(57)【要約】【課題】太陽熱等による常温の熱源から動力を取り出す動力産出装置を提供する。【解決手段】周囲の常温の流体を熱源とし、氷の融解熱を冷却源とし、冷媒（アンモニア、プロパン、フロン２１等）を作動流体として、熱機関の系統を構成して得られる動力産出装置。当該動力産出装置において、冷房および太陽熱利用等とのコージェネレーションにより、熱効率を向上させる。当該動力産出装置において、氷の融解後の０℃から熱源温度までの顕熱の約５０％を再び発電等に利用する冷熱源の二重効用の系統を追加することにより、熱効率を向上させる。当該動力産出装置を舶用エンジンに搭載した船体装置。当該動力産出装置で消費する氷は、極寒冷地の海氷を氷コンテナに採取し曳航船により消費地に輸送する。当該氷コンテナは、氷の輸送が簡易かつ低コストに行える。【選択図】図１
2005282361.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周囲の常温の流体を熱源とし、氷の融解熱を冷却源とし、冷媒（アンモニア、プロパン、フロン２１等）を作動流体として、熱機関の系統を構成することを特徴とする動力産出装置。
【請求項２】
請求項１記載の動力産出装置の系統において、作動流体をアンモニアとしたとき、熱源温度が２８℃のときのタービン出力１（Ｋｗ）に対する蒸発器と凝縮器の伝熱面積の合計を伝熱面積率（ｍ２／Ｋｗ  ａｔ２８℃）と呼び、各々約５０％の割合であり、この伝熱面積率を約４から約７（ｍ２／Ｋｗ  ａｔ２８℃）の範囲とすることを特徴とする発電用の動力産出装置。
【請求項３】
請求項２記載の動力産出装置の系統において、伝熱面積率を約８から約１２（ｍ２／Ｋｗ  ａｔ２８℃）の範囲とすることを特徴とする舶用エンジン用の動力産出装置。
【請求項４】
請求項１または２記載の動力産出装置の系統において、氷の融解後の約０℃から約２０℃までの顕熱を冷房に利用する系統を追加することを特徴とする動力産出装置。
【請求項５】
請求項１または２記載の動力産出装置の系統において、太陽熱吸収保温槽等により熱源の温度を高くすることを特徴とする動力産出装置。
【請求項６】
請求項１、２、３のいずれか一項記載の動力産出装置の系統において、氷の融解後の約０℃から熱源温度までの顕熱の約５０％を再び発電等に利用し、冷熱源の二重効用の系統を追加することを特徴とする動力産出装置。
【請求項７】
形状は両端に鏡板を有した円筒形の容器であり、壁は強度部材と断熱材からなり、断熱材は強度部材の片側あるいは両側に設けることを特徴とする氷コンテナ装置。
【請求項８】
請求項７記載の氷コンテナ装置において、両端の鏡板を分離し、中央の円筒部を軸に平行な面で分離し、分解・組立てが可能であることを特徴とする氷コンテナ装置。
【請求項９】
請求項７記載の氷コンテナ装置において、垂直対称面の上部に主ノズルを１基および補助ノズルを１基から２基設け、下部に補助ノズルを１基から３基設ける構造からなることを特徴とする氷コンテナ装置。
【請求項１０】
請求項７記載の氷コンテナ装置において、両端の鏡板付近に円周上に複数の曳航用ロープを取り付け、それらのロープの集結部を別の曳航船により牽引することを特徴とする氷コンテナ装置。
【請求項１１】
請求項１または３記載の動力産出装置の系統を搭載し、船底部に請求項１０記載の氷コンテナを配置し、その上部に蒸発器、凝縮器等の機器を配置し、船底部の氷コンテナの両側に対称にタービ２基を配置し、各タービン軸にはスクリュウが連結される構造からなることを特徴とする船体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発電所や舶用エンジン等の熱機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電所等で用いられるクローズサイクルでは熱源と冷却源を必要とする熱サイクルが用いられる。しかし、冷却源はほとんど注目されず、主に熱源の温度を高めることにより熱効率を向上させる方法が行われていた。
【０００３】
エンジン等で用いられるオープンサイクルでは燃焼ガスを排気する熱サイクルが用いられ、主に熱源の温度を高めることにより熱効率を向上させる方法が行われていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術は高温の熱源を必要とするため燃料が必要となる。しかし、燃焼ガスによる環境汚染の問題や将来的な燃料不足の問題がある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
