JP2009063266A - 蒸気生成システム及び蒸気生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー効率の高い蒸気生成システムを提供する。
【解決手段】蒸気生成システムは、第１流体が流れる第１ユニット（１０）と、第２流体が流れる第２ユニット（２０）であり、前記第２流体又は前記第２流体からの熱を受けた第３流体が蒸発する前記第２ユニットと、前記第１流体からの熱を少なくとも一時的に蓄える蓄熱部材（１０１）を有し、前記蓄熱部材からの熱が前記第２流体に伝わる蓄熱ユニット（１００）と、前記蓄熱ユニットとは別に設けられ、前記第１流体からの熱が前記第２流体に伝わる熱交換ユニット（４２）と、前記蓄熱ユニット及び前記熱交換ユニットの少なくとも一方における前記第１流体の流量を制御する制御ユニット（１５０）と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、蒸気生成システム及び蒸気生成方法に関する。

蒸気生成システムとしては、ボイラで燃料を燃焼させて被加熱流体を加熱する構成が一般的に知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平６−２４９４５０号公報

ボイラのエネルギー効率は一般に約０．８（８０％）である。環境問題に対する意識の高まりとともに、蒸気生成システムに関して、より一層のエネルギー効率の向上が望まれている。

本発明は、エネルギー効率の高い蒸気生成システム及びその方法を提供することを目的とする。

本発明の第１態様に従えば、第１流体が流れる第１ユニットと、第２流体が流れる第２ユニットであり、前記第２流体又は前記第２流体からの熱を受けた第３流体が蒸発する前記第２ユニットと、前記第１流体からの熱を少なくとも一時的に蓄える蓄熱部材を有し、前記蓄熱部材からの熱が前記第２流体に伝わる蓄熱ユニットと、前記蓄熱ユニットとは別に設けられ、前記第１流体からの熱が前記第２流体に伝わる熱交換ユニットと、前記蓄熱ユニット及び前記熱交換ユニットの少なくとも一方における前記第１流体の流量を制御する制御ユニットと、を備える蒸気生成システムが提供される。

本発明の第２態様に従えば、ヒートポンプから伝達された熱を蓄熱ユニットに蓄える工程と、前記蓄熱ユニットから伝達された熱によって流体を蒸発させる工程と、前記ヒートポンプから直接的に伝達された熱によって前記流体を蒸発させる工程と、前記ヒートポンプの吸熱部に供給される熱量と、蒸気需要と、前記蓄熱ユニットにおける蓄熱状態との少なくとも１つに基づいて、前記ヒートポンプから前記蓄熱ユニットへの熱伝達と、前記蓄熱ユニットから前記流体への熱伝達と、前記ヒートポンプから前記流体への熱伝達との少なくとも１つを制御する工程と、を備える蒸気生成方法が提供される。

本発明の第３態様に従えば、ヒートポンプから伝達された熱によって流体を蒸発させる工程と、第１装置から伝達された熱を蓄熱ユニットに蓄える工程と、前記蓄熱ユニットから伝達された熱を前記ヒートポンプの吸熱部に供給する工程と、前記第１装置から直接的に伝達された熱を前記ヒートポンプの前記吸熱部に供給する工程と、前記ヒートポンプの前記吸熱部に供給される熱量と、蒸気需要と、前記蓄熱ユニットにおける蓄熱状態との少なくとも１つに基づいて、前記ヒートポンプから前記流体への熱伝達と、前記第１装置から前記蓄熱ユニットへの熱伝達と、前記蓄熱ユニットから前記吸熱部への熱伝達と、前記第１装置から前記吸熱部への熱伝達との少なくとも１つを制御する工程と、を備える蒸気生成方法が提供される。

第１、第２、及び第３態様によれば、ヒートポンプを用いることにより、ボイラに比べて高いエネルギー効率が得られる。また、直接的な熱伝達と蓄熱部材を介した熱伝達とを適宜使うことにより、熱効率及び制御性の向上が達成される。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、第１実施形態にかかる蒸気生成システムＳ１を示す概略図である。図１において、蒸気生成システムＳ１は、作動流体（作動媒体、第１流体）が流れるヒートポンプ１０（第１ユニット）と、被加熱流体（被加熱媒体、第２流体）の供給経路２０（第２ユニット）と、圧縮機３０と、制御装置７０とを備える。本実施形態において、被加熱流体は水である。制御装置７０は、システム全体を統括的に制御する。蒸気生成システムＳ１の構成は、蒸気生成システムＳ１の設計要求に応じて様々に変更可能である。

ヒートポンプ１０は、蒸発、圧縮、凝縮、及び膨張の各工程からなるサイクルにより、低温の物体から熱を汲み上げ、高温の物体に熱を与える装置である。ヒートポンプは一般に、エネルギー効率が比較的高く、結果として、二酸化炭素等の排出量が比較的少ないという利点を有する。

本実施形態において、ヒートポンプ１０は、吸熱部１１、圧縮部１２、放熱部（第１放熱部１３Ａ、第２放熱部１３Ｂ、第３放熱部１３Ｃ）、及び膨張部１４を有し、これらは導管（conduit）を介して接続されている。

吸熱部１１では、主経路１５内を流れる作動流体がサイクル外の熱源の熱を吸収する。本実施形態において、ヒートポンプ１０の吸熱部１１は、冷熱供給装置９０の放熱管９１に熱的に接続されている。冷熱供給装置９０において、放熱管９１を流れる媒体（冷媒など）の熱（温排熱）がヒートポンプ１０の吸熱部１１に吸収される。冷却された媒体が冷熱供給装置９０から所定の設備に供給される。ヒートポンプ１０の吸熱部１１が大気など他の熱源の熱を吸収する構成とすることもできる。

圧縮部１２は、圧縮機等によって作動流体を圧縮する。この際、通常、作動流体の温度が上がる。圧縮部１２は、作動流体を単段又は複数段に圧縮する構造を有する。圧縮の段数は、蒸気生成システムＳ１の仕様に応じて設定され、１、２、３、４、５、６、７、８、９、あるいは１０以上である。圧縮部１２は、軸流圧縮機、遠心圧縮機、レシプロ式圧縮機、ロータリー式圧縮機などの様々な圧縮機のうち、作動流体の圧縮に適するものが適用される。圧縮機には動力が供給される。圧縮部１２の圧縮比（圧力比）は、蒸気生成システムＳ１の仕様に応じて設定される。

放熱部１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃは、圧縮部１２で圧縮された作動流体が流れる導管を有し、主経路１５内を流れる作動流体の熱をサイクル外の熱源に与える。本実施形態において、作動流体の流れ方向に沿って、２つの放熱部１３Ａ及び１３Ｂが並列に配置され、放熱部１３Ａ及び１３Ｂの下流に放熱部１３Ｃが配置されている。放熱部の数は、蒸気生成システムＳ１の仕様に応じて設定され、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、あるいは１１以上である。

膨張部１４は、減圧弁またはタービン等によって作動流体を膨張させる。この際、通常、作動流体の温度が下がる。タービンを使用した場合には膨張部１４から動力を取り出すことができ、その動力を例えば圧縮部１２に供給してもよい。ヒートポンプ１０に使用される作動流体として、フロン系媒体（HFC 245faなど）、アンモニア、水、二酸化炭素、空気などの公知の様々な熱媒体が、蒸気生成システムＳ１の仕様及び熱バランスなどに応じて用いられる。

本実施形態において、ヒートポンプ１０はさらに、バイパス経路１７と、再生器１８とを有する。バイパス経路１７の入口端がヒートポンプ１０の主経路１５における放熱部１３Ａ，１３Ｂと第３放熱部１３Ｃとの間の導管に流体的に接続される。バイパス経路１７の出口端が主経路１５における第３放熱部１３Ｃと膨張部１４との間の導管に流体的に接続される。バイパス経路１７の入口に、作動流体のバイパス流量を制御する流量制御弁を設けることができる。バイパス経路１７において、第１及び第２放熱部１３Ａ，１３Ｂからの作動流体の一部が、第３放熱部１３Ｃを迂回し、膨張部１４の手前で第３放熱部１３Ｃからの作動流体と合流する。第１及び第２放熱部１３Ａ，１３Ｂからの残りの作動流体は、第３放熱部１３Ｃを流れ、第１熱交換器４１においてその作動流体と供給経路２０内の水とが熱交換する。

再生器１８は、バイパス経路１７の導管の一部と、ヒートポンプ１０の主経路１５の導管（吸熱部１１と圧縮部１２との間の導管）の一部とが熱的に接続された構成を有する。例えば、両導管が互いに接触あるいは隣接して配置される。ヒートポンプ１０において、吸熱部１１からの作動流体に比べて、第１及び第２放熱部１３Ａ，１３Ｂからの作動流体は高温である。再生器１８において、バイパス経路１７を流れる第１及び第２放熱部１３Ａ，１３Ｂからの作動流体と、ヒートポンプ１０の主経路１５を流れる吸熱部１１からの作動流体とが熱交換する。この熱交換により、バイパス経路１７内の作動流体の温度が降下し、主経路１５内の作動流体の温度が上昇する。再生器１８は、低温の流体（主経路１５内の作動流体）と高温の流体（バイパス経路１７内の作動流体）とが対向して流れる向流型の熱交換方式を有することができる。あるいは、再生器１８は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換方式を有してもよい。

供給経路２０は、加温部２１と、蒸発部２２と、蒸発部２２と圧縮機３０とを流体的に接続するダクト２３とを有する。

加温部２１は、ヒートポンプ１０の第３放熱部１３Ｃに熱的に接続されかつ供給源（不図示）からの水が流れる導管を含む。加温部２１と第３放熱部１３Ｃとを含んで第１熱交換器４１が構成される。第１熱交換器４１は、低温の流体（供給経路２０内の水）と高温の流体（ヒートポンプ１０内の作動流体）とが対向して流れる向流型の熱交換方式を有することができる。あるいは、第１熱交換器４１は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換方式を有してもよい。本実施形態において、第１熱交換器４１の熱交換構造として、公知の様々なものを採用することができる。加温部２１の導管と第３放熱部１３Ｃの導管とは互いに接触あるいは隣接して配置される。例えば、第３放熱部１３Ｃの導管を、加温部２１の導管の外周面や内部に配設することができる。加温部２１において、ヒートポンプ１０の第３放熱部１３Ｃからの伝達熱によって、供給経路２０内の水が温度上昇する。

蒸発部２２は、少なくとも液状の被加熱流体（水）を貯溜するタンク４７と、タンク４７に流体的に接続された循環導管（第１循環導管４８Ａ、第２循環導管４８Ｂ）とを有する。加温部２１（又は脱気槽）とタンク４７との間には、必要に応じて脱気槽（不図示）と、流体駆動部（不図示）とが配置される。タンク４７には、加温部２１からの水の供給口と、蒸気の排出口とが設けられる。タンク４７は、必要に応じて、液面を計測するレベルセンサ５０と、気液分離器（不図示）とを有する。

本実施形態において、１つのタンク４７に対して各循環導管４８Ａ，４８Ｂが流体的に接続されている。すなわち、循環導管４８Ａ及び４８Ｂの各入口端と各出口端とがタンク４７に流体的に接続される。循環導管の数は、蒸気生成システムＳ１の仕様に応じて設定され、２、３、４、５、６、７、８、９、あるいは１０以上である。第１循環導管４８Ａは、ヒートポンプ１０の第１放熱部１３Ａに熱的に接続される蒸発管５１Ａ（第１導管）と、ポンプ５２Ａと、必要に応じてバルブ５３Ａとを有する。同様に、第２循環導管４８Ｂは、ヒートポンプ１０の第２放熱部１３Ｂに熱的に接続される蒸発管５１Ｂ（第２導管）と、ポンプ５２Ｂと、必要に応じてバルブ５３Ｂとを有する。バルブ５３Ａ，５３Ｂは、例えばレギュレータ、流量制御弁、又は開閉バルブである。本実施形態において、蒸発管５１Ａ及び５１Ｂは、個々に独立してタンク４７に流体的に接続される。また、蒸発管５１ＡＡ及び５１Ｂは、タンク４７及び供給経路２０に対して並列に配置される。被加熱流体（水）の熱対流及び／又は外部との差圧などを利用してポンプ５２Ａ及び５２Ｂの少なくとも１つを省いてもよい。

本実施形態において、蒸発管５１Ａ（第１導管）及び第１放熱部１３Ａは、蓄熱ユニット１００に配置されている。蓄熱ユニット１００は、ヒートポンプ１０の第１放熱部１３Ａに熱的に接続され、ヒートポンプ１０の第１放熱部１３Ａを流れる作動流体から伝わる熱を蓄える蓄熱部材１０１を有する。また、蓄熱ユニット１００は、蒸発部２２の蒸発管５１Ａに熱的に接続され、蓄熱部材１０１の熱は蒸発管５１Ａを流れる水に伝わる。蒸気生成システムＳ１の仕様に応じて、蓄熱部材１０１の材料特性が定められる。本実施形態において、蓄熱部材１０１は、液体−固体の相変化を伴って蓄熱及び放熱する潜熱蓄熱材(PCM: Phase Change Material）を含む。蓄熱部材１０１は、融解する際に熱を蓄え、凝固するときに放熱する。潜熱蓄熱材の融点が、蒸発管５１Ａ内の水の蒸発温度と同程度以上であるのが望ましい。潜熱蓄熱材の融点は、蒸気生成システムＳ１の仕様に応じて設定され、例えば、約６０℃〜約７０℃、約７０℃〜約８０℃、約８０℃〜約９０℃、約９０℃〜約１００℃、約１００℃〜約１１０℃、約１１０℃〜約１２０℃、約１２０℃〜約１３０℃、約１３０℃〜約１４０℃、約１４０℃〜約１５０℃、又は１５０℃以上である。潜熱蓄熱材としては、例えば、エリスリトール、アルカン類等の炭化水素、ワックス系（パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス等）、酢酸ナトリウム、酢酸ナトリウム三水塩、又は無機水和塩等を主成分とする材料等が挙げられる。例えば、エリスリトールは、融点が約１１７℃〜約１２０℃であり、単位質量当たりの蓄熱量（蓄熱効率）が比較的高い。アルカン類は、目標の融点となるように、側鎖の水素を水酸基に置換した物質を構築するなどにより、分子の大きさを適宜調節することができる。潜熱蓄熱材は、相変化に伴う体積変化が小さく（すなわち、蓄積エネルギー密度が高い）、装置のコンパクト化に有利である。RUBITHRM 社製の RUBITHERM RTシリーズ（登録商標）、ENVIRONMENTAL PROCESS SYSTEMS 社製の PULSE ICE Eシリーズ（登録商標）、三菱化学エンジニアリング社製の STL シリーズ（登録商標）などがある。蓄熱部材１０１として、顕熱蓄熱材、化学反応蓄熱材、超臨界流体を用いた蓄熱材等の他の材料を用いてもよい
。熱移動促進のために、蓄熱部材１０１が熱伝導物質を含んでもよい。蓄熱ユニット１００に配置される導管にはフィンが必要に応じて設けられる。導管の形状、配列、材質などは任意に設定可能である。蓄熱ユニット１００及び第２熱交換器４２には、断熱材が必要に応じて配置される。

本実施形態において、蒸発管５１Ｂ（第２導管）と第２放熱部１３Ｂとを含んで第２熱交換器４２（熱交換ユニット）が構成される。すなわち、第２熱交換器４２において、ヒートポンプ１０の第２放熱部１３Ｂと蒸発部２２の蒸発管５１Ｂとが熱的に接続される。第２放熱部１３Ｂを流れる作動流体からの熱が蒸発管５１Ｂを流れる水に伝わる。第２熱交換器４２は、低温の流体（蒸発管５１Ｂ内の水）と高温の流体（ヒートポンプ１０内の作動流体）とが対向して流れる向流型の熱交換方式を有することができる。あるいは、第２熱交換器４２は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換方式を有してもよい。第２熱交換器４２の熱交換構造として、公知の様々なものを採用することができる。ヒートポンプ１０の放熱部１３Ｂの導管と、蒸発管５１Ｂとは互いに接触あるいは隣接して配置される。例えば、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ｂの導管を、蒸発管５１Ｂの外周面や内部に配設することができる。

本実施形態において、第２熱交換器４２は、蓄熱ユニット１００とは別に設けられる。第２熱交換器４２は、例えば蓄熱ユニット１００に隣接して配置される。第２熱交換器４２が蓄熱ユニット１００から離れていてもよく、第２熱交換器４２の一部が蓄熱ユニット１００に接触してもよい。蓄熱ユニット１００の一部の構成要素を第２熱交換器４２が共有してもよい。

本実施形態において、蓄熱ユニット１００を流れる作動流体の流量、及び第２熱交換器４２を流れる作動流体の流量が制御ユニット１５０によって制御される。制御ユニット１５０は、分岐導管１５２、１５４、バルブ１５６、１５８、及び制御装置７０を含む。バルブ１５６は分岐導管１５２上に配置される。バルブ１５８は、分岐導管１５４上に配置される。バルブ１５６、１５８は、例えばレギュレータ、流量制御弁、又は開閉バルブである。本実施形態において、バルブ１５６が開のとき、圧縮部１２からの作動流体が分岐導管１５２及び第１放熱部１３Ａを流れる。バルブ１５８が開のとき、圧縮部１２からの作動流体が分岐導管１５４及び第２放熱部１３Ｂを流れる。バルブ１５６及び１５８がともに開のとき、分岐導管１５２（放熱部１３Ａ）及び分岐導管１５４（放熱部１３Ｂ）のそれぞれを作動流体が流れる。制御ユニット１５０は、必要に応じてその流量を細かく制御してもよい。圧縮部１２からの作動流体を蓄熱ユニット１００及び第２熱交換器４２に流す形態は図１に示す基本的構成に限定されず、様々な形態が適用可能である。バルブ１５６の機能とバルブ１５８の機能とを併せ持つ一体型のバルブを採用してもよい。圧縮部１２からの作動流体を蓄熱ユニット１００及び第２熱交換器４２に対してバイパスする経路を設けてもよい。

