(57)【要約】【課題】  熱源の温度変動による蒸気の生成量の変化に対応した制御により、所望の圧力の蒸気を需要先に安定的に供給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】  熱源からの熱で水を蒸発させて蒸気を生成する蒸発器１と、前記蒸発器１で生成された蒸気を圧縮する圧縮機２と、前記圧縮機２で圧縮された蒸気を蒸気利用施設に供給する配管３を備えたヒートポンプシステムにおいて、前記圧縮機２に流入する蒸気流量を計測する流量計測手段１３と、該計測された蒸気流量を入力信号に含み、前記圧縮機の回転数指令値を出力信号に含む制御装置１４を備えたことを特徴とする。【選択図】図４
2009103421.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源からの熱で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システムにおいて、
蒸気流量または熱源の熱量に基づいて、前記圧縮機の回転数を制御する制御装置を備えたことを特徴とするヒートポンプシステム。
【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、
前記制御装置は、前記圧縮機の圧力比が所望の範囲になるよう回転数を制御するよう構成されていることを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項３】
熱源からの熱で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、前記圧縮機で圧縮された蒸気を蒸気利用施設に供給する配管を備えたヒートポンプシステムにおいて、
前記圧縮機に流入する蒸気流量を計測する流量計測手段と、該計測された蒸気流量を入力信号に含み、前記圧縮機の回転数指令値を出力信号に含む制御装置を備えたことを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項４】
請求項３に記載のヒートポンプシステムにおいて、
前記制御装置は、
前記流量計測手段で計測された蒸気流量を入力したときに圧力比が出力される圧縮機性能演算回路と、前記圧力比が、あらかじめ定められた範囲内になるように圧縮機性能演算回路への入力回転数を特定して出力する回転数決定回路とを備えたことを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項５】
請求項３に記載のヒートポンプシステムにおいて、
前記制御装置は、
蒸気流量と回転数を入力信号に含み、圧力比を出力信号に含む圧縮機性能演算回路と、
該圧縮機性能演算回路から出力された圧力比と目標圧力比とを入力信号として含み、該二つの圧力比の偏差が所望の範囲内にない場合には、前記圧縮機性能演算回路への入力信号とするために変更した回転数を出力し、該二つの圧力比の偏差が所望の範囲内にある場合には、変更なき回転数を出力する回転数決定回路と、
該回転数決定回路から出力された前記変更なき回転数を入力信号として含み、回転数指令値を出力信号として含む出力回路と
を備えたことを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項６】
請求項５に記載のヒートポンプシステムにおいて、
前記回転数決定回路は、該圧縮機性能演算回路から出力された圧力比の入力がない場合には、前記圧縮機性能演算回路への入力信号とするために前記目標圧力比に対応した回転数を出力するよう構成されていることを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項７】
請求項５に記載のヒートポンプシステムであって、
前記圧縮機性能演算回路は、前記圧縮機の性能特性関数の演算により圧力比を得られるよう構成されていることを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項８】
排熱温水との熱交換により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、前記圧縮機で圧縮された蒸気を蒸気利用施設に供給する配管を備えたヒートポンプシステムにおいて、
熱交換前の前記排熱温水の熱量を計測する熱量計測手段と、該計測された熱量を入力信号に含み、前記圧縮機の回転数指令値を出力信号に含む制御装置を備えたことを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項９】
請求項８に記載のヒートポンプシステムにおいて、
前記制御装置は、
