WO2023058536A1 - 膨張タービン及びそれを用いた冷凍装置 - Google Patents

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WO2023058536A1
WO2023058536A1 PCT/JP2022/036324 JP2022036324W WO2023058536A1 WO 2023058536 A1 WO2023058536 A1 WO 2023058536A1 JP 2022036324 W JP2022036324 W JP 2022036324W WO 2023058536 A1 WO2023058536 A1 WO 2023058536A1
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expansion turbine
working fluid
turbine
separation chamber
rotation axis
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PCT/JP2022/036324
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英俊 田口
哲英 倉本
雅也 本間
巧 引地
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D45/00—Separating dispersed particles from gases or vapours by gravity, inertia, or centrifugal forces
    • B01D45/04—Separating dispersed particles from gases or vapours by gravity, inertia, or centrifugal forces by utilising inertia
    • B01D45/08—Separating dispersed particles from gases or vapours by gravity, inertia, or centrifugal forces by utilising inertia by impingement against baffle separators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D45/00—Separating dispersed particles from gases or vapours by gravity, inertia, or centrifugal forces
    • B01D45/12—Separating dispersed particles from gases or vapours by gravity, inertia, or centrifugal forces by centrifugal forces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
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    • F01D25/24—Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/30—Exhaust heads, chambers, or the like
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/32—Collecting of condensation water; Drainage ; Removing solid particles

Definitions

  • the present disclosure relates to an expansion turbine and a refrigeration system using the same.
  • Patent Document 1 discloses a device for removing moisture contained in a steam flow, which is the working fluid of a steam turbine.
  • the device includes vanes, rake slots, and straightening vanes.
  • the vanes are arranged downstream of the high-pressure turbine and upstream of the low-pressure turbine, and generate a swirl flow having an axis parallel to the axial direction of the turbine axis in the steam discharged from the high-pressure turbine.
  • the scooping slot guides moisture impinging on the inner wall surface of the device due to the centrifugal force caused by the swirling flow.
  • Straightening vanes are members for eliminating swirl flow.
  • the present disclosure provides techniques for removing condensed water and/or ice chips from a working fluid while suppressing performance degradation of an expansion turbine.
  • the expansion turbine of the present disclosure includes: an expansion turbine wheel; a turbine housing surrounding the expansion turbine wheel in the circumferential direction to form a working fluid flow path; a turbine diffuser arranged coaxially with the expansion turbine wheel on the discharge side of the working fluid in the turbine housing; with The turbine diffuser doubles as a centrifuge.
  • the refrigeration apparatus of the present disclosure comprises comprising an expansion turbine of the present disclosure above;
  • the working fluid is air.
  • Sectional view of the expansion turbine according to Embodiment 1 Diagram showing the velocity triangle in a radial turbine Planar view of the velocity triangle when the working fluid flows into the expansion turbine wheel Planar view of the velocity triangle when the working fluid is discharged from the expansion turbine wheel
  • Cross-sectional view of an expansion turbine according to Embodiment 2 Half section view of inner part Top view of inner part Cross-sectional view of an expansion turbine according to Embodiment 3
  • Half section view of inner part Top view of inner part Cross-sectional view of an expansion turbine according to Embodiment 4 Plan view of an expansion turbine according to Embodiment 4 Partial enlarged view of FIG. 6A
  • Cross-sectional view of an expansion turbine according to Embodiment 5 Cross-sectional view of the expansion turbine according to Embodiment 5 taken along line A-A Configuration diagram of a refrigeration system according to Embodiment 6
  • the working fluid used was air or other gas that outputs cold energy (cold energy), particularly cold energy having a temperature below the freezing point, and the working fluid was used as a cold heat source.
  • a refrigeration system directly used as a In this type of refrigerating apparatus, a structure for collecting condensed water and/or ice chips is provided on the flow path between the freezer and the heat exchanger. According to this structure, it is possible to prevent water vapor contained in the working fluid from condensing in the thermodynamic process of the refrigeration cycle and adhering to the inner wall surface of the freezer or the like, which is the output destination of cold heat, in the form of frost. As a result, the function of the refrigeration system can be maintained even when low-temperature cold energy is output.
  • Embodiment 1 Embodiment 1 will be described below with reference to FIGS. 1 to 3B.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of expansion turbine 100 according to the first embodiment.
  • the expansion turbine 100 includes an expansion turbine wheel 10 , a turbine housing 20 and a turbine diffuser 30 .
  • the turbine housing 20 circumferentially surrounds the expansion turbine wheel 10 to form a working fluid flow path.
  • the turbine diffuser 30 is arranged coaxially with the expansion turbine wheel 10 on the working fluid discharge side of the turbine housing 20 .
  • the turbine diffuser 30 also serves as a centrifuge.
  • the expansion turbine 100 utilizes a swirl component of the working fluid having an axis parallel to the flow direction of the working fluid downstream of the expansion turbine wheel 10, that is, in the turbine diffuser 30, to extract condensed water and condensed water contained in the working fluid. /or the ice chips can be separated from the main flow F1 of the working fluid. Therefore, when the expansion turbine 100 is used in the final stage of the cold heat generation cycle, condensed water and/or ice chips are less likely to be discharged from the expansion turbine 100 . When components such as piping and a freezer are arranged downstream of the expansion turbine 100, frost formation on the inner wall surfaces of these components can be suppressed.
  • the cost of a refrigeration system using the expansion turbine 100 can be reduced because the mechanism for separating condensate and/or ice chips can be omitted or simplified. By suppressing frost formation, downtime of the refrigeration system for defrosting can be reduced, and convenience is improved.
  • condensed water and/or ice chips is simply referred to as “condensed water”.
  • the technology of the present disclosure mainly collects condensed water and discharges it to the outside of the expansion turbine 100 .
  • the condensed water may be mixed with ice flakes, or the ice flakes may be the predominant collection.
  • the expansion turbine wheel 10 is attached to the shaft 12 and rotates together with the shaft 12 .
  • the turbine housing 20 has a volute chamber 22 containing the inlet of the expansion turbine 100 .
  • a turbine nozzle 21 is arranged around the expansion turbine wheel 10 .
  • the spiral chamber 22 and the turbine nozzle 21 form a flow path from the inlet of the expansion turbine 100 to the expansion turbine wheel 10 .
  • the turbine diffuser 30 is a tubular member extending in a direction parallel to the rotation axis O from a position corresponding to the downstream end 10p of the expansion turbine wheel 10.
  • the turbine diffuser 30 has an internal flow path 30f.
  • An inner peripheral surface 30a of the turbine diffuser 30 is inclined with respect to the rotation axis O.
  • the cross-sectional area of the internal flow path 30f continuously expands downstream in the flow direction of the working fluid.
  • the velocity of the working fluid gradually decreases and the pressure of the working fluid gradually recovers.
  • Turbine housing 20 and turbine diffuser 30 may be integrated. That is, the turbine housing 20 and turbine diffuser 30 may be a single piece.
  • the turbine housing 20 and the turbine diffuser 30 are arranged coaxially with the expansion turbine wheel 10 .
  • a rotation axis O of the expansion turbine wheel 10 passes through the centers of the turbine housing 20 and the turbine diffuser 30 .
  • the rotation axis O of the expansion turbine wheel 10 is, for example, parallel to the horizontal direction.
  • the expansion turbine 100 is specifically a radial turbine. Applying the technology of the present disclosure to a radial turbine allows efficient removal of condensed water from the working fluid.
  • the type of working fluid is not particularly limited.
  • the working fluid is, for example, air.
  • air is the working fluid, the low-temperature air produced by the expansion turbine 100 is directly supplied to a target space such as a freezer (see Embodiment 6).
  • the expansion turbine 100 further includes a separation channel 50 to serve also as a centrifuge.
  • the expansion turbine 100 further has a flow path member 40 continuing to the turbine diffuser 30 .
  • a separation channel 50 is provided in the channel member 40 .
  • the flow path member 40 is also arranged coaxially with the expansion turbine wheel 10 .
  • the inner peripheral surface 40a of the flow path member 40 is also inclined with respect to the rotation axis O. As shown in FIG.
  • the cross-sectional area of the internal channel 40f of the channel member 40 also continuously expands downstream in the flow direction of the working fluid. That is, in the present embodiment, the channel member 40 can be part of the diffuser. However, it is not essential that the flow path member 40 has a diffuser function.
  • the cross-sectional area of the internal channel 40f of the channel member 40 may be constant along the direction of flow of the working fluid.
  • the inner peripheral surface 40a of the flow path member 40 may be parallel to the rotation axis O in the cross section of FIG.
  • the flow path member 40 may be omitted.
  • the inclination angle ⁇ of the inner peripheral surface 30a with respect to the rotation axis O is equal to the inclination angle of the inner peripheral surface 40a with respect to the rotation axis O.
  • the tilt angle is, for example, in the range of 7.5 degrees to 15 degrees. No step is provided between the inner peripheral surface 30a and the inner peripheral surface 40a.
  • the separation channel 50 has an inlet 41 that opens to the inner peripheral surface 40 a of the channel member 40 and communicates with the outside of the expansion turbine 100 .
  • the separation channel 50 is a channel different from the internal channel 30f and the internal channel 40f. Condensed water enters separation channel 50 through inlet 41 . If the channel member 40 is omitted, the inlet 41 of the separation channel 50 may open to the inner peripheral surface 30 a of the turbine diffuser 30 .
  • the separation channel 50 serves to collect condensed water separated from the main flow F1 of the working fluid and discharge it to the outside.
  • the separation channel 50 enables continuous discharge of condensed water to the outside.
  • the turbine diffuser 30 and the separation channel 50 work together to function as a centrifuge.
  • outside the expansion turbine 100 means outside a device using the expansion turbine 100, such as a refrigeration system.
  • the exterior of the expansion turbine 100 is, for example, the external atmosphere or drain to which the separated condensate is to be discharged.
  • the inlet 41 of the separation channel 50 is located, for example, in the range described below.
  • the inlet 41 is provided for the internal flow path 30f and the internal flow path 40f. It is in a range downstream of the middle position of the total length L (position of L/2). If the inlet 41 is provided at such a position, it is possible to efficiently collect the condensed water while suppressing deterioration of the performance of the expansion turbine 100 .
  • the size of the inlet 41 of the separation channel 50 is not particularly limited.
  • the size of the inlet 41 can be adjusted so that the inflow of working fluid can be reduced while sufficiently collecting the condensed water.
  • the inlet 41 is provided over 360 degrees in the circumferential direction of the rotation axis O. That is, the inlet 41 has an annular shape along the inner peripheral surface 40a (or the inner peripheral surface 30a). According to such a configuration, the condensed water can be reliably collected.
  • the shape of the inlet 41 is not particularly limited.
  • the inlet 41 may be divided into multiple sections. Each of the plurality of portions may have an arc shape, or may be circular in plan view.
  • the separation channel 50 further has a separation chamber 42 , an upstream portion 43 and a downstream portion 44 .
  • the separation chamber 42 is located radially outside the inner peripheral surface 40a of the flow path member 40 (or the inner peripheral surface 30a of the turbine diffuser 30).
  • the upstream portion 43 is a portion that communicates the inlet 41 and the separation chamber 42 .
  • the downstream portion 44 is a portion that communicates between the separation chamber 42 and the outside of the expansion turbine 100 .
  • the channel cross-sectional area (maximum portion) of the upstream portion 43 is smaller than the channel cross-sectional area (minimum portion) of the separation chamber 42 .
  • the channel cross-sectional area of the upstream portion 43 is the area of the upstream portion 43 in any cross section passing through the upstream portion 43 and perpendicular to the rotation axis O.
  • the channel cross-sectional area of the separation chamber 42 is the area of the separation chamber 42 in a cross section passing through the separation chamber 42 and perpendicular to the rotation axis O.
  • the size of the flow channel cross-sectional area of the downstream portion 44 is not particularly limited. In this embodiment, the channel cross-sectional area of the downstream portion 44 is smaller than the channel cross-sectional area of the separation chamber 42 .
