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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-05-09
(45)【発行日】2024-05-17
(54)【発明の名称】脱熱装置、脱熱方法、発電装置および発電方法
(51)【国際特許分類】
F25B 39/02 20060101AFI20240510BHJP
F03B 1/02 20060101ALI20240510BHJP
F03B 7/00 20060101ALI20240510BHJP
F25B 41/37 20210101ALI20240510BHJP
F25B 41/39 20210101ALI20240510BHJP
F28F 1/00 20060101ALI20240510BHJP
F28D 7/10 20060101ALI20240510BHJP
F28D 7/02 20060101ALI20240510BHJP
F28F 1/36 20060101ALI20240510BHJP
F03B 13/06 20060101ALI20240510BHJP
【ＦＩ】
F25B39/02 N
F03B1/02
F03B7/00
F25B41/37
F25B41/39
F28F1/00 B
F28D7/10 Z
F28D7/02
F28F1/36 A
F03B13/06
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2021159683
(22)【出願日】2021-09-29
(65)【公開番号】P2023049748
(43)【公開日】2023-04-10
【審査請求日】2022-03-23
(73)【特許権者】
【識別番号】501241494
【氏名又は名称】セントラル・エンジニアリング株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100144886
【弁理士】
【氏名又は名称】大坪 賢吾
(72)【発明者】
【氏名】原 隆雄
(72)【発明者】
【氏名】石川 和彦
【審査官】関口 勇
(56)【参考文献】
【文献】特開昭５７－０１４１７９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－１５６２９４（ＪＰ，Ａ）
【文献】韓国公開特許第１０－２０１７－００５２５５５（ＫＲ，Ａ）
【文献】特開２０１８－２０４８０３（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１１／１４８６４９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１９－０８５９７６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０２－１６９８８０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６０－０６１１６１（ＪＰ，Ａ）
【文献】中国実用新案第２１４００９９３４（ＣＮ，Ｕ）
【文献】中国実用新案第２１１５７５９３６（ＣＮ，Ｕ）
【文献】韓国公開特許第１０－２０１６－０１１７７１１（ＫＲ，Ａ）
【文献】実開平０５－０７９２６７（ＪＰ，Ｕ）
【文献】特開２００５－３２６０６２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－２８５８３（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ２５Ｂ ３９／０２
Ｆ０３Ｂ １／０２
Ｆ０３Ｂ ７／００
Ｆ２５Ｂ ４１／３７
Ｆ２５Ｂ ４１／３９
Ｆ２８Ｆ １／００
Ｆ２８Ｄ ７／１０
Ｆ２８Ｄ ７／０２
Ｆ２８Ｆ １／３６
Ｆ０３Ｂ １３／０６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
外周に周方向に延びる溝を有する管を螺旋状に巻回してなり、隣り合う前記管同士が接触している螺旋状管と、前記螺旋状管の内周側に位置し、前記螺旋状管の内周と接して配置された内管と、
前記螺旋状管の外周側に位置し、前記螺旋状管の外周と接して配置され、前記内管との間に前記螺旋状管を収容するように配置された外管と、を有する蒸発器を備え、
前記内管と前記外管との間を流れる脱熱対象は、前記溝に沿って前記管の周囲を回転しながら下流側に位置する前記管への移動を繰り返すことにより下流側へ流れ、その間に前記螺旋状管内を流れる冷媒との熱交換によって脱熱されることを特徴とする脱熱装置。
【請求項2】
前記溝は、螺旋状に形成されている請求項１に記載の脱熱装置。
【請求項3】
冷媒を圧縮して高温・高圧のガス冷媒とする圧縮機と、前記ガス冷媒を凝縮させて湿ったガス冷媒とする凝縮器と、
前記湿ったガス冷媒を減圧液化させて液冷媒とする第１螺旋状管と、
前記液冷媒を減圧膨張させて低温・低圧の液冷媒とする第２螺旋状管と、をさらに有し、
前記第２螺旋状管からの前記低温・低圧の液冷媒が前記螺旋状管に導入される請求項１または２に記載の脱熱装置。
【請求項4】
外周に周方向に延びる溝を有する管を螺旋状に巻回してなり、隣り合う前記管同士が接触している螺旋状管と、前記螺旋状管の内周側に位置し、前記螺旋状管の内周と接して配置された内管と、
前記螺旋状管の外周側に位置し、前記螺旋状管の外周と接して配置され、前記内管との間に前記螺旋状管を収容するように配置された外管と、を有する蒸発器を用い、
