(57)【要約】【課題】蒸気圧縮機とヒートポンプとの内、少なくとも蒸気圧縮機を用いた蒸気発生システムにおいて、システム効率を向上する。【解決手段】第一蒸気発生部２は、単段の蒸気圧縮機２３から構成される。第二蒸気発生部３は、上下二段のヒートポンプ５Ａ，５Ｂから構成される。蒸気使用設備１７から第一ドレン排出機構２４を介して排出される流体は、第一蒸気発生部２の気液分離部２５に送られた後、第二ドレン排出機構２７を介して第二蒸気発生部３の下段ヒートポンプ５Ｂの蒸発器１３Ｂに送られる。第一蒸気発生部２の蒸気圧縮機２３からの蒸気と、第二蒸気発生部３の上段ヒートポンプ５Ａの凝縮器１１Ａからの蒸気とは、合流されて蒸気使用設備１７へ送られる。【選択図】図７
2014062699.tif 000002
【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、
第一蒸気発生部と第二蒸気発生部との内、一方または双方は、ドレン排出機構を介して排出される流体の気液分離部から蒸気を吸入し圧縮して吐出する蒸気圧縮機から構成され、
第一蒸気発生部と第二蒸気発生部との内、一方のみが蒸気圧縮機から構成される場合、他方は、蒸発器から熱をくみ上げて凝縮器において水を加熱して蒸気を発生させるヒートポンプから構成され、
第二蒸気発生部を構成する蒸気圧縮機またはヒートポンプの段数は、第一蒸気発生部を構成する蒸気圧縮機またはヒートポンプの段数よりも多く、
第一のドレン排出機構を介して排出される流体は、第一蒸気発生部の気液分離部または蒸発器に送られた後、第二のドレン排出機構を介して第二蒸気発生部の気液分離部または蒸発器に送られる
ことを特徴とする蒸気発生システム。
【請求項２】
第一蒸気発生部は、単段の蒸気圧縮機から構成され、
第二蒸気発生部は、上下二段のヒートポンプから構成され、
蒸気使用設備から第一のドレン排出機構を介して排出される流体は、第一蒸気発生部の気液分離部に送られた後、第二のドレン排出機構を介して第二蒸気発生部の下段ヒートポンプの蒸発器に送られ、
第一蒸気発生部の蒸気圧縮機からの蒸気と、第二蒸気発生部の上段ヒートポンプの凝縮器からの蒸気とは、合流されて蒸気使用設備へ送られる
ことを特徴とする請求項１に記載の蒸気発生システム。
【請求項３】
第二蒸気発生部は、並列に設置された複数のヒートポンプから構成され、前記二段のヒートポンプの他に、三段以上のヒートポンプを備え、
この複数のヒートポンプは、各最下段の蒸発器に前記流体が順に通され、この流体が通される順に段数が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る
ことを特徴とする請求項２に記載の蒸気発生システム。
【請求項４】
第一蒸気発生部は、単段の蒸気圧縮機から構成され、
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から構成され、
蒸気使用設備から第一のドレン排出機構を介して排出される流体は、第一蒸気発生部の気液分離部に送られた後、第二のドレン排出機構を介して第二蒸気発生部の気液分離部に送られ、
第一蒸気発生部の蒸気圧縮機からの蒸気と、第二蒸気発生部の上段蒸気圧縮機からの蒸気とは、合流されて蒸気使用設備へ送られる
ことを特徴とする請求項１に記載の蒸気発生システム。
【請求項５】
第二蒸気発生部の上段蒸気圧縮機を省略する代わりに、下段蒸気圧縮機からの蒸気は、第一蒸気発生部の蒸気圧縮機へ送られる
ことを特徴とする請求項４に記載の蒸気発生システム。
【請求項６】
第二蒸気発生部は、ドレン排出機構を介して排出される流体の気液分離部と、この気液分離部から気体を吸入し圧縮して吐出する蒸気圧縮機とのセットを、複数備え、
第二蒸気発生部の各蒸気圧縮機は、下段から上段へ向けて蒸気圧を段階的に高めるように直列に接続され、
第二蒸気発生部の各気液分離部には、上段から下段へ向けて液体が順に送られる
ことを特徴とする請求項５に記載の蒸気発生システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気圧縮機とヒートポンプとの内、少なくとも蒸気圧縮機を備えて構成される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）
【特許文献４】特開２０１１−１５３７６０号公報（図１）
【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、熱源流体が顕熱を放出する場合、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。特に、そのようなシステムを、蒸気圧縮機とヒートポンプとの内、少なくとも蒸気圧縮機を用いて実現することを課題とする。
【００１１】
