(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１流体が流れるヒートポンプを有する第１ユニットと、
前記ヒートポンプに熱的に接続されかつ第２流体が蒸発する蒸発部と、前記蒸発部に流体的に接続されかつ前記蒸発部からの蒸気の少なくとも一部を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機からの圧縮された蒸気の一部を前記蒸発部に導く補経路とを有する第２ユニットと、
を備え、
前記蒸発部は、前記蒸気が前記圧縮機に直接的に吸引されない第１蒸発部と、前記蒸気が前記圧縮機に直接的に吸引される第２蒸発部とを有し、
前記第１蒸発部は、前記第１流体の流れ方向における上流側で前記ヒートポンプと熱交換を行うことで前記第２流体が蒸発した蒸気を前記圧縮機の下流へと導き、
前記第２蒸発部は、前記第１流体の流れ方向における下流側で前記ヒートポンプと熱交換を行うことで前記第１蒸発部よりも低温で前記第２流体が蒸発した蒸気を前記圧縮機の入口へと導き、
前記補経路は、前記圧縮機からの前記蒸気の一部を前記第１蒸発部に導くことを特徴とする蒸気生成システム。
【請求項２】
前記圧縮機から前記蒸発部に導かれる前記圧縮された蒸気は、飽和蒸気及び過熱蒸気の少なくとも一方であ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】
前記蒸発部には、液状の前記第２流体が少なくとも一時的に貯えられ、
前記補経路は、前記圧縮機からの前記圧縮された蒸気の一部を前記蒸発部内の液相に導く、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の蒸気生成システム。
【請求項４】
前記圧縮機から前記導かれた蒸気からなる気泡と前記導かれた蒸気からの熱によって前記蒸発部内の液相で発生した気泡との少なくとも一方が前記蒸発部内における前記第２流体の蒸発を促進させる、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２ユニットは、液状の前記第２流体を前記蒸発部内にスプレイするノズルをさらに有する、ことを特徴とする請求項１から請求項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２ユニットは、前記蒸発部内に配置されかつ液状の前記第２流体と接する蒸発促進部材をさらに有する、ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の蒸気生成システム。
【請求項７】
前記補経路は、前記圧縮機からの前記蒸気を前記第２蒸発部にも導くことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の蒸気生成システム。
【請求項８】
前記圧縮機は、前記第２蒸発部からの前記蒸気を圧縮し、昇圧した蒸気の一部を下流側に流すことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の蒸気生成システム。
【請求項９】
前記第１蒸発部は大気圧と同等の内部圧力又は大気圧に比べて高い内部圧力を有し、前記第２蒸発部は大気圧に比べて低い内部圧力を有する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流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】
本発明の態様に従えば、第１流体が流れるヒートポンプを有する第１ユニットと；前記ヒートポンプに熱的に接続されかつ第２流体が蒸発する蒸発部と、前記蒸発部に流体的に接続されかつ前記蒸発部からの蒸気の少なくとも一部を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機からの圧縮された蒸気の一部を前記蒸発部に導く補経路とを有する第２ユニットと；を備える蒸気生成システムが提供される。
【０００６】
本発明の態様によれば、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、圧縮機からの圧縮された蒸気の一部を蒸発部に導くことにより、蒸発部における第２流体の蒸発が促進される。
【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Ｓ１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、作動流体（作動媒体、第１流体）が流れるヒートポンプ１０（第１ユニット）と、被加熱流体（被加熱媒体、第２流体）の供給ユニット２０（第２ユニット）と、制御装置７０とを備える。本実施形態において、被加熱流体は水である。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）、及び膨張部１４を有し、これらは導管を介して接続されている。
【００１１】
吸熱部１１では、主経路１５内を流れる作動流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、大気の熱を吸収する。ヒートポンプ１０の吸熱部１１が外部の装置からの熱（排熱など）を吸収する構成とすることもできる。
【００１２】
圧縮部１２は、圧縮機等によって作動流体を圧縮する。この際、通常、作動流体の温度が上がる。圧縮部１２は、作動流体を単段又は複数段に圧縮する構造を有する。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、１、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、作動流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は、圧縮部１２で圧縮された作動流体が流れる導管を有し、主経路１５内を流れる作動流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、作動流体の流れ方向に沿って、第１放熱部１３Ａ、及び第２放熱部１３Ｂがその順に並んでいる。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。
