(57)【要約】【課題】高いエネルギー効率で蒸気を生成することができる蒸気発生装置を提供すること。【解決手段】大気中の空気を断熱圧縮して加熱する圧縮機構２と、圧縮機構で加熱された空気と水とを熱交換することによって、少なくとも水から蒸気を生成する熱交換機構３と、熱交換機構３において熱交換された空気を断熱膨張させる膨張機構４と、膨張機構４の断熱膨張により発生したエネルギーを圧縮機構２に付与して断熱圧縮のエネルギーとする伝達機構５と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気中の空気を断熱圧縮して加熱する圧縮機構と、
前記圧縮機構で加熱された前記空気と水とを熱交換することによって、少なくとも前記水から蒸気を生成する熱交換機構と、
前記熱交換機構において熱交換された前記空気を断熱膨張させる膨張機構と、
前記膨張機構の前記断熱膨張により発生したエネルギーを前記圧縮機構に付与して前記断熱圧縮のエネルギーとする伝達機構と、
を有することを特徴とする蒸気発生装置。
【請求項２】
回転エネルギーにより大気中の空気を断熱圧縮して加熱する圧縮機構と、
前記圧縮機構で加熱された前記空気と水とを熱交換することによって、少なくとも前記水から蒸気を生成する熱交換機構と、
前記熱交換機構において熱交換された前記空気を断熱膨張させることにより回転エネルギーを生成する膨張機構と、
前記圧縮機構と前記膨張機構とを連結する軸部材を有し、該軸部材により前記膨張機構の回転エネルギーを前記圧縮機構に伝達することによって、前記膨張機構の前記断熱膨張により発生したエネルギーを前記圧縮機構に付与して前記断熱圧縮のエネルギーとする伝達機構と、
を有することを特徴とする蒸気発生装置。
【請求項３】
前記熱交換機構は、
前記空気との熱交換により前記水から前記蒸気を生成する蒸気用熱交換器と、
前記空気との熱交換により前記水を加熱して温水にする温水用熱交換器と
を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の蒸気発生装置。
【請求項４】
前記熱交換機構は、
前記温水用熱交換器で生成された前記温水を減圧下で蒸気に気化させる気化装置と、
前記気化装置で気化された前記蒸気を、前記蒸気用熱交換器で生成された前記蒸気の温度にまで加熱する加熱装置と、
前記加熱装置で加熱された前記蒸気を、前記蒸気用熱交換器で生成された前記蒸気に合流させる合流装置と
を有す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５】
大気中の空気を断熱圧縮して加熱する断熱圧縮工程と、
前記断熱圧縮工程で加熱された前記空気と水とを熱交換することによって、少なくとも前記水から蒸気を生成する熱交換工程と、
前記熱交換工程において熱交換された前記空気を断熱膨張させる断熱膨張工程と、
前記断熱膨張工程における前記断熱膨張により発生したエネルギーを前記断熱圧縮工程における前記断熱圧縮のエネルギーとするエネルギー伝達工程と、
を有することを特徴とする蒸気発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気の熱エネルギーを用いた蒸気発生装置及び蒸気発生方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、蒸気を生成する場合には、油やガスを燃焼させて水を蒸発させたり、電気ヒータの加熱により水を蒸発させることによって、蒸気を生成するボイラーが用いられる。例えば、特許文献１では、水の流路を電気ヒータで加熱して水蒸気を発生させる水蒸気発生装置が開示されている。
【０００３】
ところが、このようなボイラーでは、燃焼時や電気加熱時のエネルギーだけを用いて水を蒸発させるため、蒸気を生成するときのエネルギー効率は、燃焼時や電気加熱時のエネルギーの１００％が上限となる。従って、近年における高いエネルギー効率で蒸気を生成させるという要望に対して十分に応えることができていない。
【０００４】
尚、特許文献２においては、１００％以上のエネルギー効率で空気を冷却する空気冷媒冷却装置が開示されているが、蒸気を生成するものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−４１６６８号公報
【特許文献２】特開２００６−１１８７７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明は、高いエネルギー効率で蒸気を生成することができる蒸気発生装置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】
【０００７】
本発明の蒸気発生装置は、大気中の空気を断熱圧縮して加熱する圧縮機構と、前記圧縮機構で加熱された前記空気と水とを熱交換することによって、少なくとも前記水から蒸気を生成する熱交換機構と、前記熱交換機構において熱交換された前記空気を断熱膨張させる膨張機構と、前記膨張機構の前記断熱膨張により発生したエネルギーを前記圧縮機構に付与して前記断熱圧縮のエネルギーとする伝達機構と、を有する。
