(57)【要約】【課題】  蒸発器あるいは蒸発器と圧縮機を接続する配管でドレンが発生し、そのドレンが高速気流に同伴されて粗大な液滴が発生しそれが圧縮機に流入すると液滴が圧縮機翼に衝突しエロージョンを発生する可能性がある。このエロージョンの発生を抑制し、ドレンの発生を抑え信頼性の低下を抑制したヒートポンプ装置を提供する。【解決手段】  熱源からの熱で液水を蒸発させて蒸気を生成する蒸発器１１と、前記蒸発器１１で生成された蒸気を圧縮する圧縮機とを備えたヒートポンプ装置において、前記蒸発器１１で生成され前記圧縮機に流入する前の蒸気を加熱する過熱装置１２を備えたことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源からの熱で液水を蒸発させて蒸気を生成する蒸発器と、前記蒸発器で生成された蒸気を圧縮する圧縮機とを備えたヒートポンプ装置において、
前記蒸発器で生成され前記圧縮機に流入する前の蒸気を加熱する過熱装置を備えたことを特徴とするヒートポンプ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のヒートポンプシステムにおいて、
前記過熱装置で加熱される蒸気の過熱度を調整する調整装置を備えたことを特徴とするヒートポンプ装置。
【請求項３】
請求項２に記載のヒートポンプシステムであって、
前記過熱装置で加熱される蒸気の過熱度が１０℃を超えないよう構成されたことを特徴とするヒートポンプ装置。
【請求項４】
熱源からの熱で液水を蒸発させて蒸気を生成する蒸発器と、前記蒸発器で生成された蒸気を圧縮する圧縮機とを備えたヒートポンプ装置において、
前記蒸発器で生成された蒸気を、圧縮機吐出蒸気との熱交換により加熱するよう構成したことを特徴とするヒートポンプ装置。
【請求項５】
熱源からの熱で液水を蒸発させて蒸気を生成する蒸発器と、前記蒸発器で生成された蒸気を圧縮する圧縮機とを備えたヒートポンプ装置において、
前記蒸発器上部を覆う蒸気ジャケットを有し、前記蒸気ジャケットに圧縮機吐出蒸気を供給させるよう構成したことを特徴とするヒートポンプ装置。
【請求項６】
請求項５に記載のヒートポンプ装置であって
前記蒸気ジャケット内で凝縮した蒸気を、前記蒸発器の供給水として利用できるよう構成したことを特徴とするヒートポンプ装置。
【請求項７】
熱源からの熱で液水を蒸発させて蒸気を生成する蒸発器と、前記蒸発器で生成された蒸気を圧縮する圧縮機とを備えたヒートポンプ装置において、
前記蒸発器で生成された蒸気を圧縮機に導く配管を、圧縮機吐出蒸気を熱利用施設に供給する配管で取り囲むよう構成したことを特徴とするヒートポンプ装置。
【請求項８】
熱源との熱交換により蒸発器で液水を蒸発させて蒸気を生成し、生成した蒸気を圧縮機で圧縮して熱利用設備に供給するヒートポンプシステムの運転方法であって、
前記蒸発器で生成した蒸気を、前記圧縮機に流入させる前に加熱することを特徴とするヒートポンプ装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気を供給するヒートポンプシステムに関わる。
【背景技術】
【０００２】
水を作動媒体としたヒートポンプに関し、１００℃以上の蒸気を供給する技術が特開２００６−１９４２４２に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１９４２４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特開２００６−１９４２４２号公報には、蒸発器から圧縮機に至る経路に関しては特に記載はない。蒸発器あるいは蒸発器と圧縮機を接続する配管でドレンが発生し、そのドレンが高速気流に同伴されて粗大な液滴が発生しそれが圧縮機に流入すると液滴が圧縮機翼に衝突しエロージョンを発生する可能性がある。エロージョンとは固体面上に高速の粒子が衝突し物理的な力により固体壁面に損傷を与える現象であり、壊食とも言われる。エロージョンが発生すると圧縮機翼に沿った気体の流れが乱されるため性能が低下し圧縮機の信頼性，耐久性を低下させる原因になる。
