JP5239613B2 - 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。

特許文献１には、ヒートポンプからの伝達熱によって蒸気を生成する蒸気生成システムが開示されている。
特開２００７−１２０９１４号公報

ヒートポンプを用いた蒸気生成システムでは、吸熱部に供給される熱媒体の温度及び流量の少なくとも１つに応じて成績係数（ＣＯＰ：coefficient of performance）が変化する場合がある。

本発明は、高いエネルギー効率を安定的に発揮することができる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であり、吸熱部、圧縮部、放熱部、及び膨張部を含む前記ヒートポンプと、第２流体が流れる蒸発ユニットであり、前記第１流体からの伝達熱を受けた前記第２流体が蒸発する蒸発部を含む前記蒸発ユニットと、前記蒸発部に向かう前記第２流体を前記放熱部からの前記第１流体が暖める加温器、前記圧縮部に向かう前記第１流体を前記放熱部からの前記第１流体が暖める再生器、及び前記圧縮部の段間を流れる前記第１流体を前記放熱部からの前記第１流体が冷却する中間冷却器を含む熱回収機構と、を備えることを特徴とする蒸気生成システムが提供される。

この蒸気生成システムによれば、加温器、再生器、及び中間冷却器にて作動流体の熱が有効利用され、したがって、高いエネルギー効率を安定的に発揮することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、第１実施形態にかかる蒸気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、作動流体（加熱媒体、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）の供給系２０（蒸発ユニット）と、制御装置７０とを備える。本実施形態において、蒸気生成システムＳ１はさらに、それぞれ後述する熱交換器４１（加温器）、再生器１８、及び中間冷却器８３を有する熱回収機構８０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１３Ｅ）、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。本実施形態において、圧縮部１２は、作動流体を複数段に圧縮する多段圧縮構造を有し、すなわち、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は、各圧縮部１２Ａ及び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。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、１３Ｅ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，１３Ｂ，及び１３Ｅが実質的に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、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１３Ｅは、第２放熱部１３Ｂ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（HFC 245fa、R134a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。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。

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１３Ｅ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１３Ｅ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１３Ｅを迂回し、膨張部１４の手前で第３放熱部１３Ｅからの作動流体と合流する。第１及び第２放熱部１３Ａ，１３Ｂからの別の作動流体は、第３放熱部１３Ｅを流れ、後述する熱交換器４１においてその作動流体と供給系２０内の水とが熱交換する。

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、ヒートポンプ１０はさらに、圧縮機３０の段間を流れる作動流体を冷却するための中間冷却器８３を有する。本実施形態において、中間冷却器８３は、第２放熱部１３Ｂからの作動流体の一部を減圧する減圧弁（膨張弁）８４と、第２放熱部１３Ｂからの作動流体の一部を減圧弁８４に導く導管８５と、減圧弁８４からの作動流体を貯溜するタンク８６と、タンク８６内の気相部から圧縮部１２に作動流体を導く導管８７と、タンク８６内の液相部から膨張部１４に作動流体を導く導管８８とを有する。

本実施形態において、導管８５の入口端がバイパス経路１７の導管に流体的に接続される。他の実施形態において、導管８５の入口端はヒートポンプ１０の主経路１５における放熱部１３Ａ，１３Ｂと第３放熱部１３Ｅとの間の導管に流体的に接続できる。導管８５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。本実施形態において、導管８５の出口端が減圧弁８４の入口部に流体的に接続される。減圧弁８４の出口部は、タンク８６に流体的に接続される。

導管８７の入口端がタンク８６の気相位置に流体的に接続される。導管８７の出口端が第１圧縮部１２Ａと第２圧縮部１２Ｂとの間の段間に流体的に接続される。より具体的には、導管８７の出口端は、第２圧縮部１２Ｂの入口付近（第１放熱部１３Ａと第２圧縮部１２Ｂとの間）に流体的に接続される。導管８８の入口端がタンク８６の液相位置に流体的に接続される。導管８８の出口端が膨張部１４又はその近傍に流体的に接続される。

中間冷却器８３において、第２放熱部１３Ｂ（第２圧縮部１２Ｂ）からの作動流体の一部が減圧弁８４に向けて導管８５を流れる。減圧弁８４において、作動流体は、所定の圧力に減圧される。本実施形態において、作動流体は、第１圧縮部１２Ａと第２圧縮部１２Ｂとの間の段間内の圧力と実質的に同程度の圧力に減圧される。減圧された作動流体の温度が降下する。例えば、減圧弁８４の入口における流体温度は約１０２℃であり、出口における流体温度は約７０℃である。上記数値は理解を助けるための一例であって本発明はこれに限定されない。タンク８６内に、飽和液（液相）と飽和蒸気（気相）とが貯溜される。