【００１４】
膨張部１４は、減圧弁またはタービン等によって作動流体を膨張させる。この際、通常、作動流体の温度が下がる。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に使用される作動流体として、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。
【００１５】
供給ユニット２０は、加温部２１と、蒸発ユニット２２と、圧縮機３０とを有する。
【００１６】
加温部２１は、ヒートポンプ１０の第２放熱部１３Ｂに熱的に接続されかつ供給源（不図示）からの水が流れる導管を含む。例えば、加温部２１の導管が第２放熱部１３Ｂの導管に接触あるいは隣接して配置される。加温部２１と第２放熱部１３Ｂ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（供給ユニット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、ヒートポンプ１０の第２放熱部１３Ｂの導管の内部に、加温部２１の導管が配設されている。加温部２１において、ヒートポンプ１０の第２放熱部１３Ｂからの伝達熱によって、供給ユニット２０内の水が温度上昇する。なお、他の実施形態において、第１熱交換器４１は、別の熱交換構造を採用することができる。例えば、第２放熱部１３Ｂの導管を、加温部２１の導管の外周面に配設することができる。
【００１７】
蒸発ユニット２２は、被加熱媒体としての水を貯溜するタンク４７と、加温部２１からの水をタンク４７に導く経路２５とを有する。経路２５には、必要に応じて、制御弁やポンプ（不図示）などの機器が配置される。なお、脱気装置を、例えば加温部２１とタンク４７との間に設けてもよい。タンク４７には、経路２５が流体的に接続される水の供給口（不図示）と、ダクト２３が流体的に接続される蒸気の排出口（不図示）とが設けられる。また、タンク４７は、必要に応じて、液面を計測するレベルセンサ（不図示）と、内部の水（蒸気）の温度に相当する情報を計測するセンサ（不図示）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、及びセンサからの情報は、制御装置７０に送られる。タンク４７には、ヒートポンプ１０の第１放熱部１３Ａが配設される。ヒートポンプ１０の第１放熱部１３Ａからの熱は、タンク４７内の水に伝わる。
【００１８】
蒸発ユニット２２において、加温部２１で温度上昇した水が経路２５及び供給口を介してタンク４７に供給される。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、タンク４７内の液面を計測するレベルセンサ（不図示）の計測結果に基づいて、水の供給量が制御される。タンク４７に水が貯溜され、また、ヒートポンプ１０の第１放熱部１３Ａによってタンク４７内の水が加熱される。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内で発生した蒸気は、ダクト２３を介して圧縮機３０に導かれる。
【００１９】
圧縮機３０は、ダクト２３及びタンク４７の排出口を介してタンク４７の気相空間に流体的に接続されている。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。
【００２０】
圧縮機３０による吸引作用により、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、経路２５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。
【００２１】
圧縮機３０及び／又は供給ユニット２０には、蒸気に対して水（温水）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。圧縮機３０の多段圧縮構造は、蒸気の高温・高圧化に有利である。圧縮機３０は、多段の各圧縮部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、同軸の多段圧縮構造を有することができる。各圧縮部の圧縮比（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、ノズル３５と分岐経路２５Ａとを導管３６を介して流体的に接続することができる。この導管構成では、ポンプ２６で加圧された比較的高温度を有する分岐経路２５Ａ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からの液体の排出には、ポンプなどの動力源を用いてもよく、導管３６の入口と出口との圧力差を利用してもよい。
【００２２】
本実施形態において、供給ユニット２０は、圧縮機３０からの蒸気の一部を抽出して蒸発ユニット２２のタンク４７に導く補経路３８をさらに有する。補経路３８の一端は、圧縮機３０の出口及び／又は段間経路に流体的に接続される。補経路３８の他端は、タンク４７内の液相位置（底部など）に流体的に接続される。圧縮機３０から抽出された蒸気が補経路３８を介してタンク４７内の液相に導かれる。後述するように、抽気された蒸気は、タンク４７内における蒸発を促進させるために用いられる。
【００２３】
このような蒸気生成システムＳ１において、供給源からの水が第１熱交換器４１でヒートポンプ１０の第２放熱部１３Ｂからの熱によって沸点近くまで温度上昇する。その温水はタンク４７に供給される。タンク４７において、ヒートポンプ１０の第１放熱部１３Ａからの熱によって水が相変化して蒸発する。
【００２４】
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。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、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。本実施形態において、第２蒸発部２２Ｂの内部空間が負圧状態である点、及び被加熱媒体及び作動流体の状態に応じて、ヒートポンプが個別の加熱部（放熱部）を有する点などにより、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。加温部２１への水の供給温度は例えば約２０℃であり、加温部２１からの水の出口温度（タンク４７への水の入口温度）は例えば約９０℃である。上記数値は理解のための一例であって本発明はこれに限定されない。
