(57)【要約】【課題】  作動媒体の種類に制限を受けることなくタービンの長期回転が可能で、回転起動も円滑に行え、軸受の制御も比較的容易で、コンパクトに構成し得る熱発電システムを提供する。【解決手段】  熱エネルギーを吸収するコレクタ１によって、直接または間接的に作動媒体３を加熱し、作動媒体３の蒸気をノズル８ａから噴出させ、ノズル８ａからの高圧蒸気によってタービン５を回転駆動させる。タービン５の回転によって、発電機６における発電機ロータ６Ａを回転させ、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で発電させる。前記タービン５の翼車５ａと前記発電機ロータ６Ａとを連結する主軸９は、主軸９を永久磁石対１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂで構成される軸受部１２，１３、および電磁石１４ａ，１４ｂで構成される軸受部１４で軸方向および径方向に非接触で支持し、永久磁石１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂは主軸９の径方向の支持を吸引力で行うものとする。【選択図】      図１
2007092654.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱エネルギーを吸収するコレクタによって、直接または間接的に作動媒体を加熱し、前記作動媒体の蒸気をノズルから噴出させ、ノズルからの高圧蒸気によってタービンを回転駆動させ、前記タービンの回転によって、発電機における発電機ロータを回転させることにより、前記発電機ロータと対向して設けられた発電機ステータ部で発電させる熱発電システムにおいて、
前記タービンの翼車と発電機ロータとを設けた主軸を非接触軸受で支持し、この非接触軸受は、永久磁石および電磁石により非接触で支持するものとし、前記永久磁石は主軸の径方向を吸引力によって受動的に支持し、前記電磁石は主軸の重心周りの回転の２軸と軸方向を能動的に指示することを特徴とする熱発電システム。
【請求項２】
請求項１において、前記永久磁石は複数設け、各永久磁石をリング状とした熱発電システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記主軸の浮上位置を検出するセンサと、このセンサの検出値に応じて前記電磁石の電流を変化させる浮上位置対応磁力制御手段とを有するものとした熱発電システム。
【請求項４】
請求項３において、前記電磁石およびセンサを、主軸の軸心回りの円周方向にそれぞれ３つ配置した熱発電システム。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記発電機をコアレス発電機とした熱発電システム。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記発電機の回転部分と静止部分との間の一部に隔壁を有する熱発電システム。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記コレクタと前記ノズルの間の前記作動媒体の圧力、または前記コレクタの温度、または前記コレクタに入力された熱量を測定する測定手段と、この手段の測定値である圧力、温度、または熱量が所定の閾値を下回る間は、前記電磁石に電流を流さないように制御する収熱状況対応電磁石制御手段とを設けた熱発電システム。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項において、前記熱エネルギーが太陽熱である熱発電システム。
【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システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の熱発電システムの従来例として、太陽熱で作動媒体を加熱し、その作動媒体の高圧蒸気でタービンを回転駆動し、タービンの回転で発電機を発電させるようにした太陽熱発電システムが知られている（例えば特許文献１〜３）。
【特許文献１】特開２００２−２４２６９３号公報
【特許文献２】特開２０００−１１０５１５号公報
