(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
沸点の異なる複数の流体が混合された作動流体を全て液相の状態で所定の高温熱源と熱交換させ、前記作動流体の少なくとも一部を蒸発させる蒸発器と、前記作動流体のうち蒸発した気相分を導入されて流体の保有する熱エネルギを動力に変換するタービンと、当該タービンを出た気相の作動流体を所定の低温熱源と熱交換させて作動流体を凝縮させる凝縮器と、当該凝縮器を出た液相の低温作動流体を前記蒸発器へ送込むポンプとを少なくとも備える蒸気動力サイクルシステムにおいて、
前記蒸発器が、中空の圧力容器であるシェルと、当該シェル内に配設されて長手方向両端部に熱交換対象流体の流入出口が存在する熱交換部とを備え、当該熱交換部における作動流体の流出口以外の各流入出口がシェル外部に延長配設されてシェル内部空間からは隔離された状態とされる一方、熱交換部における作動流体の流出口がシェル内部空間に開口連通する状態とされ、
前記蒸発器における熱交換部の流出口からシェル内部空間に流出した高温の作動流体が、前記内部空間で気相分と液相分とに分離し、シェルから気相の作動流体と液相の作動流体がそれぞれ別個に取出されることを
特徴とする蒸気動力サイクルシステム。
【請求項２】
沸点の異なる複数の流体が混合された作動流体を全て液相の状態で所定の高温熱源と熱交換させ、前記作動流体の少なくとも一部を蒸発させる蒸発器と、前記作動流体のうち蒸発した気相分を導入されて流体の保有する熱エネルギを動力に変換するタービンと、当該タービンを出た気相の作動流体を所定の低温熱源と熱交換させて作動流体を凝縮させる凝縮器と、当該凝縮器を出た液相の低温作動流体を前記蒸発器へ送込むポンプとを少なくとも備える蒸気動力サイクルシステムにおいて、
前記凝縮器が、中空の圧力容器であるシェルと、当該シェル内に配設されて長手方向両端部に熱交換対象流体の流入出口が存在する熱交換部と、液相の作動流体をシェル内部空間への気相作動流体の流入部分に散布する散水部とを備え、当該熱交換部における低温熱源となる流体の流入出口がシェル外部に延長配設されてシェル内部空間からは隔離された状態とされる一方、熱交換部における作動流体の流入出口がシェル内部空間に開口連通する状態とされ、
前記シェルの内部空間へ各相の作動流体が流入すると、前記散水部から噴射された液相の作動流体が一部の気相作動流体を吸収しつつ、液相の作動流体と気相の作動流体とが一つに混合し、当該混合状態の作動流体が熱交換部へ流入して熱交換による気相分の凝縮を進行させ、
前記熱交換部の流出口から前記シェル内部空間に流出した作動流体が、前記内部空間で気相分と液相分とに分離し、シェルから気相の作動流体と液相の作動流体がそれぞれ別個に取出されることを
特徴とする蒸気動力サイクルシステム。
【請求項３】
前記請求項１に記載の蒸気動力サイクルシステムにおいて、
前記凝縮器が、中空の圧力容器であるシェルと、当該シェル内に配設されて長手方向両端部に熱交換対象流体の流入出口が存在する熱交換部と、液相の作動流体をシェル内部空間への気相作動流体の流入部分に散布する散水部とを備え、当該熱交換部における低温熱源となる流体の流入出口がシェル外部に延長配設されてシェル内部空間からは隔離された状態とされる一方、熱交換部における作動流体の流入出口がシェル内部空間に開口連通する状態とされ、
前記シェルの内部空間へ各相の作動流体が流入すると、前記散水部から噴射された液相の作動流体が一部の気相作動流体を吸収しつつ、液相の作動流体と気相の作動流体とが一つに混合し、混合状態の作動流体が熱交換部へ流入して熱交換による気相分の凝縮を進行させ、
前記熱交換部の流出口から前記シェル内部空間に流出した作動流体が、前記内部空間で気相分と液相分とに分離し、シェルから気相の作動流体と液相の作動流体がそれぞれ別個に取出されることを
特徴とする蒸気動力サイクルシステム。
【請求項４】
沸点の異なる複数の流体が混合された作動流体を全て液相の状態で所定の高温熱源と熱交換させ、前記作動流体の少なくとも一部を蒸発させる蒸発器と、前記作動流体のうち蒸発した気相分を導入されて流体の保有する熱エネルギを動力に変換する二つのタービンと、当該タービンを出た気相の作動流体を所定の低温熱源と熱交換させて作動流体を凝縮させる凝縮器と、当該凝縮器を出た液相の低温作動流体を前記蒸発器へ送込むポンプと、前記高温熱源との熱交換を経て高温となった作動流体のうち、液相の作動流体を、前記蒸発器に導入される前の全て液相の作動流体と熱交換させる再生器と、前記二つのタービンのうち第一段目のタービンを出た気相の作動流体から抽気された一部の気相作動流体と前記液相の低温作動流体とを熱交換させる加熱器とを少なくとも備える蒸気動力サイクルシステムにおいて、
前記ポンプが、前記凝縮器から蒸発器に至る全て液相の作動流体の主流路における前記加熱器配置位置より前段側に配設され、
当該ポンプと前記凝縮器との間に所定のタンクが配設され、凝縮器を出た直後の全て液相の作動流体が導入され、
前記第一のタービンから加熱器に通じる作動流体の支流路が、加熱器から前記タンクより小さい他のタンク及び前記ポンプより吐出能力の小さい他のポンプをそれぞれ経て、前記全て液相の作動流体の主流路における加熱器と再生器との間の位置で主流路と合流し、
前記第一のタービンを出て加熱器での熱交換を経た作動流体が、前記他のタンク及び他のポンプをそれぞれ経由して、前記主流路を流れる全て液相の作動流体に加わることを
