(57)【要約】【課題】ヒートポンプでくみ上げる温度差を低減して効率のよい蒸気発生システムを提供する。また、熱源流体の温度が高い場合に、そのエネルギーを有効活用する。【解決手段】第一蒸気発生部２は、熱源流体（８）と水（７）とを熱交換して蒸気を発生させるボイラ４である。第二蒸気発生部３は、第一蒸気発生部２にて使用後の熱源流体から熱をくみ上げて蒸気を発生させるヒートポンプ５，６である。このヒートポンプは、第一ヒートポンプ５と第二ヒートポンプ６とを備える。第一ヒートポンプ５は、第一蒸発器１３と第二蒸発器１４とを有する。第二ヒートポンプ６は、第一蒸発器１３を介して第一ヒートポンプ５と接続される。第一ヒートポンプ５の第二蒸発器１４と、第二ヒートポンプ６の蒸発器２０とに、熱源流体が順に通される。第一ヒートポンプ５の凝縮器１１において、水を加熱して蒸気を発生させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一蒸気発生部と第二蒸気発生部とを備え、
前記第一蒸気発生部は、熱源流体と水とを熱交換して蒸気を発生させるボイラか、熱源流体をフラッシュさせて蒸気を発生させる気液分離部であり、
前記第二蒸気発生部は、前記第一蒸気発生部にて使用後の熱源流体から熱をくみ上げて蒸気を発生させるヒートポンプであり、
このヒートポンプは、第一ヒートポンプと第二ヒートポンプとを備え、
前記第一ヒートポンプは、蒸発器として第一蒸発器と第二蒸発器とを有し、
前記第二ヒートポンプは、前記第一蒸発器を兼ねる凝縮器を介して前記第一ヒートポンプと接続され、
前記第一ヒートポンプの第二蒸発器と、前記第二ヒートポンプの蒸発器とに、熱源流体が順に通され、
前記第一ヒートポンプの凝縮器において、水を加熱して蒸気を発生させる
ことを特徴とする蒸気発生システム。
【請求項２】
第一蒸気発生部と第二蒸気発生部とを備え、
前記第一蒸気発生部は、熱源流体と水とを熱交換して蒸気を発生させるボイラか、熱源流体をフラッシュさせて蒸気を発生させる気液分離部であり、
前記第二蒸気発生部は、前記第一蒸気発生部にて使用後の熱源流体から熱をくみ上げて蒸気を発生させるヒートポンプであり、
このヒートポンプは、第一ヒートポンプと、これより段数の多い第二ヒートポンプとを備え、
前記第一ヒートポンプの最下段の蒸発器と、前記第二ヒートポンプの最下段の蒸発器とに、熱源流体が順に通され、
前記第一ヒートポンプの最上段の凝縮器と、前記第二ヒートポンプの最上段の凝縮器とにおいて、水を加熱して蒸気を発生させる
ことを特徴とする蒸気発生システム。
【請求項３】
第一蒸気発生部と第二蒸気発生部とを備え、
前記第一蒸気発生部は、熱源流体と水とを熱交換して蒸気を発生させるボイラか、熱源流体をフラッシュさせて蒸気を発生させる気液分離部であり、
前記第二蒸気発生部は、下段蒸気圧縮機からの蒸気を上段蒸気圧縮機でさらに圧縮して吐出するように、上下二段の蒸気圧縮機を備え、
前記第一蒸気発生部にて使用後の熱源流体は、上段ドレン排出機構を介して上段気液分離部に供給されて気液分離された後、その液体は下段ドレン排出機構を介して下段気液分離部に供給されて気液分離され、
前記下段蒸気圧縮機は、前記下段気液分離部からの蒸気を圧縮して吐出し、
前記上段蒸気圧縮機は、前記下段蒸気圧縮機からの蒸気と前記上段気液分離部からの蒸気とを圧縮して吐出する
ことを特徴とする蒸気発生システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプまたは蒸気圧縮機を用いた蒸気発生システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、下記特許文献１に開示されるように、蒸発器（１）において排温水等から熱をくみ上げ、凝縮器（３）において水を加熱して蒸気を発生させるヒートポンプが知られている。
【０００３】
また、下記特許文献２に開示されるように、ヒートポンプを上下複数段（ＨＰ１，ＨＰ２）で構成し、上下のヒートポンプを接続する熱交換器（ＨＥ１）を通して給水を加熱し、最上段のヒートポンプ（ＨＰ２）の凝縮器（ＨＥ２）から蒸気を取り出すシステムも提案されている。
【０００４】
さらに、下記特許文献３に開示されるように、ヒートポンプ（１０，１０´）を左右並列に設置し、各ヒートポンプの凝縮器（１２，１２´）に水を通して高温水を得る装置も提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５８−４０４５１号公報（第２図）
【特許文献２】特開２００６−３４８８７６号公報（図１）
【特許文献３】実開昭６０−２３６６９号公報（第２図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記特許文献１に記載の発明のように、単段のヒートポンプを用いるだけでは、熱をくみ上げる温度差、つまり蒸発器側と凝縮器側との温度差が大きく、ヒートポンプの効率が悪い。
【０００７】
また、前記特許文献２に記載の発明のように、ヒートポンプを単に上下複数段に設置しても、最下段の蒸発器からだけ熱をくみ上げるのでは、前記特許文献１に記載の発明と同様に、ヒートポンプ全体で見た場合のくみ上げる温度差が大きく、ヒートポンプの効率向上に限界がある。
