KR20120112008A

KR20120112008A - 발전 시스템

Info

Publication number: KR20120112008A
Application number: KR1020120020784A
Authority: KR
Inventors: 시게또 아다찌; 마사요시 마쯔무라; 유따까 나루까와; 가즈오 다까하시
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2011-03-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2012-10-11
Also published as: CN102733873A; KR101322499B1; CN102733873B; JP5751885B2; JP2012207827A

Abstract

발전 시스템에 있어서, 발전기로부터 발생하는 열을 효율적으로 외부로 방출한다. 본 발명의 발전 시스템(1)은, 작동 매체(T)를 증발기(2), 발전 장치(3), 응축기(4)로 순환시키면서 발전을 행하는 발전 시스템(1)이며, 발전 장치(3)가 팽창기(8)와 발전기 본체(10)와 하우징(11)을 갖고 있고, 하우징(11)은 증발기(2)로부터 증기를 팽창기 구동부에 도입하기 위한 도입부(22)와, 팽창기 구동부가 수용되는 제1 공간(13)과 회전자(9)가 수용되는 제2 공간(14)을 격리 상태로 구획형성하기 위한 격벽부(12)와, 작동 매체(T)를 응축기(4)로 배출하기 위한 유출부(28)를 갖고, 격벽부(12)는, 제1 공간(13)과 제2 공간(14)을 연통하는 동시에 제1 공간(13)에서 팽창해서 감온된 증기를 제2 공간(14)으로 유도하는 증기 도출부(26)와, 회전축(18)을 지지하는 베어링이 수용되는 베어링 수용부(17)를 갖고 있고, 증기 도출부(26)와 유출부(28) 사이에 발전기 본체(10)의 회전자(9)가 배치되어 있다.

Description

발전 시스템{POWER GENERATION SYSTEM}

본 발명은 열원으로부터 회수되는 열을 이용해서 발전을 행하는 발전 시스템에 관한 것이다.

종래, 공장의 폐열이나 지열과 같이 증기 터빈을 회전할 수 있을 정도의 열량을 갖지 않는 저온의 열원으로부터 열을 회수해서 발전을 행하는 발전 시스템으로서, 바이너리 발전(binary generation)이 행해지고 있다.

이 바이너리 발전에서는, 저비점의 작동 매체를 증발시켜서, 이 작동 매체의 증기에 의해 발전 장치를 구동시켜, 발전이 행해진다(도 4 참조).

이와 같은 바이너리 발전에 있어서, 발전 장치는, 터빈이나 스크류 로터로 구성된 팽창기와 발전기 본체가 회전하는 회전축으로 서로 연결되어 있어, 팽창기와 발전기 본체 사이에 메카니컬 시일 등을 설치해도 작동 매체의 누설을 완전히 방지하는 것은 매우 곤란하다.

따라서, 바이너리 발전을 행하는 발전 시스템에서는, 발전 장치 전체를 하우징의 내부에 밀폐 상태로 수용하는 방식(밀폐식)이 채용되는 경우가 있다.

예를 들어, 특허문헌 1에는, 팽창 기관에, 회전자의 주위에 고정자를 배치해서 이루어지는 발전기를 직결시킨 발전 장치에 있어서, 상기 팽창 기관의 구동축을 보유지지하는 시일부로부터 발전기측의 회전자에 이르는 주위 공간을 밀폐하는 동시에, 상기 밀폐 공간의 외주측에 고정자를 배치하고, 상기 고정자와 회전자 사이가, 상기 밀폐 공간을 형성하는 격벽의 일부를 이루는 캔을 통해서 대면 배치한 밀폐형 발전 장치가 개시되어 있다.

일본 특허 출원 공개 평5-98902호 공보

그런데, 특허문헌 1의 발전 시스템에서는, 발전 장치가 수용되는 하우징의 밀폐성을 높일 수 있기 때문에, 작동 매체가 대기중으로 누설될 걱정은 거의 없다. 그 반면, 발전 장치에서 발생한 열도 하우징으로부터 방출되기 어려워져, 발전 장치의 작동 온도도 높아지는 경향이 있다.

특히, 발전 장치의 발전기 본체에는, 네오디뮴 자석이나 사마륨 코발트 자석과 같이 온도가 상승하면 감자하는 영구 자석이 사용되고 있어, 발전 장치의 작동 온도가 높아지면 발전 효율이 크게 저하해 버릴 우려가 있다. 또한, 이와 같은 작동 온도의 상승에 의해 영구 자석의 온도가 일정한 레벨을 초과하면, 그 영구 자석을 구성하는 작은 자석은 방향성이 나빠져, 각각 제멋대로 운동을 일으킨다. 이 온도를 큐리점이라고 부른다. 자석을 큐리점 이상으로 가열하고, 실온까지 복귀시키면 완전하게 자력을 상실하여, 소정의 발전 효율을 달성할 수 없게 되고, 발전 장치 자체를 바꾸지 않으면 안된다.

