JP5200525B2 - 蒸気生成システム - Google Patents

Description

本発明は、蒸気生成システムに関する。

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を提供することを目的とする。

本発明の態様に従えば、第１流体が流れる管を有するヒートポンプと、第２流体が蒸発する蒸発ユニットであり、その内部に前記管の少なくとも一部が配置される容器と、前記管の外面に前記第２流体を供給する供給部とを有する前記蒸発ユニットと、を備え、前記管は、前記容器内で重力方向に沿って並ぶ複数の層を有し、前記重力方向に沿って、高い位置の層に属する前記管からの前記第２流体が低い位置の層に属する前記管に付着し、前記供給部は、最も高い位置の層に属する前記管に前記第２流体を供給する上部ユニットと、別の層に属する前記管に前記第２流体を供給する中間ユニットとを有し、高い位置の層に属する前記管の外面からの前記第２流体の蒸発量に応じて、低い位置の層に属する前記管に対する前記中間ユニットからの前記第２流体の供給量が設定される蒸気生成システムが提供される。

この態様によれば、被加熱媒体である第２流体が管内を流れる形態に比べて、第１流体−第２流体の界面を広くできる。また、第２流体が流れる空間における圧力損失に起因した蒸発温度の変化が抑制される。これらは、比較的低温度レベルの熱源を用いた蒸発プロセスに有利である。

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と、被加熱流体（被加熱媒体、第２流体）の供給ユニット２０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）、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。

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、大気の熱を吸収する。ヒートポンプ１０の吸熱部１１が外部の装置からの熱（排熱など）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、第１放熱部１３Ａ、及び第２放熱部１３Ｂがその順に並んでいる。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、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。

供給ユニット２０は、加温部２１と、蒸発ユニット２２と、圧縮機３０とを有する。

加温部２１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。例えば、加温部２１の導管が第２放熱部１３Ｂの導管に接触あるいは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４１が構成される。第１熱交換器４１は、低温の流体（供給ユニット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、ヒートポンプ１０の第２放熱部１３Ｂの導管の内部に、加温部２１の導管が配設されている。加温部２１において、ヒートポンプ１０の第２放熱部１３Ｂからの伝達熱によって、供給ユニット２０内の水が温度上昇する。なお、他の実施形態において、第１熱交換器４１は、別の熱交換構造を採用することができる。例えば、第２放熱部１３Ｂの導管を、加温部２１の導管の外周面に配設することができる。

蒸発ユニット２２は、チャンバ１２０と、散液機構１６０とを備える。本実施形態において、蒸発ユニット２２は、必要に応じて、ミストセパレータ１８０などの他の要素を備えることができる。

本実施形態において、ヒートポンプ１０の第１放熱部１３Ａの導管の一部（熱交換チューブ１４０）がチャンバ１２０内に配置される。散液機構１６０は、チューブ１４０に向けて水を散布する。

蒸発ユニット２２において、熱を有する作動流体がチューブ１４０内を流れるとともに、散液機構１６０からの水がチューブ１４０の外表面に供給される。チューブ１４０を介して熱流体の熱がチューブ１４０の外面に付着した水に伝わる。チューブ１４０の外面において、加熱された水が蒸発する。すなわち、チャンバ１２０の内部空間において、チューブ１４０の外で水が蒸発する。蒸気は、例えばチャンバ１２０に設けられた開口１２２からダクト３７を介して外部に排出される。

ここで、チャンバ１２０における水の飽和温度（沸騰温度）と熱源であるチューブ１４０（第１放熱部１３Ａ）を流れる作動流体の温度との差は、比較的小さく、例えば約５℃〜１５℃、約１５℃〜２５℃、約２５℃〜３５℃、約３５℃〜４５℃、約４５℃〜５５℃、約５５℃〜約６５℃、約６５℃〜約７５℃、約７５℃〜約８５℃、約８５℃〜約９５℃、又は約９５℃以上である。

このような形態の蒸発ユニット２２は、被加熱媒体（水）が管内を流れる形態に比べて、水−蒸気の界面を広くできる。これは、比較的低温度レベルの熱源を用いた蒸発プロセスに有利である。

