JP7176310B2

JP7176310B2 - ヒートポンプ式蒸気生成装置

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Publication number: JP7176310B2
Application number: JP2018169456A
Authority: JP
Inventors: 修平柴田; 時空吉田; 賢哲安嶋; 祐輔大西; 正道岩崎
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2018-09-11
Filing date: 2018-09-11
Publication date: 2022-11-22
Anticipated expiration: 2038-09-11
Also published as: JP2020041744A

Description

本発明は、圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器を環状に接続したヒートポンプ部と、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蒸気生成部とを備え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１参照）。

特開２０１４－１１９１５７号公報

ところで、凝縮器において被加熱水を蒸発させて蒸気を得る際に、その出力制御などの用途のためにヒートポンプ部や蒸気生成部を流れる流体の流量を検出することができると好適である。このために従来は管路の途中に流量計を設けていた。流量計は高価でありしかも流量計にともなう配管系統が複雑になり、さらに装置体格の増大を招くことから、廉価かつ簡易な手段で流体流量を求めることが望まれている。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、流量計を用いずに流体流量を求め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。

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、冷媒を圧縮する圧縮機、該圧縮機で圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器、該凝縮器で凝縮した冷媒を減圧する膨張機構および該膨張機構で膨張した冷媒を熱源温水から回収した熱により蒸発させる蒸発器を環状に接続したヒートポンプ部と、前記熱源温水を前記蒸発器に供給する温水供給部と、前記凝縮器に被加熱水を供給し、該被加熱水を前記冷媒によって加熱して蒸気を生成し外部に送出する蒸気生成部と、を備えるヒートポンプ式蒸気生成装置であって、前記凝縮器を流れる冷媒の流路を調節する冷媒流路調節機構と、前記冷媒流路調節機構の上流側冷媒圧力を検出する上流側冷媒圧力検出手段と、前記冷媒流路調節機構の上流側冷媒温度を検出する上流側冷媒温度検出手段と、前記冷媒流路調節機構の下流側冷媒圧力を検出する下流側冷媒圧力検出手段と、前記上流側冷媒圧力、前記上流側冷媒温度、前記下流側冷媒圧力、前記冷媒流路調節機構の最大流路面積、前記冷媒流路調節機構における前記最大流路面積に対する開度比および前記冷媒流路調節機構の流路係数に基づいて前記凝縮器を流通する冷媒流量を算出する冷媒流量算出部と、を有することを特徴とする。

前記膨張機構は前記冷媒流路調節機構であってもよい。

前記ヒートポンプ部は直列に配置された複数の圧縮機、直列に配置された複数の膨張機構を備えた複数段圧縮サイクルを備え、前記冷媒流路調節機構は冷媒の膨張段階において最も上流側に配置された膨張機構であってもよい。

前記複数の圧縮機は、一体型複数段圧縮機であってもよい。

また、本発明にかか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、該圧縮機で圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器、該凝縮器で凝縮した冷媒を減圧する膨張機構および該膨張機構で膨張した冷媒を熱源温水から回収した熱により蒸発させる蒸発器を環状に接続したヒートポンプ部と、前記熱源温水を前記蒸発器に供給する温水供給部と、前記凝縮器に被加熱水を供給し、該被加熱水を前記冷媒によって加熱して蒸気を生成し外部に送出する蒸気生成部と、を備えるヒートポンプ式蒸気生成装置であって、前記蒸気生成部から外部に送出される蒸気の流路を調節する蒸気流路調節機構と、前記蒸気流路調節機構の上流側蒸気圧力を検出する上流側蒸気圧力検出手段と、前記蒸気流路調節機構の下流側蒸気圧力を検出する下流側蒸気圧力検出手段と、前記上流側蒸気圧力、前記下流側蒸気圧力、前記蒸気流路調節機構の最大流路面積、前記蒸気流路調節機構における前記最大流路面積に対する開度比および前記蒸気流路調節機構の流路係数に基づいて前記蒸気流路調節機構を流通する蒸気流量を算出する蒸気流量算出部と、を有することを特徴とする。

前記蒸気流路調節機構は、前記蒸気生成部における外部への蒸気送出経路に設けられた圧力調整機構であってもよい。

前記ヒートポンプ部は直列に配置された複数の圧縮機、直列に配置された複数の膨張機構を備えた複数段圧縮サイクルを備え、前記複数の圧縮機は、一体型複数段圧縮機であってもよい。

