動力発生装置および動力発生方法
【課題】動力発生装置において、作動媒体の漏洩を防止しつつ膨張機で発生した回転駆動力を膨張機が収容されたハウジングの外部に効率よく取り出す。
【解決手段】本発明の動力発生装置１は、膨張機２を備えた熱機関３と、膨張機２で発生する回転駆動力を膨張機２の駆動部が収容されたハウジング４の外部へ取り出す動力伝達軸とを有する動力発生であって、ハウジング４はその隔壁５で囲まれた内部に膨張機２の駆動部を収容しており、隔壁５を間に介してハウジングの内外に分断されているとともに膨張機２の回転駆動力をハウジング４の外部に伝達するべく磁気カップリング６を備えている。なお、ハウジング外部の動力伝達軸１３には、ハウジング４外に伝達された回転駆動力を用いて発電を行う発電機２０が接続されていても良い。
【解決手段】本発明の動力発生装置１は、膨張機２を備えた熱機関３と、膨張機２で発生する回転駆動力を膨張機２の駆動部が収容されたハウジング４の外部へ取り出す動力伝達軸とを有する動力発生であって、ハウジング４はその隔壁５で囲まれた内部に膨張機２の駆動部を収容しており、隔壁５を間に介してハウジングの内外に分断されているとともに膨張機２の回転駆動力をハウジング４の外部に伝達するべく磁気カップリング６を備えている。なお、ハウジング外部の動力伝達軸１３には、ハウジング４外に伝達された回転駆動力を用いて発電を行う発電機２０が接続されていても良い。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱機関で発生した動力を当該熱機関の外部に取り出す動力発生装置および動力発生方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱機関の中でも外燃機関は、水や、アンモニア、ペンタン、フロンなどの低沸点媒体（水より沸点の低い媒体）などの作動媒体（作動流体とも言う）をランキンサイクルなどの熱力学サイクルによって膨張させたり凝縮させたりすることで熱を動力に変換する（熱エネルギーを運動エネルギーに変換する）構成となっている。このような熱機関は作動媒体の蒸気を膨張させる膨張機を備えており、膨張機は外部から気密状に隔離されたハウジングの内部に収容されている。この膨張機で得られた回転駆動力は軸を介して膨張機が収容されているハウジング外に取り出され、コンプレッサ、ブロア、ポンプ、発電機などの回転機械を回転させるために用いられる。
【０００３】
例えば、特許文献１には、作動流体の膨張により回転力を発生する膨張機構と、膨張機構の回転力によって駆動される発電機と、膨張機構の回転力によって駆動されるポンプ機構とを備えた流体機械において、前記ポンプ機構を容量可変に構成したことを特徴とする流体機械が開示されている。
また、特許文献２には、ランキンサイクルの熱エネルギーを回転動力へと変換する膨張機と、回転動力により駆動されてランキンサイクルの圧力を上げる給液ポンプと、回転駆動力を発生するモータとを備え、これらで回転軸を共有した流体機械が開示されている。
【０００４】
これらの装置（流体機械）は、いずれも熱機関の一部である膨張機と、発電機やポンプなどの回転機械などを１つのハウジング内に一緒に収容したものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１８５７７２号公報
【特許文献２】特開２００５−３０３８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１や特許文献２の装置（流体機械）においては、作動媒体の漏洩を防止するために膨張機を収容するハウジングにシールを設けることが必要不可欠になる。
ここで特許文献１や特許文献２の図１の記載例のように、膨張機と、発電機やポンプなどの回転機械を１つのハウジング内に一緒に収容する場合、膨張機と回転機械とを繋ぐ軸の軸シールを不要とすることができる場合がある。しかしながら、ハウジングや回転機械として専用品が必要となり、汎用品が使用できないという問題が有る。また、動力発生装置やこれを用いた発電設備のイニシャルコストアップに繋がりやすい。
【０００７】
一方で特許文献２の図１９や図２０の記載例のように、動力伝達のための回転軸がハウジングを貫通して外部に突き出るような場合、特に大気中に放出されることが好ましくないような低沸点媒体を作動媒体に用いるバイナリ発電などにおいては、軸のシールは重要である。特許文献２の図１９や図２０の設備では、回転機（モータ９)と膨張機との間にシャフトシールが設けられていて、作動媒体が回転機側に漏洩しない構造を採用している。しかしながら、こういったシャフトシールを採用しても、作動媒体の漏洩を確実に防止することが難しく、また煩雑なシャフトシールのメンテナンスが必要である。また、動力発生装置やこれを用いた発電設備のランニングコストアップに繋がりやすい。
【０００８】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、一つのハウジング内に熱機関と回転機とを一緒に収容したり動力を伝達する軸に軸シール機構を採用したりしなくても、作動媒体の漏洩を防止しつつ膨張機で発生した回転駆動力を膨張機が収容されたハウジングの外部に効率よく伝達することができる動力発生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】
【０００９】
前記目的を達成するため、本発明の動力発生装置は次の技術的手段を講じている。
すなわち、本発明の動力発生装置は、膨張機を備えた熱機関と、前記膨張機で発生する回転駆動力を当該膨張機の駆動部が収容されたハウジングの外部へ取り出す動力伝達軸とを有する動力発生装置であって、前記ハウジングはその隔壁で囲まれた内部に膨張機の駆動部を収容しており、前記動力伝達軸は、前記隔壁を間に介して前記ハウジングの内外に分断されているとともに前記膨張機の回転駆動力を前記ハウジングの外部に伝達するべく磁気カップリングを備えていることを特徴とする。
【００１０】
好ましくは、前記ハウジング外部の動力伝達軸には、前記ハウジング外に伝達された回転駆動力を用いて発電を行う発電機が接続されているとよい。
好ましくは、前記磁気カップリングは、前記膨張機の回転駆動力が伝達されて前記ハウジングの内部で回転する駆動側磁石と、前記ハウジングの外部に配備されて前記駆動側磁石の回転に合わせて従動回転する従動側磁石とを、備えており、前記駆動側磁石と従動側磁石とは、前記隔壁を隔てて互いに異なる磁極を対面させるように配備されているとよい。
【００１１】
好ましくは、前記膨張機の駆動部から前記駆動側磁石まで動力伝達経路上に、前記駆動部で出力された回転を減速して磁気カップリングに伝達する減速機が設けられているとよい。
好ましくは、前記駆動側磁石は、従動側磁石の外周を取り囲むように距離をあけて配備されており、前記駆動側磁石及び従動側磁石は、それぞれ少なくとも２個以上設けられているとよい。
【００１２】
好ましくは、前記２個以上の駆動側磁石を磁気的に連結する第１の磁路形成部材が設けられており、前記第１の磁路形成部材は、前記駆動側磁石に対して磁気カップリングの径外側で接するように配備されているとよい。
好ましくは、前記２個以上の従動側磁石を磁気的に連結する第２の磁路形成部材が設けられており、前記第２の磁路形成部材は、従動側磁石に対して磁気カップリングの径内側で接するように配備されているとよい。
【００１３】
好ましくは、前記隔壁は、少なくとも前記ハウジングの内外に分断された動力伝達軸の間に設けられて前記磁気カップリングを当該ハウジングの内外に隔てる部分が非磁性体から形成されているとよい。
好ましくは、前記熱機関は、液体の作動媒体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で蒸発した作動媒体の蒸気を膨張させて駆動部を回転させる膨張機と、前記膨張機で膨張した作動媒体の蒸気を凝縮させて液体の作動媒体に変化させる凝縮器と、前記凝縮器で凝縮した液体の作動媒体を蒸発器に圧送することにより作動媒体を循環させる循環ポンプと、を閉ループ状に接続された循環流路上に備えたものであるとよい。
【００１４】
一方、本発明の動力発生方法は、上述の動力発生装置を用いて、前記膨張機で発生する回転駆動力を当該膨張機の駆動部が収容されたハウジングの外部へ取り出すことを特徴とするものである。
好ましくは、前記ハウジングの外部へ取り出された回転駆動力を用いて発電機を駆動することで発電を行うとよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の動力発生装置によれば、一体型のハウジングや軸シール機構を用いなくともハウジング外部への作動流体の漏洩を防止しつつ、膨張機で発生した回転駆動力を膨張機の駆動部が収容されたハウジングの外部に取り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１実施形態の動力発生装置を示す図である。
