(57)【要約】【課題】海水の淡水化では、ランニングコストの低減に有効な省エネルギー装置の提案が望まれている。【解決手段】本願発明の減圧沸騰形海水淡水化装置は、海水中に立設される海水塔１１と、淡水中に立設さる淡水塔１２と、これらを連通する連通管１３と、海水加熱手段１９と、冷却手段１４と、水蒸気を作動流体とするオープンタイプのラジアルタービン発電機で構成され、海水塔１１の上部空間と淡水塔１２の上部空間は真空に維持される。トリチェリ真空を利用することで、室温に近い温度で海水を沸騰させ、発生する水蒸気でタービンを駆動させて発電し、発電後の水蒸気を冷却凝縮させて淡水を得る。また、海水や淡水の輸送は重力差により自律的に進行する。これらにより従来の減圧蒸留装置と異なり運転コストをほぼゼロにできる淡水化装置を実現した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
海中より汲み上げた海水を、前記海中温度以上に加熱して、真空中で水分を蒸発させ、該蒸発させて作られる水蒸気や加熱海水を利用してタービン発電機を駆動させて発電させ、発電後に前記水蒸気を冷却して淡水として回収する発電機能付き減圧沸騰形海水淡水化装置であって、
大気と遮断されて海水中に立設され、底部が海水の収容される海水槽の海水中に開放される海水塔と、
大気と遮断されて淡水槽内の淡水に立設され、底部が前記淡水中に開放される淡水塔と、
一方が、前記海水塔の上部に機密を維持して連通し、他方が前記淡水塔に機密を維持して連通する連通管と、
前記海水を蒸発させる加熱手段と、
前記海水塔上部の海水の蒸発部に配置されて発電するタービン発電システムと、
前記水蒸気を冷却して淡水に凝縮させ、前記連通管内に流下させる冷却手段と、で構成され、
前記冷却手段がフィンチューブ形熱交換器（凝縮器）と、凝縮水受け皿とで構成されて、前記海水塔の上部空間に配置されており、
前記海水塔内の液面高さが、前記海水塔と前記連通管との連通位置より低いことを特徴とする発電機能付き減圧沸騰形海水淡水化装置。
【請求項２】
前記タービン発電システムがオープン発電システムであって、
前記海水塔上部から蒸発する水蒸気を導入するタービン室と、
前記タービン室に設置されるラジアルタービンと、
前記ラジアルタービンの回転軸に直結され回転駆動する同期発電機と、
前記水蒸気を前記タービン室から冷却手段にガイドする曲がりデフュザーとで構成され、
前記タービン室から排出される前記水蒸気が曲がりデフュザーにより、前記フィンチューブ形熱交換器のフィン全体に一様に誘導され、前記フィンチューブ形熱交換器のフィンに所定の角度範囲で衝突することを特徴とする請求項１に記載の発電機能付き減圧沸騰形海水淡水化装置。
【請求項３】
前記タービン発電システムがクローズド発電システムであって、
前記加熱手段の設置される海水中に設置される蒸発器と、
前記フィンチューブ形熱交換器に使用する冷却用海水の一部を分流させ冷却する凝縮器と、
アンモニアを作動流体とするラジアルタービンと、
該ラジアルタービンの回転軸に直結され回転駆動する同期発電機とで構成されることを特徴とする請求項１に記載の発電機能付き減圧沸騰形海水淡水化装置。
【請求項４】
前記タービン発電システムがクローズド発電システムであって、
前記海水塔の上部空間に設置される蒸発器と、
前記フィンチューブ形熱交換器に使用する冷却用海水の一部を分流させ冷却する凝縮器と、
アンモニアを作動流体とするラジアルタービンと、
該ラジアルタービンの回転軸に直結され回転駆動する同期発電機とで構成されることを特徴とする請求項１に記載の発電機能付き減圧沸騰形海水淡水化装置。
【請求項５】
海中より汲み上げた海水を、前記海中温度以上に加熱して、真空中で水分を蒸発させ、蒸発させて作られる水蒸気でタービン発電機を駆動させて発電させ、発電後に前記水蒸気を冷却して淡水として回収する減圧沸騰形海水淡水化方法であって、
大気と遮断されて海水槽内の海水中に立設され、底部が前記海水中に開放される海水塔と、
大気と遮断されて淡水槽内の淡水中に立設され、底部が前記淡水中に開放される淡水塔と、
一方が、前記海水塔の上部に気密を維持して連通し、他方が前記淡水塔に気密を維持して連通する連通管と、
前記海水を蒸発させる加熱手段と、
前記加熱手段で作られる水蒸気が導入されるタービン室と、
前記タービン室に設置され前記水蒸気により回転駆動されて発電するタービン発電機と、
前記タービン室より排出される前記水蒸気をガイドする曲がりデフュザーと、
前記水蒸気を凝縮させて淡水にするフィンチューブ形熱交換器（凝縮器）と、
