JP2010014095A - タービン用ノズル、タービン発電機及びそれを備えた冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流量を調節可能であって且つ流体のエネルギ損失を抑制したタービン用ノズルを提供する。
【解決手段】タービン用ノズル（4）は、下流側に向かって先細状に形成された先細状流路（41）と先細状流路（41）の下流端に設けられた絞り部（42）とを有する内部流路（49）が形成されたノズル本体（40）と、ノズル本体（40）を通過する流体の流量を調節するニードル弁（9）とを備えている。ニードル（9）は、先細状流路（41）に進退自在に設けられ、絞り部（42）の開度を調節する弁体（92）を有している。弁体（92）は、先端部が内部流路（49）の下流側に向かって先細状に形成されていると共に、外周面（95a）に下流側に向かって延びる溝（97）が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、タービン用ノズル、タービン発電機及びそれを備えた冷凍装置に関し、特に、流量制御可能なタービン用ノズルに関するものである。

従来より、流体の運動エネルギを電力に変換して回収するタービン発電機が広く知られている。例えば、特許文献１に示すように、冷凍サイクルを行う冷凍装置に用いられるタービン発電機が知られている。このタービン発電機においては、ケーシング内に流入してくる冷媒をタービン用ノズルで減圧させることによって圧力エネルギを速度エネルギに変換した後、タービン羽根車に向かって噴射する。タービン羽根車は、流体からの運動エネルギを受けて回転し、発電機を駆動する。こうして、流体の運動エネルギを電力に変換している。
特開２００２−１５６１６３号公報

ところで、前記タービン発電機のノズルは、流体を減圧させるため、冷凍サイクルにおいて膨張機構の役割を果たすが、一般的な膨張弁のように容量を制御することまではできない。そこで、特許文献１に開示された別の構成では、タービン発電機の上流側に流量を制御するための膨張弁を設けている。こうすることで、流量を調節して、冷媒回路を流れる冷媒の循環量を制御している。

ところが、かかる構成では、膨張弁により圧力エネルギから変換された運動エネルギが、流体が膨張弁からノズルまで流通する間に損失してしまう虞がある。つまり、容量を制御することができるようになっても、その一方で流体のエネルギ損失を生じる虞がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、流量を調節可能であって且つ流体のエネルギ損失を抑制したタービン用ノズルを提供することにある。

本発明に係るタービン用ノズルは、下流側に向かって先細状に形成された先細状流路（41）と該先細状流路（41）の下流端に設けられた絞り部（42）とを有する内部流路（49）が形成されたノズル本体（40）と、前記ノズル本体（40）を通過する流体の流量を調節する弁機構（9）とを備え、前記弁機構（9）は、前記先細状流路（41）に進退自在に設けられ、前記絞り部（42）の開度を調節する弁体（92）を有しており、前記弁体（92）は、先端部が前記内部流路（49）の下流側に向かって先細状に形成されていると共に、外周面（95a）に下流側に向かって延びる溝（97）が形成されているものとする。

前記の構成の場合、ノズル本体（40）に弁機構（9）を設けることによって、タービン用ノズルにおいてノズル本体（40）を通過する流体の流量を調節することができる。具体的には、前記先細状流路（41）に配設された、先細状の弁体（92）を下流側の絞り部（42）に向かって前進させることで、絞り部（42）の開度を絞って、ノズル本体（40）を通過する流体の流量を減少させることができる。逆に、弁体（92）を先細状流路（41）の上流側に後退させることで、絞り部（42）の開度を開けて、ノズル本体（40）を通過する流体の流量を増加させることができる。こうして、流体を減圧させるノズル本体（40）において流量も調節するため、流体の流量調節後、減圧させるまでの間の、流体の速度エネルギの損失を抑制することができる。

しかしながら、かかる構成においては、流体の流量を減少させるべく、弁体（92）を下流側の絞り部（42）に向かって前進させると、弁体（92）の外周面（95a）が先細状流路（41）又は絞り部（42）においてノズル本体（40）の内周面（44）に近接して、その間隔が狭くなる。弁体（92）の外周面（95a）とノズル本体（40）の内周面（44）との間隔が狭くなると、流体が該弁体（92）とノズル本体（40）の内周面（44）との間を通過する際に大きな圧力損失が生じてしまう。つまり、流体が絞り部（42）に到達する前に圧力が低下してしまい、絞り部（42）における圧力落差が小さくなってしまう。その結果、絞り部（42）で流体が十分に加速されず、速度エネルギが十分に増大しない虞がある。

