(57)【要約】【課題】ヒートポンプの停止中、冷媒の凝縮により、冷媒の循環路内が大気圧未満になってしまい、冷媒の循環路内に空気が混入してしまうのを防止する。【解決手段】ヒートポンプ２は、圧縮機３、凝縮器４、膨張弁５および蒸発器６が順次環状に接続されて冷媒を循環させる。ヒートポンプ２の運転により、凝縮器４における冷媒からの放熱を用いて水を加熱して蒸気を発生させる。ヒートポンプ２の停止中、冷媒の循環路内にタンク９から空気混入対策流体を導入して、循環路内を大気圧を超える圧力に保持する。空気混入対策流体は、空気以外の不活性ガス、前記冷媒より沸点の低い物質、または液体とされる。【選択図】図１
2012042063.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器が順次環状に接続されて冷媒を循環させるヒートポンプを備え、
前記ヒートポンプの運転により、前記凝縮器における前記冷媒からの放熱を用いて水を加熱して蒸気を発生させ、
前記ヒートポンプの停止中、前記冷媒の循環路内に空気混入対策流体を導入して、前記循環路内を大気圧を超える圧力に保持する
ことを特徴とするヒートポンプ式蒸気発生装置。
【請求項２】
前記空気混入対策流体を貯留するタンクを備え、
前記空気混入対策流体は、気体として前記循環路内へ導入され、
前記圧縮機から前記凝縮器への管路には、第一弁が設けられると共に、この第一弁より上流側に、前記タンクが第二弁を介して接続される
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発生装置。
【請求項３】
前記膨張弁から前記圧縮機への管路には、前記タンクが第三弁を介して接続される
ことを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。
【請求項４】
前記空気混入対策流体は、空気以外の不活性ガス、または前記冷媒より沸点の低い物質とされ、
前記タンクから前記循環路内への前記空気混入対策流体の導入は、前記各弁を開くことでなされ、
前記循環路内から前記タンクへの前記空気混入対策流体の回収は、設定条件を満たすまで、前記第二弁を開く一方、残りの弁を閉じた状態で、前記圧縮機を駆動してなされる
ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。
【請求項５】
前記空気混入対策流体を貯留するタンクを備え、
前記空気混入対策流体は、前記冷媒と同一物質であると共に、液体として前記タンクに貯留され、
前記圧縮機から前記膨張弁への管路に、前記タンクからの前記空気混入対策流体を第二弁を介して導入する第一接続路と、前記膨張弁から前記圧縮機への管路に、前記タンクからの前記空気混入対策流体を第三弁を介して導入する第二接続路との内、一方または双方の接続路を有し、
前記タンクから前記循環路内への前記空気混入対策流体の導入は、前記接続路の弁を開いた状態で、前記タンクの気相部に気体を導入して、前記タンク内を大気圧を超える圧力とすることにより、前記循環路内へ前記空気混入対策流体を押し込んでなされ、
前記循環路内から前記タンクへの前記空気混入対策流体の回収は、前記タンク内を復圧した状態で、前記蒸発器に熱源流体を通して前記冷媒の蒸発を図りつつ、液相分を前記タンクへ押し戻してなされる
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発生装置。
【請求項６】
前記空気混入対策流体を貯留するタンクを備え、
前記空気混入対策流体は、前記冷媒と同一物質であると共に、液体として前記タンクに貯留され、
前記圧縮機から前記膨張弁への管路に、前記タンクからの前記空気混入対策流体を第二弁を介して導入する第一接続路と、前記膨張弁から前記圧縮機への管路に、前記タンクからの前記空気混入対策流体を第三弁を介して導入する第二接続路との内、一方または双方の接続路を有し、
前記タンクから前記循環路内への前記空気混入対策流体の導入は、前記接続路の弁を開いた状態で、ポンプにより前記循環路内へ前記空気混入対策流体を押し込んでなされ、
前記循環路内から前記タンクへの前記空気混入対策流体の回収は、前記ポンプを停止した状態で、前記蒸発器に熱源流体を通して前記冷媒の蒸発を図りつつ、液相分を前記タンクへ押し戻してなされる
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発生装置。
【請求項７】
前記空気混入対策流体を貯留するタンクを備え、
前記空気混入対策流体は、前記冷媒と同一物質であると共に、液体として前記タンクに貯留され、
前記圧縮機から前記膨張弁への管路に、前記タンクからの前記空気混入対策流体を第二弁を介して導入する第一接続路と、前記膨張弁から前記圧縮機への管路に、前記タンクからの前記空気混入対策流体を第三弁を介して導入する第二接続路との内、一方または双方の接続路を有し、
前記タンク内は、予め気相部に気体を導入して、大気圧を超える圧力に加圧されており、
前記タンクから前記循環路内への前記空気混入対策流体の導入は、前記接続路の弁を開いた状態で、前記タンク内外の差圧により、前記循環路内へ前記空気混入対策流体を押し込んでなされ、
前記循環路内から前記タンクへの前記空気混入対策流体の回収は、前記蒸発器に熱源流体を通して前記冷媒の蒸発を図りつつ、液相分を前記タンクへ押し戻してなされる
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発生装置。