蒸発部２２において、加温部２１で温度上昇した水が供給口を介してタンク４７に供給され、タンク４７及び循環導管４８Ａ，４８Ｂ内に水が貯溜される。タンク４７内の液面が所定範囲内になるように、タンク４７への水の供給量が制御される。例えば、レベルセンサ５０の計測結果に基づいて、タンク４７への水の供給量が制御される。ヒートポンプ１０の第３放熱部１３Ｃ及び蓄熱部材１０１からの伝達熱によって蒸発管５１Ａ内の水が加熱される。あるいは、ヒートポンプ１０の第３放熱部１３Ｃ及び第２放熱部１３Ｂからの伝達熱によって蒸発管５１Ｂ内の水が加熱される。熱を受けた蒸発管５１Ａ及び５１Ｂ内の水は、少なくとも一部が蒸発する。タンク４７は、ダクト２３を介して圧縮機３０に流体的に接続されている。タンク４７の内部空間は、タンク４７の排出口及びダクト２３を介して圧縮機３０によって吸引される。タンク４７内の蒸気は、ダクト２３内を圧縮機３０に向けて流れる。

圧縮機３０は、供給経路２０上に配設され、その配設位置はタンク４７に対して下流である。圧縮機３０としては、軸流圧縮機、遠心圧縮機、レシプロ式圧縮機、ロータリー式圧縮機などの様々な圧縮機が適用され、蒸気圧縮に適するものが用いられる。圧縮機３０は、タンク４７からの蒸気を圧縮し、昇圧した蒸気を下流に流す。

圧縮機３０及び／又は供給経路２０には、蒸気に対して水を供給するノズル３５が、必要に応じて配設される。ノズル３５の配設位置は、例えば、圧縮機３０の入口及び／又は出口である。圧縮機３０が多段式である場合には、ノズル３５を圧縮機３０の段間に配設することができる。本実施形態において、圧縮機３０は、第１圧縮部３０Ａ及び第２圧縮部３０Ｂを含む２段圧縮構造を有する。圧縮機３０の多段圧縮構造は、後述する蒸気の高温・高圧化に有利である。圧縮機３０は、各圧縮部３０Ａ，３０Ｂに対応する回転数が個々に制御される多軸圧縮構造を有することができる。あるいは、圧縮機３０は、同軸圧縮構造を有することができる。各圧縮部３０Ａ及び３０Ｂの圧縮比（圧力比）は、蒸気生成システムＳ１の仕様に応じて設定される。本実施形態において、各段間にノズル３５が配設される。ノズル３５とタンク４７の液相位置とが導管３６を介して流体的に接続することができる。この導管構成では、比較的高温であるタンク４７内の液体がノズル３５への供給に有効利用される。ノズル３５からの液体の排出（スプレイ）には、ポンプ３７などの動力源を用いてもよく、導管３６の入口と出口との圧力差を利用してもよい。

本実施形態において、圧縮機３０による吸引作用により、供給経路２０におけるヒートポンプ１０による加熱部位での内部空間、すなわちタンク４７の内部空間が減圧される。タンク４７の内部圧力が大気圧に比べて低い負圧（陰圧）となるように、供給経路２０上の制御弁（流量制御弁など。不図示）や圧縮機３０が制御される。この制御は、例えば、タンク４７の内部圧力を計測するセンサ（不図示）の計測結果に基づいて行われる。

また、タンク４７及びヒートポンプ１０は、タンク４７の内部空間が負圧状態において、水が蒸発するように設計（容量設計、能力設計など）されている。ヒートポンプ１０の成績係数は、被加熱流体（水）の入力温度と出力温度との差に応じて変化し、その温度差が過度に大きいと成績係数（ＣＯＰ）が低下する場合がある。タンク４７の内部空間が負圧状態であるという条件により、加熱温度領域（入出力温度差）を比較的狭く設定し、高いＣＯＰでのヒートポンプ１０の使用が可能である。例えば、水の入力温度は約２０℃であり、蒸発部２２からの水の出力温度は約７０℃〜約９５℃である。

次に、蒸気生成システムＳ１の基本的な動作について説明する。

図１に示すように、まず、第１熱交換器４１（加温部２１）において、供給経路２０内の水がヒートポンプ１０の第３放熱部１３Ｃからの伝達熱によって沸点近くまで温度上昇する。その後、蓄熱ユニット１００及び／又は第２熱交換器４２において、第２放熱部１３Ｂ及び／又は蓄熱部材１０１からの伝達熱によってその水が相変化して蒸発する。つまり、水の顕熱加熱が主に第１熱交換器４１（加温部２１）において行われ、水の潜熱加熱が主に蓄熱ユニット１００及び／又は第２熱交換器４２において行われる。第１熱交換器４１が顕熱交換に適した形態であり、第２熱交換器４２及び蓄熱ユニット１００が潜熱交換に適した形態であるといった、装置構成の最適化が図られ、これに応じて、好ましい加熱プロセスを経て蒸気が生成される。

ボイラのエネルギー効率が一般に約０．７〜０．８（７０〜８０％）であるのに対して、ヒートポンプのエネルギー効率としての成績係数（ＣＯＰ：coefficient of performance）は一般に２．５〜５．０である。ヒートポンプの成績係数は、被加熱流体（水）の入出力温度差に応じて変化し、比較的高い入出力温度差においてその成績係数が低下する傾向がある。本実施形態において、顕熱交換及び潜熱交換に対応してヒートポンプが個別の加熱部を有することにより、入出力温度差を抑え、ボイラに比べて高いエネルギー効率で蒸気を発生させることができる。

また、本実施形態において、供給経路２０内の水が、ヒートポンプ１０（放熱部１３Ａ、１３Ｂ）及び／又は蓄熱ユニット１００からの熱伝達によって比較的低圧力かつ低温度の蒸気となり、圧縮機３０による圧縮で比較的高圧力かつ高温度の蒸気となる。すなわち、ヒートポンプ１０及び／又は蓄熱ユニット１００で加熱された水が、圧縮機３０による圧縮によってさらに加熱され、これにより、例えば１００℃以上の高温蒸気が発生する。蒸気生成システムＳ１からの蒸気は、外部の所定施設、例えば製造プラント、調理施設、空調設備、発電プラントなどに供給される。

次に、蒸気生成システムＳ１の運転方法について図１及び図２を参照して説明する。図２は、その運転方法を示す表である。ここで、図２において、「温排熱」は冷熱供給装置９０からヒートポンプ１０の吸熱部１１に供給される熱を示す。「直接熱交」は第２熱交換器４２（熱交換ユニット）を示す。「蓄熱」は蓄熱ユニット１００、又は蓄熱ユニット１００における蓄熱プロセスを示す。「放熱」は蓄熱ユニット１００における放熱プロセスを示す。「蒸気生成部」は蒸発部２２及び圧縮機３０等を含む供給経路２０を示す。

図２の表に示すように、制御装置７０は、少なくとも、温排熱の有無、蒸気需要の有無、及び蓄熱ユニット１００の蓄熱状態に基づいて、蒸気生成システムＳ１の運転状態を変化させる。制御装置７０は、システムを統括的に制御する。

＜第１モード＞
第１モードでは、温排熱及び蒸気需要が有り、蓄熱ユニット１００の蓄熱が満杯（full）である。このとき、少なくともヒートポンプ１０と蒸気生成部（蒸発部２２及び圧縮機３０等を含む供給経路２０）との間の直接的な熱交換によって、蒸気が生成される。すなわち、ヒートポンプ１０が稼動し、第２熱交換器４２（「直接熱交」）が稼動し、蒸気生成部が稼動する。また、制御ユニット１５０のバルブ１５８がオープンされ、ヒートポンプ１０の圧縮部１２からの作動流体が第２放熱部１３Ｂを流れる。また、第２循環導管４８Ｂのポンプ５２Ｂ、圧縮機３０、及びポンプ３７等が駆動され、第２循環導管４８Ｂのバルブ５３Ｂがオープンされる。タンク４７内の温水が第２循環導管４８Ｂを通って循環する。圧縮機３０の吸引作用により、蒸発部２２の内部空間が減圧されるとともに、第２熱交換器４２において、ヒートポンプ１０の第２放熱部１３Ｂを流れる作動流体からの伝達熱によって蒸発部２２の蒸発管５１Ｂを流れる温水が加熱される。その結果、供給経路２０内の水が比較的低圧力かつ低温度の蒸気となり、その後、圧縮機３０による圧縮で比較的高圧力かつ高温度の蒸気となる。

また、第１モードにおいて、上記の直接的熱交換のための温排熱が十分ある場合、通常、蓄熱ユニット１００を用いた蒸気生成は停止される。直接的熱交換の温排熱が十分でない場合には、蓄熱ユニット１００を併用することもできる。また、温排熱が十分ある場合でも、電気料金が比較的高い時間帯（例えば昼間）において、電気コスト、蓄熱量、蒸気消費量予測等を考慮してメリットがある場合には、蓄熱ユニット１００を用いた蒸気生成（蓄熱ユニット１００の放熱）を行うことができる。

蓄熱ユニット１００を用いた蒸気生成（蓄熱ユニット１００の放熱）では、少なくとも蒸気生成部（蒸発部２２及び圧縮機３０等を含む供給経路２０）が稼動する。また、第１循環導管４８Ａのポンプ５２Ａ、圧縮機３０、及びポンプ３７等が駆動され、第１循環導管４８Ａのバルブ５３Ａがオープンされる。タンク４７内の温水が第１循環導管４８Ａを通って循環する。圧縮機３０の吸引作用により、蒸発部２２の内部空間が減圧されるとともに、蓄熱ユニット１００の蓄熱部材１０１からの伝達熱によって蒸発部２２の蒸発管５１Ａを流れる温水が加熱される。その結果、供給経路２０内の水が比較的低圧力かつ低温度の蒸気となり、その後、圧縮機３０による圧縮で比較的高圧力かつ高温度の蒸気となる。

＜第２モード＞
第２モードでは、温排熱及び蒸気需要が有り、蓄熱ユニット１００の蓄熱が不足である。このとき、第１モードと同様に、少なくともヒートポンプ１０と蒸気生成部（蒸発部２２及び圧縮機３０等を含む供給経路２０）との間の直接的な熱交換によって、蒸気が生成される。

また、第２モードにおいて、上記の直接的熱交換のための温排熱に余裕がある場合、蓄熱ユニット１００における蓄熱が実行される。例えば、第１放熱部１３Ａによって蓄熱部材１０１が加熱され、蓄熱部材１０１が固相から液相に変化する。蓄熱ユニット１００において、蓄熱部材１０１の液状化に伴い、蓄熱部材１０１の融解潜熱が蓄えられる。この蓄熱は、電気料金が比較的低い時間帯（例えば夜間）において積極的に実行される。電気料金が比較的高い時間帯（例えば昼間）においては、電気コスト、蓄熱量、蒸気消費量予測等を考慮して必要に応じて蓄熱が実行される。

蓄熱プロセスにおいて、蒸発管５１Ａ内に水が存在してもしなくてもよい。蒸発部２２内の水の沸騰を防ぐ処置が必要に応じてなされる。例えば、第１循環導管４８Ａのバルブ５３Ａがクローズされる。ポンプ５２Ａを駆動して、第１循環導管４８Ａの内部に所定の圧力を与えてもよい。バルブ５３Ａが圧力調整機能を有する場合、第１循環導管４８Ａの内部を所定の圧力に設定することが可能である。蒸発管５１Ａの内部圧力が上昇することにより、水の蒸発が抑えられる。

また、第２モードにおいて、上記の直接的熱交換のための温排熱が十分ありかつ余裕はない場合、通常、蓄熱ユニット１００を用いた蒸気生成は停止される。直接的熱交換の温排熱が十分でない場合には、蓄熱ユニット１００を併用することもできる。また、温排熱が十分ある場合でも、電気料金が比較的高い時間帯（例えば昼間）において、電気コスト、蓄熱量、蒸気消費量予測等を考慮して必要に応じて、蓄熱ユニット１００を用いた蒸気生成（蓄熱ユニット１００の放熱）を行うことができる。

＜第３モード＞
第３モードでは、温排熱が有り、蒸気需要が無く、蓄熱ユニット１００の蓄熱が満杯である。このとき、ヒートポンプ１０、第２熱交換器４２（「直接熱交」）、及び蒸気生成部（蒸発部２２及び圧縮機３０等を含む供給経路２０）が停止する。また、蓄熱ユニット１００における蓄熱及び放熱も実行されない。

＜第４モード＞
第４モードでは、温排熱が有り、蒸気需要が無く、蓄熱ユニット１００の蓄熱が不足である。このとき、蓄熱ユニット１００の蓄熱が必要に応じて実行される。すなわち、第２熱交換器４２（「直接熱交」）及び蒸気生成部が停止し、ヒートポンプ１０の稼動及び蓄熱ユニット１００における蓄熱が必要に応じて実行される。この蓄熱は、電気料金が比較的低い時間帯（例えば夜間）において積極的に実行される。電気料金が比較的高い時間帯（例えば昼間）においては、電気コスト、蓄熱量、蒸気消費量予測等を考慮して必要に応じて蓄熱が実行される。

＜第５モード＞
第５モードでは、温排熱が無く、蒸気需要が有り、蓄熱ユニット１００の蓄熱が満杯である。このとき、蓄熱ユニット１００を用いた蒸気生成が実行される。すなわち、ヒートポンプ１０及び第２熱交換器４２（「直接熱交」）が停止する。そして、蒸気生成部が稼動し、蓄熱ユニット１００における放熱が実行される。

＜第６モード＞
第６モードでは、温排熱が無く、蒸気需要が有り、蓄熱ユニット１００の蓄熱が不足である。このとき、蓄熱ユニット１００の蓄熱量がある間、蓄熱ユニット１００を用いた蒸気生成が実行される。すなわち、ヒートポンプ１０及び第２熱交換器４２（「直接熱交」）が停止する。そして、蒸気生成部が稼動し、蓄熱ユニット１００における放熱が実行される。蓄熱量が無くなると、蓄熱ユニット１００を用いた蒸気生成が停止する。すなわち、蒸気生成部が停止し、蓄熱ユニット１００における放熱が停止される。

＜第７モード＞
第７モードでは、温排熱が無く、蒸気需要が無く、蓄熱ユニット１００の蓄熱が満杯である。このとき、第３モードと同様に、ヒートポンプ１０、第２熱交換器４２（「直接熱交」）、及び蒸気生成部が停止する。また、蓄熱ユニット１００における蓄熱及び放熱も実行されない。

＜第８モード＞
第８モードでは、温排熱が無く、蒸気需要が無く、蓄熱ユニット１００の蓄熱が不足である。このとき、第３及び第７モードと同様に、ヒートポンプ１０、第２熱交換器４２（「直接熱交」）、及び蒸気生成部が停止する。また、蓄熱ユニット１００における蓄熱及び放熱も実行されない。

以上説明したように、蒸気生成システムＳ１において、温排熱量、蒸気需要量、及び蓄熱ユニット１００の蓄熱量の各状態等に基づいて、蒸気生成システムＳ１の運転状態が変化する。第２熱交換器４２を用いた直接的な熱交換は、蓄熱ユニット１００を介した熱交換に比べて熱伝達率が高い。すなわち、第２熱交換器４２を用いた場合、ヒートポンプ１０の作動流体からの熱が、被加熱流体である蒸発部２２の水に直接的に伝わる。蓄熱ユニット１００を用いた場合、ヒートポンプ１０の作動流体からの熱の多くは、蓄熱部材１０１を経由して蒸発部２２の水に伝わる。したがって、温排熱が十分にある場合には、直接的な熱交換を優先的に用いて蒸気生成を実行することにより、熱効率の向上が図られる。一方、蓄熱ユニット１００を用いた蒸気生成は、システムのピークパワー及び平均消費電力の抑制、蒸気・温排熱需要への柔軟な対応、及び／又は蒸気生成プロセスの立ち上がり時間の短縮に有利である。すなわち、蒸気生成システムＳ１は、ヒートポンプ１０と蒸発部２２（蒸気生成部）との熱交換において、直接的な熱伝達と蓄熱部材を介した熱伝達とを適宜使うことにより、熱効率及び制御性の向上が達成される。

蓄熱部材１０１による蓄熱は、バッテリを使用した蓄熱に比べて、イニシャルコストの抑制に有利であり、また、同等以上の蓄熱効率を期待できる。電力補完的に、バッテリを使用することも可能である。例えば、バッテリに蓄えたエネルギーによって、タンク４７内の水を補完的に加熱することが可能である。

図３は、蒸気生成システムＳ１による水の状態変化の一例を示す Ｔ-ｓ 線図である。図３に示すように、水は、第１熱交換器４１（図１参照）において沸点近くまで温度上昇した後、温度一定のまま第２熱交換器４２及び／又は蓄熱ユニット１００において相変化する。このとき、大気圧（Ｐ１＝１atm＝約０．１ＭＰａ）に比べて低い負圧Ｐ０の状態において、飽和蒸気ｄ０が発生する。飽和蒸気ｄ０の温度は標準沸点よりも低い、例えば約９０℃である。

次に、その飽和蒸気ｄ０は、圧縮機３０（図１参照）による圧縮で比較的高圧力かつ高温の蒸気（過熱蒸気ｅ２）になる。すなわち、上記圧縮に伴って、蒸気が温度上昇する。過熱蒸気ｅ２の圧力Ｐ２は大気圧よりも高い、例えば０．８ＭＰａである。

０．８ＭＰａの過熱蒸気ｅ２を定圧下で冷却することにより、約１６０℃の飽和蒸気を得ることができる（図３の破線ａ）。同様に、大気圧（約０．１ＭＰａ）の過熱蒸気を定圧下で冷却することにより、約１００℃の飽和蒸気ｄ１を得ることができる。

過熱蒸気から飽和蒸気への冷却に、液状の水または温水を直接混入することにより、蒸気のボリュームが増加する。この場合、例えば、圧縮機３０の出口において蒸気に対して水または温水が供給される。

