(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な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によって、直接または間接的に作動媒体を加熱し、作動媒体の蒸気をノズル８から噴出させ、ノズル８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７は、主軸７の一部を電磁石１４，１５によって支持し、主軸７の他の部分を、永久磁石１２，１３によって支持する非接触軸受により支持する。【選択図】      図１
2007071104.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システムにおいて、
前記タービンの翼車と前記発電機ロータとを連結する主軸を非接触軸受で支持し、前記非接触軸受は、前記主軸の一部を電磁石によって支持する構造を持つ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、前記非接触軸受が、前記主軸に設けた第１の永久磁石と、これに対向して固定側に配置させた第２の永久磁石間の反発力と、前記電磁石の吸引力によって支持することを特徴とする熱発電システム。
【請求項３】
請求項２において、前記第１の永久磁石と第２の永久磁石との反発力は前記タービンの回転軸に直交するラジアル方向に作用させ、前記電磁石によってアキシアル方向を支持するものとした熱発電システム。
【請求項４】
請求項２において、前記第１の永久磁石と第２の永久磁石との対向面をずらすことで、前記主軸はアキシアル方向の一方向にのみ力を作用させ、この状態で、この永久磁石によるアキシアル力をキャンセルさせる方向のみに電磁石を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、主軸の位置を検出するセンサと、このセンサの検出値によって前記電磁石の電流を変化させる手段とを有する熱発電システム。
【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、前記主軸にフランジ部を設け、このフランジ部に対向させて前記電磁石を設けた熱発電システム。
【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、前記電磁石と対向する主軸の端面に突起を設け、電磁石から磁束を集中させる熱発電システム。
【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、前記発電機ローダと前記発電機ステータとは前記電磁石と前記主軸との対向方向と同じである熱発電システム。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８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１０】
請求項１ないし請求項９のいずれか１項において、前記タービン、発電機、および主軸からなるユニットから前記作動媒体が自重によって排出されるように、前記ユニットの前記主軸を水平面に対して傾けて設置した熱発電システム。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項１０のいずれか１項において、前記タービンの翼車が前記作動媒体に侵されないプラスチック材料によって構成された熱発電システム。
【請求項１２】
請求功１ないし請求１１のいずれか１項において、前記タービンが、高圧蒸気を膨張に伴う冷却作用によって液化させるものである熱発電システム。
【請求項１３】
請求項１ないし請求項１２のいずれか１項において、前記コレクタと前記ノズル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る熱量を測定する手段を有し、測定される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は、前記電磁石には電流を流さないようにする手段を設けた熱発電システム。
【請求項１４】
請求項１ないし請求項１３のいずれか１項において、前記熱エネルギーは太陽熱である太陽熱発電システム。
【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。
・主軸の一部を永久磁石の反発力を利用して支持する場合でも、主軸を位置制御のみで行なうと、電磁石の電力供給量が大きくなり、この消費電力を下げる必要がある。
・アキシアル方向支持に電磁石を用いる構成では、電磁石が２個必要である。そのため、コストおよびコンパクト化を図るのに課題となる。
・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。
・また、ユニット内部に作動媒体が残り、有効に作動媒体を利用できないといった問題がある。
・太陽熱発電では、得られる熱エネルギ小さく、エネルギ密度が低いため、タービン部材の質量および慣性モーメントが大きいと、回転起動が難しいといった問題がある。
・熱発電システムは、作動媒体の温度差によって発電するシステムであるが、作動媒体を冷却させる専用の機器を用いるとシステムコストが高くなる。
【０００５】
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な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】
【０００６】
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前記発電機ロータとを連結する主軸を非接触軸受により支持し、前記非接触軸受は、前記主軸の一部を電磁石によって支持する構造を持つことを特徴とする。
この熱発電システムは、太陽熱を熱エネルギーとする太陽熱発電システムであっても良い。前記非接触軸受は、前記主軸の他の部分を、例えば永久磁石を用いて支持する磁気軸受である。
【０００７】
