(57)【要約】【課題】エンジンで駆動されるヒートポンプを用いた給水加温システムにおいて、その効率を向上する。また、エンジンからの排熱も有効活用する。【解決手段】ヒートポンプ２は、蒸発器８において熱源流体から熱をくみ上げ、凝縮器６において給水路４の水を加温する。エンジン３は、ヒートポンプ２の圧縮機５を駆動する。給水路４の水は、廃熱回収熱交換器１０、過冷却器９および凝縮器６を順に通される。廃熱回収熱交換器１０は、給水路４の給水と、蒸発器８を通過後の熱源流体との間接熱交換器である。過冷却器９は、給水路４の給水と、凝縮器６から膨張弁７への冷媒との間接熱交換器である。凝縮器６を通過後の水をエンジン３のジャケット冷却時の排熱で加温するジャケット熱交換器１６や、エンジン３からの排ガスで加温する排ガス熱交換器１７をさらに備えてもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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、前記蒸発器において熱源流体から熱をくみ上げ、前記凝縮器において給水路の水を加温するヒートポンプと、
このヒートポンプの圧縮機を駆動するエンジンとを備え、
前記給水路の水は、廃熱回収熱交換器、過冷却器および前記凝縮器を順に通され、
前記廃熱回収熱交換器は、前記給水路の給水と、前記蒸発器を通過後の熱源流体との間接熱交換器であり、
前記過冷却器は、前記給水路の給水と、前記凝縮器から前記膨張弁への冷媒との間接熱交換器である
ことを特徴とする給水加温システム。
【請求項２】
前記凝縮器を通過後の水を、前記エンジンのジャケットの冷却に用いて加温するジャケット熱交換器をさらに備える
ことを特徴とする請求項１に記載の給水加温システム。
【請求項３】
前記凝縮器を通過後の水を、前記エンジンからの排ガスで加温する排ガス熱交換器をさらに備える
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。
【請求項４】
前記エンジンは、ガスエンジンであり、
前記排ガス熱交換器の出口側の水温に基づき、前記ガスエンジンへの供給ガス量を調整する
ことを特徴とする請求項３に記載の給水加温システム。
【請求項５】
前記廃熱回収熱交換器から前記過冷却器への給水を、前記エンジンからの排ガスで加温する給水予熱器をさらに備える
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の給水加温システム。
【請求項６】
前記廃熱回収熱交換器を通過後の熱源流体を、前記エンジンからの排ガスを用いて中和する中和装置をさらに備える
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の給水加温システム。
【請求項７】
前記廃熱回収熱交換器を通過後の熱源流体の温度に基づき、前記蒸発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１〜６のいずれか１項に記載の給水加温システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンで駆動される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。
【背景技術】
【０００２】
従来、下記特許文献１に開示されるように、ボイラ（２４）の給水タンク（２３）への給水を、ヒートポンプ（１２）を用いて加温できるシステムが知られている。また、出願人は、この従来技術に比べてヒートポンプの効率をさらに向上した給水加温システムを提案し、既に特許出願を済ませている（特願２０１２−７９１９１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２５４３１号公報（図２、図３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、エンジンで駆動されるヒートポンプを用いた給水加温システムにおいて、その効率を向上することにある。また、エンジンからの排熱も有効活用することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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、前記蒸発器において熱源流体から熱をくみ上げ、前記凝縮器において給水路の水を加温するヒートポンプと、このヒートポンプの圧縮機を駆動するエンジンとを備え、前記給水路の水は、廃熱回収熱交換器、過冷却器および前記凝縮器を順に通され、前記廃熱回収熱交換器は、前記給水路の給水と、前記蒸発器を通過後の熱源流体との間接熱交換器であり、前記過冷却器は、前記給水路の給水と、前記凝縮器から前記膨張弁への冷媒との間接熱交換器であることを特徴とする給水加温システムである。
【０００６】