なお、前記特許文献４には、第一段圧縮機（２）と第二段圧縮機（３）とを備えた二段圧縮装置が開示されているが、圧縮空気製造用の空気圧縮機であり、また圧縮機を単純に二段に接続しているに過ぎない。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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、第一蒸気発生部と第二蒸気発生部との内、一方または双方は、ドレン排出機構を介して排出される流体の気液分離部から蒸気を吸入し圧縮して吐出する蒸気圧縮機から構成され、第一蒸気発生部と第二蒸気発生部との内、一方のみが蒸気圧縮機から構成される場合、他方は、蒸発器から熱をくみ上げて凝縮器において水を加熱して蒸気を発生させるヒートポンプから構成され、第二蒸気発生部を構成する蒸気圧縮機またはヒートポンプの段数は、第一蒸気発生部を構成する蒸気圧縮機またはヒートポンプの段数よりも多く、第一のドレン排出機構を介して排出される流体は、第一蒸気発生部の気液分離部または蒸発器に送られた後、第二のドレン排出機構を介して第二蒸気発生部の気液分離部または蒸発器に送られることを特徴とする蒸気発生システムである。
【００１３】
仮に、第一蒸気発生部と第二蒸気発生部との双方がヒートポンプから構成されているとする（特願２０１１−７９３６９および特願２０１１−７９３７０対応）。つまり、第一蒸気発生部が第一ヒートポンプから構成され、第二蒸気発生部が第二ヒートポンプから構成され、第二ヒートポンプは第一ヒートポンプより段数が多いとする。そして、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に、熱源流体が順に通され、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、水を加熱して蒸気を発生させるとする。この場合、第二ヒートポンプの段数を第一ヒートポンプの段数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。
【００１４】
請求項１に記載の発明によれば、事実上、これら先願発明と同様の作用効果を、蒸気圧縮機を用いて実現することができる。すなわち、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、ヒートポンプに代えて蒸気圧縮機を用いることができることになる。言い換えれば、第一蒸気発生部と第二蒸気発生部との内、少なくとも一方を、ヒートポンプに代えて蒸気圧縮機を用いて構成することができる。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、第一蒸気発生部は、単段の蒸気圧縮機から構成され、第二蒸気発生部は、上下二段のヒートポンプから構成され、蒸気使用設備から第一のドレン排出機構を介して排出される流体は、第一蒸気発生部の気液分離部に送られた後、第二のドレン排出機構を介して第二蒸気発生部の下段ヒートポンプの蒸発器に送られ、第一蒸気発生部の蒸気圧縮機からの蒸気と、第二蒸気発生部の上段ヒートポンプの凝縮器からの蒸気とは、合流されて蒸気使用設備へ送られることを特徴とする請求項１に記載の蒸気発生システムである。
【００１６】
請求項２に記載の発明によれば、単段の蒸気圧縮機と、上下二段のヒートポンプとを用いて、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。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、第二蒸気発生部は、並列に設置された複数のヒートポンプから構成され、前記二段のヒートポンプの他に、三段以上のヒートポンプを備え、この複数のヒートポンプは、各最下段の蒸発器に前記流体が順に通され、この流体が通される順に段数が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ることを特徴とする請求項２に記載の蒸気発生システムである。
【００１８】
請求項３に記載の発明によれば、蒸気発生システム全体でみると、単段の蒸気圧縮機、二段のヒートポンプ、および三段以上のヒートポンプを備えることになる。そして、この複数のヒートポンプは、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ることができる。
【００１９】
請求項４に記載の発明は、第一蒸気発生部は、単段の蒸気圧縮機から構成され、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から構成され、蒸気使用設備から第一のドレン排出機構を介して排出される流体は、第一蒸気発生部の気液分離部に送られた後、第二のドレン排出機構を介して第二蒸気発生部の気液分離部に送られ、第一蒸気発生部の蒸気圧縮機からの蒸気と、第二蒸気発生部の上段蒸気圧縮機からの蒸気とは、合流されて蒸気使用設備へ送られることを特徴とする請求項１に記載の蒸気発生システムである。