この構成によると、主軸を回転自在に支持するのに、一部を電磁石によって、また他の部分も永久磁石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ことも可能であるが、その場合、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、上記のように一部に電磁石を用いる構成とすることで、制御が簡単で、コスト低減が可能となる。
【０００８】
この発明において、前記非接触軸受が、前記主軸に設けた第１の永久磁石と、これに対向して固定側に配置させた第２の永久磁石間の反発力と、前記電磁石の吸引力によって前記主軸を支持するものであっても良い。
永久磁石間の反発力と電磁石の吸引力によって支持する軸受を用いることで、簡素な構成で、非回転時でも主軸を浮上可能に支持することができる。永久磁石間の反発力による支持と、電磁石の吸引力による支持とを組み合わせることで、簡素な構成が安定した主軸の非接触支持が行える。
【０００９】
前記のように第１，第２の永久磁石と電磁石とを併用する場合に、前記第１の永久磁石と第２の永久磁石との反発力は前記タービンの回転軸に直交するラジアル方向に作用させ、前記電磁石によってアキシアル方向を支持するものとしても良い。この構成の場合、電磁石をヨークとリング状のコイル巻線のみで構成でき、安価に構成できる。
【００１０】
また、前記のように第１，第２の永久磁石と電磁石とを併用する場合に、前記第１の永久磁石と第２の永久磁石との対向面をずらすことで、前記主軸はアキシアル方向の一方向にのみ力を作用させ、この状態で、この永久磁石によるアキシアル力をキャンセルさせる方向のみに電磁石を配置しても良い。この構成の場合、電磁石の個数を２個から１個に減らすことができ、構成を簡略化できる。
【００１１】
この発明において、主軸の位置を検出するセンサと、このセンサの検出値によって前記電磁石の電流を変化させる手段とを有するものとしても良い。この構成の場合、主軸のアキシアル方向の位置決めを容易に行うことができ、あるいはラジアル方向の浮上支持を安定して行うことができる。
【００１２】
この発明において、前記主軸にフランジ部を設け、このフランジ部に対向させて前記電磁石を設けても良い。このように主軸にフランジ部を設けることにより、フランジ部に対して電磁石を軸方向に対向配置することで、電磁石の吸引力による主軸のスラスト方向支持の構成が簡単となる。
【００１３】
この発明において、前記電磁石と対向する主軸の端面に突起を設け、電磁石から磁束を集中させるようにしても良い。このように突起を設けた場合、突起に集中する磁束によって、ラジアル方向に受動的なばね支持系が構成される。主軸のアキシアル方向の支持剛性は、前記電磁石の吸引力により大きくなるものの、ラジアル方向の支持剛性は永久磁石の反発力により支持するため小さい。このラジアル方向の支持剛性を高めるのに、上記突起によって得られるラジアル方向への受動的なばね支持系が有効であり、これにより主軸を安定して非接触支持できる。
【００１４】
この発明において、前記発電機ロータと前記発電機ステータとは前記電磁石と前記主軸との対向方向と同じであっても良い。この構成の場合、発電による電磁吸引の外乱が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、主軸への発電外乱の影響を極力抑えることができる。
【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、前記タービン、発電機、および主軸からなるユニットから前記作動媒体が自重によって排出されるように、前記ユニットの前記主軸を水平面に対して傾けて設置しても良い。このように、ユニットの主軸を水平面に対して傾けて設置し、ユニットから作動媒体が自重によって排出されるようにすることで、タービンを通過した作動媒体がユニット内で万一結露した場合でも、その液化した作動媒体が流出し易い。そのため、液化した作動媒体が発電機の部分へ侵入し、あるいは軸受部である電磁石等に接触して、エネルギー変換効率が低下するのを防止することができる。
【００１７】
この発明において、前記タービンの翼車が前記作動媒体に侵されないプラスチック材料によって構成されたものであっても良い。タービン翼車をプラスチック製とすると、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、作動媒体に侵されない材質ものを使用することで支障が生じない。
例えば、前記プラスチック材料はＰＥＥＫ材（ポリエーテルエーテルケトン材）であっても良い。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、タービン翼車の材質として各種の面で優れたものとなる。
【００１８】
この発明において、前記タービンが、高圧蒸気を膨張に伴う冷却作用によって液化させるものであっても良い。このようにタービン内で作動媒体が冷却されるようにした場合、作動媒体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。
【００１９】
この発明において、前記コレクタと前記ノズル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る熱量を測定する手段を有し、測定される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は、前記電磁石には電流を流さないようにする手段を設けても良い。
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】
【００２０】
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前記発電機ロータとを連結する主軸を非接触軸受によって支持し、前記非接触軸受は、主軸の一部を電磁石によって支持する構造としたため、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る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
