JPWO2007020707A1

JPWO2007020707A1 - 温度差発電装置

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Publication number: JPWO2007020707A1
Application number: JP2007530889A
Authority: JP
Inventors: 康之池上; 君夫岩崎
Original assignee: NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION SAGA UNIVERSITY
Current assignee: NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION SAGA UNIVERSITY
Priority date: 2005-08-19
Filing date: 2005-08-19
Publication date: 2009-02-19
Anticipated expiration: 2025-08-19
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Abstract

低圧で相変化の各現象が再現できるフッ素系の液体を作動流体として用い、少なくとも一部を略透明の材質製とされる蒸発器（１０）と凝縮器（３０）で、作動流体をそれぞれ高温流体および低温流体と熱交換させて動力サイクルを実行させることから、動力サイクルとしての実際の動作を確実なものとしつつ、取り扱いが簡便でかつ装置全体を低コストでコンパクトに構成でき、合わせて蒸発や凝縮の現象を容易に観察できることとなり、教材用装置として観察者に対し温度差発電への理解を促すことができる。

Description

本発明は所定の温度差を有する高温源と低温源を用いて作動流体を加熱、冷却させつつ循環させ、相変化を繰返す作動流体に仕事を行わせて発電動力を得る温度差発電装置に関し、特に、安全な作動流体を適切な温度帯で用いてシステム各部のコンパクト化を図りつつ、作動流体の相変化状態や仕事を行う状態を視認可能として発電装置の動作の理解を進めやすく、教材として最適な教育用の温度差発電装置に関する。

環境問題やエネルギー問題が緊急の国際的課題として取りざたされる中、海洋表層における高温の温海水と海洋深層における低温の冷海水との温度差を利用して電力を得る海洋温度差発電は、資源枯渇がなく持続可能なエネルギーシステムであり、地球温暖化等環境悪化につながる排出物を発生しないなどの特長を有し、研究者のみならず、国内外の多方面から注目を集めている。

海洋温度差発電システムは、従来、蒸発器、発電機と連結したタービン、凝縮器及びポンプ等から構成され、海洋の表層から採取した温海水を蒸発器に流通させるとともに、海洋の深層から汲上げた冷海水を凝縮器に流通させて、両者間の温度差により作動流体を蒸発させると共に凝縮させ、その間にタービンを駆動して発電を行う。この海洋温度差発電においては高温源（温海水）と低温源（冷海水）との温度差が小さいために、流通させる海水の量が膨大なものとなり、また各熱交換機器の伝熱面も十分な面積を確保する必要があった。

このような海洋温度差発電システムとして用いられる従来の温度差発電装置の一例として、特開平７−９１３６１号公報に記載されるものがある。
前記従来の温度差発電装置は、蒸気動力サイクルとして一般的なランキンサイクル同様に蒸発器、タービン、凝縮器及びポンプを有する他に、凝縮器の前段側に膨張後の気相作動流体を液相作動流体に一部吸収させる吸収器と、蒸発器で加熱された作動流体のうち、液相の作動流体を蒸発器で熱交換する前の低温液相の作動流体と熱交換させる再生器と、複数段配設されたタービンの中間から抽気された高温気相の作動流体を低温液相の作動流体と熱交換させる加熱器とを備える構成である。
特開平７−９１３６１号公報

従来の温度差発電装置は、前記特許文献に示される構成となっており、一般的なランキンサイクルを用いたものに比べて熱効率を高めることができるものの、装置は非常に大きなものとなり、装置全体が一つの動力サイクルをなして稼働している状況を把握するのは、専門の技術者以外には困難であった。
海洋温度差発電の普及や技術的発展には、学生や一般の学習者等の非専門家にも海洋温度差発電への理解を進めることが重要であり、こうした非専門家に対する教育に際しては、印刷物や資料映像のみの教材ではなく、実際に操作したり蒸発や凝縮の現象を観察できる教材が望ましいが、前記従来の温度差発電装置は、大型でその稼働状態を把握しにくいという点で教材としては難があるという課題を有していた。この他、非専門家が海洋温度差発電を体験的及び観察的に学習できる教材となり得る装置は従来存在せず、システム全体を一目で把握可能な程度にコンパクトで、且つ動作状態がわかりやすく初学者の理解を助ける模擬的な装置が求められている。

ただし、こうした海洋温度差発電のモデル装置を、前記特許文献に記載の装置など、海洋温度差発電用の実際の装置のようにアンモニアを使用するものとして製作しようとすると、アンモニアへの対応で各部が高耐圧構造となりコスト高となるなど難しい面があり、作動流体としてアンモニアに代る安全且つ使用が容易な流体も求められていた。

