(57)【要約】【課題】タービン、発電機及び作動流体ポンプを一体化した後、密閉容器に入れることにより、低価格、小型化され、かつ作動流体の漏れのない効率的な複合型タービンシステム及びそれを用いた温水発電装置を提供することを目的とする。【解決手段】作動流体の熱エネルギーを機械的エネルギーに変換するタービン４と、タービンにより発生した機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する発電機７と、作動流体を循環させるためのポンプ１とから構成され、タービンと発電機が、これらを一体的に回転させるためのシャフト４ｂにより連結され、該シャフトの所定の位置にワンウェイクラッチ４ｃが設置され、発電機とポンプが、これらを一体的に回転させるためのシャフト１ｂにより連結され、該シャフトの所定の位置に作動流体の流量調節用変速機１ｃが設置され、すべての構成部品が密閉された容器内に収納されていることを特徴とする複合型タービンシステム。【選択図】図１
2008248830.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体の熱エネルギーを機械的エネルギーに変換するタービンと、
前記タービンにより発生した機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する発電機と前記作動流体を循環させるためのポンプとから構成され、
前記タービンと前記発電機が、これらを一体的に回転させるためのシャフトにより連結され、該シャフトの所定の位置にワンウェイクラッチが設置され、
前記発電機と前記ポンプが、これらを一体的に回転させるためのシャフトにより連結され、該シャフトの所定の位置に前記作動流体の流量調節用変速機が設置され、
前記すべての構成部品が密閉された容器内に収納されていることを特徴とする複合型タービンシステム。
【請求項２】
前記複合タービンシステムの動作開始時は、
前記ワンウェイクラッチは切り離され、前記ポンプが外部の電源により駆動される前記発電機により回転されることで前記作動流体が循環を開始し、
その後前記タービンの出入り口での前記作動流体の圧力差が上昇し、前記発電機に所定の回転数を与える圧力差に達したときに、前記ワンウェイクラッチが自動的に連結されることを特徴とする請求項１記載の複合型タービンシステム。
【請求項３】
前記タービンで発生する回転力が、前記ポンプの駆動に使用されることを特徴とする請求項１又は２に記載の複合型タービンシステム。
【請求項４】
前記タービンと前記発電機を連結するための前記シャフトを支承するための軸受と、前記発電機と前記ポンプを連結するための前記シャフトを支承するための軸受の冷却と潤滑を前記作動流体で行い、前記軸受で発生した熱で加熱された前記作動流体をシステムの外に設置された蒸発器の入口に前記ポンプにより、又は直接戻すことを特徴とする請求項１乃至３いずれか記載の複合型タービンシステム。
【請求項５】
請求項１乃至４いずれか記載の複合タービンシステムを用いた温水発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合型タービンシステム及びそれを用いた温水発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球環境問題及びエネルギー問題が深刻化するなか、自然エネルギー・廃熱利用が重要な解決策のひとつとして期待されている。廃熱を利用する場合、アンモニアやフロン、二酸化炭素、アンモニア／水の混合媒体、プロパンなどの作動流体を媒体として蒸発及び凝縮過程における圧力差を利用してタービンを廻し、発電を行う温度差発電システムにつき従来より研究開発が行われている。
【０００３】
例えば、特許文献１には高温排水を用いた発電方法及び発電設備が記載されている。この発電方法及び発電設備・現状でのタービン構造について、以下に説明する。
【０００４】
図５は、前記発電設備の一例を示す概略工程図である。図５において、２１は熱交換器、２２は成層型蓄熱槽、２３、２４は循環ポンプ、３１はカリーナサイクル、３２は蒸発器、３３はタービン、３４は熱交換器、３５はセパレータ、３６は凝縮器、３７はレシーバタンク、３８はポンプである。
【０００５】
次に、この発電設備の作動について説明すると、間欠的に排出される高温排水２５を熱交換器２１の加熱側に導入し、蓄熱槽２２の下層からポンプ２３で供給される低温の液体２８を熱交換器２１の被加熱側に導入して熱交換し、得られる高温の液体２７を蓄熱槽２２の上層に導入して貯留する。蓄熱槽２２では、熱交換器２１に高温排水２５が導入されて、低温の液体２８と熱交換されている間は、高温の液体が徐々に増加していく。そして、高温排水２５の導入が停止すると、ポンプ２３が停止され蓄熱槽内への流入が停止される。
