JP2024057758A - 冷熱発電装置、及び冷熱発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】スラスト軸受における風損（ロス）を低減させることで、発電機性能の低下を抑制することができる冷熱発電装置を提供すること。【解決手段】内側ケーシングの内周側において第１ジャーナル軸受装置よりもロータシャフトの軸方向における一方側に配置されたスラスト軸受装置と、を備え、前記内側ケーシングの他方側の端面である他方側端面とディスク部との間には、熱媒体流路に接続される径方向隙間が画成され、前記内側ケーシングには、前記内側ケーシングの内部における前記第１ジャーナル軸受装置よりも一方側の第１空間と、前記径方向隙間と、を連通する少なくとも１つの均圧流路が形成される冷熱発電装置を提供する。【選択図】図３

Description

本開示は、冷熱発電装置、及び冷熱発電システムに関する。

液化ガス（例えば、液化天然ガス）は、輸送や貯蔵を目的として液化され、都市ガスや火力発電などの供給先に供給するに際して、海水などの熱媒体で昇温して気化させることが行われる。液化ガスを気化させる際に、冷熱エネルギーを海水に捨てるのではなく電力として回収する冷熱発電がある。

液化天然ガスを用いた冷熱発電サイクルとしては、ＯＲＣ（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｒａｎｋｉｎｅ Ｃｙｃｌｅ）が知られている。ＯＲＣは、クローズドループ内を循環する、水よりも沸点の低い低温の作動流体を、凝縮器（復水器）にて液化天然ガスで冷却、凝縮させた後に、ポンプにより昇圧し、蒸発器にて海水などを熱源として加熱して蒸発させ、この蒸気を冷熱発電用タービンに導入して動力を得るサイクルプロセスである。

特許文献１には、冷熱発電装置の小型化のために、同一ケーシング内にタービンと発電機を同軸上に配置した冷熱発電装置が開示されている。この冷熱発電装置では、軸の中央部に発電機が配置され、発電機よりも一方側にタービン、およびスラスト軸受が配置されている。

中国実用新案第２１０６６０２２９号明細書

特許文献１に示す従来の構成では、スラスト軸受は、ケーシングの内部における発電機よりも上流側に配置され、スラスト軸受が配置される場所は高圧となる。そのため、冷熱用発電タービンは、スラスト軸受において回転による風損（ロス）が生じ、発電機性能が低下する虞がある。

本開示は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、スラスト軸受における風損（ロス）を低減させることで、発電機性能の低下を抑制することができる冷熱発電装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本開示に係る冷熱発電装置は、液化ガスを加熱するための熱媒体を循環させるように構成された熱媒体循環ラインに設けられた冷熱発電装置であって、ロータシャフトと、前記ロータシャフトの外周面に支持されるモータロータと、前記モータロータに対向して配置されるモータステータと、を含む発電機と、前記発電機を収容する内側ケーシングと、前記内側ケーシングの外周側に配置され、前記内側ケーシングとの間に熱媒体流路を画定する外側ケーシングと、前記熱媒体流路に配置され、前記発電機よりも前記ロータシャフトの軸方向における一方側に配置された第１段タービン装置と、前記熱媒体流路に配置され、前記発電機よりも前記ロータシャフトの軸方向における他方側に配置された第２段タービン装置と、前記内側ケーシングの内周側において、前記発電機よりも前記他方側に配置されたジャーナル軸受装置と、前記内側ケーシングの内周面において、前記ジャーナル軸受装置よりも前記一方側に配置されたスラスト軸受装置と、を備え、前記第２段タービン装置は、第２段静翼と、前記第２段静翼よりも前記他方側に設けられた第２段動翼と、を含み、前記ロータシャフトは、径方向に沿って延在し前記第２段タービン装置の第２段動翼を支持するディスク部を含み、前記内側ケーシングの前記他方側の端面である他方側端面と前記ディスク部との間には、前記第２段静翼よりも前記他方側の前記熱媒体流路に接続される径方向隙間が画成され、前記内側ケーシングには、前記内側ケーシングの内部における前記ジャーナル軸受装置よりも前記一方側の第１空間と前記径方向隙間とを連通する少なくとも１つの均圧流路が形成される。

本開示の冷熱発電装置によれば、スラスト軸受装置が配置される位置の内側ケーシング内部の圧力を下げることができ、スラスト軸受装置による風損（ロス）を低減させることで、発電機性能の低下を抑制することができる。

本開示の一実施形態にかかる冷熱発電装置を備える冷熱発電システムの全体構成を概略的に示す概略構成図である。 本開示の一実施形態にかかる冷熱発電装置の概略断面図である。 本開示の一実施形態にかかる冷熱発電装置の第２段タービンまわりの拡大断面図である。 図２に示した冷熱発電装置のＡ－Ａ断面の概略図である。 図２に示した冷熱発電装置のＢ－Ｂ断面の概略図である。

以下、添付図面を参照して本開示の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本開示の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
なお、同様の構成については同じ符号を付し説明を省略することがある。

（冷熱発電システム）
図１は、本開示の一実施形態にかかる冷熱発電装置を備える冷熱発電システムの全体構成を概略的に示す概略構成図である。

本実施形態の一実施形態に係る冷熱発電システム１００は、液化ガスを加熱するための熱媒体を介して、液化ガスが有する冷熱エネルギーを電力として回収するための冷熱発電システム１００である。
冷熱発電システム１００は、特に限定されないが、例えば以下に説明する水上浮遊構造体１０Ａまたは陸用の液化ガス基地１０Ｂに設置される。

水上浮遊構造体１０Ａは、水上に浮遊可能な構造体である。水上浮遊構造体１０Ａは、プロペラなどの推進器を駆動させるように構成された推進装置を有し、推進装置を駆動させることで自走可能な船舶や、推進装置を有さない浮体を含むものである。水上浮遊構造体１０Ａにおいては、液状の液化ガスを貯留しており、液状の液化ガスを海水などで暖めて気化させ、不図示のエンジンに流入させて推進力を得ている。液化ガスを気化させる際に、冷熱発電システム１００により冷熱エネルギーを海水に捨てるのではなく、後述する冷熱発電装置１によって電力として回収する。

