(57)【要約】【課題】ランキンサイクルの作動媒体を空気によって効率的に冷却するための技術を提供する。【解決手段】空冷ユニット（１００）は、ランキンサイクル装置（１０６）に用いられる空冷ユニットであり、膨張機（１１）及び凝縮器（１２）を備えている。膨張機（１１）は、作動媒体を膨張させてエネルギーを回収する。凝縮器（１２）は、空気によって作動媒体を冷却する。空冷ユニット（１００）は、膨張機（１１）と風路との間の伝熱を低減する伝熱低減体を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランキンサイクル装置に用いられる空冷ユニットであって、
作動媒体を膨張させてエネルギーを回収する膨張機と、
冷却用の空気の風路上に配置され、前記風路を流れる空気によって前記作動媒体を冷却する凝縮器と、
前記膨張機と前記風路との間の伝熱を低減する伝熱低減体とを備える、空冷ユニット。
【請求項２】
前記伝熱低減体は、前記膨張機と前記風路との間に配置された仕切りを備える、請求項１に記載の空冷ユニット。
【請求項３】
前記膨張機及び前記凝縮器を収納している筐体を備え、
前記筐体は、
前記仕切りにより仕切られた、
前記膨張機を収納する膨張機収納部と、
前記凝縮器を収納する凝縮器収納部とを備える、請求項２に記載の空冷ユニット。
【請求項４】
前記凝縮器から吐出された前記作動媒体を循環させるポンプをさらに備えた、請求項１−３のいずれか１項に記載の空冷ユニット。
【請求項５】
前記膨張機は、前記ポンプよりも上側に位置している、請求項４に記載の空冷ユニット。
【請求項６】
前記凝縮器から吐出された前記作動媒体を循環させるポンプと、
前記膨張機、前記凝縮器及び前記ポンプを収納している筐体と、をさらに備え、
前記伝熱低減体は、
前記筐体の内部に配置され、前記筐体の内部空間を、少なくとも、前記膨張機が配置された膨張機収納部と、前記凝縮器が配置された凝縮器収納部と、前記ポンプが配置されたポンプ収納部とに仕切る仕切りを備えた、請求項１に記載の空冷ユニット。
【請求項７】
前記膨張機収納部は、前記ポンプ収納部よりも上側に位置している、請求項６に記載の空冷ユニット。
【請求項８】
前記ポンプ収納部に配置され、前記空冷ユニット又は前記ランキンサイクル装置の制御を行う制御器をさらに備えた、請求項６又は７に記載の空冷ユニット。
【請求項９】
前記膨張機収納部に配置され、前記ポンプから吐出された前記作動媒体と前記膨張機から吐出された前記作動媒体との間で熱交換を生じさせる再熱器をさらに備えた、請求項６−８のいずれか１項に記載の空冷ユニット。
【請求項１０】
前記膨張機を前記空冷ユニットの外部に設けられた蒸発器に接続するための第１流路が前記膨張機収納部を経由して前記筐体の外部に延びており、
前記ポンプを前記空冷ユニットの外部に設けられた前記蒸発器に接続するための第２流路が前記膨張機収納部を経由して前記筐体の外部に延びており、
前記蒸発器の出口と接続された配管を前記第１流路に接続するための第１接続部及び前記蒸発器の入口と接続された配管を前記第２流路に接続するための第２接続部が前記筐体の外部にそれぞれ位置している、請求項６−９のいずれか１項に記載の空冷ユニット。
【請求項１１】
前記膨張機収納部を囲んでいる第１の断熱材をさらに備えた、請求項３、６−１０のいずれか１項に記載の空冷ユニット。
【請求項１２】
前記膨張機収納部に配置され、前記作動媒体を蒸発させる蒸発器をさらに備えた、請求項３、６−９のいずれか１項に記載の空冷ユニット。
【請求項１３】
前記作動媒体が前記膨張機をバイパスして流れるバイパス流路と、
前記バイパス流路に配置され、前記バイパス流路における前記作動媒体の流量を調節する制御弁と、
をさらに備え、
前記制御弁が前記ポンプ収納部に配置されている、請求項６−１０のいずれか１項に記載の空冷ユニット。
【請求項１４】
前記作動媒体が前記膨張機をバイパスして流れるバイパス流路と、
前記バイパス流路に配置され、前記バイパス流路における前記作動媒体の流量を調節する制御弁と、
をさらに備え、
前記制御弁が前記膨張機収納部に配置されている、請求項３、６−１２のいずれか１項に記載の空冷ユニット。
【請求項１５】
前記作動媒体が前記膨張機をバイパスして流れるバイパス流路と、
前記バイパス流路に配置され、前記バイパス流路における前記作動媒体の流量を調節する制御弁と、
をさらに備え、
前記制御弁が前記凝縮器収納部に配置されている、請求項３、６−１２のいずれか１項に記載の空冷ユニット。
【請求項１６】
前記ポンプは、前記凝縮器の風上側に配置されている、請求項４−１０、１３のいずれか１項に記載の空冷ユニット。
【請求項１７】
前記空冷ユニット又は前記ランキンサイクル装置の制御を行う制御器をさらに備え、
前記ポンプから吐出された前記作動媒体で前記制御器が冷却される、請求項４−７のいずれか１項に記載の空冷ユニット。
【請求項１８】
前記ポンプから吐出された前記作動媒体と前記膨張機から吐出された前記作動媒体との間で熱交換を生じさせる再熱器をさらに備えた、請求項４−８、１７のいずれか１項に記載の空冷ユニット。
【請求項１９】
前記膨張機、前記凝縮器及び前記ポンプを収納している筐体をさらに備え、
前記膨張機を前記空冷ユニットの外部に設けられた蒸発器に接続するための第１流路及び前記ポンプを前記空冷ユニットの外部に設けられた前記蒸発器に接続するための第２流路がそれぞれ前記筐体の外部に延びており、
前記蒸発器の出口と接続された配管を前記第１流路に接続するための第１接続部及び前記蒸発器の入口と接続された配管を前記第２流路に接続するための第２接続部は、前記膨張機又は前記ポンプが配置された空間から見て、前記凝縮器が配置された空間とは反対側に設けられている、請求項４又は５に記載の空冷ユニット。
【請求項２０】
前記凝縮器がフィンチューブ熱交換器を含む、請求項１−１９のいずれか１項に記載の空冷ユニット。
【請求項２１】
前記フィンチューブ熱交換器は、気流方向の上流側に配置された上流部分と、前記気流方向の下流側に配置された下流部分とを含み、
前記上流部分と前記下流部分との間には隙間が形成されている、請求項２０に記載の空冷ユニット。
【請求項２２】
前記凝縮器は、気流方向の上流側に配置された上流部分と、前記気流方向の下流側に配置された下流部分とを含む、請求項１−１９のいずれか１項に記載の空冷ユニット。
【請求項２３】
前記上流部分は、前記凝縮器において、前記気流方向の最も上流側に位置している部分であり、
前記上流部分に前記凝縮器の出口が設けられている、請求項２２に記載の空冷ユニット。
【請求項２４】
前記下流部分は、前記凝縮器において、前記気流方向の最も下流側に位置している部分であり、
前記下流部分に前記凝縮器の入口が設けられている、請求項２２又は２３に記載の空冷ユニット。
【請求項２５】
前記仕切りは、前記膨張機が配置された空間から前記風路に空気が移動することを低減する位置又は前記風路から前記膨張機が配置された空間に空気が移動することを低減する位置に配置される、請求項２又は３に記載の空冷ユニット。
【請求項２６】
前記仕切りは、前記風路に気流が形成されることを補助するように構成されている、請求項２又は３に記載の空冷ユニット。
【請求項２７】
前記凝縮器の風上側に配置され、前記凝縮器に空気を供給するファンをさらに備えた、請求項１−２６のいずれか１項に記載の空冷ユニット。
【請求項２８】
前記凝縮器の風上側に配置され、前記空冷ユニット又は前記ランキンサイクル装置の制御を行う制御器をさらに備えた、請求項１−７、１９、２５、２６のいずれか１項に記載の空冷ユニット。
【請求項２９】
前記作動媒体を蒸発させる蒸発器をさらに備えた、請求項１−９、１８、１９、２５、２６、２８のいずれか１項に記載の空冷ユニット。
【請求項３０】
前記伝熱低減体は、前記膨張機を囲んでいる第２の断熱材を備える、請求項１−２９のいずれか１項に記載の空冷ユニット。
【請求項３１】
前記膨張機から吐出された前記作動媒体がそれぞれに流れる複数の分岐流路をさらに備え、
前記複数の分岐流路のそれぞれが前記凝縮器に接続されている、請求項１−３０のいずれか１項に記載の空冷ユニット。
【請求項３２】
請求項１−３１のいずれか１項に記載の空冷ユニットを備えるランキンサイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ランキンサイクル装置に用いられる空冷ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
当業者によく知られているように、ランキンサイクルは、蒸気タービンの理論サイクルである。ランキンサイクルに関する研究開発は古くからなされている。一方、特許文献１に記載されているように、工場、焼却炉などの施設から排出された廃熱エネルギーを回収して発電を行う廃熱発電装置に関する研究開発も行われている。
【０００３】
