートポンプの凝縮器および加熱処理設備に熱媒体を供給する第２熱媒体経路と、を備え、２以上のヒートポンプの蒸発器または凝縮器は、第１熱媒体経路または第２熱媒体経路の少なくとも一方では直列に接続され、直列に接続された２以上のヒートポンプは同じ設定温度が設定されていて、この設定温度に応じてそれぞれのヒートポンプが個別に動作を制御および停止することを特徴とする。
【００１０】
上記構成によれば、ヒートポンプ自体に備えられている自動制御機能によって、直列に接続された複数のヒートポンプが個別に制御および停止される。したがって、システム全体を制御するための制御装置を要することなくヒートポンプの台数制御を行うことができ、制御装置にかかるコストを削減することが可能となる。
【００１１】
上記第１熱媒体経路または第２熱媒体経路のうち、ヒートポンプの動作を制御するために熱媒体の温度を監視していない側の経路に補助熱源が更に設けられているとよい。かかる構成によれば、冷却処理設備および加熱処理設備の一方の負荷に合わせてヒートポンプを運転した際に、他方の負荷に対して不足した負荷を補助熱源によって補うことが可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、システム全体を制御するための制御装置を要することなくヒートポンプの台数制御を行うことができ、コストの削減を図ることが可能な熱供給システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態にかかる熱供給システムの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１５】
図１は、本実施形態にかかる熱供給システム１００の構成を示す図である。なお、図中、各線の矢印は、熱媒体や冷媒の通過方向を示している。図１に示す熱供給システム１００は、冷却処理設備１０２における被処理体（不図示）の冷却処理に要する熱（冷熱）、および加熱処理設備１０４における被処理体１０４ａの加熱処理に要する熱（温熱）を供給する。
【００１６】
図１に示すように、熱供給システム１００は複数のヒートポンプ１１０ａ・１１０ｂ・１１０ｃを備える。なお、本実施形態では３つのヒートポンプ１１０ａ〜１１０ｃを備える構成を例示するが、これに限定するものではなく、ヒートポンプを２以上備える構成であれば本発明を適用可能である。また、本実施形態の特徴としてヒートポンプ１１０ａ〜１１０ｃは自動制御機能を備えるが、これについては後に詳述する。３つのヒートポンプ１１０ａ〜１１０ｃは同様の構成を有するため、以下、ヒートポンプ１１０ａを例示して詳細を説明する。
【００１７】
ヒートポンプ１１０ａは、後述する第１熱媒体経路１３０を通過する熱媒体を冷却し、第２熱媒体経路１４０を通過する熱媒体を加熱する。詳細には、ヒートポンプ１１０ａは、蒸発器１１２、圧縮手段１１４、凝縮器１１６、および膨張手段１１８を有し、これらを接続している冷媒循環経路１２０内を冷媒が循環する。
【００１８】
蒸発器１１２は、冷媒循環経路１２０を循環する冷媒と、第１熱媒体経路１３０を通過する熱媒体（厳密には、後述する第１循環経路１３２を循環する冷却側間接熱媒体）との熱交換を行う。これにより、冷媒は熱媒体（冷却側間接熱媒体）の熱を吸熱して蒸発する（熱媒体（冷却側間接熱媒体）は放熱して冷却される）。蒸発器１１２における熱交換後の冷媒は圧縮手段１１４に流入する。圧縮手段１１４はいわゆるポンプであり、蒸発器１１２における熱交換によって蒸発した冷媒を、電力を利用して圧縮する。これにより、冷媒が高圧高温状態となる。
【００１９】
凝縮器１１６は、圧縮手段１１４で加圧された冷媒と、第２熱媒体経路１４０を通過する熱媒体（厳密には、後述する第２循環経路１４２を循環する加熱側間接熱媒体）との熱交換を行う。これにより、冷媒は熱媒体（加熱側間接熱媒体）に放熱して凝縮する（熱媒体（加熱側間接熱媒体）は吸熱して加熱される）。凝縮器１１６での熱交換後の冷媒は膨張手段１１８に流入する。膨張手段はいわゆる膨張弁であり、凝縮器における熱交換によって凝縮した冷媒を減圧状態とし膨張冷却する。これにより、冷媒が蒸発器１１２において再度熱媒体（冷却側間接熱媒体）の熱を吸収可能となる。