特徴とする蒸気動力サイクルシステム。
【請求項５】
前記請求項４に記載の蒸気動力サイクルシステムにおいて、
前記蒸発器が、中空の圧力容器であるシェルと、当該シェル内に配設されて長手方向両端部に熱交換対象流体の流入出口が存在する熱交換部とを備え、当該熱交換部における作動流体の流出口以外の各流入出口がシェル外部に延長配設されてシェル内部空間からは隔離された状態とされる一方、熱交換部における作動流体の流出口がシェル内部空間に開口連通する状態とされ、
前記蒸発器における熱交換部の流出口からシェル内部空間に流出した高温の作動流体が、前記内部空間で気相分と液相分とに分離し、シェルから気相の作動流体と液相の作動流体がそれぞれ別個に取出されることを
特徴とする蒸気動力サイクルシステム。
【請求項６】
前記請求項４又は５に記載の蒸気動力サイクルシステムにおいて、
前記凝縮器が、中空の圧力容器であるシェルと、当該シェル内に配設されて長手方向両端部に熱交換対象流体の流入出口が存在する熱交換部と、液相の作動流体をシェル内部空間への気相作動流体の流入部分に散布する散水部とを備え、当該熱交換部における低温熱源となる流体の流入出口がシェル外部に延長配設されてシェル内部空間からは隔離された状態とされる一方、熱交換部における作動流体の流入出口がシェル内部空間に開口連通する状態とされ、
前記シェルの内部空間へ各相の作動流体が流入すると、前記散水部から噴射された液相の作動流体が一部の気相作動流体を吸収しつつ、液相の作動流体と気相の作動流体とが一つに混合し、混合状態の作動流体が熱交換部へ流入して熱交換による気相分の凝縮を進行させ、
前記熱交換部の流出口から前記シェル内部空間に流出した作動流体が、前記内部空間で気相分と液相分とに分離し、シェルから気相の作動流体と液相の作動流体がそれぞれ別個に取出されることを
特徴とする蒸気動力サイクルシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は複数物質の混合作動流体を加熱、冷却させつつ循環させ、相変化を繰返す作動流体に仕事を行わせて動力エネルギを得る蒸気動力サイクルシステムに関し、特に、作動流体に相変化を生じさせる各機器の構成を改良してシステム全体の熱効率を高めると共に、システム各部のコンパクト化、低コスト化が図れる蒸気動力サイクルシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気動力サイクルを用いるにあたり、高温熱源と低温熱源の温度差が小さい場合には、熱効率を高めて有効に熱を動力に変換できるようにするため、水と水より沸点の低い流体との混合流体、又は水以外の互いに沸点の異なる複数種類の流体が混合されたものを作動流体として用いる蒸気動力サイクルが従来から提案されており、このような従来の蒸気動力サイクルシステムの一例として、特開平７−９１３６１号公報に記載されるものがある。【０００３】
前記従来の蒸気動力サイクルシステムは、蒸気動力サイクルとして一般的なランキンサイクル同様に蒸発器、タービン、凝縮器及びポンプを有する他に、凝縮器の前段側に膨張後の気相作動流体を液相作動流体に一部吸収させる吸収器と、蒸発器で加熱された作動流体のうち、液相の作動流体を蒸発器で熱交換する前の低温液相の作動流体と熱交換させる再生器と、複数段配設されたタービンの中間から抽気された高温気相の作動流体を低温液相の作動流体と熱交換させる加熱器とを備える構成である。【０００４】
この従来の蒸気動力サイクルシステムは、単一の作動流体を用いる一般的なランキンサイクルに比べて熱効率を高めることができ、特に、タービンから抽気を行うと共に吸収器で気相の作動流体を液相の作動流体に一部吸収させ、凝縮器で低温熱源と熱交換する作動流体の量を抑えることで、凝縮器の負荷を低減して全体の効率上昇と共に凝縮器の過度の大型化とこれに伴うコスト上昇を抑制できるという利点を有していた。
【特許文献１】特開平７−９１３６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の混合流体を用いた蒸気動力サイクルは、前記特許文献に示される構成となっており、単一の作動流体を用いるサイクルに比べて熱効率を高めることができるものの、特に、蒸発器の半分から同程度の大きさとなる気液分離器や、凝縮器と同程度かそれ以上の大きさとなる吸収器を用いることから、これらがシステム中で大きなスペースを占有し、システムのコンパクト化を困難なものにする他、各機器間に配管が存在することに伴う熱損失やポンプ損失が無視できないものとなり、熱エネルギから有効な仕事として得られる分が小さくなるという課題を有していた。【０００６】
また、前記従来の蒸気動力サイクルシステムでは、タービンから抽気して加熱器で熱交換を行わせた後の作動流体を、凝縮器から出て蒸発器へ向う作動流体に合流させる点に、合流する各流路における流量変化の影響を緩和するタンクを設けると共に、このタンクの後段側に各流路からの作動流体がスムーズに逆流なく後段側の再生器や蒸発器に向うようにするポンプが配設される。【０００７】
ただし、これにより、液相の作動流体をサイクル後段側に圧送するポンプが、加熱器の前段側と再生器の前段側の二箇所に設けられる形となり、作動流体流路において直列となるその配置関係のために、ポンプ同士が互いの運転状態の影響を受けやすく、負荷変化に追随して両ポンプの吐出流量の均衡を保つようにしないと、各流量が多寡いずれかに極端に変化してしまい、ポンプ動作の不具合を招いてサイクルの稼働が不安定となりやすく、このためポンプ運転状態の細かな調整を必要として制御のためのコストが上昇するという課題を有していた。【０００８】