【０００８】
上記の構成によれば、空気の流れ方向に断熱圧縮と熱交換と断熱膨張とが直列に構成され、膨張時のエネルギーを動力回収して断熱圧縮のためのエネルギーに付加している。これにより、圧縮機構を単純に駆動して断熱圧縮した場合よりも、膨張時のエネルギーを付加した大きいエネルギーで断熱圧縮して高温の空気を得ることができる。この結果、例えば、電気ヒータで加熱して水蒸気を生成する場合よりも、高いエネルギー効率で蒸気を生成することができる。
【０００９】
また、本発明の蒸気発生装置は、回転エネルギーにより大気中の空気を断熱圧縮して加熱する圧縮機構と、前記圧縮機構で加熱された前記空気と水とを熱交換することによって、少なくとも前記水から蒸気を生成する熱交換機構と、前記熱交換機構において熱交換された前記空気を断熱膨張させることにより回転エネルギーを生成する膨張機構と、前記圧縮機構と前記膨張機構とを連結する軸部材を有し、該軸部材により前記膨張機構の回転エネルギーを前記圧縮機構に伝達することによって、前記膨張機構の前記断熱膨張により発生したエネルギーを前記圧縮機構に付与して前記断熱圧縮のエネルギーとする伝達機構と、を有していてもよい。
【００１０】
上記の構成によれば、空気の流れ方向に断熱圧縮と熱交換と断熱膨張とが直列に構成され、膨張時のエネルギーを動力回収して断熱圧縮のためのエネルギーに付加している。これにより、圧縮機構を単純に駆動して断熱圧縮した場合よりも、膨張時のエネルギーを付加した大きいエネルギーで断熱圧縮して高温の空気を得ることができる。この結果、例えば、電気ヒータで加熱して水蒸気を生成する場合よりも、高いエネルギー効率で蒸気を生成することができる。
【００１１】
さらに、回転エネルギーを用いて圧縮機構における断熱圧縮と膨張機構における断熱膨張とを行うと共に、圧縮機構と膨張機構とを連結した軸部材により回転エネルギーを伝達することによって、機械的な構成によりエネルギーの伝達を可能にしていることから、蒸気発生装置の構成を単純化することが可能になっている。
【００１２】
また、本発明の蒸気発生装置における前記熱交換機構は、前記空気との熱交換により前記水から前記蒸気を生成する蒸気用熱交換器と、前記空気との熱交換により前記水を加熱して温水にする温水用熱交換器とを有していてもよい。
【００１３】
上記の構成によれば、蒸気用熱交換器と温水用熱交換器とを有することによって、蒸気に加えて、水を加熱した温水を作成することができる。そして、蒸気用熱交換器と温水用熱交換器との流量等を調整することによって、蒸気と温水との生成量を調整したり、使い分けたりすることができる。これにより、設置場所の自由度を向上させることができる。
【００１４】
また、蒸気用熱交換器において蒸気を生成させる熱交換により冷却された空気を、温水用熱交換器における熱交換で、さらに冷却することができるため、膨張機構に流入する空気の温度を一層低温にすることができることから、冷熱利用の効果をさらに高めることができる。
【００１５】
また、本発明の蒸気発生装置における前記熱交換機構は、前記温水用熱交換器で生成された前記温水を減圧下で蒸気に気化させる気化装置と、前記気化装置で気化された前記蒸気を、前記蒸気用熱交換器で生成された前記蒸気の温度にまで加熱する加熱装置と、前記加熱装置で加熱された前記蒸気を、前記蒸気用熱交換器で生成された前記蒸気に合流させる合流装置とを有していてもよい。
【００１６】
上記の構成によれば、温水用熱交換器で生成された温水が蒸気として加えられることによって、蒸気の生成量を増大させることができる。
【００１７】
また、本発明の蒸気発生方法は、大気中の空気を断熱圧縮して加熱する断熱圧縮工程と、前記断熱圧縮工程で加熱された前記空気と水とを熱交換することによって、少なくとも前記水から蒸気を生成する熱交換工程と、前記熱交換工程において熱交換された前記空気を断熱膨張させる断熱膨張工程と、前記断熱膨張工程における前記断熱膨張により発生したエネルギーを前記断熱圧縮工程における前記断熱圧縮のエネルギーとするエネルギー伝達工程と、を有する。
【００１８】
上記の構成によれば、空気の流れ方向に断熱圧縮と熱交換と断熱膨張とが直列に構成され、膨張時のエネルギーを動力回収して断熱圧縮のためのエネルギーに付加している。これにより、圧縮機構を単純に駆動して断熱圧縮した場合よりも、膨張時のエネルギーを付加した大きいエネルギーで断熱圧縮して高温の空気を得ることができる。この結果、例えば、電気ヒータで加熱して水蒸気を生成する場合よりも、高いエネルギー効率で蒸気を生成することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、例えば、ボイラー等により油やガスを燃焼させて蒸気を生成する場合よりも、高いエネルギー効率で蒸気を生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１実施形態に係る蒸気発生装置の全体構成を示す説明図である。
【図２】第２実施形態に係る蒸気発生装置の全体構成を示す説明図である。