본 발명은, 상술한 문제를 감안해서 이루어진 것으로, 대기중으로 작동 매체가 누설하는 것을 확실하게 억제할 수 있으면서, 내부에 축적된 열에 의해 고장나거나 발전 효율이 저하하거나 하는 일이 없는 발전 장치를 구비한 발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 다음 기술적 수단을 강구하고 있다.

즉, 본 발명의 발전 시스템은, 열원에 의해 액상의 작동 매체를 증발시켜서 증기를 생성하는 증발기와, 상기 증발기에서 생성된 증기를 이용해서 발전을 행하는 발전 장치와, 상기 발전 장치에서 발전에 이용된 증기를 응축시켜서, 상기 증발기에 공급되는 액상의 작동 매체를 생성하는 응축기를 구비하며, 상기 작동 매체를 증발기로부터 발전 장치 및 응축기를 경유해서 증발기로 귀환시키면서 발전 장치에서 발전을 행하는 발전 시스템에 있어서, 상기 발전 장치는, 상기 증기의 팽창을 수반하면서 이 증기에 의해 회전축을 구동시키는 팽창기 구동부를 갖는 팽창기와, 상기 팽창기 구동부에 회전축을 통해서 연결되어서 당해 회전축의 회전에 수반하여 회전하는 회전자를 갖는 발전기 본체와, 상기 팽창기 구동부 및 회전자를 수용하는 하우징을 갖고 있고, 상기 하우징은, 상기 증발기로부터 증기를 팽창기 구동부에 도입하기 위한 도입부와, 상기 팽창기 구동부가 수용되는 제1 공간과 상기 회전자가 수용되는 제2 공간을 격리 상태로 구획형성하기 위한 격벽부와, 상기 작동 매체를 응축기로 배출하기 위한 유출부를 갖고, 상기 격벽부는, 상기 제1 공간과 제2 공간을 연통하는 동시에 상기 제1 공간에서 팽창해서 감온된 증기를 상기 제2 공간으로 유도하는 증기 도출부와, 상기 회전축을 지지하는 베어링이 수용되는 베어링 수용부를 갖고 있고, 상기 증기 도출부와 유출부와의 사이에 상기 발전기 본체의 회전자가 배치되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.

또한, 상기 팽창기 구동부와 회전자는 수평 방향을 따라서 배치된 회전축을 통해서 연결되어 있고, 상기 유출부는 상기 회전축의 축심의 연장선 상에 위치하는 상기 하우징의 벽면에 형성되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 유출부는, 상기 제2 공간의 저부에 있어서 하우징 내벽면을 높이 방향에서 포함하는 위치에 개방하도록 상기 하우징의 벽면(하부 벽면)에 형성되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제2 공간의 저부에 있어서의 하우징 내벽면은 상기 유출부를 향해서 내려가는 경사면이 되도록 형성되어 있는 것이 바람직하다.

본 발명의 발전 시스템에 따르면, 대기중으로 작동 매체가 누설하는 것을 억제할 수 있으면서, 내부에 축적된 열에 의해 발전 효율이 저하하거나 파손하거나 하는 것을 방지하면서, 확실한 발전을 실현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 발전 시스템의 전체 구성을 도시하는 배관도.
도 2는 제1 실시 형태의 발전 장치의 단면도.
도 3은 제2 실시 형태의 발전 장치의 단면도.
도 4는 종래의 발전 시스템의 전체 구성을 도시하는 배관도.
도 5는 본 발명의 발전 시스템에서 발전을 행했을 때에 작동 매체가 어떻게 열역학적으로 상태 변화하는가를 도시한 도면(모리엘선도).
도 6은 제3 실시 형태의 발전 장치의 제2 공간의 단면도.

[제1 실시 형태]

이하, 본 발명에 관한 발전 시스템(1)의 제1 실시 형태를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 발전 시스템(1)은, 공장의 폐열이나 지열과 같이 저온(예를 들면 150℃ 이하)의 열원으로부터 열을 회수해서 발전을 행하는 것이다.

이러한 저온의 열원은, 물의 열 사이클만으로 발전할 수 있는 정도의 열량은 갖지 않고 있으므로, 예를 들어 R245fa 등의 물보다 저비점의 유기 매체(프론 등) 등을 작동 매체(T)로서 사용하여, 이 작동 매체(T)의 열 사이클을 이용해 발전을 행할 필요가 있다. 그로 인해, 본 발명의 발전 시스템(1)과 같이 2개의 열 사이클을 병용해 발전을 행하는 것을, 바이너리 사이클(Binary-Cycle) 발전이라고 부른다.

이후의 발전 시스템(1)은 R245fa(1, 1, 1, 3, 3-Pentafluoropropane을 주체로 하는 유기 냉매)를 작동 매체(T)로서 사용한 것이다.

제1 실시 형태의 발전 시스템(1)은, 열원에 의해 액상의 작동 매체(T)를 증발시켜서 가스 상태의 작동 매체(T)를 생성하는 증발기(2)와, 이 증발기(2)에서 생성된 증기를 이용해서 발전을 행하는 발전 장치(3)와, 이 발전 장치(3)에서 발전에 이용된 증기를 응축시켜서, 증발기(2)에 공급되는 액상의 작동 매체(T)를 생성하는 응축기(4)를 구비하고 있다.

