JPH03149321A - ヘリウムガス動力装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ヘリウムガスの密閉サイクルを構成してター
ビン駆動を行うヘリウムガス動力装置に関する。

（従来の技術） 従来、この種装置として特開昭５３−１３９０３９号公
報に開示され且つ第２図に示すものが知られており、す
なわち、タービン（Ｔ）、圧縮機（Ｘ）及び発電機（０
）をシャフト（Ｓ）で同軸上に結合し、燃焼ガス炉（Ｚ
）で加熱したヘリウムガスでタービン（Ｔ）を駆動する
と共に、その排ガスを再生熱交換器（Ｙ）及び冷却器（
Ｆ）を介して圧縮機（Ｘ）に導入し、吐出ガスを再び再
生熱交換器（Ｙ）を介して燃焼ガス炉（Ｚ）に流入させ
、タービン（Ｔ）の駆動により発電を行うようにしてい
る。

尚、（Ｕ）は補助圧縮機、（Ｖ）は排ガス一部を燃焼ガ
ス炉（Ｚ）に導くエゼクタである。

（発明が解決しようとする課題） 以上の構成によれば、ヘリウムを循環媒体としているた
め蒸気タービン機関等に比べて小型で高効率の動力取出
しが行えるが、タービン（Ｔ）で発生する動力の一部が
圧縮機（Ｘ）を駆動するのに使われ、発電機（０）に与
えられる実質的な動力が減る難点がある。

又、タービン（Ｔ）を回す動力源としては、燃焼ガス炉
（Ｚ）で与えられる熱エネルギーのみであるため、ター
ビン（Ｔ）に供給されるヘリウムガスのエンタルピーは
さほど大きく確保できず、入力に対する出力つまり効率
はあまり高いとは言い難い。

更に、再生熱交換器（Ｙ）での再生行程の後に冷却器（
Ｆ）で冷却行程を行っているため、熱的に無駄な行程を
要し、不経済である。

本発明では、内燃機関駆動形の圧縮機で得られる機械的
圧縮仕事と、前記内燃機関で発生する排気熱による昇圧
・昇温とを利用することにより、タービンに供給するヘ
リウムガスのエンタルピーを高めて高い効率の動力取出
しを可能にし、又、これの改良としてタービン駆動を良
好ならしめると共に相対的に圧縮機での動力軽減をも図
れるヘリウムガス動力装置を提供することを目的とする
。

（課題を解決するための手段） そこで、この目的を達成するため、内燃機関（１）で駆
動されるヘリウム圧縮機（２）を備え、この圧縮機（２
）の吐出側に、該圧縮機（２）から吐出される高圧ヘリ
ウムガスと前記内燃機関（１）から排出される排気ガス
とを熱交換させる昇圧器（３）を接続すると共に、該昇
圧器（３）のヘリウム出口側にタービン（８）を接続し
て、このタービン（８）の出口側を前記圧縮機（２）の
吸入側に接続することにした。

又、その改良として、昇圧器（３）を複数個並列に備え
、各昇圧器（３１，３２，３３）の出口部に、該各昇圧
器でのヘリウムガス圧力が所定値を越えるとき開く開閉
弁（５Ｌ　　５２＋　　５３）をそれぞれ介装すること
にした。

（作用） ヘリウムガスは、圧縮機（２）での機械的圧縮仕事によ
り昇圧されると共に、昇圧器（３）で内燃機関（１）か
ら排出される排気ガスと熱交換して更に昇圧・昇温され
、高温の杖態でタービン（８）に供給される。これによ
り、タービン（８）でヘリウムガスが断熱膨張する際、
その出入口間に大きな断熱熱落差、即ちエンタルピーを
得ることができ、高い運転エネルギーの取出しが可能と
なり、高効率の動力取出しが行える。

又、複数の昇圧器（３１，３２，３３）を設け、出口側
の各開閉弁（５１）（５２）（５３）を所定圧力を越え
ると開くようにする場合、タービン（８）に供給するヘ
リウムガス条件を安定化でき、タービン（８）の駆動を
良好にできると共に、圧縮機（２）側では、各昇圧器が
所定圧力値になるように仕事をすればよいから、瞬時的
に過度な仕事を行う必要をなくせ、相対的に該圧縮機（
２）での動力軽減が図られる。

