JP2021527775A - 熱電分散型コジェネレーション用のコンパクトなランキンターボジェネレータ装置 - Google Patents

Abstract

コンパクトな熱電コジェネレーション装置は、ａ）発熱システムと、ｂ）発電システムと、を備える。発熱システムは、蒸気発電機、コンデンサ、及び、内部作動流体に接続されている。蒸気は、ボイラ内での好適な燃料の外燃によって、及び／又は、ボイラへの外部高温ガスの伝導によって得られる。発電システムは、ｉ）１つまたは複数のラジアルタービン及び／又はアキシャルタービンと、ｉｉ）軸流発電機と、ｉｉｉ）電子制御インバータと、を備える。燃料は、固体燃料、液体燃料、又は、気体燃料とすることができる。タービン及び発電機は、両方とも、パッシブ磁気軸受と、動電軸受と、を備えている。全ての可動部品が、作動流体を含んでいる作動流体格納容器に収容されているために、機器はメカニカルシールを使用しない。
【選択図】 図３

Description

本発明は、電気・熱発生装置の分野に関する。具体的には、本発明は、電気と熱を同時に発生させる装置または小型装置に関する。

分散型の発電機器は、（ネットワークに影響を与えることなく）ユーザ施設における電力使用量の一部を補うことができ、又は、ネットワークに変更を加えることなく、ネットワークに電力を注入することができる、（１，０００ｋＷ以下の）低電力発電システムである。

コジェネレーションシステムは、発電設備の余熱を利用して、ユーザからの熱要求を完全に又は部分的に供給する装置又は固定設備である。一方、電力を生成するために、熱プロセス（炉、ボイラー等）の余熱を利用するコジェネレーションシステムも存在する。

本発明は、２つの方式のどちらでも機能することができる。即ち、それ自体で熱を生成するか、又は、外部の余熱を使用することができる。どちらの場合でも、装置は、ユーザの電力消費を部分的に又は全体的に補う電力を生成し、熱及び電気エネルギーを別個にではなく一緒に供給することによって、燃料必要量の総量を大幅に低減する。

これを達成する方法は、永久磁石ジェネレータを駆動する高速マイクロタービンを駆動するランキン型熱サイクル（液体−蒸気）の実装に基づいている。電力は、電子インバータによってローカルネットワーク（ユーザ施設）に供給される。

熱電コジェネレーションを達成するための技術的な代替手段は数多くある。熱機械は、ブレイトン、オットー、ディーゼル、スターリングのような種々のサイクルに基づくことができる。発電機は、ネットワークと同期するか、又は、電子インバータに電力を供給することができる。熱機械と発電機が直接的に結合されていてもよいし、熱機械と発電機との間に中間固定減速ボックス又は中間可変減速ボックスがあってもよい。燃料電池をベースにしたシステムもあり、その場合、熱機械と発電機は同じ装置である。

当該技術分野における現存のコジェネレーションシステムは、本出願の装置が克服しようとする以下の技術的問題に直面する。
ａ）オットー・ディーゼルサイクルに基づく機械（ピストンエンジン）は、使用する燃料の種類や品質に大きく左右される。これらは、オクタン価、粘性、不純物含有量、湿気等が十分に制御された特性を有していなければならない。さらに、それらが使用する内部機構が原因で、構成要素が大きな摩擦力を受ける。従って、複雑な潤滑システムと、定期的で厳密な予防保全と、が必要になる。
ｂ）ブレイトンサイクルを使用する機械（ガスタービン）は、かなり少数の可動部品で構成されるため、潤滑の必要性が部分的に、又は完全になくなる。主な問題は、燃料の品質に対して敏感であることである。内燃機関を使用する場合、燃料中に不純物が存在すると、最も熱的及び機械的要求が高い構成要素において、後燃焼腐食という重大な問題が起こる可能性がある。
ｃ）スターリング型機械（ダブルピストンシステム）は、外部の燃焼室を使用することによって、燃料に対する敏感さを解決する。ピストンを使用するので、潤滑の問題を解決しない。スターリング装置の主な問題は、前述のシステムと同様の電力を生産するためにサイズが大きくないといけないことである。

