JP5316057B2 - 噴射ノズル、タービン発電機及びエジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、噴射ノズル、タービン発電機及びエジェクタに関するものである。

従来より、冷媒の運動エネルギを電力に変換して回収するタービン発電機が広く知られている。例えば、特許文献１に示すように、冷凍サイクルを行う冷凍装置に用いられるタービン発電機が知られている。このタービン発電機においては、ケーシング内に流入してくる冷媒をタービン用ノズルで減圧させることによって圧力エネルギを速度エネルギに変換した後、タービン羽根車に向かって噴射する。タービン羽根車は、冷媒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、冷媒の運動エネルギを電力に変換している。したがって、噴射される冷媒の速度が速いほど、タービン羽根車を回転させる動力が大きくなり、タービン発電機で発生する電力を増大させることができる。

また、特許文献２には、ノズルの内部流路が絞られた喉部と喉部からノズル先端の噴射部に向かって内部流路の流路径が末広がり状となるように形成されたラバルノズルについて開示されている。このラバルノズルによると、噴射される冷媒を加速させることができる。
特開２００８−３８６３３号公報 特開平５−２０２８２６号公報

しかしながら、本発明者が実験により検証した結果、末広がり状に形成されたラバルノズルを用いると、噴射される冷媒について想定した速度を得ることができなかった。これは、喉部から噴射部に至る内部流路の流路径が末広がり状に形成されている場合には、冷媒の圧力が急激に低下して、冷媒の圧力エネルギにロスが生じてしまい、噴射される冷媒が十分に加速されないからであると考えられる。その結果、タービン羽根車を回転させる動力が減少してタービン効率が低下してしまうという問題があった。

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、噴射される冷媒を十分に加速させることができる噴射ノズルを提供することにある。

上述した目的を達成するため、本発明は、噴射部の断面積を、喉部の断面積以下に設定するようにした。

具体的に、本発明は、内部流路（41）が喉部（42）で絞られたノズル本体（43）を備え、冷媒回路（13）を流通する冷媒を該喉部（42）で減圧させて該ノズル本体（43）先端の噴射部（45）から噴射するための噴射ノズルを対象とし、次のような解決手段を講じた。

すなわち、第１の発明は、前記ノズル本体（43）の入口部（44）から前記喉部（42）に至る内部流路（41）の流路径は、該喉部（42）に向かって先細状となるように形成され、
前記喉部（42）から前記噴射部（45）に至る前記内部流路（41）の流路径が、該噴射部（45）に向かって先細状となるように形成されることで、該噴射部（45）における内部流路（41）の断面積は、該喉部（42）における内部流路（41）の断面積よりも小さくなるように設定されており、
前記ノズル本体（43）の前記喉部（42）に当接して該喉部（42）の開度を全閉とする閉位置と、該喉部（42）から離間して該喉部（42）の開度を全開とする開位置との間で進退することで、該喉部（42）の開度を調節する弁体（92）を備えていることを特徴とするものである。

第１の発明では、ノズル本体（43）の入口部（44）から喉部（42）に至る内部流路（41）の流路径は、喉部（42）に向かって先細状に形成されている。また、喉部（42）から噴射部（45）に至る内部流路（41）の流路径は、噴射部（45）に向かって先細状に形成されている。これにより、噴射部（45）における内部流路（41）の断面積は、喉部（42）における内部流路（41）の断面積よりも小さくなるように設定されている。このような構成とすれば、冷媒の圧力エネルギのロスが抑制されて、ノズル本体（43）から噴射される冷媒を十分に加速させることができる。

具体的に、喉部（42）から噴射部（45）に向かって内部流路（41）の流路径が末広がり状に形成されている場合には、冷媒は、喉部（42）から噴射部（45）に向かって流通する間にその圧力が急激に低下して圧力エネルギにロスが生じてしまう。そのため、冷媒を十分に加速させることができないという問題があった。

これに対して、本発明では、喉部（42）から噴射部（45）に至る内部流路（41）の流路径を噴射部（45）に向かって先細状に形成することで、その流路径を噴射部（45）に向かって末広がり状に形成した場合に比べて冷媒の圧力が緩やかに低下するから、冷媒の圧力エネルギのロスが抑制されて冷媒を十分に加速させることができる。

また、弁体（92）を閉位置に前進させると、ノズル本体（43）の喉部（42）に当接して喉部（42）の開度が全閉となる。一方、弁体（92）を開位置まで後退させると、ノズル本体（43）から離間して喉部（42）の開度が全開となる。つまり、閉位置と開位置との間で弁体（92）を進退させることで、喉部（42）の開度を調節することができるようになっている。

