JPH08177520A - 発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】石油系エネルギー等の燃料の使用を不要とし、
運転コストが極めて低く、全く公害物質を排出しない発
電システムを提供する。 【構成】発電システムを駆動するプラズマガスタービン
において、タービンケーシング８８に作動室８７、密閉
排気マニフォルド９２、ガス還流路９８、プラズマガス
発生器９０およびタービンノズル９３を形成して放電用
作動媒体を封入し、プラズマガス発生器の放電手段によ
り作動媒体に周期的にプラズマを発生して高圧の動力ガ
スを生成し、動力ガスをタービンノズルからタービンロ
ータ９１のブレード９１ａに衝突させた後減圧してプラ
ズマガス発生器に還流させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は発電システムに関し、と
くにガスタービン駆動発電システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ガソリンエンジンまたはディーゼ
ルエンジンまたは原子力により駆動される発電システム
においてはエンジンの構造が複雑で高価であるばかりで
なく、ガソリン、軽油、重油、ＬＰガス等のエネルギー
を大量に消費するためにランニングコストが高く、しか
も大量の汚染物質による公害を排出して地球環境を急速
に破壊していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は従来の石油系
エネルギーや原子力を不要とし、公害を全く発生しな
い、地球に優しい発電システムを提供することを目的と
する。

【０００４】

【本発明の構成】上記目的は発電システムにおいて、プ
ラズマガスタービンエンジンと、プラズマガスタービン
エンジンにより駆動される発電機と、周期的な放電信号
を発生する放電電源とを備え、プラズマガスタービンエ
ンジンがタービンケーシングと、タービンケーシングに
設けられたタービンと、タービンの上流側に配置されて
いるプラズマガス発生器と、タービンとプラズマガス発
生器との間に配置されたノズル手段と、タービンの下流
側に配置された密閉排気マニフォルドとからなるクロー
ズドシステムに放電用作動媒体をあらかじめ定めた気圧
で封入し、プラズマガス発生器が放電信号に応じて作動
媒体に放電によるプラズマを発生させて周期的に高温高
圧の動力ガスを発生させる放電手段を有するように構成
することによって達成される。

【０００５】

【作用】この発明の発電システムはプラズマガスタービ
ンエンジンと、プラズマガスタービンエンジンに放電信
号を供給する放電電源と、プラズマガスタービンエンジ
ンにより駆動される発電機とを備え、プラズマガスター
ビンエンジンがプラズマガス発生器の放電用作動媒体に
放電によるプラズマで高温高圧の動力ガスを発生させ、
動力ガスによりタービンに駆動力を与え、その駆動力に
より発電機を駆動するようにし、動力ガスを密閉排気マ
ニフォルドで減圧してプラズマガス発生器で再利用す
る。

【０００６】

【実施例】以下、本発明による発電システムの望ましい
実施例につき図面を参照しながら説明する。発電システ
ム１はバッテリー装置２と、直流電圧を変換して高電圧
パルスを発生するパルス放電電源３と、交流発電機４
と、交流電力により駆動される負荷５と、交流電力を適
当な電圧値に抑制してバッテリー装置２に直流電力を供
給してバッテリー装置２の過充電を防止するソリッド・
ステート整流器６と、放電パルスにより駆動されるプラ
ズマガスタービンエンジン１０と、プラズマガスタービ
ンエンジン１０の出力を減速して発電機４を駆動する減
速機９とを備える。

【０００７】交流発電機４の出力電力は負荷５に供給さ
れるとともに、その一部はソリッド・ステート整流器６
を介してバッテリー装置２に供給される。メインスイッ
チ８はパルス放電電源３をオン・オフするためのもので
ある。望ましくは、交流発電機４の出力電力の一部が整
流器６を介してバッテリー装置２に充電され、充電され
た電力がパルス放電電源３で放電パルスに変換され、こ
の放電パルスによりプラズマガスタービンエンジン１０
を駆動することによりクリーンな発電を達成するもので
ある。

