JP2007187422A - 冷凍機用動力回収膨張機 - Google Patents

Abstract

【課題】液冷媒の膨張過程において圧力エネルギーを有効に回収でき、これによって冷凍サイクル効率の増大を図ることができる冷凍機用動力回収膨張機を提供すること。
【解決手段】冷凍機の凝縮器と蒸発器間に設置される冷凍機用動力回収膨張機１０−４である。冷凍機用動力回収膨張機１０−４は、凝縮器から蒸発器への作動流体の流れが持つエネルギーを回収するタービン羽根車３０を有する。タービン羽根車３０は、作動流体の流れを周方向から概略軸方向に転向するタービン部３３と、タービン部３３から流入する作動流体の流れを受けてタービン部入口とは逆の概略周方向に転向して噴出するエキスデューサ部３５とを有する。
【選択図】図１１

Description

本発明は、蒸気圧縮サイクルを用いた冷凍機の凝縮器と蒸発器の間に設置される膨張機に関し、特に凝縮器からの高圧の作動流体（冷媒液）を低圧の気液２相状態まで膨張させて蒸発器に導くことができる冷凍機用動力回収膨張機に関するものである。

従来、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行なう冷凍機は、冷媒を封入したクローズドシステムで構成され、冷水（被冷却流体）から熱を奪って冷媒が蒸発して冷凍効果を発揮する蒸発器と、前記冷媒蒸気を圧縮して高圧蒸気にする圧縮機と、高圧蒸気を冷却水（冷却流体）で冷却して凝縮させる凝縮器と、前記凝縮した液冷媒を減圧して膨張させる膨張弁とを、冷媒配管によって連結して構成されている。

しかしながら上記従来の冷凍機の膨張弁では、液冷媒の膨張過程において凝縮器と蒸発器の圧力差に基づくエネルギーを回収することができなかった。
特開２００３−１３０４２８

本発明は上述の点に鑑みてなされたものでありその目的は、液冷媒の膨張過程において圧力エネルギーを有効に回収でき、これによって冷凍サイクル効率の増大を図ることができる冷凍機用動力回収膨張機を提供することにある。

本願請求項１に記載の発明は、冷凍機の凝縮器と蒸発器間に設置される膨張機において、前記膨張機は、凝縮器から蒸発器への作動流体の流れが持つエネルギーを回収するタービン羽根車を有する冷凍機用動力回収膨張機であり、且つ前記タービン羽根車は、作動流体の流れを周方向から概略軸方向に転向するタービン部と、タービン部から流入する作動流体の流れを受けてタービン部入口とは逆の概略周方向に転向して噴出するエキスデューサ部とからなることを特徴とする冷凍機用動力回収膨張機にある。

本願請求項２に記載の発明は、タービン羽根車内では、作動流体はその流れに沿って常に連続して圧力を減少することを特徴とする請求項１に記載の冷凍機用動力回収膨張機にある。

本願請求項３に記載の発明は、前記エキスデューサ部出口は吐出ケーシングに接続され、前記エキスデューサ部出口から周方向へ向けて噴出された作動流体は、この吐出ケーシング内に導入されて徐々に減速されて吐出ケーシングの出口から排出されることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍機用動力回収膨張機にある。

本願請求項４に記載の発明は、前記タービン部とエキスデューサ部は、何れも複数のベーンを有して各ベーンの間に作動流体を受け入れて作動流体の流れの方向を転向させ、

且つ前記エキスデューサ部のベーン枚数を、タービン部のベーン枚数と同数以下としたことを特徴とする請求項１又は２又は３に記載の冷凍機用動力回収膨張機にある。

本願請求項５に記載の発明は、タービン羽根車の上流側に、複数のノズルベーンを有して各ノズルベーンの間に作動流体を受け入れて作動流体の流れの方向を周方向に転向させてタービン部に導入するノズルを設け、さらに前記ノズルベーンを取付角度可変としたことを特徴とする請求項１又は２又は３又は４に記載の冷凍機用動力回収膨張機にある。

本願請求項６に記載の発明は、前記タービン羽根車の主軸と一体の回転軸、あるいはこの主軸に連結された回転軸に発電機を取り付け、少なくとも前記発電機又はその回転軸を支持する軸受に前記作動流体を供給して冷却した後にこの作動流体を前記発電機を収納し且つ前記作動流体の蒸気状態雰囲気とされている収納空間に排出することを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の冷凍機用動力回収膨張機にある。

本願請求項７に記載の発明は、冷凍機の凝縮器と蒸発器間に設置される膨張機において、前記膨張機は、凝縮器から蒸発器への作動流体の流れが持つエネルギーを回収するタービン羽根車を有する冷凍機用動力回収膨張機であり、且つ前記タービン羽根車の主軸と一体の回転軸、あるいはこの主軸に連結された回転軸に発電機を取り付け、少なくとも前記発電機又はその回転軸を支持する軸受に前記作動流体を供給して冷却した後にこの作動流体を前記発電機を収納し且つ前記作動流体の蒸気状態雰囲気とされている収納空間に排出することを特徴とする冷凍機用動力回収膨張機にある。

本願請求項１に記載の発明によれば、凝縮器からの作動流体が膨張する過程にて圧力エネルギーを有効に回収できるとともに、膨張後の蒸発器に流入する作動流体のエンタルピを減じて冷凍能力を増大することができ、この結果、冷凍サイクル効率の増大を実現できる。またタービン羽根車はタービン部とエキスデューサ部とを有するので、液状態で高圧の作動流体から低圧の気液２相状態まで膨張していく際の圧力エネルギーを効率的に回収できる。

