(57)【要約】【課題】ディスクの間隙を通過して蒸気排出口から排出される蒸気の粘性力と付着力とを有効に活用することを目的とする。【解決手段】このノズル１から噴出する蒸気２により回転するローター３と、このローター３に設けた回転軸４とを具備し、前記ローター３は、間隙８を介して重ね合わせた複数個の円輪状のディスク５の両側に回転軸４を設けた固定ディスク１２を配置して構成し、ノズル１から噴出する蒸気２がディスク５，１２間の間隙８を通過し、前記回転軸４の周囲に設けた排出通路１１に排出するように設定した。【選択図】図１
2008057363.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気を噴出するノズルと、このノズルから噴出する蒸気により回転するローターと、このローターに設けた回転軸とを具備し、前記ローターは、間隙を介して重ね合わせた複数個の円輪状のディスクの両側に回転軸を設けた固定ディスクを配置して構成し、ノズルから噴出する蒸気がディスク間の間隙を通過し、前記回転軸の周囲に設けた排出通路に排出するように設定した蒸気タービン。
【請求項２】
スペーサーを介してディスク間の間隙を形成した請求項１記載の蒸気タービン。
【請求項３】
固定ディスクは、排出通路に臨む複数個の排出口を回転軸の周囲に構成した請求項１記載の蒸気タービン。
【請求項４】
ディスクは、側壁の両方またはどちらか一方に衝動力を得るための突起部を設けた請求項１記載の蒸気タービン。
【請求項５】
ノズルは、回転するローターの端部に接線方向から蒸気を衝突させるように配置した請求項１記載の蒸気タービン。
【請求項６】
請求項１〜５いずれか１項記載の蒸気タービンを搭載した太陽熱ランキンシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽熱を利用したランキンシステムなどに使用される蒸気タービンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の蒸気タービンは、蒸気が出力軸に狭い間隔で稠密に取り付けられた平面形状のディスクの間を外周から軸に向かって流れ、蒸気の粘性力と付着力によりディスクを回転させるようにして、蒸気排出口から蒸気を排出している。（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
また、平板形状のディスクを用いて粘性だけを利用したテスラタービンもある。
【特許文献１】特開２００２−１７４１６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来技術では、出力軸にほぼ直角の平面形状のディスクを多枚数重ね合わせて、蒸気がディスクの間隙を通過してディスクの一部に設けた複数個の蒸気排出口から出力軸に沿うような形で排出されるので、ディスクを通過する蒸気の流れが急激に変化し、蒸気の流れが乱れるため、蒸気の粘性力と付着力をディスクに伝える作用が低下するという課題があった。
【０００５】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、ローターの間隙を通過する蒸気を回転軸の周囲に設けた排出通路に排出するようにして、ローターの間隙を通過する蒸気の流れに乱を生じさせずに間隙外に排出させ、これにより、蒸気の粘性力と付着力をローターに伝える作用を向上し、回転軸に与えるトルクを上昇して、効率を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記従来の課題を解決するために、本発明の蒸気タービンは、蒸気を噴出するノズルと、ノズルから噴出する蒸気により回転するローターと、複数個のローターを間隙を介して重ね合わせたローターユニットと、ローターユニットを固定するためにローターの端部に設けた固定ローターと、固定ローターに設けた回転軸と、蒸気が各ローターの間隙を通過し回転軸の周囲に設けた排出通路に排出するようにローターユニットと固定ローターを備えたものである。
【０００７】
