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、作動媒体が流れるヒートポンプ10と、被加熱媒体の供給経路20と、圧縮機30と、制御装置70と、熱源装置90とを備える。本実施形態において、被加熱媒体は水である。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、第4放熱部13D、第5放熱部13E)、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。
ヒートポンプ10の吸熱部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の熱を吸収し、作動媒体の少なくとも一部が蒸発する。本実施形態において、ヒートポンプ10の吸熱部11は、熱源装置90の放熱部91に熱的に接続されている。
ヒートポンプ10の圧縮部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、作動媒体を多段に圧縮する構造を有する。図1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。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は、各圧縮部12A〜12D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。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、各軸に動力が供給される。各圧縮部12A〜12D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,13D,及び13E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、5つの放熱部13A,13B,13C,13D,及び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。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。
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(245、134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。後述するように、本実施形態において、膨張部14は減圧制御弁400を有する。
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における第4放熱部13Dと第5放熱部13Eとの間の配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5放熱部13Eと膨張部14との間の配管に流体的に接続される。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、第4放熱部13Dからの作動媒体の一部が、第5放熱部13Eを迂回し、膨張部14の手前で第5放熱部13Eからの作動媒体と合流する。第4放熱部13Dからの残りの作動媒体は、第5放熱部13E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)の一部とが熱的に接続された構成を有する。例えば、両配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からの作動媒体に比べて、第4放熱部13D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を流れる第4放熱部13D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。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。
本実施形態において、熱源装置90は、ヒートポンプ100、タンク110、及び循環経路120を有する。
ヒートポンプ100は、前記のヒートポンプ10と同様に、吸熱部101、圧縮部102、放熱部103、及び膨張部104を有し、これらは配管を介して接続されている。ヒートポンプ100において、放熱部103を流れる媒体(冷媒など)の熱がタンク110への供給経路111を流れる媒体(水など)に伝わる。ヒートポンプ100の吸熱部101からの冷熱は、例えば外部の設備に供給される。
本実施形態において、圧縮部102における圧縮の段数は、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。ヒートポンプ100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S1の仕様及び熱バランスなどに応じて用いられる。ヒートポンプ100で加熱された媒体は、供給経路111を介してタンク110に供給される。タンク110には、貯溜量を計測するセンサ(液面センサなど)が適宜設けられる。なお、タンク110に供給される媒体を加熱する装置は、ヒートポンプに限定されない。
他の実施形態において、様々な装置からのエネルギー又は排エネルギー(温排熱)を使って、タンク110に供給される媒体を加熱することができる。装置として、例えば、蒸気圧縮冷凍機、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、冷蔵装置、燃焼機関(ボイラ、内燃機関など)を採用することができる。
循環経路120には、ポンプ121、センサ122、及び放熱部91が配置される。ポンプ121が作動すると、タンク110からの媒体が循環経路120を流れる。放熱部91において、循環経路120を流れる媒体の熱がヒートポンプ10の吸熱部11を流れる作動媒体に伝わる。放熱した媒体は、放熱部91から循環経路120を介してタンク110に戻る。タンク110内の媒体は、排出弁123を介して必要に応じて外部に排出可能である。
センサ122は循環経路120を流れる媒体の温度及び流量の少なくとも一方を計測する。本実施形態において、センサ122は、放熱部91に流入する前の媒体の温度及び流量(ヒートポンプ10の吸熱部11に対する温熱の入口温度及び入口流量)を計測する。センサ122の計測結果は制御装置70に送られる。他の実施形態において、センサ122は、媒体の出口温度及び/又は出口流量を計測してもよく、入口及び出口の両方の温度及び/又は流量を計測してもよい。制御装置70は、ヒートポンプ10の作動媒体が気化(蒸発)するのに十分な熱量(比熱×温度×流量)が、循環経路120を流れる媒体(第1媒体)からヒートポンプ10の作動媒体(第2媒体)に対して供給されるように、所定の制御を行う。
