JP6889752B2 - 圧縮空気貯蔵発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮空気貯蔵発電装置に関する。

変動する不安定な発電出力を平滑化または平準化するための技術の一つとして、圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ：compressed air energy storage）が知られている。この技術を適用した圧縮空気貯蔵発電装置では、発電機で発電した電力が余剰である場合、電動機に余剰となった電力を供給する。そして、電動機で圧縮機を駆動して圧縮空気を生成する。生成された圧縮空気は一時的に蓄えられる。そして、必要なときに蓄えられた圧縮空気で膨張機（タービン）を作動させて発電機を駆動し、電気に再変換する。

特許文献１には、圧縮空気を貯蔵する前に圧縮空気から熱回収し、貯蔵された圧縮空気をタービンに供給するときに再加熱する断熱圧縮空気貯蔵（ＡＣＡＥＳ：Adiabatic Compressed Air Energy Storage）発電装置が記載されている。ＡＣＡＥＳ発電装置は、圧縮熱を回収して発電時に使用するため、通常のＣＡＥＳ発電装置に比べて発電効率が高い。以降、ＡＣＡＥＳ発電装置とＣＡＥＳ発電装置とを区別することなく、単にＣＡＥＳ発電装置ともいう。

特表２０１３−５０９５３０号公報

特許文献１のＣＡＥＳ発電装置は、圧縮機と膨張機が別個に構成されているため、装置全体として大型化し、高コストとなっている。

本発明は、圧縮機と膨張機を一体化することにより、ＣＡＥＳ発電装置を小型化かつ低コスト化することを課題とする。

本発明の第１の態様は、空気を圧縮する圧縮機としての機能および圧縮空気を膨張させる膨張機としての機能を有する容積型の圧縮膨張兼用機と、前記圧縮膨張兼用機と機械的に接続され、前記圧縮膨張兼用機を駆動する電動機としての機能および前記圧縮膨張兼用機によって駆動される発電機としての機能を有する電動発電兼用機と、前記圧縮膨張兼用機と流体的に接続され、前記圧縮膨張兼用機により生成された圧縮空気を貯蔵する蓄圧部とを備える、圧縮空気貯蔵発電装置を提供する。

この構成によれば、圧縮空気貯蔵発電装置において、圧縮機と膨張機を一体化した圧縮膨張兼用機を使用しているため、装置全体を小型化できる。また、メンテナンスを行う機器を減らすことができるため、メンテナンスコストを低減でき、配管施工を含む様々な建設工事費を低減でき、設置スペースを減少できる。従って、低コスト化できる。

前記圧縮膨張兼用機は、圧縮室を画定し、第１貫通孔が設けられた第１ケーシングと、前記第１貫通孔に挿通された第１回転軸部材と、前記第１貫通孔において前記第１回転軸部材と前記第１ケーシングとの隙間をシールする第１シール部とを備え、前記第１シール部は、前記第１回転軸部材の回転方向によらないように回転軸対称の形状を有する潤滑油ラビリンスシールを備えていてもよい。

この構成によれば、圧縮膨張兼用機において、圧縮室外に存在する潤滑油などの空気以外の流体が圧縮室に浸入することを抑制できる。圧縮膨張兼用機では、第１回転軸部材が一方向ではなく両方向に回転する。即ち、圧縮膨張兼用機が圧縮機として機能するときに第１回転軸部材が回転する方向と、圧縮膨張兼用機が膨張機として機能するときに第１回転軸部材が回転する方向とが異なり、これらの機能の切り替えの際には第１回転軸部材が逆転することとなる。従って、圧縮膨張兼用機の軸シール構造には、回転方向に依存しない設計が求められる。仮に、回転方向に依存するネジ溝式（即ち螺旋型）の第１シール部を設けると、第１貫通孔において、回転方向によっては圧縮室外から圧縮室へと向かう気流を発生させることがある。上記構成では、第１シール部として第１回転軸部材の回転方向によらないように回転軸対称の形状を有する潤滑油ラビリンスシールを採用しているため、当該気流の発生を抑制できる。

前記第１シール部は、前記第１回転軸部材の延びる方向において前記潤滑油ラビリンスシールよりも前記圧縮室側に配置されたエアーリングシールをさらに備え、前記圧縮膨張兼用機は、前記第１ケーシングに設けられ、前記潤滑油ラビリンスシールに圧縮空気を導入する第１導入口と、前記第１導入口に流体的に接続され、前記第１導入口を介して前記潤滑油ラビリンスシールに前記圧縮室側から圧縮空気を供給する第１空気源とをさらに備えてもよい。

この構成によれば、第１空気源から第１導入口を介して供給される圧縮空気を利用した潤滑油ラビリンスシールによって、圧縮室への潤滑油の浸入を抑制できるため、第１回転軸部材の回転方向に依存することなくシール性を高めることができる。また、２枚以上のエアーリングシールによって、第１空気源から第１導入口を介して導入された圧縮空気の圧縮室内への浸入を抑制できるため、一層シール性を高めることができる。

前記電動発電兼用機は、コイル室を画定し、第２貫通孔が設けられた第２ケーシングと、前記第２貫通孔に挿通された第２回転軸部材と、前記第２貫通孔において前記第２回転軸部材と前記第２ケーシングとの隙間をシールする第２シール部とを備え、前記第２シール部は、前記第２回転軸部材の回転方向によらないように回転軸対称の形状を有していてもよい。

この構成によれば、電動発電兼用機において、コイル室外に存在する潤滑油などの空気以外の流体がコイル室に浸入することを抑制できる。電動発電兼用機では、第２回転軸部材が一方向ではなく、両方向に回転する。即ち、電動発電兼用機が電動機として機能するときに第２回転軸部材が回転する方向と、電動発電兼用機が発電機として機能するときに第２回転軸部材が回転する方向とが異なり、これらの機能の切り替えの際には第２回転軸部材が逆転することとなる。従って、電動発電兼用機の軸シール構造には、回転方向に依存しない設計が求められる。仮に、回転方向に依存するネジ溝式（即ち螺旋型）の第２シール部を設けると、第２貫通孔において、回転方向によってはコイル室外からコイル室へと向かう気流を発生させることがある。上記構成では、第２シール部として第２回転軸部材の回転方向によらないように回転軸対称の形状を採用しているため、当該気流の発生を抑制できる。

