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】第一ヒートポンプ２は、第一蒸発器７と第二蒸発器８とを有する。第二ヒートポンプ３は、前記第一蒸発器７を兼ねる最上段の凝縮器１０を介して、第一ヒートポンプ２と接続される。第一ヒートポンプ２の第二蒸発器８と、第二ヒートポンプ３の蒸発器１２とに、熱源流体が順に通され、第一ヒートポンプ２の凝縮器５において、水を加熱して蒸気を発生させる。
【解決手段】第一ヒートポンプ２は、第一蒸発器７と第二蒸発器８とを有する。第二ヒートポンプ３は、前記第一蒸発器７を兼ねる最上段の凝縮器１０を介して、第一ヒートポンプ２と接続される。第一ヒートポンプ２の第二蒸発器８と、第二ヒートポンプ３の蒸発器１２とに、熱源流体が順に通され、第一ヒートポンプ２の凝縮器５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、単段または複数段で構成され、少なくとも最下段に第一蒸発器と第二蒸発器とを有する第一ヒートポンプと、単段または複数段で構成され、前記最下段の第一蒸発器を兼ねる最上段の凝縮器を介して前記第一ヒートポンプと接続される第二ヒートポンプとを備え、前記第一ヒートポンプの第二蒸発器と、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第二蒸発器と、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第二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。これにより、第一ヒートポンプの第二蒸発器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、第二蒸発器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、前記第二ヒートポンプは、単段のヒートポンプから構成され、前記第一ヒートポンプの第二蒸発器と、前記第二ヒートポンプの最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、前記第一ヒートポンプの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、単段または複数段の第一ヒートポンプと、単段の第二ヒートポンプとを備え、第一ヒートポンプの第二蒸発器と、第二ヒートポンプの最下段の蒸発器とに熱源流体を順に通して、第一ヒートポンプの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、前記第一ヒートポンプは、複数段のヒートポンプから構成され、その内の一部または全部のヒートポンプは、蒸発器として前記第一蒸発器と前記第二蒸発器とを備え、前記各第一蒸発器は、隣接する上下のヒートポンプ同士を接続し、熱源流体は、上段のヒートポンプから順次下段のヒートポンプへと、前記各第二蒸発器を順に通され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、三段以上のヒートポンプから構成されることになる。そして、熱源流体は、上段のヒートポンプから順次下段のヒートポンプへと、第一ヒートポンプの各第二蒸発器を順に通された後、第二ヒートポンプの最下段の蒸発器に通され、第一ヒートポンプの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、前記第一ヒートポンプを構成する各段のヒートポンプは、蒸発器として前記第一蒸発器と前記第二蒸発器とを備え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、熱源流体は、第一ヒートポンプの各段の第二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、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を構成する単段または複数段のヒートポンプの内、前記第一蒸発器と前記第二蒸発器とを有する段のヒートポンプは、その膨張弁から圧縮機への冷媒流路に、前記第一蒸発器と前記第二蒸発器とが直列または並列に設置されるか、凝縮器から圧縮機への冷媒流路に、第一膨張弁および前記第一蒸発器と、第二膨張弁および前記第二蒸発器とが並列に設置され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、第一蒸発器と第二蒸発器とを直列または並列に設置するか、第一膨張弁および第一蒸発器と、第二膨張弁および第二蒸発器とを並列に設置して、第一ヒートポンプの第二蒸発器と、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において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と前記第二ヒートポンプとは、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）前記第二ヒートポンプの圧縮機からの冷媒と前記第一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前記第二ヒートポンプの凝縮器であると共に前記第一ヒートポンプの第一蒸発器である。
（ｂ）前記第二ヒートポンプの圧縮機からの冷媒と前記第一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、この中間冷却器が前記第二ヒートポンプの凝縮器であると共に前記第一ヒートポンプの第一蒸発器である。
（ｃ）前記第二ヒートポンプの圧縮機からの冷媒と前記第一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、この両冷媒と前記第一ヒートポンプの凝縮器から膨張弁を介することなく前記第二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、この中間冷却器が前記第二ヒートポンプの凝縮器であると共に前記第一ヒートポンプの第一蒸発器である。
【００２２】
請求項６に記載の発明によれば、第一ヒートポンプと第二ヒートポンプとを、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、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１〜６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。
【００２４】
請求項７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。
【００２５】
請求項８に記載の発明は、前記第一ヒートポンプと前記第二ヒートポンプとが、請求項６の（ｂ）の関係で接続される場合、前記第二ヒートポンプの圧縮機からの冷媒は、前記中間冷却器へ供給するのに代えてまたはそれに加えて、前記中間冷却器から圧縮機への冷媒流路へ供給することを特徴とする請求項６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、第二ヒートポンプの圧縮機からの冷媒を中間冷却器に入れるのを抑制することで、中間冷却器を構成する熱交換器を小さく構成することができる。また、第二ヒートポンプの圧縮機の潤滑油が中間冷却器に溜まることが防止できると共に、第一ヒートポンプの圧縮機の油切れを防止できる。
【００２７】
請求項９に記載の発明は、前記第一ヒートポンプと前記第二ヒートポンプとが、請求項６の（ｃ）の関係で接続される場合、前記第二ヒートポンプの圧縮機からの冷媒は、前記中間冷却器へ供給するのに代えてまたはそれに加えて、前記第一ヒートポンプの中間冷却器から圧縮機への冷媒流路、または、膨張弁から中間冷却器もしくは圧縮機への冷媒流路へ供給することを特徴とする請求項６に記載の蒸気発生システムである。
【００２８】
請求項９に記載の発明によれば、第二ヒートポンプの圧縮機からの冷媒を中間冷却器に入れるのを抑制することで、中間冷却器を構成する熱交換器を小さく構成することができる。
【００２９】
請求項１０に記載の発明は、前記第一ヒートポンプと前記第二ヒートポンプとが、請求項６の（ｃ）の関係で接続される場合、前記第一ヒートポンプの膨張弁からの冷媒を気液分離するセパレータを備え、このセパレータで分離された気相分を前記第二蒸発器から圧縮機までの冷媒流路へ供給することを特徴とする請求項６に記載の蒸気発生システムである。
【００３０】
請求項１０に記載の発明によれば、セパレータを設置して、気相分を中間冷却器および／または第二蒸発器に入れない構成とすることで、これらを構成する熱交換器を小さく構成することができる。
【００３１】
請求項１１に記載の発明は、次の（ａ）〜（ｄ）の内、いずれか一以上のサブ熱交換器を備え、前記第一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への水や蒸気の流通順序について、前記第一サブ熱交換器が設置される場合にはこの第一サブ熱交換器が先になるように設定され、前記第一ヒートポンプの第二蒸発器と、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、前記第二ヒートポンプの最下段の蒸発器と、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、前記第一ヒートポンプの第一蒸発器と、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、前記第一ヒートポンプの第二蒸発器と、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冷媒の流通順序について、前記第一蒸発器および前記第二蒸発器を、前記第三サブ熱交換器および前記第四サブ熱交換器よりも先になるように設定されることを特徴とする請求項１〜１０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一サブ熱交換器。
（ｂ）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二サブ熱交換器。
（ｃ）前記第一蒸発器が間接熱交換器である場合において、前記第一ヒートポンプの最下段の膨張弁から圧縮機への冷媒と、前記第二ヒートポンプの圧縮機から第一蒸発器への冷媒との第三サブ熱交換器。
（ｄ）前記第一ヒートポンプの最下段の膨張弁から圧縮機への冷媒と熱源流体との第四サブ熱交換器。
【００３２】
請求項１１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、さらに第三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。
【００３３】
さらに、請求項１２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１〜１１のいずれか１項に記載の蒸気発生システムである。
【００３４】
請求項１２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】
【００３５】
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】
【００３６】
【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】第四サブ熱交換器と、第一ヒートポンプの第二蒸発器と、第二サブ熱交換器と、第二ヒートポンプの蒸発器とへの熱源流体の流通順序を示す図である。
【図３】第一ヒートポンプの第一蒸発器と、第三サブ熱交換器と、第一ヒートポンプの第二蒸発器と、第四サブ熱交換器とへの、第一ヒートポンプの冷媒の流通順序を示す図である。
【図４】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、上下各段の圧縮機吸込体積流量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】実施例２の蒸気発生システムの変形例を示す概略図である。
【図１１】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１２】実施例３の蒸気発生システムの変形例を示す概略図である。
【図１３】本発明の蒸気発生システムの実施例４を示す概略図である。
【図１４】実施例４において、第一ヒートポンプの第一蒸発器と、第三サブ熱交換器とへの、第一ヒートポンプの冷媒の流通順序を示すと共に、第一ヒートポンプの第二蒸発器と、第四サブ熱交換器とへの、第一ヒートポンプの冷媒の流通順序を示す図である。
【図１５】本発明の蒸気発生システムの実施例５を示す概略図である。
【図１６】実施例５の蒸気発生システムの変形例を示す概略図である。
【図１７】本発明の蒸気発生システムの実施例６を示す概略図である。
【図１８】実施例６の蒸気発生システムの変形例１を示す概略図である。
【図１９】実施例６の蒸気発生システムの変形例２を示す概略図である。
【図２０】第一セパレータと、第二セパレータと、第三セパレータとの設置の組合せを示す図である。
【図２１】本発明の蒸気発生システムの実施例７を示す概略図である。
【図２２】本発明の蒸気発生システムの実施例８を示す概略図である。
【図２３】実施例８の蒸気発生システムの変形例１を示す概略図である。
【図２４】実施例８の蒸気発生システムの変形例２を示す概略図である。
【図２５】本発明の蒸気発生システムの実施例９を示す概略図である。
【図２６】実施例９の蒸気発生システムの変形例１を示す概略図である。
【図２７】実施例９の蒸気発生システムの変形例２を示す概略図である。
【図２８】第一セパレータと第二セパレータとの設置の組合せを示す図である。
【図２９Ａ】三段以上のヒートポンプで構成した本発明の蒸気発生システムの一例を示す概略図である。
【図２９Ｂ】第一ヒートポンプを単段、第二ヒートポンプを二段にした場合のＴ−Ｓ線図である。
【図２９Ｃ】複数段の第一ヒートポンプの各段に第一蒸発器と第二蒸発器とを設け、第二ヒートポンプを単段とした場合のＴ−Ｓ線図である。
【図３０】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３１】図３０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】
【００３７】
本発明の蒸気発生システムは、複数段のヒートポンプを備え、最下段を除いた各段のヒートポンプの内、一部または全部のヒートポンプは、蒸発器として第一蒸発器と第二蒸発器とを備え、各第一蒸発器は、隣接する上下のヒートポンプ同士を接続する。そして、上段のヒートポンプから順次下段のヒートポンプへと、各第二蒸発器を熱源流体が順に通され、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。
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】
【００３８】
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とを備える。
【００３９】
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７，８が順次環状に接続されて構成される。ここで、第一ヒートポンプ２は、蒸発器として第一蒸発器７と第二蒸発器８との二つの蒸発器を備え、これら蒸発器７，８は、本実施例では直列に接続されている。つまり、第一ヒートポンプ２の膨張弁６からの冷媒は、第一蒸発器７と第二蒸発器８とを順に（または後述するように逆に）通された後、圧縮機４へ送られる。
【００４０】
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７，８は、膨張弁６からの冷媒の蒸発を図る。
【００４１】
従って、第一ヒートポンプ２は、蒸発器７，８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７，８において、熱源流体などから熱をくみ上げ、凝縮器５において、水を加熱して蒸気を発生させる。
【００４２】
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。
【００４３】
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７，８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。
【００４４】
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、本実施例では単段のヒートポンプから構成される。第二ヒートポンプ３は、基本的には前述した第一ヒートポンプ２と同様の構成である。つまり、第二ヒートポンプ３は、圧縮機９、凝縮器１０、膨張弁１１および蒸発器１２が順次環状に接続されて構成される。但し、第二ヒートポンプ３は、第一ヒートポンプ２のように二種類の蒸発器を備える必要はない。そして、第二ヒートポンプ３は、蒸発器１２において、熱源流体から熱をくみ上げ、凝縮器１０において、第一ヒートポンプ２の冷媒を加熱して自身は凝縮を図られる。
【００４５】
第一ヒートポンプ２と第二ヒートポンプ３とは、次のようにして接続される。すなわち、第二ヒートポンプ３の圧縮機９からの冷媒と第一ヒートポンプ２の膨張弁６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１３を備え、この間接熱交換器１３が第二ヒートポンプ３の凝縮器１０であると共に第一ヒートポンプ２の第一蒸発器７とされる。なお、各ヒートポンプ２，３の冷媒は、同一でもよいし、異ならせてもよい。また、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。
【００４６】
詳細は後述するが、第一ヒートポンプ２の第二蒸発器８と、第二ヒートポンプ３の蒸発器１２とには、熱源流体が通される。従って、蒸気発生システム１は、これら蒸発器８，１２において、熱源流体から熱をくみ上げ、第一ヒートポンプ２の凝縮器５において、水を加熱して蒸気を発生させる。
【００４７】
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１４〜１７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、第一ヒートポンプ２の冷媒の過冷却器として機能する。
（ｂ）第二サブ熱交換器１５は、第二ヒートポンプ３の蒸発器１２から圧縮機９への冷媒と熱源流体との間接熱交換器であり、第二ヒートポンプ３の冷媒の過熱器として機能する。
（ｃ）第三サブ熱交換器１６は、第一蒸発器７が間接熱交換器１３である場合において、第一ヒートポンプ２の膨張弁６から圧縮機４への冷媒と、第二ヒートポンプ３の圧縮機９から第一蒸発器７への冷媒との間接熱交換器であり、第一ヒートポンプ２の冷媒の過熱器として機能する。
（ｄ）第四サブ熱交換器１７は、第一ヒートポンプ２の膨張弁６から圧縮機４への冷媒と熱源流体との間接熱交換器であり、第一ヒートポンプ２の冷媒の過熱器として機能する。
【００４８】
次に、水や蒸気の流通経路について説明する。
