JP2010229933A - タービン発電機及びそれを備えた冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】タービン発電機において、流体の流量変化にともなうノズル効率低下を低減できるようにする。
【解決手段】流量が連続的に可変の第１ノズル（4A）と、流量が連続的に可変、且つ喉部（42B）の通路断面積が第１ノズル（4A）の喉部（42A）の通路断面積よりも大きく構成された第２ノズル（4B）とを設ける。そして、第１及び第２ノズル（4A,4B）の流量をノズル流量制御部（100）によって制御し、これらのノズル（4A,4B）が噴射した流体でタービン羽根車（5）を回転させ、該タービン羽根車（5）の回転力で発電する。
【選択図】図１

Description

本発明は、タービン羽根車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。

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を参照）。特許文献１のタービン発電機は、冷凍サイクルを行う冷凍装置に用いられている。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、前記タービン発電機は流体の運動エネルギを電力に変換している。
特開２００８-３８６３３号公報

しかしながら、前記のノズルは流体の流量によってノズル効率が変化するので、運転時の負荷に応じて冷媒の流量が変化する冷凍装置では、流量によってはノズル効率が低下し、タービン発電機が所望の性能を発揮できるとは限らない。すなわち、冷凍装置の運転状態によっては、冷媒の運動エネルギの回収効率が低下することも考えられる。

本発明は上記の問題に着目してなされたものであり、タービン発電機において、流体の流量変化にともなうノズル効率低下を低減できるようにすることを目的としている。

上記の課題を解決するため、第１の発明は、
噴射された流体を受けて回転するタービン羽根車（5）を有し、該タービン羽根車（5）の回転力で発電するタービン発電機であって、
流量が連続的に可変で、前記流体を前記タービン羽根車（5）に噴射する第１ノズル（4A）と、
流量が連続的に可変、且つ喉部（42B）の通路断面積が前記第１ノズル（4A）の喉部（42A）の通路断面積よりも大きく構成され、前記流体を前記タービン羽根車（5）に噴射する第２ノズル（4B）と、
前記第１及び第２ノズル（4A,4B）のそれぞれの流量制御を行うノズル流量制御部（100）と、
を備えていることを特徴とする。

この構成では、第１及び第２ノズル（4A,4B）が噴射した流体によってタービン羽根車（5）が回転し、それにより発電が行われる。また、このタービン発電機では、互いに喉部（42A,42B）の通路断面積が異なる２つのノズル（4A,4B）を設けてあり、それぞれのノズルの流量は、ノズル流量制御部（100）によって制御される。

また、第２の発明は、
第１の発明のタービン発電機において、
前記ノズル流量制御部（100）は、前記第１及び第２ノズル（4A,4B）の合計流量を所定の閾値流量（V1）未満に制御する場合には、前記第１ノズル（4A）の流量のみを調整して前記合計流量を制御し、前記合計流量を前記閾値流量（V1）以上に制御する場合には、前記第１及び第２ノズル（4A,4B）の両方の流量を調整して前記合計流量を制御することを特徴とする。

この構成により、前記合計流量を所定の閾値流量（V1）未満に制御する場合には、第１ノズル（4A）の流量のみがノズル流量制御部（100）によって調整される。すなわち、閾値流量（V1）未満に合計容量を調整する場合には、喉部（42A）の通路断面積がより小さい第１ノズル（4A）によって調整が行われので、より正確な流量調整が可能になる。一方、合計容量を閾値流量（V1）以上に制御する場合には、喉部（42B）の通路断面積がより大きな第２ノズル（4B）にも流体が流れるので、ノズルが１つのみのものと比べ、より広範囲な流量調整が可能になる。

また、第３の発明は、
第２の発明のタービン発電機において、
前記ノズル流量制御部（100）は、前記合計流量を前記閾値流量（V1）未満に制御する場合に、前記第２ノズル（4B）を全閉にすることを特徴とする。

この構成により、合計流量を所定の閾値流量（V1）未満に制御する場合には、第２ノズル（4B）には流体が流れない。すなわち、前記合計容量の調整は第１ノズル（4A）の流量調整のみでできる。

また、第４の発明は、
第２又は第３の発明のタービン発電機において、
前記閾値流量（V1）は、前記第１ノズル（4A）を全開にした時の流量値であることを特徴とする。

この構成により、前記合計流量を閾値流量（V1）付近に調整する場合には、第１ノズル（4A）をほぼ全開の状態で使用することが可能になる。

また、第５の発明は、
第１から第４の発明のうちの何れか１つのタービン発電機において、さらに、
流量が連続的に可変、且つ喉部（42B）の通路断面積が前記第１ノズル（4A）の喉部（42A）よりも大きく構成されて、前記流体を前記タービン羽根車（5）に噴射する第３ノズル（4C）を、少なくとも１つ以上備え、
前記ノズル流量制御部（100）は、前記第３ノズル（4C）の流量制御も行うことを特徴とする。

