特開 2024-82990 ヒートポンプ式蒸気生成装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024082990

(43)【公開日】2024-06-20

(54)【発明の名称】ヒートポンプ式蒸気生成装置

(51)【国際特許分類】

   F25B 1/10 20060101AFI20240613BHJP

   F25B 1/00 20060101ALI20240613BHJP

   F25B 30/02 20060101ALI20240613BHJP

【ＦＩ】

F25B1/10 S

F25B1/00 399Y

F25B30/02 Z

F25B1/00 321A

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022197253

(22)【出願日】2022-12-09

(71)【出願人】

【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】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】吉田 時空

(72)【発明者】

【氏名】安嶋 賢哲

(72)【発明者】

【氏名】藤本 裕地

(57)【要約】

【課題】２段圧縮２段膨張サイクルの低段内部熱交換器の熱交換性能を高くして装置の小型化を図ることができるヒートポンプ式蒸気生成装置を提供する。
【解決手段】熱源水を用いて低圧冷媒を蒸発させる蒸発器６と、低段圧縮機１と、高段圧縮機２と、高圧冷媒を凝縮させ被加熱水を加熱して蒸発させる凝縮器３と、高段膨張弁４と、高段膨張弁４から導入された中間圧冷媒を気液分離する気液分離器７と、気液分離器７の気相側出口から導入された中間圧冷媒を低段圧縮機１の吐出口と高段圧縮機２の吸入口との間に導入する中間配管Ｌ１０と、気液分離器７の液相側出口から導入された中間圧冷媒を過冷却する低段内部熱交換器８と、低段内部熱交換器８から導入された中間圧冷媒を減圧膨張して低圧にし、蒸発器６に導入する低段膨張機構５と、を備え、熱源水は、低段内部熱交換器８を経由して蒸発器６に導入される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

熱源水を用いて低圧冷媒を蒸発させる蒸発器と、
低圧冷媒を中間圧に圧縮する低段圧縮機と、
中間圧冷媒を高圧に圧縮する高段圧縮機と、
高圧冷媒を凝縮させ被加熱水を加熱して蒸発させる凝縮器と、
前記凝縮器によって凝縮された高圧冷媒を減圧膨張して前記中間圧にする高段膨張機構と、
前記高段膨張機構から導入された中間圧冷媒を気液分離する気液分離器と、
前記気液分離器の気相側出口から導入された中間圧冷媒を前記低段圧縮機の吐出口と前記高段圧縮機の吸入口との間に導入する中間配管と、
前記気液分離器の液相側出口から導入された中間圧冷媒を過冷却する低段内部熱交換器と、
前記低段内部熱交換器から導入された中間圧冷媒を減圧膨張して低圧にし、前記蒸発器に導入する低段膨張機構と、
を備え、
前記熱源水は、前記低段内部熱交換器を経由して前記蒸発器に導入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2】

前記低段内部熱交換器を経由して前記熱源水を前記蒸発器に導入する第１経路と、
前記低段内部熱交換器をバイパスして前記熱源水を前記蒸発器に導入する第２経路と、
前記第１経路に設けられた第１開閉弁と、
前記第２経路に設けられた第２開閉弁と、
前記第１開閉弁および前記第２開閉弁を制御する制御部と、
を有し、
前記制御部は、起動制御開始時に前記第１開閉弁を閉制御するとともに前記第２開閉弁を開制御し、所定の内部熱交換開始条件が成立した場合、前記第１開閉弁を開制御するとともに前記第２開閉弁を閉制御す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生成装置。

【請求項3】

前記内部熱交換開始条件は、起動時から閾値時間が経過する条件であ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生成装置。

【請求項4】

前記内部熱交換開始条件は、前記低段内部熱交換器の温度が閾値温度以上という条件であ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生成装置。

【請求項5】

前記内部熱交換開始条件は、前記低段内部熱交換器に導入される冷媒の温度が閾値温度以上という条件であ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生成装置。

【請求項6】

前記内部熱交換開始条件は、前記低段圧縮機の吸入口の冷媒過熱度が閾値過熱度以上という条件であ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生成装置。

