(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体の膨張を利用して発電する発電システムであって、
前記作動流体を吐出する流体供給ポンプと、
前記流体供給ポンプから供給された作動流体を加熱する蒸発器と、
前記蒸発器から導かれた作動流体の膨張により回転する回転体と、
前記回転体を格納する格納部と、
前記回転体から前記格納部を貫通して当該格納部の外部に延びるとともに前記回転体と一体に回転する出力軸と、
前記格納部に設けられ、前記出力軸を回転可能に支持する軸受け部と、
前記出力軸に連結されるとともに前記回転体の回転駆動に応じて発電する発電機と、
前記回転体の回転に供された作動流体を凝縮する凝縮器と、
前記出力軸、前記軸受け部、及び前記発電機を収納する収納容器と、
前記流体供給ポンプから吐出された作動流体の一部を前記蒸発器を介さずに前記収納容器内に導くための冷却用配管とを備え、
前記発電機は、前記冷却用配管を介して前記収納容器内に導入された作動流体に接触する位置に設けられ、
前記格納部は、前記収納容器内に収納され、前記回転体の回転に供された作動流体を前記格納部の外部であって前記収納容器の内側に導出する第１導出口を有し、
前記収納容器は、前記第１導出口から導出された作動流体を前記収納容器の外部に導出する第２導出口を有し、
前記発電機は、前記第１導出口と前記第２導出口との間に設けられ、
前記冷却用配管は、前記第１導出口から第２導出口に至る作動流体の流れ方向において、前記発電機の配設位置よりも第１導出口寄りの位置から前記収納容器内に作動流体を導入する、発電システム。
【請求項２】
前記冷却用配管内を流れる作動流体の流量、圧力の少なくとも一方を調整する調整部材をさらに備えている、請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
作動流体の膨張を利用して発電する発電システムであって、
前記作動流体を吐出する流体供給ポンプと、
前記流体供給ポンプから供給された作動流体を加熱する蒸発器と、
前記蒸発器から導かれた作動流体の膨張により回転する回転体と、
前記回転体を格納する格納部と、
前記回転体から前記格納部を貫通して当該格納部の外部に延びるとともに前記回転体と一体に回転する出力軸と、
前記格納部に設けられ、前記出力軸を回転可能に支持する軸受け部と、
前記出力軸に連結されるとともに前記回転体の回転駆動に応じて発電する発電機と、
前記回転体の回転に供された作動流体を凝縮する凝縮器と、
前記出力軸、前記軸受け部、及び前記発電機を収納する収納容器と、
前記流体供給ポンプから吐出された作動流体の一部を前記蒸発器を介さずに前記収納容器内に導くための冷却用配管とを備え、
前記発電機は、前記冷却用配管を介して前記収納容器内に導入された作動流体に接触する位置に設けられ、
前記発電機は、ステータと、このステータに対して回転可能でかつ永久磁石が設けられたロータとを有し、
前記発電システムは、
前記冷却用配管内を流れる作動流体の流量を調整する調整部材と、
前記ロータの永久磁石の温度を推定するとともに、推定された温度に基づいて前記永久磁石が予め設定された温度となるように前記調整部材を制御する制御部とをさらに備え、
前記制御部は、
前記永久磁石の磁束密度を特定するための磁束密度特定手段と、
前記永久磁石の温度が既知である条件下において前記磁束密度特定手段により特定された基準磁束密度を記憶する記憶部と、
前記磁束密度特定手段により特定された特定磁束密度と、前記既知の温度と、前記基準磁束密度とに基づいて、前記特定磁束密度の特定時における前記永久磁石の温度を推定する温度推定部と、
前記永久磁石の推定温度に基づいて前記永久磁石が予め設定された目標温度となるように、前記調整部材に指令する指令部とを備えている、発電システム。
【請求項４】
前記温度推定部は、前記特定磁束密度に対する前記基準磁束密度の比と、前記既知の温度とに基づいて前記永久磁石の温度を推定する、請求項３に記載の発電システム。
【請求項５】
前記磁束密度特定手段は、前記ステータに設けられるとともに前記永久磁石の磁束密度の大きさに応じた大きさの起電力を生じさせることが可能な検出用コイルと、前記検出用コイルに印加された電圧を検出可能な電圧検出部と、前記電圧検出部により検出された電圧に基づいて前記永久磁石の磁束密度を算出する演算部とを備えている、請求項３又は４に記載の発電システム。
【請求項６】
前記電圧検出部は、前記検出用コイルに印加された電圧波形における波高値と、周波数とを検出し、
前記演算部は、前記波高値と周波数とに基づいて前記永久磁石の磁束密度を算出する、請求項５に記載の発電システム。
【請求項７】
前記電圧検出部は、前記波高値及び前記周波数を複数回検出し、
前記演算部は、前記波高値の平均値又は最大値、及び前記周波数の平均値又は最大値をそれぞれ算出するとともに、これら平均値又は最大値を用いて永久磁石の磁束密度を算出する、請求項６に記載の発電システム。
【請求項８】
前記検出用コイルとの間で電力を受け渡し可能な受渡部材と、
前記受渡部材と前記検出コイルとを電気的に接続した接続状態と、前記受渡部材を前記検出用コイルから切断した切断状態との間で切換動作可能な切換部材とをさらに備え、
前記電圧検出部は、前記切換部材が前記切断状態に切り換えられた状態で、前記検出用コイルに印加された電圧を検出する、請求項５〜７の何れか１項に記載の発電システム。
【請求項９】
前記ステータは、前記永久磁石の磁束密度の大きさに応じた大きさの起電力を生じさせることが可能なステータコイルを有し、
前記ステータコイルとの間で電力を受け渡し可能な受渡部材をさらに備え、
前記検出用コイルは、前記受渡部材に対して電気的に非接続である、請求項５〜７の何れか１項に記載の発電システム。
【請求項１０】
前記検出用コイルは、前記電圧検出部にのみ電気的に接続されている、請求項９に記載の発電システム。
【請求項１１】
前記永久磁石は、前記ロータの回転軸の軸線方向において前記ステータよりも突出する突出部を有し、
前記検出用コイルは、前記ステータコイルから前記軸線方向に離間するとともに前記永久磁石の突出部に対向するように配置され、
前記検出用コイルと前記ステータコイルとの間には、前記検出用コイルと前記ステータコイルとの間を磁気的に遮断するためのシールド部材が設けられている、請求項９又は１０に記載の発電システム。
【請求項１２】
前記ステータに設けられ、前記ステータの周囲の温度を検出する周囲温度検出部をさらに備え、
前記記憶部は、前記周囲温度検出部により検出された温度を記憶する、請求項３〜１１に記載の発電システム。
【請求項１３】
前記磁束密度特定手段は、前記ステータに設けられるとともに前記永久磁石の磁束、磁界の強さ、磁束密度の少なくとも１つを検出可能な物理量検出部を含んでいる、請求項３又は４に記載の発電システム。
【請求項１４】
前記蒸発器を経由して前記流体供給ポンプと前記格納部とを接続する膨張用配管を備え、
前記冷却用配管は、前記流体供給ポンプと前記蒸発器との間で前記膨張用配管から分岐して、前記収納容器に接続されている、請求項１〜１３の何れか１項に記載の発電システム。
【請求項１５】
前記発電機は、筒状のステータと、このステータの内側に設けられるとともに永久磁石が設けられたロータとを有し、
前記ステータは、筒状のステータ本体と、前記ステータ本体に保持された複数のステータコイルとを備え、
前記ステータ本体には、前記各ステータコイルの間で前記ステータ本体を内外に貫通する貫通通路が形成されている、請求項１〜１４の何れか１項に記載の発電システム。
【請求項１６】
前記貫通通路と前記冷却用配管とを連結するための連結配管をさらに備えている、請求項１５に記載の発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、作動流体の膨張を利用して発電する発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、作動流体の膨張を利用した発電システムとして、例えば特許文献１に開示される蒸気発電システムが知られている。
【０００３】
特許文献１の蒸気発電システムは、作動流体を吐出する供給ポンプと、この供給ポンプから供給された作動流体を加熱するボイラーと、加熱された作動流体の膨張により回転するロータを有する膨張器と、前記ロータの出力軸に連結されるとともに当該ロータの回転駆動に応じて発電する発電機と、膨張した作動流体を凝縮する凝縮器とを備えている。
【０００４】
