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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024170076
(43)【公開日】2024-12-06
(54)【発明の名称】蒸気供給システム及び蒸気供給方法
(51)【国際特許分類】
F22B 3/00 20060101AFI20241129BHJP
F25B 30/02 20060101ALI20241129BHJP
F25B 7/00 20060101ALI20241129BHJP
F22B 1/02 20060101ALI20241129BHJP
【ＦＩ】
F22B3/00
F25B30/02 Z
F25B7/00 D
F22B1/02 Z
【審査請求】有
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023087036
(22)【出願日】2023-05-26
(11)【特許番号】
(45)【特許公報発行日】2024-04-02
(71)【出願人】
【識別番号】000006208
【氏名又は名称】三菱重工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100112737
【弁理士】
【氏名又は名称】藤田 考晴
(74)【代理人】
【識別番号】100136168
【弁理士】
【氏名又は名称】川上 美紀
(74)【代理人】
【識別番号】100172524
【弁理士】
【氏名又は名称】長田 大輔
(72)【発明者】
【氏名】大村 峰正
(72)【発明者】
【氏名】吉田 太地
(72)【発明者】
【氏名】梅▲崎▼ 智暉
(72)【発明者】
【氏名】伊藤 隆英
(72)【発明者】
【氏名】塩谷 篤
(72)【発明者】
【氏名】齊藤 鷹規
(57)【要約】
【課題】生成した負圧蒸気を熱利用先で有効に利用することができる蒸気供給システムを提供する。
【解決手段】蒸気供給システム１Ａは、水循環経路３を備えている。水循環経路３には、水を負圧に減圧して負圧水を生成する流量調整弁７と、負圧水と加熱媒体とを熱交換させて負圧蒸気を生成する第１熱交換器９と、負圧蒸気と熱利用先１５とを熱交換させることによって負圧蒸気の凝縮水を生成する第２熱交換器１１と、凝縮水を流量調整弁７へ供給する水ポンプ５と、が設けられている。
【選択図】図１
【解決手段】蒸気供給システム１Ａは、水循環経路３を備えている。水循環経路３には、水を負圧に減圧して負圧水を生成する流量調整弁７と、負圧水と加熱媒体とを熱交換させて負圧蒸気を生成する第１熱交換器９と、負圧蒸気と熱利用先１５とを熱交換させることによって負圧蒸気の凝縮水を生成する第２熱交換器１１と、凝縮水を流量調整弁７へ供給する水ポンプ５と、が設けられている。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
水を負圧に減圧して負圧水を生成する減圧部と、
前記負圧水と加熱媒体とを熱交換させて負圧蒸気を生成する第１熱交換器と、
前記負圧蒸気と熱利用先とを熱交換させることによって該負圧蒸気の凝縮水を生成する第２熱交換器と、
前記凝縮水を前記減圧部へ供給する水供給部と、
を備えている蒸気供給システム。
前記負圧水と加熱媒体とを熱交換させて負圧蒸気を生成する第１熱交換器と、
前記負圧蒸気と熱利用先とを熱交換させることによって該負圧蒸気の凝縮水を生成する第２熱交換器と、
前記凝縮水を前記減圧部へ供給する水供給部と、
を備えている蒸気供給システム。
【請求項2】
前記水供給部は、前記第２熱交換器から導かれた前記凝縮水を前記減圧部へ移送する水ポンプを備えている請求項１に記載の蒸気供給システム。
【請求項3】
前記水供給部は、前記第２熱交換器から導かれた前記凝縮水を大気に開放する水槽と、
該水槽内に貯留されて大気圧とされた前記凝縮水を前記減圧部へ導く水供給配管と、
を備えている請求項１に記載の蒸気供給システム。
該水槽内に貯留されて大気圧とされた前記凝縮水を前記減圧部へ導く水供給配管と、
を備えている請求項１に記載の蒸気供給システム。
【請求項4】
前記第１熱交換器へ供給する前記加熱媒体としての冷媒を供給するヒートポンプを備え、
前記ヒートポンプは、
冷媒を循環させる冷媒循環経路と、
前記第１熱交換器に供給する冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記第１熱交換器にて熱交換した後の冷媒を減圧する膨張弁と、
前記膨張弁で減圧した冷媒と熱源媒体と熱交換して該冷媒を蒸発させる蒸発器と、
を備えている請求項１に記載の蒸気供給システム。
前記ヒートポンプは、
冷媒を循環させる冷媒循環経路と、
前記第１熱交換器に供給する冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記第１熱交換器にて熱交換した後の冷媒を減圧する膨張弁と、
前記膨張弁で減圧した冷媒と熱源媒体と熱交換して該冷媒を蒸発させる蒸発器と、
を備えている請求項１に記載の蒸気供給システム。
【請求項5】