【請求項7】

前記内部熱交換開始条件は、前記気液分離器の液相側出口温度から前記低段内部熱交換器の熱源水出口温度を引いた温度差分が閾値以上という条件であ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生成装置。

【請求項8】

前記制御部は、停止指令を受信した場合、前記第１開閉弁および前記第２開閉弁を閉制御した状態で前記低段圧縮機および前記高段圧縮機を運転するポンプダウン運転を実施す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生成装置。

【請求項9】

前記第１開閉弁および前記第２開閉弁は、運転停止中に閉であ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生成装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、２段圧縮２段膨張サイクルの低段内部熱交換器の熱交換性能を高くして装置の小型化を図ることができるヒートポンプ式蒸気生成装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ヒートポンプ式蒸気生成装置は、ヒートポンプ部と蒸気生成部とを備えている。ヒートポンプ部では圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器を環状に接続した冷媒循環回路を形成し、蒸発器において外部熱源によって冷媒を蒸発させ、凝縮器において冷媒を凝縮させる。蒸気生成部では凝縮器に供給された被加熱水を冷媒によって加熱して蒸気を生成する。ここで、圧縮機および膨張弁をそれぞれ高段および低段の２段構成にした２段圧縮２段膨張サイクルを採用したヒートポンプ部における気液分離器の下流（低段側）に内部熱交換器を設けて熱効率を向上させるものがある（特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２０－４６０８１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記の特許文献１に記載されたヒートポンプ式蒸気生成装置の内部熱交換器は、気液分離器を出た液冷媒と蒸発器下流のガス冷媒とを熱交換させることにより過冷却度を増加させて熱効率の向上を図っているが、この内部熱交換器は、液冷媒とガス冷媒との熱交換となるため、熱交換性能が低く、装置が大型化し、コストも高くなる。

【0005】

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、２段圧縮２段膨張サイクルの低段内部熱交換器の熱交換性能を高くして装置の小型化を図ることができるヒートポンプ式蒸気生成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】

【0006】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるヒートポンプ式蒸気生成装置は、熱源水を用いて低圧冷媒を蒸発させる蒸発器と、低圧冷媒を中間圧に圧縮する低段圧縮機と、中間圧冷媒を高圧に圧縮する高段圧縮機と、高圧冷媒を凝縮させ被加熱水を加熱して蒸発させる凝縮器と、前記凝縮器によって凝縮された高圧冷媒を減圧膨張して前記中間圧にする高段膨張機構と、前記高段膨張機構から導入された中間圧冷媒を気液分離する気液分離器と、前記気液分離器の気相側出口から導入された中間圧冷媒を前記低段圧縮機の吐出口と前記高段圧縮機の吸入口との間に導入する中間配管と、前記気液分離器の液相側出口から導入された中間圧冷媒を過冷却する低段内部熱交換器と、前記低段内部熱交換器から導入された中間圧冷媒を減圧膨張して低圧にし、前記蒸発器に導入する低段膨張機構と、を備え、前記熱源水は、前記低段内部熱交換器を経由して前記蒸発器に導入されることを特徴とする。

【0007】

また、本発明は、上記の発明において、前記低段内部熱交換器を経由して前記熱源水を前記蒸発器に導入する第１経路と、前記低段内部熱交換器をバイパスして前記熱源水を前記蒸発器に導入する第２経路と、前記第１経路に設けられた第１開閉弁と、前記第２経路に設けられた第２開閉弁と、前記第１開閉弁および前記第２開閉弁を制御する制御部と、を有し、前記制御部は、起動制御開始時に前記第１開閉弁を閉制御するとともに前記第２開閉弁を開制御し、所定の内部熱交換開始条件が成立した場合、前記第１開閉弁を開制御するとともに前記第２開閉弁を閉制御することを特徴とする。