ここで、本実施形態において、膨張部１４は、第１膨張弁１４Ａ及び第２膨張弁１４Ｂを有する。第１膨張弁１４Ａは、第３放熱部１３Ｅからの作動流体とバイパス経路１７からの作動流体との合流地点の下流位置に配置される。第１膨張弁１４Ａの出口圧力は、減圧弁８４の出口圧力と実質的に同程度（すなわち、第１圧縮部１２Ａと第２圧縮部１２Ｂとの間の段間内の圧力と実質的に同程度）である。第２膨張弁１４Ｂは、第１膨張弁１４Ａの下流位置に配置される。第１膨張弁１４Ａと第２膨張弁１４Ｂとの間の導管１４Ｚに中間冷却器８３の導管８８の出口端が流体的に接続される。導管１４Ｚにおいて、第１膨張弁１４Ａからの作動流体と中間冷却器８３からの飽和液とが合流する。合流した流体が第２膨張弁１４Ｂに入る。第２膨張弁１４Ｂはその流体をさらに減圧する。

中間冷却器８３において、タンク８６から導管８７を介して飽和蒸気が圧縮部１２の段間に向けて流れる。圧縮部１２の段間に飽和蒸気が供給されることにより、段間を流れる作動流体の温度が下がる。例えば、第１放熱部１３Ａからの作動流体の温度は約１０２℃であり、冷却流体が投入された後の作動流体の温度（第２圧縮部１２Ｂの入口温度）は約９５℃である。上記数値は理解を助けるための一例であって本発明はこれに限定されない。多段圧縮機において、効果的な中間冷却は、圧縮動力の低減に有利である。

供給系２０（蒸発ユニット）は、加温部２１と、蒸発部２２と、必要に応じて、圧縮機３０（吸引装置）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、必要に応じて流体駆動部（不図示）とを有する。

加温部２１は、ヒートポンプ１０の第３放熱部１３Ｅに熱的に接続されかつ供給源（不図示）からの水が流れる導管を含む。加温部２１と第３放熱部１３Ｅとを含んで熱交換器４１（加温器、熱交換装置）が構成される。すなわち、熱交換器４１は、供給系２０の導管の一部（加温部２１）と、ヒートポンプ１０の主経路１５の導管の一部（第３放熱部１３Ｅ）とが熱的に接続された構成を有する。熱交換器４１は、低温の流体（供給系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、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、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の導管と第３放熱部１３Ｅの導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３放熱部１３Ｅの導管を、加温部２１の導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３放熱部１３Ｅからの伝達熱によって、供給系２０内の水が温度上昇する。

蒸発部２２は、少なくとも液状の被加熱流体（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導管４８とを有する。加温部２１とタンク４７との間には、必要に応じて脱気槽（不図示）と、流体駆動部（不図示）とが配置される。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）とを有することができる。

タンク４７または循環導管４８には、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。循環導管４８の入口端と出口端とはそれぞれタンク４７に接続される。循環導管４８は、ヒートポンプ１０の第１放熱部１３Ａ及び第２放熱部１３Ｂに熱的に接続される被加熱管５１と、必要に応じて、ポンプ（不図示）と、バルブ（不図示）とを有する。被加熱流体（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を省いてもよい。

本実施形態において、被加熱管５１と第１放熱部１３Ａと第２放熱部１３Ｂとを含んで熱交換器４５（熱交換装置）が構成される。すなわち、熱交換器４５において、ヒートポンプ１０の第１放熱部１３Ａ及び第２放熱部１３Ｂと蒸発部２２の被加熱管５１とが熱的に接続される。第１放熱部１３Ａ及び第２放熱部１３Ｂを流れる作動流体からの熱が被加熱管５１を流れる水に伝わる。熱交換器４５は、低温の流体（被加熱管５１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、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。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。ヒートポンプ１０の第１放熱部１３Ａ又は第２放熱部１３Ｂの導管と、被加熱管５１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の第１放熱部１３Ａ又は第２放熱部１３Ｂの導管を、被加熱管５１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及び循環導管４８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。

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。圧縮機３０の吸引作用により、蒸発部２２の内部空間が減圧されている。熱を受けた被加熱管５１内の水は、少なくとも一部が蒸発する。