そこで、前記の構成では、弁体（92）の外周面（95a）に下流側に向かって延びる溝（97）が形成されている。こうすることによって、該弁体（92）の外周面（95a）とノズル本体（40）の内周面（44）との間の流路面積を該溝（97）の分だけ拡大することができ、流体が弁体（92）の外周面（95a）とノズル本体（40）の内周面（44）との間を通過する際の圧力損失を抑制することができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記弁体（92）は、前記内部流路（49）内を下流側へ前進したときに、前記先細状流路（41）又は絞り部（42）において前記ノズル本体（40）の内周面（44）と当接する当接状態となるように構成されており、前記溝（97）は、前記弁体（92）の外周面（95a）のうち、前記当接状態において、前記ノズル本体（40）の内周面（44）と当接した部分を横切って延びて、該当接した部分よりも上流側の内部流路（49）と下流側の内部流路（49）とを連通させるものとする。

前記当接状態において、弁体（92）の外周面（95a）が、前記ノズル本体（40）の内周面（44）と全周に亘って当接して完全に密着してしまうと、弁体（92）を該ノズル本体（40）の内周面（44）から引き離す際に、その当接した部分よりも上流側の内部流路（49）と下流側の内部流路（49）との圧力差によって、弁体（92）が動かなくなってしまう。

それに対し、前記の構成では、前記弁体（92）の溝（97）を、前記当接状態において、前記弁体（92）の外周面（95a）と前記ノズル本体（40）の内周面（44）とが当接した部分を横切って延びるように形成して、該当接した部分よりも上流側の内部流路（49）と下流側の内部流路（49）とを該溝（97）を介して連通させることによって、上流側の内部流路（49）と下流側の内部流路（49）との圧力差を小さくして、弁体（92）が動かなくなってしまうことを防止することができる。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記弁体（92）の先端部の外周面（95a）は、先端に向かって先細状となるように所定の傾斜角度で傾斜したテーパ面に形成されており、前記ノズル本体（40）の、前記先細状流路（41）における内周面（44）は、下流側に向かって先細状となるように、前記弁体（92）のテーパ面の傾斜角度と同じ傾斜角度で傾斜したテーパ面に形成されているものとする。

前記の如く、弁体（92）の外周面（95a）が先細状流路（41）又は絞り部（42）においてノズル本体（40）の内周面（44）に近接した際に、弁体（92）の外周面（95a）とノズル本体（40）の内周面（44）との間隔が狭くなり、大きな圧力損失が生じてしまうことを防止するためには、ノズル本体（40）の内周面（44）の傾斜角度を、弁体（92）のテーパ面の傾斜角度よりも大きくすることが考えられる。しかしながら、ノズル本体（40）の内周面（44）の傾斜角度を大きくすると、ノズル本体（40）の上流端の開口径が大きくなり、ひいては、ノズル本体（40）の寸法が大きくなってしまう。

それに対し、弁体（92）に溝（97）を形成することによって、弁体（92）の外周面（95a）とノズル本体（40）の内周面（44）との間の圧力損失を抑制する構成においては、前記の構成のように、前記ノズル本体（40）の、前記先細状流路（41）における内周面（44）を、前記弁体（92）のテーパ面の傾斜角度と同じ傾斜角度で傾斜したテーパ面に形成することができる。その結果、ノズル本体（40）の上流端の開口径を小さくすることができ、ひいては、ノズル本体（40）の寸法を小さくすることができる。

第４の発明は、第１〜第３の発明の何れか１つの発明において、前記弁機構（9）は、先端部に前記弁体（92）が設けられた軸状のニードル（91）と、該ニードル（91）の基端部に接続されて該ニードル（91）を駆動するアクチュエータ（93）とをさらに有するニードル弁であって、前記弁体（92）は、基端側の円柱部（94）と先端側の円錐部（95）とで構成され、前記当接状態においては、該円錐部（95）が前記先細状流路（41）又は絞り部（42）において前記ノズル本体（40）の内周面（44）と当接するように構成されており、前記溝（97）は、前記円柱部（94）の外周面（94a）から前記円錐部（95）の外周面（95a）にかけて延びているものとする。

前記の構成の場合、前記ノズル本体（40）の内周部と当接する、前記弁体（92）の円錐部（95）だけでなく、前記円柱部（94）の外周面（94a）にも前記溝（97）が形成されている。つまり、該弁体（92）の円錐部（95）と前記ノズル本体（40）の内周面（44）との間の流路面積だけでなく、該弁体（92）の円柱部（94）と前記ノズル本体（40）の内周面（44）との間の流路面積も拡大することができ、流体が弁体（92）の外周面（95a）とノズル本体（40）の内周面（44）との間を通過する際の圧力損失を十分に抑制することができる。

第５の発明は、第１〜第４の何れか１つの発明において、前記溝（97）は、前記弁体（92）の外周面（95a）において周方向に間隔を開けて複数形成されているものとする。