本発明は前記課題を解消するためになされたもので、発電に係るサイクル中の熱交換器等各機器を安全且つ簡略で観察が容易な構造として、高温熱源と低温熱源との温度差に基づく動力サイクルの稼働と電力の発生の仕組みを装置の運用を経て観察者に容易に理解させることができ、教材として優れると共に、装置全体のコンパクト化、低コスト化が図れ、様々な箇所で教材として活用できる温度差発電装置を提供することを目的とする。

本発明に係る温度差発電装置は、所定の高温流体と液相の作動流体とを熱交換させて当該作動流体を蒸発させる蒸発器と、蒸発した前記作動流体の保有する熱エネルギを動力に変換する原動機と、当該原動機で駆動されて発電する発電機と、前記原動機で使用済の作動流体を所定の低温流体と熱交換させて凝縮させる凝縮器と、当該凝縮器を出た液相の作動流体を前記蒸発器へ送込むポンプとを少なくとも備え、作動流体を前記各流体と熱交換させて相変化させる過程を繰返し行う動力サイクルからなる温度差発電装置において、前記蒸発器が、少なくとも外殻容器の一部を、外部から作動流体の蒸発過程が視認可能な略透明材質製とされてなり、前記凝縮器が、少なくとも外殻容器の一部を、外部から作動流体の凝縮過程が視認可能な略透明材質製とされてなり、前記作動流体が、少なくともサイクル作動時における沸点が水の沸点より低く、且つ凝固点が水の凝固点より低い液体であり、前記高温流体が、加熱されて前記作動流体のサイクル作動時における沸点以上とされた水であり、前記低温流体が、冷却されて前記作動流体のサイクル作動時における沸点に比べて十分低い温度とされた水であるものである。

このように本発明によれば、アンモニアの代りに、より低圧で相変化の各現象が再現できる液体を作動流体として用い、少なくとも一部を略透明の材質製とされる蒸発器と凝縮器で作動流体をそれぞれ高温流体及び低温流体と熱交換させて動力サイクルを実行させることにより、動力サイクルとしての実際の動作を確実なものとしつつ、取扱いを簡便なものとし、また、装置全体を低コストでコンパクトに構成でき、合わせて蒸発や凝縮の現象を容易に観察できることとなり、非専門家でも実際に動作させて観察者に対し温度差発電装置の動作理解を促すことができ、教材用装置として好適である。

また、本発明に係る温度差発電装置は必要に応じて、水を所定量貯溜しつつ所定の高温熱源で加熱して前記高温流体とし、前記蒸発器に供給すると共に、蒸発器で熱交換を終えた高温流体を回収する高温流体タンクと、水を所定量貯溜しつつ所定の低温熱源で冷却して前記低温流体とし、前記凝縮器に供給すると共に、凝縮器で熱交換を終えた低温流体を回収する低温流体タンクとを備え、前記高温流体及び低温流体となる水が、互いに異なり、且つ作動流体とも異なる所定色にそれぞれ着色され、前記高温流体タンク及び低温流体タンクが、少なくとも外殻容器の一部を、外部から各流体の貯溜状態が視認可能な略透明材質製とされてなり、前記蒸発器が、外部から高温流体の流れも視認可能な構造とされ、前記凝縮器が、外部から低温流体の流れも視認可能な構造とされるものである。

このように本発明によれば、高温流体タンクと低温流体タンクを設けると共に、高温流体と低温流体に着色し、蒸発器や凝縮器で高温流体と低温流体をも視認可能とすることにより、作動流体だけでなく高温流体と低温流体の装置内流通状態も把握しやすくなり、温度差発電装置の仕組みと動作をより容易に理解可能となる。

また、本発明に係る温度差発電装置は必要に応じて、前記高温流体が暖色系の所定色に着色され、前記低温流体が寒色系の所定色に着色され、前記高温流体タンクと低温流体タンクが上下に並べて配置されるものである。
このように本発明によれば、高温流体タンクと低温流体タンクが上下に並べられて海洋温度差発電の場合の水供給源となる海洋を模すと共に、高温流体が暖色系とされて温海水を模し、且つ低温流体が寒色系とされて冷海水を模すことにより、装置全体から海洋温度差発電のイメージを想起させやすく、観察者に対し温度差発電の仕組みのより一層の理解を促せる。

また、本発明に係る温度差発電装置は必要に応じて、前記原動機が、気相の作動流体により羽根車を回転させる蒸気タービンとされると共に、タービンハウジングの少なくとも一部を、外部から前記羽根車の回転状態を視認可能な略透明材質製とされてなり、前記蒸発器と原動機との間の作動流体流路にバルブが設けられ、作動流体の原動機への流入量を調整可能とされるものである。

