(57)【要約】【課題】給水タンク３に、ヒートポンプ４を介して給水路１０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１１により給水可能な給水加温システム１において、補給水路１１を介した給水タンク３への給水がなされても給水タンク３内の水温の低下を防止する。【解決手段】給水路１０に第一熱交換器７が設けられる一方、補給水路１１に第二熱交換器８と第三熱交換器３６との内の一方または双方が設けられる。第一熱交換器７は、凝縮器１５より上流側の給水路１０の水と、蒸発器１７を通過後の熱源流体との間接熱交換器である。第二熱交換器８は、補給水路１１の水と、第一熱交換器７を通過後の熱源流体との間接熱交換器である。第三熱交換器３６は、補給水路１１の水と、蒸発器１７や第一熱交換器７を介さない熱源流体との間接熱交換器である。【選択図】図１
2015132445.tif 000002
【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であると共に、前記凝縮器を介さずに補給水路により給水可能な給水タンクとを備え、
前記給水路に第一熱交換器が設けられる一方、前記補給水路に第二熱交換器と第三熱交換器との内の一方または双方が設けられ、
前記第一熱交換器は、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の間接熱交換器であり、
前記第二熱交換器は、前記補給水路の水と、前記第一熱交換器を通過後の熱源流体との間接熱交換器であり、
前記第三熱交換器は、前記補給水路の水と、前記蒸発器への熱源流体の供給源からの熱源流体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】
前記第一熱交換器を通過後の熱源流体を前記第二熱交換器に通すか否か、または前記補給水路を介した前記給水タンクへの給水を前記第二熱交換器に通すか否かを切替可能とされ、
前記第二熱交換器への熱源流体温度が前記第二熱交換器への給水温度を超える場合、前記第一熱交換器を通過後の熱源流体を前記第二熱交換器に通すと共に、前記補給水路を介した前記給水タンクへの給水中、その給水を前記第二熱交換器に通し、
前記第二熱交換器への熱源流体温度が前記第二熱交換器への給水温度以下の場合、前記第一熱交換器を通過後の熱源流体を前記第二熱交換器に通さないか、前記補給水路を介した前記給水タンクへの給水中、その給水を前記第二熱交換器に通さずバイパスさせる
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】
前記第三熱交換器への熱源流体の供給の有無は、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水の有無に連動するよう切り替えられるか、前記補給水路を介した前記給水タンクへの給水の有無に連動するよう切り替えられる
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】
前記第二熱交換器と前記第三熱交換器との双方を備え、
前記補給水路には、前記給水タンクへ向かって、前記第二熱交換器と前記第三熱交換器とが順に設けられる
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。
【請求項５】
前記給水路を介した前記給水タンクへの給水の有無と、前記補給水路を介した前記給水タンクへの給水の有無とは、それぞれ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、前記凝縮器の出口側水温を第一設定温度に維持するように、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、前記凝縮器の出口側水温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、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水流量を調整する
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【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（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、給水タンク（３）には、ヒートポンプ（４）の凝縮器（１４）を介して給水路（８）により給水可能であると共に、凝縮器（１４）を介さずに補給水路（９）により給水可能である。そして、給水タンク（３）内の水位を所望に維持するように、給水路（８）を介した給水を制御するが、それでは給水タンク（３）内の水位を所望に維持できない場合には、補給水路（９）を介しても給水タンク（３）に給水する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５２６３４２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この種のシステムでは、給水タンクには、補給水路を介しても給水され得ることが前提である。つまり、給水タンクからボイラへの給水量が、給水路を介した給水タンクへの給水量（ヒートポンプからの出湯量）よりも多くなる場合があることを想定している。
【０００５】
ところが、給水路を介した給水はヒートポンプにより加温されるが、補給水路を介した給水は加温されないので、補給水路を介して給水タンクに給水すると、給水タンク内の水温が低下することになる。
【０００６】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、ヒートポンプで使用後の熱源流体や、ヒートポンプで使用し切れない余分な熱源流体を用いて、補給水路を介した給水タンクへの給水を加温することで、補給水路を介した給水タンクへの給水がなされても給水タンク内の水温の低下を起こしにくい給水加温システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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であると共に、前記凝縮器を介さずに補給水路により給水可能な給水タンクとを備え、前記給水路に第一熱交換器が設けられる一方、前記補給水路に第二熱交換器と第三熱交換器との内の一方または双方が設けられ、前記第一熱交換器は、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の間接熱交換器であり、前記第二熱交換器は、前記補給水路の水と、前記第一熱交換器を通過後の熱源流体との間接熱交換器であり、前記第三熱交換器は、前記補給水路の水と、前記蒸発器への熱源流体の供給源からの熱源流体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。
