JP5950010B1 - ヒートポンプ式蒸気生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機での不具合の発生を抑え、安定した起動が可能となるヒートポンプ式蒸気生成装置を提供する。【解決手段】ヒートポンプ式蒸気生成装置１２は、圧縮機２１、凝縮器２２、膨張機構２４及び蒸発器２６を環状に接続し、蒸発器２６で外部熱源から熱を回収するヒートポンプ部１８と、凝縮器２２に被加熱水を供給し、該被加熱水を冷媒によって加熱して蒸気を生成する蒸気生成部１６とを備え、圧縮機２１の吐出側と凝縮器２２の入口側との間を接続する冷媒配管２７ａに、圧縮機２１の停止時に凝縮器２２から圧縮機２１への冷媒の逆流を防止する逆止弁３０が設けられている。【選択図】図２

Description

本発明は、外部熱源から熱を回収して蒸気を生成するヒートポンプ式蒸気生成装置に関する。

蒸気生成装置の一つとして、工場排水や使用済冷却水等の排温水等の温水から熱を回収して蒸気を生成するヒートポンプ式蒸気生成装置がある（例えば、特許文献１）。ヒートポンプ式蒸気生成装置は、ヒートポンプ部の蒸発器を排熱回収器として機能させ、ここで熱源温水から熱を冷媒に回収し、回収した熱を利用して凝縮器で被加熱水を加熱して蒸気を生成するため、ボイラ設備等を利用して蒸気を発生させる燃焼系蒸気生成装置に比べてランニングコストやＣＯ_２の排出量を低減できるメリットがある。

特開２０１２−２４７１５６号公報

ところで、上記のようなヒートポンプ式蒸気生成装置では、凝縮器で被加熱水を加熱して蒸気を生成するため、ヒートポンプ部には１００℃以上の高い臨界温度を有する特性の冷媒を用いる必要がある。

ところが、この種の冷媒は一般的な冷凍装置に用いられる冷媒に比べて沸点が高く、例えば常圧常温で液化する特性を有するものもある。すなわち、ヒートポンプ式蒸気生成装置の停止中に冷媒が液化すると、起動時に圧縮機に液冷媒が吸入されて液圧縮（液バック）を生じる懸念がある。また、装置の停止中に圧縮機や減圧機構に液冷媒が多量溜まった場合には、起動時の圧縮機の運転回転数や膨張機構の開度を適切に制御することが難しくなる場合もある。さらに、停止中に圧縮機に液冷媒が多量溜まった場合、冷媒が冷凍機油に多量溶け込み、その冷媒が起動時に減圧沸騰して冷凍機油に泡立ち現象（オイルフォーミング）を生じて圧縮機に不具合を生じさせる懸念もある。

本発明は、上記従来技術の課題を考慮してなされたものであり、圧縮機での不具合の発生を抑え、安定した起動が可能とな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。

本発明に係るヒートポンプ式蒸気生成装置は、圧縮機、凝縮器、膨張機構及び蒸発器を環状に接続し、前記蒸発器で外部熱源から熱を回収するヒートポンプ部と、前記凝縮器に被加熱水を供給し、該被加熱水を冷媒によって加熱して蒸気を生成する蒸気生成部とを備えるヒートポンプ式蒸気生成装置であって、前記圧縮機の吐出側と前記凝縮器の入口側との間を接続する冷媒配管に、前記圧縮機の停止時に前記凝縮器から前記圧縮機への冷媒の逆流を防止する弁が設けられることを特徴とする。

このような構成によれば、装置の運転停止時に凝縮器から圧縮機への冷媒の逆流が防止されるため、例えば運転停止直後に凝縮器から膨張機構の間の高圧側にある冷媒が圧縮機へと逆流し、圧縮機や膨張機構に多量の冷媒が残留することを回避でき、停止時に凝縮器に多量の冷媒を貯留しておくことができる。これにより、運転停止後の起動時に、圧縮機での液圧縮やオイルフォーミング等の不具合の発生を抑制することができる。また、起動時に冷媒が溜まっている場所が予測できるため、圧縮機の運転回転数や膨張機構の開度を円滑に制御でき、安定した起動運転が可能となる。