また、このような形態の蒸発ユニット２２は、水又は蒸気の流れに対する圧力損失が小さいという利点を有する。水側の圧力損失に起因した蒸発温度の変化が抑制されることにより、ピンチ温度に対する懸念を抑え、蒸発プロセスの安定性の向上が図られる。

また、蒸発ユニット２２では、被加熱媒体（水）がチューブ１４０の外を流れるので、水側で発生したスケール（scale）による詰まりが生じにくい。

チャンバ１２０の内部空間は、大気圧と同等にでき、これは、チャンバ１２０の薄肉化・軽量化に有利である。本実施形態において、チャンバ１２０の内圧は、例えば約０．１ＭＰａ（１ａｔｍ）である。他の実施形態において、チャンバ１２０の内圧は、大気圧に比べて高く、又は低くすることもできる。負圧の場合、その内圧は、例えば、約０．０９、０．０８、０．０７、又は０．０６ＭＰａ以下にできる。高圧の場合、その内圧は、例えば、約０．１２、０．１４、０．１６、０．２、０．４、０．８、１．０、又は２．０ＭＰａ以上にできる。

チャンバ１２０の外形は、丸みを帯びた角を必要に応じて有する、概略的な筒形状を有することができる。本実施形態において、筒形状を有するチャンバ１２０の軸方向は重力方向（Ｚ方向）に実質的に一致する。チャンバ１２０の周面に、周方向に延びる波形あるいは凹凸を設けることにより、高い耐圧強度を有するチャンバ１２０を、比較的薄い材料を用いて形成することが可能である。薄い材料で形成されたチャンバ１２０は、装置コスト低減に有利である。例えば、チャンバ１２０の構成部材の厚さは、１０ｍｍ、９ｍｍ、８ｍｍ、７ｍｍ、６ｍｍ、５ｍｍ、４ｍｍ、３ｍｍ、２ｍｍ、又は１ｍｍ以下である。他の実施形態において、チャンバ１２０の横断面形状は、円状、楕円状、矩形状、又は他の形状を有することができる。

このような蒸気生成システムＳ１において、供給源からの水が第１熱交換器４１でヒートポンプ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する。その温水は散液機構１６０に供給される。チャンバ１２０において、ヒートポンプ１０の第１放熱部１３Ａからの熱によって水が相変化して蒸発する。

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、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。本実施形態において、被加熱媒体及び作動流体の状態に応じて、ヒートポンプが個別の加熱部（放熱部）を有する点などにより、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。加温部２１への水の供給温度は例えば約２０℃であり、加温部２１からの水の出口温度（蒸発ユニット２２への水の入口温度）は例えば約９０〜９５℃である。上記数値は理解のための一例であって本発明はこれに限定されない。

なお、ヒートポンプ１０の放熱部及び供給ユニット２０の蒸発部の数は、作動流体の特性に応じて適宜設定される。また、供給源からの水の供給温度が比較的高い場合など、加温部２１（第２放熱部１３Ｂ）を省略することも可能である。

本実施形態において、水の顕熱加熱が主に第１熱交換器４１（加温部２１）で行われ、水の潜熱加熱が主に蒸発ユニット２２で行われる。そのため、第２放熱部１３Ｂを含む第１熱交換器４１が顕熱交換に適した形態であり、第１放熱部１３Ａ、蒸発ユニット２２などを含む熱交換ユニット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。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２は、蒸発ユニット２２を示す模式図である。図２に示すように、熱交換チューブ１４０は、チャンバ１２０内に、チャンバ１２０の軸方向（重力方向）に沿って多段の層状に配置される。チャンバ１２０内には、ヘッダパイプ１４２，１４４が設けられている。ヘッダパイプ１４２，１４４は、チャンバ１２０の軸方向に沿って延びた筒形状を有し、互いに離間して配置されている。

