(57)【要約】【課題】ヘリウムガスの損失を防ぐこと。【解決手段】圧力容器3の出口部3bの外部で回転軸6の延在方向に沿って圧力容器3側から順に配置される第１から第Ｎの少なくとも３個の容積部21,22,23と、圧力容器3と第１容積部21との間、第２容積部（第N-1容積部）22と第Ｎ容積部23の間、および第Ｎ容積部23とその外部との間を回転軸6の位置で少量のガスを通過させることで封止しつつ回転軸6の回転を許容する各シール部31,32,33,34と、圧力容器3の出口部3bの作動用ヘリウムガスの圧力P1よりも高い圧力P2の封止用ヘリウムガスHを第１容積部21に供給する封止ガス供給装置41と、第１容積部21から第２容積部22の順に内部の圧力を低くする圧力調整装置51と、第２容積部22の圧力P3よりも第Ｎ容積部23の圧力P4を低くするように第Ｎ容積部23から混合ガスMを吸引して回収する回収装置61と、回収装置61で回収した混合ガスMから封止用ヘリウムガスHを分離する分離装置71と、備える。【選択図】図３
2019044833.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動用ヘリウムガスが供給される圧力容器を内部と外部とに貫通する回転軸の貫通部にて前記作動用ヘリウムガスを封止する軸封装置であって、
前記圧力容器の外部で前記回転軸の延在方向に沿って前記圧力容器側から順に配置される第１から第Ｎの少なくとも３個の容積部と、
前記圧力容器と第１の前記容積部との間、各前記容積部の間、および第Ｎの前記容積部とその外部との間を前記回転軸の位置で少量のガスを通過させることで封止しつつ前記回転軸の回転を許容する各シール部と、
前記圧力容器の内部の前記作動用ヘリウムガスの圧力よりも高圧の封止用ヘリウムガスを第１の前記容積部に供給する封止ガス供給装置と、
第１の前記容積部から第Ｎ−１の前記容積部の順に内部の圧力を低くする圧力調整装置と、
第Ｎ−１の前記容積部の内部の圧力よりも第Ｎの前記容積部の内部の圧力を低くするように第Ｎの前記容積部からガスを吸引して回収する回収装置と、
前記回収装置で回収したガスからヘリウムガスを分離する分離装置と、
を備える軸封装置。
【請求項２】
前記分離装置で分離した前記ヘリウムガスを前記封止ガス供給装置に送るヘリウムガス送出装置を備える請求項１に記載の軸封装置。
【請求項３】
第Ｎの前記容積部の外部に配置した第Ｍ容積部と、
第Ｎの前記容積部と第Ｍの前記容積部との間、および第Ｍの前記容積部とその外部との間を前記回転軸の位置で少量のガスを通過させることで封止しつつ前記回転軸の回転を許容する各シール部と、
第Ｍの前記容積部に供給する回収ガス供給装置と、
をさらに備える請求項１または２に記載の軸封装置。
【請求項４】
前記回収ガス供給装置は、前記回収用ガスに窒素ガスを用いる請求項３に記載の軸封装置。
【請求項５】
前記分離装置で分離した前記回収用ガスを前記回収ガス供給装置に送る回収ガス送出装置を備える請求項４に記載の軸封装置。
【請求項６】
前記回収ガス供給装置は、第Ｍの前記容積部の外部および第Ｎの前記容積部の圧力よりも高圧の前記回収用ガスを第Ｍの前記容積部に圧送する圧送装置を有する請求項４または５に記載の軸封装置。
【請求項７】
前記圧力容器と第１の前記容積部との間を封止する前記シール部、および第Ｎの前記容積部とその外部との間を封止する前記シール部がラビリンスシールで構成され、他の各前記シール部がドライガスシールで構成される請求項１または２に記載の軸封装置。
【請求項８】
前記圧力容器と第１の前記容積部との間を封止する前記シール部、第Ｎの前記容積部と第Ｍの前記容積部との間を封止する前記シール部、および第Ｍの前記容積部とその外部との間を封止する前記シール部がラビリンスシールで構成され、他の各前記シール部がドライガスシールで構成される請求項３〜６のいずれか１つに記載の軸封装置。
【請求項９】
前記分離装置は、膜分離器の後にコールドトラップ分離器を直列に接続してなる請求項１〜８のいずれか１つに記載の軸封装置。
【請求項１０】
前記分離装置は、膜分離器の後に圧力変動吸着分離器を直列に接続してなる請求項１〜８のいずれか１つに記載の軸封装置。
【請求項１１】
ヘリウムガスを加熱するガス炉と、
加熱されたヘリウムガスが内部に供給される圧力容器と、
前記圧力容器の内部に配置されて供給されたヘリウムガスによって回転するタービンと、
前記圧力容器の外部に配置されて前記圧力容器を貫通する回転軸によって前記タービンと軸結された発電機と、
前記回転軸が前記圧力容器を貫通する貫通部に配置されて前記回転軸の回転を許容しつつ前記貫通部を通して前記圧力容器の外部へのヘリウムガスの漏出を防止する軸封装置と、
