(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
系外から給水流路を通じて供給される液水の作動媒体である水に外部の熱源の熱を回収して該作動媒体を蒸発させる内部の圧力が大気圧よりも低圧に設定された蒸発器と、前記蒸発器で蒸発した作動媒体を圧縮して昇温する圧縮機と、前記圧縮機を駆動する動力を与える駆動装置とを備え、前記圧縮機で昇温した作動媒体の蒸気を外部の熱利用設備に熱源として供給する供給流路を設け、前記供給流路から前記昇温した作動媒体を蒸気の状態で分岐して前記圧縮機から吐出の作動媒体を前記蒸発器に導く戻り流路を設け、前記供給流路に逆流を防止する第１の弁を設け、前記戻り流路に第２の弁を設け、前記圧縮機から吐出される作動媒体の状態量を検出する検出器を設け、前記検出器で検出した該作動媒体の状態量に基づき前記第１の弁及び第２の弁の開度を制御する制御装置を設けたことを特徴とするヒートポンプ装置。
【請求項２】
内部の圧力が大気圧よりも低圧に設定された蒸発器で系外から供給される液水の作動媒体である水と外部の熱源を熱交換させて該作動媒体を蒸発させ、駆動装置により圧縮機を駆動させて前記蒸発器で蒸発した作動媒体を圧縮して昇温した蒸気を生成し、前記圧縮機から吐出された該作動媒体の蒸気が所望の状態に達するまでは外部の熱利用設備からの逆流を防止しつつ該作動媒体の蒸気を前記蒸発器に流下させ、前記圧縮機から吐出された該作動媒体の蒸気が所望の状態に達した後は該作動媒体の蒸気を前記外部の熱利用設備に供給するようにしたことを特徴とするヒートポンプの運転方法。
【請求項３】
前記圧縮機を駆動する駆動装置として外部から蒸気を供給して駆動される蒸気タービンを使用し、この蒸気タービンを駆動して排気された排気蒸気を前記圧縮機から吐出された作動媒体の蒸気に合流させて前記熱利用設備に供給するようにしたことを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプの運転方法。
【請求項４】
前記圧縮機から吐出されて前記蒸発器に導かれる作動媒体の蒸気を、外部の冷熱源と熱交換により冷却して凝縮させ、この凝縮した作動媒体の液水を前記蒸発器に流入させるようにしたことを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプの運転方法。
【請求項５】
前記熱利用設備で熱を吸収されて液水又は低温の蒸気になった作動媒体を、前記圧縮機から吐出されて前記蒸発器に導かれる作動媒体に合流させて前記蒸発器に流入させるようにしたことを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプの運転方法。
【請求項６】
前記熱利用設備で熱を吸収されて液水又は低温の蒸気になった作動媒体を前記蒸発器に導くようにしたことを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプの運転方法。
【請求項７】
前記圧縮機から吐出されて前記蒸発器に導かれる作動媒体の蒸気によって前記圧縮機に連結された膨張タービンを駆動して該作動媒体から動力を回収し、この膨張タービンから排出された前記作動媒体を脱気させ、この脱気した作動媒体を前記蒸発器に流下させるようにしたことを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプの運転方法。
【請求項８】
前記圧縮機から吐出されて前記蒸発器に導かれる作動媒体の蒸気を、外部の冷熱源と熱交換により冷却して凝縮させ、この凝縮した作動媒体の液水を更に浄化処理した後に前記蒸発器に流入させるようにしたことを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプの運転方法。
【請求項９】
前記圧縮機から吐出されて前記熱利用設備に供給される作動媒体の蒸気の供給温度を、水の凝縮温度よりも高くなるように設定したことを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は熱を供給するヒートポンプ装置に係わり、特に蒸気を外部への供給熱源として利用するヒートポンプ装置及びヒートポンプの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水を作動媒体としたターボ式の圧縮機によるヒートポンプシステムは、低温熱源を供給するものとして既に実用化されており、空調システムなどに利用されている。例えば、特開２００１−１６５５１４号公報には、一つの密閉された容器の中に、蒸発器，凝縮器，圧縮機、及び、圧縮機の駆動モータを一体にパッケージングする技術が開示されている。
【０００３】
また、特開昭６３−２３１１５０号公報には、蒸発器，凝縮器，圧縮機を備え、水を作動媒体としたヒートポンプで、凝縮器で熱交換して１００℃以上の温水を外部に供給する技術が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１６５５１４号公報
【特許文献２】特開昭６３−２３１１５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、いずれの公知例においても、圧縮機の吐出部には直接接触式、若しくは間接接触式の凝縮器を備えており、外部の熱利用設備への熱の供給には、この凝縮器で得られた液水、若しくは凝縮器で熱交換した別系統の作動媒体が利用されており、圧縮機吐出の水蒸気を直接、外部の熱利用設備へ供給することは行われていなかった。  
【０００６】
つまり、ヒートポンプによって生成された高温高圧の作動媒体である水蒸気を、圧縮機吐出の蒸気を外部の熱利用設備へ直接供給する場合、ヒートポンプの起動時には圧縮機内部の圧力が常温１５℃の飽和蒸気圧０.００２ＭＰａ程度になり、圧縮機の吐出圧が熱利用設備の雰囲気圧よりも低くなる場合が生じて、ターボ式の圧縮機ではサージングの発生により圧縮機を起動できなくなる現象が起こるため、ヒートポンプには、外部の熱利用設備に間接的に熱の供給を行う凝縮器を設置する必要があった。
【０００７】