（実施例） 第１図に示すものは、内燃機関（１）で駆動されるヘリ
ウム圧縮機（２）を備え、この圧縮機（２）の吐出側に
、該圧縮機（２）から吐出される高圧ヘリウムガスと前
記内燃機関（１）から排出される排気ガスの余熱とを熱
交換させる昇圧器（３）を接続すると共に、該昇圧器（
３）のヘリウム出口側に開度調節弁（４）及び排ガスエ
コノマイザ（９）を介して発電機（７）を駆動するター
ビン（８）を接続して、このタービン（８）の出口側を
低圧ヘッダー（６）を介して前記圧縮機（２）の吸入側
に接続し、ヘリウムガスの密閉サイクルを形成したもの
である。

前記昇圧器（３）は、第１．第２及び第３昇圧器（３１
）（３２）（３３）から成り、各ヘリウム容器（３１ａ
）（３２ａ）（３３ａ）を、ヘリウム吐出管（２２）と
供給管（２３）との間に並列に介装すると共に、これら
各容器内に、排気ガス管（１０）から分岐し、端部を大
気に開放する排ガスコイル（３１ｂ）（３２ｂ）（３３
１））を配設している。又、各容器の入口には、逆止弁
（１１）（１２）（１３）をそれぞれ介装すると共に、
出口に、各容器内のヘリウムガス圧力が例えば１０　ｋ
　ｇ　ｆ　／　Ｃ／　ａ　ｂ　Ｓ程度の所定値を越える
と開く開閉弁（５１）（５２）（５３）をそれぞれ介装
している。

こうして、吸入管（２１）に介装した開閉弁（Ａ）を開
け、内燃機関（１）を始動して圧縮機（２）を駆動すれ
ば、ヘリウムガスは、前記圧縮機（２）での機械的圧縮
仕事により昇圧されると共に、前記昇圧器（３）で内燃
機関（１）から排出される排気ガスの余熱と熱交換して
更に昇圧昇温され、タービン（８）に供給さーれる。こ
のとき、タービン（８）の出入口の圧力比に基づきヘリ
ウムガスが断熱膨張する際、その出入口間に大きな断熱
熱落差を得ることができる。これにより、高い運転エネ
ルギーの取出しが可能となり、高効率の動力取出しが行
える。すなわち、理論断熱熱落差をΔｈ　（ｋＪ／ｋｇ
）　、定圧比熱をＣｐ（ヘリウムでは５．１９ｋＪ／ｋ
ｇ）、タービン入口温度をＴｉ（Ｋ）、出口温度をＴｏ
　（Ｋ）とすると、前記熱落差（Δｈ）は、 Ａｈ＝Ｃｐ　（Ｔｉ　−Ｔｏ）　　　　　”■堅 には断熱指数でヘリウムでは１．６７である。

上式■■より・　　　　目。

Δｈ＝ｃｐＴｔ　（１−（Ｐｏ／Ｐｉ）　）−・■とな
り、上式〇で表示されているように、前記熱落差（Δｈ
）は、タービン入口温度（Ｔｉ）が高いほど大きくなる
。そして、該入口温度（Ｔｉ）は、前記圧縮機（２）で
の昇圧と昇圧器（３）での昇圧との２度の昇圧で十分に
高い値にできるため、前記熱落差（Δｈ）は大きな値と
なる。因に圧縮機（２）に吸入するガス条件を、圧力２
．４ｋｇｆ／ｅ♂ａｂｓで温度３００に１圧縮比を２と
すると、その吐出ガスは、圧力４．８　ｋｇｆ／ｃＪ　
ａｂｓでｓｌＬＬ 温度３００Ｘ２　　＝３９８にとなり、又、昇圧器（３
）での昇圧により圧力が１０　ｋｇｆ／ｃｊａｂｓまで
高められるとすると、等容積変化によりその温度は３９
８Ｘ　（１０／４．８）＝８２５にとなり、タービン（
８）の圧力比（Ｐｏ／Ｐ１）を１１５とすると、熱落差
Δｈは約２０００ｋＪ／ｋｇという高い値となる。勿論
、従来要した再生熱交換器及び冷却器を不要にでき、無
駄な行程も無い。