この蒸気タービンによって、ローターの間隙を通過する蒸気の流れがローターの側面に沿い、乱れないで間隙外に排出され、蒸気の粘性力と付着力をローターに伝える作用を向上し、ローターを回転させ回転軸に与えるトルクを上昇して、効率を向上するものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の蒸気タービンは、蒸気の粘性力と付着力をローターに伝える作用を向上し、ローターを回転させ回転軸に与えるトルクを上昇して、効率を向上するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
第１の発明は、蒸気を噴出するノズルと、このノズルから噴出する蒸気により回転するローターと、このローターに設けた回転軸とを具備し、前記ローターは、間隙を介して重
ね合わせた複数個の円輪状のディスクの両側に回転軸を設けた固定ディスクを配置して構成し、ノズルから噴出する蒸気がディスク間の間隙を通過し、前記回転軸の周囲に設けた排出通路に排出するように設定したものである。
【００１０】
したがって、ローターのディスク間隙を通過する蒸気の流れが乱れないで間隙外に排出され、これにより、蒸気の粘性力と付着力を高め、蒸気タービンの効率を向上することができる。
【００１１】
第２の発明は、特に第１の発明において、スペーサーを介してディスク間の間隙を形成して、複数個の均一な間隙を構成できるようにし、蒸気の粘性力と付着力をローターに確実に伝えるようにした。
【００１２】
第３の発明は、特に第１の発明において、固定ディスクは、排出通路に臨む複数個の排出口を回転軸の周囲に構成した。
【００１３】
第４の発明は、特に第１の発明において、ディスクは、側壁の両方またはどちらか一方に衝動力を得るための突起部を設けて、蒸気の運動エネルギを回転軸に効率よく伝え、蒸気タービンのトルクを上昇した。
【００１４】
第５の発明は、特に第１の発明において、ノズルは、回転するローターの端部に接線方向から蒸気を衝突させるように配置した。
【００１５】
第６の発明は、これら蒸気タービンを太陽熱ランキンシステムに搭載して、発電と給湯・暖房のコージェネレーションのシステムを実現した。
【００１６】
（実施の形態１）
図１において、このノズル１から噴出する蒸気２の運動エネルギを受けて回転するローター３は出力軸である回転軸４に固定されている。蒸気２は高温のフロンや水の蒸気であり、場合によっては、高温のＣＯ２や空気等のガス体を使用することもある。
【００１７】
前記ローター３は回転軸４に対して略垂直に配置され、かつ複数の円輪状のディスク５で構成されており、中央部分が排出開口６として設定されている。そして、このローター３の側面（表面）に衝動面７を構成している。
【００１８】
前記ローター３を構成する円輪状のディスク５は同一の幅の間隙８をおいて重ね合わせられており、前記間隙８はスペーサー９により形成されている。
【００１９】
ローター３、回転軸４、およびスペーサー９は、耐熱性、耐腐食性の材料、例えば、ステンレスやチタンやアルミナ等の金属材料やセラミックやガラスで構成している。
【００２０】
ローター３やスペーサー９は、重量の軽減のために薄く、例えば、１ｍｍ以下に構成している。スペーサー９の形状は、間隙８の隙間管理とともに、蒸気２による衝動力が効率よく得られるように、円輪状のディスク５の表面に、例えば円弧状に、独立して均等に配列されている。
【００２１】
したがって、外周からの蒸気２は各スペーサー９で分割された間隙８を通り、ローター３の中央に設けた排出開口６から出ていくようにしている。スペーサー９は複数個のガイドピン１０により位置決めがなされている。
【００２２】
また、間隙８は、衝動面７に沿って移動する蒸気２の粘性力や付着力が働くように狭く
、例えば、１ｍｍ以下に構成してある。
【００２３】
円輪状のディスク５を複数個重ね合わせることで、複数個の排出開口６により回転軸４の周囲に排出通路１１が形成される。そして、円輪状のディスク５の左右最外側は略円板状の固定ディスク１２として回転軸４に固定されるようにしてある。
【００２４】
これら固定ディスク１２はその間のディスク５よりも厚みがあり、ローター３の剛性を高めている。
【００２５】
一方の固定ディスク１２には先の排出通路１１に連通する複数個の排出口１３を設けている。
【００２６】
