特許 6394472 ヒートポンプ式蒸気生成装置及びヒートポンプ式蒸気生成装置の運転方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6394472

(24)【登録日】2018年9月7日

(45)【発行日】2018年9月26日

(54)【発明の名称】ヒートポンプ式蒸気生成装置及びヒートポンプ式蒸気生成装置の運転方法

(51)【国際特許分類】

   F22B 3/00 20060101AFI20180913BHJP

   F25B 1/00 20060101ALI20180913BHJP

   F25B 6/04 20060101ALI20180913BHJP

   F25B 49/02 20060101ALI20180913BHJP

【ＦＩ】

   F22B3/00

   F25B1/00 371B

   F25B1/00 399Y

   F25B6/04 Z

   F25B49/02 A

【請求項の数】6

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2015-79448(P2015-79448)

(22)【出願日】2015年4月8日

(65)【公開番号】特開2016-200314(P2016-200314A)

(43)【公開日】2016年12月1日

【審査請求日】2017年12月14日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100089118

【弁理士】

【氏名又は名称】酒井 宏明

(72)【発明者】

【氏名】柴田 修平

(72)【発明者】

【氏名】小池 拓人

(72)【発明者】

【氏名】中村 淳

(72)【発明者】

【氏名】森 泰二

【審査官】 渡邉 聡

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０５−２２３２０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１６３５７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１８３９５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２３２５６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１４５０８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０４１０３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２４７１５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０３８３９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１４／２０８９３８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１２−２４７１４６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２２Ｂ ３／００

Ｆ２５Ｂ １／００

Ｆ２５Ｂ ６／０４

Ｆ２５Ｂ ４９／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

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、該凝縮器を出た冷媒を減圧する膨張機構及び熱源温水から熱を回収して冷媒を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、
前記圧縮機吐出側における冷媒の圧力及び温度から算出された前記圧縮機吐出側における冷媒の比エンタルピと前記圧縮機吐出側における冷媒の圧力及び前記膨張機入口側における冷媒の温度から算出された前記膨張機構入口側における冷媒の比エンタルピの差と、前記ヒートポンプ部の冷媒循環量とに基づいて前記ヒートポンプ部の加熱出力を算出し、該算出した加熱出力が設定出力となるように前記圧縮機を制御する制御手段を備えることを特徴とするヒートポンプ式蒸気生成装置。

【請求項2】

請求項１に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置において、
前記ヒートポンプ部の冷媒循環量は、前記圧縮機吸入側における冷媒の密度と、前記圧縮機の単位時間あたりの排除容積と、前記圧縮機の体積効率とから算出されることを特徴とするヒートポンプ式蒸気生成装置。

【請求項3】

請求項２に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置において、
前記圧縮機吸入側における冷媒の密度は、前記圧縮機吸入側における冷媒の圧力及び温度から算出されることを特徴とするヒートポンプ式蒸気生成装置。

【請求項4】

請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ式蒸気生成装置において、
前記ヒートポンプ部は前記凝縮器の出口と前記膨張機構の入口との間に加熱器を備え、前記被加熱水は該加熱器で加熱された後、前記凝縮器に供給されることを特徴とするヒートポンプ式蒸気生成装置。

【請求項5】

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、該凝縮器を出た冷媒を減圧する膨張機構及び熱源温水から熱を回収して冷媒を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、
被加熱水を前記冷媒によって加熱する前記凝縮器と、前記凝縮器で生成された気液二相流が流通する蒸気経路と、該蒸気経路から供給される気液二相流を水と水蒸気とに分離する水蒸気分離器と、該水蒸気分離器で分離された液相を前記凝縮器に流通させる液経路と、前記水蒸気分離器で分離された水蒸気を外部に送り出す送出経路と、前記液経路に接続され、給水ポンプの動力によって前記被加熱水を供給する給水経路と、を有する蒸気生成部と、
を備えるヒートポンプ式蒸気生成装置であって、
前記圧縮機吐出側における冷媒の比エンタルピと前記膨張機構入口側における冷媒の比エンタルピの差と、前記ヒートポンプ部の冷媒循環量とに基づいて前記ヒートポンプ部の加熱出力を算出し、該算出した加熱出力が設定出力となるように前記圧縮機を制御するとともに、前記水蒸気分離器の水位に基づき前記給水ポンプによる給水量を制御する制御手段を備えることを特徴とするヒートポンプ式蒸気生成装置。