本発明は前記課題を解消するためになされたもので、サイクル中の熱交換器等各機器の構成と配置を適正化して、高温熱源と低温熱源との温度差に基づく熱エネルギの有効利用が図れ、十分な効率を確保できると共に、システムのコンパクト化、低コスト化を実現させられる蒸気動力サイクルシステム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】
【０００９】
本発明に係る蒸気動力サイクルシステムは、沸点の異なる複数の流体が混合された作動流体を全て液相の状態で所定の高温熱源と熱交換させ、前記作動流体の少なくとも一部を蒸発させる蒸発器と、前記作動流体のうち蒸発した気相分を導入されて流体の保有する熱エネルギを動力に変換するタービンと、当該タービンを出た気相の作動流体を所定の低温熱源と熱交換させて作動流体を凝縮させる凝縮器と、当該凝縮器を出た液相の低温作動流体を前記蒸発器へ送込むポンプとを少なくとも備える蒸気動力サイクルシステムにおいて、前記蒸発器が、中空の圧力容器であるシェルと、当該シェル内に配設されて長手方向両端部に熱交換対象流体の流入出口が存在する熱交換部とを備え、当該熱交換部における作動流体の流出口以外の各流入出口がシェル外部に延長配設されてシェル内部空間からは隔離された状態とされる一方、熱交換部における作動流体の流出口がシェル内部空間に開口連通する状態とされ、前記蒸発器における熱交換部の流出口からシェル内部空間に流出した高温の作動流体が、前記内部空間で気相分と液相分とに分離し、シェルから気相の作動流体と液相の作動流体がそれぞれ別個に取出されるものである。【００１０】
このように本発明によれば、動力サイクルの一部をなす蒸発器として、高温熱源と作動流体とを熱交換させる熱交換部、並びに、この熱交換部を取囲むシェルを設けると共に、このシェルの内部空間を、熱交換部における各熱交換対象流体の流入出口のうち、作動流体出口にのみ連通するようにし、熱交換部で液相の作動流体を高温熱源と熱交換させた後、蒸発した気相の作動流体とこれ以外の液相の作動流体とが混合した状態の高温混相作動流体を、熱交換部から内部空間に流出させると、この内部空間で混相状態の作動流体が気相分と液相分に分離することにより、蒸発器から気相の作動流体と液相の作動流体とをそれぞれ分離状態で取出せ、蒸発器が気液分離器の機能も有することとなり、非共沸混合流体を作動流体として用いる場合に、通常は蒸発器と別途に必要であった気液分離器を省略でき、蒸発器と気液分離器を別体で配設していた場合より機器配置に必要なスペースも小さくでき、配置の自由度が増大することに加え、システム全体をコンパクト化、低コスト化できる。また、気液分離器に付随する配管も省略でき、配管の存在に伴う圧力損失や熱損失を低減させて有効に取出せる仕事量を増大させられ、高温熱源と低温熱源の温度差が小さくても十分な動力を発生させられる。【００１１】
また、本発明に係る蒸気動力サイクルシステムは、沸点の異なる複数の流体が混合された作動流体を全て液相の状態で所定の高温熱源と熱交換させ、前記作動流体の少なくとも一部を蒸発させる蒸発器と、前記作動流体のうち蒸発した気相分を導入されて流体の保有する熱エネルギを動力に変換するタービンと、当該タービンを出た気相の作動流体を所定の低温熱源と熱交換させて作動流体を凝縮させる凝縮器と、当該凝縮器を出た液相の低温作動流体を前記蒸発器へ送込むポンプとを少なくとも備える蒸気動力サイクルシステムにおいて、前記凝縮器が、中空の圧力容器であるシェルと、当該シェル内に配設されて長手方向両端部に熱交換対象流体の流入出口が存在する熱交換部と、液相の作動流体をシェル内部空間への気相作動流体の流入部分に散布する散水部とを備え、当該熱交換部における低温熱源となる流体の流入出口がシェル外部に延長配設されてシェル内部空間からは隔離された状態とされる一方、熱交換部における作動流体の流入出口がシェル内部空間に開口連通する状態とされ、前記シェルの内部空間へ各相の作動流体が流入すると、前記散水部から噴射された液相の作動流体が一部の気相作動流体を吸収しつつ、液相の作動流体と気相の作動流体とが一つに混合し、当該混合状態の作動流体が熱交換部へ流入して熱交換による気相分の凝縮を進行させ、前記熱交換部の流出口から前記シェル内部空間に流出した作動流体が、前記内部空間で気相分と液相分とに分離し、シェルから気相の作動流体と液相の作動流体がそれぞれ別個に取出されるものである。【００１２】
このように本発明によれば、動力サイクルの一部をなす凝縮器として、低温熱源と作動流体とを熱交換させる熱交換部、及び、この熱交換部を取囲むシェル、並びにシェル内で液相の作動流体を散布する散水部を設けると共に、シェル内部空間を作動流体流入出口にのみ連通させるようにし、シェル内に導入された気相の作動流体と液相の作動流体が内部空間で混合し、この混相状態の作動流体が熱交換部に流入して低温熱源との熱交換を行うことにより、シェル内部空間で気相の作動流体を液相の作動流体に一部吸収させられ、凝縮器が吸収器の機能も有することとなり、非共沸混合流体を作動流体とする場合に、従来用いられていた吸収器を省略でき、吸収器と凝縮器を別体で配設していた場合より機器配置に必要なスペースも小さくでき、配置の自由度が増大することに加え、システム全体をコンパクト化、低コスト化できる。また、吸収器に付随する配管も省略でき、配管の存在に伴う圧力損失や熱損失を低減させて有効に取出せる仕事量を増大させられ、高温熱源と低温熱源の温度差が小さくても十分な動力を発生させられる。さらに、シェル内で気相と液相の作動流体を一様に混合状態として熱交換部に流入させることで、熱交換部伝熱面の温度を過度に下げることなく気相分の凝縮を進行させることができ、凝縮器における熱交換効率を著しく高められる。【００１３】
