(57)【要約】【課題】解決しようとする問題点は、従来技術のタービンにおいては、小出力にした場合、熱効率が極端に低くなる点である。また、小型化すると、さらに単位出力あたりの熱損失が大きくなり、補機動力の割合の増加、発電機効率の低下など、本質的な問題があった。また、従来タービンは形状が複雑で製造コストが大きいという問題があり、実用化を阻んできた。【解決手段】上記の課題を解決するために、本発明は、微小な翼列要素を環状に多段に配置した多数の極めて薄いディスクを微小なディスク間隔で稠密に同軸上に重ね合わせた構造を基本として、小型でありながら低コストで高効率のタービンができる。【選択図】        図１
2005042567.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄いディスク（円盤）表面に微小な翼列要素を環状に、かつ、中心から半径方向に多段に配置した構造のディスクを，一方はケーシングに固定した固定ディスク，もう一方は出力軸に固定した回転ディスクとし，作動流体を軸心から外向きの半径流（Ｒａｄｉａｌ  ｆｌｏｗ）方向に流すことによって，固定ディスク上の静翼と回転ディスク上の動翼の相互作用により回転力を得る構造であり，さらに固定ディスクと回転ディスクの組み合せを同軸上に数多く稠密に重ね合わせるという特徴を有するディスク型半径流タービン。なお、固定ディスクと回転ディスクとの間隔、翼列要素の厚さ、環状翼列の段数、および重ね合わせの段数には、作動流体とその流入条件によって最適値がある。
【請求項２】
従来の半径流タービンであるユングストロームタービン（Ｌｊｕｎｇｓｔｒｏｍ  ｔｕｒｂｉｎｅ），あるいはシーメンスタービン（Ｓｉｅｍｅｎｓ  ｔｕｒｂｉｎｅ）の作動原理のように，半径方向に多段に交互に組み合わされた環状の静翼と動翼の作用から反動力を得ることによって回転力を得るという特徴を有する請求項１記載のディスク型半径流タービン。
【請求項３】
薄いディスク（円盤）表面に微小な翼列要素を環状に、かつ、中心から半径方向に多段に配置した構造のディスクを，一方は出力軸に中心部を通し、自由に回転できる自由回転ディスク，もう一方は出力軸に固定した回転ディスクとし，作動流体を軸心から外向きの半径流（Ｒａｄｉａｌ  ｆｌｏｗ）方向に流すことによって，固定ディスク上の静翼と回転ディスク上の動翼の相互作用により回転力を得る構造であり，さらに固定ディスクと回転ディスクの組み合せを同軸上に数多く稠密に重ね合わせるという特徴を有するディスク型半径流タービン。
【請求項４】
従来の半径流タービンであるユングストロームタービン（Ｌｊｕｎｇｓｔｒｏｍ  ｔｕｒｂｉｎｅ）は、左右に隣り合う羽根車が互いに他の羽根車の案内羽根の役目をなして、反対方向に同一速度で回転する複回転式であるが、左右一組の場合のみ、すなわち軸方向に一段の場合のみに限定されている。この左右一組の羽根車と同様の作用を及ぼすよう環状翼列を付与した薄いディスク（円盤）を軸方向に稠密に交互に重ね合わせ、ユングストロームタービンを軸方向に多段化するという特徴を有するディスク型半径流タービン。
【請求項５】
薄いディスク（円盤）表面に微小な翼列要素を環状に、かつ、中心から半径方向に多段に配置した構造のディスクを，一方はケーシングに固定した固定ディスク，もう一方は出力軸に固定した回転ディスクとし，作動流体を外から内向きの半径流（Ｒａｄｉａｌ  ｆｌｏｗ）方向に流すことによって，固定ディスク上の静翼と回転ディスク上の動翼の相互作用により回転力を得る構造であり，さらに固定ディスクと回転ディスクの組み合せを同軸上に数多く稠密に重ね合わせるという特徴を有するディスク型半径流タービン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