ノズル１は、回転軸４に対してほぼ直角に蒸気２を噴出するもので、ローター３の外周部分に接線方向から衝突するように設けている。
【００２７】
さらに、ノズル１はローター３の外周全体に向けて蒸気２を噴出するために単孔（丸でもスリットでも可能である）、または各間隙８のそれぞれに蒸気２を噴出するために複数個設けられている。
【００２８】
ノズル１の形状は、普通の蒸気タービンで使用されている単孔ノズルや先細ノズルや末広ノズル等を使用している。ノズル１は蒸気２の流速を音速から更に超音速に加速するために、のど部から下流に向かって内径を徐々に拡大するようにディフューザー部分も構成するようにしている。
【００２９】
このノズル１や回転軸４やローター３の周囲を覆いながら蒸気２が外部に漏れないようにケーシング１４が設けられている。ローター３とケーシング１４の間隙１５は、蒸気２が短絡して流れないような間隔に管理している。
【００３０】
ケーシング１４には回転軸４の回転を支えるための軸受け１６が設けられている。これら軸受け１６は、シール性のあるベアリング軸受け、または非接触の流体軸受けを使用している。
【００３１】
ケーシング１４の材質は、ローター３のように耐熱性、耐腐食性の材料で構成され、例えばその材質は、ステンレスやチタンやアルミナ等の金属材料やセラミックで構成している。また、ケーシング１４には、排出口１３から排出される蒸気２を流入させる環状の排出室１７を設けている。この排出室１７の一部に排出管１８が設けてある。
【００３２】
回転軸４の回転は発電機１９に伝達されるようにしてある。発電機１９は、例えばアウターロータ式三相交流発電機を用い、この交流出力は、全波整流されたのちにインバータ（図示なし）により電流制御を行うようにして安定した電流を得るようにしている。
【００３３】
図２において、２０は太陽熱を受けて回収する集熱器で、この集熱器２０の熱を蓄熱槽２１に伝えるために、循環ポンプ２２を途中に設けた回路２３（閉回路）を設けている。集熱器２０は、管状集熱器や真空ガラス管式集熱器やヒートパイプ式集熱器等で構成している。回路２３内を循環する熱媒体２４は、フロンや水のような液体で構成している。
【００３４】
なお、熱媒体２４は、超臨界状態のＣＯ２や液体空気を用いる場合もある。
【００３５】
熱媒体２４は、集熱器２０で加熱されて蒸気になり蓄熱槽２１に送られ、そこで熱交換することで凝縮し液体となる。この熱媒体２４を循環ポンプ２２で再度集熱器２０に送る
ようにしている。この動作を繰り返すことで、蓄熱槽２１に熱を貯めるようにしている。蓄熱槽２１は、融点の高い溶融塩の相変化を利用した潜熱型や溶融塩や油等を用いた顕熱型や蒸気を圧力水の形で蓄える蒸気アキュムレイタ等を用いることで１００℃以上の高温の熱を貯めるようにしている。
【００３６】
２５は、蓄熱槽２１の熱を利用した熱媒体２６の蒸気２を図１，２の蒸気タービン２７のノズル１に供給する供給ポンプで、蒸気タービン２７から排出された熱媒体２６を再度蓄熱槽２１に送る回路２８（閉回路）の途中に設けている。この回路２８内を循環する熱媒体２６は、フロンや水のような液体とその蒸気で構成している。なお、熱媒体２６は、超臨界状態のＣＯ２や液体空気を用いる場合もある。
【００３７】
また、回路２８の蒸気タービン２７と供給ポンプ２５の途中に貯湯タンク２９を設けて、蒸気タービン２７に運動エネルギを与えた後の高温の蒸気２の熱を利用して貯湯タンク２９に湯を貯めるようにしている。
【００３８】
熱媒体２６は、この貯湯タンク２９に熱を伝えるときに凝縮して液体となり、再度蓄熱槽２１に送られて加熱され蒸気２を形成するようにしている。この動作を繰り返すことで、蒸気タービン２７に設けた発電機１９により発電しながら貯湯タンク２９にお湯を貯めるようにしている。
【００３９】
貯湯タンク２８に貯められたお湯は、給水ポンプ３０により給湯用や暖房用に供給されるようにしている。
【００４０】
以上のように構成された蒸気タービンについて、以下その動作、作用を説明する。
【００４１】
まず、蒸気タービン２７のノズル１に供給する蒸気２をつくりだすためには、循環ポンプ２２を作動し、熱媒体２４を回路２３内に循環させ、太陽の熱を受けた集熱器２０で加熱し、高温の蒸気、または液体や蒸気と液体が混ざったもの等を形成して蓄熱槽２１に送る。
【００４２】
