特許 6181195 発電機のための冷却システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6181195

(24)【登録日】2017年7月28日

(45)【発行日】2017年8月16日

(54)【発明の名称】発電機のための冷却システム

(51)【国際特許分類】

   H02K 9/19 20060101AFI20170807BHJP

【ＦＩ】

   H02K9/19 Z

【請求項の数】7

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2015-541073(P2015-541073)

(86)(22)【出願日】2013年10月24日

(65)【公表番号】特表2016-501504(P2016-501504A)

(43)【公表日】2016年1月18日

(86)【国際出願番号】EP2013072240

(87)【国際公開番号】WO2014072181

(87)【国際公開日】20140515

【審査請求日】2015年9月16日

(31)【優先権主張番号】102012220559.4

(32)【優先日】2012年11月12日

(33)【優先権主張国】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】508008865

【氏名又は名称】シーメンス アクティエンゲゼルシャフト

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(72)【発明者】

【氏名】ウラジミール・ダノフ

(72)【発明者】

【氏名】ベルント・グロモル

【審査官】 津久井 道夫

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許第０２５６１７３７（ＵＳ，Ａ）

【文献】 英国特許第００７２４４５６（ＧＢ，Ｂ）

【文献】 特開昭５０−１２９９０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１１−５２７３９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０００−５０３１９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５４−００９０４３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｋ ９／１９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

冷却流体（５）を受容するための少なくとも１つの中空導管（４）のための少なくとも１つの入口（２）及び出口（３）を有する発電機（１）であって、
前記中空導管（４）は、前記発電機（１）のロータ（６）と、ステータ（７）と、シャフト（８）と、ハウジング（９）とのうちの少なくとも１つの中に、又は、前記発電機（１）のロータ（６）と、ステータ（７）と、シャフト（８）と、ハウジング（９）とのうちの少なくとも１つに接して配置でき、前記中空導管（４）は、前記発電機（１）からの熱エネルギーを前記冷却流体（５）を用いて受け取るための気化装置（１０）として設けられており、
前記発電機（１）が、圧縮のために前記冷却流体（５）を前記導管（４）の前記出口（３）を通じて圧縮機（１１）に誘導するように設定されており、前記圧縮機は、熱を放出するために前記冷却流体（５）を凝縮器（１２）に供給し、前記冷却流体（５）は、前記凝縮器から絞り弁（１３）へ、前記冷却流体（５）が気体状態となるように膨張されるためにさらに誘導可能であると共に、前記絞り弁（１３）から再び、前記発電機（１）の気化装置（１０）として機能する前記中空導管（４）の前記入口（２）を通じて、熱エネルギーの受け取りのために供給可能であり、前記圧縮機（１１）は、力学的仕事の受容によって、前記冷却流体（５）の移動を維持するように設定されていることを特徴とする、発電機（１）。

【請求項2】

冷却流体（５）を受容するための少なくとも１つの中空導管（４）のための少なくとも１つの入口（２）及び出口（３）を有する発電機（１）であって、
前記中空導管（４）は、前記発電機（１）のロータ（６）と、ステータ（７）と、シャフト（８）と、ハウジング（９）とのうちの少なくとも１つの中に、又は、前記発電機（１）のロータ（６）と、ステータ（７）と、シャフト（８）と、ハウジング（９）とのうちの少なくとも１つに接して配置でき、前記中空導管（４）は、前記発電機（１）からの熱エネルギーを前記冷却流体（５）を用いて受け取るための気化装置（１０）として設けられており、
前記発電機（１）が、圧縮のために前記冷却流体（５）を前記中空導管（４）の前記出口（３）を通じてジェットポンプ（１４）に誘導するように設定されており、前記ジェットポンプ（１４）は、熱を放出するために前記冷却流体（５）を凝縮器（１２）に供給し、前記冷却流体（５）は、前記凝縮器から絞り弁（１３）へ、前記冷却流体（５）が気体状態となるように膨張されるためにさらに誘導可能であると共に、前記絞り弁（１３）から再び、前記発電機（１）の気化装置（１０）として機能する前記中空導管（４）の前記入口（２）を通じて、熱エネルギーの受け取りのために供給可能であり、
前記発電機（１）は、ジェットポンプ（１４）を用いて、前記ジェットポンプ（１４）の加速した駆動媒体（１５）によって形成可能な低圧によって、かつ前記出口（３）を通じて吸入可能である膨張している前記冷却流体（５）によって、前記中空導管（４）の前記出口（３）を通じて前記冷却流体（５）が取り出されるように構成されており、
吸入された前記冷却流体（５）は、前記駆動媒体（１５）と共に前記ジェットポンプ（１４）によって冷却のために凝縮器（１２）に供給可能であり、前記冷却流体は、続いて、前記凝縮器から再び前記中空導管（４）の前記入口（２）を通じて１つ以上の前記気化装置（１０）に供給可能であることを特徴とする、発電機（１）。

