(57)【要約】【課題】エネルギー効率の高い蒸気生成システムを提供する。【解決手段】蒸気生成システムは、第１媒体が流れるヒートポンプ（１０）と、少なくとも一時的に熱を蓄える蓄熱部（１００）と、第２媒体が流れる第１経路（２０）とを備える。第１経路（２０）は、蓄熱部（１００）及びヒートポンプ（１０）の少なくとも一方からの伝達熱によって第２媒体が蒸発する蒸発部（２２）を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１媒体が流れるヒートポンプと、
少なくとも一時的に熱を蓄える蓄熱部であり、相変化を伴って蓄熱及び放熱する蓄熱材を有し、前記ヒートポンプと熱的に接続される前記蓄熱部と、
第２媒体が流れる第１経路であり、前記蓄熱部及び前記ヒートポンプの少なくとも一方からの伝達熱によって前記第２媒体が蒸発する蒸発部を有する前記第１経路と、
を備えることを特徴とする蒸気生成システム。
【請求項２】
前記蓄熱部は、前記蒸発部に流体的に接続されかつ前記第２媒体を貯溜するタンクを有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。
【請求項３】
前記第１経路は、前記タンクの上流に配置されかつ前記ヒートポンプからの熱によって前記第２媒体が加温される加温部をさらに有することを特徴とする請求項２に記載の蒸気生成システム。
【請求項４】
前記ヒートポンプは、圧縮部と、前記圧縮部からの前記第１媒体の一部が前記加温部を迂回するバイパス経路と、前記バイパス経路内の前記第１媒体からの熱が前記圧縮部の上流の前記第１媒体に伝わる再生器と、を少なくとも有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。
【請求項５】
時間帯に応じて、前記ヒートポンプの稼動状態を制御する制御装置をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の蒸気生成システム。
【請求項６】
前記蒸発部からの前記第２媒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５のいずれかに記載の蒸気生成システム。
【請求項７】
前記ヒートポンプに熱的に接続されかつ前記ヒートポンプの前記第１媒体に熱を奪われる第３媒体が流れる第２経路を有する冷熱供給装置をさらに備えることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の蒸気生成システム。
【請求項８】
ヒートポンプを稼動して前記ヒートポンプからの熱を蓄熱部に蓄える工程と、
前記ヒートポンプが非稼動状態で、前記蓄熱部からの伝達熱によって第１経路を流れる第２媒体を蒸発させる工程と、
を備えることを特徴とする蒸気生成方法。
【請求項９】
ヒートポンプを稼動して前記ヒートポンプからの熱を蓄熱部に蓄える工程と、
前記ヒートポンプが稼動状態で、前記蓄熱部及び前記ヒートポンプの少なくとも一方からの伝達熱によって第１経路を流れる第２媒体を蒸発させる工程と、
を備えることを特徴とする蒸気生成方法。
【請求項１０】
ヒートポンプに熱的に接続された冷熱供給装置の稼動時に、前記ヒートポンプを稼動して前記ヒートポンプからの熱を蓄熱部に蓄える工程と、
前記ヒートポンプが非稼動又は稼動状態で、前記蓄熱部及び前記ヒートポンプの少なくとも一方からの伝達熱によって第１経路を流れる第２媒体を蒸発させる工程と、
を備えることを特徴とする蒸気生成方法。
【請求項１１】
ヒートポンプを稼動して前記ヒートポンプからの熱を蓄熱部に蓄える工程と、
第１経路を流れる第２媒体を蒸発させる工程であり、少なくとも前記ヒートポンプの初期稼動時に、前記蓄熱部からの伝達熱によって前記第２媒体を蒸発させる工程と、前記ヒートポンプが稼動状態で、前記ヒートポンプからの伝達熱によって前記第２媒体を蒸発させる工程と、を有する前記工程と、
を備えることを特徴とする蒸気生成方法。
【請求項１２】
前記第２媒体を蒸発させる工程は、前記第２媒体が配置される空間を減圧する工程を有することを特徴とする請求項８から１１のいずれかに記載の蒸気生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気生成システム及び蒸気生成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気生成システムとしては、ボイラで燃料を燃焼させて被加熱媒体を加熱する構成が一般的に知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平６−２４９４５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ボイラのエネルギー効率は一般に約０．８（８０％）である。環境問題に対する意識の高まりとともに、蒸気生成システムに関して、より一層のエネルギー効率の向上が望まれている。
【０００４】
本発明は、エネルギー効率の高い蒸気生成システム及びその方法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】
【０００５】
本発明の第１の態様に従えば、第１媒体が流れるヒートポンプと、少なくとも一時的に熱を蓄える蓄熱部であり、相変化を伴って蓄熱及び放熱する蓄熱材を有し、前記ヒートポンプと熱的に接続される前記蓄熱部と、第２媒体が流れる第１経路であり、前記蓄熱部及び前記ヒートポンプの少なくとも一方からの伝達熱によって前記第２媒体が蒸発する蒸発部を有する前記第１経路と、を備える蒸気生成システムが提供される。
【０００６】
この蒸気生成システムによれば、ヒートポンプを用いることにより、ボイラに比べて高いエネルギー効率が得られる。また、蓄熱を利用することにより、ピークパワー及び平均消費電力の抑制、蒸気・冷熱需要への柔軟な対応、及び／又は蒸気生成プロセスの立ち上がり時間の短縮が可能である。
【０００７】
本発明の第２の態様に従えば、ヒートポンプを稼動して前記ヒートポンプからの熱を蓄熱部に蓄える工程と、前記ヒートポンプが非稼動状態で、前記蓄熱部からの伝達熱によって第１経路を流れる第２媒体を蒸発させる工程と、備える蒸気生成方法が提供される。
【０００８】
本発明の第３の態様に従えば、ヒートポンプを稼動して前記ヒートポンプからの熱を蓄熱部に蓄える工程と、前記ヒートポンプが稼動状態で、前記蓄熱部及び前記ヒートポンプの少なくとも一方からの伝達熱によって第１経路を流れる第２媒体を蒸発させる工程と、を備える蒸気生成方法が提供される。
【０００９】
本発明の第４の態様に従えば、ヒートポンプに熱的に接続された冷熱供給装置の稼動時に、前記ヒートポンプを稼動して前記ヒートポンプからの熱を蓄熱部に蓄える工程と、前記ヒートポンプが非稼動又は稼動状態で、前記蓄熱部及び前記ヒートポンプの少なくとも一方からの伝達熱によって第１経路を流れる第２媒体を蒸発させる工程と、備える蒸気生成方法が提供される。
【００１０】
本発明の第５の態様に従えば、ヒートポンプを稼動して前記ヒートポンプからの熱を蓄熱部に蓄える工程と、第１経路を流れる第２媒体を蒸発させる工程であり、少なくとも前記ヒートポンプの初期稼動時に、前記蓄熱部からの伝達熱によって前記第２媒体を蒸発させる工程と、前記ヒートポンプが稼動状態で、前記ヒートポンプからの伝達熱によって前記第２媒体を蒸発させる工程と、を有する前記工程と、を備える蒸気生成方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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。
【００１２】
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、作動媒体（第１媒体）が流れるヒートポンプ１０と、被加熱媒体（第２媒体）の供給経路２０と、圧縮機３０と、制御装置７０とを備える。本実施形態におて、被加熱媒体は水である。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。
【００１３】
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。
【００１４】
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１３Ｃ、第４放熱部１３Ｄ、第５放熱部１３Ｅ）、及び膨張部１４を有し、これらは配管を介して接続されている。
【００１５】
吸熱部１１では、主経路１５内を流れる作動媒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。
【００１６】
圧縮部１２は、圧縮機等によって作動媒体を圧縮する。この際、通常、作動媒体の温度が上がる。本実施形態において、圧縮部１２は、作動媒体を多段に圧縮する構造を有する。図１に示す圧縮部１２は、第１圧縮部１２Ａ、第２圧縮部１２Ｂ、第３圧縮部１２Ｃ、及び第４圧縮部１２Ｄを含む４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、作動媒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，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ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。本実施形態において、圧縮部１２Ａ及び１２Ｂが同軸に構成され、圧縮部１２Ｃ及び１２Ｄが同軸に構成される。２軸のそれぞれに動力が供給される。各圧縮部１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ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。
【００１７】
放熱部１３Ａ〜１３Ｅは、圧縮部１２で圧縮された作動媒体が流れる配管を有し、主経路１５内を流れる作動媒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、作動媒体の流れ方向に沿って、５つの放熱部１３Ａ〜１３Ｅが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と１２Ｃとの段間に配置され、第３放熱部１３Ｃは圧縮部１２Ｃと１２Ｄとの段間に配置され、第４放熱部１３Ｄは圧縮部１２Ｄの下流位置に配置され、第５放熱部１３Ｅは、第４放熱部１３Ｄの下流位置に配置される。
【００１８】
膨張部１４は、減圧弁またはタービン等によって作動媒体を膨張させる。この際、通常、作動媒体の温度が下がる。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に使用される作動媒体として、フロン系媒体（HFC 245fa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。
【００１９】
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における第４放熱部１３Ｄと第５放熱部１３Ｅとの間の配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５放熱部１３Ｅと膨張部１４との間の配管に流体的に接続される。バイパス経路１７の入口に、作動媒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４放熱部１３Ｄからの作動媒体の一部が、第５放熱部１３Ｅを迂回し、膨張部１４の手前で第５放熱部１３Ｅからの作動媒体と合流する。第４放熱部１３Ｄからの残りの作動媒体は、第５放熱部１３Ｅを流れ、第１熱交換器４１においてその作動媒体と供給経路２０内の水とが熱交換する。
【００２０】
再生器１８は、バイパス経路１７の配管の一部と、ヒートポンプ１０の主経路１５の配管（吸熱部１１と圧縮部１２との間の配管）の一部とが熱的に接続された構成を有する。例えば、両配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からの作動媒体に比べて、第４放熱部１３Ｄからの作動媒体は高温である。再生器１８において、バイパス経路１７を流れる第４放熱部１３Ｄからの作動媒体と、ヒートポンプ１０の主経路１５を流れる吸熱部１１からの作動媒体とが熱交換する。この熱交換により、バイパス経路１７内の作動媒体の温度が降下し、主経路１５内の作動媒体の温度が上昇する。再生器１８は、低温の流体（主経路１５内の作動媒体）と高温の流体（バイパス経路１７内の作動媒体）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。
【００２１】
供給経路２０は、加温部２１と、蒸発部２２と、蒸発部２２と圧縮機３０とを流体的に接続するダクト２３とを有する。
【００２２】
