JP5211883B2 - 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熱源ユニットと、前記第１流体からの伝達熱によって第２流体が気化する蒸気発生ユニットとを備え、前記蒸気発生ユニットは、貯溜された前記第２流体の液面下に前記管の一部が配置される貯溜部と、前記貯溜部に流体的に接続され、かつ前記管の別の一部の外面に前記第２流体が散布される散液部と、少なくとも前記管内の前記第１流体の温度又は前記管の温度を計測した結果に基づいて、前記貯溜部における前記第２流体の液面レベルを制御する制御機構と、を備える蒸気生成システムが提供される。

この態様によれば、貯溜部において、主としていわゆるプール沸騰により蒸気が発生し、散液部において、主としていわゆる液膜蒸発により蒸気が発生する。貯溜部における蒸気生成と、散液部における蒸気生成とを併用することにより、熱バランスの向上が図られ、エネルギー効率が高まる。

図１は、第１実施形態を示す概略図である。第１実施形態において、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（熱源ユニット）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、１、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。ヒートポンプ１０の放熱部１３Ａ，１３Ｂを流れる作動流体の少なくとも一部が超臨界状態であってもよい。

供給ユニット２０は、加温部２１と、蒸気発生ユニット２２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。

本実施形態において、蒸気発生ユニット２２は、チャンバ１２０と、送液機構１２５と、散液機構１６０とを備える。本実施形態において、チャンバ１２０は、貯溜部１３０と散液部１３１とを含む。蒸気発生ユニット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、送液機構１２５は、制御弁１２６、及びレベルセンサ１２７を有する。送液機構１２５は、必要に応じて、ポンプ、温度センサ、圧力センサ、流量センサ、脱気機器などの他の機器を有することができる。レベルセンサ１２７は、チャンバ１２０内の液面レベルを計測する。レベルセンサ１２７からの情報は、制御装置７０に送られる。送液機構１２５は、温度上昇した加温部２１からの水をチャンバ１２０に送る。チャンバ１２０内には、被加熱媒体としての水が貯溜される。

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（チューブ１４０）がチャンバ１２０内に配置される。チャンバ１２０の貯溜部１３０において、貯溜された水の中にチューブ１４０の一部が配置される。水面下において、チューブ１４０内を流れる作動流体の熱が水に伝わり、水の一部が沸騰する。すなわち、チャンバ１２０の貯溜部１３０において、主としていわゆるプール沸騰により蒸気が発生する。

チャンバ１２０の散液部１３１では、チューブ１４０の別の一部が貯溜された水に浸かっていない（すなわち、チューブ１４０の一部は水面上にある）。散液機構１６０は、貯溜された水を用いてチャンバ１２０内に散液する。チャンバ１２０の散液部１３１において、散液機構１６０からの水が、水面上のチューブ１４０の外表面に供給される。チューブ１４０を介して作動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の散液部１３１において、主としていわゆる液膜蒸発により蒸気が発生する。チャンバ１２０内で発生した蒸気は、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。

本実施形態において、チャンバ１２０の貯溜部１３０には、チューブ１４０（第１放熱部１３Ａ）の比較的上流部分が配置され、チャンバ１２０の散液部１３１には、チューブ１４０（第１放熱部１３Ａ）の比較的下流部分が配置される。チューブ１４０内を流れる作動流体は、放熱に伴って温度が下がる。チャンバ１２０の貯溜部１３０において、チューブ１４０と水との温度差が比較的高く、チャンバ１２０の散液部１３１において、その温度差が比較的低い。

プール沸騰方式において、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）との温度差（以下、「表面過熱度」という）は、比較的広い（比較的高い）のが好ましい。表面過熱度が比較的低い状態は、サブクール沸騰（sub-cooled boiling、表面沸騰ともいう）の領域に属する可能性がある。表面過熱度が比較的高い核沸騰（nucleate boiling）（又は遷移沸騰（transition boiling））の領域では、高い熱伝達が得られるとともに、気泡が繰り返し発生し、蒸気発生の促進が図られる。すなわち、チャンバ１２０の貯溜部１３０において、比較的高い表面過熱度は、蒸気生成に有利である。本実施形態において、チャンバ１２０の貯溜部１３０における表面過熱度は、例えば約１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、又は１００℃以上である。