前記淡水を集め前記連通管内に流下させる凝縮水受け皿と、で構成されており、
前記加熱手段で蒸発させた水蒸気を前記タービン室に導入し、
前記タービンを回して前記タービン発電機に発電させ、
次いで、前記曲がりデフュザーで前記水蒸気を前記タービン室から、前記フィンチューブ形熱交換器にガイドし、
前記フィンチューブ形熱交換器で凝縮させて淡水を作成する発電機能付き減圧沸騰形海水淡水化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は真空を利用し、省エネルギーで海水を淡水化する減圧蒸留法による海水淡水化方法であって、更に詳しくは、減圧蒸留に伴い生成される水蒸気で小型のラジアルタービンを駆動させて発電させ、この電力を海水の蒸留に必要な加熱エネルギーとして使用する省エネタイプの海水淡水化方法及び、海水の淡水化装置に係る。
【背景技術】
【０００２】
近年、水（清水）の欠乏が世界的に言われ、その解決策の一つに海水の淡水化がある。海水の淡水化には、蒸留法、逆浸透法、電気透析法、凍結法など種々の方法が提案されているが、現在、その約６０％が蒸発法で、約３０％が逆浸透法で実現されている。しかし、実際には、それぞれ装置の建設コストが高い、運転コストが高いなど種々の問題があり、これら課題を解決できる省エネルギーで、運転コストが安く、しかも構造が簡単で、新規な海水淡水化装置の実用化が望まれている。
【０００３】
特許文献１には本発明の基礎となる図３に示す減圧蒸留原理に基づく発明が開示されている。図３の減圧沸騰形海水淡水化装置の運転方法は次になる。
海水槽１６に収容される海水３４中に立設される海水塔１１と、淡水槽１７に収容される淡水５１中に立設される淡水塔１２と、これら、海水塔１１と淡水塔１２とを気密に連結する連通管１３から構成される。海水塔１１の上部には海水温度を一定に維持するための加熱手段１９が設置され、またその上部空間２７には、冷却手段１４が配置される。
【０００４】
海水塔１１内部の液面高さＨ1が約１０ｍになるまで海中より海水を汲み上げ投入し、次いで淡水塔１２淡内部の液面４２の高さＨ２が約１０ｍになるまで淡水塔１２に淡水を投入する。
次いで、海水塔１１の頂部空間２７、淡水塔１２の頂部空間４４及び連通パイプ１３内に残留する空気を排気し、トリチェリ真空（水銀でなく海水を用いるので厳密にはトリチェリ真空とは言えないが、以下、便宜的にこう呼ぶ）とする。
【０００５】
次いで、海中から汲み上げた海水をフィンチューブ形熱交換器（冷却手段）１４のチューブ６２内を通過させ、海水塔１１上部の液面近傍に通水させる。温度センサ２０で検出される温度が設定温度より低い場合は、加熱手段１９で加熱する。この結果、液面付近では安定した沸騰状態が維持され、海水塔１１の上部空間２７は常に飽和水蒸気圧で満たされ、水蒸気はもっぱらフィンチューブ形熱交換器１４のフィン６１表面で凝縮する。凝縮水は淡水として連通管１３を経由して淡水塔１２に流入し、回収槽５５内に回収される。
しかし、この特許文献１では、水蒸気の凝縮熱は効率よく回収されてはいるが、水蒸気に内在する運動エネルギーを回収するとの技術思想はない。
【０００６】
海水を減圧蒸留し、発生する水蒸気でタービンを回して発電し、発電後の水蒸気を凝縮して淡水を得る発明として、非特許文献１には、例えば図４に示す発明が開示されている。図４の発電機能付き減圧沸騰形海水淡水化装置の運転原理は次とされる。
発電機能付き減圧沸騰形海水淡水化装置８０は、フラッシュ蒸発器８１、凝縮器８２、タービン８３、発電機８４で構成される。このシステムでは、フラッシュ蒸発器８１、タービン８３、凝縮器８２内をあらかじめ真空ポンプ８５で真空にしておく。
【０００７】
次に、温海水を温海水用ポンプ８５でフラッシュ蒸発器８１内に導入して蒸発させて水蒸気を得る。この水蒸気を作動流体として、タービン８３に送り、タービン８３を回して発電を行う。タービン８３から排出される膨張した水蒸気は凝縮器８２に入り、冷海水用ポンプ８７により深海より汲み上げられる冷海水によって冷却され淡水になる。
この引例２の発明では、真空は利用するものの、トリチェリの真空は使用されておらず、また、フラッシュ蒸発器８１や、凝縮器８２など、装置についての具体的開示もない。
【０００８】
特許文献２には、トリチェリ真空を形成させて海水を蒸溜し淡水を得る過程で、タービン発電機で発電させる図５の発明が開示されている。図５において、符号９２，９４は海水で、符号９３，９５は淡水である。減圧容器９０内では、蒸発部９０ａにおいて水蒸気を発生させ、凝縮部９０ｂでその水蒸気を凝縮させるので、蒸発部９０ａから凝縮部９０ｂに水蒸気が流れる。この水蒸気の流れを利用して、これらの間にタービン発電機８９を設置して発電と共に、海水の蒸留を行う。
