JPS5855655A - 冷凍サイクル用タ−ビン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は冷凍ティクル用タービンに係り、特に、冷凍サ
イクルに悪影響を与えることなくタービン翼車の出力の
増大化を図ることができるようにし九冷凍サイクル用タ
ービンに関する。

周知のように、冷凍サイクルは、圧縮機によりて圧縮さ
れた冷媒を凝縮器に導いて液化させ、この冷媒液をキャ
ピラリチェーゾあるいは膨張弁を介して蒸発器に導き、
この蒸発器を通った冷媒を再び圧縮器へ送り込むように
している。

このような冷凍サイクルにあって、キャピラリチー−ゾ
あるいは膨張弁を通った冷媒は、それまで蓄えられてい
た圧力エネルギが解放されるため大きな速度エネルギを
持つことになる。このように、大きな速度エネルギを持
っていることに着目し、最近では、この速度エネルギで
タービンを回し、他の仕事の動力源とすることによって
電力消費量の低減化を図る方式が考えられている。すな
わち、具体的にはキャピラリチー−ゾ（膨張弁）と蒸発
器との間に、ケーシング内にタービン翼車を回転自在に
収容したタービンを介在させるようＫしている。

ところで、このような目的に供される従来のいわゆる冷
凍サイクル用タービンとしては、通常、内部に円板状の
空間を有し、軸心線を重力方向に対して直交させて配置
される密閉されたケーシング内に上記ケーシングよプ僅
かに小径なタービン翼車を回転自在に収容し、さらにケ
ーシングの周壁上部の対向する位置に冷媒導入口および
冷媒排出口を設けたものが用いられている。

しかしながら、上記のように構成された従来の冷凍サイ
クル用タービンにあっては次のような問題があった。す
なわち、タービン翼車を回転させる仕事に使用される冷
媒は、通常、気液混合状態でタービン翼車に吹き付けら
れる。このとき、ハウジング内では、比重の違いから、
液状の冷媒は下方に、また気体状の冷媒は上方に位蓋し
、下方に溜った液状冷媒のレベルはタービン翼車の下部
が没する程度にまで達する。

このように、タービン翼車の一部がハウジング内に溜っ
た液状冷媒に接触しながら回転するので、両者間の摩擦
によって損失が発生し、この結果、与えられたエネルギ
の割合に対してタービン出力が低いと云う問題があった
。また、冷凍サイクルの運転を停止すると、冷凍サイク
ルを形成する閉ルーグ内の圧力差がなくなるので、液状
冷媒が閉ルー！内の各部に分散し、各部の配置によって
はタービンのハウジング内にもタービン翼車の下部が没
するレベルに液状冷媒が溜まることになる。このように
、タービン翼車の下部が液状冷媒に接触した状態で冷凍
サイクルの運転を開始させた場合、大きな起動トルクを
必要とするので、タービン翼車が回転を開始するまでに
時間を要し、この結果、冷媒の流れが不安定となシ、冷
凍サイクルの運転開始時に圧縮機の大力が増大する問題
もあった。さらにまた、タービン内を通過する冷媒は、
等工／トロピー的に変化することが望ましいが、一般的
にはエントロピーが増加する方向へ変化する。

つまり、乾き度が増大し、冷却能力には寄与できない気
体成分が増加する。このような状態で蒸発器に送シ込ま
れると、蒸発器内では気体成分による圧力損失が増加す
ることになシ、この結果、冷凍サイクル全体の効率が必
然的に低下したものとなる。したがって、冷凍サイクル
全体からみると、タービンで得られた仕事を考慮に入れ
てもそれ程電力消費量を低減できない問題がちらた。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、そ
の目的とするところは、冷凍サイクルの安定性を阻害す
ることなく高ｖｈ回転出力を得ることができ、しかも、
冷凍サイクルの冷却能力の向上化および低電力消費量化
に寄与できる冷凍サイクル用タービンを提供することに
６る。

すなわち、本発明は、ケーシンダＯ下端部に冷媒液溜め
部を設けるとともに上記溜め部を介して次段に位置する
蒸発器側へ向けて液状冷媒を送）出す第１の冷媒排出口
を設け、さらに、ケーシング内の上記冷媒液溜め部よ〕
上方位置に通じて気体状冷媒を上記蒸発器よ〕下流側へ
向けて送９出す第２の冷媒排出口を設けたことを特徴と
している。

