蒸気発生システム
【課題】ヒートポンプでくみ上げる温度差を低減して効率のよい蒸気発生システムを提供する。
【解決手段】単段または複数段の第一ヒートポンプ２と、この第一ヒートポンプ２より段数の多い第二ヒートポンプ３とを備える。第一ヒートポンプ２の最下段の蒸発器７と、第二ヒートポンプ３の最下段の蒸発器１１Ｂとに、熱源流体が順に通される。第一ヒートポンプ２の最上段の凝縮器５と、第二ヒートポンプ３の最上段の凝縮器９Ａとにおいて、水を加熱して蒸気を発生させる。
【解決手段】単段または複数段の第一ヒートポンプ２と、この第一ヒートポンプ２より段数の多い第二ヒートポンプ３とを備える。第一ヒートポンプ２の最下段の蒸発器７と、第二ヒートポンプ３の最下段の蒸発器１１Ｂとに、熱源流体が順に通される。第一ヒートポンプ２の最上段の凝縮器５と、第二ヒートポンプ３の最上段の凝縮器９Ａとにおいて、水を加熱して蒸気を発生させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプを用いて蒸気を発生させる蒸気発生システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、下記特許文献１に開示されるように、蒸発器において排温水等から熱をくみ上げ、凝縮器において水を加熱して蒸気を発生させるヒートポンプが知られている。
【０００３】
また、下記特許文献２に開示されるように、ヒートポンプを上下複数段で構成し、上下のヒートポンプを接続する熱交換器（下段ヒートポンプの凝縮器であり且つ上段ヒートポンプの蒸発器でもある。）を通して給水を加熱し、最上段のヒートポンプの凝縮器から蒸気を取り出すシステムも提案されている。
【０００４】
さらに、下記特許文献３に開示されるように、ヒートポンプを左右並列に設置し、各ヒートポンプの凝縮器に水を順に通して高温水を得る装置も提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５８−４０４５１号公報（第２図）
【特許文献２】特開２００６−３４８８７６号公報（図１、図２）
【特許文献３】実開昭６０−２３６６９号公報（第２図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記特許文献１に記載の発明のように、単段のヒートポンプを用いるだけでは、熱をくみ上げる温度差、つまり蒸発器側と凝縮器側との温度差が大きく、ヒートポンプの効率が悪い。
【０００７】
また、前記特許文献２に記載の発明のように、ヒートポンプを単に上下複数段に設置しても、最下段の蒸発器からだけ熱をくみ上げるのでは、前記特許文献１に記載の発明と同様に、ヒートポンプ全体で見た場合のくみ上げる温度差が大きく、ヒートポンプの効率向上に限界がある。
【０００８】
また、前記特許文献３に記載の発明のように、ヒートポンプを左右並列に設置しても、左右のヒートポンプが同一構成で、最下段の蒸発器からだけ熱をくみ上げるのでは、前記特許文献２に記載の発明と同様に、くみ上げる温度差が大きく、ヒートポンプの効率向上に限界がある。
【０００９】
さらに、熱源流体が温水や排ガスなどであり、ヒートポンプに熱（顕熱）を与えつつ自身は温度低下を伴う場合、左右同一構成で並列に設置されたヒートポンプに熱源流体を通すだけでは、下流側のヒートポンプでは熱源流体の温度が低下してしまうので、これを考慮する必要もある。
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、システム全体で見た場合におけるくみ上げ温度差を低減し、それによりシステムの効率向上を図ることにある。また、熱源流体がヒートポンプに顕熱を与える場合、それに伴う温度低下にも対応できる蒸気発生システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、単段または複数段の第一ヒートポンプと、この第一ヒートポンプより段数の多い第二ヒートポンプとを備え、前記第一ヒートポンプの最下段の蒸発器と、前記第二ヒートポンプの最下段の蒸発器とに、熱源流体が順に通され、前記第一ヒートポンプの最上段の凝縮器と、前記第二ヒートポンプの最上段の凝縮器とにおいて、水を加熱して蒸気を発生させることを特徴とする蒸気発生システムである。
【００１２】
請求項１に記載の発明によれば、第一ヒートポンプの最下段の蒸発器と、第二ヒートポンプの最下段の蒸発器とから熱をくみ上げて、第一ヒートポンプの最上段の凝縮器と、第二ヒートポンプの最上段の凝縮器とにおいて、蒸気を発生させることができる。この際、熱源流体は、第一ヒートポンプの最下段の蒸発器を通された後、第二ヒートポンプの最下段の蒸発器に通される。そして、第二ヒートポンプの段数を第一ヒートポンプより多くしておくことで、第一ヒートポンプにおいて熱源流体が冷やされた分を第二ヒートポンプがカバーして、第一ヒートポンプを通過後の熱源流体からも再び熱をくみ上げることができる。また、第一ヒートポンプでは、くみ上げる温度差を低減することができ、その分だけ圧縮機の電力を少なくでき、蒸気発生システムの効率を向上することができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、前記第一ヒートポンプは、単段のヒートポンプから構成され、前記第二ヒートポンプは、二段のヒートポンプを備え、前記第一ヒートポンプの蒸発器と、前記第二ヒートポンプの下段の蒸発器とに順に通される熱源流体から熱をくみ上げ、前記第二ヒートポンプの上段の凝縮器と、前記第一ヒートポンプの凝縮器とにおいて、水を加熱して蒸気を発生させることを特徴とする請求項１に記載の蒸気発生システムである。
【００１４】
請求項２に記載の発明によれば、単段のヒートポンプと二段のヒートポンプとを少なくとも備え、その各最下段の蒸発器に熱源流体を順に通して、各最上段の凝縮器において蒸気を発生させることができる。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、前記第二ヒートポンプは、並列に設置された複数のヒートポンプから構成され、この複数のヒートポンプは、各最下段の蒸発器に熱源流体が順に通され、この熱源流体が通される順に段数が多くなるよう構成され、各最上段の凝縮器において水を加熱して蒸気を発生させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蒸気発生システムである。
【００１６】
請求項３に記載の発明によれば、蒸気発生システム全体でみると、単段または複数段で構成される三つ以上のヒートポンプを備えることになる。そして、この複数のヒートポンプは、各最下段の蒸発器に熱源流体が順に通され、この熱源流体が通される順に段数が多くなるよう構成され、各最上段の凝縮器において水を加熱して蒸気を発生させることができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、前記第二ヒートポンプを構成する複数のヒートポンプは、各最下段の蒸発器に熱源流体が順に通され、この熱源流体が通される順に一段ずつ段数が多くなるよう構成され、各最上段の凝縮器において水を加熱して蒸気を発生させることを特徴とする請求項３に記載の蒸気発生システムである。
【００１８】
請求項４に記載の発明によれば、熱源流体が通される順に一段ずつ段数が多くなるよう構成することで、簡易な構成で効率よく熱をくみ上げて蒸気を発生させることができる。
【００１９】
請求項５に記載の発明は、前記第一ヒートポンプの最上段の凝縮器と、前記第二ヒートポンプの最上段の凝縮器とにおいて、水を加熱して同一圧力の蒸気を発生させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の蒸気発生システムである。
【００２０】
請求項５に記載の発明によれば、第一ヒートポンプの最上段の凝縮器と、第二ヒートポンプの最上段の凝縮器とにおいて、同一圧力の蒸気を発生させることができる。
【００２１】
請求項６に記載の発明は、前記第一ヒートポンプおよび／または前記第二ヒートポンプは、複数段の場合、隣接する段のヒートポンプ同士が次の（ａ）〜（ｃ）のいずれかの関係で接続されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の蒸気発生システムである。
（ａ）下段ヒートポンプの圧縮機からの冷媒と上段ヒートポンプの膨張弁からの冷媒とを受けて、両冷媒を混ぜることなく熱交換する間接熱交換器を備え、この間接熱交換器が下段ヒートポンプの凝縮器であると共に上段ヒートポンプの蒸発器である。
（ｂ）下段ヒートポンプの圧縮機からの冷媒と上段ヒートポンプの膨張弁からの冷媒とを受けて、両冷媒を直接に接触させて熱交換する中間冷却器を備え、この中間冷却器が下段ヒートポンプの凝縮器であると共に上段ヒートポンプの蒸発器である。
（ｃ）下段ヒートポンプの圧縮機からの冷媒と上段ヒートポンプの膨張弁からの冷媒とを受けて、両冷媒を直接に接触させて熱交換すると共に、この両冷媒と上段ヒートポンプの凝縮器から膨張弁を介することなく下段ヒートポンプの膨張弁へ供給される冷媒とを混ぜることなく熱交換する中間冷却器を備え、この中間冷却器が下段ヒートポンプの凝縮器であると共に上段ヒートポンプの蒸発器である。
【００２２】
請求項６に記載の発明によれば、第一ヒートポンプおよび／または第二ヒートポンプを複数段で構成することができ、隣接する段のヒートポンプ同士を間接熱交換器または中間冷却器で接続して、蒸気発生システムを構成することができる。
【００２３】
請求項７に記載の発明は、次の（ａ）〜（ｆ）の内、いずれか一以上のサブ熱交換器を備え、前記第二ヒートポンプの最上段の凝縮器と、第一サブ熱交換器が設置される場合にはその第一サブ熱交換器と、前記第一ヒートポンプの最上段の凝縮器と、第二サブ熱交換器が設置される場合にはその第二サブ熱交換器とへの水や蒸気の流通順序について、第一サブ熱交換器および／または第二サブ熱交換器が設置される場合にはこのサブ熱交換器を前記各ヒートポンプの最上段の凝縮器よりも先になるように設定され、前記第一ヒートポンプの最下段の蒸発器と、第三サブ熱交換器が設置される場合にはその第三サブ熱交換器と、前記第二ヒートポンプの最下段の蒸発器と、第四サブ熱交換器が設置される場合にはその第四サブ熱交換器とへの熱源流体の流通順序について、前記第二ヒートポンプの最下段の蒸発器が後になるように設定されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の蒸気発生システムである。
（ａ）前記第二ヒートポンプの最上段の凝縮器から膨張弁への冷媒と水との第一サブ熱交換器。
（ｂ）前記第一ヒートポンプの最上段の凝縮器から膨張弁への冷媒と水との第二サブ熱交換器。
（ｃ）前記第一ヒートポンプの最下段の蒸発器から圧縮機への冷媒と熱源流体との第三サブ熱交換器。
（ｄ）前記第二ヒートポンプの最下段の蒸発器から圧縮機への冷媒と熱源流体との第四サブ熱交換器。
（ｅ）前記第二ヒートポンプが複数段の場合において隣接する段のヒートポンプの冷媒同士を間接熱交換する場合には、下段ヒートポンプの圧縮機から凝縮器への冷媒と上段ヒートポンプの蒸発器から圧縮機への冷媒との第五サブ熱交換器。
（ｆ）前記第一ヒートポンプが複数段の場合において隣接する段のヒートポンプの冷媒同士を間接熱交換する場合には、下段ヒートポンプの圧縮機から凝縮器への冷媒と上段ヒートポンプの蒸発器から圧縮機への冷媒との第六サブ熱交換器。
【００２４】
請求項７に記載の発明によれば、第一サブ熱交換器を冷媒の過冷却器としたり、第二サブ熱交換器を冷媒の過冷却器としたり、第三サブ熱交換器を冷媒の過熱器としたり、第四サブ熱交換器を冷媒の過熱器としたり、さらに第五サブ熱交換器や第六サブ熱交換器を適宜設置したりして、蒸気発生システムの効率を向上することができる。
【００２５】
さらに、請求項８に記載の発明は、前記熱源流体は、蒸気使用設備からのドレンとされることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の蒸気発生システムである。
【００２６】
請求項８に記載の発明によれば、蒸気使用設備からのドレンから熱回収して、蒸気を発生させることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、システム全体で見た場合におけるくみ上げ温度差を低減し、それによりシステムの効率向上を図ることができる。また、熱源流体がヒートポンプに顕熱を与える場合、それに伴う温度低下にも対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の蒸気発生システムの実施例１を示す概略図である。
【図２】第一サブ熱交換器と、第二ヒートポンプの上段の凝縮器と、第二サブ熱交換器と、第一ヒートポンプの凝縮器とへの水や蒸気の流通順序を示す図である。
【図３】第三サブ熱交換器と、第一ヒートポンプの蒸発器と、第四サブ熱交換器と、第二ヒートポンプの下段の蒸発器とへの熱源流体の流通順序を示す図である。
【図４】第五サブ熱交換器と、第二ヒートポンプの下段の凝縮器との関係を示す図であり、第二ヒートポンプの下段の冷媒の流通順序を示す図である。
【図５】本発明の蒸気発生システムと、従来公知の２段ヒートポンプとの成績係数を比較したグラフである。
【図６Ａ】理想サイクルのＴ−Ｓ線図である。
【図６Ｂ】従来公知の単段のヒートポンプ（逆カルノーサイクル）のＴ−Ｓ線図である。
【図７】本実施例の蒸気発生システムのＴ−Ｓ線図である。
【図８】図７において、ヒートポンプの段数を増やした場合を示している。
【図９】本発明の蒸気発生システムの実施例２を示す概略図である。
【図１０】本発明の蒸気発生システムの実施例３を示す概略図である。
【図１１】第二ヒートポンプを三段にした例を示す図である。
【図１２Ａ】第二ヒートポンプを、並列に設置された複数のヒートポンプから構成した例を示す図である。
【図１２Ｂ】第一ヒートポンプを単段、第二ヒートポンプを三段にした場合のＴ−Ｓ線図である。
【図１２Ｃ】第一ヒートポンプを単段、第二ヒートポンプを二段、第三ヒートポンプを三段とした場合のＴ−Ｓ線図である。
【図１３】実施例１の蒸気発生システムを用いた蒸気システムの一例を示す概略図である。
【図１４】図１３の蒸気システムの変形例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明の蒸気発生システムは、単段または複数段で構成されるヒートポンプを複数備える。そして、この複数のヒートポンプは、各最下段の蒸発器に熱源流体が順に通され、この熱源流体が通される順に段数が多くなる（典型的には一段ずつ段数が多くなる）よう構成され、各最上段の凝縮器において水を加熱して蒸気（典型的には同一圧力の蒸気）を発生させる。
以下、本発明の具体的実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００３０】
図１は、本発明の蒸気発生システム１の実施例１を示す概略図である。
本実施例の蒸気発生システム１は、第一ヒートポンプ２と第二ヒートポンプ３とを並列に備える。
【００３１】
第一ヒートポンプ２は、蒸気圧縮式のヒートポンプであり、本実施例では単段のヒートポンプから構成される。具体的には、第一ヒートポンプ２は、圧縮機４、凝縮器５、膨張弁６および蒸発器７が順次環状に接続されて構成される。そして、圧縮機４は、ガス冷媒を圧縮して高温高圧にする。また、凝縮器５は、圧縮機４からのガス冷媒を凝縮液化する。さらに、膨張弁６は、凝縮器５からの液冷媒を通過させることで、冷媒の圧力と温度とを低下させる。そして、蒸発器７は、膨張弁６からの冷媒の蒸発を図る。
【００３２】
従って、第一ヒートポンプ２は、蒸発器７において、冷媒が外部から熱を奪って気化する一方、凝縮器５において、冷媒が外部へ放熱して凝縮することになる。これを利用して、第一ヒートポンプ２は、蒸発器７において、熱源流体から熱をくみ上げ、凝縮器５において、水を加熱して蒸気を発生させる。
【００３３】
熱源流体（各ヒートポンプ２，３の熱源）は、特に問わないが、各ヒートポンプ２，３に顕熱を与えるもの、すなわち各ヒートポンプ２，３に熱を与えつつ自身は温度低下を伴う流体が好適に用いられる。たとえば、蒸気使用設備からのドレンや、ボイラなどからの排ガスが用いられる。
【００３４】