前記熱量を入力信号に含み、蒸気量を出力信号に含む蒸発量演算回路と、
該蒸発量演算回路で出力された前記蒸気量と回転数とを入力信号に含み、圧力比を出力信号に含む圧縮機性能演算回路と、
該圧縮機性能演算回路から出力された圧力比と目標圧力比とを入力信号として含み、該二つの圧力比の偏差が所望の範囲内にない場合には、前記圧縮機性能演算回路への入力信号とするために変更した回転数を出力し、該二つの圧力比の偏差が所望の範囲内にある場合には、変更なき回転数を出力する回転数決定回路と、
該回転数決定回路から出力された前記変更なき回転数を入力信号として含み、回転数指令値を出力信号として含む出力回路と
を備えたことを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項１０】
熱源からの熱で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システムに用いられる制御装置であって、
蒸気流量または前記熱源の熱量に基づいて、前記圧縮機の回転数を制御するよう構成されたことを特徴とする制御装置。
【請求項１１】
熱源からの熱で、蒸発器で水を蒸発させて蒸気を生成し、生成された蒸気を圧縮機で圧縮するヒートポンプシステムの制御方法であって、
蒸気流量または前記熱源の熱量に基づいて、前記圧縮機の回転数を制御することを特徴とするヒートポンプシステムの制御方法。
【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】
近年、エネルギー有効利用の観点から、今まであまり有効利用されていなかった工場や変電所，ビルなどの排熱を、排熱利用装置により有効利用することが推進されている。この排熱利用装置の一つとしてヒートポンプシステムがある。
【０００３】
このようなシステム構成について、例えば特開２００７−１０２４３号公報では、安定運転を目的に、生成した蒸気を分岐させて蒸発器に導く戻り流路を設置する技術や、これを用いた運転方法が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１０２４３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、排熱を利用するヒートポンプシステムにおいて、熱源の温度変動による蒸気の生成量の変化に対応した制御については充分に検討されていない。
【０００６】
本発明の目的は、熱源の温度変動による蒸気の生成量の変化に対応した制御により、所望の圧力の蒸気を需要先に安定的に供給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にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、熱源からの熱で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、前記圧縮機で圧縮された蒸気を蒸気利用施設に供給する配管を備えたヒートポンプシステムにおいて、前記圧縮機に流入する蒸気流量を計測する流量計測手段と、該計測された蒸気流量を入力信号に含み、前記圧縮機の回転数指令値を出力信号に含む制御装置を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によると、熱源の温度変動による蒸気の生成量の変化に対応した制御により、所望の圧力の蒸気を需要先に安定的に供給することができるヒートポンプシステムを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
製紙工場や清掃工場等の蒸気需要先に蒸気を供給する場合、蒸気ボイラを用いるのが現在の主流である。工場等に供給される蒸気はその用途が明確である場合が多く、所望の蒸気圧，蒸気供給量を満たす仕様のボイラの設置が要求される。また、蒸気需要先は、蒸気供給量が調整可能であることを求められる場合もある。そのためボイラは蒸気供給量を±２０％程度調整可能であることが望ましい。
【００１０】
これらの要件を満たすための技術として、ボイラで生成される蒸気の圧力や流量を制御する技術が知られている。この制御技術には、ボイラの燃焼を制御しコントロールするものや給水ポンプを制御してボイラ水位を設定値に保持するものがある。また近年、エネルギー有効利用の観点から、今まであまり有効利用されていなかった工場や変電所，ビルなどの排熱を、排熱利用装置により有効利用することが推進されている。この排熱利用装置の一つとしてヒートポンプシステムがある。
【００１１】
発明者らはこのような背景の下、需要先へ蒸気を供給するに際しヒートポンプシステムを用いることの有効性について検討を重ね、以下の知見を得た。
