(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転電機の循環風路内を流れる冷却空気中に発生するオゾン及び硝酸の濃度を低減する方法であって、
オゾン分解触媒を含むオゾン分解ユニットと硝酸吸着剤を含む硝酸吸着ユニットとが、前記循環風路内において前記冷却空気の流れに対して並列的に配置されており、
前記オゾン分解ユニットに前記冷却空気を通過させることにより、オゾンを分解し、
前記硝酸吸着ユニットに前記冷却空気を通過させることにより、硝酸を吸着除去する
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
回転電機の循環風路内を流れる冷却空気中に発生するオゾン及び硝酸の濃度を低減する方法であって、
オゾン分解触媒を含むオゾン分解ユニットと硝酸吸着剤を含む硝酸吸着ユニットとが前記循環風路内に配置されており、
前記オゾン分解ユニットが前記回転電機の空気冷却器の上流側に配置されていると共に、前記硝酸吸着ユニットが前記回転電機の空気冷却器の下流側に配置されており、
前記オゾン分解ユニットに前記冷却空気を通過させることにより、オゾンを分解し、
前記硝酸吸着ユニットに前記冷却空気を通過させることにより、硝酸を吸着除去する
ことを特徴とする方法。
【請求項３】
前記オゾン分解ユニットは、オゾン分解触媒と硝酸吸着剤との混合物を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記循環風路を流れる冷却空気の一部を迂回させるバイパス風路内に硝酸除去ユニットが配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記循環風路を流れる冷却空気に６００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の波長を含む光を照射することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記循環風路を流れる冷却空気を、正に帯電した帯電板と接触させることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記冷却空気中の二酸化窒素濃度に対するオゾン濃度の比（オゾン濃度／二酸化窒素濃度）を１以下に制御することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記オゾン分解ユニットを通過した後の冷却空気中のオゾン濃度が、前記オゾン分解ユニットを通過する前の冷却空気中のオゾン濃度の１０％以上９０％以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
回転電機の循環風路内を流れる冷却空気中に発生するオゾン及び硝酸の濃度を低減する装置であって、
オゾン分解触媒を含むオゾン分解ユニットと硝酸吸着剤を含む硝酸吸着ユニットとが、前記循環風路内において前記冷却空気の流れに対して並列的に配置されており、
前記オゾン分解ユニットに前記冷却空気を通過させることにより、オゾンを分解し、
前記硝酸吸着ユニットに前記冷却空気を通過させることにより、硝酸を吸着除去する
ことを特徴とする装置。
【請求項１０】
回転電機の循環風路内を流れる冷却空気中に発生するオゾン及び硝酸の濃度を低減する装置であって、
オゾン分解触媒を含むオゾン分解ユニットと硝酸吸着剤を含む硝酸吸着ユニットとが前記循環風路内に配置されており、
前記オゾン分解ユニットが前記回転電機の空気冷却器の上流側に配置されていると共に、前記硝酸吸着ユニットが前記回転電機の空気冷却器の下流側に配置されており、
前記オゾン分解ユニットに前記冷却空気を通過させることにより、オゾンを分解し、
前記硝酸吸着ユニットに前記冷却空気を通過させることにより、硝酸を吸着除去する
ことを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却媒体に空気を用いる回転電機の循環風路内を流れる冷却空気中に発生するオゾン及び硝酸の濃度を低減する方法、並びに装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電機や電動機などの回転電機は、固定子及び回転子などの部材を一般に有する。その中でも空気冷却式タービン発電機では、発電機内の循環風路に冷却空気を供給することにより、固定子や回転子などを冷却している。この空気冷却式タービン発電機の固定子は、通常、鉄心と鉄心に巻かれた巻線とから構成され、その上に部分放電防止のための処置が施されているが、巻線絶縁や部分放電防止剤の経年劣化などの様々な要因によって部分放電が生じることがある。そして、外気と同じように湿潤した空気が循環する発電機内で部分放電が生じた場合、オゾン（Ｏ3）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、硝酸などが生成し、これらが空気の循環に伴って発電機内に拡がる。その結果、発電機内の金属部材（例えば、ボルト、アルミフィン）が腐食したり、有機材料が劣化したりすることがある。そのため、オゾン、硝酸などを低減することが必要とされている。
同様に、大型電動機においても、循環風路内において高電界に起因する部分放電などにより、オゾン、窒素酸化物、硝酸などが生成することがある。そのため、大型電動機においても、金属部材の腐食抑制や作業環境の改善の観点から、オゾン、硝酸などを低減することが必要とされている。【０００３】
オゾン、窒素酸化物、硝酸などを低減する方法としては、いくつかの方法が提案されている。