米国特許第６，２３４，４００号として公開された文献には、建物及び家のための熱電コジェネレーションのための装置が言及されている。熱サイクルのコンデンサは、空気冷却器、及び／又は、加熱のための温水アキュムレータタンクである。低速スパイラル型エキスパンダに外部で結合したラジアルフロー発電機が用いられている。使用される軸受、又は、潤滑剤の種類は特定されておらず、従来品と考えられる。

米国特開第２００６／２２０３８８号として公開された文献には、ブレイトン／ランキンが組み合わされたターボグループが記載されている。タービン及びコンプレッサは、永久磁石及びラジアルフロー発電機と同じシャフトに取り付けられている。アセンブリは、同じハウジング内に収容されており、従来の軸受で支持されている。ランキンタービンの作動流体は、従来のメカニカルシールによって残りの部分から隔離されている。

Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙは、Ｃａｌｅｎｔｉｘ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓのライセンス下で、ＧＥ Ｃｌｅａｎ Ｃｙｃｌｅ装置を提供している。これは、メカニカルシール、及び、潤滑なしで、密閉容器内に収納された高速タービン−発電機アセンブリを供給する有機ランキンサイクルである。この場合、発電機はラジアル型である。回転アセンブリはアクティブ磁気軸受によって支持されるが、これは完全なパッシブシステムとは異なり、複雑な制御電子機器と定電力供給を必要とする。全ての出力が遮断される場合、アクティブ磁気軸受は、シャフトを固定子に直接的に機械的接触させてしまい、大きな損傷を引き起こす可能性がある。

Ｃａｐｓｔｏｎｅ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎは、タービン−圧縮機−ジェネレータアセンブリがパッシブ空気軸受によって支持されているコンパクトなブレイトンターボジェネレータを開発する。この場合、発電機はラジアル型であり、空気軸受は、ガス（一般的には空気）の特性に依存するレオロジー現象に基づいており、起動するとき及び停止するときに機械的な摩耗を受ける。また、ブレイトンサイクルの内燃機関は、燃料の種類、及び、品質に非常に敏感である。

本発明は、様々な種類の燃料（ガス状又は液状炭化水素、バイオ燃料、固形有機物等）をエネルギー源として使用するコンパクトな発熱・発電装置である。前述の装置は、他のプロセスのための加熱又は加熱源として使用することができる外部の冷却流体に熱を送りながら、分離又は相互接続された低電圧ネットワークに電力を送ることを可能にする。

本発明は、軸流及び低ヒステリシス発電機、パッシブ磁気軸受、及び、パッシブ動電軸受のような、新しく、かつ、工業的にほとんど知られていない技術の使用に基づいている。

次いで、本発明は、ガス、ディーゼル、ペレットバーナー、シェル及びチューブ熱交換器、プレート熱交換器、同心チューブ熱交換器、ラジアル及びアキシャルマイクロタービン、遠心及び容積式ポンプ、パワーエレクトロニクス、及び、マイクロコントローラのような、既に存在し、広く普及している一群の技術に属している。

低ヒステリシス及びパッシブ電気軸受を有するマイクロタービン、及び、発電機の使用は、運転信頼性が高く、メンテナンスの要求が最低限である点で、現在の技術と比較して優れた運転特性を本発明に付与する。

外部の燃料バーナ及び熱交換器の使用は、許容される燃料の種類及び品質の点で、現状の技術に優る汎用性を本発明に与える。

発明の実施形態の概略図であり、燃料がエネルギー源として使用される。 発明の代替的な実施形態の概略図であり、他のプロセスからの廃熱が使用される。 回転システムの断面図である。 軸流発電機の概略図である。 シャフト１７の一方の端部の概略図である。 コンパクトな発熱・発電装置の３つの図を示し、その寸法が、平均的な成人のシルエットを基準として比較されている。