【００１２】
ヒートポンプシステムを利用して蒸気需要先に蒸気を供給する場合、水を作動媒体とし、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、昇温昇圧された高温高圧の蒸気を需要先へ供給するシステムを用いることができればエネルギー効率の点で有利である。また、圧縮機の作動流体が水蒸気であると、別の作動流体を用いる場合と比べ、媒体重量あたりに搬送できるエネルギー量を飛躍的に向上できるという利点もある。
【００１３】
ただしこのシステムを用いるためには、排熱の温度が常に変動しているという問題に対処する必要がある。ここで、発明者らは次の点に注目した。熱源である排熱の温度変動は、蒸発器で生成される蒸気の量や圧力，温度の変動につながる。なお定常運転中、通常は蒸発器内には常に液体が存在しており、蒸発器内の相対湿度は常に略１００％である。そのため蒸発器で生成される蒸気の圧力と温度は、どちらかが定まればもう一方は一義的に定まるという関係にある。圧縮機は作動流体がある一定の圧力，流量のときに最適な運転ができるよう設定されているため、蒸気量や蒸気圧力の変動により圧縮機の運用性は低下する。また蒸気の流量，圧力の変動はサージ発生等の危険性を高め、圧縮機の信頼性を低下させる。
【００１４】
この問題は、排熱を熱源として利用するヒートポンプシステム特有の問題である。前述の蒸気ボイラは蒸気供給のために運転されるため、蒸気供給の際に最適となるような制御が容易である。一方、ヒートポンプシステムを用いる場合、熱源である排熱は蒸気供給のために発生させる熱ではなく別系統で発生した熱である。この熱は副次的に利用されるものであり、ヒートポンプシステムの運転に合わせて排熱の温度を制御することは困難である。
【００１５】
後述する各実施例は、上記問題点、すなわちヒートポンプシステムを用いた蒸気供給システムにおいて熱源の温度変動により生じる種々の問題を解決するための構成やその作用，効果を説明するためのものである。
【００１６】
（比較例のヒートポンプシステム）
本発明のヒートポンプシステムを説明するにあたり、まず、比較例のヒートポンプシステムを図６を用いて説明する。
【００１７】
図６は、比較例であるヒートポンプシステムの構成を示す。比較例のヒートポンプシステムは、熱源である排熱温水４からの熱で水を蒸発させて蒸気を生成する蒸発器１と、蒸発器１で生成された蒸気を圧縮する圧縮機２と、圧縮機２で圧縮された蒸気を蒸気利用施設に供給する蒸気供給配管３を基本構成要素としている。これらで構成される系を制御するために、蒸発器１の出口に備えられた圧力センサ６と、圧力センサ６で計測された圧力信号を受け取る給水制御装置７と、給水制御装置７からの指令信号を受けて補給水５の流量を調整するポンプ８を備えている。
【００１８】
次に、排熱温水４の温度や流量が変動した場合について説明する。排熱温水４の温度の変動や、流量の変動は、共に排熱温水４の熱量の変動につながる。そのため、以下、排熱温水４温度や流量の変動を、熱量の変動と総称する。
【００１９】
排熱温水４の熱量の変動に対する、比較例のヒートポンプシステムの制御と動作は以下のようになる。例えば、排熱温水４の熱量が減少した場合、補給水５の流量が変化せずそのままであれば、蒸発器１に流入した補給水は、蒸発に必要な飽和温度まで昇温されにくくなり、瞬間的に蒸気の発生量が減少し、圧縮機２に供給される蒸気の圧力が低下する。この蒸気圧力の変化は、圧力センサ６の計測値を受け取る給水制御装置７で、蒸気圧力の制御設定値からの低下として検出される。給水制御装置７では、検出された圧力低下量に応じて、ポンプ８に送る補給水５の流量を減らすべく、流量指令値を低下させる。流量指令値が低下すると、ポンプ８が蒸発器１に流入させる補給水５の流量が減るため、蒸発器１内に供給された補給水が昇温されやすくなる。そうすると下がっていた蒸気圧力が上昇する。
【００２０】
上昇後の蒸気圧力が制御設定値よりもまだ低ければ、この情報が再び圧力センサ６を介して給水制御装置７で検出され、ポンプ８を介して補給水５の流量がさらに絞られる。逆に、蒸気圧力が制御設定値よりも高ければ、補給水５の供給量は増加する。圧力センサ６の検出値が制御設定値を中心とする許容上下範囲内に維持されるよう、このような一連の操作が繰り返される。この一連の操作の繰り返しはＰＩＤ制御などの公知の制御方法で実現される。給水制御装置７の内部に備えられた制御盤には、この具体的な制御ロジックが実装されている。
【００２１】
以上説明した、比較例のヒートポンプシステムによる制御によれば、排熱温水４の熱量が変動した場合、すなわち温度または流量の少なくとも一方が変動した場合においても圧縮機２に流入する蒸気の圧力の変動を抑制することができる。