圧縮機３０は、供給系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の内部空間を吸引し、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。すなわち、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、外部に向けて出力される。蒸気生成システムＳ１からの熱流体（蒸気）は、外部の所定施設、例えば食品製造設備、電子機器製造プラント、その他製造設備、調理施設、空調設備、発電プラントなどに供給される。なお、他の実施形態において、圧縮機３０を省くこともできる。

圧縮機３０及び／又は供給系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。圧縮機３０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。ノズル３５とタンク４７の液相位置とが導管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、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（不図示）などの動力源を用いてもよく、導管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、圧縮機３０による吸引作用により、供給系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、供給系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。

このように、本実施形態においては、供給系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、熱交換器４１において、供給系２０内の水がヒートポンプ１０の第３放熱部１３Ｅからの熱伝達によって沸点近くまで温度上昇する。その後、熱交換器４５において、第１及び第２放熱部１３Ａ及び１３Ｂからの熱伝達によってその水が相変化して蒸発する。水の顕熱加熱が主に熱交換器４１（加温器）において行われ、水の潜熱加熱が主に熱交換器４５において行われる。熱交換器４１が顕熱交換に適した形態であり、熱交換器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発生する。

ボイラのエネルギー効率が一般に約０．７〜０．８（７０〜８０％）であるのに対して、ヒートポンプのエネルギー効率としての成績係数（ＣＯＰ：coefficient of performance）は一般に２．５〜５．０である。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、より高いエネルギー効率で蒸気を発生させることができる。

本実施形態において、熱回収機構８０は、作動流体の余剰熱をリカバーする。前述したように、熱回収機構８０は、蒸発部２２に向かう水を第２放熱部１３Ｂからの作動流体が暖める熱交換器４１（加温器）と、圧縮部１２に向かう作動流体を第２放熱部１３Ｂからの作動流体が暖める再生器１８と、圧縮部１２の段間を流れる作動流体を第２放熱部１３Ｂからの作動流体が冷却する中間冷却器８３とを有する。

本実施形態において、第２放熱部１３Ｂからの作動流体が、熱交換器４１（加温器）、再生器１８、及び中間冷却器８３に分配される。熱交換器４１（加温器）、再生器１８、及び中間冷却器８３のそれぞれにおいて、作動流体の余剰熱が有効利用される。第２放熱部１３Ｂからの作動流体の熱配分、すなわち、熱交換器４１（加温器）、再生器１８、及び中間冷却器８３における作動流体の流量配分は、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設定される。本実施形態において、熱交換器４１及び再生器１８における必要熱が先に定められ、残りの熱が中間冷却器８３に利用される。

図２は、蒸気生成システムの比較例を示す。図２のシステムは、図１の蒸気生成システムＳ１の中間冷却器８３を省いた構成を有する。数値計算により、図２のシステムに比べて、図１のシステムＳ１のＣＯＰの向上が確認された。例えば、冷熱供給装置９０から吸熱部１１への温排熱の入力温度が３５℃、作動流体がR134aのとき、ＣＯＰの向上率は約３％である。特に、温排熱の入力温度が比較的低い場合において、中間冷却器８３が余剰熱を好ましく有効利用できる場合がある。

図３Ａ及び３Ｂは、図１の蒸気生成システムＳ１において、余剰熱の配分を調節する調節器７７の一例を示す模式図である。図３Ａ及び３Ｂにおいて、調節器７７は、加温器（熱交換器４１）、再生器１８、及び中間冷却器８３に対する、第２放熱部１３Ｂからの作動流体の流量配分を調節可能な流量制御弁７５及び７６を含む。図３Ａにおいて、吸熱部１１に供給される外部からの熱量に関する情報（例えば、吸熱部１１に供給される熱媒体の温度及び／又は流量に関する情報）が制御装置７０に送られる。制御装置７０は、少なくともその情報に基づき、調節器７７（流量制御弁７５及び７６）を制御する。例えば、吸熱部１１に供給される温排熱の温度に応じて、中間冷却器８３への作動流体の流量が変化する。熱配分のための情報は、吸熱部１１からの情報に限定されず、例えば、蒸気温度に関する情報など他の情報が利用可能である。図３Ｂにおいて、制御装置７０は、熱交換器４１（加温器）及び再生器１８における必要熱を決定し、決定された各必要熱に応じて調節器７７（流量制御弁７５及び７６）を制御する。調節器７７において、それぞれ必要熱に応じた流量の作動流体が熱交換器４１及び再生器１８に流れ、残りの作動流体が中間冷却器８３に流れる。すなわち、第２放熱部１３Ｂから出る熱媒体のすべての熱量のうち、熱交換器４１（加温器）及び再生器１８で使用された分の残り分が中間冷却器８３で使用される。調節器７７での熱配分により、蒸気生成システムＳ１の熱バランスの最適化が可能となる。

