(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、熱供給ユニット（９０）と、蒸発部（２２）と、減圧装置（３０）と、加熱された第２媒体を出力する熱源（１００）とを備える。熱供給ユニット（９０）は、ヒートポンプ（１０）の吸熱部（１１）に熱を供給する。蒸発部（２２）は、第２媒体を一時的に貯溜する蒸発タンク（４７）を有し、ヒートポンプ（１０）の放熱部に熱的に接続されている。蒸発タンク（４７）の内部空間の減圧とヒートポンプ（１０）からの伝達熱との少なくとも１つによって蒸発部（２２）における第２媒体が蒸発する。蒸気生成システムは、熱源（１００）からの第２媒体が流れ、蒸発タンク（４７）と流体的につながる第１経路（２０１）と、第２媒体が流れ、熱供給ユニット（９０）と流体的につながる第２経路（２１０）とをさらに備える。【選択図】図１
2008309360.tif 000002
【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であり、吸熱部、圧縮部、放熱部、及び膨張部を有する前記ヒートポンプと、
前記ヒートポンプの前記吸熱部に熱を供給する熱供給ユニットと、
第２媒体を一時的に貯溜する蒸発タンクを有し、前記ヒートポンプの前記放熱部に熱的に接続された蒸発部と、
前記蒸発タンクの内部空間を減圧する減圧装置であり、前記内部空間の前記減圧と前記ヒートポンプからの伝達熱との少なくとも１つによって前記蒸発部における前記第２媒体が蒸発する前記減圧装置と、
加熱された前記第２媒体を出力する熱源と、
前記熱源からの前記第２媒体が流れ、前記蒸発タンクと流体的につながる第１経路と、
前記第２媒体が流れ、前記熱供給ユニットと流体的につながる第２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】
前記蒸発タンク内の前記第２媒体の温度に相当する情報を計測する第１センサと、
前記第１センサの計測結果に基づいて、少なくとも前記ヒートポンプの運転と前記熱供給ユニットの運転とを制御する制御装置と、
をさらに備え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】
前記制御装置は、前記蒸発タンク内の前記第２媒体が所定温度以上のとき、前記ヒートポンプ及び前記熱供給ユニットを実質的に停止させ、前記蒸発タンク内の前記第２媒体が前記所定温度未満のとき、前記ヒートポンプ及び前記熱供給ユニットを作動させ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】
前記減圧装置は、
多段圧縮構造を有する圧縮機と、
前記第１センサの計測結果に基づいて、前記蒸発タンクからの前記第２媒体を前記圧縮機のいずれかの段に選択的に導く切換器と、を有することを特徴とする請求項２又は３に記載の蒸気生成システム。
【請求項５】
前記蒸発部は、各々が前記蒸発タンクと前記第１センサとを有する複数の蒸発ユニットを有し、前記熱源からの前記第２媒体の実質的な出力先が前記複数の蒸発ユニットの間で切り換わることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の蒸気生成システム。
【請求項６】
前記第１経路は、前記熱源と前記蒸発タンクとの間に配置され、前記第２媒体を一時的に貯溜する第１貯溜タンクを有す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】
前記熱供給ユニットは、
前記第２経路を介して前記蒸発タンクと流体的につながり、前記第２媒体を一時的に貯溜する第２貯溜タンクと、
前記第２貯溜タンクからの前記第２媒体が流れる第３経路であり、前記第３経路を流れる前記第２媒体からの熱が前記ヒートポンプの前記吸熱部を流れる前記第１媒体に伝わる前記第３経路と、を有す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】
前記第３経路は、前記吸熱部の近傍と前記第２貯溜タンクとの間を前記第２媒体が循環する経路を有す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】
前記第２貯溜タンクは、前記第３経路を介して前記第２媒体が行き来する関係にある第１サブタンク及び第２サブタンクを有することを特徴とする請求項７又は８に記載の蒸気生成システム。
【請求項１０】
前記熱源と前記第２貯溜タンクとの間で流体的に接続された第４経路と、
前記熱源からの前記第２媒体の出力温度に相当する情報を計測する第２センサと、
前記第２センサの計測結果に基づいて、前記熱源からの前記第２媒体の実質的な出力先を、前記蒸発タンクと前記第２貯溜タンクとの間で切り換える弁と、をさらに備えることを特徴とする請求項７から９のいずれかに記載の蒸気生成システム。
【請求項１１】
前記ヒートポンプの前記吸熱部に供給される前記熱供給ユニットからの熱媒の温度及び流量の少なくとも一方に応じて、前記ヒートポンプの前記膨張部における減圧比と前記ヒートポンプの前記圧縮部に対する前記第１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、をさらに備えることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の蒸気生成システム。
【請求項１２】
前記ヒートポンプは、前記蒸発部に流入する前の前記第２媒体に前記第１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吸熱部と前記圧縮部との間の前記第１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１１に記載の蒸気生成システム。
【請求項１３】
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、
前記膨張部の一部として、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、前記熱供給ユニット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、を有し、
前記ヒートポンプは、前記蒸発部に流入する前の前記第２媒体に前記第１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吸熱部と前記圧縮部との間の前記第１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１１に記載の蒸気生成システム。
【請求項１４】
前記熱源は、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１３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、及び膨張部を有する前記ヒートポンプと、前記ヒートポンプの前記吸熱部に熱を供給する熱供給ユニットと、第２媒体を一時的に貯溜する蒸発タンクを有し、前記ヒートポンプの前記放熱部に熱的に接続された蒸発部と、前記蒸発タンクの内部空間を減圧する減圧装置であり、前記内部空間の前記減圧と前記ヒートポンプからの伝達熱との少なくとも１つによって前記蒸発部における前記第２媒体が蒸発する前記減圧装置と、加熱された前記第２媒体を出力する熱源と、前記熱源からの前記第２媒体が流れ、前記蒸発タンクと流体的につながる第１経路と、前記第２媒体が流れ、前記熱供給ユニットと流体的につながる第２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、熱源からの第２媒体は、第１経路を介して蒸発タンクに導かれ、又は第２経路を介して熱供給ユニットに導かれる。熱源からの第２媒体が蒸発タンクに直接的に供給されることにより、熱伝達が実質的に省いた状態又は最小限の状態でその第２媒体から蒸気を生成することができる。これは熱損失の抑制に有利である。また、熱源から熱供給ユニットに供給された第２媒体が保有する熱は、ヒートポンプの熱源として利用される。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を得ることができる。
