JP2009216090A - 冷凍サイクルに用いられる膨張タービン - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造で、膨張時のエネルギー回収効率を高めることが可能な冷凍サイクルに用いられる膨張タービンを提供することである。
【解決手段】膨張タービン１０は、円盤状ベース部１１と、ベース部１１の径方向に延伸した複数の外周突出部１２とを備えている。外周突出部１２は、噴流当て面１２１と、外周面１２２とを有している。ここで、噴流当て面１２１は円盤状ベース部１１の径方向に略平行であり、外周面１２２は噴流当て面１２１に略垂直して形成されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、冷凍技術分野に属し、特に冷凍サイクルに用いられる膨張タービンの膨張機の構造に関する。

通常使われている冷凍装置では、冷媒を密閉ループ状の冷媒回路に入れ、圧縮、凝縮、膨張、蒸発などの冷凍サイクルが行われている。この冷凍サイクルにおいては、冷媒蒸気を圧縮機で断熱圧縮して高圧蒸気にさせ、凝縮器で熱を放出して液化させ、膨張弁で等エンタルピー膨張させ、蒸発器で熱を吸収して蒸気として圧縮機に返すようにしている。この際、エネルギー効率を上げるために、膨張弁の代わりに衝動型膨張タービンを使うものがある。

冷凍装置の衝動型膨張タービンでは、高圧の冷媒がノズルを介して高速ジェット流に変えられ、そのジェット流をタービンの羽根に当ててタービンを回転させることにより発電が行われる。これと同様の原理を利用したものとして衝動水車による水力発電機が有る。水力発電機では、圧力流体である圧力水を羽根車に噴射し、噴射の衝動によって羽根車が回転し、発電機などを回転駆動させて発電が行われる。衝動水車に使われる羽根車として、例えばペルトン水車がある。ペルトン水車は、車輪円盤と、その外周側に多数配列されて圧力水が吹き付けられるバケット状の羽根部材とを備えている。上述のように、冷凍装置の衝動型膨張タービンとペルトン水車の仕組みは同様である。したがって、冷凍装置の膨張機でも、ペルトン水車で使われるバケット状羽根部材を使うことが考えられる。

冷凍装置の膨張タービンに使われるタービンの羽根車は、ペルトン水車に比べて非常に小型のものが使われている。ここで、バケット状羽根部材の大きさを小型化した羽根車を、冷凍サイクルの膨張タービンで使用した場合、羽根車の内部に渦が発生し、膨張タービンの効率の低下が問題となる。その理由としては、ペルトン水車では噴流は単相の水、バケツ内に残存しているのは空気であり、水の密度と空気の密度の差が大きいため、羽根車を回転させる際、バケツ内に残存する空気は無視できる。一方、冷凍装置においては密閉された冷媒回路に冷媒が充満しており、噴流は二相流体である。そのため、小型のバケツ状羽根部材に高圧の冷媒を噴射した場合、噴流により押し退けられ逆流するガスが次のバケツ状羽根の背面を押すことになり、次の羽根に対し回転ブレーキ力が生じ、エネルギー回収効率が低下する。

本発明の目的は、上記背景技術の問題点を克服し、冷凍サイクルに用いられる膨張タービンを提供し、膨張時のエネルギー回収効率を高めることが可能にすることである。

第１発明に係る衝動型膨張タービンは、冷凍サイクルに用いられる衝動型膨張タービンであって、膨張タービンと、膨張タービンに冷媒を噴射するノズルを備えている。そのうち、膨張タービンは、円盤状ベース部と、ベース部の径方向に延伸した複数の外周突出部とを備えている。外周突起部は、噴流当て面と外周面とを備えており、そのうち噴流当て面は円盤状ベース部の径方向に略平行であり、外周面は円盤状ベース部の径方向に略垂直にした形状である。

このような構造では、噴流当て面と略平行の背面が存在しないため、噴流当て面の背面に圧力が作用して逆回転をさせる力が生じることが抑制され、エネルギー回収効率が高まる。

第２発明に係る膨張タービンは、第１発明に係る膨張タービンであって、噴流当て面は円盤状ベース部の略接線方向に噴射される冷媒を受けるように構成され、外周面はその噴流受け面の内周端から隣接する噴流受け面の外周端まで接線方向に沿って形成されている。

この場合には、ペルトン水車のように噴流当て面に噴射された冷媒が接線方向よりも放射方向に近い傾斜の面に衝突することはないため、逆回転力の発生が抑制される。

第３発明に係る膨張タービンは、円盤状ベース部と、ベース部の径方向に延伸した複数の外周突出部とを備え、外周突起部の噴流当て面は円盤状ベース部の径方向に略平行であり、外周面は円盤状ベース部の径方向に略垂直にした形状である。

