蒸気タービン
【課題】ノズルからの噴出速度をさらに高速として衝動力と粘性力を増大して蒸気タービンの効率を向上し、コンパクト化を図ることを目的とする。
【解決手段】ヒートポンプ式の加熱手段１３の加熱面１２をノズル１と羽根３の間に配設して、ノズル１から噴出する蒸気を加熱面１２によって高温化するようにした。したがって、蒸気はより高速となって羽根３に入り、結果的に羽根３への衝動力が増加し、タービンのトルクが大きくなる。すなわち、同じ蒸気量で発生する回転トルクが大きくなって蒸気タービンとしての効率が向上し、そのコンパクト化や簡素化が可能となる。
【解決手段】ヒートポンプ式の加熱手段１３の加熱面１２をノズル１と羽根３の間に配設して、ノズル１から噴出する蒸気を加熱面１２によって高温化するようにした。したがって、蒸気はより高速となって羽根３に入り、結果的に羽根３への衝動力が増加し、タービンのトルクが大きくなる。すなわち、同じ蒸気量で発生する回転トルクが大きくなって蒸気タービンとしての効率が向上し、そのコンパクト化や簡素化が可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽熱を利用したランキンシステムなどに搭載される蒸気タービンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の蒸気タービンは、ノズルから噴出した蒸気が出力軸に狭い間隔で稠密に取り付けられた平面形状のディスク形の間を外周から軸に向かって流れ、蒸気の粘性力と付着力によりディスクを回転させるようにしている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
また、平板形状のディスクを用いて粘性だけを利用したテスラタービンもある。
【特許文献１】特開２００２−１７４１６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来技術では、高圧の蒸気を先細ノズル、末広ノズル等に導き、運動量を発生させて高速流れとする。この蒸気流れを回転する多数のディスクに当てトルクを発生させる構成としているが、ノズルからでる蒸気は断熱状態で膨張する為、非常に低温となる(例えば、空気を用いて０．４Ｍｐａの圧力から大気圧にすると−７６℃)。
【０００５】
したがって、ボイルシャルルに示されるように体積が収縮して十分な速度まで上昇しなかった。このため、質量×速度=で得られる運動量が小さくなり、蒸気により生じるタービン出力は最高の出力が得られないという課題があった。
【０００６】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、蒸気タービンの効率向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記従来の課題を解決するために、本発明の蒸気タービンは、蒸気を噴出するノズルと、このノズルから噴出する蒸気を案内する複数のブレードを重ね合わせて構成した羽根と、前記ノズルと前記羽根、及びこの羽根の回転軸を内包し蒸気の入口と出口を構成したケーシングとを具備し、前記ノズルに加熱手段を付加したものである。
【０００８】
その結果、加熱手段によりノズルから噴出する蒸気を加熱でき、その体積を増大することにより蒸気の速度を加速し、より高速となって羽根に入るので、羽根への衝動力が増加し、同じ蒸気量で発生する回転トルクが大きくなり、蒸気タービンの効率を向上するものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の蒸気タービンは、ノズルから噴出する断熱膨張で低温化した蒸気は、加熱手段によって高温化できる。このため、蒸気の体積は増加し、体積を通路面積で割った蒸気流速は高速となる。そのため、運動量は増大しタービンに与えるトルクが大きくすることにより蒸気タービンの出力が大きくなり蒸気から駆動力に変換するタービン性能が向上し、蒸気タービンのコンパクト化や簡素化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
第１の発明は、蒸気を噴出するノズルと、このノズルから噴出する蒸気を案内する複数のブレードを重ね合わせて構成した羽根と、前記ノズルと前記羽根及びこの羽根の回転軸
を内包し蒸気の入口と出口を構成したケーシングとを具備し、前記ノズルから噴出した蒸気を加熱する加熱手段を前記ノズルと前記羽根の間に配置した。
【００１１】
したがって、ノズルから噴出した蒸気は、加熱手段によって高温化でき、この蒸気の体積が増加するため蒸気流速はさらに高速となる。そのため、タービンの羽根に与えるトルクが大きなり蒸気タービン出力が大きくなり蒸気から駆動力に変換するタービン性能が向上する。
【００１２】
すなわち、圧力を速度に変換してタービンの羽根を回転するため、ノズルで高圧から低圧にして運動量を得るため、耐熱を加味して出来るだけ高温とした蒸気をノズルから噴出させても、ノズルからでる蒸気は断熱状態で膨張する為、非常に低温となる(例えば、空気を用いて０．４Ｍｐａの圧力から大気圧にすると−７６℃)。
【００１３】
そのため、ボイルシャルルに示されるように体積が収縮し、体積低下した分に相当する速度で羽根に入っていく。故に、質量×速度=で得られる運動量が小さくなり、蒸気により生じるタービン出力も小さい。
【００１４】
そこで、断熱膨張により温度が低下し、高速でノズルから噴出した蒸気を加熱手段によって熱を与えてより高温にする。加熱によって蒸気の体積は増し、体積を通路面積で割った蒸気流速はより高速となる。よって、流量×速度で表される運動量は増大しタービンに与えるトルクが大きくなり、蒸気タービンの出力は大きくなり蒸気から駆動力に変換するタービン性能が向上する。そして、向上した性能を利用して蒸気タービンのコンパクト化や簡素化を可能とできる。
【００１５】
第２の発明は、特に、第１の発明のノズルは、絞り部と、のど部と、ディフィーザ部とで構成し、加熱手段の加熱面は前記ディフィーザ部に構成したことにより、蒸気の流れを邪魔することなく加熱する事が可能であり、蒸気の流速を最大にして、羽根に導き、タービンの出力を大きくできる。
【００１６】
すなわち、高圧の蒸気は、絞り部からのど部へ流し、流路の断面積を著しく小さくして流速を早くする。この時、蒸気は断熱圧縮状態となり蒸気の温度は上昇する。この後、ディフィーザ部で流路の断面積を少しずつ拡大して静圧を下げさらに動圧を高くして流速を上げていくが、蒸気は断熱膨張状態で非常に低温となる。
【００１７】
この蒸気に加熱面から熱を供給して加熱することにより、蒸気の温度を一度下げること無く温度を維持しながら速度を上げることが可能となる。
【００１８】
また、加熱面と蒸気の距離が短く熱伝達が蒸気の中心まで容易である。そのため、加熱面と蒸気の温度差が小さくなり、蒸気の温度が均一に高温となるので、蒸気の体積が最も大きくなり、流量×速度で表される運動量は増大しタービンに与えるトルクが大きくなり、蒸気タービンの出力は大きくなり蒸気から駆動力に変換するタービン性能が向上する。
【００１９】
さらに、ディフィーザ内は蒸気の流速が早く容易に加熱面と蒸気が熱交換するため、加熱装置が小さくできる。
【００２０】
第３の発明は、特に、第１または第２の発明の加熱手段として、蒸気タービン外部の雰囲気空気と熱交換する熱交換器と、この熱を搬送する熱搬送部と、加熱面からなり、前記加熱面より加熱する構成とした。
【００２１】
このことにより、簡単に熱を受けることができる。すなわち、蒸気を加熱する加熱手段
は、ノズルから噴出した蒸気を加熱する熱量をタービン外部の雰囲気空気から熱交換器で受ける。この熱を搬送する熱搬送部により、加熱面に搬送し、加熱面から蒸気に放熱する。そのため、蒸気タービン外部の雰囲気空気中に熱交換する熱交換器の受熱熱交換器を設け、ノズルと羽根の間に熱を受け蒸気に放熱するための加熱面である放熱熱交換器を設け、受熱熱交換器と放熱熱交換器を熱搬送する熱搬送部を構成している。
【００２２】
タービンの雰囲気空気の温度は常温に加えてタービンからの熱により温まっている。このため、特別な加熱源が無くてもノズルからでた蒸気を加熱する事が可能となるため、簡単な構成で、タービン効率が向上する。
【００２３】
また、熱交換器は、ケーシングと熱交換して加熱する構成とすると、より簡単な構成となる。すなわち、ケーシングは、高温の蒸気がノズルに入るまでの場所から伝導熱を受けて温度上昇する。