이들 증발기(2), 발전 장치(3), 응축기(4)는, 작동 매체(T)를 순환시키는 순환 배관(5)(순환 라인)에 의해 접속되어 있고, 이 순환 배관(5)의 경로상에는, 작동 매체(T)를 순환시키는 펌프(6)가 배치되어 있다. 이 펌프(6)에 의해 작동 매체(T)를 일 방향으로 향해서 보내면서, 작동 매체(T)를 증발기(2), 발전 장치(3), 응축기(4)의 순서대로 순환시키는 폐쇄 루프 형상의 구성으로 되어 있다.

이하, 제1 실시 형태의 발전 시스템(1)을 구성하는 증발기(2), 발전 장치(3), 응축기(4) 및 펌프(6)에 대해서 순서대로 상세하게 설명한다.

도 1에 도시하는 바와 같이, 증발기(2)는 순환 배관(5) 내를 흐르는 작동 매체(T)를 기화시키는 역할을 갖고 있다. 증발기(2)의 1차측에는, 공장으로부터의 배수나 지하로부터 용출되는 온수 등이 공급되고 있고, 2차측에는 작동 매체(T)가 공급되게 되어 있다. 증발기(2) 내에서는, 1차측에 공급된 열원과 2차측에 공급된 작동 매체(T) 사이에서 열교환이 행해져, 가스 상태의 작동 매체(T)(증기)가 생성된다.

2차측에 공급되는 작동 매체(T)는, 펌프(6)를 통해서 응축기(4)로부터 보내져 오는 것이며, 상술한 R245fa를 사용했을 경우이면 20 내지 50℃의 액체로 되어 있다. 한편, 1차측에 공급되는 온수 등의 가열 매체는, 작동 매체(T)의 비점보다도 고온(예를 들어 50 내지 150℃)으로 되어 있고, 작동 매체(T)를 충분히 증발시킬 수 있다. 이 증발기(2)에서 생성한 증기는 발전 장치(3)로 보내진다.

발전 장치(3)는 증발기(2)에서 생성된 증기를 이용해서 발전을 행하는 것이다. 이 발전 장치(3)는, 팽창을 수반하는 증기에 의해 회전 구동되는 스크류 로터(7)(팽창기 구동부)를 갖는 팽창기(8)와, 이 스크류 로터(7)의 회전력을 이용해서 발전을 행하는 회전자(9)를 갖는 발전기 본체(10)를 갖고 있다.

증발기(2)에서 생성된 증기는 순환 배관(5)을 통하여 팽창기(8)로 보내져 스크류 로터(7)를 회전시킨다. 이 회전 구동력에 의해 회전자(9)가 회전하여, 발전기 본체(10)에서 발전이 행해진다. 이와 같이 해서 발전에 사용된 증기는 응축기(4)로 보내진다.

또한, 이 발전 장치(3)의 상세한 구성에 대해서는 후술한다.

응축기(4)는, 발전 장치(3)에서 발전에 이용된 증기를 1차측에 공급하고, 2차측에 공급되는 냉각수와의 사이에 열교환을 행하여, 증기를 응축시킴으로써 액상의 작동 매체(T)를 생성하는 것이다.

이 1차측에 공급되는 냉각수는 0 내지 40℃로 되어 있고, 작동 매체(T)의 증기를 비점 이하의 온도로 냉각(응축)해서 액상의 작동 매체(T)를 생성할 수 있다.

펌프(6)는 응축기(4)에서 생성된 액상의 작동 매체(T)를 압송하여, 증발기(2)로 송출하는 것이다.

그런데, 상술한 발전 시스템(1)에 있어서는, 작동 매체(T)로서 유기 매체가 사용되고 있고, 이들은 가연성을 갖거나 환경에 유해하거나 하기 때문에, 당해 작동 매체(T)를 대기중으로 누설하는 것은 바람직하지 않다. 그로 인해, 종래의 발전 시스템(1)은 밀폐 방식의 발전 장치(3)를 구비하고 있는 것이 많았다.

이 밀폐 방식을 채용함으로써, 작동 매체(T)가 대기중으로 누설되는 염려는 거의 없어지지만, 그 반면에 발전 장치(3)에서 발생한 열이 하우징(11)으로부터 방출되기 어려워져, 발전 장치(3)의 작동 온도도 높아져 버리는 경향이 있다.

이 문제에 대처하기 위해서, 본 발명의 발전 시스템(1), 특히 발전 장치(3)는 작동 매체(T)의 증기를 팽창기(8)의 스크류 로터(7)를 구동 회전시키기 위해서 뿐만 아니라, 이 증기를 회전자(9)를 구비한 발전기 본체(10)로도 도입하여, 발전기 본체(10)를 냉각시키는 것을 특징으로 하고 있다. 그 때문에, 팽창기(8)를 통과한 작동 매체(T)의 증기를 발전기 본체(10)로 유도하는 유로가 하우징(11) 내에 구비되어 있다.