この構成により、さらに第３ノズル（4C）もタービン羽根車（5）を回転させる。このとき、前記第３ノズル（4C）も前記ノズル流量制御部（100）により流量が調整される。

また、第６の発明は、
圧縮機（12）と、放熱器（13）と、蒸発器（14）とを含んだ冷媒回路（10）を有し、該冷媒回路（10）において冷媒を循環させて蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷凍装置であって、
第１から第５の発明のうちの何れか１つのタービン発電機（2）を備え、
各ノズル（4A,4B）は、前記冷媒回路（10）に接続されて前記冷媒を噴射し、
前記タービン発電機（2）は、噴射された前記冷媒で前記タービン羽根車（5）が駆動されて発電することを特徴とする。

この構成により、冷凍装置の冷媒回路（10）において循環する冷媒で前記タービン羽根車（5）が駆動されて、タービン発電機が発電する。すなわち、この冷凍装置では、冷媒の運動エネルギを電力として回収することが可能になる。そして、この冷凍装置には、前記の発明に係るタービン発電機が用いられているので、このタービン発電機では、互いに喉部（42A,42B）の通路断面積が異なる２つのノズル（4A,4B）を有しており、それぞれのノズルの流量は、ノズル流量制御部（100）によって制御される。これにより、例えば、冷媒（流体）の流量に応じ、すなわち、冷凍装置の運転状態に応じ、ノズル効率が最適になるように、各ノズル（4A,4B）の流量を調整できる。

第１の発明によれば、互いに喉部（42A,42B）の通路断面積が異なる２つのノズル（4A,4B）の流量をそれぞれ別個に調整できる。それゆえ、例えば、目標とする合計流量に応じて、タービン発電機全体としてのノズル効率が最も大きくなるように、それぞれの第１及び第２ノズル（4A,4B）の流量を調整することが可能になる。すなわち、タービン発電機全体としては、供給される流体の流量変化にともなうノズル効率低下を低減することが可能になる。そして、このようにノズル効率低下を低減できれば、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可能になり、ひいては、該圧力エネルギを電力に効率良く変換することが可能になる。

また、第２の発明によれば、正確、且つ広範囲な流量調整が可能になる。

また、第３の発明によれば、所定の閾値流量（V1）未満に前記合計流量を制御する場合には、第１ノズル（4A）の流量調整のみを行えばよいので、容易に前記合計容量を調整することが可能になる。

また、第４の発明によれば、閾値流量（V1）のときに第１ノズル（4A）をほぼ全開の状態で使用することが可能になるので、第１ノズル（4A）をノズル効率がより大きくなる条件で使用することが可能になる。

また、第５の発明によれば、第３ノズル（4C）も前記ノズル流量制御部（100）により流量を調整できる。それゆえ、このタービン発電機ではより広範囲にわたって、タービン発電機全体としてのノズル効率が最も大きくなるように、それぞれのノズルの流量調整が可能になる。

また、第６の発明によれば、タービン発電機の２つのノズル（4A,4B）の流量は、ノズル流量制御部（100）によって制御される。そのため、例えば、冷媒（流体）の流量に応じ、すなわち、冷凍装置の運転状態に応じ、ノズル効率が最適になるように、各ノズル（4A,4B）の流量が調整される。それゆえ、この冷凍装置では、より効率的に冷媒の運動エネルギを電力として回収することが可能になる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、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。

《実施形態の概要》
図１は、本発明の実施形態に係るタービン発電機（2）の構成を模式的に示す縦断面図である。本実施形態のタービン発電機（2）は、例えば冷凍装置に用いられる。この冷凍装置は、冷媒回路で冷媒を循環させて蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行うように構成され、タービン発電機（2）は、該冷媒回路を循環する冷媒（流体）の運動エネルギを電力に変換して回収するようなっている。

図２は、タービン発電機（2）が用いられる冷凍装置の一例である冷凍装置（1）における冷媒回路（10）の全体構成を示す配管図である。図２に示すように、この冷媒回路（10）では、電動圧縮機（12）、放熱器（13）、蒸発器（14）、及びタービン発電機（2）が冷媒配管（11）で接続されている。そして、この冷凍装置（1）では、冷媒回路（10）で冷媒（例えば、二酸化炭素）を循環させて蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行うようになっている。冷媒回路（10）において、本実施形態のタービン発電機（2）は、該タービン発電機（2）に設けられたノズル（後述）が膨張機構の役割を果たすとともに、前記冷媒の運動エネルギを電力に変換して回収するようなっている。