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、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前記タービン５に噴出させタービン５を回転駆動するノズル８と、タービン５の回転に使用された作動媒体３をコレクタ１に循環供給するポンプ９とを有する。
【００２２】
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（図１には図示せず）と発電機ロータ６Ａとは主軸７で連結されている。主軸７は軸受１１によって回転自在に支持される。具体的には、発電機６はアキシアルギャップ発電機であり、主軸７の一端に設けられた円形のフランジ部であるスラスト板７ａの外周部に発電機ロータ６Ａが設けられ、この発電機ロータ６Ａを挟んで、軸方向に所定のギャップを介して一対の発電機ステータ部６Ｂ，６Ｂが対向配置される。主軸７の他端にはタービン５の翼車が連結される。これにより、タービン翼車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。
【００２３】
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７の他端に連結されるタービン翼車５ａの内周には、一端を開放した円筒状のノズル部材１８が微小隙間を介して固定設置され、このノズル部材１８にタービン翼車５ａのタービン翼５ａａに向けて貫通するノズル８が、周方向に複数分配して設けられている。ノズル部材１８の開放端は、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を流入させる給気ポート１９とされる。タービン翼車５ａの外周側には、タービン翼車５ａに回転エネルギーを与えた作動媒体３を作動媒体循環路４の下流部に流出させる排気ポート２０が、タービンユニット２のユニットハウジング２ａを貫通して設けられている。
【００２４】
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。
【００２５】
主軸７を支持する軸受１１は一部が電磁石からなるものであり、主軸７を径方向で支持するラジアル軸受部１１Ａと軸方向で支持するスラスト軸受部１１Ｂとでなる。ラジアル軸受部１１Ａは、ここでは次のように永久磁石を用いた磁気軸受としている。
【００２６】
このラジアル軸受部１１Ａは、回転側である主軸７の外周に設けた第１の永久磁石１２と、これに対向して固定側であるユニットハウジング２ａの内周に設けた第２の永久磁石１３とでなる。これら両永久磁石１２，１３は、それらの対向面が互いに同一磁極となるように極性の向きを定めて配置される。これにより、第１の永久磁石１２と第２の永久磁石１３の間で主軸７の軸心（つまりタービン５の回転軸）に直交するラジアル方向に反発力が働き、主軸７を非接触状態でラジアル方向に支持する。なお、この場合のラジアル軸受部１１Ａは、第１の永久磁石１２と第２の永久磁石１３との組合せの複数組（ここでは２組）を軸方向に複数組並べて構成される。
【００２７】
スラスト軸受部１１Ｂは、主軸７のフランジ部であるスラスト板７ａを挟んで軸方向に対向配置される一対の電磁石１４，１５で構成される。各電磁石１４，１５は、ユニットハウジング２ａの内側に配置されスラスト板７ａの両側面に対向するヨーク１４ａ，１５ａと、これらヨーク１４ａ，１５ａに埋込まれて主軸７の軸心回りのリング状となるコイル巻線１４ｂ，１５ｂとでなる。この場合、スラスト板７ａは磁性体からなる。これにより、各電磁石１４，１５の吸引力がスラスト板７ａの対向側面に作用し、主軸７を非接触状態でスラスト方向に支持する。このように、主軸７にフランジ部であるスラスト板７ａを設け、スラスト板７ａを挟んで電磁石１４，１５を軸方向に対向配置することで、電磁石１４，１５の吸引力による主軸７のスラスト方向支持の構成が簡単となる。
【００２８】
また、主軸端面（具体的にはスラスト板７ａの両側面）に突起７ａａが設けられると共に、各電磁石１４，１５のヨーク１４ａ，１５ａのスラスト板７ａの両側面に対向する表面には前記突起７ａａに対向する突起１４ａａ，１５ａａが設けられる。これにより、電磁石１４，１５で発生する磁束が前記突起７ａａ，１４ａａ間および突起７ａａ，１５ａａ間を優先的に通ることから、これら突起７ａａ，１４ａａ，１５ａａを通る磁束によって、ラジアル方向に受動的なばね支持系が構成される。
スラスト板７ａの電磁石１４と対向する側面の主軸軸心位置にはセンサターゲット１７が設けられ、電磁石１４のヨーク１４ａの表面にはセンサターゲット１７に対向して主軸７のアキシアル方向位置を検出するセンサ１６が設けられる。図１に示すコントローラ１０には、前記センサ１６の検出値によって電磁石１４，１５のコイル巻線１４ｂ，１５ｂを流れるコイル電流を制御して、主軸７をアキシアル方向の所定位置に位置決めする手段が設けられる。
【００２９】
なお、タービン翼車５ａの主軸７ａとの連結端部とは反対側の端部は、前記ラジアル軸受部１１Ａと同様の構成の磁気軸受によって非接触状態に支持される。すなわち、回転側であるタービン翼車５ａの端部外周に設けられた第１の永久磁石１２Ａと、固定側であるユニットハウジング２ａの内周に前記永久磁石１２Ａと径方向に対向させて設けられた第２の永久磁石１３Ａとの間で作用する反発力によって、タービン翼車５ａの端部が非接触状態に支持される。
【００３０】
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８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。
【００３１】
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９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９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。
【００３２】
