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Title:
TURBINE GENERATOR AND REFRIGERATION APPARATUS HAVING TURBINE GENERATOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2009/113132
Kind Code:
A1
Abstract:
A turbine generator (1) has a gas refrigerant storage space (10) over a power generation mechanism (2) of casings (3, 4, 5) and has a liquid refrigerant storage space (11) under the power generation mechanism (2). The turbine generator (1) has a gas refrigerant flow-out pipe (7) communicated with the gas refrigerant storage space (10) through the casings (3, 4, 5) and has a liquid refrigerant flow-out pipe (8) communicated with the liquid refrigerant storage space (11) through the casings (3, 4, 5).

Inventors:
HIKAWA TAKESHI (JP)
YAMAGUCHI TAKAHIRO (JP)
Application Number:
PCT/JP2008/002609
Publication Date:
September 17, 2009
Filing Date:
September 22, 2008
Export Citation:
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Assignee:
DAIKIN IND LTD (JP)
HIKAWA TAKESHI (JP)
YAMAGUCHI TAKAHIRO (JP)
International Classes:
F01D15/10; F01D25/00; F25B11/02; H02K7/18
Foreign References:
JP2007074878A2007-03-22
JP2008038633A2008-02-21
JP2007187422A2007-07-26
JP2000241033A2000-09-08
Attorney, Agent or Firm:
MAEDA, Hiroshi et al. (JP)
Hiroshi Maeda (JP)
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Claims:
  ケーシング本体(3,4,5)と、該ケーシング本体(3,4,5)に収納された発電機構(2)とを有し、
  上記発電機構(2)が、回転運動するタービン(25)と、該タービン(25)に取り付けられたタービン軸(24)と、該タービン軸(24)を内部で貫通させた発電コイル部(21)と、該発電コイル部(21)の軸方向の両側に位置して該タービン軸(24)を回転自在に支持する軸受部(20,22)とを備え、
  上記ケーシング本体(3,4,5)の内周面に上記発電コイル部(21)と軸受部(20,22)とが固定される一方、
  上記ケーシング本体(3,4,5)を貫通するように冷媒流入管(6)が設けられるとともに該冷媒流入管(6)の管端が上記発電機構(2)のタービン(25)と対向する位置に配置され、
  上記冷媒流入管(6)から流入した冷媒がタービン(25)を回転させることにより、上記発電コイル部(21)で発電するタービン発電機であって、
  上記発電機構(2)の上側に第1貯留空間(10)が、該発電機構(2)の下側に第2貯留空間(11)がそれぞれ設けられるとともに、上記第1貯留空間(10)側に第1冷媒流出管(7)が、上記第2貯留空間(11)側に第2冷媒流出管(8)がそれぞれ設けられていることを特徴とするタービン発電機。
  請求項1において、
  上記第1貯留空間(10)内のガス冷媒中に含まれる液滴を捕捉する第1捕捉部材(80)が、該第1貯留空間(10)内であって上記第1冷媒流出管(7)の管端と対向する位置に設けられていることを特徴とするタービン発電機。
  請求項1又は2において、
  上記タービン(25)の中心を貫通するようにタービン軸(24)を構成する一方、
  上記タービン軸(24)におけるタービン(25)側の端部に、上記第1貯留空間(10)内のガス冷媒中に含まれる液滴を捕捉する第2捕捉部材(81)が取り付けられていることを特徴とするタービン発電機。
  請求項1から3の何れか1つにおいて、
  上記タービン(25)から流出する冷媒をケーシング本体(3,4,5)の内周面に沿って旋回させて第2貯留空間(11)へ案内する案内部材(29)が設けられていることを特徴とするタービン発電機。
  請求項1から4の何れか1つにおいて、
  上記軸受部(20,22)を上記ケーシング本体(3,4,5)に固定する固定部材(20a,22a)を備え、
  上記固定部材(20a,22a)を上記ケーシング本体(3,4,5)と上記軸受部(20,22)との間に設けるとともに、該固定部材(20a,22a)には1つ又は複数の貫通孔(20b,22b)が形成されていることを特徴とするタービン発電機。
  請求項1から5の何れか1つにおいて、
  上記タービン(25)は、衝動タービン(25)により構成されていることを特徴とするタービン発電機。
  圧縮機(44)と放熱器(51a)と膨張機構(54)と蒸発器(51a)とが冷媒配管で接続されて蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う冷媒回路(31)を備えた冷凍装置であって、
  請求項6に記載のタービン発電機を備えるとともに、該タービン発電機の冷媒流入管(6)は上記膨張機構(54)の出口配管(65)に接続され、第1冷媒流出管(7)が上記圧縮機(44)の吸入配管(68)に接続され、第2冷媒流出管(8)が上記蒸発器(51a)の入口配管に接続されていることを特徴とする冷凍装置。
  請求項7において、
  上記タービン発電機の発電量を測定する発電量測定部と、上記冷凍装置の運転データの入力により上記軸受部(20,22)が液冷媒に非浸漬時のタービン発電機の発電量を出力する演算部とを備え、
  上記発電量測定部で測定した測定値が、上記演算部で演算した計算値よりも小さい場合に、上記タービン発電機への冷媒の流入を禁止する制御を行う制御手段(63)を備えたことを特徴とする冷凍装置。
Description:
タービン発電機及びタービン発 機を備えた冷凍装置

  本発明は、タービン発電機及びタービ 発電機を備えた冷凍装置に関し、特に、タ ビン発電機の構造に関するものである。

  従来より、蒸気圧縮式の冷凍サイクル 行う冷媒回路が知られており、冷凍装置等 広く利用されている。そして、この冷凍装 の性能を向上させるための技術が数多く提 されている。

  特許文献1に記載された冷凍装置では、 縮機には電動機が連結され、膨張機には動 回収機が連結されている。この冷凍装置で 、該電動機により圧縮機が駆動されて冷媒 路内を冷媒が循環するとともに、その冷媒 膨張機を通過する際の運動エネルギにより ービンを回転させて動力回収機により電力 発生させる。ここで、この発生した電力を 記電動機に供給すれば、外部から電動機へ 給する電力量が低減するので、上記冷凍装 の成績係数を向上させることができる。

