(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸発器と凝縮器との間を熱媒体を循環させ、該凝縮器において被加熱流体を加熱するヒートポンプと、
第1タンクから該凝縮器に被加熱流体を送る往送ラインと、該凝縮器から加熱された被加熱流体を該第1タンクに送る復送ラインと、
該第1タンクから加熱された流体を需要先へ送る送出ラインと
を有するヒートポンプシステムにおいて、
前記凝縮器に流入する被加熱流体の温度を検出する温度検出手段と、
該温度検出手段で検出される温度が所定温度を下回るときに前記復送ラインから被加熱流体の少なくとも一部を該往送ラインに供給する循環手段と
を備え、
前記循環手段は、
前記往送ラインに設けられた中継タンクと、
前記復送ラインと該中継タンクとを接続する中継ラインと、
前記凝縮器からの被加熱流体の少なくとも一部を該中継ラインに流す切替手段と、
前記温度検出手段の検出温度に応じて該切替手段を制御する制御手段と
を有することを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記検出温度が前記所定温度を下回る場合、両者の差が大きくなるほど、前記中継ラインに流す被加熱流体の流量を多くするように制御を行うものである請求項１のヒートポンプシステム。
【請求項３】
前記被加熱流体は、ＲＯ装置への給水である請求項１又は２のいずれかのヒートポンプシステム。
【請求項４】
前記ヒートポンプの前記蒸発器に対し、熱源流体として冷凍システムからの温媒体が供給される請求項１〜３のいずれかのヒートポンプシステム。
【請求項５】
前記冷凍システムは、冷凍機本体と、該冷凍機本体からの冷媒体が導入され、温媒体が流出する熱交換器とを備えており、
該熱交換器から流出する温媒体の一部を該冷凍機本体に戻し、残部を前記ヒートポンプの蒸発器に導入し、該蒸発器で降温した媒体を該熱交換器の冷媒体流入側に戻すことを特徴とする請求項４のヒートポンプシステム。
【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て流体を加熱するヒートポンプシステムに係り、例えば逆浸透膜装置への給水をヒートポンプで加熱する用途等に適用することができるヒートポンプシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
逆浸透膜装置（以下、ＲＯ装置ということがある。）にあっては、処理水量維持（水の粘度低下によるフラックス上昇、シリカ飽和溶解度上昇による回収率向上）の為、給水温度を２５℃程度に加温している。この給水の加熱には蒸気、温水、電気ヒーターなどが使用され、エネルギーを消費している。
【０００３】
特開２０１２−９１１１８号公報の請求項７には、ＲＯ装置の給水をヒートポンプによって２３〜２５℃に加熱することが記載されている。
【０００４】
ヒートポンプは、凝縮器に流入する被加熱水の水温がヒートポンプの許容値（例えば１６℃）以下になった場合、熱源側の負荷にかかわらず一定時間（例えば１時間）経過後は、ヒートポンプの圧縮機への過剰な負荷を防止してヒートポンプの寿命を保持する等のために自動的に停止する自動停止機能を有する。このため、被加熱水の水温が許容値以下になる場合には、被加熱水をヒートポンプで継続して加熱することができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−９１１１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、ヒートポンプによって被加熱流体を効率よく加熱することができるヒートポンプシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のヒートポンプシステムは、蒸発器と凝縮器との間を熱媒体を循環させ、該凝縮器において被加熱流体を加熱するヒートポンプと、第1タンクから該凝縮器に被加熱流体を送る往送ラインと、該凝縮器から加熱された被加熱流体を該第1タンクに送る復送ラインと、該第1タンクから加熱された流体を需要先へ送る送出ラインとを有するヒートポンプシステムにおいて、前記凝縮器に流入する被加熱流体の温度を検出する温度検出手段と、該温度検出手段で検出される温度が所定温度を下回るときに前記復送ラインから被加熱流体の少なくとも一部を該往送ラインに供給する循環手段とを備えたことを特徴とするものである。