前記の構成の場合、前記溝（97）を１つだけでなく、複数形成することによって、流体が弁体（92）とノズル本体（40）の内周面（44）との間を通過する際の圧力損失を確実に抑制することができる。

第６の発明は、タービン発電機が対象であって、第１〜第５の何れか１つの発明に係るタービン用ノズル（4）と、前記タービン用ノズル（4）から噴出した流体によって駆動されるタービン羽根車（5）と、前記タービン羽根車（5）によって駆動される発電部（6）とを備えているものとする。

前記の構成の場合、弁体（92）の外周面（95a）に下流側に向かって延びる溝（97）を形成することによって、該弁体（92）とノズル本体（40）の内周面（44）との間の流路面積を拡大して圧力損失を低減することができるため、流体の圧力エネルギをタービン用ノズル（4）によって効率良く速度エネルギに変換することができ、ひいては、流体のエネルギを電力に効率良く変換することができる。

第７の発明は、圧縮機（11）と、放熱器（12）と、第６の発明に係るタービン発電機（2）と、蒸発器（14）とが配管（10）で接続されて、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冷凍装置の動力源として使用されるものとする。

前記の構成の場合、前記タービン発電機（2）のノズル（4）及びニードル弁（9）が冷媒回路における膨張機構の役割を果たすと共に、ニードル弁（9）によって冷媒回路を流通する冷媒の流量制御を行うことができる。その結果、膨張機構を別途設ける必要がなく、冷凍装置の構成を簡易にすることができる。また、タービン発電機（2）で発生した電力を冷凍装置の動力源として使用することによって、冷凍装置に外部から供給する電力量を低減することができる。

本発明によれば、ノズル本体（40）に弁機構（9）を設けることによって、ノズル本体（40）による流体の減圧と弁機構（9）による流量調節を同時に行うことによって、流体の速度エネルギの損失を抑制することができる。それに加えて、弁体（92）の外周面（95a）に下流側に向かって延びる溝（97）を形成することによって、流体が弁体（92）の外周面（95a）とノズル本体（40）の内周面（44）との間を通過する際の圧力損失を抑制することができ、その結果、流体の圧力エネルギを速度エネルギに効率良く変換することができる。

第２の発明によれば、前記弁体（92）の溝（97）を、前記弁体（92）の外周面（95a）のうち、前記当接状態において、前記ノズル本体（40）の内周面（44）と当接した部分を横切って延びるように形成することによって、該当接した部分よりも上流側の内部流路（49）と下流側の内部流路（49）とを該溝（97）を介して連通させることができ、その結果、弁体（92）を当接状態から後退させる際に、弁体（92）が動かなくなってしまうことを防止することができる。

第３の発明によれば、前記ノズル本体（40）の、前記先細状流路（41）における内周面（44）を前記弁体（92）のテーパ面の傾斜角度と同じ傾斜角度のテーパ面に形成することによって、流体が弁体（92）とノズル本体（40）との間を通過する際の圧力損失を抑制しつつ、ノズル本体（40）の寸法を小さくすることができる。

第４の発明によれば、前記溝（97）を前記円柱部（94）の外周面（94a）から前記円錐部（95）の外周面（95a）にかけて延びるように形成することによって、流体が弁体（92）とノズル本体（40）との間を通過する際の圧力損失を確実に抑制することができる。

第５の発明によれば、前記溝（97）を前記弁体（92）の外周面（95a）において周方向に間隔を開けて複数形成することによって、流体が弁体（92）とノズル本体（40）との間を通過する際の圧力損失をより確実に抑制することができる。

第６の発明によれば、タービン発電機のノズルに、前記第１〜第５の何れか１つの発明に係るタービン用ノズル（4）を採用することによって、流体の圧力エネルギをタービン用ノズル（4）で効率良く速度エネルギに変換することができ、ひいては、流体のエネルギを電力に効率良く変換することができる。

第７の発明によれば、タービン発電機（2）のノズル（4）にニードル弁（9）を設けることによって、タービン発電機（2）に冷媒回路における膨張機構の役割を果たさせることができると共に、流量制御を行うこともできる。また、タービン発電機（2）で発生した電力を冷凍装置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いて詳細に説明する。

本発明の実施形態に係るタービン発電機（2）は、図３に示すように、冷凍装置（1）に設けられている。

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）が冷媒配管（10）を介して順に接続された冷媒回路を備え、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。

タービン発電機（2）は、循環する冷媒から電力を回収す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、該ケーシング（7）に取り付けられると共に流入側の冷媒配管（10）が接続される接続管（8）とを備えている。

ケーシング（7）は、円筒形状をしていて、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。このケーシング（7）には、冷媒が流入する流入部（72）と、冷媒が流出する流出部（73）とが設けられている。流入部（72）は、ケーシング（7）内のタービン（3）と略同じ高さに位置し、接続管（8）が接続されている。流出部（73）は、ケーシング（7）の底部近傍であって、タービン（3）よりも下方に位置し、流出側の冷媒配管（10）によって蒸発器（14）に接続されている。

