JP2015148180A - 静圧タービン発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸気圧駆動式の静圧タービン発電装置を小型化及びコンパクト化して、災害時等の運搬も容易に行えるようにし、併せて熱効率及び機械効率向上を図る。【解決手段】共通のハウジング１１内に、密閉されたタービン室内で互いに噛み合わされ、一方は主軸を他方は副軸をそれぞれ回転軸として回転する一対の楕円歯車からなる蒸気式静圧タービンと、その主軸又は副軸によって上記楕円歯車と同期回転される一対のポンプ歯車を設けた歯車ポンプとを内蔵させて静圧タービン・ポンプユニット１を構成し、ボイラー４によって発生させた水蒸気によって、その蒸気式静圧タービンを作動させ、その主軸によって発電機２のロータを回転させる。その蒸気式静圧タービンから排出される水蒸気を復水器で冷却して復水させ、その復水された水を上記歯車ポンプによって送水してボイラー４内へ戻す。【選択図】 図１

Description

この発明は、比較的小規模な発電システムにおいて使用するのに適した蒸気圧駆動式の静圧タービン発電装置に関する。

地球上には使用されずに捨てられているバイオマス資源（木材、竹材、その他有機物から発生するガス類）が無尽蔵といえるほど存在する。特に農地や山林においては、処置できないまま放置されている木材・竹材等のために、必要とされる農林業が危機に瀕している。現在我国では森林資源保護のために、侵入竹林の除去や森林の間伐などを国策として推進している。

このようなバイオマス資源を燃料とする発電システムの試みは多く行われている。
バイオマス資源を燃料として使用する発電システムは、低酸素社会実現に貢献できる。また電力と同時に高温蒸気も発生するので、農業用（ハウス栽培など）の電源及び熱源としても有用となる。有機農業は、耕地面積の少ない我国にとっては未来の産業として位置づけられている分野である。

しかしながら、従来はいずれも大規模発電システムのために、バイオマス燃料を化石燃料に混合して使用する方法で、高温高圧力の蒸気を発生させて蒸気タービンを駆動させている。
たとえば、特許文献１及び２に記載されている蒸気タービン発電機も、そのような大規模な設備であるため、建設・維持費用が嵩み、小規模事業所や家庭に設置し、非常用の電源装置として使用するには不向きであった。

また、蒸気圧駆動のタービン発電装置を使用する場合、エネルギー変換が行われた後の水蒸気を復水してボイラー内に戻す装置としてポンプが必要になる。そのために、発電装置は複雑化し大型になる一因となっていた。

特開２０１２−２０７５４２号公報 特開２００８−２８０９７４号公報

この発明は、上記のような現状に鑑みてなされたものであり、バイオマス資源を燃料とする小規模発電システムを構築するために、蒸気圧駆動式の静圧タービン発電装置を小型化及びコンパクト化して、災害時等の運搬も容易に行えるようにし、併せて熱効率及び機械効率向上を図ることを目的とする。

この発明による静圧タービン発電装置は上記の目的を達成するため、ハウジング内の密閉されたタービン室内で互いに噛み合わされ、一方は主軸を他方は副軸をそれぞれ回転軸として回転する一対の楕円歯車からなる蒸気式静圧タービンと、上記ハウジング内の密閉されたポンプ室内に、上記主軸又は副軸によって上記楕円歯車と同期回転される一対のポンプ歯車を設けた歯車ポンプと、上記主軸によってロータが回転される発電機と、上記蒸気式静圧タービンへ送る水蒸気を発生させるボイラーと、上記蒸気式静圧タービンから排出される水蒸気を冷却して復水させる復水器とを備え、その復水器で復水された水を上記歯車ポンプによって送水して上記ボイラー内へ戻すようにしたことを特徴とする。

上記ハウジングの肉厚内に上記歯車ポンプの復水吸い込み口側経路を形成し、上記主軸の軸受部を上記復水吸い込み口側経路に連結するのが望ましい。
また、上記一対の楕円歯車のそれぞれ両端面に、その各楕円歯車の回転軸心に対して対称で同一形状の凹部を設け、その各凹部を、それぞれ絞り部を介して上記タービン室の高圧側蒸気室と連通させるのが望ましい。

上記のボイラー内の水蒸気の圧力を調整する圧力調整用レギュレータバルブと、その圧力調整用レギュレータバルブから漏れ出る蒸気を上記復水器へ導く水蒸気通路を設けるとよい。
さらに、上記主軸によってロータが回転される発電機を、該主軸の両端側に一対設け、その一対の発電機の一方の発電機のロータと他方の発電機のロータとで、磁極の位置を回転方向に１／２ピッチずらすとよい。