図１に戻り、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熱交換器４１を迂回するから、熱交換器４１に入る作動流体の流量の最適化が図られる。これは、作動流体の保有熱を有効に使う上で有利である。

バイパス経路１７を流れる作動流体は、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３８℃）、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９４℃）。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の動力の低減化が図られる。

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を流れる熱交換器４１（第３放熱部１３Ｅ）からの作動流体と合流する。前述したように、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。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。

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の熱が奪われることによって、作動流体の圧縮過程における作動流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。圧縮に伴う作動流体の温度上昇と、段間の放熱部（１３Ａ，１３Ｂ）における作動流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に対する作動流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の冷却を利用して、被加熱流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。

このように、本実施形態において、蒸発生成に用いた後の作動流体が水の加温、作動流体の再生、及び中間冷却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、供給系２０内の水が、ヒートポンプ１０（放熱部１３Ａ、１３Ｂ）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することができる。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、高温蒸気が発生できる。

図４は、蒸気生成システムＳ１における、蒸気生成プロセス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、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。

次に、その飽和蒸気ｄ_０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。

例えば、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Ｓ１は、全体としての一次エネルギーの節減が期待される。

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５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。

図５に示すように、本実施形態において、蒸気生成システムＳ２は、図１の蒸気生成システムＳ１と異なり、圧縮部１２が３段を有する。すなわち、圧縮部１２は、第１圧縮部１２Ａ、第２圧縮部１２Ｂ、及び第３圧縮部１２Ｃを含む３段圧縮構造を有する。圧縮部１２は、各圧縮部１２Ａ、１２Ｂ、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。圧縮部１２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。

本実施形態において、作動流体の流れ方向に沿って、４つの放熱部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ、及び１３Ｅが実質的に直列に配置されている。放熱部１３Ａは圧縮部１２Ａと１２Ｂとの段間に配置され、放熱部１３Ｂは圧縮部１２Ｂと１２Ｃとの間に配置され、放熱部１３Ｃは圧縮部１２Ｃの下流位置に配置され、放熱部１３Ｅは、放熱部１３Ｃの下流位置に配置される。

加温部２１は、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ｅに隣接して配置されかつ供給源（不図示）からの水が流れる導管を含む。加温部２１と放熱部１３Ｅとを含んで熱交換器４１が構成される。加温部２１において、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ｅからの熱伝達によって、供給系２０内の水が温度上昇する。

蒸発部２２は、少なくとも液状の被加熱流体（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導管（第１循環導管４８Ａ、第２循環導管４８Ｂ、第３循環導管４８Ｃ）とを有する。タンク４７には、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に対して各循環導管４８Ａ，４８Ｂ，４８Ｃが流体的に接続されている。すなわち、循環導管４８Ａ〜４８Ｃ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。循環導管の数は、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。第１循環導管４８Ａは、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ａに隣接して配置される被加熱管５１Ａと、必要に応じてポンプ（不図示）とを有する。同様に、第２循環導管４８Ｂは、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ｂに隣接して配置される被加熱管５１Ｂと、必要に応じてポンプ（不図示）とを有する。第３循環導管４８Ｃは、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ｃに隣接して配置される被加熱管５１Ｃと、必要に応じてポンプ（不図示）とを有する。本実施形態において、被加熱管５１Ａ〜５１Ｃは、個々に独立してタンク４７に流体的に接続される。被加熱管５１Ａ〜５１Ｃは、タンク４７及び供給系２０に対して並列に配置される。被加熱流体（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を省いてもよい。

被加熱管５１Ａと放熱部１３Ａとを含んで熱交換器４２が構成される。同様に、被加熱管５１Ｂと放熱部１３Ｂとを含んで熱交換器４３が構成される。被加熱管５１Ｃと放熱部１３Ｃとを含んで熱交換器４４が構成される。熱交換器４２〜４４は、低温の流体（被加熱管５１Ａ〜５１Ｃ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。熱交換器４２〜４４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。熱交換器４２〜４４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１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃの導管を、被加熱管５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ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及び循環導管４８Ａ〜４８Ｃ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。ヒートポンプ１０の放熱部１３Ａ〜１３Ｃからの熱伝達によって被加熱管５１Ａ〜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。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。