前記電動発電兼用機は、前記第２ケーシングに対して設けられ、前記コイル室に圧縮空気を導入する第２導入口と、前記第２導入口に流体的に接続され、前記第２導入口から前記コイル室内に圧縮空気を供給する第２空気源とをさらに備えてもよい。

この構成によれば、第２空気源から第２導入口を介してコイル室に圧縮空気を供給することにより、コイル室の圧力を高めることができる。コイル室が周囲よりも高圧となることで、コイル室に潤滑油などの空気以外の流体が浸入することを抑制できる。

前記圧縮空気貯蔵発電装置は、前記圧縮膨張兼用機への流入方向にのみ空気の流れを許容するように配置された逆止弁を有する流入路と、前記圧縮膨張兼用機からの排出方向にのみ空気の流れを許容するように配置された逆止弁を有する排出路とをさらに備えてもよい。

この構成によれば、電磁制御を行うことなく、機械的に空気の流動方向を切り替えることができる。圧縮膨張兼用機は、圧縮機として動作するときと、膨張機として動作するときとでは、空気の流動方向が反対となる。仮に、三方電磁弁などの流動方向を切り替えることのできる電磁的な制御部品を使用すれば、電磁制御により、流動方向を切り替えることができるが、構造やそれに伴う制御が複雑となる。これに対し、上記構成では、流入方向が規定された２つの経路（流入路、流出路）を合わせて設けることによって、電磁制御を不要とした機械的な簡易な空気の流動方向の切り替えを実現している。

前記圧縮空気貯蔵発電装置は、前記圧縮膨張兼用機の高圧側に配置され、前記圧縮膨張兼用機で生成された前記圧縮空気と熱媒とで熱交換して前記熱媒を昇温させるとともに前記圧縮空気を降温させる機能と、前記圧縮膨張兼用機に供給される前記圧縮空気と前記熱媒とで熱交換して前記熱媒を降温させるとともに前記圧縮空気を昇温させる機能とを有する熱交換部と、前記熱交換部と流体的に接続され、前記熱交換部で昇温した前記熱媒を貯蔵する高温蓄熱部と、前記熱交換部と流体的に接続され、前記熱交換部で降温した前記熱媒を貯蔵する低温蓄熱部と、前記高温蓄熱部と前記低温蓄熱部の圧力を均圧化する均圧部とをさらに備えてもよい。

この構成によれば、圧縮時の圧縮熱により昇温した圧縮空気から熱交換部にて熱媒で熱回収して高温蓄熱部に熱エネルギーとして貯蔵できる。高温蓄熱部に貯蔵した高温の熱媒は、膨張時に熱交換部に供給することで、膨張前の圧縮空気に対して熱媒から熱を付与し、膨張効率を向上できる。

前記熱媒は、水であり、前記均圧部は、前記高温蓄熱部と前記低温蓄熱部とを流体的に接続する流路と、前記高温蓄熱部と前記低温蓄熱部とに流体的に接続され、前記高温蓄熱部と前記低温蓄熱部とに対して所定圧力の不活性ガスを供給する不活性ガス源とを備えてもよい。

この構成によれば、高温蓄熱部と低温蓄熱部の熱媒の圧力を均一にすることで、熱媒の流れを安定させることができる。特に、熱媒として水を使用するため、低コストで環境性に優れた圧縮空気貯蔵発電装置を製造できる。ただし、熱媒が水である場合には大気圧下１００度以上で沸騰するため、不活性ガス源から所定圧力の不活性ガスを供給し、水が沸騰すること抑制する。すなわち、ここでの所定圧力とは、水の沸騰を抑制できる程度の圧力を示す。

前記圧縮膨張兼用機は、前記電動発電兼用機との回転駆動力の伝達のためのピニオンと、前記ピニオンを緩まないように保持する緩み止めナットとをさらに備えてもよい。

この構成によれば、緩み止めナットによってピニオンが緩むことを抑制できる。緩み止めナットは、楔効果によって第１回転軸部材が正回転および逆回転しても緩むことのない機能を有するものである。

前記圧縮膨張兼用機は、前記電動発電兼用機との回転駆動力の伝達のためのピニオンと、前記ピニオンを保持する複数のボルトと、前記複数のボルトを抑える抑え蓋と、前記抑え蓋を固定する緩み止めナットとをさらに備えてもよい。

この構成によれば、ボルトを抑える抑え蓋を緩み止めナットによって固定しているため、抑え蓋の緩みを抑制でき、ボルトの緩みを抑制できる。従って、ピニオンが緩むことを抑制できる。

本発明によれば、圧縮空気貯蔵発電装置において、圧縮機と膨張機を一体化した圧縮膨張兼用機を使用しているため、装置全体を小型化でき、低コスト化できる。

本発明の第１実施形態に係る圧縮空気貯蔵発電装置の概略構成図。 圧縮膨張兼用機の正面図。 図２のIII-III線に沿った軸受付近の部分断面図。 図２のIV-IV線に沿った軸受付近の部分断面図。 電動発電兼用機の軸シール構造を示す断面図。 第２実施形態に係る圧縮空気貯蔵発電装置の圧縮膨張兼用機の正面図。 図６のVII-VII線に沿った断面図。 図７のピニオン部分の斜視図。 図７のピニオン部分の分解斜視図。 図７の六角穴付ボルト部分の拡大図。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

（第１実施形態）
図１を参照して、圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ：compressed air energy storage）発電装置１は、再生可能エネルギーを利用して発電する発電設備２の出力変動を平準化して電力系統３に電力を供給するとともに、電力需要の変動に合わせた電力を電力系統３に供給する。

本実施形態では、再生可能エネルギーを利用して発電する発電設備２として風力発電設備を例示している。ただし、再生可能エネルギーの種類は、これに限定されず、太陽光、太陽熱、波力、潮力、流水、または潮汐等の自然の力で定常的ないし反復的に補充され、不規則に変動するエネルギーを利用した発電の全てを対象とし得る。さらに言えば、再生可能エネルギー以外にも不規則に稼働する発電設備を有する工場等のように、発電量が変動するものすべてを対象とし得る。