【００２０】
請求項４に記載の発明によれば、単段の蒸気圧縮機と、上下二段の蒸気圧縮機とを用いて、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。
【００２１】
請求項５に記載の発明は、第二蒸気発生部の上段蒸気圧縮機を省略する代わりに、下段蒸気圧縮機からの蒸気は、第一蒸気発生部の蒸気圧縮機へ送られることを特徴とする請求項４に記載の蒸気発生システムである。
【００２２】
請求項５に記載の発明によれば、一部の蒸気圧縮機を共通化することで、簡易な構成とすることができる。
【００２３】
さらに、請求項６に記載の発明は、第二蒸気発生部は、ドレン排出機構を介して排出される流体の気液分離部と、この気液分離部から気体を吸入し圧縮して吐出する蒸気圧縮機とのセットを、複数備え、第二蒸気発生部の各蒸気圧縮機は、下段から上段へ向けて蒸気圧を段階的に高めるように直列に接続され、第二蒸気発生部の各気液分離部には、上段から下段へ向けて液体が順に送られることを特徴とする請求項５に記載の蒸気発生システムである。
【００２４】
請求項６に記載の発明によれば、蒸気発生システム全体でみると、三段以上の蒸気圧縮機を備えて構成されることになる。これにより、システム効率をさらに向上することができる。
【発明の効果】
【００２５】
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、熱源流体が顕熱を放出する場合、それに伴う温度低下にも対応することができる。しかも、そのようなシステムを、蒸気圧縮機とヒートポンプとの内、少なくとも蒸気圧縮機を用いて実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】先の出願に開示した蒸気発生システムの一例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】図１の蒸気発生システムの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す図である。
【図６】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７】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８】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９】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１０】本発明の蒸気発生システムの実施例４を示す概略図であり、一部を省略して示している。
【図１１】本発明の蒸気発生システムの実施例５を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
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。
【００２８】
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２０１１−７９３６９、特願２０１１−７９３７０）の変形例である。そこで、まずはこの先の出願の発明について簡単に説明し、その後、本発明の実施例について説明する。
【００２９】
図１は、先の出願に開示した蒸気発生システム１の一例を示す概略図である。こ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。第一蒸気発生部２は第一ヒートポンプ４から構成され、第二蒸気発生部３は第二ヒートポンプ５から構成される。第一ヒートポンプ４と第二ヒートポンプ５とは、並列に設置されている。
【００３０】
第一ヒートポンプ４は、蒸気圧縮式のヒートポンプであり、ここ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４は、圧縮機６、凝縮器７、膨張弁８および蒸発器９が順次環状に接続されて構成される。第一ヒートポンプ４は、蒸発器９において、熱源流体から熱をくみ上げ、凝縮器７において、水を加熱して蒸気を発生させる。
【００３１】
第一ヒートポンプ４の回路には、所望により、圧縮機６の出口側に油分離器を設置したり、凝縮器７の出口側に受液器を設置したり、圧縮機６の入口側にアキュムレータを設置したり、凝縮器７から膨張弁８への冷媒と蒸発器９から圧縮機６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４に限らず、第二ヒートポンプ５など、本明細書で述べる他のヒートポンプについても同様である。また、第一ヒートポンプ４や第二ヒートポンプ５など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。