ここで上記溜め部の容積は、冷凍ナイクルを形成する閉
ルーグ内に収容されて−る冷媒液の全量を収容し得るａ
＊が望・ましいが、冷凍サイクルの運転を停止したと−
きには閉ルー！内の各部に冷媒液が分散することからし
て、閉ルーグを構成する各部の配置によってはそれより
小さい容量でもよい。また、第２の冷媒排出口は、配管
を介して蒸発器の出口、りまシ圧縮機の入口に接続され
るか、ケーシングがキャｅラリーテエープの中間に介挿
されているときには細管を介して圧縮機の入口あるいは
配管を介して圧縮機の圧縮工程中のシリンダに接続され
るものとする。

このような本発明に係るタービンであれば、冷媒液溜め
部を設けたことと第１の冷媒排出口を上述した関係に設
けたこととが相俟って、冷凍サイ夛ルの起動時は勿論の
こと運転中であってもタービン翼車゛が溜った冷媒液に
接触するのを防止でき、この結果、起動に必要なトルク
の低減化および運転中における損失の低減化を図れ、冷
凍サイクル系に悪影響を与えずにタービン翼車から高い
回転出力を取り出すことがヤきる。また、前記関係に第
２の冷媒排出口を設けているので、タービンに良好な気
液分離作用を発揮させることができ、上記第２の冷媒排
出口を圧縮機の入口あるいは圧縮機の圧縮工程中のシリ
ンダに接続することによって冷却能力のない気体状冷媒
が蒸発器内を通るのを防止できる。

したがって、蒸発器での圧力損失を軽減でき、これによ
って、圧縮機入力の低減化を図れるばかりか上述の如く
圧縮工程中のシリンダに接続することによって冷却能力
に寄与できる冷媒循環量を増すことができ、冷却能力の
増大化を図ることができる。したがって、このような構
成のタービンであれば、冷凍サイクルの安定化、効率向
上化、低電力消費化に寄与でき、なおかつ高い回転出力
を送出することかできる。

以下、本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。

第１図は、本発明の一実施例に係るタービンを組込んだ
冷凍サイクル系統を示す図である。

すなわち、図中１は冷媒を圧縮する圧縮機であり、この
圧縮１ａ１から送シ出された冷媒が配管２を介して凝縮
ａ３に送シ込まれ、ここで液化された後、配管４、キャ
ピラリチェーｆ５を介して本発明に係るターｅ７ｇに送
ｐ込まれる。

このタービン互は、後で詳述するように冷媒導入部Ｐと
、第１および第２の冷媒排出部Ｑ、Ｒとを有している。

そして、上記第１の冷媒排出部Ｑを出た冷媒が配管１を
介して蒸発器Ｉに送り込まれ、この蒸発器８から配管９
を介して再び圧縮器１に送シ込まれ、さらに、前記ター
ビン１の第２の冷媒排出部Ｂから送シ出された冷媒が配
管１０を介して圧縮機１０人口に送り込まれて閉ルーグ
の冷凍ナイクル系統を構成している。

しかして、前記タービン互は、具体的には第２図に示す
ように構成されている。すなわち、図中１１はケーシン
グであシ、このケーシング１１は、外形が扁平な円板状
で、内部に円板状の空間１２を有し、かつ空間１２の、
いわゆる軸心線が重力方向に対して直交するように配置
された扁平円板状部１３と、この１平円板状部１３の下
端部に前記空間１２と連通する関係に接続された容器状
部１４とで構成されている。

そして、扁平円板状部１３の内部には、その回転中心線
が空間１２の前記軸心線とほぼ一致する関係にシロ、コ
形のタービン翼車１５が回転自在に収容されており、こ
のタービン翼車１５の回転軸１６の一部はケーシング１
１を気密に貫通して外部へ突出している。

しかして、ケーシング１１のいわゆる土壁の偏心位置に
は孔１７が設けてあシ、この孔１７には一端側が上記孔
１１を貫通して前記タービン翼車１５に対向し、曲端側
が前記キャピラリチェーブ５に接続された噴射ノズル１
８が気密に固定されている。すなわち、この噴射ノズル
１８によって前述した冷媒導入部Ｐが構成されている。

また、ケーシング１１の前記容器状部１４の底壁にも孔
１９が形成されてお夛、この孔１９は前記配管１に接続
されている。すなわち、この孔１９によって、前述した
第１の冷媒排出部Ｑが構成されている。さらに、扁平円
板状部１３の、いわゆ゛る側壁にも孔２０が形成されて
おり、この孔２０には、一端側が上記孔２０を貫通して
タービン翼車１５に対向し、他端側が前記配管１０に接
続された排出ノズル２１が気密に接続されている。すな
わち、この排出ノズル２１によって前述した第２の冷媒
排出部Ｒが構成されている。