前記第１熱交換器へ供給する前記加熱媒体としての冷媒を供給するヒートポンプを備え、
前記ヒートポンプは、高段側ヒートポンプと低段側ヒートポンプとを備え、
前記高段側ヒートポンプは、
冷媒を循環させる高段側冷媒循環経路と、
前記第１熱交換器に供給する冷媒を圧縮する高段側圧縮機と、
前記第１熱交換器にて熱交換した後の冷媒を減圧する高段側膨張弁と、
前記高段側膨張弁で減圧した冷媒を蒸発させる高段側蒸発器と、
を備え、
前記低段側ヒートポンプは、
冷媒を循環させる低段側冷媒循環経路と、
前記高段側蒸発器に供給する冷媒を圧縮する低段側圧縮機と、
前記高段側蒸発器にて熱交換した後の冷媒を減圧する低段側膨張弁と、
前記低段側膨張弁で減圧した冷媒と熱源媒体と熱交換して該冷媒を蒸発させる低段側蒸発器と、
を備えている請求項１に記載の蒸気供給システム。
前記ヒートポンプは、高段側ヒートポンプと低段側ヒートポンプとを備え、
前記高段側ヒートポンプは、
冷媒を循環させる高段側冷媒循環経路と、
前記第１熱交換器に供給する冷媒を圧縮する高段側圧縮機と、
前記第１熱交換器にて熱交換した後の冷媒を減圧する高段側膨張弁と、
前記高段側膨張弁で減圧した冷媒を蒸発させる高段側蒸発器と、
を備え、
前記低段側ヒートポンプは、
冷媒を循環させる低段側冷媒循環経路と、
前記高段側蒸発器に供給する冷媒を圧縮する低段側圧縮機と、
前記高段側蒸発器にて熱交換した後の冷媒を減圧する低段側膨張弁と、
前記低段側膨張弁で減圧した冷媒と熱源媒体と熱交換して該冷媒を蒸発させる低段側蒸発器と、
を備えている請求項１に記載の蒸気供給システム。
【請求項6】
減圧部で水を負圧に減圧して負圧水を生成する減圧工程と、
前記負圧水と加熱媒体とを熱交換させて負圧蒸気を生成する第１熱交換工程と、
前記負圧蒸気と熱利用先とを熱交換させることによって該負圧蒸気の凝縮水を生成する第２熱交換工程と、
前記凝縮水を前記減圧部へ供給する水供給工程と、
を有している蒸気供給方法。
前記負圧水と加熱媒体とを熱交換させて負圧蒸気を生成する第１熱交換工程と、
前記負圧蒸気と熱利用先とを熱交換させることによって該負圧蒸気の凝縮水を生成する第２熱交換工程と、
前記凝縮水を前記減圧部へ供給する水供給工程と、
を有している蒸気供給方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、蒸気供給システム及び蒸気供給方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
近年のカーボンニュートラル化へ向けた取り組みは、産業分野においても活発に行われている。産業分野では、消費エネルギーの約８５％が熱利用とされている。熱供給を行う主要熱源として従来から燃料焚きボイラが使用されている。これに対し、脱炭素化のためヒートポンプによる代替が鋭意検討されている。
【0003】
ヒートポンプによる蒸気生成として、負圧蒸気を生成することが知られている（例えば特許文献１）。１００℃未満の低温で加温することで蒸気を生成できるので、省エネルギーの点で有利である。
【0004】
また、工場の各プロセスに蒸気を供給する場合、６５０ｋＷ程度の燃料焚きボイラを工場の一箇所にまとめて設置し、ヘッダを介して各プロセスに蒸気を分配する集中配置方式が多用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２０１４－１０２０６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
特許文献１では、負圧蒸気を生成するものの、負圧蒸気を蒸気圧縮機で加圧して利用することを前提としており、負圧蒸気そのものの利用については何ら考慮されていない。
【0007】
例えば工場における表面処理槽などにおいて温度維持のために蒸気が使用されており、利用側の温度が１００℃未満（さらには８０℃以下）のプロセスも多い。このように、飽和温度が１００℃未満の負圧蒸気そのものにも一定のニーズがある。
【0008】
また、上述した集中配置方式に代えて、蒸気の利用側と供給側の能力を一対一対応させて、各プロセスの近傍に機器設置する分散配置とすれば、集中配置方式のような蒸気搬送ロスを減少させることができる。
【0009】
本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであって、生成した負圧蒸気を熱利用先で有効に利用することができる蒸気供給システム及び蒸気供給方法を提供することを目的とする。
【0010】
また、分散配置が実現可能とされた蒸気供給システム及び蒸気供給方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本開示の一態様に係る蒸気供給システムは、水を負圧に減圧して負圧水を生成する減圧部と、前記負圧水と加熱媒体とを熱交換させて負圧蒸気を生成する第１熱交換器と、
前記負圧蒸気と熱利用先とを熱交換させることによって該負圧蒸気の凝縮水を生成する第２熱交換器と、前記凝縮水を前記減圧部へ供給する水供給部と、を備えている。
前記負圧蒸気と熱利用先とを熱交換させることによって該負圧蒸気の凝縮水を生成する第２熱交換器と、前記凝縮水を前記減圧部へ供給する水供給部と、を備えている。
