JP2010096175A - Turbine generator and refrigeration device equipped with the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、タービン羽根車及びノズルを備えたタービン発電機、及びそれを備えた冷凍装置に関するものである。 The present invention relates to a turbine generator including a turbine impeller and a nozzle, and a refrigeration apparatus including the turbine generator.
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。 Conventionally, turbine generators that convert kinetic energy of a fluid into electric power and recover it are widely known. For example, as shown in Patent Document 1, a turbine generator used in a refrigeration apparatus that performs a refrigeration cycle is known. In this turbine generator, the refrigerant flowing into the casing is decompressed by a nozzle to convert pressure energy into velocity energy, and then injected toward the turbine impeller. The turbine impeller rotates by receiving kinetic energy from the fluid and drives the generator. Thus, the kinetic energy of the fluid is converted into electric power.
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流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。このようにタービン発電機の上流側に膨張弁を設ける構成においては、膨張弁とノズルとで段階的に減圧する、即ち、流体の圧力エネルギを速度エネルギに変換することになる。 By the way, the nozzle of the turbine generator plays the role of an expansion mechanism in the refrigeration cycle in order to depressurize the fluid. However, the flow rate cannot be controlled like a general expansion valve. Therefore, in another configuration disclosed in Patent Document 1, an expansion valve for controlling the flow rate is provided on the upstream side of the turbine generator. In this way, the circulation rate of the refrigerant flowing through the refrigerant circuit is controlled by adjusting the flow rate. In this manner, in the configuration in which the expansion valve is provided on the upstream side of the turbine generator, the pressure is gradually reduced by the expansion valve and the nozzle, that is, the pressure energy of the fluid is converted into velocity energy.
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、流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。 However, in such a configuration, the kinetic energy converted from the pressure energy by the expansion valve may be lost while the fluid flows from the expansion valve to the nozzle. In other words, even if the flow rate can be controlled, there is a risk that fluid energy may be lost.
そこで、本発明者は鋭意研究の結果、ノズルの喉部にノズルの喉部に弁機構を設けて該喉部の開度を調節することによって、エネルギ損失を低減しつつ、流量を調節することができることを見出し、該発明について出願した（特願２００８−１５８８５８）。 Therefore, as a result of earnest research, the present inventor adjusts the flow rate while reducing energy loss by providing a valve mechanism at the throat of the nozzle and adjusting the opening of the throat at the throat of the nozzle. As a result, the present invention was filed (Japanese Patent Application No. 2008-158858).
しかしながら、本発明者がさらに鋭意研究を重ねた結果、前記の構成を実現すると、以下のような課題が生じることを見出した。 However, as a result of further intensive studies by the present inventors, it has been found that the following problems arise when the above configuration is realized.
すなわち、ノズルは、入口から喉部に向かって断面積が縮小するように構成されているが、該喉部と出口との断面積比を適切な面積比に設定することで、ノズル効率（＝ノズルで変換できたエネルギ／取り得る最大エネルギ）を最適化している。 That is, the nozzle is configured so that the cross-sectional area decreases from the inlet toward the throat, but by setting the cross-sectional area ratio between the throat and the outlet to an appropriate area ratio, the nozzle efficiency (= The energy converted by the nozzle / the maximum energy that can be obtained is optimized.
ところが、このようなノズルの喉部に弁機構を設けて、該喉部の開度を絞ると、喉部と出口との断面積比が適切な面積比がずれて、ノズル効率が低下してしまう。 However, when a valve mechanism is provided at the throat of such a nozzle and the opening of the throat is reduced, the cross-sectional area ratio between the throat and the outlet deviates and the nozzle efficiency decreases. End up.
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、タービン発電機において、エネルギ損失を低減しつつ、流量を調節可能とすることに加えて、ノズル効率の低下を抑制することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above points, and the object of the present invention is to reduce the nozzle efficiency in addition to enabling the flow rate to be adjusted while reducing energy loss in the turbine generator. The purpose is to suppress.
前記目的を達成するために、本発明は、弁機構を有して流量を調節可能な流量可変ノズル（4A）と、流量が固定の流量固定ノズル（4B）との２種類のノズルを備えるようにした。 In order to achieve the above object, the present invention includes two types of nozzles, a flow rate variable nozzle (4A) having a valve mechanism and capable of adjusting a flow rate, and a flow rate fixed nozzle (4B) having a fixed flow rate. I made it.
具体的には、本発明は、タービン羽根車（5）と、内部流路（40）が喉部（42）で絞られた複数のノズルとを備えたタービン発電機が対象である。そして、複数の前記ノズルは、前記喉部（42）の開度を弁機構（9A）で制御することで流量を調節可能な流量可変ノズル（4A）と、流量が固定の流量固定ノズル（4B）とを含むものとする。 Specifically, the present invention is directed to a turbine generator including a turbine impeller (5) and a plurality of nozzles whose internal flow path (40) is throttled at the throat (42). The plurality of nozzles include a flow rate variable nozzle (4A) capable of adjusting a flow rate by controlling an opening degree of the throat portion (42) by a valve mechanism (9A), and a flow rate fixed nozzle (4B) having a fixed flow rate. ).
前記の構成の場合、前記流量固定ノズル（4B）は、喉部と出口との断面積比が一定であるため、もともと設定されている適切なノズル効率で流体を減圧させることができる。一方、前記流量可変ノズル（4A）は、ノズル効率が変化してしまうものの、前記弁機構（9A）により喉部の開度を制御することによって、流量を調節することができる。そして、この流量可変ノズル（4A）では、喉部（42）に弁機構（9A）を設けることによって、流体を減圧させつつ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。 In the case of the above-described configuration, the flow rate fixed nozzle (4B) has a constant cross-sectional area ratio between the throat and the outlet, so that the fluid can be depressurized with an originally set appropriate nozzle efficiency. On the other hand, although the nozzle efficiency of the variable flow rate nozzle (4A) changes, the flow rate can be adjusted by controlling the opening of the throat by the valve mechanism (9A). In this variable flow rate nozzle (4A), the valve mechanism (9A) is provided in the throat portion (42) to adjust the flow rate while reducing the fluid pressure. The loss of fluid velocity energy can be suppressed.
このように、流体の一部だけでも、流量固定ノズル（4B）を用いて減圧させることによって、全体としてのノズル効率を向上させることができる。すなわち、流量可変ノズルにおいて適切なノズル効率を示すのは所定の開度のときだけであり、その他の開度のときには適切なノズル効率とはならない。そのため、流体を１つの流量可変ノズルのみで減圧させると、大半の運転領域においてはノズル効率が低下した状態での運転となる。それに対して、前記の構成では、流体の一部だけであっても、流量固定ノズル（4B）を流通させることによって、適切なノズル効率で減圧させることができる。残りの流体については流量可変ノズル（4A）を流通させることになるが、流体の一部については適切なノズル効率で減圧させるため、１つの流量可変ノズルのみで流体を減圧させる構成に比べると、全体としてのノズル効率を向上させることができる。 Thus, the nozzle efficiency as a whole can be improved by depressurizing only a part of the fluid using the fixed flow rate nozzle (4B). That is, in the variable flow rate nozzle, an appropriate nozzle efficiency is shown only at a predetermined opening degree, and an appropriate nozzle efficiency is not obtained at other opening degrees. Therefore, when the fluid is depressurized by only one flow rate variable nozzle, the operation is performed in a state where the nozzle efficiency is lowered in most operation regions. On the other hand, in the above configuration, even if only a part of the fluid is used, the pressure can be reduced with an appropriate nozzle efficiency by circulating the fixed flow rate nozzle (4B). For the remaining fluid, the flow rate variable nozzle (4A) will be circulated, but in order to depressurize part of the fluid with an appropriate nozzle efficiency, compared to a configuration where the fluid is depressurized with only one flow rate variable nozzle, The nozzle efficiency as a whole can be improved.
そして、流量固定ノズル（4B）だけで構成するのではなく、流量可変ノズル（4A）も備えることによって、エネルギ損失を抑制しつつ流量を調整することができる。 The flow rate can be adjusted while suppressing energy loss by providing not only the fixed flow rate nozzle (4B) but also the variable flow rate nozzle (4A).
第２の発明は、第１の発明において、流量を所定の閾値未満に調節するときには、前記流量可変ノズル（4A）のみを使用する一方、流量を該閾値以上に調節するときには、前記流量可変ノズル（4A）及び前記流量固定ノズル（4B）を使用するものとする。 The second invention uses the flow rate variable nozzle (4A) only when adjusting the flow rate below a predetermined threshold in the first invention, while the flow rate variable nozzle when adjusting the flow rate above the threshold value. (4A) and the fixed flow rate nozzle (4B) shall be used.
前記の構成の場合、流量を所定の閾値未満に調節するときには、流量可変ノズル（4A）及び流量固定ノズル（4B）の両方を用いる必要がないため、流量可変ノズル（4A）を使用することによって、エネルギ損失を低減しつつ流量を調節可能とすることができる。一方、流量を該閾値以上に調節するときには、流量可変ノズル（4A）及び流量固定ノズル（4B）の両方を用いることで、少なくとも一部の流体に流量固定ノズル（4B）を流通させることによって適切なノズル効率で減圧させることができると共に、残りの流体に流量可変ノズル（4A）を流通させることによって、エネルギ損失を低減しつつ流量を調節可能とすることができる。 In the case of the above configuration, when adjusting the flow rate below the predetermined threshold, it is not necessary to use both the variable flow rate nozzle (4A) and the fixed flow rate nozzle (4B), so by using the variable flow rate nozzle (4A) The flow rate can be adjusted while reducing energy loss. On the other hand, when adjusting the flow rate above the threshold, using both the variable flow rate nozzle (4A) and fixed flow rate nozzle (4B), it is appropriate to circulate the fixed flow rate nozzle (4B) through at least some fluids. The pressure can be reduced with a low nozzle efficiency, and the flow rate can be adjusted while reducing energy loss by circulating the flow rate variable nozzle (4A) through the remaining fluid.
第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記流量可変ノズル（4A）の全開時のＣｖ値は、前記流量固定ノズル（4B）のＣｖ値以上であるものとする。 According to a third aspect, in the first or second aspect, the Cv value when the flow rate variable nozzle (4A) is fully opened is greater than or equal to the Cv value of the flow rate fixed nozzle (4B).
すなわち、流量可変ノズル（4A）の全開時のＣｖ値が流量固定ノズル（4B）のＣｖ値よりも小さい場合は、流量可変ノズル（4A）の全開時のＣｖ値に対応する流量よりも多く且つ流量固定ノズル（4B）のＣｖ値に対応する流量よりも少ない運転領域においては、流量を調節することができない。それに対して、前記の構成では、前記流量可変ノズル（4A）の全開時のＣｖ値は、前記流量固定ノズル（4B）のＣｖ値以上とすることによって、流量可変ノズル（4A）の全開時のＣｖ値に対応する流量は流量固定ノズル（4B）のＣｖ値に対応する流量よりも多くなるため、流量可変ノズル（4A）の全閉時から、流量可変ノズル（4A）の全開時のＣｖ値に対応する流量と流量固定ノズル（4B）のＣｖ値に対応する流量とを足した流量まで全ての運転領域で流量を調節することができる。 That is, when the Cv value when the flow rate variable nozzle (4A) is fully open is smaller than the Cv value of the flow rate fixed nozzle (4B), it is larger than the flow rate corresponding to the Cv value when the flow rate variable nozzle (4A) is fully open and The flow rate cannot be adjusted in the operation region where the flow rate is lower than the flow rate corresponding to the Cv value of the fixed flow rate nozzle (4B). On the other hand, in the above configuration, the Cv value when the flow rate variable nozzle (4A) is fully opened is equal to or higher than the Cv value of the flow rate fixed nozzle (4B), so that the flow rate variable nozzle (4A) is fully opened. Since the flow rate corresponding to the Cv value is larger than the flow rate corresponding to the Cv value of the fixed flow nozzle (4B), the Cv value from when the variable flow rate nozzle (4A) is fully closed to when the flow rate variable nozzle (4A) is fully open. The flow rate can be adjusted in all operating regions up to the flow rate obtained by adding the flow rate corresponding to the above and the flow rate corresponding to the Cv value of the fixed flow rate nozzle (4B).
第４の発明は、第１の発明において、複数の前記ノズルは、前記流量固定ノズル（4B,4C）を複数含んでおり、前記流量可変ノズル（4A）及び複数の前記流量固定ノズル（4B,4C）のうち使用するノズルを、流量に応じて選択するものとする。 In a fourth aspect based on the first aspect, the plurality of nozzles include a plurality of the fixed flow rate nozzles (4B, 4C), the variable flow rate nozzle (4A) and the plurality of fixed flow rate nozzles (4B, 4C). 4C), the nozzle to be used shall be selected according to the flow rate.