例えば、特許文献１では、オゾン及び硝酸ガスの少なくとも一方を除去する除去剤を有するフィルタ装置を回転電機の循環風路内に配置する方法が提案されている。この方法では、オゾンの除去剤として活性炭（吸着剤）、硝酸ガスの除去剤として化学吸着剤を使用し、各吸着剤によってオゾン及び硝酸ガスの濃度を低減させている。
また、特許文献２では、吸着され難いＮＯｘ（ＮＯ及びＮＯ2）をオゾンと反応させて硝酸を生成させ、この硝酸をケイ素吸着剤を用いて吸着除去した後、オゾン分解触媒を用いて残留オゾンを分解除去する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１１１３５６号公報
【特許文献２】特許第３３１０８６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１や特許文献２の方法には、次のような問題がある。
特許文献１の方法では、オゾンを活性炭、硝酸を化学吸着剤によって個別に除去しているため、循環風路内に活性炭や化学吸着剤を多く配置する必要がある。そのため、循環風路内の圧力損失が増大し、循環風路内を循環する冷却空気の量が低下する。その結果、特許文献１の方法を適用した空気冷却式の回転電機においては、所望の冷却性能が得られないことがある。また、化学吸着剤によって硝酸を吸着除去する場合、比較的短時間でその性能が低下するため、化学吸着剤の交換又は再生が頻繁に必要となる。この化学吸着剤の交換や再生には装置を停止させる必要があるため、装置の稼働率低下をもたらす。【０００６】
特許文献２の方法では、ＮＯｘをオゾンと反応させて生成した硝酸をケイ素吸着剤によって吸着除去しているが、この反応を積極的に生じさせることで処理すべき硝酸の量が増大してしまうため、吸着剤の性能低下が早い。実際、金属部材の腐食を引き起こすのはオゾンや硝酸であることからＮＯｘ自体の影響は小さく、また、ＮＯｘの量自体も少量であることから、必ずしもＮＯｘを除去する必要はない。さらに、特許文献２の方法では、ケイ素吸着剤を充填した吸着塔及びオゾン分解触媒を充填した触媒塔に空気を順次通過させる必要がある（すなわち、吸着塔及び触媒塔が多段且つ直列に配置されている）ため、循環風路にこの構成を採用すると圧力損失が増大してしまう。【０００７】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、回転電機の循環風路内を流れる冷却空気中に発生するオゾン及び硝酸の濃度を、圧力損失を抑えつつ長期間にわたって低減し得る方法並びに装置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】
【０００８】
本発明者らは、上記のような問題を解決するために鋭意研究した結果、回転電機内の循環風路内を流れる冷却空気を、オゾン分解触媒を含むオゾン分解ユニットに通過させることにより、オゾンの濃度だけでなく硝酸の濃度も簡易且つ大幅に低減し得ることを見出した。
【０００９】
すなわち、本発明は、回転電機の循環風路内を流れる冷却空気中に発生するオゾン及び硝酸の濃度を低減する方法であって、オゾン分解触媒を含むオゾン分解ユニットと硝酸吸着剤を含む硝酸吸着ユニットとが、前記循環風路内において前記冷却空気の流れに対して並列的に配置されており、前記オゾン分解ユニットに前記冷却空気を通過させることにより、オゾンを分解し、前記硝酸吸着ユニットに前記冷却空気を通過させることにより、硝酸を吸着除去することを特徴とする方法である。
また、本発明は、回転電機の循環風路内を流れる冷却空気中に発生するオゾン及び硝酸の濃度を低減する方法であって、オゾン分解触媒を含むオゾン分解ユニットと硝酸吸着剤を含む硝酸吸着ユニットとが前記循環風路内に配置されており、前記オゾン分解ユニットが前記回転電機の空気冷却器の上流側に配置されていると共に、前記硝酸吸着ユニットが前記回転電機の空気冷却器の下流側に配置されており、前記オゾン分解ユニットに前記冷却空気を通過させることにより、オゾンを分解し、前記硝酸吸着ユニットに前記冷却空気を通過させることにより、硝酸を吸着除去することを特徴とする方法である。
【００１０】
さらに、本発明は、回転電機の循環風路内を流れる冷却空気中に発生するオゾン及び硝酸の濃度を低減する装置であって、オゾン分解触媒を含むオゾン分解ユニットと硝酸吸着剤を含む硝酸吸着ユニットとが、前記循環風路内において前記冷却空気の流れに対して並列的に配置されており、前記オゾン分解ユニットに前記冷却空気を通過させることにより、オゾンを分解し、前記硝酸吸着ユニットに前記冷却空気を通過させることにより、硝酸を吸着除去することを特徴とする装置である。
また、本発明は、回転電機の循環風路内を流れる冷却空気中に発生するオゾン及び硝酸の濃度を低減する装置であって、オゾン分解触媒を含むオゾン分解ユニットと硝酸吸着剤を含む硝酸吸着ユニットとが前記循環風路内に配置されており、前記オゾン分解ユニットが前記回転電機の空気冷却器の上流側に配置されていると共に、前記硝酸吸着ユニットが前記回転電機の空気冷却器の下流側に配置されており、前記オゾン分解ユニットに前記冷却空気を通過させることにより、オゾンを分解し、前記硝酸吸着ユニットに前記冷却空気を通過させることにより、硝酸を吸着除去することを特徴とする装置である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、回転電機の循環風路内を流れる冷却空気中に発生するオゾン及び硝酸の濃度を、圧力損失を抑えつつ長期間にわたって低減し得る方法並びに装置を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１の方法を適用した空気冷却式タービン発電機の断面図である。
【図２】空気冷却式タービン発電機における稼働時間と循環風路内を流れる冷却空気中のオゾン濃度との関係を示すグラフである。