【0008】

また、本発明は、上記の発明において、前記内部熱交換開始条件は、起動時から閾値時間が経過する条件であることを特徴とする。

【0009】

また、本発明は、上記の発明において、前記内部熱交換開始条件は、前記低段内部熱交換器の温度が閾値温度以上という条件であることを特徴とする。

【0010】

また、本発明は、上記の発明において、前記内部熱交換開始条件は、前記低段内部熱交換器に導入される冷媒の温度が閾値温度以上という条件であることを特徴とする。

【0011】

また、本発明は、上記の発明において、前記内部熱交換開始条件は、前記低段圧縮機の吸入口の冷媒過熱度が閾値過熱度以上という条件であることを特徴とする。

【0012】

また、本発明は、上記の発明において、前記内部熱交換開始条件は、前記気液分離器の液相側出口温度から前記低段内部熱交換器の熱源水出口温度を引いた温度差分が閾値以上という条件であることを特徴とする。

【0013】

また、本発明は、上記の発明において、前記制御部は、停止指令を受信した場合、前記第１開閉弁および前記第２開閉弁を閉制御した状態で前記低段圧縮機および前記高段圧縮機を運転するポンプダウン運転を実施することを特徴とする。

【0014】

また、本発明は、上記の発明において、前記第１開閉弁および前記第２開閉弁は、運転停止中に閉であることを特徴とする。

【発明の効果】

【0015】

本発明では、２段圧縮２段膨張サイクルの低段内部熱交換器が液冷媒と熱源水（液）との熱交換を行うようにしているため、熱交換性能が高く、装置の小型化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】図１は、実施形態にかかるヒートポンプ式蒸気生成装置の回路図である。

【図2】図２は、ヒートポンプ部のｐ－ｈ線図である。

【図3】図３は、第１の起動制御手順のフローチャートである。

【図4】図４は、第２の起動制御手順のフローチャートである。

【図5】図５は、第３の起動制御手順のフローチャートである。

【図6】図６は、第４の起動制御手順のフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下に、本発明にかかるヒートポンプ式蒸気生成装置の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

【0018】

図１は、本発明の実施形態であるヒートポンプ式蒸気生成装置１０の回路図である。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排温水などの熱源水から熱を回収し、この熱を蒸気生成部１２における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】

制御部１８は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等の処理装置にプログラムを実行させること、すなわち、ソフトウェアにより実現してもよいし、ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等のハードウェアにより実現してもよいし、ソフトウェア及びハードウェアを併用して実現してもよい。

【0020】

ヒートポンプ部１６は冷媒が循環する回路であり、冷媒の循環する順に、蒸発器６と、低段圧縮機１と、高段圧縮機２と、凝縮器３と、高段膨張弁４と、気液分離器７と、低段膨張弁５とを有する。ヒートポンプ部１６にはさらに低段内部熱交換器８が設けられている。低段内部熱交換器８の高温側流路は気液分離器７の液相側出口と低段膨張弁５の入口との間に介在して中圧冷媒が流れ、低段内部熱交換器８の低温側流路には熱源水が流れる。

【0021】

熱源水は、配管Ｌ１，Ｌ２を介して低段内部熱交換器８に導入され、中圧冷媒を過冷却する。過冷却された中圧冷媒は低段膨張弁５に導入される。低段内部熱交換器８を経由した熱源水は熱交換されて高温となり、配管Ｌ３を介して蒸発器６に導入され、低段膨張弁５によって減圧膨張された低圧冷媒を加熱して膨張させる。ここで、配管Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は第1経路である。第１経路上の分岐点ＰＴ１と合流点ＰＴ２との間には、低段内部熱交換器８をバイパスする配管Ｌ５が設けられる。配管Ｌ５は、第２経路である。分岐点ＰＴ１の下流の配管Ｌ２には第１開閉弁Ｖ１が設けられ、配管Ｌ５には第２開閉弁Ｖ２が設けられる。蒸発器６の高温側流路を経由した熱源水は、配管Ｌ４を介して排出される。

【0022】

第１開閉弁Ｖ１および第２開閉弁Ｖ２はそれぞれ電磁弁であって制御部１８によって個別に開閉制御が行われる。起動時には第１開閉弁Ｖ１が閉、第２開閉弁Ｖ２が開となり、低段内部熱交換器８をバイパスして熱源水が蒸発器６に供給され、定常運転時には第１開閉弁Ｖ１が開、第２開閉弁Ｖ２が閉となり、低段内部熱交換器８を経由して熱源水が蒸発器６に供給されるが、さらに詳細な開閉制御については後述する。図１においては第１開閉弁Ｖ１および第２開閉弁Ｖ２と制御部１８との間の信号線を破線で示し、それ以外の信号線は省略している。なお、図１のヒートポンプ部１６は基本的な構成を示しており、回路中にさらに別の要素が設けられていてもよい。