前記の構成の場合、流量固定ノズル（4B,4C）を複数備えることによって、流量可変ノズル（4A）によって流量を調節するだけでなく、使用する流量固定ノズル（4B,4C）の組合せを変えることによっても流量を調節することができる。これにより、流量可変ノズル（4A）によって流量を調節しなければならない運転領域を狭めることができる。つまり、流量可変ノズル（4A）を流通させる流体の割合を減少させて、流量固定ノズル（4B,4C）を流通させる流体の割合を増加させることができるため、ノズル全体のノズル効率をさらに向上させることができる。 In the case of the above configuration, by providing a plurality of fixed flow rate nozzles (4B, 4C), not only the flow rate is adjusted by the variable flow rate nozzle (4A), but also the combination of fixed flow rate nozzles (4B, 4C) to be used is changed. Can also adjust the flow rate. Thereby, the operation area | region which must adjust a flow volume with a flow variable nozzle (4A) can be narrowed. In other words, the ratio of the fluid flowing through the variable flow rate nozzle (4A) can be decreased and the ratio of the fluid flowing through the fixed flow rate nozzle (4B, 4C) can be increased, further improving the nozzle efficiency of the entire nozzle. be able to.
第５の発明は、第４の発明において、複数の前記流量固定ノズル（4B,4C）のＣｖ値は、それぞれ異なるものとする。 In a fifth aspect based on the fourth aspect, the Cv values of the plurality of fixed flow rate nozzles (4B, 4C) are different from each other.
前記の構成の場合、複数の流量固定ノズル（4B,4C）のＣｖ値をそれぞれ異ならせることによって、流量固定ノズル（4B,4C）の組合せを変えることで、ノズル効率を高く維持したまま、様々な流量に調節することができる。 In the case of the above configuration, by changing the combination of the fixed flow rate nozzles (4B, 4C) by changing the Cv values of the multiple fixed flow rate nozzles (4B, 4C), variously while maintaining the nozzle efficiency high The flow rate can be adjusted.
第６の発明は、第１乃至第５のいずれか１つの発明において、複数の前記ノズルの少なくとも１つは、前記内部流路（40）の流路径が、前記喉部（42）から出口に亘って一定となるように構成されている。 In a sixth aspect based on any one of the first to fifth aspects, at least one of the plurality of nozzles has a flow path diameter of the internal flow path (40) from the throat (42) to the outlet. It is comprised so that it may become constant over it.
前記の構成の場合、内部流路（40）の流路径が、喉部（42）から出口に亘って一定となるようにノズルを構成することで、喉部（42）において減圧された流体は、昇圧してしまうことなく出口に向かって流動する。 In the case of the above configuration, by configuring the nozzle so that the channel diameter of the internal channel (40) is constant from the throat (42) to the outlet, the fluid decompressed in the throat (42) It flows toward the outlet without increasing the pressure.
第７の発明は、第１乃至第５のいずれか１つの発明において、複数の前記ノズルの少なくとも１つは、前記内部流路（40）が前記喉部（42）から出口に向かって先細形状となるように構成されている。 According to a seventh invention, in any one of the first to fifth inventions, at least one of the plurality of nozzles has a shape in which the internal flow path (40) is tapered from the throat (42) toward the outlet. It is comprised so that.
前記の構成の場合、内部流路（40）が喉部（42）から出口に向かって先細形状となるように構成することで、喉部（42）において一旦減圧された流体は、出口に向かってゆっくりとさらに減圧されることとなる。 In the case of the above configuration, the internal flow path (40) is configured to taper from the throat (42) toward the outlet, so that the fluid once decompressed in the throat (42) is directed toward the outlet. Then, the pressure is further reduced.
第８の発明は、第１乃至第５のいずれか１つの発明において、複数の前記ノズルの少なくとも１つは、ラバルノズルによって構成されている。 In an eighth invention according to any one of the first to fifth inventions, at least one of the plurality of nozzles is constituted by a Laval nozzle.
前記の構成の場合、内部流路（40）が喉部（42）から出口に向かって先太形状となるようにノズルが構成される。これにより、内部流路（40）における流体の圧力が喉部（42）において勢いよく低下する。 In the case of the said structure, a nozzle is comprised so that an internal flow path (40) may become a taper shape toward an exit from a throat part (42). Thereby, the pressure of the fluid in the internal flow path (40) decreases rapidly in the throat (42).
第９の発明に係る冷凍装置は、圧縮機（11）と、放熱器（12）と、第１〜第８の何れか１つのタービン発電機（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、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ものとする。 In the refrigeration apparatus according to the ninth invention, a compressor (11), a radiator (12), any one of the first to eighth turbine generators (2), and an evaporator (14) are piped. The refrigerant circuit connected in (10) and performing a vapor compression refrigeration cycle is provided, and the electric power generated by the turbine generator (2) is used at least as a power source of the refrigeration apparatus.
前記の構成の場合、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。そして、前述の如く、ノズル効率を向上させることによって、タービン効率を向上させることができるため、冷凍装置に外部から供給する電力量をさらに低減することができる。 In the case of the above configuration, the amount of electric power supplied from the outside to the refrigeration apparatus can be reduced by using the electric power generated by the turbine generator (2) as a power source of the refrigeration apparatus. As described above, since the turbine efficiency can be improved by improving the nozzle efficiency, the amount of electric power supplied from the outside to the refrigeration apparatus can be further reduced.
本発明によれば、流量可変ノズル（4A）に弁機構（9A）を設けることによって、該流量可変ノズル（4A）を通過する流体の流量調節を行うことができると共に、流量可変ノズル（4A）及び弁機構（9A）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、その結果、流体の圧力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、ひいては、電力に効率良く変換することができる。それに加えて、流量固定ノズル（4B）を備えることによって、一部の流体だけでも適切なノズル効率で減圧させることができるため、全体としてのノズル効率を向上させることができる。 According to the present invention, by providing the valve mechanism (9A) to the variable flow rate nozzle (4A), the flow rate of the fluid passing through the variable flow rate nozzle (4A) can be adjusted, and the variable flow rate nozzle (4A) In addition, by simultaneously reducing the pressure of the fluid by the valve mechanism (9A) and adjusting the flow rate by the valve mechanism (9), the loss of fluid velocity energy can be suppressed. As a result, the pressure energy of the fluid is converted into the rotational power of the turbine. Therefore, it is possible to efficiently convert to electric power. In addition, by providing the fixed flow rate nozzle (4B), it is possible to depressurize only a part of the fluid with an appropriate nozzle efficiency, so that the overall nozzle efficiency can be improved.
第２の発明によれば、使用する流量可変ノズル（4A）と流量固定ノズル（4B）との組合せを適宜変えることによって、広い運転範囲について、エネルギ損失を抑制しつつ流量を調節可能とすることができる。それに加えて、流量固定ノズル（4B）を使用する運転範囲においては、全体のノズル効率を向上させることができる。 According to the second invention, by appropriately changing the combination of the variable flow rate nozzle (4A) and the fixed flow rate nozzle (4B) to be used, the flow rate can be adjusted while suppressing energy loss over a wide operating range. Can do. In addition, the overall nozzle efficiency can be improved in the operating range where the fixed flow rate nozzle (4B) is used.
第３の発明によれば、流量可変ノズル（4A）の全開時のＣｖ値を流量固定ノズル（4B）のＣｖ値以上とすることによって、流量可変ノズル（4A）の全閉時から、流量可変ノズル（4A）の全開時のＣｖ値に対応する流量と流量固定ノズル（4B）のＣｖ値に対応する流量とを足した流量まで全ての運転領域で流量を調節することができる。 According to the third invention, by setting the Cv value when the flow rate variable nozzle (4A) is fully opened to be equal to or higher than the Cv value of the flow rate fixed nozzle (4B), the flow rate can be changed from when the flow rate variable nozzle (4A) is fully closed. The flow rate can be adjusted in all operating regions up to the flow rate obtained by adding the flow rate corresponding to the Cv value when the nozzle (4A) is fully opened and the flow rate corresponding to the Cv value of the fixed flow nozzle (4B).
第４の発明によれば、流量固定ノズル（4B,4C）を複数備えることによって、流量可変ノズル（4A）を流通させる流体の割合を減少させて、流量固定ノズル（4B,4C）を流通させる流体の割合を増加させることができるため、全体のノズル効率をさらに向上させることができる。 According to the fourth invention, by providing a plurality of fixed flow rate nozzles (4B, 4C), the ratio of the fluid flowing through the variable flow rate nozzle (4A) is reduced and the fixed flow rate nozzles (4B, 4C) are circulated. Since the ratio of the fluid can be increased, the overall nozzle efficiency can be further improved.
第５の発明によれば、複数の流量固定ノズル（4B,4C）のＣｖ値をそれぞれ異ならせることによって、流量固定ノズル（4B,4C）の組合せを変えることで、ノズル効率を高く維持したまま、様々な流量に調節することができる。 According to the fifth invention, by changing the combination of the fixed flow rate nozzles (4B, 4C) by changing the Cv values of the multiple fixed flow rate nozzles (4B, 4C), the nozzle efficiency is maintained high. , Can be adjusted to various flow rates.
第６の発明によれば、内部流路（40）の流路径が、喉部（42）から出口に亘って一定となるようにノズルを構成することで、喉部（42）において減圧された流体は、昇圧することなく出口に向かって流動する。これにより、喉部（42）において変換された流体の速度エネルギの一部が出口までの間において再び圧力エネルギに変換されること（エネルギ損失）を抑制することができる。よって、流体を出口から十分な速度で噴射させることができる。また、内部流路（40）の喉部（42）から出口までの流路径を一定とすることで、該内部流路（40）を容易に形成することができる。 According to the sixth invention, the pressure is reduced in the throat (42) by configuring the nozzle so that the flow path diameter of the internal flow path (40) is constant from the throat (42) to the outlet. The fluid flows toward the outlet without increasing the pressure. Thereby, it can suppress that a part of velocity energy of the fluid converted in the throat part (42) is again converted into pressure energy (energy loss) until it reaches the outlet. Therefore, the fluid can be ejected from the outlet at a sufficient speed. Moreover, the internal flow path (40) can be easily formed by making the flow path diameter from the throat (42) to the outlet of the internal flow path (40) constant.
第７の発明によれば、内部流路（40）が喉部（42）から出口に向かって先細形状となるように構成することで、喉部（42）において一旦減圧された流体は、出口に向かってゆっくりとさらに減圧される。これにより、内部流路（40）において流体の圧力エネルギが速度エネルギに効率よく変換され、出口における流体の速度を十分に上昇させることができる。 According to the seventh invention, the internal flow path (40) is configured to taper from the throat (42) toward the outlet, so that the fluid once depressurized in the throat (42) The pressure is further reduced slowly toward. Thereby, the pressure energy of the fluid is efficiently converted into velocity energy in the internal flow path (40), and the velocity of the fluid at the outlet can be sufficiently increased.
第８の発明によれば、内部流路（40）における流体の圧力を喉部（42）において勢いよく低下させることにより、流体を十分に加速させることができる。 According to the eighth invention, the fluid can be sufficiently accelerated by vigorously reducing the pressure of the fluid in the internal flow path (40) in the throat (42).
第９の発明によれば、タービン発電機（2）の流量可変ノズル（4A）に弁機構（9A）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。それに加えて、ノズル効率を向上させることによって、タービン効率を向上させることができるため、冷凍装置の成績係数をさらに向上させることができる。 According to the ninth aspect, by providing the valve mechanism (9A) in the flow rate variable nozzle (4A) of the turbine generator (2), the turbine generator (2) plays the role of the expansion mechanism in the refrigerant circuit. In addition, the flow rate can be controlled. Further, the coefficient of performance of the refrigeration apparatus can be improved by using the electric power generated by the turbine generator (2) as a power source of the refrigeration apparatus. In addition, since the turbine efficiency can be improved by improving the nozzle efficiency, the coefficient of performance of the refrigeration apparatus can be further improved.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
《発明の実施形態１》
本発明の実施形態１に係るタービン発電機（2）は、図２に示すように、冷凍装置（1）に設けられている。
Embodiment 1 of the Invention
The turbine generator (2) according to Embodiment 1 of the present invention is provided in the refrigeration apparatus (1) as shown in FIG.