本実施形態において、制御装置70は、センサ122の計測結果に基づいて、再生器18における熱交換量と、圧縮部12に対する作動媒体の入力位置と、膨張部14における減圧比とを制御する。他の実施形態において、制御装置70は、再生器18における熱交換量、圧縮部12に対する作動媒体の入力位置、及び膨張部14における減圧比のうち、いずれか1つ又は2つを制御してもよい。
本実施形態において、図1に示すように、吸熱部11と再生器18との間には、再生器18における熱交換量を制御する装置(熱量制御装置)としての弁501,502,503,504が配置されている。弁501〜504はそれぞれ、配管等を介して、再生器18の異なる入力位置に流体的に接続されている。例えば、弁504が開、他の弁501〜503が閉のとき、吸熱部11からの作動媒体が弁504を介して再生器18内の主経路15を流れる。再生器18において、弁504のみが開のとき、熱交換(バイパス経路17を流れる作動媒体からの熱が主経路15を流れる作動媒体に伝わる。)のスパンが最も長い。弁503のみが開のとき、2番目にスパンが長い。弁503、弁502、弁501の順に、スパンが短くなる。バイパス経路17を流れる作動媒体の温度が一定とすると、熱交換のスパンが長いほど主経路15を流れる作動媒体に伝わる熱量(熱交換量)が多い。
なお、弁は開閉弁に限定されない。熱量制御装置としての弁の組み合わせは適宜に変更可能である。他の実施形態において、再生器18用の熱量制御装置は、実質的な熱交換のスパンを機械的に変更する機構を有してもよい。例えば、熱量制御装置は、バイパス経路17の配管に隣接配置される主経路15の配管の長さ(面積)を機械的に変更する機構を有することができる。あるいは、熱量制御装置は、バイパス経路17の配管と隣接する主経路15の配管との間隔を機械的に変更する機構を有することができる。
本実施形態において、再生器18と圧縮部12との間には、吸熱部11及び再生器18からの作動媒体を、圧縮部12のいずれかの段に選択的に導く切換装置としての弁521,522,523,524が配置されている。弁521は配管等を介して第4圧縮部12Dの入口に流体的に接続されている。同様に、弁522は第3圧縮部12Cの入口に流体的に接続され、弁523は第2圧縮部12Bの入口に流体的に接続され、弁524は第1圧縮部12Aの入口に流体的に接続される。例えば、弁521が開、他の弁522〜524が閉のとき、再生器18からの作動媒体が弁521を介して第4圧縮部12Dに投入される。弁521からの作動媒体は、第4圧縮部12Dで単段圧縮される。弁522からの作動媒体は、第3圧縮部12C及び第4圧縮部12Dで2段圧縮される。弁523からの作動媒体は、第2、第3、第4圧縮部12B,12C,12Dで3段圧縮される。弁524からの作動媒体は、第1〜第4圧縮部12A〜12Dで4段圧縮される。
本実施形態において、前述したように、膨張部14は減圧制御弁400を有する。減圧制御弁400は、減圧比を多段階又は無段階に変更可能である。本実施形態において、減圧制御弁400は、減圧比を、高レベル(すなわち、減圧比が高い)、中高レベル、中低レベル、低レベルの4段階に制御可能である。
本実施形態において、ヒートポンプ10の吸熱部11に供給される温熱温度(熱源装置90の放熱部91を流れる媒体の温度)について、例えば、T1、T2、T3、及びT4の4つの閾値が設定される。閾値は、例えば、制御装置70の記憶部(不図示)に記憶されている。
制御装置70は、閾値に沿って定められるフェーズに応じて、少なくとも弁501〜504、弁521〜524、及び減圧制御弁400を制御する。前述したように、温熱温度は、熱源装置90の放熱部91の入口に配置されたセンサ122によって計測される。
ここで、温熱温度がT4以上の場合を第1フェーズとする。T3以上T4未満の場合を第2フェーズとする。T2以上T3未満の場合を第3フェーズとする。T1以上T2未満の場合を第4フェーズとする。
図2A、2B、2C、及び2Dは、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2Aは第1フェーズを示し、第2Bは第2フェーズを示す。図2Cは第3フェーズを示し、図2Dは第4フェーズを示す。なお、図2A〜2Dにおいて、熱交換に伴う温熱温度(放熱部91を流れる媒体の温度)の変化を破線で模式的に示す。
第1フェーズにおいて、図1に示すように、制御装置70は、弁501を開、弁502,503,504を閉とし、また、弁521を開、弁522,523,524を閉とする。また、減圧制御弁400を低レベルの減圧比に設定する。第1フェーズでは、再生器18における熱交換スパンが最も短く、また、圧縮部12において単段圧縮が実行される。すなわち、吸熱部11からの作動媒体は、弁501を介して再生器18に導入される。再生器18からの作動媒体は、弁521を介して第4圧縮部12Dに導入される。第4圧縮部12Dによって作動媒体が1段圧縮される。
図2A及び図1において、第1フェーズの作動媒体は、吸熱部11において温度一定のまま相変化する(蒸発する)。吸熱部11からの作動媒体の温度は、再生器18において上昇される。第4圧縮部12Dにおいて作動媒体の温度はさらに上昇する。第4放熱部13Dにおいて作動媒体の温度は降下する。作動媒体の温度は、加温部21又は再生器18においてさらに降下する。加温部21からの作動媒体は、減圧制御弁400において、飽和蒸気圧程度まで減圧された後、再び吸熱部11に導入される。減圧制御弁400からの作動媒体は、他のフェーズに比べて高い圧力を有する。これは、吸熱部11における作動媒体の温度が他のフェーズに比べて高いからである。
第2フェーズにおいて、図1に示すように、制御装置70は、弁502を開、弁501,503,504を閉とし、また、弁522を開、弁521,523,524を閉とする。また、減圧制御弁400を中低レベルの減圧比に設定する。第2フェーズでは、再生器18における熱交換スパンが第1フェーズの次に短く、また、圧縮部12において2段圧縮が実行される。すなわち、吸熱部11からの作動媒体は、弁502を介して再生器18に導入される。再生器18からの作動媒体は、弁522を介して第3圧縮部12Cに導入される。第3及び第4圧縮部12C,12Dによって作動媒体が2段圧縮される。
図2B及び図1において、第2フェーズの作動媒体は、吸熱部11において温度一定のまま相変化し、また、再生器18において温度上昇される。第2フェーズにおいて、再生器18からの作動媒体の温度は、第1フェーズと同程度である。また、吸熱部11からの作動媒体の温度は第1フェーズに比べて低い。そのため、再生器18における熱交換スパンは第1フェーズに比べて長くなる。第3圧縮部12Cにおいて作動媒体の温度はさらに上昇し、第3放熱部13Cにおいて降下する。第4圧縮部12Dにおいて再び作動媒体の温度は上昇し、第4放熱部13Dにおいて再び降下する。すなわち、第3圧縮部12C、第3放熱部13C、第4圧縮部12D、及び第4放熱部13Dにおいて、作動媒体の温度は上昇と降下を繰り返す。第4放熱部13Dからの作動媒体の温度は、第1フェーズと同程度である。加温部21からの作動媒体は、減圧制御弁400において減圧された後、再び吸熱部11に導入される。減圧制御弁400からの作動媒体の圧力は、第1フェーズの次に高い。
