(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媒体が流れる第１経路（１２０）を有する熱源装置（９０）と、第２媒体が流れるヒートポンプ（１０）と、第３媒体が流れる第２経路（２０）と、第１機構とを有する。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）を有する。第１経路（１２０）を流れる第１媒体からの熱が吸熱部（１１）を流れる第２媒体に伝わる。第２経路（２０）は、ヒートポンプ（１０）からの伝達熱によって第３媒体が蒸発する蒸発部（２２）を有する。第１機構（１２２、４００、５２１〜５２４）は、第１媒体の温度及び流量の少なくとも一方に応じて、膨張部（１４）における減圧比と圧縮部（１２）に対する第２媒体の入力位置との少なくとも一方を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１媒体が流れる第１経路を有する熱源装置と、
第２媒体が流れるヒートポンプであり、吸熱部、圧縮部、放熱部、及び膨張部を有し、前記第１経路を流れる前記第１媒体からの熱が前記吸熱部を流れる前記第２媒体に伝わる前記ヒートポンプと、
第３媒体が流れる第２経路であり、前記ヒートポンプからの伝達熱によって前記第３媒体が蒸発する蒸発部を有する前記第２経路と、
前記第１媒体の温度及び流量の少なくとも一方に応じて、前記膨張部における減圧比と前記圧縮部に対する前記第２媒体の入力位置との少なくとも一方を制御する第１機構と、を備えることを特徴とする蒸気生成システム。
【請求項２】
前記圧縮部は、多段圧縮構造を有し、
前記第１機構は、前記第１媒体の温度及び流量の少なくとも一方を計測するセンサと、前記膨張部に配置される減圧制御弁と、前記吸熱部からの前記第２媒体を前記圧縮部のいずれかの段に選択的に導く切換装置と、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】
前記ヒートポンプは、前記蒸発部に流入する前の前記第３媒体に前記第２媒体からの熱が伝わる加温部と、前記圧縮部からの前記第２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２媒体からの熱が前記吸熱部と前記圧縮部との間の前記第２媒体に伝わる再生器と、をさらに有し、
前記再生器における熱交換量を制御する第２機構をさらに備え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】
前記熱源装置は、
前記第１媒体を加熱する加熱回路と、
前記第１経路に流体的に接続されかつ前記加熱回路で加熱された前記第１媒体を貯溜するタンクと、
を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の蒸気生成システム。
【請求項５】
前記第１経路は、前記吸熱部の近傍と前記タンクとの間を前記第１媒体が循環する経路を有することを特徴とする請求項４に記載の蒸気生成システム。
【請求項６】
前記タンクは、前記第１経路を介して前記第１媒体が行き来する関係にある第１及び第２タンクを有することを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の蒸気生成システム。
【請求項７】
前記第１機構は、
前記吸熱部に向かう前記第２媒体の流れを分岐する分岐経路と、
前記膨張部に配置され、前記分岐経路のそれぞれに配置される減圧弁と、
少なくとも一部が前記吸熱部に配置され、前記分岐経路と流体的に接続される第１並列経路であり、前記第１経路と順に熱的に接続される前記第１並列経路と、
前記第１並列経路のそれぞれを前記圧縮部のいずれかの段に流体的に接続する導入経路と、
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８】
前記ヒートポンプは、前記蒸発部に流入する前の前記第３媒体に前記第２媒体からの熱が伝わる加温部と、前記圧縮部からの前記第２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２媒体からの熱が前記吸熱部と前記圧縮部との間の前記第２媒体に伝わる再生器と、をさらに有し、
少なくとも一部が前記再生器に配置され、前記第１並列経路に流体的に接続される第２並列経路をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の蒸気生成システム。
【請求項９】
前記熱源装置は、ヒートポンプ、冷凍機、冷蔵機、燃焼装置、又は内燃機関を含むことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の蒸気生成システム。
【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媒体が流れる第１経路を有する熱源装置と、第２媒体が流れるヒートポンプであり、吸熱部、圧縮部、放熱部、及び膨張部を有し、前記第１経路を流れる前記第１媒体からの熱が前記吸熱部を流れる前記第２媒体に伝わる前記ヒートポンプと、第３媒体が流れる第２経路であり、前記ヒートポンプからの伝達熱によって前記第３媒体が蒸発する蒸発部を有する前記第２経路と、前記第１媒体の温度及び流量の少なくとも一方に応じて、前記膨張部における減圧比と前記圧縮部に対する前記第２媒体の入力位置との少なくとも一方を制御する第１機構と、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、第１媒体の温度及び流量の少なくとも一方に応じて、膨張部における減圧比と圧縮部に対する第２媒体の入力位置との少なくとも一方が制御されることにより、作動媒体のルートが最適化される。そのため、このシステムは、ヒートポンプに供給される温熱の許容温度範囲が広い。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
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。
【０００８】
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、作動媒体が流れるヒートポンプ１０と、被加熱媒体の供給経路２０と、圧縮機３０と、制御装置７０と、熱源装置９０とを備える。本実施形態において、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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
ヒートポンプ１０の吸熱部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し、作動媒体の少なくとも一部が蒸発する。本実施形態において、ヒートポンプ１０の吸熱部１１は、熱源装置９０の放熱部９１に熱的に接続されている。
【００１２】
ヒートポンプ１０の圧縮部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〜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、各軸に動力が供給される。各圧縮部１２Ａ〜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。
【００１３】
放熱部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ，及び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，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ，及び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、２、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。
