JPWO2017081781A1 - 排熱回収ヒートポンプ装置 - Google Patents

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Abstract

２段圧縮機の高段側圧縮機が、気液分離器からの中間圧冷媒と低段側圧縮機からの中間圧冷媒との混合冷媒を吸入冷媒として動作する場合、高段側圧縮機の液圧縮を確実に回避することができる排熱回収ヒートポンプ装置を提供することを目的とする。このため、気液分離器４の気体側出口から吐出された冷媒と低段圧縮機構１ａで圧縮された冷媒との混合冷媒を所定値以上の過熱度を有する気体冷媒として高段圧縮機構１ｂの吸入口に導入する冷媒調整機構を設ける。冷媒調整機構は、気液分離器４に設けられ、液面位置を検出するレベルセンサ２１と、中間配管Ｌ１に設けられた開閉制御弁７と、レベルセンサ２１により液面位置が中間配管Ｌ１への気体側連通口に基づいた所定の位置に達した場合に、開閉制御弁７を閉制御する制御部２０と、を備える。

Description

本発明は、２段圧縮機の高段側圧縮機が、気液分離器からの中間圧冷媒と低段側圧縮機からの中間圧冷媒との混合冷媒を吸入冷媒として動作する場合、高段側圧縮機の液圧縮を確実に回避することができる排熱回収ヒートポンプ装置に関する。
ヒートポンプ装置には、ヒートポンプサイクル上に低圧側圧縮機と高圧側圧縮機との２つの圧縮機を設けた２段圧縮式を用いるものがある。特許文献１では、室内側熱交換器と、低圧側圧縮機と、高圧側圧縮機と、室内側熱交換器とから送られた冷媒を減圧する第１減圧装置と、第１減圧装置から送られた冷媒を気液分離する気液分離器と、気液分離器の液相側に接続され、気液分離器から送られた冷媒を減圧し、減圧した冷媒を室外側熱交換器に向けて送る第２減圧装置と、気液分離器の気相側に接続され、気液分離器から送られた冷媒を、低圧側圧縮機と高圧側圧縮機との間の管路上に導くインジェクション管路と、高圧側圧縮機に流入する冷媒を加熱ガス状態または飽和蒸気状態とするために、第２減圧装置における冷媒の減圧比を制御する制御部とを備えたヒートポンプ式加熱装置が記載されている。
特開２０１４−１１９１５７号公報
ところで、上述した特許文献１に記載されたヒートポンプ式加熱装置では、低圧側（低段側）膨張弁（第２減圧装置）による減圧量を制御することで高圧側（高段側）圧縮機の液圧縮を防止している。しかしながら、特許文献１に記載されたものは、低段側膨張弁の制御によって低段側の冷媒流量を減少させ、低段側圧縮機吐出温度を高温化することで高段側圧縮機の吸入冷媒の過熱状態を実現するものである。したがって、中間配管（インジェクション管路）への液冷媒混入量によっては必ずしも過熱状態を維持できるものではない。
特に、作動冷媒として高沸点の冷媒を用いた場合、装置停止後の周囲温度によっては、気液分離器内に凝縮した冷媒が貯留され、装置起動時に中間配管から液冷媒が流出する可能性が大きい。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、２段圧縮機の高段側圧縮機が、気液分離器からの中間圧冷媒と低段側圧縮機からの中間圧冷媒との混合冷媒を吸入冷媒として動作する場合、高段側圧縮機の液圧縮を確実に回避することができる排熱回収ヒートポンプ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、本発明にかかる排熱回収ヒートポンプ装置は、外部熱源から回収した熱で冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で蒸発された冷媒を圧縮する低段圧縮機構と、前記低段圧縮機構で圧縮された冷媒を圧縮する高段圧縮機構と、前記高段圧縮機構で圧縮された冷媒を凝縮させ被加熱水を加熱する凝縮器と、前記凝縮器によって凝縮された冷媒を減圧膨張する高段膨張機構と、前記高段膨張機構から導入された冷媒を気液分離する気液分離器と、前記気液分離器の液側出口から吐出された冷媒をさらに減圧膨張して前記蒸発器に導入する低段膨張機構と、前記気液分離器の気体側出口から吐出された冷媒を前記低段圧縮機構の吐出口と前記高段圧縮機構の吸入口との間に導入する中間配管と、を備えた排熱回収ヒートポンプ装置において、前記気体側出口から吐出された冷媒と前記低段圧縮機構で圧縮された冷媒との混合冷媒を所定値以上の過熱度を有する気体冷媒として前記高段圧縮機構の吸入口に導入する冷媒調整機構を設けたことを特徴とする。
また、本発明にかかる排熱回収ヒートポンプ装置は、上記の発明において、前記冷媒調整機構は、前記気液分離器に設けられ、液面位置を検出するレベルセンサと、前記中間配管に設けられた開閉制御弁と、前記レベルセンサにより前記液面位置が前記中間配管への気体側連通口に基づいた所定の位置に達した場合に、前記開閉制御弁を閉制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。
また、本発明にかかる排熱回収ヒートポンプ装置は、上記の発明において、前記冷媒調整機構は、前記高段圧縮機構に吸入される冷媒温度を検出する高段圧縮吸入温度センサと、前記高段圧縮機構に吸入される冷媒圧力を検出する高段圧縮吸入圧力センサと、前記中間配管に設けられた流量制御弁と、前記高段圧縮吸入温度センサおよび前記高段圧縮吸入圧力センサの検出値に基づき前記流量制御弁を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。