第４発明に係る膨張タービンは、第３発明に係る膨張タービンであって、噴流当て面は円盤状ベース部の略接線方向に噴射される冷媒を受けるように構成され、外周面はその噴流受け面の内周端から隣接する噴流受け面の外周端まで接線方向に沿って形成されている。

このような構造により、膨張タービンのエネルギー回収効率が高まり、タービン発電機の発電効率が高くなり、冷凍サイクル全体の効率を高めることができる。

第５発明に係る膨張タービンは、第３発明に係る膨張タービンであって、噴射ノズルの配置位置は、ノズルから噴射される冷媒が外周突起部の噴流当て面と基本的に垂直になるように構成されている。

ここでは、噴射ノズルの配置方向を調整することにより、外周突起部の噴流当て面の効果を最大限に生かすことができ、膨張タービンの逆回転力の発生を抑制することができる。

第６発明に係る膨張タービンは、第１〜第５のいずれかの発明に係る冷凍サイクルに用いられるタービン発電機であって、そのうち、冷媒はHFCまたはCO2である。

本発明の特徴及び効果
本発明の構造を冷凍サイクルの膨張機に使用した場合、噴流当て面と略平行の背面が存在しないため、噴流当て面の背面に圧力が作用して逆回転をさせる力が生じることが抑制され、エネルギー回収効率が高まる。

本発明では、ペルトン水車のように噴流当て面に噴射された冷媒が接線方向よりも放射方向に近い傾斜の面に衝突することはないため、逆回転力の発生が抑制される。

本発明では、膨張タービンのエネルギー回収効率が高まり、タービン発電機の発電効率が高くなり、冷凍サイクル全体の効率を高めることができる。

本発明では、噴射ノズルの配置方向を調整することにより、外周突起部の噴流当て面の効果を最大限に生かすことができ、膨張タービンの逆回転力の発生を抑制することができる。

膨張機を有する冷凍サイクルの構成模式図 膨張機を有する冷凍サイクルのモリエル線図 タービン発電機の構成図。 実施例に係る膨張タービンの構造模式図、そのうち、（ａ）実施例に係る膨張タービンの斜視図。（ｂ）図４（ａ）の膨張タービンの作業原理模式図。 実施例に係る膨張タービンと従来技術の膨張タービンとの構造の比較、そのうち、（ａ）本願に係る膨張タービンの平面図。（ｂ）ペルトン水車のバケット状膨張タービンの平面図。（ｃ）もう一つのペルトン水車のバケット状膨張タービンの平面図。 実施例に係る膨張タービンと従来技術の膨張タービンの性能実験結果を示すグラフ図。 背景技術の膨張タービンの作業原理模式図。

本発明に係る膨張タービンの実施例について、添付図及びタービン発電機を用いた冷凍サイクルを参照しながら説明する。

〈冷媒回路の構成〉
図１に示すように、冷媒回路１は、冷媒（例えば、HFC）を封入した密閉システムの中で冷凍サイクルを行うためのものである。冷媒回路１は、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５とタービン発電機６、冷媒蒸気を圧縮して高圧蒸気にする圧縮機２と、高圧蒸気を冷却して凝縮させる凝縮器３と、凝縮された冷媒を減圧して膨張させる膨張機4と、を備えている。

〈冷凍サイクル〉
図２に示すように、冷凍サイクルは、冷媒が蒸発→圧縮→凝縮→膨張の４つの状態変化を順に繰り返して循環するように構成されている。Ａ→Ｂの圧縮行程において、蒸発器５を出た過熱蒸気は圧縮機２に吸入される。圧縮機２において冷媒に仕事を加えられ、等比エントロピー線上に沿って断熱圧縮された冷媒は、高圧の過熱度の大きなガスになる。

図１、２に示すように、Ｂ→Ｃの凝縮行程で、凝縮器３に入った高圧ガスは、冷却され等圧のまま凝縮潜熱で飽和液になり、さらに顕熱を放出して過冷却液になる。

図２に示すように、膨張行程が膨張弁により行われた場合、即ちＣ→Ｄ２の膨張行程では熱の出入りがないしめり膨張となり、比エンタルピーは変化しない。即ち、外部への仕事はゼロとなる。

膨張過程において、膨張弁の代わり膨張タービンにより動力の回収と減圧を行う場合、即ちＣ→Ｄの膨張行程では、凝縮器３から出た過冷却液が、膨張タービンで仕事をし、圧力と温度が低下して低温低圧の二相冷媒（湿り蒸気）となる。ここで、膨張タービンの損失がない場合、冷媒は等比エントロピー線上に沿って膨張され、回収した動力は△ｈである。同時に、冷媒システムには余分の冷凍量△ｈが増える。一方、膨張タービンの損失が発生した場合、冷媒はＣ→Ｄ１線に沿って膨張され、回収した動力及び増加する冷凍量は共に△ｈ₁である。本願では、膨張タービン４の構造を工夫することにより、膨張タービンにおける損失をできるだけ減少させ、回収した動力及び増加する冷凍量△ｈ₁を膨張タービンの損失がない場合の回収動力△ｈにできるだけ接近するようにする。

