本発明は、表層温海水と深層冷海水の温度差を利用してランキンサイクルを構成した、淡水化装置付きオープンサイクル海洋温度差発電装置に関し、特に、凝縮器内にたまる不用な不凝縮ガスを取り除くための従来の排気ポンプを用いない淡水化装置付きバロメトリック型オープンサイクル海洋温度差発電装置に関する。

従来から、例えば特許文献１などに、表層温海水及び深層冷海水をそれぞれ高温源及び冷温源とした、温度差を利用した淡水化装置付きオープンサイクル海洋温度差発電は知られていた。 図１に、従来の海洋温度差発電の原理図を示す。 図において、１ａは蒸発器、１ｂはタービン翼、１ｃはタービン及び発電機、１ｄは凝縮器、１ｅは排気口、１ｈは冷海水出口、１ｉは冷海水入口、１ｊは温海水入口、１ｋは温海水出口である。 そして、温海水入口１ｊから入った温海水の一部が蒸発器１ａで蒸気となりタービン翼１ｂを回して発電し、凝縮器１ｄに入った蒸気は冷海水により冷却されて一部が凝縮して水となり、凝縮器を出た蒸気は排気口１ｅからポンプＰにより排気される。 なお、凝縮器１ｄで凝縮した水をタンクＴに溜めておき、淡水取り出し口１ｆから回収して、淡水として利用する。 凝縮水は、少量ずつしか凝縮しないので、タンクＴに流れ落ちる際に、排気口１ｅからの蒸気の排気に支障となることはない。 温海水からは水蒸気以外にとけ込んでいたガス（Ｎ _２ 、Ｏ _２等）が、冷却水温度では不凝縮ガスとして発生する。
この従来装置においては、そのまま運転すると、発生する不凝縮ガスがたまり圧力が高くなってタービン翼がとまり発電が停止してしまう。 そこで、従来は、低圧にするための脱気ポンプ（排気ポンプ）が必要であった。 また、凝縮器に残った不凝縮ガスが淡水化の効率を悪くしていた。

本発明が解決しようとする課題は、従来の排気ポンプを用いずに、不凝縮ガスを駆逐して効率の良い淡水化装置を可能にすることである。

上記課題を解決するために本発明は、
表層温海水が導入され蒸気を発生するとともに、導入された温海水が海面下に排水される蒸発器と、蒸発器で発生した蒸気によりタービン翼が駆動されて発電する発電機と、タービン翼を駆動した後の蒸気が導入されるとともに、深層冷海水が導入され、前記蒸気を凝縮させて淡水を生成する凝縮器とを備えた海洋温度差発電装置において、
凝縮器からの排気により冷海水排水中に淡水生成後に残る不凝縮ガスの気泡を発生する気泡発生手段、及び、冷海水と当該気泡の混合した気液混合液状態で海面下に排出する排出手段を設け、
淡水生成後に残る不凝縮ガスを、従来排気ポンプを用いることなく、排気することを特徴とする淡水化装置付きバロメトリック型オープンサイクル海洋温度差発電装置。
または、表層温海水が導入され蒸気を発生するとともに、導入された温海水が海面下に排水される蒸発器と、蒸発器で発生した蒸気によりタービン翼が駆動されて発電する発電機と、タービン翼を駆動した後の蒸気が導入されるとともに、深層冷海水が導入され、前記蒸気を凝縮させて淡水を生成する凝縮器とを備えた海洋温度差発電装置において、
淡水生成後に残る不凝縮ガスの気泡発生手段が、
当該不凝縮ガスと冷海水排水との気液混合液状態にする気液混合室からなる気泡発生手段、
および排出手段が、
前記蒸発器内部の液面位置の海面からの高さ［ｍ］は、
大気圧に相当する真水の高さ［ｍ］×（大気圧−蒸発器の飽和水蒸気圧）×（１／温海水密度［ｋｇ／Ｌ］）
の値で決まるバランス高さより、排水側に流れが生じるようにわずかに高く設定され、
前記気泡発生手段の気液混合液面位置の海面からの高さ［ｍ］は、
大気圧に相当する真水の高さ［ｍ］×（大気圧−凝縮器の飽和水蒸気圧）×（１／気液混合液密度［ｋｇ／Ｌ］）
の値で決まるバランス高さより、排水側に流れが生じるようにわずかに高く設定され、
当該気泡発生手段と海面(大気圧)と結ぶ配管からなる排出手段からなることを特徴とする上記の淡水化装置付きバロメトリック型オープンサイクル海洋温度差発電装置。
または、表層温海水が導入され蒸気を発生するとともに、導入された温海水が海面下に排水される蒸発器と、蒸発器で発生した蒸気によりタービン翼が駆動されて発電する発電機と、タービン翼を駆動した後の蒸気が導入されるとともに、深層冷海水が導入され、前記蒸気を凝縮させて淡水を生成する凝縮器とを備えた海洋温度差発電装置において、
淡水生成後に残る不凝縮ガスの気泡発生手段が、当該不凝縮ガスと冷海水排水との気液混合液状態にするラバールノズルからなる気泡発生手段、
および排出手段が、
前記蒸発器内部の液面位置の海面からの高さ［ｍ］は、
大気圧に相当する真水の高さ［ｍ］×（大気圧−蒸発器の飽和水蒸気圧）×（１／温海水密度［ｋｇ／Ｌ］）
の値で決まるバランス高さより、排水側に流れが生じるようにわずかに高く設定され、
前記気泡発生手段の気液混合液面位置の海面からの高さ［ｍ］は、
大気圧に相当する真水の高さ［ｍ］×（大気圧−凝縮器の飽和水蒸気圧）×（１／気液混合液密度［ｋｇ／Ｌ］）
の値で決まるバランス高さより、排水側に流れが生じるようにわずかに高く設定され、
当該気泡発生手段と海面(大気圧)と結ぶ配管からなる排出手段からなることを特徴とする上記の淡水化装置付きバロメトリック型オープンサイクル海洋温度差発電装置。
または、冷海水排水量の変動に対し、気泡発生手段および排出手段の動作を保証するために、
当該気泡発生手段位置よりも上流側から分岐して海面下に排水するバイパス管を有することを特徴とする上記の淡水化装置付きバロメトリック型オープンサイクル海洋温度差発電装置である。