【００１４】
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（245、134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。後述するように、本実施形態において、膨張部１４は減圧制御弁４００を有する。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
本実施形態において、熱源装置９０は、ヒートポンプ１００、タンク１１０、及び循環経路１２０を有する。
【００１８】
ヒートポンプ１００は、前記のヒートポンプ１０と同様に、吸熱部１０１、圧縮部１０２、放熱部１０３、及び膨張部１０４を有し、これらは配管を介して接続されている。ヒートポンプ１００において、放熱部１０３を流れる媒体（冷媒など）の熱がタンク１１０への供給経路１１１を流れる媒体（水など）に伝わる。ヒートポンプ１００の吸熱部１０１からの冷熱は、例えば外部の設備に供給される。
【００１９】
本実施形態において、圧縮部１０２における圧縮の段数は、蒸気生成システムＳ１の仕様に応じて設定され、１、２、３、４、５、６、７、８、９、あるいは１０以上である。ヒートポンプ１００に使用される作動媒体として、フロン系媒体、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。ヒートポンプ１００で加熱された媒体は、供給経路１１１を介してタンク１１０に供給される。タンク１１０には、貯溜量を計測するセンサ（液面センサなど）が適宜設けられる。なお、タンク１１０に供給される媒体を加熱する装置は、ヒートポンプに限定されない。
【００２０】
他の実施形態において、様々な装置からのエネルギー又は排エネルギー（温排熱）を使って、タンク１１０に供給される媒体を加熱することができる。装置として、例えば、蒸気圧縮冷凍機、吸収式冷凍機（ガス直焚き吸収式冷凍機、蒸気吸収式冷凍機など）、吸着式冷凍機、冷蔵装置、燃焼機関（ボイラ、内燃機関など）を採用することができる。
【００２１】
循環経路１２０には、ポンプ１２１、センサ１２２、及び放熱部９１が配置される。ポンプ１２１が作動すると、タンク１１０からの媒体が循環経路１２０を流れる。放熱部９１において、循環経路１２０を流れる媒体の熱がヒートポンプ１０の吸熱部１１を流れる作動媒体に伝わる。放熱した媒体は、放熱部９１から循環経路１２０を介してタンク１１０に戻る。タンク１１０内の媒体は、排出弁１２３を介して必要に応じて外部に排出可能である。
【００２２】
センサ１２２は循環経路１２０を流れる媒体の温度及び流量の少なくとも一方を計測する。本実施形態において、センサ１２２は、放熱部９１に流入する前の媒体の温度及び流量（ヒートポンプ１０の吸熱部１１に対する温熱の入口温度及び入口流量）を計測する。センサ１２２の計測結果は制御装置７０に送られる。他の実施形態において、センサ１２２は、媒体の出口温度及び／又は出口流量を計測してもよく、入口及び出口の両方の温度及び／又は流量を計測してもよい。制御装置７０は、ヒートポンプ１０の作動媒体が気化（蒸発）するのに十分な熱量（比熱×温度×流量）が、循環経路１２０を流れる媒体（第１媒体）からヒートポンプ１０の作動媒体（第２媒体）に対して供給されるように、所定の制御を行う。
【００２３】
本実施形態において、制御装置７０は、センサ１２２の計測結果に基づいて、再生器１８における熱交換量と、圧縮部１２に対する作動媒体の入力位置と、膨張部１４における減圧比とを制御する。他の実施形態において、制御装置７０は、再生器１８における熱交換量、圧縮部１２に対する作動媒体の入力位置、及び膨張部１４における減圧比のうち、いずれか１つ又は２つを制御してもよい。
【００２４】
本実施形態において、図１に示すように、吸熱部１１と再生器１８との間には、再生器１８における熱交換量を制御する装置（熱量制御装置）としての弁５０１，５０２，５０３，５０４が配置されている。弁５０１〜５０４はそれぞれ、配管等を介して、再生器１８の異なる入力位置に流体的に接続されている。例えば、弁５０４が開、他の弁５０１〜５０３が閉のとき、吸熱部１１からの作動媒体が弁５０４を介して再生器１８内の主経路１５を流れる。再生器１８において、弁５０４のみが開のとき、熱交換（バイパス経路１７を流れる作動媒体からの熱が主経路１５を流れる作動媒体に伝わる。）のスパンが最も長い。弁５０３のみが開のとき、２番目にスパンが長い。弁５０３、弁５０２、弁５０１の順に、スパンが短くなる。バイパス経路１７を流れる作動媒体の温度が一定とすると、熱交換のスパンが長いほど主経路１５を流れる作動媒体に伝わる熱量（熱交換量）が多い。
【００２５】
なお、弁は開閉弁に限定されない。熱量制御装置としての弁の組み合わせは適宜に変更可能である。他の実施形態において、再生器１８用の熱量制御装置は、実質的な熱交換のスパンを機械的に変更する機構を有してもよい。例えば、熱量制御装置は、バイパス経路１７の配管に隣接配置される主経路１５の配管の長さ（面積）を機械的に変更する機構を有することができる。あるいは、熱量制御装置は、バイパス経路１７の配管と隣接する主経路１５の配管との間隔を機械的に変更する機構を有することができる。
【００２６】
本実施形態において、再生器１８と圧縮部１２との間には、吸熱部１１及び再生器１８からの作動媒体を、圧縮部１２のいずれかの段に選択的に導く切換装置としての弁５２１，５２２，５２３，５２４が配置されている。弁５２１は配管等を介して第４圧縮部１２Ｄの入口に流体的に接続されている。同様に、弁５２２は第３圧縮部１２Ｃの入口に流体的に接続され、弁５２３は第２圧縮部１２Ｂの入口に流体的に接続され、弁５２４は第１圧縮部１２Ａの入口に流体的に接続される。例えば、弁５２１が開、他の弁５２２〜５２４が閉のとき、再生器１８からの作動媒体が弁５２１を介して第４圧縮部１２Ｄに投入される。弁５２１からの作動媒体は、第４圧縮部１２Ｄで単段圧縮される。弁５２２からの作動媒体は、第３圧縮部１２Ｃ及び第４圧縮部１２Ｄで２段圧縮される。弁５２３からの作動媒体は、第２、第３、第４圧縮部１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄで３段圧縮される。弁５２４からの作動媒体は、第１〜第４圧縮部１２Ａ〜１２Ｄで４段圧縮される。
【００２７】
本実施形態において、前述したように、膨張部１４は減圧制御弁４００を有する。減圧制御弁４００は、減圧比を多段階又は無段階に変更可能である。本実施形態において、減圧制御弁４００は、減圧比を、高レベル（すなわち、減圧比が高い）、中高レベル、中低レベル、低レベルの４段階に制御可能である。
【００２８】
本実施形態において、ヒートポンプ１０の吸熱部１１に供給される温熱温度（熱源装置９０の放熱部９１を流れる媒体の温度）について、例えば、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、及びＴ４の４つの閾値が設定される。閾値は、例えば、制御装置７０の記憶部（不図示）に記憶されている。
【００２９】
制御装置７０は、閾値に沿って定められるフェーズに応じて、少なくとも弁５０１〜５０４、弁５２１〜５２４、及び減圧制御弁４００を制御する。前述したように、温熱温度は、熱源装置９０の放熱部９１の入口に配置されたセンサ１２２によって計測される。
【００３０】
ここで、温熱温度がＴ４以上の場合を第１フェーズとする。Ｔ３以上Ｔ４未満の場合を第２フェーズとする。Ｔ２以上Ｔ３未満の場合を第３フェーズとする。Ｔ１以上Ｔ２未満の場合を第４フェーズとする。
【００３１】