  一方、上記冷凍装置の冷媒回路において 膨張弁と蒸発器との間に気液分離器を配置 たものがある。この気液分離器は、膨張弁 ら流出する二相冷媒のうち液冷媒のみを蒸 器に流入させるために配置されている。こ 構成によれば、蒸発器の入口側からガス冷 が流入しないので、該蒸発器の入口部分の 熱面積を有効に液冷媒を蒸発させることに 用できる。これにより、蒸発器の伝熱性能 向上する。

特開2000-241033号公報

  しかしながら、冷凍装置の成績係数を 上させるため、上述したような動力回収機 気液分離器とを併設すれば、冷凍装置のコ トアップやサイズアップという弊害を招く それがあり好ましくない。

  本発明は、かかる点に鑑みてなされた のであり、その目的は、冷媒回路を循環す 冷媒の運動エネルギを回収しつつ、冷媒の 液分離機能を備えたタービン発電機を提供 ることにある。

  第1の発明は、ケーシング本体(3,4,5)と、 該ケーシング本体(3,4,5)に収納された発電機 (2)とを有し、上記発電機構(2)が、回転運動 るタービン(25)と、該タービン(25)に取り付け られたタービン軸(24)と、該タービン軸(24)を 部で貫通させた発電コイル部(21)と、該発電 コイル部(21)の軸方向の両側に位置して該タ ビン軸(24)を回転自在に支持する軸受部(20,22) とを備え、上記ケーシング本体(3,4,5)の内周 に上記発電コイル部(21)と軸受部(20,22)とが固 定される一方、上記ケーシング本体(3,4,5)を 通するように冷媒流入管(6)が設けられると もに該冷媒流入管(6)の管端が上記発電機構(2 )のタービン(25)と対向する位置に配置され、 記冷媒流入管(6)から流入した冷媒がタービ (25)を回転させることにより、上記発電コイ ル部(21)で発電するタービン発電機を前提と ている。

  そして、上記タービン発電機における 電機構(2)の上側に第1貯留空間(10)が、該発電 機構(2)の下側に第2貯留空間(11)がそれぞれ設 られるとともに、上記第1貯留空間(10)側に 1冷媒流出管(7)が、上記第2貯留空間(11)側に 2冷媒流出管(8)がそれぞれ設けられているこ を特徴としている。ここで、上記タービン( 25)は、タービン用ケーシング(26)に収納され 構成であってもよい。この場合、タービン ケーシング(26)には流入口(27)と流出口(28)と 設けられ、上記ケーシング本体(3,4,5)の冷媒 入管(6)から流入した冷媒は、該流入口(27)か ら流入し、タービン(25)から出た後に該流出 (28)から流出する構成となる。

  第1の発明では、タービン(25)から出た後 の二相冷媒のうち、ガス冷媒は発電機構(2)の 上側にある第1貯留空間(10)へ、液冷媒は発電 構(2)の下側にある第2貯留空間(11)へそれぞ 分離して貯留することができる。そして、 第1貯留空間(10)に貯留されたガス冷媒は第1 媒流出管(7)を介してケーシング本体(3,4,5)の 側へ流出する。一方、該第2貯留空間(11)に 留された液冷媒は第2冷媒流出管(8)を介して ーシング本体(3,4,5)の外側へ流出する。

  第2の発明は、第1の発明において、上記 第1貯留空間(10)内のガス冷媒中に含まれる液 を捕捉する第1捕捉部材(80)が、該第1貯留空 (10)内であって上記第1冷媒流出管(7)の管端 対向する位置に設けられていることを特徴 している。

  第2の発明では、上記タービン(25)から出 た後の二相冷媒において、ガス冷媒とともに 搬送される冷媒の液滴が第1貯留空間(10)内に 散したとしても、上記第1捕捉部材(80)を設 ることにより、その飛散した液滴を第1冷媒 出管(7)から流出させないようにすることが きる。ここで、上記第1捕捉部材(80)は、メ シュ部材やパンチングメタル等のように、 冷媒が捕捉され、ガス冷媒のみを通過させ ことができる部材が好ましい。

  第3の発明は、第1又は第2の発明におい 、上記タービン(25)の中心を貫通するように ービン軸(24)を構成する一方、上記タービン 軸(24)におけるタービン(25)側の端部に、上記 1貯留空間(10)内のガス冷媒中に含まれる液 を捕捉する第2捕捉部材(81)が取り付けられて いることを特徴としている。ここで、上記第 2捕捉部材(81)は、上記タービン軸(24)に取り付 けられているので、該タービン軸(24)ととも 回転運動できる。

  第3の発明では、上記第2捕捉部材(81)が 転運動を行うので、回転運動の遠心力によ 、捕捉した液滴を強制的に第2捕捉部材(81)か ら離脱させることができる。したがって、上 記第2捕捉部材(81)が回転しない場合に比べて 液滴の捕捉及び離脱をスムーズに行うこと できる。

  第4の発明は、第1から第3の何れか1つの 明において、上記タービン(25)から流出する 冷媒をケーシング本体(3,4,5)の内周面に沿っ 旋回させて第2貯留空間(11)へ案内する案内部 材(29)が設けられていることを特徴としてい 。

  第4の発明では、上記案内部材(29)により 、タービン(25)から出た後の二相冷媒をケー ング本体(3,4,5)の内周面に沿うように旋回さ ることができる。これにより、タービン(25) から出た後の二相冷媒が、ケーシング本体(3, 4,5)の内周面に対して垂直に衝突して、液冷 が飛散するのを抑えることができる。また タービン(25)から出た後の二相冷媒を旋回さ ることにより該二相冷媒が遠心分離作用に って気液分離しやすくなる。

  ここで、第4の発明では、上記タービン( 25)がタービン用ケーシング(26)に収納されて るのが好ましい。その理由は、タービン用 ーシング(26)が上記タービン(25)を収納するこ とにより、冷媒が上記流出口(28)から一定方 に流出するようになるので、該冷媒を上記 内部材(29)により案内しやすくなるからであ 。

