トップ :: F 機械工学 照明 加熱 武器 爆破 :: F02 燃焼機関;風力原動機,ばね原動機,重力原動機;他類に属さない機械動力または反動推進力を発生するもの

【発明の名称】 タービン型発電装置
【発明者】 【氏名】河村 英男

【要約】 【課題】このタービン型発電装置は,燃焼器の燃焼ガスを有効に利用して発電させ,家庭用や業務用としてコンパクトな構造に構成することができる。

【解決手段】このタービン型発電装置は,永久磁石式のロータ6と発電電力を取り出すステータ7とから構成された発電機1,回転軸8の一端に取り付けられたタービン3,回転軸8の他端に取り付けられたコンプレッサ4,コンプレッサ4で圧縮された空気を利用してタービン3に送り込む燃焼ガスを発生させる燃焼器2,及び燃焼器2に送り込む空気をタービン3から排出される排気ガスで加熱する熱交換器5から構成されている。コンプレッサ4に送り込まれる空気は,発電機1のハウジング24の外側を囲むカバー34を備えた空気通路11を通じて燃焼器2に供給される。
【特許請求の範囲】
【請求項1】 ハウジングに回転可能に支持された回転軸に取り付けられた永久磁石式のロータと該ロータの外周に配置され且つ前記ハウジングに固定された発電電力を取り出すステータとから構成された発電機,前記回転軸の一端に取り付けられたタービン,前記回転軸の他端に取り付けられたコンプレッサ,前記タービンに送り込む燃焼ガスを発生させるため前記コンプレッサで圧縮された空気を利用して燃料を燃焼させる燃焼器,及び前記タービンから排気管を通じて排出された燃焼ガスと前記コンプレッサから送り出される空気とを熱交換する熱交換器,から成るタービン型発電装置。
【請求項2】 前記コンプレッサに供給される空気は前記発電機の前記ハウジングの外側を囲む空気通路を通じて取り入れられ,前記コンプレッサで圧縮された空気は前記燃焼器に供給されることから成る請求項1に記載のタービン型発電装置。
【請求項3】 前記コンプレッサに供給される空気は外気から取り入れられ,前記コンプレッサから送り出される圧縮空気は前記発電機の前記ハウジングの外側を囲む空気通路を通じて前記燃焼器に供給されることから成る請求項1に記載のタービン型発電装置。
【請求項4】 前記発電機の前記ハウジングの外面には冷却フィンが設けられていることから成る請求項2に記載のタービン型発電装置。
【請求項5】 前記発電機の外側を囲む前記空気通路を構成するカバーは,遮音材で構成されていることから成る請求項2に記載のタービン型発電装置。
【請求項6】 前記燃焼器は,前記コンプレッサからの前記空気を取り入れる空気取入口を備えた外筒,該外筒内に環状空気通路を形成するように配置され且つ前記空気を送り込むための多数の通孔を備えた燃焼室を構成する内筒,該内筒の底部に形成された燃料溜まり,及び該燃料溜まりと前記燃焼室とに間に設けられた繊維体や格子状体から成る燃料蒸発部から構成されていることから成る請求項1に記載のタービン型発電装置。
【請求項7】 前記燃焼器の燃焼室における燃焼ガス出口は前記タービンのタービンスクロールに一体的に直結して連通されていることから成る請求項1に記載のタービン型発電装置。
【請求項8】 前記燃焼器は,灯油,植物油,重油等の液体燃料を使用できることから成る請求項1に記載のタービン型発電装置。
【請求項9】 前記発電機を構成する前記ロータは,前記回転軸に固定された透磁材から成る外面が多角形の磁路コア,該磁路コアの外面に取り付けられた断面円弧形の永久磁石部材を外面が円筒形状に樹脂材で固定された永久磁石部材,及び該永久磁石部材の外周にカーボン長繊維で巻回固定した補強部材から構成されていることから成る請求項1に記載のタービン型発電装置。
【請求項10】 前記発電機,前記タービン,前記コンプレッサ,前記燃焼器,前記熱交換器,前記排気管,前記コンプレッサと前記燃焼器との間の空気通路,及び前記燃焼器から前記熱交換器へ燃焼ガス通路は,カバーでそれぞれ覆われていることから成る請求項1に記載のタービン型発電装置。
