JP2010019148A - タービン発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】流体が持つエネルギを電力に変換するタービン発電機において、駆動軸を支持する転がり軸受の潤滑を確実に行い、タービン発電機の信頼性を向上させる。
【解決手段】タービン発電機（50）のケーシング（51）の内部空間は、第１軸受保持板（76）によって上下に仕切られる。ケーシング（51）に収容されたタービン羽根車（60）と発電機本体（65）を連結する駆動軸（70）は、第１軸受保持板（76）を貫通する。駆動軸（70）に設けられたシール部材（71）は、第１軸受保持板（76）と共にラビリンスシールを構成する。第１軸受保持板（76）及びシール部材（71）の下側の下部空間（52）には、タービン羽根車（60）が収容されると共に、冷媒の導入通路（56）と導出通路（58）が開口する。一方、第１軸受保持板（76）及びシール部材（71）の上側の上部空間（53）には、駆動軸（70）を支持するシールド型又はシール型の転がり軸受（81,82）が収容される。
【選択図】図６

Description

本発明は、冷凍サイクルを行う冷媒回路の冷媒が持つエネルギを電力に変換するタービン発電機に関するものである。

従来より、流体が持つエネルギを電力に変換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には、冷凍サイクルを行う冷媒回路に接続され、冷媒回路を循環する冷媒の持つエネルギを電力に変換するタービン発電機が開示されている。このタービン発電機では、冷媒回路内を流れる高圧冷媒によってタービン羽根車が回転駆動され、このタービン羽根車が発電機本体を駆動することによって電力が発生する。
特開２００８−０３８６３３号公報

ところで、タービン発電機では、タービン羽根車と発電機本体を連結する駆動軸を支持するために軸受が設けられる。駆動軸を支持する軸受としては、例えばボールベアリングやニードルベアリング等の転がり軸受を用いることができる。転がり軸受を用いる際には、その潤滑を行う必要がある。外輪と内輪の間に潤滑用のグリスが充填された転がり軸受を用いる場合は、転がり軸受に潤滑油を供給するための構成をタービン発電機に設ける必要がないため、タービン発電機の構成を簡素化できる。

しかしながら、冷媒回路の冷媒として用いられる物質の多くには、グリスに溶け込んでグリスの粘度を低下させる性質がある。このため、冷媒回路の冷媒が持つエネルギを電力に変換するタービン発電機において、駆動軸を支持する軸受としてグリスが充填された転がり軸受を用いると、転がり軸受に充填されたグリスに冷媒が溶け込み、それによって粘度低下したグリスが転がり軸受から流れ出すおそれがあった。そして、転がり軸受からグリスが流れ出してしまうと、転がり軸受の潤滑が不充分となり、転がり軸受の焼き付き等のトラブルが発生する。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、流体が持つエネルギを電力に変換するタービン発電機において、駆動軸を支持する転がり軸受の潤滑を確実に行い、タービン発電機の信頼性を向上させることにある。

第１の発明は、冷凍サイクルを行う冷媒回路（20）にケーシング（51）が接続され、該ケーシング（51）内では冷媒回路（20）の冷媒によって回転駆動されるタービン羽根車（60）が駆動軸（70）を介して発電機本体（65）に連結されているタービン発電機を対象とする。そして、上記ケーシング（51）には、上記タービン羽根車（60）へ冷媒を送るための導入通路（56）と、該タービン羽根車（60）を通過した冷媒を該ケーシング（51）から排出するための導出通路（58）とが形成され、上記駆動軸（70）を支持するための転がり軸受（81,82）が、上記導入通路（56）と上記導出通路（58）と上記タービン羽根車（60）の何れよりも上方に配置され、上記転がり軸受（81,82）が、潤滑用のグリス（88）が封入されたシール型又はシールド型に構成されるものである。

第１の発明では、タービン発電機（50）のケーシング（51）内に冷媒回路（20）の冷媒が流入し、流入した冷媒によってタービン羽根車（60）が回転駆動される。そして、タービン発電機（50）では、駆動軸（70）を介してタービン羽根車（60）の回転動力が発電機本体（65）へ伝達され、発電機本体（65）において電力が発生する。

第１の発明のタービン発電機（50）において、冷媒回路（20）の冷媒は、導入通路（56）を通ってケーシング（51）内へ流入し、タービン羽根車（60）を駆動した後に導出通路（58）を通ってケーシング（51）の外部へ流出してゆく。ケーシング（51）の内部空間では、駆動軸（70）を支持するための転がり軸受（81,82）が、導入通路（56）と導出通路（58）とタービン羽根車（60）の何れよりも上方に配置される。つまり、ケーシング（51）内へ流入した冷媒の殆どは、ケーシング（51）の内部空間のうち転がり軸受（81,82）よりも下側の部分を通過する。