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、給水路に第一熱交換器が設けられる一方、補給水路に第二熱交換器および／または第三熱交換器が設けられる。第一熱交換器では、蒸発器を通過後の熱源流体を用いて、給水路の水を加温することができる。第二熱交換器では、第一熱交換器で使用後の熱源流体を用いて、補給水路の水を加温することができる。さらに、第三熱交換器では、ヒートポンプで使用し切れない余分な熱源流体を用いて、補給水路の水を加温することができる。第二熱交換器および／または第三熱交換器を用いて、補給水路を介した給水タンクへの給水を加温することで、補給水路を介した給水タンクへの給水がなされても給水タンク内の水温の低下を起こしにくい。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、前記第一熱交換器を通過後の熱源流体を前記第二熱交換器に通すか否か、または前記補給水路を介した前記給水タンクへの給水を前記第二熱交換器に通すか否かを切替可能とされ、前記第二熱交換器への熱源流体温度が前記第二熱交換器への給水温度を超える場合、前記第一熱交換器を通過後の熱源流体を前記第二熱交換器に通すと共に、前記補給水路を介した前記給水タンクへの給水中、その給水を前記第二熱交換器に通し、前記第二熱交換器への熱源流体温度が前記第二熱交換器への給水温度以下の場合、前記第一熱交換器を通過後の熱源流体を前記第二熱交換器に通さないか、前記補給水路を介した前記給水タンクへの給水中、その給水を前記第二熱交換器に通さずバイパスさせ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。
【００１０】
請求項２に記載の発明によれば、第二熱交換器への熱源流体温度が第二熱交換器への給水温度を超える場合のみ、第二熱交換器において、第一熱交換器を通過後の熱源流体と補給水路を介した給水タンクへの給水とを熱交換するので、補給水路を介した給水を確実に加温することができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、前記第三熱交換器への熱源流体の供給の有無は、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水の有無に連動するよう切り替えられるか、前記補給水路を介した前記給水タンクへの給水の有無に連動するよう切り替えられ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。
【００１２】
仮に、蒸発器（ひいては第一熱交換器）と第三熱交換器への熱源流体の供給を共通の熱源供給ポンプで行う場合、つまり共通の熱源供給ポンプから吐出される熱源流体を蒸発器と第三熱交換器とに分岐して供給する場合、第三熱交換器への分岐路に設けた弁を閉じることで第三熱交換器への熱源流体の供給のみを遮断すると、蒸発器への熱源流体の供給流量が過度に増すおそれがある。ところが、請求項３に記載の発明によれば、熱源供給ポンプから吐出される熱源流体を蒸発器と第三熱交換器とに分岐して供給する場合、第三熱交換器への熱源流体の供給の有無を、給水路を介した給水タンクへの給水の有無（ひいては蒸発器への熱源流体の供給の有無）に連動させることで、常に、蒸発器と第三熱交換器とに熱源流体を分岐して供給することになり、蒸発器への熱源流体の供給流量が過度に増すおそれがない。一方、蒸発器への熱源供給ポンプと、第三熱交換器への熱源供給ポンプとを別箇に設ける場合、第三熱交換器への熱源流体の供給の有無を、補給水路を介した給水タンクへの給水の有無に連動させることで、補給水路の通水中にのみ熱源流体を第三熱交換器に通すことができる。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、前記第二熱交換器と前記第三熱交換器との双方を備え、前記補給水路には、前記給水タンクへ向かって、前記第二熱交換器と前記第三熱交換器とが順に設けられ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。
【００１４】
第二熱交換器には、第一熱交換器で使用後の熱源流体が供給される一方、第三熱交換器には、第一熱交換器で使用されない熱源流体が供給されるので、第三熱交換器への熱源流体は第二熱交換器への熱源流体よりも高温である。請求項４に記載の発明によれば、給水タンクへの補給水路に、第二熱交換器と第三熱交換器とを順に設けておくことで、補給水路を介した給水タンクへの給水を段階的に加温することができる。
【００１５】
さらに、請求項５に記載の発明は、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水の有無と、前記補給水路を介した前記給水タンクへの給水の有無とは、それぞれ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、前記凝縮器の出口側水温を第一設定温度に維持するように、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、前記凝縮器の出口側水温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、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水流量を調整す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。
【００１６】
