JPS61293131A - 水素冷却回転電機の水素圧力調整方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は水素冷却回転電機において、特に水素貯蔵合金
を用いて機内の水素ガス圧力を負荷変動に応じて調整可
能にした水素冷却回転電機の水素圧力調整方法に関する
。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

回転電機、例えばタービン発電機においてはその冷却媒
体として水素ガスを用いたものがある。

この場合、機内の水素ガスはタービン発電機の単機容量
が上がるに従ってその熱容量、即ち（比重量）×（比熱
）を増加して冷却効果を上げる必要があり、特に大容量
機では機内の水素ガス圧力を例えば５．２ａｔｍにして
いるものもある。

しかるに、近年タービン発電機の使用は多用化し、常に
１００％負荷だけでなく部分負荷で使用されることがあ
る。この部分負荷時は発電機の電気損が少なく、冷却上
水素ガス圧を５．２ａｔｍのままにしておく必要がない
。部分負荷時に機内の水素ガス圧力を５．２ａｔｍのま
まにしておくと、回転子の風損、ファン動力が１００％
負荷時と変わらないため、発電機の効率が低下する。そ
こで、このような場合には機内の水素ガス圧力を下げる
ことにより回転子の風損、ファン動力が減少し７、発電
機の効率を向上させることができる。

ところで、従来の水素冷却回転電機においては機内の水
素ガスを高圧の水素ガスボンベにより注入するようにし
ており、従って機内の水素ガス圧力を負荷の変動に応じ
て調整するには機内から水素ガスを放出させたり、高圧
の水素ガスボンベより再注入する方式を用いていた。し
かしこの方式は水素ガスの注入や放出のための操作が繁
雑であると共に水素ガスを取扱う上で安全対策を十分に
施しておく必要があり、また水素ガスの消耗量が多大な
ものとなるため、エネルギーの有効利用と言う観点から
見ても問題がある。

また、かかる問題を解決するものとして、例えば実開昭
５５−１２７２０号公報に記載された発明のようにター
ビン発電機の機内の水素ガス圧力を負荷の変動に応じて
圧力調整機構により調整できるようにしたものがある。

第４図はこのような従来の水素冷却タービン発電機にお
ける水素ガス圧力調整系を示すものである。すなわち、
第４図に示すように外部負荷系統に接続されたタービン
発電機３１において、その機内３２には水素ガスボンベ
３３に充填された水素ガスが圧力調整弁３４を介して供
給可能にしてあり、また機内の水素ガス圧力制御系とし
ては機内に圧力制御弁３５を介して連通ずるレリーフ水
素リザーブ室３６、このリザーブ室３６の容積を調整し
て機内３２の水素ガスを流出入させるピストン３７、こ
のピストン３７を駆動するピストン駆動機構３８及びタ
ービン発電機３１の出力により負荷の大きさを検出し、
その負荷変動に応じてピストン駆動機構３８に駆動指令
を与えると共に圧力調整弁３５に対しては開閉指令を与
える負荷追従機構３９から構成されている。

したがって、このような構成のタービン発電機の水素ガ
ス圧力調整系において、通常は圧力調整弁３４によって
水素ガスボンベ３３の圧力を減圧して一定になるように
制御され、また負荷変動がある時は負荷追従制御機構３
９からの指令に基いてピストン３７を駆動してリザーブ
室３６の容積を調整すると共に圧力調整弁３５の開度を
制御することによりタービン発電機３２の機内水素ガス
圧力を負荷変動に応じて調整することができる。

しかし、かかるタービン発電機の水素ガス圧力調整系で
はリザーブ室内周面を摺動するピストン３７により調整
するようにしているため、このピストン３７とリザーブ
室内周面との間のシールが十分なされていないと機内と
連通している側の高圧状態にある水素ガスが大気状態に
あるピストン背部側へリークして爆発につながる恐れが
ある。

そこで、最近では前述したようなレリーフ水素リザーブ
室及びこのリザーブ室の容積を調整するピストン等の駆
動装置を用いずに機内の水素圧力を簡便に、しかも水素
ガスの消耗をなくしてエネルギーの有効利用を図ること
ができると共に静止形にして爆発の危険のない水素貯蔵
合金の使用が考えられている。この水素貯蔵合金は水素
を非常によく吸収する性質を有するチタンやミツシュメ
タルなどの金属原子を組合わせたもので、温度を下げる
か圧力を上げると水素ガスを吸収して発熱し、逆に温度
を上げるか圧力を下げると吸収した水素ガスを放出して
周囲から熱をうばう性質があり、また送込む水素ガスの
圧力値によって合金自体の温度も変化し、逆に合金自体
の温度を変えることによって発生する水素ガスの圧力も
異なるという相関関係を有しているものである。

