JP2013007367A - 廃熱発電装置及び発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】損失増大や機械的破損を引き起こす原因である液化した作動媒体と回転体との衝突を防止することが可能な廃熱発電装置及び発電装置を提供する。
【解決手段】廃熱発電装置は、廃熱エネルギーを回収して作動媒体の蒸気を生成する蒸発器と、蒸発器からの蒸気を膨張させつつ発電を行う膨張タービン発電機２と、膨張タービン発電機２を介した蒸気を凝縮する凝縮器と、凝縮器で凝縮された作動媒体を蒸発器に向けて送出するポンプとを備えており、膨張タービン発電機２は、蒸気により回転駆動されるインペラ１１と、底部Ｂ１がインペラ１１よりも下方に位置するようにインペラ１１の周囲に環状に形成され、蒸気をインペラ１１の回転方向に導きながらインペラ１１に供給するスクロール室Ａ２とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、廃熱エネルギーを用いて発電を行う廃熱発電装置及び発電装置に関する。

従来から、工場や焼却施設等で放出される廃熱エネルギーを回収して発電が行われており、この発電によって得られた電気エネルギーが再利用されることで省エネルギーが図られている。このような工場や施設では、発電機を駆動するため、高圧の蒸気を生成しやすいということから約３００℃以上（場合によっては１０００℃近く）の廃熱が発電に用いられており、約３００℃以下の低温廃熱はその多くが依然として大気中に放出されていた。よって、従来は殆ど回収されていなかった低温廃熱の廃熱エネルギーを回収して発電を行えば、更なる省エネルギーを実現することができると考えられている。

以下の特許文献１には、低沸点作動媒体を用いたランキンサイクルによって、３００℃以下の低温廃熱の廃熱エネルギーを用いて発電を行う廃熱発電装置が開示されている。また、以下の特許文献２には、軸流タービンのタービンロータと発電機のロータとが直結されて油潤滑軸受に回転可能に支持されている構造を有するタービン発電機であって、以下の特許文献１に開示された廃熱発電装置に用いることが可能と考えられるタービン発電機が開示されている。

特開２０００−１１０５１４号公報 特開２００４−３４６８３９号公報

ところで、周知の通り、タービンは、軸方向に流体が流れる軸流タービンと、径方向から流体が流入して軸方向から排出されるラジアルタービンとに大別される。一般的に、軸流タービンは中・大容量に適しており、ラジアルタービンは流体からの動力回収量が高いため高効率であるという特徴を有する。また、ラジアルタービンを用いたタービン発電機は、小型化・簡素化を図ることができるという利点も有する。

このようなタービン発電機が用いられる廃熱発電装置では、運転を開始した時点においては、タービン発電機自体も常温に近い温度である。このため、廃熱によって過熱された作動媒体がタービン発電機に流入すると、タービンケーシング等で冷却されて液化してタービン発電機の内部（タービン部分或いは発電機部分）に溜まってしまう可能性が考えられる。すると、タービン発電機の内部に溜まった作動媒体（液化した作動媒体）がタービン発電機の回転体（タービンロータや発電機のロータ）と衝突することによって、損失が増大したり機械的な破損が生ずる虞が考えられるという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、損失増大や機械的破損を引き起こす原因である液化した作動媒体と回転体との衝突を防止することが可能な廃熱発電装置及び発電装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の廃熱発電装置は、廃熱エネルギーを回収して作動媒体の蒸気を生成する蒸発器（１）と、該蒸気を膨張させつつ発電を行う発電装置（２）と、該発電装置を介した蒸気を凝縮する凝縮器（３）と、該凝縮器で凝縮された作動媒体を前記蒸発器に向けて送出するポンプ（５）とを備える廃熱発電装置（Ｇ）において、前記発電装置は、前記蒸気により回転駆動されるインペラ（１１）と、底部（Ｂ１）が前記インペラよりも下方に位置するように前記インペラの周囲に環状に形成され、前記蒸気を前記インペラの回転方向に導きながら前記インペラに供給する回転流路（Ａ２）とを備えることを特徴としている。
また、本発明の廃熱発電装置は、前記回転流路に沿って前記インペラと前記回転流路との間に設けられた段差部（ＴＰ）を備えることを特徴としている。
また、本発明の廃熱発電装置は、前記段差部が、前記インペラ側から前記回転流路側に行くに従って高さ位置が徐々に低下するテーパー状であることを特徴としている。
また、本発明の廃熱発電装置は、前記発電装置が、前記回転流路の少なくとも一部に、前記回転流路を加熱する加熱装置（６）を備えることを特徴としている。
また、本発明の廃熱発電装置は、前記発電装置が、前記蒸気を前記回転流路に導入する吸入口（Ａ１）が、前記蒸発器に設けられた前記蒸気の排出口（Ｅ１）よりも上方に位置するように配置されることを特徴としている。
ここで、本発明の廃熱発電装置は、一端が前記発電装置の前記吸入口に接続されるとともに他端が前記蒸発器の前記排出口に接続され、前記一端側よりも前記他端側が下方に位置するように斜め配置された直線状の配管（Ｑ１１）を備えることを特徴としている。
或いは、本発明の廃熱発電装置は、一端が前記発電装置の前記吸入口に接続されるとともに他端が前記蒸発器の前記排出口に接続され、前記一端側よりも前記他端側を下方に配置させる段差（ｄ）が前記一端と前記他端との間に形成された配管（Ｑ１２）を備えることを特徴としている。
本発明の発電装置は、流体を膨張させつつ発電を行う発電装置（２）において、前記流体により回転駆動されるインペラ（１１）と、底部（Ｂ１）が前記インペラよりも下方に位置するように前記インペラの周囲に環状に形成され、前記流体を前記インペラの回転方向に導きながら前記インペラに供給する回転流路（Ａ２）とを備えることを特徴としている。