このような構成とすれば、弁体（92）によって、ノズル本体（43）を通過する冷媒の流量を調節することができる。具体的には、弁体（92）を下流側の喉部（42）に向かって前進させることで、喉部（42）の開度を絞って、ノズル本体（43）を流通する冷媒の流量を減少させることができる。逆に、弁体（92）を喉部（42）から後退させることで、喉部（42）の開度を広げて、ノズル本体（43）を流通する冷媒の流量を増加させることができる。

このように、冷媒を減圧させるノズル本体（43）において流量を調節しつつ、冷媒の圧力エネルギのロスが抑制されて冷媒を十分に加速させることができる。

第２の発明は、タービン発電機を対象とし、次のような解決手段を講じた。

第１の発明の噴射ノズル（4）と、
前記噴射ノズル（4）から噴射された冷媒によって駆動されるタービン羽根車（5）と、
前記タービン羽根車（5）によって駆動される発電部（6）とを備えていることを特徴とするものである。

第２の発明では、内部流路（41）における喉部（42）から噴射部（45）に向かって先細状に形成された噴射ノズル（4）から噴射された冷媒からの運動エネルギを受けてタービン羽根車（5）が回転する。そして、タービン羽根車（5）が回転すると発電部（6）が駆動される。

このような構成とすれば、噴射ノズル（4）から噴射される冷媒を十分に加速させることができるから、タービン羽根車（5）の回転動力が増大してタービン効率を向上させることができ、タービン発電機（2）で発生する電力を増大させることができる。

第３の発明は、エジェクタを対象とし、次のような解決手段を講じた。

第１又は第２の発明の噴射ノズル（4）と
前記冷媒回路（13）に接続され、且つ前記噴射ノズル（4）から噴射された噴射冷媒によって該冷媒回路（13）から冷媒を吸引する吸引部（66）と、
前記噴射冷媒と前記冷媒回路（13）から吸引された冷媒とを混合する混合部（67）と、
前記混合部（67）で混合された冷媒を昇圧させる昇圧部（68）とを備えていることを特徴とするものである。

第３の発明では、噴射ノズル（4）から噴射された噴射冷媒により生じる負圧によって、冷媒回路（13）の冷媒が吸引部（66）に吸引される。噴射冷媒と吸引部（66）に吸引された冷媒とは、混合部（67）で混合される。そして、混合された冷媒は、昇圧部（68）でその運動エネルギが圧力エネルギに変換されて昇圧される。

このような構成とすれば、噴射ノズル（4）から噴射される噴射冷媒を十分に加速させることができるから、噴射冷媒により生じる負圧が大きくなって、冷媒回路（13）から吸引部（66）に吸引される冷媒の流量を増加させることができる。その結果、混合部（67）で混合される冷媒の流量が増加することで、冷媒の運動エネルギが増加するから、その運動エネルギが昇圧部（68）で圧力エネルギに変換されて、冷媒の圧力を十分に昇圧させることができる。

本発明によれば、噴射部（45）における断面積を喉部（42）における断面積よりも小さくなるように設定することで、噴射部（45）において冷媒の圧力が低下するから、冷媒の圧力エネルギが速度エネルギに変換されて、冷媒を十分に加速させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

＜実施形態１＞
図１は、本発明の実施形態１に係るタービン発電機を備えた冷凍装置の構成を示す回路図である。図１に示すように、冷凍装置（1）は、電動圧縮機（11）、放熱器（12）、タービン発電機（2）及び蒸発器（14）が冷媒配管（10）を介して順に接続された冷媒回路（13）を備え、冷媒回路（13）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。

図２は、噴射ノズルを備えたタービン発電機の構成を示す模式的な縦断面図である。図２に示すように、前記タービン発電機（2）は、冷媒回路（13）を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、冷媒から電力を回収するものであり、タービン（3）と、タービン（3）と連結された発電部（6）と、タービン（3）及び発電部（6）を収容するケーシング（7）とを備えている。

前記ケーシング（7）は、円筒形状をしていて、その長手方向の異なる位置に２つの軸受（71,71）を備えている。このケーシング（7）には、冷媒が流入する流入部（72）と、冷媒が流出する流出部（73）とが設けられている。流入部（72）は、ケーシング（7）内のタービン（3）と略同じ高さに位置し、接続管（8）が接続されている。流出部（73）は、ケーシング（7）の底部近傍であって、タービン（3）よりも下方に位置し、流出側の冷媒配管（10）によって蒸発器（14）に接続されている。