各層のチューブ１４０の一端が第１ヘッダパイプ１４２に流体的に接続され、各層のチューブ１４０の他端が第２ヘッダパイプ１４４に流体的に接続されている。第１ヘッダパイプ１４２に供給された高温の熱流体（作動流体）が分岐し、各層のチューブ１４０を流れる。チューブ１４０からの熱流体が第２ヘッダパイプ１４４で合流する。チューブ１４０の構成部材としては、高い熱伝導率を有する金属チューブ（例えば、銅チューブ、アルミニウムチューブ）が好ましく用いられる。

また、チューブ１４０は、表面が滑らかな素チューブ、表面に網状の部材が配設された網付チューブ、多数の溝が表面に形成された溝付チューブ、多数のフィンが表面に設けられたフィンチューブのいずれでもよい。網、溝、及びフィンなどがチューブ１４０の表面に設けられることにより、チューブ１４０における表面積の拡大、及び熱交換の促進が図られる。また、チューブ１４０の表面に対して熱交換に適した処理を施してもよい。チューブ１４０の表面の少なくとも１部を親液処理してもよく、撥液処理してもよい。例えば、チューブ１４０の表面のうち、上方領域を親液処理し、下方領域を撥液処理してもよい。

図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ、及び図３Ｄは、チューブ１４０の構成例を模式的に示す平面図である。図３Ａ〜３Ｄにおいて、Ｘ方向及びＹ方向を含む面（ＸＹ平面）は水平面に実質的に一致する。

図３Ａにおいて、チューブ１４０は、Ｘ方向に沿って延びかつＹ方向に沿って互いに並ぶ複数の線要素１５１と、線要素１５１同士を流体的につなぐ屈曲要素１５３とを有する。線要素１５１は、互いに実質的平行でもよく、互いに非平行でもよい。図３Ａにおいて、チャンバ１２０は、矩形の断面形状を有する。第１ヘッダパイプ１４２は、チャンバ１２０における１つの角に隣接して配置される。第２ヘッダパイプ１４４は、第１ヘッダパイプ１４２に隣接する角と対向するチャンバ１２０における別の角に隣接して配置される。例えば、折り曲げ加工あるいは溶接加工を用いることにより、線要素１５１及び屈曲要素１５３を有するチューブを形成することができる。重力方向（Ｚ方向）の各層において、チューブ１４０は、同様の形状を有することができる。

図３Ｂにおいて、チャンバ１２０は、円形の断面形状を有する。チューブ１４０は、図３Ｂと同様に、Ｘ方向に沿って延びかつＹ方向に沿って互いに並ぶ複数の線要素１５５と、線要素１５１同士を流体的につなぐ屈曲要素１５７とを有する。線要素１５１は、互いに実質的平行でもよく、互いに非平行でもよい。第１ヘッダパイプ１４２は、チャンバ１２０の内周面に隣接して配置される。第２ヘッダパイプ１４４は、第１ヘッダパイプ１４２に対向する、チャンバ１２０の内周面に隣接する位置に配置される。例えば、折り曲げ加工あるいは溶接加工を用いることにより、線要素１５５及び屈曲要素１５７を有するチューブを形成することができる。図３Ｂにおいて、第１ヘッダパイプ１４２と第２ヘッダパイプ１４４とを結ぶ線は、チューブ１４０の線要素１５５の軸と交差する。チューブ１４０の屈曲要素１５７は、チャンバ１２０の内周面に隣接して配置される。重力方向（Ｚ方向）の各層において、チューブ１４０は、同様の形状を有することができる。

図３Ｃにおいて、チャンバ１２０は、円形の断面形状を有する。チューブ１４０は、スパイラル状に延びる湾曲要素１５９を有する。湾曲要素１５９のスパイラルの中心は、チャンバ１２０の軸心に概ね一致することができる。換言すると、チャンバ１２０の径方向に沿って、チューブ１４０の要素が同心円状に並ぶ。例えば、折り曲げ加工あるいは溶接加工を用いることにより、湾曲要素１５９を有するチューブを形成することができる。第１ヘッダパイプ１４２は、チャンバ１２０の軸心付近に配置される。第２ヘッダパイプ１４４は、チャンバ１２０の内周面に隣接して配置される。重力方向（Ｚ方向）の各層において、チューブ１４０は、同様の形状を有することができる。