【図２】第１実施形態の動力発生装置に設けられた磁気カップリングの斜視図である。
【図３】（ａ）は第１実施形態における磁気カップリングの断面図であり、（ｂ）は同磁気カップリングでの磁力線の発生状態を示す図である。
【図４】第２実施形態の動力発生装置を示す図である。
【図５】（ａ）は第３実施形態における磁気カップリングの断面図であり、（ｂ）は同磁気カップリングでの磁力線の発生状態を示す図である。
【図６】（ａ）は第４実施形態における磁気カップリングの断面図であり、（ｂ）は同磁気カップリングでの磁力線の発生状態を示す図である。
【図７】（ａ）は第５実施形態における磁気カップリングの断面図であり、（ｂ）は同磁気カップリングでの磁力線の発生状態を示す図である。
【図８】（ａ）は第６実施形態における磁気カップリングの断面図であり、（ｂ）は同磁気カップリングでの磁力線の発生状態を示す図である。
【図９】（ａ）は第７実施形態における磁気カップリングの断面図であり、（ｂ）は同磁気カップリングでの磁力線の発生状態を示す図である。
【図１０】第８実施形態の動力発生装置の要部を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
「第１実施形態」
以下、本発明に係る動力発生装置１の第１実施形態を、図面に基づき説明する。
図１に示すように、第１実施形態の動力発生装置１は、作動流体の蒸気の膨張により回転駆動する駆動部（本実施形態においてはスクリュロータ１０）を有する膨張機２を備えた熱機関３と、この膨張機２で発生する回転駆動力を膨張機２の駆動部１０が収容されたハウジング４の外部へ取り出す動力伝達軸とを有するものである。このハウジング４はその隔壁５で囲まれた内部に膨張機２の駆動部１０を収容している。動力伝達軸は、隔壁５を間に介してハウジングの内に位置する駆動軸１１とハウジング外に位置する従動軸１３とに分断されている。また分断された動力伝達軸、即ち、駆動軸１１と従動軸１３には、膨張機２の回転駆動力をハウジング４の外部に伝達するために磁気カップリング６が設けられている。このように、動力発生装置１は、駆動軸１１および従動軸１３からなる動力伝達軸と磁気カップリング６とで構成された動力伝達装置を備えている。
【００１８】
なお、第１実施形態では、熱機関３としてバイナリサイクルを例示する。とはいえ、熱機関３としては、熱を動力に変換する機関であれば、どのような機関も含まれる。バイナリサイクルのようなランキンサイクルを利用した機関以外にも、例えば蒸気機関、蒸気タービン、スターリングサイクルのような外燃機関、あるいはガスタービンのような内燃機関が含まれる。
【００１９】
図１に示すように、バイナリサイクルは、液体の作動媒体Ｔを蒸発させる蒸発器７と、この蒸発器７で蒸発した作動媒体Ｔの蒸気を膨張させて駆動部を回転駆動させる膨張機２と、この膨張機２で膨張した作動媒体Ｔの蒸気を凝縮させて液体の作動媒体Ｔに変化させる凝縮器８と、この凝縮器８で凝縮した液体の作動媒体Ｔを蒸発器７に圧送することにより作動媒体Ｔを循環させる媒体循環ポンプ９と、を閉ループ状に接続された循環流路上に備えている。
【００２０】
膨張機２は、膨張する前後の蒸気の圧力差を利用して回転駆動するスクリュロータ１０（駆動部）を有している。スクリュロータ１０は、駆動軸１１を中心に回転自在となっており、発生した回転駆動力を駆動軸１１を介して伝達可能となっている。
膨張機２のスクリュロータ１０（駆動部）の周囲にはハウジング４（隔壁５）が設けられており、このハウジング４により内部と外部とを気密的に隔離できるようになっている。この気密的に隔離されたハウジング４の内部には、スクリュロータ１０と共にバイナリサイクルで用いられる低沸点媒体の作動媒体Ｔが収容されている。
【００２１】
上述した膨張機２のスクリュロータ１０で生起した回転駆動力を回転機械１２（コンプレッサやブロアなど）に伝達する場合には、通常は膨張機２と回転機械１２との間に回転駆動力を伝達可能な動力伝達手段を設けなくてはならない。
従来、このような動力伝達手段として、膨張機のハウジングの内外を貫通するように設けられた回転軸が採用される場合には、この回転軸とハウジングとの間から作動媒体が漏洩することを抑制する軸シールが必要不可欠となっていた。このような軸シールを設けると、装置のメンテナンスが煩雑となって、ランニングコストのアップに繋がったり、収容された作動媒体Ｔの漏出の虞もあるため好ましくない。この問題を解決するために、従来は一つのハウジング内に膨張機と回転機械とを一緒に収容して作動媒体Ｔの漏出を防止することも行われていた。このような膨張機と回転機械とを一体型のハウジングに収容すると、両者間の軸シールが不要となる場合があるが、回転機械として専用品が必要となり、イニシャルコストのアップに繋がったり、汎用品が使用できないため好ましくない。
【００２２】
そこで、本発明の動力発生装置１には、隔壁５を介して膨張機２の回転駆動力をハウジング４外に伝達する磁気カップリング６を有するものとしている。すなわち、動力発生装置１は、膨張機２と回転機械１２との間で回転駆動力を伝達可能とするために、隔壁を間に介して駆動軸１１と従動軸１３とに分断された動力伝達軸と、さらに隔壁を介してハウジングの内外に分かれているこれら両軸を磁気的に連結する磁気カップリング６とから構成される動力伝達装置を備えている。
【００２３】
以下、動力伝達装置の詳細について述べる。
図１及び図２に示すように、駆動軸１１は、膨張機２のスクリュロータ１０の回転軸心に沿って配備された回転軸である。駆動軸１１の一端（図１の左側）は膨張機２の駆動部であるスクリュロータ１０に連結されており、他端（図１の右側）は隔壁５の近傍にまで伸びていて、この他端側の先端には駆動側磁石１４の装着された磁気カップリング６の外筒体１５が設けられている。
【００２４】
外筒体１５は、回転機械１２側（反スクリュロータ１０側）を向いて開口する有底円筒状の部材であり、非磁性体から形成されている。外筒体１５には駆動軸１１が同軸状に連結されており、またその円筒状に形成された部分には、互いに対向するように、周方向に離れて配備された２個の駆動側磁石１４が設けられている。
一方、従動軸１３は、駆動軸１１と同軸な方向に沿って配備された回転可能な軸である。従動軸１３の一端（図１の左側）は膨張機２側に向かって伸びていて、この一端には従動側磁石１６を取り付ける内挿体１７が設けられており、他端（図１の右側）は回転機械１２に連結されている。
【００２５】
内挿体１７は、円柱体であり、外筒体１５同様に非磁性体から形成されている。内挿体１７は、外筒体１５の内側に遊挿可能となっており、内挿体１７の外周面（外筒体１５の内側に挿し込まれる部分の外周面）には従動側磁石１６が取り付けられている。
これら外筒体１５と内挿体１７との間、言い換えれば、駆動側磁石１４と従動側磁石１６の間には、隔壁５が存在する。
【００２６】
ハウジング４には、内挿体１７が設けられる従動軸１３の一端に対応する位置に、外部を向いて開口し膨張機２内側に向かって陥没する凹部１８が形成されており、この凹部１８が前述の隔壁５とされている。
すなわち、この凹状の隔壁５（凹部１８）の中に外部から内挿体１７が回転自在に嵌り込むようになっている。また、凹状の隔壁５は、ハウジング４の内部から見れば、内部に向かって突出する円柱状の凸部となっていて、この円柱状の凸部に外筒体１５が嵌り込むようになっている。外筒体１５の内径は、円柱状の凸部である隔壁５の外径より大とされているため、外筒体１５は隔壁５に当たることなく回転自在となっている。
【００２７】
なお、駆動側磁石１４及び従動側磁石１６は、図例ではネオジウム磁石やサマリウムコバルト磁石のような永久磁石であるが、電磁石を用いても良い。
また、外筒体１５及び内挿体１７の軸心を挟んでそれぞれ周方向に２つ設けられている駆動側磁石１４及び従動側磁石１６は、径外側または径内側に向けて磁力線が放出されるように、外筒体１５の回転軸心を基準として径外側の表面と径内側の表面とがＮ極またはＳ極となるように取り付けられている。駆動側磁石１４と従動側磁石１６とは、互いに異なる磁極を対面させるようにして配備されていて、両磁石の間に隔壁５を透過して磁気的な引力が誘起されるようになっている。
【００２８】
より具体的には、いずれの磁石も図２の上側に位置する磁極がＳ極となっており、また図２の下側に位置する磁極がＮ極となっていて、磁力線は磁石内を上から下に抜けた後、一番下側の磁石のＮ極（図例の場合は駆動側磁石１４のＮ極）から径外側に放出されて磁石の外側を通って上方に向かい、一番上側の磁石のＳ極（図例の場合は駆動側磁石１４のＳ極）に径外側から集まるようになっている。
【００２９】
