JP2007071104A - Heat power generation system - Google Patents

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Hiroshi Isobe
浩 磯部
Takami Ozaki
孝美 尾崎
Tsuguto Nakaseki
嗣人 中関
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NTN Corp
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    • Y02E10/40Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/46Conversion of thermal power into mechanical power, e.g. Rankine, Stirling or solar thermal engines

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a heat power generation system which realizes long-term rotation of a turbine independently of the kind of a working medium, starts the rotation smoothly, and also controls a bearing comparatively easily. <P>SOLUTION: The working medium is directly or indirectly heated by a collector absorbing heat energy, and steam of the working medium is ejected from a nozzle 8 to rotationally drive the turbine 5 with high pressure steam from a nozzle 8. A power generator rotor 6A in a power generator 6 is rotated by the rotation of the turbine 5 so that electric power is generated by a power generator stator 6B facing the power generator rotor 6A. A main shaft 7 to connect a blade wheel 5a of the turbine 5 and the power generator rotor 6A is partially supported for one part of the main shaft 7 by electromagnets 14 and 15, and supported for the other part of the main shaft 7 by a non-contact bearing supported by permanent magnets 12 and 13. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

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。   The present invention relates to a thermoelectric generation system that converts thermal energy such as solar heat into electric energy.

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)。
特開2002−242693号公報 特開2000−110515号公報 特開2003−227315号公報
As a conventional example of this type of thermal power generation system, a solar thermal power generation system is known in which a working medium is heated by solar heat, a turbine is rotated by high-pressure steam of the working medium, and a generator is generated by the rotation of the turbine. (For example, Patent Documents 1 to 3).
JP 2002-242893 A JP 2000-110515 A JP 2003-227315 A

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。
In each of the solar thermal power generation systems described above, since the obtained thermal energy is small and the energy density is low, an organic medium that is easily vaporized or an organic medium having a low boiling point (for example, ammonia, chlorofluorocarbon, alcohol, acetone, etc.) is used as the working medium. used. However, when such a working medium is used, there is a problem in that it is difficult to hold the lubricant for the bearing for rotating and supporting the turbine because of high heat, and it cannot be rotated for a long time.
As an example of measures for solving this problem, for example, it is conceivable to rotationally support the turbine using a dynamic pressure bearing or a foil bearing. However, in these bearings, since the bearing portion is in mechanical contact with the turbine in a stopped state, there is a problem that the rotation starting torque is large and rotation starting is difficult.

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。
Further, there are the following problems with respect to the rotation support of the main shaft of the turbine of the thermoelectric generation system.
・ Although there is a method to lift the rotating part completely without contact with only an electromagnet, it is necessary to perform five-axis control for levitation. At the same time, the number of electromagnets increases, the controller configuration is complicated, and the cost increases. .
-Even when a part of the main shaft is supported using the repulsive force of the permanent magnet, if the main shaft is only controlled by position control, the amount of power supplied to the electromagnet increases, and this power consumption must be reduced.
-In the configuration using an electromagnet for axial support, two electromagnets are required. Therefore, it becomes a subject to aim at cost and compactization.
The support stiffness by the electromagnet is large, but the passive shaft (radial stiffness for the axial support electromagnet / axial stiffness for the radial support electromagnet) is small. In order to float the spindle stably, it is necessary to increase this passive rigidity.
The support stiffness by the electromagnet is large, but the passive axis (radial stiffness for the axial support electromagnet / axial stiffness for the radial support electromagnet) is small. On the other hand, the attractive force between the generator stator and the generator rotor acting as a disturbance to the main shaft is large and needs to be supported.
-There exists a problem that the coil of a generator stator part or the mold resin which protects this coil deteriorates with the solvent used for a working medium.
Also, there is a problem that the working medium remains in the unit and the working medium cannot be used effectively.
-In solar thermal power generation, since the obtained heat energy is small and the energy density is low, there is a problem that it is difficult to start rotation if the mass and moment of inertia of the turbine member are large.
The thermoelectric power generation system is a system that generates power based on the temperature difference of the working medium. However, using a dedicated device for cooling the working medium increases the system cost.

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。
An object of the present invention is to provide a thermoelectric power generation system in which a turbine can be rotated for a long period of time without being limited by the type of working medium, rotation can be started smoothly, and bearings can be controlled relatively easily.
Another object of the present invention is to solve the above problems.

