JP6469338B2 - 装置内部の圧力と大気圧の圧力差によってできる水柱を利用した熱交換装置 - Google Patents

Description

本発明は、減圧することで水の気化を容易にし、その気化熱を利用する熱交換装置およびポンプに関する。

従来、熱交換を行う装置にはクーリングタワーがあるが、熱伝導率が悪い空気に対して熱交換するものであり、効率が悪かった。また、クーリングタワーにより夏は空気が熱せられ、冬は空気が冷却され、ヒートアイランド現象の原因あるいはその現象に拍車をかけるものであるとされている。また、その装置の効率を上げるため、電動ファンにて水と空気を撹拌するので騒音、振動を発している。

また、原子力施設の燃料棒の崩壊熱は、燃料棒を水を満たしたプールに浸し、水の顕熱を利用して冷却されている。水を循環させて空気中に放熱し冷却されていると想像される。しかしながら、福島第一原発の現在の例のように、その循環経路に穴がある場合、汚染水が膨大に発生し、その処理が出来ず、蓄積されるのみであるというのが現状である。

特願２０１３−１３９８ 特願２０１３−７７１６５

サイエンスシアターシリーズ『熱をさぐる−温度と原子分子編３』 ものを冷やす 板倉聖宜著 株式会社仮説社 ２００３．８．１０ 東北大学流体科学研究所 圓山重直著 ２０１１．４．１１ 『原子炉冷却方法の比較』 水の物性値（空調・暖房・衛生設備の計算図表、ＶＤＩ、（株）オーム社、田中辰明） 地中熱利用にあたってのガイドライン 環境省 水・大気環境局土壌環境課地下水・地盤環境室 平成２４年３月 熊本県地下水（深井戸）台帳 熊本県企画部 昭和４１．３． 青森県地中熱利用推進ビジョン 青森県 ２００８．２．

上記のクーリングタワーの問題に鑑み、空気よりも熱伝導率のよい物質に対して熱交換できる熱交換装置を提供するとともに、その装置を原子力施設の燃料棒冷却装置に応用し、汚染水を発生させない冷却装置を提供する。

請求項１の発明は、熱交換対象と、熱交換機１と、熱交換機２と、水面をもつ液相の水と、構造体と、真空配管と、前記熱交換機２はシリンダー状で底はなく前記水面をもつ液相の水に開放であることで構成され、さらに、前記熱交換機１の底には液相の水が容れられていることと、前記熱交換機２には水柱をつくる手段を用いて大気圧と装置内部の圧力の圧力差によりできる水柱（以下、水柱と呼ぶ）がつくられていることと、前記熱交換機２の全高をＨ、前記水柱の前記水面からの高さをｈｗ、前記水柱の最上部から前記熱交換機２の最上部までの高さをｈｌ、前記熱交換機２が前記水面をもつ液相の水に挿入される高さをｈ２とすると、Ｈ＝ｈｌ＋ｈｗ＋ｈ２（ｈｌ、ｈ２は正の数、ｈｗは０を含む正の数）となるように装置全体を保持する前記構造体であり、前記水面をもつ液相の水温は、前記熱交換対象より低く、前記熱交換機１の水は、前記熱交換対象より気化熱をうばい、減圧沸騰をし気相となり、前記真空配管を通して前記熱交換機２に移動し、前記熱交換機２に移動した前記熱交換機１の水は、前記水柱に気化熱をあたえ、液相となることを特徴とする熱交換装置である。

熱交換機１に容れた水が全て気相となれば冷却運転を終了するのが欠点である。翻って考えて現在、福島第一原発を水棺にしようとする案があるが、これは請求項１の実施形態２０と同等のことである。

福島原発を水棺にする方法は、原子力施設の燃料棒冷却プールの冷却方法として考えた場合、巨大な水面をつくらなければならない。大気圧と装置内部の圧力の圧力差によってできる水柱の最高高さは１０．３（ｍ）程度であるからだ。また、装置内部の圧力は上がり続け装置内に水蒸気を発生させる。もし、燃料棒が水蒸気内に入れば冷却されることなくメルトダウンし、液相の水に触れ水蒸気爆発の危険があることが解る。

請求項１の発明によれば、あらゆる物質において最大の気化熱をもつ水の物性を利用することが可能になる。また、水の比エンタルピは２７３（Ｋ）から３７３（Ｋ）において減圧をすることで沸点を下げることにより、比エンタルピが向上することも併せて利用が可能となる。また、空気より熱伝導率がよい水に対して熱交換ができる。また、副次的に福島第一原発を水棺にする案が危険であることを証明できる。

平井昇一氏考案の『蒸発冷却実験装置』 請求項１の実施形態 請求項１の実施形態１０、２０のブロック図 水柱を水面上につくる手段 請求項２、請求項３の実施形態 請求項４のブロック図 請求項４ 熱交換機１、水位計測手段１の実施形態 請求項４ 放射線防護の手段 操作部の実施形態 その１ 請求項４ 操作部の実施形態 その２ 請求項４ 実施例１（水面を海水面とする場合） 請求項４ 実施例１（水面を海水面とする場合） 熱交換機２の高さを調節する手段 請求項４ 実施例１（水面を海水面とする場合） 全体図 請求項４ 実施例２（水面を井水面とした場合） 請求項４の装置のフロー図 請求項５のブロック図（請求項１の場合） ターミナル１、２の実施形態 請求項６の実施形態