【請求項6】

圧縮機、凝縮器、膨張機構及び蒸発器が環状に接続され、冷媒が流通するヒートポンプ部を用いて温水から熱を回収し、回収した熱を被加熱水に伝達して蒸気を生成するヒートポンプ式蒸気生成装置の運転方法であって、
前記圧縮機吐出側における冷媒の圧力及び温度から算出された前記圧縮機吐出側における冷媒の比エンタルピと前記圧縮機吐出側における冷媒の圧力及び前記膨張機入口側における冷媒の温度から算出された前記膨張機構入口側における冷媒の比エンタルピの差と、前記ヒートポンプ部の冷媒循環量とに基づいて前記ヒートポンプ部の加熱出力を算出し、該算出した加熱出力が設定出力となるように前記圧縮機を制御することを特徴とするヒートポンプ式蒸気生成装置の運転方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱源温水から熱を回収して蒸気を生成するヒートポンプ式蒸気生成装置及び該ヒートポンプ式蒸気生成装置の運転方法に関する。

【背景技術】

【0002】

蒸気生成装置の一つとして、工場排水や使用済冷却水等の排温水（熱源温水）から熱を回収して蒸気を生成するヒートポンプ式蒸気生成装置がある。ヒートポンプ式蒸気生成装置は、ヒートポンプ部の蒸発器を排熱回収器として機能させ、ここで熱源温水から熱を冷媒に回収し、回収した熱を利用して凝縮器で被加熱水を加熱して蒸気を生成するため、ボイラ設備等を利用して蒸気を発生させる燃焼系蒸気生成装置に比べてランニングコストやＣＯ_２の排出量を低減できるメリットがある。

【0003】

例えば特許文献１には、凝縮器で生成した蒸気の圧力を検出し、この検出値が予め設定された設定値となるように圧縮機を制御するヒートポンプ式蒸気生成装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１２−４２２０５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、特許文献１の構成では、生成される蒸気の圧力に基づき圧縮機が制御されるため、ヒートポンプ部の加熱出力を所望の値に制御することはできない。このため、例えば生成する蒸気の圧力を一定に維持しつつ、ヒートポンプ部の加熱出力を増減させて蒸気の流量のみを増減させるといった運転制御ができず、効率的な運転を行うことが難しい場合がある。また、例えば蒸発器に導入される熱源温水の温度が低下した場合であっても、ヒートポンプ部の加熱出力を単独で調整してこの熱源温水の温度低下に柔軟に対応することができず、ヒートポンプ部の安定した運転が難しいという問題もある。

【0006】

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、ヒートポンプ部での加熱出力を所望の値に制御でき、効率的且つ安定した運転を行うことができるヒートポンプ式蒸気生成装置及び該ヒートポンプ式蒸気生成装置の運転方法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】

【0007】

本発明に係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、該凝縮器を出た冷媒を減圧する膨張機構及び熱源温水から熱を回収して冷媒を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、前記圧縮機吐出側における冷媒の比エンタルピと前記膨張機構入口側における冷媒の比エンタルピの差と、前記ヒートポンプ部の冷媒循環量とに基づいて前記ヒートポンプ部の加熱出力を算出し、該算出した加熱出力が設定出力となるように前記圧縮機を制御する制御手段を備えることを特徴とする。

【0008】

また、本発明に係るヒートポンプ式蒸気生成装置の運転方法は、圧縮機、凝縮器、膨張機構及び蒸発器が環状に接続され、冷媒が流通するヒートポンプ部を用いて温水から熱を回収し、回収した熱を被加熱水に伝達して蒸気を生成するヒートポンプ式蒸気生成装置の運転方法であって、前記圧縮機吐出側における冷媒の比エンタルピと前記膨張機構入口側における冷媒の比エンタルピの差と、前記ヒートポンプ部の冷媒循環量とに基づいて前記ヒートポンプ部の加熱出力を算出し、該算出した加熱出力が設定出力となるように前記圧縮機を制御することを特徴とする。

【0009】

このような構成及び方法によれば、蒸気生成部での蒸気の圧力等とは別個にヒートポンプ部の加熱出力を所望の値に制御することができる。このため、例えば熱源温水の温度変動等によりヒートポンプ部の運転状態が変化した場合でも所望の加熱出力を維持した効率的な運転が可能となり、その出力の安定化を図ることができる。