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。
In the thermoelectric generation system of the present invention, the working medium is directly or indirectly heated by the collector that absorbs thermal energy, the steam of the working medium is ejected from the nozzle, and the turbine is rotationally driven by the high-pressure steam from the nozzle. The turbine impeller of the turbine, the generator rotor, and the generator rotor portion of the generator that is provided opposite to the generator rotor by rotating the generator rotor of the generator by the rotation of the turbine. The non-contact bearing has a structure in which a portion of the main shaft is supported by an electromagnet.
This thermoelectric power generation system may be a solar thermal power generation system that uses solar heat as thermal energy. The non-contact bearing is a magnetic bearing that supports the other part of the main shaft using, for example, a permanent magnet.

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。
According to this configuration, since the main shaft is rotatably supported, a part of the main shaft is supported by the electromagnet and the other part is also supported by the permanent magnet, so that the bearing lubricant is unnecessary. Therefore, there is no problem in bearing lubrication even if an organic solvent that easily vaporizes, such as ammonia, alternative chlorofluorocarbon, alcohol, or acetone, or an organic solvent having a low boiling point is used as the working medium. As a result, the turbine can be rotated for a long time without being limited by the type of working medium.
In addition, since the main shaft is supported by the electromagnet and the permanent magnet so that the main shaft can float even when the main shaft is not rotating, the rotation starting torque is small and wear does not occur, and the rotation can be started smoothly.
It is possible to support the main shaft in a non-contact state using only electromagnets, but in that case, multi-axis control is required to lift the main shaft, and at the same time the number of electromagnets increases, The configuration also becomes complicated and causes an increase in cost. On the other hand, by using a configuration in which an electromagnet is partially used as described above, the control is simple and the cost can be reduced.

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。
In the present invention, the non-contact bearing is formed by a repulsive force between a first permanent magnet provided on the main shaft and a second permanent magnet disposed on the fixed side opposite to the first permanent magnet, and an attractive force of the electromagnet. The main shaft may be supported.
By using a bearing that is supported by the repulsive force between the permanent magnets and the attractive force of the electromagnet, the spindle can be supported so as to be able to levitate even when not rotating, with a simple configuration. By combining the support by the repulsive force between the permanent magnets and the support by the attraction force of the electromagnet, the non-contact support of the spindle with a simple structure can be performed stably.

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。   As described above, when the first and second permanent magnets and the electromagnet are used together, the repulsive force between the first permanent magnet and the second permanent magnet acts in the radial direction perpendicular to the rotation axis of the turbine. The axial direction may be supported by the electromagnet. In the case of this configuration, the electromagnet can be configured only by the yoke and the ring-shaped coil winding, and can be configured at low cost.

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。   Further, when the first and second permanent magnets and the electromagnet are used in combination as described above, the main shaft is moved in the axial direction by shifting the facing surfaces of the first permanent magnet and the second permanent magnet. The force may be applied only in one direction, and in this state, the electromagnet may be arranged only in the direction in which the axial force by the permanent magnet is canceled. In the case of this configuration, the number of electromagnets can be reduced from two to one, and the configuration can be simplified.

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。   In this invention, it is good also as what has a sensor which detects the position of a main axis | shaft, and a means to change the electric current of the said electromagnet by the detection value of this sensor. In the case of this configuration, the main shaft can be easily positioned in the axial direction, or can be stably supported in the radial direction.

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。   In the present invention, a flange portion may be provided on the main shaft, and the electromagnet may be provided to face the flange portion. By providing the flange portion on the main shaft as described above, the configuration of supporting the main shaft in the thrust direction by the attractive force of the electromagnet is simplified by disposing the electromagnet opposite to the flange portion in the axial direction.

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。   In the present invention, a protrusion may be provided on the end face of the main shaft facing the electromagnet so that the magnetic flux is concentrated from the electromagnet. When the protrusions are provided in this way, a passive spring support system is formed in the radial direction by the magnetic flux concentrated on the protrusions. Although the support rigidity in the axial direction of the main shaft is increased by the attractive force of the electromagnet, the support rigidity in the radial direction is small because it is supported by the repulsive force of the permanent magnet. In order to increase the support rigidity in the radial direction, a passive spring support system in the radial direction obtained by the protrusion is effective, and thereby the main shaft can be stably supported without contact.

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。   In this invention, the generator rotor and the generator stator may be the same as the opposing direction of the electromagnet and the main shaft. In the case of this configuration, the disturbance of electromagnetic attraction due to power generation does not reach the radial direction where the support rigidity is small, but occurs in the thrust direction where the support rigidity is high. Therefore, the influence of power generation disturbance on the main shaft can be suppressed as much as possible.