  • the channel cross-sectional area of the downstream portion 44 is the area of the downstream portion 44 in any cross section passing through the downstream portion 44 and perpendicular to the rotation axis O.
  • the separation chamber 42 has an annular shape coaxial with the expansion turbine wheel 10 .
  • condensed water can be collected over the entire circumference of the inner peripheral surface 30 a of the turbine diffuser 30 or the inner peripheral surface 40 a of the flow path member 40 . Therefore, the condensed water can be collected more reliably. This makes it possible to sufficiently suppress the formation of frost on the inner wall surfaces of the components arranged downstream of the expansion turbine 100 .
  • the upstream portion 43 obliquely extends from the inlet 41 toward the separation chamber 42 .
  • the distance from the expansion turbine wheel 10 to the inlet 41 in the direction parallel to the rotation axis O is shorter than the distance from the expansion turbine wheel 10 to the separation chamber 42 . Therefore, the upstream portion 43 extends in a direction inclined with respect to the rotation axis O and in a direction away from the rotation axis O.
  • the inclination angle of the upstream portion 43 with respect to the rotation axis O is, for example, 30 degrees to 60 degrees.
  • the downstream portion 44 opens to the end face 40q of the flow path member 40 (or the end face of the turbine diffuser 30). The downstream portion 44 communicates with the separation chamber 42 at the bottom in the vertical direction. This allows condensed water to be smoothly collected from the separation chamber 42 to the downstream portion 44 .
  • the downstream portion 44 may extend radially outward.
  • the downstream portion 44 may open to the outer peripheral surface of the flow path member 40 or the outer peripheral surface of the turbine diffuser 30 .
  • the downstream portion 44 may extend vertically downward. In this case, condensed water tends to collect in the downstream portion 44 .
  • Fig. 2 is a diagram showing a velocity triangle in a radial turbine.
  • the working fluid flows into the expansion turbine wheel 10 from the outer peripheral portion of the expansion turbine wheel 10 at an inflow relative velocity W1, passes through the interblade flow path of the expansion turbine wheel 10, and is directed toward the turbine diffuser 30. is ejected at an absolute ejection speed C2.
  • the expansion turbine wheel 10 is caused by the impulse applied to the expansion turbine wheel 10 by the working fluid flowing in at the inflow relative velocity W1 and the reaction given to the expansion turbine wheel 10 when the working fluid is discharged at the discharge relative velocity W2. It rotates in the direction of rotation 11 .
  • the expansion turbine wheel 10 When the expansion turbine wheel 10 rotates, the expansion turbine wheel 10 has a peripheral velocity U1 at the position where the working fluid flows into the expansion turbine wheel 10 . At the location where the working fluid is discharged from the expansion turbine wheel 10, the expansion turbine wheel 10 has a peripheral velocity U2. Therefore, the working fluid flows into the expansion turbine wheel 10 at an inflow relative speed W1, which is a composite speed of the peripheral speed U1 and the inflow absolute speed C1. When the working fluid is discharged from the expansion turbine wheel 10, the working fluid is discharged from the inter-blade passages of the expansion turbine wheel 10 at a discharge relative velocity W2.
  • the working fluid is discharged from the expansion turbine wheel 10 in the discharge direction forming an angle with the relative discharge speed W2 at the discharge absolute speed C2, which is the composite speed of the peripheral speed U2 and the discharge relative speed W2.
  • a vector diagram representing the relationship between the flow directions of the working fluid at the time of inflow into the expansion turbine wheel 10 and at the time of discharge from the expansion turbine wheel 10 is called a velocity triangle.
  • the velocity triangle is one of the design factors that determine power and performance in expansion turbine design.
  • FIG. 3A is a plan view of the velocity triangle when the working fluid flows into the expansion turbine wheel 10.
  • FIG. 3B is a plan view of the velocity triangle when the working fluid is discharged from the expansion turbine wheel 10.
  • the working fluid flows into the expansion turbine wheel 10 from the outer peripheral portion of the expansion turbine wheel 10 at a relative inflow velocity W1, and passes through the interblade flow path of the expansion turbine wheel 10. , toward the turbine diffuser 30 at an absolute discharge velocity C2.
  • the expansion turbine wheel 10 is caused by the impulse applied to the expansion turbine wheel 10 by the working fluid flowing in at the inflow relative velocity W1 and the reaction given to the expansion turbine wheel 10 when the working fluid is discharged at the discharge relative velocity W2. It rotates in the direction of rotation 11 .
  • the expansion turbine wheel 10 When the expansion turbine wheel 10 rotates, the expansion turbine wheel 10 has a peripheral velocity U1 at the position where the working fluid flows into the expansion turbine wheel 10 . At the location where the working fluid is discharged from the expansion turbine wheel 10, the expansion turbine wheel 10 has a peripheral velocity U2. Therefore, the working fluid flows into the expansion turbine wheel 10 at an inflow relative speed W1, which is a composite speed of the peripheral speed U1 and the inflow absolute speed C1. When the working fluid is discharged from the expansion turbine wheel 10, the working fluid is discharged from the inter-blade passages of the expansion turbine wheel 10 at a discharge relative velocity W2.
  • the working fluid flows from the expansion turbine wheel 10 at a discharge absolute speed C2, which is a composite speed of the peripheral speed U2 and the discharge relative speed W2, toward the discharge direction forming a discharge flow angle ⁇ 2 with respect to the discharge relative speed W2. Dispensed.
  • the relative discharge velocity W2 changes to the discharge relative velocity W2' at low temperatures as the density of the working fluid decreases as the temperature decreases.
  • the ejection absolute velocity C2 changes to the ejection absolute velocity C2' at low temperature.
  • the discharge flow angle ⁇ 2 which is the angle between the discharge relative velocity W2 and the discharge absolute velocity C2
  • Expansion turbines are sometimes used to reduce the temperature of the working fluid.
  • the goal may be to reduce the temperature of a space located downstream of an expansion turbine.
  • Methods for lowering the temperature of the working fluid to a desired temperature include flowing the working fluid into the downstream space, sucking the working fluid from the downstream space and compressing it, and pumping the compressed working fluid in an expansion turbine. There is an iterative method of re-inflating. As the temperature of the working fluid decreases, the swirl component of the flow of working fluid discharged from the expansion turbine wheel 10 continuously increases. In particular, when the temperature of the working fluid drops below the dew point temperature according to the pressure of the working fluid, the working fluid discharged from the expansion turbine wheel 10 contains condensed water.
  • the working fluid flow may contain ice chips. If the working fluid is air and the temperatures of air and condensed water (and/or ice chips) are the same, there is a density difference of about 10 3 times between them. Therefore, in a flow field where air and condensed water (and/or ice flakes) have the same swirl velocity, the condensed water (and/or ice flakes) will have a stronger inertial force in the tangential direction of the swirl component compared to air. works.
  • the condensed water is discharged from the interblade passage of the expansion turbine wheel 10 together with the working fluid. Thereafter, the working fluid containing condensed water flows downstream while having a flow component distributed near the inner peripheral surface 30a of the turbine diffuser 30 and oriented in the tangential direction of the inner peripheral surface 30a.
  • turbine diffuser 30 also serves as a centrifuge.
  • the expansion turbine 100 includes a separation channel 50 .
  • the working fluid containing condensed water concentrates near the inner peripheral surface 30 a of the turbine diffuser 30 .
  • Condensed water contained in the working fluid is collected from the inlet 41 of the separation channel 50 to the separation chamber 42 together with part of the working fluid, and is discharged from the downstream portion 44 of the separation channel 50 to the outside of the expansion turbine 100 . Thereby, the condensed water can be separated from the main flow F1 of the working fluid.
  • turbine diffuser 30 also serves as a centrifuge. As a result, the condensed water can be removed from the working fluid while suppressing deterioration of the performance of the expansion turbine 100 .
  • the expansion turbine 100 is a flow path having an inlet 41 opening to the inner peripheral surface 30a of the turbine diffuser 30 or the inner peripheral surface 40a of the flow path member 40 following the turbine diffuser 30.
  • the separation channel 50 enables continuous discharge of condensed water to the outside.
  • the separation channel 50 includes a separation chamber 42 arranged radially outside the inner peripheral surface 30a of the turbine diffuser 30 or the inner peripheral surface 40a of the flow channel member 40, an inlet 41 and the separation chamber 42. 42 and a downstream portion 44 communicating between the separation chamber 42 and the outside of the expansion turbine 100 .
  • the separation chamber 42 may have an annular shape coaxial with the expansion turbine wheel 10 .
  • condensed water can be collected over the entire circumference of the inner peripheral surface 30 a of the turbine diffuser 30 or the inner peripheral surface 40 a of the flow path member 40 .
  • Embodiment 2 Embodiment 2 will be described below with reference to FIGS. 4A, 4B and 4C.
  • FIG. 4A is a cross-sectional view of expansion turbine 200 according to the second embodiment.
  • the expansion turbine 200 further comprises a baffle plate 45 arranged inside the isolation chamber 42 .
  • Baffles 45 facilitate separation of condensed water from the working fluid. Except for the baffle plate 45, the configuration of the expansion turbine 200 is common to the configuration of the expansion turbine 100 of the first embodiment.
  • the expansion turbine 200 specifically includes a plurality of baffle plates 45 .
  • a plurality of baffle plates 45 are arranged in the annular separation chamber 42 along the circumferential direction of the rotation axis O. As shown in FIG. A plurality of baffle plates 45 may be arranged in the separation chamber 42 at equal angular intervals. However, a single baffle plate 45 may be arranged in the separation chamber 42 .
  • the channel member 40 has an inner part 401 and an outer part 402 .
  • the outer component 402 is a component having a mortar-shaped inner peripheral surface.
  • the inner part 401 is a tubular part having an internal flow path 40f.
  • the inner part 401 is fitted to the outer part 402 .
  • the shapes of the inner part 401 and the outer part 402 are determined so that the separation channel 50 is secured between them when the inner part 401 is fitted to the outer part 402 .
  • FIG. 4B is a half-sectional view of the inner component 401.
  • FIG. 4C is a plan view of inner component 401.
  • the inner part 401 has a tubular body 46 .
  • Each of the plurality of baffle plates 45 extends radially outward from the outer peripheral surface 46 q of the cylindrical body 46 .
  • a plurality of baffle plates 45 are arranged on the outer peripheral surface 46q of the cylindrical body 46 along the circumferential direction of the rotation axis O.
  • a gap G is ensured between baffle plates 45 adjacent to each other in the circumferential direction. Through the gap G, the working fluid flows downstream of the separation channel 50 .
  • a main surface of the baffle plate 45 is perpendicular to the rotation axis O.
  • major surface means the surface having the largest area;
  • the baffle plate 45 is formed integrally with the cylindrical body 46. That is, the baffle plate 45 is part of the inner component 401 . However, the baffle plate 45 may be a separate part separable from the inner part 401 . Also, the baffle plate 45 may be formed integrally with the outer component 402 .
  • the baffle plate 45 extends from the second inner surface 42q of the separation chamber 42 to the first inner surface 42p of the separation chamber 42. As shown in FIG. Thereby, condensed water can be collected more reliably.
  • the first inner surface 42p and the second inner surface 42q are surfaces along the circumferential direction of the rotation axis O of the expansion turbine wheel 10, respectively.
  • the distance from the rotation axis O to the second inner surface 42q is shorter than the distance from the rotation axis O to the first inner surface 42p. That is, the first inner surface 42p is the inner surface positioned radially outward.
  • the second inner surface 42q is an inner surface positioned radially inward.
  • the second inner surface 42q is part of the outer peripheral surface 46q of the cylindrical body 46 of the inner component 401. As shown in FIG.
  • the first inner surface 42 p is part of the inner peripheral surface of the outer component 402 .
  • the first inner surface 42p and the second inner surface 42q face each other in the radial direction.
  • the condensed water flows into the separation channel 50 through the inlet 41 together with part of the working fluid.
  • Condensed water contained in the working fluid collides with the baffle plate 45 in the separation chamber 42 . This facilitates the separation of condensed water from the working fluid.