陸用の液化ガス基地１０Ｂでは、ＬＮＧ運搬船が輸送した液化ガスを受け入れ、貯蔵する。そして、都市ガスや火力発電所などの液化ガスの供給先に供給する際に、液化ガスを海水などで暖めてガスに戻すことが行われる。液化ガスを気化させる際に、冷熱発電システム１００により冷熱エネルギーを海水に捨てるのではなく、後述する冷熱発電装置１によって電力として回収する。

ここで、以下の実施例では、本開示の冷熱発電システム１００が、上述した水上浮遊構造体１０Ａのうち、液化ガスを燃料とする船舶１０に設置される場合を例に挙げて説明する。

冷熱発電システム１００は、図１に示されるように、冷熱発電装置１と、液化ガス供給ライン２と、凝縮器３と、加熱流体供給ライン４と、冷熱用ポンプ５と、蒸発器７と、熱媒体循環ライン９と、を備えている。冷熱発電装置１と、凝縮器３と、冷熱用ポンプ５と、蒸発器７とは、熱媒体循環ライン９によってそれぞれ接続されている。また、液化ガス供給ライン２は、凝縮器３に接続されている。また、加熱流体供給ライン４は、蒸発器７に接続されている。熱媒体循環ライン９、液化ガス供給ライン２および加熱流体供給ライン４のそれぞれは、例えば管路など流体が流通する流路を含むものである。そして、熱媒体が液体や気体に状態変化をしながら熱媒体循環ライン９内を循環することで、冷熱発電システム１００が駆動されるように構成されている。

熱媒体循環ライン９は、水よりも凝固点の低い熱媒体を循環させるように構成されている。以下、液化ガスの具体例として液化天然ガス（ＬＮＧ）を、熱媒体循環ライン９を流れる熱媒体の具体例としてプロパンを例に挙げて説明するが、本開示は、液化天然ガス以外の液化ガス（液化水素など）も適用可能であり、また、プロパン以外の熱媒体、例えばＲ１２３４ｙｆやＲ１２３４ｚｅなどを熱媒体循環ライン９に流れる熱媒体とした場合にも適用可能である。

凝縮器３は、熱媒体と液化ガスとが熱交換することで作動流体（熱媒体）を凝縮させるように構成されている。凝縮器３の内部には、熱媒体循環ライン９に接続され熱媒体循環ライン９を循環する熱媒体が流入する加熱側管路と、液化ガス供給ライン２に接続され液化ガス供給ライン２を流れる液化ガスが流入する被加熱側管路が設けられている。そして、加熱側管路を流れる熱媒体と被加熱側管路を流れる液化ガスとが熱交換するように構成されている。凝縮器３において、熱交換により熱媒体は冷却され凝縮し、液化ガスは加熱される。

凝縮器３よりも上流側の液化ガス供給ライン２は、液化ガス用ポンプ２２に接続され、液化ガス用ポンプ２２のさらに上流側は液化ガス貯留装置２１に接続されている。
液化ガス用ポンプ２２の駆動により、液化ガス貯留装置２１に貯留されている液体状の液化ガスは、液化ガス供給ライン２に送られ、液化ガス供給ライン２を上流側から下流側に向かって流れ、凝縮器３へと供給される。そして、凝縮器３の内部における熱交換により気化された液化ガスは、被加熱側管路を流れた後、再び液化ガス供給ライン２を流れ、凝縮器３の下流側に設置される船舶１０のエンジン（不図示）へ燃料として供給される。

冷熱用ポンプ５は、凝縮器３から供給された熱媒体を昇圧するように構成されている。熱媒体循環ライン９に接続される冷熱用ポンプ５が駆動することにより、熱媒体循環ライン９を熱媒体が循環する。熱媒体は、凝縮器３から冷熱用ポンプ５へ、冷熱用ポンプ５から蒸発器７へ、蒸発器７から冷熱発電装置１へ、冷熱発電装置１から凝縮器３へと流れる。

冷熱用ポンプ５は、熱媒体を昇圧できればよく、その形式は特に限定されない。例えば、ターボ形ポンプ（遠心ポンプ、斜流ポンプ、軸流ポンプなど）や容積形ポンプ（往復形ポンプ、回転形ポンプ）、特殊形ポンプ（水中モータポンプ）など、実施形態に合わせて形式を適宜選択できる。

蒸発器７は、冷熱用ポンプ５により昇圧された熱媒体と、冷熱発電システム１００の外部から導入された加熱流体とが熱交換することで熱媒体を蒸発させるように構成されている。蒸発器７の内部には、冷熱用ポンプ５により昇圧された熱媒体が流入し、熱媒体循環ライン９に接続される熱媒体被加熱側管路と、加熱流体供給ライン４に接続され、冷熱発電システム１００の外部から導入される加熱流体が流入する熱媒体加熱側管路が設けられている。そして、熱媒体被加熱側管路を流れる熱媒体と熱媒体加熱側管路を流れる加熱流体とが熱交換するように構成されている。蒸発器７において、熱交換により熱媒体は加熱され蒸発し、加熱流体は冷却される。

蒸発器７よりも上流側の加熱流体供給ライン４は、加熱流体用ポンプ４２に接続されている。加熱流体供給ライン４における加熱流体用ポンプ４２のさらに上流側は、冷熱発電システム１００の外部から加熱流体が導入されるように、加熱流体の供給源と接続されている。
加熱流体用ポンプ４２の駆動により、加熱流体の供給源から加熱流体が加熱流体供給ライン４に送られ、加熱流体供給ライン４を上流側から下流側に向かって流れ、蒸発器７へと供給される。そして、蒸発器７の内部における熱交換により冷却された加熱流体は、熱媒体加熱側管路を流れた後、再び加熱流体供給ライン４を流れ、冷熱発電システム１００の外部へ排出される。

