(57)【要約】【課題】より高いエネルギー効率で蒸気を生産する。【解決手段】蒸気発生装置１は、第１流体路１０、第２流体路２０、熱交換器３０、圧縮機４０、及び供給装置５０を備える。第１流体路１０の内部には排水が流れる。熱交換器３０は、第１流体路１０及び第２流体路２０を熱的に接続し、第１流体路１０を流れる流体の熱を、第２流体路２０を流れる流体に伝えて、当該流体を気化させる。圧縮機４０は、第２流体路２０の途中に配置されており、第２流体路２０を流れる流体を圧縮する。供給装置５０は、圧縮機４０を通過した後の流体の一部を、第１流体路１０における、熱交換器３０の上流位置に供給する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部を、熱源から排出された流体が流れる第１流体路（１０）と、
内部を流体が流れる第２流体路（２０）と、
前記第１流体路及び前記第２流体路を熱的に接続し、前記第１流体路を流れる流体の熱を、前記第２流体路を流れる流体に伝えて、当該流体を気化させる熱交換器（３０）と、
前記第２流体路の途中に配置されており、前記第２流体路を流れる流体を圧縮する圧縮機（４０）と、
前記圧縮機を通過した後の流体の一部を、前記第１流体路における、前記熱交換器の上流位置に供給する供給装置（５０）と、を備えることを特徴とする、蒸気発生装置（１）。
【請求項２】
前記供給装置は、気体の流路となる気体管（５１）と、当該気体管における気体流量を調整するための気体流量調整弁（５１ｖ）と、を有していることを特徴とする、請求項１に記載の蒸気発生装置。
【請求項３】
前記圧縮機に冷却水を供給する冷却装置（６０）を更に備え、
前記供給装置は、（i）前記第２流体路における、前記圧縮機の下流側、且つ、前記気体管の上流側の位置に配置された気液分離装置（５２）と、（ii）前記気液分離装置において分離した液体の流路となる液体管（５３）と、（iii）当該液体管における液体流量を調整するための液体流量調整弁（５３ｖ）と、を備えていることを特徴とする、請求項２に記載の蒸気発生装置。
【請求項４】
前記第２流体路に対して、前記第１流体路を流れる流体を供給する流体供給管（１７１）を更に備え、
前記流体供給管は、前記第１流体路における、前記熱交換器の下流位置と、前記第２流体路における、前記熱交換器の上流位置とを接続することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の蒸気発生装置。
【請求項５】
前記冷却装置によって供給される冷却水は、前記第１流体路を流れる流体であり、
前記冷却装置は、前記第１流体路における、前記熱交換器の下流位置から分岐して形成されていることを特徴とする、請求項３に記載の蒸気発生装置。
【請求項６】
前記冷却装置によって供給される冷却水は、前記第１流体路を流れる流体であり、
前記冷却装置は、前記第１流体路における、前記熱交換器の上流位置から分岐して形成されていることを特徴とする、請求項３に記載の蒸気発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、廃熱を利用して蒸気を発生させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の蒸気発生装置としてはボイラが一般的である。ボイラにおいては、燃料を燃焼させ、その排気を使って水などの液体を加熱することによって蒸気が得られる。
【０００３】
一般に、ボイラにおけるエネルギー効率（ボイラへ供給された一次燃料のエネルギーに対する、生産蒸気のエネルギーの比）は、０．８程度である。その理由について説明する。ボイラから排出される燃焼排ガスの温度が低下すると、凝縮水が発生し、その凝縮水にＮＯｘやＳＯｘが溶解して硝酸や硫酸が生じる。そして、このような酸は、パイプ等の腐食の原因となる。そのため、ボイラでは、燃焼排ガスの温度を、常温付近まで低下させるような運転は行なわれない。従って、ボイラのエネルギー効率は約８割となっている。
【０００４】
特許文献１に開示された蒸気発生システムは、蒸気の生産におけるエネルギー効率を向上させる技術の一例である。このシステムは、供給経路内の被加熱媒体を加熱するヒートポンプと、ヒートポンプで加熱された被加熱媒体を圧縮する圧縮機とを備える。そして、このシステムでは、ヒートポンプで加熱された被加熱媒体が圧縮機においてさらに加熱され、高圧の蒸気が発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−７１４１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の特許文献１の技術においては、ヒートポンプ及び圧縮機を併用することによってエネルギー効率を高めている。しかし、さらに高いエネルギー効率で蒸気を生産できることが望ましい。
【０００７】
（課題）