この特許文献２のタービン発電機を用いる発明は、発電システムの具体的構成や、運転稼働方法についての具体的記載がなく発明は極めて不明確である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１３−４１３１２４
【特許文献２】ＷＯ２０１０／０８７０４２
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】佐賀大学海洋エネルギー研究センターホームページ・ＮＥＬＨＡ（ハワイ州立自然エネルギー研究所）ハワイ島コナ海岸に建設したハワイ２１０ｋｗオープンサイクル実験装置ＯＴＥＣ（１９９３）・佐賀大学ＯＴＥＣ実験装置−不知火１号（１９７４年４月）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
トリチェリ真空を利用する減圧沸騰形海水淡水化装置では、トリチェリ真空を利用して海水の沸騰点を下げ、しかも冷却用に汲み上げる海水を、熱交換により温度上昇させた後に蒸発用海水として利用するので、省エネタイプの淡水化装置になっている。しかし、これだけでは、エネルギー回収は十分とは言えない。前述した非特許文献１と特許文献２には、海水の蒸発により生成される水蒸気圧の運動エネルギーをタービン発電機で発電させることで、電気エネルギーとして回収する発明が開示されている。しかし、タービン発電を用いての効率のよいエネルギー回収方法は容易でないところ、これら２件の先行技術にはタービン発電機部について具体的開示がない。
【００１２】
本発明では、減圧沸騰形海水淡水化装置に組み込むタービン発電機には、次の技術課題があるものと認識している。
（１） 発電機には低圧用ラジアルタービン発電機を用いるが、効率確保には流動損失を押えて圧力回復させる必要がある。
（２） 熱交換器での良好な熱交換を確保するため、タービンから排出される水蒸気流をフィンチューブ形熱交換器の全体に一様に衝突させる必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本願発明の減圧沸騰形海水淡水化装置では、トリチェリ真空を利用することで、室温に近い温度で海水を沸騰させ、発生する水蒸気を利用してタービン発電機を駆動させ発電し、発電後の水蒸気を冷却凝縮させて淡水を得る。また、海水や淡水の輸送には可能な限り重力差を利用する。
【００１４】
請求項１に記載の本願発明の発電機能付き減圧沸騰形海水淡水化装置には、海水中に立設される海水塔と、淡水中に立設される淡水塔と、これら二つの密閉容器の上部を連通させて設けられる連通管と、海水を減圧沸騰させる加熱手段が海水塔の上部に備えられる。また、海水塔上部の海水の蒸発部にはタービン発電システムが配置され、発電後の水蒸気を冷却する冷却手段（フィンチューブ形熱交換器（凝縮器）と、凝縮水を集める凝縮水受け皿）が備えられる。
【００１５】
このうち、海水塔は、海水の満たされた海水槽中に大気と遮断されて立設される長尺の気密容器であって、上方端が封止され、下方端が海水中に解放された気密容器であり、海水塔内の液面高さは、海水塔と連通管との連通位置より低く維持される。
容器内は上部を除き海水で満たされており、海水の存在しない上部空間は、トリチェリ真空が形成されて、空気は殆ど存在せず、海水の飽和蒸気で満たされている。海水塔内部液面の海水槽液面からの高さは、大気圧と釣合っており、約１０ｍである。
【００１６】
また、淡水塔は、淡水の満たされた淡水槽中に立設される長尺の気密容器であって、上方端が封止され、下方端が淡水中に解放される。容器内は上部を除き淡水で満たされる。淡水が存在しない上部空間は、トリチェリ真空が形成されて、空気は殆ど存在せず、淡水の飽和蒸気で満たされている。淡水塔内部液面の淡水槽水面からの高さは、大気圧と釣合っており、約１０ｍである。
【００１７】
一方、連通管は海水塔の上部と、淡水塔の上部とを連通させるパイプであり、連通管と海水塔との接続部は気密構造を採り、連通管と淡水塔との接続部も気密に接続される。
また、海水塔の上部空間には、一部が連通管に侵入する冷却手段が設置される。冷却手段は海水を冷却媒体として、海水塔の上部空間に蒸発する水蒸気を冷却し、連通管内に流下させる。
冷却手段はスリットまたは、撹乱素子が付与されたフィンチューブ形熱交換器（凝縮器）と、凝縮水受け皿とで構成され、冷却用海水を通水して効率よく冷却する。
また、冷却手段を流れる冷却用海水は海水塔の上部位置に放出される。
