JP4978519B2 - タービン発電機及びタービン発電機を備えた冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、タービン発電機及びタービン発電機を備えた冷凍装置に関し、特に、タービン発電機の構造に関するものである。

従来より、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷媒回路が知られており、冷凍装置等に広く利用されている。そして、この冷凍装置の性能を向上させるための技術が数多く提案されている。

特許文献１に記載された冷凍装置では、圧縮機には電動機が連結され、膨張機には動力回収機が連結されている。この冷凍装置では、該電動機により圧縮機が駆動されて冷媒回路内を冷媒が循環するとともに、その冷媒が膨張機を通過する際の運動エネルギによりタービンを回転させて動力回収機により電力を発生させる。ここで、この発生した電力を上記電動機に供給すれば、外部から電動機へ供給する電力量が低減するので、上記冷凍装置の成績係数を向上させることができる。

一方、上記冷凍装置の冷媒回路において、膨張弁と蒸発器との間に気液分離器を配置したものがある。この気液分離器は、膨張弁から流出する二相冷媒のうち液冷媒のみを蒸発器に流入させるために配置されている。この構成によれば、蒸発器の入口側からガス冷媒が流入しないので、該蒸発器の入口部分の伝熱面積を有効に液冷媒を蒸発させることに利用できる。これにより、蒸発器の伝熱性能が向上する。
特開２０００−２４１０３３号公報

しかしながら、冷凍装置の成績係数を向上させるため、上述したような動力回収機と気液分離器とを併設すれば、冷凍装置のコストアップやサイズアップという弊害を招くおそれがあり好ましくない。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、冷媒回路を循環する冷媒の運動エネルギを回収しつつ、冷媒の気液分離機能を備えたタービン発電機を提供することにある。

第１の発明は、ケーシング本体（3,4,5）と、該ケーシング本体（3,4,5）に収納された発電機構（2）とを有し、上記発電機構（2）が、回転運動するタービン（25）と、該タービン（25）に取り付けられたタービン軸（24）と、該タービン軸（24）を内部で貫通させた発電コイル部（21）と、該発電コイル部（21）の軸方向の両側に位置して該タービン軸（24）を回転自在に支持する軸受部（20,22）とを備え、上記ケーシング本体（3,4,5）の内周面に上記発電コイル部（21）と軸受部（20,22）とが固定される一方、上記ケーシング本体（3,4,5）を貫通するように冷媒流入管（6）が設けられるとともに該冷媒流入管（6）の管端が上記発電機構（2）のタービン（25）と対向する位置に配置されて、上記冷媒流入管（6）から流入した冷媒がタービン（25）を回転させることにより、上記発電コイル部（21）で発電するタービン発電機を前提としている。

そして、上記タービン発電機における発電機構（2）の上側に第１貯留空間（10）が、該発電機構（2）の下側に第２貯留空間（11）がそれぞれ設けられるとともに、上記第１貯留空間（10）側に第１冷媒流出管（7）が、上記第２貯留空間（11）側に第２冷媒流出管（8）がそれぞれ設けられていることを特徴としている。ここで、上記タービン（25）は、タービン用ケーシング（26）に収納される構成であってもよい。この場合、タービン用ケーシング（26）には流入口（27）と流出口（28）とが設けられ、上記ケーシング本体（3,4,5）の冷媒流入管（6）から流入した冷媒は、該流入口（27）から流入し、タービン（25）から出た後に該流出口（28）から流出する構成となる。

第１の発明では、タービン（25）から出た後の二相冷媒のうち、ガス冷媒は発電機構（2）の上側にある第１貯留空間（10）へ、液冷媒は発電機構（2）の下側にある第２貯留空間（11）へそれぞれ分離して貯留することができる。そして、該第１貯留空間（10）に貯留されたガス冷媒は第１冷媒流出管（7）を介してケーシング本体（3,4,5）の外側へ流出する。一方、該第２貯留空間（11）に貯留された液冷媒は第２冷媒流出管（8）を介してケーシング本体（3,4,5）の外側へ流出する。

第２の発明は、第１の発明において、上記第１貯留空間（10）内のガス冷媒中に含まれる液滴を捕捉する第１捕捉部材（80）が、該第１貯留空間（10）内であって上記第１冷媒流出管（7）の管端と対向する位置に設けられていることを特徴としている。

第２の発明では、上記タービン（25）から出た後の二相冷媒において、ガス冷媒とともに搬送される冷媒の液滴が第１貯留空間（10）内に飛散したとしても、上記第１捕捉部材（80）を設けることにより、その飛散した液滴を第１冷媒流出管（7）から流出させないようにすることができる。ここで、上記第１捕捉部材（80）は、メッシュ部材やパンチングメタル等のように、液冷媒が捕捉され、ガス冷媒のみを通過させることができる部材が好ましい。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、上記タービン（25）の中心を貫通するようにタービン軸（24）を構成する一方、上記タービン軸（24）におけるタービン（25）側の端部に、上記第１貯留空間（10）内のガス冷媒中に含まれる液滴を捕捉する第２捕捉部材（81）が取り付けられていることを特徴としている。ここで、上記第２捕捉部材（81）は、上記タービン軸（24）に取り付けられているので、該タービン軸（24）とともに回転運動できる。

第３の発明では、上記第２捕捉部材（81）が回転運動を行うので、回転運動の遠心力により、捕捉した液滴を強制的に第２捕捉部材（81）から離脱させることができる。したがって、上記第２捕捉部材（81）が回転しない場合に比べて、液滴の捕捉及び離脱をスムーズに行うことができる。

第４の発明は、第１から第３の何れか１つの発明において、上記タービン（25）から流出する冷媒をケーシング本体（3,4,5）の内周面に沿って旋回させて第２貯留空間（11）へ案内する案内部材（29）が設けられていることを特徴としている。

