(57)【要約】      （修正有）【課題】タービンの回転によって生じる風損を低減した熱発電用タービンユニットを提供する。【解決手段】熱発電用タービンユニット２は、ハウジング１２ａ内に収容された発電機６と、この発電機６のロータ６Ａと一体に回転する主軸７と、この主軸７に直接または間接的に取付けたタービン動翼５ｄとを備え、熱エネルギーにより直接または間接的に作動媒体を加熱して発生させた作動媒体の蒸気３を吹き付けて前記タービン動翼５ｄを回転駆動させ、このタービン動翼５ｄの回転により前記発電機６のロータ６Ａを回転させる。前記ハウジング１２ａと前記主軸７の隙間２８に磁束で保持できる流体２９を満たして、ハウジング１２ａの内部空間３０を密封する。これにより、ハウジング１２ａ内の圧力を復水器内の圧力より低くするか、またはハウジング１２ａ内の気体を分子量の小さなものとする。【選択図】図１
2008151032.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジング内に収容された発電機と、この発電機のロータと一体に回転する主軸と、この主軸に直接または間接的に取付けたタービン動翼とを備え、熱エネルギーにより直接または間接的に作動媒体を加熱して発生させた作動媒体の蒸気を吹き付けて前記タービン動翼を回転駆動させ、このタービン動翼の回転により前記発電機のロータを回転させる熱発電用タービンユニットにおいて、前記ハウジングと前記主軸の隙間に磁束で保持できる流体を満たして、ハウジングの内部空間を密封したことを特徴とする熱発電用タービンユニット。
【請求項２】
請求項１において、前記磁束で保持できる流体が磁性流体である熱発電用タービンユニット。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記隙間は、前記ハウジングと、前記主軸における前記発電機のロータと前記タービン翼車間の部分との間に形成された隙間である熱発電用タービンユニット。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記タービン動翼に吹き付けられた後の作動媒体の蒸気を復水器により再び液体に戻す構成の熱発電システムに設けられ、前記ハウジング内の圧力を前記復水器内の圧力より低くした熱発電用タービンユニット。
【請求項５】
請求項４において、前記ハウジング内の圧力が大気圧よりも低い負圧である熱発電用タービンユニット。
【請求項６】
請求項１または請求項２において、前記ハウジングの内部空間に作動媒体の平均分子量よりも分子量の小さい気体を充満させた熱発電用タービンユニット。
【請求項７】
請求項６において、前記気体が水素またはヘリウムである熱発電用タービンユニット。
【請求項８】
コレクタ部で太陽熱を集熱した熱エネルギーにより、液体の作動媒体を直接または間接的に加熱して気化させ、こうして得られた作動媒体の蒸気を、請求項１〜請求項７のいずれかに記載の熱発電用タービンユニットに、前記タービン動翼に吹き付ける蒸気として供給し、この熱発電用タービンユニットから出た蒸気を復水器により液体に戻すことを特徴とする熱発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、太陽熱等の熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱発電用タービンユニットおよび熱発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱発電システムの１つに太陽熱発電システムがある。この太陽熱発電システムは、コレクタ部において作動媒体を太陽熱で加熱し、その作動媒体の高圧蒸気をタービン動翼の外周側に設けられた１個または複数個のノズルからタービン動翼に噴出させてタービンを回転駆動し、その後、作動媒体の蒸気を復水器により再び液体に戻してコレクタ部に循環させるという熱サイクルを行い、タービンの回転で発電機を発電させるものである。
