(57)【要約】【課題】凝縮器での冷媒と水との間での熱交換効率を向上させることができる蒸気生成ヒートポンプを提供する。【解決手段】蒸気生成ヒートポンプ１０は、圧縮機１６で圧縮された冷媒を凝縮させる第１熱交換器１８ａ及び第１熱交換器１８ａからの冷媒を冷却する第２熱交換器１８ｂを直列に接続した凝縮器１８を有する冷媒サイクル装置と、凝縮器１８に水を流通させて冷媒と熱交換させることで水蒸気を生成する蒸気生成装置１２とを備える。第１熱交換器１８ａと第２熱交換器１８ｂとの間には気液分離器３２が備えられ、その液体出口３２ａには分離した液相の冷媒を第２熱交換器１８ｂに供給する液体冷媒配管３４を接続する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機と、該圧縮機で圧縮された冷媒を凝縮させる第１熱交換器及び該第１熱交換器からの冷媒を冷却する第２熱交換器を直列に接続した凝縮器と、該凝縮器で凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁と、該膨張弁を出た冷媒を蒸発させる蒸発器とを冷媒配管で環状に接続した冷媒サイクル装置と、
前記凝縮器に水を流通させて前記冷媒と熱交換させることで水蒸気を生成して外部に送り出す蒸気生成装置と、
を備える蒸気生成ヒートポンプであって、
前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との間に、前記第１熱交換器からの冷媒を気相と液相に分離する気液分離器を備え、該気液分離器の液体出口に、分離した液相の冷媒を前記第２熱交換器に供給する液体冷媒配管を接続したことを特徴とする蒸気生成ヒートポンプ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の蒸気生成ヒートポンプにおいて、
前記気液分離器の液体出口側には、前記気液分離器で分離した液相の冷媒を前記第２熱交換器をバイパスさせる液体冷媒バイパス配管と、前記気液分離器で分離した液相の冷媒を前記液体冷媒配管から前記第２熱交換器へと流通させるか又は前記液体冷媒バイパス配管へと流通させるかを選択的に切り替える三方弁とが備えられていることを特徴とする蒸気生成ヒートポンプ。
【請求項３】
請求項１に記載の蒸気生成ヒートポンプにおいて、
前記第１熱交換器と前記気液分離器との間には、前記第１熱交換器からの冷媒を前記気液分離器及び前記第２熱交換器をバイパスさせる液体冷媒バイパス配管と、前記第１熱交換器からの冷媒を前記気液分離器及び前記第２熱交換器へと流通させるか又は前記液体冷媒バイパス配管へと流通させるかを選択的に切り替える三方弁とが備えられていることを特徴とする蒸気生成ヒートポンプ。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の蒸気生成ヒートポンプにおいて、
前記第１熱交換器と前記膨張弁との間での冷媒温度を測定する温度センサを備え、該温度センサの測定温度に基づいて前記三方弁を切り替えることを特徴とする蒸気生成ヒートポンプ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の蒸気生成ヒートポンプにおいて、
前記第１熱交換器の内部流路の断面積よりも、前記第２熱交換器の内部流路の断面積を小さく構成したことを特徴とする蒸気生成ヒートポンプ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の蒸気生成ヒートポンプにおいて、
前記気液分離器で分離された気相冷媒の出口に、前記第２熱交換器をバイパスさせて冷媒流路に戻す気体冷媒バイパス配管を接続したことを特徴とする蒸気生成ヒートポンプ。
【請求項７】
請求項６に記載の蒸気生成ヒートポンプにおいて、
前記気体冷媒バイパス配管の出口側を前記圧縮機の中間インジェクションポートに接続したことを特徴とする蒸気生成ヒートポンプ。
【請求項８】
請求項７に記載の蒸気生成ヒートポンプにおいて、
前記蒸発器と前記圧縮機との間に、前記中間インジェクションポートに導入前の前記気体冷媒バイパス配管を流通する冷媒と前記蒸発器を出た冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を備えたことを特徴とする蒸気生成ヒートポンプ。
【請求項９】
請求項６に記載の蒸気生成ヒートポンプにおいて、
前記蒸発器と前記圧縮機との間に、前記気体冷媒バイパス配管を流通する冷媒と前記蒸発器を出た冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を備え、
