(57)【要約】【課題】本発明は、第１熱媒体から受ける熱量を少量に抑えながら需要量に見合う蒸気を発生できる蒸気発生システムを提供する。【解決手段】蒸気発生システムは、第１温水を熱源として蒸気を発生させる蒸気発生システムであって、１次冷媒が循環している１次ヒートポンプ１であって、第１熱媒体から１次冷媒に熱量を移動させる１次蒸発器１３を備えている１次ヒートポンプ１と、２次冷媒が循環している２次ヒートポンプ２であって、１次冷媒から２次冷媒に熱量を移動させる第１蒸発器２４、及び２次冷媒から熱量を移動させて蒸気を発生させる２次凝縮器２２を備えている２次ヒートポンプ２と、を備えている蒸気発生システムにおいて、第２熱媒体に排熱を供給するエンジン３を備えており、２次ヒートポンプ２は、第２熱媒体から２次冷媒に熱量を移動させる第２蒸発器２５を更に備えている、ことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１熱媒体を熱源として蒸気を発生させる蒸気発生システムであって、
１次冷媒が循環している１次ヒートポンプであって、前記第１熱媒体から前記１次冷媒に熱量を移動させる１次蒸発器を備えている１次ヒートポンプと、
２次冷媒が循環している２次ヒートポンプであって、前記１次冷媒から前記２次冷媒に熱量を移動させる第１蒸発器、及び前記２次冷媒から熱量を移動させて蒸気を発生させる２次凝縮器を備えている２次ヒートポンプと、を備えている蒸気発生システムにおいて、
第２熱媒体に排熱を供給するエンジンを備えており、
前記２次ヒートポンプは、前記第２熱媒体から前記２次冷媒に熱量を移動させる第２蒸発器を更に備えている、ことを特徴とする蒸気発生システム。
【請求項２】
前記第１蒸発器及び前記第２蒸発器は、直列に配置されている、請求項１に記載の蒸気発生システム。
【請求項３】
前記第１蒸発器及び前記第２蒸発器は、並列に配置されている、請求項１に記載の蒸気発生システム。
【請求項４】
前記１次ヒートポンプは、前記１次冷媒を流す１次圧縮機を備えており、
前記２次ヒートポンプは、前記２次冷媒を流す２次圧縮機を備えており、
前記エンジンは、前記１次圧縮機及び前記２次圧縮機を駆動する、請求項１−３のいずれか１つに記載の蒸気発生システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１熱媒体を熱源として蒸気を発生させる蒸気発生システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、２つのヒートポンプを介して２段階の熱の移動を行うことによって、蒸気を発生させる蒸気発生装置１を開示している。蒸気発生装置１は、熱源流体となる例えば、５５℃の温水から吸熱し、中間流体（水）に放熱する第１ヒートポンプ２と、中間流体から吸熱し、２０℃の給水に放熱して１２０℃まで加熱して蒸気を発生させる第２ヒートポンプ３とを有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１６４２５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、５５℃程度の温水（第１熱媒体）から高温蒸気（例えば、１２０℃）を得るには、必要熱量を確保する都合上、多量の温水が必要になる。そのため、工場等で排出される温水を熱源として利用する場合、需要量に見合う蒸気を発生させるための温水の水量が不足するという問題があった。
【０００５】
そこで本発明は、第１熱媒体から受ける熱量を少量に抑えながら需要量に見合う蒸気を発生できる蒸気発生システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る蒸気発生システムは、第１熱媒体を熱源として蒸気を発生させる蒸気発生システムであって、１次冷媒が循環している１次ヒートポンプであって、前記第１熱媒体から前記１次冷媒に熱量を移動させる１次蒸発器を備えている１次ヒートポンプと、２次冷媒が循環している２次ヒートポンプであって、前記１次冷媒から前記２次冷媒に熱量を移動させる第１蒸発器、及び前記２次冷媒から熱量を移動させて蒸気を発生させる２次凝縮器を備えている２次ヒートポンプと、を備えている蒸気発生システムにおいて、第２熱媒体に排熱を供給するエンジンを備えており、前記２次ヒートポンプは、前記第２熱媒体から前記２次冷媒に熱量を移動させる第２蒸発器を更に備えている、ことを特徴とする。
【０００７】
前記蒸気発生システムにおいて、前記第１蒸発器及び前記第２蒸発器は、直列に配置されている。
【０００８】
前記蒸気発生システムにおいて、前記第１蒸発器及び前記第２蒸発器は、並列に配置されている。
【０００９】
