JPH03500203A - 吸着熱輸送コジェネレイションエンジン - Google Patents

吸着熱輸送コジェネレイションエンジン

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JPH03500203A JP63507524A JP50752488A JPH03500203A JP H03500203 A JPH03500203 A JP H03500203A JP 63507524 A JP63507524 A JP 63507524A JP 50752488 A JP50752488 A JP 50752488A JP H03500203 A JPH03500203 A JP H03500203A
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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】 吸着熱輸送コジェネレイションエンジン(技術分野) 本発明は内燃エンジンから流出する高温廃棄ガスとかエンジン冷却系熱等、廃棄 熱流の有益性及び利用効率が高い装置に関する。冷却回路温度に応じて飽和圧力 より高い有効圧力で蒸気を生成するため、上記内熱源は結合される。これを成し 得る装置は開サイクル熱駆動液体コンプレッサー(″液体サーモコンプレッサー ″)であり、該装置は吸着剤水溶液に大いに依存するものである。
(技術背景) 従来、例えば閉じたNH,−H,O吸着サイクル又は密閉H80−L1Br吸着 サイクル等の吸着冷凍装置とか吸着空調装置等の動力源として内燃エンジンから の高温廃熱を利用することが知られている。
最近、エネルギー節約を強調されている折、同様の目的でエネルギー冷却回路熱 を適用することが次々と開示されている。
5UNG (米国特許第4380909号)は廃棄ガス熱及び冷却回路熱の両者 を単一の脱着器に適用している。これは脱着器が冷却回路熱の温度より低温で作 動させなければならないという不都合点ある。
廃棄ガスの初期温度は冷却口H熱よりも可成り高く、それだけその特別の有用性 が低下する。
MORl等(米国特許第4439999号)は高温脱着器に廃棄ガス熱を適用す るとともに別の低温脱着器に冷却回路熱を適用することにより制限を回避してい る。しかしながら、上EMORl等の明細書は冷却回路熱が通常約110℃又は それ以下でありかつ該温度で加熱される脱着器の有用性が制限されるという、上 記5UNGと同じ不都合点を有する。
また、吸収媒体としてKOH又はNaOHのいずれかの水溶液を使用する蒸気動 力間サイクル液体サーモコンプレッサーによってより高い有用圧力まで廃棄低圧 蒸気の圧力を高めることが先行技術において知られている。低圧蒸気がKOHに 吸収され、熱を発散させて有用蒸気の1部を沸騰させる。次いで、高圧蒸気を用 いてKOHを加熱するとともに再濃縮し、該KOHから有用蒸気の残留部分が沸 騰させられる。ポンプはKOH溶液を吸着及び脱着ステージ間で循環させる。L  、 S 、Marksは“メカニカル・エシジニアリング1927年7月、4 9巻、N o 、6.600頁で“蒸気圧力変換器”において基本装置を記述し ている。高圧蒸気により加熱された高温蒸気のみにより2つの脱着器を組み合わ せた一例がW、H,Sellewの論文“液体サイクル” Transacti ons of the American In5titute of Che micalEngineering、 XXX巻、1933〜34年、562頁 で報告されている。
上記開示された液体コンプレッサーは開示された吸着媒体による高温腐食制限に 基づく有効性;開示された吸着媒体の不純物(例えばC01)痕跡による化学反 応に対する感受性;及び液体コンプレッサーを駆動するための高圧蒸気の必要性 にか制限されている。