《タービン発電機（2）の構成》
タービン発電機（2）は、図１に示すように、タービン（3）、発電機構（6）、ケーシング（7）、及びノズル流量制御部（100）を備えている。

〈ケーシング（7）〉
ケーシング（7）は、タービン（3）及び発電機構（6）を収容する。このケーシング（7）は、円筒形状をしていて、２つの軸受（71,71）を備えている。２つの軸受（71,71）は、ケーシング（7）の長手方向に互いに離間している。また、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、該タービン（3）を中心にして回転対称の位置関係にある。これらの流入部（72,72）にはそれぞれ、後に詳述する、第１及び第２ニードル弁（9A,9B）の本体部（94A,94B）が接続されている。また、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（11）によって蒸発器（14）に接続されている。

〈タービン（3）〉
タービン（3）は、回転シャフト（31）、タービン羽根車（5）、第１ノズル（4A）、第２ノズル（4B）、第１ニードル弁（9A）、及び第２ニードル弁（9B）を備えている。このタービン（3）は、ペルトンタービンであって、ノズル（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。

-タービン羽根車（5）-
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。

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互いに固定されている。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。

-ハウジング（32）-
ハウジング（32）は、タービン羽根車（5）を収容し且つ第１及び第２ノズル（4A,4B）を配設する。このハウジング（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。

また、ハウジング（32）には、第１及び第２ノズル（4A,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ノズル（4B）も、ハウジング（32）の配設孔（34）に挿通されることになる。

このようにしてハウジング（32）に配設された第１及び第２ノズル（4A,4B）の軸心は、図３に示すように、羽根部（52,52,…）の先端を繋いだ仮想円の接線と平行で、且つ羽根車本体（51）の軸心（X）から所定量オフセットした位置にあり、そのオフセット量は、噴射された冷媒がタービン羽根車（5）の羽根部（52,52,…）に当たるように設定されている。なお、第１及び第２ノズル（4A,4B）は、図３に示すように、羽根車本体（51）の中心に対して互いに対称な位置関係にある。

-第１ノズル（4A）-
第１ノズル（4A）は、流量が連続的に可変で、前記冷媒をタービン羽根車（5）に噴射する。この例では、第１ノズル（4A）として、いわゆるラバルノズルを採用している。具体的には、第１ノズル（4A）は、図１に示すように、縮径部（41A）、喉部（42A）、及び拡径部（43A）の各部により形成された内部流路（40A）を有している。縮径部（41A）は、内径が下流側に向かって徐々に小さくなる流路である。喉部（42A）は、該縮径部（41A）の下流端に位置し、内部流路（40A）のうち内径が最も小さくなった部分である。また、拡径部（43A）は、内径が喉部（42A）から下流側に向かって徐々に大きくなっている。すなわち、縮径部（41A）及び拡径部（43A）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。この第１ノズル（4A）は、後述するように第１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。

-第２ノズル（4B）-
第２ノズル（4B）は、流量が連続的に可変で、前記冷媒をタービン羽根車（5）に噴射する。この例では、第２ノズル（4B）にも、いわゆるラバルノズルを採用している。

この第２ノズル（4B）は、第１ノズル（4A）と同様の構造を有している。具体的には、この第２ノズル（4B）は、図１に示すように、縮径部（41B）、喉部（42B）、及び拡径部（43B）の各部により形成された内部流路（40B）を有している。縮径部（41B）は、内径が下流側に向かって徐々に小さくなる流路である。喉部（42B）は、該縮径部（41B）の下流端に位置し、内部流路（40B）のうち内径が最も小さくなった部分である。また、拡径部（43B）は、内径が喉部（42B）から下流側に向かって徐々に大きくなっている。そして、この第２ノズル（4B）は、喉部（42B）の通路断面積が、第１ノズル（4A）の喉部（42A）の通路断面積よりも大きく構成されている。また、第２ノズル（4B）も、後述するように、第２ニードル弁（9B）によって流量を調節できるように構成されている。

-第１ニードル弁（9A）-
第１ニードル弁（9A）は、第１ノズル（4A）の喉部（42A）の開度を調整する。すなわち、第１ニードル弁（9A）は、第１ノズル（4A）を通過する冷媒の流量を調節する。具体的に、この第１ニードル弁（9A）は、図１に示すように、第１本体部（94A）、棒状のニードル（91A）、該ニードル（91A）の先端に設けられた弁体（92A）、ニードル（91A）の基端に設けられ、該ニードル（91A）を進退自在に駆動するアクチュエータ（93A）を備えている。

