(57)【要約】【課題】装置の振動、騒音を防止しつつ、小型化を達成し、しかも耐久性、信頼性に優れた発電装置を低コストで提供する。【解決手段】作動媒体を蒸発可能な熱源、蒸発された作動媒体を膨張させる膨張機、該膨張機からの作動媒体を凝縮させる凝縮器、該凝縮器からの作動媒体を前記熱源へと循環させるポンプを備えたランキンサイクルであって、前記膨張機に発電機を連結して作動媒体の膨張仕事を電力として出力させるようにした発電装置において、前記発電機の駆動軸の両端に膨張機を連結したことを特徴とする発電装置。【選択図】図１
2005083343.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動媒体を蒸発可能な熱源、蒸発された作動媒体を膨張させる膨張機、該膨張機からの作動媒体を凝縮させる凝縮器、該凝縮器からの作動媒体を前記熱源へと循環させるポンプを備えたランキンサイクルであって、前記膨張機に発電機を連結して作動媒体の膨張仕事を電力として出力させるようにした発電装置において、前記発電機の駆動軸の両端に膨張機を連結したことを特徴とする発電装置。
【請求項２】
前記発電機と膨張機とが一つのハウジングに収納されている、請求項１の発電装置。
【請求項３】
前記熱源から膨張機へと至る作動媒体の回路に、選択された１つまたは２つ以上の膨張機への作動媒体の流入を制御する制御弁が設けられている、請求項１または２の発電装置。
【請求項４】
前記複数の膨張機の内部が互いに連通されており、このうちいずれか１つの膨張機の内部と発電機の内部とが互いに連通されている、請求項１ないし３のいずれかに記載の発電装置。
【請求項５】
前記いずれか１つの膨張機が、作動媒体の流通方向の最下流に配置される膨張機である、請求項４の発電装置。
【請求項６】
前記膨張機がギアを介して前記駆動軸に連結されている、請求項１ないし５のいずれかに記載の発電装置。
【請求項７】
前記膨張機がクラッチを介して前記駆動軸に連結されている、請求項１ないし６のいずれかに記載の発電装置。
【請求項８】
前記膨張機がカップリングを介して前記駆動軸に連結されている、請求項１ないし６のいずれかに記載の発電装置。
【請求項９】
前記熱源が排熱、地熱、太陽熱等を集熱する集熱器からなる、請求項１ないし８のいずれかに記載の発電装置。
【請求項１０】
前記膨張機がスクロール型膨張機からなる、請求項１ないし９のいずれかに記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ランキンサイクルを利用した発電装置に関し、とくにサイクル内に複数の膨張機が組み込まれた発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、作動媒体としての流体を循環させる回路を有し、流体を加圧する加圧手段、加熱する加熱手段を有し、加圧／加熱された流体が供給され膨張仕事による出力が取り出される膨張機、該膨張機で仕事をした流体を再び凝縮する凝縮器、凝縮した流体を加圧手段に送還するポンプを有するランキンサイクルを構成し、該ランキンサイクルの膨張機に発電機を連結した発電装置はよく知られている（たとえば、特許文献１）。
【０００３】
また、発電装置の省部品化、コンパクト化を達成するために、膨張機と発電機とを共通の駆動軸に連結した提案（たとえば、特許文献２）、あるいは流体の膨張率を増大し動力取り出し効率を向上すべく複数の膨張機、発電機を同一駆動軸上に配列し各膨張機内で流体を段階的に膨張させる提案もなされている（たとえば、特許文献３）。
【特許文献１】実公昭６２−２２４１号公報
【特許文献２】特開平６−１５９０１５号公報
【特許文献３】特開２００３−１０６１０８号公報（第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、特許文献３の第１図に示すような発電装置においては、発電機の駆動軸の片側に複数の膨張機が連結されているので、駆動軸の片側にのみ膨張機からの応力が集中し、発電装置の駆動時における振動、騒音が増大するおそれがある。また、うず巻体の中央から作動媒体が流入され、膨張された作動媒体がうず巻体の側部から流出されるスクロール型膨張機を直列的に接続すると作動媒体の配管経路が複雑化するため装置全体が大型化するおそれがある。また、発電に伴い発電機内部は多かれ少なかれ加熱されることになるが、内部が過度に加熱されると発電機の耐久性等に悪影響を与えるおそれもある。また、膨張機からの流体の漏出を防止するためには、多数の高価なメカニカルシールを施す必要があるためコストアップを招くおそれがある。
【０００５】
そこで本発明に課題は、駆動時における振動、騒音を防止しつつ、装置の小型化を達成し、しかも装置の耐久性、信頼性を向上できる発電装置を低コストで提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る発電装置は、作動媒体を蒸発可能な熱源、蒸発された作動媒体を膨張させる膨張機、該膨張機からの作動媒体を凝縮させる凝縮器、該凝縮器からの作動媒体を前記熱源へと循環させるポンプを備えたランキンサイクルであって、前記膨張機に発電機を連結して作動媒体の膨張仕事を電力として出力させるようにした発電装置において、前記発電機の駆動軸の両端に膨張機を連結したことを特徴とするものからなる。このような発電装置においては、発電機の駆動軸の両端に膨張機が設けられているので、膨張機の駆動に伴う応力は駆動軸の両端から作用する。したがって、作動媒体の膨張率を増大し動力取り出し効率を向上しつつ、装置駆動時における振動、騒音を大幅に低減できる。