請求項５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、凝縮器の出口側水温を第一設定温度に維持するように、給水路を介した給水タンクへの給水流量を調整することで、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、第一熱交換器において、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。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ヒートポンプで使用後の熱源流体や、ヒートポンプで使用し切れない余分な熱源流体を用いて、補給水路を介した給水タンクへの給水を加温することができる。従って、補給水路を介した給水タンクへの給水がなされても、給水タンク内の水温の低下を起こしにくい。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の給水加温システムの実施例１および実施例３を示す概略図であり、実線および破線が実施例１を示し、二点鎖線が実施例３による追加構成を示している。
【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。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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】
【００２０】
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。図１において、実線および破線で示す構成が実施例１に対応し、二点鎖線で示す構成が後述する実施例３での追加構成に対応する。
【００２１】
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６とを備える他、さらに第一熱交換器７と第二熱交換器８とを備える。
【００２２】
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９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６へ供給してもよい。
【００２３】
給水タンク３は、補給水タンク５から、ヒートポンプ４を介して給水路１０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１１により給水可能である。給水路１０に設けた給水ポンプ１２と、補給水路１１に設けた補給水ポンプ１３との作動を制御することで、給水路１０と補給水路１１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。
【００２４】
給水ポンプ１２は、本実施例では、インバータにより回転数を制御可能とされる。給水ポンプ１２の回転数を変更することで、給水路１０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、補給水ポンプ１３は、本実施例では、オンオフ制御される。
【００２５】
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、軟水器（図示省略）にて水中の硬度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の水位に基づき軟水器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。
【００２６】
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。
【００２７】
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気化する一方、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、給水路１０の水を加温する。
【００２８】
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、凝縮器１５より上流側の給水路１０の水と、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、凝縮器１５への給水で、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、凝縮器１５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。
【００２９】
つまり、凝縮器１５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１８に供給されて、過冷却器１８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。
【００３０】
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。
【００３１】
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１４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１４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。
【００３２】
給水路１０には、第一熱交換器７が設けられる一方、補給水路１１には、第二熱交換器８が設けられる。第一熱交換器７は、過冷却器１８より上流側の給水路１０の水と、蒸発器１７を通過後の熱源水との間接熱交換器である。一方、第二熱交換器８は、補給水路１１の水と、第一熱交換器７を通過後の熱源水との間接熱交換器である。
【００３３】
従って、補給水タンク５から給水路１０を介した給水タンク３への給水は、第一熱交換器７、過冷却器１８および凝縮器１５に順に通される。また、補給水タンク５から補給水路１１を介した給水タンク３への給水は、第二熱交換器８に通される。一方、熱源水タンク６からの熱源水は、熱源供給路１９を介して、蒸発器１７、第一熱交換器７および第二熱交換器８に順に通される。
【００３４】
熱源水タンク６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６には、熱源水の供給路２０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２１が設けられている。
【００３５】