加温部２１は、ヒートポンプ１０の第５放熱部１３Ｅに熱的に接続されかつ供給源（不図示）からの水が流れる配管を含む。加温部２１と第５放熱部１３Ｅとを含んで第１熱交換器４１が構成される。第１熱交換器４１は、低温の流体（供給経路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、第１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、第１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の配管と第５放熱部１３Ｅの配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５放熱部１３Ｅの配管を、加温部２１の配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５放熱部１３Ｅからの伝達熱によって、供給経路２０内の水が温度上昇する。
【００２３】
蒸発部２２は、必要に応じて脱気槽４９と、少なくとも液状の被加熱媒体（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配管（第１循環配管４８Ａ、第２循環配管４８Ｂ、第３循環配管４８Ｃ、第４循環配管４８Ｄ）とを有する。脱気槽４９とタンク４７との間には、必要に応じて流体駆動部４９Ｃが配置される。脱気槽４９には、ポンプ４９Ａ及び放出管４９Ｂが流体的に接続される。脱気槽４９の内部に気液分離器を配置してもよい。脱気槽４９において、加温部２１からの水が脱気され、その気体がポンプ４９Ａ及び放出管４９Ｂを介して外部（大気）に適宜に放出される。タンク４７には、脱気槽４９（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。
【００２４】
本実施形態において、１つのタンク４７に対して各循環配管４８Ａ，４８Ｂ，４８Ｃ，４８Ｄが流体的に接続されている。すなわち、循環配管４８Ａ〜４８Ｄ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。循環配管の数は、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。第１循環配管４８Ａは、ヒートポンプ１０の第１放熱部１３Ａに熱的に接続される蒸発管５１Ａと、ポンプ５２Ａと、必要に応じてバルブ５３Ａとを有する。同様に、第２循環配管４８Ｂは、ヒートポンプ１０の第２放熱部１３Ｂに熱的に接続される蒸発管５１Ｂと、ポンプ５２Ｂと、必要に応じてバルブ５３Ｂとを有する。第３循環配管４８Ｃは、ヒートポンプ１０の第３放熱部１３Ｃに熱的に接続される蒸発管５１Ｃと、ポンプ５２Ｃと、必要に応じてバルブ５３Ｃとを有し、第４循環配管４８Ｄは、ヒートポンプ１０の第４放熱部１３Ｄに熱的に接続される蒸発管５１Ｄと、ポンプ５２Ｄと、必要に応じてバルブ５３Ｄとを有する。バルブ５３Ａ〜５３Ｄは、例えばレギュレータ、流量制御弁、又は開閉バルブである。本実施形態において、蒸発管５１Ａ〜５１Ｄは、個々に独立してタンク４７に流体的に接続される。また、蒸発管５１Ａ〜５１Ｄは、タンク４７及び供給経路２０に対して並列に配置される。被加熱媒体（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５２Ａ〜５２Ｄの少なくとも１つを省いてもよい。
【００２５】
蒸発管５１Ａと第１放熱部１３Ａとを含んで第２熱交換器４２が構成される。同様に、蒸発管５１Ｂと第２放熱部１３Ｂとを含んで第３熱交換器４３が構成される。蒸発管５１Ｃと第３放熱部１３Ｃとを含んで第４熱交換器４４が構成され、蒸発管５１Ｄと第４放熱部１３Ｄとを含んで第５熱交換器４５が構成される。第２〜第５熱交換器４２〜４５は、低温の流体（蒸発管５１Ａ〜５１Ｄ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、第２〜第５熱交換器４２〜４５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。第２〜第５熱交換器４２〜４５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の各放熱部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄの配管と、蒸発管５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｄ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の各放熱部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄの配管を、蒸発管５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｄの外周面や内部に配設することができる。
【００２６】
本実施形態において、第２〜第５熱交換器４２〜４５に対して蓄熱部１００が設けられている。蓄熱部１００は、ヒートポンプ１０から伝わる熱を蓄える蓄熱材１０１を有する。蓄熱材１０１の熱は蒸発管５１Ａ〜５１Ｄに伝わる。蒸気生成システムＳ１の仕様に応じて、蓄熱材１０１の材料特性が定められる。本実施形態において、蓄熱材１０１は、液体−固体の相変化を伴って蓄熱及び放熱する潜熱蓄熱材を含む。すなわち、蓄熱材１０１は、融解する際に熱を蓄え、凝固するときに放熱する。潜熱蓄熱材の融点が、蒸発管５１Ａ〜５１Ｄ内の水の蒸発温度と同程度以上（例えば、９０〜１５０℃）であるのが望ましい。潜熱蓄熱材としては、例えば、エリスリトール、アルカン類等の炭化水素、ワックス系（パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス等）等が挙げられる。エリスリトールは、融点が１１７〜１２０℃程度であり、単位質量当たりの蓄熱量（蓄熱効率）が比較的高い。アルカン類は、目標の融点となるように、側鎖の水素を水酸基に置換した物質を構築するなどにより、分子の大きさが適宜調節することができる。潜熱蓄熱材は、相変化に伴う体積変化が小さく、装置のコンパクト化に有利である。蓄熱材１０１として、顕熱蓄熱材、化学反応蓄熱材等の他の物質を用いてもよい。
【００２７】
図２Ａ〜２Ｃは、蓄熱部１００の構成例である。図２Ａにおいて、熱交換器４２〜４５に対して１つの蓄熱部１００が設けられている。図２Ｂにおいて、各熱交換器４２〜４５に対して独立した蓄熱部１００が設けられている。図２Ｃにおいて、熱交換器４２及び４３に１つの蓄熱部１００が設けられ、熱交換器４４及び４５に対して別の１つの蓄熱部１００が設けられている。
【００２８】
図３Ａ〜３Ｄは、蓄熱部１００が設けられた第２熱交換器４２の構造例を示す断面図である。図３Ａにおいて、第２熱交換器４２は、筐体１０２内で、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ａの配管と蒸発管５１Ａとが直接接触した構造を有する。また、放熱部１３Ａの配管と蒸発管５１Ａとを覆うように、筐体１０２内に蓄熱材１０１が配置されている。蒸発管５１Ａは、放熱部１３Ａと直接的に熱的に接続されている。
【００２９】
図３Ｂにおいて、第２熱交換器４２は、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ａの配管と蒸発管５１Ａとが筐体１０２内に配置された構造を有する。また、放熱部１３Ａの配管と蒸発管５１Ａとの隙間を含む、筐体１０２の内部空間に蓄熱材１０１が、放熱部１３Ａの配管と蒸発管５１Ａとを覆うように、配置されている。蒸発管５１Ａは、蓄熱材１０１を介して放熱部１３Ａに熱的に接続されている。放熱部１３Ａから蒸発管５１Ａへの熱移動促進のために、蓄熱材１０１が熱伝導物質を含んでもよい。
【００３０】
図３Ｃにおいて、第２熱交換器４２は、環状断面の流路を有する蒸発管５１Ａの内方にヒートポンプ１０の放熱部１３Ａの配管が配置された構造を有する。また、蒸発管５１Ａと放熱部１３Ａの配管との隙間に蓄熱材１０１が配置されている。蒸発管５１Ａは、蓄熱材１０１を介して放熱部１３Ａに熱的に接続されている。蒸発管５１Ａを囲む筐体１０２を設け、筐体１０２と蒸発管５１Ａとの隙間にも蓄熱材１０１を配置することが可能である。他の実施形態において、第２熱交換器４２は、環状断面の流路を有する放熱部１３Ａの配管の内方に蒸発管５１Ａが配置されてもよい。
【００３１】
図３Ｄにおいて、第２熱交換器４２は、環状断面の流路を有する蒸発管５１Ａの内方に放熱部１３Ａの複数（本例では２つ）の配管が配置された構造を有する。放熱部１３Ａの各配管が蒸発管５１Ａに直接接触している。また、蒸発管５１Ａの内方の空間に蓄熱材１０１が配置されている。蒸発管５１Ａは、直接的に放熱部１３Ａに熱的に接続され、あるいは蓄熱材１０１を介して放熱部１３Ａに熱的に接続されている。蒸発管５１Ａを囲む筐体１０２を設け、筐体１０２と蒸発管５１Ａとの隙間にも蓄熱材１０１を配置することが可能である。
【００３２】
なお、各配管の形状、配列、材質などは任意に設定可能であり、蓄熱部１００が設けられた第２熱交換器４２について様々な形態が適用可能である。第２熱交換器４２には、断熱材が必要に応じて配置される。各配管にはフィンが必要に応じて設けられる。他の熱交換器４３、４４、４５についても第２熱交換器４２と同様である。
【００３３】
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及び循環配管４８Ａ〜４８Ｄ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。ヒートポンプ１０の第１〜第４放熱部１３Ａ〜１３Ｄ及び蓄熱材１０１からの伝達熱によって蒸発管５１Ａ〜５１Ｄ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。
【００３４】
圧縮機３０は、供給経路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からの蒸気を圧縮し、昇圧した蒸気を下流に流す。
【００３５】
圧縮機３０及び／又は供給経路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。本実施形態において、圧縮機３０は、第１圧縮部３０Ａ、第２圧縮部３０Ｂ、第３圧縮部３０Ｃ、及び第４圧縮部３０Ｄを含む４段圧縮構造を有する。圧縮機３０の多段圧縮構造は、後述する蒸気の高温・高圧化に有利である。圧縮機３０は、各圧縮部３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄ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、圧縮機３０は、同軸圧縮構造を有することができる。本実施形態において、圧縮部３０Ａ及び３０Ｂが同軸に構成され、圧縮部３０Ｃ及び３０Ｄが同軸に構成される。２軸のそれぞれに動力が供給される。各圧縮部３０Ａ〜３０Ｄ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。本実施形態において、各段間にノズル３５が配設される。ノズル３５とタンク４７の液相位置とが配管３６を介して流体的に接続することができる。この配管構成では、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３７などの動力源を用いてもよく、配管３６の入口と出口との圧力差を利用してもよい。
【００３６】
圧縮機３０による吸引作用により、供給経路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、供給経路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。
【００３７】
また、タンク４７及びヒートポンプ１０は、タンク４７の内部空間が負圧状態において、水が蒸発するように設計（容量設計、能力設計など）されている。ヒートポンプ１０の成績係数は、被加熱媒体（水）の入力温度と出力温度との差に応じて変化し、その温度差が過度に大きいと成績係数（ＣＯＰ）が低下する場合がある。タンク４７の内部空間が負圧状態であるという条件により、加熱温度領域（入出力温度差）を比較的狭く設定し、高いＣＯＰでのヒートポンプ１０の使用が可能である。例えば、水の入力温度は約２０℃であり、蒸発部２２からの水の出力温度は約９０℃である。
【００３８】
次に、蒸気生成システムＳ１の基本的な動作について説明する。蓄熱部１００を利用した蒸気生成システムＳ１の各種運転方法については後述する。
【００３９】
図１に示すように、まず、第１熱交換器４１において、供給経路２０内の水がヒートポンプ１０の第５放熱部１３Ｅからの伝達熱によって沸点近くまで温度上昇する。その後、第２〜第５熱交換器４２〜４５において、第１〜第４放熱部１３Ａ〜１３Ｄ及び／又は蓄熱部１００からの伝達熱によってその水が相変化して蒸発する。つまり、水の顕熱加熱が第１熱交換器４１において行われ、水の潜熱加熱が第２〜第５熱交換器４２〜４５において行われる。第１熱交換器４１が顕熱交換に適した形態であり、第２〜第５熱交換器４２〜４５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生成される。
【００４０】