を備え、前記軸封装置は、請求項１〜１０のいずれか１つに記載の軸封装置が適用されているタービン発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸封装置およびタービン発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、タービン発電システムおよび軸封装置について開示されている。タービン発電システムは、ヘリウムガスを加熱するガス炉と、加熱されたヘリウムガスが内部に供給される圧力容器と、圧力容器の内部に配置されて供給されたヘリウムガスによって回転するタービンと、圧力容器の外部に配置されて圧力容器を貫通する回転軸によってタービンと軸結された発電機と、回転軸が圧力容器を貫通する貫通部に配置されて回転軸の回転を許容しつつ貫通部を通して圧力容器の外部へのヘリウムガスの漏出を防止する軸封装置と、を備えている。
【０００３】
また、軸封装置は、圧力容器と、回転軸と、第１から第３容積部と、圧力容器と第１容積部との間、第１容積部と第２容積部との間、第２容積部と第３容積部との間を封止しつつ回転軸が回転自在であるように回転軸の外周部にそれぞれ設けられた第１から第３のドライガスシールと、第３容積部と圧力容器の外部との間を封止しつつ回転軸が回転自在であるように回転軸の外周部に設けられたラビリンスシールと、を備えている。そして、第１容積部にヘリウムガスを供給して第１容積部の内部の圧力Ｐ１を圧力容器の内部のヘリウムガスの圧力Ｐ２よりも高くし、第２容積部の内部の圧力Ｐ３を圧力Ｐ１よりも低くし、第３容積部の内部の圧力Ｐ４を圧力Ｐ３および圧力容器の外部の圧力Ｐａよりも低くする。第１容積部に供給したヘリウムガスの圧力Ｐ１により圧力容器の内部の圧力Ｐ２のヘリウムガスが第１のドライガスシールを通過して第１容積部に漏れることを防止する。また、第２のドライガスシールを通過して第１容積部から第２容積部に至るヘリウムガスを第２容積部から第１容積部に戻すことでヘリウムガスを回収する。また、第３のドライガスシールを通過して第２容積部から第３容積部に至る少量のヘリウムガスおよびラビリンスシールを通過して第３容積部に至る空気を第３容積部から回収して圧力容器の外部のガス処理装置へ送る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−０２２８７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した特許文献１に記載の軸封装置では、第３のドライガスシールを通過して第２容積部から第３容積部に至る少量のヘリウムガスが空気と共にガス処理装置へ送られることから、軸封装置内のヘリウムガスが徐々に減少して損失することになる。このため、第１容積部に供給するヘリウムガスを常に追加しなければならずランニングコストが嵩む問題がある。
【０００６】
本発明は上述した課題を解決するものであり、ヘリウムガスの損失を防ぐことのできる軸封装置およびタービン発電システム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】
【０００７】
上述の目的を達成するために、本発明の一態様に係る軸封装置は、作動用ヘリウムガスが供給される圧力容器を内部と外部とに貫通する回転軸の貫通部にて前記作動用ヘリウムガスを封止する軸封装置であって、前記圧力容器の外部で前記回転軸の延在方向に沿って前記圧力容器側から順に配置される第１から第Ｎの少なくとも３個の容積部と、前記圧力容器と第１の前記容積部との間、各前記容積部の間、および第Ｎの前記容積部とその外部との間を前記回転軸の位置で少量のガスを通過させることで封止しつつ前記回転軸の回転を許容する各シール部と、前記圧力容器の内部の前記作動用ヘリウムガスの圧力よりも高圧の封止用ヘリウムガスを第１の前記容積部に供給する封止ガス供給装置と、第１の前記容積部から第Ｎ−１の前記容積部の順に内部の圧力を低くする圧力調整装置と、第Ｎ−１の前記容積部の内部の圧力よりも第Ｎの前記容積部の内部の圧力を低くするように第Ｎの前記容積部のガスを吸引して回収する回収装置と、前記回収装置で回収したガスからヘリウムガスを分離する分離装置と、を備える。
【０００８】
また、本発明の一態様に係る軸封装置では、前記分離装置で分離した前記ヘリウムガスを前記封止ガス供給装置に送るヘリウムガス送出装置を備えることが好ましい。
【０００９】
また、本発明の一態様に係る軸封装置では、第Ｎの前記容積部の外部に配置した第Ｍ容積部と、第Ｎの前記容積部と第Ｍの前記容積部との間、および第Ｍの前記容積部とその外部との間を前記回転軸の位置で少量のガスを通過させることで封止しつつ前記回転軸の回転を許容する各シール部と、第Ｍの前記容積部に供給する回収ガス供給装置と、をさらに備えることが好ましい。
【００１０】
また、本発明の一態様に係る軸封装置では、前記回収ガス供給装置は、前記回収用ガスに窒素ガスを用いることが好ましい。
【００１１】
また、本発明の一態様に係る軸封装置では、前記分離装置で分離した前記回収用ガスを前記回収ガス供給装置に送る回収ガス送出装置を備えることが好ましい。
【００１２】
また、本発明の一態様に係る軸封装置では、前記回収ガス供給装置は、第Ｍの前記容積部の外部および第Ｎの前記容積部の圧力よりも高圧の前記回収用ガスを第Ｍの前記容積部に圧送する圧送装置を有することが好ましい。
【００１３】
