特開 2024-82947 ヒートポンプ式蒸気生成装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024082947

(43)【公開日】2024-06-20

(54)【発明の名称】ヒートポンプ式蒸気生成装置

(51)【国際特許分類】

   F25B 31/00 20060101AFI20240613BHJP

   F25B 1/10 20060101ALI20240613BHJP

   F25B 1/00 20060101ALI20240613BHJP

   F25B 43/00 20060101ALI20240613BHJP

   F25B 30/02 20060101ALI20240613BHJP

【ＦＩ】

F25B31/00 A

F25B1/10 S

F25B1/00 399Y

F25B43/00 E

F25B30/02 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022197177

(22)【出願日】2022-12-09

(71)【出願人】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】吉田 時空

(72)【発明者】

【氏名】安嶋 賢哲

(72)【発明者】

【氏名】藤本 裕地

(57)【要約】

【課題】複数並列配置された圧縮機に対する冷媒の分配特性を改善することができるヒートポンプ式蒸気生成装置を提供する。
【解決手段】熱源水を用いた蒸発器６と、低段圧縮機１Ｌ，２Ｌと高段圧縮機１Ｈ，２Ｈとを有した圧縮機１，２が並列接続された圧縮機群と、高段圧縮機１Ｈ，２Ｈから導出された高圧冷媒を凝縮させ被加熱水を加熱して蒸発させる凝縮器３と、高段膨張弁４と、中間圧冷媒を気液分離する気液分離器７と、気液分離器７の気相側出口から導入された中間圧冷媒を低段圧縮機１Ｌ，２Ｌの吐出口と高段圧縮機１Ｈ，２Ｈの吸入口との間の接続点Ｐ１，Ｐ２にそれぞれ導入する中間配管Ｌ１１，Ｌ１２と、低段膨張弁５と、蒸発器６と圧縮機１，２との間に設けられたアキュムレータ８と、を備え、アキュムレータ８と各低段圧縮機１Ｌ，２Ｌの冷媒吸入口とは独立した配管Ｌ１，Ｌ２により接続される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

熱源水を用いて低圧冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記低圧冷媒を中間圧に圧縮する低段圧縮機と中間圧冷媒を高圧に圧縮する高段圧縮機とを有した圧縮機が並列接続された圧縮機群と、
前記圧縮機群から導出された高圧冷媒を凝縮させ被加熱水を加熱して蒸発させる凝縮器と、
前記凝縮器によって凝縮された高圧冷媒を減圧膨張して前記中間圧冷媒にする高段膨張機構と、
前記高段膨張機構から導入された中間圧冷媒を気液分離する気液分離器と、
前記気液分離器の気相側出口から導入された中間圧冷媒を前記圧縮機の前記低段圧縮機の吐出口と前記高段圧縮機の吸入口との間にそれぞれ導入する複数の中間配管と、
前記気液分離器の液相側出口から導入された中間圧冷媒を減圧膨張して低圧にし、前記蒸発器に導入する低段膨張機構と、
前記蒸発器と前記圧縮機群との間に設けられたアキュムレータと、
を備え、
前記アキュムレータと各低段圧縮機の冷媒吸入口とは独立した配管により接続されることを特徴とするヒートポンプ式蒸気生成装置。

【請求項2】

前記複数の中間配管は、１つの中間配管であり、
各低段圧縮機の冷媒吐出口と各高段圧縮機の冷媒吸入口と前記中間配管とを共通接続するバッファタンクを設けたことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置。

【請求項3】

前記中間配管は、各低段圧縮機の冷媒吐出口と各高段圧縮機の冷媒吸入口とをそれぞれ独立した配管により前記気液分離器に接続することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置。

