JP2011137631A - 蒸気発生システム - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー効率の高い蒸気発生システムを提供する。
【解決手段】本発明の蒸気発生システムは、被加熱媒体が流れる供給経路２０と、ヒートポンプ１０とを備えている。ヒートポンプ１０は、作動媒体の流れ方向に並ぶ吸熱部１１と、圧縮部１２と、第１放熱部１３Ａと、第２放熱部１３Ｂと、膨張部１４とを有している。ヒートポンプ１０における第２放熱部１３Ｂ及び第１放熱部１３Ａがその順に、供給経路２０内の被加熱媒体を加熱する。
【選択図】図１

Description

本発明は、蒸気発生システムに関する。

蒸気発生システムとしては、ボイラで燃料を燃焼させて被加熱媒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、蒸気発生システムに関して、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、上述する事情に鑑みてなされたものであり、エネルギー効率の高い蒸気発生システムを提供することにある。

本発明の蒸気発生システムは、被加熱媒体の供給経路と、ヒートポンプと、を備え、前記ヒートポンプは、作動媒体の流れ方向に並ぶ吸熱部、圧縮部、第１放熱部、第２放熱部、及び膨張部を有し、前記第２放熱部及び前記第１放熱部がその順に、前記供給経路内の前記被加熱媒体を加熱する、ことを特徴とする。

本発明の蒸気発生システムによれば、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、この蒸気発生システムでは、段階的に前記被加熱媒体を加熱する複数の加熱部（第１放熱部及び第２放熱部）をヒートポンプが有するから、被加熱媒体の加熱プロセス及びヒートポンプの構成の最適化が図られる。

本発明の蒸気発生システムにおいて、前記供給経路内の前記被加熱媒体が、前記第２放熱部からの熱によって沸点近くまで温度上昇し、前記第１放熱部からの熱によって相変化して蒸気になる、構成にできる。

本発明の蒸気発生システムにおいて、前記ヒートポンプは、前記第１放熱部からの前記作動媒体の一部が前記第２放熱部を迂回するバイパス経路をさらに有する、構成にできる。

この構成において、前記バイパス経路は、入口端が前記ヒートポンプの主経路における前記第１放熱部と前記第２放熱部との間に接続され、出口端が前記ヒートポンプの主経路における前記第２放熱部と前記膨張部との間に接続される、ようにできる。

また、前記ヒートポンプは、前記バイパス経路内の前記作動媒体によって、前記吸熱部からの前記作動媒体を加熱する再生器をさらに有する、ようにできる。

また、前記再生器は、前記ヒートポンプにおける前記吸熱部と前記圧縮部との間に配される、ようにできる。

本発明の蒸気発生システムにおいて、前記圧縮部が、前記作動媒体を多段に圧縮する構造を有し、前記第２放熱部、前記第１放熱部、及び前記圧縮部の段間放熱部がその順に、前記供給経路内の前記被加熱媒体を加熱する、構成にできる。

本発明の蒸気発生システムにおいて、前記被加熱媒体が水であり、前記作動媒体がアンモニアまたはフロン系媒体である、構成にできる。

本発明の蒸気発生システムにおいて、前記供給経路上に配置され、前記ヒートポンプで加熱された前記被加熱媒体を圧縮する圧縮機をさらに備える、構成にできる。

この構成において、前記供給経路内の前記被加熱媒体が、前記ヒートポンプによる加熱で比較的低圧力かつ低温度の蒸気となり、前記圧縮機による圧縮で比較的高圧力かつ高温度の蒸気となる、ようにできる。

また、前記供給経路における前記ヒートポンプによる加熱部位での内部圧力が大気圧に比べて低い、ようにできる。

また、前記供給経路内の前記被加熱媒体が、前記ヒートポンプによる加熱で大気圧に比べて低い負圧での飽和蒸気となり、前記圧縮機による圧縮で大気圧または大気圧よりも高い圧力での蒸気になる、ようにできる。

また、前記供給経路における前記ヒートポンプによる加熱部位での内部空間が、前記圧縮機によって減圧される、ようにできる。

また、前記被加熱媒体の蒸気に対して液状の前記被加熱媒体を供給するノズルを、さらに備えるようにできる。

本発明に係る蒸気発生システムの第１実施形態を示す概略図である。 蒸気発生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。 本発明に係る蒸気発生システムの第２実施形態を示す概略図である。 熱交換に伴う、被加熱媒体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グラフ図である。 熱交換に伴う、被加熱媒体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グラフ図である。 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。 ヒートポンプの作動媒体の状態変化の一例を示す Ｈ-ｓ 線図である。 本発明に係る蒸気発生システムの第３実施形態であり、図３の蒸気発生システムの変形例である。 本発明に係る蒸気発生システムの第４実施形態であり、図３の蒸気発生システムの別の変形例である。 本発明に係る蒸気発生システムの第５実施形態であり、図３の蒸気発生システムの別の変形例である。