また、本発明の一態様に係る軸封装置では、前記圧力容器と第１の前記容積部との間を封止する前記シール部、および第Ｎの前記容積部とその外部との間を封止する前記シール部がラビリンスシールで構成され、他の各前記シール部がドライガスシールで構成されることが好ましい。
【００１４】
また、本発明の一態様に係る軸封装置では、前記圧力容器と第１の前記容積部との間を封止する前記シール部、第Ｎの前記容積部と第Ｍの前記容積部との間を封止する前記シール部、および第Ｍの前記容積部とその外部との間を封止する前記シール部がラビリンスシールで構成され、他の各前記シール部がドライガスシールで構成されることが好ましい。
【００１５】
また、本発明の一態様に係る軸封装置では、前記分離装置は、膜分離器の後にコールドトラップ分離器を直列に接続してなることが好ましい。
【００１６】
また、本発明の一態様に係る軸封装置では、前記分離装置は、膜分離器の後に圧力変動吸着分離器を直列に接続してなることが好ましい。
【００１７】
上述の目的を達成するために、本発明の一態様に係るタービン発電システムは、ヘリウムガスを加熱するガス炉と、加熱されたヘリウムガスが内部に供給される圧力容器と、前記圧力容器の内部に配置されて供給されたヘリウムガスによって回転するタービンと、前記圧力容器の外部に配置されて前記圧力容器を貫通する回転軸によって前記タービンと軸結された発電機と、前記回転軸が前記圧力容器を貫通する貫通部に配置されて前記回転軸の回転を許容しつつ前記貫通部を通して前記圧力容器の外部へのヘリウムガスの漏出を防止する軸封装置と、を備え、前記軸封装置は、上述したいずれか１つの軸封装置が適用されている。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、回収装置により第Ｎ容積部の内部のガスを吸引して回収し、分離装置により回収装置で回収したガスから封止用ヘリウムガスを分離することで、封止用ヘリウムガスを再利用することができる。この結果、ヘリウムガスの損失を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係るタービン発電システムの概略図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態に係るタービン発電システムでのタービンと発電機との構成を示す概略図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態に係る軸封装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
【００２１】
図１は、本実施形態に係るタービン発電システムの概略図である。
【００２２】
図１に示すタービン発電システムは、ヘリウムガスを用いてタービンを駆動するものである。このタービン発電システムは、ガス炉１と、圧力容器３と、タービン４と、発電機７と、軸封装置８と、を備える。
【００２３】
ガス炉１は、ヘリウムガス（以下、作動用ヘリウムガスという）を加熱するもので、例えば、作動用ヘリウムガスを一次冷却材として用いた原子炉があり、作動用ヘリウムガスを摂氏７００度以上摂氏１０００度以下の高温に加熱する。
【００２４】
圧力容器３は、密閉容器であり、ガス炉１で加熱された作動用ヘリウムガスが配管２を介して内部に供給される。
【００２５】
タービン４は、圧力容器３の内部に格納されている。タービン４の外周部と圧力容器３の内周部との間に、圧力容器３の内部をタービン４の入口部３ａと出口部３ｂとに隔離する隔壁５が設けられている。入口部３ａは、配管２と接続されているが、出口部３ｂは配管２と接続されていない。このため、ガス炉１から配管２を通して圧力容器３の入口部３ａへ供給された作動用ヘリウムガスは、タービン４の内部を通過して出口部３ｂに供給される。タービン４は、ガス炉１から供給された高温の作動用ヘリウムガスによってタービンブレード（図示せず）と共に回転軸６を回転させる。
【００２６】
圧力容器３において、入口部３ａは、配管９を介して熱交換器１１と接続され、出口部３ｂは、配管１０を介して熱交換器１１と接続されている。熱交換器１１は、出口部３ｂに供給された作動用ヘリウムガスを配管１０を介して取得し、その作動用ヘリウムガスを冷却した後、配管９を介して加圧部（図示せず）に供給する。加圧部で加圧された作動用ヘリウムガスは配管９を介して入口部３ａへ供給されている。
【００２７】
発電機７は、圧力容器３の外部に配置され、圧力容器３の外部に貫通された回転軸６に軸結されている。発電機７は、タービン４による回転軸６の回転に伴って発電する。回転軸６は圧力容器３を貫通しており、圧力容器３と回転軸６との間に軸封装置８が設けられている。軸封装置８は、回転軸６が回転することを妨げずに許容し、かつ、圧力容器３の内部を循環する作動用ヘリウムガスの圧力容器３の外部への漏出を防止する機能を有する。
【００２８】
図２は、本実施形態に係るタービン発電システムでのタービンと発電機との構成を示す概略図である。
【００２９】