  • the separated condensed water is collected in the downstream portion 44 of the separation channel 50 by the pressure and gravity inside the separation chamber 42 and discharged outside the expansion turbine 200 .
  • the working fluid containing condensed water collides with the baffle plate 45, and its flow direction is sharply deflected. Since there is a density difference between the working fluid and the condensed water, there is also a difference between the inertial forces acting on the working fluid and the condensed water. Since there are differences in inertial forces, there are also differences in flow patterns and flow directions. In particular, condensed water having a large inertial force collides with and adheres to the surface of the baffle plate 45 or the inner surface of the separation chamber 42 . As a result, the condensed water velocity decreases rapidly. On the other hand, since the gas-phase working fluid has a low density, the inertial force acting on the working fluid is also small.
  • the condensed water can be further separated from the working fluid that has flowed into the separation chamber 42 .
  • Condensed water can be sufficiently collected from the working fluid and discharged to the outside. This makes it possible to further suppress frost formation on the inner wall surfaces of the components arranged downstream of the expansion turbine 200 .
  • the condensate is carried by the pressure and gravity inside the separation chamber 42 to the downstream portion 44 and discharged out of the expansion turbine 200 .
  • the expansion turbine 200 may further include a baffle plate 45 arranged inside the separation chamber 42 .
  • Baffles 45 facilitate separation of condensed water from the working fluid. Condensed water can be further separated from the working fluid that has flowed into the separation chamber 42 .
  • Embodiment 3 will be described below with reference to FIGS. 5A, 5B and 5C.
  • FIG. 5A is a cross-sectional view of expansion turbine 300 according to the third embodiment.
  • 5B is a half-sectional view of inner component 403.
  • FIG. 5C is a plan view of inner component 403.
  • the expansion turbine 300 has a baffle plate 45 arranged inside the separation chamber 42 .
  • Baffles 45 facilitate separation of condensed water from the working fluid.
  • the baffle plate 45 has a main surface 45p inclined with respect to the rotation axis O of the expansion turbine wheel 10 . With such a configuration, the working fluid that has reached the separation chamber 42 through the upstream portion 43 collides with the baffle plate 45 at an angle close to vertical. Therefore, the separation of condensed water from the working fluid can be further facilitated. Except for the angle of the baffle plate 45, the configuration of the expansion turbine 300 is common to the configuration of the expansion turbine 200 of the second embodiment.
  • the channel member 40 has an inner part 403 and an outer part 402 .
  • the structure of the outer component 402 is as described in the second embodiment.
  • the structure of the inner part 403 is as described in the second embodiment, except for the angle of the baffle plate 45 .
  • the angle ⁇ between the rotation axis O and the main surface 45p of the baffle plate 45 is in the range of 45 degrees or more and less than 90 degrees. It is in. If the angle .theta. A working fluid containing condensed water may impinge on the baffle plate 45 at an angle close to vertical. As a result, the separation of condensed water from the working fluid can be further facilitated.
  • the angle ⁇ of the baffle plate 45 may be determined according to the angle ⁇ 1 of the upstream portion 43 of the separation channel 50 .
  • the angle ⁇ 1 of the upstream portion 43 is the angle between the direction in which the upstream portion 43 extends and the rotation axis O, as shown in the cross section of FIG. 5A.
  • the condensed water flows into the separation channel 50 through the inlet 41 together with part of the working fluid.
  • the working fluid containing condensed water retains the swirl component even after flowing into the separation chamber 42 .
  • the working fluid containing condensed water collides at a perpendicular or near-perpendicular angle with the main surface 45p of the baffle plate 45 which is inclined at an angle ⁇ .
  • the flow direction of the working fluid is sharply deflected in the direction along the main surface 45 p of the baffle plate 45 .
  • the inertial force acting on the condensed water is significantly greater than the inertial force acting on the working fluid. Therefore, deflection of the flow direction of the condensed water is slow.
  • the condensed water travels along the baffle plate 45, the inner surface 42p of the separation chamber 42, and the inner surface 42q of the separation chamber 42 at a speed different from that of the working fluid, mainly in the separation chamber 42. Internal pressure and gravity carry it to the downstream portion 44 .
  • the condensed water is then discharged outside expansion turbine 300 .
  • the direction of rotation of the expansion turbine wheel 10 is determined such that the working fluid flows in the direction indicated by the arrow in FIG. 3B. In this case, the effect of the baffle plate 45 is maximized.
  • the relationship between the inclination direction of the baffle plate 45 and the rotation direction of the expansion turbine wheel 10 is not limited.
  • the baffle plate 45 may have a main surface 45p that is inclined with respect to the rotation axis O of the expansion turbine wheel 10 . Such a configuration can further facilitate the separation of condensed water from the working fluid.
  • the angle ⁇ formed between the rotation axis O and the main surface 45p may be in the range of 45 degrees or more and less than 90 degrees. .
  • Such a configuration can further facilitate the separation of condensed water from the working fluid.
  • Embodiment 4 will be described below with reference to FIGS. 6A and 6B.
  • FIG. 6A is a cross-sectional view of expansion turbine 400 according to the fourth embodiment.
  • FIG. 6B is a plan view of expansion turbine 400 according to the fourth embodiment.
  • the plan view of FIG. 6B is a plan view when the expansion turbine wheel 10 is viewed from the downstream side.
  • the separation chamber 42 has an annular or arcuate groove 52 provided in the first inner surface 42p.
  • the first inner surface 42p is the inner surface located radially outward.
  • a downstream portion 44 of the separation channel 50 is connected to the separation chamber 42 at the groove 52 . With such a configuration, condensed water tends to gather in the grooves 52 . Condensed water flows along grooves 52 and is discharged outside expansion turbine 400 through downstream portion 44 of separation channel 50 .
  • the groove 52 overlaps the baffle plate 45 in the direction parallel to the rotation axis O, for example.
  • the condensed water adhering to the baffle plate 45 tends to gather in the grooves 52 .
  • Condensed water collected in the grooves 52 flows downward along the grooves 52 and is discharged outside through the downstream portion 44 . Even if the baffle plate 45 is omitted, a certain effect of the groove 52 can be expected.
  • FIG. 6C is a partially enlarged view of FIG. 6A.
  • the depth of the groove 52 and the width of the groove 52 are not particularly limited.
  • the depth d2 of the groove 52 satisfies (0.4 ⁇ d1) ⁇ d2 ⁇ (0.8 ⁇ d1). may be adjusted to Based on the maximum dimension w1 of the separation chamber 42 in the direction parallel to the rotation axis O, the width w2 of the groove 52 is adjusted so as to satisfy (0.2 ⁇ w1) ⁇ w2 ⁇ (0.6 ⁇ w1). may
  • the depth of the groove 52 means the depth of the groove 52 in the direction perpendicular to the rotation axis O.
  • the width of the groove 52 means the width of the groove 52 in the direction parallel to the rotation axis O.
  • the center position of the groove 52 in the direction parallel to the rotation axis O may coincide with the center position of the separation chamber 42 in the direction parallel to the rotation axis O.
  • the center position of the groove 52 in the direction parallel to the rotation axis O may coincide with the center position of the baffle plate 45 in the direction parallel to the rotation axis O.
  • the downstream portion 44 of the separation channel 50 is connected to the lowermost part of the separation chamber 42 in the vertical direction. Therefore, the condensed water collected in the groove 52 smoothly flows into the downstream portion 44 .
  • the downstream portion 44 opens to the end surface 40q of the flow path member 40. As shown in FIG. If the flow path member 40 is omitted, the downstream portion 44 may open to the end face of the turbine diffuser 30 . The downstream portion 44 may extend radially outward. The downstream portion 44 may open to the outer peripheral surface of the flow path member 40 or the outer peripheral surface of the turbine diffuser 30 .
  • the expansion turbine 400 further comprises a return flow path 48 .
  • the return flow path 48 serves to merge the working fluid that has flowed into the separation flow path 50 into the main flow F1 of the working fluid. Since the return flow path 48 does not dispose of cold heat to the outside, the efficiency of the expansion turbine 400 is improved.
  • the return flow path 48 may be provided, for example, in expansion turbines 100, 200 or 300 of other embodiments.
  • the return channel 48 opens at the end face 40q of the channel member 40. As shown in FIG. That is, the return channel 48 opens toward the separation chamber 42 downstream of the baffle plate 45 . With such a configuration, the working fluid from which the condensed water has been sufficiently removed can be returned to the main flow F1.
  • the return flow path 48 may open to the end face of the turbine diffuser 30.
  • the return channel 48 has an arc shape along the circumferential direction of the internal channels 30f and 40f in plan view.
  • the return channel 48 is divided into a plurality of parts (three parts).
  • return channel 48 may be a single channel.
  • the return flow path 48 can also be applied to the expansion turbine 100 (Embodiment 1) in which the baffle plate 45 is not provided.
  • the return channel 48 may be connected to components located downstream of the turbine diffuser 30 . Such components may be plumbing or freezers. Further, the return flow path 48 may be a flow path that communicates the separation chamber 42 and the internal flow path 30 f of the turbine diffuser 30 , and a flow path that communicates the separation chamber 42 and the flow path member 40 following the turbine diffuser 30 . It can be a road.
  • the condensed water separated from the working fluid flows into the groove 52 along the inner surface of the separation chamber 42 by being pushed by the working fluid. Since the downstream portion 44 of the separation channel 50 is connected to the groove 52 , the condensate is carried by the pressure and gravity inside the separation chamber 42 along the groove 52 to the downstream portion 44 and outside the expansion turbine 400 . is discharged to Since the working fluid is less likely to come into contact with the condensed water flowing through the grooves 52, the condensed water is less likely to mix with the working fluid before returning to the main stream F1.
  • the expansion turbine 400 may further include a return flow path 48 that allows the working fluid that has flowed into the separation flow path 50 to join the main flow F1 of the working fluid.
  • the grooves 52 prevent condensed water separated from the working fluid from rejoining with the working fluid on the path to the downstream portion 44 of the separation channel 50 . This is particularly effective when returning the working fluid to the main flow F1. That is, it is possible to further suppress frost formation on the inner wall surfaces of the components arranged downstream of the expansion turbine 400 .
  • the working fluid rejoins the main flow F1 through the return flow path 48 . Since the return flow path 48 does not dispose of cold heat to the outside, the efficiency of the expansion turbine 400 is improved.
  • the return channel 48 may open toward the separation chamber 42 downstream of the baffle plate 45 .
  • the separation chamber 42 may have a first inner surface 42p, a second inner surface 42q, and an annular or arcuate groove 52 provided in the first inner surface 42p.
  • the first inner surface 42p and the second inner surface 42q are surfaces along the circumferential direction of the rotation axis O of the expansion turbine wheel 10, respectively.
  • the distance from the rotation axis O to the second inner surface 42q is shorter than the distance from the rotation axis O to the first inner surface 42p.
  • a downstream portion 44 of the separation channel 50 may be connected to the separation chamber 42 in an annular or arcuate groove 52 . With such a configuration, condensed water tends to gather in the grooves 52 . Condensed water flows along grooves 52 and is discharged outside expansion turbine 400 through downstream portion 44 of separation channel 50 .
  • Embodiment 5 will be described below with reference to FIGS. 7A and 7B.
  • [5-1. composition] 7A is a cross-sectional view of expansion turbine 500 according to Embodiment 5.
  • FIG. FIG. 7B is a cross-sectional view along line AA of expansion turbine 500 according to the fifth embodiment.
  • the expansion turbine 500 further comprises a bulkhead 54 located in the isolation chamber 42 .
  • the partition wall 54 extends from the second inner surface 42 q to the first inner surface 42 p to partition the separation chamber 42 and reach the downstream portion 44 of the separation channel 50 .
  • the partition wall 54 extends along the tangential direction of the second inner surface 42q. With the partition 54 , a unidirectional flow is created in the separation chamber 42 towards the downstream portion 44 of the separation channel 50 . The unidirectional flow directs the condensed water to the downstream portion 44 .
  • the separation chamber 42 further has an annular or arcuate groove 53 provided on the second inner surface 42q. Condensed water flows along grooves 53 and is discharged outside expansion turbine 500 through downstream portion 44 of separation channel 50 .