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。   In this invention, it is good also as what has a partition in a part between the rotation part and stationary part of the said generator. Thus, by providing a partition wall in a part between the rotating part and the stationary part of the generator, the insulating film on the surface of the coil in the generator stator part and the mold resin that protects the coil are organic working mediums. It is possible to avoid a situation where stable power generation cannot be performed due to being attacked by a solvent or the like.

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。   In this invention, you may install the said main axis | shaft of the said unit with respect to a horizontal surface so that the said working medium may be discharged | emitted by the dead weight from the unit which consists of the said turbine, a generator, and a main axis | shaft. In this way, the unit's main shaft is inclined with respect to the horizontal plane, and the working medium is discharged from the unit by its own weight, so that even if the working medium that has passed through the turbine has condensed in the unit, The liquefied working medium tends to flow out. For this reason, it is possible to prevent the liquefied working medium from entering the generator portion or coming into contact with the electromagnet or the like as the bearing portion to reduce the energy conversion efficiency.

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。
In this invention, the turbine impeller may be made of a plastic material that is not affected by the working medium. If the turbine impeller is made of plastic, the weight of the turbine impeller can be reduced, so that it can be rotated even with a small jet power. Even if a plastic material is used, there is no problem by using a material that is not affected by the working medium.
For example, the plastic material may be a PEEK material (polyether ether ketone material). The PEEK material is an engineering plastic excellent in heat resistance, flame retardancy, and chemical resistance, and is excellent in various aspects as a material for a turbine impeller.

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。   In the present invention, the turbine may liquefy the high-pressure steam by a cooling action accompanying expansion. When the working medium is cooled in the turbine as described above, a dedicated device for cooling the working medium is not necessary, and the cost can be reduced accordingly.

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。
In this invention, it has means for measuring the pressure of the working medium between the collector and the nozzle, the temperature of the collector, or the amount of heat input to the collector, and the measured pressure or temperature or amount of heat is a predetermined value. When the value is below the threshold value, the electromagnet may be provided with means for preventing current from flowing.
When the thermoelectric generator system is a solar thermoelectric generator system, for example, the time period in which the collector can absorb solar heat as effective thermal energy is limited. Therefore, as described above, the pressure of the working medium, the temperature of the collector, or the amount of heat input to the collector is measured, and at night when the measured pressure, temperature, or amount of heat falls below a predetermined threshold, current is supplied to the electromagnet. If it is not allowed to flow, it is possible to avoid wasting power and supporting the spindle by the electromagnet at night when effective solar heat cannot be obtained.

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。   In the thermoelectric generation system of the present invention, the working medium is directly or indirectly heated by the collector that absorbs thermal energy, the steam of the working medium is ejected from the nozzle, and the turbine is rotationally driven by the high-pressure steam from the nozzle. The turbine impeller of the turbine, the generator rotor, and the generator rotor portion of the generator that is provided opposite to the generator rotor by rotating the generator rotor of the generator by the rotation of the turbine. The non-contact bearing has a structure in which a part of the main shaft is supported by an electromagnet so that the turbine can be rotated for a long time without being restricted by the type of working medium. The start-up can be performed smoothly and the bearing control can be made relatively simple.

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。
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. This thermoelectric power generation system is a solar thermal power generation system that converts solar heat, which is thermal energy, into electric energy and outputs the electric energy, and includes a collector 1 that absorbs solar heat, a turbine 5 and a generator 6 as shown in FIG. A turbine unit 2 and a working medium circulation path 4 for circulating the working medium 3 between the collector 1 and the turbine 5 are provided.
The working medium circulation path 4 was used to rotate the turbine 5 and the nozzle 8 for rotating the turbine 5 by jetting the steam of the working medium 3 directly heated by the collector 1 to the turbine 5 as high-pressure steam. And a pump 9 for circulating and supplying the working medium 3 to the collector 1.

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。   The generator 6 of the turbine unit 2 includes a generator rotor 6A that is a rotating portion and a generator stator portion 6B that is a stationary portion. The impeller (not shown in FIG. 1) of the turbine 5 and the generator rotor 6 </ b> A are connected by a main shaft 7. The main shaft 7 is rotatably supported by a bearing 11. Specifically, the generator 6 is an axial gap generator, and a generator rotor 6A is provided on an outer peripheral portion of a thrust plate 7a that is a circular flange portion provided at one end of the main shaft 7, and this generator rotor 6A is provided. A pair of generator stator portions 6B and 6B are arranged opposite to each other with a predetermined gap in the axial direction. An impeller of the turbine 5 is connected to the other end of the main shaft 7. Thus, the rotation of the turbine impeller becomes the rotation of the generator rotor 6A, and power is generated by the generator stator portion 6B provided to face the generator rotor 6A. This power generation is controlled by the controller 10.

