JP7135633B2 - ヒートポンプ式蒸気生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷媒循環回路における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とともに被加熱水を蒸発させるヒートポンプ式蒸気生成装置に関する。

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。ヒートポンプ部では圧縮機および膨張弁をそれぞれ高段および低段の２段構成にした２段圧縮２段膨張サイクルのものがある。２段圧縮２段膨張サイクルでは、圧縮を２段階にすることで圧縮機単段当たりの圧縮比が低減でき、また、低段側の冷媒流量を必要最小限とすることで低段側の圧縮動力を最小化することができるため、単段サイクルに比べて高効率化することができる（特許文献１）。

特開２０１４－１１９１５７号公報

ところで、ヒートポンプ式蒸気生成装置では熱効率を向上させるために低段内部熱交換器を設けることが考えられる。例えば、気液分離器の液相側出口と低段膨張弁吸入口との間に低段内部熱交換器の高温側流路を介在させ、蒸発器の冷媒出口と低段圧縮機の吸入口との間に低段内部熱交換器の低温側流路を介在させる。このような低段内部熱交換器によれば、蒸発器で蒸発した低圧冷媒がさらに加熱されて過熱度が大きくなるとともに、低段膨張弁入口冷媒が過冷却されて、熱効率が向上する。

ヒートポンプ式蒸気生成装置の起動時にはヒートポンプ部の冷媒温度が低くなっていることがあり、低段内部熱交換器の高温側流路を流れる冷媒も比較的低温になっていることがあり得る。そうすると、蒸発器で蒸発してから低段内部熱交換器の低温側流路に流れ込んだ低圧冷媒は加熱されるのではなくむしろ冷却されてしまい、状態によっては液化すること、つまり液バック現象の発生が考えられる。液化した冷媒がそのまま圧縮機に吸入されると液圧縮の状態となり、圧縮機にダメージを与える懸念がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、低段内部熱交換器を設けるとともに起動時の液バック現象を防止することの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。

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、低圧冷媒を外部熱源で蒸発させる蒸発器と、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、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導入する中間配管と、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過冷却する低段内部熱交換器と、前記低段内部熱交換器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、前記蒸発器の導出路から分岐して低圧冷媒を前記低段内部熱交換器を経由して前記低段圧縮機の導入路に導入する第１経路と、前記導出路から分岐して低圧冷媒を前記低段内部熱交換器をバイパスして前記導入路に導入する第２経路と、前記第１経路に設けられた第１開閉弁と、前記第２経路に設けられた第２開閉弁と、前記第１開閉弁および前記第２開閉弁を制御する制御部と、を有することを特徴とする。

前記制御部は、起動制御開始時に前記第１開閉弁を閉制御するとともに前記第２開閉弁を開制御し、所定の内部熱交換開始条件が成立した場合、前記第１開閉弁を開制御するとともに前記第２開閉弁を閉制御してもよい。

前記内部熱交換開始条件は、起動時から閾値時間を経過する条件であってもよい。

前記内部熱交換開始条件は、前記低段内部熱交換器の温度が閾値温度以上という条件であってもよい。

前記内部熱交換開始条件は、前記低段内部熱交換器を通過して前記低段膨張機構に導入される中間圧冷媒の温度が閾値温度以上という条件であってもよい。

前記内部熱交換開始条件は、前記低段圧縮機の吸入口の冷媒過熱度が閾値過熱度以上という条件であってもよい。

前記内部熱交換開始条件は、前記気液分離器の液相側出口温度から前記蒸発器の冷媒出口温度を引いた温度差分が閾値以上という条件であってもよい。

前記制御部は、停止指令を受信した場合、前記第１開閉弁および前記第２開閉弁を閉制御した状態で前記低段圧縮機および前記高段圧縮機を運転するポンプダウン運転を実施してもよい。

前記第１開閉弁および前記第２開閉弁は、運転停止中に閉であってもよい。

本発明にかかるヒートポンプ式蒸気生成装置では、蒸発器から導出される低圧冷媒が低段内部熱交換器をバイパスして低段圧縮機に導かれる第２経路が設けられている。そして、低段内部熱交換器に至る第１経路の第１開閉弁と、第２経路３６の第２開閉弁とにより低圧冷媒の通過経路を切り換えることができる。したがって、低段内部熱交換器の高温側流路を流れる中間圧冷媒が比較的低温になっていると想定される場合には、蒸発器で蒸発した低圧冷媒が第２経路を通ることにより低段内部熱交換器がバイパスされ、低圧冷媒の液バック現象を防止することができる。

