(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒であるＲ１３４ａを超臨界状態に圧縮するターボ圧縮機と、
超臨界状態にあるＲ１３４ａとの間で熱交換することにより過熱蒸気を生成する蒸気生成部と、
該蒸気生成部から流出したＲ１３４ａの圧力を減圧する高圧側減圧部と、
該高圧側減圧部により減圧されたＲ１３４ａを気相および液相に分離し、気相のＲ１３４ａを前記ターボ圧縮機の圧縮工程の途中に供給する中間部と、
該中間部から流出した液相のＲ１３４ａの圧力を、さらに減圧する低圧側減圧部と、
該低圧側減圧部により減圧された液相のＲ１３４ａを蒸発させ、蒸発したＲ１３４ａを前記ターボ圧縮機に供給する蒸発部と、
が設けられていることを特徴とする蒸気発生装置。
【請求項２】
前記蒸発部は、熱源から約４０℃から約５５℃の範囲の温水が供給されて、前記温水とＲ１３４ａとの間で熱交換することを特徴とする請求項１記載の蒸気発生装置。
【請求項３】
前記蒸気生成部には、過熱蒸気を生成するための水を供給する給水ポンプが設けられ、
前記給水ポンプにより過熱蒸気の供給が制御されることを特徴とする請求項１または２に記載の蒸気発生装置。
【請求項４】
前記中間部から流出した液相のＲ１３４ａと、前記蒸発部で蒸発したＲ１３４ａとの間で熱交換を行う中間熱交換部が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の蒸気発生装置。
【請求項５】
前記中間部には、Ｒ１３４ａの液面の位置を検出する液面検出部が設けられ、
前記低圧側減圧部は、前記液面検出部の検出結果に基づいて制御されることを特徴とする請求項４記載の蒸気発生装置。
【請求項６】
前記中間熱交換部に供給されるＲ１３４ａの一部を、前記低圧側減圧部と前記蒸発部との間に導くバイパス流路と、該バイパス流路を流れるＲ１３４ａの流量を制御するバイパス制御部と、前記ターボ圧縮機に吸入されるＲ１３４ａの温度を検出する吸入温度検出部と、が設けられ、
前記バイパス制御部を流れるＲ１３４ａの流量は、前記吸入温度検出部の検出結果に基づいて制御され、
前記低圧側減圧部を流れるＲ１３４ａの流量は、前記バイパス流路を流れるＲ１３４ａの流量に基づいて制御されることを特徴とする請求項４または５に記載の蒸気発生装置。
【請求項７】
前記蒸気生成部から流出したＲ１３４ａと、前記蒸発部で蒸発したＲ１３４ａとの間で熱交換を行う中間熱交換部が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の蒸気発生装置。
【請求項８】
前記中間熱交換部に供給されるＲ１３４ａの一部を、前記高圧側減圧部と前記中間部との間に導くバイパス流路と、該バイパス流路を流れるＲ１３４ａの流量を制御するバイパス制御部と、前記ターボ圧縮機に吸入されるＲ１３４ａの温度を検出する吸入温度検出部と、が設けられ、
前記吸入温度検出部の検出結果に基づいて、前記バイパス制御部が制御され、
前記高圧側減圧部は、前記バイパス流路を流れるＲ１３４ａの流量に基づいて制御されることを特徴とする請求項７記載の蒸気発生装置。
【請求項９】
冷媒であるＲ１３４ａを超臨界状態に圧縮する圧縮工程と、
超臨界状態にあるＲ１３４ａとの熱交換により過熱蒸気を生成する蒸気生成工程と、
熱交換した後のＲ１３４ａの圧力を減圧する高圧側減圧工程と、
減圧され気相および液相に分離されたＲ１３４ａのうち、気相のＲ１３４ａを前記圧縮工程の途中に供給する中間工程と、
分離されたＲ１３４ａのうちの液相のＲ１３４ａの圧力を、さらに減圧する低圧側減圧工程と、
さらに減圧された液相のＲ１３４ａを蒸発させ、蒸発したＲ１３４ａを前記圧縮工程に供給する蒸発工程と、
が設けられていることを特徴とする蒸気生成方法。
【請求項１０】
前記蒸発工程は、熱源から約４０℃から約５５℃の範囲の温水が供給されて、前記温水とＲ１３４ａとの間で熱交換することを特徴とする請求項９記載の蒸気生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気を供給するのに好適なヒートポンプを用いた蒸気発生装置および蒸気生成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、空気調和装置や給湯設備等において冷却または加熱手段としてヒートポンプを用いたものが一般的になってきている。ヒートポンプとしては、蒸気圧縮サイクルを用いたものや、二酸化炭素を冷媒として用いた超臨界サイクルを用いたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
このように、加熱手段としてヒートポンプを用いることにより、従来の油やガスを燃焼させて熱を供給する方法と比較して、二酸化炭素の排出量削減が可能とされている。
【０００３】
その一方で、蒸気を供給するためには、油やガスの燃焼熱を利用して蒸気を発生させる貫流蒸気ボイラ等が一般的に用いられている。蒸気を供給する場合には、蒸気の液化防止等のために過熱蒸気、例えば１２０℃の過熱蒸気として供給されている。
【特許文献１】特公平７−１８６０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
蒸気圧縮サイクルを用いたヒートポンプの場合、水との間で熱交換を行う熱交換器に高圧側の冷媒の過熱蒸気領域から気液二相領域に遷移し主に凝縮熱伝達により冷媒と熱交換を行うことで過熱蒸気を生成している。
過熱蒸気を生成する場合には、過熱蒸気は温水よりも温度が高いため、高圧側の気液二相領域の冷媒に要求される飽和温度も高くなり、高圧側の気液二相領域における冷媒の飽和圧力も高くなる。このことから、冷媒と蒸気との間で熱交換を行う熱交換器に高い耐圧性が求められ、装置が高価になることから、過熱蒸気の供給コストが高くなるという問題があった。
【０００５】
二酸化炭素を冷媒とする超臨界サイクルのヒートポンプの場合、過熱蒸気を生成するために必要な温度における超臨界状態の冷媒圧力が高圧になるため、熱交換により過熱蒸気を生成する熱交換器に高い耐圧性が求められている。すると、熱交換器が高価なものになり、装置全体が高価になるという問題があった。
【０００６】
一方、貫流蒸気ボイラ等を用いた蒸気の供給場合、ヒートポンプを用いた場合と比較して、ボイラの効率は１以下と低く過熱蒸気を効率よく供給できないという問題があった。