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。 The refrigeration apparatus (1) includes a refrigerant circuit in which an electric compressor (11), a radiator (12), a turbine generator (2), and an evaporator (14) are sequentially connected through a refrigerant pipe (10), A refrigerant (for example, carbon dioxide) is circulated through the refrigerant circuit to perform a vapor compression refrigeration cycle.
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１に示すように、タービン（3）と、該タービン（3）と連結された発電機構（6）と、該タービン（3）及び発電機構（6）を収容するケーシング（7）とを備えている。 The turbine generator (2) is configured to recover electric power from the circulating refrigerant. As shown in FIG. 1, the turbine generator (2) accommodates a turbine (3), a power generation mechanism (6) connected to the turbine (3), and the turbine (3) and the power generation mechanism (6). And a casing (7).
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２つの流入部（72,72）と、冷媒が流出する流出部（73）とが設けられている。２つの流入部（72,72）は、ケーシング（7）内のタービン（3）と略同じ高さであって、周方向における正反対の位置に位置している。２つの流入部（72,72）にはそれぞれ、流入側の冷媒配管（10,10）が接続される第１及び第２接続管（8A,8B）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。 The casing (7) has a cylindrical shape and includes two bearings (71, 71) at different positions in the longitudinal direction. The casing (7) is provided with two inflow portions (72, 72) into which the refrigerant flows and an outflow portion (73) from which the refrigerant flows out. The two inflow portions (72, 72) are substantially the same height as the turbine (3) in the casing (7) and are located at opposite positions in the circumferential direction. First and second connection pipes (8A, 8B) to which the refrigerant pipes (10, 10) on the inflow side are connected are connected to the two inflow parts (72, 72), respectively. The outflow part (73) is located near the bottom of the casing (7) and below the turbine (3), and is connected to the evaporator (14) by the refrigerant pipe (10) on the outflow side.
第１接続管（8A）は、流入部（72）と連通するように、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。 The first connecting pipe (8A) is attached to the outer surface of the casing (7) so as to communicate with the inflow portion (72), and an internal flow path (80) is formed therein. The internal flow path (80) is bent at the bent portion (83). Specifically, the internal flow path (80) is continuous with the upstream flow path (81) extending in the vertical direction and having the upstream end opened upward, and the downstream end of the upstream flow path (81), and the upstream flow It is bent with respect to the channel (81) and extends in the horizontal direction, and the downstream end is configured with a downstream channel (82) opened at the inflow portion (72) of the casing (7). ) And the downstream channel (82) is a bent portion (83). The bent portion (83) is provided with an extended portion (84) that extends the downstream channel (82) in the longitudinal direction to the opposite side to the downstream side. And the opening part (85) opened in the longitudinal direction of a downstream flow path (82) and the opposite side to a casing (7) is provided in the edge part of the extension part (84).
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）の後述する流量可変ノズル（4A）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（9A）が取り付けられている。 The upstream end of the upstream flow path (81) is connected to an inflow-side refrigerant pipe (10) through which the refrigerant flows into the casing (7) out of the refrigerant pipe (10). On the other hand, a flow rate variable nozzle (4A) to be described later of the turbine (3) is provided at the downstream end of the downstream channel (82). A needle valve (9A), which will be described in detail later, is attached to the opening (85) of the downstream channel (82).
この第１接続管（8A）が接続部材を構成する。尚、接続部材は、この第１接続管（8A）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。 This 1st connection pipe (8A) comprises a connection member. Note that the connection member is not limited to the first connection pipe (8A), and may be constituted by, for example, a block-like member in which the internal flow path (80) is formed.
第２接続管（8B）は、流入部（72）と連通するように、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（86）が形成されている。この第２接続管（8B）には、電磁弁（9B）が設けられており、電磁弁（9B）を開閉することによって内部流路（86）の開通及び閉鎖が切り替えられる。 The second connecting pipe (8B) is attached to the outer surface of the casing (7) so as to communicate with the inflow portion (72), and an internal channel (86) is formed therein. The second connection pipe (8B) is provided with a solenoid valve (9B), and opening and closing of the internal flow path (86) are switched by opening and closing the solenoid valve (9B).
そして、第２接続管（8B）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、第２接続管（8B）の下流端には、タービン（3）の後述する流量固定ノズル（4B）が設けられている。 And the refrigerant | coolant piping (10) of the inflow side which flows in a refrigerant | coolant into a casing (7) among refrigerant | coolant piping (10) is connected to the upstream end of the 2nd connecting pipe (8B). On the other hand, a flow rate fixing nozzle (4B) to be described later of the turbine (3) is provided at the downstream end of the second connection pipe (8B).
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）に冷媒を噴射する流量可変ノズル（4A）及び流量固定ノズル（4B）と、該流量可変ノズル（4A）を通過する冷媒の流量を調節するニードル弁（9A）と、該タービン羽根車（5）を収容し且つ流量可変ノズル（4A）及び流量固定ノズル（4B）を配設するためのハウジング（32）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、流量可変及び流量固定ノズル（4A,4B）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。 The turbine (3) includes a rotating shaft (31), a turbine impeller (5) fixedly attached to the rotating shaft (31) and rotating integrally with the rotating shaft (31), and the turbine A variable flow rate nozzle (4A) and a fixed flow rate nozzle (4B) for injecting refrigerant to the impeller (5), a needle valve (9A) for adjusting the flow rate of the refrigerant passing through the variable flow rate nozzle (4A), and the turbine And a housing (32) for housing the impeller (5) and for disposing the variable flow rate nozzle (4A) and the fixed flow rate nozzle (4B). This turbine (3) is a Pelton turbine, which converts the pressure energy of the refrigerant into velocity energy by the variable flow rate and fixed flow rate nozzles (4A, 4B) and injects the refrigerant to the turbine impeller (5). By doing so, the turbine impeller (5) is rotated, and rotational power is output via the rotating shaft (31).
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３に示すように、円盤状の羽根車本体（51）と該羽根車本体（51）の外周面に設けられた複数の羽根部（52,52,…）とを有している。 The turbine impeller (5) is much smaller than that used for hydroelectric power generation. Specifically, as shown in FIG. 3, the turbine impeller (5) includes a disc-shaped impeller body (51) and a plurality of blade portions (52 provided on the outer peripheral surface of the impeller body (51). , 52, ...).
このタービン羽根車（5）には、回転シャフト（31）が互いの軸心（X）を一致させた状態で回転不能に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。 A rotating shaft (31) is attached to the turbine impeller (5) in a non-rotatable manner with the axial centers (X) being aligned. That is, when the turbine impeller (5) rotates, the rotating shaft (31) rotates in the same manner. The rotary shaft (31) is disposed in the casing (7) so as to extend in the longitudinal direction of the casing (7), and is rotatably supported by the two bearings (71, 71). The shaft center (X) constitutes a rotating shaft, and the rotating shaft (31) constitutes a shaft member.
ハウジング（32）は、図３に示すように、ケーシング（7）の内周面に嵌合した状態で取り付けられており、中央に、タービン羽根車（5）を収容する円筒状の収容空間（33）が形成されている。 As shown in FIG. 3, the housing (32) is attached in a state of being fitted to the inner peripheral surface of the casing (7), and has a cylindrical accommodation space (in the center) for accommodating the turbine impeller (5). 33) is formed.
また、ハウジング（32）には、流量可変ノズル（4A）及び流量固定ノズル（4B）を配設するための配設孔（34,34）が、ハウジング（32）の外周面から収容空間（33）に開口するように貫通形成されている。配設孔（34,34）は、ケーシング（7）の流入部（72,72）と連通している。つまり、第１接続管（8A）の下流端部に配設されて、流入部（72）を介してケーシング（7）内に臨む流量可変ノズル（4A）は、ハウジング（32）の配設孔（34）に挿通されることになる。また、第２接続管（8B）の下流端部に配設されて、流入部（72）を介してケーシング（7）内に臨む流量固定ノズル（4B）は、ハウジング（32）の配設孔（34）に挿通されることになる。 In addition, the housing (32) has an arrangement hole (34, 34) for arranging the variable flow rate nozzle (4A) and the fixed flow rate nozzle (4B) from the outer peripheral surface of the housing (32). ) So as to open. The arrangement holes (34, 34) communicate with the inflow portions (72, 72) of the casing (7). In other words, the flow rate variable nozzle (4A) that is disposed at the downstream end of the first connection pipe (8A) and faces the casing (7) through the inflow portion (72) is disposed in the mounting hole of the housing (32). (34) will be inserted. Further, the fixed flow rate nozzle (4B), which is disposed at the downstream end of the second connection pipe (8B) and faces the casing (7) via the inflow portion (72), is provided in the mounting hole of the housing (32). (34) will be inserted.
このようにしてハウジング（32）に配設された流量可変ノズル（4A）及び流量固定ノズル（4B）の軸心は、図３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、羽根部（52,52,…）の先端を繋ぐ仮想円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。すなわち、流量可変ノズル（4A）及び流量固定ノズル（4B）は、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（52,52,…）に当たるように配設されている。ただし、流量可変ノズル（4A）及び流量固定ノズル（4B）はそれぞれ、タービン羽根車（5）の周方向における正反対の位置において冷媒を噴射するように配設されている。 The shaft centers of the variable flow rate nozzle (4A) and the fixed flow rate nozzle (4B) disposed in the housing (32) in this way are the axial center (X) of the impeller body (51) as shown in FIG. Is parallel to a plane perpendicular to the plane, and the tangent to the virtual circle connecting the tips of the blade portions (52, 52,...) Is offset inward in the radial direction. That is, the variable flow nozzle (4A) and the fixed flow nozzle (4B) inject the refrigerant toward the front in the rotational direction of the turbine impeller (5), and the injected refrigerant is a vane portion of the turbine impeller (5) ( 52, 52,...). However, the variable flow rate nozzle (4A) and the fixed flow rate nozzle (4B) are each disposed so as to inject refrigerant at opposite positions in the circumferential direction of the turbine impeller (5).
流量可変ノズル（4A）及び流量固定ノズル（4B）は共に、図１に示すように、内径が下流側に向かって徐々に小さくなっていく縮径部（41）と、該縮径部（41）の下流端に位置し、内径が最も小さくなった喉部（42）と、内径が喉部（42）から下流側に向かって徐々に大きくなっていく拡径部（43）とで構成された内部流路（40）を有する所謂ラバルノズルに構成されている。尚、縮径部（41）及び拡径部（43）の内周面は、内径が徐々に変化するテーパ面となっている。 As shown in FIG. 1, both the variable flow rate nozzle (4A) and the fixed flow rate nozzle (4B) have a reduced diameter portion (41) in which the inner diameter gradually decreases toward the downstream side, and the reduced diameter portion (41 ), The throat part (42) having the smallest inner diameter, and the diameter-increasing part (43) gradually increasing from the throat part (42) toward the downstream side. Further, it is configured as a so-called Laval nozzle having an internal flow path (40). The inner peripheral surfaces of the reduced diameter portion (41) and the enlarged diameter portion (43) are tapered surfaces whose inner diameter gradually changes.
そして、流量可変ノズル（4A）は、ニードル弁（9A）によって流量を調節することができるように構成されている。一方、流量固定ノズル（4B）は、流量を調節することができないが、電磁弁（9B）によって開通と閉鎖とを切替可能に構成されている。 The flow rate variable nozzle (4A) is configured such that the flow rate can be adjusted by the needle valve (9A). On the other hand, the flow rate fixed nozzle (4B) cannot be adjusted in flow rate, but is configured to be switched between open and closed by the electromagnetic valve (9B).
ここで、流量可変ノズル（4A）の全開時のＣｖ値と流量固定ノズル（4B）のＣｖ値とは等しい値に設定されている。尚、Ｃｖ値とは、流路の一方から１ＰＳＩ（ポンド／平方インチ）の圧力差で１５．６℃の水を１分間流したときの流量（ガロン）である。 Here, the Cv value when the flow rate variable nozzle (4A) is fully opened and the Cv value of the fixed flow rate nozzle (4B) are set to be equal. The Cv value is a flow rate (gallon) when water at 15.6 ° C. is flowed from one of the flow paths at a pressure difference of 1 PSI (pounds per square inch) for 1 minute.
ニードル弁（9A）は、図１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。 As shown in FIG. 1, the needle valve (9A) is provided with a rod-shaped needle (91), a valve body (92) provided at the distal end of the needle (91), and a proximal end of the needle (91). And an actuator (93) for driving the needle (91) so as to advance and retreat. This needle valve (9) constitutes a valve mechanism.