【００２５】
また、本実施形態において、供給源からの水が、ヒートポンプ１０（放熱部１３Ａ，１３Ｂ）による加熱で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。
【００２６】
図２は、図１に示す蒸発ユニット２２及び圧縮機３０における水の状態変化の一例を示す Ｔ-ｓ 線図である。図２に示すように、水は、沸点近くまで温度上昇した後、温度一定のまま相変化する。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。
【００２７】
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、その圧縮に伴って、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。
【００２８】
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２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。上記数値は理解のための一例であって本発明はこれに限定されない。
【００２９】
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。
【００３０】
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２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２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。
【００３１】
このように、本実施形態では、ヒートポンプ１０及び圧縮機３０による順次加熱により、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。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。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。
【００３２】
また、本実施形態において、圧縮機３０から抽出された蒸気がタンク４７内の液相に導入されることにより、タンク４７内における蒸発が促進される。
【００３３】
ここで、本実施形態において、タンク４７における水の飽和温度（沸騰温度）と熱源である第１放熱部１３Ａとの温度差（以下、「表面過熱度」という）は、比較的小さく、例えば約５℃〜１５℃、約１５℃〜２５℃、約２５℃〜３５℃、約３５℃〜４５℃、約４５℃〜５５℃、約５５℃〜約６５℃、約６５℃〜約７５℃、約７５℃〜約８５℃、約８５℃〜約９５℃、又は約９５℃以上である。表面過熱度が比較的小さい場合は、サブクール沸騰（sub-cooled boiling、表面沸騰ともいう）の領域に属する可能性がある。表面過熱度が比較的高い核沸騰（nucleate boiling）の領域では、激しい熱伝達が生じ、気泡が繰り返し発生する。本実施形態において、タンク４７内の液相に圧縮機３０からの蒸気を導入することにより、その蒸気から発生した気泡（バブル）が液相の強制対流を生じさせ、熱伝達を向上させることができる。こうしたバブリングにより、タンク４７内の蒸発が促進される。
【００３４】
また、前述したように、本実施形態において、圧縮機３０からは飽和蒸気及び／又は過熱蒸気を取り出すことができる。過熱蒸気の導入は、タンク４７内の攪拌、タンク４７内における気泡の消滅の抑制、伝熱面積の増大などに有利である。その結果、タンク４７内の蒸発が促進される。
【００３５】
図３Ａ及び図３Ｂは、タンク４７における補経路３８からの蒸気の出口構造の一例を模式的に示す図である。
【００３６】
補経路３８は、図３Ａに示すように、第１放熱部１３Ａの導管に隣接して配置される排出ポート６１を有することができる。この構造において、補経路３８からの蒸気が第１放熱部１３Ａの導管の表面近くに供給される。また、補経路３８は、図３Ｂに示すように、複数の排出ポート６１を有するヘッド６２を有することができる。ヘッド６２は、例えばタンク４７内において第１放熱部１３Ａの下方位置に配置される。この構造において、タンク４７内の広範囲にわたり、タンク４７内に蒸気を供給することができる。他の構造において、タンク４７の壁（底部など）に補経路３８の排出ポートを設けることも可能である。
【００３７】
本実施形態において、水の顕熱加熱が主に第１熱交換器４１（加温部２１）で行われ、水の潜熱加熱が主にタンク４７で行われる。そのため、第２放熱部１３Ｂを含む第１熱交換器４１が顕熱交換に適した形態であり、第１放熱部１３Ａ、タンク４７、補経路３８などを含む熱交換ユニット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発生する。
【００３８】
また、本実施形態において、蒸気発生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が使用される。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。
【００３９】
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。
【００４０】
図４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。
【００４１】
図４において、蒸気生成システムＳ２は、作動流体（作動媒体、第１流体）が流れるヒートポンプ１０（第１ユニット）と、被加熱流体（被加熱媒体、第２流体）の供給ユニット２０（第２ユニット）と、制御装置７０とを備える。本実施形態において、被加熱流体は水である。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Ｓ２の構成は、蒸気生成システムＳ２の設計要求に応じて様々に変更可能である。