請求項２に記載の発明によれば、キャビテーション類似の現象が生じず、構成部品が侵食される恐れを防止できる。

請求項３に記載の発明によれば、作動流体の速度をスムーズに減速でき、作動流体の有する運動エネルギーを損失少なく圧力エネルギーに変換することができる。

請求項４に記載の発明によれば、エキスデューサ部のベーン枚数を少なくすることで、気相の割合が増加した作動流体を通過させるベーン間の流路幅を確保でき、またベーン壁面の面積を減らして壁面での摩擦ロスを低減でき、さらにベーンの製作を容易にすることができる。

請求項５に記載の発明によれば、ノズルを設けたので、タービン羽根車に導入させる作動流体の流れの方向を最適な方向にすることができる。またノズルベーンを取付角度可変としたので、タービン羽根車に流入する作動流体の流量を調整することができ、膨張機運転条件の大きな変化幅に対応でき、高効率を保った運転が可能になる。

請求項６及び請求項７に記載の発明によれば、発電機やその回転軸を支持する軸受を作動流体を用いて極小の機械損失にて容易に冷却することができる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
ここでまず本発明にかかる冷凍機用動力回収膨張機（以下「動力回収膨張機」という）１０を用いて構成される冷凍機３００の１例を説明する。図１は冷凍機３００の概略構成図、図２は冷凍機３００の冷凍サイクルを示す図である。この冷凍機３００は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行なう冷凍機であって、作動流体（以下「冷媒」という）を封入したクローズドシステムで構成され、具体的に言えば、冷水（被冷却流体）から熱を奪って冷媒が蒸発し冷凍効果を発揮する蒸発器３１１と、前記冷媒蒸気を圧縮して高圧蒸気にする圧縮機３１３と、前記圧縮機３１３を回転駆動するモータ（駆動機）３１５と、高圧蒸気を冷却水（冷却流体）で冷却して凝縮させる凝縮器３１７と、前記凝縮した冷媒を減圧して膨張させて前記蒸発器３１１に送るとともに凝縮器３１７から蒸発器３１１への冷媒の流れが持つエネルギーを回収する回転式の本願発明にかかる動力回収膨張機１０とを、冷媒配管３１９によって連結して構成されている。動力回収膨張機１０は以下で詳述するが、内部にノズルとタービン羽根車とを持ち、ノズルで凝縮器３１７からの冷媒液（作動流体）の流速を高めるとともに旋回流とし、この液流をタービン羽根車に当ててタービン羽根車に回転力を与える構成となっている。動力回収膨張機１０は発電機（動力回収機）５０を具備し、この発電機５０によって前記冷媒の流れが持つエネルギーを電力として回収する。なお動力回収膨張機１０を高効率に保つには、冷媒流量とヘッド差に対して効率の高い回転速度で運転することが望ましく、また凝縮器３１７の冷媒液のみを動力回収膨張機１０に導入し、冷媒ガスは導入しないで、冷媒の動力を回収するのが効率的で好ましい。

そして回収した電力をモータ３１５に供給して圧縮仕事の一部に利用すれば、その分外部からの投入電力（投入動力）を減少させることができる。また凝縮器３１７から蒸発器３１１に入る冷媒から動力を回収しているので、図２に示す線分（凝縮器３１７から蒸発器３１１に向かう線分）ａ１のように、蒸発器３１１に入る冷媒のエンタルピが低下し、従って蒸発器３１１の冷凍能力も増大し、冷凍効果が増大する。

この実施形態のように回収動力は電気として回収するのが望ましく、回収した動力は、上述のように圧縮機３１３の駆動動力の一部として利用したり、或いは冷水ポンプや冷却水ポンプ、冷却塔等の冷凍機３００の補機駆動動力の一部として利用したり、その他電力系統に連係してこの冷凍機３００とは関係のない各種機器駆動動力等として利用したりする。またこの実施形態のように動力回収膨張機１０に発電機５０を用いた場合は、電気の取出量により動力回収膨張機１０の回転速度を変えることができ、動力回収膨張機１０の回転速度制御が容易に行なえる。

図３は本発明の第１実施形態にかかる動力回収膨張機１０−１の概略断面図である。同図に示す動力回収膨張機１０−１は、外筒ケーシング１１と、外筒ケーシング１１内に収納されるタービン羽根車３０及びこのタービン羽根車３０の吸込側に設置されるノズル４０及び発電機５０と、タービン羽根車３０の吐出側に取り付けられる吐出ケーシング９０とを具備して構成されている。この動力回収膨張機１０−１は、図１に示す凝縮器３１７からの高圧の冷媒液を低圧の気液２相状態まで膨張させて蒸発器３１１に導くものである。以下各構成部分について説明する。

外筒ケーシング１１は、タービン羽根車３０を収納する筒状のタービン収納部１３と、発電機５０を収納する筒状の発電機収納部１５とを具備し、発電機収納部１５の吸込側底面に吸込口１７を、タービン収納部１３の吐出側上面に吐出口１９を設けて構成されている。タービン収納部１３の外径は発電機収納部１５の外径よりも小さくなっている。