なお、ヒートポンプ２の回路には、所望により、圧縮機４の出口側に油分離器を設置したり、凝縮器５の出口側に受液器を設置したり、圧縮機４の入口側にアキュムレータを設置したり、凝縮器５から膨張弁６への冷媒と蒸発器７から圧縮機４への冷媒とを混ぜることなく熱交換する液ガス熱交換器を設置したりしてもよい。このことは、第一ヒートポンプ２に限らず、第二ヒートポンプ３についても同様である。また、第一ヒートポンプ２や第二ヒートポンプ３が複数段の場合には、それを構成する各段のヒートポンプについても同様である。
【００３５】
第二ヒートポンプ３は、蒸気圧縮式のヒートポンプであり、本実施例では上下二段のヒートポンプ３Ａ，３Ｂから構成される。第二ヒートポンプ３を構成する上下各段のヒートポンプ３Ａ，３Ｂは、基本的には前述した単段の第一ヒートポンプ２と同様の構成である。つまり、それぞれ、圧縮機８Ａ，８Ｂ、凝縮器９Ａ，９Ｂ、膨張弁１０Ａ，１０Ｂおよび蒸発器１１Ａ，１１Ｂが順次環状に接続されて構成される。
【００３６】
そして、上下各段のヒートポンプ３Ａ，３Ｂ同士は、次のようにして接続される。すなわち、下段ヒートポンプ３Ｂの圧縮機８Ｂからの冷媒と上段ヒートポンプ３Ａの膨張弁１０Ａからの冷媒とを受けて、両冷媒を混ぜることなく熱交換する間接熱交換器１２を備え、この間接熱交換器１２が下段ヒートポンプ３Ｂの凝縮器９Ｂであると共に上段ヒートポンプ３Ａの蒸発器１１Ａとされる。従って、第二ヒートポンプ３は、下段の蒸発器１１Ｂにおいて、熱源流体から熱をくみ上げ、上段の凝縮器９Ａにおいて、水を加熱して蒸気を発生させる。
【００３７】
なお、典型的には、第二ヒートポンプ３の上段の膨張弁１０Ａから圧縮機８Ａへの冷媒の圧力および温度は、第一ヒートポンプ２の膨張弁６から圧縮機４への冷媒の圧力および温度と同一とされる。この場合、第二ヒートポンプ３の上段ヒートポンプ３Ａと、第一ヒートポンプ２とは、同一の構成とすることができる。そして、第一ヒートポンプ２の蒸発器７と、第二ヒートポンプ３の下段の蒸発器１１Ｂとを順に通される熱源流体は、第一ヒートポンプ２において冷やされた分を第二ヒートポンプ３の下段ヒートポンプ３Ｂがカバーして、第二ヒートポンプ３の上段の膨張弁１０Ａから圧縮機８Ａへの冷媒の圧力および温度を、第一ヒートポンプ２の膨張弁６から圧縮機４への冷媒の圧力および温度と同一とする。また、第一ヒートポンプ２の凝縮器５と、第二ヒートポンプ３の上段の凝縮器９Ａとにおいて、水を加熱して同一圧力の蒸気（許容圧力範囲内の蒸気を含む）を発生させることができる。この場合、第一ヒートポンプ２の高温側の冷媒温度をＴ１、低温側の冷媒温度をＴ１´とし、第二ヒートポンプ３の高温側の冷媒温度をＴ２とした場合、Ｔ１´＜Ｔ２＜（Ｔ１＋（Ｔ１−Ｔ１´））の関係にある。
【００３８】
但し、第二ヒートポンプ３の上段の膨張弁１０Ａから圧縮機８Ａへの冷媒の圧力および温度は、第一ヒートポンプ２の膨張弁６から圧縮機４への冷媒の圧力および温度と異ならせてもよい。また、第一ヒートポンプ２の凝縮器５と、第二ヒートポンプ３の上段の凝縮器９Ａとにおいて、異なる圧力または温度を出力するようにしてもよい。さらに、各ヒートポンプ２，３Ａ，３Ｂの冷媒は、同一でもよいし、異ならせてもよい。なお、用いる冷媒は、特に問わないが、炭素数が４以上のハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）（たとえばＲ−３６５ｍｆｃ）またはこれに水および／または消火液を加えたもの、アルコール（たとえばエチルアルコール、メチルアルコールまたはトリフルオロエタノール（ＴＦＥ））またはこれに水および／または消火液を加えたもの、または水（たとえば純水または軟水）が好適に用いられる。
【００３９】
蒸気発生システム１には、以下に述べる各種のサブ熱交換器１３〜１７の内、いずれか一以上のサブ熱交換器を設置してもよい。
（ａ）第一サブ熱交換器１３は、第二ヒートポンプ３の上段の凝縮器９Ａから膨張弁１０Ａへの冷媒と水との間接熱交換器であり、冷媒の過冷却器として機能する。
（ｂ）第二サブ熱交換器１４は、第一ヒートポンプ２の凝縮器５から膨張弁６への冷媒と水との間接熱交換器であり、冷媒の過冷却器として機能する。
（ｃ）第三サブ熱交換器１５は、第一ヒートポンプ２の蒸発器７から圧縮機４への冷媒と熱源流体との間接熱交換器であり、冷媒の過熱器として機能する。
（ｄ）第四サブ熱交換器１６は、第二ヒートポンプ３の下段の蒸発器１１Ｂから圧縮機８Ｂへの冷媒と熱源流体との間接熱交換器であり、冷媒の過熱器として機能する。
（ｅ）第五サブ熱交換器１７は、第二ヒートポンプ３の下段の圧縮機８Ｂから凝縮器９Ｂへの冷媒と上段の蒸発器１１Ａから圧縮機８Ａへの冷媒との間接熱交換器である。
【００４０】
次に、水や蒸気の流通経路について説明する。
第二ヒートポンプ３の上段の凝縮器９Ａと、所望により設置される第一サブ熱交換器１３と、第一ヒートポンプ２の凝縮器５と、所望により設置される第二サブ熱交換器１４とは、適宜の順序で設置され、水が供給されて蒸気を導出するが、その流通経路については、図２に示すいずれかが用いられる。
【００４１】
図２は、所望により設置される第一サブ熱交換器１３と、第二ヒートポンプ３の上段の凝縮器９Ａと、所望により設置される第二サブ熱交換器１４と、第一ヒートポンプ２の凝縮器５とへの水や蒸気の流通順序を示す図である。図中の番号は、各熱交換器１３，９Ａ，１４，５への流通順序を示しており、番号が０とはその熱交換器を設置しないことを示している。また、同一番号は、並列に設置することを示しているが、同一番号の熱交換器同士は互いに入れ替え可能である。なお、各ヒートポンプ２，３の凝縮器５，９Ａは、図示例ではそれぞれ一つずつ設置しているが、直列または並列に複数の熱交換器から構成してもよい。
【００４２】
具体例をいくつか説明すると、たとえば１行目には、１−２−１−２とある。すなわち、第一サブ熱交換器１３が１、第二ヒートポンプ３の上段の凝縮器９Ａが２、第二サブ熱交換器１４が１、第一ヒートポンプ２の凝縮器５が２である。この場合、水や蒸気は、第一サブ熱交換器１３と第二サブ熱交換器１４とを並列に通された後、第二ヒートポンプ３の上段の凝縮器９Ａと第一ヒートポンプ２の凝縮器５とを並列に通される。この際、第一サブ熱交換器１３を通過後に第二ヒートポンプ３の上段の凝縮器９Ａを通されるものと、第二サブ熱交換器１４を通過後に第一ヒートポンプ２の凝縮器５を通されるものとを並列させてもよい。さらに、前述したように、同一番号の熱交換器同士は互いに入れ替え可能であるから、順位番号が２番同士の第二ヒートポンプ３の上段の凝縮器９Ａと第一ヒートポンプ２の凝縮器５とを入れ替えて、第一サブ熱交換器１３を通過後に第一ヒートポンプ２の凝縮器５を通されるものと、第二サブ熱交換器１４を通過後に第二ヒートポンプ３の上段の凝縮器９Ａを通されるものとを並列させてもよい。
【００４３】
また、５行目には、１−３−２−４とある。すなわち、第一サブ熱交換器１３が１、第二ヒートポンプ３の上段の凝縮器９Ａが３、第二サブ熱交換器１４が２、第一ヒートポンプ２の凝縮器５が４である。この場合、水や蒸気は、第一サブ熱交換器１３、第二サブ熱交換器１４、第二ヒートポンプ３の上段の凝縮器９Ａ、第一ヒートポンプ２の凝縮器５を順に通される。
【００４４】
さらに、１０行目には、１−２−０−２とある。すなわち、第一サブ熱交換器１３が１、第二ヒートポンプ３の上段の凝縮器９Ａが２、第二サブ熱交換器１４が０、第一ヒートポンプ２の凝縮器５が２である。この場合、第二サブ熱交換器１４は設置されず、水や蒸気は、第一サブ熱交換器１３を通された後、第二ヒートポンプ３の上段の凝縮器９Ａと第一ヒートポンプ２の凝縮器５とを並列に通される。
【００４５】
いずれにしても、基本的には、水や蒸気の流通順序について、第一サブ熱交換器１３および／または第二サブ熱交換器１４が設置される場合にはこのサブ熱交換器１３，１４を各ヒートポンプ２，３の凝縮器５，９Ａよりも先になるように設定するのが好ましい。
【００４６】
ところで、第二ヒートポンプ３の上段の凝縮器９Ａと、所望により設置される第一サブ熱交換器１３と、第一ヒートポンプ２の凝縮器５と、所望により設置される第二サブ熱交換器１４とには、前述したように適宜の順序で水および／または蒸気が通されるが、通常、これら熱交換器を順に流通しつつ水が徐々に加熱されて、最下流の熱交換器から飽和蒸気が導出される。但し、各凝縮器５，９Ａそれぞれにおいて、互いに同一圧力または異なる圧力の蒸気を発生させてもよい。
【００４７】
次に、熱源流体の流通経路について説明する。
第一ヒートポンプ２の蒸発器７と、所望により設置される第三サブ熱交換器１５と、第二ヒートポンプ３の下段の蒸発器１１Ｂと、所望により設置される第四サブ熱交換器１６とは、適宜の順序で設置され、熱源流体が通されるが、その流通経路については、図３に示すいずれかが用いられる。
【００４８】
図３は、所望により設置される第三サブ熱交換器１５と、第一ヒートポンプ２の蒸発器７と、所望により設置される第四サブ熱交換器１６と、第二ヒートポンプ３の下段の蒸発器１１Ｂとへの熱源流体の流通順序を示す図である。図中の番号は、各熱交換器１５，７，１６，１１Ｂへの流通順序を示しており、番号が０とはその熱交換器を設置しないことを示している。また、同一番号は、並列に設置することを示しているが、同一番号の熱交換器同士は互いに入れ替え可能である。なお、各ヒートポンプ２，３Ｂの蒸発器７，１１Ｂは、図示例ではそれぞれ一つずつ設置しているが、直列または並列に複数の熱交換器から構成してもよい。
【００４９】
具体例をいくつか説明すると、たとえば１行目には、１−２−３−４とある。すなわち、第三サブ熱交換器１５が１、第一ヒートポンプ２の蒸発器７が２、第四サブ熱交換器１６が３、第二ヒートポンプ３の下段の蒸発器１１Ｂが４である。この場合、熱源流体は、第三サブ熱交換器１５、第一ヒートポンプ２の蒸発器７、第四サブ熱交換器１６、第二ヒートポンプ３の下段の蒸発器１１Ｂを順に通される。
【００５０】
また、２行目には、１−２−１−３とある。すなわち、第三サブ熱交換器１５が１、第一ヒートポンプ２の蒸発器７が２、第四サブ熱交換器１６が１、第二ヒートポンプ３の下段の蒸発器１１Ｂが３である。この場合、熱源流体は、第三サブ熱交換器１５と第四サブ熱交換器１６とを並列に通された後、第一ヒートポンプ２の蒸発器７と、第二ヒートポンプ３の下段の蒸発器１１Ｂとを順に通される。
【００５１】
さらに、４行目には、１−２−０−３とある。すなわち、第三サブ熱交換器１５が１、第一ヒートポンプ２の蒸発器７が２、第四サブ熱交換器１６が０、第二ヒートポンプ３の下段の蒸発器１１Ｂが３である。この場合、第四サブ熱交換器１６は設置されず、熱源流体は、第三サブ熱交換器１５を通された後、第一ヒートポンプ２の蒸発器７と、第二ヒートポンプ３の下段の蒸発器１１Ｂとを順に通される。
【００５２】
いずれにしても、基本的には、熱源流体の流通順序について、第二ヒートポンプ３の下段の蒸発器１１Ｂが後になるように設定されるのが好ましい。言い換えれば、熱源流体は、第一ヒートポンプ２の蒸発器７を通された後、第二ヒートポンプ３の下段の蒸発器１１Ｂに通される。
【００５３】
図４は、所望により設置される第五サブ熱交換器１７と、第二ヒートポンプ３の下段の凝縮器９Ｂ（上段の蒸発器１１Ａ）との関係を示す図であり、第二ヒートポンプ３の下段の冷媒の流通順序を示す図である。図中の番号は、各熱交換器１７，１２への流通順序を示しており、番号が０とはその熱交換器を設置しないことを示している。
【００５４】
具体的に説明すると、１行目には、１−２とある。すなわち、第五サブ熱交換器１７が１、第二ヒートポンプ３の下段の凝縮器９Ｂが２である。この場合、第二ヒートポンプ３の下段の圧縮機８Ｂからの冷媒は、第五サブ熱交換器１７に通された後、凝縮器９Ｂに通されて膨張弁１０Ｂへ送られる。なお、第二ヒートポンプ３の上段の膨張弁１０Ａからの冷媒は、蒸発器１１Ａに通された後、第五サブ熱交換器１７に通されて圧縮機８Ａへ送られる。
【００５５】
また、２行目には、０−１とある。すなわち、第五サブ熱交換器１７が０、第二ヒートポンプ３の下段の凝縮器９Ｂが１である。この場合、第五サブ熱交換器１７は設置されず、第二ヒートポンプ３の下段の圧縮機８Ｂからの冷媒は、凝縮器９Ｂを通された後、膨張弁１０Ｂへ送られる。なお、第二ヒートポンプ３の上段の膨張弁１０Ａからの冷媒は、蒸発器１１Ａに通された後、圧縮機８Ａへ送られる。
【００５６】
本実施例の蒸気発生システム１は、前述したとおり、熱源流体として、たとえばドレンが用いられる。一例として、１５８℃のドレンが、第一ヒートポンプ２の蒸発器７に供給され１２５℃で排出された後、第二ヒートポンプ３の下段の蒸発器１１Ｂに供給されて８０℃で排出される。第一ヒートポンプ２は、低温側（圧縮機４の入口側）の冷媒温度が１２０℃、高温側（圧縮機４の出口側）の冷媒温度が１６３℃とされ、凝縮器５では１５８℃の蒸気を発生させる。第二ヒートポンプ３の下段ヒートポンプ３Ｂは、低温側（圧縮機８Ｂの入口側）の冷媒温度が７５℃とされ、上段ヒートポンプ３Ａは、低温側（圧縮機８Ａの入口側）の冷媒温度が１２０℃、高温側（圧縮機８Ａの出口側）の冷媒温度が１６３℃とされ、凝縮器９Ａでは１５８℃の蒸気を発生させる。この場合、前述したように、第一ヒートポンプ２と、第二ヒートポンプ３の上段ヒートポンプ３Ａとは対応している。
【００５７】
本実施例の蒸気発生システム１によれば、熱源流体は、第一ヒートポンプ２の蒸発器７を通された後、第二ヒートポンプ３の下段の蒸発器１１Ｂに通される。そして、第二ヒートポンプ３の段数を第一ヒートポンプ２より多くしておくことで、第一ヒートポンプ２において冷やされた分を第二ヒートポンプ３がカバーすることができる。また、第一ヒートポンプ２では、くみ上げる温度差を低減することができ、その分だけ圧縮機４の電力を少なくでき、蒸気発生システム１の効率を向上することができる。
【００５８】
言い換えれば、蒸気発生システム１は、くみ上げるエネルギーの一部（典型的には半分）が中段からくみ上げることになるので、成績係数を増加させることができる。また、最下段からくみ上げるエネルギーを減らす（典型的には半分にする）ことができるので、低段側（第二ヒートポンプ３の下段ヒートポンプ３Ｂ）の圧縮機８Ｂの容量を小さくすることができる。
【００５９】
図５は、本実施例の蒸気発生システム１と、従来公知の２段ヒートポンプとの成績係数を比較したグラフである。図中、実線が本実施例の蒸気発生システム１を示しており、破線が従来公知の２段のヒートポンプを示している。また、ここでは熱源流体としてドレンを用いた場合を示しており、第二ヒートポンプ３の下段の蒸発器１１Ｂを通過後の最終的なドレン温度を横軸とし、理論上の成績係数を縦軸としている。なお、冷媒はＲ−３６５ｍｆｃであり、また、前述した条件、つまり初期温度１５８℃のドレンを用い１５８℃（５ｋｇｆ／ｃｍ２（Ｇ））の蒸気を発生させる場合について検討した。
【００６０】
この図に示すように、熱源流体（ドレン）の温度に拘わらず、本実施例の蒸気発生システム１による方が、従来公知の２段のヒートポンプよりも効率が高くなる。なお、従来公知の２段ヒートポンプとは、いわば図１において第一ヒートポンプ２の設置を省略して、第二ヒートポンプ３のみの状態と同等である。
【００６１】
図６Ａは、熱を与えられる流体の入口部の状態がＴｈの飽和水、熱を与えられる流体の出口部の状態がＴｈの飽和蒸気であり（つまり熱を与えられる流体は潜熱を与えられる）、熱を与える流体の入口部の状態がＴｈの飽和水、熱を与える流体の出口部の状態がＴｌの過冷却水（つまり熱を与える流体は顕熱を奪われる）の条件において、理想的に熱をくみ上げる場合（以下、理想サイクルという。）のＴ−Ｓ線図である。つまり、縦軸が温度、横軸がエントロピーを示している。
【００６２】
この理想サイクルつまり実線で囲まれた三角形の面積が、前記条件を実現するための最小動力（理想動力）となる。そして、このときの成績係数ＣＯＰ＝２×（Ｔｈ／（Ｔｈ−Ｔｌ））となる。
【００６３】
一方、図６Ｂは、従来公知の単段のヒートポンプ（逆カルノーサイクル）のＴ−Ｓ線図である。但し、図６Ｂは、膨張弁出口損失、圧縮機過熱損失は無視し、熱交換性能を無限大とした場合を示している。この場合、成績係数ＣＯＰ＝Ｔｈ／（Ｔｈ−Ｔｌ）となる。二点鎖線Ａで示すように、ヒートポンプを上下二段にしても同様である。
【００６４】
図６Ａと図６Ｂとを比較すると、図６Ｂの四角形の面積から図６Ａの三角形の面積を引いた分が、理想サイクルと比べて余分な動力といえ、その分だけ成績係数は低下する。
【００６５】