熱機関では冷却源の温度を下げることは、熱源の温度を上げることと同じ効果がある。本発明では、冷却源に氷の融解熱を用いて冷却温度を下げることにより、常温を熱源とする熱機関を可能とする。
【０００６】
すなわち本発明によれば、熱源の温度は常温であり太陽熱等により自然に供給されるから燃料は不要になる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の一形態について、図１にその系統図を示し説明する。
熱源系１の流体（周囲の海水、河川水、あるいは空気等）は、ポンプ（あるいはブロワー）２により蒸発器３に送られ、作動流体を蒸発させる。
この蒸気はタービン４に入り、蒸気の運動量によりタービン軸１２が回転し、それに連結する動力出力１３を生じる。タービンの排気は、氷の融解熱を用いた凝縮器５で凝縮し、再循環ポンプ１０により加圧され、配管系１１を再循環しクローズサイクルが形成される。
氷は、氷スラリーポンプ７により氷供給源６から凝縮器に送られ、凝縮器において氷の大部分は融解し、分離器８で氷スラリーと水に分離され、氷スラリーは再循環し、水は貯水槽９に排水される。
【０００８】
主な設計因子である、作動流体、蒸発器、凝縮器の決め方を説明する。
熱源側は海水とし、冷却側は氷スラリーとする。
作動流体については、アンモニア（ＮＨ３）、フロン２１（Ｒ２１）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）についてそれぞれの使い方をまとめる。
蒸発器は、水平置きのシェルチューブ形熱交換器とし、作動流体の保有量を少なくするために、管外を作動流体、管内を海水とする。この蒸発器の沸騰熱流束と加熱面の温度差の関係を図２に示す。沸騰熱流束は過熱度の約２乗に比例して増加するため、加熱面の温度差が大きくなると、熱流束が放物線状に増加する。この３種類の流体は、アンモニア、プロパン、フロン２１の順に沸騰熱流束が大きいが、それらの相違は比較的小さい。
凝縮器は、同様に水平置きのシェルチューブ形熱交換器とし、氷濃度分布を一様に近くするために管内を氷スラリーとし、管外を作動流体の凝縮流とする。
この凝縮器の凝縮熱流束と冷却面の温度差の関係を図３に示す。凝縮熱流束は温度差にほぼ比例して増加している。この３種類の流体は、アンモニアが他の２種類に比べて凝縮熱流束が約６倍大きい。
伝熱管はアンモニアの場合は平滑管を用い、プロパンおよびフロン２１の場合はフィン管（面積拡大率約１０倍、フィン効率約０．７）を用いると、伝熱管内面の熱流束はほぼ同程度になり、装置も全体的に同程度になる。従って、以下ではアンモニアについてのみ示す。
伝熱面積を大きくしたとき、氷の消費率が減少する関係を図４に示す。図中の伝熱面積率は、熱源温度が２８℃のときのタービン出力１（Ｋｗ）に対する蒸発器と凝縮器の伝熱面積の合計であり、各々約５０％の割合である。伝熱面積率（ｍ２／Ｋｗ  ａｔ２８℃）は約４から約１２の範囲が妥当である。発電所向けでは、熱源温度が安定して高くとれるから、資本効率を良くするために伝熱面積率を小さくとる。しかし、舶用エンジン向けでは、海水表面温度が１０℃以上で運転可能とするために、伝熱面積率を大きくとる。このように、伝熱面積率を２種類選んで、熱源温度による冷熱効率（＝タービン出力／氷の融解熱）の変化を図５に示す。
以上により、主な設計因子である、作動流体の選択と、そのときの蒸発器、凝縮器の大きさの決め方を、発電所向けと舶用エンジン向けについて、定量的に示した。
【０００９】
氷の融解後の０℃から約２０℃までの顕熱を冷房に利用することができる。この冷熱量を、熱源温度が２８℃の発電量（冷熱効率０．０７）と比較すると、エネルギー量では約３倍（冷熱の利用効率８０％として、０．８＊２０／（８０＊０．０７）＝２．８）、電気量換算では、約４０％（＝２．８／７、ＣＯＰ＝７として）の増加となる。
【００１０】
太陽熱利用や各種の廃熱利用等により熱源温度を周囲の海水温度より高くすれば冷熱効率が図５に示すように増加する。例えば熱源温度が１０℃増加すれば、冷熱効率は約３％増加し、電気出力では約４０％（＝０．０３／０．０７）の増加となる。
【００１１】