接続管（8）は、ケーシング（7）の外表面に取り付けられており、その内部に内部流路（80）が形成されている。この内部流路（80）は、屈曲部（83）で屈曲している。詳しくは、内部流路（80）は、鉛直方向に延びて上流端が上方に開口する上流側流路（81）と、上流側流路（81）の下流端と連続し且つ該上流側流路（81）に対して屈曲して水平方向に延びて、下流端がケーシング（7）の流入部（72）において開口する下流側流路（82）とで構成され、上流側流路（81）と下流側流路（82）との接続部が屈曲部（83）となっている。また、この屈曲部（83）には、下流側流路（82）をその長手方向へ下流側とは反対側に延長した延長部（84）が設けられている。そして、延長部（84）の端部には、下流側流路（82）の長手方向であってケーシング（7）とは反対側に開口する開口部（85）が設けられている。

そして、上流側流路（81）の上流端には、冷媒配管（10）のうち、冷媒をケーシング（7）に流入させる流入側の冷媒配管（10）が接続されている。一方、下流側流路（82）の下流端には、タービン（3）の後述するタービン用ノズル（以下、単にノズルともいう）（4）が設けられている。また、下流側流路（82）の開口部（85）には、詳しくは後述するニードル弁（9）が取り付けられている。

この接続管（8）が接続部材を構成する。尚、接続部材は、この接続管（8）に限られるものではなく、例えば、内部に内部流路（80）が形成されたブロック状の部材で構成してもよい。

タービン（3）は、回転シャフト（31）と、該回転シャフト（31）に対して固定的に取り付けられて該回転シャフト（31）と一体的に回転するタービン羽根車（5）と、該タービン羽根車（5）に冷媒を噴射するノズル（4）とを備えている。このタービン（3）は、ペルトンタービンであって、ノズル（4）により冷媒の圧力エネルギを速度エネルギに変換して、該冷媒をタービン羽根車（5）に対して噴射することによって、タービン羽根車（5）を回転させて、回転シャフト（31）を介して回転動力を出力する。

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さいものである。具体的には、タービン羽根車（5）は、図５，６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、羽根車本体（51）の外周面には、複数の羽根部（52,52,…）が周方向に間隔を開けて形成されている。

この羽根車本体（51）には、互いの軸心（X）が一致する状態で回転シャフト（31）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（31）も同様に回転する。この回転シャフト（31）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（71,71）で回転自在に支持されている。尚、軸心（X）が回転軸を構成し、回転シャフト（31）が軸部材を構成する。

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。さらに詳しくは、羽根部（52）は、羽根車本体（51）の軸心（X）回りの周方向一方、即ち、回転方向後方に開口し且つ周方向他方、即ち、回転方向前方に凹むように曲がって形成された略Ｕ字形状の衝突面（53）と、該衝突面（53）と対向し且つ回転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）の形状について、さらに詳しく説明する。衝突面（53）は、回転方向前方へ最も凹んだ頂部（56）よりも該厚み方向一端側に位置し、冷媒が入射する入射面（54）と、該頂部（56）よりも該厚み方向他端側に位置し、冷媒を排出する排出面（55）とで構成されている。この頂部（56）は、羽根車本体（51）の厚み方向の中央よりも該厚み方向他端側に位置している。これら入射面（54）及び排出面（55）は共に、円弧状に湾曲している（即ち、円筒の内周面の一部となっている）。また、入射面（54）の開口端縁の方が、排出面（55）の開口端縁よりも、該回転方向後方に位置する。すなわち、入射面（54）の方が排出面（55）よりも回転方向後方に延びている。こうして、入射面（54）の面積を排出面（55）の面積よりも大きくすることによって、入射してくる冷媒を入射面（54）で確実に受け止めている。

さらに、隣接する羽根部（52,52）の間には、一方の羽根部（52）の入射面（54）の開口端縁を、他方の羽根部（52）の背面（57）と接合する壁部（58）が設けられている。この壁部（58）は、隣接する羽根部（52,52）の間の空間が該厚み方向一方へ開口しないように塞いでいる。一方、隣接する羽根部（52,52）において、一方の羽根部（52）の排出面（55）の開口端縁と、他方の羽根部（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、厚み方向他方へ開口している。このように、タービン羽根車（5）において、隣接する２つの羽根部（52,52）の間の空間は、厚み方向他端側の円形平面に開口している一方、厚み方向一端側の円形平面には開口していない。こうすることで、入射面（54）に入射した冷媒が排出面（55）側に流れずに排出面（55）とは反対側に逸れていくことを防止し、入射面（54）に入射した冷媒の運動エネルギをタービン羽根車（5）の回転動力に可及的に変換するようにしている。

