(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電離シード供給ノズルを有する発電機入口管の吐出口を含むように第１のディスク部が設けられ、該第１のディスク部及び前記吐出口に対向するように第２のディスク部が配置されてなり、前記第１及び第２のディスク部相互間の間隙からなる流路に放射状に流通する作動流体に対して当該流通方向と直角方向に磁場を印加することにより、前記作動流体と磁場との電磁誘導を介して前記流通方向の流速に比例した起電力を発生する電磁流体発電装置において、
前記電離シード供給ノズルの作動流体流れ方向上流側に設けられ電離シードを噴霧する噴出孔と、
前記電離シード供給ノズルの作動流体後流側にあって前記作動流体の流れに抗するように配置され、かつ前記作動流体流れ方向に沿って所定の開き角を有する広がりを持つ拡大管状の乱流促進板を具備することを特徴とする電磁流体発電装置。
【請求項２】
前記乱流促進板は、前記作動流体と衝突する面に螺旋状の溝が設けられていることを特徴とする請求項１記載の電磁流体発電装置。
【請求項３】
前記乱流促進板は、複数個の小径の孔が設けられていることを特徴とする請求項１記載の電磁流体発電装置。
【請求項４】
前記乱流促進板は、前記孔における作動流体の流出側が前記孔に対し広がりを持つテーパ状であることを特徴とする請求項３記載の電磁流体発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化石燃料を熱源とする火力発電プラントのトッピングとして使用される、高温作動流体を用いたディスク型電磁流体発電装置に係り、特に、改良された電離シード供給ノズルを有する電磁流体発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電磁流体発電（以下、「ＩＣＤ発電」という）は、導電性流体と外部磁場との相互作用によりエンタルピーを電気エネルギーに直接変換する発電方式であり、エネルギー変換効率の高いことからＩＣＤ発電を頂点とする高効率中規模火力複合発電プラントの実現が期待されている。
【０００３】
また近年では電力需要が益々増加の一途をたどり、併せて昼間と夜間の電力需要格差が拡大する傾向にある。このため、発電設備においては、総合発電効率の向上と共に、電力需要の変動に応じた対応が希求されている。
【０００４】
従って、ＩＣＤ発電に対しては、エネルギー変換効率の高い運転と共に、負荷変動に対応する発電調整用としての運転が期待されている。
図７は、この種のディスク型ＩＣＤ発電装置の構成を示す模式図であり、図８は一般的なＩＣＤ発電装置における発電原理を説明するための模式図であり、また図９は一般的なディスク型ＩＣＤ発電装置の構成を書示す断面図であり、さらに図１０は図８のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【０００５】
図７において、作動流体１は、アルゴン又はヘリウム等の希ガスが母ガスとして用いられる。かかる作動流体１は、化石燃料等の燃焼ガスにより加熱された高温熱交換器２を通過することにより、高温化される。高温化された作動流体１は、水平方向に沿って設けられた発電機入口管３を、図中右方に向けて通過すると共に、この通過の際にシード剤注入装置４から金属カリウム又はセシウム等の微量の電離シード４ａが混入されて、図中右方に配置されたＩＣＤ発電機５に導かれる。またＩＣＤ発電機５によるＩＣＤ発電処理後の作動流体１は、冷却器６並びに圧縮機７等を経由して、再度上流に循環される。
【０００６】
ここで、ＩＣＤ発電機５は、発電機入口管３から流入される高温の作動流体１を超音速状態に加速して吐き出す機能を有する。かかる機能は、具体的には、図８に示すように、発電機入口管３の吐出口３ａを中心として水平方向に設けられた円盤状の上部ディスク１１と、発電機入口管３の吐出口３ａ及び上部ディスク１１に対向配置された円盤状の下部ディスク１２とを備え、上部及び下部ディスク１１，１２の対向面１１ａ，１２ａからなる間隙により放射状の超音速ノズル１３が形成されることにより、実現される。
【０００７】
また、ＩＣＤ発電機５は、超音速ノズル１３を流れる作動流体１に直交方向に外部磁場Ｂを印加することにより起電力を発生させて取出す機能を有する。かかる機能は、具体的には、図９に示すように、起電力取出用の電極１４ａ，１４ｂが上部及び下部ディスク１１，１２の内周部と外周部とに形成され、且つ上部及び下部ディスク１１，１２を挟むように外部磁場印加装置５ａが配置されることにより、実現される。なお、外部磁場印加装置５ａは、外部磁場Ｂを超音速ノズル１３による流通方向とは直角方向に鎖交させて作動流体１に印加するものである。