第４の発明では、上記案内部材（29）により、タービン（25）から出た後の二相冷媒をケーシング本体（3,4,5）の内周面に沿うように旋回させることができる。これにより、タービン（25）から出た後の二相冷媒が、ケーシング本体（3,4,5）の内周面に対して垂直に衝突して、液冷媒が飛散するのを抑えることができる。又、タービン（25）から出た後の二相冷媒を旋回させることにより該二相冷媒が遠心分離作用によって気液分離しやすくなる。

ここで、第４の発明では、上記タービン（25）がタービン用ケーシング（26）に収納されているのが好ましい。その理由は、タービン用ケーシング（26）が上記タービン（25）を収納することにより、冷媒が上記流出口（28）から一定方向に流出するようになるので、該冷媒を上記案内部材（29）により案内しやすくなるからである。

第５の発明は、第１から第４の何れか１つの発明において、上記軸受部（20,22）を上記ケーシング本体（3,4,5）に固定する固定部材（20a,22a）を備え、上記固定部材（20a,22a）を上記ケーシング本体（3,4,5）と上記軸受部（20,22）との間に設けるとともに、該固定部材（20a,22a）には１つ又は複数の貫通孔（20b,22b）が形成されていることを特徴としている。ここで、上記ケーシング本体（3,4,5）と上記軸受部（20,22）との間は、タービン（25）から出た後の二相冷媒のうち液冷媒が第１貯留空間（10）と第２貯留空間（11）との間の通路を構成する。そして、この空間に上記固定部材（20a,22a）が配置されると、該固定部材（20a,22a）が抵抗となり、液冷媒が流れにくくなる。

第５の発明では、上記固定部材（20a,22a）に貫通孔（20b,22b）を設けることにより、上記液冷媒が該貫通孔（20b,22b）内を流通することができるので、上記液冷媒が第１貯留空間（10）から第２貯留空間（11）へ流れやすくすることができる。

第６の発明は、第１から第５の何れか１つの発明において、上記タービン（25）は、衝動タービン（25）により構成されていることを特徴としている。

第６の発明では、上記発電機構（2）において、上記タービン（25）を衝動タービン（25）で構成することにより、冷媒流入管（6）から流出する冷媒の速度エネルギを効率良く発電エネルギに変換することができる。

第７の発明は、圧縮機（44）と放熱器（51a）と膨張機構（54）と蒸発器（51a）とが冷媒配管で接続されて蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う冷媒回路（31）を備えた冷凍装置を前提としている。

そして、上記冷凍装置が、第６の発明に記載のタービン発電機を備えるとともに、該タービン発電機の冷媒流入管（6）は上記膨張機構（54）の出口配管（65）に接続され、第１冷媒流出管（7）が上記圧縮機（44）の吸入配管（68）に接続され、第２冷媒流出管（8）が上記蒸発器（51a）の入口配管に接続されていることを特徴としている。

第７の発明では、第６の発明に記載のタービン発電機、すなわち気液分離機能を備えたタービン発電機を蒸気圧縮式の冷媒サイクルを行う冷媒回路（31）に接続することが可能である。これにより、上記冷媒回路（31）を循環する冷媒の運動エネルギでタービン（25）を回転することができるとともに、該冷媒回路（31）の蒸発器（51a）に液冷媒のみを供給することができる。

第８の発明は、第７の発明において、上記タービン発電機の発電量を測定する発電量測定部と、上記冷凍装置の運転データの入力により上記軸受部（20,22）が液冷媒に非浸漬時のタービン発電機の発電量を演算にて出力する演算部とを備え、上記発電量測定部で測定した測定値が、上記演算部で演算した計算値よりも小さい場合に、上記タービン発電機への冷媒の流入を禁止する制御を行う制御手段（63）を備えたことを特徴としている。

ここで、上記演算部は、上記軸受部（20,22）が液冷媒に非浸漬時を前提として、冷凍装置の運転状況が異なる運転データ及びその運転データに対応するタービン発電機の発電量のデータ（データベース）をあらかじめ有している。又、このデータベースに加えて、冷凍装置の運転データとタービン発電機の発電量のデータとの関係を示す計算式を有している。そして、このデータベースと計算式とに基づいて、上記軸受部（20,22）が液冷媒に非浸漬時のタービン発電機の発電量を求める。

第８の発明では、上記制御手段（63）において、上記求めた値よりも測定値のほうが小さい場合には、上記タービン発電機への冷媒の流入を禁止する制御を行うことができる。ここで、上記求めた値は、上記軸受部（20,22）が液冷媒に非浸漬時の場合の発電量である。そして、上記求めた値よりも測定値のほうが小さいということは、上記軸受部（20,22）が液冷媒に非浸漬時の場合と比べて、上記衝動タービン（25）の回転数が低下したということである。したがって、上記制御手段（63）は、上記軸受部（20,22）の浸漬により衝動タービン（25）が回転しにくくなったために回転数が低下したと判断して、上記タービン発電機への冷媒の流入を禁止する制御を行う。

本発明によれば、上記発電機構（2）の上側に第１貯留空間（10）を設け、該発電機構（2）の下側に第２貯留空間（11）を設け、さらに、第１、第２貯留空間（10,11）ごとに第１、第２冷媒流出管（7,8）をそれぞれ設けることにより、タービン発電機に流入する冷媒をタービン（25）を用いて発電するとともに、タービン（25）を出た後の冷媒を気液分離することができる。これにより、ケーシング本体（3,4,5）に二相冷媒が流入した場合には、気液分離機能を備えたタービン発電機を構成することができる。又、上記タービン発電機は、第２貯留空間（11）に貯留された液冷媒が軸受部（20,22）を浸漬しない範囲で、傾斜させて配置することが可能である。これにより、上記タービン発電機を直立に配置した場合に比べて、該タービン発電機の上下方向の高さを低くして配置することができる。

