JP5842286B2

JP5842286B2 - 蒸気発生装置

Info

Publication number: JP5842286B2
Application number: JP2012026475A
Authority: JP
Inventors: 徹神成; 慶明三保
Original assignee: Sasakura Engineering Co Ltd
Current assignee: Sasakura Engineering Co Ltd
Priority date: 2012-02-09
Filing date: 2012-02-09
Publication date: 2016-01-13
Anticipated expiration: 2032-02-09
Also published as: JP2013164180A; US9048384B2; AU2013200564B2; AU2013200564A1; US20130206573A1

Description

本発明は、蒸気発生装置に関し、より詳しくは、熱電発電と共に蒸気を生成する蒸気発生装置に関する。

従来の蒸気発生装置として、例えば特許文献１に開示された構成が知られている。この蒸気発生装置は、高温の伝熱媒体が通過する管部材がハウジングの内部に設けられており、管部材の表面に熱電素子モジュールが配置されている。熱電素子モジュールは伝熱プレートにより覆われており、スプレーノズルから伝熱プレートの表面に水が噴射される。

上記の構成を備える蒸気発生装置は、伝熱プレートに供給された水が高温の伝熱媒体により加熱されて水蒸気が生成されると共に、熱電素子に生じる温度差によって発電を行うことができる。

国際公開第２０１１／１２１８５２号パンフレット

ところが、上記従来の蒸気発生装置は、水蒸気が発生するハウジングの内部に熱電素子が配置されているため、熱電素子の発電によって得られた電力を確実に外部に取り出すための絶縁構造が煩雑になるおそれがあった。また、管部材の外部への放熱が大きく、熱ロスが過大になるという問題もあった。特に、管部材を通過する伝熱媒体として２００℃以上の高温の液状媒体を使用する場合には、管部材の内外の温度差による熱移動が生じ易くなり、上記の熱ロスの問題が顕著になるため、エネルギー効率を向上させる観点から更に改良の余地があった。

そこで、本発明は、高い発電性能を長期間維持することができる蒸気発生装置の提供を目的とする。

本発明の前記目的は、水平に延びるように配置され高温流体が通過する高温管、前記高温管の水平方向両側にそれぞれ配置され前記高温流体よりも低温の低温流体が通過する低温管、および、前記高温管と前記各低温管との間に介在され前記高温管と前記各低温管との温度差によって発電する熱電モジュールを備え、前記低温管は、供給された液状の前記低温流体が、前記高温流体との熱交換により上部から蒸気となって排出されるように構成されている蒸気発生装置により達成される。

この蒸気発生装置は、前記低温管内における前記低温流体の液面高さを検出するレベルセンサを更に備えることが好ましい。前記熱電モジュールは、前記高温管が延びる水平方向に沿って複数に分割して配置されていることが好ましい。また、前記高温管の内部には、固形化した高温流体を溶融させるための発熱体が設けられていることが好ましい。

上記の蒸気発生装置は、前記高温管、低温管および熱電モジュールを収容し、内部を減圧可能な容器を更に備えることが好ましい。この構成において、前記容器は、前記高温管に沿った長手方向一端側に開閉可能な蓋体を有することが好ましく、前記高温管、低温管および熱電モジュールは、前記蓋体を開放することにより、一体化された状態で、前記高温管と平行なガイドレールに沿って前記容器の外部に搬出可能に構成されていることが好ましい。

上記の蒸気発生装置は、太陽エネルギーにより熱媒体を加熱して前記高温流体を生成する熱源供給装置を更に備えることができる。

上記の蒸気発生装置は、生成された前記低温流体の蒸気を熱源として、蒸発法により海水を淡水化する海水淡水化システムを構成することができる。あるいは、上記の蒸気発生装置は、生成された前記低温流体の蒸気を熱源として蒸発法により海水を淡水化すると共に、発電された電力を利用して逆浸透膜法により海水を淡水化する海水淡水化システムを構成することができる。