第3フェーズにおいて、図1に示すように、制御装置70は、弁503を開、弁501,502,504を閉とし、また、弁523を開、弁521,522,524を閉とする。また、減圧制御弁400を中高レベルの減圧比に設定する。第3フェーズでは、再生器18における熱交換スパンが第2フェーズに比べて長く、また、圧縮部12において3段圧縮が実行される。すなわち、吸熱部11からの作動媒体は、弁503を介して再生器18に導入される。再生器18からの作動媒体は、弁523を介して第2圧縮部12Bに導入される。第2、第3及び第4圧縮部12B,12C,12Dによって作動媒体が3段圧縮される。
図2C及び図1において、第3フェーズの作動媒体は、吸熱部11において温度一定のまま相変化し、また、再生器18において温度上昇される。第3フェーズにおいて、再生器18からの作動媒体の温度は、第1及び第2フェーズと同程度である。また、吸熱部11からの作動媒体の温度は第2フェーズに比べて低い。そのため、再生器18における熱交換スパンは第2フェーズに比べて長くなる。第2圧縮部12B、第2放熱部13B、第3圧縮部12C、第3放熱部13C、第4圧縮部12D、及び第4放熱部13Dにおいて、作動媒体の温度は上昇と降下を繰り返す。第4放熱部13Dからの作動媒体の温度は、第1及び第2フェーズと同程度である。加温部21からの作動媒体は、減圧制御弁400において減圧された後、再び吸熱部11に導入される。減圧制御弁400からの作動媒体の圧力は、第2フェーズよりも低い。
第4フェーズにおいて、図1に示すように、制御装置70は、弁504を開、弁501,502,503を閉とし、また、弁524を開、弁521,522,523を閉とする。また、減圧制御弁400を高レベルの減圧比に設定する。第4フェーズでは、再生器18における熱交換スパンが最も長く、また、圧縮部12において4段圧縮が実行される。すなわち、吸熱部11からの作動媒体は、弁504を介して再生器18に導入される。再生器18からの作動媒体は、弁524を介して第1圧縮部12Aに導入される。第1、第2、第3及び第4圧縮部12A,12B,12C,12Dによって作動媒体が4段圧縮される。
図2D及び図1において、第4フェーズの作動媒体は、吸熱部11において温度一定のまま相変化し、また、再生器18において温度上昇される。第4フェーズにおいて、再生器18からの作動媒体の温度は、他のフェーズと同程度である。また、吸熱部11からの作動媒体の温度は最も低い。そのため、再生器18における熱交換スパンは最も長い。第1圧縮部12A,第1放熱部13A、第2圧縮部12B、第2放熱部13B、第3圧縮部12C、第3放熱部13C、第4圧縮部12D、及び第4放熱部13Dにおいて、作動媒体の温度は上昇と降下を繰り返す。第4放熱部13Dからの作動媒体の温度は、他のフェーズと同程度である。加温部21からの作動媒体は、減圧制御弁400において減圧された後、再び吸熱部11に導入される。減圧制御弁400からの作動媒体の圧力は、最も低い。
なお、第1フェーズにおける吸熱部11を流れる作動媒体の温度は例えば10℃程度、圧力は例えば0.0829MPa程度である。第2フェーズ、第3フェーズ、及び第4フェーズにおいて、吸熱部11を流れる作動媒体の温度はそれぞれ、例えば33℃程度、55℃程度、78℃程度である。第4フェーズにおいて、第1段圧縮後の作動媒体の圧力は、例えば、0.174MPa程度である。また、第2段、第3段、第4段圧縮後の作動媒体の圧力はそれぞれ、例えば、0.358MPa程度、0.702MPa程度、1.26MPa程度である。数値は一例であって、本発明はこれに限定されない。
このように、本実施形態によれば、ヒートポンプ10の吸熱部11に供給される温熱温度に応じて、再生器18及び圧縮部12に関係する経路の切り替え、及び膨張部14における減圧比の制御が行われ、これにより、ヒートポンプ10からの放熱温度が所定レベルに保たれる。すなわち、ヒートポンプ10が外部から受け取る熱量の変化に応じて、作動媒体のルートが最適化される。したがって、この蒸気生成システムS1は、ヒートポンプ10に供給される温熱の許容温度範囲が広く、また、その温熱温度の変動に好ましく対応可能である。また、比較的高温の温熱がヒートポンプ10に供給される場合には圧縮部12の出力が抑制されるから、エネルギー消費の効率化が図られる。
また、本実施形態によれば、ヒートポンプ10に供給される温熱源として、熱源装置90のタンク110に貯溜された熱媒を用いることにより、ヒートポンプ10とヒートポンプ100との間の稼動タイミングのズレを吸収することができる。すなわち、タンク110内に熱エネルギーがバッファされるから、両者の稼動タイミングの不一致が許容される。また、熱源装置90を、温熱供給装置としてだけでなく、外部に対する冷熱供給装置として用いる場合には、蒸気需要及び/又は冷熱需要に応じて、蒸気生成及び冷熱供給のタイミング及び量を調整できる。すなわち、蒸気生成システムS1は、蒸気供給及び冷熱供給について高い柔軟性及び制御性を有する。こうした蒸気生成システムS1は、例えば、加熱と冷却とを繰り返す食品製造プロセスに好ましく利用される。食品製造プロセスに限らず、蒸気需要と冷熱需要とが発生する様々な設備及びプロセスに、蒸気生成システムS1を好ましく適用可能である。
熱源装置90のヒートポンプ100の稼動は、例えば、電力料金が低く設定されている時間帯(例えば夜間)としてもよい。この場合、蒸気生成システムS1における電力消費を夜間と昼間とに振り分け、ピークパワー及び平均消費電力を低く抑えることができる。これは、受電設備の簡素化及び低コスト化、並びに契約電力(電力基本料金)の抑制に有利である。
熱源装置90においては、所定のタイミングでヒートポンプ100が稼動し、加熱された媒体がタンク110に貯溜される。ポンプ121が稼動することにより、ヒートポンプ10に供給される温熱源として、タンク110からの媒体が放熱部91に循環供給される。
循環供給の開始当初において、タンク110からの媒体は最も高い温度を有し、制御装置70は、第1フェーズに対応するようにヒートポンプ10を制御する。放熱部91からの放熱した媒体がタンク110に戻ることにより、タンク110内の媒体の温度が徐々に下がる。センサ122の計測結果が所定値以下になると、制御装置70は、第2フェーズに対応するようにヒートポンプ10を制御する。以後、タンク110からの媒体の温度降下に伴って、第3フェーズ、第4フェーズの順に、ヒートポンプ10が移行される。このように、本実施形態によれば、循環供給されるタンク110からの媒体の温度変動に応じて、ヒートポンプ10における作動媒体のルートが最適化される。すなわち、ヒートポンプ10に供給される温熱源として、熱源装置90からの媒体が、広い温度範囲にわたって使用される。これは、エネルギー効率の向上有利である。なお、タンク110からの媒体の温度変動に加え、その媒体の流量変動に応じて、ヒートポンプ10における作動媒体のルートを最適化してもよい。