さらに、油やガスの燃焼により排出される排気ガス等には二酸化炭素が含まれ、環境負荷が高いという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、過熱蒸気の供給コスト低減を図るとともに、環境負荷の増加を抑制することができる蒸気発生装置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】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の蒸気発生装置は、冷媒であるＲ１３４ａを超臨界状態に圧縮するターボ圧縮機と、超臨界状態のＲ１３４ａとの間で熱交換することにより過熱蒸気を生成する蒸気生成部と、該蒸気生成部から流出したＲ１３４ａの圧力を減圧する高圧側減圧部と、該高圧側減圧部により減圧されたＲ１３４ａを気相および液相に分離し、気相のＲ１３４ａを前記ターボ圧縮機の圧縮工程の途中に供給する中間部と、該中間部から流出した液相のＲ１３４ａの圧力を、さらに減圧する低圧側減圧部と、該低圧側減圧部により減圧された液相のＲ１３４ａを蒸発させ、蒸発したＲ１３４ａを前記ターボ圧縮機に供給する蒸発部と、が設けられていることを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、臨界点の温度が１００℃近傍のＲ１３４ａ（ＨＦＣ１３４ａ）を冷媒として用いることで、超臨界状態のＲ１３４ａを用いて過熱蒸気を効率よく生成することができる。つまり、超臨界状態のＲ１３４ａの温度を、水を加熱して過熱蒸気を生成するのに適した温度、具体的には、生成する過熱蒸気の温度より数十度高い温度に容易にすることができ、過熱蒸気を効率よく生成することができる。
【００１０】
一方、上述の温度における超臨界状態のＲ１３４ａの圧力は４ＭＰａ程度であり、二酸化炭素を用いた超臨界サイクルと比較して、蒸気生成部に供給されるＲ１３４ａの圧力が低くなる。そのため、蒸気生成部に求められる耐圧性が低くなり、二酸化炭素を用いた超臨界サイクルに用いられる熱交換器と比較して、安価な熱交換器を用いることができる。つまり、蒸気生成部の製造コストを抑制することができるため、過熱蒸気の供給コストを抑制することができる。
【００１１】
冷媒としてＲ１３４ａを用いたヒートポンプにより過熱蒸気を生成するため、貫流ボイラなどのボイラを用いた過熱蒸気の生成と比較して、過熱蒸気の生成効率が高くなる。また、ボイラを用いた場合と比較して、過熱蒸気を生成する際に放出される二酸化炭素の量が少なくなる。
さらに、ターボ圧縮機を二酸化炭素の排出量が少ない系統電力により駆動することで、過熱蒸気を生成する際に放出される二酸化炭素の量をさらに減少できる。
【００１２】
上記発明においては、前記蒸気生成部には、過熱蒸気を生成するための水を供給する給水ポンプが設けられ、前記給水ポンプにより過熱蒸気の供給が制御されることが望ましい。
【００１３】
本発明によれば、給水ポンプの運転を制御することにより蒸気生成部への水の供給が制御される。蒸気生成部への水の供給が制御されると、蒸気生成部における過熱蒸気の生成も制御されるため、過熱蒸気の供給が制御される。
【００１４】
例えば、要求される蒸気量に対して、ヒートポンプ圧縮機を制御しＲ１３４ａの熱量を調整する。しかし出力する蒸気を仕様の過熱領域に保つためにはＲ１３４ａの調整だけでは十分でなく給水ポンプの水量を適切に調整する。つまり過熱蒸気の温度が低下すると蒸気生成部への給水量を過熱蒸気の温度に合わせて減らし、過熱蒸気の温度を所定温度に保つとともに、供給される過熱蒸気の量が減らされる。
一方、過熱蒸気の温度が上昇すると、蒸気生成部への給水量を過熱蒸気の温度に合わせて増やし、過熱蒸気の温度を所定温度に保つとともに、供給される過熱蒸気の量が増やされる。
【００１５】
上記発明においては、前記中間部から流出した液相のＲ１３４ａと、前記蒸発部で蒸発したＲ１３４ａとの間で熱交換を行う中間熱交換部が設けられていることが望ましい。
【００１６】
本発明によれば、相対的に温度の高い中間部から流出した液相のＲ１３４ａと、相対的に温度の低い蒸発部で蒸発したＲ１３４ａとの間で熱交換を行うことで、ターボ圧縮機に吸入されるＲ１３４ａの温度を高くすることができる。ターボ圧縮機における吸入冷媒温度が上昇すると、吐出される冷媒温度も上昇するため、蒸気発生部に供給される超臨界状態のＲ１３４ａの温度を高くすることができる。
【００１７】
上記発明においては、前記中間部には、Ｒ１３４ａの液面の位置を検出する液面検出部が設けられ、前記低圧側減圧部は、前記液面検出部の検出結果に基づいて制御されることが望ましい。
【００１８】
本発明によれば、低圧側減圧部は中間部から流出するＲ１３４ａの流量を制御することができるため、液面検出部の検出結果に基づいて制御されることにより、中間部のＲ１３４ａの液面の位置を制御することができる。言い換えると、中間部に常に液相のＲ１３４ａが存在する状態に制御でき、中間熱交換器に安定して液相のＲ１３４ａを供給することができる。
そのため、中間部から中間熱交換器に供給されるＲ１３４ａ流量を安定させ、ターボ圧縮機に吸入されるＲ１３４ａの温度を安定させることができる。
【００１９】
上記発明においては、前記中間熱交換部に供給されるＲ１３４ａの一部を、前記低圧側減圧部と前記蒸発部との間に導くバイパス流路と、該バイパス流路を流れるＲ１３４ａの流量を制御するバイパス制御部と、前記ターボ圧縮機に吸入されるＲ１３４ａの温度を検出する吸入温度検出部と、が設けられ、前記バイパス制御部を流れるＲ１３４ａの流量は、前記吸入温度検出部の検出結果に基づいて制御され、前記低圧側減圧部を流れるＲ１３４ａの流量は、前記バイパス流路を流れるＲ１３４ａの流量に基づいて制御されることが望ましい。
【００２０】
本発明によれば、バイパス流路を流れるＲ１３４ａの流量を制御することにより、中間熱交換器に流入する液相のＲ１３４ａの流量が制御される。そのため、中間熱交換器において熱交換される熱量が制御され、ターボ圧縮機に吸入されるＲ１３４ａの温度が制御される。
つまり、吸入温度検出部の検出結果に基づき、バイパス制御部を制御することにより、ターボ圧縮機に吸入されるＲ１３４ａの温度を制御することができる。
【００２１】
一方、低圧側減圧部を流れるＲ１３４ａの流量を制御することにより、中間部から流出する液相のＲ１３４ａの流量が制御される。そのため、中間部にＲ１３４ａの液面を保持することができ、中間熱交換器に液相のＲ１３４ａを安定して供給することができる。
つまり、バイパス流路を流れるＲ１３４ａの流量に基づいて、低圧側減圧部を流れるＲ１３４ａの流量を制御することにより、中間熱交換器に液相のＲ１３４ａを安定して供給することができる。これにより、ターボ圧縮機に吸入されるＲ１３４ａの温度を安定して制御することができる。
【００２２】
上記発明においては、前記蒸気生成部から流出したＲ１３４ａと、前記蒸発部で蒸発したＲ１３４ａとの間で熱交換を行う中間熱交換部が設けられていることが望ましい。
【００２３】