可逆的に水蒸気を吸着及び脱着用の吸着サイクル装置においてアルカリ金属ニト レートの混合水溶液を使用することは知られている:本田願人り、C,Er1c ksonに譲渡された米国特許84454724号、第4563295号及び第 4652270号。
大抵の内燃エンジンはエンジン冷却回路を組み込んでいる。特に往復エンジン用 に、エンジン冷却装置(ジャケット又はシリンダー冷却)から排斥された熱はエ ンジン廃棄ガスの有効量に近いか又はそれを超過する。廃棄ガス温度はほぼ60 0℃程となる一方、冷却回路温度は約100℃である。
往復エンジンは電気効率が高いのでコジェネレイションアプリケイション(廃熱 利用装置)において好ましいものである。しかしながら、廃熱のほぼ半分が非常 に低い温度であると不都合点を補い難い。多くの応用例において冷却回路熱は単 に冷過ぎて有用でなく、よって冷却タワー又はラジェーター等の熱排除装置はそ の熱を放散する必要がある。他のの応用例、例えば病院において、熱は空間及び 温水の加熱に有用であるが、必要とする場所に熱を分配するには高価な水圧又は 低圧蒸気装置が必要である。
この発明の目的とするものは、駆動力を改善するため廃ガス中の余剰温熱のみを 利用して内燃エンジン冷却回路からの熱を、例えば300 kPa又はそれ以上 の有用圧力を有するも′のに成長させる手段である。言い換えれば、どのような 機械的蒸気圧縮装置又は多量の機械若しくは電気入力を必要とすることなく、蒸 気の形態で低温エンジン冷却熱と高温廃棄ガス熱の両者を結合して有用な中間温 度熱とすることが望ましい。更に、構成上、安価な材料を使用して低腐食度を呈 するとともに微量の不純物による汚染を回避することが望まれる。
(発明の開示) 上述した目的及びその他の有用な目的は次のような装置により達成され、即ち、 内燃エンジンの燃焼廃棄ガス熱及び冷却系熱の両方から絶対圧力約300kPa 以上の有用な圧力で蒸気を生成する装置であって、 a、上記冷却系熱から約200kPa以下の圧力で少なくとも1つの低圧蒸気供 給源を形成する手段、及びす、水蒸気を可逆的に吸着及び脱着可能とした液体吸 着剤溶液を含有しかつ循環するように設計されかつ寸法状めされた吸着器から構 成され、 上記吸着器が、 i)上記の低圧蒸気が上記吸着剤溶液と接触して吸着され、該吸着剤溶液から脱 離した熱を当該吸着熱交換器を介して間接的に沸騰給水に移送することにより上 記有用圧力蒸気の1部分を発生する吸着熱交換器、 if)上記吸着熱交換器からの吸着剤溶液圧力が少なくともほぼ上記有用圧力と 等しい圧力となるように該吸着剤溶液の圧力を高める液体ポンプ、 玩)上記液体ポンプからの吸着剤溶液が上記燃焼廃棄ガスと間接的に熱交換を行 い、それにより該吸着剤溶液から上記蒸気の第2部分を脱離せしめる脱着熱交換 器、及びiv)上記脱着熱交換器から上記吸着剤溶液の圧力を減少させるととも に該吸着剤溶液を上記吸着熱交換器に再循環させる手段から構成した装置である 。
概念的に高温排出物は蒸気温度を高め、次いで先行技術におけるように液体サー モコンプレッサーの脱着器を作動させるのに使用してもよいが、この場合、開示 されt;本発明の利点を相殺する厳しい不都合を招く。
開サイクル燃焼ガス加熱蒸気液体圧縮装置は、特に後述するように往復エンジン と組合わせると有利である。しかしながら、上述した開サイクル溶液蒸気圧縮装 置の新規かつ特殊な構造は他の分野においても適用できることが認められよう。
(図面の簡単な説明) 第1図は有用圧力蒸気の産出に適用される、開サイクル液体圧縮装置及び往復エ ンジンのコンビネーションの好ましい実施例を示し、第2図は液体圧縮装置単独 の最も簡単な実施例を示し、第3図は燃焼ガス点火液体圧縮装置における2つの 脱着ステージの実施例の流れ図である。