特許文献１の膨張器は、一対のロータと、これらロータを収容するハウジングと、このハウジングに対してロータの出力軸を回転可能に支持する軸受けとを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００８−５４２６２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の蒸気発電システムでは、作動流体の膨張と凝縮とを繰返し行うために当該作動流体を閉鎖した回路内で循環させる必要があるため、膨張器には気密性が要求される。その一方、特許文献１の膨張器では、ロータの出力軸（又はこれに連結された軸）とハウジング外部の発電機とを連結する必要があるため、ロータの出力軸は、ハウジングを貫通して設けられる。
【０００７】
そのため、特許文献１の膨張器は、ケーシングとロータの出力軸とを気密状態でシールしながら、当該ケーシングに対してロータの出力軸を回転可能に支持するための軸受けを具備する必要がある。このように、特許文献１の膨張器では、出力軸とケーシングとの相対的な変位を許容しながら両者の間の気密性を確保するという相反する機能を軸受けに持たせる必要があるため、軸受けの構造が複雑となるだけでなく、軸受けの耐久性が低いという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、構造の簡素化及び耐久性の向上を図ることができる発電システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本願発明者等は、作動流体の膨張により回転体（ロータ）と一体に回転する出力軸、回転体を格納する格納部に対して出力軸を回転可能に支持する軸受け部、及び前記出力軸に連結する発電機をまとめて収納する収納容器を備えた発電システムに係る発明に想到した。
【００１０】
この発明によれば、出力軸、軸受け部及び発電機が共通の収納容器内に収納されているため、軸受け部により格納部と出力軸との間の気密性を確保しなくても、回転体の回転に供した作動流体を収納容器内に閉じ込めることができる。したがって、この発明によれば、従来の軸受け部に比べて構造の簡素化及び耐久性の向上を図ることができる。
【００１１】
しかしながら、収納容器を採用した発電システムでは、収納容器内に発電機が収容されているため、発電時に発電機において発生した熱が収納容器内に籠って当該発電機の発電効率を低下させるという新たな問題がある。
【００１２】
そこで、本発明は、作動流体の膨張を利用して発電する発電システムであって、前記作動流体を吐出する流体供給ポンプと、前記流体供給ポンプから供給された作動流体を加熱する蒸発器と、前記蒸発器から導かれた作動流体の膨張により回転する回転体と、前記回転体を格納する格納部と、前記回転体から前記格納部を貫通して当該格納部の外部に延びるとともに前記回転体と一体に回転する出力軸と、前記格納部に設けられ、前記出力軸を回転可能に支持する軸受け部と、前記出力軸に連結されるとともに前記回転体の回転駆動に応じて発電する発電機と、前記回転体の回転に供された作動流体を凝縮する凝縮器と、前記出力軸、前記軸受け部、及び前記発電機を収納する収納容器と、前記流体供給ポンプから吐出された作動流体の一部を前記蒸発器を介さずに前記収納容器内に導くための冷却用配管とを備え、前記発電機は、前記冷却用配管を介して前記収納容器内に導入された作動流体に接触する位置に設けられ、前記格納部は、前記収納容器内に収納され、前記回転体の回転に供された作動流体を前記格納部の外部であって前記収納容器の内側に導出する第１導出口を有し、前記収納容器は、前記第１導出口から導出された作動流体を前記収納容器の外部に導出する第２導出口を有し、前記発電機は、前記第１導出口と前記第２導出口との間に設けられ、前記冷却用配管は、前記第１導出口から第２導出口に至る作動流体の流れ方向において、前記発電機の配設位置よりも第１導出口寄りの位置から前記収納容器内に作動流体を導入する、発電システムを提供する。
【００１３】
本発明に係る発電システムでは、蒸発器を経由していない作動流体、つまり、加熱されていない比較的低温の作動流体を収容容器内に導入することにより、作動流体を利用して収容容器内の発電機を効果的に冷却することができる。したがって、本発明によれば、発電機の発熱に起因する発電効率の低下を抑制することができる。
【００１４】
すなわち、本発明に係る発電システムでは、発電機の冷却のために別途冷媒を用いるのではなく、作動流体を用いることとしているため、別途ポンプを設けなくても前記流体供給ポンプを用いて作動流体を収納容器に供給することができ、システムの大型化を抑えつつ前記発電効率の低下の抑制を図ることができる。
【００１５】
また、本発明に係る発電システムでは、第１導出口から第２導出口に至る作動流体の流れ方向において発電機よりも上流側の位置から作動流体が導入されるため、第１導出口からの作動流体の流れに沿って、冷却用配管から導入された作動流体を効率的に発電機に接触させることができる。したがって、前記構成によれば、効果的に発電機を冷却することが可能となる。
【００１６】
前記発電システムにおいて、前記冷却用配管内を流れる作動流体の流量、圧力の少なくとも一方を調整する調整部材をさらに備えていることが好ましい。
【００１７】
この発電システムでは、作動流体の流量、圧力の少なくとも一方を調整することにより、発電機に対する冷却能力を調整できるため、発電機の負荷（発電する電力の大小）に応じて冷却能力を調整することにより、効果的に発電機を冷却することができる。
【００１８】
また、本発明は、作動流体の膨張を利用して発電する発電システムであって、前記作動流体を吐出する流体供給ポンプと、前記流体供給ポンプから供給された作動流体を加熱する蒸発器と、前記蒸発器から導かれた作動流体の膨張により回転する回転体と、前記回転体を格納する格納部と、前記回転体から前記格納部を貫通して当該格納部の外部に延びるとともに前記回転体と一体に回転する出力軸と、前記格納部に設けられ、前記出力軸を回転可能に支持する軸受け部と、前記出力軸に連結されるとともに前記回転体の回転駆動に応じて発電する発電機と、前記回転体の回転に供された作動流体を凝縮する凝縮器と、前記出力軸、前記軸受け部、及び前記発電機を収納する収納容器と、前記流体供給ポンプから吐出された作動流体の一部を前記蒸発器を介さずに前記収納容器内に導くための冷却用配管とを備え、前記発電機は、前記冷却用配管を介して前記収納容器内に導入された作動流体に接触する位置に設けられ、前記発電機は、ステータと、このステータに対して回転可能でかつ永久磁石が設けられたロータとを有し、前記発電システムは、前記冷却用配管内を流れる作動流体の流量を調整する調整部材と、前記ロータの永久磁石の温度を推定するとともに、推定された温度に基づいて前記永久磁石が予め設定された温度となるように前記調整部材を制御する制御部とをさらに備え、前記制御部は、前記永久磁石の磁束密度を特定するための磁束密度特定手段と、前記永久磁石の温度が既知である条件下において前記磁束密度特定手段により特定された基準磁束密度を記憶する記憶部と、前記磁束密度特定手段により特定された特定磁束密度と、前記既知の温度と、前記基準磁束密度とに基づいて、前記特定磁束密度の特定時における前記永久磁石の温度を推定する温度推定部と、前記永久磁石の推定温度に基づいて前記永久磁石が予め設定された目標温度となるように、前記調整部材に指令する指令部とを備えている、発電システムを提供する。
【００１９】
本発明に係る発電システムでは、蒸発器を経由していない作動流体、つまり、加熱されていない比較的低温の作動流体を収容容器内に導入することにより、作動流体を利用して収容容器内の発電機を効果的に冷却することができる。したがって、本発明によれば、発電機の発熱に起因する発電効率の低下を抑制することができる。
【００２０】
すなわち、本発明に係る発電システムでは、発電機の冷却のために別途冷媒を用いるのではなく、作動流体を用いることとしているため、別途ポンプを設けなくても前記流体供給ポンプを用いて作動流体を収納容器に供給することができ、システムの大型化を抑えつつ前記発電効率の低下の抑制を図ることができる。
【００２１】
また、本発明に係る発電システムでは、永久磁石が予め設定された温度となるように調整部材を制御する制御部を備えている。そのため、永久磁石の温度上昇に伴う減磁を防止することにより、発電能力の低下を抑制することができる。
【００２２】
具体的に、前記発電機では、ロータの温度が所定の温度を超えると、不可逆的に永久磁石の磁束密度が低下する、いわゆる減磁と称される減少が生じる。そして、永久磁石の減磁が生じると発電能力が低下する。これに対し、前記発電システムでは、永久磁石の温度を予め設定された温度に維持することができるので、永久磁石の減磁を防止することができる。
【００２３】
さらに、本発明に係る発電システムでは、既知の温度と、基準磁束密度と、特定磁束密度とに基づいて永久磁石の温度を推定することができる。