前記内管と前記外管との間を流れる脱熱対象は、前記溝に沿って前記管の周囲を回転しながら下流側に位置する前記管への移動を繰り返すことにより下流側へ流れ、その間に前記螺旋状管内を流れる冷媒との熱交換によって脱熱されることを特徴とする脱熱方法。
【請求項5】
液体を加圧して送り出す圧力ポンプと、前記圧力ポンプから送り出された前記液体を脱熱する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の脱熱装置と、
前記脱熱装置により脱熱された前記液体を貯留する貯留タンクと、
前記貯留タンク内に気体を導入し、前記貯留タンク内の前記液体を加圧する加圧ユニットと、
前記貯留タンクから排出された前記液体との衝突により駆動する発電ユニットと、を有することを特徴とする発電装置。
【請求項6】
前記発電ユニットは、前記液体との衝突により回転する被回転体を有する請求項５に記載の発電装置。
【請求項7】
前記被回転体に衝突した前記液体は、前記圧力ポンプに導入される請求項６に記載の発電装置。
【請求項8】
圧力ポンプによって液体を加圧して送り出し、前記圧力ポンプから送り出された前記液体を請求項４に記載の脱熱方法によって脱熱し、
前記脱熱された前記液体を貯留タンクに貯留し、
前記貯留タンク内に気体を導入して前記貯留タンク内の前記液体を加圧し、
前記貯留タンクから排出された前記液体との衝突により発電ユニットを駆動することを特徴とする発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、脱熱装置、脱熱方法、発電装置および発電方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来から、液体、気体等の熱交換対象との熱交換手段としてコンデンシングユニットが用いられている。コンデンシングユニットは、例えば、特許文献１に記載されているように、冷媒を圧縮して高温・高圧のガス冷媒とする圧縮機と、圧縮機からの高温・高圧のガス冷媒を凝縮させて高圧の液化冷媒とする凝縮器と、凝縮器からの高圧の液化冷媒を減圧して低温・低圧の湿りガス冷媒とする膨張弁と、膨張弁からの低温・低圧の湿りガス冷媒を蒸発させて低圧のガス冷媒とする蒸発器と、を有し、蒸発器において冷媒と熱交換対象との熱交換を行い、熱交換対象を冷却する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１７－０５３５７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、このようなコンデンシングユニットでは高い熱交換効率が得られず、熱交換対象を瞬時（急峻）に冷却することが困難である。
【0005】
本発明は、高い脱熱効率（熱交換効率）が得られ、脱熱対象を瞬時に脱熱することのできる脱熱装置および脱熱方法を提供すると共に、この脱熱装置および脱熱方法を用い、優れた発電効率を有する発電装置および発電方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
前記目的は、以下（１）～（１０）の本発明により達成される。
【0007】
（１） 外周に周方向に延びる溝を有する管を螺旋状に巻回してなる螺旋状管と、
前記螺旋状管の内側に配置された内管と、
前記螺旋状管の外側に配置され、前記内管との間に前記螺旋状管を収容するように配置された外管と、を有する蒸発器を備え、
前記螺旋状管内に冷媒を流し、前記内管と前記外管との間に脱熱対象を流すことにより、前記冷媒と前記脱熱対象との熱交換を行い、前記脱熱対象を脱熱することを特徴とする脱熱装置。
前記螺旋状管の内側に配置された内管と、
前記螺旋状管の外側に配置され、前記内管との間に前記螺旋状管を収容するように配置された外管と、を有する蒸発器を備え、
前記螺旋状管内に冷媒を流し、前記内管と前記外管との間に脱熱対象を流すことにより、前記冷媒と前記脱熱対象との熱交換を行い、前記脱熱対象を脱熱することを特徴とする脱熱装置。
【0008】
（２） 前記螺旋状管は、隣り合う前記管同士が接触している上記（１）に記載の脱熱装置。
【0009】
（３） 前記溝は、螺旋状に形成されている上記（１）または（２）に記載の脱熱装置。
【0010】
（４） 前記内管は、前記螺旋状管の内周に接し、
前記外管は、前記螺旋状管の外周に接している上記（１）ないし（３）のいずれかに記載の脱熱装置。
前記外管は、前記螺旋状管の外周に接している上記（１）ないし（３）のいずれかに記載の脱熱装置。
【0011】
（５） 冷媒を圧縮して高温・高圧のガス冷媒とする圧縮機と、
前記ガス冷媒を凝縮させて湿ったガス冷媒とする凝縮器と、
前記湿ったガス冷媒を減圧液化させて液冷媒とする第１螺旋状管と、
前記液冷媒を減圧膨張させて低温・低圧の液冷媒とする第２螺旋状管と、をさらに有し、
前記第２螺旋状管からの低温・低圧の前記液冷媒が前記螺旋状管に導入される上記（１）ないし（４）のいずれかに記載の脱熱装置。
前記ガス冷媒を凝縮させて湿ったガス冷媒とする凝縮器と、
前記湿ったガス冷媒を減圧液化させて液冷媒とする第１螺旋状管と、
前記液冷媒を減圧膨張させて低温・低圧の液冷媒とする第２螺旋状管と、をさらに有し、
前記第２螺旋状管からの低温・低圧の前記液冷媒が前記螺旋状管に導入される上記（１）ないし（４）のいずれかに記載の脱熱装置。
【0012】
（６） 外周に周方向に延びる溝を有する管を螺旋状に巻回してなる螺旋状管と、
前記螺旋状管の内側に配置された内管と、
前記螺旋状管の外側に配置され、前記内管との間に前記螺旋状管を収容するように配置された外管と、を有する蒸発器を用い、