【０００８】
本発明の一態様では、前記循環手段は、前記往送ラインに設けられた中継タンクと、前記復送ラインと該中継タンクとを接続する中継ラインと、前記凝縮器からの被加熱流体の少なくとも一部を該中継ラインに流す切替手段と、前記温度検出手段の検出温度に応じて該切替手段を制御する制御手段とを有する。
【０００９】
本発明の一態様では、前記制御手段は、前記検出温度が前記所定温度を下回る場合、両者の差が大きくなるほど、前記中継ラインに流す被加熱流体の流量を多くするように制御を行うものである。
【００１０】
本発明の一態様では、前記被加熱流体は、ＲＯ装置への給水である。
【００１１】
本発明の一態様では、前記ヒートポンプの前記蒸発器に対し、熱源流体として冷凍システムからの温媒体が供給される。
【００１２】
本発明の一態様では、前記冷凍システムは、冷凍機本体と、該冷凍機本体からの冷媒体が導入され、温媒体が流出する熱交換器とを備えており、該熱交換器から流出する温媒体の一部を該冷凍機本体に戻し、残部を前記ヒートポンプの蒸発器に導入し、該蒸発器で降温した媒体を該熱交換器の冷媒体流入側に戻す。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のヒートポンプシステムによると、ヒートポンプに流入する被加熱流体の温度が許容値を下回ることを防止することができ、ヒートポンプによって被加熱流体を継続的に効率よく加熱することが可能となる。
【００１４】
本発明の一態様によると、冷凍システムの熱交換器から流出する温媒体を熱源としたヒートポンプでＲＯ装置への給水を効率よく加熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施の形態に係るヒートポンプシステムのブロック図である。
【図２】参考例に係るヒートポンプシステムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して参考例及び実施の形態について説明する。
【００１７】
図２は参考例に係るヒートポンプシステムを示すものであり、ＲＯ装置の給水をヒートポンプで加熱するヒートポンプシステムであって、ヒートポンプの熱源を冷凍システムの排熱としたヒートポンプシステムを示している。
【００１８】
ＲＯ処理される原水は、配管１から原水タンク（第１タンク）２に流入し、該原水タンク２からポンプ３１及び配管３２によってヒートポンプ１０の凝縮器１３に供給され、加熱された後、配管３３を介して原水タンク２に戻される。原水タンク２内の加温された原水は、配管３から蒸気を熱源とした熱交換器４を通り、配管５を介してＲＯ装置６に供給される。ＲＯ装置６の透過水は配管７から処理水として取り出され、濃縮水は配管８へ流出する。
【００１９】
熱交換器４に蒸気を供給するためのボイラの形式は特に限定されるものではなく、小型貫流ボイラ、水管ボイラ、丸ボイラ、排熱ボイラなどのいずれでもよい。なお、通常運転時には蒸気による加温は必要ないが、後述の冷凍機本体２１の停止時や、ＲＯ装置６の起動時などの加温等に使用する。ただし、必要に応じ、通常運転時においても熱交換器４でＲＯ給水を加熱するようにしてもよい。
【００２０】
ヒートポンプ１０は、周知構成のものであり、蒸発器１１からの代替フロン等の熱媒体を圧縮機１２で断熱圧縮により高温として凝縮器１３に導入し、凝縮器１３からの熱媒体を膨張弁１４を介して蒸発器１１に導入し、断熱膨張させて降温させるように構成されている。凝縮器１３内に設けられた伝熱チューブ１３ａに原水がポンプ３１を介して通水され、高温熱媒体と熱交換して加熱される。
【００２１】