【0012】
本開示の一態様に係る蒸気供給方法は、減圧部で水を負圧に減圧して負圧水を生成する減圧工程と、前記負圧水と加熱媒体とを熱交換させて負圧蒸気を生成する第１熱交換工程と、前記負圧蒸気と熱利用先とを熱交換させることによって該負圧蒸気の凝縮水を生成する第２熱交換工程と、前記凝縮水を前記減圧部へ供給する水供給工程と、を有している。
【発明の効果】
【0013】
生成した負圧蒸気を熱利用先で有効に利用することができる。
また、負圧蒸気を生成する程度の加熱媒体を供給する能力の機器を設置すれば足りるので、分散配置が可能となる。
また、負圧蒸気を生成する程度の加熱媒体を供給する能力の機器を設置すれば足りるので、分散配置が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】本開示の第１実施形態に係る蒸気供給システムを示した概略構成図である。
【図2】本開示の第２実施形態に係る蒸気供給システムを示した概略構成図である。
【図3】本開示の第３実施形態に係る蒸気供給システムを示した概略構成図である。
【図4】本開示の第４実施形態に係る蒸気供給システムを示した概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下に、本開示に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
以下、本開示の第１実施形態について、図１を用いて説明する。
蒸気供給システム１Ａは、閉ループとされた水循環経路３を備えている。水循環経路３には、水ポンプ（水供給部）５と、流量調整弁（減圧部）７と、第１熱交換器９と、第２熱交換器１１とが設けられている。
［第１実施形態］
以下、本開示の第１実施形態について、図１を用いて説明する。
蒸気供給システム１Ａは、閉ループとされた水循環経路３を備えている。水循環経路３には、水ポンプ（水供給部）５と、流量調整弁（減圧部）７と、第１熱交換器９と、第２熱交換器１１とが設けられている。
【0016】
水ポンプ５は、図示しない制御部によって制御され、水循環経路３の負圧水を吸い込んで流量調整弁７に向けて吐出する。このときに吐出される水は、加圧されて負圧のまま、又は正圧となる。水ポンプ５としては、例えば、自吸式渦巻ポンプ、ギアポンプなどを用いることができる。
【0017】
制御部（図示せず）は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。なお、プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、半導体メモリ等である。
【0018】
流量調整弁７は、図示しない制御部によって制御され、水ポンプ５から送られてきた水の流量を調整するとともに減圧する。流量調整弁７で減圧することによって、例えば３０～７０ｋＰａ程度の負圧水とする。
【0019】
第１熱交換器９では、流量調整弁７から供給された負圧水と、加熱媒体流路１３を流れる加熱媒体とが熱交換する。加熱媒体としては、温水や、圧縮機によって圧縮されて加熱された冷媒などを用いることができる。第１熱交換器９にて、負圧水が加熱媒体によって加熱させて気化され負圧蒸気が生成される。例えば、第１熱交換器９に流入する負圧水の温度を８０℃とした場合、例えば９５℃といった１００℃未満の加熱媒体が用いられる。
第１熱交換器９としては、負圧水と加熱媒体とが非接触で熱交換する非接触式熱交換器が用いられ、例えばプレート型熱交換器、シェル＆プレート熱交換器、シェル＆チューブ熱交換器などの隔壁式熱交換器を用いることができる。
第１熱交換器９としては、負圧水と加熱媒体とが非接触で熱交換する非接触式熱交換器が用いられ、例えばプレート型熱交換器、シェル＆プレート熱交換器、シェル＆チューブ熱交換器などの隔壁式熱交換器を用いることができる。
【0020】
第２熱交換器１１は、熱利用先１５に設置される。熱利用先１５に対しては、１００℃未満の負圧蒸気によって加熱された熱媒（例えば水や空気など）を介して熱供給される。第２熱交換器１１と第１熱交換器９との間には蒸気圧縮機のような加圧手段は設けられておらず、第１熱交換器９によって生成された負圧蒸気がそのまま第２熱交換器に導かれる。
第２熱交換器１１としては、負圧蒸気と熱利用先１５の熱媒とが非接触で熱交換する非接触式熱交換器が用いられ、例えばプレート型熱交換器、フィン＆チューブ熱交換器、浸漬熱交換器などの隔壁式熱交換器を用いることができる。
第２熱交換器１１としては、負圧蒸気と熱利用先１５の熱媒とが非接触で熱交換する非接触式熱交換器が用いられ、例えばプレート型熱交換器、フィン＆チューブ熱交換器、浸漬熱交換器などの隔壁式熱交換器を用いることができる。
【0021】
第２熱交換器１１にて負圧蒸気は熱利用先１５の熱媒に対して放熱することによって凝縮し、負圧水となる。負圧水は、水循環経路３を通り、水ポンプ５の吸込側へ導かれる。