また、本発明に係る蒸気動力サイクルシステムは、沸点の異なる複数の流体が混合された作動流体を全て液相の状態で所定の高温熱源と熱交換させ、前記作動流体の少なくとも一部を蒸発させる蒸発器と、前記作動流体のうち蒸発した気相分を導入されて流体の保有する熱エネルギを動力に変換する二つのタービンと、当該タービンを出た気相の作動流体を所定の低温熱源と熱交換させて作動流体を凝縮させる凝縮器と、当該凝縮器を出た液相の低温作動流体を前記蒸発器へ送込むポンプと、前記高温熱源との熱交換を経て高温となった作動流体のうち、液相の作動流体を、前記蒸発器に導入される前の全て液相の作動流体と熱交換させる再生器と、前記二つのタービンのうち第一段目のタービンを出た気相の作動流体から抽気された一部の気相作動流体と前記液相の低温作動流体とを熱交換させる加熱器とを少なくとも備える蒸気動力サイクルシステムにおいて、前記ポンプが、前記凝縮器から蒸発器に至る全て液相の作動流体の主流路における前記加熱器配置位置より前段側に配設され、当該ポンプと前記凝縮器との間に所定のタンクが配設され、凝縮器を出た直後の全て液相の作動流体が導入され、前記第一のタービンから加熱器に通じる作動流体の支流路が、加熱器から前記タンクより小さい他のタンク及び前記ポンプより吐出能力の小さい他のポンプをそれぞれ経て、前記全て液相の作動流体の主流路における加熱器と再生器との間の位置で主流路と合流し、前記第一のタービンを出て加熱器での熱交換を経た作動流体が、前記他のタンク及び他のポンプをそれぞれ経由して、前記主流路を流れる全て液相の作動流体に加わるものである。【００１４】
このように本発明によれば、サイクルにおける凝縮器と蒸発器間の液相作動流体主流路において、凝縮器後段側で且つ加熱器の前段側にポンプを配設して、この主流路におけるポンプを一つのみとすることにより、ポンプ動作が他のポンプ動作の影響を受けることもなく、ポンプが原因でサイクルの運転状態が不安定状態に陥る危険性を小さくすることができる。また、加熱器に対し作動流体をスムーズに流入出させるための圧力を発生させる他のポンプ及びこのポンプ動作に伴う作動流体の流量変化の影響を小さくする他のタンクの配設位置が、タービンから加熱器へ至る抽気分の作動流体支流路の延長上で、凝縮器と蒸発器との間の液相作動流体主流路と合流する前の区間に設定されることで、これら他のタンク及びポンプが、作動流体を主流路に適切に合流させて逆流させない程度の能力を有していれば、システムを適切に機能させられることとなり、タンク及びポンプの小型化が実現し、システム全体のコンパクト化と低コスト化をさらに促せる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る蒸気動力サイクルシステムの概略系統図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る蒸気動力サイクルシステムにおける蒸発器の概略縦断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る蒸気動力サイクルシステムにおける蒸発器の他の概略縦断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る蒸気動力サイクルシステムにおける蒸発器の熱交換部構造説明図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る蒸気動力サイクルシステムにおける凝縮器の概略縦断面図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る蒸気動力サイクルシステムにおける凝縮器の他方向の概略縦断面図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る蒸気動力サイクルシステムにおける凝縮器の熱交換部構造説明図である。
【符号の説明】
【００１６】
１                蒸気動力サイクルシステム
１ａ              主流路
１ｂ、１ｃ        支流路
１０              蒸発器
１１              シェル
１１ａ            温海水流入口
１１ｂ            温海水流出口
１１ｃ、１１ｄ    作動流体流出口
１１ｅ            作動流体流入口
１１ｆ            内部空間
１１ｇ            有孔隔壁板
１２              熱交換部
１２ａ、１２ｃ    流入口
１２ｂ            流出口
２１、２２        タービン
３０              凝縮器
３１              シェル
３１ａ            冷海水流入口
３１ｂ            冷海水流出口
３１ｃ、３１ｄ    作動流体流入口
３１ｅ、３１ｆ    作動流体流出口