前記蒸気発生システムにおいて、前記１次ヒートポンプは、前記１次冷媒を流す１次圧縮機を備えており、前記２次ヒートポンプは、前記２次冷媒を流す２次圧縮機を備えており、前記エンジンは、前記１次圧縮機及び前記２次圧縮機を駆動する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る蒸気発生システムは、第１熱媒体から受ける熱量を少量に抑えながら需要量に見合う蒸気を発生できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態の蒸気発生システムの構成を示す図である。
【図２】第２実施形態の蒸気発生システムの構成を示す図である。
【図３】第３実施形態の蒸気発生システムの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１実施形態の構成）
図１を参照して、第１実施形態に係る蒸気発生システムを説明する。
【００１３】
図１は、蒸気発生システムの構成を示す図である。図１において、蒸気発生システムは、１次ヒートポンプ１、２次ヒートポンプ２、及びエンジン３を備えている。また、蒸気発生システムは、第１温水経路４、第２温水経路５、ポンプ６、給水経路７、蒸気出力経路８を備えている。
【００１４】
蒸気発生システムの構成をより詳しく説明する。１次ヒートポンプ１は、１次経路１０、１次圧縮機１１、１次凝縮器であり２次ヒートポンプ２の蒸発器である第１蒸発器２４、１次膨張弁１２、及び１次蒸発器１３を備えている。１次圧縮機１１は、１次冷媒を１次経路１０に沿って流す。流れ方向Ｄ１は、１次冷媒の流れる方向を示している。１次冷媒は、１次経路１０を循環し、第１蒸発器２４、１次膨張弁１２、１次蒸発器１３、及び１次圧縮機１１を順に通過する。２次ヒートポンプ２は、２次経路２０、２次圧縮機２１、２次凝縮器２２、２次膨張弁２３、第１蒸発器２４、及び第２蒸発器２５を備えている。２次圧縮機２１は、２次冷媒を２次経路２０に沿って流す。流れ方向Ｄ２は、２次冷媒の流れる方向を示している。２次冷媒は２次経路２０を循環し、２次凝縮器２２、２次膨張弁２３、第１蒸発器２４、第２蒸発器２５、及び２次圧縮機２１を順に通過する。
【００１５】
第１温水経路４は、１次ヒートポンプ１の１次蒸発器１３を通過するように設けられている。第１温水は、第１温水経路４に沿って流される。流れ方向Ｄ４は、第１温水の流れる方向を示している。該第１温水は、蒸気を発生させる熱源の１つである。第２温水経路５は、エンジン３及び２次ヒートポンプ２の第２蒸発器２５を通過するように設けられている。ポンプ６は、第２温水を第２温水経路５に沿って流す。流れ方向Ｄ５は、第２温水の流れる方向を示している。第２温水は、第２温水経路５に沿って循環し、エンジン３及び第２蒸発器２５を順に通過する。第２温水は、エンジン３の冷却水であり、蒸気を発生させる熱源の１つである。給水経路７は、２次ヒートポンプ２の２次凝縮器２２を通過するように設けられている。流れ方向Ｄ７は、水の流れる方向を示している。蒸気出力経路８は、給水経路７の出口側の経路であり、２次凝縮器２２で発生した蒸気を図示しない蒸気利用端へ供給する経路である。流れ方向Ｄ８は、蒸気の流れる方向を示している。
【００１６】
蒸気発生システムは、例えば工場に設置されている。蒸気発生システムが発生させる蒸気は、この工場において利用される。第１温水は、この工場で使用される駆動源又は熱源から排出される排熱を搬送する熱媒体（第１熱媒体）である。第１温水の温度は、例えば７０℃である。エンジン３は、この工場で使用される駆動源の１つであってもよい。第２温水は、上述したように、エンジン３の冷却水であり、エンジン３から排出される排熱を搬送する熱媒体（第２熱媒体）である。第２温水の温度は、例えば９６℃である。つまり、第１温水の温度は、第２温水の温度よりも低い。
【００１７】
蒸気発生システムの作用を説明する。概略的に説明すると、蒸気発生システムは、第１温水及び第２温水を熱源として１次ヒートポンプ１及び２次ヒートポンプ２を介して水を蒸発させることにより、蒸気を発生させる。蒸気発生システムが駆動されているとき、１次冷媒が１次経路１０に沿って流され、２次冷媒が２次経路２０に沿って流され、第１温水が第１温水経路４に沿って流され、第２温水が第２温水経路５に沿って流され、水が給水経路７に沿って流されている。以下、より詳しく作用を説明する。
【００１８】
１次ヒートポンプ１の１次蒸発器１３は、第１温水経路４の第１温水から熱量を１次冷媒に移動させる。１次蒸発器１３において、１次冷媒は気化し、第１温水の温度が低下する。温度の低下量は、例えば５℃程度である。
【００１９】
２次ヒートポンプ２の第１蒸発器２４は、１次冷媒から２次冷媒に熱量を移動させる。第１蒸発器２４は、２次ヒートポンプ２において蒸発器として機能するが、１次ヒートポンプ１において凝縮器として機能する。第１蒸発器２４において、１次冷媒は液化し、２次冷媒は気化する。
【００２０】