上述の通り、水循環経路３には、流量調整弁（減圧部）７、第１熱交換器９、第２熱交換器１１、水ポンプ（水供給部）５が水の循環方向に沿って、この順に設けられている。水循環経路３はこれらの構成を備えることによって、この経路のうち少なくとも減圧部７の下流側から水ポンプ５の吸込み側までの経路を負圧にすることができる。当該区画内に第１熱交換器９、第２熱交換器１１が設けられていることで、これらの熱交換器内では水の状態変化に伴う潜熱を１００℃未満の温度でも他の媒体と交換することが可能となる。
上述の通り、水循環経路３には、流量調整弁（減圧部）７、第１熱交換器９、第２熱交換器１１、水ポンプ（水供給部）５が水の循環方向に沿って、この順に設けられている。水循環経路３はこれらの構成を備えることによって、この経路のうち少なくとも減圧部７の下流側から水ポンプ５の吸込み側までの経路を負圧にすることができる。当該区画内に第１熱交換器９、第２熱交換器１１が設けられていることで、これらの熱交換器内では水の状態変化に伴う潜熱を１００℃未満の温度でも他の媒体と交換することが可能となる。
【0022】
以上説明した本実施形態の作用効果は以下の通りである。
流量調整弁７で水を負圧にした後に第１熱交換器９で加熱媒体と熱交換させて１００℃未満の負圧蒸気を生成することとした。これにより、第１熱交換器９に供給する加熱媒体を１００℃未満とすることができる。
流量調整弁７で水を負圧にした後に第１熱交換器９で加熱媒体と熱交換させて１００℃未満の負圧蒸気を生成することとした。これにより、第１熱交換器９に供給する加熱媒体を１００℃未満とすることができる。
【0023】
第１熱交換器９で生成した１００℃未満の負圧蒸気を第２熱交換器１１で熱利用先１５と熱交換させて凝縮させることで、熱利用先１５に対して１００℃未満の熱を供給することができる。これにより、１００℃未満の熱を必要とする熱利用先１５の需要に応えることができる。
【0024】
第２熱交換器１１にて負圧蒸気をそのまま使用することとし、第２熱交換器１１に供給する負圧蒸気を圧縮するための蒸気圧縮機を設置する必要がないので、費用およびメンテナンスの点で有利となる。
【0025】
第２熱交換器１１で凝縮潜熱を放出して凝縮した負圧水が、水ポンプ５によって流量調整弁７へ供給されることによって水の循環系統が形成される。これにより、水の有効利用を図ることができる。
【0026】
第１熱交換器９で負圧蒸気を生成するための加熱媒体を供給するために、例えば数十～数百ｋＷ程度のヒートポンプを用いて実現することができる。この容量のヒートポンプを用いれば、熱利用先１５と供給側（ヒートポンプ）の能力を一対一に対応させることができるので、工場内の各位置に蒸気供給システム１Ａを分散配置することができる。これにより、工場の一箇所にボイラをまとめて設置し、ヘッダを介して各プロセスに蒸気を分配する集中配置方式に比べて、蒸気搬送ロスを減少させることができ、熱効率を向上させることができる。
【0027】
第２熱交換器１１から導かれた負圧水を流量調整弁７へ移送する水ポンプ５を用いることで、簡便な構成とされた水循環経路３を形成することができる。
【0028】
［第２実施形態］
次に、本開示の第２実施形態について、図２を用いて説明する。本実施形態は、第１実施形態の水ポンプ５（図１参照）に代えて異なる水供給部を採用した点が異なる。その他の同一の構成については同一符号を付しその説明を省略する。
次に、本開示の第２実施形態について、図２を用いて説明する。本実施形態は、第１実施形態の水ポンプ５（図１参照）に代えて異なる水供給部を採用した点が異なる。その他の同一の構成については同一符号を付しその説明を省略する。
【0029】
図２に示すように、本実施形態の蒸気供給システム１Ｂは、水供給部１７を備えている。水供給部１７は、水ポンプ１９と、アスピレータ２１と、水槽２３とを備えている。水槽２３は、大気開放されている。したがって、水槽２３に貯留されている水は大気圧となっている。水ポンプ１９は、図示しない制御部によって制御され、水槽２３内に貯留された水を吸い上げてアスピレータ２１へと送る。アスピレータ２１は、ベンチュリ効果によって生成された低圧によって第２熱交換器１１から導かれた負圧水を吸い込み、水循環経路３の吐出配管２５から水槽２３内へ水を送る。水槽２３へ導かれることによって負圧水は大気圧となる。
【0030】
水槽２３に貯留された水に浸漬されるように、水循環経路３の水供給配管２７が設けられている。水供給配管２７を介して、水槽２３に貯留された水が流量調整弁７へと導かれる。上述の通り、本実施形態における水循環経路３には、流量調整弁（減圧部）７、第１熱交換器９、第２熱交換器１１、アスピレータ２１が水の循環方向に沿って、この順に設けられている。水循環経路３はこれらの構成を備えることによって、この経路のうち少なくとも減圧部７の下流側からアスピレータ２１の吸込み側までの経路を負圧にすることができる。当該区画内に第１熱交換器９、第２熱交換器１１が設けられていることで、これらの熱交換器内では水の状態変化に伴う潜熱を１００℃未満の温度でも他の媒体と交換することが可能となる。
【0031】
本実施形態の作用効果は、第１実施形態に加えて以下の通りである。