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は、ヒートポンプ部のｐ－ｈ線図である。 図３は、第１の起動制御手順のフローチャートである。 図４は、第２の起動制御手順のフローチャートである。 図５は、第３の起動制御手順のフローチャートである。 図６は、第４の起動制御手順のフローチャートである。

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に基づいて詳細に説明する。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。

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１０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（外部熱源）から熱を回収し、この熱を蒸気生成部１２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１６と、システムの制御を行う制御部１８とを備える。

制御部１８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。

ヒートポンプ部１６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２０と、低段圧縮機２２と、高段圧縮機２４と、凝縮器２６と、高段膨張弁２８と、気液分離器３０と、低段膨張弁３２とを有する。ヒートポンプ部１６にはさらに低段内部熱交換器３４が設けられている。低段内部熱交換器３４の高温側流路３４ａは気液分離器３０の液相側出口と低段膨張弁３２の入口との間に介在し、低段内部熱交換器３４の低温側流路３４ｂは蒸発器２０の冷媒出口と低段圧縮機２２の吸入口との間に介在している。

蒸発器２０と低段圧縮機２２との間は流路３６ａで接続されている。流路３６ａは蒸発器２０の導出路３６１ａから分岐して、低段内部熱交換器３４を経由する第１経路３６ａａと、低段内部熱交換器３４をバイパスする第２経路３６ａｂとの２つの経路を形成しており、その後、低段圧縮機２２の導入路３６２ａで合流している。第１経路３６ａａにおける低段内部熱交換器３４の入口側には第１開閉弁３８ａが設けられ、第２経路３６ａｂには第２開閉弁３８ｂが設けられている。第１開閉弁３８ａおよび第２開閉弁３８ｂはそれぞれ電磁弁であって制御部１８によって個別に開閉制御が行われる。起動時には第１開閉弁３８ａが閉、第２開閉弁３８ｂが開となり、定常運転時には第１開閉弁３８ａが開、第２開閉弁３８ｂが閉となるが、さらに詳細な開閉制御については後述する。図１においては第１開閉弁３８ａおよび第２開閉弁３８ｂと制御部１８との間の信号線を破線で示し、それ以外の信号線は省略している。

なお、図１のヒートポンプ部１６は基本的な構成を示しており、回路中にさらに別の要素が設けられていてもよい。低段圧縮機２２と高段圧縮機２４とは流路３６ｂで接続され、高段圧縮機２４と凝縮器２６とは流路３６ｃで接続され、凝縮器２６と高段膨張弁２８とは流路３６ｄで接続され、高段膨張弁２８と気液分離器３０とは流路３６ｅで接続され、気液分離器３０の液相出口と低段内部熱交換器３４の高温側流路３４ａとは流路３６ｆで接続され、高温側流路３４ａと低段膨張弁３２とは流路３６ｇで接続され、低段膨張弁３２と蒸発器２０とは流路３６ｈで接続されている。

ヒートポンプ部１６はさらに、気液分離器３０の気相側出口から導入された冷媒を流路３６ｂに導入して合流させる中間配管４０を有する。ヒートポンプ部１６は２段圧縮２段膨張サイクルを形成し、気液分離器３０および中間配管４０を境として図１における下半分が低段回路であり、上半分が高段回路である。

蒸発器２０は、温水供給部１４の温水経路を流れる温水から吸熱して冷媒を蒸発させて低圧気相冷媒とする。温水経路には、例えば他のシステムからの排温水が供給される。

低段圧縮機２２は低圧気相冷媒を圧縮して中圧気相冷媒とする。高段圧縮機２４は中圧気相冷媒を圧縮して高圧気相冷媒とする。低段圧縮機２２と高段圧縮機２４は一体となった２段圧縮型としてもよく、例えば１軸型スクロール圧縮機が適用可能である。低段圧縮機２２および高段圧縮機２４は制御部１８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。凝縮器２６は高圧気相冷媒を凝縮させて高圧液相冷媒とするとともに蒸気生成部１２の被加熱水を加熱する。蒸気生成部１２では、水道管や水タンクからの水を給水ポンプによって凝縮器２６まで導入し、該凝縮器２６で得られた蒸気は外部に供給し利用される。