【００１８】
この冷却用海水の放出部付近には海水加熱手段が設置される。この海水加熱手段は、海水温度を計測する温度センサと、海水を加熱するヒータと、温度センサで計測される海水温度が所定温度より低いときヒータ加熱を行い、海水温が所定温度以上のときヒータ電源を切る制御を行う温度コントローラとで構成されている。
なお、加熱手段はヒータに限定されることなく、太陽熱を吸収する太陽熱吸収装置などであってよく、或いはまた、これらを組み合わせであっても良い。ただし太陽熱吸収装置の設置位置は、海水塔の断熱材が設置されない箇所に限られる。
【００１９】
最初、海水は冷却用として海中より採水され、本減圧沸騰形海水淡水化装置に冷却用海水として投入されるが、熱交換器を通過する過程で水蒸気の凝縮熱を吸収し沸点温度にまで加熱され、排出部では沸騰温度に到達する。海水は冷却水として活用された後に水蒸気発生用の原料海水として活用されるが、熱交換器排出部では沸騰温度まで加熱されているので、海水加熱手段は、蒸発熱から上記で回収した凝縮熱を差し引いた分のみを供給するだけで容易に海水を蒸発させることができる。
【００２０】
海水塔上部には水蒸気を作動流体とするオープン発電システム、或いはアンモニアを作動流体とするクローズド発電システムが設置され、作動流体の運動エネルギーや凝縮エネルギーを電気エネルギーに変換する。
【００２１】
また、海水塔内部の液面高さ位置と、淡水塔内部の液面高さ位置の相対位置関係は、必ずしも一致させる必要はなく、何れが高位置にあってもよい。しかし、海水塔液面高さを淡水塔液面より高い位置とすれば、淡水を流下させて回収するのに好都合である。これにより、水蒸気を冷却させて得られる淡水が、淡水塔中に自然に流下する。淡水塔内の液面高さは、淡水塔内の淡水温度で決まる水蒸気圧力が一定であるので、大気圧と釣り合いながら一定高さに保たれる。従って水蒸気の凝縮により新たに作られる淡水と同量の淡水塔内の淡水が、下部の解放端部から淡水槽内に押し出される。このとき押し出される淡水量が、本発電機能付き減圧沸騰形海水淡水化装置により作られる淡水量になる。
【００２２】
請求項２に記載の発明は、オープン発電システムを組込む発電機能付き減圧沸騰形海水淡水化装置である。
加熱手段により作成される水蒸気が誘導されるタービン室と、タービン室内に設置され水蒸気を作動流体として回転駆動されるラジアルタービンと、このラジアルタービンの回転軸に接続される同期発電機を備える。タービン室は更に、曲がりデフュザーに接続され、曲がりデフュザーは水蒸気をフィンチューブ形熱交換器のフィン全体に所定の角度範囲で衝突するよう誘導する。
【００２３】
これにより、海水加熱手段で加熱沸騰した海水から蒸発する水蒸気は、蒸発室を満たしてタービン室に続く水蒸気導入口に誘導され、タービン室の吹き出し口から噴出し、タービンを回転させる。タービンの回転軸には発電機が直結されており、水蒸気の運動エネルギーは電気エネルギーに変換される。
【００２４】
タービン室は海水塔上部の蒸発室に隣接して設けられるので、水蒸気流の流動損失は極小に抑えられ、タービン室から排出される水蒸気は曲がりデフュザーにより流動損失を押さえて圧力を回復させる。また、水蒸気流は凝縮室内に設置されるフィンチューブ形熱交換器のフィン全体に入射角度２０°〜４０°で一様に衝突するよう誘導され、フィンチューブに衝突後は、乱流を伴いフィン表面に接触しながらフィン間を移動し、水蒸気を水滴としてフィン表面に凝縮する。
【００２５】
請求項３に記載の発明は、クローズド発電システムを組込む発電機能付き減圧沸騰形海水淡水化装置である。
クローズド発電システムは、蒸発器、凝縮器、ラジアルタービンと、これらを接続するポンプと配管及び、発電機で構成される。蒸発器は加熱手段の設置される海水中に設置され、水蒸気の凝縮熱で加熱される海水から受ける熱でアンモニアが気化される。気体となったアンモニアはラジアルタービンの翼に噴出されるので、ラジアルタービは回転させられ、これと接続する同期発電機が発電を行う。同期発電機はラジアルタービンの回転軸に直結されるので、発電機の小形化が容易であるが、場合により、ラジアルタービンの回転軸と発電機回転軸間にギヤを挿入し、回転速度の変換を行ってもよい。
【００２６】
ラジアルタービンを通過したアンモニア蒸気は凝縮器に至り、ここで海水により冷却され気体から液体に戻る。液化したアンモニアはポンプで再び蒸発器に輸送され、前述の行程を繰り返す。
本発明のクローズド発電システムは、アンモニアを気化させる熱源が加熱される海水であるので、フィンチューブ形熱交換器で行われる水蒸気の凝縮潜熱の回収が理想的に進行する場合、特に有効な発明となる。