ヒートポンプ10を流れる作動媒体からの熱は、供給経路20を流れる水に伝わる。本実施形態において、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)からの水が流れる配管を含む。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。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の配管と第5放熱部13Eの配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5放熱部13Eの配管を、加温部21の配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5放熱部13E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、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47と、タンク47に流体的に接続された循環配管(第1循環配管48A、第2循環配管48B、第3循環配管48C、第4循環配管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。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に対して各循環配管48A,48B,48C,48Dが流体的に接続されている。すなわち、循環配管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。循環配管の数は、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循環配管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、第2循環配管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と、ポンプ52Bと、必要に応じてバルブ53Bとを有する。第3循環配管48Cは、ヒートポンプ10の第3放熱部13Cに熱的に接続される蒸発管51Cと、ポンプ52Cと、必要に応じてバルブ53Cとを有し、第4循環配管48Dは、ヒートポンプ10の第4放熱部13Dに熱的に接続される蒸発管51Dと、ポンプ52Dと、必要に応じてバルブ53Dとを有する。バルブ53A〜53D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〜51D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に対して並列に配置される。被加熱媒体(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。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の配管と、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の配管を、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及び循環配管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。
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、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の液相位置とが配管36を介して流体的に接続することができる。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(スプレイ)には、ポンプ37などの動力源を用いてもよく、配管36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。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。数値は一例であって、本発明はこれに限定されない。水の出力温度は、100℃、110℃、120℃、又は130℃以上でもよい。また、水の出力温度は、90℃未満でもよい。
次に、蒸気生成システムS1の基本的な蒸気生成プロセスについて説明する。
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。
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。
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〜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、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。
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〜第5熱交換器42〜45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。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。
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。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、被加熱媒体(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。
なお、他の実施形態において、圧縮機30を省いた構成も可能である。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、本実施形態において、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。