本発明が解決しようとする課題は、より高いエネルギー効率で蒸気を生産することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）上記の課題を解決するために、本発明に係る蒸気発生装置は、内部を、熱源から排出された流体が流れる第１流体路と、内部を流体が流れる第２流体路と、前記第１流体路及び前記第２流体路を熱的に接続し、前記第１流体路を流れる流体の熱を、前記第２流体路を流れる流体に伝えて、当該流体を気化させる熱交換器と、前記第２流体路の途中に配置されており、前記第２流体路を流れる流体を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機を通過した後の流体の一部を、前記第１流体路における、前記熱交換器の上流位置に供給する供給装置と、を備える。
【０００９】
蒸気発生装置においては、圧縮機で蒸気を圧縮することにより、生産蒸気の圧力などが調整される。また、圧縮機の運転に必要な動力は、圧縮機の給気圧に対する、排気圧の比によって定まる。例えば、圧縮機からの排気圧をある目標値に設定（固定）した場合においては、給気圧が低いほど、圧縮機の動力を大きくする必要がある。
上記の構成では、圧縮機を通過した高温の流体が、第１流体路における、熱交換器の上流位置に供給されるため、熱交換器上流の流体の温度が上がる。そのため、第２流体路における、熱交換器の下流位置（圧縮機の上流位置）で発生する蒸気の、温度及び圧力（給気圧）が上昇する。
従って、本構成によると、圧縮機からの排気圧をある目標値に設定（固定）した場合において、圧縮機に送られる蒸気の給気圧を効率的に高められる。その結果、圧縮機の運転に必要な動力を低減でき、高いエネルギー効率で、所望の圧力の蒸気を生産することができる。
【００１０】
なお、上記の説明における「エネルギー効率」とは、蒸気発生装置に対して投入したエネルギーに対する、生産蒸気のエネルギー（回収エネルギー）の比である。
【００１１】
上記の「供給装置」を用いて送られる流体は、圧縮機を通過した流体のうち、一部であってもよいし、全部であってもよい。また、この流体は、気体であってもよいし、液体であってもよい。また、これらの混合物であってもよい。
また、圧縮機に冷却水が供給される場合には、圧縮機を通過する流体には、冷却水が含まれる。
【００１２】
「熱交換器」としては、プレートタイプ、シェルアンドチューブタイプなどを利用できる。
「圧縮機」としては、スクリュータイプ（シングル、ツイン）、ターボタイプ、レシプロタイプなどを利用できる。
「供給装置」は、第２流体路における圧縮機の下流位置と、第１流体路における熱交換器の上流位置とを接続する。供給装置は、例えば、管路を含んでいても良いし、管路及びポンプを含んでいてもよい。
【００１３】
熱源から排出され、第１流体路に流される流体は、気体（排ガス）であってもよいし、液体（排水）であってもよい。また、これらの混合物であってもよい。これは、第２流体路を流れる流体についても同様である。
また、熱源から排出され、第１流体路を流れる流体としては、工場、発電所などからの高温排水などを利用できる。この流体の温度は、５０度乃至３００度程度であることが望ましい。また、この温度については、１００度以上であることが更に望ましい。
また、第２流体路を流れる流体（被加熱流体）は、第１流体路を流れる流体からの熱を受けて相変化（気化）するものであればよく、この流体としては、水、フロン系冷媒、炭化水素系冷媒などを利用できる。
【００１４】
また、本装置において生産される蒸気は、飽和蒸気であってもよいし、過熱蒸気であってもよい。また、これらの混合物であってもよい。
【００１５】
（２）本発明に係る上記（１）の蒸気発生装置において、前記供給装置は、気体の流路となる気体管と、当該気体管における気体流量を調整するための気体流量調整弁と、を有していてもよい。
【００１６】
この構成によると、圧縮機を通過した気体（蒸気）が、熱交換器の上流位置に供給され、熱交換器上流の流体温度が上がる。そして、高いエネルギー効率で、所望の圧力の蒸気を生産することができる。
【００１７】
また、この構成では、気体管を流れる気体の量を調節することにより、生産蒸気の流量を調整することができる。
【００１８】
なお、流量調整弁は、例えば、作業員によって手動で操作されるものであってもよいし、また、制御装置に接続され、自動制御されるものであってもよい。
【００１９】
また、圧縮機の下流に気液分離装置が設けられる場合には、気体管は、第２流体路における、気液分離装置の下流位置から分岐して形成される。
【００２０】
（３）本発明に係る上記（２）の蒸気発生装置は、前記圧縮機に冷却水を供給する冷却装置を更に備えていてもよい。
また、前記供給装置は、（i）前記第２流体路における、前記圧縮機の下流側、且つ、前記気体管の上流側の位置に配置された気液分離装置と、（ii）前記気液分離装置において分離した液体の流路となる液体管と、（iii）当該液体管における液体流量を調整するための液体流量調整弁と、を備えていてもよい。
【００２１】
この構成では、冷却装置により、圧縮機及び生産蒸気の温度を適切に調整することができる。
また、液体状態のまま圧縮機を通過する冷却水については、気液分離装置により気体（蒸気）から分離できる。
さらに、液体冷却水の熱を使って、熱交換器上流の流体の温度を上昇させることにより、液体冷却水を有効に利用できる。
【００２２】
また、この構成では、液体管を流れる液体冷却水の量を調節することにより、生産蒸気の流量を調整することができる。