【００２７】
請求項４に記載の発明は、クローズド発電システムを組込む発電機能付き減圧沸騰形海水淡水化装置である。
クローズド発電システムは、蒸発器、凝縮器、ラジアルタービンと、これらを接続するポンプと配管及び、発電機で構成される。蒸発器は海水塔の上部空間（凝縮室）で、フィンチューブ形熱交換器の上流に設置され、水蒸気の凝縮熱でアンモニアが気化される。気体となったアンモニアはラジアルタービンの翼に噴出し、ラジアルタービに接続する同期発電機に発電させる。同期発電機はラジアルタービンの回転軸に直結されるので、発電機の小形化が容易である。
【００２８】
ラジアルタービンを通過したアンモニア蒸気は凝縮器に至り、ここで海水により冷却され気体から液体に戻る。液化したアンモニアはポンプで再び蒸発器に輸送され、前述の行程を繰り返す。
本発明のクローズド発電システムは、蒸発器がフィンチューブ型熱交換機の上流に設置されるので、水蒸気からの凝縮エネルギー回収を確実に実施できるメリットがある。
【００２９】
請求項５に記載の発電機能付き減圧沸騰形海水淡水化方法は、海中より汲み上げた海水を、海中温度以上に加熱して、真空中で水分を蒸発させて水蒸気流を作成し、水蒸気流でタービン発電機を駆動させて発電させた後に、水蒸気を冷却して淡水として回収する発電機能付き減圧沸騰形海水淡水化方法である。
装置の主たる構成要素は次になる。
【００３０】
（１）大気と遮断されて海水槽内の海水中に立設され、底部が海水中に開放される海水塔。
（２）大気と遮断されて淡水槽内の淡水中に立設され、底部が淡水中に開放される淡水塔。
（３）一方が海水塔の上部に気密を維持して連通し、他方が淡水塔に気密を維持して連通する連通管。
（４）海水を蒸発させる加熱手段。
（５）加熱手段で作られる水蒸気が導入されるタービン室。
（６）タービン室に設置され水蒸気により回転駆動されて発電するタービン発電機。
（７）タービン室より排出される水蒸気をガイドする曲がりデフュザー。
（８）水蒸気を凝縮させて淡水にするフィンチューブ形熱交換器（凝縮器）。
（９）淡水を集め連通管内に流下させる凝縮水受け皿。
【００３１】
また、本発明では、まず、減圧下、加熱手段で海中温度以上に加熱して水蒸気流を作る。次いで、水蒸気流をタービン室に誘導し、タービン室出口から噴出させ、このエネルギーでタービンを回転させてタービン発電機に発電させる。
その後、水蒸気は曲がりデフュザーでタービン室から、フィンチューブ形熱交換器までガイドされ、フィンチューブ形熱交換器のフィン表面で冷却、凝縮されて淡水となる。本発明は、トリチェリー真空と、タービン発電機と、フィンチューブ形熱交換器を１つの装置に組み込むことで、淡水製造に必要とされる消費エネルギーを最小にした海水の淡水化方法である。
【発明の効果】
【００３２】
本発明は、蒸留法で海水を淡水化する場合の最大の課題である、淡水化に要するエネルギー（外部より本装置に投入される電気エネルギー）を極小化する方法である。
本発明では次の方法で極小化を達成している。
【００３３】
（１） トリチェリー真空を利用することで、海水温に近い温度で沸騰させ、海水を加熱に要するエネルギーを極小にした。
（２） オープン発電システムでは、蒸発室とタービン室を直結し、タービン室と凝縮室とを曲がりデフュザーで接続することで、水蒸気流の流動損失を極小にした。
（３） クローズド発電システムでは、作動流体の作動圧を大きくすることで、ラジアルタービンを小型化できる。
（４） フィンチューブ形熱交換器のフィンに水蒸気流を入射角度２０°〜４０°で衝突させ、熱交換効率の極大化を図った。
（５） 熱交換により温められた冷却水を原料海水として加熱するので、沸騰温度にまで加熱する熱エネルギーを極小化した。
（６） タービン発電機で発電された電力を、海水を沸騰させる熱源として使用するので、外部から調達する電力を極小化した。
以上によって、本発明による発電機能付き減圧沸騰形海水淡水化装置により、省エネルギーで、且つ、安定的に淡水を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の発電機能付き減圧沸騰形海水淡水化装置の構成説明図（第１実施例）
【図２】本発明におけるエネルギー回収の原理説明図
【図３】減圧沸騰形海水淡水化装置の構成説明図
【図４】非特許文献１の発電機能付き減圧沸騰形海水淡水化装置の原理図
【図５】特許文献２の発電機能付き減圧沸騰形海水淡水化装置の概念図
【図６】クローズドタイプの減圧沸騰形海水淡水化装置（第２実施例）