蓄熱槽２１ではこの蒸気を受けて２００℃程度の熱量を蓄積するようにしている。熱媒体２４の蒸気は、蓄熱槽２１で凝縮して液体となり、循環ポンプ２２により再度、集熱器２０に送られ、加熱されるようにしている。この動作を太陽熱の供給が可能な間、繰り返すことにより、必要な熱量を蓄熱槽２２に維持するようにしている。
【００４３】
蓄熱槽２１に所定の熱量が蓄積されると、回路２８に設けた供給ポンプ２５で、熱媒体２６を循環させ、蓄熱槽２１で２００℃程度の熱媒体２６の蒸気２を形成し、蒸気タービン２７のノズル１から噴出する。ノズル１から噴出する蒸気２は、音速の運動エネルギを持ち、蒸気タービン２７のローター３に構成する衝動面７に衝突し、スペーサー９にガイドされながら、各ディスク５，１２間に構成される間隙８の内部を衝動面７に沿いながら旋廻し、ローター３の中央に設けた排出開口６の部分から噴出し、回転軸４の周囲に設けた排出通路１１から排出される。
【００４４】
この時、蒸気２の粘性力や付着力により、ローター３が回転し、回転軸４のトルクとして伝えられる。この回転軸４のトルクを利用して発電機１９を回転させて、発電を行うようにしている。
【００４５】
蒸気タービン２７から排出した熱媒体２６の蒸気２は、貯湯タンク２９に送られ、水と熱交換を行い、その熱は貯湯タンク２９内にお湯として貯められる。蒸気２は、貯湯タンク２９内で凝縮し、液体となって供給ポンプ２５により蓄熱槽２１に送られ、再度加熱さ
れ、蒸気２を形成するようにしている。
【００４６】
この動作を繰り返すことにより、蒸気タービン２７で発電しながら貯湯タンク２９にお湯を貯め、給湯や暖房の必要なときに給水ポンプ３０を作動しお湯を使用することでコージェネレーションのシステムを構成するようにしている。
【００４７】
以上のように、本実施の形態によれば以下次のような特徴を挙げることができる。
【００４８】
（１）熱媒体２６の蒸気２を噴出するノズル１と、このノズル１から噴出する蒸気２により回転するとともに、複数個のディスク５，１２を間隙８を介して重ね合わせたローター３と、このローター３の回転軸４と、蒸気２が各ディスク５，１２の間隙８を通過し回転軸４の周囲に設けた排出通路１１に排出するように構成したので、ローター３の間隙８を通過する蒸気２の流れがローター３の側面に沿ったまま乱れないで間隙８外に排出され、蒸気２の粘性力と付着力をローター３に伝える作用を向上し、ローター３を回転させ回転軸４に与えるトルクを上昇して、蒸気タービン２７の効率を向上することができる。
【００４９】
（２）ノズル１から噴出する蒸気２が衝動面７やスペーサー９に沿って長時間滞留し、粘性力と付着力を増大させ回転軸４に与えるトルクを上昇するので、発電機１９の発電量を増加することができる。
【００５０】
（３）独立した集熱用の回路２３を構成して、集熱器２０で得られた太陽熱を蒸気タービン２７の動作に関係なく、常時蓄熱槽２１に蓄えて維持できるので、発電の必要なときに蒸気タービン２７で必要な蒸気２を随時取り出すことができる。
【００５１】
（４）回路２８の途中に貯湯タンク２９を設けたので、発電に関係なく蓄熱槽２１の熱をお湯として貯湯タンク２９に貯めることが可能なので、給湯や暖房に必要なお湯を随時取り出せることができる。
【００５２】
（５）最大発電量を増加するときは、ローター３のディスク５の枚数を増加することで可能であり、複雑な形状の追加がないので、コストの上昇を抑制することができる。
【００５３】
（６）ノズル１から噴出する蒸気２を衝動面７に長時間滞留させ、粘性力と付着力を増大させて回転軸４に与えるトルクを上昇するので、低温度（２００℃程度）で作動する蒸気タービン２７を実現できる。
【００５４】
（７）太陽熱を利用して蒸気２を形成し、ノズル１より噴出してローター３を回転させて発電するので、ＣＯ２削減の有効な手段とすることができる。
【００５５】
（８）間隙８内でのスペーサー９の位置決めを複数個のガイドピン１０を介して行うので、ローター３の組み立て時に複数個のスペーサー９を正確に配置することができる。
【００５６】