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一サブ熱交換器１４とは、水が供給されて蒸気が導出される。この水や蒸気の流通順序について、第一サブ熱交換器１４が設置される場合には、この第一サブ熱交換器１４を第一ヒートポンプ２の凝縮器５よりも先になるように設定する。そして、通常、第一ヒートポンプ２の凝縮器５から飽和蒸気を導出する。なお、各ヒートポンプ２，３の凝縮器５，１０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】
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の第二蒸発器８と、所望により設置される第四サブ熱交換器１７と、第二ヒートポンプ３の蒸発器１２と、所望により設置される第二サブ熱交換器１５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２に示すいずれかが用いられる。
【００５０】
図２は、所望により設置される第四サブ熱交換器１７と、第一ヒートポンプ２の第二蒸発器８と、所望により設置される第二サブ熱交換器１５と、第二ヒートポンプ３の蒸発器１２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１７，８，１５，１２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。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の蒸発器８，１２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。
【００５１】
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、第四サブ熱交換器１７が１、第一ヒートポンプ２の第二蒸発器８が２、第二サブ熱交換器１５が３、第二ヒートポンプ３の蒸発器１２が４である。この場合、熱源流体は、第四サブ熱交換器１７、第一ヒートポンプ２の第二蒸発器８、第二サブ熱交換器１５、第二ヒートポンプ３の蒸発器１２を順に通される。
【００５２】
また、２行目には、１−２−１−３とある。すなわち、第四サブ熱交換器１７が１、第一ヒートポンプ２の第二蒸発器８が２、第二サブ熱交換器１５が１、第二ヒートポンプ３の蒸発器１２が３である。この場合、熱源流体は、第四サブ熱交換器１７と第二サブ熱交換器１５とを並列に通された後、第一ヒートポンプ２の第二蒸発器８と、第二ヒートポンプ３の蒸発器１２とを順に通される。
【００５３】
さらに、４行目には、１−２−０−３とある。すなわち、第四サブ熱交換器１７が１、第一ヒートポンプ２の第二蒸発器８が２、第二サブ熱交換器１５が０、第二ヒートポンプ３の蒸発器１２が３である。この場合、第二サブ熱交換器１５は設置されず、熱源流体は、第四サブ熱交換器１７を通された後、第一ヒートポンプ２の第二蒸発器８と、第二ヒートポンプ３の蒸発器１２とを順に通される。
【００５４】
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の蒸発器１２が後になるように設定するのが好ましい。言い換えれば、熱源流体は、第一ヒートポンプ２の第二蒸発器８を通された後、第二ヒートポンプ３の蒸発器１２に通される。
【００５５】
図３は、第一ヒートポンプ２の第一蒸発器７と、所望により設置される第三サブ熱交換器１６と、第一ヒートポンプ２の第二蒸発器８と、所望により設置される第四サブ熱交換器１７への、第一ヒートポンプ２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７，１６，８，１７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。
【００５６】
具体例をいくつか説明すると、たとえば１行目には、１−３−２−３とある。すなわち、第一蒸発器７が１、第三サブ熱交換器１６が３、第二蒸発器８が２、第四サブ熱交換器１７が３である。この場合、第一ヒートポンプ２の膨張弁６からの冷媒は、第一蒸発器７と第二蒸発器８とを順に通された後、第三サブ熱交換器１６と第四サブ熱交換器１７とを並行に通されて、圧縮機４へ送られる。
【００５７】
また、２行目には、１−３−２−４とある。すなわち、第一蒸発器７が１、第三サブ熱交換器１６が３、第二蒸発器８が２、第四サブ熱交換器１７が４である。この場合、第一ヒートポンプ２の膨張弁６からの冷媒は、第一蒸発器７、第二蒸発器８、第三サブ熱交換器１６および第四サブ熱交換器１７を順に通されて、圧縮機４へ送られる。
【００５８】
さらに、４行目には、１−３−２−０とある。すなわち、第一蒸発器７が１、第三サブ熱交換器１６が３、第二蒸発器８が２、第四サブ熱交換器１７が０である。この場合、第四サブ熱交換器１７は設置されず、第一ヒートポンプ２の膨張弁６からの冷媒は、第一蒸発器７、第二蒸発器８および第三サブ熱交換器１６を順に通されて、圧縮機４へ送られる。
【００５９】
いずれにしても、基本的には、第一ヒートポンプ２の冷媒の流通順序について、第一蒸発器７および第二蒸発器８を、第三サブ熱交換器１６および第四サブ熱交換器１７よりも先になるように設定するのが好ましい。
【００６０】
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の第二蒸発器８に供給され１２５℃で排出された後、第二ヒートポンプ３の蒸発器１２に供給されて８０℃で排出される。第二ヒートポンプ３は、低温側（圧縮機９の入口側）の冷媒温度が７５℃とされ、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。
【００６１】
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の第二蒸発器８を通された後、第二ヒートポンプ３の蒸発器１２に通される。これにより、第一ヒートポンプ２の第二蒸発器８においてドレンが冷やされた分を第二ヒートポンプ３がカバーして、第二蒸発器８を通過後のドレン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。
【００６２】
言い換えれば、蒸気発生システム１は、全体でみるとあたかも複数段（本実施例では二段）のヒートポンプ２，３で構成されてなり、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）の圧縮機９の容量を小さくすることができる。
【００６３】
図４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の蒸発器１２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。
【００６４】
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において第二蒸発器８の設置を省略して、最下段の第二ヒートポンプ３の蒸発器１２のみから熱をくみ上げる構成と同等である。
【００６５】
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、上下各段の圧縮機吸込体積流量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の蒸発器１２を通過後の最終的なドレン温度を横軸とし、圧縮機吸込体積流量を縦軸としている。
【００６６】
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、圧縮機吸込体積流量を少なくすることができる。これにより、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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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】
【００７３】
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。
【００７４】
本実施例２では、第一ヒートポンプ２と第二ヒートポンプ３との接続の構成において、前記実施例１と異なる。前記実施例１では、第一ヒートポンプ２と第二ヒートポンプ３とを間接熱交換器１３で接続したが、本実施例２では、第一ヒートポンプ２と第二ヒートポンプ３とを中間冷却器１８で接続している。
【００７５】
具体的には、第二ヒートポンプ３の圧縮機９からの冷媒と第一ヒートポンプ２の膨張弁６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が第二ヒートポンプ３の凝縮器１０であると共に第一ヒートポンプ２の蒸発器７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、第二ヒートポンプ３の圧縮機９からの冷媒と、第一ヒートポンプ２の膨張弁６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、第二ヒートポンプ３の圧縮機９からの冷媒の凝縮と、第一ヒートポンプ２の膨張弁６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第二ヒートポンプ３の膨張弁１１へ送る一方、気液混合冷媒は第一ヒートポンプ２の第二蒸発器８を介して圧縮機４へ送ればよい。
【００７６】
本実施例２では、第一ヒートポンプ２の膨張弁６からの冷媒は、基本的に、中間冷却器１８と第二蒸発器８とを順に介して、圧縮機４へ送られる。第二蒸発器８においても冷媒を沸騰させる関係上、中間冷却器１８から第二蒸発器８へは、気相分と液相分とを所定割合で混合して送られる。この混合割合の調整は、たとえば、中間冷却器１８からの気相分の冷媒流路と液相分の冷媒流路とにそれぞれ設けた弁（図示省略）の開度調整により行われる。
【００７７】
また、本実施例２では、第三サブ熱交換器１６は設置されない。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。
【００７８】
次に、本実施例２の蒸気発生システム１の変形例について説明する。この際、図９と異なる点を中心に説明し、同様の構成については説明を省略する。また、対応する箇所には同一の符号を付して説明する。
【００７９】
図１０は、本実施例２の蒸気発生システム１の変形例を示す概略図である。図９の蒸気発生システム１では、第二ヒートポンプ３の圧縮機９からの冷媒は、中間冷却器１８へ供給されたが、本変形例では、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、第一ヒートポンプ２の中間冷却器１８から圧縮機４への冷媒流路へ供給される。この際、第二蒸発器８の入口側でもよいし出口側でもよいし、第四サブ熱交換器１７が設置される場合にはその第四サブ熱交換器１７の入口側でもよいし出口側でもよい。また、二点鎖線Ｂで示すように、第二ヒートポンプ３の圧縮機９からの冷媒は、第一ヒートポンプ２の膨張弁６から中間冷却器１８への冷媒流路に合流させてもよい。
【実施例３】
【００８０】
図１１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。
【００８１】
本実施例３では、第一ヒートポンプ２と第二ヒートポンプ３との接続の構成において、前記実施例１と異なる。前記実施例１では、第一ヒートポンプ２と第二ヒートポンプ３とを間接熱交換器１３で接続したが、本実施例３では、第一ヒートポンプ２と第二ヒートポンプ３とを中間冷却器１９で接続している。
【００８２】
具体的には、第二ヒートポンプ３の圧縮機９からの冷媒と第一ヒートポンプ２の膨張弁６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、この両冷媒と第一ヒートポンプ２の凝縮器５から膨張弁６を介することなく第二ヒートポンプ３の膨張弁１１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が第二ヒートポンプ３の凝縮器１０であると共に第一ヒートポンプ２の蒸発器７である。より詳細には、中間冷却器１９として、第一領域２０と第二領域２１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２０において、第二ヒートポンプ３の圧縮機９からの冷媒と第一ヒートポンプ２の膨張弁６からの冷媒とが直接に熱交換される一方、第二領域２１に、第一ヒートポンプ２の凝縮器５から膨張弁６を介することなく冷媒を通して、第二ヒートポンプ３の膨張弁１１へ供給すればよい。この場合、第二ヒートポンプ３の圧縮機９からの冷媒は、中間冷却器１９において第一ヒートポンプ２の膨張弁６からの冷媒で中間冷却を図られた後、第一ヒートポンプ２の圧縮機４においてさらに高圧高温のガス冷媒とされ、第一ヒートポンプ２の凝縮器５にて凝縮される。そして、その液冷媒の一部は、第一ヒートポンプ２の膨張弁６を介して、中間冷却器１９の第一領域２０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２１を介して、第二ヒートポンプ３の膨張弁１１で減圧され、第二ヒートポンプ３の蒸発器１２において気化した後、再び第二ヒートポンプ３の圧縮機９へ戻される。
【００８３】
このような構成に伴い、本実施例３では、第三サブ熱交換器１６は設置されない。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。
【００８４】
次に、本実施例３の蒸気発生システム１の変形例について説明する。この際、図１１と異なる点を中心に説明し、同様の構成については説明を省略する。また、対応する箇所には同一の符号を付して説明する。
【００８５】
図１２は、本実施例３の蒸気発生システム１の変形例を示す概略図である。図１１の蒸気発生システム１では、第二ヒートポンプ３の圧縮機９からの冷媒は、中間冷却器１９へ供給されたが、本変形例では、中間冷却器１９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、第一ヒートポンプ２の中間冷却器１９から圧縮機４への冷媒流路へ供給される。この際、第二蒸発器８の入口側でもよいし出口側でもよいし、第四サブ熱交換器１７が設置される場合にはその第四サブ熱交換器１７の入口側でもよいし出口側でもよい。また、二点鎖線Ｂで示すように、第一ヒートポンプ２の膨張弁６から中間冷却器１９への冷媒流路へ供給してもよい。なお、第一ヒートポンプ２の膨張弁６から中間冷却器１９への冷媒流路に後述するセパレータ２２を設ける場合には、その膨張弁６からセパレータ２２への冷媒流路でもよいし、セパレータ２２からの気相分の冷媒流路２３に供給してもよい。
【００８６】
また、本変形例では、第一ヒートポンプ２の膨張弁６の出口側にセパレータ２２を設けている。この場合、セパレータ２２で分離された液相分は、中間冷却器１９へ供給され、気相分は、流路２３で示すように、第一ヒートポンプ２の中間冷却器１９から圧縮機４への冷媒流路へ供給される。この際、第二蒸発器８の入口側でもよいし出口側でもよいし、第四サブ熱交換器１７が設置される場合にはその第四サブ熱交換器１７の入口側でもよいし出口側でもよい。
【００８７】
なお、セパレータ２２は、第一ヒートポンプ２の膨張弁６から中間冷却器１９への冷媒流路に設けることに代えてまたはこれに加えて、中間冷却器１９から第二蒸発器８への冷媒流路に設けてもよい。その場合、液相分は、第二蒸発器８へ供給され、気相分は、第二蒸発器８から圧縮機４への冷媒流路のいずれの箇所へ供給してもよい。
【実施例４】
【００８８】
図１３は、本発明の蒸気発生システム１の実施例４を示す概略図である。本実施例４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。
【００８９】
前記実施例１では、第一蒸発器７と第二蒸発器８とが直列に設置されたが、本実施例４では、第一蒸発器７と第二蒸発器８とが並列に設置される。すなわち、本実施例では、第一ヒートポンプ２の膨張弁６からの冷媒は、第一蒸発器７と、所望により設置される第三サブ熱交換器１６とを介して、圧縮機４へ供給されると共に、第二蒸発器８と、所望により設置される第四サブ熱交換器１７とを介して、圧縮機４へ供給される。
【００９０】
図１４は、本実施例４において、第一ヒートポンプ２の第一蒸発器７と、所望により設置される第三サブ熱交換器１６とへの、第一ヒートポンプ２の冷媒の流通順序を示すと共に、第一ヒートポンプ２の第二蒸発器８と、所望により設置される第四サブ熱交換器１７とへの、第一ヒートポンプ２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７，１６，８，１７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。
【００９１】
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、第一蒸発器７が１、第三サブ熱交換器１６が２、第二蒸発器８が１、第四サブ熱交換器１７が２である。この場合、第一ヒートポンプ２の膨張弁６からの冷媒は、第一蒸発器７と第三サブ熱交換器１６とを順に通される冷媒流路と、第二蒸発器８と第四サブ熱交換器１７とを順に通される冷媒流路とを並列に通され、圧縮機４へ送られる。
【００９２】
また、２行目には、１−２−１−３とある。すなわち、第一蒸発器７が１、第三サブ熱交換器１６が２、第二蒸発器８が１、第四サブ熱交換器１７が３である。この場合、第一ヒートポンプ２の膨張弁６からの冷媒は、第一蒸発器７と第二蒸発器８とに並列に通された後、第三サブ熱交換器１６と第四サブ熱交換器１７とを順に通されて、圧縮機４へ送られる。あるいは、第一ヒートポンプ２の膨張弁６からの冷媒は、第一蒸発器７と第三サブ熱交換器１６とを順に通されると共に、これと並行に第二蒸発器８にも通された後、両者は合流して第四サブ熱交換器１７を介して圧縮機４へ送られる。
【００９３】
さらに、４行目には、１−０−１−１とある。すなわち、第一蒸発器７が１、第三サブ熱交換器１６が０、第二蒸発器８が１、第四サブ熱交換器１７が１である。この場合、第三サブ熱交換器１６は設置されず、第一ヒートポンプ２の膨張弁６からの冷媒は、第一蒸発器７と、第二蒸発器８と、第四サブ熱交換器１７とを並列に通された後、圧縮機４へ送られる。
【００９４】
いずれにしても、基本的には、第一ヒートポンプ２の冷媒の流通順序について、第一蒸発器７および第二蒸発器８を、第三サブ熱交換器１６および第四サブ熱交換器１７よりも先になるように設定するのが好ましい。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５】
【００９５】
図１５は、本発明の蒸気発生システム１の実施例５を示す概略図である。本実施例５の蒸気発生システム１は、基本的には前記実施例２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。
【００９６】
前記実施例２では、中間冷却器１８から気相分と液相分とが所定の混合割合で、第二蒸発器８と、所望により設置される第四サブ熱交換器１７とを介して、圧縮機４へ供給されたが、本実施例５では、中間冷却器１８の気相部と圧縮機４とを結ぶ冷媒流路と、中間冷却器１８の液相部と圧縮機４とを結ぶ冷媒流路とが、並列に設置される。そして、後者の冷媒流路には、第二蒸発器８と、所望により第四サブ熱交換器１７が設置される。なお、中間冷却器１８からの気相分の冷媒は、直接に圧縮機４の入口側へ供給する以外に、二点鎖線Ａで示すように、第四サブ熱交換器１７が設置される場合には、その手前側へ供給してもよい。
【００９７】