水循環経路３を流れる水ないし蒸気は負圧とされているため、水循環経路３を閉ループとした場合、空気が侵入すると侵入した空気を排出することが困難となる。そこで、負圧水を大気に開放する水槽２３を設け、大気圧とされた水槽２３の貯留水を水供給配管２７を用いて流量調整弁７へ導くようにした。これにより、水循環経路３に空気が侵入した場合であっても、侵入した空気を排出することができる。
水循環経路３を流れる水ないし蒸気は負圧とされているため、水循環経路３を閉ループとした場合、空気が侵入すると侵入した空気を排出することが困難となる。そこで、負圧水を大気に開放する水槽２３を設け、大気圧とされた水槽２３の貯留水を水供給配管２７を用いて流量調整弁７へ導くようにした。これにより、水循環経路３に空気が侵入した場合であっても、侵入した空気を排出することができる。
【0032】
［第３実施形態］
次に、本開示の第３実施形態について、図３を用いて説明する。本実施形態は、第１実施形態の第１熱交換器９に供給する加熱媒体の具体的な構成が追加されている。その他の同一の構成については同一符号を付しその説明を省略する。なお、第２実施形態のように水供給部１７（図２参照）を備えた蒸気供給システムに対しても本実施形態を適用することができる。
次に、本開示の第３実施形態について、図３を用いて説明する。本実施形態は、第１実施形態の第１熱交換器９に供給する加熱媒体の具体的な構成が追加されている。その他の同一の構成については同一符号を付しその説明を省略する。なお、第２実施形態のように水供給部１７（図２参照）を備えた蒸気供給システムに対しても本実施形態を適用することができる。
【0033】
図３に示されているように、本実施形態の蒸気供給システム１Ｃは、ヒートポンプ３０を備えている。ヒートポンプ３０は、冷媒を循環させる冷媒循環経路３２を備えている。冷媒循環経路３２は、第１熱交換器９に接続されており、図１の加熱媒体流路１３に相当する。
冷媒循環経路３２には、第１熱交換器９に供給する冷媒を圧縮する圧縮機３４と、第１熱交換器９にて熱交換した冷媒を減圧する膨張弁３６と、膨張弁３６で減圧した冷媒と熱源媒体と熱交換して冷媒を蒸発させる蒸発器３８と、を備えている。
冷媒循環経路３２には、第１熱交換器９に供給する冷媒を圧縮する圧縮機３４と、第１熱交換器９にて熱交換した冷媒を減圧する膨張弁３６と、膨張弁３６で減圧した冷媒と熱源媒体と熱交換して冷媒を蒸発させる蒸発器３８と、を備えている。
【0034】
圧縮機としては、例えばスクロール圧縮機やロータリ圧縮機などが用いられる。冷媒としては、代替フロン冷媒やＣＯ２などの自然冷媒が用いられる。蒸発器３８に導かれる熱源媒体としては水や空気が用いられる。
【0035】
本実施形態によれば、ヒートポンプ３０を用いて第１熱交換器９に供給する加熱媒体を生成することとしたので、水や空気などの低温熱源とされた熱源媒体から所望温度に加熱された加熱媒体を生成することができる。
【0036】
［第４実施形態］
次に、本開示の第４実施形態について、図４を用いて説明する。本実施形態は、第３実施形態のヒートポンプ３０（図３参照）をカスケード式にした点で相違する。その他の同一の構成については同一符号を付しその説明を省略する。なお、第２実施形態のように水供給部１７（図２参照）を備えた蒸気供給システムに対しても本実施形態を適用することができる。
次に、本開示の第４実施形態について、図４を用いて説明する。本実施形態は、第３実施形態のヒートポンプ３０（図３参照）をカスケード式にした点で相違する。その他の同一の構成については同一符号を付しその説明を省略する。なお、第２実施形態のように水供給部１７（図２参照）を備えた蒸気供給システムに対しても本実施形態を適用することができる。
【0037】
図４に示すように、本実施形態の蒸気供給システム１Ｄは、カスケード式ヒートポンプ４０を備えている。カスケード式ヒートポンプ４０は、高段側ヒートポンプ４０Ａと低段側ヒートポンプ４０Ｂとを備えている。
【0038】
高段側ヒートポンプ４０Ａは、冷媒を循環させる高段側冷媒循環経路４２Ａと、第１熱交換器９に供給する冷媒を圧縮する高段側圧縮機４４Ａと、第１熱交換器９にて熱交換した後の冷媒を減圧する高段側膨張弁４６Ａと、高段側膨張弁４６Ａで減圧した冷媒を蒸発させる高段側蒸発器４８Ａと、を備えている。
【0039】
低段側ヒートポンプ４０Ｂは、冷媒を循環させる低段側冷媒循環経路４２Ｂと、高段側蒸発器４８Ａに供給する冷媒を圧縮する低段側圧縮機４４Ｂと、高段側蒸発器４８Ａにて熱交換した後の冷媒を減圧する低段側膨張弁４６Ｂと、低段側膨張弁４６Ｂで減圧した冷媒と熱源媒体と熱交換して冷媒を蒸発させる低段側蒸発器４８Ｂと、を備えている。
【0040】
高段側圧縮機４４Ａ及び低段側圧縮機４４Ｂとしては、例えばスクロール圧縮機やロータリ圧縮機などが用いられる。高段側と低段側で要求される圧力範囲が異なるので、使用圧力範囲において効率の良い圧縮機を使うことが好ましい。
【0041】
冷媒としては、代替フロン冷媒やＣＯ２などの自然冷媒が用いられる。冷媒は高段側冷媒循環経路４２Ａと低段側冷媒循環経路４２Ｂとで異ならせることが好ましい。例えば、高圧冷媒と低圧冷媒とを使い分けて効率を向上せることができる。
【0042】