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。   2 shows an enlarged cross-sectional view of the turbine unit 2 in FIG. 1, and FIG. 3 shows a cross-sectional view taken along the line III-III in FIG. In FIG. 2, a cylindrical nozzle member 18 having one end opened is fixedly installed through a minute gap on the inner periphery of the turbine impeller 5 a connected to the other end of the main shaft 7. A plurality of nozzles 8 penetrating toward the turbine blade 5aa of the vehicle 5a are provided in the circumferential direction. The open end of the nozzle member 18 is connected to the upstream portion of the working medium circulation path 4 and serves as an air supply port 19 through which the working medium 3 heated by the collector 1 flows. On the outer peripheral side of the turbine impeller 5 a, an exhaust port 20 through which the working medium 3 that gives rotational energy to the turbine impeller 5 a flows out to the downstream portion of the working medium circulation path 4 penetrates the unit housing 2 a of the turbine unit 2. Is provided.

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。   The turbine 5 is made of a plastic material that is not affected by the working medium 3. In particular, the turbine impeller 5a of the turbine 5 is made of the plastic material. As the plus chip material in this case, for example, a PEEK material (polyether ether ketone material) or the like is suitable. When the turbine impeller 5a is made of a plastic material, the weight can be reduced, so that the turbine impeller 5a can be rotated even with a small jet power. Even if a plastic material is used, no trouble is caused by using a material that is not affected by the working medium 3. The PEEK material is an engineering plastic excellent in heat resistance, flame retardancy, and chemical resistance, and is excellent in various aspects as the material of the turbine 5.

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。   The bearing 11 that supports the main shaft 7 is partially made of an electromagnet, and includes a radial bearing portion 11A that supports the main shaft 7 in the radial direction and a thrust bearing portion 11B that supports the main shaft 7 in the axial direction. Here, the radial bearing portion 11A is a magnetic bearing using a permanent magnet as follows.

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。   The radial bearing portion 11A includes a first permanent magnet 12 provided on the outer periphery of the main shaft 7 on the rotation side, and a second permanent magnet 13 provided on the inner periphery of the unit housing 2a on the fixed side so as to face the first permanent magnet 12. And become. These permanent magnets 12 and 13 are arranged with their polar directions determined so that their opposing surfaces have the same magnetic pole. As a result, a repulsive force acts between the first permanent magnet 12 and the second permanent magnet 13 in the radial direction perpendicular to the axis of the main shaft 7 (that is, the rotating shaft of the turbine 5), and the main shaft 7 is brought into a non-contact state. Support in the radial direction. In addition, the radial bearing portion 11A in this case is configured by arranging a plurality of sets (here, two sets) of combinations of the first permanent magnet 12 and the second permanent magnet 13 in the axial direction.

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。   The thrust bearing portion 11 </ b> B is composed of a pair of electromagnets 14 and 15 that are disposed to face each other in the axial direction across a thrust plate 7 a that is a flange portion of the main shaft 7. The electromagnets 14 and 15 are disposed inside the unit housing 2a and are opposed to both side surfaces of the thrust plate 7a. The yokes 14a and 15a are embedded in the yokes 14a and 15a and are ring-shaped around the axis of the main shaft 7. Coil windings 14b and 15b. In this case, the thrust plate 7a is made of a magnetic material. Thereby, the attractive force of each electromagnet 14 and 15 acts on the opposing side surface of the thrust plate 7a, and the main shaft 7 is supported in the thrust direction in a non-contact state. Thus, the thrust plate 7a which is a flange part is provided in the main shaft 7, and the electromagnets 14 and 15 are disposed opposite to each other in the axial direction across the thrust plate 7a, so that the thrust direction of the main shaft 7 due to the attractive force of the electromagnets 14 and 15 The support structure is simplified.

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。
Further, projections 7aa are provided on the end face of the main shaft (specifically, both side surfaces of the thrust plate 7a), and the projections 7aa are provided on the surfaces of the yokes 14a, 15a of the electromagnets 14, 15 facing the both sides of the thrust plate 7a. Protrusions 14aa and 15aa are provided to face each other. As a result, the magnetic flux generated by the electromagnets 14 and 15 preferentially passes between the projections 7aa and 14aa and between the projections 7aa and 15aa. A spring support system is configured.
A sensor target 17 is provided at the position of the main shaft axis on the side surface of the thrust plate 7 a facing the electromagnet 14, and a sensor for detecting the axial position of the main shaft 7 facing the sensor target 17 on the surface of the yoke 14 a of the electromagnet 14. 16 is provided. The controller 10 shown in FIG. 1 is provided with means for positioning the main shaft 7 at a predetermined position in the axial direction by controlling the coil current flowing through the coil windings 14b and 15b of the electromagnets 14 and 15 according to the detection value of the sensor 16. It is done.