また、本発明にかかる排熱回収ヒートポンプ装置は、上記の発明において、前記制御部は、前記高段圧縮吸入温度センサの検出値と前記高段圧縮吸入圧力センサの検出値から算出された飽和冷媒温度との温度差を所定値以上とするよう、前記流量制御弁の開度を調整することを特徴とする。
また、本発明にかかる排熱回収ヒートポンプ装置は、上記の発明において、前記冷媒調整機構は、前記高段圧縮機構に吸入される冷媒温度を検出する高段圧縮吸入温度センサと、前記高段膨張機構で減圧膨張された冷媒の圧力を検出する高段膨張吐出圧力センサと、前記中間配管に設けられた流量制御弁と、前記高段圧縮吸入温度センサおよび前記高段膨張吐出圧力センサの検出値に基づき前記流量制御弁を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。
また、本発明にかかる排熱回収ヒートポンプ装置は、上記の発明において、前記制御部は、前記高段圧縮吸入温度センサの検出値と前記高段膨張吐出圧力センサの検出値から算出された飽和冷媒温度との温度差を所定値以上とするよう、前記流量制御弁の開度を調整することを特徴とする。
また、本発明にかかる排熱回収ヒートポンプ装置は、上記の発明において、前記冷媒調整機構は、前記高段圧縮機構に吸入される冷媒温度を検出する高段圧縮吸入温度センサと、前記高段膨張機構で減圧膨張された冷媒の温度を検出する高段膨張吐出温度センサと、前記中間配管に設けられた流量制御弁と、前記高段圧縮吸入温度センサおよび前記高段膨張吐出温度センサの検出値に基づき前記流量制御弁を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。
また、本発明にかかる排熱回収ヒートポンプ装置は、上記の発明において、前記制御部は、前記高段圧縮吸入温度センサの検出値と前記高段膨張吐出温度センサの検出値との温度差を所定値以上とするよう、前記流量制御弁の開度を調整することを特徴とする。
また、本発明にかかる排熱回収ヒートポンプ装置は、上記の発明において、前記中間配管には、前記気液分離器の気体側出口から吐出された冷媒を加熱する加熱手段が設けられたことを特徴とする。
また、本発明にかかる排熱回収ヒートポンプ装置は、上記の発明において、前記冷媒調整機構は、前記中間配管に設けられ、気液分離器から導出された冷媒を加熱する加熱手段と、前記中間配管の前記加熱手段出口側における冷媒温度を検出する加熱冷媒温度センサと、前記高段圧縮機構に吸入される冷媒圧力を検出する高段圧縮吸入圧力センサと、前記中間配管に設けられた流量制御弁と、前記加熱冷媒温度センサおよび前記高段圧縮吸入圧力センサの検出値に基づき前記流量制御弁を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。
また、本発明にかかる排熱回収ヒートポンプ装置は、上記の発明において、前記制御部は、前記加熱冷媒温度センサの検出値と前記高段圧縮吸入圧力センサの検出値から算出された飽和冷媒温度との温度差を所定値以上とするよう、前記流量制御弁の開度を調整することを特徴とする。
また、本発明にかかる排熱回収ヒートポンプ装置は、上記の発明において、前記冷媒調整機構は、前記中間配管に設けられ、気液分離器から導出された冷媒を加熱する加熱手段と、前記中間配管の前記加熱手段出口側における冷媒温度を検出する加熱冷媒温度センサと、前記高段膨張機構で減圧膨張された冷媒の圧力を検出する高段膨張吐出圧力センサと、前記中間配管に設けられた流量制御弁と、前記高段膨張吐出圧力センサおよび前記加熱冷媒温度センサの検出値に基づき前記流量制御弁を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。
また、本発明にかかる排熱回収ヒートポンプ装置は、上記の発明において、前記制御部は、前記加熱冷媒温度センサの検出値と前記高段膨張吐出圧力センサの検出値から算出された飽和冷媒温度との温度差を所定値以上とするよう、前記流量制御弁の開度を調整することを特徴とする。
また、本発明にかかる排熱回収ヒートポンプ装置は、上記の発明において、前記冷媒調整機構は、前記中間配管に設けられ、気液分離器から導出された冷媒を加熱する加熱手段と、前記中間配管の前記加熱手段出口側における冷媒温度を検出する加熱冷媒温度センサと、前記高段膨張機構で減圧膨張された冷媒の温度を検出する高段膨張吐出温度センサと、前記中間配管に設けられた流量制御弁と、前記高段膨張吐出温度センサおよび前記加熱冷媒温度センサの検出値に基づき前記流量制御弁を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。
また、本発明にかかる排熱回収ヒートポンプ装置は、上記の発明において、前記制御部は、前記加熱冷媒温度センサの検出値と前記高段膨張吐出温度センサの検出値との温度差を所定値以上とするよう、前記流量制御弁の開度を調整することを特徴とする。
また、本発明にかかる排熱回収ヒートポンプ装置は、上記の発明において、前記加熱手段は、前記凝縮器から吐出された冷媒と前記中間配管を流通する冷媒との熱交換を行う内部熱交換器であることを特徴とする。