一方、図７は、本実施例の蒸気発生システムのＴ−Ｓ線図である。この場合、成績係数ＣＯＰ＝（４／３）×（Ｔｈ／（Ｔｈ−Ｔｌ））となる。つまり、従来公知の単段のヒートポンプの効率の４／３倍となる。なお、Ｔｍ＝（Ｔｈ＋Ｔｌ）／２、Ｓｍ＝（Ｓ１＋Ｓ２）／２とした。図６Ｂと比べて、右下の箇所が欠けることで、この分だけ動力を軽減して、効率を増すことができる。
【００６６】
さて、図７では、段数を二段としたが、段数を増やせば、図８に示すように、サイクルで囲まれる面積をさらに少なくすることができ、蒸気発生システム１の効率をさらに向上することができる。段数を無限大とした場合、理論上、ＣＯＰ＝２×（Ｔｈ／（Ｔｈ−Ｔｌ））となる。つまり、従来公知の単段のヒートポンプの効率の２倍とできる。段数を増やした蒸気発生システム１の具体的構成については、後述する。
【実施例２】
【００６７】
図９は、本発明の蒸気発生システム１の実施例２を示す概略図である。本実施例２の蒸気発生システム１は、基本的には前記実施例１と同様である。そこで、以下においては、両者の異なる点を中心に説明し、対応する箇所には同一の符号を付して説明する。
【００６８】
本実施例２では、第二ヒートポンプ３の構成において、前記実施例１と異なる。前記実施例１では、上段ヒートポンプ３Ａと下段ヒートポンプ３Ｂとを間接熱交換器１２で接続したが、本実施例２では、上段ヒートポンプ３Ａと下段ヒートポンプ３Ｂとを中間冷却器１８で接続している。
【００６９】
具体的には、下段ヒートポンプ３Ｂの圧縮機８Ｂからの冷媒と上段ヒートポンプ３Ａの膨張弁１０Ａからの冷媒とを受けて、両冷媒を直接に接触させて熱交換する中間冷却器１８を備え、この中間冷却器１８が下段ヒートポンプ３Ｂの凝縮器９Ｂであると共に上段ヒートポンプ３Ａの蒸発器１１Ａとされる。より詳細には、中間冷却器１８として中空タンク（直接熱交換器）が用いられ、下段ヒートポンプ３Ｂの圧縮機８Ｂからの冷媒と、上段ヒートポンプ３Ａの膨張弁１０Ａからの冷媒とを受け入れて、タンク内で直接に接触させることにより、下段ヒートポンプ３Ｂの圧縮機８Ｂからの冷媒の凝縮と、上段ヒートポンプ３Ａの膨張弁１０Ａからの冷媒の気化とを図る。そして、それにより得られる液冷媒を下段ヒートポンプ３Ｂの膨張弁１０Ｂへ送る一方、ガス冷媒は上段ヒートポンプ３Ａの圧縮機８Ａへ送ればよい。
【００７０】
このような構成に伴い、本実施例２では、第五サブ熱交換器１７は設置されない。なお、下段ヒートポンプ３Ｂの圧縮機８Ｂからの冷媒は、中間冷却器１８への供給に代えてまたはこれに加えて、二点鎖線Ａで示すように、上段ヒートポンプ３Ａの圧縮機８Ａの入口側へ供給してもよい。
また、下段ヒートポンプ３Ｂの圧縮機８Ｂからの冷媒は、中間冷却器１８への供給に代えて、二点鎖線Ａで示すように、上段ヒートポンプ３Ａの圧縮機８Ａの入口側へ供給した場合には、これに加えて中間冷却器１８の液相部を下段ヒートポンプ３Ｂの圧縮機８Ｂの出口側へ接続してもよい。
あるいは、下段ヒートポンプ３Ｂの圧縮機８Ｂからの冷媒は、中間冷却器１８への供給に代えてまたはこれに加えて、二点鎖線Ｂで示すように、上段ヒートポンプ３Ａの膨張弁１０Ａから中間冷却器１８への冷媒流路に合流させてもよい。その他の構成は、前記実施例１と同様のため、説明を省略する。
【実施例３】
【００７１】
図１０は、本発明の蒸気発生システム１の実施例３を示す概略図である。本実施例３の蒸気発生システム１は、基本的には前記実施例１と同様である。そこで、以下においては、両者の異なる点を中心に説明し、対応する箇所には同一の符号を付して説明する。
【００７２】
本実施例３では、第二ヒートポンプ３の構成において、前記実施例１と異なる。前記実施例１では、上段ヒートポンプ３Ａと下段ヒートポンプ３Ｂとを間接熱交換器１２で接続したが、本実施例３では、上段ヒートポンプ３Ａと下段ヒートポンプ３Ｂとを中間冷却器１９で接続している。
【００７３】
具体的には、下段ヒートポンプ３Ｂの圧縮機８Ｂからの冷媒と上段ヒートポンプ３Ａの膨張弁１０Ａからの冷媒とを受けて、両冷媒を直接に接触させて熱交換すると共に、この両冷媒と上段ヒートポンプ３Ａの凝縮器９Ａから膨張弁１０Ａを介することなく下段ヒートポンプ３Ｂの膨張弁１０Ｂへ供給される冷媒とを混ぜることなく熱交換する中間冷却器１９を備え、この中間冷却器１９が下段ヒートポンプ３Ｂの凝縮器９Ｂであると共に上段ヒートポンプ３Ａの蒸発器１１Ａである。より詳細には、中間冷却器１９として、第一領域１９Ａと第二領域１９Ｂの各流体を混ぜることなく熱交換する間接熱交換器が用いられ、第一領域１９Ａにおいて、下段ヒートポンプ３Ｂの圧縮機８Ｂからの冷媒と上段ヒートポンプ３Ａの膨張弁１０Ａからの冷媒とが直接に熱交換される一方、第二領域１９Ｂに、上段ヒートポンプ３Ａの凝縮器９Ａから膨張弁１０Ａを介することなく冷媒を通して、下段ヒートポンプ３Ｂの膨張弁１０Ｂへ供給すればよい。この場合、下段ヒートポンプ３Ｂの圧縮機８Ｂからの冷媒は、中間冷却器１９において上段ヒートポンプ３Ａの膨張弁１０Ａからの冷媒で中間冷却を図られた後、上段ヒートポンプ３Ａの圧縮機８Ａにおいてさらに高圧高温のガス冷媒とされ、上段ヒートポンプ３Ａの凝縮器９Ａにて凝縮される。そして、その液冷媒の一部は、上段ヒートポンプ３Ａの膨張弁１０Ａを介して、中間冷却器１９の第一領域１９Ａへ送られる一方、残りの液冷媒は、中間冷却器１９の第二領域１９Ｂを介して、下段ヒートポンプ３Ｂの膨張弁１０Ｂで減圧され、下段ヒートポンプ３Ｂの蒸発器１１Ｂにおいて気化した後、再び下段ヒートポンプ３Ｂの圧縮機８Ｂへ戻される。
【００７４】
このような構成に伴い、本実施例３では、第五サブ熱交換器１７は設置されない。なお、下段ヒートポンプ３Ｂの圧縮機８Ｂからの冷媒は、中間冷却器１８への供給に代えてまたはこれに加えて、二点鎖線Ａで示すように、上段ヒートポンプ３Ａの中間冷却器１８から圧縮機８Ａへの冷媒流路へ供給するか、二点鎖線Ｂで示すように、上段ヒートポンプ３Ａの膨張弁１０Ａから中間冷却器１８への冷媒流路に合流させてもよい。その他の構成は、前記実施例１と同様のため、説明を省略する。
【実施例４】
【００７５】
前記各実施例では、第一ヒートポンプ２を単段で構成し、第二ヒートポンプ３を上下二段のヒートポンプ３Ａ，３Ｂで構成したが、第二ヒートポンプ３の段数が第一ヒートポンプ２の段数よりも多い限り、各ヒートポンプ２，３の段数は適宜に変更可能である。なお、複数段（多段）のヒートポンプには、図９の第二ヒートポンプ３のような一元多段のヒートポンプの他、図１の第二ヒートポンプ３のような複数元（多元）のヒートポンプ、あるいは両者の組合せのヒートポンプが含まれる。
【００７６】
図１１は、第二ヒートポンプ３を三段にした例を示している。ここでは、上下に隣接するヒートポンプ同士は、前記実施例１と同様の間接熱交換器１２で接続されているが、一部または全部は、前記実施例２または前記実施例３と同様の中間冷却器１８，１９で接続されてもよい。つまり、第一ヒートポンプ２や第二ヒートポンプ３を上下複数段にする場合、隣接する上下のヒートポンプ同士は、図１、図９および図１０の第二ヒートポンプ３に示されるいずれの関係で接続してもよい。
【００７７】
第二ヒートポンプ３を複数段にする場合において、第一サブ熱交換器１３を設置しようとするときは、第一サブ熱交換器１３は最上段のヒートポンプ３Ａに設置すればよい。同様に、第一ヒートポンプ２を複数段にする場合において、第二サブ熱交換器１４を設置しようとするときは、第二サブ熱交換器１４は最上段のヒートポンプに設置すればよい。
【００７８】
また、第一ヒートポンプ２を複数段にする場合において、第三サブ熱交換器１５を設置しようとするときは、第三サブ熱交換器１５は最下段のヒートポンプに設置すればよい。同様に、第二ヒートポンプ３を複数段にする場合において、第四サブ熱交換器１６を設置しようとするときは、第四サブ熱交換器１６は最下段のヒートポンプ３Ｂに設置すればよい。
【００７９】
さらに、第二ヒートポンプ３を複数段にする場合において、隣接する段のヒートポンプの冷媒同士を間接熱交換する場合には、下段ヒートポンプの圧縮機（８）から凝縮器（９）への冷媒と上段ヒートポンプの蒸発器（１１）から圧縮機（８）への冷媒との第五サブ熱交換器１７を設けてもよい。同様に、第一ヒートポンプ２を複数段にする場合において、隣接する段のヒートポンプの冷媒同士を間接熱交換する場合には、下段ヒートポンプの圧縮機（４）から凝縮器（５）への冷媒と上段ヒートポンプの蒸発器（７）から圧縮機（４）への冷媒との第六サブ熱交換器を設けてもよい。その他の構成は、前記各実施例と同様のため、説明を省略する。
【実施例５】
【００８０】
前記各実施例において、第二ヒートポンプ３を、並列に設置された複数のヒートポンプ３，３，…から構成してもよい。言い換えれば、前記各実施例において、第一ヒートポンプ２や第二ヒートポンプ３に加えて、第三ヒートポンプを設けてもよい他、さらに第四ヒートポンプ、第五ヒートポンプ、…というように、全体としてｎ個（ｎ≧２）のヒートポンプを並列に設置してもよい。この場合も、このｎ個のヒートポンプは、各最下段の蒸発器７，１６に熱源流体が順に通され、この熱源流体が通される順に段数が多くなるよう（好ましくは一段ずつ多くなるよう）構成され、各最上段の凝縮器５，９Ａにおいて水を加熱して蒸気を発生させればよい。
【００８１】
図１２Ａは、第二ヒートポンプを、並列に設置された複数のヒートポンプ３，２０から構成した例を示している。言い換えれば、単段の第一ヒートポンプ２、これより段数の多い第二ヒートポンプ３、これより段数の多い第三ヒートポンプ２０が並列に設置されて構成される。この際、第一ヒートポンプ２、第二ヒートポンプ３、第三ヒートポンプ２０は、一段ずつ段数が多くなるよう構成されるのがよい。すなわち、典型的には、図示例のように、第一ヒートポンプ２は単段のヒートポンプ、第二ヒートポンプ３は二段のヒートポンプ、第三ヒートポンプ２０は三段のヒートポンプから構成される。
【００８２】
一段ずつ段数を多くする理由は、次のとおりである。すなわち、図１２Ｂは、第一ヒートポンプ２を単段、第二ヒートポンプ３を三段にした場合のＴ−Ｓ線図であり、図１２Ｃは、第一ヒートポンプ２を単段、第二ヒートポンプ３を二段、第三ヒートポンプ２０を三段とした場合のＴ−Ｓ線図である。図１２Ｂと図１２Ｃとを比較した場合、ハッチングを施した損失分の面積は、図１２Ｃの方が少なくできる。よって、蒸気発生システム１の各ヒートポンプは、一段ずつ増やすのが好ましいことになる。
【００８３】
いずれのヒートポンプ２，３，２０も、上下に隣接するヒートポンプ同士は、前記実施例１と同様の間接熱交換器１２で接続されているが、一部または全部は、前記実施例２または前記実施例３と同様の中間冷却器１８，１９で接続されてもよい。つまり、各ヒートポンプを上下複数段にする場合、隣接する上下のヒートポンプ同士は、図１、図９および図１０の第二ヒートポンプ３に示されるいずれの関係で接続してもよい。その他の構成は、前記各実施例と同様のため、説明を省略する。
【００８４】
図１３は、前記実施例１の蒸気発生システム１を用いた蒸気システム２１の一例を示す概略図である。ここでは、説明の便宜上、第一ヒートポンプ２の最下段の蒸発器７と、所望により設置される第三サブ熱交換器１５と、第二ヒートポンプ３の最下段の蒸発器１１Ｂと、所望により設置される第四サブ熱交換器１６とを、熱くみ上げ用熱交換器（７，１５，１１Ｂ，１６）ということにする。また、第二ヒートポンプ３の最上段の凝縮器９Ａと、所望により設置される第一サブ熱交換器１３と、第一ヒートポンプ２の最上段の凝縮器５と、所望により設置される第二サブ熱交換器１４とを、蒸気発生用熱交換器（９Ａ，１３，５，１４）ということにする。
【００８５】
蒸気システム２１は、蒸気発生システム１とボイラ２２とを備える。
蒸気発生システム１は、実施例１の構成を用いているが、前述したその他の実施例の構成のものを用いてもよい。いずれにしても、蒸気発生システム１は、熱くみ上げ用熱交換器（７，１５，１１Ｂ，１６）においてドレンの熱をくみ上げて、蒸気発生用熱交換器（９Ａ，１３，５，１４）において水を加熱して蒸気を発生させる。そのために、熱くみ上げ用熱交換器（７，１５，１１Ｂ，１６）には、蒸気使用設備２３からのドレンが通される。熱くみ上げ用熱交換器（７，１５，１１Ｂ，１６）としての各蒸発器７，１１Ｂや各サブ熱交換器１５，１６へのドレンの通し方は、図３に基づき説明したとおりである。
【００８６】
一方、蒸気発生用熱交換器（９Ａ，１３，５，１４）には、給水ポンプ２４により水が供給可能とされ、蒸気発生用熱交換器（９Ａ，１３，５，１４）には所望量の水が貯留される。具体的には、純水または軟水、あるいはこれに代えてまたはこれに混ぜられて、蒸気使用設備２３からのドレンが、給水ポンプ２４、給水弁２５、逆止弁２６を介して、蒸気発生用熱交換器（９Ａ，１３，５，１４）に供給される。蒸気発生用熱交換器（９Ａ，１３，５，１４）としての各凝縮器９Ａ，５や各サブ熱交換器１３，１４への水や蒸気の通し方は、図２に基づき説明したとおりである。
【００８７】
ボイラ２２は、典型的には燃料焚きボイラまたは電気ボイラである。燃料焚きボイラは、燃料の燃焼により水を蒸気化する装置であり、蒸気圧を所望に維持するように、燃焼の有無や量が調整される。また、電気ボイラは、電気ヒータにより水を蒸気化する装置であり、蒸気圧を所望に維持するように、電気ヒータへの給電の有無や量が調整される。ボイラ２２には、給水ポンプ２７と逆止弁２８とを介して水が供給可能とされ、ボイラ２２の缶体内の水位は所望に維持される。
【００８８】
蒸気発生用熱交換器（９Ａ，１３，５，１４）からの蒸気路２９と、ボイラ２２からの蒸気路３０とは、合流するよう構成される。この合流は、蒸気ヘッダを用いて行うこともできる。また、蒸気発生用熱交換器（９Ａ，１３，５，１４）からの蒸気路２９には、合流部よりも上流側に、逆止弁３１が設けられる。これにより、蒸気発生システム１が停止中、ボイラ２２からの蒸気が蒸気発生用熱交換器（９Ａ，１３，５，１４）へ逆流するのが防止される。
【００８９】
さらに、ボイラ２２からの蒸気路３０には、合流部よりも上流側に、ボイラ蒸気供給弁３２が設けられる。ボイラ蒸気供給弁３２は、図示例では自力式の減圧弁（二次圧力調整弁）とされる。なお、ボイラ蒸気供給弁３２より上流側は、下流側よりもボイラ２２により高圧に維持される。
【００９０】
蒸気発生システム１やボイラ２２からの蒸気は、一または複数の蒸気使用設備２３へ送られる。蒸気使用設備２３のドレンは、第一蒸気トラップ３３を介して、中空容器状のセパレータタンク３４へ排出される。セパレータタンク３４には、上部に第一流路３５が接続され、下部に第二流路３６が接続される。
【００９１】
第一流路３５には、セパレータタンク３４の側から順に、熱くみ上げ用熱交換器（７，１５，１１Ｂ，１６）と第二蒸気トラップと３７が設けられる。このような構成であるから、蒸気使用設備２３のドレンは、第一蒸気トラップ３３により低圧下に排出された後、熱くみ上げ用熱交換器（７，１５，１１Ｂ，１６）を通過後に、第二蒸気トラップ３７によりさらに低圧下（典型的には大気圧下）に排出される。つまり、蒸気使用設備２３のドレンは、第一蒸気トラップ３３を介して排出されることにより、フラッシュ蒸気およびその凝縮水となり、熱くみ上げ用熱交換器（７，１５，１１Ｂ，１６）に通されて冷却（過冷却を含む）された後、第二蒸気トラップ３７から排出される。このような構成の場合、熱くみ上げ用熱交換器（７，１５，１１Ｂ，１６）において冷媒に熱を与える流体は、大気圧を超える圧力で、１００℃を超える温度に維持できる。なお、第二蒸気トラップ３７からの排水は、そのまま捨ててもよいし、ボイラ２２および／または蒸気発生用熱交換器（９Ａ，１３，５，１４）への給水タンク３８へ供給してもよいし、このような給水タンク３８を介さずに蒸気発生用熱交換器（９Ａ，１３，５，１４）への給水として用いてもよい。
【００９２】
一方、第二流路３６には、排出弁３９が設けられる。排出弁３９は、図示例では自力式の減圧弁（一次圧力調整弁）とされる。このような構成であるから、蒸気使用設備２３のドレンは、第一蒸気トラップ３３により低圧下に排出された後、排出弁３９によりさらに低圧下（典型的には大気圧下）に排出可能とされる。そして、排出弁３９からの流体は、そのまま捨ててもよいし、ボイラ２２および／または蒸気発生用熱交換器（９Ａ，１３，５，１４）への給水タンク３８へ供給してもよいし、このような給水タンク３８を介さずに蒸気発生用熱交換器（９Ａ，１３，５，１４）への給水として用いてもよい。
【００９３】