本発明は、様々な種類の燃料（ガス状又は液状炭化水素、バイオ燃料、固形有機物等）をエネルギー源として使用するコンパクトな発熱・発電装置である。また、この装置は、別の独立したプロセスからの廃熱を、発電するためのエネルギー源として使用することができる。

図１は、燃料バーナ１３と、高圧タービン０１と、低圧タービン０２と、冷却流体のための熱レキュペレータ０７と、を示す。

油圧ポンプ０４は、高圧の液体状態下にある内部の作動流体（例えば、水または何らかの有機流体）を熱交換器０５の一方側に圧送する。熱交換器０５の他方側では、気体、液体又は固体燃料１２がそのタイプに適したバーナ１３内で燃焼することによって、高温ガスの混合物が循環する。図２は、この方式の変形例を示している。別の機械又は独立したプロセス３２の高温排ガスが、熱交換器０５に適切に伝導される（３３）。この方式では、自機の燃料は、燃焼されない。

図３は、２つのタービン０１、０２と、発電機０９と、パッシブ磁気軸受１４と、動電軸受１５と、完成したターボグループ圧力格納容器１６と、を備える回転システムを示す。

作動流体は、熱交換器０５内で加熱され、乾燥した又はわずかに湿度を含む蒸気になるまで相変化し、タービン０１に導かれ、その中で、圧力および温度を低下させることによって機械的動力を供給する。本発明の代替において、作動流体は、第２のタービン０２に導かれ、二度目の膨張及び冷却が行われ、より多くの機械的動力を供給する。

低圧の作動流体は、熱交換器０３の一方の側に入り、完全に凝縮するように冷却が行われ、次いで、油圧ポンプ０４に戻される。低圧の作動流体は、常に閉回路内に留まり、システム及び環境の残りの部分から油圧的に隔離される。

冷却流体０６は、熱交換器０３の他方の側を循環し、装置の作動流体によって送達された熱を吸収する。作動流体と直接接触しないこの冷却剤は、熱交換器０７を通過してバーナ１３の燃焼ガス、又は、外部プロセスからの高温ガスからの廃熱を吸収する。従って、冷却剤の温度を上昇させ、装置の全体効率を向上させる。温度の高い冷却流体０８によって、余熱が輸送され、建物の暖房や様々な工業プロセスのための熱源としての使用が可能になる。本発明の代替では、冷却剤は熱交換器０７を通過せず、冷却塔に直接導かれる。

タービン０１、０２は、永久磁石のロータ、及び、軸流発電機０９を含むシャフトと連動して回転する。前述のターボグループは、高速かつ可変の速度で回転し、発電機は高周波交流の形態で電力を送達できる。電子装置１０は、発電機によって送達された電力を適合させ、様々な負荷が接続され得る低電圧電気ネットワーク（例えば、３８０Ｖ）に注入する。低電圧電気ネットワークは、より大きな配電ネットワークに接続されてもいてもよいし、接続されていなくてもよい。

ターボグループは、ラジアルパッシブ磁気軸受１４によって支持され、径方向に中心合わせされる。前述のターボグループは、垂直方向又は水平方向に配向されることができ、特定の回転速度を超えて動作する１つ又は複数のパッシブ動電軸受１５によって、その軸方向の位置を維持する。高速で回転している間、ターボグループは、装置の残りの部分と機械的に接触しておらず、パッシブな電磁力によってのみ支持され、かつ、安定化される。

ターボグループ、発電機のコイル、パッシブ磁気軸受１４、動電軸受１５、及び始動のための他の支持システムは、作動流体を前述の閉回路内に保持する密封容器１６の内部に完全に収容される。