特許文献１の廃熱発電装置では、蒸発器によって廃熱媒体から熱エネルギーが回収され、回収された熱エネルギーによってランキンサイクルの作動媒体が蒸発する。蒸発した作動媒体によってタービン発電機が駆動される。作動媒体は、タービン発電機を駆動した後、水冷式の凝縮器で冷却されて凝縮する。凝縮した作動媒体は、ポンプによって再び蒸発器に送られる。これにより、廃熱エネルギーから電気エネルギーが連続的に生成される。近年では、大規模な廃熱発電装置だけでなく、比較的小規模な施設に併設できる廃熱発電装置が注目を浴びている。
【０００４】
特許文献２は、図９に示すバイナリー発電システムを開示している。蒸発器２には、熱源流体１が送られ、蒸発器２において作動媒体１０が加熱される。蒸発した作動媒体１０は、蒸気タービン４に送られ、蒸気タービン４を駆動して電気を発生させる。蒸気タービン４から吐出された作動媒体１０は、熱回収器８を経由して、凝縮器６に送られる。作動媒体１０は、凝縮器６において、空気によって冷却されて凝縮する。凝縮した作動媒体１０は、ポンプ７Ｂによって蒸発器２に再び送られ、熱源流体１によって加熱される。このバイナリー発電システムによれば、熱源流体１から熱を回収し、空気によって作動媒体１０を凝縮させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−７３７０号公報
【特許文献２】特開２００９−２２１９６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
水冷式の凝縮器を使用する場合、クーリングタワーなどの冷却水生成設備が必要である。また、ランキンサイクル装置と冷却水生成設備との間の水配管を新たに設ける必要がある。その結果、コストの増加、設置面積の増加などの問題が表面化する。空冷式の凝縮器は、コスト及び設置面積の面で水冷式の凝縮器よりも有利であると考えられる。ただし、空冷式の凝縮器の性能は、通常、水冷式の凝縮器の性能に劣る。そのため、空冷式の凝縮器の性能の更なる改善が期待される。
【０００７】
上記事情を鑑み、限定的ではない例示的なある実施形態（One non-limiting and exemplary embodiment provides）は、ランキンサイクルの作動媒体を空気によって従来よりも効率的に冷却するための技術を提供する。
（Additional benefits and advantages of the disclosed embodiments will be apparent from the specification and Figures. The benefits and/or advantages may be individually provided by the various embodiments and features of the specification and drawings disclosure, and need not all be provided in order to obtain one or more of the same.）
【課題を解決するための手段】
【０００８】
すなわち、本開示の一態様の空冷ユニットは、
ランキンサイクル装置に用いられる空冷ユニットであって、
作動媒体を膨張させてエネルギーを回収する膨張機と、
冷却用の空気の風路上に配置され、前記風路を流れる空気によって前記作動媒体を冷却する凝縮器と、
前記膨張機と前記風路との間の伝熱を低減する伝熱低減体とを備える。
【発明の効果】
【０００９】
本開示によれば、ランキンサイクルの作動媒体を空気によって従来よりも効率的に冷却できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態１に係る空冷ユニットの側面から見たときの構成図
【図２】実施形態１に係る空冷ユニットの上面から見たときの構成図
【図３】図１及び図２に示す空冷ユニットを用いたランキンサイクル装置の構成図
【図４】膨張機と凝縮器とを接続している流路の変形例の構成図
【図５】実施形態２に係る空冷ユニットの構成図
【図６】実施形態３に係る空冷ユニットの構成図
【図７】実施形態４に係る空冷ユニットの構成図
【図８】実施形態５に係る空冷ユニットの構成図
【図９】従来の廃熱発電装置であるバイナリー発電システムの構成図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
空冷式の凝縮器の利点として、水配管などの付属設備が不要であることが挙げられる。一方、設置面積を減らすために、ランキンサイクル装置の小型化を進めるほど、高温の膨張機と凝縮器のための風路との間の伝熱が問題となる。膨張機と風路との間で伝熱がある場合、膨張機から凝縮器に熱が移動する。膨張機の視点に立つと、膨張機の熱が奪われる。凝縮器の視点に立つと、凝縮器が加熱される。いずれも、ランキンサイクル装置の性能を低下させる要因であり、高性能のランキンサイクル装置を提供することを妨げる。
【００１２】
上記の伝熱を減らすために、例えば、膨張機と凝縮器との間の距離を十分に確保することが考えられる。しかし、このような配置は、ランキンサイクル装置の設置面積の増加、膨張機と凝縮器との間の配管の長さの増加などの不利益を招く。結果として、空冷式の凝縮器の利点、すなわち、設置面積を節約できるという利点が損なわれる。設置面積を節約できるという利点を維持しつつ、空冷式の凝縮器を備えた高性能のランキンサイクル装置を提供するためには、膨張機と凝縮器のための風路との間の伝熱を低減する技術が必要である。
【００１３】
本開示の第１態様は、
ランキンサイクル装置に用いられる空冷ユニットであって、
作動媒体を膨張させてエネルギーを回収する膨張機と、
冷却用の空気の風路上に配置され、前記風路を流れる空気によって前記作動媒体を冷却する凝縮器と、
前記膨張機と前記風路との間の伝熱を低減する伝熱低減体とを備える。
【００１４】
このような構成によれば、伝熱低減体により、膨張機と凝縮器のための風路との間の伝熱を低減できる。
【００１５】
ここで、上記伝熱低減体は、例えば、膨張機と風路との間に設けられた仕切り、膨張機を囲む断熱材等が挙げられるが、前記膨張機と前記風路との間の伝熱を低減するのであれば、いかなる構成であっても構わない。
【００１６】
本開示の第２態様は、第１態様に加え、前記伝熱低減体は、前記膨張機と前記風路との間に配置された仕切りを備える、空冷ユニットを提供する。このような構成によれば、仕切りにより、膨張機と凝縮器のための風路との間の伝熱を低減できる。
【００１７】
本開示の第３態様は、第２態様に加え、前記膨張機及び前記凝縮器を収納している筐体を備え、前記筐体は、前記仕切りにより仕切られた、前記膨張機を収納する膨張機収納部と、前記凝縮器を収納する凝縮器収納部とを備える、空冷ユニットを提供する。
【００１８】
このような構成によれば、仕切りにより、膨張機と凝縮器のための風路との間の伝熱を低減できる。
【００１９】
本開示の第４態様は、第１−第３態様のいずれか１つに加え、前記凝縮器から吐出された前記作動媒体を循環させるポンプをさらに備えた、空冷ユニットを提供する。このような構成によれば、空冷ユニットの外部にポンプを別途設けることが不要となる。
【００２０】
本開示の第５の態様は、第４態様に加え、前記膨張機は、前記ポンプよりも上側に位置している、空冷ユニットを提供する。このような位置関係によれば、暖められた空気が上昇する性質に基づき、膨張機からポンプへの熱移動を低減できる。
【００２１】
本開示の第６態様は、第１態様に加え、前記凝縮器から吐出された前記作動媒体を循環させるポンプと、前記膨張機、前記凝縮器及び前記ポンプを収納している筐体と、をさらに備え、前記伝熱低減体は、前記筐体の内部に配置され、前記筐体の内部空間を、少なくとも、前記膨張機が配置された膨張機収納部と、前記凝縮器が配置された凝縮器収納部と、前記ポンプが配置されたポンプ収納部とに仕切る仕切りを備えた、空冷ユニットを提供する。仕切りによって、膨張機、ポンプ及び凝縮器の間の熱移動が低減される。
【００２２】
本開示の第７態様は、第６態様に加え、前記膨張機収納部は、前記ポンプ収納部よりも上側に位置している、空冷ユニットを提供する。このような位置関係によれば、暖められた空気が上昇する性質に基づき、膨張機収納部からポンプ収納部への熱移動を低減できる。
【００２３】
本開示の第８態様は、第６又は第７態様に加え、前記ポンプ収納部に配置され、前記空冷ユニット又は前記ランキンサイクル装置の制御を行う制御器をさらに備えた、空冷ユニットを提供する。制御器がポンプ収納部に配置されていると、制御器の温度が過度に上昇することを抑制できる。
【００２４】
本開示の第９態様は、第６−第８態様のいずれか１つに加え、前記膨張機収納部に配置され、前記ポンプから吐出された前記作動媒体と前記膨張機から吐出された前記作動媒体との間で熱交換を生じさせる再熱器をさらに備えた、空冷ユニットを提供する。膨張機収納部に再熱器が配置されていると、再熱器によって直接的に又は再熱器に接続された配管を通じて、膨張機収納部の熱を回収できる。
【００２５】