本発明にかかるヒートポンプ式蒸気生成装置では、流量計測弁についての入口側圧力と入口側温度とに基づいて該流量計測弁の入口側における流体の密度を算出し、さらに入口側圧力、出口側圧力、流路係数、流路面積および密度に基づいて流量計測弁の流量を算出する。これにより、流量計を用いずに流体流量を求めることができる。

図１は、第１の実施形態にかかるヒートポンプ式蒸気生成装置を示すブロック図である。図２は、ヒートポンプ式蒸気生成装置のｐ－ｈ線図である。図３は、第１の実施形態にかかるヒートポンプ式蒸気生成装置における制御部のブロック図である。図４は、第１の実施形態にかかるヒートポンプ式蒸気生成装置の制御手順を示すフローチャートである。図５は、第２の実施形態にかかるヒートポンプ式蒸気生成装置を示すブロック図である。図６は、第２の実施形態にかかるヒートポンプ式蒸気生成装置における制御部のブロック図である。図７は、第２の実施形態にかかるヒートポンプ式蒸気生成装置の制御手順を示す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。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態であるヒートポンプ式蒸気生成装置１０ａを示すブロック図である。

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。蒸気生成部１２およびヒートポンプ部１６と制御部１８との間にはインバータ２２、ドライバ２４，２６，２７が設けられている。

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２８と、圧縮機３０と、凝縮器３２と、高段膨張弁３４と、気液分離器３６と、低段膨張弁３８とを有する。後述するように、高段膨張弁３４は冷媒流量を計測する用途にも用いられる。高段膨張弁３４は凝縮器３２の出口流路である流路４２ｄに設けられていることから凝縮器３２を通った冷媒がすべて通過することになり、冷媒の通過流量が凝縮器３２と等しくなる。

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。蒸発器２８と圧縮機３０とは流路４２ａで接続され、圧縮機３０と凝縮器３２とは流路４２ｃで接続され、凝縮器３２と高段膨張弁３４とは流路４２ｄで接続され、高段膨張弁３４と気液分離器３６とは流路４２ｅで接続され、気液分離器３６の液相出口と低段膨張弁３８とは流路４２ｆで接続され、低段膨張弁３８と蒸発器２８とは流路４２ｇで接続されている。

以下の説明では冷媒の状態を低圧気相、中圧気相、高圧気相、高圧液相と表すが、これらはそれぞれの流路における代表的な状態を示す便宜的なものであり、例えば運転開始直後には各相が多少混在することもあり得る。

蒸発器２８は、温水供給部１４の温水経路６６を流れる温水から吸熱して低圧冷媒を蒸発させて低圧気相冷媒とする。温水経路６６は、例えば他のシステムから供給される排温水が導入される。

圧縮機３０は低段圧縮機３０ａと高段圧縮機３０ｂが一体となった２段圧縮（複数段圧縮）型であり、低段圧縮機３０ａの吐出口と高段圧縮機３０ｂの吸入口との間の中圧気相流路４２ｂは圧縮機３０の筺体内部に設けられている。圧縮機３０は例えば１軸型スクロール圧縮機である。低段圧縮機３０ａ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３０ｂは中圧気相冷媒を圧縮して高圧気相冷媒とする。凝縮器３２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。

高段膨張弁３４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３６は中圧冷媒を気液分離する。低段膨張弁３８は気液分離器３６の液相側出口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２８に導入する。

ヒートポンプ部１６はさらに、気液分離器３６の気相側出口から導入された冷媒を中圧気相流路４２ｂ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（複数段圧縮サイクル）を形成し、気液分離器３６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。ただし、本発明は単段圧縮単段膨張サイクルにも適用可能であり、さらに３段以上の圧縮膨張サイクルにも適用可能である。

また、ヒートポンプ部１６は、高圧気相圧力計４４と、高圧気相温度計４６と、高圧液相圧力計（上流側冷媒圧力検出手段）４８と、高圧液相温度計（上流側冷媒温度検出手段）５０と、中圧圧力計（下流側冷媒圧力検出手段）５２とを有する。なお、図１および図５においては圧力計、温度計の一部の信号線は複数を１本にまとめて図示している。また、電気信号線は破線で示している。