【０００８】図２〜４は図１のプラズマガスタービンエ
ンジン１０の１例を示す。プラズマガスタービンエンジ
ン１０はタービンケーシング１２と、タービンケーシン
グ１２内に配置されたタービン１５とを備える。タービ
ンケーシング１２は第１ケーシング１２ａ、第２ケーシ
ング１２ｂおよびサイドカバー１２ｃからなる。第１ケ
ーシング１２ａは円筒状の作動室１６を有し、作動室１
６にタービン１５の一部を構成するタービンロータ１４
が回転可能に収納されている。タービンロータ１４の外
周には動力ガスの衝動作用を受けるための複数のブレー
ド１４ａを備え、ブレード１４ａの内側に凹部１４ｂを
有する。第１、第２ケーシング１２ａ、１２ｂの間には
仕切部材１７が支持され、仕切部材１７は作動室１６の
一部を構成し、開口部１７ａを有する。タービン１５の
下流側および上流側にはそれぞれ密閉排気マニフォルド
１８およびプラズマガス発生器２０を備える。作動室１
６はタービンロータ１４の凹部１４ｂおよび仕切部材１
７の開口部１７ａを介して排気マニフォルド１８に連通
している。排気マニフォルド１８は第２ケーシング１２
ｂに形成されている。

【０００９】プラズマガス発生器２０はタービン１５に
隣接して第１、第２ケーシング１２ａ、１２ｂに形成さ
れたほぼ円筒状の放電室２２を備え、放電室２２はアウ
トレット２２ａを有する。アウトレット２２ａは作動室
１６の接線方向に開口するタービンノズル２４と連通す
る。作動室１６、排気マニフォルド１８およびプラズマ
ガス発生器２０には排気真空後に後述の放電用作動媒体
が１気圧±５％で封入される。プラズマガス発生器２０
は放電室２２の作動媒体にアーク放電によるプラズマを
周期的に発生させて高温高圧の動力ガスを発生させる放
電手段２６を備える。放電手段２６は放電室２２の両サ
イドに配置された陽極２８と陰極３０とを備え、これら
電極はそれぞれ絶縁部材３２、３４により支持されてい
る。符号３６は絶縁部材３４を固定する押え部材であ
る。電極２８、３０は４０ｋＶＤＣの高電圧パルスを発
生するパルス放電電源からなる放電電源に接続される。
図２、３においてタービンケーシング１２は排気マニフ
ォルド１８に排気された動力ガスを放電室２２に還流す
るためのガス還流路３８と、ガス還流路３８と放電室２
２との間に配置されたリード弁４０を有する。リード弁
４０は弁ホルダー４２に支持されており、弁ホルダー４
２は放電室２２のインレット２２ｂに支持されている。
リード弁４０は作動媒体の非放電時に開口して減圧室１
８のガスを放電室２２に還流させ、作動媒体の放電時に
はクローズする。

【００１０】図２において、サイドカバー１２ｃの代わ
りに排気マニフォルド１８に冷却手段付の大容積のガス
タンクまたはガスリサーバ（図示せず）に連結して、排
気マニフォルド１８の容積を増加させるとともに冷却効
率を上げると良い。ガスタンクまたはガスリサーバは出
力軸１３と同軸の円筒形でも良いし、タービンケーシン
グ１２から独立しても良い。出力軸１３はベアリング４
４、４６により支持されている。出力軸１３の周囲のキ
ャビティ４８はポート５０を介して作動室１６と連通し
ている。カバー部材５２は第１ケーシング１２ａを密閉
するためのシール５４を保持するために第１ケーシング
１２ａに固定されている。図２〜４において、作動室１
６、排気マニフォルド１８、ガス還流器３８およびプラ
ズマガス発生器２０はクローズドシステムとして機能
し、動力ガス発生器２０から周期的に噴出した動力ガス
はタービンロータ１４のブレード１４ａに衝突した後排
気マニフォルド１８で減圧された後ガス還流器３８とリ
ード弁４０とを介して放電室２２に還流されて再利用す
る。すなわち、放電手段２６のＯＮ時にはリード弁４０
はクローズし、ＯＦＦ時にはリード弁４０は開口してガ
スが放電室２２に還流される。

【００１１】放電室２２には作動媒体の初期イオン化を
促進して電流密度またはイオン密度を高めることにより
放電用ガスの温度と圧力をより高めて効率を上げるため
のトリチウムまたはポロニウムからなる放射線源ライナ
ー５６を有する。放電用作動媒体の電流密度またはイオ
ン密度が増大すると、放電室２２放電時の温度と圧力が
増加してプラズマガスタービンエンジン１０の効率が上
昇する。

