JP2007309190A - 熱発電タービンユニット - Google Patents

Abstract

【課題】 小型化の可能な熱発電タービンユニットを提供する。
【解決手段】 この熱発電タービンユニット２は、熱エネルギーを吸収するコレクタによって加熱された作動媒体３の蒸気を用いるタービン５と、発電機ステータ６Ｂおよび発電機ロータ６Ａを有する発電機６とを備える。給気ポート１８から入った前記蒸気をノズル８から噴出させて前記タービン５のタービン動翼５ａに回転力を与え、発電機ロータ６Ａを回転させる。前記タービン動翼５ａは発電機ロータ６Ａと一体化させる。
【選択図】 図２

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用いられる熱発電タービンユニットに関する。

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）。
このような熱発電システムに用いられるタービンユニットとして、例えば図９に示すような構造のものが考えられる。このタービンユニットは、熱エネルギーを吸収するコレクタ（図示せず）によって加熱された作動媒体の蒸気を用いるタービン３５と、発電機ロータ３６Ａおよび発電機ステータ３６Ｂを有する発電機３６とを備え、給気ポート３７から入った前記蒸気をノズル３８から噴出させて前記タービン３５のタービン動翼３５ａに回転力を与え、発電機ロータ３６Ａを回転させるようにしたものである。タービン動翼３５ａを通過した作動媒体の蒸気は、タービン動翼３５ａの内周側の排気ポート３９からタービンユニットの外側に排出される。この場合、タービン動翼３５ａと発電機ロータ３６Ａとは、同一軸４０上における軸方向に分離した位置に設けられる。
特開２００２−２４２６９３号公報 特開２０００−１１０５１５号公報 特開２００３−２２７３１５号公報

しかし、図９に示すタービンユニットの構造では、タービン動翼３５ａと発電機ロータ３６Ａとが、同一軸４０上における軸方向に分離した位置に設けられるため、タービンユニットの小型化が困難という問題がある。
また、そのほか、次のような各問題もある。
・発電機３６の構成において、発電機ロータ３６Ａに配置した磁石４１と、発電機ステータ３６Ｂに配置した磁性体との間の吸引力で始動トルクが大きくなり、作動媒体の蒸気エネルギーが小さい場合に回転できない。
・作動媒体として有機溶媒を使用した場合、発電機ステータ３６Ｂにおけるコイル４２が劣化するという問題がある。
・熱発電システムが太陽熱発電システムである場合、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、気化し易い若しくは沸点の低い、例えばアンモニア，代替フロン，アルコール，アセトンなどの有機溶剤が使用される。しかし、これらの溶剤を作動媒体として使用した場合、タービン３５を回転支持する軸受に用いられる潤滑剤の保持が難しく、長期回転ができない。

この発明の目的は、小型化の可能な熱発電タービンユニットを提供することである。
この発明の他の目的は、上記した小型化以外の各問題を解決した熱発電タービンユニットを提供することである。

この発明の熱発電タービンユニットは、熱エネルギーを吸収するコレクタによって加熱された作動媒体の蒸気を用いるタービンと、発電機ステータおよび発電機ロータを有する発電機とを備え、給気ポートから入った前記蒸気をノズルから噴出させて前記タービンのタービン動翼に回転力を与え、発電機ロータを回転させるタービンユニットにおいて、前記タービン動翼と発電機ロータとを一体化したことを特徴とする。この一体化は、例えば発電機ロータを構成する部材にタービン動翼を形成するか取付けるかすることで行う。
この構成によると、タービン動翼と発電機ロータとを一体化させているので、熱発電タービンユニットの小型化が可能となる。また、熱発電タービンユニットの小型化により、次の各利点が得られる。
・熱発電タービンユニットの設置自由度が増す。
・ユニットハウジング等の材料削減が図られ、軽量化も可能となる。
・小型・軽量化に伴い熱容量を小さくできることから、作動媒体の蒸気エネルギーが熱発電タービンユニットに留まり難くなり、熱発電システムのシステム効率を向上させることができる。
・小型化に伴いユニット表面積が小さくなることから、熱発電タービンユニットから大気中への放熱を小さくできる。