【０００８】
また、前記特許文献３に記載の発明のように、ヒートポンプを左右並列に設置しても、左右のヒートポンプが同一構成で、最下段の蒸発器からだけ熱をくみ上げるのでは、前記特許文献２に記載の発明と同様に、くみ上げる温度差が大きく、ヒートポンプの効率向上に限界がある。
【０００９】
さらに、熱源流体が温水や排ガスなどであり、ヒートポンプに熱（顕熱）を与えつつ自身は温度低下を伴う場合、左右同一構成で並列に設置されたヒートポンプに熱源流体を通すだけでは、下流側のヒートポンプでは熱源流体の温度が低下してしまうので、これを考慮する必要もある。
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、システム全体で見た場合におけるくみ上げ温度差を低減し、それによりシステムの効率向上を図ることにある。また、熱源流体がヒートポンプに顕熱を与える場合、それに伴う温度低下にも対応できる蒸気発生システムを提供することを課題とする。さらに、熱源流体の温度が高い場合に、そのエネルギーを有効活用することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、第一蒸気発生部と第二蒸気発生部とを備え、前記第一蒸気発生部は、熱源流体と水とを熱交換して蒸気を発生させるボイラか、熱源流体をフラッシュさせて蒸気を発生させる気液分離部であり、前記第二蒸気発生部は、前記第一蒸気発生部にて使用後の熱源流体から熱をくみ上げて蒸気を発生させるヒートポンプであり、このヒートポンプは、第一ヒートポンプと第二ヒートポンプとを備え、前記第一ヒートポンプは、蒸発器として第一蒸発器と第二蒸発器とを有し、前記第二ヒートポンプは、前記第一蒸発器を兼ねる凝縮器を介して前記第一ヒートポンプと接続され、前記第一ヒートポンプの第二蒸発器と、前記第二ヒートポンプの蒸発器とに、熱源流体が順に通され、前記第一ヒートポンプの凝縮器において、水を加熱して蒸気を発生させることを特徴とする蒸気発生システムである。
【００１２】
請求項１に記載の発明によれば、熱源流体は、第一蒸気発生部にて蒸気を発生させた後、第二蒸気発生部へ送られ、第二蒸気発生部にて蒸気を発生させる。仮に第一蒸気発生部がない場合、熱源流体の初期温度が第二蒸気発生部で発生させる蒸気温度よりも高いと、エクセルギーに無駄を生じるおそれがある。ところが、本請求項に記載の発明によれば、第一蒸気発生部において、ヒートポンプを用いることなく蒸気を発生させた後、第二蒸気発生部において、ヒートポンプの熱源とすることができる。これにより、高温の熱源流体を単にヒートポンプの熱源とするだけの場合よりも、ヒートポンプの消費電力を下げることができ、省エネルギーを図ることができる。
【００１３】
また、第二蒸気発生部では、第一ヒートポンプの第二蒸発器と、第二ヒートポンプの蒸発器とから熱をくみ上げて、第一ヒートポンプの凝縮器において蒸気を発生させることができる。この際、熱源流体は、第一ヒートポンプの第二蒸発器を通された後、第二ヒートポンプの蒸発器に通される。これにより、第一ヒートポンプの第二蒸発器において熱源流体が冷やされた分を第二ヒートポンプがカバーして、第二蒸発器を通過後の熱源流体からも再び熱をくみ上げることができる。また、第一ヒートポンプでは、くみ上げる温度差を低減することができ、その分だけ圧縮機の電力を少なくでき、蒸気発生システムの効率を向上することができる。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、第一蒸気発生部と第二蒸気発生部とを備え、前記第一蒸気発生部は、熱源流体と水とを熱交換して蒸気を発生させるボイラか、熱源流体をフラッシュさせて蒸気を発生させる気液分離部であり、前記第二蒸気発生部は、前記第一蒸気発生部にて使用後の熱源流体から熱をくみ上げて蒸気を発生させるヒートポンプであり、このヒートポンプは、第一ヒートポンプと、これより段数の多い第二ヒートポンプとを備え、前記第一ヒートポンプの最下段の蒸発器と、前記第二ヒートポンプの最下段の蒸発器とに、熱源流体が順に通され、前記第一ヒートポンプの最上段の凝縮器と、前記第二ヒートポンプの最上段の凝縮器とにおいて、水を加熱して蒸気を発生させることを特徴とする蒸気発生システムである。
【００１５】
請求項２に記載の発明によれば、熱源流体は、第一蒸気発生部にて蒸気を発生させた後、第二蒸気発生部へ送られ、第二蒸気発生部にて蒸気を発生させる。仮に第一蒸気発生部がない場合、熱源流体の初期温度が第二蒸気発生部で発生させる蒸気温度よりも高いと、エクセルギーに無駄を生じるおそれがある。ところが、本請求項に記載の発明によれば、第一蒸気発生部において、ヒートポンプを用いることなく蒸気を発生させた後、第二蒸気発生部において、ヒートポンプの熱源とすることができる。これにより、高温の熱源流体を単にヒートポンプの熱源とするだけの場合よりも、ヒートポンプの消費電力を下げることができ、省エネルギーを図ることができる。
【００１６】