第１本体部（94A）は、両端が開口した管状の部材であり、その内部に内部流路（95A）が形成されている。この第１本体部（94A）は、図１の左側に示した流入部（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、この流入部（72）から水平方向（図１では左方向）に延びている。そして、第１本体部（94A）の一方の開口部は、流入部（72）において第１ノズル（4A）に接続され、他方の開口部（開口部（96A））には、アクチュエータ（93A）が取り付けられている。また、第１本体部（94A）の側面には冷媒配管（11）が接続され、この冷媒配管（11）から冷媒が流入するようになっている。

弁体（92A）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（92A）のテーパ面の角度は、第１ノズル（4A）の縮径部（41A）のテーパ面の角度と同じか、それ未満となっている。

アクチュエータ（93A）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（91A）の基端部が接続されている。このアクチュエータ（93A）は、ソレノイドを作動させることによってニードル（91A）を進退させることができる。

この第１ニードル弁（9A）は、ニードル（91A）が第１本体部（94A）の開口部（96A）から内部流路（95A）内に挿入されて、アクチュエータ（93A）が開口部（96A）において第１本体部（94A）に取り付けられている。こうすることで、第１ニードル弁（9A）のニードル（91A）は、内部流路（95A）内において内部流路（95A）の長手方向に延び、弁体（92A）が第１ノズル（4A）の喉部（42A）に位置する。

第１ニードル弁（9A）は、アクチュエータ（93A）を作動させてニードル（91A）を駆動することによって、弁体（92A）を内部流路（95A）内でその長手方向に進退させる。弁体（92A）が最も前進したときには、該弁体（92A）は喉部（42A）に当接し、第１ノズル（4A）を全閉状態にする。一方、弁体（92A）が最も後退したときには、該弁体（92A）は縮径部（41A）から引き出された位置に位置し、該第１ノズル（4A）を流通する冷媒に影響を与えない。すなわち、第１ノズル（4A）が全開状態になる。このようにして、第１ニードル弁（9A）は、第１ノズル（4A）を通過する冷媒の流量を調節する。

-第２ニードル弁（9B）-
第２ニードル弁（9B）は、第２ノズル（4B）の喉部（42B）の開度を調整する。すなわち、第２ニードル弁（9B）は、第２ノズル（4B）を通過する冷媒の流量を調節する。具体的に、この第２ニードル弁（9B）は、前記第１ニードル弁（9A）と同様の構造を有している。具体的には図１に示すように、第１ニードル弁（9A）における第１本体部（94A）、ニードル（91A）、弁体（92A）、及びアクチュエータ（93A）にそれぞれ相当する、第２本体部（94B）、ニードル（91B）、弁体（92B）、及びアクチュエータ（93B）を備えている。

この第２本体部（94B）は、前記第１本体部（94A）と同様に両端が開口した管状の部材である。そして第２本体部（94B）でも、その内部に内部流路（95B）が形成されている。この第２本体部（94B）は、図１の右側に示した流入部（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、この流入部（72）から水平方向（図１では右方向）に延びている。そして、第２本体部（94B）の一方の開口部は、流入部（72）において第２ノズル（4B）に接続され、他方の開口部（開口部（96B））には、アクチュエータ（93B）が取り付けられている。また、第２本体部（94B）の側面には冷媒配管（11）が接続され、この冷媒配管（11）から冷媒が流入するようになっている。

この第２ニードル弁（9B）は、ニードル（91B）が第２本体部（94B）の開口部（96B）から内部流路（95B）内に挿入されて、アクチュエータ（93B）が開口部（96B）において第２本体部（94B）に取り付けられている。こうすることで、第２ニードル弁（9B）のニードル（91B）は、内部流路（95B）内において該内部流路（95B）の長手方向に延び、弁体（92B）が第２ノズル（4B）の喉部（42B）に位置する。

そして、この第２ニードル弁（9B）でも、アクチュエータ（93B）を作動させてニードル（91B）を駆動することによって、弁体（92B）を内部流路（95B）内でその長手方向に進退させる。弁体（92B）が最も前進したときには、該弁体（92B）は喉部（42B）に当接し、第２ノズル（4B）を全閉状態にする。一方、弁体（92B）が最も後退したときには、該弁体（92B）は縮径部（41B）から引き出された位置に位置し、該第２ノズル（4B）を流通する冷媒に影響を与えない。すなわち、第２ノズル（4B）が全開状態になる。このようにして、第２ニードル弁（9B）は、第２ノズル（4B）を通過する冷媒の流量を調節する。