【００２４】
具体的に、温度変化後の永久磁石の温度は、温度変化後の磁束密度に対する温度変化前の磁束密度の比に比例する。つまり、変化前の温度をＴ０、そのときの永久磁石の磁束密度をＢ０とし、変化後の温度をＴ１、そのときの永久磁石の磁束密度をＢ１とした場合、以下の式（１）の関係が成立する。
【００２５】
Ｔ１＝Ｔ０−１／ｍ×（１−Ｂ１／Ｂ０）・・・（１）
ここで、ｍは、永久磁石の素材により規定される係数である。したがって、Ｔ０、Ｂ０及びＢ１を用いることにより、Ｔ１を算出し、このＴ１を永久磁石の温度として推定することができる。
【００２６】
具体的に、前記温度推定部は、前記特定磁束密度に対する前記基準磁束密度の比と、前記既知の温度とに基づいて前記永久磁石の温度を推定することができる。
【００２７】
前記発電システムにおいて、前記磁束密度特定手段は、前記ステータに設けられるとともに前記永久磁石の磁束密度の大きさに応じた大きさの起電力を生じさせることが可能な検出用コイルと、前記検出用コイルに印加された電圧を検出可能な電圧検出部と、前記電圧検出部により検出された電圧に基づいて前記永久磁石の磁束密度を算出する演算部とを備えていることが好ましい。
【００２８】
この発電システムでは、磁束密度特定手段が検出用コイルと電圧検出部と演算部とを有する。そのため、検出用コイルに印加された電圧に基づいて永久磁石の磁束密度を算出することができる。
【００２９】
ここで、前記態様では、永久磁石の磁束密度の大きさに応じて変化する起電力（電圧）を検出するため、例えば、特開２００４−２２２３８７号公報に記載の従来技術と比較して、永久磁石の温度変化に対する推定温度の変化の応答性（追従の速さ）を向上することができる。具体的に、前記従来技術では、永久磁石から熱を奪った磁化素子の磁界の強さを検出するため、永久磁石から磁化素子への熱伝達に要する時間が前記応答性を低下させる要因となる。これに対し、前記態様では、熱伝達を介さずに、永久磁石の磁束密度に応じて生じる起電力に基づいて温度を推定するため、前記応答性を向上することができる。さらに、前記従来技術では、磁化素子の温度が永久磁石ではなくその周囲の温度によって変動して、永久磁石の推定温度が不正確になるおそれもある。これに対し、前記態様では、永久磁石の磁束密度に対応する起電力に基づいて永久磁石の温度を推定するため、周囲の温度により受ける影響は小さく、永久磁石の温度をより正確に推定することが可能となる。
【００３０】
前記発電システムにおいて、前記電圧検出部は、前記検出用コイルに印加された電圧波形における波高値と、周波数とを検出し、前記演算部は、前記波高値と周波数とに基づいて前記永久磁石の磁束密度を算出することが好ましい。
【００３１】
この発電システムでは、電圧波形における波高値及び周波数に基づいて永久磁石の磁束密度を算出することができる。ここで、『波高値』は、実効値に代替することができ、『周波数』は、周期に代替することができる。
【００３２】
前記発電システムにおいて、前記電圧検出部は、前記波高値及び前記周波数を複数回検出し、前記演算部は、前記波高値の平均値又は最大値、及び前記周波数の平均値又は最大値をそれぞれ算出するとともに、これら平均値又は最大値を用いて永久磁石の磁束密度を算出することが好ましい。
【００３３】
この発電システムでは、波高値及び周波数の平均値又は最大値を用いて永久磁石の磁束密度が算出される。そのため、例えば、検出用コイルにインバータが電気的に接続されている場合に、インバータのインピーダンスの変化に伴う波高値及び周波数の誤差を緩和することができる。
【００３４】
前記発電システムにおいて、前記検出用コイルとの間で電力を受け渡し可能な受渡部材と、前記受渡部材と前記検出コイルとを電気的に接続した接続状態と、前記受渡部材を前記検出用コイルから切断した切断状態との間で切換動作可能な切換部材とをさらに備え、前記電圧検出部は、前記切換部材が前記切断状態に切り換えられた状態で、前記検出用コイルに印加された電圧を検出することが好ましい。
【００３５】
この発電システムでは、切換部材により受渡部材が検出用コイルから切断された状態で検出用コイルに印加された電圧が検出される。そのため、受渡部材のインピーダンスの変化にかかわらず、検出用コイルに生じた電圧をより正確に検出することができる。
【００３６】
前記発電システムにおいて、前記ステータは、前記永久磁石の磁束密度の大きさに応じた大きさの起電力を生じさせることが可能なステータコイルを有し、前記ステータコイルとの間で電力を受け渡し可能な受渡部材をさらに備え、前記検出用コイルは、前記受渡部材に対して電気的に非接続であることが好ましい。
【００３７】
この発電システムでは、受渡部材に接続されたステータコイルとは独立して検出用コイルが設けられている。そのため、受渡部材のインピーダンスの変化にかかわらず、検出用コイルに印加された電圧をより正確に検出することができる。
【００３８】
前記発電システムにおいて、前記検出用コイルは、前記電圧検出部にのみ電気的に接続されていることが好ましい。
【００３９】
この発電システムでは、検出用コイルが電圧検出部以外に接続されていないため、より正確に検出用コイルに印加された電圧を検出することができる。
【００４０】
前記発電システムにおいて、前記永久磁石は、前記ロータの回転軸の軸線方向において前記ステータよりも突出する突出部を有し、前記検出用コイルは、前記ステータコイルから前記軸線方向に離間するとともに前記永久磁石の突出部に対向するように配置され、前記検出用コイルと前記ステータコイルとの間には、前記検出用コイルと前記ステータコイルとの間を磁気的に遮断するためのシールド部材が設けられていることが好ましい。
【００４１】
この発電システムでは、シールド部材により検出用コイルとステータコイルとが磁気的に遮断されている。そのため、ステータコイルに生じる磁場が検出用コイルに与える影響を小さくすることができ、これにより、検出用コイルに印加された電圧をより正確に検出することができる。
【００４２】
前記発電システムにおいて、前記ステータに設けられ、前記ステータの周囲の温度を検出する周囲温度検出部をさらに備え、前記記憶部は、前記周囲温度検出部により検出された温度を記憶することが好ましい。
【００４３】
この発電システムでは、ステータの周囲の温度を検出することができる。そのため、周囲の温度と永久磁石の温度とが略同等となる条件（例えば、初めて発電機を始動させる場合、又は長期間停止の後の再始動時）に周囲の温度を検出することにより、この温度を前記既知の温度として用いることができる。
【００４４】
前記発電システムにおいて、前記磁束密度特定手段は、前記ステータに設けられるとともに前記永久磁石の磁束、磁界の強さ、磁束密度の少なくとも１つを検出可能な物理量検出部を含んでいることが好ましい。
【００４５】
この発電システムでは、永久磁石の磁束、磁界の強さ、磁束密度の少なくとも１つを検出可能である。そのため、検出結果に基づいて磁束密度を特定することができ、この磁束密度に基づいて永久磁石の温度を推定することができる。
【００４６】
前記蒸発器を経由して前記流体供給ポンプと前記格納部とを接続する膨張用配管を備え、前記冷却用配管は、前記流体供給ポンプと前記蒸発器との間で前記膨張用配管から分岐して、前記収納容器に接続されている構成とすることにより、共通の流体供給ポンプを用いて蒸発器を介した経路と介さない経路とに分けて作動流体を導くことが可能となる。
【００４７】
前記発電システムにおいて、前記発電機は、筒状のステータと、このステータの内側に設けられるとともに永久磁石が設けられたロータとを有し、前記ステータは、筒状のステータ本体と、前記ステータ本体に保持された複数のステータコイルとを備え、前記ステータ本体には、前記各ステータコイルの間で前記ステータ本体を内外に貫通する貫通通路が形成されていることが好ましい。
【００４８】
この発電システムでは、ステータ本体を内外に貫通する貫通通路が形成されている。そのため、前記冷却用配管を通じて導入された作動流体を貫通通路を介してロータに導くことができる。したがって、永久磁石の減磁を抑制することにより、発電能力の低下をより有効に抑制することができる。
【００４９】
前記発電システムにおいて、前記貫通通路と前記冷却用配管とを連結するための連結配管をさらに備えていることが好ましい。
【００５０】
この発電システムでは、貫通通路と冷却用配管とが連結配管によって連結されているため、より確実にロータを冷却することができる。
【００５１】