本発明の目的は、ヒートポンプの起動時に圧縮機にサージングの発生を回避して、圧縮機で生成した作動媒体の蒸気を外部の熱利用設備へ直接供給することを可能とするコンパクトな構成のヒートポンプ装置及びヒートポンプの運転方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のヒートポンプ装置は、系外から給水流路を通じて供給される液水の作動媒体である水に外部の熱源の熱を回収して該作動媒体を蒸発させる内部の圧力が大気圧よりも低圧に設定された蒸発器と、前記蒸発器で蒸発した作動媒体を圧縮して昇温する圧縮機と、前記圧縮機を駆動する動力を与える駆動装置とを備え、前記圧縮機で昇温した作動媒体の蒸気を外部の熱利用設備に熱源として供給する供給流路を設け、前記供給流路から前記昇温した作動媒体を蒸気の状態で分岐して前記圧縮機から吐出の作動媒体を前記蒸発器に導く戻り流路を設け、前記供給流路に逆流を防止する第１の弁を設け、前記戻り流路に第２の弁を設け、前記圧縮機から吐出される作動媒体の状態量を検出する検出器を設け、前記検出器で検出した該作動媒体の状態量に基づき前記第１の弁及び第２の弁の開度を制御する制御装置を設けたことを特徴とする。
【０００９】
本発明のヒートポンプの運転方法は、内部の圧力が大気圧よりも低圧に設定された蒸発器で系外から供給される液水の作動媒体である水と外部の熱源を熱交換させて該作動媒体を蒸発させ、駆動装置により圧縮機を駆動させて前記蒸発器で蒸発した作動媒体を圧縮して昇温した蒸気を生成し、前記圧縮機から吐出された該作動媒体の蒸気が所望の状態に達するまでは外部の熱利用設備からの逆流を防止しつつ該作動媒体の蒸気を前記蒸発器に流下させ、前記圧縮機から吐出された該作動媒体の蒸気が所望の状態に達した後は該作動媒体の蒸気を前記外部の熱利用設備に供給するようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ヒートポンプの起動時に圧縮機にサージングの発生を回避して、圧縮機で生成した作動媒体の蒸気を外部の熱利用設備へ直接供給することを可能とするコンパクトな構成のヒートポンプ装置並びにヒートポンプの運転方法が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
ヒートポンプの起動時に圧縮機にサージングの発生を回避して、圧縮機で生成した作動媒体の蒸気を外部の熱利用設備へ直接供給するという目的を、コンパクトな構成で実現した。
【実施例１】
【００１２】
図１を用いて、本発明の一実施例であるヒートポンプ装置を詳細に説明する。
【００１３】
本発明の一実施例であるヒートポンプ装置は、外部から供給される高温の熱源と熱交換して内部に貯った液水３５を蒸発させて作動媒体の水蒸気を生成する蒸発器４２と、駆動装置である電動機１によって駆動され、蒸発器４２で生成した水蒸気を高温の蒸気に加圧する圧縮装置３４と、前記圧縮装置３４を駆動する電動機１と、前記圧縮装置３４で加圧した高温の蒸気を供給する吐出配管系統２５、及び圧縮装置３４から蒸気或いは液水を蒸発器４２に導く戻り配管系統２２を備えている。このヒートポンプ装置には、圧縮機３４で加圧して生成した高温の蒸気を、吐出配管系統２５の分岐部２６から分岐して弁２３を備えた熱供給配管系統２４を通じて供給し、この蒸気の熱を消費する外部の熱利用設備
２０と、前記圧縮機３４で生成した高温の蒸気の一部を、吐出配管系統２５の分岐部２６から分岐して導き、弁２１で膨張させて減圧し、温度を低下させて生成した低温の蒸気或いは液水を、戻り配管系統２２を通じて蒸発器４２に戻すように構成されている。また、前記蒸発器４２には、外部から蒸発器４２の内部に液水３５となる水を供給する給水系統３１と、この供給された液水を過熱して蒸発させる高温の加熱源となる温水系統４０が配設されている。
【００１４】
前記給水系統３１には分岐部３０及び弁３９が設けてあり、給水系統３１を流れる約
１５℃の液水は、分岐部３０，弁３９を経て蒸発器４２の内部に供給される。蒸発器４２には、熱源である温水系統４０が配設されており、この温水系統４０を通じて、例えば
８０℃程度の外部熱源から蒸発器４２に熱を供給している。そして前記蒸発器４２では、前記給水系統３１を通じて供給され、内部に貯蔵された約１５℃の液水３５は、前記温水系統４０を通じて供給された８０℃の外部熱源と熱交換することによって蒸発して、約
６０℃，０.０２ＭＰａ の水蒸気を生成する。圧縮装置３４は２段圧縮する前段の圧縮機３３及び後段の圧縮機３２で構成されている。これらの圧縮機３２及び圧縮機３３では前記蒸発器４２で熱交換して発生した水蒸気が供給され、後述する制御装置１００からの制御信号Ｓに基づき電動機１を駆動して前記圧縮機３３及び圧縮機３２を回転させて順次圧縮させることにより、圧縮機から吐出される水蒸気は昇圧，昇温して、例えば約０.４MPa，約１４０℃の高温の水蒸気を生成する。そして、この高温高圧の水蒸気を圧縮機３２，３３から吐出配管系統２５及び弁２３を備えた熱供給配管系統２４を通じて外部の熱利用設備２０に熱源として供給され、消費される。
【００１５】
また、蒸発器４２に給水系統３１を通じて外部から供給される液水の一部は、給水系統３１の分岐部３０で分岐した配管系統３１ｂに導かれ、この配管系統３１ｂに設置されたポンプ５によって、例えば約７ＭＰａ程度にまで昇圧された後に、配管系統３１ｂに設置された弁３８にて流量を調整されて混合器３６に供給される。
【００１６】
この混合器３６は、圧縮装置３４を構成する前段の圧縮機３３と後段の圧縮機３２とを連絡する流路の途中に備えられており、混合器３６に供給された液水は圧縮機３３から導かれる圧縮蒸気と混合されて蒸発し、その蒸発潜熱により後段の圧縮機３２に流入する蒸気の温度を低下させる。一般に圧縮機は、同じ圧力比で比較した場合、吸気温度が低いほど圧縮動力は少なくなるという性質を持つため、混合器３６で加えられた液水は、その蒸発により質量流量の増加と圧縮動力の削減に寄与する。
【００１７】
圧縮装置３４を構成する前段の圧縮機３３及び後段の圧縮機３２を一体的に連結している軸の軸端には駆動装置である電動機１が接続されており、水蒸気を圧縮して高温の水蒸気を生成するのに必要な圧縮機３２及び圧縮機３３の圧縮動力を供給している。そして、制御装置１００からの制御信号Ｓに基づき電動機１を駆動して圧縮機３２及び圧縮機３３を回転させて徐々に昇速させていく。
【００１８】
