JPS62225776A - ポンプレス浸透圧利用濃度差エンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、太陽エネルギーにより生成された海水ビ淡
水間の濃度差やその他のエネルギーによりつくり出され
た濃度差による濃度差エネルギーを利用するポンプレス
浸透圧利用濃度差エンジンに関するものである。

〔従来の技術〕

従来のこの分野での技術としては、浸透圧利用濃度差発
電がある。その概念図を第９図に示す。

この図かられかるように、このシステムは、海水ポンプ
２４、淡水ポンプ２５、内部に半透膜３を有する浸透装
置２３、タービン２６、発電８２７から構成されている
。動作原理は浸透圧により生じる浸透流Δ■によるター
ビン流量の増加分をエネルギー出力とするものである。

さらに以下に詳述する。

海水ポンプ２４により浸透圧以下のある圧力Ｐｓ＋ΔＰ
Ｏで流量がＶとなるように海水を浸透装置２３に供給す
る。ここでΔＰＯは浸透装設２３の海水側の圧力損失で
ある。淡水ポンプ２５により淡水が圧力ΔＰｉ　　ｌ流
量Ｆ＋ΔＶで浸透装置２３に供給される。ここで、ΔＰ
】は浸透装置２３の淡水側の圧力損失であり、Ｆは淡水
排水、ΔＶは浸透流である。ゆえに、タービン２６への
入力は圧力Ｐｓ　、流量ｖ＋Δ■であるからｇａＳ（■
＋ΔＶ）となる。したがって、海水ポンプ効率をηＰＳ
Ｉ淡水ポンプ効率をηＰ１４＋タービン効率をηＴ　２
発電機効率をηＥとすると、正味の出力Ｗｏ、ｔは、 Ｗｏ、ｔ　＝η■　・ηＥ　Ｉｇ（ｖ＋ΔＶ）Ｐｓηｈ
　　　　　　　　　　　　　　ηｐｓとなる。η■＝８
４％、η［＝９５％、ηｐｕ＝ηｐｓ＝８０％とし、Ｆ
＝Δ■／２．ΔＰｉ＝ΔＰｏ＝０．０２Ｐｓ　と仮定す
ると、となり、Ｖ＝ΔＶでエネルギーの増加分ｇ・ΔＶ
・Ｐｓに対する機構効率は２８％と極めて低くなる。こ
れは発電機出力の大部分、この場合７０％をポンプ動力
として消費するためである。

またシステム効率ηＳは、入力として海水に対する淡水
の浸透圧Ｐｏ　と浸透流Δ■との積を考えると、 となり、さらに効率が低下する。

これは海水側をＰｓ　＋ΔＰＯに加圧することにより生
じている。システム効率を上昇させようとＰｓをＰｏに
近くするとΔ■が減少するために、かえって効率が悪く
なるためにＰｓをあまり大きく取ることができず、前記
条件ではシステム効率はｌＯ％程度と考えられる。

なお、前記条件のポンプ効率は小容量では不可能であり
、小規模システムとしての可能性はほとんどない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

この例でもわかるようにプラント効率が低いにもかかわ
らず、ポンプ２台、タービン、発電機番１台は必要であ
るために、建設コストおよびランニングコストがかかる
ためにエネルギーコスト面から極めて不利なシステムで
あるという問題点があった。

この発明は、上記の問題点を解決するためになされたも
ので、濃度差を利用してポンプレスで濃度差エネルギー
を有効に利用できる濃度差エンジンを提供することを目
的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係るポンプレス浸透圧利用濃度差工”ンジン
は、空間内に溶液を導入する手段と、この溶液に半透膜
を介して溶媒を導入して接触させる手段と、この接触時
の浸透圧によって溶液側に浸透してくる浸透流により可
動部材を移動または回動させ出力を得るとともに前記空
間の大きさを変化させる手段と、前記空間内に流入した
溶媒により希釈された溶液濃度を初期の濃度に戻すとと
もに前記可動部材を初期の位置に戻す手段とを具備した
ものである。