前記螺旋状管内に冷媒を流し、前記内管と前記外管との間に脱熱対象を流すことにより、前記冷媒と前記脱熱対象との熱交換を行い、前記脱熱対象を脱熱することを特徴とする脱熱方法。
前記螺旋状管の内側に配置された内管と、
前記螺旋状管の外側に配置され、前記内管との間に前記螺旋状管を収容するように配置された外管と、を有する蒸発器を用い、
前記螺旋状管内に冷媒を流し、前記内管と前記外管との間に脱熱対象を流すことにより、前記冷媒と前記脱熱対象との熱交換を行い、前記脱熱対象を脱熱することを特徴とする脱熱方法。
【0013】
（７） 液体を加圧して送り出す圧力ポンプと、
前記圧力ポンプから送り出された前記液体を脱熱する上記（１）ないし（５）のいずれかに記載の脱熱装置と、
前記脱熱装置により脱熱された前記液体を貯留する貯留タンクと、
前記貯留タンク内に気体を導入し、前記貯留タンク内の前記液体を加圧する加圧ユニットと、
前記貯留タンクから排出された前記液体との衝突により駆動する発電ユニットと、を有することを特徴とする発電装置。
前記圧力ポンプから送り出された前記液体を脱熱する上記（１）ないし（５）のいずれかに記載の脱熱装置と、
前記脱熱装置により脱熱された前記液体を貯留する貯留タンクと、
前記貯留タンク内に気体を導入し、前記貯留タンク内の前記液体を加圧する加圧ユニットと、
前記貯留タンクから排出された前記液体との衝突により駆動する発電ユニットと、を有することを特徴とする発電装置。
【0014】
（８） 前記発電ユニットは、前記液体との衝突により回転する被回転体を有する上記（７）に記載の発電装置。
【0015】
（９） 前記被回転体に衝突した前記液体は、前記圧力ポンプに導入される上記（７）または（８）に記載の発電装置。
【0016】
（１０） 圧力ポンプによって液体を加圧して送り出し、
前記圧力ポンプから送り出された前記液体を上記（６）に記載の脱熱方法によって脱熱し、
前記脱熱された前記液体を貯留タンクに貯留し、
前記貯留タンク内に気体を導入して前記貯留タンク内の前記液体を加圧し、
前記貯留タンクから排出された前記液体との衝突により発電ユニットを駆動することを特徴とする発電方法。
前記圧力ポンプから送り出された前記液体を上記（６）に記載の脱熱方法によって脱熱し、
前記脱熱された前記液体を貯留タンクに貯留し、
前記貯留タンク内に気体を導入して前記貯留タンク内の前記液体を加圧し、
前記貯留タンクから排出された前記液体との衝突により発電ユニットを駆動することを特徴とする発電方法。
【発明の効果】
【0017】
本発明に係る脱熱装置および脱熱方法によれば、蒸発器内において脱熱対象内のエネルギーを効率的に放出させることができる。そのため、高い脱熱効率が得られ、脱熱対象を瞬時に脱熱することができる。また、本発明に係る発電装置および発電方法によれば、前述した脱熱装置および脱熱方法を用いるため、液体を低温に維持し続け、その蒸発・気化を抑制することができるため、優れた発電効率を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【発明を実施するための形態】
【0019】
＜第１実施形態＞
まず、本発明の第１実施形態に係る脱熱装置１００について説明する。
まず、本発明の第１実施形態に係る脱熱装置１００について説明する。
【0020】
図１に示す脱熱装置１００は、脱熱対象としての水Ｗ（Ｈ２Ｏ）を瞬時に脱熱すなわち冷却することのできる装置である。このような脱熱装置１００は、冷媒Ｑ（熱媒体）を圧縮して高温高圧のガス冷媒Ｑ１とする圧縮機１１０（コンプレッサ）と、圧縮機１１０からの高温高圧のガス冷媒Ｑ１を凝縮させて高圧の液化ガス冷媒Ｑ２とする凝縮器１２０（コンデンサ）と、凝縮器１２０からの高圧の液化ガス冷媒Ｑ２を減圧液化させて液冷媒Ｑ３とする第１螺旋状管１３０（螺旋状太管）と、第１螺旋状管１３０からの液冷媒Ｑ３を減圧膨張させて低温低圧の液冷媒Ｑ４とする第２螺旋状管１４０（螺旋状細管）と、第２螺旋状管１４０からの液冷媒Ｑ４を蒸発させて低圧のガス冷媒Ｑ５とする蒸発器１５０と、これらを接続する配管１６０と、を有する。このような脱熱装置１００では、蒸発器１５０において冷媒Ｑと水Ｗとの熱交換を行い、水Ｗを瞬時に脱熱する。なお、脱熱対象としては、水Ｗに限定されず、如何なる液体であってもよいし、気体であってもよい。
【0021】
脱熱装置１００で用いる冷媒Ｑとしては、特に限定されず、例えば、ＨＦＣ－１３４ａ、Ｒ－１２３４ｙｆ等の各種フロン系冷媒、アンモニア：ＮＨ３、炭酸ガス：ＣＯ２等の各種自然冷媒を用いることができるが、これらの中でも、オゾン破壊係数および地球温暖化係数が低く環境に優しい冷媒を用いることが好ましい。
【0022】
［圧縮機１１０］
圧縮機１１０は、蒸発器１５０からのガス冷媒Ｑ５を圧縮して高温高圧のガス冷媒Ｑ１とする。
圧縮機１１０は、蒸発器１５０からのガス冷媒Ｑ５を圧縮して高温高圧のガス冷媒Ｑ１とする。
【0023】
［凝縮器１２０］
凝縮器１２０は、圧縮機１１０の下流側に配置されており、圧縮機１１０からのガス冷媒Ｑ１が導入される。凝縮器１２０は、ファン１２１を用いて配管に送風し、配管を流れるガス冷媒Ｑ１の放熱を行う。これにより、ガス冷媒Ｑ１の一部が液化し、高圧の液化ガス冷媒Ｑ２（湿ったガス状の冷媒）となる。なお、液化量としては、特に限定されないが、ガス冷媒Ｑ１全体の７０％～８０％程度を液化できればよい。このような構成とすることにより、凝縮器１２０の小型化を図ることができる。
凝縮器１２０は、圧縮機１１０の下流側に配置されており、圧縮機１１０からのガス冷媒Ｑ１が導入される。凝縮器１２０は、ファン１２１を用いて配管に送風し、配管を流れるガス冷媒Ｑ１の放熱を行う。これにより、ガス冷媒Ｑ１の一部が液化し、高圧の液化ガス冷媒Ｑ２（湿ったガス状の冷媒）となる。なお、液化量としては、特に限定されないが、ガス冷媒Ｑ１全体の７０％～８０％程度を液化できればよい。このような構成とすることにより、凝縮器１２０の小型化を図ることができる。
