(57)【要約】  水蒸気を発生させるために用いる熱エネルギの消費量をきめ細かく制御して、無駄な熱エネルギの消費を抑制し、エネルギ効率の高い蒸気発生装置を提供する。  蒸気発生装置５は、所定水位まで水を貯留可能に構成された蒸気発生塔５０に、熱源から供給される高温の熱媒体油と水とを熱交換させて水蒸気を発生する蒸気発生部５０Ｂと、蒸気発生部５０Ｂにおいて発生した水蒸気と熱媒体油とを熱交換させて過熱水蒸気を発生する過熱部５０Ａとを備えている。
2010070703.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源から供給される高温の熱媒体と水とを熱交換させて水蒸気を発生する蒸気発生部と、前記蒸気発生部において発生した水蒸気と前記熱媒体とを熱交換させて過熱水蒸気を発生する過熱部とを備えたことを特徴とする蒸気発生装置。
【請求項２】
所定水位まで水を貯留可能に構成された本体を有し、
前記本体内に前記熱媒体が流れる熱媒体供給部を配置し、この熱媒体供給部の下部は前記水位より下に位置して前記蒸気発生部を構成し、前記熱媒体供給部の上部は前記水位より上方に位置して前記過熱部を構成することを特徴とする請求項１に記載の蒸気発生装置。
【請求項３】
前記本体内の水位を調整する水位制御部を備えたことを特徴とする請求項２記載の蒸気発生装置。
【請求項４】
前記熱源供給部へ供給する前記熱媒体の流量を制御する流量制御部を備えたことを特徴とする請求項２または３記載の蒸気発生装置。
【請求項５】
前記流量制御部は、前記熱源から温度の異なる２系統の前記熱媒体が供給される場合に、これら２系統の前記熱媒体の流量を各々制御して混合し、前記本体の前記熱媒体供給部に供給することを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の蒸気発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動力源として利用可能な水蒸気を発生する蒸気発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、水蒸気を発生させる装置としては、燃料を燃焼させた熱により水を加熱するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような装置の典型的な例が、ボイラである。
【特許文献１】特開２００２−３７２２０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ボイラ等の従来の装置においては、必要とされる水蒸気の量（温度、圧力、容量）に合わせて燃料の消費量を調整することは非常に困難であった。これは、水蒸気の発生量が燃焼による熱エネルギだけでなく多くの要因に影響されること等が原因である。このため、従来の装置においては水蒸気の不足を回避するために十分な量の燃料を燃焼させることが一般的であり、必要とされる水蒸気の量より多めに水蒸気を発生させ、余分の水蒸気を大気中に排出していた。このように、必要とされる水蒸気の量に比べて、非常に多くの熱エネルギが消費されてしまうという問題があった。
そこで、本発明は、水蒸気を発生させるために用いる熱エネルギの消費量をきめ細かく制御して、無駄な熱エネルギの消費を抑制し、エネルギ効率の高い蒸気発生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記目的を達成するため、本発明は、熱源から供給される高温の熱媒体と水とを熱交換させて水蒸気を発生する蒸気発生部と、前記蒸気発生部において発生した水蒸気と前記熱媒体とを熱交換させて過熱水蒸気を発生する過熱部とを備えたことを特徴とする蒸気発生装置を提供する。
この構成によれば、熱源から供給される熱媒体によって水蒸気を発生させ、発生した水蒸気を熱媒体によってさらに加熱して過熱水蒸気を発生させるので、熱媒体の供給量を調整することによって、必要な量だけ過熱水蒸気を発生させ、供給することが可能である。これにより、過熱水蒸気の発生に用いる熱エネルギの量を、熱媒体の供給量としてきめ細かく制御することができ、無駄な熱エネルギの消費を抑制して、エネルギ効率の高い蒸気発生装置を実現できる。
ここで、熱媒体としては、常圧またはより高圧の条件下で、水蒸気の発生に必要な高温において高い流動性を有するものであればよく、鉱物油や合成油（シリコーンオイル等）を含む各種油脂、および、その他の各種流体を用いることができる。【０００５】
上記構成において、所定水位まで水を貯留可能に構成された本体を有し、前記本体内に前記熱媒体が流れる熱媒体供給部を配置し、この熱媒体供給部の下部は前記水位より下に位置して前記蒸気発生部を構成し、前記熱媒体供給部の上部は前記水位より上方に位置して前記過熱部を構成してもよい。
この場合、本体内に配置された熱媒体供給部によって、本体内に貯留された水を加熱して水蒸気を発生させるとともに、発生した水蒸気を熱媒体供給部によってさらに加熱して過熱水蒸気を生成することができる。これにより、一つの本体において水から過熱水蒸気を生成して外部に供給できるので、小型の蒸気発生装置を実現できる。また、本体内の熱媒体供給部と水の熱容量は比較的小さいので、運転開始から過熱水蒸気を供給可能になるまでのスタートアップに要する時間が非常に短くて済む。さらに、本体内の熱媒体供給部によって水蒸気の発生と過熱水蒸気の発生との両方を行うことができるので、熱媒体供給部に供給する熱エネルギを制御することで、過熱水蒸気の発生量を容易に調整できる。【０００６】