【００２２】
ところが、以下に述べるような問題もある。第一に、需要先へ所望の圧力・温度の蒸気を安定的に供給できないという問題が挙げられる。これは、排熱温水４の熱量変動に応じて実行される給水流量制御装置７による補給水５の流量制御の結果、蒸発器１での蒸気発生量が変動し、圧縮機２に供給される蒸気流量が変動するために、圧縮機の出口圧力・温度が変化するためである。
【００２３】
第二は、圧縮機がサージしたりするなど動作が不安定になる危険性が増加して信頼性が低下するという問題がある。これは、圧縮機２に供給される蒸気流量が変動することにより、圧縮機２の動作点が計画点からずれ、サージやチョーク、前段旋回失速などの動作が不安定化する領域に接近する可能性が増すためである。
【００２４】
第三は、圧縮機の効率が低下することである。これは、圧縮機２に供給される蒸気流量が変動することにより、圧縮機の動作点が計画点からずれることによるものである。圧縮機運転の計画点は通常、効率が最高になる動作点に設定されているため、計画点からずれると効率が低下する。
【００２５】
以上の課題を解決するために考え出された本発明の実施例であるヒートポンプシステムについて、以下説明する。
【００２６】
（実施例１）
本発明の実施例１について説明する。図１は、本発明の実施例１であるヒートポンプシステムの構成を示す。本システムは、上述の図６で示した比較例であるヒートポンプシステムの構成要素に加え、排熱温水４の熱量を計測する手段である熱量計測手段１０と、計測された熱量の信号を入力として受け、圧縮機２の駆動用モータ９に伝達する回転数指令値を出力する制御装置１１を備えている。
【００２７】
熱量計測手段１０は、具体的には公知のセンサや演算装置を組み合わせて実現できる。例えば、排熱温水４の系統に備えられた温度センサ１０１（図示省略）と、同じく排熱温水４の系統に備えられた流量計１０２（図示省略）と、該温度センサ１０１の計測値を入力として排熱温水４の比エンタルピを出力する換算手段１０３（図示省略）と、該換算手段１０３から出力された排熱温水の比エンタルピと前記流量計１０２で計測された流量を乗算して排熱温水４の熱量流量を出力する熱量流量計算手段１０４（図示省略）によって、前記熱量計測手段１０を構成することができる。ただし熱量計測手段１０はこの例に限らず、公知のセンシング技術や演算技術により排熱温水４の熱量流量を特定ないし推定する機能を有するものであればよい。
【００２８】
図２を用い、回転数制御装置の詳細を示す。図２は、本発明の実施例１であるヒートポンプシステムの制御装置１１の構成を示す。制御装置１１は、あらかじめ需要先の所望蒸気条件、例えば温度や単位時間当たりの流量等を満たすように定められた目標圧力比３３と、熱量計測手段１０で計測された熱量３１とを入力として受け取り、この２つの入力条件下における圧縮機２の回転数指令値３６を出力するものである。主要な内部回路として、蒸発量演算回路２１と、回転数決定回路２３と、圧縮機性能演算回路２２と、出力回路２４を備えている。以下に各内部回路の機能と、これらを組み合わせて実行される回転数制御の仕組みを述べる。
【００２９】
はじめに、蒸発量演算回路２１では、前記熱量計測手段１０で計測された排熱温水４の熱量３１を入力として受けて、この排熱条件下での蒸気発生量の予測値を演算して、蒸気量３２として出力する。この演算は、記号P_evapratorが蒸発器１の蒸気圧力の制御設定値、ｆ（P_evaprator）が圧力を入力として蒸気の比エンタルピを出力する蒸気物性関数、h_steamが蒸発器１の蒸気の比エンタルピ、Q_sourceが排熱温水４の熱量３１、G_steamが蒸発器１での蒸気発生量（蒸気量３２）を表すとして、次式（１）（２）によって実行される。
【００３０】
h_steam＝ｆ（P_evaprator）    （１）
G_steam＝Q_source／h_steam    （２）
一方、回転数決定回路２３は、後述する圧縮機性能演算回路２２から出力された圧力比３５と目標圧力比３３を入力として受け、この２つの圧力比の偏差があらかじめ定めた所望の範囲内にあるかどうか判定し（以下、圧力比判定と呼ぶ）、範囲内にない場合はこの偏差に応じて圧縮機２の回転数をもとの設定から変更し回転数３４として出力する。範囲内にある場合は、後述する出力回路２４に制御を渡す。回転数を変更して出力する場合の演算内容は、後に図３を用いて説明する。
【００３１】
ここで、回転数決定回路２３と圧縮機性能演算回路２２は、圧力比３５が戻されるフローによって、繰り返し計算のループを構成しているわけであるが、回転数決定回路２３に戻される圧力比３５がまだ一度も出力されていない１回目の計算では、回転数決定回路２３は、あらかじめ前記目標圧力比３３に応じて定められた回転数３４を出力する。