なお、前記発電システムにおいて、前記ロータに潤滑油を供給するための潤滑油供給ポンプと、作動流体の流れに伴い前記第２導出口から導出される潤滑油を作動流体とともに受け入れるとともに、作動流体と潤滑油とを分離する分離器とをさらに備え、前記分離器により分離された潤滑油が前記潤滑油供給ポンプにより前記ロータに供給される一方、前記分離器により分離された作動流体が前記凝縮器に導かれるようにすることもできる。
【００５２】
この発電システムでは、潤滑油によりロータの駆動が円滑となるため、発電効率を向上することができる。ここで、ロータに供給された潤滑油の一部は、作動流体とともに収納容器から導出されることになるが、前記発電システムは、収納容器から導出された流体を潤滑油と作動流体とに分離する分離器を備えているため、潤滑油をロータへ、作動流体を凝縮器へそれぞれ導くことができる。したがって、前記発電システムでは、作動流体の膨張及び凝縮のサイクルを確実に保持しつつ、発電効率の向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００５３】
本発明によれば、発電システムの構造の簡素化及び耐久性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の実施形態に係る発電システムの全体構成を示す概略図である。
【図２】図１の密閉式発電機の具体的構成を示す断面図である。
【図３】図２の発電機を拡大して示す断面図である。
【図４】図３のIV―IV線断面図である。
【図５】図１の発電システムの電気的構成を示すブロック図である。
【図６】図５の制御部により実行される処理を示すフローチャートである。
【図７】図６の初期設定処理を示すフローチャートである。
【図８】図５の電圧検出部により検出される物理量を説明するための電圧波形図である。
【図９】別の実施形態を示す図５相当図である。
【図１０】図９の制御部により実行される処理を示すフローチャートである。
【図１１】別の実施形態を示す図３相当図である。
【図１２】さらに別の実施形態を示す図３相当図である。
【図１３】図１２のXIII―XIII線断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００５５】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。
【００５６】
図１は、本発明の実施形態に係る発電システムの全体構成を示す概略図である。
【００５７】
図１を参照して、発電システム１は、作動流体を吐出する流体供給ポンプ２と、この流体供給ポンプ２から供給された作動流体を加熱する蒸発器３と、この蒸発器３から導かれた作動流体の膨張により発電する密閉式発電機４と、この密閉式発電機４から導出された作動流体とこの作動流体に含まれる潤滑油とを分離する分離器５と、この分離器５により分離された作動流体を冷却して凝縮する凝縮器６と、前記分離器５により分離された潤滑油を前記密閉式発電機４内に供給するための潤滑油供給ポンプ７と、前記流体供給ポンプ２から密閉式発電機４に供給される作動流体の流量を調整する調整部材８と、前記密閉式発電機４により発電された電力が供給されるインバータ２１（図５参照）と、前記流体供給ポンプ２、蒸発器３、凝縮器６及び調整部材８を制御する制御部２３（図５参照）とを備えている。
【００５８】
より具体的に、発電システム１は、流体供給ポンプ２と密閉式発電機４とを接続する第１供給配管（膨張用配管の一部）Ｌ１と、密閉式発電機４と分離器５とを接続する第１導出配管Ｌ２と、分離器５と流体供給ポンプ２とを接続する第２導出配管Ｌ３とを備え、これら配管Ｌ１〜Ｌ３を介して作動流体を循環させる。第１供給配管Ｌ１の途中部には、前記蒸発器３が設けられ、第２導出配管Ｌ３の途中部には、前記凝縮器６が設けられている。また、本実施形態に係る発電システム１は、流体供給ポンプ２と蒸発器３との間で第１供給配管Ｌ１から分岐して前記密閉式発電機４に接続される第２供給配管（冷却用配管）Ｌ５を備え、この第２供給配管Ｌ５を介して蒸発器３により加熱される前の作動流体を密閉式発電機４内に供給する。第２供給配管Ｌ５の途中部には、前記調整部材８が設けられている。
【００５９】
流体供給ポンプ２は、例えば、フロン等の作動流体を吐出する。この流体供給ポンプ２から吐出された作動流体のうちの一部は、第１供給配管Ｌ１を介して蒸発器３に導かれ、残りの部分は、第２供給配管Ｌ５を介して直接密閉式発電機４に導かれる。
【００６０】
蒸発器３は、第１供給配管Ｌ１を介して導かれる作動流体を加熱して蒸発させる。具体的に、本実施形態に係る蒸発器３は、加熱媒体を流通させる流路と、この流路を流れる加熱媒体を昇温可能な蒸発用昇温器３ａ（図５参照）と、前記流路を流れる加熱媒体の流速を調整可能な蒸発用調整器３ｂ（図５参照）とを有している。そして、前記流路内を流れる比較的低温（９０℃〜１００℃）の加熱媒体との間で熱交換を行うことにより作動流体が加熱される。前記加熱媒体としては、例えば、製造設備等から排出される温水、蒸気、加熱空気、排ガス等を利用することができる。
【００６１】
密閉式発電機４は、前記蒸発器３により加熱された作動流体の膨張に応じてスクリュータービン（回転体）１０ａ、１０ａを回転させることにより、スクリュータービン１０ａの出力軸１０ｂに連結された発電機１１を作動させて発電を行う。なお、スクリュータービン１０ａ、１０ａは、それぞれの外周面に螺旋状の突条が形成された円柱形状の部材である。そして、スクリュータービン１０ａ、１０ａの突条同士を互いに噛合させることにより、各スクリュータービン１０ａ、１０ａの外周面の間でかつ各突条の間に流路が形成される。なお、各スクリュータービン１０ａ、１０ａ間に形成される流路の断面積は、各スクリュータービン１０ａ、１０ａの一端側から他端側（図２の左側から右側）へ向けて広くなるように設定されている。以下、密閉式発電機４の具体的構成について説明する。
【００６２】
図２は、図１の密閉式発電機の具体的構成を示す断面図である。
【００６３】
図１及び図２を参照して、密閉式発電機４は、作動流体の膨張により回転する回転部材１０と、この回転部材１０の回転に応じて発電する発電機１１と、これら回転部材１０及び発電機１１を収納する収納容器１２と、この収納容器１２内に設けられ前記発電機１１の周囲の温度（例えば、後述する発電機１１のステータ１１ａの温度）を検出可能な周囲温度検出部２２（図５参照）とを備えている。
【００６４】
回転部材１０は、前記スクリュータービン１０ａ、１０ａと、これらスクリュータービン１０ａ、１０ａの一方に固定された出力軸１０ｂとを備えている。各スクリュータービン１０ａ、１０ａ間に形成される流路の断面積は、図２の左から右に向かうに従い広くなるように設定されている。出力軸１０ｂは、一方のスクリュータービン１０ａと一体に回転する。
【００６５】
発電機１１は、後述する収納容器１２に固定された筒状のステータ１１ａと、このステータ１１ａの内側に設けられるとともに当該ステータ１１ａに対して回転可能なロータ１１ｂとを備えている。ロータ１１ｂは、前記回転部材１０の出力軸１０ｂに連結され、当該出力軸１０ｂと一体に回転する。以下、発電機１１の具体的構成について図３及び図４を参照して説明する。
【００６６】
ステータ１１ａは、収納容器１２に固定された筒状のステータ本体１１ｃと、このステータ本体１１ｃに保持された複数のステータコイル１１ｄとを有する。各ステータコイル１１ｄは、図３に示すようにロータ１１ｂの回転軸１１ｅの軸線方向に並ぶとともに、図４に示すように回転軸１１ｅの軸線回りに並ぶように、配置されている。また、各ステータコイル１１ｄは、発電した電力を供給するためにインバータ２１（図５参照）に電気的に接続されている。本実施形態において、インバータ２１は、ステータコイル１１ｄとの間で電力の受け渡し可能な受渡部材に相当する。
【００６７】
ロータ１１ｂは、前記ステータ１１ａ内に設けられたロータ本体１１ｆと、このロータ本体１１ｆと前記回転部材１０の出力軸とを連結する回転軸１１ｅと、前記ロータ本体１１ｆに保持された複数の永久磁石１１ｇとを備えている。各永久磁石１１ｇは、図３に示すように回転軸１１ｅの軸線に沿って延びるとともに、図４に示すように回転軸１１ｅの軸線回りの同一円周上に並んで配置されている。
【００６８】
図２を参照して、収納容器１２は、図２の左から順に配置された回転部材１０、後述する軸受け部Ｊ１、及び発電機１１をまとめて収納する。作動流体は、図２において収納容器１２の左端に設けられた導入管１９ａを介して収納容器１２内に導入されるとともに、図２の右側に設けられた導出口１７ｃを介して収納容器１２の外側に導出される。さらに、収納容器１２には、導入管１９ａと導出口１７ｃとの間となる位置（図２の上側）に設けられた冷却用導入部（冷却用導入部）１６ｉが設けられ、この冷却用導入部１６ｉを介して導入された作動流体によって発電機１１が冷却される。