さらに、緊急時や停電時のために、第一流路３５には、セパレータタンク３４と熱くみ上げ用熱交換器（７，１５，１１Ｂ，１６）との間に、ノーマルクローズド型の電磁弁４０を設ける一方、第二流路３６には、排出弁３９と並行に、ノーマルオープン型の電磁弁４１を設けるのが好ましい。この場合、通常時には、第一流路３５の電磁弁４０は開かれた状態に維持され、第二流路３６の電磁弁４１は閉じられた状態に維持される。そして、緊急時や停電時には、第一流路３５の電磁弁４０が閉じられ、第二流路３６の電磁弁４１が開かれるので、蒸気使用設備２３からのドレンは、熱くみ上げ用熱交換器（７，１５，１１Ｂ，１６）を介さずに排出される。
【００９４】
蒸気発生用熱交換器（９Ａ，１３，５，１４）へは、純水もしくは軟水、蒸気使用設備２３からのドレン、またはこのようなドレンと純水もしくは軟水との混合水が供給される。そのための給水系統は特に問わないが、たとえば、以下の構成とすることができる。なお、蒸気使用設備２３からのドレンは、液体のみの状態の他、気液二相の状態（大気圧を超える状態のドレンをそれより低圧下に放出した場合に生じるフラッシュ蒸気とその凝縮水）であってもよい。
（Ａ）二点鎖線Ａで示すように、セパレータタンク３４で分離された液体からなるドレンを、排出弁３９より上流側から、給水ポンプ２４の入口側へ供給する。
（Ｂ）二点鎖線Ｂで示すように、熱くみ上げ用熱交換器（７，１５，１１Ｂ，１６）を通過後のドレンを、第二蒸気トラップ３７より上流側から、給水ポンプ２４の入口側へ供給する。なお、熱くみ上げ用熱交換器（７，１５，１１Ｂ，１６）は複数の熱交換器から構成されるが、二点鎖線Ｂ´で示すように、一部の熱交換器を通過後にドレンを分岐させて、給水ポンプ２４の入口側へ供給してもよい。
（Ｃ）二点鎖線Ｃで示すように、熱くみ上げ用熱交換器（７，１５，１１Ｂ，１６）を通過後のドレンを、第二蒸気トラップ３７より下流側から、給水ポンプ２４の入口側へ供給する。
（Ｄ）図１３下部の破線領域に示すように、第二蒸気トラップ３７からのドレン、および／または、排出弁３９からのドレンなどを、一旦、給水タンク３８に溜め、この給水タンク３８内の水を、給水ポンプ２４の入口側へ供給する。給水タンク３８には、蒸気使用設備２３からのドレンの他、純水または軟水が適宜供給されてもよい。
（Ｅ）前記Ａ〜Ｄのいずれか二以上の組合せでもよい。この場合、二以上の給水路が合流して蒸気発生用熱交換器（９Ａ，１３，５，１４）へ給水されるが、各給水路内の圧力が異なる場合には、各給水路が合流した後に給水ポンプ２４を設けるのではなく、合流部より手前において各給水路に給水ポンプを設ければよい。
【００９５】
蒸気発生用熱交換器（９Ａ，１３，５，１４）からの蒸気とボイラ２２からの蒸気との合流蒸気の圧力を検出可能な位置には、圧力センサからなる第一センサ４２が設けられる。また、熱くみ上げ用熱交換器（７，１５，１１Ｂ，１６）を通過する流体の圧力または温度を検出可能に、圧力センサまたは温度センサからなる第二センサ４３が設けられる。そして、蒸気発生システム１は、第一センサ４２と第二センサ４３との一方または双方の検出値に基づき制御される。
【００９６】
たとえば、第一センサ４２の検出圧力に基づき、各最上段のヒートポンプの圧縮機（第一ヒートポンプ２の圧縮機４、第二ヒートポンプ３の上段の圧縮機８Ａ）を制御すると共に、それより下段の各ヒートポンプの圧縮機（第二ヒートポンプ３の下段の圧縮機８Ｂ）は、その段の凝縮器９Ｂまたは一つ上段の蒸発器１１Ａの冷媒の圧力に基づき制御すればよい。
【００９７】
あるいは、第二センサ４３の検出圧力または検出温度に基づき、各最下段のヒートポンプの圧縮機（第一ヒートポンプ２の圧縮機４、第二ヒートポンプ３の下段の圧縮機８Ｂ）を制御すると共に、それより上段の各ヒートポンプの圧縮機（第二ヒートポンプ３の上段の圧縮機８Ａ）は、その段の蒸発器１１Ａまたは一つ下段の凝縮器９Ｂの冷媒の圧力または温度に基づき制御すればよい。
【００９８】
図１４は、図１３の蒸気システム２１の変形例を示す概略図である。図１４の蒸気システム２１も、基本的には図１３と同様である。そこで、以下においては、両者の異なる点を中心に説明し、対応する箇所には同一の符号を付して説明する。
【００９９】
本変形例では、蒸気使用設備２３のドレンは、一旦、ドレン貯留部としてのバッファタンク４４に溜められる。そして、バッファタンク４４のドレンは、第一流路３５により熱くみ上げ用熱交換器（７，１５，１１Ｂ，１６）へ供給可能とされると共に、第三流路４５により熱くみ上げ用熱交換器（７，１５，１１Ｂ，１６）を介することなく排出可能とされる。
【０１００】
具体的には、バッファタンク４４には、下部に第一流路３５が接続され、それより上部に第三流路４５が接続される。第一流路３５には、バッファタンク４４の側から順に、導入弁４６、熱くみ上げ用熱交換器（７，１５，１１Ｂ，１６）および第二蒸気トラップ３７が設けられる。導入弁４６は、本変形例では自力式の減圧弁（二次圧力調整弁）とされる。
【０１０１】
このような構成であるから、蒸気使用設備２３のドレンは、導入弁４６により低圧下に排出された後、熱くみ上げ用熱交換器（７，１５，１１Ｂ，１６）を通過後に、第二蒸気トラップ３７によりさらに低圧下（典型的には大気圧下）に排出される。そして、第二蒸気トラップ３７からの排水は、そのまま捨ててもよいし、ボイラ２２および／または蒸気発生用熱交換器（９Ａ，１３，５，１４）への給水タンク３８へ供給してもよいし、このような給水タンク３８を介さずに蒸気発生用熱交換器（９Ａ，１３，５，１４）への給水として用いてもよい。
【０１０２】
一方、第三流路４５には、第三蒸気トラップ４７が設けられる。バッファタンク４４に対して第三流路４５は第一流路３５よりも上方に接続されているので、バッファタンク４４からオーバーフローするドレンが第三流路４５から排出される。そして、その排水は、第三蒸気トラップ４７を介して排出される。そして、第三蒸気トラップ４７からの排水は、そのまま捨ててもよいし、ボイラ２２および／または蒸気発生用熱交換器（９Ａ，１３，５，１４）への給水タンク３８へ供給してもよいし、このような給水タンク３８を介さずに蒸気発生用熱交換器（９Ａ，１３，５，１４）への給水として用いてもよい。
【０１０３】
さらに、緊急時や停電時のために、第一流路３５には、導入弁４６とバッファタンク４４との間に、ノーマルクローズド型の電磁弁４０を設けるのが好ましい。この場合、通常時には、第一流路３５の電磁弁４０は開かれた状態に維持される。そして、緊急時や停電時には、第一流路３５の電磁弁４０が閉じられるので、蒸気使用設備２３のドレンは、第三流路４５により熱くみ上げ用熱交換器（１３，９Ａ，１４，５）を介さずに排出される。
【０１０４】
本変形例の場合も、蒸気発生用熱交換器（９Ａ，１３，５，１４）へは、純水もしくは軟水、蒸気使用設備２３からのドレン、またはこのようなドレンと純水もしくは軟水との混合水が供給される。そのための給水系統は特に問わないが、たとえば、図１３の場合と同様に、以下の構成とすることができる。
（Ａ）二点鎖線Ａで示すように、バッファタンク４４からのドレンを、導入弁４６より上流側（電磁弁４０を設ける場合は、それより上流側または下流側のいずれでもよい。）から、給水ポンプ２４の入口側へ供給する。
（Ｂ）二点鎖線Ｂで示すように、熱くみ上げ用熱交換器（７，１５，１１Ｂ，１６）を通過後のドレンを、第二蒸気トラップ３７より上流側から、給水ポンプ２４の入口側へ供給する。なお、熱くみ上げ用熱交換器（７，１５，１１Ｂ，１６）は複数の熱交換器から構成されるが、二点鎖線Ｂ´で示すように、一部の熱交換器を通過後にドレンを分岐させて、給水ポンプ２４の入口側へ供給してもよい。
（Ｃ）二点鎖線Ｃで示すように、熱くみ上げ用熱交換器（７，１５，１１Ｂ，１６）を通過後のドレンを、第二蒸気トラップ３７より下流側から、給水ポンプ２４の入口側へ供給する。
（Ｄ）図１４下部の破線領域に示すように、第二蒸気トラップ３７からのドレン、および／または、第三蒸気トラップ４７からのドレンなどを、一旦、給水タンク３８に溜め、この給水タンク３８内の水を、給水ポンプ２４の入口側へ供給する。給水タンク３８には、蒸気使用設備２３からのドレンの他、純水または軟水が適宜供給されてもよい。なお、給水タンク３８は、図１３の場合もであるが、上方へ開口せず大気圧を超える圧力でドレンを貯留可能としてもよい。
（Ｅ）前記Ａ〜Ｄのいずれか二以上の組合せでもよい。この場合、二以上の給水路が合流して蒸気発生用熱交換器（９Ａ，１３，５，１４）へ給水されるが、各給水路内の圧力が異なる場合には、各給水路が合流した後に給水ポンプ２４を設けるのではなく、合流部より手前において各給水路に給水ポンプを設ければよい。
【０１０５】
本発明の蒸気発生システム１は、前記各実施例の構成に限らず、適宜変更可能である。たとえば、蒸気発生システム１の適用例として、図１３および図１４に示す蒸気システム２１を用いたが、これ以外のシステムにも適用可能なことは言うまでもない。また、蒸気発生システム１の熱源として、蒸気使用設備２３からのドレンを用いた例を説明したが、ドレンに限らず、たとえば、ボイラなどからの排ガス、その排ガスの冷却水として用いた水、工場などから排出される排温水、圧縮機の冷却水として用いた水、エンジン（圧縮機などの駆動装置）のオイルクーラにおいて冷却水として用いた水、エンジンのジャケットの冷却水として用いた水などを用いてもよい。
【０１０６】
さらに、蒸気発生システム１は、熱源流体の温度を下げながら、その熱で蒸気を発生させる場合に限らない。たとえば、蒸気使用設備２３からの排蒸気を熱源流体として用いてもよい。その場合、たとえば図１において、第一ヒートポンプ２の第三サブ熱交換器１５および蒸発器７には排蒸気が通され、この蒸発器７を通過後に蒸気トラップ、オリフィスまたは減圧弁により減圧され、第二ヒートポンプ３の第四サブ熱交換器１６および最下段の蒸発器１１Ｂに通されてもよい。排蒸気の流路には、第二ヒートポンプ３の最下段の蒸発器１１Ｂの出口側にも蒸気トラップなどを設けてもよいし、設けなくてもよい。つまり、第二ヒートポンプ３の最下段の蒸発器１１Ｂを通過する蒸気は、大気圧を超える状態としてもよいし、大気圧としてもよい。なお、第三サブ熱交換器１５および第四サブ熱交換器１６の一方または双方は省略可能であることは言うまでもない。
【符号の説明】
【０１０７】
１ 蒸気発生システム
２ 第一ヒートポンプ
３ 第二ヒートポンプ
４ （第一ヒートポンプの）圧縮機
５ （第一ヒートポンプの）凝縮器
６ （第一ヒートポンプの）膨張弁
７ （第一ヒートポンプの）蒸発器
８（８Ａ，８Ｂ） （第二ヒートポンプの）圧縮機
９（９Ａ，９Ｂ） （第二ヒートポンプの）凝縮器
１０（１０Ａ，１０Ｂ） （第二ヒートポンプの）膨張弁
１１（１１Ａ，１１Ｂ） （第二ヒートポンプの）蒸発器
１２ 間接熱交換器
１３ 第一サブ熱交換器
１４ 第二サブ熱交換器
１５ 第三サブ熱交換器
１６ 第四サブ熱交換器
１７ 第五サブ熱交換器
１８ 中間冷却器
１９ 中間冷却器
２１ 蒸気システム
２３ 蒸気使用設備
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプを用いて蒸気を発生させる蒸気発生システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、下記特許文献１に開示されるように、蒸発器において排温水等から熱をくみ上げ、凝縮器において水を加熱して蒸気を発生させるヒートポンプが知られている。
【０００３】
また、下記特許文献２に開示されるように、ヒートポンプを上下複数段で構成し、上下のヒートポンプを接続する熱交換器（下段ヒートポンプの凝縮器であり且つ上段ヒートポンプの蒸発器でもある。）を通して給水を加熱し、最上段のヒートポンプの凝縮器から蒸気を取り出すシステムも提案されている。
【０００４】
さらに、下記特許文献３に開示されるように、ヒートポンプを左右並列に設置し、各ヒートポンプの凝縮器に水を順に通して高温水を得る装置も提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５８−４０４５１号公報（第２図）
【特許文献２】特開２００６−３４８８７６号公報（図１、図２）
【特許文献３】実開昭６０−２３６６９号公報（第２図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記特許文献１に記載の発明のように、単段のヒートポンプを用いるだけでは、熱をくみ上げる温度差、つまり蒸発器側と凝縮器側との温度差が大きく、ヒートポンプの効率が悪い。
【０００７】
また、前記特許文献２に記載の発明のように、ヒートポンプを単に上下複数段に設置しても、最下段の蒸発器からだけ熱をくみ上げるのでは、前記特許文献１に記載の発明と同様に、ヒートポンプ全体で見た場合のくみ上げる温度差が大きく、ヒートポンプの効率向上に限界がある。
【０００８】
また、前記特許文献３に記載の発明のように、ヒートポンプを左右並列に設置しても、左右のヒートポンプが同一構成で、最下段の蒸発器からだけ熱をくみ上げるのでは、前記特許文献２に記載の発明と同様に、くみ上げる温度差が大きく、ヒートポンプの効率向上に限界がある。
【０００９】
さらに、熱源流体が温水や排ガスなどであり、ヒートポンプに熱（顕熱）を与えつつ自身は温度低下を伴う場合、左右同一構成で並列に設置されたヒートポンプに熱源流体を通すだけでは、下流側のヒートポンプでは熱源流体の温度が低下してしまうので、これを考慮する必要もある。
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、システム全体で見た場合におけるくみ上げ温度差を低減し、それによりシステムの効率向上を図ることにある。また、熱源流体がヒートポンプに顕熱を与える場合、それに伴う温度低下にも対応できる蒸気発生システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、単段または複数段の第一ヒートポンプと、この第一ヒートポンプより段数の多い第二ヒートポンプとを備え、前記第一ヒートポンプの最下段の蒸発器と、前記第二ヒートポンプの最下段の蒸発器とに、熱源流体が順に通され、前記第一ヒートポンプの最上段の凝縮器と、前記第二ヒートポンプの最上段の凝縮器とにおいて、水を加熱して蒸気を発生させることを特徴とする蒸気発生システムである。
【００１２】
請求項１に記載の発明によれば、第一ヒートポンプの最下段の蒸発器と、第二ヒートポンプの最下段の蒸発器とから熱をくみ上げて、第一ヒートポンプの最上段の凝縮器と、第二ヒートポンプの最上段の凝縮器とにおいて、蒸気を発生させることができる。この際、熱源流体は、第一ヒートポンプの最下段の蒸発器を通された後、第二ヒートポンプの最下段の蒸発器に通される。そして、第二ヒートポンプの段数を第一ヒートポンプより多くしておくことで、第一ヒートポンプにおいて熱源流体が冷やされた分を第二ヒートポンプがカバーして、第一ヒートポンプを通過後の熱源流体からも再び熱をくみ上げることができる。また、第一ヒートポンプでは、くみ上げる温度差を低減することができ、その分だけ圧縮機の電力を少なくでき、蒸気発生システムの効率を向上することができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、前記第一ヒートポンプは、単段のヒートポンプから構成され、前記第二ヒートポンプは、二段のヒートポンプを備え、前記第一ヒートポンプの蒸発器と、前記第二ヒートポンプの下段の蒸発器とに順に通される熱源流体から熱をくみ上げ、前記第二ヒートポンプの上段の凝縮器と、前記第一ヒートポンプの凝縮器とにおいて、水を加熱して蒸気を発生させることを特徴とする請求項１に記載の蒸気発生システムである。
【００１４】
請求項２に記載の発明によれば、単段のヒートポンプと二段のヒートポンプとを少なくとも備え、その各最下段の蒸発器に熱源流体を順に通して、各最上段の凝縮器において蒸気を発生させることができる。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、前記第二ヒートポンプは、並列に設置された複数のヒートポンプから構成され、この複数のヒートポンプは、各最下段の蒸発器に熱源流体が順に通され、この熱源流体が通される順に段数が多くなるよう構成され、各最上段の凝縮器において水を加熱して蒸気を発生させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蒸気発生システムである。