なお、前記の第１本体部（94A）や第２本体部（94B）は、管状の部材で構成する代わりに、例えば、内部に内部流路（95A）が形成されたブロック状の部材で構成してもよい。

ところで、１つの流量可変ラバルノズルだけを備えている構成においては、この流量可変ラバルノズルは、一般的には図４に示すように、最大開度のときにノズル効率（＝ノズルで変換できたエネルギ／取り得る最大エネルギ）が最大となる。詳しくは、ラバルノズルにおいては、ラバルノズルの入口から入った冷媒が減圧し、ラバル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。

また、ラバルノズルは、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るのが一般的である。そのように設計されたラバルノズル喉部の開度を、ニードル弁によって絞ると、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４に示すように、ラバル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。

したがって、本実施形態のタービン発電機（2）においても、ニードル弁（9A,9B）の開度がそれぞれ調整されると、第１ノズル（4A）や第２ノズル（4B）のノズル効率もそれぞれ変化する。図５は、第１及び第２ノズル（4A,4B）のそれぞれのノズル効率と冷媒流量（すなわち、ニードル弁（9A,9B）の開度）との関係を示す図である。図５において、実線が第１ノズル（4A）のノズル効率を示し、破線が第２ノズル（4B）のノズル効率を示している。この第１ノズル（4A）は、第１ニードル弁（9A）を全開にして、冷媒の流量が流量（V1）のときに、ノズル効率が最大になっている。同様に第２ノズル（4B）は、第１ニードル弁（9A）を全開にして、冷媒の流量が流量（V3）のときに、ノズル効率が最大になっている。このようにノズル効率が最大になる流量が互いに異なるのは、それぞれのノズル（4A,4B）の喉部（42A,42B）の通路断面積が異なるからである。なお、この例では、流量（V2）〜流量（V4）の領域では、第２ノズル（4B）のノズル効率の方が第１ノズル（4A）のノズル効率よりも大きくなっている。

〈発電機構（6）〉
発電機構（6）は、ロータ（61）と、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。ロータ（61）は、タービン（3）の回転シャフト（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。また、ステータ（62）は、前記ロータ（61）の外周側に設置されて、ケーシング（7）に固定されている。このステータ（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。

そして、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。なお、本実施形態では、この発電機構（6）が発電した電力は、電動圧縮機（12）の電動機（図示は省略）に供給されるようになっている。

〈ノズル流量制御部（100）〉
ノズル流量制御部（100）は、所定の信号をそれぞれのアクチュエータ（93A,93B）に与えることによって、それぞれのニードル弁（9A,9B）の開度を調整し、それぞれのノズル（4A,4B）の流量の制御を行う。このときノズル流量制御部（100）は、２つのノズル（4A,4B）の合計流量が、冷媒回路（10）で流通すべき冷媒の流量（この流量は冷凍装置（1）の運転状態に応じて定まる）になるように、それぞれのニードル弁（9A,9B）の開度の調整を行う。

より詳しくは、ノズル流量制御部（100）は、第１及び第２ノズル（4A,4B）の合計流量を所定の閾値流量（V1）未満に調整する運転領域においては、第２ニードル弁（9B）を制御して第２ノズル（4B）を閉鎖すると共に、第１ニードル弁（9A）で第１ノズル（4A）の喉部（42A）の開度を調節して、前記合計流量を調整する。このときの第１ノズル（4A）の喉部（42A）の開度は、目標とする冷媒の流量に対して線形的に調節される。

ここで、本実施形態では、前記閾値流量（V1）は、第１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、前記合計流量が該閾値流量（V1）となるまでは、第１ノズル（4A）のみの流量を調節して、冷媒回路（10）における冷媒の流量調整を行うことができる。

また、第１及び第２ノズル（4A,4B）の合計流量を閾値流量（V1）以上に調整する運転領域においては、第１及び第２ノズル（4A,4B）の両方の流量を調整して、これらのノズル（4A,4B）の合計流量を調整する。具体的な調整動作については後に詳述する。

《冷凍装置（1）（タービン発電機（2））の動作》
〈動作の概要〉
冷凍装置（1）では、電動圧縮機（12）が運転状態にされると、冷媒回路（10）において、冷媒が循環する。具体的には、電動圧縮機（12）が吐出した冷媒は、冷媒配管（11）を介して放熱器（13）に流入する。これにより、放熱器（13）は冷媒の熱を放出する。

