JP6941521B2 - 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。

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、冷却液が通過する冷却液流路と、前記冷却液流路と熱伝達可能に設けられ熱媒体が通過する媒体流路とを有し、前記冷却液と前記熱媒体とを熱交換させる熱交換器と、中空形状の塔本体と、前記冷却液流路から排出された冷却液を前記塔本体内に散水する散水部と、前記散水部から散水された前記冷却液と空気とを接触させて冷却する冷却部と、前記塔本体の下部に設けられ冷却された前記冷却液を貯留する貯留部とを有する冷却塔と、前記貯留部に貯留された前記冷却液の液面より上方に位置し、前記貯留部に貯留された前記冷却液が導入され、内部に前記冷却液の層と気層とが形成される中空形状の槽本体部と、前記槽本体部における前記気層が形成される箇所の底面から前記槽本体部内に立設した堰と、前記槽本体部内の気層の圧力が所定値に維持されるように空気を吸引する吸引部とを有する脱気機構と、吸入側が、前記貯留部に貯留された前記冷却液の液面より下方に位置し、前記脱気機構の前記槽本体部における前記堰の下流側に接続され、吐出側が前記冷却液流路の入口に接続された冷却液ポンプと、を備え、前記冷却液ポンプは、前記脱気機構から冷却液を吸入することで、前記貯留部に貯留された冷却液を前記脱気機構に導く。

また、前記吸引部は、前記冷却液ポンプの吐出側が接続されるエジェクタを含んで構成されてもよい。

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。 本体、堰、排気弁の断面図である。

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、利用機器（例えばタービン発電機１３０）と、脱気システム２００とを含んでいる。

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。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と、媒体導入管２３４と、媒体排出管２３６と、冷却塔２５０と、脱気機構２６０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、脱気機構２６０によって脱気された冷却水を昇圧して凝縮器２２０に送出する。冷却塔２５０、脱気機構２６０については、後に詳述する。冷却水ポンプ２１０は、脱気機構２６０の槽本体部４１０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、脱気機構２６０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。凝縮器２２０は、例えば、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（媒体流路）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（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（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、第１の冷却水流路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、第２の冷却水流路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、第１の媒体流路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、冷却水を貯留可能な貯留部２５２ａを下部に有する。また、塔本体２５２は、下部側面に外気取り込み口２５２ｂ（冷却部）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２５２ｂ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の貯留部２５２ａに貯留される。

なお、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ている場合、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。このため、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、脱気機構２６０を冷却塔２５０と冷却水ポンプ２１０との間に設け、冷却塔２５０によって冷却された冷却水から一部の空気を取り除いて、冷却水ポンプ２１０に送出する。具体的に説明すると、脱気機構２６０は、図１に示すように、配管２１２と、主管２１４と、槽本体部４１０と、堰４２０と、排気弁４３０と、主管２１６と、吸引部４４０とを含んでいる。配管２１２は、貯留部２５２ａと冷却水ポンプ２１０の吸入側とを接続する。配管２１２には、バルブ２１２ａが設けられている。配管２１２およびバルブ２１２ａは、槽本体部４１０のバイパスラインであり、脱気システム２００の起動前において水張りに使用する。したがって、配管２１２、バルブ２１２ａは補助ラインであり、槽本体部４１０の入口管と出口管とに接続されている。

主管２１４は、貯留部２５２ａと槽本体部４１０に接続される。主管２１６は、槽本体部４１０と、冷却水ポンプ２１０の吸入口に接続される。

図５は、槽本体部４１０、堰４２０、排気弁４３０の断面図である。なお、理解を容易にするために、図５中、ナノバブルおよびマイクロバブルを実際より大きく示す。図５に示すように、槽本体部４１０は、主管２１４、主管２１６よりも流路断面積が大きい中空形状であり、貯留部２５２ａに貯留された冷却水が導入される。本実施形態において、槽本体部４１０は、図５中ＸＹ平面に沿って延在した内部空間の鉛直断面が矩形形状の管であり、上部が鉛直上方（図５中−Ｚ軸方向）に突出している。槽本体部４１０は、底面４１２が水平方向（図５中ＸＹ平面）となるように配される。槽本体部４１０は、例えば、底面が平坦な面（ボトムフラット）のレデューサ配管で構成される。槽本体部４１０の一方の開口４１０ａには主管２１４が接続され、他方の開口４１０ｂには主管２１６が接続される。