この発明による静圧タービン発電装置は、蒸気式静圧タービンの要をなす一対の楕円歯車と復水戻し用歯車ポンプの一対のポンプ歯車を同一ハウジング内に設け、且つ静圧タービンの主軸上に発電機のロータを取付け、静圧タービンによって歯車ポンプと発電機のロータとを同期回転させるようにしたことにより、装置の小型化及びコンパクト化を実現することができた。また、熱効率及び機械効率の向上を図ることもできた。

したがって、バイオマス資源を燃料とする小規模発電システムを容易に構築することができ、小規模事業所や家庭に設置して、非常用等の電源装置などとして使用することができる。また、災害時等の運搬も容易に行えるので便利である。
この静圧タービン発電装置によって発生する電力はハウス栽培用の照明に、高温蒸気は土壌の殺菌やハウス内の暖房用として使用することも可能になる。
上述した種々の好ましい構成による効果については、実施形態の説明中で述べる。

この発明による静圧タービン発電装置の一実施形態の全体を、燃焼炉を断面にして示す概略構成図である。 図１における燃焼炉のみを示す正面図である。 図１における静圧タービン・ポンプユニットの蒸気式静圧タービンを構成する楕円歯車対の一端面に沿った断面図である。 同じく静圧タービン・ポンプユニットの歯車ポンプ側を一部破断して示す図である。 図４のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 図４のＢ方向から見た一部側面図である。 図４のＣ−Ｃ線に沿う断面付近の斜視図である。 静圧タービン・ポンプユニットと発電機を図１における背面側から見て発電機を一部破断して示す側面図である。 その発電機のステータ支持部材を除いて示す概略正面図である。 図１における圧力調整バルブユニットの内部構成例を示す縦断面図である。 図１における復水器の構成例を一部破断して示す平面図である。 この発明による静圧タービン発電装置の他の実施形態の静圧タービン・ポンプユニットと発電機を示す図８と同様な側面図である。 図１２に示した２つの発電機のロータの磁極が１／２ピッチずれていることを説明するための図である。

以下、この発明を実施するための形態を図面に基づいて具体的に説明する。
図１は、この発明による静圧タービン発電装置の一実施形態の全体を、燃焼炉を断面にして示す概略構成図である。
この静圧タービン発電装置は、静圧タービン・ポンプユニット１と発電機２、燃焼炉３及びその内部に設けたボイラー４と、復水器５、気液分離器６、および圧力調整バルブユニット７等によって構成されている。

静圧タービン・ポンプユニット１は、共通のハウジング１１内に、発電機２のロータを回転駆動するための蒸気式静圧タービンと、復水をボイラーへ戻すための歯車ポンプとを設けたものであるが、その詳細は後述する。
燃焼炉３は、内側全面に珪藻土からなる断熱壁３１を形成した鋼板製の筐体（ドラム缶など）で燃焼室３２を形成し、その燃焼室３２内にボイラー４を天板部３３にボルトフック３４で吊り下げて取り付けている。燃焼室３２の下部には、燃料Ｆを受ける簀子台３５が五徳３６で支えられて設置されている。燃料Ｆとしては、木材や竹材、それらを加工してチップ化した燃料などのバイオマス資源を使用する。

また、図２に示すように、燃焼炉３の正面下部には燃料供給口３７と空気導入口３８が、上部には複数の排気孔３９が設けられている。
ボイラー４は、図１に示すような洗面器形状の上半部と下半部を、そのフランジ部４４を互いに密着させて接合したような上下に平面部を有する変形球状をなしている。ボイラー４の底部４１には、１本以上の金属パイプ（ヒートパイプ）４２が溶着されている。その金属パイプ４２は、ボイラー４の底部４１からボイラー４内に延び、底部４１側の一端４２ａが燃焼室３２に開放され、ボイラー４内の他端４２ｂが密閉されている。ボイラー４の底部４１にはまた、ねじ込み式の水抜栓４３も設けられている。これらのボイラー４を構成する全ての部品は、酸化防止のためステンレス鋼を用いて構成するとよい。

燃焼室３２の天板部３３にボイラー４を吊り下げるボルトフック３４は、ボイラー４の周囲に３本以上設けられ、その各ボルトフック３４の下端のフック部でボイラー４のフランジ部４４を引っ掛けて吊り下げる。
ボイラー４の上平面部には、外周に雄ねじが形成された二本のパイプ継手８，９が溶着されており、それぞれ燃焼炉３の天板部３３貫通して上方に突出し、その天板部３３に対のナットによって締め付け固着されている。その一方のパイプ継手８の上端部は静圧タービン・ポンプユニット１の静圧タービンの蒸気吸入口に配管接続され、他方のパイプ継手９の上端部は圧力調整バルブユニット７に配管接続されている。
なお、燃焼炉及びボイラーの形状及び構造、材質などは図示のものに限らず、種々の変更が可能である。

静圧タービン・ポンプユニット１の蒸気式静圧タービン（以下、単に「静圧タービン」ともいう）の蒸気出口と復水器５の蒸気入口との間に、パイプ継手１０が接続され、そのパイプ継手１０と複数本の支柱１６とによって復水器５を支持している。

