檜皮武史 (〒11 大阪府堺市北区金岡町１３０４番地ダイキン工業株式会社 堺製作所 金岡工場内 Osaka, 〒5918511, JP)
ダイキン工業株式会社 (〒23 大阪府大阪市北区中崎西２丁目４番１２号 梅田センタービル Osaka, 〒5308323, JP)
HIKAWA, Takeshi (Sakai Plant DAIKIN INDUSTRIES, LTD., 1304, Kanaoka-cho, Kita-ku, Sakai-sh, Osaka 11, 〒5918511, JP)
| 回転軸(4)の周方向に配列された複数の羽根部(52)が設けられた羽根車本体(51)を備えたタービン羽根車であって、 前記各羽根部(52)は、流体が衝突する衝突面(53)が1つだけ形成され、 前記衝突面(53)は、前記羽根車本体(51)の回転方向の前方に凹む曲面に形成され、前記羽根車本体(51)の厚み方向の一端側である前縁側から流体が入射し且つ厚み方向の他端側である後縁側から流体を排出するように構成されている ことを特徴とするタービン羽根車。 |
| 請求項1において、 前記衝突面(53)は、前記羽根車本体(51)の厚み方向の入射側の前縁が、厚み方向の排出側の後縁よりも回転方向の後方に位置している ことを特徴とするタービン羽根車。 |
| 請求項1又は2において、 前記衝突面(53)は、回転方向の前方へ最も凹んだ頂部(56)が、前記羽根車本体(51)の厚み方向の中央よりも後縁寄り位置している ことを特徴とするタービン羽根車。 |
| 請求項3において、 前記衝突面(53)は、前記羽根車本体(51)の厚み方向の入射側の部分の曲率が厚み方向の排出側の部分の曲率よりも小さい ことを特徴とするタービン羽根車。 |
| 請求項1乃至4の何れか1つにおいて、 前記羽根車本体(51)は、隣接する前記羽根部(52)の間の空間における前縁の間を塞ぐ壁部(58)が前記羽根部(52)の前縁側の側面に設けられている ことを特徴とするタービン羽根車。 |
| 請求項1乃至5の何れか1つに記載のタービン羽根車(5)と、流体を噴射するノズル(13)とを備えたタービンであって、 前記ノズル(13)は、前記タービン羽根車(5)の衝突面(53)の前縁側に流体を噴射するように配設されている ことを特徴とするタービン。 |
| 請求項6において、 前記ノズル(13)の軸心は、前記タービン羽根車(5)の回転軸(4)に直交する平面と平行であって且つ前記タービン羽根車(5)の羽根部(52)の前縁側に位置している ことを特徴とするタービン。 |
| 請求項6又は7に記載のタービン(3)と、 前記タービン羽根車(5)の回転軸(4)を介して該タービン羽根車(5)に連結され、該タービン羽根車(5)の回転によって発電する発電部(6)と、 前記タービン(3)及び前記発電部(6)を収容するケーシング(7)とを備えたタービン発電機であって、 前記ケーシング(7)には、前記タービン羽根車(5)の羽根部(52)の後縁側に流体の流出部(73)が設けられている ことを特徴とするタービン発電機。 |
| 電動圧縮機(11)と、放熱器(12)と、請求項8に係るタービン発電機(2)と、蒸発器(14)とが冷媒配管で接続され、蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う冷媒回路を備えた冷凍装置であって、 前記タービン発電機(2)で発生する電力が少なくとも前記電動圧縮機(11)の動力源として使用される ことを特徴とする冷凍装置。 |
本発明は、タービン羽根車、タービン タービン発電機及び冷凍装置に関するもの ある。
従来より、圧力流体(圧力水など)によっ てタービン羽根車を回転させ、圧力流体のエ ネルギを電力に変換するタービン発電機が知 られている。
このタービン発電機として、特許文献1 開示されたものが知られている。特許文献1 のタービン発電機は、タービン羽根車とノズ ルとを有するタービンを備えている。このタ ービン羽根車は、回転軸の周方向に配列され た複数の羽根部を備えている。該羽根部のそ れぞれは、タービン羽根車の回転方向の前方 に凹むように湾曲して形成された流体の衝突 面を有している。そして、このタービンは、 衝突面における湾曲頂点に流体を入射させ、 すなわち、衝突面におけるタービン羽根車の 厚み方向の中央部に流体を入射させている。 さらに、前記タービンは、入射した流体を衝 突面に沿って湾曲頂点から厚み方向の両側に 分流させ、衝突面の両端部から流体を排出し ている。こうして、タービンは、流体の速度 エネルギを回転動力に変換している。