高圧気相圧力計４４は高段圧縮機３０ｂの吐出口における冷媒の高圧気相圧力Ｐ１ａを検出する。高圧気相温度計４６は高段圧縮機３０ｂの吐出口における冷媒の高圧気相温度Ｔ１ａを検出する。

高圧液相圧力計４８は凝縮器３２の吐出口における冷媒の高圧液相圧力（上流側冷媒圧力）Ｐ１ｂを検出する。凝縮器３２における圧力低下が小さい場合には高圧液相圧力計４８を省略して、近似的にＰ１ｂ＝Ｐ１ａとしてもよい。高圧液相温度計５０は凝縮器３２の吐出口における冷媒の高圧液相温度（上流側冷媒温度）Ｔ１ｂを検出する。冷媒の各圧力および各温度を検出するのは他の手段を用いてもよく、例えば高圧液相温度は高圧液相圧力から飽和蒸気温度を算出して利用してもよい。高圧液相圧力計４８および高圧液相温度計５０は流路４２ｄのいずれの箇所に設けてもよいが、該流路４２ｄの途中に何らかの機器が設けられている場合には、該機器と高段膨張弁３４との間に設けるとよい。

中圧圧力計５２は高段膨張弁３４の吐出口における冷媒の中圧（下流側冷媒圧力）Ｐ１ｃを検出する。中圧Ｐ１ｃは、同じ箇所を温度計により検出した中圧温度Ｔ１ｃから求めてもよい。その場合、中圧温度Ｔ１ｃの温度計が実質的に中圧圧力計５２を兼ねることになる。

蒸気生成部１２は、上記の凝縮器３２と、凝縮器３２で生成される水と蒸気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５４と、水蒸気分離器５４で分離された蒸気を外部の蒸気利用設備に供給する蒸気送出経路５６ａ，５６ｂと、水蒸気分離器５４で分離された水を給水経路５８ａ，５８ｂから供給される水と合流させて凝縮器３２から水蒸気分離器５４へと導く水循環経路６０とを有する。蒸気送出経路５６ａが上流側で、蒸気送出経路５６ｂが下流側とする。また、給水経路５８ａが上流側で、給水経路５８ｂが下流側とする。

給水経路５８ａ，５８ｂは、図示しない水道管や水タンクからの水を給水ポンプ６２によって水循環経路６０まで導入する。給水ポンプ６２は給水経路５８ａと給水経路５８ｂとの間に設けられている。給水ポンプ６２は制御部１８の制御下に、水蒸気分離器５４内の水位を測定する水位センサの検出値に基づきインバータ（ＩＮＶ）２３を介してその運転回転数が制御される。蒸気送出経路５６ａと蒸気送出経路５６ｂとの間には圧力調整弁（圧力調整機構、蒸気流路調節機構）６４が設けられており、蒸気生成部１２で生成する蒸気の圧力を調整可能である。

インバータ２２は制御部１８から供給される指令値としての回転数Ｎとなるように圧縮機３０の回転数制御を行う。ドライバ２４，２６，２７は制御部１８におけるバルブ調整部９４（図３参照）作用下に高段膨張弁３４、低段膨張弁３８、圧力調整弁６４の開度調整部３４ａ，３８ａ，６４ａを操作して開度調整を行う。これらの開度調整は、例えばパルス信号の出力により、規定最大パルスの数や幅に対する出力パルスの数や幅の比で開度が規定される。このパルス比を、高段膨張弁３４および低段膨張弁３８については開度比Ｒ１とし、圧力調整弁６４については開度比Ｒ２とする。ここで、呼称として開度および開度比は実質的に同じである。

図２に基づいてヒートポンプ式蒸気生成装置１０ａの熱サイクルを示すｐ－ｈ線図について説明する。図２において、図１における流路４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ，４２ｅ，４２ｆ，４２ｇに相当する箇所を順に符号Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃ，Ｌｄ，Ｌｅ，Ｌｆ，Ｌｇで示す。これらの符号Ｌａ～Ｌｇは図１における流路４２ａ～４２ｇについても併記している。

蒸発器２８ではＬｇ点からＬａ点へ移り、飽和蒸気線を超えて過熱蒸気となる。低段圧縮機３０ａでは圧縮によりＬａ点からＬｂ_０点を経由してＬｂ点へ移る。比エンタルピｈがＬｂ_０点からＬｂ点までわずかに下がるのは、中間配管４０からの中圧気相冷媒が合流するためである。高段圧縮機３０ｂでは圧縮によりＬｂ点からＬｃ点へ移り、圧力Ｐと比エンタルピｈが増大する。