【００３２】
また、回転数を変更して出力する場合の、上記「もとの設定」とは、圧力比３５の戻りがまだ出力されていない１回目の計算では、あらかじめ目標圧力比３３に応じて定められた回転数３４をさし、圧力比３５の戻りが存在する２回目以降の繰り返しにおいては、前回の繰り返しで回転数決定回路２３から出力された回転数３４をさす。
【００３３】
圧縮機性能演算回路２２は、蒸発量演算回路２１から出力された蒸発量３２と、前記回転数決定回路２３から出力された回転数３４を入力として受け、この入力条件下での圧縮機２の圧力比の予想値を演算して圧力比３５として出力する。圧縮機２の圧力比の予想値を計算する演算の内容は、後に図３を用いて説明する。
【００３４】
出力回路２４は、回転数決定回路２３の圧力比判定で圧力比３５と目標圧力比３３の偏差があらかじめ定めた範囲内にあると判定されたときの回転数を、回転数指令値３６として制御装置１１の外部に出力する。この回転数指令値３６は圧縮機２を駆動するモータ９に伝達され、圧縮機２が指令値３６の回転数で運転される。
【００３５】
以上に述べた制御装置１１は、具体的には入出力端子と内部回路を有する制御盤として実現され、熱量３１と目標圧力比３３は制御盤への入力信号であり、蒸発量演算回路２１ならびに回転数決定回路２３，圧縮機性能演算回路２２，出力回路２４は制御盤内に実装された内部演算回路であり、蒸気量３２ならびに回転数３４，圧力比３５は前記内部演算回路間でやり取りされる内部入出力信号であり、回転数指令値３６は制御盤からの出力信号である。本実施例ではわかりやすく内部を分割したものについて説明したが、制御装置１１は同等機能の演算可能なものが実装されていればよく、内部構成はこれに限られるものでない。
【００３６】
なお本実施例において、制御される回転数の内容、すなわち圧縮機２の駆動モータ９に伝達される回転数の制御指令値３６は、圧縮機２の回転数として述べた。しかし、これは簡単のため圧縮機２とモータ９が同軸上にあり同じ回転数である場合を前提としたものである。圧縮機２と駆動モータ９の間にギアなどの駆動力伝達手段を介しており回転数が異なる場合、実際にモータ９に伝達される指令値は、圧縮機２の回転数が制御指令値３６になるようなモータ９の回転数指令値であってもよい。この場合、圧縮機２について、あらかじめ既知の対応関係に基づいて構築された回転数を入力とし、対応するモータ９の回転数を出力する回転数変換回路を、制御装置１１もしくは、モータ９に備えられた制御装置（図示省略）に設けるとよい。さらにこの回転数変換回路に対し、回転数指令値３６（図５）を入力信号として伝達し、出力されたモータ回転数指令値をモータ９の制御装置に伝達するように回路を構成するとよい。
【００３７】
以上に述べた本発明の制御装置１１は、以上に述べた一連の計算の繰り返し（すなわち、圧力比３５が圧縮機性能演算回路２２から回転数決定回路２３に戻され、回転数決定回路２３で圧力比判定されるループ）によって、排熱温水４の熱量変動に応じて、圧縮機２の圧力比３５があらかじめ定めた目標値３３の許容範囲内になるような圧縮機２の回転数３４の指令値３６を演算できる。この回転数指令値３６がモータ９に伝達されて圧縮機２が運転されるので、本発明は、排熱温水４の条件の変動によらず、所望の圧力の蒸気を需要先に安定的に供給できる。
【００３８】
続いて、図３を用いて前記圧縮機性能演算回路２２の演算内容と、前記回転数決定回路２３の回転数変更の演算内容を説明する。図３は、本発明の実施例１であるヒートポンプシステムの蒸気流量と圧力比の関係を示す。
【００３９】
まず、前記圧縮機性能演算回路２２における演算内容を説明する。圧縮機性能演算回路２２は前述のように、蒸発量３２と回転数３４を入力として受け、この入力条件下での圧縮機２の圧力比を予想する演算を実行して結果を圧力比３５として出力する。このために、該圧縮機性能演算回路２２の内部では、図３で示すような圧縮機２の性能の特性関数（以下、性能特性関数）を用いて圧縮機の動作点を特定し、この動作点での圧縮機の性能を出力する。図３では、横軸の蒸気流量が、蒸気量３２に対応し、曲線ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅの５ケースで例示した回転数が、それぞれ回転数３４に対応する。縦軸の圧力比が圧力比３５に対応する。ここでいう「対応」とは、数量の一致とは限らず、無次元化などの換算をする場合を含むとする。
【００４０】