【０００６】
前記の間欠的に排水される高温排水としては、廃棄物を焼却した際に生じる燃焼残渣から得られる溶融スラグ又は高炉から排出される高炉スラグを、水中に投入して水砕スラグとする際に発生する高温の排水がある。蓄熱槽２２では、高温の液体が上層部に蓄えられているから、この高温の液体２９をポンプ２４で定量的に引き出し、バイナリーサイクル３１の蒸発器３２に導入する。
【０００７】
バイナリーサイクル３１では、蒸発器３２に導入された高温の液体２９により、蒸発器３２に入るアンモニア水が加熱され、アンモニア−水の混合蒸気としてセパレータ３５に導入される。高温の液体２９は蒸発器内でアンモニア水に熱を供給して冷却されて、成層型蓄熱槽２２の下層部に導入され循環する。
【０００８】
セパレータ３５では、気体分離されて、分離されたアンモニア蒸気が、タービン３３に供給されて発電する。タービン３３からの排気は、前記のセパレータ３５で分離されたアンモニア水が、熱交換器３４の加熱側を通り作動流体の予熱に使用されて冷却された後のアンモニア水で凝縮され低圧となった後、凝縮器３６で冷却水によりさらに冷却されて凝縮し、復液する。復液したアンモニア水は、レシーバタンク３７に貯留され、ポンプ３８により前記熱交換器３４の被加熱側を通り予熱された後、蒸発器３２に導入される。
【０００９】
また、図６に作動流体としてアンモニア／水の混合媒体を用いた発電システム用蒸気タービンの一例を示す。図６（ａ）はその平面図であり、図６（ｂ）は正面図である。
【００１０】
作動流体は、アンモニア蒸気入口４６から流入され、アンモニア蒸気出口４７から排出される。この間に、蒸気タービン４６内のブレードが回転され、その回転力がクラッチカップリング４５を介して発電機４４に伝達され、所望の電力が得られることとなる。また、冷却水入口４８ａからは蒸気タービン内の回転軸を支承する軸受を冷却するための冷却水が導入され、冷却水出口４８ｂから排出される。
【特許文献１】特開２０００−１９９４０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、上記特許文献１に係る発電システムにおいては、タービン、発電機及びポンプがそれぞれ別個に配置されており、比較的複雑な構造となっており、また、作動流体であるアンモニア／水の混合液の漏れが問題となる場合が多い。一方、上記図６の発電システムは、蒸気タービンと発電機がクラッチカップリングにより外部で接続されているため、そのカップリング動力軸グランドシール等から作動流体の漏れの問題があり、さらに軸受の冷却のための構造が必要となり、グランドシールのための圧縮空気と軸受冷却のための冷水供給装置と軸受循環のための給油装置、さらにオイルが混入した場合のオイル分離器等の補器が必要となり、発電システム全体が複雑かつ大型で高額となっていた。又軸受循環用オイルの混入は発電効率の低下となり、発電システムの信頼性低下の原因となっている。
【００１２】
本願発明に係る複合型タービンシステムは、上記のような課題を解決するためになされたものであり、タービン・発電機及び作動流体ポンプを一体化した後、密閉容器に入れることにより、低価格、小型化された、かつ作動流体の漏れのない安全で効率的な複合型タービンシステム及びそれを用いた温水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】
【００１３】
本発明は、上述の目的を達成するため、以下（１）〜（５）の構成を備えるものである。
【００１４】
（１）作動流体の熱エネルギーを機械的エネルギーに変換するタービンと、前記タービンにより発生した機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する発電機と前記作動流体を循環させるためのポンプとから構成され、前記タービンと前記発電機が、これらを一体的に回転させるためのシャフトにより連結され、該シャフトの所定の位置にワンウェイクラッチが設置され、前記発電機と前記ポンプが、これらを一体的に回転させるためのシャフトにより連結され、該シャフトの所定の位置に前記作動流体の流量調節用変速機が設置され、前記すべての構成部品が密閉された容器内に収納されていることを特徴とする複合型タービンシステム。
【００１５】
（２）前記複合タービンシステムの動作開始時は、前記ワンウェイクラッチは切り離され、前記ポンプが外部の電源により駆動される前記発電機により回転されることで前記作動流体が循環を開始し、その後前記タービンの出入り口での前記作動流体の圧力差が上昇し、前記発電機に所定の回転数を与える圧力差に達したときに、前記ワンウェイクラッチが自動的に連結されることを特徴とする請求項１記載の複合型タービンシステム。