（９）ローター３の間隙８を通過して排出通路１１から排出する蒸気２が直接回転軸４のほぼ垂直方向に均一な流れを保ちながら噴出し、蒸気２の粘性力や付着力によりローター３に回転力が加わった後に排出するようにしているので、排出通路１１内の蒸気２は固定ディスク１２の複数個の排出口１３から均一に排出し、ローター３の間隙８から均一な蒸気２が排出するようにしている。したがって、回転軸４に均一な回転力を加えることができ、蒸気タービン２７の効率を向上することができる。
【００５７】
（実施の形態２）
図３において、ローター３は、円板状の側壁の両方またはどちらか一方に衝動力を得る
ための突起部３１を設けている。蒸気２がこの突起部３１に沿って流れることで、効率よく衝動力が得られるように、形状としては、例えば、円弧状に複数個構成している。
【００５８】
突起部３１の端部は、隣接するディスク５，１２に接するように構成して、蒸気２が突起部３１の途中から抜けて蒸気２の流れが乱れないようにしている。突起部３１は衝動面５に貼り付けるか、またはスペーサー９を突起部３１の形状に形成してディスク５，１２間に挟み込んで構成するようにしている。
【００５９】
なお、図１と同一構成の部分には同一符号を付し、説明は実施の形態１のものを援用する。
【００６０】
以上のように構成された蒸気タービンについて、以下その動作、作用について説明する。
【００６１】
ノズル１から噴出する蒸気２は、音速の運動エネルギを持ち、蒸気タービンのローター３の外周から間隙８に流入し円板状の衝動面７に沿いながら旋廻し、ローター３の中央に設けた排出開口６から排出される。
【００６２】
この時、蒸気２はローター３に設けた円弧状の突起部３１に沿って移動するときに衝動面７とともに衝動力を得て、回転軸４に回転トルクとして伝えるようにしている。
【００６３】
なお、突起部３１は、図３のようにターボファンの翼のように衝動面７を分割するように設ける場合や、コンプレッサーのようにローターの衝動面７に一つの連続するスクロール状に構成すことも可能である。
【００６４】
（実施の形態３）
図４において、集熱器２０で形成した熱媒体２４の蒸気２を循環ポンプ２２より回路２３（閉回路）で直接蒸気タービン２７に送り、蒸気タービン２７を回転させて発電機１９により発電を行うことも可能である。また、回路２３の蒸気タービン２７と循環ポンプ２２の途中に貯湯タンク２９を設けて、蒸気タービン２７に運動エネルギを与えた後の高温蒸気２の熱を利用してこの貯湯タンク２９に湯を貯めることもできる。
【００６５】
熱媒体２４は、この貯湯タンク２９に熱を伝えるときに凝縮して液体となり、再度集熱器２０に送られて加熱され蒸気２を形成するようにしている。この動作を繰り返すことで、蒸気タービン２７に設けた発電機１９により発電しながら貯湯タンク２９にお湯を貯めるようにしている。貯湯タンク２９に貯められたお湯は、給水ポンプ３０により給湯用や暖房用に供給されるようにしている。
【００６６】
なお、図５のように、集熱器２０で形成した熱媒体２４の蒸気２を循環ポンプ２２より回路２３（閉回路）で直接蒸気タービン２７に送り、この蒸気タービン２７を回転させて発電機１９により発電だけを行うことも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
以上のように、本発明にかかる蒸気タービンは、エネルギ密度の低い太陽熱を利用してを作動できるので、自動車や燃料電池の排熱回収等に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態１を示す蒸気タービンの縦断面図、（ｂ）同横断面図
【図２】太陽熱ランキンシステムの構成図
【図３】（ａ）本発明の実施の形態２を示す蒸気タービンの縦断面図、（ｂ）同横断面図
【図４】太陽熱ランキンシステムの他の例を示す構成図
【図５】太陽熱ランキンシステムのさらに他の例を示す構成図
【符号の説明】
【００６９】
１  ノズル
２  蒸気
３  ローター
４  回転軸
５，１２  ディスク
６  排出開口
７  衝動面
８  間隙
１１  排出通路
２７  蒸気タービン
【図１】
2008057363.tif 000003
【図２】
2008057363.tif 000004
【図３】
2008057363.tif 000005
【図４】
2008057363.tif 000006
【図５】
2008057363.tif 000007