JP2007097314A - 熱発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】 作動媒体の種類に制限を受けることなくタービンの長期回転が可能で、回転起動も円滑に行え、軸受の制御も比較的容易で、発電効率を低下させない熱発電システムを提供する。
【解決手段】 熱エネルギーを吸収するコレクタ１によって、直接または間接的に作動媒体３を加熱し、作動媒体３の蒸気をノズル８ａから噴出させ、ノズル８ａからの高圧蒸気によってタービン５を回転駆動させる。タービン５の回転によって、発電機６における発電機ロータ６Ａを回転させ、発電機ロータ６Ａと対向して設けられた発電機ステータ部６Ｂで発電させる。前記タービン５の翼車５ａと前記発電機ロータ６Ａとを連結する主軸９を非接触軸受１１，１２で支持する。この非接触軸受１１，１２として、動圧軸受およびフォイル軸受１３，１４，１５のいずれかと、磁気軸受３１，３２，３３とを組み合わせて用いる。
【選択図】 図１

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。

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

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剤保持が難しく、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を考えた。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。

また、軸受に磁気軸受（電磁石のみ、もしくは電磁石と永久磁石の組み合わせ）を使用した場合、回転状態では常に電力を供給する必要があり、発電効率を低下させるといった問題があった。その他、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。
・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。

この発明の目的は、作動媒体の種類に制限を受けることなくタービンの長期回転が可能で、回転起動も円滑に行え、軸受の制御も比較的容易で、発電効率を低下させない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。

この発明の熱発電システムは、熱エネルギーを吸収するコレクタによって、直接または間接的に作動媒体を加熱し、前記作動媒体の蒸気をノズルから噴出させ、ノズルからの高圧蒸気によってタービンを回転駆動させ、前記タービンの回転によって、発電機における発電機ロータを回転させることにより、前記発電機ロータと対向して設けられた発電機ステータ部で発電させる熱発電システムにおいて、前記タービンの翼車と発電機ロータとを設けた主軸を非接触軸受で支持し、この非接触軸受として、動圧軸受およびフォイル軸受のいずれかと、磁気軸受とを組み合わせて用いたことを特徴とする。
この熱発電システムは、太陽熱を熱エネルギーとする熱発電システムであっても良い。

この構成によると、主軸を回転自在に支持するのに、動圧軸受およびフォイル軸受のいずれかと、磁気軸受とを組み合わせて用いた非接触軸受によって支持するようにしたため、軸受の潤滑剤が不要となる。そのため、作動媒体としてアンモニアや、代替フロン、アルコール、アセトンなどの気化し易い有機溶媒、あるいは沸点の低い有機溶媒を使用しても、軸受の潤滑に問題を生じることがない。その結果、作動媒体の種類に制限を受けることなく、タービンの長期回転が可能となる。

また、回転始動時のみ磁気軸受を使用するようにすれば、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、動圧軸受やフォイル軸受の回転始動時の短所が解消される。回転中は動圧軸受またはフォイル軸受のみで主軸を支持することができるから、磁気軸受の消費電力も削減でき、発電効率の低下を来たすことがない。
電磁石のみを使用して主軸を非接触状態で支持する場合は、主軸を浮上させるために多軸の制御が必要になり、電磁石の個数が増えると同時に、制御系の構成も複雑になり、コストアップを招く。これに対して、上記のように動圧軸受およびフォイル軸受のいずれかと、磁気軸受とを組み合わせて用いた非接触軸受によって支持することにより、制御が簡単で、コスト低減が可能となる。

この発明において、前記磁気軸受は、永久磁石と電磁石を組み合わせたものでも良い。この構成の場合、永久磁石と電磁石を組み合わせることによって、主軸の非回転時での浮上非接触支持が簡易になされる。

