JP6941520B2 - 脱気システム - Google Patents

Description

本開示は、熱交換器冷却水の脱気システムに関する。

バイナリ発電等の発電設備、工場、居住設備、船舶等において、水冷式の熱交換器が広く利用されている。水冷式の熱交換器には、冷却塔で空冷された冷却水が導入され、熱交換器において、冷却水と熱媒体との熱交換が為される（例えば、特許文献１）。

しかし、冷却塔で冷却された冷却水には少なからず空気が含まれてしまうため、熱交換器の内部に形成された冷却水の流路に空気が滞留して蓄積する場合がある。空気の滞留箇所（以下、「空気溜り」と称する）が形成され大きくなると、流路における空気溜りの下方の冷却水が、空気溜りを通過できなくなり、停滞してしまう（流れなくなってしまう）場合がある。この場合、空気溜りの下方の領域には、冷却された新たな冷却水が供給されなくなり、空気溜りの下方の領域の熱交換機能が失われてしまうという問題がある。

そこで、熱交換器から排出された冷却水が通過する排水管に、端部が大気開放された排気管を設けておき、熱交換器で冷却された熱媒体を利用する機器（以下、「利用機器」と称する）の能力が低下した場合に、排気管に設けられたバルブを開弁することで、滞留した空気を熱交換器の内部から取り除いている。

特開２００２−５５９５号公報

しかし、上記の従来技術では、利用機器の能力が低下した後に熱交換器の内部の空気（ガス）を取り除く。例えば、利用機器が熱媒体で回転するタービン発電装置である場合には、発電量が低下してから、熱交換器の内部の空気を取り除く。そうすると、発電量が低下する期間、つまり、利用機器の能力が低下する期間が生じてしまうという問題がある。このため、熱交換器内におけるガスの滞留を事前に察知し、利用機器の能力の低下を予防する技術の開発が希求されている。

本開示は、このような課題に鑑み、熱交換器によって熱交換された熱媒体を利用する利用機器の能力の低下を予防することが可能な脱気システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本開示の一態様にかかる脱気システムは、冷却液が導入される冷却液入口が一端に形成され他端が封止された第１の冷却液流路と、前記第１の冷却液流路の上方に配され、前記冷却液が排出される冷却液出口が一端に形成され他端が封止された第２の冷却液流路と、前記第１の冷却液流路および前記第２の冷却液流路を連通する複数の冷却液連通流路とを有し、前記第１の冷却液流路、前記第２の冷却液流路、および、前記冷却液連通流路のうち少なくともいずれか１の流路を流れる冷却液と熱媒体とを熱交換させる熱交換器と、前記冷却液出口に接続された第１排出管と、前記第１排出管を通過した前記冷却液を冷却する冷却塔と、吸入側が前記冷却塔に接続され、吐出側が前記冷却液入口に接続された冷却液ポンプと、前記第２の冷却液流路内に一部が挿通され、一方の開口が前記第２の冷却液流路内における前記第２の冷却液流路の他端から所定距離離隔して設けられ、他方の開口が前記冷却塔に貯留された前記冷却液の液面に浸漬される第２排出管と、を備え、前記第２排出管の他方の開口から排出された前記冷却液は、前記冷却塔に導入される。

上記課題を解決するために、本開示の一態様にかかる他の脱気システムは、冷却液が導入される冷却液入口が一端に形成され他端が封止された第１の冷却液流路と、前記第１の冷却液流路の上方に配され、前記冷却液が排出される冷却液出口が一端に形成され他端にガス抜き口が形成された第２の冷却液流路と、前記第１の冷却液流路および前記第２の冷却液流路を連通する複数の冷却液連通流路とを有し、前記第１の冷却液流路、前記第２の冷却液流路、および、前記冷却液連通流路のうち少なくともいずれか１の流路を流れる冷却液と熱媒体とを熱交換させる熱交換器と、前記冷却液出口に接続された第１排出管と、前記第１排出管を通過した前記冷却液を冷却する冷却塔と、吸入側が前記冷却塔に接続され、吐出側が前記冷却液入口に接続された冷却液ポンプと、一方の開口が前記ガス抜き口に接続され、他方の開口が前記冷却塔に貯留された前記冷却液の液面に浸漬される第２排出管と、を備え、前記第２排出管の他方の開口から排出された前記冷却液は、前記冷却塔に導入される。

また、前記第２排出管の流路断面積は、前記第２排出管を流れる冷却液の流量、前記冷却液の密度、および、前記冷却液の粘度に基づき、前記第２排出管を流れる冷却液のレイノルズ数が乱流領域境界レイノルズ数以上となるように決定されてもよい。

また、前記第２排出管に設けられたバルブを備え、前記バルブの開度は、前記第２排出管の流路断面積、前記第２排出管を流れる冷却液の流量、前記冷却液の密度、および、前記冷却液の粘度に基づき、前記第２排出管を流れる冷却液のレイノルズ数が乱流領域境界レイノルズ数以上となるように設定されてもよい。