図３においては蒸気量３２に対応する蒸気流量における、回転数３４に対応する回転数を示す曲線上の点が、圧縮機２の運転点として特定される。例えば図３中で、蒸気流量がＳ１で回転数がａの場合、運転点はＩとなる。こうして運転点が特定されると、運転点に対応する縦軸目盛からこのときの圧力比が特定される。また、図３中の等効率線の配置に対する運転点の位置から圧縮機効率が特定される。
【００４１】
性能特性関数は、このようにして、入力される蒸気量３２と回転数３４の条件下における、圧縮機の圧力比３５と圧縮機効率の予想値を特定する。圧縮機性能演算回路２２はこの性能特性関数の演算によって得られた圧力比を、圧力比３５として出力する。
【００４２】
この性能特性関数は、具体的には、ターボ機械についての熱力学的あるいは空力的な理論式や経験式にもとづくコンピュータシミュレータションプログラムとして実装するか、あるいは圧縮機２の設計情報に基づいて作成された図３に示したようなグラフを数表化したデジタルデータとして実装することができる。数表化されたデジタルデータとして実装する場合は、入力された蒸気量３２と回転数３４に応じて数表データを補間し、対応する圧力比と効率を出力するように数表データとの入出力を構成するとよい。数表データの補間は例えば多次元スプラインなどの公知の補間アルゴリズムを用いて実装できる。
【００４３】
次に、回転数決定回路２３の回転数変更の演算内容を説明する。前提として、図３中の点Ｉは計画運転点を示すものとする。計画運転点Ｉは、通常、効率が最高になる運転領域に設定されており、図３でも等効率線の効率が最も高い領域にあることでこれを示している。
【００４４】
この計画運転点Ｉに対して、排熱温水４の熱量３１が変動して、例えば減少すると、蒸発器１で発生する蒸気量３２として減少した値が蒸発量演算回路２１で予測される。このように減少した蒸気量３２の値を入力として受け取った圧縮機性能演算回路２２では、性能特性関数の曲線で表される動作点上を運転点が移動する。図３から読み取れるように、計画運転点Ｉの蒸気流量はＳ１であるが、これがＳ２まで減少したとすると、圧縮機の運転点は動作線ａに沿って点Ｉから点IIに移動する。この結果、圧力比が目標圧力比３３よりも高くなる。また、運転点が、効率低下する等効率線の外周方向に移動しているので、効率も低くなる。また、図３に示すサージング線（一点破線）に近づくため、運転の安定性と信頼性が低下する。このように運転点が当初の計画点からずれると様々な問題が起こる。本実施例ではサージの危険性が増すが、条件変動の内容によってはチョーキング、前段旋回失速など運転の安定性と信頼性を損なう領域に近づく危険性も増える。
【００４５】
このような問題に対して、本実施例のヒートポンプシステムでは、圧縮機の回転数を線ａから線ｂの値に変更する。このように回転数をａからｂに下げると、圧力比が目標圧力比３３に保つことができるだけでなく、この操作では運転点が図に示すように等効率線上を効率の高い方に移動するので圧縮機効率も向上する。
【００４６】
この回転数の変更の計算は、圧力比が目標値３３に対応する図中の水平線と、蒸気量がＳ２に対応する垂線が交わる交点に対して、この交点に同時に交わっている回転数曲線の回転数値を計算する演算として実行される。例えば、図２において回転数３４を初期値ａから繰り返し計算のたびに一定量ずつ減少させて、回転数決定回路２３から圧縮機性能演算回路２２までの繰り返しループを実行し、計算された圧力比３５が目標圧力比３３に対してあらかじめ定めた許容偏差範囲内になるまでこれを繰り返すのが最も単純な方法である。このような演算は、コンピュータによる公知の繰り返し計算や数表補間のアルゴリズムによって実現できる。
【００４７】
本制御回路１１は、このように、圧縮機性能演算回路２２に備えられた性能特性関数の出力結果を用いて、回転数決定回路２３を利用して回転数を調整することにより、排熱源の熱量が変動しても、圧縮機の圧力比をあらかじめ定めた範囲内の値に保って運用できる。このため、サージやチョーク，前段旋回失速などの、信頼性を低下させる現象が発生する運転領域に近づく危険性を抑制でき、運転の安定性と信頼性を向上できる。またこの回転数の調整により運転点が効率の高い領域に移動させることができるので、圧縮機効率の低下を抑制できる。
【００４８】
また、以上説明した本実施例のヒートポンプシステムでは、蒸気の圧力の安定化を計測値とコンピュータモデルを用いた制御によって実現している。そのため、追加流路等を設けることによる設置スペースの増大や設備コストの上昇，メンテナンスの煩雑を招くことなく、設備構成をシンプルに保ったまま実施できる。
【００４９】
（実施例２）
次に、本発明の実施例２について説明する。図４は、本発明の実施例２であるヒートポンプシステムの構成を示す。実施例１と構成が同じ部分については、説明を省略する。以下に構成が異なる箇所の内容を説明する。
