特許 7483083 統合された熱回収を備えた蒸発器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-05-02

(45)【発行日】2024-05-14

(54)【発明の名称】統合された熱回収を備えた蒸発器

(51)【国際特許分類】

   F22B 33/18 20060101AFI20240507BHJP

   F22B 21/26 20060101ALI20240507BHJP

   F22B 1/18 20060101ALI20240507BHJP

   F22B 27/08 20060101ALI20240507BHJP

   F22B 37/10 20060101ALI20240507BHJP

   F23J 15/06 20060101ALI20240507BHJP

【ＦＩ】

F22B33/18

F22B21/26

F22B1/18 D

F22B27/08

F22B37/10 601Z

F23J15/06

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2023035712

(22)【出願日】2023-03-08

(62)【分割の表示】P 2020522852の分割

【原出願日】2018-10-03

(65)【公開番号】P2023075231

(43)【公開日】2023-05-30

【審査請求日】2023-03-08

(31)【優先権主張番号】62/567,300

(32)【優先日】2017-10-03

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】520102565

【氏名又は名称】エンバイロ パワー インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110003018

【氏名又は名称】弁理士法人プロテクトスタンス

(72)【発明者】

【氏名】コクッツァ マイケル エー

(72)【発明者】

【氏名】スティーン グラハム エイチ

【審査官】河野 俊二

(56)【参考文献】

【文献】米国特許第０３３１５６４５（ＵＳ，Ａ）

【文献】特表２００７－５２２３８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－２２５０５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－０１７５１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－００７６００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１９７８０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００３／０２１３２４５（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２２Ｂ ３３／１８

Ｆ２２Ｂ ２１／２６

Ｆ２２Ｂ １／１８

Ｆ２２Ｂ ２７／０８

Ｆ２２Ｂ ３７／１０

Ｆ２３Ｊ １５／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

熱回収を備えた蒸発器であって、
ハウジングと、
前記ハウジング内に配置され、燃料バーナーを囲んで燃料を燃焼させて、熱および加熱された燃焼ガスの流れを生成する燃焼室と、
前記燃焼室に配置され、前記加熱された燃焼ガスから熱を吸収して蒸気に移行する作動流体の流れを受け入れる入口端と前記蒸気を出す出口端とを有する、蒸気管と、
前記ハウジング内に配置され、前記燃焼室からの前記加熱された燃焼ガスの流れを受け取る複数の排気管を含む、排気ガス熱交換器と、
前記燃焼室を少なくとも部分的に囲み、前記排気ガス熱交換器と流体連通する冷却剤ジャケットと、
前記ハウジング内にあり、前記排気ガス熱交換器に流体連通する復水器と、を備え、
前記冷却剤は前記ハウジングに入り、前記ハウジングを出る前に、前記復水器と前記排気ガス熱交換器と前記冷却剤ジャケットとを通って循環する、蒸発器。

【請求項2】

前記冷却剤ジャケットが、前記燃焼室の側壁を囲み、前記ハウジング内に環状空間を含む、請求項１に記載の蒸発器。

【請求項3】

前記燃焼室が、前記蒸気管を少なくとも部分的に囲む熱障壁を含む、請求項１に記載の蒸発器。

【請求項4】

前記蒸気管が、円筒状空間を取り囲む螺旋コイルに形成された管を含む、請求項１に記載の蒸発器。

【請求項5】

前記蒸気管が、螺旋コイルに形成されたフィン付き管を含む、請求項１に記載の蒸発器。

【請求項6】

前記蒸気管が、円筒状空間を取り巻く螺旋コイルに形成された管を含み、前記ハウジングが、前記円筒状空間の一端と連通する開口を画定し、前記燃焼室が前記円筒状空間の第２の端部にまたがる燃焼バッフルを含む、請求項１に記載の蒸発器。

【請求項7】

前記蒸気管が、互いに反対方向に巻かれ且つ垂直方向を有する円筒状空間を囲む２つの同心螺旋コイルに形成された管を含む、請求項１に記載の蒸発器。

【請求項8】

前記同心螺旋コイルは、内側コイルおよび外側コイルを備え、各コイルは、前記蒸気管の複数の回転を含み、前記内側コイルは、上端の作動流体入口と流体連通し、下端の外側コイルに接続され、前記内側コイルの各回転は下向きの傾斜を有する、請求項７に記載の蒸発器。