【0024】
［第１螺旋状管１３０］
第１螺旋状管１３０は、凝縮器１２０の下流側に配置されており、凝縮器１２０からの液化ガス冷媒Ｑ２が導入される。第１螺旋状管１３０は、並列に２本配置されており、２本の第１螺旋状管１３０の上流端側にはこれらを結合する集合管１３１が接続され、下流側にもこれらを結合する集合管１３２が接続されている。集合管１３１は、液化ガス冷媒Ｑ２を第１螺旋状管１３０に淀みなく導入するためのバッファとして機能する。
第１螺旋状管１３０は、凝縮器１２０の下流側に配置されており、凝縮器１２０からの液化ガス冷媒Ｑ２が導入される。第１螺旋状管１３０は、並列に２本配置されており、２本の第１螺旋状管１３０の上流端側にはこれらを結合する集合管１３１が接続され、下流側にもこれらを結合する集合管１３２が接続されている。集合管１３１は、液化ガス冷媒Ｑ２を第１螺旋状管１３０に淀みなく導入するためのバッファとして機能する。
【0025】
凝縮器１２０からの液化ガス冷媒Ｑ２が第１螺旋状管１３０に導入されると、第１螺旋状管１３０内で冷媒Ｑの分子（以下「冷媒分子」とも言う。）が振動回転し、エネルギーを放射する。この冷媒分子の振動回転によるエネルギー放射によって液化ガス冷媒Ｑ２が減圧液化され、液化ガス冷媒Ｑ２よりもさらに湿り気を帯びた冷媒Ｑとなる。特に、本実施形態では、冷媒Ｑのほぼ１００％が液化された液冷媒Ｑ３（液状の冷媒）となる。
【0026】
ここで、前述のエネルギー放射の現象について、一部推測を交えて簡単に説明する。冷媒Ｑが第１螺旋状管１３０内に導入されると、冷媒Ｑの分子同士に摩擦が生じ、冷媒分子同士がぶつかったり離れたりを繰り返して冷媒分子が振動および回転する（これを「振動回転」と言う）。さらに、振動回転によって冷媒分子に遠心力が加わり、この遠心力が一定以上の大きさになった時点で冷媒分子からエネルギーが放射される。このエネルギー放射によって液化ガス冷媒Ｑ２が減圧液化され、液冷媒Ｑ３となる。
【0027】
第１螺旋状管１３０の内径は、第２螺旋状管１４０の内径よりも大径である。第１螺旋状管１３０の内径は、特に限定されないが、例えば、２ｍｍ～１０ｍｍ程度とすることができる。また、第１螺旋状管１３０の螺旋径は、第２螺旋状管１４０の螺旋径よりも大径である。第１螺旋状管１３０の螺旋径は、特に限定されないが、例えば、３０ｍｍ～５０ｍｍ程度とすることができる。また、第１螺旋状管１３０は、第２螺旋状管１４０よりも長い。第１螺旋状管１３０の長さ（全長）は、特に限定されないが、例えば、１５００ｍｍ～２０００ｍｍ程度とすることができる。第１螺旋状管１３０の各寸法は、例えば、冷媒容量等によって適宜設定することができる。
【0028】
以上、第１螺旋状管１３０について説明したが、その構成は、特に限定されない。例えば、第１螺旋状管１３０の本数は、冷媒容量に応じて適宜設定することができ、１本であってもよいし、３本以上が並列に設けられていてもよい。また、２本以上の第１螺旋状管１３０が直列に接続されていてもよい。また、各寸法の第２螺旋状管１４０との大小関係についても特に限定されない。
【0029】
［第２螺旋状管１４０］
第２螺旋状管１４０は、第１螺旋状管１３０の下流側に配置されており、第１螺旋状管１３０からの液冷媒Ｑ３が導入される。第２螺旋状管１４０は、前述した第１螺旋状管１３０と同様、並列に２本配置されており、２本の第２螺旋状管１４０の上流端側にはこれらを結合する集合管１４１が接続され、下流側にもこれらを結合する集合管１４２が接続されている。集合管１４１は、液冷媒Ｑ３を第２螺旋状管１４０に淀みなく導入するためのバッファとして機能する。
第２螺旋状管１４０は、第１螺旋状管１３０の下流側に配置されており、第１螺旋状管１３０からの液冷媒Ｑ３が導入される。第２螺旋状管１４０は、前述した第１螺旋状管１３０と同様、並列に２本配置されており、２本の第２螺旋状管１４０の上流端側にはこれらを結合する集合管１４１が接続され、下流側にもこれらを結合する集合管１４２が接続されている。集合管１４１は、液冷媒Ｑ３を第２螺旋状管１４０に淀みなく導入するためのバッファとして機能する。
【0030】
第１螺旋状管１３０からの液冷媒Ｑ３が第２螺旋状管１４０に導入されると、第２螺旋状管１４０によって液冷媒Ｑ３が引っ張られて速度が増すと共に、第２螺旋状管１４０内で冷媒Ｑの分子が振動回転し、エネルギーを放射する。この速度増加と冷媒分子の振動回転によるエネルギー放射とによって液冷媒Ｑ３が減圧膨張され、低温低圧の液冷媒Ｑ４となる。なお、第２螺旋状管１４０でのエネルギー放射については、第１螺旋状管１３０と同様の原理であるため、その説明を省略する。
【0031】
前述したように、本実施形態では、第１螺旋状管１３０でほぼ１００％の冷媒Ｑが液化するが、そうでない場合つまりガス成分が残存している場合には、この第２螺旋状管１４０によって残りのガス成分が液化され、ほぼ１００％の液冷媒となる。
【0032】
第２螺旋状管１４０の内径は、第１螺旋状管１３０の内径よりも小径である。第２螺旋状管１４０の内径は、特に限定されないが、例えば、１ｍｍ～５ｍｍ程度とすることができる。また、第２螺旋状管１４０の螺旋径は、第１螺旋状管１３０の螺旋径よりも小径である。第２螺旋状管１４０の螺旋径は、特に限定されないが、例えば、１０ｍｍ～３０ｍｍ程度とすることができる。また、第２螺旋状管１４０は、第１螺旋状管１３０よりも短い。第２螺旋状管１４０の長さ（全長）は、特に限定されないが、例えば、５００ｍｍ～１０００ｍｍ程度とすることができる。第２螺旋状管１４０の各寸法は、例えば、冷媒容量等によって適宜設定することができる。