凝縮器３２では凝縮によりＬｃ点からＬｄ点に移り、飽和蒸気線を超え、さらに飽和液線を超えて過冷却状態となる。この状態における過冷却度をＴｓｃとする。凝縮器３２の前後の比エンタルピはｈａおよびｈｂであり、この差ｈａ－ｈｂが凝縮器３２で行われる熱交換の比エンタルピ差となる。

高段膨張弁３４では膨張によりＬｄ点からＬｅ点に移り、再び飽和蒸気線を超えて気液混合状態となる。Ｌｅ点は中圧Ｐ１ｃとなっている。気液分離器３６では気相と液相に分離されて、気相は飽和蒸気線上の点に移り、Ｌｂ_０点と合流してＬｂ点に移る。液相は飽和液線上の点に移り、その後低段膨張弁３８の膨張によりＬｆ点からＬｇ点に移る。

図３に示すように、制御部１８は、記憶部７０と、演算部７２と、出力部７４とを有する。制御部１８は必ずしも回路の近くに設置されている必要はなく、例えば通信回線を介して接続されていてもよい。記憶部７０、演算部７２および出力部７４は必ずしも一体的に設けられている必要はなく、例えば記憶部７０はクラウド式であってもよい。

記憶部７０はプログラムやデータを記憶する部分であり、例えばハードディスクであって、特性データ７６を記憶している。特性データ７６は、回路上の機器に関しての特性を示すデータであり高段膨張弁３４の最大流路面積Ａ１について記憶している。特性データ７６にはさらにその他のデータが記憶されていてもよい。記憶部７０には、さらに高段膨張弁３４における流路係数Ｃｄを求める流路係数特性式Ｂ１が記憶されている。

演算部７２は、密度算出部７８と、過冷却度算出部８０と、流路係数特定部８４と、流量算出部８６と、熱出力算出部８８とを有する。これらの各算出部は演算部７２の中で明確に区別される必要はなく、例えば一部が重複していてもよいし、いずれかの算出部が他の算出部に含まれていてもよい。演算部７２は、例えば、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）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（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）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。

密度算出部７８は、高圧液相圧力Ｐ１ｂおよび高圧液相温度Ｔ１ｂに基づいて高段膨張弁３４に流入する冷媒の密度ρ１を算出する。

過冷却度算出部８０は、高圧液相圧力Ｐ１ｂおよび高圧液相温度Ｔ１ｂに基づいて高段膨張弁３４に流入する冷媒の過冷却度Ｔｓｃを算出する。過冷却度算出部８０は次に説明する流路係数特定部８４に含まれていてもよい。

流路係数特定部８４は、流路係数特性式Ｂ１に基づいて高段膨張弁３４における流路係数Ｃｄを算出する。一般に流体が弁体を通過するときの流路係数Ｃｄは、流体が２相にわたって相変化を伴う場合には状態によって変化する変数となる。高段膨張弁３４においては、液相状態から気液２相状態に変化することから流路係数Ｃｄは変数となる。また構造にもよるが、高段膨張弁３４の流路面積は最大流路面積Ａ１と開度比Ｒ１との単純な乗算値とは異なり、その影響分も流路係数Ｃｄに含まれる。

流路係数Ｃｄを求める流路係数特性式Ｂ１は次の通りである。
Ｃｄ＝ａ_０・Π_１ ^ａ１・Π_２ ^ａ２・Π_３ ^ａ３…Π_Ｎ ^ａＮ …（Ｂ１）
ここで、無次元数Π_１、Π_２、Π_３…Π_Ｎとその数Ｎは予め設計段階でバッキンガムΠ定理により求められている。無次元数Π_１、Π_２、Π_３…Π_Ｎはパラメータ式の形で表され、ヒートポンプ式蒸気生成装置１０の運転時において、高段膨張弁３４の状態を示す少なくとも３つのパラメータである高圧液相圧力Ｐ１ｂ、中圧Ｐ１ｃおよび過冷却度Ｔｓｃに基づいてリアルタイムで算出される。また、定数ａ_０、ａ_１、ａ_２、ａ_３…ａ_Ｎは予め実験、シミュレーションまたは出荷調整試験などによって決められた定数である。より具体的には、無次元数Π_１、Π_２、Π_３…Π_Ｎをパラメータとして、様々な条件下における冷媒流量Ｇ１を計測しておき、次に示す式が成立するように定数ａ_０、ａ_１、ａ_２、ａ_３…ａ_Ｎを定める。