図４はタービン羽根車３０の側面図である。同図に示すようにタービン羽根車３０は、円柱状の主軸３１の作動流体吸込側（下側部分）をタービン部３３、作動流体吐出側（上側部分）をエキスデューサ部３５とし、それぞれの外周側面に複数のベーン３３ａ，３５ａを設けて構成されている。両ベーン３３ａ，３５ａは何れも板状であって主軸３１の外周側面を略螺旋状に巻く形状であって、且つ各ベーン３３ａ，３５ａの間に形成される作動流体通路３３ｂ，３５ｂに冷媒を受け入れて冷媒の流れの方向を転向させる形状に形成されている。この実施形態ではエキスデューサ部３５のベーン３５ａの枚数を、タービン部３３のベーン３３ａの枚数と同数以下、具体的には、ベーン３３ａの枚数を等間隔に１５枚とし、ベーン３５ａの枚数をベーン３３ａの２枚飛びに等間隔の５枚（１／３）とした。なおベーン３５ａの枚数は，ベーン３３ａの枚数と同数以下であれば好ましく、必要に応じて、１／２，１／３，…１／Ｎとすればよい。タービン部３３は主に液状態の冷媒の膨張過程で作動するものであり、エキスデューサ部３５は気体の比率の多い状態までの膨張過程で作動するものである。

タービン部３３のベーン３３ａは、それらの間の作動流体通路３３ｂに下記するノズル４０から排出された旋回流（概略周方向ｃ１の流れ）を受け入れて、冷媒の流れを概ねタービン羽根車３０の回転軸方向（以下「軸方向」という）に転向させる形状であって、且つ冷媒がその流れに沿って常に連続して圧力を減少していく形状に形成されている。この実施形態ではベーン３３ａは３種類のベーンａ１，ａ２，ａ３にて構成され、ベーンａ３はエキスデューサ部３５に延長されてベーン３５ａに連結されており、ベーンａ１，ａ２はその長さをベーンａ３より短くし、タービン部３３のみで終了している。なおベーンａ１，ａ２は同一形状・同一長さとしてもよい。

エキスデューサ部３５のベーン３５ａは、それらの間の作動流体通路３５ｂに前記タービン部３３から排出された軸方向に流れる冷媒を受け入れて、冷媒（下記するように冷媒は気液２相状態になっている冷媒）の流れをタービン部３３の入口における冷媒の周方向ｃ１とは逆の概略周方向ｃ３に転向して高速噴出させる形状であって、且つ冷媒がその流れに沿って常に連続して圧力を減少していく形状に形成されている。つまりタービン部３３のベーン３３ａとエキスデューサ部３５のベーン３５ａは、全体として、冷媒がその流れに沿って常に連続して圧力を減少する形状に形成されている。

なおこの実施形態では、タービン部３３とエキスデューサ部３５が一体の回転体（羽根車）として構成されているが、タービン部３３とエキスデューサ部３５とを別部品として構成し、これらを近接して主軸３１に取り付けてもよい。

図６はノズル４０をタービン羽根車３０側（吐出側）から見た一部平面図であり、言い換えれば図３に示す外筒ケーシング１１から取り出した下記する内筒ケーシング５７を真上から見た平面図である。図６，図３に示すようにノズル４０は、内筒ケーシング５７の上部にこれと一体に設けられ、内筒ケーシング５７の上部に設けた貫通孔５９の周囲の上面に、その外周から半径方向内側に向けて略水平面から垂直面に９０°湾曲するリング状の湾曲面４１を設け、この湾曲面４１上に複数のノズルベーン４０ａを設けて構成されている。各ノズルベーン４０ａは同一形状の板状（翼状）であって、同一方向に湾曲（前記ベーン３３ａ，３５ａとは逆方向に湾曲）させることで、ノズル４０の外周から半径方向内側に向けて直線状に流入して湾曲面４１によってタービン羽根車３０の軸方向に略９０°向きを転向された冷媒を、さらに周方向（図６の矢印Ｅ方向）に旋回させる形状に形成されている。即ちこの実施形態のノズル４０は、各ノズルベーン４０ａの間に形成される作動流体通路４０ｂに半径方向外方から略直線状に流入してくる冷媒を受け入れて、冷媒の流れの方向を半径方向から軸方向へ転向し、且つノズル４０出口で周方向への旋回流へ転向することを連続して３次元的に行なう形状に形成されている。

なおこの実施形態では、発電機５０の外径寸法がタービン羽根車３０の入口径より大きいため、発電機５０の外周（正確には内筒ケーシング５７の外周）を軸方向（上方向）に向かって流れていた冷媒を一旦半径方向内側に略９０°転向させた後にさらに軸方向に略９０°転向するように冷媒の流れを略Ｓ字状に曲げているが、タービン羽根車３０に比して発電機５０の外径が小さい場合は、ノズル４０をタービン羽根車３０と同一径上に配置することが可能となる。この場合、湾曲面４１は不要となって、例えば下記する図１１に示す動力回収膨張機１０−４のように、軸方向に向かってノズルベーン４０ａを設ければよい。

またこの実施形態では発電機５０を収納する内筒ケーシング５７の上部にこれと一体にノズル４０を設けたが、ノズル４０は内筒ケーシング５７とは別部品として発電機５０の上部に設置してもよい。

発電機５０は図３に示すように、前記タービン羽根車３０の主軸３１と同一軸中心で主軸３１と一体に形成される回転軸５１を具備し、この回転軸５１の外周にロータ５３を固定し、ロータ５３の外周を囲むようにロータ５３の外周と狭い隙間ｓ１を介して略リング状にステータ５５を設置し、さらにステータ５５の外周を固定する筒状の内筒ケーシング５７を設置して構成されている。発電機５０としては、ロータ５３に永久磁石を用いた同期式発電機、あるいは誘導式発電機などが用いられる。なおこの実施形態ではタービン羽根車３０の主軸３１と一体に発電機５０の回転軸５１を設けたが、主軸３１と回転軸５１とを別部品とし、両者を歯車などの動力伝達手段で連結してもよい。