【００６９】
具体的に、収納容器１２は、前記各スクリュータービン１０ａ、１０ａを保持する保持部材１６と、この保持部材１６から左側に延びる筒状部材１４と、この筒状部材１４の左端に設けられた蓋部材１５と、前記保持部材１６から右側に延びる有底部材１７とを備えている。
【００７０】
保持部材１６は、本体部１６ａと、この本体部１６ａの左側に取り付けられた軸受部材１６ｂと、本体部１６ａから右側に延びる延設部１６ｃと、この延設部１６ｃの右端に形成されたフランジ部１６ｈとを備えている。本体部１６ａには、各スクリュータービン１０ａ、１０ａを格納するための格納孔１６ｄと、この格納孔１６ｄ内に格納された各スクリュータービン１０ａ、１０ａに作動流体を導入するための導入口１６ｅと、格納孔１６ｄ内に格納された各スクリュータービン１０ａ、１０ａによって導かれた作動流体を導出するための導出口（第１導出口）１６ｆと、スクリュータービン１０ａの出力軸１０ｂを支持するための軸受け部Ｊ１とが設けられている。格納孔１６ｄは、本体部１６ａを左右方向に貫通する孔である。導入口１６ｅは、本体部１６ａの左端に設けられ、格納孔１６ｄに連通するとともに左側に開口する。導出口１６ｆは、本体部１６ａの右端に設けられ、格納孔１６ｄに連通するとともに右側に開口する。また、本体部１６ａには、前記格納孔１６ｄに連通する図外の油供給孔が形成され、この油供給孔を介して前記潤滑油供給ポンプ７から各スクリュータービン１０ａ、１０ａに対して潤滑油が供給される。軸受け部Ｊ１は、各スクリュータービン１０ａの右側となる格納孔１６ｄの内側位置に設けられ、スクリュータービン１０ａの出力軸１０ｂを回転可能に支持する。このように本実施形態では、軸受け部Ｊ１が収納容器１２内に収納されているため、当該軸受け部Ｊ１に気密性を持たせなくても作動流体を収納容器１２内に閉じこめることができる。なお、本実施形態において、本体部１６ａのうち各スクリュータービン１０ａ、１０ａを格納する部分が格納部を構成し、本体部１６ａのうち格納部を取り囲む部分が収納容器の一部を構成する。
【００７１】
軸受部材１６ｂは、スクリュータービン１０ａの出力軸１０ｂの左端の周囲を取り囲む部材である。この軸受部材１６ｂの内側には、スクリュータービン１０ａの出力軸１０ｂの左端を回転可能に支持する軸受け部Ｊ２が設けられている。延設部１６ｃは、本体部１６ａから右側に延びる出力軸１０ｂの周囲を取り囲む筒状に形成されている。この延設部１６ｃには、前記第２供給配管Ｌ５（図１参照）を介して作動流体を導入するための冷却用導入部１６ｉが設けられている。この冷却用導入部１６ｉは、第２供給配管Ｌ５が接続可能となるように延設部１６ｃの側壁を貫通する開口である。
【００７２】
筒状部材１４は、前記軸受部材１６ｂよりも左側に延びる筒状本体１４ａと、この筒状本体１４ａの右端に設けられた取付部１４ｂとを備えている。取付部１４ｂは、気体の流通を妨げる態様で、筒状本体１４ａを前記保持部材１６の本体部１６ａに取り付けるためのものである。
【００７３】
蓋部材１５は、前記筒状部材１４の筒状本体１４ａの左側の開口部を封止することにより、当該筒状部材１４と協働して保持部材１６の左側にタービン室Ｓ１を形成する。つまり、タービン室Ｓ１は、保持部材１６と筒状部材１４と蓋部材１５との間に設けられ、各スクリュータービン１０ａ、１０ａを収納するための室である。具体的に、蓋部材１５は、前記筒状本体１４ａの開口端に取り付けられた閉鎖板１８と、この閉鎖板１８の外側から前記各スクリュータービン１０ａ、１０ａの導入口までの流路を形成する流路形成部材１９と、この流路形成部材１９により形成された流路に設けられたフィルタ２０とを備えている。閉鎖板１８は、筒状本体１４ａの開口を塞ぐように当該筒状本体１４ａに取り付けられた円板状の部材である。この閉鎖板１８の略中央位置には、表裏に貫通する孔が形成されている。流路形成部材１９は、前記閉鎖板１８から右側に延びる導入管１９ａと、この導入管１９ａの右端部から周方向の外側へ向けて突出する円板部１９ｂと、この円板部１９ｂの周縁部から左側に延びる側板部１９ｃと、前記円板部１９ｂから右側に延びる誘導管１９ｄとを備えている。導入管１９ａは、前記閉鎖板１８の左側（外側）から円板部１９ｂの右側に至る作動流体の流路を構成する。具体的に、導入管１９ａの内腔部は、閉鎖板１８及び円板部１９ｂを貫通している。円板部１９ｂは、筒状本体１４ａの内側面との間に間隙が形成されるように、当該筒状本体１４ａの内径よりも小さな直径寸法を有している。したがって、円板部１９ｂの外側面と筒状本体１４ａの内側面との間には、円板部１９ｂを跨ぐ左右方向（表裏方向）の作動流体の流路が形成される。誘導管１９ｄは、円板部１９ｂの左側から各スクリュータービン１０ａ、１０ａに対する導入口１６ｅへ至る作動流体の流路を構成する。具体的に、誘導管１９ｄの内腔部は、円板部１９ｂを貫通するとともに、誘導管１９ｄの右端部は、作動流体を導入口１６ｅ内に導入可能となるように、前記保持部材１６の本体部１６ａの左端面に取り付けられている。したがって、この流路形成部材１９により、図２の矢印Ｙ１に示すように、閉鎖板１８の左側（外側）から円板部１９ｂの右側へ至るとともに円板部１９ｂの右側から左側へ至り、さらに円板部１９ｂの左側から導入口１６ｅへ至る流路が形成される。フィルタ２０は、前記矢印Ｙ１に示す流路と交差するように、円板部１９ｂの左側の位置、及び円板部１９ｂ（側板部１９ｃ）と筒状本体１４ａとの間の位置に設けられている。
【００７４】
本実施形態では、第１供給配管Ｌ１、筒状部材１４及び蓋部材１５が、蒸発器３を経由して流体供給ポンプ２と本体部（格納部）１６ａとを接続する膨張用配管を構成する。
【００７５】
有底部材１７は、前記保持部材１６の延設部１６ｃの右側に固定された有底部材本体１７ａと、この有底部材本体１７ａの底部に設けられたフィルタ１７ｄとを備えている。有底部材本体１７ａは、延設部１６ｃの右側の開口部を封止することにより、当該延設部１６ｃと協働して本体部１６ａの右側に発電室Ｓ２を形成する。つまり、発電室Ｓ２は、本体部１６ａと延設部１６ｃと有底部材本体１７ａとの間に設けられ、発電機１１を収納するための室である。具体的に、有底部材本体１７ａには、延設部１６ｃに固定されたフランジ部１７ｂと、底部を貫通する導出口（第２導出口）１７ｃと、内側に形成された凹溝１７ｅとが設けられている。フランジ部１７ｂは、気体の流通を妨げるように、延設部１６ｃの右端面に密着した状態で当該延設部１６ｃに取り付けられている。導出口１７ｃは、作動流体を導出するためのものであり、この導出口１７ｃにはフィルタ１７ｄが設けられている。凹溝１７ｅは、発電機１１のステータ１１ａと有底部材本体１７ａの内側面との間に間隙を形成するためのものである。具体的に、凹溝１７ｅは、有底部材本体１７ａの内側面を周方向で間欠的に窪ませるように複数個所に設けられており、発電機１１のステータ１１ａは、各凹溝１７ｅが形成されていない有底部材本体１７ａの内側面に当接した状態で保持されている。したがって、各凹溝１７ｅとステータ１１ａとの間の間隙は、矢印Ｙ３に示すように作動流体の流路として機能する。また、発電機１１のステータ１１ａとロータ１１ｂとの間の間隙Ｇも、矢印Ｙ２に示すように作動流体の流路として機能する。そして、これら矢印Ｙ２及びＹ３に示す流路を流れた作動油は、矢印Ｙ４に示すように、フィルタ１７ｄを介して導出口１７ｃから導出される。
【００７６】
以下、前記発電システム１の動作について図１及び図２を参照して説明する。
【００７７】
流体供給ポンプ２から吐出された作動流体は、蒸発器３において加熱され、第１供給配管Ｌ１を介して密閉式発電機４に導かれる。この作動流体は、導入管１９ａを通って密閉式発電機４内に導入され、矢印Ｙ１に示すように、フィルタ２０を介して各スクリュータービン１０ａ、１０ａの導入口１６ｅに導かれる。各スクリュータービン１０ａ、１０ａ間の流路に導入された作動流体は、前記蒸発器３での加熱により膨張しようとするため、前記流路を押し広げる方向に各スクリュータービン１０ａ、１０ａを回転させながら図２の右方向に進行する。各スクリュータービン１０ａ、１０ａ間の流路から導出された作動流体は、矢印Ｙ２、Ｙ３に示すように発電機１１に接触しながら流れて導出口１７ｃから導出される。ここで、本実施形態では、矢印Ｙ２、Ｙ３に示す作動流体の流れ方向において発電機１１よりも上流側に冷却用導入部１６ｉが設けられているため、この冷却用導入部１６ｉから導入された作動流体は、発電機１１に接触して当該発電機１１の冷却に寄与する。なお、冷却用導入部１６ｉを介して導入される作動流体の流量は、調整部材８によって調整されている。具体的に、後述する制御部２３は、発電機１１が所定の目標温度となるように調整部材８をフィードバック制御する。