流量算出部８６は、高段膨張弁３４を流れる冷媒流量Ｇ１を、
Ｇ１＝Ｃｄ・Ａ１・Ｒ１・√（２・ρ１・（Ｐ１ｂ－Ｐ１ｃ））
として算出する。ここで、√（）は括弧内のルート演算を示すものとする。冷媒流量Ｇ１は質量流量とする。なお、上記のＣｄの式およびＧ１の式を用いずとも様々な条件下における冷媒流量Ｇ１を記憶部７０に記憶しておいて参照してもよいが、データ量が膨大になってしまう。そのためこの２式を用いて冷媒流量Ｇ１を演算することが好ましい。図３には明示しないがＧ１の式（および後述のＧ２の式）も記憶部７０に記憶されているものである。Ｃｄの式およびＧ１の式（および後述のＣｖの式、Ｇ２の式）は、例えばプログラム中に含まれる。

熱出力算出部８８は、凝縮器３２が被加熱水を加熱する熱出力Ｑ１を算出する。熱出力算出部８８は、まず、高圧気相圧力Ｐ１ａおよび高圧気相温度Ｔ１ａに基づいて凝縮器３２の吸入口におけるエンタルピｈａを算出し、さらに高圧液相圧力Ｐ１ｂおよび高圧液相温度Ｔ１ｂに基づいて凝縮器３２の吐出口におけるエンタルピｈｂを算出し、そして熱出力Ｑ１を、Ｑ１＝Ｇ１・（ｈａ－ｈｂ）として求める。

出力部７４は回転数制御部９０と、ポンプ制御部９２と、バルブ調整部９４とを有する。

回転数制御部９０は、凝縮器３２による熱出力Ｑ１が目的値となるようにインバータ２２の回転数制御を行い、冷媒流量Ｇ１が調整される。ポンプ制御部９２は、水蒸気分離器５４の水位が適正となるようにインバータ２３を介して給水ポンプ６２の制御を行う。水蒸気分離器５４の水位は図示しない水位センサにより検出され、ポンプ制御部９２で参照される。バルブ調整部９４は、ドライバ２４，２６、２７を介して開度調整部３４ａ，３８ａ，６４ａを作用させ高段膨張弁３４、低段膨張弁３８および圧力調整弁６４の開度調整を個別に行う。

図４は、ヒートポンプ式蒸気生成装置１０ａの制御手順を示すフローチャートである。この手順は微小時間ごとに繰り返し実行される。

ステップＳ１は密度算出ステップであり、密度算出部７８により密度ρ１が算出される。ステップＳ２は過冷却度算出ステップであり、過冷却度算出部８０により過冷却度Ｔｓｃが算出される。

ステップＳ３は流路係数特定ステップであり、流路係数特定部８４により流路係数Ｃｄが算出され、または特定される。ステップＳ４は冷媒流量算出ステップであり、流量算出部８６により冷媒流量Ｇ１が算出される。ステップＳ５は熱出力算出ステップであり、熱出力算出部８８により熱出力Ｑ１が算出される。ステップＳ６は出力制御ステップであり、出力部７４により各機器が制御される。

このように、ヒートポンプ式蒸気生成装置１０ａでは、高段膨張弁３４の前後の温度・圧力および記憶部７０に記憶された特性データ７６により冷媒流量Ｇ１を算出することができ、高価な流量計（例えば冷媒流量計や蒸気流量計など）が不要であるとともに流量計にともなって配管系統が複雑化することながく、システムを簡易かつ廉価に構成することができる。また、高段膨張弁３４が流量計測の用の弁（冷媒流路調整機構）を兼ねていることから、他の流体機器を増設することなくシステムの構成が可能であって、ヒートポンプ部１６の特性に影響を与えることがない。ただし、高段膨張弁３４以外に流量計測用の弁を別途設けてもよい。この場合、流量計測用の弁は凝縮器３２の冷媒の入口流路である流路４２ｃまたは出口流路である流路４２ｄに設けるとよい。ヒートポンプ部１６が単段圧縮膨張サイクルである場合には、流量計測の用の弁としては、１つ設けられた膨張機構を利用するとよい。ヒートポンプ部１６が３段以上の圧縮膨張サイクルである場合には、流量計測の用の弁としては、膨張段階において最も上流側に配置された膨張機構を利用するとよい。