ボイラー４内に水Ｗを貯め、燃焼室３２内の簀子台３５上に供給した燃料Ｆを燃焼させると、その熱によって熱せられた空気の対流によって燃焼室３２全体が高温になり、ボイラー４を全周から加熱してその内部の水Ｗを沸騰させ、水蒸気Ｓが発生する。その際、燃料の燃焼によって加熱された高温の空気が、複数本の金属パイプ４２内にも入り込んで対流するため、その熱をボイラー４内の水に速やかに伝導させ、その水を効率よく迅速に加熱して沸騰させることができる。
ボイラー４内で発生した高温高圧の水蒸気Ｓが、パイプ継手８を通して静圧タービン・ポンプユニット１の静圧タービンに供給される。それによって、静圧タービンが作動して発電機２のロータを回転させて発電させる。

そして、静圧タービン・ポンプユニット１の静圧タービンから排出される水蒸気が、パイプ継手１０を通して復水器５に入り、そこで空冷によって復水される。その復水と残留水蒸気とが配管ａを通して気液分離器６に導かれ、そこで気液分離され、残留水蒸気は大気開放口６１から外部に放出される。そして、大気圧に調整された復水（液）だけが配管ｂを通して静圧タービン・ポンプユニット１の歯車ポンプに吸入され、送水力を加えられて吐出さる。その復水が配管ｃを通して圧力調整バルブユニット７に送り込まれ、そこからパイプ継手９を通してボイラー４内に戻される。

ここで、静圧タービン・ポンプユニット１の内部構成について説明する。図３は、図１における静圧タービン・ポンプユニット１の蒸気式静圧タービンを構成する楕円歯車対の一端面（平面）に沿った断面図である。
静圧タービン・ポンプユニット１の筐体であるハウジング１１内に密閉されたタービン室１０１が形成されており、そのタービン室１０１内に、ハウジング１１の内壁面と僅かな隙間を保って、一対の楕円歯車１１０，１２０が互いに回転可能な状態で噛み合わされて設けられている。一方の楕円歯車１１０は主軸１３０にキー１３１で固定されており、その主軸１３０を回転軸として矢示Ａ方向に回転する。他方の楕円歯車１２０は副軸１４０にキー１４１で固定されており、その副軸１４０を回転軸として矢示Ｂ方向に回転する。主軸１３０及び副軸１４０はそれぞれハウジング１１の軸受部に支持されている。

ハウジング１１は、例えばステンレス鋼等の金属材料で形成されており、下部には水蒸気吸入口１０２を、上部には水蒸気排出口１０３をそれぞれタービン室１０１に通じるように設けている。これらによって、蒸気式静圧タービン１００を構成している。
図１に示したボイラー４で発生する高温高圧の水蒸気を、パイプ継手８を通してハウジング１１の水蒸気吸入口１０２からタービン室１０１へ導くことにより、楕円歯車１１０，１２０とタービン室１０１の図３で下側の内壁とによって略密閉された高圧側蒸気室Ｈ内に高い静圧力が発生する。その静圧力によって、楕円歯車１１０が矢示Ａ方向に、楕円歯車１２０が矢示Ｂ方向に、それぞれ回転を始める。その回転力は、主軸１３０を介してハウジング１１の外部に設置された発電機２の後述するロータと、副軸１４０を介してハウジング１１内に設けられた後述する復水戻し用の歯車ポンプとを同期駆動させる。

その楕円歯車１１０，１２０を回転させた水蒸気は、タービン室１０１の上側の低圧側蒸気室へ抜け、水蒸気排出口１０３から排出され、図１に示したパイプ継手１０を通して復水器５へ送られる。
静圧タービン１００の各楕円歯車１１０，１２０が滑らかに回転するように、その各歯先、両端面及び各軸（主軸１３０及び副軸１４０）とハウジング１１との間に、適切な隙間が設けられている。その隙間に気液混合蒸気が入ることによって潤滑される。
ハウジング１１と各楕円歯車１１０，１２０との間の隙間が、熱膨張の影響で変化するのを極力防ぐために、ハウジング１１と各楕円歯車１１０，１２０及び主軸１３０並びに副軸１４０を、同一材料で作製するのが望ましい。その材料としては、ステンレス鋼、特に熱膨張係数が小さいＳＵＳ４１０が望ましい。

静圧タービン・ポンプユニット１のハウジング１１内に設けた歯車ポンプ及び復水戻し径路について、図４〜図７によって説明する。
図４は静圧タービン・ポンプユニット１の歯車ポンプ側の面を一部破断して示す図、図５は図４のＡ−Ａ線に沿う断面図、図６は図４のＢ方向から見た一部側面図、図７は図４のＣ−Ｃ線に沿う断面付近の斜視図である。
ハウジング１１の静圧タービン１００を設けた側の端面は、その全体が図５及び図６に示すサイドカバー１１ａによって密閉されている。サイドカバー１１ａはハウジング１１の一部をなすので、ハウジング本体と同じステンレス鋼等によって同じ平面形状に形成され、ねじ止めなどによってハウジング本体に気密及び水密に固着されている。