  • a partition wall 54 extends from the groove 53 toward the downstream portion 44 of the separation channel 50 . That is, the partition 54 bridges the groove 53 and the downstream portion 44 .
  • the condensed water tends to gather in the downstream portion 44 due to the joint action of the grooves 53 and the action of the partition wall 54 .
  • the separation chamber 42 also has the grooves 52 described in the fourth embodiment. Therefore, the effect of the groove 52 is also obtained. However, the groove 52 may be omitted.
  • the depth of the groove 53 and the width of the groove 53 are not particularly limited.
  • the depth d3 of the groove 53 satisfies (0.4 ⁇ d1) ⁇ d3 ⁇ (0.8 ⁇ d1). may be adjusted to Based on the maximum dimension w1 of the separation chamber 42 in the direction parallel to the rotation axis O, the width w3 of the groove 53 is adjusted so as to satisfy (0.2 ⁇ w1) ⁇ w3 ⁇ (0.6 ⁇ w1). may
  • the depth of the groove 53 means the depth of the groove 53 in the direction perpendicular to the rotation axis O.
  • the width of the groove 53 means the width of the groove 53 in the direction parallel to the rotation axis O.
  • the center position of the groove 53 in the direction parallel to the rotation axis O may coincide with the center position of the separation chamber 42 in the direction parallel to the rotation axis O.
  • the center position of the groove 53 in the direction parallel to the rotation axis O may coincide with the center position of the baffle plate 45 in the direction parallel to the rotation axis O.
  • the condensed water separated from the working fluid flows into the groove 52 along the inner surface of the separation chamber 42 by being pushed by the working fluid. Since the downstream portion 44 of the separation channel 50 is connected to the groove 52 , the condensate is carried by the pressure and gravity inside the separation chamber 42 along the groove 52 to the downstream portion 44 and outside the expansion turbine 500 . is discharged to It is difficult for the working fluid to come into contact with the condensed water flowing through the grooves 52 .
  • the condensed water also flows into the groove 53 on the inner peripheral side of the separation chamber 42 .
  • the unidirectional flow in the direction opposite to the rotational direction of the expansion turbine wheel 10 caused by the inclined baffle plate 45 causes the condensed water to flow to the partition wall 54 .
  • the condensed water travels through the partition wall 54 , passes through the downstream portion 44 of the separation flow path 50 , and is discharged to the outside of the expansion turbine 500 .
  • the expansion turbine 500 may further include a partition 54 extending from the second inner surface 42q to the first inner surface 42p to partition the separation chamber 42 and reach the downstream portion 44 of the separation channel 50. .
  • a partition 54 With the partition 54 , a unidirectional flow is created in the separation chamber 42 towards the downstream portion 44 of the separation channel 50 . The unidirectional flow directs the condensed water to the downstream portion 44 .
  • the separation chamber 42 may further have an annular or arc-shaped groove 53 provided on the second inner surface 42q. Condensed water flows along grooves 53 and is discharged outside expansion turbine 500 through downstream portion 44 of separation channel 50 .
  • Embodiment 6 will be described below with reference to FIG.
  • FIG. 8 is a configuration diagram of a refrigeration system 600 according to Embodiment 6. As shown in FIG. A refrigeration system 600 includes a rotating machine 700 , a first heat exchanger 601 and a second heat exchanger 602 .
  • the rotary machine 700 has an expansion turbine 400 and a compressor 101 .
  • Expansion turbine 400 is expansion turbine 400 described in the fourth embodiment.
  • Expansion turbine 100, 200, 300 or 500 of other embodiments may be used instead of expansion turbine 400.
  • FIG. Compressor 101 is, for example, a centrifugal compressor.
  • Rotary machine 700 is configured such that the power recovered by expansion turbine 400 is consumed as part of the power of compressor 101 .
  • the first heat exchanger 601 serves to cool the refrigerant (working fluid) with another fluid. Other fluids may be gases or liquids.
  • the second heat exchanger 602 is an internal heat exchanger for recovering cold heat from the refrigerant. Examples of the first heat exchanger 601 and the second heat exchanger 602 include a fin-tube heat exchanger, a plate heat exchanger, a double-pipe heat exchanger, a shell-and-tube heat exchanger, and the like.
  • the heat cycle of the refrigeration device 600 is an air refrigeration cycle that uses air as a refrigerant.
  • the low temperature air generated by refrigeration system 600 is directed to target space 603 .
  • the target space 603 is, for example, a freezer.
  • the refrigeration system 600 may be used for aircraft cabin air conditioning. Since the GWP (Global Warming Potential) of air is zero, it is desirable to use air as a refrigerant from the viewpoint of protecting the global environment. Also, if air is used as the refrigerant, the refrigeration system 600 can be constructed as an open system.
  • the rotating machine 700, the first heat exchanger 601 and the second heat exchanger 602 are connected to each other by flow paths 4a to 4f.
  • the flow path 4 a connects the discharge port of the compressor 101 and the refrigerant inlet of the first heat exchanger 601 .
  • the flow path 4 b connects the refrigerant outlet of the first heat exchanger 601 and the high pressure side inlet of the second heat exchanger 602 .
  • Flow path 4 c connects the high-pressure side outlet of second heat exchanger 602 and the inlet of expansion turbine 400 .
  • the flow path 4 d connects the outlet of the expansion turbine 400 and the target space 603 .
  • the flow path 4 e connects the target space 603 and the low pressure side inlet of the second heat exchanger 602 .
  • the flow path 4 f connects the low pressure side outlet of the second heat exchanger 602 and the suction port of the compressor 101 .
  • Other equipment such as other heat exchangers, defrosters, etc. may
  • the refrigerant compressed by the compressor 101 is cooled in the first heat exchanger 601 and the second heat exchanger 602 .
  • the cooled refrigerant expands in expansion turbine 400 . This further reduces the temperature of the coolant.
  • a low temperature coolant is supplied to the target space 603 and used for the desired purpose.
  • the refrigerant discharged from the target space 603 is heated in the second heat exchanger 602 and then introduced into the compressor 101 .
  • the temperature of the refrigerant at the inlet of the compressor 101 is 20°C.
  • the temperature of the refrigerant at the discharge port of the compressor 101 is 85°C.
  • the temperature of the refrigerant at the refrigerant outlet of the first heat exchanger 601 is 40°C.
  • the temperature of the refrigerant at the inlet of the expansion turbine 400 is -30°C.
  • the temperature of the refrigerant at the outlet of expansion turbine 400 is -70°C.
  • the return channel 48 of the expansion turbine 400 is connected to the channel 4d. As a result, the cold energy does not have to be discarded to the outside, so the efficiency of the refrigeration system 600 is improved. Condensed water separated from the working fluid in expansion turbine 400 is discharged outside refrigeration system 600 through downstream portion 44 of separation flow path 50 .
  • a refrigeration system 600 of the present embodiment includes an expansion turbine 400 .
  • frost formation on the flow path 4d and the target space 603 can be suppressed.
  • frost formation By suppressing frost formation, downtime of the refrigeration system for defrosting can be reduced, and convenience is improved. Since the mechanism for separating the condensed water can be omitted or simplified, the cost of the refrigeration system 600 using the expansion turbine 400 can be reduced.
  • the refrigerant may be air. From the viewpoint of protecting the global environment, it is desirable to use air as a coolant. Also, if air is used as the refrigerant, the refrigeration system 600 can be constructed as an open system.
  • Embodiments 1 to 6 have been described as examples of the technology disclosed in the present application. However, the technology in the present disclosure is not limited to this, and can also be applied to embodiments with modifications, replacements, additions, omissions, and the like. Also, it is possible to combine the components described in the first to sixth embodiments to form a new embodiment.
  • the inlet 41 of the separation channel 50 may be provided in a straight pipe having a constant channel cross-sectional area. If the working fluid has a swirl component when discharged from the expansion turbine wheel 10, the swirl component is preserved even if the flow passage cross-sectional area is constant.
  • the baffle plate 45 may be a flat plate or a perforated plate. In this case, the pressure loss when the working fluid that has flowed into the separation chamber 42 collides with the baffle plate 45 is reduced.
  • the baffle plates 45 may be arranged in a plurality of rows in the direction parallel to the rotation axis O. According to such a configuration, the condensed water can be more sufficiently collected and discharged.
  • the technology of the present disclosure is suitable for separating liquids and solids other than the working fluid from the working fluid. Therefore, the technology of the present disclosure is also applicable to fluid machines other than expansion turbines, such as exhaust gas turbine superchargers, gas turbine engines, and steam turbine generators.