本開示によれば、熱交換器によって熱交換された熱媒体を利用する利用機器の能力の低下を予防することが可能となる。

バイナリ発電装置の概略的な構成を説明する図である。 凝縮器の構成例を説明する図である。 冷却水と作動媒体の流れを説明する図である。 凝縮器内の空気溜りを説明する図である。 変形例の凝縮器およびガス排出管を説明する図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について詳細に説明する。実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。

（バイナリ発電装置１００）
図１は、バイナリ発電装置１００の概略的な構成を説明する図である。図１中、冷却水の流れを実線の矢印で示し、加熱水の流れを二点鎖線の矢印で示し、作動媒体の流れを一点鎖線の矢印で示す。

図１に示すように、バイナリ発電装置１００は、循環ポンプ１１０と、蒸発器１２０と、タービン発電機１３０と、脱気システム２００とを含んでいる。

作動媒体用の循環ポンプ１１０は、脱気システム２００（凝縮器２２０）によって冷却された作動媒体（凝縮器２２０によって凝縮された液体）を昇圧して蒸発器１２０に送出する。作動媒体は、例えば、Ｒ−２４５ｆａ（ＨＦＣ−２４５ｆａ）である。ただし、作動媒体に限定はない。循環ポンプ１１０は、凝縮器２２０の媒体出口３４２ｂに吸入側が接続される。また、循環ポンプ１１０は、蒸発器１２０の媒体入口１２２ａに吐出側が接続される。したがって、循環ポンプ１１０は、蒸発器１２０、タービン発電機１３０、脱気システム２００（凝縮器２２０）に作動媒体（熱媒体）を循環させる。

蒸発器１２０は、作動媒体と加熱水との熱交換を行い、作動媒体を加熱して、加熱水を冷却する。蒸発器１２０は、例えば、プレートタイプの熱交換器や、シェルアンドチューブタイプの熱交換器で構成される。蒸発器１２０には、媒体流路１２２、および、加熱水流路１２４が形成される。蒸発器１２０において、媒体流路１２２と加熱水流路１２４とは熱伝達可能に面接触している。また、蒸発器１２０において、作動媒体の流れと加熱水の流れとが対向流となるように、媒体流路１２２に媒体入口１２２ａおよび媒体出口１２２ｂが形成され、加熱水流路１２４に加熱水入口１２４ａおよび加熱水出口１２４ｂが形成される。

媒体流路１２２には、媒体入口１２２ａを通じて、循環ポンプ１１０から作動媒体（液体）が導入される。媒体流路１２２の通過過程において、加熱水によって加熱されることで気化した作動媒体は、媒体出口１２２ｂを通じて、タービン発電機１３０に導入される。

一方、加熱水流路１２４には、加熱水入口１２４ａを通じて、加熱水源から加熱水が導入される。加熱水源は、例えば、温泉やプラント排水源である。加熱水流路１２４の通過過程において、作動媒体に熱を伝達することで冷却された加熱水は、加熱水出口１２４ｂを通じて外部に排出される。

タービン発電機１３０は、蒸発器１２０から導入された作動媒体（気体）によって発電する。具体的に説明すると、タービン発電機１３０は、作動媒体によって回転されるタービンと、タービンの回転によって発電する発電機とを含む。タービン発電機１３０のタービンを通過した作動媒体（気体）は、脱気システム２００の凝縮器２２０に導入される。

（脱気システム２００）
脱気システム２００は、冷却水ポンプ２１０（冷却液ポンプ）と、凝縮器２２０（熱交換器）と、冷却水導入管２３０、冷却水排出管２３２（第１排出管）と、媒体導入管２３４と、媒体排出管２３６と、ガス排出管２４０（第２排出管）と、バルブ２４２と、冷却塔２５０とを含んでいる。

冷却水ポンプ２１０は、冷却塔２５０によって冷却された冷却水を昇圧して凝縮器２２０に送出する。冷却水ポンプ２１０は、冷却塔２５０の下部（後述する冷却塔２５０の塔本体２５２に貯留されている冷却水の水面２５０ａより下方）に吸入側が接続される。また、冷却水ポンプ２１０は、凝縮器２２０の冷却水入口３４４ａに吐出側が接続される。したがって、冷却水ポンプ２１０は、冷却水導入管２３０、凝縮器２２０、冷却水排出管２３２、冷却塔２５０に冷却水を循環させる。

凝縮器２２０は、作動媒体と冷却水との熱交換を行い、作動媒体を冷却して、冷却水を加熱する。本実施形態において、凝縮器２２０は、プレートタイプの熱交換器で構成される。