本発明によれば、蒸気をインペラの回転方向に導きながらインペラに供給する回転流路を、底部がインペラよりも下方に位置するように環状に形成しているため、損失増大や機械的破損を引き起こす原因である液化した作動媒体と回転体との衝突を防止することが可能であるという効果がある。

本発明の第１実施形態による廃熱発電装置の全体構成の概要を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態による廃熱発電装置が備える膨張タービン発電機の構成を示す断面図である。 本発明の第１実施形態における膨張タービン発電機が備えるスクロールケーシングの平面図である。 本発明の第１実施形態における蒸発器と膨張タービン発電機との位置関係を示す図である。 本発明の第１実施形態において、液化した作動媒体がスクロール室に溜まる様子を示す断面図である。 本発明の第１実施形態において、液化した作動媒体がスクロール室に溜まる様子を示す一部切欠側面図である。 本発明の第２実施形態による廃熱発電装置が備える膨張タービン発電機の構成を示す図である。 本発明の第２実施形態における蒸発器と膨張タービン発電機との位置関係を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態による廃熱発電装置及び発電装置について詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態による廃熱発電装置の全体構成の概要を示すブロック図である。図１に示す通り、本実施形態の廃熱発電装置Ｇは、蒸発器１、膨張タービン発電機２（発電装置）、凝縮器３、リザーバタンク４、ポンプ５、及びヒータ６（加熱装置）を備えるランキンサイクルを利用した廃熱発電装置であり、工場や焼却施設等から放出される約３００℃以下の低温廃熱（図１では「熱源」と表記）の廃熱エネルギーを用いて発電を行う。

蒸発器１は、工場等から放出される低温廃熱を回収して作動媒体の蒸気を生成する。膨張タービン発電機２は、蒸発器１で生成された蒸気を膨張させつつ発電を行う。尚、膨張タービン発電機２の詳細な構成については後述する。凝縮器３は、膨張タービン発電機２を介した後の蒸気を冷却水等の冷却媒体にて冷却して凝縮させる。リザーバタンク４は、凝縮器３で凝縮された冷却媒体を一時的に蓄えるタンクである。

ポンプ５は、凝縮器３で凝縮されてリザーバタンク４に一時的に蓄えられた作動媒体を加圧して蒸発器１に向けて送出する。ヒータ６は、膨張タービン発電機２、或いは蒸発器１と膨張タービン発電機２とを接続する配管Ｑ１の端部（膨張タービン発電機２側における端部）に取り付けられ、膨張タービン発電機２の内部で液化した作動媒体を加熱して気化させるものである。このヒータ６は、例えば廃熱発電装置Ｇの運転開始時又は運転開始の前後に膨張タービン発電機２を加熱するように、不図示の制御装置によって制御される。

ここで、以上の構成の廃熱発電装置Ｇで用いられる作動媒体は、沸点（大気圧条件下における沸点）が３５℃を超える媒体を用い、且つ運転中の装置内部の圧力が最大で１ＭＰａ（Ｇ）（ゲージ圧で１ＭＰａ）以下であるのが望ましい。その理由は、約３００℃以下の低温廃熱の廃熱エネルギーを利用した発電を可能とすべく低温廃熱から蒸気の生成を可能にするとともに、装置全体の圧力を低く抑えることで膨張タービン発電機２の内部圧力を低く抑えるためである。

膨張タービン発電機２の内部圧力が低く抑えられると、膨張タービン発電機２のケーシングや蒸発器１及び凝縮器２にも高い圧力がかからないため、安全でかつコストを低く抑えて製造することも可能となるという相乗的な効果も得られる。ここで、上記の作動媒体としては、ハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ）、フルオロカーボン、フルオロケトン、パーフルオロポリエーテル等を用いることができる。