【特許文献３】特開２００３−２２７３１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記した各太陽熱発電システムでは、いずれも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、作動媒体として、気化し易い有機媒体あるいは沸点の低い有機媒体（例えばアンモニア、代替フロン、アルコール、アセトンなど）が使用される。ところが、このような作動媒体を使用した場合、高熱のためタービンを回転支持する軸受用の潤滑材保持が難しく、長期回転ができないという問題があった。
この問題を解決する対策の一例として、例えば動圧軸受やフォイル軸受を用いてタービンを回転支持することが考えられる。しかし、これらの軸受では、タービンの回転停止状態において軸受部が機械的に接触した状態となるので、回転起動トルクが大きく回転起動ができ難いという問題が生じる。
【０００４】
また、熱発電システムのタービンの主軸の回転支持については、次の各問題がある。
・回転部を電磁石のみで完全に非接触浮上させる方法もあるが、浮上のために５軸制御を行う必要があり、電磁石の個数が増えると同時に、コントローラの構成も複雑で、コスト高となる。
・電磁石による支持剛性は大きいが、その受動軸（アキシアル方向支持用電磁石ではラジアル方向剛性／ラジアル方向支持用電磁石ではアキシアル方向剛性）は小さい。安定して主軸を浮上させるためには、この受動剛性を高める必要がある。
・電磁石による支持剛性は大きいが、その受動軸（アキシアル方向支持用電磁石ではラジアル方向剛性／ラジアル方向支持用電磁石ではアキシアル方向剛性）は小さい。一方、主軸に対して外乱として作用する発電機ステータ−発電機ロータ間の吸引力は大きく、これを支持する必要がある。
・作動媒体に使用される溶剤によって、発電機ステータ部のコイルもしくはこのコイルを保護しているモールド樹脂が劣化するといった問題がある。
【０００５】
本発明者等は、以上のような観点から、図７に示すように電磁石と永久磁石とを併用して主軸を非接触浮上させる熱発電システム用タービンユニット５０を考えた。このタービンユニット５０においては、ユニットハウジング５０ａ内にタービン５１を備えた主軸５２を縦向きにして軸回転可能に支持している。このタービン５１に対して給気口５３から供給された作動媒体の高圧蒸気をノズル５４から噴出させ、タービン５１を回転駆動させ、このタービン５１の回転によって、発電機５５における発電機ロータ５５Ａを回転させる。この回転に伴い、発電機ロータ５５Ａに対向して設けられた発電機ステータ部５５Ｂで発電するようになされている。白抜き矢印は作動媒体の流動方向を示している。
タービン５１および発電機ロータ５５Ａを一体に備えた主軸５２は、軸方向に沿って設置された複数の永久磁石対５６と、主軸５２のフランジ部であるスラスト板５２ａに対向するようユニットハウジング５０ａに設置された電磁石５７からなる非接触軸受により、ユニットハウジング５０ａ内に軸回転可能に支持されている。
【０００６】
永久磁石対５６は、主軸５２に設けられた回転側永久磁石５６ａと、ユニットハウジング５０ａにこの回転側永久磁石５６ａにラジアル方向で対向するよう設けられた静止側永久磁石５６ｂからなる。回転側および静止側永久磁石５６ａ，５６ｂの対向面は同一磁極とされ、各永久磁石対５６ａ，５６ｂ間では、主軸５２の軸心に直交する径方向に反発力が働き、主軸５２を非接触状態で径方向を受動的に支持する。また、電磁石５７はその吸引力によって主軸５２の自重を支え、重心まわりの回転の２軸と軸方向を能動的に支持し、主軸５２を浮かせるように作用する。なお、重心回りの並進の自由度のうち、回転軸方向の自由度を「軸方向」、その他の２軸を「径方向」と定義し、重心回りの回転の自由度のうち、ピッチとヨーを「重心回りの回転の２軸」と定義する。
【０００７】
この本発明者等の提案によるタービンユニット５０においては、上記のような課題の大半は解消されるが、径方向の支持を永久磁石対の反発力により行うため、図７のように、複数の永久磁石対を軸方向に設置する必要がある。そのため、タービンユニット５０を軸方向に長くせざるを得ず、コンパクト化の点で改善の余地が残されていた。
【０００８】