まず、Ｗ．カレン博士考案の『世界最初の冷凍機』と、平井昇一氏考案の『蒸発冷却実験装置』はについては、前記非特許文献１に詳細に書かれている。また、この文献の著者である板倉氏は、平井昇一氏考案の『蒸発冷却実験装置』の公開実験などもされている。なお、説明の必要上、『蒸発冷却実験装置』を図１に示す。これは、同著をもとに小生が描いたものである。『蒸発冷却実験装置』は図１に示すように逆Ｕ字型の容器の両端に水を容れ、装置内の空気を真空引きし、わずかな水蒸気があるだけにしたものである。この実験装置によりなされる現象については、小生も興味深く考察したのであるが、小生の考察では『減圧することにより、水の気化を容易にし、その気化熱によるもの』という結論に達した。

本発明は、『減圧することによって水の気化を容易にし、その気化熱を利用する装置』の一例である。

水蒸気圧と温度の関係は、アントワン式で近似され、数式１となる。

ここに、Ｐ：圧力（単位：トル）、Ｔｂ：温度（単位：セルシウス度）である。

ＳＩ単位系に換算して次式、数式２を得る。

ここに、Ｐ：圧力（単位：Ｐａ） Ｔｂ（単位：Ｋ）である。

以下、請求項１の発明について説明する。

請求項１の発明の実施形態である装置１０は、図１−２、図２−１ブロック図に示すように、熱交換対象１１と、熱交換機１（１２）と、熱交換機２（１３）と、水面１４をもつ液相の水１４１と、構造体１５と、真空配管１６と、前記１４１の水温は前記１１の温度より低いことと、前記１３はシリンダー状で底はなく前記１４をもつ前記液相の水１４１に開放であることで構成され、さらに前記１２には液相の水１２１が容れられていることと、前記１３には水柱をつくる手段１３１を用いて大気圧と前記１０内部の圧力の圧力差によりできる水柱１３２がつくられていることと、前記１３の全高をＨ、前記１３２の前記１４からの高さをｈｗ、前記１３２の最上部から前記１３の最上部までの高さをｈ１、前記１３が前記１４１に挿入される高さをｈ２とすると、Ｈ＝ｈ１＋ｈｗ＋ｈ２（ｈ１、ｈ２は正の数、ｈｗは０を含む正の数）となるように装置全体を保持する前記１５で構成され、前記１２１は前記１１より気化熱をうばい、減圧沸騰をし気相となることと、前記気相となった前記１２１は液相の状態の容積より１２４０倍に膨張するので前記１６を通して前記１３に移動することと、前記気相となり、前記１３に移動した前記１２１は、前記１３２に気化熱をあたえ、液相となることと、前記１３２の高さは前記１０内部の圧力に相関し一定の高さであるから、前記気相となり、前記１３に移動し、前記１３２により気化熱をうばわれ液相となった前記１２１とほぼ同じ容量の液相の水１４２が前記１３２より前記１４１に対して前記１３下部より放出されることと、前記１２１が全て気相となったら運転を終了することを特徴とする熱交換装置である。

ここでご不信の向きがあるかもしれないから、メカニズムについて再度説明する。
水は液相から気相になるとき１２４０倍に膨張する。
よって、前記１２１は減圧沸騰し、気相となり、前記１０内部の圧力をわずかに増大させることにより前記１３２をわすかに押し下げ、また、液相の水を前記１３２より前記１４１に放出する。
その後、わずかに押し下げた前記１３２の上に気相となった前記１２１は液化し見かけ上は前記１３２の高さは変化しない。
また、最後、見かけ上の空間が増大するので圧力は減少するのではないかと思う人があるかもしれないが、前記１２１の容積の１２４０分の１の液相の水が前記１２内で気化して見かけ上ふえた容積分の空間をつくっていると考えるのが妥当である。

これは、Ｗ．カレン博士が考案した『世界最初の冷凍装置』の真空ポンプを水柱に置き換えたものと考えられる。ただし、人類でこの装置を実験した人は存在せず、推測で記述したことを了解いただきたい。

ここで、図１−２に示される前記１３２の前記１４からの高さｈｗ（ｍ）について説明する。
ここに、１（ｍＡｑ）＝９８０６．６５（Ｐａ）、（大気圧）＝１０１３２５（Ｐａ）であるから、前記１０内部の圧力をＰ１（Ｐａ）、水柱の高さをｈｗ（ｍ）とすると、次式が成り立つ。

数式３は工学上はこれで問題ないと思われるが、大気圧は変化するので、さらに詳細に検討する場合は、設置水面付近の気圧Ｐ２（Ｐａ）を測定する必要がある。その測定値を加味して次式を得る。

さらに、１（ｍＡｑ）の値は純水が２７７（Ｋ）である場合の数値であるので、水面下の水の密度ρ（Ｋｇ/立法メートル）を測定し、補正を行うとさらに詳細に計算できる。前述を加味して次式を得る。

ちなみに、数式２、数式３を用いて、水の三重点６１２（Ｐａ）の時、ｈｗ＝１０．２７（ｍ）となる。

また、前記１２１と前記１３２が両方減圧沸騰すると装置の能力が減少するのではないかと思われる。なぜなら水分子が衝突することによってエネルギーが失われると思われるからだ。前記数式２を用いて前記１２１のみが減圧沸騰するように装置内の圧力は制御されるべきであろう。また、数式３、数式４、数式５によって装置内の圧力は前記ｈｗで計測できるので便利である。