ハウジング１１の図３に示したタービン室１０１の手前側に、完全に独立したポンプ室２０１が形成されている。そのポンプ室２０１内に、それぞれ円形の平歯車である一対のポンプ歯車２１０，２２０が互いに回転可能な状態で噛み合わされて設けられている。このポンプ歯車２１０，２２０を収納したタービン室１０１の上面は、ハウジング１１に固着されてその一部となるカバープレート１１ｂによって密閉されている。これらによって、復水戻し用の歯車ポンプ２００を構成している。
カバープレート１１ｂも、ハウジング本体と同じステンレス鋼等によって長方形に形成され、ねじ止めなどによってハウジング本体に気密及び水密に固着される。

歯車ポンプ２００の駆動側のポンプ歯車２１０は、図５に示すように静圧タービン１００の副軸１４０と一体の回転軸２３０にキー２３１で固定されており、副軸１４０の回転によって図４に示す矢示Ｄ方向に回転する。従動側のポンプ歯車２２０は回転軸２４０に支持されており、駆動側のポンプ歯車２１０の回転によって矢示Ｅ方向に回転する。
したがって、歯車ポンプ２００を構成するポンプ歯車２１０，２２０は、静圧タービン１００を構成する楕円歯車１１０，１２０と同期回転し、そのポンプ動作によって復水を吸入して吐出する。

その各回転軸２３０及び２４０はそれぞれハウジング１１の軸受部に支持されている。
さらに、この歯車ポンプ２００に対する復水戻し口１２（図６参照）及び復水吸い込み側経路１３と、ポンプ吐出側経路１４及びポンプ吐出口１５を、図４に示すように、全てハウジング形成材の肉厚内に形成している。
そして、図１に示した復水器５によって水蒸気から水に戻された復水が、気液分離器６を通して配管ｂによって、図４に矢示Ｂで示すように静圧タービン・ポンプユニット１の復水戻し口１２へ導かれ、復水吸い込み側経路１３を通して歯車ポンプ２００に吸い込まれる。そこで送水力を付与された復水が、ポンプ吐出側経路１４を通してポンプ吐出口１５から矢示Ｆで示すように吐出され、図１に示した配管ｃによって圧力調整バルブユニット７へ送られる。

この静圧タービン・ポンプユニット１では、ハウジング１１の外部に設置された発電機２を駆動させるために、静圧タービン１００の主軸１３０を図７に示すように、ハウジング１１を貫通させて、その円錐状端部１３０ａを外部に突出させている。
この場合、タービン室１０１内の圧力と外部（大気側）との圧力差によって、軸受部１１ｃから外部へ蒸気漏れが生じる恐れがある。この蒸気漏れを防止するために、軸受部１１ｃに環状の溝１１ｄを形成し、その溝１１ｄを図４に示すように復水吸い込み側経路１３に連通させている。

それによって、気液分離器６内で大気圧に調圧されている復水吸い込み側経路１３内の復水と、溝１１ｄ及び軸受部１１ｃの隙間内とを等圧力にして、外部（大気側）と主軸１３０の軸受部１１ｃ（図７参照）との圧力差をなくし、蒸気漏れを防ぐことができる。また、復水すなわち液体を軸受部１１ｃへ導くことによって、潤滑効果を向上させることもできる。
これらを構成するハウジング１１は酸化防止のため前述したようにステンレス鋼で形成するとよいが、各軸及び軸受部にはステンレス又は耐食性及び潤滑性に優れた金属（例えば真鍮など）を用いてもよい。

このように、この静圧タービン発電装置は、静圧タービン１００の主要機素となる一対の楕円歯車１１０，１２０と、復水戻し用の歯車ポンプ２００の一対のポンプ歯車２１０，２２０とを同一ハウジング１１に内蔵させて小型化を図り、熱効率及び機械効率の向上も図っている。
また、その静圧タービン１００によって発電機２のロータを駆動するための動力取出し軸である主軸を、図７に示すようにハウジング１１から突出させているが、その軸受部１１ｃから蒸気や液が漏れるのを防止するための手段を講じている。

また、この実施形態では、静圧タービン１００を構成する一対の楕円歯車１１０，1２０が、その両端面（平行な平面）がハウジング１１の内壁面と接触することなく常に円滑に回転し、磨耗や焼き付き等が発生することなく、長期間使用できるようにするための手段も講じている。それを図３と図５によって説明する。
一対の楕円歯車１１０，１２０のそれぞれ両端面には、その各回転軸である主軸１３０，１４０の周囲に深さ０．５ｍｍ程度の浅い環状の凹部（recess）１１１，１２１を設けている。