【図３】第３実施形態に係る蒸気発生装置の全体構成を示す説明図である。
【図４】第３実施形態に係る電磁弁制御データテーブルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００２２】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る蒸気発生装置１の全体構成を示す説明図である。図１に示すように、蒸気発生装置１は、大気中の空気を断熱圧縮して加熱する圧縮機構２と、圧縮機構２で加熱された空気と水とを熱交換することによって、少なくとも水から蒸気を生成する熱交換機構３と、熱交換機構３において熱交換された空気を断熱膨張させる膨張機構４と、膨張機構４の断熱膨張により発生したエネルギーを圧縮機構２に付与して断熱圧縮のエネルギーとする伝達機構５と、を有している。
【００２３】
また、蒸気発生装置１は、熱源となる空気が通過する流路である空気ライン６と、熱交換される水又は蒸気が通過する流路である熱交換ライン７と、熱交換される水又は温水が通過する流路である熱交換ライン８と、コントローラ１３とを有している。大気から圧縮機構２に吸込された空気は、空気ライン６を流路として、熱交換機構３を通って膨張機構４に至る。
【００２４】
ここで、「少なくとも水から蒸気を生成する」とは、圧縮機構２により外気から吸い込まれた空気が断熱圧縮されることで、熱交換機構３において熱交換される水が蒸気となる程度の温度に上昇されることを示す。
【００２５】
また、膨張機構４から圧縮機構２へ断熱膨張によるエネルギーを付与する方法は機械的な伝達に限定されるものではなく、例えば、電気等のエネルギー形態によって伝達されるものであってもよい。
【００２６】
上記のように構成された蒸気発生装置１は、圧縮機構２による大気中の空気を断熱圧縮して加熱する断熱圧縮工程と、熱交換機構３による断熱圧縮工程で加熱された空気と水とを熱交換することによって、少なくとも水から蒸気を生成する熱交換工程と、膨張機構４による熱交換工程において熱交換された空気を断熱膨張させる断熱膨張工程と、伝達機構５による断熱膨張工程における断熱膨張により発生したエネルギーを断熱圧縮工程における断熱圧縮のエネルギーとするエネルギー伝達工程とを有した蒸気発生方法を実現している。
【００２７】
このように、本発明の蒸気発生装置は、大気の空気を熱源として水を加熱し蒸気を発生させるものである。以下、本実施形態に係る蒸気発生装置１の具体的な構成について説明する。
【００２８】
（圧縮機構２）
図１に示すように、圧縮機構２は、第１圧縮機２０、第２圧縮機２１、及び、モータ２２を有している。空気ライン６において第１圧縮機２０の下流に第２圧縮機２１が配置されている。第１圧縮機２０及び第２圧縮機２１は、吸込された空気に圧力を付与することで加熱するスクリュ圧縮機である。スクリュ圧縮機は、形状が異なるスクリュ型の回転体を夫々２つ有し、これらの回転体が歯合して回転することによって内部の体積を変化させるものである。尚、第１圧縮機２０は、スクリュ圧縮機に限定されず、例えば、往復圧縮機、スクロール圧縮機、及び、ロータリ圧縮機等であってもよい。
【００２９】
モータ２２は、第１圧縮機２０を駆動する動力源である。図示しないが、モータ２２の出力軸と第１圧縮機２０を駆動させる駆動軸とは同軸となっている。これにより、モータ２２は、蒸気発生装置１の運転中において定常的に出力軸を回転し、第１圧縮機２０の駆動軸に動力を伝達するようになっている。即ち、第１圧縮機２０は、モータ２２の回転エネルギーに基づき駆動されるようになっている。
【００３０】
後述するが、膨張機構４の断熱膨張による回転エネルギーが伝達機構５を介して第２圧縮機２１へ伝達されるようになっている。即ち、第２圧縮機２１は、膨張機構４から伝達される回転エネルギーに基づいて駆動されるようになっている。尚、第２圧縮機２１の駆動にエネルギーの不足がある場合はモータ２２から動力が伝達されるようになっている。
【００３１】
従って、本実施形態における空気の断熱圧縮は、モータ２２からの回転エネルギーと、膨張機構４から伝達される回転エネルギーとに基づいて行われる。
【００３２】
尚、図示しないが、圧縮機構２は、モータ２２と第２圧縮機２１との間に複数の回転軸を有し、屈曲する回転軸の連結部において回転軸間の動力を伝達するはすば歯車や回転軸の連結・遮断を切り替え可能なクラッチ機構を介して回転動力が伝達されるように構成されている。これにより、蒸気発生装置１の運転開始時における第２圧縮機２１の動力源とすることができるようになっている。尚、蒸気発生装置１の運転開始時において、第２圧縮機２１の駆動に動力が不要である場合は、モータ２２の動力を第２圧縮機２１に伝達する上記構成はなくてもよい。
【００３３】
このように、圧縮機構２は、圧縮機２０・２１により空気を断熱圧縮し、加熱した空気を吐出するようになっている。即ち、圧縮機構２は、上述の断熱圧縮工程を実行する。
【００３４】
（熱交換機構３）