前記接続管（8）は、ケーシング（7）の外表面に取り付けられており、その内部に管内流路（8a）が形成されている。この管内流路（8a）は、屈曲部（83）で屈曲している。詳しくは、管内流路（8a）は、鉛直方向に延びて上流端が下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。

前記屈曲部（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。

前記上流側流路（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）の後述する開度可変の噴射ノズル（4）が設けられている。

前記タービン（3）は、回転シャフト（31）と、回転シャフト（31）に対して固定的に取り付けられて回転シャフト（31）と一体的に回転するタービン羽根車（5）と、タービン羽根車（5）に冷媒を噴射する噴射ノズル（4）と、タービン羽根車（5）を収容し且つ噴射ノズル（4）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、噴射ノズル（4）により冷媒の圧力エネルギを速度エネルギに変換して、この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）を回転駆動させて、回転シャフト（31）を介して回転動力を出力する。

図３は、タービン発電機の構成を示す模式的な横断面図である。図２及び図３に示すように、前記タービン羽根車（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、円盤状の羽根車本体（51）と羽根車本体（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。

前記ハウジング（32）は、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、噴射ノズル（4）を配設するための配設孔（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）は、ケーシング（7）の流入部（72）と連通している。

前記発電部（6）は、回転シャフト（31）に対して固定的に取り付けられて回転シャフト（31）と一体的に回転するロータ（61）と、ロータ（61）の外周側に設置されてケーシング（7）に固定された固定子（62）とを有し、ケーシング（7）内において２つの軸受（71,71）の間に配設されている。固定子（62）は、図示しない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。また、固定子（62）は、電力供給線（25）を介して、図１に示す電動圧縮機（11）に接続されている。

前記発電部（6）は、回転シャフト（31）が回転することでロータ（61）が回転磁界を発生し、その回転磁界によって固定子鉄心の固定子コイルに誘起電圧が生じ電流が流れる。このように、発電部（6）は、タービン（3）から出力される回転動力を電力に変換して出力する。

こうして発電した電力は、発電部（6）から電力供給線（25）を介して電動圧縮機（11）に供給されて、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。

図４は、噴射ノズルを軸と平行な平面で切断した場合の斜視図である。図２乃至図４に示すように、前記噴射ノズル（4）は、噴射ノズル（4）の軸方向に貫通する内部流路（41）と内部流路（41）の流路途中が絞られた喉部（42）とが形成されたノズル本体（43）と、下流側流路（82）の開口部（85）に取り付けられて喉部（42）の開度を調節可能なニードル弁（9）とを備えている。

前記ニードル弁（9）は、図２乃至図４に示すように、棒状のニードル（91）と、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、ニードル（91）を進退自在に移動させるアクチュエータ（93）とを備えている。

前記弁体（92）は、ニードル（91）に接続された円柱部（94）と、円柱部（94）の先端側に設けられた円錐部（95）とで構成されている。円錐部（95）の外周面は、先端に向かって先細状となるように所定の傾斜角度で傾斜したテーパ面に形成されている。

前記アクチュエータ（93）は、図示しない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（93）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。

前記ニードル弁（9）は、ニードル（91）が接続管（8）の開口部（85）から下流側流路（82）内に挿入されて、アクチュエータ（93）が開口部（85）において接続管（8）に取り付けられている。こうすることで、ニードル弁（9）のニードル（91）は、下流側流路（82）内を下流側流路（82）の長手方向に延び、弁体（92）がノズル本体（43）の内部流路（41）における喉部（42）に向かって配設される。

前記ニードル弁（9）は、アクチュエータ（93）を作動させてニードル（91）を進退させることによって、弁体（92）を下流側流路（82）内でその長手方向に進退させる。具体的に、弁体（92）が最も前進すると、その円錐部（95）が喉部（42）に当接して喉部（42）の開度を全閉状態にする閉位置に移動する。一方、弁体（92）が最も後退すると、弁体（92）は喉部（42）から離間して喉部（42）の開度を全開状態にする開位置に移動する。このように、ニードル弁（9）は、喉部（42）の開度を全閉状態から全開状態の間で調節することができ、内部流路（41）を流通する冷媒の流量を調節することができる。

前記内部流路（41）における喉部（42）よりも上流側は、冷媒が流入する入口部（44）が下流側流路（82）に開口している。そして、入口部（44）から喉部（42）に至る内部流路（41）の流路径は、喉部（42）に向かって先細状となるように形成されている。

また、前記喉部（42）よりも下流側は、冷媒が噴射される噴射部（45）がタービン羽根車（5）に向かって開口している。そして、喉部から噴射部（45）に至る内部流路（41）の流路径は、噴射部（45）に向かって先細状となるように形成されている。