また、第１の発明では、転がり軸受（81,82）として、シール型又はシールド型のものが用いられる。シール型又はシールド型の転がり軸受（81,82）では、外輪（83）と内輪（84）の間に潤滑用のグリス（88）が詰められており、外輪（83）と内輪（84）に挟まれた転動体（85）の両側にシール板（87）又はシールド板（86）が設けられている。このため、この発明のタービン発電機（50）では、液滴状の冷媒が飛散して転がり軸受（81,82）に到達したとしても、外輪（83）と内輪（84）の間への冷媒の侵入がシール板（87）又はシールド板（86）によって阻害される。

第２の発明は、冷凍サイクルを行う冷媒回路（20）にケーシング（51）が接続され、該ケーシング（51）内では冷媒回路（20）の冷媒によって回転駆動されるタービン羽根車（60）が駆動軸（70）を介して発電機本体（65）に連結されているタービン発電機を対象とする。そして、上記ケーシング（51）には、上記タービン羽根車（60）へ冷媒を送るための導入通路（56）と、該タービン羽根車（60）を通過した冷媒を該ケーシング（51）から排出するための導出通路（58）と、該ケーシング（51）の内部空間を上側の上部空間（53）と下側の下部空間（52）に区画する仕切部材（76）とが設けられ、上記上部空間（53）には上記発電機本体（65）と上記駆動軸（70）を支持する転がり軸受（81,82）が収容され、上記下部空間（52）には上記タービン羽根車（60）が収容されると共に上記導入通路（56）及び上記導出通路（58）が開口する一方、上記仕切部材（76）を貫通する上記駆動軸（70）と該仕切部材（76）の隙間をシールするためのシール部材（71）を備えるものである。

第２の発明では、タービン発電機（50）のケーシング（51）内に冷媒回路（20）の冷媒が流入し、流入した冷媒によってタービン羽根車（60）が回転駆動される。そして、タービン発電機（50）では、駆動軸（70）を介してタービン羽根車（60）の回転動力が発電機本体（65）へ伝達され、発電機本体（65）において電力が発生する。

第２の発明のタービン発電機（50）では、ケーシング（51）の内部空間が仕切部材（76）によって上部空間（53）と下部空間（52）に区画される。冷媒回路（20）の冷媒は、導入通路（56）を通って下部空間（52）へ流入し、下部空間（52）に配置されたタービン羽根車（60）を駆動し、その後に導出通路（58）を通ってケーシング（51）の外部へ流出してゆく。一方、ケーシング（51）の上部空間（53）には発電機本体（65）が収容されており、仕切部材（76）を駆動軸（70）が貫通している。また、この上部空間（53）には、駆動軸（70）を支持するための転がり軸受（81,82）が収容される。仕切部材（76）と駆動軸（70）の隙間は、シール部材（71）によってシールされている。このため、このタービン発電機（50）のケーシング（51）内において、そこへ流入した冷媒の殆どは、転がり軸受（81,82）が収容された上部空間（53）へは流入せずに下部空間（52）だけを通過する。

第３の発明は、上記第２の発明において、上記転がり軸受（81,82）は、潤滑用のグリス（88）が封入されたシール型又はシールド型に構成されるものである。

第３の発明では、駆動軸（70）を支持するための転がり軸受（81,82）として、シール型又はシールド型のものが用いられる。シール型又はシールド型の転がり軸受（81,82）では、外輪（83）と内輪（84）の間に潤滑用のグリス（88）が詰められており、外輪（83）と内輪（84）に挟まれた転動体（85）の両側にシール板（87）又はシールド板（86）が設けられている。従って、シール型又はシールド型の転がり軸受（81,82）では、外輪（83）と内輪（84）の間への冷媒の侵入がシール板（87）又はシールド板（86）によって阻害される。

第４の発明は、上記第１〜第３の何れか一つの発明において、上記ケーシング（51）の内部空間では、上記導出通路（58）の開口位置が上記導入通路（56）の開口位置よりも下方となっているものである。

第４の発明において、導入通路（56）を通ってケーシング（51）内へ流入した冷媒は、タービン羽根車（60）を駆動し、その後に導入通路（56）よりも下方に開口する導出通路（58）へ流入する。タービン羽根車（60）を駆動した冷媒は、重力によって下方へ流れ落ちる。従って、ケーシング（51）の内部空間では、冷媒が上方に開口する導入通路（56）から下方に開口する導出通路（58）へ向かってスムーズに流れる。

上記第１，第３の発明では、駆動軸（70）を支持するための転がり軸受（81,82）として、シール型又はシールド型のものが用いられる。このため、転がり軸受（81,82）では、外輪（83）と内輪（84）の間に潤滑用のグリス（88）が詰められているが、この外輪（83）と内輪（84）の間への冷媒の侵入がシール板（87）又はシールド板（86）によって阻害される。従って、この発明によれば、転がり軸受（81,82）からのグリス（88）の流出を確実に抑えることができ、転がり軸受（81,82）の潤滑を確実に行ってタービン発電機（50）の信頼性を向上させることができる。