このように本発明によれば、原動機としての蒸気タービンのハウジングの少なくとも一部を略透明材質製とし、羽根車の回転状態を外部から確認可能にすると共に、蒸発器と原動機との間にバルブを設けることにより、実際に作動流体で羽根車が回転している様子を視認できる上、バルブの開度調整で作動流体の流入量を増減させて羽根車の回転を変化させられ、作動流体が仕事を行う様子を理解しやすくなり、温度差発電装置全体の理解の一助とすることができる。

また、本発明に係る温度差発電装置は必要に応じて、前記蒸発器及び／又は凝縮器が、プレート式熱交換器とされ、各プレートの伝熱部分を少なくともガラス板とされてなるものである。
このように本発明によれば、蒸発器及び／又は凝縮器の伝熱部分が略透明のガラス板とされ、外部から伝熱部分で隔てられた部位も視認可能となることにより、作動流体の相変化状態をより一層把握しやすくなり、作動流体の蒸発及び／又は凝縮過程の理解を深められる。

また、本発明に係る温度差発電装置は必要に応じて、前記蒸発器を出た高温流体の少なくとも一部及び／又は前記高温流体タンクから所定量取水された高温流体を所定の減圧空間内で蒸発させる内部視認可能な蒸発手段、及び前記凝縮器を出た低温流体の少なくとも一部及び／又は前記低温流体タンクから所定量取水された低温流体を冷却用媒体として導入する内部視認可能な凝縮手段を少なくとも有してなり、前記蒸発手段で蒸発させた水分を前記凝縮手段で冷却し凝縮させて蒸留水を得る造水装置を備えるものである。

このように本発明によれば、高温流体を蒸発させる蒸発手段と、低温流体を用いて蒸気から蒸留水を得る凝縮手段とを備える造水装置を併設し、高温流体と低温流体を利用して造水のプロセスを温度差発電と並行して実行可能とすることにより、海洋温度差発電と並行して行われることの多い海水淡水化のプロセスを、高温流体を温海水に見立てると共に、低温流体を冷海水に見立てて模擬的に実行できることとなり、淡水化の過程を視覚的に把握しやすく、海水温度差を利用した海水淡水化手法の理解も促せる。

また、本発明に係る温度差発電装置は必要に応じて、前記凝縮器と低温流体タンクとの間で、凝縮器を出た作動流体を一時的に所定量貯溜しつつ、前記凝縮器を出た低温流体の少なくとも一部及び／又は前記低温流体タンクから所定量取水された低温流体を冷却用媒体として作動流体の近傍に導入、流通させ、貯溜された作動流体を冷却する作動流体タンクを備えるものである。

このように本発明によれば、凝縮器の後段側に作動流体タンクを配設し、凝縮器を出た作動流体を低温流体で冷却しつつ一時的に所定量貯溜し、最終的にさらに後段側へ送出すようにすることにより、凝縮器で液相となった作動流体の再蒸発を確実に抑えられると共に、凝縮器から気相の作動流体が凝縮しない状態で流出した場合にも、作動流体を低温流体との熱交換でさらに冷却することで完全に凝縮させてその圧力を低下させられ、タービン出口圧力を下げられることとなり、タービン効率を高めることができる。さらに、作動流体を所定量貯溜していることから、作動流体の送出圧力を発生させるポンプの動作に伴う作動流体の流量変化に対し緩衝機能を有することとなり、流量変化の影響を小さくすることができる。

本発明の一実施形態に係る温度差発電装置の概略系統図である。本発明の一実施形態に係る温度差発電装置の正面図である。本発明の一実施形態に係る温度差発電装置の平面図である。本発明の一実施形態に係る温度差発電装置における凝縮器の側面図である。本発明の一実施形態に係る温度差発電装置におけるタービンの正面図及び底面図である。

符号の説明

１温度差発電装置
１０蒸発器
１１シェル
１１ａ、１１ｂ配管
１１ｃ、１１ｄ配管
１１ｅ内部空間
１２熱交換部
２０タービン
２１ハウジング
２１ａノズル部
２１ｂ管
２２羽根車
２３発電機
２３ａ発電機ケース
２４表示部
２５手動バルブ
２６自動バルブ
２７ランプ
３０凝縮器
３１プレート
３２スペーサ
３３サイドプレート
３３ａ、３３ｂ配管
３３ｃ、３３ｄ配管
４０作動流体タンク
４１内側容器
４２外側容器
５０作動流体ポンプ
６０高温流体タンク
６１ヒータ
６２、７２ポンプ
７０低温流体タンク
７１冷凍機
８０造水装置
８１蒸発部
８２凝縮部
８３バルブ
８４真空ポンプ
８５低温流体供給ポンプ
８６水タンク
９０制御部
９１操作部