Landscapes

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Abstract

本開示の膨張タービン１００は、膨張タービン翼車１０と、膨張タービン翼車１０を周方向に囲んで作動流体の流路を形成しているタービンハウジング２０と、タービンハウジング２０における作動流体の吐出側に膨張タービン翼車１０と同軸に配置されたタービンディフューザ３０と、を備え、タービンディフューザ３０が遠心分離機を兼ねる。

Description

膨張タービン及びそれを用いた冷凍装置
　本開示は、膨張タービン及びそれを用いた冷凍装置に関する。
　特許文献１は、蒸気タービンの作動流体である蒸気流に含まれた水分を取り除くための装置を開示する。この装置は、ベーン、すくい出し溝孔、及びくせ取りベーンを備えている。ベーンは、高圧タービンの下流かつ低圧タービンの上流に配置され、高圧タービンから吐出された蒸気にタービン軸の軸方向と平行な軸を持つ旋回流を発生させる。すくい出し溝孔は、旋回流に起因する遠心力によって装置の内壁面に衝突した水分を誘導する。くせ取りベーンは、旋回流を解消するための部材である。
特開平５－１８７２０５号公報
　本開示は、膨張タービンの性能の低下を抑制しながら、作動流体から凝縮水及び／又は氷片を除去するための技術を提供する。
　本開示の膨張タービンは、
　膨張タービン翼車と、
　前記膨張タービン翼車を周方向に囲んで作動流体の流路を形成しているタービンハウジングと、
　前記タービンハウジングにおける前記作動流体の吐出側に前記膨張タービン翼車と同軸に配置されたタービンディフューザと、
　を備え、
　前記タービンディフューザが遠心分離機を兼ねる。
　別の側面において、本開示の冷凍装置は、
　上記本開示の膨張タービンを備え、
　前記作動流体が空気である。
　本開示によれば、膨張タービンの性能の低下を抑制しながら、作動流体から凝縮水及び／又は氷片を除去できる。
実施の形態１における膨張タービンの断面図 ラジアルタービンにおける速度三角形を示す図 膨張タービン翼車への作動流体の流入時における速度三角形を平面上に表した図 膨張タービン翼車からの作動流体の吐出時における速度三角形を平面上に表した図 実施の形態２における膨張タービンの断面図 内側部品の半断面図 内側部品の平面図 実施の形態３における膨張タービンの断面図 内側部品の半断面図 内側部品の平面図 実施の形態４における膨張タービンの断面図 実施の形態４における膨張タービンの平面図 図６Ａの部分拡大図 実施の形態５における膨張タービンの断面図 実施の形態５における膨張タービンのA-A線に沿った断面図 実施の形態６における冷凍装置の構成図
（本開示の基礎となった知見等）
　発明者らが本開示に想到するに至った当時、冷熱（冷熱エネルギー）、特に氷点以下の温度を有する冷熱を出力する空気又はその他の気体を作動流体として有し、且つその作動流体を冷熱源として直接利用する冷凍装置が知られていた。この種の冷凍装置において、冷凍庫と熱交換器との間の流路上に凝縮水及び／又は氷片を捕集するための構造が設けられていた。当該構造によれば、冷凍サイクルの熱力学過程において作動流体に含まれた水蒸気が凝縮して冷熱の出力先である冷凍庫等の内壁面等に霜状に付着することを防止できる。これにより、低温冷熱の出力時においても冷凍装置の機能が維持されうる。
　しかし、凝縮水及び／又は氷片を捕集するための追加の構造を設けると、作動流体の流れが阻害されて冷凍装置の性能が低下するとともに、経済性にも劣る。このことに気付いた発明者らは、作動流体の流れを利用して作動流体中の凝縮水及び／又は氷片を除去することを想到し、優れた利便性及び経済性を冷凍装置に付与可能な膨張タービンを完成させた。
　以下、図面を参照しながら実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、又は、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。
　なお、添付図面及び以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。
（実施の形態１）
　以下、図１から図３Ｂを用いて実施の形態１を説明する。
［１－１．構成］
　図１は、実施の形態１における膨張タービン１００の断面図である。膨張タービン１００は、膨張タービン翼車１０、タービンハウジング２０及びタービンディフューザ３０を備えている。タービンハウジング２０は、膨張タービン翼車１０を周方向に囲んで作動流体の流路を形成している。タービンディフューザ３０は、タービンハウジング２０における作動流体の吐出側に膨張タービン翼車１０と同軸に配置されている。タービンディフューザ３０は遠心分離機を兼ねている。
　膨張タービン１００は、膨張タービン翼車１０よりも下流、すなわちタービンディフューザ３０において、作動流体の流れ方向に平行な軸を持つ作動流体の旋回成分を利用して、作動流体に含まれた凝縮水及び／又は氷片を作動流体の主流Ｆ１から分離することができる。そのため、冷熱生成サイクルの最終過程に膨張タービン１００を使用したとき、膨張タービン１００から凝縮水及び／又は氷片が吐出されにくい。膨張タービン１００の下流に配管、冷凍庫等の構成要素が配置されている場合、それらの構成要素の内壁面への着霜を抑制できる。場合によっては、凝縮水及び／又は氷片を分離するための機構を省略又は簡略化できるので、膨張タービン１００を用いた冷凍装置の費用を削減できる。着霜を抑制することによって、除霜のための冷凍装置のダウンタイムも削減でき、利便性が向上する。
　また、タービンディフューザ３０の圧力回復機能を阻害する部材（特許文献１に記載されたような部材）を追加する必要が無いので、作動流体の圧力損失を抑制できる。これにより、膨張タービン１００の効率が向上する。
　以下において、「凝縮水及び／又は氷片」を単に「凝縮水」と記載する。本開示の技術によって、主に凝縮水が捕集され、膨張タービン１００の外部に排出される。温度に応じて、凝縮水に氷片が混ざることがあり、氷片が主に捕集されることもある。
　膨張タービン翼車１０は、シャフト１２に取り付けられており、シャフト１２とともに回転する。
　タービンハウジング２０は、膨張タービン１００の入口を含む渦巻き室２２を有する。膨張タービン翼車１０の周囲には、タービンノズル２１が配置されている。渦巻き室２２及びタービンノズル２１は、膨張タービン１００の入口から膨張タービン翼車１０に至る流路を形成している。
　タービンディフューザ３０は、膨張タービン翼車１０の下流端１０ｐに対応する位置から回転軸Ｏに平行な方向に延びる筒状の部材である。タービンディフューザ３０は、内部流路３０ｆを有する。タービンディフューザ３０の内周面３０ａは、回転軸Ｏに対して傾斜している。内部流路３０ｆの断面積は、作動流体の流れ方向の下流に向かって連続的に拡大している。タービンディフューザ３０において、作動流体の速度が徐々に低下し、作動流体の圧力が徐々に回復する。タービンハウジング２０とタービンディフューザ３０とが一体化されていてもよい。つまり、タービンハウジング２０及びタービンディフューザ３０が単一の部品であってもよい。
　タービンハウジング２０及びタービンディフューザ３０は、膨張タービン翼車１０と同軸に配置されている。膨張タービン翼車１０の回転軸Ｏがタービンハウジング２０及びタービンディフューザ３０の中心を通っている。膨張タービン翼車１０の回転軸Ｏは、例えば、水平方向に平行である。
　膨張タービン１００は、詳細には、ラジアルタービンである。ラジアルタービンに本開示の技術を適用すると、作動流体から凝縮水を効率的に除去できる。
　作動流体の種類は特に限定されない。作動流体は、例えば、空気である。空気が作動流体である場合、膨張タービン１００で作り出された低温空気が冷凍庫などの対象空間にそのまま供給される（実施の形態６を参照）。
　膨張タービン１００は、遠心分離機を兼ねるために、分離流路５０をさらに備えている。本実施の形態において、膨張タービン１００は、タービンディフューザ３０に続く流路部材４０をさらに有する。流路部材４０に分離流路５０が設けられている。流路部材４０も膨張タービン翼車１０と同軸に配置されている。流路部材４０の内周面４０ａも回転軸Ｏに対して傾斜している。流路部材４０の内部流路４０ｆの断面積も作動流体の流れ方向の下流に向かって連続的に拡大している。つまり、本実施の形態において、流路部材４０は、ディフューザの一部でありうる。ただし、流路部材４０がディフューザの機能を有していることは必須ではない。流路部材４０の内部流路４０ｆの断面積が作動流体の流れ方向に沿って一定であってもよい。言い換えれば、図１の断面において、流路部材４０の内周面４０ａが回転軸Ｏに平行であってもよい。また、流路部材４０が省略されていてもよい。
　回転軸Ｏに対する内周面３０ａの傾斜角度αは、回転軸Ｏに対する内周面４０ａの傾斜角度に等しい。傾斜角度は、例えば、７．５度から１５度の範囲にある。内周面３０ａと内周面４０ａとの間に段差は設けられていない。
　分離流路５０は、流路部材４０の内周面４０ａに開口した入口４１を有し、膨張タービン１００の外部に連通している。分離流路５０は、内部流路３０ｆ及び内部流路４０ｆとは別の流路である。凝縮水は、入口４１を通じて分離流路５０に流入する。流路部材４０が省略されている場合、分離流路５０の入口４１は、タービンディフューザ３０の内周面３０ａに開口していてもよい。分離流路５０は、作動流体の主流Ｆ１から分離された凝縮水を捕集して外部に排出する役割を担う。分離流路５０は、凝縮水を連続的に外部に排出することを可能にする。タービンディフューザ３０と分離流路５０が協働して遠心分離機の機能を発揮する。
　なお、「膨張タービン１００の外部」とは、膨張タービン１００を用いた機器、例えば冷凍装置の外部であることを意味する。膨張タービン１００の外部は、例えば、分離された凝縮水を排出するべき外部雰囲気又はドレンである。
　分離流路５０の入口４１は、例えば、以下に説明する範囲に位置している。内部流路３０ｆ及び内部流路４０ｆが共に連続的に拡大する断面積を有するとき、すなわち、流路部材４０がディフューザの機能を有するとき、入口４１は、内部流路３０ｆ及び内部流路４０ｆの全長Ｌの中間位置（Ｌ／２の位置）よりも下流側の範囲にある。このような位置に入口４１が設けられていると、膨張タービン１００の性能の低下を抑制しながら、凝縮水を効率的に捕集できる。作動流体の流れ方向の下流端１０ｐにおける膨張タービン翼車１０の半径がｒ１であるとき、入口４１は、下流端１０ｐの位置を基準（＝０）として、１．４ｒ１から４．５ｒ１の範囲に設けられていてもよい。
　分離流路５０の入口４１の大きさは特に限定されない。凝縮水を十分に捕集しつつ、作動流体の流入量を減らすことができるように入口４１の大きさが調整されうる。
　本実施の形態において、入口４１は、回転軸Ｏの周方向の３６０度にわたって設けられている。つまり、入口４１は、内周面４０ａ（又は内周面３０ａ）に沿った環形状を有する。このような構成によれば、凝縮水を確実に捕集できる。ただし、入口４１の形状は特に限定されない。入口４１は、複数の部分に分かれていてもよい。複数の部分のそれぞれは、円弧形状を有していてもよく、平面視で円形状であってもよい。
　分離流路５０は、さらに、分離室４２、上流部分４３及び下流部分４４を有する。分離室４２は、流路部材４０の内周面４０ａ（又はタービンディフューザ３０の内周面３０ａ）よりも半径方向の外側に位置している。上流部分４３は、入口４１と分離室４２とを連通している部分である。下流部分４４は、分離室４２と膨張タービン１００の外部とを連通している部分である。このような構成によれば、凝縮水が少量の作動流体とともに入口４１を通じて分離流路５０に流入したとき、作動流体が分離室４２の内面に衝突する。これにより、作動流体が更なる分離作用を受けるので、凝縮水を確実に捕集及び排出できる。
　上流部分４３の流路断面積（最大部分）は、分離室４２の流路断面積（最小部分）よりも小さい。上流部分４３の流路断面積は、上流部分４３を通り、かつ、回転軸Ｏに垂直な任意の断面における上流部分４３の面積である。同様に、分離室４２の流路断面積は、分離室４２を通り、かつ、回転軸Ｏに垂直な断面における分離室４２の面積である。このような構成によれば、作動流体の流れが上流部分４３で減速されにくい。
　下流部分４４の流路断面積の大きさは特に限定されない。本実施の形態では、下流部分４４の流路断面積が分離室４２の流路断面積よりも小さい。下流部分４４の流路断面積は、下流部分４４を通り、かつ、回転軸Ｏに垂直な任意の断面における下流部分４４の面積である。