【図３】空気冷却式タービン発電機における稼働時間と循環風路を流れる冷却空気中のＯ3、窒素酸化物（ＮＯ、ＮＯ2、ＮＯ3、Ｎ2Ｏ5）の濃度との関係を示すグラフ（ｋＡ＝０の場合）である。
【図４】空気冷却式タービン発電機における稼働時間と循環風路を流れる冷却空気中のＯ3、窒素酸化物（ＮＯ、ＮＯ2、ＮＯ3、Ｎ2Ｏ5）の濃度との関係を示すグラフ（ｋＡ＝０．６の場合）である。
【図５】空気冷却式タービン発電機における循環風路を流れる冷却空気中のＮＯ2濃度に対するＯ3濃度の比（Ｏ3濃度／ＮＯ2濃度）と、Ｎ2Ｏ5濃度との関係を示すグラフである。
【図６】実施の形態２の方法を適用した空気冷却式タービン発電機の断面図である。
【図７】実施の形態３の方法に用いられるオゾン分解ユニット及び硝酸吸着ユニットの斜視図である。
【図８】空気冷却式タービン発電機における稼働時間と循環風路内を流れる冷却空気中のオゾン濃度との関係を示すグラフである。
【図９】空気冷却式タービン発電機における稼働時間と循環風路内を流れる冷却空気中の硝酸濃度との関係を示すグラフである。
【図１０】実施の形態４の方法を適用した空気冷却式タービン発電機の断面図である。
【図１１】実施の形態６の方法を適用した空気冷却式タービン発電機の断面図である。
【図１２】実施の形態７の方法を適用した空気冷却式タービン発電機の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の回転電機の循環風路内を流れる冷却空気中に発生するオゾン及び硝酸の濃度を低減する方法の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。なお、以下の実施の形態では、空気冷却式タービン発電機に適用した例を基にして本発明の方法を説明するが、これらはあくまでも一例であり、空気冷却式タービン発電機以外の回転電気に本発明の方法を適用し得ることは言うまでもない。
【００１４】
実施の形態１．
図１は、本実施の形態の方法を適用した空気冷却式タービン発電機の断面図である。
図１において、空気冷却式タービン発電機は、フレーム１と、回転子２と、固定子３と、ファン５と、空気冷却器６と、オゾン分解ユニット７と、軸受８とを備えている。この空気冷却式タービン発電機では、全閉構造のフレーム１内に、ファン５が取り付けられた回転子２、固定子３、空気冷却器６、オゾン分解ユニット７が配置されており、回転子２の回転軸が軸受８によってフレーム１に支持されている。また、ファン５により圧送される冷却空気が、回転子２、固定子３、空気冷却器６、オゾン分解ユニット７、ファン５の順に循環するように循環風路４が形成されている。なお、この空気冷却式タービン発電機では、空気冷却器６の下流側にオゾン分解ユニット７が配置されているが、このオゾン分解ユニット７の位置は特に限定されない。オゾン分解ユニット７の位置は、発電機の構成やオゾン分解ユニット７の脱着の容易さなどを考慮して適宜決定することができる。
【００１５】
この空気冷却式タービン発電機では、ファン５の動力によって循環風路４を流れる冷却空気が、回転子２及び固定子３を通ってこれらを冷却した後、空気冷却器６及びオゾン分解ユニット７を通ってファン５に戻る。循環風路４は外部から閉鎖されているが、少量の空気が軸受８のクリアランスなどを通って外気と置換されるため、外気と同程度に湿潤した空気が循環風路４内を循環する。このとき、固定子３において部分放電が生じると、オゾン、ＮＯｘ、硝酸などの放電生成物が生じ、これらが冷却空気の循環に伴って発電機内に拡がる。特に硝酸は、低濃度であっても著しく金属部材を腐食させる一方、触媒などで分解除去することが難しい。そこで、従来は、特許文献１や特許文献２に示されているように、吸着剤を用いて吸着除去する方法が一般に用いられてきた。しかし、特に大型の回転電機においては、例え硝酸の濃度が低くても、冷却空気の風量が非常に多いため、除去すべき硝酸の量は増大し、結果的に短時間で吸着剤の性能が低下することになる。従って、硝酸を発生させないことが金属部材の腐食や有機材料の劣化を抑制するための最適な手段である。
本実施の形態の空気冷却式タービン発電機では、循環風路４内にオゾン分解ユニット７を配置しているため、冷却空気がオゾン分解ユニット７を通過する際にオゾンが分解され、冷却空気中のオゾン濃度が低下し、これに伴って硝酸も生成が抑制される。その結果、空気冷却式タービン発電機内の金属材料の腐食を抑制することが可能になる。
【００１６】
ここで、循環風路４内に配置されたオゾン分解ユニット７に冷却空気を通過させることによるオゾン濃度の低減効果について説明する。
図２は、空気冷却式タービン発電機における稼働時間と循環風路４内を流れる冷却空気中のオゾン濃度との関係を示すグラフである。このグラフは、実際の空気冷却式タービン発電機の動作条件を想定し、固定子３の部分放電に伴うオゾン生成、軸受８のクリアランスなどからの冷却空気と外気との置換、オゾン分解ユニット７によるオゾンの分解を考慮して作成したものである。ただし、この図では、基準として、オゾン分解ユニット７を配置しない場合の循環風路４を流れる冷却空気中の定常オゾン濃度を１（任意単位：a.u.）とし、オゾン分解ユニット７を配置した場合のオゾン濃度を相対値で示している。
循環風路４内に配置されるオゾン分解ユニット７において、循環風路４内を流れる全冷却空気に対してオゾン分解ユニット７を通過する冷却空気の割合をｋとし、オゾン分解ユニット７を一度通過する際に分解されるオゾンの割合（ワンパスオゾン除去率）をＡとした場合（ただし、循環風路４内を流れる冷却空気の全てがオゾン分解ユニット７を通過する場合を１とし、オゾン分解ユニット７を一度通過する際に全てのオゾンが分解される場合を１とする）、ｋＡ＝０（すなわち、オゾン分解ユニット７を配置しない場合）は、空気冷却式タービン発電機の起動から１時間程度で、オゾン濃度は定常値に到達する。これに対してｋＡ値を増加させると（すなわち、オゾン分解ユニット７を配置する場合）、オゾン濃度が大幅に減少する。例えば、ｋＡ＝０．６の場合、ｋＡ＝０の場合に比べて、オゾン濃度が１／１００以下にまで低減される。