前記実施例４に対する本実施例５の関係は、前記実施例１に対する前記実施例２の関係と対応する。その他の構成は、前記実施例２と同様のため、説明を省略する。
【００９８】
次に、本実施例５の蒸気発生システム１の変形例について説明する。この際、図１５と異なる点を中心に説明し、同様の構成については説明を省略する。また、対応する箇所には同一の符号を付して説明する。
【００９９】
図１６は、本実施例５の蒸気発生システム１の変形例を示す概略図である。図１５の蒸気発生システム１では、第二ヒートポンプ３の圧縮機９からの冷媒は、中間冷却器１８へ供給されたが、本変形例では、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、中間冷却器１８から圧縮機４への気相分の冷媒流路へ供給するか、二点鎖線Ｂで示すように、中間冷却器１８から圧縮機４への液相分の冷媒流路へ供給する。後者の場合、第二蒸発器８の入口側でもよいし出口側でもよいし、第四サブ熱交換器１７が設置される場合にはその第四サブ熱交換器１７の入口側でもよいし出口側でもよい。また、二点鎖線Ｃで示すように、第二ヒートポンプ３の圧縮機９からの冷媒は、第一ヒートポンプ２の膨張弁６から中間冷却器１８への冷媒流路に合流させてもよい。
【実施例６】
【０１００】
図１７は、本発明の蒸気発生システム１の実施例６を示す概略図である。本実施例６の蒸気発生システム１は、基本的には前記実施例３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。
【０１０１】
前記実施例３では、第一ヒートポンプ２の膨張弁６からの冷媒は、中間冷却器１９および第二蒸発器８を介して圧縮機４へ供給されたが、本実施例６では、第一ヒートポンプ２の膨張弁６からの冷媒は、中間冷却器１９を介するが第二蒸発器８は介さずに圧縮機４へ供給されると共に、これと並列に、中間冷却器１９は介さずに第二蒸発器８を介して圧縮機４へ供給される。
【０１０２】
なお、二点鎖線Ａで示すように、第一ヒートポンプの膨張弁６から中間冷却器１９への冷媒の供給は、第二ヒートポンプ３の圧縮機９から中間冷却器１９への冷媒と合流させて行ってもよい。また、二点鎖線Ｘで示すように、中間冷却器１９から圧縮機４への冷媒は、場合により、第四サブ熱交換器１７の手前へ供給してもよい。
【０１０３】
前記実施例４に対する本実施例６の関係は、前記実施例１に対する前記実施例３の関係と対応する。その他の構成は、前記実施例３と同様のため、説明を省略する。
【０１０４】
次に、本実施例６の蒸気発生システム１の変形例について説明する。この際、図１７と異なる点を中心に説明し、同様の構成については説明を省略する。また、対応する箇所には同一の符号を付して説明する。
【０１０５】
図１８は、本実施例６の蒸気発生システム１の変形例１を示す概略図である。図１７の蒸気発生システム１では、第二ヒートポンプ３の圧縮機９からの冷媒は、中間冷却器１９へ供給されたが、本変形例では、中間冷却器１９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、第一ヒートポンプ２の膨張弁６から中間冷却器１９への冷媒流路へ合流させてもよいし、二点鎖線Ｂで示すように、膨張弁６から第二蒸発器８を介した圧縮機４への冷媒流路へ供給してもよいし、二点鎖線Ｃで示すように、中間冷却器１９から圧縮機４への冷媒流路へ供給してもよい。
【０１０６】
図１９は、本実施例６の蒸気発生システム１の変形例２を示す概略図である。本変形例では、第一ヒートポンプ２の膨張弁６の出口側にセパレータ２２（２２Ａ〜２２Ｃ）を設けている。第一ヒートポンプ２の膨張弁６からの冷媒は、共通流路２４を介して、第二蒸発器８への流路２５と、中間冷却器１９への流路２６とに分岐されるが、そのいずれの箇所にセパレータ２２を設置してもよい。共通流路２４に設置されるものを第一セパレータ２２Ａ、第二蒸発器８への流路２５に設置されるものを第二セパレータ２２Ｂ、中間冷却器１９への流路２６に設置されるものを第三セパレータ２２Ｃとして、図２０に示す組合せで設置可能である。図２０では、１が設置、０が無設置を示している。
【０１０７】
図２０中、１行目のパターンでは、いずれのセパレータも設置されない。２行目のパターンでは、第一セパレータ２２Ａのみが設置される。この場合、セパレータ２２Ａで分離された液相分が中間冷却器１９および第二蒸発器８へ供給され、気相分が二点鎖線Ａで示すように、第二蒸発器８から圧縮機４までのいずれかの箇所へ供給される。
【０１０８】
また、３行目のパターンでは、第二セパレータ２２Ｂのみが設置される。この場合、第一ヒートポンプ２の膨張弁６からの冷媒は、中間冷却器１９とセパレータ２２Ｂへと供給され、セパレータ２２Ｂで分離された液相分が第二蒸発器８へ供給され、気相分が二点鎖線Ａで示すように、第二蒸発器８から圧縮機４までのいずれかの箇所へ供給される。
【０１０９】
また、４行目のパターンでは、第三セパレータ２２Ｃのみが設置される。この場合、第一ヒートポンプ２の膨張弁６からの冷媒は、第二蒸発器８とセパレータ２２Ｃへと供給され、セパレータ２２Ｃで分離された液相分が中間冷却器１９へ供給され、気相分が二点鎖線Ａで示すように、第二蒸発器８から圧縮機４までのいずれかの箇所へ供給される。
【０１１０】
さらに、５行目のパターンに示すように、第二セパレータ２２Ｂと第三セパレータ２２Ｃとの双方を設置してもよい。いずれにしても、セパレータ２２を設けて、気相分を中間冷却器１９や第二蒸発器８に入れない構成とすることで、これらを構成する熱交換器を小さくすることができる。
【実施例７】
【０１１１】
図２１は、本発明の蒸気発生システム１の実施例７を示す概略図である。本実施例７の蒸気発生システム１は、基本的には前記実施例４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。
【０１１２】
前記実施例４では、第一蒸発器７と第二蒸発器８とが並列に設置され、共通の膨張弁６を介した冷媒がそれぞれ通されたが、本実施例７では、第一ヒートポンプ２の凝縮器５からの冷媒は、第一膨張弁６Ａと第一蒸発器７とを備える冷媒流路と、第二膨張弁６Ｂと第二蒸発器８とを備える冷媒流路とを並列に通された後、圧縮機４へ供給される。その他の構成は、前記実施例４と同様のため、説明を省略する。
【実施例８】
【０１１３】
図２２は、本発明の蒸気発生システム１の実施例８を示す概略図である。本実施例８の蒸気発生システム１は、基本的には前記実施例５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。
【０１１４】
前記実施例５では、中間冷却器１８からの気相分の冷媒流路と液相分の冷媒流路とが並列に設置され、共通の膨張弁６を介した冷媒がそれぞれ通されたが、本実施例８では、第一ヒートポンプ２の凝縮器５からの冷媒は、第一膨張弁６Ａを介して中間冷却器１８へ供給されると共に、これと並行に、第二膨張弁６Ｂを介して第二蒸発器８へも供給される。そして、中間冷却器１８の気相部と圧縮機４とが冷媒流路で接続される。一方、第二膨張弁６Ｂからの冷媒は、第二蒸発器８や、所望により設置される第四サブ熱交換器１７を介して圧縮機４へ供給される。その他の構成は、前記実施例５と同様のため、説明を省略する。
【０１１５】
次に、本実施例８の蒸気発生システム１の変形例について説明する。この際、図２２と異なる点を中心に説明し、同様の構成については説明を省略する。また、対応する箇所には同一の符号を付して説明する。
【０１１６】
図２３は、本実施例８の蒸気発生システム１の変形例１を示す概略図である。図２２の蒸気発生システム１では、第二ヒートポンプ３の圧縮機９からの冷媒は、中間冷却器１８へ供給されたが、本変形例では、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、中間冷却器１８から圧縮機４への冷媒流路に供給してもよいし、二点鎖線Ｂで示すように、第二膨張弁６Ｂから第二蒸発器８を介した圧縮機４への冷媒流路のいずれの箇所へ供給してもよい。あるいは、第二ヒートポンプ３の圧縮機９からの冷媒は、二点鎖線Ｃで示すように、第一ヒートポンプ２の第一膨張弁６Ａからの冷媒と合流させて中間冷却器１８へ供給してもよい。
【０１１７】
図２４は、本実施例８の蒸気発生システム１の変形例２を示す概略図である。本変形例では、第二膨張弁６Ｂから第二蒸発器８への冷媒流路にセパレータ２２を設けている。これにより、第二膨張弁６Ｂからの冷媒は、セパレータ２２で気液分離され、その液相分が第二蒸発器８へ供給され、気相分は、二点鎖線Ａで示すように第二蒸発器８から圧縮機４への冷媒流路のいずれかの箇所へ供給される。
【実施例９】
【０１１８】
図２５は、本発明の蒸気発生システム１の実施例９を示す概略図である。本実施例９の蒸気発生システム１は、基本的には前記実施例６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。
【０１１９】
前記実施例６では、第一ヒートポンプ２では、共通の膨張弁６からの冷媒が、中間冷却器１９と第二蒸発器８とに並列に通されて圧縮機４へ供給されたが、本実施例９では、第一ヒートポンプ２の凝縮器５からの冷媒は、第一膨張弁６Ａを介して中間冷却器１９へ供給されると共に、これと並行に、第二膨張弁６Ｂを介して第二蒸発器８へも供給される。なお、二点鎖線Ａで示すように、第二膨張弁６Ｂからの冷媒は、第二ヒートポンプ３の圧縮機９からの冷媒と合流させて、中間冷却器１９へ供給してもよい。その他の構成は、前記実施例６と同様のため、説明を省略する。
【０１２０】
次に、本実施例９の蒸気発生システム１の変形例について説明する。この際、図２５と異なる点を中心に説明し、同様の構成については説明を省略する。また、対応する箇所には同一の符号を付して説明する。
【０１２１】
図２６は、本実施例９の蒸気発生システム１の変形例１を示す概略図である。図２５の蒸気発生システム１では、第二ヒートポンプ３の圧縮機９からの冷媒は、中間冷却器１９へ供給されたが、本変形例では、中間冷却器１９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、第一膨張弁６Ａから中間冷却器１９への冷媒流路に合流させてもよいし、二点鎖線Ｂで示すように、中間冷却器１９から圧縮機４への冷媒流路に供給してもよいし、二点鎖線Ｃで示すように、第二膨張弁６Ｂから第二蒸発器８を介した圧縮機４への冷媒流路のいずれの箇所へ供給してもよい。
【０１２２】
図２７は、本実施例９の蒸気発生システム１の変形例２を示す概略図である。本変形例では、第二膨張弁６Ｂから第二蒸発器８への冷媒流路に第一セパレータ２２Ａを設けている。これにより、第二膨張弁６Ｂからの冷媒は、第一セパレータ２２Ａで気液分離され、その液相分が第二蒸発器８へ供給され、気相分は、二点鎖線Ａで示すように第二蒸発器８から圧縮機４への冷媒流路のいずれかの箇所へ供給される。また、第一膨張弁６Ａから中間冷却器１９への冷媒流路に、第二セパレータ２２Ｂを設けてもよい。これにより、第一膨張弁６Ａからの冷媒は、第二セパレータ２２Ｂで気液分離され、その液相分が中間冷却器１９へ供給され、気相分は、二点鎖線Ｂで示すように第二蒸発器８から圧縮機４への冷媒流路のいずれかの箇所へ供給される。
【０１２３】
図２８は、第一セパレータ２２Ａと第二セパレータ２２Ｂとの設置の組合せを示す図である。この図では、１が設置、０が無設置を示している。この図に示すように、両セパレータ２２Ａ，２２Ｂを設置してもよいし、いずれか一方のセパレータのみを設置してもよいし、両方のセパレータの設置を省略してもよい。
【実施例１０】
【０１２４】
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も単段で構成したが、各ヒートポンプ２，３の段数は適宜に変更可能である。言い換えれば、前記各実施例では、単段の第一ヒートポンプ２と単段の第二ヒートポンプ３とを組み合わせて、蒸気発生システム１全体でみるとあたかも二段のヒートポンプで構成した例を示したが、蒸気発生システム１を構成するヒートポンプ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のような一元多段のヒートポンプの他、図１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。
【０１２５】
たとえば、図２９Ａは、第一ヒートポンプ２を上下二段で構成し、第二ヒートポンプ３を単段で構成した例を示している。言い換えれば、蒸気発生システム１を三段のヒートポンプから構成している。なお、第二ヒートポンプ３についても、従来公知の二段ヒートポンプと同様に、二段またはそれ以上の複数段で構成してもよい。
【０１２６】
図２９Ａの蒸気発生システム１では、最下段のヒートポンプ（第二ヒートポンプ３）を除き、各ヒートポンプ（各段の第一ヒートポンプ２Ａ，２Ｂ）の蒸発器として第一蒸発器７Ａ，７Ｂと第二蒸発器８Ａ，８Ｂとが設置され、第一蒸発器７Ａ，７Ｂで上下隣接するヒートポンプ同士を接続し、第二蒸発器８Ａ，８Ｂには熱源流体が通される。この際、隣接する上下のヒートポンプ同士は、前記各実施例で説明したいずれの関係で接続してもよい。つまり、上下に隣接するヒートポンプ同士は、図示例では間接熱交換器１３（１３Ａ，１３Ｂ）で接続されているが、前述したような中間冷却器１８，１９で接続されてもよい。また、第一ヒートポンプ２を構成する各段のヒートポンプは、前記実施例１の構成に限らず、その他の実施例の構成としてもよい。そして、熱源流体は、典型的には、最上段のヒートポンプから順次下段のヒートポンプへと、それぞれの第二蒸発器８（８Ａ，８Ｂ）を順に通される。
【０１２７】
蒸気発生システム１を３段以上のヒートポンプで構成する場合（言い換えれば第一ヒートポンプ２を複数段にする場合）、最下段のヒートポンプ（第二ヒートポンプ３）を除き、すべての段の第一ヒートポンプ２Ａ，２Ｂにおいて、蒸発器として第一蒸発器７Ａ，７Ｂと第二蒸発器８Ａ，８Ｂとを設け、各第一蒸発器７Ａ，７Ｂで上下隣接するヒートポンプ同士を接続し、各第二蒸発器８Ａ，８Ｂには上段から下段へ向けて熱源流体が順次通されるのが好ましい。
【０１２８】
このように構成するのが好ましい理由は、次のとおりである。すなわち、図２９Ｂは、第一ヒートポンプ２を単段、第二ヒートポンプ３を二段とした場合のＴ−Ｓ線図であり、図２９Ｃは、第一ヒートポンプ２が二段でその各段に第一蒸発器７Ａ，７Ｂと第二蒸発器８Ａ，８Ｂとを設置し、第二ヒートポンプ３を単段とした場合のＴ−Ｓ線図である。図２９Ｂと図２９Ｃ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２９Ｃの方が少なくできる。よって、蒸気発生システム１は、最下段のヒートポンプ３を除き、各段のヒートポンプ２Ａ，２Ｂに第二蒸発器８Ａ，８Ｂを設置して、熱源流体を通すのが好ましい。
【０１２９】
このようにして蒸気発生システム１を３段以上のヒートポンプで構成する場合（言い換えれば第一ヒートポンプ２を複数段にする場合）において、第一サブ熱交換器１４を設置しようとするときは、第一サブ熱交換器１４は最上段のヒートポンプ（第一ヒートポンプ２の最上段のヒートポンプ２Ａ）に設置すればよい。
【０１３０】
また、蒸気発生システム１を３段以上のヒートポンプで構成する場合において、第二サブ熱交換器１５を設置しようとするときは、第二サブ熱交換器１５は最下段のヒートポンプ（第二ヒートポンプ３の最下段のヒートポンプ）に設置すればよい。
【０１３１】
さらに、蒸気発生システム１を３段以上のヒートポンプで構成する場合において、第三サブ熱交換器１６および／または第四サブ熱交換器１７を設置しようとするときは、第三サブ熱交換器１６および／または第四サブ熱交換器１７は、各段の第一ヒートポンプ２（２Ａ，２Ｂ）に設置できる。この場合において、最下段の第一ヒートポンプ２Ｂでは、第三サブ熱交換器１６は、第一ヒートポンプ２の最下段の膨張弁６Ｂから圧縮機４Ｂへの冷媒と、第二ヒートポンプ３の圧縮機９から第一蒸発器７Ｂへの冷媒との間接熱交換器となるが、それより上段の各第一ヒートポンプ２Ａでは、第三サブ熱交換器１６は、その段の第一ヒートポンプ２Ａの膨張弁６Ａから圧縮機４Ａへの冷媒と、一つ下段の第一ヒートポンプ２Ｂの圧縮機４Ｂから第一蒸発器７Ａへの冷媒との間接熱交換器となる。
【０１３２】
図３０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２７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の第二蒸発器８と、所望により設置される第四サブ熱交換器１７と、第二ヒートポンプ３の蒸発器１２と、所望により設置される第二サブ熱交換器１５とを、熱くみ上げ用熱交換器（８，１７，１２，１５）ということにする。また、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一サブ熱交換器１４とを、蒸気発生用熱交換器（５，１４）ということにする。
【０１３３】
蒸気システム２７は、蒸気発生システム１とボイラ２８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（８，１７，１２，１５）においてドレンの熱をくみ上げて、蒸気発生用熱交換器（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（８，１７，１２，１５）には、蒸気使用設備２９からのドレンが通される。熱くみ上げ用熱交換器（８，１７，１２，１５）としての各蒸発器８，１２や各サブ熱交換器１７，１５へのドレンの通し方は、図２に基づき説明したとおりである。
【０１３４】
一方、蒸気発生用熱交換器（５，１４）には、給水ポンプ３０により水が供給可能とされ、蒸気発生用熱交換器（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２９からのドレンが、給水ポンプ３０、給水弁３１、逆止弁３２を介して、蒸気発生用熱交換器（５，１４）に供給される。蒸気発生用熱交換器（５，１４）としての凝縮器５や第一サブ熱交換器１４への水や蒸気の通し方も、前記各実施例で説明したとおりである。
【０１３５】
ボイラ２８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２８には、給水ポンプ３３と逆止弁３４とを介して水が供給可能とされ、ボイラ２８の缶体内の水位は所望に維持される。
【０１３６】
蒸気発生用熱交換器（５，１４）からの蒸気路３５と、ボイラ２８からの蒸気路３６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（５，１４）からの蒸気路３５には、合流部よりも上流側に、逆止弁３７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２８からの蒸気が蒸気発生用熱交換器（５，１４）へ逆流するのが防止される。
【０１３７】
さらに、ボイラ２８からの蒸気路３６には、合流部よりも上流側に、ボイラ蒸気供給弁３８が設けられる。ボイラ蒸気供給弁３８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３８より上流側は、下流側よりもボイラ２８により高圧に維持される。
【０１３８】
蒸気発生システム（５，１４）やボイラ２８からの蒸気は、一または複数の蒸気使用設備２９へ送られる。蒸気使用設備２９のドレンは、第一蒸気トラップ３９を介して、中空容器状のセパレータタンク４０へ排出される。セパレータタンク４０には、上部に第一流路４１が接続され、下部に第二流路４２が接続される。
【０１３９】