また、本実施形態において、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を迂回することにより、第1熱交換器41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41及び第2熱交換器42(第3〜第5熱交換器43〜45)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の動力の低減が図られる。なお、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。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。
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(第5放熱部13E)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。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(熱源装置90の放熱部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媒体が水の加温と作動媒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。
また、本実施形態において、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、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。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、本実施形態において、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、本実施形態において、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。
図4は、蒸発管51A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51Aに対応する第1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51A用のポンプ52Aを介して蒸発管51A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、第1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。第1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において、他の蒸発管51B〜蒸発管51D及び対応する放熱部13B〜13D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5は、第2実施形態にかかる蒸気生成システム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5に示すように、蒸気生成システムS2は、第1実施形態と異なり、熱源装置90が複数のタンク110A,110Bを有する。ヒートポンプ10及び供給経路20の構成は、第1実施形態のそれと同様である。
本実施形態において、熱源装置90は、ヒートポンプ100、第1タンク110A、第2タンク110B、及び循環経路120を有する。他の実施形態において、タンクの数を、3以上とすることも可能である。
本実施形態において、循環経路120には、ポンプ121、センサ122、及び放熱部91が配置される。さらに、循環経路120には、放熱部91への媒体の供給元を切り換える弁125と、放熱部91からの媒体の戻り先を切り換える弁126とが配置される。タンク110A,110Bには、貯溜量を計測するセンサ(液面センサなど)が適宜設けられる。
ポンプ121が作動すると、第1タンク110A又は第2タンク110Bからの媒体が循環経路120を流れる。放熱部91において、循環経路120を流れる媒体の熱がヒートポンプ10の吸熱部11を流れる作動媒体に伝わる。放熱した媒体は、放熱部91から循環経路120を介して第2タンク110B又は第1タンク110Aに戻る。タンク110A,110B内の媒体は、排出弁123A,123Bを介して必要に応じて外部に排出可能である。
本実施形態において、所定のタイミングでヒートポンプ100が稼動し、加熱された媒体が第1タンク110Aに貯溜される。ポンプ121が稼動することにより、ヒートポンプ10に供給される温熱源として、第1タンク110Aからの媒体が放熱部91に供給される。放熱した媒体は、放熱部91から循環経路120を介して第2タンク110Bに戻る。
第1タンク110A内の媒体が所定量以下になると、制御装置70は、弁125及び弁126を制御して、媒体の供給ルートを切り換える。これにより、ヒートポンプ10に供給される温熱源として、第1タンク110Aに代わって、第2タンク110Bからの媒体が放熱部91に供給される。放熱した媒体は、放熱部91から循環経路120を介して第1タンク110Aに戻る。以後、第1タンク110Aと第2タンク110Bとの間を媒体が行き来する。
本実施形態では、ヒートポンプ10の吸熱部に供給される温熱の温度が段階的に変化する。すなわち、温熱の供給元のタンク110A及び110Bが切り替わるごとに、温熱の供給温度が変化する。
循環供給の開始当初において、第1タンク110Aからの媒体の温度は最も高く、制御装置70は、第1フェーズに対応するようにヒートポンプ10を制御する。次に、第2タンク110Bからの温度は当初温度よりも低く、制御装置70は、第2フェーズに対応するようにヒートポンプ10を制御する。以後、温熱の供給元のタンク110A及び110Bが切り替わるごとに、第3フェーズ、第4フェーズの順に、ヒートポンプ10が移行される。これにより、循環供給されるタンク110A,11Bからの媒体の温度変動に応じて、ヒートポンプ10における作動媒体のルートが最適化される。なお、フェーズの移行は、タンクの切り替えに必ずしも対応しなくてもよい。例えば、タンクの一度の切り替えによって変動した温熱の温度が所定の閾値を下回らなければ、直前のフェーズを続行してもよい。
本実施形態によれば、放熱部91からの媒体の戻り先が、供給元のタンクとは別のタンクであるから、1つのタンクからの媒体供給中における、温熱温度の変化は小さい。そのため、各フェーズにおいて、ヒートポンプ10に供給される温熱の温度が概ね一定に保たれ、安定的な蒸気生成が実行される。
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6は、第3実施形態にかかる蒸気生成システム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6に示すように、蒸気生成システムS3は、第1及び第2実施形態と異なり、熱源装置90におけるタンクを省略した構成を有する。また、蒸気生成システムS3において、ヒートポンプ10が複数の吸熱部を有する。供給経路20の構成は、第1実施形態のそれと同様である。
