JP6086712B2 - 蒸気生成システム - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプを用いて蒸気を生成するシステムに関し、特にスケールの付着を抑制することのできる蒸気生成システムに関する。

蒸気を生成するシステムには種々の形態が存在するが、その中で、ヒートポンプを利用するシステムは、高いエネルギ効率を有するものとして知られている（例えば、特許文献１）。
蒸気生成システムの蒸気生成過程において、熱負荷の大きな蒸発管（缶体）の内壁付近には、中心部よりも濃度及び温度の高い濃縮層があり、缶水の濃縮により缶水中に含まれるスケール成分が内壁面に固形物として付着する。そうすると、熱効率を低下させ、あるいは必要以上の過熱をすることにより蒸発管を損傷させるという問題がある。
これに対して、缶水の一部を排出して缶水を入れ替える連続ブローする方法（特許文献２）や、化学洗浄によりスケールを除去する方法（特許文献３）が提案されている。また、蒸気配管にスケール捕集装置を設けることにより、スケールをポケットに捕集する方法（特許文献４）が提案されている。

特開2009-63266号公報 特開平9-292106号公報 特開2010-172816号公報 特開平8-144710号公報

しかし、特許文献２、特許文献３の提案は、蒸気生成装置が稼働している定常時に実施することができないため、定期的な実施に留まる。そのため、ある程度の量のスケールがどうしても付着してしまう。また、特許文献４の提案は、スケール捕集装置を設けることにより、蒸気生成装置としての構造が複雑となる。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、装置の構成を複雑にすることなく、かつ、スケールの付着を抑制する動作を常時行うことのできるヒートポンプを利用した蒸気生成システムを提供することを目的とする。

かかる目的のもとされた本発明の蒸気生成システムは、ヒートポンプ部と、ヒートポンプ部を流れる冷媒により、蒸気生成媒体が加熱されることで蒸気を生成する蒸気生成部と、ヒートポンプ部と蒸気生成部の動作を制御する制御部と、を備える。
この中で、ヒートポンプ部は、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された冷媒と加熱対象の蒸気生成媒体との間で熱交換を行う第１熱交換器と、第１熱交換器を通過した冷媒を減圧する膨張弁と、膨張弁を通過した冷媒と外気との間で熱交換を行う第２熱交換器と、が冷媒経路にて順次接続され、閉サイクルの冷媒回路を構成する。
また、蒸気生成部は、供給された液相の蒸気生成媒体を減圧する減圧手段と、減圧手段で減圧された蒸気生成媒体が通過する過程で、第１熱交換器において冷媒と熱交換される蒸発管と、を備える。
そして、制御部は、蒸気生成媒体の蒸発管の内部における蒸発点を、蒸発管の蒸気生成媒体の入口に近い側と出口に近い側の間で交互に転移させる。
本発明の蒸気生成システムは、蒸発管の蒸気生成媒体の入口に近い側と出口に近い側の間で、蒸発点を交互に転移させるので、蒸発管の内壁近傍の蒸気生成媒体を撹拌することで濃縮層の生成を抑制し、結果としてスケールが蒸発管の内壁に付着するのを抑制する。しかも、蒸発点を交互に転移する操作は、蒸気生成システムが稼働中に行うことができる。さらに、蒸発点を交互に転移させるのに、機械的な要素を新たに加える必要がないので、蒸気生成システムの構成を複雑にすることがない。

本発明において、蒸発管の蒸気生成媒体の入口に近い側と出口に近い側の間で、蒸発点を交互に転移させる具体的な制御手法は、少なくとも以下の２つを包含する。
一つ目は、制御部が、ヒートポンプ部の圧縮機の出力を調整することによって、蒸発点を、蒸発管の蒸気生成媒体の入口に近い側と出口に近い側の間で交互に転移させる、という手法である。圧縮機の出力によって、冷媒経路を流れる冷媒の流量が変化し、これに追従して、第１熱交換器において蒸気生成媒体に与える熱量を変化させることができる。つまり、熱量が大きいほど蒸気生成媒体は蒸発しやすくなるから、蒸発点は入口に近い側に現れ、熱量が小さいほど蒸気生成媒体は蒸発しにくくなるから、蒸発点は出口に近い側（入口から近い側）に現れる。なお、蒸発管を流れる蒸気生成媒体の流量は一定とすることが前提となる。

二つ目は、制御部が、蒸気生成部の減圧弁の開度を調整することによって、蒸発点を、蒸発管の蒸気生成媒体の入口に近い側と出口に近い側の間で交互に転移させる、という手法である。
蒸発管内を流れる蒸気生成媒体の蒸発しやすさを変えるには、上述した圧縮機の回転数の調整の他に、蒸発管に流入する蒸気生成媒体の圧力を調整すればよい、とい視点に基づく手法である。つまり、蒸発管の入口における蒸気生成媒体の圧力が高いと、蒸発管内で蒸気生成媒体は蒸発しにくくなるので、蒸発点は蒸発管の出口に近い側に現れ、当該圧力が低いと、蒸気生成媒体は蒸発しやすくなるので、蒸発点は蒸発管の入口に近い側に現れる。したがって、減圧弁の開度を調整することによっても、蒸発点を、蒸発管の蒸気生成媒体の入口に近い側と出口に近い側の間で交互に転移させることができる。