【００１７】
次に、循環風路４内に配置されたオゾン分解ユニット７に冷却空気を通過させることによる硝酸濃度の低減効果について説明する。
湿潤した冷却空気が循環風路４内を流れる際、固定子３で部分放電が生じると、一般に下記の（１）〜（９）の反応が起こる。
ｅ＋Ｏ2→ｅ＋２Ｏ    （１）
ｅ＋Ｎ2→ｅ＋２Ｎ    （２）
Ｏ＋Ｏ2＋Ｍ→Ｏ3＋Ｍ    （３）
Ｎ＋Ｏ＋Ｍ→ＮＯ＋Ｍ    （４）
Ｏ2＋２ＮＯ→２ＮＯ2    （５）
Ｏ3＋ＮＯ→ＮＯ2＋Ｏ2    （６）
Ｏ3＋ＮＯ2→ＮＯ3＋Ｏ2    （７）
ＮＯ2＋ＮＯ3＋Ｍ→Ｎ2Ｏ5＋Ｍ    （８）
Ｎ2Ｏ5＋Ｈ2Ｏ→２ＨＮＯ3    （９）
【００１８】
すなわち、固定子３における部分放電によって生成した電子（ｅ）は、循環風路４内を流れる冷却空気中の酸素分子（Ｏ2）及び窒素分子（Ｎ2）と衝突し、酸素原子（Ｏ）及び窒素原子（Ｎ）を生成させる＜反応（１）及び（２）＞。次に、生成した酸素原子（Ｏ）は、酸素分子（Ｏ2）や窒素分子（Ｎ2）などの第三体（Ｍ）を介し、空気中の酸素分子（Ｏ2）と反応してオゾン（Ｏ3）を生成させる＜反応（３）＞。また、生成した窒素原子（Ｎ）は、第三体（Ｍ）を介し、生成した酸素原子（Ｏ）と反応して一酸化窒素（ＮＯ）を生成させる＜反応（４）＞。次に、生成した一酸化窒素（ＮＯ）は、空気中の酸素分子（Ｏ2）と反応して二酸化窒素（ＮＯ2）を生成させる＜反応（５）＞。また、生成した一酸化窒素（ＮＯ）は、生成したオゾン（Ｏ3）と反応して二酸化窒素（ＮＯ2）を生成させる＜反応（６）＞。次に、生成した二酸化窒素（ＮＯ2）は、生成したオゾン（Ｏ3）と反応して三酸化窒素（ＮＯ3）を生成させる＜反応（７）＞。次に、生成した二酸化窒素（ＮＯ2）及び三酸化窒素（ＮＯ3）は、第三体（Ｍ）を介して反応して五酸化二窒素（Ｎ2Ｏ5）を生成させる＜反応（８）＞。そして、最終的には、生成した五酸化二窒素（Ｎ2Ｏ5）が、空気中に含まれる水（Ｈ2Ｏ）や部材表面に付着した水と反応して硝酸（ＨＮＯ3）を生成させる＜反応（９）＞。
【００１９】
上記の反応を考慮すると、五酸化二窒素（Ｎ2Ｏ5）が生成されなければ、上記（９）の反応が生じず、硝酸が生成しない。本実施の形態の方法によれば、循環風路４内に配置されたオゾン分解ユニット７によってオゾンを分解し、循環風路４内を流れる冷却空気中のオゾン濃度を低減させているため、五酸化二窒素（Ｎ2Ｏ5）が生成する要因となる三酸化窒素（ＮＯ3）の生成反応（上記（７）の反応）を抑制することができる。その結果、硝酸の生成を抑制することが可能になる。ここで、上記（７）の反応において、三酸化窒素（ＮＯ3）の生成速度は、オゾン（Ｏ3）及び二酸化窒素（ＮＯ2）の濃度に依存することから、これらの濃度比率を適切な範囲にすることが好ましい。
【００２０】
次に、本発明者らは、実際の空気冷却式タービン発電機の動作条件を想定しつつ、上記の（１）〜（９）の反応を考慮して、循環風路４内を流れる冷却空気中のＯ3、窒素酸化物（ＮＯ、ＮＯ2、ＮＯ3、Ｎ2Ｏ5）の濃度を様々な条件で評価した。
図３及び４は、空気冷却式タービン発電機における稼働時間と循環風路４内を流れる冷却空気中のＯ3、窒素酸化物（ＮＯ、ＮＯ2、ＮＯ3、Ｎ2Ｏ5）の濃度との関係を示すグラフである。ここで、図３及び４では、図２と同様に、基準としてオゾン分解ユニット７を配置しない場合の循環風路４を流れる冷却空気中の定常オゾン濃度を１（任意単位：a.u.）とし、所定の場合の各成分の濃度を相対値で示している。図３はｋＡ＝０（すなわち、オゾン分解ユニット７を配置しない場合）、図４はｋＡ＝０．６（すなわち、オゾン分解ユニット７を配置する場合）の結果である。
ｋＡ＝０の場合、起動から１００分後、オゾン濃度は１、Ｎ2Ｏ5濃度は約０．０１３であった。上記の（９）の反応を考慮すると、Ｎ2Ｏ5は、空気中に含まれる水や部材表面に付着した水と反応して２つの硝酸分子を生成させる。従って、この場合、最大０．０２６の硝酸が発生すると考えられる。
これに対してｋＡ＝０．６の場合、起動から１００分後、オゾン濃度は約０．００８、Ｎ2Ｏ5濃度は０．００１以下（図示していない）となった。従って、この場合、０．００２以下の硝酸が発生すると考えられる。
以上の結果から、オゾン濃度を低減することによって、硝酸の発生を抑制することが可能になる。
【００２１】
図５は、循環風路４内を流れる冷却空気中のＮＯ2濃度に対するＯ3濃度の比（Ｏ3濃度／ＮＯ2濃度）と、Ｎ2Ｏ5濃度との関係を示すグラフである。
図５において、オゾン分解ユニット７を配置しない場合、Ｏ3濃度／ＮＯ2濃度が約２３０であり、Ｎ2Ｏ5濃度も約０．０１３と高かったのに対し、オゾン分解ユニット７を配置する場合、オゾン分解ユニット７を配置しない場合に比べてＯ3濃度／ＮＯ2濃度やＮ2Ｏ5濃度が低くなった。特に、Ｏ3濃度／ＮＯ2濃度を１以下にすることにより、Ｎ2Ｏ5濃度がオゾン分解ユニット７を配置しない場合の１／１０程度まで低減された。つまり、Ｏ3濃度／ＮＯ2濃度を１以下にすることにより、硝酸の発生もオゾン分解ユニット７を配置しない場合の１／１０程度まで抑制することができる。そして、金属部材の腐食や有機材料の劣化速度は、オゾン及び硝酸の濃度に依存するため、本発明の方法を適用することで、これらが大幅に抑制されることになる。
【００２２】
Ｏ3濃度／ＮＯ2濃度は、ｋＡ値、冷却空気の温湿度、部分放電の発生条件などによって変化する。そのため、使用する装置に応じて、所定の範囲のＯ3濃度／ＮＯ2濃度が得られるように、触媒の種類と組成、触媒量などを選定すると共に、オゾン分解ユニット７の形状や設置位置を決定する必要がある。