高段膨張弁２８は高圧液相冷媒を減圧膨張させて中圧冷媒とする。気液分離器３０は中圧冷媒を気液分離する。低段内部熱交換器３４は、気液分離器３０の液相側出口から導入された中圧冷媒を高温側流路３４ａに流すとともに、蒸発器２０から導入された低圧冷媒を低温側流路３４ｂに流して熱交換を行う。中圧冷媒が過冷却される一方、低圧冷媒が過熱されてヒートポンプ式蒸気生成装置１０の熱効率が向上する。低段膨張弁３２は、低段内部熱交換器３４から導入された冷媒を減圧膨張させて低圧冷媒とし、蒸発器２０に導入する。

また、ヒートポンプ部１６は、低段圧縮機２２の吸入口側における圧力を計測する圧力計４２と、温度を計測する温度計４４とを有する。圧力計４２および温度計４４は流路３６ａに設けられている。ヒートポンプ部１６はさらに、温度計４６ａ，４６ｂおよび４６ｃを有する。温度計４６ａは低段内部熱交換器３４における高温側流路３４ａの入口側温度を計測するものであり、流路３６ｄに設けられている。温度計４６ｂは低段内部熱交換器３４の本体温度を計測するものである。温度計４６ｃは低段内部熱交換器３４における高温側流路３４ａの出口側温度を計測するものであり、流路３６ｇに設けられている。これらの各温度計および圧力計は検出信号を制御部１８に供給する。これらの各温度計および圧力計は他の検出手段で代用してもよい。

図２は、ヒートポンプ式蒸気生成装置１０におけるヒートポンプ部１６の定常運転時のＰ－Ｈ線図である。定常運転時では上記の第１開閉弁３８ａが開、第２開閉弁３８ｂが閉とする。高段圧縮機２４で冷媒循環量ＧＨの高圧冷媒ＲＨを生成して凝縮器２６に導入するのは点Ｐ２から点Ｐ３に相当する。高圧冷媒ＲＨが凝縮器２６によって放熱凝縮されて冷却されるのは点Ｐ３から点Ｐ４に相当する。高圧冷媒ＲＨが高段膨張弁２８で減圧膨張されて中間圧冷媒ＲＭとなるのは点Ｐ４から点Ｐ５に相当する。気液分離器３０に導入された中間圧冷媒ＲＭのうち気相で冷媒循環量ＧＭの中間圧冷媒ＲＭ１は、中間配管４０を介して流路３６ｂに導入される。これは点Ｐ２に相当する。

低段内部熱交換器３４が、中間圧冷媒ＲＭのうちの液相で冷媒循環量ＧＬの中間圧冷媒ＲＭ２を過冷却するのは点Ｐ６とＰ７の変化分に相当する。低段内部熱交換器３４は低圧冷媒ＲＬ２を加熱する。低段内部熱交換器３４から導出された中間圧冷媒ＲＭ２は低段内部熱交換器３４を通って中間圧冷媒ＲＭ３となる。中間圧冷媒ＲＭ３が低段膨張弁３２で減圧膨張されて低圧冷媒ＲＬ１となるのは点Ｐ７から点Ｐ８に相当する。蒸発器２０が、外部からの温水によって低圧冷媒ＲＬ１を加熱して蒸発させた低圧冷媒ＲＬ２を生成するのは点Ｐ８から右方向に延在する等圧線に相当し、点Ｐ１よりもやや左の箇所（点Ｐ６と点Ｐ７との幅だけ左の箇所）まで達し、さらに、低圧冷媒ＲＬ２が低段内部熱交換器３４で過熱されて低圧冷媒ＲＬ３となって低段圧縮機２２に導入される。低圧冷媒ＲＬ３が低段圧縮機２２に導入されるのは点Ｐ１に相当する。低段圧縮機２２が導入された低圧冷媒ＲＬ３を中間圧まで圧縮するのは点Ｐ１から点Ｐ２に相当する。高段圧縮機２４が、低段圧縮機２２で圧縮された冷媒循環量ＧＬの中間圧冷媒と中間配管４０を介して導入される冷媒循環量ＧＭの中間圧冷媒ＲＭ１とを圧縮して、冷媒循環量ＧＨの高圧冷媒ＲＨを導出するのは点Ｐ２から点Ｐ３に相当する。