前記冷媒は、大気圧で当該ヒートポンプ式蒸気生成装置の使用温度域に沸点を有する特性であってもよい。このような特性の冷媒を用いることで高い温度を確保して確実な水蒸気生成が可能となるが、装置の運転停止時の周囲温度によってはヒートポンプ部内の冷媒が液化し、液圧縮やオイルフォーミング等の不具合の発生を引き起こす懸念がある。ところが、当該ヒートポンプ式蒸気生成装置では圧縮機の吐出側と凝縮器の入口側との間を接続する冷媒配管に逆流防止用の弁を設けているため、このような不具合の発生を回避できる。

前記ヒートポンプ部の前記凝縮器の出口側と前記膨張機構との間には、開閉弁が設けられていてもよい。そうすると、装置の運転停止時に開閉弁を閉制御することで、凝縮器に多量の冷媒を確実に閉じ込めておくことができる。これにより、起動時の圧縮機の液圧縮等の不具合の発生をより確実に回避し、安定した起動運転を行うことができる。

当該ヒートポンプ式蒸気生成装置の運転停止時に、前記開閉弁を閉制御すると共に前記圧縮機を駆動制御することで、前記ヒートポンプ部の冷媒を前記凝縮器へと導入するポンプダウン運転を実行する制御部を備えた構成としてもよい。そうすると、運転停止時に膨張機構、蒸発器、圧縮機及び冷媒配管内の冷媒を凝縮器へと強制的に集約することができる。

前記蒸気生成部は、被加熱水を前記凝縮器に供給する給水経路と、前記被加熱水が前記凝縮器で前記冷媒によって加熱されることで生成された気液二相流を水と水蒸気とに分離させる水蒸気分離器と、分離した水を前記給水経路からの被加熱水と共に前記凝縮器へと循環させる循環経路と、前記水蒸気分離器で分離された水蒸気を外部に送り出す送出経路とを有し、前記凝縮器が前記水蒸気分離器よりも低位置に設置された構成であってもよい。これにより、運転時に水蒸気分離器内に溜まっている液相の水が停止時には凝縮器へと集約されるため、起動時に凝縮器で冷媒による加熱対象（被加熱水）が不足する空焚き現象を回避でき、熱交換器効率を速やかに向上させることができる。しかも、運転時においても液相の水の液面が凝縮器内に安定して保持されるため、運転時に冷媒による加熱対象が不足する空焚き運転も抑制される。

前記ヒートポンプ部の前記凝縮器と前記膨張機構との間には、前記凝縮器を出た冷媒と、前記給水経路を流通する前記凝縮器への導入前の被加熱水とを熱交換させる熱交換器が設けられ、前記蒸気生成部では、前記凝縮器が前記熱交換器よりも低位置に設置された構成であってもよい。これにより、装置の運転時に熱交換器から凝縮器への被加熱水の供給が円滑になると共に、停止時には熱交換器内の被加熱水も凝縮器に集約できる。

前記ヒートポンプ部では、前記凝縮器が前記蒸発器よりも低位置に設置された構成であってもよい。これにより、装置の運転停止時に蒸発器内に溜まっている冷媒をより円滑に凝縮器へと集約することができる。

本発明によれば、装置の運転停止時に凝縮器から圧縮機への冷媒の逆流が防止されるため、例えば運転停止直後に凝縮器から膨張機構の間にある冷媒が圧縮機へと逆流し、圧縮機や膨張機構に多量の冷媒が残留することを回避でき、停止時に凝縮器に多量の冷媒を貯留しておくことができる。これにより、運転停止後の起動時に、圧縮機での液圧縮やオイルフォーミング等の不具合の発生を抑制することができる。また、起動時に冷媒が溜まっている場所が予測できるため、圧縮機の運転回転数や膨張機構の開度を円滑に制御でき、安定した起動運転が可能となる。

本発明の一実施形態に係るヒートポンプ式蒸気生成装置の外観構造を示す斜視図である。 図１に示すヒートポンプ式蒸気生成装置の回路構造を模式的に示す構成図である。 筐体内に設置されたヒートポンプ部及び蒸気生成部の構成を示す斜視図である。 図３に示すヒートポンプ部の斜視図である。 図３に示す蒸気生成部の斜視図である。 図４に示すヒートポンプ部の正面図であり、図６（Ａ）は、ヒートポンプ式蒸気生成装置の運転時の冷媒の状態を示し、図６（Ｂ）は、ヒートポンプ式蒸気生成装置の停止時の冷媒の状態を示している。 図５に示す蒸気生成部の正面図であり、図７（Ａ）は、ヒートポンプ式蒸気生成装置の運転時の水の状態を示し、図７（Ｂ）は、ヒートポンプ式蒸気生成装置の停止時の水の状態を示している。