この発明は、蒸気タービン、ガスタービン、ウォータータービンおよびポンプなどのタービン機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の大型蒸気タービン（例えば１００万キロワット）では、超臨界温度・圧力の蒸気を利用できたが、太陽エネルギーを含む再生可能エネルギーやバイオマス、化石燃料などを利用した近い将来の分散型のエネルギー変換システムでは、得られる温度・圧力が低く、その規模が極めて小さくなる。このような小規模システムにおいて、従来技術のタービンを使用すると蒸気消費率（単位出力あたりの蒸気消費量）は１０〜２０倍も大きく、熱効率が極端に低くなるという大きな問題がある（図５参照）。また、小型化すると、大型機で行われていた多段化や、過熱・再熱・再生などを簡略化せざるを得ず、さらに単位出力あたりの熱損失が大きくなり、補機動力の割合の増加、発電機効率の低下など、本質的な問題があった。また、従来タービンは形状が複雑なため小型化すると製造コストが極めて大きいという問題があり、実用化を阻んできた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
解決しようとする問題点は、従来技術に基づくタービンにおいては、小出力にした場合、蒸気消費率（Ｓｔｅａｍ  ｒａｔｅ）が大きく、熱効率が低く、また製造コストが大きいという点である。また、従来の半径流タービン（たとえばユングストロームタービン）では、軸方向段数が１段に限られ、さらに出力軸が２つ、発電機も２つ必要であるなどの構造が複雑である点である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するためには、小出力化に伴う作動流体の滞留時間（Ｒｅｓｉｄｅｎｃｅ  ｔｉｍｅ；すなわち、作動流体がタービンに回転作用を及ぼす時間）の減少を改善する必要がある。そのため、請求項１の発明は、極めて薄いディスク（円盤）表面に微小な翼列要素を環状に、かつ、中心から半径方向に多段に配置した構造のディスクを，一方はケーシングに固定した固定ディスク，もう一方は出力軸に固定した回転ディスクとし，作動流体を軸心から外向きの半径流方向に流すことによって，固定ディスク上の静翼と回転ディスク上の動翼の相互作用により回転力を得る構造であり，さらに「重ね合わせのコンセプト（Ｃｏｎｃｅｐｔ  ｏｆ  Ｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ）」に基づいて、固定ディスクと回転ディスクの組み合せを同軸上に数多く稠密に重ね合わせるという特徴を有するディスク型半径流タービンであり、上述の滞留時間を増大せしめることが可能となる。なお、固定ディスクと回転ディスクとの間隔には、作動流体とその流入条件によって最適値がある。
【０００５】
これまでの代表的な大型蒸気タービンは軸流式（Ａｘｉａｌ  ｆｌｏｗ）であるが、これは、数多くの３次元翼をもつ動翼と静翼からなり、また、流れが軸流であるため熱媒体（たとえば蒸気）条件が軸方向に変化し、タービン直径も軸方向にすべて異なる。これがタービン自体の複雑化および高コスト化（たとえば同じ出力のガソリン機関と較べて１００〜５００倍高い）を招く原因となり、とくに小型機の実用化上の阻害要因であった。本発明では、翼型要素を付与した同形状のディスクを稠密に重ね合わせる構造となるため、構造が簡単で低コスト化が実現できる。
【０００６】
また、作動流体のエネルギーから回転力を取り出す方策として、請求項２の発明は、従来の半径流タービンであるユングストロームタービン（Ｌｊｕｎｇｓｔｒｏｍ  ｔｕｒｂｉｎｅ、図６参照），あるいはシーメンスタービン（Ｓｉｅｍｅｎｓ  ｔｕｒｂｉｎｅ）の作動原理のように，半径方向に多段に交互に組み合わされた環状の静翼と動翼の作用から反動力を得ることによって回転力を得るという特徴を有する請求項１記載のディスク型半径流タービンである。
【０００７】