【請求項3】

前記ジェットポンプ（１４）の前記駆動媒体（１５）が、イオン液体であることを特徴とする請求項２に記載の発電機（１）。

【請求項4】

前記冷却流体（５）が、揮発性物質であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の発電機（１）。

【請求項5】

前記冷却流体（５）が、直接、又は、さらなる冷却回路を通じて、冷却可能であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の発電機（１）。

【請求項6】

前記発電機（１）は、発電所発電機であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の発電機（１）。

【請求項7】

前記中空導管（４）は前記ステータ（７）内部に設けられたステータバー（１７）の中にまたはステータバー（１７）に接して配置できることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の発電機（１）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、発電機のための冷却システムに関する。

【背景技術】

【0002】

発電機はかなり以前から知られている。その作用は、運動エネルギー又は力学的エネルギーの電気エネルギーへの変換に基づいており、磁場内での導電体の動きによって、導体内に電圧が誘導される。発電機の開発によって、電化の凱旋行進が初めて可能になり、我々の日常に入ってきた。

【0003】

電気エネルギーを生成するために、今日では、大規模な発電所発電機が用いられている。その運転の際、渦電流損失による電力損失、ヒステリシスによる磁化損失、又は、軸受及びシール等による摩擦損失が原因で発電機が著しく加熱され、それによって、その出力効率と経済効率とにネガティブな影響が及ぼされる。

【0004】

したがって、熱の形で生じる電力損失を解消しなければならない。なぜなら、発電機はさもないと過熱され得るからである。それゆえ、発電機の冷却は特に望ましい。

【0005】

しかしながら、発電機の冷却に関する従来のコンセプトには、まだ多くの改善の余地がある。例えば、出力が３００ＭＷまでの発電所発電機は、強制空冷によって冷却される。この出力等級の発電機では、この種の冷却は物理的限界に突き当たる。なぜなら、発電機の冷却に必要な気流速度が大きすぎるので、冷却作用が、発電機内の空気の摩擦損失によって相殺されてしまうからである。冷却作用の改善に関する考察は、発電機のジオメトリに対して大きな要求を行っている。この方法の欠点は、例えば発電機の中心に位置するような発電機の部分の冷却が不十分であるということにある。

【0006】

これに対して、一般的に、出力が約３００ＭＷ以上の発電機の大部分は、液冷される。液冷された、このように高い出力を有する発電機は、もはやステータ巻線を有しておらず、むしろ、ステータバーを必要とする。当該ステータバーを通って、損失熱を受容又は排出する冷却流体が流れる。

【0007】

さらなる考察において、熱サイフォン冷却を発電機内に組み込むことが試みられた。この冷却手法は、どのように冷却流体が各ステータバーに分配されるかということに対して、積極的に影響を与えることができないという欠点を有している。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明の課題は、稼働時の経済効率と発電機の出力効率とを改善する発電機を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本課題は、冷却流体を受容するための少なくとも１つの中空導管のための、少なくとも１つの入口及び出口を有する発電機によって解決される。当該中空導管は、発電機のロータ及び／又はステータ及び／又はシャフト及び／又はハウジングの中、又は、これらに接して配置され得るものであり、当該中空導管は、発電機からの熱エネルギーを冷却流体を用いて受け取るための気化装置として設けられている。この場合の主な利点は、中空導管が設けられている発電機を、冷却流体によって直接冷却できることにある。これは、例えば、その導体又はステータバーに中空導管が設けられている発電機において、特に効果的かつ効率的に実現され得る。

【0010】

したがって、本発明によると、発電機の中空導管又はステータバー又は中空ハウジング及び中空シャフトが、ヒートポンプの気化装置として用いられる。それによって、電気駆動装置又は発電機の効率を、容易に高めることが可能である。加えて、このような発電機は、コンパクトに製造され得る。

【0011】

本発明の好ましい一実施形態において、発電機は、圧縮のために冷却流体を導管の出口を通じて圧縮機に誘導するように設定されており、当該圧縮機は、熱を放出するために、冷却流体を凝縮器に供給する。次に、冷却流体は、当該凝縮器から絞り弁へ、膨張のためにさらに誘導され、絞り弁から再び、気化装置として機能する、発電機の中空導管の入口を通じて、熱エネルギーの受け取りのために供給され得る。圧縮機は、力学的仕事の受容によって、冷却流体の移動を維持するように設定されている。