【０００５】
本発明の目的は、ドレンの発生を抑え信頼性の低下を抑制したヒートポンプ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は、熱源からの熱で液水を蒸発させて蒸気を生成する蒸発器と、前記蒸発器で生成された蒸気を圧縮する圧縮機とを備えたヒートポンプ装置において、
前記蒸発器で生成され前記圧縮機に流入する前の蒸気を加熱する過熱装置を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、ドレンの発生を抑え信頼性の低下を抑制したヒートポンプ装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
最初に水を作動媒体とするヒートポンプシステムの蒸発器に関し、詳細に説明する。
【０００９】
（ヒートポンプの説明）
図６は、比較例である水蒸気発生型ヒートポンプシステムの構成図を示す。このシステムは、排熱を熱源とする蒸発器を備え、蒸発器で生成した蒸気を圧縮機で昇温昇圧し、この高温高圧蒸気を需要先へ供給するよう構成されている。具体的には、供給水３０と外部熱源である排熱１０とを熱交換することで飽和蒸気を生成する蒸発器１１と、生成された飽和蒸気を圧縮する水蒸気圧縮機システム１と、水蒸気圧縮機システム１を駆動する電動モータ２とから構成される。本例における水蒸気圧縮機システム１は、電動モータ２に連結された増速ギア及びピニオンギア４を介した第一段３１，第二段３２，第三段３３，第四段３４の４段の圧縮機から構成されているが、所定の圧力比を満足する仕様であれば、段数は４段である必要はない。また、多段の水蒸気圧縮機システム１の代わりに複数の圧縮機を設置したものを用いてもよい。
【００１０】
水蒸気圧縮機システム１の各段間では、供給水３０の一部が給水配管４１ｂを通して第一段と第二段の段間に設置された噴霧冷却装置４１，第二段と第三段の段間に設けられた噴霧冷却装置４２，第三段と第四段の段間に設置された噴霧冷却装置４３に供給される。各装置からの微細液滴噴霧により水蒸気圧縮機システム１の作動流体である水蒸気が冷却され、次の段に流入する水蒸気の過熱度を小さくするように制御されて圧縮動力の低減が図られている。蒸気圧縮機の段数が異なる場合にも、各段間にそれぞれ噴霧冷却装置が設置されて蒸気が冷却される。第四段圧縮機３４に流入した蒸気は所定の圧力まで圧縮され、高温高圧（例えば圧力０.３ＭＰａ，温度約２００℃）の過熱蒸気となり、圧縮機吐出配管３４ｂ，弁３８を介して製紙工場や食品工場，化学工場など蒸気を必要とする熱利用施設２０へ工業用熱源として供給される。
【００１１】
上述のヒートポンプシステムを蒸気供給のために利用する場合には、以下の２点の課題がある。
【００１２】
１点目は蒸発器１１で発生する蒸気は通常飽和蒸気であり、蒸発器１１あるいは蒸発器と圧縮機第一段３１を接続する低圧蒸気配管１２ｂに放熱があると飽和蒸気が冷却され凝縮（ドレン水）を生じる。低圧条件では水蒸気の比容積が大きくなり、そのため本発明のヒートポンプシステムの低圧蒸気配管１２ｂ内の蒸気流速は例えば数１０ｍ／ｓである。この高速気流にドレン水が同伴し、粗大な液滴となって圧縮機第一段３１に流入し、圧縮機翼に衝突しエロージョンを生じる恐れがある。エロージョンが発生すると流体力学的に滑らかに加工された圧縮機翼面が粗面になり流動抵抗が増大するため圧縮機性能が低下し、機器の信頼性・健全性が損なわれる原因になる。
【００１３】
２点目は、圧縮機に流入する蒸気の圧力が同じであっても、蒸気温度が高くなると圧縮動力が増加しヒートポンプとしての性能が低下する点である。蒸発器あるいは配管で発生した液滴を蒸発させる目的で過熱器を設置し飽和水蒸気を加熱する場合、加熱量を大きくすれば液滴を蒸発させることはできるが蒸気の過熱度も大きくなることに注意すべきである。図７は蒸気圧を一定とし、蒸気を加熱して過熱状態としていった場合の圧縮機流入蒸気温度が圧縮動力に与える影響の計算例である。前述したように過熱度が３０℃になると飽和蒸気の場合に比べ、圧縮動力が相対値として約６％増加するとの結果が示されている。