【0023】

ヒートポンプ部１６はさらに、気液分離器７の気相側出口から導出された中間圧冷媒ＲＭ１を低段圧縮機１と高段圧縮機２との接続配管に合流させる中間配管Ｌ１０を有する。ヒートポンプ部１６は２段圧縮２段膨張サイクルを形成し、気液分離器７および中間配管Ｌ１０を境として図１における下半分が低段回路であり、上半分が高段回路である。

【0024】

蒸発器６は、温水供給部１４の熱源水から吸熱して冷媒を蒸発させて低圧気相冷媒にする。なお、上記のように熱源水は、配管Ｌ１を介して、例えば他のシステムからの排温水が供給される。

【0025】

低段圧縮機１は低圧気相冷媒を圧縮して中圧気相冷媒にする。高段圧縮機２は中圧気相冷媒を圧縮して高圧気相冷媒にする。低段圧縮機１と高段圧縮機２は一体となった２段圧縮型としてもよく、例えば１軸型スクロール圧縮機が適用可能である。低段圧縮機１および高段圧縮機２は制御部１８の作用下に図示しないインバータを介して回転数制御が行われる。凝縮器３は高圧気相冷媒を凝縮させて高圧液相冷媒とするとともに蒸気生成部１２の被加熱水を加熱する。蒸気生成部１２では、水道管や水タンクからの水を給水ポンプによって凝縮器３まで導入し、該凝縮器３で得られた蒸気は外部に供給し利用される。

【0026】

高段膨張弁４は高圧液相冷媒を減圧膨張させて中圧冷媒とする。気液分離器７は中圧冷媒を気液分離する。低段内部熱交換器８は、気液分離器７の液相側出口から導入された中圧冷媒を高温側流路に流すとともに、第１経路を介して熱源水を低温側流路に流して熱交換を行う。中圧冷媒が過冷却される一方、低圧冷媒が過熱されてヒートポンプ式蒸気生成装置１０の熱効率が向上する。低段膨張弁５は、低段内部熱交換器８から導入された冷媒を減圧膨張させて低圧冷媒とし、蒸発器６に導入する。

【0027】

また、ヒートポンプ部１６は、低段圧縮機１の吸入口側における圧力を計測する圧力計２１と、温度を計測する温度計２２とを有する。ヒートポンプ部１６はさらに、温度計３１～３３を有する。温度計３１は低段内部熱交換器８における高温側流路の入口側温度を計測するものである。温度計３２は低段内部熱交換器８の本体温度を計測するものである。温度計３３は低段内部熱交換器８における低温側流路の出口側温度（熱源水出口温度）を計測するものである。これらの各温度計および圧力計は検出信号を制御部１８に供給する。これらの各温度計および圧力計は他の検出手段で代用してもよい。

【0028】

図２は、ヒートポンプ式蒸気生成装置１０におけるヒートポンプ部１６の定常運転時のＰ－Ｈ線図である。定常運転時では上記の第１開閉弁Ｖ１が開、第２開閉弁Ｖ２が閉とする。高段圧縮機２で冷媒循環量ＧＨの高圧冷媒ＲＨを生成して凝縮器３に導入するのは点Ｐ２から点Ｐ３に相当する。高圧冷媒ＲＨが凝縮器３によって放熱凝縮されて冷却されるのは点Ｐ３から点Ｐ４に相当する。高圧冷媒ＲＨが高段膨張弁４で減圧膨張されて中間圧冷媒ＲＭとなるのは点Ｐ４から点Ｐ５に相当する。気液分離器７に導入された中間圧冷媒ＲＭのうち気相で冷媒循環量ＧＭの中間圧冷媒ＲＭ１は、中間配管Ｌ１０を介して高段圧縮機２に導入される。これは点Ｐ５から点Ｐ２に相当する。