【００７８】
矢印Ｙ４に示すように、密閉式発電機４から導出された作動流体は、第１導出配管Ｌ２を介して分離器５に導かれる。この分離器５において作動流体から分離された潤滑油は、潤滑用配管Ｌ４を介して潤滑油供給ポンプ７に導かれ、再び各スクリュータービン１０ａ、１０ａに供給される。一方、分離器５において潤滑油から分離された作動流体は、第２導出配管Ｌ３を介して凝縮器６に導かれる。この凝縮器６は、冷却水を流通させる流路と、この流路を流れる冷却水を冷却可能な凝縮用冷却機６ａ（図５参照）と、前記流路を流れる冷却水の流速を調整可能な凝縮用調整器６ｂ（図５参照）とを有している。そして、前記流路内を流れる例えば約２０℃の冷却水との間で熱交換を行うことにより作動流体を冷却する。そして、凝縮器６により冷却された作動流体は、前記流体供給ポンプ２に導かれ、再び上記のように発電に供される。
【００７９】
次に、前記発電機１１の温度を制御するための制御部２３について、図５を参照して説明する。
【００８０】
制御部２３は、前記ステータコイル１１ｄに印加された電圧を検出する電圧検出部２４と、この電圧検出部２４の検出結果に基づいて演算処理を行う演算部２５と、この演算部２５の演算結果を記憶する記憶部２６と、前記演算部２５の演算結果及び記憶部２６に記憶された情報に基づいて永久磁石１１ｇの温度を推定する温度推定部２７と、この温度推定部２７による推定温度に基づいて流体供給ポンプ２、蒸発器３、凝縮器６、及び調整部材８に対して指令を出力する指令部２８とを備えている。
【００８１】
電圧検出部２４は、ステータコイル１１ｄに印加された電圧を検出可能である。具体的に、電圧検出部２４は、図８に示すように、ステータコイル１１ｄに生じる交流電圧波形における波高値Ｖｍ及び周波数ｆを検出する。なお、波高値Ｖｍは、実効値から算出可能であるため、電圧検出部２４は、実効値を検出してもよい。また、周波数ｆは、周期から算出可能であるため、電圧検出部２４は、周期を検出してもよい。なお、ステータコイル１１ｄに多相交流電圧が印加されている場合、電圧検出部２４は、少なくとも１相以外の相について波高値Ｖｍ及び周波数ｆを検出することができる。
【００８２】
演算部２５は、電圧検出部２４により検出された電圧に基づいて永久磁石１１ｇの磁束密度を算出する。具体的に、演算部２５は、以下の式（２）に基づいて永久磁石１１ｇの磁束密度を算出する。
【００８３】
Ｂ＝ｋ×Ｖｍ÷ｆ・・・（２）
ここで、Ｂは、永久磁石１１ｇの磁束密度であり、ｋは発電機１１固有の定数である。
【００８４】
記憶部２６は、前記演算部２５により算出された磁束密度及び前記周囲温度検出部２２により検出された周囲温度を記憶する。具体的に、記憶部２６は、周囲温度と永久磁石１１ｇの温度とが略同等となる条件（例えば、初めて発電機を始動させる場合、又は長期間停止後の再始動時）で周囲温度検出部２２により検出された周囲温度と、この周囲温度条件下で前記電圧検出部２４により検出された波高値Ｖｍ及び周波数ｆに基づいて算出された磁束密度とを記憶する。
【００８５】
温度推定部２７は、前記記憶部２６に記憶された周囲温度及び磁束密度と、前記電圧検出部２４により検出された波高値Ｖｍ及び周波数ｆに基づいて算出された磁束密度とに基づいて永久磁石１１ｇの温度を推定する。具体的には、以下の式（１）に基づいて永久磁石１１ｇの温度を推定する。
【００８６】
Ｔ１＝Ｔ０−１／ｍ×（１−Ｂ１／Ｂ０）・・・（１）
ここで、Ｔ０は記憶部２６に記憶された周囲温度であり、この周囲温度条件下において算出された磁束密度がＢ０である。また、Ｂ１は、電圧検出部２４により検出された波高値Ｖｍ及び周波数ｆに基づいて算出された磁束密度である。なお、ｍは、永久磁石１１ｇの素材により規定される係数である。この式（１）により推定温度Ｔ１が算出される。
【００８７】
指令部２８は、前記温度推定部２７により推定された温度に基づいて永久磁石１１ｇが予め設定された温度となるように調整部材８に対して流量制御指令を出力する。つまり、指令部２８は、推定温度が予め設定された温度よりも高い場合には、作動流体の流量を増やす方向に調整する指令を調整部材８に出力する。一方、指令部２８は、推定温度が予め設定された温度よりも低い場合には、作動流体の流量を減らす方向に調整する指令を調整部材８に出力する。なお、指令部２８は、推定温度が予め設定された温度（温度範囲）にあるときは、作動流体の流量を維持するための指令を調整部材８に出力する（又は、作動流体の流量を変化するための指令を出力しない）。
【００８８】
なお、指令部２８は、永久磁石１１ｇが予め設定された温度となるように、前記調整部材８に加えて流体供給ポンプ２、蒸発器３、及び凝縮器６に指令を出力することもできる。具体的に、推定温度が予め設定された温度よりも高い場合、指令部２８は、作動流体の流量を増やす方向の指令を流体供給ポンプ２に出力する、又は／及び、作動流体の温度を下げる方向の指令を蒸発用昇温器３ａ、蒸発用調整器３ｂ、凝縮用冷却機６ａ、及び凝縮用調整器６ｂに出力することができる。一方、推定温度が予め設定された温度よりも低い場合、指令部２８は、作動流体の流量を減らす方向の指令を流体供給ポンプ２に出力する、又は／及び、作動流体の温度を上げる方向の指令を蒸発用昇温器３ａ、蒸発用調整器３ｂ、凝縮用冷却機６ａ、及び凝縮用調整器６ｂに出力することができる。
【００８９】
以下、図６及び図７を参照して、制御部２３により実行される処理について説明する。
【００９０】
制御部２３による処理が開始すると、初期設定処理Ｔが実行される。初期設定処理Ｔでは、まず、発電機１１の周囲の温度と永久磁石の温度とが略同等となる条件において周囲温度Ｔ０が検出される（ステップＴ１）。次いで、ステータコイル１１ｄに印加された電圧（波高値Ｖｍ及び周波数ｆ）を検出し（ステップＴ２）、予め設定された回数Ｎだけ電圧が検出されたか否かが判定される（ステップＴ３）。
【００９１】
このステップＴ３で回数Ｎ未満であると判定されると、前記ステップＴ２が繰り返し実行される。一方、ステップＴ３で回数Ｎであると判定されると、検出結果（波高値Ｖｍ及び周波数ｆ）の平均値が算出される（ステップＴ４）。このように検出結果の平均値を算出することにより、インバータ２１（図５参照）のインピーダンスが変動する場合においても、検出値の誤差を低減することができる。なお、ステップＴ４では、検出結果の最大値を算出してもよい。
【００９２】
次いで、算出された平均値（波高値Ｖｍ及び周波数ｆ）を上述した式（２）に代入することにより、磁束密度Ｂ０を算出する。つまり、この磁束密度Ｂ０は、永久磁石１１ｇの温度がステップＴ１で検出された周囲温度Ｔ０である条件下での磁束密度である。そして、これら周囲温度Ｔ０及び磁束密度Ｂ０を記憶部２６に記憶して（ステップＴ６）、図６のメインルーチンにリターンする。
【００９３】
メインルーチンでは、現在、ステータコイル１１ｄに印加されている電圧（波高値Ｖｍ及び周波数ｆ）を検出し（ステップＳ１）、予め設定された回数（前記ステップＴ３と同回数）Ｎだけ電圧が検出されたか否かが判定される（ステップＳ２）。
【００９４】
このステップＳ２で回数Ｎ未満であると判定されると、前記ステップＳ１が繰り返し実行される。一方、ステップＳ２で回数Ｎであると判定されると、検出結果（波高値Ｖｍ及び周波数ｆ）の平均値が算出される（ステップＳ３）。このように検出結果の平均値を算出することにより、インバータ２１（図５参照）のインピーダンスが変動する場合においても、検出値の誤差を低減することができる。なお、ステップＳ３では、検出結果の最大値を算出してもよい。
【００９５】
次いで、算出された平均値（波高値Ｖｍ及び周波数ｆ）を上述した式（２）に代入することにより、磁束密度Ｂ１を算出する（ステップＳ４）。つまり、この磁束密度Ｂ１は、永久磁石１１ｇの温度が不明な条件下での磁束密度である。そして、この磁束密度Ｂ１と、前記磁束密度Ｂ０及び周囲温度Ｔ０を上述した式（１）に代入することにより、推定温度Ｔ１を算出する（ステップＳ５）。
【００９６】
次に、推定温度Ｔ１に基づいて、温度制御指令を出力する（ステップＳ６）。具体的に、推定温度Ｔ１が予め設定された温度よりも高い場合には、作動流体の流量を増やす方向の指令を調整部材８に出力する。一方、推定温度Ｔ１が予め設定された温度よりも低い場合には、作動流体の流量を減らす方向の指令を調整部材８に出力する。また、推定温度Ｔ１が予め設定された温度（又は温度範囲内）にある場合には、作動流体の流量を維持するための指令を出力する（又は流量を変更するための指令を出力しない）。なお、ステップＳ６では、調整部材８に対する指令に加えて、流体供給ポンプ２、蒸発器３、凝縮器６の少なくとも１つに指令を出力することもできる。
【００９７】