【請求項８】
前記タンクから前記循環路内への前記空気混入対策流体の導入は、前記接続路の弁を開いた状態で、前記タンク内外の差圧とポンプの作動とにより、前記循環路内へ前記空気混入対策流体を押し込んでなされ、
前記循環路内から前記タンクへの前記空気混入対策流体の回収は、前記ポンプを停止した状態で、前記蒸発器に熱源流体を通して前記冷媒の蒸発を図りつつ、液相分を前記タンクへ押し戻してなされる
ことを特徴とする請求項７に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。
【請求項９】
前記空気混入対策流体を冷却または凝縮させる冷却器を備え、
この冷却器により、前記空気混入対策流体を冷却または凝縮させて前記タンク内に貯留する
ことを特徴とする請求項４〜８のいずれか１項に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排温水、空気または排ガスなどを熱源としてヒートポンプを用いて蒸気を発生させるヒートポンプ式蒸気発生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、下記特許文献１に開示されるように、蒸発器である熱交換器（１０）において、工場の排温水などから熱を吸収し、凝縮器である熱交換器（５）において、蒸気を発生させるヒートポンプ式蒸気発生装置が提案されている。
【０００３】
この種のヒートポンプ式蒸気発生装置では、常温において凝縮する冷媒が用いられることが多い。この場合、ヒートポンプの停止中、冷媒の循環路（ヒートポンプサイクル）内は、冷媒が凝縮することで、大気圧未満の圧力まで下がってしまう。それにより、圧縮機の軸封部、配管の継ぎ目、溶接不良部などから冷媒の循環路内に空気が入り込み、冷媒を劣化させたり、次回のヒートポンプの運転時に伝熱を阻害したりするおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−３８３９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、ヒートポンプの停止中、冷媒の循環路内が大気圧未満になってしまい、冷媒の循環路内に空気が混入してしまうのを防止することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器が順次環状に接続されて冷媒を循環させるヒートポンプを備え、前記ヒートポンプの運転により、前記凝縮器における前記冷媒からの放熱を用いて水を加熱して蒸気を発生させ、前記ヒートポンプの停止中、前記冷媒の循環路内に空気混入対策流体を導入して、前記循環路内を大気圧を超える圧力に保持することを特徴とするヒートポンプ式蒸気発生装置である。
【０００７】
請求項１に記載の発明によれば、ヒートポンプの停止中、冷媒の循環路内に空気混入対策流体を導入して、循環路内を大気圧を超える圧力に保持することができる。これにより、冷媒の循環路内に空気が混入するのを防止することができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、前記空気混入対策流体を貯留するタンクを備え、前記空気混入対策流体は、気体として前記循環路内へ導入され、前記圧縮機から前記凝縮器への管路には、第一弁が設けられると共に、この第一弁より上流側に、前記タンクが第二弁を介して接続され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発生装置である。
【０００９】
請求項２に記載の発明によれば、空気混入対策流体として気体を冷媒の循環路内に導入して、循環路内を大気圧を超える圧力に保持することで、循環路内への空気の混入を防止することができる。また、第一弁と第二弁とを用いて、タンクから循環路内への空気混入対策流体の導入と、循環路内からタンクへの空気混入対策流体の回収とを行うことができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、前記膨張弁から前記圧縮機への管路には、前記タンクが第三弁を介して接続されることを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置である。
【００１１】
請求項３に記載の発明によれば、タンクからの空気混入対策流体は、第二弁を介してヒートポンプの高温側（圧縮機の出口側）に導入可能とされると共に、第三弁を介してヒートポンプの低温側（圧縮機の入口側）に導入可能とされる。これにより、ヒートポンプの停止中、冷媒の循環路内は、いずれの箇所も確実に、大気圧を超える圧力に保持することができる。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、前記空気混入対策流体は、空気以外の不活性ガス、または前記冷媒より沸点の低い物質とされ、前記タンクから前記循環路内への前記空気混入対策流体の導入は、前記各弁を開くことでなされ、前記循環路内から前記タンクへの前記空気混入対策流体の回収は、設定条件を満たすまで、前記第二弁を開く一方、残りの弁を閉じた状態で、前記圧縮機を駆動してなされることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置である。
【００１３】