低段側蒸発器４８Ｂに導かれる熱源媒体としては水や空気が用いられる。熱源媒体として空気を用いる場合には、低段側ヒートポンプ４０Ｂとして市販の空気熱源ヒートポンプを用いることができる。
【0043】
本実施形態によれば、高段側ヒートポンプ４０Ａと低段側ヒートポンプ４０Ｂとを有するカスケード式のヒートポンプ４０を用いることとしたので、水や空気などの低温熱源とされた熱源媒体から加熱媒体を生成することができる。カスケード式として複数段のヒートポンプ４０Ａ，４０Ｂで熱源媒体から熱を汲み上げることができるので、高効率でヒートポンプ４０を運転することができる。
【0044】
なお、高段側ヒートポンプ４０Ａと低段側ヒートポンプ４０Ｂとの間に１又は複数のヒートポンプを設けて３段以上のカスケード式としても良い。
【0045】
以上説明した各実施形態に記載の蒸気供給システム及び蒸気供給方法は、例えば以下のように把握される。
【0046】
本開示の第１態様に係る蒸気供給システムは、水を負圧に減圧して負圧水を生成する減圧部（７）と、前記負圧水と加熱媒体とを熱交換させて負圧蒸気を生成する第１熱交換器（９）と、前記負圧蒸気と熱利用先とを熱交換させることによって該負圧蒸気の凝縮水を生成する第２熱交換器（１１）と、前記凝縮水を前記減圧部へ供給する水供給部（５）と、を備えている。
【0047】
減圧部で水を負圧にした後に第１熱交換器で加熱媒体と熱交換させて１００℃未満の負圧蒸気を生成することとした。これにより、第１熱交換器に供給する加熱媒体を１００℃未満とすることができる。
第１熱交換器で生成した１００℃未満の負圧蒸気を第２熱交換器で熱利用先と熱交換させて凝縮させることで、熱利用先に対して１００℃未満の熱を供給することができる。これにより、１００℃未満の熱を必要とする熱利用先の需要に応えることができる。
第２熱交換器にて負圧蒸気をそのまま使用することとし、第２熱交換器に供給する負圧蒸気を圧縮するための蒸気圧縮機を設置する必要がないので、費用およびメンテナンスの点で有利となる。
第２熱交換器で凝縮潜熱を放出して凝縮した凝縮水が、水供給部によって減圧部へ供給されることによって水の循環系統が形成される。これにより、水の有効利用を図ることができる。
また、第１熱交換器にて１００℃未満の負圧蒸気を生成する程度の加熱媒体を供給する能力の機器を設置すれば足りるので、分散配置が可能となる。
第１熱交換器としては、負圧水と加熱媒体とが非接触で熱交換できるように、例えばプレート型熱交換器、シェル＆プレート熱交換器、シェル＆チューブ熱交換器などの隔壁式熱交換器を用いることができる。
第２熱交換器としては、負圧蒸気と熱利用先とが非接触で熱交換できるように、例えばプレート型熱交換器、フィン＆チューブ熱交換器、浸漬熱交換器などの隔壁式熱交換器を用いることができる。
加熱媒体としては、温水や圧縮加熱された冷媒などを用いることができる。
第１熱交換器で生成した１００℃未満の負圧蒸気を第２熱交換器で熱利用先と熱交換させて凝縮させることで、熱利用先に対して１００℃未満の熱を供給することができる。これにより、１００℃未満の熱を必要とする熱利用先の需要に応えることができる。
第２熱交換器にて負圧蒸気をそのまま使用することとし、第２熱交換器に供給する負圧蒸気を圧縮するための蒸気圧縮機を設置する必要がないので、費用およびメンテナンスの点で有利となる。
第２熱交換器で凝縮潜熱を放出して凝縮した凝縮水が、水供給部によって減圧部へ供給されることによって水の循環系統が形成される。これにより、水の有効利用を図ることができる。
また、第１熱交換器にて１００℃未満の負圧蒸気を生成する程度の加熱媒体を供給する能力の機器を設置すれば足りるので、分散配置が可能となる。
第１熱交換器としては、負圧水と加熱媒体とが非接触で熱交換できるように、例えばプレート型熱交換器、シェル＆プレート熱交換器、シェル＆チューブ熱交換器などの隔壁式熱交換器を用いることができる。
第２熱交換器としては、負圧蒸気と熱利用先とが非接触で熱交換できるように、例えばプレート型熱交換器、フィン＆チューブ熱交換器、浸漬熱交換器などの隔壁式熱交換器を用いることができる。
加熱媒体としては、温水や圧縮加熱された冷媒などを用いることができる。
【0048】
本開示の第２態様に係る蒸気供給システムは、前記第１態様において、前記水供給部は、前記第２熱交換器から導かれた前記凝縮水を前記減圧部へ移送する水ポンプ（５）を備えている。
【0049】
第２熱交換器から導かれた凝縮水を減圧部へ移送する水ポンプを用いることで、簡便な構成とされた水循環経路を形成することができる。
水ポンプとしては、例えば、自吸式渦巻ポンプ、ギアポンプなどを用いることができる。
水ポンプとしては、例えば、自吸式渦巻ポンプ、ギアポンプなどを用いることができる。
【0050】
本開示の第３態様に係る蒸気供給システムは、前記第１態様において、前記水供給部（１７）は、前記第２熱交換器から導かれた前記凝縮水を大気に開放する水槽（２３）と、該水槽内に貯留されて大気圧とされた前記凝縮水を前記減圧部へ導く水供給配管（２７）と、を備えている。
【0051】