そして、この圧縮機３２から吐出する低温，低圧の水蒸気を吐出配管系統２５の分岐部２６で熱供給配管系統２４と分岐した戻り配管系統２２を通じて流下させて蒸発器４２に戻して、該作動媒体がヒートポンプ装置を循環するようにする。つまり、前記戻り配管系統２２に設けられた弁２１を開弁することによって後段の圧縮機３２から吐出された低温，低圧の蒸気が圧縮機にサージを生じない蒸気条件に到達するまで戻り配管系統２２を通じて蒸発器４２に戻され、ヒートポンプ装置を循環するようになっている。
【００１９】
圧縮機がサージを発生させないためには、この循環系をなしたときの圧縮機吐出の圧力が熱利用設備２０の内圧よりも高くなっていれば良い。熱利用設備２０の状態は、ヒートポンプの定格時には、例えば０.４ＭＰａ ，１２０℃の高圧，高温状態になっているが、停止時には、大気開放すれば、少なくとも雰囲気圧まで熱利用設備２０の内圧を下げることができる。
【００２０】
よって圧縮機３２及び圧縮機３３が昇速して、後段の圧縮機３２から吐出する作動媒体の水蒸気が、圧縮機が流体的に連通される熱利用設備２０の雰囲気圧の圧力以上、例えば大気圧以上になれば圧縮機にサージが発生する状況は回避されているので、前記戻り配管系統２２の弁２１を閉弁し、熱供給配管系統２４の弁２３を開弁して、前記熱利用設備
２０に圧縮機３２から吐出蒸気の供給を開始する。
【００２１】
そして、圧縮機３２及び圧縮機３３を更に昇速させて、後段の圧縮機３２から吐出する作動媒体の水蒸気を昇温，昇圧して前記蒸気の供給を続け、熱利用設備２０が要求する蒸気条件、例えば約０.４ＭＰａ ，約１４０℃程度の高温の水蒸気の状態に達すると前記圧縮機の運転状態を保持して、前記蒸気条件の蒸気が後段の圧縮機３２から継続して熱利用設備２０に供給する状態を継続させる。
【００２２】
以下、本実施例のヒートポンプを構成する構成機器の詳細構成および運転について説明する。
【００２３】
図１において、本発明の一実施例であるヒートポンプ装置を構成する蒸発器４２には、外部熱源により温められた温水が温水系統４０を通じて供給がされるが、供給される温水は、工場やごみ焼却場の排熱，河川，下水、大気などの未利用熱源を利用して生成されたものであることが望ましい。前記蒸発器４２では、温水系統４０を通じて供給される温水と、蒸発器４２の内部の液水３５とが直接的には接触しない間接式の熱交換器の場合を示しているが、温水系統４０の温水と蒸発器４２内の液水３５が混合する直接接触式の熱交換器であっても良い。また、蒸発器４２の内部に位置する温水系統４０の伝熱面としては、蒸発器内に溜まった液水３５の中をチューブ式の配管を配置した熱交換器であっても、二相流式のプレート式熱交換器であっても、どちらでも良い。
【００２４】
蒸発器４２には、後段の圧縮機３２から吐出された高温蒸気の一部を弁２１の開弁時に戻り配管系統２２を通じて供給し蒸発器４２の底面に溜まった液水３５の蒸発を促進するようになっている。
【００２５】
圧縮装置３４を構成する前段の圧縮機３３及び後段の圧縮機３２を流れる高温蒸気の流量は、基本的には圧縮機の回転数の影響を大きく受けるが、より積極的に流量を変更する為に、図２に示すように、前段の圧縮機３３の入口に可動静翼８５を取り付けても良い。この可動静翼８５の静翼の角度を制御することによって、圧縮機３２，３３の回転数や吸気条件を一定に維持したまま、圧縮機の流量を大幅に変更する事ができ、広範囲の作動条件においてサージを発生することなく、圧縮機を運用できるようになる。
【００２６】
前段の圧縮機３３と後段の圧縮機３２との間の流路の途中に設置された混合器３６には給水系統３１から分岐した配管系統３１ｂを通じて液水が導かれているが、この混合器
３６としては蒸気中に液水を噴霧する方式や、液水が溜まっている容器の中を蒸気が通過する方式などが考えられる。また、液相と気相の混合を促進するために、混合器３６内に流れを乱して混合を促進する充填物を詰め込んでも良い。噴霧方式の場合には、例えば、特開２００４−１５０４０９号公報に記載された噴霧ノズルを噴霧装置として用いることもできる。液相と気相の混合は、互いの接触面積が大きいほど促進されるため、微細な液滴を水蒸気中に噴霧する方式の方が混合器をコンパクトにすることが可能となる。
【００２７】
また、前記混合器３６では、供給された液水の一部または全部が、後段の圧縮機３２へ入るまでに蒸発し、前段の圧縮機３３の吐出蒸気の熱量を水の蒸発潜熱として奪うので蒸気温度が低下する。未蒸発の液滴のうちの全部または一部は、蒸気流に同伴して後段の圧縮機３２に流入して、圧縮仕事による蒸気の昇温熱により圧縮機内部で蒸発し、圧縮過程にある水蒸気の温度を低下させる。
【００２８】
液水を混合器３６の内部のみで蒸発させる場合、混合後の水分が飽和状態に達する飽和相当分の液水しか蒸発させることができない。しかし、この液水を水蒸気に同伴させて後段の圧縮機３２に流入させれば、圧縮機３２の圧縮仕事を受けて昇温化する水蒸気の熱量を利用して更なる液水を蒸発させることができる。但し、液滴を圧縮機３２に流入させる場合、十分に微粒化させた液滴でないと、圧縮機３２の翼に衝突してエロージョンを発生させる原因になるため、噴霧液滴を直径数１０μ程度以下の微細液滴する必要がある。
【００２９】
図１では、圧縮装置３４の全体を前段圧縮機３３と後段圧縮機３２とに分割した例を図示したが、圧縮機の段数が多い場合は分割数を更に増やしても良い。その場合、圧縮機の間の各々に混合器３６を設置して、圧縮機による昇温化と混合器による低温化を交互に繰り返して、圧縮による昇温を抑えた方が全体の圧縮仕事を削減できる。
【００３０】
次に本発明の実施例であるヒートポンプ装置の吐出配管系統２５の詳細を説明する。圧縮装置３４の吐出配管系統２５には、分岐部２６で戻り配管系統２２と熱供給配管系統
２４とが分岐されている。後段の圧縮機３２により生成された高温高圧の蒸気は、戻り配管系統２２に設置された弁２１と、熱供給配管系統２４に設置された弁２３の開度に応じて、戻り配管系統２２と熱供給配管系統２４の一方、或いはその両方に供給される。
【００３１】
戻り配管系統２２に設置された弁２１は、後述する制御装置１００から入力する弁操作信号によって、その開度に応じて流量を調整すると共に流体的な絞り抵抗の役割を果たし、戻り配管系統２２を通じて蒸発器４２に供給する蒸気の圧力を所定値に調整する。熱供給配管系統２４に設置された弁２３も、同様に後述する制御装置１００から入力する弁操作信号によって、その開度によって供給する蒸気の流量を調整する役割を果たすが、弁