また、第二蒸気発生部では、第一ヒートポンプの最下段の蒸発器と、第二ヒートポンプの最下段の蒸発器とから熱をくみ上げて、第一ヒートポンプの最上段の凝縮器と、第二ヒートポンプの最上段の凝縮器とにおいて、蒸気を発生させることができる。この際、熱源流体は、第一ヒートポンプの最下段の蒸発器を通された後、第二ヒートポンプの最下段の蒸発器に通される。そして、第二ヒートポンプの段数を第一ヒートポンプより多くしておくことで、第一ヒートポンプにおいて熱源流体が冷やされた分を第二ヒートポンプがカバーして、第一ヒートポンプを通過後の熱源流体からも再び熱をくみ上げることができる。また、第一ヒートポンプでは、くみ上げる温度差を低減することができ、その分だけ圧縮機の電力を少なくでき、蒸気発生システムの効率を向上することができる。
【００１７】
さらに、請求項３に記載の発明は、第一蒸気発生部と第二蒸気発生部とを備え、前記第一蒸気発生部は、熱源流体と水とを熱交換して蒸気を発生させるボイラか、熱源流体をフラッシュさせて蒸気を発生させる気液分離部であり、前記第二蒸気発生部は、下段蒸気圧縮機からの蒸気を上段蒸気圧縮機でさらに圧縮して吐出するように、上下二段の蒸気圧縮機を備え、前記第一蒸気発生部にて使用後の熱源流体は、上段ドレン排出機構を介して上段気液分離部に供給されて気液分離された後、その液体は下段ドレン排出機構を介して下段気液分離部に供給されて気液分離され、前記下段蒸気圧縮機は、前記下段気液分離部からの蒸気を圧縮して吐出し、前記上段蒸気圧縮機は、前記下段蒸気圧縮機からの蒸気と前記上段気液分離部からの蒸気とを圧縮して吐出することを特徴とする蒸気発生システムである。
【００１８】
詳細は後述するが、蒸気圧縮機からの蒸気が蒸気使用設備にて使用され凝縮し、そのドレンがドレン排出機構を介して気液分離部へ排出され、再び蒸気圧縮機にて圧縮される蒸気システムを観察すると、蒸気は、蒸気圧縮機で圧縮され、蒸気使用設備で凝縮され、ドレン排出機構で膨張され、気液分離部で蒸発されることになる。つまり、ヒートポンプの冷媒と同様の作用を行っており、請求項１や請求項２に記載のヒートポンプに代えて蒸気圧縮機を用いて第二蒸気発生部を構成できることになる。請求項３に記載の発明によれば、ヒートポンプに代えて蒸気圧縮機を用いつつ、請求項１や請求項２に記載の発明と同様の作用効果を奏することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、システム全体で見た場合におけるくみ上げ温度差を低減し、それによりシステムの効率向上を図ることができる。また、熱源流体がヒートポンプに顕熱を与える場合、それに伴う温度低下にも対応することができる。さらに、熱源流体の温度が高い場合に、そのエネルギーを有効活用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の蒸気発生システムの実施例１を示す概略図である。
【図２】理想サイクルのＴ−Ｓ線図である。
【図３】従来公知の単段のヒートポンプ（逆カルノーサイクル）のＴ−Ｓ線図である。
【図４】本発明の蒸気発生システムの実施例１のＴ−Ｓ線図である。
【図５】図４において、ヒートポンプの段数を増やした場合を示している。
【図６】本発明の蒸気発生システムの実施例２を示す概略図である。
【図７】本発明の蒸気発生システムの実施例３を示す概略図である。
【図８】蒸気圧縮機を用いた蒸気システムを示す概略図である。
【図９】本発明の蒸気発生システムの実施例４を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の具体的実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明の蒸気発生システムは、出願人が先に提案し特許出願中の蒸気発生システム（特願２０１１−７９３７０、特願２０１１−７９３６９）の変形例である。
【実施例１】
【００２２】
図１は、本発明の蒸気発生システム１の実施例１を示す概略図である。本実施例１の蒸気発生システム１は、第一蒸気発生部２と第二蒸気発生部３とを備える。
【００２３】
第一蒸気発生部２は、ボイラ４から構成され、第二蒸気発生部３は、ヒートポンプ５，６から構成される。ボイラ４は、ヒートポンプ５，６の熱源流体と、水との間接熱交換器であり、熱源流体の熱で水を加熱して蒸気を発生させる（つまりここでいうボイラ４はバーナを備えない）。そのために、ボイラ４には、給水路７を介して水が供給されると共に、熱源流体路８を介して熱源流体が供給される。ボイラ４からの蒸気は、蒸気路９を介して蒸気使用設備（図示省略）へ送られる。また、ボイラ４で使用後の熱源流体は、熱源流体路８を介して第二蒸気発生部３へ送られる。
【００２４】
第二蒸気発生部３は、第一ヒートポンプ５と第二ヒートポンプ６とを備える。
【００２５】
第一ヒートポンプ５は、蒸気圧縮式のヒートポンプであり、本実施例では単段のヒートポンプから構成される。具体的には、第一ヒートポンプ５は、圧縮機１０、凝縮器１１、膨張弁１２および蒸発器１３，１４が順次環状に接続されて構成される。ここで、第一ヒートポンプ５は、蒸発器として、第一蒸発器１３と第二蒸発器１４との二つの蒸発器を備える。これら蒸発器１３，１４は、並列に接続されてもよいが、本実施例では直列に接続されている。つまり、第一ヒートポンプ５の膨張弁１２からの冷媒は、第一蒸発器１３と第二蒸発器１４とを順に通された後、圧縮機１０へ送られる。
【００２６】