【請求項9】

前記外側コイルの各回転が上向きの傾斜を有し、前記外側コイルの上端の蒸気出口と連通する、請求項８に記載の蒸発器。

【請求項10】

電力に接続されたときに前記冷却剤を加熱するように構成された電気抵抗加熱器を備える、請求項１に記載の蒸発器。

【請求項11】

前記作動流体が水であり、前記蒸気が水蒸気である、請求項１に記載の蒸発器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ランキンサイクルシステムで使用する作動流体から蒸気を生成する蒸発器での熱の回収に関する。より具体的には、コンパクトで熱効率が高く費用対効果の高いアセンブリのシステムで、熱エネルギーを回収するための熱交換器の統合に関する。

【0002】

ランキンサイクルは、作動流体が連続的に蒸発および復水（凝縮）されるすべての発電所の基本的な作動サイクルである。閉じたランキンサイクルシステムには、作動流体を蒸発させるボイラーまたは蒸発器、蒸気を供給して発電機またはその他の負荷を駆動するタービン（またはその他の膨張機）、タービンからの排気蒸気を復水して液体に戻す復水器（コンデンサ）、復水した流体をボイラー／蒸発器にリサイクルするためのポンプを備える。ランキンサイクルシステムの作動流体には、水とＲ－２４５ｆａやＲ１３４ａなどの有機冷媒とが含まれる。作動流体の選択は、主にランキンサイクルシステムが動作する温度範囲に依存し、より低い動作温度に最適な有機冷媒と、より高い動作温度に最適な水／蒸気とが使われる。廃熱回収用途では低い動作温度が一般的であり、住宅や小規模ビジネス構造で使用するように構成された一部の小規模システムでは低い動作温度が望ましい場合がある。動作温度が高いと効率は向上するが、熱の封じ込めと回収の問題が生じる。低動作温度と高動作温度の区分は、一般に約３００°Ｆ（１４８°Ｃ）－３５０°Ｆ（１７７°Ｃ）である。

【0003】

蒸気は多種多様なプロセスに使用され、熱エネルギーを機械的仕事に変換するランキンサイクルシステムの作動流体として一般的に使用され、これを使用して電気を生成することができる。蒸気を生成する最も一般的な方法は、燃料を燃焼させて熱を放出することである。放出する熱は、蒸気ボイラーと呼ばれる熱交換器で水に伝達される。蒸気ボイラーは通常、水をチャネルまたはチューブに分離して表面積を拡大し、水への熱伝達を促進する。多くの蒸気ボイラーは、ガスを使用して蒸気を生成した後、排気ガスから熱を回収するための仕組みを採用する。蒸気ボイラーは一般的に、燃焼による熱を閉じ込め、水を含むチューブに熱を集中させるために、ハウジングと断熱材を使用する。高温の燃焼ガスから水への熱伝達を強化するために、蒸気管のさまざまな配置が採用されている。

【0004】

蒸気は、２１２°Ｆ（１００℃）から９００°Ｆ（５００℃）を超える温度の範囲の温度で送達するために生成される。蒸気は、低圧環境で２１２°Ｆ（１００°Ｃ）未満の温度で生成する場合があるが、有用性が限られている場合がある。加熱用途には低温の「飽和」蒸気が好まれ、発電とタービンには高温の「過熱」蒸気が好まれる。過熱蒸気は、温度が測定される絶対圧力での蒸発（沸点）点よりも高い温度の蒸気である。３５０°Ｆ以上の温度で過熱蒸気を生成するには、低温の飽和蒸気を生成するよりも高い強度の熱が必要であることは明らかである。タービンで使用する過熱蒸気を生成するために必要な集中熱は、低温システムと比較した場合、熱の封じ込めと回収との点で課題をもたらす。たとえば、過熱蒸気が生成される燃焼室を出る排気ガスは、少なくとも蒸気と同じくらい高温になる。つまり、システムの効率を維持するには、排気ガスからかなりのエネルギーを回収する必要がある。伝導と放射によって失われる熱は、敏感なシステムコンポーネントと周囲の材料に損傷を与える可能性があり、潜在的なシステムの非効率性を表す。