（ このような構成であると、圧縮機１を動作状態にすると
、前述のように冷媒が圧縮機１から送９出され、この送
９出された冷媒は凝縮器３で冷却されて液化された後、
中ヤピラリチェーゾ５を介してタービン互へ送シ込まれ
る。そして、タービン互内を通った冷媒の一部は蒸発器
８を通った後、圧縮機１へ送シ込まれ、また残９の冷媒
は直接的に圧縮機１へ送り込まれる。

上記のように冷媒がキャピラリチー−ゾ５からタービン
Ｌへ送シ込まれるとき、今まで蓄えられていた圧力エネ
ルギが急激に開放されるので、冷媒は大きな速度エネル
ギをもって、つまり高速で噴射ノズル１８からタービン
減車１５に向けて噴射される。このため、タービン翼車
１５は、第２図中実線矢印２２で示す方向に回転を開始
し、ここに冷凍サイクル用タービンとしての機能を発揮
する。

ところで、噴射ノズル１８から噴射された冷媒は、気体
状の冷媒と液体状の冷媒とが混合した気液混合状態にあ
る。このため比重の違いから、ケーシング１１内では、
液状の冷媒が下方に、また、気体状の冷媒が上方に位置
するように気液分離形態が形成され、ケーシング１１内
の下部、つまり容器状部１４内に液状の冷媒溜り２３が
形成された状態となる。そして、上記容器状部１４内に
溜った液状冷媒は孔１９に接続された配管７を介して蒸
発器８へ連続的に送られ、また、ケーシング１１内の上
方に位置する気体状冷媒は排出ノズル２１および配管１
０を介して圧縮機１へ戻される。

この場合、ケーシング１１の下燗部には容器状部Ｊ４が
接続されているので、この容器状部１４の容積を予め所
定に設定しておきさえすれば液状の冷媒溜夕２３がター
ビン翼車１５に接触するのを防止できる。特に、容器状
部１４の底壁に液状冷媒を排出させるための孔１９を位
置させているので、運転中は、この孔１９から液状冷媒
が連続的に排出されることＫなシ、液状の冷媒溜シ２３
のレベルはほぼ一定に保たれ、結局、運転中は冷媒溜９
２３がタービン翼車１５に接触するような虞れがない、
したがって、接触に伴なって生じる損失の発生がないの
で、入力エネルギーを一定にした場合、従来のタービン
に較べて高い回転出力を送出することができる。また、
冷凍サイクルの運転を停止すると、冷媒液が閉ルー！内
の各部に分散し、各部の設置条件によっては、ケーシン
グ１１内にも溜るが、上記設置条件を加味して容器状部
１４の容積を設定しておきさえすれば、ケーシング１１
内に溜った冷媒液がタービン翼車１５に接触するのを防
止できる。したがって、冷凍サイクルの運転を開始する
と、タービン翼車１５に速やかに回転を開始させること
ができ、従来のタービンとは違りて回転開始の遅れに伴
なう圧縮機入力の増大化や冷凍サイクルの不安定化を招
く虞れがない。同様に、冷媒液の封入量に誤差がありた
９、外的要因により冷凍サイクルの条件が変化したシし
た場合も容器状部１４、つまシ、液状冷媒溜め部Ｘの存
在によりて冷凍サイクルに与える影響を緩和させること
ができる。さらに、ケーシング１１に、液状冷媒だけを
排出させる孔１９、すなわち第１の冷媒排出部Ｑと、気
体状冷媒だけを排出させる排出ノズル２１、すなわち第
２の冷媒排出部Ｒとを設けているので、第１図に示した
ように第２の冷媒排出部Ｂを蒸発器８より下流に位置す
る流路に接続することによりて、冷却能力のない気体状
冷媒が蒸発器８内を通るのを阻止することができる。し
たがって、蒸発器８での圧力損失を減少させることがで
きるので、圧縮機１の入力を低減させることができ、冷
凍サイクル全体の電力消費量を低減化させることができ
る。

第３図は本発明に係るタービンの冷凍サイクル系統への
組込み方の異なる例を示すものである。この例において
は、タービン五の冷媒導入部Ｐと第１の冷媒排出部Ｑと
をキャピラリチ。