【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（減圧装置）３０と、制御装置７０と、熱供給ユニット９０と、熱源１００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、熱供給ユニット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】
熱源１００は、加熱された水（heated water）を出力する。本実施形態において、熱源１００は、ヒートポンプ１０１を含む。ヒートポンプ１０１は、前記のヒートポンプ１０と同様に、吸熱部１０２、圧縮部１０３、放熱部１０４、及び膨張部１０５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１０１の吸熱部１０２からの冷熱は、例えば外部の設備に供給される。
【００１８】
本実施形態において、圧縮部１０３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１０１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。なお、熱源１００は、ヒートポンプを含む構成に限定されない。
【００１９】
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、水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。
【００２０】
供給経路２０は、加温部２１と、蒸発タンク４７を有する蒸発部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。本実施形態において、供給経路２０はさらに、ヒートポンプ１０１で加熱された水が流れる経路（conduit）２０１と、加温部２１で加熱された水が流れる経路２０２とを有する。経路２０１は、蒸発部２２のタンク４７に流体的に接続される。経路２０１において、ヒートポンプ１０１とタンク４７との間に配置され、熱源からの温水（heated water）を一時的に貯溜する貯溜タンク２０３と、必要に応じて流体駆動部２０４が設けられる。タンク２０３には必要に応じて脱気機能が設けられる。タンク２０３の内部に気液分離器を配置し、脱気された気体が不図示の放出管を介して外部（大気）に適宜に放出することができる。また、タンク２０３は、必要に応じて、液面を計測するレベルセンサと、温度センサとを有することができる。本実施形態において、経路２０２も蒸発部２２のタンク４７に流体的に接続される。経路２０２において、加温部２１とタンク４７との間に、加温部２１からの温水を一時的に貯溜するタンク、流体駆動部などを設けることができる。経路２０２の一部が経路２０１の一部を含む形態、すなわち、経路２０２が経路２０１の一部を介してタンク４７に流体的に接続された形態を採用してもよい。
【００２１】
加温部２１において、経路２０２の一部がヒートポンプ１０の第５放熱部１３Ｅに熱的に接続されている。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（経路２０２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、経路２０２内の水が温度上昇する。
【００２２】
蒸発部２２は、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。タンク４７には、タンク２０３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、タンク４７内の水（蒸気）の温度に相当する情報を計測するセンサ６０と、必要に応じて気液分離器（不図示）とを有する。レベルセンサ５０、及びセンサ６０からの情報は、制御装置７０に送られる。
【００２３】
本実施形態において、センサ６０は、タンク４７内の気相部の温度を計測する。他の実施形態において、センサ６０は、タンク４７内の液相部の温度、又は気相部と液相部の両方の温度を計測することができる。タンク４７内の気相部は、液相部に比べて温度分布の幅が小さい場合が多い。なお、センサ６０は、水（蒸気）の温度を直接的に計測するものに限定されない。例えば、センサ６０は、タンク４７の壁の温度を計測してもよく、少なくともタンク４７内の圧力を計測してもよい。
【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】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。本実施形態において、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。これに伴い、タンク４７内の水が１００℃未満で蒸発することができる。
【００２９】
本実施形態において、蒸発部２２のタンク４７と圧縮機３０との間には、タンク４７からの蒸気を、圧縮機３０のいずれかの段に選択的に導く切換器としての弁３０１，３０２，３０３が配置されている。弁３０１は配管等を介して第１圧縮部３０Ａの入口に流体的に接続されている。同様に、弁３０２は第２圧縮部３０Ｂの入口に流体的に接続され、弁３０３は第３圧縮部３０Ｃの入口に流体的に接続されている。例えば、弁３０１が開、他の弁３０２及び３０３が閉のとき、タンク４７からの蒸気が弁３０１を介して第１圧縮部３０Ａに導入される。弁３０１からの蒸気は、第１〜第４圧縮部３０Ａ〜３０Ｄで４段圧縮される。弁３０２からの蒸気は、第２〜第４圧縮部３０Ｂ〜３０Ｄで３段圧縮される。弁３０３からの蒸気は、第３及び第４圧縮部３０Ｃ及び３０Ｄで２段圧縮される。
【００３０】
熱供給ユニット９０は、経路２１０を介して蒸発部２２のタンク４７と流体的に接続された貯溜タンク（１１０Ａ、１１０Ｂ）を有する。熱供給ユニット９０のタンク（１１０Ａ、１１０Ｂ）には、蒸発部２２のタンク４７から経路２１０を介して温水が供給される。通常、この温水は、熱源１００からタンク４７に供給される温水よりも低い温度を有する。熱供給ユニット９０は、タンク（１１０Ａ、１１０Ｂ）の温水の熱をヒートポンプ１０の吸熱部１１に供給する。なお、熱供給ユニット９０の構成の詳細については後述する。
【００３１】
本実施形態において、タンク４７内の水の温度に関して、例えば、ＴＡ１、ＴＡ２、及びＴＡ３の３つの参照値が設定される。例えば、ＴＡ１は８０℃、ＴＡ２は８５℃、ＴＡ３は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。この参照値は、例えば、制御装置７０の記憶部（不図示）に記憶されている。
【００３２】
本実施形態において、タンク４７内の水の温度に関する参照値に沿って定められるフェーズに応じて、少なくともヒートポンプ１０の運転と、圧縮機３０の運転と、熱供給ユニット９０の運転とが制御される。制御装置７０は、センサ６０からの情報に基づいて、タンク４７内の水（蒸気）の温度を算出する。通常、制御装置７０は、タンク４７の水が所定温度以上のとき、ヒートポンプ１０及び熱供給ユニット９０を実質的に停止させ、タンク４７の水が前記所定温度未満のとき、ヒートポンプ１０及び熱供給ユニット９０を作動させる。また、制御装置７０は、タンク４７の水温に基づいて、弁３０１〜３０３を制御する。なお、熱供給ユニット９０の構成の詳細については後述する。
【００３３】