本発明では、従来の排気ポンプを用いずに、不凝縮ガスを駆逐して効率の良い淡水化装置を提供できる。 また、従来の排気ポンプを用いないので、その分メンテナンスも簡略化される効果を持つ。

図１は、従来のオープンサイクル海洋温度差発電装置の原理図を示す。

図２は、本発明の淡水化装置付きバロメトリック型オープンサイクル海洋温度差発電装置の全体構成図である。

図３は、本発明の特徴である気泡発生手段を、凝縮器後部へ設けた直接接触型凝縮器により構成した例を示す。

図４は、本発明の装置を、湾内へ半陸上型に設置する場合の設置例を示す。

図５は、図３に示された本発明の気泡発生手段の構成を、さらに、詳しく説明した詳細図である。

図６は、本発明の気泡発生手段の他の構成例の詳細を示した図である。

図７は、本発明の気泡発生手段のさらに他の構成例の詳細を示した図である。

本発明の淡水化装置付きバロメトリック型オープンサイクル海洋温度差発電装置は、装置全体を海面(大気圧)より数メートル高いところに設置し、蒸発器、気泡発生手段をそれぞれの圧力に相応した海面(大気圧)高さへ設置するとともに、気泡発生手段により不凝縮ガスを冷海水排出管途中へ排出することにより実現される。 気泡は独立気泡として冷海水排出管（排出手段）により冷海水とともに気液混合液状態で海面下に排出される。

図２は、本発明の淡水化装置付きバロメトリック型オープンサイクル海洋温度差発電装置の全体構成図である。 図において、２ａは蒸発器、２ｂはタービン翼、２ｃはタービン及び発電機、２ｄは隔壁型の凝縮器、２ｅは気泡発生手段、２ｈは冷海水と不凝縮ガスの気液混合液出口、２ｉは深層冷海水入口、２ｊは表層温海水入口、２ｋは温海水出口、２Ｌは海面、２ｍはデミスター、２ｇは蒸発器液面位置の海面(大気圧)からの高さ、２ｆは凝縮器で凝縮した淡水の液面位置の海面(大気圧)からの高さ、２ｏは気泡発生手段の気液混合液面位置の海面からの高さ、２ｐは淡水取り出し口である。
そして、表層温海水入口２ｊの温海水汲み上げ管は海面(大気圧)下の表層に開口している。 なお、図示されていないが、温海水出口２ｋは排水管により海面(大気圧)下に開口し、深層冷海水入口２ｉは冷海水汲み上げ管により海面下の深層に開口し、気液混合液出口２ｈは排水管（気液混合液の排出手段）により海面(大気圧)下に開口しており、また、淡水取り出し口２ｐからの淡水取り出しは、凝縮器内部の圧力を損なわずに取り出せるようにしてある。