図３Ｄにおいて、チューブ１４０は、水平方向に並びかつ水がそれぞれ流れる複数の水平群１４０Ａ，１４０Ｂを有する。各水平群１４０Ａ，１４０Ｂは、Ｘ方向に沿って延びかつＹ方向に沿って互いに並ぶ複数の線要素１５１と、線要素１５１同士を流体的につなぐ屈曲要素１５３とを有する。線要素１５１は、互いに実質的平行でもよく、互いに非平行でもよい。図２Ｄにおいて、チャンバ１２０は、矩形の断面形状を有する。例えば、折り曲げ加工あるいは溶接加工を用いることにより、線要素１５１及び屈曲要素１５３を有するチューブを形成することができる。

第１ヘッダパイプ１４２からの熱流体の一部は、第２ヘッダパイプ１４４に向けて水平群１４０Ａを流れる。第１ヘッダパイプ１４２からの熱流体の別の一部は、第２ヘッダパイプ１４４に向けて水平群１４０Ｂを流れる。ある層において、チューブ１４０の流路が複数の水平群１４０Ａ，１４０Ｂに分かれていることにより、所定領域内における、第１ヘッダパイプ１４２から第２ヘッダパイプ１４４までのチューブ１４０の軸長さ、すなわち熱交換長さを比較的短くできる。これにより、チューブ１４０を流れる熱流体が放熱に伴って温度変化する場合における、チューブ１４０の下流領域での熱流体の温度低下が抑制される。これは、チューブ１４０の下流領域での熱伝達の低下を抑制するのに有利である。

チューブ１４０の複数の水平群は、Ｘ方向、Ｙ方向、及びその傾き方向のいずれに沿って並んでもよい。他の実施形態において、複数の水平群は、Ｘ方向、Ｙ方向の両方に沿って並ぶことができる。水平群１４０Ａ，１４０Ｂの数は２に限定されない。水平群の数は、２、３、４、５、６、７、８、９、又は１０以上にできる。また、水平群１４０Ａ，１４０Ｂは、図２Ｄに示される形態に限定されず、様々な形態が適用可能である。

図２Ｄにおいて、重力方向（Ｚ方向）の各層において、チューブ１４０は、同様の形状を有することができる。チューブ１４０の複数の層の間で、チューブ１４０の分割形態が異なっていてもよい。あるいは、チューブ１４０は、複数の水平群に分割された流路を有する層と、非分割の層との両方を有することができる。

図３Ａ〜３Ｄにおいて、最も高い位置の層に属するチューブ１４０の真下に、次の層に属するチューブ１４０の少なくとも１部が位置する。同様に、他の隣接する２つの層の間でもチューブ１４０同士が少なくとも部分的に重なる。本実施形態において、高い位置の層に属するチューブ１４０の真下に次の層に属するチューブ１４０の概ねすべてが位置する。他の実施形態において、その真下の位置からチューブ１４０の一部がずれて配置できる。すなわち、隣接する２つの層の間で概ねチューブ１４０全体の配列位置（線要素１５１の配列位置）が一致してもよく、部分的に不一致でもよい。

なお、図３Ａ〜３Ｄに示されるチューブ１４０の構成は例であって、他の構成も適用可能である。

図２に戻り、本実施形態において、チューブ１４０の層の数は、装置仕様に応じて設定される。層の数は、２、３、４、５、６、７、８、９、又は１０以上にできる。あるいは、層の数は、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、又は５０以上にできる。

図２に示すように、散液機構１６０は、ポンプ１６２と、複数のノズル１６４を有する散液配管１６６と、ポンプ１６２と配管１６６とを流体的につなぐ供給配管１６８とを有する。ポンプ１６２は、チャンバ１２０に貯溜した水を汲み上げ、供給配管１６８を介して散液配管１６６にその水を送る。配管１６６のノズル１６４から水が出る。配管１６６のノズル１６４から落下した水がチューブ１４０の表面（外面）に付着する。チューブ１４０内の高温流体の熱が、チューブ１４０の表面に付着した水に伝わり、水の一部がチャンバ１２０内で蒸発する。