【0005】

蒸気を使用して電気を生成するシステムでは、過熱蒸気が蒸気タービンなどの膨張機に送られる。蒸気がタービンを通過すると、動力を発生して発電機を回し、より低い温度と圧力の蒸気としてタービンから排出される。 膨張器を通過した後、蒸気は冷却され、「復水器」と呼ばれるこの目的専用の熱交換器で復水（凝縮）されて液体水に戻る。その後、この液体水は蒸気発生器にポンプで戻され、サイクルが完了する。復水器は、タービン排気から回収された熱を、家庭用温水、温水暖房システム、または吸収式冷凍機などの蒸発冷却システムなどの別のシステムに送るように構成されてもよい。 熱は、一般に、蒸気発生器から出る排気ガスからも回収される。

【0006】

熱および電力の組み合わせシステムでは、３つの熱交換アセンブリを使用することが一般的である。熱源／蒸気管交換器；復水器；および排気ガス熱回収熱交換器である。これらの３つの熱交換器は通常、個別のアセンブリとして提供されるが、これはかなりのスペースを占有し、製造コストの点で非効率的であり、潜在的な故障点の数を増やし、放射による熱漏れと周囲環境への熱伝導を許すことになる。大規模な蒸気駆動発電機は、通常、専用の専用構造物に配置され、訓練を受けた人員が操作する。家庭や中小企業の機械室に設置するために設計された小規模のマイクロＣＨＰ機器は、非常にコンパクトで、周囲の環境に少量の熱を放出する必要がある。

【0007】

小規模または「マイクロ」熱電併給（ＣＨＰ）システムは、住宅構造および小規模ビジネスで使用するために開発されている。これらのシステムは、排気ガスから回収された熱と、家庭または事業主が使用する復水器とを使って、蒸気を生成し、蒸気タービンを使用して電気を生成する。マイクロＣＨＰシステムは、単一のシステムでバックアップ発電、低コストの電力、および熱を提供するため、従来の加熱システムの魅力的な代替品になる。さらに、マイクロＣＨＰシステムを接続して相互に通信し、再生可能エネルギー源がグリッドに過剰な電力を供給した場合に、ピーク電力需要または負荷吸収に協調して応答することができる。

【0008】

住宅および小規模ビジネス構造に設置されるマイクロＣＨＰシステムに適した蒸気発生器、タービン、および熱交換器のコンパクトで費用効果の高い配置が必要である。

【0009】

周囲環境に放出される熱を制限するマイクロＣＨＰシステムで使用するための熱交換器のコンパクトで熱効率の良い配置が必要である。

【発明の概要】

【0010】

統合された熱回収を備えた蒸発器は、ウォータージャケットに囲まれた燃焼室に蒸気管を組み込んでいる。ウォータージャケットは、排気ガス熱交換器と流体連通する。冷却剤は、排気ガス熱交換器を循環して燃焼室から出る排気ガスから熱を回収し、燃焼室を囲むウォータージャケットを循環して作動流体に供給されない熱を回収する。

【0011】

蒸発器のハウジングは、燃焼室と排気ガス熱交換器とを囲み、ウォータージャケットの外側境界を画定する。燃焼室は円筒形であってもよく、ウォータージャケットは燃焼室を囲む環状空間を含んでもよい。燃焼室は、燃焼室の上部に燃料バーナー用の開口部があり、燃焼室の底部に燃焼ガスの出口がある縦向き構造を有してもよい。蒸気管は、作動流体を受け入れるための入口端と、蒸気相作動流体が蒸気管を出る出口端とを含む。蒸気管の入口端と出口端とは、蒸発器ハウジングの外側に配置することができる。 燃料バーナーは、熱と高温の燃焼ガスとを燃焼室に放出するように配置されており、そこで燃焼管内の作動流体に熱が伝達される。燃焼室は、蒸気管を少なくとも部分的に囲む熱障壁を含むことができる。

【0012】

排気ガス熱交換器は、燃焼室から加熱された燃焼ガスを受け取る排気管を含む。排気管は、作動流体に伝達されていない排気ガスから熱を回収するために冷却剤に囲まれている。冷却剤はハウジングに入り、最初に排気ガス熱交換器を循環し、次にハウジングを出る前に冷却剤ジャケットを循環する。