３１ｇ            内部空間
３２              散水部
３２ａ            スプレーノズル
３３              熱交換部
３３ａ            流入口
３３ｂ、３３ｃ    流出口
３４              補助凝縮器
３５、６２        タンク
４０、６１        ポンプ
５０              再生器
５１              減圧弁
６０              加熱器
７０              伝熱プレート
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施形態を図１ないし図７に基づいて説明する。図１は本実施の形態に係る蒸気動力サイクルシステムの概略系統図、図２は本実施形態に係る蒸気動力サイクルシステムにおける蒸発器の概略縦断面図、図３は本実施形態に係る蒸気動力サイクルシステムにおける蒸発器の他の概略縦断面図、図４は本実施形態に係る蒸気動力サイクルシステムにおける蒸発器の熱交換部構造説明図、図５は本実施形態に係る蒸気動力サイクルシステムにおける凝縮器の概略縦断面図、図６は本実施形態に係る蒸気動力サイクルシステムにおける凝縮器の他の概略縦断面図、図７は本実施形態に係る蒸気動力サイクルシステムにおける凝縮器の熱交換部構造説明図である。【００１８】
前記各図において本実施の形態に係る蒸気動力サイクルシステム１は、アンモニアと水の混合体からなる作動流体と前記高温熱源としての温海水とを熱交換させ、作動流体の蒸気を得る蒸発器１０と、この蒸発器１０で得られた蒸気により動作する原動機としてのタービン２１、２２と、これらタービン２１、２２を出た蒸気を凝縮させて液相とする凝縮器３０と、凝縮器３０から作動流体を取出して蒸発器１０に導入するポンプ４０と、温海水との熱交換を経て高温となった作動流体のうち、液相の作動流体を、凝縮器３０から出た全て液相の作動流体と熱交換させる再生器５０と、第１段目のタービン２１を出た段階で抽気された一部の気相作動流体と前記全て液相の作動流体とを熱交換させる加熱器６０とを備える構成である。このうち、タービン２１、２２及びポンプ４０については、一般的な蒸気動力サイクルで用いられるのと同様の公知の装置であり、説明を省略する。【００１９】
前記蒸発器１０は、最外殻をなして他の機器と配管で接続される中空のシェル１１と、このシェル１１内部に配置され、高温熱源としての温海水と作動流体を熱交換させるプレート式の熱交換部１２とを備える構成である。
前記シェル１１は、一般的な略円筒カプセル状の中空圧力容器であり、長手方向一端部に温海水流入口１１ａと作動流体流出口１１ｃ、他端部に温海水流出口１１ｂと作動流体流入口１１ｅ、作動流体流出口１１ｄがそれぞれ外部の配管と接続可能に配置される構造となっており、これら流入出口を除いて内部と外部を水密状態で隔離する構成である。シェル１１の作動流体流入口１１ｅは再生器５０低温側と連通する配管に接続される。また、作動流体流出口１１ｃはタービン２１入口側と連通する配管に接続され、作動流体流出口１１ｄは再生器５０高温側と連通する配管に接続される。このシェル１１の内部空間１１ｆは外部に対し保温状態となっている他、シェル１１内には熱交換器１２を支持すると共に気液の分離をより確実なものとする有孔隔壁板１１ｇが設けられる。【００２０】
前記熱交換部１２は、矩形状の複数のプレート同士を溶接して得られるもので、長手方向一端部に温海水の流入口１２ａと作動流体の流出口１２ｂ、他端部に温海水の流出口（図示を省略）と作動流体の流入口１２ｃがそれぞれ配置される向流型となっており、熱交換部１２におけるこれら各流入出口は、作動流体の流出口１２ｂを除いてシェル１１の各流入出口と連通状態で一体化されており、シェル１１の内部空間１１ｆに対して水密状態で隔離される構成である。一方、作動流体の流出口１２ｂはシェル１１の内部空間１１ｆで開口した状態にあり、この内部空間１１ｆ及び作動流体流出口１１ｃ、１１ｄに連通している。【００２１】
この熱交換部１２内で、ポンプ４０からの送給圧力を受けつつ、温海水との熱交換で温められる作動流体は、熱交換部１２を上昇し、揮発しやすいアンモニアを主成分とする一部が蒸発して気液混相流となる。ちょうど既定の温度まで昇温した段階で熱交換部１２上部の流出口１２ｂより気液混相状態で流出するように流量を設定されている。【００２２】
作動流体は、熱交換部１２の流出口１２ｂからシェル１１の内部空間１１ｆに流出した後、この内部空間１１ｆを流下しながら気相分と液相分に分れ、気相の作動流体はシェル１１上部の作動流体流出口１１ｃから後段側のタービン２１へ向う一方、液相の作動流体はシェル１１下部に達し、作動流体流出口１１ｄから後段側の再生器５０へ向うこととなり、結果として、温海水との熱交換を経た高温の作動流体を気相分と液相分とに分けてシェル１１外に取出せる仕組みとなっている。【００２３】
こうして蒸発器１０は、機能的には従来の蒸発器と気液分離器と組合わせたものとなるものの、大きさは従来のシェルを用いるタイプの蒸発器と同程度となり、気液分離器の容積分を削減できるため、小型・省スペース化が実現すると共に、蒸発部分と気液分離部分間の配管が省略されることで損失を抑えられ、システムの熱効率が向上する。【００２４】
