JP6455348B2 - ヒートポンプ式蒸気生成装置及び該ヒートポンプ式蒸気生成装置の運転方法 - Google Patents

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及び該ヒートポンプ式蒸気生成装置の運転方法に関する。

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２０１２−２４７１４６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の蒸気生成部は水を循環させながら水蒸気を生成するため、装置の運転停止中の環境条件によっては蒸気生成部の配管内部で水が凍結し、次の運転を円滑に開始することができなくなる懸念がある。

このような水の凍結を防止するため、例えば水を強制的に循環させる循環ポンプを蒸気生成部に設け、装置の運転停止後にこの循環ポンプを駆動することが考えられるがコストが増加する。特に上記特許文献１の構成のように、蒸気生成部での水の循環をサーモサイフォン現象を利用して行う回路構成である場合、蒸気生成部への給水用の給水ポンプに加えて、さらに循環ポンプを設けることはコストの増加や装置構造の複雑化の点で好ましくない。またヒータ等を用いて直接的に配管内の水を加熱する方法も考えられるが、その部品コストやランニングコストの点で問題がある。

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、部品コストやランニングコストを抑制しつつも蒸気生成部での水の凍結を防止することができるヒートポンプ式蒸気生成装置及び該ヒートポンプ式蒸気生成装置の運転方法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、冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器を出た冷媒を減圧する膨張機構と、外部熱源から回収した熱で冷媒を蒸発させる蒸発器とを環状に接続したヒートポンプ部と、被加熱水を前記冷媒によって加熱する前記凝縮器、前記凝縮器で生成された気液二相流が流通する蒸気経路、該蒸気経路から供給される気液二相流を水と水蒸気とに分離する水蒸気分離器及び該水蒸気分離器で分離された水蒸気を分離した水を前記凝縮器に流通させる水循環経路により形成されたサーモサイフォン回路と、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、前記水循環経路に接続され、給水ポンプの動力によって前記被加熱水を供給する給水経路とを有する蒸気生成部と、前記水蒸気分離器の液相領域又は前記水循環経路に接続され、外部に水を排出する排出経路と、前記水循環経路に設けられた開閉弁とを備え、前記開閉弁は、前記排出経路が前記水循環経路に接続されている場合には、前記水循環経路における前記給水経路の接続部と前記排出経路の接続部との間に設けられ、前記排出経路が前記水蒸気分離器の液相領域に接続されている場合には、前記水蒸気分離器と前記水循環経路における前記給水経路との接続部との間に設けられることを特徴とする。

このような構成によれば、装置の運転停止中に開閉弁を閉制御して給水ポンプを凍結防止運転することで、蒸気生成部の経路内に給水経路、水循環経路、凝縮器、蒸気経路、水蒸気分離器、排出経路と続く水の流通経路を形成できる。これにより、サーモサイフォン回路を形成する蒸気生成部に循環ポンプやヒータを追加で設置しない流路の切り替えのみで経路内での水の凍結を防止することができ、部品コストやランニングコストを抑制できる。

前記排出経路と、前記給水経路の前記給水ポンプの上流側との間を連通させるバイパス経路と、前記排出経路を流通する水を外部に排出するか又は前記バイパス経路に流通させるかを選択的に切替可能な切替弁とを備える構成としてもよい。そうすると、バイパス経路を介して給水経路と排出経路との間を連通させた状態で給水ポンプを運転制御することで、蒸気生成部の経路内で水を循環させることができ、排出経路からの排水を行うことなく水の凍結を防止できる。

前記蒸気生成部での水温を検出する温度センサと、当該ヒートポンプ式蒸気生成装置の運転停止中に前記温度センサの検出値が設定値未満となった場合に、前記開閉弁を閉制御し、前記給水ポンプの凍結防止運転を実行する制御部とを備える構成としてもよい。そうすると、水の凍結が予測される状態でのみ凍結防止運転が実行されるため、不要な電力等のコストを抑制できる。

また、前記蒸気生成部での水温を検出する温度センサと、当該ヒートポンプ式蒸気生成装置の運転停止中に前記温度センサの検出値が設定値未満となった場合に、前記開閉弁を閉制御すると共に前記切替弁を前記バイパス経路側に切替制御し、前記給水ポンプの凍結防止運転を実行する制御部とを備える構成としてもよい。これによっても、水の凍結が予測される状態でのみ凍結防止運転が実行されるため、不要な電力等のコストを抑制できる。