上記第２の発明では、タービン発電機（50）のケーシング（51）内が仕切部材（76）によって上部空間（53）と下部空間（52）に仕切られ、仕切部材（76）を貫通する駆動軸（70）と仕切部材（76）の隙間がシール部材（71）によってシールされている。このため、タービン発電機（50）のケーシング（51）内において、そこへ流入した冷媒の殆どは、転がり軸受（81,82）が収容された上部空間（53）へは流入せずに下部空間（52）だけを通過する。従って、この発明によれば、駆動軸（70）を支持するためにグリス（88）によって潤滑を行う転がり軸受（81,82）を用いる場合であっても、転がり軸受（81,82）に設けられたグリス（88）が冷媒に溶け込んで流れ出すといった事態を回避できる。そして、その結果、駆動軸（70）を支持するための転がり軸受（81,82）の潤滑を確実に行うことができ、転がり軸受（81,82）の焼き付き等のトラブルを未然に防いでタービン発電機（50）の信頼性を向上させることができる。

上記第４の発明では、ケーシング（51）の内部空間において導出通路（58）が導入通路（56）よりも下方に開口している。そして、ケーシング（51）の内部空間において、冷媒は、上方に開口する導入通路（56）から下方に開口する導出通路（58）へ向かってスムーズに流れる。このため、ケーシング（51）の内部空間から冷媒をスムーズに流出させてケーシング（51）に存在する液冷媒の量を削減することができ、転がり軸受（81,82）に液冷媒が到達する危険性を低くすることができる。従って、この発明によれば転がり軸受（81,82）からのグリス（88）の流出を、一層確実に抑えることができる。

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。

《発明の実施形態１》
本発明の実施形態１について説明する。本実施形態は、冷凍装置によって構成された空調機（10）である。

〈空調機の構成〉
図１に示すように、本実施形態１の空調機（10）は、一台の室外ユニット（11）と、二台の室内ユニット（13）とを備えている。なお、ここで示す室内ユニット（13）の台数は、単なる例示である。

室外ユニット（11）には、室外回路（30）と室外ファン（12）が収容されている。各室内ユニット（13）には、室内回路（40）と室内ファン（14）が収容されている。一つの室外回路（30）と二つの室内回路（40）は、液側連絡配管（21）とガス側連絡配管（22）によって互いに接続されており、冷媒回路（20）を構成している。冷媒回路（20）には、二酸化炭素（ＣＯ_２）が冷媒として充填されている。

室外回路（30）には、圧縮機（31）と、四方切換弁（32）と、室外熱交換器（33）と、室外膨張弁（34）と、液側閉鎖弁（35）と、ガス側閉鎖弁（36）とが接続されている。圧縮機（31）は、その吐出側が四方切換弁（32）の第１のポートに接続され、その吸入側が四方切換弁（32）の第２のポートに接続されている。室外熱交換器（33）は、その一端が四方切換弁（32）の第３のポートに接続され、その他端が室外膨張弁（34）を介して液側閉鎖弁（35）に接続されている。四方切換弁（32）の第４のポートは、ガス側閉鎖弁（36）に接続されている。

圧縮機（31）は、全密閉型に構成されている。室外熱交換器（33）は、室外ファン（12）によって供給された室外空気と冷媒を熱交換させるためのフィン・アンド・チューブ熱交換器である。四方切換弁（32）は、第１のポートと第３のポートが連通し且つ第２のポートと第４のポートが連通する第１状態（図１に実線で示す状態）と、第１のポートと第４のポートが連通し且つ第２のポートと第３のポートが連通する第２状態（図１に破線で示す状態）とに切り換わる。

各室内回路（40）には、室内熱交換器（41）と、ブリッジ回路（25）と、流量調節弁（42）と、タービン発電機（50）とが接続されている。ブリッジ回路（25）には、四つの逆止弁（26〜29）が設けられている。このブリッジ回路（25）では、第１逆止弁（26）の流入側と第２逆止弁（27）の流出側が、第２逆止弁（27）の流入側と第３逆止弁（28）の流入側が、第３逆止弁（28）の流出側と第４逆止弁（29）の流入側が、第４逆止弁（29）の流出側と第１逆止弁（26）の流出側が、それぞれ互いに接続されている。

室内熱交換器（41）は、その一端が室内回路（40）のガス側端（44）に接続され、その他端がブリッジ回路（25）における第３逆止弁（28）と第４逆止弁（29）の間に接続されている。タービン発電機（50）は、その導入管（54）が流量調節弁（42）を介してブリッジ回路（25）における第４逆止弁（29）と第１逆止弁（26）の間に接続され、その導出管（57）がブリッジ回路（25）における第２逆止弁（27）と第３逆止弁（28）の間に接続されている。ブリッジ回路（25）における第１逆止弁（26）と第２逆止弁（27）の間は、室内回路（40）の液側端（43）に接続されている。

室内熱交換器（41）は、室内ファン（14）によって供給された室内空気と冷媒を熱交換させるためのフィン・アンド・チューブ熱交換器である。タービン発電機（50）は、室内回路（40）を流れる冷媒が持つエネルギを電力に変換する。タービン発電機（50）の詳細は後述する。