上述した「加熱流体」は、蒸発器７において熱媒として熱媒体循環ライン９を循環する熱媒体を加熱させる流体であればよく、蒸気や温水、海水や、エンジン冷却水、常温の水であってもよい。
冷熱発電システム１００が船舶１０に搭載される場合には、加熱流体は、船舶１０において入手が容易な水（例えば、海水などの船外水や、船舶１０のエンジンを冷却したエンジン冷却水など）を好適に利用することが出来る。

冷熱発電装置１は、蒸発器７で生成された気体状の熱媒体によって駆動されるように構成されている。
また、冷熱発電装置１は発電機８を有している。そして、蒸発器７で生成された気体状の熱媒体によって後述する冷熱発電装置１のロータシャフト１１が回転することで、発電機８を駆動するように構成されている。冷熱発電装置１を駆動した気体状の熱媒体は、冷熱発電装置１の下流側に設置される上述した凝縮器３に向かって熱媒体循環ライン９を流れる。

（冷熱発電装置の構成）
図２は、本開示の一実施形態にかかる冷熱発電装置１の概略断面図である。図３は、本開示の一実施形態にかかる冷熱発電装置１の第２段タービン装置２４まわりの拡大断面図である。図４は、図２に示した冷熱発電装置のＡ－Ａ断面の概略図である。
以下、冷熱発電装置１における熱媒体の流れ方向における上流側を単に上流側と表すことがあり、冷熱発電装置１における熱媒体の流れ方向における下流側を単に下流側と表すことがある。
また、冷熱発電装置１の径方向を単に径方向と表し、冷熱発電装置１の周方向を単に周方向と表すことがある。
また、冷熱発電装置１の軸線ＣＡに沿った方向を単に軸方向と表すことがある。

幾つかの実施形態にかかる冷熱発電装置１は、図２に示されるように、ロータシャフト１１と、発電機８と、ケーシング６と、第１段タービン装置２３と、第２段タービン装置２４と、第１ジャーナル軸受装置１０３と、第２ジャーナル軸受装置１０４と、スラスト軸受装置１０２を備えている。

（ロータシャフト）
図示した実施形態では、ロータシャフト１１は、冷熱発電装置１の軸線ＣＡに沿って長手方向を有するシャフト部１１１と、シャフト部１１１の一方側（上流側）においてロータシャフト１１の径方向に沿って延在し、後述する第１段動翼２３Ｂを支持する一方側ディスク部１１３Ａと、シャフト部１１１の他方側（下流側）においてロータシャフト１１の径方向に沿って延在し、後述する第２段動翼２４Ｂを支持する他方側ディスク部１１３Ｂと、を含む。ロータシャフト１１の軸線は、冷熱発電装置１の軸線ＣＡ、およびケーシング６の軸線と一致している。
また、図２に示される実施形態では、ロータシャフト１１の軸線が水平方向と一致しており、シャフト部１１１の一方側の端部の中心と、シャフト部１１１の他方側の端部の中心とが、鉛直方向において同じ高さレベルに配置されている。

一方側ディスク部１１３Ａおよび他方側ディスク１１３Ｂは、シャフト部１１１にナットで固定されており、シャフト部１１１の外面から径方向外側に円板状に突出している。シャフト部１１１のうち、一方側ディスク部１１３Ａおよび他方側ディスク１１３Ｂが取り付けられている部分は、他の部分よりも小径に形成されている。

（発電機）
発電機８は、ロータシャフト１１の外周面に支持されるモータロータ８１と、モータロータ８１に対向して配置されるモータステータ８２を含むように構成されている。
図示した実施形態では、モータロータ８１はロータシャフト１１の外周面に一体的に形成されており、両者は一体構造をなしている。ただし、モータロータ８１とロータシャフト１１とが別体に形成され、ロータシャフトの外周面にモータロータ８１が支持されるように構成されていても良い。モータステータ８２は、後述する内側ケーシング６１の内周面６１１に支持されており、モータロータ８１よりも径方向における外側に配置されている。

（ケーシング）
ケーシング６は、ロータシャフト１１を収容する内側ケーシング６１と、内側ケーシング６１の外周側に配置され、内側ケーシング６１を収容する外側ケーシング６２により構成されている。

内側ケーシング６１は、冷熱発電装置１の軸方向に沿って長手方向を有し、冷熱発電装置１の軸方向における第１段動翼２３Ｂと第２段動翼２４Ｂとの間に配置されている。内側ケーシング６１の内部には空間６１０が形成されており、シャフト部１１１や発電機８（図示例では、モータロータ８１およびモータステータ８２）が収容される。

また、内側ケーシング６１と外側ケーシング６２との間には、熱媒体流路６３が画定される。熱媒体流路６３は、内側ケーシング６１の外周面６１２と外側ケーシング６２の内周面６２１との間に画定され、第１段静翼２３Ａの上流から第２段動翼２４Ｂの下流に至るまでロータシャフト１１の軸方向に沿って延在するように構成されている。
図示した実施形態では、熱媒体流路６３は、冷熱発電装置１の軸方向に沿って長手方向を有するとともに、内側ケーシング６１の周囲を囲む環状断面を有している。そして、外側ケーシング６２と内側ケーシング６１との間で、熱媒体を一方側から他方側に導くように構成されている。

図示した実施形態では、内側ケーシング６１の一方側（上流側）には一方側カバー６６Ａが、他方側（下流側）には他方側カバー６６Ｂが配置されている。一方側カバー６６Ａは、第１段動翼２３Ｂよりも軸方向における一方側においてシャフト部１１１の一方側の端部を覆うように、内側ケーシング本体６１Ａの一方側に配置されている。また、他方側カバー６６Ｂは、第２段動翼２４Ｂよりも軸方向における他方側においてシャフト部１１１の他方側の端部を覆うように、内側ケーシング本体６１Ａの他方側に配置されている。