前記給水経路における前記バイパス経路の接続部よりも上流側に設けられ、該給水経路への給水の供給の可否を切り替える給水弁と、前記水蒸気分離器内の水位を検出する水位センサとを備え、前記制御部は、前記水位センサの検出値が設定値未満である場合に、前記給水弁を開制御した状態で前記凍結防止運転を実行する構成であってもよい。そうすると、蒸気生成部の経路内で水を循環させて凍結防止を行う際に循環水量不足を生じることを防止できる。

また、本発明に係るヒートポンプ式蒸気生成装置の運転方法は、冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器を出た冷媒を減圧する膨張機構と、外部熱源から回収した熱で冷媒を蒸発させる蒸発器とを環状に接続したヒートポンプ部と、被加熱水を前記冷媒によって加熱する前記凝縮器、前記凝縮器で生成された気液二相流が流通する蒸気経路、該蒸気経路から供給される気液二相流を水と水蒸気とに分離する水蒸気分離器及び該水蒸気分離器で分離された水蒸気を分離した水を前記凝縮器に流通させる水循環経路により形成されたサーモサイフォン回路と、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、前記水循環経路に接続され、給水ポンプの動力によって前記被加熱水を供給する給水経路とを有する蒸気生成部と、前記水蒸気分離器の液相領域又は前記水循環経路に接続され、外部に水を排出する排出経路と、前記水循環経路に設けられた開閉弁とを備えたヒートポンプ式蒸気生成装置の運転方法であって、前記ヒートポンプ式蒸気生成装置の運転停止中に前記開閉弁を閉制御し、前記給水ポンプを凍結防止運転し、前記被加熱水を前記凝縮器、前記蒸気経路、前記水蒸気分離器、及び前記排出経路の順に流通させることを特徴とする。

このような方法によれば、装置の運転停止中に開閉弁を閉制御して給水ポンプを凍結防止運転することで、水を給水経路、水循環経路から凝縮器、蒸気経路、水蒸気分離器、排出経路の順に流通させる。これにより、サーモサイフォン回路を形成する蒸気生成部に循環ポンプやヒータを追加で設置しない流路の切替のみで経路内での水の凍結を防止することができ、部品コストやランニングコストを抑制できる。

前記排出経路と、前記給水経路の前記給水ポンプの上流側との間を連通させるバイパス経路を備え、前記凍結防止運転時に、前記排出経路を流通する水を外部に排出するか又は前記バイパス経路に流通させるかを選択的に切り替えるようにしてもよい。

前記排出経路を流通する水を前記バイパス経路に流通させている場合、前記凍結防止運転では前記水蒸気分離器内の水位が設定値未満の時に、前記給水経路への給水を行うようにしてもよい。

前記蒸気生成部での水温を検出し、その検出値が設定値未満である場合に前記凍結防止運転を実行するようにしてもよい。

本発明によれば、装置の運転停止中に開閉弁を閉制御して給水ポンプを凍結防止運転することで、蒸気生成部の経路内に給水経路、水循環経路、凝縮器、蒸気経路、水蒸気分離器、排出経路と続く水の流通経路を形成できる。これにより、サーモサイフォン回路を形成する蒸気生成部に循環ポンプやヒータを追加で設置しない流路の切替のみで経路内での水の凍結を防止することができ、部品コストやランニングコストを抑制できる。

本発明の第１の実施形態に係るヒートポンプ式蒸気生成装置の全体構成図である。 図１に示すヒートポンプ式蒸気生成装置の制御部による制御フローの一例を示すフローチャートである。 ヒートポンプ式蒸気生成装置の各運転状況での各弁の開閉状態及び給水ポンプの運転状態を表形式に示した図である。 本発明の第２の実施形態に係るヒートポンプ式蒸気生成装置の全体構成図である。 図４に示すヒートポンプ式蒸気生成装置の制御部による制御フローの一例を示すフローチャートである。 ヒートポンプ式蒸気生成装置の各運転状況での各弁の開閉状態及び給水ポンプの運転状態を表形式に示した図である。