水または温水の供給量及びタイミングの最適化により、比較的低圧力かつ低温度の飽和蒸気ｄ０から比較的高圧力かつ高温度の飽和蒸気ｄ２への変化を、より直接的にできる。例えば、圧縮機３０の入口で適量の水または温水が蒸気に供給されることにより、圧縮機３０の入口での飽和蒸気ｄ０が、圧縮機３０の出口で飽和蒸気ｄ２に変化する（図３の破線ｃ１（スプレー）及びｃ２（圧縮））。または、圧縮機３０の中間で圧縮機３０の段落ごとに適量の水または温水が蒸気に供給されることにより、圧縮機３０の入口での飽和蒸気ｄ０が、圧縮機３０の出口で飽和蒸気ｄ２に変化する（図３の破線ｂ）。すなわち、圧縮機３０による圧縮と水または温水による冷却との組み合わせの最適化により、効率良く圧縮機３０から飽和状態に近い蒸気を排出することができる。

このように、本実施形態において、図１に示すヒートポンプ１０（蓄熱ユニット１００を含む）による２段加熱と圧縮機３０による加熱とを含む３段順次加熱により、飽和蒸気及び過熱蒸気のいずれも容易に発生させることができる。すなわち、ヒートポンプ１０（蓄熱ユニット１００を含む）による加熱で大気圧に比べて低い負圧での飽和蒸気を発生させた後、圧縮機３０による圧縮で大気圧または大気圧よりも高い圧力での過熱蒸気または飽和蒸気を発生させることができる。つまり、蒸気生成システムＳ１は、蒸気仕様に対する柔軟性が高い。

また、本実施形態において、蒸気生成のための加熱過程の一部を圧縮機３０が補うから、高いＣＯＰでヒートポンプ１０が使用され、したがって、蒸気生成システムＳ１は、全体としての一次エネルギーの節減が期待される。すなわち、被加熱流体（水）に対する比較的高温域の加熱に圧縮機３０を利用することは、熱伝達のみを利用した加熱と比較して、温度上昇の短時間化及び熱損失の抑制に有利である。

また、本実施形態において、バイパス経路１７を介して作動流体の一部が第１熱交換器４１を迂回するから、第１熱交換器４１に入る作動流体の流量の最適化が図られる。これは、作動流体の保有熱を有効に使う上で有利である。

また、本実施形態において、バイパス経路１７を介して作動流体の一部が第１熱交換器４１を迂回することにより、第１熱交換器４１への作動流体の流入量が制御される。バイパス経路１７を流れる作動流体は、再生器１８において、ヒートポンプ１０の主経路１５を流れる吸熱部１１からの作動流体と熱交換する。この熱交換により、バイパス経路１７内の作動流体の温度が降下し（例えば約２０℃）、ヒートポンプ１０の主経路１５内の作動流体の温度が上昇する（例えば約９５℃）。圧縮部１２に対する作動流体の入力温度の上昇により、圧縮部１２の動力の低減が図られる。なお、作動流体のバイパス量は、被加熱流体及び作動流体の各物性値（比熱など）に応じて定められる。

また、本実施形態において、再生器１８で温度降下したバイパス経路１７内の作動流体（例えば約２０℃）は、膨張部１４の手前で、ヒートポンプ１０の主経路１５を流れる第１熱交換器４１（第３放熱部１３Ｃ）からの作動流体と合流する。前述したように、第１熱交換器４１からの作動流体の出力温度は比較的低く設定される（例えば約３０℃）。膨張部１４に対する作動流体の入力温度の降下により、作動流体の液ガス比の最適化が図られ、その結果、吸熱部１１においてサイクル外の熱源（冷熱供給装置９０の放熱管９１を流れる媒体）から有効に熱が吸収される。

このように、本実施形態において、水の蒸発に用いた後の作動流体が水の加温と作動流体の再生とに用いられることにより、熱の有効利用が図られる。

本実施形態において、図１に示すヒートポンプ１０の圧縮部１２を多段式にすることにより、エネルギー効率の向上が図られる。図４及び図５は、図１に示す蒸気生成システムＳ１における圧縮部１２が多段である変形例を示し、第２熱交換器４２、蓄熱ユニット１００、及びヒートポンプ１０の一部を代表的に示している。

図４において、圧縮部１２は、作動流体を多段に圧縮する構造を有する。図４の圧縮部１２は、第１圧縮部１２Ａ、及び第２圧縮部１２Ｂを含む２段圧縮構造を有する。圧縮部１２は、各圧縮部１２Ａ，１２Ｂに対応する回転数が個々に制御される多軸圧縮構造を有することができる。あるいは、圧縮部１２は、同軸圧縮構造を有することができる。

図４において、ヒートポンプ１０の放熱部として、１つの蓄熱ユニット１００に２つの放熱部１３１、１３２が配置され、蓄熱ユニット１００とは別の１つの熱交換器４２に２つの放熱部１３３、１３４が配置されている。放熱部１３１、１３２は、蓄熱ユニット１００の蓄熱部材１０１に熱的に接続されている。放熱部１３３、１３４は、熱交換器４２において蒸発部２２の蒸発管５１Ｂに熱的に接続されている。本実施形態において、作動流体の流れ方向に沿って、圧縮部１２Ａの出口において２つの放熱部１３１及び１３３が並列に配置され、圧縮部１２Ｂの出口において２つの放熱部１３２及び１３４が並列に配置されている。

図４において、制御ユニット１５０は、分岐導管１５２、１５３、１５４、１５５、バルブ１５６、１５７、１５８、１５９、及び制御装置７０（図１参照）を含む。バルブ１５６〜１５９は、循環導管１５２〜１５５上にそれぞれ配置される。バルブ１５６〜１５９は、例えばレギュレータ、流量制御弁、又は開閉バルブである。バルブ１５６が開のとき、第１圧縮部１２Ａからの作動流体が分岐導管１５２及び放熱部１３１を流れる。バルブ１５８が開のとき、第１圧縮部１２Ａからの作動流体が分岐導管１５４及び放熱部１３３を流れる。バルブ１５６及び１５８がともに開のとき、分岐導管１５２（放熱部１３１）及び分岐導管１５４（放熱部１３３）のそれぞれを作動流体が流れる。放熱部１３１及び放熱部１３３からの作動流体は、第２圧縮部１２Ｂに入り、さらに圧縮される。バルブ１５７が開のとき、第２圧縮部１２Ｂからの作動流体が分岐導管１５３及び放熱部１３２を流れる。バルブ１５９が開のとき、圧縮部１２からの作動流体が分岐導管１５５及び放熱部１３４を流れる。バルブ１５７及び１５９がともに開のとき、分岐導管１５３（放熱部１３２）及び分岐導管１５５（放熱部１３４）のそれぞれを作動流体が流れる。制御ユニット１５０は、必要に応じてその流量を細かく制御してもよい。バルブ１５６の機能とバルブ１５８の機能とを併せ持つ一体型のバルブを採用してもよい。また、バルブ１５７の機能とバルブ１５９の機能とを併せ持つ一体型のバルブを採用してもよい。第１圧縮部１２Ａ及び／又は第２圧縮部１２Ｂからの作動流体を蓄熱ユニット１００及び第２熱交換器４２に対してバイパスする経路を設けてもよい。

本実施形態において、圧縮部１２が多段式である点から、エネルギー効率の向上が図られる。すなわち、多段式の圧縮部１２の段間の放熱部１３１，１３３の熱が奪われることによって、作動流体の圧縮過程における作動流体の温度上昇が抑制され、その結果、圧縮部１２の圧縮効率の向上及び圧縮機の動力の低減化が図られる。圧縮に伴う作動流体の温度上昇と、段間の放熱部（１３１，１３３）における作動流体の温度降下との繰り返しの数（再熱の段数）は、２、３、４、５、６、７、８、９、あるいは１０以上である。再熱の段数が装置構成上の制約の範囲内で多いのが、エネルギー効率の向上に有利である場合がある。

本実施形態において、多段式の圧縮部１２に対する作動流体の入力温度が再生器１８によって高められている点も、圧縮部１２の動力低減に有利である。また、段間の放熱部１３１，１３２，１３３の冷却を利用して、被加熱流体である水を加熱する点からも、熱の有効利用が図られる。

図５において、圧縮部１２は、図４の形態と同様に、第１圧縮部１２Ａ、及び第２圧縮部１２Ｂを含む２段圧縮構造を有する。圧縮部１２は、各圧縮部１２Ａ，１２Ｂに対応する回転数が個々に制御される多軸圧縮構造を有することができる。あるいは、圧縮部１２は、同軸圧縮構造を有することができる。

図５において、複数（本例では２つ）の蓄熱ユニット１００Ａ，１００Ｂと、複数（本例では２つ）の熱交換器４２Ａ，４２Ｂとが備えられている。蓄熱ユニット１００Ａ，１００Ｂにヒートポンプ１０の放熱部１３１，１３２がそれぞれ配置される。熱交換器４２Ａ，４２Ｂにヒートポンプ１０の放熱部１３３，１３４がそれぞれ配置される。放熱部１３１，１３２は、蓄熱ユニット１００Ａ，１００Ｂの蓄熱部材１０１に熱的に接続されている。蓄熱ユニット１００Ａ，１００Ｂには、図１の蒸発管５１Ａと同様の構造を有する、蒸発部２２の蒸発管５１Ａａ，５１Ａｂが配置されている。放熱部１３３，１３４は、熱交換器４２Ａ，４２Ｂにおいて蒸発部２２の蒸発管５１Ｂａ，５１Ｂｂにそれぞれ熱的に接続されている。蒸発管５１Ｂａ，５１Ｂｂは、図１の蒸発管５１Ｂと同様の構造を有する。作動流体の流れ方向に沿って、圧縮部１２Ａの出口において２つの放熱部１３１及び１３３が並列に配置され、圧縮部１２Ｂの出口において２つの放熱部１３２及び１３４が並列に配置されている。

図５において、制御ユニット１５０は、図４の形態と同様に、分岐導管１５２、１５３、１５４、１５５、バルブ１５６、１５７、１５８、１５９、及び制御装置７０（図１参照）を含む。制御ユニット１５０は、必要に応じてその流量を細かく制御してもよい。バルブ１５６の機能とバルブ１５８の機能とを併せ持つ一体型のバルブを採用してもよい。また、バルブ１５７の機能とバルブ１５９の機能とを併せ持つ一体型のバルブを採用してもよい。第１圧縮部１２Ａ及び／又は第２圧縮部１２Ｂからの作動流体を蓄熱ユニット１００及び第２熱交換器４２に対してバイパスする経路を設けてもよい。

本実施形態において、蒸発部２２（供給経路２０、図１参照）が複数の蒸発管５１Ａａ，５１Ａｂ，５１Ｂａ，５１Ｂｂを有することからも、エネルギー効率の向上が図られる。蒸発管では、水の流れの方向に沿って、液体に対する気体（蒸気）の比率が高くなり、蒸気生成の進行に伴って、熱伝達率が低下する。蒸発管内では、質量及びボリュームとして水が支配的であるのが好ましい。蒸発部２２が複数の蒸発管５１Ａａ，５１Ａｂ，５１Ｂａ，５１Ｂｂを有することにより、気体の比率が高い水に対する加熱が回避され、その結果、蒸気生成に伴う熱伝達率の低下が抑制される。また、熱交換面積の拡大のために蒸発管の長さを長くすると、蒸発管の入口部と出口部との圧力差が大きくなり、蒸発管に水を流すための必要動力が増える可能性がある。複数の蒸発管５１Ａａ，５１Ａｂ，５１Ｂａ，５１Ｂｂが個々に独立していると差圧が小さくて済み、熱交換面積の拡大に伴う水輸送動力の増加が抑制される。蒸発管５１Ａａ，５１Ａｂ，５１Ｂａ，５１Ｂｂが並列配置されていることは、複数の蒸発管５１Ａａ，５１Ａｂ，５１Ｂａ，５１Ｂｂが個々に独立した構成を実現しやすく、装置の簡素化に有利である。

また、本実施形態において、放熱部１３１〜１３４の間で、作動流体の状態（圧力など）が異なる場合がある。各放熱部１３１〜１３４に対応する複数の蒸発管５１Ａａ，５１Ａｂ，５１Ｂａ，５１Ｂｂを流れる水の単位時間あたりの流量が個々に制御されることにより、放熱部１３１〜１３４を有する多段式の圧縮部１２における再熱制御の最適化が図られる。

図６は、蒸発管５１Ａａにおける水の流量を制御する構成の一例を示す。ヒートポンプ１０において、蒸発管５１Ａａに対応する放熱部１３１の出口温度を計測するセンサ７１が設けられている。制御装置７０は、センサ７１の計測結果に基づいて、蒸発管５１Ａａ用のポンプ５２Ａａを介して蒸発管５１Ａａを流れる単位時間あたりの水の流量を制御する。これにより、放熱部１３１における作動流体の出口温度を目標値に設定することができる。放熱部１３１の入口温度を計測するセンサ７２を用いてもよい。図５において、他の蒸発管５１Ａｂ，５１Ｂａ，５１Ｂｂ及び対応する放熱部１３２〜１３４もこれと同様の構成を採用することができる。

次に、本発明の第２実施形態について図面を参照して説明する。

図７は、第１実施形態の変形例である、第２実施形態にかかる蒸気生成システムＳ２を示す概略図である。以下の説明では、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。

図７に示すように、蒸気生成システムＳ２は、図１の蒸気生成システムＳ１から第２熱交換器４２が省かれた構成を有する。具体的には、ヒートポンプ１０は、圧縮部１２からの作動流体が流れかつタンク４７に熱的に接続される分岐導管１５４を有する。分岐導管１５４は、タンク４７内に配置される熱交換部１６０（ヒートポンプ１０の放熱部１３Ｂ）を有する。分岐導管１５４上には、バルブ１５８が配置される。

本実施形態において、蓄熱ユニット１００を流れる作動流体の流量、及び熱交換部１６０を流れる作動流体の流量が制御ユニット１５０によって制御される。制御ユニット１５０は、分岐導管１５２、１５４、バルブ１５６、１５８、及び制御装置７０を含む。バルブ１５６、１５８は、例えばレギュレータ、流量制御弁、又は開閉バルブである。本実施形態において、バルブ１５６が開のとき、圧縮部１２からの作動流体が分岐導管１５２及び第１放熱部１３Ａを流れる。バルブ１５８が開のとき、圧縮部１２からの作動流体が分岐導管１５４及び第２放熱部１３Ｂ（熱交換部１６０）を流れる。バルブ１５６及び１５８がともに開のとき、分岐導管１５２（放熱部１３Ａ）及び分岐導管１５４（放熱部１３Ｂ）のそれぞれを作動流体が流れる。制御ユニット１５０は、必要に応じてその流量を細かく制御してもよい。バルブ１５６の機能とバルブ１５８の機能とを併せ持つ一体型のバルブを採用してもよい。圧縮部１２からの作動流体を蓄熱ユニット１００及び熱交換部１６０（第２放熱部１３Ｂ）に対してバイパスする経路を設けてもよい。

本実施形態によれば、上記実施形態と同様に、温排熱量、蒸気需要量、及び蓄熱ユニット２００の蓄熱量の各状態等に基づいて、蒸気生成システムＳ２の運転状態が変化する。したがって、蒸気生成システムＳ２は、ヒートポンプ１０と蒸発部２２（蒸気生成部）との熱交換において、直接的な熱伝達と蓄熱部材を介した熱伝達とを適宜使うことにより、熱効率及び制御性の向上が達成される。

次に、本発明の第３実施形態について図面を参照して説明する。

図８は、第３実施形態にかかる蒸気生成システムＳ３を示す概略図である。以下の説明では、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。

本実施形態において、ヒートポンプ１０（第２ユニット）の吸熱部１１は、蓄熱ユニット２００に配置された第１吸熱部１１Ａと、蓄熱ユニット２００とは別に設けられた熱交換ユニット２１０に配置された第２吸熱部１１Ｂとを有する。後述するように、蓄熱ユニット２００及び熱交換ユニット２１０には、冷熱供給装置９０（第１ユニット、第１装置）の放熱部も配置されている。

本実施形態において、ヒートポンプ１０の圧縮部１２は、作動媒体を多段に圧縮する構造を有する。図８に示す圧縮部１２は、第１圧縮部１２Ａ、第２圧縮部１２Ｂ、第３圧縮部１２Ｃ、及び第４圧縮部１２Ｄを含む４段圧縮構造を有する。圧縮の段数は、蒸気生成システムＳ３の仕様に応じて設定され、２、３、４、５、６、７、８、９、あるいは１０以上である。本実施形態において、圧縮部１２Ａ及び１２Ｂが同軸に構成され、圧縮部１２Ｃ及び１２Ｄが同軸に構成される。２軸のそれぞれに動力が供給される。各圧縮部１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄの圧縮比（圧力比）は、蒸気生成システムＳ３の仕様に応じて設定される。

本実施形態において、放熱部１３Ａ〜１３Ｅは、圧縮部１２で圧縮された作動媒体が流れる導管を有し、主経路１５内を流れる作動媒体の熱をサイクル外の熱源に与える。本実施形態において、作動媒体の流れ方向に沿って、５つの放熱部１３Ａ〜１３Ｅが直列に配置されている。放熱部の数は、蒸気生成システムＳ３の仕様に応じて設定され、３、４、５、６、７、８、９、１０、あるいは１１以上である。第１放熱部１３Ａは圧縮部１２Ａと１２Ｂとの段間に配置され、第２放熱部１３Ｂは圧縮部１２Ｂと１２Ｃとの段間に配置され、第３放熱部１３Ｃは圧縮部１２Ｃと１２Ｄとの段間に配置され、第４放熱部１３Ｄは圧縮部１２Ｄの下流位置に配置され、第５放熱部１３Ｅは、第４放熱部１３Ｄの下流位置に配置される。

本実施形態において、加温部２１は、ヒートポンプ１０の第５放熱部１３Ｅに熱的に接続されかつ供給源（不図示）からの水が流れる導管を含む。加温部２１と第５放熱部１３Ｅとを含んで第１熱交換器４１が構成される。