前記凝縮器３０は、最外殻をなして他の機器と配管で接続される中空のシェル３１と、このシェル３１内で前記再生器５０から出た液相の作動流体をシェル３１の内部空間３１ｇに散水する散水部３２と、シェル３１内へ導入された作動流体を低温熱源である冷海水と熱交換させて気相分を凝縮させる熱交換部３３とを備える構成である。また、凝縮器３０には、凝縮器３０における未凝縮分の気相の作動流体を導入して凝縮器３０同様に冷海水と熱交換させ、完全に凝縮させる補助凝縮器３４と、この補助凝縮器３４並びに凝縮器３０を出た液相の作動流体を一時的に貯溜した上で後段側へ送出すタンク３５がそれぞれ併設される。【００２５】
前記シェル３１は、一般的な略円筒状の中空圧力容器であり、長手方向一端部に冷海水の流入口３１ａと作動流体流出口３１ｅ、３１ｆ、他端部に冷海水の流出口３１ｂと作動流体流入口３１ｃ、３１ｄがそれぞれ外部の配管と接続可能に配置される構造となっており、これら流入出口を除いて内部と外部を水密状態で隔離する構成である。シェル３１の作動流体流入口３１ｃはタービン２２出口側と連通する配管に接続され、作動流体流入口３１ｄは減圧弁５１と連通する配管に接続される。また、作動流体流出口３１ｅは補助凝縮器３４と連通する配管に接続され、作動流体流出口３１ｆはタンク３５と連通する配管に接続される。シェル３１の内部空間３１ｇは外部に対し保温状態となっていることに加え、散水部３２から散水された液相の作動流体やこれに吸収されたものが逆に液相から気相に変化しないように、圧力を適正な値に維持する仕組みとされている。【００２６】
前記散水部３２は、複数のスプレーノズル３２ａを有してなり、シェル３１の作動流体流入口３１ｄ内側部分に連通接続してシェル３１内の上部に配設され、導入された液相の作動流体を各スプレーノズル３２ａより下方へ噴射して飛散させる構成である。この散水部３２については、下方への噴射に限らず、液相の作動流体を上方へ噴射するようにしてもかまわない。また、スプレーノズル３２ａだけでなく、圧力損失を小さくしたより大型のノズル等を用いることもできる。【００２７】
前記熱交換部３３は、矩形状の複数の金属製プレート同士を溶接して得られるもので、長手方向一端部に冷海水の流入口と作動流体の流出口３３ｂ、他端部に冷海水の流出口３３ｃと作動流体の流入口３３ａが配置される向流型となっており、各流入出口のうち、冷海水の流入出口はシェル３１における冷海水の流入出口と連通状態で一体化され、シェル３１の内部空間３１ｇに対しては水密状態で隔離される構成である。一方、作動流体の流入口３３ａ及び流出口３３ｂはシェル３１の内部空間３１ｇに対し開口しており、この内部空間３１ｇと、シェル３１の作動流体流入口３１ｃ、及び作動流体流出口３１ｅ、３１ｆにそれぞれ連通している。【００２８】
この熱交換部３３における作動流体の流入口３３ａは、シェル３１の内部空間３１ｇに対し上向きに開口しており、散水部３２から散水された液相の作動流体と、シェル３１内に作動流体流入口３１ｃを通じて導入されて前記液相の作動流体に吸収されなかったか又は吸収途上にある気相の作動流体とが、混合状態でこの流入口３３ａに流入し、まとめて冷海水と熱交換する仕組みとなっている。【００２９】
こうして凝縮器３０は、機能的には従来の吸収器と凝縮器とを組合わせたものとなるものの、大きさは従来のシェルを用いるタイプの凝縮器を散水部３２のスペース分だけ拡張した程度となり、吸収器の容積分を削減できることから、小型・省スペース化が実現すると共に、吸収部分と凝縮部分間の配管が省略されることで損失を抑えられ、システムの熱効率が向上する。【００３０】
前記蒸発器１０及び凝縮器３０の各熱交換部１２、３３としては、矩形状の金属製伝熱プレート７０を複数並列状態で溶接一体化して形成され、各伝熱プレート７０間に作動流体の通過する第一隙間部とその熱交換対象の温海水又は冷海水の通過する第二隙間部とがそれぞれ一つおきに生じると共に、前記各第一隙間部に作動流体を流入出させる一の開口部と前記各第二隙間部に海水を流入出させる他の開口部とが互いに離隔させて設けられる全溶接プレート式熱交換器をそれぞれ用いており、優れた熱交換効率により、高温熱源と低温熱源の温度差が小さくても作動流体を確実に蒸発、凝縮させて動力サイクルを稼働させられる仕組みである。【００３１】
前記再生器５０は、凝縮器３０からポンプ４０を経て蒸発器１０に向う全て液相の作動流体の主流路１ａ中に介設され、蒸発器１０に達する前の全て液相の作動流体と、蒸発器１０内で気相の作動流体と分離されて蒸発器１０を出た高温液相の作動流体とを熱交換させる熱交換器であり、前記蒸発器１０や凝縮器３０の各熱交換部１２、３３と同様の構造とされてなり、詳細な説明は省略する。この再生器５０では、蒸発器１０の作動流体流出口１１ｄに通じる高温液相作動流体側の支流路１ｂが減圧弁５１を介して凝縮器３０と配管接続されており、再生器５０を出た液相の作動流体が、減圧弁５１を経由して圧力を調整された後、凝縮器３０内の散水部３２へ導入される仕組みである。【００３２】