図に示すように、回転軸６は、圧力容器３を貫通してタービン４と発電機７を軸結している。タービン４は、作動用ヘリウムガスの雰囲気の圧力容器３の内部に設けられている。発電機７は、圧力容器３の外部の大気中に配置されている。
【００３０】
回転軸６は、タービン４から見て発電機７と反対側であって、圧力容器３の入口部３ａで磁気軸受１２により回転自在に支持されている。また、回転軸６は、タービン４から見て発電機７側であって、圧力容器３の出口部３ｂで磁気軸受１３により回転自在に支持されている。また、回転軸６は、タービン４と発電機７との間であって、圧力容器３と回転軸６との間の貫通部に設けられた軸封装置８によって回転自在に支持されている。軸封装置８の両端には、ダイヤフラムカップリング１４，１５が設けられている。回転軸６は、発電機７から見てタービン４側であって、圧力容器３の外部に設けられた油軸受１６によって回転自在に支持されている。さらに、回転軸６は、発電機７から見てタービン４とは反対側であって、圧力容器３の外部に設けられた油軸受１７によって回転自在に支持されている。
【００３１】
図３は、本実施形態に係る軸封装置の構成図である。
【００３２】
本実施形態の軸封装置は、少なくとも３個（本実施形態では４個）の容積部２１，２２，２３，２４と、複数（本実施形態では５個の）シール部３１，３２，３３，３４，３５と、封止ガス供給装置４１と、圧力調整装置５１と、回収装置６１と、分離装置７１と、ヘリウムガス送出装置８１と、回収ガス供給装置９１と、回収ガス送出装置１０１と、を備える。
【００３３】
容積部２１，２２，２３，２４は、圧力容器３の外部で回転軸６の延在方向に沿って圧力容器３側から軸方向（回転軸６の延在方向であってタービン４から発電機７へ向かい圧力容器３から離れる方向）６ａに順に配置されている。ここで、圧力容器３側から回転軸６の延在方向に沿って第１容積部（第１の容積部）２１、第２容積部（第２の容積部）２２、第Ｎ容積部（第Ｎの容積部）２３、第Ｍ容積部（第Ｍの容積部）２４という。すなわち、容積部は、第１から第Ｎの少なくとも３個の容積部２１，２２，２３と、第Ｎ容積部２３の外部であって圧力容器３の反対側の第Ｍ容積部２４と、を含む。各容積部２１，２２，２３，２４は、回転軸６の周囲に沿って設けられた外壁部２５と回転軸６の外周面とで囲まれた所定容積の空間を形成するものである。
【００３４】
シール部３１，３２，３３，３４，３５は、圧力容器３と第１容積部２１との間にシール部３１が設けられ、第１容積部２１と第２容積部２２との間にシール部３２が設けられ、第２容積部２２と第Ｎ容積部２３との間にシール部３３が設けられ、第Ｎ容積部２３とその外部となる第Ｍ容積部２４との間にシール部３４が設けられ、第Ｍ容積部２４とその外部との間にシール部３５が設けられている。シール部３１，３２，３３，３４，３５は、各容積部２１，２２，２３，２４を回転軸６の位置で封止しつつ回転軸６の回転を許容する。本実施形態において、圧力容器３と第１容積部２１との間に設けられたシール部３１は、ラビリンスシールで構成されている。また、第１容積部２１と第２容積部２２との間に設けられたシール部３２は、ドライガスシールで構成されている。また、第２容積部２２と第Ｎ容積部２３との間に設けられたシール部３３は、ドライガスシールで構成されている。また、第Ｎ容積部２３と第Ｍ容積部２４との間に設けられたシール部３４は、ラビリンスシールで構成されている。また、第Ｍ容積部２４とその外部との間に設けられたシール部３５は、ラビリンスシールで構成されている。
【００３５】
ここで、ラビリンスシールは、図には明示しないが、回転軸と固定部の間に凹凸の隙間を何段にも組み合わせて設けられ、段ごとに徐々に漏れ圧を下げることで、高圧の空気や蒸気を漏らしながら封止を行う。ドライガスシールは、図には明示しないが、回転部と静止部とから構成され、回転部は移動側である回転軸６の外周部に固定され、静止部は固定側である外壁部２５に固定されて回転軸６とは離れて設けられている。回転部は、軸方向６ａの反対側に軸方向６ａとはほぼ垂直な摺動面部を有する。この摺動面部は、スパイラル状の溝が設けられている。また、固定部は、軸方向６ａとはほぼ垂直な摺動面部を有する。この摺動面部は、ほぼ平面によって構成され、回転部の摺動面部と接触して設けられている。このドライガスシールは、回転部が静止している場合、各摺動面部が密着し、各摺動面部の間をガスが通過することはできない。一方、回転部が回転している場合、その摺動面部に設けられたスパイラル状の溝により、回転部と固定部には、各摺動面部の間を開こうとする第１の力が加えられる。また、回転部および固定部は、それぞれが固定されているために、回転部と固定部に第１の力が加えられると、回転部と固定部とには、各摺動面部を接触させようとする第２の力が加えられる。これら第１の力と第２の力とのバランス関係によって、各摺動面部の間に小さな隙間を発生させることができる。この結果、固定部は回転部の回転を妨げず、かつ各摺動面部の間の隙間が小さいために、この隙間を通過するガスの量を少なくすることができる。また、ドライガスシールは、潤滑油を使用していないために、摂氏７００度以上の高温のガスをシールすることが可能である。ラビリンスシールは、比較的簡易な機構であり、これに対してドライガスシールは、ガスの漏れをより抑止するために複雑な機構であり、ラビリンスシールよりも大型である。