しかしながら、前述のような、流体を 突面に衝突させるタービンにおいては、衝 面に入射する流体と衝突面から排出される 体とが干渉し、流体の速度エネルギを回転 力に効率良く変換することが難しい場合が る。特に、流体が気体の場合には、衝突面 入射した後、様々な方向に反射し易く、衝 面に入射する流体と衝突面から排出される 体との干渉によるエネルギ損失が大きくな てしまう。
本発明は、かかる点に鑑みてなされた のであり、その目的とするところは、衝突 に入射する流体と衝突面から排出される流 との干渉によるエネルギ損失を低減するこ にある。
本発明は、タービン羽根車の羽根部に いて、凹状に曲がった衝突面を羽根車本体 厚み方向に1つ設け、衝突面の一端から流体 入射し、衝突面の他端から流体を排出する うにしたものである。
具体的には、第1の発明は、回転軸(4)の 方向に配列された複数の羽根部(52)が設けら れた羽根車本体(51)を備えたタービン羽根車 対象である。そして、前記各羽根部(52)は、 体が衝突する衝突面(53)が1つだけ形成され いる。さらに、前記衝突面(53)は、前記羽根 本体(51)の回転方向の前方に凹む曲面に形成 され、前記羽根車本体(51)の厚み方向の一端 である前縁側から流体が入射し且つ厚み方 の他端側である後縁側から流体を排出する うに構成されている。
前記第1の発明では、流体を、衝突面(53) における羽根車本体(51)の厚み方向一端側か 入射させ、該厚み方向の他端側から排出す ため、流体を衝突面(53)における羽根車本体( 51)の厚み方向の中央部に入射させて該中央部 で分流させ、厚み方向の両端部から排出する 構成と比較して、羽根車本体(51)の厚さを一 とした場合に、前記衝突面(53)に入射する流 と衝突面(53)から排出される流体とを可及的 に遠ざけることができる。その結果、衝突面 (53)に入射する流体と衝突面(53)から排出され 流体との干渉によるエネルギ損失を低減す ことができ、流体の速度エネルギをタービ の回転動力に効率良く変換することができ 。
第2の発明は、第1の発明において、前記 衝突面(53)は、前記羽根車本体(51)の厚み方向 入射側の前縁が、厚み方向の排出側の後縁 りも回転方向の後方に位置する構成として る。
前記第2発明では、衝突面(53)における羽 根車本体(51)の厚み方向の入射側(即ち、前縁 )の部分が、厚み方向の排出側(即ち、後縁 )の部分よりも拡大される。こうすることに って、衝突面(53)に入射する流体を確実に受 け止めることができる。その結果、入射して くる流体の速度エネルギを可及的にタービン の回転動力に変換することができる。
また、衝突面(53)の入射側の前縁を出射 の後縁より回転方向の後方に位置させるこ によって、衝突面(53)の入射側の部分が、衝 突面(53)に入射した流体が羽根車本体(51)の厚 方向の一方に逸れるのを防止する壁として 役割も果たし、衝突面(53)に入射する流体が 前縁側に逸れ難くすることができ、その結果 、衝突面(53)に入射する流体を確実に受け止 ることができる。
第3の発明は、第1又は第2の発明におい 、前記衝突面(53)は、回転方向の前方へ最も んだ頂部(56)が、前記羽根車本体(51)の厚み 向の中央よりも後縁寄り位置する構成とし いる。
前記第3発明では、前記羽根車本体(51)の 厚み方向の一端側から衝突面(53)に入射した 体は、その流れ方向が衝突面(53)に沿って羽 車本体(51)の厚み方向に変化していき、最終 的には衝突面(53)における厚み方向の他端側 ら排出される。つまり、衝突面(53)における 部(56)よりも厚み方向の入射側(即ち、前縁 )の部分は、入射してくる流体を受け止める 能を有すると共に、流体の流れを厚み方向 向けるのに寄与する部分である。そのため 頂部(56)を厚み方向の中央よりも排出側(即 、後縁側)に位置させることによって、頂部( 56)よりも厚み方向の入射側の部分を拡大する ことができる。その結果、流体の流れ方向を 緩やかに変化させることができる。流体の流 れ方向を急激に変化させると、その際に圧力 損失が生じ得る。つまり、こうして流体の流 れ方向を緩やかに変化させることによって、 流体の圧力損失を低減することができる。
また、頂部(56)を厚み方向の中央よりも 出側に位置させることによって、頂部(56)よ りも厚み方向の入射側の部分を拡大すること ができるため、衝突面(53)に入射する流体を 実に受け止めることができる。
第4の発明は、第3の発明において、前記 衝突面(53)は、前記羽根車本体(51)の厚み方向 入射側の部分の曲率が厚み方向の排出側の 分の曲率よりも小さい構成としている。
前記第4の発明では、前記頂部(56)よりも 流体が入射する入射側の部分の曲率を小さく することによって、衝突面(53)の入射側の部 で流体の流れ方向を変化させる際にその変 を緩やかにすることができ、その結果、流 の圧力損失を低減することができる。