図２は、凝縮器２２０の構成例を説明する図である。図２（ａ）は、凝縮器２２０の分解斜視図である。図２（ｂ）は、第１プレート３１０の前面３１０ａを示す平面図である。図２（ｃ）は、第２プレート３２０の前面３２０ａを示す平面図である。図２（ｄ）は、第１プレート３１０、第２プレート３２０の後面３１０ｂ、３２０ｂを示す平面図である。本実施形態の図２をはじめとする以下の図では、垂直に交わるＸ軸（水平方向）、Ｙ軸（水平方向）、Ｚ軸（鉛直方向）を図示の通り定義している。なお、図２（ａ）中、理解を容易にするために、第１プレート３１０、第２プレート３２０を実際より少なく示す。

図２（ａ）に示すように、凝縮器２２０は、複数の第１プレート３１０と、複数の第２プレート３２０と、封止板３３０と、出入板３４０とを含んでいる。第１プレート３１０、第２プレート３２０、封止板３３０、出入板３４０は、金属等の熱伝導率が大きい材料で構成される。具体的に説明すると、凝縮器２２０は、封止板３３０と出入板３４０との間に、第１プレート３１０と第２プレート３２０とが交互に積層されて構成される。凝縮器２２０において、第１プレート３１０および第２プレート３２０は、例えば、１６６枚ずつ設けられる。

第１プレート３１０は、図２（ｂ）に示すように、略矩形形状の平板である。第１プレート３１０には、前面３１０ａから後面３１０ｂに貫通した４つの貫通孔３１２ａ〜３１２ｄが形成されている。貫通孔３１２ａ、３１２ｄは、第１プレート３１０の下部に形成され、貫通孔３１２ｂ、３１２ｃは第１プレート３１０の上部に形成される。貫通孔３１２ｂは、貫通孔３１２ａの鉛直上方に形成される。貫通孔３１２ｃは、貫通孔３１２ｄの鉛直上方に形成される。また、第１プレート３１０の前面３１０ａには、図２（ａ）、図２（ｂ）中−Ｙ軸方向に突出した突出部３１４が設けられる。突出部３１４は、第１プレート３１０の前面３１０ａのうち、貫通孔３１２ａ、３１２ｂが形成された領域と、貫通孔３１２ｃが形成された領域と、貫通孔３１２ｄが形成された領域とをそれぞれ囲繞し、これらの領域を区画する。突出部３１４の内側には、図２（ａ）、図２（ｂ）中＋Ｙ軸方向に陥没した溝部３１６が形成される。

第２プレート３２０は、第１プレート３１０と同一の構造であり、第１プレート３１０を１８０°回転させたものである。具体的に説明すると、第２プレート３２０は、図２（ｃ）に示すように、略矩形形状の平板である。第２プレート３２０には、前面３２０ａから後面３２０ｂに貫通した４つの貫通孔３２２ａ〜３２２ｄが形成されている。貫通孔３２２ａ、３２２ｄは、第２プレート３２０の下部に形成され、貫通孔３２２ｂ、３２２ｃは第２プレート３２０の上部に形成される。貫通孔３２２ｂは、貫通孔３２２ａの鉛直上方に形成される。貫通孔３２２ｃは、貫通孔３２２ｄの鉛直上方に形成される。また、第２プレート３２０の前面３２０ａには、図２（ａ）、図２（ｃ）中−Ｙ軸方向に突出した突出部３２４が設けられる。突出部３２４は、第２プレート３２０の前面３２０ａのうち、貫通孔３２２ａが形成された領域と、貫通孔３２２ｂが形成された領域と、貫通孔３２２ｃ、３２２ｄが形成された領域とをそれぞれ囲繞し、これらの領域を区画する。突出部３２４の内側には、図２（ａ）、図２（ｃ）中＋Ｙ軸方向に陥没した溝部３２６が形成される。

また、図２（ｄ）に示すように、第１プレート３１０の後面３１０ｂ、および、第２プレート３２０の後面３２０ｂは、図２（ｄ）中ＸＺ平面に沿った平面形状である。

図２（ａ）に戻って説明すると、封止板３３０は、第１プレート３１０、第２プレート３２０と実質的に同じ形状、同じ大きさの平板である。封止板３３０には、貫通孔は形成されていない。

出入板３４０は、第１プレート３１０、第２プレート３２０と実質的に同じ形状、同じ大きさの平板である。出入板３４０には、媒体入口３４２ａ、媒体出口３４２ｂ、冷却水入口３４４ａ（入口）、冷却水出口３４４ｂ（出口）が形成される。第２プレート３２０と接続されたときに、媒体入口３４２ａは貫通孔３２２ｃに、媒体出口３４２ｂは貫通孔３２２ｄに、冷却水入口３４４ａは貫通孔３２２ａに、冷却水出口３４４ｂは貫通孔３２２ｂに連通するように出入板３４０に形成される。なお、凝縮器２２０は、媒体入口３４２ａの下方に媒体出口３４２ｂが、冷却水入口３４４ａの上方に冷却水出口３４４ｂが位置するように設置される。