以下、本発明の一実施形態を図１ないし図５に基づいて説明する。図１は本実施の形態に係る温度差発電装置の概略系統図、図２は本実施形態に係る温度差発電装置の正面図、図３は本実施形態に係る温度差発電装置の平面図、図４は本実施形態に係る温度差発電装置における凝縮器の側面図、図５は本実施形態に係る温度差発電装置におけるタービンの正面図及び底面図である。

前記各図において本実施の形態に係る温度差発電装置１は、作動流体と高温流体とを熱交換させ、作動流体の蒸気を得る蒸発器１０と、この蒸発器１０で得られた蒸気により動作する前記原動機としてのタービン２０と、このタービン２０を出た蒸気を凝縮させて液相とする凝縮器３０と、凝縮器３０から出た作動流体を一時貯溜する作動流体タンク４０と、作動流体を蒸発器１０に送出する作動流体ポンプ５０と、高温流体を貯溜する高温流体タンク６０と、低温流体を貯溜する低温流体タンク７０と、高温流体と低温流体をそれぞれ導入されて蒸留水を製造する造水装置８０と、発電装置各部への各流体の流入出を制御して自動運転を可能にする制御部９０とを備える構成である。このうち、作動流体ポンプ５０については、一般的な蒸気動力サイクルで用いられるのと同様の公知の装置であり、説明を省略する。

前記蒸発器１０は、最外殻をなして他の機器と配管で接続される中空のシェル１１と、このシェル１１内部に配置され、高温流体と作動流体を熱交換させる管状の熱交換部１２とを備え、簡易なシェルアンドチューブ型熱交換器とされる構成である。
前記シェル１１は、透明材質製の略箱状の中空容器であり、一側部に高温流体を流入させる配管１１ａ、他側部に高温流体を流出させる配管１１ｂをそれぞれ接続され、高温流体を所定量貯溜可能とされると共に、下部に作動流体を流入させる配管１１ｃ、上部に作動流体を流出させる配管１１ｄをそれぞれ接続され、これら配管１１ｃ、１１ｄを内部の熱交換部１２と連通させる構成である。シェル１１に作動流体を流入させる配管１１ｃは作動流体ポンプ５０出口側に接続され、また、作動流体を流出させる配管１１ｄはタービン２０入口側に接続される。このシェル１１の内部空間１１ｅは外部に対し保温状態となっている他、シェル１１内は外側から作動流体の蒸発過程が視認可能な状態となっている。

前記熱交換部１２は、ガラス製の管であり、上下端部をそれぞれ作動流体流入出用の配管１１ｃ、１１ｄと接続一体化されており、シェル１１の内部空間１１ｅに対して水密状態で隔離される構成である。この熱交換部１２内で、作動流体ポンプ５０からの送給圧力を受けつつ、高温流体との熱交換で温められる作動流体は、熱交換部１２を上昇しつつ蒸発して気相となる。この気相となった作動流体は熱交換部１２上部からシェル１１外の配管１１ｄへ流出し、後段側のタービン２０へ向う仕組みとなっている。
なお、使用する作動流体は、海洋温度差発電システムで通常用いられているアンモニアに代り、低圧で相変化を生じさせられる低沸点フッ素系液体であるハイドロフルオロエーテル、フロリナート（登録商標）等を用いる。

前記タービン２０は、透明材質のハウジング２１内に羽根車２２が収納される構成であり、ハウジング２１内のノズル部２１ａから噴出する気相作動流体が羽根車２２に衝突して羽根車２２を回転させる機構となっている。また、ハウジング２１に隣接して発電機ケース２３ａが配設され、発電機ケース２３ａ内には羽根車２２と連結される小型の発電機２３が配設され、羽根車２２の回転により電力を発生可能となっている。このタービン２０は回転状態観察目的が主であるため、羽根車２２は一段のみで、作動流体蒸気が高い圧力に達しなくても十分回転させられる小型の装置とされる。