【0010】

前記圧縮機吐出側における冷媒の比エンタルピは、前記圧縮機吐出側における冷媒の圧力及び温度から算出され、前記膨張機構入口側における冷媒の比エンタルピは、前記圧縮機吐出側における冷媒の圧力及び前記膨張機入口における冷媒の温度から算出する構成とすると、ヒートポンプ部の加熱出力を精度よく算出することができる。

【0011】

前記ヒートポンプ部の冷媒循環量は、前記圧縮機吸入側における冷媒の密度と、前記圧縮機の単位時間あたりの排除容積と、前記圧縮機の体積効率とから算出する構成としてもよい。

【0012】

前記圧縮機吸入側における冷媒の密度は、前記圧縮機吸入側における冷媒の圧力及び温度から算出する構成としてもよい。

【0013】

前記ヒートポンプ部は前記凝縮器の出口と前記膨張機構の入口との間に加熱器を備え、前記被加熱水は該加熱器で加熱された後、前記凝縮器に供給される構成としてもよい。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、蒸気生成部での蒸気の圧力等とは別個にヒートポンプ部の加熱出力を所望の値に制御することができる。このため、例えば熱源温水の温度変動等によりヒートポンプ部の運転状態が変化した場合でも所望の加熱出力を維持した効率的な運転が可能となり、その出力の安定化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の一実施形態に係るヒートポンプ式蒸気生成装置の全体構成図である。

【図2】制御部によるヒートポンプ部の制御系統の構成を示すブロック図である。

【図3】制御部によるヒートポンプ部の加熱出力の制御方法の一手順を示すフローチャートである。

【図4】図３中のステップＳ１のサブルーチンである加熱出力現在値算出処理の一手順を示すフローチャートである。

【図5】ヒートポンプ部での冷凍サイクルを示すｐ−ｈ線図の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明に係るヒートポンプ式蒸気生成装置について、その運転制御方法を例示し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。

【0017】

図１は、本発明の一実施形態に係るヒートポンプ式蒸気生成装置１０の全体構成図である。ヒートポンプ式蒸気生成装置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。

【0018】

図１に示すように、ヒートポンプ式蒸気生成装置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、システムの制御を行う制御部１８とを備える。

【0019】

ヒートポンプ部１６は、冷媒を圧縮する圧縮機２０と、圧縮機２０で圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器２２と、凝縮器２２を出た冷媒を減圧する膨張機構２４と、温水から熱を回収して冷媒を蒸発させる蒸発器２６とを環状に接続し、冷媒を循環させる冷凍サイクル装置である。本実施形態では、凝縮器２２の出口側と膨張機構２４の入口側との間に加熱器２８を接続している。膨張機構２４は、例えば電子膨張弁である。

【0020】

圧縮機２０で圧縮されて高温高圧となった冷媒は、凝縮器２２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２２を出た冷媒は、加熱器２８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、膨張機構２４で断熱膨張され、蒸発器２６で温水供給部１４の温水経路３２を流れる温水から吸熱して蒸発して圧縮機２０へと戻る。

【0021】

ヒートポンプ部１６の冷媒経路には、圧縮機２０の吸入側の冷媒の圧力及び温度をそれぞれ検出する吸入圧力センサ３４及び吸入温度センサ３５と、圧縮機２０の吐出側の冷媒の圧力及び温度をそれぞれ検出する吐出圧力センサ３６及び吐出温度センサ３７と、膨張機構２４の入口側の冷媒の温度を検出する入口温度センサ３８とが設置されている。圧縮機２０は制御部１８の制御下に、各センサ３４〜３８の検出値に基づきインバータ（ＩＮＶ）４０を介してその運転回転数が制御される。

【0022】

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２２と、凝縮器２２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２２から水蒸気分離器４２へと導く水循環経路４６とを有する。

【0023】

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２８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１８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。

【0024】

水循環経路４６は、水蒸気分離器４２の下端壁から凝縮器２２までを連通する液管４６ａと、凝縮器２２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１８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。

【0025】

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１８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、当該ヒートポンプ式蒸気生成装置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。

【0026】

制御部（制御手段）１８は、各センサ３４〜３８の検出値に基づき圧縮機２０の運転制御を行うことで、ヒートポンプ部１６の加熱出力を制御する制御装置である。制御部１８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。

