JP2003286807A - 熱および電力の供給装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 マイクロガスタービンを用いて耐久性が高く
低コストの熱および電力の供給装置を提供する。 【解決手段】 ガスタービン本体２の吸気１１を利用し
て発電を行う風力発電装置１５を吸気側に設置した熱お
よび電力の供給装置１を提供する。ガスタービン２の吸
気を用いて風力発電を行うことにより、ガスタービン２
と発電装置１５とを個別に設計でき、設計の自由度の大
きな熱および電力の供給装置を提供できる。したがっ
て、ガスタービンを用いた、低コストで耐久性の高い熱
および電力の供給装置を提供できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービン、特
に、小型のガスタービンを内蔵した装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】マイクロガスタービン発電機は、コージ
ェネレーションシステム用の発電装置として注目をされ
ており、実用化も開始されている。また、マイクロガス
タービンエンジンは、無人ヘリコプタなどの動力源とし
ても利用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】マイクロガスタービン
は、燃焼ガスにより回転するタービン部と、このタービ
ン部とシャフトで同軸状に繋がった圧縮機部とを備えて
おり、タービン部により圧縮機部が駆動されて燃焼用空
気を吸引圧縮する。したがって、自動車用ターボチャー
ジャとほぼ類似の構造をしており、ターボチャージャの
製造技術を生かして量産することも検討されている。

【０００４】マイクロガスタービンをガスタービン発電
機とするためには、シャフトを延長してタービンと共に
回転する高速発電機を設置する必要がある。タービンの
回転速度は５万から１０万ｒｐｍ程度と非常に高速であ
るためにシャフトを延長して発電機を取り付けることに
伴う問題は多い。長軸のものを高速回転させるためにバ
ランスの確保は重要であり、軸受にも信頼性が高く、耐
久性の高いものが要求される。また、多くの発電機の回
転数は２万ｒｐｍ以下なので、マイクロガスタービン用
に高速回転型の発電機を開発する必要がある。さらに、
高速発電機で発電される電力は高周波となるので、イン
バータにより周波数変換する必要があるが、その変換ロ
スも少なくない。

【０００５】低コストで周波数変換も不要な２万ｒｐｍ
程度あるいはそれ以下の回転速度の発電機をマイクロガ
スタービンから回転駆動しようとすると、連結機構の開
発、騒音、耐久性などの様々な問題を解決する必要があ
る。したがって、現在、コージェネレーションシステム
に採用されているマイクロガスタービン発電機は、高価
であり、民生用の商品として実用上充分な耐久性を備え
ているものはほとんどない。マイクロガスタービンは、
１９００年代の中頃から研究されているにも関わらず、
小型のエンジンなどの特殊な用途の市場は別とすると、
ほとんど利用されていない。

【０００６】そこで、本発明においては、ガスタービ
ン、特に、小型のガスタービンを民生用の装置あるいは
システムに広く利用することができるようにすることを
目的としている。すなわち、大きな技術革新を待たず
に、小型のガスタービンを、低コストで、充分な耐久性
を発揮できる状態で、発電を主体にしたコージェネレー
ションシステムに限らず民生用の様々なシステムに組み
込めるようにすることを本発明の目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】ガスタービンの用途は、
ジェットエンジンを別とすれば、燃焼エネルギーを回転
エネルギーに変換する装置にほぼ限定されている。もち
ろん、発電機を回転駆動するだけではエネルギー効率が
著しく低いので、排熱の利用が必須であり、たとえば、
排熱で燃焼用空気を加熱する熱交換器部を設けることが
通常行われているが、熱交換器部が占めるスペースが非
常に大きく、却ってマイクロガスタービンの用途を狭め
る要因にもなっている。

