(57)【要約】【課題】低温低圧の水蒸気であっても、簡易かつ効率よく回転エネルギーに変換して発電することが可能な復水利用蒸気発電装置を提供する。【解決手段】燃焼室１１と蓄水部１２とで構成されて水蒸気を発生し得るボイラー１３の上部側に、蓄水部１２から送り出される水蒸気を回転力に変換するタービン１４が配置される。タービン１４はハウジング１５と回転可能に納められた一対の楕円歯車１６とで構成され、水蒸気がハウジング１５の内壁面と一対の楕円歯車１６との間に送られて回転し、楕円歯車１６の回転軸１７に連結された発電機２０が発電する。タービン１４の上側部分に、水蒸気を空冷して復水とする復水器２１が配置され、ハウジング１５外に排出された水蒸気が復水器２１で冷却されて復水となり、経路１８Ｂから滴下してボイラー１３内に戻される。このため、水蒸気を大気中に開放するよりも長時間の運転が可能になる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水蒸気を発生し得るボイラーと、
ボイラーの上部側に位置して、ボイラーから送られた水蒸気を冷却して復水とする復水器と、
ボイラーと復水器との間に配置され、かつ、ボイラー側と復水器側との間を繋いで水蒸気及び復水を通過させる経路を有したハウジングと、
ハウジング内で回転可能に支持され、ハウジングの上部に設置された経路の下側にて相互に噛み合わされる一対の楕円歯車と、
一対の楕円歯車の回転力が伝達されて発電し得る発電機と、
を含む復水利用蒸気発電装置。
【請求項２】
ハウジングの内壁面と一対の楕円歯車との間の隙間が、運転開始時の隙間を２０μｍ〜３０μｍになる材質の組み合わせにより、ハウジングおよび一対の楕円歯車が形成される請求項１記載の復水利用蒸気発電装置。
【請求項３】
熱を蓄える蓄熱体が、ボイラー内に存在している請求項１または２記載の復水利用蒸気発電装置。
【請求項４】
前記一対の楕円歯車の相互に噛み合わされる部分に、復水を通過させる隙間が存在する請求項1から３のいずれかに記載の復水利用蒸気発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、比較的低温低圧力の水蒸気であっても、簡易かつ効率よく回転エネルギーに変換して発電することが可能な復水利用蒸気発電装置に関するものである。特に、本発明に係る復水利用蒸気発電装置は、災害時の運用に好適な発電装置である。
【０００２】
災害時に運用可能な発電機として、太陽光発電、風力発電やガソリンエンジン発電機等があげられる。しかしながら、太陽光発電及び風力発電は天候等の発電環境に影響され、発電量にばらつきがあり、必要十分な電力が得られない。また、ガソリンなどの化石燃料による発電機の発電量は大きいものの連続運転時間に限界があり、かつ、災害時においてはガソリンの入手が困難であるため、災害時の運用は困難とされている。
【０００３】
この一方、発電機として水蒸気によるタービン発電が知られている。この水蒸気によるタービン発電は、高温・高圧の水蒸気をタービンブレードに吹き付けることで、水蒸気圧力エネルギーを、回転運動へと変換するものである。このため、水蒸気によるタービン発電の運用に際しては蒸気が得られればよく、水蒸気を得る手段は何でもよく、燃料の選択肢が広い利点を有している。
【０００４】
しかしながら、下記の特許文献１、２のような水蒸気式タービンの発電機は、高温・高圧の蒸気を発生させるものが一般的で、特に小型とされる蒸気タービンであっても、５００〜６００℃、１０〜２０ＭＰa程度の水蒸気が用いられ、１５〜２０ＭＷ程度の出力とされている。従って、水蒸気によるタービン発電の多くは大規模な設備となり、運搬等が困難であるだけでなく燃料を多量に消費することから、災害時の運用は困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−２０７５４２
【特許文献２】特開２００８−２８０９７４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように災害時には、運搬可能であり、比較的小さい発電量であっても長時間安定的に運用可能な発電装置が求められている。このため、上述の水蒸気式タービンの発電機を簡素化して装置全体を小型化し、低温低圧の水蒸気で運転することも考えられるが、水蒸気式タービンの発電機のタービンを単に小型化して低温低圧の水蒸気により回転させ、エネルギーを得ることは困難である。