このように、前記噴射部（45）の断面積は、喉部（42）の断面積よりも小さくなるように設定されている。そして、内部流路（41）を流通してきた冷媒が、噴射部（45）からタービン羽根車（5）に向かって噴射される。

このような構成とすれば、内部流路（41）を流通する冷媒の圧力エネルギのロスが抑制されるから、噴射される冷媒を十分に加速させることができる。この点について、以下に説明する。

図５は、喉部からの距離と冷媒の圧力との関係を示すグラフ図である。また、図６は、喉部から噴射部に至る内部流路の開き角とタービン効率比との関係を示すグラフ図である。

ここで、開き角とは、前記喉部（42）から噴射ノズル（4）の軸方向に平行な直線と喉部（42）から噴射部（45）に向かって延びる直線とがなす角度である。例えば、この開き角が０度に設定されている場合には、喉部（42）から噴射部（45）に至る内部流路（41）の流路径は、同径に形成されている。また、開き角が０度よりも大きく設定されている場合には、喉部（42）から噴射部（45）に至る内部流路（41）の流路径は、噴射部（45）に向かって末広がり状となるように形成されている。一方、開き角が０度よりも小さく設定されている場合には、喉部（42）から噴射部（45）に至る内部流路（41）の流路径は、噴射部（45）に向かって先細状となるように形成されている。

また、タービン効率比とは、開き角が０度に設定されている噴射ノズルを用いた場合に得られる電力を基準として、その電力と、開き角が０度以外に設定されている噴射ノズルを用いた場合に得られる電力との比率を示したものである。したがって、開き角が０度のときに１となる。

図５に示す符号（21）は、開き角が例えば、０．４度に設定されて末広がり状に形成された従来の噴射ノズルのグラフ図である。また、図５に示す符号（22）は、開き角が例えば、−０．２度に設定されて先細状に形成された本発明の噴射ノズル（4）のグラフ図である。

図５に示すように、従来の噴射ノズルでは、本発明の噴射ノズル（4）に比べて、喉部（42）を流通した冷媒は、噴射部（45）に向かって、その圧力が急激に低下していることが分かる。そのため、本発明の噴射ノズル（4）では、従来の噴射ノズルに比べて、冷媒が喉部（42）から噴射部（45）に至るまでにその圧力エネルギのロスが抑制されて、噴射される冷媒が十分に加速されることが分かる。

そして、図６に示すように、開き角が０．４度の場合には、タービン効率比が１よりも小さくなっており、開き角が−０．２度の場合には、タービン効率比が１よりも大きくなっているため、本発明の噴射ノズル（4）は、従来の噴射ノズルに比べてタービン効率が向上することが分かる。

また、図５に示す符号（23）は、開き角が例えば、−０．４度に設定された本発明の噴射ノズル（4）のグラフ図である。図５に示すように、開き角が−０．４度に設定された噴射ノズル（4）では、開き角が−０．２度に設定された噴射ノズル（4）に比べて、冷媒の圧力の低下が緩やかになっていることが分かる。そのため、開き角が−０．４度に設定された噴射ノズル（4）では、開き角が−０．２度に設定された噴射ノズル（4）に比べて、冷媒が喉部（42）から噴射部（45）に至るまでにその圧力エネルギのロスが抑制されて、噴射される冷媒が十分に加速されることが分かる。

そして、図６に示すように、開き角が−０．４度の場合には、開き角が−０．２度の場合に比べて、タービン効率比が大きくなっているため、開き角が−０．４度に設定された噴射ノズル（4）は、開き角が−０．２度に設定された噴射ノズル（4）に比べてタービン効率が向上することが分かる。

以上のように、本実施形態１に係る噴射ノズル（4）によれば、喉部（42）から噴射部（45）に至る内部流路（41）の流路径を先細状となるように形成することで、噴射される冷媒を十分に加速させることができるから、タービン効率を向上させることができる。

次に、タービン発電機（2）の動作について説明する。冷媒回路（13）を循環して放熱器（12）で放熱した冷媒は、流入側の冷媒配管（10）から接続管（8）に流入し、ノズル本体（43）の内部流路（41）を流通してケーシング（7）に流入する。このとき、ニードル弁（9）がノズル本体（43）の喉部（42）の開度を所望の値に調節しており、内部流路（41）を流通する冷媒の流量が所望の値に制御される。同時に、この冷媒は、内部流路（41）の喉部（42）を流通する際に減圧されることで、圧力エネルギが速度エネルギに変換されて加速される。

