JP5304445B2

JP5304445B2 - 冷凍サイクルに使用される膨張タービン

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Publication number: JP5304445B2
Application number: JP2009129058A
Authority: JP
Inventors: 武史檜皮; 誠小島
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2009-05-28
Filing date: 2009-05-28
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2029-05-28
Also published as: JP2010275924A

Description

本発明は、中心軸回りに回転可能に構成された羽根車と、該羽根車の周方向の一側に凹む湾曲した流体衝突面を有し且つ該羽根車の外周面に沿って周方向に並ぶ複数の羽根部と、該羽根部の流体衝突面に向けて流体を噴射することで上記羽根車をその中心軸回りに回転駆動させる噴射ノズルと、を備えた、冷凍サイクルに使用される膨張タービンに関する技術分野に属する。

この種の膨張タービンとしては、椀状のバケット（羽根部）を有し、このバケット内面（流体衝突面）の湾曲頂部に、流体を吹き付けるようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このものでは、流体衝突面の湾曲頂部に入射した（吹き付けられた）流体は、流体衝突面に沿って羽根車厚さ方向の両側に分岐して流れた後にバケット外に排出される。

特開平２００８−３８６３３号公報

しかしながら、従来の膨張タービンでは、バケット内面への入射流れと、その排出流れ（入射後の流れ）とが干渉して、タービン効率が低下するという問題がある。また、この膨張タービンを冷凍サイクルに使用する場合には、タービン通過後の冷媒（流体）を回収して冷媒回路中に還元する必要があるが、従来の膨張タービンでは、流体の排出流れが、上述の如く二手に分岐してバケット外へと排出されるため、排出流体を回収するための回収通路を二系統備える必要がある。このため、排出流路構成が複雑化して、部品点数が増加するとともに、冷媒の圧損が増加してしまうという問題がある。

本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、冷凍サイクルに使用される膨張タービンに対して、その構成に工夫を凝らすことで、流体の排出流路構成の簡素化を図るとともに、タービン効率の向上を図ろうとすることにある。

上記の目的を達成するために、この発明では、流体衝突面（63）において羽根車厚さ方向の一側から入射した流体を該厚さ方向の他側から排出するようにした。

第１の発明は、中心軸（Z）回りに回転可能に構成された羽根車（60）と、該羽根車（60）の周方向の一側に凹む湾曲した流体衝突面（63）を有し且つ該羽根車（60）の外周面に沿って周方向に並ぶ複数の羽根部（61）と、該羽根部（61）の流体衝突面（63）に向けて流体を噴射することで上記羽根車（60）をその中心軸（Z）回りに回転駆動させる噴射ノズル（55）と、を備えた、冷凍サイクルに使用される膨張タービンを対象とする。

そして、上記噴射ノズル（55）は、上記流体衝突面（63）における上記羽根車厚さ方向の中央に位置し且つ該羽根車（60）の中心軸（Z）に垂直な中央面（S）に対して該羽根車厚さ方向の一側にずれた位置に配設されていて、上記流体衝突面（63）における上記中央面（S）よりも該羽根車厚さ方向の一側に位置する部分に、上記噴射した流体を入射させるように構成されており、上記流体衝突面（63）は、上記入射した流体を、該流体衝突面（63）に沿って上記羽根車厚さ方向の一側から他側に向かって流動させて、上記中央面（S）よりも該羽根車厚さ方向の他側に位置する部分から排出するように構成され、上記各羽根部（61）はそれぞれ、基端部が上記羽根車（60）の外周面に接続されるとともに該羽根車（60）の径方向外側に向かって突出形成されていて、その突出方向から見たときに、上記流体衝突面（63）が、上記羽根車回転方向の後側に開口する略Ｕ字状をなすように構成されており、上記各羽根部（61）の流体衝突面（63）におけるＵ字開口側の両端縁のうち、上記羽根車厚さ方向の他側に位置する端縁が、上記羽根車厚さ方向の一側に位置する端縁よりも上記羽根車回転方向の後側に位置しているものとする。

第１の発明では、流体衝突面（63）における中央面（S）よりも羽根車厚さ方向の一側に位置する部分に入射した流体は、その後、羽根車厚さ方向の一側から他側に向かって流動し、最終的には、中央面（S）よりも羽根車厚さ方向の他側に位置する部分から排出されることとなる。したがって、流体の入射位置と排出位置とを極力遠ざけて、入射流と排出流との干渉を抑制することができる。これにより、タービン効率を向上させることが可能となる。

また、上述の如く、流体の排出流れ（入射後の流れ）を、二手に分岐させることなく一方向（羽根車厚さ方向の一側から他側に向かう方向）にのみ流動させることができるので、流体の排出流路を一系統のみで済ますことができる。したがって、部品点数の削減を図るとともに、流体排出時における配管抵抗を極力抑制して、流体の圧力損失を低減することができる。