その後、蒸発過程において、膨張タービン４からの低温低圧の二相冷媒は蒸発器５に入る。蒸発器５内において、低温低圧の冷媒はＤ（Ｄ１，Ｄ２）→Ａの蒸発行程に沿って、外部から熱を受け入れ蒸発潜熱によって等圧のまま乾き蒸気になり、その後、圧縮機２に供給される。冷媒が周囲環境から熱を受けて蒸発する過程で、被冷却対象の温度が下がり冷凍効果を得ることができる。

〈タービン発電機〉
上記冷凍システムのタービン発電機６の構造は、図３に示す。タービン発電機６は、ケーシング７内に設けられた噴射ノズル４１と、膨張タービン１０とにより構成された膨張機と、回転軸８と、発電機構９とにより構成されている。発電機構９は、固定子９ａと回転子９ｂとを備えている。膨張タービン１０と回転子９ｂとは回転軸８によって連結され、膨張タービン１０の回転動力によって発電機構９の回転子９ｂが駆動されて発電する。発電した電力は、圧縮機２の動力源として利用される。つまり、冷媒の運動エネルギー（膨張エネルギー）が圧縮機２のために動力回収される。

ケーシング７には、２つの流入部７ａと流出部７ｂとが設けられている。なお、図３では、流入部７ａを１つのみ示している。各流入部７ａは、冷媒配管によって凝縮器３に接続され、流出部７ｂは、冷媒配管によって蒸発器５に接続されている。また、各流入部７ａ、膨張タービン１０の外周の近傍に設けられている。そして、各流入部７ａには、ノズル４１が設けられている。凝縮器３で放熱した冷媒は、ノズル４によって流路が絞られ、減圧される（膨張する）と同時に速度が上昇される。このノズル４１で減圧され且つ高速化された冷媒は、後述する膨張タービン１０の噴流当て面１２１に噴射されて衝突する。衝突後の冷媒は、流出部７ｂからケーシング７外へ流出して蒸発器５に流れる。

〈膨張機及び膨張タービン〉
図３に示すように、本実施例の膨張機４は、噴射ノズル４１と膨張タービン１０とを備えており、タービン発電機６内に配置されている。図４（ａ）に示すように、膨張タービン１０は、円盤状ベース部１１と、ベース部１１の径方向に延伸した複数の外周突出部１２とを備えている。図４（ｂ）に示すように、外周突出部１２は、噴流当て面１２１と、外周面１２２とを有している。ここで、噴流当て面１２１は円盤状ベース部１１の径方向に略平行であり、外周面１２２は噴流当て面１２１に略垂直して形成されている（すなわち、外周面１２２は円盤状ベース部（１１）の径方向に略垂直している）。また、外周面１２２は、噴流受け面１２１の外周端から隣接する噴流受け面１２３の内周端まで接線方向に沿って形成されている。

本実施例の噴射ノズル４１は、噴射される冷媒の流れが噴流当て面１２１と基本的に垂直になるように噴射されるように配置されている。ノズル４１から噴射される高速噴流は、図４（ｂ）に示すように噴流当て面１２１に衝突する。衝突した冷媒の運動エネルギーにより噴流受け面１２１が押されて回転し、ノズル４１から噴射される冷媒の運動エネルギーは、膨張タービン１０に吸収される。膨張タービン１０の回転動力によって発電機構９が駆動されて発電する。

本実施例の具体的構造パラメータは表１に示す通りである。

これらの実施例の具体的構造パラメータは例であり、本発明の範囲を限定するものではない。本発明の内容に基づいて構造パラメータの変更を行った場合、全て本願発明の保護範囲に含まれるものとする。

上述の実施例では、HFCを冷媒とした冷凍サイクルに用いられる膨張タービン及びタービン発電機について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。二酸化炭素を冷媒とする冷凍サイクルに用いられる膨張タービン及びタービン発電機に本発明を適用しても良い。

ここで、本願に係る形状を有する膨張タービン１０を使用した場合の膨張機４のエネルギー回収効率と、通常のペルトン水車で用いられるバケツタイプのタービンを使用した場合の膨張機のエネルギー回収効率を比較する実験を行った。

図５（ａ）に示す膨張タービン１０は、本願に係る形状を有する膨張タービンであって、噴流当て面１２１が円盤状ベース部１１の径方向に略平行であり、外周面１２２が噴流当て面１２１に略垂直して形成されている。