弁体（92）の先端部にはテーパ面が形成されていて、先端に向かって尖鋭になっている。この弁体（92）のテーパ面の角度は、流量可変ノズル（4A）の縮径部（41）のテーパ面の角度と同じか、それ未満となっている。 A tapered surface is formed at the distal end portion of the valve body (92) and is sharpened toward the distal end. The angle of the tapered surface of the valve body (92) is the same as or less than the angle of the tapered surface of the reduced diameter portion (41) of the variable flow rate nozzle (4A).
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。 Although not shown, the actuator (93) is a solenoid-type actuator having a solenoid and a rotor, to which the proximal end portion of the needle (91) is connected. The actuator (93) can advance and retract the needle (91) by operating a solenoid.
このニードル弁（9A）は、ニードル（91）が第１接続管（8A）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）において第１接続管（8A）に取り付けられている。こうすることで、ニードル弁（9A）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）が流量可変ノズル（4A）の喉部（42）に位置する。 In this needle valve (9A), the needle (91) is inserted into the downstream channel (82) from the opening (85) of the first connecting pipe (8A), and the actuator (93) is opened in the opening (85). Are attached to the first connecting pipe (8A). In this way, the needle (91) of the needle valve (9A) extends in the downstream flow path (82) in the longitudinal direction of the downstream flow path (82), and the valve body (92) has a variable flow rate nozzle ( Located in the throat (42) of 4A).
ニードル弁（9A）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）が最も前進したときには、該弁体（92）は喉部（42）に当接し、流量可変ノズル（4A）を全閉状態にする。一方、弁体（92）が最も後退したときには、該弁体（92）は縮径部（41）から引き出された位置に位置し、該流量可変ノズル（4A）を流通する冷媒に影響を与えない。こうして、ニードル弁（9A）は、流量可変ノズル（4A）を通過する冷媒の流量を調節する。 The needle valve (9A) operates the actuator (93) to drive the needle (91), thereby moving the valve element (92) forward and backward in the longitudinal direction in the downstream channel (82). When the valve body (92) is moved forward most, the valve body (92) comes into contact with the throat (42), and the flow rate variable nozzle (4A) is fully closed. On the other hand, when the valve body (92) is most retracted, the valve body (92) is located at a position pulled out from the reduced diameter portion (41) and affects the refrigerant flowing through the variable flow rate nozzle (4A). Absent. Thus, the needle valve (9A) adjusts the flow rate of the refrigerant passing through the variable flow rate nozzle (4A).
発電機構（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）に固定されたステータ（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。ステータ（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。発電機構（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、発電機構（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。 The power generation mechanism (6) is fixedly attached to the rotary shaft (31), and is installed on the outer peripheral side of the rotor (61) that rotates integrally with the rotary shaft (31). And a stator (62) fixed to the casing (7), and is disposed between the two bearings (71, 71) in the casing (7). Although not shown, the stator (62) includes a stator core in which a slot is formed and a stator coil disposed in the slot. In the power generation mechanism (6), when the rotating shaft (31) rotates, the rotor (61) generates a rotating magnetic field, and an induced voltage is generated in the stator coil of the stator core by the rotating magnetic field, and current flows. In this way, the power generation mechanism (6) converts the rotational power output from the turbine (3) into electric power and outputs it.
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。 The electric power thus generated is used as a power source for the electric compressor (11). That is, the kinetic energy (expansion energy) of the refrigerant is recovered for the electric compressor (11).
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。 The operation of the turbine generator (2) configured as described above will be described.
冷媒回路を循環して放熱器（12）で放熱した冷媒は、流入側の冷媒配管（10）から第１及び第２接続管（8A,8B）に流入する。このとき、ニードル弁（9A）及び電磁弁（9B）の開閉状態が制御されており、冷媒は流量可変ノズル（4A）及び／又は流量固定ノズル（4B）を通過してケーシング（7）に流入する。そして、流量可変ノズル（4A）及び／又は流量固定ノズル（4B）を流通する冷媒は、流通する際に減圧される（膨張する）。これら流量可変ノズル（4A）及び／又は流量固定ノズル（4B）で減圧された冷媒は、タービン羽根車（5）の羽根部（52,52,…）に向かって噴射される。噴射された冷媒の衝撃によって、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、ステータ（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、タービン羽根車（5）の羽根部（52,52,…）に衝突した冷媒は、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。 The refrigerant circulated through the refrigerant circuit and radiated by the radiator (12) flows into the first and second connection pipes (8A, 8B) from the refrigerant pipe (10) on the inflow side. At this time, the open / close state of the needle valve (9A) and the solenoid valve (9B) is controlled, and the refrigerant flows into the casing (7) through the variable flow rate nozzle (4A) and / or the fixed flow rate nozzle (4B). To do. The refrigerant flowing through the variable flow rate nozzle (4A) and / or the fixed flow rate nozzle (4B) is depressurized (expands) when flowing. The refrigerant decompressed by the flow rate variable nozzle (4A) and / or the fixed flow rate nozzle (4B) is injected toward the blade portions (52, 52,...) Of the turbine impeller (5). The turbine impeller (5) rotates around the axis (X) due to the impact of the injected refrigerant. When the turbine impeller (5) rotates, the rotating shaft (31) rotates integrally with the turbine impeller (5), and further, the rotor (61) fixed to the rotating shaft (31) rotates. When the rotor (61) rotates, a rotating magnetic field is generated, and an induced voltage is generated in the stator coil of the stator (62). Thus, the turbine generator (2) generates electric power. In addition, the refrigerant | coolant which collided with the blade | wing part (52,52, ...) of the turbine impeller (5) flows out of the casing (7) from the outflow part (73) of the casing (7), and goes to an evaporator (14). It flows.
続いて、ニードル弁（9A）及び電磁弁（9B）の開閉制御について説明する。 Next, opening / closing control of the needle valve (9A) and the electromagnetic valve (9B) will be described.
ニードル弁（9A）及び電磁弁（9B）は、図４（Ａ），（Ｂ）に示すように、冷媒回路に流通させる冷媒の流量に応じて、その開度が調節される。 The opening degree of the needle valve (9A) and the electromagnetic valve (9B) is adjusted according to the flow rate of the refrigerant flowing through the refrigerant circuit, as shown in FIGS.
詳しくは、制御目標となる所望の流量が所定の閾値Ｖ１未満である運転領域においては、電磁弁（9B）を閉状態にすることで流量固定ノズル（4B）を閉鎖すると共に、ニードル弁（9A）で流量可変ノズル（4A）の喉部（42）の開度を調節して、冷媒回路を流通する冷媒が該所望の流量となるように調節する。このとき、流量可変ノズル（4A）の喉部（42）の開度は、冷媒の流量に対して線形的に調節される。 Specifically, in the desired operating range the flow rate is less than a predetermined threshold value V 1 as a control target, while closing the flow rate fixed nozzles by solenoid valve (9B) to the closed state (4B), the needle valve ( In 9A), the opening degree of the throat (42) of the flow rate variable nozzle (4A) is adjusted so that the refrigerant flowing through the refrigerant circuit has the desired flow rate. At this time, the opening degree of the throat (42) of the flow rate variable nozzle (4A) is linearly adjusted with respect to the flow rate of the refrigerant.
ここで、前記閾値Ｖ１は、流量可変ノズル（4A）を全開状態としたときの流量に設定されている。つまり、所望の流量が該閾値Ｖ１となるまでは、流量可変ノズル（4A）の開度を調節することで、流量調節を行うことができる。 Here, the threshold value V 1 was, is set to the flow rate when the variable flow nozzle (4A) was fully opened. That is, until the desired flow rate is the threshold V 1, by adjusting the opening degree of the variable flow nozzle (4A), it is possible to perform flow rate control.
そして、所望の流量が所定の閾値Ｖ１以上である運転領域においては、電磁弁（9B）を開状態とすることで流量固定ノズル（4B）を開通状態とすると共に、ニードル弁（9A）で流量可変ノズル（4A）の喉部（42）の開度を調節して、流量可変ノズル（4A）と流量固定ノズル（4B）とによって、冷媒回路を流通する冷媒が該所望の流量となるように調節する。ここで、流量可変ノズル（4A）の全開時のＣｖ値と流量固定ノズル（4B）のＣｖ値とが等しいため、所望の流量が所定の閾値Ｖ１であるときには、流量固定ノズル（4B）を開通させ且つ、流量可変ノズル（4A）を全閉状態としてもよいし、流量固定ノズル（4B）を閉鎖させ且つ、流量可変ノズル（4A）を全開状態にしてもよい。 Then, in the operating region desired flow rate is the predetermined threshold value V 1 or more, while the flow rate fixed nozzle (4B) and open state by solenoid valve (9B) and the open state, a needle valve (9A) By adjusting the opening of the throat (42) of the variable flow rate nozzle (4A), the variable flow nozzle (4A) and the fixed flow rate nozzle (4B) allow the refrigerant flowing through the refrigerant circuit to have the desired flow rate. Adjust to. Since the Cv value of the Cv value and the flow rate fixed nozzle when fully opened flow rate variable nozzle (4A) (4B) is equal, when the desired flow rate is a predetermined threshold value V 1 was a flow rate fixed nozzle (4B) The variable flow nozzle (4A) may be fully closed, or the fixed flow nozzle (4B) may be closed and the variable flow nozzle (4A) may be fully open.
したがって、本実施形態によれば、冷媒の流量に応じて、流量可変ノズル（4A）の喉部（42）の開度を調節すると共に、流量固定ノズル（4B）の開通及び閉鎖を制御することによって、図４（Ｃ）に示すように、全体としてのノズル効率を向上させることができる。 Therefore, according to the present embodiment, the opening of the throat (42) of the variable flow rate nozzle (4A) is adjusted according to the flow rate of the refrigerant, and the opening and closing of the fixed flow rate nozzle (4B) is controlled. As a result, as shown in FIG. 4C, the overall nozzle efficiency can be improved.
すなわち、１つの流量可変ノズルだけを備えている構成においては、流量可変ノズルは通常、図５に示すように、最大開度のときにノズル効率が最大となる。詳しくは、ノズルにおいては、ノズルの入口から入った冷媒が減圧し、ノズルの出口における圧力が出口近傍の雰囲気圧力と等しくなる場合を適正膨張といい、その状態となる喉部の断面積と出口の断面積の比を適正面積比という。通常、ノズルは、喉部と出口の断面積比が適正面積比となるように設計されている。それにもかかわらず、ニードル弁によって、ノズルの喉部の開度を絞ると、喉部の断面積が変化し、喉部と出口の断面積比が適正面積比からずれてしまう。その結果、図５に示すように、ノズルの全開時においてはノズル効率が適正であるものの、それ以外の領域、特に開度が小さいときにはノズル効率が著しく低下してしまう。 That is, in a configuration having only one variable flow rate nozzle, the variable flow rate nozzle normally has the maximum nozzle efficiency at the maximum opening, as shown in FIG. Specifically, in the nozzle, when the refrigerant entering from the inlet of the nozzle is depressurized and the pressure at the outlet of the nozzle becomes equal to the atmospheric pressure in the vicinity of the outlet, this is called proper expansion. The ratio of the cross-sectional areas is called the appropriate area ratio. Normally, the nozzle is designed so that the cross-sectional area ratio between the throat and the outlet is an appropriate area ratio. Nevertheless, when the opening of the throat of the nozzle is reduced by the needle valve, the cross-sectional area of the throat changes and the cross-sectional area ratio of the throat and the outlet deviates from the appropriate area ratio. As a result, as shown in FIG. 5, the nozzle efficiency is appropriate when the nozzle is fully opened, but the nozzle efficiency is significantly reduced when the other region, particularly when the opening is small.
それに対して、複数のノズルを備え、そのうちの少なくとも１つを流量固定ノズル（4B）とし、冷媒回路を流通する冷媒の少なくとも一部を該流量固定ノズル（4B）を用いて減圧させることによって、少なくとも一部の冷媒を高いノズル効率で減圧させることができる。 On the other hand, a plurality of nozzles are provided, at least one of which is a flow rate fixed nozzle (4B), and at least a part of the refrigerant flowing through the refrigerant circuit is decompressed using the flow rate fixed nozzle (4B), At least a part of the refrigerant can be decompressed with high nozzle efficiency.
また、複数のノズルのうちの少なくとも１つを流量可変ノズル（4A）とし、流量可変ノズル（4A）の開度を調節することによって、ノズル効率が低下するものの、冷媒回路を循環する冷媒の流量を柔軟に調節することができる。 Further, at least one of the plurality of nozzles is a variable flow rate nozzle (4A), and the nozzle flow rate is reduced by adjusting the opening of the variable flow rate nozzle (4A), but the flow rate of the refrigerant circulating in the refrigerant circuit Can be adjusted flexibly.