図２（ａ）に示すように、第１プレート３１０の前面３１０ａには、第２プレート３２０の後面３２０ｂが接続（例えば、ろう付け）される。詳細には、第１プレート３１０の突出部３１４が第２プレート３２０の後面３２０ｂに接続される。また、第２プレート３２０の前面３２０ａには、第１プレート３１０の後面３１０ｂが接続される。詳細には、第２プレート３２０の突出部３２４が第１プレート３１０の後面３１０ｂに接続される。このようにして、第１プレート３１０、第２プレート３２０が交互に積層された積層体が形成される。そして、積層体の一方の端部に位置する第１プレート３１０の後面３１０ｂに封止板３３０が接続される。また、積層体の他方の端部に位置する第２プレート３２０の前面３２０ａ（突出部３２４）に出入板３４０の後面が接続される。

このように、第１プレート３１０、第２プレート３２０、封止板３３０、出入板３４０が積層されることにより、媒体入口３４２ａ、貫通孔３１２ｃ、貫通孔３２２ｃによって媒体流路２２２ａが形成される。つまり、媒体流路２２２ａは、一端に媒体入口３４２ａが形成され、他端が封止板３３０によって封止された流路である。また、媒体出口３４２ｂ、貫通孔３１２ｄ、貫通孔３２２ｄによって媒体流路２２２ｂが形成される。つまり、媒体流路２２２ｂは、一端に媒体出口３４２ｂが形成され、他端が封止板３３０によって封止された流路である。なお、媒体流路２２２ａ、媒体流路２２２ｂは、水平方向に延在している。また、媒体流路２２２ａと媒体流路２２２ｂとは、溝部３２６によって連通される。

また、第１プレート３１０、第２プレート３２０、封止板３３０、出入板３４０が積層されることにより、冷却水入口３４４ａ、貫通孔３１２ａ、貫通孔３２２ａによって冷却水流路２２４ａ（第１の冷却液流路）が形成される。つまり、冷却水流路２２４ａは、一端に冷却水入口３４４ａが形成され、他端が封止板３３０によって封止された流路である。また、冷却水出口３４４ｂ、貫通孔３１２ｂ、貫通孔３２２ｂによって冷却水流路２２４ｂ（第２の冷却液流路）が形成される。つまり、冷却水流路２２４ｂは、一端に冷却水出口３４４ｂが形成され、他端が封止板３３０によって封止された流路である。なお、冷却水流路２２４ａ、冷却水流路２２４ｂは、水平方向に延在している。また、冷却水流路２２４ａと、冷却水流路２２４ｂとは、溝部３１６（冷却液連通流路）によって連通される。

冷却水導入管２３０は、冷却水入口３４４ａに連続した管であり、冷却水ポンプ２１０の吐出側に接続される。冷却水排出管２３２は、冷却水出口３４４ｂに連続した管であり、冷却塔２５０の散水部２５４に接続される。媒体導入管２３４は、媒体入口３４２ａに連続した管であり、タービン発電機１３０のタービンに接続される。媒体排出管２３６は、媒体出口３４２ｂに連続した管であり、循環ポンプ１１０の吸入側に接続される。

図３は、冷却水と作動媒体の流れを説明する図である。なお、図３中、冷却水の流れを実線の矢印で示し、作動媒体の流れを破線の矢印で示す。図３に示すように、冷却水入口３４４ａから導入された冷却水は、冷却水流路２２４ａを（貫通孔３２２ａ、貫通孔３１２ａを交互に）図３中＋Ｙ軸方向に通過するとともに、溝部３１６を上昇する。溝部３１６を上昇した冷却水は、冷却水流路２２４ｂを（貫通孔３１２ｂ、貫通孔３２２ｂを交互に）図３中−Ｙ軸方向に通過して冷却水出口３４４ｂから排出される。

一方、媒体入口３４２ａから導入された作動媒体は、媒体流路２２２ａを（貫通孔３２２ｃ、貫通孔３１２ｃを交互に）図３中＋Ｙ軸方向に通過するとともに、溝部３２６を下降する。溝部３２６を下降した作動媒体は、第２の媒体流路２２２ｂを（貫通孔３１２ｄ、貫通孔３２２ｄを交互に）図３中−Ｙ軸方向に通過して媒体出口３４２ｂから排出される。

そして、凝縮器２２０内において、溝部３１６を上昇流となって流れる冷却水と、溝部３２６を下降流となって流れる作動媒体とで熱交換が為される。具体的に説明すると、溝部３１６と、溝部３２６とは、第１プレート３１０または第２プレート３２０によって区画されている。つまり、溝部３１６と、溝部３２６とは、第１プレート３１０または第２プレート３２０によって熱伝達可能に設けられている。このため、溝部３１６を流れる冷却水と、溝部３２６を流れる作動媒体とで熱交換が為されることになる。そして、溝部３２６の通過過程において、冷却水によって冷却されることで凝縮した作動媒体は、媒体出口３４２ｂを通じて、循環ポンプ１１０に吸引される。一方、溝部３１６の通過過程において、作動媒体から熱が伝達されて加熱された冷却水は、冷却水出口３４４ｂを通じて冷却塔２５０に送出される。