熱源水タンク６の熱源水は、前述したとおり、熱源供給路１９を介して、ヒートポンプ４の蒸発器１７に通された後、第一熱交換器７と第二熱交換器８とに順に通される。熱源供給路１９には、蒸発器１７より上流側に熱源供給ポンプ２２が設けられており、この熱源供給ポンプ２２を作動させることで、熱源水タンク６からの熱源水を、蒸発器１７、第一熱交換器７および第二熱交換器８に順に通すことができる。
【００３６】
蒸発器１７を先に通した後に第一熱交換器７に熱源水を通すことで、第一熱交換器７を先に通した後に蒸発器１７に熱源水を通す場合と比較して、蒸発器１７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１４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。また、第一熱交換器７を通過後の熱源水を、第二熱交換器８に通すことで、第一熱交換器７を通過後の熱源水の廃熱を用いて、補給水路１１を介した給水タンク３への給水の加温を図ることができる。
【００３７】
給水タンク３には、水位検出器２３が設けられる。この水位検出器２３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２４〜２７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、給水ポンプ１２制御用の給水開始電極棒２４と給水停止電極棒２５の他、補給水ポンプ１３制御用の補給水開始電極棒２６と補給水停止電極棒２７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、給水停止電極棒２５、補給水停止電極棒２７、給水開始電極棒２４、補給水開始電極棒２６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。
【００３８】
各電極棒２４〜２７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２４が検出する水位を給水開始水位Ｈ１、給水停止電極棒２５が検出する水位を給水停止水位Ｈ２、補給水開始電極棒２６が検出する水位を補給水開始水位Ｈ３、補給水停止電極棒２７が検出する水位を補給水停止水位Ｈ４という。
【００３９】
熱源水タンク６には、熱源水の有無を確認するために、水位検出器２８が設けられる。この水位検出器２８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６には、低水位検出電極棒２９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。
【００４０】
給水路１０には、凝縮器１５の出口側に、出湯温度センサ３０が設けられる。出湯温度センサ３０は、凝縮器１５を通過後の水温を検出する。出湯温度センサ３０の検出温度に基づき、給水ポンプ１２が制御される。ここでは、給水ポンプ１２は、出湯温度センサ３０の検出温度を設定温度に維持するようにインバータ制御される。これにより、給水路１０を介した給水タンク３への給水は、出湯温度センサ３０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。
【００４１】
熱源供給路１９には、蒸発器１７の入口側に、第一熱源温度センサ３１が設けられる。第一熱源温度センサ３１は、蒸発器１７へ供給される熱源水の温度を検出する。但し、第一熱源温度センサ３１は、場合により、熱源水タンク６に設けられてもよい。詳細は後述するが、第一熱源温度センサ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１４）の発停と、前記設定温度の変更が可能とされる。
【００４２】
ところで、第一熱交換器７を通過後の熱源水の温度（言い換えれば第二熱交換器８への熱源水の温度）が、補給水タンク５の水温（言い換えれば第二熱交換器８への給水温度）よりも低くなった場合にまで、第二熱交換器８において熱源水と給水とを熱交換させると、補給水路１１による給水を第二熱交換器８において却って冷却してしまうことになる。そこで、これを防止するために、次のように構成しておくのが望ましい。
【００４３】
すなわち、図１において破線で示すように、第二熱交換器８への熱源供給路に排水路３２を分岐して設け、その分岐部に三方弁３３を設けるなどして、第一熱交換器７を通過後の熱源水を、第二熱交換器８に通すか、第二熱交換器８に通さずに排水路３２から排水するかを切替可能とする。また、第二熱交換器８への熱源供給路１９には、三方弁３３よりも上流側に第二熱源温度センサ３４が設けられる一方、第二熱交換器８への補給水路１１（または補給水タンク５）には、水温センサ３５が設けられる。
【００４４】
そして、熱源供給ポンプ２２および補給水ポンプ１３の作動中、第二熱源温度センサ３４の検出温度と、水温センサ３５の検出温度とに基づき三方弁３３を制御して、第一熱交換器７を通過後の熱源水を第二熱交換器８に通すか否かを切り替えればよい。具体的には、第二熱源温度センサ３４の検出温度が水温センサ３５の検出温度を超える場合、つまり第二熱交換器８への熱源水温度が第二熱交換器８への給水温度を超える場合、第一熱交換器７を通過後の熱源水を第二熱交換器８に通せばよい。一方、第二熱源温度センサ３４の検出温度が水温センサ３５の検出温度以下の場合、つまり第二熱交換器８への熱源水温度が第二熱交換器８への給水温度以下の場合、第一熱交換器７を通過後の熱源水を第二熱交換器８に通さずに排水路３２から排水すればよい。
【００４５】
後述するように、給水ポンプ１２を作動して給水路１０を介した給水タンク３への給水中、熱源供給ポンプ２２を作動して熱源供給路１９に熱源水が通されるが、この間、補給水ポンプ１３を作動して補給水路１１を介した給水タンク３への給水がなされるとは限らない。しかしながら、蒸発器１７や第一熱交換器７に通された熱源水は、もともと廃棄されるものであるため、補給水路１１の通水の有無に関わらず第二熱交換器８に通水させても無駄とはいえない。また、前記三方弁３３の切替制御は、補給水路１１を介した給水タンク３への給水中（つまり補給水ポンプ１３の作動中）にのみ実行すれば足りる。
【００４６】
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。
【００４７】
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２３の検出信号に基づき、給水ポンプ１２と補給水ポンプ１３とを制御することでなされる。つまり、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１１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。