ヒートポンプ式蒸気生成装置１０では、低段内部熱交換器３４で低圧冷媒ＲＬ２が加熱され、より高温の低圧冷媒ＲＬ３となるため、低段圧縮機２２に吸入される冷媒の状態を「低」の等温線ＬＴ１上から「高」の等温線ＬＴ２上に遷移することができる。つまり、低圧冷媒ＲＬ２は点Ｐ８´から点Ｐ１に遷移してより高温の低圧冷媒ＲＬ３となり、低段内部熱交換器３４を用いない場合より高圧力条件下においても一定の過熱度を確保することができる。この結果、低圧冷媒ＲＬ２の圧縮比を低減し、低段圧縮機２２の圧縮駆動力を低減することができる。

また、低段内部熱交換器３４は、蒸発器２０から導出される低圧冷媒ＲＬ２で中間圧冷媒ＲＭ２を過冷却している。この結果、蒸発器２０における低圧冷媒ＲＬ１と低圧冷媒ＲＬ２との比エンタルピ差Δｈが大きくなる。比エンタルピ差Δｈが大きくなることで、低段側を流通する冷媒循環量ＧＬを低減することができる。このため、低段圧縮機２２の圧縮機動力をさらに低減することができる。

ところで、ヒートポンプ式蒸気生成装置１０の起動時にはヒートポンプ部１６の冷媒温度は低くなっていることがあり、低段内部熱交換器３４の高温側流路３４ａに流れる中間圧冷媒ＲＭ２も比較的低温になっていることがあり得る。また低段内部熱交換器３４自体も低温になっていることがある。そのため、蒸発器２０で蒸発した低圧冷媒ＲＬ２を低段内部熱交換器３４の低温側流路３４ｂに流すと、流れ込んだ低圧冷媒ＲＬ２は加熱されるのではなくむしろ冷却されてしまい状態によっては液バック現象が発生することが考えられる。

これに対して、ヒートポンプ式蒸気生成装置１０では、蒸発器２０から導出される低圧冷媒ＲＬ２が低段内部熱交換器３４をバイパスして低段圧縮機２２に導かれる第２経路３６ａｂが設けられている。そして、低段内部熱交換器３４を経由する第１経路３６ａａの第１開閉弁３８ａと、第２経路３６ａｂの第２開閉弁３８ｂとにより低圧冷媒ＲＬ２の通過経路を切り換えることができる。したがって、低段内部熱交換器３４の高温側流路３４ａを流れる中間圧冷媒ＲＭ２が比較的低温になっていると想定される場合には、低圧冷媒ＲＬ２は第２経路３６ａｂを通されることにより低段内部熱交換器３４がバイパスされ、低圧冷媒ＲＬ２の液化および低段圧縮機２２における液圧縮を防止することができる。

次に、制御部１８によるヒートポンプ式蒸気生成装置１０の起動制御手順について図３～図６を参照しながら説明する。以下の各起動制御手順では、基本的に制御部１８が起動制御開始時に第１開閉弁３８ａを閉制御するとともに第２開閉弁３８ｂを開制御し、所定の内部熱交換開始条件が成立した場合、第１開閉弁３８ａを開制御するとともに第２開閉弁３８ｂを閉制御する。そして各起動制御手順によって内部熱交換開始条件が異なっている。

図３は、第１の起動制御手順のフローチャートである。まず、起動スイッチオンまたはその他の起動トリガによりヒートポンプ式蒸気生成装置１０の運転が開始されると、まずステップＳ１において、第１開閉弁３８ａを閉として第１経路３６ａａを閉鎖するとともに、第２開閉弁３８ｂを開として第２経路３６ａｂを連通させる。

ステップＳ２において、低段圧縮機２２および高段圧縮機２４を起動し冷媒をヒートポンプ部１６内で循環させる。このとき、低段内部熱交換器３４および中間圧冷媒ＲＭ２は比較的低温になっていることがあり得るが、ステップＳ１の処理により第１経路３６ａａは閉鎖されており、蒸発器２０で蒸発した低圧冷媒ＲＬ２は第２経路３６ａｂを通って低段圧縮機２２に吸入される。つまり、低段内部熱交換器３４の低温側流路３４ｂはバイパスされるため、低圧冷媒ＲＬ２が低段内部熱交換器３４で冷却されて液化されることがなく、低段圧縮機２２における液圧縮を防止することができる。低段圧縮機２２および高段圧縮機２４が起動されると、運転にともなってヒートポンプ部１６内を循環する冷媒は次第に温度が上昇し、低段内部熱交換器３４の温度も上昇する。