この発明の目的は、作動媒体の種類に制限を受けることなくタービンの長期回転が可能で、回転起動も円滑に行え、軸受の制御も比較的容易で、コンパクトに構成し得る熱発電システムを提供することである。
この発明の他の目的は、上記各問題を解消することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明の熱発電システムは、熱エネルギーを吸収するコレクタによって、直接または間接的に作動媒体を加熱し、前記作動媒体の蒸気をノズルから噴出させ、ノズルからの高圧蒸気によってタービンを回転駆動させ、前記タービンの回転によって、発電機における発電機ロータを回転させることにより、前記発電機ロータと対向して設けられた発電機ステータ部で発電させる熱発電システムにおいて、前記タービンの翼車と発電機ロータとを設けた主軸を非接触軸受で支持し、この非接触軸受は、永久磁石および電磁石により主軸を非接触で支持するものとし、前記永久磁石は主軸の径方向を吸引力によって受動的に支持し、前記電磁石は重心回りの回転の２軸と軸方向を能動的に支持することを特徴とする。
この熱発電システムは、太陽熱を熱エネルギーとする熱発電システムであっても良い。
【００１０】
この構成によると、主軸を回転自在に支持するのに、電磁石と永久磁石とを併用した非接触軸受によって支持するようにしたため、軸受の潤滑剤が不要となる。そのため、作動媒体としてアンモニアや、代替フロン、アルコール、アセトンなどの気化し易い有機溶媒、あるいは沸点の低い有機溶媒を使用しても、軸受の潤滑に問題を生じることがない。その結果、作動媒体の種類に制限を受けることなく、タービンの長期回転が可能となる。
また、前記電磁石と永久磁石とにより、主軸の非回転時でも主軸を浮上可能に支持するため、回転起動トルクが小さく摩耗も生じなくて、回転起動を円滑に行うことができる。
電磁石のみを使用して主軸を非接触状態で支持する場合は、主軸を浮上させるために多軸の制御が必要になり、電磁石の個数が増えると同時に、制御系の構成も複雑になり、コストアップを招く。これに対して、上記のように電磁石と永久磁石とを併用して支持することにより、制御が簡単で、コスト低減が可能となる。
【００１１】
さらに、永久磁石は主軸の径方向の支持を吸引力によって行うものとしているから、永久磁石を径方向に複数配列することにより径方向の支持剛性が高くなる。主軸の心ずれ等に対してこの吸引力が作用し、径方向および軸方向の支持が安定的になされる。したがって、永久磁石の軸方向の設置個数ないし設置範囲を少なくすることができ、コンパクトなシステム構成が可能となる。
【００１２】
この発明において、前記永久磁石を複数設け、各永久磁石をリング状としても良い。この構成の場合、リング状の永久磁石を主軸と同心的で径方向に複数配列することにより、径方向および軸方向において、主軸をより安定的に支持することができる。
【００１３】
この発明において、前記主軸の浮上位置を検出するセンサと、このセンサの検出値に応じて前記電磁石の電流を変化させる浮上位置対応磁力制御手段とを有するものとしても良い。この構成の場合、電磁石の吸引力により主軸が浮上するが、この浮上位置を常時センサで検出し、この検出値に基づき浮上位置対応磁力制御手段によって電磁石の電流を変化させて吸引力を制御することで、主軸を絶えず適正な浮上位置に維持することができる。この場合、前記電磁石およびセンサを、主軸の軸心回りの円周方向にそれぞれ３つ配置しても良い。こうすることによって、各電磁石とセンサとを対応させ、３つのセンサの検出結果によってそれぞれの電磁石に流す電流量を制御し、上記浮上位置対応磁力制御手段により３点で浮上位置の制御ができることになるから、主軸が片当りせず周方向にバランス良く支持される。
【００１４】
この発明において、前記発電機をコアレス発電機としても良い。発電機の構成要素である発電機ロータと発電機ステータ部とをアキシアル方向に対向する方式（アキシアルギャップ方式）で、コアレス発電機とすることにより、発電による電磁吸引外乱の主軸への影響をなくすことができる。なお、コアレス発電機が望ましいが、コア付タイプの発電機やラジアルギャップ発電機を用いることも可能である。
【００１５】