本開示の第１０態様は、第６−第９態様のいずれか１つに加え、前記膨張機を前記空冷ユニットの外部に設けられた蒸発器に接続するための第１流路が前記膨張機収納部を経由して前記筐体の外部に延びており、前記ポンプを前記空冷ユニットの外部に設けられた前記蒸発器に接続するための第２流路が前記膨張機収納部を経由して前記筐体の外部に延びており、前記蒸発器の出口と接続された配管を前記第１流路に接続するための第１接続部及び前記蒸発器の入口と接続された配管を前記第２流路に接続するための第２接続部が前記筐体の外部にそれぞれ位置している、空冷ユニットを提供する。このような構成によれば、凝縮器のための風路及びポンプに及ぶ伝熱を低減できる。
【００２６】
本開示の第１１態様は、第３、６−１０態様のいずれか１つに加え、前記膨張機収納部を囲んでいる第１の断熱材をさらに備えた、空冷ユニットを提供する。膨張機収納部が第１の断熱材で囲まれている場合、膨張機に接続された高温の配管も同時に断熱できる。
【００２７】
本開示の第１２態様は、第３、第６−第９態様のいずれか１つに加え、前記膨張機収納部に配置され、前記作動媒体を蒸発させる蒸発器をさらに備えた、空冷ユニットを提供する。蒸発器が膨張機収納部に配置されていると、蒸発器と凝縮器のための風路との間の伝熱を低減できるとともに、蒸発器とポンプとの間の伝熱を低減できる。
【００２８】
本開示の第１３態様は、第６−第１０態様のいずれか１つに加え、前記作動媒体が前記膨張機をバイパスして流れるバイパス流路と、前記バイパス流路に配置され、前記バイパス流路における前記作動媒体の流量を調節する制御弁と、をさらに備え、前記制御弁が前記ポンプ収納部に配置されている、空冷ユニットを提供する。制御弁が低温のポンプ収納部に配置されていると、熱によって制御弁がダメージを受けることを抑制できる。
【００２９】
本開示の第１４態様は、第３、第６−第１２態様のいずれか１つに加え、前記作動媒体が前記膨張機をバイパスして流れるバイパス流路と、前記バイパス流路に配置され、前記バイパス流路における前記作動媒体の流量を調節する制御弁と、をさらに備え、前記制御弁が前記膨張機収納部に配置されている、空冷ユニットを提供する。制御弁が膨張機収納部に配置されていると、バイパス流路の上流部分にある高温の作動媒体から凝縮器、ポンプなどの低温の構成要素に伝熱することを低減できる。
【００３０】
本開示の第１５態様は、第３、第６−第１２態様のいずれか１つに加え、前記作動媒体が前記膨張機をバイパスして流れるバイパス流路と、前記バイパス流路に配置され、前記バイパス流路における前記作動媒体の流量を調節する制御弁と、をさらに備え、前記制御弁が前記凝縮器収納部に配置されている、空冷ユニットを提供する。制御弁が低温の凝縮器収納部に配置されていると、熱によって制御弁がダメージを受けることを抑制できる。
【００３１】
本開示の第１６態様は、第４−第１０、第１３態様のいずれか１つに加え、前記ポンプは、前記凝縮器の風上側に配置されている、空冷ユニットを提供する。このような位置関係によれば、凝縮器に供給されるべき空気でポンプを冷却できる。
【００３２】
本開示の第１７態様は、第４−第７態様のいずれか１つに加え、前記空冷ユニット又は前記ランキンサイクル装置の制御を行う制御器をさらに備え、前記ポンプから吐出された前記作動媒体で前記制御器が冷却される、空冷ユニットを提供する。ポンプの出口の作動媒体は、例えば、液相状態にあり、例えば２０−５０℃の温度を有する。このような作動媒体は、制御器の冷却に使用されうる。
【００３３】
本開示の第１８態様は、第４−第８、第１７態様のいずれか１つに加え、前記ポンプから吐出された前記作動媒体と前記膨張機から吐出された前記作動媒体との間で熱交換を生じさせる再熱器をさらに備えた、空冷ユニットを提供する。再熱器において、膨張機から吐出された作動媒体の熱エネルギーをポンプから吐出された作動媒体に伝えることができる。
【００３４】
本開示の第１９態様は、第４又は第５態様に加え、前記膨張機、前記凝縮器及び前記ポンプを収納している筐体をさらに備え、前記膨張機を前記空冷ユニットの外部に設けられた蒸発器に接続するための第１流路及び前記ポンプを前記空冷ユニットの外部に設けられた前記蒸発器に接続するための第２流路がそれぞれ前記筐体の外部に延びており、前記蒸発器の出口と接続された配管を前記第１流路に接続するための第１接続部及び前記蒸発器の入口と接続された配管を前記第２流路に接続するための第２接続部は、前記膨張機又は前記ポンプが配置された空間から見て、前記凝縮器が配置された空間とは反対側に設けられている、空冷ユニットを提供する。このような構成によれば、接続部と凝縮器のための風路との間の伝熱を低減できる。
【００３５】
本開示の第２０態様は、第１−第１９態様のいずれか１つに加え、前記凝縮器がフィンチューブ熱交換器を含む、空冷ユニットを提供する。フィンチューブ熱交換器は、空冷ユニットのコストの節約及び設置面積の低減に寄与する。
【００３６】
本開示の第２１態様は、第２０態様に加え、前記フィンチューブ熱交換器は、気流方向の上流側に配置された上流部分と、前記気流方向の下流側に配置された下流部分とを含み、前記上流部分と前記下流部分との間には隙間が形成されている、空冷ユニットを提供する。このような構成によれば、気流方向で熱が移動しにくいので、冷却された作動媒体が再度加熱されることを回避できる。
【００３７】
本開示の第２２態様は、第１−第１９態様のいずれか１つに加え、前記凝縮器は、気流方向の上流側に配置された上流部分と、前記気流方向の下流側に配置された下流部分とを含む、空冷ユニットを提供する。このような構成によれば、作動媒体と空気とが対向流の形式で熱交換するように凝縮器の配管を並べたり、配管の内径を変更したり、フィンの仕様を決定したりすることができる。
【００３８】
本開示の第２３態様は、第２２態様に加え、前記上流部分は、前記凝縮器において、前記気流方向の最も上流側に位置している部分であり、前記上流部分に前記凝縮器の出口が設けられている、空冷ユニットを提供する。このような構成によれば、空気と作動媒体とが対向流の形式で熱交換するので、高い熱交換効率を達成できる。
【００３９】
本開示の第２４態様は、第２２又は第２３態様に加え、前記下流部分は、前記凝縮器において、前記気流方向の最も下流側に位置している部分であり、前記下流部分に前記凝縮器の入口が設けられている、空冷ユニットを提供する。このような構成によれば、空気と作動媒体とが対向流の形式で熱交換するので、高い熱交換効率を達成できる。
【００４０】
本開示の第２５態様は、第２又は第３態様に加え、前記仕切りは、前記膨張機が配置された空間から前記風路に空気が移動することを低減する位置又は前記風路から前記膨張機が配置された空間に空気が移動することを低減する位置に配置される、空冷ユニットを提供する。空気の移動を低減することによって、対流による熱伝達を低減できる。
【００４１】
本開示の第２６態様は、第２又は第３態様に加え、前記仕切りは、前記風路に気流が形成されることを補助するように構成されている、空冷ユニットを提供する。このような構成によれば、風路での損失を抑えつつ、凝縮器に空気を誘導することができる。
【００４２】
本開示の第２７態様は、第１−第２６態様のいずれか１つに加え、前記凝縮器の風上側に配置され、前記凝縮器に空気を供給するファンをさらに備えた、空冷ユニットを提供する。このような位置関係によれば、凝縮器で加熱された空気によってファンを駆動するためのモータが加熱されることを回避できる。
【００４３】
本開示の第２８態様は、第１−第７、第１９、第２５、第２６態様のいずれか１つに加え、前記凝縮器の風上側に配置され、前記空冷ユニット又は前記ランキンサイクル装置の制御を行う制御器をさらに備えた、空冷ユニットを提供する。このような位置関係によれば、凝縮器に供給されるべき空気によって制御器を冷却できる。
【００４４】
本開示の第２９態様は、第１−第９、第１８、第１９、第２５、第２６、第２８態様のいずれか１つに加え、前記作動媒体を蒸発させる蒸発器をさらに備えた、空冷ユニットを提供する。このような構成によれば、空冷ユニットの外部に蒸発器を別途設けることが不要となる。
【００４５】
本開示の第３０態様は、第１−第２９態様のいずれか１つに加え、前記伝熱低減体は、前記膨張機を囲んでいる第２の断熱材を備える、空冷ユニットを提供する。第２の断熱材によれば、膨張機と凝縮器のための風路との間の伝熱を低減できる。
【００４６】
本開示の第３１態様は、第１−第３０態様のいずれか１つに加え、前記膨張機から吐出された前記作動媒体がそれぞれに流れる複数の分岐流路をさらに備え、前記複数の分岐流路のそれぞれが前記凝縮器に接続されている、空冷ユニットを提供する。このような構成によれば、圧力損失を低減することができるので、凝縮器の効率を高めることができる。
【００４７】
本開示の第３２態様は、第１−第３１態様のいずれか１つの空冷ユニットを備えるランキンサイクル装置を提供する。このような構成によれば、伝熱低減体により、膨張機と凝縮器のための風路との間の伝熱を低減でき、従来よりもランキンサイクル装置の効率を向上することができる。
【００４８】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態によって本発明が限定されるものではない。
