JP5239284B2 - 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流体が流れるヒートポンプを有する第１ユニットと、第２流体が流れる第２ユニットと、を備え、前記第２ユニットは、前記ヒートポンプに熱的に接続され、前記第２流体が蒸発する第１蒸発部と、前記ヒートポンプに熱的に接続され、前記第１蒸発部に比べて低い内部圧力を有し、前記第２流体が蒸発する第２蒸発部と、少なくとも前記第２蒸発部内のガスを吸引する圧縮機と、を備え、前記第１及び第２蒸発部は、前記ヒートポンプの放熱部における前記第１流体の温度変化に応じて設定された異なる内部圧力を有し、前記第１蒸発部は、大気圧と同等の内部圧力又は大気圧に比べて高い前記内部圧力を有し、前記第２蒸発部は、大気圧に比べて低い前記内部圧力を有し、前記第２ユニットは、前記ヒートポンプに熱的に接続され、前記ヒートポンプからの伝達熱によって前記第２流体を加温する加温部と、前記加温部からの前記第２流体を前記第１蒸発部及び前記第２蒸発部に導く分岐経路と、前記分岐経路上に配設されるポンプと、をさらに備え、前記第１蒸発部の前記内部圧力は、前記ポンプが前記分岐経路に供給される前記第２流体の加圧を制御することで設定され、且つ前記加圧により前記第２流体が温度上昇する蒸気生成システムが提供される。

本発明の態様によれば、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、異なる内部圧力を有する複数の蒸発部を供給ユニットが有することにより、第１流体と第２流体との間の熱バランスが適性化され、その結果、熱交換効率が高まる。

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（第１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（第２ユニット）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、第３放熱部１３Ｃ）、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、冷熱供給装置９０の放熱管９１に熱的に接続されている。冷熱供給装置９０において、放熱管９１を流れる媒体（冷媒など）の熱（温排熱）がヒートポンプ１０の吸熱部１１に吸収される。冷却された媒体が冷熱供給装置９０から所定の設備に供給される。ヒートポンプ１０の吸熱部１１が大気など他の熱源の熱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、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、第１放熱部１３Ａ、第２放熱部１３Ｂ、及び第３放熱部１３Ｃ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。

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１３Ａ，１３Ｂと第３放熱部１３Ｃ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３放熱部１３Ｃ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及び第２放熱部１３Ａ，１３Ｂからの作動流体の一部が、第３放熱部１３Ｃを迂回し、膨張部１４の手前で第３放熱部１３Ｃからの作動流体と合流する。第１及び第２放熱部１３Ａ，１３Ｂからの残りの作動流体は、第３放熱部１３Ｃを流れ、第３放熱部１３Ｃ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及び第２放熱部１３Ａ，１３Ｂ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及び第２放熱部１３Ａ，１３Ｂ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。

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。例えば、加温部２１の導管が第３放熱部１３Ｃ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３放熱部１３Ｃ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３放熱部１３Ｃ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３放熱部１３Ｃ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３放熱部１３Ｃ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、加温部２１からの水（温水）がそれぞれ蒸発する第１蒸発部２２Ａ及び第２蒸発部２２Ｂと、加温部２１からの水を分ける分岐部２４と、分岐部２４からの水を第１蒸発部２２Ａに導く分岐経路２５Ａと、分岐部２４からの水を第２蒸発部２２Ｂに導く分岐経路２５Ｂと、分岐経路２５Ａ上に配設されるポンプ２６と、分岐経路２５Ｂ上に必要に応じて配設される減圧弁２７とを有する。なお、脱気装置を、例えば加温部２１と第１及び第２蒸発部２２Ａ，２２Ｂとの間に設けてもよい。蒸発部の数は、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、あるいは１０以上である。