以下、本発明に係る蒸気発生システムについて図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係る蒸気発生システムの第１実施形態を示す概略図である。
図１において、蒸気発生システムＳ１は、ヒートポンプ１０と、被加熱媒体（本例では水）の供給経路２０と、圧縮機３０とを備えている。

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く、環境に優しいという利点を有する。

具体的に、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）、及び膨張部１４を有し、これらは配管を介して順次接続されている。吸熱部１１では、主経路１５内を流れる作動媒体がサイクル外の熱源（例えば大気）の熱を吸収する。圧縮部１２は、圧縮機等によって作動媒体を圧縮する。この際、通常、作動媒体の温度が上がる。圧縮部１２には動力が供給される。放熱部１３Ａ，１３Ｂは、圧縮部１２からの高温の作動媒体が流れる配管を含む。また、放熱部１３Ａ，１３Ｂはその順に、作動媒体の流れ方向に直列に並んでおり、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。膨張部１４は、減圧弁またはタービン等によって作動媒体を膨張させる。この際、通常、作動媒体の温度が下がる。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に使用される作動媒体としては、アンモニア、フロン系媒体、水、二酸化炭素、空気などの公知の様々な熱媒体が適用される。

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とを接続するダクト２３とを有する。

加温部２１は、供給源からの水が流れる配管を含み、ヒートポンプ１０の第２放熱部１３Ｂに隣接して配置される。加温部２１と第２放熱部１３Ｂとを含んで第１熱交換器４０が構成される。第１熱交換器４０は、本例では、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構造を有するが、第１熱交換器４０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構造を有してもよい。加温部２１では、ヒートポンプ１０の第２放熱部１３Ｂからの熱によって、供給経路２０内の水が温度上昇する。

蒸発部２２は、液状の被加熱媒体（水）を貯溜するタンク４７と、循環配管４８とを含む。
タンク４７または循環配管４８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。循環配管４８の入口端と出口端とはそれぞれタンク４７に接続される。循環配管４８の少なくとも一部が、ヒートポンプ１０の第１放熱部１３Ａに隣接して配置される。循環配管４８と第１放熱部１３Ａとを含んで第２熱交換器４１が構成される。第２熱交換器４１は、低温の流体（循環配管４８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構造、あるいは、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構造などを有する。ヒートポンプ１０の第１放熱部１３Ａが、循環配管４８の外周面や内部に配設された構成を採用してもよい。タンク４７内には、循環配管４８の出口端に隣接して、必要に応じて気液分離器４９が配設される。

蒸発部２２では、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、タンク４７内の液面を計測するセンサ（不図示）の計測結果に基づいて、水の供給量が制御される。タンク４７及び循環配管４８内に水が貯溜され、また、ヒートポンプ１０の第１放熱部１３Ａによって循環配管４８内の水が加熱される。この加熱に伴い、循環配管４８内を水（及び蒸気）が流れる。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内で発生した蒸気は、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（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の入口及び出口の少なくとも一方である。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。ノズル３５とタンク４７の液相位置とが配管３６を介して接続された配管構成にすることもでき、この配管構成では、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からの液体の排出には、ポンプなどの動力源を用いてもよく、配管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。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。本例において、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９０℃である。

このような蒸気発生システムＳ１においては、供給経路２０内の水が、ヒートポンプ１０による加熱で蒸気になる。具体的には、供給経路２０内の水が、第１熱交換器４０においてヒートポンプ１０の第２放熱部１３Ｂからの熱によって沸点近くまで温度上昇し、その後、第２熱交換器４１において第１放熱部１３Ａからの熱によってその水が相変化して蒸発する。つまり、水の顕熱加熱及び潜熱加熱がそれぞれ別々の熱交換器４０，４１（放熱部１３Ａ，１３Ｂ）によって段階的に行われる。

そのため、この蒸気発生システムＳ１によれば、第２放熱部１３Ｂを含む第１熱交換器４０が顕熱交換に適した形態であり、第１放熱部１３Ａを含む第２熱交換器４１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発生する。