以下、本発明に係るヒートポンプ式蒸気生成装置について好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るヒートポンプ式蒸気生成装置１２の外観構造を示す斜視図であり、図２は、図１に示すヒートポンプ式蒸気生成装置１２の回路構造を模式的に示す構成図である。ヒートポンプ式蒸気生成装置１２は、工場排水等の温水から回収した排熱を利用して水蒸気を生成するシステムであり、生成した水蒸気は乾燥装置や殺菌装置等の外部の蒸気利用設備に送られる。

先ず、ヒートポンプ式蒸気生成装置１２の回路構造の構成例について説明する。

図２に示すように、ヒートポンプ式蒸気生成装置１２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１６と、温水供給部１７によって供給される温水（熱源温水）から熱を回収し、この熱を蒸気生成部１６での蒸気生成のための熱源として供給するヒートポンプ部１８と、システムの制御を行う制御部２０とを備える。

ヒートポンプ部１８は、冷媒を圧縮する圧縮機２１と、圧縮機２１で圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器２２と、凝縮器２２を出た冷媒を減圧する膨張機構２４と、温水から熱を回収して冷媒を蒸発させる蒸発器２６とを冷媒配管２７ａ〜２７ｅを用いて環状に接続し、冷媒を循環させる冷凍サイクル装置である。本実施形態では、凝縮器２２の出口側と膨張機構２４の入口側との間に給水を予備加熱する加熱器（熱交換器）２８を接続している。膨張機構２４は、例えば電子膨張弁であり、制御部２０の制御下に開度を調整可能である。以下では冷媒配管２７ａ〜２７ｅについて、まとめて冷媒配管２７と呼ぶこともある。

圧縮機２１と凝縮器２２との間の冷媒配管２７ａには逆止弁３０が設けられ、加熱器２８と膨張機構２４との間の冷媒配管２７ｃには開閉弁３１が設けられている。逆止弁３０は、圧縮機２１から凝縮器２２への冷媒の流通を許容する一方、凝縮器２２から圧縮機への冷媒の逆流を防止する弁である。本実施形態の場合、逆止弁３０はヒートポンプ式蒸気生成装置１２の停止中の冷媒の逆流を防止できればよく、また装置の運転中は通常、逆流自体が生じないため、例えば逆止弁３０に代えて、制御部２０によって装置の停止時に閉制御される開閉弁（電磁弁）を用いてもよい。開閉弁３１は、例えば電磁弁であり、制御部２０の制御下に開閉可能である。

圧縮機２１で圧縮されて高温高圧となった冷媒は、凝縮器２２で蒸気生成部１６を循環する水と熱交換して冷却され凝縮する。凝縮器２２を出た冷媒は、加熱器２８で給水管（給水経路）３２ａを流れる水を予熱してさらに冷却された後、膨張機構２４で断熱膨張され、蒸発器２６で温水供給部１７を流れる温水から吸熱して蒸発して圧縮機２１に戻る。圧縮機２１は、制御部２０の制御下に、その吸入側や吐出側の冷媒の圧力及び温度に基づきインバータを介してその運転回転数が制御される。

蒸気生成部１６は、ヒートポンプ部１８を循環する冷媒を熱源として水を蒸発させて蒸気を生成する凝縮器２２と、凝縮器２２で生成される水蒸気と水を含む気液二相流を蒸気と水とに分離する水蒸気分離器３４と、水蒸気分離器３４で分離された水を給水管３２ａから供給される被加熱水と合流させて凝縮器２２に導入する循環管（循環経路）３２ｂと、凝縮器２２からの気液二相流を水蒸気分離器３４へと導く蒸気管（蒸気経路）３２ｃと、水蒸気分離器３４で分離された蒸気を外部の蒸気利用設備へと送り出す送出管（送出経路）３２ｄとを有する。