【００４２】
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）、及び膨張部１４を有し、これらは導管を介して接続されている。
【００４３】
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（温排熱）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。
【００４４】
本実施形態において、放熱部１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃは、圧縮部１２で圧縮された作動流体が流れる導管を有し、主経路１５内を流れる作動流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、作動流体の流れ方向に沿って、第１放熱部１３Ａ、第２放熱部１３Ｂ、及び第３放熱部１３Ｃがその順に並んでいる。放熱部の数は、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、１０、あるいは１１以上である。
【００４５】
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における放熱部１３Ａ，１３Ｂと第３放熱部１３Ｃとの間の導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３放熱部１３Ｃと膨張部１４との間の導管に流体的に接続される。バイパス経路１７の入口に、作動流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１及び第２放熱部１３Ａ，１３Ｂからの作動流体の一部が、第３放熱部１３Ｃを迂回し、膨張部１４の手前で第３放熱部１３Ｃからの作動流体と合流する。第１及び第２放熱部１３Ａ，１３Ｂからの残りの作動流体は、第３放熱部１３Ｃを流れ、第３放熱部１３Ｃからの熱が供給ユニット２０内の水に伝わる。
【００４６】
再生器１８は、バイパス経路１７の導管の一部と、ヒートポンプ１０の主経路１５の導管（吸熱部１１と圧縮部１２との間の導管）の一部とが熱的に接続された構成を有する。例えば、両導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からの作動流体に比べて、第１及び第２放熱部１３Ａ，１３Ｂからの作動流体は高温である。再生器１８において、バイパス経路１７を流れる第１及び第２放熱部１３Ａ，１３Ｂからの作動流体と、ヒートポンプ１０の主経路１５を流れる吸熱部１１からの作動流体とが熱交換する。この熱交換により、バイパス経路１７内の作動流体の温度が降下し、主経路１５内の作動流体の温度が上昇する。再生器１８は、低温の流体（主経路１５内の作動流体）と高温の流体（バイパス経路１７内の作動流体）とが対向して流れる向流型の熱交換構造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構造を有してもよい。
【００４７】
供給ユニット２０は、加温部２１と、蒸発ユニット２２と、圧縮機３０とを有する。
【００４８】
本実施形態において、加温部２１は、ヒートポンプ１０の第３放熱部１３Ｃに熱的に接続されかつ供給源（不図示）からの水が流れる導管を含む。例えば、加温部２１の導管が第３放熱部１３Ｃの導管に接触あるいは隣接して配置される。加温部２１と第３放熱部１３Ｃとを含んで第１熱交換器４１が構成される。本実施形態において、ヒートポンプ１０の第３放熱部１３Ｃの導管の内部に、加温部２１の導管が配設されている。加温部２１において、ヒートポンプ１０の第３放熱部１３Ｃからの伝達熱によって、供給ユニット２０内の水が温度上昇する。
【００４９】
本実施形態において、蒸発ユニット２２は、加温部２１からの水（温水）がそれぞれ蒸発する第１蒸発部２２Ａ及び第２蒸発部２２Ｂと、加温部２１からの水を分ける分岐部２４と、分岐部２４からの水を第１蒸発部２２Ａに導く分岐経路２５Ａと、分岐部２４からの水を第２蒸発部２２Ｂに導く分岐経路２５Ｂと、分岐経路２５Ａ上に配設されるポンプ２６と、分岐経路２５Ｂ上に必要に応じて配設される減圧弁２７とを有する。なお、脱気装置を、例えば加温部２１と第１及び第２蒸発部２２Ａ，２２Ｂとの間に設けてもよい。蒸発部の数は、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。
【００５０】
第１及び第２蒸発部２２Ａ，２２Ｂは、被加熱媒体としての水を貯溜する容器構造を有する。第１及び第２蒸発部２２Ａ，２２Ｂには、水の供給口（不図示）と、蒸気の排出口（不図示）とが設けられる。第１蒸発部２２Ａの供給口には、分岐経路２５Ａが流体的に接続され、第２蒸発部２２Ｂの排出口には、ダクト２９Ａが流体的に接続される。第２蒸発部２２Ｂの供給口には、分岐経路２５Ｂが流体的に接続され、第２蒸発部２２Ｂの排出口には、ダクト２９Ｂが流体的に接続される。各蒸発部２２Ａ，２２Ｂは、必要に応じて、液面を計測するレベルセンサ（不図示）と、内部の水（蒸気）の温度に相当する情報を計測するセンサ（不図示）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、及びセンサからの情報は、制御装置７０に送られる。
【００５１】
第１蒸発部２２Ａには、ヒートポンプ１０の第１放熱部１３Ａが配設される。第２蒸発部２２Ｂには、ヒートポンプ１０の第２放熱部１３Ｂが配設される。ヒートポンプ１０の各放熱部１３Ａ，１３Ｂからの熱は、各蒸発部２２Ａ，２２Ｂ内の水に伝わる。第１蒸発部２２Ａ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。第２蒸発部２２Ｂ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。第２及び第３熱交換器４２，４３は、低温の流体（供給ユニット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２及び第３熱交換器４２，４３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。