【０００７】
上記発電機および膨張機は一つのハウジング内に収納されていることが好ましい。本発明に係る発電装置においては、発電機の駆動軸の片側に複数の発電機が直列配列される場合に比べて、発電機および膨張機をコンパクトに配設することができるので、小型の一つのハウジング内に発電機、膨張機を容易に収納することができる。
【０００８】
上記熱源から膨張機へと至る作動媒体の回路の途中には、複数の膨張機のうちから選択された１つまたは２つ以上の膨張機への作動媒体の流入を制御する制御弁が設けられていることが好ましい。このようにすれば、全ての膨張機、または選択された１つまたは２つ以上の膨張機を運転することができる。たとえば、熱源が太陽熱である場合は、曇天時や朝夕に日射量が減少すると熱源からの熱量も減少する。この場合、回路内の作動媒体の循環量を減じて発電装置を運転する必要がある。つまり、作動媒体の循環量を減じない場合は、各膨張機の膨張効率が著しく低下するため効率よく動力を取り出すことができなくなる。しかし、上記のように選択的に膨張機を運転することができれば、高効率で動力を取り出すことができる。
【０００９】
上記複数の膨張機の内部は、互いに連通されていることが好ましい。このようにすれば、作動媒体の種類にとらわれず膨張率を自在に設定することができ、動力取り出し効率を向上できるので、発電機の発電効率を向上することができる。また、上記複数の膨張機のうちいずれか１つの膨張機の内部と発電機の内部とは互いに連通されていることが好ましい。このようにすれば、発電機内部を作動媒体で冷却することができ過熱を防止することができる。とくに作動媒体の流通方向の最下流に配置される膨張機の内部と発電機の内部とを連通すれば、段階的に膨張され十分に冷却された作動媒体で発電機内部を冷却することができる。また、最下流に配置される膨張機と発電機との間のメカニカルシールは不要になるので、その分、部品点数、組み付け工数を低減することができる。
【００１０】
上記膨張機は、発電機の駆動軸に直接連結することもできるが、ギア、クラッチ、カップリング等を介して連結することも可能である。たとえば、ギアを介して連結すれば、複数の膨張機が同一容量の膨張機である場合、作動媒体は１段目の膨張機で膨張された後、２段目以降の膨張機に送られるので、２段目以降の膨張機内における膨張率が低下し回転数が減少する。そこで、ギアを介在させれば２段目の出力軸が増速され回転数を増大させることができる。また、クラッチを介して連結すれば、一つまたは複数の膨張機を選択的にまたは全ての膨張機を駆動させることができるので、作動媒体の膨張率を変更することができる。したがって、種々多様の作動媒体、発電機を使用することができる。また、カップリングを介在させれば過大な応力が膨張機等に加わった場合は、カップリングが破壊され機器の破損が防止されるので、装置の耐久性を向上できる。
【００１１】
上記熱源は、とくに限定されるものではなく様々な熱源を利用することができる。各種機械や設備からの排熱、地熱、太陽熱、ボイラ等（たとえば、石油ボイラ、ガスボイラ、電気ボイラ）を利用することができる。たとえば、太陽熱を利用するシステムにおいては、太陽熱集熱器を用いれば太陽熱を効率よく集熱することができる。
【発明の効果】
【００１２】
上記のような本発明に係る発電装置によれば、発電機の駆動軸の両端に膨張機が連結されているので、装置の駆動に伴う膨張機からの応力は駆動軸の両端から作用する。したがって、装置の駆動時における振動、騒音を防止することができる。また、従来の装置に比べ膨張機をコンパクトに配置することができるので、装置全体の小型化を達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、本発明に係る発電装置の望ましい実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１ないし図３は、本発明の第１実施態様に係る発電装置を示している。図において、１は発電装置を示している。発電装置１は、作動媒体（たとえば、冷媒）を蒸発可能な熱源として太陽光集熱器２と、該太陽光集熱器２で蒸発された作動媒体を膨張させる膨張機３、４と、該膨張機３、４からの作動媒体を凝縮させる凝縮器５と、該凝縮器５からの作動媒体を熱源としての太陽光集熱器２へと送還させるポンプ６を有している。そして、これら機器を備えた作動媒体の循環回路７はランキンサイクルとして構成されている。
【００１４】
太陽光集熱器２から膨張機３、４へ至る作動媒体の流路の途中には制御弁１０が設けられており、膨張機３へと至る回路１２と、膨張機４へと至る回路１３の双方および／またはいずれか一方が開とされるようになっている。
【００１５】