このとき、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調節した後、下流側のノズルで流体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。具体的には、流量可変ノズル（4A）にニードル弁（9）を設けることによって、冷媒の減圧と流量の調節とを同時に行うことができるノズルを実現することができる。また、膨張弁を別体で設ける構成と比較して、流量可変ノズル（4A）とニードル弁（9A）とを一体的に設けることができるため、ニードル弁（9A）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。 At this time, since the refrigerant pressure is reduced and the flow rate is adjusted at the same time, the kinetic energy of the refrigerant is reduced as compared with the configuration in which the flow rate of the refrigerant is adjusted by the upstream expansion valve and then the fluid is reduced by the downstream nozzle. Loss can be reduced. As a result, the pressure energy of the refrigerant can be efficiently converted into the rotational power of the turbine (3), and thus can be efficiently converted into electric power. Specifically, by providing the needle valve (9) to the variable flow rate nozzle (4A), it is possible to realize a nozzle capable of simultaneously reducing the pressure of the refrigerant and adjusting the flow rate. Compared with the configuration in which the expansion valve is provided separately, the flow variable nozzle (4A) and the needle valve (9A) can be provided integrally, so that the turbine generator including the needle valve (9A) ( 2) can be configured compactly.
このように、流量可変ノズル（4A）と流量固定ノズル（4B）とを設けることによって、流量可変ノズル（4A）を流通させる冷媒の流量を可及的に低減させることができると共に、残りの冷媒は適切なノズル効率に設定された流量固定ノズル（4B）を流通させることができるため、全体としてのノズル効率を向上させることができる。こうしてノズル効率を向上させることによって、タービン効率を向上させることができるため、冷凍装置（1）の成績係数を向上させることができる。 Thus, by providing the variable flow nozzle (4A) and the fixed flow nozzle (4B), the flow rate of the refrigerant flowing through the variable flow nozzle (4A) can be reduced as much as possible, and the remaining refrigerant Can circulate a fixed flow rate nozzle (4B) set to an appropriate nozzle efficiency, so that the overall nozzle efficiency can be improved. By improving the nozzle efficiency in this way, the turbine efficiency can be improved, so that the coefficient of performance of the refrigeration apparatus (1) can be improved.
ここで、流量可変ノズル（4A）の全開時のＣｖ値と流量固定ノズル（4B）のＣｖ値を等しくすることによって、流量可変ノズル（4A）の全閉状態に対応する流量から、全開状態の流量可変ノズル（4A）と流量固定ノズル（4B）とに対応する流量まで、冷媒回路を流通する冷媒の流量を連続的に調節することができる。すなわち、所望の流量が流量可変ノズル（4A）の全開時に対応する流量となるまでは、流量固定ノズル（4B）を閉鎖状態としたまま、流量可変ノズル（4A）の開度を調節することによって流量を調節することができ、所望の流量が流量可変ノズル（4A）の全開時に対応する流量と一致するときには、流量固定ノズル（4B）を閉鎖状態にし且つ流量可変ノズル（4A）を全開状態にするか、又は、流量可変ノズル（4A）を全閉状態にし且つ流量固定ノズル（4B）を開通状態にすることによって流量を調節することができ、所望の流量が流量可変ノズル（4A）の全開時に対応する流量を超えるときには、流量固定ノズル（4B）を開通状態としたまま、流量可変ノズル（4A）の開度を調節することによって流量を調節することができる。このような観点からすれば、流量可変ノズル（4A）の全開時のＣｖ値は、少なくとも流量固定ノズル（4B）のＣｖ値以上であればよい。 Here, by making the Cv value of the variable flow rate nozzle (4A) fully open and the Cv value of the fixed flow rate nozzle (4B) equal, the flow rate corresponding to the fully closed state of the variable flow rate nozzle (4A) is The flow rate of the refrigerant flowing through the refrigerant circuit can be continuously adjusted to the flow rates corresponding to the flow rate variable nozzle (4A) and the fixed flow rate nozzle (4B). That is, by adjusting the opening of the variable flow rate nozzle (4A) while keeping the fixed flow rate nozzle (4B) closed until the desired flow rate becomes the corresponding flow rate when the variable flow rate nozzle (4A) is fully opened. When the flow rate can be adjusted and the desired flow rate matches the corresponding flow rate when the variable flow rate nozzle (4A) is fully open, the fixed flow rate nozzle (4B) is closed and the variable flow rate nozzle (4A) is fully open. Alternatively, the flow rate can be adjusted by fully closing the variable flow rate nozzle (4A) and opening the fixed flow rate nozzle (4B) so that the desired flow rate can be fully opened by the variable flow rate nozzle (4A). When the flow rate corresponding to the time is exceeded, the flow rate can be adjusted by adjusting the opening of the variable flow rate nozzle (4A) while keeping the fixed flow rate nozzle (4B) open. From this point of view, the Cv value when the flow rate variable nozzle (4A) is fully opened may be at least equal to or greater than the Cv value of the flow rate fixed nozzle (4B).
さらに、第１接続管（8A）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第１接続管（8A）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（9A）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）が流量可変ノズル（4A）の喉部（42）に到達する状態でニードル弁（9A）を第１接続管（8A）に取り付けることによって、弁体（92）が流量可変ノズル（4A）内を移動可能なニードル弁（9A）をコンパクトに構成することができる。 Further, the internal flow path (80) formed in the first connection pipe (8A) is bent by the upstream flow path (81) and the downstream flow path (82), and the upstream flow path (81) And an opening (85) communicating with the downstream flow path (82) is formed in the first connecting pipe (8A) at the bent portion between the flow path and the downstream flow path (82), and a needle valve is formed from the opening (85). With the needle (91) of (9A) inserted into the downstream channel (82) and the valve body (92) at the tip of the needle (91) reaching the throat (42) of the variable flow nozzle (4A) By attaching the needle valve (9A) to the first connection pipe (8A), the needle valve (9A) in which the valve body (92) can move in the flow rate variable nozzle (4A) can be configured compactly.
また、第１接続管（8A）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、第１接続管（8A）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。 Further, in the first connection pipe (8A), the upstream flow path (81) bent with respect to the downstream flow path (82) is extended along the longitudinal direction of the casing (7), thereby The turbine generator (2) including the connecting pipe (8A) can be compactly formed. Furthermore, by extending the upstream flow path (81) along the longitudinal direction of the casing (7), the refrigerant pipe (10) on the inflow side connected thereto also extends along the longitudinal direction of the casing (7). Will be installed. As a result, the turbine generator (2) including the refrigerant pipe (10) on the suction side can be compactly formed.
さらにまた、冷凍装置（1）においては、タービン発電機（2）の流量可変ノズル（4A）及びニードル弁（9A）並びに流量固定ノズル（4B）及び電磁弁（9B）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（9A）及び電磁弁（9B）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。 Furthermore, in the refrigeration system (1), the variable flow nozzle (4A) and needle valve (9A) of the turbine generator (2), the fixed flow nozzle (4B) and the electromagnetic valve (9B) are the expansion mechanism in the refrigerant circuit. Since the flow rate of the refrigerant flowing through the refrigerant circuit can be controlled by the needle valve (9A) and the electromagnetic valve (9B), there is no need to separately provide an expansion mechanism, and the configuration of the refrigeration apparatus (1) can be achieved. It can be simplified.
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（1）の成績係数を向上させることができる。 Moreover, by using the electric power generated by the turbine generator (2) as a power source for the electric compressor (11), the amount of electric power supplied from the outside to the refrigeration apparatus (1) can be reduced. As a result, the coefficient of performance of the refrigeration apparatus (1) can be improved.
《発明の実施形態２》
続いて、本発明の実施形態２に係るタービン発電機（202）について説明する。実施形態２に係るタービン発電機（202）は、流量固定ノズルを複数備える点で、実施形態１に係るタービン発電機（2）と異なる。そこで、実施形態１と同様の構成については同様の符号を付して、説明を省略し、異なる構成について主に説明する。
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Then, the turbine generator (202) which concerns on
タービン発電機（202）のタービン（203）は、図６に示すように、１つの流量可変ノズル（4A）と、２つの流量固定ノズル（4B,4C）とを備えている。 As shown in FIG. 6, the turbine (203) of the turbine generator (202) includes one flow rate variable nozzle (4A) and two flow rate fixed nozzles (4B, 4C).
そして、ケーシング（207）には、３つの流入部（72,72,72）が、タービン（3）と略同じ高さであって、周方向に等間隔を空けた位置に形成されている。 In the casing (207), three inflow portions (72, 72, 72) are formed at substantially the same height as the turbine (3) and at equal intervals in the circumferential direction.
これら３つの流入部（72,72,72）には、それぞれ第１〜第３接続管（8A,8B,8C）が接続されている。第１接続管（8A）は、実施形態１と同様の構成であって、流入側の冷媒配管（10）が接続されると共に、流量可変ノズル（4A）及びニードル弁（9A）を配設するためのものである。一方、第２、第３接続管（8B,8C）は、実施形態１の第２接続管（8B）と同様の構成であって、流入側の冷媒配管（10）が接続されると共に、第１及び第２流量固定ノズル（4B,4C）及び第１及び第２電磁弁（9B,9C）を配設するためのものである。 The first to third connecting pipes (8A, 8B, 8C) are connected to the three inflow portions (72, 72, 72), respectively. The first connection pipe (8A) has the same configuration as that of the first embodiment, and is connected to the refrigerant pipe (10) on the inflow side and is provided with a variable flow rate nozzle (4A) and a needle valve (9A). Is for. On the other hand, the second and third connection pipes (8B, 8C) have the same configuration as the second connection pipe (8B) of Embodiment 1, and are connected to the refrigerant pipe (10) on the inflow side, The first and second fixed flow rate nozzles (4B, 4C) and the first and second electromagnetic valves (9B, 9C) are provided.
ハウジング（232）には、ケーシング（207）の３つの流入部（72,72,72）に対応させて、３つの配設孔（34,34,34）が形成されている。つまり、第１接続管（8A）の下流端部に配設されて、流入部（72）を介してケーシング（207）内に臨む流量可変ノズル（4A）は、ハウジング（232）の配設孔（34）に挿通されることになる。また、第２接続管（8B）の下流端部に配設されて、流入部（72）を介してケーシング（207）内に臨む第１流量固定ノズル（4B）は、ハウジング（232）の配設孔（34）に挿通されることになる。さらに、第３接続管（8C）の下流端部に配設されて、流入部（72）を介してケーシング（207）内に臨む第２流量固定ノズル（4C）は、ハウジング（232）の配設孔（34）に挿通されることになる。 The housing (232) is formed with three arrangement holes (34, 34, 34) corresponding to the three inflow portions (72, 72, 72) of the casing (207). That is, the flow rate variable nozzle (4A) disposed at the downstream end portion of the first connection pipe (8A) and facing the casing (207) via the inflow portion (72) is disposed in the housing hole (232). (34) will be inserted. The first fixed flow nozzle (4B), which is disposed at the downstream end of the second connection pipe (8B) and faces the casing (207) through the inflow part (72), is disposed in the housing (232). It will be inserted through the hole (34). Furthermore, the second fixed flow nozzle (4C), which is disposed at the downstream end of the third connection pipe (8C) and faces the casing (207) via the inflow part (72), is disposed in the housing (232). It will be inserted through the hole (34).
このようにしてハウジング（232）に配設された流量可変ノズル（4A）並びに第１及び第２流量固定ノズル（4B,4C）の軸心は、羽根車本体（51）の軸心（X）に直交する平面と平行であって、羽根部（52,52,…）の先端を繋ぐ仮想円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。すなわち、流量可変ノズル（4A）並びに第１及び第２流量固定ノズル（4B,4C）は、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（52,52,…）に当たるように配設されている。ただし、流量可変ノズル（4A）並びに第１及び第２流量固定ノズル（4B,4C）はそれぞれ、タービン羽根車（5）の周方向において等間隔を空けた位置に冷媒を噴射するように配設されている。 The axial center of the variable flow rate nozzle (4A) and the first and second fixed flow rate nozzles (4B, 4C) arranged in the housing (232) in this way is the axial center (X) of the impeller body (51). Is parallel to a plane perpendicular to the plane, and the tangent to the virtual circle connecting the tips of the blade portions (52, 52,...) Is offset inward in the radial direction. That is, the variable flow rate nozzle (4A) and the first and second fixed flow rate nozzles (4B, 4C) inject refrigerant toward the front in the rotational direction of the turbine impeller (5), and the injected refrigerant is the turbine impeller. It arrange | positions so that it may contact | abut the blade | wing part (52,52, ...) of (5). However, the flow rate variable nozzle (4A) and the first and second flow rate fixed nozzles (4B, 4C) are arranged so as to inject the refrigerant at equally spaced positions in the circumferential direction of the turbine impeller (5). Has been.