ボイラのエネルギー効率が一般に約０．８（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。前述したように、ヒートポンプの成績係数は、被加熱媒体（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。蒸気発生システムＳ１では、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（放熱部１３Ａ，１３Ｂ）を有することにより、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。

さらに、蒸気発生システムＳ１では、供給経路２０内の水が、ヒートポンプ１０（放熱部１３Ａ，１３Ｂ）による加熱で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、１００℃以上の高温蒸気が発生する。蒸気発生システム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。

図２は、蒸気発生システムＳ１による水の状態変化の一例を示す Ｔ-ｓ 線図である。
図２に示すように、水は、第１熱交換器４０（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４１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２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。

さらに、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の入口及び／又は中間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２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、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、蒸気発生システムＳ１では、ヒートポンプ１０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、蒸気発生システムＳ１は、蒸気仕様に対する柔軟性が高い。

さらに、蒸気発生システムＳ１は、蒸気発生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、蒸気発生システム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、蒸気発生システムＳ１によれば、被加熱媒体（水）に対する比較的高温域の加熱のために圧縮機３０が利用されるから、熱伝達による加熱と比較して、温度上昇の短時間化及び熱損失の抑制に有利である。

図３は、本発明に係る蒸気発生システムの第２実施形態を示す概略図である。
図３において、蒸気発生システムＳ２は、ヒートポンプ５０と、被加熱媒体（本例では水）の供給経路２０と、多段式の圧縮部６０とを備えている。
供給経路２０の構成は、図１の蒸気発生システムＳ１のそれと同様である。ヒートポンプ５０は、図１のヒートポンプ１０と同様の構成に加え、バイパス経路５１と、再生器５２とを有する。以下の説明では、蒸気発生システムＳ２について、図１の蒸気発生システムＳ１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。

バイパス経路５１の入口端がヒートポンプ５０の主経路１５における第１放熱部１３Ａと第２放熱部１３Ｂとの間の配管に接続され、出口端が主経路１５における第２放熱部１３Ｂと膨張部１４との間の配管に接続される。バイパス経路５１の入口に、作動媒体のバイパス流量を制御する流量制御弁が配設されてもよい。バイパス経路５１において、第１放熱部１３Ａからの作動媒体の一部が、第２放熱部１３Ｂを迂回し、膨張部１４の手前で第１放熱部１３Ａからの作動媒体と合流する。第１放熱部１３Ａからの残りの作動媒体は、第２放熱部１３Ｂを流れ、第１熱交換器４０においてその作動媒体と供給経路２０内の水とが熱交換する。

再生器５２は、バイパス経路５１の配管と、ヒートポンプ５０の主経路１５の配管（吸熱部１１と圧縮部６０との間の配管）とが、互いに隣接して配置された構成を有する。ヒートポンプ５０において、吸熱部１１からの作動媒体に比べて、第１放熱部１３Ａからの作動媒体は高温である。再生器５２において、バイパス経路５１を流れる第１放熱部１３Ａからの作動媒体と、ヒートポンプ５０の主経路１５を流れる吸熱部１１からの作動媒体とが熱交換する。この熱交換により、バイパス経路５１内の作動媒体の温度が降下し、主経路１５内の作動媒体の温度が上昇する。なお、再生器５２は、低温の流体（主経路１５内の作動媒体）と高温の流体（バイパス経路５１内の作動流体）とが対向して流れる向流型の熱交換構造、あるいは、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構造などを有する。

圧縮部６０は、作動媒体を多段に圧縮する構造を有する。その段数は、２段でもよく、３段以上でもよい。水の供給経路２０における蒸発部２２の循環配管４８と、多段式の圧縮部６０の段間放熱部６１とが互いに隣接して配置される。循環配管４８、圧縮部６０の段間放熱部６１、及び第１放熱部１３Ａ、を含んで第２熱交換器６５が構成される。第２熱交換器６５は、低温の流体（循環配管４８内の水）と高温の流体（ヒートポンプ５０内の作動流体）とが対向して流れる向流型の熱交換構造、あるいは、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構造などを有する。