【００２３】
一般に、オゾン分解ユニット７のｋＡ値を高めるとＯ3濃度／ＮＯ2濃度が低下し、硝酸濃度が低減される。しかしながら、ｋＡ値はオゾン分解ユニット７中のオゾン分解触媒の量とも関係しているため、ｋＡ値を高めすぎると、循環風路４内の圧力損失が増大してしまう。一般に、ｋＡ値は０．１以上０．９以下に設定することが好ましい。ｋＡ値が０．１未満の場合、オゾン濃度の低減が十分に達成されず、Ｏ3濃度／ＮＯ2濃度を１以下にすることができないことがある。一方、ｋＡ値が０．９よりも大きいの場合、オゾン分解触媒の量が多くなり、圧力損失が増大してしまうことがある。また、ｋＡ値が０．９以下の場合でも十分なオゾン及び硝酸低減効果が得られ、金属材料の腐食や有機材料の劣化が抑制されることから、ｋＡ値のさらなる増加は、コストの増大を引き起こすのみで性能向上には繋がらない。
一方、高いｋＡ値を得るためには、オゾン分解ユニット７を通過する冷却空気の割合を増加させることが重要であり、循環風路４の断面全体を遮るようにオゾン分解ユニット７を配置することが好ましい。
【００２４】
オゾン分解ユニット７としては、特に限定されず、ハニカム構造体、シート状の繊維フィルタ、ペレット状基材に触媒を添着したものなどが挙げられるが、圧力損失を少なくする観点からは、ハニカム構造体が好ましい。
また、オゾン分解ユニット７に用いられるオゾン分解触媒としては、オゾンを分解し得るものであれば特に限定されず、例えば、二酸化マンガン系触媒、ＰｔやＰｄなどの貴金属系触媒、Ｆｅ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｏなどの卑金属系触媒などが挙げられる。これらは、単独又は２種以上を組み合わせて用いることができる。
また、オゾン分解ユニット７の大きさも、特に限定されず、本実施の形態の方法が適用される装置の構成などに応じて適宜決定すればよい。
【００２５】
本実施の形態の方法において、オゾン分解ユニット７を通過した後の冷却空気中のオゾン濃度は、オゾン分解ユニット７を通過する前の冷却空気中のオゾン濃度の１０％以上９０％以下であることが好ましい。このような範囲であれば、硝酸の発生を十分に抑制することが可能である。
本実施の形態の方法を適用した空気冷却式タービン発電機によれば、循環風路４内に配置されたオゾン分解ユニット７に冷却空気を通過させることにより、圧力損失を抑えつつ長期間にわたってオゾン及び硝酸の濃度を低減することができる。特に、この空気冷却式タービン発電機では、オゾン分解ユニット７によって硝酸の発生が抑制されることから、オゾン及び硝酸を個別に処理する必要がなく、硝酸除去用の吸着剤を使用する必要もない。そのため、吸着剤の交換や再生などの作業が不要となり、長期間の連続運転が可能になる。
【００２６】
実施の形態２．
図６は、本実施の形態の方法を適用した空気冷却式タービン発電機の断面図である。なお、本実施の形態の空気冷却式タービン発電機の基本的な構成は、実施の形態１の空気冷却式タービン発電機の構成と同一であるため、同一部分は同一の符号を付して説明を省略する。
図６において、空気冷却式タービン発電機は、循環風路４内に光源９を備えている。
【００２７】
実施の形態１の空気冷却式タービン発電機では、循環風路４内を流れる冷却空気中に発生するオゾンをオゾン分解ユニット７において分解することによって、硝酸の生成を抑制することができる。しかしながら、固定子３において部分放電が生じると、部分放電に曝された冷却空気がオゾン分解ユニット７を通過するまでの間に、上記（７）の反応によって微量の三酸化窒素（ＮＯ3）が生じることがある。これは、特に、循環する冷却空気の風速が遅い場合、固定子３とオゾン分解ユニット７との距離が離れている場合、広い範囲で部分放電が生じる場合などに問題となる。そして、ＮＯ3が生じると、上記（８）の反応によってＮ2Ｏ5が生成し、さらには上記（９）の反応によって硝酸が生成してしまう。
【００２８】
ここで、ＮＯ3は、波長が６００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の光を吸収し、以下に示す反応によって分解することが知られている（例えば、Ｗ．Ｂ．ＤｅＭｏｒｅら、「Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｋｉｎｅｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ｐｈｏｔｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｄａｔａ  ｆｏｒ  Ｕｓｅ  ｉｎ  Ｓｔｒａｔｏｓｐｈｅｒｉｃ  Ｍｏｄｅｌｉｎｇ」、ＪＰＬ  Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ  ９７−４、１９９７年、ｐ．１６０−１６３参照）。
ＮＯ3＋ｈν→ＮＯ2＋Ｏ    （１０）
ＮＯ3＋ｈν→ＮＯ＋Ｏ2    （１１）
【００２９】
本実施の形態の空気冷却式タービン発電機によれば、循環風路４内に光源９を用いて循環風路４内を流れる冷却空気に６００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の波長を含む光を照射することにより、（１０）及び（１１）の反応を生じさせ、部分放電によって生じたＮＯ3を分解させる。その結果、硝酸の生成をより一層抑制することが可能になる。
【００３０】