【図７】クローズドタイプの減圧沸騰形海水淡水化装置（第３実施例）
【発明を実施するための形態】
【００３５】
本発明の発電機能付き減圧沸騰形海水淡水化装置の第１実施例の全体構成について、図１を用いて説明する。
発電機能付き減圧沸騰形海水淡水化装置１０は、海水槽１６に収容される海水３４中に立設される海水塔１１と、淡水槽１７に収容される淡水５１中に立設される淡水塔１２と、これら、海水塔１１と淡水塔１２とを気密に連結する連通管１３から構成される。海水塔１１の上部には海水温度を一定に維持するための加熱手段１９が設置され、また海水塔１１の凝縮室７３には、冷却手段１４が配置される。更に、海水塔１１の上部外壁部と、連通管１３の外壁と、淡水塔１２の外壁には、これら外壁を包囲して断熱する断熱材１８が取付けられる。
【００３６】
次に、本装置の立ち上げから定常運転に至るまでのプロセスについて図１を用い説明する。
海水塔１１の上下及び側方に配置されたバルブ２１、２２、２９、３１を開にし、バルブ３２を閉じ、ポンプ２４を作動させ、配管３３を通して海中より海水を汲み上げ、海水塔１１内部に海水を投入する。海水槽１６が海水で満たされた時点でポンプ２４を停止させ、バルブ２１を閉じる。ポンプ２４を再稼働させ海水塔内に海水を注入し、液面２６の高さＨ1が約１０ｍになった時バルブ３１を閉じ、ポンプ２４を停止させる。
【００３７】
淡水塔１２の上下に配置されたバルブ４３、４５、４７を開にし、流量計５２で流量を確認しながらポンプ４６を作動させ、配管５８を通して淡水の給水を行い、淡水塔１２内部に淡水を投入する。淡水槽１７が淡水で満たされた時点でポンプ４６を停止させ、バルブ４５を閉じる。ポンプ４６を再稼働させ淡水塔内に淡水を注入し、液面４２の高さＨ２が約１０ｍになった時バルブ５２を閉じ、ポンプ４６を停止させる。
【００３８】
バルブ２２，４３を閉じバルブ２１，５１を開にすると海水塔１１の頂部空間２７、淡水塔１２の頂部空間４４及び連通パイプ１３内の圧力は水頭Ｈ１、Ｈ２に依存して低下し、真空に近いものとなる。
次いで、海水塔１１の凝縮室７３、淡水塔１２の頂部空間４４及び連通パイプ１３内に残留する空気を排除するため、バルブ３９を開にし真空ポンプ１５を作動させ、海水塔１１、淡水塔１２、連通管１３内部を真空にする。この時の真空度は真空計２８で確認することができる。これにより海水塔内部、淡水塔内部にトリチェリ真空が形成される。なお、海水塔内部、淡水塔内部はトリチェリ真空に達する手前から、海水及び、淡水に沸騰が起こる。
【００３９】
トリチェリ真空が形成されるに至った時点で、バルブ３９を閉じ、真空ポンプ１５を停止させる。この時、海水塔１１内の液面２６の高さは、海水槽１６の液面３５からＨ１の高さとなり、Ｈ１は約１０ｍになる。また淡水塔１２内の液面４２の高さは、淡水槽１７の液面５３からＨ２の高さとなり、Ｈ２は約１０ｍになる。
【００４０】
次いでバルブ３１を閉じたまま、バルブ２９，３２を開にし、流量計３６で流量を計測しながら海中から汲み上げた海水をフィンチューブ形熱交換器（冷却手段）１４のチューブ６２内を通水させ、海水塔１１上部の液面近傍に放出させる。また、この液面近傍には温度センサ２０が設置されており、この温度センサ２０で検出される温度が加熱手段１９に設定されている制御温度より低い場合は、加熱手段１９がＰＩＤ制御でヒータ２３を作動させ海水塔１１の液面近傍の海水２５を加熱する。この結果、液面付近では安定した沸騰状態が維持され、蒸発室２７は常に飽和水蒸気圧で満たされる。
【００４１】
蒸発室２７に満たされた水蒸気は、水蒸気導入口７６からタービン室７１に流入し、ラジアルタービン７２を勢いよく回転させる。ラジアルタービン７２の回転軸７８には発電機７４が直結されておりラジアルタービン７２の回転により発電する。これにより、水蒸気の運動エネルギーは電気エネルギーに変換される。ここで発電される電力は加熱手段１９の補助電力源として使用する。
【００４２】
タービン室７１で発電を終了した水蒸気は、水蒸気導出口７５から曲りデフュザー３０に排出され。曲りデフュザー３０は流動損失を押さえて圧力を回復すると同時に水蒸気流を凝縮室７３に設置されるフィンチューブ形熱交換器１４に導く。曲りデフュザー３０の主たる機能は、フィンチューブ形熱交換器１４のフィン６１に入射角度２０°〜４０°の範囲で水蒸気流を衝突させることである。これにより、水蒸気流は乱流を伴い、フィンチューブ形熱交換器１４の各フィン６１間に一様に分配されて流動しながら効率よくフィン６１の表面に水蒸気を凝縮させる。
【００４３】