第１蒸発部２２Ａは、ヒートポンプ１０の第１放熱部１３Ａに熱的に接続されかつ加温部２１からの水が流れる導管を含む。例えば、第１蒸発部２２Ａの導管が第１放熱部１３Ａの導管に接触あるいは隣接して配置される。同様に、第２蒸発部２２Ｂ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加温部２１からの水が流れる導管を含む。例えば、第２蒸発部２２Ｂ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。第１蒸発部２２Ａ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。第２蒸発部２２Ｂ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。第２及び第３熱交換器４２，４３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２及び第３熱交換器４２，４３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１放熱部１３Ａ（第２放熱部１３Ｂ）の導管の内部に、第１蒸発部２２Ａ（第２蒸発部２２Ｂ）の導管が配設されている。なお、後述するように、第２及び第３熱交換器４２，４３は、別の熱交換構造を採用してもよい。

本実施形態において、第１蒸発部２２Ａと第２蒸発部２２Ｂとは、供給ユニット２０に対して実質的に並列に配置される。一方、ヒートポンプ１０において、作動流体の流れ方向に沿って、第１蒸発部２２Ａとの熱交換位置は上流側であり、第２蒸発部２２Ｂとの熱交換位置は下流側である。

第１及び第２蒸発部２２Ａ，２２Ｂは、ヒートポンプ１０の放熱部における作動流体の温度変化に応じて設定された互いに異なる内部圧力を有する。本実施形態において、第１蒸発部２２Ａには、ポンプ２６によって加圧された加温部２１からの水が供給される。一方、第２蒸発部２２Ｂ内のガスが圧縮機３０によって吸引される。その結果、第２蒸発部２２Ｂは、第１蒸発部２２Ａに比べて低い内部圧力を有する。本実施形態において、第１蒸発部２２Ａの内部圧力は、大気圧（１atm＝約０．１ＭＰａ）に比べて同等もしくは高く、第２蒸発部２２Ｂの内部圧力は、大気圧に比べて低い。例えば、第１蒸発部２２Ａの内部圧力は１．４気圧（約０．１４ＭＰａ）であり、第２蒸発部２２Ｂの内部圧力は０．７気圧（約０．０７ＭＰａ）である。なお、上記数値は理解のための一例であり本発明はこれに限定されない。第１及び第２蒸発部２２Ａ，２２Ｂの内部圧力の設定のために、例えば、供給ユニット２０上の制御弁（流量制御弁など。不図示）、ポンプ２６、及び圧縮機３０等が制御される。この制御は、例えば、第１及び第２蒸発部２２Ａ，２２Ｂ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制御装置７０によって行われる。

図２〜図５は、ヒートポンプ１０の放熱部（第１放熱部１３Ａ、第２放熱部１３Ｂ、及び第３放熱部１３Ｃ）を流れる作動流体の温度変化を模式的に示している。前述したように、作動流体は、第１放熱部１３Ａ、第２放熱部１３Ｂ、及び第３放熱部１３Ｃの順に流れる。

図２〜図５に示すように、本実施形態において、放熱部（第１放熱部１３Ａ、第２放熱部１３Ｂ、及び第３放熱部１３Ｃ（図１参照））を流れる作動流体は、その流れ方向に沿って温度が低下する。すなわち、第１放熱部１３Ａにおいて、作動流体の入口温度ｔ１に比べて出口温度ｔ２が低い。第２放熱部１３Ｂにおいて、作動流体の入口温度ｔ３に比べて出口温度ｔ４が低い。第３放熱部１３Ｃにおいて、作動流体の入口温度ｔ５に比べて出口温度ｔ６が低い。また、第１放熱部１３Ａにおける作動流体の入口温度ｔ１に比べて、第２放熱部１３Ｂにおける作動流体の入口温度ｔ３が低く、第２放熱部１３Ｂにおける作動流体の入口温度ｔ３に比べて第３放熱部１３Ｃにおける作動流体の入口温度ｔ５が低い。ヒートポンプ１０の放熱部において、作動流体の相変化が実質的に小さい場合には、放熱に伴って、作動流体の温度が低下する傾向にある。例えば、ヒートポンプ１０の放熱部を流れる作動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、放熱に伴って作動流体の温度が比較的漸次的に低下する。