이하, 발전 장치(3)의 상세에 대해서 설명한다.

도 2에 도시한 바와 같이, 발전 장치(3)는, 횡으로 넘어진 원통 형상으로 된 하우징(11)을 갖고 있다. 이 하우징(11)은 수평 방향으로 긴, 예를 들어 단면 원형의 중공 용기로 되어 있다. 또한, 이하에서는, 도 2의 좌우 방향, 상하 방향을 각각 발전 장치(3)의 좌우 방향, 상하 방향으로서 설명한다. 또한, 본 제1 실시 형태에서는, 발전 장치(3)의 좌우 방향이 수평 방향을 따르도록 설치하는 것으로 해둔다.

이 하우징(11)의 좌측벽(11L)에는, 증발기(2)로부터의 작동 매체를 발전 장치(3) 내로 도입하기 위한 도입부(22)가 설치되어 있고, 바꿔말하면 작동 매체를 스크류 로터(7, 7)(팽창기 구동부)에 도입하기(작용시키기) 위한 도입부(22)(상세한 것은 후술함)가 설치되어 있고, 이 하우징(11)의 우측벽(11R)에는, 당해 발전 장치(3) 내의 작동 매체를 응축기(4)로 송출하기 위한 유출부(28)(상세한 것은 후술함)가 설치되어 있다.

하우징(11)의 내부는 작동 매체(T)를 수납 가능한 공동으로 되어 있고, 이 공동으로 된 내부 공간의 좌우 방향의 중앙부에는, 상하로 연장되는 격벽부(12)가 형성되어 있다. 이 격벽부(12)에 의해, 하우징(11)의 내부 공간은, 제1 공간(13)(도 2에서의 좌측 공간)과 제2 공간(14)(도 2에서의 우측 공간)으로 구획 형성되어 있다.

이 격벽부(12)의 상하 방향 중앙부에는, 제1 공간(13)과 제2 공간(14)을 연통하는 연통 구멍(15)이, 수평 방향(도 2의 지면 관통 방향)으로 나란히 2개 형성되어 있다. 각각의 연통 구멍(15)의 부분에는, 베어링 등의 베어링부(16)를 저장하는 베어링 수용부(17)가 설치되어 있다.

각 연통 구멍(15)에는, 축심이 좌우 방향을 향하도록 회전축(18)이 삽입 관통되어 있고, 이 회전축(18)은 베어링부(16)에 의해 회전 가능하게 지지되어 있다. 회전축(18)은, 그 한쪽 단부가 제1 공간(13)의 중앙부에 위치하고, 다른쪽 단부가 제2 공간(14)의 중앙부에 위치하는 정도의 길이로 되어 있다.

도 2에 도시한 바와 같이, 회전축(18)의 한쪽 단부(좌측 단부)에는, 서로 맞물려서 회전하는 한쌍의 스크류 로터(7, 7)(팽창기 구동부)가 설치되어 있다. 이 스크류 로터(7)의 외주면에는, 나선 형상으로 비틀어진 형상으로 형성된 스크류 플라이트(19)가 설치되어 있다. 이 스크류 로터(7, 7)는, 그것들을 둘러싸도록 통 형상으로 형성되고 또한 격벽부(12)로부터 제1 공간(13) 내로 돌출 형상으로 설치된 통 형상 주위벽내에 형성된 로터 수용실(20) 내에 회전 가능하게 수용되도록 되어 있다. 이 로터 수용실(20)은 제1 공간(13)의 일부를 구성하고 있고, 통 형상 주위벽으로 둘러싸여진 스크류 로터(7, 7)의 스크류 플라이트(19)에 작동 매체(T)의 증기를 분사하는 것에 의해, 스크류 로터(7)가 회전해 회전축(18)에 회전 구동력이 발생한다.

또한, 이 스크류 로터(7)는 상술한 베어링부(16)와는 별개로 설치된 제2 베어링부(29)에 의해서도 회전 가능하게 지지되어 있다. 제2 베어링부(29)는 스크류 로터(7)의 좌측(반회전축측)에 설치되어 있고, 베어링부(16)와 제2 베어링부(29) 사이에 스크류 로터(7)가 끼워 넣어진 형상으로 배치되어 있다.

이와 같이, 제1 공간(13) 내에 스크류 로터(7)가 배치됨으로써, 제1 공간(13)측이 팽창기(8)로 되어 있다.

한편, 도 2에 도시한 바와 같이, 회전축(18)의 다른쪽 단부에는, 회전축(18)에 고정되어서 동반 회전하는 회전자(9)(로터)가 설치되어 있다. 이 회전자(9)의 직경 외측이며 하우징(11)의 내벽면에는 고정자(21)(스테이터)가 배치되어 있다.