流量可変ノズル（4A）並びに第１及び第２流量固定ノズル（4B,4C）は、実施形態１と同様に、内径が下流側に向かって徐々に小さくなっていく縮径部（41）と、該縮径部（41）の下流端に位置し、内径が最も小さくなった喉部（42）と、内径が喉部（42）から下流側に向かって徐々に大きくなっていく拡径部（43）とで構成された内部流路（40）を有している。 The variable flow rate nozzle (4A) and the first and second fixed flow rate nozzles (4B, 4C) have a reduced diameter portion (41) whose inner diameter gradually decreases toward the downstream side, as in the first embodiment. The throat portion (42), which is located at the downstream end of the reduced diameter portion (41) and has the smallest inner diameter, and the enlarged diameter portion (inner diameter gradually increases from the throat portion (42) toward the downstream side) 43) and an internal flow path (40).
そして、流量可変ノズル（4A）は、ニードル弁（9A）によって流量を調節することができるように構成されている。一方、第１及び第２流量固定ノズル（4B,4C）は、流量を調節することができないが、それぞれ第１及び第２電磁弁（9B,9C）によって開通と閉鎖とを切替可能に構成されている。 The flow rate variable nozzle (4A) is configured such that the flow rate can be adjusted by the needle valve (9A). On the other hand, the first and second fixed flow rate nozzles (4B, 4C) cannot be adjusted in flow rate, but can be switched between open and closed by the first and second solenoid valves (9B, 9C), respectively. ing.
ここで、流量可変ノズル（4A）の全開時のＣｖ値と第１流量固定ノズル（4B）のＣｖ値とは等しい値に設定されている。また、第２流量固定ノズル（4C）のＣｖ値は、流量可変ノズル（4A）の全開時のＣｖ値と第１流量固定ノズル（4B）のＣｖ値とを足した値となっている。 Here, the Cv value when the flow rate variable nozzle (4A) is fully opened and the Cv value of the first fixed flow rate nozzle (4B) are set to be equal. The Cv value of the second fixed flow nozzle (4C) is a value obtained by adding the Cv value when the variable flow nozzle (4A) is fully opened and the Cv value of the first fixed flow nozzle (4B).
以上のように構成されたタービン発電機（202）の動作について説明する。 Operation | movement of the turbine generator (202) comprised as mentioned above is demonstrated.
冷媒回路を循環して放熱器（12）で放熱した冷媒は、流入側の冷媒配管（10）から第１〜第３接続管（8A〜8C）に流入する。このとき、ニードル弁（9A）並びに第１及び第２電磁弁（9B,9C）の開閉状態が制御されており、冷媒は流量可変ノズル（4A）並びに／又は第１及び／若しくは第２流量固定ノズル（4B,4C）を通過してケーシング（7）に流入する。そして、流量可変ノズル（4A）並びに／又は第１及び／若しくは第２流量固定ノズル（4B,4C）を流通する冷媒は、流通する際に減圧される（膨張する）。これら流量可変ノズル（4A）並びに／又は第１及び／若しくは第２流量固定ノズル（4B,4C）で減圧された冷媒は、タービン羽根車（5）の羽根部（52,52,…）に向かって噴射される。噴射された冷媒の衝撃によって、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、ステータ（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（202）は電力を発生する。尚、タービン羽根車（5）の羽根車に衝突した冷媒は、ケーシング（207）の流出部（73）からケーシング（207）外へ流出して蒸発器（14）へ流れていく。 The refrigerant circulated through the refrigerant circuit and radiated by the radiator (12) flows into the first to third connection pipes (8A to 8C) from the refrigerant pipe (10) on the inflow side. At this time, the open / close state of the needle valve (9A) and the first and second electromagnetic valves (9B, 9C) is controlled, and the refrigerant is a flow rate variable nozzle (4A) and / or the first and / or second flow rate fixed. It passes through the nozzles (4B, 4C) and flows into the casing (7). And the refrigerant | coolant which distribute | circulates the flow variable nozzle (4A) and / or the 1st and / or 2nd flow fixed nozzle (4B, 4C) is pressure-reduced (expands), when distribute | circulating. The refrigerant depressurized by these variable flow rate nozzles (4A) and / or the first and / or second fixed flow rate nozzles (4B, 4C) is directed to the blade portions (52, 52,...) Of the turbine impeller (5). Is injected. The turbine impeller (5) rotates around the axis (X) due to the impact of the injected refrigerant. When the turbine impeller (5) rotates, the rotating shaft (31) rotates integrally with the turbine impeller (5), and further, the rotor (61) fixed to the rotating shaft (31) rotates. When the rotor (61) rotates, a rotating magnetic field is generated, and an induced voltage is generated in the stator coil of the stator (62). Thus, the turbine generator (202) generates electric power. In addition, the refrigerant | coolant which collided with the impeller of the turbine impeller (5) flows out of the casing (207) from the outflow part (73) of the casing (207), and flows into the evaporator (14).
続いて、ニードル弁（9A）並びに第１及び第２電磁弁（9B,9C）の開閉制御について説明する。 Next, opening / closing control of the needle valve (9A) and the first and second electromagnetic valves (9B, 9C) will be described.
ニードル弁（9A）並びに第１及び第２電磁弁（9B,9C）は、図７（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、冷媒回路に流通させる冷媒の流量に応じて、その開度が調節される。 The needle valve (9A) and the first and second electromagnetic valves (9B, 9C) have an opening degree according to the flow rate of the refrigerant flowing through the refrigerant circuit, as shown in FIGS. Adjusted.
詳しくは、制御目標となる所望の流量が、流量可変ノズル（4A）の全閉状態に対応する流量である第１閾値Ｖ１未満である運転領域においては、第１及び第２電磁弁（9B,9C）を閉状態にすることで第１及び第２流量固定ノズル（4B,4C）を閉鎖すると共に、ニードル弁（9A）で流量可変ノズル（4A）の喉部（42）の開度を調節して、流量可変ノズル（4A）だけを用いて、冷媒回路を流通する冷媒が該所望の流量となるように調節する。このとき、流量可変ノズル（4A）の喉部（42）の開度は、冷媒の流量に対して線形的に調節される。 Specifically, the desired flow rate as a control target is, in the operating region is the first less than the threshold value V 1 is the corresponding flow rate in the fully closed state of the variable flow nozzle (4A), the first and second solenoid valve (9B , 9C) is closed to close the first and second fixed flow nozzles (4B, 4C) and the needle valve (9A) is used to adjust the opening of the throat (42) of the variable flow nozzle (4A). Adjustment is performed using only the variable flow rate nozzle (4A) so that the refrigerant flowing through the refrigerant circuit has the desired flow rate. At this time, the opening degree of the throat (42) of the flow rate variable nozzle (4A) is linearly adjusted with respect to the flow rate of the refrigerant.
そして、所望の流量が、前記第１閾値Ｖ１以上であって且つ、流量可変ノズル（4A）の全開にし且つ第１流量固定ノズル（4B）を開通させた状態に対応する流量である第２閾値Ｖ２未満である運転領域においては、第１電磁弁（9B）を開状態とすることで第１流量固定ノズル（4B）を開通させ且つ、第２電磁弁（9C）を閉状態にすることで第２流量固定ノズル（4C）を閉鎖とすると共に、ニードル弁（9A）で流量可変ノズル（4A）の喉部（42）の開度を調節して、流量可変ノズル（4A）と第１流量固定ノズル（4B）とを用いて、冷媒回路を流通する冷媒が該所望の流量となるように調節する。ここで、流量可変ノズル（4A）の全開時のＣｖ値と第１流量固定ノズル（4B）のＣｖ値とが等しいため、所望の流量が第１閾値Ｖ１であるときには、第１流量固定ノズル（4B）を開通させ且つ、流量可変ノズル（4A）を全閉状態としてもよいし、第１流量固定ノズル（4B）を閉鎖させ且つ、流量可変ノズル（4A）を全開状態にしてもよい。 Then, the desired flow rate, and a is the first threshold value V 1 or more, the a flow rate corresponding to the state and was opened the first flow rate fixed nozzle (4B) to fully open the flow variable nozzle (4A) 2 in the operating region is less than the threshold value V 2, and the first flow rate fixed nozzle (4B) is opened by the first solenoid valve (9B) to the open state and the second solenoid valve (9C) to the closed state As a result, the second fixed flow rate nozzle (4C) is closed and the opening of the throat (42) of the variable flow rate nozzle (4A) is adjusted with the needle valve (9A) to Using the 1 flow rate fixed nozzle (4B), the refrigerant flowing through the refrigerant circuit is adjusted to the desired flow rate. Since the Cv value of the Cv value and the first flow rate fixed nozzle when fully opened flow rate variable nozzle (4A) (4B) is equal, when the desired flow rate is a first threshold value V 1, the first flow rate fixed nozzle (4B) may be opened and the variable flow rate nozzle (4A) may be fully closed, or the first fixed flow rate nozzle (4B) may be closed and the variable flow rate nozzle (4A) may be fully open.
さらに、所望の流量が、前記第２閾値Ｖ２以上であって且つ、流量可変ノズル（4A）の全開にし且つ第２流量固定ノズル（4C）を開通させた状態に対応する流量である第３閾値Ｖ３未満である運転領域においては、第２電磁弁（9C）を開状態とすることで第２流量固定ノズル（4C）を開通させ且つ、第１電磁弁（9B）を閉状態にすることで第１流量固定ノズル（4B）を閉鎖とすると共に、ニードル弁（9A）で流量可変ノズル（4A）の喉部（42）の開度を調節して、流量可変ノズル（4A）と第２流量固定ノズル（4C）とを用いて、冷媒回路を流通する冷媒が該所望の流量となるように調節する。ここで、第２流量固定ノズル（4C）のＣｖ値は、流量可変ノズル（4A）の全開時のＣｖ値と第１流量固定ノズル（4B）のＣｖ値とを足した値と等しいため、所望の流量が第２閾値Ｖ２であるときには、第２流量固定ノズル（4C）を開通させると共に、流量可変ノズル（4A）を全閉状態とし且つ第１流量固定ノズル（4B）を閉鎖してもよいし、第２流量固定ノズル（4C）を閉鎖すると共に、流量可変ノズル（4A）を全開状態とし且つ第１流量固定ノズル（4B）を開通させてもよい。 Moreover, the desired flow rate, and a is the second threshold value V 2 or more, which is a third flow rate corresponding to the state and was opened a second flow rate stationary nozzle (4C) to fully open the flow variable nozzle (4A) in the operating region is less than the threshold value V 3, and the second flow rate stationary nozzle (4C) is opened by the second solenoid valve (9C) to the open state, to the first solenoid valve (9B) to the closed state Thus, the first fixed flow nozzle (4B) is closed, and the opening of the throat (42) of the variable flow nozzle (4A) is adjusted with the needle valve (9A). Using a two-flow rate fixed nozzle (4C), the refrigerant flowing through the refrigerant circuit is adjusted to the desired flow rate. Here, the Cv value of the second fixed flow rate nozzle (4C) is equal to the value obtained by adding the Cv value when the variable flow rate nozzle (4A) is fully opened and the Cv value of the first fixed flow rate nozzle (4B). when the flow rate of the second threshold value V 2, as well as to open the second flow rate stationary nozzle (4C), also variable flow nozzle (4A) and closed to the fully closed state and the first flow rate fixed nozzle (4B) Alternatively, the second flow rate fixed nozzle (4C) may be closed, the flow rate variable nozzle (4A) may be fully opened, and the first flow rate fixed nozzle (4B) may be opened.