  第5の発明は、第1から第4の何れか1つの 明において、上記軸受部(20,22)を上記ケーシ ング本体(3,4,5)に固定する固定部材(20a,22a)を え、上記固定部材(20a,22a)を上記ケーシング 体(3,4,5)と上記軸受部(20,22)との間に設けると ともに、該固定部材(20a,22a)には1つ又は複数 貫通孔(20b,22b)が形成されていることを特徴 している。ここで、上記ケーシング本体(3,4, 5)と上記軸受部(20,22)との間は、タービン(25) ら出た後の二相冷媒のうち液冷媒が第1貯留 間(10)と第2貯留空間(11)との間の通路を構成 る。そして、この空間に上記固定部材(20a,22 a)が配置されると、該固定部材(20a,22a)が抵抗 なり、液冷媒が流れにくくなる。

  第5の発明では、上記固定部材(20a,22a)に 通孔(20b,22b)を設けることにより、上記液冷 が該貫通孔(20b,22b)内を流通することができ ので、上記液冷媒が第1貯留空間(10)から第2 留空間(11)へ流れやすくすることができる。

  第6の発明は、第1から第5の何れか1つの 明において、上記タービン(25)は、衝動ター ビン(25)により構成されていることを特徴と ている。

  第6の発明では、上記発電機構(2)におい 、上記タービン(25)を衝動タービン(25)で構 することにより、冷媒流入管(6)から流出す 冷媒の速度エネルギを効率良く発電エネル に変換することができる。

  第7の発明は、圧縮機(44)と放熱器(51a)と 張機構(54)と蒸発器(51a)とが冷媒配管で接続 れて蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う冷媒回 (31)を備えた冷凍装置を前提としている。

  そして、上記冷凍装置が、第6の発明に 載のタービン発電機を備えるとともに、該 ービン発電機の冷媒流入管(6)は上記膨張機 (54)の出口配管(65)に接続され、第1冷媒流出 (7)が上記圧縮機(44)の吸入配管(68)に接続さ 、第2冷媒流出管(8)が上記蒸発器(51a)の入口 管に接続されていることを特徴としている

  第7の発明では、第6の発明に記載のター ビン発電機、すなわち気液分離機能を備えた タービン発電機を蒸気圧縮式の冷媒サイクル を行う冷媒回路(31)に接続することが可能で る。これにより、上記冷媒回路(31)を循環す 冷媒の運動エネルギでタービン(25)を回転す ることができるとともに、該冷媒回路(31)の 発器(51a)に液冷媒のみを供給することができ る。

  第8の発明は、第7の発明において、上記 タービン発電機の発電量を測定する発電量測 定部と、上記冷凍装置の運転データの入力に より上記軸受部(20,22)が液冷媒に非浸漬時の ービン発電機の発電量を演算にて出力する 算部とを備え、上記発電量測定部で測定し 測定値が、上記演算部で演算した計算値よ も小さい場合に、上記タービン発電機への 媒の流入を禁止する制御を行う制御手段(63) 備えたことを特徴としている。

  ここで、上記演算部は、上記軸受部(20,2 2)が液冷媒に非浸漬時を前提として、冷凍装 の運転状況が異なる運転データ及びその運 データに対応するタービン発電機の発電量 データ(データベース)をあらかじめ有して る。また、このデータベースに加えて、冷 装置の運転データとタービン発電機の発電 のデータとの関係を示す計算式を有してい 。そして、このデータベースと計算式とに づいて、上記軸受部(20,22)が液冷媒に非浸漬 のタービン発電機の発電量を求める。

  第8の発明では、上記制御手段(63)におい て、上記求めた値よりも測定値のほうが小さ い場合には、上記タービン発電機への冷媒の 流入を禁止する制御を行うことができる。こ こで、上記求めた値は、上記軸受部(20,22)が 冷媒に非浸漬時の場合の発電量である。そ て、上記求めた値よりも測定値のほうが小 いということは、上記軸受部(20,22)が液冷媒 非浸漬時の場合と比べて、上記衝動タービ (25)の回転数が低下したということである。 したがって、上記制御手段(63)は、上記軸受 (20,22)の浸漬により衝動タービン(25)が回転し にくくなったために回転数が低下したと判断 して、上記タービン発電機への冷媒の流入を 禁止する制御を行う。

  本発明によれば、上記発電機構(2)の上 に第1貯留空間(10)を設け、該発電機構(2)の下 側に第2貯留空間(11)を設け、さらに、第1、第 2貯留空間(10,11)ごとに第1、第2冷媒流出管(7,8) をそれぞれ設けることにより、タービン発電 機に流入する冷媒をタービン(25)を用いて発 するとともに、タービン(25)を出た後の冷媒 気液分離することができる。これにより、 ーシング本体(3,4,5)に二相冷媒が流入した場 合には、気液分離機能を備えたタービン発電 機を構成することができる。また、上記ター ビン発電機は、第2貯留空間(11)に貯留された 冷媒が軸受部(20,22)を浸漬しない範囲で、傾 斜させて配置することが可能である。これに より、上記タービン発電機を直立に配置した 場合に比べて、該タービン発電機の上下方向 の高さを低くして配置することができる。

  また、第2の発明によれば、上記第1捕捉 部材(80)を設けることにより、ガス冷媒とと に搬送される冷媒の液滴を、第1冷媒流出管( 7)から流出させないようにすることができる これにより、上記第1捕捉部材(80)を設けな 場合に比べて、上記タービン発電機におけ 気液分離効率を向上させることができる。

  また、第3の発明によれば、上記第2捕捉 部材(81)を回転させることにより、捕捉した 滴を強制的に第2捕捉部材(81)から離脱させる ことができるので、回転しない第1捕捉部材(8 0)に比べて、液滴の捕捉効率が向上する。従 て、上記タービン発電機における気液分離 率をさらに向上させることができる。

  また、第4の発明によれば、上記案内部 (29)を設けることにより、例えば、タービン (25)を出た後の二相冷媒をケーシング本体(3,4, 5)の内周面に沿うように旋回させることがで る。このことから、上記二相冷媒がケーシ グ本体(3,4,5)の内周面に対して垂直方向から 衝突して該二相冷媒中の液冷媒が飛散するこ とがなく、且つ二相冷媒を旋回させることに より、気液分離し易くなるので、上記タービ ン発電機における気液分離効率を確実に向上 させることができる。