なお、高段圧縮機３０ｂの特性や運転状態に基づいて冷媒流量Ｇ１を算出することも考えられるが、この場合には中圧気相流路４２ｂの温度を検出する必要がある。ところが、圧縮機３０は低段圧縮機３０ａと高段圧縮機３０ｂとの一体型であり、中圧気相流路４２ｂは圧縮機３０の内部に設けられていることから温度の検出は困難である。これに対して、ヒートポンプ式蒸気生成装置１０ａでは、中圧気相流路４２ｂの温度検出が不要であり、システムが簡易となる。

さらにまた、高段膨張弁３４は液相から気液二相の状態に相変化する弁であるが、流路係数特性式Ｂ１によって流路係数Ｃｄを算出することができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態にかかるヒートポンプ式蒸気生成装置１０ｂについて説明する。

図５は、本発明の第２の実施形態であるヒートポンプ式蒸気生成装置１０ｂを示すブロック図である。ヒートポンプ式蒸気生成装置１０ｂにおいて上記のヒートポンプ式蒸気生成装置１０ａと同様の構成要素については同符号を付してその詳細な説明を省略する。ヒートポンプ式蒸気生成装置１０ｂでは、圧力調整弁６４が蒸気流量を計測する用途にも用いられる。

ヒートポンプ式蒸気生成装置１０ｂは、圧力調整弁６４の上流側つまり蒸気送出経路５６ａの入口蒸気圧力（上流側蒸気圧力）Ｐ２ａを検出する入口蒸気圧力計（上流側蒸気圧力検出手段）９６と、下流側つまり蒸気送出経路５６ｂの出口蒸気圧力（下流側蒸気圧力）Ｐ２ｂを検出する出口蒸気圧力計（下流側蒸気圧力検出手段）１００と、出口蒸気温度Ｔ２ｂを検出する出口蒸気温度計１０２とを有する。ヒートポンプ式蒸気生成装置１０ｂはさらに、給水経路５８ａの給水温度Ｔ２ｃを検出する給水温度計１０４を有する。給水や蒸気の各圧力および各温度を検出するのは他の手段を用いてもよい。ヒートポンプ式蒸気生成装置１０ｂでは、上記の高圧気相圧力計４４、高圧気相温度計４６、高圧液相圧力計４８、高圧液相温度計５０、中圧圧力計５２は省略されている。

図６はヒートポンプ式蒸気生成装置１０ｂにおける制御部１８のブロック図である。この場合の特性データ７６に含まれる最大流路面積Ａ２は圧力調整弁６４にかかるものである。記憶部７０には、さらに圧力調整弁６４の流路係数Ｃｖを求める流路係数特性式Ｂ２が記憶されている。

演算部７２は密度算出部１０６と、流路面積特定部１０８と、流路係数特定部１１０と、流量算出部１１２と、熱出力算出部１１４とを有する。この場合の演算部７２については上記の過冷却度算出部８０に相当する処理は省略されている。

密度算出部１０６は、入口蒸気圧力Ｐ２ａに基づいて、水蒸気分離器５４で分離されて圧力調整弁６４に流入する蒸気の密度ρ２を算出する。なお、圧力調整弁６４に流入する蒸気は飽和蒸気となっていることから温度の計測をすることなく入口蒸気圧力Ｐ２ａから密度ρ２を求めることができる。

流路係数特定部１１０は、流路係数特性式Ｂ２に基づいて圧力調整弁６４の流路係数Ｃｖを特定する。この流路係数Ｃｖは上記の流路係数Ｃｄに相当するものである。流路係数Ｃｖは圧力調整弁６４の開度比Ｒ２により変化するため、リアルタイムで算出する。

流路係数Ｃｖを求める流路係数特性式Ｂ２は次の通りである。
Ｃｖ＝Ｃｖ（Ｐ２ａ，Ｐ２ｂ，Ａ２，Ｒ２） …（Ｂ２）
この流路係数特性式Ｂ２は、予め実験、シミュレーションまたは出荷調整試験などによって入口蒸気圧力Ｐ２ａ、出口蒸気圧力Ｐ２ｂ、最大流路面積Ａ２および開度比Ｒ２をパラメータとして、様々な条件下における蒸気流量Ｇ２を計測しておき、次に示す式が成立するように定められる。