本発明によれば、相対的に温度の高い蒸気発生部から流出した液相のＲ１３４ａと、相対的に温度の低い蒸発部で蒸発したＲ１３４ａとの間で熱交換を行うことで、ターボ圧縮機に吸入されるＲ１３４ａの温度を高くすることができる。ターボ圧縮機における吸入冷媒温度が上昇すると、吐出される冷媒温度も上昇するため、蒸気発生部に供給される超臨界状態のＲ１３４ａの温度を高くすることができる。
【００２４】
上記発明においては、前記中間熱交換部に供給されるＲ１３４ａの一部を、前記高圧側減圧部と前記中間部との間に導くバイパス流路と、該バイパス流路を流れるＲ１３４ａの流量を制御するバイパス制御部と、前記ターボ圧縮機に吸入されるＲ１３４ａの温度を検出する吸入温度検出部と、が設けられ、前記吸入温度検出部の検出結果に基づいて、前記バイパス制御部が制御され、前記高圧側減圧部は、前記バイパス流路を流れるＲ１３４ａの流量に基づいて制御されることが望ましい。
【００２５】
本発明によれば、バイパス流路を流れるＲ１３４ａの流量を制御することにより、中間熱交換器に流入する液相のＲ１３４ａの流量が制御される。そのため、中間熱交換器において熱交換される熱量が制御され、ターボ圧縮機に吸入されるＲ１３４ａの温度が制御される。
つまり、吸入温度検出部の検出結果に基づき、バイパス制御部を制御することにより、ターボ圧縮機に吸入されるＲ１３４ａの温度を制御することができる。
【００２６】
一方、高圧側減圧部を流れるＲ１３４ａの流量を制御することにより、蒸気発生部から流出する液相のＲ１３４ａの流量が制御され、流出するＲ１３４ａの温度を制御することができる。
つまり、バイパス流路を流れるＲ１３４ａの流量に基づいて、高圧側減圧部を流れるＲ１３４ａの流量を制御することにより、蒸気生成部から流出するＲ１３４ａの温度を安定させることができる。これにより、ターボ圧縮機に吸入されるＲ１３４ａの温度を安定して制御することができる。
【００２７】
本発明の蒸気生成方法は、冷媒であるＲ１３４ａを超臨界状態に圧縮する圧縮工程と、超臨界状態のＲ１３４ａとの熱交換により過熱蒸気を生成する蒸気生成工程と、熱交換した後のＲ１３４ａの圧力を減圧する高圧側減圧工程と、減圧され気相および液相に分離されたＲ１３４ａのうち、気相のＲ１３４ａを前記圧縮工程の途中に供給する中間工程と、分離されたＲ１３４ａのうちの液相のＲ１３４ａの圧力を、さらに減圧する低圧側減圧工程と、さらに減圧された液相のＲ１３４ａを蒸発させ、蒸発したＲ１３４ａを前記圧縮工程に供給する蒸発工程と、が設けられていることを特徴とする。
【００２８】
本発明によれば、臨界点の温度が１００℃近傍のＲ１３４ａ（ＨＦＣ１３４ａ）を冷媒として用いることで、超臨界状態のＲ１３４ａを用いて過熱蒸気を効率よく生成することができる。
【００２９】
一方、上述の温度における超臨界状態のＲ１３４ａの圧力は、二酸化炭素を用いた超臨界サイクルと比較して、蒸気生成工程に供給されるＲ１３４ａの圧力が低く、蒸気生成工程に用いられる熱交換器の製造コストを抑制することができるため、過熱蒸気の供給コストを抑制することができる。
【００３０】
冷媒としてＲ１３４ａを用いたヒートポンプにより過熱蒸気を生成するため、貫流ボイラなどのボイラを用いた過熱蒸気の生成と比較して、過熱蒸気の生成効率が高くなる。また、ボイラを用いた場合と比較して、過熱蒸気を生成する際に放出される二酸化炭素の量が少なくなる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明の蒸気発生装置によれば、臨界点の温度が１００℃近傍のＲ１３４ａ（ＨＦＣ１３４ａ）を冷媒として用いることで、過熱蒸気を効率よく生成することができ、過熱蒸気の供給コストを抑制することができるという効果を奏する。さらに、上述の温度における超臨界状態のＲ１３４ａの圧力は４ＭＰａ程度であるため、過熱蒸気の供給コストを抑制することができるという効果を奏する。
冷媒としてＲ１３４ａを用いたヒートポンプにより過熱蒸気を生成するため、ボイラを用いた場合と比較して、過熱蒸気を生成する際に放出される二酸化炭素の量が少なくなり、環境負荷の増加を抑制することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
〔第１の実施形態〕
以下、本発明の第１の実施形態について図１および図２を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る蒸気発生装置の概略を説明する模式図である。
本実施形態の蒸気発生装置１は、冷媒としてＲ１３４ａ（ＨＦＣ１３４ａ）を用いた超臨界サイクルのヒートポンプを熱源として過熱蒸気を供給するものである。超臨界サイクルとしては、２段圧縮２段膨張を行う超臨界サイクルが用いられている。
【００３３】
蒸気発生装置１には、図１に示すように、ターボ圧縮機２と、蒸気生成部３と、高圧膨張弁（高圧側減圧部）４Ｈと、中間冷却部（中間部）５と、低圧膨張弁（低圧側膨張部）４Ｌと、蒸発部７とが設けられ、これらの順にＲ１３４ａが流れるヒートポンプが構成され、過熱蒸気は上述の蒸気生成部３により生成されている。
【００３４】
ターボ圧縮機２は、蒸発器５１から低圧のＲ１３４ａを吸入して高圧（ＨＰ）に圧縮した後、蒸気発生器２３に超臨界状態のＲ１３４ａを吐出する圧縮機である。
ターボ圧縮機２には、吸入する気相のＲ１３４ａの流量を制御する入口ベーン部１１と、吸入したＲ１３４ａを圧縮する低圧羽根車１２Ｌおよび高圧羽根車１２Ｈと、両羽根車１２Ｌ，１２Ｈを回転駆動するモータ１３およびインバータ部１４とが設けられている。
【００３５】
入口ベーン部１１は低圧羽根車１２Ｌの上流側に配置され、低圧羽根車１２Ｌに流入する気相のＲ１３４ａの流量を制御するものである。
低圧羽根車１２Ｌは、蒸発器５１から低圧のＲ１３４ａを吸入し中間圧（ＭＰ）に昇圧するものである。低圧羽根車１２Ｌは、入口ベーン部１１と高圧羽根車１２Ｈとの間に配置され、モータ１３により回転可能に支持されている。
高圧羽根車１２Ｈは、低圧羽根車１２Ｌおよび中間冷却部５から中間圧のＲ１３４ａを吸入し、高圧に昇圧するものである。高圧羽根車１２Ｈは、低圧羽根車１２Ｌの下流側に配置され、低圧羽根車１２Ｌと同様に、モータ１３により回転可能に支持されている。
【００３６】
モータ１３は回転軸１５を介して高圧羽根車１２Ｈおよび低圧羽根車１２Ｌに接続され、両羽根車１２Ｈ，１２Ｌを回転駆動するものである。本実施形態においてはモータ１３として、密閉型モータを用いる場合に適用して説明する。
モータ１３には、インバータ部１４から電力が供給され、その回転数が制御される。
インバータ部１４はモータ１３に供給する電力を制御することによりモータ１３の回転数を制御するものである。インバータ部１４には、系統電力が供給されている。
【００３７】
蒸気生成部３は、ターボ圧縮機２により圧縮された超臨界状態のＲ１３４ａと熱交換することにより過熱蒸気を生成するものである。本実施形態では、過熱蒸気が供給される蒸気供給対象２０との間で蒸気または蒸気が凝縮した温水を循環する実施例に適用して説明する。