その後、加速された冷媒は、喉部（42）から噴射部（45）に流通していく際に徐々に減圧され、その圧力エネルギにロスが生じることなく、噴射部（45）において十分に加速される。そして、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。そうすると、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、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。

そして、ロータ（61）が回転すると、回転磁界が発生し、ステータ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。こうして発電した電力は、電力供給線（25）を介して電動圧縮機（11）に供給されて、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。

そして、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。

以上のように、本実施形態１に係るタービン発電機（2）によれば、噴射ノズル（4）によって、冷媒の流量を調節しつつ、十分に加速させることができる。その結果、タービン羽根車（5）の回転動力が増大するから、タービン効率を向上させることができ、タービン発電機（2）で発生する電力を増大させることができる。

＜実施形態２＞
図７は、本実施形態２に係るタービン発電機の構成を示す模式的な縦断面図、図８は、タービン模式的な横断面図である。前記実施形態１との違いは、２つの噴射ノズル（4,54）を用いるようにした点であるため、以下、実施形態１と同じ部分については同じ符号を付し、相違点についてのみ説明する。

図７及び図８に示すように前記ケーシング（7）には、冷媒が流入する２つの流入部（72,72）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）が接続される第１接続管（8）及び第２接続管（58）が接続されている。

前記第２接続管（58）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、その内部に第２接続管内流路（58a）が形成されている。この第２接続管（58）には、電磁弁（59）が設けられており、電磁弁（59）を開閉することによって第２接続管内流路（58a）の開通及び閉鎖が切り替えられる。

そして、前記第２接続管（58）の上流端には、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。また、第２接続管（58）の下流端には、ハウジング（32）の配設孔（34）に挿通された開度固定の噴射ノズル（54）が設けられている。この開度固定の噴射ノズル（54）のノズル本体（43）は、喉部（42）から噴射部（45）に至る内部流路（41）が噴射部（45）に向かって先細状となるように形成されており、ニードル弁（9）を備えた開度可変の噴射ノズル（4）のノズル本体（43）と同じ構成である。

前記ハウジング（32）には、噴射ノズル（4,54）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）は、ケーシング（7）の流入部（72）と連通している。つまり、第１接続管（8）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）内に臨む噴射ノズル（4）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（58）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）内に臨む噴射ノズル（54）は、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、噴射ノズル（4,54）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、噴射ノズル（4,54）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。

このような構成とすれば、噴射ノズル（4,54)から噴射される冷媒を十分に加速させることができる。さらに、噴射ノズル（4,54)をタービン羽根車（5）の周方向における正反対の位置に配設したから、実施形態１の構成に比べて、タービン羽根車（5）を回転駆動させる動力が増大してタービン効率を向上させることができ、タービン発電機（2）で発生する電力をより増大させることができる。

次に、本実施形態２に係るタービン発電機（2）の動作について説明する。まず、冷媒は、流入側の冷媒配管（10）から第１接続管（8）及び第２接続管（58）に流入する。このとき、ニードル弁（9）及び電磁弁（59）の開閉状態が制御されており、冷媒は噴射ノズル（4,54）を通過してケーシング（7）に流入する。

そして、噴射ノズル（4,54）を流通する冷媒は、流通する際に減圧されて加速される。これら噴射ノズル（4,54）で加速された冷媒は、タービン羽根車（5）の羽根部（52,52,…）に向かって噴射される。

以上のように、本実施形態２に係るタービン発電機（2）によれば、噴射ノズル（4,54)を用いることで、実施形態１の構成に比べて、タービン効率を向上させることができ、タービン発電機（2）で発生する電力をより増大させることができる。

なお、本実施形態２では、２つの噴射ノズル（4,54)を備えた構成について説明したが、噴射ノズルを３つ以上備えた構成としても良い。

＜実施形態３＞
図９は、本実施形態３に係るエジェクタを備えた冷凍装置の回路図である。図９に示すように、前記冷凍装置（1）の冷媒回路（13）には、電動圧縮機（11）と、第１四路切換弁（16a）と、室内熱交換器（27）と、室外熱交換器（28）と、第２四路切換弁（16b）と、エジェクタ（15）と、エジェクタ用気液分離器（17）と、補助膨張弁（18）とが接続されている。

前記第１四路切換弁（16a）は、第１ポート乃至第４ポートを備えている。この第１四路切換弁（16a）は、図示しない電動モータによって駆動され、各ポートの連通状態が切り変わるように構成されている。第１四路切換弁（16a）の第１ポートは電動圧縮機（11）の吐出側に接続され、第２ポートはエジェクタ用気液分離器（17）の液流出口に接続され、第３ポートが室外熱交換器（28）の一端に接続され、第４ポートが室内熱交換器（27）の一端に接続されている。