本発明の蒸気生成システムにおいて、制御部は、予め定められた目標値に応じて、ヒートポンプ部の圧縮機の出力を調整し、又は、蒸気生成部の減圧手段の開度を調整することができる。蒸気生成システムが稼働中に、自動的に制御部が、蒸発点を蒸気生成媒体の入口に近い側と出口に近い側の間で交互に転移させることができる。

蒸発点の位置を転移させるのに伴って、蒸発管から蒸気圧縮機に向けて供給される蒸気の温度が変動することが想定され、そうすると、蒸気圧縮機を経て利用元に供給される蒸気の温度も変動するおそれがある。このような蒸気温度の変動を許容しない場合の対応策として、本発明は、第１の対応策〜第３の対応策を提案する。

第１の対応策は、蒸気生成部が、蒸発管を蒸気生成媒体が通過する過程で、第１熱交換器において冷媒と熱交換されることで生成された蒸気を圧縮する蒸気圧縮機と、蒸発管で生成された蒸気の温度を一定に調整する加熱器と、を備える。

第２の対応策は、第１熱交換器が、並列に配置される第１Ａ熱交換器と、第１Ｂ熱交換器と、からなり、蒸発管が、第１Ａ熱交換器において冷媒と熱交換される第１蒸発管と、第１Ｂ熱交換器において冷媒と熱交換される第２蒸発管と、からなる。そして、第１蒸発管に供給する蒸気生成媒体の量と、第２蒸発管に供給する蒸気生成媒体の量を、交互に増減させる。

第３の対応策は、蒸気生成部は、蒸発管を蒸気生成媒体が通過する過程で、第１熱交換器において冷媒と熱交換されることで生成された蒸気を圧縮する蒸気圧縮機と、蒸発管と蒸気圧縮機の間に設けられる気液分離器と、を備える。そして、蒸発管において気相成分と液相成分の混合物として蒸気を生成し、気液分離器において液相成分を分離して取り出された気相成分からなる蒸気を、蒸気圧縮機で圧縮する。

本発明の蒸気生成システムによるとは、蒸発管の蒸気生成媒体の入口に近い側と出口に近い側の間で、蒸発点を交互に転移させるので、蒸発管の内壁近傍の蒸気生成媒体を撹拌することで濃縮層の生成を抑制し、結果としてスケールが蒸発管の内壁に付着するのを抑制する。しかも、蒸発点を交互に転移する操作は、蒸気生成システムが稼働中に行うことができる。さらに、蒸発点を交互に転移させるのに、機械的な要素を新たに加える必要がないので、蒸気生成システムの構成を複雑にすることがない。

第１実施形態における蒸気生成システムの構成を示すブロック図である。 第１実施形態の作用を説明する図であり、（ａ）は蒸発点が入口側に現れる場合を示し、（ａ）は蒸発点が出口側に現れる場合を示している。 図４又は図５に示される手順における目標値の設定例を示している。 蒸発管の出口側温度を制御する手順を示すフローチャートである。 蒸発管の入口側圧力を制御する手順を示すフローチャートである。 第２実施形態における蒸気生成システム（第１の対応策）の構成を示すブロック図である。 第２実施形態における蒸気生成システム（第２の対応策）の構成を示すブロック図である。 第２の対応策における制御例を示すグラフである。 第２実施形態における蒸気生成システム（第３の対応策）の構成を示すブロック図である。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
［第１実施形態］
本実施形態にかかる蒸気生成システム１は、図１に示すように、ヒートポンプ部１０と、蒸気生成部２０と、制御部３０と、から構成され、ヒートポンプ部１０による熱源を利用して水から蒸気を生成する。蒸気生成システム１は、稼働中に、後述する蒸発管２２内を流れる水(蒸気生成媒体)の蒸発点を、水の流れる方向に沿って転移させることで、蒸発管２２の内壁へスケールが付着するのを抑制する。

＜ヒートポンプ部１０＞
ヒートポンプ部１０は、例えばＣＯ_２冷媒が循環する閉サイクルの冷媒回路を構成するものであり、圧縮機１１と、凝縮器(第１の熱交換器)１２と、膨張弁１３と、蒸発器（第２の熱交換器）１４と、が冷媒回路上に設けられている。なお、ここで示すヒートポンプ部１０は、必要な機能を果たすために必要な要素のみを示しており、他の要素を設けてもよいことは言うまでもない。

圧縮機１１は、一体に構成された電動モータにより回転駆動されることにより、低温・低圧の冷媒を吸入して圧縮し、高温・高圧の冷媒(気相)を吐出する。圧縮機１１としては、スクロール型圧縮機や、ロータリ式圧縮機など公知の形式の圧縮機を用いることができ、特に限定するものではない。
圧縮機１１で高温・高圧とされた冷媒は、配管を介して凝縮器１２に供給される。この冷媒は、凝縮器１２において、蒸気生成部２０を流れる水と互いに熱交換することで、冷却され、低温・高圧の冷媒(液相)とされる。蒸気生成部２０側の水は、加熱されることで、蒸気を生成する。
凝縮器１２から排出された低温・高圧の冷媒は、膨張弁１３を通過するのに伴う断熱膨張により減圧されて、低温・低圧とされる。