ここで、タンク４７の水温がＴＡ３以上の場合をＡ１フェーズ（Phase A1）とする。ＴＡ２以上ＴＡ３未満をＡ２フェーズ（Phase A2）とする。ＴＡ１以上ＴＡ２未満の場合をＡ３フェーズ（Phase A3）とする。ＴＡ１未満の場合をＡ４フェーズ（Phase A4）とする。
【００３４】
図２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、及び２Ｅは、蒸気生成システムＳ１の運転状態をそれぞれ示す模式図である。図２ＡはＡ１フェーズを示し、第２ＢはＡ２フェーズを示す。図２Ｃは、Ａ２フェーズとＡ３フェーズとの間の遷移フェーズである。図２ＤはＡ３フェーズを示し、図２ＤはＡ４フェーズを示す。
【００３５】
Ａ１フェーズにおいて、図２Ａに示すように、熱源１００からの温水が適宜にタンク２０３に貯溜される。熱源１００からの温水の出力温度は、例えば９０〜９９℃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。タンク２０３からの温水は蒸発部２２のタンク４７に導入される。制御装置７０は、ヒートポンプ１０及び熱供給ユニット９０を実質的に停止し、圧縮機３０を運転する。圧縮機３０の稼動に伴い、タンク４７内の温水が減圧沸騰する。Ａ１フェーズでは、他のフェーズに比べてタンク４７の水温が高いことから、低い減圧レベルでタンク４７の水を沸騰させることができる。制御装置７０は、弁３０３を開、弁３０１及び３０２を閉とする。タンク４７からの蒸気は、弁３０３を介して第３圧縮部３０Ｃに導入される。
【００３６】
本実施形態において、ヒートポンプ１０及び熱供給ユニット９０のの実質的停止状態は、ヒートポンプ１０の一部機器及び／又は熱供給ユニット９０の一部機器が稼動している状態を含むことができる。例えば、実質的停止状態において、ヒートポンプ１０又は熱供給ユニット９０の準備運転、試運転、保守運転などが実行されていてもよい。
【００３７】
Ａ１フェーズにおいて、減圧沸騰に伴い、タンク４７内の温水は蒸発熱を奪われ、温度降下する。タンク４７内の温水がＴＡ３未満になると、システムＳ１はＡ２フェーズに移行する。
【００３８】
Ａ２フェーズにおいて、図２Ｂに示すように、弁を３０２を開、弁３０１及び３０３を閉とする。これにより、タンク４７の内部空間がＡ１フェーズよりも高い減圧レベルに設定される。その結果、Ａ１フェーズよりも低温であるタンク４７内の温水を沸騰させることができる。タンク４７からの蒸気は、弁３０２を介して第２圧縮部３０Ｂに導入される。タンク４７内の温水がＴＡ２未満になるとＡ３フェーズに移行する。
【００３９】
Ａ３フェーズにおいて、図２Ｃに示すように、弁を３０１を開、弁３０２及び３０３を閉とする。これにより、タンク４７の内部空間がＡ２フェーズよりもさらに高い減圧レベルに設定される。その結果、Ａ２フェーズよりも低温であるタンク４７内の温水を沸騰させることができる。タンク４７からの蒸気は、弁３０１を介して第１圧縮部３０Ａに導入される。減圧沸騰において、タンク４７内の温水は蒸発熱を奪われ、温度降下する。
【００４０】
本実施形態において、タンク４７内の温水がＴＡ１未満になると、図２Ｄに示すように、蒸発部２２のタンク４７から経路２１０を介して熱供給ユニット９０のタンクに温水が導入される。換言すると、蒸発部２２で使用された比較的低温の温水が熱供給ユニット９０に供給される。この温水は、Ａ４フェーズにおけるヒートポンプ１０の熱源として使用される。
【００４１】
なお、蒸発部２２のタンク４７から熱供給ユニット９０のタンクへの温水の導入は、任意のタイミングで実施可能である。他のフェーズにおいて、ＴＡ１未満となったタンク４７内の温水を適宜に熱供給ユニット９０のタンクに導入することも可能である。これにより、蒸発部２２で使用された温水を排出するときに、蒸気生成プロセスが中段することを防止できる。
【００４２】
なお、フェーズ間の移行は、タンク４７の水温（センサ６０の計測結果）に基づくものに限定されない。例えば、他の実施形態において、フェーズの少なくとも経過時間に基づいて、フェーズ間の移行を実行することができる。あるいは、システムＳ１から出力される蒸気の特性を計測した情報を参照してもよい。
【００４３】
Ａ４フェーズにおいて、図２Ｅに示すように、制御装置７０は、ヒートポンプ１０、圧縮機３０、熱供給ユニット９０をそれぞれ運転する。熱供給ユニット９０は、蒸発部２２のタンク４７から供給された温水の熱をヒートポンプ１０の吸熱部１１に供給する。ヒートポンプ１０は、吸熱部１１でその温水の熱を汲み上げ、放熱部１３Ａ〜１３Ｅでその熱を放出する。制御装置７０は、例えば、弁を３０３を開、弁３０１及び３０２を閉とする。圧縮機３０の稼動に伴い、蒸発部２２のタンク４７の内部空間が減圧される。Ａ４フェーズにおける弁３０１〜３０３の開閉制御は、上記に限定されない。弁３０２を開、弁３０１及び３０３を閉としてもよく、弁３０１を開、弁３０２及び３０３を閉としてもよい。Ａ４フェーズにおいて、内部空間の減圧と、ヒートポンプ１０からの伝達熱とによって温水を減圧沸騰することができる。
【００４４】
また、Ａ４フェーズにおいて、ヒートポンプ１０からの熱がタンク４７内の温水に継続的に伝わる。そのため、タンク４７内の温水が、ほぼ一定の温度を維持することができる。一方、ヒートポンプ１０の稼動に伴い、熱供給ユニット９０内の温水から熱が奪われる。熱供給ユニット９０からヒートポンプ１０に供給可能な熱量が一定値以下になると、システムＳ１はＡ１フェーズに移行する。以後、システムＳ１は、Ａ１フェーズからＡ４フェーズを繰り返し実行することができる。
【００４５】
このように、本実施形態によれば、熱源１００からの比較的高温の温水が直接的に蒸発部２２のタンク４７に導入される。システムＳ１において、ヒートポンプ１０が実質的に稼動することなく、比較的高温の温水が減圧沸騰することができる。この場合、熱源１００からの温水がそのまま蒸発し、また、蒸気生成のための熱伝達が実質的に省かれる。その結果、蒸気生成に係る熱損失が少ない。またこの場合、ヒートポンプ１０及び熱供給ユニット９０が実質的停止状態であるから、消費動力も少ない。
【００４６】
また、本実施形態において、熱源１００とタンク４７との間には、熱源１００からの温水を一時貯溜するタンク２０３が設けられているから、熱源１００のヒートポンプ１０１とシステムＳ１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２０３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。熱源１００のヒートポンプ１０１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、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。
【００４７】
熱源１００が、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られる場合には、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、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、システムＳ１を好ましく適用可能である。
【００４８】
また、本実施形態において、蒸発部２２のタンク４７内の温水温度に応じて、タンク４７の内部空間の減圧レベルが制御される。その結果、比較的広い温度範囲にわたり、ヒートポンプ１０を稼動させることなく、温水を減圧沸騰させることができる。さらに、本実施形態において、蒸発部２２で使用された比較的低温の温水が、ヒートポンプ１０の熱源として使用される。システムＳ１は、熱供給ユニット９０のタンクに貯溜された温水を利用して、熱源１００からの温水供給のタイミングに関係なく、ヒートポンプ１０を稼動して蒸気を生成することができる。その結果、システムＳ１では、高温域から低温域まで、熱源１００からの温水の熱が広く利用される。なお、ヒートポンプ１０を用いた蒸気生成は、ボイラに比べて高いエネルギー効率を得ることができる。