本発明によれば、高い発電性能を長期間維持することができる蒸気発生装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る蒸気発生装置の概略構成図である。図１のＡ−Ａ断面図である。図１に示す蒸気発生装置の要部を示す拡大図である。図１に示す蒸気発生装置の他の要部を示す拡大断面図である。図１に示す蒸気発生装置を利用した海水淡水化システムの一例を示す概略構成図である。

以下、本発明の一実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る蒸気発生装置の概略構成図であり、図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。図１および図２に示すように、蒸気発生装置１は、容器２の内部に、高温管１０、低温管２０および熱電ユニット３０を備える本体４０が収容されて構成されている。容器２は、筒状に形成され、長手方向の一端側に開閉可能な蓋体２ａを備えており、水平な状態で床面等に設置される。この容器２は、ベント出口２ｂがバルブ２ｃを介して真空ポンプや蒸気エゼクタ等の吸引装置２ｄに接続されており、吸引装置２ｄにより真空引きすることで、容器２の内部を真空状態に減圧することができる。容器２の内面は、アルミ張りや鏡面仕上げが施されており、容器２の外部への放熱を抑制可能とされている。

高温管１０は、扁平な矩形状断面を有しており、複数がそれぞれ容器２の長手方向に沿って延びるように配置されている。各高温管１０の長手方向一端側における下部および上部には、複数の分岐部を有する分岐管１１，１２の各分岐部がそれぞれ接続されている。各分岐管１１，１２は、容器２の側壁に固定された高温流体供給管１３および高温流体排出管１４にフランジ部１５，１６を介してそれぞれ接続されており、各高温管１０に対して下部から高温流体を供給して上部から排出できるように構成されている。高温管１０の内部は、図１に破線で示すように、仕切壁１７によって上下方向に分割されており、高温管１０に沿って流れる高温流体が端部で折り返して往復しながら上昇するように、高温流体の流路が形成されている。高温流体は、２００℃以上（好ましくは３００℃以上）に加熱された熱容量が大きい液体であることが好ましく、具体的には、溶融塩、油、溶融金属等を挙げることができる。高温流体の生成は、特に限定されないが、後述するように太陽エネルギーを利用して熱媒体を加熱する装置を好ましく使用することができる。

低温管２０は、各高温管１０に対して、それぞれの水平方向両側（すなわち、矩形状断面の短辺方向に沿った両側）に配置されており、各高温管１０が延びる水平方向に沿って複数に分割して設けられている。高温管１０からの放熱ロスを最小限に抑制するため、各低温管２０は、高温管１０の側壁全体を覆うように隙間無く配置することが好ましい。各低温管２０の下部および上部には、複数の分岐部を有する分岐管２１，２２の各分岐部がそれぞれ接続されている。各分岐管２１，２２は、容器２の側壁に固定された低温流体供給管２３および低温流体排出管２４にフランジ部２５，２６を介してそれぞれ接続されており、各低温管２０に対して下部から低温流体を供給して上部から排出できるように構成されている。各低温管２０に供給される低温流体は、例えば水等の熱容量が大きい液体が好ましく、高温管１０との熱交換により加熱された蒸気が低温管２０から排出される。

図２に示すように、低温流体供給管２３および低温流体排出管２４には、連通管２７を介してレベルセンサ２８が低温管２０と並列に接続されている。レベルセンサ２８は、低温管２０の内部における液面高さを検出できるように容器２の外部に配置されている。低温流体供給管２３および低温流体排出管２４は、それぞれ導入管５０および導出管５２に接続されており、導入管５０および導出管５２には、それぞれ開閉弁５０ａ，５２ａが介在されている。また、導出管５２には、導出管５２を通過する蒸気の温度（または圧力）を検出する温度センサ（または圧力センサ）５４が設けられている。制御装置（図示せず）は、レベルセンサ２８が検出する低温管２０内の液面高さが所定の高さ範囲に維持されるように、導入管５０の開閉弁５０ａの開度調整を行うと共に、導出管５２を通過する蒸気の温度・圧力が所望の値に維持されるように、温度センサ（または圧力センサ）５４の検出に基づいて、導出管５２の開閉弁５２ａの開度調整を行う。これにより、発生蒸気の後流側の使用目的に基づき、発生蒸気の温度あるいは圧力を設定して調整することができる。