膨張弁１３を通過した低温・低圧の冷媒(液相)は、蒸発器１４に導かれ、外気との間で熱交換、つまり、外気の熱を吸収する。そのため、低温、低圧の液相の冷媒は、蒸発器１４の内部で蒸発し、気相の冷媒となる。
蒸発器１４を通過した冷媒(気相)は、圧縮機１１に吸入される。吸入された冷媒は、圧縮機１１により圧縮された後、再び凝縮器１２に向けて吐出される。
ヒートポンプ部１０は、蒸気生成システム１の稼働中、上述のサイクルを繰り返す。

＜蒸気生成部２０＞
次に、蒸気生成部２０は、減圧弁２１と、ヒートポンプ部１０の凝縮器１２内に配置される蒸発管２２と、蒸気圧縮機２３と、が水の経路上に設けられている。蒸気生成部２０は、蒸気圧縮機２３から吐出される蒸気が、図示を省略する種々の機器、設備で利用された後に液相となって減圧弁２１に戻る循環経路を構成することができるし、機器、設備と水源とが独立した構成にすることもできる。

蒸気生成部２０において、水源から供給された水を、減圧弁２１により大気圧より低く減圧してから、蒸発管２２に送る。このように減圧することによって水の沸点が下がり、１００℃以下の温度でも蒸発、つまり蒸気を生成することができる。例えば、０．０７ＭＰａＧまで減圧すると約９０℃で、また、０．０２ＭＰａＧまで減圧すると約６０℃で蒸発させることができる。この減圧弁２１は、その開度を調整することにより、減圧の程度を無段階に調整できるものであってもよいし、特定の減圧度に段階的に調整できるものであってもよい。
減圧弁２１で大気圧より低く減圧された水は、凝縮器１２内に配置される蒸発管２２に達すると、ヒートポンプ部１０の高温・高圧の冷媒と熱交換（加熱）されることで蒸気を生成する。
蒸発管２２を通過して蒸気となった媒体を、蒸気圧縮機２３で圧縮、昇圧することで、昇温してから利用元に供給する。例えば、蒸気圧縮機２３で０．１４ＭＰａＧまで昇圧させると、蒸気の温度を１６０℃まで昇温させることができる。

＜制御部３０＞
制御部３０は、ヒートポンプ部１０及び蒸気生成部２０の動作を制御するが、特に、本実施形態では、蒸発管２２内における蒸発点の位置を転移させるための制御を行うところに特徴がある。蒸発点の転移により、蒸発管２２の内の濃縮層を攪拌して、蒸発管２２の内壁にスケールが付着することを抑制する。制御部３０は、蒸発点転移の制御を実行するために、以下の要素を備える。
制御部３０は、温度センサ３１を備える。温度センサ３１は、蒸発管２２の出口２２_ＯＵＴにおける媒体(蒸気)の温度を計測する。制御部３０は、温度センサ３１で計測された温度に関する情報を、継続して取得する。
制御部３０は、圧力センサ３２を備える。圧力センサ３２は、蒸発管２２の入口２２_ＩＮにおける媒体(液相)の圧力を計測する。制御部３０は、圧力センサ３２で計測された圧力に関する情報を、継続して取得する。
制御部３０は、ヒートポンプ部１０の圧縮機１１の回転数を検知するとともに、回転数を調整する。
また、制御部３０は、蒸気生成部２０の減圧弁２１の開度を検知するとともに、開度を調整する。

さて、蒸気生成システム１は、ヒートポンプ部１０の圧縮機１１で高温・高圧とされた冷媒を凝縮器１２に向けて連続的に吐出することで、蒸発管２２を通過する過程で水から蒸気を生成させ、生成された蒸気を蒸気圧縮機２３で圧縮、昇温してから利用側に供給する。蒸発管２２に供給される水は減圧されているので、１００℃以下の温度で蒸発される。この蒸発管２２の内壁にスケールが付着する可能性があるが、本実施形態では蒸発点の位置を転移させることで、スケールの付着を抑制する。

蒸発点の位置を転移するのに、本実施形態は少なくとも以下の２つの制御法を採用することができる。
［第１の制御（圧縮機１１の回転数調整）要旨］
ヒートポンプ部１０の圧縮機１１の回転数によって、冷媒回路を流れる冷媒の流量が変化し、これに伴って、凝縮器１２において水に与える熱量を変化させることができる。そこで、圧縮機１１の回転数を制御することによって蒸発管２２内の水に与える熱量を変化させ、蒸発点の位置を転移させる。なお、蒸発管２２を流れる水（媒体，蒸気生成側）の流量は一定とする。本実施形態では、熱量が変化することの指標を、蒸発管２２の出口温度Ｔ_ＯＵＴに求めている。出口温度Ｔ_ＯＵＴとは、蒸発管２２から排出される際の蒸気の温度である。