【０００８】本発明においては、マイクロガスタービン
が小型で高効率の燃焼装置であることに着目し、マイク
ロガスタービンを回転エネルギーに変換するエネルギー
変換装置ではなく、熱エネルギーを取り出す燃焼装置と
して利用する。さらに、ガスタービンに吸引される空気
で風力発電機を回転駆動し、発電を行うことにより電力
を供給する。すなわち、本発明においては、燃焼ガスに
より回転するタービン部および該タービン部により駆動
されて燃焼用空気を吸引圧縮する圧縮機部を備えたガス
タービンと、圧縮機部に吸引される空気により回転駆動
される発電機とを有する、熱および電力の供給装置を提
供する。

【０００９】この熱および電力の供給装置は、コージェ
ネレーション装置ではあるが、従来のように発電を主目
的とするものではない。したがって、ガスタービンに発
電機を直結せずに、吸引される空気により間接的に発電
機を駆動することを主眼としている。このため、発電効
率は低いが、ガスタービンの軸を延長する必要はなく、
ガスタービンから発電機を駆動するギアなどの連結装置
を必要としない。したがって、ガスタービンは、タービ
ン部と圧縮機部とを備えた非常にシンプルな形となり、
自動車用ターボチャージャなどの既存の技術に基づき耐
久性の高いものを低コストで提供できる。また、本発明
の供給装置に採用される発電機は、これも既存の技術に
基づき低コストで提供できる風力発電機となり、さら
に、ダクトの径を制御することにより回転数の選択も自
由なので、発電機も耐久性の高いものを低コストで提供
できる。このため、本発明の供給装置は、大きな技術革
新を待たずに、小型のガスタービンを、低コストで、充
分な耐久性で利用できるものである。また、供給する電
力の周波数も通常の交流の周波数あるいはそれに近いも
のにすることができる。したがって、インバータも不要
であり、そのまま通常のモータなどの動力として利用で
きるので、周波数変換用のコストもロスも回避できる。

【００１０】ガスタービンと発電機とは別体で提供する
ことも可能であるし、ガスタービンの圧縮機部と発電機
とをダクトで繋いで一体型にすることも可能である。

【００１１】本発明の供給装置は、ガスタービンが熱源
として主に利用されることを主眼としているために発電
能力は低い。このため、従来のコージェネレーションシ
ステムのように電力供給をメインとしたシステムより
も、熱源が必要なシステムで、そのシステムを駆動する
ためにある程度の電力をシステム内部で消費するシステ
ムに適している。すなわち、本発明を利用すると、本発
明の熱および電力の供給装置と、電力を利用して駆動さ
れる補機と、熱を消費する主機とを有する、熱源を内蔵
したシステムに低コストで耐久性の高いガスタービンを
活用できる。ガスタービンは燃焼装置としては小型で効
率が高いので、コンパクトで熱出力の大きなシステムを
提供することができる。

【００１２】たとえば、ヒータ、乾燥機あるいは融雪機
などとしての多くの用途を持つ温風供給装置である。本
発明の熱および電力の供給装置と、電力を利用して駆動
される送風ファンと、この送風ファンから供給される空
気を供給装置から供給される熱風と混合する温風出力部
とを有する、コンパクトで出力の大きな温風供給装置を
提供できる。また、吸熱式の空気調和装置などの熱交換
装置にも有効である。本発明の熱および電力の供給装置
と、この供給装置から供給される熱および電力を利用し
て駆動される熱サイクルとを有するコンパクトな熱交換
装置を提供できる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下では、図面を参照しながらさ
らに本発明について説明する。図１に、本発明の熱およ
び電力の供給装置の概略構成を示してある。この供給装
置１は、ガスタービン本体２と、ガスタービン本体２に
燃焼用空気１１を導く吸気ダクト３と、ガスタービン本
体２からの燃焼ガス１２を出力する排気ダクト４とを備
えている。ガスタービン本体２は、燃焼ガス１２により
回転するタービン５と、燃焼用空気１１を吸引し圧縮す
る圧縮機６と、タービン５および圧縮機６を連結するシ
ャフト７と、注入された燃料１０と燃焼用空気１１とを
混合して燃焼する燃焼室８とを備えている。さらに、供
給装置１は、ガスタービン本体２の圧縮機６により吸引
される燃焼用空気１１により回転駆動される風力発電装
置１５を備えている。この発電装置１５は、燃焼用空気
１１により回転駆動される風車１６と、この風車１６に
より回転駆動される発電機１７とを備えており、これら
が吸気ダクト３の内部に配置されている。