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）と他方の羽根部（52）の背面（57）とを繋ぐ、概略鱗形状の平面（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。

ノズル（4）は、ノズル本体（40）と、該ノズル本体（40）を通過する冷媒の流量を調節するニードル弁（9）とを備えている。

ノズル本体（40）には、図１，２に示すように、下流側に向かって先細状に形成された、即ち、内径が下流側に向かって徐々に小さくなっていく先細状流路（41）と、該先細状流路（41）の下流端に位置し、内径が最も小さくなった絞り部（42）と、該絞り部（42）から下流側に向かって末広がり状に形成された、即ち、内径が絞り部（42）から下流側に向かって徐々に大きくなっていく末広がり状流路（43）とで構成された内部流路（49）が形成されている。すなわち、このノズル本体（40）は、いわゆるラバルノズルである。

先細状流路（41）におけるノズル本体（40）の内周面（44）は、下流側に向かって先細となるように所定の傾斜角度で傾斜したテーパ面となっている。

また、末広がり状流路（43）の内周面は、下流側に向かって末広がり状となるように所定の傾斜角度で傾斜したテーパ面となっている。

尚、ノズル本体（40）はラバルノズルに限られるものではなく、絞り部（42）によって流体を減圧させる構成であれば、任意のノズルを採用することができる。

このように構成されたノズル（4）は、タービン羽根車（5）の外周面に対して該タービン羽根車（5）の回転方向前方に向かって冷媒を噴射し、噴射される冷媒がタービン羽根車（5）の羽根部（52）の入射面（54）に当たるように配設されている。詳しくは、ノズル本体（40）の軸心は、図６に示すように、羽根車本体（51）の軸心（X）に直交する平面と平行であって、羽根車本体（51）の厚み方向において羽根車本体（51）の厚み方向中央よりも入射面（54）側にオフセットされていると共に、羽根車本体（51）の外周面に対する接線を半径方向内方にオフセットさせた状態となっている。

ニードル弁（9）は、図４に示すように、棒状のニードル（91）と、該ニードル（91）の先端に設けられた弁体（92）と、ニードル（91）の基端に設けられ、該ニードル（91）を進退自在に駆動するアクチュエータ（93）とを備えている。このニードル弁（9）が弁機構を構成する。

弁体（92）は、図１，２に示すように、ニードル（91）に接続された円柱部（94）と、該円柱部（94）の先端側に設けられた円錐部（95）とで構成されている。

円錐部（95）の外周面（95a）は、先端に向かって先細となるように所定の傾斜角度で傾斜したテーパ面に形成されている。この傾斜角度は、先細状流路（41）におけるノズル本体（40）の内周面（44）の傾斜角度と同じである。ただし、この円錐部（95）の外周面（95a）の傾斜角度は、これに限られるものではなく、内周面（44）の傾斜角度未満であってもよい。

また、弁体（92）の外周面（94a,95a）には、円柱部（94）から円錐部（95）にかけて先端に向かって延びる溝（97,97,…）が、周方向に間隔を開けて４本形成されている。尚、溝（97）の本数は４本に限られるものではなく、例えば、１本でも、５本以上でもよい。

アクチュエータ（93）は、図示を省略するが、ソレノイドとロータとを有したソレノイド型のアクチュエータであって、ニードル（91）の基端部が接続されている。このアクチュエータ（93）は、ソレノイドを作動させることによってニードル（91）を進退させることができる。

このニードル弁（9）は、ニードル（91）が接続管（8）の開口部（85）から下流側流路（82）内に挿入されて、アクチュエータ（93）が開口部（85）において接続管（8）に取り付けられている。こうすることで、ニードル弁（9）のニードル（91）は、下流側流路（82）内を該下流側流路（82）の長手方向に延び、弁体（92）がノズル本体（40）の絞り部（42）に位置する。

ニードル弁（9）は、アクチュエータ（93）を作動させてニードル（91）を駆動することによって、弁体（92）を下流側流路（82）内でその長手方向に進退させる。弁体（92）が最も後退したときには、該弁体（92）は先細状流路（41）から引き出された位置に位置し、該ノズル本体（40）を流通する冷媒に影響を与えない。一方、弁体（92）が最も前進したときには、該弁体（92）の円錐部（95）の外周面（95a）は、先細状流路（41）及び絞り部（42）におけるノズル本体（40）の内周面（44）と当接して、該外周面（95a）と内周面（44）との間をシールする（以下、この状態を当接状態という）。こうして、ニードル弁（9）は、絞り部（42）の開度を調節してノズル本体（40）を通過する冷媒の流量を調節する。