また、前記頂部(56)を厚み方向の中央よ も排出側に位置させると、前記頂部(56)より も流体を排出する側の部分の面積が、入射側 の部分の面積よりも相対的に小さくなる。こ のような場合であっても、頂部(56)よりも厚 方向の排出側の部分の曲率を大きくするこ によって、排出する流体の衝突面(53)に対す 相対的な排出方向を前記回転方向の後方へ 及的に向けることができる。つまり、流体 速度エネルギのうち、回転方向の前方への 度成分を可及的にタービンの回転動力に変 することができる。
第5の発明は、第1~第4の何れか1つの発明 において、前記羽根車本体(51)は、隣接する 記羽根部(52)の間の空間における前縁の間を ぐ壁部(58)が前記羽根部(52)の前縁側の側面 設けられている構成としている。
前記第5の発明では、衝突面(53)に入射し た流体が、衝突面(53)に沿って流れることな 羽根部(52)の前縁側へ抜けていくことを防止 ることができる。つまり、衝突面(53)に入射 する流体の速度エネルギを可及的にタービン の回転動力に変換することができる。
第6の発明は、第1~第5の何れか1つのター ビン羽根車(5)と、流体を噴射するノズル(13) を備えたタービンを対象としている。そし 、前記ノズル(13)は、前記タービン羽根車(5) 衝突面(53)の前縁側に流体を噴射するように 配設されている。
前記第6の発明では、前記ノズル(13)から 噴射された流体は、前記タービン羽根車(5)の 羽根部(52)の衝突面(53)においてタービン羽根 (5)の厚み方向一端部(羽根部(52)の前縁)から 射し、衝突面(53)に沿って流れた後、衝突面 (53)の厚み方向他端部(羽根部(52)の後縁)から 出される。つまり、前記衝突面(53)に入射す 流体と衝突面(53)から排出される流体とを可 及的に遠ざけることができる。その結果、衝 突面(53)に入射する流体と衝突面(53)から排出 れる流体との干渉によるエネルギ損失を低 することができ、流体の速度エネルギをタ ビンの回転動力に効率良く変換することが きる。
第7の発明は、第6の発明において、前記 ノズル(13)の軸心は、前記タービン羽根車(5) 回転軸(4)に直交する平面と平行であって且 前記タービン羽根車(5)の羽根部(52)の前縁側 位置する構成としている。
前記第7の発明では、前記ノズル(13)から 噴射された冷媒が、タービン羽根車(5)の外周 面の接線方向と平行に飛散し、前記衝突面(53 )のうちタービン羽根車(5)の厚み方向の一端 に入射する。
第8の発明は、第6又は第7のタービン(3) 、前記タービン羽根車(5)の回転軸(4)を介し 該タービン羽根車(5)に連結され、該タービ 羽根車(5)の回転によって発電する発電部(6) 、前記タービン(3)及び前記発電部(6)を収容 るケーシング(7)とを備えたタービン発電機 対象である。そして、前記ケーシング(7)に 、前記タービン羽根車(5)の羽根部(52)の後縁 に流体の流出部(73)が設けられている。
前記第8の発明のタービン(3)は、タービ 羽根車(5)の衝突面(53)に入射した流体が、タ ービン羽根車(5)の厚み方向の他端(後縁)から 出される。そのため、ケーシング(7)に設け れる流出部(73)をタービン羽根車(5)に対して 厚み方向の排出側に位置させることによって 、タービン羽根車(5)から排出された流体をケ ーシング(7)の流出部(73)まで複雑且つ長い経 を介して流通させる必要がなく、タービン 根車(5)から排出された流体をケーシング(7) 流出部(73)から流出させる構成を簡単するこ ができる。
第9の発明は、電動圧縮機(11)と、放熱器 (12)と、第8の発明のタービン発電機(2)と、蒸 器(14)とが冷媒配管で接続され、蒸気圧縮式 冷凍サイクルを行う冷媒回路を備えた冷凍装 置が対象である。そして、前記タービン発電 機(2)で発生する電力が少なくとも前記電動圧 縮機(11)の動力源として使用される。
前記第9の発明では、蒸気圧縮式冷凍サ クルに用いられるので、タービン発電機(2) はガス冷媒と液冷媒とが混在した二相冷媒 流入する場合がある。かかる場合、ガス冷 を含むため噴射される冷媒が広範囲に拡散 るが、前記タービン(3)によれば、前記衝突 (53)に入射する流体と該衝突面(53)から排出 れる流体とを可及的に遠ざけることができ ため、衝突面(53)に入射する流体と衝突面(53) から排出される流体との干渉によるエネルギ 損失を低減することができ、流体の速度エネ ルギをタービン(3)の回転動力に効率良く変換 することができる。また、液冷媒については 、タービン羽根車(5)の回転を妨げないように ケーシング(7)から速やかに排出する必要があ るが、ケーシング(7)に設けられる流出部(73) タービン羽根車(5)に対して厚み方向の排出 に位置させることによって、液冷媒をケー ング(7)から速やかに流出させることができ 。さらに、タービン発電機(2)で発生した電 を電動圧縮機(11)の動力源として使用するこ によって、冷凍装置に外部から供給する電 量を低減することができる。