図２を参照して、出口温度Ｔ_ＯＵＴと蒸発点Ｐ_Ｅの位置との関係を説明する。
Ｔ_ＯＵＴが高いと、蒸発管２２内の水は蒸発しやすくなるので、蒸発点Ｐ_Ｅは蒸発管２２の入口２２_ＩＮに近い位置ｘ１に現れる（図２（ａ））。逆に、Ｔ_ＯＵＴが低いと、蒸発管２２内の水は蒸発しやすくなるので、蒸発点Ｐ_Ｅは蒸発管２２の出口２２_ＯＵＴに近い位置ｘ２に現れる（図２（ｂ））。したがって、Ｔ_ＯＵＴを高温と低温の間で周期的に繰り返すと、蒸発点Ｐ_Ｅは位置ｘ１と位置ｘ２の間を転移する。つまり、Ｔ_ＯＵＴを高温から低温に下げると、蒸発点Ｐ_Ｅは位置ｘ１から位置ｘ２に移り、Ｔ_ＯＵＴを低温から高温に上げると、蒸発点Ｐ_Ｅは位置ｘ２から位置ｘ１に移る。
なお、図２では、位置ｘ１と位置ｘ２の間で蒸発点Ｐ_Ｅを転移させる例を示しているが、本発明はこれに限らない。例えば、位置ｘ１１、位置ｘ１２、位置ｘ２１、位置ｘ２２と４つの位置を想定し、位置ｘ１１→位置ｘ２１→位置ｘ１２→位置ｘ２２→位置ｘ１１…というように、転移させてもよい。つまり、高温と低温の間で周期的に繰り返す、とは、高温と低温が一定である必要はなく、相対的な温度の関係を有していれば足りる。

［第２の制御（減圧弁２１の開度調整）要旨］
蒸発管２２内を流れる水の蒸発のしやすさを変えるには、上述した圧縮機１１の回転数を調整する以外に、蒸発管２２に流入する水の圧力を調整すればよい。そこで、本実施形態では、減圧弁２１の開度を調整して、蒸発管２２の入口圧力Ｐ_ＩＮを変化させることで蒸発点Ｐ_Ｅの位置を転移させることを提案する。ここで、入口圧力Ｐ_ＩＮとは、蒸発管２２に流入する際の水の圧力である。つまり、Ｐ_ＩＮが高いと、蒸発管２２内の水は蒸発しにくくなるので、蒸発点Ｐ_Ｅは蒸発管２２の出口２２_ＯＵＴに近い位置ｘ２に現れる（図２（ｂ））。逆に、Ｐ_ＩＮが低いと、蒸発管２２内の水は蒸発しやすくなるので、蒸発点Ｐ_Ｅは蒸発管２２の入口２２_ＩＮに近い位置ｘ１に現れる（図２（ａ））。したがって、高圧と低圧にＰ_ＩＮを周期的に繰り返すと、蒸発点Ｐ_Ｅは位置ｘ１と位置ｘ２の間を転移する。つまり、Ｐ_ＩＮを高圧から低圧に下げると、蒸発点Ｐ_Ｅは位置ｘ２から位置ｘ１に移り、Ｐ_ＩＮを低圧から高圧に上げると、蒸発点Ｐ_Ｅは位置ｘ１から位置ｘ２に移る。
なお、蒸発管２２を流れる水（媒体，蒸気生成側）の流量を一定にすることは、第１の制御と同じである。

さて、次に、具体的な制御手順について、第１の制御、第２の制御の順に説明する。なお、以下説明する手順はあくまで一例であって、本発明は他の制御手順を採用することを妨げない。
［第１の制御（圧縮機１１の回転数調整）手順］
蒸気生成システム１が稼動している最中に、常時、蒸発管２２の出口温度Ｔ_ＯＵＴが目標値となるヒートポンプ部１０の圧縮機１１の回転数を制御する。そうすることよって、凝縮器１２に吐出される冷媒の量を変化させ、出口温度Ｔ_ＯＵＴの変化に伴って蒸発点Ｐ_Ｅの位置が転移することで、常時、スケール付着を抑制することができる。
ここでいう、出口温度Ｔ_ＯＵＴの目標値の例が、図３に示されている。図３の例（ａ）は、高温と低温が占める時間を同じにして、高温→低温→高温…というように、高温と低温をパルス状に交互に繰り返す。例（ｂ）は、低温から高温に温度を連続的に上昇させるというパターンを交互に繰り返すことで、高温と低温を交互に繰り返す。例（ｃ）は、正弦曲線状に温度を変化させることで、高温と低温を交互に繰り返す。例えば、例（ａ）〜（ｃ）で示した目標値に関するデータを、制御部３０が備えており、蒸気生成システム１が稼働中に、制御部３０は出口温度Ｔ_ＯＵＴがこの目標値に一致するように圧縮機１１の回転数を制御する。この制御手順を、以下、図４を参照して説明する。なお、図３はあくまで一例であって、他のパターンで目標値を設定してもよい。

制御部３０は、温度センサ３１で計測された出口温度Ｔ_ＯＵＴを取得する（図４ Ｓ１０１）とともに、圧縮機１１の回転数Ｒ_ｃを確認する（図４ Ｓ１０３）。出口温度Ｔ_ＯＵＴの取得、回転数Ｒ_ｃの確認は、蒸気生成システム１の稼働中、継続して行われる。
制御部３０は、圧縮機１１の回転数Ｒ_ｃを調整させながら（図４ Ｓ１０５）、継続取得されている出口温度Ｔ_ＯＵＴ（図４ Ｓ１０７）と目標値（目標温度）が一致するか否かを判定する（図４ Ｓ１０９）。なお、圧縮機１１の回転数Ｒ_ｃの変化とは、回転数を大きくすること、及び、回転数を小さくすること、の両者を包含する。
出口温度Ｔ_ＯＵＴと目標値が一致していれば（図４ Ｓ１０９ ＯＫ）、圧縮機１１の回転数Ｒ_ｃを調整することなく、図４のＳ１０１〜Ｓ１０９の手順を繰り返して行う。
出口温度Ｔ_ＯＵＴと目標値が一致していなければ（図４ Ｓ１０９ ＮＧ）、圧縮機１１の回転数Ｒ_ｃを調整する（図４ Ｓ１０５）。出口温度Ｔ_ＯＵＴが目標値よりも低ければ、圧縮機１１の回転数Ｒ_ｃを大きくし、出口温度Ｔ_ＯＵＴが目標値よりも高ければ、圧縮機１１の回転数Ｒ_ｃを小さくする。圧縮機１１の回転数Ｒ_ｃを調整した後は、上記と同様の手順を行う。