上記構成の廃熱発電装置Ｇにおいて、ポンプ５によって作動媒体が蒸発器１に送出されてくると、作動媒体は蒸発器１に導入される低温廃熱（熱源）の廃熱エネルギーによって沸騰蒸発し、これにより蒸気が生成される。蒸発器１で生成された蒸気は、膨張タービン発電機２に供給されて膨張しつつ膨張タービン発電機２を駆動し、これによって膨張タービン発電機２で発電が行われる。膨張タービン発電機２を介した蒸気は凝縮器３で冷却媒体によって冷却されることにより凝縮する。凝縮器３によって凝縮された作動媒体は、一時的にリザーバタンク４に蓄えられた後にポンプ５によって加圧されて再び蒸発器１に向けて送出される。このように、廃熱発電装置Ｇ内で作動媒体の蒸発及び凝縮が繰り返されることにより、低温廃熱の廃熱エネルギーを用いた発電が行われる。

次に、廃熱発電装置Ｇに設けられる膨張タービン発電機２について詳細に説明する。図２は、本発明の第１実施形態による廃熱発電装置が備える膨張タービン発電機の構成を示す断面図である。図２に示す通り、膨張タービン発電機２は、インペラ１１、発電機１２、回転軸１３、軸受１４ａ，１４ｂ、及びケーシング１５を備えており、回転軸１３の軸方向が鉛直上下方向に沿うように配置される。

インペラ１１は、蒸発器１で生成された蒸気により回転駆動される回転翼である。具体的に、径方向外側から供給される蒸気により回転駆動され、その回転軸線方向の一方側から膨張した蒸気を送り出す。発電機１２は、インペラ１１の回転駆動力により駆動され、例えば三相交流を発電する。具体的に、この発電機１２は、外周面に沿って配列された複数の永久磁石を有するロータ１２ａと、ロータ１２ａの外周面に対向するように内周面に配列された複数のコイルを有するステータ１２ｂとを備えている。インペラ１１の回転駆動力によりロータ１２ａが駆動されて、ロータ１２ａとステータ１２ｂとの回転軸線の周りにおける相対的な位置が変化することで発電が行われる。

回転軸１３は、インペラ１１の回転駆動力を発電機１２に伝達するための軸部材であり、軸方向が鉛直上下方向に沿うようにされている。この回転軸１３は、インペラ１１の回転軸線方向に延在して設けられており、発電機１２のロータ１２ａに挿通されて固定されている。また、回転軸１３の上端部にはインペラ１１がネジ止め等で固定されている。このため、インペラ１１、発電機１２のロータ１２ａ、及び回転軸１３は、回転軸線の周りで一体的に回転する。

軸受１４ａ，１４ｂは、ケーシング１５に設置されており、鉛直上下方向に沿うように配置された回転軸１３を回転自在に支持する。つまり、回転軸１３は、軸受１４ａ，１４ｂを介してケーシング１５に鉛直上下方向に沿う状態で回転自在に支持されている。具体的に、軸受１４ａはインペラ１１が固定された回転軸１３の上端部側を支持しており、軸受１４ｂは回転軸１３の下端部側を支持している。

これらの軸受１４ａ，１４ｂは、転がり軸受であり、より詳細にはアンギュラ玉軸受である。尚、軸受１４はアンギュラ玉軸受に限定されず、深溝玉軸受や円錐ころ軸受等のラジアル荷重及びスラスト荷重の何れをも支持できる軸受を用いても良い。また、これら軸受１４ａ，１４ｂは、円滑な回転を維持するためのグリースを用いるグリース潤滑軸受であっても良く、ガス軸受や磁気軸受等の非接触軸受であっても良い。

ケーシング１５は、スクロールケーシング１５ａ、ケーシング本体１５ｂ、及び軸受支持部１５ｃ，１５ｄ等からなり、インペラ１１、発電機１２、及び回転軸１３を収容するとともに、廃熱発電装置Ｇの外形を成す。具体的に、スクロールケーシング１５ａと軸受支持部１５ｃとによって形成される空間Ｓ１にインペラ１１を収容し、ケーシング本体１５ｂと軸受支持部１５ｃ，１５ｄとによって形成される空間Ｓ２に発電機１２を収容する。

図３は、本発明の第１実施形態における膨張タービン発電機が備えるスクロールケーシングの平面図である。尚、図２は、図３中のＡ−Ａ線断面図である。図２，図３に示す通り、スクロールケーシング１５ａは、吸入口Ａ１、スクロール室Ａ２（回転流路）、及び排出口Ａ３を備えており、インペラ１１の上方を開口した状態でインペラ１１の周囲を囲むように設けられるものである。

吸入口Ａ１は、蒸発器１で生成されてインペラ１１を回転駆動する作動媒体の蒸気が導入される部位であり、その開口方向が水平方向に沿うように配置される。図２，図３に示す通り、吸入口Ａ１には、膨張タービン発電機２の内部で液化した作動媒体を加熱して気化させるヒータ６が取り付けられている。尚、図３に示す通り、ヒータ６は、スクロールケーシング１５ａの吸入口６以外にも、蒸発器１と膨張タービン発電機２とを接続する配管Ｑ１の端部（膨張タービン発電機２側における端部）に取り付けられていても良い。