【００２３】
なお、「冷却装置」は、冷却水の流路となる管路を含んでいてもよいし、冷却水の管路及びポンプを含んでいてもよい。
「気液分離装置」は、蒸気中の液体を分離する装置のことであり、この気液分離装置としては、例えばサイクロン式のものを利用できる。
【００２４】
冷却水は、気体（排ガス）であってもよいし、液体（排水）であってもよい。また、これらの混合物であってもよい。
また、冷却水は、圧縮機などの熱を受けて相変化（気化）するものが望ましくこの冷却水としては、水、フロン系冷媒、炭化水素系冷媒などを利用できる。
【００２５】
流量調整弁は、例えば、作業員によって手動で操作されるものであってもよいし、また、制御装置に接続され、自動制御されるものであってもよい。
【００２６】
（４）本発明に係る上記（１）乃至（３）のいずれかの蒸気発生装置は、前記第２流体路に対して、前記第１流体路を流れる流体を供給する流体供給管を更に備えていてもよい。
また、前記流体供給管は、前記第１流体路における、前記熱交換器の下流位置と、前記第２流体路における、前記熱交換器の上流位置とを接続してもよい。
【００２７】
この構成により、排水から蒸気を生産することが可能となる。
なお、この構成では、排水であったものが生産蒸気になる。そのため、本構成は、特に、次のいずれかの場合に有効である。
（i）排水に不純物が多く含まれている場合において、蒸気に不純物が含まれることが、蒸気の利用先において大きな問題にならないとき
（ii）排水が十分に清浄である場合
【００２８】
（５）本発明に係る上記（３）の蒸気発生装置において、前記冷却装置によって供給される冷却水は、前記第１流体路を流れる流体であり、前記冷却装置は、前記第１流体路における、前記熱交換器の下流位置から分岐して形成されていてもよい。
【００２９】
この構成により、圧縮機の冷却水として、排水を利用できる。
なお、この構成では、排水であったものが生産蒸気になる。そのため、本構成は、特に、次のいずれかの場合に有効である。
（i）排水に不純物が多く含まれている場合において、蒸気に不純物が含まれることが、蒸気の利用先において大きな問題にならないとき
（ii）排水が十分に清浄である場合
【００３０】
（６）本発明に係る上記（３）の蒸気発生装置において、前記冷却装置によって供給される冷却水は、前記第１流体路を流れる流体であり、前記冷却装置は、前記第１流体路における、前記熱交換器の上流位置から分岐して形成されていてもよい。
【００３１】
この構成により、圧縮機の冷却水として、排水を利用できる。
また、熱交換前の排水（すなわち、高温側の排水）の温度は高く、沸点に比較的近いので、熱交換前の排水を冷却水として使用することにより、冷却水が気化されやすい。そのため、低温の冷却水を使用する場合に比べて、生産蒸気の流量が増大する。
【００３２】
なお、この構成では、排水であったものが生産蒸気になる。そのため、本構成は、特に、次のいずれかの場合に有効である。
（i）排水に不純物が多く含まれている場合において、蒸気に不純物が含まれることが、蒸気の利用先において大きな問題にならないとき
（ii）排水が十分に清浄である場合
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る蒸気発生装置を示す概略図である。
【図２】蒸気発生装置におけるリサイクルスチーム量と蒸気流量との関係を示すグラフである。
【図３】蒸気発生装置におけるリサイクルスチーム量と圧縮機からの蒸気流量との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の第２実施形態に係る蒸気発生装置を示す概略図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る蒸気発生装置を示す概略図である。
【図６】本発明の第４実施形態に係る蒸気発生装置を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について説明する。本実施形態に係る蒸気発生装置１は、排水の熱を利用して（すなわち、廃熱を利用して）蒸気を発生させ、放出する装置であり、第１流体路１０、第２流体路２０、熱交換器３０、圧縮機４０、供給装置５０、及び冷却装置６０を備える。以下、蒸気発生装置１から放出される蒸気を「生産蒸気」と記す。
【００３５】
第１流体路１０には、工場などの熱源（図示せず）からの排水が流される。熱交換器３０において、第１流体路１０を流れる流体の熱が、第２流体路２０の水（被加熱流体）に伝えられ、この水が気化する。この蒸気は、冷却水と共に、圧縮機４０の内部で圧縮される。圧縮機４０を通過した流体は、その後、蒸気発生装置１から放出され、他の施設（図示せず）において利用される。また、圧縮機４０を通過した後の流体は、気液分離装置５２を通り、液体と気体とに分離した状態で、熱交換器３０の上流位置に供給される。これにより、高いエネルギー効率で、蒸気を生産できる。以下、各部の詳細について説明する。
【００３６】
（第１流体路）