【０００８】
従って、作動流体１は、発電機入口管３の吐出口３ａからＩＣＤ発電機５の流路入口１３ａに亜音速状態で流入されると、断面積を絞ったスロート部１３ｂにて音速状態まで加速され、更に、ＩＣＤチャンネル１３ｃにて超音速状態に加速され、図１０に示すように、放射状に流れてＩＣＤ発電機外部に流出される。このとき、作動流体１は、発電機入口管３の途中で注入される電離シード剤４ａが、作動流体１の温度にて、電離しプラズマ状態となり、作動流体１に導電性を持たせる事となる。
【０００９】
しかしながら、この際のシード剤注入において、発電機入口管３の断面方向に均一にシード剤４ａが散布されないと、ＩＣＤチャンネル１３ｃ内にて導電度の不均一が発生して発電効率の低下となる。
【００１０】
また、電離シード剤４ａは蒸発しやすくするためにノズル４ｂより霧状にて発電機入口管３内に噴霧されるが、図１１の如きシード供給ノズル４ｂにおいては、噴霧された電離シード剤４ａが作動流体１と共に乱流促進板４ｃに直角に衝突するため、霧状の電離シード剤４ａが結合し易い状態となり、電離シード剤４ａの蒸発促進の低下となる。
【００１１】
さらに、外部磁場印加装置５ａから外部磁場Ｂが直交方向に印加されると、作動流体１は、外部磁場Ｂを介した電磁駆動力の影響を受けて負の周回θ方向に曲げられ、負の周回θ方向の流速成分ｕθを有する旋回流れとなる。
【００１２】
またさらに、上部及び下部ディスク１１，１２では、この負の周回θ方向にそってファラデー電流Ｊθが誘起され、外部磁場Ｂとのホール効果に基づいて負の半径ｒ方向にホール電場Ｅｒが発生し、このホール電場Ｅｒに対応するホール電圧が発電出力として各電極１４ａ，１４ｂを介して外部回路１５に取出される。
【００１３】
ここで先の旋回流れは、ＩＣＤ発電機３の内部では外部磁場Ｂを横切る半径ｒ方向の流速Ｕｒを幾何学的に低下させることとなり、半径ｒ方向に形成されるホール電場Ｅｒを低下させて発電効率を低下させる可能性がある。このように、ＩＣＤ発電機５にて現状はＩＣＤ発電が実行されている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した電磁流体発電装置では、発電機入口管３よりＩＣＤ発電機５へ流入する電離した電離シード剤４ａのプラズマは、放射状に別れるため、発電機入口管３の断面上で電離シード剤４ａの分布が均一でないと、ＩＣＤ発電機５の内部での発電状態が安定しなくなり発電効率の低下につながる。
【００１５】
また、作動流体１の流れ方向直角に設置される乱流促進板４ｃに電離シード剤４ａが衝突し、霧状の電離シード剤４ａが結合され、大きな質量となって発電機入口管の内部に拡散されずに、極端な場合は発電機入口管の中央近傍にシード剤が偏った状態で、且つ十分な蒸発がなされないままＩＣＤ発電機５に導入されることとなる。
【００１６】
そこで本発明の目的は、スムースに電離シード剤を発電機入口管内部に均一に拡散可能とし、且つ乱流促進板にて凝縮させることなくＩＣＤ発電機に導入可能な、電離シード供給ノズルを有する電磁流体発電装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記課題は次のような電磁流体発電装置により達成される。
請求項１に係る発明は、電離シード供給ノズルを有する発電機入口管の吐出口を含むように第１のディスク部が設けられ、該第１のディスク部及び前記吐出口に対向するように第２のディスク部が配置されてなり、前記第１及び第２のディスク部相互間の間隙からなる流路に放射状に流通する作動流体に対して当該流通方向と直角方向に磁場を印加することにより、前記作動流体と磁場との電磁誘導を介して前記流通方向の流速に比例した起電力を発生する電磁流体発電装置において、
前記電離シード供給ノズルの作動流体流れ方向上流側に設けられ電離シードを噴霧する噴出孔と、
前記電離シード供給ノズルの作動流体後流側にあって前記作動流体の流れに抗するように配置され、かつ前記作動流体流れ方向に沿って所定の開き角を有する広がりを持つ拡大管状の乱流促進板を具備することを特徴とする。
【００１８】
このような請求項１に係る発明では、電離シード供給ノズルの作動流体流れ方向後流に設けられる乱流促進板を作動流体の流れに対して、例えば、１２０度以下の開き角での拡大管形状とし、噴霧された電離シード剤が直接乱流促進板に衝突する確立を低くし、霧状のまま発電機入口管の内部に拡散させるようにし、また、霧状が維持されるため作動流体よりの熱による蒸発も、比較的容易に行われるようにして、もって、発電機入口管の内部にてシード供給ノズルより供給される電離シード剤が均一に且つ、霧状のままＩＣＤ発電機に導入され、発電機内での発電状態が一様に行われて発電効率を向上させることが可能となる。。
