JP2016512298A - Ｏｔｅｃ作動流体ポンプモータを冷却するシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

作動流体ポンプ吐出口からのサブクール作動流体が、直接、又は二次流体との熱交換を介して間接的に、作動流体ポンプモータを冷却するために使用される、ＯＴＥＣシステムにおける冷却システム及び方法が記載されている。作動流体が蒸発器まで流れる直前までに作動流体の中に廃棄されていくモータからの熱は、蒸発器における熱負荷を軽減する一助となり、そのことは、蒸発器がエネルギーを生成する潜在能力の増大を意味する。また、ＯＴＥＣシステムにおけるような二相蒸発器は、単相加熱における単相熱交換器よりも効率が低いため、作動流体のこの予熱は、蒸発器の性能を大きく助長することとなる。

Description

発明の詳細な説明

［分野］
本開示は、海洋熱エネルギー変換（ＯＴＥＣ）システム、及びＯＴＥＣシステムで使用される作動流体ポンプモータの冷却に関する。
［背景］
従来のＯＴＥＣシステムでは、多くの構成要素が水位より下に位置している。そのような構成要素の１つが、作動流体凝縮器の熱交換器である。必要吸込ヘッドにより、作動流体ポンプは凝縮器よりも下に位置していなければならず、よって、作動流体ポンプの位置は水位の下でなければならないことにもなる。

市販される汎用（ＣＯＴＳ）作動流体ポンプは、水中に沈めて利用することはできない。結果として、作動流体ポンプは、海洋環境及び圧力差から隔絶されるために、圧力容器内に位置していなければならない。これにより、熱放散が複雑化することになる。モータ巻線、シール、ベアリング、及び潤滑剤等の主要な作動構成要素を低温に維持しておくために、モータから熱を放散する必要がある。

モータの非効率性（公称５％）は、熱の形態で機械的仕事に直接変換されることとなる。この熱は、それが生成された速度で抽出されなければならない。さらに、モータの温度は、一定の温度（通常、摂氏４０度）を超えることができない。１つの解決策は、圧力容器を取り巻く海水をヒートシンクとして利用することである。残念ながら、圧力容器は、圧力容器内部の空気対流及び圧力容器外部の天然の海水対流に依存できるだけの十分な表面積を提供できない。水を強制的に容器の周囲に巡らせて強制対流を起こす一方、圧力容器の内部で強制対流を起こすために空気を循環させたとしても、モータを十分に冷却できるほど十分に迅速には熱は放散し得ない。

別の選択肢は、モータを冷却するために、圧力容器の内部又は外部に位置する熱交換器を通るように、汲み上げられる海水を利用することである。残念ながら、この選択肢では、海水入口及び海水出口（内部の熱交換器の場合）、又は、熱交換器への追加の作動流体入口及び出口（外部の熱交換器の場合）、海水フィルタ（障害ポイント）、追加のポンプ（障害ポイント）、追加のシール（障害ポイント）が必要となり、また、腐食性の高い（故障の可能性を高める）海水の直接利用が行われる。
［概要］
作動流体ポンプ吐出口からのサブクール作動流体が、直接、又は二次流体との熱交換を介して間接的に、作動流体ポンプモータを冷却するために使用される、ＯＴＥＣシステムにおける冷却システム及び方法を説明する。

一実施形態では、図３に示すように、直接冷却は、直接的な強制対流による冷却のために、作動流体をモータのジャケットに通すことを含み得る。一実施形態では、間接冷却は、作動流体から空気への熱交換、又は、作動流体から真水等の二次流体への熱交換のいずれかを含み得る。空気を用いる場合、熱交換器は、圧力容器内の空気と作動流体との間で熱交換することになる。二次流体を用いる場合、熱交換器は、図２に示すように、モータのウォータジャケットを通る二次流体と作動流体との間で熱交換することになる。

冷却用の作動流体は、作動流体ポンプ吐出口の高圧側から取り込まれ、熱交換器を通過するか、又は直接モータへと送られ、続いて、ポンプ吐出口に再導入されて、ある程度サブクール度が低下した状態で蒸発器へと進み続けることになるか、あるいは、作動流体はポンプ吸入口の前に冷却ループに戻るように導かれ得る。このサブクール度を低下させる選択肢は、作動流体からある程度のサブクール状態を除去することにより、そうでなければ蒸発器によってもたらされるであろう熱を減少させる。また、蒸発器は二相熱交換器として設計されているため、サブクール度がより低い作動流体は、より効率的に気化される。したがって、そうでなければこのシステムの両側で無駄になっていただろう熱エネルギーは、最終的な利益のためにシステムの中に回収される。