本発明によれば、羽根部(52)の衝突面(53) を、回転方向の前方に凹む曲面に形成し、羽 根車本体(51)の厚み方向の一端側(前縁側)から 流体が入射し、厚み方向の他端側(後縁側)か 流体を排出するように構成することによっ 、前記衝突面(53)に入射する流体と該衝突面 (53)から排出される流体とを可及的に遠ざけ ことができ、その結果、流体の速度エネル をタービンの回転動力に効率良く変換する とができる。
第2の発明によれば、前記衝突面(53)の厚 み方向の入射側の前縁を、厚み方向の排出側 の後縁よりも回転方向の後方に位置させるこ とによって、衝突面(53)に入射する流体を確 に受け止めることができると共に、流体の 力損失を低減することができ、その結果、 体の速度エネルギをタービンの回転動力に 率良く変換することができる。
第3の発明によれば、前記衝突面(53)の頂 部(56)を厚み方向の中央よりも厚み方向の排 側(後縁側)に位置させることによって、衝突 面(53)に入射する流体を確実に受け止めるこ ができると共に、流体の圧力損失を低減す ことができ、その結果、流体の速度エネル をタービンの回転動力に効率良く変換する とができる。
第4の発明によれば、前記衝突面(53)にお いて、前記厚み方向の入射側の部分の曲率を 該厚み方向の排出側の部分の曲率よりも小さ くすることによって、流体の圧力損失を低減 することができると共に、流体の速度エネル ギのうち、回転方向前方への速度成分を可及 的にタービンの回転動力に変換することがで きる。その結果、流体の速度エネルギをター ビンの回転動力に効率良く変換することがで きる。
第5の発明によれば、前記羽根車本体(51) に、隣接する前記羽根部(52)の間の空間にお る前縁の間を塞ぐ壁部(58)を前記羽根部(52)の 前縁側の側面に設けるようにしたために、衝 突面(53)に入射した流体が、前縁から抜けて くことを防止することができる。その結果 流体の速度エネルギをタービンの回転動力 効率良く変換することができる。
第6の発明によれば、タービン羽根車(5) ノズル(13)とを備えたタービンにおいて、タ ービン羽根車(5)の羽根部(52)の衝突面(53)を、 転方向の前方に凹む曲面に形成し、タービ 羽根車(5)の厚み方向の一端側(前縁側)から 体が入射し、厚み方向の他端側(後縁側)から 流体を排出するように構成すると共に、ノズ ル(13)を前記タービン羽根車(5)の衝突面(53)に して前記厚み方向の一端側に流体を噴射す ように配設することによって、前記衝突面( 53)に入射する流体と該衝突面(53)から排出さ る流体とを可及的に遠ざけることができ、 の結果、流体の速度エネルギをタービンの 転動力に効率良く変換することができる。
第8の発明によれば、タービン発電機に いて、第6の発明に係るタービン(3)を備える ことによって、流体の速度エネルギを電力に 効率良く変換することができる。それに加え て、ケーシング(7)における前記タービン羽根 車(5)の厚み方向の排出側(後縁側)に流体の流 部(73)を設けることによって、タービン羽根 車(5)から排出された流体をケーシング(7)の流 出部(73)から流出させる構成を簡単すること できる。
第9の発明によれば、蒸気圧縮式冷凍サ クルを行う冷凍装置であっても、前記衝突 (53)に入射する流体と該衝突面(53)から排出 れる流体とを可及的に遠ざけて、流体の速 エネルギをタービンの回転動力に効率良く 換することができると共に、タービン羽根 (5)から排出された流体をケーシング(7)の流 部(73)から速やかに流出させることができる また、タービン発電機(2)で発生した電力を 動圧縮機(11)の動力源として使用することに よって、冷凍装置の成績係数を向上させるこ とができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づ て詳細に説明する。
図3に示すように、本発明の実施形態に るタービン発電機(2)は、冷凍装置(1)に設け れている。
冷凍装置(1)は、電動圧縮機(11)、放熱器( 12)、タービン発電機(2)および蒸発器(14)が冷 配管を介して順に接続された冷媒回路を備 、該冷媒回路を冷媒(例えば、二酸化炭素)が 循環して蒸気圧縮式冷凍サイクルを行うよう に構成されている。