この発明において、前記コレクタと前記ノズルの間の前記作動媒体の圧力、または前記コレクタの温度、または前記コレクタに入力された熱量、または主軸の回転数を測定する測定手段と、この手段の測定値である圧力、温度、または熱量が所定の閾値を下回る間と、回転数が所定の閾値を上回る間は、前記電磁石に電流を流さないように制御する収熱状況対応電磁石制御手段とを設けても良い。
熱発電システムが例えば太陽熱発電システムである場合、コレクタが太陽熱を有効な熱エネルギーとして吸収できる時間帯は限られる。そこで、上記したように作動媒体の圧力、またはコレクタの温度、またはコレクタに入力される熱量を測定し、測定される前記圧力または温度または熱量が所定の閾値を下回る夜間等においては、電磁石へ電流を流さないこととすれば、有効な太陽熱が得られない夜間等において、無駄な電力を消費して電磁石により主軸を支持することを回避できる。また、回転数が所定の閾値を上回った場合、主軸は動圧軸受やフォイル軸受によって支持されるため、磁気軸受の制御を行う必要がなくなる。

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。

この発明の熱発電システムは、熱エネルギーを吸収するコレクタによって、直接または間接的に作動媒体を加熱し、前記作動媒体の蒸気をノズルから噴出させ、ノズルからの高圧蒸気によってタービンを回転駆動させ、前記タービンの回転によって、発電機における発電機ロータを回転させることにより、前記発電機ロータと対向して設けられた発電機ステータ部で発電させるシステムにおいて、前記タービンの翼車と発電機ロータとを設けた主軸を非接触軸受で支持し、この非接触軸受として、動圧軸受およびフォイル軸受のいずれかと、磁気軸受とを組み合わせて用いたため、作動媒体の種類に制限を受けることなくタービンの長期回転が可能で、回転起動も円滑に行え、軸受の制御も比較的簡素なものとでき、さらに、発電効率を低下させない発電システムを構成することができる。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図６と共に説明する。この熱発電システムは、熱エネルギーである太陽熱を電気エネルギーに変換して出力する太陽熱発電システムであって、図１に示すように、太陽熱を吸収するコレクタ１と、タービン５および発電機６を有するタービンユニット２と、コレクタ１とタービン５との間で作動媒体３を循環させる作動媒体循環路４とを備える。
作動媒体循環路４は、タービンユニット２に給気口４ａおよび排気口４ｂによって接続されて閉環路を構成し、途中に循環供給ポンプ７を備える。この循環供給ポンプ７を作動させることによって、前記コレクタ１で直接的に加熱された作動媒体３の蒸気を高圧蒸気として、タービンユニット２内に設けられたノズル８ａから前記タービン５に噴出させ、この噴出力によってタービン５が回転駆動する。

タービンユニット２の発電機６は、回転部分である発電機ロータ６Ａと静止部分である発電機ステータ部６Ｂとでなる。タービン５の翼車５ａと発電機ロータ６Ａとは主軸９で連結されている。主軸９およびタービン５は、ユニットハウジング２ａ、ベース盤２ｂおよび天板２ｃによって構成されるタービンユニット２内に、後記する２種類の非接触軸受１１，１２によって鉛直軸心周りに回転自在に支持される。具体的には、発電機６はコアレスタイプのアキシアルギャップ発電機であり、主軸９に設けられた円形のフランジ部である上下一対のスラスト板９ａ、９ｂの対向面に発電機ロータ６Ａ，６Ａが設けられ、この発電機ロータ６Ａ，６Ａ間に、ユニットハウジング２ａに固定された発電機ステータ部６Ｂが、発電機ロータ６Ａ，６Ａと軸方向に所定のギャップを介して配置される。主軸９の下部にはタービン５の翼車５ａが連結される。これにより、タービン翼車５ａの回転が発電機ロータ６Ａの回転となり、発電機ロータ６Ａと対向して設けられた発電機ステータ部６Ｂで発電される。この発電はコントローラ１０によって制御される。