この発明において、前記発電機の回転部分と静止部分との間の一部に隔壁を有するものとしても良い。このように発電機の回転部分と静止部分との間の一部に隔壁を設けることにより、発電機ステータ部におけるコイルの表面の絶縁皮膜や、コイルを保護するモールド樹脂が、作動媒体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といった事態を回避できる。
【００１６】
この発明において、前記コレクタと前記ノズルの間の前記作動媒体の圧力、または前記コレクタの温度、または前記コレクタに入力された熱量を測定する測定手段と、この手段の測定値である圧力、温度、または熱量が所定の閾値を下回る間は、前記電磁石に電流を流さないように制御する収熱状況対応電磁石制御手段とを設けても良い。
熱発電システムが例えば太陽熱発電システムである場合、コレクタが太陽熱を有効な熱エネルギーとして吸収できる時間帯は限られる。そこで、上記したように作動媒体の圧力、またはコレクタの温度、またはコレクタに入力される熱量を測定し、測定される前記圧力または温度または熱量が所定の閾値を下回る夜間等においては、電磁石へ電流を流さないこととすれば、有効な太陽熱が得られない夜間等において、無駄な電力を消費して電磁石により主軸を支持することを回避できる。
【発明の効果】
【００１７】
この発明の熱発電システムは、熱エネルギーを吸収するコレクタによって、直接または間接的に作動媒体を加熱し、前記作動媒体の蒸気をノズルから噴出させ、ノズルからの高圧蒸気によってタービンを回転駆動させ、前記タービンの回転によって、発電機における発電機ロータを回転させることにより、前記発電機ロータと対向して設けられた発電機ステータ部で発電させるシステムにおいて、前記タービンの翼車と発電機ロータとを設けた主軸を非接触軸受で支持し、この非接触軸受は、永久磁石および電磁石により非接触で支持するものとし、前記永久磁石は主軸の径方向の支持を吸引力によって行うものとしたため、作動媒体の種類に制限を受けることなくタービンの長期回転が可能で、回転起動も円滑に行え、軸受の制御も比較的簡素なものとでき、さらに、コンパクトにシステムを構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
この発明の第１の実施形態を図１ないし図３と共に説明する。この熱発電システムは、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、図１に示すように、太陽熱を吸収するコレクタ１と、タービン５および発電機６を有するタービンユニット２と、コレクタ１とタービン５との間で作動媒体３を循環させる作動媒体循環路４とを備える。
作動媒体循環路４は、タービンユニット２に給気口４ａおよび排気口４ｂによって接続されて閉環路を構成し、途中に循環供給ポンプ７を備える。この循環供給ポンプ７を作動させることによって、前記コレクタ１で直接的に加熱された作動媒体３の蒸気を高圧蒸気として、タービンユニット２内に設けられたノズル８ａから前記タービン５に噴出させ、この噴出力によってタービン５が回転駆動する。タービンユニット２と循環供給ポンプ７の間には作動媒体３を貯蔵もしくは冷却するタンク（図示なし）を設けてもよい。
【００１９】
タービンユニット２の発電機６は、回転部分である発電機ロータ６Ａと静止部分である発電機ステータ部６Ｂとでなる。タービン５の翼車５ａと発電機ロータ６Ａとは主軸９で連結されている。主軸９およびタービン５は、ユニットハウジング２ａおよびベース盤２ｂによって構成されるタービンユニット２内に、後記する非接触軸受１１によって鉛直軸心周りに回転自在に支持される。具体的には、発電機６はコアレスタイプのアキシアルギャップ発電機であり、主軸９の上部に設けられた円形のフランジ部である上下一対のスラスト板９ａ、９ｂの対向面に発電機ロータ６Ａ，６Ａが設けられ、この発電機ロータ６Ａ，６Ａ間に、ユニットハウジング２ａに固定された発電機ステータ部６Ｂが、発電機ロータ６Ａ，６Ａと軸方向に所定のギャップを介して配置される。主軸９の下部にはタービン５の翼車５ａが連結される。これにより、タービン翼車５ａの回転が発電機ロータ６Ａの回転となり、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。この発電はコントローラ１０によって制御される。
【００２０】