図２（ａ）に戻って説明すると、ガス排出管２４０は、冷却水流路２２４ｂ内および冷却水排出管２３２内に一部が挿通された管である。ガス排出管２４０の一端に形成された開口２４０ａ（一方の開口）は、封止板３３０に臨んで設けられ、他端に形成された開口２４０ｂ（他方の開口）は、冷却塔２５０の水面２５０ａに浸漬される。ガス排出管２４０の一端（開口２４０ａ）と封止板３３０との離隔距離は短い方がよく、例えば、ガス排出管２４０の内径程度である。また、本実施形態において、ガス排出管２４０は、一端の外周が、貫通孔３１２ｂまたは貫通孔３２２ｂ（冷却水流路２２４ｂ）の内周面のうち、最も鉛直上方に位置する箇所に接触して設けられる。

バルブ２４２は、ガス排出管２４０に設けられる。バルブ２４２は、常時開弁されており、脱気システム２００を設置する際に開度が設定される。バルブ２４２の開度の設定については、後に詳述する。

図１に戻って説明すると、冷却塔２５０は、凝縮器２２０によって加熱された冷却水を冷却する。具体的に説明すると、冷却塔２５０は、中空形状の塔本体２５２と、散水部２５４とを含んでいる。塔本体２５２は、下部に冷却水を貯留可能な形状となっている。また、塔本体２５２は、下部側面に外気取り込み口が形成されている。散水部２５４は、例えば、ノズルで構成され、塔本体２５２内に配される。冷却水排出管２３２を通じて凝縮器２２０から導入された冷却水は、散水部２５４から散水される。散水された冷却水は、塔本体２５２内を落下する。冷却水は、落下する過程において、外気取り込み口から塔本体２５２内に取り込まれた外気と接触することにより冷却される。冷却された冷却水は、塔本体２５２の下部に貯留される。

なお、例えば、冷却塔２５０が、散水部２５４が冷却水出口３４４ｂより下方に位置するように設けられた場合には、サイフォンの原理により、冷却水流路２２４ｂから自重で散水部２５４に冷却水を送出することができる。また、凝縮器２２０の冷却水出口３４４ｂと散水部２５４との水頭差分、冷却水出口３４４ｂの圧力を低く（負圧に）することが可能となる。

上記したように、冷却塔２５０では、冷却水を外気に接触させて冷却しているため、冷却水に空気が少なからず含まれてしまう。具体的に説明すると、冷却水に含まれる空気は、冷却水中に溶解している溶解空気、直径が１０μｍ未満の気泡（以下、「ナノバブル」と称する）、直径が１０μｍ以上５０μｍ未満の気泡（以下、「マイクロバブル」と称する）、直径が５０μｍ以上の気泡（以下、「大気泡」と称する）が含まれる。凝縮器２２０内に供給される冷却水は、冷却水ポンプ２１０によって昇圧されるため、溶解空気の気化が抑制される。一方、昇圧により、冷却水ポンプ２１０の出口から凝縮器２２０の冷却水流路２２４ａの端末（封止板３３０の近傍）までの間に、混在している一部の気泡が径の大きい順に冷却水に溶解して溶解量が増加する。この冷却水が、凝縮器２２０の溝部３１６に流入すると、作動媒体により加熱され、その後冷却水流路２２４ｂに送出される。加熱によって冷却水の温度が上昇して、気体の溶解許容値が減少するため、温度上昇が大きい場合には溶解空気の一部が気化して気泡が生成される。したがって、温度上昇が大きい程、気泡の生成量は多くなる。このため、冷却水流路２２４ｂに送出された冷却水の溶解空気から生成された気泡混在冷却水と、冷却水入口３４４ａから溝部３１６を通過して一部残存している気泡混在冷却水の両方が冷却水流路２２４ｂに送出される。このため、冷却水流路２２４ｂ内における流体の挙動によってはこれらの気泡の一部が冷却水から分離される。

また、大気泡は浮上速度が大きいため、浮上時間が相対的に短い。このため、大気泡は、冷却塔２５０に貯留されている時間内に冷却水から分離される。

一方、ナノバブルおよびマイクロバブルは、浮上時間が相対的に長いため、冷却塔２５０に貯留されている間に冷却水からほとんど分離されない。このため、ナノバブルおよびマイクロバブルは、冷却水とともに凝縮器２２０内に導入される。しかし、ナノバブルは、ブラウン運動によって冷却水中に浮遊（分散）されているため、ナノバブル同士の凝集が抑制される。したがって、ナノバブルは、冷却水の流れとともに凝縮器２２０を通過することになり、凝縮器２２０（冷却水流路２２４ａ、２２４ｂ、溝部３１６）内に空気溜りを形成することはない。マイクロバブルは、ブラウン運動が為されないため、凝縮器２２０内においてマイクロバブル同士が凝集し、大気泡が形成される場合がある。ただし、凝縮器２２０内を流れる冷却水が乱流である場合、マイクロバブルは、冷却水の流れとともに凝縮器２２０を通過することになる。