蒸発器１１内に設けられた伝熱チューブ１１ａに、冷凍システム２０の熱交換器２４から流出した温媒体の一部が第２ヘッダー２５、配管２７及びポンプ２７ａを介して導入される。蒸発器１１内の低温熱媒体との熱交換により降温した冷媒体は、配管２８を介して第１ヘッダー２３に戻され、熱交換器２４に再度導入される。
【００２２】
冷凍システム２０は、ターボ式冷凍機、吸収式冷凍機などの冷凍機本体２１で冷却された冷媒体を、冷凍機本体２１の媒体送出部２１ａから配管２２、第１ヘッダー２３に送り、該第１ヘッダー２３からポンプ２３ａを介して空調機などの熱交換器２４に供給し、周囲の熱を吸収させて該周囲を冷却する。熱交換器２４で該周囲の熱を吸収して昇温した温媒体の一部は、第２ヘッダー２５から配管２６及び媒体循環用ポンプ２６ａを介して冷凍機本体２１の媒体戻り部２１ｂに戻る。
【００２３】
熱交換器２４から流出した温媒体の残部は、配管２６から分岐した配管２７、バルブ２７ａを介して蒸発器１１の伝熱チューブ１１ａに流通され、ヒートポンプ熱媒体と熱交換して降温して冷媒体となり、配管２８から第１ヘッダー２３に戻り、前記冷凍機本体２１からの冷媒体と合流して熱交換器２４に流入する。
【００２４】
この参考例では、上述の通り、ヒートポンプ１０の蒸発器１１の伝熱チューブ１１ａに流通される熱源流体として、熱交換器２４から流出する温媒体を利用している。また、ヒートポンプ１０の蒸発器１１の伝熱チューブ１１ａを通ることによって降温した冷媒体を熱交換器２４に戻すようにしている。
【００２５】
この冷凍システム２０の冷凍機本体２１は、冷却用の低温流体として冷却塔４０からの冷水を用いている。
【００２６】
この冷却塔４０では、散水管４１から散水された冷却水が充填材層４２を流下する間にルーバ４３から導入される空気と接触し、蒸発潜熱により冷却されて冷水となり、ピット４４（冷却塔下部水槽）に貯留される。蒸気を含む空気はファン４８により大気中に排気される。ピット４４の冷水は、ポンプ４５、配管４６を介して冷凍機本体２１に供給され、熱交換して昇温する。冷凍機本体２１からの温戻り水が配管４７を介して散水管４１に返送される。
【００２７】
このように構成された図２のヒートポンプシステムでは、原水タンク２内の原水は、ヒートポンプ１０で加熱された後、原水タンク２から必要に応じ熱交換器４で加熱された後、ＲＯ装置６に供給される。
【００２８】
この参考例では、配管３２を介して凝縮器１３に流入する原水の水温が該ヒートポンプ１０の許容値（例えば１６℃）以下になった場合に、冷凍システム２０の負荷にかかわらず一定時間（例えば１時間）経過後は、ヒートポンプ１０の圧縮機１２への過剰な負荷を防止してヒートポンプ１０の寿命を保持する等のために、自動的に停止する自動停止機能を有する。このため、凝縮器１３に流入する原水の水温が許容値以下の場合には、ＲＯ給水をヒートポンプ１０で加熱することができない。
【００２９】
そこで、本発明では、次に説明する図１の実施の形態の通り、凝縮器１３に流入する原水の水温を高くする手段を設けることにより、かかる自動停止機能を作動させないようにし、ＲＯ給水を常時ヒートポンプで加熱できるようにしたものである。
【００３０】
図１のヒートポンプシステムでは、原水タンク２内の原水をポンプ３３ａ及びバルブ３３ｂを介して中継タンク（第２タンク）３４に送水する。中継タンク３４には水位センサ（図示略）が設けられており、ポンプ３３ａ及びバルブ３３ｂは、中継タンク３４内の水位が所定水位に維持されるように水位センサに連動して操作される。
【００３１】
中継タンク３４内の水は、前記ポンプ３１及び配管３２を介して凝縮器１３に送水され、伝熱チューブ１３ａを流通することにより加熱され、配管３３に流出する。
【００３２】
この実施の形態では、配管３３の末端は、流路切替手段としての切替弁３７の流入ポートに接続されている。切替弁３７の第１流出ポートは配管３８を介して中継タンク３４に接続され、第２流出ポートは配管３９を介して原水タンク２に接続されている。なお、切替弁３７は三方弁型となっているが、二方型の弁を配管３８，３９に設けてもよい。
【００３３】