【請求項4】

熱源水を用いて低圧冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記低圧冷媒を高圧に圧縮する圧縮機が並列接続された圧縮機群と、
前記圧縮機群から導出された高圧冷媒を凝縮させ被加熱水を加熱して蒸発させる凝縮器と、
前記凝縮器によって凝縮された高圧冷媒を減圧膨張して前記蒸発器に導入する膨張機構と、
前記膨張機構から導入された低圧冷媒を前記圧縮機群に導入する低段膨張機構と、
前記蒸発器と前記圧縮機群との間に設けられたアキュムレータと、
を備え、
前記アキュムレータと各圧縮機の冷媒吸入口とは独立した配管により接続されることを特徴とするヒートポンプ式蒸気生成装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、複数並列配置された圧縮機に対する冷媒の分配特性を改善することができるヒートポンプ式蒸気生成装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ヒートポンプ式蒸気生成装置は、ヒートポンプ部と蒸気生成部とを備えている。ヒートポンプ部では圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器を環状に接続した冷媒循環回路を形成し、蒸発器において外部熱源によって冷媒を蒸発させ、凝縮器において冷媒を凝縮させる。蒸気生成部では凝縮器に供給された被加熱水を冷媒によって加熱して蒸気を生成する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１０－１００８８３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、ヒートポンプ式蒸気生成装置に用いられる圧縮膨張サイクルでは、蒸気生成能力を増大するため、圧縮機の大容量化が求められる。圧縮機の大容量化は圧縮機が大型化することになる。一方で、スクロール圧縮機などの大型化の加工限界がある圧縮機に対しては、既存の圧縮機を流用した複数台並列配置が行われることがある。圧縮機が複数台並列配置される場合、蒸発器から各圧縮機に吐出される低圧冷媒の分配特性を良好にするため、通常、蒸発器と各圧縮機の冷媒吸入口との間にアキュムレータが設けられる。ここで、アキュムレータと各圧縮機の冷媒吸入口とはヘッダなどより配管を分配して接続されており、ヘッダにより冷媒の分配特性が左右されていた。

【0005】

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、複数並列配置された圧縮機に対する冷媒の分配特性を改善することができるヒートポンプ式蒸気生成装置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】

【0006】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるヒートポンプ式蒸気生成装置は、熱源水を用いて低圧冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記低圧冷媒を中間圧に圧縮する低段圧縮機と中間圧冷媒を高圧に圧縮する高段圧縮機とを有した圧縮機が並列接続された圧縮機群と、前記圧縮機群から導出された高圧冷媒を凝縮させ被加熱水を加熱して蒸発させる凝縮器と、前記凝縮器によって凝縮された高圧冷媒を減圧膨張して前記中間圧冷媒にする高段膨張機構と、前記高段膨張機構から導入された中間圧冷媒を気液分離する気液分離器と、前記気液分離器の気相側出口から導入された中間圧冷媒を前記圧縮機の前記低段圧縮機の吐出口と前記高段圧縮機の吸入口との間にそれぞれ導入する複数の中間配管と、前記気液分離器の液相側出口から導入された中間圧冷媒を減圧膨張して低圧にし、前記蒸発器に導入する低段膨張機構と、前記蒸発器と前記圧縮機群との間に設けられたアキュムレータと、を備え、前記アキュムレータと各低段圧縮機の冷媒吸入口とは独立した配管により接続されることを特徴とする。

【0007】

また、本発明は、上記の発明において、前記複数の中間配管は、１つの中間配管であり、各低段圧縮機の冷媒吐出口と各高段圧縮機の冷媒吸入口と前記中間配管とを共通接続するバッファタンクを設けたことを特徴とする。

【0008】

また、本発明は、上記の発明において、前記中間配管は、各低段圧縮機の冷媒吐出口と各高段圧縮機の冷媒吸入口とをそれぞれ独立した配管により前記気液分離器に接続することを特徴とする。