【００２０】
第１熱媒体経路１３０は、ヒートポンプ１１０ａ〜１１０ｃの蒸発器１１２、および被処理体（不図示）の冷却処理を行う冷却処理設備１０２に熱媒体を供給する。本実施形態では、第１熱媒体経路１３０は、第１循環経路１３２、第１供給経路１３４、およびそれらを通過する熱媒体の熱交換を行う冷却側熱交換器１３６から構成される。
【００２１】
第１循環経路１３２には、上述したように冷却側間接熱媒体が循環していて、ヒートポンプ１１０ａ〜１１０ｃの蒸発器１１２における放熱によって冷却された冷却側間接熱媒体は、冷却側熱交換器１３６に流入する。一方、第１供給経路１３４には冷却側直接熱媒体が通過している。この冷却側直接熱媒体は、冷却側熱交換器１３６において、第１循環経路１３２を循環する冷却側間接熱媒体と熱交換を行うことにより、冷却側間接熱媒体に放熱して冷却される。そして、冷却された冷却側直接熱媒体が第１供給経路１３４を通じて冷却処理設備１０２に供給されることにより、冷却処理設備１０２において被処理体（不図示）の冷却処理に要する熱（冷熱）が得られる。
【００２２】
第２熱媒体経路１４０は、ヒートポンプ１１０ａ〜１１０ｃの凝縮器１１６、および被処理体１０４ａの加熱処理を行う加熱処理設備１０４に熱媒体を供給する。本実施形態では、第２熱媒体経路１４０は、第２循環経路１４２、第２供給経路１４４、およびそれらを通過する熱媒体の熱交換を行う加熱側熱交換器１４６から構成される。
【００２３】
第２循環経路１４２には、上述したように加熱側間接熱媒体が循環していて、ヒートポンプ１１０ａ〜１１０ｃの凝縮器１１６における吸熱によって加熱された加熱側間接熱媒体は、加熱側熱交換器１４６に流入する。一方、第２供給経路１４４には加熱側直接熱媒体が循環している。この加熱側直接熱媒体は、加熱側熱交換器１４６において、第２循環経路１４２を循環する加熱側間接熱媒体と熱交換を行うことにより、加熱側間接熱媒体から吸熱して加熱される。そして、加熱された加熱側直接熱媒体が第２供給経路１４４を通じて加熱処理設備１０４に供給されることにより、加熱処理設備１０４において被処理体１０４ａの加熱処理に要する熱（温熱）が得られる。
【００２４】
なお、上記説明したように、本実施形態では、第１熱媒体経路１３０および第２熱媒体経路１４０がそれぞれ２つの経路および熱交換器を備える構成、すなわち冷却処理設備１０２や加熱処理設備１０４とヒートポンプ１１０ａ〜１１０ｃとの間に熱交換器を備える構成とした。しかし、これに限定するものではなく、冷却処理設備１０２に供給される熱媒体（冷却側直接熱媒体）や加熱処理設備１０４を循環する熱媒体（加熱側直接熱媒体）をヒートポンプ１１０ａ〜１１０ｃに直接供給する構成としてもよい。ただし、本実施形態のように冷却処理設備１０２に供給される熱媒体（冷却側直接熱媒体）や加熱処理設備１０４を循環する熱媒体（加熱側直接熱媒体）を、ヒートポンプ１１０ａ〜１１０ｃを循環する冷媒と間接的に熱交換させる構成により、冷却処理設備１０２や加熱処理設備１０４が飲食物を処理する施設であった場合に高い衛生環境を得ることが可能である。
【００２５】
次に、本実施形態の熱供給システム１００の特徴について説明する。図１に示すように、本実施形態にかかる熱供給システム１００では、第１熱媒体経路１３０（厳密には第１循環経路１３２）において、ヒートポンプ１１０ａ〜１１０ｃの蒸発器１１２は直列に接続されている。例えば、図１では、直列に接続されている３つのヒートポンプ１１０ａ〜１１０ｃを順に通過させ、それぞれの蒸発器１１２と熱交換を行わせることにより、第１循環経路１３２を循環する熱媒体を２０℃から７℃まで冷却している。
【００２６】
ここで、直列に接続されたヒートポンプ１１０ａ〜１１０ｃには、同じ設定温度が設定されている。図１の例では、ヒートポンプ１１０ａ〜１１０ｃの全てが設定温度７℃となっている。ヒートポンプ１１０ａ〜１１０ｃはそれぞれの出口温度を監視して、設定温度に基づいて個別に動作を制御および停止する。すると各ヒートポンプは次のように動作する。
１台目  出口設定温度７℃    入口温度２０℃  出口温度１３℃  稼働
２台目  出口設定温度７℃    入口温度１３℃  出口温度７℃    稼働と停止