第一流路４１には、セパレータタンク４０の側から順に、熱くみ上げ用熱交換器（８，１７，１２，１５）と第二蒸気トラップ４３とが設けられる。このような構成であるから、蒸気使用設備２９のドレンは、第一蒸気トラップ３９により低圧下に排出された後、熱くみ上げ用熱交換器（８，１７，１２，１５）を通過後に、第二蒸気トラップ４３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２９のドレンは、第一蒸気トラップ３９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（８，１７，１２，１５）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４３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（８，１７，１２，１５）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４３からの排水は、そのまま捨ててもよいし、ボイラ２８および／または蒸気発生用熱交換器（５，１４）への給水タンク４４へ供給してもよいし、このような給水タンク４４を介さずに蒸気発生用熱交換器（５，１４）への給水として用いてもよい。
【０１４０】
一方、第二流路４２には、排出弁４５が設けられる。排出弁４５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２９のドレンは、第一蒸気トラップ３９により低圧下に排出された後、排出弁４５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４５からの流体は、そのまま捨ててもよいし、ボイラ２８および／または蒸気発生用熱交換器（５，１４）への給水タンク４４へ供給してもよいし、このような給水タンク４４を介さずに蒸気発生用熱交換器（５，１４）への給水として用いてもよい。
【０１４１】
さらに、緊急時や停電時のために、第一流路４１には、セパレータタンク４０と熱くみ上げ用熱交換器（８，１７，１２，１５）との間に、ノーマルクローズド型の電磁弁４６を設ける一方、第二流路４２には、排出弁４５と並行に、ノーマルオープン型の電磁弁４７を設けるのが好ましい。この場合、通常時には、第一流路４１の電磁弁４６は開かれた状態に維持され、第二流路４２の電磁弁４７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４１の電磁弁４６が閉じられ、第二流路４２の電磁弁４７が開かれるので、蒸気使用設備２９からのドレンは、熱くみ上げ用熱交換器（８，１７，１２，１５）を介さずに排出される。
【０１４２】
蒸気発生用熱交換器（５，１４）へは、純水もしくは軟水、蒸気使用設備２９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２９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４０で分離された液体からなるドレンを、排出弁４５より上流側から、給水ポンプ３０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（８，１７，１２，１５）を通過後のドレンを、第二蒸気トラップ４３より上流側から、給水ポンプ３０の入口側へ供給する。なお、熱くみ上げ用熱交換器（８，１７，１２，１５）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３０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（８，１７，１２，１５）を通過後のドレンを、第二蒸気トラップ４３より下流側から、給水ポンプ３０の入口側へ供給する。
（Ｄ）図３０下部の破線領域に示すように、第二蒸気トラップ４３からのドレン、および／または、排出弁４５からのドレンなどを、一旦、給水タンク４４に溜め、この給水タンク４４内の水を、給水ポンプ３０の入口側へ供給する。給水タンク４４には、蒸気使用設備２９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（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３０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。
【０１４３】
蒸気発生用熱交換器（５，１４）からの蒸気とボイラ２８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４８が設けられる。また、熱くみ上げ用熱交換器（８，１７，１２，１５）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４９が設けられる。そして、蒸気発生システム１は、第一センサ４８と第二センサ４９との一方または双方の検出値に基づき制御される。
【０１４４】
たとえば、第一センサ４８の検出圧力に基づき、最上段のヒートポンプの圧縮機（第一ヒートポンプの圧縮機４）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の圧縮機９）は、その段の凝縮器１０または一つ上段の蒸発器７，８の冷媒の圧力に基づき制御すればよい。
【０１４５】
あるいは、第二センサ４９の検出圧力または検出温度に基づき、最下段のヒートポンプの圧縮機（第二ヒートポンプ３の圧縮機９）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（第一ヒートポンプ２の圧縮機４）は、その段の蒸発器７，８または一つ下段の凝縮器１０の冷媒の圧力または温度に基づき制御すればよい。
【０１４６】
図３１は、図３０の蒸気システム２７の変形例を示す概略図である。図３１の蒸気システム２７も、基本的には図３０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。
【０１４７】
本変形例では、蒸気使用設備２９のドレンは、一旦、ドレン貯留部としてのバッファタンク５０に溜められる。そして、バッファタンク５０のドレンは、第一流路４１により熱くみ上げ用熱交換器（８，１７，１２，１５）へ供給可能とされると共に、第三流路５１により熱くみ上げ用熱交換器（８，１７，１２，１５）を介することなく排出可能とされる。
【０１４８】
具体的には、バッファタンク５０には、下部に第一流路４１が接続され、それより上部に第三流路５１が接続される。第一流路４１には、バッファタンク５０の側から順に、導入弁５２、熱くみ上げ用熱交換器（８，１７，１２，１５）および第二蒸気トラップ４３が設けられる。導入弁５２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。
【０１４９】
このような構成であるから、蒸気使用設備２９のドレンは、導入弁５２により低圧下に排出された後、熱くみ上げ用熱交換器（８，１７，１２，１５）を通過後に、第二蒸気トラップ４３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４３からの排水は、そのまま捨ててもよいし、ボイラ２８および／または蒸気発生用熱交換器（５，１４）への給水タンク４４へ供給してもよいし、このような給水タンク４４を介さずに蒸気発生用熱交換器（５，１４）への給水として用いてもよい。
【０１５０】
一方、第三流路５１には、第三蒸気トラップ５３が設けられる。バッファタンク５０に対して第三流路５１は第一流路４１よりも上方に接続されているので、バッファタンク５０からオーバーフローするドレンが第三流路５１から排出される。そして、その排水は、第三蒸気トラップ５３を介して排出される。そして、第三蒸気トラップ５３からの排水は、そのまま捨ててもよいし、ボイラ２８および／または蒸気発生用熱交換器（５，１４）への給水タンク４４へ供給してもよいし、このような給水タンク４４を介さずに蒸気発生用熱交換器（５，１４）への給水として用いてもよい。
【０１５１】
さらに、緊急時や停電時のために、第一流路４１には、導入弁５２とバッファタンク５０との間に、ノーマルクローズド型の電磁弁４６を設けるのが好ましい。この場合、通常時には、第一流路４１の電磁弁４６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４１の電磁弁４６が閉じられるので、蒸気使用設備２９のドレンは、第三流路５１により熱くみ上げ用熱交換器（８，１７，１２，１５）を介さずに排出される。
【０１５２】
本変形例の場合も、蒸気発生用熱交換器（５，１４）へは、純水もしくは軟水、蒸気使用設備からのドレン、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３０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５０からのドレンを、導入弁５２より上流側（電磁弁４６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３０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（８，１７，１２，１５）を通過後のドレンを、第二蒸気トラップ４３より上流側から、給水ポンプ３０の入口側へ供給する。なお、熱くみ上げ用熱交換器（８，１７，１２，１５）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３０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（８，１７，１２，１５）を通過後のドレンを、第二蒸気トラップ４３より下流側から、給水ポンプ３０の入口側へ供給する。
（Ｄ）図３１下部の破線領域に示すように、第二蒸気トラップ４３からのドレン、および／または、第三蒸気トラップ５３からのドレンなどを、一旦、給水タンク４４に溜め、この給水タンク４４内の水を、給水ポンプ３０の入口側へ供給する。給水タンク４４には、蒸気使用設備２９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４４は、図３０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（８，１７，１２，１５）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３０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。
【０１５３】
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３０および図３１に示す蒸気システム２７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２９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。
【０１５４】
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２９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の第四サブ熱交換器１７および第二蒸発器８には排蒸気が通され、この第二蒸発器８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の第二サブ熱交換器１５および蒸発器１２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の蒸発器１２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の蒸発器１２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、第四サブ熱交換器１７および第二サブ熱交換器１５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】
【０１５５】
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）第一蒸発器
８ （第一ヒートポンプの）第二蒸発器
９ （第二ヒートポンプの）圧縮機
１０ （第二ヒートポンプの）凝縮器
１１ （第二ヒートポンプの）膨張弁
１２ （第二ヒートポンプの）蒸発器
１３ 間接熱交換器
１４ 第一サブ熱交換器
１５ 第二サブ熱交換器
１６ 第三サブ熱交換器
１７ 第四サブ熱交換器
１８ 中間冷却器
１９ 中間冷却器
２２ セパレータ
２７ 蒸気システム
２９ 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、単段または複数段で構成され、少なくとも最下段に第一蒸発器と第二蒸発器とを有する第一ヒートポンプと、単段または複数段で構成され、前記最下段の第一蒸発器を兼ねる最上段の凝縮器を介して前記第一ヒートポンプと接続される第二ヒートポンプとを備え、前記第一ヒートポンプの第二蒸発器と、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第二蒸発器と、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第二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。これにより、第一ヒートポンプの第二蒸発器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、第二蒸発器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、前記第二ヒートポンプは、単段のヒートポンプから構成され、前記第一ヒートポンプの第二蒸発器と、前記第二ヒートポンプの最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、前記第一ヒートポンプの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、単段または複数段の第一ヒートポンプと、単段の第二ヒートポンプとを備え、第一ヒートポンプの第二蒸発器と、第二ヒートポンプの最下段の蒸発器とに熱源流体を順に通して、第一ヒートポンプの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、前記第一ヒートポンプは、複数段のヒートポンプから構成され、その内の一部または全部のヒートポンプは、蒸発器として前記第一蒸発器と前記第二蒸発器とを備え、前記各第一蒸発器は、隣接する上下のヒートポンプ同士を接続し、熱源流体は、上段のヒートポンプから順次下段のヒートポンプへと、前記各第二蒸発器を順に通され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、三段以上のヒートポンプから構成されることになる。そして、熱源流体は、上段のヒートポンプから順次下段のヒートポンプへと、第一ヒートポンプの各第二蒸発器を順に通された後、第二ヒートポンプの最下段の蒸発器に通され、第一ヒートポンプの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、前記第一ヒートポンプを構成する各段のヒートポンプは、蒸発器として前記第一蒸発器と前記第二蒸発器とを備え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、熱源流体は、第一ヒートポンプの各段の第二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、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を構成する単段または複数段のヒートポンプの内、前記第一蒸発器と前記第二蒸発器とを有する段のヒートポンプは、その膨張弁から圧縮機への冷媒流路に、前記第一蒸発器と前記第二蒸発器とが直列または並列に設置されるか、凝縮器から圧縮機への冷媒流路に、第一膨張弁および前記第一蒸発器と、第二膨張弁および前記第二蒸発器とが並列に設置され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、第一蒸発器と第二蒸発器とを直列または並列に設置するか、第一膨張弁および第一蒸発器と、第二膨張弁および第二蒸発器とを並列に設置して、第一ヒートポンプの第二蒸発器と、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において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と前記第二ヒートポンプとは、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）前記第二ヒートポンプの圧縮機からの冷媒と前記第一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前記第二ヒートポンプの凝縮器であると共に前記第一ヒートポンプの第一蒸発器である。
（ｂ）前記第二ヒートポンプの圧縮機からの冷媒と前記第一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、この中間冷却器が前記第二ヒートポンプの凝縮器であると共に前記第一ヒートポンプの第一蒸発器である。
（ｃ）前記第二ヒートポンプの圧縮機からの冷媒と前記第一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、この両冷媒と前記第一ヒートポンプの凝縮器から膨張弁を介することなく前記第二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、この中間冷却器が前記第二ヒートポンプの凝縮器であると共に前記第一ヒートポンプの第一蒸発器である。
【００２２】
請求項６に記載の発明によれば、第一ヒートポンプと第二ヒートポンプとを、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、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１〜６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。
【００２４】
請求項７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。
【００２５】
請求項８に記載の発明は、前記第一ヒートポンプと前記第二ヒートポンプとが、請求項６の（ｂ）の関係で接続される場合、前記第二ヒートポンプの圧縮機からの冷媒は、前記中間冷却器へ供給するのに代えてまたはそれに加えて、前記中間冷却器から圧縮機への冷媒流路へ供給することを特徴とする請求項６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、第二ヒートポンプの圧縮機からの冷媒を中間冷却器に入れるのを抑制することで、中間冷却器を構成する熱交換器を小さく構成することができる。また、第二ヒートポンプの圧縮機の潤滑油が中間冷却器に溜まることが防止できると共に、第一ヒートポンプの圧縮機の油切れを防止できる。
【００２７】