水蒸気分離器３４は、鉛直方向に沿った円筒状容器で構成され、下端壁に接続された循環管３２ｂに接続された給水管３２ａから水が補給されることで容器内部に水を貯留する。給水管３２ａは、図示しない水道管や水タンクからの水（被加熱水）を給水ポンプ３７によって循環管３２ｂまで導入する。給水ポンプ３７は制御部２０によって運転制御される。循環管３２ｂは、水蒸気分離器３４の下端壁から凝縮器２２までを連通する経路である。蒸気管３２ｃは、凝縮器２２から水蒸気分離器３４の上部側壁までを連通し、気液二相流が流通する経路である。

送出管３２ｄは、水蒸気分離器３４の上端壁に接続され、蒸気管３２ｃから当該水蒸気分離器３４内に供給され、ここで水が分離された後の蒸気を外部に送り出す経路である。送出管３２ｄには、制御部２０の制御下にその開度が適宜調整されることにより、当該ヒートポンプ式蒸気生成装置１２から外部に送り出される蒸気の流量や圧力を制御する圧力調整弁３８が設けられている。

蒸気生成部１６では、水蒸気分離器３４の水面と凝縮器２２の水面との高低差により、水蒸気分離器３４から凝縮器２２へと循環管３２ｂを介して水が供給されると共に、凝縮器２２で生成された水蒸気が蒸気管３２ｃから水蒸気分離器３４を介して送出管３２ｄへと送り出されるサーモサイフォン回路が形成される。その結果、循環管３２ｂ、蒸気管３２ｃ及び水蒸気分離器３４で形成される水循環系統内に循環ポンプ等の動力源を設けることなく、水を循環させることができる。以下では水が液相から気相に相変化しつつ流通する給水管３２ａ、循環管３２ｂ、蒸気管３２ｃ及び送出管３２ｄについて、まとめて水配管３２と呼ぶこともある。

温水供給部１７は、蒸発器２６に温水を供給する温水供給管１７ａと、蒸発器２６から温水を排出する温水排出管１７ｂとを有する。温水供給管１７ａには、外部の温水タンク等の温水供給源から供給される温水を所定の流量で送水する図示しない温水ポンプが設けられる。

このようなヒートポンプ式蒸気生成装置１２のヒートポンプ部１８には、大気圧で当該ヒートポンプ式蒸気生成装置１２の使用温度域、例えば−５℃〜４０℃程度の温度範囲に沸点を有する特性の冷媒、例えばＲ２４５ｆａ（沸点１５℃程度）を用いている。すなわち、ヒートポンプ部１８に封入される冷媒は、凝縮器２２で蒸気生成部１６の被加熱水を加熱して蒸気を生成する必要があるため１００℃以上の高い臨界温度を有する特性が必要である。そして、この種の冷媒は一般的な冷凍装置に用いられる冷媒（例えば沸点がマイナス数十℃程度）に比べて沸点も高い傾向にあり、例えばＲ２４５ｆａのように常圧常温で液化するものもある。

次に、ヒートポンプ式蒸気生成装置１２の各部の具体的な構成について説明する。

本実施形態に係るヒートポンプ式蒸気生成装置１２では、このような蒸気生成部１６、温水供給部１７及びヒートポンプ部１８を構成する各要素を筐体１４の内部に収容している（図１参照）。

図１に示すように、筐体１４は、脚部３９を介して地面や床面上に設置される箱状構造であり、正面に設けられた開口を扉４０によって開閉可能である一方、正面以外の５面（上面、底面、背面、左右側面）がパネル４２によって閉塞されている。筐体１４の正面壁となる扉４０には、操作者が当該ヒートポンプ式蒸気生成装置１２の制御部２０に対する各種設定や運転指令等を行う際に操作する操作盤４４が設けられている。

扉４０の内面には制御部２０を構成する電装部品を収納した電装ボックス４６が取り付けられ、扉４０の略中央には外部の空気を吸入する正面吸気口４８が設けられている。正面吸気口４８から吸入された外気は電装ボックス４６内の電装部品を冷却した後、筐体１４の背面下部に設けられた吸気口から吸入され、筐体１４内の発熱機器（例えば、図３に示す圧縮機２１の駆動用のモータ２１ｍ）を冷却した外気と合わさり、筐体１４の背面上部に設けられた排気口から外部に排出される。