【０００３】
このような太陽熱発電システムには、タービン（例えば特許文献１）と発電機を組み合わせたタービンユニットが設けられている。タービンユニットは、ハウジング内に収容された発電機、この発電機のロータと一体に回転する主軸、この主軸に取付けたタービン動翼、タービン動翼に作動媒体の蒸気を噴射するノズル等を備えている。
【特許文献１】特開２００４−２７８３３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
太陽熱発電システムでは、得られる熱エネルギーが小さくエネルギー密度が低いため、タービンの回転によって生じる風損が大きな問題となる。風損の多くは、発電機のロータと周囲の流体との摩擦抵抗による。このため、風損を低減するためには、（１）発電機周辺の空間すなわち発電機ハウジングの内部空間の圧力を低くするか、または（２）同空間に充満する気体を分子量の小さなものとすればよい。しかし、発電機ハウジングと主軸との間には隙間があるため、同ハウジングの内部空間を外部から遮蔽することが難しく、今まで（１）、（２）共に実現させることが困難であった。
【０００５】
この発明の目的は、発電機周辺の空間の圧力を低くするか、または同空間に充満する気体を分子量の小さなものとすることにより、タービンの回転によって生じる風損を低減して、タービン効率を高めることを可能にし、太陽熱発電システム等の熱エネルギーの小さい熱発電システムにも適した熱発電用タービンユニットを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明の熱発電用タービンユニットは、ハウジング内に収容された発電機と、この発電機のロータと一体に回転する主軸と、この主軸に直接または間接的に取付けたタービン動翼とを備え、熱エネルギーにより直接または間接的に作動媒体を加熱して発生させた作動媒体の蒸気を吹き付けて前記タービン動翼を回転駆動させ、このタービン動翼の回転により前記発電機のロータを回転させるものである。この熱発電用タービンユニットにおいて、前記ハウジングと前記主軸の隙間に磁束で保持できる流体を満たして、ハウジングの内部空間を密封したことを特徴とする。
この発明の構成によれば、発電機を収容するハウジングの内部空間が密封されているため、発電機周辺の空間の圧力を低くすること、および同空間に充満する気体を分子量の小さなものとすることが可能になる。それにより、タービンの回転によって生じる風損を低減させられる。また、ハウジングの内部空間が密封されているため、タービン動翼を通過した高温の作動媒体蒸気がハウジングの内部空間に進入せず、そのため温度上昇による発電機の巻線抵抗値の上昇を抑制できる。それにより、温度上昇による発電機出力の低下を抑制できる。
ハウジングの内部空間を密封するために、ハウジングと主軸の隙間にシール材を介在させることも考えられるが、シール材を用いると、回転する主軸とシール材との摩擦抵抗が発生するため、それによってタービン効率が低下する。
【０００７】
前記磁束で保持できる流体は磁性流体とすることができる。磁性流体は、強磁性微粒子を溶媒中に分散させたコロイド溶液のことである。
磁性流体は粒子の凝集や固液の分離が起こらず安定しているため、磁束で保持できる流体を磁性流体とすると、精度の高い密封性が得られる。
【０００８】
磁束で保持できる流体が満たされる前記隙間は、前記ハウジングと、前記主軸における前記発電機のロータと前記タービン翼車間の部分との間に形成された隙間とすることができる。
発電機が収容されたハウジングから主軸が突出し、その主軸の突出部にタービン動翼が取付けられている場合、上記構成とすることでハウジングの内部空間を密封することが可能となる。
【０００９】
熱発電用タービンユニットを、前記タービン動翼に吹き付けられた後の作動媒体の蒸気を復水器により再び液体に戻す構成の熱発電システムに設ける場合、前記ハウジング内の圧力を前記復水器内の圧力より低くすると良い。また、前記ハウジング内の圧力が大気圧よりも低い負圧とすると良い。