本実施形態のＣＡＥＳ発電装置１は、空気流路系１０、熱媒流路系２０、および不活性ガス流路系３０を備える。

（空気流路系）
空気流路系１０には、圧縮膨張兼用機１１、熱交換器（熱交換部）１２、および蓄圧タンク（蓄圧部）１３が設けられている。空気流路系１０は、空気流路１０ａ〜１０ｇを備える。

圧縮膨張兼用機１１には、電動発電兼用機１４が機械的に接続されている。電動発電兼用機１４は、圧縮膨張兼用機１１を駆動する電動機としての機能および圧縮膨張兼用機１１によって駆動される発電機としての機能を有する。電動発電兼用機１４には、発電設備２が電気的に接続されている。電動発電兼用機１４は、発電設備２からの変動する入力電力によって駆動される。また、電動発電兼用機１４は、電力系統３に電気的に接続されている。電動発電兼用機１４によって発電した電力は、電力系統３に送電できる。電動発電兼用機１４の構造の詳細については後述する。

圧縮膨張兼用機１１の低圧口１１ａには、空気流路１０ａが流体的に接続されている。空気流路１０ａは、吸気のための空気流路（流入路）１０ｂと、排気のための空気流路（流出路）１０ｃとに分岐されている。空気流路１０ｂ，１０ｃの先は、大気に開放されている。空気流路１０ｂには、吸気音を低減させるサイレンサ１５と、吸気方向（圧縮膨張兼用機１１の低圧口１１ａへの流入方向）にのみ空気の流動を許容して反対方向には遮断する逆止弁１６ａとが設置されている。空気流路には、排気方向（圧縮膨張兼用機１１の低圧口１１ａからの排出方向）にのみ空気の流動を許容して反対方向には遮断する逆止弁１６ｂが設置されている。

圧縮膨張兼用機１１の高圧口１１ｂには、空気流路１０ｄが流体的に接続されている。空気流路１０ｄは、蓄圧タンク１３から圧縮空気を供給されるための空気流路（流入路）１０ｅと、蓄圧タンク１３に圧縮空気を供給するための空気流路（流出路）１０ｆとに分岐され、空気流路１０ｇにて合流している。空気流路１０ｇは、蓄圧タンク１３に流体的に接続されている。空気流路１０ｅには、圧縮膨張兼用機１１への給気方向（圧縮膨張兼用機１１の高圧口１１ｂへの流入方向）にのみ空気の流動を許容して反対方向には遮断する逆止弁１６ｃが設置されている。空気流路１０ｆには、蓄圧タンク１３への圧送方向（圧縮膨張兼用機１１の高圧口１１ｂからの排出方向）の流動を許容して反対方向には遮断する逆止弁１６ｄが設置されている。

本実施形態の圧縮膨張兼用機１１は、スクリュ式である。スクリュ式の圧縮膨張兼用機１１は、回転数制御可能であるため、発電設備２からの不規則に変動する入力電力に応答性良く追従でき、ＣＡＥＳ発電装置１の構成要素として好ましい。ただし、圧縮膨張兼用機１１は、容積型であればよく、スクリュ式以外にも、例えばスクロール式またはレシプロ式であってもよい。また、圧縮膨張兼用機１１は、単段型であってもよいし、複数段型であってもよい。圧縮膨張兼用機１１の構造の詳細については後述する。

蓄圧タンク１３は、圧縮空気を貯蔵してエネルギーとして蓄積できる。蓄圧タンク１３は、例えば鋼鉄製のタンクであり得る。蓄圧タンク１３の数は特に限定されず、複数個設けられてもよい。また、蓄圧タンク１３は必ずしもタンクの態様でなくてもよい。代替的には、地下空洞のように、圧縮空気を貯蔵できる態様のものであればよい。

圧縮膨張兼用機１１の高圧口１１ｂに流体的に接続された空気流路１０ｄには、熱交換器１２が介設されている。熱交換器１２での熱交換の詳細については後述する。

（熱媒流路系）
熱媒流路系２０には、熱交換器１２、高温熱媒タンク（高温蓄熱部）２１、および低温熱媒タンク（低温蓄熱部）２２が設けられている。熱媒流路系２０は、熱媒流路２０ａ，２０ｂを備える。熱媒流路２０ａにはポンプ２３ａが配置され、ポンプ２３ａは熱交換器１２と高温熱媒タンク２１との間で熱媒を流動させている。同様に、熱媒流路２０ｂにはポンプ２３ｂが配置され、ポンプ２３ｂは熱交換器１２と低温熱媒タンク２２との間で熱媒を流動させている。本実施形態では、熱媒として水を使用している。熱媒の種類は特に限定されず、例えば鉱物油系、グリコール系、または合成油系の熱媒を使用してもよい。

高温熱媒タンク２１の内部には、熱媒が貯蔵された部分（液相部２１ａ）と、熱媒が貯蔵されておらずＮ２ガス（不活性ガス）が充填された気相部２１ｂとがある。同様に、低温熱媒タンク２２の内部には、熱媒が貯蔵された液相部２２ａと、Ｎ２ガスが充填された気相部２２ｂとがある。

熱交換器１２では、圧縮膨張兼用機１１で生成された圧縮空気と低温熱媒タンク２２からの熱媒とが熱交換し、熱媒が昇温するとともに圧縮空気が降温する。また、熱交換器１２では、圧縮膨張兼用機１１に供給される圧縮空気と高温熱媒タンク２１からの熱媒とが熱交換し、熱媒が降温するとともに圧縮空気が昇温する。

高温熱媒タンク２１は、例えば鋼製のタンクであり、外部から断熱されていることが好ましい。高温熱媒タンク２１には、熱交換器１２で昇温した熱媒が貯蔵されている。従って、高温熱媒タンク２１および熱媒流路２０ａ内の熱媒は熱媒流路系２０の中では高温である。高温熱媒タンク２１には、内部の液相部２１ａの温度を測定するための温度センサ２１ｃと、内部の気相部２１ｂの圧力を測定するための圧力センサ２１ｄとが設置されている。