第１の発明では、流体衝突面（63）において相対的に流体排出側（羽根車厚さ方向の他側）に位置する部分の流路長さ（流体の流動方向に沿った長さ）を、流体入射側（羽根車厚さ方向の一側）に位置する部分の流路長さに比して長くとることができる。したがって、流体衝突面（63）に入射した流れを、流体排出側に向かうにしたがって緩やかに膨張させることができる。よって、流体衝突面（63）における流体剥離を抑制して、入射流れと排出流れとの干渉をより一層確実に防止することが可能となる。

第２の発明は、第１の発明において、上記羽根部（61）の流体衝突面（63）における該羽根部（61）の突出方向から見た湾曲頂部は、上記中央面（S）よりも上記羽根車厚さ方向の一側に位置しているものとする。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、上記羽根部（61）の流体衝突面（63）は、相対的に上記羽根車厚さ方向の一側に位置する部分の方が他側に位置する部分に比べて、該羽根部（61）の突出方向から見た曲率が大きくなるように形成されているものとする。

第２及び第３の発明では、流体衝突面（63）における流体入射側に位置する部分の曲率を、排出側に位置する部分に比べて相対的に大きく形成し、また、流体衝突面（63）の湾曲頂部を中央面よりも流体入射側に位置するようにしたことで、流体が入射する部分及びその近傍部分を、流体の入射方向に極力沿わせることができる。したがって、流体が流体衝突面（63）に入射する際の剥離を確実に抑制することができる。また、流体衝突面（63）における流体排出側に位置する部分の曲率を、入射側に位置する部分に比べて小さくしたことで、流体衝突面（63）に入射した流体を、その後、流体衝突面（63）に沿って緩やかに流動させて、その剥離を抑制することが可能となる。よって、第１の発明と同様の作用効果をより一層確実に得ることが可能となる。

第４の発明は、中心軸（Z）回りに回転可能に構成された羽根車（60）と、該羽根車（60）の周方向の一側に凹む湾曲した流体衝突面（63）を有し且つ該羽根車（60）の外周面に沿って周方向に並ぶ複数の羽根部（61）と、該羽根部（61）の流体衝突面（63）に向けて流体を噴射することで上記羽根車（60）をその中心軸（Z）回りに回転駆動させる噴射ノズル（55）と、を備えた、冷凍サイクルに使用される膨張タービンを対象とする。

そして、上記噴射ノズル（55）は、上記流体衝突面（63）における上記羽根車厚さ方向の中央に位置し且つ該羽根車（60）の中心軸（Z）に垂直な中央面（S）に対して該羽根車厚さ方向の一側にずれた位置に配設されていて、上記流体衝突面（63）における上記中央面（S）よりも該羽根車厚さ方向の一側に位置する部分に、上記噴射した流体を入射させるように構成されており、上記流体衝突面（63）は、上記入射した流体を、該流体衝突面（63）に沿って上記羽根車厚さ方向の一側から他側に向かって流動させて、上記中央面（S）よりも該羽根車厚さ方向の他側に位置する部分から排出するように構成され、上記各羽根部（61）の上記羽根車厚さ方向の一側には、該各羽根部（61）の流体衝突面（63）に入射した流体が該羽根車厚さ方向の一側に排出されるのを防止する仕切り板（62）が設けられているものとする。

第４の発明では、流体の排出流れが、羽根車厚さ方向の一側に向かないように、仕切り板（62）によって該流体の流れ方向を規制することができる。よって、流体の排出流れの向きを確実に一方向（羽根車厚さ方向の一側から他側に向かう向き）に集約させることができて、第１の発明と同様の作用効果を得ることが可能となる。

第５の発明は、中心軸（Z）回りに回転可能に構成された羽根車（60）と、該羽根車（60）の周方向の一側に凹む湾曲した流体衝突面（63）を有し且つ該羽根車（60）の外周面に沿って周方向に並ぶ複数の羽根部（61）と、該羽根部（61）の流体衝突面（63）に向けて流体を噴射することで上記羽根車（60）をその中心軸（Z）回りに回転駆動させる噴射ノズル（55）と、を備えた、冷凍サイクルに使用される膨張タービンを対象とする。

そして、上記噴射ノズル（55）は、上記流体衝突面（63）における上記羽根車厚さ方向の中央に位置し且つ該羽根車（60）の中心軸（Z）に垂直な中央面（S）に対して該羽根車厚さ方向の一側にずれた位置に配設されていて、上記流体衝突面（63）における上記中央面（S）よりも該羽根車厚さ方向の一側に位置する部分に、上記噴射した流体を入射させるように構成されており、上記流体衝突面（63）は、上記入射した流体を、該流体衝突面（63）に沿って上記羽根車厚さ方向の一側から他側に向かって流動させて、上記中央面（S）よりも該羽根車厚さ方向の他側に位置する部分から排出するように構成され、上記流体衝突面（63）は、上記噴射ノズル（55）より噴射された流体が該流体衝突面（63）に対して垂直に入射するように形成されているものとする。