この周方向に離れて配備された２個の駆動側磁石１４の外周側には、磁石の外側を通る磁力線を上方に向かって漏れなく案内する第１の磁路形成部材１９が設けられている。
図３（ａ）に示すように、駆動側磁石１４同士を磁気的に連結する第１の磁路形成部材１９は、外筒体１５を外周側から全周に亘って覆うことができる電磁軟鉄板で短尺円筒状に形成されたヨークである。第１の磁路形成部材（以下、外側ヨークという）１９は上述した２つの駆動側磁石１４の外周面（磁極）に面状態で接触している。これら２つの駆動側磁石１４は一方の外周面がＮ極であり、他方の外周面がＳ極である。そして、外側ヨーク１９は、２つの駆動側磁石１４のうち一方の駆動側磁石１４のＮ極から透入された磁力線をもう一方の駆動側磁石１４のＳ極に案内することにより、磁力線の漏れを可能な限り抑えて駆動側磁石１４の磁力を高め、ひいては駆動側磁石１４から従動側磁石１６に伝達されるトルクを高める作用を備えている。
【００３０】
上述のような動力伝達装置（動力伝達軸および磁気カップリング６）を用いれば、駆動側磁石１４と従動側磁石１６との間に隔壁５を存在させたままで回転駆動力（動力）の伝達が可能となる。そのため、従来の装置で採用されていたような様々な課題を有する手段、すなわち一つのハウジング内に膨張機だけでなく、その膨張機によって回転される回転機械も一緒に収容するといった手段や、ハウジングの内外を貫通するように動力伝達用の軸を設けておいて、この軸に軸シールを設けるといった手段などを採用する必要がない。
【００３１】
それゆえ、上記のような手段を採用したりしなくても、作動媒体の漏洩を防止しつつ膨張機２で発生した回転駆動力を膨張機２の駆動部が収容されたハウジング４の外部に効率よく取り出す（伝達する）ことができる。なお、上記のような手段を採用しないと、装置のメンテナンスを煩雑化することがなく、またコストを低く抑えることもできる。
さらに、図３（ｂ）に示すように、外側ヨーク１９を設けることにより、一方の駆動側磁石１４から放出された磁力線は外側ヨーク１９の内部を通って他方の駆動側磁石１４に案内される。つまり、磁力線を磁路形成部材（例えば外側ヨーク１９）のような磁性体に透入すると、磁性体である磁路形成部材の端部に集約される性質を磁力線は有している。そこで、この磁力線の性質を利用すれば、磁路形成部材を用いて、磁力線の漏れを可能な限り抑えて駆動側磁石１４の磁力を高め、駆動側磁石１４と従動側磁石１６との間の磁気的な引力を増大させることができ、ひいては駆動側磁石１４から従動側磁石１６に伝達されるトルクを高めて回転駆動力を効率的に伝達することも可能となる。
【００３２】
なお、このように第１の磁路形成部材（外側ヨーク１９）を用いて駆動側磁石１４や従動側磁石１６の数を増やして磁力を高くすれば、隔壁５（ハウジング４）が金属製の場合には隔壁５で大きな渦電流損失が生じてしまう。しかし、上述したように駆動側磁石１４や従動側磁石１６の設置数をそれぞれ２個と限定すれば、渦電流損失を磁気カップリング６に用いられる磁石数に応じて減少させることができるので、渦電流損失を小さく抑えることも可能となる。
「第２実施形態」
次に、本発明の第２実施形態の動力発生装置１を説明する。
【００３３】
図４に示すように、第２実施形態の動力発生装置１は、発電を行うバイナリサイクル（バイナリ発電システム）に用いられている。すなわち、動力発生装置１は、ハウジング内外で分断された駆動伝達軸（駆動軸１１及び従動軸１３）と磁気カップリング６を備えた動力伝達装置により、膨張機２のハウジング４外に回転駆動力を伝達し、その回転駆動力を用いて発電機２０を回転させて、発電を行うようにしている。
【００３４】
第１実施形態では、動力伝達率を考慮して、回転機械に対して回転駆動力を直接伝達する手法を開示したが、設備レイアウトによっては膨張機２の近傍にポンプなどの回転機械を配備するスペースが確保しにくい場合があり、この様な場合は第２実施形態に示すようにハウジング４外に伝達された回転駆動力を用いて発電機２０で発電を行い、一旦発電機２０で回転駆動力を電力に変換してから電力で回転機械１２を駆動させることが好ましい。
【００３５】
本実施形態においても、従来の動力伝達手段で採用されていたシール機構などが不要となり、作動媒体の漏出を防止しつつ膨張機２で発生した回転動力を膨張機２が収容されたハウジング４の外部に効率的に取り出すことが可能となる。また、装置のメンテナンスを煩雑化することなく、またランニングコストを低く抑えることも可能となる。
「第３実施形態」
次に、本発明の第３実施形態の動力発生装置１を説明する。
【００３６】
第１実施形態の動力発生装置１は、動力伝達装置における磁気カップリングに、電磁軟鉄板で形成された短尺円筒状の部材（外側ヨーク）を第１の磁路形成部材１９として用いた例であった。一方、第３実施形態では、第１の磁路形成部材１９を「複数の板磁石２１（長手方向の両端がそれぞれＮ極またはＳ極とされた板状の磁石）を磁気的に接続されるように外筒体１５の外周に沿って円弧状に並べた構成」としている。
【００３７】
具体的には、図５（ａ）に示すように、第３実施形態の第１の磁路形成部材１９は、複数（図例では１６枚）の板磁石２１を外筒体１５の外周面に沿って周方向に並べたものである。この板磁石２１は、外筒体１５の外周面に沿って円弧状に湾曲している。２個の駆動側磁石１４のうち、図５（ａ）、（ｂ）における上側の駆動側磁石１４のＳ極に対しては、このＳ極の表面に接するように左右に２つの板磁石２１が配備されている。これらの板磁石２１は、互いにＮ極同士を向かい合わせて配備されており、互いに接触し合うことがないように周方向に距離をあけて配備されている。
【００３８】
一方、図５（ａ）、（ｂ）における下側の駆動側磁石１４のＮ極に対しても、このＮ極の表面に接するように左右に２つの板磁石２１が配備されている。これらの板磁石２１は、互いにＳ極同士を向かい合わせて且つ互いに距離をとって配備されている。そして、上側の駆動側磁石１４に接するように配備された２つの板磁石２１と、下側の駆動側磁石１４に接するように配備された２つの板磁石２１との間をそれぞれ補間するように、上述した板磁石２１が左側に８枚、右側に８枚配備されている。隣接する板磁石２１は、互いに異なる磁極同士が向かい合うようにそれぞれ配備されている。
【００３９】
図５（ｂ）に示すように、電磁軟鉄板からなる外側ヨークに代えて複数の板磁石２１を組みあわせた磁路形成部材１９を用いても、複数の板磁石２１が磁力線の経路（磁気回路）を形成することができ、その内部を順番に通って磁力線が伝達されるため、駆動側磁石１４の磁力を高めることが可能になり、ひいては駆動回転軸から従動回転軸に伝達されるトルクを高めて回転駆動力を効率的に伝達することも可能となる。
「第４実施形態」
次に、本発明の第４実施形態の動力発生装置１を説明する。
【００４０】
図６（ａ）に示すように、第４実施形態の動力発生装置１は、動力伝達装置における磁気カップリングに、上述した第１実施形態の第１の磁路形成部材（外側ヨーク）１９と駆動側磁石１４とが一体とされたものを用いている。言い換えれば駆動側磁石１４と第１の磁路形成部材１９との機能を兼ね備えたような磁石（以降、一体磁石２２という）を備えている。
【００４１】
一体磁石２２は、外筒体１５の外周面を全周に亘って覆う円筒状であり、第３実施形態での駆動側磁石１４に相当する径内側に向かって突出するような突起部２３を設けて、一方（図６（ａ）における下側）の突起部２３の端部をＮ極、もう一方（図６（ａ）における上側）の突起部２３の端部をＳ極としたものである。
図６（ｂ）に示すように、第１の磁路形成部材１９と駆動側磁石１４との機能を兼ね備えた一体磁石２２を用いても、一体磁石２２の内部を通って磁力線がＮ極からＳ極に伝達されるため、駆動側磁石１４の磁力を高めることが可能になり、ひいては駆動回転軸から従動回転軸に伝達されるトルクを高めて回転駆動力を効率的に伝達することも可能となる。
「第５実施形態」
次に、本発明の第５実施形態の動力発生装置１について説明する。
【００４２】
本実施形態は、動力伝達装置の内挿体１７（従動軸１３の先端）に、電磁軟鉄板、複数の板磁石２１、または一体磁石２２からなる第２の磁路形成部材２４を設けて、従動側磁石１６同士を結ぶ構成を有するものであり、他の構成は、上述した実施形態と略同様である。
詳しくは、図７（ａ）に示すように、第５実施形態の動力伝達装置は、２個以上の従動側磁石１６同士を磁気的に連結する第２の磁路形成部材２４が設けられたものである。この第２の磁路形成部材２４は内挿体１７（従動軸１３）を軸方向に交差して貫通するように設けられた孔ないしは溝に配備されている。
【００４３】