図６は、供給ユニット２０（図１参照）における被加熱媒体としての水の温度変化を、ヒートポンプ１０（図１参照）における作動流体の温度に対応付けて模式的に示している。

図６に示すように、加温部２１（図１参照）において、作動流体との熱交換により、供給源からの水の温度が上昇する（図６の矢印ｍ１）。分岐経路２５Ｂ（図１参照）を介して第２蒸発部２２Ｂに流入した加温部２１からの水は、減圧雰囲気（例えば負圧環境）下にある。比較的低い内部圧力を有する第２蒸発部２２Ｂにおいて、作動流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）。一方、分岐経路２５Ａ（図１参照）を介して第１蒸発部２２Ａに流入する加温部２１からの水は、ポンプ２６によって加圧されて温度上昇する（図６の矢印ｍ３）。比較的高い内部圧力を有する第１蒸発部２２Ａにおいて、作動流体との熱交換により、第１沸点よりも高い第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）。

本実施形態において、第２蒸発部２２Ｂ（図１参照）における沸点（第１沸点）は例えば約９０℃であり、第１蒸発部２２Ａにおける沸点（第２沸点）は例えば約１１０℃である。また、ヒートポンプ１０（図１参照）において、第１放熱部１３Ａでの作動流体の入口温度は例えば約１４０℃、第２放熱部１３Ｂでの作動流体の入口温度は例えば約１１５℃である。なお、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。

熱交換時の作動流体と水との温度差が小さいことは、熱交換の向上に有利である。本実施形態によれば、ヒートポンプ１０の放熱部における作動流体の温度変化に応じて、異なる内部圧力を有する２つの蒸発部２２Ａ，２２Ｂを供給ユニット２０が有することにより、作動流体と水との間の熱バランスが適性化される。例えば、ヒートポンプ１０の放熱部の全体にわたって熱交換時の作動流体と水との間の過度の温度差が回避される。その結果、熱交換効率が高まる。

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。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。第２蒸発部２２Ｂ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、加温部２１への水の供給温度は約８０℃であり、加温部２１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。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、２つに限らず、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３放熱部１３Ｃ）を省略することも可能である。

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３放熱部１３Ｃ）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。

図１に戻り、第１蒸発部２２Ａは、ダクト２９Ａを介して圧縮機３０の出口ポートに接続されたダクト３７に接続されている。第１蒸発部２２Ａからの蒸気は、ダクト２９Ａによって圧縮機３０の下流位置に導かれる。第２蒸発部２２Ｂは、ダクト２９Ｂを介して圧縮機３０の入口ポートに流体的に接続されている。前述したように、第２蒸発部２２Ｂの内部空間は、ダクト２９Ｂを介して圧縮機３０によって吸引される。第２蒸発部２２Ｂ内の蒸気は、ダクト２９Ｂ内を介して圧縮機３０に導かれる。

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、第１蒸発部２２Ａ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Ｓ１の仕様に応じて設定される。本実施形態において、ノズル３５と分岐経路２５Ａとを導管３６を介して流体的に接続することができる。この導管構成では、ポンプ２６で加圧された比較的高温度を有する分岐経路２５Ａ内の液体がノズル３５への供給に有効利用される。

図７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７に示すように、加温部２１及びポンプ２６（図１参照）によって比較的高圧Ｐ２下の沸点近くまで温度上昇した水が、第１蒸発部２２Ａ（図１参照）において温度一定のまま相変化して飽和蒸気ｄ２が生成される。一方、加温部２１によって比較的低圧Ｐ０下の沸点近くまで温度上昇した水は、第２蒸発部２２Ｂ（図１参照）において温度一定のまま相変化し飽和蒸気ｄ０が生成される。第２蒸発部２２Ｂからの飽和蒸気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。その過熱蒸気ｅ２を冷却することにより、第１蒸発部２２Ａからの飽和蒸気ｄ２と同様の飽和蒸気を得ることができる。過熱蒸気ｅ２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。この例では、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７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７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生成することができる。