一実施形態では、空気又は窒素等の不活性ガスを収容する内部空間、内部空間への流体入口、及び、内部空間からの流体出口を画定する圧力容器を備えるポンプシステムが提供される。ポンプは、内部空間に配置され、このポンプは、圧力容器の流体入口に連通される吸入口と、圧力容器の流体出口に連通される吐出口とを有する。さらに、モータが内部空間に配置され、ポンプを駆動するためにポンプに接続されている。モータ冷却流路が内部空間に配置され、モータと熱交換関係にある。モータ冷却流路は、ポンプ吐出口に連通されてポンプ吐出口から流体を受け入れる入口部と、ポンプ吐出口又はポンプ吸入口に連通される出口部とを備える。

別の実施形態では、凝縮器と、蒸発器と、作動流体ポンプと、凝縮器、蒸発器、及び作動流体ポンプを相互接続する閉ループ管とを有する作動流体回路を備える、海洋熱エネルギー変換システムが提供される。二相作動流体が、作動流体回路の中に入っている。作動流体ポンプ、蒸発器、及び凝縮器は、水面下に配置され、作動流体ポンプは、空気又は窒素等の不活性ガスを収容する内部空間、閉ループ管に連通される内部空間への流体入口、及び、閉ループ管に連通される内部空間からの流体出口を画定する圧力容器内に配置されている。ポンプは、圧力容器の流体入口に連通される吸入口と、圧力容器の流体出口に連通される吐出口とを有する。モータは、内部空間に配置され、ポンプを駆動するためにポンプに接続されている。さらに、モータ冷却流路が内部空間に配置され、モータと熱交換関係にある。モータ冷却流路は、ポンプ吐出口に連通されてポンプ吐出口から作動流体を受け入れる入口部と、ポンプ吐出口又はポンプ吸入口に連通される出口部とを備える。

別の実施形態では、海洋熱エネルギー変換システムにおいて、ポンプを駆動するポンプモータを冷却する方法が提供されており、この方法では、ポンプ及びポンプモータが、水面下に配置されている圧力容器の内部空間に配置され、ポンプが二相作動流体を給送する。この方法では、圧力容器の内部空間で、作動流体は、ポンプモータと熱交換するためにポンプの吐出口から導かれ、ポンプモータと熱交換した後で、作動流体は、ポンプ吐出口又はポンプの吸入口に戻るように導かれる。

本明細書に記載されるポンプモータ冷却システムを使用し得るＯＴＥＣシステムを示す。 ポンプモータ間接冷却システムの例を示す。 ポンプモータ直接冷却システムの例を示す。

［詳細な説明］
作動流体ポンプの吐出口からのサブクール作動流体が、直接、又は二次流体との熱交換を介して間接的に、作動流体ポンプモータを冷却するために使用される、ＯＴＥＣシステムにおける冷却システム及び方法について説明する。

図１は、ＯＴＥＣ発電システム１００の設計の概略図である。ＯＴＥＣシステムの全体的な構成及び動作は、当業者には周知である。ＯＴＥＣシステム１００は、大洋、海、塩湖又は淡水湖等のあらゆる適する水に設置され得る。

本実施形態では、システム１００は、洋上プラットホーム１０２と、タービン発電機１０４と、蒸発器１１０−１を備える作動流体回路と、凝縮器１１０−２と、作動流体ポンプ１１４と、凝縮器、蒸発器、及び作動流体ポンプを連通状態で相互接続し、タービン発電機１０４も通って延在する、閉ループ作動流体管１０６とを備える。例えばアンモニアであるがこれには限らない二相作動流体１０８が、作動流体回路内に収容されている。システム１００は、海水ポンプ１１６及び１２４と、流体管１２０、１２２、１２８、及び１３０とをさらに備える。