さらにまた、所望の流量が、前記第３閾値Ｖ３以上である運転領域においては、第１及び第２電磁弁（9B,9C）を開状態とすることで第１及び第２流量固定ノズル（4B,4C）を開通させると共に、ニードル弁（9A）で流量可変ノズル（4A）の喉部（42）の開度を調節して、流量可変ノズル（4A）と第１及び第２流量固定ノズル（4B，4C）とを用いて、冷媒回路を流通する冷媒が該所望の流量となるように調節する。ここで、第１流量固定ノズル（4B）のＣｖ値と第２流量固定ノズル（4C）のＣｖ値とを足した値は、流量可変ノズル（4A）の全開時のＣｖ値と第２流量固定ノズル（4C）のＣｖ値とを足した値と等しいため、所望の流量が第３閾値Ｖ３であるときには、第１及び第２流量固定ノズル（4C）を開通させると共に、流量可変ノズル（4A）を全閉状態としてもよいし、流量可変ノズル（4A）を全開状態とし且つ第２流量固定ノズル（4C）を開通させると共に、第１流量固定ノズル（4B）を閉鎖してもよい。 Furthermore, a desired flow rate, wherein in the operating region is the third threshold value V 3 or more, the first and second flow rate fixed nozzles by first and second solenoid valve (9B, 9C) and an open state ( 4B and 4C) are opened, and the opening of the throat (42) of the variable flow nozzle (4A) is adjusted by the needle valve (9A), and the variable flow nozzle (4A) and the first and second fixed flow nozzles (4B, 4C) is used to adjust the refrigerant flowing through the refrigerant circuit to the desired flow rate. Here, the value obtained by adding the Cv value of the first flow rate fixed nozzle (4B) and the Cv value of the second flow rate fixed nozzle (4C) is the Cv value when the flow rate variable nozzle (4A) is fully opened and the second flow rate fixed value. since equal to the value obtained by adding the Cv value of the nozzle (4C), with the desired flow rate when the third is the threshold V 3 causes the opening of the first and second flow rate stationary nozzle (4C), variable flow nozzle (4A ) May be fully closed, or the flow rate variable nozzle (4A) may be fully opened, the second flow rate fixed nozzle (4C) may be opened, and the first flow rate fixed nozzle (4B) may be closed.
したがって、本実施形態によれば、冷媒の流量に応じて、流量可変ノズル（4A）の喉部（42）の開度を調節すると共に、第１及び第２流量固定ノズル（4B,4C）の開通及び閉鎖を制御することによって、図７（Ｄ）に示すように、全体としてのノズル効率を向上させることができる。 Therefore, according to the present embodiment, the opening of the throat portion (42) of the variable flow rate nozzle (4A) is adjusted according to the flow rate of the refrigerant, and the first and second fixed flow rate nozzles (4B, 4C). By controlling the opening and closing, as shown in FIG. 7D, the overall nozzle efficiency can be improved.
すなわち、全運転範囲において１つの流量可変ノズルだけで流量を調節する構成では、図７（Ｄ）に二点鎖線で示すように、ノズル効率が適正であるのは全開時だけであり、それ以外の領域、特に開度が小さいときにはノズル効率が著しく低下してしまう。 That is, in the configuration in which the flow rate is adjusted with only one flow rate variable nozzle in the entire operation range, the nozzle efficiency is appropriate only when fully open, as indicated by the two-dot chain line in FIG. In this area, particularly when the opening degree is small, the nozzle efficiency is remarkably lowered.
それに対して、１つの流量可変ノズル（4A）と複数の流量固定ノズル（4B,4C）で全運転範囲における流量調節を行うように構成することによって、少なくとも一部の冷媒は、ノズル効率が適正な流量固定ノズル（4B,4C）を用いて減圧させることができる。 On the other hand, at least some refrigerants have appropriate nozzle efficiency by configuring the flow rate to be adjusted in the entire operation range with one flow rate variable nozzle (4A) and multiple flow rate fixed nozzles (4B, 4C). Pressure can be reduced by using a fixed flow rate nozzle (4B, 4C).
そして、少なくとも１つの流量可変ノズル（4A）を設けて、流量可変ノズル（4A）の喉部（42）の開度を調節すると共に、第１及び第２流量固定ノズル（4B,4C）の開通及び閉鎖を制御することによって、冷媒回路を循環する冷媒の流量を広範囲且つ柔軟に調節することができる。 At least one variable flow nozzle (4A) is provided to adjust the opening of the throat (42) of the variable flow nozzle (4A) and open the first and second fixed flow nozzles (4B, 4C). By controlling the closure, the flow rate of the refrigerant circulating in the refrigerant circuit can be adjusted widely and flexibly.
また、本実施形態では、実施形態１と異なり、流量固定ノズル（4B,4C）を複数設けることによって、流量可変ノズル（4A）による流量調節だけでなく、使用する流量固定ノズル（4B,4C）の組合せを変えることによっても流量を調節することができる。これにより、流量可変ノズル（4A）によって流量を調節しなければならない運転領域を狭めることができる。つまり、流量可変ノズル（4A）を流通させる流体の割合を減少させて、流量固定ノズル（4B）を流通させる流体の割合を増加させることができるため、全体としてのノズル効率をさらに向上させることができる。 Also, in this embodiment, unlike Embodiment 1, by providing a plurality of fixed flow rate nozzles (4B, 4C), not only the flow rate adjustment by the variable flow rate nozzle (4A) but also the fixed flow rate nozzles (4B, 4C) to be used. The flow rate can also be adjusted by changing the combination. Thereby, the operation area | region which must adjust a flow volume with a flow variable nozzle (4A) can be narrowed. In other words, the ratio of the fluid flowing through the variable flow rate nozzle (4A) can be decreased and the ratio of the fluid flowing through the fixed flow nozzle (4B) can be increased, further improving the overall nozzle efficiency. it can.
さらに、第１及び第２流量固定ノズル（4B,4C）のＣｖ値をそれぞれ異ならせることによって、第１及び第２流量固定ノズル（4B,4C）の何れを使用するか、例えば、第１及び第２流量固定ノズル（4B,4C）の何れを流量可変ノズル（4A）と組み合わせるかで、流量を調節することができる。つまり、ノズル効率を高く維持したまま、様々な流量に調節することができる。 Furthermore, by changing the Cv values of the first and second fixed flow rate nozzles (4B, 4C), respectively, which one of the first and second fixed flow rate nozzles (4B, 4C) is used, for example, The flow rate can be adjusted depending on which of the second fixed flow rate nozzles (4B, 4C) is combined with the variable flow rate nozzle (4A). That is, it can be adjusted to various flow rates while maintaining high nozzle efficiency.
その他、実施形態１と同様の作用効果を奏することができる。 In addition, the same effects as those of the first embodiment can be achieved.
《発明の実施形態３》
続いて、本発明の実施形態３に係るタービン発電機（302）について説明する。図８に示すように、実施形態３に係るタービン発電機（302）は、１つの流量可変ノズル（4A）と３つの流量固定ノズル（4B〜4D）とを備えている。
<<
Then, the turbine generator (302) which concerns on
詳しくは、タービン発電機（302）のタービン（303）は、回転シャフト（31）に対して軸方向に並んで取り付けられた２つのタービン羽根車（5,5）を備えている。そして、ケーシング（7）には、上方のタービン羽根車（5）に臨む２つの流入部（72,72）と、下方のタービン羽根車（5）に臨む２つの流入部（72,72）との合計４つの流入部（72,72,…）が形成されている。これら４つの流入部（72,72,…）には、それぞれ第１〜第４接続管（8A〜8D）が接続されている。第１接続管（8A）は、実施形態１と同様の構成であって、流入側の冷媒配管（10）が接続されると共に、流量可変ノズル（4A）及びニードル弁（9A）を配設するためのものである。一方、第２〜第３接続管（8B〜8D）は、実施形態１の第２接続管（8B）と同様の構成であって、流入側の冷媒配管（10）が接続されると共に、流量固定ノズル（4B〜4D）及び電磁弁（9B〜9D）を配設するためのものである。 Specifically, the turbine (303) of the turbine generator (302) includes two turbine impellers (5, 5) attached to the rotating shaft (31) in an axial direction. The casing (7) includes two inflow portions (72, 72) facing the upper turbine impeller (5) and two inflow portions (72, 72) facing the lower turbine impeller (5). A total of four inflow portions (72, 72,...) Are formed. The first to fourth connecting pipes (8A to 8D) are connected to the four inflow portions (72, 72, ...), respectively. The first connection pipe (8A) has the same configuration as that of the first embodiment, and is connected to the refrigerant pipe (10) on the inflow side and is provided with a variable flow rate nozzle (4A) and a needle valve (9A). Is for. On the other hand, the second to third connection pipes (8B to 8D) have the same configuration as the second connection pipe (8B) of Embodiment 1, and are connected to the inflow-side refrigerant pipe (10) and have a flow rate. This is for arranging the fixed nozzle (4B to 4D) and the solenoid valve (9B to 9D).
そして、流量可変ノズル（4A）及び第１流量固定ノズル（4B）が上方のタービン羽根車（5）に向けて配設される一方、第２及び第３流量固定ノズル（4C,4D）が下方のタービン羽根車（5）に向けて配設されている。 The variable flow rate nozzle (4A) and the first fixed flow rate nozzle (4B) are arranged toward the upper turbine impeller (5), while the second and third fixed flow rate nozzles (4C, 4D) are located downward. It is arranged toward the turbine impeller (5).
流量可変ノズル（4A）及び流量固定ノズル（4B〜4D）の構成は、実施形態１，２と同様である。すなわち、流量可変ノズル（4A）は、ニードル弁（9A）によって流量が調節される。また、第１〜第３流量固定ノズル（4B〜4D）は、第１〜第３電磁弁（9B〜9D）によって開通と閉鎖とが切り替えられる。 The configurations of the variable flow rate nozzle (4A) and the fixed flow rate nozzles (4B to 4D) are the same as in the first and second embodiments. That is, the flow rate of the variable flow rate nozzle (4A) is adjusted by the needle valve (9A). The first to third flow rate fixed nozzles (4B to 4D) are switched between open and closed by the first to third electromagnetic valves (9B to 9D).
また、流量可変ノズル（4A）の全閉時のＣｖ値並びに、第１及び第２流量固定ノズル（4B,4C）のＣｖ値の関係は実施形態２と同様である。そして、第３流量固定ノズル（4D）のＣｖ値は、流量可変ノズル（4A）の全開時のＣｖ値と第１流量固定ノズル（4B）のＣｖ値と第２流量固定ノズル（4C）のＣｖ値とを足した値となっている。このように設定することで、実施形態２と同様の手順で、使用するノズルを切り替えることによって、冷媒回路を循環する冷媒の流量を広範な運転領域で、制御できない領域を生じさせることなく、柔軟に調節することができる。 The relationship between the Cv value when the flow rate variable nozzle (4A) is fully closed and the Cv values of the first and second fixed flow rate nozzles (4B, 4C) is the same as in the second embodiment. The Cv value of the third fixed flow nozzle (4D) includes the Cv value when the variable flow nozzle (4A) is fully opened, the Cv value of the first fixed flow nozzle (4B), and the Cv value of the second fixed flow nozzle (4C). It is the value which added the value. By setting in this way, by switching the nozzle to be used in the same procedure as in the second embodiment, the flow rate of the refrigerant circulating in the refrigerant circuit can be controlled flexibly without causing an uncontrollable region in a wide operation region. Can be adjusted to.
《実施形態１〜３の変形例》
前記各実施形態では、各ノズル（4A〜4D）は、内径が下流側に向かって徐々に小さくなっていく縮径部（41）と、該縮径部（41）の下流端に位置し、内径が最も小さくなった喉部（42）と、内径が喉部（42）から下流側に向かって徐々に大きくなっていく拡径部（43）とで構成された内部流路（40）を備えた所謂ラバルノズルによって構成されていた。しかしながら、本発明に係るノズルは、このようなラバルノズルに限られない。
<< Modification of Embodiments 1 to 3 >>
In each of the above embodiments, each nozzle (4A to 4D) is located at the reduced diameter portion (41) whose inner diameter gradually decreases toward the downstream side, and the downstream end of the reduced diameter portion (41), An internal flow path (40) composed of a throat portion (42) having the smallest inner diameter and an enlarged diameter portion (43) in which the inner diameter gradually increases from the throat portion (42) toward the downstream side. It was constituted by a so-called Laval nozzle provided. However, the nozzle according to the present invention is not limited to such a Laval nozzle.
例えば、図９に示す変形例１としてのノズル（4X）や図１０に示す変形例２としてのノズル（4Y）を前記各ノズル（4A〜4D）の代わりに用いてもよい。 For example, the nozzle (4X) as the first modification shown in FIG. 9 and the nozzle (4Y) as the second modification shown in FIG. 10 may be used in place of the nozzles (4A to 4D).
具体的には、図９に示すノズル（4X）は、内部流路（40）が、前記各実施形態と同様の縮径部（41）及び喉部（42）と、内径が喉部（42）から出口に亘って一定に形成された等径部（44）とで構成されている。 Specifically, in the nozzle (4X) shown in FIG. 9, the internal flow path (40) has the same diameter-reduced portion (41) and throat portion (42) as those in the above embodiments, and the inner diameter is the throat portion (42). ) To the outlet, and is formed with a constant diameter portion (44).