【００３２】
第二ヒートポンプ５は、蒸気圧縮式のヒートポンプであり、ここでは上下二段のヒートポンプ５Ａ，５Ｂから構成される。第二ヒートポンプ５を構成する上下各段のヒートポンプ５Ａ，５Ｂは、基本的には前述した単段の第一ヒートポンプ４と同様の構成である。つまり、それぞれ、圧縮機１０Ａ，１０Ｂ、凝縮器１１Ａ，１１Ｂ、膨張弁１２Ａ，１２Ｂおよび蒸発器１３Ａ，１３Ｂが順次環状に接続されて構成される。上下のヒートポンプ５Ａ，５Ｂは、間接熱交換器１４で接続されており、下段ヒートポンプ５Ｂの凝縮器１１Ｂは、上段ヒートポンプ５Ａの蒸発器１３Ａでもある。第二ヒートポンプ５は、下段ヒートポンプ５Ｂの蒸発器１３Ｂにおいて、熱源流体から熱をくみ上げ、上段ヒートポンプ５Ａの凝縮器１１Ａにおいて、水を加熱して蒸気を発生させる。
【００３３】
但し、上下のヒートポンプ５Ａ，５Ｂは、間接熱交換器１４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。つまり、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。このことは、本明細書で述べる他の複数段のヒートポンプについても同様である。
【００３４】
ところで、典型的には、第二ヒートポンプ５の上段の膨張弁１２Ａから圧縮機１０Ａへの冷媒の圧力および温度は、第一ヒートポンプ４の膨張弁８から圧縮機６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５の上段ヒートポンプ５Ａと、第一ヒートポンプ４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４の蒸発器９と、第二ヒートポンプ５の下段の蒸発器１３Ｂとを順に通される熱源流体は、第一ヒートポンプ４において冷やされた分を第二ヒートポンプ５の下段ヒートポンプ５Ｂがカバーして、第二ヒートポンプ５の上段の膨張弁１２Ａから圧縮機１０Ａへの冷媒の圧力および温度を、第一ヒートポンプ４の膨張弁８から圧縮機６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４の凝縮器７と、第二ヒートポンプ５の上段の凝縮器１１Ａ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含む）を発生させる。
【００３５】
熱源流体は、特に問わないが、各ヒートポンプ４，５に顕熱を与えるもの、すなわち各ヒートポンプ４，５に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。後述する各実施例において、熱源流体は、蒸気使用設備からのドレンである。
【００３６】
熱源流体は、第一ヒートポンプ４の蒸発器９を通された後、第二ヒートポンプ５の下段の蒸発器１３Ｂに通される。第二ヒートポンプ５の段数を第一ヒートポンプ４の段数より多くしておくことで、第一ヒートポンプ４において冷やされた分を第二ヒートポンプ５がカバーすることができる。また、第一ヒートポンプ４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６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。
【００３７】
言い換えれば、蒸気発生システム１は、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、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５の下段ヒートポンプ５Ｂ）の圧縮機１０Ｂの容量を小さくすることができる。
【００３８】
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。
【００３９】
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、成績係数ＣＯＰ＝２×（Ｔｈ／（Ｔｈ−Ｔｌ））となる。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
一方、図４は、図１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。
【００４３】
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、蒸気発生システム１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。
【００４４】
本発明の蒸気発生システムは、上述した先の出願に開示した蒸気発生システム１において、ヒートポンプ４，５の一部または全部を、図６に示す蒸気システム１５にしたものということができる。