【００１４】この供給装置１では、適当な手段、たとえ
ば、圧縮空気やモータによりガスタービン２を所定の回
転数まで起動した後に液体またはガス燃料１０が供給さ
れ燃焼が開始すると、その後は、燃料１０を供給するだ
けでタービン５および圧縮機６が回転し、燃焼が継続さ
れると共に排気ダクト４から高温の燃焼ガス１２が得ら
れる。吸気ダクト３では、ガスタービン２に吸気される
燃焼用空気により風車１６が回転し、発電機１７で発電
が行われる。このため、高温の燃焼ガス１２と共に、発
電装置１５から電力１８が出力される。この供給装置１
では、発電機とガスタービンがシャフトで直結されてい
ないので、そのための長いシャフトは不要であり、シャ
フトを延長することによるぶれや軸受の耐久性という問
題はない。また、発電機とガスタービンとを接続するた
めの減速機は不要であり、高速回転を減速することがで
きるコンパクトで低騒音の減速機を開発するという問題
もない。

【００１５】さらに、発電機１７と、ガスタービン２と
を別々に設計することができる。したがって、マイクロ
ガスタービンと称されるコンパクトなガスタービンであ
れば、自動車用のターボチャージャなどの既存の技術に
基づき耐久性および信頼性の高いガスタービンを低コス
トで提供できる。発電装置１５は、低温の吸気側に配置
されているので、風車１６の強度、耐久性および材料の
選択などの自由度が高い。さらに、風車１６が対応する
風速は吸気ダクト３のサイズにより調整することができ
る。したがって、発電装置１５の設計の自由度は大き
く、効率が高く、耐久性および信頼性の高い発電装置１
５を、既存の技術に基づき低コストで提供できる。さら
に、発電機１７の回転数も選択できるので、インバータ
などの周波数変換機を必要としない簡易な構成で発電も
行うことができる。このため、本発明により、マイクロ
ガスタービンから熱および電力を供給する装置であっ
て、耐久性および信頼性の高い装置を低コストで提供で
きる。

【００１６】この供給装置１では、ガスタービン２の吸
気により発電装置１５が間接的に駆動されている構成で
ある。したがって、風力発電装置１５が、タービン吸気
１１で間接的に動かされるように配置されていれば良
く、風力発電装置１５は、必ずしも吸気ダクト４に内蔵
されている必要はない。しかしながら、風力発電装置１
５をタービン吸気１１でできるだけ効率良く稼動させる
には、ダクト４の内部に設置してタービン吸気１１のエ
ネルギーをできるだけ効率良く風力発電装置１５が回収
できるようにすることが望ましい。また、吸気ダクト３
の内部の空気の流れにより発電能力がある程度左右され
るので、ダクト３の形状を整えたり、必要に応じて整流
用の静翼（案内翼）などを設けることも有効である。

【００１７】この供給装置は、マイクロガスタービン２
をエネルギー源として、低コストで熱１２と電力１８と
を取り出せるものであるが、発電装置１５がマイクロガ
スタービン２に直結されていないので発電能力はそれほ
ど高くない。しかしながら、１〜数％程度の発電効率が
あれば家庭用や小型のシステムの補機を駆動する電力な
どとしては十分な１ｋＷ程度あるいはそれ以上の電力は
充分に取り出すことができる。その一方で、マイクロガ
スタービン２は、燃焼装置としてみると、数１００ｋＷ
程度の熱出力が出せる非常にコンパクトな燃焼装置であ
る。したがって、電力を利用して駆動される補機と、熱
を消費する主機とを有する、熱源を内蔵したシステムに
適している。