熱媒体流路６３は、一方側カバー６６Ａと外側ケーシング６２との間に画定される空間により、内側ケーシング６１の一方側に延在している。同様に、熱媒体流路６３は、他方側カバー６６Ｂと外側ケーシング６２との間に画定される空間により、内側ケーシング６１の他方側に延在している。

また、熱媒体流路６３の一方側には、熱媒体流路６３に一方側から軸方向に沿って熱媒体を導入するための一方側導入路６４Ａが形成されている。一方側導入路６４Ａは、内側ケーシング６１よりも軸方向の一方側において、外側ケーシング６２の一方側に接続されている入口ケーシング６５Ａの内面によって画定されている。
また、熱媒体流路６３の他方側には、熱媒体流路６３から他方側に軸方向に沿って熱媒体を排出するための他方側排出路６４Ｂが形成されている。他方側排出路６４Ｂは、内側ケーシング６１よりも軸方向の他方側において、外側ケーシング６２の他方側に接続されている出口ケーシング６５Ｂの内面によって画定されている。

そして、一方側導入路６４Ａから熱媒体流路６３に導入された熱媒体は、第１段静翼２３Ａを通過した後、第１段動翼２３Ｂへ作用してロータシャフト１１に回転力を付与することで、第１段タービン装置２３を駆動させる。第１段動翼２３Ｂを通過した熱媒体は、熱媒体流路６３を流れる間に、内側ケーシング６１の内部に形成された空間６１０に収容されている発電機８（モータロータ８１、モータステータ８２）において発生する熱と熱交換を行う。つまり、発電機８において発生した熱を、熱媒体流路６３を流れる熱媒体が吸収する。これにより、発電機８は冷却され、熱媒体流路６３を流れる熱媒体は加熱される。

加熱された熱媒体は、第２段静翼２４Ａを通過した後、第２段動翼２４Ｂへ作用してロータシャフト１１に回転力を付与することで、第２段タービン装置２４を駆動させる。つまり、第２段タービン装置２４には、熱媒体流路６３において発電機８との熱交換により加熱された熱媒体が流れ込み、この加熱された熱媒体が第２段タービン装置２４を駆動させるようになっている。第２段タービン装置２４を流れた熱媒体は、熱媒体流路６３から他方側排出路６４Ｂに排出され、冷熱発電装置１の外部に流出する。

（第１段タービン装置）
第１段タービン装置２３は、熱媒体流路６３に配置されている。第１段タービン装置２３は、モータロータ８１よりもロータシャフト１１の一方側に設けられた第１段動翼２３Ｂと、第１段動翼２３Ｂよりもロータシャフト１１の一方側において、外側ケーシング６２の内周面６２１又は内側ケーシング６１に支持された第１段静翼２３Ａを含むように構成されている。
図示した実施形態では、第１段動翼２３Ｂは、上述した一方側ディスク部１１３Ａの外周面に、周方向に間隔をあけて取り付けられている。また、第１段静翼２３Ａは、外側ケーシング６２の内周面６２１に支持されており、内周面６２１に周方向に間隔をあけて設けられている。また、他の実施形態では、第１段静翼２３Ａは、内側ケーシング６１に支持されて、周方向に間隔をあけて設けられていてもよく、外側ケーシング６２の内周面６２１と内側ケーシング６１の両方に支持されていてもよい。

（第２段タービン装置）
第２段タービン装置２４は、熱媒体流路６３に配置されている。第２段タービン装置２４は、モータロータ８１よりもロータシャフト１１の他方側において、外側ケーシング６２の内周面６２１又は内側ケーシング６１の外周面６１２に支持された第２段静翼２４Ａと、第２段静翼２４Ａよりもロータシャフト１１の他方側に設けられた第２段動翼２４Ｂを含むように構成されている。
図示した実施形態では、第２段動翼２４Ｂは、上述した他方側ディスク部１１３Ｂの外周面に、周方向に間隔をあけて取り付けられている。また、第２段静翼２４Ａは、外側ケーシング６２の内周面６２１に支持されており、内周面６２１に周方向に間隔をあけて設けられている。また、他の実施形態では、第２段静翼２４Ａは、内側ケーシング６１の外周面６１２に支持されて、外周面６１２に周方向に間隔をあけて設けられていてもよく、外側ケーシング６２の内周面６２１と内側ケーシング６１の外周面６１２の両方に支持されていてもよい。

（第１ジャーナル軸受装置）
第１ジャーナル軸受装置１０３は、内側ケーシング６１の内部において発電機８よりも他方側に配置され、主軸受１０３Ａおよび補助軸受１０３Ｂを含む。
図示した実施形態では、内側ケーシング６１の内部に形成された空間６１０に、ロータシャフト１１を回転可能に支持する主軸受１０３Ａおよび補助軸受１０３Ｂが収容されている。主軸受１０３Ａは、モータロータ８１よりも他方側に配置されている。補助軸受１０３Ｂは、主軸受１０３Ａよりもさらに他方側に配置されている。
なお、第１ジャーナル軸受装置１０３として主軸受１０３Ａのみが含まれていてもよい。

（第２ジャーナル軸受装置）
第２ジャーナル軸受装置１０４は、内側ケーシング６１の内部において発電機８よりも一方側に配置され、主軸受１０４Ａおよび補助軸受１０４Ｂを含む。
図示した実施形態では、内側ケーシング６１の内部に形成された空間６１０に、ロータシャフト１１を回転可能に支持する主軸受１０４Ａおよび補助軸受１０４Ｂが収容されている。主軸受１０４Ａは、モータロータ８１よりも一方側に配置されている。補助軸受１０４Ｂは、主軸受１０４Ａよりもさらに一方側に配置されている。なお、第２ジャーナル軸受装置１０４として主軸受１０４Ａのみが含まれていてもよい。また、第１ジャーナル軸受装置１０３のみでロータシャフト１１を回転可能に軸支できるように構成された冷熱発電装置１の場合には、第２ジャーナル軸受装置１０４は備えなくてもよい。