さらに詳しくは、前記当接状態においては、弁体（92）の円錐部（95）の先端は、絞り部（42）を突き抜けて、末広がり状流路（43）内に位置する。このとき、弁体（92）に形成された溝（97,97,…）の先端は、末広がり状流路（43）内に露出している。すなわち、溝（97,97,…）は、当接状態において、弁体（92）の円錐部（95）の外周面（95a）とノズル本体（40）の内周面（44）とが当接した部分を横切って延びて、該当接した部分よりも上流側の先細状流路（41）と下流側の末広がり状流路（43）とを連通させる。

つまり、前記当接状態においては、弁体（92）の円錐部（95）の外周面（95a）が、先絞り流路（41）及び絞り部（42）におけるノズル本体（40）の内周面（44）と当接することによって、前記溝（97,97,…）が形成されていない部分では該外周面（95a）と内周面（44）との間をシールする。こうすることで、絞り部（42）の開度を略全閉状態とし、先細状流路（41）と末広がり状流路（43）とを概ね遮断している。ただし、先細状流路（41）と末広がり状流路（43）とは、溝部（97,97,…）を介して連通している。こうすることで、絞り部（42）の開度が略全閉となった当接状態においても、先細状流路（41）から末広がり状流路（43）へ溝（97,97,…）を介して若干の冷媒が流通している。

発電部（6）は、回転シャフト（31）に対して固定的に取り付けられて該回転シャフト（31）と一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）内において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、スロットが形成される固定子鉄心とスロットに配置される固定子コイルとを有する。発電部（6）は、回転シャフト（31）が回転することでロータ（61）が回転磁界を発生し、その回転磁界によって固定子鉄心の固定子コイルに誘起電圧が生じ電流が流れる。このように、発電部（6）は、タービン（3）から出力される回転動力を電力に変換して出力する。

こうして発電した電力は、電動圧縮機（11）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）が電動圧縮機（11）のために動力回収される。

以上のように構成されたタービン発電機（2）の動作について説明する。

冷媒回路（1）を循環して放熱器（12）で放熱した冷媒は、流入側の冷媒配管（10）から接続管（8）に流入し、ノズル（4）を通過してケーシング（7）に流入する。この冷媒は、ノズル（4）内において、ノズル本体（40）を流通する際に減圧される（膨張する）。このノズル本体（40）で減圧された冷媒は、タービン羽根車（5）の外周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（54）及び排出面（55）に沿って流れ、排出面（55）から、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、冷媒が衝突面（53）に沿って流れる際の衝撃によって、タービン羽根車（5）が軸心（X）回りに回転する。タービン羽根車（5）が回転すると、該タービン羽根車（5）と一体的に回転シャフト（31）が回転し、さらには、回転シャフト（31）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、回転磁界が発生し、固定子（62）の固定子コイルに誘導電圧が生じる。こうして、タービン発電機（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）からケーシング（7）外へ流出して蒸発器（14）へ流れていく。

ここで、前述のノズル（4）を通過する冷媒は、ニードル弁（9）によってその流量が調節される。具体的には、ニードル弁(9)の弁体（92）を、ノズル本体（40）の先細状流路（41）内において後退させることによって、絞り部（42）の開度が開き、流量が増大する。一方、該弁体（92）を先細状流路（41）内において前進させることによって、絞り部（42）の開度が絞られ、流量が減少する。

こうして、絞り部（42）の開度を絞るためには、弁体（92）を絞り部（42）に近接させる必要がある。弁体（42）を絞り部（42）に近接させると、弁体（92）の円錐部（95）の外周面（95a）とノズル本体（40）の先細状流路（41）における内周面（44）との間隔、即ち、冷媒の流路面積が狭くなる。ところが、外周面（95a）と内周面（44）との間隔が狭くなっても、弁体（92）の外周面（94a,95a）に形成された溝（97,97,…）によって、冷媒の流路面積が確保される。そのため、冷媒は、外周面（95a）と内周面（44）との間を通過する際に圧力が大きく低下することなく、高い圧力のまま絞り部（42）まで流通する。そして、絞り部（42）において、冷媒の圧力エネルギが速度エネルギに変換され、該冷媒は、タービン羽根車（5）に向かって噴射される。

また、弁体（92）を最も前進させて、絞り部（42）を略全閉にしたときには、弁体（92）は、円錐部（95）の外周面（95a）がノズル本体（40）の先細状流路（41）における内周面（44）に当接する当接状態となっている。このとき、弁体（92）の外周面（94a,95a）には、上流側の先細状流路（41）と下流側の末広がり状流路（43）とを連通させる溝（97,97,…）が形成されているため、先細状流路（41）から末広がり状流路（43）へ若干量の冷媒が流れている。そのため、弁体（92）の円錐部（95）の外周面（95a）とノズル本体（40）の先細状流路（41）における内周面（44）との間を完全に密閉してしまう構成と比較して、先細状流路（41）と末広がり状流路（43）との高低差圧が小さくなる。したがって、当接状態において、先細状流路（41）と末広がり状流路（43）との高低差圧によって弁体（92）に作用する、下流側への押圧力も小さくなる。その結果、絞り部（42）の開度を開ける際には、弁体（92）を当接状態から多大な力を要することなく、スムーズに後退させることができる。