この再生器５０から減圧弁５１を経由して凝縮器３０内の散水部３２へ液相作動流体が導入される過程で、圧力損失が大きい場合や、蒸気動力サイクルシステムの初期起動時等の、タービン２１、２２での膨張が小さく、蒸発器１０と凝縮器３０の間の圧力差が十分でない場合などには、スプレーノズル３２ａからの散水に必要な圧力を十分に得られないだけでなく、作動流体を再生器５０側へ適切に送出せないことも起り得る。このため、前記各場合に対応させるべく、再生器５０の前段側に、蒸発器１０を出た高温液相の作動流体を再生器５０等後段側へ適切に送給可能とするポンプ（図示を省略）を配設することもできる。このポンプは初期起動時などの必要な時期に動作させればよく、蒸気動力サイクルの定常動作状態など、蒸発器１０と凝縮器３０との間に十分な圧力差が生じている場合には動作させる必要はない。また、こうしたポンプを設ける以外に、蒸発器１０の設置位置を凝縮器３０に比べて高くし、液高さにより圧力差を確保するようにしたり、起動時には作動流体ポンプの流量を少なくして全量が蒸発するようにし、圧力差が生じてきたら作動流体量を増やしていく手法等を用いることもできる。【００３３】
前記加熱器６０は、前記再生器５０同様に凝縮器３０から蒸発器１０に向う全て液相の作動流体の主流路１ａ中に介設され、再生器５０より前段側の位置でこの再生器５０に達する前の全て液相の作動流体と、第一段目のタービン２１を出た後抽気された一部の高温気相の作動流体とを熱交換させる熱交換器であり、前記蒸発器１０や凝縮器３０の各熱交換部１２、３３と同様の構造とされてなり、詳細な説明は省略する。この加熱器６０のタービン２１側に接続される高温作動流体側の支流路１ｃにおける、加熱器６０より後段側部分には、加熱器６０に対し高温作動流体をスムーズに流入出させるための圧力を発生させるポンプ６１及びこのポンプ動作に伴う作動流体の流量変化の影響を小さくするタンク６２がそれぞれ配設される。【００３４】
この加熱器６０の高温作動流体側の支流路１ｃは、タンク６２及びポンプ６１を介して、前記主流路１ａにおける加熱器６０より後段側で且つ再生器５０より前段側の位置に合流する形で配管接続されており、タービン２１を出て加熱器６０における熱交換で冷却され凝縮した作動流体が、タンク６２及びポンプ６１を経由した後、再生器５０に達する直前の液相作動流体に加わる仕組みである。前記タンク６２及びポンプ６１は、加熱器６０で凝縮された液相の作動流体を主流路１ａ側からの逆流等なく適切に後段側へ流せる程度の容量及び吐出能力があれば問題なく、容量や能力を抑えた小型のものを用いることができる。【００３５】
次に、本実施の形態に係る蒸気動力サイクルシステムのサイクル実行状態について説明する。前提として、海の所定深さ位置から低温熱源となる冷海水を、また、海の表層から高温熱源としての温海水を、それぞれ所定の流量を確保しつつ取水し、凝縮器３０又は蒸発器１０にそれぞれ導入しているものとする。【００３６】
蒸発器１０では、高温熱源として上側の温海水流入口１１ａから導入される温海水と、下側の作動流体流入口１１ｅから導入される全て液相で且つ当初の組成のままの作動流体とを、内部の熱交換部１２で熱交換させる。ここで加熱された作動流体は、昇温に伴いその一部が蒸発して気液混相流となる。この混相状態の高温作動流体は、熱交換部１２の流出口１２ｂからシェル１１の内部空間１１ｆに流出して、有孔隔壁板１１ｇを通過し、熱交換器１２側面やシェル１１内壁に沿って流下する過程で気相分と液相分に分れ、気相の作動流体は内部空間１１ｆを上昇してシェル１１上部の作動流体流出口１１ｃから蒸発器１０外へ出る。また、液相の作動流体はそのまま流下してシェル１１下部に達し、作動流体流出口１１ｄから蒸発器１０外へ出ることとなる。【００３７】
蒸発器１０を出た高温気相の作動流体は、蒸発器１０導入前の当初組成の液相作動流体と比較してアンモニアの割合が非常に高くなっており、この作動流体がタービン２１、２２に達してこれらを作動させ、これらタービン２１、２２により発電機等他の機器が駆動され、熱エネルギが使用可能なエネルギに変換される。こうしてタービン２１、２２で膨張して仕事を行った気相作動流体は、圧力及び温度を低減させた状態となり、第二段目のタービン２２を出た後、凝縮器３０に導入される。【００３８】
一方、作動流体流出口１１ｄから蒸発器１０外へ出た高温液相の作動流体は、蒸発器１０導入前の当初組成の液相作動流体と比較してアンモニアの割合が低めとなっており、この作動流体が再生器５０へ通じる支流路１ｂに入り、再生器５０に導入される。この再生器５０では、他方の主流路１ａを通る全て液相の作動流体と前記高温液相の作動流体とを熱交換させ、主流路１ａ側の全て液相の作動流体を昇温させて蒸発器１０側へ向わせる。そして、この再生器５０での熱交換で冷却される支流路１ｂ側の液相作動流体は、再生器５０を出た後、減圧弁５１を経て凝縮器３０の作動流体流入口３１ｄから内部の散水部３２に導入され、この散水部３２から内部空間３１ｇに散水されることとなる。【００３９】
凝縮器３０では、作動流体流入口３１ｃから内部に導入された気相の作動流体が、シェル３１の内部空間３１ｇで散水部３２から散水される液相の作動流体と接触し、これに一部吸収されて液相に変化する。そして、残りの未吸収分の気相作動流体は、吸収によりその量を増加させた液相の作動流体とこの内部空間３１ｇにおいて一様に混合した状態で、熱交換部３３の流入口３３ａに流入し、熱交換部３３内を混相流として進むこととなる。【００４０】
混合状態の作動流体は、別途熱交換部３３に導入された温度の低い冷海水と伝熱プレート７０を介して熱交換し、作動流体全体が冷却される中、気相の作動流体は冷却に伴い凝縮して液相になるが、液相分と混合状態であることから、気相のみの場合に比べ比較的高めの温度で凝縮することとなる。このように作動流体を混相状態として冷海水と熱交換させることで、気相単相の場合より高い温度でも安定的に凝縮させられ、気相から液相となる割合を増加させられる。【００４１】