【００４９】
（実施形態１）
図１及び図２に示すように、本実施形態の空冷ユニット１００は、膨張機１１、凝縮器１２、ポンプ１３、接続部１４、接続部１５、制御器１６及び筐体３０を備えている。膨張機１１、凝縮器１２、ポンプ１３及び制御器１６は、筐体３０に収納されている。図３に示すように、空冷ユニット１００は、蒸発器２４を備えたランキンサイクル装置１０６を構築するために使用される。ランキンサイクル装置１０６は、膨張機１１、凝縮器１２、ポンプ１３及び蒸発器２４を備えており、これらの構成要素は、閉回路を形成するように配管によって上記の順番で環状に接続されている。ランキンサイクル装置１０６は、熱源１０４から熱を回収する。すなわち、熱源１０４から供給された熱によって蒸発器２４の中の作動媒体が加熱される。熱源１０４の種類は特に限定されない。熱源１０４の一例は、工場の廃熱経路である。廃熱経路には、廃熱を運ぶ熱媒体（空気、排気ガス、水蒸気、オイルなど）が流れる。
【００５０】
ランキンサイクル装置１０６は、作動媒体を蒸発させる蒸発器２４を必要とする。蒸発器２４の構造は、熱源１０４から供給される熱媒体の温度、流量、物性などの条件に応じて適切に設計されうる。従って、蒸発器２４は、空冷ユニット１００から独立した構成要素であってもよい。本実施形態では、蒸発器２４は、空冷ユニット１００の外部に設けられている。
【００５１】
図３に示すように、接続部１４と蒸発器２４の入口とが配管によって接続されている。接続部１５と蒸発器２４の出口とが配管によって接続されている。接続部１４を経由して、空冷ユニット１００から蒸発器２４に作動媒体が送られる。作動媒体は、蒸発器２４において熱エネルギーを受け取り、気化する。気相状態の作動媒体は、接続部１５を経由して空冷ユニット１００に戻る。
【００５２】
なお、本実施形態では、接続部１４及び接続部１５を設ける形態を示しているが、接続部１４及び接続部１５を設けない形態であってもよい。例えば、筐体３０内に蒸発器２４を設ける場合、接続部１４及び接続部１５を設けなくても構わない。
【００５３】
膨張機１１は、作動媒体を膨張させることによって作動媒体の膨張エネルギーを回転動力に変換する。膨張機１１の回転軸には、発電機１７が接続されている。膨張機１１によって発電機１７が駆動される。膨張機１１は、例えば、容積型又はターボ型の膨張機である。容積型の膨張機として、スクロール膨張機、ロータリ膨張機、スクリュー膨張機、往復膨張機などが挙げられる。ターボ型の膨張機は、いわゆる膨張タービンである。
【００５４】
膨張機１１として、容積型の膨張機が推奨される。一般に、容積型の膨張機は、ターボ型の膨張機よりも広範囲の回転数で高い膨張機効率を発揮する。例えば、高効率を維持したまま、定格回転数の半分以下の回転数で容積型の膨張機を運転することも可能である。つまり、高効率を維持したまま、発電量を定格発電量の半分以下に低下させることができる。容積型の膨張機はこのような特性を持っているので、容積型の膨張機を使用すれば高効率を維持したまま発電量を増減できる。
【００５５】
本実施形態では、膨張機１１の密閉容器の中に発電機１７が配置されている。つまり、膨張機１１は、全密閉型の膨張機である。ただし、膨張機１１は、半密閉型又は開放型の膨張機であってもよい。
【００５６】
凝縮器１２は、空気と膨張機１１から吐出された作動媒体とを熱交換させることによって、作動媒体を冷却し、凝縮させる。凝縮器１２として、公知の空冷式の熱交換器を使用できる。空冷式の熱交換器として、フィンチューブ熱交換器が挙げられる。フィンチューブ熱交換器は、空冷ユニット１００のコストの節約及び設置面積の低減に寄与する。凝縮器１２の構造は、空冷ユニット１００の設置場所、熱源１０４からランキンサイクル装置１０６に供給される熱量などに応じて適切に決定される。
【００５７】
空冷ユニット１００は、さらに、凝縮器１２に空気を供給するファン１８を備えている。ファン１８も筐体３０の中に配置されている。ファン１８の働きによって、凝縮器１２に空気を供給することができる。ファン１８は、例えば、プロペラファンである。
【００５８】
ポンプ１３は、凝縮器１２から流出した作動媒体を吸い込んで加圧し、加圧された作動媒体を蒸発器２４に供給する。ポンプ１３として、一般的な容積型又はターボ型のポンプを使用できる。容積型のポンプとして、ピストンポンプ、ギヤポンプ、ベーンポンプ、ロータリポンプなどが挙げられる。ターボ型のポンプとして、遠心ポンプ、斜流ポンプ、軸流ポンプなどが挙げられる。
【００５９】
蒸発器２４は、工場、焼却炉などの施設から排出された廃熱エネルギーを回収する熱交換器である。蒸発器２４は、例えば、フィンチューブ熱交換器であり、熱源１０４である工場の廃熱経路（例えば排気ダクト）に配置されうる。作動媒体は、蒸発器２４において廃熱エネルギーによって加熱され、蒸発する。
【００６０】
ランキンサイクル装置１０６の作動媒体として、例えば、有機作動媒体を使用できる。有機作動媒体として、ハロゲン化炭化水素、炭化水素、アルコールなどが挙げられる。ハロゲン化炭化水素として、Ｒ−１２３、Ｒ−２４５ｆａ、Ｒ−１２３４ｚｅなどが挙げられる。炭化水素として、プロパン、ブタン、ペンタン、イソペンタンなどのアルカンが挙げられる。アルコールとして、エタノールなどが挙げられる。これらの有機作動媒体は、単独で使用してもよいし、２種類以上の混合物を使用してもよい。作動媒体として、水、二酸化炭素、アンモニアなどの無機作動媒体を使用できる可能性もある。
【００６１】
制御器１６は、ポンプ１３、発電機１７、ファン１８などの制御対象を制御する。つまり、制御器１６は、空冷ユニット１００又はランキンサイクル装置１０６の制御を行う。制御器１６として、Ａ／Ｄ変換回路、入出力回路、演算回路、記憶装置などを含むＤＳＰ（Digital Signal Processor）を使用できる。制御器１６には、ランキンサイクル装置１０６を適切に運転するためのプログラムが格納されている。
【００６２】
筐体３０は、膨張機１１、凝縮器１２、ポンプ１３などの構成要素を収納している容器である。筐体３０は、例えば、金属で作られている。図１及び図２に示すように、筐体３０は、例えば、直方体の形状を有する。筐体３０の互いに向かい合う１組の側面３０ｐ及び３０ｑには、空気を筐体３０の内部空間に導くための開口及び空気を筐体３０の内部空間から排出するための開口がそれぞれ形成されている。
【００６３】
次に、空冷ユニット１００の内部の構造を詳細に説明する。
【００６４】
図１に示すように、空冷ユニット１００は、さらに、膨張機１１と凝縮器１２のための風路との間に配置された仕切り１９を備えている。そして、仕切り１９によって、膨張機１１と凝縮器１２のための風路との間の伝熱が低減されている。すなわち、仕切り１９によれば、膨張機１１と凝縮器１２のための風路との間の伝熱を低減できる。仕切り１９は、上記伝熱低減体の一例である。仕切り１９の形状及び材料は特に限定されない。仕切り１９は、例えば、板状の部材である。仕切り１９の材料は、金属（鉄、ステンレス、アルミニウムなど）、樹脂、セラミックなどの公知の材料である。
【００６５】
ここで、凝縮器１２のための風路とは、作動媒体を冷却するために凝縮器１２に供給される冷却用の空気の空冷ユニット１００（筐体３０）の内部での流路を意味する。すなわち、凝縮器１２は、空冷ユニット１００において、冷却用の空気の風路上に配置されている。風路を流れる空気によって、凝縮器１２を流れる作動媒体が冷却される。
【００６６】
筐体３０の内部空間は、仕切り１９によって、膨張機収納部３２と凝縮器収納部３４とに仕切られている。膨張機収納部３２は、膨張機１１が配置された空間である。凝縮器収納部３４は、凝縮器１２が配置された空間である。
【００６７】
仕切り１９は、望ましくは、膨張機収納部３２と凝縮器収納部３４とを連通する穴、隙間などの通路が存在しないように、筐体３０の内部空間を完全に仕切っている。しかし、部品の配置などの設計上の都合により、膨張機収納部３２と凝縮器収納部３４とを完全に隔てることが難しい場合も考えられる。膨張機１１と凝縮器１２のための風路との間の伝熱ができるだけ低減されるように配慮されている限り、膨張機収納部３２と凝縮器収納部３４とが仕切り１９によって完全に隔てられていなくてもよい。
【００６８】
ランキンサイクル装置１０６において、作動媒体は、蒸発器２４で加熱された直後に最も高い温度を有する。空冷ユニット１００において高温の作動媒体が流れる場所は、接続部１５から膨張機１１の入口への流路５０である。従って、膨張機収納部３２の温度も高温となる。工場、焼却炉などの施設から排出された廃熱エネルギーを回収し、発電を行う場合、廃熱の温度は、廃熱として捨てられる前の熱の用途、廃熱の回収条件などに左右される。また、廃熱の温度は、蒸発器２４の設置条件にも左右される。膨張機１１の入口において、作動媒体の温度は、例えば２００℃まで上昇することが想定される。
【００６９】