前記１３１について図３を用いて例示する。
前記１３１は、様々な手段が考えられるが、最も一般的なものは、図３−１に示すように前記１６に枝管１６１と排気用逆止弁１３１１を設け、そこから真空ポンプ１３１２を用いて前記１０内部の湿り空気１３１３を排出して前記１０内部を減圧し、前記１３２をつくることであろう。２つめの方法として、図３−２に示すように前記１３と前記１６の取合い部に開閉弁１３１４と前記１３と前記１６のジョイント１３１５とフック１３１６を設け、前記１３１４を全開の状態で前記１３を前記１４１に沈め、前記１３内部に水を満たした状態で前記１３１４を全閉とし、前記１３１６を用いて揚重機械で前記１３を吊りあげ適当な位置で前記１５を用いて前記１３を保持し、前記１２と前記１６と前記１３を接続したのち前記１３１４を全開にして前記１３２をつくる方法もある。さらに、３つめの方法として、前記１３の底部にふた１３１７を設けて前記１３１７を全閉の状態で前記１３を前記１５にて保持し、前記１３１４を全開とし、そこから水を注入し、前記１２と前記１６と前記１３を接続したのち前記１３１７を全開とし前記１３２をつくる方法もある。その他様々な方法が考えられる。

次に効果について述べる。
水の気化熱は現在知られる限りあらゆる物質の中で最大である。

また、非特許文献３より、沸騰温度Θにおける比蒸発エンタルピγは、温度が低ければ低いほど高い数値を示す。つまり、２７３（Ｋ）〜３７３（Ｋ）の範囲で、減圧して沸点を下げれば下げるほど気化熱が増大する。

以上、２点の利点を利用し、前記１１を冷却することが可能となる。

また、前記１２１が全て気相となれば、冷却を終了する。

請求項１の実施形態２０は、前記１４１の水温が前記１１より高い場合の前記１０の使用である。

請求項１の発明の実施形態２０は、図１−２、図２−２ブロック図に示すように、前記１０において、前記１１より高い水温をもつ液相の水２４１であることと、前記２４１は水面２４を持つことで構成され、前記１３の内部の圧力は前記２４１の温度に相関し上がることと同時に前記１２１の量が増えることと、前記１３の内部の圧力が上がることにより前記１３２は減圧沸騰しなくなることと、前記１２１が満杯となっても前記１６を通して液相の前記１２１が前記１３に流入することから運転は止まらないことと、前記２４１の温度が３７３（Ｋ）である場合前記１３２のｈｗ＝０となるが前記１３２の沸騰は止まらないため装置の運転は止まらないことと、装置内部に大気圧の水蒸気が形成されることを特徴とする熱交換装置

メカニズムについて説明する。前記請求項１と逆の現象がおこることは明白であるが、もう一つ前記１０とは異なる現象がおきる。前記１０は一つの閉じた空間での減圧沸騰であったが、前記２０の場合は、開放された空間であるから、前記２４１の水蒸気を装置内に取り込む。つまり、前記２０内部の圧力はどんどん上昇する。よって数式２により圧力があがれば前記１３２は減圧沸騰はしなくなる。どの程度の水蒸気を取り込むかは不明であるが、燃料棒が永い時間崩壊熱を出すことを考えれば無視できない。また、前記２４１が３７３（Ｋ）の場合、前記２０内部の圧力は大気圧となり、沸騰は行われるが、そこで装置内部の水蒸気は飽和を迎えるのではないかと推測するが、なお、運転は継続する。

福島第一原発では、水棺にしようとしている案があるが、詳細は不明なのであるが、この装置によく似ているのである。
つまり、発熱体を中空に浮かすことは不可能なので、底を地殻に開放して他の部分を容器に容れることを考えるであろう。
しかしながら、地殻には地下水が存在する。地殻を考慮しなければ、全く同じ構成となるのである。
また、前記ｈｗの最大値は大気圧の環境下で最高で１０．３（ｍ）である。
この高さでは到底原子力施設をおおう高さには至らないのでもう一つ別の水面をもつ液相の水が必要となる。
そうなれば、全く前記２０と同じになる。
この考察より、水棺という対策が必ずしも良策でないが解る。

さらに、請求項１の発明の実施形態３０は、前記１０、前記２０において、前記１１の温度と前記水面３（３４）をもつ液相の水３（３４１）の温度差が変動する場合の前記１０、前記２０の使用である。

前記１２１が全て気相となるか前記１３２が減圧沸騰しなるかの範囲で前記１１と前記１４１の温度の変動を自動で検知し、前記１１と前記１４１が同温になるように働くことと、運転を継続することを特徴とする熱交換装置である。

以下、請求項２の実施形態４０について説明する。

前記４０は、図４−１に示すように、前記１３と同じものを別の水面４４をもつ液相の水４４１に設けて熱交換機４３とすることと、前記１３と前記４３を前記１６で結ぶことと、前記請求項１と同様に前記４０を保持する構造体4５と、前記４４１の温度は前記１４１の温度より高いこと、前記４３にも前記１３１を用いて大気圧と前記４０内部の圧力の圧力差によりできる水柱４３２がつくられていることで構成され、前記４３２は前記４４１より気化熱をうばい減圧沸騰し、気相となり液相の状態の容積より１２４０倍に膨張するとことと、前記４０の内部の圧力は前記気相となり膨張した水によりわずかに上り、前記１３２と前記４３２は前記気相となった水の液相の状態での容積の２分の１の容積の水を前記１３と前記４３の下部よりそれぞれ前記１４１と前記４４１にそれぞれ放出することと、前記気相となった水は前記１３の方へ移動することと、その際前記４３の下部より前記気相となった水の液相の状態での容積と同じ容積の水が前記４４１から前記４３に侵入することと、前記移動した気相の水は前記１３２に気化熱を与え、ふたたび液相となることと、前記１３の下部より前記再び液相となった水の容積の２分の１の容積の水が前記１４１に対して放出されることと同時に前記４３の下部より前記再び液相となった水の容積の２分の１の容積の水が前記４４１より前記４３に侵入することと、前記１４１と前記４４１が同じ水温になるとそれを維持しようとすることと、初期条件が維持される限りこの運転は維持されることを特徴とする熱と水のポンプである。