２３自体は、ヒートポンプ装置の一部として設置されていても、熱利用設備２０の一部として設置されていても、どちらでも良い。
【００３２】
次に、本実施例のヒートポンプ装置の運転について説明する。本実施例のヒートポンプ装置では、水を作動媒体としているため、装置停止時には作動媒体が大気の常温の１５℃程度となり、装置内の圧力が１５℃ときの水蒸気の圧力は飽和蒸気圧である０.００２MPaの真空に近い状態に保たれることになる。蒸発器４２に熱源を供給する温水系統４０に、８０℃の温水を供給して、蒸発器４２内の水温が６０℃程度になったとすると、その水温の時の蒸気圧は飽和蒸気圧である０.０２ＭＰａ 程度にまで装置内の圧力が上昇する。この状態であっても圧力としては非常に低いため、産業上有益な大気圧以上（温度１００℃以上）の蒸気を得るには、圧縮装置３４を構成するターボ式の圧縮機３２，３３を作動させて水蒸気を高温・高圧化する必要がある。本実施例のヒートポンプ装置では、熱供給配管系統２４の弁２３を閉弁することにより、十分昇圧されない低温の蒸気が熱供給配管系統２４を通じて熱利用設備２０へ供給されないようにすると共に、熱利用設備２０の配管系統に大気への開放端がある場合には、この開放端から流入した空気が起動時の低圧状態のヒートポンプ装置に逆流することを防ぐ。
【００３３】
戻り配管系統２２の弁２１と熱供給配管系統２４の弁２３の双方を共に閉鎖した状態でヒートポンプ装置の圧縮装置３４である圧縮機３２，３３を作動させた場合、圧縮機３２，３３で昇圧された高温の蒸気は、排気される吐出経路を有しないことになる。つまり、圧縮機の作動点としては、流量が０で、かつ圧力比が高い状態である。圧縮機３２，３３が、このような低流量，高圧力比の作動点で作動することは、サージングという非定常流体現象を発生させるため、気流振動により圧縮機が破損する恐れがある。そこで、本実施例のヒートポンプ装置では、制御装置１００からの制御信号Ｓに基づき電動機１を駆動して圧縮機３２及び圧縮機３３の回転数を上昇させていくが、起動時で圧縮機３２，３３の吐出蒸気の温度，圧力が低い状況では、吐出配管系統２５に設けた流量検出器１０１，圧力検出器１０２及び温度検出器１０３で検出した後段の圧縮機３２の吐出蒸気の状態量を制御装置１００に入力し、これらの検出値に基づいて制御装置１００で最適な弁開度を演算して前記戻り配管系統２２の弁２１及び熱供給配管系統２４の弁２３に弁操作信号として出力して弁開度を夫々適正に制御する。即ち、熱供給配管系統２４の弁２３を閉弁して十分に昇温，昇圧されていない蒸気を供給しないようにすると共に、戻り配管系統２２の弁２１を開弁して、圧縮機３２，３３ので十分に昇温，昇圧されていない前記蒸気を、後段の圧縮機３２から吐出配管系統２５及び戻り配管系統２２を経由して蒸発器４２に戻して、ヒートポンプを循環させているので、前記圧縮機３２，３３が小流量の高圧力比状態になってサージングに突入することが未然に防止され、ヒートポンプを安全に起動させることが可能となる。
【００３４】
また、前記圧縮機３３，３２の運転によって徐々に昇温化，昇圧化された蒸気が、戻り配管系統２２を通じて蒸発器４２に戻ってくるため、蒸発器４２の内部の液水の蒸発促進、もしくは蒸発器４２内の蒸気の昇温化，昇圧化に寄与する。よって、蒸発器４２に配設された温水系統４０に外部の熱源から供給される熱量が少ない状態であっても、蒸発器
４２内の液水を蒸発させて作動媒体として必要な蒸気の量を増やすことができる。
【００３５】
また、圧縮装置３４に動力を付与する電動機１で加える動力を増大させて、圧縮機３２，３３の回転数を上昇させるにつれ、前段の圧縮機３３の吸気の体積流量が増加する。そこで、前記吐出配管系統２５に設けた流量検出器１０１，圧力検出器１０２、及び温度検出器１０３によって検出した後段の圧縮機３２から吐出された高温の蒸気の状態量を制御装置１００に入力し、これらの検出値に基づいて制御装置１００で最適な弁開度を演算して前記戻り配管系統２２の弁２１及び熱供給配管系統２４の弁２３に弁操作信号として出力し、前記弁２１，弁２３の弁開度を夫々適正に制御する。つまり、圧縮機３２から吐出される蒸気の流量と吐出圧の増加に応じて、戻り配管系統２２の弁２１の弁開度を徐々に開いていけば、サージングを発生させること無く圧縮機３２，３３を昇速させることができる。
【００３６】
前記圧縮機３２及び圧縮機３３を昇速して、後段の圧縮機３２から吐出する作動媒体の水蒸気が、圧縮機が流体的に連通される熱利用設備２０の雰囲気圧の圧力以上、例えば大気圧以上になれば圧縮機にサージが発生する状況は回避されているので、前記制御装置
１００からの弁操作信号に基づいて戻り配管系統２２の弁２１を閉弁し、熱供給配管系統２４の弁２３を開弁して、前記熱利用設備２０に圧縮機３２から吐出蒸気の供給を開始する。そして、圧縮機３２及び圧縮機３３を更に昇速させて、後段の圧縮機３２から吐出する作動媒体の水蒸気を昇温，昇圧させると共に、熱利用設備２０へ前記圧縮機吐出の水蒸気の供給を続け、圧縮機吐出の水蒸気が熱利用設備２０が要求する蒸気条件、例えば約
０.４ＭＰａ ，約１４０℃程度の高温の水蒸気の状態に達すると前記制御装置１００によって前記圧縮機の運転状態を保持して、この蒸気条件の蒸気が後段の圧縮機３２から継続して熱利用設備２０に供給する状態を継続させる。
【００３７】
また、圧縮機３２，３３から吐出されて熱利用設備２０に供給される蒸気の条件は、熱利用設備２０が要求する蒸気条件に合わせて変更可能であり、その場合は熱利用設備２０から要求蒸気条件に基づいた蒸気量Ｄの信号を制御装置１００に入力し、制御装置１００から該要求蒸気条件に対応した電動機の制御信号Ｓを出力して電動機１の駆動力を調節し、圧縮機３２，３３の回転数を制御して所望の条件を満たす圧縮機の吐出蒸気を得るようにすれば良い。
【００３８】
更に、熱利用設備２０で必要とされる蒸気量Ｄが時間的に変動する場合には、この必要とされる蒸気量Ｄの要求信号を制御装置１００に入力し、制御装置１００にて要求された前記蒸気量Ｄに対応した最適な弁開度を演算して弁操作信号として出力する。よって、熱利用設備２０で必要とする蒸気流量が減少した際には戻り配管系統２２の弁２１を開き、後段の圧縮機３２から吐出される蒸気の一部を吐出配管系統２５及び戻り配管系統２２を通じて蒸発器４２に戻す。同時に、蒸発器４２に配設された温水系統４０に設けた図示していない弁を少し閉じて、供給される温水量を減少させてやることにより、後段の圧縮機３２から吐出される蒸気の圧力を一定に維持した状態で、熱供給配管系統２４を通じて熱利用設備２０に供給される蒸気の供給量を抑えることが出来る。