また、本発明にかかる排熱回収ヒートポンプ装置は、上記の発明において、前記冷媒は、Ｐ−ｈ線図上での過熱域において飽和ガス線と等エントロピー線とが２点以上の交点もしくは接点を有する特性を持つことを特徴とする。
本発明によれば、気液分離器の気体側出口から吐出された冷媒と低段圧縮機構で圧縮された冷媒との混合冷媒を所定値以上の過熱度を有する気体冷媒として高段圧縮機構の吸入口に導入する冷媒調整機構を設けているので、高段側圧縮機の液圧縮を確実に回避することができる。
本発明の実施の形態１に係る排熱回収ヒートポンプ装置の全体構成図である。 飽和ガス線と等エントロピー線とを含むＲ２４５ｆａのＰ−ｈ線図である。 実施の形態１におけるヒートポンプ部内の冷媒調整機構の構成図である。 気液分離器４の内部構成を示す模式図である。 実施の形態２における冷媒調整機構を含むヒートポンプ部の構成図である。 実施の形態３における冷媒調整機構を含むヒートポンプ部の構成図である。 実施の形態４における冷媒調整機構を含むヒートポンプ部の構成図である。 実施の形態２に加熱手段を設けた冷媒調整機構を含むヒートポンプ部の構成図である。 実施の形態５における冷媒調整機構を含むヒートポンプ部の構成図である。 実施の形態６における冷媒調整機構を含むヒートポンプ部の構成図である。 実施の形態７における冷媒調整機構を含むヒートポンプ部の構成図である。 実施の形態５の流量制御弁と内部熱交換器との配置を逆にした冷媒調整機構を含むヒートポンプ部の構成図である。
以下、添付図面を参照してこの発明を実施するための形態について説明する。
（実施の形態１）
［全体構成］
図１は、本発明の実施の形態１に係る排熱回収ヒートポンプ装置１０の全体構成図である。排熱回収ヒートポンプ装置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、排熱回収ヒートポンプ装置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、制御部２０とを備える。
ヒートポンプ部１６は、外部熱源である熱源温水から回収した熱で冷媒を蒸発させる蒸発器６と、蒸発器で蒸発された冷媒を圧縮する低段圧縮機構１ａと、低段圧縮機構１ａで圧縮された冷媒を圧縮する高段圧縮機構１ｂと、高段圧縮機構で圧縮された冷媒を凝縮させ被加熱水を加熱する凝縮器２と、凝縮器２によって凝縮された冷媒を減圧膨張する高段膨張機構３と、高段膨張機構３から導入された冷媒を気液分離する気液分離器４と、気液分離器４の液側出口から吐出された冷媒をさらに減圧膨張して蒸発器６に導入する低段膨張機構５と、気液分離器４の気体側出口から吐出された冷媒を低段圧縮機構の吐出口と高段圧縮機構の吸入口との間に導入する中間配管Ｌ１と、中間配管Ｌ１に設けられた開閉制御弁７とを有する。本実施の形態１では、凝縮器２の出口側と高段膨張機構３との間に加熱器２ａを接続している。高段膨張機構３および低段膨張機構５は、例えば電子膨張弁である。また、開閉制御弁７は、例えば電動弁である。
ヒートポンプ部１６のヒートポンプサイクルに流れる冷媒は、図２に示すように、Ｐ−ｈ線図上での等エントロピー線Ｌ１１が低圧側で過熱域にあり、高圧側で飽和ガス線Ｌ１２と等エントロピー線Ｌ１１とが２点以上の交点もしくは接点を有する特性を持つ冷媒である。この冷媒は、例えば、１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン（構造式：ＣＨＦ２ＣＨ２ＣＦ３、Ｒ２４５ｆａ）である。図２は、Ｒ２４５ｆａのＰ−ｈ線図を示しており、飽和ガス線Ｌ１２と等エントロピー線Ｌ１１とが交点ＰＰ１，ＰＰ２の２点で交わっている。
高段圧縮機構１ｂで圧縮されて高温高圧となった冷媒は、凝縮器２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２を出た冷媒は、加熱器２ａで給水経路３０を流れる水を予熱してさらに冷却された後、高段膨張機構３で減圧膨張され、気液分離器４に導入される。気液分離器４の液側出口から吐出された冷媒は、さらに低段膨張機構５で減圧膨張され、蒸発器６で温水供給部１４の温水経路３２を流れる熱源温水から吸熱して蒸発して低段圧縮機構１ａの吸入口に導入される。一方、気液分離器４の気体側出口から吐出された冷媒は、開閉制御弁７が設けられた中間配管Ｌ１を介して低段圧縮機構１ａの吐出口と高段圧縮機構１ｂの吸入口との間に導入され、低段圧縮機構１ａから吐出された冷媒と混合されて高段圧縮機構１ｂの吸入口に導入される。
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２と、凝縮器２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４２と、水蒸気分離器４２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供給経路４４と、水蒸気分離器４２で分離された水を給水経路３０から供給される水と合流させて凝縮器２から水蒸気分離器４２へと導く水循環経路４６とを有する。