また、前記２０と同様に減圧沸騰する空間が開かれた空間であるため前記２０と同じ現象が起きる。

副次的に、前記４４１は蒸留されるが、トリチウムを除去することはできない。

原子力施設の燃料棒冷却装置として最適であると思ったが、トリチウムも移動してしまうのでもし前記４４１がトリチウムで汚染されていれば前記１４１も汚染されてしまう。

利用の可能性として、温泉水面と水耕水面とに設置し、水耕水面下の水温を上げることと水を供給することにより水耕植物の生育を助けるなどの可能性が考えられる。

以下、請求項３の実施形態５０について説明する。

請求項３の発明の実施形態５０は前記１０において、前記１２１が全て気相となれば前記１０の運転は終了するものであったが、前記１２に水を供給する手段５１を用いることによって前記１０の運転を継続させることを特徴とする熱交換装置である。

前記５１を図４−２を用いて例示する。

前記５１は図４−２のように、前記１２１に浮かべられた球体の浮き５１１と、前記５１１の浮力を伝達する軸５１２と、前記５１１のモーメント力により開閉する弁５１３と、前記５１３の開閉方向の回転以外を拘束する丁番５１４と、配管５１５と、前記５１５に満たされ、前記５０内部の圧力より大きい圧力である液相の水５１６で構成される。

前記１２１が所定量であれば、前記５１１は浮力により図４−２のような位置にあり、その浮力は前記５１２により前記５１３に伝わり、前記５１３は図４−２のような位置にあり、前記５１５に満たされ、前記５０内部の圧力より大きい圧力である液相の水５１６を堰き止めることが可能であるが、前記１２１の水面が下降すればそれに伴って前記５１１も下降し、その力は前記５１２により前記５１３に伝わる。前記５１３は、前記５１４により前記５１４の軸廻りに反時計廻りに回転することは拘束されていないので前記方向に回転し、前記５１３と前記５１５の間にすきまを生じ、前記５０内部の圧力より大きい圧力である液相の水５１６がすきまを通して前記１２内部に流入する。

なお、この装置のメカニズムは、前記１１より気化熱をうばい、前記１２１は減圧沸騰をし、液相から気相となる。その際、１２４０倍に膨張するので、前記１３２を押し下げ、前記１３の下部より前記１４１に対し前記１４２を放出する。つぎに気相となった前記１２１は前記１３２に気化熱をあたえ気相から液相となる。また、前記１２１は前記５１により気相となった前記１２１の液相の量だけ補給されるので、この装置の運転は継続される。

なお、前記５０の利用の可能性として、クーリングタワーとしての利用が考えられる。従来のクーリングタワーは熱伝導率に劣る空気に対して放熱するものであり、前記５０を利用すれば、空気より熱伝導率のよい水に対して放熱が可能となる。

また、非特許文献６によれば、地殻の熱伝導率は水よりさらに良い。
そこで、水面を井水面とすると、本発明の効率はさらに上がる。
地殻が近接するからだ。

請求項４の発明は、前記５０の装置が原子力施設の燃料棒の冷却に非常に適していることから、福島第一原発向けに基本設計をなしたものである。

請求項４の発明の実施形態６０は図５ブロック図に示すように、前記５０で、前記１１を原子力施設の燃料棒冷却プール６１とすることと、熱交換機１（６２）と、操作部６３と、前記１３と、前記６１の使用済み燃料棒６１１を冷却する液相の水６１２の温度より低い温度をもつ水面１４をもつ液相の水１４１と、前記６０を所定の位置に保持する構造体６６と、前記１３の高さを調節する手段６６１と、前記６２１を施された真空配管６７と、前記１６と、前記１６１と、放射線汚染区域に設ける前記６０の一部は全て前記６２１を施すことで構成される。

さらに、前記６１は、燃料棒６１１と冷却水６１２で構成されることと、前記６２は放射線防護の手段６２１と所定量の液相の水６２２と、所定量の液相の水供給手段５１と熱交換機１に容れる液相の水５１６とで構成されることと、前記６３は前記６２２の水位計測手段１（６３１）と圧力計６３２と開閉弁６３３と前記６０に容れる空気６３４と前記１３２の水位計測手段２と排気用逆止弁６３６と真空ポンプ６３７と前記６０内部より排出される湿り空気６３８とで構成される。

なお、請求項１から３の発明は、空気を含有しない理想的な液相の水で考案したもので、現実的にはあり得ない。前記１０から前記５０の装置は空気を含有する液相の水より空気を装置内に取り込み、前記１０から前記５０の装置内部の圧力は上昇し、前記１３２他の高さは下降し、装置の能力は低下することは自明である。

そこで、前記１３１の一手段として登場した前記１３１１と前記１３１２と前記１３１３は必ず必要であると判断し、新たに６３６、６３７、６３８として前記６３に構成した。

また、前記６０内部の圧力を計測するのに、前記６３５より数式３、数式４、数式５を用いて計算できるが、実用上は前記６３と前記６４は離れて設けられる可能性が高いので、前記６３２を前記６３に配した。