他方、ランキンサイクル装置１０６において、作動媒体は、凝縮器１２で冷却された直後に最も低い温度を有する。従って、凝縮器収納部３４に最も低温の領域が形成される。凝縮器収納部３４には、ファン１８が配置されている。空気を凝縮器１２に供給するための風路が凝縮器収納部３４に形成されている。図２において、凝縮器収納部３４を通過する破線矢印は、冷却用の空気の流れを表す流線のうち代表的な流線であり、気流方向を表している。筐体３０の内部空間が仕切り１９で仕切られている場合には、実質的に、凝縮器収納部３４が、凝縮器１２のための風路である。空気は、凝縮器１２のための風路で最も低い温度を有する。凝縮器１２のための風路における空気の温度も空冷ユニット１００の周囲の温度の影響を受けるが、概ね周囲の温度と等しく、例えば、−２０−４０℃である。
【００７０】
このように、２００℃の高温領域と−２０−４０℃の低温領域とが空冷ユニット１００の中に共存する。これらの領域の間には１５０℃以上の温度差がある。空冷ユニット１００におけるこれらの領域の配置は、ランキンサイクル装置１０６の性能を向上させるうえで有用であり、空冷ユニット１００の小型化を図るうえで有用である。仮に、仕切り１９を撤去した場合、熱を遮蔽することを目的としない空気を除き、２００℃の高温領域と−２０−４０℃の低温領域とを熱的に遮る物体が存在しない。そのため、大きい温度差を持つ両領域は、互いに熱的影響を及ぼし合う。
【００７１】
膨張機１１に及ぶ熱的影響としては、膨張機１１からの熱損失が考えられる。膨張機１１と凝縮器１２のための風路との間の伝熱が低減されていない場合、例えば、風路に膨張機１１が配置されている場合、風路の空気に高温の膨張機１１から熱が移動する。このような熱移動は、蒸発器２４で回収された熱エネルギーの一部が発電に使用されることなく空気中に捨てられることを意味し、ランキンサイクル装置１０６の損失を意味する。また、膨張機１１に供給される作動媒体の温度が下がると、発電効率が低下し、発電量も減少する。従って、仕切り１９によって膨張機１１と凝縮器１２のための風路との間の伝熱を低減することは、蒸発器２４で回収された熱エネルギーを無駄なく膨張機１１に供給し、膨張機１１でより多くの電気を発生させるために有用である。
【００７２】
凝縮器１２のための風路に及ぶ熱的影響としては、ランキンサイクル装置１０６の低圧側の圧力条件への影響が考えられる。膨張機１１と凝縮器１２のための風路との間の伝熱が低減されていない場合（例えば、凝縮器１２の風上側に膨張機１１が配置されている場合）、風路の空気に膨張機１１から熱が移動する。その結果、風路の空気の温度が上昇する。風路の空気の温度が上昇することは、凝縮器１２において作動媒体を冷却するための空気の温度が上昇することを意味する。空冷式の熱交換器において、作動媒体と空気との間の温度差は、風量、熱交換器の寸法、作動媒体の循環量などの条件によって変化する。熱交換器の熱交換量が同一の条件では、作動媒体と空気との間の温度差は概ね一定である。そのとき、空気の温度が高いほど、作動媒体の温度も上がる。ここで、凝縮器１２の内部において、作動媒体の大部分は気液二相状態にある。作動媒体の温度と作動媒体の圧力との間には相関関係がある。温度が高いほど、圧力も高い。つまり、風路の空気の温度の上昇は、凝縮器１２における作動媒体の圧力（ランキンサイクル装置１０６の低圧側の圧力）の上昇を招く。
【００７３】
ランキンサイクル装置１０６において、高圧側の圧力、低圧側の圧力などの圧力条件は、膨張機１１、ポンプ１３又は蒸発器２４での受熱量などの様々な要因によって決定される。一般的な傾向として、低圧側の圧力が上がると、高圧側の圧力も上がる。ただし、高圧側の圧力には、耐圧及び製品安全上の観点から上限が設定される。一般的には、高圧側の圧力が上限を超えないように制御が行われる。低圧側の圧力が上昇したとしても、高圧側の圧力は上限を超えることができない。
【００７４】
ランキンサイクル装置１０６においては、膨張機１１の設計容積比などに応じて、高い性能を発揮できる圧力条件が一義的に決まる。仮に、高圧側の圧力を制御することができず、膨張機１１からの伝熱によって低圧側の圧力が上昇し続けると、圧力を制御することが困難となり、ランキンサイクル装置１０６を高効率で運転できない。従って、仕切り１９によって膨張機１１と凝縮器１２のための風路との間の伝熱を低減することは、凝縮器１２における作動媒体の圧力の上昇を低減し、ランキンサイクル装置１０６に制御の自由度を持たせるうえで有用である。
【００７５】
また、膨張機１１と凝縮器１２のための風路との間の伝熱を低減するために、仕切り１９に代えて、又は仕切り１９とともに、空冷ユニット１００は、膨張機１１を囲んでいる断熱材３６（第２の断熱材）をさらに備えていてもよい。断熱材３６によれば、膨張機１１と凝縮器１２のための風路との間の伝熱を低減できる。断熱材３６は、上記伝熱低減体の一例である。断熱材３６として、織布、不織布、樹脂膜、発泡断熱材、真空断熱材などを使用できる。断熱材３６は、膨張機１１に直接接触する（密着する）ことによって膨張機１１を囲んでいてもよい。膨張機１１が完全に断熱材３６で覆われていてもよいし、膨張機１１が部分的に断熱材３６で覆われていてもよい。また、断熱材３６は、必ずしも膨張機１１に密着していなくてもよい。断熱材３６と膨張機１１との間に隙間があってもよい。
【００７６】
空冷ユニット１００は、断熱材３６に代えて又は断熱材３６とともに、膨張機収納部３２を１つの空間として囲んでいる断熱材３７（第１の断熱材）を備えていてもよい。膨張機収納部３２が断熱材３７で囲まれている場合、膨張機１１に接続された高温の配管も同時に断熱できる。この場合、高温の配管に断熱材を直接巻き付けることによって得られる断熱効果と同じ断熱効果が得られる。空冷ユニット１００の製造工程も簡略化できる。断熱材３７として、織布、不織布、樹脂膜、発泡断熱材、真空断熱材などを使用できる。
【００７７】
空冷ユニット１００は、さらに、仕切り１９とは別に、膨張機１１とポンプ１３との間に配置された仕切り２０を備えていてもよい。仕切り２０は、上記伝熱低減体の一例である。仕切り２０の形状及び材料は特に限定されない。仕切り２０は、例えば、板状の部材である。仕切り２０の材料は、金属、樹脂、セラミックなどの公知の材料である。仕切り１９及び仕切り２０は、単一の仕切りとして、筐体３０の内部に配置されていてもよい。筐体３０の内部空間は、仕切り１９及び仕切り２０によって、膨張機収納部３２と、凝縮器収納部３４と、ポンプ収納部３８とに仕切られている。ポンプ収納部３８は、ポンプ１３が配置された空間である。仕切り２０は、膨張機収納部３２とポンプ収納部３８との間の伝熱を低減する。すなわち、仕切り２０によって膨張機１１とポンプ１３との間の熱移動が低減される。
【００７８】
膨張機１１とポンプ１３との間の伝熱の影響としては、膨張機１１からの熱損失及びポンプ１３の入口の加熱が考えられる。膨張機１１からの熱損失は、熱エネルギーの損失を意味する。ポンプ１３の入口の加熱は、ポンプ１３の入口の作動媒体の過冷却度の低下を招く。加熱が強いと、ポンプ１３の入口で作動媒体が液相状態から気液二相状態に変化する。その結果、ポンプ１３の入口でキャビテーションが発生したり、ポンプ１３の動作が不安定になったりする可能性がある。仕切り２０は、これらの不利益を回避するために効果的である。
【００７９】
仕切り１９と同様、仕切り２０は必須ではない。膨張機１１からポンプ１３の出口の作動媒体に熱が伝わると、ポンプ１３の出口の作動媒体の温度が上昇する。つまり、作動媒体によって熱エネルギーを回収できる。また、膨張機１１が断熱材３６で囲まれている場合、膨張機１１からポンプ１３への熱移動は低減される。さらに、ポンプ１３（特に入口）を断熱材で囲うことによって、膨張機１１からポンプ１３の入口への伝熱が低減されうる。
【００８０】
本実施形態において、膨張機収納部３２は、ポンプ収納部３８よりも鉛直方向の上側に位置している。言い換えると、膨張機１１は、ポンプ１３よりも鉛直方向の上側に位置している。このような位置関係によれば、暖められた空気が上昇する性質に基づき、膨張機収納部３２からポンプ収納部３８への熱移動を低減できる。
【００８１】
また、制御器１６は、凝縮器１２の下方に配置されている。具体的には、凝縮器収納部３４の下部（底部）に配置されている。凝縮器１２の下方の空間の温度は、凝縮器１２の下端よりも上方の空間の温度を下回る。このような位置に制御器１６が配置されていると、制御器１６が熱的ダメージをより受けにくい。このことは、ランキンサイクル装置１０６の長期信頼性にとって望ましい。
【００８２】
なお、制御器１６の上記配設位置は、例示であって、これに限定されるものではない。制御器１６は、筐体３０内のいずれの箇所に設けてもよいし、筐体３０外（つまり、空冷ユニット１００外）に設けてもよい。
【００８３】