主軸７は、ラジアル軸受部１１Ａを構成する第１の永久磁石１２と第２の永久磁石１３間の反発力によってラジアル方向に非接触状態で回転自在に支持されると共に、スラスト軸受部１１Ｂである電磁石１４，１５の主軸端面であるスラスト板７ａの両側面に対する吸引力によってアキシアル方向の所定位置に支持される。
【００３３】
このように、この太陽熱発電システムでは、主軸７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７の一部を電磁石１４，１５で、他の部分を永久磁石１２，１３で支持するように構成したので、主軸７の回転停止時でも非接触状態で主軸７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。
【００３４】
なお、主軸７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７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７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７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。
【００３５】
また、電磁石のみを使用して主軸７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７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、上記のように一部に電磁石１４，１５を用いる構成とすることで、コスト低減が可能となる。  
【００３６】
また、この実施形態では、主軸７のラジアル方向での支持を第１の永久磁石と第２の永久磁石との反発力により行い、主軸７のスラスト方向での支持を電磁石１４，１５の吸引力によって行うようにしているので、電磁石１４，１５をヨーク１４ａ，１５ａとリング状のコイル巻線１４ｂ，１５ｂのみで構成でき、安価に構成できる。
【００３７】
また、この実施形態では、主軸端面（具体的にはスラスト板７ａの両側面）に突起７ａａが設けられると共に、各電磁石１４，１５のヨーク１４ａ，１５ａの前記スラスト板７ａの両側面に対向する表面には前記突起７ａａに対向する突起１４ａａ，１５ａａが設けられている。そのため、電磁石１４，１５で発生する磁束が前記突起７ａａ，１４ａａ間および突起７ａａ，１５ａａ間を優先的に通ることから、これら突起７ａａ，１４ａａ，１５ａａを通る磁束によって、ラジアル方向に受動的なばね支持系が構成される。主軸７のアキシアル方向の支持剛性は、前記電磁石１４，１５の吸引力により大きくなるものの、ラジアル方向の支持剛性は永久磁石の反発力により支持するため小さい。このラジアル方向の支持剛性を高めるのに、上記突起７ａａ，１４ａａ，１５ａａによって得られるラジアル方向への受動的なばね支持系が有効であり、これにより主軸７を安定して非接触支持できる。
【００３８】
また、この実施形態では、スラスト板７ａの電磁石１４と対向する側面の主軸軸心位置にセンサターゲット１７が設けられている。電磁石１４のヨーク１４ａの表面に設けられたセンサ１６でセンサターゲット１７を検出することにより、主軸７のアキシアル方向位置を検出し、その検出値によって電磁石１４，１５のコイル巻線１４ｂ，１５ｂを流れるコイル電流を制御し、主軸７をアキシアル方向の所定位置に位置決めするようにしている。そのため、主軸７のアキシアル方向の位置決めを容易に行うことができる。
【００３９】
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、電磁石１４，１５と主軸７（具体的には主軸スラスト板７ａ）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７への発電外乱の影響を極力抑えることができる。
【００４０】
なお、上記実施形態において、作動媒体循環路４におけるコレクタ１とノズル８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、前記電磁石１４，１５に電流を流さないようにする手段を設けるようにしても良い。
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、電磁石１４，１５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１４，１５により主軸７を支持することを回避できる。
【００４１】
図４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、図２のタービンユニット２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２１を設けたものである。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から電磁石１４，１５にまたがる表面を隔壁２１で被覆保護している。この例では、電磁石１４，１５や主軸スラスト板７ａの突起１４ａａ，１５ａａ，７ａａ（図２）は設けていない。その他の構成は図２の例と同じである。
このように発電機６の回転部分と静止部分との間の一部に隔壁２１を設けることにより、発電機ステータ部６Ｂや電磁石１４，１５のコイル表面の絶縁皮膜が、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。
【００４２】
図５は、タービンユニット２のさらに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、図４のタービンユニット２において、主軸７の外周に設けた第１の永久磁石１２と、静止側であるユニットハウジング２ａの内周に設けた第２の永久磁石１３との対向面を軸方向にずらすと共に、電磁石１４，１５の一方を省略（ここでは電磁石１４を省略）したものである。すなわち、第１の永久磁石１２と第２の永久磁石１３とにより、主軸７に対してアキシアル方向の一方向にのみ力を作用させ、このアキシアル力を電磁石１５の吸引力でキャンセルするようにしている。図では、永久磁石１２，１３の反発力により主軸７には常に左側にアキシアル力が作用し、電磁石１５の吸引力は右側へのアキシアル力として作用する。なお、逆に永久磁石１２，１３の反発力が右側のアキシアル力となるように永久磁石１２，１３をずらして設け、そのアキシアル力を電磁石１４のみの吸引力でキャンセルするようにしても良い。その他の構成は図４の例と同じである。