【００３９】
本実施例のヒートポンプによれば、外部の熱利用設備に間接的に熱の供給を行う凝縮器を設置することなく作動媒体に水を使用でき、ヒートポンプの起動時に圧縮機にサージングの発生を回避して、圧縮機で生成した作動媒体の蒸気を外部の熱利用設備へ直接供給することを可能とするコンパクトな構成のヒートポンプが実現できるという効果を奏する。
【実施例２】
【００４０】
次に、図３を用いて本発明の他の実施例であるヒートポンプ装置について説明するが、このヒートポンプ装置の基本構成は図１に示した実施例のヒートポンプ装置と同一であるので共通の構成及び運転、並びに作動媒体の状態量については説明を省略し、相違する構成について、以下に説明を行う。
【００４１】
図３に示す実施例では、圧縮機３２，３３の駆動装置として、電動機に代えてロータにより圧縮機３２，３３と連結された蒸気タービン２を用いた例を示している。また、蒸発器としては、チューブ式の熱交換器に替えてプレート式の二相流熱交換器である蒸発器
４２ｂを用いている。
【００４２】
制御装置１００からの制御信号Ｓに基づき蒸気タービン２を駆動して圧縮機３２及び圧縮機３３を回転させるが、この蒸気タービン２には、外部からの高圧蒸気源から蒸気流量を制御する弁２９を備えた高圧蒸気配管系統４を介して、例えば７ＭＰａ程度の高圧蒸気が供給される。供給された高圧蒸気は、蒸気タービン２を駆動して動力を回収され、0.4ＭＰａ程度の低圧の蒸気となって蒸気タービン２から吐出配管系統２５の合流器２８に排出されるが、この排出された蒸気は吐出配管系統２５及び熱供給配管系統２４を通じて、１４０℃程度の熱源として熱利用設備２０に供給される。そして、蒸気タービン２で回収された動力は、この蒸気タービン２とロータが連結された圧縮機３２，３３の圧縮動力として使用されて、蒸発器４２から前記圧縮機３２，３３に供給された蒸気を所望の圧力,温度まで昇圧，昇温させるために利用される。前記高圧蒸気配管系統４には、蒸気タービン２に供給される蒸気流量を制御するための弁２９を設けた場合を示したが、この弁２９の代わりに可動式の静翼をタービンの入口部分につけても同様な効果が得られる。
【００４３】
プレート式の熱交換器を採用した蒸発器４２ｂの構成は、高温側と低温側の流体を仕切る板が多層に積み重ねられた構造物であり、高温側となる温水系統４０には外部熱源で温められた例えば約８０℃程度の温水が流れ、低温側には給水系統３１を通じて供給されたヒートポンプの作動媒体である液水３５が通過する。この低温側の流体は、給水系統３１から供給された液水であるので、流入当初は低温の液水３５であるが、蒸発器４２ｂの内部で、高温側の温水系統４０を流れる熱源と熱交換して次第に蒸発していく。そして、低温側の出口に至るころには全ての液水が蒸発し、飽和温度よりも少し昇温化された乾き蒸気となって、前記蒸発器４２ｂから圧縮装置３４の前段の圧縮機３３の入り側に供給されるようになっている。
【００４４】
本実施例でヒートポンプ装置が起動時で圧縮機の吐出圧が十分昇圧されない状況においては、前述の図１に示した実施例で説明したように、吐出配管系統２５に設けた流量検出器１０１，圧力検出器１０２及び温度検出器１０３によって検出した後段の圧縮機３２から吐出された蒸気の状態量を吐出圧を制御装置１００に入力し、これらの検出値に基づいて制御装置１００で最適な弁開度を演算して弁２３，２１に弁操作信号を出力して熱供給配管系統２４の弁２３を閉弁し、熱供給配管系統２４の弁２１を開弁することにより、後段の圧縮機３２の出口から吐出配管系統２５に吐出した、十分に昇圧されていない蒸気を、戻り配管系統２２を通じて蒸発器４２ｂ戻すことができる。そして、蒸発器４２ｂでは給水系３１から供給された液水は、前記戻り配管系統２２を通じて戻された前記蒸気と、蒸発器４２ｂの内部で混合するので、蒸気の熱により液水４３の一部の蒸発が促進される。戻り配管系統２２から導かれた蒸気の熱量だけで十分な液水の蒸発が起きない場合は、外部熱供給源である温水系統４０からの温水を供給、或いは温水の供給量を増加させて、蒸発器４２ｂの内部に存在する液水の蒸発を更に促進させれば良い。この結果、蒸発器
４２ｂの低温側の液水は、蒸発器４２ｂの出口に到達する前に完全に蒸発して乾き蒸気となり、圧縮装置３４の前段の圧縮機３３に供給されることになる。
【００４５】
次に、本発明の実施例のヒートポンプ装置の運転について説明する。装置停止時には、装置全体に常温１５℃程度の蒸気が充満し、機内の圧力はそのときの飽和蒸気圧である
０.００２ＭＰａ 程度に保たれている。次に蒸発器４２ｂに配置された温水系統４０を通じて熱源から温水を供給して、蒸発器４２ｂの内部の温度を上昇させると共に、制御装置１００からの制御信号Ｓに基づき、弁２９を開いて高圧蒸気配管系統４を通じて外部から高圧蒸気を蒸気タービン２に供給して該蒸気タービン２を駆動し、その動力で圧縮装置
３４を構成する圧縮機３２，３３を昇速させる。
【００４６】
蒸発器４２ｂで熱交換により液水３５の一部が蒸発した水蒸気は、前記圧縮機３２，
３３により圧縮仕事を受けて、昇圧，昇温化し、後段の圧縮機３２の吐出側から吐出配管系統２５に高温の蒸気として吐出される。ところで、ヒートポンプ起動直後の暫くの間は、圧縮機の吐出圧が十分昇圧されないので、前述したように、制御装置１００で演算した弁操作信号に基づいて熱供給配管系統２４の弁２３を閉弁し、熱供給配管系統２４の弁
２１を開弁することにより、圧縮機３２，３３で十分に昇圧されていない蒸気を、戻り配管系統２２を通じて蒸発器４２ｂに戻している。蒸発器４２ｂに戻った蒸気は、その加熱分の熱量を蒸発器４２ｂ内の液水の蒸発に利用することができるため、外部から温水系統４０を介して供給すべき熱量の削減に寄与できる。
【００４７】