熱交換機構３は、空気との熱交換により水から蒸気を生成する蒸気用熱交換器３０と、空気との熱交換により水を加熱して温水にする温水用熱交換器３１とを有している。空気ライン６において、第２圧縮機２１の下流に蒸気用熱交換器３０が配置され、蒸気用熱交換器３０の下流に温水用熱交換器３１が配置されている。
【００３５】
蒸気用熱交換器３０、及び、温水用熱交換器３１は、複数のブレートを有し、その複数のブレード間を空気と水とが交互に流れることで熱交換がなされるブレード式熱交換機である。即ち、ブレード間の流路が空気ライン６及び熱交換ライン７となっている。蒸気用熱交換器３０では、圧縮機構２からの空気と、外部から熱交換ライン７に導入される水との間で熱交換が行われるようになっている。即ち、熱交換ライン７は、上流において水が導入され、下流において熱交換による蒸気が排出されるようになっている。蒸気用熱交換器３０において、断熱圧縮されて加熱された空気と水とが熱交換されることにより、水が加熱されて蒸気が生成されるようになっている。そして、空気は水に熱を奪われた結果、１００度以下とされる。
【００３６】
温水用熱交換器３１では、蒸気用熱交換器３０からの空気と、外部から熱交換ライン８に導入される水との間で熱交換が行われるようになっている。即ち、熱交換ライン８は、上流において水が導入され、下流において熱交換による温水が排出されるようになっている。温水用熱交換器３１において、蒸気用熱交換器３０において１００度以下となった空気と水とが熱交換されることにより、水が加熱されて温水が生成されるようになっている。このように、熱交換機構３は、圧縮機構２で加熱された空気と水とを熱交換することによって、少なくとも水から蒸気を生成するようになっている。即ち、熱交換機構３は、上述の熱交換工程を実行する。
【００３７】
このように、蒸気用熱交換器３０と温水用熱交換器３１とを有することによって、蒸気に加えて、水を加熱した温水を作成することができる。そして、蒸気用熱交換器３０と温水用熱交換器３１との流量等を調整することによって、蒸気と温水との生成量を調整したり、使い分けたりすることができる。これにより、設置場所の自由度を向上させることができる。
【００３８】
また、蒸気用熱交換器３０において蒸気を生成させる熱交換により冷却された空気を、温水用熱交換器における熱交換で、さらに冷却することができるため、膨張機構４に流入する空気の温度を一層低温にすることができることから、冷熱利用の効果をさらに高めることができる。
（膨張機構４）
膨張機構４は、膨張機４０と図示しない出力軸とを有している。膨張機４０は、空気ライン６において、温水用熱交換器３１の下流に配置されている。膨張機４０は、熱交換機構３からの圧力が付与された状態の空気を断熱膨張させて、空気を減圧し温度を低下させ低温の空気を吐出するようになっている。例えば、この低温の空気は、冷凍装置、冷蔵装置等に冷熱として利用することができるようになっている。また、膨張機４０は、その断熱膨張によって生成されるエネルギーを出力軸に回転動力として出力する。具体的に、膨張機４０の吸入側と吐出側との圧力差により出力軸を駆動し、膨張によるエネルギーを回収して、出力軸を回転させる。このように、膨張機構４は、熱交換機構３において熱交換された空気を断熱膨張させることにより回転エネルギーを生成するようになっている。即ち、膨張機構４は、上述の断熱膨張工程を実行する。
【００３９】
（伝達機構５）
伝達機構５は、第２圧縮機２１の駆動軸と膨張機構４の出力軸とを連結する軸部材５０を有している。軸部材５０は、膨張機構４の出力軸へ出力される回転動力を圧縮機構２の第２圧縮機２１の駆動軸に伝達するようになっている。換言すれば、伝達機構５は、圧縮機構２と膨張機構４とを連結する軸部材５０を有し、該軸部材５０により膨張機構４の回転エネルギーを圧縮機構２に伝達することによって、膨張機構４の断熱膨張により発生したエネルギーを圧縮機構２に付与して第２圧縮機２１が実行する断熱圧縮のエネルギーとしている。即ち、伝達機構５は、上述のエネルギー伝達工程を実行する。
【００４０】
このように、空気の流れ方向に断熱圧縮と熱交換と断熱膨張とが直列に構成され、膨張時のエネルギーを動力回収して断熱圧縮のためのエネルギーに付加している。これにより、圧縮機構を単純に駆動して断熱圧縮した場合よりも、膨張時のエネルギーを付加した大きいエネルギーで断熱圧縮して高温の空気を得ることができる。この結果、例えば、電気ヒータで加熱して水蒸気を生成する場合よりも、高いエネルギー効率で蒸気を生成することができる。
【００４１】
さらに、回転エネルギーを用いて圧縮機構２における断熱圧縮と膨張機構４における断熱膨張とを行うと共に、圧縮機構２と膨張機構４とを連結した軸部材５０により回転エネルギーを伝達することによって、機械的な構成によりエネルギーの伝達を可能にしていることから、蒸気発生装置１の構成を単純化することが可能になっている。
【００４２】
（コントローラ１３）