【００３６】
封止ガス供給装置４１は、圧力容器３の内部の作動用ヘリウムガスの圧力よりも高圧の封止用ヘリウムガスＨを第１容積部２１に供給する。封止ガス供給装置４１は、ヘリウムガス供給部４１ａ、配管４１ｂ、圧力調整弁４１ｃ、ヘリウムガスバッファタンク４１ｄ、コントローラ４１ｅ、圧力容器センサ４１ｆ、第１容積部センサ４１ｇ、減算器４１ｈ、および差圧設定器４１ｉを有する。ヘリウムガス供給部４１ａは、第１容積部２１の内部の圧力（圧力Ｐ２とする）よりもはるかに高圧（圧力Ｐ０とする）の封止用ヘリウムガスＨを貯留している。配管４１ｂは、ヘリウムガス供給部４１ａと第１容積部２１とを接続する。圧力調整弁４１ｃは、配管４１ｂの途中に設けられた開閉可能な弁である。圧力調整弁４１ｃは、その開閉により配管４１ｂを開放または閉鎖し、かつその開度により配管４１ｂを通過する流体の流量を可変する。ヘリウムガスバッファタンク４１ｄは、配管４１ｂの途中であって圧力調整弁４１ｃよりも第１容積部２１側に設けられたタンクである。ヘリウムガスバッファタンク４１ｄは、配管４１ｂを経て第１容積部２１側に送られるガスを一旦貯めることで流体の圧力変動を抑制するもので、第１容積部２１の内部の圧力Ｐ１の急激な変化を防止する。コントローラ４１ｅは、圧力調整弁４１ｃに接続され、圧力調整弁４１ｃの開閉を制御する。圧力容器センサ４１ｆは、圧力容器３の出口部３ｂの内部の圧力Ｐ１を測定する。第１容積部センサ４１ｇは、第１容積部２１の内部の圧力Ｐ２を測定する。減算器４１ｈは、圧力容器センサ４１ｆおよび第１容積部センサ４１ｇに接続されている。減算器４１ｈは、圧力容器センサ４１ｆで測定された圧力Ｐ１から、第１容積部センサ４１ｇで測定された圧力Ｐ２を減算して得られた差圧（Ｐ２−Ｐ１）を算出する。差圧設定器４１ｉは、減算器４１ｈおよびコントローラ４１ｅと接続されている。差圧設定器４１ｉは、減算器４１ｈから送信された差圧（Ｐ２−Ｐ１）に予め定められた圧力α（α＞０）を減算して得られた差圧（Ｐ２−Ｐ１−α）をコントローラ４１ｅに送信する。コントローラ４１ｅは、差圧設定器４１ｉから送信された差圧（Ｐ２−Ｐ１−α）に基づいて、常に圧力Ｐ１＜圧力Ｐ２を満たすように圧力調整弁４１ｃの開閉を制御する。また、コントローラ４１ｅは、第１容積部２１の内部の圧力Ｐ２が圧力容器３の出口部３ｂの内部の圧力Ｐ１よりも一定値以上高い状態にならないように圧力調整弁３１ｃを制御する。このように、封止ガス供給装置４１は、ヘリウムガス供給部４１ａから第１容積部２１に封止用ヘリウムガスＨを供給し、封止用ヘリウムガスＨで満たされた第１容積部２１の内部の圧力Ｐ２が、圧力容器３の内部の作動用ヘリウムガスの圧力Ｐ１よりも高くなるように、圧力調整弁４１ｃの開閉を制御して、第１容積部２１への封止用ヘリウムガスＨの供給量を調整する。従って、第１容積部２１の内部に満たされた封止用ヘリウムガスＨがシール部３１を通過して常に圧力容器３の出口部３ｂへ至り、圧力容器３の出口部３ｂの内部からその外部である第１容積部２１への作動用ヘリウムガスの漏出を防止する。
【００３７】
圧力調整装置５１は、第１容積部２１から第Ｎ−１容積部（本実施形態では第２容積部２２に相当）の順に圧力を低くする。圧力調整装置５１は、配管５１ａ、圧縮機５１ｂ、ヘリウムガス再循環用バッファタンク５１ｃ、コントローラ５１ｄ、および第２容積部センサ５１ｅを有する。配管５１ａは、第１容積部２１と第２容積部２２とを接続する。圧縮機５１ｂは、配管５１ａの途中に設けられて第２容積部２２側から第１容積部２１側にガスを圧送する。すなわち、圧縮機５１ｂは、配管５１ａを介して第２容積部２２の内部のガスを加圧して第１容積部２１の内部に供給する。ヘリウムガス再循環用バッファタンク５１ｃは、配管５１ａの途中であって圧縮機５１ｂよりも第２容積部２２側に設けられたタンクである。ヘリウムガス再循環用バッファタンク５１ｃは、配管５１ａを経て第１容積部２１側に送られるガスを一旦貯めることで流体の圧力変動を抑制するもので、第２容積部２２の内部の圧力Ｐ３の急激な変化を防止する。コントローラ５１ｄは、圧縮機５１ｂに接続され、圧縮機５１ｂの動作（回転数）を制御する。第２容積部センサ５１ｅは、第２容積部２２の内部の圧力Ｐ３を測定する。第２容積部センサ５１ｅは、コントローラ５１ｄに接続されている。コントローラ５１ｄは、第２容積部センサ５１ｅによって測定された第２容積部２２の内部の圧力Ｐ３が、第１容積部２１の内部の圧力Ｐ２より低くなるように、圧縮機５１ｂの動作を制御する。コントローラ５１ｄは、第１容積部２１の内部の圧力Ｐ２を、コントローラ４１ｅまたは第１容積部センサ４１ｇから取得する。このように、圧力調整装置５１は、第２容積部（第Ｎ−１容積部）２２の内部の圧力Ｐ３を、第１容積部２１の内部の圧力Ｐ２よりも低くする。従って、第１容積部２１の内部に満たされた封止用ヘリウムガスＨがシール部３２を通過して常に第２容積部２２の内部に至り、第１容積部２１の外部から内部への大気の侵入を防止する。そして、第２容積部２２の内部は、第１容積部２１からシール部３２を通過した封止用ヘリウムガスＨで満たされる。また、第２容積部２２に満たされた封止用ヘリウムガスＨは、配管５１ａを経て第１容積部２１側に戻される。