具体的には、内挿体１７の外周面には、内挿体１７の回転軸心を挟んで図７（ａ）、（ｂ）における上側と下側との２箇所に従動側磁石１６が設けられている。そして、これら上下２個の従動側磁石１６の間に、２個の従動側磁石１６を磁気的に連結する第２の磁路形成部材２４が配備されている。この第２の磁路形成部材２４は、第１の磁路形成部材１９であるヨークと同様に電磁軟鉄板で形成されているヨークである。第２の磁路形成部材２４は、内挿体１７を上下（軸垂直方向）に貫通する貫通孔２５に収容されており、その上面は上側の従動側磁石１６のＮ極に接していて、下面は下側の従動側磁石１６のＳ極に接している。
【００４４】
それゆえ、図７（ｂ）に示すように、第２の磁路形成部材２４の内部を通って上側の従動側磁石１６のＮ極から下側の従動側磁石１６のＳ極に磁力線が形成され、外部に漏れる磁力線が減少するため、従動側磁石１６の磁力を高めることが可能になり、ひいては駆動側磁石１４から従動側磁石１６に伝達されるトルクを高めて回転駆動力を効率的に伝達することも可能となる。
「第６実施形態」「第７実施形態」
なお、駆動側磁石１４の磁力を高めるために用いた上述した他の実施形態における第１の磁路形成部材１９の場合と同様に、第２の磁路形成部材２４を複数の板磁石２６を組みあわせたものとしたり、従動側磁石１６と第２の磁路形成部材２４とが一体化された一体磁石２７としたりすることもできる。
【００４５】
例えば、図８（ａ）に示すように、本発明の第６実施形態の動力伝達装置は、第２の磁路形成部材２４として電磁軟鉄板に代えて複数の板磁石２６を積層したものである。この図８（ａ）の第２の磁路形成部材２４を用いても、図８（ｂ）に示すように複数の板磁石２６（第２の磁路形成部材２４）の内部を通って従動側磁石１６の磁力を高めることが可能になる。
【００４６】
また、図９（ａ）に示すように、本発明の第７実施形態の動力伝達装置は、第２の磁路形成部材２４と上下２個の従動側磁石１６とが一体とされた一体磁石２７を用いたものである。この図９（ａ）の一体磁石２７（第２の磁路形成部材２４）を用いても、図９（ｂ）に示すように一体磁石２７（第２の磁路形成部材２４）の内部を通って従動側磁石１６の磁力を高めることが可能になり、駆動側磁石１４から従動側磁石１６に伝達されるトルクを高めて回転駆動力を効率的に伝達することができる。
【００４７】
なお図示はしないものの、以上述べた第５実施形態から第７実施形態の第２の磁路形成部材２４の構成は、第１実施形態で述べた第１の磁路形成部材１９に対してのみ設けられるものではない。第５実施形態から第７実施形態の第２の磁路形成部材２４の構成を、第２実施形態から第４実施形態のいずれかの第１の磁路形成部材１９と組み合わせても何ら問題はない。
「第８実施形態」
次に、本発明の第８実施形態の動力発生装置１について説明する。
【００４８】
図１０に示すように、第８実施形態の動力発生装置１は、膨張機２から駆動側磁石１４まで動力伝達経路上に、膨張機２の回転駆動力を減速して磁気カップリング６に伝達する減速機２８が設けられたものである。
この減速機２８は、ハウジング４の内部に設けられた駆動軸１１であって、膨張機２の駆動部と外筒体１５（駆動側磁石１４）との間に設けられている。減速機２８は、膨張機２で発生した回転速度を減速して磁気カップリング６側に伝達することを可能としており、これにより駆動軸１１の回転数を例えばポンプやコンプレッサといった回転機械１２の使用領域に合わせた回転数に予め調整することができるようになっている。
【００４９】
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。
【００５０】
なお、上述した第１実施形態から第８実施形態では、駆動軸１１に設けられた外筒体１５の内側に、従動軸１３に設けられた内挿体１７が挿入される構造の磁気カップリング６を挙げたが、外筒体１５や内挿体１７のどちらを駆動側（従動側）にするかは任意に選択することができる。例えば、駆動軸１１に設けられた内挿体１７を従動軸１３に設けられた外筒体１５の内側に挿入する構造の磁気カップリング６を用いても良い。
【００５１】
なお、上述した第１実施形態から第８実施形態では、渦電流損失を小さくするため、駆動側磁石１４及び従動側磁石１６が２個ずつ設けられた例を挙げたが、磁石の数は２個に限定されない。例えば、駆動側磁石１４及び従動側磁石１６が４個〜８個ずつ設けられたものを用いても良い。
また、ハウジング４の隔壁５の材質としては、セラミックス、ガラス、グラスファイバー、炭素繊維等の非磁性体を用いることができる。この場合には、渦電流損失を考慮する必要がないため、駆動側磁石１４及び従動側磁石１６の設置個数はそれぞれ２個以上とされていても良いが、隔壁の厚さを厚くする場合（駆動側磁石１４と従動側磁石１６の距離が少し開く場合）は、それぞれ２個とすることが望ましい。
【符号の説明】
【００５２】
１ 動力発生装置
２ 膨張機
３ 熱機関
４ ハウジング
５ 隔壁
６ 磁気カップリング
７ 蒸発器
８ 凝縮器
９ 媒体循環ポンプ
１０ スクリュロータ
１１ 駆動軸
１２ 回転機械
１３ 従動軸
１４ 駆動側磁石
１５ 外筒体
１６ 従動側磁石
１７ 内挿体
１８ 凹部
１９ 第１の磁路形成部材
２０ 発電機
２１ 第１の磁路形成部材を構成する板磁石
２２ 第１の磁路形成部材を構成する一体磁石
２３ 突起部
２４ 第２の磁路形成部材
２５ 貫通孔
２６ 第２の磁路形成部材を構成する板磁石
２７ 第２の磁路形成部材を構成する一体磁石
２８ 減速機
Ｔ 作動流体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱機関で発生した動力を当該熱機関の外部に取り出す動力発生装置および動力発生方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱機関の中でも外燃機関は、水や、アンモニア、ペンタン、フロンなどの低沸点媒体（水より沸点の低い媒体）などの作動媒体（作動流体とも言う）をランキンサイクルなどの熱力学サイクルによって膨張させたり凝縮させたりすることで熱を動力に変換する（熱エネルギーを運動エネルギーに変換する）構成となっている。このような熱機関は作動媒体の蒸気を膨張させる膨張機を備えており、膨張機は外部から気密状に隔離されたハウジングの内部に収容されている。この膨張機で得られた回転駆動力は軸を介して膨張機が収容されているハウジング外に取り出され、コンプレッサ、ブロア、ポンプ、発電機などの回転機械を回転させるために用いられる。
【０００３】
例えば、特許文献１には、作動流体の膨張により回転力を発生する膨張機構と、膨張機構の回転力によって駆動される発電機と、膨張機構の回転力によって駆動されるポンプ機構とを備えた流体機械において、前記ポンプ機構を容量可変に構成したことを特徴とする流体機械が開示されている。
また、特許文献２には、ランキンサイクルの熱エネルギーを回転動力へと変換する膨張機と、回転動力により駆動されてランキンサイクルの圧力を上げる給液ポンプと、回転駆動力を発生するモータとを備え、これらで回転軸を共有した流体機械が開示されている。
【０００４】
これらの装置（流体機械）は、いずれも熱機関の一部である膨張機と、発電機やポンプなどの回転機械などを１つのハウジング内に一緒に収容したものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１８５７７２号公報
【特許文献２】特開２００５−３０３８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１や特許文献２の装置（流体機械）においては、作動媒体の漏洩を防止するために膨張機を収容するハウジングにシールを設けることが必要不可欠になる。
ここで特許文献１や特許文献２の図１の記載例のように、膨張機と、発電機やポンプなどの回転機械を１つのハウジング内に一緒に収容する場合、膨張機と回転機械とを繋ぐ軸の軸シールを不要とすることができる場合がある。しかしながら、ハウジングや回転機械として専用品が必要となり、汎用品が使用できないという問題が有る。また、動力発生装置やこれを用いた発電設備のイニシャルコストアップに繋がりやすい。
【０００７】
一方で特許文献２の図１９や図２０の記載例のように、動力伝達のための回転軸がハウジングを貫通して外部に突き出るような場合、特に大気中に放出されることが好ましくないような低沸点媒体を作動媒体に用いるバイナリ発電などにおいては、軸のシールは重要である。特許文献２の図１９や図２０の設備では、回転機（モータ９)と膨張機との間にシャフトシールが設けられていて、作動媒体が回転機側に漏洩しない構造を採用している。しかしながら、こういったシャフトシールを採用しても、作動媒体の漏洩を確実に防止することが難しく、また煩雑なシャフトシールのメンテナンスが必要である。また、動力発生装置やこれを用いた発電設備のランニングコストアップに繋がりやすい。