この発明において、前記タービン動翼を、前記発電機ロータの外周に配置しても良い。この構成の場合、熱発電タービンユニットの軸方向寸法を短縮化できる。

この発明において、前記ノズルと前記発電機ステータを一体化しても良い。

この発明において、前記発電機ステータを非磁性体としても良い。
発電機ステータを磁性体とした場合、始動トルクの増大、高速回転域での鉄損増大やコギングトルクによる騒音、振動等の問題が生じるが、発電機ステータを非磁性体からなるコアレス構造とした場合、上記した問題を回避できる。

この発明において、前記発電機ステータのコイル部をモールドしても良い。このようにコイル部をモールドすると、作動媒体である有機溶媒等によりコイル部の表面の絶縁被膜が侵されて安定した発電が行えなくなるのを回避できる。

この発明において、前記発電機ロータを支持する軸受を非接触軸受としても良い。このように非接触軸受で発電機ロータを支持することにより、アンモニアや代替フロン、アルコール、アセトン等の有機溶媒からなる作動媒体による軸受劣化を無くすことができる。また、非接触軸受を用いることにより、回転トルクロスを低減することもできる。
この場合、前記非接触軸受を磁気軸受とし、発電機ロータを構成するバックヨークとして作用する位置に、前記磁気軸受の磁石を配置しても良い。

この発明において、前記熱エネルギーは太陽熱であっても良い。この発明の熱発電タービンユニットを太陽熱発電システムに用いる場合、熱発電タービンユニットの小型・軽量化が可能であることから、家屋の屋上等への設置が容易となる。

この発明の熱発電タービンユニットは、熱エネルギーを吸収するコレクタによって加熱された作動媒体の蒸気を用いるタービンと、発電機ステータおよび発電機ロータを有する発電機とを備え、給気ポートから入った前記蒸気をノズルから噴出させて前記タービンのタービン動翼に回転力を与え、発電機ロータを回転させるタービンユニットにおいて、前記タービン動翼と発電機ロータとを一体化したため、熱発電タービンユニットの小型化が可能となる。

この発明の一実施形態を図１ないし図３と共に説明する。図１は、この発明の熱発電タービンユニットを用いた太陽熱発電システムの概略構成を示すものであって、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。この太陽熱発電システムは、太陽光を集光して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を有する熱発電タービンユニット２と、コレクタ１とタービン５の間で作動媒体３を循環させるクローズド経路の作動媒体経路４とを備える。
作動媒体経路４は、前記コレクタ１で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、ノズル８から噴出してタービン５の回転に使用された作動媒体３の蒸気を液体に戻す復水器９と、液体に戻した作動媒体３をコレクタ１に循環供給する循環ポンプ１０とを有する。
なお、図１では、熱発電システムの構成を簡略化して説明するために、熱発電タービンユニット２をタービン５と発電機６が主軸７で連結された構成として示しているが、後述するように、この発明の熱発電タービンユニット２の構成はこれとは異なる。

図２は、この実施形態の熱発電タービンユニット２の拡大断面図を示す。熱発電タービンユニット２の発電機６は、回転部分である一対の発電機ロータ６Ａ，６Ａと、静止部分である発電機ステータ６Ｂとでなる。具体的には、発電機６はアキシャルギャップ型発電機であり、円筒状のユニットハウジング１２の内周側に設けられた発電機ステータ６Ｂの両側面に対して、主軸７に設けられた一対の発電機ステータ６Ｂ，６Ｂが軸方向に所定のギャップを介して対向配置されている。この発電機６での発電はコントローラ１１（図１）によって制御される。