【００１６】
（３）前記タービンで発生する回転力が、前記ポンプの駆動に使用されることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の複合型タービンシステム。
【００１７】
（４）前記タービンと前記発電機を連結するための前記シャフトを支承するための軸受と、前記発電機と前記ポンプを連結するための前記シャフトを支承するための軸受の冷却と潤滑を前記作動流体で行い、前記軸受で発生した熱で加熱された前記作動流体をシステムの外に設置された蒸発器の入口に前記ポンプにより、又は直接戻すことを特徴とする前記（１）乃至（３）いずれか記載の複合型タービンシステム。
【００１８】
（５）前記（１）乃至（４）いずれか記載の複合タービンシステムを用いた温水発電装置。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、上記の構成を有することで、低価格で小型化され、かつ作動流体の漏れのない効率的な複合型タービンシステム及びそれを用いた温水発電装置を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に、本発明を実施するための最良の形態を、実施例により詳しく説明する。
【実施例】
【００２１】
本願発明の複合型タービンシステムを利用した、温水を用いる発電システムについて説明する。
【００２２】
図２は前記発電システムの全体を示すブロック図である。この発電システムは基本的には発電装置本体１０と熱交換器ユニット２０により構成され、これらの間を配管で接続することでシステムが構築されている。前記発電装置本体１０は複合型タービンシステム５０、分離器３及び高圧受液器６に分割される。更に、複合型タービンシステム５０はタービン部４、発電電動機部７及び作動流体ポンプ部１よりなる。一方、熱交換器ユニット２０は蒸発器２と凝縮器５に分割される。複合型タービンシステム５０は各ユニット化され、テフロン（登録商標）系ガスケット１５ａ、１５ｂを挟みフランジ結合される。
【００２３】
図３に上記発電システムの概略工程図を、図４に発電システムの主要部の仕様を示す。
【００２４】
次に、本発電システムにおける作動流体を用いた、発電状態を時系列的に説明する。なお、本実施例では作動流体としてはアンモニアと水の混合媒体（以下、「混合媒体」という）を使用するものとする。
【００２５】
まず、外部電源１６により電動発電機部７に電力が供給され、この発電機がポンプ用電動機として機能し、ポンプが駆動を開始する。そして、蒸発器２の温水入口に約６５℃の温水が流入し、作動流体の混合媒体を加熱する。これにより、作動流体は約６０．５℃に加熱された後、分離器３に導入される。この分離器で液成分を分離されたアンモニア蒸気が複合型タービンシステム５０のタービン部４に導入され、タービン部の動翼を回転させることになる。そして、この回転の回転数が発電機が機能するための所定の回転数に達したら、ワンウェイクラッチ７ｃが結合され、この機械的な回転力によりタービン部の下部に位置する発電機７が所要の電力を発生させる。なお、この発生した電力は発電コントローラのコンバータにより、ＤＣ変換され蓄電器に充電される。更にインバータにより所定のＡＣ電圧に変換された後ＣＧＳ回路を経由し、外部商用電源に連携され外部に供給される。
【００２６】
上記タービンを回転させるのに利用された作動流体は熱交換ユニット２０の凝縮器５に導入される。この凝縮器にはシステムの外部から冷水口が導かれていて、作動流体のアンモニア蒸気を凝縮した後、高圧受液器６に送り込まれる。これは前記したように、タービンの回転力により駆動される作動流体ポンプの作用によるものである。この蒸発器の冷水入口部での温度は約２５℃であり、冷水出口部での温度は約３０℃であるとする。この液化した作動流体は、作動流体ポンプ１を経て蒸発器２に流れ込む。なお、前記分離器３においてアンモニア蒸気を発生させた後のアンモニア水は同じく蒸発器に導入される。
【００２７】
このようにして、密封された混合媒体を、加熱した後冷却させる循環を繰り返すことにより所定の電力を得ることができる。そして、この発電には、温泉等で得られる６５℃程度の温水を使用することができ、また凝縮器では２５℃程度の通常の冷水（例えば、水道水や河川水）を用いるだけでよいのであって、極めて簡易的な発電システムを構築することができる。温水が温泉水の場合、発電に用い排出される温水約４５℃は入浴等の再利用が可能であり、総合的に見れば高い効率のコージネーションシステムである。
【００２８】
次に、本願の複合タービンシステム５０の構造の詳細について、以下に説明する。
【００２９】