そして、前記ステップＳ１〜Ｓ６までの処理は、図外の操作部を介して発電システム１の停止指令が入力されるまで（ステップＳ７でＮＯと判定されるまで）繰り返し実行される。前記停止指令が入力されると（ステップＳ７でＹＥＳ）、当該処理が終了する。
【００９８】
以上説明したように、前記発電システム１では、各スクリュータービン１０ａ、１０ａ、出力軸１０ｂ、及び軸受け部Ｊ１が共通の収納容器１２に収納されている。そのため、軸受け部Ｊ１により本体部１６ａと出力軸１０ｂとの間の気密性を確保しなくても、各スクリュータービン１０ａ、１０ａの回転に供した作動流体を収納容器１２内に閉じこめることができる。したがって、前記発電システム１によれば、従来の軸受け部に比べて構造の簡素化及び耐久性の向上を図ることができる。
【００９９】
さらに、前記発電システム１では、蒸発器３を経由していない作動流体、つまり、加熱されていない比較的低温の作動流体を収納容器１２内に導入することにより、作動流体を利用して収納容器１２内の発電機１１を効果的に冷却することができる。したがって、前記発電システム１によれば、発電機１１の発熱に起因する発電効率の低下を抑制することができる。
【０１００】
すなわち、前記発電システム１では、発電機１１の冷却のために別途冷媒を用いるのではなく、作動流体を用いることとしているため、別途ポンプを設けなくても前記流体供給ポンプ２を用いて作動流体を収納容器１２に供給することができ、システムの大型化を抑えつつ発電効率の低下の抑制を図ることができる。
【０１０１】
前記発電システム１では、調整部材８を用いて作動油の流量を調整することにより、発電機１１に対する冷却能力を調整することができる。そのため、発電機１１の負荷（発電する電力の大小）に応じて冷却能力を調整することにより、効果的に発電機１１を冷却することができる。なお、本実施形態に係る調整部材８は、作動流体の流量を調整しているが、これに代えて又はこれに加えて作動流体の圧力を調整することもできる。
【０１０２】
前記発電システム１では、導出口１６ｆから導出口１７ｃに至る作動流体の流れ方向において冷却用導入部１６ｉが発電機１１よりも上流側に配置されているため、導出口１６ｆからの作動流体の流れに沿って、冷却用導入部１６ｉから導入された作動流体を効率的に発電機１１に接触させることができる。
【０１０３】
なお、前記発電システム１では、作動流体の流れ方向において発電機１１よりも上流側に冷却用導入部１６ｉを配置することとしているが、これに限定されることはない。例えば、図２の二点鎖線で示すように、発電機１１の側方に冷却用導入部１７ｆを配置して、この冷却用導入部１７ｆから発電機１１に対して直接作動流体を吹き付けるようにしてもよい。具体的に、冷却用導入部１７ｆは、前記凹溝１７ｅに連通するように、有底部材本体１７ａの側壁を貫通する開口部である。
【０１０４】
前記発電システム１では、潤滑油供給ポンプ７から供給された潤滑油により各スクリュータービン１０ａ、１０ａの駆動が円滑となるため、発電効率を向上することができる。ここで、各スクリュータービン１０ａ、１０ａに供給された潤滑油の一部は、作動流体とともに収納容器１２から導出されることになるが、前記発電システム１は、収納容器１２から導出された流体を潤滑油と作動流体とに分割する分離器５を備えているため、潤滑油を各スクリュータービン１０ａ、１０ａへ、作動流体を凝縮器へそれぞれ導くことができる。したがって、前記発電システム１では、作動流体の膨張及び凝縮のサイクルを確実に保持しつつ、発電効率の向上を図ることができる。
【０１０５】
なお、前記実施形態では、作動流体の膨張に応じて回転するロータとしてスクリュータービン１０ａ、１０ａを例示したが、これに限定されることはなく、例えば、ラジアルタービンを採用することもできる。
【０１０６】
また、前記実施形態では、各スクリュータービン１０ａ、１０ａ、これらを格納する本体部１６ａ、出力軸１０ｂ、軸受け部Ｊ１及び発電機１１をまとめて収納する収納容器１２について説明したが、少なくとも出力軸１０ｂ、軸受け部Ｊ１及び発電機１１を収納する収納容器を有する構成とすることにより、軸受け部Ｊ１により本体部１６ａと出力軸１０ｂとの間に気密性を確保しなくても、各スクリュータービン１０ａ、１０ａの回転に供した作動流体を収納容器内に閉じ込めることができる。
【０１０７】
前記実施形態では、永久磁石１１ｇが予め設定された温度となるように調整部材８を制御する制御部２３を備えている。そのため、永久磁石１１ｇの温度上昇に伴う減磁を防止することにより、発電能力の低下を抑制することができる。
【０１０８】
具体的に、発電機１１では、ロータ１１ｂの温度が所定温度を超えると、不可逆的に永久磁石１１ｇの磁束密度が低下する、いわゆる減磁と称される減少が生じる。そして、永久磁石１１ｇの減磁が生じると発電能力が低下する。これに対し、前記実施形態では、永久磁石１１ｇの温度を予め設定された温度に維持することができるので、永久磁石１１ｇの減磁を防止することができる。
【０１０９】
前記実施形態では、既知の温度Ｔ０と、基準磁束密度Ｂ０と、特定磁束密度Ｂ１とに基づいて永久磁石１１ｇの温度Ｔ１を推定することができる。そのため、温度と磁束密度との関係を示すマップ等の情報を保持する場合と比較して、予め準備しておく情報量（Ｔ０、Ｂ０、及びＢ１）を低減することができる。
【０１１０】
前記実施形態では、ステータコイル１１ｄと、電圧検出部２４と、演算部２５とを有する。そのため、ステータコイル１１ｄに印加された電圧に基づいて永久磁石１１ｇの磁束密度を算出することができる。
【０１１１】
前記実施形態では、電圧波形における波高値Ｖｍ及び周波数ｆに基づいて永久磁石の磁束密度を算出することができる。
【０１１２】
前記実施形態では、波高値Ｖｍ及び周波数ｆの平均値又は最大値を用いて永久磁石１１ｇの磁束密度が算出される。そのため、ステータコイル１１ｄに電気的に接続されたインバータ２１のインピーダンスが変化しても、波高値Ｖｍ及び周波数ｆの誤差が緩和される。
【０１１３】
なお、前記実施形態では、ステータコイル１１ｄとインバータ２１とを電気的に接続した状態で、ステータコイル１１ｄに印加された電圧を検出しているが、これに限定されない。例えば、ステータコイル１１ｄとインバータ２１とを切断した状態で、ステータコイル１１ｄに印加された電圧を検出することもできる。
【０１１４】
図９は、別の実施形態を示す図５相当図である。以下の説明では、図５と同一の構成に対して同一の符号を付すとともに、その説明を省略する。
【０１１５】
この実施形態に係る発電システムは、ステータコイル１１ｄとインバータ２１との間に設けられたコンタクタ２９と、制御部２３に設けられるとともに前記コンタクタ２９の駆動を制御するコンタクタ制御部３１と、前記発電機１１のロータ１１ｂの回転位置を検出する回転位置検出部３０とを備えている。
【０１１６】
コンタクタ２９は、インバータ２１とステータコイル１１ｄとを電気的に接続した接続状態と、インバータ２１をステータコイル１１ｄから切断した切断状態との間で切換動作可能である。
【０１１７】
コンタクタ制御部３１は、前記接続状態と切断状態との間でコンタクタ２９の駆動を制御する。具体的に、コンタクタ制御部３１は、電圧検出部２４により電圧を検出するのに先立って、コンタクタ２９を切断状態に切り換える。また、コンタクタ制御部３１は、回転位置検出部３０により検出されたロータ１１ｂの回転位置に基づいて、ロータ１１ｂが目標となる回転位置に到達した時点でステータコイル１１ｄとインバータ２１とを接続するように、コンタクタ２９を接続状態に切り換える。これにより、コンタクタ２９の切換の前後において、インバータ２１に印加される電圧の位相と、ロータ１１ｂの回転位置（位相）とを整合させることができる。
【０１１８】
以下、図１０を参照して、図９に記載の制御部２３により実行される処理を説明する。
【０１１９】
制御部２３による処理が開始すると、前記初期設定処理Ｔを行った後、コンタクタ２９を切断状態に切り換える（ステップＳ０１）。次いで、上述したステップＳ１及びＳ２を実行して電圧を検出した後、回転位置検出部３０によりロータ１１ｂの回転位置を検出する（ステップＳ２１）。次に、この回転位置に基づいて、ロータ１１ｂの回転位置とインバータ２１に印加される電圧の位相とが整合するタイミングでコンタクタ２９を接続状態に切り換えて（ステップＳ２２）、上述したステップＳ３に移行する。
【０１２０】
本実施形態では、コンタクタ２９によりインバータ２１からステータコイル１１ｄを切断した状態で電圧を検出することができる。そのため、インバータ２１のインピーダンスの変化にかかわらず、ステータコイル１１ｄに印加された電圧を正確に検出することができる。
【０１２１】