また、前記本体内の水位を調整する水位制御部を備えた構成としてもよい。この場合、本体内の水位の調整を、熱媒体供給部に供給する熱エネルギの制御と合わせて行うことで、過熱水蒸気の発生量をよりきめ細かく調整できる。
さらに、前記熱源供給部へ供給する前記熱媒体の流量を制御する流量制御部を備えた構成としてもよい。この場合、熱媒体供給部に供給する熱エネルギを、熱媒体の流量によって容易に制御できる。
さらにまた、前記流量制御部は、前記熱源から温度の異なる２系統の前記熱媒体が供給される場合に、これら２系統の前記熱媒体の流量を各々制御して混合し、前記本体の前記熱媒体供給部に供給するものとしてもよい。この場合、熱媒体供給部に供給する熱媒体の流量およびその温度を容易に制御することが可能なため、熱媒体供給部に供給する熱エネルギを、容易に、かつきめ細かく制御できる。
また、流量制御部が、熱源から供給される熱媒体を熱媒体供給部に供給するポンプと、このポンプによる熱媒体の輸送量を制御する制御部とで構成されてもよい。この場合には、熱媒体の流量を即時的に制御可能な電動弁等を設ける必要がなく、特に、高価な耐熱性の弁を設けず、たとえば手動で開閉される弁を用いればよいので、シンプルな構成によって、熱媒体供給部に供給する熱エネルギを容易に、かつきめ細かく制御できる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、過熱水蒸気の発生に用いる熱エネルギの量を、きめ細かく制御することができ、無駄な熱エネルギの消費を抑制して、エネルギ効率の高い蒸気発生装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態としての動力発生システムの構成を示す図である。
【図２】蓄熱槽の構成を示す断面図である。
【図３】蒸気発生装置の構成を示す外観図である。
【図４】蒸気発生装置の周辺回路を含む構成を示す回路図である。
【図５】伸縮部の構成を詳細に示す要部拡大断面図である。
【図６】復水装置の周辺回路を含む構成を示す回路図である。
【図７】変形例としての蒸気発生装置の周辺回路を含む構成を示す回路図である。
【符号の説明】
【０００９】
１  動力発生装置
２  吸熱装置
３  補助熱源
４  蓄熱装置（熱源）
５、５Ａ  蒸気発生装置
６  蒸気エンジン
７  発電機
８  復水装置
９  地中配管部
４０  蓄熱体
４１  蓄熱槽
５０  蒸気発生塔（本体）
５２  気水分離器
５３  水位制御筒（水位制御部）
５６、５７  制御部（水位制御部、流量制御部）
５８  インバータ駆動回路（流量制御部）
８０  水槽
８１  循環ポンプ
８２  吸込管
８３  エゼクタ
８４  混合部
８８  冷却器
１０１、１０２、１０４  循環路
１０３  水循環路
１１１、１１２、１１４  循環ポンプ
１１３  給水ポンプ（水位制御部）
５００  熱源供給管（熱媒体供給部）
５２３  水蒸気供給管
５５１、５５２  電動弁（流量制御部）
５５４  熱媒体供給ポンプ（流量制御部）
５７１、５７２  弁
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
次に本発明の好適な実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態として、自然エネルギを利用した動力発生装置１の構成を示す図である。動力発生装置１は、太陽熱を集熱して熱媒体としての熱媒体油を加熱する吸熱装置２と、吸熱装置で集めた熱を蓄える蓄熱装置４と、蓄熱装置４に蓄えられた熱を利用して水蒸気を発生する蒸気発生装置５と、蒸気発生装置５で発生した水蒸気により駆動される蒸気エンジン６と、蒸気エンジン６において利用後の水蒸気を復水する復水装置８と、地中の熱または冷熱を回収する地中配管部９とを備え、吸熱装置２を用いて太陽熱から得た熱エネルギを、蒸気エンジン６を駆動することで動力エネルギに変換して出力するシステムである。実施形態の動力発生装置１は、蒸気エンジン６の出力軸に発電機７を連結し、電気エネルギを得ることができる。
ここで、自然エネルギとは、新エネルギとして知られている太陽熱、バイオマス熱、雪氷熱エネルギ、廃棄物熱（工場排熱、ゴミ焼却熱、温泉熱）と、地熱とを含む再生可能エネルギ群を指し、このエネルギ群から選択された一以上のエネルギを、本発明において利用できる。本実施形態では、具体例として、太陽熱を熱源として利用する場合について説明する。【００１１】
吸熱装置２は、例えば、熱媒体としての熱媒体油が流れる吸熱管に、ＣＰＣ（複合放物面反射板：Compound Parabolic Concentrator)により集光した太陽熱を照射することにより、熱媒体油を加熱するＣＰＣ式吸熱装置、或いは、真空の外管の中に熱媒体油が流れる内管を通した二重管式の吸熱装置である。
動力発生装置１は、吸熱装置２と蓄熱装置４との間で熱媒体としての熱媒体油を循環させる循環路１０１を有し、循環路１０１には熱媒体油を循環させる循環ポンプ１１１が配置されている。動力発生装置１の熱媒体は広い温度範囲で高い流動性を保つものであればよく、鉱物油やシリコーンオイル等の油脂類の他、水やアルコールに添加剤を溶解させた不凍液を用いることもできる。また、より高温で使用される場合には、例えば、溶融炭酸塩や液体ナトリウムを用いても良い。本実施形態の吸熱装置２において、熱媒体油は例えば２３０℃程度に加熱され、冬期の夜間は０℃以下になる可能性があるので、沸点が２３０℃超、凝固点が０℃未満の材料が好適である。