本実施形態において、蒸発部２２は、必要に応じて脱気槽４９と、少なくとも液状の被加熱流体（水）を貯溜するタンク４７と、タンク４７に流体的に接続された循環導管（第１循環導管４８Ａ、第２循環導管４８Ｂ、第３循環導管４８Ｃ、第４循環導管４８Ｄ）とを有する。脱気槽４９とタンク４７との間には、必要に応じて流体駆動部４９Ｃが配置される。脱気槽４９には、ポンプ４９Ａ及び放出管４９Ｂが流体的に接続される。脱気槽４９の内部に気液分離器を配置してもよい。脱気槽４９において、加温部２１からの水が脱気され、その気体がポンプ４９Ａ及び放出管４９Ｂを介して外部（大気）に適宜に放出される。タンク４７には、脱気槽４９（加温部２１）からの水の供給口と、蒸気の排出口とが設けられる。

本実施形態において、１つのタンク４７に対して各循環導管４８Ａ，４８Ｂ，４８Ｃ，４８Ｄが流体的に接続されている。すなわち、循環導管４８Ａ〜４８Ｄの各入口端と各出口端とがタンク４７に流体的に接続される。循環導管の数は、蒸気生成システムＳ３の仕様に応じて設定され、２、３、４、５、６、７、８、９、あるいは１０以上である。第１循環導管４８Ａは、ヒートポンプ１０の第１放熱部１３Ａに熱的に接続される蒸発管５１Ａと、ポンプ５２Ａと、必要に応じてバルブ５３Ａとを有する。同様に、他の循環導管４８Ｂ〜４８Ｄ、蒸発管５１Ｂ〜５１Ｄ、及び必要に応じてバルブ５３Ｂ〜５３Ｄをそれぞれ有する。本実施形態において、蒸発管５１Ａ〜５１Ｄ（第５導管）は、個々に独立してタンク４７に流体的に接続される。また、蒸発管５１Ａ〜５１Ｄは、タンク４７及び供給経路２０（蒸気生成部）に対して並列に配置される。被加熱流体（水）の熱対流及び／又は外部との差圧などを利用してポンプ５２Ａ〜５２Ｄの少なくとも１つを省いてもよい。

蒸発管５１Ａと第１放熱部１３Ａとを含んで第２熱交換器４２が構成される。同様に、蒸発管５１Ｂと第２放熱部１３Ｂとを含んで第３熱交換器４３が構成される。蒸発管５１Ｃと第３放熱部１３Ｃとを含んで第４熱交換器４４が構成され、蒸発管５１Ｄと第４放熱部１３Ｄとを含んで第５熱交換器４５が構成される。ヒートポンプ１０の各放熱部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄの導管と、蒸発管５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｄとは互いに接触あるいは隣接して配置される。例えば、ヒートポンプ１０の各放熱部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄの導管を、蒸発管５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｄの外周面や内部に配設することができる。

蒸発部２２において、加温部２１で温度上昇した水が供給口を介してタンク４７に供給され、タンク４７及び循環導管４８Ａ〜４８Ｄ内に水が貯溜される。タンク４７内の液面が所定範囲内になるように、タンク４７への水の供給量が制御される。例えば、レベルセンサ５０の計測結果に基づいて、タンク４７への水の供給量が制御される。ヒートポンプ１０の第１〜第４放熱部１３Ａ〜１３Ｄからの伝達熱によって蒸発管５１Ａ〜５１Ｄ内の水が加熱され、その水の少なくとも一部が蒸発する。タンク４７は、ダクト２３を介して圧縮機３０に流体的に接続されている。タンク４７の内部空間は、タンク４７の排出口及びダクト２３を介して圧縮機３０によって吸引される。タンク４７内の蒸気は、ダクト２３内を圧縮機３０に向けて流れる。

本実施形態において、圧縮機３０は、第１圧縮部３０Ａ、第２圧縮部３０Ｂ、第３圧縮部３０Ｃ、及び第４圧縮部３０Ｄを含む４段圧縮構造を有する。圧縮機３０の多段圧縮構造は、後述する蒸気の高温・高圧化に有利である。圧縮機３０は、各圧縮部３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄに対応する回転数が個々に制御される多軸圧縮構造を有することができる。あるいは、圧縮機３０は、同軸圧縮構造を有することができる。本実施形態において、圧縮部３０Ａ及び３０Ｂが同軸に構成され、圧縮部３０Ｃ及び３０Ｄが同軸に構成される。２軸のそれぞれに動力が供給される。各圧縮部３０Ａ〜３０Ｄの圧縮比（圧力比）は、蒸気生成システムＳ３の仕様に応じて設定される。

本実施形態において、冷熱供給装置９０は冷凍機（蒸気圧縮冷凍機など）である。冷熱供給装置９０は、ヒートポンプ１０と同様に、蒸発、圧縮、凝縮、及び膨張の各工程からなるサイクルにより、低温の物体から熱を汲み上げ、高温の物体に熱を与える装置である。

本実施形態において、冷熱供給装置９０は、放熱部９１Ａ（第３導管），９１Ｂ（第４導管）、膨張部９２、吸熱部９３、及び圧縮部９４を有し、これらは導管を介して接続されている。冷熱供給装置９０において、吸熱部９３からの冷熱が外部の設備に供給される。圧縮部９４における圧縮の段数は、蒸気生成システムＳ３の仕様に応じて設定され、１、２、３、４、５、６、７、８、９、あるいは１０以上である。冷熱供給装置９０に使用される作動媒体として、フロン系媒体、アンモニア、水、二酸化炭素、空気などの公知の様々な熱媒体が、蒸気生成システムＳ３の仕様及び熱バランスなどに応じて用いられる。冷熱供給装置９０は蒸気圧縮冷凍機に限定されない。

他の実施形態において、冷熱供給装置９０として、冷凍機（蒸気圧縮冷凍機）に代えて又は加えて、吸収式冷凍機（ガス直焚き吸収式冷凍機、蒸気吸収式冷凍機など）、吸着式冷凍機などを採用することができる。あるいは、冷熱供給装置９０に代えて又は加えて、冷蔵装置、内燃機関など、排エネルギー（温排熱）を有する媒体を流す様々な装置を採用することができる。ヒートポンプ１０の吸熱部１１に熱的に接続された放熱部を備えた装置において、排熱（排エネルギー）の少なくとも一部がヒートポンプ１０に回収される。

本実施形態において、冷熱供給装置９０の一方の放熱部９１Ａは蓄熱ユニット２００に配置され、他方の放熱部９１Ｂは熱交換ユニット２１０に配置される。蓄熱ユニット２００は、冷熱供給装置９０の放熱部９１Ａに熱的に接続され、放熱部９１Ａを流れる作動流体から伝わる熱を蓄える蓄熱部材２０１を有する。また、蓄熱ユニット２００は、ヒートポンプ１０の第１吸熱部１１Ａに熱的に接続され、蓄熱部材２０１の熱は第１吸熱部１１Ａを流れる作動流体に伝わる。蒸気生成システムＳ３の仕様に応じて、蓄熱部材２０１の材料特性が定められる。本実施形態において、蓄熱部材２０１は、液体−固体の相変化を伴って蓄熱及び放熱する潜熱蓄熱材(PCM: Phase Change Material）を含む。蓄熱部材２０１は、融解する際に熱を蓄え、凝固するときに放熱する。潜熱蓄熱材の融点が、第１吸熱部１１Ａ内の作動流体の蒸発温度と同程度以上であるのが望ましい。潜熱蓄熱材の融点は、蒸気生成システムＳ３の仕様に応じて設定され、例えば、約２５℃〜約３５℃、約３５℃〜約４５℃、約４５℃〜約５５℃、約５５℃〜約６５℃、約６５℃〜約７５℃、約７５℃〜約８５℃、又は８５℃以上である。潜熱蓄熱材としては、例えば、エリスリトール、アルカン類等の炭化水素、ワックス系（パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス等）、酢酸ナトリウム、酢酸ナトリウム三水塩、又は無機水和塩等を主成分とする材料等が挙げられる。アルカン類は、目標の融点となるように、側鎖の水素を水酸基に置換した物質を構築するなどにより、分子の大きさを適宜調節することができる。潜熱蓄熱材は、相変化に伴う体積変化が小さく（すなわち、蓄積エネルギー密度が高い）、装置のコンパクト化に有利である。RUBITHRM 社製の RUBITHERM RTシリーズ（登録商標）、ENVIRONMENTAL PROCESS SYSTEMS 社製の PULSE ICE Eシリーズ（登録商標）、三菱化学エンジニアリング社製の STL シリーズ（登録商標）などがある。蓄熱部材２０１として、顕熱蓄熱材、化学反応蓄熱材、超臨界流体を用いた蓄熱材等の他の材料を用いてもよい。熱移動促進のために、蓄熱部材２０１が熱伝導物質を含んでもよい。蓄熱ユニット２００に配置される導管にはフィンが必要に応じて設けられる。導管の形状、配列、
材質などは任意に設定可能である。蓄熱ユニット２００及び熱交換ユニット２１０には、断熱材が必要に応じて配置される。

本実施形態において、ヒートポンプ１０の第２吸熱部１１Ｂと冷熱供給装置９０の放熱部９１Ｂとを含んで熱交換ユニット２１０が構成される。すなわち、熱交換ユニット２１０において、ヒートポンプ１０の第２吸熱部１１Ｂと冷熱供給装置９０の放熱部９１Ｂとが熱的に接続される。放熱部９１Ｂを流れる作動流体からの熱がヒートポンプ１０の第２吸熱部１１Ｂを流れる作動流体に伝わる。熱交換ユニット２１０は、低温の流体（第２吸熱部１１Ｂ内の作動流体）と高温の流体（放熱部９１Ｂ内の作動流体）とが対向して流れる向流型の熱交換方式を有することができる。あるいは、熱交換ユニット２１０は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換方式を有してもよい。熱交換ユニット２１０の熱交換構造として、公知の様々なものを採用することができる。第２吸熱部１１Ｂの導管と、放熱部９１Ｂとは互いに接触あるいは隣接して配置される。例えば、放熱部９１Ｂの導管を、第２吸熱部１１Ｂの外周面や内部に配設することができる。

本実施形態において、熱交換ユニット２１０は、蓄熱ユニット２００とは別に設けられる。熱交換ユニット２１０は、例えば蓄熱ユニット２００に隣接して配置される。熱交換ユニット２１０が蓄熱ユニット２００から離れていてもよく、熱交換ユニット２１０の一部が蓄熱ユニット２００に接触してもよい。蓄熱ユニット２００の一部の構成要素を熱交換ユニット２１０が共有してもよい。

本実施形態において、蓄熱ユニット２００を流れる冷熱供給装置９０の作動流体の流量、及び熱交換ユニット２１０を流れる冷熱供給装置９０の作動流体の流量が制御ユニット２５０によって制御される。熱交換ユニット２１０を流れるヒートポンプ１０の作動流体の流量、及び熱交換ユニット２１０を流れるヒートポンプ１０の作動流体の流量も、制御ユニット２５０によって制御される。制御ユニット２５０は、分岐導管２５１，２５２，２５３，２５４、バルブ２５６，２５７，２５８，２５９、及び制御装置７０を含む。バルブ２５６，２５７は、冷熱供給装置９０側の分岐導管２５１，２５２上にそれぞれ配置される。バルブ２５８，２５９は、ヒートポンプ１０側の分岐導管２５３，２５４上にそれぞれ配置される。バルブ２５６〜２５９は、例えばレギュレータ、流量制御弁、又は開閉バルブである。冷熱供給装置９０において、バルブ２５６が開のとき、圧縮部９４からの作動流体が分岐導管２５１及び放熱部９１Ａを流れる。バルブ２５７が開のとき、圧縮部９４からの作動流体が分岐導管２５２及び放熱部９１Ｂを流れる。バルブ２５６及び２５７がともに開のとき、分岐導管２５１（放熱部９１Ａ）及び分岐導管２５２（放熱部９１Ｂ）のそれぞれを作動流体が流れる。制御ユニット２５０は、必要に応じてその流量を細かく制御してもよい。

ヒートポンプ１０において、バルブ２５８が開のとき、膨張部１４からの作動流体が分岐導管２５３及び第１吸熱部１１Ａを流れる。バルブ２５９が開のとき、膨張部１４からの作動流体が分岐導管２５４及び第２吸熱部１１Ｂを流れる。バルブ２５８及び２５９がともに開のとき、分岐導管２５３（第１吸熱部１１Ａ）及び分岐導管２５４（第２吸熱部１１Ｂ）のそれぞれを作動流体が流れる。制御ユニット２５０は、必要に応じてその流量を細かく制御してもよい。作動流体を蓄熱ユニット２００及び熱交換ユニット２１０に流す形態は図８に示す基本的構成に限定されず、様々な形態が適用可能である。バルブ２５６〜２５９のうちの少なくとも２つのバルブの機能を併せ持つ一体型のバルブを採用してもよい。作動流体を蓄熱ユニット２００及び熱交換ユニット２１０に対してバイパスする経路を設けてもよい。

次に、蒸気生成システムＳ３の運転方法について図８及び図９を参照して説明する。図９は、その運転方法を示す表である。ここで、図９において、図２の表と同様に、「温排熱」は冷熱供給装置９０からヒートポンプ１０の吸熱部１１に供給される熱を示す。「直接熱交」は熱交換ユニット２１０を示す。「蓄熱」は蓄熱ユニット２００、又は蓄熱ユニット２００における蓄熱プロセスを示す。「放熱」は蓄熱ユニット２００における放熱プロセスを示す。「蒸気生成部」は蒸発部２２及び圧縮機３０等を含む供給経路２０を示す。

図９の表に示すように、制御装置７０は、少なくとも、温排熱の有無、蒸気需要の有無、及び蓄熱ユニット２００の蓄熱状態に基づいて、蒸気生成システムＳ３の運転状態を変化させる。制御装置７０は、システムを統括的に制御する。

＜第１モード＞
第１モードでは、温排熱及び蒸気需要が有り、蓄熱ユニット２００の蓄熱が満杯（full）である。このとき、ヒートポンプ１０と蒸気生成部（蒸発部２２及び圧縮機３０等を含む供給経路２０）との間の熱交換によって、蒸気が生成される。すなわち、ヒートポンプ１０が稼動し、蒸気生成部が稼動する。

制御ユニット２５０のバルブ２５９がオープンされ、ヒートポンプ１０の膨張部１４からの作動流体が第２吸熱部１１Ｂを流れる。また、バルブ２５７がオープンされ、冷熱供給装置９０の圧縮部９４からの作動流体が放熱部９１Ｂを流れる。熱交換ユニット２１０において、冷熱供給装置９０の放熱部９１Ｂを流れる作動流体からの伝達熱によってヒートポンプ１０の第２吸熱部１１Ｂを流れる作動流体が加熱される。

第１モードにおいて、必要に応じて蓄熱ユニット２００からの熱がヒートポンプ１０の吸熱部１１に供給される（放熱プロセス）。例えば、上記の熱交換ユニット２１０における直接的熱交換のための温排熱が十分ある場合、通常、蓄熱ユニット２００における放熱プロセスは停止される。すなわち、制御ユニット２５０のバルブ２５８がクローズされる。一方、熱交換ユニット２１０における直接的熱交換のための温排熱が十分でない場合には、蓄熱ユニット２００による放熱プロセスが実行される。すなわち、制御ユニット２５０のバルブ２５８がオープンされ、ヒートポンプ１０の膨張部１４からの作動流体が第１吸熱部１１Ａを流れる。蓄熱ユニット２００において、蓄熱部材２０１からの伝達熱によってヒートポンプ１０の第１吸熱部１１Ａを流れる作動流体が加熱される。

＜第２モード＞
第２モードでは、温排熱及び蒸気需要が有り、蓄熱ユニット２００の蓄熱が不足である。このとき、第１モードと同様に、ヒートポンプ１０と蒸気生成部（蒸発部２２及び圧縮機３０等を含む供給経路２０）との間の直接的な熱交換によって、蒸気が生成される。また、熱交換ユニット２１０において、冷熱供給装置９０の放熱部９１Ｂを流れる作動流体からの伝達熱によってヒートポンプ１０の第２吸熱部１１Ｂを流れる作動流体が加熱される。

第２モードにおいて、必要に応じて蓄熱ユニット２００における蓄熱プロセス又は放熱プロセスが実行される。例えば、上記の熱交換ユニット２１０における直接的熱交換のための温排熱に余裕がある場合、蓄熱ユニット２００における蓄熱プロセスが実行される。すなわち、制御ユニット２５０のバルブ２５６がオープンされる。放熱部９１Ａを流れる作動流体からの伝達熱によって蓄熱部材２０１が加熱され、蓄熱部材２０１が固相から液相に変化する。蓄熱ユニット２００において、蓄熱部材２０１の液状化に伴い、蓄熱部材２０１の融解潜熱が蓄えられる。

また、第２モードにおいて、上記の熱交換ユニット２１０における直接的熱交換のための温排熱が十分ありかつ余裕はない場合、通常、蓄熱ユニット２００の蓄熱プロセス又は放熱プロセスは停止される。すなわち、制御ユニット２５０のバルブ２５６及び２５８がクローズされる。直接的熱交換のための温排熱が十分でない場合には、蓄熱ユニット２００による放熱プロセスが実行される。すなわち、制御ユニット２５０のバルブ２５８がオープンされ、ヒートポンプ１０の膨張部１４からの作動流体が第１吸熱部１１Ａを流れる。蓄熱ユニット２００において、蓄熱部材２０１からの伝達熱によってヒートポンプ１０の第１吸熱部１１Ａを流れる作動流体が加熱される。

＜第３モード＞
第３モードでは、温排熱が有り、蒸気需要が無く、蓄熱ユニット２００の蓄熱が満杯である。このとき、ヒートポンプ１０、熱交換ユニット２１０における熱交換プロセス（「直接熱交」）、及び蒸気生成部（蒸発部２２及び圧縮機３０等を含む供給経路２０）が停止する。また、蓄熱ユニット２００における蓄熱プロセス及び放熱プロセスも実行されない。

＜第４モード＞
第４モードでは、温排熱が有り、蒸気需要が無く、蓄熱ユニット２００の蓄熱が不足である。このとき、蓄熱ユニット２００の蓄熱プロセスが積極的に実行される。すなわち、ヒートポンプ１０及び蒸気生成部が停止する。蓄熱ユニット２００において、冷熱供給装置９０からの温排熱を用いた蓄熱プロセスが実行される。この蓄熱は、ヒートポンプ１０を稼動させる必要がなく、温排熱の温度（例えば、約３０℃〜約５０℃）をそのまま用いる。蓄熱のために特別な電力を必要としないことから、電気料金に応じた時間帯に制約を受けることが回避される。