また、第２の発明によれば、上記第１捕捉部材（80）を設けることにより、ガス冷媒とともに搬送される冷媒の液滴を、第１冷媒流出管（7）から流出させないようにすることができる。これにより、上記第１捕捉部材（80）を設けない場合に比べて、上記タービン発電機における気液分離効率を向上させることができる。

また、第３の発明によれば、上記第２捕捉部材（81）を回転させることにより、捕捉した液滴を強制的に第２捕捉部材（81）から離脱させることができるので、回転しない第１捕捉部材（80）に比べて、液滴の捕捉効率が向上する。従って、上記タービン発電機における気液分離効率をさらに向上させることができる。

また、第４の発明によれば、上記案内部材（29）を設けることにより、例えば、タービン（25）を出た後の二相冷媒をケーシング本体（3,4,5）の内周面に沿うように旋回させることができる。このことから、上記二相冷媒がケーシング本体（3,4,5）の内周面に対して垂直方向から衝突して該二相冷媒中の液冷媒が飛散することがなく、且つ二相冷媒を旋回させることにより、気液分離し易くなるので、上記タービン発電機における気液分離効率を確実に向上させることができる。

また、第５の発明によれば、上記貫通孔（20b,22b）が形成された固定部材（20a,22a）を設けることにより、上記タービン（25）を出た液冷媒が、第１貯留空間（10）から第２貯留空間（11）へ流動しやすくなる。これにより、分離した液冷媒が第１貯留空間（10）に滞留するのを抑えることができる。

また、第６の発明によれば、上記タービン（25）を衝動タービン（25）で構成することにより、冷媒流入管（6）から流入する冷媒の速度エネルギを効率良く発電エネルギに変換することができる。したがって、冷媒流入管（6）から流入する冷媒速度が比較的速い場合には、上記衝動タービン（25）を用いることにより、上記タービン発電機の発電効率を他の種類のタービンよりも向上することができる。

また、第７の発明によれば、第６の発明に記載のタービン発電機を冷凍装置の冷媒回路（31）に接続することにより、膨張機構（54）を通過した後の冷媒の運動エネルギを回収して発電することができる。又、蒸発器（51a）に液冷媒のみを供給することが可能となり、該蒸発器（51a）の入口側からガス冷媒が流入しなくなるので、該蒸発器（51a）の入口部分の伝熱面積を有効に液冷媒を蒸発させることに利用することできる。これにより、蒸発器（51a）の伝熱性能を向上させて冷凍装置の高効率化を行うことができる。

また、上記第８の発明によれば、上記制御手段（63）により、上記発電機構（2）の軸受部（20,22）が、液冷媒貯留空間（11）に貯留された液冷媒によって浸漬しないようにすることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

本実施形態のタービン発電機（1）は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う、図４の冷媒回路（31）を備えた空気調和装置（冷凍装置）（30）に用いられるものである。又、このタービン発電機（1）は、該冷媒回路（31）を循環する冷媒の運動エネルギを回収することができるとともに、運動エネルギを回収した後の冷媒に対して気液分離を行うことができるものである。

−発電タービンの構成−
上記タービン発電機（1）は、内部構造を表した概略断面図である図１に示すように、ケーシング（3,4,5）と、該ケーシング（3,4,5）内に収納された発電機構（2）とを備えている。

〈ケーシング〉
上記ケーシング（3,4,5）は、上下方向に長い円筒状の胴部（3）を有しており、該胴部（3）の上端開口部が天板（4）で、該胴部（3）の下端開口部が底板（5）でそれぞれ覆われて密閉容器に構成されている。そして、このケーシング（3,4,5）の胴部（3）の上部側面に冷媒流入管（6）が、天板（4）の中心にガス冷媒流出管（7）が、下部側面に液冷媒流出管（8）がそれぞれ貫通して設けられている。又、ケーシング（3,4,5）内部から上記天板（4）を貫通して電力線（9）が設けられている。上記発電機構（2）は上記ケーシング（3,4,5）の長手方向の中央部に配置され、該発電機構（2）の上側にはガス冷媒貯留空間（第１貯留空間）（10）が形成され、該発電機構（2）の下側には液冷媒貯留空間（第２貯留空間）（11）がそれぞれ形成されている。尚、上記ガス冷媒流出管（第１冷媒流出管）（7）の端部は上記ガス冷媒貯留空間（10）に連通し、上記液冷媒流出管（第２冷媒流出管）（8）の端部は上記液冷媒貯留空間（11）に連通している。

〈発電機構〉
上記発電機構（2）は、上記ケーシング（3,4,5）の内部に収納されており、図１に示すように、下から上に向かって順に、第１軸受部（軸受部）（20）、発電コイル部（21）、第２軸受部（軸受部）（22）、及びタービン機構（23）が配置され、これらが回転軸であるタービン軸（24）によって連結されてなる。尚、タービン軸（24）と第１、第２軸受部（20,22）とは、図では非接触となっているが、実際には、第１、第２軸受部（20,22）がタービン軸（24）を接触支持している。

上記第１、第２軸受部（20,22）は、それぞれ軸受本体（20c,22c）と軸受固定部材（20a,22a）とにより構成されている。該軸受本体（20c,22c）と軸受固定部材（20a,22a）とはそれぞれ円筒状に形成され、該軸受固定部材（20a,22a）の内側に軸受本体（20c,22c）が挿入され固定されている。そして、上記軸受固定部材（20a,22a）の外周面は、ケーシング（3,4,5）の内周面に固定されている。又、上記軸受固定部材（20a,22a）には表裏方向に貫通孔（20b,22b）が複数形成されている。該軸受本体（20c,22c）の中空部には、上記タービン軸（24）が挿入されている。そして、該軸受本体（20c,22c）は、上記タービン軸（24）をケーシング（3,4,5）の中央部に位置させるとともに、回転自在に支持している。