循環路１０１には、吸熱装置２から蓄熱装置４へ向かって熱媒体油が流れる輸送管に並列に、補助熱源３が設けられている。補助熱源３は電気ヒータ等で熱媒体油を所定温度まで加熱する装置であり、吸熱装置２で加熱された熱媒体油の温度が予定の温度に達しない場合等に、熱媒体油を加熱する。【００１２】
動力発生装置１は、蓄熱装置４と蒸気発生装置５との間で熱媒体油を循環させる循環路１０２を有し、循環路１０２には循環ポンプ１１２が設けられている。蒸気発生装置５は、循環路１０２を介して流入する熱媒体油と、復水装置８から供給される水とを熱交換させることにより、高温高圧の水蒸気を発生する。
動力発生装置１は、吸熱装置２及び補助熱源３によって熱媒体油を加熱し、この熱を蓄熱装置４に貯める蓄熱運転と、蓄熱装置４に貯めた熱を取り出して蒸気発生装置５によって水蒸気を発生する熱利用運転と、を実行可能である。【００１３】
蓄熱運転中は、吸熱装置２及び補助熱源３によって加熱された熱媒体油が循環路１０１を通って蓄熱装置４に流れ、蓄熱装置４が備える蓄熱体４０に熱が蓄えられる。蓄熱体４０に熱を与えた熱媒体油は再び循環路１０１を循環して吸熱装置２に戻り、加熱される。
これに対し、熱利用運転中は、蓄熱体４０からの高温の熱媒体油を、循環路１０２を介して蒸気発生装置５に供給し、この熱媒体油の熱を利用して水蒸気を生成する。水蒸気に熱を与えた後の熱媒体油は循環路１０２を通って蓄熱装置４に戻り、蓄熱体４０の熱を得て再び高温になり、蒸気発生装置５へ供給される。【００１４】
蓄熱運転は、循環ポンプ１１１によって循環路１０１に熱媒体油を循環させることで行われ、熱利用運転は循環ポンプ１１２によって循環路１０２に熱媒体油を循環させることで行われる。このため、循環ポンプ１１１、１１２の動作を制御することで、蓄熱運転と熱利用運転とを、各々切り替えて実行することができ、並列して実行することもできる。
本実施形態では、循環路１０１、１０２を流れる熱媒体油は分離されないが、循環路１０１、１０２を流れる熱媒体油が完全に分離された構成としてもよい。【００１５】
蒸気発生装置５において生成した水蒸気は水循環路１０３を介して蒸気エンジン６に流入する。蒸気エンジン６は、高温高圧の水蒸気の蒸気圧によって駆動される蒸気機関であり、その出力軸に連結された発電機７を駆動して発電させる。
また、水循環路１０３には復水装置８が接続され、蒸気エンジン６において使用された後の水蒸気は水循環路１０３を通って復水装置８に吸引される。復水装置８は、水槽８０（復水槽）と、水槽８０の水を送出する循環ポンプ８１と、循環ポンプ８１により送出された水が高速で噴射されるエゼクタ８３を備えている。エゼクタ８３は、循環ポンプ８１により送出された水を空気と混ざった状態で高速で噴射することで負圧を発生する。この負圧は水循環路１０３を介して蒸気エンジン６の排気側に及び、蒸気エンジン６から使用後の水蒸気がエゼクタ８３に吸い込まれる。復水装置８に吸い込まれた水蒸気はエゼクタ８３において水と混合されて冷却され、水蒸気から液体の水に戻り、水槽８０に貯留される。【００１６】
また、動力発生装置１は、水槽８０の水を冷却するための循環路１０４を備えている。循環路１０４は、地中に埋設された地中配管部９と、地中配管部９を通った熱媒体油を循環させる循環ポンプ１１４とを、水槽８０に設けられた冷却器８８に接続する。循環路１０４では、循環ポンプ１１４によって、地中配管部９において地中の冷熱を吸収した熱媒体油が冷却器８８に供給され、水槽８０の水を冷却する。つまり、蒸気エンジン６で使用された水蒸気を、地中の冷熱を利用して冷却することで、復水装置８において効率よく復水する。【００１７】
図２は、蓄熱装置４の断面図である。
図２に示すように、蓄熱装置４は、円筒形状の中空の蓄熱槽４１に、循環路１０１（図１）に接続される流入口４２、流出口４３及び取出口４４を備えて構成される。蓄熱槽４１の外壁は、断熱材を含む複数層で構成され、上面、側面及び底面が断熱されている。流入口４２は蓄熱槽４１の底部の側面に設けられ、流出口４３は上部の側面に設けられ、取出口４４は高さ方向中央部の側面に設けられている。蓄熱槽４１には、下部の流入口４２から熱媒体油が流入し、上部の流出口４３から流出するので、熱媒体油が蓄熱装置４の内外に流通する間は、蓄熱槽４１の内部の空間は熱媒体油でほぼ満たされる。【００１８】
蓄熱槽４１の内部には、熱媒体油よりも単位体積あたりの熱容量が大きい材料、例えば金属で構成される蓄熱体４０が配置されている。蓄熱体４０は、熱媒体油の流路を形成する底部整流板４５、中央部整流板４６、及び上部整流板４７と、中央部整流板４６および上部整流板４７を貫通する棒状の蓄熱棒４８とで構成される。
底部整流板４５は蓄熱槽４１の下部において流入口４２よりも上の位置に取り付けられ、蓄熱体４０の底面を構成し、蓄熱棒４８は底部整流板４５に乗って支持される。上部整流板４７は蓄熱槽４１の上部において、流出口４３よりも下側に位置する。底部整流板４５と上部整流板４７との間には複数枚の中央部整流板４６が配置され、底部整流板４５、中央部整流板４６及び上部整流板４７は平行になるよう蓄熱槽４１の内面に固定される。【００１９】