図１は複合型タービンシステムの全体構成を示した図である。この複合タービンシステムは、タービン部４、発電電動機部７及びポンプ部１から構成されている。
【００３０】
発電機とタービンは一体化されており、機械的効率を高めると共に小型で軽量化が可能となる構造となっている。タービンと発電機間には、ワンウェイクラッチ４ｃが配置され、タービンの出入口の圧力差が上昇し、発電条件に達した時自動的に接続される構造を有している。このことにより、タービンシステムの小型化および高い制御特性を有することができる。
【００３１】
次に、発電電動機部７とポンプ部１も一体化されており、ポンプの駆動には前記タービンの軸動力を直結して効率化を図っている。また、発電機と作動流体ポンプ間には、変速機１ｃが設置されている。この発電機と作動流体ポンプ間に設置された変速機・又はそれに変わる流量制御弁等によって、作動流体循環量を調節し電力負荷対応と蒸発器・凝縮器に供給される温水・冷水の熱源変動に対し最適な流量を制御する。
【００３２】
更に、発電機ロータ、タービン、ポンプは完全クローズ方式により一体的に収納されており作動流体の漏れはなく、長期に亘り安定した運用（自動運転による無人化）が可能なことを特徴とする。このことにより、タービンシステムの安全性が向上する。また、発電機、タービン、ポンプはユニット化されており温・冷水の条件に最適な組み合わせが可能である。そして、各ユニットは分解、組立が容易で単体の重量を低くおさえられ、人力で移動・設置ができるパッケージタイプとすることができる。
【００３３】
また、本複合タービンシステムは、システムの作動流体がシステム内の回転軸を支承するための軸受の周囲を循環するような構造を有しているものとする。即ち、発電機のステータの部分以外には作動流体が循環されており、軸受の冷却及び潤滑が行われ、かつ該軸受から熱を受け取ることにより作動流体が予熱されてシステム内を循環することになる。これにより、軸受の冷却が効率的に行われ、かつ熱効率の良い発電システムとなる。
【００３４】
上記実施例において、作動流体としてアンモニア／水を用いたシステムについて説明したが、温水熱源の温度レベル及び流量に応じて、従来から温度差発電システムに用いられているアンモニア純物質、ＣＯ２純物質又はＣＯ２混合流体を用いても良い。
【００３５】
更に、上記実施例の図２で本願の複合型タービンシステムを用いた発電システムを示したが、温水熱源の温度レベル及び流量に応じて、ランキンサイクル、カリーナサイクル又はウエハラサイクルなど従来より温度差発電システムに用いられているサイクルに適応した発電システムを構成しても良い。
【００３６】
以上により、低価格で小型化され、かつ作動流体の漏れのないタービンシステムを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】実施例の複合型タービンシステムの断面図
【図２】実施例の複合型タービンシステムを用いた発電システムのブロック図
【図３】実施例の複合型タービンシステムを用いた発電システムの概略工程図
【図４】実施例の複合型タービンシステムを用いた発電システムの主要部の仕様を示す図
【図５】従来例の高温排水を用いた発電システムを示す概略工程図
【図６】従来例の作動流体を用いた発電システムの一例を示す外観図
【符号の説明】
【００３８】
１    作動流体ポンプ部
１ａ  ポンプエンペラー
１ｂ  軸
１ｃ  変速機
２    蒸発器
３    分離器
４    タービン部
４ａ  タービンブレード
４ｂ  軸
４ｃ  ワンウェイクラッチ
５    凝縮器
６    高圧受液器
７    発電電動機部
７ａ  発電機ロータ
７ｂ  発電機ステータ
８    軸受
９    電源端子箱
１０  発電装置本体
１１  蒸気入口
１２  ノズル
１５ａ、１５ｂ  ガスケット
１６  外部電源
２０  熱交換器ユニット
２１  熱交換器
２２  成層型蓄熱槽
２３、２４  循環ポンプ
２５  高温排水
２６  低温排水
２７、２９  高温の液体
２８、３０  低温の液体
３１  バイナリーサイクル
３２  蒸発器
３３  タービン
３４  熱交換器
３５  セパレータ
３６  凝縮器
３７  レシーバタンク
３８  ポンプ
３９  発電機
４３  蒸気タービン
４４  発電機
４５  クラッチカップリング
４６  アンモニア蒸気入口
４７  アンモニア蒸気出口
４８ａ  冷却水入口
４８ｂ  冷却水出口
４８ｃ  グランド漏洩
４８ｄ  排気車室ドレイン
５０  複合型タービンシステム
【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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