冷房および太陽熱利用等とのコージェネレーションの基本的な一形態についての系統図を、基本的な系統図の図１にコージェネレーションの部分を追加して図６に示す。熱源系の流体１は、太陽熱吸収保温槽１６により周囲の温度より高い輻射平衡温度に保温され、ポンプ２により蒸発器３に送られ、作動流体を蒸発させる。この蒸気はタービン４に入り、蒸気の運動量によりタービン軸１２が回転し、それに連結する動力出力１３を生じる。タービンの排気は、氷の融解熱を用いた凝縮器５で凝縮し液相になる。液相はポンプ１０により加圧され、配管１１を再循環しクローズサイクルが形成される。
氷は、氷スラリーポンプ７により氷供給源６から凝縮器に送られ、凝縮器において氷の大部分は融解し、分離器８で氷スラリーと水に分離され、氷スラリーは再循環する。
水は送水ポンプ１５により冷房負荷系１４へ送水され、約０℃から約２０℃までの顕熱を冷房に利用し、その後貯水槽９に貯水される。この貯水槽の水は海氷が融けた水であるから、必要な処理を加えた後に飲料水や工業用水に利用できる可能性がある。
【００１２】
氷の融解後の０℃から熱源温度までの顕熱の約５０％を再び発電に利用することができる。この二重効用による発電量の増加率は、熱源温度１０℃のときには約３％から、熱源温度４０℃のときには約１２％と熱源温度により増加する。
この二重効用の系統は、基本的な系統図の図１に二重効用の部分を追加して図７に示す。作動流体は蒸発器の出口で分岐し、小形のタービン１７、
小形の凝縮器１８、小形のポンプ１９を流れ、蒸発器の入口で合流する。このタービンには小形の動力出力２０が連結する。冷却系の水は、分離器８から送水ポンプ１５により凝縮器１８へ送水され、顕熱の約５０％を利用し、その後貯水槽９に排水される。
【００１３】
大きな氷の重量・体積は、海中で支える必要がある。氷の貯蔵は、円筒形の断熱層の容器に入れる。氷の比重が０．９２であるから、体積の約９０％が海中に、約１０％が海上に現れる。容器壁の応力は水面上の約１０％の重量を支えるため海面付近で大きくなるが、容器壁はプラスチック系の材料で耐える。
【００１４】
氷の貯蔵と輸送を兼ねる氷コンテナに関する基本的な一形態について図８に概念図を示す。
氷コンテナ２１は、両端に鏡板を有した円筒形の容器である。壁面２２は、強度部材と断熱材からなる。断熱材は、強度部材の片側あるいは両側に設ける。強度部材は繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）系（厚さ１０ｍｍから５０ｍｍ）、断熱材は発泡体プラスチック系（厚さ約１５０ｍｍから３００ｍｍ）を用いる。
氷を粉砕して海水に混ぜて氷スラリーとしてポンプで吸引し氷コンテナの上部の主ノズル２３から流し込み、氷コンテナの下部の補助ノズル２５から別のポンプにより液を排出し、氷コンテナをほぼ氷で満たす。容器内で氷スラリーを水平方向に移動させるために上部の補助ノズル２４を用い、垂直方向に移動させるために下部の補助ノズル２５を用いる。
氷コンテナ船に氷が積載されると、氷の消費地まで輸送するため、曳航用ロープ２８のロープ集結部２９を別の曳航船により牽引する。
氷の消費地において、氷コンテナ船の氷がなくなると、氷の積載地点まで輸送する動力を低減するため、氷コンテナ船を解体する。このため、両端の鏡板を分離線２６で分離し、中央の円筒部を軸に平行の分離線２７で分離し、分解・組立て可能な構造とする。
現状の造船ドックで建造可能な氷コンテナ船の１例としては、船体直径３６ｍ、船体長さ３００ｍ、容積３０万立方メートル程度である。
【００１５】
電気出力１万Ｋｗの設備における、氷の消費量は、冷熱効率を６％として、月間約１３０万トン（１４０万ｍ３）になる。氷の貯蔵量を１月分の消費量とすれば、容積３０万立方メートルの氷コンテナ船が約５基必要になり、その海面の表面積は、約６万平方メートルとなる。氷貯蔵の基本的な一形態を図９に示すように、海上設備３０は、海中に複数の氷コンテナ２１を繋留し、その海面上に太陽熱吸収保温槽１６を設ける。太陽熱を受ける面積は、熱消費量より太陽熱の受熱量を大きくするために、約２５万平方メートル必要となる。熱源流体には純水が用いられ、太陽熱吸収保温槽内を流れるとき、太陽熱による液温上昇が短時間で輻射平衡温度に達するように、その流れの厚さを薄く（約２ｍｍから約２０ｍｍ）とる。
【００１６】
図１の系統図により舶用エンジンを構成することができる。このような舶用エンジンにおける機器の配置に関する基本的な一形態について図１０に概念図を示す。