上記発電コイル部（21）は、ケーシング（3,4,5）の長手方向の中央部に配置されている。この発電コイル部（21）は、ステータ（33）とロータ（34）とにより構成されている。ステータ（33）は、上記ケーシング（3,4,5）に固定されている。ロータ（34）は、ステータ（33）の内側に配置されており、タービン軸（24）の中間部に取り付けられている。

ステータ（33）の外周面には、図示しないが、ケーシング（3,4,5）の長手方向に沿って外周を面取りしたコアカット部が、円周方向に亘って等間隔で複数個形成されている。又、このコアカット部は上記第１、第２軸受部（20,22）における軸受固定部材（20a,22a）の貫通孔（20b,22b）に対して対向するように配置されており、上記コアカット部と上記貫通孔（20b,22b）とは、上記ケーシング（3,4,5）のガス冷媒貯留空間（10）と液冷媒貯留空間（11）とを連通している。又、上記ステータ（33）には上記ケーシング（3,4,5）の天板（4）を貫通するように設けられた電力線（9）が接続されている。

上記タービン機構（23）は、複数枚の羽根を有する衝動タービン（タービン）（25）と、該衝動タービン（25）を覆う衝動タービン用ケーシング（26）とを有している。尚、上記衝動タービン（25）は、上記タービン軸（24）の上端部に取り付けられている。上記衝動タービン用ケーシング（26）には、流入部（27）と流出部（28）とが設けられている。上記流入部（27）は、上述した冷媒流入管（6）と連通している。上記流出部（28）は、緩やかに湾曲した流出部配管（案内部材）（29）が取り付けられており、該流出部配管（29）における先端開口部分はケーシング（3,4,5）の内周面に沿うように形成され、先端開口部分から流出する冷媒の流れ方向は、ケーシング（3,4,5）の内周面に沿う流れ方向となる。又、上記衝動タービン用ケーシング（26）の底部には、上記タービン軸（24）が貫通するための穴部も設けられている。

−発電タービンを備えた空気調和装置の構成−
図４は、上記タービン発電機（1）を備えた空気調和装置（30）の冷媒回路図を示している。図４に示すように、上記空気調和装置（30）は、いわゆるセパレート型のものであって、１台の室外機（40）と２台の室内機（50）とを備えている。上記室外機（40）には、室外ファン（41b）、室外熱交換器（41a）、四路切換弁（42）、室外膨張弁（43）および圧縮機（44）が収納されている。一方、各室内機（50）には、それぞれ室内ファン（51b）、室内熱交換器（51a）、逆止弁ブリッジ（53）、室内膨張弁（54）、及びタービン発電機（1）が収納されている。上記室外機（40）は屋外に設置され、室内機（50）は屋内に設置されている。また、上記室外機（40）と２台の室内機（50）とは、一対の連絡配管（60,61）で接続されている。ここで、２台の室内機（50）はそれぞれ同様の構成である。

上記空気調和装置（30）には、冷媒回路（31）が設けられている。この冷媒回路（31）は、圧縮機（44）や室内熱交換器（51a）などが接続された閉回路である。また、この冷媒回路（31）には冷媒が充填され、この冷媒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。

又、上記空気調和装置（30） にはコントローラ（63）が備えられており、該コントローラ（63）は、上記各室内機（50）の冷房運転及び暖房運転の制御を行うように構成されるとともに、上記タービン発電機（1）の軸受部（20,22）が液冷媒により浸漬しないようにする浸漬防止制御も行う。

上記圧縮機（44）には図示しないインバータが接続されており、上記インバータは、圧縮機（44）に搭載された圧縮機モータに電流を供給するとともに、その電流の周波数を変化させることが可能に構成されている。つまり、上記インバータを制御することにより、上記圧縮機（44）は、ある範囲内で自在に圧縮機モータの回転数を変更することができ、容量可変に構成されている。又、圧縮機（44）の吐出側には吐出配管（67）が、吸入側には吸入配管（68）がそれぞれ設けられている。そして、該吐出配管（67）には吐出温度センサ（45）と高圧圧力センサ（48）とが設けられ、該吸入配管（68）には吸入温度センサ（46）と低圧圧力センサ（49）とが設けられている。又、圧縮機モータの回転数を測定する回転数測定器（図示なし）を備えている。

上記室外熱交換器（41a）と室内熱交換器（51a）とは、何れもクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器により構成されている。上記室外熱交換器（41a）では、冷媒回路（31）を循環する冷媒が室外ファン（41b）によって取り込まれた室外空気と熱交換する。上記室内熱交換器（51a）では、冷媒回路（31）を循環する冷媒が室内ファン（51b）によって取り込まれた室内空気と熱交換する。又、室外ファン（41b）の近傍には外気温度センサ（47）が、室内ファン（51b）の近傍には室内温度センサ（56）がそれぞれ取り付けられている。

上記室外膨張弁（43）と室内膨張弁（54）とは、何れも開度が調節可能な電動膨張弁であり、その開度は適宜、上記コントローラ（63）から入力される電気信号によって変更可能に構成されている。

上記四路切換弁（42）は、４つのポートを備えている。この四路切換弁（42）は、その第１ポート（P1）が圧縮機（44）の吐出配管 （67）に、第２ポート（P2）が連絡配管（61）を介して室内熱交換器（51a）の一端であるガス側端部に、第３ポート（P3）が室外熱交換器（41a）の一端であるガス側端部に、第４ポート（P4）が圧縮機（44）の吸入配管（68）にそれぞれ接続されている。そして、上記四路切換弁（42）は、第１ポート（P1）と第３ポート（P3）とが連通し且つ第２ポート（P2）と第４ポート（P4）とが連通する第１状態（図４に実線で示す状態）と第１ポート（P1）と第２ポート（P2）とが連通し且つ第３ポート（P3）と第４ポート（P4）とが連通する第２状態（図４に破線で示す状態）とに切り換わる。