【0027】

図２は、制御部１８によるヒートポンプ部１６の制御系統の構成を示すブロック図である。図２に示すように、制御部１８は、加熱出力算出部６４と、加熱出力比較部６６と、記憶部６８と、圧縮機運転制御部７０とを備え、各センサ３４〜３８の検出圧力及び検出温度に基づき圧縮機２０の運転制御を行う。

【0028】

加熱出力算出部６４は、当該ヒートポンプ式蒸気生成装置１０の運転中にヒートポンプ部１６の加熱出力（加熱出力現在値）を逐次算出し、その算出結果を加熱出力比較部６６に送信する。

【0029】

記憶部６８には、実験等によって予め設定されたヒートポンプ部１６の加熱出力の設定値（設定出力）が記憶されている。この設定値は、例えば外部の蒸気利用設備で利用する蒸気の生成に必要な最適な加熱出力や、温水供給部１４で蒸発器２６に供給される熱原温水の温度や流量に応じた最適な加熱出力を予め実験等によって算出し、例えば数式やテーブルデータ等として設定したものである。

【0030】

加熱出力比較部６６は、加熱出力算出部６４で算出された加熱出力の現在値と、記憶部６８に設定された加熱出力の設定値とを比較し、その比較結果を圧縮機運転制御部７０に送信する。

【0031】

圧縮機運転制御部７０は、加熱出力比較部６６から送信された加熱出力の現在値と設定値との比較結果に基づき、インバータ４０を介して圧縮機２０の運転回転数を制御する。具体的には、圧縮機運転制御部７０は、加熱出力の現在値と設定値との比較結果に基づき、例えば現在値が設定値より大きな場合は圧縮機２０の運転回転数を低減させ、現在値が設定値未満の場合は圧縮機２０の運転回転数を増大させ、現在値が設定値と同一又は同一と見なされる誤差範囲内の場合は圧縮機２０の運転回転数を維持する。これにより、制御部１８は、ヒートポンプ部１６の加熱出力が記憶部６８に記憶された所定の設定出力となるように圧縮機２０の運転回転数を制御する。

【0032】

次に、以上のように構成されたヒートポンプ式蒸気生成装置１０の運転方法について説明する。

【0033】

図３は、制御部１８によるヒートポンプ部１６の加熱出力の制御方法の一手順を示すフローチャートである。

【0034】

ヒートポンプ式蒸気生成装置１０はその定常運転時、ヒートポンプ部１６によって温水供給部１４の温水経路３２を流れる温水の熱を蒸発器２６で冷媒に回収し、冷媒に回収した熱を凝縮器２２で蒸気生成部１２の給水経路３０を流れる水に移動させて蒸気を生成する。これにより、排熱を効率的に回収して利用し、高い省エネ性能が発揮される。

【0035】

ヒートポンプ式蒸気生成装置１０の運転中、制御部１８は、図３に示す制御方法によって圧縮機２０の運転回転数を制御し、ヒートポンプ部１６の加熱出力を所定の設定出力に制御する運転方法を実施する。この運転方法では、図３中のステップＳ１において加熱出力現在値算出処理を実行し、ヒートポンプ部１６の加熱出力の現在値を算出する。

【0036】

図４は、図３中のステップＳ１のサブルーチンである加熱出力現在値算出処理の一手順を示すフローチャートであり、図５は、ヒートポンプ部１６での冷凍サイクルを示すｐ−ｈ（圧力−エンタルピ）線図の一例を示す図である。なお、図５において、点１は圧縮機２０の吸入時の冷媒状態を示し、点２は圧縮機２０の吐出時の冷媒状態を示し、点３’は凝縮器２２の出口での冷媒状態を示し、点３は膨張機構２４の入口での冷媒状態を示し、点４は膨張機構２４の出口での冷媒状態を示している。

【0037】

先ず、ヒートポンプ部１６の加熱出力（ｋＷ）は、各センサ３４〜３８の検出値に基づいて算出される圧縮機２０の吐出から膨張機構２４の入口までの冷媒の比エンタルピ差Δｈ（ｋＪ／ｋｇ）と、ヒートポンプ部１６のサイクル内での冷媒循環量ｍ（ｋｇ／ｓｅｃ）の積として加熱出力算出部６４によって演算される。