底部整流板４５は、蓄熱槽４１の断面形状に合わせて円形に形成され、熱媒体油を通過させるための多数の熱媒体通過孔が設けられ、この底部整流板４５の上に蓄熱棒４８が立設されている。中央部整流板４６は、円形の一部を切り欠いた形状となっており、この切り欠き部分を熱媒体油が通過可能となっている。また、上部整流板４７は、底部整流板４５と同様に蓄熱槽４１の断面形状に合わせて円形に形成され、熱媒体油を通過させるための多数の熱媒体通過孔が設けられている。中央部整流板４６および上部整流板４７には、蓄熱棒４８が貫通する貫通孔が形成されている。この貫通孔は、蓄熱槽４１内が高温になった際に、中央部整流板４６、上部整流板４７および蓄熱棒４８が熱膨張しても、貫通孔と蓄熱棒４８とが干渉しないように、蓄熱棒４８より大径の孔となっている。【００２０】
図２に示すように、蓄熱槽４１の下部の流入口４２から熱媒体油が流入すると、この熱媒体油は蓄熱槽４１の下部を満たし、底部整流板４５の熱媒体通過孔を通って上昇する。ここで、底部整流板４５よりも下の空間は、流入口４２から流入した熱媒体油の流入圧力を緩和する圧力調整室として作用する。熱媒体通過孔を通った熱媒体油は、底部整流板４５と中央部整流板４６との間に溜まる。中央部整流板４６には熱媒体油が流動可能な貫通孔が無いので、熱媒体油は中央部整流板４６の下を水平に移動し、中央部整流板４６の切り欠き部と蓄熱槽４１の内壁との間を通って上昇する。本実施形態の蓄熱体４０は４枚の中央部整流板４６を備え、これら４枚の中央部整流板４６は、互いの切り欠き部が平面視で重なり合わないように配置されている。このため、図中矢印で示すように、切り欠き部によって蛇行状の熱媒体油の流路が形成され、熱媒体油は蛇行しながら蓄熱槽４１内部を上昇する。最も上の中央部整流板４６より上に出た熱媒体油は、上部整流板４７に穿設された熱媒体通過孔を通って蓄熱槽４１の最上部に達し、流出口４３から流出する。【００２１】
このように、蓄熱槽４１には、複数枚の中央部整流板４６によって、熱媒体油を水平方向にも移動させる蛇行状の流路が形成され、この長い流路を流れる間に熱媒体油が蓄熱棒４８に長時間接触する。さらに、蓄熱棒４８を多数備えているので、蓄熱棒４８は重量の割に熱媒体油との接触面積が大きい。また、中央部整流板４６には熱媒体油を流通させる貫通孔が形成されておらず、ほぼ全量の熱媒体油が２枚の中央部整流板４６の間を流れるので、この熱媒体油は蓄熱棒４８に衝突して乱流を生じ、熱媒体油と蓄熱棒４８との間の熱交換が効率よく行われる。このように、蓄熱体４０は、蓄熱棒４８と熱媒体油との接触面積が広く、かつ、蓄熱槽４１の上下左右のサイズに比べて非常に長い蛇行状の熱媒体油の流路を形成することにより、熱媒体油と蓄熱体４０との接触時間を長くして、熱交換効率を高めている。これにより、蓄熱運転時及び熱利用運転時のいずれも、効率よく、蓄熱体４０と熱媒体油との間で熱交換させることができる。
なお、本実施形態では図２に示すように４枚の中央部整流板４６を用いた構成を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されず、より多くの中央部整流板４６を用いることも可能である。また、蓄熱装置４の熱容量を大きくするため、蓄熱槽４１内で蓄熱体４０が占める体積を大きくしてもよい。具体例としては、中央部整流板４６の数を増やす、底部整流板４５、中央部整流板４６および上部整流板４７の板厚を厚くする、蓄熱棒４８をより太いものにする、蓄熱棒４８の数を増やす、等の態様があげられる。【００２２】
また、蓄熱槽４１の高さ方向略中央に設けられた取出口４４は、熱利用運転時に、中温の熱媒体油を取り出す供給する目的で利用できる。すなわち、熱利用運転時には、流入口４２から低温の熱媒体油が流入し、この熱媒体油が高温の蓄熱体４０の熱を奪って高温になり、流出口４３から蒸気発生装置５（図１）へ供給される。ここで、取出口４４の高さ位置では、熱媒体油は低温から高温になる過程の途中であるから、その温度は、流出口４３近傍より低温く、流入口４２近傍よりも高い。従って、取出口４４からは、いわば中温（例えば、１００℃〜１５０℃程度）の熱媒体油を取り出すことができる。【００２３】
図３は、蒸気発生装置５の構成を示す外観図であり、図４は蒸気発生装置５の周辺回路を含む回路図である。図４には、蒸気発生装置５内部の構造の一部を図示している。
この図３及び図４に示す蒸気発生装置５は、水蒸気を発生する本体としての蒸気発生塔５０に、気水分離器５２、水位制御筒５３及び水位計５４を設けた構成となっている。
蒸気発生塔５０は、中空の筒状に構成され、蓋５０２及び底部材５０３が取り付けられて密閉可能に構成され、発生する蒸気の圧力に耐え得る耐圧容器である。蒸気発生塔５０の内部には所定の水位Ｌまで水が貯留され、この水に熱エネルギを与えて加熱する熱源供給管５００（熱媒体供給部）が配置されている。
蓋５０２には、蒸気発生塔５０で発生した水蒸気を気水分離器５２に送出する蒸気送出管５０５が設けられ、底部材５０３には、気水分離器５２から水を蒸気発生塔５０に送出する水供給管５０４が設けられている。
また、蓋５０２には、蒸気発生塔５０で生成された水蒸気の温度を検出する温度センサ５６４及び水蒸気の圧力を検出する圧力センサ５６５が設けられ、さらに、メンテナンス時等に蒸気発生塔５０内の蒸気を外部に放出する蒸気逃がし部５０８が設けられ、底部材５０３には、メンテナンス時等に蒸気発生塔５０内の水を抜く水抜き弁５０９が設けられている。【００２４】