低温熱媒タンク２２は、例えば鋼製のタンクである。低温熱媒タンク２２には、熱交換器１２で降温した熱媒が貯蔵されている。従って、低温熱媒タンク２２および熱媒流路２０ｂ内の熱媒は熱媒流路系２０の中では低温である。低温熱媒タンク２２には、内部の液相部２２ａの温度を測定するための温度センサ２２ｃが設置されている。なお、後述するように、低温熱媒タンク２２の気相部２２ｂの圧力は、高温熱媒タンク２１の気相部２１ｂの圧力と一致する。

（不活性ガス流路系）
不活性ガス流路系３０は、高温熱媒タンク２１の気相部２１ｂ、低温熱媒タンク２２の気相部２２ｂ、およびＮ２ボンベ（不活性ガス源）３１を備える。不活性ガス流路系３０は、不活性ガス流路３０ａ，３０ｂを備える。

不活性ガス流路３０ａは、高温熱媒タンク２１の気相部２１ｂと、低温熱媒タンク２２の気相部２２ｂとを均圧化するように流体的に接続する流路である。不活性ガス流路３０ａには、Ｎ２ボンベ３１へと延びる不活性ガス流路３０ｂが流体的に接続されている。不活性ガス流路系３０には、Ｎ２ボンベ３１により供給されるＮ２ガスが充填されている。なお、本実施形態では、Ｎ２ガスを不活性ガスとして使用しているが、不活性ガスの種類はこれに限定されず、例えばＡｒガスを使用してもよい。

本実施形態では、不活性ガス流路３０ａ，３０ｂと、Ｎ２ボンベ３１とによって本発明の均圧部が構成されている。この均圧部によって、高温熱媒タンク２１と低温熱媒タンク２２の圧力が均圧化されている。

Ｎ２ボンベ３１から供給されるＮ２ガスの圧力は、不活性ガス流路３０ｂに介設された圧力調整弁３２によって調整可能である。圧力調整弁３２の開度は、制御装置４０によって制御されている。

制御装置４０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）のような記憶装置を含むハードウェアと、それに実装されたソフトウェアにより構築できる。

制御装置４０は、圧力センサ２１ｄで測定した圧力値と、温度センサ２１ｃ，２２ｃで測定した温度値とに基づいて、高温熱媒タンク２１および低温熱媒タンク２２内の熱媒が気化しないように、即ち本実施形態では水が沸騰しないように圧力調整弁３２を制御し、圧力を調整している。

（圧縮膨張兼用機の構造）
図２〜４を参照して、圧縮膨張兼用機１１は、圧縮室Ｒ１を画定し、貫通孔（第１貫通孔）１１ｃが設けられたケーシング（第１ケーシング）１１ｄを有している。圧縮室Ｒ１には、雌雄一対のスクリュロータ１１ｅが配置されている。スクリュロータ１１ｅは、回転軸部材（第１回転軸部材）１１ｆに支持されている。回転軸部材１１ｆは、貫通孔１１ｃを通ってケーシング１１ｄの内外にわたって延びている。貫通孔１１ｃには、回転軸部材１１ｆとケーシング１１ｄとの隙間をシールする４枚のエアーリングシール１１ｇ１（第１シール部）と、１個の潤滑油ラビリンスシール（第１シール部）１１ｇ２とが配置されている。

エアーリングシール１１ｇ１は、回転軸部材１１ｆの延びる方向において、潤滑油ラビリンスシール１１ｇ２よりも圧縮室Ｒ１側に配置されている。４枚のエアーリングシール１１ｇ１は、回転軸部材１１ｆとの間に極小の隙間を保ちつつ、弱い波バネ１１ｎ１で回転軸部材１１ｆの延びる方向に付勢され、固定部に押し付けられ位置を保持するフローティングシールである。エアーリングシール１１ｇ１が押し付けられる固定部は、ケーシング１１ｄ、またはケーシング１１ｄとエアーリングシール１１ｇ１との隙間を埋めるように配置された複数のスペーサ１１ｎ２である。エアーリングシール１１ｇ１は、回転軸部材１１ｆとの極小の隙間を保持することで空気の圧力を利用してシール機能を発揮する部品である。

潤滑油ラビリンスシール１１ｇ２は、回転軸部材１１ｆの回転方向によらないように回転軸対称の形状を有している。換言すれば、潤滑油ラビリンスシール１１ｇ２として回転軸部材１１ｆの回転方向に依存する螺旋溝式のネジシールを採用していない。潤滑油ラビリンスシール１１ｇ２は、例えば、図３に示すようにストレート溝を有するものであってもよい。なお、図３では、低圧口１１ａ（図１参照）側の構造のみが示されているが、高圧口１１ｂ（図１参照）側の構造も実質的に同じである。

図３，４を参照して、回転軸部材１１ｆの延びる方向において、潤滑油ラビリンスシール１１ｇ２の隣（圧縮室Ｒ１と反対側）には、軸受１１ｈが配置されている。軸受１１ｈは、回転軸部材１１ｆを回転可能に支持している。軸受１１ｈの隣（圧縮室Ｒ１と反対側）には、ピニオン１１ｉが配置されている。ピニオン１１ｉは、緩み止めナット１１ｊによって、雄側のスクリュロータ１１ｅを支持する回転軸部材１１ｆから緩まないように回転可能に保持されている。緩み止めナット１１ｊは、楔効果によって緩みが抑制されるナットであり、公知のものを用いることができる。なお、本実施形態では、雌側のスクリュロータ１１ｅを支持する回転軸部材１１ｆについてもピニオン１１ｉの有無を除き、実質的に同様の構造を採用している。

ケーシング１１ｄには、エアーリングシール１１ｇ１の（圧縮室Ｒ１側から数えて）３枚目と４枚目の間の空間と流体的に接続された通気口１１ｋ１と、エアーリングシール１１ｇ１および潤滑油ラビリンスシール１１ｇ２に圧縮空気を導入する導入口（第１導入口）１１ｋ２とが設けられている。通気口１１ｋ１は、大気開放されている。導入口１１ｋ２は、エアーリングシール１１ｇ１と、潤滑油ラビリンスシール１１ｇ２との間の空間と流体的に接続されている。導入口１１ｋ２には、空気源（第１空気源）１１ｌが流体的に接続されており、導入口１１ｋ２を介して圧縮室Ｒ１から潤滑油ラビリンスシール１１ｇ２圧縮空気が供給される。空気源１１ｌは、例えば１０ＫＰａＧ程度の圧縮空気を供給する。