【0033】
以上、第２螺旋状管１４０について説明したが、その構成は、特に限定されない。例えば、第２螺旋状管１４０の本数は、冷媒容量に応じて適宜設定することができ、１本であってもよいし、３本以上が並列に設けられていてもよい。また、２本以上の第２螺旋状管１４０が直列に接続されていてもよい。また、各寸法の第１螺旋状管１３０との大小関係についても特に限定されない。
【0034】
以上のような第１螺旋状管１３０および第２螺旋状管１４０は、例えば、以下のような方法により形成される。まず、銅管を準備し、この銅管にピアノ線を入れ込んで、銅管をピアノ線の外径（太さ）まで絞って直管を形成する。さらに、この直管を螺旋状に巻いて螺旋状管とすることにより、第１螺旋状管１３０および第２螺旋状管１４０が形成される。
【0035】
銅管を捩じることにより、第１螺旋状管１３０および第２螺旋状管１４０の内壁に螺旋状の溝（以下「螺旋溝」とも言う。）が形成される。さらには、螺旋溝が形成された直管を螺旋状に巻回することにより、螺旋の外側においては全体として長さ方向へ引っ張られ、螺旋溝のピッチが直管状態と比べて広がり、これとは反対に、螺旋の内側においては全体として長さ方向へ圧縮され、螺旋溝のピッチが直管状態と比べて狭くなる。また、直管を螺旋状に巻回する過程で、銅管を軸方向に捩じることにより、「くびれ」が形成される。螺旋溝の送り角度およびピッチ、くびれの形成位置および数は、第１螺旋状管１３０および第２螺旋状管１４０でそれぞれ適宜設定される。
【0036】
このように、螺旋溝のピッチが第１、第２螺旋状管１３０、１４０の外周側と内周側とで異なっていること、さらには、くびれが形成されていることによって、第１、第２螺旋状管１３０、１４０で冷媒分子が振動回転し、第１、第２螺旋状管１３０、１４０における熱変換に特別の好適な影響を与えるものである。言い換えると、第１、第２螺旋状管１３０、１４０では、その内部で冷媒分子が振動回転するように螺旋溝の送り角度およびピッチ、くびれの形成位置および数等が設定されている。ただし、これは一例であり、第１、第２螺旋状管１３０、１４０の構成や形成方法としては、それぞれ、上述の機能を発揮することができれば特に限定されない。また、第１、第２螺旋状管１３０、１４０に変えて、例えば、膨張弁等、これらと同様の機能を発揮するものを用いてもよい。
【0037】
［蒸発器１５０］
蒸発器１５０は、第２螺旋状管１４０の下流側に配置されており、第２螺旋状管１４０からの液冷媒Ｑ４が導入される。蒸発器１５０に導入される液冷媒Ｑ４の温度は、特に限定されないが、水Ｗの凍結温度である０°以下であることが好ましく、例えば－３０°～－１０°程度である。
蒸発器１５０は、第２螺旋状管１４０の下流側に配置されており、第２螺旋状管１４０からの液冷媒Ｑ４が導入される。蒸発器１５０に導入される液冷媒Ｑ４の温度は、特に限定されないが、水Ｗの凍結温度である０°以下であることが好ましく、例えば－３０°～－１０°程度である。
【0038】
図２に示すように、蒸発器１５０は、螺旋状管１５１を有する。螺旋状管１５１は、図３に示すような長尺で横断面形状が円、より具体的には内周および外周が共に円であるストレート状の管１５２（円管）を螺旋状に巻回して形成されたものである。また、螺旋状管１５１では、隣り合う管１５２同士が接している。つまり、管１５２が隙間なく螺旋状に巻回されている。ただし、これに限定されず、例えば、隣り合う管１５２の間に隙間が形成されていてもよい。
【0039】
このような管１５２の寸法は、特に限定されず、例えば、巻き数を６～１０程度、内径を１０ｍｍ～３０ｍｍ程度、螺旋径を１００ｍｍ～２００ｍｍ程度、全長を５ｍ～１０ｍ程度とすることができる。また、管１５２の横断面形状は、円に限定されず、例えば、楕円、長円、多角形等であってもよい。
【0040】
また、管１５２の外周には、管１５２の周方向に延びる溝１５３が形成されている。また、溝１５３は、管１５２の軸に対して傾斜し、周方向に回転しながら軸方向に延在する螺旋状をなす。溝１５３の寸法は、特に限定されず、例えば、図４に示すように、深さＤを０．１ｍｍ～３ｍｍ程度、ピッチＰを０．１ｍｍ～３ｍｍ程度、管１５２の送り角度θを５°～２０°程度とすることができる。
【0041】
また、図５に示すように、蒸発器１５０は、内部に螺旋状管１５１が配置された二重管１５４を有する。二重管１５４は、共に円筒状の内管１５５および外管１５６が同心的に配置された構成であり、内管１５５と外管１５６との間の空間Ｓが脱熱対象である水Ｗが流れる流路となっている。また、空間Ｓには、二重管１５４と同心的に配置された螺旋状管１５１が設けられており、螺旋状管１５１によって水Ｗのスムーズな流動が阻害されている。つまり、蒸発器１５０は、螺旋状管１５１と、螺旋状管１５１の内側に配置された内管１５５と、螺旋状管１５１の外側に配置され、内管１５５との間に螺旋状管１５１を収容するように配置された外管１５６と、を有する構成である。
【0042】
また、内管１５５の外径と螺旋状管１５１の内径とがほぼ等しく、内管１５５の外周面が螺旋状管１５１の内周に接している。同様に、外管１５６の内径と螺旋状管１５１の外径とがほぼ等しく、外管１５６の内周面が螺旋状管１５１の外周に接している。そのため、螺旋状管１５１は、その内側に位置する内管１５５と、外側に位置する外管１５６とで挟まれた構成となっている。
【0043】