ノズル１６４は、スプレーノズルでもよく、液柱用ノズル（例えば、孔）でもよい。スプレータイプでは、比較的広い範囲に水を散布することができる。液柱タイプは、液柱の調整（液柱の径、流速、空間密度などの調整）が容易であるという利点を有する。スプレータイプと液柱タイプ以外のタイプのノズルを用いてもよい。複数タイプのノズルを組み合わせてもよい。

散液配管１６６は、最も高い位置の層に属するチューブ１４０に向けて水を供給する上部配管１６６Ａと、別の層に属するチューブ１４０に向けて水を供給する中間配管１６６Ｂ，１６６Ｃ，１６６Ｄ，...とを有する。

本実施形態において、上部配管１６６Ａから最上層に属するチューブ１４０の外面に向けて水が供給される。最上層のチューブ１４０で蒸発した水の残りは落下し、次の層のチューブ１４０の外面に付着する。また、最上層のチューブ１４０からの水に加えて、次の層に属するチューブ１４０の外面に向けて中間配管１６６Ｂから水が供給される。残りの層に属するチューブ１４０についても同様に、上段のチューブ１４０からの水と、中間配管１６６Ｃ，１６６Ｄ，...からの水とがその外面に供給される。

チューブ１４０の外面に存在する水の膜厚が適正値に比べて小さいと、チューブ１４０の外面に濡れていない部分が生じる可能性がある。水の膜厚が適正値に比べて大きいと、チューブ１４０の外面から水が蒸発しにくくなる可能性がある。これらは、熱効率の点で不利である。散液機構１６０からの水の適切な散布が、高い熱伝達と効率的な蒸気生成とをもたらす。

本実施形態において、中間配管１６６Ｂ，１６６Ｃ，１６６Ｄ，...から水が補充されることにより、各層のチューブ１４０の外面における水の量の最適化が図られる。高い位置の層に属するチューブ１４０の外面からの水の蒸発量に応じて、低い位置の層に属するチューブ１４０に対する中間配管１６６Ｂ，１６６Ｃ，１６６Ｄ，...からの水の供給量が設定される。例えば、ある中間層のチューブ１４０に対して、その上の層のチューブ１４０で蒸発した水の量に比べて同程度または多い量の水が中間配管１６６Ｂ，１６６Ｃ，１６６Ｄ，...から供給される。その結果、チューブ１４０の外表面における部分的な渇きが防止される。適切な量の水が供給された各層のチューブ１４０の外表面において、水が好ましく蒸発する。

本実施形態において、チューブ１４０の２つの層に対して１つの中間配管１６６Ｂ，１６６Ｃ，１６６Ｄ，...が配置されている。すなわち、チューブ１４０の２つの層ごとに、層同士の間のスペースに中間配管１６６Ｂ，１６６Ｃ，１６６Ｄ，...が配置されている。他の実施形態において、チューブ１４０の層同士の間の各スペースに中間配管が配置することができる。他の実施形態において、層間の複数のスペースの一部に中間配管が配置されてもよい。例えば、複数の層ごとに１つの中間配管が配置されてもよい。

また、散液配管１６６（上部配管１６６Ａ，中間配管１６６Ｂ，１６６Ｃ，１６６Ｄ，...）は、チューブ１４０から離間して配置されてもよく、チューブ１４０に近接あるいは密着してもよい。散液配管１６６とチューブ１４０とが、抱き合わせ構造及び／又は密着構造を有することにより、散液配管１６６のノズル１６４が確実にチューブ１４０の真上に配置されるとともに、散液配管１６６のノズル１６４からの水がチューブ１４０の表面（外面）に確実に付着する。