エアーリングシール１１ｇ１における空気の流れは、圧縮膨張兼用機１１の動作に応じて変わり得る。エアーリングシール１１ｇ１における空気の流れの詳細は以下のようになっている。

圧縮膨張兼用機１１が圧縮機として動作し、通常の負荷運転を行う際には、低圧口１１ａ（図１参照）はわずかに負圧ないし正圧となる。そのため、エアーリングシール１１ｇ１では圧縮室Ｒ１から軸受１１ｈの方向（図３において右方向）へ空気が流れようとする。通気口１１ｋ１は大気開放されているので、圧縮室Ｒ１から軸受１１ｈの方向へ流れようとする空気は、３枚のエアーリングシール１１ｇ１を通過し、を通って通気口１１ｋ１から大気へ排出される。エアーリングシール１１ｇ１を通過する際、空気は、エアーリングシール１１ｇ１と回転軸部材１１ｆとの極小の隙間を流れる。導入口１１ｋ２から導入された圧縮空気は、一部が導入口１１ｋ２から軸受１１ｈの方向へ流れ、一部が４枚目のエアーリングシール１１ｇ１を通って通気口１１ｋ１から排出される。このようにして、圧縮室Ｒ１から軸受１１ｈに向かう空気の流れを生成しているため、軸受１１ｈ等を潤滑した潤滑油が潤滑油ラビリンスシール１１ｇ２およびエアーリングシール１１ｇ１を超えて圧縮室Ｒ１に流入することを防止している。

圧縮膨張兼用機１１が圧縮機として動作し、無負荷運転を行う際には、低圧口１１ａ（図１参照）は負圧となる。そのため、エアーリングシール１１ｇ１では軸受１１ｈから圧縮室Ｒ１の方向（図３において左方向）へ空気が流れようとする。通気口１１ｋ１は大気開放されているので、通気口１１ｋ１から空気が流入し、エアーリングシール１１ｇ１のうち、３枚目と４枚目との間の空間を通って圧縮室Ｒ１に流入する。また、導入口１１ｋ２から導入された圧縮空気は、一部が軸受１１ｈへ向かって流れ、一部が通気口１１ｋ１へ向かって流れようとする。従って、通気口１１ｋ１では、低圧口１１ａの圧力と導入口１１ｋ２から導入された圧縮空気の圧力とに応じて、空気が流入するかまたは排出される。いずれの場合であっても、導入口１１ｋ２から導入された圧縮空気は、一部が軸受１１ｈへ向かって流れるため、軸受１１ｈ等を潤滑した潤滑油が潤滑油ラビリンスシール１１ｇ２および４枚のエアーリングシール１１ｇ１を超えて圧縮室Ｒ１に流入することは防止される。

圧縮膨張兼用機１１が膨張機として動作する際には、負圧になることはない。そのため、圧縮膨張兼用機１１が膨張機として動作する際の空気の流れは、圧縮膨張兼用機１１が圧縮機として動作し、通常の負荷運転を行う際の空気の流れと同じとなる。

なお、高圧口１１ｂ（図１参照）は、圧縮膨張兼用機１１が上記いずれの動作を行った場合でも負圧になることがない。そのため、図示しない高圧口１１ｂ側の空気の流れは、圧縮膨張兼用機１１が圧縮機として動作し、通常の負荷運転を行う際の低圧口１１ａ側の空気の流れと同じ流れとなる。

ケーシング１１ｄには、軸受１１ｈに潤滑油を供給できる噴射ノズル１１ｍが設けられている。噴射ノズル１１ｍから軸受１１ｈに噴射された潤滑油は、潤滑油ラビリンスシール１１ｇ２および上記エアーリングシールによって圧縮室Ｒ１への流入が遮断され、図示しない戻り孔から排出され、図示しない潤滑油タンクに戻される。

ケーシング１１ｄには、冷却水流路１１ｏ（図４参照）が埋設されている。冷却水流路１１ｏに低温の水を流すことにより、圧縮室Ｒ１を冷却できるようにされている。冷却水流路１１ｏを流れる水の流量は、制御装置４０によって制御されており、圧縮動作（充電動作）時には必要量の冷水が通水され、膨張動作（発電動作）時には通水停止または極少量の通水が行われるように制御されている。

（電動発電兼用機の構造）
図５を参照して、電動発電兼用機１４は、コイル室Ｒ２を画定し、貫通孔（第２貫通孔）１４ａ，１４ｂが設けられたケーシング（第２ケーシング）１４ｃを有している。なお、図５では、破線円部が拡大して示されている。コイル室Ｒ２には、固定子１４ｄおよび回転子１４ｅが配置されている。固定子１４ｄは、ケーシング１４ｃの内面に固定されている。回転子１４ｅは、固定子１４ｄの内側に配置されている。回転子１４ｅは、回転軸部材（第２回転軸部材）１４ｆによって支持されている。回転軸部材１４ｆは、貫通孔１４ａ，１４ｂを通ってケーシング１４ｃ内外にわたって延びている。貫通孔１４ａ，１４ｂには、回転軸部材１４ｆとケーシング１４ｃとの隙間をシールするリップシール（第２シール部）１４ｇ，１４ｈが配置されている。

リップシール１４ｇ，１４ｈは、回転軸部材１４ｆの回転方向によらないように回転軸対称の形状を有している。換言すれば、リップシール１４ｇ，１４ｈとして、回転軸部材１４ｆの回転方向に依存する螺旋溝式の内面ネジ溝付き接触式シールや非接触ネジシールを採用していない。リップシール１４ｇ，１４ｈは、例えば、回転軸部材１４ｆの回転方向に依存しない内面溝なし接触式シールであってもよい。代替的には、回転軸部材１４ｆの回転方向に依存しない非接触型のストレート溝を有するラビリンスシールを採用してもよい。