気水分離器５２は、ブラケット５０６、５０７を介して、蒸気発生塔５０に並べて固定されている。気水分離器５２の本体５２１の上端部には蒸気送出管５０５が接続され、５２１の下端部には水供給管５０４が接続されており、本体５２１の内部は水供給管５０４、蒸気送出管５０５によって蒸気発生塔５０の内部空間に連通している。
気水分離器５２は中空容器であり、蒸気発生塔５０で発生した水蒸気と、この水蒸気に含まれる水とを分離する分離器５２２を収容し、分離器５２２により分離された水は気水分離器５２の下方に溜まって、蒸気発生塔５０に送り込まれる。
また、気水分離器５２には、気水分離器５２に給水する給水口５２４が設けられ、給水口５２４には配管５２８が給水ポンプ１１３を介して接続されている。配管５２８には、後述する復水装置８から水が供給される。気水分離器５２と蒸気発生塔５０とは水供給管５０４により繋がっているので、蒸気発生塔５０の水位Ｌと気水分離器５２の水位とが一致するように、気水分離器５２から蒸気発生塔５０へ給水が行われる。
ここで、制御部５６は、給水ポンプ１１３および水位制御筒５３とともに、水位制御部を構成する。【００２５】
さらに、気水分離器５２には、気水分離器５２の水位を制御する水位制御筒５３が設けられている。水位制御筒５３は、その内部の水位が気水分離器５２の水位と一致するように、上下の２本の配管５２６、５２７により気水分離器５２に接続されている。水位制御筒５３の内部には複数の検出電極５３２が配置され、これら検出電極５３２の導通状態により水位制御筒５３の水位を検出できる。また、水位制御筒５３には、水位制御筒５３の水位を表示する水位計５４が設けられている。上述のように、水位制御筒５３及び気水分離器５２の水位は、蒸気発生塔５０の水位Ｌと一致するので、水位計５４により、蒸気発生塔５０の水位Ｌを視認できる。【００２６】
蒸気発生塔５０の内部には、内部の所定高さまで水が貯留され、この水を加熱する熱源供給管５００が設けられている。熱源供給管５００は、蒸気発生塔５０内部の空間を上下に延びる複数の金属管で構成され、その上端及び下端は、蒸気発生塔５０の外で上部接続口５１１及び下部接続口５１２に接続されている。熱源供給管５００には、上部接続口５１１から熱媒体油が入り、下部接続口５１２から排出される。
上部接続口５１１は、熱媒体供給ポンプ５５４を有する配管５５３に接続され、熱媒体供給ポンプ５５４により熱媒体油が上部接続口５１１に送り込まれる。この配管５５３は、蓄熱装置４の流出口４３に接続された配管と、取出口４４に接続された配管とに接続され、流出口４３からの高温の熱媒体油と取出口４４からの中温の熱媒体油とが混合されて配管５５３を流れる。熱源としての蓄熱装置４の流出口４３に接続された配管には電動弁５５１が設けられ、取出口４４に接続された配管には電動弁５５２が設けられており、これら電動弁５５１、５５２の開度を調整することにより、高温の熱媒体油と中温の熱媒体油との混合比および総流量を任意に変えることができる。混合された熱媒体油が流れる配管５５３には温度センサ５６１及び圧力センサ５６２が設けられ、温度と圧力を検出可能となっている。
また、下部接続口５１２には、熱媒体油を蓄熱装置４に戻す配管５５５が接続され、配管５５５には温度センサ５６３が設けられている。【００２７】
蒸気発生塔５０の内部では、熱源供給管５００を流れる熱媒体油によって水が加熱されて水蒸気が発生する。発生した水蒸気は、蒸気発生塔５０を上昇し、この上昇中に熱源供給管５００によってさらに加熱され、過熱水蒸気となって、蒸気送出管５０５により気水分離器５２に送られる。
ここで、熱源供給管５００は、蒸気発生塔５０の水位Ｌ以下の部分では水に接しているため、水蒸気を発生する蒸気発生部５０Ｂとして作用し、水位Ｌより上の部分では、発生した水蒸気に熱を与える過熱部５０Ａとして作用する。
過熱部５０Ａでは、熱源供給管５００を流れる熱媒体油の温度が水の沸点（例えば１００℃）を上回っていれば、水蒸気をさらに加熱して過熱水蒸気を生成することができる。熱源供給管５００には、上部接続口５１１から入った高温の熱媒体油が下向きに流れるので、過熱部５０Ａには高温の熱媒体油が存在する。このため、蒸気発生部５０Ｂで発生した水蒸気を高温の熱媒体油によって加熱し、非常に高温の過熱水蒸気を供給可能である。【００２８】
なお、熱源供給管５００においては、蓄熱装置４から供給される高温の熱媒体油を、下から上へ流す構成としてもよい。この場合、熱媒体油の熱エネルギが水を沸騰させるだけで消耗してしまうような低容量でなければ、過熱水蒸気を供給することが可能である。【００２９】
蒸気発生塔５０で生成された過熱水蒸気は、蒸気送出管５０５を通って気水分離器５２に送られ、気水分離器５２の上部から下向きに吹き出される。気水分離器５２の上部には漏斗状の分離器５２２が設けられているので、過熱水蒸気は分離器５２２に当たって渦を巻き、この過熱水蒸気に含まれる水分は落下して下部に貯留され、分離された過熱水蒸気のみが、分離器５２２の中を通って、気水分離器５２の上部に設けられた水蒸気供給管５２３に送られる。【００３０】