コントローラ１３は、モータ２２やモータ２２と第２圧縮機２１の間のクラッチ機構と電気的に接続されており、モータ２２の駆動やモータ２２から圧縮機２１への動力伝達を制御するようになっている。尚、コントローラ１３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＣＰＵが実行するプログラム及びこれらプログラムに使用されるデータを書き替え可能に記憶するＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory）と、プログラム実行時にデータを一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）とを含んでいる。コントローラ１３による制御機能は、これらハードウェアとＥＥＰＲＯＭ内のソフトウェアとが協働して構築されている。
【００４３】
（動作）
次に、本実施形態の蒸気発生装置１及びその蒸気発生方法に係る動作について、流量約１ｔ／ｈ、圧力約２００ｋＰａ、温度約１５０℃の蒸気を生成する場合を例に説明する。
【００４４】
蒸気発生装置１の運転開始時においては、コントローラ１３によって、モータ２２の駆動が開始される。また、同時にコントローラ１３によってクラッチ機構が制御され、モータ２２及び第２圧縮機２１間が機械的に連結される。これにより、モータ２２の動力が第１圧縮機２０及び第２圧縮機２１の両方に伝達される。運転が開始されると、コントローラ１３によってクラッチ機構が制御され、モータ２２及び第２圧縮機２１間が機械的に遮断される。そして、後述する各工程が同時に実行される。その後、蒸気発生装置２の運転終了時においては、コントローラ１３によって、モータ２２が停止される。これにより、第１圧縮機２０が停止され、これに伴い第２圧縮機２１及び膨張機４０が自動的に停止する。以下、運転中の各工程について説明する。
【００４５】
（断熱圧縮工程）
圧縮機構２の第１圧縮機２０に大気からの空気（流量約１２０００ｍ３／ｈ、圧力約１００ｋＰａ、温度約３０℃）が供給される。第１圧縮機２０は、モータ２２から伝達される動力（エネルギー約４２０ｋＷ）によって駆動され、空気を加圧することで加熱する。そして、第１圧縮機２０により加圧された空気（流量約１２０００ｍ３／ｈ、圧力約２５０ｋＰａ、温度約１４０℃）は、第２圧縮機２１に供給される。第２圧縮機２１は、動力（エネルギー約５８０ｋＷ）によって駆動され、空気をさらに加圧することで加熱する。尚、各圧縮機２０・２１の断熱効率は約８３％とし、吸込圧力と吐出圧力との圧力比は約２．５とする。圧縮機構２によって加圧された空気（流量約１２０００ｍ３／ｈ、圧力約６２５ｋＰａ、温度約２８５℃）は、熱交換機構３へ供給される。
【００４６】
（熱交換工程）
次に、圧縮機構２において加熱された空気は、熱交換機構３の蒸気用熱交換器３０に供給される。蒸気用熱交換器３０は、外部から熱交換ライン７に導入される水（流量約１ｔ／ｈ、温度約２０℃）と、空気との間で熱交換を行う。蒸気用熱交換器３０において、水は空気により加熱され蒸気（流量約１ｔ／ｈ、圧力約２００ｋＰａ、温度約１５０℃）となり、空気は水により熱が奪われる。この蒸気が持つエネルギーは、約７５０ｋＷである。
【００４７】
蒸気用熱交換器３０において温度が下げられた空気（流量約１２０００ｍ３／ｈ、圧力約６２５ｋＰａ、温度約９５℃）は、熱交換機構３の温水用熱交換器３１に供給される。温水用熱交換器３１は、外部から熱交換ライン８に導入される水（流量約３．３ｔ／ｈ、温度約２０℃）と、空気との間で熱交換を行う。温水用熱交換器３１において、水は空気により加熱され温水（流量約３．３ｔ／ｈ、温度約９０℃）となり、空気は水により熱が奪われる。この温水が持つエネルギーは、約２７０ｋＷである。熱交換機構３によって温度が下げられた空気は、膨張機構４へ供給される。
【００４８】
（断熱膨張工程）
膨張機構４の膨張機４０は、熱交換機構３からの空気（流量約１２０００ｍ３／ｈ、圧力約６２５ｋＰａ、温度約２５℃）を断熱膨張する。膨張機４０は、断熱膨張された低温の空気（流量約１２０００ｍ３／ｈ、圧力約１００ｋＰａ、温度約−９７℃）を吐き出す。この低温の空気は、冷凍装置、冷蔵装置等の冷熱に利用される。また、膨張機４０は、空気の供給口と吐出口との圧力差により出力軸を駆動することで、回転エネルギー（約４００ｋＷ）を生成する。このエネルギーは第２圧縮機２１の駆動力として利用されるため第２圧縮機２１は実質約１８０ｋＷ（５８０ｋＷ−４００ｋＷ）で稼動する。
【００４９】
（エネルギー伝達工程）
伝達機構５の軸部材５０は、膨張機４０の生成する回転エネルギーを圧縮機構２の第２圧縮機２１へ伝達する。第２圧縮機２１へ伝達されたエネルギーは、上述のように第２圧縮機２１の動力となる。
【００５０】
このように、本発明の蒸気発生装置１及びその蒸気発生方法においては、第２圧縮機２１へ投入するエネルギーよりも、蒸気用熱交換器３０によって生成された蒸気が持つエネルギーが大きくなる。即ち、１００％以上のエネルギー効率で蒸気を発生することができる。
【００５１】
（第２実施形態）
次に、本発明に係る給湯装置の第２の実施形態について説明する。上記第１実施形態で説明した要素と同一の要素について同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００５２】