請求項９に記載の発明は、前記第一ヒートポンプと前記第二ヒートポンプとが、請求項６の（ｃ）の関係で接続される場合、前記第二ヒートポンプの圧縮機からの冷媒は、前記中間冷却器へ供給するのに代えてまたはそれに加えて、前記第一ヒートポンプの中間冷却器から圧縮機への冷媒流路、または、膨張弁から中間冷却器もしくは圧縮機への冷媒流路へ供給することを特徴とする請求項６に記載の蒸気発生システムである。
【００２８】
請求項９に記載の発明によれば、第二ヒートポンプの圧縮機からの冷媒を中間冷却器に入れるのを抑制することで、中間冷却器を構成する熱交換器を小さく構成することができる。
【００２９】
請求項１０に記載の発明は、前記第一ヒートポンプと前記第二ヒートポンプとが、請求項６の（ｃ）の関係で接続される場合、前記第一ヒートポンプの膨張弁からの冷媒を気液分離するセパレータを備え、このセパレータで分離された気相分を前記第二蒸発器から圧縮機までの冷媒流路へ供給することを特徴とする請求項６に記載の蒸気発生システムである。
【００３０】
請求項１０に記載の発明によれば、セパレータを設置して、気相分を中間冷却器および／または第二蒸発器に入れない構成とすることで、これらを構成する熱交換器を小さく構成することができる。
【００３１】
請求項１１に記載の発明は、次の（ａ）〜（ｄ）の内、いずれか一以上のサブ熱交換器を備え、前記第一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への水や蒸気の流通順序について、前記第一サブ熱交換器が設置される場合にはこの第一サブ熱交換器が先になるように設定され、前記第一ヒートポンプの第二蒸発器と、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、前記第二ヒートポンプの最下段の蒸発器と、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、前記第一ヒートポンプの第一蒸発器と、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、前記第一ヒートポンプの第二蒸発器と、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冷媒の流通順序について、前記第一蒸発器および前記第二蒸発器を、前記第三サブ熱交換器および前記第四サブ熱交換器よりも先になるように設定されることを特徴とする請求項１〜１０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一サブ熱交換器。
（ｂ）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二サブ熱交換器。
（ｃ）前記第一蒸発器が間接熱交換器である場合において、前記第一ヒートポンプの最下段の膨張弁から圧縮機への冷媒と、前記第二ヒートポンプの圧縮機から第一蒸発器への冷媒との第三サブ熱交換器。
（ｄ）前記第一ヒートポンプの最下段の膨張弁から圧縮機への冷媒と熱源流体との第四サブ熱交換器。
【００３２】
請求項１１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、さらに第三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。
【００３３】
さらに、請求項１２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１〜１１のいずれか１項に記載の蒸気発生システムである。
【００３４】
請求項１２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】
【００３５】
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】
【００３６】
【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】第四サブ熱交換器と、第一ヒートポンプの第二蒸発器と、第二サブ熱交換器と、第二ヒートポンプの蒸発器とへの熱源流体の流通順序を示す図である。
【図３】第一ヒートポンプの第一蒸発器と、第三サブ熱交換器と、第一ヒートポンプの第二蒸発器と、第四サブ熱交換器とへの、第一ヒートポンプの冷媒の流通順序を示す図である。
【図４】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、上下各段の圧縮機吸込体積流量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】実施例２の蒸気発生システムの変形例を示す概略図である。
【図１１】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１２】実施例３の蒸気発生システムの変形例を示す概略図である。
【図１３】本発明の蒸気発生システムの実施例４を示す概略図である。
【図１４】実施例４において、第一ヒートポンプの第一蒸発器と、第三サブ熱交換器とへの、第一ヒートポンプの冷媒の流通順序を示すと共に、第一ヒートポンプの第二蒸発器と、第四サブ熱交換器とへの、第一ヒートポンプの冷媒の流通順序を示す図である。
【図１５】本発明の蒸気発生システムの実施例５を示す概略図である。
【図１６】実施例５の蒸気発生システムの変形例を示す概略図である。
【図１７】本発明の蒸気発生システムの実施例６を示す概略図である。
【図１８】実施例６の蒸気発生システムの変形例１を示す概略図である。
【図１９】実施例６の蒸気発生システムの変形例２を示す概略図である。
【図２０】第一セパレータと、第二セパレータと、第三セパレータとの設置の組合せを示す図である。
【図２１】本発明の蒸気発生システムの実施例７を示す概略図である。
【図２２】本発明の蒸気発生システムの実施例８を示す概略図である。
【図２３】実施例８の蒸気発生システムの変形例１を示す概略図である。
【図２４】実施例８の蒸気発生システムの変形例２を示す概略図である。
【図２５】本発明の蒸気発生システムの実施例９を示す概略図である。
【図２６】実施例９の蒸気発生システムの変形例１を示す概略図である。
【図２７】実施例９の蒸気発生システムの変形例２を示す概略図である。
【図２８】第一セパレータと第二セパレータとの設置の組合せを示す図である。
【図２９Ａ】三段以上のヒートポンプで構成した本発明の蒸気発生システムの一例を示す概略図である。
【図２９Ｂ】第一ヒートポンプを単段、第二ヒートポンプを二段にした場合のＴ−Ｓ線図である。
【図２９Ｃ】複数段の第一ヒートポンプの各段に第一蒸発器と第二蒸発器とを設け、第二ヒートポンプを単段とした場合のＴ−Ｓ線図である。
【図３０】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３１】図３０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】
【００３７】
本発明の蒸気発生システムは、複数段のヒートポンプを備え、最下段を除いた各段のヒートポンプの内、一部または全部のヒートポンプは、蒸発器として第一蒸発器と第二蒸発器とを備え、各第一蒸発器は、隣接する上下のヒートポンプ同士を接続する。そして、上段のヒートポンプから順次下段のヒートポンプへと、各第二蒸発器を熱源流体が順に通され、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。
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】
【００３８】
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とを備える。
【００３９】
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７，８が順次環状に接続されて構成される。ここで、第一ヒートポンプ２は、蒸発器として第一蒸発器７と第二蒸発器８との二つの蒸発器を備え、これら蒸発器７，８は、本実施例では直列に接続されている。つまり、第一ヒートポンプ２の膨張弁６からの冷媒は、第一蒸発器７と第二蒸発器８とを順に（または後述するように逆に）通された後、圧縮機４へ送られる。
【００４０】
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７，８は、膨張弁６からの冷媒の蒸発を図る。
【００４１】
従って、第一ヒートポンプ２は、蒸発器７，８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７，８において、熱源流体などから熱をくみ上げ、凝縮器５において、水を加熱して蒸気を発生させる。
【００４２】
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。
【００４３】
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７，８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。
【００４４】
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、本実施例では単段のヒートポンプから構成される。第二ヒートポンプ３は、基本的には前述した第一ヒートポンプ２と同様の構成である。つまり、第二ヒートポンプ３は、圧縮機９、凝縮器１０、膨張弁１１および蒸発器１２が順次環状に接続されて構成される。但し、第二ヒートポンプ３は、第一ヒートポンプ２のように二種類の蒸発器を備える必要はない。そして、第二ヒートポンプ３は、蒸発器１２において、熱源流体から熱をくみ上げ、凝縮器１０において、第一ヒートポンプ２の冷媒を加熱して自身は凝縮を図られる。
【００４５】
第一ヒートポンプ２と第二ヒートポンプ３とは、次のようにして接続される。すなわち、第二ヒートポンプ３の圧縮機９からの冷媒と第一ヒートポンプ２の膨張弁６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１３を備え、この間接熱交換器１３が第二ヒートポンプ３の凝縮器１０であると共に第一ヒートポンプ２の第一蒸発器７とされる。なお、各ヒートポンプ２，３の冷媒は、同一でもよいし、異ならせてもよい。また、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。
【００４６】
詳細は後述するが、第一ヒートポンプ２の第二蒸発器８と、第二ヒートポンプ３の蒸発器１２とには、熱源流体が通される。従って、蒸気発生システム１は、これら蒸発器８，１２において、熱源流体から熱をくみ上げ、第一ヒートポンプ２の凝縮器５において、水を加熱して蒸気を発生させる。
【００４７】
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１４〜１７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、第一ヒートポンプ２の冷媒の過冷却器として機能する。
（ｂ）第二サブ熱交換器１５は、第二ヒートポンプ３の蒸発器１２から圧縮機９への冷媒と熱源流体との間接熱交換器であり、第二ヒートポンプ３の冷媒の過熱器として機能する。
（ｃ）第三サブ熱交換器１６は、第一蒸発器７が間接熱交換器１３である場合において、第一ヒートポンプ２の膨張弁６から圧縮機４への冷媒と、第二ヒートポンプ３の圧縮機９から第一蒸発器７への冷媒との間接熱交換器であり、第一ヒートポンプ２の冷媒の過熱器として機能する。
（ｄ）第四サブ熱交換器１７は、第一ヒートポンプ２の膨張弁６から圧縮機４への冷媒と熱源流体との間接熱交換器であり、第一ヒートポンプ２の冷媒の過熱器として機能する。
【００４８】
次に、水や蒸気の流通経路について説明する。
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一サブ熱交換器１４とは、水が供給されて蒸気が導出される。この水や蒸気の流通順序について、第一サブ熱交換器１４が設置される場合には、この第一サブ熱交換器１４を第一ヒートポンプ２の凝縮器５よりも先になるように設定する。そして、通常、第一ヒートポンプ２の凝縮器５から飽和蒸気を導出する。なお、各ヒートポンプ２，３の凝縮器５，１０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】
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の第二蒸発器８と、所望により設置される第四サブ熱交換器１７と、第二ヒートポンプ３の蒸発器１２と、所望により設置される第二サブ熱交換器１５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２に示すいずれかが用いられる。
【００５０】
図２は、所望により設置される第四サブ熱交換器１７と、第一ヒートポンプ２の第二蒸発器８と、所望により設置される第二サブ熱交換器１５と、第二ヒートポンプ３の蒸発器１２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１７，８，１５，１２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。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の蒸発器８，１２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。
【００５１】
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、第四サブ熱交換器１７が１、第一ヒートポンプ２の第二蒸発器８が２、第二サブ熱交換器１５が３、第二ヒートポンプ３の蒸発器１２が４である。この場合、熱源流体は、第四サブ熱交換器１７、第一ヒートポンプ２の第二蒸発器８、第二サブ熱交換器１５、第二ヒートポンプ３の蒸発器１２を順に通される。
【００５２】
また、２行目には、１−２−１−３とある。すなわち、第四サブ熱交換器１７が１、第一ヒートポンプ２の第二蒸発器８が２、第二サブ熱交換器１５が１、第二ヒートポンプ３の蒸発器１２が３である。この場合、熱源流体は、第四サブ熱交換器１７と第二サブ熱交換器１５とを並列に通された後、第一ヒートポンプ２の第二蒸発器８と、第二ヒートポンプ３の蒸発器１２とを順に通される。
【００５３】
さらに、４行目には、１−２−０−３とある。すなわち、第四サブ熱交換器１７が１、第一ヒートポンプ２の第二蒸発器８が２、第二サブ熱交換器１５が０、第二ヒートポンプ３の蒸発器１２が３である。この場合、第二サブ熱交換器１５は設置されず、熱源流体は、第四サブ熱交換器１７を通された後、第一ヒートポンプ２の第二蒸発器８と、第二ヒートポンプ３の蒸発器１２とを順に通される。
【００５４】
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の蒸発器１２が後になるように設定するのが好ましい。言い換えれば、熱源流体は、第一ヒートポンプ２の第二蒸発器８を通された後、第二ヒートポンプ３の蒸発器１２に通される。
【００５５】
図３は、第一ヒートポンプ２の第一蒸発器７と、所望により設置される第三サブ熱交換器１６と、第一ヒートポンプ２の第二蒸発器８と、所望により設置される第四サブ熱交換器１７への、第一ヒートポンプ２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７，１６，８，１７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。
【００５６】
具体例をいくつか説明すると、たとえば１行目には、１−３−２−３とある。すなわち、第一蒸発器７が１、第三サブ熱交換器１６が３、第二蒸発器８が２、第四サブ熱交換器１７が３である。この場合、第一ヒートポンプ２の膨張弁６からの冷媒は、第一蒸発器７と第二蒸発器８とを順に通された後、第三サブ熱交換器１６と第四サブ熱交換器１７とを並行に通されて、圧縮機４へ送られる。
【００５７】
また、２行目には、１−３−２−４とある。すなわち、第一蒸発器７が１、第三サブ熱交換器１６が３、第二蒸発器８が２、第四サブ熱交換器１７が４である。この場合、第一ヒートポンプ２の膨張弁６からの冷媒は、第一蒸発器７、第二蒸発器８、第三サブ熱交換器１６および第四サブ熱交換器１７を順に通されて、圧縮機４へ送られる。
【００５８】
さらに、４行目には、１−３−２−０とある。すなわち、第一蒸発器７が１、第三サブ熱交換器１６が３、第二蒸発器８が２、第四サブ熱交換器１７が０である。この場合、第四サブ熱交換器１７は設置されず、第一ヒートポンプ２の膨張弁６からの冷媒は、第一蒸発器７、第二蒸発器８および第三サブ熱交換器１６を順に通されて、圧縮機４へ送られる。
【００５９】
いずれにしても、基本的には、第一ヒートポンプ２の冷媒の流通順序について、第一蒸発器７および第二蒸発器８を、第三サブ熱交換器１６および第四サブ熱交換器１７よりも先になるように設定するのが好ましい。
【００６０】
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の第二蒸発器８に供給され１２５℃で排出された後、第二ヒートポンプ３の蒸発器１２に供給されて８０℃で排出される。第二ヒートポンプ３は、低温側（圧縮機９の入口側）の冷媒温度が７５℃とされ、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。
【００６１】
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の第二蒸発器８を通された後、第二ヒートポンプ３の蒸発器１２に通される。これにより、第一ヒートポンプ２の第二蒸発器８においてドレンが冷やされた分を第二ヒートポンプ３がカバーして、第二蒸発器８を通過後のドレン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。
【００６２】
言い換えれば、蒸気発生システム１は、全体でみるとあたかも複数段（本実施例では二段）のヒートポンプ２，３で構成されてなり、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）の圧縮機９の容量を小さくすることができる。
【００６３】
図４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の蒸発器１２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。
【００６４】
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において第二蒸発器８の設置を省略して、最下段の第二ヒートポンプ３の蒸発器１２のみから熱をくみ上げる構成と同等である。
【００６５】
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、上下各段の圧縮機吸込体積流量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の蒸発器１２を通過後の最終的なドレン温度を横軸とし、圧縮機吸込体積流量を縦軸としている。
【００６６】
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、圧縮機吸込体積流量を少なくすることができる。これにより、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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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】