【０００７】
本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、低温低圧の水蒸気であっても、簡易かつ効率よく回転エネルギーに変換して発電することが可能な復水利用蒸気発電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】
上記課題を解決した請求項１記載の発明は、水蒸気を発生し得るボイラーと、ボイラーの上部側に位置して、ボイラーから送られた水蒸気を冷却して復水とする復水器と、ボイラーと復水器との間に配置され、かつ、ボイラー側と復水器側との間を繋いで水蒸気及び復水を通過させる経路を有したハウジングと、ハウジング内で回転可能に支持され、ハウジングの上部に設置された経路の下側にて相互に噛み合わされる一対の楕円歯車と、一対の楕円歯車の回転力が伝達されて発電し得る発電機と、を含む復水利用蒸気発電装置である。
【０００９】
請求項１に係る復水利用蒸気発電装置によれば、外部加熱式ボイラーを用いて水蒸気を発生させ、その水蒸気圧力をハウジング内に支持された一対の楕円歯車の吸入口（Suction側）に導くことにより、楕円歯車が回転し始め、蒸気量の増加に伴って出力軸の回転力が増して発電機に伝達される。この場合、回転力は直結された発電機による起電力と摺動部の摩擦抵抗力と拮抗している。ここで、摺動部とは、楕円歯車の回転軸と軸受の間や、楕円歯車の側部とハウジングの内壁面との間の部分である。
また、ハウジングを通過した水蒸気は、復水器により水に変化して、ハウジング内を通過してボイラーに戻る。
【００１０】
従って、上記一対の楕円歯車を用い、ボイラーからハウジング内の吸入部に送り込まれる水蒸気が、これら楕円歯車とハウジングとの間を通過するのに伴い、楕円歯車が回転することで、発電機が発電する。さらに、この水蒸気は復水器により冷却されて復水とされ、ハウジングの上部に設置された経路を介してこの復水がハウジング内の排出口（Delivery側）に入るが、一対の楕円歯車が、ハウジングの上部に設置された経路の下側にて相互に噛み合わされているので、この相互に噛み合わされる部分に復水が滴下されて、ボイラー内に戻される。このため、水蒸気を大気中に開放するよりも長時間の運転が可能になる。
【００１１】
以上より、本請求項の復水利用蒸気発電装置によれば、低温低圧の水蒸気であっても、簡易かつ効率よく回転エネルギーに変換して発電することが可能となる。
【００１２】
請求項２の発明は、ハウジングの内壁面と一対の楕円歯車との間の隙間が、運転開始時の隙間を２０μｍ〜３０μｍになる材質の組み合わせにより、ハウジングおよび一対の楕円歯車が形成される請求項１記載の復水利用蒸気発電装置である。つまり、ハウジングの内壁面と楕円歯車の隙間を可能な限り小さくすることで大きな回転力が発生する。従って、蒸気は100℃以上になることから線膨張係数の大きな材料を用いる場合は常温時に適宣な隙間を設ける必要がある。従って、適切な材質の組み合わせにより、ハウジングおよび一対の楕円歯車を形成させることで、温度上昇による膨張によりハウジングの内壁面との隙間は適切に保たれるため、蒸気圧による漏れが減り回転力が増す。
【００１３】
請求項３の発明は、ボイラー内に熱を蓄える蓄熱体が存在している請求項１から２のいずれかに記載の復水利用蒸気発電装置である。ボイラー内に熱を蓄える蓄熱体が存在することで、復水の流入による温度低下の影響を抑えるだけでなく、ボイラーへの燃料の供給が停止したりしてボイラーの火力が弱くなった場合でも、蓄熱体内に存在する熱量によりすぐに発電が停止することが無くなる。
【００１４】
請求項４の発明は、前記一対の楕円歯車の相互に噛み合わされる部分に、復水を通過させる隙間が存在する請求項1から３のいずれかに記載の復水利用蒸気発電装置である。復水を通過させるための隙間が楕円歯車の噛み合わされる部分に存在することで、復水が確実にこの部分を通過できるようになり、復水器によって戻された水を有効利用することができる。  