図２は図１におけるタービンユニット２の拡大断面図を示し、図３は図２におけるIII −III 矢視断面図を示す。図２において、主軸９の下部に連結されるタービン翼車５ａの外周には、ユニットハウジング２ａに固定設置された円筒状のノズル部材８が微小隙間を介して配置され、このノズル部材８には、タービン翼車５ａのタービン翼５ａａに向けて貫通するノズル８ａが周方向に複数分配して設けられている。ノズル部材８の外周部（反ノズル８ａ側部）は、作動媒体循環路４の上流部に繋がりコレクタ１で加熱された作動媒体３を流入させる給気口４ａと通じる。タービン翼車５ａの中央胴部５ｂは中空とされ、この中央胴部５ｂ内は各タービン翼５ａａ内側の空所５ｃと連通する。ノズル８ａから噴射されタービン翼車５ａに回転エネルギーを与えた作動媒体３は、この空所５ｃを経て中央胴部５ｂに流入し、中央胴部５ｂの下端に設けられた排気口４ｂより作動媒体循環路４の下流部に流出される。この排気口４ｂは、タービンユニット２のベース盤２ｂを貫通して設けられている。白抜矢印はタービンユニット２に対する作動媒体３の流入および排出方向を示している。

複数のタービン翼車５ａは、軸方向に沿って等間隔に維持されるよう長ボルト５ａｂによって相互に結合されている。また、ノズル部材８の各ノズル８ａを形成するノズル隔壁８ｂも、その軸方向間隔を維持するための長ボルト８ｃによって相互に結合されている。これら長ボルト５ａｂおよび長ボルト８ｃは、それぞれ複数本が周方向に等間隔で配される。主軸９の上端には、作動円盤９ｃが雄ねじ部９ｄとナット９ｅとの螺合によって締結一体とされている。この締結によって、タービン翼車５ａが取付座板９ｆを介して主軸９に連結一体とされ、主軸９がタービン翼車５ａと共にタービンユニット２内に回転自在に保持される。天板２ｃはユニットハウジング２ａの上端開口部に対して開閉自在に取付けられ、このような締結作業やタービンユニット２のメンテナンが可能とされている。

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。

主軸９を支持する第１の種類の非接触軸受１１は、主軸９とユニットハウジング２ａとの間に主軸９と同心的に介装された上下３つの動圧軸受またはフォイル軸受１３，１４，１５からなる。これら動圧軸受またはフォイル軸受１３，１４，１５は、内径部にラジアル方向を支持する構造、側面にアキシアル方向を支持する構造を持つ。
図４は前記非接触軸受１１として動圧軸受を用いた場合を示す。図４（Ａ）は内径部となるラジアル軸受部１３Ａ（１４Ａ，１５Ａ）の断面図を、図４（Ｂ）は側面部となるアキシアル軸受部１３Ｂ（１４Ｂ，１５Ｂ）の側面図をそれぞれ示す。この場合、ラジアル軸受部１３Ａ（１４Ａ，１５Ａ）と、アキシアル軸受部１３Ｂ（１４Ｂ，１５Ｂ）は、主軸９と同心に配置され内周面が主軸９の外周面に微小隙間を介して対向するリング体１６からなり、その内周面に周方向に並ぶ複数の動圧溝１６ａが形成され、その側面には主軸９の下端面部、スラスト板９ａおよび上記作動円盤９ｃのように水平円板部分（以下、スラスト板９ａ等と言う）に軸方向で微小隙間を介して対向するように周方向に並ぶ複数の動圧溝１６ｂが形成されている。これら動圧溝１６ａ，１６ｂの形状には種々のものがあるが、ここではヘリングボーン形状とされている。