ステップＳ３において内部熱交換開始条件の成立判断をする。この場合、低段圧縮機２２および高段圧縮機２４の起動から所定の閾値時間が経過したか否かを判断する。起動からの経過時間が閾値時間未満である間は待機し（Ｎ）、閾値時間以上であればステップＳ４へ移る（Ｙ）。この閾値時間はヒートポンプ部１６の運転にともなって中間圧冷媒ＲＭ２および低段内部熱交換器３４が十分に上昇して、該低段内部熱交換器３４において中間圧冷媒ＲＭ２と低圧冷媒ＲＬ２との熱交換が適切になされるようになる時間として設定されている。この閾値時間は気温などによって補正してもよい。

ステップＳ４において、第１開閉弁３８ａを開として第１経路３６ａａを連通させ、その後ステップＳ５において、第２開閉弁３８ｂを閉として第２経路３６ａｂを閉鎖する。これにより、蒸発器２０で蒸発した低圧冷媒ＲＬ２は低段内部熱交換器３４の低温側流路３４ｂに流れ込み、高温側流路３４ａの中間圧冷媒ＲＭ２との間で適切な熱交換が行われるようになる。また、第２開閉弁３８ｂを閉とするのに先立って第１開閉弁３８ａを開としていることから、一時的にも低圧冷媒ＲＬ２の流れがブロックされてしまうことがない。

これにより第１の起動制御手順は終了し定常運転となる。この第１の起動制御手順では、起動からの経過時間に基づいて第１開閉弁３８ａおよび第２開閉弁３８ｂの開閉制御を行っていることから、各部の温度および圧力の判断が不要で簡易な手順となっている。

図４は、第２の起動制御手順のフローチャートである。図４におけるステップＳ１１，Ｓ１２，Ｓ１４，Ｓ１５は上記のステップＳ１，Ｓ２，Ｓ４，Ｓ５と同じであり、内部熱交換開始条件の成立判断処理のステップＳ１３だけが上記のステップＳ３と異なる。

ステップＳ１３においては、温度計４６ｂにより計測された低段内部熱交換器３４の温度が所定の閾値温度以上であるか否かを判断する。低段内部熱交換器３４の温度が閾値温度未満である間は待機し（Ｎ）、閾値温度以上であればステップＳ１４へ移る（Ｙ）。この閾値温度は低段内部熱交換器３４において中間圧冷媒ＲＭ２と低圧冷媒ＲＬ２との熱交換が適切になされるようになる温度として設定されている。

この第２の起動制御手順のステップＳ１３では、低段内部熱交換器３４の温度に基づいて第１開閉弁３８ａおよび第２開閉弁３８ｂの開閉制御を行うことから、低段内部熱交換器３４が熱交換を行うのに適切な温度となったことを直接的に検知することができ、時間的に過不足ないタイミングでステップＳ１４に移行することができる。なお、この第２の起動制御手順では、温度計４６ｂにより計測される低段内部熱交換器３４の温度に代えて、温度計４６ｃにより計測される低圧冷媒ＲＬ１の温度に基づいてステップＳ１３の判断処理を行ってもよい。

図５は、第３の起動制御手順のフローチャートである。図５におけるステップＳ２１，Ｓ２２，Ｓ２４，Ｓ２５は上記のステップＳ１，Ｓ２，Ｓ４，Ｓ５と同じであり、内部熱交換開始条件の成立判断処理のステップＳ２３だけが上記のステップＳ３と異なる。

ステップＳ２３においては、圧力計４２により計測された圧力と、温度計４４により計測された温度とから、低段圧縮機２２の吸入口における低圧冷媒ＲＬ２の過熱度を求め、該過熱度が所定の閾値過熱度以上であるか否かを判断する。過熱度が閾値過熱度未満である間は待機し（Ｎ）、閾値過熱度以上であればステップＳ２４へ移る（Ｙ）。この閾値過熱度は、低圧冷媒ＲＬ１が所定温度（例えば、第１の制御手順のステップＳ３に基づく閾値温度）にまで上昇していると想定される値に設定されている。

この第３の起動制御手順のステップＳ２３では、低段圧縮機２２の吸入口の過熱度が適度に大きくなっていることから、低圧冷媒ＲＬ１の温度についてもある程度上昇していることが想定され、低段内部熱交換器３４による冷媒の液化が防止できる。また、圧力計４２および温度計４４は、ヒートポンプ部１６全体の熱出力を算出するなどの用途にも兼用して用いることができ、合理的である。