【０００８】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、一つのハウジング内に熱機関と回転機とを一緒に収容したり動力を伝達する軸に軸シール機構を採用したりしなくても、作動媒体の漏洩を防止しつつ膨張機で発生した回転駆動力を膨張機が収容されたハウジングの外部に効率よく伝達することができる動力発生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】
【０００９】
前記目的を達成するため、本発明の動力発生装置は次の技術的手段を講じている。
すなわち、本発明の動力発生装置は、膨張機を備えた熱機関と、前記膨張機で発生する回転駆動力を当該膨張機の駆動部が収容されたハウジングの外部へ取り出す動力伝達軸とを有する動力発生装置であって、前記ハウジングはその隔壁で囲まれた内部に膨張機の駆動部を収容しており、前記動力伝達軸は、前記隔壁を間に介して前記ハウジングの内外に分断されているとともに前記膨張機の回転駆動力を前記ハウジングの外部に伝達するべく磁気カップリングを備えていることを特徴とする。
【００１０】
好ましくは、前記ハウジング外部の動力伝達軸には、前記ハウジング外に伝達された回転駆動力を用いて発電を行う発電機が接続されているとよい。
好ましくは、前記磁気カップリングは、前記膨張機の回転駆動力が伝達されて前記ハウジングの内部で回転する駆動側磁石と、前記ハウジングの外部に配備されて前記駆動側磁石の回転に合わせて従動回転する従動側磁石とを、備えており、前記駆動側磁石と従動側磁石とは、前記隔壁を隔てて互いに異なる磁極を対面させるように配備されているとよい。
【００１１】
好ましくは、前記膨張機の駆動部から前記駆動側磁石まで動力伝達経路上に、前記駆動部で出力された回転を減速して磁気カップリングに伝達する減速機が設けられているとよい。
好ましくは、前記駆動側磁石は、従動側磁石の外周を取り囲むように距離をあけて配備されており、前記駆動側磁石及び従動側磁石は、それぞれ少なくとも２個以上設けられているとよい。
【００１２】
好ましくは、前記２個以上の駆動側磁石を磁気的に連結する第１の磁路形成部材が設けられており、前記第１の磁路形成部材は、前記駆動側磁石に対して磁気カップリングの径外側で接するように配備されているとよい。
好ましくは、前記２個以上の従動側磁石を磁気的に連結する第２の磁路形成部材が設けられており、前記第２の磁路形成部材は、従動側磁石に対して磁気カップリングの径内側で接するように配備されているとよい。
【００１３】
好ましくは、前記隔壁は、少なくとも前記ハウジングの内外に分断された動力伝達軸の間に設けられて前記磁気カップリングを当該ハウジングの内外に隔てる部分が非磁性体から形成されているとよい。
好ましくは、前記熱機関は、液体の作動媒体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で蒸発した作動媒体の蒸気を膨張させて駆動部を回転させる膨張機と、前記膨張機で膨張した作動媒体の蒸気を凝縮させて液体の作動媒体に変化させる凝縮器と、前記凝縮器で凝縮した液体の作動媒体を蒸発器に圧送することにより作動媒体を循環させる循環ポンプと、を閉ループ状に接続された循環流路上に備えたものであるとよい。
【００１４】
一方、本発明の動力発生方法は、上述の動力発生装置を用いて、前記膨張機で発生する回転駆動力を当該膨張機の駆動部が収容されたハウジングの外部へ取り出すことを特徴とするものである。
好ましくは、前記ハウジングの外部へ取り出された回転駆動力を用いて発電機を駆動することで発電を行うとよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の動力発生装置によれば、一体型のハウジングや軸シール機構を用いなくともハウジング外部への作動流体の漏洩を防止しつつ、膨張機で発生した回転駆動力を膨張機の駆動部が収容されたハウジングの外部に取り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１実施形態の動力発生装置を示す図である。
【図２】第１実施形態の動力発生装置に設けられた磁気カップリングの斜視図である。
【図３】（ａ）は第１実施形態における磁気カップリングの断面図であり、（ｂ）は同磁気カップリングでの磁力線の発生状態を示す図である。
【図４】第２実施形態の動力発生装置を示す図である。
【図５】（ａ）は第３実施形態における磁気カップリングの断面図であり、（ｂ）は同磁気カップリングでの磁力線の発生状態を示す図である。
【図６】（ａ）は第４実施形態における磁気カップリングの断面図であり、（ｂ）は同磁気カップリングでの磁力線の発生状態を示す図である。
【図７】（ａ）は第５実施形態における磁気カップリングの断面図であり、（ｂ）は同磁気カップリングでの磁力線の発生状態を示す図である。
【図８】（ａ）は第６実施形態における磁気カップリングの断面図であり、（ｂ）は同磁気カップリングでの磁力線の発生状態を示す図である。
【図９】（ａ）は第７実施形態における磁気カップリングの断面図であり、（ｂ）は同磁気カップリングでの磁力線の発生状態を示す図である。
【図１０】第８実施形態の動力発生装置の要部を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
「第１実施形態」
以下、本発明に係る動力発生装置１の第１実施形態を、図面に基づき説明する。
図１に示すように、第１実施形態の動力発生装置１は、作動流体の蒸気の膨張により回転駆動する駆動部（本実施形態においてはスクリュロータ１０）を有する膨張機２を備えた熱機関３と、この膨張機２で発生する回転駆動力を膨張機２の駆動部１０が収容されたハウジング４の外部へ取り出す動力伝達軸とを有するものである。このハウジング４はその隔壁５で囲まれた内部に膨張機２の駆動部１０を収容している。動力伝達軸は、隔壁５を間に介してハウジングの内に位置する駆動軸１１とハウジング外に位置する従動軸１３とに分断されている。また分断された動力伝達軸、即ち、駆動軸１１と従動軸１３には、膨張機２の回転駆動力をハウジング４の外部に伝達するために磁気カップリング６が設けられている。このように、動力発生装置１は、駆動軸１１および従動軸１３からなる動力伝達軸と磁気カップリング６とで構成された動力伝達装置を備えている。
【００１８】
なお、第１実施形態では、熱機関３としてバイナリサイクルを例示する。とはいえ、熱機関３としては、熱を動力に変換する機関であれば、どのような機関も含まれる。バイナリサイクルのようなランキンサイクルを利用した機関以外にも、例えば蒸気機関、蒸気タービン、スターリングサイクルのような外燃機関、あるいはガスタービンのような内燃機関が含まれる。
【００１９】
図１に示すように、バイナリサイクルは、液体の作動媒体Ｔを蒸発させる蒸発器７と、この蒸発器７で蒸発した作動媒体Ｔの蒸気を膨張させて駆動部を回転駆動させる膨張機２と、この膨張機２で膨張した作動媒体Ｔの蒸気を凝縮させて液体の作動媒体Ｔに変化させる凝縮器８と、この凝縮器８で凝縮した液体の作動媒体Ｔを蒸発器７に圧送することにより作動媒体Ｔを循環させる媒体循環ポンプ９と、を閉ループ状に接続された循環流路上に備えている。
【００２０】
膨張機２は、膨張する前後の蒸気の圧力差を利用して回転駆動するスクリュロータ１０（駆動部）を有している。スクリュロータ１０は、駆動軸１１を中心に回転自在となっており、発生した回転駆動力を駆動軸１１を介して伝達可能となっている。
膨張機２のスクリュロータ１０（駆動部）の周囲にはハウジング４（隔壁５）が設けられており、このハウジング４により内部と外部とを気密的に隔離できるようになっている。この気密的に隔離されたハウジング４の内部には、スクリュロータ１０と共にバイナリサイクルで用いられる低沸点媒体の作動媒体Ｔが収容されている。
【００２１】
上述した膨張機２のスクリュロータ１０で生起した回転駆動力を回転機械１２（コンプレッサやブロアなど）に伝達する場合には、通常は膨張機２と回転機械１２との間に回転駆動力を伝達可能な動力伝達手段を設けなくてはならない。
従来、このような動力伝達手段として、膨張機のハウジングの内外を貫通するように設けられた回転軸が採用される場合には、この回転軸とハウジングとの間から作動媒体が漏洩することを抑制する軸シールが必要不可欠となっていた。このような軸シールを設けると、装置のメンテナンスが煩雑となって、ランニングコストのアップに繋がったり、収容された作動媒体Ｔの漏出の虞もあるため好ましくない。この問題を解決するために、従来は一つのハウジング内に膨張機と回転機械とを一緒に収容して作動媒体Ｔの漏出を防止することも行われていた。このような膨張機と回転機械とを一体型のハウジングに収容すると、両者間の軸シールが不要となる場合があるが、回転機械として専用品が必要となり、イニシャルコストのアップに繋がったり、汎用品が使用できないため好ましくない。