【００３８】
なお、図には明示しないが、圧力調整装置５１は、第２容積部２２と第Ｎ容積部２３との間に容積部が追加して設けられている場合、追加の容積部と第２容積部２２との間にさらに設けられ、追加の容積部の内部の封止用ヘリウムガスＨを第２容積部２２の内部に圧送して、追加の容積部の内部の圧力を、第２容積部２２の内部の圧力Ｐ３より低くなるように、圧縮機の動作を制御する。
【００３９】
回収装置６１は、第Ｎ容積部２３のガスを吸引して第２容積部（第Ｎ−１容積部）２２よりも内部の圧力を低くしつつ回収する。回収装置６１は、配管６１ａ、吸引機６１ｂ、コントローラ６１ｃ、および第Ｎ容積部センサ６１ｄを有する。配管６１ａは、第Ｎ容積部２３と分離装置７１とを接続する。吸引機６１ｂは、配管６１ａの途中に設けられて第Ｎ容積部２３の内部のガスを吸引する。すなわち、吸引機６１ｂは、配管６１ａを介して第Ｎ容積部２３の内部のガスを吸引する。コントローラ６１ｃは、吸引機６１ｂに接続され、吸引機６１ｂの動作（回転数）を制御する。第Ｎ容積部センサ６１ｄは、第Ｎ容積部２３の内部の圧力Ｐ４を測定する。第Ｎ容積部センサ６１ｄは、コントローラ６１ｃに接続されている。コントローラ６１ｃは、第Ｎ容積部センサ６１ｄによって測定された第Ｎ容積部２３の内部の圧力Ｐ４が、第２容積部２２の内部の圧力Ｐ３より低くなるように、吸引機６１ｂの動作を制御する。コントローラ６１ｃは、第２容積部２２の内部の圧力Ｐ３を、コントローラ５１ｄまたは第２容積部センサ５１ｅから取得する。このように、回収装置６１は、第Ｎ容積部２３の内部の圧力Ｐ４を、第２容積部２２の内部の圧力Ｐ３よりも低くする。従って、第２容積部２２の内部に満たされた封止用ヘリウムガスＨがシール部３３を通過して常に第Ｎ容積部２３の内部に至り、第２容積部２２の外部から内部への大気の侵入を防止する。さらに、第Ｍ容積部２４の内部の回収用ガスＮ（後述する）がシール部３４を通過して常に第Ｎ容積部２３の内部に至り、封止用ヘリウムガスＨと混合した混合ガスＭとして配管６１ａを介して吸引される。また、配管６１ａを介して吸引された第Ｎ容積部２３の内部の混合ガスＭは、第Ｎ容積部２３の外部である分離装置７１に回収される。
【００４０】
分離装置７１は、回収装置で回収した混合ガスＭから封止用ヘリウムガスＨを分離する。分離装置７１は、異なる種類の分離器７１ａ，７１ｂが複数（本実施形態では２個）直列して連結されている。先の分離器７１ａは、回収装置６１の配管６１ａに接続されていると共に回収ガス供給装置９１に接続されている。また、後の分離器７１ｂは、ヘリウムガス送出装置８１に接続されていると共に回収ガス供給装置９１に接続されている。先の分離器７１ａは、例えば、膜分離器で構成されている。膜分離器は、封止用ヘリウムガスＨが回収用ガスＮと混合した混合ガスＭを隔膜に通すことで封止用ヘリウムガスＨを濾し分ける。また、膜分離器は、隔膜を複数設けて複数回ガスを通すことで封止用ヘリウムガスＨを濃縮して濾し分ける。濾し分けられた封止用ヘリウムガスＨは、後の分離器７１ｂに送られる。一方、濾し分けられた回収用ガスＮは、回収ガス供給装置９１に送られる。後の分離器７１ｂは、例えば、コールドトラップ分離器または圧力変動吸着分離器で構成されている。コールドトラップ分離器は、封止用ヘリウムガスＨが回収用ガスＮと混合した混合ガスＭを圧縮機で加圧し、沸点の異なる一方が凝縮するまで冷却して凝縮液とすることで、この凝縮液と他方の未凝縮ガスとを分離する。分離された封止用ヘリウムガスＨは、ヘリウムガス送出装置８１に送られる。一方、分離された回収用ガスＮは、回収ガス供給装置９１に送られる。また、圧力変動吸着分離器は、封止用ヘリウムガスＨが回収用ガスＮと混合した混合ガスＭにおいて吸着剤の吸着速度の違いを利用し、加圧した環境で一方を優先的に吸着することでそれぞれを分離する。分離された封止用ヘリウムガスＨは、ヘリウムガス送出装置８１に送られる。一方、分離された回収用ガスＮは、回収ガス供給装置９１に送られる。
【００４１】
ヘリウムガス送出装置８１は、分離装置７１で分離された封止用ヘリウムガスＨを封止ガス供給装置４１に送る。ヘリウムガス送出装置８１は、配管８１ａおよび圧縮機８１ｂを有する。配管８１ａは、分離装置７１の後の分離器７１ｂと封止ガス供給装置４１のヘリウムガス供給部４１ａとを接続する。圧縮機８１ｂは、配管８１ａの途中に設けられて後の分離器７１ｂ側からヘリウムガス供給部４１ａ側に封止用ヘリウムガスＨを圧送する。すなわち、圧縮機８１ｂは、配管８１ａを介して封止用ヘリウムガスＨを、ヘリウムガス供給部４１ａで貯留する封止用ヘリウムガスＨの圧力Ｐ０より高い圧力に加圧してヘリウムガス供給部４１ａを供給する。