水循環経路を流れる水ないし蒸気は負圧とされているため、水循環経路を閉ループとした場合、空気が侵入すると侵入した空気を排出することが困難となる。そこで、負圧の凝縮水を大気に開放する水槽を設け、大気圧とされた水槽の凝縮水を水供給配管を用いて減圧部へ導くようにした。これにより、水循環経路に空気が侵入した場合であっても、侵入した空気を大気へ排出することができる。
【0052】
本開示の第４態様に係る蒸気供給システムは、前記第１態様から前記第３態様のいずれかにおいて、前記第１熱交換器へ供給する前記加熱媒体としての冷媒を供給するヒートポンプ（３０）を備え、前記ヒートポンプは、冷媒を循環させる冷媒循環経路（３２）と、前記第１熱交換器に供給する冷媒を圧縮する圧縮機（３４）と、前記第１熱交換器にて熱交換した後の冷媒を減圧する膨張弁（３６）と、前記膨張弁で減圧した冷媒と熱源媒体と熱交換して該冷媒を蒸発させる蒸発器（３８）と、を備えている。
【0053】
ヒートポンプを用いることとしたので、水や空気などの低温熱源とされた熱源媒体から加熱媒体を生成することができる。
【0054】
本開示の第５態様に係る蒸気供給システムは、前記第１態様から前記第３態様のいずれかにおいて、前記第１熱交換器へ供給する前記加熱媒体としての冷媒を供給するヒートポンプを備え、前記ヒートポンプは、高段側ヒートポンプ（４０Ａ）と低段側ヒートポンプ（４０Ｂ）とを備え、前記高段側ヒートポンプは、冷媒を循環させる高段側冷媒循環経路（４２Ａ）と、前記第１熱交換器に供給する冷媒を圧縮する高段側圧縮機（４４Ａ）と、前記第１熱交換器にて熱交換した後の冷媒を減圧する高段側膨張弁（４６Ａ）と、前記高段側膨張弁で減圧した冷媒を蒸発させる高段側蒸発器（４８Ａ）と、を備え、前記低段側ヒートポンプは、冷媒を循環させる低段側冷媒循環経路（４２Ｂ）と、前記高段側蒸発器に供給する冷媒を圧縮する低段側圧縮機（４４Ｂ）と、前記高段側蒸発器にて熱交換した後の冷媒を減圧する低段側膨張弁（４６Ｂ）と、前記低段側膨張弁で減圧した冷媒と熱源媒体と熱交換して該冷媒を蒸発させる低段側蒸発器（４８Ｂ）と、を備えている。
【0055】
高段側ヒートポンプと低段側ヒートポンプとを有するカスケード式のヒートポンプによって、水や空気などの低温熱源とされた熱源媒体から加熱媒体を生成することができる。カスケード式として複数段のヒートポンプで熱源媒体から熱を汲み上げることができるので、高効率でヒートポンプを運転することができる。
なお、高段側ヒートポンプと低段側ヒートポンプとの間に１又は複数のヒートポンプを設けて３段以上のカスケード式としても良い。
なお、高段側ヒートポンプと低段側ヒートポンプとの間に１又は複数のヒートポンプを設けて３段以上のカスケード式としても良い。
【0056】
本開示の第１態様に係る蒸気供給方法は、減圧部で水を負圧に減圧して負圧水を生成する減圧工程と、前記負圧水と加熱媒体とを熱交換させて負圧蒸気を生成する第１熱交換工程と、前記負圧蒸気と熱利用先とを熱交換させることによって該負圧蒸気の凝縮水を生成する第２熱交換工程と、前記凝縮水を前記減圧部へ供給する水供給工程と、を有している。
【符号の説明】
【0057】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ 蒸気供給システム
３ 水循環経路
５ 水ポンプ（水供給部）
７ 流量調整弁（減圧部）
９ 第１熱交換器
１１ 第２熱交換器
１３ 加熱媒体流路
１５ 熱利用先
１７ 水供給部
１９ 水ポンプ
２１ アスピレータ
２３ 水槽
２５ 吐出配管
２７ 水供給配管
３０ ヒートポンプ
３２ 冷媒循環経路
３４ 圧縮機
３６ 膨張弁
３８ 蒸発器
４０ ヒートポンプ
４０Ａ 高段側ヒートポンプ
４０Ｂ 低段側ヒートポンプ
４２Ａ 高段側冷媒循環経路
４２Ｂ 低段側冷媒循環経路
４４Ａ 高段側圧縮機
４４Ｂ 低段側圧縮機
４６Ａ 高段側膨張弁
４６Ｂ 低段側膨張弁
４８Ａ 高段側蒸発器
４８Ｂ 低段側蒸発器
３ 水循環経路
５ 水ポンプ（水供給部）
７ 流量調整弁（減圧部）
９ 第１熱交換器
１１ 第２熱交換器
１３ 加熱媒体流路
１５ 熱利用先
１７ 水供給部
１９ 水ポンプ
２１ アスピレータ
２３ 水槽
２５ 吐出配管
２７ 水供給配管
３０ ヒートポンプ
３２ 冷媒循環経路
３４ 圧縮機
３６ 膨張弁
３８ 蒸発器
４０ ヒートポンプ
４０Ａ 高段側ヒートポンプ
４０Ｂ 低段側ヒートポンプ
４２Ａ 高段側冷媒循環経路
４２Ｂ 低段側冷媒循環経路
４４Ａ 高段側圧縮機
４４Ｂ 低段側圧縮機
４６Ａ 高段側膨張弁
４６Ｂ 低段側膨張弁
４８Ａ 高段側蒸発器
４８Ｂ 低段側蒸発器
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【手続補正書】
【提出日】2023-12-18
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
水を負圧に減圧して負圧水を生成する減圧部と、
前記負圧水と１００℃未満の加熱媒体とを熱交換させて負圧蒸気を生成する第１熱交換器と、
前記負圧蒸気と熱利用先とを熱交換させることによって該負圧蒸気の凝縮水を生成する第２熱交換器と、
前記凝縮水を前記減圧部へ供給する水供給部と、
を備えている蒸気供給システム。