図２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、及び２Ｄは、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２Ａは第１フェーズを示し、第２Ｂは第２フェーズを示す。図２Ｃは第３フェーズを示し、図２Ｄは第４フェーズを示す。なお、図２Ａ〜２Ｄにおいて、熱交換に伴う温熱温度（放熱部９１を流れる媒体の温度）の変化を破線で模式的に示す。
【００３２】
第１フェーズにおいて、図１に示すように、制御装置７０は、弁５０１を開、弁５０２，５０３，５０４を閉とし、また、弁５２１を開、弁５２２，５２３，５２４を閉とする。また、減圧制御弁４００を低レベルの減圧比に設定する。第１フェーズでは、再生器１８における熱交換スパンが最も短く、また、圧縮部１２において単段圧縮が実行される。すなわち、吸熱部１１からの作動媒体は、弁５０１を介して再生器１８に導入される。再生器１８からの作動媒体は、弁５２１を介して第４圧縮部１２Ｄに導入される。第４圧縮部１２Ｄによって作動媒体が１段圧縮される。
【００３３】
図２Ａ及び図１において、第１フェーズの作動媒体は、吸熱部１１において温度一定のまま相変化する（蒸発する）。吸熱部１１からの作動媒体の温度は、再生器１８において上昇される。第４圧縮部１２Ｄにおいて作動媒体の温度はさらに上昇する。第４放熱部１３Ｄにおいて作動媒体の温度は降下する。作動媒体の温度は、加温部２１又は再生器１８においてさらに降下する。加温部２１からの作動媒体は、減圧制御弁４００において、飽和蒸気圧程度まで減圧された後、再び吸熱部１１に導入される。減圧制御弁４００からの作動媒体は、他のフェーズに比べて高い圧力を有する。これは、吸熱部１１における作動媒体の温度が他のフェーズに比べて高いからである。
【００３４】
第２フェーズにおいて、図１に示すように、制御装置７０は、弁５０２を開、弁５０１，５０３，５０４を閉とし、また、弁５２２を開、弁５２１，５２３，５２４を閉とする。また、減圧制御弁４００を中低レベルの減圧比に設定する。第２フェーズでは、再生器１８における熱交換スパンが第１フェーズの次に短く、また、圧縮部１２において２段圧縮が実行される。すなわち、吸熱部１１からの作動媒体は、弁５０２を介して再生器１８に導入される。再生器１８からの作動媒体は、弁５２２を介して第３圧縮部１２Ｃに導入される。第３及び第４圧縮部１２Ｃ，１２Ｄによって作動媒体が２段圧縮される。
【００３５】
図２Ｂ及び図１において、第２フェーズの作動媒体は、吸熱部１１において温度一定のまま相変化し、また、再生器１８において温度上昇される。第２フェーズにおいて、再生器１８からの作動媒体の温度は、第１フェーズと同程度である。また、吸熱部１１からの作動媒体の温度は第１フェーズに比べて低い。そのため、再生器１８における熱交換スパンは第１フェーズに比べて長くなる。第３圧縮部１２Ｃにおいて作動媒体の温度はさらに上昇し、第３放熱部１３Ｃにおいて降下する。第４圧縮部１２Ｄにおいて再び作動媒体の温度は上昇し、第４放熱部１３Ｄにおいて再び降下する。すなわち、第３圧縮部１２Ｃ、第３放熱部１３Ｃ、第４圧縮部１２Ｄ、及び第４放熱部１３Ｄにおいて、作動媒体の温度は上昇と降下を繰り返す。第４放熱部１３Ｄからの作動媒体の温度は、第１フェーズと同程度である。加温部２１からの作動媒体は、減圧制御弁４００において減圧された後、再び吸熱部１１に導入される。減圧制御弁４００からの作動媒体の圧力は、第１フェーズの次に高い。
【００３６】
第３フェーズにおいて、図１に示すように、制御装置７０は、弁５０３を開、弁５０１，５０２，５０４を閉とし、また、弁５２３を開、弁５２１，５２２，５２４を閉とする。また、減圧制御弁４００を中高レベルの減圧比に設定する。第３フェーズでは、再生器１８における熱交換スパンが第２フェーズに比べて長く、また、圧縮部１２において３段圧縮が実行される。すなわち、吸熱部１１からの作動媒体は、弁５０３を介して再生器１８に導入される。再生器１８からの作動媒体は、弁５２３を介して第２圧縮部１２Ｂに導入される。第２、第３及び第４圧縮部１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄによって作動媒体が３段圧縮される。
【００３７】
図２Ｃ及び図１において、第３フェーズの作動媒体は、吸熱部１１において温度一定のまま相変化し、また、再生器１８において温度上昇される。第３フェーズにおいて、再生器１８からの作動媒体の温度は、第１及び第２フェーズと同程度である。また、吸熱部１１からの作動媒体の温度は第２フェーズに比べて低い。そのため、再生器１８における熱交換スパンは第２フェーズに比べて長くなる。第２圧縮部１２Ｂ、第２放熱部１３Ｂ、第３圧縮部１２Ｃ、第３放熱部１３Ｃ、第４圧縮部１２Ｄ、及び第４放熱部１３Ｄにおいて、作動媒体の温度は上昇と降下を繰り返す。第４放熱部１３Ｄからの作動媒体の温度は、第１及び第２フェーズと同程度である。加温部２１からの作動媒体は、減圧制御弁４００において減圧された後、再び吸熱部１１に導入される。減圧制御弁４００からの作動媒体の圧力は、第２フェーズよりも低い。
【００３８】
第４フェーズにおいて、図１に示すように、制御装置７０は、弁５０４を開、弁５０１，５０２，５０３を閉とし、また、弁５２４を開、弁５２１，５２２，５２３を閉とする。また、減圧制御弁４００を高レベルの減圧比に設定する。第４フェーズでは、再生器１８における熱交換スパンが最も長く、また、圧縮部１２において４段圧縮が実行される。すなわち、吸熱部１１からの作動媒体は、弁５０４を介して再生器１８に導入される。再生器１８からの作動媒体は、弁５２４を介して第１圧縮部１２Ａに導入される。第１、第２、第３及び第４圧縮部１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄによって作動媒体が４段圧縮される。
【００３９】
図２Ｄ及び図１において、第４フェーズの作動媒体は、吸熱部１１において温度一定のまま相変化し、また、再生器１８において温度上昇される。第４フェーズにおいて、再生器１８からの作動媒体の温度は、他のフェーズと同程度である。また、吸熱部１１からの作動媒体の温度は最も低い。そのため、再生器１８における熱交換スパンは最も長い。第１圧縮部１２Ａ，第１放熱部１３Ａ、第２圧縮部１２Ｂ、第２放熱部１３Ｂ、第３圧縮部１２Ｃ、第３放熱部１３Ｃ、第４圧縮部１２Ｄ、及び第４放熱部１３Ｄにおいて、作動媒体の温度は上昇と降下を繰り返す。第４放熱部１３Ｄからの作動媒体の温度は、他のフェーズと同程度である。加温部２１からの作動媒体は、減圧制御弁４００において減圧された後、再び吸熱部１１に導入される。減圧制御弁４００からの作動媒体の圧力は、最も低い。
【００４０】
なお、第１フェーズにおける吸熱部１１を流れる作動媒体の温度は例えば１０℃程度、圧力は例えば０．０８２９ＭＰａ程度である。第２フェーズ、第３フェーズ、及び第４フェーズにおいて、吸熱部１１を流れる作動媒体の温度はそれぞれ、例えば３３℃程度、５５℃程度、７８℃程度である。第４フェーズにおいて、第１段圧縮後の作動媒体の圧力は、例えば、０．１７４ＭＰａ程度である。また、第２段、第３段、第４段圧縮後の作動媒体の圧力はそれぞれ、例えば、０．３５８ＭＰａ程度、０．７０２ＭＰａ程度、１．２６ＭＰａ程度である。数値は一例であって、本発明はこれに限定されない。
【００４１】
このように、本実施形態によれば、ヒートポンプ１０の吸熱部１１に供給される温熱温度に応じて、再生器１８及び圧縮部１２に関係する経路の切り替え、及び膨張部１４における減圧比の制御が行われ、これにより、ヒートポンプ１０からの放熱温度が所定レベルに保たれる。すなわち、ヒートポンプ１０が外部から受け取る熱量の変化に応じて、作動媒体のルートが最適化される。したがって、この蒸気生成システムＳ１は、ヒートポンプ１０に供給される温熱の許容温度範囲が広く、また、その温熱温度の変動に好ましく対応可能である。また、比較的高温の温熱がヒートポンプ１０に供給される場合には圧縮部１２の出力が抑制されるから、エネルギー消費の効率化が図られる。