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、その運転方法との関係で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、本発明の第１の実施形態に係るヒートポンプ式蒸気生成装置１０の全体構成図である。ヒートポンプ式蒸気生成装置１０は、工場排水等の温水から排熱を回収し、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。

図１に示すように、ヒートポンプ式蒸気生成装置１０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１２と、温水供給部１４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１２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１６と、システムの制御を行う制御部１８とを備える。

ヒートポンプ部１６は、冷媒を圧縮する圧縮機２０と、圧縮機２０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。膨張機構２４は、例えば電子膨張弁である。

圧縮機２０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１２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、膨張機構２４で断熱膨張され、蒸発器２６で温水供給部１４を流れる温水から吸熱して蒸発し、圧縮機２０へと戻る。圧縮機２０は、制御部１８又は別の制御部の制御下に、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１２は、ヒートポンプ部１６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３０と、水蒸気分離器３０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経路３２と、水蒸気分離器３０で分離された水を給水経路３４から供給される被加熱水と合流させて凝縮器２２に導入する水循環経路３６と、凝縮器２２からの気液二相流を水蒸気分離器３０へと導く蒸気経路３８とを有する。水蒸気分離器３０で分離された水が流通する水循環経路３６には、排出経路４０が接続されている。

水蒸気分離器３０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水循環経路３６に接続された給水経路３４から水が給水補給されることで容器内部に水を貯留する。水蒸気分離器３０には、その液相領域の水温を検出する温度センサ４１が設けられている。温度センサ４１の検出結果は制御部１８に送られる。

給水経路３４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４２によって水循環経路３６まで導入する。給水ポンプ４２は制御部１８によって運転制御される。給水経路３４の給水ポンプ４２よりも上流側部分には、該給水経路３４への被加熱水の供給の可否を切り替える給水弁４３が設けられている。給水弁４３は電磁弁等の開閉弁で構成され、制御部１８によって開閉制御される。

水循環経路３６は、水蒸気分離器３０の下端壁から凝縮器２２までを連通する経路である。水循環経路３６における給水経路３４の接続部Ａと排出経路４０の接続部Ｂとの間には、凍結防止切替弁４４が設置されている。凍結防止切替弁４４は電磁弁等の開閉弁で構成され、制御部１８によって開閉制御されることで水循環経路３６での接続部Ａ，Ｂ間の水の流通の可否を切り替える。蒸気経路３８は、凝縮器２２から水蒸気分離器３０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。

送出経路３２は、水蒸気分離器３０の上端壁に接続され、蒸気経路３８から当該水蒸気分離器３０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。送出経路３２には、流れる蒸気の圧力を調整する圧力調整弁４６が設置されている。制御部１８の制御下に圧力調整弁４６の開度を適宜調整することにより、当該ヒートポンプ式蒸気生成装置１０から外部に送り出される蒸気の流量や圧力を制御できる。

排出経路４０は、水蒸気分離器３０から水循環経路３６に流れ出た水を外部に排出する経路である。本実施形態の場合、排出経路４０は、水を循環させながら水蒸気を送出経路３２へと送り出す水循環系統（水循環経路３６、蒸気経路３８及び水蒸気分離器３０）の内部でのカルシウムやシリカ等のスケール成分の濃縮防止のため、一部の水を外部に排出するブローダウン経路である。排出経路４０には、外部への水の排出の可否を切り替える排出弁４８が設けられている。排出弁４８は電磁弁等の開閉弁で構成され、制御部１８によって開閉制御される。排出経路４０は、水蒸気分離器３０の液相領域に接続されてもよく、この場合、凍結防止切替弁４４は水蒸気分離器３０と水循環経路３６における給水経路３４との接続部Ａとの間に設ければよい。

このような蒸気生成部１２では、水蒸気分離器３０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３０から凝縮器２２へと水循環経路３６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経路３８から水蒸気分離器３０を介して送出経路３２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、水循環経路３６、蒸気経路３８及び水蒸気分離器３０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。

温水供給部１４は、蒸発器２６に温水を供給する温水供給経路１４ａと、蒸発器２６から温水を排出する温水排出経路１４ｂとを有する。温水供給経路１４ａ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。