また、図６に示すように、二重管１５４の上流側には水Ｗを二重管１５４に誘導するための漏斗状の誘導部１５７が設けられており、下流側には二重管１５４を通過した水Ｗを回収ための漏斗状の回収部１５８が設けられている。そのため、二重管１５４への水Ｗの導入および二重管１５４からの水Ｗの回収を淀みなくスムーズに行うことができる。
【0044】
このような構成の蒸発器１５０では、空間Ｓに水Ｗが導入されると、図７に示すように、水Ｗは、螺旋状管１５１の外周に形成された螺旋状の溝１５３に沿って管１５２の周囲を数回転しながら、下流側に位置する管１５２への移動を繰り返すことにより、空間Ｓ内を下流側へ流れる。図７では、上流側からｎ番目に位置する管１５２（ｎ）の周囲を溝１５３に沿って回転しながら、その下流側（上流側からｎ＋１番目）に隣接する管１５２（ｎ＋１）へ移動し、管１５２（ｎ＋１）の周囲を溝１５３に沿って回転しながら、その下流側（上流側からｎ＋２番目）に隣接する管１５２（ｎ＋２）に移動する様子を図示している。
【0045】
このように、水Ｗを、溝１５３に沿って管１５２周りに回転させつつ下流側の管１５２に順に移動させることにより、空間Ｓ内を通過する水Ｗと螺旋状管１５１内を通過する液冷媒Ｑ４との間で効率よく熱交換が行われると共に、水Ｗの内部に潜む熱等のエネルギー（以下「内部エネルギー」とも言う）がいっきに放出され、これにより、水Ｗが瞬時に脱熱（冷却）される。これについて一部推測を交えて簡単に説明すると、螺旋状管１５１内に－３０°～－１０°程度の冷媒Ｑが流れているため、上述のような水Ｗの流れ方により、水分子が振動回転すると共に水分子の上下（冷媒管１５１側とその反対側）に速度差が生じ、当該速度差によって水分子が変形し（イメージ的には割れ）、水分子の内部エネルギーがいっきに放出される。そして、この内部エネルギーの放出と液冷媒Ｑ４との熱交換とによって水Ｗが瞬時に脱熱される。
【0046】
なお、水Ｗは、１／１００秒程度で空間Ｓを通過し、その間に瞬時に脱熱され、常温程度まで温度が下がる。
【0047】
特に、本実施形態では、前述したように、螺旋状管１５１の隣り合う管１５２同士が接触しているため、隣り合う管１５２同士の間で水Ｗが淀むのを抑制でき、上述した水Ｗの流れをより確実に発生させることができる。また、前述したように、内管１５５が螺旋状管１５１の内周に接し、外管１５６が螺旋状管１５１の外周に接しているため、水Ｗを溝１５３に沿って回転させ易くなり、上述した水Ｗの流れをより確実に発生させることができる。また、前述したように、溝１５３を螺旋状とすることによっても、水Ｗを溝１５３に沿って回転させ易くなり、上述した水Ｗの流れをより確実に発生させることができる。なお、溝１５３を螺旋状とすると、切削によって溝１５３を容易に形成できるというメリットもある。
【0048】
螺旋状管１５１を通る液冷媒Ｑ４は、水Ｗとの間の熱交換により、低圧のガス冷媒Ｑ５となる。そして、ガス冷媒Ｑ５は、圧縮機１１０に導入されて再び高温高圧のガス冷媒Ｑ１とって吐出される。脱熱装置１００では、このような冷媒Ｑのサイクルを繰り返すことによって水Ｗを連続的に脱熱（冷却）することができる。
【0049】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係る脱熱装置１００について説明する。本実施形態の脱熱装置１００は、螺旋状管１５１の構成が異なること以外は、前述した第１実施形態の脱熱装置１００と同様である。そのため、以下の説明では、本実施形態に関し、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、本実施形態における各図において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。
次に、本発明の第２実施形態に係る脱熱装置１００について説明する。本実施形態の脱熱装置１００は、螺旋状管１５１の構成が異なること以外は、前述した第１実施形態の脱熱装置１００と同様である。そのため、以下の説明では、本実施形態に関し、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、本実施形態における各図において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。
【0050】
図８に示すように、本実施形態では、管１５２の外周に環状（リング状）の溝１５３が形成されている。また、環状の溝１５３は、管１５２の軸方向に沿って等間隔に複数並んで形成されている。このような構成の管１５２を螺旋状に巻回してなる螺旋状管１５１によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。
【0051】
なお、本実施形態では、円環状の溝１５３を含む面Ｆが管１５２の軸に対して直交しているが、これに限定されず、面Ｆが管１５２の軸に対して傾斜していてもよい。
【0052】
このような第２実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。
【0053】
＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態に係る発電装置２００について説明する。
次に、本発明の第３実施形態に係る発電装置２００について説明する。
【0054】