【００４２】
また、本実施形態によれば、ヒートポンプ１０に供給される温熱源として、熱源装置９０のタンク１１０に貯溜された熱媒を用いることにより、ヒートポンプ１０とヒートポンプ１００との間の稼動タイミングのズレを吸収することができる。すなわち、タンク１１０内に熱エネルギーがバッファされるから、両者の稼動タイミングの不一致が許容される。また、熱源装置９０を、温熱供給装置としてだけでなく、外部に対する冷熱供給装置として用いる場合には、蒸気需要及び／又は冷熱需要に応じて、蒸気生成及び冷熱供給のタイミング及び量を調整できる。すなわち、蒸気生成システムＳ１は、蒸気供給及び冷熱供給について高い柔軟性及び制御性を有する。こうした蒸気生成システムＳ１は、例えば、加熱と冷却とを繰り返す食品製造プロセスに好ましく利用される。食品製造プロセスに限らず、蒸気需要と冷熱需要とが発生する様々な設備及びプロセスに、蒸気生成システムＳ１を好ましく適用可能である。
【００４３】
熱源装置９０のヒートポンプ１００の稼動は、例えば、電力料金が低く設定されている時間帯（例えば夜間）としてもよい。この場合、蒸気生成システムＳ１における電力消費を夜間と昼間とに振り分け、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、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。
【００４４】
熱源装置９０においては、所定のタイミングでヒートポンプ１００が稼動し、加熱された媒体がタンク１１０に貯溜される。ポンプ１２１が稼動することにより、ヒートポンプ１０に供給される温熱源として、タンク１１０からの媒体が放熱部９１に循環供給される。
【００４５】
循環供給の開始当初において、タンク１１０からの媒体は最も高い温度を有し、制御装置７０は、第１フェーズに対応するようにヒートポンプ１０を制御する。放熱部９１からの放熱した媒体がタンク１１０に戻ることにより、タンク１１０内の媒体の温度が徐々に下がる。センサ１２２の計測結果が所定値以下になると、制御装置７０は、第２フェーズに対応するようにヒートポンプ１０を制御する。以後、タンク１１０からの媒体の温度降下に伴って、第３フェーズ、第４フェーズの順に、ヒートポンプ１０が移行される。このように、本実施形態によれば、循環供給されるタンク１１０からの媒体の温度変動に応じて、ヒートポンプ１０における作動媒体のルートが最適化される。すなわち、ヒートポンプ１０に供給される温熱源として、熱源装置９０からの媒体が、広い温度範囲にわたって使用される。これは、エネルギー効率の向上有利である。なお、タンク１１０からの媒体の温度変動に加え、その媒体の流量変動に応じて、ヒートポンプ１０における作動媒体のルートを最適化してもよい。
【００４６】
ヒートポンプ１０を流れる作動媒体からの熱は、供給経路２０を流れる水に伝わる。本実施形態において、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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。数値は一例であって、本発明はこれに限定されない。水の出力温度は、１００℃、１１０℃、１２０℃、又は１３０℃以上でもよい。また、水の出力温度は、９０℃未満でもよい。
【００５６】
次に、蒸気生成システムＳ１の基本的な蒸気生成プロセスについて説明する。
【００５７】
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の少なくとも１つ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、水の顕熱加熱が主に第１熱交換器４１において行われ、水の潜熱加熱が主に第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。
【００５８】
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。
【００５９】
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）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。
【００６０】
図３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３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。
【００６１】
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。
【００６２】
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３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。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。
【００６３】
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。
【００６４】
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３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３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。
【００６５】
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の加温部２１及び放熱部（第１〜第４放熱部１３Ａ〜１３Ｄ）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。
【００６６】
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。
【００６７】
なお、他の実施形態において、圧縮機３０を省いた構成も可能である。ヒートポンプ１０に供給される温熱の温度が比較的高い場合、例えば、圧縮機３０を省略し、ヒートポンプ１０の加温部２１及び放熱部（第１〜第４放熱部１３Ａ〜１３Ｄ）による２段加熱で蒸気を生成することが可能である。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。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。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。
【００７１】
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。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（熱源装置９０の放熱部９１を流れる媒体）から有効に熱が吸収される。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
図４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。
【００７８】
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。
【００７９】
図５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。