したがって、水素貯蔵合金を使用する場合にはその時の
水素貯蔵合金の温度に対応する圧力以下にある水素ガス
を吸収することができないため、水素貯蔵合金が十分に
存在する雰囲気中では温度を調整することにより、その
雰囲気内の水素ガス圧力をその時の温度に対応する圧力
に調整することができる。

さて、かかる水素貯蔵合金を用いて温度変化により回転
電機内に水素ガスを放出または吸着させて機内水素ガス
圧力を調整するには、負荷変動に対して迅速に対処する
必要がある。しかし、通常水素貯蔵合金は水素ガスとの
接触面積を多くとる必要性があることから粉末状のもの
が使用され、このためその熱伝導性が極めて悪く負荷の
変動に対して圧力の追従性にある程麿の時間差を伴う。

したがって、回転電機の負荷状況があらかじめ予測され
る場合にはこれを見越して水素貯蔵合金の温度調整をす
ることができるが、急激な負荷変動の場合には対処でき
ない。特に、負荷が急激に上昇したような場合には回転
電機内の水素ガス圧力の上昇に時間がかかるため、一時
的にせよ温度の上昇を招き規定温度を越えるという事態
の発生が考えられる。

〔発明の目的〕

本発明はかかる点を改善するためになされたもので、そ
の目的は水素貯蔵合金を加熱、保温してこの水・素ガス
圧力を一定圧力以上にした状態で機内に水素ガスを供給
可能とすることにより、部分負荷時からの急激な負荷上
昇に対しても回転電機の温度上昇を規定値以下に保持す
ることができる回転電機の水素圧力調整方法を提供する
にある。

〔発明の概要〕

本発明はかかる目的を達成するため、水素ガスを冷却媒
体として用いる回転電機の外部に、冷却器及び加熱器を
備え且つ温度変化により水素ガスを放出または吸着する
水素貯蔵合金を収納したケースを設け、このケースを機
内の水素ガス循環系に機内の水素ガスが流出入可能に配
管により接続する構成として前記冷却器又は加熱器で前
記水素貯蔵合金を任意の温度に冷却又は加熱することに
より機内水素ガス圧力を負荷変動に応じて調整するに際
し、前記配管の中途に弁を設けて前記回転電機が部分負
荷時においてはその弁を閉じて前記ケースと機内との連
通をしゃ断すると共に前記加熱器により前記ケース内の
温度を内部の水素ガス圧力が所定の値になるように高め
ておき、負荷上−〇− 異時には前記弁を開いて前記ケース内の水素ガスを急速
に機内に流入させるようにしたことを特徴としている。

〔発明の実施例〕

以下本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図及び第２図により本実施例について説明する。第
１図において、１は回転電機で、機内には冷却媒体とし
て水素ガスが注入されている。また２は機外に設けられ
且つ内部に粉末状の水素貯蔵合金が充填されると共にこ
の水素貯蔵合金を加熱する加熱器４及び水素貯蔵合金を
冷却する冷却器５が備えられたケースで、このケース２
はその水素ガス流入側及び流出側が配管３ａ及び３ｂに
より機内の水素ガス循環系にそれぞれ連繋され、機内と
の間で水素ガスが流れるようになっている。

また６ａ、５ｂは配管３ａ、３ｂの中途にそれぞれ設け
られた弁、７はケース２の水素ガス流出側近傍の配管３
ｂに設けられたフィルタ、８は回転電機側近傍の配管３
ｂに設けられた冷却器である。

次に上記のように構成された水素冷却回転電機の水素圧
力調整系統の作用を述べる。

回転電機１は図には示していないが機内の回転子に取付
けけられている自己ファンにより冷却媒体である水素ガ
スを循環させ、その循環系に設けられた冷却器により機
内で発生した熱を回収している。この場合、水素ガスの
冷却能力はその循環量（密度×体積流量）に関係し、循
環量が多くなればそれだけ冷却能力は向上するが、部分
負荷時にはオーバクール状態となる。通常の回□転電機
の場合、機内の水素ガスの循環力は自己ファンによるが
、体積流量は運転回転数によってほぼ決定される。した
がって、機内の水素ガスの循環量を調節するにはガス圧
力によるガス密度を調整する以外に方法はない。