図９に示す発電装置２００は、水Ｗを加圧して送り出すポンプユニット２１０と、ポンプユニット２１０から送り出された水Ｗを脱熱する脱熱ユニット２２０と、脱熱ユニット２２０を通過した水Ｗを貯留する貯留タンク２３０と、貯留タンク２３０内に窒素Ｎ２を充填して貯留タンク２３０内の水Ｗを加圧する加圧ユニット２４０と、貯留タンク２３０から排出された水Ｗとの衝突によって駆動する発電ユニット２５０と、これら各部を接続し、内部を水Ｗが循環する配管２６０と、配管２６０の途中に数カ所設置された逆止弁２７０と、を有する。このような発電装置２００では、ポンプユニット２１０を駆動することにより、水Ｗが配管２６０内を矢印Ａの方向に循環し、これにより、発電ユニット２５０による発電が行われる。
【0055】
なお、配管２６０を循環させる液体（脱熱対象）としては、水Ｗに限定されない。ただし、水Ｗを用いることにより、発電コストの削減を図ることができる。
【0056】
ポンプユニット２１０は、並列に配置された２つの圧力ポンプ２１１、２１２を有する。このように、２つの圧力ポンプ２１１、２１２を並列接続することにより、ポンプユニット２１０のメンテナンスが容易となる。例えば、平時には圧力ポンプ２１１、２１２をそれぞれ５０％程度の出力で駆動させ、圧力ポンプ２１１のメンテナンス、交換時には圧力ポンプ２１２を１００％で駆動すれば、メンテナンス時においても平時と変わらぬ駆動が可能となる。そのため、圧力ポンプ２１１、２１２として、５０％程度の駆動で必要な圧力まで水Ｗを加圧できる能力を有するものを使用するのが好ましい。
【0057】
このような圧力ポンプ２１１、２１２は、それぞれ、インペラーと呼ばれる羽根車の回転による遠心力を用いて水Ｗを加圧する多段渦巻ポンプである。多段渦巻ポンプによれば、水Ｗの分子に渦巻状の回転（遠心力）を与えることができるため、本システムとの相性が良い。ただし、圧力ポンプ２１１、２１２としては、特に限定されない。また、ポンプユニット２１０に含まれる圧力ポンプの数としては、２つに限定されず、１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。
【0058】
ポンプユニット２１０から送り出された水Ｗは、脱熱ユニット２２０に導入され、脱熱される。ポンプユニット２１０による加圧で昇温した水Ｗを脱熱ユニット２２０によって脱熱することにより水Ｗの蒸発を防ぎ、発電装置２００の発電能力の低下を防ぐことができる。
【0059】
脱熱ユニット２２０は、並列に配置された２つの脱熱装置２２１、２２２を有する。脱熱装置２２１は、圧力ポンプ２１１に接続されており、圧力ポンプ２１１から吐出された高圧の水Ｗが導入され、その水Ｗを脱熱する。同様に、脱熱装置２２２は、圧力ポンプ２１２に接続されており、圧力ポンプ２１２から吐出された高圧の水Ｗが導入され、その水Ｗを脱熱する。そして、本実施形態では、脱熱装置２２１、２２２として、前述した第１実施形態の脱熱装置１００が用いられており、圧力ポンプ２１１、２１２からの水が空間Ｓに導入されるようになっている。そして、水Ｗが空間Ｓ内を流れることにより、脱熱される。これにより、水Ｗを瞬時に脱熱することができ、水Ｗの昇温による蒸発をより確実に防ぐことができる。
【0060】
貯留タンク２３０は、脱熱ユニット２２０によって脱熱された水Ｗを貯留する。貯留タンク２３０は、タンク本体２３１と、タンク本体２３１内に昇降自在に配置された浮蓋２３２と、を有する。そのため、貯留タンク２３０の内部は、浮蓋２３２の下方に位置する下側空間Ｓ１と、浮蓋２３２の上方に位置する上側空間Ｓ２とに仕切られている。そして、下側空間Ｓ１に水Ｗが導入、貯留され、上側空間Ｓ２に加圧ユニット２４０から気体が導入される。貯留タンク２３０に貯留される水Ｗの容量は、特に限定されないが、例えば、３００～５００リットル程度である。
【0061】
加圧ユニット２４０は、気体の窒素（Ｎ２）を生成する窒素発生装置２４１と、窒素発生装置２４１で生成された窒素を貯留タンク２３０の上側空間Ｓ２に導入するコンプレッサ２４２と、を有する。コンプレッサ２４２によって上側空間Ｓ２に窒素を導入することにより、浮蓋２３２を下方へ付勢し、下側空間Ｓ１に貯留された水Ｗを加圧する。水Ｗを加圧するのに窒素を用いることにより、発電装置２００の安全性が増すと共に、コストの削減を図ることができる。
【0062】
ただし、貯留タンク２３０内に導入する気体としては、窒素に限定されず、例えば、大気（空気）であってもよい。この場合は、実質的にコンプレッサ２４２だけで加圧ユニット２４０が構成されるため、発電装置２００の小型化および低コスト化を図ることができる。また、例えば、窒素を用いる場合、窒素発生装置２４１に替えて窒素が充填されたボンベを用いることもできる。
【0063】
発電ユニット２５０は、発電機２５４と、発電機２５４を駆動する動力を発生する動力発生部２５１と、を有する。また、動力発生部２５１は、貯留タンク２３０から排出された水Ｗとの衝突によって回転する水車２５２（被回転体）と、水車２５２の回転を出力する出力軸２５３と、を有しており、出力軸２５３が発電機２５４に接続されている。そのため、水車２５２が回転することにより発電機２５４での発電が行われる。
【0064】
なお、動力発生部２５１の構成は、上述の構成に限定されず、水Ｗの力を利用して発電機２５４を駆動させることができれば、如何なる構成であってもよい。また、図示の構成では、出力軸２５３と発電機２５４とが直接接続されているが、これに限定されず、これらの間に加速器、減速機等の変速機や、動力を伝達するギア、チェーン等が介在していてもよい。
【0065】
また、発電機２５４の構成は、その機能を発揮することができれば、特に限定されない。例えば、一対のコイルと、これら一対のコイルの間に配置され、出力軸２５３に繋がった磁石と、を有し、出力軸２５３の回転によって磁石を一対のコイルの間で回転させる交流発電機であってもよいし、これとは逆に、一対の磁石と、これら一対の磁石の間に配置され、出力軸２５３に繋がったコイルと、を有し、出力軸２５３の回転によってコイルを一対の磁石の間で回転させる直流発電機であってもよい。また、これらとは別の如何なる構造の発電機であってもよい。