そして、前記第１四路切換弁（16a）は、第１ポートと第３ポートが連通し且つ第２ポートと第４ポートが連通する第１状態（図９に実線で示す状態）と、第１ポートと第４ポートが連通し且つ第２ポートと第３ポートが連通する第２状態（図９に破線で示す状態）とに切り換え可能となっている。

前記第２四路切換弁（16b）は、第１四路切換弁（16a）と同様に、図示しない電動モータによって駆動され、各ポートの連通状態が切り替わるように構成されている。前記第２四路切換弁（16b）の第１ポートは、後述するエジェクタ（15）の高圧冷媒の流入口にそれぞれ接続され、第２ポートはエジェクタ（15）の低圧冷媒の流入口にそれぞれ接続され、第３ポートが室外熱交換器（28）の他端に接続され、第４ポートが室内熱交換器（27）の他端に接続されている。

そして、前記第２四路切換弁（16b）は、第１ポートと第３ポートが連通し且つ第２ポートと第４ポートが連通する第１状態（図９に実線で示す状態）と、第１ポートと第４ポートが連通し且つ第２ポートと第３ポートが連通する第２状態（図９に破線で示す状態）とに切り換え可能となっている。

なお、前記第１及び第２四路切換弁（16a,16b）は、冷媒回路（13）内における冷媒圧力の変化に伴って自動的に切り変わるパイロット弁で構成されていてもよい。

前記電動圧縮機（11）の吐出側は、第１四路切換弁（16a）を介して室外熱交換器（28）の一端と室内熱交換器（27）の一端とに切り換わって接続されるように構成されている。

前記室内熱交換器（27）と室外熱交換器（28）とは、いわゆるクロスフィン型のフィン・アンド・チューブ熱交換器で構成されている。室内熱交換器（27）は、室内ファンによって吸い込まれた室内空気を冷媒と熱交換させる。室外熱交換器（28）は、室外ファンによって吸い込まれた室外空気を冷媒と熱交換させる。

図１０は、エジェクタの構成を示す模式的な縦断面図である。図９及び図１０に示すように、前記エジェクタ（15）は、円筒状に形成されたエジェクタ本体（65）と、エジェクタ本体（65）に設けられた噴射ノズル（4）とを備えている。

前記エジェクタ本体（65）は、上流側に位置し、冷媒配管（10）を介して冷媒回路（13）に接続された吸引部（66）と、その上流、下流側と比べて流路が絞られた混合部（67）と、下流側の昇圧部（68）とを有している。昇圧部（68）は、その流路が下流端に向かって末広がり状となるように形成されている。この昇圧部（68）は、エジェクタ用気液分離器（17）の冷媒流入口に接続されている。また、吸引部（66）は、冷媒配管（10）を介して第２四路切換弁（16b）の第２ポートに接続されている。

前記噴射ノズル（4）は、エジェクタ本体（65）の吸引部（66）内に配設されている。そして、噴射ノズル（4）の下流端は、混合部（67）の上流端に近接している。また、噴射ノズル（4）の上流端には、第２四路切換弁（16b）の第１ポートから延びる冷媒配管（10）が接続されている。この噴射ノズル（4）は、喉部（42）から噴射部（45）に至る内部流路（41）が噴射部（45）に向かって先細状となるように形成されている。また、噴射ノズル（4）は、ニードル弁（9）によって喉部（42）の開度が調節されることで、内部流路（41）を流通する冷媒の流量を調節できるように構成されている。

このように構成された前記エジェクタ（15）においては、噴射ノズル（4）が流入してきた高圧冷媒を減圧膨張させる。ここで、冷媒の圧力エネルギが速度エネルギに変換され、その冷媒は加速された状態で噴射ノズル（4）からエジェクタ本体（65）内に噴射される。このとき、噴射された噴射冷媒の圧力低下により生じる負圧によって、低圧冷媒（以下、吸引冷媒ともいう）が冷媒配管（10）を介して吸引部（66）内に吸引される。

そして、噴射冷媒と吸引冷媒とは前記混合部（67）において混合され、昇圧部（68）に流入する。昇圧部（68）では、流路面積の拡大によって、冷媒の速度エネルギが圧力エネルギに変換されるため、冷媒の圧力が上昇する。こうして昇圧された冷媒が、昇圧部（68）を介してエジェクタ（15）から吐出される。