請求項４に記載の発明によれば、空気以外の不活性ガス、または冷媒より沸点の低い物質を空気混入対策流体として用いつつ、各弁の開閉を制御して、タンクから循環路内への空気混入対策流体の導入と、循環路内からタンクへの空気混入対策流体の回収とを行うことができる。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、前記空気混入対策流体を貯留するタンクを備え、前記空気混入対策流体は、前記冷媒と同一物質であると共に、液体として前記タンクに貯留され、前記圧縮機から前記膨張弁への管路に、前記タンクからの前記空気混入対策流体を第二弁を介して導入する第一接続路と、前記膨張弁から前記圧縮機への管路に、前記タンクからの前記空気混入対策流体を第三弁を介して導入する第二接続路との内、一方または双方の接続路を有し、前記タンクから前記循環路内への前記空気混入対策流体の導入は、前記接続路の弁を開いた状態で、前記タンクの気相部に気体を導入して、前記タンク内を大気圧を超える圧力とすることにより、前記循環路内へ前記空気混入対策流体を押し込んでなされ、前記循環路内から前記タンクへの前記空気混入対策流体の回収は、前記タンク内を復圧した状態で、前記蒸発器に熱源流体を通して前記冷媒の蒸発を図りつつ、液相分を前記タンクへ押し戻してなされ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発生装置である。
【００１５】
請求項５に記載の発明によれば、空気混入対策流体として冷媒と同一物質からなる液体を循環路内に導入して、循環路内を大気圧を超える圧力に保持することで、循環路内への空気の混入を防止することができる。また、タンク内を復圧した状態で、蒸発器に熱源流体を通して冷媒の蒸発を図りつつ、液相分をタンクへ押し戻すことで、循環路内からタンクへの空気混入対策流体の回収を行うことができる。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、前記空気混入対策流体を貯留するタンクを備え、前記空気混入対策流体は、前記冷媒と同一物質であると共に、液体として前記タンクに貯留され、前記圧縮機から前記膨張弁への管路に、前記タンクからの前記空気混入対策流体を第二弁を介して導入する第一接続路と、前記膨張弁から前記圧縮機への管路に、前記タンクからの前記空気混入対策流体を第三弁を介して導入する第二接続路との内、一方または双方の接続路を有し、前記タンクから前記循環路内への前記空気混入対策流体の導入は、前記接続路の弁を開いた状態で、ポンプにより前記循環路内へ前記空気混入対策流体を押し込んでなされ、前記循環路内から前記タンクへの前記空気混入対策流体の回収は、前記ポンプを停止した状態で、前記蒸発器に熱源流体を通して前記冷媒の蒸発を図りつつ、液相分を前記タンクへ押し戻してなされ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発生装置である。
【００１７】
請求項６に記載の発明によれば、空気混入対策流体として冷媒と同一物質からなる液体を循環路内に導入して、循環路内を大気圧を超える圧力に保持することで、循環路内への空気の混入を防止することができる。また、ポンプを停止した状態で、蒸発器に熱源流体を通して冷媒の蒸発を図りつつ、液相分をタンクへ押し戻すことで、循環路内からタンクへの空気混入対策流体の回収を行うことができる。
【００１８】
請求項７に記載の発明は、前記空気混入対策流体を貯留するタンクを備え、前記空気混入対策流体は、前記冷媒と同一物質であると共に、液体として前記タンクに貯留され、前記圧縮機から前記膨張弁への管路に、前記タンクからの前記空気混入対策流体を第二弁を介して導入する第一接続路と、前記膨張弁から前記圧縮機への管路に、前記タンクからの前記空気混入対策流体を第三弁を介して導入する第二接続路との内、一方または双方の接続路を有し、前記タンク内は、予め気相部に気体を導入して、大気圧を超える圧力に加圧されており、前記タンクから前記循環路内への前記空気混入対策流体の導入は、前記接続路の弁を開いた状態で、前記タンク内外の差圧により、前記循環路内へ前記空気混入対策流体を押し込んでなされ、前記循環路内から前記タンクへの前記空気混入対策流体の回収は、前記蒸発器に熱源流体を通して前記冷媒の蒸発を図りつつ、液相分を前記タンクへ押し戻してなされ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発生装置である。
【００１９】
請求項７に記載の発明によれば、空気混入対策流体として冷媒と同一物質からなる液体を循環路内に導入して、循環路内を大気圧を超える圧力に保持することで、循環路内への空気の混入を防止することができる。また、タンク内を復圧した状態で、蒸発器に熱源流体を通して冷媒の蒸発を図りつつ、液相分をタンクへ押し戻すことで、循環路内からタンクへの空気混入対策流体の回収を行うことができる。
【００２０】
請求項８に記載の発明は、前記タンクから前記循環路内への前記空気混入対策流体の導入は、前記接続路の弁を開いた状態で、前記タンク内外の差圧とポンプの作動とにより、前記循環路内へ前記空気混入対策流体を押し込んでなされ、前記循環路内から前記タンクへの前記空気混入対策流体の回収は、前記ポンプを停止した状態で、前記蒸発器に熱源流体を通して前記冷媒の蒸発を図りつつ、液相分を前記タンクへ押し戻してなされることを特徴とする請求項７に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置である。
【００２１】
請求項８に記載の発明によれば、タンク内外の差圧に加えて、ポンプの押し込みによって、空気混入対策流体を循環路内に導入することができる。