熱電ユニット３０は、各高温管１０の水平方向両側（すなわち、矩形状断面の短辺方向に沿った両側）にそれぞれ配置されており、高温管１０と低温管２０との間に介在されている。高温管１０に対する低温管２０および熱電ユニット３０の取り付けは、例えば図３に示すように、高温管１０の表面に固定されたボルト４１に、低温管２０のフランジ部２０ａに形成された挿通孔２０ｂを挿通した後、ボルト４１に対して更にコイルばね４２を挿通し、コイルばね４２が十分縮むようにナット４３を螺合させて行うことができる。このような取付構造を用いて低温管２０の複数個所を高温管１０に取り付けることで、各コイルばね４２の付勢力によって高温管１０と低温管２０との間に熱電ユニット３０を確実に挟持することができると共に、高温管１０からの放熱でボルト４１が熱膨張した場合でも、コイルばね４２が縮んだ状態が維持される限り、低温管２０を押圧し続けることができる。すなわち、低温から高温までの大きな温度差に起因する変形によって熱電ユニット３０の挟持力が低下するのを確実に防止して、安定した発電性能を得ることができる。

熱電ユニット３０は、図４に断面図で示すように、電気絶縁材料等からなるシール体３１の内部にマトリクス状に配置された複数の熱電モジュール３２を備えている。各熱電モジュール３２は、電極を介して交互に接続された複数のｐ型半導体素子およびｎ型半導体素子（いずれも図示せず）を備える公知の構成であり、高温管１０と低温管２０との温度差によって発電するように配置されている。各熱電モジュール３２の大きさは、例えば５０ｍｍ×５０ｍｍであり、本実施形態では８個の熱電モジュール３２によって、低温管２０と略同じ大きさを有する熱電ユニット３０が構成されている。シール体３１の内部空間は、密閉して内部を真空にしたりガスを封入することにより、素子の劣化を防止して耐久性を高めることができる。但し、高温管１０から低温管２０への伝熱を促して放熱ロスを抑制するため、シール体３１を設けない構成にすることも可能である。本実施形態のように、小サイズの熱電モジュール３２を高温管１０と低温管２０との間に配置することにより、高温管１０および低温管２０に対して熱電モジュール３２を個別に圧着させることができるので、伝熱ロスを抑制して高い発電効率を得ることができる。

熱電ユニット３０は、図１に低温管２０の一部を切り欠いて示すように、高温管１０に沿って複数が分割配置されると共に、高温管１０と直交する鉛直方向に沿っても分割されることでマトリクス状に配置されており、隣接する熱電ユニット３０を導線（図示せず）により直列または並列に接続して、容器２の外部に電力を供給することができる。本実施形態のように、複数の熱電モジュール３２により熱電ユニット３０を構成し、この熱電ユニット３０を複数配置することで、熱電ユニット３０単位でメンテナンスや修理・交換などの作業を迅速容易に行うことができる。但し、熱電モジュール３２をユニット化することは本発明において必須のものではなく、熱電モジュール３２を高温管１０の表面に個別に配置することも可能である。この場合も、高温管１０が延びる水平方向に沿って熱電モジュール３２を順次配置することが好ましい。