本実施形態において、熱回収機構８０は、蒸発部２２に向かう水を放熱部１３Ｃからの作動流体が暖める熱交換器４１（加温器）と、圧縮部１２に向かう作動流体を放熱部１３Ｃからの作動流体が暖める再生器１８と、圧縮部１２の段間を流れる作動流体を放熱部１３Ｃからの作動流体が冷却する中間冷却器８３とを有する。

本実施形態において、中間冷却器８３は、２つの減圧弁（膨張弁）８４Ａ，８４Ｂと、タンク８６と、導管８５，８７Ａ，８７Ｂ，８８とを有する。

本実施形態において、導管８５の入口端がバイパス経路１７の導管に流体的に接続される。他の実施形態において、導管８５の入口端はヒートポンプ１０の主経路１５における放熱部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃと放熱部１３Ｅとの間の導管に流体的に接続できる。導管８５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。本実施形態において、導管８５の出口端が減圧弁８４Ｂの入口部に流体的に接続される。減圧弁８４Ｂの出口部は、タンク８６Ｂに流体的に接続される。また、別の減圧弁８４Ａの入口部がタンク８６Ｂの液相位置に流体的に接続され、その減圧弁８４Ａの出口部が別のタンク８６Ａに流体的に接続される。

導管８７Ａの入口端がタンク８６Ａの気相位置に流体的に接続される。導管８７Ａの出口端が第１圧縮部１２Ａと第２圧縮部１２Ｂとの間の段間に流体的に接続される。より具体的には、導管８７の出口端は、第２圧縮部１２Ｂの入口付近（放熱部１３Ａと第２圧縮部１２Ｂとの間）に流体的に接続される。導管８７Ｂの入口端がタンク８６Ｂの気相位置に流体的に接続される。導管８７Ｂの出口端が第２圧縮部１２Ｂと第３圧縮部１２Ｃとの間の段間に流体的に接続される。より具体的には、導管８７Ｂの出口端は、第３圧縮部１２Ｃの入口付近（放熱部１３Ｂと第３圧縮部１２Ｃとの間）に流体的に接続される。導管８８の入口端がタンク８６Ａの液相位置に流体的に接続される。導管８８の出口端が膨張部１４又はその近傍に流体的に接続される。

図５の中間冷却器８３において、放熱部１３Ｃ（第３圧縮部１２Ｃ）からの作動流体の一部が減圧弁８４Ｂに向けて導管８５を流れる。減圧弁８４Ｂにおいて、作動流体は、第２圧縮部１２Ｂと第３圧縮部１２Ｃとの間の段間内の圧力と実質的に同程度の圧力に減圧される。減圧された作動流体の温度が降下する。タンク８６Ｂ内に、飽和液（液相）と飽和蒸気（気相）とが貯溜される。また、タンク８６Ｂからの飽和液が減圧弁８４Ａに入る。減圧弁８４Ａにおいて、作動流体は、第１圧縮部１２Ａと第２圧縮部１２Ｂとの間の段間内の圧力と実質的に同程度の圧力にさらに減圧される。減圧された作動流体の温度が降下する。タンク８６Ａ内に、飽和液（液相）と飽和蒸気（気相）とが貯溜される。

中間冷却器８３において、タンク８６Ａ，８６Ｂから導管８７Ａ，８７Ｂを介して飽和蒸気が圧縮部１２の２つの段間に向けてそれぞれ流れる。圧縮部１２の段間に飽和蒸気が供給されることにより、段間を流れる作動流体の温度が下がる。多段圧縮機において、効果的な中間冷却は、圧縮動力の低減に有利である。

本実施形態において、放熱部１３Ｃからの作動流体は、高圧側（後側）の段間に対応した中間冷却器８３Ｂに投入される。中間冷却器８３Ｂのドレンは減圧弁でさらに減圧され、低圧側（前側）の段間に対応した中間冷却器８３Ａに投入される。中間冷却器８３Ａのタンク８６Ａから圧縮部１２の段間（前側の段間）に供給される冷却流体の流量は、中間冷却器８３Ｂのタンク８６Ｂから圧縮部１２の段間（後側の段間）に供給される冷却流体の流量に比べて少ない。中間冷却器８３において、圧縮部１２の複数の段間に適した状態にそれぞれ冷却流体が調整されることにより、効果的な中間冷却が実現される。