蒸気生成部３には、給水ポンプ２１と、給水温度センサ２２と、蒸気発生器２３と、蒸気温度センサ２４と、が設けられている。さらに、蒸気生成部３には、過熱蒸気を生成する温水を軟水化する軟水化装置（図示せず）が設けられている。
【００３８】
給水ポンプ２１は、蒸気供給対象２０において使用され、凝縮した温水を蒸気発生器２３に送り出すポンプである。給水ポンプ２１にはインバータ部２５が設けられ、インバータ部２５により給水ポンプ２１は回転制御される。
【００３９】
給水温度センサ２２は、給水ポンプ２１と蒸気発生器２３との間に配置され、蒸気発生器２３に供給される温水の温度を計測するものである。
蒸気温度センサ２４は、蒸気発生器２３と蒸気供給対象２０との間に配置され、蒸気発生器２３において生成された過熱蒸気の温度を計測するものである。
【００４０】
蒸気発生器２３は、超臨界状態および液相のＲ１３４ａと温水および蒸気との間で熱交換を行い、過熱蒸気を生成する熱交換器である。蒸気発生器２３は、Ｒ１３４ａの流れ方向と、温水および蒸気の流れ方向とが対向して構成されている。言い換えると、温水および蒸気が流れる配管は、Ｒ１３４ａ流れの下流側から蒸気発生器２３の容器内に入り、上流側から容器外へ出るように配置されている。
なお、蒸気発生器２３内の上流側は、超臨界状態で気相のＲ１３４ａが存在する領域であり、下流側は、液相のＲ１３４ａが存在する領域である。温水および蒸気が流れる配管は、両領域にわたって配置されている。
【００４１】
蒸気発生器２３には、内部のＲ１３４ａの圧力を計測する蒸気発生器圧力センサ２６Ｈと、蒸気発生器２３内のＲ１３４ａを蒸発器５１にバイパスさせるホットガスバイパス部２７が設けられている。
ホットガスバイパス部２７には、バイパスされるＲ１３４ａの流量を制御するホットガス弁２８が設けられている。
【００４２】
高圧膨張弁４Ｈは、蒸気発生器２３から流出した高圧のＲ１３４ａを中間圧に減圧する圧力調節弁であって、蒸気発生器２３と中間冷却部５との間に配置されている。高圧膨張弁４Ｈは、蒸気発生器２３から流出したＲ１３４ａの温度を計測する高圧温度センサ３１Ｈの出力に基づいて、高圧膨張弁４Ｈを通過するＲ１３４ａの流量を制御している。
【００４３】
中間冷却部５は、中間圧に減圧されたＲ１３４ａを気相と液相に分離し、気相のＲ１３４ａをターボ圧縮機２に供給し、液相のＲ１３４ａを蒸発部７に供給するものである。中間冷却部５には、分離部４１と、液面検出センサ４２と、ガス供給部４３と、液供給部４４と、が設けられている。
【００４４】
分離部４１は、供給された中間圧に減圧されたＲ１３４ａを気相と液相とに分離する容器である。
分離部４１には、高圧膨張弁４Ｈにより中間圧に減圧されたＲ１３４が供給される配管が接続されているとともに、ターボ圧縮機２に気相のＲ１３４ａ供給するガス供給部４３および蒸発器５１に液相のＲ１３４ａを供給する液供給部４４が接続されている。
【００４５】
液面検出センサ４２は、分離部４１において分離された液相のＲ１３４ａの液面の位置を検出するセンサである。液面検出センサ４２の出力は、低圧膨張弁４Ｌに入力されている。
【００４６】
ガス供給部４３は、ターボ圧縮機２の高圧羽根車１２Ｈに気相のＲ１３４ａ供給する配管である。ガス供給部４３は、分離部４１における上端（図１の上側端部）近傍に接続されている。言い換えると、分離部４１における気相のＲ１３４ａが存在する領域に接続されている。
【００４７】
液供給部４４は、蒸発器５１に液相のＲ１３４ａを供給する配管である。液供給部４４は、分離部４１の下端に接続されている。言い換えると、分離部４１における液相のＲ１３４ａが存在する領域内に接続されている。
液供給部４４には、内部を流れる液相のＲ１３４ａの圧力を計測する中間冷却部圧力センサ４５が設けられている。
【００４８】
低圧膨張弁４Ｌは、中間冷却部５から流出した液相のＲ１３４ａの圧力を低圧（ＬＰ）に減圧する圧力調整弁であって、中間冷却部５と蒸発部７との間に配置されている。低圧膨張弁４Ｌは、液面検出センサ４２の出力に基づいて、低圧膨張弁４Ｌを通過するＲ１３４ａの流量を制御している。
【００４９】
蒸発部７は、液相のＲ１３４ａと熱源５０から供給された温水との間で熱交換を行い、Ｒ１３４ａを蒸発させるものである。本実施形態では、液相のＲ１３４ａを蒸発させる温水を熱源５０との間で循環させる実施形態に適用して説明する。
蒸発部７には、蒸発器５１と、蒸発部圧力センサ５２Ｌと、流入温度センサ５３と、流出温度センサ５４と、が設けられている。
【００５０】
蒸発器５１は、液相のＲ１３４ａと温水との間で熱交換を行い、液相のＲ１３４ａを蒸発させる熱交換器である。蒸発器５１の内部は液相のＲ１３４ａが存在する領域（図１の下側の領域）と、気相のＲ１３４ａが存在する領域（図１の上側の領域）とが存在し、熱源５０から供給された温水が流れる配管は、液相のＲ１３４ａが存在する領域のみに配置されている。
蒸発部圧力センサ５２Ｌは、蒸発部７内の内部のＲ１３４ａの圧力を計測するセンサである。
【００５１】
熱源５０は、液相のＲ１３４ａとの間で熱交換を行う温水を供給する熱源であり、例えば、空冷ヒートポンプなどを用いることができる。本実施形態では約５０℃の温水を受け取り、約５５℃の温水を供給するチラーに適用して説明する。なお、供給する温水の温度は約４０℃から約５５℃の範囲であればよく、特に限定するものではない。
流入温度センサ５３は、熱源５０から蒸発器５１に向かって流れる温水の温度を計測するセンサであり、流出温度センサ５４は、蒸発器５１から熱源５０に向かって流れる温水の温度を計測するセンサである。
【００５２】
次に、上記の構成からなる蒸気発生装置１における蒸気の生成方法について説明する。
蒸気発生装置１により過熱蒸気が生成する場合には、ターボ圧縮機２等から構成されるヒートポンプが運転され、当該ヒートポンプから供給された熱により過熱蒸気が生成される。
以下に、上記ヒートポンプの動作を説明しつつ、過熱蒸気の生成について説明する。
【００５３】
ターボ圧縮機２のモータ１３には、図１に示すように、インバータ部１４から電力が供給され、モータ１３が回転駆動される。モータ１３の回転駆動力は、回転軸１５を介して低圧羽根車１２Ｌおよび高圧羽根車１２Ｈに伝達され、Ｒ１３４ａが超臨界状態まで圧縮される（圧縮工程）。
【００５４】
図２は、図１の蒸気発生装置におけるＲ１３４ａの状態変化を説明するモリエル線図である。
具体的には、低圧羽根車１２Ｌは、回転駆動されることにより気相のＲ１３４ａを吸入し、中間圧まで圧縮する（図２におけるＡ→Ｂ）。高圧羽根車１２Ｈは、回転駆動されることにより、低圧羽根車１２Ｌに圧縮されたＲ１３４ａ、および、分離部４１から供給される気相のＲ１３４ａを吸入し、高圧まで圧縮する（図２におけるＣ→Ｄ）。