制御部１８は、温度センサ４１の検出値に基づき給水弁４３、凍結防止切替弁４４及び排出弁４８の開閉制御と、給水ポンプ４２の運転制御とを実行する制御装置である。より具体的には、制御部１８は、当該ヒートポンプ式蒸気生成装置１０の停止中、通常運転中及び凍結防止運転中の各運転状況に応じて各弁４３，４４，４８の開閉制御及び給水ポンプ４２の運転制御を行う。制御部１８は、さらに図示しないヒートポンプ部１６の冷媒温度や冷媒圧力に基づく圧縮機２０の駆動制御や圧力調整弁４６の制御を行ってもよいが、これらは別の制御部によって制御してもよい。

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１０の動作について説明する。図２は、図１に示すヒートポンプ式蒸気生成装置１０の制御部１８による制御フローの一例を示すフローチャートであり、図３は、ヒートポンプ式蒸気生成装置１０の各運転状況での各弁４３，４４，４８の開閉状態及び給水ポンプ４２の運転状態を表形式に示した図である。

図２に示すように、制御部１８は、例えば図示しない起動スイッチの操作やタイマ等に基づき、ステップＳ１において装置運転指令（運転オン指令）を受信すると（ステップＳ１のＹｅｓ）、通常運転を実行する（ステップＳ２）。

この通常運転では、ヒートポンプ部１６によって温水供給部１４の温水供給経路１４ａを流れる温水の熱を蒸発器２６で冷媒に回収し、冷媒に回収した熱を凝縮器２２で蒸気生成部１２の水循環経路３６を流れる被加熱水に移動させて蒸気が生成され、排熱を効率的に回収して利用し、高い省エネ性能が発揮される。この際、制御部１８の制御下に、給水弁４３、排出弁４８及び凍結防止切替弁４４が開制御され、給水ポンプ４２が運転制御される（図２及び図３参照）。これにより、水循環経路３６に水が循環されると共に、水循環経路３６に給水経路３４からの被加熱水が給水ポンプ４２によって供給されて水蒸気が生成され、同時に排出経路４０から一部の水が排出されることでスケール成分の濃縮が防止される。

一方、装置運転指令を受信しない場合（ステップＳ１のＮｏ）、つまり当該ヒートポンプ式蒸気生成装置１０の停止中、制御部１８は温度センサ４１による検出値である水蒸気分離器３０での水温が設定値より高いか否かを判定する（ステップＳ３）。

この設定値は、当該ヒートポンプ式蒸気生成装置１０の蒸気生成部１２の経路内の水が凍結するか否かを判断するための値であり、例えば０℃〜３℃程度に設定される。つまり、温度センサ４１の検出値が設定値未満である場合は蒸気生成部１２の経路内での水の凍結の可能性があり、検出値が設定値より高い場合は水の凍結の可能性がないと判断できる。従って、ステップＳ３での判定に用いる温度は、温度センサ４１によって検出される水蒸気分離器３０の液相領域での水温以外、例えば水循環経路３６での水温、蒸気経路３８での水温及び給水経路３４での水温を用いてもよく、当該ヒートポンプ式蒸気生成装置１０の設置場所での雰囲気温度を用いてもよい。

温度センサ４１による検出値（水温）が設定値より高い場合（ステップＳ３のＹｅｓ）、制御部１８は当該ヒートポンプ式蒸気生成装置１０の停止状態を維持する（ステップＳ４）。すなわち、制御部１８の制御下に、給水弁４３、排出弁４８及び凍結防止切替弁４４が閉制御され、給水ポンプ４２が停止される（図２及び図３参照）。なお、図３中では、「停止」時の凍結防止切替弁４４がかっこ付きの「（閉）」とされているが、これは通常は閉制御されるが、開状態であっても支障がない状態を示しており、後述する図６の場合も同様である。

一方、温度センサ４１による検出値（水温）が設定値未満である場合（ステップＳ３のＮｏ）、蒸気生成部１２の経路内で水が凍結する可能性があると判断できるため、制御部１８は凍結防止運転を実行する（ステップＳ５）。