【００１４】
このように、排熱１０を利用したヒートポンプシステムでは、蒸発器１１において発生させた飽和蒸気に粗大な液滴を含ませずに圧縮機に流入させることが求められる。また、水蒸気圧縮機に流入する蒸気の過熱度は大きくなりすぎないように制御することが望ましい。以下説明する本発明の各実施例であるヒートポンプ装置は、蒸発器１１で生成され圧縮機に流入する前の蒸気を加熱する過熱装置である過熱器１２を備えているため、ドレンの発生を抑え信頼性の低下を抑制することができる。また、過熱装置である過熱器１２で加熱される蒸気の過熱度を調整する調整装置５０を備えているため、過熱度の増大を抑制し、圧縮動力の増加を抑制できる。さらに、蒸発器１１で生成された蒸気を圧縮機吐出蒸気との熱交換により過熱するよう構成しているため、新たな加熱源を別途用意する必要がなく、熱の有効利用が可能である。
【実施例１】
【００１５】
図１をもとに、本発明の実施例１について説明する。図１は本発明の一実施例であるヒートポンプシステムの構成図を示す。図６と重複する機器については同一番号とし、詳細な説明は省略する。
【００１６】
供給水３０は分岐点３０ａおよび弁３７を通過して蒸発器１１に供給される。蒸発器１１には外部熱源である排熱１０から例えば７０℃程度の温水として排熱回収ライン１０ｂを通して熱が供給され、水蒸気（例えば圧力０.０２ＭＰａ気圧の飽和水蒸気）を発生する。発生した水蒸気は過熱器１２，低圧蒸気配管１２ｂを経て初段圧縮機３１に流入し昇圧され、それ以降の蒸気配管と各段圧縮機に導かれ順次昇圧されていく。
【００１７】
水蒸気は圧縮された場合に温度上昇が大きく高温の過熱状態となる傾向が強い気体である。そのため最終段圧縮機３４を出た水蒸気は、吐出圧力に対する蒸気飽和温度よりも数１０℃から１００℃以上温度の高い過熱蒸気となることがある。本発明ではこの過熱状態となった圧縮機吐出蒸気を過熱器の加熱源に利用する。圧縮機吐出の過熱蒸気は過熱度調整装置５０により分流され一部が蒸発器１１の上部に位置する過熱器１２の熱交換部３５ｂに導かれ、蒸発器１１から発生した飽和蒸気に熱を与える。過熱度調整装置５０は高温側流体である圧縮機吐出過熱蒸気の流量を調整することにより低温側流体である飽和蒸気に与える熱量を制御する機能を有するもので、図示はしていないが流量制御弁，蒸気温度検出器および設定過熱度になるように流量制御弁をコントロールする演算装置から構成される。熱交換部３５ｂを通過した高温側の過熱蒸気は熱交換部３５ａの合流部で再度圧縮機吐出過熱蒸気と合流し蒸気配管３６ｂ，弁３８を介して蒸気を必要とする熱利用施設２０へ工業用熱源として供給される。
【００１８】
図２を用いて蒸発器１１の上部に設置する過熱器１２の構造例について説明する。図２は、実施例１のヒートポンプシステムの蒸発器１１周りの構造図を示す。図２で示した過熱器１２は、蒸発器１１から発生した蒸気を過熱器の熱交換部３５ｂが取り囲む構造、蒸発器上部を蒸気ジャッケットで覆った構造になっている。このような構造において過熱器の熱交換部３５ｂに高温の過熱蒸気を流すならば、過熱器内側の壁面は、蒸発器１１から発生した飽和蒸気の飽和温度以上の壁面に囲まれているので蒸発器１１から発生した蒸気が過熱器内部の壁面上で凝縮することを抑制できる。なお、ヒートポンプ装置の起動時等で配管や過熱器が充分に暖まっていない状態で熱交換部３５ｂに過熱蒸気を流した場合、装置の熱容量により熱交換部３５ｂ内で過熱蒸気が冷却され凝縮水が発生する状況が考えられる。
【００１９】
熱交換部３５ｂに加えられる蒸気は圧縮機吐出蒸気であり供給水３０よりも圧力が高いので、弁３９をあけることにより熱交換部３５ｂ内の凝縮水を排出し供給水に合流させることができる。この操作により凝縮水の保有熱量を蒸発の目的に有効に活用することができる。