チャンバ１２０の貯溜部１３０において、水深（ヘッド差）に応じて沸点が変化する。例えば、水面上の空間が大気圧（１ａｔｍ）であるとき、水深が５０ｃｍの位置の圧力は約１．０５気圧、沸点は約１０１．３７℃である。沸点上昇の影響は、サブクール沸騰領域では比較的大きいものの、核沸騰領域及び遷移沸騰領域では比較的小さい。すなわち、核沸騰領域及び遷移沸騰領域では、水深に応じた数℃程度の沸点上昇が伝熱量に与える影響は十分に小さい。水の沸騰熱伝達曲線において、核沸騰領域又は遷移沸騰領域（例えば、表面過熱度が約１０−１００℃）において熱伝達の極大値を持つからである。

本実施形態において、水の一部がプール沸騰により気化し、水の別の一部が液膜蒸発する。これは、水のすべてをプール沸騰によって気化させる場合に比べて、プール沸騰による蒸気生成スペース（チャンバ１２０における貯溜部１３０）を小型にできる。生成スペースの小型化は、水深（ヘッド差）の縮小を得ることができ、温度管理上有利である。

液膜蒸発において、プール沸騰方式に比べて、チューブ１４０と水との温度差の影響は小さく、比較的低い温度差を用いて比較的効率的に蒸気を生成することができる。したがって、プール沸騰と液膜蒸発との組み合わせにおいて、比較的低温のチューブ１４０をチャンバ１２０の散液部１３１に配置することで、熱バランスの向上が図られる。本実施形態において、貯溜部１３０、散液部１３１の順にチューブ１４０内を作動流体が連続して流れる直列タイプの配管構成が採用される。プール沸騰に熱を与えた後の作動流体からの伝達熱が液膜蒸発に用いられる。他の実施形態において、異なる温度を有する作動流体が、貯溜部１３０及び散液部１３１を独立して流れる並列タイプの配管構成を採用することができる。

また、本実施形態において、液膜蒸発では、チューブ１４０の外面の全体に適量の水が供給されるのが好ましい。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。

チャンバ１２０の散液部１３１において、チューブ１４０が重力方向に多段構造を有する場合、上層に対して水の供給量が適切であっても、上層での水の蒸発に伴って、下層に対する水の供給量が不足する可能性がある。

本実施形態において、散液部１３１におけるチューブ１４０と散液される水との温度差は、例えば約２、４、６、８、１０、１２、１６、１８、２０、２２、２４、２６、２８、又は３０℃以上である。比較的低温のチューブ１４０をチャンバ１２０の散液部１３１に配置することで、多段構造のチューブ１４０の上層での蒸発量を抑制することができる。その結果、各層において、チューブ１４０の外表面における部分的な渇きが抑制され、したがって、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、水が好ましく蒸発できる。

図２は、蒸気発生ユニット２２を示す模式図である。図２において、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。本実施形態において、チューブ１４０を含む作動流体の配管構造は、下方に配置された入力位置、上方に配置された出力位置を有する。配管構造において、全体として下から上向きに作動流体が流れるとともに、各層において、横方向（チャンバ１２０の軸方向と交差する方向）に作動流体が流れる。配管構造は、分岐及び／又は集合用のヘッダパイプを有する形態又はヘッダパイプを有しない形態を有することができる。また、配管構造は、複数ルートに分岐した作動流体が並行して流れる形態を有することができる。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。

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にできる。あるいは、層の数は、１１、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、又は５０以上にできる。

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。

本実施形態において、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。散液配管１６６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。他の実施形態において、散液配管は、重力方向に沿って複数段配置できる。例えば、チューブ１４０の２層又は３層ごとに１段の散液配管を配置することができる。

本実施形態において、図２に示すように、比較的低位置で作動流体の温度が比較的高く、比較的高位置で作動流体の温度が比較的低い。前述したように、チューブ１４０の配管構造において、全体として下から上向きに作動流体が流れる。チューブ１４０を介した放熱に伴い、流れ方向に沿って作動流体の温度が徐々に下がる。したがって、貯溜部１３０における作動流体の温度は、散液部１３１における作動流体の温度に比べて高い。これは、前述したように、貯溜部１３０及び散液部１３１のそれぞれにおける熱伝達向上に有利である。