　分離室４２は、膨張タービン翼車１０と同軸の環形状を有する。このような構成によれば、タービンディフューザ３０の内周面３０ａ又は流路部材４０の内周面４０ａの全周にわたって凝縮水を捕集することができる。そのため、凝縮水をより確実に捕集することができる。このことは、膨張タービン１００の下流に配置された構成要素の内壁面への着霜を十分に抑制することを可能にする。
　上流部分４３は、入口４１から分離室４２に向かって斜めに延びている。本実施の形態において、回転軸Ｏに平行な方向に関して、膨張タービン翼車１０から入口４１までの距離が膨張タービン翼車１０から分離室４２までの距離よりも短い。したがって、上流部分４３は、回転軸Ｏに対して傾斜した方向かつ回転軸Ｏから遠ざかる方向に延びている。図１の断面において、回転軸Ｏに対する上流部分４３の傾斜角度は、例えば、３０度から６０度である。下流部分４４は、流路部材４０の端面４０ｑ（又はタービンディフューザ３０の端面）に開口している。下流部分４４は、鉛直方向の最下部において分離室４２に連通している。これにより、凝縮水が分離室４２から下流部分４４にスムーズに集められる。
　下流部分４４は、半径方向の外向きに延びていてもよい。下流部分４４は、流路部材４０の外周面又はタービンディフューザ３０の外周面に開口していてもよい。例えば、下流部分４４が鉛直方向の下方に向かって延びていてもよい。この場合、下流部分４４に凝縮水が集まりやすい。
［１－２．動作］
　以上のように構成された膨張タービン１００について、以下その動作、作用を説明する。
　図２は、ラジアルタービンにおける速度三角形を示す図である。ラジアルタービンにおいて、作動流体は、膨張タービン翼車１０の外周部から流入相対速度Ｗ１で膨張タービン翼車１０に流入し、膨張タービン翼車１０の翼間流路を通過し、タービンディフューザ３０に向けて吐出絶対速度Ｃ２で吐出される。流入相対速度Ｗ１で流入する作動流体による膨張タービン翼車１０に対する衝動、及び、吐出相対速度Ｗ２で作動流体が吐出される際に膨張タービン翼車１０に与えられる反動によって、膨張タービン翼車１０が回転方向１１に回転する。
　膨張タービン翼車１０が回転するとき、作動流体が膨張タービン翼車１０に流入する位置において、膨張タービン翼車１０は周速度Ｕ１を有する。作動流体が膨張タービン翼車１０から吐出される位置において、膨張タービン翼車１０は周速度Ｕ２を有する。したがって、作動流体は、周速度Ｕ１と流入絶対速度Ｃ１との合成速度である流入相対速度Ｗ１で膨張タービン翼車１０に流入する。作動流体が膨張タービン翼車１０から吐出される際には、膨張タービン翼車１０の翼間流路から吐出相対速度Ｗ２で作動流体が吐出される。したがって、作動流体は、吐出相対速度Ｗ２と角度をなす吐出方向に向かって、周速度Ｕ２と吐出相対速度Ｗ２との合成速度である吐出絶対速度Ｃ２で膨張タービン翼車１０から吐出される。このように、膨張タービン翼車１０への流入時及び膨張タービン翼車１０からの吐出時における作動流体の流れ方向の関係を表したベクトル図を速度三角形と称する。速度三角形は、膨張タービンの設計において、出力及び性能を決定する設計因子の１つである。
　図３Ａは、膨張タービン翼車１０への作動流体の流入時における速度三角形を平面上に表した図である。図３Ｂは、膨張タービン翼車１０からの作動流体の吐出時における速度三角形を平面上に表した図である。
　図３Ａ及び図３Ｂに示すように、作動流体は、膨張タービン翼車１０の外周部から流入相対速度Ｗ１で膨張タービン翼車１０に流入し、膨張タービン翼車１０の翼間流路を通過し、タービンディフューザ３０に向けて吐出絶対速度Ｃ２で吐出される。流入相対速度Ｗ１で流入する作動流体による膨張タービン翼車１０に対する衝動、及び、吐出相対速度Ｗ２で作動流体が吐出される際に膨張タービン翼車１０に与えられる反動によって、膨張タービン翼車１０が回転方向１１に回転する。
　膨張タービン翼車１０が回転するとき、作動流体が膨張タービン翼車１０に流入する位置において、膨張タービン翼車１０は周速度Ｕ１を有する。作動流体が膨張タービン翼車１０から吐出される位置において、膨張タービン翼車１０は周速度Ｕ２を有する。したがって、作動流体は、周速度Ｕ１と流入絶対速度Ｃ１との合成速度である流入相対速度Ｗ１で膨張タービン翼車１０に流入する。作動流体が膨張タービン翼車１０から吐出される際には、膨張タービン翼車１０の翼間流路から吐出相対速度Ｗ２で作動流体が吐出される。したがって、作動流体は、吐出相対速度Ｗ２に対して吐出流れ角度α２をなす吐出方向に向かって、周速度Ｕ２と吐出相対速度Ｗ２との合成速度である吐出絶対速度Ｃ２で膨張タービン翼車１０から吐出される。
　このような流れ方向の関係性を有する膨張タービン１００において、作動流体の温度が低下する場合を考える。膨張タービン翼車１０に流入する作動流体の温度が低下すると、作動流体の密度が上昇する。膨張タービン翼車１０に対して作動流体を吹き付けるための絞り機構（タービンノズル）の絞り面積が作動流体の密度に応じて変更される可変形式ではない限り、流入絶対速度Ｃ１は減速して低温時の流入絶対速度Ｃ１’に変化する。そのため、周速度Ｕ１が一定である場合には、流入相対速度Ｗ１は低温時の流入相対速度Ｗ１’へと変化する。同様に、膨張タービン翼車１０の吐出側においては、作動流体の密度が温度の低下に従って低下することにより、吐出相対速度Ｗ２が低温時の吐出相対速度Ｗ２’へと変化する。吐出絶対速度Ｃ２は低温時の吐出絶対速度Ｃ２’へと変化する。その際、吐出相対速度Ｗ２と吐出絶対速度Ｃ２とのなす角度である吐出流れ角度α２は、より大きい角度を有する低温時の吐出流れ角度α２’へと変化する（α２’＞α２）。つまり、作動流体の温度が低下すると、回転軸Ｏに対する作動流体の流れ方向の傾き角度が増加し、且つ作動流体の流れの旋回成分の強度も増す。
　作動流体の温度を低下させることを目的に膨張タービンが使用されることがある。例えば、膨張タービンの下流に配置された空間の温度を低下させることが目的であることがある。作動流体の温度を所望の温度まで低下させる方法として、下流の空間に作動流体を流入させること、下流の空間から作動流体を吸引して圧縮すること、及び、圧縮された作動流体を膨張タービンで再度膨張させることを反復する方法がある。作動流体の温度が低下するにつれて、膨張タービン翼車１０から吐出される作動流体の流れの旋回成分が連続的に増加する。特に、作動流体の圧力に応じた露点温度以下に作動流体の温度が低下した場合には、膨張タービン翼車１０から吐出される作動流体には凝縮水が含まれる。作動流体の温度が氷点を下回った場合には、作動流体の流れには氷片が含まれうる。作動流体が空気であり、空気と凝縮水（及び／又は氷片）との温度が等しい場合、両者の間には約１０3倍程度の密度の差がある。そのため、空気及び凝縮水（及び／又は氷片）が同一の旋回速度を有する流れ場において、凝縮水（及び／又は氷片）には、空気と比べて、旋回成分の接線方向により強い慣性力が作用する。
　凝縮水は、作動流体とともに膨張タービン翼車１０の翼間流路から吐出される。その後、凝縮水を含む作動流体は、タービンディフューザ３０の内周面３０ａの近傍に分布する流れ成分であって、内周面３０ａの接線方向に指向した流れ成分を持ちながら下流に向かって流れる。本実施の形態の膨張タービン１００において、タービンディフューザ３０は、遠心分離機を兼ねている。詳細には、膨張タービン１００は、分離流路５０を備えている。タービンディフューザ３０の内周面３０ａの近傍に凝縮水を含む作動流体が集中する。作動流体に含まれる凝縮水が分離流路５０の入口４１から分離室４２に作動流体の一部と共に捕集され、分離流路５０の下流部分４４から膨張タービン１００の外部に排出される。これにより、作動流体の主流Ｆ１から凝縮水を分離することができる。
［１－３．効果等］
　以上のように、本実施の形態において、タービンディフューザ３０が遠心分離機を兼ねている。これにより、膨張タービン１００の性能の低下を抑制しながら、作動流体から凝縮水を除去できる。
　本実施の形態において、膨張タービン１００は、タービンディフューザ３０の内周面３０ａ又はタービンディフューザ３０に続く流路部材４０の内周面４０ａに開口した入口４１を有する流路であって、膨張タービン１００の外部に連通している分離流路５０をさらに備えていてもよい。分離流路５０は、凝縮水を連続的に外部に排出することを可能にする。
　本実施の形態において、分離流路５０は、タービンディフューザ３０の内周面３０ａ又は流路部材４０の内周面４０ａよりも半径方向の外側に配置された分離室４２と、入口４１と分離室４２とを連通している上流部分４３と、分離室４２と膨張タービン１００の外部とを連通している下流部分４４とをさらに有していてもよい。このような構成によれば、作動流体が更なる分離作用を受けるので、凝縮水を確実に捕集及び排出できる。
　本実施の形態において、分離室４２は、膨張タービン翼車１０と同軸の環形状を有していてもよい。このような構成によれば、タービンディフューザ３０の内周面３０ａ又は流路部材４０の内周面４０ａの全周にわたって凝縮水を捕集することができる。
（実施の形態２）
　以下、図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃを用いて、実施の形態２を説明する。
［２－１．構成］
　図４Ａは、実施の形態２における膨張タービン２００の断面図である。膨張タービン２００は、分離室４２の内部に配置された邪魔板４５をさらに備えている。邪魔板４５は、作動流体からの凝縮水の分離を促進する。邪魔板４５を除き、膨張タービン２００の構成は、実施の形態１の膨張タービン１００の構成と共通である。
　膨張タービン２００は、詳細には、複数の邪魔板４５を備えている。複数の邪魔板４５が回転軸Ｏの周方向に沿って環状の分離室４２に配置されている。複数の邪魔板４５は、等角度間隔で分離室４２に配置されていてもよい。ただし、単一の邪魔板４５が分離室４２に配置されていてもよい。
　流路部材４０は、内側部品４０１及び外側部品４０２を有する。外側部品４０２は、すり鉢状の内周面を有する部品である。内側部品４０１は、内部流路４０ｆを有する筒状の部品である。外側部品４０２に内側部品４０１が嵌め合わされている。外側部品４０２に内側部品４０１を嵌め合わせたときに両者の間に分離流路５０が確保されるように、内側部品４０１及び外側部品４０２の形状が定められている。
　図４Ｂは、内側部品４０１の半断面図である。図４Ｃは、内側部品４０１の平面図である。内側部品４０１は、筒状体４６を有する。筒状体４６の外周面４６ｑから複数の邪魔板４５のそれぞれが半径方向の外向きに延びている。回転軸Ｏの周方向に沿って、筒状体４６の外周面４６ｑの上に複数の邪魔板４５が配置されている。周方向において互いに隣り合う邪魔板４５の間にすき間Ｇが確保されている。すき間Ｇを通って、作動流体が分離流路５０の下流に向かって流れる。邪魔板４５の主面は回転軸Ｏに垂直である。「主面」は、最も広い面積を有する面を意味する。
　典型的には、邪魔板４５は、筒状体４６に一体に形成されている。つまり、邪魔板４５が内側部品４０１の一部である。ただし、邪魔板４５は、内側部品４０１から分離可能な別部品であってもよい。また、邪魔板４５は、外側部品４０２に一体に形成されていてもよい。
　図４Ａに示すように、邪魔板４５は、分離室４２の第２内面４２ｑから分離室４２の第１内面４２ｐまで延びている。これにより、凝縮水をより確実に捕集できる。第１内面４２ｐ及び第２内面４２ｑは、それぞれ、膨張タービン翼車１０の回転軸Ｏの周方向に沿う面である。回転軸Ｏから第２内面４２ｑまでの距離は、回転軸Ｏから第１内面４２ｐまでの距離よりも短い。つまり、第１内面４２ｐが半径方向の外側に位置する内面である。第２内面４２ｑが半径方向の内側に位置する内面である。第２内面４２ｑは、内側部品４０１の筒状体４６の外周面４６ｑの一部である。第１内面４２ｐは、外側部品４０２の内周面の一部である。第１内面４２ｐ及び第２内面４２ｑは、半径方向において互いに向かい合っている。
［２－２．動作］
　以上のように構成された膨張タービン２００について、以下その動作、作用を説明する。
　実施の形態１で説明したように、凝縮水は、作動流体の一部とともに入口４１を通じて分離流路５０に流入する。作動流体に含まれた凝縮水は、分離室４２において邪魔板４５に衝突する。これにより、作動流体からの凝縮水の分離が促進される。分離された凝縮水は、分離室４２の内部の圧力及び重力によって分離流路５０の下流部分４４に集められ、膨張タービン２００の外部へと排出される。