図４は、凝縮器２２０内の空気溜りＡＰを説明する図である。図４中、理解を容易にするため、一部の部材を破線で示す。凝縮器２２０は、冷却水流路２２４ａ、２２４ｂ、溝部３１６を通過する冷却水が乱流となるように設計される。このため、凝縮器２２０内のナノバブルおよびマイクロバブルは、ほとんどが冷却水とともに凝縮器２２０から排出される。

しかし、冷却水流路２２４ａ、２２４ｂにおける封止板３３０の近傍は、他の箇所と比較して冷却水の流速が低下する。具体的に説明すると、上記したように冷却水入口３４４ａから導入された冷却水は、冷却水流路２２４ａを図４中＋Ｙ軸方向に流れた後、溝部３１６において−Ｚ軸方向の上昇流となって、冷却水流路２２４ｂに到達する。そして、冷却水は、冷却水流路２２４ｂを図４中−Ｙ軸方向に流れる。つまり、冷却水入口３４４ａから導入された冷却水は溝部３１６に分流されるため、冷却水流路２２４ａ、２２４ｂのうち、冷却水入口３４４ａからの距離が遠い封止板３３０の近傍において冷却水の流速が低下する。そうすると、図４に示すように、上方に位置する冷却水流路２２４ｂにおける封止板３３０の近傍から冷却水出口３４４ｂ近傍の冷却水の流速が極度に低下して冷却水が滞留する。このため、冷却水中の気泡が相対的に短時間で分離されやすくなり、冷却水流路２２４ｂにおいて、封止板３３０の近傍から冷却水出口３４４ｂに向かって空気が滞留し、空気溜りＡＰが形成される（空気層が形成）ことがある。

また、溝部３１６を通過する冷却水が作動媒体と熱交換されることによって、昇温され、溶解空気が気化して気泡となる場合もある。このようにして生じた気泡が上昇し、冷却水流路２２４ｂにおいて空気溜りＡＰを形成することもある。

空気溜りＡＰが形成されると、冷却水流路２２４ｂにおける空気溜りＡＰの下方の冷却水が、空気溜りＡＰを通過することができなくなる場合がある。具体的に説明すると、空気溜りＡＰが、冷却水流路２２４ｂにおける封止板３３０の近傍に形成されるに従い、溝部３１６の冷却水が冷却水流路２２４ｂに到達（上昇）する量が減少し、当該部分が空気だけになると冷却水は流れなくなる。つまり、空気溜りＡＰの下方の溝部３１６において、冷却水が停滞する。このため、空気溜りＡＰの下方の溝部３１６には、冷却された新たな冷却水が供給されなくなり、空気溜りＡＰの下方の溝部３１６の熱交換機能が失われてしまう。そうすると、凝縮器２２０全体の熱交換量が低下して作動媒体の凝縮量が低下し、ひいては、タービン発電機１３０の発電量が低下してしまう。

そこで、ガス排出管２４０を流れる冷却水が乱流となり、かつ、冷却水流路２２４ｂ内における封止板３３０近傍の冷却水の流速を大きくして、空気を随伴させ得る流量より大きい流量で冷却水がガス排出管２４０を流れるようにバルブ２４２の開度を設定する。

具体的に説明すると、ガス排出管２４０の流路断面積、ガス排出管２４０を流れる冷却水の流量、冷却水の密度、および、冷却水の粘度に基づき、ガス排出管２４０を流れる冷却水のレイノルズ数が乱流領域境界レイノルズ数（例えば、２３００）以上となるように、バルブ２４２の開度を設定する。なお、乱流領域境界レイノルズ数は、層流が乱流に遷移するときのレイノルズ数である。また、レイノルズ数は、下記式（１）から算出することができる。
Ｒｅ ＝ ｄ × ｗ × ρ ／ μ …式（１）
なお、式（１）中、Ｒｅはレイノルズ数を示し、ｄはガス排出管２４０の流路断面積を示し、ｗはガス排出管２４０を流れる冷却水の流量を示し、ρは冷却水の密度を示し、μは冷却水の粘度を示す。

ガス排出管２４０を流れる冷却水のレイノルズ数が乱流領域境界レイノルズ数以上となるように、バルブ２４２の開度を設定することにより、冷却水流路２２４ｂにおける封止板３３０近傍の流速が低下した冷却水を、乱流の状態で凝縮器２２０の外部に常時排出することができる。