【００２２】
そこで、本発明の動力発生装置１には、隔壁５を介して膨張機２の回転駆動力をハウジング４外に伝達する磁気カップリング６を有するものとしている。すなわち、動力発生装置１は、膨張機２と回転機械１２との間で回転駆動力を伝達可能とするために、隔壁を間に介して駆動軸１１と従動軸１３とに分断された動力伝達軸と、さらに隔壁を介してハウジングの内外に分かれているこれら両軸を磁気的に連結する磁気カップリング６とから構成される動力伝達装置を備えている。
【００２３】
以下、動力伝達装置の詳細について述べる。
図１及び図２に示すように、駆動軸１１は、膨張機２のスクリュロータ１０の回転軸心に沿って配備された回転軸である。駆動軸１１の一端（図１の左側）は膨張機２の駆動部であるスクリュロータ１０に連結されており、他端（図１の右側）は隔壁５の近傍にまで伸びていて、この他端側の先端には駆動側磁石１４の装着された磁気カップリング６の外筒体１５が設けられている。
【００２４】
外筒体１５は、回転機械１２側（反スクリュロータ１０側）を向いて開口する有底円筒状の部材であり、非磁性体から形成されている。外筒体１５には駆動軸１１が同軸状に連結されており、またその円筒状に形成された部分には、互いに対向するように、周方向に離れて配備された２個の駆動側磁石１４が設けられている。
一方、従動軸１３は、駆動軸１１と同軸な方向に沿って配備された回転可能な軸である。従動軸１３の一端（図１の左側）は膨張機２側に向かって伸びていて、この一端には従動側磁石１６を取り付ける内挿体１７が設けられており、他端（図１の右側）は回転機械１２に連結されている。
【００２５】
内挿体１７は、円柱体であり、外筒体１５同様に非磁性体から形成されている。内挿体１７は、外筒体１５の内側に遊挿可能となっており、内挿体１７の外周面（外筒体１５の内側に挿し込まれる部分の外周面）には従動側磁石１６が取り付けられている。
これら外筒体１５と内挿体１７との間、言い換えれば、駆動側磁石１４と従動側磁石１６の間には、隔壁５が存在する。
【００２６】
ハウジング４には、内挿体１７が設けられる従動軸１３の一端に対応する位置に、外部を向いて開口し膨張機２内側に向かって陥没する凹部１８が形成されており、この凹部１８が前述の隔壁５とされている。
すなわち、この凹状の隔壁５（凹部１８）の中に外部から内挿体１７が回転自在に嵌り込むようになっている。また、凹状の隔壁５は、ハウジング４の内部から見れば、内部に向かって突出する円柱状の凸部となっていて、この円柱状の凸部に外筒体１５が嵌り込むようになっている。外筒体１５の内径は、円柱状の凸部である隔壁５の外径より大とされているため、外筒体１５は隔壁５に当たることなく回転自在となっている。
【００２７】
なお、駆動側磁石１４及び従動側磁石１６は、図例ではネオジウム磁石やサマリウムコバルト磁石のような永久磁石であるが、電磁石を用いても良い。
また、外筒体１５及び内挿体１７の軸心を挟んでそれぞれ周方向に２つ設けられている駆動側磁石１４及び従動側磁石１６は、径外側または径内側に向けて磁力線が放出されるように、外筒体１５の回転軸心を基準として径外側の表面と径内側の表面とがＮ極またはＳ極となるように取り付けられている。駆動側磁石１４と従動側磁石１６とは、互いに異なる磁極を対面させるようにして配備されていて、両磁石の間に隔壁５を透過して磁気的な引力が誘起されるようになっている。
【００２８】
より具体的には、いずれの磁石も図２の上側に位置する磁極がＳ極となっており、また図２の下側に位置する磁極がＮ極となっていて、磁力線は磁石内を上から下に抜けた後、一番下側の磁石のＮ極（図例の場合は駆動側磁石１４のＮ極）から径外側に放出されて磁石の外側を通って上方に向かい、一番上側の磁石のＳ極（図例の場合は駆動側磁石１４のＳ極）に径外側から集まるようになっている。
【００２９】
この周方向に離れて配備された２個の駆動側磁石１４の外周側には、磁石の外側を通る磁力線を上方に向かって漏れなく案内する第１の磁路形成部材１９が設けられている。
図３（ａ）に示すように、駆動側磁石１４同士を磁気的に連結する第１の磁路形成部材１９は、外筒体１５を外周側から全周に亘って覆うことができる電磁軟鉄板で短尺円筒状に形成されたヨークである。第１の磁路形成部材（以下、外側ヨークという）１９は上述した２つの駆動側磁石１４の外周面（磁極）に面状態で接触している。これら２つの駆動側磁石１４は一方の外周面がＮ極であり、他方の外周面がＳ極である。そして、外側ヨーク１９は、２つの駆動側磁石１４のうち一方の駆動側磁石１４のＮ極から透入された磁力線をもう一方の駆動側磁石１４のＳ極に案内することにより、磁力線の漏れを可能な限り抑えて駆動側磁石１４の磁力を高め、ひいては駆動側磁石１４から従動側磁石１６に伝達されるトルクを高める作用を備えている。
【００３０】
上述のような動力伝達装置（動力伝達軸および磁気カップリング６）を用いれば、駆動側磁石１４と従動側磁石１６との間に隔壁５を存在させたままで回転駆動力（動力）の伝達が可能となる。そのため、従来の装置で採用されていたような様々な課題を有する手段、すなわち一つのハウジング内に膨張機だけでなく、その膨張機によって回転される回転機械も一緒に収容するといった手段や、ハウジングの内外を貫通するように動力伝達用の軸を設けておいて、この軸に軸シールを設けるといった手段などを採用する必要がない。
【００３１】
それゆえ、上記のような手段を採用したりしなくても、作動媒体の漏洩を防止しつつ膨張機２で発生した回転駆動力を膨張機２の駆動部が収容されたハウジング４の外部に効率よく取り出す（伝達する）ことができる。なお、上記のような手段を採用しないと、装置のメンテナンスを煩雑化することがなく、またコストを低く抑えることもできる。
さらに、図３（ｂ）に示すように、外側ヨーク１９を設けることにより、一方の駆動側磁石１４から放出された磁力線は外側ヨーク１９の内部を通って他方の駆動側磁石１４に案内される。つまり、磁力線を磁路形成部材（例えば外側ヨーク１９）のような磁性体に透入すると、磁性体である磁路形成部材の端部に集約される性質を磁力線は有している。そこで、この磁力線の性質を利用すれば、磁路形成部材を用いて、磁力線の漏れを可能な限り抑えて駆動側磁石１４の磁力を高め、駆動側磁石１４と従動側磁石１６との間の磁気的な引力を増大させることができ、ひいては駆動側磁石１４から従動側磁石１６に伝達されるトルクを高めて回転駆動力を効率的に伝達することも可能となる。
【００３２】
なお、このように第１の磁路形成部材（外側ヨーク１９）を用いて駆動側磁石１４や従動側磁石１６の数を増やして磁力を高くすれば、隔壁５（ハウジング４）が金属製の場合には隔壁５で大きな渦電流損失が生じてしまう。しかし、上述したように駆動側磁石１４や従動側磁石１６の設置数をそれぞれ２個と限定すれば、渦電流損失を磁気カップリング６に用いられる磁石数に応じて減少させることができるので、渦電流損失を小さく抑えることも可能となる。
「第２実施形態」
次に、本発明の第２実施形態の動力発生装置１を説明する。
【００３３】
図４に示すように、第２実施形態の動力発生装置１は、発電を行うバイナリサイクル（バイナリ発電システム）に用いられている。すなわち、動力発生装置１は、ハウジング内外で分断された駆動伝達軸（駆動軸１１及び従動軸１３）と磁気カップリング６を備えた動力伝達装置により、膨張機２のハウジング４外に回転駆動力を伝達し、その回転駆動力を用いて発電機２０を回転させて、発電を行うようにしている。
【００３４】
第１実施形態では、動力伝達率を考慮して、回転機械に対して回転駆動力を直接伝達する手法を開示したが、設備レイアウトによっては膨張機２の近傍にポンプなどの回転機械を配備するスペースが確保しにくい場合があり、この様な場合は第２実施形態に示すようにハウジング４外に伝達された回転駆動力を用いて発電機２０で発電を行い、一旦発電機２０で回転駆動力を電力に変換してから電力で回転機械１２を駆動させることが好ましい。
【００３５】
本実施形態においても、従来の動力伝達手段で採用されていたシール機構などが不要となり、作動媒体の漏出を防止しつつ膨張機２で発生した回転動力を膨張機２が収容されたハウジング４の外部に効率的に取り出すことが可能となる。また、装置のメンテナンスを煩雑化することなく、またランニングコストを低く抑えることも可能となる。
「第３実施形態」
次に、本発明の第３実施形態の動力発生装置１を説明する。
【００３６】
第１実施形態の動力発生装置１は、動力伝達装置における磁気カップリングに、電磁軟鉄板で形成された短尺円筒状の部材（外側ヨーク）を第１の磁路形成部材１９として用いた例であった。一方、第３実施形態では、第１の磁路形成部材１９を「複数の板磁石２１（長手方向の両端がそれぞれＮ極またはＳ極とされた板状の磁石）を磁気的に接続されるように外筒体１５の外周に沿って円弧状に並べた構成」としている。