図２は図１におけるタービンユニット２の拡大断面図を示し、図３は図２におけるIII −III 矢視断面図を示す。図２において、主軸９の下部に連結されるタービン翼車５ａの外周には、ユニットハウジング２ａに固定設置された円筒状のノズル部材８が微小隙間を介して配置され、このノズル部材８には、タービン翼車５ａのタービン翼５ａａに向けて貫通するノズル８ａが周方向に複数分配して設けられている。ノズル部材８の外周部（反ノズル８ａ側部）は、作動媒体循環路４の上流部に繋がりコレクタ１で加熱された作動媒体３を流入させる給気口４ａと通じる。タービン翼車５ａの中央胴部５ｂは中空とされ、この中央胴部５ｂ内は各タービン翼５ａａ内側の空所５ｃと連通する。ノズル８ａから噴射されタービン翼車５ａに回転エネルギーを与えた作動媒体３は、この空所５ｃを経て中央胴部５ｂ内に流入し、中央胴部５ｂの下端に設けられた排気口４ｂより作動媒体循環路４の下流部に流出される。この排気口４ｂは、タービンユニット２のベース盤２ｂを貫通して設けられている。白抜矢印はタービンユニット２に対する作動媒体３の流入および排出方向を示している。
複数のタービン翼車５ａは、軸方向に沿って等間隔に維持されるよう長ボルト５ａｂによって相互に結合されている。また、ノズル部材８の各ノズル８ａを形成する複数のノズル隔壁８ｂも、長ボルト８ｃによって相互に結合されている。これら長ボルト５ａｂおよび長ボルト８ｃは、それぞれ複数本が周方向に等間隔で配される。
【００２１】
タービン５は作動媒体３に侵されないプラスチック材料で構成される。特に、タービン５のタービン翼車５ａが上記プラスチック材料で構成される。この場合のプラスチップ材料としては、例えばＰＥＥＫ材（ポリエーテルエーテルケトン材）等が好適である。タービン翼車５ａをプラスチック材料製とした場合は、軽量化されるため、僅かな噴出力でも回転できるようになる。プラスチック材料を用いても、作動媒体３に侵されない材質のものを使用することで支障が生じない。ＰＥＥＫ材は、耐熱性、難燃性、耐薬品性に優れたエンジニアリングプラスチックであり、タービン５の材質として各種の面で優れたものとなる。
【００２２】
主軸９を支持する非接触軸受１１は、永久磁石対からなる第１，第２の軸受部１２，１３と、電磁石からなる第３の軸受部１４とにより構成される。第１の軸受部１２は、ユニットハウジング２のベース盤２ｂに主軸９と同心的に埋め込まれた大中小３つのリング状静止側永久磁石１２ａと、タービン翼車５ａの下面に上記静止側永久磁石１２ａのそれぞれに対向するよう埋め込まれた大中小３つのリング状回転側永久磁石１２ｂとの各対でなる。また、第２の軸受部１３は、ユニットハウジング２ａの天板下面に主軸９と同心的に埋め込まれた大中小３つのリング状静止側永久磁石１３ａと主軸９の上側スラスト板９ａの上面に静止側永久磁石１３ａのそれぞれに対向するよう埋め込まれた大中小３つのリング状回転側永久磁石１３ｂとの各対でなる。第２の軸受部１３の拡大部分で示すように、これら対向関係の永久磁石１２ａ，１２ｂの対および１３ａ，１３ｂの対は、それらの対向面が互いに異なる磁極となるように極性の向きを定めて配置される。また隣り合う各永久磁石の磁極が互いに逆となるよう極性の向きが定められている。したがって、第１，第２の軸受部１２，１３における各永久磁石対１２ａ，１２ｂおよび１３ａ，１３ｂ間では相互に吸引力が働く。
【００２３】
第３の軸受部１４は、ユニットハウジング２ａの天板下面に主軸９と同心の円周に沿って等間隔で埋め込み設置された３つのヨーク１４ａと、各ヨーク１４ａに巻かれたコイル巻１４ｂとでなる３つの電磁石により構成される。この電磁石１４ａ，１４ｂからなる第３の軸受部１４は、上記スラスト板９ａの上面に対向し、その磁気作用によって、スラスト板９ａ（つまり主軸９）を吸引浮上させるよう作用する。第３の軸受部（電磁石１４ａ，１４ｂ）１４の各間には３つのセンサ１５が設置され、スラスト板９ａの上面との距離が検出される。この場合、スラスト板９ａは磁性体からなり、その上面がセンサーターゲットとなる。図１に示すコントローラ１０には、前記センサ１５の検出値によって第３の軸受部１４におけるコイル巻線１４ｂを流れるコイル電流を制御して、主軸９の重心回りの回転の２軸と軸方向を支持する手段が設けられる。
【００２４】