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。   The end of the turbine impeller 5a opposite to the end connected to the main shaft 7a is supported in a non-contact state by a magnetic bearing having the same configuration as the radial bearing 11A. That is, the first permanent magnet 12A provided on the outer periphery of the end portion of the turbine impeller 5a on the rotating side and the inner periphery of the unit housing 2a on the fixed side are provided to face the permanent magnet 12A in the radial direction. The end portion of the turbine impeller 5a is supported in a non-contact state by the repulsive force acting between the second permanent magnet 13A.

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。   Next, operation | movement of the solar thermal power generation system of this structure is demonstrated. The working medium 3 in the working medium circulation path 4 is directly heated by the collector 1 that absorbs solar heat to become high-pressure steam, and this high-pressure steam is injected to the turbine impeller 5 a of the turbine 5 through the nozzle 8. Thereby, the turbine 5 is rotationally driven. The generator rotor 6A is rotated by the rotation of the turbine 5, and electric power is generated by the generator stator portion 6B provided to face the generator rotor 6A. In this way, the rotation of the turbine 5 is converted into electric energy.

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。   The working medium 3 that has given rotational energy to the turbine 5 is transported to the collector 1 by the pump 9, but is cooled from the turbine 5 to the pump 9 and completely returned to liquid. At this time, it is desirable for the turbine 5 to liquefy the high-pressure steam of the working medium 3 by a cooling action accompanying adiabatic expansion. As a result, a dedicated device for cooling the working medium 3 becomes unnecessary, and the cost can be reduced accordingly.

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。   The main shaft 7 is a thrust bearing portion 11B while being rotatably supported in a non-contact state in the radial direction by a repulsive force between the first permanent magnet 12 and the second permanent magnet 13 constituting the radial bearing portion 11A. The electromagnets 14 and 15 are supported at predetermined positions in the axial direction by the attractive force with respect to both side surfaces of the thrust plate 7a which is the main shaft end surface.

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。
Thus, in this solar thermal power generation system, since the main shaft 7 is rotatably supported in a non-contact state, a lubricant for the bearing becomes unnecessary. Therefore, even if ammonia, an organic solvent that is easily vaporized, such as alternative chlorofluorocarbon, alcohol, or acetone, or an organic solvent having a low boiling point is used as the working medium 3, there is no problem in lubricating the bearing. As a result, the turbine 5 can be rotated for a long time without being limited by the type of the working medium 3.
In addition, since a part of the main shaft 7 is supported by the electromagnets 14 and 15 and the other parts are supported by the permanent magnets 12 and 13, the main shaft 7 is supported in a non-contact state even when the rotation of the main shaft 7 is stopped. Therefore, the rotation starting torque is small, there is no wear, and the rotation starting can be performed smoothly.

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。   For example, when a dynamic pressure bearing or a foil bearing is used to support the main shaft 7, the fluid pressure between the bearing stationary side and the bearing rotation side increases as the main shaft 7 rotates. Since the main shaft 7 can be passively supported as a contact bearing, it is suitable for such a power generation system in which the rotational torque is small and energy loss is to be reduced as much as possible. However, in the case of a dynamic pressure bearing or a foil bearing, when the main shaft 7 is not rotating, the bearing stationary side and the bearing rotating side are in mechanical contact with each other. . In addition, there is a problem in long-term durability, such as friction caused by relative sliding between the bearing stationary side and the bearing rotating side when the rotation is started.

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。   Although it is possible to support the main shaft 7 in a non-contact state using only electromagnets, in that case, five-axis control is required to float the main shaft 7, and the number of electromagnets increases. At the same time, the configuration of the controller 10 becomes complicated, resulting in an increase in cost. On the other hand, it is possible to reduce the cost by using a configuration in which the electromagnets 14 and 15 are partially used as described above.

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。   Further, in this embodiment, the main shaft 7 is supported in the radial direction by the repulsive force of the first permanent magnet and the second permanent magnet, and the main shaft 7 is supported in the thrust direction by the attractive force of the electromagnets 14 and 15. Therefore, the electromagnets 14 and 15 can be configured only by the yokes 14a and 15a and the ring-shaped coil windings 14b and 15b, and can be configured at low cost.