【００２２】
さらに、請求項９に記載の発明は、前記空気混入対策流体を冷却または凝縮させる冷却器を備え、この冷却器により、前記空気混入対策流体を冷却または凝縮させて前記タンク内に貯留することを特徴とする請求項４〜８のいずれか１項に記載のヒートポンプ式蒸気発生装置である。
【００２３】
請求項９に記載の発明によれば、空気混入対策流体を冷却または凝縮させてタンクに貯留することができる。空気混入対策流体の体積を減らしてタンクに貯留できるので、タンクをコンパクトに構成することができる。また、空気混入対策流体を確実に凝縮させてタンクに貯留すれば、蒸発に伴う空気混入対策流体の減少を防止することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、ヒートポンプの停止中、冷媒の循環路内が大気圧未満にならないので、冷媒の循環路内に空気が混入してしまうのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明のヒートポンプ式蒸気発生装置の実施例１を示す概略図であり、ヒートポンプ回路に空気混入対策流体を導入する状態を示している。
【図２】図１のヒートポンプ式蒸気発生装置において、ヒートポンプ回路から空気混入対策流体を回収する状態を示している。
【図３】図２のヒートポンプ式蒸気発生装置において、ヒートポンプ回路から空気混入対策流体を回収し終えた状態を示している。
【図４】本発明のヒートポンプ式蒸気発生装置の実施例２を示す概略図であり、ヒートポンプ回路に空気混入対策流体を導入する状態を示している。
【図５】図４のヒートポンプ式蒸気発生装置において、ヒートポンプ回路から空気混入対策流体を回収する状態を示している。
【図６】本発明のヒートポンプ式蒸気発生装置の実施例３を示す概略図であり、ヒートポンプ回路に空気混入対策流体を導入する状態を示している。
【図７】図６のヒートポンプ式蒸気発生装置において、ヒートポンプ回路から空気混入対策流体を回収する状態を示している。
【図８】本発明のヒートポンプ式蒸気発生装置の実施例４を示す概略図であり、ヒートポンプ回路に空気混入対策流体を導入する状態を示している。
【図９】図８のヒートポンプ式蒸気発生装置において、ヒートポンプ回路から空気混入対策流体を回収する状態を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の具体的実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００２７】
図１は、本発明のヒートポンプ式蒸気発生装置の実施例１を示す概略図である。
本実施例のヒートポンプ式蒸気発生装置１は、蒸気圧縮式のヒートポンプ２を備える。このヒートポンプ２は、圧縮機３、凝縮器４、膨張弁５および蒸発器６が順次環状に接続されて構成され、冷媒を循環させる。そして、圧縮機３は、ガス冷媒を圧縮して高温高圧にする。また、凝縮器４は、圧縮機３からのガス冷媒を凝縮させる。さらに、膨張弁５は、凝縮器４からの液冷媒を通過させることで、冷媒の圧力と温度とを低下させる。そして、蒸発器６は、膨張弁５からの冷媒を蒸発させる。
【００２８】
従って、蒸発器６において、冷媒が外部から熱を奪って気化する一方、凝縮器４において、冷媒が外部へ放熱して液化することになる。これを利用して、ヒートポンプ２は、蒸発器６において、温水（たとえば工場などから排出される排温水）、空気（外気の他、空気圧縮機からの吐出空気のように熱を持った空気を含む）、排ガス、または蒸気使用設備からのドレンのフラッシュ蒸気などの熱源流体から熱をくみ上げ、凝縮器４において、水を加熱して蒸気を発生させる。
【００２９】
ヒートポンプ２は、単段に限らず、複数段でもよい。複数段のヒートポンプ２には、多段のヒートポンプの他、多元のヒートポンプも含まれる。ヒートポンプ２が複数段の場合、最下段（低温側）の蒸発器６において、熱源流体から熱をくみ上げ、最上段（高温側）の凝縮器４において、水を加熱して蒸気を発生させる。以下、特に明示のない限り、ヒートポンプ２は単段であるとして説明するが、ヒートポンプ２が複数段の場合にも、同様に適用可能である。
【００３０】
単段のヒートポンプ２、または複数段のヒートポンプ２の内の一部または全部のヒートポンプにおいて、凝縮器４から膨張弁５への冷媒と蒸発器６から圧縮機３への冷媒とを混ぜることなく熱交換する液ガス熱交換器（図示省略）を設けてもよい。液ガス熱交換器を設けた場合、圧縮機３の入口側のエンタルピを高めて、それにより圧縮機３の出口側のエンタルピも高めることで、ヒートポンプ２の成績係数（ＣＯＰ）を高めることができる。しかも、圧縮機３へ液冷媒が供給される不都合も防止できる。
【００３１】
単段のヒートポンプ２、または複数段のヒートポンプ２の内の最上段のヒートポンプにおいて、凝縮器４から膨張弁５への冷媒と凝縮器４への給水とを混ぜることなく熱交換するサブクーラ（図示省略）を設けてもよい。サブクーラを設けた場合、冷媒と水との熱交換は、顕熱による熱交換部としてのサブクーラと、主として潜熱による熱交換部としての凝縮器４とに分けられるので、伝熱効率を向上することができる。
【００３２】
液ガス熱交換器とサブクーラとの双方を設ける場合、凝縮器４からの冷媒は、液ガス熱交換器を通過後にサブクーラに通してもよいし、サブクーラを通過後に液ガス熱交換器に通してもよいし、液ガス熱交換器とサブクーラとに並行に通してもよい。
【００３３】