高圧羽根車１２Ｈから吐出されたＲ１３４ａは、図２に示すように超臨界状態にあり、その温度は約１５０℃、圧力は約５ＭＰａである。
【００５５】
ターボ圧縮機２により超臨界状態に圧縮されたＲ１３４ａは、図１に示すように、蒸気生成部３に供給される。蒸気生成部３では、高温のＲ１３４ａと、蒸気および温水との間で熱交換が行われ、過熱蒸気が生成される（蒸気生成工程）。
【００５６】
具体的には、蒸気発生器２３に流入した約１４０℃のＲ１３４ａは、すでに蒸発した蒸気と熱交換を行い１２０℃の過熱蒸気を生成する。生成された過熱蒸気は、蒸気発生器２３から蒸気供給対象２０に供給される。
超臨界状態のＲ１３４ａは、蒸気発生器２３の上流側から下流側に向かって流れつつ、蒸気および温水と熱交換を行い、その温度が低下する（図２のＤ→Ｅ）。このとき、蒸気発生器２３等の流動抵抗によりＲ１３４ａの圧力も若干低下する。
蒸気発生器２３内を流れるＲ１３４ａは、臨界点の温度を下回る近傍領域において、気相に近い超臨界状態から液相に相変化する。そのため、蒸気発生器２３の下流側領域では、約９５℃の液相のＲ１３４ａとなっている。
【００５７】
上述のように蒸気供給対象２０に供給された約１２０℃の過熱蒸気は、蒸気供給対象２０において使用されることにより、凝縮液化してさらに冷やされ約９０℃の温水となり、蒸気供給対象２０から蒸気発生器２３に戻ってくる。
蒸気発生器２３に戻ってきた約９０℃の温水は、最初に、約１００℃の液相のＲ１３４ａが存在する領域に流入し、熱交換される。その後、温水は、蒸気発生器２３の上流側に向かって流れる伴い、より高温のＲ１３４ａと熱交換され昇温され、蒸発して蒸気となる。最終的には、上述のように約１２０℃の過熱蒸気となり再び蒸気供給対象２０に供給される。
【００５８】
例えば、要求される蒸気量に対して、ヒートポンプ圧縮機を制御しＲ１３４ａの熱量を調整する。しかし出力する蒸気を仕様の過熱領域に保つためにはＲ１３４ａの調整だけでは十分でなく給水ポンプの水量を適切に調整する。つまり過熱蒸気の温度が低下すると蒸気生成部への給水量を過熱蒸気の温度に合わせて減らし、過熱蒸気の温度を所定温度に保つとともに、供給される過熱蒸気の量が減らされる。
蒸気発生器２３に供給される温水の流量は、蒸気供給対象２０に対して過熱蒸気を供給するように給水ポンプ２１により制御される。
例えば、蒸気生成部３において蒸気供給対象２０に対して超臨界状態のＲ１３４ａの熱量が不足している場合には、ヒートポンプ圧縮機２を制御し熱力を増加させる。しかし出力する蒸気を仕様の過熱領域に保つためにはＲ１３４ａの調整だけでは十分でなく給水ポンプ２１の水量を適切に調整する。熱交換される熱量に合わせて蒸気生成部３への給水量を減らし、過熱蒸気の温度を所定温度に保つとともに、蒸気供給対象２０に供給される過熱蒸気の量が減らされる。
【００５９】
一方、蒸気供給対象２０に対して超臨界状態のＲ１３４ａの熱量が過多の場合には、ヒートポンプ圧縮機２を制御し熱力を減少させる。しかし出力する蒸気を仕様の過熱領域に保つためにはＲ１３４ａの調整だけでは十分でなく給水ポンプ２１の水量を適切に調整する。過熱蒸気の温度を所定温度に保つとともに、蒸気供給対象２０に供給される過熱蒸気の量が増やされる。
蒸気生成部３において超臨界状態のＲ１３４ａと熱交換される熱量は、例えばターボ圧縮機２にかかる負荷や回転数等から推定することができ、これらの値から給水ポンプ２１を制御してもよい。
【００６０】
蒸気発生器２３から流出した液相のＲ１３４ａは、図１に示すように、高圧膨張弁４Ｈにより中間圧にまで減圧される（高圧側減圧工程）。
具体的には、開度が調節可能な絞り弁である高圧膨張弁４Ｈを通過することにより、高圧のＲ１３４ａは中間圧に減圧される（図２のＥ→Ｆ）。高圧膨張弁４Ｈの開度は、高圧温度センサ３１Ｈにより検出されたＲ１３４ａの温度に基づいて、当該温度が一定になるように制御される。
このように制御されることにより、蒸気発生器２３内における液相のＲ１３４ａの液面の位置が一定に保たれる。
【００６１】
減圧されたＲ１３４ａは、図１に示すように、中間冷却部５の分離部４１に流入する。分離部４１では、Ｒ１３４ａが気相および液相に分離され、気相のＲ１３４ａは、ガス供給部４３を介してターボ圧縮機２の高圧羽根車１２Ｈに供給される（中間工程、図２のＦ→Ｃ）。高圧羽根車１２Ｈに供給された気相のＲ１３４ａは、図１に示すように、再び高圧羽根車１２Ｈに圧縮され、上述のサイクルを繰り返す。
【００６２】
一方、液相のＲ１３４ａは分離部４１内で冷却された後（図２のＦ→Ｇ）、液供給部４４を介して流出し、低圧膨張弁４Ｌにより低圧にまで減圧される（低圧側減圧工程、図２のＧ→Ｈ）。具体的には、低圧膨張弁４Ｌは、液面検出センサ４２の検出信号に基づいて、分離部４１内の液相のＲ１３４ａの液面が所定の範囲内に位置するようにフィードバック制御される。
なお、上述のように、分離部４１内の液相Ｒ１３４ａの液面を略一定に保つように低圧膨張弁４Ｌをフィードバック制御してもよいし、予め設定したパラメータに基づいてフィードフォワード制御してもよく、特に限定するものではない。
【００６３】
減圧されたＲ１３４ａは、図１に示すように、蒸発器５１に流入する。蒸発器５１に流入した液相のＲ１３４ａは、熱源５０から供給された温水と熱交換することにより、蒸発し気相のＲ１３４ａとなる（蒸発工程）。
【００６４】
具体的には、液相のＲ１３４ａは下端（図１の下側端部）の近傍から蒸発器５１に流入し、蒸発器５１の下側に液相のＲ１３４ａが存在する領域を形成する。当該領域の液相のＲ１３４ａは、熱源５０から供給された約５５℃の温水と熱交換して蒸発し、気相のＲ１３４ａになる。気相のＲ１３４ａは蒸発器５１の上端の近傍から流出し、ターボ圧縮機２の低圧羽根車１２Ｌに吸入され、上述のサイクルを繰り返す。
【００６５】
液相のＲ１３４ａと熱交換し、温度が約５０℃に低下した温水は蒸発器５１から熱源５０に戻される。熱源５０は、戻された約５０℃の温水を再び約５５℃の温水に加熱し、蒸発器５１に供給する。
【００６６】
本実施形態における蒸気発生装置１の運転を開始する場合には、冷媒等の温度に応じて、停止状態から定常運転状態に至るまでの時間を変える制御が行われる。
【００６７】
例えば、蒸気発生装置１の停止期間が比較的長く、冷媒や構成機器等の温度が常温（室温程度）になっている場合には、後述するホット運転よりも定常運転に至るまでの時間を長くしたコールド運転が行われる。
このように制御することで、蒸気発生装置１内の温度や圧力のバランスを取りながら、安全に蒸気発生装置１を起動することができる。
【００６８】
一方、運転停止を繰り返す運転が行われ、蒸気発生装置１の停止期間が比較的短く、冷媒等の温度が定常運転時の温度に近い場合には、上述のコールド運転より定常運転に至るまでの時間を短くしたホット運転が行われる。