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、低温低圧の水蒸気であっても、簡易かつ効率よく回転エネルギーに変換して発電することが可能な復水利用蒸気発電装置が提供されるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施の形態に係る復水利用蒸気発電装置の斜視図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る復水利用蒸気発電装置の要部概念図（但し、運転制御バルブは省略する）である。
【図３】図２の要部拡大図である。
【図４】本発明の一実施の形態に係る復水利用蒸気発電装置により充電する際のブロック図である。
【図５】本発明に係る復水利用蒸気発電装置の変形例の楕円歯車の刃先を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明に係る復水利用蒸気発電装置の一実施の形態を、以下に図面を参照しつつ説明する。
図１および図２に示すように、本実施の形態に係る復水利用蒸気発電装置１０の下部側部分を木材等の燃料Ｎを燃やすための円筒形に形成された燃焼室１１が構成し、この燃焼室１１の上部に球形状に形成にされて内部に水が貯められる蓄水部１２が配置されている。但し、この蓄水部１２内には、熱を蓄えるための蓄熱体１２Ａが図２に示すように存在している。従って、これら燃焼室１１と蓄水部１２とで、水蒸気を発生し得る外部加熱式ボイラーであるボイラー１３が構成され、上記の蓄熱体１２Ａにより蓄水部１２内の水は冷めにくい構造になっている。また、このボイラー１３の蓄水部１２の材質としては、錆の発生が少なく、耐久性に優れたステンレスを採用している。
【００１８】
このボイラー１３の上部側には、燃焼室１１での燃焼により加熱されて蓄水部１２から送り出される水蒸気Ｓを回転力に変換するためのタービン１４が、配管１９を介して配置されている。このタービン１４は、アルミニウム等の金属材料により箱状に形成されたハウジング１５とこのハウジング１５内に回転可能に納められたポリアミドイミド樹脂等の合成樹脂製の図２に示す一対の楕円歯車１６とで構成されている。
【００１９】
このハウジング１５の上下部分には、水蒸気Ｓが通過し得る経路１８Ａ、１８Ｂが一対の楕円歯車１６の回転軸１７の間とされる位置に、形成されている。配管１９により構成されかつ一対の楕円歯車１６の吸入口（Suction側）とされるこの経路１８Ａを介して、水蒸気Ｓが蓄水部１２からハウジング１５の内壁面と一対の楕円歯車１６との間に送られて、一対の楕円歯車１６が回転し、経路１８Ｂからハウジング１５外に排出されることになる。この際、水蒸気Ｓにより熱せられて熱膨張しても、問題なく一対の楕円歯車１６を回転させる必要がある。
【００２０】
このため、例えば上記の材質を用いて、ハウジング１５を約１０ｃｍ角の大きさとし、楕円歯車１６の最大直径を平時３１．３５ｍｍとしたときには、動作時に楕円歯車１６の最大直径が０．０６ｍｍ大きくなって３１．４１ｍｍとなった。つまり、一対の楕円歯車１６の材質を上記のように選定することでこのような熱膨張となることから、このハウジング１５の内壁面と一対の楕円歯車１６との隙間Ｇは、運転開始時の隙間を２０μｍ〜３０μｍにすることで、蒸気による楕円歯車の膨張が生じても回転を阻害することなく発電することができる。
【００２１】
これら一対の楕円歯車１６の中心軸とされる回転軸１７のうちの一方の回転軸１７は、ハウジング１５の外側に固定されている発電機２０に連結されていて、この回転軸１７を介して、この発電機２０に一対の楕円歯車１６の回転力が伝達されて発電するようになっている。また、ボイラー１３の上部側とされるこのタービン１４の上側部分には、運転制御をするための運転制御バルブ２６が配置されると共に、ボイラー１３から送られた水蒸気Ｓを空冷して復水Ｗとする復水器２１が、経路１８Ｂを構成する配管２５に支持されて、配置されている。そして、この経路１８Ｂが一対の楕円歯車１６からの排出口（Delivery側）とされることになる。
【００２２】
この復水器２１は、図２に示す上下にそれぞれ存在する集配室２２Ａ、２２Ｂとこれら集配室２２Ａ、２２Ｂ間を上下に繋ぐアルミニウム製とされる複数の冷却パイプ２３とを有している他、水蒸気Ｓを外部に排出するための排気管２４が上側に取り付けられた構造とされている。従って、タービン１４側から送られる水蒸気Ｓは、集配室２２Ａ、２２Ｂを介して、垂直に延びるように並べられた複数の冷却パイプ２３に送られ、外気への放熱により結露して一部が復水Ｗとなり、残りの部分が排気管２４を介して外部に放出される。
【００２３】