【００５０】
実施例２のヒートポンプシステムは、前述の実施例１（図１）と異なり、前記熱量計測手段１０を備えていない。代わりに、圧縮機２に流入する蒸気の流量を計測する手段である流量計測手段１３を備えている。流量計測手段１３で計測された蒸気流量の信号は制御装置１４に入力として伝達される。流量計測手段１３には、公知の蒸気流量計を用いることができる。
【００５１】
図４に示す通り、制御装置１４に入力される情報が流量計測手段１３で計測された蒸気流量であることにともない、本実施例の制御装置１４の構成内容は図５に示すようになる。
【００５２】
図５は、本発明の実施例２であるヒートポンプシステムの制御装置１４の構成を示す。本実施例の制御装置１４の構成は実施例１の制御装置１１の構成（図２）とほぼ同様であるが、圧縮機性能演算回路２２に入力される信号が異なる。すなわち、実施例１の制御装置１１では前記蒸発量演算回路２１の演算によって予測された蒸気量３２が圧縮機性能演算回路２２に入力されていたが、これに対し、図５で示す本実施例の制御装置１４では、流量計測手段１３で計測された圧縮機流入蒸気流量３８が入力される。
【００５３】
このように、制御装置１４に入力する信号を流量計測手段１３の計測値とすることにより、本実施例のヒートポンプシステムには以下の長所と効果がある。（１）計測手段に関し、上述の実施例１で用いていた熱量計測手段１０が不要となる。熱量計測手段１０は、上述したように例えば流量計と温度計とこれらの計測値に基づく熱量計算回路から構成されるが、本実施例の蒸気流量計測手段は蒸気流量計のみで構成できるため、計測手段の構成を第一例よりも簡素化できる。（２）制御装置について、実施例１における蒸発量演算回路２１が不要となり、制御装置の内部構成を簡素化できる。（３）制御装置１４の処理内容が、蒸発器に関する演算（図２における蒸発量演算回路２１による演算）を必要とせず、圧縮機２についての処理（圧縮機性能演算回路２２と回転数決定回路２３による演算）に限られるため、制御回路の設計だけでなく、実装や調整など、運用も容易になる。（４）制御装置１４内の圧縮機性能演算回路２２に入力される蒸気流量の信号が、実施例１のように熱量計測値３１にもとづいて蒸発量演算回路２１で予測された値３２でなく、実際に流量計測手段１３で計測された値であるため、圧縮機性能演算回路２２の出力内容、ひいては該制御装置１４全体で計算されて出力される回転数指令値３６の精度が向上する。この結果、より安定的で信頼性が高く、かつ高効率なヒートポンプシステムの運用が実現できる。（５）制御装置１４の処理内容が、圧縮機２の制御に関わる演算のみであり、他の機器の制御や計測情報を必要としないので、蒸発器１や補給水５の制御に関わる方法や手段がどのようなものであってもこれに依存することなく、任意の蒸発器及び給水の制御方法・手段に対して幅広く適用できる。このような理由により、本実施例では任意の給水流量制御方法に対応した実装，運用が可能なため、給水流量制御に関わる圧力センサや給水制御装置について、図２に示した実施例１と同じ構成に限定されることはない。そのため、図４においてこれらに対応する構成の図示を省略した。
【００５４】
以上説明したように、各実施例のヒートポンプシステムは、熱源である排熱温水４からの熱で水を蒸発させて蒸気を生成する蒸発器１と、蒸発器１で生成された蒸気を圧縮する圧縮機２とを備えたヒートポンプシステムにおいて、蒸気流量または熱源の熱量に基づいて、圧縮機２の回転数を制御する制御装置を備えている。このように構成することで、熱源の熱量の変動により、蒸発器１で生成される蒸気量に変動があった場合でも、所望の圧力の蒸気を需要先に安定的に供給することができる。
【００５５】
この制御装置は、圧縮機２の圧力比が、需要先の要求する圧力に対応した所望の範囲になるよう回転数を制御するよう構成されていることが望ましい。
【００５６】
具体的には、以下のような構成を採用することが考えられる。
【００５７】
蒸気流量に基づいて制御する場合には、圧縮機２に流入する蒸気流量を計測する流量計測手段１３と、計測された蒸気流量を入力信号に含み、圧縮機２の回転数指令値３６を出力信号に含む制御装置１４を備えるのがよい。また、制御装置１４は、流量計測手段１３で計測された蒸気流量を入力したときに圧力比３５が出力される圧縮機性能演算回路２２と、圧力比が、あらかじめ定められた範囲内になるように圧縮機性能演算回路２２への入力回転数を特定して出力する回転数決定回路２３とを備えてもよい。
【００５８】