회전자(9)는 네오디뮴 자석이나 사마륨 코발트 자석 등의 영구 자석으로 구성되어 있고, 고정자(21)는 금속의 도선을 권취한 코일로 구성되어 있다. 이 고정자(21)는 회전자(9)의 회전을 저해하는 일이 없도록, 회전자(9)의 외주면으로부터 직경 방향으로 일정한 거리를 두고 배치되어 있고, 회전자(9)와 대면하도록 배치되어 있다. 스크류 로터(7)의 회전에 맞춰 회전자(9)가 고정자(21)에 대하여 회전함으로써 전력이 생성된다.

이와 같이, 제2 공간(14) 내에 고정자(21)와 이 고정자(21) 내에서 회전하는 회전자(9)가 배치되는 것에 의해 제2 공간(14)측이 발전기 본체(10)로 되어 있다.

그런데, 스크류 로터(7)에 작동 매체(T)의 증기를 분사해서 팽창기(8)를 동작시키기 위해서는, 제1 공간(13) 내에 작동 매체(T)를 도입시킬 필요가 있다. 그 때문에, 하우징(11)에는, 상술한 바와 같이 증발기(2)에서 생성된 증기를 제1 공간(13)[로터 수용실(20)]에 수용된 스크류 로터(7, 7)(팽창기 구동부)에 도입하기(작용시키기) 위한 도입부(22)가 설치되어 있다.

상세하게는, 도입부(22)는, 증발기(2)로부터 배출된 증기를 필터(23)가 내장 된 제1 공간(13)으로 안내하는 제1 도입관(24)과, 필터(23)를 통과해서 이물질이 제거된 후의 증기를, 제1 공간(13) 및 제1 공간(13)의 일부를 구성하는 로터 수용실(20)로 안내하는 제2 도입관(25)을 갖고 있다.

제1 도입관(24)은 하우징(11)의 좌측벽(11L)의 상하 중앙부에 고정되어 있고, 이 제1 공간(13) 내를 좌우 방향으로 연장되어 있다. 이 제1 도입관(24)에는 증발기(2)측으로부터의 순환 배관(5)이 연결되어 있고, 증발기(2)로부터 배출된 증기가 이 제1 도입관(24)을 통하여 필터(23)가 내장된 제1 공간(13)으로 유입된다.

한편, 제2 도입관(25)은, 필터(23)를 통과해서 이물질이 제거된 후의 증기를 스크류 로터(7, 7)(팽창기 구동부)가 수용된 제1 공간(13)인 로터 수용실(20) 내로 안내하는 것이며, 바꿔말하면 이물질이 제거된 후의 증기를 한쌍의 스크류 로터(7, 7)(팽창기 구동부)에 도입하는(작용시키는) 것이다. 이 제2 도입관(25)은 필터(23)로부터 로터 수용실(20)까지를 좌우 방향으로 연장하도록 가설되어 있다.

또한, 필터(23)에 있어서 분리된 이물질은 하우징(11)의 하부에 저류된다. 이물질은 도시하지 않은 배출 수단에 의해 하우징(11) 내로부터 배출된다.

도 2에 도시하는 바와 같이, 증기 도출부(26)는 작동 매체(T)를 유통할 수 있도록 격벽부(12)에 천공된 유통로이며, 제1 공간(13)을 구성하는 로터 수용실(20)과 제2 공간(14)의 양쪽에 연통하고 있다. 이 증기 도출부(26)는 제1 공간(13)에 있어서 로터 수용실(20)에서 팽창하고 감온된 작동 매체(T)의 증기를 격벽부(12)의 우측에 위치하는 제2 공간(14)으로 유도하는 것이다. 이 증기 도출부(26)는 격벽부(12)에 있어서의 베어링 수용부(17)의 약간 하방에 형성되어 있고, 격벽부(12)의 상하 중앙부측을 통하여 작동 매체(T)의 증기를 제2 공간(14)으로 유통할 수 있도록 되어 있다.

증기 도출부(26)를 통하여 제2 공간(14)에 도입된 작동 매체(T)의 증기는 회전자(9)나 고정자(21)의 외표면을 따르도록 흐르게 된다. 본 실시 형태의 경우, 고정자(21)의 반회전자측에 대한 작동 매체(T)의 도입을 촉진하기 위해, 고정자측 유통부(27)가 형성되어 있다.

고정자측 유통부(27)는 하우징(11)의 내벽면과 고정자(21) 사이에 관통 형상으로 형성된 유통로이며, 좌우 방향을 향하도록 복수 형성되어 있다. 그로 인해, 고정자측 유통부(27)를 통과하는 작동 매체(T)는 하우징(11)의 내주벽 근방을 따르도록 흐르게 된다.

유출부(28)는 하우징(11)의 우측벽(11R)의 상하 방향 중앙부에 설치된 관통 구멍이다. 바꿔말하면, 유출부(28)는 회전축(18)의 축심의 연장선상에 위치하는 하우징(11)의 우측 벽면에 형성된 천공이다.