【００４２】
回収ガス供給装置９１は、第Ｍ容積部２４の外部（大気）の圧力Ｐ６および第Ｎ容積部２３の圧力Ｐ４よりも高圧（圧力Ｐ５）の回収用ガスＮを第Ｍ容積部２４に供給する。回収ガス供給装置９１は、回収ガス供給部９１ａおよび配管９１ｂを有する。回収ガス供給部９１ａは、回収用ガスＮとして窒素ガス（他の不活性ガスであってもよい）を貯留している。配管９１ｂは、回収ガス供給部９１ａと第Ｍ容積部２４とを接続する。
【００４３】
また、回収ガス供給装置９１は、圧送装置９２を含む。圧送装置９２は、回収用ガスＮを第Ｍ容積部２４に圧送する。圧送装置９２は、圧縮機９２ａ、コントローラ９２ｂおよび第Ｍ容積部センサ９２ｃを有する。圧縮機９２ａは、回収ガス供給装置９１の配管９１ｂの途中に設けられて回収ガス供給装置９１の回収ガス供給部９１ａ側から第Ｍ容積部２４側に回収用ガスＮを圧送する。すなわち、圧縮機９２ａは、配管９１ｂを介して回収ガス供給部９１ａの回収用ガスＮを加圧して第Ｍ容積部２４の内部に供給する。コントローラ９２ｂは、圧縮機９２ａに接続され、圧縮機９２ａの動作（回転数）を制御する。第Ｍ容積部センサ９２ｃは、第Ｍ容積部２４の内部の圧力Ｐ５を測定する。第Ｍ容積部センサ９２ｃは、コントローラ９２ｂに接続されている。コントローラ９２ｂは、第Ｍ容積部センサ９２ｃによって測定された第Ｍ容積部２４の内部の圧力Ｐ５が、第Ｎ容積部２３の内部の圧力Ｐ４および第Ｍ容積部２４の外部（大気）の圧力Ｐ６より高くなるように、圧縮機９２ａの動作を制御する。コントローラ９２ｂは、第Ｎ容積部２３の内部の圧力Ｐ４を、コントローラ６１ｃまたは第Ｎ容積部センサ６１ｄから取得する。このように、圧送装置９２は、第Ｍ容積部２４の内部の圧力Ｐ５を、第Ｎ容積部２３の内部の圧力Ｐ４および外部の圧力Ｐ６よりも高くする。従って、第Ｍ容積部２４の内部に圧送された回収用ガスＮがシール部３４を通過して常に第Ｎ容積部２３の内部に至り、第Ｎ容積部２３の内部から外部への封止用ヘリウムガスＨの漏出を防止する。さらに、第Ｍ容積部２４の内部に圧送された回収用ガスＮがシール部３４を通過して常に第Ｍ容積部２４の外部に排出され、第Ｍ容積部２４の外部から内部への大気の侵入を防止する。
【００４４】
回収ガス送出装置１０１は、分離装置７１で分離した回収用ガスＮを回収ガス供給装置９１に送る。回収ガス送出装置１０１は、分離装置７１の先の分離器７１ａと回収ガス供給装置９１の回収ガス供給部９１ａとを接続する配管１０１ａと、分離装置７１の後の分離器７１ｂと回収ガス供給装置９１の回収ガス供給部９１ａとを接続する配管１０１ｂと、を有する。すなわち、先の分離器７１ａで分離した回収用ガスＮが配管１０１ａを介して回収ガス供給部９１ａに送られ、後の分離器７１ｂで分離した回収用ガスＮが配管１０１ｂを介して回収ガス供給部９１ａに送られる。配管１０１ａ，１０１ｂは、必要に応じて圧縮機が設けられる。従って、回収ガス供給装置９１の回収ガス供給部９１ａから第Ｍ容積部２４に供給した回収用ガスＮを回収して再利用することができる。
【００４５】
上述した軸封装置では、各コントローラ４１ｅ，５１ｄ，６１ｃ，９２ｂの制御により、圧力容器３の出口部３ｂの内部の圧力Ｐ１、第１容積部２１の内部の圧力Ｐ２、第２容積部２２の内部の圧力Ｐ３、第Ｎ容積部２３の内部の圧力Ｐ４、第Ｍ容積部２４の内部の圧力Ｐ５、および第Ｍ容積部２４の外部（大気）の圧力Ｐ６の関係を、圧力Ｐ１＜圧力Ｐ２＞＞圧力Ｐ３＞圧力Ｐ４＜圧力Ｐ５＞圧力Ｐ６とする。
【００４６】
なお、軸封装置は、電力の供給が断たれた場合でも、制御や動作が可能となるように、図示しない予備動力と接続されていることが望ましい。
【００４７】
このように、本実施形態の軸封装置は、圧力容器３の出口部３ｂの外部で回転軸６の延在方向に沿って圧力容器３側から順に配置される第１から第Ｎの少なくとも３個の容積部２１，２２，２３と、第Ｎ容積部２３の外部に配置された第Ｍ容積部２４と、圧力容器３と第１容積部２１との間、第２容積部２２と第Ｎ容積部２３の間、第Ｎ容積部２３と第Ｍ容積部２４との間、および第Ｍ容積部２４とその外部との間を回転軸６の位置で少量のガスを通過させることで封止しつつ回転軸６の回転を許容する各シール部３１，３２，３３，３４，３５と、圧力容器３の出口部３ｂの内部の作動用ヘリウムガスの圧力Ｐ１よりも高い圧力Ｐ２の封止用ヘリウムガスＨを第１容積部２１に供給する封止ガス供給装置４１と、第１容積部２１から第２容積部（第Ｎ−１容積部）２２の順に内部の圧力を低くする圧力調整装置５１と、第２容積部２２の内部の圧力Ｐ３よりも第Ｎ容積部２３の内部の圧力Ｐ４を低くするように第Ｎ容積部２３から混合ガスＭを吸引して回収する回収装置６１と、回収装置６１で回収した混合ガスＭから封止用ヘリウムガスＨを分離する分離装置７１と、分離装置７１で分離した封止用ヘリウムガスＨを封止ガス供給装置４１に送るヘリウムガス送出装置８１と、回収用ガスＮを第Ｍ容積部２４の内部に供給する回収ガス供給装置９１と、分離装置７１で分離した回収用ガスＮを回収ガス供給装置９１に送る回収ガス送出装置１０１と、備える。