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。ヒートポンプの成績係数は、被加熱媒体（水）の入出力温度差に応じて変化し、比較的高い入出力温度差においてその成績係数が低下する傾向がある。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、入出力温度差を抑え、ボイラに比べて高いエネルギー効率で蒸気を発生させることができる。
【００４１】
また、本実施形態において、供給経路２０内の水が、ヒートポンプ１０（放熱部１３Ａ〜１３Ｅ）及び／又は蓄熱部１００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なる。すなわち、ヒートポンプ１０及び／又は蓄熱部１００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、１００℃以上の高温蒸気が発生する。蒸気生成システムＳ１からの蒸気は、外部の所定施設、例えば製造プラント、調理施設、空調設備、発電プラントなどに供給される。
【００４２】
図４は、蒸気生成システムＳ１による水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、第１熱交換器４１（図１参照）において沸点近くまで温度上昇した後、温度一定のまま第２〜第５熱交換器４２〜４５において相変化する。このとき、大気圧（Ｐ１＝１atm＝約０．１ＭＰａ）に比べて低い負圧Ｐ０の状態において、飽和蒸気ｄ０が発生する。飽和蒸気ｄ０の温度は標準沸点よりも低い、例えば約９０℃である。
【００４３】
次に、その飽和蒸気ｄ０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ｅ２）になる。すなわち、上記圧縮に伴って、蒸気が温度上昇する。過熱蒸気ｅ２の圧力Ｐ２は大気圧よりも高い、例えば０．８ＭＰａである。
【００４４】
０．８ＭＰａの過熱蒸気ｅ２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ｄ１を得ることができる。
【００４５】
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。
【００４６】
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ｄ０から比較的高圧力かつ高温度の飽和蒸気ｄ２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ｄ０が、圧縮機３０の出口で飽和蒸気ｄ２に変化する（図４の破線ｃ１（スプレー）及びｃ２（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ｄ０が、圧縮機３０の出口で飽和蒸気ｄ２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。
【００４７】
このように、本実施形態において、図１に示すヒートポンプ１０（蓄熱部１００を含む）による２段加熱と圧縮機３０による加熱とを含む３段順次加熱により、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。すなわち、ヒートポンプ１０（蓄熱部１００を含む）による加熱で大気圧に比べて低い負圧での飽和蒸気を発生させた後、圧縮機３０による圧縮で大気圧または大気圧よりも高い圧力での過熱蒸気または飽和蒸気を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。
【００４８】
また、本実施形態において、蒸気生成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、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。すなわち、被加熱媒体（水）に対する比較的高温域の加熱に圧縮機３０を利用することは、熱伝達のみを利用した加熱と比較して、温度上昇の短時間化及び熱損失の抑制に有利である。
【００４９】
また、本実施形態において、バイパス経路１７を介して作動媒体の一部が第１熱交換器４１を迂回するから、第１熱交換器４１に入る作動媒体の流量の最適化が図られる。これは、作動媒体の保有熱を有効に使う上で有利である。
【００５０】
また、本実施形態において、バイパス経路１７を介して作動媒体の一部が第１熱交換器４１を迂回することにより、第１熱交換器４１への作動媒体の流入量が制御され、その結果、第１熱交換器４１及び第２熱交換器４２（第３〜第５熱交換器４３〜４５）のそれぞれに対して、必要に応じた熱量を有する作動媒体が供給される。
【００５１】
バイパス経路１７を流れる作動媒体は、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からの作動媒体と熱交換する。この熱交換により、バイパス経路１７内の作動媒体の温度が降下し（例えば約２０℃）、ヒートポンプ１０の主経路１５内の作動媒体の温度が上昇する（例えば約９５℃）。圧縮部１２に対する作動媒体の入力温度の上昇により、圧縮部１２の動力の低減が図られる。
【００５２】
なお、作動媒体のバイパス量は、被加熱媒体及び作動媒体の各物性値（比熱など）に応じて定められる。被加熱媒体が水でありかつ、作動媒体がフロン系媒体又はアンモニアである場合には、第２〜第５熱交換器４２〜４５における作動媒体の単位時間あたりの流量に対して、バイパス量がモル比で５０％程度であるのが好ましい。この場合、顕熱及び潜熱のそれぞれにおいて水と作動媒体との間の熱バランスが良い。さらに、再生器１８における作動媒体同士の熱バランスも良い。
【００５３】
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内の作動媒体（例えば約２０℃）は、膨張部１４の手前で、ヒートポンプ１０の主経路１５を流れる第１熱交換器４１（第５放熱部１３Ｅ）からの作動媒体と合流する。前述したように、第１熱交換器４１からの作動媒体の出力温度は比較的低く設定される（例えば約３０℃）。膨張部１４に対する作動媒体の入力温度の降下により、作動媒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。
【００５４】
このように、本実施形態において、水の蒸発に用いた後の作動媒体が水の加温と作動媒体の再生とに用いられることにより、熱の有効利用が図られる。
【００５５】
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，１３Ｃの熱が奪われることによって、作動媒体の圧縮過程における作動媒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。圧縮に伴う作動媒体の温度上昇と、段間の放熱部（１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ）における作動媒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。
【００５６】
また、本実施形態において、多段式の圧縮部１２に対する作動媒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，１３Ｃの冷却を利用して、被加熱媒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。
【００５７】
また、本実施形態において、供給経路２０が複数の蒸発管５１Ａ〜５１Ｄを有することからも、エネルギー効率の向上が図られる。蒸発管では、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、蒸気生成の進行に伴って、熱伝達率が低下する。蒸発管内では、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。供給経路２０が複数の蒸発管５１Ａ〜５１Ｄ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蒸発管の長さを長くすると、蒸発管の入口部と出口部との圧力差が大きくなり、蒸発管に水を流すための必要動力が増える可能性がある。複数の蒸発管５１Ａ〜５１Ｄ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。蒸発管５１Ａ〜５１Ｄが並列配置されていることは、複数の蒸発管５１Ａ〜５１Ｄが個々に独立した構成を実現しやすく、装置の簡素化に有利である。
【００５８】
また、本実施形態において、独立した複数の蒸発管５１Ａ〜５１Ｄを供給経路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〜１３Ｄの間で、作動媒体の状態（圧力など）が異なる。各放熱部１３Ａ〜１３Ｄに対応する複数の蒸発管５１Ａ〜５１Ｄ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〜１３Ｄ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。
【００５９】
図５は、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、蒸発管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、蒸発管５１Ａ用のポンプ５２Ａを介して蒸発管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１において、他の蒸発管５１Ｂ〜蒸発管５１Ｄ及び対応する放熱部１３Ｂ〜１３Ｄもこれと同様の構成を採用することができる。
【００６０】
次に、蒸気生成システムＳ１の運転方法について説明する。本実施形態において、蒸気生成システムＳ１は、第１、第２、第３、及び第４の運転モードを有する。
【００６１】
＜第１運転モード＞
第１運転モードでは、夜間にヒートポンプ１０を稼動して蓄熱材１０１に熱を蓄え、昼間に蓄熱材１０１の熱を使用して蒸気を生成する。
【００６２】
図６Ａ〜６Ｄは、第１運転モードの説明図である。まず、夜間において、図６Ａに示すように、ヒートポンプ１０を稼動して、蓄熱材１０１への蓄熱を開始する。ヒートポンプ１０を稼動するのは、蒸気需要が少なくかつ電力料金が低く設定されている時間帯とする。第２〜第５熱交換器４２〜４５において、ヒートポンプ１０の第１〜第４放熱部１３Ａ〜１３Ｄ（図１参照）からの熱が蓄熱材１０１に蓄えられる。すなわち、第１〜第４放熱部１３Ａ〜１３Ｄによって蓄熱材１０１が加熱され、蓄熱材１０１が固相から液相に変化する。蓄熱部１００において、蓄熱材１０１の液状化に伴い、蓄熱材１０１の融解潜熱が蓄えられる。制御装置７０は、システムを統括的に制御する。
【００６３】
また、供給経路２０の加温部２１（第１熱交換器４１）において、ヒートポンプ１０の第５放熱部１３Ｅ（図１参照）からの伝達熱によって、不図示の供給源からの水が温度上昇する（例えば、約９０℃）。タンク４７は、加温部２１からの温水を蓄える。タンク４７の容量は、例えば、昼間に消費される蒸気量に対応して設定される。蓄熱材１０１の蓄熱容量は、タンク４７の容量に対応する。蓄熱材１０１の温度は、タンク４７内の温水よりも高く、例えば１００〜１５０℃である。
【００６４】
この蓄熱プロセスにおいて、蒸発管５１Ａ〜５１Ｄ内に水が存在してもしなくてもよい。蒸発部２２内の水の沸騰を防ぐ処置が必要に応じてなされる。例えば、少なくとも圧縮機３０及びポンプ３７（図１参照）が停止される。加温部２１からの温水の供給に伴って、蒸発部２２の内部圧力が上昇し、水の蒸発が抑えられる。循環配管４８Ａ〜４８Ｄのバルブ５３Ａ〜５３Ｄ（図１参照）が圧力調整機能を有する場合には、蒸発部２２の内部圧力を、バルブ５３Ａ〜５３Ｄによって設定できる。あるいは、バルブ５３Ａ〜５３Ｄがクローズされる。ポンプ５２Ａ〜５２Ｄ（図１参照）を駆動して、蒸発部２２の循環配管４８Ａ〜４８Ｄの内部に所定の圧力を与えてもよい。
【００６５】
なお、蓄熱プロセスでは、ヒートポンプ１０の吸熱部１１を介して冷熱需要に対応可能である。すなわち、ヒートポンプ１０の稼動時に、冷熱供給装置９０を稼動することにより、吸熱部１１によって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。冷熱供給装置９０が非稼動の場合または冷熱供給装置９０が設けられていない場合、ヒートポンプ１０は吸熱部１１を介して大気から熱を吸収することができる。
【００６６】
図６Ｂに示すように、所定時間を経過すると、タンク４７に温水が蓄えられ、蓄熱材１０１に熱が蓄えられる。例えば、時刻、処理時間、及び／又はタンク４７の貯水量に基づいて、蓄熱プロセスの終了が判断される。必要に応じて、蓄熱プロセスの少なくとも一部を繰り返してもよい。
【００６７】