図１に示すように、作動流体ポンプ１１４、蒸発器１１０−１、及び凝縮器１１０−２は、大洋、海、淡水湖等であり得る水の水面１１２の下に配置されている。
蒸発器１１０−１は、従来の構成とすることが可能であり、熱交換器を備える。この熱交換器は、水面域における暖かい海水からの熱を作動流体１０８に伝えることにより、作動流体の気化を誘発するように構成されている。凝縮器１１０−２もまた、従来の構成とすることが可能であり、熱交換器を備える。この熱交換器は、気化した作動流体１０８からの熱を、深水域からの冷たい海水に伝えることにより、気化した作動流体１０８の凝縮を誘発して液状に戻すように構成されている。

図２を参照すると、作動流体ポンプ１１４は、空気又は窒素等の不活性ガスを収容する内部空間１２を画定する圧力容器１０内に配置されている。容器１０は、内部空間１２への作動流体入口１４を備え、閉ループ管１０６とポンプの吸入口とに連通された容器内部の流体管１６も備えている。入口１４及び流体管１６は、凝縮器１１０−２からの低圧作動流体を容器１０の中へ、そしてポンプ吸入口へと導く。さらに、容器１０は、内部空間からの作動流体出口１８を備え、閉ループ管１０６とポンプの吐出口とに連通された容器内部の流体管２０も備えている。出口１８及び流体管２０は、ポンプからの高圧作動流体を閉ループ管１０６に導き、高圧作動流体は蒸発器１１０−１へと流れる。

作動流体ポンプモータ２２は、内部空間１２に配置され、ポンプを駆動するためにポンプ１１４に接続されている。図２に示される実施形態では、モータ冷却流路２４は、内部空間１２に配置され、モータ２２とは間接的に熱交換関係にある。モータ冷却流路２４は、流体管２０を介してポンプ吐出口に連通されて、ポンプ吐出口から作動流体を受け入れる入口部２６と、流体管２０を介してポンプ吐出口に連通されている出口部２８とを備える。モータ冷却路２４は、入口部２６が作動流体を熱交換器３０へと導き、出口部２８が作動流体を熱交換器３０から導くように、熱交換器３０を通って延在している。

この実施例では、熱交換器３０は、圧力容器１０内に配置された液体冷却回路３２の一部である。冷却回路３２は、熱交換器３０とモータ２２の内部との間に、清浄水等の冷却液を収容する閉ループ冷却液流路３４を備える。流路３４内の液体は、冷却する必要があるモータ部品から熱を受け取る。加熱された液体は、続いて熱交換器３０に導かれ、該熱交換器３０において、流路２４内の作動流体と熱交換が行われる。冷却された液体は、続いてモータ２２に戻され、このサイクルが繰り返される。

出口部２８を介して戻される作動流体は、熱交換器３０内で加熱される。熱が蒸発器１１０−１の直前までに作動流体に廃棄されるため、蒸発器における熱負荷は減少し、このことは、蒸発器がエネルギーを生成する潜在能力の増大を意味する。また、ＯＴＥＣシステムにおけるような二相蒸発器は、単相加熱における単相熱交換器よりも効率が低いため、蒸発器に入る前の作動流体のこの予熱は、蒸発器の性能を大きく助長することとなる。

出口部２８が作動流体をポンプ吐出口に戻す代わりに、出口部２８は、図２の破線２８’で示されるように、管１６を介して作動流体をポンプ１１４の吸入口に戻すことが可能である。

さらに、図２では、作動流体が熱交換器内で液体冷却回路３２と熱交換することが説明及び図示されているが、他の冷却の選択肢を用いることも可能である。例えば、液体冷却回路３２を設けなくてもよく、熱交換器３０を流れる作動流体は、容器の内部空間１２の空気又は不活性ガスと熱交換してもよい。強制循環／対流によって、モータ２２から容器内の空気又は不活性ガスへと熱を放散させることが可能である。加熱された空気／不活性ガスは、続いて熱交換器３０を介して冷却される。

図３は、内部空間１２に配置され、モータ２２と直接の熱交換関係にある、モータ冷却流路４０を備える実施形態を示す。モータ冷却流路４０は、流体管２０を介してポンプ吐出口に連通されて、ポンプ吐出口から作動流体を受け入れる入口部４２と、流体管２０を介してポンプ吐出口に連通されている出口部４４とを備える。本実施形態では、入口部４２は、作動流体を直接モータに導き、そこで作動流体は、モータ部品を直接冷却するために用いられる。出口部４４は作動流体をポンプ吐出口に戻し、作動流体は蒸発器へと進み続ける。

