JP2011106316A - 回転機の熱回収システム - Google Patents

Abstract

【課題】システム全体効率が向上する回転機の熱回収システムの提供。
【解決手段】所定の熱源と供給された冷媒との間で熱交換させて蒸気を生成する熱交換器１０と、蒸気の供給により回転力を得るタービン２１が連結されたロータ２２を有する発電機２０と、タービン２１を通過した蒸気を凝縮して液化させる凝縮器３０と、凝縮器３０から熱交換器１０に供給される冷媒の一部を、発電機２０に供給して冷却する発電機冷却装置４０と、発電機２０を通過して熱回収した冷媒を、熱交換器１０に供給する第１冷媒供給装置５０とを有する発電機システム１を採用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転機の熱回収システムに関するものである。

特許文献１には、発電機や電動機等の回転機を冷却した後のオイル（冷媒）を効率良く冷却し、オイルクーラの小型化、圧力損失の低減を図る冷却構造が開示されている。
この冷却構造は、ハウジングの壁内に補助冷媒を循環させ、ハウジングの内部空間の主冷媒と熱交換させることにより、主冷媒の温度を低下させる構成となっている。

特開２００４−２６０９６６号公報

ところで、回転機の冷却には、上記のように水や油等の冷媒による冷却手法、また、自然風冷、強制風冷等の冷却手法が、一般的に採用されている。しかしながら、回転機の冷却により冷媒が得た熱は、回収することなくそのまま廃棄（放熱）されており、廃棄した熱分の損失が生まれ、回転機のシステム全体効率を低下させているという問題がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、システム全体効率が向上する回転機の熱回収システムの提供を目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、所定の熱源と供給された液体との間で熱交換させて蒸気を生成する熱交換器と、上記蒸気の供給により回転力を得るタービンが連結されたロータを有する回転機と、上記タービンを通過した上記蒸気を凝縮して上記液体とさせる凝縮器と、上記凝縮器から上記熱交換器に供給される上記液体の一部を、冷媒として上記回転機に供給して冷却する冷却装置と、上記回転機を通過して熱回収した上記冷媒を、上記熱交換器に供給する供給装置とを有する回転機の熱回収システムを採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、熱交換器で生成した蒸気でタービンに回転力を与え、その蒸気を凝縮器により液化させる。そして、液化して熱交換器に戻る一部を、冷媒として回転機に供給して冷却すると共に、回転機において仕事をせずに銅損及び鉄損として熱となった損失分をその冷媒に回収させる。この回転機で熱を得た冷媒は、熱交換器において、凝縮器から直接戻る液体と比べて少ない熱量で蒸気となる。それをタービンに供給して回転機に仕事をさせることにより、システム全体効率を向上させる。

また、本発明においては、上記供給装置は、上記熱交換器における上記液体の蒸発プロセスの中段に上記冷媒を供給するという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、回転機で熱を得た冷媒は、熱交換器において、凝縮器から直接戻る液体と比べて少ない熱量で蒸気となるため、蒸発プロセスの中段において合流させることで、蒸気生成の効率化を図る。

また、本発明においては、上記供給装置から上記熱交換器へ向かう冷媒供給経路から分岐させた上記冷媒の一部を、上記タービンに供給する第２供給装置を有するという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、回転機において発生した熱によって回転機が低効率となったり、回転機が損傷する前に、回転機に供給した冷媒を蒸発させ、蒸発せん熱により冷却させるとともに、熱で蒸気となった冷媒を直接タービンに供給して回転機に仕事をさせることにより、システム全体効率を向上させる。

それゆえ、本発明においては、上記第２供給装置は、上記回転機を通過して熱回収した上記冷媒の温度及び圧力の少なくともいずれか一方に基づいて、上記冷媒供給経路から分岐して上記タービンへ向かう第２冷媒供給経路を開放あるいは閉塞する開閉装置を有するという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、温度、圧力から冷媒が蒸気となったか否かを判断し、運転開始時など液体状態の冷媒のタービンへの供給を防止して、冷媒が蒸気となった適切なタイミングで冷媒をタービンに供給することができる。

また、本発明においては、上記タービンは、多段タービンであり、上記第２供給装置は、上記冷媒を上記タービンの中段に供給するという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、回転機で熱を得て蒸気となった冷媒は、熱交換器からタービンに供給される蒸気と比べて温度及び圧力が低いため、その圧力及び温度が同程度になる多段タービンの中段で合流させることで、タービンの回転駆動を効率よくアシストすることができる。