このような蒸気発生システムＳ２においては、第２放熱部１３Ｂ、第１放熱部１３Ａ、及び圧縮部６０の段間放熱部６１がその順に、供給経路２０内の水を加熱する。具体的には、供給経路２０内の水が、第１熱交換器４０においてヒートポンプ５０の第２放熱部１３Ｂからの熱によって沸点近くまで温度上昇し、その後、第２熱交換器６５において第１放熱部１３Ａからの熱及び圧縮部６０の段間放熱部６１からの熱によってその水が相変化して蒸発する。つまり、水の顕熱加熱及び潜熱加熱がそれぞれ別々の熱交換器４０，６５によって段階的に行われる。一方、作動媒体は、水との熱交換により、温度一定のまま蒸気から液体へ相変化し、その後に、温度降下する。

バイパス経路５１を介して作動媒体の一部が第１熱交換器４０を迂回するから、第１熱交換器４０に入る作動媒体の流量の最適化が図られる。これは、次に説明するように、作動媒体の保有熱を有効に使う上で有利である。

図４及び図５は、熱交換に伴う、被加熱媒体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グラフ図であり、図４は先の蒸気発生システムＳ１（図１）に対応し、図５は蒸気発生システムＳ２（図３）に対応する。本例では、被加熱媒体は水（Ｈ_２Ｏ）であり、作動媒体はアンモニア（ＮＨ_３）である。

図４及び図５に示すように、水は、アンモニアとの熱交換により、沸点近くまで温度上昇した後、温度一定のまま液体から蒸気に相変化する。例えば、水の入力温度は約２０℃であり、出力温度は約９０℃である。アンモニアは、水との熱交換により、温度一定のまま蒸気から液体へ相変化し、その後に、温度降下する。

図４に示すように、先の蒸気発生システムＳ１では、水の温度上昇過程（顕熱）と相変化過程（潜熱）との間で実質的に同量のアンモニアが熱交換に用いられるから、水とアンモニアとの間での温度の逆転（図４の破線）の回避のために、アンモニアの出力温度を一定値以上にする必要がある。これは、アンモニアに比べて、水の蒸発熱が大きいことによる。先の蒸気発生システムＳ１では、例えば、アンモニアの入口温度は約１００℃、出口温度は約８０℃に設定される。

一方、図５に示すように、蒸気発生システムＳ２では、アンモニアの流れ方向に関して後段の熱交換器（第１熱交換器４０）を、アンモニアの一部が迂回するから、蒸気発生システムＳ１に比べて、アンモニアの出力温度を低くできる。すなわち、水の温度上昇（顕熱）及び相変化（潜熱）の各過程に対して、アンモニアの必要量が最適化される。蒸気発生システムＳ２では、例えば、アンモニアの入口温度は約１００℃、出口温度は約３０℃に設定される。

図３に戻り、蒸気発生システムＳ２では、バイパス経路５１を介して作動媒体の一部が第１熱交換器４０を迂回することにより、第１熱交換器４０への作動媒体の流入量が制御され、その結果、第１熱交換器４０及び第２熱交換器６５のそれぞれに対して、必要に応じた熱量を有する作動媒体が供給される。

バイパス経路５１を流れる作動媒体は、再生器５２において、ヒートポンプ５０の主経路１５を流れる吸熱部１１からの作動媒体と熱交換する。この熱交換により、バイパス経路５１内の作動媒体の温度が降下し（例えば約２０℃）、ヒートポンプ５０の主経路１５内の作動媒体の温度が上昇する（例えば約９５℃）。圧縮部６０に対する作動媒体の入力温度の上昇により、圧縮部６０の動力の低減化が図られる。

作動媒体のバイパス量は、被加熱媒体及び作動媒体の各物性値（比熱など）に応じて定められる。被加熱媒体が水でありかつ、作動媒体がアンモニアである場合には、第２熱交換器６５に対する作動媒体の供給量に対して、バイパス量がモル比で５０％程度であるのが好ましい。この場合、先の図５に示したように、顕熱及び潜熱のそれぞれにおいて水とアンモニアとの間の熱バランスが良い。さらに、アンモニアの液相の比熱が気相の比熱の約２倍であることから、再生器５２におけるアンモニア同士の熱バランスも良い。アンモニアに代えて、フロン系媒体を用いた場合もこれと同様である。

再生器５２で温度降下したバイパス経路５１内の作動媒体（例えば約２０℃）は、膨張部１４の手前で、ヒートポンプ５０の主経路１５を流れる第１熱交換器４０（第２放熱部１３Ｂ）からの作動媒体と合流する。前述したように、第１熱交換器４０からの作動媒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に対する作動媒体の入力温度の降下により、作動媒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（例えば大気）から有効に熱が吸収される。