前記気体冷媒バイパス配管の出口側を前記内部熱交換器を介して前記第２熱交換器と前記膨張弁との間の冷媒配管に接続したことを特徴とする蒸気生成ヒートポンプ。
【請求項１０】
請求項６に記載の蒸気生成ヒートポンプにおいて、
前記気体冷媒バイパス配管の出口側を前記蒸発器と前記圧縮機との間の冷媒配管に接続したことを特徴とする蒸気生成ヒートポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒サイクル装置の凝縮器に水を流通させることで蒸気を生成する蒸気生成ヒートポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、工場排水や下水排水等の温排水から排熱を回収し、水蒸気を生成する蒸気生成ヒートポンプが利用されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、ヒートポンプ装置（冷媒サイクル装置）の凝縮器で加熱された水が水蒸気と熱水の二相流となって水蒸気分離器に入り、ここで水蒸気と熱水が分離されることにより、水蒸気だけが取り出されて外部の蒸気利用設備へと供給される構成の蒸気生成ヒートポンプが開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、このような蒸気生成ヒートポンプにおいて、凝縮器と膨張弁との間に凝縮器で凝縮させた冷媒をさらに冷却する熱交換器を設けた構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−２７０８号公報
【特許文献２】特開２０１１−２５７１２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように、特許文献２では、実質的に凝縮器を２台直列で接続した構成とし、これにより、冷媒を一層冷却し、水を一層加熱することが可能となっている。
【０００７】
ところが、この特許文献２の凝縮器は、単に２台の熱交換器を直列しただけの構成であり、以下の問題が発生する。（１）同じ流路断面積の熱交換器を２台直列に接続する場合、冷媒における上流側熱交換器では、冷媒及び水が気相又は二相流の状態となるため、流速を適正に確保することができる。一方、同じ流路断面積を有する下流側熱交換器では一部冷媒が液相に変化しているため、上流側熱交換器に比べて冷媒の流速が低くなり、熱交換効率が低下する。（２）上記（１）の課題に対応するため、下流側熱交換器の流路断面積を上流側熱交換器と比べて小さくし流速を速くしても、気相冷媒が下流側熱交換器に導入されることで圧力損失が増大し、熱交換効率が低下する。このため、熱交換器を２台構成とした場合の熱交換量や熱交換効率に対する向上効果は１台構成のものと比べて限定的なものとなっている。
【０００８】
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、凝縮器での冷媒と水との間での熱交換効率を向上させることができる蒸気生成ヒートポンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る蒸気生成ヒートポンプは、圧縮機と、該圧縮機で圧縮された冷媒を凝縮させる第１熱交換器及び該第１熱交換器からの冷媒を冷却する第２熱交換器を直列に接続した凝縮器と、該凝縮器で凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁と、該膨張弁を出た冷媒を蒸発させる蒸発器とを冷媒配管で環状に接続した冷媒サイクル装置と、前記凝縮器に水を流通させて前記冷媒と熱交換させることで水蒸気を生成して外部に送り出す蒸気生成装置とを備える蒸気生成ヒートポンプであって、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との間に、前記第１熱交換器からの冷媒を気相と液相に分離する気液分離器を備え、該気液分離器の液体出口に、分離した液相の冷媒を前記第２熱交換器に供給する液体冷媒配管を接続したことを特徴とする。
【００１０】
このような構成によれば、凝縮器を第１熱交換器と第２熱交換器とで構成し、その間に気液分離器を備えることにより、第１熱交換器で全ての冷媒が凝縮しなかった場合にも、第２熱交換器には液相の冷媒のみが導入される。このため、凝縮器の冷媒流通方向で後段となる第２熱交換器に気相の冷媒が導入されて大きな圧力損失を引き起こすことを防止して、高い熱交換効率を得ることができ、凝縮器での冷媒と水との熱交換効率及び熱交換性能を向上させることができる。