第５の発明では、噴射ノズル（55）より噴射される流体を、流体衝突面（63）に対して垂直に吹き付けることができる。したがって、この噴射流体の持つエネルギーを、流体衝突面（63）を介して羽根車（60）に効率的に伝達することができる。したがって、タービン効率を可及的に向上させることが可能となる。

第６の発明は、中心軸（Z）回りに回転可能に構成された羽根車（60）と、該羽根車（60）の周方向の一側に凹む湾曲した流体衝突面（63）を有し且つ該羽根車（60）の外周面に沿って周方向に並ぶ複数の羽根部（61）と、該羽根部（61）の流体衝突面（63）に向けて流体を噴射することで上記羽根車（60）をその中心軸（Z）回りに回転駆動させる噴射ノズル（55）と、を備えた、冷凍サイクルに使用される膨張タービンを対象とする。

そして、上記噴射ノズル（55）は、上記流体衝突面（63）における上記羽根車厚さ方向の中央に位置し且つ該羽根車（60）の中心軸（Z）に垂直な中央面（S）に対して該羽根車厚さ方向の一側にずれた位置に配設されていて、上記流体衝突面（63）における上記中央面（S）よりも該羽根車厚さ方向の一側に位置する部分に、上記噴射した流体を入射させるように構成されており、上記流体衝突面（63）は、上記入射した流体を、該流体衝突面（63）に沿って上記羽根車厚さ方向の一側から他側に向かって流動させて、上記中央面（S）よりも該羽根車厚さ方向の他側に位置する部分から排出するように構成され、上記各羽根部（61）の流体衝突面（63）における上記Ｕ字開口側の両端縁部のうち上記羽根車厚さ方向の他側に位置する端縁部が、上記羽根車厚さ方向から見て、該各羽根部（61）の回転方向後側に隣接する羽根部（61）に重複する位置まで延びているものとする。

第６の発明では、各羽根部（61）の流体衝突面（63）におけるＵ字開口側の両端縁部のうち流体排出側の端縁部を、羽根車厚さ方向から見たときに、隣接する羽根部（61）に重複する位置まで延設するようにしたことで、流体衝突面（63）の曲率を急変させることなく、必要な羽根出口角を得ることができる。

第７の発明は、第１乃至第６のいずれか一つの発明において、上記各羽根部（61）を上記羽根車（60）の外周側から囲むように形成された環状部材（56）をさらに備えているものとする。

第７の発明では、流体の排出流れが、羽根車（60）に対して径方向外側に向かないように、環状部材（56）によって該流体の流れ方向を規制することができる。よって、流体の排出流れの向きをさらに確実に一方向に集約することができる。

第８の発明は、第１乃至第７のいずれか一つの発明において、上記羽根車（60）及び上記羽根部（61）を内部に収容するタービン容器(51)をさらに備え、上記タービン容器(51)は、上記羽根部（61）の流体衝突面（63）に沿って流動排出された流体を、該容器外に排出するための排出口（71）を有し、上記排出口（71）は、上記羽根車（60）に対してその厚さ方向の他側に位置しているものとする。

第８の発明では、羽根部（61）より排出された後の排出流れを、排出口（71）へと導くための排出流路構成を簡素化して、部品点数を削減することができる。

以上説明したように、本発明の冷凍サイクルに使用される膨張タービン（100）による
と、流体衝突面（63）において羽根車厚さ方向の一側から入射した流体を該厚さ方向の他側から排出するようにしたことで、流体の排出流路構成の簡素化を図って部品点数の削減を図るとともに、流体衝突面（63）に対する入射流れと反射流れとの干渉を抑制してタービン効率の向上を図ることが可能となる。

第１の発明によれば、流体衝突面（63）上における流体の剥離等を抑制して、この剥離に起因する入射流れと反射流れとの干渉を確実に抑制することが可能となる。

第２及び第３の発明によれば、流体衝突面（63）における流体の剥離を可及的に抑制することができる。

第４及び第７の発明によれば、流体の流れを確実に一方向に（羽根車厚さ方向の一側から他側に向かう方向に）集約することができる。

第８の発明によれば、各羽根部（61）を通過した流体を、タービン容器（51）の排出口（71）へと導くための排出流路の構成を簡素化して、部品点数を削減することができるとともに、流体の圧力損失を確実に低減することが可能となる。

第５の発明によれば、噴射ノズル（55）より流体衝突面（63）に吹き付けられる流体の運動エネルギーを、羽根車（60）の回転エネルギーとして効率的に取り出すことができる。