【００５２】
本実施形態において、第１蒸発部２２Ａと第２蒸発部２２Ｂとは、供給ユニット２０に対して実質的に並列に配置される。一方、ヒートポンプ１０において、作動流体の流れ方向に沿って、第１蒸発部２２Ａとの熱交換位置は上流側であり、第２蒸発部２２Ｂとの熱交換位置は下流側である。
【００５３】
第１及び第２蒸発部２２Ａ，２２Ｂは、ヒートポンプ１０の放熱部における作動流体の温度変化に応じて設定された互いに異なる内部圧力を有する。本実施形態において、第１蒸発部２２Ａには、加温部２１からの水が供給される。一方、第２蒸発部２２Ｂ内のガス（蒸気）が圧縮機３０によって吸引される。その結果、第２蒸発部２２Ｂは、第１蒸発部２２Ａに比べて低い内部圧力を有する。本実施形態において、第１蒸発部２２Ａの内部圧力は、大気圧（１atm＝約０．１ＭＰａ）に比べて同等もしくは高く、第２蒸発部２２Ｂの内部圧力は、大気圧に比べて低い。例えば、第１蒸発部２２Ａの内部圧力は１．４気圧（約０．１４ＭＰａ）であり、第２蒸発部２２Ｂの内部圧力は０．７気圧（約０．０７ＭＰａ）である。なお、上記数値は理解のための一例であり本発明はこれに限定されない。第１及び第２蒸発部２２Ａ，２２Ｂの内部圧力の設定のために、例えば、供給ユニット２０上の制御弁（流量制御弁など。不図示）、ポンプ２６、及び圧縮機３０等が制御される。この制御は、例えば、第１及び第２蒸発部２２Ａ，２２Ｂ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制御装置７０によって行われる。
【００５４】
図５、図６、図７、及び図８は、ヒートポンプ１０の放熱部（第１放熱部１３Ａ、第２放熱部１３Ｂ、及び第３放熱部１３Ｃ）を流れる作動流体の温度変化を模式的に示している。前述したように、作動流体は、第１放熱部１３Ａ、第２放熱部１３Ｂ、及び第３放熱部１３Ｃの順に流れる。
【００５５】
図５〜図８に示すように、本実施形態において、放熱部（第１放熱部１３Ａ、第２放熱部１３Ｂ、及び第３放熱部１３Ｃ（図４参照））を流れる作動流体は、その流れ方向に沿って温度が低下する。すなわち、第１放熱部１３Ａにおいて、作動流体の入口温度ｔ１に比べて出口温度ｔ２が低い。第２放熱部１３Ｂにおいて、作動流体の入口温度ｔ３に比べて出口温度ｔ４が低い。第３放熱部１３Ｃにおいて、作動流体の入口温度ｔ５に比べて出口温度ｔ６が低い。また、第１放熱部１３Ａにおける作動流体の入口温度ｔ１に比べて、第２放熱部１３Ｂにおける作動流体の入口温度ｔ３が低く、第２放熱部１３Ｂにおける作動流体の入口温度ｔ３に比べて第３放熱部１３Ｃにおける作動流体の入口温度ｔ５が低い。ヒートポンプ１０の放熱部において、作動流体の相変化が実質的に小さい場合には、放熱に伴って、作動流体の温度が低下する傾向にある。例えば、ヒートポンプ１０の放熱部を流れる作動流体の少なくとも一部が超臨界流体、もしくは気体である場合には、放熱に伴って作動流体の温度が比較的漸次的に低下する。
【００５６】
図９は、供給ユニット２０（図４参照）における被加熱媒体としての水の温度変化を、ヒートポンプ１０（図４参照）における作動流体の温度に対応付けて模式的に示している。
【００５７】
図９に示すように、加温部２１（図４参照）において、作動流体との熱交換により、供給源からの水の温度が上昇する（図９の矢印ｍ１）。分岐経路２５Ｂ（図４参照）を介して第２蒸発部２２Ｂに流入した加温部２１からの水は、減圧雰囲気（例えば負圧環境）下にある。比較的低い内部圧力を有する第２蒸発部２２Ｂにおいて、作動流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）。一方、分岐経路２５Ａ（図４参照）を介して第１蒸発部２２Ａに流入する加温部２１からの水は、ポンプ２６によって加圧されて温度上昇する（図９の矢印ｍ３）。比較的高い内部圧力を有する第１蒸発部２２Ａにおいて、作動流体との熱交換により、第１沸点よりも高い第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）。
【００５８】
本実施形態において、第２蒸発部２２Ｂ（図４参照）における沸点（第１沸点）は例えば約９０℃であり、第１蒸発部２２Ａにおける沸点（第２沸点）は例えば約１１０℃である。また、ヒートポンプ１０（図４参照）において、第１放熱部１３Ａでの作動流体の入口温度は例えば約１４０℃、第２放熱部１３Ｂでの作動流体の入口温度は例えば約１１５℃である。なお、上記数値は理解のための一例であって本発明はこれに限定されない。
【００５９】
本実施形態によれば、ヒートポンプ１０の放熱部における作動流体の温度変化に応じて、異なる内部圧力を有する２つの蒸発部２２Ａ，２２Ｂを供給ユニット２０が有することにより、作動流体と水との間の熱バランスが適性化される。例えば、ヒートポンプ１０の放熱部の全体にわたって熱交換時の作動流体と水との間の過度の温度差が回避される。その結果、熱交換効率が高まる。
【００６０】
本実施形態において、第１実施形態と同様に、被加熱媒体及び作動流体の状態に応じて、ヒートポンプが個別の加熱部（放熱部）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。第２蒸発部２２Ｂ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、加温部２１への水の供給温度は約８０℃であり、加温部２１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。上記数値は理解のための一例であって本発明はこれに限定されない。
【００６１】
なお、ヒートポンプ１０の放熱部及び供給ユニット２０の蒸発部の数は、２つに限らず、作動流体の特性に応じて適宜設定される。また、供給源からの水の供給温度が比較的高い場合など、加温部２１（第３放熱部１３Ｃ）を省略することも可能である。
【００６２】