一実施形態では、主軸受１０３Ａ、１０４Ａは、磁気軸受によって構成されていてもよく、補助軸受１０３Ｂ、１０４Ｂは、玉軸受によって構成されていてもよい。冷熱発電装置１が停止、あるいはトラブルでトリップした際に、これら補助軸受１０３Ｂ、１０４Ｂがロータシャフト１１を支持することで、主軸受１０３Ａ、１０４Ａとロータシャフト１１との接触を防止する。

（スラスト軸受装置）
スラスト軸受装置１０２は、内側ケーシング６１の内部において第１ジャーナル軸受装置１０３よりも一方側に配置されている。スラスト軸受装置１０２は、内側ケーシング６１の内部に形成された空間６１０に配置された一方側スラスト軸受１０２Ａと、他方側スラスト軸受１０２Ｂとを含むように構成され、ロータシャフト１１の軸方向の荷重（スラスト力）を受け止めている。
図示した実施形態では、図２および図３に示されるように、ロータシャフト１１は、内側ケーシング６１の内部において第１ジャーナル軸受装置１０３よりも一方側、且つ、発電機８よりも他方側において、径方向に沿って延在するスラストカラー１１２をさらに含む。一方側スラスト軸受１０２Ａは、ロータシャフト１１に設けられているスラストカラー１１２における一方側の側面である一方側面１１２Ａに当接している。他方側スラスト軸受１０２Ｂは、スラストカラー１１２における他方側の側面である他方側面１１２Ｂに当接している。
また、他の実施形態では、スラスト軸受装置１０２およびスラストカラー１１２は、内側ケーシング６１の内部において発電機８よりも一方側に配置されていてもよい。
なお、スラスト軸受装置１０２（一方側スラスト軸受１０２Ａ、および他方側スラスト軸受１０２Ｂ）は、磁気軸受によって構成されていてもよい。

（径方向隙間）
また、図３に示されるように、内側ケーシング６１の他方側の端面である他方側端面６１３と他方側ディスク部１１３Ｂとの間には、第２段静翼２４Ａよりも下流側の熱媒体流路６３に接続される径方向隙間２４１が画成されている。
図示した実施形態では、径方向隙間２４１は、熱媒体流路６３における第２段静翼２４Ａと第２段動翼２４Ｂとの間に接続され、ロータシャフト１１の周囲を囲む環状断面を有している。また、径方向隙間２４１は、軸方向に均一の幅を有しており、径方向に沿って延在している。

（均圧流路）
そして、幾つかの実施形態にかかる冷熱発電装置１では、図３に示されるように、内側ケーシング６１には、内側ケーシング６１の内部における第1ジャーナル軸受装置１０３よりも一方側の第１空間６１４と、径方向隙間２４１と、を連通するための少なくとも１つの均圧流路４０が形成されている。
図示した実施形態では、均圧流路４０は、図３に示されるように、第１空間６１４に開口する第１空間側開口４０Ａと、他方側端面６１３に開口する径方向隙間側開口４０Ｂと、第１空間側開口４０Ａから径方向に沿って延在する径方向流路４０１と、径方向流路４０１に接続しロータシャフト１１の軸方向に延在する軸方向流路４０２と、軸方向流路４０２と径方向隙間側開口４０Ｂを接続する他方側流路４０３を含む。他方側流路４０３は、径方向隙間側開口４０Ｂから一方側に向かうにつれて、ロータシャフト１１の軸線との距離が大きくなるように延在している。

第１空間側開口４０Ａは、静止部材である他方側スラスト軸受１０２Ｂの径方向内側の端部１０２Ｂ１に対して、径方向外側に位置している。そのため、ロータシャフト１１の回転に影響を受けることなく、スラスト軸受装置１０２の上流から下流へ流出した熱媒体を、第１空間側開口４０Ａに導入することができる。

また、径方向流路４０１、軸方向流路４０２および他方側流路４０３は、各断面形状が円形であって、それぞれの流路面積が一定となるように延在している。また、径方向流路４０１、軸方向流路４０２および他方側流路４０３の流路面積は同じに形成されている。

本開示に係る冷熱発電装置１によれば、一方側導入路６４Ａから熱媒体流路６３に導入された熱媒体は、第１段タービン装置２３の第１段静翼２３Ａおよび第１段動翼２３Ｂを通過して第２段タービン装置２４に導入される。第２段タービン装置２４に導入された熱媒体は、第２段タービン装置の第２段静翼２４Ａおよび第２段動翼２４Ｂを通過して他方側排出路６４Ｂから排出される。
また、熱媒体は、その一部が漏れ流れとして熱媒体流路６３ではなく、内側ケーシング６１の内部に流入する。内側ケーシング６１に流入した熱媒体は、内側ケーシング６１の内部を、第１空間６１４、均圧流路４０の順に流れ、径方向隙間側開口４０Ｂから径方向隙間２４１に流入する。

第２段静翼２４Ａの下流側における熱媒体流路６３の圧力は、熱媒体流路６３において熱媒体が第１段静翼２３Ａ、第１段動翼２３Ｂ、第２段静翼２４Ａの順に通過するので、熱媒体流路６３の入口部よりも低くなる。また、第２段静翼２４Ａの下流側における熱媒体流路６３の圧力は、内側ケーシング６１の内部を通過した熱媒体の径方向隙間２４１における圧力よりも低くなる。そのため、内側ケーシング６１を通過して径方向隙間２４１に流入した熱媒体は、径方向隙間２４１の径方向の内側から外側に向かって流れ、第２段静翼２４Ａの下流側の熱媒体流路６３に流出する。そして、内側ケーシング６１の内部の圧力が低下し、スラスト軸受装置１０２の周辺の圧力も下がり、スラスト軸受装置１０２による風損（ロス）を低減させることができ、発電機性能の低下を抑制することができる。