圧縮機３は、圧縮機本体とその駆動装置とを備え、駆動装置はエンジン（典型的にはガスエンジンまたはディーゼルエンジン）および／またはモータから構成される。圧縮機３の制御の具体的態様としては、たとえば、駆動装置がオンオフ制御される。あるいは、圧縮機本体と駆動装置との間に、駆動装置から圧縮機本体への動力伝達装置（クラッチおよび／または変速機）を設けておき、駆動装置から圧縮機本体への動力伝達の有無や量を変更するように、動力伝達装置が制御される。あるいは、駆動装置を構成するモータをインバータで制御して、モータの回転速度を変える。あるいは、駆動装置を構成するエンジンのアクセルを制御して、エンジンの出力を変える。あるいは、圧縮機本体の冷媒吐出流量（吸込側を調整することにより吐出流量を変える場合も含む）を機械的に調整するために、圧縮機本体が制御される。これらの内、複数のものを組み合わせて、圧縮機３を制御してもよい。
【００３４】
凝縮器４は、冷媒と水とを混ぜることなく熱交換する構成であれば、その具体的構成を特に問わない。たとえば、プレート式熱交換器またはシェルアンドチューブ式熱交換器が用いられる。また、蒸発器６も同様に、温水、空気または排ガスなどの熱源流体と、ヒートポンプ２の冷媒とを混ぜることなく熱交換する構成であれば、その具体的構成を特に問わない。
【００３５】
凝縮器４には給水路７を介して水が供給可能とされ、凝縮器４には所望量の水が貯留される。典型的には、凝縮器４内の水位に基づき、給水路７の弁および／またはポンプを制御することで、凝縮器４には所望量の水が貯留される。凝縮器４への給水としては、通常、軟水または純水が用いられる。凝縮器４において、水は冷媒により加熱され蒸気化される。そして、その蒸気は、蒸気路８を介して、各種の蒸気使用設備へ送られる。
【００３６】
凝縮器４からの蒸気には、ボイラ（典型的には燃料焚きボイラ）からの蒸気が合流するよう構成されてもよい。たとえば、ヒートポンプ２の熱源が足りず、凝縮器４からの蒸気だけでは足りない場合、ボイラからの蒸気を用いて、蒸気使用設備へ安定して蒸気を供給することができる。
【００３７】
ヒートポンプ式蒸気発生装置１の場合、ヒートポンプ２の冷媒として、常温において凝縮する冷媒が用いられることが多い。この場合、ヒートポンプ２の停止中、何もしなければ、冷媒の循環路（ヒートポンプサイクル）内は、冷媒が凝縮することで、大気圧未満の圧力まで下がってしまう。それにより、圧縮機本体の軸封部、配管の継ぎ目、溶接不良部などから冷媒の循環路内に空気が入り込み、冷媒を劣化させたり、次回のヒートポンプ２の運転時に伝熱を阻害したりするおそれがある。そこで、本実施例のヒートポンプ式蒸気発生装置１では、ヒートポンプ２の停止中、冷媒の循環路内に空気混入対策流体を導入して、循環路内を大気圧を超える圧力に保持可能に構成される。
【００３８】
空気混入対策流体は、気体でも液体でもよいが、本実施例では、少なくとも循環路内に導入される際には気体とされる。具体的には、本実施例では、空気混入対策流体は、空気以外の不活性ガス、またはヒートポンプ２の冷媒より沸点の低い物質とされる。たとえば、窒素もしくはアルゴン、またはフロンとされる。いずれにしても、空気混入対策流体は、酸素および水分を含まないことが好ましい。
【００３９】
具体的構成について説明すると、ヒートポンプ式蒸気発生装置１は、空気混入対策流体が貯留されたタンク９を備える。このタンク９は、第一接続路１０を介して、圧縮機３から凝縮器４への冷媒路に接続されている。また、タンク９は、所望によりさらに、第二接続路１１を介して、膨張弁５から圧縮機３への冷媒路に接続されている。なお、膨張弁５から圧縮機３への冷媒路には、膨張弁５から蒸発器６への冷媒路と、蒸発器６自体と、蒸発器６から圧縮機３への冷媒路とが含まれる。
【００４０】
圧縮機３から凝縮器４への冷媒路には、第一接続路１０との接続部より下流側に、第一弁１２が設けられる。また、第一接続路１０には第二弁１３が設けられ、第二接続路１１には第三弁１４が設けられる。第一弁１２、第二弁１３および第三弁１４は、それぞれ電磁弁または電動弁から構成される。
【００４１】
圧縮機３、第一弁１２、第二弁１３および第三弁１４は、制御器（図示省略）に接続され、制御器は、ヒートポンプ２の運転停止に伴い、タンク９から循環路内へ空気混入対策流体を導入し、ヒートポンプ２の運転再開に際し、循環路内からタンク９へ空気混入対策流体を回収するように、前記各機器３，１２，１３，１４を制御する。
【００４２】
図１から図３は、本実施例のヒートポンプ式蒸気発生装置１において、ヒートポンプ２に対する空気混入対策流体の導入と導出とを順に示す図であり、第一弁１２、第二弁１３および第三弁１４については、開放状態を白色で、閉鎖状態を黒色で示している。
【００４３】
図１に示すように、ヒートポンプ２の運転停止時、圧縮機３を停止させると、第一弁１２および第二弁１３を開く。さらに、第三弁１４を備えている場合には、第三弁１４も開く。これにより、タンク９内の空気混入対策流体が、ヒートポンプ２の冷媒の循環路内に差圧により導入され、循環路内の冷媒が凝縮しても、循環路内を大気圧を超える圧力に保持する。従って、循環路の内外の差圧により、循環路内へ空気が混入するおそれはない。なお、たとえばヒートポンプ２の停止から所定時間経過後など、循環路内の冷媒が凝縮し終えたと判断した後は、第二弁１３（さらに第三弁１４を備える場合は第三弁１４）を閉じてもよい。
【００４４】