以上説明したように、常時、蒸発管２２の出口温度Ｔ_ＯＵＴを目標値となるようにヒートポンプ部１０の圧縮機１１の回転数を制御することよって、蒸発点Ｐ_Ｅの位置を転移できるので、スケール付着が抑制される。

［第２の制御（減圧弁２１の開度調整）手順］
蒸気生成システム１が稼動している最中に、常時、蒸発管２２の入口圧力Ｐ_ＩＮが目標値となるように減圧弁２１の開度を制御する。そうすると、入口圧力Ｐ_ＩＮの変化に伴って蒸発点Ｐ_Ｅの位置が転移することで、常時、スケール付着を抑制することができる。
ここでいう、入口圧力Ｐ_ＩＮの目標値は、上述した出口温度Ｔ_ＯＵＴと同様に、図３に示されている例（ａ）〜（ｃ）など、種々の形態にすることができる。蒸気生成システム１が稼働中に、制御部３０は入口圧力Ｐ_ＩＮがこの目標値に一致するように圧縮機１１の回転数を制御する。この制御手順を、以下、図５を参照して説明する。

制御部３０は、圧縮機１１で計測された入口圧力Ｐ_ＩＮを取得する（図５ Ｓ２０１）とともに、減圧弁２１の開度Ｄ_Ｖを確認する（図５ Ｓ２０３）。入口圧力Ｐ_ＩＮの取得、開度Ｄ_Ｖの確認は、蒸気生成システム１の稼働中、継続して行われる。
制御部３０は、減圧弁２１の開度Ｄ_Ｖを変化させながら（図５ Ｓ２０５）、継続取得されている入口圧力Ｐ_ＩＮ（図５ Ｓ２０７）と目標値（目標温度）が一致するか否かを判定する（図５ Ｓ２０９）。なお、減圧弁２１の開度Ｄ_Ｖの変化とは、回転数を大きくすること、及び、回転数を小さくすること、の両者を包含する。
開度Ｄ_Ｖと目標値が一致していれば（図５ Ｓ２０９ ＯＫ）、減圧弁２１の開度Ｄ_Ｖを調整することなく、図５のＳ２０１〜Ｓ２０９の手順を繰り返して行う。
開度Ｄ_Ｖと目標値が一致していなければ（図５ Ｓ２０９ ＮＧ）、減圧弁２１の開度Ｄ_Ｖを変化させる（図５ Ｓ２０５）。入口圧力Ｐ_ＩＮが目標値よりも低ければ、減圧弁２１の開度Ｄ_Ｖを大きくし、入口圧力Ｐ_ＩＮが目標値よりも高ければ、減圧弁２１の開度Ｄ_Ｖを小さくする。減圧弁２１の開度Ｄ_Ｖを変化させた後は、上記と同様の手順を行う。

以上説明したように、常時、蒸発管２２の入口圧力Ｐ_ＩＮを目標値となるように減圧弁２１の開度Ｄ_Ｖを制御することよって、蒸発点Ｐ_Ｅの位置を転移できるので、スケール付着を抑制することができる。

以上、本発明を実施形態に基づいて説明したが、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択し、あるいは他の構成に適宜変更することが可能である。
例えば、第１の制御においては、蒸発管２２の出口温度Ｔ_ＯＵＴを計測して、それを目標値と一致するように制御したが、蒸気圧縮機２３に至る経路の温度を計測して、それを目標値と一致するように制御することもできる。また、凝縮器１２側の冷媒の温度を計測して、目標値と一致するように制御することもできる。要は、蒸発管２２の温度を直接又は間接的に検知できれば、それに基づいて圧縮機１１の回転数を制御できる。
また、第２の制御においては、蒸発管２２の入口圧力Ｐ_ＩＮを計測して、それを目標値と一致するように制御したが、減圧弁２１と蒸発管２２の間の圧力を計測して、それを目標値と一致するように制御することもできる。要は、蒸発管２２の圧力を直接又は間接的に検知できれば、それに基づいて減圧弁２１の開度Ｄ_Ｖを制御できる。

さらに本発明は、蒸発点の位置を転移する制御は、第１の制御および第２の制御に限らない。
ヒートポンプ部１０の膨張弁１３の開度によって、凝縮器１２の出口圧力が変化し、これに伴って凝縮器１２において水に与える熱量を変化させることができる。したがって、本発明は、膨張弁１３の開度を制御することによって蒸発管２２内の水に与える熱量を変化させ、蒸発点の位置を転移させることもできる。
また、ヒートポンプ部１０の蒸発器１４のファン回転数によって、外気と冷媒の熱交換量が変化し、これに伴って、凝縮器１２において水に与える熱量を変化させることができる。したがって、本発明は、蒸発器１４のファン回転数を制御することによって蒸発管２２内の水に与える熱量を変化させ、蒸発点の位置を転移させることもできる。