次に、昼間において、図６Ｃに示すように、蒸気生成部（蒸発部２２、圧縮機３０など）を稼動して蓄熱材１０１の熱を使って蒸気を生成する。すなわち、循環配管４８Ａ〜４８Ｄのポンプ５２Ａ〜５２Ｄ（図１参照）、圧縮機３０、及びポンプ３７等が駆動される。循環配管４８Ａ〜４８Ｄのバルブ５３Ａ〜５３Ｄ（図１参照）はオープンしている。タンク４７内の温水が循環配管４８Ａ〜４８Ｄを通って循環する。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るとともに、蓄熱材１０１からの伝達熱によって蒸発管５１Ａ〜５１Ｄ内の温水が加熱される。その結果、供給経路２０内の水が比較的低圧力かつ低温度の蒸気となり、その後、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なる。
【００６８】
図６Ｄに示すように、所定時間を経過すると、タンク４７内の温水が減り、蓄熱材１０１の蓄熱量が減少する。再び夜間において、図６Ａ及び６Ｂに示す蓄熱プロセスが行われる。
【００６９】
このように、第１運転モードでは、電気料金の低い夜間にヒートポンプ１０を稼動し、蒸気需要がある昼間に蒸気生成部（蒸発部２２、圧縮機３０など）を稼動する。すなわち、蓄熱を利用することにより、蒸気生成システムＳ１における電力消費が夜間と昼間とに振り分けられる。その結果、蒸気生成システムＳ１のピークパワー及び平均消費電力が低く抑えられる。これは、受電設備の簡素化及び低コスト化、並びに契約電力（電力基本料金）の抑制に有利である。
【００７０】
また、蓄熱の利用により、蒸気需要に応じて、蒸気生成のタイミング及び量を容易に調整できる。すなわち、蒸気生成システムＳ１は、蒸気供給について高い柔軟性及び制御性を有する。蓄熱プロセスでは、蓄熱材１０１と、タンク４７との２箇所で蓄熱される。タンク４７に温水が蓄えられることにより、蒸気生成プロセスの立ち上がり時間の短縮に有利である。
【００７１】
本実施形態において、第１熱交換器４１に蓄熱材を配置することができる。この場合、蓄熱プロセスにおいて、タンク４７の温水貯溜に代えて、第１熱交換器４１の蓄熱材に熱が蓄えられる。蒸発部２２への水供給を避けることで、蓄熱プロセスにおいて、蒸発部２２内の水の沸騰を防ぐ処置が不要となる。また、吸熱部１１及び／又は再生器１８など、他の箇所に蓄熱材を配置することも可能である。
【００７２】
蓄熱材１０１及び温水による蓄熱は、バッテリを使用した蓄熱に比べて、イニシャルコストの抑制に有利であり、また、同等以上の蓄熱効率を期待できる。電力補完的に、バッテリを使用することも可能である。例えば、バッテリに蓄えたエネルギーによって、タンク４７内の水を補完的に加熱することが可能である。
【００７３】
なお、第１運転モードにおいて、設備的に問題がなければ、タンク４７の温水及び蓄熱材１０１の熱を使い切った場合において、ヒートポンプ１０及び蒸発部２２を稼動することにより、さらなる蒸気需要に対応することが可能である。
【００７４】
＜第２運転モード＞
次に、蒸気生成システムＳ１の第２運転モードについて説明する。第１運転モードと同様の動作については説明を簡略化又は省略する。第２運転モードでは、ヒートポンプ１０が実質的に連続稼動される。蒸気需要が無いとき、蓄熱材１０１に熱が蓄えられるとともに、蒸気需要が有るとき、ヒートポンプ１０及び／又は蓄熱材１０１からの熱を使用して蒸気が生成される。
【００７５】
図７Ａ及び７Ｂは、第２運転モードの説明図である。まず、蒸気需要が無いとき、図７Ａに示すように、ヒートポンプ１０が稼動され、蓄熱材１０１に熱が蓄えられるとともに、タンク４７に温水が蓄えられる。すなわち、第２〜第５熱交換器４２〜４５において、ヒートポンプ１０の第１〜第４放熱部１３Ａ〜１３Ｄ（図１参照）によって蓄熱材１０１が加熱される。蓄熱材１０１の相変化に伴い、蓄熱材１０１の融解潜熱が蓄えられる。また、不図示の供給源からの水が供給経路２０の加温部２１（第１熱交換器４１）によって加熱される。その温水がタンク４７に蓄えられる。この蓄熱プロセスにおいて、少なくとも圧縮機３０及びポンプ３７が停止される。また、冷熱供給装置９０を稼動することにより、吸熱部１１によって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。制御装置７０は、システムを統括的に制御する。
【００７６】
次に、蒸気需要が有るとき、図７Ｂに示すように、ヒートポンプ１０及び蒸気生成部（蒸発部２２、圧縮機３０など）が稼動され、ヒートポンプ１０及び／又は蓄熱材１０１の熱を使って蒸気が生成される。すなわち、ヒートポンプ１０に加え、循環配管４８Ａ〜４８Ｄのポンプ５２Ａ〜５２Ｄ（図１参照）、圧縮機３０、及びポンプ３７等が駆動される。循環配管４８Ａ〜４８Ｄのバルブ５３Ａ〜５３Ｄ（図１参照）はオープンしている。タンク４７内の温水が循環配管４８Ａ〜４８Ｄを通って循環する。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るとともに、ヒートポンプ１０の第１〜第４放熱部１３Ａ〜１３Ｄ（図１参照）及び／又は蓄熱材１０１からの伝達熱によって蒸発管５１Ａ〜５１Ｄ内の温水が加熱される。その結果、供給経路２０内の水が比較的低圧力かつ低温度の蒸気となり、その後、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なる。タンク４７に温水が蓄えられていることにより、蒸気生成プロセスの立ち上がり時間の短縮に有利である。また、冷熱供給装置９０を稼動することにより、吸熱部１１によって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。冷熱供給装置９０が非稼動の場合または冷熱供給装置９０が設けられていない場合、ヒートポンプ１０は吸熱部１１を介して大気から熱を吸収することができる。
【００７７】
このように、第２運転モードでは、ヒートポンプ１０が実質的に連続稼動され、蒸気需要が無いときあるいは少ないときに、蓄熱材１０１に熱が蓄えられる。蒸気需要が有るときは、ヒートポンプ１０からの直接的な伝達熱に加え、蓄熱材１０１に蓄えられた熱を使用して蒸気が生成される。すなわち、ヒートポンプ１０の熱が蒸気生成に使用されるに際して、熱補助及びバッファの役割を蓄熱材１０１及びタンク４７が果たす。蒸気需要に応じた蓄熱容量の最適化により、特に、ヒートポンプ１０のピークパワー及び平均消費電力を低く抑えることができる。これは、ヒートポンプ１０の小サイズ化及び低コスト化に有利である。
【００７８】
＜第３運転モード＞
次に、蒸気生成システムＳ１の第３運転モードについて説明する。第１又は第２運転モードと同様の動作については説明を簡略化又は省略する。第３運転モードでは、少なくとも冷熱需要が有るときに蓄熱が実行される。
【００７９】
図８Ａ〜８Ｃは、第３運転モードの説明図である。まず、冷熱需要が有るとき、図８Ａに示すように、ヒートポンプ１０及び冷熱供給装置９０が稼動される。すなわち、ヒートポンプ１０の第１〜第４放熱部１３Ａ〜１３Ｄ（図１参照）からの熱が蓄熱材１０１に蓄えられるとともに、第５放熱部１３Ｅ（図１参照）によって加熱された温水がタンク４７に蓄えられる。この蓄熱プロセスにおいて、少なくとも圧縮機３０及びポンプ３７が停止される。また、冷熱供給装置９０を稼動することにより、吸熱部１１によって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。制御装置７０は、システムを統括的に制御する。
【００８０】
次に、蒸気需要が有るとき、図８Ｂに示すように、蒸気生成部（蒸発部２２、圧縮機３０など）が稼動され、蓄熱材１０１の熱を使って蒸気が生成される。すなわち、循環配管４８Ａ〜４８Ｄのポンプ５２Ａ〜５２Ｄ（図１参照）、圧縮機３０、及びポンプ３７等が駆動される。循環配管４８Ａ〜４８Ｄのバルブ５３Ａ〜５３Ｄ（図１参照）はオープンしている。タンク４７内の温水が循環配管４８Ａ〜４８Ｄを通って循環する。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るとともに、蓄熱材１０１からの伝達熱によって蒸発管５１Ａ〜５１Ｄ内の温水が加熱される。その結果、供給経路２０内の水が比較的低圧力かつ低温度の蒸気となり、その後、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なる。
【００８１】
あるいは、蒸気需要が有るとき、図８Ｃに示すように、ヒートポンプ１０及び蒸気生成部（蒸発部２２、圧縮機３０など）が稼動され、ヒートポンプ１０及び蓄熱材１０１の熱を使って蒸気が生成される。すなわち、ヒートポンプ１０に加え、循環配管４８Ａ〜４８Ｄのポンプ５２Ａ〜５２Ｄ（図１参照）、圧縮機３０、及びポンプ３７等が駆動される。循環配管４８Ａ〜４８Ｄのバルブ５３Ａ〜５３Ｄ（図１参照）はオープンしている。タンク４７内の温水が循環配管４８Ａ〜４８Ｄを通って循環する。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るとともに、ヒートポンプ１０の第１〜第４放熱部１３Ａ〜１３Ｄ（図１参照）及び蓄熱材１０１からの伝達熱によって蒸発管５１Ａ〜５１Ｄ内の温水が加熱される。その結果、供給経路２０内の水が比較的低圧力かつ低温度の蒸気となり、その後、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なる。この蒸気生成プロセスにおいて、余剰の熱は蓄熱材１０１に蓄えられる。
【００８２】
このように、第３運転モードでは、少なくとも冷熱需要が有るときに蓄熱が実行される。すなわち、冷熱供給装置９０の稼動に合わせて蓄熱材１０１及びタンク４７に熱が蓄えられる。その結果、冷熱供給装置９０では、ヒートポンプ１０の吸熱部１１における吸熱作用を最大限に利用して冷熱供給することができる。蒸気需要、及び冷熱需要のタイミング及び一日に占める時間的長さなどに応じて、蒸気生成システムＳ１の蓄熱容量が定められる。
【００８３】
＜第４運転モード＞
次に、蒸気生成システムＳ１の第４運転モードについて説明する。第１〜第３運転モードと同様の動作については説明を簡略化又は省略する。第４運転モードでは、特に蒸気生成システムＳ１の初期稼動時に、蓄熱を利用して蒸気が生成される。
【００８４】
図９Ａ〜９Ｃは、第４運転モードの説明図である。まず、図９Ａに示すように、蒸気生成システムＳ１の通常稼動時においては、ヒートポンプ１０及び蒸気生成部（蒸発部２２、圧縮機３０など）が稼動され、ヒートポンプ１０からの伝達熱によって蒸気が生成される。すなわち、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るとともに、ヒートポンプ１０の第１〜第４放熱部１３Ａ〜１３Ｄ（図１参照）からの伝達熱によって蒸発管５１Ａ〜５１Ｄ内の温水が加熱される。その結果、供給経路２０内の水が比較的低圧力かつ低温度の蒸気となり、その後、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なる。また、冷熱供給装置９０を稼動することにより、吸熱部１１によって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。冷熱供給装置９０が非稼動の場合または冷熱供給装置９０が設けられていない場合、ヒートポンプ１０は吸熱部１１を介して大気から熱を吸収することができる。制御装置７０は、システムを統括的に制御する。
【００８５】
次に、図９Ｂに示すように、蒸気生成プロセスの終了時において、ヒートポンプ１０が稼動状態で、蒸気生成部（蒸発部２２、圧縮機３０など）が停止される。蓄熱材１０１に熱が蓄えられるとともに、タンク４７に温水が蓄えられる。その後、蒸気生成部も停止される。
【００８６】
次に、図９Ｃに示すように、蒸気需要が有るとき、蒸気生成システムＳ１の初期稼動時において、蓄熱材１０１の熱を使って蒸気を生成する。すなわち、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るとともに、蓄熱材１０１からの伝達熱によって蒸発管５１Ａ〜５１Ｄ内の温水が加熱され、その結果、蒸気が生成される。その後、蒸気生成システムＳ１（ヒートポンプ１０の放熱部１３Ａ〜１３Ｅなど）の暖機（warm-up）が完了すると、図９Ａに示す、蒸気生成システムＳ１の通常稼動が実行される。
【００８７】
このように、第４運転モードでは、特に蒸気生成システムＳ１の初期稼動時に、蓄熱を利用して蒸気が生成される。その結果、蒸気生成システムＳ１の暖機に要する時間を削減することができる。すなわち、蒸気生成プロセスの立ち上がり時間の短縮に有利である。第４運転モードでは、蓄熱容量は、初期稼動時に消費される量でよい。上述した他の運転モードに比べて装置コストの低減が可能である。
【００８８】
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。
【００８９】
図１０は、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。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。
【００９０】
図１０に示すように、蒸気生成システムＳ２は、第１実施形態と異なり、供給経路２０における水を貯溜するタンクが、複数の蒸発管５１Ａ〜５１Ｄに対応する複数の個別タンク４７Ａ〜４７Ｄを有する。ヒートポンプ１０の構成は、第１実施形態のそれと同様である。