【００８０】
図５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、熱源装置９０が複数のタンク１１０Ａ，１１０Ｂを有する。ヒートポンプ１０及び供給経路２０の構成は、第１実施形態のそれと同様である。
【００８１】
本実施形態において、熱源装置９０は、ヒートポンプ１００、第１タンク１１０Ａ、第２タンク１１０Ｂ、及び循環経路１２０を有する。他の実施形態において、タンクの数を、３以上とすることも可能である。
【００８２】
本実施形態において、循環経路１２０には、ポンプ１２１、センサ１２２、及び放熱部９１が配置される。さらに、循環経路１２０には、放熱部９１への媒体の供給元を切り換える弁１２５と、放熱部９１からの媒体の戻り先を切り換える弁１２６とが配置される。タンク１１０Ａ，１１０Ｂには、貯溜量を計測するセンサ（液面センサなど）が適宜設けられる。
【００８３】
ポンプ１２１が作動すると、第１タンク１１０Ａ又は第２タンク１１０Ｂからの媒体が循環経路１２０を流れる。放熱部９１において、循環経路１２０を流れる媒体の熱がヒートポンプ１０の吸熱部１１を流れる作動媒体に伝わる。放熱した媒体は、放熱部９１から循環経路１２０を介して第２タンク１１０Ｂ又は第１タンク１１０Ａに戻る。タンク１１０Ａ，１１０Ｂ内の媒体は、排出弁１２３Ａ，１２３Ｂを介して必要に応じて外部に排出可能である。
【００８４】
本実施形態において、所定のタイミングでヒートポンプ１００が稼動し、加熱された媒体が第１タンク１１０Ａに貯溜される。ポンプ１２１が稼動することにより、ヒートポンプ１０に供給される温熱源として、第１タンク１１０Ａからの媒体が放熱部９１に供給される。放熱した媒体は、放熱部９１から循環経路１２０を介して第２タンク１１０Ｂに戻る。
【００８５】
第１タンク１１０Ａ内の媒体が所定量以下になると、制御装置７０は、弁１２５及び弁１２６を制御して、媒体の供給ルートを切り換える。これにより、ヒートポンプ１０に供給される温熱源として、第１タンク１１０Ａに代わって、第２タンク１１０Ｂからの媒体が放熱部９１に供給される。放熱した媒体は、放熱部９１から循環経路１２０を介して第１タンク１１０Ａに戻る。以後、第１タンク１１０Ａと第２タンク１１０Ｂとの間を媒体が行き来する。
【００８６】
本実施形態では、ヒートポンプ１０の吸熱部に供給される温熱の温度が段階的に変化する。すなわち、温熱の供給元のタンク１１０Ａ及び１１０Ｂが切り替わるごとに、温熱の供給温度が変化する。
【００８７】
循環供給の開始当初において、第１タンク１１０Ａからの媒体の温度は最も高く、制御装置７０は、第１フェーズに対応するようにヒートポンプ１０を制御する。次に、第２タンク１１０Ｂからの温度は当初温度よりも低く、制御装置７０は、第２フェーズに対応するようにヒートポンプ１０を制御する。以後、温熱の供給元のタンク１１０Ａ及び１１０Ｂが切り替わるごとに、第３フェーズ、第４フェーズの順に、ヒートポンプ１０が移行される。これにより、循環供給されるタンク１１０Ａ，１１Ｂからの媒体の温度変動に応じて、ヒートポンプ１０における作動媒体のルートが最適化される。なお、フェーズの移行は、タンクの切り替えに必ずしも対応しなくてもよい。例えば、タンクの一度の切り替えによって変動した温熱の温度が所定の閾値を下回らなければ、直前のフェーズを続行してもよい。
【００８８】
本実施形態によれば、放熱部９１からの媒体の戻り先が、供給元のタンクとは別のタンクであるから、１つのタンクからの媒体供給中における、温熱温度の変化は小さい。そのため、各フェーズにおいて、ヒートポンプ１０に供給される温熱の温度が概ね一定に保たれ、安定的な蒸気生成が実行される。
【００８９】
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。
【００９０】
図６は、第３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。
【００９１】
図６に示すように、蒸気生成システムＳ３は、第１及び第２実施形態と異なり、熱源装置９０におけるタンクを省略した構成を有する。また、蒸気生成システムＳ３において、ヒートポンプ１０が複数の吸熱部を有する。供給経路２０の構成は、第１実施形態のそれと同様である。
【００９２】
本実施形態において、ヒートポンプ１０は、４つの吸熱部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄを有する。また、ヒートポンプ１０の膨張部１４は、４つの減圧制御弁４００Ａ，４００Ｂ，４００Ｃ，４００Ｄを有する。他の実施形態において、吸熱部及び減圧制御弁の数を、２、３、又は５以上とすることが可能である。
【００９３】
ヒートポンプ１０の主経路１５は、吸熱部１１Ａ〜１１Ｄに向かう作動媒体の流れを分岐する分岐経路１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄを有する。分岐経路１５Ａ〜１５Ｄには、減圧制御弁４００Ａ〜４００Ｄがそれぞれ配置される。減圧制御弁４００Ａの減圧比が最も低く設定される（低レベル）。減圧制御弁４００Ｂの減圧比が２番目に低く設定される（中低レベル）。減圧制御弁４００Ｂ、減圧制御弁４００Ｃ（中高レベル）、減圧制御弁４００Ｄ（高レベル）の順に、減圧比が高くなる。
【００９４】
なお、図６に示すように、供給経路１１１又は放熱経路１２９に、ヒートポンプ１００からの媒体の温度及び必要に応じてその媒体の流量を計測するセンサ１２８を配置し、センサ１２８の計測結果に基づいて、減圧制御弁４００Ａ〜４００Ｄの減圧比を制御してもよい。放熱部９１Ａ〜９１Ｄの段間に、センサ１２８を配置することも可能である。
【００９５】
吸熱部１１Ａ〜１１Ｄは、減圧制御弁４００Ａ〜４００Ｄを介して分岐経路１５Ａ〜１５Ｄと流体的に接続される並列経路（第１並列経路）の一部である。ヒートポンプ１０の主経路１５はさらに、吸熱部１１Ａ〜１１Ｄに流体的にそれぞれ接続される並列経路（第２並列経路）１５Ｅ，１５Ｆ，１５Ｇ，１５Ｈを有する。再生器１８において、バイパス経路１７の配管の一部と、経路１５Ｅ〜１５Ｈの配管の一部とが熱的に接続されている。例えば、両配管が互いに接触あるいは隣接して配置されている。経路１５Ｅ，１５Ｆ，１５Ｇ，１５Ｈは、導入経路１５Ｊ，１５Ｋ，１５Ｌ，１５Ｍにそれぞれ流体的に接続され、その経路１５Ｊ〜１５Ｍを介して、第４圧縮部１２Ｄ、第３圧縮部１２Ｃ、第２圧縮部１２Ｂ、第１圧縮部１２Ａにそれぞれ流体的に接続されている。
【００９６】
本実施形態において、経路１５Ｅの再生器１８における熱交換スパン（バイパス経路１７を流れる作動媒体からの熱が主経路１５を流れる作動媒体に伝わる熱交換のスパン）が最も短い。経路１５Ｆの再生器１８における熱交換スパンが２番目に短い。経路１５Ｆ、１５Ｇ、１５Ｈの順に、スパンが長くなる。バイパス経路１７を流れる作動媒体の温度が一定とすると、熱交換のスパンが長いほど主経路１５（１５Ｅ〜１５Ｈ）を流れる作動媒体に伝わる熱量（熱交換量）が多い。
【００９７】
熱源装置９０は、ヒートポンプ１００、及び放熱経路１２９を有する。放熱経路１２９は、直列に並ぶ４つの放熱部９１Ａ，９１Ｂ，９１Ｃ，９１Ｄを有する。放熱部９１Ａが最も上流側に位置する。放熱部９１Ａ、放熱部９１Ｂ、放熱部９１Ｃ、放熱部９１Ｄの順に、媒体の流れに沿って並ぶ。放熱部９１Ａ〜９１Ｄは、吸熱部１１Ａ〜１１Ｄとそれぞれ熱的に接続されている。
【００９８】
熱源装置９０のヒートポンプ１００において、供給経路１１１を流れる媒体（水など）が加熱される。ヒートポンプ１００からの加熱された媒体は、放熱経路１２９を流れる。放熱部９１Ａを流れる媒体からの熱が吸熱部１１Ａを流れる作動媒体に伝わる。放熱部９１Ａからの放熱した媒体は放熱部９１Ｂに導入される。以後、放熱部９１Ｂ、放熱部９１Ｃ、放熱部９１Ｄを流れる媒体からの熱が吸熱部１１Ｂ、吸熱部１１Ｃ、吸熱部１１Ｄを流れる作動媒体にそれぞれ伝わる。放熱部９１Ａを流れる媒体の温度が最も高い。放熱部９１Ｂを流れる媒体の温度が２番目に高い。放熱部９１Ｂ、放熱部９１Ｃ、放熱部９１Ｄの順に、媒体の温度が低くなる。