図１に戻り、本実施形態において、第１蒸発部２２Ａからの蒸気と、第２蒸発部２２Ｂからの蒸気が圧縮機３０の下流のダクト３７において混合される。上述したように、圧縮機３０及び水供給によって、第２蒸発部２２Ｂからの蒸気を、第１蒸発部２２Ａからの飽和蒸気と同様の飽和蒸気にし、ダクト３７から比較的高圧の飽和蒸気を排出できる。また、図７を用いた説明から明らかなように、飽和蒸気及び過熱蒸気のいずれも容易に取り出すことができる。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。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。

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８は、第１実施形態の変形例である、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。

図８に示すように、蒸気生成システムＳ２において、供給ユニット２０の第１及び第２蒸発部２２Ａ，２２Ｂは、被加熱媒体としての水を貯溜するタンク４７Ａ，４７Ｂをそれぞれ有する。各タンク４７Ａ，４７Ｂには、水の供給口（不図示）と、蒸気の排出口（不図示）とが設けられる。タンク４７Ａの供給口には、分岐経路２５Ａが流体的に接続され、タンク４７Ａの排出口には、ダクト２９Ａが流体的に接続される。タンク４７Ｂの供給口には、分岐経路２５Ｂが流体的に接続され、タンク４７Ｂの排出口には、ダクト２９Ｂが流体的に接続される。各タンク４７Ａ，４７Ｂは、必要に応じて、液面を計測するレベルセンサ（不図示）と、内部の水（蒸気）の温度に相当する情報を計測するセンサ（不図示）と、必要に応じて気液分離器（不図示）とを有する。レベルセンサ、及びセンサからの情報は、制御装置７０に送られる。第１蒸発部２２Ａのタンク４７Ａには、ヒートポンプ１０の第１放熱部１３Ａが配設される。第２蒸発部２２Ｂのタンク４７Ｂには、ヒートポンプ１０の第２放熱部１３Ｂが配設される。ヒートポンプ１０の各放熱部１３Ａ，１３Ｂからの熱は、各タンク４７Ａ，４７Ｂ内の水に伝わる。タンクの数は、蒸気生成システムＳ２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も、第１及び第２蒸発部２２Ａ，２２Ｂは、ヒートポンプ１０の放熱部における作動流体の温度変化に応じて設定された互いに異なる内部圧力を有する。すなわち、タンク４７Ａの内部圧力に比べて、タンク４７Ｂの内部圧力が低い。本実施形態において、第１蒸発部２２Ａの内部圧力は、大気圧（１atm＝約０．１ＭＰａ）に比べて同等もしくは高く、第２蒸発部２２Ｂの内部圧力は、大気圧に比べて低い。ヒートポンプ１０の放熱部における作動流体の温度変化に応じて、異なる内部圧力を有する２つの蒸発部２２Ａ，２２Ｂを供給ユニット２０が有することにより、作動流体と水との間の熱バランスが適性化される。例えば、ヒートポンプ１０の放熱部の全体にわたって熱交換時の作動流体と水との間の過度の温度差が回避される。その結果、熱交換効率が高まる。