【００４８】
このような構成であるから、いま、給水停止電極棒２５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、給水ポンプ１２を停止すると共に、補給水ポンプ１３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２４が水位を検知しなくなると、給水ポンプ１２を作動させる。これにより、給水路１０を介して給水タンク３に給水されるが、給水停止電極棒２５が水位を検知すると、給水ポンプ１２を停止する。一方、給水ポンプ１２を作動させても、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２６が水位を検知しなくなると、補給水ポンプ１３も作動させる。これにより、補給水路１１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２７が水位を検知すると、補給水ポンプ１３を停止し、さらに水位が回復して、給水停止電極棒２５が水位を検知すると、給水ポンプ１２を停止する。なお、給水ポンプ１２を作動させて、給水路１０を介した給水タンク３への給水中、熱源供給ポンプ２２も作動させる。
【００４９】
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、給水ポンプ１２や補給水ポンプ１３の発停回数を従来技術に比べて少なくすることができる。さらに、従来技術と比べて補給水停止水位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。
【００５０】
ところで、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１０を介した給水と補給水路１１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。
【００５１】
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、モータの電源周波数が一定に維持され、一定出力を維持される。
【００５２】
給水ポンプ１２は、作動中、出湯温度センサ３０の検出温度を設定温度に維持するように、回転数をインバータ制御される。後述するように、状況に応じて、設定温度は変更される。
【００５３】
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１０を介した給水タンク３への給水が制御されるが、給水路１０を介した給水タンク３への給水中、第一熱源温度センサ３１により蒸発器１７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１０を介して給水タンク３へ給水する。
【００５４】
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１０を介した給水タンク３への給水中、第一熱源温度センサ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３０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、給水ポンプ１２をインバータ制御して、給水路１０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。
【００５５】
一方、第一熱源温度センサ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１０を介して給水タンク３へ給水するが、凝縮器１５の出口側水温の制御設定温度を下げるのが好ましい。つまり、出湯温度センサ３０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、給水ポンプ１２をインバータ制御して、給水路１０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。
【００５６】
このように、蒸発器１７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１５の出口側水温を第一設定温度に維持するように、給水路１０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１７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１４の保護を図ることができる。但し、その場合でも、第一熱交換器７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１５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１０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。
【００５７】
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３０の検出温度を第二設定温度に維持するように、給水路１０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）、第一熱源温度センサ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３０の検出温度を第一設定温度に維持するように、給水路１０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。
【００５８】
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３０の検出温度を第二設定温度に維持するように、給水路１０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）、第一熱源温度センサ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３０の検出温度を第一設定温度に維持するように、給水路１０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。
【００５９】
