JP4923843B2 - 蒸気発生システム - Google Patents

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０．７〜０．８（７０〜８０％）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を目的とする。

本発明の蒸気発生システムは、第１媒体が流れるヒートポンプと；第２媒体が流れる第１及び第２蒸発管であり、前記ヒートポンプからの熱伝達によって前記第２媒体が蒸発する前記第１及び第２蒸発管と；前記第１蒸発管に流体的に接続される第１タンクと；前記第２蒸発管に流体的に接続され、その内部圧力が前記第１タンクとは別に設定される第２タンクと、を備えることを特徴とする。

こ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、異なる環境に設定された複数の蒸発タンクが設けられているから、蒸気仕様に対する柔軟性向上が図られる。

蒸気発生システムにおいて、前記複数のタンクに対して前記第２媒体を分ける分岐部をさらに備える構成にできる。

蒸気発生システムにおいて、前記複数のタンクの内部の気体を吸引する圧縮機をさらに備える構成にできる。

蒸気発生システムにおいて、前記複数の蒸発管の各々における前記第２媒体の流量を制御する流量制御装置をさらに備える構成にできる。

蒸気発生システムにおいて、前記第１タンクに流体的に接続され、前記ヒートポンプからの熱伝達によって供給源からの前記第２媒体が加温される第１加温部と；前記第２タンクに流体的に接続され、前記ヒートポンプからの熱伝達によって前記第１加温部からの前記第２媒体の少なくとも一部が加温される第２加温部と、をさらに備え、前記ヒートポンプは、前記第２蒸発管に対応する第１放熱部と、前記第２加温部に対応する第２放熱部と、前記第１蒸発管に対応する第３放熱部と、前記第１加温部に対応する第４放熱部とを有する構成にできる。

この場合、前記ヒートポンプは、前記第１、第２、第３、及び第４放熱部の順に流れる前記第１媒体を、単段で圧縮する圧縮部を有する構成にできる。

またこの場合、前記ヒートポンプは、前記第１、第２、第３、及び第４放熱部の順に流れる前記第１媒体を、複数段で圧縮する圧縮部を有する構成にできる。

この場合、前記圧縮部は、前記第１放熱部の前に配置される第１圧縮部と、前記第１放熱部の中段、前記第２放熱部の中段、又は前記第３放熱部の中段に配置される第２圧縮部とを有する構成にできる。

また、前記圧縮部は、前記第１放熱部の前に配置される第１圧縮部と、前記第１及び第２放熱部の間、前記第２及び第３放熱部の間、又は前記第３及び第４放熱部の間に配置される第２圧縮部とを有する構成にできる。

蒸気発生システムにおいて、前記第２媒体が流れる第３蒸発管であり、前記ヒートポンプからの熱伝達によって前記第２媒体が蒸発する前記第３蒸発管と；前記第３蒸発管に流体的に接続される第３タンクと、をさらに備える構成にできる。

この場合、前記第１タンクに流体的に接続され、前記ヒートポンプからの熱伝達によって供給源からの前記第２媒体が加温される第１加温部と；前記第２タンクに流体的に接続され、前記ヒートポンプからの熱伝達によって前記第１加温部からの前記第２媒体の少なくとも一部が加温される第２加温部と；前記第３タンクに流体的に接続され、前記ヒートポンプからの熱伝達によって前記第２加温部からの前記第２媒体の少なくとも一部が加温される第３加温部と、をさらに備え、前記ヒートポンプは、前記第３蒸発管に対応する第１放熱部と、前記第３加温部に対応する第２放熱部と、前記第２蒸発管に対応する第３放熱部と、前記第２加温部に対応する第４放熱部と、前記第１蒸発管に対応する第５放熱部と、前記第１加温部に対応する第６放熱部とを有する構成にできる。

この場合、前記ヒートポンプは、前記第１、第２、第３、第４、第５、及び第６放熱部の順に流れる前記第１媒体を、単段で圧縮する圧縮部を有する構成にできる。

またこの場合、前記ヒートポンプは、前記第１、第２、第３、第４、第５、及び第６放熱部の順に流れる前記第１媒体を、複数段で圧縮する圧縮部を有する構成にできる。

前記圧縮部は、前記第１放熱部の前に配置される第１圧縮部と、前記第１放熱部の中段、前記第２放熱部の中段、前記第３放熱部の中段、前記第４放熱部の中段、前記第５放熱部の中段、又は前記第６放熱部の中段に配置される第２圧縮部と、を有する構成にできる。