上記第１の軸受部１２および第２の軸受部１３は、静止側であるベース盤２ｂおよびユニットハウジング２ａの天板と、回転側である主軸９の上下端との間で、それぞれ永久磁石による吸引力が働くようになされているから、両吸引力の大きさが同じであれば互いに相殺されて、主軸９は自重（その他の連結部材等の自重も含む。以下同じ）があるため浮上しない。しかし、主軸９が心ぶれ（径方向への揺れ）を起こそうとすると、第１の軸受部１２および第２の軸受部１３の永久磁石対１２ａ，１２ｂおよび１３ａ，１３ｂは、主軸９の軸心と同心のリング状とされているから、その吸引作用によって主軸９がその本来の軸心に引き戻され、これによって主軸９の径方向の安定支持がなされる。
【００２５】
第３の軸受部１４は電磁石１４ａ，１４ｂからなり、上記のように、その磁気作用によって主軸９を吸引浮上させるよう作用するから、主軸９の自重にほぼ見合う吸引力となるようコイル巻線１４ｂを流れるコイル電流を制御すれば、主軸９は浮上する。これによって、主軸９の軸方向と重心回りの回転の２軸の支持がなされる。そして、第３の軸受部１４は、主軸９と同心の円周方向に等間隔で配置された３つの電磁石１４ａ，１４ｂよりなるから、これと各センサ１５の検出結果と対応させて３点で浮上位置の制御ができることになり、主軸９がユニットハウジング２ａ等に片当りせず周方向にバランス良く支持される。
【００２６】
次に、この構成の太陽熱発電システムの動作を説明する。作動媒体循環路４内の作動媒体３は、太陽熱を吸収するコレクタ１によって直接的に加熱され高圧蒸気となり、この高圧蒸気はノズル８ａを介してタービン５のタービン翼車５ａに噴射される。これにより、タービン５が回転駆動される。タービン５の回転によって発電機ロータ６Ａ，６Ａが回転し、発電機ロータ６Ａ，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。このようにタービン５の回転が電気エネルギーに変換される。
【００２７】
タービン５に回転エネルギーを与えた作動媒体３は、ポンプ７によってコレクタ１まで輸送されるが、タービン５からポンプ７までに冷却され、完全に液体に戻る。このとき、タービン５は作動媒体３の高圧蒸気を断熱膨張に伴う冷却作用によって液化させるようにすることが望ましい。これにより、作動媒体３を冷却させる専用の機器が不要となり、それだけコスト低減が可能となる。
【００２８】
上記のように、ノズル８ａから噴出される作動媒体３の高圧蒸気の作用によってタービン５が回転し、これに伴って主軸９も軸回転するが、主軸９は第１および第２の軸受部１２，１３を構成する永久磁石対１２ａ，１２ｂおよび１３ａ，１３ｂの相互の吸引力によって径方向の支持がなされ、また、第３の軸受部１４を構成する電磁石１４ａ，１４ｂの吸引力によって軸方向と重心回りの回転の２軸の支持がなされているから、これら第１〜第３の軸受部１２〜１４で構成される非接触軸受１１によって、主軸９は円滑な回転が維持される。この主軸９の円滑な回転に伴う発電機ロータ６Ａ，６Ａの回転によって、発電機ステータ部６Ｂで発電され、安定した電気の供給がなされる。そして、センサ１５の検出結果による第３の軸受部１４の巻線コイル１４ｂへ流す電流の制御によって、常に主軸９の浮上位置の設定が的確になされ、より安定した発電・供給がなされる。
【００２９】
このように、この太陽熱発電システムでは、主軸９を非接触状態で回転自在に支持するので、軸受の潤滑剤が不要となる。そのため、作動媒体３としてアンモニアや、代替フロン、アルコール、アセトンなどの気化し易い有機溶媒、あるいは沸点の低い有機溶媒を使用しても、軸受の潤滑に問題が生じることはない。その結果、作動媒体３の種類に制限を受けることなく、タービン５の長期回転が可能となる。
また、主軸９を永久磁石対からなる第１および第２の軸受部１２，１３と電磁石からなる第３の軸受部１４とにより、支持を行うよう構成したので、主軸９の回転停止時でも非接触状態で主軸９が支持される。そのため、回転起動トルクが小さく、摩耗もなくて、回転起動を円滑に行うことができる。
【００３０】
なお、主軸９を支持するのに、例えば動圧軸受やフォイル軸受を用いた場合には、主軸９が回転するのに伴い軸受静止側と軸受回転側の間の流体圧が高まることで、非接触軸受として受動的に主軸９を支持できるので、回転トルクロスが少なく、エネルギーロスを極力低減したいこのような発電システムでは好適である。しかし、動圧軸受やフォイル軸受の場合、主軸９が回転していない状態では、軸受静止側と軸受回転側が機械的に接触しているため、回転起動時のトルクが大きくなり回転起動が難しくなる。また、その回転起動時に、軸受静止側と軸受回転側との相対滑りによって摩擦が生じるなど、長期耐久性にも問題が有る。