이 유출부(28)에는, 응축기(4)측을 향하는 순환 배관(5)이 연통하고 있다. 고정자측 유통부(27) 등을 유통하고, 고정자(21)나 회전자(9)를 냉각한 후의 작동 매체(T)의 증기는 유출부(28)를 통해서 응축기(4)측으로 유출되도록 되어 있다.

이 유출부(28)에는, 응축기(4)에 보내지는 증기로부터 이물질을 제거할 수 있도록, 필터(23)가 설치되어 있어도 된다.

이상 정리하면, 본 발명의 발전 장치(3)는, 증기의 팽창을 수반하면서 이 증기에 의해 회전축(18)을 구동시키는 팽창기 구동부를 갖는 팽창기(8)와, 팽창기 구동부에 회전축(18)을 통해서 연결되어 당해 회전축(18)의 회전에 수반하여 회전하는 회전자(9)를 갖는 발전기 본체(10)와, 팽창기 구동부 및 회전자(9)를 수용하는 하우징(11)을 갖는 것으로, 하우징(11)은 증발기(2)로부터 증기를 팽창기 구동부에 도입하기 위한 도입부(22)와, 팽창기 구동부가 수용되는 제1 공간(13)과 회전자(9)가 수용되는 제2 공간(14)을 격리 상태로 구획 형성하기 위한 격벽부(12)와, 작동 매체를 응축기에 배출하기 위한 유출부를 갖는 것으로 되어 있다.

또한, 격벽부(12)는 제1 공간(13)과 제2 공간(14)을 연통하는 동시에 제1 공간(13)에서 팽창해서 감온된 증기를 제2 공간(14)으로 유도하는 증기 도출부(26)와, 회전축(18)을 지지하는 베어링이 수용되는 베어링 수용부(17)를 갖고 있다. 또한, 증기 도출부(26)와 유출부(28) 사이에, 발전기 본체(10)의 회전자(9)가 배치된 구성으로 되어 있다.

이 발전 장치(3)가, 열원에 의해 액상의 작동 매체(T)를 증발시켜서 증기를 생성하는 증발기(2)와, 증기를 응축시켜서, 증발기(2)에 공급되는 액상의 작동 매체(T)를 생성하는 응축기(4)와, 펌프(6)가 설치된 순환 배관(5) 상에 배치되어, 당해 발전 장치(3)에서 발전을 행하는 발전 시스템(1)이 구성되도록 되어 있다.

다음에, 상술한 구성을 구비하는 발전 시스템(1)을 사용해서 발전을 행하는 방법, 바꿔말하면 본 발명의 발전 시스템(1)을 사용한 발전 방법에 대해서 설명한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 제1 실시 형태의 발전 시스템(1)에서는, 저온의 열원(도면 예에서는 온수)으로부터 공급되는 열을 이용하여, 증발기(2)에서 액상의 작동 매체(T)의 증발이 행해진다. 이때, 도 5의 ④→①로 나타낸 바와 같이, 액상의 작동 매체(T)는 등압적으로 팽창해서 증발(기화)한다. 이와 같이 하여 증발기(2)에서 생성된 증기는 순환 배관(5)에 따라 발전 장치(3)로 보내진다.

발전 장치(3)에서는, 증발기(2)로부터 보내져오고 또한 도입부(22)를 통과해 제1 공간(13)으로 들어간 증기를, 제1 공간(13)의 일부를 구성하는 로터 수용실(20)에 도입하고, 이 로터 수용실(20)에 수용된 팽창기(8)의 스크류 로터(7)에 작동 매체(T)를 분사한다. 이 증기가 갖는 운동 에너지에 의해 스크류 로터(7)가 회전한다. 이때, 도 5의 ①→②로 나타낸 바와 같이, 작동 매체(T)의 증기는 엔탈피가 Δh만큼 내려가고, 작동 매체(T)의 증기는 Δh에 대응해서 감온(냉각)된다.

이와 같이 하여 팽창기(8)에서 스크류 로터(7)를 회전 구동하는 동시에 감 온된 작동 매체(T)(예를 들어, 50℃ 정도)는 증기 도출부(26)를 통과하여, 발전기 본체(10)의 회전자(9)가 수용되어 있는 제2 공간(14)으로 보내진다.

이 제2 공간(14)에서는, 스크류 로터(7)에 대하여 회전축(18)을 통해서 연결된 회전자(9)가 고정자(21)에 대하여 회전하여, 전기 에너지가 생성된다(발전이 행해진다).

그런데, 발전 동작을 행하고 있는 때에는, 발생한 전류에 의해 고정자(21)가 가열되게 된다. 그러나, 제2 공간(14)에서는, 제1 공간(13)에서 감온된 저온의 작동 매체(T)가 증기 도출부(26)를 통하여 유입되고, 상술한 고정자측 유통부(27)를 통하여 고정자(21)의 주위로 돌아 들어가도록 흘러, 고온으로 된 고정자(21)가 우선적으로 냉각된다.

이러한 제1 공간(13)로부터 제2 공간(14)에의 증기의 유입은, 회전축(18)을 지지하는 베어링부(16)를 통해서 행해지는 것이 아니고, 이러한 목적을 위해 별도로 형성된 증기 도출부(26)를 통해서 행해진다.