また、各楕円歯車１１０，１２０の各端面と対向する、ハウジング１１のタービン室１０１を形成する内壁面に、各凹部１１１，１２１をそれぞれ常にタービン室１０１の高圧側蒸気室Ｈに連通させるための絞り溝１０４，１０５を形成している。その各絞り溝１０４，１０５は、各楕円歯車１１０，１２０の長軸位置でも完全に塞がれることがない位置まで延びている。
図３に示されている絞り溝１０４，１０５は、各楕円歯車１１０，１２０の裏側の端面と対向するハウジング１１の図５に示すサイドカバー１１ａの内壁面に形成されており、各楕円歯車１１０，１２０の裏側の端面の凹部１１１，１２１を高圧側蒸気室Ｈに連通させる。

各楕円歯車１１０，１２０の図３に示されている手前側の端面の凹部１１１，１２１を高圧側蒸気室Ｈに連通させる絞り溝１０４，１０５は、図５に示すハウジング１１の本体側内壁面に形成されている。図５の断面は、実際には図３における絞り溝１０５がある位置の断面ではないが、説明を分かり易くするために絞り溝１０５を示している。
これらの絞り溝１０４，１０５と、それを覆う楕円歯車１１０，1２０の各端面とによって絞り部が形成される。したがって、各楕円歯車の両端面の凹部１１１，１２１を、それぞれ絞り部を介して高圧側蒸気室Ｈと連通させることになる。

このように、各楕円歯車１１０，１２０の端面に設けた環状の凹部１１１，１２１に、高圧側蒸気室Ｈの加圧水蒸気が絞り部を通して導入されると、各楕円歯車１１０，１２０の端面とハウジング１１の内壁面との間で間隙自動調整作用が生じる。その作用によって、各楕円歯車１１０，１２０の端面とハウジング１１の内壁面との間の隙間が常に一定に調整される。その結果、各楕円歯車１１０，1２０の回転時の摩擦損失が軽減され、且つ耐久性が向上する。

凹部１１１，１２１の形状は、主軸１３０又は副軸１４０から少し離れた環状の凹部でもよいし、環状に限らず放射状あるいはスパイラル状などに形成してもよい。但し、一対の楕円歯車１１０，１２０のそれぞれ両端面に、各楕円歯車１１０，１２０の回転軸心に対して対称で同一形状の凹部を設けることが必要である。

次に、この実施形態における発電機２の具体例について、図８及び図９によって説明する。
図８は静圧タービン・ポンプユニット１と発電機２を図１における背面側から見て発電機２を一部破断して示す側面図である。図９はその発電機２のステータ支持部材を除いて示す概略正面図（図８の左方から見た図）である。
この静圧タービン発電装置では、静圧タービン・ポンプユニット１の歯車ポンプ２００を設けた側の端面の外側に、図８に示すように発電機２を設置している。

その発電機２はステータ２１とロータ２２から構成されている。ロータ２２は一端が開放され、他端が閉じた浅い円筒状の回転部材であり、その内周面側に図９に示すように円周方向に沿って複数個（図示の例では６個）のマグネット（永久磁石）２２ａが配置されている。それによって、その各マグネット２２ａの磁極であるＮ極とＳ極が円周方向に所定のピッチ（角度間隔）で交互に配列される。
そして、図８に示すように、そのロータ２２の閉じた端面の中心部に固着されたロータボス２３を、静圧タービン１００の主軸１３０のハウジング１１から突出した円錐状端部（テーパ部）１３０ａに嵌め合わせて、ボルト２４によって固着している。したがって、ロータ２２は静圧タービン１００の主軸１３０によって楕円歯車１２０と連結されており、楕円歯車１２０と同期回転する。

一方、ステータ２１は、ステータ基盤２１ａにステータコア２１ｂがボルト２１ｃによって固着されている。そのステータコア２１ｂは磁性体の薄板（電磁鋼板）を多数枚重ねて形成され、外周に多数の歯部が円周方向に沿って、ロータ２２の各マグネット２２ａのＮ極及びＳ極と同じ所定のピッチ（角度間隔）で、放射状に設けられている。図９に示す例では、ステータコア２１ｂに１２本の歯部が設けられており、その各歯部にはボビン２１ｄを介してコイル２１eが巻かれている。その隣接する各コイル２１ｅは交互に巻線方向が逆になっており、その全てのコイル２１ｅが直列に接続されて、その両端が図示していない発電出力端子に接続される。