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９は、第２実施形態の変形例である、第３実施形態にかかる蒸気生成システムＳ３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９に示すように、蒸気生成システムＳ３において、供給ユニット２０の第１及び第２蒸発部２２Ａ，２２Ｂは、図８の第２実施形態と同様に、被加熱媒体としての水を貯溜するタンク４７Ａ，４７Ｂをそれぞれ有する。本実施形態において、各タンク４７Ａ，４７Ｂには、スプレイノズルを有する散液管４８Ａ，４８Ｂが配設される。散液管４８Ａには、分岐経路２５Ａが流体的に接続され、タンク４７Ａに設けられた排出口（不図示）に、ダクト２９Ａが流体的に接続される。散液管４８Ｂには、分岐経路２５Ｂが流体的に接続され、タンク４７Ｂに設けられた排出口（不図示）に、ダクト２９Ｂが流体的に接続される。各タンク４７Ａ，４７Ｂは、必要に応じて、液面を計測するレベルセンサ（不図示）と、内部の水（蒸気）の温度に相当する情報を計測するセンサ（不図示）と、必要に応じて気液分離器（不図示）とを有する。レベルセンサ、及びセンサからの情報は、制御装置７０に送られる。第１蒸発部２２Ａのタンク４７Ａには、ヒートポンプ１０の第１放熱部１３Ａが配設される。第２蒸発部２２Ｂのタンク４７Ｂには、ヒートポンプ１０の第２放熱部１３Ｂが配設される。ヒートポンプ１０の各放熱部１３Ａ，１３Ｂからの熱は、各タンク４７Ａ，４７Ｂ内の水に伝わる。タンクの数は、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、散液管４８Ａ，４８Ｂの各スプレイノズルから水が散液される。ノズルの散液パターンは、蒸気生成システムＳ３の仕様に応じて適宜設定される。各タンク４７Ａ，４７Ｂ内で散液された水は、各放熱部１３Ａ，１３Ｂの導管（チューブ）の表面（外面）に付着する。導管内の作動流体の熱が、その表面に付着した水に速やかに伝わり、水が各タンク４７Ａ，４７Ｂ内で蒸発する。

本実施形態においても、第１及び第２蒸発部２２Ａ，２２Ｂは、ヒートポンプ１０の放熱部における作動流体の温度変化に応じて設定された互いに異なる内部圧力を有する。すなわち、タンク４７Ａの内部圧力に比べて、タンク４７Ｂの内部圧力が低い。本実施形態において、第１蒸発部２２Ａの内部圧力は、大気圧（１atm＝約０．１ＭＰａ）に比べて同等もしくは高く、第２蒸発部２２Ｂの内部圧力は、大気圧に比べて低い。ヒートポンプ１０の放熱部における作動流体の温度変化に応じて、異なる内部圧力を有する２つの蒸発部２２Ａ，２２Ｂを供給ユニット２０が有することにより、作動流体と水との間の熱バランスが適性化される。例えば、ヒートポンプ１０の放熱部の全体にわたって熱交換時の作動流体と水との間の過度の温度差が回避される。その結果、熱交換効率が高まる。

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１０は、第１実施形態の変形例である、第４実施形態にかかる蒸気生成システムＳ４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１０に示すように、蒸気生成システムＳ４において、供給ユニット２０の第１及び第２蒸発部２２Ａ，２２Ｂは、図８の第２実施形態と同様に、被加熱媒体としての水を貯溜するタンク４７Ａ，４７Ｂをそれぞれ有する。本実施形態において、第１及び第２蒸発部２２Ａ，２２Ｂはさらに、各タンク４７Ａ，４７Ｂに流体的に接続された循環配管４９Ａ，４９Ｂをそれぞれ有する。各タンク４７Ａ，４７Ｂには、水の供給口（不図示）と、蒸気の排出口（不図示）とが設けられる。タンク４７Ａの供給口には、分岐経路２５Ａが流体的に接続され、タンク４７Ａの排出口には、ダクト２９Ａが流体的に接続される。タンク４７Ｂの供給口には、分岐経路２５Ｂが流体的に接続され、タンク４７Ｂの排出口には、ダクト２９Ｂが流体的に接続される。各タンク４７Ａ，４７Ｂは、必要に応じて、液面を計測するレベルセンサ（不図示）と、内部の水（蒸気）の温度に相当する情報を計測するセンサ（不図示）と、必要に応じて気液分離器（不図示）とを有する。レベルセンサ、及びセンサからの情報は、制御装置７０に送られる。タンクの数は、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、循環配管４９Ａ，４９Ｂの各入口端と各出口端とがタンク４７Ａ，４７Ｂに流体的にそれぞれ接続される。循環配管の数は、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。循環配管４９Ａ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、循環配管４９Ｂ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。バルブ５３Ａ，５３Ｂ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，５１Ｂは、個々に独立してタンク４７Ａ又はタンク４７Ｂに流体的に接続される。また、蒸発管５１Ａ，５１Ｂは、供給ユニット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，５２Ｂ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。第２及び第３熱交換器４２，４３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。あるいは、第２及び第３熱交換器４２，４３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及び第３熱交換器４２，４３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。