さらに、請求項３の発明は、薄いディスク（円盤）表面に微小な翼列要素を環状に、かつ、中心から半径方向に多段に配置した構造のディスクを，一方は出力軸に中心部を通しただけで自由に回転できる自由回転ディスク，もう一方は出力軸に固定した回転ディスクとし，作動流体を軸心から外向きの半径流（Ｒａｄｉａｌ  ｆｌｏｗ）方向に流すことによって，固定ディスク上の静翼と回転ディスク上の動翼の相互作用により回転力を得る構造であり，さらに固定ディスクと回転ディスクの組み合せを同軸上に数多く稠密に重ね合わせるという特徴を有するディスク型半径流タービンである。
【０００８】
さらに、請求項４の発明は、従来の半径流タービンであるユングストロームタービン（Ｌｊｕｎｇｓｔｒｏｍ  ｔｕｒｂｉｎｅ）は、左右に隣り合う羽根車が互いに他の羽根車の案内羽根の役目をなして、反対方向に同一速度で回転する複回転式であるが、左右一組の場合のみ、すなわち軸方向に一段の場合のみに限定されている。この左右一組の羽根車と同様の作用を及ぼすよう環状翼列を付与した薄いディスク（円盤）を軸方向に稠密に交互に重ね合わせ、ユングストロームタービンを軸方向に多段化するという特徴を有するディスク型半径流タービンである。
【０００９】
さらに、請求項５の発明は、薄いディスク（円盤）表面に微小な翼列要素を環状に、かつ、中心から半径方向に多段に配置した構造のディスクを，一方はケーシングに固定した固定ディスク，もう一方は出力軸に固定した回転ディスクとし，作動流体を外から内向きの半径流（Ｒａｄｉａｌ  ｆｌｏｗ）方向に流すことによって，固定ディスク上の静翼と回転ディスク上の動翼の相互作用により回転力を得る構造であり，さらに固定ディスクと回転ディスクの組み合せを同軸上に数多く稠密に重ね合わせるという特徴を有するディスク型半径流タービンである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１はディスク型半径流タービンの実施形態を示す図である。
図２は図１記載の実施形態の断面図である。
【００１１】
極めて薄いディスク（円盤）表面に微小な翼列要素を環状に多段に配置した構造のディスクを，一方はケーシング５に固定した固定ディスク１，もう一方は出力軸６に固定した回転ディスク２とし，作動流体を軸心から外向きの半径流方向に流すことによって，固定ディスク１上の静翼３と回転ディスク２上の動翼４の相互作用により回転力を得る構造であり，この点に関しては、従来の半径流タービンであるユングストロームタービン（Ｌｊｕｎｇｓｔｒｏｍ  ｔｕｒｂｉｎｅ、図６参照），あるいはシーメンスタービン（Ｓｉｅｍｅｎｓ  ｔｕｒｂｉｎｅ）の作動原理に近い。しかし、従来のこれらのタービンでは軸方向段数は静翼・動翼の１段〜２段程度に限られていた（谷下市松著、「蒸気工学」、裳華房、  菅原菅雄著、「著改蒸気タービン」、養賢堂）のに対し、本発明では、この固定ディスク１と回転ディスク２の組み合せを同軸上に数多く稠密に重ね合わせるという特徴を有している。これにより、大幅な出力増大と高効率化が図られることができる。
【００１２】
出力軸６は、回転ディスク２を重ね合わせたものを両端の軸受部分で挟み込んだ構造になっており、内部は中空となっている。作動流体の蒸気は、ケーシング５内に儲けられたチャンバー１１を経由して中空構造の出力軸６に入り、回転ディスク２に設けられた開口部１２から固定ディスク１と回転ディスク２に囲まれた空間に入り、固定ディスク１と回転ディスク２に設けられた静翼３と動翼４を交互に半径方向に中心から外側に向かって経由していく仮定で回転力を出力軸６に及ぼし、ケーシング５に儲けられた排気口１３から外部へと排出される（図１および図２記載の作動流体の流れ７参照）。
【００１３】