放熱器（13）で熱を放出した冷媒は、流入側の冷媒配管（11）から、第１ノズル（4A）の第１本体部（94A）、及び第２ノズル（4B）の第２本体部（94B）に流入する。このとき、ノズル流量制御部（100）は、それぞれのニードル弁（9A,9B）の開閉状態を、該冷凍装置（1）の運転状態に応じて制御する。これにより、放熱器（13）から流出した冷媒は、第１及び第２ノズル（4A,4B）の少なくとも一方のノズルを通過する。このとき、第１ノズル（4A）及び／又は第２ノズル（4B）を流通する冷媒は、流通する際に減圧される（すなわち、膨張する）。つまり、これらのノズル（4A,4B）は、膨張機構の役割を果たすのである。

第１ノズル（4A）及び／又は第２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。タービン羽根車（5）は、噴射された冷媒の衝撃によって軸心（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。

なお、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。蒸発器（14）は、冷媒を蒸発させ、蒸発した冷媒は電動圧縮機（12）に吸入される。このように、冷凍装置（1）は、冷媒回路（10）において冷媒を循環させて蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う。そして、この冷凍装置（1）では、タービン発電機（2）が発電した電力は、電動圧縮機（12）の電動機（図示は省略）に供給される。すなわち、冷凍装置（1）では、冷媒回路（10）を循環する冷媒の運動エネルギが電力に変換されて回収されるのである。

〈第１及び第２ノズル（4A,4B）の流量調整〉
次に、ノズル流量制御部（100）が行う第１及び第２ノズル（4A,4B）の流量調整について説明する。この冷凍装置（1）では、第１及び第２ニードル弁（9A,9B）は、図６（Ｂ）及び図６（Ｃ）に示すように、冷媒回路（10）に流通させるべき冷媒の流量（以下、説明の便宜上目標流量と呼ぶ）に応じて、それぞれの開度が調節される。

〈１〉前記目標流量が閾値流量（V1）未満の運転領域では、ノズル流量制御部（100）は、ニードル（91B）を全閉状態にして、第２ノズル（4B）には冷媒を流通させない。一方、ノズル流量制御部（100）は、前記目標流量に応じて、第１ニードル弁（9A）の開度を線形的に調整する。すなわち、この運転領域では、第１ノズル（4A）のみにより、前記合計流量（この場合は第１ノズル（4A）のみの流量）が前記目標流量に調整される。

図６（Ａ）は、タービン発電機（2）全体のノズル効率と、冷媒回路（10）における冷媒流量の関係を示す図である。図６（Ａ）において、実線がタービン発電機（2）全体のノズル効率を示している。ここで、タービン発電機（2）全体のノズル効率とは、第１ノズル（4A）で変換できたエネルギと第２ノズル（4B）で変換できたエネルギとの合計エネルギと、取り得る最大エネルギとの比である。なお、図６（Ａ）において、点線は第１ノズル（4A）のみのノズル効率を示し、一点鎖線は第２ノズル（4B）のみのノズル効率をそれぞれ示している（図５を参照）。図６（Ａ）では、第１ノズル（4A）のみのノズル効率を示す点線は、流量０〜流量（V2）の領域、及び流量（V4）以上の領域において、実線（タービン発電機（2）全体のノズル効率）と概ね重なり合っている。同様に、第２ノズル（4B）のみのノズル効率を示す一点鎖線は、流量（V2）〜流量（V4）の領域において、実線と概ね重なり合っている。

このタービン発電機（2）では、図６（Ａ）に示すように、冷媒の流量が閾値流量（V1）未満の領域では、冷媒の流量にほぼ比例してノズル効率も変化している。この領域では前述の通り第１ノズル（4A）にのみ冷媒が流れているので、この領域におけるタービン発電機（2）全体のノズル効率は、第１ノズル（4A）を１つのみを備えた構成で得られるノズル効率と同じである。すなわち、このタービン発電機（2）では、図６（Ａ）に示すように、第１ニードル弁（9A）の全開状態、すなわち流量が閾値流量（V1）の場合にノズル効率が最大になっている。

〈２〉前記目標流量が閾値流量（V1）以上の運転領域では、次のように第１及び第２ノズル（4A,4B）の流量を調整する。

（１）まず、前記目標流量が流量（V1）（すなわち、前記閾値流量）以上、かつ前記流量（V2）未満の領域では、ノズル流量制御部（100）は、第１ニードル弁（9A）を全開にする（図６（Ｂ）を参照）。これは、この領域においては第２ノズル（4B）よりも第１ノズル（4A）の方が、ノズル効率が大きいので、第１ノズル（4A）をそのノズル効率が最も大きくなる条件で使用する方がタービン発電機（2）の発電効率を向上できるからである。このとき、ノズル流量制御部（100）は、第２ノズル（4B）の流量が、（前記目標流量−流量（V1））となるように、第２ニードル弁（9B）の開度を調整する。この例では、図６（Ｃ）に示すように、流量（V1）〜流量（V2）の領域では、ノズル流量制御部（100）は、第２ノズル（4B）の流量を線形的に変化させている。