【００２４】
加熱手段をケーシングと熱交換してこの熱を受けてノズルから出た蒸気を加熱する構成としたことにより、ノズルから出た蒸気は加熱されたことによりより高速となり、羽根で運動量をトルクに変換できるため、より簡単な構成で、タービン出力が大きくできる。
【００２５】
第４の発明は、特に、第１〜２のいずれか１つの発明の加熱手段として、前記蒸気の出口の蒸気と熱交換する熱交換器と、この熱を搬送する熱搬送部と、加熱面からなり、前記加熱面より加熱する構成としたことにより、タービンから出る蒸気の熱をノズルから出る蒸気に供給して、ノズルから出る蒸気の温度を上昇させて蒸気の運動量を増大させ、タービン性能を向上できる。
【００２６】
すなわち、ノズルから出た蒸気は、羽根の中を流れながら羽根を回転させて蒸気の出口から排出されるが、蒸気が羽根を押してトルクを発生する時は、１００％トルクに変換できない。この変換するタービン効率は一般には２０〜８０％であり、この損失は、熱となり蒸気温度を上昇させる。そのため、蒸気はノズルを出て羽根に入る時より羽根から出た時の方が温度が高くなる。
【００２７】
故に、蒸気の出口の蒸気と熱交換する熱交換器により熱を受け、この熱を熱搬送部で搬送して加熱面を加熱して、この加熱面により蒸気を加熱することにより、ノズルから出た蒸気の温度を上昇できる。
【００２８】
そして、ノズルから出た蒸気は加熱されたことによりより高速となり、羽根で運動量をトルクに変換できるため、より簡単な構成で、タービン出力が大きくでき、蒸気の出口から出る蒸気を熱源とするため、特別な熱源を必要としなく装置が簡単となり、部品の簡略化と耐久信頼性を確保できるものである。
【００２９】
第５の発明は、特に、第３〜４のいずれか１つの発明の加熱手段の熱搬送部として、ヒートパイプを用いて構成したことにより、コンパクト且つ、装置が簡単にできる。
【００３０】
すなわち、ヒートパイプは、気液相変化で熱搬送を行うため、単位搬送量当りの搬送熱量が多くでき、搬送量を小さく設定でき、また、熱を受け蒸発したガスが上昇して放熱で液化し再び元に戻るため、循環用のポンプ等特別な機器を必要としない。
【００３１】
故に、簡単な構成となり、部品の簡略化と耐久信頼性を確保できるものである。
【００３２】
第６の発明は、特に、第１〜５のいずれか１つの発明の蒸気タービンを太陽熱ランキンシステムに搭載して、発電と給湯・暖房のコージェネレーションのシステムを実現できる
ようにした。
【００３３】
以下本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されることはない。
【００３４】
（実施の形態１）
図１、図２において、１は蒸気入口２から入った蒸気を噴出するノズルで、このノズル１から噴出する蒸気の運動エネルギを受けて回転する羽根３を回転軸（出力軸）４の周囲に複数個重ね合わせて設けている。蒸気は、高温のフロンや水の蒸気、または高温のＣＯ2や空気等のガス体のこともある。
【００３５】
羽根３は、ノズル１から噴出する蒸気を案内するため板状のディスクであるブレード５を複数枚を重ね合わせて構成し、それらブレード５には、ノズル１から噴出する蒸気が通る通路６(本実施の形態では４個)を切欠きにより形成している。そして、蒸気の速度エネルギをトルクに変換する衝動面として、複数個重ね合わせた構成とし、板状の円板の一部を成型加工するか、あるいは別部品を接着、溶接して構成する。
【００３６】
ノズル１は、蒸気入口２に構成し、羽根３の外周部分に対して接線方向から蒸気が衝突するように設けてある。
【００３７】
また、ノズル１の形状は、普通の蒸気タービンで使用されている単孔ノズルや先細ノズルや末広ノズル等を使用し、後述するケーシング２０に予め作成したノズル１をカシメ加工等で取り付けても良いし、また一体に成型してもよい。
【００３８】
ノズル１は、絞り部７と、のど部８と、ディフィーザ部９とを連通させて構成しているもので、前記絞り部７は蒸気の流れる通路断面積を順次小さくし、のど部８は通路断面積を最小とし、ディフィーザ部９は逆に通路断面積を順次拡大している。
【００３９】
そのため、流れる蒸気は、ノズル1の絞り部７から流入し断面積が小さくなるに従って蒸気速度が速くなりのど部８で最大となる。ディフィーザ部９では、周囲での流れの剥離を生じない程度に通路断面積を大きくすることにより、静圧成分を動圧に取り込みさらに蒸気流速を加速する。
【００４０】
そして、蒸気タービン外部の雰囲気空気と熱交換する受熱熱交換器１０と、この熱を搬送するポンプ、および搬送通路よりなる熱搬送部１１と、放熱熱交換器となる加熱面１２からなる加熱手段１３を構成している。
【００４１】
受熱熱交換器１０は、回りの空気との熱交換を促進するためファンを用いた強制型であるが、パネル等の自然対流型でも良い。加熱面１２は、ノズル１と羽根３の間に位置するディフィーザ部９に設け、蒸気と接触する様に臨ませてある。
【００４２】
本実施の形態では、搬送部１１の通路をディフィーザ部９に埋め込み、そのディフィーザ部９の蒸気と接する表面を加熱面１２としている。
【００４３】
また、別の構成としては、図３に示すようにディフィーザ部９と羽根３の間の空間に搬送部１１に接続した放熱熱交換器１２Ｂを構成し、これを加熱面１２としている。
【００４４】
そして、ブレード５の両端は端版１４，１５により保持し、回転軸４にはブレード５の回転時の接触を防止するスペーサ１６，１７を設けている。
【００４５】
ブレード５、回転軸４、スペーサ１６，１７は、耐熱性、耐腐食性の材料、例えば、ステンレスやチタンやアルミナ等の金属材料やセラミックや樹脂で構成されている。
【００４６】
羽根３を構成するブレード５の厚みは、重量の軽減のため、薄く（例えば、１ｍｍ以下）構成している。
【００４７】
また、ブレード５の回転軸４の周囲に複数個の蒸気の排出口１８を設けている。ブレード５、回転軸４、蒸気入口２、蒸気出口１９はケーシング２０に内包してある。
【００４８】
スペーサ１６，１７の両端に設けた各ブレード５よりも厚みのある端版１４，１５は、ブレード５と回転軸４を固定するときにブレード５を締め付けて剛性を高めて、そのたわみを防止するようにしている。また、各ブレード５に設けた複数個の排出口１８が同軸上に連通するように設けている。
【００４９】
蒸気は、蒸気入口２からノズル１を通り、羽根３のブレード５の外周から通路６に沿って旋回しながら移動し、回転軸４の近傍に集束し、排出口１８から蒸気出口１９に出るようにしている。
【００５０】
ノズル１、ブレード５及び回転軸４を内包し、蒸気入口２と蒸気出口１９を構成したケーシング２０は、回転軸４の回転を支えるための軸受け２１，２２を有するものである。軸受け２１，２２は、シール性のあるベアリング軸受け、または非接触の流体軸受けを使用することが望ましい。
【００５１】
このケーシング２０の材質は、耐熱性、耐腐食性の材料、例えばステンレスやチタンやアルミナ等の金属材料やセラミックが選ばれる。また、ケーシング２０は、ブレード５が回転軸４に集束する側に環状の排出溝２４を設け、この排出溝２４の一部から蒸気出口１９が導出されている。
【００５２】
蒸気タービン２３の一方の軸受け２１の外側には、回転軸４の回転を受けて発電する発電機２５が連結されている。
【００５３】
この発電機２５は、例えばアウターローター式三相交流発電機を用い、その交流出力は全波整流されたのちにインバータ（図示なし）により、電流制御を行うようにして安定した電流を得るようにしている。
【００５４】
図４において、２６は太陽熱を受けて回収する集熱器で、この集熱器２６の熱を蓄熱槽２７に蓄熱するために、循環ポンプ２８を途中に設けた回路２９（閉回路）を設けている。
【００５５】
集熱器２６は、管状集熱器や真空ガラス管式集熱器やヒートパイプ式集熱器等で構成している。回路２９内を循環する熱媒体３０は、フロンや水のような液体、あるいは超臨界状態のＣＯ２や液体空気などが考えられる。
【００５６】
そして、前記熱媒体３０は集熱器２６で加熱されて蒸気になって蓄熱槽２７に送られ、そこで熱交換することで凝縮し液体となり、その後、循環ポンプ２８で再度集熱器２６に循環する。この動作を繰り返すことで、蓄熱槽２７に熱を貯める。
【００５７】