【００１１】
前記気液分離器の液体出口側には、前記気液分離器で分離した液相の冷媒を前記第２熱交換器をバイパスさせる液体冷媒バイパス配管と、前記気液分離器で分離した液相の冷媒を前記液体冷媒配管から前記第２熱交換器へと流通させるか又は前記液体冷媒バイパス配管へと流通させるかを選択的に切り替える三方弁とを備えてもよい。また、前記第１熱交換器と前記気液分離器との間には、前記第１熱交換器からの冷媒を前記気液分離器及び前記第２熱交換器をバイパスさせる液体冷媒バイパス配管と、前記第１熱交換器からの冷媒を前記気液分離器及び前記第２熱交換器へと流通させるか又は前記液体冷媒バイパス配管へと流通させるかを選択的に切り替える三方弁とを備えてもよい。そうすると、当該蒸気生成ヒートポンプの起動時には、三方弁を切替制御して第１熱交換器を通過した冷媒、又は気液分離器で分離した液相の冷媒を液体冷媒バイパス配管へと流通させることにより、起動時に冷媒が第２熱交換器で冷却されることがなく、冷媒サイクル装置内を循環する冷媒温度を迅速に運転温度まで上昇させることができ、起動時間を短縮することができる。
【００１２】
この場合、前記第１熱交換器と前記膨張弁との間での冷媒温度を測定する温度センサを備え、該温度センサの測定温度に基づいて前記三方弁を切り替えるとよい。そうすると、冷媒温度が十分に上昇し、起動運転が完了したことを適切に検知して、第２熱交換器に冷媒を流通させる定常運転に速やかに移行することができる。
【００１３】
前記第１熱交換器の内部流路の断面積よりも、前記第２熱交換器の内部流路の断面積を小さく構成するとよい。すなわち、当該蒸気生成ヒートポンプでは、気液分離器の作用によって第２熱交換器には液相の冷媒のみが導入されるため、気相の冷媒が導入された際の圧力損失を考慮する必要がない。そこで、この第２熱交換器での内部流路の断面積を第１熱交換器の内部流路の断面積より小さくすれば、第２熱交換器での液相の冷媒と水の流速を向上させ、液同士の熱交換であっても高い熱交換効率を確保することが可能となる。
【００１４】
前記気液分離器の気体出口には分離した気相の冷媒を前記第２熱交換器をバイパスさせる気体冷媒バイパス配管を接続してもよく、前記気体冷媒バイパス配管の出口側を前記圧縮機の中間インジェクションポートに接続してもよい。
【００１５】
この場合、前記蒸発器と前記圧縮機との間に、前記中間インジェクションポートに導入前の前記気体冷媒バイパス配管を流通する冷媒と前記蒸発器を出た冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を備えてもよい。
【００１６】
前記蒸発器と前記圧縮機との間に、前記気体冷媒バイパス配管を流通する冷媒と前記蒸発器を出た冷媒とを熱交換させる内部熱交換器を備え、前記気体冷媒バイパス配管の出口側を前記内部熱交換器を介して前記第２熱交換器と前記膨張弁との間の冷媒配管に接続してもよい。
【００１７】
前記気体冷媒バイパス配管の出口側を前記蒸発器と前記圧縮機との間の冷媒配管に接続してもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、凝縮器の冷媒流通方向で後段となる第２熱交換器に気相の冷媒が導入されて大きな圧力損失を引き起こすことを防止して、高い熱交換効率を得ることができる。このため、凝縮器での冷媒と水との熱交換効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係る蒸気生成ヒートポンプの構成図である。
【図２】図２は、凝縮器の構成例を模式的に示す説明図である。
【図３】図３は、凝縮器内の内部流路の各位置での冷媒と水との状態変化の様子を模式的に示した説明図である。
【図４】図４は、図１に示す冷媒サイクル装置に代えて変形例に係る冷媒サイクル装置を備えた蒸気生成ヒートポンプの構成図である。
【図５】図５は、本発明の第２の実施形態に係る蒸気生成ヒートポンプの構成図である。
【図６】図６は、図５に示す冷媒サイクル装置に代えて変形例に係る冷媒サイクル装置を備えた蒸気生成ヒートポンプの構成図である。
【図７】図７は、本発明の第３の実施形態に係る蒸気生成ヒートポンプの構成図である。
【図８】図８は、図７に示す冷媒サイクル装置に代えて変形例に係る冷媒サイクル装置を備えた蒸気生成ヒートポンプの構成図である。
【図９】図９は、本発明の第４の実施形態に係る蒸気生成ヒートポンプの構成図である。