ところで、圧縮機３２，３３の昇速は、前記蒸気タービン２に供給する蒸気量を増大させることによって達成できる。つまり、弁２９を開いて高圧蒸気配管系統４を通じて供給する蒸気量を増加させて蒸気タービン２の動力を増大させ、それと同時に蒸発器４２ｂ内の温度と圧力が所定の状態になるように、前記制御装置１００によって戻り配管系統２２を流下して蒸発器４２ｂに戻る、十分に昇圧されていない蒸気量を弁２１の開度を調節して調節すれば、圧縮機の回転数を増加させることができる。そして、圧縮機の回転数を上昇させて、圧縮機の吐出蒸気が、圧縮機が流体的に連通される熱利用設備２０の雰囲気圧の圧力以上、例えば大気圧以上になれば圧縮機にサージが発生する状況は回避されているので、前記制御装置１００からの弁操作信号に基づいて戻り配管系統２２の弁２１を閉弁し、熱供給配管系統２４の弁２３を開弁して、前記熱利用設備２０に圧縮機３２から吐出蒸気の供給を開始する。そして、圧縮機３２及び圧縮機３３を更に昇速させて圧縮機吐出の水蒸気が熱利用設備２０が要求する蒸気条件、例えば約０.４ＭＰａ ，約１４０℃程度の高温の水蒸気の状態に達すると前記制御装置１００によって前記圧縮機の運転状態を保持して、この蒸気条件の蒸気が後段の圧縮機３２から継続して熱利用設備２０に供給する状態を継続させるようになっている。
【００４８】
前記蒸気タービン２から熱利用設備２０に蒸気を供給する際には、合流器２８において、後段の圧縮機３２から吐出される高温の蒸気の蒸気圧と、蒸気タービン２から排出される排気蒸気の蒸気圧とが互いにバランスするように、制御装置１００からの弁操作信号に基づいて弁２３及び弁２９の開度を夫々調整して、蒸気が逆流することなく熱供給配管系統２４を通じて熱利用設備２０に供給するようにしている。
【００４９】
本実施例についても、前述した第１の実施例と同様な効果を得ることができる。加えて、本実施例では以下に述べる作用効果が得られる。
【００５０】
本実施例は、圧縮機３２，３３の駆動機として蒸気タービン２を用いている為、電力供給設備のない所であっても、ボイラー等の高圧蒸気を供給できる設備があれば、ヒートポンプ装置を動作させることが可能である。また、供給熱量としては、外部から蒸気タービンに供給される高圧蒸気の熱量に加え、ヒートポンプ装置により外部熱源から吸収した熱量が加わるため、同じ供給蒸気量に対して利用可能な熱量が増加することになる。よって、既設のボイラーによって発生熱量を増加させたい時には、本実施例のヒートポンプ装置が特に有効となる。また、蒸気タービン２から吐出される排気の蒸気も、熱利用設備２０へ供給する熱源として利用できるため、同じ容量の圧縮機を使った電動機式のヒートポンプ装置に比べ、供給蒸気量を多量に発生することができる。
【００５１】
また、本実施例では、蒸発器４２ｂとして、二相流式のプレート側熱交換器を利用している。プレート式は、チューブ式に比べ単位体積当たりの伝熱面積を大きくすることができるため、熱交換器の大きさを数分の１程度に縮小できる。熱交換器の大きさは、ヒートポンプ装置全体の大きさを決める支配的な要素であるため、熱交換器が小さくなれば、設置スペースや製造コストの観点からのメリットが大きくなる。
【実施例３】
【００５２】
次に、図４を用いて本発明の更に他の実施例であるヒートポンプ装置について説明するが、このヒートポンプ装置の基本構成は図１に示した実施例のヒートポンプ装置と同一であるので共通の構成及び運転、並びに作動媒体の状態量については説明を省略し、相違する構成について、以下に説明を行う。
【００５３】
図４に示す実施例では、ヒートポンプ装置として、吐出配管系統２５の分岐部２６から分岐して、蒸発器４２に液水である水を供給する給水系統３１に連通する、戻り配管系統２２ｂの経路途中に冷却水系統５１を配設した冷却器５０を設置した例を図４に示す。前記冷却器５０では、戻り配管系統２２ｂを通じて圧縮装置３４を構成する前段の圧縮機
３３，後段の圧縮機３２を経て吐出され、冷却器５０の内部に流下した水蒸気を、冷却水系統５１を通じて外部の冷熱源から供給される低温の流体との熱交換によって冷却させる。この冷却されて液状水分となった液水は、前記冷却器５０から戻り配管系統２２ｂを介して給水系統３１に流入するようになっている。ところで、後段の圧縮機３２から吐出され、熱供給配管系統２４を通じて前記熱利用設備２０に供給された作動媒体であった高温の蒸気は、この熱利用設備２０にて熱を吸収されて温度が低下した液水又は蒸気となるが、この液水又は蒸気は熱利用設備２０から弁１１８を備えた戻り配管系統１１７を配設することによって前記冷却器５０に回収するようにしている。また、前記冷却器５０では、内部に溜まった非凝縮ガスを系外に排出する真空ポンプ７１を備えた排気系統８１も配設されている。
【００５４】
また、圧縮機３２，３３の駆動装置としては、電動機１を例に説明したが、電動機に代えて蒸気タービンであっても本実施例と同様な効果を得ることができる。
【００５５】
次に、冷却器５０の動作を説明する。本実施例のヒートポンプ装置の起動時等で圧縮機３２，３３の吐出圧が十分昇圧されない状況においては、熱供給配管系統２４の弁２３を閉弁し、且つ、戻り配管系統２２ｂの弁２１を開弁することにより、所望値に昇圧されてない後段の圧縮機３２から吐出された蒸気を、戻り配管系統２２ｂ，給水系統３１を通じて蒸発器４２に戻すことができる。その際、戻り配管系統に設置された冷却器５０によって、後段の圧縮機３２から導びかれた蒸気を冷却水系統５１を流れる冷却媒体で冷却し、前記蒸気の飽和温度よりも下げて液水に凝縮させる。弁２１は、冷却器５０に送られる蒸気の流量を調整すると共に、冷却器５０内の圧力が蒸発器４２内の圧力よりも、やや高めになるように設定する圧力調整弁の役割も果たす。
【００５６】
液水になって冷却器５０の底面に溜まった水分は、冷却器５０の内圧と蒸発器４２の内圧の差圧により、戻り配管系統２２ｂ，給水系統３１を通じて蒸発器４２に吸い込まれることになる。配管の圧損などにより、冷却器５０と蒸発器４２の内圧差だけでは十分な配管流速が得られない場合は、戻り配管系統２２ｂの途中にポンプを設置して昇圧させてもよい。
【００５７】
大気などから系統内に漏れ込んだ空気などの非凝縮ガスは、蒸気が凝縮する場所に滞りやすい。本実施例のヒートポンプ装置では、装置起動時における蒸気の凝縮が、主として冷却器５０の内部で起こる。従って、非凝縮ガスの多くは冷却器５０の内部に蓄積されることになる。この系統内に溜まった非凝縮ガスを冷却器５０に集積させ、それを真空ポンプ７１を設けた排気系統８１から外部に排気させることで、系内の水蒸気の純度を高い状態に保つことができる。