スクロール室Ａ２は、一端が吸入口Ａ１に接続されて回転軸線の周りでインペラ１１を囲むように環状に形成された流路であり、吸入口Ａ１から導入された蒸気をインペラ１１の回転方向に導きながら径方向外側からインペラ１１に供給する。また、このスクロール室Ａ２は、その底部Ｂ１が、インペラ１１よりも下方に位置するように形成されている。これは、スクロールケーシング１５ａ内で液化した作動媒体がインペラ１１に衝突することによって生ずる損失増大や機械的破損を防止するためである。排出口Ａ３は、インペラ１１を回転駆動した後の膨張した蒸気を外部に排出する部位であり、インペラ１１の上方に配置される。

ケーシング本体１５ｂは、空間Ｓ２（軸受支持部１５ｃ，１５ｄとによって形成される空間）に発電機１２と回転軸１３の一部とを収容する略円筒形状の部材である。このケーシング本体１５ｂの内周面の複数箇所（例えば、３箇所）には、空間Ｓ２内で液化した作動媒体を膨張タービン発電機２の底部に導く案内通路Ｃ１をなす溝が形成されている。この溝は回転軸１３の軸方向に沿って空間Ｓ２の上端から下端に延びるように形成されており、発電機１２のステータ１２ｂがケーシング本体１５ｂの内周面のほぼ全周に固定されることにより、ケーシング本体１５ｂと発電機１２のステータ１２ｂとの間に案内通路Ｃ１が形成される。

このケーシング本体１５ｂには、膨張タービン発電機２で発電された電力を外部に取り出すためのコネクタ１６が設けられている。膨張タービン発電機２の外部からコネクタ１６にケーブル（図示省略）が接続されることにより、膨張タービン発電機２で発電された電力がケーブルを介して外部に取り出される。尚、コネクタ１６とステータ１２ｂに設けられたコイルは、所定の配線によって電気的に接続されている。

ここで、膨張タービン発電機２には蒸気が供給されており、ケーシング１５を密閉構造とする必要があることから、コネクタ１６として接続部分を密閉できるハーメチックコネクタが用いられる。尚、装置の内部圧力は、前述した通り、１ＭＰａ（Ｇ）未満にするのが望ましい。膨張タービン発電機２がハーメチック構造である場合には、ケーシング内部は一般的にはタービンの入口圧力と出口圧力の中間圧力程度になる。よって、運転中の装置内部の最高圧力を１ＭＰａ（Ｇ）以下になるようにすることで、ケーシング１５の内部圧力を１ＭＰａ（Ｇ）未満にすることが可能である。

軸受支持部１５ｃは、その中心部に回転軸１３が介挿される孔である孔部Ｈ１が形成されており、裏面側の中心部において軸受１４ａを支持する円板状の部材である。この軸受支持部１５ｃの上面側中央部には、孔部Ｈ１を取り囲むように円環状に形成され、インペラ１１との間に流入した作動媒体（液化している作動媒体）を回収するための溝部Ｍが形成されている。また、溝部Ｍ内の複数箇所（例えば、３箇所）には、軸受支持部１５ｃの上面側から裏面側に至る連通孔Ｈ２が形成されている。この連通孔Ｈ２は、インペラ１１が収容される空間Ｓ１と発電機１２が収容される空間Ｓ２とを連通し、液化した作動媒体を空間Ｓ１から空間Ｓ２に導くものである。

また、軸受支持部１５ｃの上面側外縁部は、全周に亘って、高さ位置が中心側から外縁側に行くに従って徐々に低下するテーパーＴＰ（段差部）とされている。これにより、スクロール室Ａ２において蒸気が導かれる方向（インペラ１１の回転方向）に沿って、インペラ１１とスクロール室Ａ２（スクロール室Ａ２の底部Ｂ１）との間には、数ｍｍ〜数ｃｍ程度の段差が形成される。ここで、軸受支持部１５ｃの上面側外縁部をテーパーＴＰとするのは、膨張タービン発電機２の効率を極力低下させることなく、スクロール室Ａ２内で液化した作動媒体が軸受支持部１５ｃの上面とインペラ１１との間に流れ込むことによって生ずる損失の増大や機械的な破損を防止するためである。

つまり、スクロール室Ａ２内で液化した作動媒体が軸受支持部１５ｃの上面とインペラ１１との間に流れ込むのを防止するだけであれば、軸受支持部１５ｃの上面側外縁部に段差（例えば、垂直な段差）を形成すれば良い。しかしながら、このような段差を形成した場合には、スクロール室Ａ２に導かれる作動媒体の一部が段差によって妨げられて効率が低下する虞が考えられるため、軸受支持部１５ｃの上面側外縁部はテーパーＴＰとされている。尚、効率の低下が問題にならなければ、軸受支持部１５ｃの上面側外縁部に垂直な段差等の段差を形成しても良い。