図３は、筐体１４内に設置されたヒートポンプ部１８及び蒸気生成部１６の構成を示す斜視図である。図４は、図３に示すヒートポンプ部１８の斜視図であり、図５は、図３に示す蒸気生成部１６の斜視図である。また、図６は、図４に示すヒートポンプ部１８の正面図であり、図７は、図５に示す蒸気生成部１６の正面図であり、図６（Ａ）及び図７（Ａ）は、ヒートポンプ式蒸気生成装置１２の運転時の冷媒及び水（被加熱水）の状態を示し、図６（Ｂ）及び図７（Ｂ）は、ヒートポンプ式蒸気生成装置１２の停止時の冷媒及び水（被加熱水）の状態を示している。

図３及び図４に示すように、ヒートポンプ部１８は、圧縮機２１及びその駆動用のモータ２１ｍが筐体１４の底面上で正面側に沿って左右に並んで配置され、凝縮器２２が筐体１４の底面上で圧縮機２１の背面側に配置されている。一方、蒸発器２６及び加熱器２８はモータ２１ｍの背面側であって凝縮器２２の側方となる位置で、圧縮機２１や凝縮器２２よりも高い位置に梁材等を用いて並んで配設されている。

ヒートポンプ部１８では、凝縮器２２が蒸発器２６及び加熱器２８よりも低位置にあり、具体的には凝縮器２２への冷媒の入口であって冷媒配管２７ａが接続される冷媒入口ポート５０が、蒸発器２６からの冷媒の出口であって冷媒配管２７ｅが接続される冷媒出口ポート５１と同一高さ位置又は下部にあり、本実施形態の場合には蒸発器２６の下面よりも凝縮器２２の上面が低位置にある（図６も参照）。また、凝縮器２２の冷媒入口ポート５０が、加熱器２８への冷媒の入口であって冷媒配管２７ｂが接続される冷媒入口ポート５２と同一高さ位置又は下部にある。さらに、蒸発器２６の冷媒出口ポート５１が加熱器２８の冷媒入口ポート５２と同一高さ位置又は上部にある。なお、本実施形態では液冷媒や液相の水の移動のし易さを考慮しているため、各ポートの高さ位置が同一位置又は上部（下部）にあるとは、各ポート（配管）の内径下面が同一位置又は上部（下部）にあると言い換えてもよく、以下同様とする。

このようにヒートポンプ部１８では、冷媒配管２７によって冷媒が循環する各機器のうちで凝縮器２２が最も低位置に配置されている。この際、圧縮機２１も凝縮器２２と同様に筐体１４の床面上に設置されているが、圧縮機２１の内部で実際に冷媒が流通する圧縮室２１ａは圧縮機２１の最も上部となる位置（シリンダヘッドの内側）に設けられているため、冷媒流通部分での高さ位置では圧縮機２１は凝縮器２２よりも高位置にある。なお、本実施形態では、別体のモータ２１ｍからの動力がベルト４３を介して伝達される開放型構造の圧縮機２１を用いているが（図３参照）、モータ２１ｍを一体に組み込んだ密閉型構造の圧縮機を用いてもよい。

図３及び図５に示すように、蒸気生成部１６は、凝縮器２２及び給水ポンプ３７が筐体１４の底面上で圧縮機２１及びモータ２１ｍの背面側に配置されている。一方、水蒸気分離器３４は凝縮器２２の上部で凝縮器２２及び給水ポンプ３７よりも高い位置に梁材等を用いて配設されている。また、加熱器２８は水蒸気分離器３４の側方であって凝縮器２２及び給水ポンプ３７よりも高い位置に梁材等を用いて配設されている。

蒸気生成部１６では、凝縮器２２が水蒸気分離器３４よりも低位置にあり、具体的には凝縮器２２への被加熱水の入口であって循環管３２ｂが接続される水入口ポート５４が、水蒸気分離器３４からの分離水の出口であって循環管３２ｂが接続される水出口ポート５５よりも下部にあり、本実施形態の場合には凝縮器２２の上面が水出口ポート５５（水蒸気分離器３４の底面）よりも低位置にある（図７も参照）。また、凝縮器２２が加熱器２８よりも低位置にあり、具体的には凝縮器２２の水入口ポート５４が、加熱器２８からの被加熱水の出口であって循環管３２ｂに接続される給水管３２ａが接続される水出口ポート５６よりも低位置にあり、本実施形態の場合には凝縮器２２の上面が加熱器２８の下面よりも低位置にある。