第１流体路１０は、３本の連続したパイプ（パイプ１０ａ、パイプ１０ｂ、及びパイプ１０ｃ）からなる。第１流体路１０の内部においては、熱源から排出された流体（排水）が流れる。また、パイプ１０ａの途中には、排水を先に送るためのポンプ１０ｐが設けられている。また、パイプ１０ａ及びパイプ１０ｃは、図示しない熱原に接続されている。
【００３７】
第１流体路１０を構成するパイプは、上流側から、パイプ１０ａ、パイプ１０ｂ、及びパイプ１０ｃの順に接続されており、流体は、第１流体路１０の内部をこの順に流れる。また、パイプ１０ｂは、後述する熱交換器３０の内部を通っている。
【００３８】
パイプ１０ａには、気体管５１（後述）及び液体管５３（後述）が接続されており、圧縮後の流体が、第１流体路１０に合流するようになっている。そのため、第１流体路１０の内部の流体には、（i）排水、（ii）第２流体路２０から送られる蒸気（被加熱流体および冷却水）、及び（iii）第２流体路２０から送られる液体冷却水、が含まれる。
【００３９】
（第２流体路）
第２流体路２０は、４本のパイプ（パイプ２０ａ、パイプ２０ｂ、パイプ２０ｃ、及びパイプ２０ｄ）から成る。第２流体路２０の内部においては、被加熱流体として、水（Ｈ２Ｏ）が流れている。この水は、熱交換器３０における熱交換により気化（蒸発）し、圧縮機４０において圧縮され、そして、その蒸気の一部（または全部）が、生産蒸気として放出される。
【００４０】
パイプ２０ａ、パイプ２０ｂ、及びパイプ２０ｃは、上流側からこの順に連続している。また、圧縮機４０（後述）を介して、パイプ２０ｃとパイプ２０ｄとが連続している。そして、流体は、第２流体路２０の内部を、パイプ２０ａ、パイプ２０ｂ、パイプ２０ｃ、及びパイプ２０ｄの順に流れる。また、パイプ２０ｂは、後述する熱交換器３０の内部を通っている。
パイプ２０ａの途中には、水を先に送るためのポンプ２０ｐが設けられている。また、パイプ２０ｄからは、後述するように、気体管５１及び液体管５３が分岐している。
【００４１】
圧縮機４０の下流域においては、被加熱流体に加えて、圧縮機４０の冷却水が流れる。そのため、第２流体路２０の内部においては、（i）被加熱流体（水）、及び、（ii）冷却水（水）、の２種類の流体が流れる。
【００４２】
（熱交換器）
熱交換器３０は、第１流体路１０及び第２流体路２０を熱的に接続するものである。熱交換器３０の内部に、第１流体路１０のパイプ１０ｂと、第２流体路２０のパイプ２０ｂとが配置されており、これらは熱的に接続された状態になっている。そして、蒸気発生装置１の運転時には、熱交換器３０の内部において、第１流体路１０の流体から、第２流体路２０の被加熱流体（水）へ熱が伝えられ、被加熱流体が気化する。すなわち、蒸気発生装置１において、被加熱流体の蒸発潜熱は、第１流体路１０の流体から得られる。
【００４３】
（圧縮機）
圧縮機４０は、第２流体路２０の途中（パイプ２０ｃとパイプ２０ｄとの間）に配置されており、第２流体路２０を流れる流体を圧縮する。圧縮機４０は、シングルスクリュー型である。また、圧縮機４０には、後述する冷却装置６０によって冷却水が供給される。
【００４４】
圧縮機４０において圧縮されるのは、熱交換器３０において気化した水、及び、圧縮機４０に供給された冷却水である。圧縮機４０において流体を圧縮することにより、最終的に得られる生産蒸気の流量を調整できる。
【００４５】
（供給装置）
供給装置５０は、第２流体路２０の内部の流体を、第１流体路１０に供給するものであり、気体管５１、気体流量調整弁５１ｖ、液体管５３、液体流量調整弁５３ｖ、及び、気液分離装置５２から成る。そして、供給装置５０は、圧縮機４０を通過した後の流体の一部を、第１流体路１０における、熱交換器３０の上流位置に供給する。
【００４６】
気体管５１及び液体管５３のそれぞれは、第２流体路２０における圧縮機４０の下流位置（パイプ２０ｄ）と、第１流体路１０における熱交換器３０の上流位置（パイプ１０ａ）とを接続する。
【００４７】
また、気体管５１及び液体管５３のそれぞれは、第２流体路２０における、気液分離装置５２の下流位置から分岐している。また、第２流体路２０において、気体管５１の方が、液体管５３よりも下流側から分岐している。
【００４８】
気体管５１は、気体（蒸気）の流路となるパイプである。気体管５１の途中には、気体流量調整弁５１ｖが設けられており、この気体流量調整弁５１ｖを使って、気体管５１における気体流量を調整することができる。
【００４９】
気液分離装置５２は、サイクロン式の分離装置であり、パイプ２０ｄの途中に配置されている。具体的には、気液分離装置５２は、第２流体路２０における、圧縮機４０よりも下流位置に配置され、且つ、気体管５１よりも上流位置に配置されている。そして、気液分離装置５２は、圧縮機４０を通過した流体から、そこに含まれる液体成分を抽出して、液体管５３へ送り出す。
【００５０】
液体管５３は、気液分離装置５２において抽出された液体冷却水の流路となるパイプである。液体管５３の途中には、液体流量調整弁５３ｖが設けられており、この液体流量調整弁５３ｖを使って、液体管５３における液体流量を調整することができる。
【００５１】
流量調整弁（気体流量調整弁５１ｖ及び液体流量調整弁５３ｖ）は、手動での操作が可能なものである。しかし、これらについては、制御装置によって自動制御されるものであってもよい。