熱交換部３３で十分温度を低下させて液相分の割合を増加させた作動流体は、一部気相分の残った気液混相状態で熱交換部３３の流出口３３ｂを出てシェル３１底部に達し、未凝縮で残った気相分と液相分が分離し、液相の作動流体はシェル３１の作動流体流出口３１ｆから外部に排出されて後段側のタンク３５に流入する。未凝縮分の気相の作動流体は、シェル３１の作動流体流出口３１ｅからさらに補助凝縮器３４に達し、ここで最終的に全て凝縮して液相の作動流体に変化した後、凝縮器３０を出た他の液相作動流体同様にタンク３５に流入する。このタンク３５内に存在する全て液相の作動流体は、ほぼ当初の状態の作動流体の組成に戻っており、液相の作動流体としてはシステム内で最も低い温度及び圧力となっている。このタンク３５に達した全て液相の作動流体は、ポンプ４０を経由して、主流路１ａを蒸発器１０へ向け進むこととなる。【００４２】
なお、第一段目のタービン２１から第二段目のタービン２２に向う高温気相の作動流体の一部（約１％程度）が、抽気されて支流路１ｃに入り、加熱器６０に導入される。加熱器６０では、他方の主流路１ａを通る全て液相の作動流体と前記抽気された高温気相の作動流体とを熱交換させ、全て液相の作動流体を昇温させて、気相の作動流体の保有する熱を回収する。気相の作動流体はこの加熱器６０での熱交換を経て冷却され、凝縮して液相となり、この凝縮した液相の作動流体は加熱器６０を出た後、前記タンク６２及びポンプ６１を経て、支流路１ｃと主流路１ａの合流点で主流路１ａを流れる全て液相の作動流体に加わる。この合流点において、各過程で複数の流路にそれぞれ分れた作動流体が全て一つに合わさることとなり、作動流体におけるアンモニアと水の割合が当初の割合に戻る。
こうして液相の作動流体は、加熱器６０や再生器５０での熱交換を経て、あらかじめ所定温度まで昇温した状態で蒸発器１０内に戻り、前記同様に蒸発器１０での熱交換以降の各過程を繰返すこととなる。【００４３】
この作動流体に対し、凝縮器３０や補助凝縮器３４での熱交換に使用された冷海水は、作動流体からの熱を受けて所定温度まで昇温している。この海水は、凝縮器３０や補助凝縮器３４の外へ排出された後、最終的にシステム外部の海中へ放出される。また、蒸発器１０での作動流体との熱交換に伴い温度が下がった温海水も、熱交換後にシステム外部の海中へ排出される。【００４４】
このように、本実施の形態に係る蒸気動力サイクルシステムにおいては、凝縮器３０と蒸発器１０間の液相作動流体主流路１ａで、凝縮器３０後段側で且つ加熱器６０の前段側位置にポンプ４０を配設し、この主流路１ａにおけるポンプを一つのみとして、他のポンプ動作の影響を排除し、蒸気動力サイクルの運転状態の安定を得ていることに加え、蒸発器１０と凝縮器３０がプレート式熱交換器とシェルを組合わせた構造とされ、蒸発器１０が気液分離器の機能を備える一方、凝縮器３０は吸収器の機能を備え、非共沸混合流体を作動流体として用いる場合に、通常は蒸発器や凝縮器と別途に必要であった気液分離器及び吸収器をそれぞれ省略でき、機器配置に必要なスペースも小さくでき、配置の自由度が増大することに加え、システム全体をコンパクト化、低コスト化できる。また、気液分離器や吸収器に付随する配管も省略でき、配管の存在に伴う圧力損失や熱損失を低減させて有効に取出せる仕事量を増大させられ、高温熱源と低温熱源の温度差が小さくても十分な動力を発生させられる。【００４５】
なお、前記実施の形態に係る蒸気動力サイクルシステムにおいては、改良した蒸発器１０と凝縮器３０、さらにタンク６２やポンプ６１配置の改良を、まとめてシステムに採用した構成としているが、これに限らず、従来の蒸気動力サイクルシステムに、改良された蒸発器、改良された凝縮器、又はタンクやポンプの配置改良をそれぞれ個別に採用するようにしてもかまわない。そして、改良された蒸発器、及び／又は改良された凝縮器については、タービン抽気を行わず加熱器を用いない蒸気動力サイクルシステムにも採用することができ、前記同様システムのコンパクト化が図れる。【００４６】
また、前記実施の形態に係る蒸気動力サイクルシステムにおいて、蒸発器１０や凝縮器３０の熱交換部１２、３３としては、金属製の伝熱プレート７０を複数並列状態で溶接一体化して形成した全溶接プレート式熱交換器を用いる構成としているが、これに限らず、プレート自体に流入口や流出口となる孔が穿設された伝熱プレートを、ガスケットを介在させつつ重ね合せて一体化する、従来から一般的なタイプのプレート式熱交換器等、様々なプレート式熱交換器を採用することもできる。さらに、こうしたプレート式の熱交換器の他、長手方向端部に熱交換対象流体の流入出口が位置するものであれば、例えばシェルアンドチューブ型などの他の形式の熱交換器を採用する構成とすることもできる。【００４７】
また、前記実施の形態に係る蒸気動力サイクルシステムにおいては、蒸発器１０から支流路１ｂに入り再生器５０で熱交換された後の液相の作動流体を、減圧弁５１を経由させて凝縮器３０に導入する構成としているが、この他、凝縮器３０における散水部３２のノズル部分に減圧（膨張）機能を付与して減圧弁を兼用させ、支流路１ｂへの減圧弁の配置を省略する構成とすることもでき、システムの構成がより簡略となり、コストダウンが図れる。
【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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