軸受支持部１５ｃは、一側面にスクロールケーシング１５ａが締結ボルト等を用いて着脱自在に取り付けられ、他側面にケーシング本体１５ｂが締結ボルト等を用いて着脱自在に取り付けられる。軸受１４ａは、軸受支持部１５ｃの裏面側の中心部に設置されており、回転軸１３は軸受支持部１５ｃに形成された孔部Ｈ１を貫通した状態で軸受１４ａに回転自在に支持されている。

軸受支持部１５ｄは、軸受１４ｂを支持する有底の円筒状に形成された部材である。この軸受支持部１５ｄは、ケーシング本体１５ｂの軸受支持部１５ｃが取り付けられる側とは反対側に、円筒部Ｐ１がケーシング本体１５ｂ内に配設されるように、その底部Ｐ２が締結ボルト等を用いて着脱自在に取り付けられる。軸受１４ｂは軸受支持部１５ｄの円筒部Ｐ１内における空間Ｓ３の開口部の近くに配置されており、回転軸１３はその一部が空間Ｓ３に介挿された状態で軸受１４ｂに回転自在に支持されている。

軸受支持部１５ｄの空間Ｓ３内には、軸受１４ｂを軸受１４ａ側に向かって付勢する予圧バネ１７が設けられている。尚、軸受１４ｂは回転軸１３を介して軸受１４ａと連結されているため、予圧バネ１７の付勢力は軸受１４ｂだけでなく軸受１４ａにも伝わり、軸受１４ａ，１４ｂの双方に対して回転軸線方向の付勢力（即ち、予圧）が加えられる。前述した通り、軸受１４ａ，１４ｂはアンギュラ玉軸受であることから、回転軸線方向に適切な予圧が加えられることで、転動体（玉）が適切な位置に保持され、回転に伴う振動や騒音等が低減される。

また、軸受支持部１５ｄの円筒部Ｐ１の複数箇所（例えば、３箇所）には、案内通路Ｃ２が形成されている。この案内通路Ｃ２は、空間Ｓ２内に溜まっている液化した作動媒体を円筒部Ｐ１内における空間Ｓ３に導く通路であり、円筒部Ｐ１の中心から放射状に形成される通路である。また、軸受支持部１５ｄの底部Ｐ２の中心部には、排出口ＥＸが形成されている。この排出口ＥＸは、膨張タービン発電機２の内部に溜まった液化した作動媒体を外部に排出する排出口である。この排出口ＥＸには、例えば一端がリザーバタンク４に接続されて流路の開放及び遮断が可能な電磁弁が取り付けられた配管（図示省略）の他端に接続されている。

図４は、本発明の第１実施形態における蒸発器と膨張タービン発電機との位置関係を示す図である。図４に示す通り、膨張タービン発電機２は、蒸気の吸入口Ａ１が蒸発器１に設けられた蒸気の排出口Ｅ１よりも上方に位置するように配置される。かかる配置にするのは、膨張タービン発電機２の内部で液化した作動媒体を吸入口Ａ１から排出口Ｅ１に流し落として蒸発器１に戻すことにより、廃熱発電装置Ｇの運転に必要な作動媒体を確保して廃熱発電装置Ｇの運転に支障が生ずるのを防止するためである。

つまり、廃熱発電装置Ｇで用いられる作動媒体は高価であるため、余分な作動媒体が廃熱発電装置Ｇに大量に用意されているという訳ではない。このため、液化した作動媒体が例えば膨張タービン発電機２内に多く存在すると、廃熱発電装置Ｇの動作（廃熱を回収して発電する動作）に寄与する作動媒体が不足して廃熱発電装置Ｇの運転に支障が生ずる事態になる虞がある。このような事態になることを防止すべく、蒸発器１と膨張タービン発電機２との位置関係を上記の位置関係にしている。

上記配置の蒸発器１及び膨張タービン発電機２は、図４（ａ），（ｂ）に示す通り、排出口Ｅ１と吸入口Ａ１とが直線状の配管Ｑ１１によって接続され、或いは、図４（ｃ），（ｄ）に示す通り、排出口Ｅ１と吸入口Ａ１とが途中に段差ｄが形成された配管Ｑ１２によって接続される。具体的に、図４（ａ），（ｂ）に示す例において、直線状の配管Ｑ１１は、一端が膨張タービン発電機２の吸入口Ａ１に接続されるとともに他端が蒸発器１の排出口Ｅ１に接続され、一端側よりも他端側が下方に位置するように配置される。

また、図４（ｃ），（ｄ）に示す例において、途中に段差ｄが形成された配管Ｑ１２は、一端が膨張タービン発電機２の吸入口Ａ１に接続されるとともに他端が蒸発器１の排出口Ｅ１に接続され、両端部においてはほぼ水平とされているが、一端側よりも他端側が段差ｄによって下方に位置するように配置される。尚、膨張タービン発電機２は、図４（ａ），（ｃ）に示す通り、スクロールケーシング１５ａが発電機１２（図２参照）よりも上方に位置するように配置されていても良く、逆に図４（ｂ），（ｄ）に示す通り、スクロールケーシング１５ａが発電機１２（図２参照）よりも下方に位置するように配置されていても良い。