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。   In this embodiment, projections 7aa are provided on the end face of the main shaft (specifically, both side surfaces of the thrust plate 7a), and the yokes 14a, 15a of the electromagnets 14, 15 are opposed to both side surfaces of the thrust plate 7a. Protrusions 14aa and 15aa opposed to the protrusion 7aa are provided on the surface. Therefore, the magnetic flux generated by the electromagnets 14 and 15 passes preferentially between the projections 7aa and 14aa and between the projections 7aa and 15aa. A support system is constructed. Although the support rigidity in the axial direction of the main shaft 7 is increased by the attractive force of the electromagnets 14 and 15, the support rigidity in the radial direction is small because it is supported by the repulsive force of the permanent magnet. In order to increase the support rigidity in the radial direction, a passive spring support system in the radial direction obtained by the projections 7aa, 14aa, 15aa is effective, and the main shaft 7 can be stably supported in a non-contact manner.

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。   Moreover, in this embodiment, the sensor target 17 is provided in the main shaft axial center position of the side surface facing the electromagnet 14 of the thrust plate 7a. By detecting the sensor target 17 with the sensor 16 provided on the surface of the yoke 14a of the electromagnet 14, the position in the axial direction of the main shaft 7 is detected, and the detected values flow through the coil windings 14b and 15b of the electromagnets 14 and 15. The coil current is controlled to position the main shaft 7 at a predetermined position in the axial direction. Therefore, it is possible to easily position the main shaft 7 in the axial direction.

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。   In this embodiment, the facing direction of the generator rotor 6A and the generator stator portion 6B is the same as the facing direction (thrust direction) of the electromagnets 14 and 15 and the main shaft 7 (specifically, the main shaft thrust plate 7a). Therefore, electromagnetic attraction disturbance due to power generation does not reach the radial direction where the support rigidity is small, but occurs in the thrust direction where the support rigidity is high. Therefore, the influence of power generation disturbance on the main shaft 7 can be suppressed as much as possible.

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。
In the above embodiment, a measuring means for measuring the pressure of the working medium 3 between the collector 1 and the nozzle 8 in the working medium circulation path 4, the temperature of the collector 1, or the amount of heat input to the collector 1 is provided. Means may be provided for preventing current from flowing through the electromagnets 14 and 15 when the measured pressure, temperature, or heat quantity is below a predetermined threshold.
The thermoelectric generation system of the above embodiment is a solar thermal power generation system, and the time zone in which the collector 1 can absorb solar heat as effective thermal energy is limited. Therefore, as described above, the pressure of the working medium 3, the temperature of the collector 1, or the amount of heat input to the collector 1 is measured by the measuring means, and the measured pressure, temperature, or amount of heat falls below a predetermined threshold at night or the like. If no current is passed through the electromagnets 14 and 15, it is possible to avoid consuming unnecessary power and supporting the main shaft 7 by the electromagnets 14 and 15 at night when effective solar heat cannot be obtained.

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。
FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing another example of the turbine unit 2. In the example of the turbine unit 2, the partition wall 21 is provided in a part between the rotating portion and the stationary portion of the generator 6 in the turbine unit 2 of FIG. 2. Specifically, the surface spanning the electromagnets 14 and 15 from the generator stator 6B, which is a stationary part of the generator 6, is covered and protected by the partition wall 21. In this example, the electromagnets 14 and 15 and the protrusions 14aa, 15aa and 7aa (FIG. 2) of the main shaft thrust plate 7a are not provided. Other configurations are the same as the example of FIG.
In this way, by providing the partition wall 21 at a part between the rotating part and the stationary part of the generator 6, the insulating film on the coil surface of the generator stator part 6 </ b> B and the electromagnets 14 and 15 is the organic medium that is the working medium 3. It is possible to avoid a situation in which stable power generation or spindle support cannot be performed due to being attacked by a solvent or the like.

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。
FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view showing still another example of the turbine unit 2. In the example of this turbine unit 2, in the turbine unit 2 of FIG. 4, the 1st permanent magnet 12 provided in the outer periphery of the main shaft 7, and the 2nd permanent magnet 13 provided in the inner periphery of the unit housing 2a which is a stationary side. The one facing one of the electromagnets 14 and 15 is omitted (here, the electromagnet 14 is omitted). That is, the first permanent magnet 12 and the second permanent magnet 13 cause a force to act on the main shaft 7 only in one axial direction, and this axial force is canceled by the attractive force of the electromagnet 15. Yes. In the figure, an axial force always acts on the left side of the main shaft 7 due to the repulsive force of the permanent magnets 12 and 13, and the attractive force of the electromagnet 15 acts on the right side as an axial force. On the contrary, the permanent magnets 12 and 13 may be provided so as to be shifted so that the repulsive force of the permanent magnets 12 and 13 becomes the right axial force, and the axial force may be canceled by the attractive force of only the electromagnet 14. Other configurations are the same as the example of FIG.
With this configuration, the number of electromagnets can be reduced from two to one, and the configuration can be simplified.