【００５８】
戻り配管系統２２ｂの冷却器５０の下流側には、冷却器５０に貯蔵され、戻り配管系統２２ｂを流下する液水から不純物を除去する水処理機６０が設置されている。水処理機
６０の形式としては単純なフィルタ式のものやイオン交換樹脂や逆浸透膜のような化学反応を利用したものなど、種々の形式のものが考えられる。水処理の方法は、熱利用設備
２０で利用される蒸気の利用用途によって大きく異なり、混入する不純物の種類に応じて変える必要がある。
【００５９】
本実施例のヒートポンプ装置の運転について説明する。ヒートポンプ装置の起動時には、前述した各実施例の場合と同様に、制御装置１００からの制御信号Ｓに基づき電動機１を駆動して圧縮機３２及び圧縮機３３の回転数を上昇させていく。また、制御装置１００から入力する弁制御信号に基づいて熱供給配管系統２４の弁２３を閉弁し、且つ、戻り配管系統２２ｂの弁２１を開弁することにより、後段の圧縮機３２の吐出蒸気を、すべて冷却器５０に送り、冷却水系統５１により冷やして凝縮させる。この場合、元々の蒸発器
４２内の液水３５の水温とほぼ同等になるまで冷却し、戻り配管系統２２ｂ，給水系統
３１を通じて蒸発器４２へ戻すので、蒸発器４２の液水３５の水温は、ほぼ一定に保たれる。そして、電動機１の出力を増やして圧縮機３２，３３の回転数を上昇させるのに合わせて、戻り配管系統２２ｂの弁２１の開度を更に開けていく。それと同時に、蒸発器４２に配設された温水系統４０に供給する外部の熱量と、冷却器５０に配設された冷却水系統５１で消費する外部の熱量を互いに増加させることによって、圧縮機３２，３３の吸気の温度，圧力をほぼ一定に維持して、サージを発生させることなく圧縮機３２，３３の回転数を所定値まで上昇させる。
【００６０】
そして、圧縮機の回転数を上昇させて、圧縮機の吐出蒸気が、圧縮機が流体的に連通される熱利用設備２０の雰囲気圧の圧力以上、例えば大気圧以上になれば圧縮機にサージが発生する状況は回避されているので、前記制御装置１００からの弁操作信号に基づいて戻り配管系統２２の弁２１を閉弁し、熱供給配管系統２４の弁２３を開弁して、前記熱利用設備２０に圧縮機３２から吐出蒸気の供給を開始する。尚、弁２１が閉じられた時点で、戻り配管系統２２ｂを介して冷却器５０に高温高圧の蒸気が供給されなくなる為、冷却水系統５１への冷却水の供給を停止させる。そして、圧縮機３２及び圧縮機３３を更に昇速させて圧縮機吐出の水蒸気が熱利用設備２０が要求する蒸気条件、例えば約０.４ＭＰａ ，約１４０℃程度の高温の水蒸気の状態に達すると前記制御装置１００によって前記圧縮機の運転状態を保持して、この蒸気条件の蒸気が後段の圧縮機３２から継続して熱利用設備２０に供給する状態を継続させる。
【００６１】
本実施例では、前述した第１の実施例と同様な効果を得ることができる。加えて、本実施例では以下に述べる作用効果が実現される。
【００６２】
本実施例では、圧縮機から吐出される高温高圧の蒸気を冷却せずに蒸発器４２に戻す場合に比べて、前述したように、圧縮機３２，３３に吸気される蒸気の状態がほぼ一定に維持されるため、圧縮機３２，３３から吐出される蒸気の状態のみに着目して弁２１および弁２３の開度を調整すれば良く、制御が容易となる。  
【００６３】
また、系統内に漏れ込んだ非凝縮ガスを真空ポンプ７１，排気系統８１で系統外に排気し、作動媒体を高純度に保つことが可能なため、サイクル性能の経年劣化が防止される。
【００６４】
本実施例では、圧縮機３２，３３から高温の蒸気として熱供給配管系統２４を通じて供給し、熱利用設備２０で熱源等として使用されて冷却された液水を、戻り配管系統117を通じて冷却器５０に回収し、戻り配管系統２２，給水系統３１を通じて蒸発器４２に戻すことによって、給水系統３１等を通じて外部から蒸発器４２に供給する液水の量を大幅に削減することができる。また、冷却器５０に回収した液水を一旦、この冷却器５０内に貯水して、真空ポンプ７１，排気系統８１により非凝縮ガスを系外に取り除くことにより、ヒートポンプを常に高い性能で運用することが可能である。また、ヒートポンプの起動時に、冷却器５０をヒートポンプ系統や熱利用設備２０に蓄積した非凝縮ガスを除去する為の非凝縮ガス除去装置として使用すれば、機器が簡素化される分、設備コストと設置スペースを削減できる。
【００６５】
本実施例では、熱利用設備２０から冷却器５０に回収された液水が流通する戻り配管系統２２ｂに、水中の不純物を除去するための水処理機６０を設置しているので、蒸発器
４２や圧縮機３２，３３に流入する作動媒体中の不純物を削減することができ、温水系統４０の伝熱面、並びに圧縮機３２，３３の翼面への不純物の不着が防止され、蒸発器４２や圧縮機３２，３３の性能の経年劣化を抑えて長期間に渡る高効率の維持や、メンテナンスコストの削減を達成することが可能となる。
【００６６】
作動媒体中に混入する不純物の種類や割合は、熱利用設備２０における熱の利用方法によって大きく変化する。ヒートポンプで生成され供給した蒸気を熱利用設備２０にて非加熱体に直接接触させる場合には不純物の割合が高くなり、熱交換器などにより間接接触させる場合は不純物の割合が小さい。よって、熱利用設備２０で前記蒸気を非加熱体に直接接触させて利用する場合は水処理機６０の利用が効果的であり、長期に渡り性能劣化の少ないヒートポンプ装置を提供することができる。
【実施例４】
【００６７】
次に、図５を用いて本発明の更に他の実施例であるヒートポンプ装置について説明するが、このヒートポンプ装置の基本構成は図１に示した実施例のヒートポンプ装置と同一であるので共通の構成及び運転、並びに作動媒体の状態量については説明を省略し、相違する構成について、以下に説明を行う。
【００６８】
本実施例のヒートポンプ装置は、後段の圧縮機３２の吐出蒸気を、吐出配管系統２５の分岐部２６から分岐して、蒸発器４２に導く弁２１を備えた戻り配管系統２２を有している。この戻り配管系統２２の途中には、電動機１及び圧縮機３２，３３とロータが機構的に連結された膨張タービン９５が配置されている。さらに、膨張タービン９５の下流側の戻り配管系統２２には、真空ポンプ７２を有する非凝縮ガスの排気系統８２を配設した脱気器６０ａが設置されている。
【００６９】