【００４９】
図１に戻り、ヒートポンプ１０の動作について詳しく説明する。蒸発部２２において、加温部２１で加熱され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内にその温水が貯溜される。タンク４７内の液面が所定範囲内になるように、タンク４７への温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への温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内の温水がさらに加熱され、その温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。
【００５０】
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。ヒートポンプ１０の稼動時において、加温部２１への水の入力温度は例えば約２０℃である。また、ヒートポンプ１０の稼動時において、蒸発部２２からの水の出力温度は例えば約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。ヒートポンプ１０の稼動時における蒸発部２２からの水の出力温度は、１００℃、１１０℃、１２０℃、又は１３０℃以上でもよく、また、９０℃未満でもよい。
【００５１】
熱供給ユニット９０は、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。蒸発部２２のタンク４７から経路２０２を介して第１タンク１１０Ａに温水が導入される。
【００５２】
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（水）の供給元を切り換える弁１２５と、放熱部９１からの媒体（水）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。
【００５３】
本実施形態において、ヒートポンプ１０の吸熱部１１に熱を供給する媒体は、蒸発部２２のタンク４７から第１タンク１１０Ａに導入された温水である。前述したように、所定のタイミングで、蒸発部２２のタンク４７からの温水が第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（温水）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。
【００５４】
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（温水）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（温水）が行き来する。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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（熱供給ユニット９０の放熱部９１を流れる媒体（温水）の温度）について、例えば、ＴＢ１、ＴＢ２、ＴＢ３、及びＴＢ４の４つの参照値が設定される。参照値は、例えば、制御装置７０の記憶部（不図示）に記憶されている。
【００６２】
制御装置７０は、参照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、熱供給ユニット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。
【００６３】
ここで、熱供給ユニット９０からの温熱（温水）の温度がＴＢ４以上の場合をＢ１フェーズ（Phase B1）とする。ＴＢ３以上ＴＢ４未満の場合をＢ２フェーズ（Phase B2）とする。ＴＢ２以上ＴＢ３未満の場合をＢ３フェーズ（Phase B3）とする。ＴＢ１以上ＴＢ２未満の場合をＢ４フェーズ（Phase B4）とする。本実施形態において、Ｂ１〜Ｂ４フェーズはそれぞれ、前記したＡ４フェーズの一部として実行される。
【００６４】
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、温熱の供給元が熱供給ユニット９０のタンク１１０Ａと１１０Ｂとの間で切り替わるごとに、温熱の供給温度が変化する。
【００６５】
循環供給の開始当初において、第１タンク１１０Ａからの媒体（温水）の温度は最も高く、制御装置７０は、Ｂ１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、Ｂ２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、Ｂ３フェーズ、Ｂ４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参照値を下回らなければ、直前のフェーズを続行してもよい。
【００６６】
図３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、及び３Ｄ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３ＡはＢ１フェーズを示し、図３ＢはＢ２フェーズを示す。図３ＣはＢ３フェーズを示し、図３ＤはＢ４フェーズを示す。なお、図３Ａ〜３Ｄにおいて、熱交換に伴う温熱温度（放熱部９１を流れる媒体（温水）の温度）の変化を破線で概念的に示す。
【００６７】
Ｂ１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。Ｂ１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。
【００６８】
図３Ａ及び図１において、Ｂ１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。
【００６９】
Ｂ２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。Ｂ２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。
【００７０】
図３Ｂ及び図１において、Ｂ２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。
【００７１】
Ｂ３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。Ｂ３フェーズでは、再生器１８における熱交換スパンがＢ２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。
【００７２】
図３Ｃ及び図１において、Ｂ３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。Ｂ３フェーズにおいて、再生器１８からの作動媒体の温度は、Ｂ１及びＢ２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Ｂ２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Ｂ２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、Ｂ１及びＢ２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、Ｂ２フェーズよりも低い。
【００７３】
Ｂ４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。Ｂ４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。