図６は、第４の起動制御手順のフローチャートである。図６におけるステップＳ３１，Ｓ３２，Ｓ３４，Ｓ３５は上記のステップＳ１，Ｓ２，Ｓ４，Ｓ５と同じであり、内部熱交換開始条件の成立判断処理のステップＳ３３だけが上記のステップＳ３と異なる。

ステップＳ３３においては、気液分離器３０の液相側出口温度（換言すれば、中間圧冷媒ＲＭ２の温度または高温側流路３４ａの入口温度）と蒸発器２０の冷媒出口温度（換言すれば、低圧冷媒ＲＬ２の温度または低温側流路３４ｂの入口温度）とを比較する。気液分離器３０の液相側出口温度は温度計４６ａにより計測され、蒸発器２０の冷媒出口温度は温度計４４により計測される。そして、気液分離器３０の液相側出口温度が蒸発器２０の冷媒出口温度以上であるか否かを判断する。前者温度が後者温度未満である間は待機し（Ｎ）、前者温度が後者温度以上であればステップＳ３４へ移る（Ｙ）。なお、気液分離器３０の液相側出口温度から蒸発器２０の冷媒出口温度を引いた温度差分を監視し、この温度差分が閾値温度差以上であるかを監視してもよい。上述の制御は閾値温度差をゼロと設定した場合の挙動と等しい。

この第４の起動制御手順のステップＳ３３では、気液分離器３０の液相側出口温度が蒸発器２０の冷媒出口温度以上であることが確認されることから、低段内部熱交換器３４において高温側流路３４ａの方が低温側流路３４ｂよりも高温であることが担保され、該低段内部熱交換器３４で低圧冷媒ＲＬ２が冷却および液化されることが確実に防止できる。

なお、上記のステップＳ３，Ｓ１３，Ｓ２３，Ｓ３３の内部熱交換開始条件の成立判断処理においては、低圧冷媒ＲＬ２が冷却されることのないように各閾値が設定されているが、条件によっては、中間圧冷媒ＲＭ２および低段内部熱交換器３４がやや低温であって低圧冷媒ＲＬ２を多少冷却する場合であっても、該低圧冷媒ＲＬ２が液化するまで冷却してしまうことがなければ次のステップＳ４，Ｓ１４，Ｓ２４，Ｓ３４に移るように各閾値を設定してもよい。

例えば、第４の起動制御手順のステップＳ３３では、中間圧冷媒ＲＭ２の温度（つまり気液分離器３０の液相側出口温度）と低圧冷媒ＲＬ２の温度（つまり蒸発器２０の冷媒出口温度）とに基づき、該低圧冷媒ＲＬ２が液化することのない状態であると判断される場合にステップＳ３４に移るようにすればよい。より具体的には、中間圧冷媒ＲＭ２の温度が低圧冷媒ＲＬ２の温度より多少低いときに条件成立させてもよいし、中間圧冷媒ＲＭ２の温度が低圧冷媒ＲＬ２の温度よりある程度以上高くなってから条件成立させてもよい。

ステップＳ３，Ｓ１３，Ｓ２３，Ｓ３３の条件判断の成立後、次のステップＳ４，Ｓ１４，Ｓ２４，Ｓ３４に移るまでに余裕をみて多少の待ち時間を設けてもよい。ステップＳ３，Ｓ１３，Ｓ２３，Ｓ３３の判断処理はこのうち２以上をＡＮＤ条件またはＯＲ条件で組み合わせてもよい。

また、通常運転中に何らかの理由により中間圧冷媒ＲＭ２や低段内部熱交換器３４の温度が下がりまたは低段圧縮機２２の吸入口の過熱度が低下した場合などには、一旦第１開閉弁３８ａを閉、第２開閉弁３８を開とした状態で運転を続行し、その後に上記の起動制御手順を再実行してもよい。制御部１８は、停止指令を受信してヒートポンプ式蒸気生成装置１０の運転を停止させる時には、低段圧縮機２２および高段圧縮機２４を停止させた後に第１開閉弁３８ａおよび第２開閉弁３８ｂの両方を閉にしておくとよい。第１開閉弁３８ａおよび第２開閉弁３８ｂを運転停止中に閉としておくには、例えば制御部１８の制御によらずそれぞれノーマルクローズ型としておけばよい。