請求項１に記載の発明によれば、エンジンで駆動されるヒートポンプを用いた給水加温システムにおいて、給水路の給水は、廃熱回収熱交換器、過冷却器および凝縮器を順に通される一方、ヒートポンプの熱源流体は、蒸発器および廃熱回収熱交換器を順に通される。蒸発器を通過後の熱源流体の廃熱や、凝縮器を通過後の冷媒の熱を用いて、凝縮器への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。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、前記凝縮器を通過後の水を、前記エンジンのジャケットの冷却に用いて加温するジャケット熱交換器をさらに備え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。
【０００８】
請求項２に記載の発明によれば、給水をヒートポンプで加温した後、エンジンのジャケット冷却時の排熱でさらに加温することができる。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、前記凝縮器を通過後の水を、前記エンジンからの排ガスで加温する排ガス熱交換器をさらに備え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。
【００１０】
請求項３に記載の発明によれば、給水をヒートポンプで加温した後、エンジンからの排ガスでさらに加温することができる。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、前記エンジンは、ガスエンジンであり、前記排ガス熱交換器の出口側の水温に基づき、前記ガスエンジンへの供給ガス量を調整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。
【００１２】
請求項４に記載の発明によれば、排ガス熱交換器の出口側の水温に基づき、ガスエンジンへの供給ガス量を調整することで、給水路の通水流量が変化しても、出湯温度を所望に維持することができる。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、前記廃熱回収熱交換器から前記過冷却器への給水を、前記エンジンからの排ガスで加温する給水予熱器をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の給水加温システムである。
【００１４】
請求項５に記載の発明によれば、ヒートポンプへの給水を、エンジンからの排ガスで予め加温しておくことで、ヒートポンプの効率を向上することができる。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、前記廃熱回収熱交換器を通過後の熱源流体を、前記エンジンからの排ガスを用いて中和する中和装置をさらに備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の給水加温システムである。
【００１６】
請求項６に記載の発明によれば、ヒートポンプの熱源流体がたとえばボイラからのブロー水のようにアルカリ性が高くても、排ガスを用いて中和することができる。これにより、熱源流体の排出基準を満足させ、また排ガス中の二酸化炭素を削減することもできる。
【００１７】
さらに、請求項７に記載の発明は、前記廃熱回収熱交換器を通過後の熱源流体の温度に基づき、前記蒸発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１〜６のいずれか１項に記載の給水加温システムである。
【００１８】
請求項７に記載の発明によれば、熱源流体の排出温度を所望に調整することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、エンジンで駆動されるヒートポンプを用いた給水加温システムにおいて、その効率を向上することができる。また、エンジンからの排熱も有効活用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の給水加温システムの実施例１を示す概略図である。
【図２】本発明の給水加温システムの実施例２を示す概略図である。
【図３】本発明の給水加温システムの実施例３を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【実施例１】
【００２２】
図１は、本発明の給水加温システム１の実施例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、蒸気圧縮式のヒートポンプ２と、このヒートポンプ２を駆動するエンジン３とを備える。そして、給水加温システム１は、給水路４の水を、ヒートポンプ２で加温すると共に、エンジン３の排熱を用いて加温する。このようにして加温された水は、その用途を特に問わないが、たとえばボイラへの給水として用いられる。
【００２３】