【００１６】
請求項３に記載の発明によれば、蒸気発生システム全体でみると、単段または複数段で構成される三つ以上のヒートポンプを備えることになる。そして、この複数のヒートポンプは、各最下段の蒸発器に熱源流体が順に通され、この熱源流体が通される順に段数が多くなるよう構成され、各最上段の凝縮器において水を加熱して蒸気を発生させることができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、前記第二ヒートポンプを構成する複数のヒートポンプは、各最下段の蒸発器に熱源流体が順に通され、この熱源流体が通される順に一段ずつ段数が多くなるよう構成され、各最上段の凝縮器において水を加熱して蒸気を発生させることを特徴とする請求項３に記載の蒸気発生システムである。
【００１８】
請求項４に記載の発明によれば、熱源流体が通される順に一段ずつ段数が多くなるよう構成することで、簡易な構成で効率よく熱をくみ上げて蒸気を発生させることができる。
【００１９】
請求項５に記載の発明は、前記第一ヒートポンプの最上段の凝縮器と、前記第二ヒートポンプの最上段の凝縮器とにおいて、水を加熱して同一圧力の蒸気を発生させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の蒸気発生システムである。
【００２０】
請求項５に記載の発明によれば、第一ヒートポンプの最上段の凝縮器と、第二ヒートポンプの最上段の凝縮器とにおいて、同一圧力の蒸気を発生させることができる。
【００２１】
請求項６に記載の発明は、前記第一ヒートポンプおよび／または前記第二ヒートポンプは、複数段の場合、隣接する段のヒートポンプ同士が次の（ａ）〜（ｃ）のいずれかの関係で接続されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の蒸気発生システムである。
（ａ）下段ヒートポンプの圧縮機からの冷媒と上段ヒートポンプの膨張弁からの冷媒とを受けて、両冷媒を混ぜることなく熱交換する間接熱交換器を備え、この間接熱交換器が下段ヒートポンプの凝縮器であると共に上段ヒートポンプの蒸発器である。
（ｂ）下段ヒートポンプの圧縮機からの冷媒と上段ヒートポンプの膨張弁からの冷媒とを受けて、両冷媒を直接に接触させて熱交換する中間冷却器を備え、この中間冷却器が下段ヒートポンプの凝縮器であると共に上段ヒートポンプの蒸発器である。
（ｃ）下段ヒートポンプの圧縮機からの冷媒と上段ヒートポンプの膨張弁からの冷媒とを受けて、両冷媒を直接に接触させて熱交換すると共に、この両冷媒と上段ヒートポンプの凝縮器から膨張弁を介することなく下段ヒートポンプの膨張弁へ供給される冷媒とを混ぜることなく熱交換する中間冷却器を備え、この中間冷却器が下段ヒートポンプの凝縮器であると共に上段ヒートポンプの蒸発器である。
【００２２】
請求項６に記載の発明によれば、第一ヒートポンプおよび／または第二ヒートポンプを複数段で構成することができ、隣接する段のヒートポンプ同士を間接熱交換器または中間冷却器で接続して、蒸気発生システムを構成することができる。
【００２３】
請求項７に記載の発明は、次の（ａ）〜（ｆ）の内、いずれか一以上のサブ熱交換器を備え、前記第二ヒートポンプの最上段の凝縮器と、第一サブ熱交換器が設置される場合にはその第一サブ熱交換器と、前記第一ヒートポンプの最上段の凝縮器と、第二サブ熱交換器が設置される場合にはその第二サブ熱交換器とへの水や蒸気の流通順序について、第一サブ熱交換器および／または第二サブ熱交換器が設置される場合にはこのサブ熱交換器を前記各ヒートポンプの最上段の凝縮器よりも先になるように設定され、前記第一ヒートポンプの最下段の蒸発器と、第三サブ熱交換器が設置される場合にはその第三サブ熱交換器と、前記第二ヒートポンプの最下段の蒸発器と、第四サブ熱交換器が設置される場合にはその第四サブ熱交換器とへの熱源流体の流通順序について、前記第二ヒートポンプの最下段の蒸発器が後になるように設定されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の蒸気発生システムである。
（ａ）前記第二ヒートポンプの最上段の凝縮器から膨張弁への冷媒と水との第一サブ熱交換器。
（ｂ）前記第一ヒートポンプの最上段の凝縮器から膨張弁への冷媒と水との第二サブ熱交換器。
（ｃ）前記第一ヒートポンプの最下段の蒸発器から圧縮機への冷媒と熱源流体との第三サブ熱交換器。
（ｄ）前記第二ヒートポンプの最下段の蒸発器から圧縮機への冷媒と熱源流体との第四サブ熱交換器。
（ｅ）前記第二ヒートポンプが複数段の場合において隣接する段のヒートポンプの冷媒同士を間接熱交換する場合には、下段ヒートポンプの圧縮機から凝縮器への冷媒と上段ヒートポンプの蒸発器から圧縮機への冷媒との第五サブ熱交換器。
（ｆ）前記第一ヒートポンプが複数段の場合において隣接する段のヒートポンプの冷媒同士を間接熱交換する場合には、下段ヒートポンプの圧縮機から凝縮器への冷媒と上段ヒートポンプの蒸発器から圧縮機への冷媒との第六サブ熱交換器。
【００２４】
請求項７に記載の発明によれば、第一サブ熱交換器を冷媒の過冷却器としたり、第二サブ熱交換器を冷媒の過冷却器としたり、第三サブ熱交換器を冷媒の過熱器としたり、第四サブ熱交換器を冷媒の過熱器としたり、さらに第五サブ熱交換器や第六サブ熱交換器を適宜設置したりして、蒸気発生システムの効率を向上することができる。
【００２５】
さらに、請求項８に記載の発明は、前記熱源流体は、蒸気使用設備からのドレンとされることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の蒸気発生システムである。
【００２６】
請求項８に記載の発明によれば、蒸気使用設備からのドレンから熱回収して、蒸気を発生させることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、システム全体で見た場合におけるくみ上げ温度差を低減し、それによりシステムの効率向上を図ることができる。また、熱源流体がヒートポンプに顕熱を与える場合、それに伴う温度低下にも対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の蒸気発生システムの実施例１を示す概略図である。
【図２】第一サブ熱交換器と、第二ヒートポンプの上段の凝縮器と、第二サブ熱交換器と、第一ヒートポンプの凝縮器とへの水や蒸気の流通順序を示す図である。
【図３】第三サブ熱交換器と、第一ヒートポンプの蒸発器と、第四サブ熱交換器と、第二ヒートポンプの下段の蒸発器とへの熱源流体の流通順序を示す図である。
【図４】第五サブ熱交換器と、第二ヒートポンプの下段の凝縮器との関係を示す図であり、第二ヒートポンプの下段の冷媒の流通順序を示す図である。
【図５】本発明の蒸気発生システムと、従来公知の２段ヒートポンプとの成績係数を比較したグラフである。
【図６Ａ】理想サイクルのＴ−Ｓ線図である。
【図６Ｂ】従来公知の単段のヒートポンプ（逆カルノーサイクル）のＴ−Ｓ線図である。
【図７】本実施例の蒸気発生システムのＴ−Ｓ線図である。
【図８】図７において、ヒートポンプの段数を増やした場合を示している。
【図９】本発明の蒸気発生システムの実施例２を示す概略図である。
【図１０】本発明の蒸気発生システムの実施例３を示す概略図である。
【図１１】第二ヒートポンプを三段にした例を示す図である。
【図１２Ａ】第二ヒートポンプを、並列に設置された複数のヒートポンプから構成した例を示す図である。
【図１２Ｂ】第一ヒートポンプを単段、第二ヒートポンプを三段にした場合のＴ−Ｓ線図である。
【図１２Ｃ】第一ヒートポンプを単段、第二ヒートポンプを二段、第三ヒートポンプを三段とした場合のＴ−Ｓ線図である。
【図１３】実施例１の蒸気発生システムを用いた蒸気システムの一例を示す概略図である。
【図１４】図１３の蒸気システムの変形例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明の蒸気発生システムは、単段または複数段で構成されるヒートポンプを複数備える。そして、この複数のヒートポンプは、各最下段の蒸発器に熱源流体が順に通され、この熱源流体が通される順に段数が多くなる（典型的には一段ずつ段数が多くなる）よう構成され、各最上段の凝縮器において水を加熱して蒸気（典型的には同一圧力の蒸気）を発生させる。
以下、本発明の具体的実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００３０】
図１は、本発明の蒸気発生システム１の実施例１を示す概略図である。
本実施例の蒸気発生システム１は、第一ヒートポンプ２と第二ヒートポンプ３とを並列に備える。
【００３１】
第一ヒートポンプ２は、蒸気圧縮式のヒートポンプであり、本実施例では単段のヒートポンプから構成される。具体的には、第一ヒートポンプ２は、圧縮機４、凝縮器５、膨張弁６および蒸発器７が順次環状に接続されて構成される。そして、圧縮機４は、ガス冷媒を圧縮して高温高圧にする。また、凝縮器５は、圧縮機４からのガス冷媒を凝縮液化する。さらに、膨張弁６は、凝縮器５からの液冷媒を通過させることで、冷媒の圧力と温度とを低下させる。そして、蒸発器７は、膨張弁６からの冷媒の蒸発を図る。
【００３２】
従って、第一ヒートポンプ２は、蒸発器７において、冷媒が外部から熱を奪って気化する一方、凝縮器５において、冷媒が外部へ放熱して凝縮することになる。これを利用して、第一ヒートポンプ２は、蒸発器７において、熱源流体から熱をくみ上げ、凝縮器５において、水を加熱して蒸気を発生させる。
【００３３】
熱源流体（各ヒートポンプ２，３の熱源）は、特に問わないが、各ヒートポンプ２，３に顕熱を与えるもの、すなわち各ヒートポンプ２，３に熱を与えつつ自身は温度低下を伴う流体が好適に用いられる。たとえば、蒸気使用設備からのドレンや、ボイラなどからの排ガスが用いられる。
【００３４】
なお、ヒートポンプ２の回路には、所望により、圧縮機４の出口側に油分離器を設置したり、凝縮器５の出口側に受液器を設置したり、圧縮機４の入口側にアキュムレータを設置したり、凝縮器５から膨張弁６への冷媒と蒸発器７から圧縮機４への冷媒とを混ぜることなく熱交換する液ガス熱交換器を設置したりしてもよい。このことは、第一ヒートポンプ２に限らず、第二ヒートポンプ３についても同様である。また、第一ヒートポンプ２や第二ヒートポンプ３が複数段の場合には、それを構成する各段のヒートポンプについても同様である。
【００３５】
第二ヒートポンプ３は、蒸気圧縮式のヒートポンプであり、本実施例では上下二段のヒートポンプ３Ａ，３Ｂから構成される。第二ヒートポンプ３を構成する上下各段のヒートポンプ３Ａ，３Ｂは、基本的には前述した単段の第一ヒートポンプ２と同様の構成である。つまり、それぞれ、圧縮機８Ａ，８Ｂ、凝縮器９Ａ，９Ｂ、膨張弁１０Ａ，１０Ｂおよび蒸発器１１Ａ，１１Ｂが順次環状に接続されて構成される。
【００３６】
そして、上下各段のヒートポンプ３Ａ，３Ｂ同士は、次のようにして接続される。すなわち、下段ヒートポンプ３Ｂの圧縮機８Ｂからの冷媒と上段ヒートポンプ３Ａの膨張弁１０Ａからの冷媒とを受けて、両冷媒を混ぜることなく熱交換する間接熱交換器１２を備え、この間接熱交換器１２が下段ヒートポンプ３Ｂの凝縮器９Ｂであると共に上段ヒートポンプ３Ａの蒸発器１１Ａとされる。従って、第二ヒートポンプ３は、下段の蒸発器１１Ｂにおいて、熱源流体から熱をくみ上げ、上段の凝縮器９Ａにおいて、水を加熱して蒸気を発生させる。
【００３７】
なお、典型的には、第二ヒートポンプ３の上段の膨張弁１０Ａから圧縮機８Ａへの冷媒の圧力および温度は、第一ヒートポンプ２の膨張弁６から圧縮機４への冷媒の圧力および温度と同一とされる。この場合、第二ヒートポンプ３の上段ヒートポンプ３Ａと、第一ヒートポンプ２とは、同一の構成とすることができる。そして、第一ヒートポンプ２の蒸発器７と、第二ヒートポンプ３の下段の蒸発器１１Ｂとを順に通される熱源流体は、第一ヒートポンプ２において冷やされた分を第二ヒートポンプ３の下段ヒートポンプ３Ｂがカバーして、第二ヒートポンプ３の上段の膨張弁１０Ａから圧縮機８Ａへの冷媒の圧力および温度を、第一ヒートポンプ２の膨張弁６から圧縮機４への冷媒の圧力および温度と同一とする。また、第一ヒートポンプ２の凝縮器５と、第二ヒートポンプ３の上段の凝縮器９Ａとにおいて、水を加熱して同一圧力の蒸気（許容圧力範囲内の蒸気を含む）を発生させることができる。この場合、第一ヒートポンプ２の高温側の冷媒温度をＴ１、低温側の冷媒温度をＴ１´とし、第二ヒートポンプ３の高温側の冷媒温度をＴ２とした場合、Ｔ１´＜Ｔ２＜（Ｔ１＋（Ｔ１−Ｔ１´））の関係にある。
【００３８】
但し、第二ヒートポンプ３の上段の膨張弁１０Ａから圧縮機８Ａへの冷媒の圧力および温度は、第一ヒートポンプ２の膨張弁６から圧縮機４への冷媒の圧力および温度と異ならせてもよい。また、第一ヒートポンプ２の凝縮器５と、第二ヒートポンプ３の上段の凝縮器９Ａとにおいて、異なる圧力または温度を出力するようにしてもよい。さらに、各ヒートポンプ２，３Ａ，３Ｂの冷媒は、同一でもよいし、異ならせてもよい。なお、用いる冷媒は、特に問わないが、炭素数が４以上のハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）（たとえばＲ−３６５ｍｆｃ）またはこれに水および／または消火液を加えたもの、アルコール（たとえばエチルアルコール、メチルアルコールまたはトリフルオロエタノール（ＴＦＥ））またはこれに水および／または消火液を加えたもの、または水（たとえば純水または軟水）が好適に用いられる。
【００３９】
蒸気発生システム１には、以下に述べる各種のサブ熱交換器１３〜１７の内、いずれか一以上のサブ熱交換器を設置してもよい。
（ａ）第一サブ熱交換器１３は、第二ヒートポンプ３の上段の凝縮器９Ａから膨張弁１０Ａへの冷媒と水との間接熱交換器であり、冷媒の過冷却器として機能する。
（ｂ）第二サブ熱交換器１４は、第一ヒートポンプ２の凝縮器５から膨張弁６への冷媒と水との間接熱交換器であり、冷媒の過冷却器として機能する。
（ｃ）第三サブ熱交換器１５は、第一ヒートポンプ２の蒸発器７から圧縮機４への冷媒と熱源流体との間接熱交換器であり、冷媒の過熱器として機能する。
（ｄ）第四サブ熱交換器１６は、第二ヒートポンプ３の下段の蒸発器１１Ｂから圧縮機８Ｂへの冷媒と熱源流体との間接熱交換器であり、冷媒の過熱器として機能する。
（ｅ）第五サブ熱交換器１７は、第二ヒートポンプ３の下段の圧縮機８Ｂから凝縮器９Ｂへの冷媒と上段の蒸発器１１Ａから圧縮機８Ａへの冷媒との間接熱交換器である。
【００４０】
次に、水や蒸気の流通経路について説明する。
第二ヒートポンプ３の上段の凝縮器９Ａと、所望により設置される第一サブ熱交換器１３と、第一ヒートポンプ２の凝縮器５と、所望により設置される第二サブ熱交換器１４とは、適宜の順序で設置され、水が供給されて蒸気を導出するが、その流通経路については、図２に示すいずれかが用いられる。
【００４１】
図２は、所望により設置される第一サブ熱交換器１３と、第二ヒートポンプ３の上段の凝縮器９Ａと、所望により設置される第二サブ熱交換器１４と、第一ヒートポンプ２の凝縮器５とへの水や蒸気の流通順序を示す図である。図中の番号は、各熱交換器１３，９Ａ，１４，５への流通順序を示しており、番号が０とはその熱交換器を設置しないことを示している。また、同一番号は、並列に設置することを示しているが、同一番号の熱交換器同士は互いに入れ替え可能である。なお、各ヒートポンプ２，３の凝縮器５，９Ａは、図示例ではそれぞれ一つずつ設置しているが、直列または並列に複数の熱交換器から構成してもよい。
【００４２】
具体例をいくつか説明すると、たとえば１行目には、１−２−１−２とある。すなわち、第一サブ熱交換器１３が１、第二ヒートポンプ３の上段の凝縮器９Ａが２、第二サブ熱交換器１４が１、第一ヒートポンプ２の凝縮器５が２である。この場合、水や蒸気は、第一サブ熱交換器１３と第二サブ熱交換器１４とを並列に通された後、第二ヒートポンプ３の上段の凝縮器９Ａと第一ヒートポンプ２の凝縮器５とを並列に通される。この際、第一サブ熱交換器１３を通過後に第二ヒートポンプ３の上段の凝縮器９Ａを通されるものと、第二サブ熱交換器１４を通過後に第一ヒートポンプ２の凝縮器５を通されるものとを並列させてもよい。さらに、前述したように、同一番号の熱交換器同士は互いに入れ替え可能であるから、順位番号が２番同士の第二ヒートポンプ３の上段の凝縮器９Ａと第一ヒートポンプ２の凝縮器５とを入れ替えて、第一サブ熱交換器１３を通過後に第一ヒートポンプ２の凝縮器５を通されるものと、第二サブ熱交換器１４を通過後に第二ヒートポンプ３の上段の凝縮器９Ａを通されるものとを並列させてもよい。
