JPH088761B2 - 水素冷却回転電機の水素圧力調整方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は水素冷却回転電機において、特に水素貯蔵合
金を用いて機内の水素ガス圧力を負荷変動に応じて調整
可能にした水素冷却回転電機の水素圧力調整方法に関す
る。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

回転電機、例えばタービン発電機においてはその冷却
媒体として水素ガスを用いたものがある。この場合、機
内の水素ガスはタービン発電機の単機容量が上がるに従
ってその熱容量、即ち（比重量）×（比熱）を増加して
冷却効果を上げる必要があり、特に大容量機では機内の
水素ガス圧力を例えば5.2atmにしているものもある。

しかるに、近年タービン発電機の使用は多用化し、常
に100％負荷だけでなく部分負荷で使用されることがあ
る。この部分負荷時は発電機の電機損が少なく、冷却上
水素ガス圧を5.2atmのままにしておく必要がない。部分
負荷時に機内の水素ガス圧力を5.2atmのままにしておく
と、回転子の風損，ファン動力が100％負荷時と変わら
ないため、発電機の効率が低下する。そこで、このよう
な場合には機内の水素ガス圧力を下げることにより回転
子の風損，ファン動力が減少し、発電機の効率を向上さ
せることができる。

ところで、従来の水素冷却回転電機においては機内の
水素ガスを高圧の水素ガスボンベにより注入するように
しており、従って機内の水素ガス圧力を負荷の変動に応
じて調整するには機内から水素ガスを放出させたり、高
圧の水素ガスボンベより再注入する方式を用いていた。
しかしこの方式は水素ガスの注入や放出のための操作が
繁雑であると共に水素ガスを取扱う上で安全対策を十分
に施しておく必要があり、また水素ガスの消耗量が多大
なものとなるため、エネルギーの有効利用と言う観点か
ら見ても問題がある。

また、かかる問題を解決するものとして、例えば実開
昭55−12720号公報に記載された発明のようにタービン
発電機の機内の水素ガス圧力を負荷の変動に応じて圧力
調整機能により調整できるようにしたものがある。

第４図はこのような従来の水素冷却タービン発電機に
おける水素ガス圧力調整系を示すものである。すなわ
ち、第４図に示すように外部負荷系統に接続されたター
ビン発電機31において、その機内32には水素ガスボンベ
33に充填された水素ガスが圧力調整弁34を介して供給可
能にしてあり、また機内の水素ガス圧力制御系としては
機内に圧力制御弁35を介して連通するレリーフ水素リザ
ーブ室36、このリザーブ室36の容積を調整して機内32の
水素ガスを流出入させるピストン37、このピストン37を
駆動するピストン駆動機構38及びタービン発電機31の出
力により負荷の大きさを検出し、その負荷変動に応じて
ピストン駆動機構38に駆動指令を与えると共に圧力調整
弁35に対しては開閉指令を与える負荷追従機構39から構
成されている。

したがって、このような構成のタービン発電機の水素
ガス圧力調整系において、通常は圧力調整弁34によって
水素ガスボンベ33の圧力を減圧して一定になるように制
御され、また負荷変動がある時は負荷追従制御機構39か
らの指令に基いてピストン37を駆動してリザーブ室36の
容積を調整すると共に圧力調整弁35の開度を制御するこ
とによりタービン発電機32の機内水素ガス圧力を負荷変
動に応じて調整することができる。

しかし、かかるタービン発電機の水素ガス圧力調整系
ではリザーブ室内周面を摺動するピストン37により調整
するようにしているため、このピストン37とリザーブ室
内周面との間のシールが十分なされていないと機内と連
通している側の高圧状態にある水素ガスが大気状態にあ
るピストン背部側へリークして爆発につながる恐れがあ
る。

そこで、最近では前述したようなレリーフ水素リザー
ブ室及びこのリザーブ室の容積を調整するピストン等の
駆動装置を用いずに機内の水素圧力を簡便に、しかも水
素ガスの消耗をなくしてエネルギーの有効利用を図るこ
とができると共に静止形にして爆発の危険のない水素貯
蔵合金の使用が考えられている。この水素貯蔵合金は水
素を非常によく吸収する性質を有するチタンやミッシュ
メタルなどの金属原子を組合わせたもので、温度を下げ
るか圧力を上げると水素ガスを吸収して発熱し、逆に温
度を上げるか圧力を下げると吸収した水素ガスを放出し
て周囲から熱をうばう性質があり、また送込む水素ガス
の圧力値によって合金自体の温度も変化し、逆に合金自
体の温度を変えることによって発生する水素ガスの圧力
も異なるという相関関係を有しているものである。