ヒートポンプ２は、圧縮機５、凝縮器６、膨張弁７および蒸発器８が順次環状に接続されて構成される。そして、圧縮機５は、ガス冷媒を圧縮して高温高圧にする。また、凝縮器６は、圧縮機５からのガス冷媒を凝縮液化する。さらに、膨張弁７は、凝縮器６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８は、膨張弁７からの冷媒の蒸発を図る。
【００２４】
従って、ヒートポンプ２は、蒸発器８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６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、ヒートポンプ２は、蒸発器８において熱源流体から熱をくみ上げ、凝縮器６において給水路４の水を加温する。なお、熱源流体は、特に問わないが、本実施例では熱源水（たとえば廃温水）である。
【００２５】
ヒートポンプ２は、さらに、凝縮器６と膨張弁７との間に、過冷却器９を備えるのが好ましい。過冷却器９は、凝縮器６から膨張弁７への冷媒と、凝縮器６への給水との間接熱交換器である。過冷却器９により、凝縮器６への給水で、凝縮器６から膨張弁７への冷媒を過冷却することができると共に、凝縮器６から膨張弁７への冷媒で、凝縮器６への給水を加温することができる。ヒートポンプ２の冷媒は、好適には、凝縮器６において潜熱を放出し、過冷却器９において顕熱を放出する。
【００２６】
つまり、凝縮器６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９に供給されて、過冷却器９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、コストの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。
【００２７】
その他、ヒートポンプ２には、圧縮機５の入口側にアキュムレータを設置したり、圧縮機５の出口側に油分離器を設置したり、凝縮器６の出口側（凝縮器６と過冷却器９との間）に受液器を設置したりしてもよい。
【００２８】
給水加温システム１は、さらに、廃熱回収熱交換器１０を備えるのが好ましい。この廃熱回収熱交換器１０は、過冷却器９への給水と、蒸発器８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４の水は、給水ポンプ１１により、廃熱回収熱交換器１０、過冷却器９および凝縮器６へと順に通されることになる。
【００２９】
一方、熱源水は、熱源供給路１２を介して、蒸発器８を通された後、廃熱回収熱交換器１０に通される。本実施例では、熱源供給路１２には、蒸発器８より上流側に熱源供給ポンプ１３が設けられており、この熱源供給ポンプ１３を作動させることで、熱源水を、蒸発器８と廃熱回収熱交換器１０とに順に通すことができる。
【００３０】
蒸発器８を先に通した後に廃熱回収熱交換器１０に熱源水を通すことで、廃熱回収熱交換器１０を先に通した後に蒸発器８に熱源水を通す場合と比較して、蒸発器８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５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。
【００３１】
エンジン３は、ヒートポンプ２の圧縮機５を駆動する。図示例では、エンジン３の動力は、ベルト１４を介して圧縮機５を駆動する。エンジン３は、その構成を特に問わないが、たとえばガスエンジンまたはディーゼルエンジンであり、駆動に伴い排ガスを排出する。また、本実施例のエンジン３は、後述するように、ジャケット１５を備える水冷式とされている。
【００３２】
給水加温システム１は、好ましくは、エンジン３のジャケット冷却水や排ガスから熱回収して、給水路４の水を加温可能に構成される。そのために、ジャケット熱交換器１６と排ガス熱交換器１７との内、一方または双方を備えるのが好ましい。
【００３３】
ジャケット熱交換器１６は、凝縮器６を通過後の水を、エンジン３のジャケット１５の冷却に用いて加温するための間接熱交換器である。この際、凝縮器６からの水は、エンジン３のジャケット１５に直接に流してもよい（つまりジャケット１５自体をジャケット熱交換器１６としてもよい）が、ジャケット１５とジャケット熱交換器１６との間に液体（ジャケット冷却水）を循環させ、その循環液と給水路４の水とをジャケット熱交換器１６で熱交換するのがよい。これにより、循環液で、凝縮器６からの給水が加温される。逆に、凝縮器６からの給水により、循環液は冷却され、ひいてはジャケット１５やエンジン３の冷却が図られる。
【００３４】
排ガス熱交換器１７は、エンジン３からの排ガス路１８に設けられ、ジャケット熱交換器１６を通過後の水を、エンジン３からの排ガスで加温する間接熱交換器である。ジャケット熱交換器１６で加温後の給水は、排ガス熱交換器１７へ供給され、エンジン３からの排ガスと熱交換してさらに加温され、温水使用設備（たとえばボイラ給水タンク）へ送られる。
【００３５】