また、本実施形態において、貯溜部１３０において、下段１３０Ａにおける作動流体の温度が最も高く、中段１３０Ｂにおける温度が次に高く、上段１３０Ｃにおける温度が最も低い。貯溜部１３０における、水深の深い位置での作動流体（チューブ１４０）の温度が最も高いことにより、水深（ヘッド差）に応じた沸点上昇の影響が相殺できる。

また、本実施形態において、散液部１３１において、下段１３１Ａにおける作動流体の温度が最も高く、中段１３１Ｂにおける温度が次に高く、上段１３１Ｃにおける温度が最も低い。散液部１３１において、上段での作動流体（チューブ１４０）の温度が最も低いことにより、チューブ１４０の上層での蒸発量が抑えられ、上層から下層へ水が安定して落下する。その結果、散液部１３１における、チューブ１４０の各層において、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。

作動流体の温度は、チャンバ１２０内において上記以外の分布を有することができる。しかしながら、貯溜部１３０及び散液部１３１における熱伝達（熱バランス）向上のために、前述したように、少なくとも、散液部１３１に比べて貯溜部１３０における作動流体の温度が高いのが好ましい。

本実施形態において、蒸気発生ユニット２２はさらに、作動流体の温度を計測する温度センサ１２８を有することができる。温度センサ１２８は、チューブ１４０に対して１以上設置することができる。例えば、全体的に、チューブ１４０の各層に対して温度センサ１２８を設置することができる。あるいは、局部的に、液面付近の複数の層に対して複数の温度センサ１２８をそれぞれ設置することができる。温度センサ１２８は、チューブ１４０の内表面、外表面、及び／又は基材の内部に設置することができる。温度センサ１２８の出力情報は、制御装置７０に送られる。

本実施形態において、制御装置７０は、温度センサ１２８の計測結果に基づいて、チャンバ１２０内の水面レベルを制御することができる。送液機構１２５の制御弁１２６を制御すると、加温部２１からチャンバ１２０への水の供給量が変化する。供給量の増加は、水面レベルの上昇を招く。供給量の減少は、水面レベルの下降を招く。例えば、制御装置７０は、チャンバ１２０の貯溜部１３０における表面過熱度が所定値を超えるように水面レベルを制御する。この場合、チューブ１４０の水面付近の層の温度が所定値よりも低いと水面レベルを下げ、その層を水面上に配置する。また、チューブ１４０の水面付近の層の温度が所定値よりも高いと水面レベルを上げ、その層を水面下に配置する。水面レベルの制御により、プール沸騰と液膜蒸発との間の使い分けの最適化が図られる。

蒸気発生ユニット２２はさらに、チャンバ１２０内に供給される水の温度を計測する水温センサ（不図示）を有することができる。例えば、水温センサは、チャンバ１２０内の貯溜された水の温度を計測する。この場合、作動流体の温度の計測結果に加えて、水温度の計測結果に基づいて、チャンバ１２０の貯溜部１３０における表面過熱度をより正確に算出できる。

本実施形態において、１つのチャンバ１２０が貯溜部１３０及び散液部１３１を含み、散液部１３１からの水が貯溜部１３０に落下してチャンバ１２０内に貯溜される。その水の一部は再び散液機構１６０を介して散液部１３１に供給される。こうした循環経路はシンプルな構造を有する。貯溜部１３０と散液部１３１が１つのチャンバ１２０内に連続しており、貯溜部１３０と散液部１３１との間の配管が不要であるからである。

本実施形態において、水面レベルの制御は、貯溜部１３０と散液部１３１の領域を同時に変化させる。すなわち、水面レベルが上昇すると、貯溜部１３０の領域が増え、散液部１３１の領域が減る。逆に、水面レベルが下降すると、貯溜部１３０の領域が減り、散液部１３１の領域が増える。