【0013】

開示された蒸気管は、燃焼室で発生した熱を作動流体に伝達して蒸気を発生させる熱交換器の一形態であるが、この目的のための他の形態の熱交換器は開示された蒸発器と互換性がある。蒸気管は、円筒形の空間を取り囲む螺旋コイルに形成された連続した長さの管であってもよい。燃料燃焼器を配置して、熱および高温の燃焼ガスを蒸気管に囲まれた円筒状空間に放出することができる。蒸気管は、熱交換のために表面積を拡大するために、その外面にフィンを含んでもよい。蒸気管は、２つの同心螺旋コイルに形成された連続長の管であってもよく、第１のコイルは作動流体入口を含み、第２のコイルは蒸気出口を含み、コイルは下端で接続される。螺旋コイルは、垂直方向を有し、円筒形燃焼室内で同心であってもよい。螺旋コイルは、反対方向に巻かれ、蒸発器ハウジングの外側の入口／出口端からそれらの接続された下端まで下向きのピッチを有してもよい。一方のヘリカルコイルのリングは、他方のヘリカルコイルのリングから半径方向に間隔を空けられ、半径方向から見たときに鋭角で互いに交差し得る。各螺旋コイルのリングは互いに平行であり、他の螺旋コイルのリングと同心であるが、他の螺旋コイルのリングと平行ではない。コイル状の蒸気管の隣接するリングは、蒸気管の外側表面から突出するフィンの高さだけ間隔を空けられてもよい。燃焼室は、螺旋状の蒸気管に囲まれた円筒状空間の下端に広がる燃焼バッフルを含んでもよい。燃焼バッフルは熱障壁を含んでもよい。

【0014】

いくつかの実施形態では、蒸発器は、ハウジング内に、排気ガス熱交換器およびウォータージャケットに流体連通する復水器を組み込むことができる。 復水器には、膨張器を通過した飽和蒸気の入口と、復水した作動流体の復水物出口が含まれている。復水器は、飽和蒸気から熱を除去するように構成された熱交換器である。冷却剤が復水器を循環して熱を除去する。冷却剤は、排気ガス熱交換器及びウォータージャケットを循環する前に、復水器で蒸発器ハウジングに入る場合がある。復水器は、排気ガス熱交換器と同様の熱交換構成を有してもよく、異なる構成であってもよい。

【0015】

蒸発器は、電力に接続されたときに前記冷却剤を加熱するように構成された抵抗加熱器を含むことができる。抵抗加熱器は、復水器および／または排気ガス熱交換器によって囲まれ、冷却剤と接触する中央空間に配置されてもよい。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】図１は、統合された熱回収を備えた蒸発器の第１の実施形態の断面図である。

【図2】図２は、図１の蒸発器の分解斜視図である。

【図3】図３は、本実施態様による代替蒸発器の断面斜視図である。

【図4】図４は、開示された熱回収構成を組み込んだマイクロＣＨＰシステムの概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

本実施形態は、気相作動流体を生成する際に使用するための統合熱回収を備えた蒸発器に関する。気相作動流体は、蒸気相作動流体中の熱エネルギーを機械的仕事に変換するタービンなどの膨張機に送給することができる。本実施形態で説明する蒸発器は、水蒸気発生器であるが、本実施形態の構造、関連および製造方法は、有機冷媒などの作動流体で使用される蒸発器に適用される。本開示の文脈において、「水蒸気発生器」という用語は「蒸発器」と交換可能であり、蒸気への言及は気相有機冷媒と交換可能である。以下では、「水」および「給水」という用語は、開示された蒸発器に適合する１つの作動流体の例である。