［第２実施形態］
蒸発点の位置を転移させるのに伴って、蒸発管２２から蒸気圧縮機２３に向けて供給される蒸気の温度が変動することが想定され、そうすると、蒸気圧縮機２３を経て利用元に供給される蒸気の温度も変動するおそれがある。このような蒸気温度の変動を許容しない場合の対応策を第２実施形態として説明する。この対応策は、第１の対応策〜第３の対応策という三つの形態を含んでおいる。なお、以下で参酌する図において、第１実施形態と同じ構成部分については、図１と同じ符号を付している。

＜第１の対応策＞
図６に示すように、第１の対応策に係る蒸気生成システム２は、蒸発管２２と蒸気圧縮機２３を繋ぐ蒸気配管２４に付随して加熱器２５を備えるとともに、蒸気圧縮機２３の蒸気出口側に温度センサ３３を備えている。加熱器２５は、蒸気配管２４を流れる蒸気の温度を調整することができる。加熱器２５としては、電気ヒータ、誘導加熱装置などの公知の加熱器を広く適用することができる。また、温度センサ３３は、蒸気圧縮機２３から吐出される蒸気の温度（出口温度）Ｔ_Ｓを継続的に測定し、測定された出口温度Ｔ_Ｓは制御部３０に送られる。制御部３０は、利用元が必要性に応じて設定した要求温度Ｔ_Ｒを保持している。要求温度Ｔ_Ｒは、蒸気圧縮機２３から吐出される蒸気の温度である。制御部３０は、要求温度Ｔ_Ｒと出口温度Ｔ_Ｓを比較し、その比較結果に基づいて、加熱器２５の動作を制御する。
蒸気生成システム２は、以上の点を除くと第１実施形態（蒸気生成システム１）と同じ構成要素を備えているとともに、第１実施形態と同様に蒸発点の位置を転移させる。

蒸気生成システム２は、以下のようにして、蒸気圧縮機２３から吐出される蒸気の温度を調整する。
蒸気生成システム２は、蒸発点の位置を転移させながら蒸気を生成する過程で、制御部３０が温度センサ３３から出口温度Ｔ_Ｓに関する情報を取得する。制御部３０は、取得した出口温度Ｔ_Ｓと要求温度Ｔ_Ｒを比較する。
制御部３０は、比較の結果、要求温度Ｔ_Ｒに対して出口温度Ｔ_Ｓが低い（要求温度Ｔ_Ｒ＞出口温度Ｔ_Ｓ）ものと判断すると、加熱器２５における加熱温度を上げるように指示する指令を発する。加熱器２５はこの指令に基づいて加熱温度が上がるので、蒸気配管２４を流れる蒸気の温度を上げることができる。一方、制御部３０は、比較の結果、要求温度Ｔ_Ｒに対して出口温度Ｔ_Ｓが高い（要求温度Ｔ_Ｒ＜出口温度Ｔ_Ｓ）ものと判断すると、加熱器２５における加熱温度を下げるように指示する指令を発する。加熱器２５はこの指令に基づいて加熱温度が下がるので、蒸気配管２４を流れる蒸気の温度を下げることができる。
以上の通りであり、蒸気生成システム２は、加熱器２５を用いて、蒸気圧縮機２３から吐出される蒸気が、要求温度Ｔ_Ｒに一致するように、その温度を調整する。
第１の対応策は、追加される部材が加熱器２５だけで足りるので、蒸気生成システム２の製造コストを抑えることができる利点がある。

＜第２の対応策＞
図７に示すように、第２の対応策に係る蒸気生成システム３は、凝縮器１２Ａと蒸発管２２Ａからなる熱交換器と、凝縮器１２Ｂと蒸発管２２Ｂからなる熱交換器を、二組備えている。蒸気生成システム３は、各々の蒸発管２２Ａ、蒸発管２２Ｂに流れる水の量を変動させることにより、各々の蒸発管２２Ａ、蒸発管２２Ｂにおける蒸発点の位置を転移させる。ここで、蒸発管２２Ａから流出する蒸気の温度及び蒸発管２２Ｂから流出する蒸気の温度は各々変動するが、蒸気生成システム３は、両者の蒸気が合流して蒸気圧縮機２３に供給されるので、蒸気圧縮機２３の入口における蒸気の温度を一定にすることができる。以下、詳述する。

蒸気生成システム３は、凝縮器１２Ａと凝縮器１２Ｂが、圧縮機１１と膨張弁１３の間に並列に接続されており、圧縮機１１で圧縮された冷媒は、凝縮器１２Ａと凝縮器１２Ｂに均等に分配されて供給される。ここで、圧縮機１１の運転能力を一定とすれば、凝縮器１２Ａと凝縮器１２Ｂの両者に供給される冷媒が持つ総能力（総熱量）はほぼ一定である。
凝縮器１２Ａと凝縮器１２Ｂの各々を通過した冷媒は、膨張弁１３に向けて流れる。
また、蒸発管２２Ａと蒸発管２２Ｂが、減圧弁２１と蒸気圧縮機２３の間に並列に接続されており、減圧弁２１とは、水導入管２７から分岐した分岐路２７Ａと分岐路２７Ｂに各々接続され、蒸気圧縮機２３とは、蒸気配管２４に集合する分岐路２４Ａと分岐路２４Ｂに各々接続されている。分岐路２７Ａと分岐路２７Ｂには、蒸発管２２Ａと蒸発管２２Ｂの各々に流入する水の量を増減する流量調整バルブ２６Ａと流量調整バルブ２６Ｂが設けられている。流量調整バルブ２６Ａと流量調整バルブ２６Ｂを通過する水の流量は、制御部３０の指令に基づくバルブの開度にしたがって増減される。凝縮器１２Ａと凝縮器１２Ｂの両者に供給される冷媒が持つ総能力が一定であれば、蒸発管２２Ａと蒸発管２２Ｂの両者から蒸気配管２４に流出する蒸気がもつ熱量の総和は一定になる。