図４は、シャフト１７に接続され、それぞれが永久磁石１９を含む２つ以上のロータディスク１８を備える軸流発電機０９を示す。各一対のディスクの間には、冷却ダクト２４を有する、巻線２２と強磁性コア２１からなるステータが配置されている。即ち、軸流発電機０９は、ロータアセンブリとステータアセンブリとによって形成されている。ロータアセンブリはターボグループのシャフト１７に固定されており、非強磁性ディスク１８に係合され、引力構成で互いに対向する偶数個の永久磁石１９を有する。発電機は、磁石を有する２つ以上のディスクを含んでもよい。各端部のディスクの外面において、ロータと一体である強磁性体のディスク２０が磁気回路を閉じる。

ステータアセンブリは、高電気抵抗強磁性体２１の多数のコアに巻き付けられた導体２２を収容する。これらのコアは、対向する磁石の間の磁気回路を閉じることを可能にする。導体の外周は、熱伝導性物質２３に接触しており、熱伝導性物質２３は内部の熱を発電機のハウジングに放散させる。熱導体及び強磁性コア内の循環ダクト２４は、ロータとステータとの間の粘性力によって誘起されるプロセスガスの流れを可能にする。この流れによって、ステータの最も内側の領域において、より多くの熱が除去され輸送される。

図５は、１つの可動磁石２５及び１つの固定磁石２６から構成されるパッシブ磁気軸受１４のうちの１つの位置を、シャフトストップ２８と、始動及び停止のための補助軸受２９とともに示す。シャフトの同じ端部には、動電軸受１５が示されており、動電軸受１５は、シャフトと一体化した導体ディスク３０及び固定永久磁石３１のアセンブリによって形成されている。ターボグループは、シャフト１７の端部近傍において、２つのパッシブ磁気軸受１４によって半径方向に支持されている。各軸受は、永久磁石及び同心円環状磁石の１つまたは複数のペアによって形成されている。永久磁石及び同心円環状磁石のペアは、可動磁石２５及び他の固定磁石２６である。固定磁石２６は、ターボグループとステータアセンブリの間に生じうる長さの差にかかわらず正しい位置合わせを可能にする、アキシャルレジスタ２７上に配置される。ターボグループの軸方向の位置の安定化は、シャフトに固定された中実又は孔の開いている導体ディスク３０と、固定ディスクによって支持され、反発構成で互いに対向する２セットの永久磁石３１と、を備える１つ以上の動電軸受によって達成される。図３に示すように、この構成を逆にすることができ、駆動ディスクはハウジングに固定され、磁石を支持するディスクはシャフトと一緒に回転する。

本装置の新規な技術的特徴は以下の通りである。
１.同軸に搭載された、気熱液サイクルで駆動するタービンと、低ヒステリシス軸流発電機とを発電プラントとして使用する。この方法により、発電機は効率的に高速（高周波）で運転することができる。
ランキンサイクル発電プラントが開示されているが、これらは大型になる傾向にある。コンパクトな発電機システムの中にはランキンサイクルを使用するものもあるが、それらは通常、タービンと発電機の間に、ネットワークと同期している減速機を介在させている。
２.構成要素のいずれにおいても潤滑を必要としない。タービンと発電機とを備える回転システムは、磁気軸受と導電軸受を使用し、機械的摩擦がないため、いかなる種類の潤滑も必要としない。従来の発電機（大型発電プラントを含む発電機）では、回転部分や摩擦部分の全てに潤滑油を使用している。パッシブ電磁力によって駆動されるこの装置の軸受は、アクティブ磁気軸受のような電子機器をモニター及び制御することを必要としない。
３.熱源、及び、冷却源は、完全に熱サイクルの外部にある。このシステムは、ピストンエンジンやガスタービン（ブレイトンサイクル）とは異なり、ボイラと同様に外部で燃料を燃焼させる。典型的には、この方法は大型発電プラントで使用され、コンパクトな機器では使用されない。