〔作用〕

この発明は、空間内の溶液に半透膜を介して溶液が導入
され、その時の浸透流により可動部材が移動または回動
し、出力を得る。

〔実施例〕

この発明の一実施例の側断面図を第１図に示す。この図
において、円筒上のシリンダー１内にピストン２があり
、シリンダー１の頭部に半透膜３を介してシリンダー１
内の溶液（この場合、塩水）と接するよう溶媒（この場
合、淡水）を供給する溶媒弁４、薄められた溶液を排出
する排出弁５、薄められた溶液の濃度を元に戻すために
溶液（この場合塩水）を供給する溶液弁６がある。

ピストン２はピストンロッド７、クランクロッド８を介
してクランク軸９に機械的に結合している。

このような構成のボンプレス浸透圧利用濃度差エンジン
は、後に詳述するが、溶媒の溶液に対する浸透圧により
シリンダー１内に浸透してきた浸透流によりピストン２
を駆動し、クランク軸９により回転運動として出力を取
り出すものである。

第２図に上記第１図の実施例の動作手順を略図で示す。

以下、溶液は塩水ＬＳ　　、溶媒は淡水ＬＨとして説明
を行う。最初（ａ）の状態でシリンダー１とピストン２
で囲まれた領域に塩水ＬＳが入っているものとする。（
ａ）〜（Ｃ）までを駆動行程、（Ｃ）〜（ｅ）までを排
出行程、（ｅ）〜（ｇ）を再生行程ＣＩ）、（ｇ）〜（
ａ）を再生行程〔１１〕とする。なお、第２図では各行
程の終期と始期は重なるので、ずらせて示しである。

駆動行程（ａ）〜（Ｃ）においては、溶媒弁４のみを開
とする。半透膜３を通じて淡水り一が塩水ＬＳ中に浸透
し、ピストン２を押し下げるように駆動する。

排出行程（Ｃ）〜（ｅ）においては、溶媒弁４を閉じ、
排出弁５を開とする。そして、駆動行程（ａ）〜（Ｃ）
において希釈された塩水ＬＳをシリンダー１内から外部
に排出する。

再生行程（Ｉ）においては、溶媒弁４．排水弁５を閉と
し、溶液弁６を開とする。塩水Ｌｓ　を溶液弁６からシ
リンダー１内に吸い込み、希釈された塩水Ｌｓ　と混合
し、シリンダー１内の塩水の濃度を回復させる。

再生行程（ＩＩ　）においては、各弁４．５．６の動作
は再生行程ＣＩ）と同じであり、最初の状態に戻すため
に余分な塩水Ｌ　Ｓをシリンダー１から排出する。

上死点、この場合（ａ）と（ｅ）におけるシリンダー１
とピストン２で囲まれた部分の体積Ｖｌと、下死点、こ
の場合（Ｃ）と（ｇ）におけるシリンダー１とピストン
２で囲まれた部分の体積を■２　とじ２　この比を膨張
比ｎとすると、（ａ）の状態での濃度はｍ−ｎ／（ｎ＋
１）であり、（Ｃ）の状態での濃度はｍ／（ｎ＋１）と
なる。

ｍは溶液弁６から供給される塩水Ｌｓの濃度である。

この構成により取り出すことのできるエネルギーは第３
図を参照して次のように計算できる。

第３図はこのシステムでの出力をみるための配置図であ
り、１ｏは淡水面、１１は淡水と溶媒弁４を接続する配
管、１２は排水面、１３は排水と排出弁５を接続する配
管、１４は塩水面、１５は塩水と溶液弁６を接続する配
管である。