図４は、ノズル１６４の配置の一例を示す模式図であり、二次元平面（水平面）内でのノズル１６４のそれぞれの位置を示している。図４において、ノズル１６４は、チューブ１４０に面しかつ互いに離間して配置されている。各ノズル１６４は、チューブ１４０のいずれかの部分の真上に位置することができる。こうしたノズル１６４の配置により、配管１６６からの水が確実にチューブ１４０上に落下する。できるだけ多くのノズル１６４がチューブ１４０の真上の位置に配置されることが好ましいが、一部のノズル１６４がチューブ１４０の真上の位置からずれていてもよい。

本実施形態において、散液機構１６０は、チューブ１４０の少なくとも一部の領域においてチューブ１４０の軸方向において水の供給量がさまざまとなるような（異なるような）形態を有する。すなわち、チューブ１４０の少なくとも一部の領域に対して、チューブ１４０内を流れる熱流体の流れ方向に沿って散液機構１６０からの水の供給量が変化する。本実施形態において、チューブ１４０における上流側の部分では水の供給量が比較的多く、チューブ１４０における下流側の部分では水の供給量が比較的少ない。

図４に示すように、チューブ１４０の軸方向において、ノズル１６４の配列ピッチがさまざまである。具体的には、チューブ１４０における熱流体の上流側（第１ヘッダパイプ１４２に近い側の部分）に配置されるノズル１６４（水の出口）は、比較的狭い配列ピッチを有し、下流側（第２ヘッダパイプ１４４に近い側の部分）に配置されるノズル１６４（水の出口）は、比較的広い配列ピッチを有する。図４において、各ノズル１６４の散液量（所定の圧力に対する時間あたりの散液量）が実質的に同程度である場合、チューブ１４０における上流側の部分では水の供給量が比較的多く、下流側の部分では水の供給量が比較的少ない。

図５は、ノズル１６４の配置の別の例を示す模式図である。図５に示すように、チューブ１４０の軸方向において、ノズル１６４の種類及び／又は特性がさまざまである。具体的には、チューブ１４０における熱流体の上流側（第１ヘッダパイプ１４２に近い側の部分）には、散液量（所定の圧力に対する時間あたりの散液量）が比較的多いノズル１６４（水の出口）が配置され、熱流体の下流側（第２ヘッダパイプ１４４に近い側の部分）には、散液量が比較的少ないノズル１６４（水の出口）が配置される。図５において、チューブ１４０の軸方向に沿ったノズル１６４の配列ピッチが実質的にほぼ一様である場合、チューブ１４０における上流側の部分では水の供給量が比較的多く、下流側の部分では水の供給量が比較的少ない。

図６は、散液機構１６０の別の例を示す模式図である。図６に示すように、散液機構１６０は、チューブ１４０の軸方向における複数の位置での水の供給量を変化させることができる制御装置７０を有する。図６において、散液配管１６６及びノズル１６４は、複数の群（ノズル群１７１Ａ〜１７１Ｄ）にグループ化されている。制御装置７０は、第１ノズル群１７１Ａに供給される水量及び／又は圧力を調整する弁１７２Ａと、第２ノズル群１７１Ｂに供給される水量及び／又は圧力を調整する弁１７２Ｂと、第３ノズル群１７１Ｃに供給される水量及び／又は圧力を調整する弁１７２Ｃと、第４ノズル群１７１Ｄに供給される水量及び／又は圧力を調整する弁１７２Ｄと、各弁１７２Ａ〜１７２Ｄを制御するコントローラ１７４とを有する。

図６において、第１ノズル群１７１Ａは、チューブ１４０における熱流体の上流側（第１ヘッダパイプ１４２に近い側の部分）に対応しており、第４ノズル群１７２Ｂは、熱流体の下流側（第２ヘッダパイプ１４４に近い側の部分）に対応している。コントローラ１７４は、第１ノズル群１７１Ａからの時間あたりの散液量が比較的多く、第２ノズル群１７１Ｂ、第３ノズル群１７１Ｃ、及び第４ノズル群１７１Ｄの順に散液量が少なくなるように、各弁１７１Ａ〜１７１Ｄを制御する。