【００９１】
供給経路２０は、加温部２１と、蒸発部２２と、蒸発部２２と圧縮機３０とを流体的に接続するダクト２３とを有する。蒸発部２２は、必要に応じて脱気槽４９と、少なくとも液状の被加熱媒体（水）を貯溜するタンク（第１タンク４７Ａ、第２タンク４７Ｂ、第３タンク４７Ｃ、第４タンク４７Ｄ）と、各タンク４７Ａ〜４７Ｄに流体的に接続された循環配管（第１循環配管４８Ａ、第２循環配管４８Ｂ、第３循環配管４８Ｃ、第４循環配管４８Ｄ）とを有する。脱気槽４９とタンク（４７Ａ〜４７Ｄ）との間には、必要に応じて流体駆動部４９Ｃが配置される。各タンク４７Ａ〜４７Ｄには、加温部２１（脱気槽４９）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４７Ａ〜４７Ｄは、必要に応じて、液面を計測するレベルセンサ５０Ａ〜５０Ｄと、気液分離器（不図示）とを有する。
【００９２】
本実施形態において、第１タンク４７Ａに対して、蒸発管５１Ａを有する第１循環配管４８Ａが流体的に接続されている。すなわち、第１循環配管４８Ａの各入口端と各出口端とが第１タンク４７Ａに流体的に接続される。同様に、第２タンク４７Ｂに対して蒸発管５１Ｂを有する第２循環配管４８Ｂが流体的に接続されている。第３タンク４７Ｃに蒸発管５１Ｃを有する第３循環配管４８Ｃが流体的に接続され、第４タンク４７Ｄに蒸発管５１Ｄを有する第４循環配管４８Ｄが流体的に接続されている。蒸発管５１Ａは、ヒートポンプ１０の第１放熱部１３Ａに熱的に接続される。同様に、蒸発管５１Ｂ、５１Ｃ、及び５１Ｄはそれぞれ、ヒートポンプ１０の第２放熱部１３Ｂ、第３放熱部１３Ｃ、及び第４放熱部１３Ｄに熱的に接続される。タンク及び循環配管（蒸発管）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。本実施形態において、タンク４７Ａ〜４７Ｄと蒸発管５１Ａ〜５１Ｄの各ペアが、供給経路２０に対して並列に配置される。
【００９３】
蒸発管５１Ａと第１放熱部１３Ａとを含んで第２熱交換器４２が構成される。同様に、蒸発管５１Ｂと第２放熱部１３Ｂとを含んで第３熱交換器４３が構成される。蒸発管５１Ｃと第３放熱部１３Ｃとを含んで第４熱交換器４４が構成され、蒸発管５１Ｄと第４放熱部１３Ｄとを含んで第５熱交換器４５が構成される。第２〜第５熱交換器４２〜４５は、低温の流体（蒸発管５１Ａ〜５１Ｄ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、第２〜第５熱交換器４２〜４５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。第２〜第５熱交換器４２〜４５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の各放熱部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄの配管と、蒸発管５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｄ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の各放熱部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄの配管を、蒸発管５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｄの外周面や内部に配設することができる。
【００９４】
本実施形態において、第２〜第５熱交換器４２〜４５に対して蓄熱部１００が設けられている。蓄熱部１００は、ヒートポンプ１０から伝わる熱を蓄える蓄熱材１０１を有する。蓄熱材１０１の熱は蒸発管５１Ａ〜５１Ｄに伝わる。蒸気生成システムＳ１の仕様に応じて、蓄熱材１０１の材料特性が定められる。本実施形態において、蓄熱材１０１は、第１実施形態と同様に、液体−固体の相変化を伴って蓄熱及び放熱する潜熱蓄熱材を含む。蓄熱部１００の構成は、図２Ａ〜３Ｄに示したように、様々な形態が適用可能である。
【００９５】
蒸発部２２において、加温部２１で温度上昇した水が分岐して各タンク４７Ａ〜４７Ｄに供給され、各タンク４７Ａ〜４７Ｄ及び各循環配管４８Ａ〜４８Ｄ内に水が貯溜される。供給経路２０は、各タンク４７Ａ〜４７Ｄへの水の供給量を制御するバルブ８０Ａ〜８０Ｄを有する。各タンク４７Ａ〜４７Ｄ内の液面が所定範囲内になるように、バルブ８０Ａ〜８０Ｄを介して各タンク４７Ａ〜４７Ｄへの水の供給量が制御される。例えば、レベルセンサ５０Ａ〜５０Ｄの計測結果に基づいて、各タンク４７Ａ〜４７Ｄへの水の供給量が制御される。ヒートポンプ１０の第１〜第４放熱部１３Ａ〜１３Ｄからの熱伝達によって蒸発管５１Ａ〜５１Ｄ内の水が加熱され、その水の少なくとも一部が蒸発する。各タンク４７Ａ〜４７Ｄ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４７Ａ〜４７Ｄの内部空間は、各タンク４７Ａ〜４７Ｄ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。
【００９６】
圧縮機３０（または供給経路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もできる。ノズル３５と少なくとも１つのタンク４７Ａ〜４７Ｄの液相位置とが配管３６を介して流体的に接続された配管を構成することができる。この配管構成では、比較的高温である少なくとも１つのタンク４７Ａ〜４７Ｄ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３７などの動力源を用いてもよく、配管３６の入口と出口との圧力差を利用してもよい。
【００９７】
本実施形態においても、第１実施形態と同様に、供給経路２０内の水が、ヒートポンプ１０（放熱部１３Ａ〜１３Ｅ）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なる。また、蓄熱材１０１及びタンク４７Ａ〜４７Ｄを用いた蓄熱を利用することにより、蒸気生成システムＳ２のピークパワー及び平均消費電力の抑制、蒸気・冷熱需要への柔軟な対応、及び／又は蒸気生成プロセスの立ち上がり時間の短縮が可能である。蒸気生成システムＳ２からの蒸気は、外部の所定施設、例えば製造プラント、調理施設、空調設備、発電プラントなどに供給される。本実施形態では、複数の個別タンク４７Ａ〜４７Ｄを有することにより、蒸気需要の変動に対する柔軟性が高い。
【００９８】
次に、本発明の第３実施形態について図面を参照して説明する。
図１１は、第３実施形態にかかる蒸気発生システム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。
【００９９】
図１１に示すように、蒸気生成システムＳ３は、上記実施形態と異なり、供給経路２０における水を貯溜するタンクが、内部圧力が個別に設定される複数の個別タンク４７Ａ及び４７Ｂを有する。蒸気発生システムＳ３は、作動媒体（第１媒体）が流れるヒートポンプ１０と、被加熱媒体（第２媒体）の供給経路２０と、圧縮機３０，３１とを備える。
【０１００】
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１３Ａ〜１３Ｄ、及び膨張部１４を有し、これらは配管を介して接続されている。
【０１０１】
本実施形態において、圧縮部１２は、作動媒体を単段で圧縮する構造を有する。後述する他の実施形態において、圧縮部１２は、作動媒体を複数段で圧縮する構造を有することができる。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、作動媒体の圧縮に適する圧縮機を有する。圧縮機には動力が供給される。圧縮部１２の圧縮比（圧力比）は、蒸気発生システムＳ３の仕様に応じて設定される。
【０１０２】
放熱部１３Ａ〜１３Ｄは、圧縮部１２で圧縮された作動媒体が流れる配管を有し、主経路１５内を流れる作動媒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、作動媒体の流れ方向に沿って、４つの放熱部１３Ａ〜１３Ｄが直列に配置されている。作動媒体の流れ方向に沿って、放熱部１３Ａ、放熱部１３Ｂ、放熱部１３Ｃ、及び放熱部１３Ｄがその順に並んでいる。放熱部の数は、蒸気発生システムＳ３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。
【０１０３】
本実施形態において、供給経路２０は、第１及び第２加温部２１Ａ，２１Ｂと、第１及び第２蒸発部２２Ａ，２２Ｂと、蒸発部２２Ａ，２２Ｂと圧縮機３０，３１とを流体的に接続するダクト２３Ａ，２３Ｂとを有する。本実施形態において、供給経路２０は、分岐部２４Ａと、分岐部２４Ａからの水を第１蒸発部２２Ａに導く分岐経路２５Ａと、分岐部２４Ａからの水を第２蒸発部２２Ｂに導く分岐経路２５Ｂとを有する。
【０１０４】
第１加温部２１Ａは、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ｄに隣接して配置されかつ供給源（不図示）からの水が流れる配管を含む。第１加温部２１Ａと放熱部１３Ｄとを含んで第１熱交換器４１が構成される。第１加温部２１Ａにおいて、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ｄからの熱伝達によって、供給経路２０内の水が温度上昇する。
【０１０５】
第２加温部２１Ｂは、分岐経路２５Ｂに配置される。第２加温部２１Ｂは、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ｂに隣接して配置されかつ第１加温部２１Ａからの水が流れる配管を含む。第２加温部２１Ｂと放熱部１３Ｂとを含んで第２熱交換器４２が構成される。第２加温部２１Ｂにおいて、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ｂからの熱伝達によって、分岐経路２５Ｂ内の水が温度上昇する。
【０１０６】
第１及び第２熱交換器４１，４２は、低温の流体（供給経路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。第１及び第２熱交換器４１，４２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。第１及び第２熱交換器４１，４２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の放熱部１３Ｄ又は放熱部１３Ｂの配管を、第１加温部２１Ａ又は第２加温部２１Ｂの配管の外周面及び／又は内部に配設することができる。
【０１０７】
本実施形態において、分岐経路２５Ｂにおける分岐部２４Ａと第２加温部２１Ｂとの間にポンプ２６が配置されている。ポンプ２６及び／又は不図示の流量制御装置（制御バルブ等）によって、分岐経路２５Ａ及び分岐経路２５Ｂを流れる単位時間あたりの水の量（蒸発部２２Ａ，２２Ｂに対する水の分配量）が制御される。ポンプ２６の配置位置は、分岐部２４Ａと第２加温部２１Ｂとの間に限定されない。
【０１０８】
第１蒸発部２２Ａは、少なくとも液状の被加熱媒体（水）を貯溜する第１タンク４７Ａと、第１タンク４７Ａに流体的に接続された第１循環配管４８Ａとを有する。すなわち、第１循環配管４８Ａの入口端と出口端とが第１タンク４７Ａに流体的に接続される。第１タンク４７Ａには、第１加温部２１Ａからの水の供給口と、蒸気の排出口とが設けられる。第１タンク４７Ａは、必要に応じて、液面を計測するレベルセンサ５０Ａと、気液分離器（不図示）とを有する。第１循環配管４８Ａは、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ｃに隣接して配置される蒸発管５１Ａと、必要に応じてポンプ５２Ａとを有する。
【０１０９】
第２蒸発部２２Ｂは、第１蒸発部２２Ａと同様に、少なくとも液状の被加熱媒体（水）を貯溜する第２タンク４７Ｂと、第２タンク４７Ｂに流体的に接続された第２循環配管４８Ｂとを有する。すなわち、第２循環配管４８Ｂの入口端と出口端とが第２タンク４７Ｂに流体的に接続される。第２タンク４７Ｂには、第２加温部２１Ｂからの水の供給口と、蒸気の排出口とが設けられる。第２タンク４７Ｂは、必要に応じて、液面を計測するレベルセンサ５０Ｂと、気液分離器（不図示）とを有する。第２循環配管４８Ｂは、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ａに隣接して配置される蒸発管５１Ｂと、必要に応じてポンプ５２Ｂとを有する。
【０１１０】
本実施形態において、第１蒸発部２２Ａ（第１タンク４７Ａ、蒸発管５１Ａ）と第２蒸発部２２Ｂ（第２タンク４７Ｂ、蒸発管５１Ｂ）とが、供給経路２０に対して実質的に並列に配置される。なお、前述したように、ヒートポンプ１０における作動媒体の流れ方向に対して、第２蒸発部２２Ｂが上流位置、第１蒸発部２２Ａが下流位置である。被加熱媒体（水）の熱対流及び／又は差圧などを利用してポンプ５２Ａ，５２Ｂの少なくとも１つを省いてもよい。