このように蒸気生成部１６では、水配管３２によって水が流通する各機器のうちで給水ポンプ３７を除くと凝縮器２２が最も低位置に配置されている。

次に、以上のように構成されたヒートポンプ式蒸気生成装置１２の動作及び作用について説明する。

ヒートポンプ式蒸気生成装置１２では、その運転時に圧縮機２１が駆動されることで凝縮器２２で被加熱水が冷媒によって加熱された蒸気が生成され、水蒸気分離器３４で分離された蒸気は送出管３２ｄから外部の蒸気利用設備へと送られる。

この運転時、ヒートポンプ部１８では、図６（Ａ）に示すように圧縮機２１から吐出された冷媒が凝縮器２２で凝縮するため、凝縮器２２の下部から冷媒配管２７ｂ、加熱器２８、冷媒配管２７ｃ及び膨張機構２４を経て、蒸発器２６の下部までが液冷媒ＲＬで満たされている。また蒸気生成部１６では、図７（Ａ）に示すように、被加熱水が供給される給水管３２ａから加熱器２８及び循環管３２ｂが被加熱水Ｗで満たされ、さらに気液二相流である凝縮器２２の上部を除く部分と、水蒸気分離器３４の下部から循環管３２ｂまでが被加熱水Ｗで満たされている。

この状態からヒートポンプ式蒸気生成装置１２の運転が停止されると、その環境温度によっては上記のように大気圧で常温に沸点を有する特性を持った冷媒がヒートポンプ部１８内で液化することがある。また蒸気生成部１６内に残留している被加熱水は重力によって下方へと流れ落ちる。

そこで、当該ヒートポンプ式蒸気生成装置１２では、その運転停止時、制御部２０の制御下に開閉弁３１を閉制御し、圧縮機２１の運転を一定時間継続するポンプダウン運転を実行する。このポンプダウン運転により、蒸発器２６に残留しているガス冷媒や圧縮機２１内に残留しているガス冷媒が逆止弁３０を通って凝縮器２２内に流入し、開閉弁３１を閉じているため凝縮器２２から加熱器２８までの間に貯留される。その結果、停止時にヒートポンプ部１８内の冷媒が液化した場合には、図６（Ｂ）に示すように凝縮器２２（及び加熱器２８）内に液冷媒ＲＬが集約される。さらに、ヒートポンプ部１８では、図６（Ｂ）に示すように凝縮器２２が回路中で最も低位置にあるため、重力によって凝縮器２２へと液冷媒ＲＬが集まり、大部分の冷媒（液冷媒ＲＬ）が凝縮器２２内に集約されて貯留される。

また、蒸気生成部１６では、停止時、図７（Ｂ）に示すように回路中で最も低位置にある凝縮器２２へと残留している液相の水や気相から液化した水である被加熱水Ｗが重力によって集約される。但し、加熱器２８に残留している被加熱水は大部分がそのまま残留することになる。

従って、運転停止後の起動時、ヒートポンプ部１８では液冷媒ＲＬの大部分が凝縮器２２に集約されているため、次の起動時に圧縮機２１で液圧縮やオイルフォーミング等を生じることが抑制される。また、蒸気生成部１６では凝縮器２２に被加熱水が集約されているため、起動時に凝縮器２２で冷媒による加熱対象がない現象（空焚き現象）を回避でき、熱交換器効率が速やかに向上する。

以上のように、本実施形態に係るヒートポンプ式蒸気生成装置１２では、圧縮機２１、凝縮器２２、膨張機構２４及び蒸発器２６を環状に接続し、蒸発器２６で外部熱源から熱を回収するヒートポンプ部１８と、凝縮器２２に被加熱水を供給し、該被加熱水を冷媒によって加熱して蒸気を生成する蒸気生成部１６とを備え、圧縮機２１の吐出側と凝縮器２２の入口側との間を接続する冷媒配管２７ａに、圧縮機２１の停止時に凝縮器２２から圧縮機２１への冷媒の逆流を防止する逆止弁３０が設けられている。