なお、本実施形態では、上述のようにコンタクタ２９によりインバータ２１のインピーダンスの影響を回避することができるため、電圧の平均値を算出するためのステップＳ２及びＳ３を省略することもできる。
【０１２２】
また、本実施形態では、図７に示す初期設定処理のステップＴ１とステップＴ２との間に、前記ステップＳ０１を挿入するとともに、ステップＴ３とステップＳ５との間にステップＳ２１及びステップＳ２２を挿入することもできる。これにより、初期設定処理においても、インバータ２１のインピーダンスの変化にかかわらず、ステータコイル１１ｄに印加された電圧を正確に検出することができる。この初期設定処理においても、電圧の平均値を算出するためのステップＴ３及びステップＴ４を省略することができる。
【０１２３】
なお、前記実施形態では、永久磁石１１ｇに印加された起電力（電圧）を検出するための検出用コイルとして、発電機１１のステータコイル１１ｄを用いているが、これに限定されない。例えば、発電機１１のステータコイル１１ｄとは別に電圧検出用のコイルを設けることもできる。以下、この実施形態について図１１を参照して説明する。
【０１２４】
本実施形態に係る発電機１１では、ロータ１１ｂが回転軸１１ｅの軸線方向においてステータ１１ａよりも長い。具体的に、永久磁石１１ｇ（ロータ１１ｂ）は、回転軸１１ｅの軸線方向においてステータ１１ａよりも突出する突出部１１ｈを有している。
【０１２５】
そして、本実施形態に係る発電機１１は、永久磁石１１ｇの突出部１１ｈに対向するように配置された検出用コイル３３と、この検出用コイル３３と各ステータコイル１１ｄのうち回転軸１１ｅの軸線方向の末端に配置されたステータコイル１１ｄとの間に設けられたシールド部材３２とを備えている。検出用コイル３３は、ステータコイル１１ｄから回転軸１１ｅの軸線方向に離間して配置されている。また、検出用コイル３３は、インバータ２１（図５及び図９参照）に接続されずに、前記電圧検出部２４（図５及び図９参照）に対して電気的に接続されている。一方、各ステータコイル１１ｄは、電圧検出部２４に対して接続されずに、前記インバータ２１に電気的に接続されている。シールド部材３２は、検出用コイル３３と各ステータコイル１１ｄとの間を磁気的に遮断する。
【０１２６】
前記実施形態では、インバータ２１に接続されたステータコイル１１ｄとは独立して検出用コイル３３が設けられている。そのため、インバータ２１のインピーダンスの変化にかかわらず、検出用コイル３３に印加された電圧をより正確に検出することができる。なお、検出用コイル３３が電圧検出部２４のみに接続されているようにすれば、より正確に検出コイルに印加された電圧を検出することができる。
【０１２７】
また、前記実施形態では、シールド部材３２により検出用コイル３３とステータコイル１１ｄとが磁気的に遮断されている。そのため、ステータコイル１１ｄに生じる磁場がステータコイル１１ｄに与える影響を小さくすることができる。これにより、検出用コイル３３に印加された電圧をより正確に検出することができる。
【０１２８】
なお、前記実施形態では、発電機１１のステータ１１ａと収納容器１２の凹溝１７ｅとの間の間隙、及び発電機１１のステータ１１ａとロータ１１ｂとの間の間隙Ｇを作動流体の流路として利用しているが、これに限定されない。例えば、ステータ１１ａを貫通する流路を形成して、この流路を介してロータ１１ｂの側面に作動流体を吹き付けることもできる。以下、この実施形態について図１２及び図１３を参照して説明する。
【０１２９】
本実施形態に係る発電機１１は、前記実施形態と同様に、筒状のステータ１１ａと、このステータ１１ａの内側に設けられるとともに永久磁石１１ｇを有するロータ１１ｂとを有する。前記ステータ１１ａは、筒状のステータ本体１１ｃと、ステータ本体１１ｃに保持された複数のステータコイル１１ｄとを備えている。そして、前記ステータ本体１１ｃには、前記ステータ本体１１ｃを内外に貫通する貫通配管３４が形成されている。
【０１３０】
前記貫通配管３４は、回転軸１１ｅの軸線方向において各ステータコイル１１ｄの間の位置でステータ本体１１ｃを内外に貫通する複数の個別配管（貫通通路）３４ａと、これら個別配管３４ａを集合させるとともに前記第２供給配管Ｌ５に連結された集合配管（連結配管）３４ｂとを備えている。
【０１３１】
本実施形態では、集合配管３４ｂによって第２供給配管Ｌ５と各個別配管３４ａとが連結されている。そのため、第２供給配管Ｌ５を通じて導入された作動流体を直接ロータ１１ｂに吹き付けて当該ロータ１１ｂを効果的に冷却することができる。
【０１３２】
なお、本実施形態では、第２供給配管Ｌ５と集合配管３４ｂとを連結しているが、これに限定されない。例えば、集合配管３４ｂを省略した場合であっても、ステータ本体１１ｃを内外に貫通する個別配管３４ａを通じてステータ本体１１ｃの外側の作動流体をロータ１１ｂに導くことができる。そのため、各個別配管３４ａが形成されていない場合と比較して、ロータ１１ｂの冷却効率を向上することができる。
【０１３３】
また、前記実施形態では、図１３に示すように、回転軸１１ｅの周方向の１箇所に個別配管３４ａ及び集合配管３４ｂが形成されているが、これに限定されない。例えば、各ステータコイル１１ｄの間となる位置であって回転軸１１ｅの周方向の複数個所に個別配管３４ａを形成することができる。この場合、これら個別配管３４ａを集合させる集合配管３４ｂを設けることもできる。このように個別配管３４ａの数量を増やすことにより、より効果的にロータ１１ｂを冷却することが可能となる。
【０１３４】
なお、前記実施形態では、コイル１１ｄ、３３に印加された電圧を検出することにより、永久磁石１１ｇの磁束密度を算出しているが、これに限定されない。例えば、永久磁石１１ｇの磁束、磁界の強さ、磁束密度の少なくとも１つを検出可能な物理量検出手段を設けることもできる。これにより、物理量検出手段の検出結果に基づいて磁束密度を特定することができ、この磁束密度に基づいて永久磁石１１ｇの温度を推定することができる。この場合においても、ステータコイル１１ｄに印加される電圧の周波数を特定することができる手段を設けることが好ましい。
【０１３５】
なお、前記実施形態では、ロータ１１ｂの永久磁石１１ｇの温度を推定し、この推定温度に基づいて、調整部材８が制御されているが、これに限定されない。例えば、発電機１１の温度を検出可能な図外の温度センサからの出力信号に応じて調整部材８を制御することもできる。
【符号の説明】
【０１３６】
Ｂ０    基準磁束密度
Ｂ１    特定磁束密度
Ｊ１    軸受け部
Ｌ１    第１供給配管（膨張配管の一部）
Ｌ５    第２供給配管（冷却用配管）
Ｔ０    周囲温度（既知の温度）
Ｔ１    推定温度
Ｖｍ    波高値
ｆ    周波数
１    発電システム
２    流体供給ポンプ
３    蒸発器
４    密閉式発電機
５    分離器
６    凝縮器
８    調整部材
１０    回転部材
１０ａ    スクリュータービン（回転体）
１０ｂ    出力軸
１１    発電機
１１ａ    ステータ
１１ｂ    ロータ
１１ｄ    ステータコイル（検出用コイル）
１１ｆ    ロータ本体
１１ｇ    永久磁石
１１ｈ    突出部
１２    収納容器
１４    筒状部材（膨張用配管の一部）
１５    蓋部材（膨張用配管の一部）
１６ａ    本体部（格納部）
１６ｆ    導出口（第１導出口）
１６ｉ、１７ｆ    冷却用導入部
１７ｃ    導出口（第２導出口）
２１    インバータ（受渡部材）
２２    周囲温度検出部
２３    制御部
２４    電圧検出部
２５    演算部
２６    記憶部
２７    温度推定部
２８    指令部
２９    コンタクタ（切換部材）
３０    回転位置検出部
３２    シールド部材
３３    検出用コイル
３４ａ    個別配管（貫通通路）
３４ｂ    集合配管（連結配管）
【図１】
0005622630.tif 000002
【図２】
0005622630.tif 000003
【図３】
0005622630.tif 000004
【図４】
0005622630.tif 000005
【図５】
0005622630.tif 000006
【図６】
0005622630.tif 000007
【図７】
0005622630.tif 000008
【図８】
0005622630.tif 000009
【図９】
0005622630.tif 000010
【図１０】
0005622630.tif 000011
【図１１】
0005622630.tif 000012
【図１２】
0005622630.tif 000013
【図１３】
0005622630.tif 000014