【００７３】
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。
【００７４】
本実施例２では、第一ヒートポンプ２と第二ヒートポンプ３との接続の構成において、前記実施例１と異なる。前記実施例１では、第一ヒートポンプ２と第二ヒートポンプ３とを間接熱交換器１３で接続したが、本実施例２では、第一ヒートポンプ２と第二ヒートポンプ３とを中間冷却器１８で接続している。
【００７５】
具体的には、第二ヒートポンプ３の圧縮機９からの冷媒と第一ヒートポンプ２の膨張弁６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が第二ヒートポンプ３の凝縮器１０であると共に第一ヒートポンプ２の蒸発器７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、第二ヒートポンプ３の圧縮機９からの冷媒と、第一ヒートポンプ２の膨張弁６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、第二ヒートポンプ３の圧縮機９からの冷媒の凝縮と、第一ヒートポンプ２の膨張弁６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第二ヒートポンプ３の膨張弁１１へ送る一方、気液混合冷媒は第一ヒートポンプ２の第二蒸発器８を介して圧縮機４へ送ればよい。
【００７６】
本実施例２では、第一ヒートポンプ２の膨張弁６からの冷媒は、基本的に、中間冷却器１８と第二蒸発器８とを順に介して、圧縮機４へ送られる。第二蒸発器８においても冷媒を沸騰させる関係上、中間冷却器１８から第二蒸発器８へは、気相分と液相分とを所定割合で混合して送られる。この混合割合の調整は、たとえば、中間冷却器１８からの気相分の冷媒流路と液相分の冷媒流路とにそれぞれ設けた弁（図示省略）の開度調整により行われる。
【００７７】
また、本実施例２では、第三サブ熱交換器１６は設置されない。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。
【００７８】
次に、本実施例２の蒸気発生システム１の変形例について説明する。この際、図９と異なる点を中心に説明し、同様の構成については説明を省略する。また、対応する箇所には同一の符号を付して説明する。
【００７９】
図１０は、本実施例２の蒸気発生システム１の変形例を示す概略図である。図９の蒸気発生システム１では、第二ヒートポンプ３の圧縮機９からの冷媒は、中間冷却器１８へ供給されたが、本変形例では、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、第一ヒートポンプ２の中間冷却器１８から圧縮機４への冷媒流路へ供給される。この際、第二蒸発器８の入口側でもよいし出口側でもよいし、第四サブ熱交換器１７が設置される場合にはその第四サブ熱交換器１７の入口側でもよいし出口側でもよい。また、二点鎖線Ｂで示すように、第二ヒートポンプ３の圧縮機９からの冷媒は、第一ヒートポンプ２の膨張弁６から中間冷却器１８への冷媒流路に合流させてもよい。
【実施例３】
【００８０】
図１１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。
【００８１】
本実施例３では、第一ヒートポンプ２と第二ヒートポンプ３との接続の構成において、前記実施例１と異なる。前記実施例１では、第一ヒートポンプ２と第二ヒートポンプ３とを間接熱交換器１３で接続したが、本実施例３では、第一ヒートポンプ２と第二ヒートポンプ３とを中間冷却器１９で接続している。
【００８２】
具体的には、第二ヒートポンプ３の圧縮機９からの冷媒と第一ヒートポンプ２の膨張弁６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、この両冷媒と第一ヒートポンプ２の凝縮器５から膨張弁６を介することなく第二ヒートポンプ３の膨張弁１１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が第二ヒートポンプ３の凝縮器１０であると共に第一ヒートポンプ２の蒸発器７である。より詳細には、中間冷却器１９として、第一領域２０と第二領域２１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２０において、第二ヒートポンプ３の圧縮機９からの冷媒と第一ヒートポンプ２の膨張弁６からの冷媒とが直接に熱交換される一方、第二領域２１に、第一ヒートポンプ２の凝縮器５から膨張弁６を介することなく冷媒を通して、第二ヒートポンプ３の膨張弁１１へ供給すればよい。この場合、第二ヒートポンプ３の圧縮機９からの冷媒は、中間冷却器１９において第一ヒートポンプ２の膨張弁６からの冷媒で中間冷却を図られた後、第一ヒートポンプ２の圧縮機４においてさらに高圧高温のガス冷媒とされ、第一ヒートポンプ２の凝縮器５にて凝縮される。そして、その液冷媒の一部は、第一ヒートポンプ２の膨張弁６を介して、中間冷却器１９の第一領域２０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２１を介して、第二ヒートポンプ３の膨張弁１１で減圧され、第二ヒートポンプ３の蒸発器１２において気化した後、再び第二ヒートポンプ３の圧縮機９へ戻される。
【００８３】
このような構成に伴い、本実施例３では、第三サブ熱交換器１６は設置されない。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。
【００８４】
次に、本実施例３の蒸気発生システム１の変形例について説明する。この際、図１１と異なる点を中心に説明し、同様の構成については説明を省略する。また、対応する箇所には同一の符号を付して説明する。
【００８５】
図１２は、本実施例３の蒸気発生システム１の変形例を示す概略図である。図１１の蒸気発生システム１では、第二ヒートポンプ３の圧縮機９からの冷媒は、中間冷却器１９へ供給されたが、本変形例では、中間冷却器１９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、第一ヒートポンプ２の中間冷却器１９から圧縮機４への冷媒流路へ供給される。この際、第二蒸発器８の入口側でもよいし出口側でもよいし、第四サブ熱交換器１７が設置される場合にはその第四サブ熱交換器１７の入口側でもよいし出口側でもよい。また、二点鎖線Ｂで示すように、第一ヒートポンプ２の膨張弁６から中間冷却器１９への冷媒流路へ供給してもよい。なお、第一ヒートポンプ２の膨張弁６から中間冷却器１９への冷媒流路に後述するセパレータ２２を設ける場合には、その膨張弁６からセパレータ２２への冷媒流路でもよいし、セパレータ２２からの気相分の冷媒流路２３に供給してもよい。
【００８６】
また、本変形例では、第一ヒートポンプ２の膨張弁６の出口側にセパレータ２２を設けている。この場合、セパレータ２２で分離された液相分は、中間冷却器１９へ供給され、気相分は、流路２３で示すように、第一ヒートポンプ２の中間冷却器１９から圧縮機４への冷媒流路へ供給される。この際、第二蒸発器８の入口側でもよいし出口側でもよいし、第四サブ熱交換器１７が設置される場合にはその第四サブ熱交換器１７の入口側でもよいし出口側でもよい。
【００８７】
なお、セパレータ２２は、第一ヒートポンプ２の膨張弁６から中間冷却器１９への冷媒流路に設けることに代えてまたはこれに加えて、中間冷却器１９から第二蒸発器８への冷媒流路に設けてもよい。その場合、液相分は、第二蒸発器８へ供給され、気相分は、第二蒸発器８から圧縮機４への冷媒流路のいずれの箇所へ供給してもよい。
【実施例４】
【００８８】
図１３は、本発明の蒸気発生システム１の実施例４を示す概略図である。本実施例４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。
【００８９】
前記実施例１では、第一蒸発器７と第二蒸発器８とが直列に設置されたが、本実施例４では、第一蒸発器７と第二蒸発器８とが並列に設置される。すなわち、本実施例では、第一ヒートポンプ２の膨張弁６からの冷媒は、第一蒸発器７と、所望により設置される第三サブ熱交換器１６とを介して、圧縮機４へ供給されると共に、第二蒸発器８と、所望により設置される第四サブ熱交換器１７とを介して、圧縮機４へ供給される。
【００９０】
図１４は、本実施例４において、第一ヒートポンプ２の第一蒸発器７と、所望により設置される第三サブ熱交換器１６とへの、第一ヒートポンプ２の冷媒の流通順序を示すと共に、第一ヒートポンプ２の第二蒸発器８と、所望により設置される第四サブ熱交換器１７とへの、第一ヒートポンプ２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７，１６，８，１７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。
【００９１】
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、第一蒸発器７が１、第三サブ熱交換器１６が２、第二蒸発器８が１、第四サブ熱交換器１７が２である。この場合、第一ヒートポンプ２の膨張弁６からの冷媒は、第一蒸発器７と第三サブ熱交換器１６とを順に通される冷媒流路と、第二蒸発器８と第四サブ熱交換器１７とを順に通される冷媒流路とを並列に通され、圧縮機４へ送られる。
【００９２】
また、２行目には、１−２−１−３とある。すなわち、第一蒸発器７が１、第三サブ熱交換器１６が２、第二蒸発器８が１、第四サブ熱交換器１７が３である。この場合、第一ヒートポンプ２の膨張弁６からの冷媒は、第一蒸発器７と第二蒸発器８とに並列に通された後、第三サブ熱交換器１６と第四サブ熱交換器１７とを順に通されて、圧縮機４へ送られる。あるいは、第一ヒートポンプ２の膨張弁６からの冷媒は、第一蒸発器７と第三サブ熱交換器１６とを順に通されると共に、これと並行に第二蒸発器８にも通された後、両者は合流して第四サブ熱交換器１７を介して圧縮機４へ送られる。
【００９３】
さらに、４行目には、１−０−１−１とある。すなわち、第一蒸発器７が１、第三サブ熱交換器１６が０、第二蒸発器８が１、第四サブ熱交換器１７が１である。この場合、第三サブ熱交換器１６は設置されず、第一ヒートポンプ２の膨張弁６からの冷媒は、第一蒸発器７と、第二蒸発器８と、第四サブ熱交換器１７とを並列に通された後、圧縮機４へ送られる。
【００９４】
いずれにしても、基本的には、第一ヒートポンプ２の冷媒の流通順序について、第一蒸発器７および第二蒸発器８を、第三サブ熱交換器１６および第四サブ熱交換器１７よりも先になるように設定するのが好ましい。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５】
【００９５】
図１５は、本発明の蒸気発生システム１の実施例５を示す概略図である。本実施例５の蒸気発生システム１は、基本的には前記実施例２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。
【００９６】
前記実施例２では、中間冷却器１８から気相分と液相分とが所定の混合割合で、第二蒸発器８と、所望により設置される第四サブ熱交換器１７とを介して、圧縮機４へ供給されたが、本実施例５では、中間冷却器１８の気相部と圧縮機４とを結ぶ冷媒流路と、中間冷却器１８の液相部と圧縮機４とを結ぶ冷媒流路とが、並列に設置される。そして、後者の冷媒流路には、第二蒸発器８と、所望により第四サブ熱交換器１７が設置される。なお、中間冷却器１８からの気相分の冷媒は、直接に圧縮機４の入口側へ供給する以外に、二点鎖線Ａで示すように、第四サブ熱交換器１７が設置される場合には、その手前側へ供給してもよい。
【００９７】
前記実施例４に対する本実施例５の関係は、前記実施例１に対する前記実施例２の関係と対応する。その他の構成は、前記実施例２と同様のため、説明を省略する。
【００９８】
次に、本実施例５の蒸気発生システム１の変形例について説明する。この際、図１５と異なる点を中心に説明し、同様の構成については説明を省略する。また、対応する箇所には同一の符号を付して説明する。
【００９９】
図１６は、本実施例５の蒸気発生システム１の変形例を示す概略図である。図１５の蒸気発生システム１では、第二ヒートポンプ３の圧縮機９からの冷媒は、中間冷却器１８へ供給されたが、本変形例では、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、中間冷却器１８から圧縮機４への気相分の冷媒流路へ供給するか、二点鎖線Ｂで示すように、中間冷却器１８から圧縮機４への液相分の冷媒流路へ供給する。後者の場合、第二蒸発器８の入口側でもよいし出口側でもよいし、第四サブ熱交換器１７が設置される場合にはその第四サブ熱交換器１７の入口側でもよいし出口側でもよい。また、二点鎖線Ｃで示すように、第二ヒートポンプ３の圧縮機９からの冷媒は、第一ヒートポンプ２の膨張弁６から中間冷却器１８への冷媒流路に合流させてもよい。
【実施例６】
【０１００】
図１７は、本発明の蒸気発生システム１の実施例６を示す概略図である。本実施例６の蒸気発生システム１は、基本的には前記実施例３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。
【０１０１】
前記実施例３では、第一ヒートポンプ２の膨張弁６からの冷媒は、中間冷却器１９および第二蒸発器８を介して圧縮機４へ供給されたが、本実施例６では、第一ヒートポンプ２の膨張弁６からの冷媒は、中間冷却器１９を介するが第二蒸発器８は介さずに圧縮機４へ供給されると共に、これと並列に、中間冷却器１９は介さずに第二蒸発器８を介して圧縮機４へ供給される。
【０１０２】
なお、二点鎖線Ａで示すように、第一ヒートポンプの膨張弁６から中間冷却器１９への冷媒の供給は、第二ヒートポンプ３の圧縮機９から中間冷却器１９への冷媒と合流させて行ってもよい。また、二点鎖線Ｘで示すように、中間冷却器１９から圧縮機４への冷媒は、場合により、第四サブ熱交換器１７の手前へ供給してもよい。
【０１０３】
前記実施例４に対する本実施例６の関係は、前記実施例１に対する前記実施例３の関係と対応する。その他の構成は、前記実施例３と同様のため、説明を省略する。
【０１０４】
次に、本実施例６の蒸気発生システム１の変形例について説明する。この際、図１７と異なる点を中心に説明し、同様の構成については説明を省略する。また、対応する箇所には同一の符号を付して説明する。
【０１０５】
図１８は、本実施例６の蒸気発生システム１の変形例１を示す概略図である。図１７の蒸気発生システム１では、第二ヒートポンプ３の圧縮機９からの冷媒は、中間冷却器１９へ供給されたが、本変形例では、中間冷却器１９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、第一ヒートポンプ２の膨張弁６から中間冷却器１９への冷媒流路へ合流させてもよいし、二点鎖線Ｂで示すように、膨張弁６から第二蒸発器８を介した圧縮機４への冷媒流路へ供給してもよいし、二点鎖線Ｃで示すように、中間冷却器１９から圧縮機４への冷媒流路へ供給してもよい。
【０１０６】
図１９は、本実施例６の蒸気発生システム１の変形例２を示す概略図である。本変形例では、第一ヒートポンプ２の膨張弁６の出口側にセパレータ２２（２２Ａ〜２２Ｃ）を設けている。第一ヒートポンプ２の膨張弁６からの冷媒は、共通流路２４を介して、第二蒸発器８への流路２５と、中間冷却器１９への流路２６とに分岐されるが、そのいずれの箇所にセパレータ２２を設置してもよい。共通流路２４に設置されるものを第一セパレータ２２Ａ、第二蒸発器８への流路２５に設置されるものを第二セパレータ２２Ｂ、中間冷却器１９への流路２６に設置されるものを第三セパレータ２２Ｃとして、図２０に示す組合せで設置可能である。図２０では、１が設置、０が無設置を示している。
【０１０７】
図２０中、１行目のパターンでは、いずれのセパレータも設置されない。２行目のパターンでは、第一セパレータ２２Ａのみが設置される。この場合、セパレータ２２Ａで分離された液相分が中間冷却器１９および第二蒸発器８へ供給され、気相分が二点鎖線Ａで示すように、第二蒸発器８から圧縮機４までのいずれかの箇所へ供給される。
【０１０８】
また、３行目のパターンでは、第二セパレータ２２Ｂのみが設置される。この場合、第一ヒートポンプ２の膨張弁６からの冷媒は、中間冷却器１９とセパレータ２２Ｂへと供給され、セパレータ２２Ｂで分離された液相分が第二蒸発器８へ供給され、気相分が二点鎖線Ａで示すように、第二蒸発器８から圧縮機４までのいずれかの箇所へ供給される。
【０１０９】
また、４行目のパターンでは、第三セパレータ２２Ｃのみが設置される。この場合、第一ヒートポンプ２の膨張弁６からの冷媒は、第二蒸発器８とセパレータ２２Ｃへと供給され、セパレータ２２Ｃで分離された液相分が中間冷却器１９へ供給され、気相分が二点鎖線Ａで示すように、第二蒸発器８から圧縮機４までのいずれかの箇所へ供給される。
【０１１０】
さらに、５行目のパターンに示すように、第二セパレータ２２Ｂと第三セパレータ２２Ｃとの双方を設置してもよい。いずれにしても、セパレータ２２を設けて、気相分を中間冷却器１９や第二蒸発器８に入れない構成とすることで、これらを構成する熱交換器を小さくすることができる。
【実施例７】
【０１１１】
図２１は、本発明の蒸気発生システム１の実施例７を示す概略図である。本実施例７の蒸気発生システム１は、基本的には前記実施例４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。
【０１１２】
前記実施例４では、第一蒸発器７と第二蒸発器８とが並列に設置され、共通の膨張弁６を介した冷媒がそれぞれ通されたが、本実施例７では、第一ヒートポンプ２の凝縮器５からの冷媒は、第一膨張弁６Ａと第一蒸発器７とを備える冷媒流路と、第二膨張弁６Ｂと第二蒸発器８とを備える冷媒流路とを並列に通された後、圧縮機４へ供給される。その他の構成は、前記実施例４と同様のため、説明を省略する。
【実施例８】
【０１１３】
図２２は、本発明の蒸気発生システム１の実施例８を示す概略図である。本実施例８の蒸気発生システム１は、基本的には前記実施例５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。
【０１１４】
前記実施例５では、中間冷却器１８からの気相分の冷媒流路と液相分の冷媒流路とが並列に設置され、共通の膨張弁６を介した冷媒がそれぞれ通されたが、本実施例８では、第一ヒートポンプ２の凝縮器５からの冷媒は、第一膨張弁６Ａを介して中間冷却器１８へ供給されると共に、これと並行に、第二膨張弁６Ｂを介して第二蒸発器８へも供給される。そして、中間冷却器１８の気相部と圧縮機４とが冷媒流路で接続される。一方、第二膨張弁６Ｂからの冷媒は、第二蒸発器８や、所望により設置される第四サブ熱交換器１７を介して圧縮機４へ供給される。その他の構成は、前記実施例５と同様のため、説明を省略する。
【０１１５】
次に、本実施例８の蒸気発生システム１の変形例について説明する。この際、図２２と異なる点を中心に説明し、同様の構成については説明を省略する。また、対応する箇所には同一の符号を付して説明する。
【０１１６】