前述の技術的特徴に関して、以下の利点がある。
１.減速機を使用しないことで、可動部の数を大幅に削減させる。タービンと発電機が同じ密閉容器内に収納され、作動流体に浸されているので、メカニカルシールを必要としない。これらの特性は、システムの全体性能の向上をもたらす。
２.潤滑剤や、摩擦により著しく摩耗した部品を交換する必要がないため、メンテナンスの頻度は非常に少なくてよい。パッシブ軸受の設計が簡単であり、かつ、システムが完全にシャットダウンした場合でも、ターボグループの速度が大幅に低下して補助始動軸受のみで対応できるようになるまでパッシブ軸受が機能するため、システムの信頼性は高い。
３.外燃によって、内燃システムにおける燃焼生成物に関連した、全面腐食及び応力腐食の問題がなくなる。これにより、燃料の質（腐食剤、湿気等の存在）、燃料の種類（発熱量、燃焼速度等）に対する要求が最小限に抑えられる。これは、バイオマスのような固体燃料を含む燃料のタイプの使用に関して大きな柔軟性をもたらす。他のプロセスからの廃熱も、追加の燃料を必要とせずに使用することができる。

前述の技術的特徴に関して、以下の利点がある。
１.減速機を使用しないことで、可動部の数を大幅に削減させる。タービンと発電機が同じ密閉容器内に収納され、作動流体に浸されているので、メカニカルシールを必要としない。これらの特性は、システムの全体性能の向上をもたらす。
２.潤滑剤や、摩擦により著しく摩耗した部品を交換する必要がないため、メンテナンスの頻度は非常に少なくてよい。パッシブ軸受の設計が簡単であり、かつ、システムが完全にシャットダウンした場合でも、ターボグループの速度が大幅に低下して補助始動軸受のみで対応できるようになるまでパッシブ軸受が機能するため、システムの信頼性は高い。
３.外燃によって、内燃システムにおける燃焼生成物に関連した、全面腐食及び応力腐食の問題がなくなる。これにより、燃料の質（腐食剤、湿気等の存在）、燃料の種類（発熱量、燃焼速度等）に対する要求が最小限に抑えられる。これは、バイオマスのような固体燃料を含む燃料のタイプの使用に関して大きな柔軟性をもたらす。他のプロセスからの廃熱も、追加の燃料を必要とせずに使用することができる。
以下の項目は、出願当初の特許請求の範囲に記載の要素である。
（項目１）
軸流発電機に接続された１つまたは複数のラジアルタービン及び／又はアキシャルタービンによって構成される発電プラントを備え、
前記タービン及び前記発電機が同じシャフト上に取り付けられ、タービン−発電機アセンブリを構成する、
ランキンサイクルに基づくコンパクトな熱電コジェネレーション装置。
（項目２）
前記タービン−発電機アセンブリは、パッシブ磁気軸受によって径方向に支持されており、
前記パッシブ磁気軸受は、１つまたは複数の同心可動リング磁石とともに、１つまたは複数の固定リング磁石を備え、
前記固定リング磁石と前記同心可動リング磁石は前記シャフトの端部付近に取り付けられている、項目１に記載のコンパクトな熱電コジェネレーション装置。
（項目３）
前記パッシブ磁気軸受は、ステータとロータの長さの差を吸収し、前記ステータと前記ロータの正確な位置合わせを保証するためのアキシャルレジスタを有する、項目２に記載のコンパクトな熱電コジェネレーション装置。
（項目４）
前記タービン−発電機アセンブリは、１つまたは複数のパッシブ動電軸受、及び、始動、停止のための従来の補助軸受によって軸方向に支持され、かつ、安定化されている、項目２に記載のコンパクトな熱電コジェネレーション装置。
（項目５）
前記パッシブ動電軸受は、中実又は孔の開いている導体ディスクと、反発構成で互いに対向する永久磁石のセットと、を備える、項目４に記載のコンパクトな熱電コジェネレーション装置。
（項目６）
前記導体ディスク、及び、前記永久磁石のセットの一方が、ハウジングに固定され、前記導体ディスク、及び、前記永久磁石のセットの他方が、前記シャフトに接続されている、項目５に記載のコンパクトな熱電コジェネレーション装置。
（項目７）
燃料が、固体燃料、液体燃料、又は、気体燃料を含む、項目１に記載のコンパクトな熱電コジェネレーション装置。
（項目８）
前記タービン−発電機アセンブリは、前記パッシブ磁気軸受及び前記パッシブ動電軸受とともに、メカニカルシールを使用しないで、作動流体を収容する密封容器内に収容されている、項目４に記載のコンパクトな熱電コジェネレーション装置。
（項目９）
前記発電機は、ステータとロータとの間の粘性力によって流される前記作動流体が流れる内部冷却チャネルを備える、項目８に記載のコンパクトな熱電コジェネレーション装置。
（項目１０）
前記発電機は、低ヒステリシスであり、かつ電気抵抗が高い強磁性コアを有する、項目１に記載のコンパクトな熱電コジェネレーション装置。
（項目１１）
熱源及び冷却源が熱サイクルの外部にあるために、燃料は外部で燃焼し、冷却液は作動流体と接触しない、項目１に記載のコンパクトな熱電コジェネレーション装置。