また、前記圧縮部は、前記第１放熱部の前に配置される第１圧縮部と、前記第１及び第２放熱部の間、前記第２及び第３放熱部の間、前記第３及び第４放熱部の間、前記第４及び第５放熱部の間、又は前記第５及び第６放熱部の間に配置される第３圧縮部と、を有する構成にできる。

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媒体の圧縮前に、前記第１媒体を予熱する再生器を有する構成にできる。

蒸気発生システムにおいて、前記第２媒体の蒸気に対して液状の前記第２媒体を供給するノズルをさらに備える構成にできる。

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発生システム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、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、被加熱媒体は水である。蒸気発生システムＳ１の構成は、蒸気発生システム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１３Ａ〜１３Ｄ、及び膨張部１４を有し、これらは配管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。

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、蒸気発生システムＳ１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配管を有し、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、蒸気発生システムＳ１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。

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、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、蒸気発生システム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１３Ｃと放熱部１３Ｄとの間の配管に接続される。バイパス経路１７の出口端が主経路１５における放熱部１３Ｄと膨張部１４との間の配管に接続される。バイパス経路１７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を設けることができる。バイパス経路１７において、放熱部１３Ｃからの作動媒体の一部が、放熱部１３Ｄを迂回する。迂回した作動媒体は、膨張部１４の手前で放熱部１３Ｄからの作動媒体と合流する。放熱部１３Ｃからの残りの作動媒体は、放熱部１３Ｄを流れ、第１熱交換器４１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１８は、バイパス経路１７の配管の一部と、ヒートポンプ１０の主経路１５の配管（吸熱部１１と圧縮部１２との間の配管）の一部とが、互いに隣接して配置された構成を有する。ヒートポンプ１０において、吸熱部１１からの作動媒体に比べて、放熱部１３Ｃからの作動媒体は高温である。再生器１８において、バイパス経路１７を流れる放熱部１３Ｃからの作動媒体と、ヒートポンプ１０の主経路１５を流れる吸熱部１１からの作動媒体とが熱交換する。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。再生器１８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１７内の作動媒体）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。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、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）からの水が流れる配管を含む。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からの水が流れる配管を含む。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の配管を、第１加温部２１Ａ又は第２加温部２１Ｂの配管の外周面及び／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循環配管４８Ａとを有する。すなわち、第１循環配管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循環配管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循環配管４８Ｂとを有する。すなわち、第２循環配管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循環配管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の配管を、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循環配管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循環配管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。

図２は、蒸発管５１Ｂ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５１Ｂに対応する放熱部１３Ａ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５１Ｂ用のポンプ５２Ｂを介して蒸発管５１Ｂ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１３Ａにおける作動媒体の出口温度を目標値に設定することができる。放熱部１３Ａの入口温度を計測するセンサ７２を用いてもよい。図１に示す蒸発管５１Ａ及び対応する放熱部１３Ｃもこれと同様の構成を採用することができる。

図１に戻り、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の液相位置とが配管３６Ａを介して流体的に接続された配管構成を採用することができる。この配管構成では、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の液相位置とが配管３６Ｂを介して流体的に接続された配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、配管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。

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。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。

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、１００℃以上の高温蒸気が発生する。

図３は、図１に示す第１蒸発部２２Ａ及び圧縮機３０におけ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、沸点近くまで温度上昇した後、温度一定のまま相変化する。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、その圧縮に伴って、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。

図１に示す第２蒸発部２２Ｂ及び圧縮機３１においても、同様に、ヒートポンプ１０及び圧縮機３１による順次加熱により、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。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。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。

さらに、本実施形態において、異なる環境に設定された複数の蒸発部２２Ａ，２２Ｂが設けられている点からも、蒸気仕様に対する柔軟性向上が図られる。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蒸発部２２Ｂの第２タンク４７Ｂでは比較的高い圧力下で飽和蒸気が発生する。第１及び第２蒸発部２２Ａ，２２Ｂ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４は、蒸気発生システムＳ１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５は、第１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５に示すように、第１加温部２１Ａ（図１参照）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５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５に示すように、水との熱交換により、圧縮部１２（図１参照）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５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６は、図１の蒸気発生システムＳ１の変形例である第２実施形態を示す概略図である。以下の説明では、蒸気発生システムＳ２について、図１に示す蒸気発生システムＳ１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６に示すように、蒸気発生システムＳ２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からの水が流れる配管を含む。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循環配管４８Ｃとを有する。すなわち、第３循環配管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循環配管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循環配管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、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７は、第２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７に示すように、第１及び第２加温部２１Ａ，２１Ｂ（図６参照）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７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７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。