発電機ステータ６Ｂは、そのステータ基体１３が非磁性体からなるコアレス構造とされており、ステータ基体１３の周方向に１個ないし複数個のコイル部１４が集中巻きで配置されている。なお、発電機ステータ６Ｂのステータ基体１３を磁性体とした場合、始動トルクの増大、高速回転域での鉄損増大やコギングトルクによる騒音、振動等の問題が生じるが、コアレス構造としたこの実施形態では、そのような問題を回避できる。前記コイル部１４は、その表面の絶縁被膜を保護するために樹脂等でモールドされている。これにより、発電機ステータ６Ｂにおけるコイル部１４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が行えなくなるのを回避できる。
各発電機ロータ６Ａは、主軸７に一体に形成したフランジ状のロータ基体１５における前記発電機ステータ６Ｂに対向する側面の円周上に、一個ないし複数個の磁石１６を配置して構成されている。この場合の磁石１６の磁極は、その磁束が発電機ステータ６Ｂのコイル部１４に鎖交するように（例えば左ロータ磁石：Ｎ極，右ロータ磁石：Ｓ極）配置される。

タービン５は、各発電機ロータ６Ａにおけるロータ基体１５の外周面において、周方向に連続的に配置された複数のタービン動翼５ａの翼列と、発電機ステータ６Ｂにおけるステータ基体１３の外周部の前記タービン動翼５ａの翼列と軸方向に対向する部分において、周方向に連続的に配置された複数のタービン静翼５ｂの翼列とでなる。タービン動翼５ａは熱伝導が低い樹脂や金属等の成型品からなり、接着剤や溶接による固定あるいは圧入嵌合によりロータ基体１５と一体化されている。タービン静翼５ｂも同様の成型品からなり、ステータ基板１３と一体化されている。
ユニットハウジング１２の内周面における前記タービン５の一側部に隣接する位置にはリング状のノズル部材１７が設けられ、このノズル部材１７にタービン動翼５ａに向けて貫通するノズル８が、周方向に１個ないし複数個設けられている。図３は、ノズル８、タービン動翼５ａ、およびタービン静翼５ｂの軸方向の並び構造を断面図で示したものである。ノズル８は先細ノズル形状としているが、高速噴流に適している末広ノズル形状としても良い。また、タービン５の構造は、衝動タービン構造としても反動タービン構造としても良い。また、ノズル部材１７とタービン動翼５ａの間の軸方向隙間、およびタービン動翼５ａとタービン静翼５ｂの間の軸方向隙間は非常に小さくし、ノズル８から噴出した作動媒体３の蒸気が漏れないようにしている。
ユニットハウジング１２における前記ノズル部材１７が配置される一側部には、軸方向に貫通して給気ポート１８が設けられている。この給気ポート１８は作動媒体経路４の上流部に繋がり、コレクタ１で加熱されて蒸気となった作動媒体３を前記ノズル８に流入させる。また、ユニットハウジング１２の他側部には排気ポート１９が開口させてある。この排気ポート１９は作動媒体経路４の下流部に繋がり、タービン５に回転エネルギーを与えた作動媒体３の蒸気を作動媒体経路４の下流部に流出させる。

主軸７は、軸受２０を介してユニットハウジング１２に回転自在に支持される。軸受２０は転がり軸受からなる。軸受２０の設置位置よりもユニットハウジング１２の内側の部位においては、ユニットハウジング１２と主軸７とのギャップが、パッキン等の封止部材２１で密封されている。これにより、有機溶剤等からなる作動媒体３が軸受２０に影響を及ぼすのを低減している。

上記構成の熱発電タービンユニット２によると、ユニットハウジング１２の一側部に設けられた給気ポート１８から流入した作動媒体３の蒸気が、タービン５の一側部に設けられたノズル８から隣接する一方のタービン動翼５ａの翼列に噴射されることで、そのタービン動翼５ａに回転力が与えられる。タービン動翼５ａに回転力を与えた蒸気は、隣接するタービン静翼５ｂによって噴流方向を変えられ、さらに隣接する他方のタービン動翼５ａの翼列に噴射されることで、そのタービン動翼５ａにも回転力が与えられる。これにより、発電機ロータ６Ａが回転駆動され、発電機ロータ６Ａと軸方向に対向して設けられた発電機ステータ６Ｂで発電される。他方のタービン動翼５ａの翼列を出た作動媒体３の蒸気は、ユニットハウジング１２の他側部に設けられた排気ポート１９から熱発電タービンユニット２の外側に排出される。