そのステータ２１は、静圧タービン・ポンプユニット１のハウジング１１に固着して取り付けたＬ字型のステータ支持アーム２５に、ステータ基盤２１ａに固設された雄ねじ２６とナット２７とによって取り付けられ、ロータ２２内に所定の隙間を空けて嵌り込んで固定支持されている。
したがって、この発電機２は、静圧タービン１００によってロータ２２が回転されると、固定されたステータコア２１ｂの各歯部に巻かれた各コイル２１ｅと鎖交する磁力線を形成するマグネット２２ａが回転し、各コイル２１ｅと鎖交する磁力線が周期的に変化する。
その際、各コイル２１と鎖交する磁力線の向きが交互に反対向きになるが、各コイルの巻き方向を交互に逆にしているので、各コイル２１ｅに同じ向きの交流電流が誘起される。その電圧及び電流が重畳されて発電電力として出力される。その電力を充電回路を介して蓄電器（バッテリ）に充電して利用することができる。

次に、圧力調整バルブユニットの構造について、図１０によって説明する。
図１０は、図１における圧力調整バルブユニット７の内部構成例を示す縦断面図である。ただし、図１では圧力調整バルブユニット７と他の各部との接続関係を示すために簡略化及び模式化しており、図１０の圧力調整バルブユニット７の外観を示すものではない。
この圧力調整バルブユニット７は、円筒状のボデイ７０内に調整室７１とレギュレータバルブ７２が設けられている。ボデイ７０にはさらに、図１に示した継手パイプ９と接続する雌ねじを形成した接続パイプ７３が設けられており、調整室７１を継手パイプ９を介してボイラー４内と連通させ、ボイラー４内と同じ圧力にする。

ボデイ７０の一端には、図４に示した歯車ポンプ２００のポンプ吐出口１５に接続する図１に示した配管ｃを接続する復水戻し口７４が形成されており、歯車ポンプ２００から吐出される復水を配管ｃを通して調整室７１に流入させ、そこから接続パイプ７３及びパイプ継手９を介してボイラー４内へ戻す。
ボデイ７０にはさらに、調整室７１内の圧力を計測して表示する圧力ゲージ７５と、調整室内の温度を計測して表示する温度ゲージ７６が設けられている。また、ボイラー４内に水を補給する際に使用する給水口７７も設けられている。その給水口７７は、常時はボルト栓７８で閉鎖されている。

レギュレータバルブ７２は、一端が調整室７１と連通し、他端が大気と連通するスプール室７２１内で摺動する２連のスプール７２２とそのスプール７２２を調整室７１側へ押圧するスプリング７２３を有する。
スプール７２２の大径弁部７２２ａは調整室７１に連通するバルブ溝７２４を開閉し、小径弁部７２２ｂは水蒸気逃がし口７９に連通するバルブ溝７２５を開閉する。水蒸気逃がし口７９には、図１に示したパイプ継手１０と接続する配管ｄが接続され、余剰な水蒸気を配管ｄ及びパイプ継手１０を通して復水器５へ送り込む。すなわち、図１に示した継手パイプ１０と接続する配管ｄが、圧力調整用レギュレータバルブ７２から漏れ出る蒸気を復水器５へ導く水蒸気通路を形成している。

このレギュレータバルブは、ボイラー４内の圧力と同じ調整室７１内の圧力をスプール７２２の一端に導き、スプール７２２の他端側のスプリング７２３の押圧力と釣り合わせることによって、圧力調整を行う。
そして、この圧力調整バルブユニット７は、静圧タービン１００を安定回転させることの他に、ボイラー４の内圧が異常に上昇した場合速やかに水蒸気をボイラー４の外部に排出するための安全弁の働きを兼ね備えている。しかも、この圧力調整バルブユニット７を取付けることにより、余分な高温高圧の水蒸気が復水器５へ送られて液化されるので、直接大気に放出することによる危険性がなくなり、システムの安全性を向上させることができる。また、その復水を循環させて再利用することもできる。

次に、図１における復水器５の構成例を図１１によって説明する。図１１はその復水器５を一部破断して示す平面図である。
この復水器５は、ステンレス製の蛇腹管（フレキパイプ）５０を渦巻き状に成形し、ステンレス製の円板状の放熱板５１の下面に溶接等によって固着している。その蛇腹管５０における円板５１の中心側の端部に蒸気入口５２を、外周側の端部に復水出口５３を設けている。蛇腹管５０及び放熱板５１をステンレス鋼以外の熱伝導率が大きく耐食性がある金属材料で形成してもよい。

この復水器５を、放熱板５１を上側にして、蒸気入口５２を図１に示した継手パイプ１０に接続して、静圧タービン・ポンプユニット１の上部に支持させる。また、復水出口５３を、配管を介して気液分離器６に接続する。蛇腹管５０の外周は殆ど外気に接している。
そして、静圧タービン・ポンプユニット１の静圧タービン１００を駆動させた後に排出される水蒸気が、蒸気入口５２からこの復水器５の蛇腹管５０に流入し、外気との接触面積が大きく長い蛇腹管５０内を復水出口５３へ向かって通過する間に、空冷されて液化し、大部分は復水となる。