水蒸気分離器４２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４６に接続された給水経路３０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。給水経路３０は、図示しない水道管や水タンクからの水（給水）を給水ポンプ４８によって加熱器２ａを経て水循環経路４６まで導入する。給水ポンプ４８は制御部２０の制御下に、水蒸気分離器４２内に貯留された水の水位を測定する水位センサ５０の検出値（水位）に基づきインバータ（ＩＮＶ）５２を介してその運転回転数が制御される。水蒸気分離器４２には、内部の蒸気圧が所定圧力以上になった際に開放される圧力逃がし弁５４が接続されている。
水循環経路４６は、水蒸気分離器４２の下端壁から凝縮器２までを連通する液管４６ａと、凝縮器２から水蒸気分離器４２の上部側壁までを連通する蒸気管４６ｂとから構成されている。液管４６ａには水が流通し、蒸気管４６ｂには水及び蒸気を含む気液二相流が流通する。液管４６ａには循環ポンプ５６が設けられている。循環ポンプ５６は制御部２０の制御下に、インバータ（ＩＮＶ）５８を介してその運転回転数が制御される。
蒸気供給経路４４は、水蒸気分離器４２の上端壁に接続され、蒸気管４６ｂから当該水蒸気分離器４２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。蒸気供給経路４４には、流れる蒸気の圧力を調整する圧力調整弁（蒸気圧力調整手段）６０が設置されている。圧力調整弁６０は、制御部２０の制御下に、圧力センサ６２で測定される水蒸気分離器４２内の蒸気圧力に基づきその開度が調整される。圧力調整弁６０の開度を適宜調整することにより、排熱回収ヒートポンプ装置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。蒸気供給経路４４を流れる蒸気の圧力を調整する蒸気圧力調整手段としては、圧力調整弁６０に代えて又はこれと共に蒸気を圧縮する蒸気圧縮機を用いてもよい。
制御部２０は、それぞれインバータ（ＩＮＶ）を介して低段圧縮機構１ａおよび高段圧縮機構１ｂの運転回転数を制御する。制御部２０は、ヒートポンプサイクル上の圧力および温度を検出する図示しないセンサの検出値をもとに、ヒートポンプ部１６の加熱出力を制御する。なお、低段圧縮機構１ａおよび高段圧縮機構１ｂは、回転軸を共有した、例えば１台の２段スクロール圧縮機であってもよい。なお、制御部２０は、高段膨張機構３及び低段膨張機構５の開度制御をさらに行うものであってもよい。
また、制御部２０は、さらに給水ポンプ４８、循環ポンプ５６及び圧力調整弁６０の制御を行うものであってもよいが、これら蒸気生成部１２側は図示しない別の制御部によって制御してもよい。
［冷媒調整機構］
つぎに、気液分離器４の気体側出口から吐出された冷媒と低段圧縮機構１ａで圧縮された冷媒との混合冷媒を所定値以上の過熱度を有する気体冷媒として高段圧縮機構１ｂの吸入口に導入する冷媒調整機構について説明する。
図３は、実施の形態１におけるヒートポンプ部１６内の冷媒調整機構の構成図である。また、図４は、気液分離器４の内部構成を示す模式図である。なお、図３に示した凝縮器２は、加熱器２ａを含んでもよく、加熱器２ａを省略した構成としてもよい。図３に示すように、気液分離器４には、液面位置を検出するレベルセンサ２１が設けられる。気液分離器４内は、気体側連通口４Ｖを介して中間配管Ｌ１に接続する接続配管４ａと、液側連通口４Ｌを介して低段膨張機構５への配管に接続する接続配管４ｂとを有する。
制御部２０は、レベルセンサ２１が検出する液面位置が、液側連通口４Ｌの液面位置ｈｂから気体側連通口４Ｖの液面位置ｈａまでの間の所定位置に達した場合に、開閉制御弁７を閉にする制御を行う。すなわち、制御部２０は、レベルセンサ２１が検出する液面位置が所定位置未満である場合、開閉制御弁７を開にし、所定位置以上となった場合、開閉制御弁７を閉にする。レベルセンサ２１が検出する所定位置は、少なくとも液面位置ｈａ未満であればよい。また、レベルセンサ２１は、所定位置の１点を検出するスイッチ式であってもよいし、所定位置を含む所定範囲の液面位置を検出するものであってもよい。また、開閉制御弁７を開にする所定値と閉にする所定値は異なる値を設定してもよい。
制御部２０が開閉制御弁７の閉制御を行った場合、気液分離器４内の液冷媒が気体側連通口４Ｖおよび中間配管Ｌ１を介して、低段圧縮機構１ａの吐出口と高段圧縮機構１ｂの吸入口との間の中間接続点ＰＴに導入されることを防止することができる。これによって、高段圧縮機構１ｂの吸入口に液冷媒が導入されることがなくなり、高段圧縮機構１ｂの液圧縮を防止することができる。なお、レベルセンサ２１、開閉制御弁７、および、制御部２０は、気体側連通口４Ｖから吐出された冷媒と低段圧縮機構１ａで圧縮された冷媒との混合冷媒を所定値以上の過熱度を有する気体冷媒として高段圧縮機構１ｂの吸入口に導入する冷媒調整機構を形成する。
（実施の形態２）
図５は、実施の形態２における冷媒調整機構を含むヒートポンプ部１６の構成図である。図５に示すように、本実施の形態２の冷媒調整機構は、中間接続点ＰＴと高段圧縮機構１ｂとの間に設けられ、高段圧縮機構１ｂに吸入される冷媒温度を検出する高段圧縮吸入温度センサ２２と、中間接続点ＰＴと高段圧縮機構１ｂとの間に設けられ、高段圧縮機構１ｂに吸入される冷媒圧力を検出する高段圧縮吸入圧力センサ２３と、中間配管Ｌ１に設けられた流量制御弁１７と、高段圧縮吸入温度センサ２２および高段圧縮吸入圧力センサ２３の検出値に基づき流量制御弁１７を制御する制御部２０とを有する。