【００９９】
放熱部９１Ａからの熱を受け取った吸熱部１１Ａを流れる作動媒体は、他の吸熱部１１Ｂ〜１１Ｄに比べて高い温度を有する。また、低レベルの減圧比に設定された減圧制御弁４００Ａからの作動媒体は、他の吸熱部１１Ｂ〜１１Ｄに比べて高い圧力を有する。図６に示すように、経路１５Ｅを流れる吸熱部１１Ａからの作動媒体は、再生器１８及び経路１５Ｊを経て、第４圧縮部１２Ｄに導入される。第４圧縮部１２Ｄによってその作動媒体が１段圧縮される（図２Ａ参照）。
【０１００】
放熱部９１Ｂからの熱を受け取った吸熱部１１Ｂを流れる作動媒体は、吸熱部１１Ａの次に高い温度を有する。また、中低レベルの減圧比に設定された減圧制御弁４００Ｂからの作動媒体は、吸熱部１１Ｂの次に高い圧力を有する。図６に示すように、経路１５Ｆを流れる吸熱部１１Ｂからの作動媒体は、再生器１８及び経路１５Ｋを経て、第３圧縮部１２Ｃに導入される。第３及び第４圧縮部１２Ｃ，１２Ｄによってその作動媒体が２段圧縮される（図２Ｂ参照）。
【０１０１】
同様に、経路１５Ｇを流れる吸熱部１１Ｃからの作動媒体は、再生器１８及び経路１５Ｌを経て、第２圧縮部１２Ｂに導入される。第２、第３、及び第４圧縮部１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄによってその作動媒体が３段圧縮される（図２Ｃ参照）。また、経路１５Ｈを流れる吸熱部１１Ｄからの作動媒体は、再生器１８及び経路１５Ｍを経て、第１圧縮部１２Ａに導入される。第１、第２、第３、及び第４圧縮部１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄによってその作動媒体が４段圧縮される（図２Ｄ参照）。
【０１０２】
本実施形態によれば、ヒートポンプ１０の吸熱部１１Ａ〜１１Ｄに対して、異なる温度の温熱（熱源装置９０からの媒体）が供給される。すなわち、熱源装置９０からの媒体は、吸熱部１１Ａに対して高温放熱を行う。放熱によって温度降下した吸熱部１１Ａからの媒体は、吸熱部１１Ｂに対して中高温放熱を行う。以後、熱源装置９０からの媒体は、吸熱部１１Ｃに対して中低温放熱を行い、吸熱部１１Ｄに対して低温放熱を行う。その結果、ヒートポンプ１０において、温熱の供給温度に応じて分かれた各経路を作動媒体が流れ、これにより、ヒートポンプ１０からの放熱温度が所定レベルに保たれる。すなわち、ヒートポンプ１０が外部から受け取る熱量の変化に応じて、最適化された各ルートを作動媒体が流れる。したがって、この蒸気生成システムＳ３も、ヒートポンプ１０に供給される温熱の許容温度範囲が広く、また、その温熱温度の変動に好ましく対応可能である。また、本実施形態によれば、熱源装置９０のタンクが省略されるから、構成の簡略化が図られる。
【０１０３】
次に、本発明の第４実施形態について図面を参照して説明する。
【０１０４】
図７は、第４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。
【０１０５】
図７に示すように、蒸気生成システムＳ４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。熱源装置９０の構成は、上記実施形態のそれと同様である。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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Ｓ４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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
本実施形態においても、上記実施形態と同様に、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。蒸気生成システムＳ４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。
【０１１２】
また、本実施形態においても、ヒートポンプ１０が外部から受け取る熱量の変化に応じて、作動媒体のルートが最適化される。すなわち、制御装置７０は、センサ１２２の計測結果に基づいて、再生器１８における熱交換量と、圧縮部１２に対する作動媒体の入力位置と、膨張部１４における減圧比との少なくとも１つを制御する。これにより、この蒸気生成システムＳ４は、ヒートポンプ１０に供給される温熱の許容温度範囲が広く、また、その温熱温度の変動に好ましく対応可能である。
【０１１３】
なお、複数の個別タンク４７Ａ〜４７Ｄを有する図７の蒸発部を、図５の蒸気生成システムＳ２、又は図６の蒸気生成システムＳ２に適用してもよい。
【０１１４】
次に、本発明の第５実施形態について図面を参照して説明する。
図８は、第５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。
【０１１５】
図８に示すように、蒸気生成システムＳ５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、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Ｓ５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、熱源装置９０とを備える。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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Ｓ５の仕様に応じて設定される。
【０１１８】
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Ｓ５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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
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。
【０１２６】
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。
【０１２７】
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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
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。
【０１３２】
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。
【０１３３】
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。
【０１３４】
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。
【０１３５】
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。
【０１３６】
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。
【０１３７】
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。