３台目  出口設定温度７℃    入口温度７℃    出口温度７℃    停止
ヒートポンプの能力としては２台で足りる状況であるので、２台目が稼働するとその出口温度は７℃となる。２台目が停止すると、２台目の出口温度は設定温度である７℃以上に上昇する。したがって２台目は稼働と停止を繰り返して、その出口温度を７℃に維持する。そして３台目は停止したままとなる。
【００２７】
上記構成により、複数のヒートポンプ１１０ａ〜１１０ｃが個別に制御および停止されるため、従来複数のヒートポンプの台数制御（システム全体の制御）に不可欠であった制御装置を要することなくヒートポンプの台数制御を行うことができる。したがって、複数のヒートポンプを備える熱供給システムにおいて制御装置にかかるコストを削減することが可能となる。
【００２８】
上記の例では出口温度を監視しているが、これに代えて入口温度を監視してもよい。また、入口温度と出口温度の温度差を監視しても同様に制御することができる。
【００２９】
なお、上述したようにヒートポンプ１１０ａ〜１１０ｃの蒸発器１１２の負荷、換言すれば冷却処理設備１０２の負荷に応じてかかるヒートポンプ１１０ａ〜１１０ｃの動作を制御した場合、加熱処理設備１０４において熱量の不足が懸念される。そこで本実施形態では、第１熱媒体経路１３０または第２熱媒体経路１４０のうち、ヒートポンプ１１０ａ〜１１０ｃの動作を制御するために熱媒体の温度を監視していない側の経路（本実施形態においては第２熱媒体経路１４０）に補助熱源１５０を設けている。これにより、冷却処理設備１０２の負荷に合わせてヒートポンプ１１０ａ〜１１０ｃを運転した際に、加熱処理設備１０４の負荷に対して不足した負荷（熱量）を補うことが可能となる。
【００３０】
なお、本実施形態では、ヒートポンプ１１０ａ〜１１０ｃの蒸発器１１２が直列に接続される場合を例示して説明したが、これに限定するものではなく、ヒートポンプ１１０ａ〜１１０ｃの蒸発器１１２または凝縮器１１６が、第１熱媒体経路１３０または第２熱媒体経路１４０の少なくとも一方で直列に接続されればよい。例えば熱供給システム１００では、第２熱媒体経路１４０（厳密には第２循環経路１４２）においてヒートポンプ１１０ａ〜１１０ｃの凝縮器１１６を直列に接続する構成としてもよいし、第１熱媒体経路１３０や第２熱媒体経路１４０の両方においてそれぞれヒートポンプ１１０ａ〜１１０ｃの蒸発器１１２および凝縮器１１６を直列に接続する構成とし、蒸発器１１２および凝縮器１１６のいずれか一方における熱媒体の温度に応じてヒートポンプ１１０ａ〜１１０ｃを制御してもよい。
【００３１】
また当然ではあるが、第２熱媒体経路１４０（厳密には第２循環経路１４２）においてヒートポンプ１１０ａ〜１１０ｃの凝縮器１１６を直列に接続する場合には、第２熱媒体経路１４０に補助熱源を設けるべきである。同様に、第１熱媒体経路１３０や第２熱媒体経路１４０の両方においてそれぞれヒートポンプ１１０ａ〜１１０ｃの蒸発器１１２および凝縮器１１６を直列に接続する場合には、第１熱媒体経路１３０および第２熱媒体経路１４０の両方に補助熱源を設け、ヒートポンプ１１０ａ〜１１０ｃの動作を制御するために熱媒体の温度を監視していない側の経路に設けられている補助熱源を動作させるとよい。
【００３２】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施例について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、被処理体の加熱処理に要する熱および冷却処理に要する冷熱を供給する熱供給システムとして利用することができる。
【符号の説明】
【００３４】
１００…熱供給システム、１０２…冷却処理設備、１０４…加熱処理設備、１０４ａ…被処理体、１１０ａ…ヒートポンプ、１１０ｂ…ヒートポンプ、１１０ｃ…ヒートポンプ、１１２…蒸発器、１１４…圧縮手段、１１６…凝縮器、１１８…膨張手段、１２０…冷媒循環経路、１３０…第１熱媒体経路、１３２…第１循環経路、１３４…第１供給経路、１３６…冷却側熱交換器、１４０…第２熱媒体経路、１４２…第２循環経路、１４４…第２供給経路、１４６…加熱側熱交換器、１５０…補助熱源
【図１】
2014134310.tif 000003