【0009】

また、本発明は、熱源水を用いて低圧冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記低圧冷媒を高圧に圧縮する圧縮機が並列接続された圧縮機群と、前記圧縮機群から導出された高圧冷媒を凝縮させ被加熱水を加熱して蒸発させる凝縮器と、前記凝縮器によって凝縮された高圧冷媒を減圧膨張して前記蒸発器に導入する膨張機構と、前記膨張機構から導入された低圧冷媒を前記圧縮機群に導入する低段膨張機構と、前記蒸発器と前記圧縮機群との間に設けられたアキュムレータと、を備え、前記アキュムレータと各圧縮機の冷媒吸入口とは独立した配管により接続されることを特徴とする。

【発明の効果】

【0010】

本発明では、アキュムレータと各低段圧縮機の冷媒吸入口とは独立した配管により接続しているので、複数並列配置された圧縮機に対する冷媒の分配特性を改善することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、実施形態にかかるヒートポンプ式蒸気生成装置の回路図である。

【図2】図２は、変形例１にかかるヒートポンプ式蒸気生成装置の回路図である。

【図3】図３は、変形例２にかかるヒートポンプ式蒸気生成装置の回路図である。

【図4】図４は、変形例３にかかるヒートポンプ式蒸気生成装置の回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下に、本発明にかかるヒートポンプ式蒸気生成装置の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

【0013】

図１は、本発明の実施形態であるヒートポンプ式蒸気生成装置１０Ａの回路図である。図１に示すように、ヒートポンプ式蒸気生成装置１０Ａは、水を蒸発させて水蒸気を生成し、外部へと送り出す蒸気生成部１１と、温水供給部１２によって供給される排温水などの熱源水から熱を回収し、この熱を蒸気生成部１１における蒸気生成のための熱源として供給するヒートポンプ部１０とを備える。

【0014】

なお、ヒートポンプ式蒸気生成装置１０Ａは、図示しない制御部により、制御される。制御部は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等の処理装置にプログラムを実行させること、すなわち、ソフトウェアにより実現してもよいし、ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等のハードウェアにより実現してもよいし、ソフトウェア及びハードウェアを併用して実現してもよい。

【0015】

ヒートポンプ部１０は冷媒が循環する回路であり、冷媒の循環する順に、蒸発器６と、複数の圧縮機１，２（圧縮機群）と、凝縮器３と、高段膨張弁４と、気液分離器７と、低段膨張弁５とを有する。複数の圧縮機１，２は、並列配置され、圧縮機１，２は、それぞれ低段圧縮機１Ｌ，２Ｌと高段圧縮機１Ｈ，２Ｈとが直列接続されている。圧縮機１，２は、例えば低段圧縮機と高段圧縮機とが一体となったスクロール圧縮機である。特に、１軸型スクロール圧縮機が適用可能である。なお、圧縮機１，２は制御部の作用下に図示しないインバータを介して回転数制御が行われる。なお、圧縮機１，２は、並列配置する関係上、ほぼ同一の機能を有している。

【0016】

また、蒸発器６と各低段圧縮機１Ｌ，２Ｌの冷媒吸入口との間にはアキュムレータ８が配置される。アキュムレータ８と各低段圧縮機１Ｌ，２Ｌの冷媒吸入口との間は、それぞれ独立した配管Ｌ１，Ｌ２により接続される。また、低段圧縮機１Ｌと高段圧縮機１Ｈとの間の接続点Ｐ１と、低段圧縮機２Ｌと高段圧縮機２Ｈとの間の接続点Ｐ２とには、それぞれ中間配管Ｌ１１，Ｌ１２が配置され、中間配管Ｌ１１，Ｌ１２は、それぞれ接続点Ｐ１，Ｐ２と気液分離器７の気相空間との間を直接かつ独立して接続される。