制御部２０は、高段圧縮吸入温度センサ２２が検出する高段圧縮吸入温度Ｔ１と、高段圧縮吸入圧力センサ２３が検出する高段圧縮吸入圧力Ｐ１での飽和温度Ｔｓａｔ１との温度差ΔＴが所定値以上となるように流量制御弁１７の開度制御を行う。この制御部２０による流量制御弁１７の開度制御によって、高段圧縮機構１ｂに液冷媒が導入されることが防止される。ここで、温度差ΔＴが０Ｋ以上であれば高段圧縮機構１ｂの液圧縮の可能性は低くなるが、制御部２０は、液圧縮を確実に防止するため、温度差ΔＴの所定値を３Ｋや５Ｋ程度にして液圧縮防止の余裕を持たせている。
具体的に、制御部２０は、温度差ΔＴが上限値以上の場合に流量制御弁１７の開度を増加させ、下限値未満の場合に流量制御弁１７の開度を減少させる。なお、制御部２０は、温度差ΔＴの絶対値に基づいたリニアな開度制御を行ってもよい。また、制御部２０は、温度差ΔＴを所定値に近づけるＰＩＤ制御による開度制御を行ってもよい。
なお、高段圧縮吸入圧力センサ２３は、中間接続点ＰＴと低段圧縮機構１ａとの間に設けた高段圧縮吸入圧力センサ２３ａとしてもよいし、流量制御弁１７と中間接続点ＰＴとの間に設けられた高段圧縮吸入圧力センサ２３ｂとしてもよい。
（実施の形態３）
図６は、実施の形態３における冷媒調整機構を含むヒートポンプ部１６の構成図である。図６に示すように、本実施の形態３の冷媒調整機構は、中間接続点ＰＴと高段圧縮機構１ｂとの間に設けられ、高段圧縮機構１ｂに吸入される冷媒温度を検出する高段圧縮吸入温度センサ２２と、高段膨張機構３と気液分離器４との間に設けられ、高段膨張機構３で減圧膨張された冷媒の圧力を検出する高段膨張吐出圧力センサ２４と、中間配管Ｌ１に設けられた流量制御弁１７と、高段圧縮吸入温度センサ２２および高段膨張吐出圧力センサ２４の検出値に基づき流量制御弁１７を制御する制御部２０とを有する。
制御部２０は、高段圧縮吸入温度センサ２２が検出する高段圧縮吸入温度Ｔ１と、高段膨張吐出圧力センサ２４が検出する高段膨張吐出圧力Ｐ２での飽和温度Ｔｓａｔ２との温度差ΔＴが所定値以上となるように流量制御弁１７の開度制御を行う。この制御部２０による流量制御弁１７の開度制御によって、高段圧縮機構１ｂに液冷媒が導入されることが防止される。ここで、温度差ΔＴが０Ｋ以上であれば高段圧縮機構１ｂの液圧縮の可能性は低くなるが、制御部２０は、液圧縮を確実に防止するため、温度差ΔＴの所定値を３Ｋや５Ｋ程度にして液圧縮防止の余裕を持たせている。
具体的に、制御部２０は、温度差ΔＴが上限値以上の場合に流量制御弁１７の開度を増加させ、下限値未満の場合に流量制御弁１７の開度を減少させる。なお、制御部２０は、温度差ΔＴの絶対値に基づいたリニアな開度制御を行ってもよい。また、制御部２０は、温度差ΔＴを所定値に近づけるＰＩＤ制御による開度制御を行ってもよい。
なお、高段膨張吐出圧力センサ２４は、気液分離器４内の気体状態の圧力を検出する高段膨張吐出圧力センサ２４ａとしてもよいし、気液分離器４と流量制御弁１７との間の中間配管Ｌ１内の圧力を検出する高段膨張吐出圧力センサ２４ｂとしてもよい。なお、本実施の形態３では、流量制御弁１７の圧損が小さい場合に適用するのが好ましい。
（実施の形態４）
図７は、実施の形態４における冷媒調整機構を含むヒートポンプ部１６の構成図である。図７に示すように、本実施の形態４の冷媒調整機構は、中間接続点ＰＴと高段圧縮機構１ｂとの間に設けられ、高段圧縮機構１ｂに吸入される冷媒温度を検出する高段圧縮吸入温度センサ２２と、高段膨張機構３と気液分離器４との間に設けられ、高段膨張機構３で減圧膨張された冷媒の温度を検出する高段膨張吐出温度センサ２５と、中間配管Ｌ１に設けられた流量制御弁１７と、高段圧縮吸入温度センサ２２および高段膨張吐出温度センサ２５の検出値に基づき流量制御弁１７を制御する制御部２０とを有する。
制御部２０は、高段圧縮吸入温度センサ２２が検出する高段圧縮吸入温度Ｔ１と、高段膨張吐出温度センサ２５が検出する飽和温度Ｔｓａｔ３（Ｔ２）との温度差ΔＴが所定値以上となるように流量制御弁１７の開度制御を行う。なお、高段膨張吐出温度センサ２５が検出する温度を飽和温度Ｔｓａｔ３とみなしている。この制御部２０による流量制御弁１７の開度制御によって、高段圧縮機構１ｂに液冷媒が導入されることが防止される。ここで、温度差ΔＴが０Ｋ以上であれば高段圧縮機構１ｂの液圧縮の可能性は低くなるが、制御部２０は、液圧縮を確実に防止するため、温度差ΔＴの所定値を３Ｋや５Ｋ程度にして液圧縮防止の余裕を持たせている。
具体的に、制御部２０は、温度差ΔＴが上限値以上の場合に流量制御弁１７の開度を増加させ、下限値未満の場合に流量制御弁１７の開度を減少させる。なお、制御部２０は、温度差ΔＴの絶対値に基づいたリニアな開度制御を行ってもよい。また、制御部２０は、温度差ΔＴを所定値に近づけるＰＩＤ制御による開度制御を行ってもよい。
なお、高段膨張吐出温度センサ２５は、気液分離器４内の気体状態の温度を検出する高段膨張吐出温度センサ２５ａとしてもよいし、気液分離器４と流量制御弁１７との間の中間配管Ｌ１内の温度を検出する高段膨張吐出温度センサ２５ｂとしてもよい。また、本実施の形態４では、流量制御弁１７の圧損が小さい場合に適用するのが好ましい。
（実施の形態２〜４の変形例）