【００３７】
具体的には、図５（ａ）に示すように、第３実施形態の第１の磁路形成部材１９は、複数（図例では１６枚）の板磁石２１を外筒体１５の外周面に沿って周方向に並べたものである。この板磁石２１は、外筒体１５の外周面に沿って円弧状に湾曲している。２個の駆動側磁石１４のうち、図５（ａ）、（ｂ）における上側の駆動側磁石１４のＳ極に対しては、このＳ極の表面に接するように左右に２つの板磁石２１が配備されている。これらの板磁石２１は、互いにＮ極同士を向かい合わせて配備されており、互いに接触し合うことがないように周方向に距離をあけて配備されている。
【００３８】
一方、図５（ａ）、（ｂ）における下側の駆動側磁石１４のＮ極に対しても、このＮ極の表面に接するように左右に２つの板磁石２１が配備されている。これらの板磁石２１は、互いにＳ極同士を向かい合わせて且つ互いに距離をとって配備されている。そして、上側の駆動側磁石１４に接するように配備された２つの板磁石２１と、下側の駆動側磁石１４に接するように配備された２つの板磁石２１との間をそれぞれ補間するように、上述した板磁石２１が左側に８枚、右側に８枚配備されている。隣接する板磁石２１は、互いに異なる磁極同士が向かい合うようにそれぞれ配備されている。
【００３９】
図５（ｂ）に示すように、電磁軟鉄板からなる外側ヨークに代えて複数の板磁石２１を組みあわせた磁路形成部材１９を用いても、複数の板磁石２１が磁力線の経路（磁気回路）を形成することができ、その内部を順番に通って磁力線が伝達されるため、駆動側磁石１４の磁力を高めることが可能になり、ひいては駆動回転軸から従動回転軸に伝達されるトルクを高めて回転駆動力を効率的に伝達することも可能となる。
「第４実施形態」
次に、本発明の第４実施形態の動力発生装置１を説明する。
【００４０】
図６（ａ）に示すように、第４実施形態の動力発生装置１は、動力伝達装置における磁気カップリングに、上述した第１実施形態の第１の磁路形成部材（外側ヨーク）１９と駆動側磁石１４とが一体とされたものを用いている。言い換えれば駆動側磁石１４と第１の磁路形成部材１９との機能を兼ね備えたような磁石（以降、一体磁石２２という）を備えている。
【００４１】
一体磁石２２は、外筒体１５の外周面を全周に亘って覆う円筒状であり、第３実施形態での駆動側磁石１４に相当する径内側に向かって突出するような突起部２３を設けて、一方（図６（ａ）における下側）の突起部２３の端部をＮ極、もう一方（図６（ａ）における上側）の突起部２３の端部をＳ極としたものである。
図６（ｂ）に示すように、第１の磁路形成部材１９と駆動側磁石１４との機能を兼ね備えた一体磁石２２を用いても、一体磁石２２の内部を通って磁力線がＮ極からＳ極に伝達されるため、駆動側磁石１４の磁力を高めることが可能になり、ひいては駆動回転軸から従動回転軸に伝達されるトルクを高めて回転駆動力を効率的に伝達することも可能となる。
「第５実施形態」
次に、本発明の第５実施形態の動力発生装置１について説明する。
【００４２】
本実施形態は、動力伝達装置の内挿体１７（従動軸１３の先端）に、電磁軟鉄板、複数の板磁石２１、または一体磁石２２からなる第２の磁路形成部材２４を設けて、従動側磁石１６同士を結ぶ構成を有するものであり、他の構成は、上述した実施形態と略同様である。
詳しくは、図７（ａ）に示すように、第５実施形態の動力伝達装置は、２個以上の従動側磁石１６同士を磁気的に連結する第２の磁路形成部材２４が設けられたものである。この第２の磁路形成部材２４は内挿体１７（従動軸１３）を軸方向に交差して貫通するように設けられた孔ないしは溝に配備されている。
【００４３】
具体的には、内挿体１７の外周面には、内挿体１７の回転軸心を挟んで図７（ａ）、（ｂ）における上側と下側との２箇所に従動側磁石１６が設けられている。そして、これら上下２個の従動側磁石１６の間に、２個の従動側磁石１６を磁気的に連結する第２の磁路形成部材２４が配備されている。この第２の磁路形成部材２４は、第１の磁路形成部材１９であるヨークと同様に電磁軟鉄板で形成されているヨークである。第２の磁路形成部材２４は、内挿体１７を上下（軸垂直方向）に貫通する貫通孔２５に収容されており、その上面は上側の従動側磁石１６のＮ極に接していて、下面は下側の従動側磁石１６のＳ極に接している。
【００４４】
それゆえ、図７（ｂ）に示すように、第２の磁路形成部材２４の内部を通って上側の従動側磁石１６のＮ極から下側の従動側磁石１６のＳ極に磁力線が形成され、外部に漏れる磁力線が減少するため、従動側磁石１６の磁力を高めることが可能になり、ひいては駆動側磁石１４から従動側磁石１６に伝達されるトルクを高めて回転駆動力を効率的に伝達することも可能となる。
「第６実施形態」「第７実施形態」
なお、駆動側磁石１４の磁力を高めるために用いた上述した他の実施形態における第１の磁路形成部材１９の場合と同様に、第２の磁路形成部材２４を複数の板磁石２６を組みあわせたものとしたり、従動側磁石１６と第２の磁路形成部材２４とが一体化された一体磁石２７としたりすることもできる。
【００４５】
例えば、図８（ａ）に示すように、本発明の第６実施形態の動力伝達装置は、第２の磁路形成部材２４として電磁軟鉄板に代えて複数の板磁石２６を積層したものである。この図８（ａ）の第２の磁路形成部材２４を用いても、図８（ｂ）に示すように複数の板磁石２６（第２の磁路形成部材２４）の内部を通って従動側磁石１６の磁力を高めることが可能になる。
【００４６】
また、図９（ａ）に示すように、本発明の第７実施形態の動力伝達装置は、第２の磁路形成部材２４と上下２個の従動側磁石１６とが一体とされた一体磁石２７を用いたものである。この図９（ａ）の一体磁石２７（第２の磁路形成部材２４）を用いても、図９（ｂ）に示すように一体磁石２７（第２の磁路形成部材２４）の内部を通って従動側磁石１６の磁力を高めることが可能になり、駆動側磁石１４から従動側磁石１６に伝達されるトルクを高めて回転駆動力を効率的に伝達することができる。
【００４７】
なお図示はしないものの、以上述べた第５実施形態から第７実施形態の第２の磁路形成部材２４の構成は、第１実施形態で述べた第１の磁路形成部材１９に対してのみ設けられるものではない。第５実施形態から第７実施形態の第２の磁路形成部材２４の構成を、第２実施形態から第４実施形態のいずれかの第１の磁路形成部材１９と組み合わせても何ら問題はない。
「第８実施形態」
次に、本発明の第８実施形態の動力発生装置１について説明する。
【００４８】
図１０に示すように、第８実施形態の動力発生装置１は、膨張機２から駆動側磁石１４まで動力伝達経路上に、膨張機２の回転駆動力を減速して磁気カップリング６に伝達する減速機２８が設けられたものである。
この減速機２８は、ハウジング４の内部に設けられた駆動軸１１であって、膨張機２の駆動部と外筒体１５（駆動側磁石１４）との間に設けられている。減速機２８は、膨張機２で発生した回転速度を減速して磁気カップリング６側に伝達することを可能としており、これにより駆動軸１１の回転数を例えばポンプやコンプレッサといった回転機械１２の使用領域に合わせた回転数に予め調整することができるようになっている。
【００４９】
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。
【００５０】
なお、上述した第１実施形態から第８実施形態では、駆動軸１１に設けられた外筒体１５の内側に、従動軸１３に設けられた内挿体１７が挿入される構造の磁気カップリング６を挙げたが、外筒体１５や内挿体１７のどちらを駆動側（従動側）にするかは任意に選択することができる。例えば、駆動軸１１に設けられた内挿体１７を従動軸１３に設けられた外筒体１５の内側に挿入する構造の磁気カップリング６を用いても良い。
【００５１】
なお、上述した第１実施形態から第８実施形態では、渦電流損失を小さくするため、駆動側磁石１４及び従動側磁石１６が２個ずつ設けられた例を挙げたが、磁石の数は２個に限定されない。例えば、駆動側磁石１４及び従動側磁石１６が４個〜８個ずつ設けられたものを用いても良い。
また、ハウジング４の隔壁５の材質としては、セラミックス、ガラス、グラスファイバー、炭素繊維等の非磁性体を用いることができる。この場合には、渦電流損失を考慮する必要がないため、駆動側磁石１４及び従動側磁石１６の設置個数はそれぞれ２個以上とされていても良いが、隔壁の厚さを厚くする場合（駆動側磁石１４と従動側磁石１６の距離が少し開く場合）は、それぞれ２個とすることが望ましい。
【符号の説明】
【００５２】
１ 動力発生装置
２ 膨張機
３ 熱機関
４ ハウジング
５ 隔壁
６ 磁気カップリング
７ 蒸発器
８ 凝縮器
９ 媒体循環ポンプ
１０ スクリュロータ
１１ 駆動軸
１２ 回転機械
１３ 従動軸