したがって、冷却塔２５０から送出された冷却水は、開口４１０ａから開口４１０ｂに向かって（図５中＋Ｙ軸方向）に流れることになる。また、脱気システム２００の運転を開始する際に、槽本体部４１０内における下部に冷却水の層が形成され、冷却水の層の上部に空気の層（気層）が形成されるように槽本体部４１０に冷却水が導入される。

堰４２０は、槽本体部４１０の底面４１２における空気の層が形成される箇所から槽本体部４１０内に立設し、冷却水の流れ方向と直交する方向（図５中±Ｘ軸方向）に延在した部材である。堰４２０の図５中±Ｘ軸方向の端部は、それぞれ槽本体部４１０の側面に接続される。堰４２０は、上面４２０ａが、槽本体部４１０内の水面４１０ｃより下方になるように設計される。

主管２１４から槽本体部４１０に導入された冷却水は、堰４２０の上面４２０ａを乗り越えて主管２１６に導かれることになる。堰４２０は、冷却水が上面４２０ａを通過する間に１０μｍ以上の気泡（マイクロバブル）が空気層に到達する深さと広さに設計される。堰４２０の図５中−Ｚ軸方向の高さＨｓは、下記式（１）に示すストークスの式に基づいて決定される。
Ｖ ＝ １／１８ × ｇｄ^２／ν …式（１）
なお、式（１）中、Ｖ（ｍ／ｓ）は気泡の上昇速度を示し、ｇ（ｍ／ｓ^２）は重力加速度を示し、ｄ（ｍ）は気泡の直径を示し、ν（ｍ^２／ｓ）は冷却水中の動的粘性係数を示す。

具体的に説明すると、まず、長さＬｓは、槽本体部４１０の図５中Ｙ軸方向の長さ（開口４１０ａから開口４１０ｂまでの距離）に基づいて決定される。つまり、冷却水が上面４２０ａを通過する時間（長さＬｓ／冷却液の流速）が決定される。

そして、式（１）に基づき、１０μｍの気泡の上昇速度を算出する。続いて、１０μｍの気泡の上昇速度と、冷却水が上面４２０ａを通過する時間（滞留時間、つまり、長さＬｓ）とに基づいて、堰４２０の上面４２０ａと水面４１０ｃとの距離、つまり、堰４２０の高さＨｓが決定される。例えば、長さＬｓが長い場合、つまり、滞留時間が長い場合には、高さＨｓを低くすることができる。一方、長さＬｓが短い場合、高さＨｓは高くなる。

このように、堰４２０が、冷却水が上面４２０ａを通過する間に１０μｍ以上の気泡が空気層に到達する大きさに設計されることにより、堰４２０を通過した後の冷却水に、１０μｍ以上の気泡が含まれる事態を回避することができる。したがって、冷却水ポンプ２１０に導入される冷却水中には１０μｍ未満の気泡（ナノバブル）と溶解空気のみが含まれることになる。上記したように、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、冷却水とともにナノバブルが凝縮器２２０に導入されたとしても、凝縮器２２０（冷却水流路２２４ａ、２２４ｂ、溝部３１６）内に空気溜りＡＰを形成することはない。

また、仮に堰４２０を通過した冷却水に１０μｍ以上の気泡（マイクロバブル）が含まれていても、槽本体部４１０における堰４２０の下流側（開口４１０ｂ側）で気泡を分離することができる。具体的に説明すると、単位体積あたりの気泡の体積が少ない冷却水は質量密度が大きく、気泡の体積が多い冷却水は質量密度が小さい。このため、何らかの理由で堰４２０の通過過程においてマイクロバブルが分離されない場合に、この冷却水は、マイクロバブルが分離された冷却水より質量密度が小さい。したがって、マイクロバブルが分離されなかった冷却水は、冷却水の層における上層を流れることになる。

冷却水の層における上層は、空気層までの距離が短いため、堰４２０の下流を流れる間に、マイクロバブルを分離することができる。なお、堰４２０は、槽本体部４１０における中央より上流側（開口４１０ａ側）に設けられるとよい。これにより、堰４２０の下流の距離を長くすることができ、マイクロバブルを確実に冷却水から分離することができる。