光源９としては、６００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の波長を含む光を照射し得るものであれば特に限定されず、例えば、白熱電球、蛍光灯、発光ダイオードなどが挙げられる。また、光源９の照射強度も特に限定されず、光源９の位置、循環する冷却空気の風速、生成するＮＯ3量などを考慮して適宜決定すればよい。さらに、光源９による照射は、常時行う必要はなく、ＮＯ3の濃度やＮＯ3の光分解速度などを考慮して定期的に行ってもよい。定期的な照射を行えば、消費電力を削減し得ると共に、光源９の寿命を延ばすことができる。
なお、この空気冷却式タービン発電機では、固定子３と空気冷却器６との間の循環風路４内に光源９が配置されているが、この光源９の位置は特に限定されない。光源９の位置は、循環風路４の構造などを考慮して適宜決定すればよい。
【００３１】
実施の形態３．
図７は、本実施の形態の方法に用いられるオゾン分解ユニット及び硝酸吸着ユニットの斜視図である。図７において、オゾン分解ユニット７及び硝酸吸着ユニット１０は、冷却空気の流れ（矢印）に対して並列に配置されている。
実施の形態１では、オゾンを分解することによって硝酸の生成を抑制することができ、また、実施の形態２では、ＮＯ3を光分解することによって硝酸の生成を抑制することができる。しかしながら、湿潤した空気中で部分放電が生じると、以下の反応によっても微量の硝酸が生成することがある。
ｅ＋Ｈ2Ｏ→ｅ＋ＯＨ＋Ｈ    （１２）
ＮＯ2＋ＯＨ→ＨＮＯ3    （１３）
【００３２】
すなわち、湿潤した冷却空気中で部分放電が生じると、水分子が電子衝突によって解離し、ＯＨが生成される＜反応（１２）＞。そして、ＯＨはＮＯ2と反応し、硝酸が生成される＜反応（１３）＞。ＯＨの寿命は非常に短く、（１３）の反応は、放電場の近傍でのみ生じるため、（９）の反応と比べて硝酸の生成速度は遅い。しかし、特に、高湿度環境下では、（１２）及び（１３）の反応によって硝酸の濃度が高くなるため、硝酸の除去が必要となる場合がある。
一方、部分放電によって生じる硝酸の濃度は一般にオゾン濃度の１０％程度以下であり、要求される硝酸の除去量はオゾンの除去量に比べて大幅に少ない。
【００３３】
ここで、循環風路４内において、冷却空気の流れに対して並列的に配置したオゾン分解ユニット７及び硝酸吸着ユニット１０に空気を通過させることによるオゾン濃度及び硝酸濃度の低減効果について説明する。
図２に示したように、循環風路４内にオゾン分解ユニット７を配置した場合、冷却空気中のオゾン濃度は、ｋＡ値の増加に伴って減少する。同様に、循環風路４内にオゾン分解ユニット７と並列して硝酸吸着ユニット１０を配置した場合、冷却空気中のオゾン濃度だけでなく硝酸濃度についても同じ原理が成り立つ。つまり、冷却空気中の硝酸濃度に関し、循環風路４内を流れる全冷却空気に対して硝酸吸着ユニット１０を通過する冷却空気の割合をｋとし、硝酸吸着ユニット１０を一度通過する際に吸着される硝酸の割合（ワンパス硝酸吸着率）をＡとした場合（ただし、循環風路４内を流れる冷却空気の全てが硝酸吸着ユニット１０を通過する場合を１とし、硝酸吸着ユニット１０を一度通過する際に全ての硝酸が吸着される場合を１とする）、図８及び９に示されるように、ｋＡ＝０の場合（すなわち、オゾン分解ユニット７及び硝酸吸着ユニット１０を配置しない場合）は、空気冷却式タービン発電機の起動から１時間程度で、オゾン濃度及び硝酸濃度の定常値は、１及び約０．０３にそれぞれ到達する。
これに対してｋＡ値が増加すると（すなわち、オゾン分解ユニット７及び硝酸吸着ユニット１０を配置する場合）、オゾン濃度及び硝酸濃度が大幅に減少する。例えば、オゾンに対するｋＡ値が０．５（例えば、ｋ＝０．９、Ａ＝０．５５）、硝酸に対するｋＡ値が０．０５（例えば、ｋ＝０．１、Ａ＝０．５）の場合、図８及び９に示されるように、オゾン濃度及び硝酸濃度の定常値は、約０．００８及び約０．００３にまで低減される。
【００３４】
なお、本実施の形態では、オゾン分解ユニット７及び硝酸吸着ユニット１０は、冷却空気の流れに対して並列的に配置されているが、オゾン分解ユニット７と硝酸吸着ユニット１０とを直列的に配置した場合にもオゾン濃度及び硝酸濃度は低減される。しかし、この場合には、冷却空気中に存在するオゾンに比べて濃度が低い硝酸に対しても個別に硝酸吸着ユニット１０を設けることになるため、装置構成が複雑化したり、圧力損失が増大したりする。これに対して本実施の形態では、オゾン分解ユニット７及び硝酸吸着ユニット１０を冷却空気の流れに対して並列的に配置しているため、装置構成が簡易であると共に圧力損失を増大させることもない。そのため、本実施の形態では、オゾン及び硝酸を簡易且つ効率的に除去することが可能になる。
【００３５】
硝酸吸着ユニット１０に用いられる硝酸吸着剤としては、硝酸を吸着し得るものであれば特に限定されず、例えば、ゼオライト、活性炭、シリカゲル、石灰石などが挙げられる。また、これらの硝酸吸着剤は、単独又は２種以上を組み合わせて用いることができる。
また、硝酸吸着ユニット１０の大きさも、特に限定されず、本実施の形態の方法が適用される装置の構成などに応じて適宜決定すればよく、オゾン分解ユニット７の大きさと同じであっても異なっていてもよい。
【００３６】
なお、オゾン分解ユニット７と硝酸吸着ユニット１０との割合は、オゾン及び硝酸の発生量や、目標とするオゾン濃度及び硝酸濃度に応じて適宜決定すればよい。一般に、冷却空気中で部分放電によって生じる硝酸濃度は、オゾン濃度の１０％程度以下であるため、循環風路４の断面積を基準とした場合、オゾン分解ユニット７の面積を９０％以上とし、残りの面積を硝酸吸着ユニット１０とすることが好ましい。
【００３７】
実施の形態４．
図１０は、本実施の形態の方法を適用した空気冷却式タービン発電機の断面図である。なお、本実施の形態の空気冷却式タービン発電機の基本的な構成は、実施の形態１の空気冷却式タービン発電機の構成と同一であるため、同一部分は同一の符号を付して説明を省略する。