以上の構成を備える蒸気生成システム３は、以下のようにして、蒸発管２２Ａと蒸発管２２Ｂの各々における蒸発点の位置を以下説明する所定の関係を維持しながら転移させる。
蒸気生成システム３は、制御部３０が、蒸発管２２Ａと蒸発管２２Ｂの各々について、目標過熱度情報を保持している。その一例を図８（ａ）に示すが、蒸発管２２Ａにおける目標過熱度（実線）は、当初、最大過熱度（ＳＨ_ｍａｘ）に設定されているが、段階的に低くなり、最少過熱度（ＳＨ_ｍｉｎ）に達すると反転して、最大過熱度まで段階的に高くなり、以上のパターンを繰り返す。一方、蒸発管２２Ｂにおける目標過熱度（破線）は、蒸発管２２Ａと逆のパターンを繰り返す。つまり、当初、最小過熱度（ＳＨ_ｍｉｎ）に設定されているが、段階的に高くなり、最大過熱度（ＳＨ_ｍａｘ）に達すると反転して、最小過熱度まで段階的に低くなり、以上のパターンを繰り返す。

制御部３０は、上記の目標過熱度情報に基づいて、流量調整バルブ２６Ａと流量調整バルブ２６Ｂの開度を調整することで、両者を通過する水の流量を増減させる。図８（ｂ）にその一例を示すが、目標過熱度が高ければ水の流量を減らし、逆に、目標過熱度が低ければ水の流量を増やすことを基本とし、水の流量は目標過熱度情報と増減が逆のパターンを示すことになる。つまり、蒸発管２２Ａに流れる水の量が多いときは蒸発管２２Ｂを流れる水の量が少なくなり、しかも、この水流量の増減のバターンが繰り返される。

流量調整バルブ２６Ａと流量調整バルブ２６Ｂにおける水の流量を以上のように増減させると、蒸発管２２Ａと蒸発管２２Ｂの各々における蒸発点の位置が増減に伴って転移する。つまり、蒸発管２２Ａに流入する水の量が多ければ、蒸発点は蒸発管２２Ａの出口側に近づき、逆に蒸発管２２Ａに流入する水の量が少なければ、蒸発点は蒸発管２２Ａの入口側に近づく。これは、蒸発管２２Ｂにおいても同様である。このように蒸発点が転移することは、蒸発管２２Ａと蒸発管２２Ｂの各々の出口における蒸気の温度を検出すれば把握できる。この温度の一例を図８（ｃ）に示すが、蒸発管２２Ａに流入する水の量が多ければ、当該蒸気温度が低く、逆に、蒸発管２２Ａに流入する水の量が少なければ、当該蒸気温度が高くなるパターンの温度検知結果が得られる。

以上説明したように、蒸気生成システム３は、熱量の総量が一定の冷媒を二組の熱交換器（凝縮器１２Ａ，１２Ｂ）に供給するとともに、各々の熱交換器（蒸発管２２Ａ，２２Ｂ）に総量が一定である水の供給量を交互に増減させることで熱交換器における蒸発点の位置を転移させる。そして、各々の熱交換器を通過して生成された蒸気の総量が蒸気圧縮機２３に供給される。したがって、蒸気生成システム３によると、蒸発点の位置を転移させながらも、蒸気圧縮機２３に供給される総量としての蒸気の温度は一定にできる、という効果を発揮する。
なお、第２の対応策は、熱交換器を二組の例を示したが、三組以上の熱交換器を設けても、上記の効果を発揮できることは言うまでもない。
第２の対応策は、第１の対応策の加熱器２５に必要な電力に比べて、流量調整バルブ２６Ａ、流量調整バルブ２６Ｂを動作させるのに必要な電力が小さくて済むので、運転コストを抑えることができる。

＜第３の対応策＞
図９に示すように、第３の対応策に係る蒸気生成システム４は、冷媒−水熱交換器（凝縮器１２と蒸発管２２）の後流であって蒸気配管２４上に気液分離器２８を設ける。気液分離器２８は、蒸気側出口２８_Ｓが蒸気圧縮機２３に接続され、水側出口２８_Ｗにはポンプ２９に接続される。なお、この構成から明らかなように、蒸気生成システム４は、蒸気（気相）と水（液相）の二層状態の混合物が蒸発管２２から気液分離器２８に向けて流出する。