本実施形態において、ヒートポンプ10は、4つの吸熱部11A,11B,11C,11Dを有する。また、ヒートポンプ10の膨張部14は、4つの減圧制御弁400A,400B,400C,400Dを有する。他の実施形態において、吸熱部及び減圧制御弁の数を、2、3、又は5以上とすることが可能である。
ヒートポンプ10の主経路15は、吸熱部11A〜11Dに向かう作動媒体の流れを分岐する分岐経路15A,15B,15C,15Dを有する。分岐経路15A〜15Dには、減圧制御弁400A〜400Dがそれぞれ配置される。減圧制御弁400Aの減圧比が最も低く設定される(低レベル)。減圧制御弁400Bの減圧比が2番目に低く設定される(中低レベル)。減圧制御弁400B、減圧制御弁400C(中高レベル)、減圧制御弁400D(高レベル)の順に、減圧比が高くなる。
なお、図6に示すように、供給経路111又は放熱経路129に、ヒートポンプ100からの媒体の温度及び必要に応じてその媒体の流量を計測するセンサ128を配置し、センサ128の計測結果に基づいて、減圧制御弁400A〜400Dの減圧比を制御してもよい。放熱部91A〜91Dの段間に、センサ128を配置することも可能である。
吸熱部11A〜11Dは、減圧制御弁400A〜400Dを介して分岐経路15A〜15Dと流体的に接続される並列経路(第1並列経路)の一部である。ヒートポンプ10の主経路15はさらに、吸熱部11A〜11Dに流体的にそれぞれ接続される並列経路(第2並列経路)15E,15F,15G,15Hを有する。再生器18において、バイパス経路17の配管の一部と、経路15E〜15Hの配管の一部とが熱的に接続されている。例えば、両配管が互いに接触あるいは隣接して配置されている。経路15E,15F,15G,15Hは、導入経路15J,15K,15L,15Mにそれぞれ流体的に接続され、その経路15J〜15Mを介して、第4圧縮部12D、第3圧縮部12C、第2圧縮部12B、第1圧縮部12Aにそれぞれ流体的に接続されている。
本実施形態において、経路15Eの再生器18における熱交換スパン(バイパス経路17を流れる作動媒体からの熱が主経路15を流れる作動媒体に伝わる熱交換のスパン)が最も短い。経路15Fの再生器18における熱交換スパンが2番目に短い。経路15F、15G、15Hの順に、スパンが長くなる。バイパス経路17を流れる作動媒体の温度が一定とすると、熱交換のスパンが長いほど主経路15(15E〜15H)を流れる作動媒体に伝わる熱量(熱交換量)が多い。
熱源装置90は、ヒートポンプ100、及び放熱経路129を有する。放熱経路129は、直列に並ぶ4つの放熱部91A,91B,91C,91Dを有する。放熱部91Aが最も上流側に位置する。放熱部91A、放熱部91B、放熱部91C、放熱部91Dの順に、媒体の流れに沿って並ぶ。放熱部91A〜91Dは、吸熱部11A〜11Dとそれぞれ熱的に接続されている。
熱源装置90のヒートポンプ100において、供給経路111を流れる媒体(水など)が加熱される。ヒートポンプ100からの加熱された媒体は、放熱経路129を流れる。放熱部91Aを流れる媒体からの熱が吸熱部11Aを流れる作動媒体に伝わる。放熱部91Aからの放熱した媒体は放熱部91Bに導入される。以後、放熱部91B、放熱部91C、放熱部91Dを流れる媒体からの熱が吸熱部11B、吸熱部11C、吸熱部11Dを流れる作動媒体にそれぞれ伝わる。放熱部91Aを流れる媒体の温度が最も高い。放熱部91Bを流れる媒体の温度が2番目に高い。放熱部91B、放熱部91C、放熱部91Dの順に、媒体の温度が低くなる。
放熱部91Aからの熱を受け取った吸熱部11Aを流れる作動媒体は、他の吸熱部11B〜11Dに比べて高い温度を有する。また、低レベルの減圧比に設定された減圧制御弁400Aからの作動媒体は、他の吸熱部11B〜11Dに比べて高い圧力を有する。図6に示すように、経路15Eを流れる吸熱部11Aからの作動媒体は、再生器18及び経路15Jを経て、第4圧縮部12Dに導入される。第4圧縮部12Dによってその作動媒体が1段圧縮される(図2A参照)。
放熱部91Bからの熱を受け取った吸熱部11Bを流れる作動媒体は、吸熱部11Aの次に高い温度を有する。また、中低レベルの減圧比に設定された減圧制御弁400Bからの作動媒体は、吸熱部11Bの次に高い圧力を有する。図6に示すように、経路15Fを流れる吸熱部11Bからの作動媒体は、再生器18及び経路15Kを経て、第3圧縮部12Cに導入される。第3及び第4圧縮部12C,12Dによってその作動媒体が2段圧縮される(図2B参照)。
同様に、経路15Gを流れる吸熱部11Cからの作動媒体は、再生器18及び経路15Lを経て、第2圧縮部12Bに導入される。第2、第3、及び第4圧縮部12B,12C,12Dによってその作動媒体が3段圧縮される(図2C参照)。また、経路15Hを流れる吸熱部11Dからの作動媒体は、再生器18及び経路15Mを経て、第1圧縮部12Aに導入される。第1、第2、第3、及び第4圧縮部12A,12B,12C,12Dによってその作動媒体が4段圧縮される(図2D参照)。
本実施形態によれば、ヒートポンプ10の吸熱部11A〜11Dに対して、異なる温度の温熱(熱源装置90からの媒体)が供給される。すなわち、熱源装置90からの媒体は、吸熱部11Aに対して高温放熱を行う。放熱によって温度降下した吸熱部11Aからの媒体は、吸熱部11Bに対して中高温放熱を行う。以後、熱源装置90からの媒体は、吸熱部11Cに対して中低温放熱を行い、吸熱部11Dに対して低温放熱を行う。その結果、ヒートポンプ10において、温熱の供給温度に応じて分かれた各経路を作動媒体が流れ、これにより、ヒートポンプ10からの放熱温度が所定レベルに保たれる。すなわち、ヒートポンプ10が外部から受け取る熱量の変化に応じて、最適化された各ルートを作動媒体が流れる。したがって、この蒸気生成システムS3も、ヒートポンプ10に供給される温熱の許容温度範囲が広く、また、その温熱温度の変動に好ましく対応可能である。また、本実施形態によれば、熱源装置90のタンクが省略されるから、構成の簡略化が図られる。