内側ケーシング６１の内部の圧力は、第２ジャーナル軸受装置１０４、モータロータ８１、モータステータ８２などによる圧力損失により、下流の方が低くなる。本実施形態では、スラスト軸受装置１０２を発電機８よりも他方側（下流側）に配置しているので、スラスト軸受装置１０２の周辺の圧力が下がり、スラスト軸受装置１０２による風損（ロス）をさらに低減させることができ、発電機性能の低下を抑制することができる。

また、第１空間６１４は、スラスト軸受装置１０２よりも他方側に形成されていてもよい。

このような構成によれば、均圧流路４０は、径が大きいスラスト軸受装置１０２の径方向外側を通過することなく、第１空間６１４と径方向隙間２４１とを連通する。したがって、均圧流路４０がスラスト軸受装置１０２の径方向外側を通過する場合と比べて、内側ケーシング６１の外径を小さくすることができ、冷熱発電装置１全体の装置を簡素化することができる。

なお、均圧流路４０は、図４に示したように、周方向に間隔をあけて複数形成されていてもよい。この場合、複数の均圧流路４０は、周方向において等間隔に配置されていてもよい。また、図４において、均圧流路４０の断面形状は円形であるが、例えば、楕円形や矩形などの非円形であってもよい。

図５は、図２に示した冷熱発電装置１のＢ－Ｂ断面の概略図である。
幾つかの実施形態では、図５に示されるように、他方側ディスク部１１３Ｂは、径方向隙間２４１と、第２段動翼２４Ｂよりも他方側の空間６１５とを連通する貫通孔５０を有する。

第２段動翼２４Ｂよりも下流側の圧力は、第２段動翼２４Ｂよりも上流側に画成される径方向隙間２４１の圧力と比べて低くなる。したがって、貫通孔５０が径方向隙間２４１と第２段動翼２４Ｂよりも下流側の空間とを連通することで、径方向隙間２４１の熱媒体を空間６１５に流出させ、スラスト軸受装置１０２が配置される内側ケーシング６１の内部の圧力を下げることができる。これにより、スラスト軸受装置１０２による風損（ロス）を低減させることができる。

また、貫通孔５０は、径方向隙間側開口４０Ｂに対向して形成されている。したがって、均圧流路４０の径方向隙間側開口４０Ｂから流出した熱媒体は、他方側ディスク部１１３Ｂの貫通孔５０を通って空間６１５に流出することができ、内側ケーシング６１の内部の圧力を下げることができる。

貫通孔５０は、図５に示したように、周方向に間隔をあけて複数形成されていてもよい。この場合、複数の貫通孔５０は、周方向に等間隔に配置されていてもよい。また、図５において、貫通孔５０の断面形状は円形であるが、例えば、楕円形や矩形などの非円形であってもよい。

図示した実施形態では、同一の均圧流路４０に対する第１空間側開口４０Ａと径方向隙間側開口４０Ｂは、ロータシャフト１１の軸線を含む同一の軸方向断面上に存在している。つまり、均圧流路４０は、冷熱発電装置１の軸線ＣＡに対して旋回することなく形成されている。このような構成によれば、内側ケーシング６１に均圧流路４０を容易に形成することができる。

図２に示されるように、冷熱発電装置１は、第１段タービン装置２３よりも他方側、且つ、発電機８よりも一方側において、ロータシャフト１１と内側ケーシング６１との間をシールするシール部２６をさらに備える。

図示した実施形態では、シール部２６は、第１段タービン装置２３よりも他方側、且つ、発電機８よりも一方側において、内側ケーシング６１の内周面６１１とロータシャフト１１のシャフト部１１１の外周面との間の隙間をシールしている。シール部２６は、メカニカルシールを含んでいてもよいし、シャフト部１１１又は内側ケーシング６１に凹凸加工して設けられるラビリンスシールを含んでいてもよい。

このような構成によれば、第１段タービン装置２３の高圧領域から内側ケーシング６１の内部にリークする熱媒体をシールすることができるため、シール部材を設けない場合と比べて、内側ケーシング６１の内部の圧力を低く維持することができる。これにより、内側ケーシング６１の内部において発生するスラスト軸受装置１０２による風損（ロス）を低減させることができる。
また、第１段動翼２３Ｂを通過した熱媒体が内側ケーシング６１の内部へリークすることを抑制できるため、シール部材を設けない場合と比べて、熱媒体流路６３を流れる熱媒体の減少を抑制することができ、第２段タービン装置２４の効率を向上させることができる。

幾つかの実施形態では、上述した冷熱発電装置１は、図２および図３に示されるように、内側ケーシング６１の内部における発電機８よりも他方側において、ロータシャフト１１と内側ケーシング６１との間をシールする部材は備えられていない。すなわち、内側ケーシング６１の内部における発電機８よりも他方側において、上述したシール部２６のようなメカニカルシールやラビリンスシールなどのシール部材は設けられていない。

このような構成によれば、熱媒体が内側ケーシング６１の内部から第２段タービン装置２４の低圧領域へのリークの妨げとなるシール部材が備えられていないため、シール部材を設けた場合と比べて、内側ケーシング６１の内部の圧力を低く維持することができる。これにより、ロータシャフト１１に作用するスラスト力や、内側ケーシング６１の内部において発生するスラスト軸受装置１０２による風損（ロス）を低減させることができる。