図２３は、本実施例８の蒸気発生システム１の変形例１を示す概略図である。図２２の蒸気発生システム１では、第二ヒートポンプ３の圧縮機９からの冷媒は、中間冷却器１８へ供給されたが、本変形例では、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、中間冷却器１８から圧縮機４への冷媒流路に供給してもよいし、二点鎖線Ｂで示すように、第二膨張弁６Ｂから第二蒸発器８を介した圧縮機４への冷媒流路のいずれの箇所へ供給してもよい。あるいは、第二ヒートポンプ３の圧縮機９からの冷媒は、二点鎖線Ｃで示すように、第一ヒートポンプ２の第一膨張弁６Ａからの冷媒と合流させて中間冷却器１８へ供給してもよい。
【０１１７】
図２４は、本実施例８の蒸気発生システム１の変形例２を示す概略図である。本変形例では、第二膨張弁６Ｂから第二蒸発器８への冷媒流路にセパレータ２２を設けている。これにより、第二膨張弁６Ｂからの冷媒は、セパレータ２２で気液分離され、その液相分が第二蒸発器８へ供給され、気相分は、二点鎖線Ａで示すように第二蒸発器８から圧縮機４への冷媒流路のいずれかの箇所へ供給される。
【実施例９】
【０１１８】
図２５は、本発明の蒸気発生システム１の実施例９を示す概略図である。本実施例９の蒸気発生システム１は、基本的には前記実施例６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。
【０１１９】
前記実施例６では、第一ヒートポンプ２では、共通の膨張弁６からの冷媒が、中間冷却器１９と第二蒸発器８とに並列に通されて圧縮機４へ供給されたが、本実施例９では、第一ヒートポンプ２の凝縮器５からの冷媒は、第一膨張弁６Ａを介して中間冷却器１９へ供給されると共に、これと並行に、第二膨張弁６Ｂを介して第二蒸発器８へも供給される。なお、二点鎖線Ａで示すように、第二膨張弁６Ｂからの冷媒は、第二ヒートポンプ３の圧縮機９からの冷媒と合流させて、中間冷却器１９へ供給してもよい。その他の構成は、前記実施例６と同様のため、説明を省略する。
【０１２０】
次に、本実施例９の蒸気発生システム１の変形例について説明する。この際、図２５と異なる点を中心に説明し、同様の構成については説明を省略する。また、対応する箇所には同一の符号を付して説明する。
【０１２１】
図２６は、本実施例９の蒸気発生システム１の変形例１を示す概略図である。図２５の蒸気発生システム１では、第二ヒートポンプ３の圧縮機９からの冷媒は、中間冷却器１９へ供給されたが、本変形例では、中間冷却器１９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、第一膨張弁６Ａから中間冷却器１９への冷媒流路に合流させてもよいし、二点鎖線Ｂで示すように、中間冷却器１９から圧縮機４への冷媒流路に供給してもよいし、二点鎖線Ｃで示すように、第二膨張弁６Ｂから第二蒸発器８を介した圧縮機４への冷媒流路のいずれの箇所へ供給してもよい。
【０１２２】
図２７は、本実施例９の蒸気発生システム１の変形例２を示す概略図である。本変形例では、第二膨張弁６Ｂから第二蒸発器８への冷媒流路に第一セパレータ２２Ａを設けている。これにより、第二膨張弁６Ｂからの冷媒は、第一セパレータ２２Ａで気液分離され、その液相分が第二蒸発器８へ供給され、気相分は、二点鎖線Ａで示すように第二蒸発器８から圧縮機４への冷媒流路のいずれかの箇所へ供給される。また、第一膨張弁６Ａから中間冷却器１９への冷媒流路に、第二セパレータ２２Ｂを設けてもよい。これにより、第一膨張弁６Ａからの冷媒は、第二セパレータ２２Ｂで気液分離され、その液相分が中間冷却器１９へ供給され、気相分は、二点鎖線Ｂで示すように第二蒸発器８から圧縮機４への冷媒流路のいずれかの箇所へ供給される。
【０１２３】
図２８は、第一セパレータ２２Ａと第二セパレータ２２Ｂとの設置の組合せを示す図である。この図では、１が設置、０が無設置を示している。この図に示すように、両セパレータ２２Ａ，２２Ｂを設置してもよいし、いずれか一方のセパレータのみを設置してもよいし、両方のセパレータの設置を省略してもよい。
【実施例１０】
【０１２４】
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も単段で構成したが、各ヒートポンプ２，３の段数は適宜に変更可能である。言い換えれば、前記各実施例では、単段の第一ヒートポンプ２と単段の第二ヒートポンプ３とを組み合わせて、蒸気発生システム１全体でみるとあたかも二段のヒートポンプで構成した例を示したが、蒸気発生システム１を構成するヒートポンプ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のような一元多段のヒートポンプの他、図１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。
【０１２５】
たとえば、図２９Ａは、第一ヒートポンプ２を上下二段で構成し、第二ヒートポンプ３を単段で構成した例を示している。言い換えれば、蒸気発生システム１を三段のヒートポンプから構成している。なお、第二ヒートポンプ３についても、従来公知の二段ヒートポンプと同様に、二段またはそれ以上の複数段で構成してもよい。
【０１２６】
図２９Ａの蒸気発生システム１では、最下段のヒートポンプ（第二ヒートポンプ３）を除き、各ヒートポンプ（各段の第一ヒートポンプ２Ａ，２Ｂ）の蒸発器として第一蒸発器７Ａ，７Ｂと第二蒸発器８Ａ，８Ｂとが設置され、第一蒸発器７Ａ，７Ｂで上下隣接するヒートポンプ同士を接続し、第二蒸発器８Ａ，８Ｂには熱源流体が通される。この際、隣接する上下のヒートポンプ同士は、前記各実施例で説明したいずれの関係で接続してもよい。つまり、上下に隣接するヒートポンプ同士は、図示例では間接熱交換器１３（１３Ａ，１３Ｂ）で接続されているが、前述したような中間冷却器１８，１９で接続されてもよい。また、第一ヒートポンプ２を構成する各段のヒートポンプは、前記実施例１の構成に限らず、その他の実施例の構成としてもよい。そして、熱源流体は、典型的には、最上段のヒートポンプから順次下段のヒートポンプへと、それぞれの第二蒸発器８（８Ａ，８Ｂ）を順に通される。
【０１２７】
蒸気発生システム１を３段以上のヒートポンプで構成する場合（言い換えれば第一ヒートポンプ２を複数段にする場合）、最下段のヒートポンプ（第二ヒートポンプ３）を除き、すべての段の第一ヒートポンプ２Ａ，２Ｂにおいて、蒸発器として第一蒸発器７Ａ，７Ｂと第二蒸発器８Ａ，８Ｂとを設け、各第一蒸発器７Ａ，７Ｂで上下隣接するヒートポンプ同士を接続し、各第二蒸発器８Ａ，８Ｂには上段から下段へ向けて熱源流体が順次通されるのが好ましい。
【０１２８】
このように構成するのが好ましい理由は、次のとおりである。すなわち、図２９Ｂは、第一ヒートポンプ２を単段、第二ヒートポンプ３を二段とした場合のＴ−Ｓ線図であり、図２９Ｃは、第一ヒートポンプ２が二段でその各段に第一蒸発器７Ａ，７Ｂと第二蒸発器８Ａ，８Ｂとを設置し、第二ヒートポンプ３を単段とした場合のＴ−Ｓ線図である。図２９Ｂと図２９Ｃ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２９Ｃの方が少なくできる。よって、蒸気発生システム１は、最下段のヒートポンプ３を除き、各段のヒートポンプ２Ａ，２Ｂに第二蒸発器８Ａ，８Ｂを設置して、熱源流体を通すのが好ましい。
【０１２９】
このようにして蒸気発生システム１を３段以上のヒートポンプで構成する場合（言い換えれば第一ヒートポンプ２を複数段にする場合）において、第一サブ熱交換器１４を設置しようとするときは、第一サブ熱交換器１４は最上段のヒートポンプ（第一ヒートポンプ２の最上段のヒートポンプ２Ａ）に設置すればよい。
【０１３０】
また、蒸気発生システム１を３段以上のヒートポンプで構成する場合において、第二サブ熱交換器１５を設置しようとするときは、第二サブ熱交換器１５は最下段のヒートポンプ（第二ヒートポンプ３の最下段のヒートポンプ）に設置すればよい。
【０１３１】
さらに、蒸気発生システム１を３段以上のヒートポンプで構成する場合において、第三サブ熱交換器１６および／または第四サブ熱交換器１７を設置しようとするときは、第三サブ熱交換器１６および／または第四サブ熱交換器１７は、各段の第一ヒートポンプ２（２Ａ，２Ｂ）に設置できる。この場合において、最下段の第一ヒートポンプ２Ｂでは、第三サブ熱交換器１６は、第一ヒートポンプ２の最下段の膨張弁６Ｂから圧縮機４Ｂへの冷媒と、第二ヒートポンプ３の圧縮機９から第一蒸発器７Ｂへの冷媒との間接熱交換器となるが、それより上段の各第一ヒートポンプ２Ａでは、第三サブ熱交換器１６は、その段の第一ヒートポンプ２Ａの膨張弁６Ａから圧縮機４Ａへの冷媒と、一つ下段の第一ヒートポンプ２Ｂの圧縮機４Ｂから第一蒸発器７Ａへの冷媒との間接熱交換器となる。
【０１３２】
図３０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２７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の第二蒸発器８と、所望により設置される第四サブ熱交換器１７と、第二ヒートポンプ３の蒸発器１２と、所望により設置される第二サブ熱交換器１５とを、熱くみ上げ用熱交換器（８，１７，１２，１５）ということにする。また、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一サブ熱交換器１４とを、蒸気発生用熱交換器（５，１４）ということにする。
【０１３３】
蒸気システム２７は、蒸気発生システム１とボイラ２８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（８，１７，１２，１５）においてドレンの熱をくみ上げて、蒸気発生用熱交換器（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（８，１７，１２，１５）には、蒸気使用設備２９からのドレンが通される。熱くみ上げ用熱交換器（８，１７，１２，１５）としての各蒸発器８，１２や各サブ熱交換器１７，１５へのドレンの通し方は、図２に基づき説明したとおりである。
【０１３４】
一方、蒸気発生用熱交換器（５，１４）には、給水ポンプ３０により水が供給可能とされ、蒸気発生用熱交換器（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２９からのドレンが、給水ポンプ３０、給水弁３１、逆止弁３２を介して、蒸気発生用熱交換器（５，１４）に供給される。蒸気発生用熱交換器（５，１４）としての凝縮器５や第一サブ熱交換器１４への水や蒸気の通し方も、前記各実施例で説明したとおりである。
【０１３５】
ボイラ２８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２８には、給水ポンプ３３と逆止弁３４とを介して水が供給可能とされ、ボイラ２８の缶体内の水位は所望に維持される。
【０１３６】
蒸気発生用熱交換器（５，１４）からの蒸気路３５と、ボイラ２８からの蒸気路３６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（５，１４）からの蒸気路３５には、合流部よりも上流側に、逆止弁３７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２８からの蒸気が蒸気発生用熱交換器（５，１４）へ逆流するのが防止される。
【０１３７】
さらに、ボイラ２８からの蒸気路３６には、合流部よりも上流側に、ボイラ蒸気供給弁３８が設けられる。ボイラ蒸気供給弁３８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３８より上流側は、下流側よりもボイラ２８により高圧に維持される。
【０１３８】
蒸気発生システム（５，１４）やボイラ２８からの蒸気は、一または複数の蒸気使用設備２９へ送られる。蒸気使用設備２９のドレンは、第一蒸気トラップ３９を介して、中空容器状のセパレータタンク４０へ排出される。セパレータタンク４０には、上部に第一流路４１が接続され、下部に第二流路４２が接続される。
【０１３９】
第一流路４１には、セパレータタンク４０の側から順に、熱くみ上げ用熱交換器（８，１７，１２，１５）と第二蒸気トラップ４３とが設けられる。このような構成であるから、蒸気使用設備２９のドレンは、第一蒸気トラップ３９により低圧下に排出された後、熱くみ上げ用熱交換器（８，１７，１２，１５）を通過後に、第二蒸気トラップ４３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２９のドレンは、第一蒸気トラップ３９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（８，１７，１２，１５）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４３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（８，１７，１２，１５）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４３からの排水は、そのまま捨ててもよいし、ボイラ２８および／または蒸気発生用熱交換器（５，１４）への給水タンク４４へ供給してもよいし、このような給水タンク４４を介さずに蒸気発生用熱交換器（５，１４）への給水として用いてもよい。
【０１４０】
一方、第二流路４２には、排出弁４５が設けられる。排出弁４５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２９のドレンは、第一蒸気トラップ３９により低圧下に排出された後、排出弁４５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４５からの流体は、そのまま捨ててもよいし、ボイラ２８および／または蒸気発生用熱交換器（５，１４）への給水タンク４４へ供給してもよいし、このような給水タンク４４を介さずに蒸気発生用熱交換器（５，１４）への給水として用いてもよい。
【０１４１】
さらに、緊急時や停電時のために、第一流路４１には、セパレータタンク４０と熱くみ上げ用熱交換器（８，１７，１２，１５）との間に、ノーマルクローズド型の電磁弁４６を設ける一方、第二流路４２には、排出弁４５と並行に、ノーマルオープン型の電磁弁４７を設けるのが好ましい。この場合、通常時には、第一流路４１の電磁弁４６は開かれた状態に維持され、第二流路４２の電磁弁４７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４１の電磁弁４６が閉じられ、第二流路４２の電磁弁４７が開かれるので、蒸気使用設備２９からのドレンは、熱くみ上げ用熱交換器（８，１７，１２，１５）を介さずに排出される。
【０１４２】
蒸気発生用熱交換器（５，１４）へは、純水もしくは軟水、蒸気使用設備２９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２９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４０で分離された液体からなるドレンを、排出弁４５より上流側から、給水ポンプ３０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（８，１７，１２，１５）を通過後のドレンを、第二蒸気トラップ４３より上流側から、給水ポンプ３０の入口側へ供給する。なお、熱くみ上げ用熱交換器（８，１７，１２，１５）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３０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（８，１７，１２，１５）を通過後のドレンを、第二蒸気トラップ４３より下流側から、給水ポンプ３０の入口側へ供給する。
（Ｄ）図３０下部の破線領域に示すように、第二蒸気トラップ４３からのドレン、および／または、排出弁４５からのドレンなどを、一旦、給水タンク４４に溜め、この給水タンク４４内の水を、給水ポンプ３０の入口側へ供給する。給水タンク４４には、蒸気使用設備２９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（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３０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。
【０１４３】
蒸気発生用熱交換器（５，１４）からの蒸気とボイラ２８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４８が設けられる。また、熱くみ上げ用熱交換器（８，１７，１２，１５）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４９が設けられる。そして、蒸気発生システム１は、第一センサ４８と第二センサ４９との一方または双方の検出値に基づき制御される。
【０１４４】
たとえば、第一センサ４８の検出圧力に基づき、最上段のヒートポンプの圧縮機（第一ヒートポンプの圧縮機４）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の圧縮機９）は、その段の凝縮器１０または一つ上段の蒸発器７，８の冷媒の圧力に基づき制御すればよい。
【０１４５】
あるいは、第二センサ４９の検出圧力または検出温度に基づき、最下段のヒートポンプの圧縮機（第二ヒートポンプ３の圧縮機９）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（第一ヒートポンプ２の圧縮機４）は、その段の蒸発器７，８または一つ下段の凝縮器１０の冷媒の圧力または温度に基づき制御すればよい。
【０１４６】
図３１は、図３０の蒸気システム２７の変形例を示す概略図である。図３１の蒸気システム２７も、基本的には図３０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。
【０１４７】
本変形例では、蒸気使用設備２９のドレンは、一旦、ドレン貯留部としてのバッファタンク５０に溜められる。そして、バッファタンク５０のドレンは、第一流路４１により熱くみ上げ用熱交換器（８，１７，１２，１５）へ供給可能とされると共に、第三流路５１により熱くみ上げ用熱交換器（８，１７，１２，１５）を介することなく排出可能とされる。
【０１４８】
具体的には、バッファタンク５０には、下部に第一流路４１が接続され、それより上部に第三流路５１が接続される。第一流路４１には、バッファタンク５０の側から順に、導入弁５２、熱くみ上げ用熱交換器（８，１７，１２，１５）および第二蒸気トラップ４３が設けられる。導入弁５２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。
【０１４９】
このような構成であるから、蒸気使用設備２９のドレンは、導入弁５２により低圧下に排出された後、熱くみ上げ用熱交換器（８，１７，１２，１５）を通過後に、第二蒸気トラップ４３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４３からの排水は、そのまま捨ててもよいし、ボイラ２８および／または蒸気発生用熱交換器（５，１４）への給水タンク４４へ供給してもよいし、このような給水タンク４４を介さずに蒸気発生用熱交換器（５，１４）への給水として用いてもよい。
【０１５０】
一方、第三流路５１には、第三蒸気トラップ５３が設けられる。バッファタンク５０に対して第三流路５１は第一流路４１よりも上方に接続されているので、バッファタンク５０からオーバーフローするドレンが第三流路５１から排出される。そして、その排水は、第三蒸気トラップ５３を介して排出される。そして、第三蒸気トラップ５３からの排水は、そのまま捨ててもよいし、ボイラ２８および／または蒸気発生用熱交換器（５，１４）への給水タンク４４へ供給してもよいし、このような給水タンク４４を介さずに蒸気発生用熱交換器（５，１４）への給水として用いてもよい。