  また、第5の発明によれば、上記貫通孔( 20b,22b)が形成された固定部材(20a,22a)を設ける とにより、上記タービン(25)を出た液冷媒が 、第1貯留空間(10)から第2貯留空間(11)へ流動 やすくなる。これにより、分離した液冷媒 第1貯留空間(10)に滞留するのを抑えることが できる。

  また、第6の発明によれば、上記タービ (25)を衝動タービン(25)で構成することによ 、冷媒流入管(6)から流入する冷媒の速度エ ルギを効率良く発電エネルギに変換するこ ができる。したがって、冷媒流入管(6)から 入する冷媒速度が比較的速い場合には、上 衝動タービン(25)を用いることにより、上記 ービン発電機の発電効率を他の種類のター ンよりも向上することができる。

  また、第7の発明によれば、第6の発明に 記載のタービン発電機を冷凍装置の冷媒回路 (31)に接続することにより、膨張機構(54)を通 した後の冷媒の運動エネルギを回収して発 することができる。また、蒸発器(51a)に液 媒のみを供給することが可能となり、該蒸 器(51a)の入口側からガス冷媒が流入しなくな るので、該蒸発器(51a)の入口部分の伝熱面積 有効に液冷媒を蒸発させることに利用する とできる。これにより、蒸発器(51a)の伝熱 能を向上させて冷凍装置の高効率化を行う とができる。

  また、上記第8の発明によれば、上記制 手段(63)により、上記発電機構(2)の軸受部(20 ,22)が、液冷媒貯留空間(11)に貯留された液冷 によって浸漬しないようにすることができ 。

図1は、本発明の実施形態に係るタービ ン発電機の概略断面図である。 図2は、実施形態の変形例1に係るター ン発電機の概略断面図である。 図3は、実施形態の変形例2に係るター ン発電機の概略断面図である。 図4は、本発明の実施形態に係る空気調 和装置の冷媒回路図である。 図5は、本発明の実施形態に係る空気調 和装置の運転時における浸漬防止制御の制御 フロー図である。

符号の説明

   1  タービン発電機
   2  発電機構
   7  ガス冷媒流出管(第1冷媒流出管)
   8  液冷媒流出管(第2冷媒流出管)
  10  ガス冷媒貯留空間(第1貯留空間)
  11  液冷媒貯留空間(第2貯留空間)
  21  発電コイル部
  25  衝動タービン(タービン)
  29  流出部配管(案内部材)
  30  空気調和装置(冷凍装置)
  31  冷媒回路
  40  室外機
  50  室内機
  80  メッシュ部材(捕捉部材)
  81  旋回板(捕捉部材)

  以下、本発明の実施形態を図面に基づ て詳細に説明する。

 本実施形態のタービン発電機(1)は、蒸気 縮式の冷凍サイクルを行う、図4の冷媒回路 (31)を備えた空気調和装置(冷凍装置)(30)に用 られるものである。また、このタービン発 機(1)は、該冷媒回路(31)を循環する冷媒の運 エネルギを回収することができるとともに 運動エネルギを回収した後の冷媒に対して 液分離を行うことができるものである。

    -発電タービンの構成-
  上記タービン発電機(1)は、内部構造を表 た概略断面図である図1に示すように、ケー ング(3,4,5)と、該ケーシング(3,4,5)内に収納 れた発電機構(2)とを備えている。

    〈ケーシング〉
  上記ケーシング(3,4,5)は、上下方向に長い 筒状の胴部(3)を有しており、該胴部(3)の上 開口部が天板(4)で、該胴部(3)の下端開口部 底板(5)でそれぞれ覆われて密閉容器に構成 れている。そして、このケーシング(3,4,5)の 胴部(3)の上部側面に冷媒流入管(6)が、天板(4) の中心にガス冷媒流出管(7)が、下部側面に液 冷媒流出管(8)がそれぞれ貫通して設けられて いる。また、ケーシング(3,4,5)内部から上記 板(4)を貫通して電力線(9)が設けられている 上記発電機構(2)は上記ケーシング(3,4,5)の長 方向の中央部に配置され、該発電機構(2)の 側にはガス冷媒貯留空間(第1貯留空間)(10)が 形成され、該発電機構(2)の下側には液冷媒貯 留空間(第2貯留空間)(11)がそれぞれ形成され いる。尚、上記ガス冷媒流出管(第1冷媒流出 管)(7)の端部は上記ガス冷媒貯留空間(10)に連 し、上記液冷媒流出管(第2冷媒流出管)(8)の 部は上記液冷媒貯留空間(11)に連通している 。

    〈発電機構〉
  上記発電機構(2)は、上記ケーシング(3,4,5) 内部に収納されており、図1に示すように、 下から上に向かって順に、第1軸受部(軸受部) (20)、発電コイル部(21)、第2軸受部(軸受部)(22) 、及びタービン機構(23)が配置され、これら 回転軸であるタービン軸(24)によって連結さ てなる。尚、タービン軸(24)と第1、第2軸受 (20,22)とは、図では非接触となっているが、 実際には、第1、第2軸受部(20,22)がタービン軸 (24)を接触支持している。

  上記第1、第2軸受部(20,22)は、それぞれ 受本体(20c,22c)と軸受固定部材(20a,22a)とによ 構成されている。該軸受本体(20c,22c)と軸受 定部材(20a,22a)とはそれぞれ円筒状に形成さ 、該軸受固定部材(20a,22a)の内側に軸受本体(2 0c,22c)が挿入され固定されている。そして、 記軸受固定部材(20a,22a)の外周面は、ケーシ グ(3,4,5)の内周面に固定されている。また、 記軸受固定部材(20a,22a)には表裏方向に貫通 (20b,22b)が複数形成されている。該軸受本体( 20c,22c)の中空部には、上記タービン軸(24)が挿 入されている。そして、該軸受本体(20c,22c)は 、上記タービン軸(24)をケーシング(3,4,5)の中 部に位置させるとともに、回転自在に支持 ている。

  上記発電コイル部(21)は、ケーシング(3,4 ,5)の長手方向の中央部に配置されている。こ の発電コイル部(21)は、ステータ(33)とロータ( 34)とにより構成されている。ステータ(33)は 上記ケーシング(3,4,5)に固定されている。上 ロータ(34)は、ステータ(33)の内側に配置さ ており、タービン軸(24)の中間部に取り付け れている。