内筒ケーシング５７は、その上面に前記回転軸５１を貫通する貫通孔５９が設けられ、貫通孔５９の内周に取り付けられた上部軸受（負荷側軸受）６１と、内筒ケーシング５７の内部の下部に設けられた下部軸受（反負荷側軸受）６３とによって、前記回転軸５１を回動自在に軸支している。内筒ケーシング５７の底面には、内筒ケーシング５７の外部と下部軸受６３とを連通する小径の軸受用作動流体供給管６５が設けられ、同様に内筒ケーシング５７の外周側面には、内筒ケーシング５７の外部と上部軸受６１とを連通する小径の軸受用作動流体供給管６７が設けられている。また内筒ケーシング５７の底面には、その一端が内筒ケーシング５７の外部に開口するとともに他端が前記ロータ５３とステータ５５間の隙間ｓ１の端部（下端部）に対向する位置に開口する小径の発電機用作動流体供給管６９が設けられている。さらに内筒ケーシング５７の外周側面の上部と下部には作動流体排出管７１が接続され、外筒ケーシング１１の外部に引き出されてその他端は吐出ケーシング９０の吐出側、例えば図１に示す蒸発器３１１に接続されている。また外筒ケーシング１１とその中に収納・設置した発電機５０の内筒ケーシング５７との間には、上下方向に向かう作動流体用通路７３が形成されている。

図７は図３に示す吐出ケーシング９０のＡ−Ａ線での概略断面図である。図３，図７に示すように吐出ケーシング９０は、この実施形態では水平面上にスパイラル形状のボリュートを形成して構成されており、その下面側中央に設けたリング状の入口９１で前記外筒ケーシング１１のタービン収納部１３（タービン羽根車３０の出口）に接続され、このタービン羽根車３０から入口９１に吸い込んだ冷媒を、スパイラル状に回転しながら冷媒の速度をスムーズに減速して前記スパイラルの接線方向に突出する出口９３から吐出するように構成されている。この吐出ケーシング９０はこの実施形態のように動力回収膨張機１０−１を構成する他の部品と一体ではなく別部品とし、動力回収膨張機１０−１にフランジ接合するなどして着脱自在としておけば、定期点検等の際に必要に応じて部品交換・修理等の処置を容易に行うことができる。

次に以上のように構成された動力回収膨張機１０−１の動作を説明する。まず図１の凝縮器３１７において液体となっている冷媒が本実施形態にかかる動力回収膨張機１０−１の外筒ケーシング１１に設けた吸込口１７に吸い込まれ、発電機５０周囲の作動流体用通路７３を介してノズル４０に導かれる。そしてノズル４０のノズルベーン４０ａ間の作動流体通路４０ｂ（図６参照）を冷媒が通過することで、冷媒はノズル４０の外周から半径方向内側に向けて直線状に流入した後、軸方向上向きに略９０°転向され、さらに周方向に転向されて旋回流とされる。

ここで図５はタービン部３３の入口部分（図５（ａ））と、タービン部３３の出口部分（図５（ｂ））と、エクスデューサ部３５の出口部分（図５（ｃ））とにおける、冷媒の絶対速度ｃ（ｃ１，ｃ２，ｃ３）と、タービン羽根車３０の周方向速度ｕ（ｕ１，ｕ２，ｕ３）と、冷媒のタービン羽根車３０に対する相対速度ｗ（ｗ１，ｗ２，ｗ３）との関係を示す図である。ノズル４０から排出された液状の冷媒は、図４に示すタービン羽根車３０のタービン部３３の作動流体通路３３ｂに導入されるが、このとき冷媒は前述のように旋回流となっている。即ち図５（ａ）の絶対速度ｃ１で示すように略周方向に向かう旋回流となっている。そしてこの旋回流となっている冷媒は、タービン部３３の作動流体通路３３ｂに導入されることでその向きが転向され、図５（ｂ）に示す絶対速度ｃ２のように概ね軸方向ｃ２に向いてタービン部３３から排出されていく。そして冷媒の圧力は、タービン部３３の入口から出口に向かって徐々に減じて、タービン羽根車３０の回転動力に変換される。

言い換えればタービン部３３における冷媒の圧力が、その流れに沿って常に連続して圧力が減じるようにベーン３３ａの形状が形成されている。即ち、圧力低下に伴ない液中から気体がフラッシュしてくるが、この気液２相の状態変化を見込んで、流れに沿って常に連続して圧力が減じるようにベーン３３ａの形状が形成されている。このようにベーン３３ａの形状を形成したのは以下の理由による。即ち気液２相の状態で、流路途中に冷媒が圧力上昇する箇所があると、その部分でいわゆるキャビテーションと類似の現象が発生し、一旦発生した気泡が周囲の圧力に負けて崩壊する際に瞬間的に生じる非常に高い圧力によってベーン３３ａなどが侵食される恐れがあるからである。なおタービン部３３における気液２相状態については、下記するエキスデューサ部３５における気液２相状態に比して液相が支配的な状態にある。

次にタービン部３３から排出された冷媒は、エキスデューサ部３５に導入されるが、このとき冷媒は前述のように軸方向ｃ２の流れとなっている。そしてこの軸方向ｃ２の流れとなっている冷媒は、エキスデューサ部３５の作動流体通路３５ｂに導入されることで、図５（ｃ）に示すように、タービン部３３の入口とは逆の概略周方向ｃ３に転向して高速噴出される。エキスデューサ部３５内の気液２相状態は、タービン部３３に比して気相の割合が多大であり、エキスデューサ部３５の出口に向かって圧力を減じて気相を増すが、前記タービン部３３と同様の理由にて、出口に向かって常に連続して圧力を減じる。同時に出口に向かって冷媒の速度を増していく。そして周方向ｃ３に高速で冷媒を噴出することにより発生する回転方向の推力にて、冷媒の有するエネルギーをエキスデューサ部３５の回転運動に変換して動力回収を行なう。なおエキスデューサ部３５の流路長さ（ベーン３５ａの巻き長さ）は、気泡がフラッシュするに要する時間を確保するように長く形成されている。