このように構成することにより、電磁石の個数を２個から１個に減らすことができ、構成を簡略化できる。
【００４３】
図６はタービンユニット２のさらに他の例を示す拡大断面図、図７は図６におけるVII −VII 矢視断面図である。このタービンユニット２の例では、図２のタービンユニット２において、タービン５の翼車５ａの外周に円筒状のノズル部材１８が微小隙間を介して固定設置され、このノズル部材１８にタービン翼車５ａのタービン翼５ａａに向けて貫通するノズル８が、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、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を流入させる給気ポート１９が、タービンユニット２のユニットハウジング２ａを貫通して設けられている。タービン５の一端の回転中心部には、タービン翼車５ａに回転エネルギーを与えた作動媒体３を作動循環路４の下流部に流出させる排気ポート２０が開口させてある。この例では、電磁石１４，１５や主軸スラスト板７ａの突起１４ａａ，１５ａａ，７ａａ（図２）は設けていない。その他の構成は図２の例と同じである。
このように構成されたタービンユニット２では、給気ポート１９から流入した作動媒体３の蒸気が、タービン翼車５ａの外周側のノズル８からタービン翼車５ａに噴射されることで、タービン５が回転駆動される。タービン翼車５ａを通過した作動媒体３は、タービン５の内周側の排気ポート２０からタービンユニット２の外側に排出される。
【００４４】
図８はタービンユニット２のさらに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、図２のタービンユニット２において、給気ポート１９側の端部が下向きとなるように、タービンユニット２の主軸７を水平面に対して傾けて設置すると共に、排気ポート２０を主軸７の軸心から下方に偏った位置に設けることで、タービンユニット２内から作動媒体３が自重によって排気ポート２０から排出されるようにしたものである。その他の構成は図２のタービンユニット２の場合と同じである。
このように、タービンユニット２を、その主軸７が水平面に対して傾くように設置し、タービンユニット２内の作動媒体３が自重によって排気ポート２０から排出されるようにすることにより、タービン翼車５ａを通過した作動媒体３がタービンユニット２内で万一結露した場合でも、その液化した作動媒体３が排出され易い。そのため、液化した作動媒体３が発電機６の部分へ侵入し、あるいは軸受１１を構成する永久磁石１２，１３や電磁石１４，１５に接触して、エネルギー変換効率が低下するのを防止することができる。
【００４５】
図９はタービンユニット２のさらに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、図６のタービンユニット２において、排気ポート２０側の端部が下向きとなるように、タービンユニット２の主軸７を水平面に対して傾けて設置することで、タービンユニット２内から作動媒体３が自重によって排気ポート２０から排出されるようにしたものである。その他の構成は図６のタービンユニット２の場合と同じである。
この場合も、タービンユニット２を、その主軸７が水平面に対して傾けて設置し、タービンユニット２内の作動媒体３が自重によって排気ポート２０から排出されるようにしているので、発電機６の部分へ液化した作動媒体３が侵入し、あるいは液化した作動媒体３が永久磁石１２，１３や電磁石１４，１５に接触して、エネルギー変換効率が低下するのを防止することができる。
【００４６】
図１０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２２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８およびポンプ９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。
【００４７】
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。
【００４８】
なお、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】
【００４９】
【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】タービンユニット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さらに他の例を示す拡大断面図である。
【図６】タービンユニットのさらに他の例を示す拡大断面図である。
【図７】図６におけるVII −VII 矢視断面図である。
【図８】タービンユニットのさらに他の例を示す拡大断面図である。
【図９】タービンユニットのさらに他の例を示す拡大断面図である。
【図１０】この発明の他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。
【符号の説明】
【００５０】
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
６…発電機
６Ａ…発電機ロータ
６Ｂ…発電機ステータ部
７…主軸
７ａ…スラスト板（フランジ部）
７ａａ…突起
８…ノズル
１２…第１の永久磁石
１３…第２の永久磁石
１４，１５…電磁石
１４ａａ，１５ａａ…突起
１６…センサ
２１…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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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