蒸発器及び凝縮器内部の圧力は、表層温海水、深層冷海水の温度によって決まる圧力を有する。 そこで、本発明では、蒸発器液面位置の海面からの高さ２ｇを、蒸発器の圧力に相応する位置に合わせて、高さ２ｇの温海水の重力による圧力と蒸発器内の液面に作用する圧力の和が大気圧に等しくなるように設定し、気泡発生手段の気液混合液の液面位置の海面からの高さ２ｏを、高さ２ｏの気液混合液（冷海水と不凝縮ガスの混合液）の重力による圧力と凝縮器内の気液混合液面に作用する圧力の和が大気圧に等しくなるように設定する。 このとき、蒸発器内の液面に作用する圧力は温海水温度における、飽和水蒸気圧となり、気泡発生手段の気液混合液面に作用する圧力は、冷海水温度における飽和水蒸気圧となり、冷海水はすでに飽和状態まで水蒸気が溶存しているものとする。 ただし、この状態の海面からの高さは、ちょうどバランスしている状態なので、実際には、このバランスしている状態の高さより若干高めに設定して排水側に流れを生じるようにし、スムーズな排水を可能として、排水のためのポンプ動力及び排気のためのポンプ動力を大幅に低減することができる。 なお、バランスする位置以上の高さへは、その分だけの動力が必要となり、また、流れを生じさせる分の動力も実際には必要となる。

上記のように構成することにより、表層温海水入口２ｊから蒸発器２ａ内に入った表層温海水の一部が蒸発して蒸気となりタービン翼２ｂを回して発電し、隔壁型の凝縮器２ｄに入った蒸気は冷海水により冷却されて一部が凝縮して凝縮水（淡水）となり、凝縮器を通過した蒸気は、凝縮器から出た冷海水排水管の途中に設けた気泡発生手段２ｅによって冷海水中に排気され、冷海水とともに気液混合液の状態で海面下に開口した排出管（排出手段）により排出される。 このように、排気は大気圧下に直接排気するのではなく、海面より高い位置にある低圧状態の冷海水排水管中に排気するので排気動力が軽減されるとともに、不凝縮ガスが冷海水排水管中に排気されるので、不凝縮ガスの残存による淡水化の効率の悪化も改善できる。
また、上記のように構成することにより、装置全体を海面より数メートル高い位置に設置することができるから、波による外乱の影響を減じることもできる。 例えば、図４は、本発明の淡水化装置付きバロメトリック型オープンサイクル海洋温度差発電装置を、湾内に設置した例であり、かなり大きな波浪であっても、装置の主要部分は、海面(大気圧)よりある高さに維持することができる。
なお、淡水取り出し口２ｐについても、凝縮器内の凝縮液（淡水）の液面位置の海面(大気圧)２Ｌからの高さ２ｆを、高さ２ｆの淡水（冷海水と同じ温度）の重力による圧力と凝縮器内の凝縮液面に作用する圧力（冷海水温度における飽和水蒸気圧）の和が大気圧に等しくなる位置よりも若干高めに設定しておいて淡水の排出ポンプ動力を軽減することもできる。