【００３１】
また、電磁石のみを使用して主軸９を非接触状態で支持することも可能であるが、その場合には、主軸９を浮上させるために５軸制御が必要になり、電磁石の個数が増えると同時に、コントローラ１０の構成も複雑になり、コストアップを招く。これに対して、上記のように永久磁石からなる第１および第２の軸受部１２，１３と電磁石による第３の軸受部１４を用いる構成とすることで、コスト低減が可能となる。
【００３２】
また、この実施形態では、主軸９の径方向での支持を、上下に位置する第１の軸受部１２および第２の軸受部１３を構成する永久磁石対１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂの相互の吸引力によって行い、主軸９の軸方向と重心回りの回転の２軸の支持を第３の軸受部１４を構成する電磁石１４ａ，１４ｂの吸引力によって行うようにしているので、永久磁石を軸方向に沿って複数配置する必要がなく、コンパクト且つ安価に構成できる。
【００３３】
また、この実施形態では、発電機ロータ６Ａと発電機ステータ部６Ｂの対向方向を、第３の軸受部１４を構成する電磁石１４ａ，１４ｂと主軸９（具体的には主軸スラスト板９ａ）の対向方向（スラスト方向）と同じにしているので、発電による電磁吸引外乱は支持剛性の小さいラジアル方向には及ばず支持剛性の大きいスラスト方向に発生することになる。そのため、主軸９への発電外乱の影響を極力抑えることができる。
【００３４】
また、この実施形態において、発電機６の回転部分と静止部分との間の一部に隔壁１６を設けている。具体的には、発電機６の静止部分である発電機ステータ部６Ｂの表面を隔壁１６で被覆保護している。このように発電機６の回転部分と静止部分との間に隔壁１６を設けることにより、発電機ステータ部６Ｂの表面の絶縁皮膜が、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や主軸支持が行えなくなるのを回避できる。
【００３５】
図４は、上記太陽熱発電システムにおいて、コントローラ１０に浮上位置対応磁力制御手段１０Ａおよび収熱状況対応電磁石制御手段１０Ｂを設けた例を示す。その他の構成は図１の例と同じである。浮上位置対応磁力制御手段１０Ａは、センサ１５による主軸９の浮上位置の検出情報に基づき、第３の軸受部１４の各巻線コイル１４ｂに流す電流を制御して吸引力を調整し、常に主軸９を適正浮上位置に維持するものである。特に、第３の軸受部１４は３つの電磁石１４ａ，１４ｂからなり、これらが主軸９と同心の円周方向に沿って等間隔で配置され、その各電磁石１４ａ，１４ｂ間に３つのセンサ１５を配しているから、３点の検出情報に基づき３箇所の吸引力を個々に制御することができ、周方向における主軸９の軸方向支持がバランス良くなされ、適正浮上位置の維持がより高精度になされる。
【００３６】
また、収熱状況対応電磁石制御手段１０Ｂは、作動媒体循環路４におけるコレクタ１とノズル８ａの間の作動媒体３の圧力、またはコレクタ１の温度、またはコレクタ１に入力される熱量を測定する測定手段（図示せず）を設けると共に、測定される前記圧力または温度または熱量が所定の閾値を下回る場合に、前記第３の軸受部１４の巻線コイル１４ｂに電流を流さないように制御するものである。
【００３７】
上記実施形態の熱発電システムは太陽熱発電システムであり、コレクタ１が太陽熱を有効な熱エネルギーとして吸収できる時間帯は限られる。そこで、上記したように作動媒体３の圧力、またはコレクタ１の温度、またはコレクタ１に入力される熱量を測定手段で測定し、測定される前記圧力または温度または熱量が所定の閾値を下回る夜間等においては、第３の軸受部１４の巻線コイル１４ｂに電流を流さないこととすれば、有効な太陽熱が得られない夜間等において、無駄な電力を消費して軸受部１４により主軸９を支持することを回避できる。
【００３８】