図５は前記軸受１１としてフォイル軸受を用いた場合を示し、図５（Ａ）はそのラジアル軸受部１３Ａ（１４Ａ，１５Ａ）の断面図を、図５（Ｂ）はそのアキシアル軸受部１３Ｂ（１４Ｂ，１５Ｂ）の分解斜視図をそれぞれ示す。ラジアル軸受部１３Ａ（１４Ａ，１５Ａ）とアキシアル軸受部１３Ｂ（１４Ｂ，１５Ｂ）は、一体で成形しても構わないし、隣接して配置しても構わない。
この場合、ラジアル軸受部１３Ａ（１４Ａ，１５Ａ）は、軸受ハウジングとなるタービンユニット２の円筒状ユニットハウジング２ａの内周面に配置される弾性体１８と、この弾性体１８の内周面に配置される金属薄板の軸受フォイル１９とでなる。弾性体１８は、素線を網状に編成したものを円筒状にプレス成形したものである。軸受フォイル１９は、金属薄板を丸めて前記弾性体１８の内周側に挿入されたものであり、この軸受フォイル１９の表面が弾性軸受面Ｓとなる。
このように構成されたラジアル軸受部１３Ａ（１４Ａ，１５Ａ）では、主軸９の回転により、主軸９と軸受フォイル１９の間のくさび形の隙間２０に空気が引き込まれて圧力が発生し、負荷能力が発生する。主軸９に荷重が作用した場合、弾性体１８および軸受フォイル１９が変形することで、軸受隙間２０の形状が適正化され、安定作動するようになる。

図５（Ｂ）のアキシアル軸受部１３Ｂ（１４Ｂ，１５Ｂ）は、円環状の弾性体２１と、この弾性体２１を挟み接合具２５で互いに接合されて軸受ハウジング２２を構成する１対のハウジング部材２２ａ，２２ｂと、主軸９のスラスト板９ａ等に対面するハウジング部材２２ａの表面に配置される軸受フォイル２３とで構成される。弾性体２１は、軸方向に向く面に円周方向に並ぶ複数の凸部２１ａを有し、これらの凸部２１ａが上記ハウジング部材２２ａに設けられた複数の穴２４に嵌合される。軸受フォイル２３は、ハウジング部材２２ａの各穴２４に対応して溶接等により固定され、主軸９のスラスト板９ａ等に対向する。軸受フォイル２３は、ハウジング部材２２ａの穴２４から突出した弾性体２１の凸部２１ａによって弾性的に支持され、弾性軸受面Ｓを構成する。
このように構成されたアキシアル軸受部１３Ｂ（１４Ｂ，１５Ｂ）では、主軸９と共にスラスト板９ａ等が回転すると、ラジアル軸受部１３Ａ（１４Ａ，１５Ａ）と同様の作用により、軸方向の負荷を支持する。

図６は、フォイル軸受を用いたラジアル軸受部１３Ａ（１４Ａ，１５Ａ）の他の各例を示す。図６（Ａ）のラジアル軸受部１３Ａ（１４Ａ，１５Ａ）は、回転可能な支持ローラ２６を３箇所設け、エンドレス環状のフォイル２７に張力を与えて主軸９が静止しているときは、主軸９の外周３箇所でフォイル２７が接触するようにしたものである。図６（Ｂ）のラジアル軸受部１３Ａ（１４Ａ，１５Ａ）は、軸受面が多数の薄板２８からなり、主軸（図示せず）の外周の多数の位置で動圧効果による圧力が発生する。図６（Ｃ）のラジアル軸受部１３Ａ（１４Ａ，１５Ａ）は、トップフォイル２９が隙間Ａを介して主軸９の周囲をほぼ一周しており、バンプフォイル３０がユニットハウジング２ａとトップフォイル２９との間にあってトップフォイル２９を支持する。