【図１０】図１０は、図９に示す冷媒サイクル装置に代えて変形例に係る冷媒サイクル装置を備えた蒸気生成ヒートポンプの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明に係る蒸気生成ヒートポンプ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。
【００２１】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る蒸気生成ヒートポンプ１０の構成図である。蒸気生成ヒートポンプ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。
【００２２】
図１に示すように、蒸気生成ヒートポンプ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装置１２と、温水から熱を回収し、この熱を蒸気生成装置１２での蒸気生成のための熱源として供給する冷媒サイクル装置１４とを備える。
【００２３】
先ず、冷媒サイクル装置１４は、圧縮機１６と、圧縮機１６の吐出側に接続される凝縮器１８と、凝縮器１８の出口側に接続される膨張弁２０と、膨張弁２０の出口側に接続される蒸発器２２とを有し、これらを冷媒配管２４で環状に接続して冷媒を循環させる冷凍回路（ヒートポンプ装置）である。
【００２４】
圧縮機１６で圧縮されて高温高圧となった冷媒は、凝縮器１８で蒸気生成装置１２を循環する水（給水）と熱交換して冷却され凝縮する。凝縮器１８を出た冷媒は、加熱器２６で給水配管２８を流れる水を予熱してさらに冷却された後、膨張弁２０で絞り膨張され、蒸発器２２で温水配管３０を流れる温水から吸熱して蒸発し、再び圧縮機１６へと戻る。冷媒サイクル装置１４としては、公知の冷凍回路を用いることができる。
【００２５】
このような冷媒サイクル装置１４において、凝縮器１８は、圧縮機１６で圧縮された冷媒を凝縮させる上流側の第１熱交換器（第１凝縮器）１８ａと、第１熱交換器１８ａからの冷媒を冷却する第２熱交換器（第２凝縮器）１８ｂとを直列に接続した構成となっている。
【００２６】
第１熱交換器１８ａと第２熱交換器１８ｂとの間には、第１熱交換器１８ａからの冷媒を気相と液相に分離する気液分離器３２が備えられている。気液分離器３２は、鉛直方向に沿った円筒状容器で構成される。気液分離器３２の下端壁の液体出口３２ａには、分離した液相の冷媒を第２熱交換器１８ｂに供給する液体冷媒配管３４が接続されている。気液分離器３２の上端壁の気体出口３２ｂには、分離した気相の冷媒を第２熱交換器１８ｂをバイパスさせる気体冷媒バイパス配管３６が接続されている。さらに、気液分離器３２の液体出口３２ａ側では、気液分離器３２で分離した液相の冷媒を第２熱交換器１８ｂをバイパスさせる液体冷媒バイパス配管３８が三方弁４０を介して液体冷媒配管３４に接続されている。三方弁４０は、気液分離器３２で分離した液相の冷媒を、液体冷媒配管３４から第２熱交換器１８ｂへと流通させるか又は液体冷媒バイパス配管３８へと流通させるかを選択的に切り替える流路選択弁である。
【００２７】
気体冷媒バイパス配管３６の出口側は、圧縮機１６の中間インジェクションポート１６ａに接続されている。液体冷媒バイパス配管３８の出口側は、第２熱交換器１８ｂと加熱器２６との間の冷媒配管２４に接続されている。図１中に２点鎖線で示すように、液体冷媒バイパス配管３８の出口側は、加熱器２６と膨張弁２０との間の冷媒配管２４に接続してもよい。
【００２８】
このように、蒸気生成ヒートポンプ１０では、第１熱交換器１８ａと第２熱交換器１８ｂとの間に気液分離器３２を設けたことにより、凝縮器１８において、第１熱交換器１８ａでは気相及び気液二相流の冷媒と二相流（水蒸気及び水）の水との間で熱交換が行われ、第２熱交換器１８ｂでは液相の冷媒と液相の水との間で熱交換が行われる。そこで、凝縮器１８は、図２に示すように、第１熱交換器１８ａの内部流路４１ａ，４２ａの内径Ｄ１よりも、第２熱交換器１８ｂの内部流路４１ｂ，４２ｂの内径Ｄ２が小さく設定されている。つまり、第１熱交換器１８ａの内部流路４１ａ，４２ａの断面積よりも、第２熱交換器１８ｂの内部流路４１ｂ，４２ｂの断面積を小さく設定している。凝縮器１８は、例えば、プレート型熱交換器である。図２に示す例では、内部流路４１ａ，４１ｂが冷媒サイクル装置１４側の冷媒が流通する熱媒体流路となり、内部流路４２ａ，４２ｂが蒸気生成装置１２側の水（及び水蒸気）が流通する水流路となる。
【００２９】