＜第５モード＞
第５モードでは、温排熱が無く、蒸気需要が有り、蓄熱ユニット２００の蓄熱が満杯である。このとき、蓄熱ユニット２００を用いた蒸気生成が実行される。すなわち、ヒートポンプ１０及び蒸気生成部が稼動する。蓄熱ユニット２００では、放熱プロセスが実行される。制御ユニット２５０におけるバルブ２５８がオープンされ、蓄熱ユニット２００の蓄熱部材２０１からの熱がヒートポンプ１０の第１吸熱部１１Ａを流れる作動流体に伝わる。ヒートポンプ１０は、蓄熱ユニット２００の熱を汲み上げ、その熱を蒸気生成部に伝える。

＜第６モード＞
第６モードでは、温排熱が無く、蒸気需要が有り、蓄熱ユニット２００の蓄熱が不足である。このとき、蓄熱ユニット２００の蓄熱量がある間、第５モードと同様の、蓄熱ユニット２００を用いた蒸気生成が実行される。蓄熱量が無くなると、蓄熱ユニット２００を用いた蒸気生成が停止する。すなわち、蒸気生成部が停止し、蓄熱ユニット２００における放熱が停止される。

＜第７モード＞
第７モードでは、温排熱が無く、蒸気需要が無く、蓄熱ユニット２００の蓄熱が満杯である。このとき、第３モードと同様に、ヒートポンプ１０、熱交換ユニット２１０における熱交換プロセス（「直接熱交」）、及び蒸気生成部（蒸発部２２及び圧縮機３０等を含む供給経路２０）が停止する。また、蓄熱ユニット２００における蓄熱プロセス及び放熱プロセスも実行されない。

＜第８モード＞
第８モードでは、温排熱が無く、蒸気需要が無く、蓄熱ユニット２００の蓄熱が不足である。このとき、第３及び第７モードと同様に、ヒートポンプ１０、熱交換ユニット２１０における熱交換プロセス（「直接熱交」）、及び蒸気生成部（蒸発部２２及び圧縮機３０等を含む供給経路２０）が停止する。また、蓄熱ユニット２００における蓄熱プロセス及び放熱プロセスも実行されない。

以上説明したように、蒸気生成システムＳ３において、温排熱量、蒸気需要量、及び蓄熱ユニット２００の蓄熱量の各状態等に基づいて、蒸気生成システムＳ３の運転状態が変化する。熱交換ユニット２１０を用いた直接的な熱交換は、蓄熱ユニット２００を介した熱交換に比べて熱伝達率が高い。すなわち、熱交換ユニット２１０を用いた場合、ヒートポンプ１０の作動流体からの熱が、被加熱流体である蒸発部２２の水に直接的に伝わる。蓄熱ユニット２００を用いた場合、ヒートポンプ１０の作動流体からの熱の多くは、蓄熱部材２０１を経由して吸熱部１１に伝わる。したがって、温排熱が十分にある場合には、直接的な熱交換を優先的に用いてヒートポンプ１０を稼動することにより、熱効率の向上が図られる。一方、蓄熱ユニット２００を用いた蒸気生成は、システムのピークパワー及び平均消費電力の抑制、蒸気・温排熱需要への柔軟な対応、及び／又は蒸気生成プロセスの立ち上がり時間の短縮に有利である。すなわち、蒸気生成システムＳ３は、冷熱供給装置９０とヒートポンプ１０との熱交換において、直接的な熱伝達と蓄熱部材を介した熱伝達とを適宜使うことにより、熱効率及び制御性の向上が達成される。

ここで、システムＳ３におけるヒートポンプ１０を利用した蒸気生成プロセスについて説明する。図８のヒートポンプ１０を利用した蒸気生成プロセスでは、まず、第１熱交換器４１において、供給経路２０内の水がヒートポンプ１０の第５放熱部１３Ｅからの伝達熱によって沸点近くまで温度上昇する。その後、第２〜第５熱交換器４２〜４５において、第１〜第４放熱部１３Ａ〜１３Ｄの少なくとも１つからの伝達熱によってその水が相変化して蒸発する。つまり、水の顕熱加熱が主に第１熱交換器４１において行われ、水の潜熱加熱が主に第２〜第５熱交換器４２〜４５において行われる。第１熱交換器４１が顕熱交換に適した形態であり、第２〜第５熱交換器４２〜４５が潜熱交換に適した形態であるといった、装置構成の最適化が図られ、これに応じて、好ましい加熱プロセスを経て蒸気が生成される。

また、供給経路２０内の水が、ヒートポンプ１０（放熱部１３Ａ〜１３Ｅ）からの熱伝達によって比較的低圧力かつ低温度の蒸気となり、圧縮機３０による圧縮で比較的高圧力かつ高温度の蒸気となる。すなわち、ヒートポンプ１０で加熱された水が、圧縮機３０による圧縮によってさらに加熱され、これにより、例えば１００℃以上の高温蒸気が発生する。蒸気生成システムＳ３からの蒸気は、外部の所定施設、例えば製造プラント、調理施設、空調設備、発電プラントなどに供給される。このように、図８に示すシステムＳ３において、ヒートポンプ１０の加温部２１及び放熱部（第１〜第４放熱部１３Ａ〜１３Ｄ）による２段加熱と圧縮機３０による加熱とを含む３段順次加熱により、飽和蒸気及び過熱蒸気のいずれも容易に発生させることができる。ヒートポンプ１０による加熱で大気圧に比べて低い負圧での飽和蒸気を発生させた後、圧縮機３０による圧縮で大気圧または大気圧よりも高い圧力での過熱蒸気または飽和蒸気を発生させることができる。システムＳ３は、蒸気仕様に対する柔軟性が高い。

なお、他の実施形態において、ヒートポンプ１０に供給される温熱の温度が比較的高い場合、例えば、圧縮機３０による減圧を省略し、ヒートポンプ１０の加温部２１及び放熱部（第１〜第４放熱部１３Ａ〜１３Ｄ）による２段加熱で蒸気を生成することが可能である。

また、システムＳ３において、圧縮部１２が多段式である点からも、エネルギー効率の向上が図られる。すなわち、多段式の圧縮部１２の段間の放熱部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃの熱が奪われることによって、作動媒体の圧縮過程における作動媒体の温度上昇が抑制され、その結果、圧縮部１２の圧縮効率の向上及び圧縮機の動力の低減化が図られる。圧縮に伴う作動媒体の温度上昇と、段間の放熱部（１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ）における作動媒体の温度降下との繰り返しの数（再熱の段数）は、２、３、４、５、６、７、８、９、あるいは１０以上である。再熱の段数が装置構成上の制約の範囲内で多いのが、エネルギー効率の向上に有利である。

また、システムＳ３において、多段式の圧縮部１２に対する作動媒体の入力温度が再生器１８によって高められている点も、圧縮部１２の動力低減に有利である。また、段間の放熱部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃの冷却を利用して、被加熱媒体である水を加熱する点からも、熱の有効利用が図られる。

また、システムＳ３において、供給経路２０が複数の蒸発管５１Ａ〜５１Ｄを有することからも、エネルギー効率の向上が図られる。蒸発管では、水の流れの方向に沿って、液体に対する気体（蒸気）の比率が高くなり、蒸気生成の進行に伴って、熱伝達率が低下する。蒸発管内では、質量及びボリュームとして水が支配的であるのが好ましい。供給経路２０が複数の蒸発管５１Ａ〜５１Ｄを有することにより、気体の比率が高い水に対する加熱が回避され、その結果、蒸気生成に伴う熱伝達率の低下が抑制される。また、熱交換面積の拡大のために蒸発管の長さを長くすると、蒸発管の入口部と出口部との圧力差が大きくなり、蒸発管に水を流すための必要動力が増える可能性がある。複数の蒸発管５１Ａ〜５１Ｄが個々に独立していると差圧が小さくて済み、熱交換面積の拡大に伴う水輸送動力の増加が抑制される。蒸発管５１Ａ〜５１Ｄが並列配置されていることは、複数の蒸発管５１Ａ〜５１Ｄが個々に独立した構成を実現しやすく、装置の簡素化に有利である。

また、システムＳ３において、独立した複数の蒸発管５１Ａ〜５１Ｄを供給経路２０が有することにより、熱バランス制御の向上が図られる。ヒートポンプ１０においては、放熱部１３Ａ〜１３Ｄの間で、作動媒体の状態（圧力など）が異なる。各放熱部１３Ａ〜１３Ｄに対応する複数の蒸発管５１Ａ〜５１Ｄを流れる水の単位時間あたりの流量が個々に制御されることにより、放熱部１３Ａ〜１３Ｄを有する多段式の圧縮部１２における再熱制御の最適化が図られる。

次に、本発明の第４実施形態について図面を参照して説明する。

図１０は、第１実施形態の変形例である、第４実施形態にかかる蒸気生成システムＳ４を示す概略図である。以下の説明では、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。

図１０に示すように、蒸気生成システムＳ４は、図１の蒸気生成システムＳ１に、図８の蒸気生成システムＳ３の一部の構成（ヒートポンプ１０の吸熱部１１の構成）を組み合わせた形態を有する。すなわち、蒸気生成システムＳ４は、図１の構成に加え、蓄熱ユニット２００、熱交換ユニット２１０、制御ユニット２５０等を有する。ヒートポンプ１０の吸熱部１１は、蓄熱ユニット２００に配置された第１吸熱部１１Ａと、蓄熱ユニット２００とは別に設けられた熱交換ユニット２１０に配置された第２吸熱部１１Ｂとを有する。また、冷熱供給装置９０の一方の放熱部９１Ａは蓄熱ユニット２００に配置され、他方の放熱部９１Ｂは熱交換ユニット２１０に配置される。蓄熱ユニット２００は、冷熱供給装置９０の放熱部９１Ａに熱的に接続され、放熱部９１Ａを流れる作動流体から伝わる熱を蓄える蓄熱部材２０１を有する。また、蓄熱ユニット２００は、ヒートポンプ１０の第１吸熱部１１Ａに熱的に接続され、蓄熱部材２０１の熱は第１吸熱部１１Ａを流れる作動流体に伝わる。

本実施形態によれば、上記各実施形態と同様に、温排熱量、蒸気需要量、及び蓄熱ユニット２００の蓄熱量の各状態等に基づいて、蒸気生成システムＳ４の運転状態が変化する。したがって、蒸気生成システムＳ４は、冷熱供給装置９０とヒートポンプ１０との熱交換、及びヒートポンプ１０と蒸発部２２（蒸気生成部）との熱交換において、直接的な熱伝達と蓄熱部材を介した熱伝達とを適宜使うことにより、熱効率及び制御性の向上が達成される。

次に、本発明の第５実施形態について図面を参照して説明する。

図１１は、第２実施形態の変形例である、第５実施形態にかかる蒸気生成システムＳ５を示す概略図である。以下の説明では、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。

図１１に示すように、蒸気生成システムＳ５は、図７の蒸気生成システムＳ２に、図８の蒸気生成システムＳ３の一部の構成（ヒートポンプ１０の吸熱部１１の構成）を組み合わせた形態を有する。すなわち、蒸気生成システムＳ５は、図７の構成に加え、蓄熱ユニット２００、熱交換ユニット２１０、制御ユニット２５０等を有する。ヒートポンプ１０の吸熱部１１は、蓄熱ユニット２００に配置された第１吸熱部１１Ａと、蓄熱ユニット２００とは別に設けられた熱交換ユニット２１０に配置された第２吸熱部１１Ｂとを有する。また、冷熱供給装置９０の一方の放熱部９１Ａは蓄熱ユニット２００に配置され、他方の放熱部９１Ｂは熱交換ユニット２１０に配置される。蓄熱ユニット２００は、冷熱供給装置９０の放熱部９１Ａに熱的に接続され、放熱部９１Ａを流れる作動流体から伝わる熱を蓄える蓄熱部材２０１を有する。また、蓄熱ユニット２００は、ヒートポンプ１０の第１吸熱部１１Ａに熱的に接続され、蓄熱部材２０１の熱は第１吸熱部１１Ａを流れる作動流体に伝わる。

本実施形態によれば、上記各実施形態と同様に、温排熱量、蒸気需要量、及び蓄熱ユニット２００の蓄熱量の各状態等に基づいて、蒸気生成システムＳ５の運転状態が変化する。したがって、蒸気生成システムＳ５は、冷熱供給装置９０とヒートポンプ１０との熱交換、及びヒートポンプ１０と蒸発部２２（蒸気生成部）との熱交換において、直接的な熱伝達と蓄熱部材を介した熱伝達とを適宜使うことにより、熱効率及び制御性の向上が達成される。

次に、本発明の第６実施形態について図面を参照して説明する。

図１２は、第５実施形態の変形例である、第６実施形態にかかる蒸気生成システムＳ６を示す概略図である。以下の説明では、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。

図１２に示すように、蒸気生成システムＳ６は、図１１の蒸気生成システムＳ５から蓄熱ユニット１００が省かれた構成を有する。具体的には、ヒートポンプ１０は、圧縮部１２からの作動流体が流れかつタンク４７に熱的に接続される導管１８０を有する。導管１８０は、タンク４７内に配置される熱交換部１８１（ヒートポンプ１０の放熱部１３）を有する。

本実施形態において、加温部２１において、供給経路２０内の水がヒートポンプ１０の第２放熱部１３Ｃからの伝達熱によって沸点近くまで温度上昇する。加温部２１からの温水がタンク４７に貯溜される。タンク４７内に配置された熱交換部１８１（放熱部１３）において、導管１８０を流れる作動流体の熱がタンク４７内の水（温水）に伝わる。つまり、水の顕熱加熱が主に加温部２１（熱交換器４１）において行われ、水の潜熱加熱が主にタンク４７において行われる。第６実施形態は、第５実施形態に比べて簡素な構成を有する。

本実施形態によれば、ヒートポンプ１０は、蓄熱ユニット２００及び／又は熱交換ユニット２１０において冷熱供給装置９０からの熱を汲み上げる。本実施形態において、上記各実施形態と同様に、温排熱量、蒸気需要量、及び蓄熱ユニット２００の蓄熱量の各状態等に基づいて、蒸気生成システムＳ６の運転状態が変化する。したがって、蒸気生成システムＳ６は、冷熱供給装置９０とヒートポンプ１０との熱交換において、直接的な熱伝達と蓄熱部材を介した熱伝達とを適宜使うことにより、熱効率及び制御性の向上が達成される。

次に、本発明の第７実施形態について図面を参照して説明する。

図１３は、第３実施形態の変形例である、第７実施形態にかかる蒸気生成システムＳ７を示す概略図である。以下の説明では、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。

図１３に示すように、蒸気生成システムＳ７は、図８の蒸気生成システムＳ３の蒸気生成部（供給経路２０）を簡素にした形態を有する。すなわち、蒸気生成システムＳ７は、図８のシステムＳ３における、タンク４７、循環配管４８Ａ〜４８Ｄ、圧縮機３０などが省かれている。本実施形態において、ヒートポンプ１０の放熱部は、第１放熱部１３Ａと第２放熱部１３Ｂとを有する。供給経路２０は、ヒートポンプ１０の第２放熱部１３Ｂに熱的に接続されかつ供給源（不図示）からの水が流れる導管を含む加温部２１と、蒸発部２２とを有する。圧縮部１２は、作動流体を単段又は複数段に圧縮する構造を有する。圧縮の段数は、蒸気生成システムＳ７の仕様に応じて設定され、１、２、３、４、５、６、７、８、９、あるいは１０以上である。圧縮部１２は、軸流圧縮機、遠心圧縮機、レシプロ式圧縮機、ロータリー式圧縮機などの様々な圧縮機のうち、作動流体の圧縮に適するものが適用される。圧縮機には動力が供給される。圧縮部１２の圧縮比（圧力比）は、蒸気生成システムＳ７の仕様に応じて設定される。

本実施形態において、蒸発部２２は、ヒートポンプ１０の第１放熱部１３Ａに熱的に接続される蒸発管５１Ｘを有する。本実施形態において、蒸発管５１Ｘと第１放熱部１３Ａとを含んで熱交換器４１Ｘが構成される。すなわち、熱交換器４１Ｘにおいて、ヒートポンプ１０の第１放熱部１３Ａと蒸発部２２の蒸発管５１Ｘとが熱的に接続される。第１放熱部１３Ａを流れる作動流体からの熱が蒸発管５１Ｘを流れる水に伝わる。熱交換器４１Ｘは、低温の流体（蒸発管５１Ｘ内の水）と高温の流体（ヒートポンプ１０内の作動流体）とが対向して流れる向流型の熱交換方式を有することができる。あるいは、熱交換器４１Ｘは、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換方式を有してもよい。熱交換器４１Ｘの熱交換構造として、公知の様々なものを採用することができる。ヒートポンプ１０の第１放熱部１３Ａの導管と、蒸発管５１Ｘとは互いに接触あるいは隣接して配置される。例えば、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ａの導管を、蒸発管５１Ｘの外周面や内部に配設することができる。

本実施形態において、加温部２１において、供給経路２０内の水がヒートポンプ１０の第２放熱部１３Ｂからの伝達熱によって沸点近くまで温度上昇する。その後、熱交換器４１Ｘにおいて、第１放熱部１３Ａからの伝達熱によってその水が相変化して蒸発する。つまり、水の顕熱加熱が主に加温部２１（熱交換器４１）において行われ、水の潜熱加熱が主に熱交換器４１Ｘにおいて行われる。熱交換器４１が顕熱交換に適した形態であり、熱交換器４１Ｘが潜熱交換に適した形態であるといった、装置構成の最適化が図られ、これに応じて、好ましい加熱プロセスを経て蒸気が生成される。