また、本発明においては、上記回転機は、発電機あるいは電動機からなるという構成を採用する。

本発明によれば、所定の熱源と供給された液体との間で熱交換させて蒸気を生成する熱交換器と、上記蒸気の供給により回転力を得るタービンが連結されたロータを有する回転機と、上記タービンを通過した上記蒸気を凝縮して上記液体とさせる凝縮器と、上記凝縮器から上記熱交換器に供給される上記液体の一部を、冷媒として上記回転機に供給して冷却する冷却装置と、上記回転機を通過して熱回収した上記冷媒を、上記熱交換器に供給する供給装置とを有する回転機の熱回収システムを採用し、熱交換器で生成した蒸気でタービンに回転力を与え、その蒸気を凝縮器により液化させる。そして、液化して熱交換器に戻る一部を、冷媒として回転機に供給して冷却すると共に、回転機において仕事をせずに熱となった損失分をその冷媒に回収させる。この回転機で熱を得た冷媒は、熱交換器において、凝縮器から直接戻る液体と比べて少ない熱量で蒸気となる。それをタービンに供給して回転機に仕事をさせることにより、システム全体効率を向上させる。
このように、本発明では、システム全体効率が向上する回転機の熱回収システムが得られる。また、本発明では、タービンに回転力を与える媒体と回転機を冷却する媒体とを共通化することで、冷却構造の小型化、ひいてはシステム全体の小型化を図ることができる。

本発明の実施形態における発電機システムを示す構成図である。

以下、本発明の実施形態の回転機の熱回収システムについて図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、本実施形態の回転機として、発電機を適用した場合を例示して説明する。
図１は、本発明の実施形態における発電機システム１を示す構成図である。
本実施形態の発電機システム（回転機の熱回収システム）１は、熱交換器１０と、発電機２０と、凝縮器３０と、発電機冷却装置（冷却装置）４０と、第１冷媒供給装置（供給装置）５０と、第２冷媒供給装置（第２供給装置）６０とを有する。本実施形態の発電機システム１は、車両等に搭載され、各構成機器間において媒体（冷媒）を流通させることで発電と冷却とを実施するシステムを構成する。

熱交換器１０は、所定の熱源と供給された冷媒との間で熱交換させて、冷媒を気化させて蒸気を生成するものである。本実施形態における熱源としては、例えば車両の発熱部（ラジエータ）の熱源を用いる。また、本実施形態における冷媒としては、沸点が１００℃より低い（本例では沸点が８０℃程度）のフロン系の冷媒を用いる。なお、冷媒の種類は、発電機２０の発熱温度に基づいて選定される。熱交換器１０の形態としては、シェル＆チューブ型熱交換器、プレートフィン型熱交換器等、周知のものが採用できる。この熱交換器１０において蒸気となった冷媒は、蒸気供給ライン１１を介してタービン２１に供給される。蒸気供給ライン１１には、蒸気の温度を計測する温度センサ１１ａ及び蒸気の圧力を計測する圧力センサ１１ｂが設けられている。

発電機２０は、タービン２１が連結されたロータ２２と、ステータ２３とを有する。本実施形態の発電機２０は、永久磁石あるいは界磁巻線を有するロータ２２をタービン２１により軸周りに回転させ、電機子巻線を有するステータ２３から三相交流電流を得る発電形態を採用している。なお、ステータ２３のコアは、鉄損を軽減するためロータ２２の軸方向に複数枚の薄板鋼材が積層されて形成されている。タービン２１は、蒸気となった冷媒の供給により回転力を得る構成となっている。本実施形態のタービン２１は、軸方向に複数のブレード群を有する多段タービンの形態を採用しており、蒸気供給ライン１１は多段タービンの第１段目に対応する位置に接続されている。

タービン２１を通過して仕事をした蒸気は、凝縮器３０に供給される。凝縮器３０は、供給された蒸気を凝縮点以下に冷却して液化させる。凝縮器３０において液体となった冷媒は、ポンプ３２により圧送されてリターンライン３１を介して熱交換器１０に戻り、再び蒸気となってタービン２１に供給される。また、リターンライン３１には、発電機２０のケーシング２０ａの壁部内に配管された冷却ライン４１（後述）が接続されており、リターンライン３１を介して熱交換器１０に供給される液体冷媒の一部が、発電機２０に向かって供給される構成となっている。

発電機冷却装置４０は、リターンライン３１から分岐した冷却ライン４１と、冷却ライン４１内の冷媒を圧送するポンプ４２とを有する。冷却ライン４１は、ケーシング２０ａの壁部内において複数の流通経路に分岐して、ケーシング２０ａの略全体を冷媒が流通するように配管される。また、冷却ライン４１は、ケーシング２０ａの壁部内において複数の流通経路に分岐した冷媒を所定の位置で合流させて、ケーシング２０ａの壁部外に導出させるように配管される。ケーシング２０ａの壁部内の冷却ライン４１は、熱伝導性の高い材料、例えば、アルミニウム、アルミ合金等からなる配管で形成されている。