このように制御することで、蒸気発生装置１の起動に要する時間を短縮し、過熱蒸気を供給するまでに要する時間を短縮できる。
【００６９】
上記の構成によれば、臨界点の温度が１００℃近傍のＲ１３４ａ（ＨＦＣ１３４ａ）を冷媒として用いることで、超臨界状態のＲ１３４ａを用いて過熱蒸気を効率よく生成することができる。つまり、超臨界状態のＲ１３４ａの温度を、水を加熱して過熱蒸気を生成するのに適した温度、具体的には、生成する過熱蒸気の温度（約１２０℃）より数十度高い温度（約１５０℃）に容易にすることができる。そのため、本実施形態の蒸気発生装置１は、過熱蒸気を効率よく生成することができ、過熱蒸気の供給コストを抑制することができる。
【００７０】
一方、約１５０℃における超臨界状態のＲ１３４ａの圧力は４ＭＰａ程度であり、二酸化炭素を用いた超臨界サイクルと比較して、蒸気生成部３の蒸気発生器２３に供給されるＲ１３４ａの圧力を低くすることができる。そのため、蒸気発生器２３に求められる耐圧性が低くなり、二酸化炭素を用いた超臨界サイクルに用いられる熱交換器と比較して、安価な熱交換器を用いることができる。つまり、蒸気生成部３の製造コストを抑制することができるため、過熱蒸気の供給コストを抑制することができる。
【００７１】
本実施形態の蒸気発生装置１は、冷媒としてＲ１３４ａを用いたヒートポンプにより過熱蒸気を生成するため、貫流ボイラなどのボイラを用いた過熱蒸気の生成と比較して、過熱蒸気の生成効率が高くなる。また、ボイラを用いた場合と比較して、過熱蒸気を生成する際に放出される二酸化炭素の量を減少させることができる。
さらに、ターボ圧縮機２を二酸化炭素の排出量が少ない系統電力により駆動することで、過熱蒸気を生成する際に放出される二酸化炭素の量をさらに減少することができる。
【００７２】
給水ポンプ２１の運転を制御することにより蒸気生成部３への水の供給が制御される。蒸気生成部３への水の供給が制御されると、蒸気生成部３における過熱蒸気の生成も制御されるため、蒸気供給対象２０に対して所定温度の過熱蒸気を供給することができる。
【００７３】
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について図３および図４を参照して説明する。
本実施形態の蒸気発生装置の基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、中間冷却器のＲ１３４ａと蒸発部のＲ１３４ａとの間で熱交換を行うインタークーラが設けられている点が異なっている。よって、本実施形態においては、図３および図４を用いてインタークーラの周辺の構成を説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図３は、本実施形態に係る蒸気発生装置の概略を説明する模式図である。
なお、第１の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００７４】
蒸気発生装置１０１には、図３に示すように、ターボ圧縮機２と、蒸気生成部３と、高圧膨張弁４Ｈと、中間冷却部５と、中間圧インタークーラ（中間熱交換部）１１０と、低圧膨張弁４Ｌと、蒸発部７とが設けられ、これらの順にＲ１３４ａが流れるヒートポンプが構成されている。
【００７５】
中間圧インタークーラ１１０は、中間冷却部５から流出した液相のＲ１３４ａと、蒸発部７において蒸発したＲ１３４ａとの間で熱交換を行い、ターボ圧縮機２に吸入される気相のＲ１３４ａの温度を所定の温度にするものである。
中間圧インタークーラ１１０には、熱交換部１１１と、バイパス流路１１２と、バイパス膨張弁（バイパス制御部）１１３と、が設けられている。
【００７６】
熱交換部１１１は、中間冷却部５から流出した液相のＲ１３４ａと、蒸発部７において蒸発したＲ１３４ａとの間で熱交換を行うものである。熱交換部１１１は、蒸発器５１の内部における気相のＲ１３４ａが存在する領域（図３の上側の領域）に配置されている。熱交換部１１１としては、液-ガス式の熱交換器、例えば、フィンアンドチューブ熱交換器や、積層熱交換器を用いることができる。
【００７７】
バイパス流路１１２およびバイパス膨張弁１１３は、熱交換部１１１に流入する液相のＲ１３４ａの流量を制御することにより、ターボ圧縮機２に吸入される気相のＲ１３４ａの温度を所定の温度に制御するものである。
【００７８】
バイパス流路１１２は、一方の端部が中間冷却部５と低圧膨張弁４Ｌとの間に接続され、他方の端部が低圧膨張弁４Ｌと蒸発器５１との間に接続された配管である。
バイパス膨張弁１１３はバイパス流路１１２に設けられ、バイパス流路１１２を流れる液相のＲ１３４ａの流量を制御するものである。バイパス膨張弁１１３は、ターボ圧縮機２に吸入されるＲ１３４ａの温度を計測する吸入温度センサ１１４から出力される出力信号に基づいて、バイパス流路１１２を流れる液相のＲ１３４ａの流量を制御するものである。
【００７９】
低圧膨張弁４Ｌは、液面検出センサ４２の出力とバイパス膨張弁１１３の開度と、に基づいて低圧膨張弁４Ｌを通過するＲ１３４ａの流量を制御するものである。言い換えると、低圧膨張弁４Ｌの開度は、バイパス膨張弁１１３の開度に応じて制御され、中間冷却部５から流出する液相のＲ１３４ａの全体流量を制御するものである。
【００８０】
次に、上記の構成からなる蒸気発生装置１０１における蒸気の生成方法について説明する。
図４は、図３の蒸気発生装置におけるＲ１３４ａの状態変化を説明するモリエル線図である。
まず、本実施形態の特徴である、中間圧インタークーラ１１０の作用から説明を始め、そこから本実施形態の蒸気発生装置１０１におけるヒートポンプの動作を説明する。
【００８１】
液相のＲ１３４ａは分離部４１内で所定温度（例えば約７０℃）冷却された後、液供給部４４を介して流出し、その一部は、中間圧インタークーラ１１０の熱交換部１１１に導かれる（図４のＦ→Ｇ）。
熱交換部１１１に流入した液相のＲ１３４ａは、蒸発器５１において蒸発したＲ１３４ａと熱交換し、蒸発したＲ１３４ａの温度を昇温させる（図４のＯ→Ａ１）。一方で、熱交換後の液相のＲ１３４ａの温度は低下する（図４のＧ→Ｇ１）。
【００８２】
熱交換部１１１から流出したＲ１３４ａは、バイパス膨張弁１１３により低圧にまで減圧される（低圧側減圧工程、図４のＧ１→Ｈ１）。
バイパス膨張弁１１３は、吸入温度センサ１１４の検出信号に基づいて、バイパス流路１１２を流れる液相のＲ１３４ａの流量を制御することにより、中間圧インタークーラ１１０に導かれる液相のＲ１３４ａの流量を制御している。中間圧インタークーラ１１０に導かれる液相のＲ１３４ａの流量を制御することにより、中間圧インタークーラ１１０において熱交換される熱量を制御し、ターボ圧縮機２に吸入される気相のＲ１３４ａの温度を所定温度、例えば、約７０℃に制御している。
【００８３】