【００４５】
図６は、蒸気圧縮機１６を用いた蒸気システム１５を示す概略図である。この蒸気システム１５では、蒸気を圧縮して吐出する蒸気圧縮機１６と、この蒸気圧縮機１６からの蒸気が用いられる蒸気使用設備１７と、この蒸気使用設備１７からドレン（蒸気の凝縮水）を排出するドレン排出機構１８と、このドレン排出機構１８から排出される流体の気液分離部１９とを備える。
【００４６】
気液分離部１９は、単なるＴ字配管部などでもよいが、典型的には中空タンクを備え、ドレン排出機構１８からのドレンを受け入れる。ドレンは、ドレン排出機構１８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１９にて気液分離を図られる。気液分離部１９の上部には、蒸気圧縮機１６への吸入路２０が接続されており、気液分離部１９の下部には、ドレン排出機構２１を介して排出路２２が接続されている。
【００４７】
各ドレン排出機構１８，２１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６では、蒸気使用設備１７から気液分離部１９への管路には、ドレン排出機構１８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。
【００４８】
さて、図６の蒸気システム１５を観察した場合、蒸気は、蒸気圧縮機１６で圧縮され、蒸気使用設備１７で凝縮され、ドレン排出機構（前記圧損要素）１８で膨張され、気液分離部１９で蒸発される。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６の蒸気システム１５をヒートポンプと等価とみることができる。よって、後述する各実施例に示すように、上述した先の出願に開示の蒸気発生システム１において、一部または全部のヒートポンプサイクルに代えて、図６に示す蒸気システム１５を適用することができる。以下、本発明の蒸気発生システムの具体的な実施例について説明する。なお、互いに対応する箇所には同一の符号を付して説明し、その箇所の説明を省略することがある。
【実施例１】
【００４９】
図７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、第一蒸気発生部２は単段の蒸気圧縮機２３を備えて構成され、第二蒸気発生部３は上下二段のヒートポンプ５Ａ，５Ｂを備えて構成される。つまり、図１の蒸気発生システム１において、第一蒸気発生部２を蒸気圧縮機２３で構成したものに相当する。
【００５０】
第一蒸気発生部２は、蒸気使用設備１７から第一ドレン排出機構２４を介して排出される流体の気液分離部２５と、この気液分離部２５から蒸気を吸入し圧縮して吐出する蒸気圧縮機２３とを備える。蒸気圧縮機２３からの蒸気は、逆止弁２６を介して、蒸気使用設備１７へ送られる。なお、気液分離部２５で分離された液体は、第二ドレン排出機構２７を介して排出され、第二蒸気発生部３へ送られる。
【００５１】
第二蒸気発生部３は、上下二段のヒートポンプ５Ａ，５Ｂから構成される。具体的には、上段ヒートポンプ５Ａと下段ヒートポンプ５Ｂとを備え、各段のヒートポンプ５Ａ，５Ｂは、圧縮機１０Ａ，１０Ｂ、凝縮器１１Ａ，１１Ｂ、膨張弁１２Ａ，１２Ｂおよび蒸発器１３Ａ，１３Ｂが順次環状に接続されて構成される。上下のヒートポンプ５Ａ，５Ｂは、図示例では間接熱交換器１４で接続されており、下段ヒートポンプ５Ｂの凝縮器１１Ｂは、上段ヒートポンプ５Ａの蒸発器１３Ａでもある。
【００５２】
下段ヒートポンプ５Ｂの蒸発器１３Ｂには、第二ドレン排出機構２７からのドレンが通される。そして、第二蒸気発生部３は、下段ヒートポンプ５Ｂの蒸発器１３Ｂにおいて、ドレンから熱をくみ上げ、上段ヒートポンプ５Ａの凝縮器１１Ａにおいて、水を加熱して蒸気を発生させる。その蒸気は、第一蒸気発生部２からの蒸気と合流して、蒸気使用設備１７へ送られる。
【００５３】
第一蒸気発生部２からの蒸気と第二蒸気発生部３からの蒸気とを蒸気使用設備１７へ送る蒸気路２８には、ボイラ（図示省略）からの蒸気路２９が合流される。ボイラからの蒸気路２９には、減圧弁３０が設けられており、この減圧弁３０は、それより下流側の蒸気圧を所望に維持するように、機械的に自力で開閉または開度を調整する。従って、第一蒸気発生部２からの蒸気や第二蒸気発生部３からの蒸気だけでは、蒸気使用設備１７への蒸気が不足する場合には、ボイラからの蒸気が供給されることで、蒸気使用設備１７へ安定して蒸気を供給することができる。
【００５４】
図７では、第一蒸気発生部２を単段の蒸気圧縮機２３で構成し、第二蒸気発生部３を上下二段のヒートポンプ５Ａ，５Ｂで構成したが、第二蒸気発生部３を構成するヒートポンプの段数が第一蒸気発生部２を構成する蒸気圧縮機の段数よりも多い限り、蒸気圧縮機やヒートポンプの段数は適宜に変更可能である。