一方、ガス排出管２４０を流れる冷却水のレイノルズ数が乱流領域境界レイノルズ数以上となる流量であっても、冷却水流路２２４ｂ内を流れる冷却水のレイノルズ数が乱流領域境界レイノルズ数未満となる流量である場合、空気溜りＡＰが形成されてしまう。したがって、バルブ２４２の開度は、ガス排出管２４０および冷却水流路２２４ｂの両方の管内（流路内）速度が乱流領域境界レイノルズ数以上となるように設定される。これにより、マイクロバブルやナノバブルが懸濁された（浮遊した）冷却水を凝縮器２２０の外部に常時排出して、空気溜りＡＰの形成を防止することが可能となる。

また、上記したように、冷却水流路２２４ｂにおける封止板３３０の近傍は、冷却水の流速が最も低いため、最も空気が溜りやすい。このため、ガス排出管２４０の一端（開口２４０ａ）と封止板３３０との離隔距離をできる限り短くすることにより、効率よく空気を随伴した冷却水を排出することが可能となる。

また、上記したように、ガス排出管２４０は、開口２４０ｂが塔本体２５２に貯留された冷却水の水面２５０ａに浸漬されている。また、冷却水排出管２３２（冷却水流路２２４ｂ）内の冷却水は、冷却水ポンプ２１０によって、塔本体２５２に貯留された冷却水より高い圧力に昇圧されている。したがって、ガス排出管２４０は、冷却水排出管２３２より低圧であるため、なんらの駆動源を要さずとも、冷却水流路２２４ｂから冷却水とともに空気を外部に排出することが可能となる。

また、ガス排出管２４０の開口２４０ｂは、塔本体２５２に貯留された冷却水の水面２５０ａに浸漬されている。このため、冷却水流路２２４ｂから排出された冷却水を再利用することができる。したがって、冷却水が無駄に廃棄されてしまう事態を回避することが可能となる。

なお、ガス排出管２４０から排出された冷却水は、空冷されずに塔本体２５２に送出される。上記したように、ガス排出管２４０を流れる冷却水が乱流となり、かつ、冷却水流路２２４ｂ内における空気の蓄積がない大きい流量で冷却水がガス排出管２４０を流れるようにバルブ２４２の開度を設定した場合に、冷却水流路２２４ｂを流れる冷却水の１体積％程度がガス排出管２４０を流れることになる。したがって、９９体積％の冷却水は、冷却塔２５０で冷却されることになり、凝縮器２２０に導入される冷却水の温度に影響は少ない。

以上説明したように、本実施形態の脱気システム２００は、冷却水流路２２４ｂにおける空気溜りＡＰが形成され得る箇所（封止板３３０の近傍）から、冷却水とともに空気を外部に常時排出することができる。これにより、凝縮器２２０の熱交換量が低下する事態を回避することが可能となる。したがって、発電量を低下させることなく、タービン発電機１３０を連続して運転させることができる。

また、脱気システム２００は、冷却水ポンプ２１０の吐出圧を高くして空気の溶解度を増加させる従来技術と比較して、低コストで空気溜りＡＰの形成を抑制することができる。

以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態において、凝縮器２２０の冷却液として水（冷却水）を例に挙げて説明した。しかし、凝縮器２２０に導入される冷却液に限定はない。

また、上記実施形態において、媒体流路２２２ａ、２２２ｂ、冷却水流路２２４ａ、２２４ｂが水平方向に延在する構成を例に挙げて説明した。しかし、媒体流路２２２ａ、２２２ｂ、冷却水流路２２４ａ、２２４ｂは、水平方向からある程度傾斜していてもよい。

また、上記実施形態において、ガス排出管２４０にバルブ２４２が設けられる構成を例に挙げて説明した。しかし、バルブ２４２は必須の構成ではない。ガス排出管２４０にバルブ２４２を設けない場合、ガス排出管２４０の流路断面積は、ガス排出管２４０を流れる冷却水の流量、冷却水の密度、および、冷却水の粘度に基づき、ガス排出管２４０を流れる冷却水のレイノルズ数が乱流領域境界レイノルズ数以上となるように決定されるとよい。また、冷却水流路２２４ｂ内において、空気が分離し蓄積しない流量で冷却水がガス排出管２４０を流れるようにガス排出管２４０の流路断面積が決定されるとよい。