本実施形態において、供給系２０が複数の被加熱管（蒸発管）５１Ａ〜５１Ｃを有することから、エネルギー効率の向上が図られる。被加熱管では、水の流れの方向に沿って、液体に対する気体（蒸気）の比率が高くなり、蒸気発生の進行に伴って、熱伝達率が低下する場合がある。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。供給系２０が複数の被加熱管５１Ａ〜５１Ｃ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被加熱管（蒸発管）の長さを長くすると、管の入口部と出口部との圧力差が大きくなり、管に水を流すための必要動力が増える可能性がある。複数の被加熱管（蒸発管）５１Ａ〜５１Ｃ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。被加熱管５１Ａ〜５１Ｃが並列配置されていることは、独立した配管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、独立した複数の被加熱管（蒸発管）５１Ａ〜５１Ｃを供給系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〜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に対応する複数の被加熱管（蒸発管）５１Ａ〜５１Ｃ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〜１３Ｃ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６は、被加熱管（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、被加熱管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、被加熱管５１Ａ用のポンプ５２Ａを介して被加熱管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５において、他の被加熱管５１Ｂ，５１Ｃ及び対応する放熱部１３Ｂ，１３Ｃもこれと同様の構成を採用することができる。

上記説明において使用した数値及び図面に記載した温度は一例であって、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。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付の請求の範囲によってのみ限定される。

第１実施形態にかかる蒸気生成システムを示す概略図である。 蒸気生成システムの比較例を示す概略図である。 熱配分を調節する調節器の一例を示す模式図である。 熱配分を調節する調節器の一例を示す模式図である。 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実施形態にかかる蒸気生成システムを示す概略図である。 蒸発管における水の流量を制御する構成の一例を示す。

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、１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ…圧縮部、１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｅ…放熱部、１４…膨張部、１４Ａ，１４Ｂ…膨張弁、１５…主経路、１７…バイパス経路、１８…再生器、２０…供給系（蒸発ユニット）、２１…加温部、２２…蒸発部、２３…ダクト、３０…圧縮機、３５…ノズル、４１…熱交換器（加温器）、４２，４３，４４…熱交換器、４７…タンク、７０…制御装置、８０…熱回収機構、８３，８３Ａ，８３Ｂ…中間冷却器、８４，８４Ａ，８４Ｂ…減圧弁、８６，８６Ａ，８６Ｂ…タンク。

Claims (6)

1. 第１流体が流れるヒートポンプであり、吸熱部、圧縮部、放熱部、及び膨張部を含む前記ヒートポンプと、
   第２流体が流れる蒸発ユニットであり、前記第１流体からの伝達熱を受けた前記第２流体が蒸発する蒸発部を含む前記蒸発ユニットと、
   前記蒸発部に向かう前記第２流体を前記放熱部からの前記第１流体が暖める加温器、前記圧縮部に向かう前記第１流体を前記放熱部からの前記第１流体が暖める再生器と、前記圧縮部の段間を流れる前記第１流体を前記放熱部からの前記第１流体が冷却する中間冷却器と、前記加温器、前記再生器、及び前記中間冷却器に対する前記放熱部からの前記第１流体の熱配分を調節する調節器とを含む熱回収機構と、
   前記ヒートポンプの前記吸熱部に供給される熱媒体の温度及び流量の少なくとも１つに関する情報に基づき、前記加温器及び前記再生器において必要とされる必要熱をそれぞれ決定し、決定された前記必要熱の各々に応じて前記熱配分を調節するように前記調節器を制御する制御部と、
   を備えることを特徴とする蒸気生成システム。
2. 前記圧縮部は、複数段を有する多段圧縮機を含み、
   前記中間冷却器は、前記放熱部からの前記第１流体の一部を減圧して前記圧縮部の段間に供給す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. 前記中間冷却器は、前記放熱部からの前記第１流体の一部を減圧する減圧弁と、前記減圧弁からの前記第１流体を貯溜するタンクと、前記タンク内の気相部から前記圧縮部に前記第１流体を導く導管と、を含む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. 前記減圧弁は、前記圧縮部の段間内の圧力に応じて前記放熱部からの前記第１流体の一部を減圧することを特徴とする請求項３に記載の蒸気生成システム。
5. 前記膨張部は、前記加温器からの前記第１流体と前記再生器からの前記第１流体とを含む流体が膨張する第１膨張弁と、前記第１膨張弁からの前記第１流体と前記中間冷却器からの流体とを含む流体が膨張する第２膨張弁とを含むことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の蒸気生成システム。
6. 前記蒸発部で蒸発した前記第２流体を圧縮する圧縮機をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の蒸気生成システム。

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