上記逆止弁ブリッジ（53）は、図４に示すように、第１から第４逆止弁（CV1〜CV4）を備えるとともに、該逆止弁ブリッジ（53）と上記冷媒回路（31）とを接続する第１から第４接続部（C1〜C4）を備えている。第１接続部（C1）は、第１逆止弁（CV1）と第２逆止弁（CV2）との間に設けられるとともに、上記連絡配管（60）を介して室外熱交換器（41a）の一端である液側端部に接続されている。第２接続部（C2）は、第２逆止弁（CV2）と第３逆止弁（CV3）との間に設けられるとともに、上記タービン発電機（1）の液冷媒流出管（8）に接続されている。第３接続部（C3）は、第３逆止弁（CV3）と第４逆止弁（CV4）との間に設けられるとともに、上記室内熱交換器（51a）の一端である液側端部に接続されている。第４接続部（C4）は、第４逆止弁（CV4）と第１逆止弁（CV1）との間に設けられるとともに、上記室内膨張弁（54）が設けられた流入管（64）に接続されている。
尚、第１逆止弁（CV1）は第１接続部（C1）から第４接続部（C4）へ向かう流れを許容する向きに、第２逆止弁（CV2）は第２接続部（C2）から第１接続部（C1）へ向かう流れを許容する向きに、第３逆止弁（CV3）は第２接続部（C2）から第３接続部（C3）へ向かう流れを許容する向きに、第４逆止弁（CV4）は第３接続部（C3）から第４接続部（C4）へ向かう流れを許容する向きに、それぞれ取り付けられている。

又、上記室内膨張弁（54）が設けられた流出管（65）は、上記タービン発電機（1）の冷媒流入管（6）に接続されている。上記タービン発電機（1）のガス冷媒流出管（7）の他端は吸入配管（68）に接続されている。又、上記ガス冷媒流出管（7）には、上記タービン発電機（1）から吸入配管（68）へ向かう冷媒流れを許容する向きに第５逆止弁（CV5）が設けられている。

又、上記タービン発電機（1）には、図示しないが、発電量を測定する電力計が設けられている。

又、上記コントローラ（63）には、上記吐出温度センサ（45）、上記吸入温度センサ（46）、ガス側冷媒温度センサ（55）、液側冷媒温度センサ（57）、外気及び室内温度センサ（47,56）、圧力センサ（48,49）のセンサ類が電気配線を介してそれぞれ接続されるとともに、圧縮機（44）、室外及び室内ファン（41b,51b）、四路切換弁（42）、室内及び室外膨張弁（54,43）のアクチュエータ類が電気配線を介してそれぞれ接続されている。そして、上記コントローラ（63）が、上記センサ類からの検出信号に応じて、上記アクチュエータ類の制御を行うように構成されている。

−発電タービンを備えた空気調和装置の運転動作−
タービン発電機（1）を備えた空気調和装置（30）の運転動作について説明する。まず、空気調和装置（30）の冷房運転時および暖房運転時の動作について説明し、次に、タービン発電機（1）の運転動作とコントローラ（63）が行う浸漬防止制御とについて説明する。

〈空気調和装置の冷房運転〉
上記空気調和装置（30）の冷房運転時には、上記四路切換弁（42）が、図４に実線で示す第１状態に切り換えられる。上記室外膨張弁（43）は全開となり、上記室内膨張弁（54）は適宜開度が調節される。

上記圧縮機（44）で圧縮された高圧冷媒は、吐出配管 （67）を通過して上記四路切換弁（42）の第１ポート（P1）へ流入する。上記四路切換弁（42）の第１ポート（P1）へ流入した高圧冷媒は第３ポート（P3）から流出した後、上記室外熱交換器（41a）に流入する。この室外熱交換器（41a）では、高圧冷媒が室外ファン（41b）から送られる室外空気により冷却され、該高圧冷媒は該室外空気に放熱する。

上記室外熱交換器（41a）で冷却された高圧冷媒は、上記室外膨張弁（43）と上記連絡配管（60）とを通過して、上記室内機（50）にある逆止弁ブリッジ（53）の第１接続部（C1）に流入する。該第１接続部（C1）に流入した高圧冷媒は、第１逆止弁（CV1）が許容する方向へ流れ、第４接続部（C4）を通過して上記室内膨張弁（54）に流入する。この室内膨張弁（54）では、高圧冷媒が所定の圧力に減圧されて低圧二相冷媒となり、該室内膨張弁（54）を流出する。

上記室内膨張弁（54）を流出した低圧二相冷媒は、上記タービン発電機（1）に流入する。上記タービン発電機（1）に流入した低圧二相冷媒は、衝動タービン（25）に衝突して、該衝動タービン（25）を回転させた後、気液分離が行われて低圧ガス冷媒と低圧液冷媒とに分離して、それぞれが上記タービン発電機（1）から流出する。

上記タービン発電機（1）から流出したガス冷媒は第５逆止弁（CV5）が許容する方向へ流れて、圧縮機（44）に吸入される。一方、上記タービン発電機（1）から流出した低圧液冷媒は上記逆止弁ブリッジ（53）の第２接続部（C2）に流入する。該第２接続部（C2）に流入した低圧液冷媒は、第３逆止弁（CV3）が許容する方向へ流れ、第３接続部（C3）を通過して上記室内熱交換器（51a）に流入する。この室内熱交換器（51a）では、低圧液冷媒が室内ファン（51b）から送られる室内空気により蒸発し、該低圧液冷媒は該室内空気から吸熱する。この結果、室内空気は冷却される。上記室内熱交換器（51a）から出た低圧ガス冷媒は、連絡配管（61）を通過して、四路切換弁（42）の第２ポート（P2）へ流入する。第２ポート（P2）に流入した低圧ガス冷媒は、第４ポート（P4）から流出した後、吸入配管（68）を通過し、圧縮機（44）に吸入される。そして、この圧縮機（44）は、吸入した低圧ガス冷媒を再び圧縮して吐出する。