流量算出部１１２は、圧力調整弁６４を流れる蒸気流量Ｇ２を、
Ｇ２＝Ｃｖ・Ａ２・Ｒ２・√（２・ρ２・（Ｐ２ａ－Ｐ２ｂ））
として算出する。蒸気流量Ｇ２は質量流量とする。なお、上記のＣｖの式およびＧ２の式を用いずとも様々な条件下における蒸気流量Ｇ２を記憶部７０に記憶しておいて参照してもよいが、データ量が膨大になってしまう。そのためこの２式を用いて蒸気流量Ｇ２を演算することが好ましい。

熱出力算出部１１４は、蒸気生成部１２において被加熱水が加熱される熱出力Ｑ２を算出する。熱出力Ｑ２を算出するために、まず蒸気生成部１２における入力側と出力側とのエンタルピ差を求める。入力側として、給水経路５８ａの給水温度Ｔ２ｃから入力水のエンタルピｈｗを算出する。給水経路５８ａにおける圧力は大気圧として計算可能である。なお、給水経路５８ａの比エンタルピは圧力による変化が非常に小さい。出力側として、蒸気送出経路５６ｂの出口蒸気圧力Ｐ２ｂと出口蒸気温度Ｔ２ｂとから出力蒸気のエンタルピｈｓを算出する。エンタルピ差はｈｓ－ｈｗとなる。そして、熱出力Ｑ２を、Ｑ２＝Ｇ２・（ｈｓ－ｈｗ）として求める。

回転数制御部９０は、蒸気生成部１２による熱出力Ｑ２が目的値となるようにインバータ２２の回転数制御を行う。ポンプ制御部９２およびバルブ調整部９４の作用は上記の通りである。ポンプ制御部９２は熱出力Ｑ２に基づいて給水ポンプ６２の制御を行ってもよい。

図７は、ヒートポンプ式蒸気生成装置１０ｂの制御手順を示すフローチャートである。この手順は微小時間ごとに繰り返し実行される。

ステップＳ１１は密度算出ステップであり、密度算出部１０６により密度ρ２が算出される。

ステップＳ１２は流路係数特定ステップであり、流路係数特定部１１０により流路係数Ｃｖが算出され、または特定される。ステップＳ１３は流量算出ステップであり、流量算出部１１２により蒸気流量Ｇ２が算出される。ステップＳ１４は熱出力算出ステップであり、熱出力算出部１１４により熱出力Ｑ２が算出される。ステップＳ１５は出力制御ステップであり、出力部７４により各機器が制御される。

このように、ヒートポンプ式蒸気生成装置１０ｂでは、圧力調整弁６４の前後の温度・圧力および記憶部７０に記憶された特性データ７６により蒸気流量Ｇ２を算出することができ、高価な流量計が不要となりシステムを簡易かつ廉価に構成することができる。また、圧力調整弁６４が流量計測用の弁（蒸気流量調整機構）を兼ねていることから、他の流体機器を増設することなくシステムの構成が可能であって、ヒートポンプ部１６の特性に影響を与えることがない。ただし、圧力調整弁６４以外に流量計測用の弁を別途設けてもよい。この場合、流量計測用の弁は凝縮器３２の被加熱水の入口流路である給水経路５８ｂまたは出口流路である蒸気送出経路５６ａに設けるとよい。流量計測用の弁を給水経路５８ｂに設ける場合には、液相に対応した構成にするとよい。

さらに、熱出力Ｑ２は外部に供給される蒸気にかかるものであり、ヒートポンプ式蒸気生成装置１０ｂで得られて出力される蒸気の状態を直接的に検知することができる。さらにまた、流量計測用の弁としての圧力調整弁６４は、蒸気送出経路５６ａ，５６ｂに設けられていることから適用流体が水蒸気に限定され、実質的な相変化がないために計算が容易となる。また、複数種類の冷媒が適用され得るヒートポンプ部１６とは異なって水および水蒸気だけであるため、圧力計、温度計および使用データを限定して選定できる。蒸気生成部１２ではヒートポンプ部１６と異なって流体中にオイルが含まれないので、その影響を考慮する必要がない。図示を省略するが、１つの蒸気生成部１２に対して複数のヒートポンプ部１６を設けて蒸気生成を行うことも可能である。この場合、圧力調整弁６４に基づいて蒸気流量Ｇ２および熱出力Ｑ２を算出すると、システム全体の出力が求まることになる。