本実施形態によれば、ヒートポンプ１０は、蓄熱ユニット２００及び／又は熱交換ユニット２１０において冷熱供給装置９０からの熱を汲み上げる。本実施形態において、上記各実施形態と同様に、温排熱量、蒸気需要量、及び蓄熱ユニット２００の蓄熱量の各状態等に基づいて、蒸気生成システムＳ７の運転状態が変化する。したがって、蒸気生成システムＳ７は、冷熱供給装置９０とヒートポンプ１０との熱交換において、直接的な熱伝達と蓄熱部材を介した熱伝達とを適宜使うことにより、熱効率及び制御性の向上が達成される。

次に、本発明の第８実施形態について図面を参照して説明する。

図１４は、第３実施形態の別の変形例である、第８実施形態にかかる蒸気生成システムＳ８を示す概略図である。以下の説明では、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。

図１４に示すように、蒸気生成システムＳ８は、第３実施形態と異なり、供給経路２０における水を貯溜するタンクが、複数の蒸発管５１Ａ〜５１Ｄに対応する複数の個別タンク４７Ａ〜４７Ｄを有する。ヒートポンプ１０の構成は、第３実施形態のそれと同様である。

供給経路２０は、加温部２１と、蒸発部２２と、蒸発部２２と圧縮機３０とを流体的に接続するダクト２３とを有する。蒸発部２２は、必要に応じて脱気槽４９と、少なくとも液状の被加熱媒体（水）を貯溜するタンク（第１タンク４７Ａ、第２タンク４７Ｂ、第３タンク４７Ｃ、第４タンク４７Ｄ）と、各タンク４７Ａ〜４７Ｄに流体的に接続された循環導管（第１循環導管４８Ａ、第２循環導管４８Ｂ、第３循環導管４８Ｃ、第４循環導管４８Ｄ）とを有する。脱気槽４９とタンク（４７Ａ〜４７Ｄ）との間には、必要に応じて流体駆動部４９Ｃが配置される。各タンク４７Ａ〜４７Ｄには、加温部２１（脱気槽４９）からの水の供給口と、蒸気の排出口とが設けられる。タンク４７Ａ〜４７Ｄは、必要に応じて、液面を計測するレベルセンサ５０Ａ〜５０Ｄと、気液分離器（不図示）とを有する。

本実施形態において、第１タンク４７Ａに対して、蒸発管５１Ａを有する第１循環導管４８Ａが流体的に接続されている。すなわち、第１循環導管４８Ａの各入口端と各出口端とが第１タンク４７Ａに流体的に接続される。同様に、第２タンク４７Ｂに対して蒸発管５１Ｂを有する第２循環導管４８Ｂが流体的に接続されている。第３タンク４７Ｃに蒸発管５１Ｃを有する第３循環導管４８Ｃが流体的に接続され、第４タンク４７Ｄに蒸発管５１Ｄを有する第４循環導管４８Ｄが流体的に接続されている。蒸発管５１Ａは、ヒートポンプ１０の第１放熱部１３Ａに熱的に接続される。同様に、蒸発管５１Ｂ、５１Ｃ、及び５１Ｄはそれぞれ、ヒートポンプ１０の第２放熱部１３Ｂ、第３放熱部１３Ｃ、及び第４放熱部１３Ｄに熱的に接続される。タンク及び循環導管（蒸発管）の数は、蒸気生成システムＳ８の仕様に応じて設定され、２、３、４、５、６、７、８、９、あるいは１０以上である。本実施形態において、タンク４７Ａ〜４７Ｄと蒸発管５１Ａ〜５１Ｄの各ペアが、供給経路２０に対して並列に配置される。

蒸発管５１Ａと第１放熱部１３Ａとを含んで第２熱交換器４２が構成される。同様に、蒸発管５１Ｂと第２放熱部１３Ｂとを含んで第３熱交換器４３が構成される。蒸発管５１Ｃと第３放熱部１３Ｃとを含んで第４熱交換器４４が構成され、蒸発管５１Ｄと第４放熱部１３Ｄとを含んで第５熱交換器４５が構成される。第２〜第５熱交換器４２〜４５は、低温の流体（蒸発管５１Ａ〜５１Ｄ内の水）と高温の流体（ヒートポンプ１０内の作動流体）とが対向して流れる向流型の熱交換方式を有することができる。あるいは、第２〜第５熱交換器４２〜４５は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換方式を有してもよい。第２〜第５熱交換器４２〜４５の熱交換構造として、公知の様々なものを採用することができる。ヒートポンプ１０の各放熱部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄの導管と、蒸発管５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｄとは互いに接触あるいは隣接して配置される。例えば、ヒートポンプ１０の各放熱部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄの導管を、蒸発管５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｄの外周面や内部に配設することができる。

蒸発部２２において、加温部２１で温度上昇した水が分岐して各タンク４７Ａ〜４７Ｄに供給され、各タンク４７Ａ〜４７Ｄ及び各循環導管４８Ａ〜４８Ｄ内に水が貯溜される。供給経路２０は、各タンク４７Ａ〜４７Ｄへの水の供給量を制御するバルブ８０Ａ〜８０Ｄを有する。各タンク４７Ａ〜４７Ｄ内の液面が所定範囲内になるように、バルブ８０Ａ〜８０Ｄを介して各タンク４７Ａ〜４７Ｄへの水の供給量が制御される。例えば、レベルセンサ５０Ａ〜５０Ｄの計測結果に基づいて、各タンク４７Ａ〜４７Ｄへの水の供給量が制御される。ヒートポンプ１０の第１〜第４放熱部１３Ａ〜１３Ｄからの熱伝達によって蒸発管５１Ａ〜５１Ｄ内の水が加熱され、その水の少なくとも一部が蒸発する。各タンク４７Ａ〜４７Ｄは、ダクト２３を介して圧縮機３０に流体的に接続されている。タンク４７Ａ〜４７Ｄの内部空間は、各タンク４７Ａ〜４７Ｄの排出口及びダクト２３を介して圧縮機３０によって吸引される。

圧縮機３０（または供給経路２０）には、蒸気に対して水を供給するノズル３５が、必要に応じて配設される。ノズル３５の配設位置は、例えば、圧縮機３０の入口及び／又は出口である。圧縮機３０が多段式である場合には、ノズル３５を圧縮機３０の段間に配設することもできる。ノズル３５と少なくとも１つのタンク４７Ａ〜４７Ｄの液相位置とが導管３６を介して流体的に接続された導管を構成することができる。この導管構成では、比較的高温である少なくとも１つのタンク４７Ａ〜４７Ｄ内の液体がノズル３５への供給に有効利用される。ノズル３５からの液体の排出（スプレイ）には、ポンプ３７などの動力源を用いてもよく、導管３６の入口と出口との圧力差を利用してもよい。

本実施形態においても、第３実施形態と同様に、供給経路２０内の水が、ヒートポンプ１０（放熱部１３Ａ〜１３Ｅ）からの熱伝達によって比較的低圧力かつ低温度の蒸気となり、圧縮機３０による圧縮で比較的高圧力かつ高温度の蒸気となる。また、蒸気生成システムＳ８は、冷熱供給装置９０とヒートポンプ１０との熱交換において、直接的な熱伝達と蓄熱部材を介した熱伝達とを適宜使うことにより、熱効率及び制御性の向上が達成される。蒸気生成システムＳ８からの蒸気は、外部の所定施設、例えば製造プラント、調理施設、空調設備、発電プラントなどに供給される。本実施形態では、複数の個別タンク４７Ａ〜４７Ｄを有することにより、蒸気需要の変動に対する柔軟性が高い。

次に、本発明の第９実施形態について図面を参照して説明する。
図１５は、第９実施形態にかかる蒸気生成システムＳ９を示す概略図である。以下の説明では、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。

図１５に示すように、蒸気生成システムＳ９は、上記実施形態と異なり、供給経路２０における水を貯溜するタンクが、内部圧力が個別に設定される複数の個別タンク４７Ａ及び４７Ｂを有する。蒸気生成システムＳ９は、作動媒体（第１媒体）が流れるヒートポンプ１０と、被加熱媒体（第２媒体）の供給経路２０と、圧縮機３０，３１とを備える。

本実施形態において、ヒートポンプ１０は、吸熱部１１、圧縮部１２、放熱部１３Ａ〜１３Ｄ、及び膨張部１４を有し、これらは導管を介して接続されている。

本実施形態において、圧縮部１２は、作動媒体を単段で圧縮する構造を有する。後述する他の実施形態において、圧縮部１２は、作動媒体を複数段で圧縮する構造を有することができる。圧縮部１２は、軸流圧縮機、遠心圧縮機、レシプロ式圧縮機、ロータリー式圧縮機などの様々な圧縮機のうち、作動媒体の圧縮に適する圧縮機を有する。圧縮機には動力が供給される。圧縮部１２の圧縮比（圧力比）は、蒸気生成システムＳ９の仕様に応じて設定される。

放熱部１３Ａ〜１３Ｄは、圧縮部１２で圧縮された作動媒体が流れる導管を有し、主経路１５内を流れる作動媒体の熱をサイクル外の熱源に与える。本実施形態において、作動媒体の流れ方向に沿って、４つの放熱部１３Ａ〜１３Ｄが直列に配置されている。作動媒体の流れ方向に沿って、放熱部１３Ａ、放熱部１３Ｂ、放熱部１３Ｃ、及び放熱部１３Ｄがその順に並んでいる。放熱部の数は、蒸気生成システムＳ９の仕様に応じて設定され、３、４、５、６、７、８、９、１０、あるいは１１以上である。

本実施形態において、供給経路２０は、第１及び第２加温部２１Ａ，２１Ｂと、第１及び第２蒸発部２２Ａ，２２Ｂと、蒸発部２２Ａ，２２Ｂと圧縮機３０，３１とを流体的に接続するダクト２３Ａ，２３Ｂとを有する。本実施形態において、供給経路２０は、分岐部２４Ａと、分岐部２４Ａからの水を第１蒸発部２２Ａに導く分岐経路２５Ａと、分岐部２４Ａからの水を第２蒸発部２２Ｂに導く分岐経路２５Ｂとを有する。

第１加温部２１Ａは、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ｄに隣接して配置されかつ供給源（不図示）からの水が流れる導管を含む。第１加温部２１Ａと放熱部１３Ｄとを含んで第１熱交換器４１が構成される。第１加温部２１Ａにおいて、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ｄからの熱伝達によって、供給経路２０内の水が温度上昇する。

第２加温部２１Ｂは、分岐経路２５Ｂに配置される。第２加温部２１Ｂは、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ｂに隣接して配置されかつ第１加温部２１Ａからの水が流れる導管を含む。第２加温部２１Ｂと放熱部１３Ｂとを含んで第２熱交換器４２が構成される。第２加温部２１Ｂにおいて、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ｂからの熱伝達によって、分岐経路２５Ｂ内の水が温度上昇する。

第１及び第２熱交換器４１，４２は、低温の流体（供給経路２０内の水）と高温の流体（ヒートポンプ１０内の作動流体）とが対向して流れる向流型の熱交換方式を有することができる。第１及び第２熱交換器４１，４２は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換方式を有してもよい。第１及び第２熱交換器４１，４２の熱交換構造として、公知の様々なものを採用することができる。例えば、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ｄ又は放熱部１３Ｂの導管を、第１加温部２１Ａ又は第２加温部２１Ｂの導管の外周面及び／又は内部に配設することができる。

本実施形態において、分岐経路２５Ｂにおける分岐部２４Ａと第２加温部２１Ｂとの間にポンプ２６が配置されている。ポンプ２６及び／又は不図示の流量制御装置（制御バルブ等）によって、分岐経路２５Ａ及び分岐経路２５Ｂを流れる単位時間あたりの水の量（蒸発部２２Ａ，２２Ｂに対する水の分配量）が制御される。ポンプ２６の配置位置は、分岐部２４Ａと第２加温部２１Ｂとの間に限定されない。

第１蒸発部２２Ａは、少なくとも液状の被加熱媒体（水）を貯溜する第１タンク４７Ａと、第１タンク４７Ａに流体的に接続された第１循環導管４８Ａとを有する。すなわち、第１循環導管４８Ａの入口端と出口端とが第１タンク４７Ａに流体的に接続される。第１タンク４７Ａには、第１加温部２１Ａからの水の供給口と、蒸気の排出口とが設けられる。第１タンク４７Ａは、必要に応じて、液面を計測するレベルセンサ５０Ａと、気液分離器（不図示）とを有する。第１循環導管４８Ａは、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ｃに隣接して配置される蒸発管５１Ａと、必要に応じてポンプ５２Ａとを有する。

第２蒸発部２２Ｂは、第１蒸発部２２Ａと同様に、少なくとも液状の被加熱媒体（水）を貯溜する第２タンク４７Ｂと、第２タンク４７Ｂに流体的に接続された第２循環導管４８Ｂとを有する。すなわち、第２循環導管４８Ｂの入口端と出口端とが第２タンク４７Ｂに流体的に接続される。第２タンク４７Ｂには、第２加温部２１Ｂからの水の供給口と、蒸気の排出口とが設けられる。第２タンク４７Ｂは、必要に応じて、液面を計測するレベルセンサ５０Ｂと、気液分離器（不図示）とを有する。第２循環導管４８Ｂは、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ａに隣接して配置される蒸発管５１Ｂと、必要に応じてポンプ５２Ｂとを有する。

本実施形態において、第１蒸発部２２Ａ（第１タンク４７Ａ、蒸発管５１Ａ）と第２蒸発部２２Ｂ（第２タンク４７Ｂ、蒸発管５１Ｂ）とが、供給経路２０に対して実質的に並列に配置される。なお、前述したように、ヒートポンプ１０における作動媒体の流れ方向に対して、第２蒸発部２２Ｂが上流位置、第１蒸発部２２Ａが下流位置である。被加熱媒体（水）の熱対流及び／又は差圧などを利用してポンプ５２Ａ，５２Ｂの少なくとも１つを省いてもよい。

蒸発管５１Ａと放熱部１３Ｃとを含んで第３熱交換器４３が構成される。同様に、蒸発管５１Ｂと放熱部１３Ａとを含んで第４熱交換器４４が構成される。第３及び第４熱交換器４３，４４は、低温の流体（蒸発管５１Ａ，５１Ｂ内の水）と高温の流体（ヒートポンプ１０内の作動流体）とが対向して流れる向流型の熱交換方式を有することができる。第３及び第４熱交換器４３，４４は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換方式を有してもよい。第３及び第４熱交換器４３，４４の熱交換構造として、公知の様々なものを採用することができる。例えば、ヒートポンプ１０の各放熱部１３Ｃ，１３Ａの導管を、蒸発管５１Ａ，５１Ｂの外周面及び/又は内部に配設することができる。

第１蒸発部２２Ａにおいて、第１加温部２１Ａで温度上昇した水が供給口を介して第１タンク４７Ａに供給され、第１タンク４７Ａ及び第１循環導管４８Ａ内に水が貯溜される。第１タンク４７Ａ内の液面が所定範囲内になるように、第１タンク４７Ａへの水の供給量が制御される。例えば、レベルセンサ５０Ａの計測結果に基づいて、第１タンク４７Ａへの水の供給量が制御される。ヒートポンプ１０の放熱部１３Ｃからの熱伝達によって蒸発管５１Ａ内の水が加熱され、その水の少なくとも一部が蒸発する。第１タンク４７Ａは、ダクト２３Ａを介して圧縮機３０に流体的に接続されている。第１タンク４７Ａの内部空間は、第１タンク４７Ａの排出口及びダクト２３Ａを介して圧縮機３０によって吸引される。第１タンク４７Ａ内の蒸気は、ダクト２３Ａ内を圧縮機３０に向けて流れる。

第２蒸発部２２Ｂにおいて、第１及び第２加温部２１Ａ，２１Ｂで温度上昇した水が供給口を介して第２タンク４７Ｂに供給され、第２タンク４７Ｂ及び第２循環導管４８Ｂ内に水が貯溜される。第２タンク４７Ｂ内の液面が所定範囲内になるように、第２タンク４７Ｂへの水の供給量が制御される。例えば、レベルセンサ５０Ｂの計測結果に基づいて、第２タンク４７Ｂへの水の供給量が制御される。

本実施形態において、放熱部１３Ａと１３Ｃの間で、作動媒体の状態（圧力など）が異なる。各放熱部１３Ａ，１３Ｃに対応する蒸発管５１Ａ，５１Ｂを流れる水の単位時間あたりの流量が個々に制御されることにより、熱バランス制御の向上が図られる。

ヒートポンプ１０の放熱部１３Ａからの熱伝達によって蒸発管５１Ｂ内の水が加熱され、その水の少なくとも一部が蒸発する。第２タンク４７Ｂは、ダクト２３Ｂを介して圧縮機３１に流体的に接続されている。第２タンク４７Ｂの内部空間は、第２タンク４７Ｂの排出口及びダクト２３Ｂを介して圧縮機３１によって吸引される。第２タンク４７Ｂ内の蒸気は、ダクト２３Ｂ内を圧縮機３１に向けて流れる。

圧縮機３０は、供給経路２０の分岐経路２５Ａ上に配置され、その配置位置は第１タンク４７Ａに対して下流である。圧縮機３１は、供給経路２０の分岐経路２５Ｂ上に配置され、その配置位置は第２タンク４７Ｂに対して下流である。圧縮機３０，３１としては、軸流圧縮機、遠心圧縮機、レシプロ式圧縮機、ロータリー式圧縮機などの様々な圧縮機が適用され、蒸気圧縮に適するものが用いられる。圧縮機３０は、第１タンク４７Ａからの蒸気を圧縮し、昇圧した蒸気を下流に流す。圧縮機３１は、第２タンク４７Ｂからの蒸気を圧縮し、昇圧した蒸気を下流に流す。

圧縮機３０（または分岐経路２５Ａ）には、蒸気に対して水を供給するノズル３５Ａが、必要に応じて配設される。同様に、圧縮機３１（または分岐経路２５Ｂ）には、ノズル３５Ｂが必要に応じて配設される。ノズル３５Ａ，３５Ｂの配設位置は、例えば、圧縮機３０，３１の入口及び／又は出口である。圧縮機３０，３１が多段式である場合には、ノズル３５Ａ，３５Ｂを各圧縮機３０，３１の段間に配設することもできる。ノズル３５Ａと第１タンク４７Ａの液相位置とが導管３６Ａを介して流体的に接続された導管構成を採用することができる。この導管構成では、比較的高温である第１タンク４７Ａ内の液体がノズル３５Ａへの供給に有効利用される。同様に、ノズル３５Ｂと第２タンク４７Ｂの液相位置とが導管３６Ｂを介して流体的に接続された導管構成を採用することができる。ノズル３５Ａ，３６Ｂからの液体の排出（スプレイ）には、ポンプ３７Ａ，３７Ｂなどの動力源を用いてもよく、導管３６Ａ，３６Ｂの入口と出口との圧力差を利用してもよい。