−ブ５＊ｅ５ｂ間に位置させるとともに第２の冷媒排出
部Ｒを配管１０を介して圧縮機１の圧縮工程中のシリン
ダに接続している。

このように組込んでも−ＪタービンＬは第１図に示した
組込み例と同様な機能を発揮し、同様な効果を奏する。

そして、このように組込むと次のような利点がある。す
なわち、キャピラリチューブ５ｍ、５ｂ間に冷媒導入部
Ｐと第１の冷媒排出部Ｑとを位置させているので、ケー
シング１１内の圧力が高く、この結果、ケーシング１１
内の気体状冷媒は強制的に圧縮機１の圧縮工程中のシリ
ンダ内に送り込まれる。したがって、冷凍サイクルを構
成している各部の冷媒をモリエル線図で示すと第４図に
示すようになる。この図から判るように気体状冷媒を圧
縮工程中のシリンダ内に送９込むことによって冷却能力
に寄与する冷媒循環量を増すことができ、冷凍能力を増
加させることができ、尚一層電力消費量の低減化を図る
ことができる・ なお、本発明は、上述した実施例に限淀されるものでは
なく、種々変形できる。すなわち、上述した実施例では
下趨部に容器状部を接続して、この容器状部で液状冷媒
溜め部を構成しているが第５図に示すようにケーシング
Ｊｉｇの内径とタービン翼車１５の外径との差を利用し
てケーシング１ｌｈＯ内の下部に液状冷媒溜め部ｘ１を
構成してもよいし、また、上記内・外径差およびｌ心装
置によって構成してもよいし、さらに第６図に示すよう
に配管２の熾部を大径化させることによって液状冷媒溜
め部ｘｂを構成してもよい。また、タービン翼車１５の
回転軸１６を重力方向く対して直交させているが第７図
に示すように冷媒液溜め部Ｘ　（Ｘａ　−Ｘｂ　）に溜
りた冷媒にタービに翼車１５が接触しない程度に傾斜さ
せてもよい。また、第３図に示すようにキャビラリチュ
ーブ５＆、５ｂｒｌＪＫ冷媒導入部Ｐと第１の冷媒排出
部Ｑとを介在させた場合に第２の冷媒排出部Ｒをキャピ
ラリチューブを介して圧縮機１の入口に接続するように
してもよい。

以上詳述したように、本発明によれば、冷凍サイクル系
の低消費電力化および冷凍能力の向上化に寄与し、なお
かつ高い回転出力が得られる冷凍サイクル用タービンを
提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係るターぜンを組込んだ冷
凍サイクル系統図、第２図は同実施例に係るタービンの
縦断面図、第３図は同突、施例に係るタービンを組込ん
だ別の冷凍サイクル系統図、第４図は同系統の冷媒の状
態を示すモリエル線図、第５図および第６図は本発明の
それぞれ＾なる実施例に係るタービンの縦断面図、第７
図はタービンの堆付例の他の例を説明するための断面図
でおる。 ｅ　ｒ　ｅ；　ａ　ｒ　ｌｋ　”’タービン、１１．ｌ
１ｍ。 １１ｂ−・ケーシング、１５・・・タービン翼車、１６
・・・回転軸、１８・・・噴射ノズル、１　ｍ　−・・
孔、２１−・・排出ノズル、Ｐ・−・冷媒導入部、Ｑ　
・１４１の冷媒排出部、Ｒ・・・第２の冷媒排出部、Ｘ
　＊　Ｘ＠　ｒＸｂ・・・冷媒液溜め部。 出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦第１図 第２図 １に３図 第４図 エシタルピ 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）密閉されたケーシングと、このケーシング内に回
   転自在に収容されたタービン翼車と、圧力エネルギおよ
   び速度エネルギの少なくとも一方のエネルギを保有した
   冷媒を前記ケーシング内に導いて前記タービン翼車に吹
   付け、上記タービン翼車を回転させる冷媒案内機構と、
   前記ケーシングの下端部に形成された冷媒液溜め部と、
   この冷媒液溜め部を介して液状冷媒を次段に位置する蒸
   発器側へ向けて送り出す第１の冷媒排出口と、前記ケー
   シング内の前記冷媒液溜め部より上方位置に通じ気体状
   冷媒を前記蒸発器よシ下流側へ向けて送シ出す第２の冷
   媒排出口とを具備してなることを％徴とする冷凍サイク
   ル用タービン。 （２）前記冷媒液溜め部は、前記タービン翼車の外径と
   前記ケーシングの内径との差によって形成されたもので
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の冷凍
   サイクル用ターーン〇（３）　　前記冷媒液溜め部は、
   前記タービン翼車の外径と前記ケーシングの内径との差
   および上記タービン翼車の上記ケーシング内への偏心配
   置メよって形成されたものであることを特徴とする特許
   請求の範囲７ｓ１項記載の冷凍サイクル用タービン。 （４）　　前記冷媒液溜め部は、前記ケーシングの用タ
   ービン。