図１に戻り、圧縮機１６は、図示しない制御装置の制御下に、その吐出側に設けられた圧力センサ（ＰＣ）４４の検出値（吐出圧）に基づき、インバータ（ＩＮＶ）４６を介して駆動回転数が制御される。膨張弁２０は、前記制御装置の制御下に、圧縮機１６の吐出側に設けられた温度センサ（ＴＣ）４８の検出値（吐出温度）に基づき、開度が制御される。三方弁４０は、第１熱交換器１８ａと膨張弁２０との間での冷媒温度を測定する温度センサ（ＴＣ）５０の検出値（測定温度）に基づき、流路方向が切替制御される。図１では、温度センサ５０を液体冷媒バイパス配管３８の出口と加熱器２６の入口との間に設けている。
【００３０】
次に、蒸気生成装置１２は、容器内部に水を貯留する水蒸気分離器５２と、冷媒サイクル装置１４を循環する冷媒を熱源として水を蒸発させる蒸発器（蒸気生成器）として機能する凝縮器１８と、水蒸気分離器５２から送り出される水蒸気を圧縮して昇圧する蒸気圧縮機５４とを備える。水蒸気分離器５２と凝縮器１８との間は、水蒸気分離器５２の下端壁から凝縮器１８を介して水蒸気分離器５２の上部側壁までを接続する循環配管５６によって連通されている。
【００３１】
水蒸気分離器５２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配管５６に接続された給水配管２８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。給水配管２８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５８によって加熱器２６を経て循環配管５６（又は水蒸気分離器５２）まで導入する。給水ポンプ５８は、前記制御装置の制御下に、水蒸気分離器５２内に貯留された水の水位を測定する水位センサ（ＬＣ）６０の検出値（水位）に基づき、インバータ（ＩＮＶ）６２を介して駆動回転数が制御される。水蒸気分離器５２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６４が接続されている。
【００３２】
凝縮器１８を構成する第２熱交換器１８ｂの入口側で液管となる循環配管５６には、循環ポンプ６６が設けられている。循環ポンプ６６は、前記制御装置の制御下に、インバータ（ＩＮＶ）６８を介して駆動回転数が制御される。
【００３３】
水蒸気分離器５２の上端壁には、当該蒸気生成ヒートポンプ１０で生成した水蒸気を外部の蒸気利用設備側へと送り出すための経路である蒸気送出配管７０が接続されている。すなわち、凝縮器１８を構成する第１熱交換器１８ａの出口側で蒸気管となる循環配管５６から当該水蒸気分離器５２内に水と水蒸気とが混在した二相流で供給され、ここで水が分離された後の水蒸気が蒸気送出配管７０へと送り出される。
【００３４】
凝縮器１８は、上記のように、冷媒サイクル装置１４側の冷媒が流通する熱媒体流路（内部流路４１ａ，４１ｂ）と、蒸気生成装置１２側の水（及び水蒸気）が流通する水流路（内部流路４２ａ，４２ｂ）とを備える。第１熱交換器１８ａ及び第２熱交換器１８ｂではこれら熱媒体流路及び水流路が交互に積層配置され、冷媒と水とが対向流となって熱交換される。従って、循環配管５６から凝縮器１８に流入した水は、第２熱交換器１８ｂと第１熱交換器１８ａとで順に加熱されて水蒸気と水の二相流となって水蒸気分離器５２に導入され、ここで水蒸気と水に分離され、水蒸気は蒸気送出配管７０へと送り出され、水は水蒸気分離器５２内に貯留される。
【００３５】
蒸気送出配管７０には、上流側から下流側に向かって順に、蒸気圧縮機５４と、調節弁７２とが設けられている。調節弁７２は、前記制御装置によってその開度が制御可能な開度制御弁である。調節弁７２の開度を適宜制御することにより、当該蒸気生成ヒートポンプ１０から外部に送り出される水蒸気の流量や圧力を制御できる。
【００３６】
蒸気圧縮機５４は、前記制御装置の制御下に、圧力センサ（ＰＣ）７４で測定される水蒸気分離器５２内の蒸気圧力と、圧力センサ（ＰＣ）７６で測定される調節弁７２の下流側での蒸気圧力とに基づき、インバータ（ＩＮＶ）７８を介して駆動回転数が制御され、吸引した水蒸気を圧縮・昇圧して送り出す。
【００３７】
従って、このような蒸気生成ヒートポンプ１０では、温水配管３０を流れる温水の熱を回収し、回収した熱を凝縮器１８によって水に移動させて水蒸気を生成することで工場排水等の排熱を効率的に回収して利用することができ、高い省エネ性能を有する。
【００３８】
次に、以上のように構成される蒸気生成ヒートポンプ１０の動作及び作用について説明する。
【００３９】