【0018】

図１および図２は、本実施態様による統合された熱回収を備えた水蒸気発生器（蒸発器）の第１の実施形態を示している。水蒸気発生器１０は、上部プレート１４、側壁１６および底部プレート１８を含むハウジング１２に含まれる。上部プレート１４は、燃料バーナー（図示せず）の火炎管アセンブリ用の開口部２０を画定し、側壁１６に接続されてハウジング１２の上部を形成する。燃焼室２２は、上端が上部プレート１４の底面に接続された円筒形の燃焼室壁２４によって画定されている。断熱材２６は、燃焼室２２の側面の少なくとも上部および上部を取り囲んでいる。上部プレート１４は、蒸気（蒸気）管２８の端部２８ａ、２８ｂのための２つの開口部も画定する。用語「水蒸気管」は、文脈において「蒸気管」と交換可能である。本明細書の開示は、一般に、熱を作動流体に伝達して気相作動流体を生成する熱交換構造を指す。図２に最もよく示されているように、水蒸気管２８は、上部プレート１４の下に吊るされた２つの同軸コイルを形成するように曲げられた円形断面の管である。コイル状蒸気管２８は、断熱材２６の内側の燃焼室２２の一部を占め、燃焼室の中心は、燃料バーナー（図示せず）の火炎管に利用できる。燃焼室２２で燃焼した燃料は、燃焼室を満たし、水蒸気管２８を加熱する熱と高温の排気ガスとを生成する。断熱材２６は、燃焼室２２内の熱を保持し、水蒸気管２８内の水及び蒸気への熱伝達を最大化する。

【0019】

ディスク形状の燃焼バッフル３０は、水蒸気管２８内に画定された円筒状空間３２の下端に広がっている。燃焼バッフル３０は、水蒸気管２８の下端から間隔を空けて配置された円形の断熱材２６を支持する。燃焼バッフル３０および断熱材２６は、熱伝達を促進するために水蒸気管２８の近傍に熱および高温燃焼ガスを食い止める。燃焼バッフル３０は、燃焼ガスがバーナー（図示せず）から離れる最も直接的な経路を遮断し、高温の燃焼ガスを水蒸気管２８のコイル間で半径方向外側に強制的に流す。

【0020】

図１および２の実施形態では、水蒸気管２８は、全長約４０フィート（１２．２ｍ）、内径０．６５２インチ（１６ｍｍ）、内径を有する単一長さのステンレス鋼チューブで構成される。表面積は９８３平方インチ、内部容積は約１６０立方インチである。水蒸気管２８の外径は０．７５インチ（１９ｍｍ）であり、蒸気管の外表面積は約１，７００平方インチである。水蒸気管２８は、反対方向に巻かれた２つの同心螺旋コイルに形成され、内側コイル２９は水蒸気管２８の端部２８ａの給水入口に関連付けられている。本開示の文脈では、各回転の端が軸方向にオフセットされ、且つコイルの前後のリングに接続されている場合でも、コイルの各回転は「リング」と呼ばれる。内側コイル２９は、内側コイル２９の各リングが、水蒸気管２８の中心軸に垂直な平面に対して約５°の鋭角で規定される傾斜で下向きに傾斜するように巻かれている。水蒸気管２８の端部２８ａは、重力により管に沿って流れて広がっていく。内側コイル２９の最下部のリングは、外側コイル３１の最下部のリングと接続するために半径方向外側に交差する。外側コイル３１は、外側コイルの各リングが定められた勾配で上方に傾斜する螺旋コイルを形成するように巻かれる。内側コイル２９は「右手」らせんとして説明され、外側コイル３１は「左手」として説明される。構成の結果、２つの同心のらせんができ、内側のらせんはわずかに下向きの軌道を持ち、外側のらせんはわずかに上向きの軌道を持つ。側面から見ると、内側コイル２９のリングは外側コイル３１のリングと約１０°の角度、またはコイルの傾斜の２倍で交差する。

【0021】

図１および図２の蒸気発生器では、水蒸気管２８は、熱伝達のための表面積を高めるために、その外面にフィンを含む。各コイルのリングの間、および内側コイル２９と外側コイル３１との間の間隔は、フィンの高さによって決まる。開示された蒸気管構成の１つの目的は、コンパクトな空間に十分な熱伝達表面積と内部容積を提供することである。本開示で開示および説明される水蒸気管２８は、気相作動流体を生成するために使用できる熱交換構造の一例である。他の熱交換構造は、開示された蒸発器と互換できる。