【００４３】
また、５行目には、１−３−２−４とある。すなわち、第一サブ熱交換器１３が１、第二ヒートポンプ３の上段の凝縮器９Ａが３、第二サブ熱交換器１４が２、第一ヒートポンプ２の凝縮器５が４である。この場合、水や蒸気は、第一サブ熱交換器１３、第二サブ熱交換器１４、第二ヒートポンプ３の上段の凝縮器９Ａ、第一ヒートポンプ２の凝縮器５を順に通される。
【００４４】
さらに、１０行目には、１−２−０−２とある。すなわち、第一サブ熱交換器１３が１、第二ヒートポンプ３の上段の凝縮器９Ａが２、第二サブ熱交換器１４が０、第一ヒートポンプ２の凝縮器５が２である。この場合、第二サブ熱交換器１４は設置されず、水や蒸気は、第一サブ熱交換器１３を通された後、第二ヒートポンプ３の上段の凝縮器９Ａと第一ヒートポンプ２の凝縮器５とを並列に通される。
【００４５】
いずれにしても、基本的には、水や蒸気の流通順序について、第一サブ熱交換器１３および／または第二サブ熱交換器１４が設置される場合にはこのサブ熱交換器１３，１４を各ヒートポンプ２，３の凝縮器５，９Ａよりも先になるように設定するのが好ましい。
【００４６】
ところで、第二ヒートポンプ３の上段の凝縮器９Ａと、所望により設置される第一サブ熱交換器１３と、第一ヒートポンプ２の凝縮器５と、所望により設置される第二サブ熱交換器１４とには、前述したように適宜の順序で水および／または蒸気が通されるが、通常、これら熱交換器を順に流通しつつ水が徐々に加熱されて、最下流の熱交換器から飽和蒸気が導出される。但し、各凝縮器５，９Ａそれぞれにおいて、互いに同一圧力または異なる圧力の蒸気を発生させてもよい。
【００４７】
次に、熱源流体の流通経路について説明する。
第一ヒートポンプ２の蒸発器７と、所望により設置される第三サブ熱交換器１５と、第二ヒートポンプ３の下段の蒸発器１１Ｂと、所望により設置される第四サブ熱交換器１６とは、適宜の順序で設置され、熱源流体が通されるが、その流通経路については、図３に示すいずれかが用いられる。
【００４８】
図３は、所望により設置される第三サブ熱交換器１５と、第一ヒートポンプ２の蒸発器７と、所望により設置される第四サブ熱交換器１６と、第二ヒートポンプ３の下段の蒸発器１１Ｂとへの熱源流体の流通順序を示す図である。図中の番号は、各熱交換器１５，７，１６，１１Ｂへの流通順序を示しており、番号が０とはその熱交換器を設置しないことを示している。また、同一番号は、並列に設置することを示しているが、同一番号の熱交換器同士は互いに入れ替え可能である。なお、各ヒートポンプ２，３Ｂの蒸発器７，１１Ｂは、図示例ではそれぞれ一つずつ設置しているが、直列または並列に複数の熱交換器から構成してもよい。
【００４９】
具体例をいくつか説明すると、たとえば１行目には、１−２−３−４とある。すなわち、第三サブ熱交換器１５が１、第一ヒートポンプ２の蒸発器７が２、第四サブ熱交換器１６が３、第二ヒートポンプ３の下段の蒸発器１１Ｂが４である。この場合、熱源流体は、第三サブ熱交換器１５、第一ヒートポンプ２の蒸発器７、第四サブ熱交換器１６、第二ヒートポンプ３の下段の蒸発器１１Ｂを順に通される。
【００５０】
また、２行目には、１−２−１−３とある。すなわち、第三サブ熱交換器１５が１、第一ヒートポンプ２の蒸発器７が２、第四サブ熱交換器１６が１、第二ヒートポンプ３の下段の蒸発器１１Ｂが３である。この場合、熱源流体は、第三サブ熱交換器１５と第四サブ熱交換器１６とを並列に通された後、第一ヒートポンプ２の蒸発器７と、第二ヒートポンプ３の下段の蒸発器１１Ｂとを順に通される。
【００５１】
さらに、４行目には、１−２−０−３とある。すなわち、第三サブ熱交換器１５が１、第一ヒートポンプ２の蒸発器７が２、第四サブ熱交換器１６が０、第二ヒートポンプ３の下段の蒸発器１１Ｂが３である。この場合、第四サブ熱交換器１６は設置されず、熱源流体は、第三サブ熱交換器１５を通された後、第一ヒートポンプ２の蒸発器７と、第二ヒートポンプ３の下段の蒸発器１１Ｂとを順に通される。
【００５２】
いずれにしても、基本的には、熱源流体の流通順序について、第二ヒートポンプ３の下段の蒸発器１１Ｂが後になるように設定されるのが好ましい。言い換えれば、熱源流体は、第一ヒートポンプ２の蒸発器７を通された後、第二ヒートポンプ３の下段の蒸発器１１Ｂに通される。
【００５３】
図４は、所望により設置される第五サブ熱交換器１７と、第二ヒートポンプ３の下段の凝縮器９Ｂ（上段の蒸発器１１Ａ）との関係を示す図であり、第二ヒートポンプ３の下段の冷媒の流通順序を示す図である。図中の番号は、各熱交換器１７，１２への流通順序を示しており、番号が０とはその熱交換器を設置しないことを示している。
【００５４】
具体的に説明すると、１行目には、１−２とある。すなわち、第五サブ熱交換器１７が１、第二ヒートポンプ３の下段の凝縮器９Ｂが２である。この場合、第二ヒートポンプ３の下段の圧縮機８Ｂからの冷媒は、第五サブ熱交換器１７に通された後、凝縮器９Ｂに通されて膨張弁１０Ｂへ送られる。なお、第二ヒートポンプ３の上段の膨張弁１０Ａからの冷媒は、蒸発器１１Ａに通された後、第五サブ熱交換器１７に通されて圧縮機８Ａへ送られる。
【００５５】
また、２行目には、０−１とある。すなわち、第五サブ熱交換器１７が０、第二ヒートポンプ３の下段の凝縮器９Ｂが１である。この場合、第五サブ熱交換器１７は設置されず、第二ヒートポンプ３の下段の圧縮機８Ｂからの冷媒は、凝縮器９Ｂを通された後、膨張弁１０Ｂへ送られる。なお、第二ヒートポンプ３の上段の膨張弁１０Ａからの冷媒は、蒸発器１１Ａに通された後、圧縮機８Ａへ送られる。
【００５６】
本実施例の蒸気発生システム１は、前述したとおり、熱源流体として、たとえばドレンが用いられる。一例として、１５８℃のドレンが、第一ヒートポンプ２の蒸発器７に供給され１２５℃で排出された後、第二ヒートポンプ３の下段の蒸発器１１Ｂに供給されて８０℃で排出される。第一ヒートポンプ２は、低温側（圧縮機４の入口側）の冷媒温度が１２０℃、高温側（圧縮機４の出口側）の冷媒温度が１６３℃とされ、凝縮器５では１５８℃の蒸気を発生させる。第二ヒートポンプ３の下段ヒートポンプ３Ｂは、低温側（圧縮機８Ｂの入口側）の冷媒温度が７５℃とされ、上段ヒートポンプ３Ａは、低温側（圧縮機８Ａの入口側）の冷媒温度が１２０℃、高温側（圧縮機８Ａの出口側）の冷媒温度が１６３℃とされ、凝縮器９Ａでは１５８℃の蒸気を発生させる。この場合、前述したように、第一ヒートポンプ２と、第二ヒートポンプ３の上段ヒートポンプ３Ａとは対応している。
【００５７】
本実施例の蒸気発生システム１によれば、熱源流体は、第一ヒートポンプ２の蒸発器７を通された後、第二ヒートポンプ３の下段の蒸発器１１Ｂに通される。そして、第二ヒートポンプ３の段数を第一ヒートポンプ２より多くしておくことで、第一ヒートポンプ２において冷やされた分を第二ヒートポンプ３がカバーすることができる。また、第一ヒートポンプ２では、くみ上げる温度差を低減することができ、その分だけ圧縮機４の電力を少なくでき、蒸気発生システム１の効率を向上することができる。
【００５８】
言い換えれば、蒸気発生システム１は、くみ上げるエネルギーの一部（典型的には半分）が中段からくみ上げることになるので、成績係数を増加させることができる。また、最下段からくみ上げるエネルギーを減らす（典型的には半分にする）ことができるので、低段側（第二ヒートポンプ３の下段ヒートポンプ３Ｂ）の圧縮機８Ｂの容量を小さくすることができる。
【００５９】
図５は、本実施例の蒸気発生システム１と、従来公知の２段ヒートポンプとの成績係数を比較したグラフである。図中、実線が本実施例の蒸気発生システム１を示しており、破線が従来公知の２段のヒートポンプを示している。また、ここでは熱源流体としてドレンを用いた場合を示しており、第二ヒートポンプ３の下段の蒸発器１１Ｂを通過後の最終的なドレン温度を横軸とし、理論上の成績係数を縦軸としている。なお、冷媒はＲ−３６５ｍｆｃであり、また、前述した条件、つまり初期温度１５８℃のドレンを用い１５８℃（５ｋｇｆ／ｃｍ２（Ｇ））の蒸気を発生させる場合について検討した。
【００６０】
この図に示すように、熱源流体（ドレン）の温度に拘わらず、本実施例の蒸気発生システム１による方が、従来公知の２段のヒートポンプよりも効率が高くなる。なお、従来公知の２段ヒートポンプとは、いわば図１において第一ヒートポンプ２の設置を省略して、第二ヒートポンプ３のみの状態と同等である。
【００６１】
図６Ａは、熱を与えられる流体の入口部の状態がＴｈの飽和水、熱を与えられる流体の出口部の状態がＴｈの飽和蒸気であり（つまり熱を与えられる流体は潜熱を与えられる）、熱を与える流体の入口部の状態がＴｈの飽和水、熱を与える流体の出口部の状態がＴｌの過冷却水（つまり熱を与える流体は顕熱を奪われる）の条件において、理想的に熱をくみ上げる場合（以下、理想サイクルという。）のＴ−Ｓ線図である。つまり、縦軸が温度、横軸がエントロピーを示している。
【００６２】
この理想サイクルつまり実線で囲まれた三角形の面積が、前記条件を実現するための最小動力（理想動力）となる。そして、このときの成績係数ＣＯＰ＝２×（Ｔｈ／（Ｔｈ−Ｔｌ））となる。
【００６３】
一方、図６Ｂは、従来公知の単段のヒートポンプ（逆カルノーサイクル）のＴ−Ｓ線図である。但し、図６Ｂは、膨張弁出口損失、圧縮機過熱損失は無視し、熱交換性能を無限大とした場合を示している。この場合、成績係数ＣＯＰ＝Ｔｈ／（Ｔｈ−Ｔｌ）となる。二点鎖線Ａで示すように、ヒートポンプを上下二段にしても同様である。
【００６４】
図６Ａと図６Ｂとを比較すると、図６Ｂの四角形の面積から図６Ａの三角形の面積を引いた分が、理想サイクルと比べて余分な動力といえ、その分だけ成績係数は低下する。
【００６５】
一方、図７は、本実施例の蒸気発生システムのＴ−Ｓ線図である。この場合、成績係数ＣＯＰ＝（４／３）×（Ｔｈ／（Ｔｈ−Ｔｌ））となる。つまり、従来公知の単段のヒートポンプの効率の４／３倍となる。なお、Ｔｍ＝（Ｔｈ＋Ｔｌ）／２、Ｓｍ＝（Ｓ１＋Ｓ２）／２とした。図６Ｂと比べて、右下の箇所が欠けることで、この分だけ動力を軽減して、効率を増すことができる。
【００６６】
さて、図７では、段数を二段としたが、段数を増やせば、図８に示すように、サイクルで囲まれる面積をさらに少なくすることができ、蒸気発生システム１の効率をさらに向上することができる。段数を無限大とした場合、理論上、ＣＯＰ＝２×（Ｔｈ／（Ｔｈ−Ｔｌ））となる。つまり、従来公知の単段のヒートポンプの効率の２倍とできる。段数を増やした蒸気発生システム１の具体的構成については、後述する。
【実施例２】
【００６７】
図９は、本発明の蒸気発生システム１の実施例２を示す概略図である。本実施例２の蒸気発生システム１は、基本的には前記実施例１と同様である。そこで、以下においては、両者の異なる点を中心に説明し、対応する箇所には同一の符号を付して説明する。
【００６８】
本実施例２では、第二ヒートポンプ３の構成において、前記実施例１と異なる。前記実施例１では、上段ヒートポンプ３Ａと下段ヒートポンプ３Ｂとを間接熱交換器１２で接続したが、本実施例２では、上段ヒートポンプ３Ａと下段ヒートポンプ３Ｂとを中間冷却器１８で接続している。
【００６９】
具体的には、下段ヒートポンプ３Ｂの圧縮機８Ｂからの冷媒と上段ヒートポンプ３Ａの膨張弁１０Ａからの冷媒とを受けて、両冷媒を直接に接触させて熱交換する中間冷却器１８を備え、この中間冷却器１８が下段ヒートポンプ３Ｂの凝縮器９Ｂであると共に上段ヒートポンプ３Ａの蒸発器１１Ａとされる。より詳細には、中間冷却器１８として中空タンク（直接熱交換器）が用いられ、下段ヒートポンプ３Ｂの圧縮機８Ｂからの冷媒と、上段ヒートポンプ３Ａの膨張弁１０Ａからの冷媒とを受け入れて、タンク内で直接に接触させることにより、下段ヒートポンプ３Ｂの圧縮機８Ｂからの冷媒の凝縮と、上段ヒートポンプ３Ａの膨張弁１０Ａからの冷媒の気化とを図る。そして、それにより得られる液冷媒を下段ヒートポンプ３Ｂの膨張弁１０Ｂへ送る一方、ガス冷媒は上段ヒートポンプ３Ａの圧縮機８Ａへ送ればよい。
【００７０】
このような構成に伴い、本実施例２では、第五サブ熱交換器１７は設置されない。なお、下段ヒートポンプ３Ｂの圧縮機８Ｂからの冷媒は、中間冷却器１８への供給に代えてまたはこれに加えて、二点鎖線Ａで示すように、上段ヒートポンプ３Ａの圧縮機８Ａの入口側へ供給してもよい。
また、下段ヒートポンプ３Ｂの圧縮機８Ｂからの冷媒は、中間冷却器１８への供給に代えて、二点鎖線Ａで示すように、上段ヒートポンプ３Ａの圧縮機８Ａの入口側へ供給した場合には、これに加えて中間冷却器１８の液相部を下段ヒートポンプ３Ｂの圧縮機８Ｂの出口側へ接続してもよい。
あるいは、下段ヒートポンプ３Ｂの圧縮機８Ｂからの冷媒は、中間冷却器１８への供給に代えてまたはこれに加えて、二点鎖線Ｂで示すように、上段ヒートポンプ３Ａの膨張弁１０Ａから中間冷却器１８への冷媒流路に合流させてもよい。その他の構成は、前記実施例１と同様のため、説明を省略する。
【実施例３】
【００７１】
図１０は、本発明の蒸気発生システム１の実施例３を示す概略図である。本実施例３の蒸気発生システム１は、基本的には前記実施例１と同様である。そこで、以下においては、両者の異なる点を中心に説明し、対応する箇所には同一の符号を付して説明する。
【００７２】
本実施例３では、第二ヒートポンプ３の構成において、前記実施例１と異なる。前記実施例１では、上段ヒートポンプ３Ａと下段ヒートポンプ３Ｂとを間接熱交換器１２で接続したが、本実施例３では、上段ヒートポンプ３Ａと下段ヒートポンプ３Ｂとを中間冷却器１９で接続している。
【００７３】
具体的には、下段ヒートポンプ３Ｂの圧縮機８Ｂからの冷媒と上段ヒートポンプ３Ａの膨張弁１０Ａからの冷媒とを受けて、両冷媒を直接に接触させて熱交換すると共に、この両冷媒と上段ヒートポンプ３Ａの凝縮器９Ａから膨張弁１０Ａを介することなく下段ヒートポンプ３Ｂの膨張弁１０Ｂへ供給される冷媒とを混ぜることなく熱交換する中間冷却器１９を備え、この中間冷却器１９が下段ヒートポンプ３Ｂの凝縮器９Ｂであると共に上段ヒートポンプ３Ａの蒸発器１１Ａである。より詳細には、中間冷却器１９として、第一領域１９Ａと第二領域１９Ｂの各流体を混ぜることなく熱交換する間接熱交換器が用いられ、第一領域１９Ａにおいて、下段ヒートポンプ３Ｂの圧縮機８Ｂからの冷媒と上段ヒートポンプ３Ａの膨張弁１０Ａからの冷媒とが直接に熱交換される一方、第二領域１９Ｂに、上段ヒートポンプ３Ａの凝縮器９Ａから膨張弁１０Ａを介することなく冷媒を通して、下段ヒートポンプ３Ｂの膨張弁１０Ｂへ供給すればよい。この場合、下段ヒートポンプ３Ｂの圧縮機８Ｂからの冷媒は、中間冷却器１９において上段ヒートポンプ３Ａの膨張弁１０Ａからの冷媒で中間冷却を図られた後、上段ヒートポンプ３Ａの圧縮機８Ａにおいてさらに高圧高温のガス冷媒とされ、上段ヒートポンプ３Ａの凝縮器９Ａにて凝縮される。そして、その液冷媒の一部は、上段ヒートポンプ３Ａの膨張弁１０Ａを介して、中間冷却器１９の第一領域１９Ａへ送られる一方、残りの液冷媒は、中間冷却器１９の第二領域１９Ｂを介して、下段ヒートポンプ３Ｂの膨張弁１０Ｂで減圧され、下段ヒートポンプ３Ｂの蒸発器１１Ｂにおいて気化した後、再び下段ヒートポンプ３Ｂの圧縮機８Ｂへ戻される。
【００７４】
このような構成に伴い、本実施例３では、第五サブ熱交換器１７は設置されない。なお、下段ヒートポンプ３Ｂの圧縮機８Ｂからの冷媒は、中間冷却器１８への供給に代えてまたはこれに加えて、二点鎖線Ａで示すように、上段ヒートポンプ３Ａの中間冷却器１８から圧縮機８Ａへの冷媒流路へ供給するか、二点鎖線Ｂで示すように、上段ヒートポンプ３Ａの膨張弁１０Ａから中間冷却器１８への冷媒流路に合流させてもよい。その他の構成は、前記実施例１と同様のため、説明を省略する。
【実施例４】
【００７５】
前記各実施例では、第一ヒートポンプ２を単段で構成し、第二ヒートポンプ３を上下二段のヒートポンプ３Ａ，３Ｂで構成したが、第二ヒートポンプ３の段数が第一ヒートポンプ２の段数よりも多い限り、各ヒートポンプ２，３の段数は適宜に変更可能である。なお、複数段（多段）のヒートポンプには、図９の第二ヒートポンプ３のような一元多段のヒートポンプの他、図１の第二ヒートポンプ３のような複数元（多元）のヒートポンプ、あるいは両者の組合せのヒートポンプが含まれる。