ハウジング内の圧力を上記のようにすると、発電機のロータと周囲の流体との摩擦抵抗が小さくなり、タービンの回転によって生じる風損を低減させることができる。
【００１０】
前記ハウジングの内部空間に作動媒体の平均分子量よりも分子量の小さい気体を充満させると良い。その場合、前記気体は水素またはヘリウムとすると良い。
ハウジングの内部空間に上記気体を充満させると、発電機のロータと周囲の流体との摩擦抵抗が小さくなり、タービンの回転によって生じる風損を低減させることができる。
【００１１】
この発明の熱発電システムは、コレクタ部で太陽熱を集熱した熱エネルギーにより、液体の作動媒体を直接または間接的に加熱して気化させ、こうして得られた作動媒体の蒸気を、請求項１〜請求項７のいずれかに記載の熱発電用タービンユニットに、前記タービン動翼に吹き付ける蒸気として供給し、この熱発電用タービンユニットから出た蒸気を復水器により液体に戻すことを特徴とする。
太陽熱で得られる熱エネルギーは小さいが、風損が少なくタービン効率の良いこの発明の熱発電用タービンユニットを用いることにより、十分にタービンを回転させて発電することができる。
【発明の効果】
【００１２】
この発明の熱発電用タービンユニットは、ハウジング内に収容された発電機と、この発電機のロータと一体に回転する主軸と、この主軸に直接または間接的に取付けたタービン動翼とを備え、熱エネルギーにより直接または間接的に作動媒体を加熱して発生させた作動媒体の蒸気を吹き付けて前記タービン動翼を回転駆動させ、このタービン動翼の回転により前記発電機のロータを回転させる熱発電用タービンユニットにおいて、前記ハウジングと前記主軸の隙間に磁束で保持できる流体を満たして、ハウジングの内部空間を密封したため、発電機周辺の空間の圧力を低くするか、または同空間に充満する気体を分子量の小さなものとして、タービンの回転によって生じる風損を低減し、タービン効率を高めることが可能になり、タービン効率が高く、太陽熱発電システム等の熱エネルギーの小さい熱発電システムにも適したものとなった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
この発明の実施形態を図１および図２と共に説明する。この熱発電用タービンユニット２は、発電機６とタービン５とが上下に配置される。ユニットハウジング１２は上下に２分割されていて、上段の発電機ハウジング１２ａに発電機６が収容され、下段のタービンハウジング１２ｂにタービン５が収容されている。
【００１４】
発電機６は、回転部分である一対の発電機ロータ６Ａ，６Ａと、静止部分である発電機ステータ部６Ｂとでなる。具体的には、発電機６はアキシアルギャップ型発電機であり、円筒状のユニットハウジング１２の内周側に設けられた発電機ステータ部６Ｂに対して、垂直方向に向く姿勢とした主軸７に設けられた一対の発電機ロータ６Ａ，６Ａが上下に所定のギャップを介して対向配置されている。
【００１５】
発電機ステータ部６Ｂは、そのステータ基体１３が非磁性体からなるコアレス構造とされており、ステータ基体１３の周方向に１個ないし複数個のコイル部１４が集中巻きで配置されている。なお、発電機ステータ部６Ｂのステータ基体１３を磁性体とした場合、始動トルクの増大、低速回転域での鉄損増大やコギングトルクによる騒音、振動等が生じるが、コアレス構造としたこの実施形態では、そのような問題を回避できる。ただし、発電機６は上記したコアレス構造のものに限らず、他の構造のものを採用しても良い。前記コイル部１４は、その表面の絶縁被膜を保護するために樹脂等でモールドされている。これにより、発電機ステータ部６Ｂにおけるコイル部１４の表面の絶縁被膜が、作動媒体３である有機溶媒等により侵されて安定した発電が行えなくなるのを回避できる。
【００１６】