【００７４】
図３Ｄ及び図１において、Ｂ４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。Ｂ４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。
【００７５】
なお、Ｂ１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。Ｂ４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。
【００７６】
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、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。
【００７７】
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、熱供給ユニット９０のタンク１１０Ａ及び１１０Ｂに貯溜された熱媒を用いることにより、ヒートポンプ１０と熱源１００のヒートポンプ１０１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１１０Ａ及び１１０Ｂ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。
【００７８】
図４は、熱供給ユニット９０の別の変形例を模式的に示す。図４に示すように、熱供給ユニット９０は、タンク１１０、及び循環経路１２０を有する。
【００７９】
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（温水）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。
【００８０】
図４の熱供給ユニット９０においては、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。
【００８１】
図４の熱供給ユニット９０において、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する。制御装置７０は、Ｂ１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、Ｂ２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、Ｂ３フェーズ、Ｂ４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、図４の形態によれば、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、熱供給ユニット９０からの媒体（温水）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に有利である。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。
【００８２】
次に、ヒートポンプ１０を利用した基本的な蒸気生成プロセスについて説明する。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
図５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５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。
【００８７】
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。
【００８８】
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５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。
【００８９】
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。
【００９０】
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５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５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。
【００９１】
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、システムＳ１は、蒸気仕様に対する柔軟性が高い。
【００９２】
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。
【００９３】
なお、他の実施形態において、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による減圧を省略し、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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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（熱供給ユニット９０の放熱部９１を流れる媒体）から有効に熱が吸収される。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
図６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。
【０１０４】
次に、第２実施形態について図面を参照して説明する。
【０１０５】
図７は、第２実施形態にかかる蒸気生成システムＳ２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。
【０１０６】
図７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、蒸発部２２に、各々がタンク４７ａ、４７ｂを有する蒸発ユニット２２ａ、２２ｂが設けられている。熱源１００、ヒートポンプ１０、及び熱供給ユニット９０の構成は、第１実施形態のそれと概ね同様である。
【０１０７】
蒸発ユニット２２ａ及び２２ｂはそれぞれ、図１の蒸発部２２と同様の構成を有する。具体的には、図７に示すように、蒸発ユニット２２ａ及び２２ｂは、被加熱媒体（水）を貯溜するタンク４７ａ及び４７ｂと、タンク４７ａ及び４７ｂに流体的に接続された循環配管（第１循環配管４８Ａａ及び４８Ａｂ、第２循環配管４８Ｂａ及び４８Ｂｂ、第３循環配管４８Ｃａ及び４８Ｃｂ、第４循環配管４８Ｄａ及び４８Ｄｂ）とをそれぞれ有する。タンク４７ａ及び４７ｂには、タンク２０３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及び４７ｂは、必要に応じて、液面を計測するレベルセンサ５０ａ及び５０ｂと、タンク４７ａ及び４７ｂ内の水（蒸気）の温度に相当する情報を計測するセンサ６０ａ及び６０ｂと、必要に応じて気液分離器（不図示）とをそれぞれ有する。レベルセンサ５０ａ及び５０ｂ、及びセンサ６０ａ及び６０ｂからの情報は、制御装置７０に送られる。
【０１０８】
本実施形態において、センサ６０ａ及び６０ｂは、タンク４７ａ及び４７ｂ内の気相部の温度を計測する。他の実施形態において、センサ６０ａ及び６０ｂは、タンク４７ａ及び４７ｂ内の液相部の温度、又は気相部と液相部の両方の温度を計測することができる。なお、センサ６０ａ及び６０ｂは、水（蒸気）の温度を直接的に計測するものに限定されない。例えば、センサ６０ａ及び６０ｂは、タンク４７ａ及び４７ｂの壁の温度を計測してもよく、少なくともタンク４７ａ及び４７ｂ内の圧力を計測してもよい。