リップシール１４ｇ，１４ｈの隣には、それぞれ軸受１４ｉ，１４ｊが配置されている。軸受１４ｉ，１４ｊは、固定子１４ｄおよび回転子１４ｅを挟んで両側で回転軸部材１４ｆを回転可能に支持している。電動発電兼用機１４の回転軸部材１４ｆには、ギア（図示せず）が取り付けられている。このギアは、圧縮膨張兼用機１１の回転軸部材１４ｆに取り付けられたピニオン１１ｉと噛み合っている。従って、電動発電兼用機１４と圧縮膨張兼用機１１との間で回転駆動力の伝達が可能となっている。

ケーシング１４ｃには、コイル室Ｒ２に圧縮空気を導入する導入口（第２導入口）１４ｋと、コイル室Ｒ２から圧縮空気を導出する導出口１４ｌとが設けられている。導入口１４ｋには、導入口１４ｋからコイル室Ｒ２に圧縮空気を供給する空気源（第２空気源）１４ｍが流体的に接続されている。空気源１４ｍは、コイル室Ｒ２を周囲よりも高圧に維持できる程度の圧力の空気を供給する。これにより、コイル室Ｒ２内に潤滑油などが流入することを抑制できる。従って、本実施形態では、電動発電兼用機１４にもエアシールが採用されている。

ケーシング１４ｃには、軸受１４ｉ，１４ｊに潤滑油を供給するための潤滑油流路１４ｎが埋設されている。潤滑油流路１４ｎは、入口１４ｏから出口１４ｐまで、ケーシング１４ｃ内に螺旋状に巡らされている。これにより、低温の潤滑油を潤滑油に流すことにより、コイル室Ｒ２を冷却できるようになっている。このような冷却機構は、電動発電兼用機１４の回転駆動方向や回転数によらずに一定の冷却性能を発揮できるため、特に電動発電兼用機１４に対して有効である。また、潤滑油流路１４ｎの途中には、軸受１４ｉ，１４ｊが配置されており、軸受１４ｉ，１４ｊを潤滑できるようにされている。

（作用効果）
図１を参照して、ＣＡＥＳ発電装置１が充電運転を行うときには、発電設備２から入力される変動する電力により電動発電兼用機１４が電動機（モータ）として駆動され、電動発電兼用機１４によって圧縮膨張兼用機１１が圧縮機として駆動される。圧縮膨張兼用機１１は空気流路１０ａ，１０ｂを介して供給される空気を低圧口１１ａから吸気して圧縮し、圧縮空気を生成する。圧縮膨張兼用機１１の高圧口１１ｂから吐出された圧縮空気は、空気流路１０ｄ，１０ｆ，１０ｇを通って蓄圧タンク１３に圧送されて貯蔵される。つまり、蓄圧タンク１３は、圧縮空気を貯蔵してエネルギーとして蓄積する。圧縮空気は、蓄圧タンク１３に圧送される前に、熱交換器１２を通過する。

上記充電運転時には、ポンプ２３ｂによって、低温熱媒タンク２２に貯蔵された低温の熱媒が、熱媒流路２０ｂを通って熱交換器１２に送られる。熱交換器１２にて熱交換後の高温の熱媒は、ポンプ２３ａによって熱媒流路２０ａを通って高温熱媒タンク２１に送られる。

圧縮膨張兼用機１１の高圧口１１ｂから吐出された圧縮空気は、圧縮の際に生じる圧縮熱により高温となっている。熱交換器１２では、熱媒と圧縮空気の間の熱交換により、圧縮空気は冷却され、熱媒は加熱される。従って、蓄圧タンク１３には、熱交換器１２における熱交換によって降温した圧縮空気が貯蔵される。このとき、圧縮空気は、常温程度まで降温されることが好ましい。また、高温熱媒タンク２１には、熱交換器１２での熱交換後の昇温した熱媒が貯蔵される。

ＣＡＥＳ発電装置１が充電運転を行うときには、蓄圧タンク１３から送出された圧縮空気が、空気流路１０ｇ，１０ｅ，１０ｄを通って圧縮膨張兼用機１１の高圧口１１ｂに供給される。圧縮空気は、圧縮膨張兼用機１１に給気される前に、熱交換器１２を通過する。高圧口１１ｂに給気された圧縮空気によって圧縮膨張兼用機１１が膨張機として作動し、電動発電兼用機１４が発電機として駆動される。電動発電兼用機１４で発電した電力は、電力系統３に供給される。圧縮膨張兼用機１１で膨張された空気は、低圧口１１ａから空気流路１０ａ，１０ｃを通って排気される。

上記発電運転時には、ポンプ２３ａによって、高温熱媒タンク２１に貯蔵された高温の熱媒が、熱媒流路２０ａを通って熱交換器１２に送られる。熱交換器１２にて熱交換後の低温の熱媒は、ポンプ２３ｂによって熱媒流路２０ｂを通って低温熱媒タンク２２に送られる。

圧縮膨張兼用機１１では、膨張時の吸熱により空気の温度が低下する。そのため、圧縮膨張兼用機１１に給気される圧縮空気は、高温であることが好ましい。熱交換器１２では、熱媒と圧縮空気の間の熱交換により、圧縮空気は加熱され、熱媒は冷却される。従って、圧縮膨張兼用機１１には、熱交換器１２における熱交換によって昇温した圧縮空気が供給される。また、低温熱媒タンク２２には、熱交換器１２での熱交換後の降温した熱媒が貯蔵される。

本実施形態のＣＡＥＳ発電装置１によれば、ＣＡＥＳ発電装置１において、圧縮機と膨張機を一体化した圧縮膨張兼用機１１を使用しているため、装置全体を小型化できる。また、メンテナンスを行う機器を減らすことができるため、メンテナンスコストを低減でき、配管施工を含む様々な建設工事費を低減でき、設置スペースを減少できる。従って、低コスト化できる。