このようなノズル（4X）を用いた場合、内部流路（40）の喉部（42）において減圧された冷媒は、等径部（44）において昇圧することなく出口に向かって流動する。これにより、喉部（42）において変換された冷媒の速度エネルギの一部が出口までの間において再び圧力エネルギに変換されること（速度エネルギ損失）を抑制することができる。よって、冷媒を出口から十分な速度で噴射させることができる。従って、前記ノズル（4X）によれば、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る。 When such a nozzle (4X) is used, the refrigerant depressurized in the throat portion (42) of the internal flow path (40) flows toward the outlet without increasing the pressure in the equal diameter portion (44). Thereby, it can suppress that a part of velocity energy of the refrigerant | coolant converted in the throat part (42) is again converted into pressure energy (velocity energy loss) by the time to an exit. Therefore, the refrigerant can be injected from the outlet at a sufficient speed. Therefore, according to the nozzle (4X), the pressure energy of the refrigerant can be efficiently converted into the rotational power of the turbine (3).
また、前記ノズル（4Y）によれば、内部流路（40）の喉部（42）から出口までの流路径を一定としているため、該内部流路（40）の加工を容易に行うことができる。 Further, according to the nozzle (4Y), since the flow path diameter from the throat (42) to the outlet of the internal flow path (40) is constant, the internal flow path (40) can be easily processed. it can.
一方、図１０に示すノズル（4Y）は、内部流路（40）が、前記各実施形態と同様の縮径部（41）及び喉部（42）と、喉部（42）から出口に向かって先細形状となる出口側縮径部（45）とで構成されている。 On the other hand, in the nozzle (4Y) shown in FIG. 10, the internal flow path (40) has the same diameter-reduced portion (41) and throat portion (42) as those in the above embodiments, and the throat portion (42) faces the outlet. It is comprised with the exit side reduced diameter part (45) used as a taper shape.
このようなノズル（4Y）を用いた場合、内部流路（40）を流通する冷媒は、喉部（42）において一旦減圧された後、出口に向かってゆっくりとさらに減圧されることとなる。そのため、内部流路（40）において、流体の圧力エネルギが速度エネルギに効率よく変換され、出口における流体の速度を十分に上昇させることができる。従って、前記ノズル（4Y）によっても、冷媒の圧力エネルギを該タービン（3）の回転動力に効率良く変換することができる。 When such a nozzle (4Y) is used, the refrigerant flowing through the internal flow path (40) is once depressurized in the throat (42), and then slowly depressurized further toward the outlet. Therefore, in the internal flow path (40), the pressure energy of the fluid is efficiently converted into velocity energy, and the velocity of the fluid at the outlet can be sufficiently increased. Therefore, the pressure energy of the refrigerant can be efficiently converted into the rotational power of the turbine (3) also by the nozzle (4Y).
以上より、前記各実施形成において用いられていたラバルノズルを前記ノズル（4X,4Y）に変更することによってノズル効率をさらに向上させ、ひいては、タービンの効率を向上させることができる。このことは、図１１のノズルの開き角とタービン効率比の相関を示すグラフからも明らかである。 As described above, the nozzle efficiency can be further improved by changing the Laval nozzle used in each of the above embodiments to the nozzles (4X, 4Y), and thus the efficiency of the turbine can be improved. This is also apparent from the graph showing the correlation between the nozzle opening angle and the turbine efficiency ratio in FIG.
尚、ここで、ノズルの開き角とは、ノズルの内部流路（40）の喉部（42）から出口までの部分（拡径部（43）、等径部（44）、縮径部（45））を形成するテーパ面の母線とノズルの軸線との交差角を指す。また、タービン効率比は、開き角が０°（図９参照）のノズル（4X）を用いた場合にタービン発電機において得られる電力を基準（１．０）として、他の開き角のノズルを用いた場合に得られる電力を比率で示したものである。 Here, the opening angle of the nozzle refers to the portion from the throat (42) to the outlet of the internal flow path (40) of the nozzle (expanded diameter portion (43), equal diameter portion (44), reduced diameter portion ( 45)) refers to the angle of intersection between the generatrix of the tapered surface and the axis of the nozzle. In addition, the turbine efficiency ratio is determined based on the electric power obtained in the turbine generator when the nozzle (4X) having an opening angle of 0 ° (see FIG. 9) is used as a reference (1.0). The power obtained when used is shown as a ratio.
図１１より、開き角を低減するに従ってタービンの効率比が向上することが判る。具体的には、例えば、開き角が０°のノズルを用いた場合及び開き角が０°未満の角度αのノズルを用いた場合には、開き角が０°より大きい角度βのノズルを用いた場合よりもタービンの効率が大幅に向上している。 FIG. 11 shows that the efficiency ratio of the turbine improves as the opening angle is reduced. Specifically, for example, when a nozzle having an opening angle of 0 ° and a nozzle having an opening angle of less than 0 ° are used, a nozzle having an opening angle β of greater than 0 ° is used. The efficiency of the turbine is greatly improved than if it had been.
以上より、開き角が０°である図９に示すノズル（4X）や開き角が０°未満である図１０に示すノズル（4Y）を用いることによって、前記各実施形態のラバルノズルを用いた場合に比べて、冷媒の圧力エネルギを効率良くタービン（3）の回転動力に変換して効率良く電力に変換することができることが判る。 As described above, when the nozzle (4X) shown in FIG. 9 having an opening angle of 0 ° or the nozzle (4Y) shown in FIG. 10 having an opening angle of less than 0 ° is used, the Laval nozzle of each of the above embodiments is used. It can be seen that the pressure energy of the refrigerant can be efficiently converted into the rotational power of the turbine (3) and efficiently converted into electric power.
尚、前記ノズル（4X,4Y）は、図１２（Ａ）に示すように、前記各実施形態における複数のノズルの全てのノズルに適用してもよいが、全てのノズルではなくいずれかのラバルノズル（4A〜4D）の代わりに適用されてもよい。例えば、図１２（Ｂ）に示すように、前記各実施形態における流量可変ノズル（4A）のみをノズル（4Y）に変更してもよい。 As shown in FIG. 12A, the nozzles (4X, 4Y) may be applied to all the nozzles of the plurality of nozzles in each of the above embodiments. It may be applied instead of (4A-4D). For example, as shown in FIG. 12B, only the variable flow rate nozzle (4A) in each of the above embodiments may be changed to the nozzle (4Y).
《その他の実施形態》
本発明は、前記各実施形態について、以下のような構成としてもよい。
<< Other Embodiments >>
The present invention may be configured as follows for each of the embodiments.
流量可変ノズルと流量固定ノズルの個数は、前記各実施形態に記載の個数に限定されるものではない。そのため、例えば、流量可変ノズルを２つ以上設けてもよく、流量固定ノズルを４つ以上設けることとしてもよい。 The numbers of variable flow rate nozzles and fixed flow rate nozzles are not limited to the numbers described in the above embodiments. Therefore, for example, two or more variable flow rate nozzles may be provided, or four or more fixed flow rate nozzles may be provided.
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。 Moreover, in the said embodiment, although the electric power which generate | occur | produces with a turbine generator (2) is used as a motive power source for driving an electric compressor (11), it is not restricted to this. For example, you may use in order to drive the fan provided in the indoor unit or the outdoor unit.
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。 The above embodiments are essentially preferable examples, and are not intended to limit the scope of the present invention, its application, or its use.
以上説明したように、本発明は、タービン羽根車及びノズルを備えたタービン発電機、及びそれを備えた冷凍装置について有用である。 As described above, the present invention is useful for a turbine generator including a turbine impeller and a nozzle, and a refrigeration apparatus including the turbine generator.
1 冷凍装置
2,202,302 タービン発電機
3,203,303 タービン
4A 流量可変ノズル（ノズル、流量可変ノズル）
4B 第１流量固定ノズル（ノズル、流量固定ノズル）
4C 第２流量固定ノズル（ノズル、流量固定ノズル）
4D 第３流量固定ノズル（ノズル、流量固定ノズル）
40 内部流路
42 喉部
5 タービン羽根車
9 ニードル弁（弁機構）
93 アクチュエータ
10 冷媒配管（配管）
11 電動圧縮機（圧縮機）
12 放熱器
14 蒸発器
1 Refrigeration equipment
2,202,302 Turbine generator
3,203,303 Turbine
4A variable flow rate nozzle (nozzle, variable flow rate nozzle)
4B 1st fixed flow nozzle (nozzle, fixed flow nozzle)
4C 2nd fixed flow nozzle (nozzle, fixed flow nozzle)
4D 3rd fixed flow nozzle (nozzle, fixed flow nozzle)
40 Internal flow path
42 Throat
5 Turbine impeller
9 Needle valve (valve mechanism)
93 Actuator
10 Refrigerant piping (piping)
11 Electric compressor (compressor)
12 Heatsink
14 Evaporator
Claims (9)
複数の前記ノズルは、前記喉部（42）の開度を弁機構（9A）で制御することで流量を調節可能な流量可変ノズル（4A）と、流量が固定の流量固定ノズル（4B）とを含むことを特徴とするタービン発電機。 A turbine generator comprising a turbine impeller (5) and a plurality of nozzles whose internal flow path (40) is throttled at the throat (42),
The plurality of nozzles include a flow rate variable nozzle (4A) capable of adjusting a flow rate by controlling an opening degree of the throat portion (42) by a valve mechanism (9A), and a flow rate fixed nozzle (4B) having a fixed flow rate. A turbine generator comprising:
流量を所定の閾値未満に調節するときには、前記流量可変ノズル（4A）のみを使用する一方、
流量を該閾値以上に調節するときには、前記流量可変ノズル（4A）及び前記流量固定ノズル（4B）を使用することを特徴とするタービン発電機。 In claim 1,
When adjusting the flow rate below a predetermined threshold, only the variable flow rate nozzle (4A) is used,
The turbine generator using the variable flow rate nozzle (4A) and the fixed flow rate nozzle (4B) when adjusting the flow rate to the threshold value or more.
前記流量可変ノズル（4A）の全開時のＣｖ値は、前記流量固定ノズル（4B）のＣｖ値以上であることを特徴とするタービン発電機。 In claim 1 or 2,
The turbine generator according to claim 1, wherein a Cv value when the flow rate variable nozzle (4A) is fully opened is equal to or greater than a Cv value of the fixed flow rate nozzle (4B).
複数の前記ノズルは、前記流量固定ノズル（4B,4C）を複数含んでおり、
前記流量可変ノズル（4A）及び複数の前記流量固定ノズル（4B,4C）のうち使用するノズルを、流量に応じて選択することを特徴とするタービン発電機。 In claim 1,
The plurality of nozzles includes a plurality of fixed flow rate nozzles (4B, 4C),
A turbine generator that selects a nozzle to be used from among the variable flow rate nozzle (4A) and the plurality of fixed flow rate nozzles (4B, 4C) according to a flow rate.
複数の前記流量固定ノズル（4B,4C）のＣｖ値は、それぞれ異なることを特徴とするタービン発電機。 In claim 4,
The turbine generator according to claim 1, wherein Cv values of the plurality of fixed flow rate nozzles (4B, 4C) are different from each other.
複数の前記ノズルの少なくとも１つは、前記内部流路（40）の流路径が、前記喉部（42）から出口に亘って一定となるように構成されていることを特徴とするタービン発電機。 In any one of Claims 1 thru | or 5,
At least one of the plurality of nozzles is configured such that the flow path diameter of the internal flow path (40) is constant from the throat (42) to the outlet. .
複数の前記ノズルの少なくとも１つは、前記内部流路（40）が前記喉部（42）から出口に向かって先細形状となるように構成されていることを特徴とするタービン発電機。 In any one of Claims 1 thru | or 5,
At least one of the plurality of nozzles is configured such that the internal flow path (40) is tapered from the throat (42) toward the outlet.
複数の前記ノズルの少なくとも１つは、ラバルノズルによって構成されていることを特徴とするタービン発電機。 In any one of Claims 1 thru | or 5,
At least one of the plurality of nozzles is constituted by a Laval nozzle.
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。 A compressor (11), a radiator (12), a turbine generator (2) according to any one of claims 1 to 8 and an evaporator (14) are connected by a pipe (10), and vapor compression is performed. A refrigeration apparatus having a refrigerant circuit for performing a refrigerating cycle,
The refrigeration apparatus characterized in that at least electric power generated by the turbine generator (2) is used as a power source of the refrigeration apparatus.
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