復水出口５３から排出される復水と残留水蒸気を気液分離器６へ送り、そこで残留蒸気を分離して大気に放出する。そして、復水だけが静圧タービン・ポンプユニット１の歯車ポンプ２００によって送水され、圧力調整バルブユニット７を通してボイラー４内へ戻される。
この復水器５は、上面がフラットな放熱板５１なので、その上で高温の水蒸気の放熱を利用して、食物や飲み物を温めたり、物を乾燥させたりするのに利用することが可能である。しかし、この発明による静圧タービン発電装置の復水器はこの構造に限るものではない。

このように構成した発明による静圧タービン発電装置は、蒸気式静圧タービンの要をなす一対の楕円歯車と復水戻し用歯車ポンプの一対のポンプ歯車を同一ハウジング内に設け、且つ静圧タービンの主軸上に発電機のロータを取付け、静圧タービンによって歯車ポンプと発電機のロータとを同期回転させるようにしたことにより、装置の小型化及びコンパクト化を実現することができた。また、熱効率及び機械効率の向上を図ることもできた。

したがって、バイオマス資源を燃料とする小規模発電システムを容易に構築することができ、小規模事業所や家庭に設置して、非常用等の電源装置として使用することができる。また、災害時等の運搬も容易に行える。
この静圧タービン発電装置によって発生する電力はハウス栽培用の照明に、高温蒸気は土壌の殺菌やハウス内の暖房用として使用することも可能になる。

次に、この発明による静圧タービン発電装置の他の実施形態を図１２及び図１３によって説明する。
図１２は、その静圧タービン発電装置における静圧タービン・ポンプユニットと発電機を示す図８と同様な側面図であり、図１３は、図１２に示した２つの発電機のロータの磁極が回転方向に１／２ピッチずれていることを説明するための図である。これらの図において、図８及び図９と対応する部分には同一の符号を付してあり、それらの説明は省略する。

この実施形態における静圧タービン・ポンプユニット１′は、静圧タービン１００の主軸１３０の両端をハウジング１１の両端面から突出させ、そこにそれぞれ円錐状端部１３０ａを設けている。そして、その主軸１３０によってそれぞれロータ２２が回転される発電機２Ａと２Ｂを、主軸１３０の両端側に一対設けている。２個の発電機２Ａと２Ｂは、それぞれロータ２２の内周面側に設けたマグネット２２ａと２２ｂの配置以外は、図８及び図９に示した発電機２と同じ構成であり、静圧タービン・ポンプユニット１′に対して対称に配置されている。

その発電機２Ａと２Ｂの各ステータ２１は、静圧タービン・ポンプユニット１′のハウジング１１に固着されたＵ字型のステータ支持アーム２８の両端部に、それぞれステータ基盤２１ａに固設された雄ねじ２６とナット２７とによって取り付けられ、支持されている。
２つの発電機２Ａ，２Ｂの各ステータ２１は、そのステータコア２１ｂの各歯部の円周方向の位置、すなわち各コイル２１ｅの角度位置が同じである。しかし、各ロータ２２は、発電機２Ａのロータ２２のマグネット２２ａの図１３に仮想線で示す磁極であるＮ極及びＳ極に対して、発電機２Ｂのロータ２２のマグネット２２ｂの実線で示す磁極であるＮ極及びＳ極の位置を、回転方向に１／２ピッチ（Ｐ／２）ずらして進相又は遅相させている。

発電機２Ａ，２Ｂを起動させるときに、例えば一方の発電機２Ａのロータ２２におけるマグネット２２ａの各磁極が、ステータ２１のコア２１ｂの各歯部と対向していると、両者間に強い磁気吸引力が発生しているため、ロータ２２を回転させるのに大きな力が必要になる。

しかし、この実施形態では、他方の発電機２Ｂにおけるマグネット２２ｂの各磁極が、マグネット２２ａの各磁極に対して回転方向に１／２ピッチずれているので、ステータ２１のコア２１ｂの各歯部間の中間位置にある。そのため、マグネット２２ｂの各磁極は両側の歯部の近い方との吸引力によって、ロータ２２を回転させる方向の力が生じる。したがって起動トルクを軽減することができ、比較的小さい力で発電機２Ａ，２Ｂを起動させることができる。
そして、発電機２Ａと発電機２Ｂの交流出力電圧を整流（直流化）した後、直列に接続すれば出力電圧を２倍にすることができ、並列に接続すれば出力電流を２倍にすることができ、いずれにしても出力電力を２倍にすることができる。

以上、この発明の実施形態について説明してきたが、その実施形態の各部の具体的な構成や処理の内容等は、そこに記載したものに限るものではない。例えば、復水戻し用歯車ポンプのポンプ歯車を、静圧タービンの主軸によって回転させるようにしてもよい。
また、この発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に記載された技術的特徴を有する以外は、何ら限定されるものではないことは言うまでもない。
さらに、以上説明してきた各実施形態の構成例、動作例及び変形例等は、適宜変更又は追加したり、一部を削除してもよく、相互に矛盾しない限り任意に組み合わせて実施することも可能であることは勿論である。