圧縮機１０は、ガス冷媒を圧縮して高温高圧にする。凝縮器１１は、圧縮機１０からのガス冷媒を凝縮液化する。膨張弁１２は、凝縮器１１からの液冷媒を通過させることで、冷媒の圧力と温度とを低下させる。蒸発器１３，１４は、膨張弁１２からの冷媒の蒸発を図る。
【００２７】
従って、第一ヒートポンプ５は、蒸発器１３，１４において、冷媒が外部から熱を奪って気化する一方、凝縮器１１において、冷媒が外部へ放熱して凝縮することになる。これを利用して、第一ヒートポンプ５は、蒸発器１３，１４において外部から熱をくみ上げ、凝縮器１１において水を加熱して蒸気を発生させる。凝縮器１１には、給水路１５を介して水が供給され、その水は、凝縮器１１において、第一ヒートポンプ５の冷媒により加熱される。凝縮器１１からの蒸気は、蒸気路１６を介して蒸気使用設備へ送られる。
【００２８】
第一ヒートポンプ５の回路には、所望により、圧縮機１０の出口側に油分離器を設置したり、凝縮器１１の出口側に受液器を設置したり、圧縮機１０の入口側にアキュムレータを設置したり、凝縮器１１から膨張弁１２への冷媒と蒸発器１３，１４から圧縮機１０への冷媒とを混ぜることなく熱交換する液ガス熱交換器を設置したりしてもよい。このことは、第一ヒートポンプ５に限らず、第二ヒートポンプ６についても同様である。また、第一ヒートポンプ５や第二ヒートポンプ６が複数段の場合には、それを構成する各段のヒートポンプについても同様である。
【００２９】
第二ヒートポンプ６は、蒸気圧縮式のヒートポンプであり、本実施例では単段のヒートポンプから構成される。第二ヒートポンプ６は、基本的には第一ヒートポンプ５と同様の構成である。つまり、第二ヒートポンプ６は、圧縮機１７、凝縮器１８、膨張弁１９および蒸発器２０が順次環状に接続されて構成される。但し、第二ヒートポンプ６は、第一ヒートポンプ５のように二つの蒸発器を備える必要はない。そして、第二ヒートポンプ６は、蒸発器２０において、熱源流体から熱をくみ上げ、凝縮器１８において、第一ヒートポンプ５の冷媒を加熱して自身の冷媒は凝縮を図られる。
【００３０】
第一ヒートポンプ５と第二ヒートポンプ６とは、本実施例では次のようにして接続される。すなわち、第二ヒートポンプ６の圧縮機１７からの冷媒と第一ヒートポンプ５の膨張弁１２からの冷媒とを受けて、両冷媒を混ぜることなく熱交換する間接熱交換器２１を備え、この間接熱交換器２１が第二ヒートポンプ６の凝縮器１８であると共に第一ヒートポンプ５の第一蒸発器１３とされる。但し、上下のヒートポンプ５，６は、間接熱交換器２１に限らず、中間冷却器（直接熱交換器など）で接続されてもよい。
【００３１】
第一ヒートポンプ５の第二蒸発器１４と、第二ヒートポンプ６の蒸発器２０とには、第一蒸気発生部２で使用後の熱源流体が順に通される。従って、第二蒸気発生部３は、これら蒸発器１４，２０において、熱源流体から熱をくみ上げ、第一ヒートポンプ５の凝縮器１１において、水を加熱して蒸気を発生させる。その蒸気は、蒸気路１６を介して蒸気使用設備へ送られる。
【００３２】
第一蒸気発生部２からの蒸気と、第二蒸気発生部３からの蒸気とは、同等の圧力（つまりほぼ同一の温度）の飽和蒸気であるのが好ましい。その場合、第一蒸気発生部２からの蒸気路９と、第二蒸気発生部３からの蒸気路１６とは、合流して蒸気使用設備へ配管できる。
【００３３】
ところで、熱源流体は、特に問わないが、ボイラ４や各ヒートポンプ５，６において顕熱を与えるもの、すなわち熱を与えつつ自身は温度低下を伴う流体が好適に用いられる。たとえば、蒸気使用設備からのドレン、燃焼装置（バーナを備えるボイラなど）からの排ガス、またはオイルフリー式圧縮機からの高温の圧縮空気もしくはその冷却水が用いられる。なお、オイルフリー式圧縮機の廃熱を用いる場合、オイルフリー式圧縮機のインタークーラやアフタークーラの箇所に、第一蒸気発生部２のボイラ４、第二蒸気発生部３の各ヒートポンプ５，６を適宜設置して、オイルフリー式圧縮機の廃熱を熱源に蒸気を発生させればよい。
【００３４】
本実施例の蒸気発生システム１によれば、熱源流体は、第一蒸気発生部２のボイラ４を通された後、第二蒸気発生部３へ送られ、第一ヒートポンプ５の第二蒸発器１４を通され、さらに第二ヒートポンプ６の蒸発器２０を通される。
【００３５】
蒸気発生システム１が仮に第一蒸気発生部２を備えない場合、熱源流体の初期温度（第二蒸発器１４の入口温度）が第二蒸気発生部３で発生させる蒸気温度よりも高いと、エクセルギーに無駄を生じるおそれがある。ところが、本実施例では、第一蒸気発生部２において、ヒートポンプを用いることなく、熱源流体と水との間接熱交換だけで所期の蒸気（つまり第二蒸気発生部３で得ようとする蒸気と同等の蒸気）を得られる場合には、まずは第一蒸気発生部２で蒸気を作った後、第二蒸気発生部３の各ヒートポンプ５，６の熱源とする。これにより、高温の熱源流体を単に各ヒートポンプ５，６の熱源とするだけの場合よりも、各ヒートポンプ５，６の消費電力を下げることができ、省エネルギーを図ることができる。
【００３６】