また、機内の水素ガス密度は回転子の回転による風損の
発生にも関連しており、ガス密度が低ければ低い程低損
失となる。

以上のことから部分負荷時には、ケース２のガス流入側
の配管３ａの中途に設けられた弁６ａを開放して機内の
水素ガス循環系から水素ガスをケース２内に導入し、水
素貯蔵合金を冷却器５により冷ｆｉ１１すれば、水素ガ
スは水素貯蔵合金に吸着されるので、機内の水素ガス圧
力を低下させることができる。この場合、ケース２のガ
ス流出側の配管３ｂに設けられた弁６ｂは閉じられてい
る。また、水素貯蔵合金を加熱するための加熱器４は当
然のことながら作動していない。

第２図はケース２内に充填された水素貯蔵合金の温度と
その周囲の水素ガスとの平衡圧力との関係を示したもの
である。

今、ケース２内に充填されている水素貯蔵合金の湿度を
第２図に示すようにＴ１に保つように冷却器５により冷
却すれば、その周囲の水素ガス圧力はＰｌとなり、その
結果回転電機１の機内の水素ガス循環系から配管３ａを
通してケース２内に流入する。そして機内の水素ガス圧
力が所定の値に到達した時点で弁６ａを閉じると共に冷
却器５による水素貯蔵合金の冷却を停止する。その後、
加熱器４を作動して水素貯蔵合金の温度を上昇させ、ケ
ース２内の水素ガス圧力を上昇させる。この加熱器４に
よる水素貯蔵合金の加熱はケース２内の水素ガス圧力が
所定の圧力Ｐ２に到達するまで継続され、所定の圧力Ｐ
２に到達したならばケース２内の温度をＴ２に保持する
。

回転電機１の機内の水素ガス圧力が所定の値に到達した
時点で弁６ｂを閉じると共に直ちに加熱器４による水素
貯蔵合金の加熱を停止し、その後冷却器５により水素貯
蔵合金の冷却を開始してケース２内の水素ガス圧力を低
下させる。そして再び部分負荷となった場合には前述同
様に弁６ａを開いてケース２内に回転電機１の機内から
水素ガスの取込みが開始される。

このようにケース２内の水素ガス圧力は回転電機１の機
内の水素ガス圧力とは分離して維持さるため、回転電？
１１の負荷が部分負荷の時にケース２内の水素ガス圧力
は機内の水素ガス圧力の数倍以上に保つことが可能とな
る。したがって、急激な負荷上昇時にはケース２から機
内に急速に水素ガスを供給することができ、機内の温度
上昇を規１３一 定値内に保持することができ、もって機器゛の安全性に
危害を及ぼすことなく、高効率で回転電機を運転するこ
とができる。

次に本発明の他の実施例を第３図を参照して述べる。

本実施例では第３図に示すように回転電機１の機外に第
１図と同一構成のケース２を複数個並列的に設けてそれ
ぞれの水素ガス流入側を弁６ａを介して配管３ａにより
共通に接続すると共に回転電機１の機内に連通させて接
続し、また各ケース２の水素ガス流出側にフィルタ７及
び弁６ｂを介して配管３ｂにより共通に接続すると共に
水素ガス冷却器８を介して回転電機１の機内に連通させ
て接続する構成とするものである。

このような構成とすれば、それぞれのケース２に対して
水素貯蔵合金の温度制御を別個に行なえるので、あらゆ
る状況に応じて回転電機１の機内の水素ガス圧力を任意
に調節することができる。

即ち、例えば複数個のケース２のうち何個かのケースに
より回転電機１の全負荷運転に対応させ、残りのケース
に対しては水素貯蔵合金の加熱によりケース内のガス圧
力を高圧状態にして待機させておく。このような状態に
ある時、部分負荷運転モードに移ると機内の水素ガスは
ケース２内の水素貯蔵合金に吸着開始されるが、吸着開
始後何らかの理由で負荷を上昇させたい場合には直ちに
水素ガスの吸着を中止し、該ケース２のガス流入側の弁
６ａを閉じると共に高圧状態で待機させているケース２
のガス流出側の弁６ｂを開いて該ケース２から回転電機
１．の機内へ水素ガスの供給を開始することができる。

また、この場合高圧状態にあるケース２から放出される
水素ガスは高温になっているが、この水素ガスは水素ガ
ス冷却器８により冷却されて機内へ流入するため、冷却
効果が損われるようなことはない。