蓄熱槽２７は、融点の高い溶融塩の相変化を利用した潜熱型や溶融塩や油等を用いた顕熱型や蒸気を圧力水の形で蓄える蒸気アキュムレイタ等を用いることで１００℃以上の高温の熱を貯めることができる。
【００５８】
３１は蓄熱槽２７で加熱される蒸気である熱媒体３２を蒸気タービン２３のノズル１に供給し、その後、再度蓄熱槽２７に還流させる回路（閉回路）３３の途中に接続した供給ポンプである。
【００５９】
前記回路３３内を循環する熱媒体３２は、フロンや水のような液体とその蒸気で構成している。（勿論、超臨界状態のＣＯ２や液体空気を用いる場合もある）。
【００６０】
また、回路３３の蒸気タービン２３と供給ポンプ３１の途中に貯湯タンク３４を設けて、蒸気タービン２３に運動エネルギを与えた後の高温の蒸気の熱を利用して、貯湯タンク３４に湯を貯めるようにもしている。
【００６１】
熱媒体３２は、この貯湯タンク３４に熱を伝えるときに凝縮して液体となり、蓄熱槽２７に送られて再度加熱され蒸気となる。この動作を繰り返すことにより、蒸気タービン２３に設けた発電機２５により発電しながら貯湯タンク３４にお湯を貯めるようにしている。貯湯タンク３４に貯められたお湯は、給水ポンプ３５により給湯用や暖房用に供給されるようにしている。
【００６２】
以上のように構成において、まず、蒸気タービン２３のノズル１に供給する蒸気を形成するためには、循環ポンプ２８を作動し、熱媒体３０を回路２９内に循環させ、太陽の熱を受けた集熱器２６で加熱し、高温の蒸気（または液体や蒸気と液体が混ざった二相状態等）を形成して蓄熱槽２７に送る。
【００６３】
熱媒体３０の蒸気は、蓄熱槽２７で凝縮して液体となり、循環ポンプ２８により再度、集熱器２６に送られ、加熱される。この動作を繰り返しにより必要な熱量を蓄熱槽２７に保持できることとなる。
【００６４】
蓄熱槽２７に所定の熱量が蓄積されると、供給ポンプ３１を駆動して熱媒体３２を回路３３に循環させ、前記蓄熱槽２７で２００℃程度の熱媒体３２の蒸気をつくり、蒸気タービン２３のノズル１から噴出する。
【００６５】
ノズル１から噴出する蒸気は、高速の運動エネルギを持ち、蒸気タービン２３のブレード５に構成する衝動面に衝突しながら、各ブレード５の通路６を衝動面に沿いながら旋廻し、回転軸４の周囲に設けた排出口１８から排出される。
【００６６】
この時、蒸気の粘性力や付着力により、ブレード５が回転し、回転軸４にトルクとして伝えられる。この回転軸４のトルクを利用し発電機２５を回転させて、発電を行うようにしている。
【００６７】
蒸気タービン２３から排出した熱媒体３２の蒸気は、貯湯タンク３４に送られ、水と熱交換を行い、その熱は貯湯タンク３４内にお湯として貯められる。
【００６８】
蒸気は貯湯タンク３４内で凝縮し、液体となって供給ポンプ３１を介して蓄熱槽２７に還流され、再度加熱され蒸気を形成するようにしている。
【００６９】
この動作を繰り返すことにより、蒸気タービン２３で発電しながら貯湯タンク３４にお湯を貯め、給湯や暖房の必要なときに給水ポンプ３５を作動しお湯を使用することでコージェネレーションのシステムを構成するようにしている。
【００７０】
以上のように、本実施の形態においては、蒸気を噴出するノズル１と、このノズル１か
ら噴出する蒸気を案内する複数のブレード５を重ね合わせて構成した羽根３とし、ケーシング２０はノズル１と羽根３と回転軸４を内包し蒸気入口２と蒸気出口１９を構成し、ノズル１から噴出した蒸気を加熱する加熱手段１３はノズル１と羽根３の間に構成したことにより、ノズル１から噴出した蒸気は、加熱手段１３によって高温化でき、この蒸気の体積が増加するため蒸気流速はさらに高速となる。
【００７１】
そのため、タービンの羽根３に与えるトルクが大きなり蒸気タービン２３の出力が大きくなり蒸気から駆動力に変換するタービン性能が向上する。
【００７２】
蒸気タービン２３は圧力を速度に変換して羽根３を回転する。ノズル１で高圧から低圧にして運動量を得るため、耐熱を加味して出来るだけ高温とした蒸気をノズル１から噴出させても、同ノズル１からでる蒸気は断熱状態で膨張するので、非常に低温となる(例えば、空気を用いて０．４ｍｐａの圧力から大気圧にすると−７６℃)。
【００７３】
そのため、ボイルシャルルに示されるように体積が収縮し、体積低下した分に相当する速度で羽根に入っていく。このため、質量×速度=で得られる運動量が小さくなり、蒸気により生じるタービン出力も小さい。
【００７４】
そこで、本実施の形態に示すとおり、断熱膨張により温度が低下し、高速でノズル１から噴出した蒸気を加熱手段１３によって熱を与えてより高温にする。加熱によって蒸気の体積は増し、体積を通路面積で割った蒸気流速はより高速となる。このため、流量×速度で表される運動量は増大しタービンに与えるトルクが大きくなり、蒸気タービン２３の出力は大きくなり、蒸気から駆動力に変換するタービン性能が向上する。
【００７５】
その結果、向上した性能を利用して蒸気タービンのコンパクト化や簡素化を可能とできる。
【００７６】
また、ノズル１は、絞り部７と、のど部８と、ディフィーザ部９より成り、加熱手段１３の加熱面１２はディフィーザ部９に構成していることにより、高速で流れる蒸気の流れを邪魔することなく加熱する事が可能であり、蒸気の流速を最大にして、羽根３のブレード５に導き、タービンの出力を大きくできる。
【００７７】
すなわち、高圧の蒸気は、蒸気入口２から絞り部６、のど部８へ流し、流路の断面積を著しく小さくして流速を早くする。この時、蒸気は断熱圧縮状態となり蒸気の温度は上昇する。この後、ディフィーザ部８で流路の断面積を少しずつ拡大して静圧を下げることによりさらに動圧を高くして流速を上げていくが、蒸気は断熱状態での膨張で非常に低温となる。
【００７８】
そこで、この蒸気に加熱面１２から熱を供給して加熱することにより、蒸気の温度を一度下げること無く温度を維持しながら速度を上げることが可能となる。
【００７９】
また、加熱面１２と蒸気の距離が短いため熱伝達が良くでき、熱が蒸気の中心まで容易に伝わる。したがって、加熱面１２と蒸気の温度差が小さくなり、蒸気の温度が均一に高温とできるところから、蒸気全体の温度が高く、蒸気の体積が最も大きくなり、流量×速度で表される運動量は増大しタービンに与えるトルクが大きくなり、蒸気タービン２３の出力が大きくなり、蒸気から駆動力に変換するタービン性能が向上する。
【００８０】
また、ディフィーザ９内は蒸気の流速が早く容易に加熱面１２と蒸気が熱交換するため、加熱装置は小さくできる。
【００８１】
そして、加熱手段１３は、この蒸気タービン２３の外部である雰囲気空気と熱交換する熱交換器１０と、この熱を搬送する熱搬送部１１と、加熱面１２からなり、加熱面１２から蒸気に加熱する構成としてある。
【００８２】
このことにより、熱交換器１０は簡単に熱を受けることができる。すなわち、蒸気を加熱する加熱手段１３は、ノズル１から噴出した蒸気を加熱する熱量をタービンの外部である雰囲気空気から熱交換器１０で受け、この熱を搬送する熱搬送部１０により加熱面１２に搬送し、熱は加熱面１２から蒸気に放熱する。
【００８３】
そのため、蒸気タービン２３の外部である雰囲気空気中に熱交換する熱交換器１０の受熱熱交換器を設け、ノズル１と羽根３の間で熱を受け蒸気に放熱するための加熱面１２である放熱熱交換器を設け、受熱熱交換器と放熱熱交換器を熱搬送する熱搬送部１０を構成している。
【００８４】
タービンの雰囲気空気の温度は常温に加えてタービンからの熱により温まっている。このため、特別な加熱源が無くてもノズル１からでた断熱膨張で低い温度になった蒸気を加熱する事が可能となるため、簡単な構成で、タービン効率が向上する。
【００８５】
また、熱交換器１０は、ケーシング２０と熱交換して加熱する構成とすると、より簡単な構成となる。すなわち、ケーシング２０は、高温の蒸気がノズル１に入るまでの場所から伝導熱を受けて温度上昇する。
【００８６】
加熱手段１３をケーシング２０と熱交換してこの熱を受けてノズル１から出た蒸気を加熱する構成としたことにより、ノズル１から出た蒸気は加熱されたことによりより高速となり、羽根３で運動量をトルクに変換できるため、より簡単な構成で、タービン出力が大きくできる。そのため、向上した性能を利用して蒸気タービンのコンパクト化や簡素化を可能とできる。
【００８７】