上記したように、この熱発電タービンユニット２では、タービン５のタービン動翼５ａを発電機ロータ６Ａの外周に配置することで、タービン動翼５ａと発電機ロータ６Ａとを一体化させているので、熱発電タービンユニット２の小型化が可能となる。この実施形態では、発電機ロータ６Ａの外周にタービン動翼５ａを配置しているので、熱発電タービンユニット２の軸方向寸法を短縮化できる。また、熱発電タービンユニット２の小型化によって以下の効果が得られる。
・熱発電タービンユニット２の設置自由度が増す。
・ユニットハウジング１２等の材料削減が図られ、軽量化も可能となる。
・小型・軽量化に伴い熱容量を小さくできることから、作動媒体３の蒸気エネルギーが熱発電タービンユニット２に留まり難くなり、熱発電システムのシステム効率を向上させることができる。
・小型化に伴いユニット表面積が小さくなることから、熱発電タービンユニット２から大気中への放熱を小さくできる。
・この実施形態のように、上記構成の熱発電タービンユニット２を、太陽熱発電システムに用いる場合、小型・軽量化が可能であることによって、家屋の屋上等への設置が容易となる。

図４は、この発明の他の実施形態を示す。この熱発電タービンユニット２は、図２の実施形態における軸受２０に代えて、非接触軸受２０Ａを用いて発電機ロータ６Ａを回転自在に支持している。非接触軸受２０Ａは、発電機ロータ６Ａのロータ基体１５にバックヨークとして設けられる磁石２０Ａａと、この磁石２０Ａａに対して軸方向に対向するようにユニットハウジング１２の側部に設けられる磁石２０Ａｂとで構成される。その他の構成は図２の実施形態の場合と同様である。
このように非接触軸受２０Ａで発電機ロータ６Ａを回転自在に支持することにより、アンモニアや代替フロン、アルコール、アセトン等の有機溶媒からなる作動媒体３による軸受劣化を無くすことができる。また、非接触軸受２０Ａを用いることにより、回転トルクロスを低減することもできる。

図５および図６は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この熱発電タービンユニット２は、図４の実施形態において、給気ポート１８およびノズル８を、ユニットハウジング１２の径方向に貫通して設けたものである。給気ポート１８およびノズル８は、タービン動翼５ａの各翼列毎に別々に設けられ、図４の実施形態におけるタービン静翼５ｂは省略されている。また、排気ポート１９は、ユニットハウジング１２の両側部に開口させてある。図６は、ノズル８とタービン動翼５ａの位置関係を示す断面図である。ノズル８は先細ノズル形状としても、高速噴流に適している末広ノズル形状としても良い。また、タービン５の構造は、衝動タービン構造とする。ノズル８が開口するユニットハウジング１２の内周面とタービン動翼５ａの間の径方向隙間は非常に小さくし、ノズル８から噴出した作動媒体３の蒸気が漏れないようにしている。その他の構成は図４の実施形態の場合と略同様である。
この熱発電タービンユニット２では、給気ポート１８およびノズル８を経て作動媒体３の蒸気をタービン動翼５ａの各翼列に対してそれぞれ径方向から噴射させることで、タービン動翼５ａの各翼列に回転力が与えられる。回転力を与えた蒸気は、ユニットハウジング１２の両側部の排気ポート１９から熱発電タービンユニット２の外部に排出される。