前記負圧水と１００℃未満の加熱媒体とを熱交換させて負圧蒸気を生成する第１熱交換器と、
前記負圧蒸気と熱利用先とを熱交換させることによって該負圧蒸気の凝縮水を生成する第２熱交換器と、
前記凝縮水を前記減圧部へ供給する水供給部と、
を備えている蒸気供給システム。
【請求項2】
前記水供給部は、前記第２熱交換器から導かれた前記凝縮水を前記減圧部へ移送する水ポンプを備えている請求項１に記載の蒸気供給システム。
【請求項3】
前記水供給部は、前記第２熱交換器から導かれた前記凝縮水を大気に開放する水槽と、
該水槽内に貯留されて大気圧とされた前記凝縮水を前記減圧部へ導く水供給配管と、
を備えている請求項１に記載の蒸気供給システム。
該水槽内に貯留されて大気圧とされた前記凝縮水を前記減圧部へ導く水供給配管と、
を備えている請求項１に記載の蒸気供給システム。
【請求項4】
前記第１熱交換器へ供給する前記加熱媒体としての冷媒を供給するヒートポンプを備え、
前記ヒートポンプは、
冷媒を循環させる冷媒循環経路と、
前記第１熱交換器に供給する冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記第１熱交換器にて熱交換した後の冷媒を減圧する膨張弁と、
前記膨張弁で減圧した冷媒と熱源媒体と熱交換して該冷媒を蒸発させる蒸発器と、
を備えている請求項１に記載の蒸気供給システム。
前記ヒートポンプは、
冷媒を循環させる冷媒循環経路と、
前記第１熱交換器に供給する冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記第１熱交換器にて熱交換した後の冷媒を減圧する膨張弁と、
前記膨張弁で減圧した冷媒と熱源媒体と熱交換して該冷媒を蒸発させる蒸発器と、
を備えている請求項１に記載の蒸気供給システム。
【請求項5】
前記第１熱交換器へ供給する前記加熱媒体としての冷媒を供給するヒートポンプを備え、
前記ヒートポンプは、高段側ヒートポンプと低段側ヒートポンプとを備え、
前記高段側ヒートポンプは、
冷媒を循環させる高段側冷媒循環経路と、
前記第１熱交換器に供給する冷媒を圧縮する高段側圧縮機と、
前記第１熱交換器にて熱交換した後の冷媒を減圧する高段側膨張弁と、
前記高段側膨張弁で減圧した冷媒を蒸発させる高段側蒸発器と、
を備え、
前記低段側ヒートポンプは、
冷媒を循環させる低段側冷媒循環経路と、
前記高段側蒸発器に供給する冷媒を圧縮する低段側圧縮機と、
前記高段側蒸発器にて熱交換した後の冷媒を減圧する低段側膨張弁と、
前記低段側膨張弁で減圧した冷媒と熱源媒体と熱交換して該冷媒を蒸発させる低段側蒸発器と、
を備えている請求項１に記載の蒸気供給システム。
前記ヒートポンプは、高段側ヒートポンプと低段側ヒートポンプとを備え、
前記高段側ヒートポンプは、
冷媒を循環させる高段側冷媒循環経路と、
前記第１熱交換器に供給する冷媒を圧縮する高段側圧縮機と、
前記第１熱交換器にて熱交換した後の冷媒を減圧する高段側膨張弁と、
前記高段側膨張弁で減圧した冷媒を蒸発させる高段側蒸発器と、
を備え、
前記低段側ヒートポンプは、
冷媒を循環させる低段側冷媒循環経路と、
前記高段側蒸発器に供給する冷媒を圧縮する低段側圧縮機と、
前記高段側蒸発器にて熱交換した後の冷媒を減圧する低段側膨張弁と、
前記低段側膨張弁で減圧した冷媒と熱源媒体と熱交換して該冷媒を蒸発させる低段側蒸発器と、
を備えている請求項１に記載の蒸気供給システム。
【請求項6】
減圧部で水を負圧に減圧して負圧水を生成する減圧工程と、
前記負圧水と１００℃未満の加熱媒体とを熱交換させて負圧蒸気を生成する第１熱交換工程と、
前記負圧蒸気と熱利用先とを熱交換させることによって該負圧蒸気の凝縮水を生成する第２熱交換工程と、
前記凝縮水を前記減圧部へ供給する水供給工程と、
を有している蒸気供給方法。
前記負圧水と１００℃未満の加熱媒体とを熱交換させて負圧蒸気を生成する第１熱交換工程と、
前記負圧蒸気と熱利用先とを熱交換させることによって該負圧蒸気の凝縮水を生成する第２熱交換工程と、
前記凝縮水を前記減圧部へ供給する水供給工程と、
を有している蒸気供給方法。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0011】
本開示の一態様に係る蒸気供給システムは、水を負圧に減圧して負圧水を生成する減圧部と、前記負圧水と１００℃未満の加熱媒体とを熱交換させて負圧蒸気を生成する第１熱交換器と、前記負圧蒸気と熱利用先とを熱交換させることによって該負圧蒸気の凝縮水を生成する第２熱交換器と、前記凝縮水を前記減圧部へ供給する水供給部と、を備えている。
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0012】
本開示の一態様に係る蒸気供給方法は、減圧部で水を負圧に減圧して負圧水を生成する減圧工程と、前記負圧水と１００℃未満の加熱媒体とを熱交換させて負圧蒸気を生成する第１熱交換工程と、前記負圧蒸気と熱利用先とを熱交換させることによって該負圧蒸気の凝縮水を生成する第２熱交換工程と、前記凝縮水を前記減圧部へ供給する水供給工程と、を有している。