図１に示すように、凝縮器１２における作動媒体の入口は、凝縮器１２における作動媒体の出口よりも鉛直方向の上側に位置している。凝縮器１２は、作動媒体が上から下に向かって流れるように構成されている。凝縮器１２においては、高温かつ気相状態の作動媒体が空気によって冷却され、液相状態に変化する。上記の構成によれば、低密度かつ気相状態の作動媒体が凝縮器１２の上部に入り、空気によって冷却され、高密度かつ液相状態に変化しながら凝縮器１２の下部に移動する。つまり、上記の構成は、作動媒体を搬送するために必要なエネルギーの観点及び熱移動の観点で無駄が少ない。鉛直方向において、凝縮器１２の上部に高温かつ低密度の作動媒体が存在し、凝縮器１２の下部に低温かつ高密度の作動媒体が存在するように、凝縮器１２が構成されていることが望ましい。なお、上記の構成に加え、制御器１６も凝縮器収納部３４の下部に配置されていることが望ましい。このようにすれば、制御器１６をより低い温度の環境に置くことができる。
【００８４】
次に、空冷ユニット１００の空冷式の凝縮器１２の仕様を詳細に説明する。
【００８５】
当業者に知られているように、空気調和装置の室外機にはフィンチューブ熱交換器が使用されている。ファンによって室外機の内部に空気が供給され、熱交換器の中の冷媒と空気との間で熱交換が行われる。空気調和装置の室外機では、ファンは、通常、熱交換器に対して風下側に配置されている。仮に、ランキンサイクル装置１０６の空冷ユニット１００において、空気調和装置の室外機と同様に、凝縮器１２の風下側にファン１８が配置されていると仮定すると、凝縮器１２で加熱された空気がファン１８に衝突する。その結果、ファン１８及びファン１８を駆動するためのモータが高温の空気によって加熱され、熱的ダメージを受けるおそれがある。
【００８６】
図２に示すように、本実施形態において、ファン１８は、凝縮器１２の風上側に配置されている。このような位置関係によれば、ファン１８が配置された位置での空気の温度は、凝縮器１２で加熱される前の空気の温度である。従って、凝縮器１２で加熱された空気によってファン１８を駆動するためのモータが加熱されることを回避できる。その結果、ファン１８の長期信頼性が高まる。
【００８７】
また、本実施形態では、凝縮器１２の風上側に制御器１６が配置されている。このような位置関係によれば、凝縮器１２に供給されるべき空気によって制御器１６を冷却できる。また、凝縮器１２によって制御器１６が冷却されるように、制御器１６が凝縮器１２に接していてもよい。同様に、ポンプ１３が凝縮器１２の風上側に配置されていてもよい。例えば、図２に示す制御器１６と同じ位置にポンプ１３が配置されうる。このような位置関係によれば、凝縮器１２に供給されるべき空気でポンプ１３を冷却できる。ポンプ１３の冷却と同時にポンプ１３の入口の作動媒体も冷却できる。その結果、ポンプ１３の入口の作動媒体が加熱されることによって過冷却度が減少し、ランキンサイクルが不安定となる現象を回避できる。図１では、制御器１６は、ファン１８の風下側に配置されている。ただし、制御器１６とファン１８との位置関係は特に限定されない。制御器１６は、ファン１８の風上側に配置されていてもよい。
【００８８】
凝縮器１２は、気流方向の上流側に配置された上流部分１２ａと、気流方向の下流側に配置された下流部分１２ｂとを含んでいてもよい。つまり、凝縮器１２は、複数の列をなすように、気流方向に並べられた複数の部分１２ａ及び１２ｂを有していてもよい。このような構成によれば、作動媒体の温度勾配の方向（高温の上流部分１２ｂから低温の下流部分１２ａに向かう方向）と空気の流れ方向とが互いに向かい合うように凝縮器１２の配管を並べることができる。つまり、凝縮器１２は、作動媒体と空気とが対向流の形式で熱交換を行う対向流熱交換器であってもよい。その結果、凝縮器１２の効率を高めることができる。また、上記の構成によれば、凝縮器１２の配管の内径を変更したり、フィンの仕様を決定したりすることも比較的容易である。上記の構成は、凝縮器１２がフィンチューブ熱交換器で形成されている場合に採用しやすい。ただし、マイクロチャネル熱交換などの他の型式の熱交換器にも上記の構成を採用しうる。
【００８９】
上流部分１２ａは、凝縮器１２において、気流方向の最も上流側に位置している部分でありうる。上流部分１２ａには凝縮器１２の出口が設けられている。下流部分１２ｂは、凝縮器１２において、気流方向の最も下流側に位置している部分でありうる。下流部分１２ｂには凝縮器１２の入口が設けられている。このような構成によれば、空気と作動媒体とが対向流の形式で熱交換するので、高い熱交換効率を達成できる。なお。本実施形態では、凝縮器１２は２列で形成されている。ただし、列の数は２列に限定されない。凝縮器１２は、３以上の列数で形成されていてもよい。
【００９０】
図２においては、上流部分１２ａと下流部分１２ｂとの間には隙間が形成されている。つまり、上流部分１２ａを形成している複数のフィンは、下流部分１２ｂを形成している複数のフィンに連結されていない。上流部分１２ａを形成している複数のフィンは、下流部分１２ｂを形成している複数のフィンとは別の部品である。気流方向で熱が移動しにくく、冷却された作動媒体が再度加熱されることを回避できるので、このような構成は望ましい。ただし、上流部分１２ａの複数のフィンと下流部分１２ｂの複数のフィンとが互いに連結されていても問題はない。
【００９１】
本実施形態において、凝縮器１２は、その全体を上から見たとき、Ｌ字の形状を有している。つまり、凝縮器１２は、所定の角度（例えば９０度）をなしている複数の平面状の部分で構成されている。詳細には、凝縮器１２は、複数の平面状の上流部分１２ａと複数の平面状の下流部分１２ｂとを含む。凝縮器１２には、複数の方向から空気が供給される。このような構成は、設置面積に対する伝熱面積の増加に有利、つまり、空冷ユニット１００の小型化に有利である。なお、凝縮器１２が複数の平面状の部分で構成されている場合、上から見たときの凝縮器１２の形状は、Ｌ字の形状に限定されない。例えば、凝縮器１２を横から見たとき、凝縮器１２がＶ字の形状を示すように各部分を配置することも可能である。空冷ユニット１００の小型化に有利であるならば、凝縮器１２の各部分は、Ｌ字又はＶ字の形状以外にも、設置面積に対する伝熱面積を増やすことができる形状を示すように配置されてもよい。
【００９２】
本実施形態では、作動媒体の流路に関し、１つの流路で膨張機１１と凝縮器１２とが接続されており、１つの流路で凝縮器１２とポンプ１３とが接続されている。ただし、図４に示すように、空冷ユニット１００は、膨張機１１の吐出口と凝縮器１２の入口とを接続している流路４０を備える。流路４０は、膨張機１１と凝縮器１２との間で複数の分岐流路４０ａ及び４０ｂへと分岐していてもよい。複数の分岐流路４０ａ及び４０ｂのそれぞれが凝縮器１２に接続されている。気相状態の作動媒体は、複数の分岐流路４０ａ及び４０ｂを通じて凝縮器１２に導入される。気相状態の作動媒体の密度は低く、圧力損失が発生しやすい。図４に示す構成によれば、圧力損失を低減することができるので、凝縮器１２の効率を高めることができる。なお、分岐流路の数は２つに限定されない。３つ以上の分岐流路が設けられていてもよい。
【００９３】
本実施形態において、仕切り１９は、空気の移動方向を制限することによって、膨張機１１と凝縮器１２のための風路との間の伝熱を低減している。つまり、仕切り１９は、膨張機１１が配置された空間から凝縮器１２のための風路に空気が移動することを低減できる位置に配置されている。又は、仕切り１９は、凝縮器１２のための風路から膨張機１１が配置された空間に空気が移動することを低減できる位置に配置されていてもよい。これにより、膨張機１１と風路との間の伝熱が低減されている。
【００９４】
具体的には、仕切り１９は、凝縮器収納部３４から膨張機収納部３２へ空気が流れることを低減するとともに、膨張機収納部３２から凝縮器収納部３４へ空気が流れることを低減している。膨張機収納部３２と凝縮器収納部３４との間の空気の移動を低減することによって、対流による熱伝達を低減できる。仕切り１９は、凝縮器収納部３４と膨張機収納部３２との間の空気の移動を禁止する構造を有していることが望ましい。例えば、空気の移動を許容するような穴が設けられていない金属板などを仕切り１９として使用できる。これらのことは、仕切り２０にも当てはまる。
【００９５】
また、仕切り１９は、凝縮器１２のための風路に気流が形成されることを補助するように構成されていてもよい。具体的には、仕切り１９によって凝縮器１２のための風路の壁面が形成されている。このような構成によれば、風路での損失を抑えつつ、凝縮器１２に空気を誘導することができる。また、凝縮器１２において、より高効率の熱交換が行われる。
【００９６】