【０１０９】
本実施形態において、タンク４７ａ及び４７ｂに対して各循環配管４８Ａａ及び４８Ａｂ、４８Ｂａ及び４８Ｂｂ、４８Ｃａ及び４８Ｃｂ、４８Ｄａ及び４８Ｄｂがそれぞれ流体的に接続されている。すなわち、図７に示すように、循環配管４８Ａａ〜４８Ｄａの各入口端と各出口端とがタンク４７ａに流体的に接続される。循環配管４８Ａｂ〜４８Ｄｂの各入口端と各出口端とがタンク４７ｂに流体的に接続される。循環配管の数は、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。第１循環配管４８Ａａ及び４８Ａｂ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５１Ａａ及び５１Ａｂと、ポンプ５２Ａａ及び５２Ａａと、必要に応じてバルブ５３Ａａ及び５３Ａｂとをそれぞれ有する。同様に、第２循環配管４８Ｂａ及び４８Ｂｂ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５１Ｂａ及び５１Ｂｂと、ポンプ５２Ｂａ及び５２Ｂｂと、必要に応じてバルブ５３Ｂａ及び５３Ｂｂとをそれぞれ有する。第３循環配管４８Ｃａ及び４８Ｃｂ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５１Ｃａ及び５１Ｃｂと、ポンプ５２Ｃａ及び５２Ｃｂと、必要に応じてバルブ５３Ｃａ及び５３Ｃｂとをそれぞれ有する。第４循環配管４８Ｄａ及び４８Ｄｂ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５１Ｄａ及び５１Ｄｂと、ポンプ５２Ｄａ及び５２Ｄｂと、必要に応じてバルブ５３Ｄａ及び５３Ｄｂとをそれぞれ有する。バルブ５３Ａａ〜５３Ｄａ及び５３Ａｂ〜５３Ｄｂ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５１Ａａ〜５１Ｄａは、個々に独立してタンク４７ａに流体的に接続される。蒸発管５１Ａｂ〜５１Ｄｂは、個々に独立してタンク４７ｂに流体的に接続される。また、蒸発管５１Ａａ〜５１Ｄａは、タンク４７ａ及び供給経路２０に対して並列に配置される。蒸発管５１Ａｂ〜５１Ｄｂは、タンク４７ｂ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５２Ａａ〜５２Ｄａ及び５２Ａｂ〜５２Ｄｂの少なくとも１つを省いてもよい。
【０１１０】
図７に示すように、蒸発管５１Ａａと蒸発管５１Ａｂ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５１Ｂａと蒸発管５１Ｂｂ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５１Ｃａと蒸発管５１Ｃｂと第３放熱部１３Ｃとを含んで第４熱交換器４４が構成される。蒸発管５１Ｄａと蒸発管５１Ｄｂ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５１Ａａ及び５１Ａｂ，５１Ｂａ及び５１Ｂｂ，５１Ｃａ及び５１Ｃｂ，５１Ｄａ及び５１Ｄｂとは互いに接触あるいは隣接して配置される。
【０１１１】
本実施形態において、熱源１００からの加熱された水（heated water）が流れる経路２０１は、図７に示すように、熱源１００からの温水（heated water）の実質的な出力先を、蒸発ユニット２２ａ及び蒸発ユニット２２ｂの間で選択的に切り換える切換器としての弁２２０を有する。また、経路２０１は、タンク２０３と蒸発ユニット（２２ａ及び２２ｂ）との間に配置された分岐経路２０１ａ及び２０１ｂを有する。分岐経路２０１ａは、弁２２０と蒸発ユニット２２ａのタンク４７ａとの間で流体的に接続される。分岐経路２０１ｂは、弁２２０と蒸発ユニット２２ｂのタンク４７ｂとの間で流体的に接続される。
【０１１２】
熱供給ユニット９０に向かう温水が流れる経路２１０は、図７に示すように、温水の供給元を、蒸発ユニット２２ａ及び蒸発ユニット２２ｂの間で選択的に切り換える切換器としての弁２２５を有する。また、経路２１０は、蒸発ユニット（２２ａ及び２２ｂ）と熱供給ユニット９０のタンク（１１０Ａ、１１０Ｂ）との間に配置された分岐経路２１０ａ及び２１０ｂを有する。分岐経路２１０ａは、蒸発ユニット２２ａのタンク４７ａと弁２２５との間で流体的に接続される。分岐経路２０１ｂは、蒸発ユニット２２ｂのタンク４７ｂと弁２２５との間で流体的に接続される。
【０１１３】
加温部２１からの温水が流れる経路２０２は、図７に示すように、加温部２１からの温水（heated water）の実質的な出力先を、蒸発ユニット２２ａ及び蒸発ユニット２２ｂの間で選択的に切り換える切換器としての弁２３０を有する。また、経路２０２は、加温部２１と蒸発ユニット（２２ａ及び２２ｂ）との間に配置された分岐経路２０２ａ及び２０２ｂを有する。分岐経路２０２ａは、弁２３０と蒸発ユニット２２ａのタンク４７ａとの間で流体的に接続される。分岐経路２０２ｂは、弁２３０と蒸発ユニット２２ｂのタンク４７ｂとの間で流体的に接続される。
【０１１４】
蒸発部２２からの蒸気が流れるダクト２３は、図７に示すように、温水の供給元を、蒸発ユニット２２ａ及び蒸発ユニット２２ｂの間で選択的に切り換える切換器としての弁２４０を有する。また、ダクト２３は、蒸発ユニット（２２ａ及び２２ｂ）と圧縮機３０との間に配置された分岐経路２３ａ及び２３ｂを有する。分岐経路２３ａは、蒸発ユニット２２ａのタンク４７ａと弁２４０との間で流体的に接続される。分岐経路２３ｂは、蒸発ユニット２２ｂのタンク４７ｂと弁２４０との間で流体的に接続される。
【０１１５】
本実施形態において、システムＳ２は、図２Ａ〜２Ｅに示したＡ１フェーズ〜Ａ４フェーズを、蒸発ユニット２２ａ又は蒸発ユニット２２ｂを選択的に主体にして、実行することができる。制御装置７０は、所定の条件に基づいて、弁２２０、２２５、２３０、２３５、及び２４０を制御することができる。
【０１１６】
図８Ａ、８Ｂ及び８Ｃは、蒸気生成システムＳ２の運転状態をそれぞれ示す模式図である。
【０１１７】
図８Ａにおいて、蒸発ユニット２２ａのタンク４７ａ内の温水が、ＴＡ１未満になると、そのタンク４７ａから経路２１０を介して熱供給ユニット９０のタンクに温水が導入される（例えば、蒸発ユニット２２ａが、図２Ｄに示したＡ３フェーズからＡ４フェーズに移行した状態と同様である。）。タンク４７ａ内の水温は、センサ６０ａ（図７参照）からの情報に基づいて計測することができる。本実施形態において、システムＳ２は、図８Ａに示すように、タンク４７ａから熱供給ユニット９０への温水供給と並行して、蒸発ユニット２２ｂ（タンク４７ｂ）を主体として、図２Ａ〜２Ｃに示したＡ１フェーズ〜Ａ３フェーズを実行することができる。
【０１１８】
具体的には、図８Ａに示すように、制御装置７０は、弁２２５を制御して、熱供給ユニット９０に対する温水の供給元を蒸発ユニット２２ａのタンク４７ａに切り換える。これにより、蒸発ユニット２２ａで使用された比較的低温の温水が分岐経路２１０ａを介して熱供給ユニット９０に導かれる。また、制御装置７０は、弁２２０を制御して、熱源１００からの温水の実質的な出力先を、蒸発ユニット２２ｂのタンク４７ｂに切り換える。これにより、熱源１００からの比較的高温の温水が分岐経路２０１ｂを介してタンク４７ｂに導かれる。また、制御装置７０は、弁２３５を制御して、圧縮機３０による蒸気の吸引元を蒸発ユニット２２ｂのタンク４７ｂに切り換える。これにより、タンク４７ｂからの蒸気が分岐経路２３ｂを介して圧縮機３０に導かれる。圧縮機３０による吸引作用により、タンク４７ｂ内の温水が減圧沸騰する。制御装置７０は、弁２４０を制御して、ノズル３５への温水の供給元を蒸発ユニット２２ｂのタンク４７ｂに切り換える。これにより、蒸発ユニット２２ｂのタンク４７ｂからの温水が分岐経路３６ｂを介してノズル３５に導かれる。