具体例を述べると、第二蒸気発生部３において、たとえば５ｋｇｆ／ｃｍ２Ｇ（０．４９ＭＰａＧ、１５８℃）の蒸気を発生させる場合において、熱源流体としてボイラの排ガスやオイルフリー式空気圧縮機の廃熱を用いると、これら熱源流体の温度は２５０℃程度もあり、これを単に第二蒸気発生部３の各ヒートポンプ５，６の熱源とするとエクセルギーに無駄を生じる。そこで、このような場合には本実施例の蒸気発生システム１を適用し、熱源流体をまずは第一蒸気発生部２のボイラ４に通して蒸気（５ｋｇｆ／ｃｍ２、１５８℃）を作り、その後、第二蒸気発生部３の各ヒートポンプ５，６の熱源とするのである。これにより、高温の熱源流体をいきなり第二蒸気発生部３の各ヒートポンプ５，６の熱源とした場合に比べて、各ヒートポンプ５，６の消費電力を下げることができ、省エネルギーを図ることができる。なお、上記の例の場合、熱源流体は、第一ヒートポンプ５の第二蒸発器１４の入口側で１６３℃、第二ヒートポンプ６の蒸発器２０の入口側で１２０℃、出口側で９０℃となる。但し、これら数値は、一例である。
【００３７】
また、第二蒸気発生部３において、熱源流体は、まずは第一ヒートポンプ５の第二蒸発器１４を通された後、第二ヒートポンプ６の蒸発器２０を通される。これにより、第一ヒートポンプ５の第二蒸発器１４において熱源流体が冷やされた分を第二ヒートポンプ６がカバーして、第二蒸発器１４を通過後の熱源流体からも再び熱をくみ上げることができる。また、第一ヒートポンプ５では、くみ上げる温度差を低減することができ、その分だけ圧縮機１０の電力を少なくでき、蒸気発生システム１の効率を向上することができる。
【００３８】
言い換えれば、第二蒸気発生部３は、全体でみるとあたかも複数段（本実施例では二段）のヒートポンプ５，６で構成されてなり、くみ上げるエネルギーの一部（典型的には半分）を中段からくみ上げることになるので、成績係数を増加させることができる。また、最下段からくみ上げるエネルギーを減らす（典型的には半分にする）ことができるので、低段側（第二ヒートポンプ６）の圧縮機１７の容量を小さくすることができる。
【００３９】
第二蒸気発生部３の作用効果について、さらに詳細に説明する。
図２は、熱を与えられる流体の入口部の状態がＴｈの飽和水、熱を与えられる流体の出口部の状態がＴｈの飽和蒸気であり（つまり熱を与えられる流体は潜熱を与えられる）、熱を与える流体の入口部の状態がＴｈの飽和水、熱を与える流体の出口部の状態がＴｌの過冷却水（つまり熱を与える流体は顕熱を奪われる）の条件において、理想的に熱をくみ上げる場合（以下、理想サイクルという。）のＴ−Ｓ線図である。つまり、縦軸が温度、横軸がエントロピーを示している。
【００４０】
この理想サイクルつまり実線で囲まれた三角形の面積が、前記条件を実現するための最小動力（理想動力）となる。そして、このときの成績係数ＣＯＰ＝２×（Ｔｈ／（Ｔｈ−Ｔｌ））となる。
【００４１】
一方、図３は、従来公知の単段のヒートポンプ（逆カルノーサイクル）のＴ−Ｓ線図である。但し、図３は、膨張弁出口損失、圧縮機過熱損失は無視し、熱交換性能を無限大とした場合を示している。この場合、成績係数ＣＯＰ＝Ｔｈ／（Ｔｈ−Ｔｌ）となる。二点鎖線Ａで示すように、ヒートポンプを上下二段にしても同様である。
【００４２】
図２と図３とを比較すると、図３の四角形の面積から図２の三角形の面積を引いた分が、理想サイクルと比べて余分な動力といえ、その分だけ成績係数は低下する。
【００４３】
一方、図４は、本実施例の蒸気発生システム１のＴ−Ｓ線図である。この場合、成績係数ＣＯＰ＝（４／３）×（Ｔｈ／（Ｔｈ−Ｔｌ））となる。つまり、従来公知の単段のヒートポンプの効率の４／３倍となる。なお、Ｔｍ＝（Ｔｈ＋Ｔｌ）／２、Ｓｍ＝（Ｓ１＋Ｓ２）／２とした。図３と比べて、右下の箇所が欠けることで、この分だけ動力を軽減して、効率を増すことができる。
【００４４】
さて、図４では、段数を二段としたが、段数を増やせば、図５に示すように、サイクルで囲まれる面積をさらに少なくすることができ、第二蒸気発生部３の効率をさらに向上することができる。段数を無限大とした場合、理論上、ＣＯＰ＝２×（Ｔｈ／（Ｔｈ−Ｔｌ））となる。つまり、従来公知の単段のヒートポンプの効率の２倍とできる。段数を増やした第二蒸気発生部３の具体的構成については、次に説明する。
【００４５】
図１では、第二蒸気発生部３は、第一ヒートポンプ５を単段で構成し、第二ヒートポンプ６も単段で構成したが、各ヒートポンプ５，６の段数は適宜に変更可能である。言い換えれば、図１では、単段の第一ヒートポンプ５と単段の第二ヒートポンプ６とを組み合わせて、第二蒸気発生部３は、全体でみるとあたかも二段のヒートポンプ５，６で構成した例を示したが、第二蒸気発生部３を構成するヒートポンプの段数は適宜に変更可能である。なお、複数段（多段）のヒートポンプには、一元多段のヒートポンプの他、複数元（多元）のヒートポンプ、あるいは両者の組合せのヒートポンプが含まれる。
【００４６】
第二蒸気発生部３を三段以上のヒートポンプで構成する場合（第一ヒートポンプ５を複数段にする場合）、最下段のヒートポンプ（第二ヒートポンプ６）を除き、すべての段の第一ヒートポンプ５において、蒸発器として第一蒸発器１３と第二蒸発器１４とを設け、各第一蒸発器１３で上下隣接するヒートポンプ同士を接続し、各第二蒸発器１４には上段から下段へ向けて熱源流体を順に通せばよい。その後、その熱源流体を、第二ヒートポンプ６の最下段の蒸発器２０に通せばよい。