ところで冷凍機３００の凝縮器３１７出口の冷媒の過冷却度合いは小さい。このためこの冷媒を凝縮器圧力から蒸発器圧力に膨張（減圧）する際に、この冷媒液は直ぐにフラッシュする。そこで冷媒の膨張過程で動力回収するタービン羽根車３０は、直ぐに気液２相の状態に移行する特質に対応することが要求される。そのため本発明では上述のように、タービン羽根車３０を２種の特質を有する要素、即ちノズル４０からの冷媒の周方向ｃ１への旋回流を受けてこの冷媒（液相が支配的）を概略軸方向ｃ２に転向させるタービン部３３と、タービン部３３からの冷媒の流れを受けてタービン部３３の入口とは逆の周方向ｃ３に冷媒（気相が多くなっている）を高速噴射するエキスデューサ部３５とを設けたのである。

なおエキスデューサ部３５におけるベーン３５ａの枚数を、タービン部３０におけるベーン３３ａの枚数よりも少なくしたので、（１）ベーン３５ａ間の流路幅を確保でき、（２）ベーン３５ａの壁面の面積を減らすことができて壁面での摩擦ロスを低減でき、（３）ベーン３５ａの製作を容易にすることができる。

次にエキスデューサ部３５の出口から高速で周方向ｃ３に向けて噴出された冷媒は、図３に示す入口９１から吐出ケーシング９０内に導入されて徐々に減速されて吐出ケーシング９０の出口９３から排出される。吐出ケーシング９０は前述のようにスパイラル状に形成されているので、冷媒の速度をスムーズに減速でき、この冷媒の有する運動エネルギーをできるだけ損失が少なく圧力エネルギーに変換することができ、動力回収膨張機１０−１の効率向上を図ることができる。

ところで上記動力回収膨張機１０−１の発電機５０は、ステータ５５の外周部、即ち内筒ケーシング５７の外周側に冷媒を流すことで冷却されるが、さらにこの実施形態においては前記発電機用作動流体供給管６９によって、外筒ケーシング１１内の冷媒をロータ５３とステータ５５の間の隙間ｓ１の下端部から隙間ｓ１内に供給してロータ５３とステータ５５とを冷却する。同時に外筒ケーシング１１内の冷媒を、前記軸受用作動流体供給管６５，６７によって、下部軸受６３と上部軸受６１とに供給してこれらを潤滑し且つ冷却する。発電機用作動流体供給管６９及び軸受用作動流体供給管６５，６７によって内筒ケーシング５７内（即ち発電機５０及び軸受６１，６３を収納している収納空間Ｄ）に供給される冷媒の流入量は、何れも最小限に制限され（つまり各供給管６５，６７，６９の管内径は小さい）、且つ内筒ケーシング５７内に供給される冷媒は作動流体排出管７１（管内径は大きい）によって圧力の低い動力回収膨張機１０−１の吐出側（例えば蒸発器３１１）に導かれているので、内筒ケーシング５７内の圧力は低くて内筒ケーシング５７内は冷媒の蒸気状態雰囲気に保たれている。つまり内筒ケーシング５７内の冷媒は蒸気状態であり、発電機用作動流体供給管６９及び軸受用作動流体供給管６５，６７によって内筒ケーシング５７内に供給された冷媒は隙間ｓ１、軸受６１及び軸受６３にて表面が膜沸騰状態になる。冷媒を蒸気状態としたのは、ロータ５３や上下の軸受６１，６３を液状の冷媒（液冷媒）中で回転すると機械損失（摩擦損失）が大となるが、蒸気雰囲気中で回転すれば、前記機械損失が大幅に低減するからである。なお冷凍機用の冷媒は可燃性がないので、蒸気状態の冷媒が発電機５０に直接触れても問題ない。前述のように冷媒によって上下の軸受６１，６３は冷却・潤滑されるが、冷媒だけでは潤滑性能が不足する場合は、ターボ冷凍機の圧縮機で使用するような潤滑油を給油する。

なお動力回収膨張機１０−１はこの実施形態のように、タービン羽根車３０の主軸（及び発電機５０の回転軸５１）を垂直方向に設置し、これを冷却する冷媒を下側から上側に流すのが望ましい。このように配置すれば、気液２相の冷媒において、気泡が重力に逆らうことなく流れるからである。もちろん本発明は、主軸３１（及び回転軸５１）を水平、あるいは垂直であって冷媒を上から下方向に向けて流す配置で構成しても良いが、停止時の冷媒の気泡の逃げ（排出）や、内筒ケーシング５７内に流入した冷媒を適切に排出する手段を各々の配置の特性に応じて講じる必要がある。