（気泡発生手段の具体例）
図３は、本発明の気泡発生手段の具体例を示したものであって、隔壁型の凝縮器３ｄの後部へ直接接触型の凝縮器３ｎを接続することにより気液混合手段を構成したものである。 図５は、さらにその詳細図である。 図３において、３ｊは蒸発器の温海水入口、３ｋは蒸発器の温海水出口、３ｄは隔壁型の凝縮器、３ｉは隔壁型の凝縮器への冷海水入口、３ｎは直接接触型の凝縮器で構成される気泡発生手段、３ｈは冷海水と不凝縮ガスの気液混合液出口、３ｐは淡水取り出し口、３ｍはデミスター、３ｂはタービン翼、３ｃはタービン及び発電機、３Ｌは海面(大気圧)、３ｇは蒸発器液面位置の海面(大気圧)からの高さ、３ｏは、直接接触型の凝縮器で構成された気泡発生手段３ｎ内の気液混合液面位置の海面(大気圧)からの高さである。 また、図示しないが、温海水入口３ｊは汲み上げ管により海面(大気圧)下表層に開口し、温海水出口３ｋは排水管により海面下に開口し、冷海水入口３ｉは汲み上げ管により海面(大気圧)下深層に開口し、気液混合液出口３ｈは排水管（排出手段）により海面(大気圧)下に開口している。 なお、３ｆは隔壁型の凝縮器３ｄ内の凝縮液（淡水）の液面位置の海面(大気圧)からの高さである。 また、図５において、５ｄは隔壁型の凝縮器（淡水化用）、５ｅは直接接触型の凝縮器からなる気泡発生手段、５ａはタービンからの蒸気入口、５ｂは凝縮器の冷海水入口、５ｃは冷海水と不凝縮ガスの気液混合液出口、５ｈは気液混合液面位置の海面(大気圧)からの高さであり、５ｆは凝縮液（淡水）の取り出し口である。

このように構成された気液混合手段において、タービン翼３ｂを回した蒸気は、蒸気入口５ａから隔壁型の凝縮器５ｄに入り、並流で下降しながら冷海水で低温に保たれた隔壁に接触して冷やされ、冷やされた蒸気の一部が凝縮して凝縮水（淡水）となり凝縮器５ｄの底部にたまる。 なお、凝縮してたまった淡水は淡水取り出し口５ｆから取り出せる。 下降してきた蒸気は、隔壁型の凝縮器５ｄの底部に設けたパイプを通って、直接接触型の凝縮器５ｅ（気泡発生手段）内に入る。 このとき、隔壁型の凝縮器５ｄの底部に設けたパイプは、底部にたまった凝縮水（淡水）がパイプを通って流出しない高さを有しており、下降してきた蒸気のみがパイプを通って直接接触型の凝縮器５ｅ内に入る。 一方、隔壁型の凝縮器５ｄ内を下降してきた冷海水も、隔壁型の凝縮器５ｄ底部に設けた開口から、直接接触型の凝縮器５ｅ内に入る。 直接接触型の凝縮器５ｅ内に入った未凝縮蒸気と不凝縮ガスの混合気体と冷海水とは、ここで混合されて気液混合液となり、気液混合液出口５ｃから気液混合液として海面(大気圧)下に排水される。
なお、５図において、排気効率を高めるために、冷海水出口と蒸気出口を狭めてあり、冷海水出口と蒸気出口の下部には穴あきプレートが設けてある。 また、気液混合液出口５ｃ部には、液面の調整とトラップのために、気液混合液面調整用曲管を設けて効率よく気液混合液として排出できるようにしてある。 また、最適な排水速度は、気液混合液の気液混合割合によるため、実験により決められる。

図３において、３ｇ（蒸発器液面位置の海面からの高さ）及び３ｏ（直接接触型の凝縮器で構成された気泡発生手段３ｎ内の気液混合液面位置の海面からの高さ）は、内部圧力により決定される値である。 ３ｇ及び３ｏは、実際には、バランスする位置よりも若干高め（例えば数ｃｍ）に設定し、最適な排水速度が得られるようにするが、上記バランスする位置の高さは、海面(大気圧)に作用する大気圧を１［ａｔｍ］、真水の密度を１［ｋｇ／Ｌ］とすると次式で求めることができる。
３ｇ［ｍ］＝１ａｔｍに相当する真水の高さ［ｍ］×（１−蒸発器の飽和水蒸気圧［ａｔｍ］）×（１／温海水密度［ｋｇ／Ｌ］）
３ｏ［ｍ］＝１ａｔｍに相当する真水の高さ［ｍ］×（１−凝縮器の飽和水蒸気圧［ａｔｍ］）×（１／気液混合液密度［ｋｇ／Ｌ］）
ここで、気液混合液密度は、次式で計算される。
気液混合液密度［ｋｇ／Ｌ］＝冷海水密度［ｋｇ／Ｌ］×冷海水体積［Ｌ］／（冷海水密度［ｋｇ／Ｌ］×冷海水体積［Ｌ］＋蒸気密度［ｋｇ／Ｌ］×蒸気体積［Ｌ］）
例えば、１ａｔｍに相当する真水の高さ＝１０．３３ｍ、温海水を３０°Ｃとすると、温海水密度＝１．０２０ｋｇ／Ｌ、蒸発器の飽和水蒸気圧＝０．４２ａｔｍとなり、上式に代入すれば、３ｇ＝１０．３３×（１−０．４２）×（１／１．０２０）＝５．８７［ｍ］となる。
さらに、冷海水温度を１０°Ｃとし、気液混合液中に蒸気を１５［ｍＬ／Ｌ］混合するものとすると、冷海水密度＝１．０２５ｋｇ／Ｌ、気液混合液密度＝１．０２５×０．９８５／（１．０２５×０．９８５＋０．００１２０６×０．０１５）＝０．９９９９８２［ｋｇ／Ｌ］となり、凝縮器の飽和水蒸気圧は０．１２ａｔｍであるから、３ｏ＝１０．３３×（１−０．１２）×（１／０．９９９９８２）＝９．０９［ｍ］となる。
なお、上記で求めた、３ｇ＝５．８７ｍ及び３ｏ＝９．０９ｍの値は、ちょうどバランスする位置の高さであるから、実際には、これらの値より若干高くして（例えば数ｃｍ）、排水側に流れが生じるように設定する。