圧縮機３０による吸引作用により、供給経路２０におけるヒートポンプ１０による加熱部位での内部空間、すなわち第１タンク４７Ａの内部空間が減圧される。第１タンク４７Ａの内部圧力が大気圧（１atm＝約０．１ＭＰａ）に比べて低い負圧（陰圧）となるように、供給経路２０（分岐経路２５Ａ）上の制御弁（流量制御弁など。不図示）、圧縮機３０等が制御される。この制御は、例えば、第１タンク４７Ａの内部圧力を計測するセンサ（不図示）の計測結果に基づいて行われる。

第１タンク４７Ａ及びヒートポンプ１０は、第１タンク４７Ａの内部空間が負圧状態において、水が蒸発するように設計（容量設計、能力設計など）されている。第１タンク４７Ａ内の水の温度は標準沸点よりも低い。ヒートポンプ１０の成績係数は、被加熱媒体（水）の入力温度と出力温度との差に応じて変化し、その温度差が過度に大きいと成績係数（ＣＯＰ）が低下する場合がある。第１タンク４７Ａの内部空間が負圧状態であるという条件により、加熱温度領域（入出力温度差）を比較的狭く設定し、高いＣＯＰでのヒートポンプ１０の使用が可能である。例えば、第１加温部２１Ａへの水の入口温度は約２０℃であり、第１加温部２１Ａからの水の出口温度（第１蒸発部２２Ａへの水の入口温度）は約９０℃である。また、例えば、第１蒸発部２２Ａからの水（蒸気）の出口温度は約９０℃である。

第２タンク４７Ｂの内部圧力は、第２蒸発部２２Ｂへの水の入力温度に応じて設定される。本実施形態において、第１タンク４７Ａに比べて、第２タンク４７Ｂへの水の入口温度が高い。第１及び第２加温部２１Ａ，２１Ｂで加熱された水の温度（第２加温部２１Ｂからの水の出口温度、第２蒸発部２２Ｂへの水の入口温度）は例えば約１２０℃である。第１タンク４７Ａに比べて、第２タンク４７Ｂの内部圧力が高く設定される。供給経路２０（分岐経路２５Ｂ）上の制御弁（流量制御弁など。不図示）、ポンプ２６、圧縮機３１等の制御によって、第２タンク４７Ｂの内部圧力が設定される。この制御は、例えば、第２タンク４７Ｂの内部圧力を計測するセンサ（不図示）の計測結果に基づいて行われる。上記した各部位での入口及び出口温度は一例である。供給源の水の温度、気温、蒸気の要求仕様などの条件に応じて、各部位における水の入口及び出口温度が変化する。

本実施形態においては、供給経路２０内の水が、ヒートポンプ１０からの熱伝達によって蒸気になる。まず、第１熱交換器４１（第１加温部２１Ａ）において、供給経路２０内の水がヒートポンプ１０の放熱部１３Ｄからの熱伝達によって温度上昇する。第１加温部２１Ａからの水の流れは、分岐部２４Ａを介して、分岐経路２５Ａと分岐経路２５Ｂとに分かれる。分岐経路２５Ａを流れる水は、第１蒸発部２２Ａ（第１タンク４７Ａ）に向かう。第１タンク４７Ａにおいて、水は沸点（第１沸点）に近い温度を有する。第３熱交換器４３において、放熱部１３Ｃからの熱伝達によって蒸発管５１Ａ内の水が相変化して蒸発する。

分岐経路２５Ｂを流れる水は、第２熱交換器４２（第２加温部２１Ｂ）に向かう。第２熱交換器４２（第２加温部２１Ｂ）において、分岐経路２５Ｂ内の水がヒートポンプ１０の放熱部１３Ｂからの熱伝達によってさらに温度上昇する。第２タンク４７Ｂの内部圧力は第１タンク４７Ａに比べて高い。第２タンク４７Ｂにおいて、水は沸点（第２沸点）に近い温度を有する。第２タンク４７Ｂ内の水の温度は、第１タンク４７Ａ内の水に比べて高い。第４熱交換器４４において、放熱部１３Ａからの熱伝達によって蒸発管５１Ａ内の水が相変化して蒸発する。

本実施形態において、第１及び第２熱交換器４１，４２（第１及び第２加温部２１Ａ，２１Ｂ）において水が主に顕熱加熱され、第３及び第４熱交換器４３，４４（第１及び第２蒸発管５１Ａ，５１Ｂ）において水が主に潜熱加熱される。第１及び第２熱交換器４１，４２が顕熱交換に適した形態であり、第３及び第４熱交換器４３，４４が潜熱交換に適した形態であるといった、装置構成の最適化が図られることにより、好ましい加熱プロセスを経て蒸気が発生する。

また、蒸気生成システムＳ９は、冷熱供給装置９０とヒートポンプ１０との熱交換において、直接的な熱伝達と蓄熱部材を介した熱伝達とを適宜使うことにより、熱効率及び制御性の向上が達成される。

本実施形態において、供給経路２０内の水が、ヒートポンプ１０（放熱部１３Ａ〜１３Ｄ）からの熱伝達によって比較的低圧力かつ低温度の蒸気となり、圧縮機３０，３１による圧縮で比較的高圧力かつ高温度の蒸気となる。すなわち、ヒートポンプ１０で加熱された水が、圧縮機３０，３１による圧縮によってさらに加熱され、これにより、例えば約１００℃以上の高温蒸気が発生する。

図１６は、蒸気生成システムＳ９におけるヒートポンプ１０の作動媒体の状態変化の一例を示す Ｔ-ｓ 線図である。図１７は、第９実施形態における水とヒートポンプの作動媒体との温度変化の一例を模式的に示している。

図１７に示すように、第１加温部２１Ａ（図１５参照）において、作動媒体との熱交換により、供給源からの水の温度が第１沸点近くに上昇する（図１７の矢印ｍ１）。第１蒸発部２２Ａにおいて、作動媒体との熱交換により、第１沸点近くの温度で、水が液体から蒸気に相変化する（矢印ｍ２）。第２加温部２１Ｂにおいて、作動媒体との熱交換により、水の温度が第２沸点近くに上昇する（矢印ｍ３）。第２蒸発部２２Ｂにおいて、作動媒体との熱交換により、第２沸点近くの温度で、水が液体から蒸気に相変化する（矢印ｍ４）。

また、図１７に示すように、水との熱交換により、圧縮部１２（図１５参照）からの作動媒体（蒸気）の温度が降下する（矢印ｎ１）。その作動媒体（蒸気）は、水との熱交換により、液体に相変化する（矢印ｎ２）。さらに、水との熱交換により、作動媒体（液体）の温度が降下する（矢印ｎ３）。

このように、異なる環境に設定された２つの蒸発部を用いて蒸気を発生させることにより、熱交換時の作動媒体と水との温度差を抑制し、熱交換効率を高めることができる。図１７において、水の温度を示す線と、作動媒体の温度を示す線とで囲まれた領域の面積が小さいほど、熱交換効率が高いと考えることができる。

図１８は、第９実施形態の変形例である第１０実施形態にかかる蒸気生成システムＳ１０を示す概略図である。以下の説明では、蒸気生成システムＳ１０について、図１５に示す蒸気生成システムＳ９と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。

図１８に示すように、蒸気生成システムＳ１０は、３つの蒸発部２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃと、３つの圧縮機３０，３１，３２とを有する。供給経路２０は、第１、第２、及び第３加温部２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃと、第１、第２、及び第３蒸発部２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃと、蒸発部２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃと圧縮機３０，３１，３２とを流体的に接続するダクト２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃとを有する。本実施形態において、供給経路２０は、分岐部２４Ａ，２４Ｂと、分岐経路２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄとを有する。供給経路２０において、第２加温部２１Ｂと第２タンク４７Ｂとの間に、分岐部２４Ｂが位置する。分岐経路２５Ｃは、分岐部２４Ｂからの水を第２蒸発部２２Ｂに導く。分岐経路２５Ｄは、分岐部２４Ｂからの水を第３蒸発部２２Ｃに導く。

本実施形態において、作動媒体の流れ方向に沿って、６つの放熱部１３Ａ〜１３Ｆが直列に配置されている。作動媒体の流れ方向に沿って、放熱部１３Ｅ、放熱部１３Ｆ、放熱部１３Ａ、放熱部１３Ｂ、放熱部１３Ｃ、及び放熱部１３Ｄがその順に並んでいる。

第３加温部２１Ｃは、分岐経路２５Ｄに配置される。第３加温部２１Ｃは、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ｆに隣接して配置されかつ第２加温部２１Ｂからの水が流れる導管を含む。第３加温部２１Ｃと放熱部１３Ｆとを含んで第５熱交換器４５が構成される。第３加温部２１Ｃにおいて、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ｆからの熱伝達によって、分岐経路２５Ｄ内の水が温度上昇する。

本実施形態において、分岐経路２５Ｄにおける分岐部２４Ｂと第３加温部２１Ｃとの間にポンプ２７が配置されている。ポンプ２７及び／又は不図示の流量制御装置（制御バルブ等）によって、分岐経路２５Ｃ及び分岐経路２５Ｄを流れる単位時間あたりの水の量（蒸発部２２Ｂ，２２Ｃに対する水の分配量）が制御される。ポンプ２７の配置位置は、分岐部２４Ｂと第３加温部２１Ｃとの間に限定されない。

第３蒸発部２２Ｃは、第１及び第２蒸発部２２Ａ，２２Ｂと同様に、少なくとも液状の被加熱媒体（水）を貯溜する第３タンク４７Ｃと、第３タンク４７Ｃに流体的に接続された第３循環導管４８Ｃとを有する。すなわち、第３循環導管４８Ｃの入口端と出口端とが第３タンク４７Ｃに流体的に接続される。第３タンク４７Ｃには、第３加温部２１Ｃからの水の供給口と、蒸気の排出口とが設けられる。第３タンク４７Ｃは、必要に応じて、液面を計測するレベルセンサ５０Ｃと、気液分離器（不図示）とを有する。第３循環導管４８Ｃは、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ｅに隣接して配置される蒸発管５１Ｃと、必要に応じてポンプ５２Ｃとを有する。

本実施形態において、第１蒸発部２２Ａ（第１タンク４７Ａ、蒸発管５１Ａ）と第２蒸発部２２Ｂ（第２タンク４７Ｂ、蒸発管５１Ｂ）と第３蒸発部２２Ｃ（第３タンク４７Ｃ、蒸発管５１Ｃ）とが、供給経路２０に対して実質的に並列に配置される。第１、第２、及び第３加温部２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃは、供給経路２０に対して実質的に直列に配置される。なお、ヒートポンプ１０における作動媒体の流れ方向に対して、第３蒸発部２２Ｃが上流位置、第２蒸発部２２Ｂが中間位置、第１蒸発部２２Ａが下流位置である。被加熱媒体（水）の熱対流及び／又は差圧などを利用してポンプ５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃの少なくとも１つを省いてもよい。蒸発管５１Ｃと放熱部１３Ｅとを含んで第６熱交換器４６が構成される。

第３蒸発部２２Ｃにおいて、第１、第２、及び第３加温部２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃで温度上昇した水が供給口を介して第３タンク４７Ｃに供給され、第３タンク４７Ｃ及び第３循環導管４８Ｃ内に水が貯溜される。第３タンク４７Ｃ内の液面が所定範囲内になるように、第３タンク４７Ｃへの水の供給量が制御される。例えば、レベルセンサ５０Ｃの計測結果に基づいて、第３タンク４７Ｃへの水の供給量が制御される。ヒートポンプ１０の放熱部１３Ｅからの熱伝達によって蒸発管５１Ｃ内の水が加熱され、その水の少なくとも一部が蒸発する。第３タンク４７Ｃは、ダクト２３Ｃを介して圧縮機３２に流体的に接続されている。第３タンク４７Ｃの内部空間は、第３タンク４７Ｃの排出口及びダクト２３Ｃを介して圧縮機３２によって吸引される。第３タンク４７Ｃ内の蒸気は、ダクト２３Ｃ内を圧縮機３２に向けて流れる。

圧縮機３２は、供給経路２０の分岐経路２５Ｄ上に配置され、その配置位置は第３タンク４７Ｃに対して下流である。圧縮機３２は、第３タンク４７Ｃからの蒸気を圧縮し、昇圧した蒸気を下流に流す。

第３タンク４７Ｃの内部圧力は、第３蒸発部２２Ｃへの水の入力温度に応じて設定される。本実施形態において、第１及び第２タンク４７Ａ，４７Ｂに比べて、第３タンク４７Ｃへの水の入口温度が高い。第１、第２、及び第３加温部２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃで加熱された水の温度（第３加温部２１Ｃからの水の出口温度、第３蒸発部２２Ｃへの水の入口温度）は例えば約１５０℃である。第１及び第２タンク４７Ａ，４７Ｂに比べて、第３タンク４７Ｃの内部圧力が高く設定される。供給経路２０（分岐経路２５Ｄ）上の制御弁（流量制御弁など。不図示）、ポンプ２７、圧縮機３２等の制御によって、第３タンク４７Ｃの内部圧力が設定される。この制御は、例えば、第３タンク４７Ｃの内部圧力を計測するセンサ（不図示）の計測結果に基づいて行われる

本実施形態において、分岐経路２５Ｄを流れる水は、第５熱交換器４５（第３加温部２１Ｃ）に向かう。第５熱交換器４５（第３加温部２１Ｃ）において、分岐経路２５Ｄ内の水がヒートポンプ１０の放熱部１３Ｆからの熱伝達によってさらに温度上昇する。第３タンク４７Ｃの内部圧力は第１及び第２タンク４７Ａ，４７Ｂに比べて高い。第３タンク４７Ｃにおいて、水は沸点（第３沸点）に近い温度を有する。第３タンク４７Ｃ内の水の温度は、第１及び第２タンク４７Ａ，４７Ｂ内の水に比べて高い。第６熱交換器４６において、放熱部１３Ｅからの熱伝達によって蒸発管５１Ｃ内の水が相変化して蒸発する。

本実施形態においても、蒸気生成システムＳ１０は、冷熱供給装置９０とヒートポンプ１０との熱交換において、直接的な熱伝達と蓄熱部材を介した熱伝達とを適宜使うことにより、熱効率及び制御性の向上が達成される。

本実施形態において、第１蒸発部２２Ａの第１タンク４７Ａでは比較的低い圧力下で飽和蒸気が発生し、第３蒸発部２２Ｃの第３タンク４７Ｃでは比較的高い圧力下で飽和蒸気が発生し、第２蒸発部２２Ｂの第２タンク４７Ｂでは中間の圧力下で飽和蒸気が発生する。第１、第２、及び第３蒸発部２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃの各蒸気排出量（混合比）を制御することにより、出力蒸気の仕様を変化させることができる。

図１９は、第１０実施形態における水とヒートポンプの作動媒体との温度変化の一例を模式的に示す。

図１９に示すように、第１及び第２加温部２１Ａ，２１Ｂ（図１８参照）を介して上昇した水の温度が、第３加温部２１Ｃにおいて、作動媒体との熱交換により、第３沸点近くにさらに上昇する（図１９の矢印ｍ５）。第３蒸発部２２Ｃにおいて、作動媒体との熱交換により、第３沸点近くの温度で、水が液体から蒸気に相変化する（矢印ｍ６）。

このように、異なる環境に設定された３つの蒸発部を用いて蒸気を発生させることにより、熱交換時の作動媒体と水との温度差を抑制し、熱交換効率を高めることができる。図１９において、水の温度を示す線と、作動媒体の温度を示す線とで囲まれた領域の面積が小さいほど、熱交換効率が高いと考えることができる。

第９及び第１０実施形態において、蒸発部の数（タンク及び循環導管（蒸発管）の数）は、蒸気生成システムの仕様に応じて設定され、２、３、４、５、６、７、８、９、あるいは１０以上である。

図２０は、図１５の蒸気生成システムＳ９の別の変形例である第１１実施形態にかかる蒸気生成システムＳ１１を示す概略図である。以下の説明では、蒸気生成システムＳ１１について、図１５に示す蒸気生成システムＳ９と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。

蒸気生成システムＳ１１において、図２０に示すように、圧縮部１２が作動媒体を複数段（本例では２段）で圧縮する構造を有する。本実施形態において、圧縮部１２は、放熱部１３Ａの前に配置される第１圧縮部１２Ａと、放熱部１３Ａの中段に配置される第２圧縮部１２Ｂとを有する。第２圧縮部１２Ｂに代えてあるいは加えて、放熱部１３Ｃの中段に圧縮部を設けることができる。圧縮の段数は、蒸気生成システムの仕様に応じて設定され、２、３、４、５、６、７、８、９、あるいは１０以上である。圧縮部１２は、各圧縮部１２Ａ，１２Ｂに対応する回転数が個々に制御される多軸圧縮構造を有することができる。あるいは、圧縮部１２は、同軸圧縮構造を有することができる。各圧縮部１２Ａ，１２Ｂの圧縮比（圧力比）は、蒸気生成システムの仕様に応じて設定される。

本実施形態において、圧縮部１２が多段式である点から、エネルギー効率の向上が図られる。すなわち、多段式の圧縮部１２の段間の熱が奪われることによって、作動媒体の圧縮過程における作動媒体の温度上昇が抑制され、その結果、圧縮部１２の圧縮効率の向上及び圧縮機の動力の低減化が図られる。また、本実施形態において、多段式の圧縮部１２に対する作動媒体の入力温度が再生器１８によって高められている点も、圧縮部１２の動力低減に有利である。

本実施形態においても、蒸気生成システムＳ１１は、冷熱供給装置９０とヒートポンプ１０との熱交換において、直接的な熱伝達と蓄熱部材を介した熱伝達とを適宜使うことにより、熱効率及び制御性の向上が達成される。