図８は本発明の第２実施形態にかかる動力回収膨張機１０−２の概略断面図である。同図に示す動力回収膨張機１０−２において、前記図３〜図７に示す動力回収膨張機１０−１と同一又は相当部分には同一符号を付す。なお以下で説明する事項以外の事項については、前記図３〜図７に示す実施形態と同じである。この実施形態において第１実施形態と相違する点は、冷媒のノズル４０への導入を、ノズル４０の入口部分の外周部分に水平且つスパイラル状に設置した吸込ケーシング１００から行うこととし、その代りに第１実施形態において内筒ケーシング５７の外周に設置していた外筒ケーシング１１を省略した点である。この場合、５７はケーシング（発電機ケーシング）となる。このように構成すれば、ノズル４０への冷媒の流入が抵抗なく、よりスムーズに行えるようになる。但しこのように構成した場合、発電機５０のステータ５５の外周部を冷媒によって冷却できないので、必要に応じてステータ５５の外周部（ケーシング５７の外周部）にジャケットを設けて冷媒（液冷媒）等を流して冷却してもよい。またこの動力回収膨張機１０−２においても、図示はしないが、下記する第４実施形態と同様に、上部軸受６１や、下部軸受６３や、ロータ５３とステータ５５間の隙間ｓ１の端部に、液冷媒を供給する配管（第１実施形態の軸受用作動流体供給管６５，６７や発電機用作動流体供給管６９に相当する配管）、及び冷媒を排出する配管（第１実施形態の作動流体排出管７１に相当する配管）を設置する。

図９は本発明の第３実施形態にかかる動力回収膨張機１０−３の概略断面図である。同図に示す動力回収膨張機１０−３において、前記図３〜図７に示す動力回収膨張機１０−１と同一又は相当部分には同一符号を付す。なお以下で説明する事項以外の事項については、前記図３〜図７に示す第１実施形態と同じである。この実施形態において第１実施形態と相違する点は、第１実施形態でノズル４０を設置した位置にガイドベーン１２０を設置し、ガイドベーン１２０の下流側に取付角度可変型のノズル４０Ａを設置した点である。ガイドベーン１２０は概略Ｓ字を描いて半径方向内側向き流れから軸方向流れに冷媒の流れを転向する形状を有する。ノズル４０Ａを構成する複数のノズルベーン４０Ａａは軸方向から周方向（旋回方向）に冷媒の流れを転向させる形状を有し、且つ外筒ケーシング１１の外側に設置したノズル取付角度可動機構４０Ａｂによってノズルベーン４０Ａａの取付角度を変更できる構造に形成されている。即ちノズルベーン４０Ａａの取付角度は、図１０に示すノズルベーン４０Ａａの翼形状要部詳細図に示すように、ノズル取付角度可動機構４０Ａｂを駆動することによって、各ノズルベーン４０Ａａの取付角度が回転中心軸Ｏ１を中心にいっせいに可動できる構成となっている。この動力回収膨張機１０−３は、冷媒の流れ方向の転向を、ガイドベーン１２０とノズルベーン４０Ａの２つに分けて行なう方式であり、ガイドベーン１２０にて概略Ｓ字を描いて半径方向内側向き流れから軸方向流れに冷媒の流れを転向した後に、ノズルベーン４０Ａにて軸方向から周方向（旋回方向）に冷媒の流れを転向させる。ノズルベーン４０Ａから吐出される冷媒の旋回角度はノズル取付角度可動機構４０Ａｂによって調整できる。図示してあるガイドベーン１２０は省略可能であるが、ノズルベーン４０Ａへの冷媒の流入角度を適切に保つにはガイドベーン１２０が有効である。

そしてノズルベーン４０Ａａの取付角度を調整することで、動力回収膨張機１０−３に流入する冷媒の流量を調整することができる。即ち、ノズルベーン４０Ａａの角度を大きくして各ノズルベーン４０Ａａ間の流路幅を大きくすると、ノズル通過流量が増す（但し、ノズル４０Ａでの通過流量容量が増しても、実際の流量はタービン羽根車３０内でチョーク流量以下に制限される）。一方ノズルベーン４０Ａａの角度を小さくすると、各ノズルベーン４０Ａａ間の流路幅が狭くなりノズル通過流量が減る。一方動力回収膨張機１０−３の回転数が大きくなるにつれて、動力回収膨張機１０−３に流入する冷媒の流量は増す（但し、タービン羽根車３０内でチョーク流量以下に制限される）。冷凍機３００は負荷変動幅が大きく、動力回収膨張機１０−３の運転条件（流量、入口圧力、出口圧力）の変化幅が大きいので、動力回収膨張機１０−３の回転数及びノズルベーン４０Ａａ角度の２種の調整要素を備えることで、動力回収膨張機１０−３の運転条件の大きな変化幅に対応でき、高効率を保った動力回収膨張機１０−３の運転が可能となる。

この第３実施形態のノズルベーン４０Ａａとガイドベーン１２０の構造（但しガイドベーン１２０は省略可）は、第２実施形態にかかる動力回収膨張機１０−２にも同様に適用できる。

図１１は本発明の第４実施形態にかかる動力回収膨張機１０−４の概略断面図である。同図に示す動力回収膨張機１０−４において、前記第１〜第３実施形態にかかる動力回収膨張機１０−１〜３と同一又は相当部分には同一符号を付す。なお以下で説明する事項以外の事項については、前記第１〜第３実施形態と同じである。同図に示す動力回収膨張機１０−４において、前記第１〜第３実施形態にかかる動力回収膨張機１０−１〜３と相違する点は、動力回収膨張機１０−１〜３においてはタービン羽根車３０の吸込側に発電機５０及びその回転軸５１を配置しているのに対して、この動力回収膨張機１０−４においては、タービン羽根車３０の吐出側に発電機５０及びその回転軸５１を配置している点である。そしてこの実施形態においては、吐出ケーシング９０の吸込側にタービン羽根車３０を設置し、また第１実施形態で用いた外筒ケーシング１１は不要で、図８に示す動力回収膨張機１０−２と同様に、５７は発電機５０を収納するケーシング（発電機ケーシング）としている。