【０１１９】
同様に、図８Ｂにおいて、蒸発ユニット２２ｂのタンク４７ｂ内の温水が、ＴＡ１未満になると、システムＳ２は、タンク４７ｂから熱供給ユニット９０への温水供給と並行して、蒸発ユニット２２ａ（タンク４７ａ）を主体として、図２Ａ〜２Ｃに示したＡ１フェーズ〜Ａ３フェーズを実行することができる。タンク４７ｂ内の水温は、センサ６０ｂ（図７参照）からの情報に基づいて計測することができる。
【０１２０】
具体的には、図８Ｂに示すように、制御装置７０は、弁２２５を制御して、熱供給ユニット９０に対する温水の供給元を蒸発ユニット２２ｂのタンク４７ｂに切り換える。これにより、蒸発ユニット２２ｂで使用された比較的低温の温水が分岐経路２１０ｂを介して熱供給ユニット９０に導かれる。また、制御装置７０は、弁２２０を制御して、熱源１００からの温水の実質的な出力先を、蒸発ユニット２２ａのタンク４７ａに切り換える。これにより、熱源１００からの比較的高温の温水が分岐経路２０１ａを介してタンク４７ａに導かれる。また、制御装置７０は、弁２３５を制御して、圧縮機３０による蒸気の吸引元を蒸発ユニット２２ａのタンク４７ａに切り換える。これにより、タンク４７ａからの蒸気が分岐経路２３ａを介して圧縮機３０に導かれる。圧縮機３０による吸引作用により、タンク４７ａ内の温水が減圧沸騰する。制御装置７０は、弁２４０を制御して、ノズル３５への温水の供給元を蒸発ユニット２２ａのタンク４７ａに切り換える。これにより、蒸発ユニット２２ａのタンク４７ａからの温水が分岐経路３６ａを介してノズル３５に導かれる。
【０１２１】
このように、本実施形態によれば、一方のタンク４７ａ（又はタンク４７ｂ）からの温度降下した温水を熱供給ユニット９０に供給するのと並行して、他方のタンク４７ｂ（又はタンク４７ａ）を使用して蒸気生成プロセスを実行できる。その結果、蒸発部（蒸発ユニット２２ａ、２２ｂ）で使用された温水を排出するときに、蒸気生成プロセスが中断するのを防止できる。すなわち、蒸発ユニット２２ａと蒸発ユニット２２ｂとを交互に使用することにより、熱源１００からの比較的高温の温水から継続的に蒸気を生成することができる。
【０１２２】
本実施形態において、ヒートポンプ１０を使用した蒸気生成プロセスは任意のタイミングで実行できる。例えば、図８Ｃに示すように、熱源１００からの温水を蒸発部２２ｂのタンク４７ｂに貯溜している間に、ヒートポンプ１０と蒸発部２２ａ（タンク４７ａ）を使用して、蒸気を生成することができる。
【０１２３】
具体的には、図８Ｃにおいて、制御装置７０は、弁２２０を制御して、熱源１００からの温水を蒸発ユニット２２ｂのタンク４７ｂに貯溜する。また、制御装置７０は、ヒートポンプ１０を稼動するとともに、弁２３０を制御して、加温部２１で加熱された水を他方の蒸発ユニット２２ｂのタンク４７ａに導く。図８Ｃにおいて、ヒートポンプ１０からの伝達熱とタンク４７ａの内部空間の減圧とによって、蒸発ユニット２２ｂの温水を蒸発させることができる。
【０１２４】
本実施形態において、ヒートポンプ１０を使用した蒸気生成のタイミングは、図８Ｃの例に限定されない。例えば、システムＳ２は、熱源１００からの温水供給が停止しているときに、ヒートポンプ１０を使用して蒸気を生成することができる。このとき、ヒートポンプ１０は、熱供給ユニット９０のタンクに貯溜された温水を熱源として稼動される。
【０１２５】
本実施形態によれば、熱源１００から温水が連続供給される間は、蒸発ユニット２２ａ及び２２ｂを交互に使用して継続的に蒸気を生成し、熱源１００からの温水供給が中断している間は、ヒートポンプ１０を使用して継続的に蒸気を生成することができる。したがって、このシステムＳ２は、熱源１００からの温水供給のタイミングに対して高い許容能力を有する。
【０１２６】
なお、図７において、蒸発ユニット２２ａ及び２２ｂは、圧縮機３０を共有している。しかしながら、蒸発ユニット２２ａ及び蒸発ユニット２２ｂのそれぞれが圧縮機を有することもできる。
【０１２７】
次に、第３実施形態について図面を参照して説明する。
【０１２８】
図９は、第３実施形態にかかる蒸気生成システムＳ３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。
【０１２９】
図９に示すように、蒸気生成システムＳ３は、第１実施形態と異なり、経路２０１から分岐した経路２５０が設けられている。また、経路２０１には、センサ２５２と、弁２５４とが設けられている。経路２５０は、熱源１００と熱供給ユニット９０との間で実質的に直接的にかつ流体的に接続されている。本実施形態において、経路２５０は、弁２５４と熱供給ユニット９０の第１タンク１１０Ａとの間で流体的に接続されている。センサ２５２は、経路２０１上でありかつ弁２５４の上流位置に配置され、熱源１００からの温水の出力温度に相当する情報を計測する。弁２５４は、センサ２５２の計測結果に基づいて、熱源１００からの温水の実質的な出力先を、蒸発部２２のタンク４７と熱供給ユニット９０の第１タンク１１０Ａとの間で切り換えることができる。
【０１３０】
本実施形態において、熱源１００からの温水の出力温度が比較的高い場合には、タンク２０３を介して熱源１００からの温水が蒸発部２２のタンク４７に導かれる。すなわち、制御装置７０は、弁２５４を制御して、熱源１００からの温水の実質的な出力先を蒸発部２２のタンク４７（本実施形態ではタンク４７の手前のタンク２０３）に切り換える。一方、熱源１００からの温水の出力温度が比較的低い場合には、経路２５０を介して熱源１００からの温水が熱供給ユニット９０の第１タンク１１０Ａに導かれる。すなわち、制御装置７０は、弁２５４を制御して、熱源１００からの温水の実質的な出力先を熱供給ユニット９０の第１タンク１１０Ａに切り換える。経路２５０を介して第１タンク１１０Ａに供給された温水は第１タンク１１０Ａに貯溜される。第１タンク１１０Ａに貯溜された温水は、ヒートポンプ１０を用いた蒸気生成の際に、熱源として使用される。
【０１３１】
このように、本実施形態によれば、熱源１００からの温水のうち、図２Ａ〜２Ｃに示した減圧効果を使用した蒸気の直接的生成に適した温度を有する温水だけを選択的に使用することができる。このシステムＳ３は、熱源１００からの温水の温度変動に対して高い許容能力を有する。これは、熱エネルギー効率の向上に有利である。
【０１３２】
なお、本実施形態において、熱源１００からの温水の出力温度が著しく低い場合に、熱供給ユニット９０の第１タンク１１０Ａへの温水の導入を回避することができる形態を採用することができる。例えば、熱利用が難しい熱源１００からの水が流れる、経路２５０とは別の分岐経路を設けることができる。
【０１３３】
なお、第２実施形態と第３実施形態とを組み合わせた形態を採用することも可能である。
【０１３４】
次に、第４実施形態について図面を参照して説明する。
【０１３５】
図１０は、第４実施形態にかかる蒸気生成システムＳ４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。
【０１３６】
図１０に示すように、蒸気生成システムＳ４において、第１及び第２実施形態と異なり、熱供給ユニット９０が複数の放熱部を有し、ヒートポンプ１０が複数の吸熱部を有する。熱源１００、及び蒸発部２２を含む供給経路２０の構成は、第１実施形態のそれと概ね同様である。
【０１３７】
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。
【０１３８】
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。
【０１３９】