また、圧縮膨張兼用機１１において、上記のように好適な形状の潤滑油ラビリンスシール１１ｇ２を採用しているため、圧縮室Ｒ１外に存在する潤滑油などの空気以外の流体が圧縮室Ｒ１に浸入することを抑制できる。圧縮膨張兼用機１１では、回転軸部材１１ｆが一方向ではなく両方向に回転する。即ち、圧縮膨張兼用機１１が圧縮機として機能するときに回転軸部材１１ｆが回転する方向と、圧縮膨張兼用機１１が膨張機として機能するときに回転軸部材１１ｆが回転する方向とが異なり、これらの機能の切り替えの際には回転軸部材１１ｆが逆転することとなる。従って、圧縮膨張兼用機１１の軸シール構造には、回転方向に依存しない設計が求められる。仮に、回転方向に依存するネジ溝式（即ち螺旋型）のビスコシールを設けると、貫通孔１１ｃにおいて、回転方向によっては圧縮室Ｒ１外から圧縮室Ｒ１へと向かう気流を発生させることがある。本実施形態の構成では、回転軸部材１１ｆの回転方向によらないように回転軸対称の形状を有する潤滑油ラビリンスシール１１ｇ２を採用しているため、当該気流の発生を抑制できる。

また、空気源１１ｌから導入口１１ｋ２を介して圧縮室Ｒ１に供給される圧縮空気を利用した潤滑油ラビリンスシール１１ｇ２によって、圧縮室Ｒ２への潤滑油の浸入を抑制できるため、回転軸部材１１ｆの回転方向に依存することなくシール性を高めることができる。また、２枚以上のエアーリングシール１１ｇ１によって、空気源１１ｌから導入口１１ｋ２を介して導入された圧縮空気の圧縮室Ｒ１内への浸入を抑制できるため、一層シール性を高めることができる。

また、電動発電兼用機１４において、上記のように好適な形状のリップシール１４ｇ，１４ｈを採用しているため、コイル室Ｒ２外に存在する潤滑油などの空気以外の流体がコイル室に浸入することを抑制できる。電動発電兼用機１４では、回転軸部材１４ｆが一方向ではなく、両方向に回転する。即ち、電動発電兼用機１４が電動機として機能するときに回転軸部材１４ｆが回転する方向と、電動発電兼用機１４が発電機として機能するときに回転軸部材１４ｆが回転する方向とが異なり、これらの機能の切り替えの際には回転軸部材１４ｆが逆転することとなる。従って、電動発電兼用機１４の軸シール構造には、回転方向に依存しない設計が求められる。仮に、回転方向に依存するネジ溝式（即ち螺旋型）のリップシールを設けると、貫通孔１４ａ，１４ｂにおいて、回転方向によってはコイル室Ｒ２外からコイル室Ｒ２へと向かう気流を発生させることがある。本実施形態の構成では、回転軸部材１４ｆの回転方向によらないように回転軸対称の形状を有するリップシール１４ｇ，１４ｈを採用しているため、当該気流の発生を抑制できる。

また、空気源１４ｍから導入口１４ｋを介してコイル室Ｒ２に圧縮空気を供給することにより、コイル室Ｒ２の圧力を高めることができる。コイル室Ｒ２が周囲よりも高圧となることで、コイル室Ｒ２に潤滑油などの空気以外の流体が浸入することを抑制できる。

また、逆止弁１６ａ〜１６ｄをそれぞれ有する空気流路１０ｂ，１０ｃ，１０ｅ，１０ｆを設けているため、電磁制御を行うことなく、機械的に空気の流動方向を切り替えることができる。圧縮膨張兼用機１１は、圧縮機として動作するときと、膨張機として動作するときとでは、空気の流動方向が反対となる。仮に、三方電磁弁などの流動方向を切り替えることのできる電磁的な制御部品を使用すれば、電磁制御により、流動方向を切り替えることができるが、構造やそれに伴う制御が複雑となる。これに対し、本実施形態の構成では、流入方向が規定された２つの経路（空気流路１０ｂ，１０ｃまたは空気流路１０ｅ，１０ｆ）を合わせて設けることによって、電磁制御を不要とした機械的な簡易な空気の流動方向の切り替えを実現している。

また、熱媒流路系２０を設けているため、圧縮時の圧縮熱により昇温した圧縮空気から熱交換器１２にて熱媒で熱回収して高温熱媒タンク２１に熱エネルギーとして貯蔵できる。高温熱媒タンク２１に貯蔵した高温の熱媒は、膨張時に熱交換部に供給することで、膨張前の圧縮空気に対して熱媒から熱を付与し、膨張効率を向上できる。

また、高温熱媒タンク２１と低温熱媒タンク２２の熱媒の圧力を均一にしているため、熱媒の流れを安定させることができる。特に、熱媒として水を使用するため、低コストで環境性に優れたＣＡＥＳ発電装置１を製造できる。ただし、熱媒が水である場合には大気圧下１００度以上で沸騰するため、Ｎ２ボンベ３１から所定圧力のＮ２ガスを供給し、水が沸騰すること抑制できる。

また、緩み止めナット１１ｊによってピニオン１１ｉが緩むことを抑制できる。緩み止めナット１１ｊは、楔効果によって回転軸部材１１ｆが正回転および逆回転しても緩むことのない機能を有するものである。

（第２実施形態）
図６〜１０に示す本実施形態のＣＡＥＳ発電装置１は、緩み止めナット１１ｊによる固定方法が第１実施形態と異なる。これに関する構成以外は、第１実施形態のＣＡＥＳ発電装置１の構成と実質的に同じである。従って、第１実施形態にて示した構成と同じ部分については同じ符号を付して説明を省略する。

図６〜１０を参照して、本実施形態では、ピニオン１１ｉが留め具１１ｒを介して３個の六角穴付ボルト（ボルト）１１ｐによって回転可能に保持されている。六角穴付ボルト１１ｐは、抑え蓋１１ｑによって外側から抑えられている。抑え蓋１１ｑは、緩み止めナット１１ｊによって固定されている。なお、図６は、抑え蓋１１ｑおよび緩み止めナット１１ｊを取り外した状態を示している。

本実施形態によれば、六角穴付ボルト１１ｐを抑える抑え蓋１１ｑを緩み止めナット１１ｊによって固定しているため、抑え蓋１１ｑの緩みを抑制でき、六角穴付ボルト１１ｐの緩みを抑制できる。従って、ピニオン１１ｉが緩むことを抑制できる。

以上より、本発明の具体的な実施形態について説明したが、本発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。また、図面は模式的なものであり、実際のものとは寸法や細かな形状が異なる場合がある。