【発明の詳細な説明】【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は,燃焼器で発生する燃焼ガスによって発電するタービン型発電装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来,発電機は,直流式,誘導式のものがあり,最近では,永久磁石を用いたタイプが高い発電効率又は電動効率が得られ,簡単な構造で構成できるということから,最近,工業用機器に多く使用されるようになった。発電機では,小型,コンパクト化が要求されてきたが,小型化するためには高速化が必要になる。発電機は,回転子の回転数が上昇すると,周波数,電圧が上昇するが,最近の制御の発達によって自由自在に電圧,周波数を制御できる反面,回転子に大きな遠心力が発生し,該遠心力に回転子が耐えられないと,回転子が破壊されるので,回転子が遠心力に耐えることが発電機には要求される。そこで,発電機は,回転子を構成する永久磁石部材の外周を補強リング等の補強部材で補強し,回転子が遠心力に耐えるように構成されているものが知られている(例えば,特開平7−163072号公報,特開平10−210690号公報)。
【0003】例えば,特開平7−163072号公報に開示された永久磁石を回転子とする発電・電動機は,ハウジングに回転可能に支持された回転軸,該回転軸に固定された非磁性体によって周方向に隔置された複数の永久磁石を備えた回転子及び該回転子の外周に隙間を形成してハウジングに固定されたステータから構成され,エンジンの回転はプーリ及び変速機を通じて回転軸に伝達されるように構成されている。
【0004】また,特開平10−210690号公報に開示された発電機は,ハウジングに回転可能に支持された回転軸,該回転軸に固定された永久磁石を備えたロータ及び該ロータの外周に隙間を形成してハウジングに固定されたステータから構成され,エンジンの回転が大径歯車と小径歯車を通じて回転軸に伝達されるように構成されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところで,永久磁石を用いた発電機は,構造が簡単であり,高出力を出すことができるが,回転数が小さい時には,余り大きなトルクを出すことができない。その理由は,発電機における永久磁石の磁力が固定されているので,磁力を増すためには発電機自体を大型に構成しなければ低速での磁力を大きくすることができないからである。即ち,永久磁石では,磁束の発生領域は永久磁石のサイズで決まっているので,回転子が高速で回転すれば,磁束密度が多く成り,発電力も大きくなるが,回転子が低速で回転すれば,磁束密度が少なくなって発電力が低下する。従来の発電機は,磁力を増加させるための構造が種々に開発されているが,決定的なものは存在しないのが現状である。また,発電機において,永久磁石を用いた回転子を使用すれば,小型で高速化することができるが,大半はエンジンで発生する排気ガスを利用してロータを回転させたり,或いはエンジンに直結したロータを回転させて発電しており,使用する燃料に制約がある。
【0006】
【課題を解決するための手段】この発明の目的は,上記の問題を解決することであり,往復動のエンジンを用いることなく,灯油,植物油,重油等の低質,低価格の燃料を用い,該燃料を燃焼器で燃焼させ,燃焼器で発生する燃焼ガスによってタービンを回転させ,タービンの回転でロータを回転させて発電し,しかも,燃焼器で発生する熱エネルギを有効に利用して発電効率を向上させると共に,発電コストを低減し,装置自体を極めてコンパクトに構成することができるタービン型発電装置を提供することである。
【0007】この発明は,ハウジングに回転可能に支持された回転軸に取り付けられたる永久磁石式のロータと該ロータの外周に配置され且つ前記ハウジングに固定された発電電力を取り出すステータとから構成された発電機,前記回転軸の一端に取り付けられたタービン,前記回転軸の他端に取り付けられたコンプレッサ,前記タービンに送り込む燃焼ガスを発生させるため前記コンプレッサで圧縮された空気を利用して燃料を燃焼させる燃焼器,及び前記タービンから排気管を通じて排出された燃焼ガスと前記コンプレッサから送り出される空気とを熱交換する熱交換器,から成るタービン型発電装置に関する。
【0008】前記コンプレッサに供給される空気は前記発電機の前記ハウジングの外側を囲む空気通路を通じて取り入れられ,前記コンプレッサで圧縮された空気は前記燃焼器に供給される。このシステムは,外気から取り入れる空気で発電機を冷却し,次いで,発電機を冷却した空気をコンプレッサに取り入れるので,発電機の冷却効果を上げることができる。