本実施形態において、バイパス経路１７を介して作動流体の一部が第１熱交換器４１を迂回することにより、第１熱交換器４１への作動流体の流入量が制御される。バイパス経路１７を流れる作動流体は、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からの作動流体と熱交換する。この熱交換により、バイパス経路１７内の作動流体の温度が降下し（例えば約２０℃）、ヒートポンプ１０の主経路１５内の作動流体の温度が上昇する（例えば約９５℃）。圧縮部１２に対する作動流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、作動流体のバイパス量は、被加熱流体及び作動流体の各物性値（比熱など）に応じて定められる。
【００６３】
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内の作動流体（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３放熱部１３Ｃ）からの作動流体と合流する。前述したように、第１熱交換器４１からの作動流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に対する作動流体の入力温度の降下により、作動流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。
【００６４】
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流体が水の加温と作動流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。
【００６５】
図４に戻り、第１蒸発部２２Ａは、ダクト２９Ａを介して圧縮機３０の出口ポートに接続されたダクト３７に接続されている。第１蒸発部２２Ａからの蒸気は、ダクト２９Ａによって圧縮機３０の下流位置に導かれる。第２蒸発部２２Ｂは、ダクト２９Ｂを介して圧縮機３０の入口ポートに流体的に接続されている。前述したように、第２蒸発部２２Ｂの内部空間は、ダクト２９Ｂを介して圧縮機３０によって吸引される。第２蒸発部２２Ｂ内の蒸気は、ダクト２９Ｂ内を介して圧縮機３０に導かれる。
【００６６】
本実施形態において、圧縮機３０は、第２蒸発部２２Ｂからの蒸気を圧縮し、昇圧した
蒸気を下流に流す。
【００６７】
本実施形態において、供給ユニット２０は、圧縮機３０からの蒸気の一部を抽出して第１蒸発部２２Ａ，第２蒸発部２２Ｂにそれぞれ導く第１補経路３８Ａ，第２補経路３８Ｂをさらに有する。第１及び第２補経路３８Ａ，３８Ｂの一端は、圧縮機３０の出口及び／又は段間経路に流体的に接続される。第１及び第２補経路３８Ａ，３８Ｂの他端は、第１及び第２蒸発部２２Ａ，２２Ｂ内の液相位置（底部など）に流体的に接続される。圧縮機３０から抽出された蒸気が第１蒸発部２２Ａ内の液相に導かれる。同様に、圧縮機３０から抽出された蒸気が第２蒸発部２２Ｂ内の液相に導かれる。本実施形態において、第１実施形態と同様に、圧縮機３０から抽出された蒸気を用いたバブリングにより、第１蒸発部２２Ａ及び第２蒸発部２２Ｂにおける蒸発が促進される。
【００６８】
また、本実施形態において、第１及び第２蒸発部２２Ａ，２２Ｂ内には、スプレイノズル４５を有する散液管４８Ａ，４８Ｂが配設される。散液管４８Ａには、分岐経路２５Ａが流体的に接続され、第１蒸発部２２Ａに設けられた排出口（不図示）に、ダクト２９Ａが流体的に接続される。散液管４８Ｂには、分岐経路２５Ｂが流体的に接続され、第２蒸発部２２Ｂに設けられた排出口（不図示）に、ダクト２９Ｂが流体的に接続される。
【００６９】
また、本実施形態において、第１及び第２蒸発部２２Ａ，２２Ｂ内には、ノズル４５からの水が付着する蒸発促進部材４６が配置される。蒸発促進部材４６は、網状、平板状、波板状、板状部材に複数の孔が設けられた穴あき板状、板状部材に布が取り付けられた布板状、複数の板状部材からなる形状、巻状、格子状などの様々な形状を有することができる。蒸発促進部材４６は、ラッシヒリングを有することができる。蒸発促進部材４６として、第１及び第２蒸発部２２Ａ，２２Ｂ内に、多数の筒状部材がランダムに配置されてもよく、あるいは、多数の金属個片や樹脂個片が配置された網状部材が配置されてもよい。
【００７０】
本実施形態において、散液管４８Ａ，４８Ｂの各スプレイノズル４５から水が散液される。ノズル４５の散液パターンは、蒸気生成システムＳ２の仕様に応じて適宜設定される。各蒸発部２２Ａ，２２Ｂ内で散液された水は、蒸発促進部材４６及び各放熱部１３Ａ，１３Ｂの導管（チューブ）の表面（外面）に付着する。導管内の作動流体の熱が、その付着した水に速やかに伝わり、水が各蒸発部２２Ａ，２２Ｂ内で蒸発する。ノズル４５からの散水、及び蒸発促進部材４６の設置により、気液界面（伝熱面、蒸発面積）の拡大が図られ、第１及び第２蒸発部２２Ａ，２２Ｂ内における水の蒸発が促進される。
【００７１】
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。
【００７２】
図１０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。
【００７３】
図１０に示すように、蒸気生成システムＳ３において、供給ユニット２０の第１及び第２蒸発部２２Ａ，２２Ｂは、被加熱媒体としての水を貯溜するタンク４７Ａ，４７Ｂをそれぞれ有する。本実施形態において、第１及び第２蒸発部２２Ａ，２２Ｂはさらに、各タンク４７Ａ，４７Ｂに流体的に接続された循環配管４９Ａ，４９Ｂをそれぞれ有する。各タンク４７Ａ，４７Ｂには、水の供給口（不図示）と、蒸気の排出口（不図示）とが設けられる。タンク４７Ａの供給口には、分岐経路２５Ａが流体的に接続され、タンク４７Ａの排出口には、ダクト２９Ａが流体的に接続される。タンク４７Ｂの供給口には、分岐経路２５Ｂが流体的に接続され、タンク４７Ｂの排出口には、ダクト２９Ｂが流体的に接続される。各タンク４７Ａ，４７Ｂは、必要に応じて、液面を計測するレベルセンサ（不図示）と、内部の水（蒸気）の温度に相当する情報を計測するセンサ（不図示）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、及びセンサからの情報は、制御装置７０に送られる。タンクの数は、蒸気生成システムＳ３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。
【００７４】