例えば、ＣＰＵ（CentralProcessing Unit）、及び、記憶装置（ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ハードディスクなど）を含むコンピュータ（制御装置）が、気体流量調整弁５１ｖ及び液体流量調整弁５３ｖの開度を制御するようになっていてもよい。これにより、第２流体路２０から、気体管５１又は液体管５３へ流れる流体の流量が調整される。
また、流量調整弁は、遠隔操作できるものであってもよい。
【００５２】
（冷却装置）
冷却装置６０は、圧縮機４０に冷却水を供給する装置であり、本実施形態においては、冷却水貯蔵タンク（図示せず）、供給管６１、及びポンプ（図示せず）から成る。
【００５３】
冷却装置６０から供給された冷却水は、圧縮機４０の内部へ送られる。これにより、圧縮機４０のケーシング等の過熱が抑制される。また、この冷却水により、圧縮機４０の内部における蒸気の温度を、所定温度（例えば、軸受の耐熱温度）まで冷却できる。さらに、被加熱流体からの熱を受けて冷却水が気化するため、蒸気流量を増大できる。
【００５４】
（蒸気発生装置の動作について）
次に、蒸気発生装置１の動作について説明する。まず、熱源からの排水が、パイプ２０ａの流入口から、第１流体路１０に流される。また、パイプ２０ａの流入口から、第２流体路２０に、被加熱流体である水（液体）が流される。そして、ポンプ１０ｐ及びポンプ２０ｐを動作させると、第１流体路１０及び第２流体路２０の内部に流体（伝熱媒体）が流れている状態になる。
【００５５】
以下、蒸気発生装置１における流体の流れについて、圧縮機４０から順に説明する。
圧縮機４０の内部の流体（被加熱流体、及び、圧縮機４０に供給された冷却水）は、圧縮機４０において圧縮され、高温・高圧になる。そして、圧縮機４０からパイプ２０ｄへ、（i）液体状態の冷却水、（ii）気体状態の冷却水、および（iii）気体状態の被加熱流体、から成る混合流体が送り出される。
なお、圧縮機４０においては、冷却装置６０から供給された冷却水との熱交換によって、圧縮熱が除去される。
【００５６】
その後、気液分離装置５２において、パイプ２０ｄを流れる混合流体から、液体状態の冷却水が抽出され、この冷却水は、液体管５３を通って、熱交換器３０の上流（パイプ１０ａ）に送られる。
【００５７】
次に、気液分離装置５２を通過した蒸気（気体状態の冷却水、及び、気体状態の被加熱流体）の一部が、気体管５１を通って、熱交換器３０の上流に送られる。そして、残りの蒸気（液体管５３に送られなかった蒸気）が、パイプ２０ｄを通して、生産蒸気として蒸気発生装置１の外へ放出される。液体管５３に送られる蒸気の、生産蒸気として放出される蒸気に対する割合は、液体流量調整弁５３ｖの開度に従って変化する。
【００５８】
また、第１流体路１０の、熱交換器３０の上流位置においては、（i）パイプ１０ａを流れる排水と、（ii）気体管５１及び液体管５３からの高温流体と、が合流して混合流体となる。そして、この高温の混合流体をパイプ１０ｂに流すことにより、熱交換器３０の内部において、第２流体路２０を流れる被加熱流体が気化する。そして、その蒸気が、パイプ２０ｃを通って圧縮機４０へ供給される。その後、上記のように、圧縮機４０において蒸気が圧縮され、その一部が装置外へ放出される。以上のようにして、蒸気発生装置１において生産蒸気が得られる。
【００５９】
（蒸気発生方法）
次に、蒸気発生方法について説明する。まず、第１流体路１０に、熱源からの排水を流す。また、第２流体路２０に、被加熱流体である水を流す（伝熱流体供給工程）。
次に、圧縮機４０に冷却水を供給する（冷却水供給工程）。
次に、圧縮機４０を用いて、第２流体路２０の水を圧縮する（圧縮工程）。
次に、圧縮機４０を通過した流体（気体および液体）の一部を、供給装置５０を用いて、熱交換器３０の上流位置に供給する（高温流体供給工程）。
次に、熱交換器３０を用いて、第１流体路１０の流体の熱を、第２流体路２０の水に伝え、水を蒸発させる（気化工程）。
その後、この蒸気を圧縮する（上記の圧縮工程参照）。
以上のようにして生産した蒸気（生産蒸気）を、パイプ２０ｄから取り出す。本方法により、効率的に蒸気を生産できる。
【００６０】
（蒸気流量とリサイクルスチーム量との関係について）
次に、図２及び図３について説明する。図２及び図３は、蒸気発生装置１を用いて、０．８ＭＰａの生産蒸気を発生させる場合における、生産蒸気の流量の計算結果を示している。なお、図２及び図３の計算は、液体管５３における液体流量をある流量に固定して、気体管５１の流量のみを変化させて行なったものである。
【００６１】
図２及び図３の「液比率」は、次の式で表わされる。
液比率＝ＣＲＬ／ＣＦ      （式１）
ＣＲＬ：圧縮機４０から液体状態のままで放出される冷却水の流量
ＣＦ  ：圧縮機４０に供給される冷却水の流量
【００６２】
液比率の数値と、対応する状態との関係は、次のようになっている。
液比率＝０．０；冷却水の全てが気化した状態で圧縮機４０から放出される。
液比率＝０．５；供給された冷却水のうち、５０％が気化した状態で、残りの５０％が液体状態で、圧縮機４０から放出される。
液比率＝１．０；冷却水の全てが、液体状態のまま圧縮機４０から放出される。