【００５５】
また、第二蒸気発生部３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。たとえば、図７に示される二段のヒートポンプ５（５Ａ，５Ｂ）の他に、三段以上のヒートポンプを設けてもよい。この場合も、この並列設置された複数のヒートポンプは、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２】
【００５６】
図８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、第一蒸気発生部２は単段の蒸気圧縮機２３を備えて構成され、第二蒸気発生部３は上下二段の蒸気圧縮機３１（３１Ａ，３１Ｂ）を備えて構成される。つまり、図１の蒸気発生システム１において、第一蒸気発生部２を蒸気圧縮機２３で構成すると共に、第二蒸気発生部３を蒸気圧縮機３１で構成したものに相当する。
【００５７】
第一蒸気発生部２は、蒸気使用設備１７から第一ドレン排出機構２４を介して排出される流体の第一気液分離部２５と、この第一気液分離部２５から逆止弁３２を介して蒸気を吸入し圧縮して吐出する第一蒸気圧縮機２３とを備える。第一蒸気圧縮機２３からの蒸気は、逆止弁２６を介して、蒸気使用設備１７へ送られる。なお、第一気液分離部２５で分離された液体は、第二ドレン排出機構２７を介して排出され、第二蒸気発生部３へ送られる。
【００５８】
第二蒸気発生部３は、第一気液分離部２５から第二ドレン排出機構２７を介して排出される流体の第二気液分離部３３と、この第二気液分離部３３から蒸気を吸入し圧縮して吐出する上下二段の第二蒸気圧縮機３１（３１Ａ，３１Ｂ）とを備える。この際、第二気液分離部３３からの蒸気を吸入し圧縮して吐出する下段蒸気圧縮機３１Ｂと、この下段蒸気圧縮機３１Ｂから逆止弁３４を介して蒸気を吸入し圧縮して吐出する上段蒸気圧縮機３１Ａとを備える。上段蒸気圧縮機３１Ａからの蒸気は、逆止弁３５を介して、蒸気使用設備１７へ送られる。なお、第二気液分離部３３で分離された液体は、第三ドレン排出機構３６を介して排出され、たとえばボイラの給水タンクへ供給される。
【００５９】
このように、本実施例では、第一蒸気発生部２は、単段の第一蒸気圧縮機２３から構成され、第二蒸気発生部３は、下段蒸気圧縮機３１Ｂからの蒸気を上段蒸気圧縮機３１Ａでさらに圧縮して吐出するように、上下二段の第二蒸気圧縮機３１Ａ，３１Ｂから構成される。そして、第一蒸気発生部２の第一蒸気圧縮機２３からの蒸気と、第二蒸気発生部３の上段蒸気圧縮機３１Ａからの蒸気とは、合流されて蒸気使用設備１７へ送られる。
【００６０】
第一蒸気発生部２からの蒸気と第二蒸気発生部３からの蒸気とを蒸気使用設備１７へ送る蒸気路２８には、ボイラ（図示省略）からの蒸気路２９が合流される。ボイラからの蒸気路２９には、減圧弁３０が設けられており、この減圧弁３０は、それより下流側の蒸気圧を所望に維持するように、機械的に自力で開閉または開度を調整する。従って、第一蒸気発生部２からの蒸気や第二蒸気発生部３からの蒸気だけでは、蒸気使用設備１７への蒸気が不足する場合には、ボイラからの蒸気が供給されることで、蒸気使用設備１７へ安定して蒸気を供給することができる。
【実施例３】
【００６１】
図９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、基本的には前記実施例２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。
【００６２】
本実施例３の蒸気発生システム１は、前記実施例２の蒸気発生システム１において、第二蒸気発生部３の上段蒸気圧縮機３１Ａを省略する代わりに、下段蒸気圧縮機３１Ｂからの蒸気を、逆止弁３４を介して第一蒸気発生部２の第一蒸気圧縮機２３へ供給するものである。これにより、第一蒸気発生部２は第一蒸気圧縮機２３を備え、第二蒸気発生部３は第二蒸気圧縮機３１を備え、これら蒸気圧縮機２３，３１が直列に接続された形となる。
【００６３】
そして、第二蒸気圧縮機３１は、第二気液分離部３３からの蒸気を圧縮して吐出し、第一蒸気圧縮機２３は、第二蒸気圧縮機３１からの蒸気と第一気液分離部２５からの蒸気とを圧縮して吐出する。その他の構成は、前記実施例２と同一であるため、説明は省略する。
【実施例４】
【００６４】
図１０は、本発明の蒸気発生システム１の実施例４を示す概略図であり、一部を省略して示している。
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（または実施例２）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。
【００６５】