第１冷媒供給装置５０は、冷却ライン４１を介して発電機２０を通過した冷媒を熱交換器１０に供給するものである。第１冷媒供給装置５０は、冷却ライン４１と熱交換器１０との間を接続する第１冷媒供給ライン（冷媒供給経路）５１を有する。本実施形態の第１冷媒供給ライン５１は、熱交換器１０における冷媒の蒸発プロセスの中段に対応する位置に配管されている。また、第１冷媒供給ライン５１には、冷媒の温度を計測する温度センサ５１ａ及び冷媒の圧力を計測する圧力センサ５１ｂが設けられている。

第２冷媒供給装置６０は、冷却ライン４１を介して発電機２０を通過した冷媒をタービン２１に直接供給するものである。第２冷媒供給装置６０は、第１冷媒供給ライン５１から分岐してタービン２１に接続された第２冷媒供給ライン（第２冷媒供給経路）６１を有する。本実施形態の第２冷媒供給ライン６１は、多段構成からなるタービン２１の中段に対応する位置に冷媒を供給するように配管されている。また、第２冷媒供給ライン６１には、制御弁機構（開閉装置）６２が設けられている。制御弁機構６２は、温度センサ５１ａ及び圧力センサ５１ｂの少なくともいずれか一方の計測結果に基づいて、第２冷媒供給ライン６１を開放あるいは閉塞させる構成となっている。なお、制御弁機構６２を開放あるいは閉塞させる制御プログラムの閾値は、冷媒の種類、より具体的には冷媒の蒸発特性に基づいて設定されている。

続いて、上記構成の発電機システム１の動作について説明する。
熱交換器１０は、車両のラジエータ（熱源）と冷媒との間で熱交換させて蒸気を生成する。熱交換器１０において蒸気となった冷媒は、蒸気供給ライン１１を介してタービン２１に供給されて回転力を与える。タービン２１が回転駆動すると、タービン２１に連結されたロータ２２が軸周りに回転し、その回転力が電磁的作用により電気（三相交流電流）に変換される。なお、ステータ２３において得られた三相交流電流は、ダイオードにより整流して直流に変換した後、例えばバッテリー等に貯電される。ここでの仕事により、本実施形態の発電機２０においては、１００℃〜１２０℃程度に発熱する。

凝縮器３０は、タービン２１を通過して仕事をした蒸気を冷却し、液化させる。そして、凝縮器３０において液体となって熱交換器１０に戻される冷媒の一部は、リターンライン３１から分岐した冷却ライン４１によって、発電機２０に供給される。発電機冷却装置４０は、ポンプ４２によって冷媒を圧送すると共に、ケーシング２０ａの壁部内において冷媒を複数の流通経路に分岐させた冷却ライン４１によって、高温のケーシング２０ａと低温の冷媒との間において複数箇所で熱交換させることで、発電機２０全体を冷却し、発電機２０において仕事をせずに熱となった損失分を冷媒に回収させる。

発電機２０において熱回収した冷媒は、第１冷媒供給装置５０によって熱交換器１０に供給される。発電機２０で熱を得た冷媒は、熱交換器１０において、凝縮器３０から直接戻る冷媒と比べて少ない熱量で蒸気となる。本システムでは、それを熱交換器１０及び蒸気供給ライン１１を介してタービン２１に供給して発電機２０に仕事をさせることにより、システム全体効率を向上させる。
また、本実施形態の第１冷媒供給装置５０によれば、凝縮器３０から直接戻る冷媒と同程度の熱量となる熱交換器１０の蒸発プロセスの中段において、発電機２０から熱回収した冷媒を供給して合流させることによって、蒸気生成の効率化を図ることができる。

第２冷媒供給装置６０は、発電機２０から熱回収した冷媒を、第１冷媒供給ライン５１から分岐した第２冷媒供給ライン６１を介してタービン２１に供給する。本実施形態の冷媒は、沸点が８０℃程度のものを選定しているため、１００℃〜１２０℃程度に発熱する発電機２０との間で熱交換させることにより、冷媒を気化させることができる。本システムでは、発電機２０の熱で蒸気となった冷媒を直接タービン２１に供給して発電機２０に仕事をさせることにより、システム全体効率を向上させる。
また、発電機２０で熱を得て蒸気となった冷媒は、熱交換器１０からタービン２１に供給される蒸気と比べて温度及び圧力が低いため、その圧力及び温度が同程度になる多段タービンの中段で合流させるように第２冷媒供給ライン６１を配管することで、タービン２１の回転駆動を効率よくアシストすることができる。