【００１８】図２は、そのようなシステムの一例であ
り、温風を発生する温風供給装置である。この温風供給
装置２０は、燃料タンク２１と、その上に支持された円
筒状のハウジング２２とを備えており、ハウジング２２
の内部にマイクロガスタービン２と発電装置１５とを備
えた供給装置１が収納されている。ハウジング２２の一
方の端には送風機２３が配置されており、供給装置１か
ら供給される電力１８により駆動される。また、燃料タ
ンク２１から燃料１０を供給する燃料ポンプ２４も供給
装置１から供給される電力１８により駆動される。ま
た、制御用の電力も発電装置１５からの電力１８により
賄うことができる。ハウジング２２の他方の端は、送風
機２３から供給される外気２５と、供給装置１から供給
される高温の排気１２とが混合されて温風２７が出力さ
れる温風出力部２６となっている。

【００１９】従来の温風供給装置であると、送風機およ
び燃料ポンプなどを駆動する電力を外部から供給する必
要があり、電源がないと使用できなかった。これに対
し、本例の温風供給装置２０は、起動用に適当な容量の
バッテリーを備えていれば、補機および制御用などの自
家消費する電力はガスタービンを備えた供給装置１から
供給することができる。したがって、スタンドアロンタ
イプの温風供給装置を本発明により提供することができ
る。また、燃焼装置としてもマイクロガスタービンはコ
ンパクトで高出力なものであるので、従来よりもコンパ
クトで出力の大きな温風供給装置を提供できる。

【００２０】図３に示した温風供給装置３０は、温風出
力部として熱交換器３１を備えており、熱交換器３１に
より、供給装置１からの排気１２と送風機２３からの外
気２５との間で熱交換して温風２７を生成する。したが
って、この温風供給装置３０は、熱出力は上記の温風供
給装置２０よりも低下するが、排ガスを含まないクリー
ンな温風２７を供給できるスタンドアロンタイプの温風
供給装置である。これらの温風供給装置２０および３０
の用途は様々であり、暖房用、乾燥用、融雪用などとし
て利用される。本発明の供給装置１を内蔵した温風供給
装置であると、電源が不要となるので、設置可能な場所
がさらに広がり、いっそう多くの用途に利用することが
できる。

【００２１】図４に示したシステム４０は、空調システ
ムや冷凍システムなどに用いられる吸熱式の熱交換シス
テムの一例である。この熱交換システム４０では、吸引
ファン４１により外気４２を導入して熱交換器４３に供
給し、冷媒４７あるいは室内空気などと熱交換された排
気４４を排気ファン４５により排気する。したがって、
本例の供給装置１は、吸熱式の熱交換システムの熱源お
よび電源として利用される。供給装置１からの電力でシ
ステム４０の電力消費を賄うことができればスタンドア
ロンのシステムとなる。一方、電力が不足する場合は外
部電力４９が必要になるが、消費電力は大幅に低減でき
る。

【００２２】図１に示した供給装置１では、タービン排
気１２がそのまま出力されるようになっており、高温の
熱源が必要とされるシステムに適している。さらに、周
波数変換用のインバータなどの余分な機器が少ないため
に、それらを冷却することにより放出される利用価値の
ほとんどない廃熱としての出力は小さい。したがって、
本発明の供給装置１は、熱効率も高く、高質の熱源であ
ると云える。

【００２３】高温よりも中あるいは低温の排気が要求さ
れるシステムに対しては、排気ガス１２で燃焼空気１１
を加熱する再生器を付加し、再生器出口の排気ガスをあ
らためて熱の利用に供給することも可能であり、そのよ
うな供給装置も本発明に含まれる。また、タービンと発
電機が同軸あるいは減速機を介して機械的に接続された
ガスタービン発電機の吸気側に風力発電機を設置して、
ガスタービン発電機の更なる効率アップを図ることも可
能であり、そのような供給装置、すなわち、ガスタービ
ンとしてガスタービン発電機を用いた供給装置も本発明
に含まれる。ただし、吸気側に風力発電機を設置するこ
とにより吸気抵抗が大きくなるので、ガスタービン発電
機の発電量と、風力発電装置の発電量とのバランスを検
討する必要がある。