【０１３８】
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。
【０１３９】
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。
【０１４０】
本実施形態においても、ヒートポンプ１０が外部から受け取る熱量の変化に応じて、作動媒体のルートが最適化される。すなわち、制御装置７０は、センサ１２２の計測結果に基づいて、再生器１８における熱交換量と、膨張部１４における減圧比との少なくとも１つを制御する。これにより、この蒸気生成システムＳ５は、ヒートポンプ１０に供給される温熱の許容温度範囲が広く、また、その温熱温度の変動に好ましく対応可能である。
【０１４１】
図９は、第５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。
【０１４２】
図９に示すように、第１加温部２１Ａ（図８参照）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９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）。
【０１４３】
また、図９に示すように、水との熱交換により、圧縮部１２（図８参照）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）。
【０１４４】
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９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。
【０１４５】
なお、本実施形態の蒸発部を含む供給経路２０及びヒートポンプ１０を、図５の蒸気生成システムＳ２、又は図６の蒸気生成システムＳ２に適用してもよい。
【０１４６】
図１０は、図８の蒸気発生システムＳ５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８に示す蒸気発生システムＳ５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。
【０１４７】
図１０に示すように、蒸気発生システムＳ６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。
【０１４８】
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。
【０１４９】
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。
【０１５０】
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。
【０１５１】
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。
【０１５２】
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。
【０１５３】
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。
【０１５４】
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。
【０１５５】
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
【０１５６】
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。
【０１５７】
本実施形態においても、ヒートポンプ１０が外部から受け取る熱量の変化に応じて、作動媒体のルートが最適化される。すなわち、制御装置７０は、センサ１２２の計測結果に基づいて、再生器１８における熱交換量と、膨張部１４における減圧比との少なくとも１つを制御する。これにより、この蒸気生成システムＳ６は、ヒートポンプ１０に供給される温熱の許容温度範囲が広く、また、その温熱温度の変動に好ましく対応可能である。
【０１５８】
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。
【０１５９】
図１１は、第６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。
【０１６０】
図１１に示すように、第１及び第２加温部２１Ａ，２１Ｂ（図１０参照）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１１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）。
【０１６１】
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１１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。
【０１６２】
第５及び第６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。
【０１６３】
なお、本実施形態の蒸発部を含む供給経路２０及びヒートポンプ１０を、図５の蒸気生成システムＳ２、又は図６の蒸気生成システムＳ２に適用してもよい。
【０１６４】
図１２は、図８の蒸気発生システムＳ５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８に示す蒸気発生システムＳ５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。
【０１６５】
蒸気発生システムＳ７において、図１２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。
【０１６６】
本実施形態においても、ヒートポンプ１０が外部から受け取る熱量の変化に応じて、作動媒体のルートが最適化される。すなわち、制御装置７０は、センサ１２２の計測結果に基づいて、再生器１８における熱交換量と、膨張部１４における減圧比との少なくとも１つを制御する。これにより、この蒸気生成システムＳ７は、ヒートポンプ１０に供給される温熱の許容温度範囲が広く、また、その温熱温度の変動に好ましく対応可能である。
【０１６７】
なお、本実施形態の蒸発部を含む供給経路２０及びヒートポンプ１０を、図５の蒸気生成システムＳ２、又は図６の蒸気生成システムＳ２に適用してもよい。
【０１６８】
図１３は、図１０の蒸気発生システムＳ６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１０に示す蒸気発生システムＳ６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。
【０１６９】
蒸気発生システムＳ８において、図１３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。
【０１７０】
本実施形態においても、ヒートポンプ１０が外部から受け取る熱量の変化に応じて、作動媒体のルートが最適化される。すなわち、制御装置７０は、センサ１２２の計測結果に基づいて、再生器１８における熱交換量と、膨張部１４における減圧比との少なくとも１つを制御する。これにより、この蒸気生成システムＳ８は、ヒートポンプ１０に供給される温熱の許容温度範囲が広く、また、その温熱温度の変動に好ましく対応可能である。
【０１７１】
なお、本実施形態の蒸発部を含む供給経路２０及びヒートポンプ１０を、図５の蒸気生成システムＳ２、又は図６の蒸気生成システムＳ２に適用してもよい。
【０１７２】