本実施例のヒートポンプ装置は、制御装置１００からの制御信号Ｓに基づき電動機１を駆動して圧縮機３２及び圧縮機３３の回転数を上昇させるが、ヒートポンプ装置の起動時等で圧縮機３２，３３の吐出圧が十分昇圧されない状況においては、前述した各実施例の場合と同様に、制御装置１００からの弁制御信号に基づいて熱供給配管系統２４の弁２３を閉弁し、戻り配管系統２２の弁２１を開弁することにより、所望値に昇圧されてない後段の圧縮機３２から吐出された蒸気は、戻り配管系統２２を通じて蒸発器４２に戻すようにして、熱供給配管系統２４を通じて熱利用設備２０に供給しないようにしている。その際に、戻り配管系統２２を流下する蒸気で膨張タービン９５を駆動させて蒸気から動力を取り出し、該蒸気を低圧，低温化させて凝縮させることができる。凝縮した液水は、更に戻り配管系統２２の下流側に設けた脱気器６０ａに供給して、蒸気中に存在する非凝縮ガスを真空ポンプ７２，排気系統８２で外部に排出させた後に、戻り配管系統２２を通じて蒸発器４２に戻されるようになっている。
【００７０】
そして、圧縮機の回転数を上昇させて、圧縮機の吐出蒸気が、圧縮機が流体的に連通される熱利用設備２０の雰囲気圧の圧力以上、例えば大気圧以上になれば圧縮機にサージが発生する状況は回避されているので、前記制御装置１００からの弁操作信号に基づいて戻り配管系統２２の弁２１を閉弁し、熱供給配管系統２４の弁２３を開弁して、前記熱利用設備２０に圧縮機３２から吐出蒸気の供給を開始する。そして、圧縮機３２及び圧縮機
３３を更に昇速させて圧縮機吐出の水蒸気が熱利用設備２０が要求する蒸気条件、例えば約０.４ＭＰａ ，約１４０℃程度の高温の水蒸気の状態に達すると前記制御装置１００によって前記圧縮機の運転状態を保持して、この蒸気条件の蒸気が後段の圧縮機３２から継続して熱利用設備２０に供給する状態を継続させるようになっている。
【００７１】
また、本実施例では、熱利用設備２０から液水を給水系統３１に導く戻り配管系統127が配設されている。この戻り配管系統１２７には弁１２８と、真空ポンプ７３及び排気系統８３を有する脱気器６０ｂが設置されている。そして、圧縮機３２，３３から熱供給配管系統２４を通じて供給し、熱利用設備２０で熱源等として使用されて冷却された液水は、熱利用設備２０から戻り配管系統１２７を通じて脱気器６０ｂに回収し、戻り配管系統１２７，給水系統３１を通じて蒸発器４２に戻すことによって、給水系統３１等を通じて外部から蒸発器４２に供給する液水の量を大幅に削減することができる。また、脱気器
６０ｂに回収した液水は脱気器６０ｂで真空ポンプ７１、排気系統８１により非凝縮ガスを系外に取り除くことにより、ヒートポンプを常に高い性能で運用することが可能である。また、ヒートポンプの起動時に、脱気器６０aをヒートポンプ系統や熱利用設備２０に蓄積した非凝縮ガスを除去する為の非凝縮ガス除去装置として使用すれば、機器が簡素化される分、設備コストと設置スペースを削減できる。
【００７２】
本実施例では、前述した第１の実施例と基本的な構成は共通であり、第１の実施例と同様な効果を得ることができる。加えて、本実施例では以下に述べる作用効果が得られる。
【００７３】
本実施例では、電動機１の動力で駆動され、圧縮機３２，３３によって加えられた動力を膨張タービン９５で回収することにより、蒸気の圧力，温度を元の蒸発器４２内の状態に近づけることができる。しかも、膨張タービン９５で回収した動力は、圧縮機３２，
３３の圧縮動力として有効利用されるため、電動機１に供給されるべき電力は膨張タービン９５がない場合に比べ、圧倒的に小さく出来る。
【００７４】
例えば、膨張タービン９５と圧縮機３２，３３の効率を８０％と想定した場合、圧縮機３２，３３を回転させるのに必要な動力を１として、１（必要動力）−０.８(圧縮機で加えられる動力) ×０.８（膨張タービンで回収できる動力）＝０.３６となり、膨張タービン９５がない場合の約３６％の動力を電動機１で供給すれば良い。膨張タービン９５の設置により、ヒートポンプの起動時に蒸発器４２内の状態を一定に維持しつつ、起動に必要な動力を大幅に削減する事ができる。
【００７５】
また、図４に示した実施例のように、弁２１と冷却器５０を使用する場合に比べ、弁
２１で生じる圧損を小さくでき、さらに冷却器５０から有効な熱量を外部へ持ち出す冷却系統５１もないため、起動時における損失が少なく抑えられる。また、冷却系統５１がないのでその分、配管系統を簡素化できる。
【００７６】
本実施例では、圧縮機３２，３３から戻り配管系統２２ｂに供給される蒸気量を弁２１の開度によって制御する構成を図示したが、弁２１に代えて膨張タービン９５の入口に可動式の静翼を設け、該静翼の取り付け角を変えることにより、戻り配管戻り配管系統22ｂに供給されるべき蒸気量を調節しても同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
ヒートポンプ装置に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の一実施例であるヒートポンプ装置の構成を示す系統図。
【図２】圧縮機の可動静翼を設置した本発明の実施例であるヒートポンプ装置の構成を示す系統図。
【図３】本発明の他の実施例であるヒートポンプ装置の構成を示す系統図。
【図４】本発明の他の実施例であるヒートポンプ装置の構成を示す系統図。
【図５】本発明の他の実施例であるヒートポンプ装置の構成を示す系統図。
【符号の説明】
【００７９】
１…電動機、２…蒸気タービン、４…高圧蒸気配管系統、５…ポンプ、２０…熱利用設備、２１，２３，２９，３８，３９，１１８，１２８…弁、２２，２２ｂ,１１７,１２７…戻り配管系統、２４…熱供給配管系統、２５…吐出配管系統、２６，２８，３０…分岐部、３１…給水系統、３１ｂ…配管系統、３２，３３…圧縮機、３４…圧縮装置、３５…液水、３６…混合器、４０…温水系統、４２，４２ｂ…蒸発器、５０…冷却器、５１…冷却水系統、６０…水処理機、６０ａ，６０ｂ…脱気器、７１，７２，７３…真空ポンプ、８１，８２，８３…排気系統、８５…可動静翼、１００…制御装置、１０１…流量検出器、１０２…圧力検出器、１０３…温度検出器。
【図１】
0005151014.tif 000002
【図２】
0005151014.tif 000003
【図３】
0005151014.tif 000004
【図４】
0005151014.tif 000005
【図５】
0005151014.tif 000006