〈空気調和装置の暖房運転〉
上記空気調和装置（30）の暖房房運転時には、上記四路切換弁（42）が、図４に破線で示す第２状態に切り換えられる。上記室外膨張弁（43）と上記室内膨張弁（54）とは適宜開度が調節される。

上記圧縮機（44）で圧縮された高圧冷媒は、吐出配管 （67）を通過して上記四路切換弁（42）の第１ポート（P1）へ流入する。上記四路切換弁（42）の第１ポート（P1）へ流入した高圧冷媒は第２ポート（P2）から流出した後、上記室内熱交換器（51a）に流入する。この室内熱交換器（51a）では、高圧冷媒が室内ファン（51b）から送られる室内空気により冷却され、該高圧冷媒は該室外空気に放熱する。その結果、室内空気は加熱される。

上記室内熱交換器（51a）で冷却された高圧冷媒は、上記逆止弁ブリッジ（53）の第３接続部（C3）に流入する。該第３接続部（C3）に流入した高圧冷媒は、第４逆止弁（CV4）が許容する方向へ流れ、第４接続部（C4）を通過して上記室内膨張弁（54）に流入する。この室内膨張弁（54）では、高圧冷媒の過冷却度が所定の温度となるように圧力が調整されて、該室内膨張弁（54）を流出する。

上記室内膨張弁（54）を流出して調圧された冷媒は、上記タービン発電機（1）に流入する。上記タービン発電機（1）に流入した冷媒は、衝動タービン（25）に衝突して、該衝動タービン（25）を回転させた後、気液分離が行われてガス冷媒と液冷媒とに分離して、それぞれが上記タービン発電機（1）から流出する。

上記タービン発電機（1）から流出したガス冷媒は第５逆止弁（CV5）が許容する方向へ流れて、圧縮機（44）に吸入される。一方、上記タービン発電機（1）から流出した液冷媒は上記逆止弁ブリッジ（53）の第２接続部（C2）に流入する。該第２接続部（C2）に流入した低圧液冷媒は、第２逆止弁（CV2）が許容する方向へ流れ、第１接続部（C1）と連絡配管（60）とを通過して上記室外膨張弁（43）に流入する。この室外膨張弁（43）では、冷媒が所定の圧力に減圧されて低圧冷媒となり、該室外膨張弁（43）を流出する。上記室外膨張弁（43）を流出した冷媒は、室外熱交換器（41a）に流入する。この室外熱交換器（41a）では、低圧冷媒が室外ファン（41b）から送られる室外空気により蒸発し、該低圧液冷媒は該室外空気から吸熱する。上記室外熱交換器（41a）から出た低圧ガス冷媒は、四路切換弁（42）の第３ポート（P3）へ流入する。第３ポート（P3）に流入した低圧ガス冷媒は、第４ポート（P4）から流出した後、吸入配管（68）を通過し、圧縮機（44）に吸入される。そして、この圧縮機（44）は、吸入した低圧ガス冷媒を再び圧縮して吐出する。

〈発電タービンの動作〉
上記冷媒回路（31）の室内膨張弁（54）から流出した二相冷媒は、上記冷媒流入管（6）から上記ケーシング（3,4,5）内に流入する。ケーシング（3,4,5）内に流入した二相冷媒は、上記衝動タービン用ケーシング（26）の流入部（27）から該衝動タービン用ケーシング（26）に流入する。該衝動タービン用ケーシング（26）に流入した二相冷媒は、上記衝動タービン（25）の羽根に衝突し、該衝動タービン（25）を回転させる。該衝動タービン（25）の回転により、タービン軸（24）も軸芯回りに自転する。そして、上記ステータ（33）に対して上記ロータ（34）も回転し、発電コイル部（21）で電力が発生する。この電力は、上記電力線（9）を介してケーシング（3,4,5）の外側へ送電される。

又、上記衝動タービン（25）の羽根に衝突した後の二相冷媒は、上記衝動タービン用ケーシング（26）の流出部（28）から流出する。ここで、流出する二相冷媒は、該流出部（28）に取り付けられた流出部配管（29）により、上記ケーシング（3,4,5）の内周面に沿うように旋回して流れる。この旋回流により二相冷媒を気液分離しやすくなる。

そして、二相冷媒から分離したガス冷媒は、ケーシング（3,4,5）内の上方に向かい、上記ガス冷媒貯留空間（10）に貯留されるとともに、ガス冷媒流出管（7）から流出する。一方、二相冷媒から分離した液冷媒は、上記発電機構（2）のコアカット部及び貫通孔（20b,22b）により形成された空間内を上記液冷媒貯留空間（11）に向かって下方に流れる。そして、該液冷媒貯留空間（11）に液冷媒が貯留されるとともに、該液冷媒は液冷媒流出管（8）から流出する。

〈浸漬防止制御〉
上記浸漬防止制御は、上記発電機構（2）の第１軸受部（20）が、液冷媒貯留空間（11）に貯留された液冷媒に浸漬しないように保護するための制御である。この制御では、第１軸受部（20）が浸漬した場合には、浸漬しない場合に比べて、上記衝動タービン（25）の回転数が低下し、発電量が低下する傾向を利用したものである。