　分離室４２においては、凝縮水を含む作動流体が邪魔板４５に衝突し、その流れ方向が急峻に偏向する。作動流体と凝縮水との間には密度差があるので、作動流体に作用する慣性力と凝縮水に作用する慣性力との間にも差がある。慣性力に差があるので、流れの態様及び流れの方向にも違いがある。特に、大きい慣性力を有する凝縮水は、邪魔板４５の表面又は分離室４２の内面に衝突して付着する。その結果、凝縮水の速度は急速に減少する。一方、気相の作動流体の密度は小さいので、作動流体に作用する慣性力も小さい。そのため、作動流体の速度の大幅な低下は生じにくい。作動流体と凝縮水との速度差により、両者は分離室４２に流入した直後に分離される。すなわち、分離室４２に流入した作動流体から凝縮水が更に分離されうる。凝縮水を作動流体から十分に捕集して外部に排出することができる。このことは、膨張タービン２００の下流に配置された構成要素の内壁面への着霜を更に抑制することを可能にする。凝縮水は、分離室４２の内部の圧力及び重力によって下流部分４４へと運ばれ、膨張タービン２００の外部へと排出される。
［２－３．効果等］
　本実施の形態において、膨張タービン２００は、分離室４２の内部に配置された邪魔板４５をさらに備えていてもよい。邪魔板４５は、作動流体からの凝縮水の分離を促進する。分離室４２に流入した作動流体から凝縮水が更に分離されうる。
（実施の形態３）
　以下、図５Ａ、図５Ｂ及び図５Ｃを用いて、実施の形態３を説明する。
［３－１．構成］
　図５Ａは、実施の形態３における膨張タービン３００の断面図である。図５Ｂは、内側部品４０３の半断面図である。図５Ｃは、内側部品４０３の平面図である。膨張タービン３００は、分離室４２の内部に配置された邪魔板４５を備えている。邪魔板４５は、作動流体からの凝縮水の分離を促進する。邪魔板４５は、膨張タービン翼車１０の回転軸Ｏに対して傾斜した主面４５ｐを有する。このような構成によれば、上流部分４３を通じて分離室４２に達した作動流体が邪魔板４５に垂直に近い角度で衝突する。そのため、作動流体からの凝縮水の分離が更に促進されうる。邪魔板４５の角度を除き、膨張タービン３００の構成は、実施の形態２の膨張タービン２００の構成と共通である。
　流路部材４０は、内側部品４０３及び外側部品４０２を有する。外側部品４０２の構造は、実施の形態２で説明した通りである。内側部品４０３の構造は、邪魔板４５の角度を除き、実施の形態２で説明した通りである。
　図５Ｂに示すように、膨張タービン翼車１０の回転軸Ｏに垂直な方向から見たとき、回転軸Ｏと邪魔板４５の主面４５ｐとのなす角度θが４５度以上９０度未満の範囲にある。角度θがこのような範囲にあれば、主面４５ｐを分離流路５０の上流部分４３に正対させることができる。凝縮水を含む作動流体が邪魔板４５に垂直に近い角度で衝突しうる。その結果、作動流体からの凝縮水の分離が更に促進されうる。
　邪魔板４５の角度θは、分離流路５０の上流部分４３の角度θ１に応じて決められてもよい。上流部分４３の角度θ１とは、図５Ａの断面に示すように、上流部分４３が延びる方向と回転軸Ｏとのなす角度である。角度θと角度θ１とが等しいとき、凝縮水を含む作動流体が邪魔板４５の主面に垂直に衝突しうる。したがって、角度θ１を基準として、角度θは、θ＝θ１±５°を満たしてもよい。
［３－２．動作］
　以上のように構成された膨張タービン３００について、以下その動作、作用を説明する。
　実施の形態１で説明したように、凝縮水は、作動流体の一部とともに入口４１を通じて分離流路５０に流入する。凝縮水を含む作動流体は、分離室４２に流入した後も旋回成分を保持している。図５Ｂに矢印で示すように、凝縮水を含む作動流体は、角度θで傾斜している邪魔板４５の主面４５ｐに対して垂直又は垂直に近い角度で衝突する。邪魔板４５に衝突すると、作動流体の流れ方向は、邪魔板４５の主面４５ｐに沿う方向へと急峻に偏向する。他方、凝縮水に作用する慣性力は、作動流体に作用する慣性力よりも十分に大きい。そのため、凝縮水の流れ方向の偏向は緩慢である。その結果、邪魔板４５の主面４５ｐに衝突後、凝縮水は、作動流体と異なる速度で邪魔板４５、分離室４２の内面４２ｐ及び分離室４２の内面４２ｑに沿って、主として分離室４２の内部の圧力及び重力によって、下流部分４４へと運ばれる。凝縮水は、その後、膨張タービン３００の外部へと排出される。膨張タービン翼車１０の回転方向は、図３Ｂに矢印で示す方向への作動流体の流れが形成されるように定められている。この場合、邪魔板４５の効果が最も高まる。ただし、邪魔板４５の傾斜方向と膨張タービン翼車１０の回転方向との関係は限定されない。
［３－３．効果等］
　本実施の形態において、邪魔板４５は、膨張タービン翼車１０の回転軸Ｏに対して傾斜した主面４５ｐを有していてもよい。このような構成によれば、作動流体からの凝縮水の分離が更に促進されうる。
　本実施の形態において、膨張タービン翼車１０の回転軸Ｏに垂直な方向から見たとき、回転軸Ｏと主面４５ｐとのなす角度θが４５度以上９０度未満の範囲にあってもよい。このような構成によれば、作動流体からの凝縮水の分離が更に促進されうる。
（実施の形態４）
　以下、図６Ａ及び図６Ｂを用いて、実施の形態４を説明する。
［４－１．構成］
　図６Ａは、実施の形態４における膨張タービン４００の断面図である。図６Ｂは、実施の形態４における膨張タービン４００の平面図である。図６Ｂの平面図は、膨張タービン翼車１０を下流側から見たときの平面図である。膨張タービン４００において、分離室４２は、第１内面４２ｐに設けられた環状又は円弧状の溝５２を有する。図４Ａを参照して説明したように、第１内面４２ｐは、半径方向の外側に位置する内面である。溝５２において、分離室４２に分離流路５０の下流部分４４が接続されている。このような構成によれば、凝縮水が溝５２に集まりやすい。凝縮水は、溝５２に沿って流れ、分離流路５０の下流部分４４を通じて膨張タービン４００の外部に排出される。
　溝５２は、例えば、回転軸Ｏに平行な方向において、邪魔板４５に重なっている。この場合、邪魔板４５に付着した凝縮水が溝５２に集まりやすい。溝５２に集められた凝縮水は、溝５２に沿って下方に流れ、下流部分４４を通じて外部に排出される。なお、邪魔板４５が省略されたとしても、溝５２による一定の効果が期待できる。
　図６Ｃは、図６Ａの部分拡大図である。溝５２の深さ及び溝５２の幅は特に限定されない。一例において、回転軸Ｏに垂直な方向に関する分離室４２の最大寸法ｄ１を基準として、溝５２の深さｄ２は、（０．４×ｄ１）≦ｄ２≦（０．８×ｄ１）を満たすように調整されていてもよい。回転軸Ｏに平行な方向に関する分離室４２の最大寸法ｗ１を基準として、溝５２の幅ｗ２は、（０．２×ｗ１）≦ｗ２≦（０．６×ｗ１）を満たすように調整されていてもよい。溝５２の深さは、回転軸Ｏに垂直な方向の溝５２の深さを意味する。溝５２の幅は、回転軸Ｏに平行な方向の溝５２の幅を意味する。
　回転軸Ｏに平行な方向に関する溝５２の中心位置は、回転軸Ｏに平行な方向に関する分離室４２の中心位置に一致していてもよい。回転軸Ｏに平行な方向に関する溝５２の中心位置は、回転軸Ｏに平行な方向に関する邪魔板４５の中心位置に一致していてもよい。これにより、作動流体の圧力損失を抑制しつつ、作動流体から凝縮水を効率的に分離することができる。
　分離流路５０の下流部分４４は、鉛直方向における分離室４２の最下部に接続されている。そのため、溝５２に集まった凝縮水が下流部分４４にスムーズに流入する。
　図６Ｂに示すように、下流部分４４は、流路部材４０の端面４０ｑに開口している。流路部材４０が省略された場合、下流部分４４は、タービンディフューザ３０の端面に開口していてもよい。下流部分４４は、半径方向の外向きに延びていてもよい。下流部分４４は、流路部材４０の外周面又はタービンディフューザ３０の外周面に開口していてもよい。
　膨張タービン４００は、戻り流路４８をさらに備えている。戻り流路４８は、分離流路５０に流入した作動流体を当該作動流体の主流Ｆ１に合流させる役割を担う。戻り流路４８によれば、冷熱を外部に破棄せずに済むので、膨張タービン４００の効率が向上する。戻り流路４８は、例えば、他の実施の形態の膨張タービン１００，２００又は３００に設けられていてもよい。
　図６Ｂに示すように、戻り流路４８は、流路部材４０の端面４０ｑに開口している。つまり、戻り流路４８は、邪魔板４５よりも下流において分離室４２に向かって開口している。このような構成によれば、凝縮水が十分に取り除かれた後の作動流体を主流Ｆ１に戻すことができる。
　流路部材４０が省略された場合、戻り流路４８は、タービンディフューザ３０の端面に開口していてもよい。戻り流路４８は、平面視で、内部流路３０ｆ及び４０ｆの周方向に沿った円弧形状を有する。本実施の形態では、戻り流路４８が複数の部分（３つの部分）に分かれている。ただし、戻り流路４８は単一の流路であってもよい。また、邪魔板４５が設けられていない膨張タービン１００（実施の形態１）にも戻り流路４８は適用されうる。
　戻り流路４８は、タービンディフューザ３０の下流側に配置された構成要素に接続されうる。そのような構成要素は、配管であってもよく、冷凍庫であってもよい。また、戻り流路４８は、分離室４２とタービンディフューザ３０の内部流路３０ｆとを連通する流路であってもよく、分離室４２とタービンディフューザ３０に続く流路部材４０とを連通する流路であってもよい。
［４－２．動作］
　以上のように構成された膨張タービン４００について、以下その動作、作用を説明する。
　作動流体から分離された凝縮水は、作動流体に押されることによって分離室４２の内面に沿って溝５２に流入する。分離流路５０の下流部分４４が溝５２に接続されているので、凝縮水は、分離室４２の内部の圧力及び重力によって溝５２を伝わって下流部分４４へと運ばれ、膨張タービン４００の外部へと排出される。溝５２の中を流れる凝縮水に作動流体が触れにくいので、主流Ｆ１に戻る前の作動流体に凝縮水が再混入しにくい。
［４－３．効果等］
　本実施の形態において、膨張タービン４００は、分離流路５０に流入した作動流体を作動流体の主流Ｆ１に合流させる戻り流路４８をさらに備えていてもよい。
　溝５２は、作動流体から分離された凝縮水が分離流路５０の下流部分４４に至るまでの経路において作動流体と再合流することを防止する。このことは、作動流体を主流Ｆ１に戻す場合に特に有効である。すなわち、膨張タービン４００の下流に配置された構成要素の内壁面への着霜を更に抑制することができる。
　また、作動流体が戻り流路４８を通じて主流Ｆ１に再合流する。戻り流路４８によれば、冷熱を外部に破棄せずに済むので、膨張タービン４００の効率が向上する。
　本実施の形態において、戻り流路４８は、邪魔板４５よりも下流において分離室４２に向かって開口していてもよい。このような構成によれば、凝縮水が十分に取り除かれた作動流体を主流Ｆ１に戻すことができる。
　本実施の形態において、分離室４２は、第１内面４２ｐ、第２内面４２ｑ、及び、第１内面４２ｐに設けられた環状又は円弧状の溝５２を有していてもよい。第１内面４２ｐ及び第２内面４２ｑは、それぞれ、膨張タービン翼車１０の回転軸Ｏの周方向に沿う面である。回転軸Ｏから第２内面４２ｑまでの距離は、回転軸Ｏから第１内面４２ｐまでの距離よりも短い。環状又は円弧状の溝５２において、分離室４２に分離流路５０の下流部分４４が接続されていてもよい。このような構成によれば、凝縮水が溝５２に集まりやすい。凝縮水は、溝５２に沿って流れ、分離流路５０の下流部分４４を通じて膨張タービン４００の外部に排出される。
（実施の形態５）
　以下、図７Ａ及び図７Ｂを用いて、実施の形態５を説明する。
［５－１．構成］
　図７Ａは、実施の形態５における膨張タービン５００の断面図である。図７Ｂは、実施の形態５における膨張タービン５００のA-A線に沿った断面図である。図７Ｂに示すように、膨張タービン５００は、分離室４２に配置された隔壁５４をさらに備えている。隔壁５４は、第２内面４２ｑから第１内面４２ｐまで延びて分離室４２を区切り、分離流路５０の下流部分４４に達している。隔壁５４は、第２内面４２ｑの接線方向に沿って延びている。隔壁５４が設けられていると、分離流路５０の下流部分４４に向かう一方向流れが分離室４２に形成される。一方向流れによって、凝縮水が下流部分４４に導かれる。
　分離室４２は、第２内面４２ｑに設けられた環状又は円弧状の溝５３をさらに有する。凝縮水は、溝５３に沿って流れ、分離流路５０の下流部分４４を通じて膨張タービン５００の外部に排出される。