（２）前記目標流量が前記流量（V2）以上、かつ前記流量（V3）未満の領域では、ノズル流量制御部（100）は、第１ニードル弁（9A）を全閉に制御し（図６（Ｂ）を参照）、さらに、第２ノズル（4B）の流量が前記目標流量になるように、第２ニードル弁（9B）の開度を調整する。この例では、図６（Ｃ）に示すように、流量（V1）〜流量（V2）の領域において、ノズル流量制御部（100）は、第２ノズル（4B）の流量を線形的に変化させている。こうすることで、この領域においてノズル効率がより大きい第２ノズル（4B）を有効に使用することが可能になる。

（３）前記目標流量が流量（V3）以上、かつ前記流量（V4）未満の領域では、ノズル流量制御部（100）は、第２ニードル弁（9B）を全開にする（図６（Ｃ）を参照）。これは、第２ノズル（4B）をノズル効率が最も大きい条件で使用するためである。このとき、ノズル流量制御部（100）は、第１ノズル（4A）の流量が、（前記目標流量−流量（V3））となるように、第１ニードル弁（9A）の開度を調整する。この例では、流量（V3）〜流量（V4）の領域では、ノズル流量制御部（100）は、図６（Ｂ）に示すように、第１ノズル（4A）の流量を線形的に変化させている。

（４）前記目標流量が前記流量（V4）以上の領域では、ノズル流量制御部（100）は、第１ニードル弁（9A）を全開にする（図６（Ｂ）を参照）。これは、この領域においては、第２ノズル（4B）よりも第１ノズル（4A）の方が、ノズル効率が大きいので、その第１ノズル（4A）をノズル効率が最も大きくなる条件で使用する方がタービン発電機（2）の発電効率を向上できるからである。このとき、ノズル流量制御部（100）は、第２ノズル（4B）の流量が、（前記目標流量−流量（V4））となるように、第２ニードル弁（9B）の開度を調整する。この例では、図６（Ｃ）に示すように、流量（V1）〜流量（V2）の領域では、ノズル流量制御部（100）は、第２ノズル（4B）の流量を線形的に変化させている。

《本実施形態における効果》
以上のように、本実施形態では、互いに喉部の通路断面積が異なる２つのノズルを設けてそれぞれのノズルの流量を別個に制御するようにした。それゆえ、目標とする合計流量に応じて、タービン発電機（2）全体としてのノズル効率が最も大きくなるように、それぞれのノズル（4A,4B）の流量を調整することが可能になる。すなわち、タービン発電機全体としては、ノズルが１つのみの構成に比べて、供給される流体の流量変化にともなうノズル効率低下を低減することが可能になる。そして、このようにノズル効率低下を低減できれば、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可能になり、ひいては、該圧力エネルギを電力に効率良く変換することが可能になる。

例えば、空気調和機などでは、頻繁に使用される流量領域が暖房運転と冷房運転とで異なり、一般的には暖房運転の方が冷房運転よりも流量が小さい側にある。そこで、暖房運転時に頻繁に使用される流量領域において第１ノズル（4A）のノズル効率が最大になるように第１ノズル（4A）を設計し、冷房運転時に頻繁に使用される流量領域において第２ノズル（4B）のノズル効率が最大になるように第２ノズル（4B）を設計すれば、冷房運転及び暖房運転の両方において、より効率的にタービン発電機（2）に発電させることが可能になる。

また、このタービン発電機（2）では、各ノズル（4A,4B）が膨張機構の役割を果たすので、例えば膨張弁などを別個に設ける必要がない。それゆえ、タービン発電機（2）をよりコンパクトに構成することが可能になる。

また、タービン発電機（2）で発生した電力を電動圧縮機（12）の動力源として使用することによって、外部から冷凍装置（1）に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も可能になる。

《その他の実施形態》
なお、ノズル形状は前記の例には限定されない。前記のラバルノズルの他にも、例えば、いわゆる喉部から下流がストレート構造のストレートノズルなどを採用することも可能である。