図４〜図６の例で示された１つの形態、または２つ以上を組み合わせた形態を用いることにより、チューブ１４０内を流れる熱流体の流れ方向に沿って散液機構１６０からの水の供給量が変化する。すなわち、散液機構１６０は、チューブ１４０の少なくとも一部の領域に対して、チューブ１４０における上流側の部分では水の供給量が比較的多く、チューブ１４０における下流側の部分では水の供給量が比較的少なくなるように、チューブ１４０に向けて水を供給する。

本実施形態において、チューブ１４０の少なくとも一部の領域に対して熱流体が流れるチューブ１４０の軸方向において水の供給量がさまざまであることにより、比較的低温度レベルの熱源であっても、効率的に水を蒸発させることができる。すなわち、チューブ１４０の軸方向に沿った全体にわたり、チューブ１４０の単位長さあたりの水の散布量が適正化され、その結果、熱利用効率の向上が図られる。

チューブ１４０を流れる熱流体が放熱に伴って温度変化する場合、温度が比較的高いチューブ１４０の外面部分には、比較的多い量の水が供給され、温度が比較的低いチューブ１４０の外面部分には、比較的少ない量の水が供給されることができる。例えば、チューブ１４０を流れる熱流体の少なくとも一部が超臨界流体、もしくは気体である場合には、放熱に伴って熱流体の温度が比較的漸次的に低下しやすい。熱流体の温度変化に応じて、チューブ１４０の部分ごとに水の供給量が適正化されることにより、高い熱伝達と効率的な蒸気生成とがもたらされる。

本実施形態において、チューブ１４０に対する水の供給量のプロファイルは、層ごとに変化させることができる。すなわち、低い位置に属するチューブ１４０に対する軸方向における水の供給量の変化を、高い位置の層に属するチューブ１４０に対するそれと異なるように設定できる。これにより、チューブ１４０の軸方向に加え、重力方向においても、チューブ１４０の全体にわたり、チューブ１４０の単位長さあたりの水供給量が適正化され、その結果、熱利用効率の向上が図られる。

例えば、最も高い位置の層に属するチューブ１４０において、軸方向における水の供給量が実質的に一定であり、少なくとも１つの他の層に属するチューブ１４０において、軸方向における水の供給量がさまざまであるように設定できる。最上段の層に軸方向に一定供給量の水を供給しかつチューブ１４０を流れる熱流体が放熱に伴って温度変化する場合、その層から落下する水の量（供給量−蒸発量）は、軸方向で異なる。これに対応して、下段の層において、散液機構１６０は、落下水量が比較的少ない領域に比較的多い量の水を供給することができる。これにより、チューブ１４０の単位長さあたりの水供給量が適正化され、その結果、熱利用効率の向上が図られる。

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。

本実施形態の蒸気生成システムＳ２において、蒸発ユニット２２のチャンバ１２０の内部空間が、ダクト２３を介して圧縮機３０によって吸引される。チャンバ１２０内で発生した蒸気は、ダクト２３を介して圧縮機３０に導かれる。

圧縮機３０は、ダクト２３及びチャンバ１２０の開口１２２を介してチャンバ１２０の気相空間に流体的に接続されている。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、チャンバ１２０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による吸引作用により、チャンバ１２０の内部空間が減圧される。チャンバ１２０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、不図示の制御弁（流量制御弁など）や圧縮機３０が制御される。この制御は、例えば、チャンバ１２０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。

圧縮機３０及び／又は供給ユニット２０には、蒸気に対して水（温水）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。圧縮機３０の多段圧縮構造は、蒸気の高温・高圧化に有利である。圧縮機３０は、多段の各圧縮部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、同軸の多段圧縮構造を有することができる。各圧縮部の圧縮比（圧力比）は、蒸気生成システムＳ２の仕様に応じて設定される。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、液体が流れる導管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、供給源からの水が、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。