１４ 駆動側磁石
１５ 外筒体
１６ 従動側磁石
１７ 内挿体
１８ 凹部
１９ 第１の磁路形成部材
２０ 発電機
２１ 第１の磁路形成部材を構成する板磁石
２２ 第１の磁路形成部材を構成する一体磁石
２３ 突起部
２４ 第２の磁路形成部材
２５ 貫通孔
２６ 第２の磁路形成部材を構成する板磁石
２７ 第２の磁路形成部材を構成する一体磁石
２８ 減速機
Ｔ 作動流体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膨張機を備えた熱機関と、前記膨張機で発生する回転駆動力を当該膨張機の駆動部が収容されたハウジングの外部へ取り出す動力伝達軸とを有する動力発生装置であって、
前記ハウジングはその隔壁で囲まれた内部に前記膨張機の駆動部を収容しており、
前記動力伝達軸は、前記隔壁を間に介して前記ハウジングの内外に分断されているとともに前記膨張機の回転駆動力を前記ハウジングの外部に伝達するべく磁気カップリングを備えていることを特徴とする動力発生装置。
【請求項２】
前記ハウジング外部の動力伝達軸には、前記ハウジングの外部に伝達された回転駆動力を用いて発電を行う発電機が接続されていることを特徴とする請求項１に記載の動力発生装置。
【請求項３】
前記磁気カップリングは、前記膨張機の回転駆動力が伝達されて前記ハウジングの内部で回転する駆動側磁石と、前記ハウジングの外部に配備されて前記駆動側磁石の回転に合わせて従動回転する従動側磁石とを、備えており、
前記駆動側磁石と従動側磁石とは、前記隔壁を隔てて互いに異なる磁極を対面させるように配備されていることを特徴とする請求項１または２に記載の動力発生装置。
【請求項４】
前記膨張機の駆動部から前記駆動側磁石までの動力伝達経路上に、前記駆動部で出力された回転を減速して磁気カップリングに伝達する減速機が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の動力発生装置。
【請求項５】
前記駆動側磁石は、従動側磁石の外周を取り囲むように距離をあけて配備されており、
前記駆動側磁石及び従動側磁石は、それぞれ少なくとも２個以上設けられていることを特徴とする請求項３または４に記載の動力発生装置。
【請求項６】
前記２個以上の駆動側磁石を磁気的に連結する第１の磁路形成部材が設けられており、
前記第１の磁路形成部材は、前記駆動側磁石に対して磁気カップリングの径外側で接するように配備されていることを特徴とする請求項５に記載の動力発生装置。
【請求項７】
前記２個以上の従動側磁石を磁気的に連結する第２の磁路形成部材が設けられており、
前記第２の磁路形成部材は、前記従動側磁石に対して磁気カップリングの径内側で接するように配備されていることを特徴とする請求項５に記載の動力発生装置。
【請求項８】
前記隔壁は、少なくとも前記ハウジングの内外に分断された動力伝達軸の間に設けられて前記磁気カップリングを当該ハウジングの内外に隔てる部分が非磁性体から形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の動力発生装置。
【請求項９】
前記熱機関は、液体の作動流体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で蒸発した作動流体の蒸気を膨張させて駆動部を回転させる膨張機と、前記膨張機で膨張した作動流体の蒸気を凝縮させて液体の作動流体に変化させる凝縮器と、前記凝縮器で凝縮した液体の作動流体を蒸発器に圧送することにより作動流体を循環させる循環ポンプと、を閉ループ状に接続された循環流路上に備えたものであることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の動力発生装置。
【請求項１０】
請求項１〜９の何れかに記載の動力発生装置を用いて、前記膨張機で発生する回転駆動力を当該膨張機の駆動部が収容されたハウジングの外部へ取り出すことを特徴とする動力発生方法。
【請求項１１】
請求項２〜９の何れかに記載の動力発生装置を用いて、前記ハウジングの外部へ取り出された回転駆動力を用いて発電機を駆動することを特徴とする請求項１０に記載の動力発生方法。
【請求項１】
膨張機を備えた熱機関と、前記膨張機で発生する回転駆動力を当該膨張機の駆動部が収容されたハウジングの外部へ取り出す動力伝達軸とを有する動力発生装置であって、
前記ハウジングはその隔壁で囲まれた内部に前記膨張機の駆動部を収容しており、
前記動力伝達軸は、前記隔壁を間に介して前記ハウジングの内外に分断されているとともに前記膨張機の回転駆動力を前記ハウジングの外部に伝達するべく磁気カップリングを備えていることを特徴とする動力発生装置。
【請求項２】
前記ハウジング外部の動力伝達軸には、前記ハウジングの外部に伝達された回転駆動力を用いて発電を行う発電機が接続されていることを特徴とする請求項１に記載の動力発生装置。
【請求項３】
前記磁気カップリングは、前記膨張機の回転駆動力が伝達されて前記ハウジングの内部で回転する駆動側磁石と、前記ハウジングの外部に配備されて前記駆動側磁石の回転に合わせて従動回転する従動側磁石とを、備えており、
前記駆動側磁石と従動側磁石とは、前記隔壁を隔てて互いに異なる磁極を対面させるように配備されていることを特徴とする請求項１または２に記載の動力発生装置。
【請求項４】
前記膨張機の駆動部から前記駆動側磁石までの動力伝達経路上に、前記駆動部で出力された回転を減速して磁気カップリングに伝達する減速機が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の動力発生装置。
【請求項５】
前記駆動側磁石は、従動側磁石の外周を取り囲むように距離をあけて配備されており、
前記駆動側磁石及び従動側磁石は、それぞれ少なくとも２個以上設けられていることを特徴とする請求項３または４に記載の動力発生装置。
【請求項６】
前記２個以上の駆動側磁石を磁気的に連結する第１の磁路形成部材が設けられており、
前記第１の磁路形成部材は、前記駆動側磁石に対して磁気カップリングの径外側で接するように配備されていることを特徴とする請求項５に記載の動力発生装置。
【請求項７】
前記２個以上の従動側磁石を磁気的に連結する第２の磁路形成部材が設けられており、
前記第２の磁路形成部材は、前記従動側磁石に対して磁気カップリングの径内側で接するように配備されていることを特徴とする請求項５に記載の動力発生装置。
【請求項８】
前記隔壁は、少なくとも前記ハウジングの内外に分断された動力伝達軸の間に設けられて前記磁気カップリングを当該ハウジングの内外に隔てる部分が非磁性体から形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の動力発生装置。
【請求項９】
前記熱機関は、液体の作動流体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で蒸発した作動流体の蒸気を膨張させて駆動部を回転させる膨張機と、前記膨張機で膨張した作動流体の蒸気を凝縮させて液体の作動流体に変化させる凝縮器と、前記凝縮器で凝縮した液体の作動流体を蒸発器に圧送することにより作動流体を循環させる循環ポンプと、を閉ループ状に接続された循環流路上に備えたものであることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の動力発生装置。
【請求項１０】
請求項１〜９の何れかに記載の動力発生装置を用いて、前記膨張機で発生する回転駆動力を当該膨張機の駆動部が収容されたハウジングの外部へ取り出すことを特徴とする動力発生方法。
【請求項１１】
請求項２〜９の何れかに記載の動力発生装置を用いて、前記ハウジングの外部へ取り出された回転駆動力を用いて発電機を駆動することを特徴とする請求項１０に記載の動力発生方法。
【図１】
【図４】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図４】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−５１７６９（Ｐ２０１３−５１７６９Ａ）
【公開日】平成２５年３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８７２５１（Ｐ２０１１−１８７２５１）
【出願日】平成２３年８月３０日（２０１１．８．３０）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月３０日（２０１１．８．３０）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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