（気泡発生手段の他の具体例）
図６は、図２の気泡発生手段の他の具体例を説明した詳細図である。 この具体例では、気泡発生部及び混合部分が凝縮器とほぼ同一高さに設置した例である。 凝縮器からの排気管を気泡発生手段である混合室に連通させる。 混合室（気泡発生手段）は凝縮器圧力Ｐｃよりも低圧Ｐ１となる高さ５ｈに設置される。 すなわち、Ｐｃ≧Ｐ１（＝気液混合液密度（ρ）×海面(大気圧)からの高さ（５ｈ））を満足する高さ５ｈに設置する。 混合室（気泡発生手段）においては、水噴流により発生した気泡の比較的小さいものは排水とともに下方に流れ、大きいものは再度、噴流により微細化される。 排水の流速は排水管径により調整され、気泡の上昇しようとする速度より大きな流速で排気される。

（気泡発生手段のさらに他の具体例）
図７は、気泡発生手段のさらに他の具体例を説明した詳細図である。 図７は、図６の混合室をなくし、微細な気泡を発生できるノズルを擁し、不凝縮ガスはノズルのベンチュリー効果により引き込まれ、気泡を発生する。 図では、ノズルを有する気泡発生手段の上流で分岐するバイバス排水管を設けているが、バイパス排水管は設けなくてもよい。 なお、凝縮器からの排気管が導入されるノズル位置が、凝縮器圧力Ｐｃよりも低圧Ｐ１となる高さに設置されることは、図６の例と同様である。

上記のとおりに蒸発器、気液混合手段の高さを設定すると、不凝縮ガスの排気は冷海水とともに排出され、排気や排水のための動力が軽減され、海洋温度差発電装置の自立が可能となり、また、凝縮器で凝縮しきれなかった不凝縮ガスは排気時に排出されるから淡水化の効率も改善される。

本発明の淡水化装置付きバロメトリック型オープンサイクル海洋温度差発電装置は、半陸上設置型以外にも、海上設置型あるいは陸上設置型にも適用できる。 また、深層冷海水と表層温海水を用いた例で説明したが、冷水と温水を利用することもできる。

１ａ，２ａ 蒸発器 １ｂ，２ｂ，３ｃ タービン翼 １ｃ，２ｃ，３ｃ タービン及び発電機 １ｄ，２ｄ，３ｄ，５ｄ 凝縮器 １ｊ，２ｊ，３ｊ 温海水入口 １ｋ，２ｋ，３ｋ 温海水出口 １ｉ，２ｉ，３ｉ，５ｂ 冷海水入口 １ｈ 冷海水出口 ２ｈ，３ｈ，５ｃ 気液混合液出口 ２Ｌ，３Ｌ 海面 ２ｐ，３ｐ，５ｆ 淡水取り出し口 ２ｅ，３ｎ，５ｅ 気泡発生手段 ２ｇ，３ｇ 凝縮器の液面位置の海面からの高さ ２ｏ，３ｏ，５ｈ 気泡発生手段の気液混合液面位置の海面からの高さ