なお、液比率は、蒸気発生装置１の運転条件（冷却水の温度、前後の圧力差、圧縮機４０の圧縮比、圧縮機４０の回転数など）により変化する。
【００６３】
図３の「圧縮機吐出蒸気流量」は、まま圧縮機４０から放出される気体（蒸気）の流量であり、次の式で表わされる。
圧縮機吐出蒸気流量＝ＣＧ＋ＷＧ      （式２）
ＣＧ：気体状態の冷却水の流量
ＷＧ：気体状態の被加熱流体の流量
【００６４】
図中の「リサイクルスチーム流量」は、気体管５１を通して熱交換器３０の上流位置へ送られる蒸気（被加熱流体、及び冷却水）の流量である。
なお、液比率が１．０のときには、気化した冷却水は存在しないので、気体管５１を通して送られる蒸気は、被加熱流体のみとなる。
【００６５】
図中の「蒸気流量」は、圧縮機吐出蒸気流量からリサイクルスチーム流量を差し引いたものであり、最終的にユーザが利用できる蒸気の流量（生産蒸気流量）に相当する。
【００６６】
図３に示すように、圧縮機吐出蒸気流量は、液比率に係わらず、リサイクルスチーム流量の増大とともに増大する。しかし、リサイクルスチーム流量が３００ｋｇ／ｈを超える辺りから、圧縮吐出蒸気流量の増加率（グラフの各点における傾き）が小さくなる。
そのため、図２に示すように、液比率に係わらず、リサイクルスチーム流量が、３００〜４００ｋｇ／ｈのときに、蒸気流量が最大となる。
このことは、液比率が１．０の場合においても同様である。
【００６７】
また、図２に示すように、蒸気発生装置１では、リサイクルスチーム流量を変化させることにより、生産蒸気流量を制御することができる。そのため、液体流量調整弁５３ｖを適切に調整することにより、所望の流量の生産蒸気を得ることができる。
【００６８】
また、上記のように、図２及び図３は、液体流量調整弁５３ｖの開度を固定した場合の計算結果を示している。
気体流量調整弁５１ｖの調整に加えて、液体流量調整弁５３ｖを調整することにより、蒸気流量を、さらに幅広く制御することが可能となる。具体的には、気体流量調整弁５１ｖのみを調整する場合に比べて、蒸気流量を増大できる。
【００６９】
（効果）
次に、本実施形態に係る蒸気発生装置１により得られる効果について説明する。蒸気発生装置１は、内部を、熱源から排出された流体が流れる第１流体路１０と、内部を流体が流れる第２流体路２０と、第１流体路１０及び第２流体路２０を熱的に接続し、第１流体路１０を流れる流体の熱を、第２流体路２０を流れる流体に伝えて、当該流体を気化させる熱交換器３０と、第２流体路２０の途中に配置されており、第２流体路２０を流れる流体を圧縮する圧縮機４０と、圧縮機４０を通過した後の流体の一部を、第１流体路１０における、熱交換器３０の上流位置に供給する供給装置５０と、を備える。
【００７０】
上記の構成では、圧縮機４０を通過した高温の流体が、第１流体路１０における、熱交換器３０の上流位置に供給されるため、熱交換器３０の上流における流体の温度が上がる。そのため、第２流体路２０における、熱交換器３０の下流位置（圧縮機４０の上流位置）で発生する蒸気の、温度及び圧力（給気圧）が上昇する。
従って、本構成によると、圧縮機４０からの排気圧をある目標値に設定（固定）した場合において、圧縮機４０に送られる蒸気の給気圧を効率的に高められる。その結果、圧縮機４０の運転に必要な動力を低減でき、高いエネルギー効率で、所望の圧力の蒸気を生産することができる。
【００７１】
また、蒸気発生装置１において、供給装置５０は、気体の流路となる気体管５１と、当該気体管５１における気体流量を調整するための気体流量調整弁５１ｖと、を有している。また、気体管５１は、第２流体路２０における、気液分離装置５２の下流位置から分岐している。
【００７２】
この構成によると、圧縮機４０を通過した気体（蒸気）が、熱交換器３０の上流位置に供給され、熱交換器３０の上流における流体温度が上がる。そして、高いエネルギー効率で、所望の圧力の蒸気を生産することができる。
【００７３】
また、この構成では、気体管５１を流れる気体の量を調節することにより、生産蒸気の流量を調整することができる。
【００７４】
蒸気発生装置１は、圧縮機４０に冷却水を供給する冷却装置６０を更に備えている。
また、供給装置５０は、（i）第２流体路２０における、圧縮機４０の下流側、且つ、気体管５１の上流側の位置に配置された気液分離装置５２と、（ii）気液分離装置５２において分離した液体の流路となる液体管５３と、（iii）当該液体管５３における液体流量を調整するための液体流量調整弁５３ｖと、を備えている。
【００７５】
この構成では、冷却装置６０により、圧縮機４０及び生産蒸気の温度を適切に調整することができる。
また、液体状態のまま圧縮機４０を通過する冷却水については、気液分離装置５２により気体（蒸気）から分離できる。
さらに、液体冷却水の熱を使って、熱交換器３０の上流における流体の温度を上昇させることにより、液体冷却水を有効に利用できる。
【００７６】
また、この構成では、液体管５３を流れる液体冷却水の量を調節することにより、生産蒸気の流量を調整することができる。
【００７７】
（その他の効果）
その他の効果について説明する。蒸気発生装置１においては、リサイクルスチーム流量（気体管５１を流れる蒸気の流量）を調整することにより、所望の流量の蒸気を生産できる（図２参照）。