また、ブレード５は円板形状の板を重ね合わせて回転軸４上に固定した簡単な加工で精度が維持でき、また、ブレード５の数を選定することにより、能力変更も容易となる。すなわち、平板を円形と穴加工に作成するブレード５は、簡単に高精度加工が容易であり、また動バランスもとれ高速で回転しても振動や振れを生じることがなく動作回転数を高くして全体を小さくできる。
【００８８】
さらに、加工は、金型多面プレス等により安価にできる。また、冷媒の種類に応じてブレード５の板厚さ選定により間隔を調整できることにより、粘性を最大に生かせる間隔の設定が容易となり、粘性により回転力を伝達できタービンの効率向上を図れ、そのため、タービン性能の高効率化と、同一形状に成型したブレードを容易に複数個重ね合わせることができ、均一な間隙の形成によりユニットの組み立て精度を向上できる。また蒸気タービン２３全体のコンパクト化や簡素化を可能とできる。
【００８９】
そして、最大発電量を増加するときは、複数個重ね合わせるブレード５の個数を増加することで可能であり、複雑な形状の追加がないので、コストの上昇を抑制することができる。また、ノズル１から噴出する蒸気をブレード５の衝動面に長時間滞留させ、粘性力と付着力を増大させて回転軸４に与えるトルクを上昇するので、低温度（２００℃程度）で作動する蒸気タービン２３を実現でき、同一形状に成型したブレードを容易に複数個重ね合わせることができるため、ユニットの組み立て精度を向上できる。
【００９０】
また、独立した集熱用の回路２９を構成して、集熱器２６で得られた太陽熱を蒸気タービン２３の動作に関係なく、常時蓄熱槽２７に蓄えて維持できるので、発電の必要なとき
に蒸気タービン２３で発電機２５から必要な電気を随時取り出すことができる。
【００９１】
そして、回路３３の途中に貯湯タンク３４を設けたので、発電に関係なく蓄熱槽２７の熱をお湯として貯湯タンク３４に貯めることが可能なので、給湯や暖房に必要なお湯を随時取り出せることができる。
【００９２】
また、太陽熱を利用して蒸気を形成し、ノズル１より噴出して蒸気タービン２３の発電機２５を回転させて発電するので、ＣＯ2削減の有効な手段とすることができる。
【００９３】
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２を示し、実施の形態１と異なるところは、加熱手段１３である。すなわち、実施の形態２の加熱手段１３は、蒸気の出口である蒸気出口１９に設けた熱交換器１０と、ノズル１と羽根３の間に設けた加熱面１２と、熱交換器１０の熱を搬送する熱搬送部としてヒートパイプ３６とで構成したものである。ヒートパイプ３６は加熱面１２と熱交換器１０に接続してある。
【００９４】
なお、加熱手段１３以外の構成は実施の形態１と同じで、具体的説明は同実施の形態１のものを援用する。
【００９５】
蒸気タービン２３から排出される蒸気の熱を回収してノズル１を流動する蒸気に供給してその温度を上昇させ、運動量を増大させているので、タービン性能を向上できる。
【００９６】
すなわち、ノズル１から出た蒸気は、羽根３の中を流れながら羽根３を回転させて蒸気出口１９から排出されるが、蒸気が羽根３を押してトルクを発生する時は、１００％トルクに変換できない。
【００９７】
このトルクに変換するタービン効率は一般には２０〜８０％であり、この損失は、熱となり蒸気温度を上昇させる。
【００９８】
そのため、蒸気はノズル１を出て羽根３に入る時より羽根３から出た時の方が温度が高くなる。
【００９９】
本実施の形態では、蒸気出口１９から排出される蒸気の熱を熱交換器１０で回収して、ヒートパイプ３６を介して加熱面１２に搬送し、ノズル１を流動する蒸気に回収した熱を供給するようにした。
【０１００】
したがって、ノズル１から出た蒸気は加熱されて高速となり、羽根３でトルクに変換できるため、タービン出力が大きくできる。そして、蒸気出口１９から出る蒸気を熱源とするため、特別な熱源が不要で、構成が簡単となり、部品の簡略化と耐久信頼性を確保できるものである。
【０１０１】
加熱手段１３の熱搬送部としてヒートパイプ３６を用いたことにより、コンパクト、且つ、装置が簡単にできる。すなわち、ヒートパイプ３６は密閉されたパイプであって高温側と低温側を繋ぎ、このパイプの中に真空状態にした後搬送媒体とウィックを注入してある。高温側で熱を受けると搬送媒体が蒸発し気体となって低温側に移動する。低温側では、高温の搬送媒体は熱を放出して液化し、液化した搬送媒体はウィックに含浸して高温側へと流れる。
【０１０２】
そのため、気液相変化で熱搬送を行うため、単位搬送量当りの搬送熱量が多く循環する搬送量を小さく設定でき、また、熱を受け蒸発したガスが上昇して放熱で液化し再び元に
戻るため、循環用のポンプ等特別な機器を必要としない。故に、簡単な構成となり、部品の簡略化と耐久信頼性を確保できるものである。
【０１０３】
（実施の形態３）
図６は本発明の実施の形態３における太陽熱ランキンシステムを示し、集熱器２６で加熱された熱媒体３０の蒸気を循環ポンプ２８を介して回路２９（閉回路）から直接蒸気タービン２３に送るようにした点が実施の形態１の図４のものと異なるところである。
【０１０４】
回路２９の蒸気タービン２３と循環ポンプ２８の途中に貯湯タンク３４を設けて、蒸気タービン２３に運動エネルギを与えた後の高温蒸気の熱を利用してこの貯湯タンク３４に湯を貯める点は同じである。
【０１０５】
熱媒体３０は、この貯湯タンク３４の湯水に熱を伝えるときに凝縮して液体となり、再度集熱器２６に送られて加熱され蒸気を形成する。この動作を繰り返すことで、蒸気タービン２３に設けた発電機２５により発電しながら貯湯タンク３４にお湯を貯めるようにしている。貯湯タンク３４に貯められたお湯は、給水ポンプ３５により給湯用や暖房用に供給されるようにしている。
【０１０６】
なお、図７のように、集熱器２６で加熱された熱媒体２９の蒸気を循環ポンプ２８により回路２９（閉回路）で直接蒸気タービン２３に送り、蒸気タービン２３を回転させて発電機２５により発電だけを行うことも可能である。
【０１０７】
以上のように、本実施の形態においては、蒸気タービン２３を太陽熱ランキンシステムに搭載して、発電または給湯・暖房を併用したコージェネのシステムを実現することができるので、太陽熱という自然エネルギを活用し省エネ促進とＣＯ２削減の有効な手段を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
以上のように、本発明は、エネルギ密度の低い太陽熱を利用して蒸気タービンを作動できるので、自動車や燃料電池の排熱回収等に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本発明の実施の形態１における蒸気タービンの正断面図
【図２】図１のＸ-Ｘ側断面図
【図３】要部拡大断面図
【図４】太陽熱ランキンシステムの構成図
【図５】本発明の実施の形態２における蒸気タービンの側断面図
【図６】本発明の実施の形態３における太陽熱ランキンシステムの構成図
【図７】同実施の形態３における太陽熱ランキンシステムの変形例を示す構成図
【符号の説明】
【０１１０】
１ ノズル
２ 蒸気入口
３ 羽根
４ 回転軸
５ ブレード
７ 絞り部
８ のど部
９ ディフィーザ部
１０ 熱交換器
１１ 熱搬送部
１２ 加熱面
１３ 加熱手段
１９ 蒸気出口
２０ ケーシング
２５ 発電機
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽熱を利用したランキンシステムなどに搭載される蒸気タービンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の蒸気タービンは、ノズルから噴出した蒸気が出力軸に狭い間隔で稠密に取り付けられた平面形状のディスク形の間を外周から軸に向かって流れ、蒸気の粘性力と付着力によりディスクを回転させるようにしている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
また、平板形状のディスクを用いて粘性だけを利用したテスラタービンもある。
【特許文献１】特開２００２−１７４１６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来技術では、高圧の蒸気を先細ノズル、末広ノズル等に導き、運動量を発生させて高速流れとする。この蒸気流れを回転する多数のディスクに当てトルクを発生させる構成としているが、ノズルからでる蒸気は断熱状態で膨張する為、非常に低温となる(例えば、空気を用いて０．４Ｍｐａの圧力から大気圧にすると−７６℃)。