蒸気生成ヒートポンプ１０を起動すると、圧縮機１６、蒸気圧縮機５４、給水ポンプ５８及び循環ポンプ６６が運転開始される。これにより、循環ポンプ６６によって循環配管５６を循環する水（給水）は凝縮器１８で蒸発して水蒸気となり、水蒸気分離器５２から蒸気送出配管７０へと導入され、蒸気圧縮機５４によって昇圧された後、外部の蒸気利用設備へと送り出される。
【００４０】
この際、冷媒サイクル装置１４では、第１熱交換器１８ａを出た冷媒は気液分離器３２に流入し、分離した液相の冷媒が液体冷媒配管３４から第２熱交換器１８ｂに導入され、分離した気相の冷媒は気体冷媒バイパス配管３６から圧縮機１６の中間インジェクションポート１６ａに導入される。従って、第１熱交換器１８ａで全ての冷媒が凝縮しなかった場合にも、第２熱交換器１８ｂには液相の冷媒のみが導入される。従って、上記の通り、本実施形態では、第２熱交換器１８ｂでの内部流路４１ｂの断面積を第１熱交換器１８ａの内部流路４１ａの断面積より小さくしているが、第２熱交換器１８ｂに気相の冷媒が導入されて大きな圧力損失を引き起こすことが防止され、高い熱交換効率を得ることができる。一方、気液分離器３２で分離した気相の冷媒を気体冷媒バイパス配管３６から圧縮機１６の中間インジェクションポート１６ａへと導入することにより、圧縮機１６の吐出温度を抑え、圧縮機１６が過剰に温度上昇することを抑制できる。
【００４１】
ここで、凝縮器１８での冷媒と水との熱交換によるそれぞれの状態変化について図３を参照して説明する。図３は、凝縮器１８内の内部流路４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂの各位置での冷媒と水との状態変化の様子を模式的に示した説明図である。図３において、縦軸は温度を示し、横軸は凝縮器１８の内部流路４１ａ等での冷媒及び水の流通位置を示している。
【００４２】
図３に示すように、冷媒と水は凝縮器１８の内部は対向流で熱交換される。先ず、冷媒側では、気相（ガス）の冷媒が第１熱交換器１８ａに入り、水蒸気と水とが混在した二相流の水と熱交換して凝縮温度まで冷却される（位置Ｒ１）。凝縮温度まで冷却され気液二相流となった冷媒は、この温度で凝縮されて液化する（位置Ｒ２）。液化した冷媒は第１熱交換器１８ａを出て第２熱交換器１８ｂに流入し、そこでさらに温度の低い水と熱交換して冷却され、第２熱交換器１８ｂから流出する（位置Ｒ３）。一方、水側では、第２熱交換器１８ｂに流入した水は凝縮した液相（液）の冷媒から熱を得て蒸発温度まで昇温される（位置Ｗ１）。蒸発温度まで昇温された水は、第２熱交換器１８ｂを出て第１熱交換器１８ａに流入し、そこで冷媒の凝縮部分とガスの部分から熱を得て蒸発が始まり、水蒸気と水の混合状態（二相流）となって第１熱交換器１８ａから流出する（位置Ｗ２）。これにより、第１熱交換器１８ａから流出した二相流の水は、水蒸気分離器５２で水蒸気と水に分離され、水蒸気が蒸気送出配管７０へと送り出される。
【００４３】
このように、凝縮器１８では、高温の冷媒と低温の水側の両方に相変化が起きるため、同じ流路断面積の熱交換器を２台直列配置した場合、冷媒と水とが気相及び二相流の部分（位置Ｒ１，Ｒ２及び位置Ｗ２）においては流速を適正に確保することができるが、液相の部分（位置Ｒ３及び位置Ｗ１）では、流速が小さくなり、そのため熱交換効率が低下するという現象が起きる。また、下流側熱交換器の流路断面積を上流側熱交換器と比べて小さくした場合、液同士の熱交換が行われる後段の熱交換器に気相の冷媒が導入されて圧力損失を引き起こし、熱交換効率が低下することになる。
【００４４】
そこで、当該蒸気生成ヒートポンプ１０では、凝縮器１８を構成する第１熱交換器１８ａと第２熱交換器１８ｂとの間に、第１熱交換器１８ａからの冷媒を気相と液相に分離する気液分離器３２を備え、気液分離器３２の液体出口３２ａには分離した液相の冷媒を第２熱交換器１８ｂに供給する液体冷媒配管３４を接続し、気液分離器３２の気体出口３２ｂには分離した気相の冷媒を第２熱交換器１８ｂをバイパスさせる気体冷媒バイパス配管３６を接続している。これにより、第１熱交換器１８ａで全ての冷媒が凝縮しきれなかった場合にも、第２熱交換器１８ｂには液相の冷媒のみが導入される。このため、第２熱交換器１８ｂに気相の冷媒が導入されて大きな圧力損失を引き起こすことを防止して、高い熱交換効率を得ることができる。これにより、凝縮器１８での冷媒と水との熱交換効率及び熱交換性能を向上させることができる。
【００４５】