実施の形態２〜４の変形例は、上述した実施の形態２〜４において、気液分離器４と流量制御弁１７との間の中間配管Ｌ１上に、気液分離器４の気体側出口から吐出された冷媒を加熱する加熱手段を設けて冷媒の気化を促進するようにしたものである。
例えば、図８に示すように、実施の形態２の構成において、加熱手段として、気液分離器４と流量制御弁１７との間に内部熱交換器８を設ける。内部熱交換器８は、凝縮器２と高段膨張機構３とに接続され、凝縮器２から導出された冷媒の熱を用いて、気液分離器４の気体側出口からの導出された冷媒を加熱する。
なお、加熱手段を実施の形態３，４に適用する場合、高段膨張吐出圧力センサ２４ｂあるいは高段膨張吐出温度センサ２５ｂの配置は、気液分離器４と、加熱手段である内部熱交換器８との間に設ける。
なお、加熱手段は、上述した内部熱交換器８の他に、ヒータなどの外部熱源を用いて気液分離器４の気体側出口からの導出された冷媒を加熱するようにしてもよい。
（実施の形態５）
本実施の形態５は、実施の形態２のヒートポンプ部１６の構成に、実施の形態２〜４の変形例に示した加熱手段を設けた場合に高段圧縮機構１ｂの液圧縮を防止するものである。
図９は、実施の形態５における冷媒調整機構を含むヒートポンプ部１６の構成図である。図９に示すように、本実施の形態５の冷媒調整機構は、流量制御弁１７と中間接続点ＰＴとの間に設けられ、中間配管Ｌ１の内部熱交換器８（加熱手段）出口側における冷媒温度を検出する加熱冷媒温度センサ２６と、中間配管Ｌ１に設けられた流量制御弁１７と、加熱冷媒温度センサ２６および高段圧縮吸入圧力センサ２３の検出値に基づき流量制御弁１７を制御する制御部２０とを有する。
制御部２０は、加熱冷媒温度センサ２６が検出する加熱冷媒温度Ｔ３と、高段圧縮吸入圧力センサ２３が検出する高段圧縮吸入圧力Ｐ１での飽和温度Ｔｓａｔ１との温度差ΔＴが所定値以上となるように流量制御弁１７の開度制御を行う。この制御部２０による流量制御弁１７の開度制御によって、高段圧縮機構１ｂに液冷媒が導入されることが防止される。この実施形態の場合、温度差ΔＴがプラスとなっていれば中間配管Ｌ１から合流される冷媒が過熱状態であることが分かるため、温度差ΔＴに余裕を設けずとも高段圧縮機構１ｂの液圧縮を防止することができる。
具体的に、制御部２０は、温度差ΔＴが上限値以上の場合に流量制御弁１７の開度を増加させ、下限値未満の場合に流量制御弁１７の開度を減少させる。なお、制御部２０は、温度差ΔＴの絶対値に基づいたリニアな開度制御を行ってもよい。また、制御部２０は、温度差ΔＴを所定値に近づけるＰＩＤ制御による開度制御を行ってもよい。
なお、加熱冷媒温度センサ２６は、内部熱交換器８出口と流量制御弁１７との間に設けた加熱冷媒温度センサ２６ａとしてもよい。
（実施の形態６）
本実施の形態６は、実施の形態３のヒートポンプ部１６の構成に、実施の形態２〜４の変形例に示した加熱手段を設けた場合に高段圧縮機構１ｂの液圧縮を防止するものである。
図１０は、実施の形態６における冷媒調整機構を含むヒートポンプ部１６の構成図である。図１０に示すように、本実施の形態６の冷媒調整機構は、流量制御弁１７と中間接続点ＰＴとの間に設けられ、中間配管Ｌ１の内部熱交換器８（加熱手段）出口側における冷媒温度を検出する加熱冷媒温度センサ２６と、高段膨張機構３と気液分離器４との間に設けられ、高段膨張機構３で減圧膨張された冷媒の圧力を検出する高段膨張吐出圧力センサ２４と、中間配管Ｌ１に設けられた流量制御弁１７と、加熱冷媒温度センサ２６および高段膨張吐出圧力センサ２４の検出値に基づき流量制御弁１７を制御する制御部２０とを有する。
制御部２０は、加熱冷媒温度センサ２６が検出する加熱冷媒温度Ｔ３と、高段膨張吐出圧力センサ２４が検出する高段膨張吐出圧力Ｐ２での飽和温度Ｔｓａｔ２との温度差ΔＴが所定値以上となるように流量制御弁１７の開度制御を行う。この制御部２０による流量制御弁１７の開度制御によって、高段圧縮機構１ｂに液冷媒が導入されることが防止される。この実施形態の場合、温度差ΔＴがプラスとなっていれば中間配管Ｌ１から合流される冷媒が過熱状態であることが分かるため、温度差ΔＴに余裕を設けずとも高段圧縮機構１ｂの液圧縮を防止することができる。
具体的に、制御部２０は、温度差ΔＴが上限値以上の場合に流量制御弁１７の開度を増加させ、下限値未満の場合に流量制御弁１７の開度を減少させる。なお、制御部２０は、温度差ΔＴの絶対値に基づいたリニアな開度制御を行ってもよい。また、制御部２０は、温度差ΔＴを所定値に近づけるＰＩＤ制御による開度制御を行ってもよい。
なお、高段膨張吐出圧力センサ２４は、気液分離器４内の気体状態の圧力を検出する高段膨張吐出圧力センサ２４ａとしてもよいし、気液分離器４と内部熱交換器８との間の中間配管Ｌ１内の圧力を検出する高段膨張吐出圧力センサ２４ｂとしてもよい。また、加熱冷媒温度センサ２６は、内部熱交換器８出口と流量制御弁１７との間に設けた加熱冷媒温度センサ２６ａとしてもよい。なお、本実施の形態６では、流量制御弁１７および内部熱交換器８の圧損が小さい場合に適用するのが好ましい。
（実施の形態７）
本実施の形態７は、実施の形態４のヒートポンプ部１６の構成に、実施の形態２〜４の変形例に示した加熱手段を設けた場合に高段圧縮機構１ｂの液圧縮を防止するものである。