本実施形態において、循環配管４９Ａ，４９Ｂの各入口端と各出口端とがタンク４７Ａ，４７Ｂに流体的にそれぞれ接続される。循環配管の数は、蒸気生成システムＳ３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。循環配管４９Ａ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、循環配管４９Ｂ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。バルブ５３Ａ，５３Ｂ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，５１Ｂは、個々に独立してタンク４７Ａ又はタンク４７Ｂに流体的に接続される。また、蒸発管５１Ａ，５１Ｂは、供給ユニット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，５２Ｂの少なくとも１つを省いてもよい。
【００７５】
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。第２及び第３熱交換器４２，４３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。あるいは、第２及び第３熱交換器４２，４３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及び第３熱交換器４２，４３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。
【００７６】
図１１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、放熱部１３Ａにおける作動流体の出口温度を目標値に設定することができる。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１０に示す蒸発管５１Ｂ及び対応する放熱部１３Ｂもこれと同様の構成を採用することができる。
【００７７】
図１０に戻り、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。同様に、ヒートポンプ１０の放熱部１３Ｂ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。
【００７８】
本実施形態においても、第１及び第２蒸発部２２Ａ，２２Ｂは、ヒートポンプ１０の放熱部における作動流体の温度変化に応じて設定された互いに異なる内部圧力を有する。すなわち、タンク４７Ａの内部圧力に比べて、タンク４７Ｂの内部圧力が低い。本実施形態において、第１蒸発部２２Ａの内部圧力は、大気圧（１atm＝約０．１ＭＰａ）に比べて同等もしくは高く、第２蒸発部２２Ｂの内部圧力は、大気圧に比べて低い。ヒートポンプ１０の放熱部における作動流体の温度変化に応じて、異なる内部圧力を有する２つの蒸発部２２Ａ，２２Ｂを供給ユニット２０が有することにより、作動流体と水との間の熱バランスが適性化される。例えば、ヒートポンプ１０の放熱部の全体にわたって熱交換時の作動流体と水との間の過度の温度差が回避される。その結果、熱交換効率が高まる。
【００７９】
また、本実施形態において、供給ユニット２０は、圧縮機３０からの蒸気の一部を抽出して第１蒸発部２２Ａ（第１タンク４７Ａ），第２蒸発部２２Ｂ（第２タンク４７Ｂ）にそれぞれ導く第１補経路３８Ａ，第２補経路３８Ｂをさらに有する。第１及び第２補経路３８Ａ，３８Ｂの一端は、圧縮機３０の出口及び／又は段間経路に流体的に接続される。第１及び第２補経路３８Ａ，３８Ｂの他端は、第１及び第２タンク４７Ａ，４７Ｂ内の液相位置（底部など）に流体的に接続される。圧縮機３０から抽出された蒸気が第１タンク４７Ａ内の液相に導かれる。同様に、圧縮機３０から抽出された蒸気が第２タンク４７Ａ内の液相に導かれる。本実施形態において、上記各実施形態と同様に、圧縮機３０から抽出された蒸気を用いたバブリングにより、第１蒸発部２２Ａ（第１タンク４７Ａ）及び第２蒸発部２２Ｂ（第２タンク４７Ｂ）における蒸発が促進される。
【００８０】
また、本実施形態において、蒸発管５１Ａ，５１Ｂ内に、蒸発促進部材４６が配置される。蒸発促進部材４６は、網状、平板状、波板状、板状部材に複数の孔が設けられた穴あき板状、板状部材に布が取り付けられた布板状、複数の板状部材からなる形状、巻状、格子状などの様々な形状を有することができる。蒸発促進部材４６は、ラッシヒリングを有することができる。蒸発促進部材４６として、第１及び第２蒸発部２２Ａ，２２Ｂ内に、多数の筒状部材がランダムに配置されてもよく、あるいは、多数の金属個片や樹脂個片が配置された網状部材が配置されてもよい。
【００８１】
本実施形態において、蒸発促進部材４６によって蒸発管５１Ａ，５１Ｂ内の水（温水）の流れが乱れ、熱伝達が向上する。また、蒸発促進部材４６の設置により、気液界面（伝熱面、蒸発面積）の拡大が図られる。その結果、第１及び第２蒸発部２２Ａ，２２Ｂ内における水の蒸発が促進される。
【００８２】
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。
【００８３】
図１２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。
【００８４】
図１２に示すように、蒸気生成システムＳ４において、圧縮部１２が作動流体を複数段（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、第１放熱部１３Ａの前に配置される第１圧縮部１２Ａと、第１放熱部と第２放熱部との間に配置される第２圧縮部１２Ｂとを有する。圧縮の段数は、２に限定されない。蒸気発生システムの仕様に応じて圧縮の段数を設定することができ、例えば、圧縮の段数は、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。
【００８５】