このような構成とすれば、噴射ノズル（4）から噴射される噴射冷媒の速度を十分に加速させることができる。そうすると、噴射冷媒により生じる負圧が大きくなって、冷媒回路（13）から冷媒配管（10）を介して吸引される冷媒の流量が増加して、混合部（67）で混合される冷媒の流量も増加するから、その冷媒の運動エネルギが増加する。その結果、冷媒の運動エネルギが昇圧部（68）で圧力エネルギに変換されて、冷媒の圧力を十分に昇圧させることができる。

次に、前記冷凍装置（1）の運転動作について説明する。まず、冷房運転時には、図９の実線で示すように、第１四路切換弁（16a）が第１状態（図９の実線）に、第２四路切換弁（16b）が第１状態（図９の実線）にそれぞれ設定される。この状態で電動圧縮機（11）を運転すると、室外熱交換器（28）が凝縮器となり、室内熱交換器（27）が蒸発器となって冷房サイクルが行われる。

電動圧縮機（11）から吐出された高圧冷媒は、第１四路切換弁（16a）を経て室外熱交換器（28）に流入し、室外空気へ放熱しながら凝縮する。室外熱交換器（28）を流出した高圧冷媒（駆動冷媒）は、エジェクタ（15）の噴射ノズル（4）に流入する。噴射ノズル（4）に流入した高圧冷媒は、減圧して加速される。

加速された冷媒は、噴射ノズル（4）の噴射部（45）から噴射される。この噴射された噴射冷媒により生じる負圧によって、室内熱交換器（27）から流出した低圧冷媒（吸引冷媒）が冷媒配管（10）を介して吸引部（66）内に吸引される。

そして、噴射冷媒と吸引された低圧冷媒とは、エジェクタ本体（65）の混合部（67）の上流側で合流する。合流した冷媒は、混合部（67）を通過する間に混合され、混合された冷媒は、昇圧部（68）で減速させられて昇圧した後で噴出される。

エジェクタ（15）から噴出された冷媒は、冷媒流入口からエジェクタ用気液分離器（17）へ流入する。そして、エジェクタ用気液分離器（17）内でガス冷媒と液冷媒とに分離される。

エジェクタ用気液分離器（17）で分離された液冷媒は、補助膨張弁（18）で減圧され、第１四路切換弁（16a）を経て室内熱交換器（27）に流入し、室内空気から吸熱しながら蒸発する。そして、室内熱交換器（27）から流出した冷媒は、前述したように吸引部（66）内に吸引される。

一方、エジェクタ用気液分離器（17）で分離したガス冷媒は、第１四路切換弁（16a）を経て電動圧縮機（11）に吸入される。電動圧縮機（11）に吸入されたガス冷媒は、所定の圧力まで圧縮されて高圧冷媒となり、電動圧縮機（11）から吐出される。このとき、電動圧縮機（11）に吸入される冷媒は、吸入圧力が噴射ノズル（4）で膨張後の冷媒の圧力よりも高くなっている。そのため、冷媒を圧縮する際の電動圧縮機（11）の仕事量が低減される。そして、この冷媒循環が繰り返されて冷房運転が行われる。

次に、暖房運転時には、図９の破線で示すように、第１四路切換弁（16a）が第２状態（図９の破線）に、第２四路切換弁（16b）が第２状態（図９の破線）にそれぞれ設定される。この状態で電動圧縮機（11）を運転すると、室内熱交換器（27）が凝縮器となり、室外熱交換器（28）が蒸発器となって暖房サイクルが行われる。

電動圧縮機（11）から吐出された高圧冷媒は、第１四路切換弁（16a）を経て室内熱交換器（27）に流入し、室内空気へ放熱しながら凝縮する。室内熱交換器（27）を流出した高圧冷媒は、エジェクタ（15）の噴射ノズル（4）に流入する。噴射ノズル（4）に流入した高圧冷媒は、減圧して加速される。

加速された冷媒は、噴射ノズル（4）の噴射部（45）から噴射される。この噴射された噴射冷媒により生じる負圧によって、室外熱交換器（28）から流出した低圧冷媒が冷媒配管（10）を介して吸引部（66）内に吸引される。

そして、噴射冷媒と吸引された低圧冷媒とは、エジェクタ本体（65）の混合部（67）の上流側で合流する。合流した冷媒は、混合部（67）を通過する間に混合される。そして、、混合された冷媒は、昇圧部（68）で減速させられて昇圧した後で噴出される。

エジェクタ（15）から噴出された冷媒は、冷媒流入口からエジェクタ用気液分離器（17）へ流入する。そして、エジェクタ用気液分離器（17）内でガス冷媒と液冷媒とに分離される。