図１１は、実施の形態７における冷媒調整機構を含むヒートポンプ部１６の構成図である。図１１に示すように、本実施の形態７の冷媒調整機構は、流量制御弁１７と中間接続点ＰＴとの間に設けられ、中間配管Ｌ１の内部熱交換器８（加熱手段）出口側における冷媒温度を検出する加熱冷媒温度センサ２６と、高段膨張機構３と気液分離器４との間に設けられ、高段膨張機構３で減圧膨張された冷媒の温度を検出する高段膨張吐出温度センサ２５と、中間配管Ｌ１に設けられた流量制御弁１７と、加熱冷媒温度センサ２６および高段膨張吐出温度センサ２５の検出値に基づき流量制御弁１７を制御する制御部２０とを有する。
制御部２０は、加熱冷媒温度センサ２６が検出する加熱冷媒温度Ｔ３と、高段膨張吐出温度センサ２５が検出する飽和温度Ｔｓａｔ３（Ｔ２）との温度差ΔＴが所定値以上となるように流量制御弁１７の開度制御を行う。この制御部２０による流量制御弁１７の開度制御によって、高段圧縮機構１ｂに液冷媒が導入されることが防止される。この実施形態の場合、温度差ΔＴがプラスとなっていれば中間配管Ｌ１から合流される冷媒が過熱状態であることが分かるため、温度差ΔＴに余裕を設けずとも高段圧縮機構１ｂの液圧縮を防止することができる。
具体的に、制御部２０は、温度差ΔＴが上限値以上の場合に流量制御弁１７の開度を増加させ、下限値未満の場合に流量制御弁１７の開度を減少させる。なお、制御部２０は、温度差ΔＴの絶対値に基づいたリニアな開度制御を行ってもよい。また、制御部２０は、温度差ΔＴを所定値に近づけるＰＩＤ制御による開度制御を行ってもよい。
なお、高段膨張吐出温度センサ２５は、気液分離器４内の気体状態の温度を検出する高段膨張吐出温度センサ２５ａとしてもよいし、気液分離器４と内部熱交換器８との間の中間配管Ｌ１内の温度を検出する高段膨張吐出温度センサ２５ｂとしてもよい。また、加熱冷媒温度センサ２６は、内部熱交換器８出口と流量制御弁１７との間に設けた加熱冷媒温度センサ２６ａとしてもよい。なお、本実施の形態７では、流量制御弁１７および内部熱交換器８の圧損が小さい場合に適用するのが好ましい。
（実施の形態５〜７の変形例）
実施の形態５〜７の変形例は、上述した実施の形態５〜７において、加熱手段である内部熱交換器８と流量制御弁１７との配置を逆にしたものである。
例えば、図１２に示すように、実施の形態５の構成において、流量制御弁１７を内部熱交換器８の上流側（気液分離器４側）に設ける。
なお、図１２に示すように、実施の形態５〜７の変形例では、高段膨張吐出温度センサ２５は内部熱交換器８と中間接続点ＰＴとの間に設けることで、実施の形態５〜７と同様の効果を得ることができる。
１ 圧縮機構
１ａ 低段圧縮機構
１ｂ 高段圧縮機構
２ 凝縮器
２ａ 加熱器
３ 高段膨張機構
４ 気液分離器
４Ｌ 液側連通口
４Ｖ 気体側連通口
５ 低段膨張機構
６ 蒸発器
７ 開閉制御弁
８ 内部熱交換器
１０ 排熱回収ヒートポンプ装置
１２ 蒸気生成部
１４ 温水供給部
１６ ヒートポンプ部
１７ 流量制御弁
２０ 制御部
２１ レベルセンサ
２２ 高段圧縮吸入温度センサ
２３，２３ａ，２３ｂ 高段圧縮吸入圧力センサ
２４，２４ａ，２４ｂ 高段膨張吐出圧力センサ
２５，２５ａ，２５ｂ 高段膨張吐出温度センサ
２６，２６ａ 加熱冷媒温度センサ
２９ 熱源温水温度センサ
３０ 給水経路
３２ 温水経路
４２ 水蒸気分離器
４４ 蒸気供給経路
４６ 水循環経路
５２，５８ インバータ
ｈａ，ｈｂ 液面位置
Ｌ１ 中間配管

Claims (17)

  1. 外部熱源から回収した熱で冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で蒸発された冷媒を圧縮する低段圧縮機構と、前記低段圧縮機構で圧縮された冷媒を圧縮する高段圧縮機構と、前記高段圧縮機構で圧縮された冷媒を凝縮させ被加熱水を加熱する凝縮器と、前記凝縮器によって凝縮された冷媒を減圧膨張する高段膨張機構と、前記高段膨張機構から導入された冷媒を気液分離する気液分離器と、前記気液分離器の液側出口から吐出された冷媒をさらに減圧膨張して前記蒸発器に導入する低段膨張機構と、前記気液分離器の気体側出口から吐出された冷媒を前記低段圧縮機構の吐出口と前記高段圧縮機構の吸入口との間に導入する中間配管と、を備えた排熱回収ヒートポンプ装置において、
    前記気体側出口から吐出された冷媒と前記低段圧縮機構で圧縮された冷媒との混合冷媒を所定値以上の過熱度を有する気体冷媒として前記高段圧縮機構の吸入口に導入する冷媒調整機構を設けたことを特徴とする排熱回収ヒートポンプ装置。
  2. 前記冷媒調整機構は、
    前記気液分離器に設けられ、液面位置を検出するレベルセンサと、
    前記中間配管に設けられた開閉制御弁と、
    前記レベルセンサにより前記液面位置が前記中間配管への気体側連通口に基づいた所定の位置に達した場合に、前記開閉制御弁を閉制御する制御部と、
    を備えたことを特徴とする請求項１に記載の排熱回収ヒートポンプ装置。
  3. 前記冷媒調整機構は、
    前記高段圧縮機構に吸入される冷媒温度を検出する高段圧縮吸入温度センサと、
    前記高段圧縮機構に吸入される冷媒圧力を検出する高段圧縮吸入圧力センサと、
    前記中間配管に設けられた流量制御弁と、
    前記高段圧縮吸入温度センサおよび前記高段圧縮吸入圧力センサの検出値に基づき前記流量制御弁を制御する制御部と、
    を備えたことを特徴とする請求項１に記載の排熱回収ヒートポンプ装置。