船本体３１の底部に氷コンテナ２１が格納され、その上部に蒸発器３、凝縮器５、がある。タービン４は底部に対称に２基設け、それぞれのタービン軸にはスクリュウ３２が連結される。
熱源には周囲の海水を用いる。船が前進しているとき、船の速度による海水の動圧を失わないようにしながら海水をポンプで吸込み、蒸発器で熱交換したあと、船の後方に向けて放出し、ポンプ吸込みによる流れの運動エネルギーを船の推力に利用する。
【００１７】
氷の積載地点は、極寒冷地の海洋であり、気候は陸地に比べると厳しくなく、年降水量も少ない。従って、その氷は主に海氷（海水が凍結してできた氷）であり、ブライン（塩分濃度が大きく凍結しない液相、約２０％重量）が含まれている。
氷の積載方法は、スタート時には氷コンテナを満液状態にしてノズルの高さを低くしておき、砕氷船により氷原等の中に進入し、氷を粉砕して海水に混ぜて氷スラリーとしてポンプで吸引し氷コンテナの上部の主ノズルから流し込み、氷コンテナの底部の補助ノズルから別のポンプにより液を排出し、氷コンテナをほぼ氷で満たす。
【００１８】
【発明の効果】
本発明の動力産出装置は、周囲の常温の熱源から動力を取り出すから燃料が不要になる。
【００１９】
本発明の動力産出装置は、発電、冷房、太陽熱利用のコージェネレーションを組むことにより、等価電気出力が増加し、プラントの経済的効率が向上する。
【００２０】
本発明の動力産出装置は、冷熱源の二重効用の系統を組むことにより、発電量の増加率は、熱源温度１０℃のときには約３％から、熱源温度４０℃のときには約１２％と熱源温度により増加し、プラントの経済的効率が向上する。
【００２１】
本発明の動力産出装置を、舶用エンジンに適用することができる。海水表面温度が高い方とき冷熱効率が高くなるが、１０℃以上で運転が可能とみなせる。
【００２２】
本発明の氷コンテナは、複数基を直列に連結して曳航船により牽引するから、氷の輸送が簡易かつ低コストに行える。
【００２３】
本発明の氷コンテナは、分解・組立てが可能であるから、氷の消費地において、氷がなくなると分解して占有体積を小さくして、氷の積載地点までの輸送を低コストに行える。
【００２４】
本発明の氷コンテナは、分解・組立てが可能であり、円筒部を複数連結し体積を大きくし、輸送を低コストに行える。
【００２５】
本発明の氷コンテナは、上部の主ノズル、下部の補助ノズル、上部の補助ノズルを備えているから、氷スラリーや海水をポンプに吸込み必要な場所に吐出し、氷の出し入れを、簡易かつ低コストに行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の基本的な一形態を説明する系統図である。
【図２】本発明の実施における作動流体の選択方法を説明する特性値（沸騰熱流束と加熱面の温度差の関係）の計算結果を示す。
【図３】本発明の実施における作動流体の選択方法を説明する特性値（凝縮熱流束と冷却面の温度差の関係）の計算結果を示す。
【図４】本発明の実施における伝熱面積の選択方法を説明する特性値（氷消費率と伝熱面積率の関係）の計算結果を示す。
【図５】本発明の実施における伝熱面積の選択方法を説明する特性値（冷熱効率と、熱源温度の関係）の計算結果を示す。
【図６】本発明の実施の冷房および太陽熱利用等とのコージェネレーションの基本的な一形態を説明する系統図である。
【図７】本発明の実施の発電設備における海上設備の主要な一部分の基本的な一形態を説明する概念図である。
【図８】本発明の実施の氷コンテナ船に関する基本的な一形態を説明する概念図である。
【図９】本発明の実施の舶用エンジンにおける機器の配置に関する基本的な一形態を説明する概念図である。
【符号の説明】
１：熱源、                          ２：熱源系ポンプ、
３：蒸発器、                        ４：タービン、
５：凝縮器、                        ６：氷供給源、
７：氷スラリーポンプ、              ８：氷スラリーと水の分離器、
９：貯水槽、                      １０：再循環ポンプ、
１１：配管系、                      １２：タービン回転軸、
１３：動力出力（発電機等）          １４：冷房負荷系、
１５：送水ポンプ                    １６：太陽熱吸収保温槽、