(本発明を実施するだめの最良の実施例)第1図において、内部燃焼エンジンl は供給ライン2を介して天然ガス又は石油の誘導物等の燃料が供給される。高温 燃焼排出物が排気パイプ3を介してエンジンから排出される。冷却回路液がポン プ4により当該エンジンを通過するように循環され、燃焼シリンダ−のジャケッ ト冷却及び/又は他の同様の冷却が行われる。該高温で随意に加熱することがで きる。該高温廃棄ガスは脱着熱交換器7に向けて送給され、約300 kPa以 上、代表的に500kPa以上の圧力で間接的に熱が吸着剤水溶液に移送される 。その結果、該水溶液から蒸気が脱着され、該蒸気が蒸気ライン8を介して抜き 取られる。
次いで、好ましくは、構成部分9において蒸気が過熱状態から低下せしめられる とともに液体洗浄される。該構成部分9はランダム又は構造化バッキング等の向 流蒸気−液体接触材料から成る領域を含む。脱着器7に向かう途中で上記水溶液 の少量4%程度が洗浄および過熱低減化剤として使用される。該少量の水溶液が バルブ11及び12の結合作用により制御され、残りの水溶液は水溶液熱交換器 13を流通せしめられるようになっている。ボイラー16への給水は構成部分9 において液体洗浄剤として使用してもよい。
上記水溶液から水の1部を脱着した後、脱着器7から水溶液が抜き出され、該水 溶液が熱交換器13を介して向流として戻され、吸着熱交換器14に供給するた め、その圧力が200kPa以下に低められる。該減圧手段は絞りバルブ又は液 体タービン等の他の手段であってもよい。好ましい1つの方法は水溶液をジェッ ト射出器15を通して減圧することである。このようにして、その中で大きくな った運動量が同伴飛沫として使用され、よって低圧蒸気の少なくとも1部分が昇 圧されて吸着器14に供給される。該吸着器14においてエンジン冷却回路熱が 水溶液に吸着され、供給される低圧蒸気のすくとも1部分の圧力を上げる。吸着 機14において低圧蒸気はエンジンから引き出され、冷却回路熱は水溶液に吸着 され、そこから解離された熱が間接的に沸騰給水に移送される。該給水は給水ラ イン17を介して吸着器14の沸騰部16に供給される。また、気化点の上昇に 基づき該ボイラーは約300 kPa以上の圧力、すなわち吸着された低圧蒸気 より高圧力とされる。例えば、該蒸気圧力は4倍又はそれ以上の倍率でもって増 大せしめてもよい。該蒸気がストリームは蒸気ライン18を介して引き抜かれる とともに好ましくは蒸気ライン19を介して過熱低減器9から抜き出された蒸気 と組合わされる。
エンジン冷却回路熱から低圧蒸気を導出するには公知のいずれの手段であっても よい。例えtf−′−ンジンの沸騰冷却を用いてもよく、そこでは蒸気がエンジ /’ ”−+ジャケットから直接送出され、ポンプ4のみが調整水を必要こする に過ぎない。他の例ではエンジン冷却水溶液が熱交換器を介して循環され、沸騰 水に間接的に熱が伝達される。一般的に、これは余分な熱交換△Tを必要とする ため好ましいものではない。好ましい装置はエンジンから排出された後に減圧す ることにより当該エンジン冷媒をフラッシュするようにすることである。これは 冷媒を高所に流入させるか、それとも図示するように減圧バルブ19および相分 離タンク20を介して簡単に行うことができる。このフラッシュは全てlステッ プで行うか又はバルブ21及び分離器22を用いて更に低減した圧力にて2ステ ツプで行うようにしてもよい。しれによりセパレーター20からの蒸気はセパレ ーター22からの蒸気よりいくらか高圧であり、射出器15が圧力不足を補う。
従って、冷却水は120℃でエンジンを出て再循環する直前で105℃に下がる とすると、1回の7ラツシユで118kPaの低圧蒸気を産出する。一方、2回 の7ラツシユでは1回目は112.5℃で、2回目は105℃で低圧の半分の圧 縮圧力を加えた、151 kPaの低圧蒸気を産出する。約28%程度高い供給 圧力により、発生蒸気圧もまた約28%程高くなり、その他の要素は変エンジン 冷却系熱量が吸着器14の熱除去容量(LP蒸気吸着容量)より多い場合、上記 熱量は好ましくは燃焼器5において熱を補給して少なくとも2倍にする。第1に 、ヒートポンプ効果により各I BTU (英国熱量単位)の補給燃料毎に約1 .6BTUの追加中圧蒸気を産出する。第2に、全エンジンジャケット冷却負荷 が吸着器14で吸着されるまで脱着器7の脱着容量を増すことにより、分離エン ジン冷却熱除去装置(ラジェーター、冷却タワー等)費用が高価となるのを避け られる。