그런데, 도 2의 예에서는, 유출부(28)나 증기 도출부(26)는 회전축(18)에 가까운 위치에 형성되고, 제2 공간(14)의 중앙 부근에 위치하고 있다. 이것에 비해서, 고정자측 유통부(27)는 하우징(11)의 근방에 형성되고, 제2 공간(14)의 주연에 위치하고 있다. 그로 인해, 작동 매체(T)는 증기 도출부(26)→고정자측 유통부(27)→유출부(28)로 크게 사행되어서 흐르고, 발전기 본체(10)의 회전자(9)나 고정자(21)의 주위를 감싸, 확실하게 냉각을 행하게 된다. 이 냉각 작용에 의해, 발전기 본체(10)의 발전 효율을 안정화시키는 것이 가능해져, 온도 상승이 원인으로 발생하는 발전기의 고장을 방지하는 것이 가능해진다.

고정자(21)나 회전자(9)를 냉각한 증기는 유출부(28)를 통해서 외부로 나와, 응축기(4)로 보내진다.

응축기(4)에서는, 도 5의 ②→③으로 나타낸 바와 같이 증기가 액화되어, 펌프(6)에 의해, 도 5의 ③→④로 나타낸 바와 같이 가압된다.

이렇게 본 발명의 발전 사이클에서는, 도 5의 카르노사이클(Carnot cycle)을 따라서 작동 매체(T)가 열역학적으로 상태 변화를 반복하여, 발전이 행해진다.

[제2 실시 형태]

다음에, 도 3을 사용하여 제2 실시 형태의 발전 시스템(1)을 설명한다.

도 3에 도시한 바와 같이, 제2 실시 형태의 발전 시스템(1)에 구비된 발전 장치(3)에서는, 유출부(28)가, 제2 공간(14)의 저부 내벽면과 유출부(28)의 개구 테두리가 적어도 저부 내벽면의 가장 낮은 위치에서 연속하도록, 하우징(11)의 우측벽(11R)의 하부에 형성되어 있다. 바꿔말하면, 제2 실시 형태의 유출부(28)의 개구에 있어서의 하단부가 제2 공간(14)의 저부 내벽면과 동일 평면이고 동일한 높이로 이루어져 있다. 이 점, 제1 실시 형태의 발전 시스템(1)의 발전 장치(3)에 있어서, 유출부(28)가 회전축(18)을 우측[제2 공간(14)으로부터 외부를 향하는 방향]으로 연장한 부분에 형성되어 있는 구성과는 크게 다르게 되어 있다.

즉, 제2 실시 형태의 유출부(28)는, 제2 실시 형태의 발전 시스템(1)에 구비된 발전 장치(3)는, 유출부(28)가 제2 공간(14)의 저부에 있어서의 하우징 내벽면을 높이 방향에서 포함하는 위치에 개방하도록 하우징의 벽면에 형성되어 있기 때문에, 제2 공간(14)에서 작동 매체가 액화했을 경우라도, 제2 공간(14)의 저부에 저류된 액상의 작동 매체(T)를 그대로 저면을 따라서 유출부(28)로 유입시켜, 외부로(응축기측으로) 배출할 수 있게 되어 있다. 또한, 작동 매체에 윤활유가 포함되어 있을 경우에도, 이 윤활유가 유출부(28)를 통해서 하우징(11) 내로부터 원활하게 외부로 배출된다. 단, 이 경우에는 유출부(28)로부터 응축기까지의 사이에 오일 분리기를 설치할 필요가 있다.

이상으로부터, 제2 실시 형태에서는, 액화된 작동 매체나 윤활유가 제2 공간(14)에 모일 일이 없고, 모인 액체에 의해 발전기 본체(10)의 회전자(9)의 회전이 저해되는 일이 없다.

또한, 다른 구성이나 발휘하는 작용 효과는 제1 실시 형태와 거의 동일하기 때문에, 상세한 설명은 생략한다.

[제3 실시 형태]

다음에, 도 6을 사용하여, 제3 실시 형태의 발전 시스템(1)을 설명한다.

도 6에 도시한 바와 같이, 제3 실시 형태의 발전 시스템(1)에 구비된 발전 장치(3)는, 하우징(11)의 저면(하측의 내벽면), 바꿔말하면 제2 공간(14)의 저부에 있어서의 하우징 내벽면이 유출부(28)를 향해서 내려가는 경사면으로 되도록 형성되어 있다.

구체적으로는, 이 제3 실시 형태의 발전 장치(3)에서는, 하우징(11)의 저면 중 우측벽(11R)에 가까운 부분은 격벽부(12)에 가까운 측에 비해 하방에 위치하고 있고, 이 저면은 좌측으로부터 우측을 향함에 따라서 하방을 향해서 완만하게 경사지도록 되어 있고, 가장 하방으로 내려간 위치에 유출부(28)가 설치되어 있다. 유출부(28)에는, 작동 매체로부터 이물질을 제거하는 필터(23) 등이 설치되어 있어도 좋다.