【0009】或いは,前記コンプレッサに供給される空気は外気から取り入れられ,前記コンプレッサから送り出される圧縮空気は前記発電機の前記ハウジングの外側を囲む空気通路を通じて前記燃焼器に供給される。
【0010】前記発電機の前記ハウジングの外面には冷却フィンが設けられている。
【0011】前記発電機の外側を囲む前記空気通路を構成するカバーは,遮音材で構成されている。
【0012】前記燃焼器は,前記コンプレッサからの前記空気を取り入れる空気取入口を備えた外筒,該外筒内に環状空気通路を形成するように配置され且つ前記空気を送り込むための多数の通孔を備えた燃焼室を構成する内筒,該内筒の底部に形成された燃料溜まり,及び該燃料溜まりと前記燃焼室とに間に設けられた繊維体や格子状体から成る燃料蒸発部から構成されている。
【0013】前記燃焼器の燃焼室における燃焼ガス出口は前記タービンのタービンスクロールに一体的に直結して連通されている。
【0014】前記燃焼器は,灯油,植物油,重油等の液体燃料を使用できるものであり,燃料コストを低減させることができる。
【0015】前記発電機を構成する前記ロータは,前記回転軸に固定された透磁材から成る外面が多角形の磁路コア,該磁路コアの外面に取り付けられた断面円弧形の永久磁石部材を外面が円筒形状に樹脂材で固定された永久磁石部材,及び該永久磁石部材の外周にカーボン長繊維で巻回固定した補強部材から構成されている。
【0016】このタービン型発電装置では,前記発電機,前記タービン,前記コンプレッサ,前記燃焼器,前記熱交換器,前記排気管,前記コンプレッサと前記燃焼器との間の空気通路,及び前記燃焼器から前記熱交換器へ燃焼ガス通路は,カバーでそれぞれ覆われている。即ち,カバーは,遮音及び/又は遮熱の機能を持たせることができる。
【0017】このタービン型発電装置は,上記のように構成されているので,燃料として低価格の灯油,植物油,重油等の液体燃料を使用でき,小型に構成できると共に,低価格の電力を提供できる。このタービン型発電装置は,コンパクトな構造に構成でき,20〜50kwの発電電力を得ることができ,家庭用や業務用のマイクロ発電機として利用できると共に,例えば,水害等の災害時に,発電するマイクロ発電機として発揮させることができる。燃焼器としては,実施例のような蒸発型燃焼器の他に,気化型燃焼器を用いることもできる。
【0018】
【発明の実施の形態】以下,図面を参照して,この発明によるタービン型発電装置の一実施例を説明する。図1はこの発明によるタービン型発電装置の一実施例を示す断面図,図2は図1のタービン型発電装置のA−A断面を示す断面図,図3はこの発明によるタービン型発電装置の別の実施例を示す断面図,図4は発電機のロータの構造を示す断面図,及び図5は熱交換器の構造を示すX−X断面図である。
【0019】この発明によるタービン型発電装置は,例えば,コージェネレーションシステムに適用して発電させたり,小型の業務用又は家庭用発電機として適用して好ましいものである。このタービン型発電装置は,燃料として安価な灯油,植物油,重油等の液体燃料を使用できる燃焼器2で発生する燃焼ガスを利用して発電機1を駆動し,安価な電力を容易に得ることができるシステムである。
【0020】このタービン型発電装置は,燃焼器2で発生した燃焼ガスを利用してタービン3を回転させ,タービン3の回転によって発電機1とコンプレッサ4を駆動し,発電機1で発電された電力を電気エネルギとして利用すると共に,コンプレッサ4で過給された空気を熱交換器5を通じて燃焼器2に供給し,燃焼器2で発生した熱エネルギを有効に利用するため,タービン3を回転させて放出された燃焼ガスが有する熱エネルギを熱交換器5でコンプレッサ4から送り出された空気を加熱して回収し,熱交換器5で過熱された空気を燃焼器2の燃焼用空気として取り入れるシステムである。また,コンプレッサ4は,図1に示すように,発電機1の外側を通って発電機1を冷却した空気を空気取入口22から取り入れ,圧縮した空気を熱交換器5へ送り出したり,或いは,図3に示すように,外気を空気取入口31から取り入れて圧縮した空気を発電機1の外側を通って発電機1を冷却しつつ熱交換器5へ送り出すように構成することができる。