上記の膨張タービン発電機２において、蒸発器１で生成されて排出口Ｅ１から排出された蒸気が配管Ｑ１１又は配管Ｑ１２を介してスクロールケーシング１５ａの吸入口Ａ１に流入すると、スクロール室Ａ２を介してインペラ１１に供給され、これによりインペラ１１が回転駆動される。尚、インペラ１１を回転駆動した後の膨張した蒸気は排出口Ａ３から外部に排出されて凝縮器３に導かれる。

インペラ１１が回転駆動されると、その回転駆動力が回転軸１３によって発電機１２に伝達され、発電機１２のロータ１２ａがインペラ１１及び回転軸１３と一体的に回転する。尚、蒸発器１からの蒸気によって、インペラ１１、発電機１２のロータ１２ａ、及び回転軸１３は、数万ｒｐｍ程度の回転数で高速回転する。ロータ１２ａが回転すると、ロータ１２ａとステータ１２ｂとの回転軸線の周りにおける相対的な位置が変化し、これによって例えば三相交流が発電される。発電された電力は、コネクタ１６及び不図示のケーブルを介して外部に取り出される。

ここで、廃熱発電装置Ｇの運転が開始された時点において、膨張タービン発電機２は、廃熱発電装置Ｇで循環される作動媒体によって暖められていない状態である。このため、蒸発器１で生成された作動媒体の蒸気が膨張タービン発電機２に導かれるとスクロールケーシング１５ａ等で冷却されて液化し、図５，図６に示す通り、スクロールケーシング１５ａのスクロール室Ａ２に溜まることがある。図５は、本発明の第１実施形態において、液化した作動媒体がスクロール室に溜まる様子を示す断面図であり、図６は、同様子を示す一部切欠側面図である。

図５，図６を参照すると、スクロールケーシング１５ａで冷却された作動媒体は、スクロール室Ａ２の底部Ｂ１に溜まり、インペラ１１とスクロール室Ａ２の間に形成された段差であるテーパーＴＰ（軸受支持部１５ｃの上面側外縁部に形成されたテーパーＴＰ）によって、インペラ１１に流れ込むのが防止されることが分かる。このため、液化した作動媒体とインペラ１１との衝突が回避され、損失増大や機械的破損を引き起こされるのを防止することができる。

ここで、仮に、スクロール室Ａ２内で液化した作動媒体が、軸受支持部１５ｃの上面側外縁部に形成されたテーパーＴＰを乗り越えたとする。このテーパーＴＰを乗り越えた液化した作動媒体は、軸受支持部１５ｃの上面側に形成された円環状の溝部Ｍに回収され、連通孔Ｈ２を介して発電機１２が収容される空間Ｓ２に導かれる。空間Ｓ２に導かれた作動媒体は、ケーシング本体１５ｂと発電機１２のステータ１２ｂとの間に形成された案内通路Ｃ１を介して膨張タービン発電機２の底部に導かれ、図２に示す案内通路Ｃ２を介して軸受支持部１５ｄの円筒部Ｐ１内における空間Ｓ３に導かれた後に排出口ＥＸを介して膨張タービン発電機２の外部に排出される。このように、液化した作動媒体がテーパーＴＰを乗り越えてインペラ１１に流入したとしても、連通孔Ｈ２等を介して外部に排出されるため、損失増大や機械的破損が生じたとしても短時間で解消することができる。

スクロールケーシング１５ａのスクロール室Ａ２に溜まった作動媒体の一部は、スクロールケーシング１５ａの吸入口Ａ１から図４に示す配管Ｑ１１又は配管Ｑ１２を介して排出口Ｅ１に流れ込んで蒸発器１に戻され、蒸発器１において廃熱によって再び過熱される。また、蒸発器１で生成される蒸気が継続して膨張タービン発電機２に供給されると、膨張タービン発電機２は次第に暖まる。すると、スクロールケーシング１５ａのスクロール室Ａ２に溜まっている残りの作動媒体が蒸発し、損失増大や機械的破損を引き起こす原因となる液化した作動媒体を次第になくすことができる。スクロール室Ａ２に溜まっている作動媒体を早急に蒸発させたい場合には、ヒータ６を用いて膨張タービン発電機２のスクロールケーシング１５ａを加熱すれば良い。

以上の通り、本実施形態では、蒸発器１からの蒸気をインペラ１１の回転方向に導きながらインペラ１１に供給するスクロール室Ａ２の底部Ｂ１が、インペラ１１よりも下方に位置するように形成されている。このため、損失増大や機械的破損を引き起こす原因である液化した作動媒体とインペラ１１との衝突を防止することができる。また、本実施形態では、インペラ１１とスクロール室Ａ２の間に、段差としてテーパーＴＰが形成されているため、膨張タービン発電機２の効率を大幅に低下させることもない。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態による廃熱発電装置について説明する。本実施形態による廃熱発電装置の全体構成は、図１に示す第１実施形態による廃熱発電装置Ｇの全体構成とほぼと同様であるが、膨張タービン発電機２に代えて図７に示す膨張タービン発電機２ａを備える点が相違する。図７は、本発明の第２実施形態による廃熱発電装置が備える膨張タービン発電機の構成を示す図であって、（ａ）が左側面図であり、（ｂ）が（ａ）中におけるＢ−Ｂ線断面矢視図である。