【００２０】
一般に飽和蒸気を発生する容器を断熱材で覆ったとしても、周囲の雰囲気温度が蒸気飽和温度よりも低い場合は、内壁面の温度が露点温度以下になる場合があり壁面で凝縮し液滴や液膜を生じる。この液滴や液膜が蒸気に同伴される場合には粗大な液滴になり易い。蒸気中に粗大な液滴を同伴させないためには、壁面を飽和温度以上に維持できる構造を提供することが重要である。実施例１のヒートポンプシステムにおける基本概念は、壁面を飽和温度以上に維持することで、蒸発器で発生した飽和蒸気を凝縮させないことにある。このことが、圧縮機吸気蒸気に粗大な液滴を含ませずに圧縮機に流入させるための要点になる。図２で示した構造は、壁面を飽和温度以上に維持する目的に好適である。過熱器１２は過熱器内壁が飽和温度以下とならないように外側から加熱できる構造であれば良く、図２で示した一体型蒸気ジャケットに限定されるものではない。
【００２１】
過熱器１２により蒸気に与える過熱度ΔＴは１０℃以下とすることが望ましい。その理由を以下に示す。
【００２２】
一般に圧縮機に流入する気体の温度を上昇させると圧縮動力は増加する。そのため液滴流入を抑制するために水蒸気を過熱する場合、圧縮機入口における蒸気温度を高くすると（過熱度を大きくすると）圧縮動力も大きくなる。図７は圧縮機入口蒸気過熱度と圧縮動力の関係を示す。この図では蒸気を１０℃過熱した場合は過熱がない場合に比べ圧縮動力が約２％増大し、２０℃過熱の場合は約４％、３０℃過熱の場合は約６％増大することが示されている。図７に示すようにΔＴが小さいほど圧縮動力は低減できるので、ΔＴは小さな値が望ましい。
【００２３】
しかしながら、近年、圧縮機吸気に微細な液滴（圧縮機翼にエロージョンを生じさせない程度の微細な液滴）を噴霧し、その液滴が圧縮機内で蒸発する際の気化熱を積極的に利用して圧縮時の気体温度の上昇を抑え、圧縮動力を低減する吸気噴霧冷却技術が開発され実用化が進みつつある。
【００２４】
このような状況から、圧縮機の信頼性や耐久性を向上させ、圧縮動力の増加の抑制あるいは圧縮効率を向上させる目的のためには、圧縮機に粗大な液滴が流入しないようにすればよく、微細な液滴はむしろ圧縮動力の低減に望ましいことが分かってきている。したがって、液滴を蒸発させる目的で熱交換器を設置する場合には、どの程度蒸気を過熱するのが適当かを指定するのもポイントである。
【００２５】
一方、圧縮機やヒートポンプシステムの特性からある程度の過熱度ΔＴを確保しておくのが望ましい要因もある。例えば、圧縮機の吸気口近傍では気体流速は音速程度の大きさとなる。そこでは気体の内部エネルギーが速度エネルギーに変換されるため気体温度は低下し、その低下量は概ね５℃程度である。また、圧縮機間を接続する蒸気配管の自然放熱により蒸気温度が低下することを想定した場合５℃程度の温度低下を見込んでおくことが現実的である。放熱損失は低減することが可能であるが、前述の要因を考慮して双方の和をとりΔＴを１０℃としておけば蒸気が飽和温度以下に下がることはないものと推定される。したがって、圧縮動力の増加を抑えながら、蒸気の凝縮をさける運用のために過熱器で与える過熱度は１０℃以下を想定する。
【００２６】
なお、過熱器で蒸気を過熱することにより蒸気に同伴されている微細な液滴は一部が蒸発し残りは液滴径が小さくなっている。そのため圧縮機内部で圧縮されながら蒸発し圧縮機吐出温度の上昇を抑える吸気噴霧冷却効果が期待でき、圧縮機初段の動力低減に有効である。
【００２７】
次に図３を用いて、本実施例のヒートポンプシステムに用いられる過熱器の別の例を示す。図３は、実施例１のヒートポンプシステムの蒸発器１１周りの構造図を示す。この例は、過熱器１２の熱源として圧縮機吐出の過熱蒸気を利用せずに、熱源である排熱１０から回収された排熱を過熱器の熱交換部３５ｂに供給した例である。この構成は蒸発器１１と過熱器１２の熱源を共用できるので、構成を単純化することができる。しかし、図２と図３では蒸発器から発生できる蒸気温度，蒸気圧力が異なることに注意が必要である。