他方、この復水器２１により水蒸気Ｓが冷却されて水となった復水Ｗは、集配室２２Ａで集められてある程度質量が大きくなってから、配管２５を下降してボイラー１３と復水器２１との間に配置されたタービン１４のハウジング１５内の上側の経路１８Ｂに戻る。この際、これら一対の楕円歯車１６の噛み合い部分には、復水Ｗが通過し得る程度のすきまである図３に示すようなギャップＧ１が存在している。
【００２４】
この後、この復水Ｗはハウジング１５の下側の経路１８Ａを通過してボイラー１３の蓄水部１２に戻されることになる。このことから本実施の形態では、ボイラー１３側と復水器２１側との間を繋いだハウジング１５内の経路１８Ａ、１８Ｂに同時に水蒸気Ｓ及び復水Ｗが通過することになる。
【００２５】
この一方、図１に示すように、蓄水部１２には、この蓄水部１２内の圧力が過大になることを防止するために所定圧になると解放される圧力解放バルブ２８及びこの圧力解放バルブ２８に繋がる圧力解放管３０の他、蓄水部１２内の圧力を検出するボイラー内圧計２９が取り付けられている。このため、蓄水部１２が過熱した場合でも、蓄水部１２の内圧が所定圧以上になることがないと共に、目視による内圧の監視が可能となる。
【００２６】
次に、本実施の形態に係る復水利用蒸気発電装置１０の作用を以下に説明する。
本実施の形態に係る復水利用蒸気発電装置１０によれば、水蒸気Ｓを発生し得ると共に熱を蓄える蓄熱体１２Ａを有するボイラー１３から送られた水蒸気Ｓを復水器２１が冷却して復水Ｗとする。ボイラー１３とこのボイラー１３の上部側に位置する復水器２１との間にアルミニウム製のハウジング１５が配置され、このハウジング１５が、ボイラー１３側と復水器２１側との間を繋ぐ経路１８Ａ、１８Ｂを有しているので、水蒸気Ｓ及び復水Ｗがこの経路１８Ａ、１８Ｂ内を通過する。また、相互に噛み合わされる合成樹脂材製の一対の楕円歯車１６がハウジング１５内で回転することで、タービン１４が形成され、楕円歯車１６の回転力が発電機２０に伝達されて、この発電機２０が発電する構造とされている。
【００２７】
従って、図２に示すように、一対の楕円歯車１６を用い、ボイラー１３からハウジング１５内に送り込まれる水蒸気Ｓが、これら楕円歯車１６とハウジング１５との間を通過するのに伴い、楕円歯車１６が回転することで、発電機２０が発電する。さらに、この水蒸気Ｓは復水器２１により冷却されて復水Ｗとされ、ハウジング１５の上部に設置された経路１８Ｂを介してこの復水Ｗがハウジング１５内に入る。但し、一対の楕円歯車１６が、ハウジング１５の上部に設置された経路１８Ｂの下側にて相互に噛み合わされている。このため、この相互に噛み合わされる部分に復水Ｗが滴下されて、この噛み合わされている部分に存在する図３に示す隙間であるギャップＧ１内を復水Ｗが確実に通過する。
【００２８】
以上より、本実施の形態の復水利用蒸気発電装置１０は、ボイラー１３において発生した水蒸気Ｓが楕円歯車１６を回転するために利用されると共に水蒸気Ｓを冷却して生じた復水Ｗをボイラー１３に戻すように循環する構造となるが、この際に一つの流路である経路１８Ａ、１８Ｂに水蒸気Ｓと復水Ｗを同時に通す簡易な構造とされる。これに伴い、本実施の形態によれば、低温低圧の水蒸気Ｓであっても効率よく回転エネルギーに変換して発電することが可能ともなる。
【００２９】
また、本実施の形態では、ボイラー１３を構成する蓄水部１２内の蓄熱体１２Ａに存在する熱量により、復水Ｗの流入による温度低下の影響を抑えるだけでなく、ボイラー１３への燃料の供給が停止したりしてボイラー１３の火力が弱くなった場合でも、すぐに回転が停止することがなく、長時間の発電を維持することができる。
【００３０】
他方、本実施の形態では、ハウジング１５がアルミニウムにより形成されると共に一対の楕円歯車１６が合成樹脂材により形成されるのに伴い、ハウジング１５の内壁面と一対の楕円歯車１６との間の初期の隙間Ｇは２０μｍ〜３０μｍになるように設定した。つまり、このような適切な材質の組み合わせでハウジング１５および一対の楕円歯車１６を形成することにより、上記の隙間Ｇは水蒸気Ｓにより楕円歯車１６が膨張しても、ハウジング１５の内壁面と一対の楕円歯車１６とが接触しないので、これら楕円歯車１６が問題なく回転して、確実に発電できるようになる。
【００３１】
次に、本実施の形態の復水利用蒸気発電装置１０を用いた実験について説明する。