【００１９】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明における前記乱流促進板として、前記作動流体と衝突する面に螺旋状の溝が設けられていることを特徴とする。
このような請求項２に係る発明では、前記シード供給ノズルの乱流促進板にて拡散させる際に、電離シード拡散と同時に当該乱流促進板の作動流体接触面に螺旋溝を設けることににより、ＩＣＤ発電時の電磁駆動力による旋回流速成分と相殺するような旋回流速成分を予め前記電離シード剤を拡散させた作動流体に与えるようにして、もって、作動流体への電磁駆動力で発生する旋回流による発電効率低下を低減させるための相殺する旋回流をシード供給ノズル部にて電離シード剤と共に発生させ、発電機の効率を向上させるとを可能とする。
【００２０】
請求項３に係る発明は、請求項１に係る発明における前記乱流促進板として、複数個の小径の孔が設けられていることを特徴とする。
このような請求項３に係る発明では、乱流促進板による電離シード剤の拡散に対し発電機入口管中央近傍においても、電離シード剤が欠乏する事がないように当該乱流促進板の半径方向に、適宜貫通した複数個の小孔を設け、この小孔より電離シード剤を含んだ作動流体を発電機入口管中央近傍にも供給させるようにして、もって、乱流促進板によりともすれば発電機入口管の外周側への電離シード剤の拡散が強い度合いとなる傾向があるものに対し、中央近傍においても電離シード剤が拡散した作動流体を供給可能として、発電機入口管断面での電離シード剤の拡散を均一とさせ、発電機の効率を向上させることを可能とする。
【００２１】
請求項４に係る発明は、請求項３に係る発明における前記乱流促進板の孔における作動流体の流出側が前記孔に対し広がりを持つテーパ状であることを特徴とする。
【００２２】
このような請求項４に係る発明では、乱流促進板に設ける複数個の小孔において、孔の作動流体の流出側に孔径を広げるようにテーパ状の形状として、電離シード剤を含んだ作動流体が、孔出口において積極的に拡散しやすいようにし、もって、発電機入口管中央近傍の電離シード剤拡散においても、小孔の通過時に電離シード剤の再凝結の可能性に対し出口部にて積極的に再拡散をさせることを可能とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態に係る電磁流体発電装置の構成を示す模式図であり、図７乃至図１０と同一部分には同一符号を付しその詳しい説明は省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００２４】
すなわち、本実施形態の装置は、請求項１に係る発明に対応しており、発電機入口管内における電離シード剤の断面方向分布を均一化し且つ、シード供給ノズルに設置する乱流促進板に衝突による電離シード剤の凝結を防止し霧状の電離シード剤を得て、作動流体よりの熱量にて電離シード剤の蒸発促進も同時に行なえる構成となっている。
【００２５】
ここで、シード供給ノズル４ｂは、図２に示すように発電機入口管３の上流部の中央部に設置される。その断面は図３の如くなっており、供給管より供給された電離シード剤４ａは、シード供給ノズル４ｂの先端の噴出孔４ｄより発電機入口管３の内部に噴霧される。
【００２６】
発電機入口管３の内部は作動流体１が流れており、噴霧された電離シード剤４ａは、作動流体１の流れに沿って、発電機５へ作動流体１の熱量により蒸発しさらに電離してプラズマ状態となって導かれていく。ここで、噴霧された電離シード剤４ａは、質量的に小さいため発電機入口管３の中央近傍に集まって流れる傾向となってしまうので、シード供給ノズル４ｂの後端部に乱流促進板４ｃを設けて、電離シード剤４ａを強制的に発電機入口管の断面方向に拡散させる。この時、噴霧された電離シード剤４ａが乱流促進板４ｃに直接接触すると噴霧された霧状の電離シード剤４ａが凝縮し、大粒の液滴となり作動流体１の熱量により蒸発が不完全な状態になるため、設置される乱流促進板４ｃは作動流体１の流れ方向に沿って１２０度以下の開き角にて形成されている。
【００２７】
これにより、噴霧された電離シード剤４ａは霧状のまま発電機入口管３の内部に均一に拡散され、作動流体１よりの熱にて蒸発、プラズマ化してＩＣＤ発電機５に導入可能となり、発電効率の向上がなされることとなる。
【００２８】
なお、上述の例では、乱流促進板４ｃの開き角は１２０度以下としたが、電離シード剤４ａの均一拡散が良好に行われる条件で適宜の値をとることができる。本発明の他の実施の形態として、図４により、請求項２に係る発明の装置を説明をする。図４は、作動流体１の流れの上流側から見たシード供給ノズル４ｂに設置される乱流促進板４ｃを示すものである。