また、前記６６には、前記１４の高さが変動することが予想されるので、前記１３の高さを調節する手段６６１が必要であると考えた。

前記６２を図６−１を用いてさらに詳しく述べる。

前記６２は、前記６２１により防護されることと、直方体の下部に円柱を複数もつ圧力容器であり、内部に前記６２２を容れてある。前記６２円柱部の大部分は前記６１１の前記６１２の水面以下に挿入される。また、前記６２１により防護された前記５１と接続され、前記６２２が所定量より不足すると前記５１により液相の水５１６が供給されることと、直方体の上部に前記６２１により防護された前記６７を有し、前記６７または前記１６を通して前記１３と接続される。

前記６３１について最も容易なものは図６−２に示すものであろう。

すなわち、前記６２の直方体の部分の側面に開口１（６３１１）と開口２（６３１２）を設け、前記６３１１と前記６３１２の間をコの字状の透明な容器６３１３でつなぐ方法である。前記６３１３内部にできる水の液面は前記６２２の水の液面と同じとなる。なお、前記６３１３は、放射線防護のため鉛ガラスで作成する。

つぎに、前記６２１について、図７−１、図７−２、図７−３を用いて例示する。

前記６２の前記６２１は図７−１断面図のように、熱伝導率、コストの観点から（アルミニウム）＋（鉛）＋（アルミニウム）の３層構造とすればよい。なお、将来的には、カーボンナノチューブの熱伝導率がアルミニウムの１５〜２０倍良いことから、カーボンナノチューブが最適となるのかも知れない。前記６７の前記６２１については図７−２断面図のように、熱伝導の必要がないことから（配管材）＋（鉛）＋（配管材）の３層構造で足りうる。また、前記６３１の前記６２１は図７−３断面図のように鉛ガラスを使用する。

次に前記６３２について図７−４を用いて例示する。

前記６３２は、丸型フラスコ状の透明な容器６３２１と、前記６３２１に７割程度入れた液相の水６３２２と、前記６３２２の温度を測定する温度計６３２３と、ふた６３２４と、開閉弁１（６３２５）と、開閉弁２（６３２６）と、前記１６１で構成される。

使用方法は、前記６３２６を全閉とし、前記６３２４を開け、前記６３２１に前記６３２２と前記６３２３を容れ、前記６３２４を閉め、前記６３２５を全閉とし前記６３２６を全開とする。そうすると、前記６３２２は、前記６２２と同じ圧力となるので、減圧沸騰をする。ある程度減圧沸騰が治まったところで前記６３２３を用いて前記６３２２の温度を測定し、その値を数式２に代入し圧力を計算して求めるものである。もし、減圧沸騰が行われていない場合は前記６３６より前記６３７を用いて前記６３８を前記６０内より排出して前記６０内部を減圧し、前記６３２２が減圧沸騰した時、前記６３２３を用いて前記６３２２の温度を測定する。また、前記６３２にも前記６２２より水が供給されるので、時々前記６３２を取り外し増加した水を排出する必要がある。

次に前記６３３について図８−１を用いて例示する。なお、これは既出であるが、さらに詳細に例示する。

前記６３３は、バタフライ型弁６３３１と、弁軸６３３２と、弁軸受け６３３３と、弁軸取手６３３４と、前記６３４を取り入れる開口６３３５とで構成される。

操作方法は、前記６３３４に全閉位置側に回転モーメント力を加えると、その力は前記６３３２を通して前記６３３１に伝わり前記６３３１は回転し前記１６１を塞ぐ。逆に全開方向に回転モーメント力を加えると前記６３３１は逆方向に回転し前記１６１を閉塞せず、もし前記６０内部の圧力が負圧であれば、前記６３４を前記６３３５を通して前記６０内部に取り込み、前記６０内部の圧力は増大する。

つぎに、前記６３６について図８−２を用いて例示する。なお、これは既出であるが、さらに詳細に例示する。

前記６３６は、図８−２に示すように、弁体６３６１と、弁軸６３６２と、コイルばね６３６３と、開口１（６３６４）と、弁軸受け６３６５と、開口２（６３６６）と、前記１６１で構成される。

操作方法は、前記６３６６廻りの圧力が前記６０内部の圧力より大きいか等しい場合は、その圧力差による力と前記６３６３の引張力の合力により、前記６３６１は前記６３６４を塞ぐ位置にあるが、前記６３６６廻りの圧力が前記６０内部の圧力より小さい場合は、その圧力差による力により前記６３６６の方向に動き、前記６３６１は前記６３６４を開放する。また、前記６３６５により、前記６３６１と前記６３６２は前記６３６６方向の動き以外は拘束されている。

つぎに、前記６３５を図８−３を用いて例示する。

前記６３５は、前記１３と、前記１３２と、前記１３に欠き込を設けることと、前記欠き込部分に透明な圧力容器６３５１を設けることと、前記１３２が前記６３５１に侵入できるように適宜開口６３５２を設けることで構成され、前記１３２の液面と前記１３２が前記６３５１に前記６３５２を通して侵入した前記６３５１の液面は同じ高さとなることを特徴とする。

前記６３７について説明する。
前記６３７は、湿り空気６３８を真空引きする関係上、現在のところ水封式真空ポンプしか使用できない。
よって、水の三重点つまり６１２（Ｐａ）以下の真空引きは不可能である。
真空ポンプ内の水が固相となりそれ以上の真空引きができないからだ。
よって、現在のところ前記６０内部の圧力は６１２（Ｐａ）〜大気圧つまり１０１３２５（Ｐａ）までの利用となる。

前記６６は、図９−１、図９−２、図１０−２に示されるように、前記１３の高さを調節する手段６６１と、基礎６６２と、柱６６３と、梁６６４と、緩衝材６６５と、前記１３１を施工する際必要なフック６６６とで構成される。