沸点の上昇により脱着器7は脱着中圧蒸気の飽和温度より実質的に高い温度で作 用させなければならないので、熱源として脱着器7から流出する廃棄ガスを使用 して少量の中圧蒸気を発生することがまだ可能である。同様に吸着器14に供給 するため、廃棄ガスの残留熱から追加低圧蒸気を発生することが可能である。該 廃棄ガス残留熱は種々の給水流、例えばライン17等を加熱するt;めに有効に 使用される。いくつかの内燃エンジン、例えばガスタービン等は極く少量の冷却 系熱を有するか又は全く持たない。そのような形式のエンジンでは、実質的に全 低圧蒸気が燃焼排気中の残留熱から産出される。
第2図は最も簡単な実施例の開サイクル吸着ヒートポンプのみを示す。内燃エン ジンと連結する部分は高温燃焼ガスヘッダー201及び低圧蒸気供給ヘッダー2 02を介して行われる。しかしながら、高温燃焼ガス及びLP蒸気は他のどのよ うな供給源であってもよいことは当業者には明らかなことであろう。該燃焼ガス は脱着器203内で間接的熱交換により吸着剤溶液を加熱する。低圧蒸気は吸着 器204内で吸着剤溶液に吸着される。吸着器204の加熱コイル205で産出 された有効な圧力蒸気は脱着器203からの脱着蒸気と結合されるとともにこれ らの結合蒸気は負荷に送出される。該吸着剤水溶液は液体ポンプ206、液体熱 交換器207及び減圧手段208により吸着器204及び脱着器203間を循環 させられる。
最も一般的な形式のものとして、本発明はLiBr、他のアルカリハロゲン化物 、グリコール類、ホスフィン酸、アルカリ水酸化物及びアルカリチオシアネート 等の液状の吸着剤水溶液を使用することも含まれるものであるが、開示した条件 ではアルカリニトレートにトリットと一緒であってもよい)は強力な好ましい吸 着剤である。これには理由が2つある。第1に、高温燃焼ガスは脱着器を直接加 熱するので高温局部温度が十分に200℃以上となりうる。該温度においては、 大抵の吸着剤は不安定であり、又は通常の構成材料に対し高い腐食性を示す。第 2に、開サイクルであると、極微量不純物が202におけるLP蒸気、特に二酸 化炭素及び空気から吸着剤に導入されることは避けられない。ある吸着剤は二酸 化炭素、例えばニドリットが本質的にこれらの成分に対し不活性である水酸化物 と化学的に不可逆反応する。
第3図は更に改良した、蒸気の1ステ一ジ開サイクル液体圧縮装はそれ以上であ るので、脱着器は240℃以上の有効性ではなく、240℃以上の熱量を使用す 乙。また、有効性を利用するために、もう1つの高温及び高圧脱着器が要求され る。そのような脱着器は余分な燃料を消費することなく補助燃焼バーナーとして 同等の利益をもたらす。
第3図において、吸着器301はライン302からの吸着剤溶液を伴っ!;低圧 蒸気と接触して熱を放散し、ボイラー303で中圧蒸気を沸騰させる。次に該吸 着剤溶液は2種類の脱着器、即ち高温圧脱着器304及び中温脱着器305に送 られる。当該技術分野では公知であり、2種類の吸着器、すなわち高温又は低温 吸着器のどちらかを先にして縦統的に吸着剤を流通せしめるのは差し支えないこ とが知られている。しかしながら、脱着器304の圧力は十分に高くして、脱着 蒸気の飽和温度が脱着器305の温度より若干高くする必要がある。該圧力は典 を的に1500〜1600kPaの範囲内のものである。従って、図示するよう に好末しくけ平行供給装置とし、所要のポンプ動力を最小限のものにする。吸着 剤の半分以下は脱着器307に対し、液体ポンプ306で圧縮して加圧されさと ともに熱交換器307で加熱され、次いで脱着器304内で最も熱い燃焼ガスに より加熱される。該脱着蒸気は脱着器305のコイル308に送られ、そこで脱 着熱の少なくともL部分を供給しながら凝縮する。凝縮物がバルブ309から抜 き出される。