【０１１１】
蒸発管５１Ａと放熱部１３Ｃとを含んで第３熱交換器４３が構成される。同様に、蒸発管５１Ｂと放熱部１３Ａとを含んで第４熱交換器４４が構成される。第３及び第４熱交換器４３，４４は、低温の流体（蒸発管５１Ａ，５１Ｂ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。第３及び第４熱交換器４３，４４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。第３及び第４熱交換器４３，４４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１３Ｃ，１３Ａの配管を、蒸発管５１Ａ，５１Ｂの外周面及び/又は内部に配設することができる。
【０１１２】
本実施形態において、第３熱交換器４３及び第４熱交換器４４に対して蓄熱部１００が設けられている。蓄熱部１００は、ヒートポンプ１０から伝わる熱を蓄える蓄熱材１０１を有する。蓄熱材１０１の熱は蒸発管５１Ａ及び５１Ｂに伝わる。蒸気生成システムＳ３の仕様に応じて、蓄熱材１０１の材料特性が定められる。本実施形態において、蓄熱材１０１は、第１実施形態と同様に、液体−固体の相変化を伴って蓄熱及び放熱する潜熱蓄熱材を含む。蓄熱部１００の構成は、図２Ａ〜３Ｄに示したように、様々な形態が適用可能である。
【０１１３】
第１蒸発部２２Ａにおいて、第１加温部２１Ａで温度上昇した水が供給口を介して第１タンク４７Ａに供給され、第１タンク４７Ａ及び第１循環配管４８Ａ内に水が貯溜される。第１タンク４７Ａ内の液面が所定範囲内になるように、第１タンク４７Ａへの水の供給量が制御される。例えば、レベルセンサ５０Ａの計測結果に基づいて、第１タンク４７Ａへの水の供給量が制御される。ヒートポンプ１０の放熱部１３Ｃからの熱伝達によって蒸発管５１Ａ内の水が加熱され、その水の少なくとも一部が蒸発する。第１タンク４７Ａは、ダクト２３Ａを介して圧縮機３０に流体的に接続されている。第１タンク４７Ａの内部空間は、第１タンク４７Ａの排出口及びダクト２３Ａを介して圧縮機３０によって吸引される。第１タンク４７Ａ内の蒸気は、ダクト２３Ａ内を圧縮機３０に向けて流れる。
【０１１４】
第２蒸発部２２Ｂにおいて、第１及び第２加温部２１Ａ，２１Ｂで温度上昇した水が供給口を介して第２タンク４７Ｂに供給され、第２タンク４７Ｂ及び第２循環配管４８Ｂ内に水が貯溜される。第２タンク４７Ｂ内の液面が所定範囲内になるように、第２タンク４７Ｂへの水の供給量が制御される。例えば、レベルセンサ５０Ｂの計測結果に基づいて、第２タンク４７Ｂへの水の供給量が制御される。
【０１１５】
本実施形態において、放熱部１３Ａと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に対応する蒸発管５１Ａ，５１Ｂ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、熱バランス制御の向上が図られる。
【０１１６】
ヒートポンプ１０の放熱部１３Ａからの熱伝達によって蒸発管５１Ｂ内の水が加熱され、その水の少なくとも一部が蒸発する。第２タンク４７Ｂは、ダクト２３Ｂを介して圧縮機３１に流体的に接続されている。第２タンク４７Ｂの内部空間は、第２タンク４７Ｂの排出口及びダクト２３Ｂを介して圧縮機３１によって吸引される。第２タンク４７Ｂ内の蒸気は、ダクト２３Ｂ内を圧縮機３１に向けて流れる。
【０１１７】
圧縮機３０は、供給経路２０の分岐経路２５Ａ上に配置され、その配置位置は第１タンク４７Ａに対して下流である。圧縮機３１は、供給経路２０の分岐経路２５Ｂ上に配置され、その配置位置は第２タンク４７Ｂに対して下流である。圧縮機３０，３１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、第１タンク４７Ａからの蒸気を圧縮し、昇圧した蒸気を下流に流す。圧縮機３１は、第２タンク４７Ｂからの蒸気を圧縮し、昇圧した蒸気を下流に流す。
【０１１８】
圧縮機３０（または分岐経路２５Ａ）には、蒸気に対して水を供給するノズル３５Ａが、必要に応じて配設される。同様に、圧縮機３１（または分岐経路２５Ｂ）には、ノズル３５Ｂが必要に応じて配設される。ノズル３５Ａ，３５Ｂの配設位置は、例えば、圧縮機３０，３１の入口及び／又は出口である。圧縮機３０，３１が多段式である場合には、ノズル３５Ａ，３５Ｂを各圧縮機３０，３１の段間に配設することもできる。ノズル３５Ａと第１タンク４７Ａの液相位置とが配管３６Ａを介して流体的に接続された配管構成を採用することができる。この配管構成では、比較的高温である第１タンク４７Ａ内の液体がノズル３５Ａへの供給に有効利用される。同様に、ノズル３５Ｂと第２タンク４７Ｂの液相位置とが配管３６Ｂを介して流体的に接続された配管構成を採用することができる。ノズル３５Ａ，３６Ｂからの液体の排出（スプレイ）には、ポンプ３７Ａ，３７Ｂなどの動力源を用いてもよく、配管３６Ａ，３６Ｂの入口と出口との圧力差を利用してもよい。
【０１１９】
圧縮機３０による吸引作用により、供給経路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、すなわち第１タンク４７Ａの内部空間が減圧される。第１タンク４７Ａの内部圧力が大気圧（１atm＝約０．１ＭＰａ）に比べて低い負圧（陰圧）となるように、供給経路２０（分岐経路２５Ａ）上の制御弁（流量制御弁など。不図示）、圧縮機３０等が制御される。この制御は、例えば、第１タンク４７Ａ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。
【０１２０】
第１タンク４７Ａ及びヒートポンプ１０は、第１タンク４７Ａの内部空間が負圧状態において、水が蒸発するように設計（容量設計、能力設計など）されている。第１タンク４７Ａ内の水の温度は標準沸点よりも低い。ヒートポンプ１０の成績係数は、被加熱媒体（水）の入力温度と出力温度との差に応じて変化し、その温度差が過度に大きいと成績係数（ＣＯＰ）が低下する場合がある。第１タンク４７Ａの内部空間が負圧状態であるという条件により、加熱温度領域（入出力温度差）を比較的狭く設定し、高いＣＯＰでのヒートポンプ１０の使用が可能である。例えば、第１加温部２１Ａへの水の入口温度は約２０℃であり、第１加温部２１Ａからの水の出口温度（第１蒸発部２２Ａへの水の入口温度）は約９０℃である。また、例えば、第１蒸発部２２Ａからの水（蒸気）の出口温度は約９０℃である。
【０１２１】
第２タンク４７Ｂの内部圧力は、第２蒸発部２２Ｂへの水の入力温度に応じて設定される。本実施形態において、第１タンク４７Ａに比べて、第２タンク４７Ｂへの水の入口温度が高い。第１及び第２加温部２１Ａ，２１Ｂで加熱された水の温度（第２加温部２１Ｂからの水の出口温度、第２蒸発部２２Ｂへの水の入口温度）は例えば約１２０℃である。第１タンク４７Ａに比べて、第２タンク４７Ｂの内部圧力が高く設定される。供給経路２０（分岐経路２５Ｂ）上の制御弁（流量制御弁など。不図示）、ポンプ２６、圧縮機３１等の制御によって、第２タンク４７Ｂの内部圧力が設定される。この制御は、例えば、第２タンク４７Ｂ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。上記した各部位での入口及び出口温度は一例である。供給源の水の温度、気温、蒸気の要求仕様などの条件に応じて、各部位における水の入口及び出口温度が変化する。
【０１２２】
本実施形態においては、供給経路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、第１熱交換器４１（第１加温部２１Ａ）において、供給経路２０内の水がヒートポンプ１０の放熱部１３Ｄからの熱伝達によって温度上昇する。第１加温部２１Ａからの水の流れは、分岐部２４Ａを介して、分岐経路２５Ａと分岐経路２５Ｂとに分かれる。分岐経路２５Ａを流れる水は、第１蒸発部２２Ａ（第１タンク４７Ａ）に向かう。第１タンク４７Ａにおいて、水は沸点（第１沸点）に近い温度を有する。第３熱交換器４３において、放熱部１３Ｃからの熱伝達によって蒸発管５１Ａ内の水が相変化して蒸発する。
【０１２３】
分岐経路２５Ｂを流れる水は、第２熱交換器４２（第２加温部２１Ｂ）に向かう。第２熱交換器４２（第２加温部２１Ｂ）において、分岐経路２５Ｂ内の水がヒートポンプ１０の放熱部１３Ｂからの熱伝達によってさらに温度上昇する。第２タンク４７Ｂの内部圧力は第１タンク４７Ａに比べて高い。第２タンク４７Ｂにおいて、水は沸点（第２沸点）に近い温度を有する。第２タンク４７Ｂ内の水の温度は、第１タンク４７Ａ内の水に比べて高い。第４熱交換器４４において、放熱部１３Ａからの熱伝達によって蒸発管５１Ａ内の水が相変化して蒸発する。
【０１２４】
本実施形態において、第１及び第２熱交換器４１，４２（第１及び第２加温部２１Ａ，２１Ｂ）において水が顕熱加熱され、第３及び第４熱交換器４３，４４（第１及び第２蒸発管５１Ａ，５１Ｂ）において水が潜熱加熱される。第１及び第２熱交換器４１，４２が顕熱交換に適した形態であり、第３及び第４熱交換器４３，４４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ることにより、好ましい加熱プロセスを経て蒸気が発生する。
【０１２５】
本実施形態においても、蓄熱材１０１及びタンク４７Ａ及び４７Ｂを用いた蓄熱を利用することにより、蒸気生成システムＳ３のピークパワー及び平均消費電力の抑制、蒸気・冷熱需要への柔軟な対応、及び／又は蒸気生成プロセスの立ち上がり時間の短縮が可能である。
【０１２６】
本実施形態において、供給経路２０内の水が、ヒートポンプ１０（放熱部１３Ａ〜１３Ｄ）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３０，３１による圧縮で比較的高圧力かつ高温度の蒸気となる。すなわち、ヒートポンプ１０で加熱された水が、圧縮機３０，３１による圧縮によってさらに加熱され、これにより、１００℃以上の高温蒸気が発生する。
【０１２７】
図１２は、蒸気発生システムＳ３におけるヒートポンプ１０の作動媒体の状態変化の一例を示す Ｔ-ｓ 線図である。図１３は、第３実施形態における水とヒートポンプの作動媒体との温度変化の一例を模式的に示している。
【０１２８】
図１３に示すように、第１加温部２１Ａ（図１１参照）において、作動媒体との熱交換により、供給源からの水の温度が第１沸点近くに上昇する（図１３の矢印ｍ１）。第１蒸発部２２Ａにおいて、作動媒体との熱交換により、第１沸点近くの温度で、水が液体から蒸気に相変化する（矢印ｍ２）。第２加温部２１Ｂにおいて、作動媒体との熱交換により、水の温度が第２沸点近くに上昇する（矢印ｍ３）。第２蒸発部２２Ｂにおいて、作動媒体との熱交換により、第２沸点近くの温度で、水が液体から蒸気に相変化する（矢印ｍ４）。
【０１２９】
また、図１３に示すように、水との熱交換により、圧縮部１２（図１１参照）からの作動媒体（蒸気）の温度が降下する（矢印ｎ１）。その作動媒体（蒸気）は、水との熱交換により、液体に相変化する（矢印ｎ２）。さらに、水との熱交換により、作動媒体（液体）の温度が降下する（矢印ｎ３）。
【０１３０】
このように、異なる環境に設定された２つの蒸発部を用いて蒸気を発生させることにより、熱交換時の作動媒体と水との温度差を抑制し、熱交換効率を高めることができる。図１３において、水の温度を示す線と、作動媒体の温度を示す線とで囲まれた領域の面積が小さいほど、熱交換効率が高いと考えることができる。
【０１３１】
図１４は、図１１の蒸気発生システムＳ３の変形例である第４実施形態を示す概略図である。以下の説明では、蒸気発生システムＳ４について、図１１に示す蒸気発生システムＳ３と同様の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。
【０１３２】
図１４に示すように、蒸気発生システムＳ４は、３つの蒸発部２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃと、３つの圧縮機３０，３１，３２とを有する。供給経路２０は、第１、第２、及び第３加温部２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃと、第１、第２、及び第３蒸発部２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃと、蒸発部２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃと圧縮機３０，３１，３２とを流体的に接続するダクト２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃとを有する。本実施形態において、供給経路２０は、分岐部２４Ａ，２４Ｂと、分岐経路２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄとを有する。供給経路２０において、第２加温部２１Ｂと第２タンク４７Ｂとの間に、分岐部２４Ｂが位置する。分岐経路２５Ｃは、分岐部２４Ｂからの水を第２蒸発部２２Ｂに導く。分岐経路２５Ｄは、分岐部２４Ｂからの水を第３蒸発部２２Ｃに導く。