さらに、蒸気発生装置１においては、リサイクルスチーム流量の調整に加えて、液体管５３を流れる液体冷却水の流量を調整することにより、生産蒸気の流量を、より幅広く制御することができる。
【００７８】
（実施例）
次に、蒸気発生装置１の実施例について説明する。蒸気発生装置１を、下記の条件で運転するとする。
・第１流体路１０に、９０℃の廃水を流す。
・第２流体路２０に、０．１ＭＰａ、２５℃の水（被加熱流体）を供給する。
・熱交換器３０で被加熱流体を加熱して、０．１ＭＰａ、９９℃の飽和蒸気を発生させる。
・圧縮機４０を用いて流体を圧縮し、０．４ＭＰａ、１５４℃、流量７６０ｋｇ／ｈの生産蒸気を発生させる。
【００７９】
比較例として、一般的なボイラ（本発明の熱交換器３０に相当）のみを用いて、２５℃の水を供給して、０．４ＭＰａ、１５４℃、流量７６０ｋｇ／ｈの蒸気を発生させるとする。この場合に必要なエネルギー（一次燃料消費量）は、５６８ｋＷとなる。ここでは、ボイラのエネルギー効率を８０％として計算している。
【００８０】
一方、本発明の蒸気発生装置１を用いて、２５℃の水を供給して、０．４ＭＰａ、１５４℃、流量７６０ｋｇ／ｈの蒸気を発生させた場合には、必要となるエネルギー（蒸気発生装置全体のエネルギー）は、８５ｋＷとなる。ここでは、圧縮機４０の熱効率を７０％として計算している。
また、この場合に、一次燃料消費量（エネルギー換算値）は、発電端効率を３８％として計算すると、２２３ｋＷとなる。そのため、蒸気発生装置１を用いて上記を発生させると、ボイラを用いる場合に比べて、一次燃料消費量を約６４％削減できる。そして、ボイラの場合の、およそ半分のエネルギーで、ボイラと同じ流量の蒸気を生産できる。
【００８１】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について、図４を用いて説明する。なお、上記の実施形態と同様の部分については、図に同一の符号を付してその説明を省略する。
以下、上記の第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。図４において、符号１１０、１１０ｃ、１２０、１２０ｂ、１６０、１６１を付した部分は、それぞれ、第１実施形態において、符号１０、１０ｃ、２０、２０ｂ、６０、６１を付した部分に相当する。
【００８２】
本実施形態に係る蒸気発生装置１０１は、流体供給管１７１を更に備える。そして、流体供給管１７１は、第１流体路１１０における、熱交換器３０の下流位置（パイプ１１０ｃ）と、第２流体路１２０における、熱交換器３０の上流位置（パイプ１２０ｂの上流端）とを接続する。この構成により、第２流体路１２０に対して、第１流体路１１０を流れる流体（熱交換後の流体）が供給される。
また、パイプ１２０ｂの途中には、バルブ１２０ｖが設けられており、バルブ１２０ｖの開度を調節することにより、第２流体路１２０に供給される流体の流量が調整される。
【００８３】
また、冷却装置１６０には、バルブ１６０ｖ、供給管１６１、及び接続管１６２が含まれている。接続管１６２は、第１流体路１１０における、熱交換器３０の下流位置（パイプ１１０ｃ）から分岐して形成されている。そして、接続管１６２は、パイプ１１０ｃと、供給管１６１とを接続している。冷却装置１６０によって供給される冷却水は、第１流体路１１０を流れる流体（熱交換後の流体）である。
【００８４】
バルブ１６０ｖは、供給管１６１の途中に設けられており、バルブ１６０ｖの開度を調整することにより、圧縮機４０に供給される冷却水の量が調整される。なお、本実施形態の冷却装置１６０においては、冷却水貯蔵タンク及びポンプは、不要であるために設けられていない。
【００８５】
（効果）
本実施形態による効果について説明する。蒸気発生装置１０１は、第２流体路１２０に対して、第１流体路１１０を流れる流体を供給する流体供給管１７１を更に備えている。
また、流体供給管１７１は、第１流体路１１０における、熱交換器３０の下流位置と、第２流体路１２０における、熱交換器３０の上流位置とを接続している。
この構成により、排水から蒸気を生産することが可能となる。
【００８６】
また、蒸気発生装置１０１において、冷却装置１６０によって供給される冷却水は、第１流体路１１０を流れる流体であり、冷却装置１６０は、第１流体路１１０における、熱交換器３０の下流位置から分岐して形成されている。
この構成により、圧縮機４０の冷却水として、排水を利用できる。
【００８７】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について、図５を用いて説明する。なお、上記の実施形態と同様の部分については、図に同一の符号を付してその説明を省略する。
以下、上記の第２実施形態と異なる部分を中心に説明する。図５において、符号２１０、２１０ｃ、２６０、２６２を付した部分は、それぞれ、上記の実施形態において、符号１０、１０ｃ、１６０、１６２を付した部分に相当する。
【００８８】