【００２４】コージェネレーションシステムに本発明の
供給装置を適用することも可能である。しかしながら、
現在のコージェネレーションシステムは電力供給を主と
し、システム効率を改善するために排熱を何らかの形で
利用するものである。したがって、熱供給を主とし、電
力供給を従とする本発明の供給装置の用途としては現状
では最適ではないと思われる。これに対し、温風供給装
置のように、熱をほぼそのままの形で利用するシステム
は、小型にでき、スタンドアロンとして利用できるとい
う多くのメリットを本発明の供給装置により得ることが
できる。

【００２５】また、本発明の供給装置のメリットを活か
すことができる、熱源を内蔵したシステムは上記に限定
されることはない。供給装置をバーナとして使用するこ
とにより、給湯用のボイラを備えたシステムも可能であ
り、そのシステムでは燃料ポンプや給水ポンプの電力を
自家発電で補うことができるなど、上記以外の多くのシ
ステムに本発明の供給装置は適用できる。

【００２６】

【発明の効果】本発明の熱および電力の供給装置におい
ては、ガスタービンの吸気を用いて風力発電を行うこと
により、ガスタービンと発電装置とを個別に設計でき
る。このため、設計の自由度の大きな熱および電力の供
給装置を提供できる。したがって、ガスタービンを用い
た、低コストで耐久性の高い熱および電力の供給装置を
提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の供給装置の概要を示す図である。

【図２】図１に示す供給装置を用いた温風供給装置の一
例を示す図である。

【図３】図１に示す供給装置を用いた温風供給装置の他
の例を示す図である。

【図４】図１に示す供給装置を用いた吸熱型の熱交換シ
ステムを示す図である。

【符号の説明】

１ 供給装置 ２ ガスタービン本体 ３ 吸気ダクト ４ 排気ダクト １５ 風力発電装置 ２０、３０ 温風供給装置

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｃ 3/10 Ｆ０２Ｃ 3/10 Ｆ０２Ｇ 5/02 Ｆ０２Ｇ 5/02 Ａ 5/04 5/04 Ｈ (71)出願人 502113105 ▲羽▼田 喜昭 長野県長野市篠ノ井布施高田399番地13 (72)発明者 村岡 正一 長野県須坂市大字幸高246番地 オリオン 機械株式会社内 (72)発明者 鈴木 美博 長野県須坂市大字幸高246番地 オリオン 機械株式会社内 (72)発明者 保谷 博 東京都練馬区関町北３−３−33 株式会社 ソフィアプレシジョン内 (72)発明者 倉澤 英夫 長野県長野市大字石渡361番地２ (72)発明者 ▲羽▼田 喜昭 長野県長野市篠ノ井布施高田399番地13

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼ガスにより回転するタービン部およ
   び該タービン部により駆動されて燃焼用空気を吸引圧縮
   する圧縮機部を備えたガスタービンと、 前記圧縮機部に吸引される空気により回転駆動される発
   電機とを有する、熱および電力の供給装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記圧縮機部と前記
   発電機とを繋ぐダクトを有する、熱および電力の供給装
   置。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の熱および電力の供給装
   置と、前記電力を利用して駆動される補機と、前記熱を
   消費する主機とを有する、熱源を内蔵したシステム。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の熱および電力の供給装
   置と、前記電力を利用して駆動される送風ファンと、こ
   の送風ファンから供給される空気を前記供給装置から供
   給される熱風と混合する温風出力部とを有する温風供給
   装置。
5. 【請求項５】 請求項１に記載の熱および電力の供給装
   置と、この供給装置から供給される熱および電力を利用
   して駆動される熱サイクルとを有する熱交換装置。