熱電モジュール３２が備えるｐ型半導体素子およびｎ型半導体素子の材料は特に限定されず、熱電モジュール３２が配置される高温管１０の温度に応じた公知のものを適宜選択すればよい。例えば、低温域においてはＢｉ−Ｔｅ系の材料を使用することができ、高温域においてはシリサイド系の材料を使用することができる。高温管１０の温度が高い場合には（例えば３００℃以上）、熱電モジュール３２をカスケード化して、高温域から低温域までの広い温度領域で熱電発電を行うことができるように構成してもよく、これによって熱電発電の高効率化を図ることができる。更に、高温管１０は高温流体の流れ方向に沿った温度勾配を有することから、各熱電モジュール３２の半導体材料の選択を、配置される高温管１０の部位に応じて個別に行うことが可能である。この構成によれば、各熱電モジュール３２の発電効率を個別に向上させることができるので、温度差を高効率に利用することができる熱電ユニット３０およびその集合体が得られる。

また、図４に示すように、高温管１０の内部に形成された流路の内部には、電気ヒータや高温蒸気パイプ等からなる発熱体１８が、高温管１０に沿って延びるように配置されている。なお、高温管１０には更にドレン（図示せず）が設けられており、停止時等の非使用時に高温流体を外部に排出することができる。

上記の高温管１０、低温管２０および熱電ユニット３０を備える本体４０は、図１および図２に示すように、容器２の内部上面に固定された２つのガイドレール３に、複数の支持部材４を介して吊り下げ支持されている。各支持部材４は、下端側が本体４０（例えば高温管１０）の上部に固定されると共に、上端側がガイドレール３に沿って移動可能に構成されている。また、容器２の蓋体２ａは、吊下具（図示せず）によって回転等により取り外し可能に支持されている。ガイドレール３は、テレスコピック構造等により伸縮可能に構成されており、蓋体２ａを取り外した状態で、図１に破線で示すように、容器２の外部に搬出レール３ａを延出させることができる。搬出レール３ａは、ガイドレール３から延出させる代わりに、容器２の外部からガイドレール３に連結して、支柱（図示せず）等により支持するように構成することも可能である。

上記の構成を備える蒸気発生装置１は、容器２の蓋体２ａを閉じて内部を真空に減圧した後、各高温管１０および各低温管２０にそれぞれ高温流体および低温流体を供給することにより、高温流体と低温流体とが熱交換され、低温流体排出管２４から水蒸気が排出される。また、これと同時に、各熱電ユニット３０には温度差が生じるため、外部に電力を取り出すことができる。

本実施形態の蒸気発生装置１は、高温流体および低温流体がそれぞれ高温管１０および低温管２０の内部を通過するため、熱電ユニット３０を高温流体および低温流体から隔離して配置することが可能である。したがって、熱電ユニット３０が液体や蒸気に晒されるおそれがないため、電気的な短絡が生じ難くなり、絶縁構造が煩雑化する問題が解消される。

また、高温管１０の水平方向両側に熱電ユニット３０を介して低温管２０を配置する構成にすることで、高温管１０の表面が露出する面積を低減することが容易になり、放熱ロスを抑制して熱電ユニット３０の十分な温度差を確保することができる。更に、熱電ユニット３０を配置できる領域が大きくなるため、発電効率を向上させることができる。特に、高温管１０の断面形状を本実施形態のように偏平な矩形状断面とすることで、高温管１０の長手方向を長くした場合や複数の高温管１０を並列配置した場合の放熱ロスを最小化することができ、蒸気発生装置１のコンパクト化および高効率化を図ることができる。すなわち、蒸気発生装置１の発電量や蒸気発生量を増大させる場合には、高温管１０を水平方向に延長させると共に、この延長させた部分の水平方向両側に熱電ユニット３０および低温管２０を隙間無く配置することで、高温管１０の露出部の増加を効果的に抑制することができる。かかる構成は、複数の高温管および低温管を交互に配置して積層する構成と比較して、高温管からの放熱ロスを大幅に低減することができるので、発電効率や蒸気発生効率を高めることができる。また、高温管１０を複数配置した場合でも、対象となる熱電ユニット３０を覆う低温管２０のみを取り外すだけで修理や交換等の作業を行うことができ、メンテナンス性を良好にすることができる。