まず、浸透圧Ｐは電解質溶液において電離度を一定とす
ると、その溶液の濃度に比例する。

したがって、駆動行程（ａ）〜（Ｃ）において浸透圧の
ピストン２のなす仕ＪＧＷは次式となる。

ここでｐ　（ｖ）は、浸透圧が濃度に比例し、駆動行程
（ａ）〜（Ｃ）においては溶質量が一定で濃度が体積Ｖ
に逆比例することから、体積Ｖに逆比例する。ゆえに、 Ｐ（Ｖ）＝− ■ となる、げで〃゛゛／で、 となる。溶液弁６から供給される塩水Ｌｓ　に対して溶
媒弁４から供給される淡水ＬＷの浸透圧をＰａ　とする
と、（ａ）の状態での浸透圧がＰＯｎ／（ｎ＋１）とな
ることより よって ところで、淡水面］Ｏとこの装置との高さをＨ’ｄ＋淡
水面１０とこの装置を接続している配管１１での損失水
頭を）ｌｐｗとすると、淡水り一を供給するために、必
要なエネルギーＥ１はＥ＋　＝ｇ　（Ｖ２−■＋　）　
・（）（ｗ　＋Ｈｐｎ）となる。排出行程（Ｃ）〜（ｅ
）で排出に必要なエネルギーＥ２は、排水面１２と装置
との高低差をＨｅ　、配管１３の損失水頭を１（ｐｅと
するとＥ２　＝　ｇ　（Ｖ２−Ｖ＋　）　　（Ｈｅ　＋
Ｈｐｅ）となる。塩水面１４とこの装置との高低差をＨ
ｓ　　、配管１５の損失水頭をＨｐｓとすると、再生行
程ＣＩ）で必要なエネルギーＥ３は Ｅ３　＝ｇ　（Ｖ２−Ｖ＋　）　　（Ｈｓ　＋ＨＰＳ）
となり、再生行程（ＩＩ　）で必要なエネルギーＥ３は Ｅ４　　＝ｇ　　（Ｖ２　−Ｖｌ　　）　　（−Ｈｓ　
　＋Ｈｐｓ）となる。ゆえに、出力Ｗｏは ｗｏ　＝Ｗ−Ｅ、−Ｅ２−Ｅ３−Ｅ。

となる。なお、各配管内は液で満たされているとして説
明した。

通常、Ｈ−七Ｈｅであり、各配管での損失は無視できる
から ＷＯ寝Ｗ となる。

なお、システム効率は次式で与えられる。

＝　−１ｏｇ　ｎ ηＳはｎ＝１ではＯであるが である。第４図に理想的なηＳのｎによる変化の状態を
示す。

第５図は第１図の実施例の別の動作−ト順による例を示
すものである。

最初に、シリンダー１内に濃度ｍ１の溶液が体積Ｖ１だ
けあるものとする。第５図の（ａ）〜（ｂ）は再生行程
、（ｂ）〜（Ｃ）は駆動行程、（ｃ）〜（ａ）は排出行
程を示す。ただし、各行程の終期と始期は重なるので、
ずらせて示しである。

再生行程（ａ）〜（ｂ）において原水である濃度ｍＱの
溶液が溶液弁６を通じてシリンダー１内に吸い込まれる
。再生行程（ａ）〜（ｂ）の終了時においてシリンダー
１内の体積は■２　、濃度はｍｌ　とする。

駆動行程（ｂ）〜（ｃ）においては、溶媒弁４のみが開
となり、半透膜３を通じて溶媒が浸透圧により浸透して
きて、ピストン２を下死点まで押し下げる。このときの
シリンダー１内の体積をｖ３　　、濃度をｍ３とする。

この場合の仕事Ｗは である。

排出行程（ｃ）〜（ａ）においては排出弁５のみが開と
なり、最初の状態になるまで、つまり上死点まで薄めら
れた溶液を排出する。

ｍｌ：ｍ３　であることは明白である。ｍｌはとなるか
ら、ｍ３は 再生終了時での浸透圧は、濃度に比例することから となる。したがって したがって、システム効率ηＳは Ｖ３　／Ｖｌ　　＝　ｎ　、　Ｖｌ　／Ｖ２　＝　ｎ＋
　　とするととなる。その状態を第６図に示す。