放熱部１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃは、圧縮部１２で圧縮された作動流体が流れる導管を有し、主経路１５内を流れる作動流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、作動流体の流れ方向に沿って、第１放熱部１３Ａ、第２放熱部１３Ｂ、及び第３放熱部１３Ｃがその順に並んでいる。放熱部の数は、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、１０、あるいは１１以上である。なお、供給源からの水の供給温度が比較的高い場合など、第３放熱部１３Ｃ（加温部２１）を省略することも可能である。
【００８６】
図１３は、第４実施形態における、ヒートポンプ１０における作動流体の温度変化と、供給ユニット２０における被加熱媒体としての水の温度変化とを対応付けて模式的に示している。
【００８７】
図１３に示すように、本実施形態において、第１放熱部１３Ａ（図１２参照）における作動流体の出口温度ｔ２に比べて第２放熱部１３Ｂ（図１２参照）における作動流体の入口温度ｔ３が高い。これは、第１放熱部１３Ａ（図１２参照）からの作動流体が第２圧縮部１２Ｂ（図１２参照）によって圧縮されるためである。なお、本実施形態において、第２実施形態と同様に、第１放熱部１３Ａにおいて、作動流体の入口温度ｔ１に比べて出口温度ｔ２が低く、第２放熱部１３Ｂにおいて、作動流体の入口温度ｔ３に比べて出口温度ｔ４が低い。また、第１放熱部１３Ａにおける作動流体の入口温度ｔ１に比べて、第２放熱部１３Ｂにおける作動流体の入口温度ｔ３が低い。
【００８８】
本実施形態においても、第１及び第２蒸発部２２Ａ，２２Ｂは、ヒートポンプ１０の放熱部における作動流体の温度変化に応じて設定された互いに異なる内部圧力を有する。すなわち、第１蒸発部２２Ａの内部圧力に比べて、第２蒸発部２２Ｂの内部圧力が低い。本実施形態において、第１蒸発部２２Ａの内部圧力は、大気圧（１atm＝約０．１ＭＰａ）に比べて同等もしくは高く、第２蒸発部２２Ｂの内部圧力は、大気圧に比べて低い。ヒートポンプ１０の放熱部における作動流体の温度変化に応じて、異なる内部圧力を有する２つの蒸発部２２Ａ，２２Ｂを供給ユニット２０が有することにより、作動流体と水との間の熱バランスが適性化される。例えば、ヒートポンプ１０の放熱部の全体にわたって熱交換時の作動流体と水との間の過度の温度差が回避される。その結果、熱交換効率が高まる。
【００８９】
さらに、本実施形態において、第１放熱部１３Ａと第２放熱部１３Ｂとの間に設けられた圧縮部１２Ｂによって、作動流体の温度が上昇する。放熱部における作動流体が多段階な温度変化を有することにより、作動流体と水との間の熱バランスがさらに適性化される。例えば、図１３に示すように、第２蒸発部２２Ｂ（図１２参照）における作動流体と水との間の温度差を比較的大きく設定することができる。その結果、蒸発部２２Ａ，２２Ｂのそれぞれに対して比較的高温度の作動流体が供給される。これは水の蒸発促進に有利である。
【００９０】
また、本実施形態において、供給ユニット２０は、圧縮機３０からの蒸気の一部を抽出して第１蒸発部２２Ａ，第２蒸発部２２Ｂにそれぞれ導く第１補経路３８Ａ，第２補経路３８Ｂをさらに有する。第１及び第２補経路３８Ａ，３８Ｂの一端は、圧縮機３０の出口及び／又は段間経路に流体的に接続される。第１及び第２補経路３８Ａ，３８Ｂの他端は、第１及び第２蒸発部２２Ａ，２２Ｂ内の液相位置（底部など）に流体的に接続される。圧縮機３０から抽出された蒸気が第１蒸発部２２Ａ内の液相に導かれる。同様に、圧縮機３０から抽出された蒸気が第２蒸発部２２Ｂ内の液相に導かれる。本実施形態において、上記各実施形態と同様に、圧縮機３０から抽出された蒸気を用いたバブリングにより、第１蒸発部２２Ａ及び第２蒸発部２２Ｂにおける蒸発が促進される。
【００９１】
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。
【００９２】
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】
【００９３】
【図１】第１実施形態を示す概略図である。
【図２】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３Ａ】補経路からの蒸気の出口構造の一例を模式的に示す図である。
【図３Ｂ】補経路からの蒸気の出口構造の一例を模式的に示す図である。
【図４】第２実施形態を示す概略図である。
【図５】ヒートポンプの放熱部を流れる作動流体の温度変化を模式的に示す図である。
【図６】ヒートポンプの放熱部を流れる作動流体の温度変化を模式的に示す図である。
【図７】ヒートポンプの放熱部を流れる作動流体の温度変化を模式的に示す図である。
【図８】ヒートポンプの放熱部を流れる作動流体の温度変化を模式的に示す図である。
【図９】供給ユニットにおける被加熱媒体としての水の温度変化を、ヒートポンプにおける作動流体の温度に対応付けて模式的に示す図である。
【図１０】第３実施形態を示す概略図である。
【図１１】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１２】第４実施形態を示す概略図である。
【図１３】第４実施形態における、ヒートポンプにおける作動流体の温度変化と、供給ユニットにおける被加熱媒体としての水の温度変化とを対応付けて模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００９４】
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４…蒸気生成システム、１０…ヒートポンプ、１１…吸熱部、１２…圧縮部、１３Ａ〜１３Ｃ…放熱部、１４…膨張部、１５…主経路、１７…バイパス経路、１８…再生器、２０…供給ユニット、２１…加温部、２２…蒸発部、２２Ａ…第１蒸発部、２２Ｂ…第２蒸発部、３０…圧縮機、３８，３８Ａ，３８…補経路、４１〜４３…熱交換器、４５…ノズル、４６…蒸発促進部材、４７，４７Ａ，４７Ｂ…タンク、４８Ａ，４８Ｂ…散液管、５１Ａ，５１Ｂ…蒸発管、７０…制御装置。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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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