この凍結防止運転は、ヒートポンプ部１６が停止された状態において蒸気生成部１２の水循環経路に水を流通させることで、そこでの水の凍結を防止する運転である。すなわち、制御部１８の制御下に、給水弁４３及び排出弁４８が開制御され、凍結防止切替弁４４が閉制御されると共に、給水ポンプ４２が凍結防止運転される（図２及び図３参照）。これにより、給水経路３４、水循環経路３６の凍結防止切替弁４４より下流側部分、凝縮器２２、蒸気経路３８、水蒸気分離器３０、水循環経路３６の凍結防止切替弁４４より上流側部分、排出経路４０へと続く経路が形成され、この経路に給水ポンプ４２によって給水源からの水が流通されて排出経路４０から外部に排出される。その結果、蒸気生成部１２の水循環系統に水が流通するため、そこでの水の凍結が防止される。

図４は、本発明の第２の実施形態に係るヒートポンプ式蒸気生成装置１０Ａの全体構成図である。この第２の実施形態に係るヒートポンプ式蒸気生成装置１０Ａにおいて、上記第１の実施形態に係るヒートポンプ式蒸気生成装置１０と同一又は同様な機能及び効果を奏する要素には同一の参照符号を付し、詳細な説明を省略する。

図４に示すように、このヒートポンプ式蒸気生成装置１０Ａは、図１に示すヒートポンプ式蒸気生成装置１０と比べて、排出経路４０と給水経路３４との間を連通するバイパス経路５０と、水蒸気分離器３０の液相領域の水位を検出する水位センサ５１とを備える。水位センサ５１の検出結果は制御部１８に送られる。

バイパス経路５０は、排出経路４０の排出弁４８より上流側部分と、給水経路３４の給水ポンプ４２の上流側であって給水弁４３の下流側部分との間を連通させる経路である。バイパス経路５０には、バイパス弁５２が設置されている。バイパス弁５２は電磁弁等の開閉弁で構成され、制御部１８によって開閉制御されることでバイパス経路５０での水の流通の可否を切り替える。

従って、制御部１８の制御下にバイパス弁５２及び排出弁４８を切替制御することで、排出経路４０を流通する水を排出弁４８を介して外部に排出するか、又はバイパス経路５０に流通させて給水経路３４に循環させるかを選択的に切り替えることができる。つまり、バイパス弁５２及び排出弁４８はこのような経路切替のための切替弁として機能する。各弁４８，５２に代えてバイパス経路５０と排出経路４０の接続部に１つの切替弁として三方弁を設けてもよい。

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１０Ａの動作について説明する。図５は、図４に示すヒートポンプ式蒸気生成装置１０Ａの制御部１８による制御フローの一例を示すフローチャートであり、図６は、ヒートポンプ式蒸気生成装置１０Ａの各運転状況での各弁４３，４４，４８，５２の開閉状態及び給水ポンプ４２の運転状態を表形式に示した図である。

図５に示すように、制御部１８は、例えば図示しない起動スイッチの操作やタイマ等に基づき、ステップＳ１１において装置運転指令（運転オン指令）を受信すると（ステップＳ１１のＹｅｓ）、通常運転を実行する（ステップＳ１２）。この通常運転は、図２中のステップＳ２での通常運転と同様であり、バイパス弁５２は閉制御される（図５及び図６参照）。

制御部１８が装置運転指令を受信しない場合（ステップＳ１１のＮｏ）、つまり当該ヒートポンプ式蒸気生成装置１０Ａの停止中、制御部１８は温度センサ４１による検出値である水蒸気分離器３０での水温が設定値より高いか否かを判定する（ステップＳ１３）。この水温判定は、図２中のステップＳ３の判定と同様である。

温度センサ４１による検出値（水温）が設定値より高い場合（ステップＳ１３のＹｅｓ）、制御部１８は当該ヒートポンプ式蒸気生成装置１０Ａの停止状態を維持する（ステップＳ１４）。すなわち、制御部１８の制御下に、給水弁４３、排出弁４８、凍結防止切替弁４４及びバイパス弁５２が閉制御され、給水ポンプ４２が停止される（図５及び図６参照）。

一方、温度センサ４１による検出値（水温）が設定値未満である場合（ステップＳ１３のＮｏ）、蒸気生成部１２の経路内で水が凍結する可能性があると判断できるため、次に制御部１８はステップＳ１５を実行して２種類の凍結防止運転の選択判定を行う。