【0029】

低段内部熱交換器８が、中間圧冷媒ＲＭのうちの液相で冷媒循環量ＧＬの中間圧冷媒ＲＭ２を過冷却するのは点Ｐ６とＰ７の変化分に相当する。低段内部熱交換器３４により過冷却された中間圧冷媒ＲＭ２は中間圧冷媒ＲＭ３となる。中間圧冷媒ＲＭ３が低段膨張弁５により減圧膨張されて低圧冷媒ＲＬ１となるのは点Ｐ７から点Ｐ８に相当する。蒸発器６が、外部からの熱源水によって低圧冷媒ＲＬ１を加熱して蒸発させた低圧冷媒ＲＬ２を生成するのは点Ｐ８から右方向に延在する等圧線に相当し、点Ｐ１よりもやや左の箇所（点Ｐ６と点Ｐ７との幅だけ左の箇所）まで達し、さらに、低圧冷媒ＲＬ１が蒸発器６で過熱されて低圧冷媒ＲＬ２となって低段圧縮機１に導入される。低圧冷媒ＲＬ２が低段圧縮機１に導入されるのは点Ｐ１に相当する。低段圧縮機１に導入された低圧冷媒ＲＬ２を中間圧まで圧縮するのは点Ｐ１から点Ｐ２に相当する。高段圧縮機２が、低段圧縮機１で圧縮された冷媒循環量ＧＬの中間圧冷媒と中間配管Ｌ１０を介して導入される冷媒循環量ＧＭの中間圧冷媒ＲＭ１とを圧縮して、冷媒循環量ＧＨの高圧冷媒ＲＨを導出するのは点Ｐ２から点Ｐ３に相当する。

【0030】

ヒートポンプ式蒸気生成装置１０では、低段内部熱交換器８による中間圧冷媒ＲＭ２の過冷却により、中間圧冷媒ＲＭ２から熱を吸収した熱源水が加熱され、この加熱された熱源水を用いた蒸発器６が低圧冷媒ＲＬ１を加熱して、より高温の低圧冷媒ＲＬ２となるため、低段圧縮機１に吸入される冷媒の状態を「低」の等温線ＬＴ１上から「高」の等温線ＬＴ２上に遷移することができる。つまり、低圧冷媒ＲＬ２は点Ｐ８´から点Ｐ１に遷移してより高温の低圧冷媒となり、低段内部熱交換器８を用いない場合より高圧力条件下においても一定の過熱度を確保することができる。この結果、低圧冷媒ＲＬ２の圧縮比を低減し、低段圧縮機１の圧縮駆動力を低減することができる。

【0031】

本実施の形態では、低段内部熱交換器８が、気液分離器７の出口冷媒である中間圧冷媒ＲＭ２と、蒸発器６の入口側の熱源水とを熱交換させて中間圧冷媒ＲＭ２を過冷却し、蒸発器６が低段内部熱交換器８により過熱された熱源水を用いて低圧冷媒ＲＬ１を過熱するようにしている。低段内部熱交換器８は、液（中間圧冷媒ＲＭ２）と液（熱源水）との熱交換であるため、特許文献１に記載された液（中間圧冷媒）とガス（低圧冷媒）との熱交換に比べて熱交換性能が向上し、低段内部熱交換器８を小型化することが可能となるともに低コスト化が可能になる。

【0032】

また、後述するように、低段内部熱交換器８を用いる場合における起動時の液バック現象を防止するため、起動時などに低段内部熱交換器８をバイパスさせる制御を行うが、このバイパスに用いる第２開閉弁Ｖ２は、特許文献１と異なり、通常の水配管用の弁が使用可能であるため、安価となる。

【0033】

なお、低段内部熱交換器８は、気液分離器７から導出される中間圧冷媒ＲＭ２を熱源水により過冷却し、加熱された熱源水を蒸発器６の過熱に用いている。この結果、蒸発器６における低圧冷媒ＲＬ１と低圧冷媒ＲＬ２との比エンタルピ差Δｈが大きくなる。比エンタルピ差Δｈが大きくなることで、低段側を流通する冷媒循環量ＧＬを低減することができる。このため、低段圧縮機１の圧縮機動力をさらに低減することができる。