前記タービン発電機(2)は、膨張弁(13)と に設けられ、循環する冷媒から電力を回収 るように構成されている。タービン発電機( 2)は、図4に示すように、タービン(3)と、該タ ービン(3)と連結された発電部(6)と、該タービ ン(3)及び発電部(6)を収容するケーシング(7)と を備えている。
前記タービン(3)は、回転シャフト(4)と 該回転シャフト(4)に対して固定的に取り付 られて該回転シャフト(4)と一体的に回転す タービン羽根車(5)と、膨張弁(13)とで構成さ たペルトンタービンである。
前記膨張弁(13)は、ニードル弁(図示省略 )によって冷媒の流量調整を行って冷媒を減 する(膨張させる)ように構成されている。こ の膨張弁(13)は、冷媒回路においては膨張弁 して機能する一方、タービン(3)において冷 の圧力エネルギを速度エネルギに変換して 媒をタービン羽根車(5)に噴射するためのノ ルとして機能する。よって、以下、膨張弁(1 3)をノズル(13)とも表現する。
前記タービン羽根車(5)は、詳しくは後 するが、外周に複数の羽根部(52,52,…)が設け られた円盤状の羽根車本体(51)を備えている タービン羽根車(5)は、前記ノズル(13)から噴 する冷媒が羽根部(52,52,…)に衝突すること 羽根車本体(51)の軸心(X)回りに回転する。こ 羽根車本体(51)には、互いの軸心(X)が一致す る状態で回転シャフト(4)が取り付けられてい る。つまり、タービン羽根車(5)が回転すると 、回転シャフト(4)も同様に回転する。尚、軸 心(X)が回転軸の軸心を構成し、回転シャフト (4)が回転軸を構成すると共に、軸部材を構成 している。
前記タービン(3)は、ノズル(13)で冷媒の 力エネルギを速度エネルギに変換し、該冷 をタービン羽根車(5)に対して噴射すること よってタービン羽根車(5)を回転させて、回 シャフト(4)を介して回転動力を出力する。
前記ケーシング(7)は、円筒形状をして て、その長手方向の異なる位置に2つの軸受( 71,71)を備えている。回転シャフト(4)は、ケー シング(7)内において該ケーシング(7)の長手方 向に延びるように配設され、該2つの軸受(71,7 1)で回転自在に支持されている。
また、ケーシング(7)には、流入部(72)と 出部(73)とが設けられている。流入部(72)は 冷媒配管によって放熱器(12)に接続され、流 部(73)は、冷媒配管によって蒸発器(14)に接 されている。本実施形態では流入部(72)が2つ 設けられ(図3では1つだけ図示)、それぞれの 入部(72)には、ノズル(13)が設けられている。 2つのノズル(13,13)は、タービン羽根車(5)にお る180度ずれた2つの羽根部(52,52)に向かって 媒を噴射するように配設されている。流出 (73)は、ケーシング(7)の底部近傍に設けられ タービン(3)よりも下方に位置している。
発電部(6)は、回転シャフト(4)に対して 定的に取り付けられて該回転シャフト(4)と 体的に回転するロータ(61)と、該ロータ(61)の 外周側に設置されてケーシング(7)に固定され た固定子(62)とを有し、ケーシング(7)内にお て2つの軸受(71,71)の間に配設されている。固 定子(62)は、図示を省略するが、スロットが 成される固定子鉄心とスロットに配置され 固定子コイルとを有する。発電部(6)は、回 シャフト(4)が回転することでロータ(61)が回 磁界を発生し、その回転磁界によって固定 鉄心の固定子コイルに誘起電圧が生じ電流 流れる。このように、発電部(6)は、タービ (3)から出力される回転動力を電力に変換し 出力する。
発電した電力は、電動圧縮機(11)の動力 として利用される。つまり、冷媒の運動エ ルギー(膨張エネルギー)が電動圧縮機(11)の めに動力回収される。
以下に、タービン羽根車(5)について詳 く説明する。
本実施形態に係るタービン羽根車(5)は 水力発電等に利用されるものより極めて小 いものである。具体的には、タービン羽根 (5)は、図1及び図2に示すように、円盤状の羽 根車本体(51)を備えている。そして、羽根車 体(51)の外周面には、複数の羽根部(52,52,…) 周方向に間隔を開けて形成されている。
各羽根部(52)は、羽根車本体(51)の外周に おいて半径方向に立設されている。羽根部(52 )は、羽根車本体(51)の回転シャフト(4)の軸心( X)回りの周方向の一方、即ち、回転方向の後 に開口し、且つ周方向の他方、即ち、回転 向の前方に凹む曲面に形成された略U字形状 の衝突面(53)と、該衝突面(53)と対向し且つ回 方向に対して概略直交する背面(57)とを有し ている。