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。
【００６０】
但し、給水路１０を介した給水タンク３への給水中、第一熱源温度センサ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２２を停止して蒸発器１７への熱源水の供給も停止する。さらに、給水ポンプ１２も停止するのがよい。このようにして、蒸発器１７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。
【００６１】
その他、ヒートポンプ４の運転中、熱源水タンク６の水位が下がり、低水位検出電極棒２９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２２を停止して蒸発器１７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１０を介した給水タンク３への給水中、万一、給水路１０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２２を停止して蒸発器１７への熱源水の供給を停止するのがよい。
【００６２】
本実施例の給水加温システム１によれば、給水路１０を介した給水タンク３への給水は、第一熱交換器７とヒートポンプ４との内、少なくとも第一熱交換器７で加温される。一方、補給水路１１を介した給水タンク３への給水は、第一熱交換器７を通過後の熱源水の廃熱を用いて第二熱交換器８において加温される。補給水路１１を介した給水タンク３への給水も加温できるので、給水タンク３に補給水路１１からの給水がなされても、給水タンク３内の水温の低下を抑制することができる。また、上述したように、第二熱源温度センサ３４と水温センサ３５の検出温度に基づき三方弁３３を制御して、第二熱交換器８への熱源水の供給の有無を切り替えれば、第二熱交換器８において、補給水路１１を介した給水タンク３への給水を冷却してしまうという不都合もない。
【００６３】
次に、本実施例１の給水加温システム１の変形例について説明する。上述した実施例１では、補給水路１１を介した給水タンク３への給水中、第二熱交換器８における熱交換の有無を切り替えるために、第二熱交換器８への熱源水の供給の有無を切り替えたが、場合により、補給水タンク５から給水タンク３への給水を第二熱交換器８に通水するか否かを切り替えてもよい。つまり、図１において、第一熱交換器７を通過後の熱源水を、常に第二熱交換器８に通し、その代わりに、補給水タンク５から補給水路１１を介した給水タンク３への給水を、第二熱交換器８に通すか否かを切り替えてもよい。具体的には、補給水タンク５から第二熱交換器８を介した給水タンク３への補給水路１１には、第二熱交換器８の前後を接続するようにバイパス路を設けておき、第二熱交換器８への補給水路１１とバイパス路との分岐部に三方弁を設けるなどして、補給水タンク５からの給水を第二熱交換器８に通して給水タンク３へ供給するか、第二熱交換器８を介さずにバイパス路を介して給水タンク３へ供給するかを切替可能とすればよい。この場合も、第二熱交換器８への熱源水温度を第二熱源温度センサ３４で監視する一方、補給水タンク５から第二熱交換器８への給水温度（三方弁よりも上流の水温）を水温センサ３５で監視し、第二熱交換器８への熱源水温度が給水温を超える場合、補給水タンク５からの給水を第二熱交換器８に通して給水タンク３へ供給し、第二熱交換器８への熱源水温度が給水温以下の場合、補給水タンク５からの給水を第二熱交換器８に通さずバイパス路を介して給水タンク３へ供給すればよい。
【実施例２】
【００６４】
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も、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。
【００６５】
前記実施例１では、補給水路１１に第二熱交換器８を設け、第二熱交換器８において、補給水路１１の水を、蒸発器１７および第一熱交換器７を通過後の熱源水で加温する構成としたが、本実施例２では、補給水路１１に第三熱交換器３６を設け、第三熱交換器３６において、補給水路１１の水を、熱源水タンク６からの直接の熱源水（蒸発器１７および第一熱交換器７を介さずに供給される熱源水）で加温する構成とした。
【００６６】
具体的には、補給水路１１には第三熱交換器３６が設けられ、この第三熱交換器３６は、補給水タンク５から補給水路１１を介した給水タンク３への給水と、熱源水タンク６から蒸発器１７および第一熱交換器７を介さずに供給される熱源水との間接熱交換器とされる。図示例の場合、熱源水タンク６から蒸発器１７への第一熱源供給路１９Ａ（前記実施例１の熱源供給路１９に相当）は、熱源供給ポンプ２２の出口側において第三熱交換器３６への第二熱源供給路１９Ｂが分岐して設けられている。そして、第二熱源供給路１９Ｂには、モータバルブなどから構成される開閉弁３７が設けられている。
【００６７】
本実施例２の場合、第三熱交換器３６への熱源水の供給の有無は、開閉弁３７の開閉により制御される。この際、第三熱交換器３６への熱源水の供給の有無は、給水路１０を介した給水タンク３への給水の有無、言い換えれば第一熱源供給路１９Ａを介した蒸発器１７への熱源水の供給の有無に連動するよう切り替えられるのが好ましい。つまり、熱源供給ポンプ２２を作動して蒸発器１７や第一熱交換器７に熱源水を供給中、開閉弁３７を開放して第三熱交換器３６にも熱源水を供給するがよい。この場合、熱源供給ポンプ２２の作動中には、熱源供給ポンプ２２から吐出される熱源水を常に蒸発器１７と第三熱交換器３６とに分岐して供給することになり、蒸発器１７への熱源水の供給流量が過度に増すおそれがない。これにより、蒸発器１７や第一熱交換器７の保護を図ることができる。
【００６８】
但し、第二熱源供給路１９Ｂを、熱源供給ポンプ２２よりも下流の第一熱源供給路１９Ａから分岐して設けるのではなく、第二熱源供給路１９Ｂの基端部を、熱源水タンク６に接続するか、熱源供給ポンプ２２よりも上流の第一熱源供給路１９Ａから分岐して設け、各熱源供給路１９Ａ，１９Ｂに別箇に熱源供給ポンプ２２を設けてもよい。そして、その場合には、第三熱交換器３６への熱源水の供給の有無を、補給水路１１を介した給水タンク３への給水の有無に連動させることで、補給水路１１の通水中にのみ熱源水を第三熱交換器３６に通すようにしてもよい。つまり、第二熱源供給路１９Ｂに設けた熱源供給ポンプの発停を、補給水路１１に設けた補給水ポンプ１３の発停に連動するよう制御してもよい。