図２に示すように、本実施形態の蒸気発生装置２０１は、大気中の空気を断熱圧縮して加熱する圧縮機構２０２と、圧縮機構２０２で加熱された空気と水とを熱交換することによって、少なくとも水から蒸気を生成する熱交換機構３と、熱交換機構３において熱交換された空気を断熱膨張させる膨張機構４と、膨張機構４の断熱膨張により発生したエネルギーを圧縮機構２０２に付与して断熱圧縮のエネルギーとする伝達機構５と、を有している。
【００５３】
（圧縮機構２０２）
本実施形態の圧縮機構２０２は、空気の断熱圧縮を行う圧縮機２２０、及び、モータ２２２を有している。モータ２２２は、圧縮機２２０を駆動する動力源である。図示しないが、モータ２２２の出力軸と圧縮機２２０を駆動させる駆動軸とは同軸となっている。モータ２２２は、蒸気発生装置１の運転中において定常的に出力軸を回転し、圧縮機２２０の駆動軸に動力を伝達するようになっている。また、モータ２２は、後述の伝達機構５の軸部材５０に連結されている。従って、膨張機構４の断熱膨張による回転エネルギーが伝達機構５を介して圧縮機構２０２へ伝達されるようになっている。即ち、圧縮機２２０は、モータ２２２からの回転エネルギーと、膨張機構４から伝達される回転エネルギーとで駆動されるようになっている。換言すれば、膨張機構４から伝達される回転エネルギーの不足分をモータ２２２からの回転エネルギーで補うようになっている。このように、圧縮機構は、圧縮機が単段に設けられるものであってもよい。尚、これらの構成に限定されず、圧縮機構は圧縮機が３段以上の構成であってもよい。
【００５４】
（第３実施形態）
次に、本発明に係る給湯装置の第３の実施形態について説明する。上記第１実施形態で説明した要素と同一の要素について同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００５５】
図３に示すように、本実施形態の蒸気発生装置３０１は、大気中の空気を断熱圧縮して加熱する圧縮機構２と、圧縮機構２で加熱された空気と水とを熱交換することによって、少なくとも水から蒸気を生成する熱交換機構３０３と、熱交換機構３０３において熱交換された空気を断熱膨張させる膨張機構４と、膨張機構４の断熱膨張により発生したエネルギーを圧縮機構２に付与して断熱圧縮のエネルギーとする伝達機構５と、を有している。
【００５６】
また、蒸気発生装置３０１は、熱源となる空気が通過する流路である空気ライン６（空気ライン６ａ・６ｂ・６ｃ・６ｄ・６ｅ・６ｆ・６ｇを含む）と、熱交換される水又は蒸気が通過する流路である熱交換ライン７・８（熱交換ライン７・８ａ・８ｂ・８ｃを含む）と、気化装置９と、加熱装置１０と、合流装置１１と、空気ライン６及び熱交換ライン８における空気・水の経路を変更する電磁弁１２（電磁弁１２ａ・１２ｂ・１２ｃ・１２ｄ・１２ｅ・１２ｆ）と、コントローラ３１３とを有している。
【００５７】
（圧縮機構２）
圧縮機構２は、第１実施形態と同様に、圧縮機２０・２１により空気を２段階で断熱圧縮する。圧縮機構２は、圧縮機２１から加熱した空気を空気ライン６ａに吐出するようになっている。空気ライン６ａは、電磁弁１２ａを有する空気ライン６ｂ、及び、電磁弁１２ｂを有する空気ライン６ｃに分岐しており、空気は何れか開放された側へ進行するようになっている。
【００５８】
（熱交換機構３０３）
熱交換機構３０３は、空気との熱交換により水から蒸気を生成する蒸気用熱交換器３０と、空気との熱交換により水を加熱して温水にする温水用熱交換器３１とを有している。また、熱交換機構３０３は、温水用熱交換器３１で生成された温水を減圧下で蒸気に気化させる気化装置９と、気化装置９で気化された蒸気を、蒸気用熱交換器３０で生成された蒸気の温度にまで加熱する加熱装置１０と、加熱装置１０で加熱された蒸気を、蒸気用熱交換器３０で生成された蒸気に合流させる合流装置１１とを有している。
【００５９】
蒸気用熱交換器３０では、空気ライン６ｂから導入される空気と、外部から導入される水との間で熱交換が行われるようになっている。即ち、圧縮機構２からの空気が空気ライン６ｃを進行する場合、蒸気用熱交換器３０による熱交換は行われないようになっている。
【００６０】
蒸気用熱交換器３０において、空気は水に熱を奪われて１００度以下となり、空気ライン６ｄに吐出されるようになっている。空気ライン６ｄは、電磁弁１２ｃを有する空気ライン６ｅ、及び、電磁弁１２ｄを有する空気ライン６ｆに分岐しており、空気は圧力を付与された状態で何れか開放された側へ進行するようになっている。
【００６１】
温水用熱交換器３１では、空気ライン６ｅから導入される空気と、外部から導入される水との間で熱交換が行われるようになっている。即ち、空気ライン６ｄからの空気が空気ライン６ｆを進行する場合、温水用熱交換器３１による熱交換は行われないようになっている。
【００６２】
温水用熱交換器３１において、蒸気用熱交換器３０において１００度以下となった空気と水とが熱交換されることにより、水が加熱されて温水が生成され熱交換ライン８ａに吐出されるようになっている。また、空気は水に熱を奪われて空気ライン６ｇに吐出されるようになっている。空気ライン６ｇに吐出された空気は、第１実施形態と同様に膨張機４０によって断熱膨張が行われる。