【０１３３】
本実施形態において、作動媒体の流れ方向に沿って、６つの放熱部１３Ａ〜１３Ｆが直列に配置されている。作動媒体の流れ方向に沿って、放熱部１３Ｅ、放熱部１３Ｆ、放熱部１３Ａ、放熱部１３Ｂ、放熱部１３Ｃ、及び放熱部１３Ｄがその順に並んでいる。
【０１３４】
第３加温部２１Ｃは、分岐経路２５Ｄに配置される。第３加温部２１Ｃは、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ｆに隣接して配置されかつ第２加温部２１Ｂからの水が流れる配管を含む。第３加温部２１Ｃと放熱部１３Ｆとを含んで第５熱交換器４５が構成される。第３加温部２１Ｃにおいて、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ｆからの熱伝達によって、分岐経路２５Ｄ内の水が温度上昇する。
【０１３５】
本実施形態において、分岐経路２５Ｄにおける分岐部２４Ｂと第３加温部２１Ｃとの間にポンプ２７が配置されている。ポンプ２７及び／又は不図示の流量制御装置（制御バルブ等）によって、分岐経路２５Ｃ及び分岐経路２５Ｄを流れる単位時間あたりの水の量（蒸発部２２Ｂ，２２Ｃに対する水の分配量）が制御される。ポンプ２７の配置位置は、分岐部２４Ｂと第３加温部２１Ｃとの間に限定されない。
【０１３６】
第３蒸発部２２Ｃは、第１及び第２蒸発部２２Ａ，２２Ｂと同様に、少なくとも液状の被加熱媒体（水）を貯溜する第３タンク４７Ｃと、第３タンク４７Ｃに流体的に接続された第３循環配管４８Ｃとを有する。すなわち、第３循環配管４８Ｃの入口端と出口端とが第３タンク４７Ｃに流体的に接続される。第３タンク４７Ｃには、第３加温部２１Ｃからの水の供給口と、蒸気の排出口とが設けられる。第３タンク４７Ｃは、必要に応じて、液面を計測するレベルセンサ５０Ｃと、気液分離器（不図示）とを有する。第３循環配管４８Ｃは、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ｅに隣接して配置される蒸発管５１Ｃと、必要に応じてポンプ５２Ｃとを有する。
【０１３７】
本実施形態において、第１蒸発部２２Ａ（第１タンク４７Ａ、蒸発管５１Ａ）と第２蒸発部２２Ｂ（第２タンク４７Ｂ、蒸発管５１Ｂ）と第３蒸発部２２Ｃ（第３タンク４７Ｃ、蒸発管５１Ｃ）とが、供給経路２０に対して実質的に並列に配置される。第１、第２、及び第３加温部２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃは、供給経路２０に対して実質的に直列に配置される。なお、ヒートポンプ１０における作動媒体の流れ方向に対して、第３蒸発部２２Ｃが上流位置、第２蒸発部２２Ｂが中間位置、第１蒸発部２２Ａが下流位置である。被加熱媒体（水）の熱対流及び／又は差圧などを利用してポンプ５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃの少なくとも１つを省いてもよい。蒸発管５１Ｃと放熱部１３Ｅとを含んで第６熱交換器４６が構成される。
【０１３８】
本実施形態において、第３熱交換器４３、第４熱交換器４４、及び第６熱交換器４６に対して蓄熱部１００が設けられている。蓄熱部１００は、ヒートポンプ１０から伝わる熱を蓄える蓄熱材１０１を有する。蓄熱材１０１の熱は蒸発管５１Ａ〜５１Ｃに伝わる。蒸気生成システムＳ４の仕様に応じて、蓄熱材１０１の材料特性が定められる。本実施形態において、蓄熱材１０１は、第１実施形態と同様に、液体−固体の相変化を伴って蓄熱及び放熱する潜熱蓄熱材を含む。蓄熱部１００の構成は、図２Ａ〜３Ｄに示したように、様々な形態が適用可能である。
【０１３９】
第３蒸発部２２Ｃにおいて、第１、第２、及び第３加温部２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃで温度上昇した水が供給口を介して第３タンク４７Ｃに供給され、第３タンク４７Ｃ及び第３循環配管４８Ｃ内に水が貯溜される。第３タンク４７Ｃ内の液面が所定範囲内になるように、第３タンク４７Ｃへの水の供給量が制御される。例えば、レベルセンサ５０Ｃの計測結果に基づいて、第３タンク４７Ｃへの水の供給量が制御される。ヒートポンプ１０の放熱部１３Ｅからの熱伝達によって蒸発管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。第３タンク４７Ｃは、ダクト２３Ｃを介して圧縮機３２に流体的に接続されている。第３タンク４７Ｃの内部空間は、第３タンク４７Ｃの排出口及びダクト２３Ｃを介して圧縮機３２によって吸引される。第３タンク４７Ｃ内の蒸気は、ダクト２３Ｃ内を圧縮機３２に向けて流れる。
【０１４０】
圧縮機３２は、供給経路２０の分岐経路２５Ｄ上に配置され、その配置位置は第３タンク４７Ｃに対して下流である。圧縮機３２は、第３タンク４７Ｃからの蒸気を圧縮し、昇圧した蒸気を下流に流す。
【０１４１】
第３タンク４７Ｃの内部圧力は、第３蒸発部２２Ｃへの水の入力温度に応じて設定される。本実施形態において、第１及び第２タンク４７Ａ，４７Ｂに比べて、第３タンク４７Ｃへの水の入口温度が高い。第１、第２、及び第３加温部２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃで加熱された水の温度（第３加温部２１Ｃからの水の出口温度、第３蒸発部２２Ｃへの水の入口温度）は例えば約１５０℃である。第１及び第２タンク４７Ａ，４７Ｂに比べて、第３タンク４７Ｃの内部圧力が高く設定される。供給経路２０（分岐経路２５Ｄ）上の制御弁（流量制御弁など。不図示）、ポンプ２７、圧縮機３２等の制御によって、第３タンク４７Ｃの内部圧力が設定される。この制御は、例えば、第３タンク４７Ｃ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
【０１４２】
本実施形態において、分岐経路２５Ｄを流れる水は、第５熱交換器４５（第３加温部２１Ｃ）に向かう。第５熱交換器４５（第３加温部２１Ｃ）において、分岐経路２５Ｄ内の水がヒートポンプ１０の放熱部１３Ｆからの熱伝達によってさらに温度上昇する。第３タンク４７Ｃの内部圧力は第１及び第２タンク４７Ａ，４７Ｂに比べて高い。第３タンク４７Ｃにおいて、水は沸点（第３沸点）に近い温度を有する。第３タンク４７Ｃ内の水の温度は、第１及び第２タンク４７Ａ，４７Ｂ内の水に比べて高い。第６熱交換器４６において、放熱部１３Ｅからの熱伝達によって蒸発管５１Ｃ内の水が相変化して蒸発する。
【０１４３】
本実施形態においても、蓄熱材１０１及びタンク４７Ａ〜４７Ｃを用いた蓄熱を利用することにより、蒸気生成システムＳ４のピークパワー及び平均消費電力の抑制、蒸気・冷熱需要への柔軟な対応、及び／又は蒸気生成プロセスの立ち上がり時間の短縮が可能である。
【０１４４】
本実施形態において、第１蒸発部２２Ａの第１タンク４７Ａでは比較的低い圧力下で飽和蒸気が発生し、第３蒸発部２２Ｃの第３タンク４７Ｃでは比較的高い圧力下で飽和蒸気が発生し、第２蒸発部２２Ｂの第２タンク４７Ｂでは中間の圧力下で飽和蒸気が発生する。第１、第２、及び第３蒸発部２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃの各蒸気排出量（混合比）を制御することにより、出力蒸気の仕様を変化させることができる。
【０１４５】
図１５は、第４実施形態における水とヒートポンプの作動媒体との温度変化の一例を模式的に示す。
【０１４６】
図１５に示すように、第１及び第２加温部２１Ａ，２１Ｂ（図１４参照）を介して上昇した水の温度が、第３加温部２１Ｃにおいて、作動媒体との熱交換により、第３沸点近くにさらに上昇する（図１５の矢印ｍ５）。第３蒸発部２２Ｃにおいて、作動媒体との熱交換により、第３沸点近くの温度で、水が液体から蒸気に相変化する（矢印ｍ６）。
【０１４７】
このように、異なる環境に設定された３つの蒸発部を用いて蒸気を発生させることにより、熱交換時の作動媒体と水との温度差を抑制し、熱交換効率を高めることができる。図１５において、水の温度を示す線と、作動媒体の温度を示す線とで囲まれた領域の面積が小さいほど、熱交換効率が高いと考えることができる。
【０１４８】
第３及び第４実施形態において、蒸発部の数（タンク及び循環配管（蒸発管）の数）は、蒸気発生システム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。
【０１４９】
図１６は、図１１の蒸気発生システムＳ３の別の変形例である第５実施形態を示す概略図である。以下の説明では、蒸気発生システムＳ５について、図１１に示す蒸気発生システムＳ３と同様の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。
【０１５０】
蒸気発生システムＳ５において、図１６に示すように、圧縮部１２が作動媒体を複数段（本例では２段）で圧縮する構造を有する。本実施形態において、圧縮部１２は、放熱部１３Ａの前に配置される第１圧縮部１２Ａと、放熱部１３Ａの中段に配置される第２圧縮部１２Ｂとを有する。第２圧縮部１２Ｂに代えてあるいは加えて、放熱部１３Ｃの中段に圧縮部を設けることができる。圧縮の段数は、蒸気発生システム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、各圧縮部１２Ａ，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。各圧縮部１２Ａ，１２Ｂの圧縮比（圧力比）は、蒸気発生システムの仕様に応じて設定される。
【０１５１】
本実施形態において、第３熱交換器４３及び第４熱交換器４４に対して蓄熱部１００が設けられている。蓄熱部１００は、ヒートポンプ１０から伝わる熱を蓄える蓄熱材１０１を有する。蓄熱材１０１の熱は蒸発管５１Ａ及び５１Ｂに伝わる。蒸気生成システムＳ５の仕様に応じて、蓄熱材１０１の材料特性が定められる。本実施形態において、蓄熱材１０１は、第１実施形態と同様に、液体−固体の相変化を伴って蓄熱及び放熱する潜熱蓄熱材を含む。蓄熱部１００の構成は、図２Ａ〜３Ｄに示したように、様々な形態が適用可能である。
【０１５２】
本実施形態において、圧縮部１２が多段式である点から、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の段間の熱が奪われることによって、作動媒体の圧縮過程における作動媒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。また、本実施形態において、多段式の圧縮部１２に対する作動媒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。
【０１５３】
また、本実施形態においても、蓄熱材１０１及びタンク４７Ａ及び４７Ｂを用いた蓄熱を利用することにより、蒸気生成システムＳ５のピークパワー及び平均消費電力の抑制、蒸気・冷熱需要への柔軟な対応、及び／又は蒸気生成プロセスの立ち上がり時間の短縮が可能である。
【０１５４】
図１７は、図１４の蒸気発生システムＳ４の変形例である第６実施形態を示す概略図である。以下の説明では、蒸気発生システムＳ６について、図１４に示す蒸気発生システムＳ４と同様の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。
【０１５５】
蒸気発生システムＳ６において、図１７に示すように、圧縮部１２が作動媒体を複数段（本例では２段）で圧縮する構造を有する。本実施形態において、圧縮部１２は、放熱部１３Ｅの前に配置される第１圧縮部１２Ａと、放熱部１３Ｅの中段に配置される第２圧縮部１２Ｂとを有する。第２圧縮部１２Ｂに代えてあるいは加えて、放熱部１３Ａの中段及び／又は放熱部Ｃの中段に圧縮部を設けることができる。
【０１５６】
本実施形態において、第３熱交換器４３、第４熱交換器４４、及び第６熱交換器４６に対して蓄熱部１００が設けられている。蓄熱部１００は、ヒートポンプ１０から伝わる熱を蓄える蓄熱材１０１を有する。蓄熱材１０１の熱は蒸発管５１Ａ〜５１Ｃに伝わる。蒸気生成システムＳ６の仕様に応じて、蓄熱材１０１の材料特性が定められる。本実施形態において、蓄熱材１０１は、第１実施形態と同様に、液体−固体の相変化を伴って蓄熱及び放熱する潜熱蓄熱材を含む。蓄熱部１００の構成は、図２Ａ〜３Ｄに示したように、様々な形態が適用可能である。
【０１５７】
本実施形態においても、蓄熱材１０１及びタンク４７Ａ〜４７Ｃを用いた蓄熱を利用することにより、蒸気生成システムＳ６のピークパワー及び平均消費電力の抑制、蒸気・冷熱需要への柔軟な対応、及び／又は蒸気生成プロセスの立ち上がり時間の短縮が可能である。
【０１５８】
図１８は、図１１の蒸気発生システムＳ３の別の変形例である第７実施形態を示す概略図である。以下の説明では、蒸気発生システムＳ７について、図１１に示す蒸気発生システムＳ３と同様の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。
【０１５９】