【0021】発電機1は,ハウジング24に回転可能に軸受19によって支持された回転軸8に取り付けられたロータ6,ロータ6の外周面から隙間を存して隔置して配置されたハウジング24に固定されたステータ7,及びハウジング24の外面に設けられたフィン9,及びハウジング24をエンクローズするカバー34から構成されている。発電機1で発電された電力は,ステータ7からライン43を通じてバッテリや電力供給制御装置を備えたコントローラ10へ送り込まれ,種々の機器で消費される。
【0022】ロータ6は,高速運転されるので,例えば,図4に示されるように,回転軸8の外周に配置された透磁材から成る外面が多角形の磁路コア35,磁路コア35の外周面に取り付けられた断面円弧形の磁石片を外面が円筒形状になるように形成した永久磁石部材36,及び永久磁石部材36の外周面にカーボン長繊維で巻回して樹脂材46で接着固定した非磁性の補強部材37を備えている。また,ステータ7は,内周部に切欠き部即ち間隙によって櫛歯状に周方向に隔置状態で位置する歯部と,該歯部間の切欠き部である間隙が形成され且つハウジング24に固定されたステータコア38,及びステータコア38の間隙を通って歯部に巻き上げられたステータコイルから構成されている。永久磁石部材36は,例えば,磁路コア35の周方向に隔置状態に配置され且つ軸方向に延びる複数の磁石片と,隣接する永久磁石部材36の磁石片間に介在された非磁性部材の楔形の位置決め部材45とから構成されている。また,磁路コア35は,例えば,透磁材と非磁性材が周方向に交互に配置されて円筒状に形成されている。また,ロータ6は,一端が回転軸8に設けたストッパに押し付けられ,他端が回転軸8に設けられたねじに押さえ板を介して固定ナットが螺入され,ロータ6が回転軸8の所定位置に固定されている。
【0023】このタービン型発電装置は,主として,ハウジング24に回転可能に支持された回転軸8に取り付けられたる永久磁石式のロータ6とロータ6の外周に配置されたハウジング24に固定された発電電力を取り出すステータ7とから構成された発電機1,回転軸8の一端に取り付けられたタービン3,回転軸8の他端に取り付けられたコンプレッサ4,及びコンプレッサ4で圧縮された空気を利用してタービン3に送り込む燃焼ガスを発生させる燃焼器2から構成されている。
【0024】燃焼器2の燃焼室42の燃焼ガス出口は,図2に示すように,タービン3のタービンスクロール20に直結して連通されている。タービンスクロール20を構成する壁面は,燃焼器2で発生する熱が外部へ放熱することを防止するため,遮熱材を用いて遮熱構造の壁面に構成されている。燃焼器2の内筒26は,タービンスクロール20と一体構造のセラミックスで形成し,燃焼器2からタービン3への熱伝導を良好に構成し,効率を向上させるように構成されている。従って,燃焼器2で発生した燃焼ガスは,燃焼器2からタービン3へのガス通路が短く構成され且つ断熱構造に構成されているので,タービン3に有効に作用し,回転軸8を強力に回転させることができる。
【0025】コンプレッサ4に送り込まれる空気は,図1に示すように,発電機1のハウジング24の外側を囲むカバー34内に連通する空気通路11を通じて供給され,次いで,コンプレッサ4で圧縮された空気は,空気送出通路16を通って熱交換器5を通じて加熱され,加熱された空気は空気供給通路14を通って燃焼器2へ供給される。発電機1のハウジング24を取り囲むカバー34には,空気取入口12が形成されると共に,空気通路11に連通している。発電機1を冷却して空気通路11を通ってコンプレッサ4の空気取入口22からコンプレッサ4に吸い込まれ,コンプレッサ4で圧縮された空気は空気送出通路16を通って熱交換器5の空気通路17に送り込まれて加熱される。
【0026】或いは,コンプレッサ4に送り込まれる空気は,図3に示すように,外気を取り入れる空気取入口31から取り入れられ,次いで,コンプレッサ4で圧縮された空気は空気通路32を通って発電機1のハウジング24の外側を囲むカバー34内に連通する空気通路33を通じて熱交換器5に送られ,熱交換器5で加熱されて空気供給通路14を通って燃焼器2に供給される。
【0027】発電機1のハウジング24の外周には,発電機1で発生する熱を放熱するため冷却フィン9が設けられている。また,発電機1の外側を囲む空気通路11を構成するカバー34は遮音材で構成され,発電機1で発生する騒音を遮音するように構成することができる。