図７に示す通り、膨張タービン発電機２ａの基本的な構成は、図２に示す膨張タービン発電機２と同様である。しかしながら、膨張タービン発電機２ａは、回転軸１３の軸方向が水平方向に沿うように配置され、これに伴って膨張タービン発電機２ａの内部で液化した作動媒体を外部に排出するための構成が若干相違する。尚、膨張タービン発電機２ａは、スクロールケーシング１５ａの吸入口Ａ１が鉛直下方向を向くように配置され、かかる配置の状態におけるスクロールケーシング１５ａの底部（最も下方に位置する部分）にヒータ６が設けられている。

具体的に、膨張タービン発電機２ａは、ケーシング本体１５ｂに代えてケーシング本体２１を備えており、軸受支持部１５ｄに代えて軸受支持部２２を備える構成である。つまり、膨張タービン発電機２ａは、ケーシング１５が、スクロールケーシング１５ａ、ケーシング本体２１、軸受支持部１５ｃ、及び軸受支持部２２等からなる構成である。

ケーシング本体２１は、内周面における案内通路Ｃ１をなす溝（図２参照）が省略されており、膨張タービン発電機２ａの底部となる部分に案内通路Ｃ３と複数の排出口ＥＸ（図７に示す例では２つの排出口ＥＸ）が形成された構成である。案内通路Ｃ３は、ケーシング本体２１の内部において径方向に延びるように形成されており、空間Ｓ２（ケーシング本体２１と軸受支持部１５ｃとによって形成される空間Ｓ２１）と、ケーシング本体２１に形成された一方の排出口ＥＸとを接続する。

他方の排出口ＥＸは、空間Ｓ２（ケーシング本体２１と軸受支持部２２とによって形成される空間Ｓ２２）と外部とを連通するように、膨張タービン発電機２ａの底部となる部分に形成される。膨張タービン発電機２ａは、図２に示す案内通路Ｃ１が省略された構成であるが、発電機１２をなすロータ１２ａとステータ１２ｂとの間の隙間（エアギャップ）を介して作動媒体の蒸気が空間Ｓ２２に導かれて液化することもある。このため、空間Ｓ２２と外部とを連通するように、他方の排出口ＥＸが形成されている。尚、膨張タービン発電機２ａの底部に形成された２つの排出口ＥＸは、例えば電磁弁が取り付けられた配管（図示省略）に接続される。

軸受支持部２２は、図２に示す軸受支持部１５ｄと同様に、軸受１４ｂを支持する有底の円筒状に形成された部材であるが、軸受支持部１５ｄに形成されていた排出口ＥＸ及び案内通路Ｃ２が省略されている点が図２に示す軸受支持部１５ｄとは相違する。また、軸受支持部２２は、軸受支持部１５ｄの円筒部Ｐ１内に形成されていた空間Ｓ３が、軸受１４ｂが支持される部分のみに形成されている点も図２に示す軸受支持部１５ｄとは相違する。

図８は、本発明の第２実施形態における蒸発器と膨張タービン発電機との位置関係を示す図である。図８に示す通り、膨張タービン発電機２ａは、蒸気の吸入口Ａ１が蒸発器１に設けられた蒸気の排出口Ｅ１よりも上方に位置するように配置される。具体的に、蒸発器１及び膨張タービン発電機２ａは、排出口Ｅ１と吸入口Ａ１とが直線状の配管Ｑ１３によって接続され、膨張タービン発電機２ａの吸入口Ａ１の下方に蒸発器１の排出口Ｅ１が位置するよう配置される。

上記の膨張タービン発電機２ａは、廃熱発電装置Ｇが運転中である場合には、図２に示す膨張タービン発電機２と同様に動作する。また、廃熱発電装置Ｇの運転が開始された時点において、廃熱発電装置Ｇで循環される作動媒体によって暖められていない状態であるときに、蒸発器１で生成された作動媒体の蒸気が膨張タービン発電機２ａに導かれると、スクロールケーシング１５ａ等で冷却されて液化することがある。

スクロールケーシング１５ａの吸入口Ａ１付近で液化した作動媒体は、鉛直下方向を向くように配置された吸入口Ａ１から図８に示す配管Ｑ１３を介して排出口Ｅ１に流れ込んで蒸発器１に戻され、蒸発器１において廃熱によって再び過熱される。これに対し、スクロールケーシング１５ａの吸入口Ａ１付近以外で液化した作動体媒体は、図７（ｂ）に示す通り、インペラ１１を囲むように環状に形成されたスクロール室Ａ２の最下方に位置する部分に溜まる。