また、ノズルの数も例示である。例えば、さらに複数のノズルを設けてもよい。図７は、第１及び第２ノズル（4A,4B）に加えて、さらに第３ノズル（4C）を設けて、３つのノズルによってタービン羽根車（5）に流体を噴射する構成のタービン発電機である。この第３ノズル（4C）の流量は、アクチュエータ（93C）によって第３ニードル弁（9C）を進退させて調整する。勿論、図７に示した例よりもさらに多くの第３ノズル（4C）を設けてもよい。

本発明は、タービン羽根車を備えたタービン発電機、及びそれを備えた冷凍装置として有用である。

本発明の実施形態に係るタービン発電機（2）の構成を模式的に示す縦断面図である。 タービン発電機（2）が用いられる冷凍装置の一例である冷凍装置（1）における冷媒回路（10）の全体構成を示す配管図である。 タービン発電機（2）の構成を模式的に示す横断面図である。 ラバルノズルの喉部と出口との断面積比とニードル弁開度との関係、及びノズル効率とニードル弁開度との関係を示すグラフである。 第１及び第２ノズル（4A,4B）のノズル効率と冷媒の流量（すなわち、のニードル弁（9A,9B）の開度）との関係を示す図である。 （Ａ）は、タービン発電機（2）全体のノズル効率と、冷媒回路（10）における冷媒流量の関係を示す図である。（Ｂ）は冷媒回路（10）における冷媒流量と、第１ニードル弁（9A）の開度との関係を示す図である。また、（Ｃ）は冷媒回路（10）における冷媒流量と、第２ニードル弁（9B）の開度との関係を示す図である。 第１及び第２ノズル（4A,4B）に加え、さらに第３ノズル（4C）を備えたタービン発電機の構成を模式的に示す横断面図である。

１ 冷凍装置
２ タービン発電機
４Ａ 第１ノズル
４Ｂ 第２ノズル
４Ｃ 第３ノズル
５ タービン羽根車
１０ 冷媒回路
１２ 電動圧縮機（圧縮機）
１３ 放熱器
１４ 蒸発器
４２Ａ 喉部
４２Ｂ 喉部
１００ ノズル流量制御部
Ｖ１ 閾値流量

Claims (6)

1. 噴射された流体を受けて回転するタービン羽根車（5）を有し、該タービン羽根車（5）の回転力で発電するタービン発電機であって、
   流量が連続的に可変で、前記流体を前記タービン羽根車（5）に噴射する第１ノズル（4A）と、
   流量が連続的に可変、且つ喉部（42B）の通路断面積が前記第１ノズル（4A）の喉部（42A）の通路断面積よりも大きく構成され、前記流体を前記タービン羽根車（5）に噴射する第２ノズル（4B）と、
   前記第１及び第２ノズル（4A,4B）のそれぞれの流量制御を行うノズル流量制御部（100）と、
   を備えていることを特徴とするタービン発電機。
2. 請求項１のタービン発電機において、
   前記ノズル流量制御部（100）は、前記第１及び第２ノズル（4A,4B）の合計流量を所定の閾値流量（V1）未満に制御する場合には、前記第１ノズル（4A）の流量のみを調整して前記合計流量を制御し、前記合計流量を前記閾値流量（V1）以上に制御する場合には、前記第１及び第２ノズル（4A,4B）の両方の流量を調整して前記合計流量を制御することを特徴とするタービン発電機。
3. 請求項２のタービン発電機において、
   前記ノズル流量制御部（100）は、前記合計流量を前記閾値流量（V1）未満に制御する場合に、前記第２ノズル（4B）を全閉にすることを特徴とするタービン発電機。
4. 請求項２又は請求項３のタービン発電機において、
   前記閾値流量（V1）は、前記第１ノズル（4A）を全開にした時の流量値であることを特徴とするタービン発電機。
5. 請求項１から請求項４のうちの何れか１つのタービン発電機において、さらに、
   流量が連続的に可変、且つ喉部（42B）の通路断面積が前記第１ノズル（4A）の喉部（42A）よりも大きく構成されて、前記流体を前記タービン羽根車（5）に噴射する第３ノズル（4C）を、少なくとも１つ以上備え、
   前記ノズル流量制御部（100）は、前記第３ノズル（4C）の流量制御も行うことを特徴とするタービン発電機。
6. 圧縮機（12）と、放熱器（13）と、蒸発器（14）とを含んだ冷媒回路（10）を有し、該冷媒回路（10）において冷媒を循環させて蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷凍装置であって、
   請求項１から請求項５のうちの何れか１つのタービン発電機（2）を備え、
   各ノズル（4A,4B）は、前記冷媒回路（10）に接続されて前記冷媒を噴射し、
   前記タービン発電機（2）は、噴射された前記冷媒で前記タービン羽根車（5）が駆動されて発電することを特徴とする冷凍装置。

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