主軸９を支持する第２の種類の非接触軸受１２は、磁気軸受であって、永久磁石対からなる第１，第２の磁気軸受部３１，３２と、電磁石からなる第３の磁気軸受部３３とにより構成される。第１の磁気軸受部３１は、ユニットハウジング２のベース盤２ｂに主軸９と同心的に埋め込まれた大中小３つのリング状静止側永久磁石３１ａと、タービン翼車５ａの下面（主軸９の下端面）に静止側永久磁石３１ａのそれぞれに対向するよう埋め込まれた大中小３つのリング状回転側永久磁石３１ｂとの各対でなる。また、第２の磁気軸受部３２は、ユニットハウジング２ａの水平段部に主軸９と同心的に埋め込まれた大中小３つのリング状静止側永久磁石３２ａと、下側スラスト板９ｂの下面に静止側永久磁石３２ａのそれぞれに対向するよう埋め込まれた大中小３つのリング状回転側永久磁石３２ｂとの各対でなる。

第１の磁気軸受部３１の拡大部分（図２参照）で示すように、これら対向関係の永久磁石３１ａ，３１ｂの対、および永久磁石３２ａ，３２ｂの対は、それらの対向面が互いに異なる磁極となるように極性の向きを定めて配置される。また隣り合う各永久磁石の磁極が互いに逆となるよう極性の向きが定められている。したがって、第１，第２の磁気軸受部３１，３２における各永久磁石３１ａ，３１ｂの対、および永久磁石３２ａ，３２ｂの対の間では相互に吸引力が働く。

第３の磁気軸受部３３は、ユニットハウジング２ａの天板２ｃ側部分の下向面に主軸９と同心の円周に沿って等間隔で埋め込み設置された３つのヨーク３３ａと、各ヨーク３３ａに巻かれたコイル巻線３３ｂとでなる３つの電磁石により構成される。この電磁石３３ａ，３３ｂからなる第３の磁気軸受部３３は、上記スラスト板９ａの上面に対向し、その磁気作用によって、スラスト板９ａ（つまり主軸９）を吸引浮上させるよう作用する。第３の磁気軸受部（電磁石３３ａ，３３ｂ）３３の各間には、図３に示すように、３つのセンサ３４が設置され、スラスト板９ａの上面との距離が検出される。この場合、スラスト板９ａは磁性体からなり、その上面がセンサーターゲットとなる。図１に示すコントローラ１０には、前記センサ３４の検出値によって第３の磁気軸受部３３におけるコイル巻線３３ｂを流れるコイル電流を制御して、主軸９のアキシアル方向と重心回りの回転の２自由度を制御する手段が設けられる。なお、「アキシアル方向」とは重心回りの並進における回転軸方向の自由度を示し、「重心回りの回転の２自由度」とは、ピッチとヨーの２自由度を示す。

上記第１の磁気軸受部３１および第２の磁気軸受部３２は、静止側であるベース盤２ｂおよびユニットハウジング２ａと、回転側である主軸９の下端部および中間部との間で、それぞれ永久磁石による吸引力が働くようになされているから、両吸引力の大きさが同じであれば互いに相殺されて、主軸９は自重（その他の連結部材等の自重も含む。以下同じ）があるため浮上しない。しかし、主軸９が心ぶれ（ラジアル方向への揺れ）を起こそうとすると、第１の磁気軸受部３１および第２の磁気軸受部３２の永久磁石３１ａ，３１ｂの対、および永久磁石３２ａ，３２ｂの対は、主軸９の軸心と同心のリング状とされているから、その吸引作用によって主軸９がその本来の軸心に引き戻され、これによって主軸９のラジアル方向の安定支持がなされる。なお、「ラジアル方向」とは重心回りの並進における回転軸方向以外の２自由度を示す。

第３の磁気軸受部３３は電磁石３３ａ，３３ｂからなり、上記のように、その磁気作用によって主軸９を吸引浮上させるよう作用するから、主軸９の自重にほぼ見合う吸引力となるようコイル巻線３３ｂを流れるコイル電流を制御すれば、主軸９は浮上する。これによって、主軸９のアキシアル方向および重心回りの回転の２自由度の支持がなされる。そして、第３の磁気軸受部３３は、主軸９と同心の円周方向に等間隔で配置された３つの電磁石３３ａ，３３ｂよりなるから、これと各センサ３４の検出結果と対応させて３点で浮上位置の制御ができることになり、主軸９がユニットハウジング２ａ等に片当りせず周方向にバランス良く支持される。