従って、当該ヒートポンプ式蒸気生成装置１２では、運転停止時に凝縮器２２から圧縮機２１への冷媒の逆流が逆止弁３０で防止されるため、例えば運転停止直後に凝縮器２２から膨張機構２４の間にある冷媒が圧縮機２１へと逆流し、圧縮機２１や膨張機構２４に多量の冷媒が残留することを回避でき、停止時に凝縮器２２に多量の冷媒を貯留しておくことができる。これにより、運転停止後の起動時に、圧縮機２１の吸入側の冷媒配管２７ｅで液化した液冷媒が圧縮機２１に吸入されることによる液圧縮や、圧縮機２１内の冷凍機油に冷媒が多量溶け込むことによるオイルフォーミング等の不具合の発生を抑制することができる。また、停止時には冷媒が凝縮器２２に集約されるため、起動時にはこの凝縮器２２に集約された冷媒を循環させればよい。つまり、起動時に冷媒が溜まっている場所が予測できるため、圧縮機２１の運転回転数や膨張機構２４の開度を円滑に制御でき、適切な過熱度制御による安定した起動運転が可能となる。しかも装置の運転停止直後は、蒸気生成部１６内で高温の被加熱水が凝縮器２２に戻るため、凝縮器２２中の冷媒が気化し易く、一層圧縮機２１に逆流し易い懸念があるが、逆止弁３０によってこの逆流を確実に防止できる。

特に本実施形態では、大気圧で当該ヒートポンプ式蒸気生成装置１２の使用温度域に沸点を有する特性の冷媒を用いている。すなわち、このような冷媒を用いた場合、装置の運転停止時の周囲温度によってはヒートポンプ部１８内の冷媒が液化し、上記した液圧縮やオイルフォーミング等の不具合を発生し易い仕様となっている。しかしながら、当該ヒートポンプ式蒸気生成装置１２では圧縮機２１の吐出側と凝縮器２２の入口側との間を接続する冷媒配管２７ａに逆止弁３０を設けているため、上記したような起動時の圧縮機２１の不具合の発生を回避できる。

当該ヒートポンプ式蒸気生成装置１２では、ヒートポンプ部１８の凝縮器２２の出口側と膨張機構２４との間に開閉弁３１を設けているため、装置の運転停止時に開閉弁３１を閉制御することで、凝縮器２２（及び加熱器２８）に多量の冷媒を確実に閉じ込めておくことができる。これにより、起動時の圧縮機の液圧縮等の不具合の発生をより確実に回避し、安定した起動運転を行うことができる。

当該ヒートポンプ式蒸気生成装置１２では、その運転停止時に制御部２０の制御下に、開閉弁３１を閉制御すると共に圧縮機２１を駆動制御することで、ヒートポンプ部１８の冷媒を凝縮器２２へと導入するポンプダウン運転を実行する。これにより、運転停止時に膨張機構２４、蒸発器２６、圧縮機２１及び冷媒配管２７内の冷媒を凝縮器２２へと強制的に集約することができる。その結果、上記のような圧縮機２１の不具合の発生等をより確実に回避できる。

当該ヒートポンプ式蒸気生成装置１２では、蒸気生成部１６において凝縮器２２が水蒸気分離器３４よりも低位置に設置されている。これにより、運転時に水蒸気分離器３４内に溜まっている液相の水が停止時には凝縮器２２へと集約されるため、起動時に凝縮器２２で冷媒による加熱対象（被加熱水）が不足する空焚き現象を回避でき、熱交換器効率を速やかに向上させることができる。しかも、運転時においても液相の水の液面が凝縮器２２内に安定して保持されるため（図７（Ａ）参照）、運転時に冷媒による加熱対象が不足する空焚き運転も抑制される。これにより、冷媒が過剰に高圧になることが抑えられ、装置の運転効率が向上する。また、当該ヒートポンプ式蒸気生成装置１２を構成する機器のうちで比較的大きな重量を有する凝縮器２２を低位置に配置することで、装置全体の重心を下げることができ、耐振動性能が向上すると共に、組立作業の作業性も向上する。

さらに蒸気生成部１６では、凝縮器２２が加熱器２８よりも低位置に設置されている。これにより、装置の運転時の加熱器２８から凝縮器２２への被加熱水の供給が円滑になると共に、停止時には加熱器２８内の被加熱水も凝縮器２２にある程度集約できる。

当該ヒートポンプ式蒸気生成装置１２では、ヒートポンプ部１８において凝縮器２２が蒸発器２６よりも低位置に設置されている。これにより、装置の運転停止時に蒸発器２６内に溜まっている冷媒をより円滑に凝縮器２２へと集約することができる。