上記各実施形態において、蒸発部の数（タンク及び循環配管（蒸発管）の数）は、蒸気発生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。

また、上記各実施形態において、蒸気発生のための加熱過程の一部を圧縮機（３０，３１，３２）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、被加熱媒体（水）に対する比較的高温域の加熱に圧縮機を利用することは、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、上記各実施形態において、供給経路２０が複数の蒸発管（５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ）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、蒸気発生の進行に伴って、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、蒸気発生に伴う熱伝達率の低下が抑制される。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。

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

バイパス経路１７を流れる作動媒体は、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からの作動媒体と熱交換する。この熱交換により、バイパス経路１７内の作動媒体の温度が降下し（例えば約２０℃）、ヒートポンプ１０の主経路１５内の作動媒体の温度が上昇する（例えば約９５℃）。圧縮部１２に対する作動媒体の入力温度の上昇により、圧縮部１２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。

また、上記各実施形態において、再生器１８で温度降下したバイパス経路１７内の作動媒体（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（放熱部１３Ｄ）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４１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、上記各実施形態において、作動媒体の熱が水の蒸発、水の加温、及び作動媒体の再生に用いられ、熱の有効利用が図られる。

図８は、図１の蒸気発生システムＳ１の別の変形例である第３実施形態を示す概略図である。以下の説明では、蒸気発生システムＳ３について、図１に示す蒸気発生システムＳ１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。

蒸気発生システムＳ３において、図８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、蒸気発生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、蒸気発生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。

図９は、図６の蒸気発生システムＳ２の変形例である第４実施形態を示す概略図である。以下の説明では、蒸気発生システムＳ４について、図６に示す蒸気発生システムＳ２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。

蒸気発生システムＳ４において、図９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。

図１０は、図１の蒸気発生システムＳ１の別の変形例である第５実施形態を示す概略図である。以下の説明では、蒸気発生システムＳ５について、図１に示す蒸気発生システムＳ１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。

蒸気発生システムＳ５において、図１０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、蒸気発生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、蒸気発生システムの仕様に応じて設定される。

図１１は、図６の蒸気発生システムＳ２の別の変形例である第６実施形態を示す概略図である。以下の説明では、蒸気発生システムＳ６について、図６に示す蒸気発生システムＳ２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。

蒸気発生システムＳ６において、図１１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。

図１２は、図１１の蒸気発生システムＳ６の別の変形例である第７実施形態を示す概略図である。以下の説明では、蒸気発生システムＳ７について、図１に示す蒸気発生システムＳ６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。

蒸気発生システムＳ７において、図１２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。

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実施形態にかかる蒸気発生システムを示す概略図である。 蒸発管における水の流量を制御する構成の一例を示す。 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。 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１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２実施形態にかかる蒸気発生システムを示す概略図である。 第２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３実施形態にかかる蒸気発生システムを示す概略図である。 第４実施形態にかかる蒸気発生システムを示す概略図である。 第５実施形態にかかる蒸気発生システムを示す概略図である。 第６実施形態にかかる蒸気発生システムを示す概略図である。 第７実施形態にかかる蒸気発生システムを示す概略図である。

符号の説明

Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７…蒸気発生システム、１０…ヒートポンプ、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、２１Ａ〜２１Ｃ…加温部、２２Ａ〜２２Ｃ…蒸発部、２３Ａ〜２３Ｃ…ダクト、２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ…分岐部、２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄ，２５Ｆ，２５Ｇ，２５Ｈ…分岐経路、２６〜２８…ポンプ、３０，３１，３２…圧縮機、３５Ａ〜３５Ｃ…ノズル、４１〜４６…熱交換器、４７Ａ〜４７Ｃ…タンク、４８Ａ〜４８Ｃ…循環配管、５０Ａ〜５０Ｃ…レベルセンサ、５１Ａ〜５１Ｃ…蒸発管、７０…制御装置、７１，７２…センサ。