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。
6 is an enlarged sectional view showing still another example of the turbine unit 2, and FIG. 7 is a sectional view taken along arrow VII-VII in FIG. In the example of the turbine unit 2, in the turbine unit 2 of FIG. 2, a cylindrical nozzle member 18 is fixedly installed on the outer periphery of the impeller 5 a of the turbine 5 through a minute gap, and the turbine impeller 5 a is attached to the nozzle member 18. A plurality of nozzles 8 penetrating toward the turbine blade 5aa are distributed in the circumferential direction. On the outer peripheral side of the nozzle member 18, an air supply port 19 connected to the upstream portion of the working medium circulation path 4 and through which the working medium 3 heated by the collector 1 flows is provided through the unit housing 2 a of the turbine unit 2. ing. An exhaust port 20 through which the working medium 3 that gives rotational energy to the turbine impeller 5 a flows out to the downstream part of the working circuit 4 is opened at the rotation center of one end of the turbine 5. In this example, the electromagnets 14 and 15 and the protrusions 14aa, 15aa and 7aa (FIG. 2) of the main shaft thrust plate 7a are not provided. Other configurations are the same as the example of FIG.
In the turbine unit 2 configured as described above, the steam of the working medium 3 flowing from the air supply port 19 is injected from the nozzle 8 on the outer peripheral side of the turbine impeller 5a to the turbine impeller 5a, whereby the turbine 5 is Driven by rotation. The working medium 3 that has passed through the turbine impeller 5 a is discharged to the outside of the turbine unit 2 from the exhaust port 20 on the inner peripheral side of the turbine 5.

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。
FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view showing still another example of the turbine unit 2. In the example of the turbine unit 2, in the turbine unit 2 of FIG. 2, the main shaft 7 of the turbine unit 2 is inclined with respect to the horizontal plane so that the end on the air supply port 19 side faces downward, and the exhaust port By providing 20 at a position deviated downward from the axis of the main shaft 7, the working medium 3 is discharged from the turbine unit 2 through the exhaust port 20 by its own weight. Other configurations are the same as those of the turbine unit 2 of FIG.
In this way, the turbine unit 2 is installed such that the main shaft 7 is inclined with respect to the horizontal plane, and the working medium 3 in the turbine unit 2 is discharged from the exhaust port 20 by its own weight, whereby the turbine impeller. Even if the working medium 3 that has passed through 5a is condensed in the turbine unit 2, the liquefied working medium 3 is easily discharged. Therefore, it is possible to prevent the liquefied working medium 3 from entering the generator 6 or coming into contact with the permanent magnets 12 and 13 and the electromagnets 14 and 15 constituting the bearing 11 to reduce the energy conversion efficiency. it can.

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。
FIG. 9 is an enlarged cross-sectional view showing still another example of the turbine unit 2. In the example of the turbine unit 2, the turbine unit 2 in FIG. 6 is installed by tilting the main shaft 7 of the turbine unit 2 with respect to the horizontal plane so that the end on the exhaust port 20 side faces downward. 2, the working medium 3 is discharged from the exhaust port 20 by its own weight. Other configurations are the same as those of the turbine unit 2 of FIG.
Also in this case, the turbine unit 2 is installed with its main shaft 7 inclined with respect to the horizontal plane, and the working medium 3 in the turbine unit 2 is discharged from the exhaust port 20 by its own weight. It can be prevented that the liquefied working medium 3 penetrates into the portion or the liquefied working medium 3 comes into contact with the permanent magnets 12 and 13 and the electromagnets 14 and 15 to reduce the energy conversion efficiency.

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。   FIG. 10 shows another embodiment of the present invention. In this thermoelectric generation system, instead of the working medium circuit 4 in the embodiment of FIG. 1, the first working medium circuit 4 </ b> A that circulates the first working medium 3 </ b> A through the collector 1 and the second operation through the turbine 5. By providing the second working medium circulation path 4B for circulating the medium 3B and applying the heat amount of the first working medium 3A heated by the collector 1 to the second working medium 3B via the heat exchanger 22 The second working medium 3B is indirectly heated. The nozzle 8 and the pump 9 are provided in the second working medium circulation path 4B. Other configurations are the same as those in the first embodiment.

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。   Thus, by separating the working medium 3A for acquiring thermal energy from the collector 1 and the working medium 3B for driving the turbine 5, the working medium suitable for each role can be individually selected. The degree of freedom of selection can be expanded.