一方、分離部４１から流出した液相のＲ１３４ａの残りは、低圧膨張弁４Ｌに導かれる（図４のＦ→Ｇ）。低圧膨張弁４Ｌにおいて液相のＲ１３４ａは低圧にまで減圧され、バイパス膨張弁１１３を通過したＲ１３４ａとともに蒸発器５１に流入する（図４のＧ→Ｈ）。具体的には、低圧膨張弁４Ｌは、液面検出センサ４２の検出信号およびバイパス膨張弁１１３の開度に基づいて、分離部４１内の液相のＲ１３４ａの液面が所定の範囲内に位置するようにフィードバック制御される。
【００８４】
低圧膨張弁４Ｌおよびバイパス膨張弁１１３を通過したＲ１３４ａは蒸発器５１に流入し、熱源５０から供給された温水と熱交換することにより、蒸発し気相のＲ１３４ａとなる（図４のＨ→Ｏ）。
蒸発したＲ１３４ａは、中間圧インタークーラ１１０において、上述のように分離部４１から流出した液相のＲ１３４ａと熱交換することにより、所定温度（例えば約７０℃）に昇温される（図４のＯ→Ａ１）。
【００８５】
昇温されたＲ１３４ａは、ターボ圧縮機２の低圧羽根車１２Ｌに吸入され、中間圧にまで昇圧される（図４のＡ１→Ｂ１）。中間圧にまで昇圧されたＲ１３４ａは、高圧羽根車１２Ｈに吸入され高圧にまで昇圧され（図４のＣ１→Ｄ１）、蒸気生成部３に供給される。
ターボ圧縮機２に吸入されるＲ１３４ａの温度が約７０℃にまで昇温されているため、吐出されるＲ１３４ａの温度を容易に約１４０℃にすることができる。
以後のサイクルは、第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
【００８６】
上記の構成によれば、相対的に温度の高い中間冷却部５から流出した液相のＲ１３４ａと、相対的に温度の低い蒸発部７で蒸発したＲ１３４ａとの間で熱交換を行うことで、ターボ圧縮機２に吸入されるＲ１３４ａの温度を高くすることができる。ターボ圧縮機２に吸入されるＲ１３４ａの温度が上昇すると、吐出されるＲ１３４ａの温度も上昇するため、蒸気生成部３に供給される超臨界状態のＲ１３４ａの温度を高くすることができる。
【００８７】
低圧膨張弁４Ｌは中間冷却部５から流出するＲ１３４ａの流量を制御することができるため、液面検出センサ４２の検出結果およびバイパス膨張弁１１３の開度に基づいて制御されることにより、中間冷却部５のＲ１３４ａの液面の位置を制御することができる。言い換えると、中間冷却部５に常に液相のＲ１３４ａが存在する状態に制御でき、中間圧インタークーラ１１０に安定して液相のＲ１３４ａを供給することができる。
そのため、中間冷却部５から中間圧インタークーラ１１０に供給されるＲ１３４ａ流量を安定させ、ターボ圧縮機２に吸入されるＲ１３４ａの温度を安定させることができる。
【００８８】
バイパス流路１１２を流れるＲ１３４ａの流量を制御することにより、中間圧インタークーラ１１０に流入する液相のＲ１３４ａの流量が制御される。そのため、中間圧インタークーラ１１０において熱交換される熱量が制御され、ターボ圧縮機２に吸入されるＲ１３４ａの温度が制御される。
つまり、吸入温度センサ１１４の検出結果に基づき、バイパス膨張弁１１３を制御することにより、ターボ圧縮機２に吸入されるＲ１３４ａの温度を制御することができる。
【００８９】
一方、低圧膨張弁４Ｌを流れるＲ１３４ａの流量を制御することにより、中間冷却部５から流出する液相のＲ１３４ａの流量が制御される。そのため、中間冷却部５にＲ１３４ａの液面を保持することができ、中間圧インタークーラ１１０に液相のＲ１３４ａを安定して供給することができる。
つまり、バイパス流路１１２を流れるＲ１３４ａの流量に基づいて、低圧膨張弁４Ｌを流れるＲ１３４ａの流量を制御することにより、中間圧インタークーラ１１０に液相のＲ１３４ａを安定して供給することができる。これにより、ターボ圧縮機２に吸入されるＲ１３４ａの温度を安定して制御することができる。
【００９０】
〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について図５および図６を参照して説明する。
本実施形態の蒸気発生装置の基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、蒸気発生器のＲ１３４ａと蒸発部のＲ１３４ａとの間で熱交換を行うインタークーラが設けられている点が異なっている。よって、本実施形態においては、図５および図６を用いてインタークーラの周辺の構成を説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図５は、本実施形態に係る蒸気発生装置の概略を説明する模式図である。
なお、第１の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００９１】
蒸気発生装置２０１には、図５に示すように、ターボ圧縮機２と、蒸気生成部３と、高圧膨張弁４Ｈと、高圧インタークーラ（中間熱交換部）２１０と、中間冷却部５と、低圧膨張弁４Ｌと、蒸発部７とが設けられ、これらの順にＲ１３４ａが流れるヒートポンプが構成されている。
【００９２】
高圧インタークーラ２１０は、蒸気発生器２３から流出した液相のＲ１３４ａと、蒸発部７において蒸発したＲ１３４ａとの間で熱交換を行い、ターボ圧縮機２に吸入される気相のＲ１３４ａの温度を所定の温度にするものである。
高圧インタークーラ２１０には、熱交換部２１１と、バイパス流路２１２と、バイパス膨張弁（バイパス制御部）２１３と、が設けられている。
【００９３】
熱交換部２１１は、蒸気発生器２３から流出した液相のＲ１３４ａと、蒸発部７において蒸発したＲ１３４ａとの間で熱交換を行うものである。熱交換部２１１は、蒸発器５１の内部における気相のＲ１３４ａが存在する領域（図５の上側の領域）に配置されている。熱交換部２１１としては、液-ガス式の熱交換器、例えば、フィンアンドチューブ熱交換器や、積層熱交換器を用いることができる。
【００９４】
バイパス流路２１２およびバイパス膨張弁２１３は、熱交換部２１１に流入する液相のＲ１３４ａの流量を制御することにより、ターボ圧縮機２に吸入される気相のＲ１３４ａの温度を所定の温度に制御するものである。
【００９５】
バイパス流路２１２は、一方の端部が蒸気発生器２３と高圧膨張弁４Ｈとの間に接続され、他方の端部が高圧膨張弁４Ｈと中間冷却部５との間に接続された配管である。
バイパス膨張弁２１３はバイパス流路２１２に設けられ、バイパス流路２１２を流れる液相のＲ１３４ａの流量を制御するものである。バイパス膨張弁２１３は、ターボ圧縮機２に吸入されるＲ１３４ａの温度を計測する吸入温度センサ１１４から出力される出力信号に基づいて、バイパス流路２１２を流れる液相のＲ１３４ａの流量を制御するものである。
【００９６】