第６図で縦軸はシステム効率ηＳ　、横軸は１膨張比ｎ
をとったもので曲線Ａはｎｌ　＝０のとき、曲線Ｂはｎ
ｌ　＝０．５のときを示す。

この発明の他の実施例の軸方向の断面図を第７図に示す
、これはロータリーベーン方式と名付けるべきものであ
る。外側の円筒状のケーシング１６内に中心軸をはずし
てロータリー］７を設置し、遠心力またはスロット１９
内に設置されたばね（図示せず）によりベーン１８をケ
ージ゛７・グ１６に内側から押しつけ、ベー７１８とロ
ー？Ｚす−１７で囲まれた空間を作り、溶液口２０から
溶液を吸い込み、溶媒口２１から半透膜３を通して浸透
圧による浸透流によりロータリー１７を駆動し、希釈さ
れた溶液を排出口２２から排出するものである。

この場合の取り出しエネルギーは、機械損、配管での損
失を無視すると となる。ゆえに、システム効率ηＳは １７とケーシング１６で囲まれた空間を利用する幌１こ
とも日子能である。

下記に特許請求の範囲とこれに対応する実施例中の部材
との関係を示す。

空間ニジリンダ−１，ケーシング１６ 溶液を導入する手段：溶液弁６．温溶液２０溶液に半透
膜を介して溶媒を導入して接触させる手段：半透膜３と
溶媒弁４．溶媒ロ２１可動部材を移動または回動させ出
力を得るとともに空間の大きさを変化させる手段：ピス
トン２．出力軸９．ロータリー１７ 希釈された溶液濃度を初期の濃度に戻すとともに可動部
材を初期の位置に戻す手段：排出弁５、排出口２２ なお、動作は各部が関連して行われるので厳密に分離は
できないが、上記は主要部分との関連を示すものである
。

〔発明の効果〕

この発明は以上説明したとおり、空間内に溶液を導入す
る手段と、この溶液に半透膜を介して溶媒を導入して接
触させる手段と、この接触時の浸透圧によって溶液側に
浸透してくる浸透流により可動部材を移動または回動さ
せ出力を得るとともに前記空間の大きさを変化させる手
段と、前記空間内に流入した溶媒により希釈された溶液
濃度を初期の濃度に戻すとともに前記可動部材を初期の
位置に戻す手段とで構成したので、従来の技術に比して
極めて高能率での運用が可能である。また構成がシンプ
ルであり、ポンプ等の補機が不要なため、初期コストお
よびランニングコストが大幅に低減される。また小容量
でも充分な性能をもつものであり、さらに、この方式は
環境に対する影響が極めて小さい。したがって、自然エ
ネルギーの有効利用ということで、エネルギー問題の緩
和に大きく貢献するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の構成の一例を示す側断面図２第２図
（＆）〜（ｈ）は第１図の実施例の動作手順の略図、第
３図はこのシステムでの出力をみるための配置図、第４
図は第１図で示した実施例の理想的な効率を示す図、第
５図（ａ）〜（ｃ）は第１図の実施例の別の動作手順を
示を略図、第６図は第５図の動作手順における効率を示
す図、第７図はこの発明の他の実施例を示す断面図、第
８図は第７図の実施例における理想的な効率を示す図、
第９図は従来の浸透圧利用濃度差発電の概念図である。 図中、１はシリンダー、２はピストン、３は半透膜、４
は溶媒弁、５は排出弁、６は溶液弁、７はピストンロッ
ド、８はクランクロンド、９はクランク軸である。 じ、〜、−３）、、ｊ 第１図 ｙ：７フ〉Ｚ′／ヤフト 第４図 Ｉ 第５図 （ａ）　　　　（ｂ）　　　　（ｃ） 零ご−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 空間内に溶液を導入する手段と、この溶液に半透膜を介
   して溶媒を導入して接触させる手段と、この接触時の浸
   透圧によって溶液側に浸透してくる浸透流により可動部
   材を移動または回動させ出力を得るとともに前記空間の
   大きさを変化させる手段と、前記空間内に流入した溶媒
   により希釈された溶液濃度を初期の濃度に戻すとともに
   前記可動部材を初期の位置に戻す手段とを具備したこと
   を特徴とするポンプレス浸透圧利用濃度差エンジン。