さらに、気液分離器３２の作用によって第２熱交換器１８ｂには液相の冷媒のみが導入されるため、該第２熱交換器１８ｂでは気相の冷媒が導入された際の圧力損失を考慮する必要がない。そこで、当該蒸気生成ヒートポンプ１０では、第２熱交換器１８ｂでの内部流路４１ｂ，４２ｂの断面積を第１熱交換器１８ａの内部流路４１ａ，４２ａの断面積より小さく液体の流通に最適なものとし、これにより、第２熱交換器１８ｂでの液相の冷媒と液相の水の流速をそれぞれ向上させ、液同士の熱交換であっても高い熱交換効率を確保することが可能となっている。なお、本実施形態では、第１熱交換器１８ａと第２熱交換器１８ｂの伝熱面積を略同一としているため、断面積が小さな第２熱交換器１８ｂの流路長さを第１熱交換器１８ａよりも長く設定している。一方、第１熱交換器１８ａでは、気相及び二相流の冷媒及び二相流の水が流通するため、大きな断面積でも十分な流速を確保でき、流路長を長尺化しなくても高い熱交換効率及び熱交換性能を得ることができる。
【００４６】
このように、当該蒸気生成ヒートポンプ１０では、冷媒だけでなくその加熱対象側の水も相変化する性質を有するため、凝縮器１８を第１熱交換器１８ａと第２熱交換器１８ｂとに分け、それぞれを流通する流体の性質に応じた断面積で形成することにより、凝縮器１８の各位置での熱交換効率を最大化することができる。しかも、凝縮器１８の熱交換効率が向上するため、凝縮器１８を２台の熱交換器である第１熱交換器１８ａ及び第２熱交換器１８ｂで構成しつつも、コンパクトな構成とすることが可能となる。
【００４７】
当該蒸気生成ヒートポンプ１０では、気液分離器３２で分離した液相の冷媒を第２熱交換器１８ｂをバイパスさせる液体冷媒バイパス配管３８を設けている。そこで、蒸気生成ヒートポンプ１０の起動時には、三方弁４０を液体冷媒バイパス配管３８側に切り替え、第２熱交換器１８ｂ（及び加熱器２６）をバイパスさせることにより、冷媒サイクル装置１４での冷媒温度をより迅速に上昇させて所定の運転温度にすることができ、定常運転までの起動時間を短縮することができる。特に、当該蒸気生成ヒートポンプ１０では、凝縮器１８を１台の大型のものではなく、２台とし、それぞれの第１熱交換器１８ａ及び第２熱交換器１８ｂを小型化することができる。このため、一方の第２熱交換器１８ｂを起動時にバイパスさせることにより、起動時間の一層の短縮が可能となる。さらに、液体冷媒バイパス配管３８を設けることにより、起動時、所定の運転温度まで冷媒の温度が上がらず、膨張弁２０及び蒸発器２２を通しても冷媒が完全に気化せずに、液体の冷媒が圧縮機１６に導入されて液圧縮を発生してしまうことを回避することができ、起動時の運転の安定性も向上する。
【００４８】
この際、三方弁４０は、第１熱交換器１８ａと膨張弁２０との間での冷媒温度を測定する温度センサ５０の測定温度に基づいて切替制御される。すなわち、三方弁４０を液体冷媒バイパス配管３８側に切り替えた起動運転中に冷媒温度が上昇し、所定の運転温度に至った時点で三方弁４０を第２熱交換器１８ｂ側に切替制御する。これにより、起動運転が完了したことを適切に検知して、第２熱交換器１８ｂに冷媒を流通させる定常運転に速やかに移行することができる。
【００４９】
図４に示すように、本実施形態に係る蒸気生成ヒートポンプ１０では、冷媒サイクル装置１４に代えて、液体冷媒バイパス配管３８及び三方弁４０を、第１熱交換器１８ａと気液分離器３２との間に設置した冷媒サイクル装置１４ａを用いてもよい。この冷媒サイクル装置１４ａでは、起動時に三方弁４０を液体冷媒バイパス配管３８側に切り替えることで、気液分離器３２及び第２熱交換器１８ｂ（及び加熱器２６）をバイパスさせることができ、起動時間の一層の短縮が可能となる。
【００５０】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る蒸気生成ヒートポンプ８０の構成図である。この第２の実施形態に係る蒸気生成ヒートポンプ８０において、上記第１の実施形態に係る蒸気生成ヒートポンプ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て詳細な説明を省略し、以下の各実施形態についても同様とする。
【００５１】
図５に示すように、本実施形態に係る蒸気生成ヒートポンプ８０は、図１に示す冷媒サイクル装置１４と構成が異なる冷媒サイクル装置８２を備える。冷媒サイクル装置８２では、蒸発器２２と圧縮機１６との間に内部熱交換器８４を設け、中間インジェクションポート１６ａに導入前の気体冷媒バイパス配管３６を流通する冷媒と蒸発器２２を出た冷媒とを熱交換させる構成となっている。
【００５２】