Claims (11)

1. 軸流発電機に接続された１つまたは複数のラジアルタービン及び／又はアキシャルタービンによって構成される発電プラントを備え、
   前記タービン及び前記発電機が同じシャフト上に取り付けられ、タービン−発電機アセンブリを構成する、
   ランキンサイクルに基づくコンパクトな熱電コジェネレーション装置。
2. 前記タービン−発電機アセンブリは、パッシブ磁気軸受によって径方向に支持されており、
   前記パッシブ磁気軸受は、１つまたは複数の同心可動リング磁石とともに、１つまたは複数の固定リング磁石を備え、
   前記固定リング磁石と前記同心可動リング磁石は前記シャフトの端部付近に取り付けられている、請求項１に記載のコンパクトな熱電コジェネレーション装置。
3. 前記パッシブ磁気軸受は、ステータとロータの長さの差を吸収し、前記ステータと前記ロータの正確な位置合わせを保証するためのアキシャルレジスタを有する、請求項２に記載のコンパクトな熱電コジェネレーション装置。
4. 前記タービン−発電機アセンブリは、１つまたは複数のパッシブ動電軸受、及び、始動、停止のための従来の補助軸受によって軸方向に支持され、かつ、安定化されている、請求項２に記載のコンパクトな熱電コジェネレーション装置。
5. 前記パッシブ動電軸受は、中実又は孔の開いている導体ディスクと、反発構成で互いに対向する永久磁石のセットと、を備える、請求項４に記載のコンパクトな熱電コジェネレーション装置。
6. 前記導体ディスク、及び、前記永久磁石のセットの一方が、ハウジングに固定され、前記導体ディスク、及び、前記永久磁石のセットの他方が、前記シャフトに接続されている、請求項５に記載のコンパクトな熱電コジェネレーション装置。
7. 燃料が、固体燃料、液体燃料、又は、気体燃料を含む、請求項１に記載のコンパクトな熱電コジェネレーション装置。
8. 前記タービン−発電機アセンブリは、前記パッシブ磁気軸受及び前記パッシブ動電軸受とともに、メカニカルシールを使用しないで、作動流体を収容する密封容器内に収容されている、請求項４に記載のコンパクトな熱電コジェネレーション装置。
9. 前記発電機は、ステータとロータとの間の粘性力によって流される前記作動流体が流れる内部冷却チャネルを備える、請求項８に記載のコンパクトな熱電コジェネレーション装置。
10. 前記発電機は、低ヒステリシスであり、かつ電気抵抗が高い強磁性コアを有する、請求項１に記載のコンパクトな熱電コジェネレーション装置。
11. 熱源及び冷却源が熱サイクルの外部にあるために、燃料は外部で燃焼し、冷却液は作動流体と接触しない、請求項１に記載のコンパクトな熱電コジェネレーション装置。
    

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