また、本実施形態において、重力方向に沿って並ぶチューブ１４０の複数の層は、チャンバ１２０における貯溜部１３０及び散液部１３１にわたる。そのため、水面レベルが上昇すると、貯溜部１３０に対応するチューブ１４０の層の数が増え、散液部１３１に対応するチューブ１４０の層の数が減る。逆に、水面レベルが下降すると、貯溜部１３０に対応するチューブ１４０の層の数が減り、散液部１３１に対応するチューブ１４０の層の数が増える。水面レベルの制御により、蒸気生成用の熱伝達にかかる複数の条件を同時に変化させることができる。これは、制御の簡素化に有利である。

なお、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。チューブ１４０の表面は、プール沸騰に適した形態、及び／又は液膜蒸発に適した形態を有することができる。チューブ１４０において、貯溜部１３０に配される部分の表面と、散液部１３１に配される部分の表面との間で異なる形態でもよい。さらに、チューブ１４０において、液面付近に配置される部分の表面が他の部分の表面と異なる形態を有してもよい。

以上のような形態の蒸気発生ユニット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気生成プロセスに有利である。

また、このような形態の蒸気発生ユニット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気化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、蒸気生成プロセスの安定性の向上が図られる。

また、蒸気発生ユニット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。

図１に戻り、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。その温水は蒸気発生ユニット２２のチャンバ１２０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気となる。

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（蒸気発生ユニット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気発生ユニット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、蒸気発生ユニット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。

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２５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することができる。

図３は、第２実施形態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。第２実施形態において、蒸気生成システムＳ２は、第１実施形態の蒸気生成システムＳ１と異なり、チャンバ１２０の内部空間を吸引する圧縮機３０を備える。

本実施形態において、蒸気発生ユニット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４は、図３に示す蒸気発生ユニット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４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（Ｐ_１＝１atm＝約０．１ＭＰａ）に比べて低い負圧Ｐ_０の状態において、飽和蒸気ｄ_０が発生する。飽和蒸気ｄ_０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ｄ_０は、圧縮機３０（図３参照）による圧縮で比較的高圧力かつ高温の蒸気（過熱蒸気ｅ_２）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ｅ_２の圧力Ｐ_２は大気圧よりも高い、例えば０．８ＭＰａである。

０．８ＭＰａの過熱蒸気ｅ_２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４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ｄ_１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ｄ_０から比較的高圧力かつ高温度の飽和蒸気ｄ_２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ｄ_０が、圧縮機３０の出口で飽和蒸気ｄ_２に変化する（図４の破線ｃ_１（スプレー）及びｃ_２（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ｄ_０が、圧縮機３０の出口で飽和蒸気ｄ_２に変化する（図４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。

図５は、第３実施形態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。第３実施形態において、蒸気生成システムＳ３は、多段圧縮構造を有するヒートポンプ１０を有する。

本実施形態において、ヒートポンプ１０の圧縮部１２は、作動流体を多段に圧縮する構造を有する。図５に示す圧縮部１２は、第１圧縮部１２Ａ、及び第２圧縮部１２Ｂを含む２段圧縮構造を有する。圧縮の段数は、蒸気生成システムＳ３の仕様に応じて設定され、２、３、４、５、６、７、８、９、あるいは１０以上である。本実施形態において、圧縮部１２Ａ及び１２Ｂがそれぞれ個別の軸を有する。圧縮部１２Ａ及び１２Ｂを同軸に構成することもできる。各圧縮部１２Ａ，１２Ｂの圧縮比（圧力比）は、蒸気生成システムＳ３の仕様に応じて設定される。

本実施形態において、第１放熱部１３Ａ、第２放熱部１３Ｂ、及び第３放熱部１３Ｃは、圧縮部１２で圧縮された作動流体が流れる導管を有し、主経路１５内を流れる作動流体の熱をサイクル外の熱源に与える。

本実施形態において、作動流体の流れ方向に沿って、３つの放熱部１３Ａ−１３Ｃが直列に配置されている。放熱部の数は、蒸気生成システムＳ３の仕様に応じて設定され、３、４、５、６、７、８、９、１０、あるいは１１以上である。第１放熱部１３Ａは圧縮部１２Ａと１２Ｂとの段間に配置され、第２放熱部１３Ｂは圧縮部１２Ｂの下流位置に配置され、第３放熱部１３Ｃは、第２放熱部１３Ｂの下流位置に配置される。