したがって、本実施形態によれば、ノズル本体（40）にニードル弁（9）を設けることによって、冷媒がノズル本体（40）を通過して減圧される際に流量も調節することができる。このように、冷媒の減圧と流量の調節とを同時に行うため、上流側の膨張弁で冷媒の流量を一旦、調節した後、下流側のノズルで冷媒を減圧させる構成と比較して、冷媒の運動エネルギの損失を低減することができる。その結果、冷媒の圧力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、ひいては、電力に効率良く変換することができる。

また、膨張弁を別体で設ける構成と比較して、ノズル本体（40）とニードル弁（9）とを一体的に設けることができるため、ニードル弁（9）を含めたタービン発電機（2）をコンパクトに構成することができる。

それに加えて、ノズル本体（40）にニードル弁（9）を設けることによって、ノズル本体（40）の絞り部（42）の開度、即ち、流路の絞りの程度をニードル弁で調節することができる。つまり、ノズル本体（40）による絞りの程度を可変とすることができる。その結果、冷媒の減圧の程度も調節することができる。

ここで、流量を少量に絞る際には、弁体（95）の外周面（95a）とノズル本体（40）の内周面（44）との間の流路面積が小さくなる。ところが、本実施形態では、弁体（92）の外周面（94a,95a）に溝（97,97,…）を形成することによって、流路面積を或る程度、確保することができる。こうすることによって、冷媒が弁体（95）の外周面（95a）とノズル本体（40）の内周面（44）との間を流通する際に生じる圧力損失を抑制することができる。

また、絞り部（42）の開度を最も絞る際には、溝（97,97,…）を除いて、先細状流路（41）と末広がり状流路（43）とは、弁体（92）の円錐部（95）の外周面（95a）とノズル本体（40）の内周面（44）との当接部で遮断されることになる。この当接状態においては、高圧状態となった先細状流路（41）と低圧状態となった末広がり状流路（43）との高低差圧によって、弁体（92）には、内部流路（40）の下流側への押圧力が作用している。そして、この押圧力は、絞り部（92）の開度を開くべく、弁体（92）を先細状流路（41）の上流側に後退させる際の抵抗力となる。しかしながら、本実施形態では、前記当接状態であっても、弁体（92）の外周面（94a,95a）に形成された溝（97,97,…）を介して先細状流路（41）と末広がり状流路（43）とが連通しているため、弁体により内部流路を完全に遮断してしまう構成と比較して、弁体（92）前後の高低差圧に起因して弁体（92）に作用する押圧力を低減することができる。その結果、絞り部（92）の開度を開くべく、弁体（92）を当接状態から先細状流路（41）の上流側に後退させる際に、弁体（92）が動かなくなってしまうことを防止することができる。

さらに、接続管（8）内に形成された内部流路（80）を上流側流路（81）と下流側流路（82）とで屈曲させて、該上流側流路（81）と下流側流路（82）との屈曲部において接続管（8）に下流側流路（82）と連通する開口部（85）を形成すると共に、該開口部（85）からニードル弁（9）のニードル（91）を下流側流路（82）内に挿通させ且つニードル（91）先端の弁体（92）がノズル本体（40）の絞り部（42）に到達する状態でニードル弁（9）を接続管（8）に取り付けることによって、弁体（92）がノズル本体（40）内を移動可能なニードル弁（9）をコンパクトに構成することができる。

また、接続管（8）において、下流側流路（82）に対して屈曲させた上流側流路（81）をケーシング（7）の長手方向に沿って延設することによって、接続管（8）を含むタービン発電機（2）をコンパクトに形成することができる。さらに、上流側流路（81）をケーシング（7）の長手方向に沿って延設することによって、それに接続される流入側の冷媒配管（10）もケーシング（7）の長手方向に沿って延設されるようになる。その結果、吸入側の冷媒配管（10）も含めて、タービン発電機（2）をコンパクトに形成することができる。

さらにまた、冷凍装置（1）においては、タービン発電機（2）のノズル本体（40）及びニードル弁（9）が冷媒回路における膨張機構の役割を果たすと共に、ニードル弁（9）によって冷媒回路を流通する冷媒の流量制御を行うことができるため、膨張機構を別途設ける必要がなく、冷凍装置（1）の構成を簡易にすることができる。