空気冷却式タービン発電機には、図１０のように循環風路４が分岐され、分岐した循環風路４内にそれぞれ独立して空気冷却器６を備えた構成を有するものが多い。このような構成を有する空気冷却式タービン発電機では、固定子３を通過した冷却空気が、分岐された循環風路４を通過することになる。
図１０において、空気冷却式タービン発電機は、循環風路４内の一方の空気冷却器６の上流側にオゾン分解ユニット７が配置され、循環風路４内の他方の空気冷却器６の下流側に硝酸吸着ユニット１０が配置されている。このような構成とすることにより、一方の空気冷却器６の上流側に配置されたオゾン分解ユニット７が、オゾンを除去することで硝酸発生量を低減させると共に、他方の空気冷却器６の下流側に配置された硝酸吸着ユニット１０が、微量発生する硝酸を吸着除去する。その結果、冷却空気中の硝酸濃度を一層低減することが可能になる。
【００３８】
また一般に、オゾン分解ユニット７は、触媒反応でオゾンを分解することから長寿命であるために頻繁な交換は必要ない一方、硝酸吸着ユニット１０は、吸着剤の吸着能力に限界があることから、比較的短期間で性能が劣化し、より頻繁な交換が必要となる。本実施の形態の方法が適用される空気冷却式タービン発電機では、オゾン分解ユニット７と硝酸吸着ユニット１０とを別々の循環風路４内に配置していることから、硝酸吸着ユニット１０の性能が劣化した際に、一方の循環風路４のみを開放して硝酸吸着ユニット１０を交換できるため、交換の作業性が高まる。
また、触媒によるオゾン分解の性能は高温であるほど高く、吸着剤による硝酸の吸着性能は低温であるほど高い。そこで、オゾン分解ユニット７を空気冷却器６の上流側の高温部に設置し、硝酸吸着ユニット１０を空気冷却器６の下流側の低温部に配置することで、それぞれの性能を最大限に発現させることができる。
【００３９】
実施の形態５．
本実施の形態の空気冷却式タービン発電機は、オゾン分解触媒と硝酸吸着剤との混合物から形成される混合ユニットを循環風路４内に備えている。
実施の形態３では、冷却空気の流れに対して並列的に配置したオゾン分解ユニット７及び硝酸吸着ユニット１０に冷却空気を通過させることによってオゾン及び硝酸の濃度を低減することができる。一方、本実施の形態では、オゾン分解触媒と硝酸吸着剤との混合物から形成される混合ユニットを冷却風路４内に配置し、この混合ユニットに冷却空気を通過させることによって、実施の形態３の場合と同様にオゾン及び硝酸の濃度を低減することができる。特に、混合ユニットのみでこれが実現されることから、構成を簡素化することが可能になる。
実施の形態３で説明したように、部分放電で生じる硝酸濃度はオゾン濃度の１０％程度以下であることから、混合ユニットにおいても、オゾン分解触媒の割合を９０％以上とし、残りを硝酸吸着剤とすることが好ましい。これにより、硝酸発生量を大幅に抑制した上で、残存する微量の硝酸を効率的に吸着除去することができる。
【００４０】
混合ユニットとしては、特に限定されないが、例えば、一つのハニカム構造体の一部にオゾン分解触媒である二酸化マンガン系触媒を添着し、残りの部分に硝酸吸着剤である活性炭を添着したものを用いることができる。或いは、硝酸吸着剤である活性炭の表面にオゾン分解触媒である二酸化マンガン系触媒を担持したものを用いても良い。ただし、オゾン分解触媒及び硝酸吸着剤は、それぞれオゾン分解機能と硝酸吸着機能を有するものであれば特に限定されない。また、混合ユニットは、数種類の混合ユニットを組み合わせたものであっても構わない。
本実施の形態の方法において、混合ユニットを通過した後の冷却空気中のオゾン濃度は、混合ユニットを通過する前の冷却空気中のオゾン濃度の１０％以上９０％以下であることが好ましい。このような範囲であれば、硝酸の発生を十分に抑制することが可能である。
本実施の形態の方法が適用される空気冷却式タービン発電機では、混合ユニットに含まれるオゾン分解触媒によって発生したオゾンを分解することで硝酸の発生を抑制することができる。また、発生した微量の硝酸を混合ユニットに含まれる硝酸吸着剤によって吸着除去することで、その濃度をさらに低減することができる。さらに、この空気冷却式タービン発電機では、実施の形態３の場合のようにオゾン分解ユニット７及び硝酸吸着ユニット１０を独立に設ける必要が無いことから、構成を簡素化することもできる。
【００４１】
実施の形態６．
図１１は、本実施の形態の方法を適用した空気冷却式タービン発電機の断面図である。なお、本実施の形態の空気冷却式タービン発電機の基本的な構成は、実施の形態１の空気冷却式タービン発電機の構成と同一であるため、同一部分は同一の符号を付して説明を省略する。
図１１において、空気冷却式タービン発電機は、循環風路４内を流れる冷却空気の一部を迂回させるバイパス風路１２に硝酸除去ユニット１１を備えている。バイパス風路１２には、硝酸除去ユニット１１の前後にバルブ１４ａ及び１４ｂが配置されており、硝酸除去ユニット１１とバルブ１４ａ及び１４ｂとの間には分岐した再生風路１３が形成されている。そして、再生風路１３にはバルブ１５ａ及び１５ｂが配置されている。
【００４２】
硝酸除去ユニット１１としては、硝酸を除去し得るものであれば特に限定されず、上記の硝酸吸着ユニット１０を用いることができる。また、硝酸吸着ユニット１０以外にも、スクラバーなどを用いて硝酸を水に除去させる手段を用いてもよい。
なお、冷却空気中の硝酸濃度が十分に低く、硝酸除去ユニット１１の性能が長期間低下しない場合には、再生風路１３、バルブ１４ａ、１４ｂ、１５ａ及び１５ｂを設ける必要はない。硝酸除去ユニット１１の再生の機会が少なく、硝酸除去ユニット１１を交換した方が安価になるためである。
【００４３】