循環路内の空気混入対策流体をタンク９へ回収するには、まず図２に示すように、第一弁１２は閉じる一方、第二弁１３を開いた状態で、圧縮機３を駆動する。この際、第三弁１４を備えている場合には、第三弁１４は閉じておく。これにより、空気混入対策流体をタンク９へ回収することができる。つまり、ヒートポンプ２の冷媒は常温では凝縮されているので、気体状態の空気混入対策流体のみを圧縮機３でタンク９へ回収することができる。空気混入対策流体がヒートポンプ２の冷媒よりも沸点の低い物質で且つもし一部が凝縮している場合、蒸発器６に熱源流体を通して、蒸発器６においてまずは空気混入対策流体のみを蒸発させることで、圧縮機３により空気混入対策流体のみをタンク９へ回収することができる。
【００４５】
ところで、タンク９または第一接続路１０に冷却器１５を設置し、この冷却器１５により、空気混入対策流体を冷却または凝縮させて、タンク９に貯留してもよい。この場合、冷却器１５により、空気混入対策流体の体積を減らしてタンク９に貯留することができる。よって、タンク９をコンパクトに構成することができる。冷却器１５としては、特に問わないが、たとえば冷却用の水または空気が通されるコイルから構成し、その水や空気と空気混入対策流体とを間接熱交換すればよい。
【００４６】
循環路内からタンク９への空気混入対策流体の回収の終了は、設定条件を満たすか否かで検知する。この設定条件としては、たとえば、タンク９内の圧力もしくは温度、冷媒の循環路内の圧力もしくは温度、または回収開始からの運転時間を採用できる。また、空気混入対策流体をタンク９内で凝縮させて貯留する場合には、タンク９内の液位に基づき、タンク９への回収の終了を検知してもよい。
【００４７】
いずれにしても、設定条件が満たされると、図３に示すように、第一弁１２を開く一方、第二弁１３や第三弁１４を閉じればよい。これにより、通常のヒートポンプサイクルに戻ることになる。そして、以後は、たとえば、凝縮器４からの蒸気の圧力を所望に維持するように圧縮機３を制御したり、蒸発器６の入口または出口における熱源流体の圧力または温度を所望に維持するように圧縮機３を制御したりすればよい。
【００４８】
なお、空気混入対策流体をタンク９内に回収した状態で、タンク９内が設定圧力よりも低い場合や、タンク９内に貯留する空気混入対策流体が設定液位よりも低くなった場合には、空気混入対策流体が外部へ漏れたと判断して、タンク９へ空気混入対策流体を補充するのが好ましい。
【実施例２】
【００４９】
図４および図５は、本発明のヒートポンプ式蒸気発生装置１の実施例２を示す概略図である。これらの図においても、開放状態の弁は白色で、閉鎖状態の弁は黒色で示している。
【００５０】
本実施例２のヒートポンプ式蒸気発生装置１も、基本的には前記実施例１と同様である。そこで、以下においては、両者の異なる点を中心に説明し、対応する箇所には同一の符号を付して説明する。
【００５１】
本実施例２では、空気混入対策流体は、液体とされ、典型的には相変化させることなく用いられる。空気混入対策流体としての液体は、ヒートポンプ２の冷媒と同一の物質である。
【００５２】
液体からなる空気混入対策流体は、タンク９に貯留される。この際、空気混入対策流体は、タンク９の中途まで貯留される。これにより、タンク９内は、下方の液相部と、上方の気相部とに分けられる。タンク９内の液位を検出可能に、タンク９には液位検出器１６が設けられている。
【００５３】
タンク９には、前記実施例１と同様に、冷却器１５を設置してもよい。本実施例２の空気混入対策流体は、液体としてヒートポンプ２の循環路内に導入されるが、循環路からタンク９への回収時に一部が気体となっている場合には、前記実施例１と同様に、タンク９などに冷却器を設けておくのが好ましい。これにより、蒸発に伴う空気混入対策流体の減少を防止することができる。
【００５４】
タンク９の液相部は、第一接続路１０および第二接続路１１を介して、ヒートポンプ２の冷媒の循環路に接続されている。図示例では、第一接続路１０は、圧縮機３から膨張弁５への冷媒路に接続され、第二接続路１１は、膨張弁５から圧縮機３への冷媒路に接続されている。なお、圧縮機３から膨張弁５への冷媒路には、圧縮機３から凝縮器４への冷媒路と、凝縮器４自体と、凝縮器４から膨張弁５への冷媒路とが含まれる。また、膨張弁５から圧縮機３への冷媒路には、膨張弁５から蒸発器６への冷媒路と、蒸発器６自体と、蒸発器６から圧縮機３への冷媒路とが含まれる。
【００５５】
そして、第一接続路１０には、第二弁１３が設けられ、第二接続路１１には、第三弁１４が設けられている。なお、本実施例２の場合、圧縮機３から凝縮器４への冷媒路には、第一弁１２は設けなくてもよい。ところで、本実施例では、タンク９と循環路とを、第一接続路１０と第二接続路１１とで接続しているが、いずれか一方の接続路は適宜に省略可能である。それに伴い、第二弁１３と第三弁１４の内、一方の設置と制御が省略される。
【００５６】
タンク９内は密閉可能とされ、タンク９の気相部には、気体の導入路１７と導出路１８とが接続されている。導入路１７には、導入弁１９が設けられており、導出路１８には、導出弁２０が設けられている。導出弁２０を閉じた状態で導入弁１９を開くと、圧縮空気または不活性ガス（たとえば窒素またはアルゴン）などの加圧気体が、タンク９の気相部へ導入される。加圧気体は、大気圧を超える圧力であるから、液面を下げるように作用する。一方、導入弁１９を閉じた状態で導出弁２０を開くと、タンク９内を復圧（典型的には大気圧へ復圧）することができる。
【００５７】