【0038】

そこで、図４中のステップＳ１１において、制御部１８は、吸入圧力センサ３４、吸入温度センサ３５、吐出圧力センサ３６、吐出温度センサ３７及び入口温度センサ３８による検出値を取得する。つまり、ステップＳ１１では、図５に示す圧縮機２０の吸入側の冷媒圧力（吸入冷媒圧力Ｐ１）及び温度（吸入冷媒温度Ｔ１）と、圧縮機２０の吐出側の冷媒圧力（吐出冷媒圧力Ｐ２）及び温度（吐出冷媒温度Ｔ２）と、膨張機構２４の入口温度（入口温度Ｔ３）を取得する。

【0039】

先ず、比エンタルピ差Δｈを算出するために、ステップＳ１２では、ステップＳ１１で取得した吐出冷媒圧力Ｐ２と吐出冷媒温度Ｔ２とから圧縮機吐出比エンタルピｈ２を算出し、吐出冷媒圧力Ｐ２と入口温度Ｔ３とから膨張機構入口比エンタルピｈ３を算出する。なお、本実施形態では、圧縮機２０の吐出から膨張機構２４の入口までの冷媒の圧力損失は小さく無視できるとして圧縮機２０の吐出冷媒圧力Ｐ２と膨張機構２４の入口冷媒圧力の圧力差を無視しているが、圧力損失が大きい場合には膨張機構２４の入口にも圧力センサを設け、膨張機構２４の入口冷媒圧力と膨張機構２４の入口冷媒温度とから膨張機構入口比エンタルピｈ３を算出してもよい。

【0040】

続いてステップＳ１３において、ステップＳ１２で算出した圧縮機吐出比エンタルピｈ２から膨張機構入口比エンタルピｈ３を減じることで、圧縮機２０の吐出から膨張機構２４の入口までの冷媒の比エンタルピ差Δｈを算出する。

【0041】

次に、冷媒循環量ｍを算出するために、ステップＳ１４では、ステップＳ１１で取得した吸入冷媒圧力Ｐ１と吸入冷媒温度Ｔ１とから圧縮機２０の吸入冷媒密度ρ（＝ρ（Ｐ１，Ｔ１）を算出する。すなわち、ヒートポンプ部１６に用いている冷媒固有の物性値である密度をそのときの吸入冷媒圧力Ｐ１及び吸入冷媒温度Ｔ１から算出する。

【0042】

またステップＳ１５では、圧縮機２０の単位時間あたりの排除容積Ｖと、圧縮機２０の体積効率ηを算出する。すなわち、単位時間あたりの排除容積Ｖは、圧縮機２０の回転あたりの排除容積（カタログ値）と圧縮機運転制御部７０から得たインバータ４０への指令値に基づいて得られる単位時間あたりの圧縮機２０の回転数とから算出する。さらに、体積効率ηは、圧縮機固有の特性であり、カタログデータや特性取得実験により取得できるが、一般的には圧縮比Ｐ２／Ｐ１の関数となるため、取得した特性とＰ１，Ｐ２の測定値とから算出する（η＝η（Ｐ２／Ｐ１））。

【0043】

続いてステップＳ１６において、ステップＳ１４で算出した吸入冷媒密度ρと、ステップＳ１５で算出した排除容積Ｖ及び体積効率ηとの積として冷媒循環量ｍを算出する（ｍ＝ρ×Ｖ×η）。

【0044】

従ってステップＳ１７において、ステップＳ１３で算出した比エンタルピ差Δｈと、ステップＳ１６で算出した冷媒循環量ｍとの積を求めることで、ヒートポンプ部１６の加熱出力の現在値Ｑ１を算出する（Ｑ１＝Δｈ×ｍ）。これにより、図３中のステップＳ１に示した加熱出力現在値算出処理が終了し、加熱出力の現在値Ｑ１が得られる。なお、ステップＳ１２〜Ｓ１３の比エンタルピ差Δｈの算出と、ステップＳ１４〜Ｓ１６の冷媒循環量ｍの算出とは、いずれを先に行ってもよく両方を並列に行ってもよい。

【0045】

そこで図３に戻り、ステップＳ２において加熱出力比較部６６は、図４中のステップＳ１７で算出した加熱出力の現在値Ｑ１と、記憶部６８に記憶されている加熱出力の設定値Ｑ２とを比較する。

【0046】

現在値Ｑ１が設定値Ｑ２よりも大きな場合は（ステップＳ２のＹｅｓ）、圧縮機運転制御部７０の制御下にインバータ４０を介して圧縮機２０の運転回転数を低減させ（ステップＳ３）、現在値Ｑ１を設定値Ｑ２に合わせるように圧縮機２０の運転を制御すると共にステップＳ１に戻る。