排気弁４３０は、例えば、フロート式の排気弁である。排気弁４３０は、筒体４３２と、フロート４３４と、排出管４３６とを含んでいる。筒体４３２は、円筒形状であり、水導入口４３２ａと、複数のガス導入口４３２ｂとが形成されている。水導入口４３２ａは筒体４３２の底面または側面に形成される。ガス導入口４３２ｂは、筒体４３２の側面のうち、水導入口４３２ａより上方に形成される。本実施形態において、ガス導入口４３２ｂは、鉛直方向の位置を異にして複数形成される。

フロート４３４は、円筒形状であり、筒体４３２内に摺動自在に収容される。フロート４３４は、水面４１０ｃが水導入口４３２ａの下方である場合に、筒体４３２の底面に接触する。また、水面４１０ｃが水導入口４３２ａより上方である場合、水導入口４３２ａから筒体４３２内に冷却水が導入される。フロート４３４は、導入された水によって押し上げられ、筒体４３２内を上昇する。そして、フロート４３４は、ガス導入口４３２ｂの少なくとも一部を封止することになる。

排出管４３６は、排気弁４３０の筒体４３２の上面と、後述する吸引部４４０（エジェクタ４５０）に接続される。排出管４３６を通じて、吸引部４４０によって筒体４３２内の空気が吸引される。吸引部４４０は、槽本体部４１０の水面４１０ｃが所定の高さ（空気層の圧力が所定値）に維持されるように空気を吸引する。

図１に戻って説明すると、吸引部４４０は、分岐管４４２と、バルブ４４２ａと、減圧弁４４２ｂと、エジェクタ４５０と、排出管４６０とを含んでいる。分岐管４４２は、冷却水導入管２３０から分岐され、エジェクタ４５０のノズルに接続される。また、エジェクタ４５０に導入される冷却水の駆動水量（流量および圧力）が、上記槽本体部４１０の水面４１０ｃが所定の高さに維持される駆動水量となるようにバルブ４４２ａの開度および減圧弁４４２ｂにより、減圧量が設定されている。

エジェクタ４５０は、吸引入口に排出管４３６が接続される。エジェクタ４５０は、冷却水を駆動流体として、筒体４３２内の空気を吸引する。これにより、槽本体部４１０から空気を吸引することができ、槽本体部４１０の水面４１０ｃを所定の高さに維持することができる。

排出管４６０は、エジェクタ４５０のディフューザに接続され、端部４６０ａが冷却塔２５０の貯留部２５２ａに貯留された冷却水に浸漬される。これにより、エジェクタ４５０に利用し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。

また、本実施形態においては、槽本体部４１０の水面４１０ｃが、冷却水の水面２５２ｃより上方に位置するように、槽本体部４１０および冷却塔２５０が設置される。これにより、槽本体部４１０の水面４１０ｃと、貯留部２５２ａの水面２５２ｃとの水頭差分、槽本体部４１０内を減圧することができる。この場合、主管２１４と主管２１６の最低高さを同じにし、槽本体部４１０の水面４１０ｃより低くすることにより、槽本体部４１０で減圧した分の圧力を主管２１６の低部においてサイフォンの原理によって回復し得る。これに対し、槽本体部４１０の水面４１０ｃが冷却水の水面２５２ｃと高さが等しい場合には、冷却水の全量を減圧弁で所定の圧力に減圧して、混在する空気を排気する必要がある。このため、減圧弁で減圧した分、冷却水ポンプ２１０の吸入圧力が低下する。したがって、冷却水ポンプ２１０は、全冷却水量を所定の吐出圧力まで昇圧させることになる。つまり、槽本体部４１０の水面４１０ｃが冷却水の水面２５２ｃより上方に位置する場合と、槽本体部４１０の水面４１０ｃが冷却水の水面２５２ｃと等しい場合とを比較すると、前者の方が冷却水ポンプ２１０の動力が小さくなり、コストを削減することができる。