図１４は、図８の蒸気発生システムＳ５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８に示す蒸気発生システムＳ５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。
【０１７３】
蒸気発生システムＳ９において、図１４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Ｓ９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。
【０１７４】
本実施形態においても、ヒートポンプ１０が外部から受け取る熱量の変化に応じて、作動媒体のルートが最適化される。すなわち、制御装置７０は、センサ１２２の計測結果に基づいて、再生器１８における熱交換量と、膨張部１４における減圧比との少なくとも１つを制御する。これにより、この蒸気生成システムＳ９は、ヒートポンプ１０に供給される温熱の許容温度範囲が広く、また、その温熱温度の変動に好ましく対応可能である。
【０１７５】
なお、本実施形態の蒸発部を含む供給経路２０及びヒートポンプ１０を、図５の蒸気生成システムＳ２、又は図６の蒸気生成システムＳ２に適用してもよい。
【０１７６】
図１５は、図１０の蒸気発生システムＳ６の別の変形例である第１０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Ｓ１０について、図１０に示す蒸気発生システムＳ６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。
【０１７７】
蒸気発生システムＳ１０において、図１５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。
【０１７８】
本実施形態においても、ヒートポンプ１０が外部から受け取る熱量の変化に応じて、作動媒体のルートが最適化される。すなわち、制御装置７０は、センサ１２２の計測結果に基づいて、再生器１８における熱交換量と、膨張部１４における減圧比との少なくとも１つを制御する。これにより、この蒸気生成システムＳ１０は、ヒートポンプ１０に供給される温熱の許容温度範囲が広く、また、その温熱温度の変動に好ましく対応可能である。
【０１７９】
なお、本実施形態の蒸発部を含む供給経路２０及びヒートポンプ１０を、図５の蒸気生成システムＳ２、又は図６の蒸気生成システムＳ２に適用してもよい。
【０１８０】
図１６は、図１５の蒸気発生システムＳ１０の別の変形例である第１１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Ｓ１１について、図１５に示す蒸気発生システムＳ１０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。
【０１８１】
蒸気発生システムＳ１１において、図１６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。
【０１８２】
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。
【０１８３】
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。
【０１８４】
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。
【０１８５】
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。
【０１８６】
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。
【０１８７】
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。
【０１８８】
本実施形態においても、ヒートポンプ１０が外部から受け取る熱量の変化に応じて、作動媒体のルートが最適化される。すなわち、制御装置７０は、センサ１２２の計測結果に基づいて、再生器１８における熱交換量と、膨張部１４における減圧比との少なくとも１つを制御する。これにより、この蒸気生成システムＳ１０は、ヒートポンプ１０に供給される温熱の許容温度範囲が広く、また、その温熱温度の変動に好ましく対応可能である。
【０１８９】
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。
【０１９０】
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】
【０１９１】
【図１】第１実施形態を示す概略図である。
【図２Ａ】ヒートポンプの作動媒体の状態変化の一例を示す Ｔ-ｓ 線図であり、第１フェーズを示す。
【図２Ｂ】ヒートポンプの作動媒体の状態変化の一例を示す Ｔ-ｓ 線図であり、第２フェーズを示す。
【図２Ｃ】ヒートポンプの作動媒体の状態変化の一例を示す Ｔ-ｓ 線図であり、第３フェーズを示す。
【図２Ｄ】ヒートポンプの作動媒体の状態変化の一例を示す Ｔ-ｓ 線図であり、第４フェーズを示す。
【図３】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４】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である。
【図５】第２実施形態を示す概略図である。
【図６】第３実施形態を示す概略図である。
【図７】第４実施形態を示す概略図である。
【図８】第５実施形態を示す概略図である。
【図９】第５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１０】第６実施形態を示す概略図である。
【図１１】第６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１２】第７実施形態を示す概略図である。
【図１３】第８実施形態を示す概略図である。
【図１４】第９実施形態を示す概略図である。
【図１５】第１０実施形態を示す概略図である。
【図１６】第１１実施形態を示す概略図である。
【符号の説明】
【０１９２】
Ｓ１〜Ｓ１１…蒸気生成システム、１０，１００…ヒートポンプ、１１…吸熱部、１１Ａ〜１１Ｄ…吸熱部（第１並列経路、第１機構）、１２…圧縮部、１３Ａ〜１３Ｆ…放熱部、１４…膨張部、１５…主経路、１５Ａ〜１５Ｄ…分岐経路（第１機構）、１５Ｅ〜１５Ｈ…第２並列経路、１５Ｊ〜１５Ｍ…導入経路（第１機構）、１７…バイパス経路、１８…再生器、２０…供給経路（第２経路）、２１…加温部、２２…蒸発部、２３…ダクト、３０，３１，３２…圧縮機、４１〜４６…熱交換器、４７，４７Ａ〜４７Ｃ…タンク、５１Ａ〜５１Ｄ…蒸発管、７０…制御装置、９０…熱源装置、９１…放熱部、１１０，１１０Ａ，１１０Ｂ…タンク、１１１…供給経路、１２０…循環経路（第１経路）、１２９…放熱経路（第１経路）、１２１…ポンプ、１２２，１２８…センサ（第１機構、第２機構）、１２５，１２６…弁、４００，４００Ａ〜４００Ｄ…減圧制御弁（第１機構）、５０１〜５０４…弁（第２機構）、５２１〜５２４…弁（切換装置、第１機構）。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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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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【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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