したがって、水素貯蔵合金を使用する場合にはその時
の水素貯蔵合金の温度に対応する圧力以下にある水素ガ
スを吸収することができないため、水素貯蔵合金が十分
に存在する雰囲気中では温度を調整することにより、そ
の雰囲気内の水素ガス圧力をその時の温度に対応する圧
力に調整することができる。

さて、かかる水素貯蔵合金を用いて温度変化により回
転電機内に水素ガスを放出または吸着させて機内水素ガ
ス圧力を調整するには、負荷変動に対して迅速に対処す
る必要がある。しかし、通常水素貯蔵合金は水素ガスと
の接触面積を多くとる必要性があることから粉末状のも
のが使用され、このためその熱伝導性が極めて悪く負荷
の変動に対して圧力の追従性にある程度の時間差を伴
う。

したがって、回転電機の負荷状況があらかじめ予測さ
れる場合にはこれを見越して水素貯蔵合金の温度調整を
することができるが、急激な負荷変動の場合には対処で
きない。特に、負荷が急激に上昇したような場合には回
転電機内の水素ガス圧力の上昇に時間がかかるため、一
時的にせよ温度の上昇を招き規定温度を越えるという事
態の発生が考えられる。

〔発明の目的〕

本発明はかかる点を改善するためになされたもので、
その目的は水素貯蔵合金を加熱，保温してこの水素ガス
圧力を一定圧力以上にした状態で機内に水素ガスを供給
可能とすることにより、部分負荷時からの急激な負荷上
昇に対しても回転電機の温度上昇を規定値以下に保持す
ることができる回転電機の水素圧力調整方法を提供する
にある。

〔発明の概要〕

本発明はかかる目的を達成するため、水素ガスを冷却
媒体として用いる回転電機の外部に、冷却器及び加熱器
を備え且つ温度変化により水素ガスを放出または吸着す
る水素貯蔵合金を収納した複数個のケースを並列的に設
け、これら各ケースの水素ガス流出入側を弁を介して配
管により共通に接続すると共に機内の水素ガスが流出入
可能に接続する構成として前記各ケースに備えられた冷
却器又は加熱器で前記水素貯蔵合金を任意の温度に冷却
又は加熱し、且つ弁を開閉して機内水素ガス圧力を負荷
変動に応じて調整するに際し、前記回転電機の負荷減少
により何ずれかのケースの水素貯蔵合金に機内の水素ガ
スが吸着されているとき、前記回転電機の負荷が上昇す
ると所定の水素ガス圧に保持されている他のケースの水
素ガスを機内に流入して急激な負荷上昇に迅速に対応さ
せるようにしたことを特徴としている。

〔発明の実施例〕

以下本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図及び第２図により本実施例について説明する。
第１図において、１は回転電機で、機内には冷却媒体と
して水素ガスが注入されている。また２は機外に設けら
れ且つ内部に粉末状の水素貯蔵合金が充填されると共に
この水素貯蔵合金を加熱する加熱器４及び水素貯蔵合金
を冷却する冷却器５が備えられたケースで、このケース
２はその水素ガス流入側及び流出側が配管3a及び3bによ
り機内の水素ガス循環系にそれぞれ連繋され、機内との
間で水素ガスが流れるようになっている。また6a,6bは
配管3a,3bの中途にそれぞれ設けられた弁、７はケース
２の水素ガス流出側近傍の配管3bに設けられたフイル
タ、８は回転電機側近傍の配管3bに設けられた冷却器で
ある。

次に上記のように構成された水素冷却回転電機の水素
圧力調整系統の作用を述べる。

回転電機１は図には示していないが機内の回転子に取
付けけられている自己ファンにより冷却媒体である水素
ガスを循環させ、その循環系に設けられた冷却器により
機内で発生した熱を回収している。この場合、水素ガス
の冷却能力はその循環量（密度×体積流量）に関係し、
循環量が多くなればそれだけ冷却能力は向上するが、部
分負荷時にはオーバクール状態となる。通常の回転電機
の場合、機内の水素ガスの循環力は自己ファンによる
が、体積流量は運転回転数によってほぼ決定される。し
たがって、機内の水素ガスの循環量を調節するにはガス
圧力によるガス密度を調整する以外には方法はない。