衝突面(53)は、回転方向の前方へ最も凹 だ頂部(56)が羽根車本体(51)の厚み方向の中 よりも該厚み方向の他端側(後縁側)に位置す るように構成されている。そして、衝突面(53 )は、頂部(56)よりも厚み方向の一端側(前縁側 )に位置し、冷媒が入射する入射面(54)と、頂 (56)よりも厚み方向の他端側(後縁側)に位置 、冷媒を排出する排出面(55)とを有している 。つまり、前記衝突面(53)における羽根車本 (51)の厚み方向の一端は、冷媒が入射する前 に構成され、厚み方向の他端は、冷媒が排 される後縁に構成されている。
前記入射面(54)及び排出面(55)は共に円弧 状に湾曲している(即ち、円筒の内周面の一 となっている)。また、入射面(54)及び排出面 (55)は共に中心角が90度となる1/4円周面に形成 されている。ただし、入射面(54)の曲率の方 排出面(55)の曲率よりも小さく、即ち、入射 (54)の曲率半径の方が排出面(55)の曲率半径 りも大きくなっている。そして、入射面(54) 排出面(55)とは、頂部(56)において、互いの 線方向が羽根車本体(51)の厚み方向と一致し 状態で連続的に繋がっている。尚、入射面( 54)及び排出面(55)は、1/4円周面であるため、 口端縁(即ち、回転方向の後側端縁である前 及び後縁)の接線が羽根車本体(51)の円形の 面と平行になっている。
また、入射面(54)の開口端縁である前縁 方が、排出面(55)の開口端縁である後縁より も、回転方向の後方に位置する。すなわち、 入射面(54)の方が排出面(55)よりも回転方向後 に延びている。
さらに、前記羽根車本体(51)は、隣接す 前記羽根部(52)の間の空間における前縁の間 を塞ぐ壁部(58)が前記羽根部(52)の前縁側の側 に設けられている。つまり、隣接する羽根 (52,52)の間には、一方の羽根部(52)の入射面(5 4)の開口端縁(前縁)を、他方の羽根部(52)の背 (57)に接合する壁部(58)が設けられている。 の壁部(58)は、隣接する羽根部(52,52)の間の空 間が厚み方向の一方(前縁側)へ開口しないよ に塞いでいる。
一方、隣接する羽根部(52,52)において、 方の羽根部(52)の排出面(55)の開口端縁と、 方の羽根部(52)の背面(57)との間には、それら を接合する壁部は設けられていない。つまり 、隣接する羽根部(52,52)の間の空間は、厚み 向の他方(後縁側)へ開口している。
このように、タービン羽根車(5)におい 、隣接する2つの羽根部(52,52)の間の空間は、 厚み方向の他端側(後縁側)の円形平面の側面 開口する一方、厚み方向一端側(前縁側)の 形平面の側面には開口していない。
尚、頂部(56)は衝突面(53)を横断する線分 となり、この線分が羽根車本体(51)の半径方 に延びるように羽根部(52)が形成されている すなわち、衝突面(53)は、頂部(56)を通る半 と平行に形成されている。また、背面(57)も 様に、頂部(56)を通る半径と平行に形成され ている。
また、隣接する2つの羽根部(52,52)の間に は、一方の羽根部(52)の衝突面(53)と他方の羽 部(52)の背面(57)とを繋ぐ、概略鱗形状の平 (59)が形成されている。この平面(59)は、一方 の羽根部(52)の衝突面(53)の頂部(56)を通る半径 に対して直交している。
このように構成された羽根部(52)に対し 、前記ノズル(13)は、タービン羽根車(5)の回 転方向の前方に向かって冷媒を噴射し、噴射 される冷媒が羽根部(52)の入射面(54)に当たる うに配設されている。ノズル(13)の軸心は、 羽根車本体(51)の軸心(X)に直交する平面と平 であって、羽根車本体(51)の厚み方向におい 羽根車本体(51)の厚み方向中央よりも入射面 (54)側にオフセットされると共に、羽根車本 (51)の外周面に対する接線を半径方向内方に フセットさせた状態となっている。こうす ことで、ノズル(13)から噴射された冷媒は、 羽根部(52)の入射面(54)に入射する。尚、本実 形態では、タービン羽根車(5)における180度 れた2つの羽根部(52,52)の入射面(54,54)に冷媒 噴射されるようになっている。
以上のように構成されたタービン発電 (2)の動作について説明する。