図１１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、放熱部１３Ａにおける作動流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１０に示す蒸発管５１Ｂ及び対応する放熱部１３Ｂもこれと同様の構成を採用することができる。

図１０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。同様に、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ｂ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。

本実施形態においても、第１及び第２蒸発部２２Ａ，２２Ｂは、ヒートポンプ１０の放熱部における作動流体の温度変化に応じて設定された互いに異なる内部圧力を有する。すなわち、タンク４７Ａの内部圧力に比べて、タンク４７Ｂの内部圧力が低い。本実施形態において、第１蒸発部２２Ａの内部圧力は、大気圧（１atm＝約０．１ＭＰａ）に比べて同等もしくは高く、第２蒸発部２２Ｂの内部圧力は、大気圧に比べて低い。ヒートポンプ１０の放熱部における作動流体の温度変化に応じて、異なる内部圧力を有する２つの蒸発部２２Ａ，２２Ｂを供給ユニット２０が有することにより、作動流体と水との間の熱バランスが適性化される。例えば、ヒートポンプ１０の放熱部の全体にわたって熱交換時の作動流体と水との間の過度の温度差が回避される。その結果、熱交換効率が高まる。

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１２は、第１実施形態の変形例である、第５実施形態にかかる蒸気生成システムＳ５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１２に示すように、蒸気生成システムＳ５において、圧縮部１２が作動流体を複数段（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、第１放熱部１３Ａの前に配置される第１圧縮部１２Ａと、第１放熱部と第２放熱部との間に配置される第２圧縮部１２Ｂとを有する。圧縮の段数は、２に限定されない。蒸気発生システムの仕様に応じて圧縮の段数を設定することができ、例えば、圧縮の段数は、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。

放熱部１３Ａ、１３Ｂ、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、第１放熱部１３Ａ、第２放熱部１３Ｂ、及び第３放熱部１３Ｃがその順に並んでいる。放熱部の数は、蒸気生成システムＳ５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。なお、供給源からの水の供給温度が比較的高い場合など、第３放熱部１３Ｃ（加温部２１）を省略することも可能である。

図１３は、第５実施形態における、ヒートポンプ１０における作動流体の温度変化と、供給ユニット２０における被加熱媒体としての水の温度変化とを対応付けて模式的に示している。

図１３に示すように、本実施形態において、第１放熱部１３Ａ（図１２参照）における作動流体の出口温度ｔ２に比べて第２放熱部１３Ｂ（図１２参照）における作動流体の入口温度ｔ３が高い。これは、第１放熱部１３Ａ（図１２参照）からの作動流体が第２圧縮部１２Ｂ（図１２参照）によって圧縮されるためである。なお、本実施形態において、第１実施形態と同様に、第１放熱部１３Ａにおいて、作動流体の入口温度ｔ１に比べて出口温度ｔ２が低く、第２放熱部１３Ｂにおいて、作動流体の入口温度ｔ３に比べて出口温度ｔ４が低い。また、第１放熱部１３Ａにおける作動流体の入口温度ｔ１に比べて、第２放熱部１３Ｂにおける作動流体の入口温度ｔ３が低い。

本実施形態においても、第１及び第２蒸発部２２Ａ，２２Ｂは、ヒートポンプ１０の放熱部における作動流体の温度変化に応じて設定された互いに異なる内部圧力を有する。すなわち、第１蒸発部２２Ａの内部圧力に比べて、第２蒸発部２２Ｂの内部圧力が低い。本実施形態において、第１蒸発部２２Ａの内部圧力は、大気圧（１atm＝約０．１ＭＰａ）に比べて同等もしくは高く、第２蒸発部２２Ｂの内部圧力は、大気圧に比べて低い。ヒートポンプ１０の放熱部における作動流体の温度変化に応じて、異なる内部圧力を有する２つの蒸発部２２Ａ，２２Ｂを供給ユニット２０が有することにより、作動流体と水との間の熱バランスが適性化される。例えば、ヒートポンプ１０の放熱部の全体にわたって熱交換時の作動流体と水との間の過度の温度差が回避される。その結果、熱交換効率が高まる。