また、機内の水素ガス密度は回転子の回転による風損
の発生にも関連しており、ガス密度が低ければ低い程低
損失となる。

以上のことから部分負荷時には、ケース２のガス流入
側の配管3aの中途に設けられた弁6aを開放して機内の水
素ガス循環系から水素ガスをケース２内に導入し、水素
貯蔵合金を冷却器５により冷却すれば、水素ガスは水素
貯蔵合金に吸着されるので、機内の水素ガス圧力を低下
させることができる。この場合、ケース２のガス流出側
の配管3bに設けられた弁6bは閉じられている。また、水
素貯蔵合金を加熱するための加熱器４は当然のことなが
ら作動していない。

第２図はケース２内に充填された水素貯蔵合金の温度
とその周囲の水素ガスとの平衡圧力との関係を示したも
のである。

今、ケース２内に充填されている水素貯蔵合金の温度
を第２図に示すようにT₁に保つように冷却器５により冷
却すれば、その周囲の水素ガス圧力はP₁となり、その結
果回転電機１の機内の水素ガス循環系から配管3aを通し
てケース２内に流入する。そして機内の水素ガス圧力が
所定の値に到達した時点で弁6aを閉じると共に冷却器５
による水素貯蔵合金の冷却を停止する。その後、加熱器
４を作動して水素貯蔵合金の温度を上昇させ、ケース２
内の水素ガス圧力を上昇させる。この加熱器４による水
素貯蔵合金の加熱はケース２内の水素ガス圧力が所定の
圧力P₂に到達するまで継続され、所定の圧力P₂に到達し
たならばケース２内の温度をT₂に保持する。

回転電機１の機内の水素ガス圧力が所定の値に到達し
た時点で弁6bを閉じると共に直ちに加熱器４による水素
貯蔵合金の加熱を停止し、その後冷却器５により水素貯
蔵合金の冷却を開始してケース２内の水素ガス圧力を低
下させる。そして再び部分負荷となった場合には前述同
様に弁6aを開いてケース２内に回転電機１の機内から水
素ガスの取込みが開始される。

このようにケース２内の水素ガス圧力は回転電機１の
機内の水素ガス圧力とは分離して維持さるため、回転電
機１の負荷が部分負荷の時にケース２内の水素ガス圧力
は機内の水素ガス圧力の数倍以上に保つことが可能とな
る。したがって、急激な負荷上昇時にケース２から機内
に急速に水素ガスを供給することができ、機内の温度上
昇を規定値内に保持することができ、もって機器の安全
性に危害を及ぼすことなく、高効率で回転電機を運転す
ることができる。

次に本発明の他の実施例を第３図を参照して述べる。

本実施例では第３図に示すように回転電機１の機外に
第１図と同一構成のケース２を複数個並列的に設けてそ
れぞれの水素ガス流入側を弁6aを介して配管3aにより共
通に接続すると共に回転電機１の機内に連通させて接続
し、また各ケース２の水素ガス流出側にフイルタ７及び
弁6bを介して配管3bにより共通に接続すると共に水素ガ
ス冷却器８を介して回転電機１の機内に連通させて接続
する構成とするものである。

このような構成とすれば、それぞれのケース２に対し
て水素貯蔵合金の温度制御を別個に行なえるので、あら
ゆる状況に応じて回転電機１の機内の水素ガス圧力を任
意に調節することができる。即ち、例えば複数個のケー
ス２のうち何個かのケースにより回転電機１の全負荷運
転に対応させ、残りのケースに対しては水素貯蔵合金の
加熱によりケース内のガス圧力を高圧状態にして待機さ
せておく。このような状態にある時、部分負荷運転モー
ドに移ると機内の水素ガスはケース２内の水素貯蔵合金
に吸着開始されるが、吸着開始後何らかの理由で負荷を
上昇させたい場合には直ちに水素ガスの吸着を中止し、
該ケース２のガス流入側の弁6aを閉じると共に高圧状態
で待機させているケース２のガス流出側の弁6bを開いて
該ケース２から回転電機１の機内へ水素ガスの供給を開
始することができる。また、この場合高圧状態にあるケ
ース２から放出される水素ガスは高温になっているが、
この水素ガスは水素ガス冷却器８により冷却されて機内
へ流入するため、冷却効果が損われるようなことはな
い。