冷媒回路（20）において、室外回路（30）の液側閉鎖弁（35）は、液側連絡配管（21）を介して各室内回路（40）の液側端（43）に接続されている。また、室外回路（30）のガス側閉鎖弁（36）は、ガス側連絡配管（22）を介して各室内回路（40）のガス側端（44）に接続されている。つまり、この冷媒回路（20）では、二つの室内回路（40）が互いに並列に接続されている。

〈タービン発電機の構成〉
タービン発電機（50）は、縦長の円筒形に形成された密閉容器状のケーシング（51）を備えている。ケーシング（51）の内部には、タービン羽根車（60）と、発電機本体（65）と、駆動軸（70）とが収容されている。駆動軸（70）は、その軸方向が上下方向となる姿勢で、ケーシング（51）と概ね同軸に配置されている。駆動軸（70）には、タービン羽根車（60）と発電機本体（65）のロータ（66）とが取り付けられている。つまり、駆動軸（70）は、タービン羽根車（60）とロータ（66）を連結している。この駆動軸（70）において、タービン羽根車（60）は駆動軸（70）の下端付近に配置され、ロータ（66）はタービン羽根車（60）よりも上方に配置されている。発電機本体（65）のステータ（67）は、ケーシング（51）に固定されており、ロータ（66）の周囲を囲むように配置されている。

タービン羽根車（60）は、比較的厚肉の円板状、あるいは短くて扁平な円柱状に形成されている。また、タービン羽根車（60）は、その外周部に形成された複数の羽根部（61）を備えている。このタービン羽根車（60）は、後述するノズル（55）と共に、衝動型タービンの一種であるペルトンタービンを構成している。タービン羽根車（60）の詳細は後述する。

ケーシング（51）の内部には、二枚の軸受保持板（76,77）が設けられている。各軸受保持板（76,77）は、その外径がケーシング（51）の内径と実質的に等しい円板状に形成され、ケーシング（51）の軸方向と概ね直交する姿勢でケーシング（51）に固定されている。これら二つの軸受保持板（76,77）は、その一方がタービン羽根車（60）と発電機本体（65）の間に配置され、他方が発電機本体（65）よりも上方に配置されている。各軸受保持板（76,77）には、それぞれの中央部に転がり軸受（81,82）が取り付けられている。下側の第１軸受保持板（76）に設けられた第１転がり軸受（81）には、駆動軸（70）のうちタービン羽根車（60）とロータ（66）の間の部分が挿通され、この部分を第１転がり軸受（81）が回転自在に支持している。上側の第２軸受保持板（77）に設けられた第２転がり軸受（82）には、駆動軸（70）のうちロータ（66）よりも上側の部分が挿通され、この部分を第２転がり軸受（82）が回転自在に支持している。

第１軸受保持板（76）は、仕切部材を構成している。ケーシング（51）の内部空間は、第１軸受保持板（76）によって上下に仕切られている。ケーシング（51）の内部空間では、第１軸受保持板（76）よりも下側の空間が下部空間（52）を構成し、第１軸受保持板（76）よりも上側の空間が上部空間（53）を構成している。上述したように、第１軸受保持板（76）は、タービン羽根車（60）とロータ（66）の間に配置されている。従って、ケーシング（51）内において、タービン羽根車（60）は下部空間（52）に収容され、発電機本体（65）は上部空間（53）に収容されている。また、タービン羽根車（60）とロータ（66）を連結する駆動軸（70）は、第１軸受保持板（76）を貫通している。

ケーシング（51）には、導入管（54）と導出管（57）が設けられている。導入管（54）と導出管（57）のそれぞれは、ケーシング（51）の側面を貫通している。導入管（54）は、ケーシング（51）の上下方向においてタービン羽根車（60）と概ね同じ高さとなる位置に設けられている。導入管（54）には、冷媒を流速を高めるためのノズル（55）が挿入されている。ノズル（55）の先端はタービン羽根車（60）に形成された羽根部（61）の近傍に開口しており、ノズル（55）の先端から噴出した冷媒がタービン羽根車（60）の羽根部（61）に噴きつけられる。導入管（54）とノズル（55）は、下部空間（52）に開口する導入通路（56）を形成している。導出管（57）は、ケーシング（51）の底部付近に設けられている。導出管（57）は、下部空間（52）に開口する導出通路（58）を形成している。

このように、ケーシング（51）内の下部空間（52）では、その上部に配置されたタービン羽根車（60）と概ね同じ高さに導入通路（56）の終端（即ち、ノズル（55）の先端）が開口し、その底部付近に導出通路（58）の始端が開口している。従って、このケーシング（51）の内部空間では、導出通路（58）の開口位置が導入通路（56）の開口位置よりも下方となっている。