【００４８】
この軸封装置によれば、回収装置６１により第Ｎ容積部２３から混合ガスＭを吸引して回収し、分離装置７１により回収装置６１で回収した混合ガスＭから封止用ヘリウムガスＨを分離することで、封止用ヘリウムガスＨを再利用することができる。この結果、ヘリウムガスの損失を防ぐことができる。
【００４９】
また、本実施形態の軸封装置によれば、ヘリウムガス送出装置８１により分離装置７１で分離した封止用ヘリウムガスＨを封止ガス供給装置４１に送ることで、軸封装置内で封止用ヘリウムガスＨを再利用することができる。この結果、封止用ヘリウムガスＨの新たな追加を抑制しランニングコストを低減することができる。
【００５０】
また、本実施形態の軸封装置によれば、回収ガス供給装置９１により回収用ガスＮを第Ｍ容積部２４の内部に供給することで、分離装置７１における分離する対象の混合ガスＭを封止用ヘリウムガスＨと回収用ガスＮとで不純物の存在を抑えることができ、分離を容易かつ高精度で行うことができる。
【００５１】
また、本実施形態の軸封装置によれば、回収ガス送出装置１０１により分離装置７１で分離した回収用ガスＮを回収ガス供給装置９１に送ることで、軸封装置内で回収用ガスＮを再利用することができる。この結果、回収用ガスＮの新たな追加を抑制しランニングコストを低減することができる。
【００５２】
また、本実施形態の軸封装置では、回収ガス供給装置９１は、回収用ガスＮに窒素ガスを用いることが好ましい。窒素ガスは、封止用ヘリウムガスＨとの分離が容易でかつ安価に得ることが可能であり、封止用ヘリウムガスＨの再利用を実現することができ、ランニングコストを低減することができる。
【００５３】
また、本実施形態の軸封装置では、回収ガス供給装置９１は、第Ｍ容積部２４の外部の圧力Ｐ６および第Ｎ容積部２３の内部の圧力Ｐ４よりも高い圧力Ｐ５の回収用ガスＮを第Ｍ容積部２４に圧送する圧送装置９２を有することが好ましい。圧送装置９２により上記圧力Ｐ５の回収用ガスＮを第Ｍ容積部２４に圧送することで、回収用ガスＮである窒素ガスに大気などが混合することを防止でき、封止用ヘリウムガスＨと回収用ガスＮとの分離を容易かつ高精度で行うことができる。
【００５４】
また、本実施形態の軸封装置では、圧力容器３の出口部３ｂと第１容積部２１との間を封止するシール部３１、および第Ｎ容積部２３と第Ｍ容積部２４との間を封止するシール部３４、および第Ｍ容積部２４とその外部との間を封止するシール部３５がラビリンスシールで構成され、他の各シール部３２，３３がドライガスシールで構成されることが好ましい。ドライガスシールのシール部３２，３３において、封止用ヘリウムガスＨの大気への漏出を極小に抑える一方、ラビリンスシールのシール部３１，３４，３５において、構成を簡素化することで、ヘリウムガスの損失を防ぐことができ、かつ軸封装置の小型化を図ることができる。
【００５５】
また、本実施形態の軸封装置では、分離装置７１は、膜分離器である先の分離器７１ａの後にコールドトラップ分離器である後の分離器７１ｂを直列に接続してなることが好ましい。また、本実施形態の軸封装置では、膜分離器である先の分離器７１ａの後に圧力変動吸着分離器である後の分離器７１ｂを直列に接続してなることが好ましい。このように、先の分離器７１ａに異なる種類の後の分離器７１ｂを直列に接続することで、封止用ヘリウムガスＨと回収用ガスＮとの分離を高精度で行うことができる。
【００５６】
ところで、本実施形態の軸封装置では、回収用ガスＮに空気（大気）を用いてもよい。この場合、上述した第Ｍ容積部２４、シール部３５、回収ガス供給装置９１、圧送装置９２、回収ガス送出装置１０１を省略することができ、軸封装置の小型化を図ることができる。
【００５７】
また、上述した軸封装置が適用された本実施形態のタービン発電システムによれば、発電システムとしてヘリウムガスの損失を防ぐことができ、ランニングコストを低減することができる。また、本実施形態のタービン発電システムによれば、タービン４を圧力容器３の内部に配置し、発電機７を圧力容器３の外部に配置することができる。この結果、発電機７の体積分、圧力容器３を小型化することができる。また、圧力容器３を小型化することが可能なために、圧力容器３のメンテナンスにかかる作業を削減することができる。
【符号の説明】
【００５８】
１  ガス炉
３  圧力容器
３ａ  入口部
３ｂ  出口部
４  タービン
６  回転軸
６ａ  軸方向
７  発電機
８  軸封装置
２１  第１容積部
２２  第２容積部（第Ｎ−１容積部）
２３  第Ｎ容積部
２４  第Ｍ容積部
３１，３２，３３，３４，３５  シール部
４１  封止ガス供給装置
５１  圧力調整装置
６１  回収装置
７１  分離装置
７１ａ，７１ｂ  分離器
８１  ヘリウムガス送出装置
９１  回収ガス供給装置
９２  圧送装置
１０１  回収ガス送出装置
【図１】
2019044833.tif 000003
【図２】
2019044833.tif 000004
【図３】
2019044833.tif 000005