脱着器304から脱着された吸着剤はバルブ310(例えば代わり にジェット射出器であってもよい)によって減圧され、さらに吸着器301に再 循環される。残りの吸着剤溶液の主要部分はポンプ311で加圧され、熱交換器 312で加熱され、さらに脱着器305に噴霧(又は供給)される。脱着熱はヒ ーター308及び好ましくはヒーター313内の残留燃焼ガスにより最小量供給 される。有効圧力蒸気がライン314において抽出され、この抽出蒸気はボイラ ー303で生成された蒸気と結合される。排気中の残留熱は廃熱ボイラー315 を加熱するt;めに使用してもよい。該廃熱ボイラー315はまた給水で満たさ れ、有効圧力又は低圧蒸気を発生する。脱着器305からの脱着液はバルブ31 6で減圧し、また吸着器301に戻される。
第3図の2ステ一ジ発生機の実施例は300−’(!〜400℃オーダーの非常 に高い脱着温度をもつ。ニトレート−ニドリット混合物の全てが熱安定問題のた め、それらの条件に適合するわけでく、例えばリチウム陽イオンおよびニドリッ ト陰イオンの両方を排除する状態とする望ましいものである。ルビジウム及びセ シウムニトレートのうち少なくとも一方を随意に混合したナトリウム及びカリウ ムニトレートから成る混合液は好ましくは300℃以上とされる。低温でリチウ ム陽イオン含量を増大することが望ましい。
直接接触式蒸気過熱低減及び洗浄器は特に高温発生機に好ましいものである。こ れは蒸気を伴ったNOxガスの痕跡レベルを発生する傾向があり、洗浄器を取り 外さなければならないからである。しかしながら、鷹接接触式過熱低減器は付加 顕然回収手段として開サイクルであろうと閉サイクルであろうともあらゆる吸着 サイクルに対し汎用性があることは容易に理解できよう。
国際調査報告 p−〒/nQ RL/IT1%E

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.内燃エンジンの燃焼廃棄ガス熱及び冷却系熱の両方から絶対圧力約300k Pa以上の有用な圧力で蒸気を生成する装置において、a.上記冷却系熱から約 200kPa以下の圧力で少なくとも1つの低圧蒸気供給源を形成する手段、及 びb.水蒸気を可逆的に吸着及び脱着可能とした液体吸着剤溶液を含有しかつ循 環するように設計されかつ寸法決めされた吸着器から構成され、 上記吸着器が、 i)上記の低圧蒸気が上記吸着剤溶液と接触して吸着され、該吸着剤溶液から脱 離した熱を当該吸着熱交換器を介して間接的に沸騰給水に移送することにより上 記有用圧力蒸気の1部分を発生する吸着熱交換器、 ii)上記吸着熱交換器からの吸着剤溶液圧力が少なくともほぼ上記有用圧力と 等しい圧力となるように該吸着剤溶液の圧力を高める液体ポンプ、 iii)上記液体ポンプからの吸着剤溶液が上記燃焼廃棄ガスと間接的に熱交換 を行い、それにより該吸着剤溶液から上記蒸気の第2部分を脱離せしめる、脱着 熱交換器、及びiv)上記脱着熱交換器からの上記吸着剤溶液の圧力を減少させ るとともに該吸着剤溶液を上記吸着熱交換器に再循環させる手段から構成した装 置。
  2. 2.吸着剤溶液がナトリウムニトレート及びカリウムニトレートから成る水溶液 である、請求の範囲第1項に記載め装置。
  3. 3.吸着剤溶液が更に硝酸リチウムを付加して成る、請求の範囲第2項記載の装 置。
  4. 4.吸着剤溶液が更にセシウムニトレート、カリウムニトレート及びルビジウム ニトレートのうち少なくとも1つを付加して成る、請求の範囲第2項に記載の装 置。
  5. 5.脱着熱交換器に至る若しくは該脱着熱交換器からの途中で吸着剤溶液と間接 的に顕熱の熱交換を行う液体熱交換器を付加して成る、請求の範囲第1項記載の 装置。
  6. 6.吸着剤溶液の減圧手段が低圧蒸気の少なくとも1部分の圧力を吸着しかつ増 大させるジェット射出器である、請求の範囲第1項に記載の装置。
  7. 7.脱着熱交換器から流出する廃棄ガスの残留熱から吸着熱交換器用に対する追 加低圧蒸気を発生する排熱ポイラーを付加して成る、請求の範囲第1項記載の装 置。