【００２８】
例えば７０℃の排温水が排熱回収ライン１０ｂを介して与えられた場合、図２で示した構成では７０℃の温度を蒸気発生に利用することが可能だが、図３で示した構成の場合は蒸気過熱に熱を消費してしまうため蒸気発生に利用できる温度は例えば６５℃に下がる。低圧水蒸気の場合、温度により飽和蒸気圧力は大きく変化し６５℃の飽和蒸気圧は０.２５ＭＰａ、７０℃の飽和蒸気圧は０.３１ＭＰａである。仮に蒸気を発生させる熱源温度が５℃下がると、それは圧縮機で０.２５ＭＰａから０.３１ＭＰａまで圧縮する仕事が余計に必要になることを意味する。排熱から水蒸気を発生させる場合は極力温度を下げずに熱回収することが必要であり、その目的には図３で示した構成よりも図２で示した構成が好ましいといえる。
【実施例２】
【００２９】
図４をもとに、本発明の実施例４について説明する。図４は本発明の一実施例であるヒートポンプシステムの構成図を示す。図１，図６と重複する機器については同一番号とし、詳細な説明は省略する。
【００３０】
図４で示すヒートポンプシステムは、蒸発器１１と圧縮機第一段３１を結ぶ低圧蒸気配管１２ｂを過熱器１２として利用する構造を有する。この実施例では蒸発器１１で生成された蒸気を圧縮機に導く配管である低圧蒸気配管１２ｂを圧縮機吐出蒸気を熱利用施設に供給する配管の一部である過熱器１２の熱交換部３５ｂが外側から取り囲む構造となっている。この場合も蒸発器で発生した飽和蒸気は自分よりも温度の高い壁面で囲まれることになるので凝縮の発生を抑制できる。
【００３１】
図５は実施例２であるヒートポンプシステムの過熱器１２の構造図を示す。これは、低圧蒸気配管１２ｂを取り囲む熱交換部３５ｂの構造例を示したものである。図５（ａ）は低圧蒸気配管１２ｂと圧縮機吐出の過熱蒸気配管である熱交換部３５ｂが同軸の２重配管となっている例、図５（ｂ）は低圧蒸気配管１２ｂの周囲に細い過熱蒸気配管である熱交換部３５ｂが束状になって取り巻いている例を示す。いずれの方式においても配管１２ｂの壁面が飽和温度以上に維持するのに好適である。なお、図１に示した実施例１と図４に示した実施例２とを組み合わせた構造も勿論可能である。その場合も壁面を飽和温度以上に維持するのに好適である。
【００３２】
以上説明した本発明の各実施例であるヒートポンプ装置を用い、蒸発器で生成した蒸気を圧縮機に流入させる前に加熱すれば、ドレンの発生を抑え信頼性の低下を抑制した運転が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】実施例１であるヒートポンプシステムの構成図を示す。
【図２】実施例１のヒートポンプシステムの蒸発器１１周りの構造図を示す。
【図３】実施例１のヒートポンプシステムの蒸発器１１周りの構造図を示す。
【図４】実施例２であるヒートポンプシステムの構成図を示す。
【図５】実施例２であるヒートポンプシステムの過熱器１２の構造図を示す。
【図６】比較例であるヒートポンプシステムの構成図を示す。
【図７】圧縮機入口蒸気過熱度と圧縮動力の関係を示す。
【符号の説明】
【００３４】
１  水蒸気圧縮機システム
２  電動モータ
３  増速ギア
４  ピニオンギア
５  ポンプ
１０  排熱
１０ｂ  排熱回収ライン
１１  蒸発器
１２  過熱器
１２ｂ  配管
２０  熱利用施設
３０  供給水
３０ａ，３１ａ，３２ａ，３３ａ  分岐点
３１  第一段
３１ｂ，３２ｂ，３３ｂ，３６ｂ  蒸気配管
３２  第二段
３３  第三段
３４  第四段
３４ｂ  圧縮機吐出配管
３５ｂ  熱交換部
３７，３８，３９  弁
４１  噴霧冷却装置
４１ｂ  給水配管
５０  調整装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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