本開示は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

上述した幾つかの実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握されるものである。

一の態様に係る冷熱発電装置（１）は、
液化ガスを加熱するための熱媒体を循環させるように構成された熱媒体循環ラインに設けられた冷熱発電装置（１）であって、
ロータシャフト（１１）と、
前記ロータシャフト（１１）の外周面に支持されるモータロータ（８１）と、前記モータロータ（８１）に対向して配置されるモータステータ（８２）と、を含む発電機（８）と、
前記発電機（８）を収容する内側ケーシング（６１）と、
前記内側ケーシング（６１）の外周側に配置され、前記内側ケーシング（６１）との間に熱媒体流路（６３）を画定する外側ケーシング（６２）と、
前記熱媒体流路（６３）に配置され、前記発電機（８）よりも前記ロータシャフト（１１）の軸方向における一方側に配置された第１段タービン装置（２３）と、
前記熱媒体流路（６３）に配置され、前記発電機（８）よりも前記ロータシャフト（１１）の軸方向における他方側に配置された第２段タービン装置（２４）と、
前記内側ケーシング（６１）の内周側において、前記発電機（８）よりも前記他方側に配置されたジャーナル軸受装置（第１ジャーナル軸受装置１０３）と、
前記内側ケーシング（６１）の内周側において、前記ジャーナル軸受装置（１０３）よりも前記一方側に配置されたスラスト軸受装置（１０２）と、を備え、
前記第２段タービン装置（２４）は、第２段静翼（２４Ａ）と、前記第２段静翼（２４Ａ）よりも前記他方側に設けられた第２段動翼（２４Ｂ）と、を含み、
前記ロータシャフト（１１）は、径方向に沿って延在し前記第２段タービン装置（２４）の前記第２段動翼（２４Ｂ）を支持するディスク部（１１３Ｂ）を含み、
前記内側ケーシング（６１）の前記他方側の端面である他方側端面（６１３）と前記ディスク部（１１３Ｂ）との間には、前記第２段静翼（２４Ａ）よりも前記他方側の前記熱媒体流路（６３）に接続される径方向隙間（２４１）が画成され、
前記内側ケーシング（６１）には、前記内側ケーシング（６１）の内部における前記ジャーナル軸受装置（１０３）よりも一方側の第１空間（６１４）と前記径方向隙間（２４１）とを連通する少なくとも１つの均圧流路（４０）が形成される。

本開示に係る冷熱発電装置によれば、熱媒体流路における第２段静翼よりも下流側に接続される径方向隙間が画成され、内側ケーシングには、内側ケーシングの内部におけるジャーナル軸受装置よりも一方側の第１空間と、径方向隙間と、を連通するための少なくとも１つの均圧流路が形成される。熱媒体は、第１空間から均圧流路を通過し、径方向隙間の径方向の内側から外側に向かって流れ、熱媒体流路に流出する。
熱媒体は内側ケーシングと外側ケーシングとの間に画定される熱媒体流路内を、第１段タービン装置、第２段タービン装置の順で流れる。つまり、第２段静翼よりも下流側に画成される径方向隙間の圧力は、第２段静翼よりも上流側の圧力と比べて低くなる。
したがって、均圧流路が第１空間と径方向隙間とを連通することで、スラスト軸受装置が配置される内側ケーシングの内部の圧力を下げることができる。そのため、スラスト軸受装置の風損（ロス）を低減させることができ、発電機性能の低下を抑制することができる。

（２）別の態様に係る冷熱発電装置（１）は、（１）に記載の冷熱発電装置であって、
前記スラスト軸受装置（１０２）は、前記発電機（８）よりも前記他方側に配置される。

内側ケーシング本体の内部において、発電機よりも他方側の圧力は、発電機よりも一方側の圧力と比べて低くなる。このような構成によれば、スラスト軸受装置が、発電機よりも他方側に配置されることで、スラスト軸受装置が配置される領域の圧力を低減することができ、スラスト軸受装置による風損（ロス）を低減させることができる。

（３）さらに別の態様に係る冷熱発電装置（１）は、（２）に記載の冷熱発電装置であって、
前記第１空間（６１４）は、前記スラスト軸受装置（１０２）よりも前記他方側に画成される。

このような構成によれば、均圧流路は、径が大きいスラスト軸受装置の径方向外側を通過することなく、第１空間と径方向隙間とを連通する。したがって、均圧流路がスラスト軸受装置の径方向外側を通過する場合と比べて、内側ケーシング本体の外径を小さくすることができ、冷熱発電装置全体の装置を簡素化することができる。

（４）さらに別の態様に係る冷熱発電装置（１）は、（３）に記載の冷熱発電装置であって、
前記ジャーナル軸受装置（１０３）は、主軸受（１０３Ａ）と、補助軸受（１０３Ｂ）を含む。

このような構成によれば、冷熱発電装置の停止、あるいはトラブルにより、主軸受がロータシャフトを支持できなくなった場合でも補助軸受により支持することができる。

（５）さらに別の態様に係る冷熱発電装置（１）は、（１）乃至（４）の何れかに記載の冷熱発電装置であって、
前記ディスク部（１１３Ｂ）は、前記ロータシャフト（１１）の軸方向に貫通する少なくとも１つの貫通孔（５０）を有する。

第２段動翼よりも下流側の圧力は、第２段動翼よりも上流側に画成される径方向隙間の圧力と比べて低くなる。したがって、このような構成によれば、貫通孔が径方向隙間と第２段動翼よりも下流側の空間とを連通することで、径方向隙間の熱媒体を空間に流出させ、スラスト軸受装置が配置される内側ケーシングの内部の圧力を下げることができる。これにより、スラスト軸受装置１０２による風損（ロス）を低減させることができる。

（６）さらに別の態様に係る冷熱発電装置（１）は、（１）乃至（５）の何れかに記載の冷熱発電装置であって、
前記第１段タービン装置（２３）より前記他方側、且つ、前記発電機（８）より前記一方側において、前記ロータシャフト（１１）と前記内側ケーシング（６１）との間をシールするシール部（２６）をさらに備える。

このような構成によれば、第１段タービン装置の高圧領域から内側ケーシングの内部にリークする熱媒体をシールすることができるため、シール部材を設けない場合と比べて、内側ケーシングの内部の圧力を低く維持することができる。これにより、ロータシャフトに作用するスラスト力や、内側ケーシングの内部において発生するスラスト軸受装置による風損（ロス）を低減させることができる。
また、第１段動翼を通過した熱媒体が内側ケーシング本体の内部へリークすることを抑制できるため、シール部材を設けない場合と比べて、熱媒体流路を流れる熱媒体の減少を抑制することができ、第２段タービン装置の効率を向上させることができる。