  8. 8.ほぼ有用圧力で脱着熱交換器から流出した後の燃焼廃棄ガスと給水供給源間 で間接的熱交換を行う手段を付加して成る、請求の範囲第1項記載の装置。
  9. 9.更に向流蒸気−液体接触領域及びから成る蒸気洗浄器と該領域頂部にほぼ有 用圧力で給水を供給しかつ脱着熱交換器から洗浄用の領域底部に脱着蒸気を供給 する手段から構成される蒸気洗浄器を付加して成る、請求の範囲第1項記載の装 置。
  10. 10.脱着蒸気から不純物を洗浄する装置を付加して成り、上記蒸気洗浄装置が a)蒸気−液体接触領域;及び b)脱着熱交換器を流通する吸着剤溶液の少なくとも1部分を上記領域に供給す る手段から構成される、請求の範囲第1項記載の装置。
  11. 11.溶液熱交換器を付加して成り、液体吸着剤混合物がリチウムニトレート、 ナトリウムニトレート及びカリウムニトレートから成る水性混合物であり、減圧 手段がジェット噴射機である、請求の範囲第10項記数の装置。
  12. 12.高温加熱・低圧蒸気の入力から中圧蒸気を産出する蒸気用熱作動式液体圧 縮装置であって: a)ナトリウムニトレート及びカリウムニトレートから成る水溶液; b)上記水溶液に低圧蒸気を吸着させかつ上記中圧で吸着熱を給水沸騰用に間接 的に移送する吸着熱交換器;c)上記中圧以上の圧力で上記水溶液に高温熱量を 間接的に移送する脱着熱交換器; d)上記吸着熱交換器及び脱着熱交換器間で上記水溶液が循環するように配置さ れた、液体ポンプ、液体熱交換器及び液体減圧手段;及び e)上記脱着熱交換器で脱着された中圧蒸気の洗浄及び過熱低減機から構成され : 上記洗浄及び過熱低減機が i)気体−液体向流接触領域; ii)上記向流接触領域の頂部に上記脱着熱交換器への途中で上記水溶液の少量 の留分を供給する手段;及びiii)上記向流接触領域底部に上記脱着供給する 手段から成る、熱作動式液体圧縮装置。
  13. 13.更に、内燃エンジンを付加して成り、該内燃エンジンが脱着熱交換器に当 該内燃エンジンの廃棄ガスを供給する手段及びエンジン冷却回路から低圧蒸気を 獲得する手段を含む、請求の範囲第12項記載の装置。
  14. 14.減圧手段が低圧蒸気の少なくとも1部分を吸引してその圧力を高める噴射 器である、請求の範囲第12項記載の装置。
  15. 15.水溶液がせいぜいリチウム陽イオンおよびナトリウム陰イオンのうちの1 つを含む、請求の範囲第12項記載の装置。
  16. 16.更に、高温熱で加熱される第1脱着熱交換器から脱着した蒸気によって少 なくとも1部分を加熱される第2脱着熱交換器を含み、少なくとも中間圧力の2 倍の大きさの圧力とし、これにより該中間圧力で第2脱着熱交換器内の水溶液か ら上記脱着蒸気の1部分を脱着する、請求の範囲第12項記載の装置。
  17. 17.産出しようとするプロセス蒸気より低熱量の高温熱を加えることによって 供給低圧蒸気より高圧でプロセス蒸気を産出する開サイクル装置であって、該開 サイクル装置は、a)ナトリウムニトレート及びカリウムニトレートから成る吸 着剤水溶液; b)上記低圧蒸気を上記吸着剤溶液に吸着させて上記プロセス蒸気の大部分を生 成する、吸着熱交換器; c)上記高温熱により間接的に加熱されて高圧蒸気を脱着する、第1脱着熱交換 器、 d)上記脱着高圧蒸気により間接的に加熱されて上記プロセス蒸気の少量部分を 生成する、第2脱着熱交換器;e)上記吸着熱交換器から上記両脱着熱交換器に 上記水溶液を循環する液体ポンプ; f)上記第1脱着熱交換器に熱源として当該内燃エンジンから廃棄ガスを供給す る手段を含む、内燃エンジン;及びg)上記内燃エンジンの冷却系から低圧蒸気 を獲得する手段で構成される、開サイクル装置。
  18. 18.吸着剤溶液がせいぜいリチウム陽イオン成分及びナトリウム陰イオン成分 のうちの1つを含む、請求の範囲第18項記載の装置。
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