図２１は、図１８の蒸気生成システムＳ１０の変形例である第１２実施形態を示す概略図である。以下の説明では、蒸気生成システムＳ１２について、図１８に示す蒸気生成システムＳ１０と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。

蒸気生成システムＳ１２において、図２１に示すように、圧縮部１２が作動媒体を複数段（本例では２段）で圧縮する構造を有する。本実施形態において、圧縮部１２は、放熱部１３Ｅの前に配置される第１圧縮部１２Ａと、放熱部１３Ｅの中段に配置される第２圧縮部１２Ｂとを有する。第２圧縮部１２Ｂに代えてあるいは加えて、放熱部１３Ａの中段及び／又は放熱部Ｃの中段に圧縮部を設けることができる。

本実施形態においても、蒸気生成システムＳ１２は、冷熱供給装置９０とヒートポンプ１０との熱交換において、直接的な熱伝達と蓄熱部材を介した熱伝達とを適宜使うことにより、熱効率及び制御性の向上が達成される。

図２２は、図１５の蒸気生成システムＳ９の別の変形例である第１３実施形態にかかる蒸気生成システムＳ１３を示す概略図である。以下の説明では、蒸気生成システムＳ１３について、図１５に示す蒸気生成システムＳ９と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。

蒸気生成システムＳ１３において、図２２に示すように、圧縮部１２が作動媒体を複数段（本例では２段）で圧縮する構造を有する。本実施形態において、圧縮部１２は、放熱部１３Ａの前に配置される第１圧縮部１２Ａと、放熱部１３Ｂと放熱部１３Ｃとの間に配置される第２圧縮部１２Ｃとを有する。第２圧縮部１２Ｃに加えて、放熱部１３Ａ及び／又は放熱部１３Ｃの中段に圧縮部を設けることもできる。圧縮の段数は、蒸気生成システムの仕様に応じて設定され、２、３、４、５、６、７、８、９、あるいは１０以上である。圧縮部１２は、各圧縮部１２Ａ，１２Ｃに対応する回転数が個々に制御される多軸圧縮構造を有することができる。あるいは、圧縮部１２は、同軸圧縮構造を有することができる。各圧縮部１２Ａ，１２Ｃの圧縮比（圧力比）は、蒸気生成システムの仕様に応じて設定される。

本実施形態においても、蒸気生成システムＳ１３は、冷熱供給装置９０とヒートポンプ１０との熱交換において、直接的な熱伝達と蓄熱部材を介した熱伝達とを適宜使うことにより、熱効率及び制御性の向上が達成される。

図２３は、図１８の蒸気生成システムＳ１０の別の変形例である第１４実施形態にかかる蒸気生成システムＳ１４を示す概略図である。以下の説明では、蒸気生成システムＳ１４について、図１８に示す蒸気生成システムＳ１０と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。

蒸気生成システムＳ１４において、図２３に示すように、圧縮部１２が作動媒体を複数段（本例では２段）で圧縮する構造を有する。本実施形態において、圧縮部１２は、放熱部１３Ｅの前に配置される第１圧縮部１２Ａと、放熱部１３Ｆと放熱部１３Ａとの間に配置される第２圧縮部１２Ｃとを有する。第２圧縮部１２Ｃに代えてあるいは加えて、放熱部１３Ｂと放熱部１３Ｃとの間に圧縮部を設けることができる。また、第２圧縮部１２Ｃに加えて、放熱部１３Ｅ、放熱部１３Ａ、及び／又は放熱部１３Ｃの中段に圧縮部を設けることもできる。

本実施形態においても、蒸気生成システムＳ１４は、冷熱供給装置９０とヒートポンプ１０との熱交換において、直接的な熱伝達と蓄熱部材を介した熱伝達とを適宜使うことにより、熱効率及び制御性の向上が達成される。

図２４は、図２３の蒸気生成システムＳ１４の別の変形例である第１２実施形態にかかる蒸気生成システムＳ１５を示す概略図である。以下の説明では、蒸気生成システムＳ１５について、図２３に示す蒸気生成システムＳ１４と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。

蒸気生成システムＳ１４において、図２４に示すように、供給経路２０に対して、第２加温部２１Ｂと第３加温部２１Ｃとが実質的に並列に配置される。なお、ヒートポンプ１０における作動媒体の流れ方向に対して、第３加温部２１Ｃが上流位置、第２加温部２１Ｂが下流位置である。

本実施形態において、供給経路２０は、分岐部２４Ａ，２４Ｃと、分岐経路２５Ａ，２５Ｆ，２５Ｇ，２５Ｈとを有する。供給経路２０において、分岐部２４Ａから、分岐経路２５Ａと分岐経路２５Ｆとが分かれている。分岐経路２５Ａは、前述したように、分岐部２４Ａからの水を第１蒸発部２２Ａに導く。分岐部２４Ａからの分岐経路２５Ｆに分岐部２４Ｃが位置する。分岐部２４Ｃから、分岐経路２５Ｇと分岐経路２５Ｈとが分かれている。分岐経路２５Ｇは、分岐部２４Ｃからの水を第２加温部２１Ｂに導く。分岐経路２５Ｈは、分岐部２４Ｂからの水を第３加温部２１Ｃに導く。

本実施形態において、分岐経路２５Ｆにポンプ２８が配置されている。ポンプ２８及び／又は不図示の流量制御装置（制御バルブ等）によって、分岐経路２５Ａ，２５Ｆ，２５Ｇ，２５Ｈを流れる単位時間あたりの水の量（蒸発部２２Ａ，２２Ｂ，２３Ｃに対する水の分配量）が制御される。ポンプ２８の配置位置は、分岐経路２５Ｆ上に限定されない。他の実施形態において、分岐経路２５Ｇ及び／又は２５Ｈ上に、ポンプを配置することができる。

第２蒸発部２２Ｂにおいて、第１及び第２加温部２１Ａ，２１Ｂで温度上昇した水が供給口を介して第２タンク４７Ｂに供給される。同様に、第３蒸発部２２Ｃにおいて、第１及び第３加温部２１Ａ，２１Ｃで温度上昇した水が供給口を介して第３タンク４７Ｃに供給される。

本実施形態において、ヒートポンプ１０の圧縮部１２が多段式であるから、放熱部１３Ｂから第２加温部２１Ｂに伝達される熱は、放熱部１３Ｅから第３加温部２１Ｃに伝達される熱と同程度にすることができる。第２及び第３加温部２１Ｂ，２１Ｃが実質的に並列に配置されるから、第２蒸発部２２Ｂへの水の入口温度（第２加温部２１Ｂからの水の出口温度）は、第１及び第３加温部２１Ａ，２１Ｃで加熱された水の温度（第３加温部２１Ｃからの水の出口温度、第３蒸発部２２Ｃへの水の入口温度）と同程度にすることができる。

第２及び第３タンク４７Ｂ，４７Ｃの内部圧力は、第２及び第３蒸発部２２Ｂ，２２Ｃへの水の入力温度に応じて設定される。本実施形態において、第１タンク４７Ａに比べて、第２及び第３タンク４７Ｂ，４７Ｃへの水の入口温度が高い。第１タンク４７Ａに比べて、第２及び第３タンク４７Ｂ，４７Ｃの内部圧力が高く設定される。供給経路２０（分岐経路２５Ｈ，２５Ｇ）上の制御弁（流量制御弁など。不図示）、ポンプ２８、圧縮機３１，３２等の制御によって、第２及び第３タンク４７Ｂ，４７Ｃの内部圧力が設定される。この制御は、例えば、第２及び第３タンク４７Ｂ，４７Ｃの内部圧力を計測するセンサ（不図示）の計測結果に基づいて行われる。

本実施形態において、第１蒸発部２２Ａの第１タンク４７Ａでは比較的低い圧力下で飽和蒸気が発生し、第２及び第３蒸発部２２Ｂ，２２Ｃの第２及び第３タンク４７Ｂ，４７Ｃでは比較的高い圧力下で飽和蒸気が発生する。第１、第２、及び第３蒸発部２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃの各蒸気排出量（混合比）を制御することにより、出力蒸気の仕様を変化させることができる。本実施形態において、同程度の内部圧力に設定可能な複数の蒸発タンク（第２及び第３タンク４７Ｂ，４７Ｃ）が設けられているから、その圧力に応じた条件に対応する蒸気を比較的多く発生させることができる。

本実施形態においても、蒸気生成システムＳ１５は、冷熱供給装置９０とヒートポンプ１０との熱交換において、直接的な熱伝達と蓄熱部材を介した熱伝達とを適宜使うことにより、熱効率及び制御性の向上が達成される。

上記説明において使用した数値は一例であって、本発明はこれに限定されない。

以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はこれら実施例に限定されることはない。上記説明において使用した数値は一例であって、本発明はこれに限定されない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付の請求の範囲によってのみ限定される。

第１実施形態を示す概略図である。 蒸気生成システムの運転方法の表を示す図である。 蒸気生成システムによる水の状態変化の一例を示す Ｔ-ｓ 線図である。 ヒートポンプの圧縮部が多段である例を示す図である。 ヒートポンプの圧縮部が多段である別の例を示す図である。 蒸発管における水の流量を制御する構成の一例を示す。 第２実施形態を示す概略図である。 第３実施形態を示す概略図である。 蒸気生成システムの運転方法の表を示す図である。 第４実施形態を示す概略図である。 第５実施形態を示す概略図である。 第６実施形態を示す概略図である。 第７実施形態を示す概略図である。 第８実施形態を示す概略図である。 第７実施形態を示す概略図である。 ヒートポンプの作動媒体の状態変化の一例を示す Ｔ-ｓ 線図である。 第９実施形態における水とヒートポンプの作動媒体との温度変化の一例を模式的に示す図である。 第１０実施形態を示す概略図である。 第１０実施形態における水とヒートポンプの作動媒体との温度変化の一例を模式的に示す図である。 第１１実施形態を示す概略図である。 第１２実施形態を示す概略図である。 第１３実施形態を示す概略図である。 第１４実施形態を示す概略図である。 第１５実施形態を示す概略図である。

符号の説明

Ｓ１〜Ｓ１５…蒸気生成システム、１０…ヒートポンプ（第１ユニット、第２ユニット）、１１…吸熱部、１２…圧縮部、１３Ａ〜１３Ｆ…放熱部、１４…膨張部、１５…主経路、１７…バイパス経路、１８…再生器、２０…供給経路（第２ユニット、蒸気生成部）、２１Ａ〜２１Ｃ…加温部、２２Ａ〜２２Ｃ…蒸発部、２３Ａ〜２３Ｃ…ダクト、２６〜２８…ポンプ、３０，３１，３２…圧縮機、３５Ａ〜３５Ｃ…ノズル、４２…熱交換器（熱交換ユニット）、４７，４７Ａ〜４７Ｃ…タンク、４８Ａ〜４８Ｃ…循環導管、５０Ａ〜５０Ｃ…レベルセンサ、５１Ａ…蒸発管（第１導管）、５１Ｂ…蒸発管（第２導管）、５１Ａ〜５１Ｄ…蒸発管（第５導管）、７０…制御装置、７１，７２…センサ、９０…冷熱供給装置（第１ユニット、第１装置）、９１Ａ…放熱管（第３導管）、９１Ｂ…放熱管（第４導管）、１００，２００…蓄熱ユニット、１０１，２０１…蓄熱部材、１５０，２５０…制御ユニット、１６０，１８１…熱交換部、１８０…導管、２１０…熱交換ユニット。

Claims (14)

1. 第１流体が流れる第１ユニットと、
   第２流体が流れる第２ユニットであり、前記第２流体又は前記第２流体からの熱を受けた第３流体が蒸発する前記第２ユニットと、
   前記第１流体からの熱を少なくとも一時的に蓄える蓄熱部材を有し、前記蓄熱部材からの熱が前記第２流体に伝わる蓄熱ユニットと、
   前記蓄熱ユニットとは別に設けられ、前記第１流体からの熱が前記第２流体に伝わる熱交換ユニットと、
   前記蓄熱ユニット及び前記熱交換ユニットの少なくとも一方における前記第１流体の流量を制御する制御ユニットと、を備える蒸気生成システム。
2. 請求項１に記載の蒸気生成システムにおいて、
   前記第１ユニットは、前記第１流体が流れかつ前記蓄熱ユニット及び前記熱交換ユニットに熱的に接続されるヒートポンプを有し、
   前記第２ユニットは、前記第２流体を貯溜するタンクと、前記タンクに流体的に接続されかつ前記第２流体が流れかつ前記蓄熱ユニットに熱的に接続される第１導管と、前記タンクに流体的に接続されかつ前記第２流体が流れかつ前記熱交換ユニットで前記ヒートポンプに熱的に接続される第２導管とを有する蒸気生成システム。
3. 請求項１に記載の蒸気生成システムにおいて、
   前記第１ユニットは、前記第１流体が流れかつ前記蓄熱ユニット及び前記熱交換ユニットに熱的に接続されるヒートポンプを有し、
   前記第２ユニットは、前記第２流体を貯溜するタンクと、前記タンクに流体的に接続されかつ前記第２流体が流れかつ前記蓄熱ユニットに熱的に接続される第１導管とを有し、
   前記熱交換ユニットは、前記第１流体が流れる第２導管であり、前記第１流体からの熱が前記タンク内の前記第２流体に伝わる熱交換部を有する前記第２導管を有する蒸気生成システム。
4. 請求項２又は３に記載の蒸気生成システムにおいて、前記第２ユニットは、前記タンクからの蒸発した前記第２流体を圧縮する圧縮機をさらに有する蒸気生成システム。
5. 請求項２から４のいずれかに記載の蒸気生成システムにおいて、
   前記第２ユニットは、前記タンクの上流に配置されかつ前記ヒートポンプからの熱によって前記第２流体が加温される加温部をさらに有し、
   前記ヒートポンプは、前記第１流体を圧縮する圧縮部と、前記圧縮部からの前記第１流体の一部が前記加温部を迂回するバイパス経路と、前記バイパス経路内の前記第１流体からの熱が前記圧縮部の上流の前記第１流体に伝わる再生器と、を少なくとも有する蒸気生成システム。
6. 請求項２から５のいずれかに記載の蒸気生成システムにおいて、
   前記第２流体は水であり、
   前記蓄熱部材の蓄熱温度は、約６０℃〜約１５０℃である蒸気生成システム。
7. 請求項１に記載の蒸気生成システムにおいて、
   前記第２ユニットは、前記第２流体が流れかつ前記蓄熱ユニット及び前記熱交換ユニットに熱的に接続されるヒートポンプと、前記ヒートポンプに熱的に接続されかつ前記第３流体が流れる蒸気生成部とを有し、
   前記第１ユニットは、前記第１流体が流れかつ前記蓄熱ユニットに熱的に接続される第３導管と、前記第１流体が流れかつ前記熱交換ユニットで前記ヒートポンプに熱的に接続される第４導管とを有する蒸気生成システム。
8. 請求項７に記載の蒸気生成システムにおいて、
   前記蒸気生成部は、前記第３流体を貯溜するタンクと、前記タンクに流体的に接続されかつ前記第３流体が流れかつ前記ヒートポンプに熱的に接続される第５導管と、前記タンクからの蒸発した前記第３流体を圧縮する圧縮機とを有する蒸気生成システム。
9. 請求項７に記載の蒸気生成システムにおいて、
   前記蒸気生成部は、前記第３流体を貯溜するタンクを有し、
   前記ヒートポンプは、前記第２流体が流れる第５導管であり、前記第２流体からの熱が前記タンク内の前記第３流体に伝わる熱交換部を有する前記第５導管を有する蒸気生成システム。
10. 請求項７に記載の蒸気生成システムにおいて、
    前記蒸気生成部は、前記第３流体が流れかつ前記ヒートポンプに熱的に接続される第５導管を有する蒸気生成システム。
11. 請求項７から１０のいずれかに記載の蒸気生成システムにおいて、
    前記蒸気生成部は、前記タンクの上流に配置されかつ前記ヒートポンプからの熱によって前記第３流体が加温される加温部をさらに有し、
    前記ヒートポンプは、圧縮部と、前記圧縮部からの前記第２流体の一部が前記加温部を迂回するバイパス経路と、前記バイパス経路内の前記第２流体からの熱が前記圧縮部の上流の前記第２流体に伝わる再生器と、を少なくとも有する蒸気生成システム。
12. 請求項７から１１のいずれかに記載の蒸気生成システムにおいて、
    前記第３流体は水であり、
    前記蓄熱部材の蓄熱温度は、約２５℃〜約８５℃である蒸気生成システム。
13. ヒートポンプから伝達された熱を蓄熱ユニットに蓄える工程と、
    前記蓄熱ユニットから伝達された熱によって流体を蒸発させる工程と、
    前記ヒートポンプから直接的に伝達された熱によって前記流体を蒸発させる工程と、
    前記ヒートポンプの吸熱部に供給される熱量と、蒸気需要と、前記蓄熱ユニットにおける蓄熱状態との少なくとも１つに基づいて、前記ヒートポンプから前記蓄熱ユニットへの熱伝達と、前記蓄熱ユニットから前記流体への熱伝達と、前記ヒートポンプから前記流体への熱伝達との少なくとも１つを制御する工程と、を備える蒸気生成方法。
14. ヒートポンプから伝達された熱によって流体を蒸発させる工程と、
    第１装置から伝達された熱を蓄熱ユニットに蓄える工程と、
    前記蓄熱ユニットから伝達された熱を前記ヒートポンプの吸熱部に供給する工程と、
    前記第１装置から直接的に伝達された熱を前記ヒートポンプの前記吸熱部に供給する工程と、
    前記ヒートポンプの前記吸熱部に供給される熱量と、蒸気需要と、前記蓄熱ユニットにおける蓄熱状態との少なくとも１つに基づいて、前記ヒートポンプから前記流体への熱伝達と、前記第１装置から前記蓄熱ユニットへの熱伝達と、前記蓄熱ユニットから前記吸熱部への熱伝達と、前記第１装置から前記吸熱部への熱伝達との少なくとも１つを制御する工程と、を備える蒸気生成方法。

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