【0034】

ところで、ヒートポンプ式蒸気生成装置１０の起動時にはヒートポンプ部１６の冷媒温度は低くなっていることがあり、低段内部熱交換器８の高温側流路に流れる中間圧冷媒ＲＭ２も比較的低温になっていることがあり得る。また低段内部熱交換器８自体も低温になっていることがある。そのため、低段内部熱交換器８の低温側流路に熱源水を流すと、熱源水が加熱されるのではなく、むしろ冷却されてしまい、状態によっては蒸発器６による過熱が十分ではなく、液バック現象が発生することが考えられる。

【0035】

このため、ヒートポンプ式蒸気生成装置１０では、低段内部熱交換器８への熱源水供給をバイパスする第２経路である配管Ｌ５と、第１開閉弁Ｖ１及び第２開閉弁Ｖ２とが設けられる。そして、熱源水が低段内部熱交換器８を経由する第１経路の第１開閉弁Ｖ１と、熱源水が低段内部熱交換器８をバイパスする第２経路の第２開閉弁Ｖ２とを開閉制御して第１経路と第２経路との切替を行う。したがって、低段内部熱交換器８の高温側流路を流れる中間圧冷媒ＲＭ２が比較的低温になっていると想定される場合、熱源水は低段内部熱交換器８をバイパスし、低圧冷媒ＲＬ２の液化および低段圧縮機１における液圧縮を防止することができる。

【0036】

次に、制御部１８によるヒートポンプ式蒸気生成装置１０の起動制御手順について図３～図６を参照しながら説明する。以下の各起動制御手順では、基本的に制御部１８が起動制御開始時に第１開閉弁Ｖ１を閉制御するとともに第２開閉弁Ｖ２を開制御し、所定の内部熱交換開始条件が成立した場合、第１開閉弁Ｖ１を開制御するとともに第２開閉弁Ｖ２を閉制御する。そして各起動制御手順によって内部熱交換開始条件が異なっている。

【0037】

図３は、第１の起動制御手順のフローチャートである。まず、起動スイッチオンまたはその他の起動トリガによりヒートポンプ式蒸気生成装置１０の運転が開始されると、まずステップＳ１において、第１開閉弁Ｖ１を閉として第１経路を閉鎖するとともに、第２開閉弁Ｖ２を開として第２経路を連通させる。

【0038】

ステップＳ２において、低段圧縮機１および高段圧縮機２を起動し冷媒をヒートポンプ部１６内で循環させる。このとき、低段内部熱交換器８および中間圧冷媒ＲＭ２は比較的低温になっていることがあり得るが、ステップＳ１の処理により第１経路は閉鎖されており、蒸発器６で蒸発した低圧冷媒ＲＬ２は低段圧縮機１に吸入される。つまり、低段内部熱交換器８の低温側流路はバイパスされるため、低圧冷媒ＲＬ１が蒸発器６の過熱不足で液化されることがなく、低段圧縮機１における液圧縮を防止することができる。低段圧縮機１および高段圧縮機２が起動されると、運転にともなってヒートポンプ部１６内を循環する冷媒は次第に温度が上昇し、低段内部熱交換器８の温度も上昇する。

【0039】

ステップＳ３において内部熱交換開始条件の成立判断をする。この場合、低段圧縮機1
および高段圧縮機２の起動から所定の閾値時間が経過したか否かを判断する。起動からの経過時間が閾値時間未満である間は待機し（ステップＳ３：Ｎｏ）、閾値時間以上であればステップＳ４へ移る（ステップＳ３：Ｙｅｓ）。この閾値時間はヒートポンプ部１６の運転にともなって中間圧冷媒ＲＭ２および低段内部熱交換器８が十分に上昇して、蒸発器６おける熱源水との熱交換が適切になされるようになる時間として設定されている。この閾値時間は気温などによって補正してもよい。

【0040】

ステップＳ４において、第１開閉弁Ｖ１を開として第１経路を連通させ、その後ステップＳ５において、第２開閉弁Ｖ２を閉として第２経路を閉鎖する。これにより、低段内部熱交換器８の低温側流路に熱源水が流れ込み、高温側流路の中間圧冷媒ＲＭ２との間で適切な熱交換が行われ、中間圧冷媒ＲＭ２が過冷却されるとともに、熱源水が加熱される。