図７および図８は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この熱発電タービンユニット２は、図５の実施形態において、発電機６をラジアルギャップ型発電機としたものである。具体的には、発電機ロータ６Ａは、発電機ステータ６Ｂのコイル部１４を内径側と外径側とで挟むインナーロータ６Ａａおよびアウターロータ６Ａｂとでなる。発電機ロータ６Ａのインナーロータ６Ａａは、主軸７の外周に磁石バックヨークとして磁性体２２を設け、この磁性体２２上の周方向に、一個ないし複数個の磁石１６を接着して構成される。発電機ロータ６Ａのアウターロータ６Ａｂは、主軸７に一体形成したフランジ状のロータ基体１５の外周部の軸方向突出部１５ａの内周に磁石バックヨークとして磁性体２２を設け、この磁性体２２上の周方向に、一個ないし複数個の磁石１６を接着して構成される。磁石１６の磁極は、その磁束が径方向に向かうような配置、すなわちインナーロータ６Ａａから発電機ステータ６Ｂのコイル部１４に鎖交してアウターロータ６Ａｂに向かうような配置とされている。主軸７は非磁性体とすることが望ましい。
タービン動翼５ａの翼列は、前記ロータ基体１５の外周面に１列分だけ設けられる。ロータ基体１５の外周面へのタービン動翼５ａの一体化は、接着剤や溶接による固定あるいは圧入嵌合によって行われる。排気ポート１９は、ユニットハウジング１２の一側部にだけ開口させてある。図８は、ノズル８とタービン動翼５ａの位置関係を示す断面図である。ノズル８は先細ノズル形状としても、高速噴流に適している末広ノズル形状としても良い。また、タービン５の構造は、衝動タービン構造とする。ノズル８が開口するユニットハウジング１２の内周面とタービン動翼５ａの間の径方向隙間は非常に小さくし、ノズル８から噴出した作動媒体３の蒸気が漏れないようにしている。その他の構成は図５の実施形態の場合と略同様である。

この発明の熱発電タービンユニットが用いられる太陽熱発電システムの概略構成を示す断面図である。 この発明の第１の実施形態に係る熱発電タービンユニットの断面図である。 同熱発電タービンユニットにおけるノズル、タービン動翼、およびタービン静翼の軸方向の並び構造を示す断面図である。 この発明の他の実施形態に係る熱発電タービンユニットの断面図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る熱発電タービンユニットを示す断面図である。 同熱発電タービンユニットにおけるノズルとタービン動翼の位置関係を示す断面図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る熱発電タービンユニットの断面図である。 同熱発電タービンユニットにおけるノズルとタービン動翼の位置関係を示す断面図である。 熱発電タービンユニットの提案例の断面図である。

符号の説明

２…熱発電タービンユニット
３…作動媒体
５…タービン
５ａ…タービン動翼
６…発電機
６Ａ…発電機ロータ
６Ｂ…発電機ステータ
８…ノズル
１４…コイル部
１８…給気ポータ
２０…軸受
２０Ａ…非接触軸受
２０Ａａ…磁石

Claims (8)

1. 熱エネルギーを吸収するコレクタによって加熱された作動媒体の蒸気を用いるタービンと、発電機ステータおよび発電機ロータを有する発電機とを備え、給気ポートから入った前記蒸気をノズルから噴出させて前記タービンのタービン動翼に回転力を与え、発電機ロータを回転させるタービンユニットにおいて、
   前記タービン動翼と発電機ロータとを一体化したことを特徴とする熱発電タービンユニット。
2. 請求項１において、前記タービン動翼を、前記発電機ロータの外周に配置した熱発電タービンユニット。
3. 請求項１または請求項２において、前記ノズルと前記発電機ステータを一体化した熱発電タービンユニット。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記発電機ステータを非磁性体とした熱発電タービンユニット。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記発電機ステータのコイル部をモールドした熱発電タービンユニット。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記発電機ロータを支持する軸受を非接触軸受にした熱発電タービンユニット。
7. 請求項６において、前記非接触軸受を磁気軸受とし、前記発電機ロータを構成するバックヨークとして作用する位置に前記磁気軸受の磁石を配置した熱発電タービンユニット。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか１項において、前記熱エネルギーは太陽熱である熱発電タービンユニット。

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