また、蒸気発生塔５０の下部には、伸縮部５１が設けられている。伸縮部５１は、水位Ｌより下に位置し、蒸気発生塔５０の他の部分に比べて高い弾性を持つよう構成されている。蒸気発生装置５の運転時に、熱膨張や圧力変化による蒸気発生塔５０が膨張し、歪みを生じる場合に、伸縮部５１が伸縮することで、歪みを吸収する。たとえば、蒸気発生塔５０本体の壁を複数種類の金属を組み合わせて構成した場合、異種金属間の膨張係数が異なることから、蒸気発生塔５０の運転中に熱膨張による歪みが懸念されるが、伸縮部５１を設けることで、この歪みを吸収できる。これにより、蒸気発生塔５０の安定的な稼働および耐久性の向上を図ることが可能となる。
水位Ｌを、伸縮部５１の位置より上であっても、下であってもよいが、膨張係数の違いによる歪みは高温の過熱部５０Ａにおいて顕著であるため、水位Ｌが伸縮部５１より下にある場合、すなわち伸縮部５１が過熱部５０Ａに属する場合に、伸縮部５１による効果が顕著である。【００３１】
ここで、伸縮部５１の構成例について説明する。
図５Ａ〜図５Ｃは、伸縮部５１の詳細な構成を示す要部拡大断面図である。
伸縮部５１の具体的な形状としては、図５Ａに示すように、蒸気発生塔５０を構成する壁の一部を突出させた形状が挙げられる。仮に、水位Ｌが伸縮部５１よりも上にある場合には、伸縮部５１の近傍で水が沸騰するので、伸縮部５１に気泡が入り込む可能性がある。この場合に対応するためには、図５Ｂに示すように、伸縮部５１の上部と蒸気発生塔５０の筒体との境界に、斜面５１５を設けた形状とすればよい。この構成では、伸縮部５１に入り込んだ気泡が斜面５１５に沿って速やかに伸縮部５１の外に出るので、気泡の滞留による圧力損失を防止できる。
さらに、伸縮部５１は、上述したように歪みを吸収するため、補強を施してもよい。例えば、図５Ｃに示すように、伸縮部５１の上部および下部と蒸気発生塔５０の筒体との間に、補強材５１６を配置した構成としてもよい。補強材５１６は、蒸気発生塔５０の筒体と伸縮部５１に跨って配置され、より具体的には、蒸気発生塔５０の壁の一部を代替し、或いは、蒸気発生塔５０の壁に重ねて溶接等により固定される。このように伸縮部５１を補強することで、より一層の耐久性の向上を図ることができる。【００３２】
蒸気発生装置５は、水蒸気の発生に係る動作を制御する制御部５６を備えている。制御部５６は、温度センサ５６１、５６３、５６４及び圧力センサ５６２、５６５に接続され、これらセンサの温度及び圧力の検出値を取得できる。また、制御部５６には、給水ポンプ１１３、熱媒体供給ポンプ５５４、電動弁５５１、５５２が接続されている。制御部５６は、上記各センサの検出値に基づいて各ポンプ及び電動弁を制御する。
具体的には、制御部５６は、熱媒体供給ポンプ５５４をオンにするとともに、電動弁５５１、５５２の開度を調整することにより、蓄熱装置４から供給される高温の熱媒体油及び中温の熱媒体油の流量をそれぞれ調整して、熱源供給管５００に供給する熱媒体油の温度と流量を調整する。この熱媒体油の温度及び流量は、蒸気発生塔５０における水蒸気の発生量、及び、蒸気発生塔５０から送出される過熱水蒸気の温度を決定する要素である。言い換えれば、蒸気発生装置５は、制御部５６の制御によって、発生する水蒸気の温度及び量を自在に調整することができる。このため、必要とされる水蒸気の量に応じて、必要量だけ蓄熱装置４の熱エネルギを取り出すことが可能なため、無駄な水蒸気を発生することがなく、水の消費量の無駄を無くすことができ、さらに、蓄熱装置４に蓄えた熱エネルギを無駄なく利用できる。このように、制御部５６は、電動弁５５１、５５２とともに流量制御部として機能する。
制御部５６は、また、水位制御筒５３が備える検出電極５３３に接続され、検出電極５３３を用いて水位制御筒５３の水位を検出し、この水位が予め設定された範囲に収まるように、必要に応じて給水ポンプ１１３を動作させて気水分離器５２に給水する。【００３３】
そして、本実施形態の蒸気発生装置５は、燃料を燃焼させて水を加熱する従来のボイラと比較して、次のような利点がある。
すなわち、蒸気発生塔５０自体の熱容量が小さく、また、蒸気発生塔５０内の水を変化させても運転が可能であるため、蒸気発生塔５０内の水を少量として立ち上がりに要する熱エネルギを低く抑えることができる。これにより、運転開始時の昇温に要する時間が短く、短時間で水蒸気を供給できる。
また、電動弁５５１、５５２の開度を調整することにより、熱源供給管５００に流れる熱媒体油の流量及び温度を制御して、水蒸気の発生量及び過熱水蒸気の温度をきめ細かく制御できる。このような制御は、従来のボイラでは不可能である。本実施形態の蒸気発生装置５では必要量のみ水蒸気を発生させて供給することが可能なため、従来のボイラのように水蒸気の不足を回避するために余剰の水蒸気を生成させる必要がない。このため、熱エネルギ及び水の無駄な消費がなく、さらに、余剰の水蒸気をブロー排出する必要がないので、ブロー排出される水蒸気を回収する蒸気アキュムレータ等の付帯設備が要らず、低コスト化や小型化を実現できる。
また、水位Ｌを調整する過熱部５０Ａと蒸気発生部５０Ｂとの比率を変更することによっても、過熱水蒸気の温度および乾き度を調整することができる。【００３４】
図６は復水装置８及び周辺回路を含む回路図である。
図１および図６に示すように、復水装置８は、水を溜める水槽８０と、水槽８０の水を汲み出して送り出す循環ポンプ８１と、循環ポンプ８１により送り出された水を、吸込管８２を介して送られる空気と混合させる混合部８４と、混合部８４で混合された水と空気とを噴射させるエゼクタ８３と、を備えている。循環ポンプ８１は水槽８０の前面側に配置され、この水槽８０により送出された水が空気と混合されてエゼクタ８３の下方から上向きに噴射され、エゼクタ８３上部の配管を介して水槽８０に戻される構成となっている。