蒸発器１で生成される蒸気が継続して膨張タービン発電機２ａに供給されると、膨張タービン発電機２ａは次第に暖まり、スクロールケーシング１５ａのスクロール室Ａ２に溜まっている残りの作動媒体は蒸発する。また、ヒータ６を用いて膨張タービン発電機２のスクロールケーシング１５ａを加熱すれば、スクロール室Ａ２に溜まっている作動媒体を早急に蒸発させることもできる。

尚、スクロールケーシング１５ａのスクロール室Ａ２内で液化した作動媒体であって、軸受支持部１５ｃに形成された溝部Ｍに流れ込んだ作動媒体は、連通孔Ｈ２を介して発電機１２が収容される空間Ｓ２（空間Ｓ２１）に導かれる。空間Ｓ２（空間Ｓ２１）に導かれた作動媒体は、ケーシング本体２１に形成された案内通路Ｃ３を介して膨張タービン発電機２ａの底部に導かれ、排出口ＥＸを介して膨張タービン発電機２ａの外部に排出される。また、膨張タービン発電機２ａの空間Ｓ２（Ｓ２２）内に溜まっている液化した作動媒体は、空間Ｓ２（空間Ｓ２２）と外部とを連通する排出口ＥＸを介して膨張タービン発電機２ａの外部に排出される。

以上の通り、本実施形態では、第１実施形態で用いられていた膨張タービン発電機２（図２参照）と似た構成を有する膨張タービン発電機２ａを、スクロールケーシング１５ａの吸入口Ａ１が鉛直下方向を向き、且つ、回転軸１３の軸方向が水平方向に沿うように配置している。このため、スクロールケーシング１５ａの吸入口Ａ１付近で液化した作動媒体を容易に外部に排出することができるとともに、吸入口Ａ１付近以外で液化した作動媒体をスクロール室Ａ２に溜めることができる。これにより、液化した作動媒体とインペラ１１との衝突を防止することができ、損失増大や機械的破損を防止することができる。

以上、本発明の実施形態による廃熱発電装置について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されず、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上述した実施形態では、凝縮器３とポンプ５との間にリザーバタンク４を設ける例について説明したが、リザーバタンク４は必要が無ければ省略することが可能である。また、本発明は、遠心式膨張タービン発電機、斜流式膨張タービン発電機等のラジアルタービン発電機を発電装置として用いる場合にも適用可能である。

１ 蒸発器
２ 膨張タービン発電機
３ 凝縮器
５ ポンプ
６ ヒータ
１１ インペラ
Ａ１ 吸入口
Ａ２ スクロール室
Ｂ１ 底部
Ｅ１ 排出口
Ｇ 廃熱発電装置
Ｑ１１，Ｑ１２ 配管
ＴＰ テーパー

Claims (8)

1. 廃熱エネルギーを回収して作動媒体の蒸気を生成する蒸発器と、該蒸気を膨張させつつ発電を行う発電装置と、該発電装置を介した蒸気を凝縮する凝縮器と、該凝縮器で凝縮された作動媒体を前記蒸発器に向けて送出するポンプとを備える廃熱発電装置において、
   前記発電装置は、前記蒸気により回転駆動されるインペラと、
   底部が前記インペラよりも下方に位置するように前記インペラの周囲に環状に形成され、前記蒸気を前記インペラの回転方向に導きながら前記インペラに供給する回転流路と
   を備えることを特徴とする廃熱発電装置。
2. 前記回転流路に沿って前記インペラと前記回転流路との間に設けられた段差部を備えることを特徴とする請求項１記載の廃熱発電装置。
3. 前記段差部は、前記インペラ側から前記回転流路側に行くに従って高さ位置が徐々に低下するテーパー状であることを特徴とする請求項２記載の廃熱発電装置。
4. 前記発電装置は、前記回転流路の少なくとも一部に、前記回転流路を加熱する加熱装置を備えることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の廃熱発電装置。
5. 前記発電装置は、前記蒸気を前記回転流路に導入する吸入口が、前記蒸発器に設けられた前記蒸気の排出口よりも上方に位置するように配置されることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の廃熱発電装置。
6. 一端が前記発電装置の前記吸入口に接続されるとともに他端が前記蒸発器の前記排出口に接続され、前記一端側よりも前記他端側が下方に位置するように斜め配置された直線状の配管を備えることを特徴とする請求項１から請求項５の何れか一項に記載の廃熱発電装置。
7. 一端が前記発電装置の前記吸入口に接続されるとともに他端が前記蒸発器の前記排出口に接続され、前記一端側よりも前記他端側を下方に配置させる段差が前記一端と前記他端との間に形成された配管を備えることを特徴とする請求項１から請求項５の何れか一項に記載の廃熱発電装置。
8. 流体を膨張させつつ発電を行う発電装置において、
   前記流体により回転駆動されるインペラと、
   底部が前記インペラよりも下方に位置するように前記インペラの周囲に環状に形成され、前記流体を前記インペラの回転方向に導きながら前記インペラに供給する回転流路と
   を備えることを特徴とする発電装置。

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