膨張機１１をランキンサイクル装置１０６の蒸発器２４に接続するための流路５０（第１流路）は筐体３０の外部に延びている。流路５０の端部には、空冷ユニット１００の外部から流路５０へ蒸発器２４の出口に接続された配管を接続するための接続部１５（第１接続部）が設けられている。接続部１５は、膨張機１１が配置された空間（膨張機収納部３２）から見て、凝縮器１２が配置された空間（凝縮器収納部３４）とは反対側に設けられている。また、ポンプ１３をランキンサイクル装置１０６の蒸発器２４に接続するための流路５１（第２流路）が筐体３０の外部に延びている。流路５１の端部には、空冷ユニット１００の外部から流路５１へ蒸発器２４の入口に接続された配管を接続するための接続部１４（第２接続部）が設けられている。接続部１４は、膨張機１１が配置された空間（膨張機収納部３２）から見て、凝縮器１２が配置された空間（凝縮器収納部３４）とは反対側に設けられている。このように、接続部１４及び接続部１５は、凝縮器１２のための風路から離れた位置、例えば、筐体３０の外部に設けられている。接続部１５を流れる作動媒体の温度は、例えば２００℃に達する。そのため、接続部１５が凝縮器１２のための風路の近くに配置されると、接続部１５と凝縮器１２のための風路との間の伝熱を無視できない。本実施形態によれば、このような伝熱を低減できる。また、一方の接続部１４が他方の接続部１５の近く（例えば、筐体３０の同じ面）に設けられていると、空冷ユニット１００の外部から接続部１４及び接続部１５に配管が容易に接続されうる。もちろん、接続部１４と接続部１５との間の伝熱を低減するために、接続部１４及び接続部１５が筐体３０の異なる２つの面にそれぞれ配置されていてもよい。
【００９７】
本実施形態では、ポンプ１３は膨張機１１の下方に配置されている。ただし、空冷ユニット１００の設置面積、形状、大きさなどの条件に応じて、ポンプ１３は、凝縮器１２から見て膨張機１１の反対側に配置されていてもよい。すなわち、ポンプ収納部３８、凝縮器収納部３４及び膨張機収納部３２がこの順に横に並んでいてもよい。
【００９８】
本実施形態は、膨張機１１と凝縮器１２のための風路との間の伝熱を低減するための構成を開示している。ここで、凝縮器１２は、風路を流れる空気によって、凝縮器１２を流れる作動媒体を冷却する。従って、「膨張機１１と凝縮器１２のための風路との間の伝熱」は、「風路を介した膨張機１１と凝縮器１２との間の伝熱」と言い換えることができる。すなわち、本実施形態は、膨張機１１が風路を介して凝縮器１２に与える伝熱、及び／又は、凝縮器１２が風路を介して膨張機１１に与える伝熱を低減するための構成を開示しているとも言える。以下の実施形態についても同様である。
【００９９】
以下、空冷ユニットの他の実施形態を説明する。図１−図４を参照して説明した空冷ユニット１００及びランキンサイクル装置１０６に関する説明は、技術的に矛盾しない限り、以下の実施形態にも適用されうる。また、以下の実施形態に関する説明は、技術的に矛盾しない限り、実施形態１の空冷ユニット１００に適用されうるだけでなく、各実施形態の間で相互に適用されうる。実施形態１の空冷ユニット１００に代えて、以下の実施形態で説明する空冷ユニットをランキンサイクル装置１０６に使用できる。
【０１００】
（実施形態２）
図５に示すように、本実施形態の空冷ユニット２００は、実施形態１の空冷ユニット１００に加え、再熱器２１、バイパス流路２２及び制御弁２３を備えている。再熱器２１、バイパス流路２２及び制御弁２３は、筐体３０に収納されている。バイパス流路２２は、作動媒体を膨張機１１に流入させる流路５０と、膨張機１１から吐出された作動流体が流れる流路５２とを膨張機１１の外部で接続することにより、膨張機１１をバイパスしている流路である。すなわち、バイパス流路２２は、作動媒体が膨張機１１を経由せずに再熱器２１に流入することを可能にする流路である。空冷ユニット２００が再熱器２１を有していない場合、作動流体は、バイパス流路２２を経由して凝縮器１２に供給されうる。制御弁２３は、バイパス流路２２に配置されており、バイパス流路２２における作動媒体の流量を調節する。
【０１０１】
再熱器２１は、膨張機１１から吐出された作動媒体を凝縮器１２に供給するための流路５２の一部を形成している。再熱器２１は、また、ポンプ１３から吐出された作動媒体を蒸発器２４に供給するための流路５１の一部を形成している。再熱器２１において、膨張機１１から凝縮器１２に供給されるべき作動媒体とポンプ１３から蒸発器２４に供給されるべき作動媒体との間で熱交換が行われる。膨張機１１から吐出された作動媒体の温度は、例えば１００−１５０℃である。再熱器２１において、膨張機１１から吐出された作動媒体の熱エネルギーをポンプ１３から吐出された作動媒体に伝えることができる。これにより、凝縮器１２で必要な冷却エネルギー及び蒸発器２４で必要な加熱エネルギーを減らすことが可能となる。その結果、凝縮器１２及び蒸発器２４を小型化することが可能となる。
【０１０２】
制御弁２３は、開度を変更可能な弁である。制御弁２３の開度を変更することによって、膨張機１１をバイパスする作動媒体の流量を調節できる。例えば、ランキンサイクル装置１０６の起動時及び停止時のように、蒸発器２４の出口の作動媒体の状態が過渡的に変化し、サイクルが不安定な状態にあるときに制御弁２３を開く制御が実行される。ただし、制御弁２３を開く時期は過渡期に限定されない。蒸発器２４の出口の作動媒体の状態が安定した状態にあるときに制御弁２３を開く制御が実行されてもよい。
【０１０３】
図５に示すように、本実施形態においても、空冷ユニット２００は仕切り１９及び仕切り２０を備えている。筐体３０の内部空間は、仕切り１９及び仕切り２０によって、膨張機収納部３２と、凝縮器収納部３４と、ポンプ収納部３８とに仕切られている。膨張機収納部３２の温度、凝縮器収納部３４の温度及びポンプ収納部３８の温度を相互に比較すると、膨張機収納部３２の温度が最も高い。膨張機収納部３２の温度は、例えば２００℃まで上昇する。仕切り１９及び仕切り２０によって膨張機１１からの伝熱が低減されているので、凝縮器収納部３４の温度及びポンプ収納部３８の温度は、膨張機収納部３２の温度よりも数１０℃低い。
【０１０４】
本実施形態では、再熱器２１が膨張機収納部３２に配置されている。膨張機収納部３２に再熱器２１が配置されていると、再熱器２１によって直接的に又は再熱器２１に接続された配管を通じて、膨張機収納部３２の熱を回収できる。ポンプ１３から吐出された作動媒体の温度は低く、例えば２０−５０℃である。膨張機１１から吐出された作動媒体の温度は、例えば１００−１５０℃である。ポンプ１３から吐出された作動媒体の温度は、膨張機１１から吐出された作動媒体の温度よりも低い。また、再熱器２１から流出した作動媒体の温度も膨張機１１から吐出された作動媒体の温度よりも低い。従って、膨張機１１から放出された熱エネルギーは、再熱器２１によってランキンサイクル装置１０６に回収されうる。
【０１０５】
バイパス流路２２及び制御弁２３も膨張機収納部３２に配置されている。制御弁２３の上流側のバイパス流路２２における作動媒体の温度は、膨張機１１の入口における作動媒体の温度に概ね等しく、例えば２００℃である。バイパス流路２２及び制御弁２３が膨張機収納部３２に配置されていると、バイパス流路２２の上流部分にある高温の作動媒体が凝縮器１２、ポンプ１３などの低温の構成要素に伝熱することを低減できる。
【０１０６】
本実施形態のように、膨張機１１、再熱器２１、バイパス流路２２及び制御弁２３が１つの囲まれた空間（膨張機収納部３２）に配置されていると、これらの構成要素を断熱材
で個別に覆う必要が無い。膨張機収納部３２を断熱材３７で囲うことによって膨張機収納部３２を断熱することも可能である。その結果、空冷ユニット２００の製造工程を簡略化できる。もちろん、膨張機１１、再熱器２１、バイパス流路２２及び制御弁２３が個別に断熱材で覆われていてもよい。
【０１０７】
また、制御器１６がポンプ収納部３８に配置されている。ポンプ収納部３８は、膨張機収納部３２の温度よりも数１０℃低い温度を有する空間であり、制御器１６にとって有用な環境である。制御器１６がポンプ収納部３８に配置されていると、制御器１６の温度が過度に上昇することを抑制できる。
【０１０８】
また、制御器１６がポンプ収納部３８に配置されていると、ポンプ１３の出口の作動媒体によって制御器１６を冷却することができる。一般的に、制御器１６は制御用の電子回路を搭載している。電子回路から熱が発生するので、制御器１６は冷却されるべきである。実施形態１で説明したように、空気によって制御器１６を冷却することも可能である。他方、本実施形態のように、ポンプ１３から吐出された作動媒体によって制御器１６を冷却することも可能である。周囲環境及びランキンサイクル装置１０６の運転条件に依存するが、ポンプ１３の出口の作動媒体は、液相状態にあり、例えば２０−５０℃の温度を有する。このような作動媒体は、制御器１６の冷却において有用である。具体的には、ポンプ１３の出口に接続された流路５１（配管）の一部（流路５１ａ）を制御器１６（制御器１６の発熱部）に接触させることによって、制御器１６を冷却することができる。これにより、制御器１６の温度が過度に上昇することを抑制できる。なお、図６において、流路５１は再熱器２１を経由している。ただし、空冷ユニット２００に再熱器２１が設けられていない場合でも、ポンプ１３の出口に接続された流路５１を制御器１６に接触させることによって、同様の効果が得られる。
【０１０９】