図８は、図７に示す蒸発ユニット２２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７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７参照）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８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。上記数値は理解のための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８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８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、本実施形態では、ヒートポンプ１０及び圧縮機３０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、蒸気生成システムＳ２は、蒸気仕様に対する柔軟性が高い。蒸気生成システム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、本実施形態において、蒸気発生のための加熱過程の一部を圧縮機３０が補うから、高いＣＯＰでヒートポンプ１０が使用される。したがって、蒸気生成システムＳ２は、全体としての一次エネルギーの節減が期待される。

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における第１放熱部１３Ａと第２放熱部１３Ｂ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２放熱部１３Ｂ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放熱部１３Ａからの作動流体の一部が、第２放熱部１３Ｂを迂回し、膨張部１４の手前で第２放熱部１３Ｂからの作動流体と合流する。第１放熱部１３Ａからの残りの作動流体は、第２放熱部１３Ｂを流れ、第２放熱部１３Ｂからの熱が供給ユニット２０内の水に伝わる。

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放熱部１３Ａ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放熱部１３Ａ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構造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構造を有してもよい。

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２放熱部１３Ｂ）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。

なお、ヒートポンプ１０の放熱部及び供給ユニット２０の蒸発部の数は、作動流体の特性に応じて適宜設定される。また、供給源からの水の供給温度が比較的高い場合など、加温部２１（第２放熱部１３Ｂ）を省略することも可能である。

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。

第１実施形態を示す概略図である。 蒸発器を示す断面模式図である。 チューブの構成例を模式的に示す平面図である。 チューブの構成例を模式的に示す平面図である。 チューブの構成例を模式的に示す平面図である。 チューブの構成例を模式的に示す平面図である。 ノズルの配置の一例を示す模式図である。 ノズルの配置の別の例を示す模式図である。 散液機構の別の例を示す模式図である。 第２実施形態を示す概略図である。 水の状態変化の一例を示す Ｔ-ｓ 線図である。

符号の説明

Ｓ１，Ｓ２…蒸気生成システム、１０…ヒートポンプ、１１…吸熱部、１２…圧縮部、１３Ａ，１３Ｂ…放熱部、１４…膨張部、１５…主経路、１７…バイパス経路、１８…再生器、２０…供給ユニット、２１…加温部、２２…蒸発部、３０…圧縮機、４１，４２…熱交換器、７０…制御装置、１１０…蒸発器、１２０…チャンバ、１２２…開口、１４０…チューブ、１４２，１４４…ヘッダパイプ、１６０…散液機構、１６２…ポンプ、１６４…ノズル、１６６…配管、１６６Ａ…上部配管（上部ユニット）、１６６Ｂ，１６６Ｃ，１６６Ｄ…中間配管（中間ユニット）、１６８…供給配管、１７０…制御装置。

Claims (4)

1. 第１流体が流れる管を有するヒートポンプと、
   第２流体が蒸発する蒸発ユニットであり、その内部に前記管の少なくとも一部が配置される容器と、前記管の外面に前記第２流体を供給する供給部とを有する前記蒸発ユニットと、
   を備え、
   前記管は、前記容器内で重力方向に沿って並ぶ複数の層を有し、
   前記重力方向に沿って、高い位置の層に属する前記管からの前記第２流体が低い位置の層に属する前記管に付着し、
   前記供給部は、最も高い位置の層に属する前記管に前記第２流体を供給する上部ユニットと、別の層に属する前記管に前記第２流体を供給する中間ユニットとを有し、
   高い位置の層に属する前記管の外面からの前記第２流体の蒸発量に応じて、低い位置の層に属する前記管に対する前記中間ユニットからの前記第２流体の供給量が設定されることを特徴とする蒸気生成システム。
2. 前記複数の層における前記管の蒸発量に応じて、各層に属する前記管に対して軸方向における前記第２流体の供給量が設定されることを特徴とする請求項１に記載の蒸気生成システム。
3. 前記蒸発ユニットにおける前記第１流体の温度と前記容器内における前記第２流体の飽和温度との間の差は、約５℃以上約９５℃以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の蒸気生成システム。
4. 前記容器内の圧力は、大気圧と同程度又は大気圧よりも低いことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の蒸気生成システム。

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