給水路４には排ガス熱交換器１７の出口側に第一温度センサ１９を設けておき、この第一温度センサ１９の検出温度に基づきエンジン３の出力を制御してもよい。本実施例では、エンジン３はガスエンジンとされ、第一温度センサ１９の検出温度に基づきガスエンジン３への供給ガス量が調整される。排ガス熱交換器１７の出口側の水温に基づき、ガスエンジン３への供給ガス量を調整することで、給水路４の通水流量が変化しても、出湯温度を所望に維持することができる。
【００３６】
また、廃熱回収熱交換器１０を通過後の熱源水の温度に基づき、蒸発器８への熱源水の供給流量を調整可能としてもよい。具体的には、熱源供給路１２には廃熱回収熱交換器１０の出口側に第二温度センサ２０を設けておき、この第二温度センサ２０の検出温度に基づき熱源供給ポンプ１３をインバータ制御するか、熱源供給路１２に設けた弁の開度を調整すればよい。これにより、熱源水の排出温度を所望に調整することができる。
【実施例２】
【００３７】
図２は、本発明の給水加温システム１の実施例２を示す概略図である。本実施例２の給水加温システム１は、基本的には前記実施例１と同様である。そこで、以下においては、両者の異なる点を中心に説明し、対応する箇所には同一の符号を付して説明する。
【００３８】
本実施例２では、廃熱回収熱交換器１０から過冷却器９への給水路４に、給水予熱器２１をさらに備える。この給水予熱器２１は、廃熱回収熱交換器１０から過冷却器９への給水と、エンジン３からの排ガスとの間接熱交換器である。給水予熱器２１へ供給する排ガスは、実線で示すように、排ガス熱交換器１７を通過後の排ガスでもよいし、二点鎖線で示すように、排ガス路１８の内、排ガス熱交換器１７より上流から分岐させて供給してもよい。いずれにしても、ヒートポンプ２への給水を、エンジン３からの排ガスで予め加温しておくことで、ヒートポンプ２の効率を向上することができる。
【００３９】
本実施例２においても、前記実施例１と同様に、排ガス熱交換器１７の出口側の水温に基づき、エンジン３への供給ガス量を調整してもよい。また、前記実施例１と同様に、廃熱回収熱交換器１０の出口側の熱源水温度に基づき、蒸発器８への熱源水の供給流量を調整してもよい。その他の構成は、前記実施例１と同様のため、説明を省略する。
【実施例３】
【００４０】
図３は、本発明の給水加温システム１の実施例３を示す概略図である。本実施例３の給水加温システム１は、基本的には前記実施例１と同様である。そこで、以下においては、両者の異なる点を中心に説明し、対応する箇所には同一の符号を付して説明する。
【００４１】
本実施例３では、廃熱回収熱交換器１０を通過後の熱源水を、エンジン３からの排ガスを用いて中和する中和装置２２をさらに備える。中和装置２２には、廃熱回収熱交換器１０を通過後の熱源水が通されると共に、排ガス熱交換器１７を通過後の排ガスが供給される。
【００４２】
たとえば、熱源水がボイラのブロー水のような高アルカリ水の場合、そのままでは規定の排水基準を満たさない。そこで、排ガス中の二酸化炭素を中和剤として用いることで、中和装置２２において熱源水を排ガスで中和させ、排出基準を満足させることができる。また、これにより、排ガス中の二酸化炭素量を削減することもできる。
【００４３】
本実施例３においても、前記実施例１と同様に、排ガス熱交換器１７の出口側の水温に基づき、エンジン３への供給ガス量を調整してもよい。また、本実施例３においても、前記実施例２と同様に、給水予熱器２１を設置することができる。その場合、給水予熱器２１を通過後の排ガスを用いて、廃熱回収熱交換器１０を通過後の熱源水を中和すればよい。その他の構成は、前記実施例１と同様のため、説明を省略する。
【００４４】
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。たとえば、前記実施例では、ヒートポンプ２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２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。但し、熱源流体は、蒸発器８においてヒートポンプ２の冷媒に熱（顕熱）を与えつつ自身は温度低下を伴い、その後、廃熱回収熱交換器１０において給水に熱（顕熱）を与えつつ自身は温度低下を伴う流体が好ましい。
【符号の説明】
【００４５】
１  給水加温システム
２  ヒートポンプ
３  エンジン
４  給水路
５  圧縮機
６  凝縮器
７  膨張弁
８  蒸発器
９  過冷却器
１０  廃熱回収熱交換器
１１  給水ポンプ
１２  熱源供給路
１３  熱源供給ポンプ
１４  ベルト
１５  ジャケット
１６  ジャケット熱交換器
１７  排ガス熱交換器
１８  排ガス路
１９  第一温度センサ
２０  第二温度センサ
２１  給水予熱器
２２  中和装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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