例えば、冷却塔２５０から送出される冷却水に含まれる空気（溶解空気、ナノバブル、マイクロバブル）を加圧してすべて冷却水中に溶解させる場合の圧力（飽和圧力）が０．０３ＭＰａであるとする。槽本体部４１０の水面４１０ｃが冷却水の水面２５２ｃと高さが等しい場合、槽本体部４１０においてマイクロバブルはほとんど分離されないため、冷却水ポンプ２１０は、０．０３ＭＰａＧとなるように冷却水を昇圧する必要がある。そうしないと、凝縮器２２０（冷却水流路２２４ａ、冷却水流路２２４ｂ）内においてマイクロバブルが凝集して空気溜りＡＰが形成されるからである。

これに対し、槽本体部４１０の水面４１０ｃを、冷却水の水面２５２ｃより上方に位置させることにより、水頭差分、槽本体部４１０においてマイクロバブルを分離できるため、冷却水中に溶解させなければならない空気の量を低減できる。これにより、冷却水ポンプ２１０の昇圧程度を低減することができ、動力を削減することが可能となる。例えば、冷却水出口３４４ｂの圧力を０．０１ＭＰａＧに設定する場合、０．０２ＭＰａＧ（飽和圧力（０．０３ＭＰａ）−０．０１ＭＰａＧ）に相当する水頭差（２ｍ程度）を設ければよい。なお、飽和圧力はヘンリーの式に基づいて算出することができる。

以上説明したように、本実施形態の脱気システム２００は、凝縮器２２０に導入する前に冷却水から空気（マイクロバブルおよび大気泡）を取り除くことができる。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、凝縮器２２０としてプレートタイプの熱交換器を例に挙げて説明した。しかし、凝縮器２２０の構成に限定はない。例えば、凝縮器２２０として、シェルアンドチューブタイプの熱交換器を利用してもよい。

また、上記実施形態において、堰４２０が冷却水の流れ方向と直交する方向に延在する構成を例に挙げて説明した。しかし、堰４２０は、冷却液の流れと交差する方向に延在していればよい。

また、上記実施形態において、吸引部４４０がエジェクタ４５０を含む構成を例に挙げて説明した。しかし、吸引部は、槽本体部４１０内の空気を吸引できれば構成に限定はない。例えば、吸引部を真空ポンプで構成してもよい。この場合、真空ポンプが排出管４３６に接続され、分岐管４４２、バルブ４４２ａ、減圧弁４４２ｂ、排出管４６０は省略できる。

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）
２２２ａ 媒体流路
２２２ｂ 媒体流路
２２４ａ 冷却水流路（冷却液流路）
２２４ｂ 冷却水流路（冷却液流路）
２５０ 冷却塔
２５２ａ 貯留部
２５４ 散水部
２６０ 脱気機構
３１６ 溝部（冷却液流路）
３２６ 溝部（媒体流路）
３４４ａ 冷却水入口（入口）
４１０ 槽本体部
４１２ 底面
４２０ 堰
４４０ 吸引部
４５０ エジェクタ

Claims (2)

1. 冷却液が通過する冷却液流路と、前記冷却液流路と熱伝達可能に設けられ熱媒体が通過する媒体流路とを有し、前記冷却液と前記熱媒体とを熱交換させる熱交換器と、
   中空形状の塔本体と、前記冷却液流路から排出された冷却液を前記塔本体内に散水する散水部と、前記散水部から散水された前記冷却液と空気とを接触させて冷却する冷却部と、前記塔本体の下部に設けられ冷却された前記冷却液を貯留する貯留部とを有する冷却塔と、
   前記貯留部に貯留された前記冷却液の液面より上方に位置し、前記貯留部に貯留された前記冷却液が導入され、内部に前記冷却液の層と気層とが形成される中空形状の槽本体部と、前記槽本体部における前記気層が形成される箇所の底面から前記槽本体部内に立設した堰と、前記槽本体部内の気層の圧力が所定値に維持されるように空気を吸引する吸引部とを有する脱気機構と、
   吸入側が、前記貯留部に貯留された前記冷却液の液面より下方に位置し、前記脱気機構の前記槽本体部における前記堰の下流側に接続され、吐出側が前記冷却液流路の入口に接続された冷却液ポンプと、
   を備え、
   前記冷却液ポンプは、前記脱気機構から冷却液を吸入することで、前記貯留部に貯留された冷却液を前記脱気機構に導く脱気システム。
2. 前記吸引部は、前記冷却液ポンプの吐出側が接続されるエジェクタを含んで構成される請求項１に記載の脱気システム。

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