この発明による静圧タービン発電装置は、バイオマス資源を燃料とする小規模発電システムに利用でき、小規模事業所や家庭に設置して、非常用の電源装置などとして使用するのに適している。また、災害時等の際に必要な場所へ運搬して発電することも容易に行える。ハウス栽培等の農業用電源及び暖房用熱源として使用することも可能である。

１：静圧タービン・ポンプユニット ２，２Ａ，２Ｂ：発電機 ３：燃焼炉
４：ボイラー ５：復水器 ６：気液分離器 ７：圧力調整バルブユニット
８〜１０：パイプ継手
１１：ハウジング １１ａ：サイドカバー １１ｂ：カバープレート
１１ｃ：軸受部 １１ｄ：溝 １２：復水戻し口 １３：復水吸い込み側経路
１４：ポンプ吐出側経路 １５：ポンプ吐出口 １６：支柱

２１：ステータ ２１ａ：ステータ基盤 ２１ｂ：ステータコア
２１ｃ：ボルト ２１ｄ：ボビン ２１e：コイル ２２：ロータ
２２ａ，２２ｂ：マグネット ２３：ロータボス ２４：ボルト
２５，２８：ステータ支持アーム ２６：雄ねじ ２７：ナット
３１：断熱壁 ３２：燃焼室 ３３：燃焼炉の天板部 ３４：ボルトフック
３５：簀子台 ３６：五徳 ３７：燃料供給口 ３８：空気導入口
３９：排気孔

４１：ボイラーの底部 ４２：金属パイプ（ヒートパイプ） ４３：水抜栓
４４：フランジ部 ５０：蛇腹管 ５１：放熱板 ５２：蒸気入口
５３：復水出口 ６１：大気開放口
７０：ボデイ ７１：調整室 ７２：レギュレータバルブ ７３：接続パイプ
７４：復水戻し口 ７５：圧力ゲージ ７６：温度ゲージ ７７：給水口
７８：ボルト栓 ７９：水蒸気逃がし口

１００：蒸気式静圧タービン（静圧タービン） １０１：タービン室
１０２：水蒸気吸入口 １０３：水蒸気排出口 １０４，１０５：絞り溝
１１０，１２０：楕円歯車 １１１，１２１：凹部 １３０：主軸
１３０ａ：主軸の円錐状端部 １３１，１４１：キー １４０：副軸
２００：歯車ポンプ ２０１：ポンプ室 ２１０，２２０：ポンプ歯車
２３０，２４０：回転軸 ２３１：キー ７２１：スプール室
７２２：スプール ７２３：スプリング ７２４，７２５：バルブ溝
Ｆ：燃料 Ｗ：水 Ｓ：水蒸気 Ｈ：高圧側蒸気室 ａ〜ｄ：配管

Claims (5)

1. ハウジング内の密閉されたタービン室内で互いに噛み合わされ、一方は主軸を他方は副軸をそれぞれ回転軸として回転する一対の楕円歯車からなる蒸気式静圧タービンと、
   前記ハウジング内の密閉されたポンプ室内に、前記主軸又は副軸によって前記楕円歯車と同期回転される一対のポンプ歯車を設けた歯車ポンプと、
   前記主軸によってロータが回転される発電機と、
   前記蒸気式静圧タービンへ送る水蒸気を発生させるボイラーと、
   前記蒸気式静圧タービンから排出される水蒸気を冷却して復水させる復水器とを備え、
   該復水器で復水された水を前記歯車ポンプによって送水して前記ボイラー内へ戻すようにしたことを特徴とする静圧タービン発電装置。
2. 請求項１に記載の静圧タービン発電装置において、前記ハウジングの肉厚内に前記歯車ポンプの復水吸い込み口側経路を形成し、前記主軸の軸受部を該復水吸い込み口側経路に連結したことを特徴とする静圧タービン発電装置。
3. 請求項１又は２に記載の静圧タービン発電装置において、前記一対の楕円歯車のそれぞれ両端面に、該各楕円歯車の回転軸心に対して対称で同一形状の凹部を設け、該各凹部を、それぞれ絞り部を介して前記タービン室の高圧側蒸気室と連通させたことを特徴とする静圧タービン発電装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の静圧タービン発電装置において、前記のボイラー内の水蒸気の圧力を調整する圧力調整用レギュレータバルブと、該圧力調整用レギュレータバルブから漏れ出る蒸気を前記復水器へ導く水蒸気通路を設けたことを特徴とする静圧タービン発電装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の静圧タービン発電装置において、前記主軸によってロータが回転される発電機を、該主軸の両端側に一対設け、
   該一対の発電機の一方の発電機のロータと他方の発電機のロータとで、磁極の位置を回転方向に１／２ピッチずらしたことを特徴とする静圧タービン発電装置。
   
   
   
   
   
   

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