従って、当該気生成ヒートポンプ８０では、気液分離器３２で分離した気相の冷媒を気体冷媒バイパス配管３６から圧縮機１６の中間インジェクションポート１６ａへと導入する際に、内部熱交換器８４でさらに冷却することができ、圧縮機１６の過剰な温度上昇を一層抑制できる。また、蒸発器２２から圧縮機１６に導入される冷媒を気体冷媒バイパス配管３６を流通する冷媒で加熱することができ、圧縮機１６に液相の冷媒を吸入されることを防止できる。
【００５３】
図６に示すように、本実施形態に係る蒸気生成ヒートポンプ８０についても、冷媒サイクル装置８２に代えて、液体冷媒バイパス配管３８及び三方弁４０を、第１熱交換器１８ａと気液分離器３２との間に設置した冷媒サイクル装置８２ａを用いてもよい。
【００５４】
図７は、本発明の第３の実施形態に係る蒸気生成ヒートポンプ９０の構成図である。
【００５５】
図７に示すように、本実施形態に係る蒸気生成ヒートポンプ９０は、図５に示す冷媒サイクル装置８２と構成が異なる冷媒サイクル装置９２を備える。冷媒サイクル装置９２では、気体冷媒バイパス配管３６の出口側を蒸発器２２と圧縮機１６との間に設けた内部熱交換器８４を介して第２熱交換器１８ｂ（加熱器２６）と膨張弁２０との間の冷媒配管２４に接続している。
【００５６】
従って、当該蒸気生成ヒートポンプ９０では、気液分離器３２で分離した気相の冷媒を気体冷媒バイパス配管３６を流通させると共に内部熱交換器８４で冷却して凝縮させてから膨張弁２０に導入する。これにより、気液分離器３２で分離した気相の冷媒を凝縮した後、適切に冷媒サイクル内に戻すことができる。また、蒸発器２２から圧縮機１６に導入される冷媒を気体冷媒バイパス配管３６を流通する冷媒で加熱することができ、圧縮機１６に液相の冷媒を吸入されることを防止できる。
【００５７】
図８に示すように、本実施形態に係る蒸気生成ヒートポンプ９０についても、冷媒サイクル装置９２に代えて、液体冷媒バイパス配管３８及び三方弁４０を、第１熱交換器１８ａと気液分離器３２との間に設置した冷媒サイクル装置９２ａを用いてもよい。
【００５８】
図９は、本発明の第４の実施形態に係る蒸気生成ヒートポンプ１００の構成図である。
【００５９】
図９に示すように、本実施形態に係る蒸気生成ヒートポンプ１００は、図１に示す冷媒サイクル装置１４と構成が異なる冷媒サイクル装置１０２を備える。冷媒サイクル装置１０２では、気体冷媒バイパス配管３６の出口側を蒸発器２２と圧縮機１６との間の冷媒配管２４に接続している。
【００６０】
従って、当該気生成ヒートポンプ１００では、気液分離器３２で分離した気相の冷媒を気体冷媒バイパス配管３６を流通させて圧縮機１６の吸込み側の冷媒配管２４に導入する。これにより、気液分離器３２で分離した気相の冷媒を適切に冷媒サイクル内に戻すことができる。
【００６１】
図１０に示すように、本実施形態に係る蒸気生成ヒートポンプ１００についても、冷媒サイクル装置１０２に代えて、液体冷媒バイパス配管３８及び三方弁４０を、第１熱交換器１８ａと気液分離器３２との間に設置した冷媒サイクル装置１０２ａを用いてもよい。
【００６２】
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。
【符号の説明】
【００６３】
１０，８０，９０，１００  蒸気生成ヒートポンプ
１２  蒸気生成装置
１４，１４ａ，８２，８２ａ，９２，９２ａ，１０２，１０２ａ  冷媒サイクル装置
１６  圧縮機
１６ａ  中間インジェクションポート
１８  凝縮器
１８ａ  第１熱交換器
１８ｂ  第２熱交換器
２０  膨張弁
２２  蒸発器
２４  冷媒配管
２６  加熱器
３２  気液分離器
３２ａ  液体出口
３２ｂ  気体出口
３４  液体冷媒配管
３６  気体冷媒バイパス配管
３８  液体冷媒バイパス配管
４０  三方弁
４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ  内部流路
５２  水蒸気分離器
５４  蒸気圧縮機
５６  循環配管
８４  内部熱交換器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2015210033.tif 000008
【図７】
2015210033.tif 000009
【図８】
2015210033.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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