蒸気発生システムＳ７において、図１８に示すように、圧縮部１２が作動媒体を複数段（本例では２段）で圧縮する構造を有する。本実施形態において、圧縮部１２は、放熱部１３Ａの前に配置される第１圧縮部１２Ａと、放熱部１３Ｂと放熱部１３Ｃとの間に配置される第２圧縮部１２Ｃとを有する。第２圧縮部１２Ｃに加えて、放熱部１３Ａ及び／又は放熱部１３Ｃの中段に圧縮部を設けることもできる。圧縮の段数は、蒸気発生システム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、各圧縮部１２Ａ，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。各圧縮部１２Ａ，１２Ｃの圧縮比（圧力比）は、蒸気発生システムの仕様に応じて設定される。
【０１６０】
本実施形態において、第３熱交換器４３及び第４熱交換器４４に対して蓄熱部１００が設けられている。蓄熱部１００は、ヒートポンプ１０から伝わる熱を蓄える蓄熱材１０１を有する。蓄熱材１０１の熱は蒸発管５１Ａ及び５１Ｂに伝わる。蒸気生成システムＳ７の仕様に応じて、蓄熱材１０１の材料特性が定められる。本実施形態において、蓄熱材１０１は、第１実施形態と同様に、液体−固体の相変化を伴って蓄熱及び放熱する潜熱蓄熱材を含む。蓄熱部１００の構成は、図２Ａ〜３Ｄに示したように、様々な形態が適用可能である。
【０１６１】
本実施形態においても、蓄熱材１０１及びタンク４７Ａ及び４７Ｂを用いた蓄熱を利用することにより、蒸気生成システムＳ７のピークパワー及び平均消費電力の抑制、蒸気・冷熱需要への柔軟な対応、及び／又は蒸気生成プロセスの立ち上がり時間の短縮が可能である。
【０１６２】
図１９は、図１４の蒸気発生システムＳ４の別の変形例である第８実施形態を示す概略図である。以下の説明では、蒸気発生システムＳ８について、図１４に示す蒸気発生システムＳ４と同様の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。
【０１６３】
蒸気発生システムＳ８において、図１９に示すように、圧縮部１２が作動媒体を複数段（本例では２段）で圧縮する構造を有する。本実施形態において、圧縮部１２は、放熱部１３Ｅの前に配置される第１圧縮部１２Ａと、放熱部１３Ｆと放熱部１３Ａとの間に配置される第２圧縮部１２Ｃとを有する。第２圧縮部１２Ｃに代えてあるいは加えて、放熱部１３Ｂと放熱部１３Ｃとの間に圧縮部を設けることができる。また、第２圧縮部１２Ｃに加えて、放熱部１３Ｅ、放熱部１３Ａ、及び／又は放熱部１３Ｃの中段に圧縮部を設けることもできる。
【０１６４】
本実施形態において、第３熱交換器４３、第４熱交換器４４、及び第６熱交換器４６に対して蓄熱部１００が設けられている。蓄熱部１００は、ヒートポンプ１０から伝わる熱を蓄える蓄熱材１０１を有する。蓄熱材１０１の熱は蒸発管５１Ａ〜５１Ｃに伝わる。蒸気生成システムＳ８の仕様に応じて、蓄熱材１０１の材料特性が定められる。本実施形態において、蓄熱材１０１は、第１実施形態と同様に、液体−固体の相変化を伴って蓄熱及び放熱する潜熱蓄熱材を含む。蓄熱部１００の構成は、図２Ａ〜３Ｄに示したように、様々な形態が適用可能である。
【０１６５】
本実施形態においても、蓄熱材１０１及びタンク４７Ａ〜４７Ｃを用いた蓄熱を利用することにより、蒸気生成システムＳ８のピークパワー及び平均消費電力の抑制、蒸気・冷熱需要への柔軟な対応、及び／又は蒸気生成プロセスの立ち上がり時間の短縮が可能である。
【０１６６】
図２０は、図１９の蒸気発生システムＳ８の別の変形例である第９実施形態を示す概略図である。以下の説明では、蒸気発生システムＳ９について、図１９に示す蒸気発生システムＳ８と同様の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。
【０１６７】
蒸気発生システムＳ９において、図２０に示すように、供給経路２０に対して、第２加温部２１Ｂと第３加温部２１Ｃとが実質的に並列に配置される。なお、ヒートポンプ１０における作動媒体の流れ方向に対して、第３加温部２１Ｃが上流位置、第２加温部２１Ｂが下流位置である。
【０１６８】
本実施形態において、供給経路２０は、分岐部２４Ａ，２４Ｃと、分岐経路２５Ａ，２５Ｆ，２５Ｇ，２５Ｈとを有する。供給経路２０において、分岐部２４Ａから、分岐経路２５Ａと分岐経路２５Ｆとが分かれている。分岐経路２５Ａは、前述したように、分岐部２４Ａからの水を第１蒸発部２２Ａに導く。分岐部２４Ａからの分岐経路２５Ｆに分岐部２４Ｃが位置する。分岐部２４Ｃから、分岐経路２５Ｇと分岐経路２５Ｈとが分かれている。分岐経路２５Ｇは、分岐部２４Ｃからの水を第２加温部２１Ｂに導く。分岐経路２５Ｈは、分岐部２４Ｂからの水を第３加温部２１Ｃに導く。
【０１６９】
本実施形態において、分岐経路２５Ｆにポンプ２８が配置されている。ポンプ２８及び／又は不図示の流量制御装置（制御バルブ等）によって、分岐経路２５Ａ，２５Ｆ，２５Ｇ，２５Ｈを流れる単位時間あたりの水の量（蒸発部２２Ａ，２２Ｂ，２３Ｃに対する水の分配量）が制御される。ポンプ２８の配置位置は、分岐経路２５Ｆ上に限定されない。他の実施形態において、分岐経路２５Ｇ及び／又は２５Ｈ上に、ポンプを配置することができる。
【０１７０】
第２蒸発部２２Ｂにおいて、第１及び第２加温部２１Ａ，２１Ｂで温度上昇した水が供給口を介して第２タンク４７Ｂに供給される。同様に、第３蒸発部２２Ｃにおいて、第１及び第３加温部２１Ａ，２１Ｃで温度上昇した水が供給口を介して第３タンク４７Ｃに供給される。
【０１７１】
本実施形態において、ヒートポンプ１０の圧縮部１２が多段式であるから、放熱部１３Ｂから第２加温部２１Ｂに伝達される熱は、放熱部１３Ｅから第３加温部２１Ｃに伝達される熱と同程度にすることができる。第２及び第３加温部２１Ｂ，２１Ｃが実質的に並列に配置されるから、第２蒸発部２２Ｂへの水の入口温度（第２加温部２１Ｂからの水の出口温度）は、第１及び第３加温部２１Ａ，２１Ｃで加熱された水の温度（第３加温部２１Ｃからの水の出口温度、第３蒸発部２２Ｃへの水の入口温度）と同程度にすることができる。
【０１７２】
第２及び第３タンク４７Ｂ，４７Ｃの内部圧力は、第２及び第３蒸発部２２Ｂ，２２Ｃへの水の入力温度に応じて設定される。本実施形態において、第１タンク４７Ａに比べて、第２及び第３タンク４７Ｂ，４７Ｃへの水の入口温度が高い。第１タンク４７Ａに比べて、第２及び第３タンク４７Ｂ，４７Ｃの内部圧力が高く設定される。供給経路２０（分岐経路２５Ｈ，２５Ｇ）上の制御弁（流量制御弁など。不図示）、ポンプ２８、圧縮機３１，３２等の制御によって、第２及び第３タンク４７Ｂ，４７Ｃの内部圧力が設定される。この制御は、例えば、第２及び第３タンク４７Ｂ，４７Ｃ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。
【０１７３】
本実施形態において、第１蒸発部２２Ａの第１タンク４７Ａでは比較的低い圧力下で飽和蒸気が発生し、第２及び第３蒸発部２２Ｂ，２２Ｃの第２及び第３タンク４７Ｂ，４７Ｃでは比較的高い圧力下で飽和蒸気が発生する。第１、第２、及び第３蒸発部２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃの各蒸気排出量（混合比）を制御することにより、出力蒸気の仕様を変化させることができる。本実施形態において、同程度の内部圧力に設定可能な複数の蒸発タンク（第２及び第３タンク４７Ｂ，４７Ｃ）が設けられているから、その圧力に応じた条件に対応する蒸気を比較的多く発生させることができる。
【０１７４】
本実施形態において、第３熱交換器４３、第４熱交換器４４、及び第６熱交換器４６に対して蓄熱部１００が設けられている。蓄熱部１００は、ヒートポンプ１０から伝わる熱を蓄える蓄熱材１０１を有する。蓄熱材１０１の熱は蒸発管５１Ａ〜５１Ｃに伝わる。蒸気生成システムＳ９の仕様に応じて、蓄熱材１０１の材料特性が定められる。本実施形態において、蓄熱材１０１は、第１実施形態と同様に、液体−固体の相変化を伴って蓄熱及び放熱する潜熱蓄熱材を含む。蓄熱部１００の構成は、図２Ａ〜３Ｄに示したように、様々な形態が適用可能である。
【０１７５】
本実施形態においても、蓄熱材１０１及びタンク４７Ａ〜４７Ｃを用いた蓄熱を利用することにより、蒸気生成システムＳ９のピークパワー及び平均消費電力の抑制、蒸気・冷熱需要への柔軟な対応、及び／又は蒸気生成プロセスの立ち上がり時間の短縮が可能である。
【０１７６】
上記説明において使用した数値は一例であって、本発明はこれに限定されない。
【０１７７】
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。上記説明において使用した数値は一例であって、本発明はこれに限定されない。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。
【図面の簡単な説明】
【０１７８】
【図１】第１実施形態を示す概略図である。
【図２Ａ】蓄熱部の構成例である。
【図２Ｂ】蓄熱部の別の構成例である。
【図２Ｃ】蓄熱部の別の構成例である。
【図３Ａ】蓄熱部が設けられた熱交換器の構造例を示す断面図である。
【図３Ｂ】蓄熱部が設けられた熱交換器の別の構造例を示す断面図である。
【図３Ｃ】蓄熱部が設けられた熱交換器の別の構造例を示す断面図である。
【図３Ｄ】蓄熱部が設けられた熱交換器の別の構造例を示す断面図である。
【図４】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。
【図５】蒸発管における水の流量を制御する構成の一例を示す。
【図６Ａ】第１運転モードの説明図である。
【図６Ｂ】第１運転モードの説明図である。
【図６Ｃ】第１運転モードの説明図である。
【図６Ｄ】第１運転モードの説明図である。
【図７Ａ】第２運転モードの説明図である。
【図７Ｂ】第２運転モードの説明図である。
【図８Ａ】第３運転モードの説明図である。
【図８Ｂ】第３運転モードの説明図である。
【図８Ｃ】第３運転モードの説明図である。
【図９Ａ】第４運転モードの説明図である。
【図９Ｂ】第４運転モードの説明図である。
【図９Ｃ】第４運転モードの説明図である。
【図１０】第２実施形態を示す概略図である。
【図１１】第３実施形態を示す概略図である。
【図１２】ヒートポンプの作動媒体の状態変化の一例を示す Ｔ-ｓ 線図である。
【図１３】第３実施形態における水とヒートポンプの作動媒体との温度変化の一例を模式的に示す図である。
【図１４】第４実施形態を示す概略図である。
【図１５】第４実施形態における水とヒートポンプの作動媒体との温度変化の一例を模式的に示す図である。
【図１６】第５実施形態を示す概略図である。
【図１７】第６実施形態を示す概略図である。
【図１８】第７実施形態を示す概略図である。
【図１９】第８実施形態を示す概略図である。
【図２０】第９実施形態を示す概略図である。
【符号の説明】
【０１７９】
Ｓ１〜Ｓ９…蒸気発生システム、１０…ヒートポンプ、１１…吸熱部、１２…圧縮部、１３Ａ〜１３Ｆ…放熱部、１４…膨張部、１５…主経路、１７…バイパス経路、１８…再生器、２０…供給経路、２１Ａ〜２１Ｃ…加温部、２２Ａ〜２２Ｃ…蒸発部、２３Ａ〜２３Ｃ…ダクト、２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ…分岐部、２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄ，２５Ｆ，２５Ｇ，２５Ｈ…分岐経路、２６〜２８…ポンプ、３０，３１，３２…圧縮機、３５Ａ〜３５Ｃ…ノズル、４１〜４６…熱交換器、４７Ａ〜４７Ｃ…タンク、４８Ａ〜４８Ｃ…循環配管、５０Ａ〜５０Ｃ…レベルセンサ、５１Ａ〜５１Ｃ…蒸発管、７０…制御装置、７１，７２…センサ、９０…冷熱供給装置、９１…放熱管、１００…蓄熱部、１０１…蓄熱材、１０２…筐体。
【図１】
2008185272.tif 000003
【図２Ａ】
2008185272.tif 000004
【図２Ｂ】
2008185272.tif 000005
【図２Ｃ】
2008185272.tif 000006
【図３Ａ】
2008185272.tif 000007
【図３Ｂ】
2008185272.tif 000008
【図３Ｃ】
2008185272.tif 000009
【図３Ｄ】
2008185272.tif 000010
【図４】
2008185272.tif 000011
【図５】
2008185272.tif 000012
【図６Ａ】
2008185272.tif 000013
【図６Ｂ】
2008185272.tif 000014
【図６Ｃ】
2008185272.tif 000015
【図６Ｄ】
2008185272.tif 000016
【図７Ａ】
2008185272.tif 000017
【図７Ｂ】
2008185272.tif 000018
【図８Ａ】
2008185272.tif 000019
【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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