【実施例２】
【００４７】
図６は、本発明の蒸気発生システム１の実施例２を示す概略図である。本実施例２の蒸気発生システム１は、基本的には前記実施例１と同様である。そこで、以下においては、両者の異なる点を中心に説明し、対応する箇所には同一の符号を付して説明する。
【００４８】
本実施例２は、第二蒸気発生部３の構成において、前記実施例１と異なる。本実施例２では、第二蒸気発生部３は、第一ヒートポンプ２２と第二ヒートポンプ２３とを並列に備える。
【００４９】
第一ヒートポンプ２２は、蒸気圧縮式のヒートポンプであり、本実施例では単段のヒートポンプから構成される。具体的には、第一ヒートポンプ２２は、圧縮機２４、凝縮器２５、膨張弁２６および蒸発器２７が順次環状に接続されて構成される。本実施例２では、前記実施例１のように、二つの蒸発器を備える必要はない。
【００５０】
第二ヒートポンプ２３は、蒸気圧縮式のヒートポンプであり、本実施例では上下二段のヒートポンプ２３Ａ，２３Ｂから構成される。第二ヒートポンプ２３を構成する各段のヒートポンプ２３Ａ，２３Ｂは、基本的には第一ヒートポンプ２２と同様の構成である。つまり、それぞれ、圧縮機２８Ａ，２８Ｂ、凝縮器２９Ａ，２９Ｂ、膨張弁３０Ａ，３０Ｂおよび蒸発器３１Ａ，３１Ｂが順次環状に接続されて構成される。
【００５１】
そして、上下のヒートポンプ２３Ａ，２３Ｂ同士は、次のようにして接続される。すなわち、下段ヒートポンプ２３Ｂの圧縮機２８Ｂからの冷媒と上段ヒートポンプ２３Ａの膨張弁３０Ａからの冷媒とを受けて、両冷媒を混ぜることなく熱交換する間接熱交換器３２を備え、この間接熱交換器３２が下段ヒートポンプ２３Ｂの凝縮器２９Ｂであると共に上段ヒートポンプ２３Ａの蒸発器３１Ａとされる。但し、上下のヒートポンプ２３Ａ，２３Ｂは、間接熱交換器３２に限らず、中間冷却器で接続されてもよい。
【００５２】
本実施例２では、熱源流体は、第一蒸気発生部２のボイラ４を通された後、第二蒸気発生部３へ送られ、第一ヒートポンプ２２の蒸発器２７を通され、さらに第二ヒートポンプ２３の下段の蒸発器３１Ｂを通される。そして、ボイラ４、第一ヒートポンプ２２の凝縮器２５、および第二ヒートポンプ２３の上段の凝縮器２９Ａにおいて、水を加熱して蒸気を発生させる。
【００５３】
ところで、典型的には、第二ヒートポンプ２３の上段の膨張弁３０Ａから圧縮機２８Ａへの冷媒の圧力および温度は、第一ヒートポンプ２２の膨張弁２６から圧縮機２４への冷媒の圧力および温度と同一とされる。この場合、第二ヒートポンプ２３の上段ヒートポンプ２３Ａと、第一ヒートポンプ２２とは、同一の構成とすることができる。そして、第一ヒートポンプ２２の蒸発器２７と、第二ヒートポンプ２３の下段の蒸発器３１Ｂとを順に通される熱源流体は、第一ヒートポンプ２２において冷やされた分を第二ヒートポンプ２３の下段ヒートポンプ２３Ｂがカバーして、第二ヒートポンプ２３の上段の膨張弁３０Ａから圧縮機２８Ａへの冷媒の圧力および温度を、第一ヒートポンプ２２の膨張弁２６から圧縮機２４への冷媒の圧力および温度と同一とする。また、第一ヒートポンプ２２の凝縮器２５と、第二ヒートポンプ２３の上段の凝縮器２９Ａとにおいて、水を加熱して同一圧力の蒸気（許容圧力範囲内の蒸気）を発生させることができる。
【００５４】
本実施例２の蒸気発生システム１も、前記実施例１と同様に、熱源流体を、まずは第一蒸気発生部２に通して蒸気を作った後、第二蒸気発生部３の各ヒートポンプ２２，２３の熱源とする。これにより、高温の熱源流体を単に各ヒートポンプ２２，２３の熱源とするだけの場合よりも、各ヒートポンプ２２，２３の消費電力を下げることができ、省エネルギーを図ることができる。
【００５５】
また、第二蒸気発生部３において、熱源流体は、まずは第一ヒートポンプ２２の蒸発器２７を通された後、第二ヒートポンプ２３の下段の蒸発器３１Ｂを通される。そして、第二ヒートポンプ２３の段数を第一ヒートポンプ２２より多くしておくことで、第一ヒートポンプ２２の蒸発器２７において熱源流体が冷やされた分を第二ヒートポンプ２３がカバーして、第一ヒートポンプ２２の蒸発器２７を通過後の熱源流体からも再び熱をくみ上げることができる。また、第一ヒートポンプ２２では、くみ上げる温度差を低減することができ、その分だけ圧縮機２４の電力を少なくでき、蒸気発生システム１の効率を向上することができる。
【００５６】
言い換えれば、第二蒸気発生部３は、くみ上げるエネルギーの一部（典型的には半分）が中段からくみ上げることになるので、成績係数を増加させることができる。また、蒸気発生システム１を全体で見た場合、最下段からくみ上げるエネルギーを減らす（典型的には半分にする）ことができるので、低段側（第二ヒートポンプ２３の下段ヒートポンプ２３Ｂ）の圧縮機２８Ｂの容量を小さくすることができる。
【００５７】
図６では、第二蒸気発生部３は、第一ヒートポンプ２２を単段で構成し、第二ヒートポンプ２３を上下二段のヒートポンプ２３Ａ，２３Ｂで構成したが、第二ヒートポンプ２３の段数が第一ヒートポンプ２２の段数よりも多い限り、各ヒートポンプ２２，２３の段数は適宜に変更可能である。なお、複数段（多段）のヒートポンプには、一元多段のヒートポンプの他、複数元（多元）のヒートポンプ、あるいは両者の組合せのヒートポンプが含まれる。