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。   In each of the above embodiments, the case of a solar thermal power generation system using solar heat as thermal energy has been described as an example, but the same effect can be achieved even when applied to a thermal power generation system using other heat sources as thermal energy. it can.

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。1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a thermoelectric generator system according to a first embodiment of the present invention. 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。It is an expanded sectional view of the turbine unit in the thermoelectric power generation system. 図2におけるIII −III 矢視断面図である。It is the III-III arrow sectional drawing in FIG. タービンユニットの他の例を示す拡大断面図である。It is an expanded sectional view showing other examples of a turbine unit. 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。It is an expanded sectional view showing other examples of a turbine unit. 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。It is an expanded sectional view showing other examples of a turbine unit. 図6におけるVII −VII 矢視断面図である。It is a VII-VII arrow sectional view in Drawing 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。It is an expanded sectional view showing other examples of a turbine unit. 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。It is an expanded sectional view showing other examples of a turbine unit. 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。It is sectional drawing which shows schematic structure of the thermoelectric power generation system concerning other embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Collector 2 ... Turbine unit 3, 3A, 3B ... Working medium 5 ... Turbine 6 ... Generator 6A ... Generator rotor 6B ... Generator stator part 7 ... Main shaft 7a ... Thrust plate (flange part)
7aa ... Projection 8 ... Nozzle 12 ... First permanent magnet 13 ... Second permanent magnet 14, 15 ... Electromagnets 14aa, 15aa ... Projection 16 ... Sensor 21 ... Partition

Claims (14)

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。
The working medium is heated directly or indirectly by a collector that absorbs thermal energy, the steam of the working medium is ejected from the nozzle, the turbine is rotated by the high-pressure steam from the nozzle, and the generator is generated by the rotation of the turbine. In the system for generating power by the generator stator portion provided to face the generator rotor by rotating the generator rotor in
A main shaft connecting the turbine impeller and the generator rotor is supported by a non-contact bearing, and the non-contact bearing has a structure in which a part of the main shaft is supported by an electromagnet. .
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。   2. The repulsive force between the first permanent magnet provided on the main shaft and the second permanent magnet disposed on the fixed side opposite to the first permanent magnet and the attraction force of the electromagnet according to claim 1. A thermoelectric power generation system characterized by being supported by. 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。   3. The thermoelectric generator system according to claim 2, wherein a repulsive force between the first permanent magnet and the second permanent magnet is applied in a radial direction orthogonal to the rotation axis of the turbine, and the axial direction is supported by the electromagnet. . 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。   3. The axial force of the permanent magnet according to claim 2, wherein the main axis causes a force to act only in one direction in the axial direction by shifting the opposing surfaces of the first permanent magnet and the second permanent magnet. Thermoelectric power generation system with electromagnets arranged only in the direction to cancel the force. 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。   5. The thermoelectric generation system according to claim 1, further comprising: a sensor that detects a position of the main shaft; and a unit that changes a current of the electromagnet according to a detection value of the sensor. 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。   The thermoelectric generation system according to claim 1, wherein a flange portion is provided on the main shaft, and the electromagnet is provided opposite to the flange portion. 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。   7. The thermoelectric generator system according to claim 1, wherein a protrusion is provided on an end surface of the main shaft facing the electromagnet to concentrate a magnetic flux from the electromagnet. 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。   The thermoelectric generator system according to any one of claims 1 to 7, wherein the generator loader and the generator stator are the same as a facing direction of the electromagnet and the main shaft. 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。   The thermoelectric power generation system according to any one of claims 1 to 8, further comprising a partition wall between a rotating portion and a stationary portion of the generator. 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。   The main shaft of the unit is tilted with respect to a horizontal plane so that the working medium is discharged by its own weight from the unit including the turbine, the generator, and the main shaft. Installed thermoelectric power generation system. 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。   11. The thermoelectric generation system according to claim 1, wherein the turbine wheel of the turbine is made of a plastic material that is not affected by the working medium. 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。   The thermoelectric power generation system according to any one of claims 1 to 11, wherein the turbine liquefies high-pressure steam by a cooling action accompanying expansion. 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。   13. The method according to claim 1, further comprising means for measuring the pressure of the working medium between the collector and the nozzle, the temperature of the collector, or the amount of heat input to the collector. A thermoelectric generation system provided with means for preventing current from flowing through the electromagnet when the pressure, temperature, or heat quantity to be applied falls below a predetermined threshold. 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。   The solar thermal power generation system according to any one of claims 1 to 13, wherein the thermal energy is solar heat.
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