尚、排ガスエコノマイザ（９）は、主に、供給管（２３
）でのヘリウムガス温度の低下を抑制する役目を担う。

又、特に上記構成で、昇圧器（３）を第１〜第３昇圧器
（３１）（３２）（３３）で構成し、出口側の各開閉弁
（５１）（５２）（５３）を所定圧力（１０ｋｇｆ／ｃ
♂ａｂｓ）を越えると開くようにしているため、タービ
ン（８）に供給するヘリウムガス条件を安定化でき、タ
ービン駆動を良好にできると共に、圧縮機（２）側では
、前記各昇圧器が所定圧力値になるように仕事をすれば
よいから、瞬時的に過度な仕事を行う必要をなくせ、該
圧縮機（２）での動力軽減が図られる。

尚、前記開度調節弁（４）はタービン（８）の出入口圧
力比（Ｐｏ／Ｐｉ）を一定にするものであり、高圧側作
用室（４１）に臨む小さな受圧面積（Ａ１）をもち、弁
ステム（４０）を押下げて弁開度を閉側に調節するピス
トン（４２）と、低圧側作用室（４３）に臨む大きな受
圧面積（Ａ２）をもち、弁ステム（４０）を引上げて弁
開度を開偏に調節するピストン（４４）とを対抗状に配
置し、前記高圧側作用室（４１）にタービン（８）の入
口圧力（Ｐｉ）を、また、前記低圧側作用室（４３）に
タービン（８）の出口圧力（Ｐｏ）を各々導入し、前記
各ピストンに対抗状に作用する力（ＡＩＸＰｉ）（Ａ２
ＸＰｏ）がバランスする位置に前記ステム（４０）を位
置させ、タービン（８）の出入口圧力比（Ｐ　ｉ　／　
Ｐ　ｏ　）が前記面積比（Ａ２／Ａ１）に等しくなるよ
うに、開度調節するようにしている。

又、第１図において、ヘリウムガスの回収管（２４）に
は、ヘリウムガス補充タンク（６１）、逆止弁（Ｌ）及
び開閉弁（Ｋ）を直列に介した漏れガス補充回路を接続
している。

又、上記実施例では、タービン（８）の負荷として発電
機（７）を用いたが、船舶等の動力軸を接続してもよい
。

更に、圧縮機（２）及び昇圧器（３）を複数台並列に設
置して、大出力のタービン１基にヘリウムガス圧力を集
約するようにしてもよい。

（発明の効果） 以上本発明によれば、ヘリウム圧縮機（２）での機械的
圧縮仕事と昇圧器（３）での熱交換とにより、タービン
（８）に供給するヘリウムガスの熱落差を大きくするこ
とができ、高効率の動力取出しが行える。

又、昇圧器（３）を複数個並列に設け、各出口側の開閉
弁を所定圧力を越えると開く場合は、タービン（８）の
駆動を良好に行えると共に、圧縮機（２）での動力軽減
が図られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の配管系統図、第２図は従来例の回
路図である。 （１）・・・・内燃機関 （２）・・・・ヘリウム圧縮機 （８，３１，３２，３３）・・・・昇圧器（５１，５２
，５３）・・開閉弁 （８）・・・・タービン

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）内燃機関（１）で駆動されるヘリウム圧縮機（２）
   を備え、この圧縮機（２）の吐出側に、該圧縮機（２）
   から吐出される高圧ヘリウムガスと前記内燃機関（１）
   から排出される排気ガスとを熱交換させる昇圧器（３）
   を接続すると共に、該昇圧器（３）のヘリウム出口側に
   タービン（８）を接続して、このタービン（８）の出口
   側を前記圧縮機（２）の吸入側に接続したことを特徴と
   するヘリウムガス動力装置。 ２）昇圧器（３）を複数個並列に備え、各昇圧器（３１
   、３２、３３）の出口部に、該各昇圧器でのヘリウムガ
   ス圧力が所定値を越えるとき開く開閉弁（５１、５２、
   ５３）をそれぞれ介装している請求項１記載のヘリウム
   ガス動力装置。