【0047】

現在値Ｑ１が設定値Ｑ２以下である場合は（ステップＳ２のＮｏ）、続いて現在値Ｑ１が設定値Ｑ２未満であるか否かが判定される（ステップＳ４）。そして、現在値Ｑ１が設定値Ｑ２未満ではない、つまり現在値Ｑ１が設定値Ｑ２と等しいか或いは所定の誤差の範囲内にあって等しいと判断できる場合は（ステップＳ４のＮｏ）、処理を終了してステップＳ１に戻る。一方、現在値Ｑ１が設定値Ｑ２未満である場合は（ステップＳ４のＹｅｓ）、圧縮機運転制御部７０の制御下にインバータ４０を介して圧縮機２０の運転回転数を増大させ（ステップＳ５）、現在値Ｑ１を設定値Ｑ２に合わせるように圧縮機２０の運転を制御すると共にステップＳ１に戻る。

【0048】

従って、ヒートポンプ式蒸気生成装置１０では、上記のように加熱出力の現在値Ｑ１を設定値Ｑ２に合わせるように圧縮機２０の運転回転数を調整する制御方法を繰り返し実行することでヒートポンプ部１６の加熱出力を所望の値に制御することができる。この加熱出力の制御は、ＰＩＤ制御その他任意のフィードバック制御を用いて行ってもよく、例えば圧縮機運転制御部７０での圧縮機２０の制御結果を加熱出力算出部６４にフィードバックし、次回の加熱出力の算出に利用してもよい。

【0049】

以上のように、本実施形態に係るヒートポンプ式蒸気生成装置１０では、圧縮機２０吐出側における冷媒の比エンタルピｈ２と膨張機構２４入口側における冷媒の比エンタルピｈ３の差（比エンタルピ差Δｈ）と、ヒートポンプ部１６の冷媒循環量ｍとに基づいてヒートポンプ部１６の加熱出力（現在値Ｑ１）を算出し、算出した加熱出力が設定出力（設定値Ｑ２）となるように圧縮機２０を制御する制御部１８を備える。

【0050】

従って、ヒートポンプ式蒸気生成装置１０では、蒸気生成部１２での蒸気の圧力等とは別個にヒートポンプ部１６の加熱出力を所望の値に制御することができる。このため、例えば熱源温水の温度変動等によりヒートポンプ部１６の運転状態が変化した場合でも所望の加熱出力を維持した効率的な運転が可能となり、その出力の安定化を図ることができる。すなわち、例えば蒸発器２６に導入される温水の温度が低下した場合に、圧縮機２０の運転回転数を増大させることによりヒートポンプ部１６の加熱出力を維持することができ、ヒートポンプ式蒸気生成装置１０の運転が安定する。また、例えば蒸気生成部１２での蒸気圧力を一定に維持しつつ、蒸気流量を増減させる必要がある場合に、ヒートポンプ部１６での加熱出力を増減させることで対応可能であり、効率的且つ柔軟な運転が可能である。これにより、例えば蒸気圧力は一定に保ちつつ、過剰な状態にある加熱出力を絞ることができ、装置の運転効率を高めることができる。

【0051】

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。

【0052】

比エンタルピ差Δｈや冷媒循環量ｍの算出は、本実施例による算出方法に限られず、他のパラメータから推定してもよく、実験等によって予め取得したパラメータを入力してもよい。また上記実施形態では、膨張機構２４の入口温度Ｔ３を膨張機構２４の入口側に設けた入口温度センサ３８によって測定するものとしたが、ヒートポンプ部１６において膨張機構２４の入口温度がほとんど変動しない系で構成されている場合等には、入口温度センサ３８を省略し、例えば実験等によって予め取得した入口温度を用いてもよい。

【符号の説明】

【0053】

１０ 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
２０ 圧縮機
２２ 凝縮器
２４ 膨張機構
２６ 蒸発器
２８ 加熱器
３０ 給水経路
３２ 温水経路
３４ 吸入圧力センサ
３５ 吸入温度センサ
３６ 吐出圧力センサ
３７ 吐出温度センサ
３８ 入口温度センサ
４０，５２，５８ インバータ
４２ 水蒸気分離器
４４ 蒸気供給経路
４６ 水循環経路
６４ 加熱出力算出部
６６ 加熱出力比較部
６８ 記憶部
７０ 圧縮機運転制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】