【０００５】
したがって、ボイルシャルルに示されるように体積が収縮して十分な速度まで上昇しなかった。このため、質量×速度=で得られる運動量が小さくなり、蒸気により生じるタービン出力は最高の出力が得られないという課題があった。
【０００６】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、蒸気タービンの効率向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記従来の課題を解決するために、本発明の蒸気タービンは、蒸気を噴出するノズルと、このノズルから噴出する蒸気を案内する複数のブレードを重ね合わせて構成した羽根と、前記ノズルと前記羽根、及びこの羽根の回転軸を内包し蒸気の入口と出口を構成したケーシングとを具備し、前記ノズルに加熱手段を付加したものである。
【０００８】
その結果、加熱手段によりノズルから噴出する蒸気を加熱でき、その体積を増大することにより蒸気の速度を加速し、より高速となって羽根に入るので、羽根への衝動力が増加し、同じ蒸気量で発生する回転トルクが大きくなり、蒸気タービンの効率を向上するものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の蒸気タービンは、ノズルから噴出する断熱膨張で低温化した蒸気は、加熱手段によって高温化できる。このため、蒸気の体積は増加し、体積を通路面積で割った蒸気流速は高速となる。そのため、運動量は増大しタービンに与えるトルクが大きくすることにより蒸気タービンの出力が大きくなり蒸気から駆動力に変換するタービン性能が向上し、蒸気タービンのコンパクト化や簡素化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
第１の発明は、蒸気を噴出するノズルと、このノズルから噴出する蒸気を案内する複数のブレードを重ね合わせて構成した羽根と、前記ノズルと前記羽根及びこの羽根の回転軸
を内包し蒸気の入口と出口を構成したケーシングとを具備し、前記ノズルから噴出した蒸気を加熱する加熱手段を前記ノズルと前記羽根の間に配置した。
【００１１】
したがって、ノズルから噴出した蒸気は、加熱手段によって高温化でき、この蒸気の体積が増加するため蒸気流速はさらに高速となる。そのため、タービンの羽根に与えるトルクが大きなり蒸気タービン出力が大きくなり蒸気から駆動力に変換するタービン性能が向上する。
【００１２】
すなわち、圧力を速度に変換してタービンの羽根を回転するため、ノズルで高圧から低圧にして運動量を得るため、耐熱を加味して出来るだけ高温とした蒸気をノズルから噴出させても、ノズルからでる蒸気は断熱状態で膨張する為、非常に低温となる(例えば、空気を用いて０．４Ｍｐａの圧力から大気圧にすると−７６℃)。
【００１３】
そのため、ボイルシャルルに示されるように体積が収縮し、体積低下した分に相当する速度で羽根に入っていく。故に、質量×速度=で得られる運動量が小さくなり、蒸気により生じるタービン出力も小さい。
【００１４】
そこで、断熱膨張により温度が低下し、高速でノズルから噴出した蒸気を加熱手段によって熱を与えてより高温にする。加熱によって蒸気の体積は増し、体積を通路面積で割った蒸気流速はより高速となる。よって、流量×速度で表される運動量は増大しタービンに与えるトルクが大きくなり、蒸気タービンの出力は大きくなり蒸気から駆動力に変換するタービン性能が向上する。そして、向上した性能を利用して蒸気タービンのコンパクト化や簡素化を可能とできる。
【００１５】
第２の発明は、特に、第１の発明のノズルは、絞り部と、のど部と、ディフィーザ部とで構成し、加熱手段の加熱面は前記ディフィーザ部に構成したことにより、蒸気の流れを邪魔することなく加熱する事が可能であり、蒸気の流速を最大にして、羽根に導き、タービンの出力を大きくできる。
【００１６】
すなわち、高圧の蒸気は、絞り部からのど部へ流し、流路の断面積を著しく小さくして流速を早くする。この時、蒸気は断熱圧縮状態となり蒸気の温度は上昇する。この後、ディフィーザ部で流路の断面積を少しずつ拡大して静圧を下げさらに動圧を高くして流速を上げていくが、蒸気は断熱膨張状態で非常に低温となる。
【００１７】
この蒸気に加熱面から熱を供給して加熱することにより、蒸気の温度を一度下げること無く温度を維持しながら速度を上げることが可能となる。
【００１８】
また、加熱面と蒸気の距離が短く熱伝達が蒸気の中心まで容易である。そのため、加熱面と蒸気の温度差が小さくなり、蒸気の温度が均一に高温となるので、蒸気の体積が最も大きくなり、流量×速度で表される運動量は増大しタービンに与えるトルクが大きくなり、蒸気タービンの出力は大きくなり蒸気から駆動力に変換するタービン性能が向上する。
【００１９】
さらに、ディフィーザ内は蒸気の流速が早く容易に加熱面と蒸気が熱交換するため、加熱装置が小さくできる。
【００２０】
第３の発明は、特に、第１または第２の発明の加熱手段として、蒸気タービン外部の雰囲気空気と熱交換する熱交換器と、この熱を搬送する熱搬送部と、加熱面からなり、前記加熱面より加熱する構成とした。
【００２１】
このことにより、簡単に熱を受けることができる。すなわち、蒸気を加熱する加熱手段
は、ノズルから噴出した蒸気を加熱する熱量をタービン外部の雰囲気空気から熱交換器で受ける。この熱を搬送する熱搬送部により、加熱面に搬送し、加熱面から蒸気に放熱する。そのため、蒸気タービン外部の雰囲気空気中に熱交換する熱交換器の受熱熱交換器を設け、ノズルと羽根の間に熱を受け蒸気に放熱するための加熱面である放熱熱交換器を設け、受熱熱交換器と放熱熱交換器を熱搬送する熱搬送部を構成している。
【００２２】
タービンの雰囲気空気の温度は常温に加えてタービンからの熱により温まっている。このため、特別な加熱源が無くてもノズルからでた蒸気を加熱する事が可能となるため、簡単な構成で、タービン効率が向上する。
【００２３】
また、熱交換器は、ケーシングと熱交換して加熱する構成とすると、より簡単な構成となる。すなわち、ケーシングは、高温の蒸気がノズルに入るまでの場所から伝導熱を受けて温度上昇する。
【００２４】
加熱手段をケーシングと熱交換してこの熱を受けてノズルから出た蒸気を加熱する構成としたことにより、ノズルから出た蒸気は加熱されたことによりより高速となり、羽根で運動量をトルクに変換できるため、より簡単な構成で、タービン出力が大きくできる。
【００２５】
第４の発明は、特に、第１〜２のいずれか１つの発明の加熱手段として、前記蒸気の出口の蒸気と熱交換する熱交換器と、この熱を搬送する熱搬送部と、加熱面からなり、前記加熱面より加熱する構成としたことにより、タービンから出る蒸気の熱をノズルから出る蒸気に供給して、ノズルから出る蒸気の温度を上昇させて蒸気の運動量を増大させ、タービン性能を向上できる。
【００２６】
すなわち、ノズルから出た蒸気は、羽根の中を流れながら羽根を回転させて蒸気の出口から排出されるが、蒸気が羽根を押してトルクを発生する時は、１００％トルクに変換できない。この変換するタービン効率は一般には２０〜８０％であり、この損失は、熱となり蒸気温度を上昇させる。そのため、蒸気はノズルを出て羽根に入る時より羽根から出た時の方が温度が高くなる。
【００２７】
故に、蒸気の出口の蒸気と熱交換する熱交換器により熱を受け、この熱を熱搬送部で搬送して加熱面を加熱して、この加熱面により蒸気を加熱することにより、ノズルから出た蒸気の温度を上昇できる。
【００２８】
そして、ノズルから出た蒸気は加熱されたことによりより高速となり、羽根で運動量をトルクに変換できるため、より簡単な構成で、タービン出力が大きくでき、蒸気の出口から出る蒸気を熱源とするため、特別な熱源を必要としなく装置が簡単となり、部品の簡略化と耐久信頼性を確保できるものである。
【００２９】
第５の発明は、特に、第３〜４のいずれか１つの発明の加熱手段の熱搬送部として、ヒートパイプを用いて構成したことにより、コンパクト且つ、装置が簡単にできる。
【００３０】
すなわち、ヒートパイプは、気液相変化で熱搬送を行うため、単位搬送量当りの搬送熱量が多くでき、搬送量を小さく設定でき、また、熱を受け蒸発したガスが上昇して放熱で液化し再び元に戻るため、循環用のポンプ等特別な機器を必要としない。