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7は、第4実施形態にかかる蒸気生成システム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S4は、第1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。熱源装置90の構成は、上記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配管(第1循環配管48A、第2循環配管48B、第3循環配管48C、第4循環配管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循環配管48Aが流体的に接続されている。すなわち、第1循環配管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循環配管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循環配管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循環配管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。タンク及び循環配管(蒸発管)の数は、蒸気生成システムS4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の配管と、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の配管を、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及び各循環配管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の液相位置とが配管36を介して流体的に接続された配管を構成することができる。この配管構成では、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、配管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、上記実施形態と同様に、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。蒸気生成システムS4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。
また、本実施形態においても、ヒートポンプ10が外部から受け取る熱量の変化に応じて、作動媒体のルートが最適化される。すなわち、制御装置70は、センサ122の計測結果に基づいて、再生器18における熱交換量と、圧縮部12に対する作動媒体の入力位置と、膨張部14における減圧比との少なくとも1つを制御する。これにより、この蒸気生成システムS4は、ヒートポンプ10に供給される温熱の許容温度範囲が広く、また、その温熱温度の変動に好ましく対応可能である。
なお、複数の個別タンク47A〜47Dを有する図7の蒸発部を、図5の蒸気生成システムS2、又は図6の蒸気生成システムS2に適用してもよい。
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8は、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。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8に示すように、蒸気生成システムS5は、第1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。蒸気発生システムS5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、熱源装置90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、これらは配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、蒸気発生システムS5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S5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。
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。
本実施形態においても、ヒートポンプ10が外部から受け取る熱量の変化に応じて、作動媒体のルートが最適化される。すなわち、制御装置70は、センサ122の計測結果に基づいて、再生器18における熱交換量と、膨張部14における減圧比との少なくとも1つを制御する。これにより、この蒸気生成システムS5は、ヒートポンプ10に供給される温熱の許容温度範囲が広く、また、その温熱温度の変動に好ましく対応可能である。
図9は、第5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9に示すように、第1加温部21A(図8参照)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9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9に示すように、水との熱交換により、圧縮部12(図8参照)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9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。
なお、本実施形態の蒸発部を含む供給経路20及びヒートポンプ10を、図5の蒸気生成システムS2、又は図6の蒸気生成システムS2に適用してもよい。
図10は、図8の蒸気発生システムS5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8に示す蒸気発生システムS5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10に示すように、蒸気発生システムS6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も、ヒートポンプ10が外部から受け取る熱量の変化に応じて、作動媒体のルートが最適化される。すなわち、制御装置70は、センサ122の計測結果に基づいて、再生器18における熱交換量と、膨張部14における減圧比との少なくとも1つを制御する。これにより、この蒸気生成システムS6は、ヒートポンプ10に供給される温熱の許容温度範囲が広く、また、その温熱温度の変動に好ましく対応可能である。
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11は、第6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11に示すように、第1及び第2加温部21A,21B(図10参照)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11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11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5及び第6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。