【0017】

蒸発器６は、排温水などの熱源水により低圧冷媒を過熱して蒸発させる。過熱された気相状態の低圧冷媒は、アキュムレータ８に吐出される。アキュムレータ８の低圧冷媒は、それぞれ独立した配管Ｌ１，Ｌ２を介して直接、低段圧縮機１Ｌ，２Ｌの冷媒吸入口に導出される。したがって、アキュムレータ８に蓄えられた圧力で低圧冷媒がそれぞれ低段圧縮機１Ｌ，２Ｌに分配される。配管Ｌ１，Ｌ２間の分岐や合流による圧力の片寄りが生じないため、分配特性は良好なものとなる。この分配特定が偏っていると、最終的に高段圧縮機１Ｈと高段圧縮機２Ｈとの合流部において圧力差が生じたものが混合されるため、大きな損失となる。

【0018】

ヒートポンプ部１０は、２段圧縮・２段膨張サイクルを形成しており、低段圧縮機１Ｌ，２Ｌは、それぞれ低圧冷媒を中間圧に圧縮し、冷媒吐出口に導出し接続点Ｐ１，Ｐ２に吐出する。接続点Ｐ１，Ｐ２では、それぞれ気液分離器７の気相空間にそれぞれ接続された中間配管Ｌ１１，Ｌ１２を介して中間圧冷媒が導出され、低段圧縮機１Ｌ，２Ｌからの中間圧冷媒と、気液分離器７からの中間圧冷媒とが混合し、それぞれ高段圧縮機１Ｈ，２Ｈの冷媒吸引口に吐出される。ここで、気液分離器７の気相空間の中間圧冷媒は、それぞれ中間配管Ｌ１１，Ｌ１２を介して独立して直接、接続点Ｐ１，Ｐ２に合流する。したがって、中間配管Ｌ１１，Ｌ１２間の分岐や合流による圧力の片寄りが生じないため、気液分離器７の気相空間の中間圧冷媒の接続点Ｐ１，Ｐ２への分配特性は良好なものとなる。

【0019】

高段圧縮機１Ｈ，２Ｈは、それぞれ接続点Ｐ１，Ｐ２から吸入した中間圧冷媒を高圧に圧縮し、合流された後、高圧冷媒を凝縮器３に導出する。凝縮器３は、高段圧縮機１Ｈ，２Ｈから導出された高圧冷媒を凝縮させ被加熱水を加熱して蒸発させる。

【0020】

高段膨張機構である高段膨張弁４は、凝縮器３によって凝縮された高圧冷媒を減圧膨張して中間圧冷媒にし、気液分離器７に導出する。気液分離器７は、導入された中間圧冷媒を気液分離し、気相中間圧冷媒は、中間配管Ｌ１１，Ｌ１２を介して接続点Ｐ１，Ｐ２に導出される。一方、液相中間圧冷媒は、低段膨張機構である低段膨張弁５に導出される。なお、気液分離器７は、気相中間圧冷媒を蓄圧するアキュムレータの機能を有する。

【0021】

低段膨張弁５は、気液分離器７の液相側出口から導入された中間圧冷媒を減圧膨張して低圧にした低圧冷媒を蒸発器６に導出する。これにより、２段圧縮・２段膨張サイクルが一巡したことになる。ヒートポンプ部１０は、２段圧縮・２段膨張サイクルを形成し、気液分離器７および中間配管Ｌ１１，Ｌ１２を境として図１における下半分が低段回路であり、上半分が高段回路となる。

【0022】

本実施形態では、アキュムレータ８と各低段圧縮機１Ｌ，２Ｌの冷媒吸入口とは独立した配管Ｌ１、Ｌ２により接続しているので、複数並列配置された圧縮機１，２に対する冷媒の分配特性を改善することができる。また、気液分離器７からそれぞれ中間配管Ｌ１１，Ｌ１２を介して接続点Ｐ１，Ｐ２に導出される中間圧冷媒は、中間配管Ｌ１１，Ｌ１２が気液分離器７の気相空間にそれぞれ直接接続され、気液分離器７の気相空間の中間圧冷媒の分配特性を良好に行うことができる。これらの分配特性の改善により、装置全体の性能低下や圧縮機１，２の信頼性低下を防止することができる。