【００３１】
故に、簡単な構成となり、部品の簡略化と耐久信頼性を確保できるものである。
【００３２】
第６の発明は、特に、第１〜５のいずれか１つの発明の蒸気タービンを太陽熱ランキンシステムに搭載して、発電と給湯・暖房のコージェネレーションのシステムを実現できる
ようにした。
【００３３】
以下本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されることはない。
【００３４】
（実施の形態１）
図１、図２において、１は蒸気入口２から入った蒸気を噴出するノズルで、このノズル１から噴出する蒸気の運動エネルギを受けて回転する羽根３を回転軸（出力軸）４の周囲に複数個重ね合わせて設けている。蒸気は、高温のフロンや水の蒸気、または高温のＣＯ2や空気等のガス体のこともある。
【００３５】
羽根３は、ノズル１から噴出する蒸気を案内するため板状のディスクであるブレード５を複数枚を重ね合わせて構成し、それらブレード５には、ノズル１から噴出する蒸気が通る通路６(本実施の形態では４個)を切欠きにより形成している。そして、蒸気の速度エネルギをトルクに変換する衝動面として、複数個重ね合わせた構成とし、板状の円板の一部を成型加工するか、あるいは別部品を接着、溶接して構成する。
【００３６】
ノズル１は、蒸気入口２に構成し、羽根３の外周部分に対して接線方向から蒸気が衝突するように設けてある。
【００３７】
また、ノズル１の形状は、普通の蒸気タービンで使用されている単孔ノズルや先細ノズルや末広ノズル等を使用し、後述するケーシング２０に予め作成したノズル１をカシメ加工等で取り付けても良いし、また一体に成型してもよい。
【００３８】
ノズル１は、絞り部７と、のど部８と、ディフィーザ部９とを連通させて構成しているもので、前記絞り部７は蒸気の流れる通路断面積を順次小さくし、のど部８は通路断面積を最小とし、ディフィーザ部９は逆に通路断面積を順次拡大している。
【００３９】
そのため、流れる蒸気は、ノズル1の絞り部７から流入し断面積が小さくなるに従って蒸気速度が速くなりのど部８で最大となる。ディフィーザ部９では、周囲での流れの剥離を生じない程度に通路断面積を大きくすることにより、静圧成分を動圧に取り込みさらに蒸気流速を加速する。
【００４０】
そして、蒸気タービン外部の雰囲気空気と熱交換する受熱熱交換器１０と、この熱を搬送するポンプ、および搬送通路よりなる熱搬送部１１と、放熱熱交換器となる加熱面１２からなる加熱手段１３を構成している。
【００４１】
受熱熱交換器１０は、回りの空気との熱交換を促進するためファンを用いた強制型であるが、パネル等の自然対流型でも良い。加熱面１２は、ノズル１と羽根３の間に位置するディフィーザ部９に設け、蒸気と接触する様に臨ませてある。
【００４２】
本実施の形態では、搬送部１１の通路をディフィーザ部９に埋め込み、そのディフィーザ部９の蒸気と接する表面を加熱面１２としている。
【００４３】
また、別の構成としては、図３に示すようにディフィーザ部９と羽根３の間の空間に搬送部１１に接続した放熱熱交換器１２Ｂを構成し、これを加熱面１２としている。
【００４４】
そして、ブレード５の両端は端版１４，１５により保持し、回転軸４にはブレード５の回転時の接触を防止するスペーサ１６，１７を設けている。
【００４５】
ブレード５、回転軸４、スペーサ１６，１７は、耐熱性、耐腐食性の材料、例えば、ステンレスやチタンやアルミナ等の金属材料やセラミックや樹脂で構成されている。
【００４６】
羽根３を構成するブレード５の厚みは、重量の軽減のため、薄く（例えば、１ｍｍ以下）構成している。
【００４７】
また、ブレード５の回転軸４の周囲に複数個の蒸気の排出口１８を設けている。ブレード５、回転軸４、蒸気入口２、蒸気出口１９はケーシング２０に内包してある。
【００４８】
スペーサ１６，１７の両端に設けた各ブレード５よりも厚みのある端版１４，１５は、ブレード５と回転軸４を固定するときにブレード５を締め付けて剛性を高めて、そのたわみを防止するようにしている。また、各ブレード５に設けた複数個の排出口１８が同軸上に連通するように設けている。
【００４９】
蒸気は、蒸気入口２からノズル１を通り、羽根３のブレード５の外周から通路６に沿って旋回しながら移動し、回転軸４の近傍に集束し、排出口１８から蒸気出口１９に出るようにしている。
【００５０】
ノズル１、ブレード５及び回転軸４を内包し、蒸気入口２と蒸気出口１９を構成したケーシング２０は、回転軸４の回転を支えるための軸受け２１，２２を有するものである。軸受け２１，２２は、シール性のあるベアリング軸受け、または非接触の流体軸受けを使用することが望ましい。
【００５１】
このケーシング２０の材質は、耐熱性、耐腐食性の材料、例えばステンレスやチタンやアルミナ等の金属材料やセラミックが選ばれる。また、ケーシング２０は、ブレード５が回転軸４に集束する側に環状の排出溝２４を設け、この排出溝２４の一部から蒸気出口１９が導出されている。
【００５２】
蒸気タービン２３の一方の軸受け２１の外側には、回転軸４の回転を受けて発電する発電機２５が連結されている。
【００５３】
この発電機２５は、例えばアウターローター式三相交流発電機を用い、その交流出力は全波整流されたのちにインバータ（図示なし）により、電流制御を行うようにして安定した電流を得るようにしている。
【００５４】
図４において、２６は太陽熱を受けて回収する集熱器で、この集熱器２６の熱を蓄熱槽２７に蓄熱するために、循環ポンプ２８を途中に設けた回路２９（閉回路）を設けている。
【００５５】
集熱器２６は、管状集熱器や真空ガラス管式集熱器やヒートパイプ式集熱器等で構成している。回路２９内を循環する熱媒体３０は、フロンや水のような液体、あるいは超臨界状態のＣＯ２や液体空気などが考えられる。
【００５６】
そして、前記熱媒体３０は集熱器２６で加熱されて蒸気になって蓄熱槽２７に送られ、そこで熱交換することで凝縮し液体となり、その後、循環ポンプ２８で再度集熱器２６に循環する。この動作を繰り返すことで、蓄熱槽２７に熱を貯める。
【００５７】
蓄熱槽２７は、融点の高い溶融塩の相変化を利用した潜熱型や溶融塩や油等を用いた顕熱型や蒸気を圧力水の形で蓄える蒸気アキュムレイタ等を用いることで１００℃以上の高温の熱を貯めることができる。
【００５８】
３１は蓄熱槽２７で加熱される蒸気である熱媒体３２を蒸気タービン２３のノズル１に供給し、その後、再度蓄熱槽２７に還流させる回路（閉回路）３３の途中に接続した供給ポンプである。
【００５９】
前記回路３３内を循環する熱媒体３２は、フロンや水のような液体とその蒸気で構成している。（勿論、超臨界状態のＣＯ２や液体空気を用いる場合もある）。
【００６０】
また、回路３３の蒸気タービン２３と供給ポンプ３１の途中に貯湯タンク３４を設けて、蒸気タービン２３に運動エネルギを与えた後の高温の蒸気の熱を利用して、貯湯タンク３４に湯を貯めるようにもしている。
【００６１】
熱媒体３２は、この貯湯タンク３４に熱を伝えるときに凝縮して液体となり、蓄熱槽２７に送られて再度加熱され蒸気となる。この動作を繰り返すことにより、蒸気タービン２３に設けた発電機２５により発電しながら貯湯タンク３４にお湯を貯めるようにしている。貯湯タンク３４に貯められたお湯は、給水ポンプ３５により給湯用や暖房用に供給されるようにしている。
【００６２】
以上のように構成において、まず、蒸気タービン２３のノズル１に供給する蒸気を形成するためには、循環ポンプ２８を作動し、熱媒体３０を回路２９内に循環させ、太陽の熱を受けた集熱器２６で加熱し、高温の蒸気（または液体や蒸気と液体が混ざった二相状態等）を形成して蓄熱槽２７に送る。
【００６３】
熱媒体３０の蒸気は、蓄熱槽２７で凝縮して液体となり、循環ポンプ２８により再度、集熱器２６に送られ、加熱される。この動作を繰り返しにより必要な熱量を蓄熱槽２７に保持できることとなる。
【００６４】
蓄熱槽２７に所定の熱量が蓄積されると、供給ポンプ３１を駆動して熱媒体３２を回路３３に循環させ、前記蓄熱槽２７で２００℃程度の熱媒体３２の蒸気をつくり、蒸気タービン２３のノズル１から噴出する。
【００６５】
ノズル１から噴出する蒸気は、高速の運動エネルギを持ち、蒸気タービン２３のブレード５に構成する衝動面に衝突しながら、各ブレード５の通路６を衝動面に沿いながら旋廻し、回転軸４の周囲に設けた排出口１８から排出される。