なお、本実施形態の蒸発部を含む供給経路20及びヒートポンプ10を、図5の蒸気生成システムS2、又は図6の蒸気生成システムS2に適用してもよい。
図12は、図8の蒸気発生システムS5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8に示す蒸気発生システムS5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、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も、ヒートポンプ10が外部から受け取る熱量の変化に応じて、作動媒体のルートが最適化される。すなわち、制御装置70は、センサ122の計測結果に基づいて、再生器18における熱交換量と、膨張部14における減圧比との少なくとも1つを制御する。これにより、この蒸気生成システムS7は、ヒートポンプ10に供給される温熱の許容温度範囲が広く、また、その温熱温度の変動に好ましく対応可能である。
なお、本実施形態の蒸発部を含む供給経路20及びヒートポンプ10を、図5の蒸気生成システムS2、又は図6の蒸気生成システムS2に適用してもよい。
図13は、図10の蒸気発生システムS6の変形例である第8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S8について、図10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S8において、図13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、ヒートポンプ10が外部から受け取る熱量の変化に応じて、作動媒体のルートが最適化される。すなわち、制御装置70は、センサ122の計測結果に基づいて、再生器18における熱交換量と、膨張部14における減圧比との少なくとも1つを制御する。これにより、この蒸気生成システムS8は、ヒートポンプ10に供給される温熱の許容温度範囲が広く、また、その温熱温度の変動に好ましく対応可能である。
なお、本実施形態の蒸発部を含む供給経路20及びヒートポンプ10を、図5の蒸気生成システムS2、又は図6の蒸気生成システムS2に適用してもよい。
図14は、図8の蒸気発生システムS5の別の変形例である第9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S9について、図8に示す蒸気発生システムS5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S9において、図14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S9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。
本実施形態においても、ヒートポンプ10が外部から受け取る熱量の変化に応じて、作動媒体のルートが最適化される。すなわち、制御装置70は、センサ122の計測結果に基づいて、再生器18における熱交換量と、膨張部14における減圧比との少なくとも1つを制御する。これにより、この蒸気生成システムS9は、ヒートポンプ10に供給される温熱の許容温度範囲が広く、また、その温熱温度の変動に好ましく対応可能である。
なお、本実施形態の蒸発部を含む供給経路20及びヒートポンプ10を、図5の蒸気生成システムS2、又は図6の蒸気生成システムS2に適用してもよい。
図15は、図10の蒸気発生システムS6の別の変形例である第10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S10について、図10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S10において、図15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、ヒートポンプ10が外部から受け取る熱量の変化に応じて、作動媒体のルートが最適化される。すなわち、制御装置70は、センサ122の計測結果に基づいて、再生器18における熱交換量と、膨張部14における減圧比との少なくとも1つを制御する。これにより、この蒸気生成システムS10は、ヒートポンプ10に供給される温熱の許容温度範囲が広く、また、その温熱温度の変動に好ましく対応可能である。
なお、本実施形態の蒸発部を含む供給経路20及びヒートポンプ10を、図5の蒸気生成システムS2、又は図6の蒸気生成システムS2に適用してもよい。
図16は、図15の蒸気発生システムS10の別の変形例である第11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S11について、図15に示す蒸気発生システム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。
蒸気発生システムS11において、図16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、ヒートポンプ10が外部から受け取る熱量の変化に応じて、作動媒体のルートが最適化される。すなわち、制御装置70は、センサ122の計測結果に基づいて、再生器18における熱交換量と、膨張部14における減圧比との少なくとも1つを制御する。これにより、この蒸気生成システムS10は、ヒートポンプ10に供給される温熱の許容温度範囲が広く、また、その温熱温度の変動に好ましく対応可能である。
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。
S1〜S11…蒸気生成システム、10,100…ヒートポンプ、11…吸熱部、11A〜11D…吸熱部(第1並列経路、第1機構)、12…圧縮部、13A〜13F…放熱部、14…膨張部、15…主経路、15A〜15D…分岐経路(第1機構)、15E〜15H…第2並列経路、15J〜15M…導入経路(第1機構)、17…バイパス経路、18…再生器、20…供給経路(第2経路)、21…加温部、22…蒸発部、23…ダクト、30,31,32…圧縮機、41〜46…熱交換器、47,47A〜47C…タンク、51A〜51D…蒸発管、70…制御装置、90…熱源装置、91…放熱部、110,110A,110B…タンク、111…供給経路、120…循環経路(第1経路)、129…放熱経路(第1経路)、121…ポンプ、122,128…センサ(第1機構、第2機構)、125,126…弁、400,400A〜400D…減圧制御弁(第1機構)、501〜504…弁(第2機構)、521〜524…弁(切換装置、第1機構)。