羽根車２２の回転数は併設されたセンサ（図示を省略）を経て表示部２４で表示される一方、制御部９０に伝達されて他の表示画面等にも表示される。さらに、発電機２３で得られた電力により点灯して電力発生状態を示すランプ２７も、タービン２０近傍に配設されている。
このタービン２０においては、発電機ケース２３ａ内の発電機２３の配設部分まで、作動流体の一部が羽根車２２側から軸封部分を越えて到達するが、発電機２３への悪影響はなく、むしろ作動流体として洗浄効果のあるフッ素系液体を使用していることから、副次的に発電機２３のブラシの長寿命化が図れることとなる。なお、作動流体はその特性上、起動時など羽根車２２が所定温度まで昇温する間に多少凝縮して液化するため、ハウジング２１及び発電機ケース２３ａの下部には作動流体液排出用の管２１ｂを配設し、凝縮器３０の作動流体流路に合流させている。
このタービン２０の前段側には手動開閉可能な手動バルブ２５と、モータにより駆動される自動バルブ２６がそれぞれ設けられ、作動流体の流入量を現場で、もしくは遠隔で調整可能となっている。

前記凝縮器３０は、一般的なプレート式熱交換器とされ、導入された気相の作動流体をプレート３１を介して低温流体と熱交換させて凝縮させる公知の構成であり、詳細な説明を省略する。この凝縮器３０では、各プレート３１を透明のガラスやポリカーボネート製とされる他、凝縮器３０をなすスペーサ３２やサイドプレート３３は内部を視認可能な透明樹脂製とされてなり、気相の作動流体が低温流体との熱交換で凝縮する状態を外部から視認可能となっている。

凝縮器３０の下部には低温流体を流入させる配管３３ａと凝縮した作動流体を流出させる配管３３ｄがそれぞれ接続され、上部には低温流体を流出させる配管３３ｂと気相の作動流体を流入させる配管３３ｃがそれぞれ接続される構造となっており、作動流体を流入させる配管３３ｃはタービン２０出口側と接続され、また、作動流体を流出させる配管３３ｄは後段側の作動流体タンク４０に接続される構成である。

前記作動流体タンク４０は、凝縮器３０の後段側で液相の作動流体と凝縮器３０で凝縮しきれなかった極わずかの気相作動流体とを前記低温流体で冷却しつつ一時的に貯溜し、作業流体の再蒸発を防いだ状態で、最終的に後段側へ送出すものである。タンク内部は二重構造となって、作動流体を貯溜する内側容器４１が周囲を低温流体を貯溜する外側容器４２で囲まれた状態であり、また各容器は透明材質製とされて外部から作動流体及び低温流体の貯溜状態が視認可能な構成である。

この作動流体タンク４０は、作動流体を所定量貯溜することで、これの後段側で作動流体の送出圧力を発生させる作動流体ポンプ５０の動作に伴う作動流体の流量変化の影響を小さくする働きも有する。また、凝縮器３０から出た残りの気相分も含めて作動流体をさらに冷却することでタービン２０出口圧力を下げられ、タービン効率を高めることができる。

前記高温流体タンク６０は、透明材質製の略箱状の中空容器であり、水を所定量貯溜しつつヒータ６１等の高温熱源で加熱して、作動流体沸点より高温の温水、すなわち高温流体とし、蒸発器１０に供給すると共に、蒸発器１０で熱交換を終えた高温流体を回収するものであり、外部から高温流体の貯溜状態を視認可能な構成である。この高温流体タンクの後段には、高温流体を蒸発器１０へ送出すポンプ６２が配設される。

前記低温流体タンク７０は、透明材質製の略箱状の中空容器であり、水を所定量貯溜しつつ冷凍機７１等の低温熱源で冷却して、作動流体沸点より十分低温の冷水、すなわち低温流体とし、凝縮器３０に供給すると共に、凝縮器３０で熱交換を終えた低温流体を回収するものであり、外部から低温流体の貯溜状態を視認可能な構成である。この低温流体タンク７０の後段には、低温流体を凝縮器３０へ送出すポンプ７２が配設される。
これら高温流体タンク６０と低温流体タンク７０は上下に並べて配置され、海洋温度差発電の場合の水供給源となる海洋、すなわち、表層側に高温流体に相当する温海水が、深層側に低温流体に相当する冷海水が存在する状態を模したものとなっている。

前記高温流体及び低温流体となる水は、高温流体が暖色系の所定色、例えば赤に着色される一方、低温流体が寒色系の所定色、例えば青に着色されるなど、それぞれ互いに異なる所定色に着色され、高温流体が暖色系の色とされて海洋表層の温海水を模し、低温流体が寒色系の色とされて海洋深層の冷海水を模したものとなっている。これにより、高温流体の流通する高温流体タンク６０及び蒸発器１０の系統と、低温流体の流通する低温流体タンク７０、凝縮器３０、及び作動流体タンク４０の系統とが明確に識別可能となっている。