図４に示すように、ヒートポンプ２の運転停止時、圧縮機３を停止させると、第二弁１３および第三弁１４を開くと共に、導出弁２０を閉じた状態で導入弁１９を開けばよい。これにより、タンク９内が加圧気体により加圧され、タンク９内の空気混入対策流体が、ヒートポンプ２の循環路内に導入される。よって、循環路内の冷媒が凝縮しても、循環路内を大気圧を超える圧力に保持する。従って、循環路の内外の差圧により、循環路内へ空気が混入するおそれはない。タンク９内の液位が設定液位まで下がったことを、液位検出器１６により検知するなど、設定条件を満たすと、第二弁１３、第三弁１４および導入弁１９が閉じられる。
【００５８】
循環路内の空気混入対策流体をタンク９へ回収するには、第二弁１３および第三弁１４の内、少なくとも一方を開くと共に、導入弁１９を閉じた状態で導出弁２０を開けた状態とする。たとえば、図５では、第二弁１３は閉じる一方、第三弁１４は開くと共に、導入弁１９を閉じた状態で導出弁２０を開けた状態としている。いずれにしても、タンク９は、復圧された状態とされると共に、ヒートポンプ２の冷媒の循環路と連通された状態とされる。
【００５９】
そして、その状態で、蒸発器６に熱源流体を通すことで、ヒートポンプ２の冷媒の循環路からタンク９に、余分な冷媒（つまり空気混入対策流体）が戻される。すなわち、蒸発器６に熱源流体を通すと、冷媒の蒸発が促され、それにより冷媒の循環路からタンク９へ空気混入対策流体を押し戻すことができる。蒸発器６における冷媒の蒸発による体積膨張により、冷媒の液相分が循環路から押し出されやすい位置で、循環路とタンク９とを連通させておくのがよい。なお、本実施例２の場合、循環路内の空気混入対策流体をタンク９へ回収する際、圧縮機３は停止したままでよい。
【００６０】
その後、タンク９内の液位が所定液位まで上がったことを、液位検出器１６により検知するなど、設定条件を満たすと、開いていた各弁を閉じればよい。その他の構成および制御は、前記実施例１と同様のため、説明は省略する。
【実施例３】
【００６１】
図６および図７は、本発明のヒートポンプ式蒸気発生装置１の実施例３を示す概略図である。これらの図においても、開放状態の弁は白色で、閉鎖状態の弁は黒色で示している。
【００６２】
本実施例３のヒートポンプ式蒸気発生装置１は、基本的には前記実施例２と同様である。そこで、以下においては、両者の異なる点を中心に説明し、対応する箇所には同一の符号を付して説明する。
【００６３】
タンク９からヒートポンプ２の冷媒の循環路への空気混入対策流体（液体）の導入は、前記実施例２では、タンク９内の気相部に加圧気体を入れて行ったが、本実施例３では、タンク９内の液体をポンプ２１により循環路に送り込んで行われる。
【００６４】
より具体的に説明すると、図示例では、タンク９からの第一送液路２２は、第二送液路２３と第三送液路２４とに分岐された後、再び第四送液路２５として合流され、第四送液路２５は、第一接続路１０および／または第二接続路１１を介して、ヒートポンプ２の循環路に接続されている。そして、第二送液路２３には、ポンプ２１が設けられると共に、その前後に第四弁２６および第五弁２７が設けられている。一方、第三送液路２４には、第六弁２８が設けられている。また、本実施例では、タンク９の気相部は大気圧に開放されており、導入路１７や導出路１８は設けられない。
【００６５】
図６に示すように、ヒートポンプ２の運転停止時、圧縮機３を停止させると、第二弁１３、第三弁１４、第四弁２６および第五弁２７を開くと共に、第六弁２８を閉じた状態で、ポンプ２１を作動させればよい。これにより、タンク９内の空気混入対策流体が、ヒートポンプ２の循環路内に導入される。よって、循環路内の冷媒が凝縮しても、循環路内を大気圧を超える圧力に保持する。従って、循環路の内外の差圧により、循環路内へ空気が混入するおそれはない。タンク９内の液位が設定液位まで下がったことを、液位検出器１６により検知するなど、設定条件を満たすと、第二弁１３、第三弁１４、第四弁２６および第五弁２７を閉じると共に、ポンプ２１を停止させればよい。
【００６６】
循環路内の空気混入対策流体をタンク９へ回収するには、第四弁２６および第五弁２７を閉じると共にポンプ２１を停止した状態で、第二弁１３および第三弁１４の内、少なくとも一方を開くと共に、第六弁２８を開けた状態とする。たとえば、図７では、第四弁２６および第五弁２７を閉じると共にポンプ２１を停止した状態で、第二弁１３は閉じる一方、第三弁１４は開くと共に、第六弁２８を開けた状態としている。いずれにしても、タンク９は、ヒートポンプ２の冷媒の循環路と連通された状態とされる。
【００６７】
そして、その状態で、蒸発器６に熱源流体を通すことで、ヒートポンプ２の冷媒の循環路からタンク９に、余分な冷媒（つまり空気混入対策流体）が戻される。すなわち、蒸発器６に熱源流体を通すと、冷媒の蒸発が促され、それにより冷媒の循環路からタンク９へ空気混入対策流体を押し戻すことができる。蒸発器６における冷媒の蒸発による体積膨張により、冷媒の液相分が循環路から押し出されやすい位置で、循環路とタンク９とを連通させておくのがよい。
【００６８】
その後、タンク９内の液位が所定液位まで上がったことを、液位検出器１６により検知するなど、設定条件を満たすと、開いていた各弁を閉じればよい。その他の構成および制御は、前記実施例２と同様のため、説明は省略する。
【実施例４】
【００６９】
図８および図９は、本発明のヒートポンプ式蒸気発生装置１の実施例４を示す概略図である。これらの図においても、開放状態の弁は白色で、閉鎖状態の弁は黒色で示している。
【００７０】