【００６６】
この時、蒸気の粘性力や付着力により、ブレード５が回転し、回転軸４にトルクとして伝えられる。この回転軸４のトルクを利用し発電機２５を回転させて、発電を行うようにしている。
【００６７】
蒸気タービン２３から排出した熱媒体３２の蒸気は、貯湯タンク３４に送られ、水と熱交換を行い、その熱は貯湯タンク３４内にお湯として貯められる。
【００６８】
蒸気は貯湯タンク３４内で凝縮し、液体となって供給ポンプ３１を介して蓄熱槽２７に還流され、再度加熱され蒸気を形成するようにしている。
【００６９】
この動作を繰り返すことにより、蒸気タービン２３で発電しながら貯湯タンク３４にお湯を貯め、給湯や暖房の必要なときに給水ポンプ３５を作動しお湯を使用することでコージェネレーションのシステムを構成するようにしている。
【００７０】
以上のように、本実施の形態においては、蒸気を噴出するノズル１と、このノズル１か
ら噴出する蒸気を案内する複数のブレード５を重ね合わせて構成した羽根３とし、ケーシング２０はノズル１と羽根３と回転軸４を内包し蒸気入口２と蒸気出口１９を構成し、ノズル１から噴出した蒸気を加熱する加熱手段１３はノズル１と羽根３の間に構成したことにより、ノズル１から噴出した蒸気は、加熱手段１３によって高温化でき、この蒸気の体積が増加するため蒸気流速はさらに高速となる。
【００７１】
そのため、タービンの羽根３に与えるトルクが大きなり蒸気タービン２３の出力が大きくなり蒸気から駆動力に変換するタービン性能が向上する。
【００７２】
蒸気タービン２３は圧力を速度に変換して羽根３を回転する。ノズル１で高圧から低圧にして運動量を得るため、耐熱を加味して出来るだけ高温とした蒸気をノズル１から噴出させても、同ノズル１からでる蒸気は断熱状態で膨張するので、非常に低温となる(例えば、空気を用いて０．４ｍｐａの圧力から大気圧にすると−７６℃)。
【００７３】
そのため、ボイルシャルルに示されるように体積が収縮し、体積低下した分に相当する速度で羽根に入っていく。このため、質量×速度=で得られる運動量が小さくなり、蒸気により生じるタービン出力も小さい。
【００７４】
そこで、本実施の形態に示すとおり、断熱膨張により温度が低下し、高速でノズル１から噴出した蒸気を加熱手段１３によって熱を与えてより高温にする。加熱によって蒸気の体積は増し、体積を通路面積で割った蒸気流速はより高速となる。このため、流量×速度で表される運動量は増大しタービンに与えるトルクが大きくなり、蒸気タービン２３の出力は大きくなり、蒸気から駆動力に変換するタービン性能が向上する。
【００７５】
その結果、向上した性能を利用して蒸気タービンのコンパクト化や簡素化を可能とできる。
【００７６】
また、ノズル１は、絞り部７と、のど部８と、ディフィーザ部９より成り、加熱手段１３の加熱面１２はディフィーザ部９に構成していることにより、高速で流れる蒸気の流れを邪魔することなく加熱する事が可能であり、蒸気の流速を最大にして、羽根３のブレード５に導き、タービンの出力を大きくできる。
【００７７】
すなわち、高圧の蒸気は、蒸気入口２から絞り部６、のど部８へ流し、流路の断面積を著しく小さくして流速を早くする。この時、蒸気は断熱圧縮状態となり蒸気の温度は上昇する。この後、ディフィーザ部８で流路の断面積を少しずつ拡大して静圧を下げることによりさらに動圧を高くして流速を上げていくが、蒸気は断熱状態での膨張で非常に低温となる。
【００７８】
そこで、この蒸気に加熱面１２から熱を供給して加熱することにより、蒸気の温度を一度下げること無く温度を維持しながら速度を上げることが可能となる。
【００７９】
また、加熱面１２と蒸気の距離が短いため熱伝達が良くでき、熱が蒸気の中心まで容易に伝わる。したがって、加熱面１２と蒸気の温度差が小さくなり、蒸気の温度が均一に高温とできるところから、蒸気全体の温度が高く、蒸気の体積が最も大きくなり、流量×速度で表される運動量は増大しタービンに与えるトルクが大きくなり、蒸気タービン２３の出力が大きくなり、蒸気から駆動力に変換するタービン性能が向上する。
【００８０】
また、ディフィーザ９内は蒸気の流速が早く容易に加熱面１２と蒸気が熱交換するため、加熱装置は小さくできる。
【００８１】
そして、加熱手段１３は、この蒸気タービン２３の外部である雰囲気空気と熱交換する熱交換器１０と、この熱を搬送する熱搬送部１１と、加熱面１２からなり、加熱面１２から蒸気に加熱する構成としてある。
【００８２】
このことにより、熱交換器１０は簡単に熱を受けることができる。すなわち、蒸気を加熱する加熱手段１３は、ノズル１から噴出した蒸気を加熱する熱量をタービンの外部である雰囲気空気から熱交換器１０で受け、この熱を搬送する熱搬送部１０により加熱面１２に搬送し、熱は加熱面１２から蒸気に放熱する。
【００８３】
そのため、蒸気タービン２３の外部である雰囲気空気中に熱交換する熱交換器１０の受熱熱交換器を設け、ノズル１と羽根３の間で熱を受け蒸気に放熱するための加熱面１２である放熱熱交換器を設け、受熱熱交換器と放熱熱交換器を熱搬送する熱搬送部１０を構成している。
【００８４】
タービンの雰囲気空気の温度は常温に加えてタービンからの熱により温まっている。このため、特別な加熱源が無くてもノズル１からでた断熱膨張で低い温度になった蒸気を加熱する事が可能となるため、簡単な構成で、タービン効率が向上する。
【００８５】
また、熱交換器１０は、ケーシング２０と熱交換して加熱する構成とすると、より簡単な構成となる。すなわち、ケーシング２０は、高温の蒸気がノズル１に入るまでの場所から伝導熱を受けて温度上昇する。
【００８６】
加熱手段１３をケーシング２０と熱交換してこの熱を受けてノズル１から出た蒸気を加熱する構成としたことにより、ノズル１から出た蒸気は加熱されたことによりより高速となり、羽根３で運動量をトルクに変換できるため、より簡単な構成で、タービン出力が大きくできる。そのため、向上した性能を利用して蒸気タービンのコンパクト化や簡素化を可能とできる。
【００８７】
また、ブレード５は円板形状の板を重ね合わせて回転軸４上に固定した簡単な加工で精度が維持でき、また、ブレード５の数を選定することにより、能力変更も容易となる。すなわち、平板を円形と穴加工に作成するブレード５は、簡単に高精度加工が容易であり、また動バランスもとれ高速で回転しても振動や振れを生じることがなく動作回転数を高くして全体を小さくできる。
【００８８】
さらに、加工は、金型多面プレス等により安価にできる。また、冷媒の種類に応じてブレード５の板厚さ選定により間隔を調整できることにより、粘性を最大に生かせる間隔の設定が容易となり、粘性により回転力を伝達できタービンの効率向上を図れ、そのため、タービン性能の高効率化と、同一形状に成型したブレードを容易に複数個重ね合わせることができ、均一な間隙の形成によりユニットの組み立て精度を向上できる。また蒸気タービン２３全体のコンパクト化や簡素化を可能とできる。
【００８９】
そして、最大発電量を増加するときは、複数個重ね合わせるブレード５の個数を増加することで可能であり、複雑な形状の追加がないので、コストの上昇を抑制することができる。また、ノズル１から噴出する蒸気をブレード５の衝動面に長時間滞留させ、粘性力と付着力を増大させて回転軸４に与えるトルクを上昇するので、低温度（２００℃程度）で作動する蒸気タービン２３を実現でき、同一形状に成型したブレードを容易に複数個重ね合わせることができるため、ユニットの組み立て精度を向上できる。
【００９０】
また、独立した集熱用の回路２９を構成して、集熱器２６で得られた太陽熱を蒸気タービン２３の動作に関係なく、常時蓄熱槽２７に蓄えて維持できるので、発電の必要なとき
に蒸気タービン２３で発電機２５から必要な電気を随時取り出すことができる。
【００９１】
そして、回路３３の途中に貯湯タンク３４を設けたので、発電に関係なく蓄熱槽２７の熱をお湯として貯湯タンク３４に貯めることが可能なので、給湯や暖房に必要なお湯を随時取り出せることができる。
【００９２】
また、太陽熱を利用して蒸気を形成し、ノズル１より噴出して蒸気タービン２３の発電機２５を回転させて発電するので、ＣＯ2削減の有効な手段とすることができる。
【００９３】