水槽８０の上には蓋８５が配置され、水槽８０の前面には水槽８０の水位を示す水位計８６が設けられている。【００３５】
吸込管８２は、蒸気エンジン６の排気ポート（図示略）に接続され、この排気ポートから排出された水蒸気が送られる。この水蒸気は、混合部８４において水と混合されることによって冷却され、液体となって水槽８０に送られる。そして、水槽８０の水は、蒸気発生装置５の配管５２８（図４）に接続された水循環供給管８７により、再び蒸気発生装置５へ送出される。この復水装置８によって、蒸気発生装置５から蒸気エンジン６へ供給した水蒸気が速やかに復水され、再び蒸気発生装置５に供給されるので、わずかな量の水を消費するだけで、安定して水蒸気を供給し続けることができる。また、水槽８０には、市水が供給される給水管８１１が接続され、水槽８０に市水を給水可能となっており、水槽８０内の水が不足した場合に市水を補給できる。水槽８０には、メンテナンス時等に水槽８０の水を排水する排水管８１２が設けられている。【００３６】
さらに、水槽８０の内部には、水槽８０の水を冷却する冷却器８８が設けられている。冷却器８８は、循環路１０４（図１）から供給される熱媒体油が循環する管で構成され、この熱媒体油と水槽８０の水とを熱交換させる。上述のように、蒸気エンジン６で利用された水蒸気は混合部８４で水と混合されて冷却されるが、このとき水蒸気の液化による熱によって、水槽８０に戻る水の温度は上昇している。動力発生装置１では、冷却器８８を流れる熱媒体油によって水槽８０の水の温度を下げて、安定して復水装置８を運転できる。
なお、地中配管部９を含む循環路１０４を流れる熱媒体は、熱媒体油に限らず、水系の不凍液を用いることができる。熱媒体として比熱（熱容量）の大きい流体を用いた場合には、地中の熱（冷熱）を媒介する能力が高いため、循環ポンプ１１４による熱媒体の輸送量が小さくても十分な効果が得られるという利点がある。このため、循環路１０４を流れる熱媒体として制約がなければ、水系の不凍液を用いることが効率的であり、好ましい。【００３７】
以上のように、本発明を適用した実施形態に係る動力発生装置１は、自然エネルギを利用して、吸熱装置２によって熱媒体油を、１００℃を超える所定温度まで加熱し、この１００℃を超える熱媒体油の熱を、蓄熱体４０を有する蓄熱装置４に蓄え、蓄えた熱エネルギによって水を蒸気にして動力を発生させ、利用後の蒸気を地中熱により冷却して環流させる。このため、自然エネルギに基づいて熱媒体油の熱として取り出したエネルギを効率よく蓄えることができ、蓄えた熱エネルギを水蒸気の熱及び圧力として必要量だけ速やかに取り出し、取り出したエネルギを動力エネルギに変換して利用できる。また、熱エネルギの利用に際して利用した水を、地中熱を利用して復水して環流させるので、自然エネルギを利用して水の無駄な消費を抑制するので、より効率的に自然エネルギを利用して動力エネルギを得ることができる。【００３８】
そして、この動力発生装置１が備える蒸気発生装置５は、熱源としての蓄熱装置４から供給される熱媒体油によって水蒸気を発生させ、発生した水蒸気を熱媒体油によってさらに加熱して過熱水蒸気を発生させるので、熱媒体油の供給量を調整することによって、必要な量だけ過熱水蒸気を発生させ、供給することが可能である。これにより、過熱水蒸気の発生に用いる熱エネルギ量を、熱媒体油の供給量としてきめ細かく制御することができ、無駄な熱エネルギの消費を抑制し、エネルギ効率の高い蒸気発生装置５を実現できる。
また、蒸気発生装置５は、所定水位まで水を貯留可能に構成された蒸気発生塔５０内に熱媒体油が流れる熱源供給管５００を配置し、この熱源供給管５００の下部は水位より下に位置して蒸気発生部５０Ｂとなり、熱源供給管５００の上部は水位より上方に位置して過熱部５０Ａとなっているので、熱源供給管５００によって、蒸気発生塔５０内に貯留された水を加熱して水蒸気を発生させるとともに、発生した水蒸気を熱源供給管５００によってさらに加熱して過熱水蒸気を生成できる。つまり、一つの蒸気発生塔５０において水から過熱水蒸気を生成して外部に供給できるので、小型の蒸気発生装置５を実現できる。また、熱源供給管５００と水の熱容量は比較的小さいので、運転開始から過熱水蒸気を供給可能になるまでのスタートアップに要する時間が非常に短くて済み、迅速な立ち上がりを実現できる。さらに、熱源供給管５００によって水蒸気の発生と過熱水蒸気の発生との両方を行うことができるので、熱源供給管５００に供給する熱エネルギを制御することで、過熱水蒸気の発生量（供給量）を容易に調整できる。【００３９】
また、制御部５６の制御のもとに、水位制御筒５３によって蒸気発生塔５０内の水位を調整することが可能なため、蒸気発生塔５０内の水位の調整を、熱源供給管５００に供給する熱エネルギの制御と合わせて行うことにより、過熱水蒸気の発生量をよりきめ細かく調整できる。また、蓄熱装置４から供給される熱媒体油の流量を、制御部５６により、電動弁５５１、５５２の開度を制御するので、熱源供給管５００に供給する熱エネルギを、熱媒体油の流量によって容易に制御できる。この電動弁５５１、５５２の開度の制御により、蓄熱装置４から供給される温度の異なる２系統の熱媒体油の流量を各々制御して混合し、蒸気発生塔５０の熱源供給管５００に供給するので、熱源供給管５００に供給する熱媒体油の流量およびその温度を容易に制御できる。これにより、熱源供給管５００に供給する熱エネルギを、容易に、かつきめ細かく制御できる。【００４０】