出口部４４が作動流体をポンプ吐出口に戻す代わりに、出口部は、図３の破線４４’で示されるように、管１６を介して作動流体をポンプ１１４の吸入口に戻してもよい。
本願で開示されている実施例は、あらゆる点において、例示的であって限定的なものではないとみなされるべきである。本発明の範囲は、上述の説明によってではなく、添付の特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内である変更は全て、特許請求の範囲内に含まれることが意図されている。

Claims (15)

1. モータによって駆動されるポンプによって蒸発器に送り込まれる二相作動流体を気化する前記蒸発器の性能を向上させる方法であって、該方法は、
   前記モータと熱交換するために、前記ポンプの吐出口からの前記作動流体の一部を使用することと、
   前記蒸発器に到達する前記作動流体が上昇した温度となるように、前記モータと熱交換した後で、前記作動流体が前記蒸発器まで流れる前に、前記作動流体の前記一部を前記ポンプ吐出口、又は前記ポンプの吸入口に戻るように導くことと
   を含む方法。
2. 前記蒸発器は、海洋熱エネルギー変換システムの一部である二相蒸発器であり、前記ポンプ及び前記ポンプモータは、水面下に配置されている圧力容器の内部空間に配置され、
   前記作動流体は、前記圧力容器の前記内部空間にある前記モータと熱交換する、請求項１に記載の方法。
3. 前記二相作動流体はアンモニアである、請求項２に記載の方法。
4. 前記作動流体が前記モータと直接の熱交換関係にあるように、前記モータ内に前記作動流体を導くことを含む、請求項２に記載の方法。
5. 前記圧力容器内に配置されて前記モータと直接の熱交換関係にある液体冷却回路と熱交換するために、前記作動流体を熱交換器を通るように導くことを含む、請求項２に記載の方法。
6. 前記モータと熱交換した後に、前記ポンプ吐出口に前記作動流体を戻すように導くことを含む、請求項２に記載の方法。
7. ポンプシステムであって、
   空気又は不活性ガスを収容する内部空間、該内部空間への流体入口、及び、前記内部空間からの流体出口を画定する圧力容器と、
   前記内部空間に配置されたポンプであって、前記圧力容器の前記流体入口に連通される吸入口、及び、前記圧力容器の前記流体出口に連通される吐出口を有するポンプと、
   前記内部空間に配置されて、前記ポンプを駆動するために前記ポンプに接続されているモータと、
   前記内部空間に配置されて前記モータと熱交換関係にあるモータ冷却流路であって、前記ポンプ吐出口に連通されて前記ポンプ吐出口から流体を受け入れる入口部、及び、前記ポンプ吐出口又は前記ポンプ吸入口に連通される出口部を有するモータ冷却流路と
   を備えるポンプシステム。
8. 前記圧力容器は水面下に配置され、前記ポンプは二相流体を給送するように構成されている、請求項７に記載のポンプシステム。
9. 前記二相流体はアンモニアである、請求項８に記載のポンプシステム。
10. 前記モータ冷却流路は、前記モータと直接の熱交換関係にあり、前記モータ冷却流路は、前記モータを通るように延在する部分を備える、請求項７に記載のポンプシステム。
11. 前記モータ冷却流路は、前記モータと間接的な熱交換関係にある、請求項７に記載のポンプシステム。
12. 前記圧力容器内に配置された液体冷却回路をさらに備え、該液体冷却回路は、前記モータ冷却流路と熱交換関係にある熱交換器を有する、請求項１１に記載のポンプシステム。
13. 前記圧力容器内に、前記圧力容器内の前記空気又は不活性ガスと熱交換関係にある熱交換器をさらに備え、前記モータからの熱は、前記空気又は不活性ガス中に放散される、請求項１１に記載のポンプシステム。
14. 海洋熱エネルギー変換システムであって、
    請求項６に記載の前記ポンプシステム、凝縮器、蒸発器、ならびに前記凝縮器、前記蒸発器、及び前記ポンプを相互接続する閉ループ管を有する作動流体回路と、
    前記作動流体回路の中の二相作動流体と
    を備え、
    前記ポンプ、前記蒸発器、及び前記凝縮器が水面下に配置され、
    前記流体入口が、前記閉ループ管によって前記凝縮器に連通され、前記流体出口が、前記閉ループ管によって前記蒸発器に直接連通される、海洋熱エネルギー変換システム。
15. 前記蒸発器は二相蒸発器である、請求項１４に記載の海洋熱エネルギー変換システム。

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