ステップＳ１５では、水位センサ５１による検出値である水蒸気分離器３０内の水位が設定値より高いか否かを判定する。この設定値は、当該ヒートポンプ式蒸気生成装置１０Ａの蒸気生成部１２の水循環系統内で給水源からの新たな給水を行うことなくバイパス経路５０を用いた水循環運転（凍結防止運転１：ステップＳ１６）が可能であるか、又は新たな給水を補充する水循環運転（凍結防止運転２：ステップＳ１７）を行う必要があるか否かを判断するための値である。そこで、ステップＳ１５での設定値は、例えば水蒸気分離器３０の水位が蒸気経路３８の接続位置よりも高いか否かを判定する値とされる。つまり、水位センサ５１の検出値が設定値より高い場合は新たな給水を補充することなく蒸気生成部１２の経路内で水を循環させることが可能であり、検出値が設定値未満である場合は新たな給水の補充を行いながら水を循環させる必要があると判断できる。

ステップＳ１５で検出値（水位）が設定値より高いと判断された場合（ステップＳ１５のＹｅｓ）、制御部１８は凍結防止運転１を実行する（ステップＳ１６）。

この凍結防止運転１は、ヒートポンプ部１６が停止された状態において蒸気生成部１２の水循環系統で水を循環させることで、そこでの水の凍結を防止する運転である。すなわち、制御部１８の制御下に、給水弁４３、排出弁４８及び凍結防止切替弁４４が閉制御されると共に、バイパス弁５２が開制御され、給水ポンプ４２が凍結防止運転される（図５及び図６参照）。これにより、給水経路３４のバイパス経路５０の接続部より下流側部分、水循環経路３６の凍結防止切替弁４４より下流側部分、凝縮器２２、蒸気経路３８、水蒸気分離器３０、水循環経路３６の凍結防止切替弁４４より上流側部分、排出経路４０、バイパス経路５０へと循環する経路が形成され、この経路内の水を給水ポンプ４２によって循環させる。その結果、蒸気生成部１２の水循環系統に水が流通するため、そこでの水の凍結が防止される。しかも、排出経路４０からの排水がないため、上記第１の実施形態に係るヒートポンプ式蒸気生成装置１０の凍結防止運転に比べて水の使用量を低減できる。

一方、ステップＳ１５で検出値（水位）が設定値未満であると判断された場合（ステップＳ１５のＮｏ）、制御部１８は凍結防止運転２を実行する（ステップＳ１７）。

この凍結防止運転２は、ヒートポンプ部１６が停止された状態において蒸気生成部１２に新たな給水を補充する運転である。すなわち、制御部１８の制御下に、給水弁４３が開制御されると共に、排出弁４８、凍結防止切替弁４４及びバイパス弁５２が閉制御され、給水ポンプ４２が運転制御される（図５及び図６参照）。これにより、給水経路３４から水循環経路３６、凝縮器２２、蒸気経路３８、水蒸気分離器３０、排出経路４０へと新たな給水が補充される。従って、この凍結防止運転２で水が補充された後は、再びステップＳ１１へと戻り、その後は通常運転（ステップＳ１２）、停止（ステップＳ１４）又は凍結防止運転１（ステップＳ１６）が適宜実行される。なお、この凍結防止運転２においてバイパス弁５２を開制御してもよく、その場合は、給水を補充すると共に水循環系統で水を循環させることができる。

当該ヒートポンプ式蒸気生成装置１０Ａの場合にも、給水弁４３及び排出弁４８を開制御すると共に、バイパス弁５２及び凍結防止切替弁４４を閉制御し、給水ポンプ４２を運転制御すれば、上記第１の実施形態に係るヒートポンプ式蒸気生成装置１０の凍結防止運転と同様な凍結防止運転を実行可能である。

また、上記した凍結防止運転１の開始後、ステップＳ１５と同様な判定を行い、水位センサ５１の検出値が設定値を下回った場合に水位が設定値まで回復するまでの間、給水弁４３を開制御して経路内に給水を補充することもできる。