制御弁機構６２は、第１冷媒供給ライン５１に設けられた温度センサ５１ａ及び圧力センサ５１ｂの計測結果から冷媒が蒸気となったか否かを判断し、本システムの運転開始時などにおける液体状態の冷媒のタービン２１への供給を防止して、冷媒が蒸気となった適切なタイミングで冷媒をタービンに供給する。これにより、タービン２１の駆動の不具合発生を防止する。制御弁機構６２は、例えば、温度センサ５１ａの値が冷媒の沸点以上の値（例えば９０℃〜１００℃程度）を示したら第２冷媒供給ライン６１を開放してタービン２１への冷媒の供給を開始させ、一方、温度センサ５１ａの値が冷媒の沸点未満の値を示したら第２冷媒供給ライン６１を閉塞してタービン２１への冷媒の供給を停止させる。
なお、冷媒の沸点は、圧力に依存するので、制御弁機構６２は、圧力センサ５１ｂの値に基づいて、開放あるいは閉塞させる閾値を変動させる制御プログラムを備える形態を採用している。

したがって、上述の本実施形態によれば、所定の熱源と供給された冷媒との間で熱交換させて蒸気を生成する熱交換器１０と、蒸気の供給により回転力を得るタービン２１が連結されたロータ２２を有する発電機２０と、タービン２１を通過した蒸気を凝縮して液化させる凝縮器３０と、凝縮器３０から熱交換器１０に供給される冷媒の一部を、発電機２０に供給して冷却する発電機冷却装置４０と、発電機２０を通過して熱回収した冷媒を、熱交換器１０に供給する第１冷媒供給装置５０及びタービン２１に供給する第２冷媒供給装置６０とを有する発電機システム１を採用し、熱交換器１０で生成した蒸気でタービン２１に回転力を与え、その蒸気を凝縮器３０により液化させる。そして、液化して熱交換器１０に戻る一部を、冷媒として発電機２０に供給して冷却すると共に、発電機２０において仕事をせずに熱となった損失分をその冷媒に回収させる。この発電機２０で熱を得た冷媒をタービン２１に供給して発電機２０に仕事をさせることにより、システム全体効率を向上させることが可能となる。
このように、本実施形態では、システム全体効率が向上する発電機システム１が得られる。また、本実施形態では、タービン２１に回転力を与える媒体と発電機２０を冷却する媒体とを共通化することで、冷却構造の小型化、ひいてはシステム全体の小型化を図ることができ、車両等に搭載する際に適した形態とさせることが可能となる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上述の実施形態では、発電機に本システムを適用した場合の例について説明したが、電動機に本システムを適用してもよい。さらに、発電機や電動機として仕事（動作）しない場合や、ステータを有しないが鉄損をもたらすロータを有する回転体に本システムを適用しても良い。

１…発電機システム（回転機の熱回収システム）、１０…熱交換器、２０…発電機（回転機）、２１…タービン、２２…ロータ、３０…凝縮器、４０…発電機冷却装置（冷却装置）、５０…第１冷媒供給装置（供給装置）、５１…第１冷媒供給ライン（冷媒供給経路）、６０…第２冷媒供給装置（第２供給装置）、６１…第２冷媒供給ライン（第２冷媒供給経路）、６２…制御弁機構（開閉装置）

Claims (6)

1. 所定の熱源と供給された液体との間で熱交換させて蒸気を生成する熱交換器と、
   前記蒸気の供給により回転力を得るタービンが連結されたロータを有する回転機と、
   前記タービンを通過した前記蒸気を凝縮して前記液体とさせる凝縮器と、
   前記凝縮器から前記熱交換器に供給される前記液体の一部を、冷媒として前記回転機に供給して冷却する冷却装置と、
   前記回転機を通過して熱回収した前記冷媒を、前記熱交換器に供給する供給装置とを有することを特徴とする回転機の熱回収システム。
2. 前記供給装置は、前記熱交換器における前記液体の蒸発プロセスの中段に前記冷媒を供給することを特徴とする請求項１に記載の回転機の熱回収システム。
3. 前記供給装置から前記熱交換器へ向かう冷媒供給経路から分岐させた前記冷媒の一部を、前記タービンに供給する第２供給装置を有することを特徴とする請求項１または２に記載の回転機の熱回収システム。
4. 前記第２供給装置は、前記回転機を通過して熱回収した前記冷媒の温度及び圧力の少なくともいずれか一方に基づいて、前記冷媒供給経路から分岐して前記タービンへ向かう第２冷媒供給経路を開放あるいは閉塞する開閉装置を有することを特徴とする請求項３に記載の回転機の熱回収システム。
5. 前記タービンは、多段タービンであり、
   前記第２供給装置は、前記冷媒を前記タービンの中段に供給することを特徴とする請求項３または４に記載の回転機の熱回収システム。
6. 前記回転機は、発電機あるいは電動機からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の回転機の熱回収システム。

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