なお、固定ディスク１と回転ディスク２との間隔および静翼３・動翼４の軸方向の厚さには、作動流体とその流入条件によって最適値があり、とくに動粘性係数が極めて小さい有機冷媒（フロン、代替フロン、アンモニアなど）を作動流体とした場合は、ミクロンオーダー、サブミクロンオーダー、もしくはそれ以下（ナノオーダー）のディスク間隔に最適値がある場合がある。また、環状翼列の段数は、とくに本発明では限定しないが、従来のユングストロームタービン（Ｌｊｕｎｇｓｔｒｏｍ  ｔｕｒｂｉｎｅ），あるいはシーメンスタービン（Ｓｉｅｍｅｎｓ  ｔｕｒｂｉｎｅ）では、５〜１０段程度となっている。また、重ね合わせの段数については、製造上の問題がなければ、できるだけ多段（例えば１０〜数１０００段）にすることが望ましい。なお、従来のユングストロームタービンなどのように効率を問題視しなければ、１段でも稼働する。
【００１４】
蒸気のエネルギーから回転力を取り出す形態、すなわち翼型の特性としては、ユングストロームタービン（Ｌｊｕｎｇｓｔｒｏｍ  ｔｕｒｂｉｎｅ），あるいはシーメンスタービン（Ｓｉｅｍｅｎｓ  ｔｕｒｂｉｎｅ）の作動原理のように，半径方向に多段に交互に組み合わされた環状の静翼と動翼の作用から反動力を得ることによって回転力を得る方法が有効である。
【００１５】
従来の大型タービンのタービン効率は、多くの場合８５％を超えているが、小型のタービンでは、その効率は１０〜４０％と極端に低下する。その理由は、多段化・多重化や再熱・再生などが十分にできないことによる熱効率低下もあるが、最も重要な要因は、タービンそのものの構造にある。すなわち、従来の軸流または、ラジアルタービンでは、小型化するとタービン入口から出口までの滞留時間（Ｒｅｓｉｄｅｎｃｅ  ｔｉｍｅ）が短くなり、これが蒸気消費率の増加を招き、タービン効率を大幅に低下させる。これに対し、本発明のタービンの滞留時間は同じ規模のタービンと比し、１０倍以上大きく、小さくてもタービン効率を低下させないという大きな効果を生む。さらに、中心から外側に向かって流れる半径流であるということとディスクを多数重ね合わせることにより、熱損失を極力低減でき理想的な断熱膨張に近づけた構造となっている。
【００１６】
【実施例】
図３にディスク型半径流タービンの他の実施例１の概略を示す。
【００１７】
本発明のディスク型半径流タービンの他の実施例１として、上述の実施形態では、一方をケーシング５に固定された固定ディスク１としたが、これを図３および請求項３に示すように、ケーシング５に固定せず、ディスクの中心に出力軸を貫通させ、自由に回転できるようにする場合がある。
【００１８】
図４にディスク型半径流タービンの他の実施例２の概略を示す。
ディスク型半径流タービンの他の実施例２として、上述の実施形態においては、一方をケーシング５に固定された固定ディスク１としたが、このケーシングをインナーケーシング１７として、このインナーケーシングに第２出力軸１６を接続する。もう一方の回転ディスクは実施形態と同様に第１出力軸１９に接続され、第１出力軸１６と第２出力軸１９は互いに同速度で逆回転する構造にする場合がある。つまり、この場合、請求項４に記載したように従来のユングストロームタービンを環状翼列を付与したディスクを用いて軸方向に多段化した構造となる。
【００１９】
ディスク型半径流タービンの他の実施例３として、図１記載の実施形態で示した作動流体の流れ７を逆向きにする場合がある。この場合、実施形態同様に半径流ではあるが、外から半径方向の内向きに作動流体が通過する構造となる。
【００２０】
さらに本発明のディスク型半径流タービンを用いた実施例４として、一般の化石燃料や水素、バイオガスなどを用いた分散型発電システムのタービン部として利用できる。また同様に、太陽熱発電システム（Ｓｏｌａｒ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｓｙｓｔｅｍ）に組み込むことが可能で、太陽エネルギーを熱源としたランキンサイクル発電システム（ソーラーランキンサイクルシステムと呼ぶ）の動力取り出し部（エキスパンダ）として利用できる。