海水塔１１の上部は外壁面が断熱材で包囲されているので、水蒸気が壁面で凝縮することはなく、水蒸気はもっぱらフィンチューブ形熱交換器１４のフィン６１表面で凝縮する。また、フィンチューブ形熱交換器１４にはポンプ２４により、絶えず冷却水が供給されるので、凝縮能力が維持される。
連通管１３の液面を覆うフロート部材６０は、連通管１３の上部より吊下げる方法で保持されており、淡水が凝縮室７３に再蒸発するのを抑制する。
【００４４】
これら一連の動作において、蒸発室２７と凝縮室７３では海水の沸騰・蒸発と、発生する水蒸気の冷却・凝縮が同時に進行するため、蒸発室２７と凝縮室７３の容積、圧力はほぼ一定に保たれる。また、これら一連の動作は、人為的な制御が不要で全て自律的に進行する。
フィン６１表面に凝結する水分は、直下の受け皿６３に滴下して、淡水になり連通管内１３内部に流下する。連通管内の液面高さは一定に保持されるので、流下する淡水は逐次淡水塔１２内を下方に押し出され、淡水槽１７に至り、淡水槽１７の堰５４を乗り越え、回収槽５５に至る。
【００４５】
回収槽５５内の淡水はバルブ５７を開にし、流量計５６で流量を計測しながら外部に取り出す。
なお、ポンプ２４から供給される海水量は流量計３６で確認可能であるが、海水塔１１の蒸発室２７で蒸発する海水量より多い場合、過剰分の海水は、海水塔１１を逐次下方に押しやられて海水槽１６に至り、堰４０を乗り越えてサブ貯留槽３７から外部に排出される。
【実施例１】
【００４６】
図１に示す本発明の第１の実施例について、装置全体のエネルギー収支の概略試算を次のステップ１〜４に述べる。
ステップ１:海水を気化させるに要するエネルギー
図２は本発明におけるエネルギー回収の原理説明図で、蒸発槽６４で海水が蒸発され、蒸発により作られる水蒸気流がタービン室７１に流入し発電した後、凝縮槽６５に流入する。
ここに、蒸発槽６４の直径はＤ１＝５[ｍ]、蒸発室２７の高さＨ＝０．２[ｍ]である。
海水２５の温度は２５[℃]でこれを３０[℃]に加熱して水蒸気にする。
タービン室７１の断面の直径Ｄ２＝０．５[ｍ]      
【００４７】
蒸発室内２７の温度は３０[℃]、蒸気圧は約３０[mmHg]であり、海水２５の表面は３０[℃]に加熱維持されている。また、この状況下では、毎分３１．４[kg/m2・min]の海水が蒸発室に蒸発し続ける（文献：Encyclopedia[塩百科]３８，２００４橋本壽夫）。
この平衡状態を持続するに必要とされる海水の加熱蒸発エネルギーは、蒸発量に相当する海水を２５[℃]から３０[℃]に昇温させる加熱エネルギーと、蒸発（気化）熱の和になる。このうち、加熱エネルギーは２１６[kWh/φ5m・h]と計算できる。また、蒸発熱についてはステップ３に述べる。
【００４８】
ステップ２：発電エネルギー
蒸発室２７で作られる水蒸気量は３０[℃]、３０[mmHg]の条件下で３１．４[kg/m2・min]であるので、本装置で作成される水蒸気量は約１０．３[kgf/φ5m・s]となる。
一方、３０[℃]、３０[mmHg]の条件下で飽和水の比体積は０．００１[m3/kg]であるが、同一条件下での水蒸気とすると、飽和蒸気の比体積は２３．７[m3/kg]となる（伝熱工学資料改定第５版 日本機械学会、丸善２００９／０５）。
蒸発室２７内の総水蒸気量は約１０．３[kgf/φ5m・s]であるので、体積に換算すると２５[m3/s]になり、これが毎秒生成される水蒸気の体積となる。
【００４９】
また、タービン室の内径は０．５[m]であるので、タービン室を流れる水蒸気流の流速は５０[m/s]となる。この水蒸気流の有する運動エネルギーは、水蒸気密度が０．４１２[kgf/m3]であるので１．３１０[kw/s]と計算される。
ここにラジアルタービン発電機の変換効率について、まず２[%]とした場合について述べる（変換効率を２．７[%]とした場合については、段落[００４７]に後述する）。先の１．３１０[kw/s]の２[%]がラジアルタービン発電機により電気エネルギーとして回収されるものとすると、回収電力量は約９４[kWh]となる。
【００５０】
ステップ３：フィンチューブ形熱交換器による熱エネルギーの回収
フィンチューブ形熱交換器では、３０[℃]の水蒸気が２５[℃]に冷却・凝縮されて潜熱が放出される。ここで回収される熱エネルギーはステップ１で吸収される蒸発熱との差として把握できる。
水の気化熱は５８０．２[kcal/kg]であり、凝縮熱は５８３．１[kcal/kg]である。水蒸気が凝縮する際凝縮熱が冷却水に全て吸収されるとすれば、両者の差に相当する２．９[kcal/kg]だけ熱量が回収される。