【００１２】プラズマガスタービンエンジン１０の放電
電源３の１例を図５に示し、図６は図５の各種波形を示
す。図５において、パルス放電電源３は発電機４の出力
に接続された整流器６により充電されるバッテリ等の直
流電源２と、リアクトルＬを介して直流電源２に接続さ
れたサイリスタ等の第１スイッチ手段ＳＣＲ１と、スイ
ッチ手段ＳＣＲ１の出力側に接続された第１コンデンサ
Ｃ１と、第２スイッチ手段ＳＣＲ２と、高圧トリガトラ
ンス８４とを備える。高圧トリガトランス８４の１次巻
線の一端は第２スイッチ手段ＳＣＲ２の出力側に接続さ
れ、他端は接地されている。１次巻線の両端はダイオー
ドＤ１により接続されている。トランス８４の２次巻線
の一端は接地され、他端はダイオードＤ２を介して高電
圧小電流の放電トリガ電流がプラズマエンジン１０の陽
極２８に供給される。陽極２８に小電圧大電流のメイン
放電電流を供給するために、第２コンデンサＣ２がダイ
オードＤ４を介して接続され、ダイオードＤ４とコンデ
ンサＣ２との接続点がダイオードＤ３を介してスイッチ
手段ＳＣＲ１とＳＣＲ２との間に接続されている。第２
コンデンサＣ２の一端は接地され、他端はダイオードＤ
４を介して陽極２８に接続されている。陰極３０は接地
されている。

【００１３】図５において、第１スイッチ手段ＳＣＲ１
がトリガ信号Ｔｒｇ１によりＯＮすると、バッテリ２の
電圧は第１、第２コンデンサＣ１、Ｃ２により３００Ｖ
程度まで充電される。このとき、第２スイッチ手段ＳＣ
Ｒ２をトリガ信号Ｔｒｇ２でＯＮさせると、第１コンデ
ンサＣ１に充電されていた電荷が高圧トリガトランス８
４の１次側に電流ｉ４となって流れる。図６において符
号Ｂは第２スイッチ手段ＳＣＲ２がＯＮして第１コンデ
ンサＣ１が放電開始するタイミングを示す。高圧トラン
ス８４の１次側にはピーク値３００Ｖの電圧がパルスと
して加わり、高圧トランス８４の２次側にはトランスの
巻数比により約４０ｋＶのパルス電圧υ３が発生して、
この高電圧パルスが陽極２８に供給される。図６におい
て符号Ｃは電極間に加わる高圧パルスυ３を示し、符号
Ｄは放電ピーク時の電圧レベルを示す。プラズマエンジ
ン１０内の気体がプラズマ化して導電率が急に上昇する
と電圧υ３は放電現象の負性抵抗により約１００Ｖ位ま
で急激に下降する。このとき、第２コンデンサＣ２に充
電されていた約３００Ｖの電圧υ２を放電電圧が下まわ
った時より第２コンデンサＣ２から大電流（ｉ５のピー
ク参照）が陽極２８に供給されてさらに放電電圧が下が
り、やがてＣ２の電荷が全て放出されると電流ｉ５は停
止して放電は終了する。図６において、符号Ｅはプラズ
マエンジン１０の気体がプラズマ化して第２コンデンサ
Ｃ２が大電流放電する状態を示し、符号Ｆは放電終了の
タイミングを示す。放電が終了した後、第１スイッチ手
段ＳＣＲ１をトリガ信号Ｔｒｇ１でＯＮさせる。このと
き、電流ｉ１が正弦波状に流れて第１、第２コンデンサ
Ｃ１、Ｃ２を充電する。リアクタＬのインダクタンスに
よるリアクション電圧により、第１、第２コンデンサＣ
１、Ｃ２は直流電源８２よりも高い電圧、すなわち、約
３００Ｖまで充電され、電流ｉ１が停止したとき、第
１、第２コンデンサＣ１、Ｃ２の充電は終了して次の放
電トリガの待機状態となる。図５において符号Ｇは第１
スイッチ手段ＳＣＲ１がＯＮして電流ｉ１により、第
１、２コンデンサＣ１、Ｃ２を充電する状態を示す。こ
のように高圧トランス８４は高電圧小電流の放電トリガ
電源として作用し、第２コンデンサＣ２は低電圧大電流
のメイン放電電源として作用する。メイン放電電源は１
個の１２Ｖのバッテリで瞬間的に１０００〜３０００Ａ
までの大電流を流せるため、プラズマエンジン１０の気
体の膨張圧は高くなってプラズマエンジン１０の出力が
増大する。