【００５８】
また、第二ヒートポンプ２３は、並列に設置された複数のヒートポンプから構成してもよい。言い換えれば、第一ヒートポンプ２２や第二ヒートポンプ２３に加えて、第三ヒートポンプを設けてもよい他、さらに第四ヒートポンプ、第五ヒートポンプ、…というように、全体としてｎ個（ｎ≧２）のヒートポンプを並列に設置してもよい。この場合も、このｎ個のヒートポンプは、各最下段の蒸発器に熱源流体が順に通され、この熱源流体が通される順に段数が多くなるよう（好ましくは一段ずつ多くなるよう）構成され、各最上段の凝縮器において水を加熱して蒸気を発生させればよい。
【実施例３】
【００５９】
図７は、本発明の蒸気発生システム１の実施例３を示す概略図である。本実施例３の蒸気発生システム１は、基本的には前記各実施例と同様である。そこで、以下においては、両者の異なる点を中心に説明し、対応する箇所には同一の符号を付して説明する。
【００６０】
本実施例３は、第二蒸気発生部３の構成において、前記各実施例と異なる。前記各実施例では、第二蒸気発生部３はヒートポンプを用いて構成されたが、本実施例３では、第二蒸気発生部３は蒸気圧縮機を用いて構成される。言い換えれば、本実施例３の蒸気発生システム１は、前記各実施例の第二蒸気発生部３のヒートポンプを、図８に示す蒸気システム３３にしたものということができる。
【００６１】
図８は、蒸気圧縮機３４を用いた蒸気システム３３を示す概略図である。この蒸気システム３３では、蒸気を圧縮して吐出する蒸気圧縮機３４と、この蒸気圧縮機３４からの蒸気が用いられる蒸気使用設備３５と、この蒸気使用設備３５からドレン（蒸気の凝縮水）を排出するドレン排出機構３６と、このドレン排出機構３６から排出される流体の気液分離部３７とを備える。
【００６２】
気液分離部３７は、典型的には中空タンクを備え、ドレン排出機構３６からのドレンを受け入れる。ドレンは、ドレン排出機構３６を通過することでフラッシュ（つまり減圧されることで蒸気化）し、気液分離部３７にて気液分離を図られる。気液分離部３７の上部には、蒸気圧縮機３４への吸入路３８が接続されており、気液分離部３７の下部には、ドレン排出機構３９を介して排水路４０が接続されている。
【００６３】
各ドレン排出機構３６，３９は、典型的にはスチームトラップであるが、これに代えてまたはこれに加えて、バルブ、オリフィスまたはキャピラリチューブなどの圧損要素でもよい。たとえば、図８では、蒸気使用設備３５から気液分離部３７への管路には、ドレン排出機構３６としてスチームトラップを設けているが、そのスチームトラップより下流に、所望により減圧弁などの圧損要素をさらに設けてもよい。
【００６４】
さて、図８の蒸気システム３３を観察した場合、蒸気は、蒸気圧縮機３４で圧縮され、蒸気使用設備３５で凝縮され、ドレン排出機構（前記圧損要素）３６で膨張され、気液分離部３７で蒸発されることになる。従って、ヒートポンプの冷媒と同様の作用を行っており、図８の蒸気システム３３をヒートポンプと等価とみることができる。よって、前記各実施例の蒸気発生システム１において、ヒートポンプサイクルに代えて、図８に示す蒸気システム３３を適用することができる。以下、本実施例３の蒸気発生システム１について、具体的に説明する。
【００６５】
本実施例３の蒸気発生システム１も、第一蒸気発生部２と第二蒸気発生部３とを備え、第一蒸気発生部２はボイラ４から構成され、第二蒸気発生部３は蒸気圧縮機４１，４２を備えて構成される。本実施例３の場合、熱源流体は、蒸気使用設備からのドレンである。
【００６６】
蒸気使用設備からの熱源流体（ここではドレン）は、熱源流体路８を介して、ボイラ４に供給される。ボイラ４では、熱源流体と水との間接熱交換が図られ、熱源流体の熱で水が加熱され蒸気を発生させる。ボイラ４で使用後の熱源流体は、第二蒸気発生部３へ送られる。
【００６７】
第二蒸気発生部３は、下段蒸気圧縮機４１からの蒸気を上段蒸気圧縮機４２でさらに圧縮して吐出するように、上下二段の蒸気圧縮機を備える。図７において二点鎖線で示された構成も含めて第二蒸気発生部３を観察した場合、右側に示される一段の蒸気圧縮機４２と、左側に示される上下二段の蒸気圧縮機４１，４１Ａとが、並列に設置された状態とみることができる。従って、この構成は、図８の構成がヒートポンプと対応することを考慮すると、前記実施例２の第二蒸気発生部３と対応することが分かる。但し、二点鎖線の部分（蒸気圧縮機４１Ａ）は、上段蒸気圧縮機４２として統一することができるので、省略することができる。
【００６８】
第一蒸気発生部２にて使用後の熱源流体は、上段ドレン排出機構４３を介してフラッシュし、上段気液分離部４４に供給されて気液分離された後、その液体は下段ドレン排出機構４５を介してフラッシュし、下段気液分離部４６に供給されて気液分離される。各ドレン排出機構４３，４５は、前述したとおり、ここではスチームトラップであるが、これに代えてまたはこれに加えて、バルブ、オリフィスまたはキャピラリチューブでもよい。また、各気液分離部４４，４６は、前述したとおり、ここでは中空タンクであるが、単なるＴ字配管部などでもよい。
【００６９】