【0041】

これにより第１の起動制御手順は終了し定常運転となる。この第１の起動制御手順では、起動からの経過時間に基づいて第１開閉弁Ｖ１および第２開閉弁Ｖ２の開閉制御を行っていることから、各部の温度および圧力の判断が不要で簡易な手順となっている。

【0042】

図４は、第２の起動制御手順のフローチャートである。図４におけるステップＳ１１，Ｓ１２，Ｓ１４，Ｓ１５は上記のステップＳ１，Ｓ２，Ｓ４，Ｓ５と同じであり、内部熱交換開始条件の成立判断処理のステップＳ１３だけが上記のステップＳ３と異なる。

【0043】

ステップＳ１３においては、温度計３２により計測された低段内部熱交換器８の温度が所定の閾値温度以上であるか否かを判断する。低段内部熱交換器８の温度が閾値温度未満である間は待機し（ステップＳ１３：Ｎｏ）、閾値温度以上であればステップＳ１４へ移る（ステップＳ１３：Ｙｅｓ）。この閾値温度は、低段内部熱交換器８において中間圧冷媒ＲＭ２と熱源水との熱交換が適切になされるようになる温度として設定されている。

【0044】

この第２の起動制御手順のステップＳ１３では、低段内部熱交換器８の温度に基づいて第１開閉弁Ｖ１および第２開閉弁Ｖ２の開閉制御を行うことから、低段内部熱交換器８が熱交換を行うのに適切な温度となったことを直接的に検知することができ、時間的に過不足ないタイミングでステップＳ１４に移行することができる。なお、この第２の起動制御手順では、温度計３２により計測される低段内部熱交換器８の温度に代えて、温度計３１により計測される中間圧冷媒ＲＭ２の温度に基づいてステップＳ１３の判断処理を行ってもよいし、温度計２２により計測される低圧冷媒ＲＬ２の温度に基づいてステップＳ１３の判断処理を行ってもよい。

【0045】

図５は、第３の起動制御手順のフローチャートである。図５におけるステップＳ２１，Ｓ２２，Ｓ２４，Ｓ２５は上記のステップＳ１，Ｓ２，Ｓ４，Ｓ５と同じであり、内部熱交換開始条件の成立判断処理のステップＳ２３だけが上記のステップＳ３と異なる。

【0046】

ステップＳ２３においては、圧力計２１により計測された圧力と、温度計２２により計測された温度とから、低段圧縮機１の吸入口における低圧冷媒ＲＬ２の過熱度を求め、該過熱度が所定の閾値過熱度以上であるか否かを判断する。過熱度が閾値過熱度未満である間は待機し（ステップＳ２３：Ｎｏ）、閾値過熱度以上であればステップＳ２４へ移る（ステップＳ２３：Ｙｅｓ）。この閾値過熱度は、低圧冷媒ＲＬ１が所定温度にまで上昇していると想定される値に設定されている。

【0047】

この第３の起動制御手順のステップＳ２３では、低段圧縮機１の吸入口の過熱度が適度に大きくなっていることから、低圧冷媒ＲＬ１の温度についてもある程度上昇していることが想定され、蒸発器６による冷媒の液化が防止できる。また、圧力計２１および温度計２２は、ヒートポンプ部１６全体の熱出力を算出するなどの用途にも兼用して用いることができ、合理的である。

【0048】

図６は、第４の起動制御手順のフローチャートである。図６におけるステップＳ３１，Ｓ３２，Ｓ３４，Ｓ３５は上記のステップＳ１，Ｓ２，Ｓ４，Ｓ５と同じであり、内部熱交換開始条件の成立判断処理のステップＳ３３だけが上記のステップＳ３と異なる。