また、タービン発電機（2）で発生した電力を電動圧縮機（11）の動力源として使用することによって、冷凍装置（1）に外部から供給する電力量を低減することができる。その結果、冷凍装置の成績係数を向上させることができる。

《その他の実施形態》
本発明は、前記実施形態について、以下のような構成としてもよい。

例えば、タービン羽根車（5）は、前記の構成に限られるものではなく、任意の形状を採用することができる。

また、前記実施形態では、タービン発電機（2）で発生する電力を電動圧縮機（11）を駆動するための動力源として使用しているが、これに限られるものではない。例えば、室内機や室外機に設けられたファンを駆動するために使用してもよい。

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

以上説明したように、本発明は、タービン用ノズル、タービン発電機及びそれを備えた冷凍装置について有用である。

本発明の実施形態に係るタービン用ノズルを、軸と平行な平面で切断した場合の斜視図である。 弁体が当接状態にあるタービン用ノズルの斜視図である。 冷媒回路の全体構成を示す配管図である。 タービン発電機の構成を示す縦断面図である。 タービン羽根車を示す斜視図である。 タービン羽根車を示す図であって、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は正面図である。

符号の説明

1 冷凍装置
2 タービン発電機
3 タービン
4 ノズル（タービン用ノズル）
40 ノズル本体
41 先細状流路
42 絞り部
44 内周面
49 内部流路
5 タービン羽根車
6 発電部
9 ニードル弁（弁機構）
91 ニードル
92 弁体
93 アクチュエータ
94 円柱部
94a 外周面
95 円錐部
95a 外周面
97 溝
10 冷媒配管（配管）
11 電動圧縮機
12 放熱器
14 蒸発器

Claims (7)

1. 下流側に向かって先細状に形成された先細状流路（41）と該先細状流路（41）の下流端に設けられた絞り部（42）とを有する内部流路（49）が形成されたノズル本体（40）と、
   前記ノズル本体（40）を通過する流体の流量を調節する弁機構（9）とを備え、
   前記弁機構（9）は、前記先細状流路（41）に進退自在に設けられ、前記絞り部（42）の開度を調節する弁体（92）を有しており、
   前記弁体（92）は、先端部が前記内部流路（49）の下流側に向かって先細状に形成されていると共に、外周面（95a）に下流側に向かって延びる溝（97）が形成されていることを特徴とするタービン用ノズル。
2. 請求項１において、
   前記弁体（92）は、前記内部流路（49）内を下流側を前進したときに、前記先細状流路（41）又は絞り部（42）において前記ノズル本体（40）の内周面（44）と当接する当接状態となるように構成されており、
   前記溝（97）は、前記弁体（92）の外周面（95a）のうち、前記当接状態において、前記ノズル本体（40）の内周面（44）と当接した部分を横切って延びて、該当接した部分よりも上流側の内部流路（49）と下流側の内部流路（49）とを連通させることを特徴とするタービン用ノズル。
3. 請求項１又は２において、
   前記弁体（92）の先端部の外周面（95a）は、先端に向かって先細状となるように所定の傾斜角度で傾斜したテーパ面に形成されており、
   前記ノズル本体（40）の、前記先細状流路（41）における内周面（44）は、下流側に向かって先細状となるように、前記弁体（92）のテーパ面の傾斜角度と同じ傾斜角度で傾斜したテーパ面に形成されていることを特徴とするタービン用ノズル。
4. 請求項１乃至３の何れか１つにおいて、
   前記弁機構（9）は、先端部に前記弁体（92）が設けられた軸状のニードル（91）と、該ニードル（91）の基端部に接続されて該ニードル（91）を駆動するアクチュエータ（93）とをさらに有するニードル弁であって、
   前記弁体（92）は、基端側の円柱部（94）と先端側の円錐部とで構成され、前記当接状態においては、該円錐部が前記先細状流路（41）又は絞り部（42）において前記ノズル本体（40）の内周面（44）と当接するように構成されており、
   前記溝（97）は、前記円柱部（94）の外周面（94a）から前記円錐部（95）の外周面（95a）にかけて延びていることを特徴とするタービン用ノズル。
5. 請求項１乃至４の何れか１つにおいて、
   前記溝（97）は、前記弁体（92）の外周面（95a）において周方向に間隔を開けて複数形成されていることを特徴とするタービン用ノズル。
6. 請求項１乃至５の何れか１つのタービン用ノズル（4）と、
   前記タービン用ノズル（4）から噴出した流体によって駆動されるタービン羽根車（5）と、
   前記タービン羽根車（5）によって駆動される発電部（6）とを備えていることを特徴とするタービン発電機。
7. 圧縮機（11）と、放熱器（12）と、請求項６に記載のタービン発電機（2）と、蒸発器（14）とが配管（10）で接続されて、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冷凍装置の動力源として使用されることを特徴とする冷凍装置。

Images