次に、この構成の太陽熱発電システムの動作を説明する。作動媒体循環路４内の作動媒体３は、太陽熱を吸収するコレクタ１によって直接的に加熱され高圧蒸気となり、この高圧蒸気はノズル８ａを介してタービン５のタービン翼５ａａに噴射される。これにより、タービン５が回転駆動される。タービン５の回転によって発電機ロータ６Ａ，６Ａが回転し、発電機ロータ６Ａ，６Ａと対向して設けられた発電機ステータ部６Ｂで発電される。このようにタービン５の回転が電気エネルギーに変換される。

タービン５に回転エネルギーを与えた作動媒体３は、ポンプ７によってコレクタ１まで輸送されるが、タービン５からポンプ７までに冷却され、完全に液体に戻る。このとき、タービン５は作動媒体３の高圧蒸気を断熱膨張に伴う冷却作用によって液化させるようにすることが望ましい。これにより、作動媒体３を冷却させる専用の機器が不要となり、それだけコスト低減が可能となる。また、タービン５とポンプ７の間に作動媒体３を貯蔵もしくは冷却するタンクを設けても構わない。

上記のように、ノズル８ａから噴出される作動媒体３の高圧蒸気の作用によってタービン５が回転し、これに伴って主軸９も軸回転するが、回転始動時は、第３の磁気軸受部３３のコイル巻線３３ｂに電流を流し、電磁石３３ａ，３３ｂは作動状態とされている。したがって、回転始動時では、主軸９は、第１および第２の磁気軸受部３１，３２を構成する永久磁石３１ａ，３１ｂの対、および永久磁石３２ａ，３２ｂの対の相互の吸引力によるアキシアル方向の支持と、電磁石３３ａ，３３ｂの吸引力により浮上支持され、円滑な回転が維持される。
主軸回転数は、図１のコントローラ１０によって監視され、回転開始後に回転数がある閾値に達すると、コントローラ１０の制御により、電磁石３３ａ，３３ｂへの電流供給を停止し、第１および第２の磁気軸受部と、動圧軸受またはフォイル軸受１１とにより主軸９は回転支持される。

そのため、回転始動での動圧軸受もしくはフォイル軸受１１と主軸９との機械的接触がなく、回転起動トルクが小さく、磨耗等が発生することがない。また、定常回転時では、第３の磁気軸受部３３がオフとされるから、消費電力の削減もできる。これら非接触軸受１１，１２によって、主軸９は円滑な回転が維持され、この主軸９の円滑な回転に伴う発電機ロータ６Ａ，６Ａの回転によって、発電機ステータ部６Ｂで発電され、安定した電気の供給がなされる。そして、センサ３４の検出結果による第３の磁気軸受部３３の巻線コイル３３ｂへ流す電流の制御によって、回転始動時の主軸９の浮上位置の設定が的確になされ、より安定した発電・供給がなされる。なお、磁気軸受１２は、電磁石による第３の磁気軸受部３３のみで構成しても良い。また、第３の磁気軸受部３３の作動制御はコントーラ１０でなされる。

このように、この太陽熱発電システムでは、主軸９を非接触状態で回転自在に支持するので、軸受の潤滑剤が不要となる。そのため、作動媒体３としてアンモニアや、代替フロン、アルコール、アセトンなどの気化し易い有機溶媒、あるいは沸点の低い有機溶媒を使用しても、軸受の潤滑に問題が生じることはない。その結果、作動媒体３の種類に制限を受けることなく、タービン５の長期回転が可能となる。