さらに、本実施形態において、第１放熱部１３Ａと第２放熱部１３Ｂとの間に設けられた圧縮部１２Ｂによって、作動流体の温度が上昇する。放熱部における作動流体が多段階な温度変化を有することにより、作動流体と水との間の熱バランスがさらに適性化される。例えば、図１３に示すように、第２蒸発部２２Ｂ（図１２参照）における作動流体と水との間の温度差を比較的大きく設定することができる。その結果、蒸発部２２Ａ，２２Ｂのそれぞれに対して比較的高温度の作動流体が供給される。これは水の蒸発促進に有利である。

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。 ヒートポンプの放熱部を流れる作動流体の温度変化を模式的に示す図である。 ヒートポンプの放熱部を流れる作動流体の温度変化を模式的に示す図である。 ヒートポンプの放熱部を流れる作動流体の温度変化を模式的に示す図である。 ヒートポンプの放熱部を流れる作動流体の温度変化を模式的に示す図である。 供給ユニットにおける被加熱媒体としての水の温度変化を、ヒートポンプにおける作動流体の温度に対応付けて模式的に示す図である。 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２実施形態を示す概略図である。 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。 蒸発管における水の流量を制御する構成の一例を示す図である。 第５実施形態を示す概略図である。 第５実施形態における、ヒートポンプにおける作動流体の温度変化と、供給ユニットにおける被加熱媒体としての水の温度変化とを対応付けて模式的に示す図である。

符号の説明

Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４…蒸気生成システム、１０…ヒートポンプ、１１…吸熱部、１２…圧縮部、１３Ａ〜１３Ｃ…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、２２Ａ…第１蒸発部、２２Ｂ…第２蒸発部、３０…圧縮機、４１〜４３…熱交換器、４７Ａ，４７Ｂ…タンク、７０…制御装置。

Claims (3)

1. 第１流体が流れるヒートポンプを有する第１ユニットと、
   第２流体が流れる第２ユニットと、を備え、
   前記第２ユニットは、
   前記ヒートポンプに熱的に接続され、前記第２流体が蒸発する第１蒸発部と、
   前記ヒートポンプに熱的に接続され、前記第１蒸発部に比べて低い内部圧力を有し、前記第２流体が蒸発する第２蒸発部と、
   少なくとも前記第２蒸発部内のガスを吸引する圧縮機と、を備え、
   前記第１及び第２蒸発部は、前記ヒートポンプの放熱部における前記第１流体の温度変化に応じて設定された異なる内部圧力を有し、
   前記第１蒸発部は、大気圧と同等の内部圧力又は大気圧に比べて高い前記内部圧力を有し、前記第２蒸発部は、大気圧に比べて低い前記内部圧力を有し、
   前記第２ユニットは、前記ヒートポンプに熱的に接続され、前記ヒートポンプからの伝達熱によって前記第２流体を加温する加温部と、前記加温部からの前記第２流体を前記第１蒸発部及び前記第２蒸発部に導く分岐経路と、前記分岐経路上に配設されるポンプと、をさらに備え、
   前記第１蒸発部の前記内部圧力は、前記ポンプが前記分岐経路に供給される前記第２流体の加圧を制御することで設定され、且つ前記加圧により前記第２流体が温度上昇することを特徴とする蒸気生成システム。
2. 前記圧縮機の少なくとも出口には、前記分岐経路における前記ポンプの下流に導管を介して流体的に接続されたノズルから前記第２流体が供給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. 前記第２ユニットは、前記第１蒸発部からの前記第２流体を前記圧縮機の下流位置に導く経路をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の蒸気生成システム。

Images