なお、本発明は、上記した実施形態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。

１２ ヒートポンプ式蒸気生成装置
１４ 筐体
１６ 蒸気生成部
１７ 温水供給部
１８ ヒートポンプ部
２０ 制御部
２１ 圧縮機
２１ｍ モータ
２２ 凝縮器
２４ 膨張機構
２６ 蒸発器
２７ａ〜２７ｅ 冷媒配管
２８ 加熱器
３０ 逆止弁
３１ 開閉弁
３２ａ 給水管
３２ｂ 循環管
３２ｃ 蒸気管
３２ｄ 送出管
３４ 水蒸気分離器
３７ 給水ポンプ
４０ 扉
５０，５２ 冷媒入口ポート
５１ 冷媒出口ポート
５４ 水入口ポート
５５，５６ 水出口ポート
ＲＬ 液冷媒
Ｗ 被加熱水

Claims (6)

1. 圧縮機、凝縮器、膨張機構及び蒸発器を環状に接続し、前記蒸発器で外部熱源から熱を回収するヒートポンプ部と、
   前記凝縮器に被加熱水を供給し、該被加熱水を冷媒によって加熱して蒸気を生成する蒸気生成部と、
   を備えるヒートポンプ式蒸気生成装置であって、
   前記圧縮機の吐出側と前記凝縮器の入口側との間を接続する冷媒配管に、前記圧縮機の停止時に前記凝縮器から前記圧縮機への冷媒の逆流を防止する弁が設けられ、
   前記蒸気生成部は、被加熱水を前記凝縮器に供給する給水経路と、前記被加熱水が前記凝縮器で前記冷媒によって加熱されることで生成された気液二相流を水と水蒸気とに分離させる水蒸気分離器と、分離した水を前記給水経路からの被加熱水と共に前記凝縮器へと循環させる循環経路と、前記水蒸気分離器で分離された水蒸気を外部に送り出す送出経路とを有し、
   前記凝縮器が前記水蒸気分離器よりも低位置に設置されることを特徴とするヒートポンプ式蒸気生成装置。
2. 圧縮機、凝縮器、膨張機構及び蒸発器を環状に接続し、前記蒸発器で外部熱源から熱を回収するヒートポンプ部と、
   前記凝縮器に被加熱水を供給し、該被加熱水を冷媒によって加熱して蒸気を生成する蒸気生成部と、
   を備えるヒートポンプ式蒸気生成装置であって、
   前記圧縮機の吐出側と前記凝縮器の入口側との間を接続する冷媒配管に、前記圧縮機の停止時に前記凝縮器から前記圧縮機への冷媒の逆流を防止する弁が設けられ、
   前記ヒートポンプ部の前記凝縮器と前記膨張機構との間には、前記凝縮器を出た冷媒と、前記給水経路を流通する前記凝縮器への導入前の被加熱水とを熱交換させる熱交換器が設けられ、
   前記蒸気生成部では、前記凝縮器が前記熱交換器よりも低位置に設置されることを特徴とするヒートポンプ式蒸気生成装置。
3. 圧縮機、凝縮器、膨張機構及び蒸発器を環状に接続し、前記蒸発器で外部熱源から熱を回収するヒートポンプ部と、
   前記凝縮器に被加熱水を供給し、該被加熱水を冷媒によって加熱して蒸気を生成する蒸気生成部と、
   を備えるヒートポンプ式蒸気生成装置であって、
   前記圧縮機の吐出側と前記凝縮器の入口側との間を接続する冷媒配管に、前記圧縮機の停止時に前記凝縮器から前記圧縮機への冷媒の逆流を防止する弁が設けられ、
   前記ヒートポンプ部では、前記凝縮器が前記蒸発器よりも低位置に設置されることを特徴とするヒートポンプ式蒸気生成装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置において、
   前記冷媒は、大気圧で当該ヒートポンプ式蒸気生成装置の使用温度域に沸点を有する特性であることを特徴とするヒートポンプ式蒸気生成装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置において、
   前記ヒートポンプ部の前記凝縮器の出口側と前記膨張機構との間には、開閉弁が設けられることを特徴とするヒートポンプ式蒸気生成装置。
6. 請求項５記載のヒートポンプ式蒸気生成装置において、
   当該ヒートポンプ式蒸気生成装置の運転停止時に、前記開閉弁を閉制御すると共に前記圧縮機を駆動制御することで、前記ヒートポンプ部の冷媒を前記凝縮器へと導入するポンプダウン運転を実行する制御部を備えることを特徴とするヒートポンプ式蒸気生成装置。

Images