またこの実施形態においても第１実施形態と同様に、上部軸受（反負荷側軸受）６１に液冷媒を供給する軸受用作動流体供給管６５と、下部軸受（負荷側軸受）６３に液冷媒を供給する軸受用作動流体供給管６７と、ロータ５３とステータ５５間の隙間ｓ１の端部（上端部）に液冷媒を供給する発電機用作動流体供給管６９とが設置され、それぞれの供給管６５，６７，６９に液冷媒が供給され、冷媒をロータ５３とステータ５５の間の隙間ｓ１の上端部から隙間ｓ１内に供給してロータ５３とステータ５５とを冷却すると同時に、下部軸受６３と上部軸受６１とを潤滑し且つ冷却する。ケーシング５７内の冷媒は第１実施形態の内筒ケーシング５７内の冷媒と同様に、蒸気状態雰囲気に保たれている。なおこの動力回収膨張機１０−４においては、第１実施形態のような外筒ケーシング１１はなくケーシング５７の外周を冷媒（液冷媒）が通過しないので、軸受用作動流体供給管６５，６７と発電機用作動流体供給管６９の他端は、何れもタービン羽根車３０の上流側に接続され、接続された部分の液冷媒を取り出して各部に供給する。

またこの動力回収膨張機１０−４においても第３実施形態と同様に、タービン羽根車３０の上流側に取付角度可変型のノズル４０Ａが設置されている。ノズル４０Ａは吐出ケーシング９０のタービン羽根車３０を設置したその上流側に取り付けられるノズルケーシング１４０内に設置されている。ノズル４０Ａの各ノズルベーン４０Ａａの取付角度を調整するノズル取付角度可動機構４０Ａｂは、ノズルケーシング１４０の外周面に取り付けられている。ノズル４０Ａは冷凍機３００の負荷変動に対応できるのでノズル取付角度可動方式が望ましいが、冷凍機３００の負荷変動が比較的少ない場合などでは、第１，第２実施形態のようなノズル取付角度固定方式を用いても良い。この実施形態においては、ノズルベーン４０Ａａの上流側にガイドベーン１２０が取り付けられ、ノズル内筒ケーシング１４１を支持すると共にノズルベーン４０Ａａに流入する冷媒の流れを整える働きをしている。

この実施形態においては、タービン羽根車３０の上流側に発電機５０を設置していないので、第１〜第３実施形態のような発電機５０によるタービン羽根車３０の上流側の流路の制限が無く、ノズル４０Ａはタービン羽根車３０と同一径上に配置することができ、その形状が簡素化されるばかりか、冷媒の流れをスムーズにできる。

図１３は本発明の第５実施形態にかかる動力回収膨張機１０−５の概略断面図である。同図に示す動力回収膨張機１０−５において、前記第１〜第４実施形態にかかる動力回収膨張機１０−１〜４と同一又は相当部分には同一符号を付す。なお以下で説明する事項以外の事項については、前記第１〜第４実施形態と同じである。同図に示す動力回収膨張機１０−５において、前記第４実施形態にかかる動力回収膨張機１０−４と相違する点は、発電機５０の両端にタービン羽根車３０を取り付けてこれら２組のタービン羽根車３０によって１台の発電機５０を並列運転することで動力を回収するように構成した点である。両タービン羽根車３０において各々の吸込み側から見た回転方向は相互に逆であり、両タービン羽根車３０や両吐出ケーシング９０やノズル４０Ａなどの形状・構造は勝手反対の形状・構造である。

この並列運転方式によれば、両タービン羽根車３０に生じる流体スラスト力が相殺する方向に働くために、支持する両軸受６１，６３のスラスト荷重が低減する。なお、両端のタービン羽根車３０の容量（流量、回収動力）は必ずしも同一である必要はない。即ち、容量の異なるタービン羽根車３０を配置する方式や、同一容量のタービン羽根車３０で負荷配分の異なる運転とする方式とすることもできる。またノズル４０Ａに関しても、一方は取付角度可変式とし、他方は取付角度固定式とする方式でも良い。またこの実施形態のように、発電機５０の両端にタービン羽根車３０を取り付けてこれら２組のタービン羽根車３０によって１台の発電機５０を並列運転することで動力を回収する構成は、前記図８に示す動力回収膨張機１０−２にも同様に適用できる。

以上本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。なお直接明細書及び図面に記載がない何れの形状や構造や材質であっても、本願発明の作用・効果を奏する以上、本願発明の技術的思想の範囲内である。例えば上記各実施形態では、タービン羽根車によって発電機を駆動することで、凝縮器から蒸発器への作動流体の流れが持つエネルギーを回収したが、発電機の代りに、歯車などを介して、ターボ冷凍機の主軸などに回収動力を伝達するなど、他の種々のエネルギー回収手段を用いても良い。

また上記各実施形態ではタービン羽根車３０の上流側にノズル４０，４０Ａを設置したが、ノズル４０，４０Ａの代りに、タービン羽根車３０の上流側にラジアル式タービンあるいは軸流式タービンを、単数、あるいは複数配置しても良い。膨張比が大きく（膨張比約４以上）、単段のタービンでは効率が悪い場合は、複数のタービン段で構成するのが望ましい。また上記実施形態では作動流体として冷凍機用の冷媒を用いたが、本発明はこれに限られず、たとえばＬＮＧ、プロパンなどの製造プロセス（冷凍プロセス）、あるいは水素製造プロセスにおける動力回収機能を有する膨張機にも同様に適用することができる。即ち冷凍機冷媒以外を作動流体として動力回収を行うこともでき、特に作動流体が液相から気液２相に状態変化する場合に有効に適用できる。なお、作動流体に可燃性のある流体を使用する場合、ロータ５３、ステータ５５、下部軸受６３や上部軸受６１を冷却、潤滑するためには、作動流体とは別の難燃性の冷却剤や潤滑油を供給するようにするのが安全上望ましい。