本実施形態において、加温部２１は、ヒートポンプ１０の第３放熱部１３Ｃに熱的に接続されかつ供給源（不図示）からの水が流れる導管を含む。加温部２１と第３放熱部１３Ｃとを含んで第１熱交換器４１が構成される。

本実施形態において、第１放熱部１３Ａに対応するチューブ１４０が蒸気発生ユニット２２のチャンバ１２０における散液部１３１に配置される。第２放熱部１３Ｂに対応するチューブ１４０が蒸気発生ユニット２２のチャンバ１２０における貯溜部１３０に配置される。

本実施形態において、第１放熱部１３Ａに比べて、第２放熱部１３Ｂを流れる作動流体の温度が高い。その結果、第１実施形態と同様に、貯溜部１３０及び散液部１３１における熱伝達（熱バランス）の向上が図られる。

図６は、第４実施形態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。第４実施形態において、蒸気生成システムＳ４は、第３実施形態と同様に、多段圧縮構造を有するヒートポンプ１０を有する。また、蒸気生成システムＳ４において、蒸気発生ユニット２２は、独立した２つのチャンバ（第１チャンバ１２０Ａ、第２チャンバ１２０Ｂ）を有する。

本実施形態において、第１チャンバ１２０Ａは主に貯溜部１３０を含み、第２チャンバ１２０Ｂは主に散液部１３１を含む。第１チャンバ１２０Ａには、第２圧縮部１２Ｂからの作動流体が流れる第２放熱部１３Ｂが配置される。第２チャンバ１２０Ｂには、第１圧縮部１２Ａからの作動流体が流れる第１放熱部１３Ａが配置される。

送液機構１２５は、加温部２１からの水を、第１チャンバ１２０Ａに送る。散液機構１６０は、第１チャンバ１２０Ａに貯溜された水の一部を第２チャンバ１２０Ｂに送り、第２チャンバ１２０Ｂ内のチューブ１４０の外表面にその水を散布する。第２チャンバ１２０Ｂにおいて、水の一部がチューブ１４０の外表面で蒸発し、残りの水が戻り配管２５を通り、第１チャンバ１２０Ａに送られる。第１チャンバ１２０Ａで発生した蒸気は、第１ダクト３７Ａを介して外部に排出される。第２チャンバ１２０Ｂで発生した蒸気は、第２ダクト３７Ｂを介して外部に排出される。

本実施形態において、第２放熱部１３Ｂに対応するチューブ１４０が第１チャンバ１２０Ａの貯溜部１３０に配置される。第１放熱部１３Ａに対応するチューブ１４０が第２チャンバ１２０Ｂの散液部１３１に配置される。

本実施形態において、第１放熱部１３Ａに比べて、第２放熱部１３Ｂを流れる作動流体の温度が高い。その結果、第１実施形態と同様に、貯溜部１３０及び散液部１３１における熱伝達（熱バランス）の向上が図られる。

本実施形態において、第１チャンバ１２０Ａから、プール沸騰方式により発生した蒸気を取り出すことができる。また、第２チャンバ１２０Ｂから、膜面蒸発方式により発生した蒸気を取り出すことができる。つまり、蒸気発生ユニット２２から、複数の条件に対応した蒸気を取り出すことができる。

図７は、第５実施形態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。第５実施形態において、蒸気生成システムＳ５は、第３実施形態と同様に、多段圧縮構造を有するヒートポンプ１０を有する。また、蒸気生成システムＳ５は、第３実施形態の蒸気生成システムＳ３と異なり、ヒートポンプ１０の放熱部が並行配置されている。

本実施形態において、ヒートポンプ１０の圧縮部１２は、作動流体を多段に圧縮する構造を有する。図７に示す圧縮部１２は、第１圧縮部１２Ａ、及び第２圧縮部１２Ｂを含む２段圧縮構造を有する。各圧縮部１２Ａ，１２Ｂの圧縮比（圧力比）は、蒸気生成システムＳ４の仕様に応じて設定される。

本実施形態において、第１放熱部１３Ａ、第２放熱部１３Ｂ、第３放熱部１３Ｃ、及び第４放熱部１２Ｄ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、第１圧縮部１２Ａからの作動流体は、分岐部２４で２つのルートに分岐して流れる。