容器２内は減圧によって真空雰囲気となるため、高温管１０からの対流による放熱が生じず熱ロスが更に軽減されると共に、熱電ユニット３０の酸化を確実に防止することができ、耐久性を良好に維持することができる。容器２の内面には、本実施形態のように鏡面仕上げやアルミ加工等の反射処理を施すことが好ましく、高温管１０の輻射熱を低減させることで、発電効率をより高めることができる。また、本実施形態のように本体４０を容器２内に収容した場合には、乾燥し絶縁された低温の環境を持つ空間を容器２の内部に形成することができるので、熱電ユニット３０が発電した電力を集める配線（特に強電側）や、温度・電圧・電流等を検出するための計装用配線の取り回しを容易にすることができる。但し、容器２は、本発明において必須のものではなく、容器２を備えない構成にすることも可能である。

また、低温管２０内の液面高さをレベルセンサ２８により検出可能に構成することで、この検出に基づいて例えば開閉弁５０ａの開度調整を行うことにより、低温管２０内の液面高さを所定の範囲内に容易に保つことができ、熱電ユニット３０の発電性能を良好に維持することができる。

また、熱電ユニット３０を高温管１０に沿って複数に分割することで、熱電ユニット３０の故障時における修復作業を迅速容易に行うことができる。各熱電ユニット３０の出力は、個別あるいは所定のグループ毎に電圧検出器等で検出可能に構成することも可能であり、故障した熱電ユニット３０の特定を容易にして、修復作業を効率良く行うことができる。

本実施形態の蒸気発生装置１は、図１に破線で示すように、容器２の蓋体２ａを開放した後、各フランジ部１５，１６，２５，２６を分離することにより、高温管１０、低温管２０および熱電ユニット３０が一体化された本体４０がガイドレール３に沿って移動可能になる。そして、図１に示すように、搬出レール３ａを、ガイドレール３から容器２の外部に延出させるか、あるいは、容器２の外部からガイドレール３に連結することにより、本体４０をガイドレール３および搬出レール３ａに沿って容器２の外部に移動させることができる。したがって、熱電ユニット３０の修理や交換等の作業をより容易に行うことができる。このような構成は、本実施形態のように高温管１０が長尺であり、高温管１０に沿って複数の熱電ユニット３０が配置されている場合に、特に効果的である。なお、各フランジ部１５，１６，２５，２６には、熱変形を緩和するためのフレキシブル管（図示せず）を介在させてもよく、この場合は、フレキシブル管を取り外すことにより、本体４０を移動させることができる。

高温流体として溶融塩を使用する場合、蒸気発生装置１の停止後に溶融塩の温度が低下して約１４０℃以下になると、溶融塩が固形化するため、再起動が困難になるおそれがある。このような場合には、高温管１０内の発熱体１８を作動させることで、高温流体を再溶融させて流動性を確保することができるので、運転再開時の作動不良を防止することができる。

以上詳述した蒸気発生装置１は、図５に示すように、太陽エネルギーにより熱媒体を加熱して高温流体を生成する熱源供給装置６０を備えることで、必要な温度まで昇温された大量の高温流体を容易に得ることができる。熱源供給装置６０の具体的な構成は公知であり、例えば国際公開第２０１１／１２１８５２号パンフレットに開示されている。熱源供給装置６０で加熱された高温流体は、蒸気発生装置１の高温流体供給管１３（図２参照）に供給されて発電および蒸気生成に利用された後、高温流体排出管１４（図２参照）から熱源供給装置６０に供給されて、再び加熱される。