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。

１０ａ，１０ｂ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
２８蒸発器
３０圧縮機
３０ｂ高段圧縮機
３０ａ低段圧縮機
３２凝縮器
３４高段膨張弁（冷媒流路調整機構、膨張機構）
３６気液分離器
３８低段膨張弁（膨張機構）
４０中間配管
４４高圧気相圧力計
４６高圧気相温度計
４８高圧液相圧力計（上流側冷媒圧力検出手段）
５０高圧液相温度計（上流側冷媒温度検出手段）
５２中圧圧力計（下流側冷媒圧力検出手段）
５４水蒸気分離器
６２給水ポンプ
６４圧力調整弁（圧力調整機構、蒸気流路調整機構）
７０記憶部
７２演算部
７４出力部
７６特性データ
７８，１０６密度算出部
８０過冷却度算出部
８４，１１０流路係数特定部
８６，１１２流量算出部
８８，１１４熱出力算出部
９０回転数制御部
９２ポンプ制御部
９４バルブ調整部
９６入口蒸気圧力計（上流側蒸気圧力検出手段）
１００出口蒸気圧力計（下流側蒸気圧力検出手段）
１０２出口蒸気温度計
１０４給水温度計
Ｃｄ，Ｃｖ流路係数
Ｇ１冷媒流量
Ｇ２蒸気流量
Ｐ１ａ高圧気相圧力
Ｐ１ｂ高圧液相圧力（上流側冷媒圧力）
Ｐ１ｃ中圧（下流側冷媒圧力）
Ｐ２ａ入口蒸気圧力（上流側蒸気圧力）
Ｐ２ｂ出口蒸気圧力（下流側蒸気圧力）
Ｔ１ａ高圧気相温度
Ｔ１ｂ高圧液相温度（上流側冷媒温度）
Ｔ１ｃ中圧温度
Ｔ２ｂ出口蒸気温度
Ｔ２ｃ給水温度
Ｔｓｃ過冷却度
Ｑ１，Ｑ２熱出力
ρ１，ρ２密度

Claims

冷媒を圧縮する圧縮機、該圧縮機で圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器、該凝縮器で凝縮した冷媒を減圧する膨張機構および該膨張機構で膨張した冷媒を熱源温水から回収した熱により蒸発させる蒸発器を環状に接続したヒートポンプ部と、前記熱源温水を前記蒸発器に供給する温水供給部と、前記凝縮器に被加熱水を供給し、該被加熱水を前記冷媒によって加熱して蒸気を生成し外部に送出する蒸気生成部と、を備えるヒートポンプ式蒸気生成装置であって、
前記凝縮器を流れる冷媒の流路を調節する冷媒流路調節機構と、
前記冷媒流路調節機構の上流側冷媒圧力を検出する上流側冷媒圧力検出手段と、
前記冷媒流路調節機構の上流側冷媒温度を検出する上流側冷媒温度検出手段と、
前記冷媒流路調節機構の下流側冷媒圧力を検出する下流側冷媒圧力検出手段と、
前記上流側冷媒圧力および前記上流側冷媒温度に基づいて前記膨張機構に流入する冷媒の過冷却度を算出する過冷却度算出部と、
前記上流側冷媒圧力、前記下流側冷媒圧力および前記過冷却度に基づいて前記冷媒流路調節機構の流路係数を算出する流路係数特定部と、
前記上流側冷媒圧力、前記上流側冷媒温度、前記下流側冷媒圧力、前記冷媒流路調節機構の最大流路面積、前記冷媒流路調節機構における前記最大流路面積に対する開度比および前記流路係数に基づいて前記凝縮器を流通する冷媒流量を算出する冷媒流量算出部と、
を有し、
前記膨張機構は前記冷媒流路調節機構であり、
前記ヒートポンプ部は直列に配置された複数の圧縮機、直列に配置された複数の膨張機構を備えた複数段圧縮サイクルを備え、前記冷媒流路調節機構は冷媒の膨張段階において最も上流側に配置された膨張機構であることを特徴とするヒートポンプ式蒸気生成装置。
前記複数の圧縮機は、一体型複数段圧縮機であ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。