図５（ｂ）に示すタービン２１０は、通常のペルトン水車で用いられるバケツタイプのものであって、円盤部２１１と、バケット部２１２とにより形成されている。図５（ｃ）のタービン３１０は、図５（ｂ）に示すタービン２１０のインペラ高さＨ３を変更させたものである。それぞれ、円盤外周直径、及び円盤厚みは同じく製作し、インペラ高さＨ１は、タービン１０を基準にタービン２１０は１．６倍、タービン３１０は２．４倍となっている。

図６は、ノズル４１から噴射される冷媒をタービン１０（図面では▲で表す曲線）、タービン２１０（図面では■で表す曲線）、タービン３１０（図面では◆で表す曲線）に噴射した際のエネルギー回収効率を示すグラブである。

図６において、横軸はタービンの速度、縦軸はタービンのエネルギー回収効率（発電効率）である。ここでは、全ての回転数領域において、本願に係るタービン１０のエネルギー回収効率が、通常のペルトン水車で用いられるバケツタイプのタービン２１０より遙かに高いことが判明された。縦軸、横軸はタービン１０の最高値を１として表現している。

通常のペルトン水車で用いられるバケツタイプのタービン２１０、３１０の回収効率が低い理由として、以下のようなことが推定される。図７に示すように、タービン２１０の場合、インペラ部２１２の衝突面２１２１に噴射された後反射された冷媒は、衝突面の背面２１２３と衝突し、タービン２１０を噴射方向と反対方向に押し出す逆回転力が発生する。即ち、衝突面２１２１の底面２１２２と衝突面の背面２１２３とにより構成された空隙容積に逆流された冷媒が貯蓄され、冷媒の逆流によるエネルギー損失が発生する。逆流損失が大きいほど、図２における膨張点Ｄ１はＤ２に接近し、回収エネルギー△ｈ１は小さくなる。

一方、図４（ｂ）に示すように、本願に係る膨張タービン１０では、冷媒が噴流当て面１２１に衝突した後、一部が外周面１２２に当たるとしても、図７のような衝突面の背面２１２３面が存在しないため、逆回転力の発生が抑制される。逆流損失が少ないほど、図２における膨張点Ｄ１はＤに接近し、回収エネルギー△ｈ１は△ｈに接近するようになる。

１ 冷凍回路
２ 圧縮機
３ 凝縮器
４ 膨張機
５ 蒸発機
６ タービン発電機
１０ 膨張タービン
１１ 円盤状ベース部
１２ 外周突出部
４１ 噴射ノズル
１２１ 噴流当て面
１２２ 外周面

Claims (6)

1. 冷凍サイクルに用いられる衝動型膨張タービンであって、膨張タービン（１０）と、前記膨張タービン（１０）に冷媒を噴射する噴射ノズル（４１）を備え、その特徴は
   前記膨張タービン（１０）は円盤状ベース部（１１）と、前記ベース部（１１）の径方向に延伸し、噴流当て面（１２１）と外周面（１２２）とを有する複数の外周突出部（１２）と、を備え、そのうち、
   前記外周突起部（１２）の噴流当て面（１２１）は円盤状ベース部（１１）の径方向に略平行であり、前記外周面（１２２）は円盤状ベース部（１１）の径方向に略垂直にした形状である、
   膨張タービン。
2. 前記噴流受け面（１２１）は、円盤状ベース部（１１）の略接線方向に噴射される冷媒を受けるように構成され、
   前記外周面（１２２）はその噴流受け面（１２１）の外周端から隣接する噴流受け面（１２３）の内周端まで接線方向に沿って形成された、
   請求項１に記載の膨張タービン。
3. 冷凍サイクルに用いられる衝動型膨張タービンであって、膨張タービン（１０）と、前記膨張タービン（１０）に冷媒を噴射する噴射ノズル（４１）を備え、その特徴は
   前記膨張タービン（１０）は、円盤状ベース部（１１）と、前記ベース部（１１）の径方向に延伸し、噴流当て面（１２１）と外周面（１２２）とを有する複数の外周突出部（１２）と、を備え、
   前記噴流当て面（１２１）は円盤状ベース部（１１）の略接線方向に噴射される冷媒を略垂直に受けるように構成され、前記外周面（１２２）は噴射される冷媒に略平行にした形状である、
   膨張タービン。
4. 前記外周面（１２２）はその噴流受け面（１２１）の外周端から隣接する噴流受け面（１２３）の内周端まで接線方向に沿って形成された、
   請求項３に記載の膨張タービン。
5. 前記噴射ノズル（４１）の配置位置は、ノズル（４１）から噴射される冷媒が前記外周突起部（１２）の噴流当て面（１２１）と基本的に垂直になるように構成されている、
   請求項３に記載の膨張タービン。
6. 前記冷媒はHFCまたはCO2である、請求項１から５のいずれかに記載の膨張タービン。

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