なお、前記１４の地殻からの高さは変化するので、前記６６４の下端から地殻までの高さをＨ１（ｍ）、前記１４の地殻からの最高高さをＨｗｍａｘ（ｍ）とすると、Ｈ１（ｍ）＝Ｈｗｍａｘ（ｍ）+ａ１（ｍ）（ａ１は正の数）となるようにすることと、前記６６４の天端から地殻までの高さをＨ２（ｍ）、前記１４の地殻からの最低高さをＨｗｍｉｎ（ｍ）とすると、Ｈ２（ｍ）+ａ２（ｍ）=ｈｗ（ｍ）+Ｈｗｍｉｎ（ｍ）（ａ２は正の数）となるようにすることが必要である。

なお、福島原発を襲った１５ｍの津波をＨｗｍａｘ（ｍ）として想定すると、級数的に前記６６が大きくなりコストが莫大なものとなる。
もし、この場合は前記６３３を全開にし前記６０内部の圧力を大気圧とし、後述する前記６６１を用いて前記１３を前記１４１の水中に沈め津波が行き過ぎるのを待つ。
この場合でも前記６０が健全でかつ前記６１が健全であれば前記６０の大気圧での利用となり効率は低下するが、前記６１が３７３（Ｋ）を超えることはないであろう。

つぎに、図１０−１を用いて前記６６１を例示する。

前記６６１は、シリンダー状で底はなく、下部は前記１４１に開放の圧力容器６６１１と、空気取り入れ口６６１２と、空気取り出し口６６１３と、前記６６１１にはいった水６６１４と、前記６６１１にはいった空気６６１５とで構成され、前記６６１３を全閉の状態で前記６６１２より気蓄器を用いて空気を前記６６１１に入れていくことによって前記１３の自重を打ち消し、前記６６１１の天端の高さを前記１４の水面の高さと同じ高さとすることと、津波など非常の際には前記６６１３を全開とし前記１３を前記１４１に自重を用いて沈めることを特徴とする。

つぎに前記６０の全体図を図１０−２に示す。

前記１６と前記１６１と前記６７の振り分けは放射線汚染区域が図１０−２のような範囲であると仮定した。もし、汚染がこの仮定を上回れば当然前記６７の使用部分は拡がる。

また、前記１６と前記６７には配管勾配がとってあるが、これは、前記１０〜５０の装置の性能の阻害要因として、気相となった水が結露水として前記１６と前記６７に滞留し、粘性流となって性能低下をきたす恐れがあるからだ。前記１６と前記６７の内壁は撥水加工を施し、もし結露しても重力によって前記６２や前記１３に移動するようにすれば阻害要因をキャンセルできる。また、前記１６と前記６７の保温工事は非特許文献１の実験結果より必要ないと思われるが、もし、効果があれば施してもよいだろう。

つぎに、使用方法を図１２ 請求項４のフロー図を用いて説明する。

前記６２に、前記５１を用いて、前記５１６を容れ、前記６２２とする。

前記６３１を用いて前記６２２が所定量であるかどうかを判断する。

Ｙｅｓであれば次に進み、Ｎｏであれば前記６２に、前記５１を用いて、前記５１６を容れ、前記６２２とするところまでもどる。

前記６３３を全閉とする。

前記６３６より前記６３７を用いて前記６０内部の前記６３８を排出し、真空引きを行う。

前記６０内部は減圧され、前記１３には前記１３２が形成される。なお、他の前記１３１を使用してもよい。

前記６０内部の圧力が所定値となったかどうか前記６３２あるいは前記６３５により判断する。

Ｙｅｓであれば次に進み、Ｎｏであれば、前記６３６より前記６３７を用いて前記６０内の前記６３８を排出し、真空引きを行うところまでもどる。

前記６２２の一部は減圧沸騰し、液相から気相となり、前記６２２の残りの液相の水から気化熱をうばい前記６２を冷却する。

前記６２に接した前記６１２は冷却され、前記６１１も冷却される。

前記６２の気相となった前記６２２は前記１３の方へ移動する。

移動した前記６２２の気相となった水は前記１３２に気化熱を与え、液相となる。

前記１３２の高さは前記６０内部の圧力により一定である。

前記１３２に気化熱を与え液相となった前記６２２の一部の水と同じ容積の水が前記１３の底部より前記１４１に排出される。

運転を継続するかどうか判断する。

Ｙｅｓであれば次に進み、ＮｏであればＳｔａｒｔまでもどる。

前記６３３を全開とし、前記６０内に前記６３４を取り込み、前記６０内部の圧力を大気圧とし運転を終了する。ただし、前記６０内部の圧力を大気圧としても効率は落ちるが運転は継続される。

つぎに、効果について述べる。

非特許文献２によれば、福島第一原発の発熱量は、事故発生後３０日で２、３号機で１．５（ＴＪ）、１号機で０．８（ＴＪ）であるとされている。これを日当たりに換算すると、２、３号機で５０（ＧＪ/日）、１号機で２６．７（ＧＪ/日）となる。

そこで、先程の２９３（Ｋ）での比蒸発エンタルピ：γで換算すると、２、３号機で２０．４（立法メートル/日）、１号機で１０．９（立法メートル/日）この装置を用いて水を気化させればよいことになる。２年経過した現在での発熱量は当初に比較して小さくなっているのではないかと推測される。