図４に示すように、本実施形態の発電機２０に、電圧上昇回路４１と充電補助回路４２からなる充電回路４０を接続して、この充電回路４０を介して蓄電池４３に充電をする実験を行った。具体的には、本実施の形態の復水利用蒸気発電装置１０において、発電機２０にツカサ電工のＴＧ−０５Ｋ−ＳＵ（１２Ｖ−１Ａ)を用い、全容量１０リットルの蓄水部１２に対し５リットルの水を注入し、木材を燃焼材として実験を行ったところ、以下の結果が得られた。
【００３２】
（動作条件：実測値）
始動圧力：１０ＫＰａ
定常運転圧力：７．５ＫＰａ
定常運転圧力の無負荷回転数：１４４０ｒｐｍ
定常運転圧力の静止トルク：４９ｍＮ・ｍ
【００３３】
以上の実験結果より、災害時のようにガソリンや軽油等の燃料の入手の困難な場合であっても、本実施の形態に係る復水利用蒸気発電装置１０によれば、入手容易な木材等を燃料として燃焼することにより、簡易に発電可能であることが確認された。そして、本実施の形態の復水利用蒸気発電装置１０では、水蒸気の温度が例えば１１０℃以下の低温度であっても、７．５ＫＰａの定常運転圧力を得ることが可能となり、また、タービン１４が１０ｃｍ角であることから可搬性に優れているという利点を有することになる。
【００３４】
次に、本発明に係る復水利用蒸気発電装置の変形例の楕円歯車１６の刃先を図５に示し、この図に基づき本変形例を説明する。
この図５に示すように、本変形例の一対の楕円歯車１６の歯面部１６Ａ間の底には、円筒形状の空間部分である復水液溜まり部１６Ｂがそれぞれ形成されている。従って、ハウジング１５内に入った復水Ｗが、一対の楕円歯車１６の隙間となるこの復水液溜まり部１６Ｂに一旦入った状態で、噛み合わされている箇所を通り抜けて、復水Ｗが確実に通過する。
【００３５】
なお、上記実施の形態で用いられる燃料Ｎとしては、災害時においても調達可能な木材の破材や枝木、紙又はバイオチップ等が考えられる。また、蓄水部１２を加熱するために、燃焼室１１内にカセットコンロ等の加熱器具を設置しても良い。
【００３６】
さらに、前述のようにハウジング１５及び楕円歯車１６は水蒸気Ｓにより加熱されて熱膨張が発生することが予測される。このため、上記実施の形態では、ハウジング１５の材質には、比較的熱膨張係数が小さく、蒸気に対して腐食しにくいアルミニウム合金とするが、特にジュラルミン等のアルミニウム合金としても良い。また、楕円歯車１６の材質には、軽量で耐熱性及び耐摩耗性の高いポリアミドイミド樹脂やポリアミド樹脂等の合成樹脂としたが、ハウジング１５と同じ材質のアルミニウム等の金属材としても良い。
【００３７】
上記実施の形態では、金属管である冷却パイプ２３内から滴下した復水Ｗは配管２５を介して、タービン１４のハウジング１５に流入し、配管１９を通過してボイラー１３の蓄水部１２に回収される。そして、前述の一連の循環動作が繰り返されるが、復水Ｗを配管２５に確実に導くために、配管２５の接続される復水器２１の下部の集配室２２Ａに配管２５に向かって低くなるように傾斜を設けることが考えられる。また、ハウジング１５の上部に設置された経路１８Ｂの下端を漏斗状に形成して、一対の楕円歯車１６の相互に噛み合わされた部分に確実に復水Ｗが滴下するようにしても良い。
この一方、復水器を高性能なものに変更することで、全ての水蒸気Ｓを復水Ｗにすることも可能となるが、この場合には排気管２４は不要となる。
【００３８】
以上、本発明に係る実施の形態を説明したが、本発明は係る実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、災害時に簡易に発電するために用いられる発電装置に適用可能となる。
【符号の説明】
【００４０】
１０    復水利用蒸気発電装置
１１    燃焼室
１２    蓄水部
１２Ａ    蓄熱体
１３    ボイラー
１４    タービン
１５    ハウジング
１６    楕円歯車
１７    回転軸
１８Ａ、１８Ｂ    経路
２０    発電機
２１    復水器
２３    冷却パイプ
２８    圧力解放バルブ
Ｎ    燃料
Ｗ    復水
Ｓ    水蒸気
【図１】
2014218993.tif 000003
【図２】
2014218993.tif 000004
【図３】
2014218993.tif 000005
【図４】
2014218993.tif 000006
【図５】
2014218993.tif 000007