【0023】

＜変形例１＞
図２は、実施形態の変形例１にかかるヒートポンプ式蒸気生成装置１０Ｂの回路図である。上記の実施形態では、気液分離器７と接続点Ｐ１，Ｐ２とをそれぞれ独立した中間配管Ｌ１１，Ｌ１２で直接接続していたが、本変形例１では、図２に示すように、各低段圧縮機１Ｌ，２Ｌの冷媒吐出口と各高段圧縮機１Ｈ，２Ｈの冷媒吸入口と中間配管Ｌ１１，Ｌ１２との接続点Ｐ１，Ｐ２を共通接続するバッファタンク９を設けている。そして、中間配管Ｌ１１，Ｌ１２に替えて、１つの中間配管Ｌ１３としている。

【0024】

バッファタンク９は、ヘッダと異なり、１つの気相混合空間を形成している。すなわち、バッファタンク９は、各低段圧縮機１Ｌ，２Ｌの冷媒吐出口及び中間配管Ｌ１３から導入される中間圧冷媒を１つの気相混合空間で混合し、各高段圧縮機１Ｈ，２Ｈの冷媒吸入口に中間圧冷媒を分配している。これにより、各高段圧縮機１Ｈ，２Ｈへの中間圧冷媒の分配特性を偏りなく、さらに良好に行うことができる。

【0025】

＜変形例２＞
図３は、実施形態の変形例２にかかるヒートポンプ式蒸気生成装置１０Ｃの回路図である。上記の実施形態では、気液分離器７と接続点Ｐ１，Ｐ２とをそれぞれ独立した中間配管Ｌ１１，Ｌ１２で直接接続していたが、本変形例２では、図３に示すように、接続点Ｐ１，Ｐ２を設けず、各低段圧縮機１Ｌ，２Ｌの冷媒吐出口と各高段圧縮機１Ｈ，２Ｈの冷媒吸入口とをそれぞれ独立した配管を介して気液分離器７の軌道空間に直接接続している。この構成は、気液分離器７の気相空間とバッファタンク９とを中間配管Ｌ１３を削除して合体したものと同様な構成となる。これにより、変形例２のバッファタンク９を設けた場合と同様な中間圧の混合作用を簡易な構成で実現することができる。

【0026】

＜変形例３＞
図４は、実施形態の変形例３にかかるヒートポンプ式蒸気生成装置１０Ｄの回路図である。上記の実施形態では、２段圧縮・２段膨張サイクルを用いたヒートポンプ式蒸気生成装置であったが、本変形例３では、１段圧縮・１段膨張サイクルを用いたヒートポンプ式蒸気生成装置１０Ｄとしている。

【0027】

図４に示すように、圧縮機１，２は、１段圧縮であり、膨張機能である膨張弁１４も１段膨張である。ここで、上記の実施形態及び変形例１，２と同様に、圧縮機１，２は並列配置されている。そして、変形例３の場合、上記の実施形態及び変形例１，２と同様に、蒸発器６と圧縮機１，２との間にアキュムレータ８が設けられ、アキュムレータ８と各圧縮機１，２の冷媒吸入口とは独立した配管Ｌ１，Ｌ２により直接接続される。これにより、複数並列配置された圧縮機１，２に対する冷媒の分配特性を改善することができる。

【0028】

本発明は、上記した実施形態及び変形例に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。

【符号の説明】

【0029】

１，２ 圧縮機
１Ｌ，２Ｌ 低段圧縮機
１Ｈ，２Ｈ 高段圧縮機
３ 凝縮器
４ 高段膨張弁（高段膨張機構）
５ 低段膨張弁（低段膨張機構）
６ 蒸発器
７ 気液分離器
８ アキュムレータ
９ バッファタンク
１０ ヒートポンプ部
１０Ａ、１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ ヒートポンプ式蒸気生成装置
１１ 蒸気生成部
１２ 温水供給部
１４ 膨張弁
Ｌ１，Ｌ２ 配管
Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３ 中間配管
Ｐ１，Ｐ２ 接続点

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】