２次ヒートポンプ２の第２蒸発器２５は、第２温水経路５の第２温水から２次冷媒に熱量を移動させる。２次凝縮器２５において、２次冷媒は気化又は過熱され、第２温水の温度が低下する。
【００２１】
２次ヒートポンプ２の２次凝縮器２２は、２次冷媒から給水経路７の水に熱量を移動させる。２次凝縮器２２において、２次冷媒は液化し、水が蒸発して蒸気が発生する。発生する蒸気の温度は、例えば１３０℃程度である。
【００２２】
（第２実施形態の構成）
図２を参照して、第２実施形態に係る蒸気発生システムを説明する。第１蒸発器２４及び第２蒸発器２５の配置が、第１実施形態と第２実施形態との間で変更されている。他の点は、第１実施形態と第２実施形態との間で同一である。
【００２３】
図２は、蒸気発生システムの構成を示す図である。第２実施形態に係る第１蒸発器２４及び第２蒸発器２５は、並列に配置されている。２次経路２０は、２次膨張弁２３と２次圧縮機２１との間に、第１経路２０１及び第２経路２０２を備えている。第１経路２０１及び第２経路２０２は並列に配置されている。第１経路２０１及び第２経路２０２は、分岐位置２０ａで分岐し、合流位置２０ｂで合流する。一方、第１実施形態に係る第１蒸発器２４及び第２蒸発器２５は、直列に配置されている。
【００２４】
第２実施形態に係る蒸気発生システムの作用は、概ね第１実施形態に係る蒸気発生システムの作用に等しい。一部の２次冷媒は第１蒸発器２４において１次冷媒を介して第１温水から熱量を受け取り、残りの２次冷媒は第２蒸発器２５において第２温水から熱量を受け取る。合流位置２０ｂの下流において、２次冷媒は合流し、２次冷媒の過熱度が均一化される。
【００２５】
（第３実施形態の構成）
図３を参照して、第３実施形態に係る蒸気発生システムを説明する。１次圧縮機１１及び２次圧縮機２１の駆動源が、第１実施形態と第３実施形態との間で変更されている。他の点は、第１実施形態と第３実施形態との間で同一である。
【００２６】
図３は、蒸気発生システムの構成を示す図である。第３実施形態に係る蒸気発生システムは、エンジン３の出力を１次圧縮機１１及び２次圧縮機２１に伝達する伝達機構３０を備えている。第３実施形態に係るエンジン３は、１次圧縮機１１及び２次圧縮機２１を駆動する。一方、第１実施形態又は第２実施形態では、１次圧縮機１１及び２次圧縮機２１の駆動源は、エンジン３に限られず、例えばモータでも良い。
【００２７】
（本実施形態の効果）
本実施形態に係る蒸気発生システムは、上述した次の構成により、次の効果を有する。
【００２８】
（１）第１−３実施形態に係る蒸気発生システムは、１次ヒートポンプ１、２次ヒートポンプ２、及び第２熱媒体（第２温水）に排熱を供給するエンジン３を備えている。
【００２９】
エンジン３の排熱が、蒸気を発生させる熱源の１つとして利用される。このため、第１−３実施形態に係る蒸気発生システムは、第１熱媒体（第１温水）から受ける熱量を少量に抑えながら需要量に見合う蒸気を発生できる。
【００３０】
（２）第１、３実施形態に係る蒸気発生システムでは、第１蒸発器２４及び第２蒸発器２５は、直列に配置されている。
【００３１】
２次冷媒の全量が、第１熱媒体及び第２熱媒体（エンジン３の排熱）によって加熱される。
【００３２】
（３）第２実施形態に係る蒸気発生システムでは、第１蒸発器２４及び第２蒸発器２５は、並列に配置されている。
【００３３】
一部の２次冷媒は第１熱媒体によって加熱され、残りの２次冷媒は第２熱媒体（エンジン３の排熱）によって加熱される。
【００３４】
（４）第３実施形態に係る蒸気発生システムでは、エンジン３は、１次圧縮機１１及び２次圧縮機２１を駆動する。
【００３５】
第３実施形態に係る蒸気発生システムは、１次圧縮機１１及び２次圧縮機２１の駆動源の排熱が利用されない場合と比べて、蒸気の発生に要するエネルギー効率を向上できる。
【００３６】
なお、第１実施形態〜第３実施形態では、エンジン３の冷却水を第２熱媒体としたが、エンジン３の排気ガスを第２熱媒体としても良い。さらに、第２蒸発器２５の熱源としてエンジン３の排熱だけでなく燃焼設備や化学反応設備等の排熱を利用しても良い。要は、１次蒸発器１３の熱源よりも高温の排熱を第２蒸発器２５の熱源とすれば良い。
【００３７】
また、第１実施形態〜第３実施形態では、１次蒸発器１３、第１蒸発器２４、第２蒸発器２５および２次凝縮器２２を高温流体と低温流体が対向する構造を図示したが、対向流構造だけでなく、並行流構造でもその他の構造でも良い。
【符号の説明】
【００３８】
１  １次ヒートポンプ
２  ２次ヒートポンプ
３  エンジン
１３  １次蒸発器
２２  ２次凝縮器
２４  第１蒸発器
２５  第２蒸発器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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