前記造水装置８０は、前記蒸発手段としての蒸発部８１と、この蒸発部８１で得られた水蒸気を凝縮させて不純物を含まない水を得る前記凝縮手段としての凝縮部８２と、蒸発部８１及び凝縮部８２に対し水を導入したり、得られた蒸留水又は残りの水を排出したりする複数の管路並びにポンプ（図示を省略）とを備える構成である。この造水装置８０の前段側の高温流体流路にはバルブ８３が設けられ、造水装置８０で造水動作を行うか否か切替え可能となっている。

前記蒸発部８１は、接続された真空ポンプ８４で内部空間を大気圧以下に減圧される減圧容器内で、蒸発器１０を出た高温流体の一部をフラッシュ蒸発させて水蒸気を得る公知の構成であり、詳細な説明を省略する。また、前記凝縮部８２は、前記凝縮器３０同様の透明ガラス製プレートを用いたプレート式熱交換器とされ、導入された作動流体を低温流体タンク７０から所定量取水された低温流体である冷水と熱交換させて蒸気を冷却し凝縮させて蒸留水を得る公知の構成であり、詳細な説明を省略する。これら蒸発部８１及び凝縮部８２においても、高温流体が蒸発する状態や、蒸気が冷水との熱交換で凝縮する状態を、外部から視認可能となっている。なお、凝縮部８２で得られた蒸留水は、水タンク８６に一時的に貯溜された後、取出される。

前記制御部９０は、発電装置各部への各流体の流入出や高温流体及び低温流体の各温度を調整制御して、装置の自動運転を実行するものであり、タッチパネル式の表示部を兼ねた操作部９１を備える構成である。特に操作部９１に対する操作で、タービン２０前段側の自動バルブ２６をはじめ、高温流体を高温流体タンク６０から蒸発器１０へ送出すポンプ６２、低温流体を低温流体タンクから凝縮器３０へ送出すポンプ７２、高温流体タンク６０の高温熱源としてのヒータ６１、低温流体タンク７０の低温熱源としての冷凍機７１、及び造水装置８０の前段側のバルブ８３他を、それぞれ所望の状態に遠隔操作可能となっている。
この制御部９０は、操作部９１同様の操作インタフェースをネットワークを通じて外部に提供しており、ネットワークを介して外部のクライアントコンピュータから発電装置の遠隔操作も行える仕組みとなっている。

次に、本実施の形態に係る温度差発電装置の動作状態について説明する。前提として、海洋表層を模した高温流体タンク６０から高温流体を、また、海洋深層を模した低温流体タンク７０で低温流体を、それぞれ温度管理を行いつつ所定量貯溜する一方、各ポンプ６２、７２で所定流量を蒸発器１０又は凝縮器３０にそれぞれ導入しているものとする。

蒸発器１０では、シェル１１側部の配管１１ａから導入されて所定量貯溜状態となっている高温流体と、下部の配管１１ｃから熱交換部１２内へ導入される液相の作動流体とを、熱交換部１２を介して熱交換させる。ここで加熱された作動流体は、昇温に伴い蒸発して気相となる。このように作動流体を高温流体と熱交換させて蒸発させている様子は、蒸発器１０外部から容易に確認できる。生じた気相の作動流体は、熱交換部１２上部から蒸発器１０外の配管１１ｄへ流出する。また、高温流体は所定時間貯溜された後、蒸発器１０外の配管１１ｂへ流出することとなる。

蒸発器１０を出た高温気相の作動流体は、各バルブ２５、２６を経てタービン２０に達し、羽根車２２を回転させることで、発電機２３が駆動され、温度差分の熱エネルギが使用可能なエネルギ、すなわち電力に変換される。こうしてタービン２０で膨張して仕事を行った気相作動流体は、圧力及び温度を低減させた状態でタービン２０を出て、凝縮器３０に導入される。

凝縮器３０では、配管３３ｃから内部に導入された気相の作動流体が、内部の空間に進み、別途配管３３ａから導入された低温流体とプレート３１を介して熱交換し、冷却された気相の作動流体は凝縮して液相になる。このように作動流体を低温流体と熱交換させて凝縮させている様子は、凝縮器３０外部から容易に確認できる。

凝縮器３０内で十分温度を低下させて液相となった作動流体は、一部気相分の残った気液混相状態で外部の配管３３ｄに流出し、後段側の作動流体タンク４０に流入する。未凝縮分の気相の作動流体は、タンク内で最終的に全て凝縮して液相の作動流体に変化する。この作動流体タンク４０内に存在する液相の作動流体は、システム内で最も低い温度及び圧力となっている。この作動流体タンク４０に達した液相の作動流体は、作動流体ポンプ５０を経由して、再び蒸発器１０へ向け進むこととなる。