　溝５３から分離流路５０の下流部分４４に向かって隔壁５４が延びている。つまり、隔壁５４が溝５３と下流部分４４との橋渡しをしている。溝５３の働きと隔壁５４の働きとが相俟って、凝縮水が下流部分４４に集まりやすい。
　分離室４２は、実施の形態４で説明した溝５２も有している。したがって、溝５２の効果も得られる。ただし、溝５２は省略されていてもよい。
　溝５２と同様、溝５３の深さ及び溝５３の幅も特に限定されない。一例において、回転軸Ｏに垂直な方向に関する分離室４２の最大寸法ｄ１を基準として、溝５３の深さｄ３は、（０．４×ｄ１）≦ｄ３≦（０．８×ｄ１）を満たすように調整されていてもよい。回転軸Ｏに平行な方向に関する分離室４２の最大寸法ｗ１を基準として、溝５３の幅ｗ３は、（０．２×ｗ１）≦ｗ３≦（０．６×ｗ１）を満たすように調整されていてもよい。溝５３の深さは、回転軸Ｏに垂直な方向の溝５３の深さを意味する。溝５３の幅は、回転軸Ｏに平行な方向の溝５３の幅を意味する。
　回転軸Ｏに平行な方向に関する溝５３の中心位置は、回転軸Ｏに平行な方向に関する分離室４２の中心位置に一致していてもよい。回転軸Ｏに平行な方向に関する溝５３の中心位置は、回転軸Ｏに平行な方向に関する邪魔板４５の中心位置に一致していてもよい。これにより、作動流体の圧力損失を抑制しつつ、作動流体から凝縮水を効率的に分離することができる。
［５－２．動作］
　以上のように構成された膨張タービン５００について、以下その動作、作用を説明する。
　作動流体から分離された凝縮水は、作動流体に押されることによって分離室４２の内面に沿って溝５２に流入する。分離流路５０の下流部分４４が溝５２に接続されているので、凝縮水は、分離室４２の内部の圧力及び重力によって溝５２を伝わって下流部分４４へと運ばれ、膨張タービン５００の外部へと排出される。溝５２の中を流れる凝縮水に作動流体が触れにくい。
　同様に、分離室４２の内周側の溝５３にも凝縮水が流入する。分離室４２の内部の圧力と外部との圧力差に加え、傾斜した邪魔板４５によって惹起される膨張タービン翼車１０の回転方向と逆向きの一方向流れによって、凝縮水が隔壁５４まで流動する。凝縮水は、隔壁５４を伝わり、分離流路５０の下流部分４４を経由し、膨張タービン５００の外部へと排出される。
［５－３．効果等］
　本実施の形態において、膨張タービン５００は、第２内面４２ｑから第１内面４２ｐまで延びて分離室４２を区切り、分離流路５０の下流部分４４に達している隔壁５４をさらに備えていてもよい。隔壁５４が設けられていると、分離流路５０の下流部分４４に向かう一方向流れが分離室４２に形成される。一方向流れによって、凝縮水が下流部分４４に導かれる。
　本実施の形態において、分離室４２は、第２内面４２ｑに設けられた環状又は円弧状の溝５３をさらに有していてもよい。凝縮水は、溝５３に沿って流れ、分離流路５０の下流部分４４を通じて膨張タービン５００の外部に排出される。
（実施の形態６）
　以下、図８を用いて、実施の形態６を説明する。
［６－１．構成］
　図８は、実施の形態６における冷凍装置６００の構成図である。冷凍装置６００は、回転機械７００、第１熱交換器６０１及び第２熱交換器６０２を備えている。
　回転機械７００は、膨張タービン４００及び圧縮機１０１を有する。膨張タービン４００は、実施の形態４で説明した膨張タービン４００である。膨張タービン４００に代えて、他の実施の形態の膨張タービン１００，２００，３００又は５００が使用されてもよい。圧縮機１０１は、例えば、遠心圧縮機である。回転機械７００は、膨張タービン４００で回収された動力が圧縮機１０１の動力の一部として消費されるように構成されている。
　第１熱交換器６０１は、他の流体によって冷媒（作動流体）を冷却する役割を担う。他の流体は、気体であってもよく、液体であってもよい。第２熱交換器６０２は、冷媒の冷熱を回収するための内部熱交換器である。第１熱交換器６０１及び第２熱交換器６０２としては、フィンチューブ式熱交換器、プレート式熱交換器、二重管式熱交換器、シェルアンドチューブ式熱交換器などが挙げられる。
　冷凍装置６００の熱サイクルは、冷媒として空気を使用する空気冷凍サイクルである。冷凍装置６００によって生成された低温の空気は、対象空間６０３に導かれる。対象空間６０３は、例えば、冷凍庫である。冷凍装置６００は、航空機の客室用空調に使用されてもよい。空気のＧＷＰ（Global Warming Potential）はゼロなので、地球環境を保護する観点から、空気を冷媒として使用することは望ましい。また、冷媒として空気を使用すれば、冷凍装置６００を開放型のシステムとして構築することが可能である。
　回転機械７００、第１熱交換器６０１及び第２熱交換器６０２は、流路４ａから４ｆによって互いに接続されている。流路４ａは、圧縮機１０１の吐出口と第１熱交換器６０１の冷媒入口とを接続している。流路４ｂは、第１熱交換器６０１の冷媒出口と第２熱交換器６０２の高圧側入口とを接続している。流路４ｃは、第２熱交換器６０２の高圧側出口と膨張タービン４００の吸入口とを接続している。流路４ｄは、膨張タービン４００の吐出口と対象空間６０３とを接続している。流路４ｅは、対象空間６０３と第２熱交換器６０２の低圧側入口とを接続している。流路４ｆは、第２熱交換器６０２の低圧側出口と圧縮機１０１の吸入口とを接続している。流路４ａから４ｆには、別の熱交換器、霜取り装置などの他の機器が配置されていてもよい。
　圧縮機１０１で圧縮された冷媒は、第１熱交換器６０１及び第２熱交換器６０２において冷却される。冷却された冷媒は、膨張タービン４００において膨張する。これにより、冷媒の温度がさらに低下する。低温の冷媒は、対象空間６０３に供給されて所望の用途に使用される。対象空間６０３から排出された冷媒は、第２熱交換器６０２において加熱され、その後、圧縮機１０１に導入される。一例において、圧縮機１０１の吸入口における冷媒の温度は、２０℃である。圧縮機１０１の吐出口における冷媒の温度は、８５℃である。第１熱交換器６０１の冷媒出口における冷媒の温度は、４０℃である。膨張タービン４００の吸入口における冷媒の温度は、－３０℃である。膨張タービン４００の吐出口における冷媒の温度は、－７０℃である。
　膨張タービン４００の戻り流路４８は、流路４ｄに接続されている。これにより、冷熱を外部に破棄せずに済むので、冷凍装置６００の効率が向上する。膨張タービン４００で作動流体から分離された凝縮水は、分離流路５０の下流部分４４を通じて、冷凍装置６００の外部に排出される。
［６－２．効果等］
　本実施の形態の冷凍装置６００は、膨張タービン４００を備えている。膨張タービン４００によれば、流路４ｄ及び対象空間６０３への着霜を抑制することができる。着霜を抑制することによって、除霜のための冷凍装置のダウンタイムも削減でき、利便性が向上する。凝縮水を分離するための機構を省略又は簡略化できるので、膨張タービン４００を用いた冷凍装置６００の費用を削減できる。
　本実施の形態において、冷媒が空気であってもよい。地球環境を保護する観点から、空気を冷媒として使用することは望ましい。また、冷媒として空気を使用すれば、冷凍装置６００を開放型のシステムとして構築することが可能である。
（他の実施の形態）
　以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１から６を説明した。しかし、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態１から６で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。
　そこで、以下、他の実施の形態を例示する。
　分離流路５０の入口４１は、一定の流路断面積を有する直管に設けられていてもよい。作動流体が膨張タービン翼車１０から吐出される際に旋回成分を有している場合には、流路断面積が一定であったとしても旋回成分は保存される。
　邪魔板４５は、平板であってもよく、孔あき板であってもよい。この場合、分離室４２に流入した作動流体が邪魔板４５に衝突した際の圧力損失が減少する。
　邪魔板４５は、回転軸Ｏに平行な方向において、複数の列で配置されていてもよい。このような構成によれば、凝縮水をより十分に捕集及び排出することができる。
　なお、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲又はその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
　本開示の技術は、作動流体から作動流体以外の液体及び固体を分離するのに適している。そのため、本開示の技術は、排気ガスタービン過給機、ガスタービン機関、蒸気タービン発電機などの膨張タービン以外の流体機械にも適用可能である。

Claims (14)

  1. 　膨張タービン翼車と、
    　前記膨張タービン翼車を周方向に囲んで作動流体の流路を形成しているタービンハウジングと、
    　前記タービンハウジングにおける前記作動流体の吐出側に前記膨張タービン翼車と同軸に配置されたタービンディフューザと、
    　を備え、
    　前記タービンディフューザが遠心分離機を兼ねる、膨張タービン。
  2. 　前記タービンディフューザの内周面又は前記タービンディフューザに続く流路部材の内周面に開口した入口を有する流路であって、前記膨張タービンの外部に連通している分離流路をさらに備えた、
    　請求項１に記載の膨張タービン。
  3. 　前記分離流路は、前記タービンディフューザの前記内周面又は前記流路部材の内周面よりも半径方向の外側に位置する分離室と、前記入口と前記分離室とを連通している上流部分と、前記分離室と前記膨張タービンの前記外部とを連通している下流部分とをさらに有する、
    　請求項２に記載の膨張タービン。
  4. 　前記分離室は、前記膨張タービン翼車と同軸の環形状を有する、
    　請求項３に記載の膨張タービン。
  5. 　前記分離室の内部に配置された邪魔板をさらに備えた、
    　請求項３又は４に記載の膨張タービン。
  6. 　前記邪魔板は、前記膨張タービン翼車の回転軸に対して傾斜した主面を有する、
    　請求項５に記載の膨張タービン。
  7. 　前記膨張タービン翼車の前記回転軸に垂直な方向から見たとき、前記回転軸と前記主面とのなす角度が４５度以上９０度未満の範囲にある、
    　請求項６に記載の膨張タービン。
  8. 　前記分離流路に流入した前記作動流体を前記作動流体の主流に合流させる戻り流路をさらに備えた、
    　請求項３から７のいずれか１項に記載の膨張タービン。
  9. 　前記分離流路に流入した前記作動流体を前記作動流体の主流に合流させる戻り流路をさらに備え、
    　前記戻り流路は、前記邪魔板よりも下流において前記分離室に向かって開口している、
    　請求項５から７のいずれか１項に記載の膨張タービン。
  10. 　前記分離室は、第１内面、第２内面、及び、前記第１内面に設けられた環状又は円弧状の溝を有し、
    　前記第１内面及び前記第２内面は、それぞれ、前記膨張タービン翼車の回転軸の周方向に沿う面であり、
    　前記回転軸から前記第２内面までの距離は、前記回転軸から前記第１内面までの距離よりも短く、
    　前記環状又は円弧状の溝において、前記分離室に前記分離流路の前記下流部分が接続されている、
    　請求項３から９のいずれか１項に記載の膨張タービン。
  11. 　前記分離室は、第１内面及び第２内面を有し、
    　前記第１内面及び前記第２内面は、それぞれ、前記膨張タービン翼車の回転軸の周方向に沿う面であり、
    　前記回転軸から前記第２内面までの距離は、前記回転軸から前記第１内面までの距離よりも短く、
    　前記膨張タービンは、前記第２内面から前記第１内面まで延びて前記分離室を区切り、前記分離流路の前記下流部分に達している隔壁をさらに備えた、
    　請求項３から１０のいずれか１項に記載の膨張タービン。
  12. 　前記分離室は、前記第２内面に設けられた環状又は円弧状の溝をさらに有する、
    　請求項１１に記載の膨張タービン。
  13. 　前記膨張タービンがラジアルタービンである、
    　請求項１から１２のいずれか１項に記載の膨張タービン。
  14. 　請求項１から１３のいずれか１項に記載の膨張タービンを備え、
    　前記作動流体が空気である、
    　冷凍装置。
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