また、定常回転時での主軸９の支持に、動圧軸受またはフォイル軸受１１と、第１および第２の磁気軸受３１，３２とを用いているので、主軸９が回転するのに伴い軸受静止側と軸受回転側の間の流体圧が高まることで、非接触軸受として受動的に主軸９を支持できる。そのため、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、動圧軸受もしくはフォイル軸受１１のみの場合、主軸９が回転していない状態では、軸受静止側と軸受回転側が機械的に接触しているため、回転起動時のトルクが大きくなり回転起動が難しくなる。また、その回転起動時に、軸受静止側と軸受回転側との相対滑りによって摩擦が生じるなど、長期耐久性にも問題が有る。

また、電磁石のみを使用して主軸９を非接触状態で支持することも可能であるが、その場合には、主軸９を浮上させるために５軸制御が必要になり、電磁石の個数が増えると同時に、コントローラ１０の構成も複雑になり、コストアップを招く。これに対して、上記のように一部に電磁石による第３の磁気軸受部３３を用いる構成とすることで、コスト低減が可能となる。

また、この実施形態では、発電機ロータ６Ａと発電機ステータ部６Ｂの対向方向を、第３の磁気軸受部３３を構成する電磁石３３ａ，３３ｂと主軸９（具体的には主軸スラスト板９ａ）の対向方向（スラスト方向）と同じにしているので、発電による電磁吸引外乱は支持剛性の小さいラジアル方向には及ばず支持剛性の大きいスラスト方向に発生することになる。そのため、主軸９への発電外乱の影響を極力抑えることができる。

また、この実施形態において、発電機６の回転部分と静止部分との間の一部に隔壁３５を設けている。具体的には、発電機６の静止部分である発電機ステータ部６Ｂの表面を隔壁３５で被覆保護している。このように発電機６の回転部分と静止部分との間に隔壁３５を設けることにより、発電機ステータ部６Ｂの表面の絶縁皮膜が、作動媒体３である有機溶媒等により侵されて安定した発電や主軸支持が行えなくなるのを回避できる。

図７は、上記太陽熱発電システムにおいて、コントローラ１０に浮上位置対応磁力制御手段１０Ａおよび収熱状況対応電磁石制御手段１０Ｂを設けた例を示す。その他の構成は図１の例と同じである。浮上位置対応磁力制御手段１０Ａは、センサ３４による主軸９の浮上位置の検出情報に基づき、第３の磁気軸受部３３の各巻線コイル３３ｂに流す電流を制御して吸引力を調整し、回転始動時の主軸９を適正浮上位置に維持するものである。特に、第３の磁気軸受部３３は３つの電磁石３３ａ，３３ｂからなり、これらが主軸９と同心の円周方向に沿って等間隔で配置され、その各電磁石３３ａ，３３ｂ間に３つのセンサ３４を配しているから、３点の検出情報に基づき３箇所の吸引力を個々に制御することができ、周方向における主軸９の軸方向支持がバランス良くなされ、適正浮上位置の維持がより高精度になされる。

また、収熱状況対応電磁石制御手段１０Ｂは、作動媒体循環路４におけるコレクタ１とノズル８ａの間の作動媒体３の圧力、またはコレクタ１の温度、またはコレクタ１に入力される熱量、または主軸９の回転数を測定する測定手段３６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と、主軸の回転数が所定の閾値を上回る場合に、前記第３の磁気軸受部３３の巻線コイル３３ｂに電流を流さないように制御するものである。なお、図では上記測定手段３６をタービンユニット２における作動媒体３の給気口４ａ付近に設けているが、測定対象に応じて適宜箇所に設けられるものである。

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に入力される熱量または、主軸９の回転数を測定手段３６で測定し、測定される前記圧力または温度または熱量が所定の閾値を下回る夜間等においては、第３の磁気軸受部３３の巻線コイル３３ｂに電流を流さないこととすれば、有効な太陽熱が得られない夜間等において、無駄な電力を消費して磁気軸受部３３により主軸９を支持することを回避できる。また、主軸９の回転数が所定の閾値を上回った場合、主軸は動圧軸受もしくはフォイル軸受によって支持されるため、磁気軸受部３３により主軸９を支持することを回避できる。