本実施形態に係る蒸気発生装置２０１においては、冷却装置２６０に、バルブ１６０ｖ、供給管１６１、及び接続管２６２が含まれている。接続管２６２は、第１流体路２１０における、熱交換器３０の上流位置（パイプ１０ａ）から分岐して形成されている。そして、接続管２６２は、パイプ１０ａと、供給管１６１とを接続している。冷却装置２６０によって供給される冷却水は、第１流体路２１０を流れる流体（熱交換前の流体）である。
【００８９】
接続管２６２は、第１流体路１１０において、気体管５１及び液体管５３の合流位置（パイプ１０ａと、気体管５１及び液体管５３のそれぞれとの接続位置）よりも上流の位置から分岐している。
なお、接続管２６２は、第１流体路１１０において、気体管５１及び液体管５３の合流位置よりも下流の位置から分岐していてもよい。
【００９０】
また、蒸気発生装置２０１は、上記と同様に、流体供給管１７１を備える。そして、流体供給管１７１は、第１流体路１１０における、熱交換器３０の下流位置（パイプ２１０ｃ）と、第２流体路１２０における、熱交換器３０の上流位置（パイプ１２０ｂの上流端）とを接続する。
なお、本実施形態の冷却装置２６０においては、冷却水貯蔵タンク及びポンプは、不要であるために設けられていない。
【００９１】
（効果）
本実施形態による効果について説明する。
蒸気発生装置２０１において、冷却装置２６０によって供給される冷却水は、第１流体路２１０を流れる流体である。また、冷却装置２６０は、第１流体路２１０における、熱交換器３０の上流位置から分岐して形成されている。
【００９２】
この構成により、圧縮機４０の冷却水として、排水を利用できる。
また、熱交換前の排水（すなわち、高温側の排水）の温度は高く、沸点に比較的近いので、熱交換前の排水を冷却水として使用することにより、冷却水が気化されやすい。そのため、低温の冷却水を使用する場合に比べて、生産蒸気の流量が増大する。
【００９３】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について、図６を用いて説明する。なお、上記の実施形態と同様の部分については、図に同一の符号を付してその説明を省略する。
以下、上記の第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００９４】
本実施形態に係る蒸気発生装置３０１においては、熱交換器が２つに分けられている。すなわち、蒸気発生装置３０１は、熱交換器３０ａおよび熱交換器３０ｂを備えている。気体管５１および液体管５３は、パイプ５４を介して熱交換器３０ｂに接続されている。また、熱交換器３０ｂと熱交換器３０ａとを連通させるパイプにパイプ１０ａが接続されている。
【００９５】
本実施形態によると、第２流体路２０を流れる被加熱流体は、熱交換器３０ａにおいて、（i）パイプ１０ａを流れる排水と、（ii）気体管５１及び液体管５３からの高温流体と、の混合流体で加熱される。その後、熱交換器３０ｂにおいて、気体管５１及び液体管５３からの高温流体で加熱される。
【００９６】
（他の実施形態について）
本発明の実施の形態は、上記の実施形態には限られない。例えば、上記の実施形態においては、冷却水を圧縮機に供給しているが、圧縮機ではなく、圧縮機の下流の蒸気を冷却してもよい。圧縮機の下流位置において、生産蒸気の目標温度よりも、蒸気の温度が高い場合（過熱状態である場合）には、ここに冷却水を供給することにより、（i）蒸気の温度が目標温度まで低下し、且つ、（ii）その熱交換において冷却水が気化し、蒸気流量が増大する。
【００９７】
なお、冷却水を、圧縮機の下流位置にのみ供給してもよいし、圧縮機、及び、圧縮機の下流位置の両方に、冷却水を供給してもよい。
圧縮機を冷却しない場合には、圧縮機の摩擦部分（回転軸の周囲など）における潤滑油の温度管理が必要となる。
【００９８】
また、上記の実施形態においては、供給装置５０に、気液分離装置５２及び液体管５３が含まれるが、気液分離装置５２及び液体管５３はなくてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
本発明は、暖房、発電などに用いられる蒸気を発生させる装置として利用できる。
【符号の説明】
【０１００】
１    蒸気発生装置
１０    第１流体路
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ    パイプ
１０ｐ    ポンプ
２０    第２流体路
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ    パイプ
２０ｐ    ポンプ
３０    熱交換器
４０    圧縮機
５０    供給装置
５１    気体管
５１ｖ    気体流量調整弁
５２    気液分離装置
５３    液体管
５３ｖ    液体流量調整弁
６０    冷却装置
６１    供給管
１６１    供給管
１６２    接続管
２６２    接続管
１７１    流体供給管
【図１】
2011064417.tif 000003
【図２】
2011064417.tif 000004
【図３】
2011064417.tif 000005
【図４】
2011064417.tif 000006
【図５】
2011064417.tif 000007
【図６】
2011064417.tif 000008