【００６３】
温水用熱交換器３１からの温水が吐出される熱交換ライン８ａは、電磁弁１２ｅを有する熱交換ライン８ｂと、電磁弁１２ｆを有する熱交換ライン８ｅとに分岐しており、温水は何れか開放された側へ進行するようになっている。
【００６４】
気化装置９は、熱交換ライン８ｂからの温水が導入されるようになっており、温水を減圧下の雰囲気とし蒸気に気化させるようになっている。即ち、熱交換ライン８において、気化装置９は、温水用熱交換器３１の下流に配置されている。加熱装置１０は、気化装置９によって気化された蒸気に対して、蒸気用熱交換器３０で生成された蒸気の温度まで加熱するようになっている。即ち、熱交換ライン８において、加熱装置１０は、気化装置９の下流に配置されている。合流装置１１は、加熱された蒸気を、蒸気用熱交換器３０で生成されて熱交換ライン７に吐出された蒸気と合流させるようになっている。即ち、加熱装置１０は、熱交換ライン８において加熱装置１０の下流に配置されていると共に、熱交換ライン７において蒸気用熱交換器３０の下流に配置されている。このように、温水用熱交換器３１で生成された温水が蒸気として加えられることによって、蒸気の生成量を増大させることができる。
【００６５】
（コントローラ３１３）
コントローラ３１３は、第１実施形態のコントローラ１３の構成に加えて、各電磁弁１２（電磁弁１２ａ・１２ｂ・１２ｃ・１２ｄ・１２ｅ・１２ｆ）に電気的に接続されており、夫々の開閉制御が可能になっている。コントローラ３１３は、図２に示す電磁弁制御データテーブルに基づいて、各電磁弁１２の制御を行うようになっている。
【００６６】
（電磁弁制御データテーブル）
ここで、図４を参照して、電磁弁制御データテーブルについて説明する。電磁弁制御データテーブルは、条件欄と、各電磁弁についてのステータス欄とを有している。条件欄には、蒸気発生装置３０１の動作を示す内容が格納されている。また、ステータス欄には、条件欄に格納される内容に応じた各電磁弁の挙動を示すステータスが格納される。換言すれば、各電磁弁における空気ライン６、熱交換ライン７・８の状態を示す。尚、ステータス欄において、“○”は電磁弁が開放されラインが連通されていることを示し、“×”は電磁弁が閉鎖され、ラインが連通されていないことを示す。
【００６７】
具体的に、熱交換機構３０３に蒸気用熱交換器３０からの蒸気のみを吐出させる場合（条件１）は、電磁弁１２ａ・１２ｄが開放され、電磁弁１２ｂ・１２ｃが閉鎖される。また、熱交換機構３０３に温水用熱交換器３１からの温水のみを吐出させる場合（条件２）は、電磁弁１２ｂ・１２ｃ・１２ｆが開放され、電磁弁１２ａ・１２ｄ・１２ｅが閉鎖される。また、熱交換機構３０３に蒸気用熱交換器３０からの蒸気及び温水用熱交換器３１からの温水の両方を吐出させる場合（条件３）は、電磁弁１２ａ・１２ｃ・１２ｅが開放され、電磁弁１２ｂ・１２ｄ・１２ｆが閉鎖される。さらに、熱交換機構３０３に蒸気用熱交換器３０からの蒸気及び温水用熱交換器３１からの温水の両方を吐出させる場合（条件４）は、電磁弁１２ａ・１２ｃ・１２ｆが開放され、電磁弁１２ｂ・１２ｄ・１２ｅが閉鎖される。
【００６８】
コントローラ３１３は、条件欄の何れかの内容を示す信号を外部の入力装置から受信することにより、蒸気のような電磁弁１２の開閉制御を行うことができるようになっている。
【００６９】
（概要）
以上のように、本実施形態の蒸気発生装置（蒸気発生装置１・２０１・３０１）は、大気中の空気を断熱圧縮して加熱する圧縮機構（圧縮機構２・２０２）と、圧縮機構で加熱された空気と水とを熱交換することによって、少なくとも水から蒸気を生成する熱交換機構（熱交換機構３・３０３）と、熱交換機構において熱交換された空気を断熱膨張させる膨張機構（膨張機構４）と、膨張機構の断熱膨張により発生したエネルギーを圧縮機構に付与して断熱圧縮のエネルギーとする伝達機構（伝達機構５）と、を有した構成にされている。
【００７０】
また、本実施形態の蒸気発生装置（蒸気発生装置１・２０１・３０１）は、回転エネルギーにより大気中の空気を断熱圧縮して加熱する圧縮機構（圧縮機構２・２０２）と、圧縮機構で加熱された空気と水とを熱交換することによって、少なくとも水から蒸気を生成する熱交換機構（熱交換機構３・３０３）と、熱交換機構において熱交換された空気を断熱膨張させることにより回転エネルギーを生成する膨張機構（膨張機構４）と、圧縮機構と膨張機構とを連結する軸部材（軸部材５０）を有し、該軸部材により膨張機構の回転エネルギーを圧縮機構に伝達することによって、膨張機構の断熱膨張により発生したエネルギーを圧縮機構に付与して断熱圧縮のエネルギーとする伝達機構（伝達機構５）と、を有した構成にされている。
【００７１】