図８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３７を介して第２の作動媒体３Ｂに与えることにより、第２の作動媒体３Ｂを間接的に加熱するようにしたものである。ノズル８ａおよびポンプ７は第２の作動媒体循環路４Ｂに設けられる。その他の構成は第１の実施形態の場合と同じである。

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。

なお、上記の各実施形態では、主軸９にタービン翼車５ａを設置し、その外側にノズル８ａを設けて外側から内側へ蒸気を噴射する構造が採用されているが、タービン翼車５ａの内側にノズルを設けて内側から外側へ蒸気を噴射する構造としても良い。また、上記各実施形態では太陽熱を熱エネルギーとする太陽熱発電システムの場合を例示して説明したが、他の熱源を熱エネルギーとする熱発電システムについて適用しても、同様の効果を上げることができる。

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。 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２におけるIII −III 矢視断面図である。 （Ａ）は同熱発電システムにおけるラジアル軸受部の一例の断面図、（Ｂ）は同熱発電システムにおけるアキシアル軸受部の一例の側面図である。 （Ａ）は同熱発電システムにおけるラジアル軸受部の他の例の断面図、（Ｂ）は同熱発電システムにおけるアキシアル軸受部の他の例の分解斜視図である。 同熱発電システムにおけるラジアル軸受部のさらに他の各例の断面図である。 熱発電システムの他の例を示す図１と同様図である。 熱発電システムのさらに他の例を示す図１と同様図である。

符号の説明

１…コレクタ
２…タービンユニット
３，３Ａ，３Ｂ…作動媒体
５…タービン
５ａ…タービン翼車
６…発電機
６Ａ…発電機ロータ
６Ｂ…発電機ステータ部
８ａ…ノズル
９…主軸
９ａ…スラスト板（フランジ部）
９ｂ…スラスト板（フランジ部）
１０…コントローラ
１０Ｂ…収熱状況対応電磁石制御手段
１１…非接触軸受
１２…非接触軸受
１３…動圧軸受またはフォイル軸受（非接触軸受）
１４…動圧軸受またはフォイル軸受（非接触軸受）
３１…第１の磁気軸受部（非接触軸受）
３１ａ…静止側永久磁石
３１ｂ…回転側永久磁石
３２…第２の磁気軸受部（非接触軸受）
３２ａ…静止側永久磁石
３２ｂ…回転側永久磁石
３３…第３の磁気軸受部（非接触軸受）
３３ａ…ヨーク（電磁石）
３３ｂ…コイル巻線（電磁石）
３４…センサ
３５…隔壁
３６…測定手段

Claims (5)

1. 熱エネルギーを吸収するコレクタによって、直接または間接的に作動媒体を加熱し、前記作動媒体の蒸気をノズルから噴出させ、ノズルからの高圧蒸気によってタービンを回転駆動させ、前記タービンの回転によって、発電機における発電機ロータを回転させることにより、前記発電機ロータと対向して設けられた発電機ステータ部で発電させる熱発電システムにおいて、
   前記タービンの翼車と発電機ロータとを設けた主軸を非接触軸受で支持し、この非接触軸受として、動圧軸受およびフォイル軸受のいずれかと、磁気軸受とを組み合わせて用いたことを特徴とする熱発電システム。
2. 請求項１において、前記磁気軸受は、永久磁石と電磁石を組み合わせたものである熱発電システム。
3. 請求項１または請求項２において、前記コレクタと前記ノズルの間の前記作動媒体の圧力、または前記コレクタの温度、または前記コレクタに入力された熱量、または主軸の回転数を測定する測定手段と、この手段の測定値である圧力、温度、または熱量が所定の閾値を下回る間と、回転数が所定の閾値を上回る間は、前記電磁石に電流を流さないように制御する収熱状況対応電磁石制御手段とを設けた熱発電システム。
4. 請求項１ないし請求項３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。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記熱エネルギーが太陽熱である熱発電システム。
   

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