また、運転を停止させる時に第１開閉弁３８ａおよび第２開閉弁３８ｂの両方を閉にした状態で低段圧縮機２２および高段圧縮機２４を運転させるポンプダウン運転を実施した後に低段圧縮機２２および高段圧縮機２４を停止してもよい。これにより、停止前に流路３６ａの冷媒が排出され、再起動時の液圧縮を防止することができる。

また、第１開閉弁３８ａは低段内部熱交換器３４に流入する冷媒を制御できればよく、第１経路３６ａａ内であれば低段内部熱交換器３４の下流側に設けてもよい。

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 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 蒸発器
２２ 低段圧縮機
２４ 高段圧縮機
２６ 凝縮器
２８ 高段膨張弁（高段膨張機構）
３０ 気液分離器
３２ 低段膨張弁（低段膨張機構）
３４ 低段内部熱交換器
３４ａ 高温側流路
３４ｂ 低温側流路
３６ａａ 第１経路
３６ａｂ 第２経路
３８ａ 第１開閉弁
３８ｂ 第２開閉弁
４０ 中間配管
４２ 圧力計
４４，４６ａ，４６ｂ，４６ｃ 温度計
ＲＨ 高圧冷媒
ＲＬ１，ＲＬ２，ＲＬ３ 低圧冷媒
ＲＭ，ＲＭ１，ＲＭ２，ＲＭ３ 中間圧冷媒

Claims (8)

1. 低圧冷媒を外部熱源で蒸発させる蒸発器と、
   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、
   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導入する中間配管と、
   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過冷却する低段内部熱交換器と、
   前記低段内部熱交換器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、
   前記蒸発器の導出路から分岐して低圧冷媒を前記低段内部熱交換器を経由して前記低段圧縮機の導入路に導入する第１経路と、
   前記導出路から分岐して低圧冷媒を前記低段内部熱交換器をバイパスして前記導入路に導入する第２経路と、
   前記第１経路に設けられた第１開閉弁と、
   前記第２経路に設けられた第２開閉弁と、
   前記第１開閉弁および前記第２開閉弁を制御する制御部と、
   を有し、
   前記制御部は、起動制御開始時に前記第１開閉弁を閉制御するとともに前記第２開閉弁を開制御し、所定の内部熱交換開始条件が成立した場合、前記第１開閉弁を開制御するとともに前記第２開閉弁を閉制御す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に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置において、
   前記内部熱交換開始条件は、起動時から閾値時間が経過する条件であ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に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置において、
   前記内部熱交換開始条件は、前記低段内部熱交換器の温度が閾値温度以上という条件であ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に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置において、
   前記内部熱交換開始条件は、前記低段内部熱交換器を通過して前記低段膨張機構に導入される中間圧冷媒の温度が閾値温度以上という条件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に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置において、
   前記内部熱交換開始条件は、前記低段圧縮機の吸入口の冷媒過熱度が閾値過熱度以上という条件であ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１に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置において、
   前記内部熱交換開始条件は、前記気液分離器の液相側出口温度から前記蒸発器の冷媒出口温度を引いた温度差分が閾値以上という条件であることを特徴とするヒートポンプ式蒸気生成装置。
7. 低圧冷媒を外部熱源で蒸発させる蒸発器と、
   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、
   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導入する中間配管と、
   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過冷却する低段内部熱交換器と、
   前記低段内部熱交換器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、
   前記蒸発器の導出路から分岐して低圧冷媒を前記低段内部熱交換器を経由して前記低段圧縮機の導入路に導入する第１経路と、
   前記導出路から分岐して低圧冷媒を前記低段内部熱交換器をバイパスして前記導入路に導入する第２経路と、
   前記第１経路に設けられた第１開閉弁と、
   前記第２経路に設けられた第２開閉弁と、
   前記第１開閉弁および前記第２開閉弁を制御する制御部と、
   を有し、
   前記制御部は、停止指令を受信した場合、前記第１開閉弁および前記第２開閉弁を閉制御した状態で前記低段圧縮機および前記高段圧縮機を運転するポンプダウン運転を実施することを特徴とするヒートポンプ式蒸気生成装置。
8. 請求項１～７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、
   前記第１開閉弁および前記第２開閉弁は、運転停止中に閉であることを特徴とするヒートポンプ式蒸気生成装置。

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