本実施形態のタービン発電機（50）では、転がり軸受（81,82）として、シールド型のボールベアリングが用いられている。図３(Ａ)に示すように、シールド型のボールベアリングである転がり軸受（81,82）では、外輪（83）と内輪（84）の間に球状の転動体（85）が設けられると共に、転動体（85）の両側を覆うように金属製のシールド板（86）が設けられている。シールド板（86）は、リング状に形成されており、外輪（83）と内輪（84）の間を塞いでいる。このシールド板（86）は、その外周縁部が外輪（83）に固定され、その内周縁部が内輪（84）と微小な間隔をおいて対向している。また、外輪（83）と内輪（84）と一対のシールド板（86）とで囲まれた空間には、潤滑用のグリス（88）が封入されている。

なお、本実施形態のタービン発電機（50）では、図３(Ｂ)(Ｃ)に示すようなシール型のボールベアリングが転がり軸受（81,82）として用いられていてもよい。シール型のボールベアリングでは、シールド型のボールベアリングにおけるシールド板（86）に代えて、リング状の金属板をゴムで覆うことによって形成されたシール板（87）が設けられている。このシール板（87）は、シールド板（86）と同様に、その外周縁部が外輪（83）に固定されている。一方、シール板（87）の内周縁部は、図３(Ｂ)に示すものでは内輪（84）と微小な間隔をおいて対向し、図３(Ｃ)に示すものでは内輪（84）と接触している。

図４，図５に示すように、タービン羽根車（60）の外周部には、複数（本実施形態では１２個）の羽根部（61）が形成されている。各羽根部（61）は、タービン羽根車（60）の外周部から径方向の外側へ突出している。タービン羽根車（60）において、１２個の羽根部（61）は、タービン羽根車（60）の周方向へ等角度間隔で配置されている。各羽根部（61）において、タービン羽根車（60）の回転方向の前方に位置する側面（62）は、タービン羽根車（60）の回転軸と概ね平行な平面となっている。また、各羽根部（61）において、タービン羽根車（60）の回転方向の後方に位置する側面（63）は、タービン羽根車（60）の径方向から見てタービン羽根車（60）の一端側から他端側へＪ字状に延びる湾曲面となっている。この湾曲面となった羽根部（61）の側面（63）は、ノズル（55）から噴射された冷媒が衝突する衝突面（63）となっている。

また、タービン羽根車（60）の外周部には、壁部（64）が形成されている。この壁部（64）は、隣接する羽根部（61）の一方から他方に亘って、タービン羽根車（60）の一端面（図４における右端面、図５における上端面）に連続して形成されている。図５に示すように、ノズル（55）の先端は、タービン羽根車（60）の厚さ方向の中央よりも壁部（64）側にオフセットした位置に設けられている。そして、このタービン羽根車（60）は、羽根部（61）の衝突面（63）に向かって吹き付けられた冷媒を、壁部（64）とは逆側の端面側に向かって排出するように構成されている。

本実施形態のタービン発電機（50）において、タービン羽根車（60）は、その壁部（64）が第１転がり軸受（81）側を向く姿勢で配置されている。つまり、このタービン発電機（50）において、ノズル（55）からタービン羽根車（60）に噴きつけられた冷媒は、第１転がり軸受（81）とは逆側の下方へ向かって排出される。

−タービン発電機の配置−
本実施形態の室内ユニット（13）において、タービン発電機（50）は、その導入管（54）及び導出管（57）の位置が室内熱交換器（41）の下端よりも上方となるように配置されるのが望ましい。また、タービン発電機（50）は、その導入管（54）及び導出管（57）の位置が室内熱交換器（41）の高さ方向の中央よりも上方となるように配置されるのが更に望ましい。

ここで、空調機（10）の運転中には、室内熱交換器（41）に比較的多量の液冷媒が存在している。そして、空調機（10）が停止すると、室内熱交換器（41）に存在する液冷媒がタービン発電機（50）のケーシング（51）内へ流入するおそれがある。特に、タービン発電機（50）の導入管（54）及び導出管（57）が室内熱交換器（41）の下端よりも下方に位置していると、室内熱交換器（41）に溜まった液冷媒がタービン発電機（50）へ流入し易くなる。そして、タービン発電機（50）のケーシング（51）内へ流入する液冷媒の量が多くなると、転がり軸受（81,82）が液冷媒に浸かってしまい、転がり軸受（81,82）から潤滑用のグリス（88）が流れ出してしまうおそれがある。

それに対し、タービン発電機（50）の導入管（54）及び導出管（57）が室内熱交換器（41）の下端よりも上方に位置している場合は、導入管（54）及び導出管（57）が室内熱交換器（41）の下端よりも下方に位置している場合に比べて、空調機（10）の停止中に室内熱交換器（41）からタービン発電機（50）へ液冷媒が流入し難くなる。また、タービン発電機（50）の導入管（54）及び導出管（57）が室内熱交換器（41）の高さ方向の中央よりも上方に位置している場合は、空調機（10）の停止中に室内熱交換器（41）からタービン発電機（50）へ液冷媒が流入する可能性が一層低くなる。