上記コントローラ（63）は、第１軸受部（20）が浸漬しているか否かを判定する浸漬判定部を備えている。そして、この浸漬判定部には、空気調和装置（30）の運転データを入力すると、該運転データに基いてタービン発電機（1）の発電量を出力するデータベースを備えている。なお、上記データベースは、第１軸受部（20）が浸漬していない状態の運転データに基いて作成されている。つまり、該データベースから出力される発電量は、第１軸受部（20）が浸漬していない状態での発電量となる。ここで、上記運転データとは、上記コントローラ（63）に接続されている上記吐出温度センサ（45）、上記吸入温度センサ（46）、ガス側冷媒温度センサ（55）、液側冷媒温度センサ（57）、外気及び室内温度センサ（47,56）、圧力センサ（48,49）のセンサ類、又は上記回転数測定器及び電力計から検出される値である。空気調和装置（30）の運転時における浸漬防止制御の動作について、図５の制御フローに基づき説明する。

空気調和装置（30）の運転スイッチをＯＮにすると、空調運転が開始され、浸漬防止制御が開始する。

ステップＳＴ１では、上記電力計により、空調運転中のタービン発電機（1）の発電量を実測して、実測値Ｗ１を出す。

次に、ステップＳＴ２では、上記データベースにより、空調運転中の運転データからタービン発電機（1）の発電量を計算して、計算値Ｗ２を出す。

ステップＳＴ３では、上記実測値Ｗ１が上記計算値Ｗ２よりも小さければ、上記第２軸受部（22）は浸漬していると判定してステップＳＴ４に移り、上記実測値Ｗ１が上記計算値Ｗ２よりも小さくなければ、ステップＳＴ１に戻る。

ステップＳＴ４では、上記コントローラ（63）により空気調和装置（30）の運転を停止するか、又は室内膨張弁（54）の開度を調整して、液冷媒がタービン発電機（1）へ流入しないようにする。

以上の動作を繰り返して、上記空気調和装置（30）の運転時における浸漬防止制御の動作を行う。

−実施形態の効果−
本実施形態によれば、上記発電機構（2）の上側にガス冷媒貯留空間（10）を設け、該発電機構（2）の下側に液冷媒貯留空間（11）を設け、さらに、ガス冷媒貯留空間（10）にはガス冷媒流出管（7）を、液冷媒貯留空間（11）には液冷媒流出管（8）をそれぞれ設けることにより、衝動タービン（25）に衝突した後の冷媒を気液分離することができる。これにより、気液分離機能を備えたタービン発電機（1）を構成することができる。又、上記タービン発電機（1）は、液冷媒貯留空間（11）に貯留された液冷媒が第１軸受部（20）を浸漬しない範囲で、傾斜させて配置することが可能である。これにより、上記タービン発電機（1）を直立に配置した場合に比べて、該タービン発電機（1）上下方向の長さを低くして配置することができる。

また、上記衝動タービン用ケーシング（26）の流出部（28）に上記流出部配管（29）を設けることにより、衝動タービン（25）に衝突した後の二相冷媒をケーシング（3,4,5）の内周面に沿うように旋回させることができる。このことから、上記二相冷媒がケーシング（3,4,5）の内周面に対して垂直方向から衝突して該二相冷媒中の液冷媒が飛散することがなく、且つ二相冷媒を旋回させることにより気液分離し易くなるので、上記タービン発電機（1）における気液分離効率を確実に向上させることができる。

また、上記軸受固定部材（20a,22a）に貫通孔（20b,22b）を設けることにより、上記衝動タービン（25）に衝突して分離した液冷媒が、ガス冷媒貯留空間（10）から液冷媒貯留空間（11）へ流動しやすくなる。これにより、分離した液冷媒がガス冷媒貯留空間（10）に滞留するのを抑えることができる。

また、上記タービン発電機（1）を空気調和装置（30）の冷媒回路（31）に接続することにより、膨張機構（54）を通過した後の冷媒の運動エネルギを回収して発電することができる。又、該タービン発電機（1）が気液分離機構を有しているので、蒸発器（51a）に液冷媒のみを供給することが可能となる。これにより、該蒸発器（51a）の入口側からガス冷媒が流入しなくなるので、該蒸発器（51a）の入口部分の伝熱面積を有効に液冷媒を蒸発させることに利用することできる。これにより、蒸発器（51a）の伝熱性能を向上させることができる。

また、上記コントローラ（63）が浸漬防止制御を行うことにより、上記発電機構（2）の第１軸受部（20）が、液冷媒貯留空間（11）の液冷媒によって浸漬しないようにすることができる。したがって、液面センサを別途設けることなく、該第１軸受部（20）の浸漬を防止することができる。

−実施形態の変形例１−
図２は実施形態の変形例１に係るタービン発電機（1）の概略縦断面図である。

実施形態の変形例１では、図２に示すように、ガス冷媒貯留空間（10）内に冷媒の液滴が飛散した場合であっても、上記ガス冷媒流出管（7）の管端と対向する位置にメッシュ部材（捕捉部材）（80）を設けることより、その飛散した液滴を該メッシュ部材（80）で捕捉して、ガス冷媒流出管（7）からケーシング（3,4,5）の外側へ流出させないようにすることができる。これにより、上記メッシュ部材（80）を設けない場合に比べて、上記タービン発電機（1）における気液分離効率を向上させることができる。

−実施形態の変形例２−
図３は実施形態の変形例２に係るタービン発電機（1）の概略縦断面図である。

実施形態の変形例２では、図３に示すように、上記衝動タービン（25）の中心を貫通するようにタービン軸（24）を構成する一方、上記タービン軸（24）における衝動タービン（25）側の端部に旋回板（捕捉部材）（81）が取り付けられている。この構成において、ガス冷媒貯留空間（10）内に飛散した液滴が、該旋回板（81）に付着した場合であっても、該旋回板（81）は該タービン軸（24）とともに回転運動するので、この回転運動の遠心力により旋回板（81）に付着した液滴を強制的に該旋回板（81）から離脱させることができる。したがって、上記旋回板（81）が回転しない場合に比べて、液滴を素早く離脱させ、再び付着させることが可能となる。これにより、旋回板（81）が回転しない場合に比べて、液滴の付着及び離脱がスムーズに行われるので、上記タービン発電機（1）における気液分離効率をさらに向上させることができる。