【0022】

図１および図２に示すように、燃焼室壁２４の下端は、燃焼室２２から下方に延びる排気管３４を含む排気マニホルドに接続されている。排気マニホルドは、上部ディスク３３、排気管３４、および下部ディスク３６を含む。上部ディスク３３は、燃焼室２２の下端に広がっており、燃焼室壁２４の下端に接続されて、排気ガスを排気管３４に導く密閉容器を形成している。排気管３４は、強固な密封接続を形成する溶接またはろう付けなどの方法によって下部ディスク３６に接合されている。排気管３４は、それらの表面積を高めるために平坦に形成されている。排気管３４の下端は、強固な密封接続を形成する溶接またはろう付けなどの方法によって下部ディスク３６に接合される。排気出口チャンバ３８は、下部ディスク３６とハウジング１２の底部プレート１８との間に形成される。下部ディスク３６の外周は、溶接またはろう付けなどの方法によりハウジング１２の側壁に接合されて形成される。高温の排気ガスは、燃焼室２２から排気管３４を通って排気出口チャンバ３８に入り、そこから水蒸気発生器１０を出る。図２に最もよく示されるように、平坦化された排気管３４は、中央空間を囲む千鳥状の放射状パターンで配置され、一部の排気管３４は他よりも中央空間に近い。平坦化された排気管３４は、ハウジング１２の中心から側壁１６まで延びる半径に平行な長い寸法で配置される。

【0023】

ハウジング１２は、燃焼室２２および排気管３４を囲む冷却剤ジャケット４４と連通する冷却液入口４０および冷却液出口４２を含む。冷却剤ジャケット４４は、上部プレート１４から排気出口室３８の下部ディスク３６まで延びている。冷却流体は、冷却剤ジャケット４４を通して循環され、蒸気を生成するために使用されない排気ガスおよび燃焼室２２からの熱を回収する。開示された実施形態では、冷却剤として使用される流体は水であるが、他の冷却剤流体を使用することができる。冷却液入口４０は、下部ディスク３６のすぐ上の冷却剤ジャケット４４に入り、上部プレート１４のすぐ下の冷却剤ジャケット４４から出る。バッフル４６は、排気ガスから冷却流体への熱伝達を強化するために、渦巻き状の半径方向内外経路で排気管３４の周りに冷却流体を導く。バッフル４６は、平坦化された排気管の半径方向の向きと連携して機能し、あるパターンで冷却流体の循環を促進する。このパターンは、排気管３４、上部ディスク３３、下部ディスク３６、燃焼室壁２４、およびハウジング１２の上部プレート１４からの熱回収を促進する。冷却流体は、ハウジング１２の側壁１６と燃焼室壁２４との間の環状空間を通り、上部プレート１４の下を流れる。この環状空間内の冷却流体は、上部プレート１４を冷却し、断熱材２６と組み合わせて、水蒸気発生器１０の上端から過剰な熱が周囲の環境に逃げるのを防ぐ。

【0024】

燃焼室２２の上部、側部および底部の断熱材２６は、燃焼室２２内に熱を集中させて４５０°Ｆ（２３２°Ｃ）から９００°Ｆ（４８２°Ｃ）の温度で蒸気を生成する熱障壁を提供する。上部プレート１４の下の断熱材２６は、上部プレート１４と接触する冷却流体と組み合わせて、水蒸気発生器１０からの望ましくない熱放射をもたらす上部プレート１４の熱が高くなりすぎないようにする。本実施形態で使用される「熱伝達率を低下させるために使用される材料または構造」を意味する。断熱材は、エアギャップと同じくらい単純なものでも、耐火性セラミック繊維、鉱物繊維など、炉で使用される既知の種類の断熱材を含んでもよい。密閉された真空空間を使用して、熱伝達率の望ましい減少を実現することもできる。

【0025】

図１および図２に示す蒸気発生器の水蒸気管２８は、各リングが下向きの傾斜を有する内側コイル２９を含む。内側コイル２９のリングの下向きの傾斜は、水蒸気管２８に入る水が重力により内側コイル２９の内側に沿って流れることを可能にする。水が内側コイル２９を下に流れると、水蒸気管２８から熱を吸収し、蒸気に移行する。内側コイル２９の長さと燃焼室２２の温度とは、水蒸気管２８に入るすべての水が水蒸気管２８の底部に到達する前に蒸気に移行することを保証する。この配置は、底部での液体水の蓄積を防ぐ。底部での液体水の蓄積は、システムの不安定性を引き起こす可能性がある。内側コイル２９の最下部のリングは、外側コイル３１の最下部のリングと接続するために半径方向外側にらせん状になる。内側コイルに形成された蒸気は、水蒸気管２８の外側コイル３１を通過するときに熱を吸収し続け、蒸気タービンなどの膨張機を駆動するために使用できる過熱乾燥蒸気として水蒸気管２８を出る。