上記の場合はほんの一例に過ぎないが、負荷の状況がど
のように変動しても機内の水素ガス圧力を任意に調整す
ることができる。

尚、前述した各実施例においてはケース２のガス流入側
の配管３ａに単に弁６ａを設けるようにしたが、これに
代えて逆流防止用の弁及び仕切り弁を設けて機内からケ
ース２へ水素ガスの流入のみに用いるようにしてもよい
。またケース２内には加熱器４及び冷却器５を夫々別個
に設けるようにしたが、ケース内に熱交換用の管路を配
しこの管路に温度調節された水等の流体を通して水素貯
蔵合金の温度調節をするようにしてもよい。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明によれば、水素ガスを冷却媒体
として用いる回転電機の外部に、冷却器及び加熱器を備
え且つ温度変化により水素ガスを放出または吸着する水
素貯蔵合金を収納したケースを設け、このケースを機内
の水素ガス循環系に機内の水素ガスが流出入可能に配管
により接続する構成として前記冷却器又は加熱器で前記
水素貯蔵合金を任意の温度に冷却又は加熱することによ
り機内水素ガス圧力を負荷変動に応じて調整するに際し
、前記配管の中途に弁を設けて前記回転電機が部分負荷
時においてはその弁を閉じて前記ケースと機内との連通
をしゃ断すると共に前記加熱器により前記ケース内の温
度を内部の水素ガス圧力が所定の値になるように高めて
おき、負荷上昇時には前記弁を開いて前記ケース内の水
素ガスを急速に機内に流入させるようにしたので、水素
貯蔵合金を加熱、保温してこの水素ガス圧力を一定圧力
以上にした状態で機内に水素ガスの供給が可能となり、
部分負荷時からの急激な負荷上昇に対しても回転電機の
温度上昇を規定値以下に保持することができる水素冷却
回転電機の水素圧力調整方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による水素冷却回転電機の水素圧力調整
装置の一実施例を示す構成図、第２図は同実施例で用い
られる水素貯蔵合金の特性図、第３図は本発明の他の実
施例を示す構成説明図、第４図は従来のタービン発電機
の水素圧力調整系を示す構成図である。 １・・・・・・回転電機、２・・・・・・ケース、３ａ
、３ｂ・・・・・・配管、４・・・・・・加熱器、５・
・・・・・冷却器、５ａ。 ６ｂ・・・・・・弁、７・・・・・・フィルタ、８・・
・・・・水素ガス冷加温。 第１１１ 第３図 ３２　　　　　　　　−一一一一一 ３５　３ｓ　３，１ １　・−１ 第２図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）水素ガスを冷却媒体として用いる回転電機の外部
   に、冷却器及び加熱器を備え且つ温度変化により水素ガ
   スを放出または吸着する水素貯蔵合金を収納したケース
   を設け、このケースを機内の水素ガス循環系に機内の水
   素ガスが流出入可能に配管により接続する構成として前
   記冷却器又は加熱器で前記水素貯蔵合金を任意の温度に
   冷却又は加熱することにより機内水素ガス圧力を負荷変
   動に応じて調整するに際し、前記配管の中途に弁を設け
   て前記回転電機が部分負荷時においてはその弁を閉じて
   前記ケースと機内との連通をしゃ断すると共に前記加熱
   器により前記ケース内の温度を内部の水素ガス圧力が所
   定の値になるように高めておき、負荷上昇時には前記弁
   を開いて前記ケース内の水素ガスを急速に機内に流入さ
   せるようにしたことを特徴とする水素冷却回転電機の水
   素圧力調整方法。
2. （２）ケースと機内の水素ガス循環系とを接続する配管
   は機内水素ガス流出側と流入側とを別個にして、その機
   内水素ガス流出側及び流入側の配管にそれぞれ弁を設け
   ると共に機内水素ガス流入側の配管には水素ガス冷却器
   を設けて、ケースから機内に水素ガスを流入させる際に
   高温の水素ガスが直接流入しないようにした特許請求の
   範囲第１項に記載の水素冷却回転電機の水素圧力調整方
   法。
3. （３）冷却器及び加熱器を備え且つ温度変化により水素
   ガスを放出または吸着する水素貯蔵合金を収納したケー
   スを複数個設け、負荷減少により何れかのケースの水素
   貯蔵合金に機内の水素ガスが吸着されている時負荷が上
   昇した場合には所定の水素ガス圧に保持されている他の
   ケースより水素ガスを機内に流入して急激な負荷上昇に
   迅速に対応させるようにした特許請求の範囲第１項又は
   第２項に記載の水素冷却回転電機の水素圧力調整方法。
4. （４）冷却器及び加熱器はケース内に熱交換用の管路を
   配しこの管路に温度調節された水等の流体を通して水素
   貯蔵合金の温度調節をするようにしたものである特許請
   求の範囲第１項又は第２項あるいは第３項に記載の水素
   冷却回転電機の水素圧力調整方法。