本実施例４のヒートポンプ式蒸気発生装置１は、基本的には前記実施例２と同様である。そこで、以下においては、両者の異なる点を中心に説明し、対応する箇所には同一の符号を付して説明する。なお、図８が図４に対応し、図９が図５に対応している。
【００７１】
前記実施例２では、タンク９に導入路１７と導出路１８とを接続し、タンク９の気相部を加圧気体で加圧するか否かを切り替えたが、本実施例４では、タンク９には、導入路１７や導出路１８は接続されていない。その代わり、タンク９内は、予め大気圧を超える圧力に加圧されている。具体的には、タンク９内は、予め気相部に、たとえば窒素またはアルゴンなどの加圧気体が導入されて、大気圧を超える圧力に加圧されている。
【００７２】
このような構成の場合、図８に示すように、ヒートポンプ２の運転停止時、圧縮機３を停止させると、第二弁１３および第三弁１４を開ければよい。これにより、タンク９の内外の差圧により、タンク９内の空気混入対策流体が、ヒートポンプ２の循環路内に導入される。よって、循環路内の冷媒が凝縮しても、循環路内を大気圧を超える圧力に保持する。従って、循環路の内外の差圧により、循環路内へ空気が混入するおそれはない。タンク９内の液位が設定液位まで下がったことを、液位検出器１６により検知するなど、設定条件を満たすと、第二弁１３および第三弁１４が閉じられる。
【００７３】
循環路内の空気混入対策流体をタンク９へ回収するには、前記実施例２と同様に、第二弁１３および第三弁１４の内、少なくとも一方を開くと共に、蒸発器６に熱源流体を通せばよい。これにより、ヒートポンプ２の冷媒の循環路からタンク９に、余分な冷媒（つまり空気混入対策流体）を戻すことができる。
【００７４】
その後、タンク９内の液位が所定液位まで上がったことを、液位検出器１６により検知するなど、設定条件を満たすと、開いていた各弁を閉じればよい。なお、タンク９の気相部には、適宜加圧気体を補充可能に構成してもよい。その他の構成および制御は、前記実施例２と同様のため、説明は省略する。
【００７５】
ところで、図６および図７に示される前記実施例３においても、本実施例４と同様に、タンク９を密閉構造として、タンク９内を予め大気圧を超える圧力に加圧しておいてもよい。その場合、タンク９の内外の差圧に加えて、ポンプ２１の押し込みによって、空気混入対策流体を循環路内に導入することができる。
【００７６】
本発明のヒートポンプ式蒸気発生装置１は、前記各実施例の構成に限らず、適宜変更可能である。たとえば、前記各実施例では、凝縮器４において、冷媒と水とを熱交換して蒸気を発生させたが、凝縮器４とは別に蒸気発生器を設置し、凝縮器４と蒸気発生器との間に熱交流体を循環させ、蒸気発生器において熱交流体と水とを熱交換して蒸気を発生させてもよい。つまり、凝縮器４において、まずはヒートポンプ２の冷媒からの放熱で熱交流体を加熱し、その加熱された熱交流体により蒸気発生器において水を加熱して蒸気を発生させてもよい。凝縮器４と蒸気発生器との間の熱交流体の循環路に圧縮機を設けない構成とすることで、熱交流体には圧縮機の油が混入されないので、凝縮器４または蒸気発生器が万一破損しても、圧縮機の油が蒸気に混入するのが防止される。
【００７７】
また、前記各実施例の図面では、空気混入対策流体を出し入れする第一接続路１０は、圧縮機３から凝縮器４への冷媒路に接続され、また、第二接続路１１は、蒸発器６から圧縮機３への冷媒路に接続されたが、これらの接続位置は適宜に変更可能である。すなわち、各接続路１０，１１は、凝縮器４から膨張弁５への冷媒路や、膨張弁５から蒸発器６への冷媒路に接続してもよい。
【００７８】
また、第一接続路１０と第二接続路１１とは、双方を設置する必要はなく、いずれか一方だけを設置して、タンク９とヒートポンプ２とを接続してもよい。さらに、第一接続路１０と第二接続路１１とに加えて、他の接続路を設置して、冷媒の循環路に対する空気混入対策流体の出し入れを、３ヶ所以上で行ってもよい。その他、前記実施例３では、第二送液路２３と第三送液路２４とを並列に設けたが、第三送液路２４は場合により省略してもよいし、各送液路２２〜２５を省略する代わりに、第一接続路１０または第二接続路１１にポンプ２１を設けてもよい。
【００７９】
さらに、前記各実施例では、ヒートポンプ２の運転停止に伴って、直ちにヒートポンプ２の冷媒の循環路内に空気混入対策流体を導入する例を示したが、循環路内の冷媒の圧力または温度が大気圧に近づくことを検知してから実行してもよい。また、循環路内を、大気圧を超える設定圧力に維持するように、第二弁１３や第三弁１４の開度を調整するなどして、循環路内への空気混入対策流体の導入量を調整してもよい。
【符号の説明】
【００８０】
１  ヒートポンプ式蒸気発生装置
２  ヒートポンプ
３  圧縮機
４  凝縮器
５  膨張弁
６  蒸発器
９  タンク
１０  第一接続路
１１  第二接続路
１２  第一弁
１３  第二弁
１４  第三弁
１５  冷却器
２１  ポンプ
【図１】
2012042063.tif 000003
【図２】
2012042063.tif 000004
【図３】
2012042063.tif 000005
【図４】
2012042063.tif 000006
【図５】
2012042063.tif 000007
【図６】
2012042063.tif 000008
【図７】
2012042063.tif 000009
【図８】
2012042063.tif 000010
【図９】
2012042063.tif 000011