なお、上記実施形態においては、制御部５６が、電動弁５５１、５５２の開度を制御することで、熱源供給管５００に供給する熱エネルギの量を制御する構成を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ポンプの制御によって熱エネルギの量を制御する構成としてもよい。この例について、変形例として説明する。【００４１】
［変形例］
図７は、上記実施形態の変形例としての蒸気発生装置５Ａおよび周辺回路を示す回路図である。
この図７に示す蒸気発生装置５Ａは、上記実施形態の蒸気発生装置５において、電動弁５５１、５５２に変えて弁５７１、５７２を設けたものである。
弁５７１、５７２は、例えば手動により開閉される弁であり、その開度を調整可能であるが、制御部５６の制御によって自動的に開閉および開度調整を行うことはできず、例えばメンテナンスの際に作業者によって所定開度に設定される。
また、蒸気発生装置５Ａにおいて、給水ポンプ１１３および熱媒体供給ポンプ５５４を制御する制御部５７は、上記実施形態の制御部５６に、インバータ駆動回路５８を設けたものである。熱媒体供給ポンプ５５４は回転数可変のポンプであり、インバータ駆動回路５８から入力される駆動電流に応じた回転数で動作する。インバータ駆動回路５８は、熱媒体供給ポンプ５５４を駆動する駆動電流を出力する回路であり、制御部５７の制御により決定された回転数で熱媒体供給ポンプ５５４を回転させる。【００４２】
制御部５７には、温度センサ５６１、５６３、５６４及び圧力センサ５６２、５６５に接続され、これらセンサの温度及び圧力の検出値を取得できる。制御部５７は、上記各センサの検出値に基づいて、給水ポンプ１１３を駆動させて、蒸気発生塔５０内の水位を制御する。また、制御部５７は、上記各センサの検出値に基づいて、熱媒体供給ポンプ５５４を所定の流速となるようインバータ駆動回路５８によって駆動させる。【００４３】
弁５７１、５７２の開度は所定開度に固定され、即時的な調整はできないので、熱媒体供給ポンプ５５４によって熱源供給管５００に供給される熱媒体油の温度は概ね一定である。しかしながら、本変形例の構成では、熱媒体供給ポンプ５５４の能力をインバータ駆動回路５８によってきめ細かく制御することが可能なため、蒸気発生塔５０内の水に与える熱エネルギの量を細かく制御できる。
本変形例では、制御部５７が、インバータ駆動回路５８および熱媒体供給ポンプ５５４とともに流量制御部として機能し、電動弁５５１、５５２を設けることなく、熱源供給管５００へ供給する熱エネルギの量を調整できる。電動弁５５１、５５２は、蓄熱装置４から供給される熱媒体油の温度に耐え得る耐熱性が求められるため、比較的高価である。従って、本変形例の構成は、電動弁５５１、５５２を用いない低コストかつシンプルな構成により、熱源供給管５００に供給する熱エネルギのきめ細かい制御を実現できる。【００４４】
なお、上述した実施形態および変形例はあくまで本発明を適用した一具体例であって、本発明はこの形態に限定されない。
例えば、上記の実施形態では、熱源として、蓄熱槽４１内に蓄熱体４０を備えた蓄熱装置４を用いた例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、熱媒体を加熱する加熱装置を用いてもよく、具体的には、吸熱装置２または補助熱源３を熱源として用い、吸熱装置２または補助熱源３から蒸気発生装置５へ直接熱媒体油が供給される構成としてもよい。また、上記実施形態では、水位制御筒５３における水位を検出電極５３３によって検出し、検出した水位に応じて給水ポンプ１１３を動作させて水位Ｌを調整するものとして構成したが、水位の検出および水位調整の方法はこれに限定されるものではなく、圧力を利用して蒸気発生塔５０における水位を検出してもよいし、蒸気発生塔５０内の水位Ｌを直接検出してもよく、蒸気発生塔５０に供給する水を一時的に貯留する水槽を設け、この水槽を利用して水位を調整する構成としてもよい。また、制御部５６、５７の配置場所等は任意であり、その他、動力発生装置１を構成する蒸気発生装置５およびその他の構成部の細部構成は、本発明の趣旨を損なわない範囲において任意に変更可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明の蒸気発生装置は、レシプロ型の蒸気機関やタービンを駆動し得る高温高圧の水蒸気を効率よく生成して供給することが可能なため、発電機等に対して動力を提供する用途に利用できる。
【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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【国際調査報告】
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2010070703.tif 000011
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