冷媒回路を循環して放熱器(12)で放熱し 冷媒は、ノズル(13)を介してケーシング(7)に 流入する。この冷媒は、ノズル(13)を流通す 際に減圧される(膨張する)。このノズル(13) 減圧された冷媒は、タービン羽根車(5)の外 に配設された羽根部(52,52,…)の衝突面(53,53, )に向かって噴射される。噴射された冷媒は 衝突面(53)の入射面(54)に入射し、該入射面(5 4)及び排出面(55)に沿って流れ、排出面(55)か 、タービン羽根車(5)の厚み方向他方、即ち 下方へ排出される。こうして、冷媒が衝突 (53)に沿って流れる際の衝撃によって、ター ン羽根車(5)が軸心(X)回りに回転する。ター ン羽根車(5)が回転すると、該タービン羽根 (5)と一体的に回転シャフト(4)が回転し、さ には、回転シャフト(4)に固定されたロータ( 61)が回転する。ロータ(61)が回転すると、回 磁界が発生し、固定子(62)の固定子コイルに 導電圧が生じる。こうして、タービン発電 (2)は電力を発生する。尚、排出面(55)から排 出された冷媒は、ケーシング(7)の流出部(73) らケーシング(7)外へ流出して蒸発器(14)へ流 ていく。
ここで、羽根部(52)においては、タービ 羽根車(5)の厚み方向において衝突面(53)が1 だけ設けられている。そして、該衝突面(53) 対して厚み方向の一端部(前縁側)から冷媒 入射させ、衝突面(53)の厚み方向の他端部(後 縁側)から冷媒を排出している。こうするこ によって、流体を衝突面における厚み方向 中央部に入射させ、該中央部で分流させて み方向の両端部から排出する構成と比較し 、衝突面(53)に入射する冷媒と衝突面(53)から 排出される冷媒とを、タービン羽根車(5)の厚 み方向に遠ざけることができる。その結果、 衝突面(53)に入射する冷媒と衝突面(53)から排 される冷媒との干渉によるエネルギ損失を 減することができ、流体の速度エネルギを ービン(3)の回転動力に効率良く変換するこ ができる。さらに、タービン発電機(2)とし は、効率良く発電することができる。
また、衝突面(53)の頂部(56)をタービン羽 根車(5)の厚み方向の中央よりも該厚み方向の 他方、即ち、後縁寄りにオフセットすること によって、入射面(54)を排出面(55)よりも拡大 ることができる。さらに、入射面(54)の開口 端縁を排出面(55)の開口端縁よりも回転方向 方へ延ばすことによって、入射面(54)を排出 (55)よりも拡大することができる。
こうして、入射面(54)を大きくすること よって、ノズル(13)から噴射されて拡散する 冷媒を確実に受け止めて、冷媒の速度エネル ギをタービン羽根車(5)の回転動力として回収 することができる。
また、入射面(54)を大きくすることによ て、冷媒の圧力損失を低減することができ 。つまり、入射面(54)は、タービン羽根車(5) に対して概略回転方向に入射してきた冷媒を 厚み方向へ導く機能を有する。そして、入射 面(54)を大きくすることによって、冷媒の流 を緩やかに変化させることができる。仮に 入射面(54)が冷媒の流れを急激に変化させる うに構成されていたとすると、冷媒の流れ 変化させる際に大きな圧力損失が発生する つまり、冷媒の流れを緩やかに変化させる とによって、冷媒の圧力損失を低減するこ ができる。
さらに、入射面(54)の曲率の方が排出面( 55)よりも曲率が小さくなっているため、この 点においても、冷媒の流れを緩やかに変化さ せることができ、冷媒の圧力損失を低減する ことができる。
また、排出面(55)の曲率を入射面(54)の曲 率よりも大きくすることによって、排出面(55 )の面積が入射面(54)の面積よりも小さい構成 あっても、排出される冷媒の、羽根部(52)に 対する相対的な排出方向を、回転方向の後方 、即ち、冷媒の入射方向と反対向きにできる 限り向けることができる。その結果、冷媒の 速度エネルギの回転方向の成分を可及的に、 タービン羽根車(5)の回転動力に変換すること ができる。
また、隣接する羽根部(52,52)間のタービ 羽根車(5)の厚み方向の一端(前縁)に壁部(58) 設けることによって、隣接する羽根部(52,52) の空間が厚み方向の一方、即ち、入射側に開 口しないように構成するこができる。つまり 、入射面(54)に入射した冷媒が厚み方向の一 (前縁側)へ逸れ難くなり、衝突面(53)に入射 た冷媒のほとんどを該衝突面(53)に沿って流 させ、排出面(55)から排出することができる ため、タービン羽根車(5)の回転動力の発生に 寄与しない冷媒の量を低減することができる 。
また、タービン発電機(2)において、厚 方向の他方、即ち、排出側がケーシング(7) 流出部(73)の方を向くようにタービン羽根車( 5)を配設する(即ち、タービン羽根車(5)を流出 部(73)よりも上方に配置すると共に、入射面(5 4)が上方に、排出面(55)が下方に位置する姿勢 で配置する)ことによって、タービン羽根車(5 )から排出された冷媒を、ケーシング(7)の流 部(73)からスムーズに排出することができる さらに、タービン羽根車(5)から流出部(73)ま で冷媒を導くための複雑な機構が必要ないた め、構成を簡単にすることができる。