上記の構成によれば、空気の流れ方向に断熱圧縮と熱交換と断熱膨張とが直列に構成され、膨張時のエネルギーを動力回収して断熱圧縮のためのエネルギーに付加している。これにより、圧縮機構を単純に駆動して断熱圧縮した場合よりも、膨張時のエネルギーを付加した大きいエネルギーで断熱圧縮して高温の空気を得ることができる。この結果、例えば、電気ヒータで加熱して水蒸気を生成する場合よりも、高いエネルギー効率で蒸気を生成することができる。
【００７２】
さらに、回転エネルギーを用いて圧縮機構における断熱圧縮と膨張機構における断熱膨張とを行うと共に、圧縮機構と膨張機構とを連結した軸部材により回転エネルギーを伝達することによって、機械的な構成によりエネルギーの伝達を可能にしていることから、蒸気発生装置１の構成を単純化することが可能になっている。
【００７３】
また、本実施形態の蒸気発生装置（蒸気発生装置１・２０１・３０１）における熱交換機構（熱交換機構３・３０３）は、空気との熱交換により水から蒸気を生成する蒸気用熱交換器３０と、空気との熱交換により水を加熱して温水にする温水用熱交換器３１とを有した構成にされている。
【００７４】
上記の構成によれば、蒸気用熱交換器３０と温水用熱交換器３１とを有することによって、蒸気に加えて、水を加熱した温水を作成することができる。そして、蒸気用熱交換器３０と温水用熱交換器３１との流量等を調整することによって、蒸気と温水との生成量を調整したり、使い分けたりすることができる。これにより、設置場所の自由度を向上させることができる。
【００７５】
また、蒸気用熱交換器３０において蒸気を生成させる熱交換により冷却された空気を、温水用熱交換器３１における熱交換で、さらに冷却することができるため、膨張機構４に流入する空気の温度を一層低温にすることができることから、冷熱利用の効果をさらに高めることができる。
【００７６】
また、本実施形態の蒸気発生装置３０１における熱交換機構３０３は、温水用熱交換器３１で生成された温水を減圧下で蒸気に気化させる気化装置９と、気化装置９で気化された蒸気を、蒸気用熱交換器３０で生成された蒸気の温度にまで加熱する加熱装置１０と、加熱装置１０で加熱された蒸気を、蒸気用熱交換器３０で生成された蒸気に合流させる合流装置１１とを有した構成にされている。
【００７７】
上記の構成によれば、温水用熱交換器で生成された温水が蒸気として加えられることによって、蒸気の生成量を増大させることができる。
【００７８】
また、本実施形態の蒸気発生装置１が実現する蒸気発生方法は、大気中の空気を断熱圧縮して加熱する断熱圧縮工程と、断熱圧縮工程で加熱された空気と水とを熱交換することによって、少なくとも水から蒸気を生成する熱交換工程と、熱交換工程において熱交換された空気を断熱膨張させる断熱膨張工程と、断熱膨張工程の断熱膨張により発生したエネルギーを断熱圧縮工程における断熱圧縮のエネルギーとするエネルギー伝達工程と、を有している。
【００７９】
上記の構成によれば、空気の流れ方向に断熱圧縮と熱交換と断熱膨張とが直列に構成され、膨張時のエネルギーを動力回収して断熱圧縮のためのエネルギーに付加している。これにより、圧縮機構を単純に駆動して断熱圧縮した場合よりも、膨張時のエネルギーを付加した大きいエネルギーで断熱圧縮して高温の空気を得ることができる。この結果、例えば、電気ヒータで加熱して水蒸気を生成する場合よりも、高いエネルギー効率で蒸気を生成することができる。
【００８０】
（変形例）
以上、本発明の実施例を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、具体的構成などは、適宜設計変更可能である。また、発明の実施形態に記載された、作用および効果は、本発明から生じる最も好適な作用および効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用および効果は、本発明の実施形態に記載されたものに限定されるものではない。
【００８１】
例えば、本実施形態において、膨張機構４では、１段の膨張機を用いて空気の断熱膨張を行ったがこれに限定されるものではない。例えば、２段以上の膨張機を用いることで段階的に温度の異なる空気を排出するものであってもよい。
【００８２】
また、本実施形態において、膨張機構４から圧縮機構２への断熱膨張に基づくエネルギー伝達を軸部材５０によって機械的手段で行ったがこれに限定されるものではない。例えば、エネルギーを電気的に変換しモータ等を駆動して伝達するものであってもよい。
【符号の説明】
【００８３】
１・２０１・３０１    蒸気発生装置
２・２０２    圧縮機構
３・３０３    熱交換機構
４    膨張機構
５    伝達機構
６    空気ライン
７・８    熱交換ライン
９    気化装置
１０    加熱装置
１１    合流装置
１２    電磁弁
１３・３１３    コントローラ
２０・２１・２２０    圧縮機
２２・２２２    モータ
３０    蒸気用熱交換器
３１    温水用熱交換器
４０    膨張機
５０    軸部材
【図１】
2011163586.tif 000003
【図２】
2011163586.tif 000004
【図３】
2011163586.tif 000005
【図４】
2011163586.tif 000006