以上のように、上記実施形態に係るヒートポンプ式蒸気生成装置１０（１０Ａ）では、ヒートポンプ部１６と、凝縮器２２、蒸気経路３８、水蒸気分離器３０、水循環経路３６により形成されたサーモサイフォン回路と、送出経路３２と、給水経路３４とを有する蒸気生成部１２と、水蒸気分離器３０の液相領域又は水循環経路３６に接続され、外部に水を排出する排出経路４０と、水循環経路３６に設けられた凍結防止切替弁４４とを備え、凍結防止切替弁４４は、排出経路４０が水循環経路３６に接続されている場合には、水循環経路３６における給水経路３４の接続部Ａと排出経路４０の接続部Ｂとの間に設けられ、排出経路４０が水蒸気分離器３０の液相領域に接続されている場合には、水蒸気分離器３０と水循環経路３６における給水経路３４との接続部Ａとの間に設けられる。

従って、当該ヒートポンプ式蒸気生成装置１０（１０Ａ）の運転停止中に凍結防止切替弁４４を閉制御して給水ポンプ４２を運転制御することで、蒸気生成部１２の経路内に水を流通させる凍結防止運転を行うことができる。これにより、サーモサイフォン回路を形成する蒸気生成部１２に循環ポンプやヒータを追加で設置しない流路の切り替えのみで経路内での水の凍結を防止することができ、部品コストやランニングコストを抑制できる。

この場合、ヒートポンプ式蒸気生成装置１０Ａでは、排出経路４０と、給水経路３４の給水ポンプ４２の上流側との間を連通させるバイパス経路５０と、排出経路４０を流通する水を外部に排出するか又はバイパス経路５０に流通させるかを選択的に切替可能な切替弁となる排出弁４８及びバイパス弁５２とを備える。これにより、バイパス経路５０を介して給水経路３４と排出経路４０との間を連通させた状態で給水ポンプ４２を凍結防止運転することで、蒸気生成部１２の経路内で水を循環させることができ、排出経路４０からの排水分のランニングコストも低減した凍結防止運転が可能となる。

上記実施形態では、凍結防止運転（凍結防止運転１）の運転判断を温度センサ４１の検出結果に基づき行う。これにより、凍結防止運転が必要な状態でのみ凍結防止運転が実行されるため、不要な電力等のコストを抑制できる。

また、ヒートポンプ式蒸気生成装置１０Ａでは、水位センサ５１の検出結果に基づき凍結防止運転である凍結防止運転１と凍結防止運転２とを選択的に実行することで、蒸気生成部１２の経路内で水を循環させる際に循環水量不足を生じることを防止できる。

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。

１０，１０Ａ ヒートポンプ式蒸気生成装置
１２ 蒸気生成部
１４ 温水供給部
１６ ヒートポンプ部
１８ 制御部
２０ 圧縮機
２２ 凝縮器
２４ 膨張機構
２６ 蒸発器
３０ 水蒸気分離器
３２ 送出経路
３４ 給水経路
３６ 水循環経路
３８ 蒸気経路
４０ 排出経路
４１ 温度センサ
４２ 給水ポンプ
４３ 給水弁
４４ 凍結防止切替弁
４６ 圧力調整弁
４８ 排出弁
５０ バイパス経路
５１ 水位センサ
５２ バイパス弁
Ａ，Ｂ 接続部