また、上記実施形態において、ガス排出管２４０が冷却水流路２２４ｂ内に配される構成を例に挙げて説明した。しかし、ガス排出管は、封止板３３０に接続されてもよい。図５は、変形例の凝縮器４２０およびガス排出管４４０を説明する図である。図５に示すように、凝縮器４２０の封止板４３０には、第１プレート３１０の貫通孔３１２ｂ（冷却水流路２２４ｂの端部）に対応する箇所に、ガス抜き口４３２が形成される。ガス排出管４４０の一方の開口４４０ａは、ガス抜き口４３２に接続される。ガス排出管４４０には、バルブ４４２が設けられていてもよいし、設けられていなくてもよい。ガス排出管４４０にバルブ４４２が設けられている場合には、バルブ４４２の開度は、ガス排出管４４０を流れる冷却水が乱流となり、かつ、冷却水流路２２４ｂ内における空気の蓄積がない流量で冷却水がガス排出管４４０を流れるように設定される。また、バルブ４４２が設けられていない場合、ガス排出管４４０の流路断面積は、ガス排出管４４０および冷却水流路２２４ｂ内を流れる冷却水のレイノルズ数が乱流領域境界レイノルズ数以上となる流量となるように決定される。また、ガス排出管４４０の他方の開口４４０ｂは、冷却塔２５０の塔本体２５２に貯留された冷却水の水面２５０ａに浸漬される。かかる構成においても、タービン発電機１３０等の利用機器の能力の低下を予防することが可能となる。

本開示は、脱気システムに利用することができる。

２００ 脱気システム
２１０ 冷却水ポンプ（冷却液ポンプ）
２２０ 凝縮器（熱交換器）
２２４ａ 冷却水流路（第１の冷却液流路）
２２４ｂ 冷却水流路（第２の冷却液流路）
２３２ 冷却水排出管（第１排出管）
２４０ ガス排出管（第２排出管）
２４０ａ 開口
２４０ｂ 開口
２４２ バルブ
２５０ 冷却塔
３１６ 溝部（冷却液連通流路）
３４４ａ 冷却水入口（冷却液入口）
３４４ｂ 冷却水出口（冷却液出口）
４２０ 凝縮器
４３２ ガス抜き口
４４０ ガス排出管（第２排出管）
４４２ バルブ

Claims (4)

1. 冷却液が導入される冷却液入口が一端に形成され他端が封止された第１の冷却液流路と、前記第１の冷却液流路の上方に配され、前記冷却液が排出される冷却液出口が一端に形成され他端が封止された第２の冷却液流路と、前記第１の冷却液流路および前記第２の冷却液流路を連通する複数の冷却液連通流路とを有し、前記第１の冷却液流路、前記第２の冷却液流路、および、前記冷却液連通流路のうち少なくともいずれか１の流路を流れる冷却液と熱媒体とを熱交換させる熱交換器と、
   前記冷却液出口に接続された第１排出管と、
   前記第１排出管を通過した前記冷却液を冷却する冷却塔と、
   吸入側が前記冷却塔に接続され、吐出側が前記冷却液入口に接続された冷却液ポンプと、
   前記第２の冷却液流路内に一部が挿通され、一方の開口が前記第２の冷却液流路内における前記第２の冷却液流路の他端から所定距離離隔して設けられ、他方の開口が前記冷却塔に貯留された前記冷却液の液面に浸漬される第２排出管と、
   を備え、
   前記第２排出管の他方の開口から排出された前記冷却液は、前記冷却塔に導入される脱気システム。
2. 冷却液が導入される冷却液入口が一端に形成され他端が封止された第１の冷却液流路と、前記第１の冷却液流路の上方に配され、前記冷却液が排出される冷却液出口が一端に形成され他端にガス抜き口が形成された第２の冷却液流路と、前記第１の冷却液流路および前記第２の冷却液流路を連通する複数の冷却液連通流路とを有し、前記第１の冷却液流路、前記第２の冷却液流路、および、前記冷却液連通流路のうち少なくともいずれか１の流路を流れる冷却液と熱媒体とを熱交換させる熱交換器と、
   前記冷却液出口に接続された第１排出管と、
   前記第１排出管を通過した前記冷却液を冷却する冷却塔と、
   吸入側が前記冷却塔に接続され、吐出側が前記冷却液入口に接続された冷却液ポンプと、
   一方の開口が前記ガス抜き口に接続され、他方の開口が前記冷却塔に貯留された前記冷却液の液面に浸漬される第２排出管と、
   を備え、
   前記第２排出管の他方の開口から排出された前記冷却液は、前記冷却塔に導入される脱気システム。
3. 前記第２排出管の流路断面積は、前記第２排出管を流れる冷却液の流量、前記冷却液の密度、および、前記冷却液の粘度に基づき、前記第２排出管を流れる冷却液のレイノルズ数が乱流領域境界レイノルズ数以上となるように決定される請求項１または２に記載の脱気システム。
4. 前記第２排出管に設けられたバルブを備え、
   前記バルブの開度は、前記第２排出管の流路断面積、前記第２排出管を流れる冷却液の流量、前記冷却液の密度、および、前記冷却液の粘度に基づき、前記第２排出管を流れる冷却液のレイノルズ数が乱流領域境界レイノルズ数以上となるように設定される請求項１または２に記載の脱気システム。

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