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

上記実施形態では、上記タービン機構（23）は、衝動タービン（25）を有しているが、これに限定する必要はなく、例えば、衝動タービン（25）の代わりに反動タービンを用いてもよい。この反動タービンは、衝動タービン（25）とは違い、該反動タービンの前後で冷媒を減圧させ、その減圧により生じる反動を利用して羽根車（動翼）を回転させるものである。したがって、この反動タービンを用いれば、タービンの上流側に減圧機構としての上記室内膨張弁（54）を設ける必要がなく、空気調和装置（30）の構成を簡略化することができる。

上記実施形態では、上記発電コイル部（21）に接続された電力線（9）の他端について限定していないが、この他端を圧縮機（44）の圧縮機モータに接続する構成であってもよい。

上記実施形態では、上記室内機（50）の設置台数は２台であったが、２台に限定される必要はなく、１台又は３台以上であってもよい。

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

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

本発明の実施形態に係るタービン発電機の概略断面図である。 実施形態の変形例１に係るタービン発電機の概略断面図である。 実施形態の変形例２に係るタービン発電機の概略断面図である。 本発明の実施形態に係る空気調和装置の冷媒回路図である。 本発明の実施形態に係る空気調和装置の運転時における浸漬防止制御の制御フロー図である。

符号の説明

1 タービン発電機
2 発電機構
7 ガス冷媒流出管（第１冷媒流出管）
8 液冷媒流出管（第２冷媒流出管）
10 ガス冷媒貯留空間（第１貯留空間）
11 液冷媒貯留空間（第２貯留空間）
21 発電コイル部
25 衝動タービン（タービン）
29 流出部配管（案内部材）
30 空気調和装置（冷凍装置）
31 冷媒回路
40 室外機
50 室内機
80 メッシュ部材（捕捉部材）
81 旋回板（捕捉部材）

Claims (8)

1. ケーシング本体（3,4,5）と、該ケーシング本体（3,4,5）に収納された発電機構（2）とを有し、
   上記発電機構（2）が、回転運動するタービン（25）と、該タービン（25）に取り付けられたタービン軸（24）と、該タービン軸（24）を内部で貫通させた発電コイル部（21）と、該発電コイル部（21）の軸方向の両側に位置して該タービン軸（24）を回転自在に支持する軸受部（20,22）とを備え、
   上記ケーシング本体（3,4,5）の内周面に上記発電コイル部（21）と軸受部（20,22）とが固定される一方、
   上記ケーシング本体（3,4,5）を貫通するように冷媒流入管（6）が設けられるとともに該冷媒流入管（6）の管端が上記発電機構（2）のタービン（25）と対向する位置に配置されて、
   上記冷媒流入管（6）から流入した冷媒がタービン（25）を回転させることにより、上記発電コイル部（21）で発電するタービン発電機であって、
   上記発電機構（2）の上側に第１貯留空間（10）が、該発電機構（2）の下側に第２貯留空間（11）がそれぞれ設けられるとともに、上記第１貯留空間（10）側に第１冷媒流出管（7）が、上記第２貯留空間（11）側に第２冷媒流出管（8）がそれぞれ設けられていることを特徴とするタービン発電機。
2. 請求項１において、
   上記第１貯留空間（10）内のガス冷媒中に含まれる液滴を捕捉する第１捕捉部材（80）が、該第１貯留空間（10）内であって上記第１冷媒流出管（7）の管端と対向する位置に設けられていることを特徴とするタービン発電機。
3. 請求項１又は２において、
   上記タービン（25）の中心を貫通するようにタービン軸（24）を構成する一方、
   上記タービン軸（24）におけるタービン（25）側の端部に、上記第１貯留空間（10）内のガス冷媒中に含まれる液滴を捕捉する第２捕捉部材（81）が取り付けられていることを特徴とするタービン発電機。
4. 請求項１から３の何れか１つにおいて、
   上記タービン（25）から流出する冷媒をケーシング本体（3,4,5）の内周面に沿って旋回させて第２貯留空間（11）へ案内する案内部材（29）が設けられていることを特徴とするタービン発電機。
5. 請求項１から４の何れか１つにおいて、
   上記軸受部（20,22）を上記ケーシング本体（3,4,5）に固定する固定部材（20a,22a）を備え、
   上記固定部材（20a,22a）を上記ケーシング本体（3,4,5）と上記軸受部（20,22）との間に設けるとともに、該固定部材（20a,22a）には１つ又は複数の貫通孔（20b,22b）が形成されていることを特徴とするタービン発電機。
6. 請求項１から５の何れか１つにおいて、
   上記タービン（25）は、衝動タービン（25）により構成されていることを特徴とするタービン発電機。
7. 圧縮機（44）と放熱器（51a）と膨張機構（54）と蒸発器（51a）とが冷媒配管で接続されて蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う冷媒回路（31）を備えた冷凍装置であって、
   請求項６に記載のタービン発電機を備えるとともに、該タービン発電機の冷媒流入管（6）は上記膨張機構（54）の出口配管（65）に接続され、第１冷媒流出管（7）が上記圧縮機（44）の吸入配管（68）に接続され、第２冷媒流出管（8）が上記蒸発器（51a）の入口配管に接続されていることを特徴とする冷凍装置。
8. 請求項７において、
   上記タービン発電機の発電量を測定する発電量測定部と、上記冷凍装置の運転データの入力により上記軸受部（20,22）が液冷媒に非浸漬時のタービン発電機の発電量を出力する演算部とを備え、
   上記発電量測定部で測定した測定値が、上記演算部で演算した計算値よりも小さい場合に、上記タービン発電機への冷媒の流入を禁止する制御を行う制御手段（63）を備えたことを特徴とする冷凍装置。

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