こうして作動流体は、蒸発器１０内に戻り、前記同様に蒸発器１０での熱交換以降の各過程を繰返すこととなる。この作動流体に対し、凝縮器３０や作動流体タンク４０での熱交換に使用された低温流体は、作動流体からの熱を受けて所定温度まで昇温している。この低温流体は、作動流体タンク４０外へ排出された後、最終的に低温流体タンク７０へ戻る。低温流体は低温流体タンク７０に貯溜されている間、低温熱源である冷凍機７１による冷却で元の十分低温の状態が回復する。一方、蒸発器１０での作動流体との熱交換に伴い温度が下がった高温流体も、熱交換後に高温流体タンク６０へ戻り、高温流体タンク６０に貯溜されている間、高温熱源であるヒータ６１による加熱で元の高温の状態が回復する。

この温度差発電装置１を動作させている間、海水淡水化システムを模した造水装置８０を作動させることで、海水淡水化と同様の過程も観察可能となる。すなわち、造水装置８０の真空ポンプ８４や低温流体供給ポンプ８５を作動させると共に、造水装置８０の前段側のバルブ８３を開放状態として、海洋表層の海水を模した高温流体を造水装置８０の蒸発部８１内に導入すると、高温流体がフラッシュ蒸発して水蒸気が得られ、さらにこの水蒸気が凝縮部８２に達して海洋深層の海水を模した低温流体と熱交換して冷却され、凝縮により蒸留水が得られることとなる。この造水装置８０の蒸発部８１における高温流体が蒸発する状態や、凝縮部８２における水蒸気が凝縮する状態を、造水装置８０外部から容易に確認できる。

このように、本実施の形態に係る温度差発電装置においては、一般的な海洋温度差発電装置で作動流体として用いられるアンモニアの代りに、より低圧で相変化の各現象が再現できるフッ素系の液体を作動流体として用いると共に、装置をなす蒸発器１０やタービン２０、凝縮器３０等の各機器の外殻を透明材質製とし、作動流体をそれぞれ高温流体及び低温流体と熱交換させて動力サイクルを実行させる各過程を各機器の外側から視認可能とすることから、動力サイクルとしての実際の動作を確実なものとしつつ、取扱いを簡便なものとし、また、装置全体を低コストでコンパクトに構成でき、合わせて蒸発や凝縮の現象を容易に観察できることとなり、非専門家でも実際に動作させて観察者に対し温度差発電装置の動作や仕組みの理解を促すことができる。

なお、前記実施の形態に係る温度差発電装置において、蒸発器１０は簡略なシェルアンドチューブ型熱交換器、凝縮器３０は簡略なプレート式熱交換器とする構成としているが、これに限らず、逆の組合せや、いずれか一種類の熱交換器を用いる構成とすることもできる。また、十分な熱交換能力を有しつつコンパクトに構成できるものであれば、前記以外の全く別種類の熱交換器を蒸発器１０や凝縮器として用いてもかまわない。

また、前記実施の形態に係る温度差発電装置においては、高温流体の供給源として高温流体タンク６０、低温流体の供給源として低温流体タンク７０をそれぞれ配設し、各タンクにそれぞれ高温熱源や低温熱源を併用して高温流体や低温流体の温度管理も合わせて行わせる構成としているが、これに限らず、装置外に簡易に使用できる温水源と冷水源等の熱源があれば、各タンクで温度管理を行わず、高温流体又は低温流体の貯溜のみとすることもできる。さらに、装置外に温度変動なく十分な供給能力のある温水源や冷水源が存在する場合、高温流体タンク６０と低温流体タンク７０のいずれか一方又は両方を使用せず、高温流体や低温流体を外部から直接供給することもできる。

また、前記実施の形態に係る温度差発電装置においては、温度差発電の観察と共に、造水装置８０を用いて海水淡水化同様のプロセスを観察できる構成としているが、この他、発電機２３で得られた電力と、造水装置８０で得られた水とを用いて電気分解を行い、水素と酸素を発生させる電気分解装置や、これで得られた水素と酸素とを反応させて電力を得る燃料電池システムを追加で備える構成とすることもでき、温度差発電から派生した各種プロセスについても実際に操作及び観察可能とすることで理解を深められる。