また、蒸気発生装置１で発生した低温流体の蒸気は、図５に示すように、蒸発式海水淡水化装置７０と組み合わせることで、海水淡水化システムを構成することができる。蒸発式海水淡水化装置７０は、多段フラッシュ法や多重効用法を例示することができ、蒸気発生装置１の低温流体排出管２４（図２参照）から導入された低温流体の蒸気を熱源として、蒸発法により海水を淡水化する。海水と熱交換した低温流体の蒸気は、凝縮された後、蒸気発生装置１の低温流体供給管２３（図２参照）から再び低温管２０に供給される。蒸発式海水淡水化装置７０に導入される低温流体の蒸気温度は、５０〜１８５℃の温度範囲に設定されることが好ましい。特に、低温流体の蒸気温度を１４０〜１８５℃（例えば、１７５℃）に設定することで、海水淡水化処理に利用された後の低温流体の蒸気の一部を、蒸気エゼクタを使用して再度淡水化処理に利用することが可能になり、処理能力を向上させることができる。蒸発式海水淡水化装置７０に導入される低温流体の蒸気温度は、上述したように、導入管５０および導出管５２の開閉弁５０ａ，５２ａ（図２参照）の開度調整により、所望の温度に維持することができる。

図５に示す海水淡水化システムは、逆浸透膜海水淡水化装置８０を更に備えている。逆浸透膜海水淡水化装置８０は、海水の取り込み、海水の逆浸透膜への通水、生成された淡水の送出等を行うための各種ポンプ（図示せず）を備えており、蒸気発生装置１により発電された電力を利用してこれらのポンプ等を駆動することにより、エネルギーの有効利用を図りつつ、立地条件等の制約を受けにくくすることができる。図５に示す海水淡水化システムにおいて、熱源供給装置６０や蒸発式海水淡水化装置７０の作動についても、蒸気発生装置１により発電された電力を利用することができる。

１蒸気発生装置
２容器
２ａ蓋体
３ガイドレール
１０高温管
１１，１２分岐管
１８発熱体
２０低温管
２１，２２分岐管
２８レベルセンサ
３０熱電ユニット
３２熱電モジュール
４０本体

Claims

水平に延びるように配置され高温流体が通過する高温管、
前記高温管の水平方向両側にそれぞれ配置され前記高温流体よりも低温の低温流体が通過する低温管、および、
前記高温管と前記各低温管との間に介在され前記高温管と前記各低温管との温度差によって発電する熱電モジュールを備え、
前記低温管は、供給された液状の前記低温流体が、前記高温流体との熱交換により上部から蒸気となって排出されるように構成されている蒸気発生装置。
前記各低温管は、前記熱電モジュールと隣接しない水平方向一方側が露出する請求項１に記載の蒸気発生装置。
前記低温管内における前記低温流体の液面高さを検出するレベルセンサを更に備える請求項１または２に記載の蒸気発生装置。
前記熱電モジュールは、前記高温管が延びる水平方向に沿って複数に分割して配置されている請求項１から３のいずれかに記載の蒸気発生装置。
前記高温管の内部に、固形化した高温流体を溶融させるための発熱体が設けられている請求項１から４のいずれかに記載の蒸気発生装置。
前記高温管、低温管および熱電モジュールを収容し、内部を減圧可能な容器を更に備える請求項１から５のいずれかに記載の蒸気発生装置。
前記容器は、前記高温管に沿った長手方向一端側に開閉可能な蓋体を有し、
前記高温管、低温管および熱電モジュールは、前記蓋体を開放することにより、一体化された状態で、前記高温管と平行なガイドレールに沿って前記容器の外部に搬出可能に構成されている請求項６に記載の蒸気発生装置。
太陽エネルギーにより熱媒体を加熱して前記高温流体を生成する熱源供給装置を更に備える請求項１から７のいずれかに記載の蒸気発生装置。
請求項１から８のいずれかに記載の蒸気発生装置により生成された前記低温流体の蒸気を熱源として、蒸発法により海水を淡水化する海水淡水化システム。
請求項１から８のいずれかに記載の蒸気発生装置により生成された前記低温流体の蒸気を熱源として、蒸発法により海水を淡水化すると共に、
請求項１から７のいずれかに記載の蒸気発生装置により発電された電力を利用して、逆浸透膜法により海水を淡水化する海水淡水化システム。