【0066】
また、動力発生部２５１は、水車２５２の回転に用いられた水Ｗを回収する回収タンク２５５をさらに有する。回収タンク２５５に回収された水Ｗは、ポンプユニット２１０に送られる。
【0067】
以上のような構成の発電装置２００は、次のように駆動する。発電装置２００では、ポンプユニット２１０の駆動によって、ポンプユニット２１０から３～７気圧程度の水Ｗが５０００ｃｃ～１００００ｃｃ／秒の流量で送り出される。ポンプユニット２１０から送り出された水Ｗは、脱熱ユニット２２０に導入されて瞬時に常温程度まで脱熱（冷却）される。そして、脱熱ユニット２２０で冷却された水Ｗは、貯留タンク２３０の下側空間Ｓ１に導入される。貯留タンク２３０に貯留されている水Ｗは、脱熱ユニット２２０から新たに導入された水Ｗと混ざり合うことにより脱熱されるため、貯留タンク２３０の水Ｗは、常温程度に維持される。特に、圧力ポンプ２１１、２１１として多段渦巻ポンプを用いることにより、水Ｗに旋回流を生じさせると共に、脱熱装置２２１、２２２において水分子に振動回転を生じさせることにより、貯留タンク２３０内において水が混ざり易くなり、上述の効果がより顕著となる。
【0068】
貯留タンク２３０の上側空間Ｓ２には加圧ユニット２４０から窒素Ｎ２が導入され、貯留タンク２３０内の窒素Ｎ２の圧力が３～７気圧程度に維持されている。そのため、貯留タンク２３０からは３～７気圧程度の水Ｗが排出される。貯留タンク２３０から排出された水Ｗは、配管２６０によって水車２５２の直上に導かれた後、水車２５２に向けて放出される。水車２５２に向けて放出された水Ｗは、水車２５２に衝突し、これにより、水車２５２が回転する。そして、水車２５２が回転することにより発電機２５４での発電が開始される。
【0069】
ここで、圧力ポンプ２１１、２１２および脱熱装置２２１、２２２で生じた水Ｗの旋回流や水分子の振動回転は、貯留タンク２３０を経て水車２５２にぶつかるまで維持される。そして、旋回流や振動回転が生じたままの水Ｗが水車２５２に衝突すると、水Ｗの圧力が瞬時に水Ｗが元々持っている圧力まで低下する。つまり、窒素Ｎ２による加圧から解放される。そのため、水車２５２に衝突し、回収タンク２５５に回収された水Ｗは、大気圧／１６℃程度となる。このように、水車２５２の上流側と下流側とに大きな圧力差を生じさせることにより、水車２５２をより高速に回転させることができ、発電効率が向上する。
【0070】
回収タンク２５５に回収された水Ｗは、ポンプユニット２１０に導入され、ポンプユニット２１０によって再び加圧されて脱熱ユニット２２０へ向けて送り出される。発電装置２００では、このようにして水Ｗを循環させることにより発電を継続することができる。特に、脱熱装置２２１、２２２を有することにより、水Ｗを常温程度に維持し続けることができ、長時間にわたって水Ｗの蒸発・気化を防ぐことができる。つまり、水Ｗの昇温を防ぐために周期的に運転を停止する等の処置が必要なくなり、連続運転が可能となる。そのため、優れた発電効率を発揮することができる発電装置２００となる。
【0071】
以上、発電装置２００の駆動について説明したが、上記は一例であり、例えば、各部における水Ｗの温度および気圧、貯留タンク２３０の容量等は、特に限定されない。
【産業上の利用可能性】
【0072】
以上のように、本発明に係る脱熱装置１００は、外周に周方向に延びる溝１５３を有する管１５２を螺旋状に巻回してなる螺旋状管１５１と、螺旋状管１５１の内側に配置された内管１５５と、螺旋状管１５１の外側に配置され、内管１５５との間に螺旋状管１５１を収容するように配置された外管１５６と、を有する蒸発器１５０を備え、螺旋状管１５１内に冷媒Ｑを流し、内管１５５と外管１５６との間に水Ｗ（脱熱対象）を流すことにより、冷媒Ｑと水Ｗとの熱交換を行い、水Ｗを脱熱する。このような構成によれば、内管１５５と外管１５６との間を水Ｗが通過する際に、水分子の内部エネルギーがいっきに放出される。そのため、水Ｗを瞬時に脱熱することができる。したがって、その産業上の利用可能性は大きい。また、本発明に係る脱熱方法、発電装置および発電方法についても、本発明に係る脱熱装置と同じ装置、原理を用いるため、これらについても産業上の利用可能性は大きい。
【符号の説明】
【0073】
１００…脱熱装置、１１０…圧縮機、１２０…凝縮器、１２１…ファン、１３０…第１螺旋状管、１３１…集合管、１３２…集合管、１４０…第２螺旋状管、１４１…集合管、１４２…集合管、１５０…蒸発器、１５１…螺旋状管、１５２…管、１５３…溝、１５４…二重管、１５５…内管、１５６…外管、１５７…誘導部、１５８…回収部、１６０…配管、２００…発電装置、２１０…ポンプユニット、２１１…圧力ポンプ、２１２…圧力ポンプ、２２０…脱熱ユニット、２２１…脱熱装置、２２２…脱熱装置、２３０…貯留タンク、２３１…タンク本体、２３２…浮蓋、２４０…加圧ユニット、２４１…窒素発生装置、２４２…コンプレッサ、２５０…発電ユニット、２５１…動力発生部、２５２…水車、２５３…出力軸、２５４…発電機、２５５…回収タンク、２６０…配管、２７０…逆止弁、Ａ…矢印、Ｄ…深さ、Ｆ…面、Ｐ…ピッチ、Ｑ…冷媒、Ｑ１…ガス冷媒、Ｑ２…液化ガス冷媒、Ｑ３…液冷媒、Ｑ４…液冷媒、Ｑ５…ガス冷媒、Ｓ…空間、Ｓ１…下側空間、Ｓ２…上側空間、Ｗ…水、θ…送り角度
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】