冷凍機３００の概略構成図である。 冷凍機３００の冷凍サイクルを示す図である。 動力回収膨張機１０−１の概略断面図である。 タービン羽根車３０の側面図である。 タービン部３３の入口部分（図５（ａ））と、タービン部３３の出口部分（図５（ｂ））と、エクスデューサ部３５の出口部分（図５（ｃ））とにおける、冷媒の絶対速度ｃ（ｃ１，ｃ２，ｃ３）と、タービン羽根車３０の周方向速度ｕ（ｕ１，ｕ２，ｕ３）と、冷媒のタービン羽根車３０に対する相対速度ｗ（ｗ１，ｗ２，ｗ３）との関係を示す図である。 ノズル４０をタービン羽根車３０側から見た一部平面図である。 図３に示す吐出ケーシング９０のＡ−Ａ線での概略断面図である。 動力回収膨張機１０−２の概略断面図である。 動力回収膨張機１０−３の概略断面図である。 ノズルベーン４０Ａａの翼形状要部詳細図である。 動力回収膨張機１０−４の概略断面図である。 図１１に示す吐出ケーシング９０のＢ−Ｂ線での概略断面図である。 動力回収膨張機１０−５の概略断面図である。

符号の説明

１０ 動力回収膨張機（冷凍機用動力回収膨張機）
１０−１ 動力回収膨張機
１１ 外筒ケーシング
３０ タービン羽根車
３１ 主軸
３３ タービン部
３３ａ ベーン
３５ エキスデューサ部
３５ａ ベーン
４０ ノズル
４０ａ ノズルベーン
５０ 発電機
５１ 回転軸
６１ 上部軸受（軸受）
６３ 下部軸受（軸受）
６５ 軸受用作動流体供給管
６７ 軸受用作動流体供給管
６９ 発電機用作動流体供給管
７１ 作動流体排出管
７３ 作動流体用通路
９０ 吐出ケーシング
３００ 冷凍機
３１１ 蒸発器
３１３ 圧縮機
３１５ モータ（駆動機）
３１７ 凝縮器
３１９ 冷媒配管
１０−２ 動力回収膨張機
１０−３ 動力回収膨張機
１２０ ガイドベーン
４０Ａ ノズル
４０Ａａ ノズルベーン
４０Ａｂ ノズル取付角度可動機構
１０−４ 動力回収膨張機
１０−５ 動力回収膨張機

Claims (7)

1. 冷凍機の凝縮器と蒸発器間に設置される膨張機において、
   前記膨張機は、凝縮器から蒸発器への作動流体の流れが持つエネルギーを回収するタービン羽根車を有する冷凍機用動力回収膨張機であり、且つ前記タービン羽根車は、作動流体の流れを周方向から概略軸方向に転向するタービン部と、タービン部から流入する作動流体の流れを受けてタービン部入口とは逆の概略周方向に転向して噴出するエキスデューサ部とからなることを特徴とする冷凍機用動力回収膨張機。
2. タービン羽根車内では、作動流体はその流れに沿って常に連続して圧力を減少することを特徴とする請求項１に記載の冷凍機用動力回収膨張機。
3. 前記エキスデューサ部出口は吐出ケーシングに接続され、前記エキスデューサ部出口から周方向へ向けて噴出された作動流体は、この吐出ケーシング内に導入されて徐々に減速されて吐出ケーシングの出口から排出されることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍機用動力回収膨張機。
4. 前記タービン部とエキスデューサ部は、何れも複数のベーンを有して各ベーンの間に作動流体を受け入れて作動流体の流れの方向を転向させ、
   且つ前記エキスデューサ部のベーン枚数を、タービン部のベーン枚数と同数以下としたことを特徴とする請求項１又は２又は３に記載の冷凍機用動力回収膨張機。
5. タービン羽根車の上流側に、複数のノズルベーンを有して各ノズルベーンの間に作動流体を受け入れて作動流体の流れの方向を周方向に転向させてタービン部に導入するノズルを設け、
   さらに前記ノズルベーンを取付角度可変としたことを特徴とする請求項１又は２又は３又は４に記載の冷凍機用動力回収膨張機。
6. 前記タービン羽根車の主軸と一体の回転軸、あるいはこの主軸に連結された回転軸に発電機を取り付け、少なくとも前記発電機又はその回転軸を支持する軸受に前記作動流体を供給して冷却した後にこの作動流体を前記発電機を収納し且つ前記作動流体の蒸気状態雰囲気とされている収納空間に排出することを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の冷凍機用動力回収膨張機。
7. 冷凍機の凝縮器と蒸発器間に設置される膨張機において、
   前記膨張機は、凝縮器から蒸発器への作動流体の流れが持つエネルギーを回収するタービン羽根車を有する冷凍機用動力回収膨張機であり、且つ前記タービン羽根車の主軸と一体の回転軸、あるいはこの主軸に連結された回転軸に発電機を取り付け、少なくとも前記発電機又はその回転軸を支持する軸受に前記作動流体を供給して冷却した後にこの作動流体を前記発電機を収納し且つ前記作動流体の蒸気状態雰囲気とされている収納空間に排出することを特徴とする冷凍機用動力回収膨張機。
   

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