【００２１】
小型で出力密度が高く、低温度差で効率良く稼働することを利用すると、例えば、燃料電池車の排熱（蒸気を含む）を熱源とするボトミングサイクルとして組み込むことができる。燃料電池は将来の有望なエネルギー変換器の１つであるが、補助動力の割合が高いなど、単体では効率はせいぜい３０％台どまりである。本ディスク型半径流タービンを組み込むことにより、トータルの効率を５０％以上にできる。
【００２２】
また、トッピングサイクルとして本発明のディスク型半径流タービンをガスタービンに用い、ミドルサイクルとして同様に本発明のディスク型半径流タービンを蒸気タービンに用い、さらにボトミングサイクルとして同様に本発明のディスク型半径流タービンをオーガニック蒸気タービンに複合して用いると発電効率は６０〜７０％となる。
【００２３】
（参考文献）
１．Ｂｏｏｋ：Ｗ．Ｎ．Ｂａｒｎａｒｄ，  Ｆ．Ｏ．Ｅｌｌｅｎｗｏｏｄ  ａｎｄ  Ｃ．Ｆ．Ｈｉｒｓｈｆｅｌｄ，  Ｅｌｅｍｅｎｔｓ  ｏｆ  Ｈｅａｔ  Ｐｏｗｅｒ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，  Ｐａｒｔ  ＩＩ  Ｓｔｅａｍ−Ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ａｎｄ  Ｐｒｉｍｅ  Ｍｏｖｅｒｓ，  Ｆｕｅｌｓ，  Ｃｏｍｂｕｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｈｅａｔ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，  Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ  ＆  Ｓｏｎｓ，  Ｉｎｃ．，  Ｌｏｎｄｏｎ，（１９３３）
２．一色尚次、「新蒸気動力工学」、森北出版（１９８４）
３．谷下市松、「蒸気工学」、裳華房（１９８４）
４．菅原菅雄、「著改蒸気タービン」、養賢堂（１９５２）
５．八田桂三、山之上寛二、「蒸気原動機」、森北出版（１９７２）
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、微小な翼列要素を環状に多段に配置した多数の極めて薄いディスクを微小なディスク間隔で稠密に同軸上に重ね合わせた構造により、小型でありながら低コストで高効率のタービンができる。このタービンを用いることにより、低温度差で高効率に稼働するランキンサイクル機関を達成でき、太陽、バイオマス、地熱、温度差（海洋など）や排熱などから発電等のエネルギー回収を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ディスク型半径流タービンの実施形態を示す図である。
【図２】図１記載のディスク型半径流タービンの実施形態の図である。
【図３】ディスク型半径流タービンの他の実施例１を示す図である。
【図４】ディスク型半径流タービンの他の実施例２を示す図である。
【図５】一般的なタービン出力と蒸気消費率の関係図である。
【図６】従来技術のユングストロームタービンの概略図である。（参考文献（１）より引用）
【符号の説明】
１  固定ディスク
２  回転ディスク
３  静翼
４  動翼
５  ケーシング
６  出力軸
７  作動流体の流れ
８  漏止装置
９  軸受
１０  中心軸
１１  チャンバー
１２  開口部
１３  排気口
１４  自由回転ディスク
１５  自由回転翼
１６  第２出力軸
１７  インナーケーシング
１８  アウターケーシング
１９  第１出力軸
【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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