そして、下段蒸気圧縮機４１は、下段気液分離部４６からの蒸気を圧縮して吐出し、上段蒸気圧縮機４２は、下段蒸気圧縮機４１からの蒸気と上段気液分離部４４からの蒸気とを圧縮して吐出する。その蒸気は、典型的にはボイラ４からの蒸気と合流して、蒸気使用設備へ送られる。
【００７０】
図７では、第二蒸気発生部３は、上下二段の蒸気圧縮機４２，４１で構成したが、蒸気圧縮機の段数は適宜に変更可能である。言い換えれば、上段蒸気圧縮機（第一蒸気圧縮機４２）や下段蒸気圧縮機（第二蒸気圧縮機４１）に加えて、第三蒸気圧縮機を設けてもよい他、さらに第四蒸気圧縮機、第五蒸気圧縮機、…というように、全体としてｎ個（ｎ≧２）の蒸気圧縮機を設置してもよい。この場合も、このｎ個の蒸気圧縮機は、下段の蒸気圧縮機からの蒸気を、順次、上段の蒸気圧縮機で圧縮して吐出するように、直列に接続される。また、最下段の蒸気圧縮機は、最下段の気液分離部からの蒸気を圧縮して吐出し、それより上段の各段の蒸気圧縮機は、その段の気液分離部からの蒸気と一つ下段の蒸気圧縮機からの蒸気とを圧縮して吐出する。各段の気液分離部には、一つ上段の気液分離部からのドレンが、ドレン排出機構を介して供給される。
【実施例４】
【００７１】
図９は、本発明の蒸気発生システム１の実施例４を示す概略図である。本実施例４の蒸気発生システム１は、基本的には前記実施例３と同様である。そこで、以下においては、両者の異なる点を中心に説明し、対応する箇所には同一の符号を付して説明する。
【００７２】
本実施例４は、第一蒸気発生部２の構成において、前記実施例３と異なる。第一蒸気発生部２は、前記実施例３では、ドレンと水とを間接熱交換するボイラ４としたが、本実施例４では、ドレンをフラッシュさせて蒸気を発生させる気液分離部４７とされる。つまり、蒸気使用設備からのドレンは、ドレン排出機構（典型的には蒸気トラップ）４８を介してフラッシュし、第一蒸気発生部２としての気液分離部（典型的には中空タンク）４７に供給される。そして、そのフラッシュ蒸気は、蒸気圧縮機を介することなく、蒸気使用設備へ送られる。一方、第一蒸気発生部２の気液分離部４７にて分離された液体は、前記実施例３で述べたように、上段ドレン排出機構４３を介して上段気液分離部４４へ供給される。その他の構成は、前記実施例３と同様のため、説明を省略する。
【００７３】
ところで、本実施例４の第一蒸気発生部２の構成は、前記実施例３に限らず、前記実施例１や前記実施例２にも同様に適用可能である。つまり、第二蒸気発生部３のヒートポンプの熱源流体がドレンの場合、本実施例４の第一蒸気発生部２の構成は、前記実施例１や前記実施例２の第一蒸気発生部２に代えて用いることができる。具体的には、第一蒸気発生部２は、前記実施例１や前記実施例２では、熱源流体と水とを間接熱交換するボイラ４としたが、本実施例４のように、ドレンをフラッシュさせて蒸気を発生させる気液分離部４７としてもよい。この場合、蒸気使用設備からのドレンは、ドレン排出機構（典型的には蒸気トラップ）４８を介してフラッシュし、第一蒸気発生部２としての気液分離部（典型的には中空タンク）４７に供給される。そして、そのフラッシュ蒸気は、そのまま蒸気使用設備へ送られる。一方、第一蒸気発生部２の気液分離部４７にて分離された液体は、ドレン排出機構４３を介して第二蒸気発生部３の各ヒートポンプへ供給される。その際、熱源流体は、上段のヒートポンプから下段のヒートポンプへと順次通されるが、下段へ行くに従ってドレン排出機構により段階的にドレンを減圧してもよい。
【００７４】
なお、本発明の蒸気発生システム１は、前記各実施例の構成に限らず、適宜変更可能である。たとえば、前記各実施例では、ヒートポンプのみを用いたシステム、あるいは蒸気圧縮機のみを用いたシステムについて述べたが、場合により、ヒートポンプと蒸気圧縮機とを組み合わせてもよい。また、前記実施例３や前記実施例４において、蒸気圧縮機４１，４２を直列に接続する際、下段の蒸気圧縮機４１からの蒸気は、上段の気液分離部（中空タンク）４４へ供給されてもよい。その他、ヒートポンプや蒸気圧縮機などからの蒸気を蒸気使用設備へ送る蒸気路には、必要に応じて、燃料焚きボイラなどからの蒸気が合流される。
【符号の説明】
【００７５】
１  蒸気発生システム
２  第一蒸気発生部
３  第二蒸気発生部
４  ボイラ
５  第一ヒートポンプ
６  第二ヒートポンプ
１１  （第一ヒートポンプの）凝縮器
１３  （第一ヒートポンプの）第一蒸発器
１４  （第一ヒートポンプの）第二蒸発器
１８  （第二ヒートポンプの）凝縮器
２０  （第二ヒートポンプの）蒸発器
２２  第一ヒートポンプ
２３  第二ヒートポンプ
２５  （第一ヒートポンプの）最上段の凝縮器
２７  （第一ヒートポンプの）最下段の蒸発器
２９Ａ（第二ヒートポンプの）最上段の凝縮器
３１Ｂ  （第二ヒートポンプの）最下段の蒸発器
４１  下段蒸気圧縮機
４２  上段蒸気圧縮機
４３  上段ドレン排出機構
４４  上段気液分離部
４５  下段ドレン排出機構
４６  下段気液分離部
４７  （ボイラに代わる）気液分離部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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