本実施形態では、膨張機１１をランキンサイクル装置１０６の蒸発器２４に接続するための流路５０（第１流路）が膨張機収納部３２を経由して筐体３０の外部に延びている。流路５０に蒸発器２４を接続するための接続部１５が筐体３０の外部に位置している。また、ポンプ１３をランキンサイクル装置１０６の蒸発器２４に接続するための流路５１（第２流路）の一部（流路５１ｂ）が膨張機収納部３２を経由して筐体３０の外部に延びている。流路５１に蒸発器２４を接続するための接続部１４が筐体３０の外部に位置している。接続部１４及び接続部１５は、例えば、筐体３０の膨張機収納部３２を形成している部分に取り付けられている。このような構成によれば、比較的高温の作動媒体が流れる流路５０及び流路５１ｂ（配管）を膨張機収納部３２に収納することができる。その結果、凝縮器１２のための風路及びポンプ１３に及ぶ伝熱を低減できる。
【０１１０】
（実施形態３）
図６に示すように、本実施形態の空冷ユニット３００は、蒸発器１０２をさらに備えている。蒸発器１０２は、筐体３０に収納されている。蒸発器１０２は、再熱器２１から流出した作動媒体を空冷ユニット３００の外部から供給された熱媒体（水、オイルなど）によって加熱し、蒸発させる。蒸発器１０２として、プレート熱交換器などの公知の熱交換器を使用できる。空冷ユニット３００によれば、空冷ユニットの外部に蒸発器２４を設けることが不要となる。
【０１１１】
本実施形態においても、空冷ユニット３００は、仕切り１９及び仕切り２０を備えている。筐体３０の内部空間は、仕切り１９及び仕切り２０によって、膨張機収納部３２と、凝縮器収納部３４と、ポンプ収納部３８とに仕切られている。蒸発器１０２は膨張機収納部３２に配置されている。空冷ユニット３００において、蒸発器１０２は最も高い温度を帯びる。蒸発器１０２が膨張機収納部３２に配置されていると、蒸発器１０２と凝縮器１２のための風路との間の伝熱を低減できるとともに、蒸発器１０２とポンプ１３との間の伝熱を低減できる。
【０１１２】
また、本実施形態において、制御弁２３はポンプ収納部３８に配置されている。制御弁２３として、弁を電気的に駆動するアクチュエータを搭載した電動式の制御弁が使用されうる。アクチュエータが熱によって劣化する可能性がある。従って、制御弁２３が低温のポンプ収納部３８に配置されていると、熱によって制御弁２３がダメージを受けることを抑制できる。その結果、制御弁２３の長期信頼性が高まる。同じ理由により、制御弁２３は、凝縮器収納部３４に配置されていてもよい。
【０１１３】
図５及び図６に示すように、実施形態２及び３において、バイパス流路２２及び制御弁２３は、再熱器２１を有する空冷ユニット２００及び３００に設けられている。ただし、バイパス流路２２及び制御弁２３は、再熱器２１を有していない空冷ユニット（例えば、実施形態１の空冷ユニット１００）に設けられていてもよい。
【０１１４】
（実施形態４）
図７に示すように、本実施形態の空冷ユニット４００は、ファン１８が筐体３０の上部に配置されている。凝縮器１２は、その全体を上から見たとき、Ｕ字の形状を有する。Ｕ字の形状を有する凝縮器１２は、設置面積に対する伝熱面積の増加に有利である。凝縮器１２は、筐体３０の複数の側面（詳細には、３つの側面）に沿って配置されている。筐体３０の複数の側面（３つの側面）から筐体３０の内部空間に吸い込まれた空気が凝縮器１２を経由して上に向かって吹き出されるように、凝縮器１２のための風路が形成されている。凝縮器１２がＵ字の形状を有するので、膨張機収納部３２は凝縮器１２によって３つの方向から囲まれている。膨張機１１と凝縮器１２との間には仕切り１９があるので、膨張機１１と凝縮器１２との間の伝熱が仕切り１９によって低減される。
【０１１５】
本実施形態では、筐体３０の側面から筐体３０の内部空間に吸い込まれた空気が凝縮器１２を経由して上に向かって吹き出されるように風路が形成されている。この場合、筐体３０の内部空間から空気を排出するために、凝縮器１２で加熱された空気による自然対流も利用できる。ただし、筐体３０の上部から筐体３０の内部空間に吸い込まれた空気が凝縮器１２を経由して横に向かって吹き出されるように、凝縮器１２のための風路が形成されていてもよい。また、凝縮器１２は、その全体を上から見たとき、中空の矩形の形状を有していてもよい。つまり、筐体３０の４つの側面に沿って凝縮器１２が配置されていてもよい。さらに、側面だけでなく、筐体３０の底面から筐体３０の内部空間に空気が吸い込まれ、筐体３０の外部に吹き出されるように、凝縮器１２のための風路が形成されていてもよい。
【０１１６】
本実施形態において、膨張機１１、再熱器２１及びポンプ１３は膨張機収納部３２に配置されている。膨張機１１とポンプ１３との間に再熱器２１が位置している。再熱器２１は、膨張機１１の温度とポンプ１３の温度との間の温度を帯びている。従って、上記の位置関係によれば、高温の膨張機１１と低温のポンプ１３との間の直接的な伝熱を低減することができる。
【０１１７】
（実施形態５）
図８に示すように、本実施形態の空冷ユニット５００は、膨張機１１、凝縮器１２、ファン１８、仕切り１９及び筐体３０を備えている。膨張機１１、凝縮器１２及び仕切り１９は、筐体３０に収納されている。
【０１１８】
図３に示す空冷ユニット１００と同様に、空冷ユニット５００は、蒸発器２４を備えたランキンサイクル装置１０６を構築するために使用される。
【０１１９】
筐体３０は、膨張機１１を収納する膨張機収納部３２と、凝縮器１２を収納する凝縮器収納部３４とを備える。膨張機収納部３２と凝縮器収納部３４とは、仕切り１９で仕切られる。
【０１２０】
上記構成については、実施形態１と同様であるので、その詳細な説明を省略する。
【０１２１】
なお、本実施形態では、上記伝熱低減体の一例として、仕切り１９を用いているが、仕切り１９に代えて、又は仕切り１９とともに、図１等に示された断熱材３６のように、膨張機１１を囲む第２の断熱材（図示せず）を設けてもよい。
【０１２２】
また、上記第２の断熱材に代えて、又は上記第２の断熱材とともに、図１等に示された断熱材３７のように、膨張機収納部３２を囲む第１の断熱材（図示せず）を設けても構わない。
【０１２３】
また、図８には図示してないが、凝縮器１２から吐出された作動流体を循環させるポンプを筐体３０内に設けてもよいし、筐体３０外（つまり、空冷ユニット５００外）に設けてもよい。
【０１２４】
また、図３に示すように蒸発器２４が筐体３０外に設けられる場合、空冷ユニット５００と蒸発器２４とを接続する、第１接続部、第２接続部が設けられる。ここで、第１接続部は、図１等に示された接続部１５のように、第１流路５０と、蒸発器２４の出口に接続された配管とを接続する。また、第２接続部は、図１等に示された接続部１４のように、第２流路５１と、蒸発器２４の入口に接続された配管とを接続する。
【０１２５】
このとき、第１接続部、第２接続部は、実施形態１と同様に、筐体３０外に設けてもよい。また、第１接続部、第２接続部は、膨張機１１又はポンプが配置された空間から見て凝縮器１２が配置された空間とは反対側に設けてもよい。
【０１２６】
また、空冷ユニット５００は、筐体３０内に蒸発器を設けても構わない。この場合、例えば、図６に示すように、膨張機収納部３２内に蒸発器１０２を設けてもよい。
【０１２７】
また、本実施形態の空冷ユニット５００は、実施形態２のように、作動媒体が膨張機１１をバイパスして流れるバイパス流路と、バイパス流路に配置され、バイパス流路における作動媒体の流量を調節する制御弁とをさらに備え、制御弁が膨張機収納部３２に配置されていてもよい。
【０１２８】
また、本実施形態の空冷ユニット５００は、実施形態３のように、作動媒体が膨張機１１をバイパスして流れるバイパス流路と、バイパス流路に配置され、バイパス流路における作動媒体の流量を調節する制御弁とをさらに備え、制御弁が凝縮器収納部３４に配置されていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１２９】
本明細書に開示された技術は、工場、焼却炉などの施設から排出された廃熱エネルギーを回収して発電を行う廃熱発電装置に有用である。また、本明細書に開示された技術は、廃熱エネルギーの回収だけでなく、ボイラーのような熱源を用いた発電装置に広く採用できる。
【符号の説明】
【０１３０】
１１  膨張機
１２  凝縮器
１３  ポンプ
１４，１５  接続部
１６  制御器
１７  発電機
１８  ファン
１９，２０  仕切り
２１  再熱器
２２  バイパス流路
２３  制御弁
２４  蒸発器
３２  膨張機収納部
３４  凝縮器収納部
３６，３７  断熱材
３８  ポンプ収納部
４０  流路
４０ａ，４０ｂ  分岐流路
５０  流路（第１流路）
５１  流路（第２流路）
５２  流路
１００，２００，３００，４００，５００  空冷ユニット
１０２  蒸発器
１０４  熱源
１０６  ランキンサイクル装置
【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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【図８】
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【図９】
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