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２を示し、実施の形態１と異なるところは、加熱手段１３である。すなわち、実施の形態２の加熱手段１３は、蒸気の出口である蒸気出口１９に設けた熱交換器１０と、ノズル１と羽根３の間に設けた加熱面１２と、熱交換器１０の熱を搬送する熱搬送部としてヒートパイプ３６とで構成したものである。ヒートパイプ３６は加熱面１２と熱交換器１０に接続してある。
【００９４】
なお、加熱手段１３以外の構成は実施の形態１と同じで、具体的説明は同実施の形態１のものを援用する。
【００９５】
蒸気タービン２３から排出される蒸気の熱を回収してノズル１を流動する蒸気に供給してその温度を上昇させ、運動量を増大させているので、タービン性能を向上できる。
【００９６】
すなわち、ノズル１から出た蒸気は、羽根３の中を流れながら羽根３を回転させて蒸気出口１９から排出されるが、蒸気が羽根３を押してトルクを発生する時は、１００％トルクに変換できない。
【００９７】
このトルクに変換するタービン効率は一般には２０〜８０％であり、この損失は、熱となり蒸気温度を上昇させる。
【００９８】
そのため、蒸気はノズル１を出て羽根３に入る時より羽根３から出た時の方が温度が高くなる。
【００９９】
本実施の形態では、蒸気出口１９から排出される蒸気の熱を熱交換器１０で回収して、ヒートパイプ３６を介して加熱面１２に搬送し、ノズル１を流動する蒸気に回収した熱を供給するようにした。
【０１００】
したがって、ノズル１から出た蒸気は加熱されて高速となり、羽根３でトルクに変換できるため、タービン出力が大きくできる。そして、蒸気出口１９から出る蒸気を熱源とするため、特別な熱源が不要で、構成が簡単となり、部品の簡略化と耐久信頼性を確保できるものである。
【０１０１】
加熱手段１３の熱搬送部としてヒートパイプ３６を用いたことにより、コンパクト、且つ、装置が簡単にできる。すなわち、ヒートパイプ３６は密閉されたパイプであって高温側と低温側を繋ぎ、このパイプの中に真空状態にした後搬送媒体とウィックを注入してある。高温側で熱を受けると搬送媒体が蒸発し気体となって低温側に移動する。低温側では、高温の搬送媒体は熱を放出して液化し、液化した搬送媒体はウィックに含浸して高温側へと流れる。
【０１０２】
そのため、気液相変化で熱搬送を行うため、単位搬送量当りの搬送熱量が多く循環する搬送量を小さく設定でき、また、熱を受け蒸発したガスが上昇して放熱で液化し再び元に
戻るため、循環用のポンプ等特別な機器を必要としない。故に、簡単な構成となり、部品の簡略化と耐久信頼性を確保できるものである。
【０１０３】
（実施の形態３）
図６は本発明の実施の形態３における太陽熱ランキンシステムを示し、集熱器２６で加熱された熱媒体３０の蒸気を循環ポンプ２８を介して回路２９（閉回路）から直接蒸気タービン２３に送るようにした点が実施の形態１の図４のものと異なるところである。
【０１０４】
回路２９の蒸気タービン２３と循環ポンプ２８の途中に貯湯タンク３４を設けて、蒸気タービン２３に運動エネルギを与えた後の高温蒸気の熱を利用してこの貯湯タンク３４に湯を貯める点は同じである。
【０１０５】
熱媒体３０は、この貯湯タンク３４の湯水に熱を伝えるときに凝縮して液体となり、再度集熱器２６に送られて加熱され蒸気を形成する。この動作を繰り返すことで、蒸気タービン２３に設けた発電機２５により発電しながら貯湯タンク３４にお湯を貯めるようにしている。貯湯タンク３４に貯められたお湯は、給水ポンプ３５により給湯用や暖房用に供給されるようにしている。
【０１０６】
なお、図７のように、集熱器２６で加熱された熱媒体２９の蒸気を循環ポンプ２８により回路２９（閉回路）で直接蒸気タービン２３に送り、蒸気タービン２３を回転させて発電機２５により発電だけを行うことも可能である。
【０１０７】
以上のように、本実施の形態においては、蒸気タービン２３を太陽熱ランキンシステムに搭載して、発電または給湯・暖房を併用したコージェネのシステムを実現することができるので、太陽熱という自然エネルギを活用し省エネ促進とＣＯ２削減の有効な手段を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
以上のように、本発明は、エネルギ密度の低い太陽熱を利用して蒸気タービンを作動できるので、自動車や燃料電池の排熱回収等に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本発明の実施の形態１における蒸気タービンの正断面図
【図２】図１のＸ-Ｘ側断面図
【図３】要部拡大断面図
【図４】太陽熱ランキンシステムの構成図
【図５】本発明の実施の形態２における蒸気タービンの側断面図
【図６】本発明の実施の形態３における太陽熱ランキンシステムの構成図
【図７】同実施の形態３における太陽熱ランキンシステムの変形例を示す構成図
【符号の説明】
【０１１０】
１ ノズル
２ 蒸気入口
３ 羽根
４ 回転軸
５ ブレード
７ 絞り部
８ のど部
９ ディフィーザ部
１０ 熱交換器
１１ 熱搬送部
１２ 加熱面
１３ 加熱手段
１９ 蒸気出口
２０ ケーシング
２５ 発電機
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気を噴出するノズルと、このノズルから噴出する蒸気を案内する複数のブレードを重ね合わせて構成した羽根と、前記ノズルと前記羽根、及びこの羽根の回転軸を内包し、蒸気の入口と出口を構成したケーシングとを具備し、前記ノズルから噴出した蒸気を加熱する加熱手段を前記ノズルと前記羽根の間に配置した蒸気タービン。
【請求項２】
ノズルは、絞り部と、のど部と、ディフィーザ部とで構成し、加熱手段の加熱面を前記ディフィーザ部に設定した請求項１に記載の蒸気タービン。
【請求項３】
加熱手段は、外部の雰囲気空気と熱交換する熱交換器と、この熱を搬送する熱搬送部と、加熱面とから構成した請求項１または２に記載の蒸気タービン。
【請求項４】
加熱手段は、蒸気の出口の蒸気と熱交換する熱交換器と、この熱を搬送する熱搬送部と、加熱面とから構成した請求項１または２に記載の蒸気タービン。
【請求項５】
加熱手段の熱搬送部はヒートパイプを用いて構成した請求項３または４に記載の蒸気タービン。
【請求項６】
請求項１〜５いずれか１項記載の蒸気タービンを搭載し、発電と給湯・暖房のコージェネレーションのシステムを行うようにした太陽熱ランキンシステム。
【請求項１】
蒸気を噴出するノズルと、このノズルから噴出する蒸気を案内する複数のブレードを重ね合わせて構成した羽根と、前記ノズルと前記羽根、及びこの羽根の回転軸を内包し、蒸気の入口と出口を構成したケーシングとを具備し、前記ノズルから噴出した蒸気を加熱する加熱手段を前記ノズルと前記羽根の間に配置した蒸気タービン。
【請求項２】
ノズルは、絞り部と、のど部と、ディフィーザ部とで構成し、加熱手段の加熱面を前記ディフィーザ部に設定した請求項１に記載の蒸気タービン。
【請求項３】
加熱手段は、外部の雰囲気空気と熱交換する熱交換器と、この熱を搬送する熱搬送部と、加熱面とから構成した請求項１または２に記載の蒸気タービン。
【請求項４】
加熱手段は、蒸気の出口の蒸気と熱交換する熱交換器と、この熱を搬送する熱搬送部と、加熱面とから構成した請求項１または２に記載の蒸気タービン。
【請求項５】
加熱手段の熱搬送部はヒートパイプを用いて構成した請求項３または４に記載の蒸気タービン。
【請求項６】
請求項１〜５いずれか１項記載の蒸気タービンを搭載し、発電と給湯・暖房のコージェネレーションのシステムを行うようにした太陽熱ランキンシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００８−８８９５７（Ｐ２００８−８８９５７Ａ）
【公開日】平成２０年４月１７日（２００８．４．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２７３８１２（Ｐ２００６−２７３８１２）
【出願日】平成１８年１０月５日（２００６．１０．５）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年４月１７日（２００８．４．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１０月５日（２００６．１０．５）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]