《その他の実施形態》
本発明は、前記実施形態について、以下
ような構成としてもよい。
すなわち、前記実施形態では、円盤状 羽根車本体(51)を切削加工して羽根部(52,52,… )を形成しているが、これに限られるもので ない。例えば、図5に示すように、タービン 根車(205)は、羽根車本体(251)と、リム(250)と 羽根部としてのバケット(252)とを備えてい 。リム(250)は、羽根車本体(251)の外周面から 射状に延びるように複数形成されている。 ケット(252)は、各リム(250)の先端に形成され ている。バケット(252)は、羽根車本体(251)の 転方向の後方に開口するように椀状に形成 れている。このバケット(252)の椀状内面は、 ノズル(13)から噴射した冷媒が衝突する衝突 (253)を構成している。なお、羽根車本体(251) 中心には、回転シャフト(4)用の軸孔が形成 れている。本実施形態では、タービン羽根 (205)における180度ずれた2つのバケット(252) 冷媒が噴射されるようになっている。
バケット(252)の衝突面(253)は、図6に示す ように、回転方向前方へ最も凹んだ頂部(256) ら羽根車本体(251)の厚み方向の一方(前縁側) に位置して冷媒が入射する入射面(254)と、頂 (256)から厚み方向の他方(後縁側)に位置して 冷媒を排出する排出面(255)とを有している。 の頂部(256)は、羽根車本体(251)の厚み方向の 中央よりも厚み方向の他方(後縁側)に位置す 。
これら入射面(254)及び排出面(255)は共に 円弧状に湾曲している(即ち、円筒の内周面 の一部となっている)。また、入射面(254)及び 排出面(255)は共に、中心角が90度となる1/4円 面となっている。ただし、入射面(254)の曲率 の方が排出面(255)の曲率よりも小さく、即ち 入射面(254)の曲率半径の方が排出面(255)の曲 率半径よりも大きくなっている。そして、入 射面(254)と排出面(255)とは、頂部(256)において 、互いの接線方向が羽根車本体(251)の厚み方 と一致した状態で連続的に繋がっている。 、入射面(254)及び排出面(255)は、1/4円周面で あるため、開口端縁(2即ち、回転方向の後側 縁)における接線が羽根車本体(251)の円形側 と平行になっている。
また、入射面(254)の開口端縁(前縁)の方 、排出面(255)の開口端縁(後縁)よりも、回転 方向の後方に位置する。すなわち、入射面(25 4)の方が排出面(255)よりも回転方向の後方に びている。
このように構成されたバケット(252)に対 して、前記ノズル(13)は、噴射される冷媒が 射面(254)に当たるように配設されている。詳 しくは、ノズル(13)の軸心は、図6に示すよう 、羽根車本体(251)の厚み方向において、該 み方向と直交し且つ、羽根車本体(251)の厚み 方向中央よりも該厚み方向の一方(前縁側)に フセットされている。また、ノズル(13)の軸 心は、図5に示すように、羽根車本体(251)の軸 心(X)に直交する平面内において、羽根車本体 (251)の外周面上の所定の点における接線(詳し くは、回転軸回りの外周円の接線)を半径方 内方に平行移動させた直線と一致している こうすることで、ノズル(13)から噴射された 媒は、バケット(252)の入射面(254)に入射する 。そして、バケット(252)の衝突面(253)に衝突 た冷媒の運動エネルギーがバケット(252)に吸 収され、タービン羽根車(205)が回転する。
尚、前記実施形態では、羽根部(52)又は ケット(252)の衝突面(53,253)は、入射面(54,254) 排出面(55,255)よりも、面積が拡大されてい り、曲率が小さく設定されていたりするが これに限られるものではない。例えば、入 面(54,254)と排出面(55,255)とが、タービン羽根 (5,205)の厚み方向において対称な形状に構成 されていてもよい。
以上の実施形態は、本質的に好ましい 示であって、本発明、その適用物、あるい その用途の範囲を制限することを意図する のではない。
以上説明したように、本発明は、周方 に配列された複数の羽根部を備えたタービ 羽根車、並びに、それを備えたタービン及 タービン発電機について有用である。
X 軸心
1 冷凍装置
11 電動圧縮機
13 ノズル
2 タービン発電機
3 タービン
4 回転シャフト(軸部材)
5,205 タービン羽根車
52 羽根部
252 バケット(羽根部)
53,253 衝突面
56,256 頂部
58 壁部
6 発電部
7 ケーシング
73 流出出部
Next Patent: WO/2009/150842