１７：二重効用系統のタービン        １８：二重効用系統の凝縮器
１９：二重効用系統の再循環ポンプ    ２０：二重効用系統の動力出力
２１：氷コンテナ本体                ２２：氷コンテナ壁面
２３：氷コンテナ主ノズル            ２４：氷コンテナ上部補助ノズル
２５：氷コンテナ下部補助ノズル      ２６：氷コンテナ鏡板分解線
２７：氷コンテナ円筒部分解線        ２８：氷コンテナ曳航用ロープ
２９：氷コンテナ曳航用ロープ集結部  ３０：海上設備
３１：船本体                        ３２：スクリュウ
【図１】
2005282361.tif 000003
【図２】
2005282361.tif 000004
【図３】
2005282361.tif 000005
【図４】
2005282361.tif 000006
【図５】
2005282361.tif 000007
【図６】
2005282361.tif 000008
【図７】
2005282361.tif 000009
【図８】
2005282361.tif 000010
【図９】
2005282361.tif 000011
【図１０】
2005282361.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成16年11月5日(2004.11.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図面の簡単な説明
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の基本的な一形態を説明する系統図である。
【図２】  本発明の実施における作動流体の選択方法を説明する特性値（沸騰熱流束と加熱面の温度差の関係）の計算結果を示す。
【図３】  本発明の実施における作動流体の選択方法を説明する特性値（凝縮熱流束と冷却面の温度差の関係）の計算結果を示す。
【図４】  本発明の実施における伝熱面積の選択方法を説明する特性値（氷消費率と伝熱面積率の関係）の計算結果を示す。
【図５】  本発明の実施における伝熱面積の選択方法を説明する特性値（冷熱効率と、熱源温度の関係）の計算結果を示す。
【図６】  本発明の実施の発電、冷房および太陽熱利用等とのコージェネレーションの基本的な一形態を説明する系統図である。
【図７】  本発明の実施における氷融解後の０℃から熱源温度までの顕熱の約５０％を再び発電に利用する二重効用の基本的な一形態を説明する系統図である。
【図８】  本発明の実施の氷コンテナ船に関する基本的な一形態を説明する概念図である。
【図９】  本発明の実施の海面上に太陽熱吸収保温槽を有する氷貯蔵の基本的な一形態を説明する概念図である。
【図１０】  本発明の実施の舶用エンジンにおける機器の配置に関する基本的な一形態を説明する概念図である。
【符号の説明】
１：熱源、                            ２：熱源系ポンプ、
３：蒸発器、                          ４：タービン、
５：凝縮器、                          ６：氷供給源、
７：氷スラリーポンプ、                ８：氷スラリーと水の分離器、
９：貯水槽、                          １０：再循環ポンプ、
１１：配管系、                        １２：タービン回転軸、
１３：動力出力（発電機等）            １４：冷房負荷系、
１５：送水ポンプ                      １６：太陽熱吸収保温槽、
１７：二重効用系統のタービン          １８：二重効用系統の凝縮器
１９：二重効用系統の再循環ポンプ      ２０：二重効用系統の動力出力
２１：氷コンテナ本体                  ２２：氷コンテナ壁面
２３：氷コンテナ主ノズル              ２４：氷コンテナ上部補助ノズル
２５：氷コンテナ下部補助ノズル        ２６：氷コンテナ鏡板分解線
２７：氷コンテナ円筒部分解線          ２８：氷コンテナ曳航用ロープ
２９：氷コンテナ曳航用ロープ集結部    ３０：海上設備
３１：船本体                          ３２：スクリュウ