実施の形態３で説明したように、湿潤した冷却空気中で部分放電が生じると、水分子が電子衝突によって解離し、形成されたＯＨとＮＯ2とが反応して硝酸が生成されるが、この硝酸の量はオゾンの量と比べると非常に少ない。そこで、循環風路４内を流れる冷却空気の一部を迂回させるバイパス風路１２に設置された硝酸除去ユニット１１に冷却空気を通過させることによって硝酸濃度を低減させることができる。
【００４４】
次に、本実施の形態の方法が適用される空気冷却式タービン発電機の動作について説明する。この空気冷却式タービン発電機では、バルブ１４ａ及び１４ｂを開くと共にバルブ１５ａ及び１５ｂを閉じ、循環風路４内の冷却空気をファン５によって循環させることによって、ファン５前後の圧力差によって冷却空気の一部をバイパス風路１２に引き込む。そして、バイパス風路１２に引き込まれた冷却空気は、バイパス風路１２に配置された硝酸除去ユニット１１を通過し、その際に冷却空気中の硝酸が除去される。また、硝酸除去ユニット１１の硝酸除去能力が低下した場合、バルブ１４ａ及び１４ｂを閉じると共にバルブ１５ａ及び１５ｂを開く。そして、再生風路１３から高温空気を供給することで、硝酸除去ユニット１１を再生させる。硝酸除去ユニット１１の再生が終了した後、バルブ１４ａ及び１４ｂを開くと共にバルブ１５ａ及び１５ｂを閉じ、循環風路４内の冷却空気をファン５によって循環させることによって、冷却空気中の硝酸の吸着を再開させる。
【００４５】
なお、バイパス風路１２に導入される冷却空気の量が多すぎると冷却性能が低下し、バイパス風路１２に導入される冷却空気の量が少なすぎると所望の硝酸濃度の低減効果が得られないことがある。そのため、装置の構成、冷却空気中に存在する硝酸濃度、要求される冷却能力や硝酸除去量などに応じて、バイパス風路１２に導入される冷却空気の量を調整することが好ましい。
また、上記では硝酸除去ユニット１１の再生に高温空気を用いているが、硝酸除去ユニット１１を再生する手段は、これに限定されない。硝酸除去ユニット１１を再生する手段としては、硝酸除去ユニット１１を再生し得る媒体を用いることができ、例えば、硝酸を含まない室温程度の空気、水蒸気、水などを用いることができる。
【００４６】
本実施の形態の方法が適用される空気冷却式タービン発電機では、発生したオゾンをオゾン分解ユニット７によって分解すると共に硝酸の発生を抑制し、且つ発生した硝酸を硝酸除去ユニット１１によって除去することができるため、冷却空気中のオゾン濃度及び硝酸濃度を大幅に低減することが可能となる。これにより、この空気冷却式タービン発電機では、金属部材の腐食や有機材料の劣化を抑制することができる。
また、この空気冷却式タービン発電機では、硝酸除去ユニット１１の再生ができるため、実施の形態３のような硝酸吸着ユニット１０の交換が必要ない。さらに、この空気冷却式タービン発電機では、ファン５前後の圧力差によって冷却空気の一部をバイパス風路１２に引き込むことができるため、ブロアなどの動力源を用いる必要もない。
【００４７】
実施の形態７．
図１２は、本実施の形態の方法を適用した空気冷却式タービン発電機の断面図である。なお、本実施の形態の空気冷却式タービン発電機の基本的な構成は、実施の形態１の空気冷却式タービン発電機の構成と同一であるため、同一部分は同一の符号を付して説明を省略する。
図１２において、空気冷却式タービン発電機は、循環風路４内に直流電源１７に接続された帯電板１６を備えている。
【００４８】
部分放電によって生成される硝酸は、水素原子が解離し、負の電荷を持つ硝酸イオン（ＮＯ3-）の形で冷却空気中に存在することがある。そこで、この空気冷却式タービン発電機では、直流電源１７によって帯電板１６を正に帯電させ、この帯電板１６を循環風路４内を流れる冷却空気と接触させることによって、硝酸イオンを帯電板１６に静電気的に吸着させる。これにより、循環風路４内を流れる冷却空気中の硝酸濃度をより一層低減させることが可能となる。
【００４９】
帯電板１６としては、特に限定されないが、アルミニウム、鉄、銅、ステンレスなどの金属材料；活性炭；アルミナセラミックなどの内部に導電層を有する絶縁材料などが挙げられる。例えば、アルミニウム、鉄、銅のような金属材料を用いた場合、吸着された硝酸イオンによって腐食され、帯電板１６自身が犠牲となることにより、長期間にわたって装置内の他の金属部品の腐食を抑制できる。また、ステンレスのような金属材料を用いた場合、吸着された硝酸イオンによる腐食は緩やかであるため、定期的に取り外して洗浄することで、長期間にわたって連続的に使用することができる。さらに、アルミナセラミックなどの絶縁材料を用いた場合、硝酸塩の生成が起こらないため、冷却空気を清浄に保つことができる。
なお、この空気冷却式タービン発電機では、固定子３と空気冷却器６との間の循環風路４内に帯電板１６が配置されているが、この帯電板１６の位置は限定されない。帯電板１６の位置は、循環風路４の構造などを考慮して適宜決定すればよい。また、帯電板１６の大きさも特に限定されず、発生する硝酸イオンの量などを考慮して適宜決定すればよい。
【００５０】
本実施の形態の方法が適用される空気冷却式タービン発電機では、発生したオゾンをオゾン分解ユニット７によって分解することで硝酸の発生を抑制し、且つ正に帯電した帯電板１６によって硝酸イオンを静電気的に吸着することができるため、冷却空気中の硝酸濃度を大幅に低減することが可能となる。これにより、この空気冷却式タービン発電機では、金属部材の腐食を抑制することができる。また、硝酸の除去に帯電板１６を利用しているため、圧力損失も少ない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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