配管３２に、凝縮器１３への流入水温を測定するための温度センサ３５が設置されており、この検出信号がバルブ制御器３６に入力されている。バルブ制御器３６は、温度センサ３５の検出水温Ｔが所定温度Ｔ０よりも低いときには、配管３３と配管３８を連通させ、凝縮器１３の流出水の少なくとも一部を配管３８を介して中継タンク３４に送水する。検出水温Ｔが該所定温度Ｔ０よりも高いときには、配管３３，３９を連通させ、凝縮器１３の流出水の大部分又は全量を原水タンク２に戻す。
【００３４】
検出水温Ｔが所定温度Ｔ０よりも低い場合、Ｔ０−Ｔが大きくなるほど配管３３から中継タンク３４に送水する割合を増加させることが好ましい。
【００３５】
検出水温Ｔが所定温度Ｔ０よりも高い場合、Ｔ０−Ｔが大きくなるほど配管３３から中継タンク３４に送水する割合を減少させ、予め設定した温度ＴＨ（ＴＨ＞Ｔ０）に達したならば、配管３３からの水の全量を原水タンク２に送水することが好ましい。
【００３６】
上記所定温度としては、ヒートポンプ１０の自動停止基準温度（この場合１６℃）又はそれよりも若干高い（例えば２１〜２５℃以内）温度が好適である。
【００３７】
中継タンク３４の容量は、原水タンク２よりも小さい容量であり、更に、ヒートポンプの温度による自動停止が動作しない以下の条件を満たす容量であることが好ましい。
Ｖ＜（ｔＬ×Ｑ）／（Ｃｐ×（ＴＬ−Ｔｍｉｎ））
Ｖ：中継タンク容量（ｍ３）
Ｃｐ：水の比熱（Ｍｃａｌ／ｍ３）
ＴＬ：自動停止基準温度（℃）
ｔＬ：自動停止基準温度検知から自動指定が動作するまでの時間（ｈｒ）
Ｔｍｉｎ：ヒートポンプへの補給水の最低温度条件（℃）
Ｑ：ヒートポンプの加熱能力（Ｍｃａｌ／ｈ）
【００３８】
例えば、ヒートポンプの加熱能力（Ｑ）が４００Ｍｃａｌ／ｈで、０．５時間以内に５℃から１６℃まで加温できる最大の中継タンク３４の容量は、水の比熱Ｃｐ＝１Ｍｃａｌ／ｍ３とするとＶ＝（０．５×４００）／［１×（１６−５）］＝１８ｍ３となる。
【００３９】
なお、上記条件においては、原水タンクが１８ｍ３未満の場合は、中継タンクを省略してもよい。
【００４０】
この実施の形態によると、ヒートポンプ１０の凝縮器１３の伝熱チューブ１３ａに供給される水の水温が前記基準温度Ｔ０以上となるように制御が行われているため、ヒートポンプ１０が自動停止することがなく、ＲＯ装置６への給水を継続して安定して加熱することができる。
【００４１】
この実施の形態においても、図２の参考例と同様に、ヒートポンプ１０の温熱源として、冷凍システム２０に設置された空調機等の熱交換器２４から流出する温媒体を用いており、冷凍機本体２１の冷凍負荷を低減することができる。
【００４２】
なお、図１では、蒸気式熱交換器４を用いているが、蒸気式熱交換器４の代わりに蒸気以外を熱源とする熱交換器を設置してもよい。本発明は、ＲＯ装置給水以外の流体を加熱する用途にも適用することができる。また、ヒートポンプ１０の熱源は冷凍システム排熱以外の熱源であってもよい。
【符号の説明】
【００４３】
２  原水タンク
４  蒸気式熱交換器
６  ＲＯ装置
１０  ヒートポンプ
１１  蒸発器
１２  圧縮機
１３  凝縮器
１４  膨張弁
２０  冷凍システム
２１  冷凍機本体
２４  熱交換器
３４  中継タンク
３５  温度センサ
３７  切替弁
４０  冷却塔
【要約】
【課題】ヒートポンプによって被加熱流体を継続して効率よく加熱することができるヒートポンプシステムを提供する。
【解決手段】原水は原水タンク２から中継タンク３４を経てヒートポンプ１０の凝縮器１３で加熱された後、原水タンク２に戻り、ＲＯ装置６に供給される。ヒートポンプ１０の蒸発器１１の伝熱チューブ１１ａには、冷凍システム２０の熱交換器２４から流出する温媒体の一部が流通される。凝縮器１３に供給される原水の温度が所定温度よりも低い場合、凝縮器１３で加熱された原水の一部を切替弁３７から中継タンク３４に循環させる。
【選択図】図１【図１】
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【図２】
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