膨張機３、４は、発電機８の駆動軸９の両端に連結されており、膨張機３および／または膨張機４による作動媒体の膨張仕事が発電機８を介して電力として出力されるようになっている。本実施態様においては、図２に示すように膨張機３、４はうず巻体１４、１５を有するスクロール型膨張機から構成されている。うず巻体１４、１５の中央から流入された作動媒体は、中央から外周部に向かってポケット部が徐々に拡大されるに伴い膨張されうず巻体１４、１５の側部から流出されるようになっている。また、膨張機３、４および発電機８はハウジング１１内に収納されている。膨張機３、４と発電機８の連結部にはメカニカルシール１６、１７が設けられており、膨張機３、４から外部への作動媒体の漏出が防止されるようになっている。
【００１６】
本実施態様のような発電装置１においては、発電機８の駆動軸９の両端に膨張機３、４が設けられているので、膨張機の駆動に伴う応力は軸９の両側から作用する。したがって、装置１の駆動時における振動、騒音を大幅に低減できる。また、軸９の片側に複数の膨張機が連結される従来装置に比べ、膨張機３、４および発電機８をコンパクトに配置することができるので、膨張機３、４および発電機８を小型のハウジング１１内に容易に収納することができるので、装置１全体を小型化することができる。
【００１７】
図３は、本発明の第２実施態様に係る発電装置１８を示している。なお、上記第１実施態様と同一の部材には同一の番号を付しその説明を省略する。本実施態様においては、図４に示すように、膨張機３と膨張機４との間には回路１９が設けられており、膨張機３と膨張機４は互いに連通されている。また、膨張機４の内部と発電機８の内部とは作動媒体が流通する通路２０を介して互いに連通されている。このため、膨張機３内で膨張された作動媒体は、回路１９を通って膨張機４内でさらに膨張された後通路２０から発電機８内へ流入し凝縮器５へと流通されるようになっている。
【００１８】
本実施態様のような発電装置１８においても、発電機８の駆動軸９の両側に膨張機３、４が設けられているので、上記第１実施態様の作用に準じ装置全体の小型化を達成することができる。また、膨張機３と膨張機４とが回路１９を介して連通されているので、作動媒体の膨張率を自在に設定できる。したがって、作動媒体の種類等にとらわれず効率的なランキンサイクルが構築され、発電効率を向上することができる。
【００１９】
また、本実施態様においては、作動媒体流通方向の最下流に配置される膨張機４の内部と発電機８の内部とは通路２０を介して互いに連通されている。このため、膨張機３、４において減圧され温度が低下された作動媒体により発電機８の内部を冷却することができ、発電機８の過熱が防止され、発電機８ひいては装置全体の耐久性、信頼性を向上できる。また、膨張機４の内部と発電機８の内部とが連通される構成においては、図２に示したメカニカルシール１７は省略することができる。したがって、メカニカルシール１７を省略する分だけ部品点数、組み付け工数を低減することができるので、装置のコストダウンを図ることができる。
【００２０】
図５は、本発明の第３実施態様に係る発電装置の膨張機と発電機の連結構造を示している。なお、上記第１、第２実施態様と同一の部材には同一の番号を付しその説明を省略する。本実施態様においても、膨張機３、４は発電機８の駆動軸９の両側に連結されているが、このうち膨張機４はギア２１を介して連結されている。また、膨張機３と膨張機４とは回路２２を介して連通されており、膨張機３で膨張機された作動媒体は回路２２を介して膨張機４に送られ、さらに膨張機４内で膨張された後凝縮器５へと送られるようになっている。
【００２１】
本実施態様においても、上記第１実施態様の作用に準じ装置の小型化を達成することができる。また、膨張機４はギア２１を介して発電機８の駆動軸９に連結されているので、膨張機４における作動媒体の膨張率を容易に可変させることができる。したがって、様々な作動媒体を最適な膨張率に膨張させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明に係る発電装置は、太陽熱、地熱等多様な熱源を利用して発電するシステムに適用可能であり、また、作動媒体も、ランキンサイクルを形成できるものであればあらゆる媒体の使用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施態様に係る発電装置の概略機器系統図である。
【図２】図１の発電装置の膨張機と発電機との連結構造を示す構造図である。
【図３】本発明の第２実施態様に係る発電装置の概略機器系統図である。
【図４】図３の発電装置の膨張機と発電機との連結構造を示す構造図である。
【図５】本発明の第３実施態様に係る発電装置の膨張機と発電機との連結構造を示す構造図である。
【符号の説明】
【００２４】
１、１８  発電装置
２  太陽光集熱器
３、４  膨張機
５  凝縮器
６  ポンプ
７  ランキンサイクル
８  発電機
９  駆動軸
１０  制御弁
１１  ハウジング
１２、１３、１９、２２  回路
１４、１５  うず巻体
１６、１７  メカニカルシール
２０  通路
２１  ギア
【図１】
2005083343.tif 000003
【図２】
2005083343.tif 000004
【図３】
2005083343.tif 000005
【図４】
2005083343.tif 000006
【図５】
2005083343.tif 000007