本実施例４では、第二蒸気発生部３は、ドレン排出機構２７（３６，３６´）を介して排出される流体の気液分離部３３（３８）と、この気液分離部３３（３８）から逆止弁３９（４０）を介して蒸気を吸入し圧縮して吐出する蒸気圧縮機３１（３７）とのセットを、複数備える。そして、第二蒸気発生部３の各蒸気圧縮機３１，３７は、下段から上段へ向けて蒸気圧を段階的に高めるように直列に接続され、第二蒸気発生部３の各気液分離部３３，３８には、上段から下段へ向けて液体が順に送られる。
【００６６】
言い換えれば、前記実施例３では、蒸気発生システム１全体で見た場合、上下二段の蒸気圧縮機２３，３１で構成されたが、本実施例４では、蒸気圧縮機の段数をさらに増やしたものである。つまり、第一蒸気圧縮機２３や第二蒸気圧縮機３１に加えて、第三蒸気圧縮機３７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５】
【００６７】
図１１は、本発明の蒸気発生システム１の実施例５を示す概略図である。
本実施例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、第一蒸気発生部２は単段のヒートポンプ４を備えて構成され、第二蒸気発生部３は上下二段の蒸気圧縮機３１（３１Ａ，３１Ｂ）を備えて構成される。つまり、図１の蒸気発生システム１において、第二蒸気発生部３を蒸気圧縮機３１で構成したものに相当する。
【００６８】
第一蒸気発生部２は、単段のヒートポンプ４から構成される。具体的には、圧縮機６、凝縮器７、膨張弁８および蒸発器９が順次環状に接続されて構成される。このヒートポンプ４の蒸発器９には、蒸気使用設備１７から第一ドレン排出機構２４を介して排出されるドレンが通される。このようにして蒸発器９において、ドレンから熱をくみ上げ、凝縮器７において、水を加熱して蒸気を発生させる。その蒸気は、蒸気使用設備１７へ送られる。なお、蒸発器９を通過後のドレンは、第二ドレン排出機構２７を介して排出され、第二蒸気発生部３の気液分離部３３へ送られる。
【００６９】
第二蒸気発生部３は、上下二段、言い換えれば直列に接続された蒸気圧縮機３１Ａ，３１Ｂを備える。下段蒸気圧縮機３１Ｂは、気液分離部３３から蒸気を吸入し圧縮して吐出する。上段蒸気圧縮機３１Ａは、下段蒸気圧縮機３１Ｂからの蒸気を、逆止弁３４を介して吸入し圧縮して吐出する。上段蒸気圧縮機３１Ａからの蒸気は、逆止弁３５を介して蒸気使用設備１７へ送られる。この際、第二蒸気発生部３からの蒸気は、第一蒸気発生部２からの蒸気と合流して、蒸気使用設備１７へ送られる。
【００７０】
本実施例でも、前記各実施例と同様に、第一蒸気発生部２からの蒸気と第二蒸気発生部３からの蒸気とを蒸気使用設備１７へ送る蒸気路２８には、ボイラ（図示省略）からの蒸気路２９が合流される。なお、第二蒸気発生部３の気液分離部３３で分離された液体は、第三ドレン排出機構３６を介して排出される。
【００７１】
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。特に、第一蒸気発生部２と第二蒸気発生部３とを備え、その内の少なくとも一方が蒸気圧縮機を備えて構成され、残りがヒートポンプから構成され、第二蒸気発生部３を構成する蒸気圧縮機またはヒートポンプの段数が、第一蒸気発生部２を構成する蒸気圧縮機またはヒートポンプの段数よりも多ければ、その他の構成は適宜に変更可能である。たとえば、第一蒸気発生部２や第二蒸気発生部３に加えて、第三蒸気発生部や第四蒸気発生部などを並列に備えてもよい。その場合において、ドレンが通される下流に行くに従って段数が増すのであれば、各蒸気発生部を蒸気圧縮機で構成すするか、ヒートポンプで構成するかは適宜に変更可能である。
【符号の説明】
【００７２】
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  第一ヒートポンプ
５  第二ヒートポンプ
６  圧縮機
７  凝縮器
８  膨張弁
９  蒸発器
１０Ａ，１０Ｂ  圧縮機
１１Ａ，１１Ｂ  凝縮器
１２Ａ，１２Ｂ  膨張弁
１３Ａ，１３Ｂ  蒸発器
１７  蒸気使用設備
２３  第一蒸気圧縮機
２４  第一ドレン排出機構
２５  第一気液分離部
２７  第二ドレン排出機構
２８  蒸気路
３１  第二蒸気圧縮機
３１Ａ  上段蒸気圧縮機
３１Ｂ  下段蒸気圧縮機
３３  第二気液分離部
３６  第三ドレン排出機構
３７  第三蒸気圧縮機
３８  第三気液分離部
【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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【図１０】
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【図１１】
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