  上記ステータ(33)の外周面には、図示し いが、ケーシング(3,4,5)の長手方向に沿って 外周を面取りしたコアカット部が、円周方向 に亘って等間隔で複数個形成されている。ま た、このコアカット部は上記第1、第2軸受部( 20,22)における軸受固定部材(20a,22a)の貫通孔(20 b,22b)に対して対向するように配置されており 、上記コアカット部と上記貫通孔(20b,22b)とは 、上記ケーシング(3,4,5)のガス冷媒貯留空間(1 0)と液冷媒貯留空間(11)とを連通している。ま た、上記ステータ(33)には上記ケーシング(3,4, 5)の天板(4)を貫通するように設けられた電力 (9)が接続されている。

  上記タービン機構(23)は、複数枚の羽根 有する衝動タービン(タービン)(25)と、該衝 タービン(25)を覆う衝動タービン用ケーシン グ(26)とを有している。尚、上記衝動タービ (25)は、上記タービン軸(24)の上端部に取り付 けられている。上記衝動タービン用ケーシン グ(26)には、流入部(27)と流出部(28)とが設けら れている。上記流入部(27)は、上述した冷媒 入管(6)と連通している。上記流出部(28)は、 やかに湾曲した流出部配管(案内部材)(29)が り付けられており、該流出部配管(29)におけ る先端開口部分はケーシング(3,4,5)の内周面 沿うように形成され、先端開口部分から流 する冷媒の流れ方向は、ケーシング(3,4,5)の 周面に沿う流れ方向となる。また、上記衝 タービン用ケーシング(26)の底部には、上記 タービン軸(24)が貫通するための穴部も設け れている。

    -発電タービンを備えた空気調和装置の 構成-
  図4は、上記タービン発電機(1)を備えた空 調和装置(30)の冷媒回路図を示している。図 4に示すように、上記空気調和装置(30)は、い ゆるセパレート型のものであって、1台の室 外機(40)と2台の室内機(50)とを備えている。上 記室外機(40)には、室外ファン(41b)、室外熱交 換器(41a)、四路切換弁(42)、室外膨張弁(43)お び圧縮機(44)が収納されている。一方、各室 機(50)には、それぞれ室内ファン(51b)、室内 交換器(51a)、逆止弁ブリッジ(53)、室内膨張 (54)、及びタービン発電機(1)が収納されてい る。上記室外機(40)は屋外に設置され、室内 (50)は屋内に設置されている。また、上記室 機(40)と2台の室内機(50)とは、一対の連絡配 (60,61)で接続されている。ここで、2台の室 機(50)はそれぞれ同様の構成である。

  上記空気調和装置(30)には、冷媒回路(31) が設けられている。この冷媒回路(31)は、圧 機(44)や室内熱交換器(51a)などが接続された 回路である。また、この冷媒回路(31)には冷 が充填され、この冷媒が循環して蒸気圧縮 冷凍サイクルを行うように構成されている

  また、上記空気調和装置(30) にはコン ローラ(63)が備えられており、該コントロー (63)は、上記各室内機(50)の冷房運転及び暖 運転の制御を行うように構成されるととも 、上記タービン発電機(1)の軸受部(20,22)が液 媒により浸漬しないようにする浸漬防止制 も行う。

  上記圧縮機(44)には図示しないインバー が接続されており、上記インバータは、圧 機(44)に搭載された圧縮機モータに電流を供 給するとともに、その電流の周波数を変化さ せることが可能に構成されている。つまり、 上記インバータを制御することにより、上記 圧縮機(44)は、ある範囲内で自在に圧縮機モ タの回転数を変更することができ、容量可 に構成されている。また、圧縮機(44)の吐出 には吐出配管(67)が、吸入側には吸入配管(68 )がそれぞれ設けられている。そして、該吐 配管(67)には吐出温度センサ(45)と高圧圧力セ ンサ(48)とが設けられ、該吸入配管(68)には吸 温度センサ(46)と低圧圧力センサ(49)とが設 られている。また、圧縮機モータの回転数 測定する回転数測定器(図示なし)を備えてい る。

  上記室外熱交換器(41a)と室内熱交換器(51 a)とは、何れもクロスフィン式のフィン・ア ド・チューブ型熱交換器により構成されて る。上記室外熱交換器(41a)では、冷媒回路(3 1)を循環する冷媒が室外ファン(41b)によって り込まれた室外空気と熱交換する。上記室 熱交換器(51a)では、冷媒回路(31)を循環する 媒が室内ファン(51b)によって取り込まれた室 内空気と熱交換する。また、室外ファン(41b) 近傍には外気温度センサ(47)が、室内ファン (51b)の近傍には室内温度センサ(56)がそれぞれ 取り付けられている。

  上記室外膨張弁(43)と室内膨張弁(54)とは 、何れも開度が調節可能な電動膨張弁であり 、その開度は適宜、上記コントローラ(63)か 入力される電気信号によって変更可能に構 されている。

  上記四路切換弁(42)は、4つのポートを備 えている。この四路切換弁(42)は、その第1ポ ト(P1)が圧縮機(44)の吐出配管 (67)に、第2ポ ト(P2)が連絡配管(61)を介して室内熱交換器(5 1a)の一端であるガス側端部に、第3ポート(P3) 室外熱交換器(41a)の一端であるガス側端部 、第4ポート(P4)が圧縮機(44)の吸入配管(68)に れぞれ接続されている。そして、上記四路 換弁(42)は、第1ポート(P1)と第3ポート(P3)と 連通し且つ第2ポート(P2)と第4ポート(P4)とが 通する第1状態(図4に実線で示す状態)と第1 ート(P1)と第2ポート(P2)とが連通し且つ第3ポ ト(P3)と第4ポート(P4)とが連通する第2状態( 4に破線で示す状態)とに切り換わる。