【0026】

図１および図２の蒸気発生器１０は、燃焼室２２を囲む水ジャケット４４を、共通のハウジング１２内の排気ガス熱回収熱交換器３５と一体化して、コンパクトな構成を提供する。コンパクトな構成は、燃焼室２２で蒸気を形成するのに必要な高温を効率的にする。ウォータージャケット付き水蒸気発生器１０は、また、排気ガスから熱を熱回収流体に回収し、回収された熱は他の目的に使用でき、開示された水蒸気発生器１０を組み込んだシステムの全体的な効率を高める。

【0027】

図１および図２は、ウォータージャケット４４内に延びる抵抗加熱器５０を示す。抵抗加熱器５０は、印加電流から熱を生成する。抵抗加熱器５０によって生成された熱は、ウォータージャケット４４内を循環する冷却流体に伝達される。いくつかのシステム構成では、蒸気発生器１０が設置されている施設で貯蔵または使用できる過剰な電気エネルギーを熱に変換すると有利な場合がある。風力タービンやソーラーパネルなどのソースから生成される電力のかなりの部分を有する送電網では、過剰な電気エネルギーを「ダンプ」する必要が生じる場合がある。風力タービンとソーラーパネルは、ピークエネルギー需要と一致しない時間に過剰な電気エネルギーを生成する可能性があり、その結果、グリッドの過剰な電力を管理する必要があることが知られている。水蒸気発生器１０に抵抗加熱器５０を組み込むことにより、水蒸気発生器１０は、過剰な電力を、局所的に貯蔵または使用できる熱に変換することができる

【0028】

図３は、ハウジング１１２内に蒸気復水器１６０を組み込んだ水蒸気発生器１００の代替実施形態を示す。図３の構成は、蒸気発生器が使用するマイクロ熱電併給システムの一部であるシステムで有用である。マイクロ複合熱および電力システムは、蒸気発生器１００によって生成された蒸気を使用して、蒸気タービンなどの膨張機を駆動して電気を生成する。そのようなシステムでは、タービン（または他の膨張機）から出る蒸気を復水（凝縮）して液体水に戻さなければならず、液体水は水蒸気発生器１００およびタービンを通して再循環できる。復水器は、蒸気発生器とは別の専用の熱交換器であることが一般的であり、一般的な復水器は、冷却剤を循環させて蒸気から熱を除去するハウジングとともに、蒸気、冷却剤および復水液用の導管とその接続が必要である。蒸気復水器１６０を水蒸気管１２８および排気ガス熱回収交換器１３５と同じハウジング１１２に組み込むことにより、システムのコストが削減され、システムがよりコンパクトになる。流体接続と流路の一部を単一のアセンブリに統合して、漏れの場所の数を減らすことができる。同じハウジング１１２はまた、別個の構造および必要な流体導管から周囲環境に失われる熱を除去することができ、熱回収を強化する。

【0029】

水蒸気発生器１００は、図１および２の水蒸気発生器１０と同様に構成および機能し、水蒸気発生器１０とどのように異なるかについてのみ詳細に説明する。燃焼室１２２および蒸気管１２８は、図１および図２の蒸気発生器１０と同様に構成および機能する。燃料燃焼器１１０は、上部プレート１１４の開口部１２０に概略的に示されている。排気マニホルドの下端を規定する下部ディスク１３６は、ハウジング１１２の約半分に位置し、蒸気復水器１６０のためにハウジングの底部にスペースを残している。排気出口チャンバ１３８は、下部ディスク１３６と蒸気復水器１６０の上壁１６２との間に画定される。図３に示すように、蒸気復水器１６０は、上述の水蒸気発生器１０の排熱回収構成と同様の熱交換構成を有する。蒸気復水器１６０は、復水器上部ディスク１６６と復水器下部ディスク１６８との間に延びる平坦化された復水器管１６４を含む。蒸気吸入チャンバ１７０は、上壁１６２と上部ディスク１６６との間に画定される。タービンを出る蒸気は、蒸気吸入室１７０に入り、入口１４０で導入された冷却液に囲まれた復水器管１６４を通過する。蒸気は水に復水され、蒸気から除去された熱は冷却流体に捕捉される。復水チャンバ１７２は、復水器下部ディスク１６８とハウジング底板１１８との間に画定される。蒸気から復水した水は復水チャンバ１７２に蓄積し、蒸気管入口１２８ａにポンプで戻されて蒸気に変換される。