上記の場合はほんの一例に過ぎないが、負荷の状況が
どのように変動しても機内の水素ガス圧力を任意に調整
することができる。

尚、前述した各実施例においてはケース２のガス流入
側の配管3aに単に弁6aを設けるようにしたが、これに代
えて逆流防止用の弁及び仕切り弁を設けて機内からケー
ス２へ水素ガスの流入のみに用いるようにしてもよい。
またケース２内には加熱器４及び冷却器５を夫々別個に
設けるようにしたが、ケース内に熱交換用の管路を配し
この管路に温度調節された水等の流体を通して水素貯蔵
合金の温度調節をするようにしてもよい。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明によれば、水素ガスを冷却媒
体として用いる回転電機の外部に、冷却器及び加熱器を
備え且つ温度変化により水素ガスを放出または吸着する
水素貯蔵合金を収納したケースを設け、このケースを機
内の水素ガス循環系に機内の水素ガスが流出入可能に配
管により接続する構成として前記冷却器又は加熱器で前
記水素貯蔵合金を任意の温度に冷却又は加熱することに
より機内水素ガス圧力を負荷変動に応じて調整するに際
し、前記配管の中途に弁を設けて前記回転電機が部分負
荷時においてはその弁を閉じて前記ケースと機内との連
通をしゃ断すると共に前記加熱器により前記ケース内の
温度を内部の水素ガス圧力が所定の値になるように高め
ておき、負荷上昇時には前記弁を開いて前記ケース内の
水素ガスを急速に機内に流入させるようにしたので、水
素貯蔵合金を加熱，保温してこの水素ガス圧力を一定圧
力以上にした状態で機内に水素ガスの供給が可能とな
り、部分負荷時からの急激な負荷上昇に対しても回転電
機の温度上昇を規定値以下に保持することができる水素
冷却回転電機の水素圧力調整方法を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による水素冷却回転電機の水素圧力調整
装置の一実施例を示す構成図、第２図は同実施例で用い
られる水素貯蔵合金の特性図、第３図は本発明の他の実
施例を示す構成説明図、第４図は従来のタービン発電機
の水素圧力調整系を示す構成図である。 １……回転電機、２……ケース、3a,3b……配管、４…
…加熱器、５……冷却器、6a,6b……弁、７……フイル
タ、８……水素ガス冷却器。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】水素ガスを冷却媒体として用いる回転電機
   の外部に、冷却器及び加熱器を備え且つ温度変化により
   水素ガスを放出または吸着する水素貯蔵合金を収納した
   複数個のケースを並列的に設け、これら各ケースの水素
   ガス流出入側を弁を介して配管により共通に接続すると
   共に機内の水素ガスが流出入可能に接続する構成として
   前記各ケースに備えられた冷却器又は加熱器で前記水素
   貯蔵合金を任意の温度に冷却又は加熱し、且つ弁を開閉
   して機内水素ガス圧力を負荷変動に応じて調整するに際
   し、前記回転電機の負荷減少により何ずれかのケースの
   水素貯蔵合金に機内の水素ガスが吸着されているとき、
   前記回転電機の負荷が上昇すると所定の水素ガス圧に保
   持されている他のケースの水素ガスを機内に流入して急
   激な負荷上昇に迅速に対応させるようにしたことを特徴
   とする水素冷却回転電機の水素圧力調整方法。
2. 【請求項２】機内水素ガス流入側の配管に水素ガス冷却
   器を設けて、各ケースから機内に水素ガスを流入させる
   際に高温の水素ガスが直接流入しないようにした特許請
   求の範囲第１項に記載の水素冷却回転電機の水素圧力調
   整方法。
3. 【請求項３】冷却器及び加熱器はケース内に熱交換用の
   配管を配しこの配管に温度調節された水等の流体を通し
   て水素貯蔵合金の温度調節をするようにしたものである
   特許請求の範囲第１項又は２項に記載の水素冷却回転電
   機の水素圧力調整方法。