  上記逆止弁ブリッジ(53)は、図4に示すよう に、第1から第4逆止弁(CV1~CV4)を備えるととも 、該逆止弁ブリッジ(53)と上記冷媒回路(31) を接続する第1から第4接続部(C1~C4)を備えて る。第1接続部(C1)は、第1逆止弁(CV1)と第2逆 弁(CV2)との間に設けられるとともに、上記連 絡配管(60)を介して室外熱交換器(41a)の一端で ある液側端部に接続されている。第2接続部(C 2)は、第2逆止弁(CV2)と第3逆止弁(CV3)との間に けられるとともに、上記タービン発電機(1) 液冷媒流出管(8)に接続されている。第3接続 部(C3)は、第3逆止弁(CV3)と第4逆止弁(CV4)との に設けられるとともに、上記室内熱交換器(5 1a)の一端である液側端部に接続されている。 第4接続部(C4)は、第4逆止弁(CV4)と第1逆止弁(CV 1)との間に設けられるとともに、上記室内膨 弁(54)が設けられた流入管(64)に接続されて る。
尚、第1逆止弁(CV1)は第1接続部(C1)から第4接続 部(C4)へ向かう流れを許容する向きに、第2逆 弁(CV2)は第2接続部(C2)から第1接続部(C1)へ向 う流れを許容する向きに、第3逆止弁(CV3)は 2接続部(C2)から第3接続部(C3)へ向かう流れを 許容する向きに、第4逆止弁(CV4)は第3接続部(C 3)から第4接続部(C4)へ向かう流れを許容する きに、それぞれ取り付けられている。

  また、上記室内膨張弁(54)が設けられた 出管(65)は、上記タービン発電機(1)の冷媒流 入管(6)に接続されている。上記タービン発電 機(1)のガス冷媒流出管(7)の他端は吸入配管(68 )に接続されている。また、上記ガス冷媒流 管(7)には、上記タービン発電機(1)から吸入 管(68)へ向かう冷媒流れを許容する向きに第5 逆止弁(CV5)が設けられている。

  また、上記タービン発電機(1)には、図 しないが、発電量を測定する電力計が設け れている。

  また、上記コントローラ(63)には、上記 出温度センサ(45)、上記吸入温度センサ(46) ガス側冷媒温度センサ(55)、液側冷媒温度セ サ(57)、外気及び室内温度センサ(47,56)、圧 センサ(48,49)のセンサ類が電気配線を介して れぞれ接続されるとともに、圧縮機(44)、室 外及び室内ファン(41b,51b)、四路切換弁(42)、 内及び室外膨張弁(54,43)のアクチュエータ類 電気配線を介してそれぞれ接続されている そして、上記コントローラ(63)が、上記セン サ類からの検出信号に応じて、上記アクチュ エータ類の制御を行うように構成されている 。

    -発電タービンを備えた空気調和装置の 運転動作-
  タービン発電機(1)を備えた空気調和装置(3 0)の運転動作について説明する。まず、空気 和装置(30)の冷房運転時および暖房運転時の 動作について説明し、次に、タービン発電機 (1)の運転動作とコントローラ(63)が行う浸漬 止制御とについて説明する。

    〈空気調和装置の冷房運転〉
  上記空気調和装置(30)の冷房運転時には、 記四路切換弁(42)が、図4に実線で示す第1状 に切り換えられる。上記室外膨張弁(43)は全 開となり、上記室内膨張弁(54)は適宜開度が 節される。

  上記圧縮機(44)で圧縮された高圧冷媒は 吐出配管 (67)を通過して上記四路切換弁(42) の第1ポート(P1)へ流入する。上記四路切換弁( 42)の第1ポート(P1)へ流入した高圧冷媒は第3ポ ート(P3)から流出した後、上記室外熱交換器(4 1a)に流入する。この室外熱交換器(41a)では、 圧冷媒が室外ファン(41b)から送られる室外 気により冷却され、該高圧冷媒は該室外空 に放熱する。

  上記室外熱交換器(41a)で冷却された高圧 冷媒は、上記室外膨張弁(43)と上記連絡配管(6 0)とを通過して、上記室内機(50)にある逆止弁 ブリッジ(53)の第1接続部(C1)に流入する。該第 1接続部(C1)に流入した高圧冷媒は、第1逆止弁 (CV1)が許容する方向へ流れ、第4接続部(C4)を 過して上記室内膨張弁(54)に流入する。この 内膨張弁(54)では、高圧冷媒が所定の圧力に 減圧されて低圧二相冷媒となり、該室内膨張 弁(54)を流出する。

  上記室内膨張弁(54)を流出した低圧二相 媒は、上記タービン発電機(1)に流入する。 記タービン発電機(1)に流入した低圧二相冷 は、衝動タービン(25)に衝突して、該衝動タ ービン(25)を回転させた後、気液分離が行わ て低圧ガス冷媒と低圧液冷媒とに分離して それぞれが上記タービン発電機(1)から流出 る。

  上記タービン発電機(1)から流出したガ 冷媒は第5逆止弁(CV5)が許容する方向へ流れ 、圧縮機(44)に吸入される。一方、上記ター ン発電機(1)から流出した低圧液冷媒は上記 止弁ブリッジ(53)の第2接続部(C2)に流入する 該第2接続部(C2)に流入した低圧液冷媒は、 3逆止弁(CV3)が許容する方向へ流れ、第3接続 (C3)を通過して上記室内熱交換器(51a)に流入 る。この室内熱交換器(51a)では、低圧液冷 が室内ファン(51b)から送られる室内空気によ り蒸発し、該低圧液冷媒は該室内空気から吸 熱する。この結果、室内空気は冷却される。 上記室内熱交換器(51a)から出た低圧ガス冷媒 、連絡配管(61)を通過して、四路切換弁(42) 第2ポート(P2)へ流入する。第2ポート(P2)に流 した低圧ガス冷媒は、第4ポート(P4)から流 した後、吸入配管(68)を通過し、圧縮機(44)に 吸入される。そして、この圧縮機(44)は、吸 した低圧ガス冷媒を再び圧縮して吐出する

    〈空気調和装置の暖房運転〉
  上記空気調和装置(30)の暖房房運転時には 上記四路切換弁(42)が、図4に破線で示す第2 態に切り換えられる。上記室外膨張弁(43)と 上記室内膨張弁(54)とは適宜開度が調節され 。