さらに、蒸気流量と回転数を入力信号に含み、圧力比を出力信号に含む圧縮機性能演算回路２２と、圧縮機性能演算回路２２から出力された圧力比３５と目標圧力比３３とを入力信号として含み、該二つの圧力比の偏差が所望の範囲内にない場合には、圧縮機性能演算回路２２への入力信号とするために変更した回転数３４を出力し、該二つの圧力比の偏差が所望の範囲内にある場合には、変更なき回転数を出力する回転数決定回路２３と、回転数決定回路２３から出力された前記変更なき回転数を入力信号として含み、回転数指令値３６を出力信号として含む出力回路２４とを備えることもできる。この場合、回転数決定回路２３は、圧縮機性能演算回路２２から出力された圧力比の入力がない場合には、圧縮機性能演算回路２２への入力信号とするために目標圧力比３３に対応した回転数を出力するよう構成されていてもよい。圧縮機性能演算回路２２は、圧縮機２の性能特性関数の演算により圧力比を得られるよう構成されていてもよい。
【００５９】
熱源である排熱温水４の熱量に基づいて圧縮機２の回転数を制御する場合には、熱交換前の段階での熱源の熱量をもとに制御できるため、蒸発器１での熱交換後の蒸気流量に基づいて制御する場合に比べ、熱源の熱量変動に対してより反応性の高い制御が可能となる。この場合、以下のような構成を採用することが考えられる。
【００６０】
蒸発器１内の水と熱交換する前の排熱温水４の熱量を計測する熱量計測手段１０と、計測された熱量を入力信号に含み、圧縮機２の回転数指令値３６を出力信号に含む制御装置１１を備えるのがよい。また、制御装置１１は、熱量３１を入力信号に含み、蒸気量３２を出力信号に含む蒸発量演算回路２１と、蒸発量演算回路２１で出力された蒸気量３２と回転数とを入力信号に含み、圧力比を出力信号に含む圧縮機性能演算回路２２と、圧縮機性能演算回路２２から出力された圧力比と目標圧力比３３とを入力信号として含み、該二つの圧力比の偏差が所望の範囲内にない場合には、前記圧縮機性能演算回路２２への入力信号とするために変更した回転数３４を出力し、該二つの圧力比の偏差が所望の範囲内にある場合には、変更なき回転数を出力する回転数決定回路２３と、回転数決定回路２３から出力された変更なき回転数を入力信号として含み、回転数指令値３６を出力信号として含む出力回路２４とを備えることもできる。
【００６１】
以上説明した各実施例のヒートポンプシステムを用いて、蒸気流量または熱源の熱量に基づいて、圧縮機２の回転数を制御することにより、以下の効果を得ることもできる。
【００６２】
排熱源の熱量変動に対応して、圧縮機の圧力比をあらかじめ定めた範囲内にするような圧縮機の回転数が、制御回路内に設けた回転数決定回路によって特定され、この回転数を指令値として圧縮機が運転されるよう構成すれば、排熱条件の変動によらず、所望の圧力・温度の蒸気を需要先に安定的に供給できる。
【００６３】
圧縮機の圧力比をあらかじめ定めた所望の範囲で運用すれば、サージやチョーク、前段旋回失速などの、信頼性を低下させる現象が発生する運転領域に近づく危険性を抑制できる。これにより、運転の安定性と信頼性を向上できる。
【００６４】
排熱源の熱量変動により圧縮機の運転点が計画点からずれても、圧力比をあらかじめ定めた所望の範囲で運用できるように回転数を調整できるので、圧縮機効率の低下を抑制できる。
【００６５】
蒸気の圧力又は温度の安定化を、計測値を用いた制御によって実現すれば、追加流路等を設けることによる設置スペースの増大や設備コストの上昇を招くことなく、設備構成をシンプルに保ったまま実施できる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の実施例１であるヒートポンプシステムの構成を示す。
【図２】本発明の実施例１であるヒートポンプシステムの制御装置１１の構成を示す。
【図３】本発明の実施例１であるヒートポンプシステムの蒸気流量と圧力比の関係を示す。
【図４】本発明の実施例２であるヒートポンプシステムの構成を示す。
【図５】本発明の実施例２であるヒートポンプシステムの制御装置１４の構成を示す。
【図６】比較例であるヒートポンプシステムの構成を示す。
【符号の説明】
【００６７】
１  蒸発器
２  圧縮機
３  配管
４  排熱温水
９  モータ
１０  熱量計測手段
１１，１４  制御装置
１３  流量計測手段
２１  蒸発量演算回路
２２  圧縮機性能演算回路
２３  回転数決定回路
２４  出力回路
【図１】
2009103421.tif 000003
【図２】
2009103421.tif 000004
【図３】
2009103421.tif 000005
【図４】
2009103421.tif 000006
【図５】
2009103421.tif 000007
【図６】
2009103421.tif 000008