【0012】

言い換えると、当該発電機は、圧縮式冷凍機の特性を利用している。したがって、液体から気体に凝集状態が変化する際の、気化熱の効果が利用される。このとき、密閉回路内を移動する冷却流体は、次々に様々な凝集状態の変化を経験する。この場合、気体状の冷却流体は、まず圧縮機によって圧縮される。当該冷却流体は、圧縮機から、熱を放出しながら凝縮器へ供給される。次に、液状の冷却流体は、膨張のために絞り弁に送られ、同時にその圧力が減少する。膨張した冷却流体は、気化装置として機能する発電機の中空導管の入口を通って、熱エネルギーの受け取りのために再び供給される。ここで、上述した回路を、最初から始めることができる。当該プロセスを、圧縮機を通じて外から力学的仕事を供給することによって、継続させる必要がある。

【0013】

このような方法で、冷却流体は、低い温度レベルの熱出力を、ここでは発電機の気化装置として機能する中空導管を通じて受容し、引き続いて、圧縮機による力学的仕事の供給を受けて、より高い温度レベルの熱出力を周囲に放出する。このとき、圧縮式冷凍機として機能する発電機の冷却システムの効率は、周囲の温度の低下と共に上昇する。

【0014】

本発明の特に好ましい実施形態では、発電機が、ジェットポンプの加速した駆動媒体を用いて低圧を形成することが可能であり、それによって、膨張している冷却流体が出口を通じて吸入可能であることによって、導管の出口を通じて冷却流体がジェットポンプを用いて取り出されるように調整されており、吸入された冷却流体は、駆動媒体と共にジェットポンプによって冷却のために凝縮器に供給可能であり、それに引き続いて凝縮器から再び中空導管の入口を通じて気化装置に供給可能である。本実施形態の特別な利点は、圧縮機ではなく、比較的単純な構造のポンプのみが必要とされる点にある。

【0015】

特に好ましい実施形態では、ジェットポンプの駆動媒体はイオン液体である。イオン液体の有する蒸気圧は極めて小さいので、ジェットポンプを用いて、冷却流体を発電機の中空導管から吸入するために、著しい低圧を形成することが可能である。この作用は、冷却流体を気化するために用いられる。冷却流体を気化する際、周囲から熱が取り出される。このような方法で、発電機の冷却が実現する。

【0016】

冷却システムの有効性を高めるために、冷却流体は容易に揮発する物質である。それによって、特に効果的かつ効率的に冷却可能である。

【0017】

さらなる実施形態では、熱は環境に直接放出されるのではなく、上述した発電機の「周囲」のような、より低い温度を有し得る、さらなる冷却回路である、間に配置された熱媒体に放出される。この場合、冷却流体と間に配置された熱媒体、すなわちさらなる冷却回路との間の温度差が大きければ大きいほど、発電機の冷却システムの有効性は高くなる。

【0018】

以下に、本発明及び例示的な実施形態を、図面を用いて詳細に説明する。示されているのは以下の図である。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の一実施形態に係る、組み込まれた冷却用中空ステータバーを有する発電機の図である。

【図2】発電機を冷却するためのジェットポンプの回路図及びその本発明の実施形態に係る実装を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

図１には、本発明の一実施形態に係る発電機１が示されている。図１に示された実施形態における発電機１は、電気機械として構成されている。ここでは、発電機１の主要部材を簡単に図示する。シャフト８上に配置されているロータ６は、ステータ７内部で中空ステータバー１７によって、回転可能に支承されており、各部材はハウジング９内に受容されている。

【0021】

発電機１を運転する際、電力損失が生じる。電力損失によって、各部材の加熱がもたらされ、それによって発電機１の効率が低下する。これに抵抗するために、当該実施形態では、ステータ７又はステータバー１７に、冷却流体５の受容及び誘導に適した中空導管４が設けられている。図１には、発電機１の冷却システムをわかりやすく示すために、わずかな導管４のみが簡易的に図示されている。

【0022】

発電機１の可能な限り高く均一な冷却を可能にするために、本発明のさらなる実施形態に係る発電機１は、発電機１の複数又は全ての部材において、冷却流体５を受容するための中空導管４を有することができるが、ここでは図示されていない。中空導管４は、入口２及び出口３を有しており、これらを通って、冷却流体５は、中空導管４へ供給又は中空導管４から排出される。このとき、中空導管４は、発電機１からその中にある冷却流体５を用いて熱エネルギーを受け取るという、気化装置１０の機能を果たしている。入口２又は出口３を介して、気化装置１０として機能する中空導管４は回路に接続されており、そのさらなる部材は、図示された実施形態では、補い合って圧縮式冷凍機を形成している。

