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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023054899
(43)【公開日】2023-04-17
(54)【発明の名称】膨張タービン及びそれを用いた冷凍装置
(51)【国際特許分類】
F01D 25/24 20060101AFI20230410BHJP
B01D 45/12 20060101ALI20230410BHJP
B01D 45/08 20060101ALI20230410BHJP
F01D 25/00 20060101ALI20230410BHJP
F01D 25/30 20060101ALI20230410BHJP
【ＦＩ】
F01D25/24 T
B01D45/12
B01D45/08 Z
F01D25/00 P
F01D25/30 B
【審査請求】未請求
【請求項の数】14
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021163874
(22)【出願日】2021-10-05
(71)【出願人】
【識別番号】314012076
【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100107641
【弁理士】
【氏名又は名称】鎌田 耕一
(74)【代理人】
【識別番号】100168273
【弁理士】
【氏名又は名称】古田 昌稔
(72)【発明者】
【氏名】田口 英俊
(72)【発明者】
【氏名】倉本 哲英
(72)【発明者】
【氏名】本間 雅也
(72)【発明者】
【氏名】引地 巧
【テーマコード（参考）】
4D031
【Ｆターム（参考）】
4D031AB02
4D031AC06
4D031DA01
4D031EA01
(57)【要約】
【課題】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。
【解決手段】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。
【選択図】図１
【解決手段】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。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項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。
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。
【請求項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。
請求項１に記載の膨張タービン。
【請求項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。
請求項２に記載の膨張タービン。
【請求項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。
請求項３に記載の膨張タービン。
【請求項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。
請求項３又は４に記載の膨張タービン。
【請求項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。
請求項５に記載の膨張タービン。
【請求項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。
請求項６に記載の膨張タービン。
【請求項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。
請求項３から７のいずれか１項に記載の膨張タービン。
【請求項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。
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。
【請求項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。
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。
【請求項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。
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。
【請求項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。
請求項１１に記載の膨張タービン。
【請求項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。
請求項１から１２のいずれか１項に記載の膨張タービン。
【請求項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。
前記作動流体が空気である、
冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開平５－１８７２０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
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。
【課題を解決するための手段】
【0005】
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。
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。
【0006】
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。
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。
【発明の効果】
【0007】
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。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】実施の形態１における膨張タービンの断面図
【図2】ラジアルタービンにおける速度三角形を示す図
【図3A】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
【図3B】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
【図4A】実施の形態２における膨張タービンの断面図
【図4B】内側部品の半断面図
【図4C】内側部品の平面図
【図5A】実施の形態３における膨張タービンの断面図
【図5B】内側部品の半断面図
【図5C】内側部品の平面図
【図6A】実施の形態４における膨張タービンの断面図
【図6B】実施の形態４における膨張タービンの平面図
【図7A】実施の形態５における膨張タービンの断面図
【図7B】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
【図8】実施の形態６における冷凍装置の構成図
【発明を実施するための形態】
【0009】
（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、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。
発明者らが本開示に想到するに至った当時、冷熱、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。
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
【0014】
［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。
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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）。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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、分離室４２の一部と膨張タービン１００の外部とを連通しており、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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
［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。
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
［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。
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。
【0047】
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。
【0048】
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。
【0049】
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。
【0050】
【0051】
［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。
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。
【0052】
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。
【0053】
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。
【0054】
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。
【0055】
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。
【0056】
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。
【0057】
［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。
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。
【0058】
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。
【0059】
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。
【0060】
［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。
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。
【0061】
【0062】
［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。
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。
【0063】
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。
【0064】
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。
【0065】
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。
【0066】
［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。
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。
【0067】
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、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。
【0068】
［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、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。
【0069】
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。
【0070】
【0071】
［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。
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。
【0072】
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。
【0073】
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。
【0074】
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。
【0075】
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。
【0076】
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。
【0077】
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。
【0078】
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。
【0079】
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。
【0080】
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。
【0081】
［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。
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。
【0082】
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。
【0083】
［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。
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。
【0084】
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。
【0085】
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。
【0086】
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。
【0087】
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。
【0088】
【0089】
［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。
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。
【0090】
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。
【0091】
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。
【0092】
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。
【0093】
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。
【0094】
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。
【0095】
［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。
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。
【0096】
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５３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。
【0097】
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。
【0098】
［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、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。
【0099】
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。
【0100】
（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。
以下、図８を用いて、実施の形態６を説明する。
【0101】
［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。
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。
【0102】
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。
【0103】
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。
【0104】
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。
【0105】
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。
【0106】
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。
【0107】
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。
【0108】
［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。
【0109】
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。
【0110】
（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。
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。
【0111】
そこで、以下、他の実施の形態を例示する。
【0112】
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。
【0113】
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。
【0114】
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。
【0115】
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。
【産業上の利用可能性】
【0116】
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。
【符号の説明】
【0117】
４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆ 流路
１０ 膨張タービン翼車
１０ｐ 下流端
１１ 回転方向
１２ シャフト
２０ タービンハウジング
２１ タービンノズル
２２ 渦巻き室
３０ タービンディフューザ
３０ａ 内周面
３０ｆ 内部流路
４０ 流路部材
４０ａ 内周面
４０ｆ 内部流路
４０ｑ 端面
４１ 入口
４２ 分離室
４２ｐ 第１内面
４２ｑ 第２内面
４３ 上流部分
４４ 下流部分
４５ 邪魔板
４５ｐ 主面
４６ 筒状体
４６ｑ 外周面
４８ 戻り流路
５０ 分離流路
５２，５３ 溝
５４ 隔壁
１００，２００，３００，４００，５００ 膨張タービン
１０１ 圧縮機
４０１，４０３ 内側部品
４０２ 外側部品
６００ 冷凍装置
６０１ 第１熱交換器
６０２ 第２熱交換器
６０３ 対象空間
７００ 回転機械
Ｏ 回転軸
Ｇ すき間
Ｆ１ 主流
１０ 膨張タービン翼車
１０ｐ 下流端
１１ 回転方向
１２ シャフト
２０ タービンハウジング
２１ タービンノズル
２２ 渦巻き室
３０ タービンディフューザ
３０ａ 内周面
３０ｆ 内部流路
４０ 流路部材
４０ａ 内周面
４０ｆ 内部流路
４０ｑ 端面
４１ 入口
４２ 分離室
４２ｐ 第１内面
４２ｑ 第２内面
４３ 上流部分
４４ 下流部分
４５ 邪魔板
４５ｐ 主面
４６ 筒状体
４６ｑ 外周面
４８ 戻り流路
５０ 分離流路
５２，５３ 溝
５４ 隔壁
１００，２００，３００，４００，５００ 膨張タービン
１０１ 圧縮機
４０１，４０３ 内側部品
４０２ 外側部品
６００ 冷凍装置
６０１ 第１熱交換器
６０２ 第２熱交換器
６０３ 対象空間
７００ 回転機械
Ｏ 回転軸
Ｇ すき間
Ｆ１ 主流
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図7A】
【図7B】
【図8】