【００２９】
本実施形態においても、従来技術の説明にて述べたように、ＩＣＤ発電機５の内部にてはプラズマとなった作動流体１は外部磁場Ｂを介した電磁駆動力の影響を受けて負の周回θ方向に曲げられる。この現象はＩＣＤ発電効率の低下となるため、特願平７−６６１８６号にても提案されるような、相殺するような旋回流を発電機入口管３内部にてＩＣＤ発電機５に流入する作動流体１に予め与えておくことで発電効率の向上が可能である。
【００３０】
本実施形態では、上述と同等の効果を安価で且つ容易に得るために、図４に示すようにシード供給ノズル４ｂに設けた乱流促進板４ｃの作動流体１の接触面に螺旋溝４ｅを設けることにより、電離シード剤４ａの拡散と共に電磁駆動力による旋回力に相殺するような旋回流を作動流体１に与えることを可能とし、ＩＣＤ発電効率の向上がなされることとなる。
【００３１】
図５は、請求項３の実施の形態を示すもので図４と同様に乱流促進板４ｃを作動流体１の流れの上流側から見たものである。
乱流促進板４ｃの径方向に複数の孔４ｆを設けたもので、この孔４ｆにて発電機入口管３の中央近傍への電離シード剤４ａの供給拡散が積極的に促進されるようにすることで、電離シード剤４ａの発電機入口管３内部の拡散の均一性を高めて、ＩＣＤ発電効率の向上がなされるものである。
【００３２】
図６は、請求項４の実施の形態を示すもので、図５における乱流促進板４ｃに設けた複数個の孔４ｆの代表的な孔の部分断面を示している。図５に示すように、本孔４ｆを通過する電離シード剤４ａの本部分での霧状粒子の凝縮が発生した場合でも、孔４ｆの出口にて再噴霧可能なように出口端部をテーパ状に広げたもので、請求項３にて設けた複数個の孔による霧状粒子の凝縮が発生しても本孔通過電離シード剤４ａの拡散の均一性、蒸発性を損なうことなくＩＣＤ発電効率の向上がなされる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１の発明によれば、シード供給ノズルに設ける乱流促進板を作動流体の流れ方向に傾斜させて取り付けることにより、スムースに電離シード剤を発電機入口管内部に均一に拡散可能とし、且つ乱流促進板にて凝縮させることなくＩＣＤ発電機に導入することが可能となる。
【００３４】
また、請求項２の発明によれば、シード供給ノズルの乱流促進板を用いて、ＩＣＤ発電における電磁駆動力による旋回力と相殺する旋回流速成分を安価で且つ、簡便な装置を提供できる。
【００３５】
さらに、請求項３の発明によれば、発電機入口管中央近傍にても確実なる電離シード剤の拡散供給が可能な装置を提供できる。
また、請求項４の発明によれば、請求項３の発明によって発生の可能性のある電離シード剤の再凝縮が発生しても、再噴霧が可能な装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る電磁流体発電装置の構成を示す模式図。
【図２】同実施の形態におけるシード供給ノズル。
【図３】同実施の形態におけるシード供給ノズルの断面図。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係るシード供給ノズルの乱流促進板。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係るシード供給ノズルの乱流促進板。
【図６】本発明の第４の実施の形態に係るシード供給ノズルの乱流促進板孔断面。
【図７】従来のＩＣＤ発電装置の構成を示す模式図。
【図８】一般的なＩＣＤ発電装置における発電原理を説明するための模式図。
【図９】一般的なＩＣＤ発電装置の構成を示す断面図。
【図１０】一般的なＩＣＤ発電装置のＡ−Ａ矢視断面図。
【図１１】一般的なシード供給ノズルの断面図。
【符号の説明】
１…作動流体、２…高温熱交換器、３…発電機入口管、３ａ…吐出管、４…シード剤注入装置、４ａ…電離シード剤、４ｂ…シード供給ノズル、４ｃ…乱流促進板、４ｄ…噴出孔、４ｅ…螺旋溝、４ｆ…孔、５…ＩＣＤ発電機、５ａ…外部磁場印加装置、６…冷却器、７…圧縮機、１１…上部ディスク、１２…下部ディスク、１３…超音速ノズル、１３ａ…流路入口、１３ｂ…スロート部、１３ｃ…ＩＣＤチャンネル、１４ａ，１４ｂ…電極、１５…外部回路、Ｂ…外部磁場。
【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】
0003930139.tif 000009
【図９】
0003930139.tif 000010
【図１０】
0003930139.tif 000011
【図１１】
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