以上は、請求項４の前記１４を海水面としての実施例であった。
つぎに、請求項４の前記１４を井水面とした実施例を図１１を用いて述べる。

非特許文献３と非特許文献４と非特許文献５によれば、地中深度１０（ｍ）近辺には、年平均気温より１（Ｋ）〜２（Ｋ）高い温度をもつ地中恒温帯が存在する。また、その部分の地殻の熱伝導率は水よりもよいことがわかる。その事実を利用すれば、地上の水面に設置するよりも効率がよい。なぜなら、井戸の場合、地殻と近接するからである。

ただし、福島第一原発の例では、地中恒温帯も放射能により汚染されているとみるべきであろう。福島第一原発では、まず、前記請求項４の発明の海水面での実施後、汚染水が漏れ出している穴を特定し、それを塞ぎ、地中恒温帯の放射能汚染の度合いが低くなってから請求項４の発明の井水面での実施すべきであろう。放射能の半減期は非常に永いので小生はこの世に存在していないが、ここに遺しておく。

各部の構成について述べる。前記１４は図１１−１、図１１−２のように、井戸６８に設置されることを特徴とする。

なお、前記６６１は、図１１−３に示すように前記６５４にフック６６１７を取り付けることと、前記１３にフック６６１８を取り付けることと、前記６６１７と前記６６１８の間にチェーンブロック６６１９を取り付けることを特徴とする。

以下、本発明の請求項５の発明について述べる。

前記請求項５の発明の実施形態である７０は、図１３−１ 請求項５のブロック図に示すように請求項１の発明において、前記１２の数を自然数とすることと、前記１３の数を自然数とすることと、複数の前記１２をターミナル１（７５）を通して前記１３あるいはターミナル２（７６）と接続することと、複数の前記１３を前記７６を通して前記１２あるいは前記７５と接続することを特徴とする。

なお、図１３−１は請求項１を表したが、前記請求項２、前記請求項３、前記請求項４でも実施可能であることは自明である。

前記７５、前記７６の実施形態を図１３−２、図１３−３に例示する。

以下、請求項６の発明について説明する。

前記請求項１、前記請求項２、前記請求項３、前記請求項４、前記請求項５の装置の性能向上を考えた場合、前記１３２を撹拌する手段を用いれば性能が向上するのは自明である。前記１３２の熱せられた水は密度が下がり前記１３の上部に滞留し、熱交換を妨げるからだ。

そこで、前記１３１を撹拌する手段８０を図１４−１、図１４−２、図１４−３を用いて例示する。

前記８０は、前記１３の外部天端に設けられた風杯型風車８１と、動軸１（８２）と、軸受け１（８３）と、動輪１（８４）と、フレーム１（８５１）と、前記８４底面に取り付けられた磁石１（８６１）と、前記１３の内部上部に設けられた動輪２（８７）と、前記８７上面に取り付けられた磁石２（８６２）と、動軸２（８８）と、前記８８に取り付けられた撹拌棒８８１と、軸受け２（８９）と、フレーム２（８５２）と、前記１３２とで構成され、前記１３の設置場所に風が吹くと前記８１が回転し、その回転力は前記８２を通して前記８４と前記８６１を回転させることと、前記８５１と前記８３により前記８２は回転以外の運動を拘束されることと、前記８６１と前記８６２は異極となるように取り付けられているので磁力により前記８６１の回転力が前記８６２と前記８７にも伝わることと、前記８８を通して前記８８１も回転することと、前記８８１は前記１３２を撹拌することと、前記８５２と前記８９により前記８８は回転以外の運動を拘束されていることを特徴とする前記１３２を撹拌する手段を付加した前記１３をもつ前記請求項１と、前記請求項２と、前記請求項３と、前記請求項４と、前記請求項５の装置である。

請求項７の発明の実施形態９０は、前記１３２の熱伝導率を向上させるため、熱伝導率の良い材料９１（カーボンナノチューブ等）を前記１３２に混入させることを特徴とする前記請求項１、前記請求項２、前記請求項３、前記請求項４、前記請求項５、前記請求項６の装置である。

以上、本発明の実施形態のうちいくつかを図面に基づいて詳細に説明したが、これらはあくまで例示であり、当業者の知識に基づいて種々の変形、改良を施した他の形態で本発明を実施することが可能である。

まず、この発明を福島第一原発で実施することを切に望む。
また、工場やオフィスビルで従来使用されているクーリングタワーを本発明に変えれば、効率的にかつ省エネルギーかつ低振動・低騒音で放熱ができる。
また、派生的に発明された請求項２の発明によれば、温泉水の熱と水を水耕する水面に供給できるなど農業にも利用できる。

１１：熱交換対象
１２：熱交換機１
１２１：熱交換機１に容れられた液相の水
１３：熱交換機２
１３１：大気圧と装置内部の圧力の圧力差によってできる水柱をつくる手段
１３２：大気圧と装置内部の圧力の圧力差によってできる水柱
１４：水面
１４１：水面をもつ液相の水
１４２：液相の水の放出
１５：構造体：装置全体を保持する
１６：真空配管
２４：水面２
２４１：水面２をもつ液相の水２
２４２：液相の水の取り込み
３４：水面３
３４１：水面３をもつ液相の水３
３４２：液相の水の放出、取り込み
Ｈ：熱交換機２の全高（ｍ）
ｈｗ：水柱の水面からの高さ（ｍ）
ｈ１：水柱の天端から熱交換機２の最上部までの高さ（ｍ）
ｈ２：熱交換機２の下部が水面をもつ液相の水に挿入される高さ（ｍ）

１６１：真空配管枝管
１３１１：排気用逆止弁
１３１２：真空ポンプ
１３１３：装置内部より排出される湿り空気
１３１４：開閉弁
１３１５：真空配管ジョイント
１３１６：フック
１３１７：熱交換機２下部ふた
１３１８：丁番