【００７６】
図１１は、第二ヒートポンプ３を三段にした例を示している。ここでは、上下に隣接するヒートポンプ同士は、前記実施例１と同様の間接熱交換器１２で接続されているが、一部または全部は、前記実施例２または前記実施例３と同様の中間冷却器１８，１９で接続されてもよい。つまり、第一ヒートポンプ２や第二ヒートポンプ３を上下複数段にする場合、隣接する上下のヒートポンプ同士は、図１、図９および図１０の第二ヒートポンプ３に示されるいずれの関係で接続してもよい。
【００７７】
第二ヒートポンプ３を複数段にする場合において、第一サブ熱交換器１３を設置しようとするときは、第一サブ熱交換器１３は最上段のヒートポンプ３Ａに設置すればよい。同様に、第一ヒートポンプ２を複数段にする場合において、第二サブ熱交換器１４を設置しようとするときは、第二サブ熱交換器１４は最上段のヒートポンプに設置すればよい。
【００７８】
また、第一ヒートポンプ２を複数段にする場合において、第三サブ熱交換器１５を設置しようとするときは、第三サブ熱交換器１５は最下段のヒートポンプに設置すればよい。同様に、第二ヒートポンプ３を複数段にする場合において、第四サブ熱交換器１６を設置しようとするときは、第四サブ熱交換器１６は最下段のヒートポンプ３Ｂに設置すればよい。
【００７９】
さらに、第二ヒートポンプ３を複数段にする場合において、隣接する段のヒートポンプの冷媒同士を間接熱交換する場合には、下段ヒートポンプの圧縮機（８）から凝縮器（９）への冷媒と上段ヒートポンプの蒸発器（１１）から圧縮機（８）への冷媒との第五サブ熱交換器１７を設けてもよい。同様に、第一ヒートポンプ２を複数段にする場合において、隣接する段のヒートポンプの冷媒同士を間接熱交換する場合には、下段ヒートポンプの圧縮機（４）から凝縮器（５）への冷媒と上段ヒートポンプの蒸発器（７）から圧縮機（４）への冷媒との第六サブ熱交換器を設けてもよい。その他の構成は、前記各実施例と同様のため、説明を省略する。
【実施例５】
【００８０】
前記各実施例において、第二ヒートポンプ３を、並列に設置された複数のヒートポンプ３，３，…から構成してもよい。言い換えれば、前記各実施例において、第一ヒートポンプ２や第二ヒートポンプ３に加えて、第三ヒートポンプを設けてもよい他、さらに第四ヒートポンプ、第五ヒートポンプ、…というように、全体としてｎ個（ｎ≧２）のヒートポンプを並列に設置してもよい。この場合も、このｎ個のヒートポンプは、各最下段の蒸発器７，１６に熱源流体が順に通され、この熱源流体が通される順に段数が多くなるよう（好ましくは一段ずつ多くなるよう）構成され、各最上段の凝縮器５，９Ａにおいて水を加熱して蒸気を発生させればよい。
【００８１】
図１２Ａは、第二ヒートポンプを、並列に設置された複数のヒートポンプ３，２０から構成した例を示している。言い換えれば、単段の第一ヒートポンプ２、これより段数の多い第二ヒートポンプ３、これより段数の多い第三ヒートポンプ２０が並列に設置されて構成される。この際、第一ヒートポンプ２、第二ヒートポンプ３、第三ヒートポンプ２０は、一段ずつ段数が多くなるよう構成されるのがよい。すなわち、典型的には、図示例のように、第一ヒートポンプ２は単段のヒートポンプ、第二ヒートポンプ３は二段のヒートポンプ、第三ヒートポンプ２０は三段のヒートポンプから構成される。
【００８２】
一段ずつ段数を多くする理由は、次のとおりである。すなわち、図１２Ｂは、第一ヒートポンプ２を単段、第二ヒートポンプ３を三段にした場合のＴ−Ｓ線図であり、図１２Ｃは、第一ヒートポンプ２を単段、第二ヒートポンプ３を二段、第三ヒートポンプ２０を三段とした場合のＴ−Ｓ線図である。図１２Ｂと図１２Ｃとを比較した場合、ハッチングを施した損失分の面積は、図１２Ｃの方が少なくできる。よって、蒸気発生システム１の各ヒートポンプは、一段ずつ増やすのが好ましいことになる。
【００８３】
いずれのヒートポンプ２，３，２０も、上下に隣接するヒートポンプ同士は、前記実施例１と同様の間接熱交換器１２で接続されているが、一部または全部は、前記実施例２または前記実施例３と同様の中間冷却器１８，１９で接続されてもよい。つまり、各ヒートポンプを上下複数段にする場合、隣接する上下のヒートポンプ同士は、図１、図９および図１０の第二ヒートポンプ３に示されるいずれの関係で接続してもよい。その他の構成は、前記各実施例と同様のため、説明を省略する。
【００８４】
図１３は、前記実施例１の蒸気発生システム１を用いた蒸気システム２１の一例を示す概略図である。ここでは、説明の便宜上、第一ヒートポンプ２の最下段の蒸発器７と、所望により設置される第三サブ熱交換器１５と、第二ヒートポンプ３の最下段の蒸発器１１Ｂと、所望により設置される第四サブ熱交換器１６とを、熱くみ上げ用熱交換器（７，１５，１１Ｂ，１６）ということにする。また、第二ヒートポンプ３の最上段の凝縮器９Ａと、所望により設置される第一サブ熱交換器１３と、第一ヒートポンプ２の最上段の凝縮器５と、所望により設置される第二サブ熱交換器１４とを、蒸気発生用熱交換器（９Ａ，１３，５，１４）ということにする。
【００８５】
蒸気システム２１は、蒸気発生システム１とボイラ２２とを備える。
蒸気発生システム１は、実施例１の構成を用いているが、前述したその他の実施例の構成のものを用いてもよい。いずれにしても、蒸気発生システム１は、熱くみ上げ用熱交換器（７，１５，１１Ｂ，１６）においてドレンの熱をくみ上げて、蒸気発生用熱交換器（９Ａ，１３，５，１４）において水を加熱して蒸気を発生させる。そのために、熱くみ上げ用熱交換器（７，１５，１１Ｂ，１６）には、蒸気使用設備２３からのドレンが通される。熱くみ上げ用熱交換器（７，１５，１１Ｂ，１６）としての各蒸発器７，１１Ｂや各サブ熱交換器１５，１６へのドレンの通し方は、図３に基づき説明したとおりである。
【００８６】
一方、蒸気発生用熱交換器（９Ａ，１３，５，１４）には、給水ポンプ２４により水が供給可能とされ、蒸気発生用熱交換器（９Ａ，１３，５，１４）には所望量の水が貯留される。具体的には、純水または軟水、あるいはこれに代えてまたはこれに混ぜられて、蒸気使用設備２３からのドレンが、給水ポンプ２４、給水弁２５、逆止弁２６を介して、蒸気発生用熱交換器（９Ａ，１３，５，１４）に供給される。蒸気発生用熱交換器（９Ａ，１３，５，１４）としての各凝縮器９Ａ，５や各サブ熱交換器１３，１４への水や蒸気の通し方は、図２に基づき説明したとおりである。
【００８７】
ボイラ２２は、典型的には燃料焚きボイラまたは電気ボイラである。燃料焚きボイラは、燃料の燃焼により水を蒸気化する装置であり、蒸気圧を所望に維持するように、燃焼の有無や量が調整される。また、電気ボイラは、電気ヒータにより水を蒸気化する装置であり、蒸気圧を所望に維持するように、電気ヒータへの給電の有無や量が調整される。ボイラ２２には、給水ポンプ２７と逆止弁２８とを介して水が供給可能とされ、ボイラ２２の缶体内の水位は所望に維持される。
【００８８】
蒸気発生用熱交換器（９Ａ，１３，５，１４）からの蒸気路２９と、ボイラ２２からの蒸気路３０とは、合流するよう構成される。この合流は、蒸気ヘッダを用いて行うこともできる。また、蒸気発生用熱交換器（９Ａ，１３，５，１４）からの蒸気路２９には、合流部よりも上流側に、逆止弁３１が設けられる。これにより、蒸気発生システム１が停止中、ボイラ２２からの蒸気が蒸気発生用熱交換器（９Ａ，１３，５，１４）へ逆流するのが防止される。
【００８９】
さらに、ボイラ２２からの蒸気路３０には、合流部よりも上流側に、ボイラ蒸気供給弁３２が設けられる。ボイラ蒸気供給弁３２は、図示例では自力式の減圧弁（二次圧力調整弁）とされる。なお、ボイラ蒸気供給弁３２より上流側は、下流側よりもボイラ２２により高圧に維持される。
【００９０】
蒸気発生システム１やボイラ２２からの蒸気は、一または複数の蒸気使用設備２３へ送られる。蒸気使用設備２３のドレンは、第一蒸気トラップ３３を介して、中空容器状のセパレータタンク３４へ排出される。セパレータタンク３４には、上部に第一流路３５が接続され、下部に第二流路３６が接続される。
【００９１】
第一流路３５には、セパレータタンク３４の側から順に、熱くみ上げ用熱交換器（７，１５，１１Ｂ，１６）と第二蒸気トラップと３７が設けられる。このような構成であるから、蒸気使用設備２３のドレンは、第一蒸気トラップ３３により低圧下に排出された後、熱くみ上げ用熱交換器（７，１５，１１Ｂ，１６）を通過後に、第二蒸気トラップ３７によりさらに低圧下（典型的には大気圧下）に排出される。つまり、蒸気使用設備２３のドレンは、第一蒸気トラップ３３を介して排出されることにより、フラッシュ蒸気およびその凝縮水となり、熱くみ上げ用熱交換器（７，１５，１１Ｂ，１６）に通されて冷却（過冷却を含む）された後、第二蒸気トラップ３７から排出される。このような構成の場合、熱くみ上げ用熱交換器（７，１５，１１Ｂ，１６）において冷媒に熱を与える流体は、大気圧を超える圧力で、１００℃を超える温度に維持できる。なお、第二蒸気トラップ３７からの排水は、そのまま捨ててもよいし、ボイラ２２および／または蒸気発生用熱交換器（９Ａ，１３，５，１４）への給水タンク３８へ供給してもよいし、このような給水タンク３８を介さずに蒸気発生用熱交換器（９Ａ，１３，５，１４）への給水として用いてもよい。
【００９２】
一方、第二流路３６には、排出弁３９が設けられる。排出弁３９は、図示例では自力式の減圧弁（一次圧力調整弁）とされる。このような構成であるから、蒸気使用設備２３のドレンは、第一蒸気トラップ３３により低圧下に排出された後、排出弁３９によりさらに低圧下（典型的には大気圧下）に排出可能とされる。そして、排出弁３９からの流体は、そのまま捨ててもよいし、ボイラ２２および／または蒸気発生用熱交換器（９Ａ，１３，５，１４）への給水タンク３８へ供給してもよいし、このような給水タンク３８を介さずに蒸気発生用熱交換器（９Ａ，１３，５，１４）への給水として用いてもよい。
【００９３】
さらに、緊急時や停電時のために、第一流路３５には、セパレータタンク３４と熱くみ上げ用熱交換器（７，１５，１１Ｂ，１６）との間に、ノーマルクローズド型の電磁弁４０を設ける一方、第二流路３６には、排出弁３９と並行に、ノーマルオープン型の電磁弁４１を設けるのが好ましい。この場合、通常時には、第一流路３５の電磁弁４０は開かれた状態に維持され、第二流路３６の電磁弁４１は閉じられた状態に維持される。そして、緊急時や停電時には、第一流路３５の電磁弁４０が閉じられ、第二流路３６の電磁弁４１が開かれるので、蒸気使用設備２３からのドレンは、熱くみ上げ用熱交換器（７，１５，１１Ｂ，１６）を介さずに排出される。
【００９４】
蒸気発生用熱交換器（９Ａ，１３，５，１４）へは、純水もしくは軟水、蒸気使用設備２３からのドレン、またはこのようなドレンと純水もしくは軟水との混合水が供給される。そのための給水系統は特に問わないが、たとえば、以下の構成とすることができる。なお、蒸気使用設備２３からのドレンは、液体のみの状態の他、気液二相の状態（大気圧を超える状態のドレンをそれより低圧下に放出した場合に生じるフラッシュ蒸気とその凝縮水）であってもよい。
（Ａ）二点鎖線Ａで示すように、セパレータタンク３４で分離された液体からなるドレンを、排出弁３９より上流側から、給水ポンプ２４の入口側へ供給する。
（Ｂ）二点鎖線Ｂで示すように、熱くみ上げ用熱交換器（７，１５，１１Ｂ，１６）を通過後のドレンを、第二蒸気トラップ３７より上流側から、給水ポンプ２４の入口側へ供給する。なお、熱くみ上げ用熱交換器（７，１５，１１Ｂ，１６）は複数の熱交換器から構成されるが、二点鎖線Ｂ´で示すように、一部の熱交換器を通過後にドレンを分岐させて、給水ポンプ２４の入口側へ供給してもよい。
（Ｃ）二点鎖線Ｃで示すように、熱くみ上げ用熱交換器（７，１５，１１Ｂ，１６）を通過後のドレンを、第二蒸気トラップ３７より下流側から、給水ポンプ２４の入口側へ供給する。
（Ｄ）図１３下部の破線領域に示すように、第二蒸気トラップ３７からのドレン、および／または、排出弁３９からのドレンなどを、一旦、給水タンク３８に溜め、この給水タンク３８内の水を、給水ポンプ２４の入口側へ供給する。給水タンク３８には、蒸気使用設備２３からのドレンの他、純水または軟水が適宜供給されてもよい。
（Ｅ）前記Ａ〜Ｄのいずれか二以上の組合せでもよい。この場合、二以上の給水路が合流して蒸気発生用熱交換器（９Ａ，１３，５，１４）へ給水されるが、各給水路内の圧力が異なる場合には、各給水路が合流した後に給水ポンプ２４を設けるのではなく、合流部より手前において各給水路に給水ポンプを設ければよい。
【００９５】
蒸気発生用熱交換器（９Ａ，１３，５，１４）からの蒸気とボイラ２２からの蒸気との合流蒸気の圧力を検出可能な位置には、圧力センサからなる第一センサ４２が設けられる。また、熱くみ上げ用熱交換器（７，１５，１１Ｂ，１６）を通過する流体の圧力または温度を検出可能に、圧力センサまたは温度センサからなる第二センサ４３が設けられる。そして、蒸気発生システム１は、第一センサ４２と第二センサ４３との一方または双方の検出値に基づき制御される。
【００９６】
たとえば、第一センサ４２の検出圧力に基づき、各最上段のヒートポンプの圧縮機（第一ヒートポンプ２の圧縮機４、第二ヒートポンプ３の上段の圧縮機８Ａ）を制御すると共に、それより下段の各ヒートポンプの圧縮機（第二ヒートポンプ３の下段の圧縮機８Ｂ）は、その段の凝縮器９Ｂまたは一つ上段の蒸発器１１Ａの冷媒の圧力に基づき制御すればよい。
【００９７】
あるいは、第二センサ４３の検出圧力または検出温度に基づき、各最下段のヒートポンプの圧縮機（第一ヒートポンプ２の圧縮機４、第二ヒートポンプ３の下段の圧縮機８Ｂ）を制御すると共に、それより上段の各ヒートポンプの圧縮機（第二ヒートポンプ３の上段の圧縮機８Ａ）は、その段の蒸発器１１Ａまたは一つ下段の凝縮器９Ｂの冷媒の圧力または温度に基づき制御すればよい。
【００９８】
図１４は、図１３の蒸気システム２１の変形例を示す概略図である。図１４の蒸気システム２１も、基本的には図１３と同様である。そこで、以下においては、両者の異なる点を中心に説明し、対応する箇所には同一の符号を付して説明する。
【００９９】
本変形例では、蒸気使用設備２３のドレンは、一旦、ドレン貯留部としてのバッファタンク４４に溜められる。そして、バッファタンク４４のドレンは、第一流路３５により熱くみ上げ用熱交換器（７，１５，１１Ｂ，１６）へ供給可能とされると共に、第三流路４５により熱くみ上げ用熱交換器（７，１５，１１Ｂ，１６）を介することなく排出可能とされる。
【０１００】
具体的には、バッファタンク４４には、下部に第一流路３５が接続され、それより上部に第三流路４５が接続される。第一流路３５には、バッファタンク４４の側から順に、導入弁４６、熱くみ上げ用熱交換器（７，１５，１１Ｂ，１６）および第二蒸気トラップ３７が設けられる。導入弁４６は、本変形例では自力式の減圧弁（二次圧力調整弁）とされる。
【０１０１】
このような構成であるから、蒸気使用設備２３のドレンは、導入弁４６により低圧下に排出された後、熱くみ上げ用熱交換器（７，１５，１１Ｂ，１６）を通過後に、第二蒸気トラップ３７によりさらに低圧下（典型的には大気圧下）に排出される。そして、第二蒸気トラップ３７からの排水は、そのまま捨ててもよいし、ボイラ２２および／または蒸気発生用熱交換器（９Ａ，１３，５，１４）への給水タンク３８へ供給してもよいし、このような給水タンク３８を介さずに蒸気発生用熱交換器（９Ａ，１３，５，１４）への給水として用いてもよい。
【０１０２】
一方、第三流路４５には、第三蒸気トラップ４７が設けられる。バッファタンク４４に対して第三流路４５は第一流路３５よりも上方に接続されているので、バッファタンク４４からオーバーフローするドレンが第三流路４５から排出される。そして、その排水は、第三蒸気トラップ４７を介して排出される。そして、第三蒸気トラップ４７からの排水は、そのまま捨ててもよいし、ボイラ２２および／または蒸気発生用熱交換器（９Ａ，１３，５，１４）への給水タンク３８へ供給してもよいし、このような給水タンク３８を介さずに蒸気発生用熱交換器（９Ａ，１３，５，１４）への給水として用いてもよい。
【０１０３】