なお、図１０に示すように、供給経路１１１又は放熱経路１２９に、タンク１１０からの媒体（温水）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を配置することができる。この場合、センサ１２８の計測結果に基づいて、減圧制御弁４００Ａ〜４００Ｄの減圧比を制御することができる。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。
【０１４０】
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。
【０１４１】
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。
【０１４２】
熱供給ユニット９０は、タンク１１０、ポンプ１２１、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。
【０１４３】
熱供給ユニット９０のタンク１１０には、蒸発部２２のタンク４７からの温水が貯溜される。タンク１１０からの媒体（温水）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。
【０１４４】
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１０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３Ａ参照）。
【０１４５】
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１０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３Ｂ参照）。
【０１４６】
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３Ｃ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３Ｄ参照）。
【０１４７】
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（熱供給ユニット９０からの温水）が供給される。すなわち、熱供給ユニット９０からの媒体（温水）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、熱供給ユニット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。
【０１４８】
なお、上記の各実施形態において、タンク、及び熱交換部の少なくとも１つに対して蓄熱部を設けることができる。蓄熱部は、タンク又は熱交換部の特性に応じて、冷熱を蓄える蓄熱材又は温熱を蓄える蓄熱材を有することができる。各システムの仕様に応じて、蓄熱材の材料特性が定められる。蓄熱材として、例えば、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適用することができる。潜熱蓄熱材は、凝固する際に冷熱を蓄え、融解する際に冷熱を放出する。潜熱蓄熱材としては、例えば、酢酸ナトリウム三水和物、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。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。蓄熱材として、顕熱蓄熱材、化学反応蓄熱材等の他の物質を用いることもできる。蓄熱材を用いた蓄熱を利用することにより、システム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。
【０１４９】
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。
【０１５０】
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】
【０１５１】
【図１】第１実施形態を示す概略図である。
【図２Ａ】システムの運転状態（Ａ１フェーズ）を示す模式図である。
【図２Ｂ】システムの運転状態（Ａ２フェーズ）を示す模式図である。
【図２Ｃ】システムの運転状態（Ａ３フェーズ）を示す模式図である。
【図２Ｄ】システムの運転状態（遷移フェーズ）を示す模式図である。
【図２Ｅ】システムの運転状態（Ａ４フェーズ）を示す模式図である。
【図３Ａ】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、Ｂ１フェーズを示す。
【図３Ｂ】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、Ｂ２フェーズを示す。
【図３Ｃ】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、Ｂ３フェーズを示す。
【図３Ｄ】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、Ｂ４フェーズを示す。
【図４】熱供給ユニットの別の変形例を示す模式図である。
【図５】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６】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７】第２実施形態を示す概略図である。
【図８Ａ】蒸気生成システムの運転状態を示す模式図である。
【図８Ｂ】蒸気生成システムの運転状態を示す模式図である。
【図８Ｃ】蒸気生成システムの運転状態を示す模式図である。
【図９】第３実施形態を示す概略図である。
【図１０】第４実施形態を示す概略図である。
【符号の説明】
【０１５２】
Ｓ１〜Ｓ４…蒸気生成システム、１０，１０１…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、２２ａ，２２ｂ…蒸発ユニット、２３…ダクト、３０…圧縮機（減圧装置）、４１〜４５…熱交換器、４７…タンク（蒸発タンク）、５１Ａ〜５１Ｄ…蒸発管、６０，６０ａ，６０ｂ，７１，７２，１２８，２５２…センサ、７０…制御装置、９０…熱供給ユニット、９１…放熱部、１００…熱源、１１０，１１０Ａ，１１０Ｂ…タンク、１１１…供給経路、１２０…循環経路（第３経路）、１２９…放熱経路（第３経路）、１２１…ポンプ、１２２，１２８…センサ（第１機構、第２機構）、１２５，１２６，２２０，２２５，２３０，２３５，２４０，２５４，３０１〜３０３…弁、２０１…経路（第１経路）、２０２…経路、２０３…タンク（第１貯溜タンク）、２１０…経路（第２経路）、２５０…経路（第４経路）、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】
2008309360.tif 000003
【図２Ａ】
2008309360.tif 000004
【図２Ｂ】
2008309360.tif 000005
【図２Ｃ】
2008309360.tif 000006
【図２Ｄ】
2008309360.tif 000007
【図２Ｅ】
2008309360.tif 000008
【図３Ａ】
2008309360.tif 000009
【図３Ｂ】
2008309360.tif 000010
【図３Ｃ】
2008309360.tif 000011
【図３Ｄ】
2008309360.tif 000012
【図４】
2008309360.tif 000013
【図５】
2008309360.tif 000014
【図６】
2008309360.tif 000015
【図７】
2008309360.tif 000016
【図８Ａ】
2008309360.tif 000017
【図８Ｂ】
2008309360.tif 000018
【図８Ｃ】
2008309360.tif 000019
【図９】
2008309360.tif 000020
【図１０】
2008309360.tif 000021