従って、室内ユニット（13）においてタービン発電機（50）を上述した位置に設置すれば、空調機（10）の停止中に室内熱交換器（41）からタービン発電機（50）へ流入する液冷媒の量が低く抑えられ、転がり軸受（81,82）の潤滑用のグリス（88）が液冷媒に溶け込んで転がり軸受（81,82）から流出するといった事態が回避される。

−運転動作−
本実施形態の空調機（10）は、冷房運転と暖房運転を選択的に行う。冷房運転中や暖房運転中の冷媒回路（20）では、高圧が冷媒の臨界圧力よりも高い値に設定された冷凍サイクル（いわゆる超臨界サイクル）が行われる。

冷房運転中における空調機（10）の動作を説明する。冷房運転中には、四方切換弁（32）が第１状態（図１に実線で示す状態）に設定される。冷媒回路（20）では、室外熱交換器（33）がガスクーラとして動作し、室内熱交換器（41）が蒸発器として動作する。

圧縮機（31）から吐出された冷媒は、四方切換弁（32）を通って室外熱交換器（33）へ流入し、室外空気へ放熱する。室外熱交換器（33）から流出した冷媒は、液側連絡配管（21）を通って各室内回路（40）へ分配される。各室内回路（40）において、液側連絡配管（21）から流入した冷媒は、ブリッジ回路（25）の第１逆止弁（26）と流量調節弁（42）とタービン発電機（50）を順に通過する。流量調節弁（42）とタービン発電機（50）を通過する間に減圧された冷媒は、ブリッジ回路（25）の第３逆止弁（28）を通過後に室内熱交換器（41）へ流入し、室内空気から吸熱して蒸発する。各室内ユニット（13）は、室内熱交換器（41）において冷却された室内空気を室内へ供給する。室内熱交換器（41）から流出した冷媒は、ガス側連絡配管（22）を通って室外回路（30）へ流入し、四方切換弁（32）を通過後に圧縮機（31）へ吸入される。圧縮機（31）へ吸入された冷媒は、その臨界圧力よりも高い圧力にまで圧縮され、その後に圧縮機（31）から吐出される。

暖房運転中における空調機（10）の動作を説明する。暖房運転中には、四方切換弁（32）が第２状態（図１に破線で示す状態）に設定される。冷媒回路（20）では、室内熱交換器（41）がガスクーラとして動作し、室外熱交換器（33）が蒸発器として動作する。

圧縮機（31）から吐出された冷媒は、四方切換弁（32）を通過後にガス側連絡配管（22）へ流入し、ガス側連絡配管（22）を通って各室内回路（40）へ分配される。各室内回路（40）において、ガス側連絡配管（22）から流入した冷媒は、室内熱交換器（41）へ流入し、室内空気へ放熱する。各室内ユニット（13）は、室内熱交換器（41）において加熱された室内空気を室内へ供給する。室内熱交換器（41）から流出した冷媒は、ブリッジ回路（25）の第４逆止弁（29）と流量調節弁（42）とタービン発電機（50）を順に通過する。流量調節弁（42）とタービン発電機（50）を通過する間に減圧された冷媒は、ブリッジ回路（25）の第２逆止弁（27）を通過後にガス側連絡配管（22）を通って室外回路（30）へ流入する。室外回路（30）へ流入した冷媒は、室外膨張弁（34）を通過する際に若干減圧された後に室外熱交換器（33）へ流入し、室外空気から吸熱して蒸発する。室外熱交換器（33）から流出した冷媒は、四方切換弁（32）を通過後に圧縮機（31）へ吸入される。圧縮機（31）へ吸入された冷媒は、その臨界圧力よりも高い圧力にまで圧縮され、その後に圧縮機（31）から吐出される。

タービン発電機（50）の動作について、図５を参照しながら説明する。タービン発電機（50）の導入管（54）には、流量調節弁（42）を通過した冷媒が流入する。導入管（54）へ流入した冷媒は、ノズル（55）を通過する間にその流速が上昇すると同時にその圧力が低下する。ノズル（55）において増速された冷媒は、ノズル（55）の先端から噴出されてタービン羽根車（60）の衝突面（63）に噴きつけられる。衝突面（63）に噴きつけられた冷媒は、湾曲した衝突面（63）に沿って流れ、タービン羽根車（60）の下方へ向かって流れ落ちる。タービン羽根車（60）を通過して下部空間（52）の底部へ流れ落ちた冷媒は、導出管（57）を通ってケーシング（51）の外部へ流出してゆく。

タービン発電機（50）では、ノズル（55）から噴出された冷媒をタービン羽根車（60）の衝突面（63）に噴きつけることによって、タービン羽根車（60）が回転駆動される。タービン羽根車（60）が回転すると、駆動軸（70）を介してタービン羽根車（60）に連結されたロータ（66）が回転する。ロータ（66）が回転すると、発電機本体（65）において電力が発生する。このように、タービン発電機（50）では、導入管（54）へ流入した冷媒の持つエネルギの一部が電力に変換される。タービン発電機（50）において発生した電力は、空調機（10）の構成機器（例えば、室内ファン（14）、室外ファン（12）、圧縮機（31）など）を駆動するために利用される。