（７）さらに別の態様に係る冷熱発電装置（１）は、（６）に記載の冷熱発電装置であって、
前記内側ケーシング（６１）の内部における前記発電機（８）よりも前記他方側において、前記ロータシャフト（１１）と前記内側ケーシング（６１）との間をシールする部材は備えられていない。

このような構成によれば、熱媒体が内側ケーシングの内部から第２段タービン装置の低圧領域へのリークの妨げとなるシール部材が備えられていないため、シール部材を設けた場合と比べて、内側ケーシングの内部の圧力を低く維持することができる。これにより、ロータシャフトに作用するスラスト力や、内側ケーシング本体の内部において発生するスラスト軸受装置による風損（ロス）を低減させることができる。

１ 冷熱発電装置
２ 液化ガス供給ライン
３ 凝縮器
４ 加熱流体供給ライン
５ 冷熱用ポンプ
６ ケーシング
６１ 内側ケーシング
６２ 外側ケーシング
７ 蒸発器
８ 発電機
８１ モータロータ
８２ モータステータ
９ 熱媒体循環ライン
１０ 船舶
１０Ａ 水上浮遊構造体
１０Ｂ 液化ガス基地
１１ ロータシャフト
１１１ シャフト部
１１２ スラストカラー
１１２Ａ 一方側面
１１２Ｂ 他方側面
１１３Ａ 一方側ディスク部
１１３Ｂ 他方側ディスク部
２１ 液化ガス貯留装置
２２ 液化ガス用ポンプ
２３ 第１段タービン装置
２３Ａ 第１段静翼
２３Ｂ 第１段動翼
２４ 第２段タービン装置
２４Ａ 第２段静翼
２４Ｂ 第２段動翼
２４１ 径方向隙間
２６ シール部
４０ 均圧流路
４０Ａ 第１空間側開口
４０Ｂ 径方向隙間側開口
４０１ 径方向流路
４０２ 軸方向流路
４０３ 他方側流路
４２ 加熱流体用ポンプ
５０ 貫通孔
６３ 熱媒体流路
６４Ａ 一方側導入路
６４Ｂ 他方側排出路
６５Ａ 入口ケーシング
６５Ｂ 出口ケーシング
６６Ａ 一方側カバー
６６Ｂ 他方側カバー
１００ 冷熱発電システム
１０２ スラスト軸受装置
１０２Ａ 一方側スラスト軸受
１０２Ｂ 他方側スラスト軸受
１０２Ｂ１ 端部
１０３ 第１ジャーナル軸受装置
１０３Ａ 主軸受
１０３Ｂ 補助軸受
１０４ 第２ジャーナル軸受装置
１０４Ａ 主軸受
１０４Ｂ 補助軸受
６１０ 空間
６１１ 内周面
６１２ 外周面
６１３ 他方側端面
６１５ 他方側の空間
６１６ 周方向隙間
６２１ 内周面
ＣＡ 軸線

Claims (8)

1. 液化ガスを加熱するための熱媒体を循環させるように構成された熱媒体循環ラインに設けられた冷熱発電装置であって、
   ロータシャフトと、
   前記ロータシャフトの外周面に支持されるモータロータと、前記モータロータに対向して配置されるモータステータと、を含む発電機と、
   前記発電機を収容する内側ケーシングと、
   前記内側ケーシングの外周側に配置され、前記内側ケーシングとの間に熱媒体流路を画定する外側ケーシングと、
   前記熱媒体流路に配置され、前記発電機よりも前記ロータシャフトの軸方向における一方側に配置された第１段タービン装置と、
   前記熱媒体流路に配置され、前記発電機よりも前記ロータシャフトの軸方向における他方側に配置された第２段タービン装置と、
   前記内側ケーシングの内周側において、前記発電機よりも前記他方側に配置されたジャーナル軸受装置と、
   前記内側ケーシングの内周側において、前記ジャーナル軸受装置よりも前記一方側に配置されたスラスト軸受装置と、を備え、
   前記第２段タービン装置は、第２段静翼と、前記第２段静翼よりも前記他方側に設けられた第２段動翼と、を含み、
   前記ロータシャフトは、径方向に沿って延在し前記第２段タービン装置の前記第２段動翼を支持するディスク部を含み、
   前記内側ケーシングの前記他方側の端面である他方側端面と前記ディスク部との間には、前記第２段静翼よりも前記他方側の前記熱媒体流路に接続される径方向隙間が画成され、
   前記内側ケーシングには、前記内側ケーシングの内部における前記ジャーナル軸受装置よりも前記一方側の第１空間と前記径方向隙間とを連通する少なくとも１つの均圧流路が形成される、
   冷熱発電装置。
2. 前記スラスト軸受装置は、前記発電機よりも前記他方側に配置される、
   請求項１に記載の冷熱発電装置。
3. 前記第１空間は、前記スラスト軸受装置よりも前記他方側に画成される、
   請求項２に記載の冷熱発電装置。
4. 前記ジャーナル軸受装置は、主軸受と、補助軸受を含む、
   請求項３に記載の冷熱発電装置。
5. 前記ディスク部は、前記ロータシャフトの軸方向に貫通する少なくとも１つの貫通孔を有する、
   請求項１乃至４の何れか１項に記載の冷熱発電装置。
6. 前記第１段タービン装置より前記他方側、且つ、前記発電機より前記一方側において、前記ロータシャフトと前記内側ケーシングとの間をシールするシール部をさらに備える、
   請求項１乃至４の何れか１項に記載の冷熱発電装置。
7. 前記内側ケーシングの内部における前記発電機よりも前記他方側において、前記ロータシャフトと前記内側ケーシングとの間をシールする部材は備えられていない、
   請求項６に記載の冷熱発電装置。
8. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の冷熱発電装置を備える冷熱発電システム。
   
   

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