高圧膨張弁４Ｈは、高圧温度センサ３１Ｈの出力とバイパス膨張弁２１３の開度と、に基づいて高圧膨張弁４Ｈを通過するＲ１３４ａの流量を制御するものである。言い換えると、高圧膨張弁４Ｈの開度は、バイパス膨張弁２１３の開度に応じて制御されるものであって、高圧膨張弁４Ｈは、蒸気発生器２３から流出する液相のＲ１３４ａの全体流量を制御し、その温度を制御するものである。
【００９７】
次に、上記の構成からなる蒸気発生装置２０１における蒸気の生成方法について説明する。
図６は、図５の蒸気発生装置におけるＲ１３４ａの状態変化を説明するモリエル線図である。
まず、本実施形態の特徴である、高圧インタークーラ２１０の作用から説明を始め、そこから本実施形態の蒸気発生装置２０１におけるヒートポンプの動作を説明する。
【００９８】
液相のＲ１３４ａは蒸気発生器２３内で所定温度（例えば約１００℃）冷却された後、蒸気発生器２３から流出し、その一部は、高圧インタークーラ２１０の熱交換部２１１に導かれる（図６のＥ→Ｅ１）。
熱交換部２１１に流入した液相のＲ１３４ａは、蒸発器５１において蒸発したＲ１３４ａと熱交換し、蒸発したＲ１３４ａの温度を昇温させる（図６のＯ→Ａ１）。一方で、熱交換後の液相のＲ１３４ａは約８０℃まで温度が低下する（図６のＥ→Ｅ１）。
【００９９】
高圧インタークーラ２１０から流出したＲ１３４ａは、バイパス膨張弁２１３により中間圧にまで減圧される（高圧側減圧工程、図６のＥ１→Ｆ１）。
一方、蒸気発生器２３から流出した液相のＲ１３４ａの残りは、高圧膨張弁４Ｈに導かれ、高圧膨張弁４Ｈにおいて液相のＲ１３４ａは中間圧にまで減圧される（図６のＥ→Ｆ）。
【０１００】
具体的には、高圧膨張弁４Ｈは、高圧膨張弁４Ｈの開度は、高圧温度センサ３１Ｈにより検出されたＲ１３４ａの温度、および、バイパス膨張弁２１３の開度に基づいて、蒸気発生器２３から流出するＲ１３４ａの温度が一定になるように制御される。
このように制御されることにより、蒸気発生器２３内における液相のＲ１３４ａの液面の位置が一定に保たれる。
減圧されたＲ１３４ａは、バイパス膨張弁２１３を通過したＲ１３４ａとともに分離部４１に流入する。
【０１０１】
分離部４１では、Ｒ１３４ａが気相および液相に分離され、気相のＲ１３４ａは、ガス供給部４３を介してターボ圧縮機２の高圧羽根車１２Ｈに供給される（中間工程、図６のＦ１→Ｆ→Ｃ１）。高圧羽根車１２Ｈに供給された気相のＲ１３４ａは、再び高圧羽根車１２Ｈに圧縮される。
【０１０２】
一方、液相のＲ１３４ａは分離部４１内で冷却された後（図６のＦ→Ｆ１→Ｇ）、液供給部４４を介して流出し、低圧膨張弁４Ｌにより低圧にまで減圧される（低圧側減圧工程、図６のＧ→Ｈ）。具体的には、低圧膨張弁４Ｌは、液面検出センサ４２の検出信号に基づいて、分離部４１内の液相のＲ１３４ａの液面が所定の範囲内に位置するようにフィードバック制御される。
【０１０３】
減圧されたＲ１３４ａは、図５に示すように、蒸発器５１に流入する。蒸発器５１に流入した液相のＲ１３４ａは、熱源５０から供給された温水と熱交換することにより、蒸発し気相のＲ１３４ａとなる（蒸発工程、図６のＨ→Ｏ）。
蒸発したＲ１３４ａは、高圧インタークーラ２１０において、上述のように蒸気発生器２３から流出した液相のＲ１３４ａと熱交換することにより、所定温度（例えば約７０℃）に昇温される（図４のＯ→Ａ１）。
【０１０４】
昇温されたＲ１３４ａは、ターボ圧縮機２の低圧羽根車１２Ｌに吸入され、中間圧にまで昇圧される（図６のＡ１→Ｂ１）。中間圧にまで昇圧されたＲ１３４ａは、高圧羽根車１２Ｈに吸入され高圧にまで昇圧され（図６のＣ１→Ｄ１）、蒸気生成部３に供給される。
ターボ圧縮機２に吸入されるＲ１３４ａの温度が約７０℃にまで昇温されているため、吐出されるＲ１３４ａの温度を容易に約１５０℃にすることができる。
以後のサイクルは、第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
【０１０５】
上記の構成によれば、相対的に温度の高い蒸気発生部３から流出した液相のＲ１３４ａと、相対的に温度の低い蒸発部７で蒸発したＲ１３４ａとの間で熱交換を行うことで、ターボ圧縮機２に吸入されるＲ１３４ａの温度を高くすることができる。ターボ圧縮機２に吸入されるＲ１３４ａの温度が上昇すると、吐出されるＲ１３４ａの温度も上昇するため、蒸気発生部３に供給される超臨界状態のＲ１３４ａの温度を高くすることができる。
【０１０６】
バイパス流路２１２を流れるＲ１３４ａの流量を制御することにより、高圧インタークーラ２１０に流入する液相のＲ１３４ａの流量が制御される。そのため、高圧インタークーラ２１０において熱交換される熱量が制御され、ターボ圧縮機２に吸入されるＲ１３４ａの温度が制御される。
つまり、高圧温度センサ３１Ｈの検出結果に基づき、バイパス膨張弁２１３を制御することにより、ターボ圧縮機２に吸入されるＲ１３４ａの温度を制御することができる。
【０１０７】
一方、高圧膨張弁４Ｈを流れるＲ１３４ａの流量を制御することにより、蒸気発生部３から流出する液相のＲ１３４ａの流量が制御され、流出するＲ１３４ａの温度を制御することができる。
つまり、バイパス流路２１２を流れるＲ１３４ａの流量に基づいて、高圧膨張弁４Ｈを流れるＲ１３４ａの流量を制御することにより、蒸気生成部３から流出するＲ１３４ａの温度を安定させることができる。これにより、ターボ圧縮機２に吸入されるＲ１３４ａの温度を安定して制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る蒸気発生装置の概略を説明する模式図である。
【図２】図１の蒸気発生装置におけるＲ１３４ａの状態変化を説明するモリエル線図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る蒸気発生装置の概略を説明する模式図である。
【図４】図３の蒸気発生装置におけるＲ１３４ａの状態変化を説明するモリエル線図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る蒸気発生装置の概略を説明する模式図である。
【図６】図５の蒸気発生装置におけるＲ１３４ａの状態変化を説明するモリエル線図である。
【符号の説明】
【０１０９】
１，１０１，２１０  蒸気発生装置
２  ターボ圧縮機
３  蒸気生成部
４Ｈ  高圧膨張弁（高圧側減圧部）
４Ｌ  低圧膨張弁（低圧側膨張部）
５  中間冷却部（中間部）
７  蒸発部
１１０  中間圧インタークーラ（中間熱交換部）
１１２，２１２  バイパス流路
１１３，２１３  バイパス膨張弁（バイパス制御部）
２１０  高圧インタークーラ（中間熱交換部）
【図１】
0004981604.tif 000002
【図２】
0004981604.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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