Claims (9)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器を出た冷媒を減圧する膨張機構と、外部熱源から回収した熱で冷媒を蒸発させる蒸発器とを環状に接続したヒートポンプ部と、
   被加熱水を前記冷媒によって加熱する前記凝縮器、前記凝縮器で生成された気液二相流が流通する蒸気経路、該蒸気経路から供給される気液二相流を水と水蒸気とに分離する水蒸気分離器及び該水蒸気分離器で分離された水蒸気を分離した水を前記凝縮器に流通させる水循環経路により形成されたサーモサイフォン回路と、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、前記水循環経路に接続され、給水ポンプの動力によって前記被加熱水を供給する給水経路とを有する蒸気生成部と、
   前記水蒸気分離器の液相領域又は前記水循環経路に接続され、外部に水を排出する排出経路と、
   前記水循環経路に設けられた開閉弁と、
   を備え、
   前記開閉弁は、前記排出経路が前記水循環経路に接続されている場合には、前記水循環経路における前記給水経路の接続部と前記排出経路の接続部との間に設けられ、
   前記排出経路が前記水蒸気分離器の液相領域に接続されている場合には、前記水蒸気分離器と前記水循環経路における前記給水経路との接続部との間に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。
2. 請求項１記載のヒートポンプ式蒸気生成装置において、
   前記排出経路と、前記給水経路の前記給水ポンプの上流側との間を連通させるバイパス経路と、
   前記排出経路を流通する水を外部に排出するか又は前記バイパス経路に流通させるかを選択的に切替可能な切替弁と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。
3. 請求項１記載のヒートポンプ式蒸気生成装置において、
   前記蒸気生成部での水温を検出する温度センサと、
   当該ヒートポンプ式蒸気生成装置の運転停止中に前記温度センサの検出値が設定値未満となった場合に、前記開閉弁を閉制御し、前記給水ポンプの凍結防止運転を実行する制御部と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。
4. 請求項２記載のヒートポンプ式蒸気生成装置において、
   前記蒸気生成部での水温を検出する温度センサと、
   当該ヒートポンプ式蒸気生成装置の運転停止中に前記温度センサの検出値が設定値未満となった場合に、前記開閉弁を閉制御すると共に前記切替弁を前記バイパス経路側に切替制御し、前記給水ポンプの凍結防止運転を実行する制御部と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。
5. 請求項４記載のヒートポンプ式蒸気生成装置において、
   前記給水経路における前記バイパス経路の接続部よりも上流側に設けられ、該給水経路への給水の供給の可否を切り替える給水弁と、
   前記水蒸気分離器内の水位を検出する水位センサとを備え、
   前記制御部は、前記水位センサの検出値が設定値未満である場合に、前記給水弁を開制御した状態で前記凍結防止運転を実行することを特徴とするヒートポンプ式蒸気生成装置。
6. 冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器を出た冷媒を減圧する膨張機構と、外部熱源から回収した熱で冷媒を蒸発させる蒸発器とを環状に接続したヒートポンプ部と、
   被加熱水を前記冷媒によって加熱する前記凝縮器、前記凝縮器で生成された気液二相流が流通する蒸気経路、該蒸気経路から供給される気液二相流を水と水蒸気とに分離する水蒸気分離器及び該水蒸気分離器で分離された水蒸気を分離した水を前記凝縮器に流通させる水循環経路により形成されたサーモサイフォン回路と、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、前記水循環経路に接続され、給水ポンプの動力によって前記被加熱水を供給する給水経路とを有する蒸気生成部と、
   前記水蒸気分離器の液相領域又は前記水循環経路に接続され、外部に水を排出する排出経路と、
   前記水循環経路に設けられた開閉弁と、
   を備えたヒートポンプ式蒸気生成装置の運転方法であって、
   前記ヒートポンプ式蒸気生成装置の運転停止中に前記開閉弁を閉制御し、前記給水ポンプを凍結防止運転し、前記被加熱水を前記凝縮器、前記蒸気経路、前記水蒸気分離器、及び前記排出経路の順に流通させることを特徴とするヒートポンプ式蒸気生成装置の運転方法。
7. 請求項６記載のヒートポンプ式蒸気生成装置の運転方法において、
   前記排出経路と、前記給水経路の前記給水ポンプの上流側との間を連通させるバイパス経路を備え、
   前記凍結防止運転時に、前記排出経路を流通する水を外部に排出するか又は前記バイパス経路に流通させるかを選択的に切り替えることを特徴とするヒートポンプ式蒸気生成装置の運転方法。
8. 請求項７記載のヒートポンプ式蒸気生成装置の運転方法において、
   前記排出経路を流通する水を前記バイパス経路に流通させている場合、
   前記凍結防止運転では前記水蒸気分離器内の水位が設定値未満の時に、前記給水経路への給水を行うことを特徴とするヒートポンプ式蒸気生成装置の運転方法。
9. 請求項６〜８のいずれか１項に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置の運転方法において、
   前記蒸気生成部での水温を検出し、その検出値が設定値未満である場合に前記凍結防止運転を実行することを特徴とするヒートポンプ式蒸気生成装置の運転方法。

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