Claims (7)

1. 第１媒体が流れるヒートポンプと、
   第２媒体が流れる第１及び第２蒸発管であり、前記ヒートポンプからの熱伝達によって前記第２媒体が蒸発する前記第１及び第２蒸発管と、
   前記第１蒸発管に流体的に接続される第１タンクと、
   前記第２蒸発管に流体的に接続され、その内部圧力が前記第１タンクとは別に設定される第２タンクと、
   前記第１タンクに流体的に接続され、前記ヒートポンプからの熱伝達によって供給源からの前記第２媒体が加温される第１加温部と、前記第２タンクに流体的に接続され、前記ヒートポンプからの熱伝達によって前記第１加温部からの前記第２媒体の少なくとも一部が加温される第２加温部と、を備え、
   前記ヒートポンプは、前記第２蒸発管に対応する第１放熱部と、前記第２加温部に対応する第２放熱部と、前記第１蒸発管に対応する第３放熱部と、前記第１加温部に対応する第４放熱部と、前記第１、第２、第３、及び第４放熱部の順に流れる前記第１媒体を、複数段で圧縮する圧縮部と、を有し、
   前記圧縮部は、前記第１放熱部の前に配置される第１圧縮部と、前記第１放熱部の中段、前記第２放熱部の中段、前記第３放熱部の中段、前記第４放熱部の中段、前記第１及び第２放熱部の間、前記第２及び第３放熱部の間、又は前記第３及び第４放熱部の間に配置される第２圧縮部と、を有することを特徴とする蒸気発生システム。
2. 第１媒体が流れるヒートポンプと、
   第２媒体が流れる第１及び第２蒸発管であり、前記ヒートポンプからの熱伝達によって前記第２媒体が蒸発する前記第１及び第２蒸発管と、
   前記第１蒸発管に流体的に接続される第１タンクと、
   前記第２蒸発管に流体的に接続され、その内部圧力が前記第１タンクとは別に設定される第２タンクと、
   前記第２媒体が流れる第３蒸発管であり、前記ヒートポンプからの熱伝達によって前記第２媒体が蒸発する前記第３蒸発管と、
   前記第３蒸発管に流体的に接続される第３タンクと、
   前記第１タンクに流体的に接続され、前記ヒートポンプからの熱伝達によって供給源からの前記第２媒体が加温される第１加温部と、前記第２タンクに流体的に接続され、前記ヒートポンプからの熱伝達によって前記第１加温部からの前記第２媒体の少なくとも一部が加温される第２加温部と、前記第３タンクに流体的に接続され、前記ヒートポンプからの熱伝達によって前記第２加温部からの前記第２媒体の少なくとも一部が加温される第３加温部と、を備え、
   前記ヒートポンプは、前記第３蒸発管に対応する第１放熱部と、前記第３加温部に対応する第２放熱部と、前記第２蒸発管に対応する第３放熱部と、前記第２加温部に対応する第４放熱部と、前記第１蒸発管に対応する第５放熱部と、前記第１加温部に対応する第６放熱部と、前記第１、第２、第３、第４、第５、及び第６放熱部の順に流れる前記第１媒体を、複数段で圧縮する圧縮部を有し、
   前記圧縮部は、前記第１放熱部の前に配置される第１圧縮部と、前記第１放熱部の中段、前記第２放熱部の中段、前記第３放熱部の中段、前記第４放熱部の中段、前記第５放熱部の中段、前記第６放熱部の中段、前記第１及び第２放熱部の間、前記第２及び第３放熱部の間、前記第３及び第４放熱部の間、前記第４及び第５放熱部の間、前記第５及び第６放熱部の間に配置される第２圧縮部と、を有することを特徴とする蒸気発生システム。
3. 前記複数のタンクに対して前記第２媒体を分ける分岐部をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の蒸気発生システム。
4. 前記複数のタンクの内部の気体を吸引する圧縮機をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の蒸気発生システム。
5. 前記複数の蒸発管の各々における前記第２媒体の流量を制御する流量制御装置をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の蒸気発生システム。
6. 前記ヒートポンプは、前記第１媒体の圧縮前に、前記第１媒体を予熱する再生器を有することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の蒸気発生システム。
7. 前記第２媒体の蒸気に対して液状の前記第２媒体を供給するノズルをさらに備えることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の蒸気発生システム。

Images