第１ルートにおいて、第１圧縮部１２Ａからの作動流体は、第２圧縮部１２Ｂでさらに圧縮される。第２圧縮部１２Ｂからの作動流体は、蒸気発生ユニット２２のチャンバ１２０における貯溜部１３０に配置された第１放熱部１３Ａを流れる。第１バイパス経路１７Ａにおいて、第１放熱部１３Ａからの作動流体の一部が、第３放熱部１３Ｃを迂回し、再生器１８を経て、第１膨張部１４Ａの手前で第３放熱部１３Ｃ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３放熱部１３Ｃを流れる。

第２ルートにおいて、第１圧縮部１２Ａからの作動流体は、蒸気発生ユニット２２のチャンバ１２０における散液部１３１に配置された第２放熱部１３Ｂを流れる。第２バイパス経路１７Ｂにおいて、第２放熱部１３Ｂからの作動流体の一部が、第４放熱部１３Ｄを迂回し、再生器１８を経て、第２膨張部１４Ｂの手前で第４放熱部１３Ｄからの作動流体と合流する。第２放熱部１３Ｂからの残りの作動流体は、第４放熱部１３Ｄを流れる。

第１加温部２１Ａは、ヒートポンプ１０の第４放熱部１３Ｄ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。第１加温部２１Ａと第４放熱部１３Ｄとを含んで第１熱交換器４１が構成される。第２加温部２１Ｂは、ヒートポンプ１０の第３放熱部１３Ｃに熱的に接続されかつ第１加温部２１Ａからの水が流れる導管を含む。第２加温部２１Ｂと第３放熱部１３Ｃとを含んで第２熱交換器４２が構成される。

本実施形態において、第１加温部２１Ａ及び第２加温部２１Ｂで加熱された水（温水）が蒸気発生ユニット２２に供給される。蒸気発生ユニット２２において、プール沸騰方式及び膜面蒸発方式により、蒸気が発生する。

本実施形態において、第１放熱部１３Ａに対応するチューブ１４０が蒸気発生ユニット２２のチャンバ１２０における貯溜部１３０に配置される。第２放熱部１３Ｂに対応するチューブ１４０が蒸気発生ユニット２２のチャンバ１２０における散液部１３１に配置される。

本実施形態において、第２放熱部１３Ｂに比べて、第１放熱部１３Ａを流れる作動流体の温度が高い。その結果、第１実施形態と同様に、貯溜部１３０及び散液部１３１における熱伝達（熱バランス）の向上が図られる。

なお、熱源ユニットはヒートポンプに限定されない。他の実施形態において、上記の蒸気発生ユニットに対して、様々な熱源ユニットが適用され得る。

他の実施形態において、蒸気発生ユニットにおける、散液部を比較的下方位置に配置し、貯溜部を比較的上方位置に配置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。 蒸気発生ユニットを示す模式図である。 第２実施形態を示す概略図である。 蒸気生成システムによる水の状態変化の一例を示す Ｔ-ｓ 線図である。 第３実施形態を示す概略図である。 第４実施形態を示す概略図である。 第５実施形態を示す概略図である。

符号の説明

Ｓ１−Ｓ５…蒸気生成システム、１０…ヒートポンプ（熱源ユニット）、１１…吸熱部、１２…圧縮部、１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ…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…蒸気発生ユニット、３０…圧縮機（減圧装置）、７０…制御装置、１２０…チャンバ、１２０Ａ…第１チャンバ、１２０Ｂ…第２チャンバ、１２６…送液機構、１４０…チューブ（管）、１６０…散液機構。

Claims (1)

1. 第１流体が流れる管を有する熱源ユニットと、
   前記第１流体からの伝達熱によって第２流体が気化する蒸気発生ユニットと、を備え、
   前記蒸気発生ユニットは、
   貯溜された前記第２流体の液面下に前記管の一部が配置される貯溜部と、
   前記貯溜部に流体的に接続され、かつ前記管の別の一部の外面に前記第２流体が散布される散液部と、
   少なくとも前記管内の前記第１流体の温度又は前記管の温度を計測した結果に基づいて、前記貯溜部における前記第２流体の液面レベルを制御する制御機構と、を備えることを特徴とする蒸気生成システム。

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