蒸気生成システム４は、供給された二層状態の混合物が気液分離器２８において、高温の蒸気（気相）と水（液相）を分離し、蒸気を取り出して蒸気側出口２８_Ｓを介して蒸気圧縮機２３に供給するとともに、ポンプ２９を動作させることで水を水側出口２８_Ｗを介して取り出す。
ここで、蒸気圧縮機２３の吸い込み量を上げると、蒸発管２２を通る水の流量が増加するため、蒸発管２２内における蒸発開始点が、蒸発管２２の出口２２_ＯＵＴ側に転移する。この時、蒸発管２２を出てくる水全体流量に対する蒸気（気相）の割合は減少する。一方、蒸気圧縮機２３の吸い込み量を下げると、蒸発管２２を通る水の流量が減少するため、蒸発管２２内の蒸発開始点が入口２２_ＩＮ側に転移する。この時、蒸発管２２を出てくる水全体流量に対する気相の割合は増加する。蒸気生成システム４は、蒸気圧縮機２３の吸い込み量の増減を繰り返すことで、蒸発開始点を転移させ。これにより蒸発管２２を出てくる蒸気（気相）と水（液相）の割合も増減を繰り返すこととなる。
これに対し、蒸気生成システム４は、気液分離器２８で蒸気（気相）と水（液相）に分離することで、気相／液相の割合変化を気液界面の高さ変化で吸収することができるため、気液分離器２８から流出する蒸気の流量及び温度を一定にすることができるので、蒸気圧縮機２３を出る蒸気の流量・温度も一定にすることができる。
さらに、気液分離器２８で分離して取り出される水を利用することができるので、蒸気生成システム４は、二種類の異なる温度を取り出すことができる利用価値の高いシステムである。

１，２，３，４ 蒸気生成システム
１０ ヒートポンプ部
１１ 圧縮機
１２，１２Ａ，１２Ｂ 凝縮器
１３ 膨張弁
１４ 蒸発器
２０ 蒸気生成部
２１ 減圧弁
２２，２２Ａ，２２Ｂ 蒸発管
２２_ＩＮ 入口
２２_ＯＵＴ 出口
２３ 蒸気圧縮機
２４ 蒸気配管
２５ 加熱器
２６Ａ，２６Ｂ 流量調整弁
２７ 水導入管
２７Ａ，２７Ｂ 分岐路
２８ 気液分離器
２９ ポンプ
３０ 制御部
３１，３３ 温度センサ
３２ 圧力センサ

Claims (7)

1. ヒートポンプ部と、
   前記ヒートポンプ部を流れる冷媒により、蒸気生成媒体が加熱されることで蒸気を生成する蒸気生成部と、
   前記ヒートポンプ部と蒸気生成部の動作を制御する制御部と、を備え、
   前記ヒートポンプ部は、
   冷媒を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機で圧縮された前記冷媒と前記蒸気生成媒体との間で熱交換を行う第１熱交換器と、
   前記第１熱交換器を通過した前記冷媒を減圧する膨張弁と、
   前記膨張弁を通過した前記冷媒と外気との間で熱交換を行う第２熱交換器と、が順次冷媒配管にて接続され、
   前記蒸気生成部は、
   供給された液相の蒸気生成媒体を減圧する減圧手段と、
   前記減圧手段で減圧された前記蒸気生成媒体が通過する過程で、前記第１熱交換器において前記冷媒と熱交換される蒸発管と、を備え、
   前記制御部は、
   前記蒸気生成媒体の前記蒸発管の内部における蒸発点を、前記蒸発管における前記蒸気生成媒体の入口に近い側と出口に近い側の間で交互に転移させる、
   ことを特徴とする蒸気生成システム。
2. 前記制御部は、
   前記ヒートポンプ部の前記圧縮機の回転数を調整することによって、前記蒸発点を、前記蒸発管の前記蒸気生成媒体の入口に近い側と出口に近い側の間で交互に転移させる、
   請求項１に記載の蒸気生成システム。
3. 前記制御部は、
   前記蒸気生成部の前記減圧手段の開度を調整することによって、前記蒸発点を、前記蒸発管の前記蒸気生成媒体の入口に近い側と出口に近い側の間で交互に転移させる、
   請求項１又は２に記載の蒸気生成システム。
4. 前記制御部は、予め定められた目標値に基づいて、前記ヒートポンプ部の前記圧縮機の回転数を調整し、又は、前記蒸気生成部の前記減圧手段の開度を調整する、
   請求項２又は３に記載の蒸気生成システム。
5. 前記蒸気生成部は、
   前記蒸発管を前記蒸気生成媒体が通過する過程で、前記第１熱交換器において前記冷媒と熱交換されることで生成された蒸気を圧縮する蒸気圧縮機と、
   前記蒸発管で生成された前記蒸気の温度を一定に調整する加熱器と、
   を備える、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の蒸気生成システム。
6. 前記第１熱交換器が、並列に配置される第１Ａ熱交換器と、第１Ｂ熱交換器と、からなり、
   前記蒸発管が、前記第１Ａ熱交換器において前記冷媒と熱交換される第１蒸発管と、前記第１Ｂ熱交換器において前記冷媒と熱交換される第２蒸発管と、からなり、
   前記第１蒸発管に供給する前記蒸気生成媒体の量と、前記第２蒸発管に供給する前記蒸気生成媒体の量を、交互に増減させる、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の蒸気生成システム。
7. 前記蒸気生成部は、
   前記蒸発管を前記蒸気生成媒体が通過する過程で、前記第１熱交換器において前記冷媒と熱交換されることで生成された蒸気を圧縮する蒸気圧縮機と、
   前記蒸発管と前記蒸気圧縮機の間に設けられる気液分離器と、を備え、
   前記蒸発管において気相成分と液相成分の混合物として前記蒸気を生成し、
   前記気液分離器において前記液相成分を分離して取り出された前記気相成分からなる前記蒸気を、前記蒸気圧縮機で圧縮する、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の蒸気生成システム。

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