  上記圧縮機(44)で圧縮された高圧冷媒は 吐出配管 (67)を通過して上記四路切換弁(42) の第1ポート(P1)へ流入する。上記四路切換弁( 42)の第1ポート(P1)へ流入した高圧冷媒は第2ポ ート(P2)から流出した後、上記室内熱交換器(5 1a)に流入する。この室内熱交換器(51a)では、 圧冷媒が室内ファン(51b)から送られる室内 気により冷却され、該高圧冷媒は該室外空 に放熱する。その結果、室内空気は加熱さ る。

  上記室内熱交換器(51a)で冷却された高圧 冷媒は、上記逆止弁ブリッジ(53)の第3接続部( C3)に流入する。該第3接続部(C3)に流入した高 冷媒は、第4逆止弁(CV4)が許容する方向へ流 、第4接続部(C4)を通過して上記室内膨張弁(5 4)に流入する。この室内膨張弁(54)では、高圧 冷媒の過冷却度が所定の温度となるように圧 力が調整されて、該室内膨張弁(54)を流出す 。

  上記室内膨張弁(54)を流出して調圧され 冷媒は、上記タービン発電機(1)に流入する 上記タービン発電機(1)に流入した冷媒は、 動タービン(25)に衝突して、該衝動タービン (25)を回転させた後、気液分離が行われてガ 冷媒と液冷媒とに分離して、それぞれが上 タービン発電機(1)から流出する。

  上記タービン発電機(1)から流出したガ 冷媒は第5逆止弁(CV5)が許容する方向へ流れ 、圧縮機(44)に吸入される。一方、上記ター ン発電機(1)から流出した液冷媒は上記逆止 ブリッジ(53)の第2接続部(C2)に流入する。該 2接続部(C2)に流入した低圧液冷媒は、第2逆 弁(CV2)が許容する方向へ流れ、第1接続部(C1) と連絡配管(60)とを通過して上記室外膨張弁(4 3)に流入する。この室外膨張弁(43)では、冷媒 が所定の圧力に減圧されて低圧冷媒となり、 該室外膨張弁(43)を流出する。上記室外膨張 (43)を流出した冷媒は、室外熱交換器(41a)に 入する。この室外熱交換器(41a)では、低圧冷 媒が室外ファン(41b)から送られる室外空気に り蒸発し、該低圧液冷媒は該室外空気から 熱する。上記室外熱交換器(41a)から出た低 ガス冷媒は、四路切換弁(42)の第3ポート(P3) 流入する。第3ポート(P3)に流入した低圧ガス 冷媒は、第4ポート(P4)から流出した後、吸入 管(68)を通過し、圧縮機(44)に吸入される。 して、この圧縮機(44)は、吸入した低圧ガス 媒を再び圧縮して吐出する。

    〈発電タービンの動作〉
  上記冷媒回路(31)の室内膨張弁(54)から流出 した二相冷媒は、上記冷媒流入管(6)から上記 ケーシング(3,4,5)内に流入する。ケーシング(3 ,4,5)内に流入した二相冷媒は、上記衝動ター ン用ケーシング(26)の流入部(27)から該衝動 ービン用ケーシング(26)に流入する。該衝動 ービン用ケーシング(26)に流入した二相冷媒 は、上記衝動タービン(25)の羽根に衝突し、 衝動タービン(25)を回転させる。該衝動ター ン(25)の回転により、タービン軸(24)も軸芯 りに自転する。そして、上記ステータ(33)に して上記ロータ(34)も回転し、発電コイル部 (21)で電力が発生する。この電力は、上記電 線(9)を介してケーシング(3,4,5)の外側へ送電 れる。

  また、上記衝動タービン(25)の羽根に衝 した後の二相冷媒は、上記衝動タービン用 ーシング(26)の流出部(28)から流出する。こ で、流出する二相冷媒は、該流出部(28)に取 付けられた流出部配管(29)により、上記ケー シング(3,4,5)の内周面に沿うように旋回して れる。この旋回流により二相冷媒を気液分 しやすくなる。

  そして、二相冷媒から分離したガス冷 は、ケーシング(3,4,5)内の上方に向かい、上 ガス冷媒貯留空間(10)に貯留されるとともに 、ガス冷媒流出管(7)から流出する。一方、二 相冷媒から分離した液冷媒は、上記発電機構 (2)のコアカット部及び貫通孔(20b,22b)により形 成された空間内を上記液冷媒貯留空間(11)に かって下方に流れる。そして、該液冷媒貯 空間(11)に液冷媒が貯留されるとともに、該 冷媒は液冷媒流出管(8)から流出する。

    〈浸漬防止制御〉
  上記浸漬防止制御は、上記発電機構(2)の 1軸受部(20)が、液冷媒貯留空間(11)に貯留さ た液冷媒に浸漬しないように保護するため 制御である。この制御では、第1軸受部(20)が 浸漬した場合には、浸漬しない場合に比べて 、上記衝動タービン(25)の回転数が低下し、 電量が低下する傾向を利用したものである

  上記コントローラ(63)は、第1軸受部(20) 浸漬しているか否かを判定する浸漬判定部 備えている。そして、この浸漬判定部には 空気調和装置(30)の運転データを入力すると 該運転データに基いてタービン発電機(1)の 電量を出力するデータベースを備えている なお、上記データベースは、第1軸受部(20) 浸漬していない状態の運転データに基いて 成されている。つまり、該データベースか 出力される発電量は、第1軸受部(20)が浸漬し ていない状態での発電量となる。ここで、上 記運転データとは、上記コントローラ(63)に 続されている上記吐出温度センサ(45)、上記 入温度センサ(46)、ガス側冷媒温度センサ(55 )、液側冷媒温度センサ(57)、外気及び室内温 センサ(47,56)、圧力センサ(48,49)のセンサ類 又は上記回転数測定器及び電力計から検出 れる値である。空気調和装置(30)の運転時に ける浸漬防止制御の動作について、図5の制 御フローに基づき説明する。

  空気調和装置(30)の運転スイッチをONに ると、空調運転が開始され、浸漬防止制御 開始する。

  ステップST1では、上記電力計により、 調運転中のタービン発電機(1)の発電量を実 して、実測値W1を出す。

  次に、ステップST2では、上記データベ スにより、空調運転中の運転データからタ ビン発電機(1)の発電量を計算して、計算値W2 を出す。

  ステップST3では、上記実測値W1が上記計 算値W2よりも小さければ、上記第2軸受部(22) 浸漬していると判定してステップST4に移り 上記実測値W1が上記計算値W2よりも小さくな れば、ステップST1に戻る。