タービン発電機（50）のケーシング（51）内では、導入管（54）とノズル（55）によって形成された導入通路（56）と、導出管（57）によって形成された導出通路（58）の両方が、第１転がり軸受（81）よりも下側の位置に開口している。このため、ケーシング（51）内に流入した冷媒の殆どは、第１転がり軸受（81）よりも下側の下部空間（52）だけを通過することとなる。

下部空間（52）内では冷媒が激しく流動しているため、微細な液滴状の冷媒が第１転がり軸受（81）に到達することも有り得る。ところが、本実施形態のタービン発電機（50）では、シールド型又はシール型のボールベアリングが転がり軸受（81,82）として用いられている。従って、仮に液滴状の冷媒が第１転がり軸受（81）に到達しても、第１転がり軸受（81）の内部への冷媒の侵入をシールド板（86）やシール板（87）が阻止するため、第１転がり軸受（81）に潤滑用のグリス（88）が長期間に亘って確実に保持される。

−実施形態１の効果−
本実施形態のタービン発電機（50）では、この転がり軸受（81,82）がケーシング（51）内における導入通路（56）及び導出通路（58）の開口位置よりも上方に設置されている。また、このタービン発電機（50）において、タービン羽根車（60）は、ノズル（55）から噴きつけられた冷媒を転がり軸受（81,82）とは逆側の下方へ向けて排出するように構成されている。従って、本実施形態によれば、タービン発電機（50）のケーシング（51）内において転がり軸受（81,82）に到達する液冷媒の量を大幅に削減することができる。更に、本実施形態のタービン発電機（50）では、シールド型又はシール型のボールベアリングが転がり軸受（81,82）として用いられている。このため、仮に液滴状の冷媒が第１転がり軸受（81）に到達しても、液滴状の冷媒の殆どはシールド板（86）やシール板（87）によって遮られて第１転がり軸受（81）の内部へは侵入しない。

このように、本実施形態によれば、タービン発電機（50）において転がり軸受（81,82）に到達する液冷媒の量を低減することができ、更には転がり軸受（81,82）の内部への液冷媒の侵入をシールド板（86）やシール板（87）によって阻止することができる。従って、本実施形態によれば、転がり軸受（81,82）のグリス（88）が冷媒に溶け込んで転がり軸受（81,82）から流れ出すといった事態を回避でき、転がり軸受（81,82）の焼き付き等のトラブルを未然に防いでタービン発電機（50）の信頼性を向上させることができる。

また、本実施形態のタービン発電機（50）では、ケーシング（51）の内部空間において導出通路（58）が導入通路（56）よりも下方に開口している。そして、ケーシング（51）の内部空間において、冷媒は、、上方に開口する導入通路（56）から下方に開口する導出通路（58）へ向かってスムーズに流れる。このため、ケーシング（51）の下部空間（52）から冷媒をスムーズに流出させてケーシング（51）に残留する液冷媒の量を削減することができ、転がり軸受（81,82）に液冷媒が到達する危険性を低くすることができる。従って、本実施形態によれば転がり軸受（81,82）からのグリス（88）の流出を、一層確実に抑えることができる。

《発明の実施形態２》
本発明の実施形態２について説明する。本実施形態は、上記実施形態１の空調機（10）において、タービン発電機（50）の構成を変更したものである。ここでは、本実施形態のタービン発電機（50）について、上記実施形態１のものと異なる点を説明する。

図６に示すように、本実施形態のタービン発電機（50）には、シール部材（71）が追加されている。シール部材（71）は、駆動軸（70）におけるタービン羽根車（60）と第１転がり軸受（81）の間に取り付けられている。シール部材（71）は、外径が次第に拡大する部分と外径が次第に縮小する部分とが交互に形成された形状の回転体であって、駆動軸（70）と同軸に配置されている。

本実施形態の第１軸受保持板（76）は、第１転がり軸受（81）よりも下側の部分が、シール部材（71）の外側を囲んでいる。第１軸受保持板（76）のうちシール部材（71）の周囲を囲む部分の内周面は、シール部材（71）の外周面と一定の間隔をおいて対面するように、内径が次第に拡大する部分と内径が次第に縮小する部分とが交互に形成された形状となっている。そして、本実施形態のタービン発電機（50）では、シール部材（71）と第１軸受保持板（76）のうちシール部材（71）の周囲を囲む部分とが、ラビリンスシールを構成している。

このように、本実施形態のタービン発電機（50）では、ケーシングの内部空間が、第１軸受保持板（76）とシール部材（71）によって上下に区画されている。そして、第１軸受保持板（76）及びシール部材（71）の上側の空間が上部空間（53）を構成し、第１軸受保持板（76）及びシール部材（71）の下側の空間が下部空間（52）を構成している。