  4. 前記制御部は、前記高段圧縮吸入温度センサの検出値と前記高段圧縮吸入圧力センサの検出値から算出された飽和冷媒温度との温度差を所定値以上とするよう、前記流量制御弁の開度を調整することを特徴とする請求項３に記載の排熱回収ヒートポンプ装置。
  5. 前記冷媒調整機構は、
    前記高段圧縮機構に吸入される冷媒温度を検出する高段圧縮吸入温度センサと、
    前記高段膨張機構で減圧膨張された冷媒の圧力を検出する高段膨張吐出圧力センサと、
    前記中間配管に設けられた流量制御弁と、
    前記高段圧縮吸入温度センサおよび前記高段膨張吐出圧力センサの検出値に基づき前記流量制御弁を制御する制御部と、
    を備えたことを特徴とする請求項１に記載の排熱回収ヒートポンプ装置。
  6. 前記制御部は、前記高段圧縮吸入温度センサの検出値と前記高段膨張吐出圧力センサの検出値から算出された飽和冷媒温度との温度差を所定値以上とするよう、前記流量制御弁の開度を調整することを特徴とする請求項５に記載の排熱回収ヒートポンプ装置。
  7. 前記冷媒調整機構は、
    前記高段圧縮機構に吸入される冷媒温度を検出する高段圧縮吸入温度センサと、
    前記高段膨張機構で減圧膨張された冷媒の温度を検出する高段膨張吐出温度センサと、
    前記中間配管に設けられた流量制御弁と、
    前記高段圧縮吸入温度センサおよび前記高段膨張吐出温度センサの検出値に基づき前記流量制御弁を制御する制御部と、
    を備えたことを特徴とする請求項１に記載の排熱回収ヒートポンプ装置。
  8. 前記制御部は、前記高段圧縮吸入温度センサの検出値と前記高段膨張吐出温度センサの検出値との温度差を所定値以上とするよう、前記流量制御弁の開度を調整することを特徴とする請求項７に記載の排熱回収ヒートポンプ装置。
  9. 前記中間配管には、前記気液分離器の気体側出口から吐出された冷媒を加熱する加熱手段が設けられたことを特徴とする請求項３〜８のいずれか１項に記載の排熱回収ヒートポンプ装置。
  10. 前記冷媒調整機構は、
    前記中間配管に設けられ、気液分離器から導出された冷媒を加熱する加熱手段と、
    前記中間配管の前記加熱手段出口側における冷媒温度を検出する加熱冷媒温度センサと、
    前記高段圧縮機構に吸入される冷媒圧力を検出する高段圧縮吸入圧力センサと、
    前記中間配管に設けられた流量制御弁と、
    前記加熱冷媒温度センサおよび前記高段圧縮吸入圧力センサの検出値に基づき前記流量制御弁を制御する制御部と、
    を備えたことを特徴とする請求項１に記載の排熱回収ヒートポンプ装置。
  11. 前記制御部は、前記加熱冷媒温度センサの検出値と前記高段圧縮吸入圧力センサの検出値から算出された飽和冷媒温度との温度差を所定値以上とするよう、前記流量制御弁の開度を調整することを特徴とする請求項１０に記載の排熱回収ヒートポンプ装置。
  12. 前記冷媒調整機構は、
    前記中間配管に設けられ、気液分離器から導出された冷媒を加熱する加熱手段と、
    前記中間配管の前記加熱手段出口側における冷媒温度を検出する加熱冷媒温度センサと、
    前記高段膨張機構で減圧膨張された冷媒の圧力を検出する高段膨張吐出圧力センサと、
    前記中間配管に設けられた流量制御弁と、
    前記高段膨張吐出圧力センサおよび前記加熱冷媒温度センサの検出値に基づき前記流量制御弁を制御する制御部と、
    を備えたことを特徴とする請求項１に記載の排熱回収ヒートポンプ装置。
  13. 前記制御部は、前記加熱冷媒温度センサの検出値と前記高段膨張吐出圧力センサの検出値から算出された飽和冷媒温度との温度差を所定値以上とするよう、前記流量制御弁の開度を調整することを特徴とする請求項１２に記載の排熱回収ヒートポンプ装置。
  14. 前記冷媒調整機構は、
    前記中間配管に設けられ、気液分離器から導出された冷媒を加熱する加熱手段と、
    前記中間配管の前記加熱手段出口側における冷媒温度を検出する加熱冷媒温度センサと、
    前記高段膨張機構で減圧膨張された冷媒の温度を検出する高段膨張吐出温度センサと、
    前記中間配管に設けられた流量制御弁と、
    前記高段膨張吐出温度センサおよび前記加熱冷媒温度センサの検出値に基づき前記流量制御弁を制御する制御部と、
    を備えたことを特徴とする請求項１に記載の排熱回収ヒートポンプ装置。
  15. 前記制御部は、前記加熱冷媒温度センサの検出値と前記高段膨張吐出温度センサの検出値との温度差を所定値以上とするよう、前記流量制御弁の開度を調整することを特徴とする請求項１４に記載の排熱回収ヒートポンプ装置。
  16. 前記加熱手段は、前記凝縮器から吐出された冷媒と前記中間配管を流通する冷媒との熱交換を行う内部熱交換器であることを特徴とする請求項９〜１５のいずれか１項に記載の排熱回収ヒートポンプ装置。
  17. 前記冷媒は、Ｐ−ｈ線図上での過熱域において飽和ガス線と等エントロピー線とが２点以上の交点もしくは接点を有する特性を持つことを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載の排熱回収ヒートポンプ装置。
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