さらに、前記実施の形態に係る温度差発電装置においては、制御部９０を用いて各部を制御し、自動運転可能とする構成としているが、これに限らず、制御部９０を設けず、各ポンプやバルブ等を手動で操作調整して装置を運用する構成とすることもでき、観察者に観察と共に装置を動かすための各操作を行わせることで、装置の仕組みについての理解をより一層深められることとなる。

Claims

所定の高温流体と液相の作動流体とを熱交換させて当該作動流体を蒸発させる蒸発器と、蒸発した前記作動流体の保有する熱エネルギを動力に変換する原動機と、当該原動機で駆動されて発電する発電機と、前記原動機で使用済の作動流体を所定の低温流体と熱交換させて凝縮させる凝縮器と、当該凝縮器を出た液相の作動流体を前記蒸発器へ送込むポンプとを少なくとも備え、作動流体を前記各流体と熱交換させて相変化させる過程を繰返し行う動力サイクルからなる温度差発電装置において、
前記蒸発器が、少なくとも外殻容器の一部を、外部から作動流体の蒸発過程が視認可能な略透明材質製とされてなり、
前記凝縮器が、少なくとも外殻容器の一部を、外部から作動流体の凝縮過程が視認可能な略透明材質製とされてなり、
前記作動流体が、少なくともサイクル作動時における沸点が水の沸点より低く、且つ凝固点が水の凝固点より低い液体であり、
前記高温流体が、加熱されて前記作動流体のサイクル作動時における沸点以上とされた水であり、
前記低温流体が、冷却されて前記作動流体のサイクル作動時における沸点に比べて十分低い温度とされた水であることを
特徴とする温度差発電装置。
前記請求項１に記載の温度差発電装置において、
水を所定量貯溜しつつ所定の高温熱源で加熱して前記高温流体とし、前記蒸発器に供給すると共に、蒸発器で熱交換を終えた高温流体を回収する高温流体タンクと、
水を所定量貯溜しつつ所定の低温熱源で冷却して前記低温流体とし、前記凝縮器に供給すると共に、凝縮器で熱交換を終えた低温流体を回収する低温流体タンクとを備え、
前記高温流体及び低温流体となる水が、互いに異なり、且つ作動流体とも異なる所定色にそれぞれ着色され、
前記高温流体タンク及び低温流体タンクが、少なくとも外殻容器の一部を、外部から各流体の貯溜状態が視認可能な略透明材質製とされてなり、
前記蒸発器が、外部から高温流体の流れも視認可能な構造とされ、
前記凝縮器が、外部から低温流体の流れも視認可能な構造とされることを
特徴とする温度差発電装置。
前記請求項２に記載の温度差発電装置において、
前記高温流体が暖色系の所定色に着色され、
前記低温流体が寒色系の所定色に着色され、
前記高温流体タンクと低温流体タンクが上下に並べて配置されることを
特徴とする温度差発電装置。
前記請求項１ないし３のいずれかに記載の温度差発電装置において、
前記原動機が、気相の作動流体により羽根車を回転させる蒸気タービンとされると共に、タービンハウジングの少なくとも一部を、外部から前記羽根車の回転状態を視認可能な略透明材質製とされてなり、
前記蒸発器と原動機との間の作動流体流路にバルブが設けられ、作動流体の原動機への流入量を調整可能とされることを
特徴とする温度差発電装置。
前記請求項１ないし４のいずれかに記載の温度差発電装置において、
前記蒸発器及び／又は凝縮器が、プレート式熱交換器とされ、各プレートの伝熱部分を少なくとも透明板状体とされてなることを
特徴とする温度差発電装置。
前記請求項１ないし５のいずれかに記載の温度差発電装置において、
前記蒸発器を出た高温流体の少なくとも一部及び／又は前記高温流体タンクから所定量取水された高温流体を所定の減圧空間内で蒸発させる内部視認可能な蒸発手段、及び前記凝縮器を出た低温流体の少なくとも一部及び／又は前記低温流体タンクから所定量取水された低温流体を冷却用媒体として導入する内部視認可能な凝縮手段を少なくとも有してなり、前記蒸発手段で蒸発させた水分を前記凝縮手段で冷却し凝縮させて蒸留水を得る造水装置を備えることを
特徴とする温度差発電装置。
前記請求項１ないし６のいずれかに記載の温度差発電装置において、
前記凝縮器と低温流体タンクとの間で、凝縮器を出た作動流体を一時的に所定量貯溜しつつ、前記凝縮器を出た低温流体の少なくとも一部及び／又は前記低温流体タンクから所定量取水された低温流体を冷却用媒体として作動流体の近傍に導入、流通させ、貯溜された作動流体を冷却する作動流体タンクを備えることを
特徴とする温度差発電装置。