本実施形態のタービン発電機（50）では、第１軸受保持板（76）と第１軸受保持板（76）を貫通する駆動軸（70）の間が、シール部材（71）と第１軸受保持板（76）とで構成されるラビリンスシールによってシールされている。このため、タービン発電機（50）の運転中に下部空間（52）内で冷媒が激しく流動している状態においても、下部空間（52）から上部空間（53）側への液冷媒の侵入は、シール部材（71）と第１軸受保持板（76）とで構成されるラビリンスシールによって確実に阻止される。そして、本実施形態のタービン発電機（50）では、第１転がり軸受（81）の全体がシール部材（71）よりも上側に位置しているため、第１転がり軸受（81）に到達する液冷媒の量を実質的にゼロにすることができる。

従って、本実施形態によれば、転がり軸受（81,82）のグリス（88）が冷媒に溶け込んで転がり軸受（81,82）から流れ出すといった事態を一層確実に回避することが可能となり、転がり軸受（81,82）の焼き付き等のトラブルを未然に防いでタービン発電機（50）の信頼性を向上させることができる。

なお、上記実施形態１と同様に、本実施形態の室内ユニット（13）においても、タービン発電機（50）は、その導入管（54）及び導出管（57）の位置が室内熱交換器（41）の下端よりも上方となるように配置されるのが望ましいく、また、その導入管（54）及び導出管（57）の位置が室内熱交換器（41）の高さ方向の中央よりも上方となるように配置されるのが更に望ましい。

《その他の実施形態》
上記各実施形態の空調機（10）の冷媒回路（20）は、その高圧が冷媒の臨界圧力よりも低い値に設定される一般的な冷凍サイクルを行うように構成されていてもよい。一般的な冷凍サイクルを行う冷媒回路（20）には、いわゆるフロン冷媒が冷媒として充填される場合が多い。そして、この場合の空調機（10）では、冷房運転時には室外熱交換器（33）が凝縮器として動作し、暖房運転時には室内熱交換器（41）が凝縮器として動作する。

なお、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、冷凍サイクルを行う冷媒回路の冷媒が持つエネルギを電力に変換するタービン発電機について有用である。

実施形態１の空調機の構成を示す冷媒回路図である。 実施形態１のタービン発電機の概略構成を示す縦断面図である。 実施形態１のタービン発電機に設けられた転がり軸受の断面図である。 実施形態１のタービン羽根車の概略斜視図である。 実施形態１のタービン羽根車の概略側面図である。 実施形態２のタービン発電機の概略構成を示す縦断面図である。

符号の説明

20 冷媒回路
50 タービン発電機
51 ケーシング
52 下部空間
53 上部空間
56 導入通路
58 導出通路
60 タービン羽根車
65 発電機本体
70 駆動軸
71 シール部材
76 仕切部材
81 転がり軸受
82 転がり軸受
88 グリス

Claims (4)

1. 冷凍サイクルを行う冷媒回路（20）にケーシング（51）が接続され、該ケーシング（51）内では冷媒回路（20）の冷媒によって回転駆動されるタービン羽根車（60）が駆動軸（70）を介して発電機本体（65）に連結されているタービン発電機であって、
   上記ケーシング（51）には、上記タービン羽根車（60）へ冷媒を送るための導入通路（56）と、該タービン羽根車（60）を通過した冷媒を該ケーシング（51）から排出するための導出通路（58）とが形成され、
   上記駆動軸（70）を支持するための転がり軸受（81,82）が、上記導入通路（56）と上記導出通路（58）と上記タービン羽根車（60）の何れよりも上方に配置され、
   上記転がり軸受（81,82）が、潤滑用のグリス（88）が封入されたシール型又はシールド型に構成されている
   ことを特徴とするタービン発電機。
2. 冷凍サイクルを行う冷媒回路（20）にケーシング（51）が接続され、該ケーシング（51）内では冷媒回路（20）の冷媒によって回転駆動されるタービン羽根車（60）が駆動軸（70）を介して発電機本体（65）に連結されているタービン発電機であって、
   上記ケーシング（51）には、上記タービン羽根車（60）へ冷媒を送るための導入通路（56）と、該タービン羽根車（60）を通過した冷媒を該ケーシング（51）から排出するための導出通路（58）と、該ケーシング（51）の内部空間を上側の上部空間（53）と下側の下部空間（52）に区画する仕切部材（76）とが設けられ、
   上記上部空間（53）には上記発電機本体（65）と上記駆動軸（70）を支持する転がり軸受（81,82）が収容され、上記下部空間（52）には上記タービン羽根車（60）が収容されると共に上記導入通路（56）及び上記導出通路（58）が開口する一方、
   上記仕切部材（76）を貫通する上記駆動軸（70）と該仕切部材（76）の隙間をシールするためのシール部材（71）を備えている
   ことを特徴とするタービン発電機。
3. 請求項２において、
   上記転がり軸受（81,82）は、潤滑用のグリス（88）が封入されたシール型又はシールド型に構成されている
   ことを特徴とするタービン発電機。
4. 請求項１乃至３の何れか一つにおいて、
   上記ケーシング（51）の内部空間では、上記導出通路（58）の開口位置が上記導入通路（56）の開口位置よりも下方となっている
   ことを特徴とするタービン発電機。

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