このように、蒸気発生システムＳ２によれば、水の蒸発に用いた後の作動媒体が水の加温と作動媒体の再生とに用いられるから、熱の有効利用が図られ、したがって、蒸気発生システムＳ２は、蒸気発生システムＳ１に比べて、高いエネルギー効率を有する。

また、蒸気発生システムＳ２では、圧縮部６０が多段式であり、圧縮部６０の段間放熱部６１において、作動媒体と水とが熱交換する点からも、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６０の段間放熱部６１の熱が奪われることとによって、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６０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、段間放熱部６１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段でもよく、３段以上でもよい。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。

図６は、ヒートポンプ５０の作動媒体の状態変化の一例を示す Ｔ-ｓ 線図である。図７は、ヒートポンプ５０の作動媒体の状態変化の一例を示す Ｈ-ｓ 線図（モリエ線図）である。図６及び図７は、４段再熱の例である。

また、蒸気発生システムＳ２では、多段式の圧縮部６０に対する作動媒体の入力温度が再生器５２によって高められている点も、圧縮部６０の動力低減に有利である。また、段間放熱部６１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、蒸気発生システムＳ２では、先の蒸気発生システムＳ１（図１）と同様に、第２放熱部１３Ｂを含む第１熱交換器４０が顕熱交換に適した形態であり、第１放熱部１３Ａ及び圧縮部６０の段間放熱部６１を含む第２熱交換器６５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発生する。

また、蒸気発生システムＳ２では、先の蒸気発生システムＳ１（図１）と同様に、供給経路２０内の水が、ヒートポンプ５０による加熱で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５０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、１００℃以上の高温蒸気が発生する。蒸気発生システムＳ２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。

また、蒸気発生システムＳ２では、先の蒸気発生システムＳ１（図１）と同様に、ヒートポンプ５０による複数段の加熱と圧縮機３０による加熱とを含む多段加熱により、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５０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、蒸気発生システムＳ２は、蒸気仕様に対する柔軟性が高い。

図８は、本発明に係る蒸気発生システムの第３実施形態であり、図３の蒸気発生システムＳ２の変形例である。
図８の蒸気発生システムＳ３は、図３の蒸気発生システムＳ２のヒートポンプ５０から、バイパス経路５１及び再生器５２を省いたヒートポンプ７０を有している。

ここで、試算例を示す。図１の蒸気発生システムＳ１、図３の蒸気発生システムＳ２、及び図８の蒸気発生システムＳ３について、ＣＯＰを試算した。被加熱媒体は水、作動媒体はアンモニアである。
図１の蒸気発生システムＳ１のＣＯＰは３．０７であった。図３の蒸気発生システムＳ２のＣＯＰは、再熱２段が３．４２、再熱４段で３．５２であった。図８の蒸気発生システムＳ３のＣＯＰは、再熱２段が３．２１であった。

図９及び図１０はそれぞれ、本発明に係る蒸気発生システムの第４及び第５実施形態であり、蒸気発生システムＳ２の別の変形例である。
図９の蒸気発生システムＳ４は、図３の蒸気発生システムＳ２と比較して被加熱媒体（水）の入力温度が異なる（約６０℃）。
図１０の蒸気発生システムＳ５は、図３の蒸気発生システムＳ２の供給経路２０から、圧縮機３０を省いた供給経路８０を有している。

上記説明において使用した数値及び図面に記載した温度は一例であって、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。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、添付のクレームの範囲によってのみ限定される。

Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５…蒸気発生システム、１０，５０，７０…ヒートポンプ、１１…吸熱部、１２，６０…圧縮部、１３Ａ…第１放熱部、１３Ｂ…第２放熱部、１４…膨張部、１５…主経路、２０，８０…供給経路、２１…加温部、２２…蒸発部、２３…ダクト、３０…圧縮機、３５…ノズル、３６…配管、４０…第１熱交換器、４１，６５…第２熱交換器、４７…タンク、４８…循環配管、４９…気液分離機、５１…バイパス経路、５２…再生器、６１…段間放熱部。

Claims (1)

1. 被加熱媒体の供給経路と、
   ヒートポンプと、を備え、
   前記ヒートポンプは、作動媒体の流れ方向に並ぶ吸熱部、圧縮部、第１放熱部、第２放熱部、及び膨張部を有し、
   前記第２放熱部及び前記第１放熱部がその順に、前記供給経路内の前記被加熱媒体を加熱する、ことを特徴とする蒸気発生システム。

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