各発電機ロータ６Ａは、主軸７に一体に形成したフランジ状のロータ基体１５における前記発電機ステータ部６Ｂに対向する側面の円周上に、１個ないし複数個の磁石１６を配置して構成されている。この場合の磁石１６の磁極は、その磁束が発電機ステータ部６Ｂのコイル部１４に鎖交するように配置される。例えば、上ロータ磁石がＮ極、下ロータ磁石がＳ極とされる。主軸７の下部は、発電機ハウジング１２ａの底壁に形成された開口部２５を突き抜けて、タービンハウジング１２ｂ内に突出している。
【００１７】
タービン５は半径流タービンであり、前記主軸７と一体に回転するタービン翼車５Ａを有する。タービン翼車５Ａは、主軸７の下端部に嵌合する動翼取付部材５ａと、この動翼取付部材５ａの円板状部分５ａａの下側面に取付けられ、複数の動翼５ｄが形成された動翼部材５ｂと、この動翼部材５ｂの下側に配置された動翼カバー部材５ｃとでなる。動翼取付部材５ａは、主軸７と一体で回転するように主軸７の下端の雄ねじ部に螺合させたナット１７で固定されている。動翼取付部材５ａの上側筒状部５ａｂは、前記開口部２５内で主軸７の外周に嵌合している。動翼部材５ｂと動翼カバー部材５ｃは、動翼取付部材５ａに対して軸方向からボルト等（ボルト穴の図示なし）で固定され、動翼取付部材５ａと一体となって回転する。動翼部材５ｂは、樹脂成形品や金属製品からなり、機械加工等で動翼５ｄが形成されている。
【００１８】
タービン５の外周には円筒状のノズル部材１８が設けられ、このノズル部材１８の動翼５ｄの翼列に向けて貫通するノズル８が、図２のように円周方向に複数分配して設けられている。ノズル部材１８の外周側には、蒸気となった作動媒体３を外部からノズル部材１８の外周側の空間に流入させる吸気口１９が、タービンハウジング１２ｂを貫通して設けられている。また、タービンハウジング１２ｂの底壁の中央部には、動翼５ｄの翼列を通過した作動媒体３を動翼５ｄの内周側の空間から外部に排出させる排気口２３が設けられている。
【００１９】
主軸７は磁気軸受やフォイル軸受等の非接触軸受２２Ａ〜２２Ｃを介してユニットハウジング１２に回転自在に支持される。なお、主軸７の支持は、非接触軸受２２Ａ〜２２Ｃによらず、転がり軸受等の接触式の軸受であっても良い。
【００２０】
図１（Ｂ）の部分拡大図に示すように、発電機ハウジング１２ａの開口部２５に面する部分の内周部１２ａａには、一対の磁性流体保持用磁石２６が、同極同士が対向するようにアキシアル方向に並べて設けられている。この実施形態ではＮ極同士を対向させているが、Ｓ極同士を対向させてもよい。このように磁石２６を配置することにより、開口部２５およびその周辺部に図に示すような磁束２７が生じる。発電機ハウジング１２ａと主軸７の隙間２８、正確には発電機ハウジング１２ａの内周部１２ａａと動翼取付部材５ａの筒状部５ａｂの隙間２８は、磁束２７で保持された磁性流体２９で満たされている。磁性流体２９は、強磁性微粒子を溶媒中に分散させたコロイド溶液のことである。発電機ハウジング１２ａの内周部１２ａａと発電機ロータ６Ａのフランジ面との隙間を磁性流体２９で満たしても構わない。
【００２１】
上記隙間２８を磁性流体２９で遮蔽することにより、発電機ハウジング１２ａの内部空間３０が外部から隔離された密封状態となっている。この密封された内部空間３０は大気で満たされているが、その圧力は大気圧よりも低い負圧とされている。また、その圧力は、後記復水器９内の圧力より低く設定されている。
上記のように、発電機ハウジング１２ａの内部空間３０の気体を大気とする代わりに、水素、ヘリウム等の、作動媒体３の平均分子量よりも分子量の小さい気体としてもよい。その場合、気体の圧力について特に問わない。
【００２２】
この熱発電用タービンユニット２は、図３の熱発電システムに組み込まれる。熱発電システムは、熱エネルギーである太陽熱を電気エネルギーに変換して出力する太陽熱発電システムであって、太陽熱を集光して太陽熱を吸収するコレクタ部１と、上記熱発電タービンユニット２と、コレクタ部１とタービン５との間で作動媒体３を循環させるクローズド経路の作動媒体経路４とを備える。