【0028】タービン3から排出された燃焼ガスを排出する排気管13には,タービン3からの燃焼ガスとコンプレッサ4から送り出される空気とを熱交換する熱交換器5が配置されている。タービン3で仕事をした排気ガスは,排気ガス出口21から排気管21に排出され,熱交換器5の排気ガス通路18に送り込まれる。熱交換器5は,図5に示すように,ケーシング47内で,タービン3からの排気ガスが通過する排気ガス通路18がコンプレッサ4から空気送出通路16を通って送り出された圧縮空気が通過する空気通路17に高熱伝導材の隔壁48を介して隣接するように構成されている。或いは,図示していないが,排気ガス通路18が空気通路17を囲むような構造に構成することもできる。排気ガス通路18と空気通路17とは,,多孔質部材がそれぞれ充填され,ガスが接触する面積が増大するように構成されている。熱交換器5は,排気ガス対圧縮空気との気体対気体の熱交換であるので,熱伝達面積を大きくするため,多孔質部材を利用し,熱交換効率を上げる構造に構成されている。熱交換器5の排気ガス通路18を通って熱交換された排気ガスは,排気通路15を通じて外部等に排出される。
【0029】燃焼器2は,例えば,図2に示すように,液体燃料を蒸発させて燃焼させる蒸発式燃焼器に構成されているが,図示していないが,気化式燃焼器に構成することもできる。燃焼器2は,多数の通孔39が形成された燃焼室42を構成する内筒26,及び内筒26を取り囲んで配置され且つ内筒26との間に空気供給通路14に通じる環状空気通路40を形成する外筒25から構成されている。更に,燃焼器2は,内筒26の底部に形成された燃料溜まり部27,燃料溜まり部27上に配置された繊維体28,及び繊維体28の上に配置された多数の通孔41が形成された繊維体や格子状体から成る蒸発プレート29を有している。燃焼器2は,燃料ポンプ23の駆動によって燃料が燃料供給通路30を通じて燃料溜まり部27に供給されるように構成されている。燃焼器2は,燃料ポンプ23から燃料溜まり部27に供給される。一方,コンプレッサ4で圧縮されると共に熱交換器5で加熱された圧縮加熱空気は,空気供給通路14を通じて外筒25の空気取入口44を通って,外筒25と内筒26との間に形成された環状空気通路40へ供給される。燃料溜まり部27に供給された液体燃料は,圧縮加熱空気に加熱されつつ蒸発を盛んにして蒸発プレート29の通孔41から燃焼室42に供給され,環状空気通路40から通孔39を通じて燃焼室42に供給された空気と混合して着火燃焼する。燃焼器2は,着火用栓50や燃焼初期に液体燃料を蒸発させるヒータ等を設けられている。着火用栓50は,コントローラの指令でバッテリ等の電源51からの電力をスイッチ52を介して作動される。
【0030】また,このタービン型発電装置は,図1,図2及び図3に示すように,発電機1,タービン3,コンプレッサ4,燃焼器2,熱交換器5,排気管13,コンプレッサ4と燃焼器2との間の空気通路(32,33,14),及び燃焼器2から熱交換器5へ燃焼ガス通路(20,13,15)は,カバー49でそれぞれ覆うことができ,遮音及び/又は遮熱の機能を持たせることができる。カバーは,遮音機能を持たせる場合には遮音材で作製し,遮熱機能を持たせる場合には遮熱材で作製し,両者の機能を持たせる場合には遮音遮熱材,或いは遮熱材と遮音材とを積層した構造に作製すればよい。
【0031】
【発明の効果】このタービン型発電装置は,上記のように構成したので,燃焼器の熱エネルギを有効に利用して発電させることができ,熱効率を向上させると共に,小型に且つコンパクトに構成でき,業務用は勿論のこと家庭用発電機として利用でき,災害時,山間地等で有効に利用でき,灯油等の安価な燃料を使用して発電させるので,発電コストを低減させることができる。
【出願人】 【識別番号】000125934
【氏名又は名称】株式会社いすゞセラミックス研究所
【出願日】 平成11年8月2日(1999.8.2)
【代理人】 【識別番号】100092347
【弁理士】
【氏名又は名称】尾仲 一宗 (外1名)
【公開番号】 特開2001−41053(P2001−41053A)
【公開日】 平成13年2月13日(2001.2.13)
【出願番号】 特願平11−218992