【００１４】上記構成において、陽極２８および陰極３
０間には図５の高電圧パルスυ３が印加されて放電室２
２の作動媒体が放電を開始する。このとき作動媒体がプ
ラズマ化して第２コンデンサＣ２（図５参照）が大電流
放電し、放電室２２での高圧の動力ガスが生成される。
このとき、高圧の動力ガスはノズル２４を介して高速で
タービンロータ１４のブレード１４ａに衝突して衝動力
によりタービンロータ１４を回転駆動する。次に高圧ガ
スはタービンロータ１４の凹部１４ｂおよび仕切部材１
７の開口部１７ａを介して排気マニフォルド１８に排気
されてここで減圧される。減圧されたガスはガス還流路
３８およびリード弁４０を介して放電室２２に還流され
る。このように、周期的に放電室２２で発生した高圧の
動力ガスは作動室１６でエネルギー転換した後排気マニ
フォルド１８で減圧されて放電室２２に還流されて次の
放電に再利用される。放電のタイミングは所望のガスタ
ービンエンジンの回転数を得るために１秒間に数回から
数１００回まで変化させても良い。ガスタービンエンジ
ンの回転数が増えても放電時のガス圧は高いため、高速
回転時にも大きなトルクが得られる。

【００１５】図７はプラズマガスタービンエンジンの他
の１例を示す。図７において、プラズマガスタービンエ
ンジン１０’は軸流形であり、作動室８７を有する環状
のタービンケーシング８８ａ、８８ｂを備える。プラズ
マガス発生器９０がタービンと同心的に配置されてい
る。タービンの下流側には環状ケーシング８８ｂからな
る密閉排気マニフォルド９２がケーシング８８ａに連結
されている。プラズマガス発生器９０、タービンおよび
排気マニフォルド９２はクローズドシステムを構成し、
その中には前述の放電用作動媒体が封入される。プラズ
マガス発生器９０は環状放電室９０ａ内に配置された主
電極９０ｂ、９０ｃからなる放電手段を備え、放電手段
には前述の高電圧パルスが供給される。ケーシング８８
ａは放電室９０ａの出口側において周方向に複数個配列
されたノズル翼９３ａからなるタービンノズル９３を備
える。タービンロータ９１は複数段のロータブレード９
１ａを有する。タービンノズルブレード９３は動力ガス
の流れをロータブレード９１ａに配向する作用をなす。
ケーシング８８ａは複数段のステータブレード９４、９
５を備え、ステータブレード９５は動力ガスを急速加熱
するために放電室９０ａに連通している熱媒通路９５ａ
を備える。図６において、出力軸９１ｂの右端部はベア
リングホルダー８６により支持され、ベアリングホルダ
ー８６はケーシング８８ｂにより適当な手段で固定され
ている。

【００１６】放電室９０ａでプラズマにより発生した高
温高圧の動力ガスはタービンノズル９３により、ロータ
ブレード９１ａに衝突しながらタービンロータ９１に回
転駆動力を与える。ステータブレード９５は熱媒通路９
５ａに流入する高温高圧のガスにより高温に加熱されて
いるため、ステータブレード９５を通過する動力ガスを
急激に熱して、動力ガスの圧力を上昇させて後段のロー
タブレード９１ａに衝動を与える。この後、ガスは排出
口９６を経て排気マニフォルド９２に流入し、ここで冷
却手段９７により冷却され、圧力が低下する。放電室９
０ａの放電が終了したとき、この中の圧力は低下するた
め、逆止弁９９が開口して減圧部９２のガスがガス還流
路９８を介して放電室９０ａに還流されて次のプラズマ
発生用に再利用される。このように本発明では、クロー
ズドサイクルにおいて、仕事を完了した作動媒体を減圧
部で冷却してプラズマガス発生器に循環させるため、無
公害でランニングコストを著しく少なくできる。