１ 圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ）発電装置
２ 発電設備
３ 電力系統
１０ 空気流路系
１０ａ，１０ｄ，１０ｇ 空気流路
１０ｂ，１０ｅ 空気流路（流入路）
１０ｃ，１０ｆ 空気流路（流出路）
１１ 圧縮膨張兼用機
１１ａ 低圧口
１１ｂ 高圧口
１１ｃ 貫通孔（第１貫通孔）
１１ｄ ケーシング（第１ケーシング）
１１ｅ スクリュロータ
１１ｆ 回転軸部材（第１回転軸部材）
１１ｇ１ エアーリングシール（第１シール部）
１１ｇ２ 潤滑油ラビリンスシール（第１シール部）
１１ｈ 軸受
１１ｉ ピニオン
１１ｊ 緩み止めナット
１１ｋ１ 通気口
１１ｋ２ 導入口（第１導入口）
１１ｌ 空気源（第１空気源）
１１ｍ 噴射ノズル
１１ｎ１ 波バネ
１１ｎ２ スペーサ
１１ｏ 冷却水流路
１１ｐ 六角穴付ボルト
１１ｑ 抑え蓋
１１ｒ 留め具
１２ 熱交換器（熱交換部）
１３ 蓄圧タンク（蓄圧部）
１４ 電動発電兼用機
１４ａ，１４ｂ 貫通孔（第２貫通孔）
１４ｃ ケーシング（第２ケーシング）
１４ｄ 固定子
１４ｅ 回転子
１４ｆ 回転軸部材（第２回転軸部材）
１４ｇ，１４ｈ リップシール（第２シール部）
１４ｉ，１４ｊ 軸受
１４ｋ 導入口（第２導入口）
１４ｌ 導出口
１４ｍ 空気源（第２空気源）
１４ｎ 潤滑油流路
１４ｏ 入口
１４ｐ 出口
１５ サイレンサ
１６ａ〜１６ｄ 逆止弁
２０ 熱媒流路系
２０ａ，２０ｂ 熱媒流路
２１ 高温熱媒タンク（高温蓄熱部）
２１ａ 液相部
２１ｂ 気相部
２１ｃ 温度センサ
２１ｄ 圧力センサ
２２ 低温熱媒タンク（低温蓄熱部）
２２ａ 液相部
２２ｂ 気相部
２２ｃ 温度センサ
２３ａ，２３ｂ ポンプ
３０ 不活性ガス流路系
３０ａ，３０ｂ 不活性ガス流路
３１ Ｎ２ボンベ（不活性ガス源）
３２ 圧力調整弁
４０ 制御装置
Ｒ１ 圧縮室
Ｒ２ コイル室

Claims (6)

1. 空気を圧縮する圧縮機としての機能および圧縮空気を膨張させる膨張機としての機能を有する容積型の圧縮膨張兼用機と、
   前記圧縮膨張兼用機と機械的に接続され、前記圧縮膨張兼用機を駆動する電動機としての機能および前記圧縮膨張兼用機によって駆動される発電機としての機能を有する電動発電兼用機と、
   前記圧縮膨張兼用機と流体的に接続され、前記圧縮膨張兼用機により生成された圧縮空気を貯蔵する蓄圧部と
   を備え、
   前記圧縮膨張兼用機は、
   圧縮室を画定し、第１貫通孔が設けられた第１ケーシングと、
   前記第１貫通孔に挿通された第１回転軸部材と、
   前記第１貫通孔において前記第１回転軸部材と前記第１ケーシングとの隙間をシールする第１シール部と
   を備え、
   前記第１シール部は、前記第１回転軸部材の回転方向に依存しないシール性を有し、
   前記第１シール部は、回転軸方向に垂直なストレート溝を有する潤滑油ラビリンスシールを備え、
   前記第１シール部は、前記第１回転軸部材の延びる方向において前記潤滑油ラビリンスシールよりも前記圧縮室側に配置された２枚以上のエアーリングシールをさらに備え、
   前記圧縮膨張兼用機は、
   前記第１ケーシングに設けられ、前記潤滑油ラビリンスシールに圧縮空気を導入する第１導入口と、
   前記第１導入口に流体的に接続され、前記第１導入口を介して前記潤滑油ラビリンスシールに前記圧縮室側から圧縮空気を供給する第１空気源と
   をさらに備える、圧縮空気貯蔵発電装置。
2. 前記圧縮膨張兼用機への流入方向にのみ空気の流れを許容するように配置された逆止弁を有する流入路と、
   前記圧縮膨張兼用機からの排出方向にのみ空気の流れを許容するように配置された逆止弁を有する排出路と
   をさらに備える、請求項１に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
3. 前記圧縮膨張兼用機の高圧側に配置され、前記圧縮膨張兼用機で生成された前記圧縮空気と熱媒とで熱交換して前記熱媒を昇温させるとともに前記圧縮空気を降温させる機能と、前記圧縮膨張兼用機に供給される前記圧縮空気と前記熱媒とで熱交換して前記熱媒を降温させるとともに前記圧縮空気を昇温させる機能とを有する熱交換部と、
   前記熱交換部と流体的に接続され、前記熱交換部で昇温した前記熱媒を貯蔵する高温蓄熱部と、
   前記熱交換部と流体的に接続され、前記熱交換部で降温した前記熱媒を貯蔵する低温蓄熱部と、
   前記高温蓄熱部と前記低温蓄熱部の圧力を均圧化する均圧部と
   をさらに備える、請求項１または請求項２に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
4. 前記熱媒は、水であり、
   前記均圧部は、
   前記高温蓄熱部と前記低温蓄熱部とを流体的に接続する流路と、
   前記高温蓄熱部と前記低温蓄熱部とに流体的に接続され、前記高温蓄熱部と前記低温蓄熱部とに対して所定圧力の不活性ガスを供給する不活性ガス源と
   を備える、請求項３に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
5. 前記圧縮膨張兼用機は、
   前記電動発電兼用機との回転駆動力の伝達のためのピニオンと、
   前記ピニオンを緩まないように保持する緩み止めナットと
   をさらに備える、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
6. 前記圧縮膨張兼用機は、
   前記電動発電兼用機との回転駆動力の伝達のためのピニオンと、
   前記ピニオンを保持する複数のボルトと、
   前記複数のボルトを抑える抑え蓋と、
   前記抑え蓋を固定する緩み止めナットと
   をさらに備える、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。

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