４３：熱交換機３
４３２：熱交換機３につくられた大気圧と請求項２の装置内部の圧力との圧力差によりできる水柱
４４：水面４
４４１：水面４をもつ液相の水４
４５：請求項２の装置全体を保持する構造体
５１：熱交換機１に水を供給する手段
５１１：浮き
５１２：伝達軸
５１３：弁
５１４：丁番
５１５：熱交換機１に水を供給する配管
５１６：熱交換機１に容れる液相の水

６１：原子力施設の燃料棒冷却プール
６１１：燃料棒
６１２：冷却水
６２：熱交換機１
６２１：放射線防護の手段
６２２：熱交換機１に容れる液相の水
６７：放射線防護の手段を施した真空配管
６３：操作部
６３１：熱交換機１に容れる所定量の液相の水の水位計測手段１
６３２：圧力計
６３３：開閉弁
６３４：請求項４の装置に容れる空気
６３５：熱交換機２の水柱の水位計測手段２
６３６：排気用逆止弁
６３７：真空ポンプ
６３８：請求項４の装置内部より排出される湿り空気
６６：請求項４の装置全体を所定の位置に保持する構造体
６６１：熱交換機２の高さを調節する手段

６３１１：熱交換機１側面の上部開口
６３１２：熱交換機１側面の下部開口
６３１３：透明の管
６３１４：透明の管に侵入した液相の水

６３２１：透明な丸型フラスコ状の容器
６３２２：透明な丸型フラスコ状の容器に容れられた液相の水
６３２３：水温計
６３２４：ふた
６３２５：開閉弁１
６３２６：開閉弁２

６３３１：バタフライ型弁
６３３２：操作軸
６３３３：軸受け
６３３４：操作軸取っ手
６３３５：開口
６３６１：弁体
６３６２：弁軸
６３６３：コイルばね
６３６４：開口１
６３６５：弁軸受け
６３６６：開口２
６３５１：透明な容器
６３５２：開口
６６５：緩衝材
６６４：梁

６６１：熱交換機２の高さ調節手段
６６２：基礎
６６３：柱
６６６：フック
Ｈ：熱交換機２の全高（ｍ）
ｈｗ：大気圧と装置内の圧力差による水柱の高さ（ｍ）
ｈｙ１：上部の余裕高さ（ｍ）
ｈｙ２：下部の余裕高さ（ｍ）
Ｈｗmax：地殻上の水面が最高高さとなる時の水面の地殻からの高さ（ｍ）
Ｈｗmin：地殻上の水面が最低高さとなる時の水面の地殻からの高さ（ｍ）
Ｈ１：地殻上の水面が最高高さとなる時の梁下端の地殻からの高さ（ｍ）
a1：余裕高さ（ｍ）
Ｈ２：地殻上の水面が最低高さとなる時の梁天端の地殻からの高さ（ｍ）
a2：余裕高さ（ｍ）

６６１１：バラストタンク
６６１２：空気取り入れ口
６６１３：空気取り出し口
６６１４：バラストタンクの水がはいった部分
６６１５：バラストタンクの空気がはいった部分

６８：井戸
６６１７：梁に取り付けたフック
６６１８：熱交換機２に取り付けたフック
６６１９：チェーンブロック

７１１：請求項５の熱交換対象
７２１１：熱交換機１−１
７２１２：熱交換機１−２
７２１ｎ１：熱交換機１−ｎ１ （ｎ１は自然数）
７５：ターミナル１
７６：ターミナル２
７３１１：熱交換機２−１
７３１２：熱交換機２−２
７３１ｎ２：熱交換機２−ｎ２ （ｎ２は自然数）
７４１１：水面１４−１
７４１２：水面１４−２
７４１ｎ３：水面１４−ｎ３（ｎ３は自然数）

８１：風杯型風車
８２：動軸１
８３：軸受け１
８４：動輪１
８５１：上部フレーム
８５２：下部フレーム
８６１：動輪１下部磁石
８７：動輪２
８６２：動輪２上部磁石
８８：動軸２
８９：軸受け２
８８１：撹拌棒

Claims (1)

1. 熱交換対象と、熱交換機１と、熱交換機２と、水面をもつ液相の水と、構造体と、真
   空配管と、前記熱交換機２はシリンダー状で底はなく前記水面をもつ液相の水に開放であ
   ることで構成され、さらに、前記熱交換機１の底には液相の水が容れられていることと、
   前記熱交換機２には水柱をつくる手段を用いて大気圧と装置内部の圧力の圧力差によりで
   きる水柱（以下、水柱と呼ぶ）がつくられていることと、前記熱交換機２の全高をＨ、前
   記水柱の前記水面からの高さをｈｗ、前記水柱の最上部から前記熱交換機２の最上部まで
   の高さをｈｌ、前記熱交換機２が前記水面をもつ液相の水に挿入される高さをｈ２とする
   と、Ｈ＝ｈｌ＋ｈｗ＋ｈ２（ｈｌ、ｈ２は正の数、ｈｗは０を含む正の数）となるように
   装置全体を保持する前記構造体であり、前記水面をもつ液相の水温は、前記熱交換対象よ
   り低く、前記熱交換機１の水は、前記熱交換対象より気化熱をうばい、減圧沸騰をし気相となり、前記真空配管を通して前記熱交換機２に移動し、前記熱交換機２に移動した前記熱交換機１の水は、前記水柱に気化熱をあたえ、液相となる
   ことを特徴とする熱交換装置。

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