【００１７】本発明では発電システムのプラズマガスタ
ービンエンジンにおいてタービンケーシングの作動室に
タービンロータを回転可能に収納し、放電室の作動媒体
にプラズマを発生して高圧の動力ガスを発生させ、これ
によりタービンロータを駆動し、この動力ガスを減圧し
た後放電室に還流して再利用するようにしたので、ラン
ニングコストの低いクリーンな発電システムを提供する
ことができる。プラズマガスタービンエンジンは小型で
高出力が得られ、構造が簡単で部品点数が少なく、軽量
で騒音の発生も少なく、１回転毎に大きなトルクが発生
し、振動が少なく、製造コストとメンテコストが著しく
低い。しかも、作動流体は永久的に使用可能なためケー
シング内に作動流体を一旦封じ込めると外部から全く追
加燃料を供給せずにプラズマガスタービンエンジンを長
時間駆動することができる。プラズマガスタービンエン
ジンは密閉型で排ガス等の公害が全くないため、地球環
境破壊を完全に防止でき、実用上の効果が極めて大き
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の望ましい実施例による発電システム
のブロック図である。

【図２】 本発明の望ましい実施例による図１のプラズ
マガスタービンエンジンの部分断面図である。

【図３】 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線の断面図である。

【図４】 図１のＩＶ−ＩＶ線の断面図である。

【図５】 図１のプラズマガスタービンエンジンのため
のパルス放電電源の１例を示す回路図である。

【図６】 図５の回路の各種波形図である。

【図７】 図１のプラズマガスタービンエンジンの他の
１例の断面図である。

【符号の説明】

２ バッテリ装置 ３ パルス放電電源 ４ 発電機 ６ 整流器 １０ プラズマガスタービンエンジン １２ タービンケーシング １４ タービンロータ １５ タービン １６ 作動室 １８ 密閉排気マニフォルド ２０ プラズマガス発生器 ２４ タービンノズル ２６ 放電手段 ３８ ガス還流路 ４０ リード弁 ５６ 放射源ライナー ８０ ベアリングホルダー ９０ プラズマガス発生器 ９１ タービンロータ ９２ 密閉排気マニフォルド ９８ ガス還流器 ９９ 逆止弁

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラズマガスタービンエンジンと、プラ
   ズマガスタービンエンジンにより駆動される発電機と、
   周期的な放電信号を発生する放電電源とを備え、プラズ
   マガスタービンエンジンがタービンケーシングと、ター
   ビンケーシングに設けられたタービンと、タービンの上
   流側に配置されているプラズマガス発生器と、タービン
   とプラズマガス発生器との間に配置されたノズル手段
   と、タービンの下流側に配置された密閉排気マニフォル
   ドとからなるクローズドシステムに放電用作動媒体をあ
   らかじめ定めた気圧で封入し、プラズマガス発生器が放
   電信号に応じて作動媒体に放電によるプラズマを発生さ
   せて周期的に高温高圧の動力ガスを発生させる放電手段
   を有する発電システム。
2. 【請求項２】 請求項１において、プラズマガス発生器
   および密閉排気マニフォルドがタービンに隣接して配置
   されている発電システム。
3. 【請求項３】 請求項１において、プラズマガスタービ
   ンエンジンがさらに排気マニフォルドの減圧されたガス
   をプラズマガス発生器に周期的に還流させるガス還流手
   段を備えている発電システム。
4. 【請求項４】 請求項２において、プラズマガス発生器
   がタービンケーシング内に形成された環状放電室を備
   え、密閉排気マニフォルドがタービンケーシングに連結
   された環状ケーシングからなる発電システム。
5. 【請求項５】 請求項１において、放電手段が放電電源
   に接続された電極手段からなり、放電電源が高電圧小電
   流の放電電流を電極手段に供給する第１電源と低電圧大
   電流のメイン放電電流を電極手段に供給する第２電源と
   を備えたパルス放電電源からなる発電システム。
6. 【請求項６】 請求項１において、放電用作動媒体がヘ
   リウム、アルゴン、ネオン、キセノンおよびクリプトン
   のうち少なくとも１種の希ガスを含む放電用ガスからな
   る発電システム。
7. 【請求項７】 請求項１において、プラズマガスタービ
   ンエンジンがさらに、発電機により充電されるバッテリ
   手段を備え、放電電源がバッテリ手段に接続されている
   発電システム。