エジェクタ用気液分離器（17）で分離した液冷媒は、補助膨張弁（18）で減圧され、第１四路切換弁（16a）を経て室外熱交換器（28）に流入し、室外空気から吸熱しながら蒸発する。そして、室外熱交換器（28）を流出した冷媒は、前述したようにエジェクタ本体（65）内に吸引される。

一方、エジェクタ用気液分離器（17）で分離したガス冷媒は、第１四路切換弁（16a）を経て電動圧縮機（11）に吸入される。電動圧縮機（11）に吸入されたガス冷媒は、所定の圧力まで圧縮されて高圧冷媒となり、電動圧縮機（11）から吐出される。このとき、冷房運転と同様に、電動圧縮機（11）に吸入される冷媒の状態は、吸入圧力が噴射ノズル（4）で膨張後の冷媒の圧力よりも高くなっている。そのため、冷媒を圧縮する際の電動圧縮機（11）の仕事量が低減される。そして、この冷媒循環が繰り返されて暖房運転が行われる。

以上のように、本実施形態３に係るエジェクタ（15）によれば、噴射ノズル（4）から噴射される噴射冷媒を十分に加速させることができるから、噴射冷媒により生じる負圧が大きくなって、吸引冷媒の流量を増加させることができる。

その結果、混合部（67）で混合される冷媒の流量が増加することで、冷媒の運動エネルギが増加するから、その運動エネルギが昇圧部（68）で圧力エネルギに変換されて、冷媒の圧力を十分に昇圧させることができ、電動圧縮機（11）の駆動動力を低減させることができる。

以上説明したように、本発明は、噴射される冷媒を十分に加速させることができる噴射ノズルを提供することができるという実用性の高い効果が得られることから、きわめて有用で産業上の利用可能性は高い。

本発明の実施形態１に係るタービン発電機を備えた冷凍装置の構成を示す回路図である。 噴射ノズルを備えたタービン発電機の構成を示す模式的な縦断面図である。 タービン発電機の構成を示す模式的な横断面図である。 噴射ノズルを軸と平行な平面で切断した場合の斜視図である。 喉部からの距離と冷媒の圧力との関係を示すグラフ図である 喉部から噴射部に至る内部流路の開き角とタービン効率比との関係を示すグラフ図である。 本実施形態２に係るタービン発電機の構成を示す縦断面図である。 タービン発電機の構成を示す模式的な横断面図である。 本実施形態３に係るエジェクタを備えた冷凍装置の回路図である。 エジェクタの構成を示す模式的な縦断面図である。

2 タービン発電機
4 噴射ノズル
5 タービン羽根車
6 発電部
13 冷媒回路
15 エジェクタ
41 内部流路
42 喉部
43 ノズル本体
45 噴射部
66 吸引部
67 混合部
68 昇圧部
92 弁体

Claims (3)

1. 内部流路（41）が喉部（42）で絞られたノズル本体（43）を備え、冷媒回路（13）を流通する冷媒を該喉部（42）で減圧させて該ノズル本体（43）先端の噴射部（45）から噴射するための噴射ノズルであって、
   前記ノズル本体（43）の入口部（44）から前記喉部（42）に至る内部流路（41）の流路径は、該喉部（42）に向かって先細状となるように形成され、
   前記喉部（42）から前記噴射部（45）に至る前記内部流路（41）の流路径が、該噴射部（45）に向かって先細状となるように形成されることで、該噴射部（45）における内部流路（41）の断面積は、該喉部（42）における内部流路（41）の断面積よりも小さくなるように設定されており、
   前記ノズル本体（43）の前記喉部（42）に当接して該喉部（42）の開度を全閉とする閉位置と、該喉部（42）から離間して該喉部（42）の開度を全開とする開位置との間で進退することで、該喉部（42）の開度を調節する弁体（92）を備えていることを特徴とする噴射ノズル。
2. 請求項１の噴射ノズル（4）と、
   前記噴射ノズル（4）から噴射された冷媒によって駆動されるタービン羽根車（5）と、
   前記タービン羽根車（5）によって駆動される発電部（6）とを備えていることを特徴とするタービン発電機。
3. 請求項１又は２の噴射ノズル（4）と、
   前記冷媒回路（13）に接続され、且つ前記噴射ノズル（4）から噴射された噴射冷媒によって該冷媒回路（13）から冷媒を吸引する吸引部（66）と、
   前記噴射冷媒と前記冷媒回路（13）から吸引された冷媒とを混合する混合部（67）と、
   前記混合部（67）で混合された冷媒を昇圧させる昇圧部（68）とを備えていることを特徴とするエジェクタ。

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