さらに、緊急時や停電時のために、第一流路３５には、導入弁４６とバッファタンク４４との間に、ノーマルクローズド型の電磁弁４０を設けるのが好ましい。この場合、通常時には、第一流路３５の電磁弁４０は開かれた状態に維持される。そして、緊急時や停電時には、第一流路３５の電磁弁４０が閉じられるので、蒸気使用設備２３のドレンは、第三流路４５により熱くみ上げ用熱交換器（１３，９Ａ，１４，５）を介さずに排出される。
【０１０４】
本変形例の場合も、蒸気発生用熱交換器（９Ａ，１３，５，１４）へは、純水もしくは軟水、蒸気使用設備２３からのドレン、またはこのようなドレンと純水もしくは軟水との混合水が供給される。そのための給水系統は特に問わないが、たとえば、図１３の場合と同様に、以下の構成とすることができる。
（Ａ）二点鎖線Ａで示すように、バッファタンク４４からのドレンを、導入弁４６より上流側（電磁弁４０を設ける場合は、それより上流側または下流側のいずれでもよい。）から、給水ポンプ２４の入口側へ供給する。
（Ｂ）二点鎖線Ｂで示すように、熱くみ上げ用熱交換器（７，１５，１１Ｂ，１６）を通過後のドレンを、第二蒸気トラップ３７より上流側から、給水ポンプ２４の入口側へ供給する。なお、熱くみ上げ用熱交換器（７，１５，１１Ｂ，１６）は複数の熱交換器から構成されるが、二点鎖線Ｂ´で示すように、一部の熱交換器を通過後にドレンを分岐させて、給水ポンプ２４の入口側へ供給してもよい。
（Ｃ）二点鎖線Ｃで示すように、熱くみ上げ用熱交換器（７，１５，１１Ｂ，１６）を通過後のドレンを、第二蒸気トラップ３７より下流側から、給水ポンプ２４の入口側へ供給する。
（Ｄ）図１４下部の破線領域に示すように、第二蒸気トラップ３７からのドレン、および／または、第三蒸気トラップ４７からのドレンなどを、一旦、給水タンク３８に溜め、この給水タンク３８内の水を、給水ポンプ２４の入口側へ供給する。給水タンク３８には、蒸気使用設備２３からのドレンの他、純水または軟水が適宜供給されてもよい。なお、給水タンク３８は、図１３の場合もであるが、上方へ開口せず大気圧を超える圧力でドレンを貯留可能としてもよい。
（Ｅ）前記Ａ〜Ｄのいずれか二以上の組合せでもよい。この場合、二以上の給水路が合流して蒸気発生用熱交換器（９Ａ，１３，５，１４）へ給水されるが、各給水路内の圧力が異なる場合には、各給水路が合流した後に給水ポンプ２４を設けるのではなく、合流部より手前において各給水路に給水ポンプを設ければよい。
【０１０５】
本発明の蒸気発生システム１は、前記各実施例の構成に限らず、適宜変更可能である。たとえば、蒸気発生システム１の適用例として、図１３および図１４に示す蒸気システム２１を用いたが、これ以外のシステムにも適用可能なことは言うまでもない。また、蒸気発生システム１の熱源として、蒸気使用設備２３からのドレンを用いた例を説明したが、ドレンに限らず、たとえば、ボイラなどからの排ガス、その排ガスの冷却水として用いた水、工場などから排出される排温水、圧縮機の冷却水として用いた水、エンジン（圧縮機などの駆動装置）のオイルクーラにおいて冷却水として用いた水、エンジンのジャケットの冷却水として用いた水などを用いてもよい。
【０１０６】
さらに、蒸気発生システム１は、熱源流体の温度を下げながら、その熱で蒸気を発生させる場合に限らない。たとえば、蒸気使用設備２３からの排蒸気を熱源流体として用いてもよい。その場合、たとえば図１において、第一ヒートポンプ２の第三サブ熱交換器１５および蒸発器７には排蒸気が通され、この蒸発器７を通過後に蒸気トラップ、オリフィスまたは減圧弁により減圧され、第二ヒートポンプ３の第四サブ熱交換器１６および最下段の蒸発器１１Ｂに通されてもよい。排蒸気の流路には、第二ヒートポンプ３の最下段の蒸発器１１Ｂの出口側にも蒸気トラップなどを設けてもよいし、設けなくてもよい。つまり、第二ヒートポンプ３の最下段の蒸発器１１Ｂを通過する蒸気は、大気圧を超える状態としてもよいし、大気圧としてもよい。なお、第三サブ熱交換器１５および第四サブ熱交換器１６の一方または双方は省略可能であることは言うまでもない。
【符号の説明】
【０１０７】
１ 蒸気発生システム
２ 第一ヒートポンプ
３ 第二ヒートポンプ
４ （第一ヒートポンプの）圧縮機
５ （第一ヒートポンプの）凝縮器
６ （第一ヒートポンプの）膨張弁
７ （第一ヒートポンプの）蒸発器
８（８Ａ，８Ｂ） （第二ヒートポンプの）圧縮機
９（９Ａ，９Ｂ） （第二ヒートポンプの）凝縮器
１０（１０Ａ，１０Ｂ） （第二ヒートポンプの）膨張弁
１１（１１Ａ，１１Ｂ） （第二ヒートポンプの）蒸発器
１２ 間接熱交換器
１３ 第一サブ熱交換器
１４ 第二サブ熱交換器
１５ 第三サブ熱交換器
１６ 第四サブ熱交換器
１７ 第五サブ熱交換器
１８ 中間冷却器
１９ 中間冷却器
２１ 蒸気システム
２３ 蒸気使用設備
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単段または複数段の第一ヒートポンプと、
この第一ヒートポンプより段数の多い第二ヒートポンプとを備え、
前記第一ヒートポンプの最下段の蒸発器と、前記第二ヒートポンプの最下段の蒸発器とに、熱源流体が順に通され、
前記第一ヒートポンプの最上段の凝縮器と、前記第二ヒートポンプの最上段の凝縮器とにおいて、水を加熱して蒸気を発生させる
ことを特徴とする蒸気発生システム。
【請求項２】
前記第一ヒートポンプは、単段のヒートポンプから構成され、
前記第二ヒートポンプは、二段のヒートポンプを備え、
前記第一ヒートポンプの蒸発器と、前記第二ヒートポンプの下段の蒸発器とに順に通される熱源流体から熱をくみ上げ、
前記第二ヒートポンプの上段の凝縮器と、前記第一ヒートポンプの凝縮器とにおいて、水を加熱して蒸気を発生させる
ことを特徴とする請求項１に記載の蒸気発生システム。
【請求項３】
前記第二ヒートポンプは、並列に設置された複数のヒートポンプから構成され、
この複数のヒートポンプは、各最下段の蒸発器に熱源流体が順に通され、この熱源流体が通される順に段数が多くなるよう構成され、各最上段の凝縮器において水を加熱して蒸気を発生させる
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蒸気発生システム。
【請求項４】
前記第二ヒートポンプを構成する複数のヒートポンプは、各最下段の蒸発器に熱源流体が順に通され、この熱源流体が通される順に一段ずつ段数が多くなるよう構成され、各最上段の凝縮器において水を加熱して蒸気を発生させる
ことを特徴とする請求項３に記載の蒸気発生システム。
【請求項５】
前記第一ヒートポンプの最上段の凝縮器と、前記第二ヒートポンプの最上段の凝縮器とにおいて、水を加熱して同一圧力の蒸気を発生させる
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の蒸気発生システム。
【請求項６】
前記第一ヒートポンプおよび／または前記第二ヒートポンプは、複数段の場合、隣接する段のヒートポンプ同士が次の（ａ）〜（ｃ）のいずれかの関係で接続される
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の蒸気発生システム。
（ａ）下段ヒートポンプの圧縮機からの冷媒と上段ヒートポンプの膨張弁からの冷媒とを受けて、両冷媒を混ぜることなく熱交換する間接熱交換器を備え、この間接熱交換器が下段ヒートポンプの凝縮器であると共に上段ヒートポンプの蒸発器である。
（ｂ）下段ヒートポンプの圧縮機からの冷媒と上段ヒートポンプの膨張弁からの冷媒とを受けて、両冷媒を直接に接触させて熱交換する中間冷却器を備え、この中間冷却器が下段ヒートポンプの凝縮器であると共に上段ヒートポンプの蒸発器である。
（ｃ）下段ヒートポンプの圧縮機からの冷媒と上段ヒートポンプの膨張弁からの冷媒とを受けて、両冷媒を直接に接触させて熱交換すると共に、この両冷媒と上段ヒートポンプの凝縮器から膨張弁を介することなく下段ヒートポンプの膨張弁へ供給される冷媒とを混ぜることなく熱交換する中間冷却器を備え、この中間冷却器が下段ヒートポンプの凝縮器であると共に上段ヒートポンプの蒸発器である。
【請求項７】
次の（ａ）〜（ｆ）の内、いずれか一以上のサブ熱交換器を備え、
前記第二ヒートポンプの最上段の凝縮器と、第一サブ熱交換器が設置される場合にはその第一サブ熱交換器と、前記第一ヒートポンプの最上段の凝縮器と、第二サブ熱交換器が設置される場合にはその第二サブ熱交換器とへの水や蒸気の流通順序について、第一サブ熱交換器および／または第二サブ熱交換器が設置される場合にはこのサブ熱交換器を前記各ヒートポンプの最上段の凝縮器よりも先になるように設定され、
前記第一ヒートポンプの最下段の蒸発器と、第三サブ熱交換器が設置される場合にはその第三サブ熱交換器と、前記第二ヒートポンプの最下段の蒸発器と、第四サブ熱交換器が設置される場合にはその第四サブ熱交換器とへの熱源流体の流通順序について、前記第二ヒートポンプの最下段の蒸発器が後になるように設定される
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の蒸気発生システム。
（ａ）前記第二ヒートポンプの最上段の凝縮器から膨張弁への冷媒と水との第一サブ熱交換器。
（ｂ）前記第一ヒートポンプの最上段の凝縮器から膨張弁への冷媒と水との第二サブ熱交換器。
（ｃ）前記第一ヒートポンプの最下段の蒸発器から圧縮機への冷媒と熱源流体との第三サブ熱交換器。
（ｄ）前記第二ヒートポンプの最下段の蒸発器から圧縮機への冷媒と熱源流体との第四サブ熱交換器。
（ｅ）前記第二ヒートポンプが複数段の場合において隣接する段のヒートポンプの冷媒同士を間接熱交換する場合には、下段ヒートポンプの圧縮機から凝縮器への冷媒と上段ヒートポンプの蒸発器から圧縮機への冷媒との第五サブ熱交換器。
（ｆ）前記第一ヒートポンプが複数段の場合において隣接する段のヒートポンプの冷媒同士を間接熱交換する場合には、下段ヒートポンプの圧縮機から凝縮器への冷媒と上段ヒートポンプの蒸発器から圧縮機への冷媒との第六サブ熱交換器。
【請求項８】
前記熱源流体は、蒸気使用設備からのドレンとされる
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の蒸気発生システム。
【請求項１】
単段または複数段の第一ヒートポンプと、
この第一ヒートポンプより段数の多い第二ヒートポンプとを備え、
前記第一ヒートポンプの最下段の蒸発器と、前記第二ヒートポンプの最下段の蒸発器とに、熱源流体が順に通され、
前記第一ヒートポンプの最上段の凝縮器と、前記第二ヒートポンプの最上段の凝縮器とにおいて、水を加熱して蒸気を発生させる
ことを特徴とする蒸気発生システム。
【請求項２】
前記第一ヒートポンプは、単段のヒートポンプから構成され、
前記第二ヒートポンプは、二段のヒートポンプを備え、
前記第一ヒートポンプの蒸発器と、前記第二ヒートポンプの下段の蒸発器とに順に通される熱源流体から熱をくみ上げ、
前記第二ヒートポンプの上段の凝縮器と、前記第一ヒートポンプの凝縮器とにおいて、水を加熱して蒸気を発生させる
ことを特徴とする請求項１に記載の蒸気発生システム。
【請求項３】
前記第二ヒートポンプは、並列に設置された複数のヒートポンプから構成され、
この複数のヒートポンプは、各最下段の蒸発器に熱源流体が順に通され、この熱源流体が通される順に段数が多くなるよう構成され、各最上段の凝縮器において水を加熱して蒸気を発生させる
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蒸気発生システム。
【請求項４】
前記第二ヒートポンプを構成する複数のヒートポンプは、各最下段の蒸発器に熱源流体が順に通され、この熱源流体が通される順に一段ずつ段数が多くなるよう構成され、各最上段の凝縮器において水を加熱して蒸気を発生させる
ことを特徴とする請求項３に記載の蒸気発生システム。
【請求項５】
前記第一ヒートポンプの最上段の凝縮器と、前記第二ヒートポンプの最上段の凝縮器とにおいて、水を加熱して同一圧力の蒸気を発生させる
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の蒸気発生システム。
【請求項６】
前記第一ヒートポンプおよび／または前記第二ヒートポンプは、複数段の場合、隣接する段のヒートポンプ同士が次の（ａ）〜（ｃ）のいずれかの関係で接続される
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の蒸気発生システム。
（ａ）下段ヒートポンプの圧縮機からの冷媒と上段ヒートポンプの膨張弁からの冷媒とを受けて、両冷媒を混ぜることなく熱交換する間接熱交換器を備え、この間接熱交換器が下段ヒートポンプの凝縮器であると共に上段ヒートポンプの蒸発器である。
（ｂ）下段ヒートポンプの圧縮機からの冷媒と上段ヒートポンプの膨張弁からの冷媒とを受けて、両冷媒を直接に接触させて熱交換する中間冷却器を備え、この中間冷却器が下段ヒートポンプの凝縮器であると共に上段ヒートポンプの蒸発器である。
（ｃ）下段ヒートポンプの圧縮機からの冷媒と上段ヒートポンプの膨張弁からの冷媒とを受けて、両冷媒を直接に接触させて熱交換すると共に、この両冷媒と上段ヒートポンプの凝縮器から膨張弁を介することなく下段ヒートポンプの膨張弁へ供給される冷媒とを混ぜることなく熱交換する中間冷却器を備え、この中間冷却器が下段ヒートポンプの凝縮器であると共に上段ヒートポンプの蒸発器である。
【請求項７】
次の（ａ）〜（ｆ）の内、いずれか一以上のサブ熱交換器を備え、
前記第二ヒートポンプの最上段の凝縮器と、第一サブ熱交換器が設置される場合にはその第一サブ熱交換器と、前記第一ヒートポンプの最上段の凝縮器と、第二サブ熱交換器が設置される場合にはその第二サブ熱交換器とへの水や蒸気の流通順序について、第一サブ熱交換器および／または第二サブ熱交換器が設置される場合にはこのサブ熱交換器を前記各ヒートポンプの最上段の凝縮器よりも先になるように設定され、
前記第一ヒートポンプの最下段の蒸発器と、第三サブ熱交換器が設置される場合にはその第三サブ熱交換器と、前記第二ヒートポンプの最下段の蒸発器と、第四サブ熱交換器が設置される場合にはその第四サブ熱交換器とへの熱源流体の流通順序について、前記第二ヒートポンプの最下段の蒸発器が後になるように設定される
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の蒸気発生システム。
（ａ）前記第二ヒートポンプの最上段の凝縮器から膨張弁への冷媒と水との第一サブ熱交換器。
（ｂ）前記第一ヒートポンプの最上段の凝縮器から膨張弁への冷媒と水との第二サブ熱交換器。
（ｃ）前記第一ヒートポンプの最下段の蒸発器から圧縮機への冷媒と熱源流体との第三サブ熱交換器。
（ｄ）前記第二ヒートポンプの最下段の蒸発器から圧縮機への冷媒と熱源流体との第四サブ熱交換器。
（ｅ）前記第二ヒートポンプが複数段の場合において隣接する段のヒートポンプの冷媒同士を間接熱交換する場合には、下段ヒートポンプの圧縮機から凝縮器への冷媒と上段ヒートポンプの蒸発器から圧縮機への冷媒との第五サブ熱交換器。
（ｆ）前記第一ヒートポンプが複数段の場合において隣接する段のヒートポンプの冷媒同士を間接熱交換する場合には、下段ヒートポンプの圧縮機から凝縮器への冷媒と上段ヒートポンプの蒸発器から圧縮機への冷媒との第六サブ熱交換器。
【請求項８】
前記熱源流体は、蒸気使用設備からのドレンとされる
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の蒸気発生システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１２Ｃ】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１２Ｃ】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１２−２１５３１９（Ｐ２０１２−２１５３１９Ａ）
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７９３６９（Ｐ２０１１−７９３６９）
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００１７５２７２）三浦工業株式会社 (1,055)
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００１７５２７２）三浦工業株式会社 (1,055)
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