【０１５１】
さらに、緊急時や停電時のために、第一流路４１には、導入弁５２とバッファタンク５０との間に、ノーマルクローズド型の電磁弁４６を設けるのが好ましい。この場合、通常時には、第一流路４１の電磁弁４６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４１の電磁弁４６が閉じられるので、蒸気使用設備２９のドレンは、第三流路５１により熱くみ上げ用熱交換器（８，１７，１２，１５）を介さずに排出される。
【０１５２】
本変形例の場合も、蒸気発生用熱交換器（５，１４）へは、純水もしくは軟水、蒸気使用設備からのドレン、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３０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５０からのドレンを、導入弁５２より上流側（電磁弁４６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３０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（８，１７，１２，１５）を通過後のドレンを、第二蒸気トラップ４３より上流側から、給水ポンプ３０の入口側へ供給する。なお、熱くみ上げ用熱交換器（８，１７，１２，１５）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３０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（８，１７，１２，１５）を通過後のドレンを、第二蒸気トラップ４３より下流側から、給水ポンプ３０の入口側へ供給する。
（Ｄ）図３１下部の破線領域に示すように、第二蒸気トラップ４３からのドレン、および／または、第三蒸気トラップ５３からのドレンなどを、一旦、給水タンク４４に溜め、この給水タンク４４内の水を、給水ポンプ３０の入口側へ供給する。給水タンク４４には、蒸気使用設備２９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４４は、図３０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（８，１７，１２，１５）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３０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。
【０１５３】
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３０および図３１に示す蒸気システム２７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２９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。
【０１５４】
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２９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の第四サブ熱交換器１７および第二蒸発器８には排蒸気が通され、この第二蒸発器８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の第二サブ熱交換器１５および蒸発器１２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の蒸発器１２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の蒸発器１２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、第四サブ熱交換器１７および第二サブ熱交換器１５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】
【０１５５】
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）第一蒸発器
８ （第一ヒートポンプの）第二蒸発器
９ （第二ヒートポンプの）圧縮機
１０ （第二ヒートポンプの）凝縮器
１１ （第二ヒートポンプの）膨張弁
１２ （第二ヒートポンプの）蒸発器
１３ 間接熱交換器
１４ 第一サブ熱交換器
１５ 第二サブ熱交換器
１６ 第三サブ熱交換器
１７ 第四サブ熱交換器
１８ 中間冷却器
１９ 中間冷却器
２２ セパレータ
２７ 蒸気システム
２９ 蒸気使用設備
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単段または複数段で構成され、少なくとも最下段に第一蒸発器と第二蒸発器とを有する第一ヒートポンプと、
単段または複数段で構成され、前記最下段の第一蒸発器を兼ねる最上段の凝縮器を介して前記第一ヒートポンプと接続される第二ヒートポンプとを備え、
前記第一ヒートポンプの第二蒸発器と、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】
前記第二ヒートポンプは、単段のヒートポンプから構成され、
前記第一ヒートポンプの第二蒸発器と、前記第二ヒートポンプの最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、
前記第一ヒートポンプの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に記載の蒸気発生システム。
【請求項３】
前記第一ヒートポンプは、複数段のヒートポンプから構成され、その内の一部または全部のヒートポンプは、蒸発器として前記第一蒸発器と前記第二蒸発器とを備え、
前記各第一蒸発器は、隣接する上下のヒートポンプ同士を接続し、
熱源流体は、上段のヒートポンプから順次下段のヒートポンプへと、前記各第二蒸発器を順に通される
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】
前記第一ヒートポンプを構成する各段のヒートポンプは、蒸発器として前記第一蒸発器と前記第二蒸発器とを備える
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を構成する単段または複数段のヒートポンプの内、前記第一蒸発器と前記第二蒸発器とを有する段のヒートポンプは、その膨張弁から圧縮機への冷媒流路に、前記第一蒸発器と前記第二蒸発器とが直列または並列に設置されるか、凝縮器から圧縮機への冷媒流路に、第一膨張弁および前記第一蒸発器と、第二膨張弁および前記第二蒸発器とが並列に設置される
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と前記第二ヒートポンプとは、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）前記第二ヒートポンプの圧縮機からの冷媒と前記第一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前記第二ヒートポンプの凝縮器であると共に前記第一ヒートポンプの第一蒸発器である。
（ｂ）前記第二ヒートポンプの圧縮機からの冷媒と前記第一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、この中間冷却器が前記第二ヒートポンプの凝縮器であると共に前記第一ヒートポンプの第一蒸発器である。
（ｃ）前記第二ヒートポンプの圧縮機からの冷媒と前記第一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、この両冷媒と前記第一ヒートポンプの凝縮器から膨張弁を介することなく前記第二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、この中間冷却器が前記第二ヒートポンプの凝縮器であると共に前記第一ヒートポンプの第一蒸発器である。
【請求項７】
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１〜６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８】
前記第一ヒートポンプと前記第二ヒートポンプとが、請求項６の（ｂ）の関係で接続される場合、前記第二ヒートポンプの圧縮機からの冷媒は、前記中間冷却器へ供給するのに代えてまたはそれに加えて、前記中間冷却器から圧縮機への冷媒流路へ供給する
ことを特徴とする請求項６に記載の蒸気発生システム。
【請求項９】
前記第一ヒートポンプと前記第二ヒートポンプとが、請求項６の（ｃ）の関係で接続される場合、前記第二ヒートポンプの圧縮機からの冷媒は、前記中間冷却器へ供給するのに代えてまたはそれに加えて、前記第一ヒートポンプの中間冷却器から圧縮機への冷媒流路、または、膨張弁から中間冷却器もしくは圧縮機への冷媒流路へ供給する
ことを特徴とする請求項６に記載の蒸気発生システム。
【請求項１０】
前記第一ヒートポンプと前記第二ヒートポンプとが、請求項６の（ｃ）の関係で接続される場合、前記第一ヒートポンプの膨張弁からの冷媒を気液分離するセパレータを備え、
このセパレータで分離された気相分を前記第二蒸発器から圧縮機までの冷媒流路へ供給する
ことを特徴とする請求項６に記載の蒸気発生システム。
【請求項１１】
次の（ａ）〜（ｄ）の内、いずれか一以上のサブ熱交換器を備え、
前記第一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への水や蒸気の流通順序について、前記第一サブ熱交換器が設置される場合にはこの第一サブ熱交換器が先になるように設定され、
前記第一ヒートポンプの第二蒸発器と、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、前記第二ヒートポンプの最下段の蒸発器と、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、
前記第一ヒートポンプの第一蒸発器と、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、前記第一ヒートポンプの第二蒸発器と、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冷媒の流通順序について、前記第一蒸発器および前記第二蒸発器を、前記第三サブ熱交換器および前記第四サブ熱交換器よりも先になるように設定される
ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の蒸気発生システム。
（ａ）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一サブ熱交換器。
（ｂ）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二サブ熱交換器。
（ｃ）前記第一蒸発器が間接熱交換器である場合において、前記第一ヒートポンプの最下段の膨張弁から圧縮機への冷媒と、前記第二ヒートポンプの圧縮機から第一蒸発器への冷媒との第三サブ熱交換器。
（ｄ）前記第一ヒートポンプの最下段の膨張弁から圧縮機への冷媒と熱源流体との第四サブ熱交換器。
【請求項１２】
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１〜１１のいずれか１項に記載の蒸気発生システム。
【請求項１】
単段または複数段で構成され、少なくとも最下段に第一蒸発器と第二蒸発器とを有する第一ヒートポンプと、
単段または複数段で構成され、前記最下段の第一蒸発器を兼ねる最上段の凝縮器を介して前記第一ヒートポンプと接続される第二ヒートポンプとを備え、
前記第一ヒートポンプの第二蒸発器と、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】
前記第二ヒートポンプは、単段のヒートポンプから構成され、
前記第一ヒートポンプの第二蒸発器と、前記第二ヒートポンプの最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、
前記第一ヒートポンプの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に記載の蒸気発生システム。
【請求項３】
前記第一ヒートポンプは、複数段のヒートポンプから構成され、その内の一部または全部のヒートポンプは、蒸発器として前記第一蒸発器と前記第二蒸発器とを備え、
前記各第一蒸発器は、隣接する上下のヒートポンプ同士を接続し、
熱源流体は、上段のヒートポンプから順次下段のヒートポンプへと、前記各第二蒸発器を順に通される
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】
前記第一ヒートポンプを構成する各段のヒートポンプは、蒸発器として前記第一蒸発器と前記第二蒸発器とを備える
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を構成する単段または複数段のヒートポンプの内、前記第一蒸発器と前記第二蒸発器とを有する段のヒートポンプは、その膨張弁から圧縮機への冷媒流路に、前記第一蒸発器と前記第二蒸発器とが直列または並列に設置されるか、凝縮器から圧縮機への冷媒流路に、第一膨張弁および前記第一蒸発器と、第二膨張弁および前記第二蒸発器とが並列に設置される
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と前記第二ヒートポンプとは、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）前記第二ヒートポンプの圧縮機からの冷媒と前記第一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前記第二ヒートポンプの凝縮器であると共に前記第一ヒートポンプの第一蒸発器である。
（ｂ）前記第二ヒートポンプの圧縮機からの冷媒と前記第一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、この中間冷却器が前記第二ヒートポンプの凝縮器であると共に前記第一ヒートポンプの第一蒸発器である。
（ｃ）前記第二ヒートポンプの圧縮機からの冷媒と前記第一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、この両冷媒と前記第一ヒートポンプの凝縮器から膨張弁を介することなく前記第二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、この中間冷却器が前記第二ヒートポンプの凝縮器であると共に前記第一ヒートポンプの第一蒸発器である。
【請求項７】
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１〜６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８】
前記第一ヒートポンプと前記第二ヒートポンプとが、請求項６の（ｂ）の関係で接続される場合、前記第二ヒートポンプの圧縮機からの冷媒は、前記中間冷却器へ供給するのに代えてまたはそれに加えて、前記中間冷却器から圧縮機への冷媒流路へ供給する
ことを特徴とする請求項６に記載の蒸気発生システム。
【請求項９】
前記第一ヒートポンプと前記第二ヒートポンプとが、請求項６の（ｃ）の関係で接続される場合、前記第二ヒートポンプの圧縮機からの冷媒は、前記中間冷却器へ供給するのに代えてまたはそれに加えて、前記第一ヒートポンプの中間冷却器から圧縮機への冷媒流路、または、膨張弁から中間冷却器もしくは圧縮機への冷媒流路へ供給する
ことを特徴とする請求項６に記載の蒸気発生システム。
【請求項１０】
前記第一ヒートポンプと前記第二ヒートポンプとが、請求項６の（ｃ）の関係で接続される場合、前記第一ヒートポンプの膨張弁からの冷媒を気液分離するセパレータを備え、
このセパレータで分離された気相分を前記第二蒸発器から圧縮機までの冷媒流路へ供給する
ことを特徴とする請求項６に記載の蒸気発生システム。
【請求項１１】
次の（ａ）〜（ｄ）の内、いずれか一以上のサブ熱交換器を備え、
前記第一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への水や蒸気の流通順序について、前記第一サブ熱交換器が設置される場合にはこの第一サブ熱交換器が先になるように設定され、
前記第一ヒートポンプの第二蒸発器と、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、前記第二ヒートポンプの最下段の蒸発器と、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、
前記第一ヒートポンプの第一蒸発器と、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、前記第一ヒートポンプの第二蒸発器と、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冷媒の流通順序について、前記第一蒸発器および前記第二蒸発器を、前記第三サブ熱交換器および前記第四サブ熱交換器よりも先になるように設定される
ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の蒸気発生システム。
（ａ）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一サブ熱交換器。
（ｂ）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二サブ熱交換器。
（ｃ）前記第一蒸発器が間接熱交換器である場合において、前記第一ヒートポンプの最下段の膨張弁から圧縮機への冷媒と、前記第二ヒートポンプの圧縮機から第一蒸発器への冷媒との第三サブ熱交換器。
（ｄ）前記第一ヒートポンプの最下段の膨張弁から圧縮機への冷媒と熱源流体との第四サブ熱交換器。
【請求項１２】
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１〜１１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１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９Ａ】
【図２９Ｂ】
【図２９Ｃ】
【図３０】
【図３１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９Ａ】
【図２９Ｂ】
【図２９Ｃ】
【図３０】
【図３１】
【公開番号】特開２０１２−２１５３２０（Ｐ２０１２−２１５３２０Ａ）
【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２０１１−７９３７０（Ｐ２０１１−７９３７０）
【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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