【００６９】
本実施例２の給水加温システム１は、熱源水が大量にあり、ヒートポンプ４の熱源としてだけでは使い切れない箇所に好適に適用される。この場合、熱源水タンク６内の比較的高温の熱源水をそのまま第三熱交換器３６へ供給して、補給水路１１を介した給水タンク３への給水を加温することができる。従って、前記実施例１の第二熱交換器８の場合と比較して、補給水路１１を介した給水タンク３への給水をさらに昇温することが可能となる。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】
【００７０】
図１において、実線および破線で示す構成に、二点鎖線で示す構成も付加したものが、本発明の給水加温システム１の実施例３である。本実施例３の給水加温システム１は、実施例１と実施例２とを併合した構成に相当する。
【００７１】
つまり、本実施例３では、補給水タンク５から給水タンク３への補給水路１１には、実施例１の第二熱交換器８と、実施例２の第三熱交換器３６との双方が設けられる。この際、補給水路１１には、補給水タンク５から給水タンク３へ行くに従って、第二熱交換器８と第三熱交換器３６とが順に配置されるのが好ましい。第三熱交換器３６に供給される熱源水は、第二熱交換器８に供給される熱源水よりも高温になることを考慮したものである。従って、本実施例３の給水加温システム１によれば、補給水路１１を介した給水タンク３への給水を段階的に加温することができる。その他の構成は、前記各実施例と同様であるため、説明を省略する。
【００７２】
本発明の給水加温システム１は、前記各実施例の構成に限らず、適宜変更可能である。たとえば、前記各実施例において、過冷却器１８の設置を省略してもよい。
【００７３】
また、前記各実施例において、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、前記各実施例では、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。
【００７４】
また、前記各実施例では、給水路１０を介した給水タンク３への給水流量を調整するために、給水ポンプ１２をインバータ制御したが、給水ポンプ１２をオンオフ制御しつつ、給水路１０に設けた弁の開度を調整してもよい。つまり、出湯温度センサ３０の検出温度などに基づき給水路１０を介した給水の流量を調整可能であれば、その流量調整方法は適宜に変更可能である。
【００７５】
また、前記各実施例の場合、給水タンク３に、給水路１０により給水可能であると共に、補給水路１１により給水可能であれば、給水路１０や補給水路１１の具体的構成は、前記各実施例の構成に限らず適宜変更可能である。たとえば、前記各実施例では、給水路１０と補給水路１１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１０と補給水路１１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１１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１０から分岐するように設けてもよいし、補給水路１１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１０に合流するように設けてもよい。補給水路１１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１０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１０に給水ポンプ１２を設ける一方、補給水路１１に補給水ポンプ１３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１０および／または補給水路１１に設けた弁の開度を調整することで、給水路１０や補給水路１１を通る流量を調整してもよい。
【００７６】
また、前記各実施例では、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１０および補給水路１１に水を通してもよい。
【００７７】
また、前記各実施例では、給水路１０および／または補給水路１１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、軟水器から直接に行ってもよい。たとえば、給水路１０および補給水路１１の基端部をまとめて軟水器に接続し、給水ポンプ１２の設置を省略する代わりに給水路１０に設けた電動弁（モータバルブ）の開度を調整し、補給水ポンプ１３の設置を省略する代わりに補給水路１１に設けた電磁弁の開閉を制御すればよい。
【００７８】
また、前記各実施例では、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。
【００７９】
また、前記各実施例では、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。
【００８０】
また、前記各実施例では、ヒートポンプ４を運転する際、圧縮機１４のモータの電源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への熱源流体温度に基づき、圧縮機１４の出力を調整してもよい。
【００８１】
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。
【００８２】
さらに、前記各実施例では、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。
【符号の説明】
【００８３】
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  熱源水タンク
７  第一熱交換器
８  第二熱交換器
１０  給水路
１１  補給水路
１２  給水ポンプ
１３  補給水ポンプ
１４  圧縮機
１５  凝縮器
１６  膨張弁
１７  蒸発器
１９  熱源供給路
２２  熱源供給ポンプ
２３  水位検出器
３０  出湯温度センサ
３１  第一熱源温度センサ
３２  排水路
３３  三方弁
３４  第二熱源温度センサ
３５  水温センサ
３６  第三熱交換器
３７  開閉弁
【図１】
2015132445.tif 000003
【図２】
2015132445.tif 000004