図５は、タービンユニット２の他の例を示す拡大断面図である。このタービンユニット２の例では、主軸９の下側スラスト板９ｂの下面と、これに対向するユニットハウジング２ａの水平上面部とに永久磁石対による第４の軸受部１７を配置している。この第４の軸受部１７も非接触軸受１１を構成し、第１，第２の軸受部１２，１３と同様、静止側であるユニットハウジング２ａに主軸９と同心的に埋め込まれた大中小３つのリング状静止側永久磁石１７ａと、下側スラスト板９ｂの下面に静止側永久磁石１７ａのそれぞれに対向するよう埋め込まれた大中小３つのリング状回転側永久磁石１７ｂとの各対でなる。これら対向関係の永久磁石１７ａ，１７ｂの対も、第１，第２の軸受部１２，１３と同様、それらの対向面が互いに異なる磁極となるように極性の向きを定めて配置される。また隣り合う各永久磁石の磁極が互いに逆となるよう極性の向きが定められている。したがって、永久磁石対１７ａ，１７ｂ間で、相互に吸引力が働くので、第１，第２の軸受部１２，１３における径方向の支持剛性がさらに強化される。その他の構成は、図２の例と同様であるので、共通部分に同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００３９】
図６は、この発明の他の実施形態を示す。この熱発電システムは、図１の実施形態における作動媒体循環路４に代えて、コレクタ１に第１の作動媒体３Ａを循環させる第１の作動媒体循環路４Ａと、タービン５に第２の作動媒体３Ｂを循環させる第２の作動媒体循環路４Ｂを設けると共に、コレクタ１によって加熱された第１の作動媒体３Ａの熱量を、熱交換器１８を介して第２の作動媒体３Ｂに与えることにより、第２の作動媒体３Ｂを間接的に加熱するようにしたものである。ノズル８ａおよびポンプ７は第２の作動媒体循環路４Ｂに設けられる。その他の構成は第１の実施形態の場合と同じである。
【００４０】
このように、コレクタ１から熱エネルギーを獲得するための作動媒体３Ａと、タービン５を駆動する作動媒体３Ｂとを分離することにより、それぞれの役目に適した作動媒体を個別に選択でき、作動媒体の選択自由度を拡大できる。
【００４１】
なお、上記の各実施形態では、主軸９にタービン翼車５ａを設置し、その外側にノズル８ａを設けて外側から内側へ蒸気を噴射する構造が採用されているが、タービン翼車５ａの内側にノズルを設けて内側から外側へ蒸気を噴射する構造としても良い。また、上記各実施形態では太陽熱を熱エネルギーとする太陽熱発電システムの場合を例示して説明したが、他の熱源を熱エネルギーとする熱発電システムについて適用しても、同様の効果を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】この発明の第１の実施形態にかかる熱発電システムの概略構成を示す断面図である。
【図２】同熱発電システムにおけるタービンユニットの拡大断面図である。
【図３】図２におけるIII −III 矢視断面図である。
【図４】熱発電システムの他の例を示す拡大断面図である。
【図５】タービンユニットの他の例を示す拡大断面図である。
【図６】熱発電システムのさらに他の例を示す拡大断面図である。
【図７】この発明の参考提案例としてのタービンユニットの拡大断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１…コレクタ
２…タービンユニット
３，３Ａ，３Ｂ…作動媒体
５…タービン
５ａ…タービン翼車
６…発電機
６Ａ…発電機ロータ
６Ｂ…発電機ステータ部
８ａ…ノズル
９…主軸
９ａ…スラスト板（フランジ部）
９ｂ…スラスト板（フランジ部）
１０…コントローラ
１０Ａ…浮上位置対応磁力制御手段
１０Ｂ…収熱状況対応電磁石制御手段
１１…非接触軸受
１２…第１の軸受部（永久磁石）
１２ａ…静止側永久磁石
１２ｂ…回転側永久磁石
１３…第２の軸受部（永久磁石）
１３ａ…静止側永久磁石
１３ｂ…回転側永久磁石
１４…第３の軸受部（電磁石）
１４ａ…ヨーク
１４ｂ…巻線コイル
１５…センサ
１６…隔壁
【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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【図７】
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