単位時間当たりの水蒸気の発生量は３１．４×６０[kg/m2・ｈ]であるので、潜熱と蒸発熱との差による回収エネルギーは＋９１[kWh/φ5m・ｈ]となる。
【００５１】
ステップ４：全体のエネルギー収支
（１）海水の加熱エネルギー：−２１６[kWh/φ5m・h]
（２）発電エネルギー：＋９４[kWh]
（３）凝縮熱で回数されるエネルギー：＋９１[kWh/φ5m・ｈ]
上記（１）〜（３）の合計は−３１[kWh]なる。
従って、本システムでは毎時電力消費電力３１[kWh]で、約１，８８４[kg]の淡水が製造できる。
【００５２】
なお、ラジアルタービン発電機の変換効率を２．７[%]として改めて計算すると、回収電力量は約１２７[kWh]となり、前述の全体のエネルギー収支は次になる。
（１）海水の加熱エネルギー：−２１６[kWh/φ5m・h]
（２）発電エネルギー：＋１２７[kWh]
（３）凝縮熱で回数されるエネルギー：＋９１[kWh/φ5m・ｈ]
上記（１）〜（３）の合計は＋２[kWh]となり、外部からの電力供給なしに毎時、約１，８８４[kg]の淡水を製造することができる。
【実施例２】
【００５３】
図１に示す本発明に使用する発電システムは、タービンを回す作動流体が海水を蒸発して得られる水蒸気であり、作動流体はタービン室外に排出されるので、一般にはオープンタイプと呼ばれる発電システムに分類される。しかし、本発明では作動流体にアンモニアを用いるクローズドタイプの発電システムとすることができる。図６にクローズドタイプの減圧沸騰形海水淡水化装置の第２の実施例を示す。
【００５４】
図１との相違点は、クローズド発電システム１００である。本クローズドタイプの発電システムには作動流体にアンモニアを用いる。アンモニアは蒸発器１０３で気化し、ラジアルタービン１０１を回転させる。これによりラジアルタービン１０１に直結された発電機１０２が発電を行う。次いでアンモニアガスは凝縮器１０４で液化され、ポンプ１０５でアンモニアガス配管１０９内を矢示方向に輸送され、ここで再び蒸発器１０３に至って過熱されて気化する。凝縮器１０４の冷却は、海水用配管３３からバルブ１０７で分岐させた海水配管１０８で行い、冷却用に使用された海水は水蒸気発生用の海水２５として使用される。
【００５５】
アンモニアは有害物質ではあるが、系内にクローズドして使用されるので安全性に問題はない。また、本発電システムに於いて、アンモニアの蒸気圧は２５℃において１．００[MPa]であり、３０℃で１．１７[MPa]である。従って２５℃と３０℃の差圧は０．１７[MPa]となり、この差圧でラジアルタービン発電機１０１を駆動させることができる。
本第２の実施例では、スリット又は撹乱素子付フィンチューブ熱交換機１４での熱エネルギー回収が十分機能し、加熱手段１９での海水２５の加熱が必ずしも必要でない状況に至る場合、特に有効なシステムであり、発電エネルギーは海水２５の加熱以外に使用することができる。
【実施例３】
【００５６】
第３の実施例となるクローズドタイプの減圧沸騰形海水淡水化装置を図７に示す。
図７は図６の変形例で、蒸発器１０３が凝縮室７３に配置される。従って、凝縮室には蒸発器１０３と、スリット又は撹乱素子付フィンチューブ熱交換機１４の２つが配置される。この結果、海水２５が加熱されて発生する水蒸気の凝縮エネルギーは、蒸発器１０３とスリット又は撹乱素子付フィンチューブ熱交換機１４の２段で回収される。
【００５７】
本実施例では、水蒸気の凝縮熱の回収が確実に行われるので、海水２５の加熱温度を上昇させることが、比較的容易に実施できる。例えば、海水温を３５℃とすると、３５℃に於けるアンモニアの蒸気圧は１．３５[MPa]となる。アンモニアの蒸気圧の２５℃と３５℃に於ける差圧は０．３５[MPa]となりラジアルタービン発電機１０１の駆動は、海水温３０℃と比較し、一層容易になる。
【符号の説明】
【００５８】
１０    減圧沸騰形海水淡水化装置
１１    海水塔
１２    淡水塔
１３    連通管
１４    スリット又は撹乱素子付フィンチューブ形熱交換器
１５    真空ポンプ
１６    海水槽
１７    淡水槽
１８    断熱材
１９    加熱手段  
２３    ヒータ
２５    海水
２７    蒸発室
４１    淡水
６４    蒸発槽
６５    凝縮槽
７１    タービン室
７２    ラジアルタービン
７３    凝縮室
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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