【0023】

図１の矢印によって、冷却流体５から次々に様々な凝集状態の変化を経験する回路の方向が示される。ここで、発電機１によってその中空導管４内で暖められた冷却流体５は、出口３を通って圧縮機１１に供給され、圧縮機１１は冷却流体５を圧縮、液化し、凝縮器１２へ送り、凝縮器では、冷却流体５が熱を放出しながら冷却される。続いて、冷却流体５は絞り弁１３を通って膨張し、冷却流体５は再び気体の状態に移行する。さらなるステップにおいて、冷却された流体５は、入口２を通って、再び気化装置１０として機能する中空導管４に供給される。ここで、冷却流体５は再び発電機１の熱エネルギーを受け取ることができる。これによって、上述した回路は最初から開始する。

【0024】

当該回路が動き続けるためには、圧縮機１１による力学的仕事の供給が必要である。このとき、力学的仕事に必要なエネルギーは、発電機１の冷却によって得られるエネルギーよりも小さい。適した高性能冷凍機又は圧縮式冷凍機は、すでに製品として提供されている。具体的に説明するために、発電所内では、複数の発電機１が計１ＧＷの電力を生産すると想定され得る。効率が約９８％である場合、発電機１の電力損失は約２０ＭＷに相当する。冷凍機は、例えば３５ＭＷまでの冷凍能力を生み出し得る。２０ＭＷの冷凍能力を生み出すためには、冷凍機は約２．５ＭＷの電力を必要とするが、これはまさに０．２５％の効率損失を意味している。これに対するのは、冷却流体５を用いた冷却のための圧縮機出力／ポンプ出力の節約、ステータバー１７のオーム抵抗の減少による効率の上昇、ステータ７自身の温度の低下である。様式によって影響は異なる。したがって、同じ建設空間により大きな出力が必要になるが、発電機１の効率を維持するか、又は、より効率の大きい同じ出力を生み出すことが可能である。効率向上の正確な数については記載することができない。なぜなら、それは、発電機の様式及び動作点に依存するからである。

【0025】

図２は、本発明のさらなる実施形態を示している。図２に示されている場合では、冷却流体５の冷却は、ジェットポンプ１４を用いて行われる。簡略化して、図２には、冷却流体５を用いて発電機１から熱エネルギーを受け取るための気化装置１０として機能する中空導管４のみが示される。このとき、ジェットポンプ１４は、ポンプアクションがさらなる流体ジェットによって、ここでは駆動媒体１５によって生み出されるポンプである。当該流体ジェットは、インパルス交換によって、別の媒体、ここでは冷却流体５を吸入し、加速し、圧縮／輸送する。ジェットポンプ１４は、非常に単純な構成を有しているので、特に堅牢であり、維持に手間を要せず、様々な用途に使用できる。当該実施形態では、駆動媒体１５としてイオン液体が用いられる。イオン液体は、極めて小さい蒸気圧を有しており、それによって、ジェットポンプ１４が特に低い圧力、つまり吸気圧力に到達することを可能にする。駆動媒体１５は、非常に大きな速度で、ジェットポンプ１４によって押し流されるので、ジェットポンプ内には低圧が形成され、当該低圧は、気化装置１０として機能する中空導管４内で加熱された冷却流体５を、発電機１の中空導管４から吸出し、駆動媒体１５と共に、凝縮器１２に供給する。それによって、冷却流体５は容易に揮発する物質であるので、当該物質は気化装置１０から吸い上げられる。気化に必要な熱エネルギーは、気化装置１０内の冷却流体５から取り出され、冷却流体５又は発電機１は冷却される。

【0026】

凝縮器１２において、蒸気は液化され、次に、生成された冷却流体５と駆動媒体１５との混合物は、絞り弁１３を通じて膨張する。次に、当該混合物は、入口２を通って気化装置１０に再び供給される。気化装置１０内では、気化によって、再び冷却流体５が駆動媒体１５から分離される。次に、回路は最初から開始する。この種類の冷却システムには、圧縮機は不要であり、比較的単純なポンプ又はジェットポンプ１４があれば良い。それによって、図２に示された実施形態は、稼働時の費用をより大きく節減できる。

【0027】

上述の実施例に係る解決法は、中空ステータバー１７を直接の気化装置として利用している。代替的又は付加的に、冷凍機を発電機１の冷却のために用いることが可能であり、当該冷凍機では、冷却流体５を冷却するために、さらなる熱媒体を有する中間回路が挿入されるが、これは図示されていない。付加的な代替的実施例では、発電機のさらなる個々の部材を、個別又は共に冷却することができる。

【符号の説明】

【0028】

１ 発電機
２ 入口
３ 出口
４ 中空導管
５ 冷却流体
６ ロータ
７ ステータ
８ シャフト
９ ハウジング
１０ 気化装置
１１ 圧縮機
１２ 凝縮器
１３ 絞り弁
１４ ジェットポンプ
１５ 駆動媒体
１７ ステータバー

【図1】

【図2】