그로 인해, 제2 공간(14)에 있어서 작동 매체가 액화한 것이나 윤활유가 발생했다고 해도, 이들의 액체는 유출부(28)를 향해서 하방 경사지는 경사면을 따라 흘러내려, 도 3에 도시하는 예와 비교하여, 보다 원활하게 하우징(11)의 외부로 배출된다.

이상의 점에서, 제3 실시 형태에서는, 액화한 작동 매체나 윤활유가 제2 공간(14)으로부터 외부로 빠르게 배출되므로, 이들 액체가 제2 공간(14)에 모일 일은 없고, 모인 액체에 의해 발전기 본체(10)의 회전자(9)의 회전이 저해되는 일이 없다.

또한, 다른 구성이나 발휘하는 작용 효과는 제1 실시 형태나 제2 실시 형태와 거의 동일하기 때문에, 상세한 설명은 생략한다.

또한, 이번 개시된 실시 형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 특히, 이번 개시된 실시 형태에 있어서, 명시적으로 개시되지 않고 있는 사항, 예를 들어 운전 조건이나 조업 조건, 각종 파라미터, 구성물의 치수, 중량, 체적 등은 당업자가 보통 실시하는 범위를 일탈하는 것이 아니며 , 통상의 당업자라면 용이하게 상정하는 것이 가능한 값을 채용하고 있다.

예를 들어, 상기 실시 형태에서는, 팽창기(8)로서 스크류 로터(7)를 회전 구동시키는 스크류식의 것을 들었지만, 팽창기(8)로서는 레시프로식이나 원심식을 사용할 수도 있다.

1 : 발전 시스템
2 : 증발기
3 : 발전 장치
4 : 응축기
5 : 순환 배관
6 : 펌프
7 : 스크류 로터(팽창기 구동부)
8 : 팽창기
9 : 회전자
10 : 발전기 본체
11 : 하우징
11L : 하우징의 좌측벽
11R : 하우징의 우측벽
12 : 격벽부
13 : 제1 공간
14 : 제2 공간
15 : 연통 구멍
16 : 베어링부
17 : 베어링 수용부
18 : 회전축
19 : 스크류 플라이트
20 : 로터 수용실
21 : 고정자
22 : 도입부
23 : 필터
24 : 제1 도입관
25 : 제2 도입관
26 : 증기 도출부
27 : 고정자측 유통부
28 : 유출부
29 : 제2 베어링부
T : 작동 매체

Claims

열원에 의해 액상의 작동 매체를 증발시켜서 증기를 생성하는 증발기와, 상기 증발기에서 생성된 증기를 이용해서 발전을 행하는 발전 장치와, 상기 발전 장치에서 발전에 이용된 증기를 응축시켜서, 상기 증발기에 공급되는 액상의 작동 매체를 생성하는 응축기를 구비하며, 상기 작동 매체를 증발기로부터 발전 장치 및 응축기를 경유해서 증발기로 귀환시키면서 발전 장치에서 발전을 행하는 발전 시스템에 있어서,
상기 발전 장치는, 상기 증기의 팽창을 수반하면서 이 증기에 의해 회전축을 구동시키는 팽창기 구동부를 갖는 팽창기와, 상기 팽창기 구동부에 회전축을 통해 연결되어서 당해 회전축의 회전에 수반하여 회전하는 회전자를 갖는 발전기 본체와, 상기 팽창기 구동부 및 회전자를 수용하는 하우징을 갖고 있고,
상기 하우징은, 상기 증발기로부터 증기를 팽창기 구동부에 도입하기 위한 도입부와, 상기 팽창기 구동부가 수용되는 제1 공간과 상기 회전자가 수용되는 제2 공간을 격리 상태로 구획형성하기 위한 격벽부와, 상기 작동 매체를 응축기로 배출하기 위한 유출부를 갖고,
상기 격벽부는, 상기 제1 공간과 제2 공간을 연통하는 동시에 상기 제1 공간에서 팽창해서 감온된 증기를 상기 제2 공간으로 유도하는 증기 도출부와, 상기 회전축을 지지하는 베어링이 수용되는 베어링 수용부를 갖고 있고,
상기 증기 도출부와 유출부 사이에 상기 발전기 본체의 회전자가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 발전 시스템.
제1항에 있어서, 상기 팽창기 구동부와 회전자는, 수평 방향을 따라서 배치된 회전축을 통해서 연결되어 있고,
상기 유출부는, 상기 회전축의 축심의 연장선상에 위치하는 상기 하우징의 벽면에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 발전 시스템.
제1항에 있어서, 상기 유출부는, 상기 제2 공간의 저부에 있어서의 하우징 내벽면을 높이 방향에서 포함하는 위치에 개방하도록 상기 하우징의 벽면에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 발전 시스템.
제3항에 있어서, 상기 제2 공간의 저부에 있어서의 하우징 내벽면은, 상기 유출부를 향해서 내려가는 경사면으로 되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 발전 시스템.