作動媒体経路４は、前記コレクタ部１で加熱された作動媒体３の蒸気を高圧蒸気としてタービン５に噴出させてタービン５を回転駆動する前記ノズル８と、このノズル８から噴出してタービン５の回転に使用された作動媒体３の蒸気を液体に戻す復水器９と、液体に戻した作動媒体３をコレクタ部１に循環供給するポンプ１０とを有する。
【００２３】
上記構成による熱発電システムの動作を説明する。作動媒体経路４内の作動媒体３は、循環ポンプ１０によってコレクタ部１に送られる。コレクタ部１では太陽熱を吸収し、吸収した熱エネルギーを作動媒体３に与えることにより高圧蒸気とする。作動媒体３の高圧蒸気は、ユニットハウジング１２の吸気口１９からノズル８を介してタービン翼車５Ａの動翼５ｄに噴射され、これによりタービン翼車５Ａが回転駆動される。タービン翼車５Ａの回転によって発電機ロータ６Ａが回転し、発電機ロータ６Ａと対向して設けられた発電機ステータ部６Ｂで発電される。この発電の制御はコントロータ１１によって行われる。タービン翼車５Ａに回転エネルギーを与えた作動媒体３の蒸気は、動翼５ｄ間の通路を通り抜けて、排気口２３から熱発電用タービンユニット２の外に出る。その後、作動媒体３の蒸気は、復水器９によって液化され、循環ポンプ１０によって再度コレクタ部１まで送られる。
【００２４】
この熱発電用タービンユニット２は、発電機６を収容する発電機ハウジング１２ａの内部空間３０が密封されているため、同空間３０内の気体の圧力を低くすることができる。また、同空間３０内の気体を分子量の小さなもの、例えば水素、ヘリウム等とすることもできる。それにより、発電機ロータ６Ａと周囲の流体との摩擦抵抗が小さくなり、タービン５の回転によって生じる風損を低減させられる。また、タービン動翼５ｄを通過した高温の作動媒体蒸気３が発電機ハウジング１２ａの内部空間３０に進入しないため、温度上昇による発電機コイル部１４の巻線抵抗値の上昇を抑制できる。それにより、温度上昇による発電機出力の低下を抑制できる。これらの結果、タービン効率を向上させることが可能になる。
【００２５】
上記実施形態は、磁性流体保持用の磁石２６をアキシアル方向に並べた構成としたが、図４に示すようにラジアル方向の配置としても、同様の磁束２７を生じさせることができ、磁性流体２９を保持することが可能である。
【００２６】
上記熱発電用タービンユニットは、発電機６をアキシアル型コアレス発電機としているが、ラジアル型等の他の構造でも構わない。また、ノズル８を動翼５ｄの外側に配置し、外側から内側に作動媒体の蒸気３を噴射させる構造としているが、ノズル８を動翼５ｄの内側に配置した半径流タービンでも構わない。動翼取付部材５ａが主軸７と別部材で構成されているが、動翼取付部材５ａを主軸７と一体に形成してもよい。発電機ロータ６Ａは主軸７に形成するのではなく、主軸７と別部材に構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】（Ａ）はこの発明の実施形態にかかる熱発電用タービンユニットの断面図、（Ｂ）はそのＩＢ部拡大図である。
【図２】図１（Ａ）のII−II断面図である。
【図３】熱発電システムの概略図である。
【図４】異なる実施形態の要部の断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１…コレクタ部
２…熱発電用タービンユニット
３…作動媒体
５…タービン
５ａ…動翼取付部材
５ｄ…動翼
６…発電機
６Ａ…発電機ロータ
７…主軸
８…ノズル
９…復水器
１２ａ…発電機ハウジング
２６…磁石
２７…磁束
２８…隙間
２９…磁性流体
３０…内部空間
【図１】
2008151032.tif 000003
【図２】
2008151032.tif 000004
【図３】
2008151032.tif 000005
【図４】
2008151032.tif 000006