【0030】

図３の水蒸気発生器１００の実施形態では、排気ガス熱回収交換器１３５および復水器１６０は同様の構成を有し、両方とも冷却流体で囲まれた平坦化された平管を使用する。排気ガス熱回収交換器１３５も復水器１６０も開示された熱交換器構成に限定されず、排気ガス熱回収交換器１３５及び復水器１６０の各々は、他と異なる構成を有することができる。ハウジング１１２は、排気ガス熱回収交換器１３５と復水器１６０との両方を収容するのに必要な内部容積を提供するために、垂直方向または半径方向に延長することができる。

【0031】

図３に示すように、水蒸気発生器１００の冷却剤ジャケット１４４は、復水器１６０、排気ガス熱回収交換器１３５を囲み、燃焼室壁１２４を囲む環状空間を満たす。冷却剤は、冷却剤入口１４０で復水器１６０に入り、復水器１６０の冷却剤体積を排気ガス熱交換器１３５の冷却剤体積に接続する冷却剤ダクト１７４を通過する。冷却流体は、排気ガス熱交換器１３５を通り、燃焼室壁１２４を囲む環状空間を通って循環してから、冷却剤出口１４２で蒸気発生器を出る。水蒸気発生器１００は、冷却流体に囲まれているが、排気出口チャンバ１３８、蒸気吸入チャンバ１７０および復水チャンバ１７２から隔離された抵抗加熱器１５０も含む。

【0032】

図４は、蒸気タービン１８０に関連する水蒸気発生器１０、１００の概略図であり、構成要素間の熱関係を示している。参照番号１０は、図１および２の水蒸気発生器１０を使用するシステムにおける熱関係の表示を示す。水蒸気発生器１０は、燃焼室が加熱燃焼ガスを集中させる熱交換器を規定する水蒸気管２８を囲む燃焼室２２を含む。水蒸気管２８を加熱し、液体供給水をタービン１８０などの膨張機を駆動するために使用される過熱乾燥蒸気に変換する。水蒸気発生器１０は、燃焼室２２および水蒸気管２８を排気ガス熱交換器３５とともにハウジングに組み込む。水蒸気復水器１６０は、タービン排気、給水、および復水器１６０を水蒸気発生器１０に接続する流体流導管を表す冷却流体のためのラインを備えた別個のハウジングに示されている。給水は水蒸気管２８に送られ、そこで熱を吸収し、タービン１８０に供給される過熱乾燥蒸気に移行する。タービン排気は、復水器１６０に供給され、復水器１６０タービン排気蒸気を水に入れ、それを閉回路で水蒸気管２８に戻す。冷却水は、復水器１６０内のタービン排気蒸気から熱を吸収し、次いで、排熱回収熱交換器３５に送られて、燃焼室排気ガスから熱を吸収する。加熱された冷却液は、温水暖房、家庭用温水製造、または吸収式空調システム用の熱などの用途で他のシステムに供給される。水蒸気発生器１０は、水蒸気発生器１０の外部にある復水器１６０のための別個の構造および流体接続を必要とすることが観察されるであろう。

【0033】

参照番号１００は、燃焼室１２２、水蒸気管１２８、および排気ガス熱回収交換器１３５とともに復水器１６０を同じハウジング１１２に組み込む水蒸気発生器１００の表示を示す。この構成では、 復水器１６０を出る冷却流体は、排気ガス熱回収交換器１３５と、内部流体流路によって燃焼室１２２を囲む冷却剤ジャケット１４４とに導かれる。排気ガス熱回収交換器１３５と復水器１６０を同じハウジングに配置すると、製造コストが削減され、システムがよりコンパクトになり、別々のシステムコンポーネントからの熱の損失が減少する。 復水器１６０から水蒸気管１２８への水をハウジング１１２に供給するための流路および供給ポンプ（図示せず）を組み込むことも可能であり、ハウジング１１２の外部の接続をさらに減らす。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】