  ステップST4では、上記コントローラ(63) より空気調和装置(30)の運転を停止するか、 又は室内膨張弁(54)の開度を調整して、液冷 がタービン発電機(1)へ流入しないようにす 。

  以上の動作を繰り返して、上記空気調 装置(30)の運転時における浸漬防止制御の動 を行う。

    -実施形態の効果-
  本実施形態によれば、上記発電機構(2)の 側にガス冷媒貯留空間(10)を設け、該発電機 (2)の下側に液冷媒貯留空間(11)を設け、さら に、ガス冷媒貯留空間(10)にはガス冷媒流出 (7)を、液冷媒貯留空間(11)には液冷媒流出管( 8)をそれぞれ設けることにより、衝動タービ (25)に衝突した後の冷媒を気液分離すること ができる。これにより、気液分離機能を備え たタービン発電機(1)を構成することができる 。また、上記タービン発電機(1)は、液冷媒貯 留空間(11)に貯留された液冷媒が第1軸受部(20) を浸漬しない範囲で、傾斜させて配置するこ とが可能である。これにより、上記タービン 発電機(1)を直立に配置した場合に比べて、該 タービン発電機(1)上下方向の長さを低くして 配置することができる。

  また、上記衝動タービン用ケーシング(2 6)の流出部(28)に上記流出部配管(29)を設ける とにより、衝動タービン(25)に衝突した後の 相冷媒をケーシング(3,4,5)の内周面に沿うよ うに旋回させることができる。このことから 、上記二相冷媒がケーシング(3,4,5)の内周面 対して垂直方向から衝突して該二相冷媒中 液冷媒が飛散することがなく、且つ二相冷 を旋回させることにより気液分離し易くな ので、上記タービン発電機(1)における気液 離効率を確実に向上させることができる。

  また、上記軸受固定部材(20a,22a)に貫通 (20b,22b)を設けることにより、上記衝動ター ン(25)に衝突して分離した液冷媒が、ガス冷 貯留空間(10)から液冷媒貯留空間(11)へ流動 やすくなる。これにより、分離した液冷媒 ガス冷媒貯留空間(10)に滞留するのを抑える とができる。

  また、上記タービン発電機(1)を空気調 装置(30)の冷媒回路(31)に接続することにより 、膨張機構(54)を通過した後の冷媒の運動エ ルギを回収して発電することができる。ま 、該タービン発電機(1)が気液分離機構を有 ているので、蒸発器(51a)に液冷媒のみを供給 することが可能となる。これにより、該蒸発 器(51a)の入口側からガス冷媒が流入しなくな ので、該蒸発器(51a)の入口部分の伝熱面積 有効に液冷媒を蒸発させることに利用する とできる。これにより、蒸発器(51a)の伝熱性 能を向上させることができる。

  また、上記コントローラ(63)が浸漬防止 御を行うことにより、上記発電機構(2)の第1 軸受部(20)が、液冷媒貯留空間(11)の液冷媒に って浸漬しないようにすることができる。 たがって、液面センサを別途設けることな 、該第1軸受部(20)の浸漬を防止することが きる。

    -実施形態の変形例1-
  図2は実施形態の変形例1に係るタービン発 電機(1)の概略縦断面図である。

  実施形態の変形例1では、図2に示すよう に、ガス冷媒貯留空間(10)内に冷媒の液滴が 散した場合であっても、上記ガス冷媒流出 (7)の管端と対向する位置にメッシュ部材(捕 部材)(80)を設けることより、その飛散した 滴を該メッシュ部材(80)で捕捉して、ガス冷 流出管(7)からケーシング(3,4,5)の外側へ流出 させないようにすることができる。これによ り、上記メッシュ部材(80)を設けない場合に べて、上記タービン発電機(1)における気液 離効率を向上させることができる。

    -実施形態の変形例2-
  図3は実施形態の変形例2に係るタービン発 電機(1)の概略縦断面図である。

  実施形態の変形例2では、図3に示すよう に、上記衝動タービン(25)の中心を貫通する うにタービン軸(24)を構成する一方、上記タ ビン軸(24)における衝動タービン(25)側の端 に旋回板(捕捉部材)(81)が取り付けられてい 。この構成において、ガス冷媒貯留空間(10) に飛散した液滴が、該旋回板(81)に付着した 場合であっても、該旋回板(81)は該タービン (24)とともに回転運動するので、この回転運 の遠心力により旋回板(81)に付着した液滴を 強制的に該旋回板(81)から離脱させることが きる。したがって、上記旋回板(81)が回転し い場合に比べて、液滴を素早く離脱させ、 び付着させることが可能となる。これによ 、旋回板(81)が回転しない場合に比べて、液 滴の付着及び離脱がスムーズに行われるので 、上記タービン発電機(1)における気液分離効 率をさらに向上させることができる。

  《その他の実施形態》
  上記実施形態については、以下のような 成としてもよい。

  上記実施形態では、上記タービン機構(2 3)は、衝動タービン(25)を有しているが、これ に限定する必要はなく、例えば、衝動タービ ン(25)の代わりに反動タービンを用いてもよ 。この反動タービンは、衝動タービン(25)と 違い、該反動タービンの前後で冷媒を減圧 せ、その減圧により生じる反動を利用して 根車(動翼)を回転させるものである。した って、この反動タービンを用いれば、ター ンの上流側に減圧機構としての上記室内膨 弁(54)を設ける必要がなく、空気調和装置(30) の構成を簡略化することができる。

  上記実施形態では、上記発電コイル部(2 1)に接続された電力線(9)の他端について限定 ていないが、この他端を圧縮機(44)の圧縮機 モータに接続する構成であってもよい。

  上記実施形態では、上記室内機(50)の設 台数は2台であったが、2台に限定される必 はなく、1台又は3台以上であってもよい。

  なお、以上の実施形態は、本質的に好 しい例示であって、本発明、その適用物、 るいはその用途の範囲を制限することを意 するものではない。

  以上説明したように、本発明は、ター ン発電機及びタービン発電機を備えた冷凍 置について有用である。