【0049】

ステップＳ３３においては、気液分離器３０の液相側出口温度（換言すれば、中間圧冷媒ＲＭ２の温度または低段内部熱交換器８の高温側流路の入口温度）と低段内部熱交換器８の熱源水出口温度（換言すれば、低段内部熱交換器８の熱源水の温度または低段内部熱交換器８の低温側流路の出口温度）とを比較する。気液分離器７の液相側出口温度は温度計３１により計測され、低段内部熱交換器８の熱源水出口温度は温度計３３により計測される。そして、気液分離器７の液相側出口温度が低段内部熱交換器８の熱源水出口温度以上であるか否かを判断する。前者温度が後者温度未満である間は待機し（ステップＳ３３：Ｎｏ）、前者温度が後者温度以上であればステップＳ３４へ移る（ステップＳ３３：Ｙｅｓ）。なお、気液分離器７の液相側出口温度から低段内部熱交換器８の熱源水出口温度を引いた温度差分を監視し、この温度差分が閾値温度差以上であるかを監視してもよい。上述の制御は閾値温度差をゼロと設定した場合の挙動と等しい。

【0050】

この第４の起動制御手順のステップＳ３３では、気液分離器７の液相側出口温度が低段内部熱交換器８の熱源水出口温度以上であることが確認されることから、低段内部熱交換器８において高温側流路の方が低温側流路よりも高温であることが担保され、蒸発器６で低圧冷媒ＲＬ２が液化されることを防止できる。

【0051】

なお、上記のステップＳ３，Ｓ１３，Ｓ２３，Ｓ３３の内部熱交換開始条件の成立判断処理において、条件によっては、中間圧冷媒ＲＭ２および低段内部熱交換器８がやや低温であっても、低圧冷媒ＲＬ２が液化しなければ次のステップＳ４，Ｓ１４，Ｓ２４，Ｓ３４に移るように各閾値を設定してもよい。

【0052】

ステップＳ３，Ｓ１３，Ｓ２３，Ｓ３３の条件判断の成立後、次のステップＳ４，Ｓ１４，Ｓ２４，Ｓ３４に移るまでに余裕をみて多少の待ち時間を設けてもよい。ステップＳ３，Ｓ１３，Ｓ２３，Ｓ３３の判断処理はこのうち２以上をＡＮＤ条件またはＯＲ条件で組み合わせてもよい。

【0053】

また、通常運転中に何らかの理由により中間圧冷媒ＲＭ２や低段内部熱交換器３４の温度が下がりまたは低段圧縮機２２の吸入口の過熱度が低下した場合などには、一旦第１開閉弁Ｖ１を閉、第２開閉弁Ｖ２を開とした状態で運転を続行し、その後に上記の起動制御手順を再実行してもよい。制御部１８は、停止指令を受信してヒートポンプ式蒸気生成装置１０の運転を停止させる時には、低段圧縮機１および高段圧縮機２を停止させた後に第１開閉弁Ｖ１および第２開閉弁Ｖ２の両方を閉にしておくとよい。第１開閉弁Ｖ１および第２開閉弁Ｖ２を運転停止中に閉としておくには、例えば制御部１８の制御によらずそれぞれノーマルクローズ型としておけばよい。

【0054】

また、運転を停止させる時に第１開閉弁Ｖ１および第２開閉弁Ｖ２の両方を閉にした状態で低段圧縮機１および高段圧縮機２を運転させるポンプダウン運転を実施した後に低段圧縮機１および高段圧縮機２を停止してもよい。これにより、停止前に蒸発器６側の冷媒が排出され、再起動時の液圧縮を防止することができる。

【0055】

また、第１開閉弁Ｖ１は低段内部熱交換器８に流入する熱源水を制御できればよく、第１経路内であれば低段内部熱交換器８の下流側に設けてもよい。

【0056】

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】

【0057】

１ 低段圧縮機
２ 高段圧縮機
３ 凝縮器
４ 高段膨張弁（高段膨張機構）
５ 低段膨張弁（低段膨張機構）
６ 蒸発器
７ 気液分離器
８ 低段内部熱交換器
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
２１ 圧力計
２２，３１～３３ 温度計
Ｌ１～Ｌ５ 配管
Ｌ１０ 中間配管
ＰＴ１ 分岐点
ＰＴ２ 合流点
ＲＨ 高圧冷媒
ＲＬ１，ＲＬ２ 低圧冷媒
ＲＭ，ＲＭ１，ＲＭ２，ＲＭ３ 中間圧冷媒
Ｖ１ 第１開閉弁
Ｖ２ 第２開閉弁

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】