第６の発明によれば、流体衝突面（63）での流体の剥離を確実に抑制しながら、所望のタービン効率を得ることができる。

本発明の実施形態に係る膨張タービンを含むタービン発電機を備えた冷媒回路の全体構成を示す配管図である。タービン発電機の構成を示す縦断面図である。膨張タービン（羽根車及び羽根部）を示す、タービン羽根車の厚さ方向の他側の斜め上方から見た斜視図である。膨張タービンをタービン羽根車の径方向から見た図である。図２のV-V線断面図である。各羽根部の流体衝突面の加工方法を説明するための説明図である。他の実施形態を示す図３相当図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る膨張タービン（100）は、冷媒回路（1）に設けられたタービン発電機（6）に利用されるものであって、一般的に水力発電等に利用されるペルトン式のタービン（水車）よりも極めて小さいものである。

冷媒回路（1）は、冷媒（例えば、二酸化炭素）が圧縮機（2）、放熱器（3）、膨張弁（4）および蒸発器（5）を順に循環して、蒸気圧縮式冷凍サイクルを行うように構成されている。

図２に、タービン発電機の縦断面図を示す。タービン発電機（50）は、縦長の円筒形に形成された密閉容器状のケーシング（51）を備えている。ケーシング（51）の内部には、タービン羽根車（60）（以下、羽根車（60）という）と、ノズル（55）と、発電機構（65）と、駆動シャフト（68）とが収容されている。駆動シャフト（68）は、その軸方向が上下方向となる姿勢で、ケーシング（51）と概ね同軸に配置されている。駆動シャフト（68）には、羽根車（60）と発電機構（65）のロータ（66）とが取り付けられている。つまり、駆動シャフト（68）は、羽根車（60）とロータ（66）を連結している。この駆動シャフト（68）において、羽根車（60）は駆動シャフト（68）の下端付近に配置され、ロータ（66）は羽根車（60）よりも上方に配置されている。発電機構（65）のステータ（67）は、ケーシング（51）に固定されており、ロータ（66）の周囲を囲むように配置されている。

上記羽根車（60）は、水力発電等に利用されるものより極めて小さいものである。羽根車（60）は、比較的厚肉の略円板状に形成されている。また、羽根車（60）の外周部には、複数（本実施形態では１２個）の羽根部(61)が設けられている（図３参照）。ここで、羽根車（60）の外周面における各羽根部（61）に対応する部分は、加工上の都合から面取りされており、このため、羽根車（60）は、厳密には、正多角形状（本実施形態では正１２角形状）をなしている。また、羽根車（60）の厚さ方向（羽根車（60）の軸心方向）の一側面には、この羽根車（60）とは別体の円板状の仕切り板（62）（後述する）が取り付けられている。羽根車（60）には、駆動シャフト（68）が互いの軸心（Z）を一致させた状態で回転不能に取り付けられている。つまり、羽根車（60）が回転すると、駆動シャフト（68）も同様に回転する。

ケーシング（51）の内部には、二枚の軸受保持板（80a,80b）が設けられており、駆動シャフト（68）における、ロータ（66）と羽根車（60）との間の部分が、第１軸受保持板（80a）に対し回動可能に支持され、ロータ（66）よりも上側の部分が第２軸受保持板（80b）に対し回動可能に支持されている。そうして、ケーシング（51）内において、羽根車（60）は、第１軸受保持板（80a）よりも下側の下部空間（52）に収容され、発電機構（65）は、第１軸受保持板（80a）よりも上側の上部空間（53）に収容されている。

ケーシング（51）の側壁部には、ケーシング（51）内に冷媒を導入するための導入口（72）が形成され、この導入口（72）に導入管（54）が接続されている。また、ケーシング（51）の底壁部には、ケーシング（51）内の冷媒を排出するための排出口（71）が形成され、この排出口（71）に排出管（57）が接続されている。

導入管（54）のケーシング（51）への開口位置（導入口（72）の位置）は、ケーシング（51）の上下方向において羽根車（60）と概ね同じ高さとなっている。導入管（54）は、ケーシング（51）の外表面に取り付けられており、その内部に内部流路（70）が形成されている。導入管（54）の下流端には、ノズル（55）が設けられている。ノズル（55）は、ケーシング（51）内に内挿された環状部材（56）により保持されている。環状部材（56）は、羽根車（60）（羽根部（61）)の周囲を囲むように配設されている。環状部材（56）の内径は、羽根車（60）の羽根部（61）の回転径よりも若干大きめに設定されている。そして、環状部材（56）の内周面は、羽根部（61）を通過した後の冷媒を、下方（排出管（57））へと案内する案内流路を形成している。上記羽根車（60）に接続された各羽根部（61,61,…）は、羽根車（60）の周方向へ等角度間隔で配置されている。各羽根部（61）は、羽根車（60）の外周部（外周面）から径方向の外側へ突出している。各羽根部（61）は、その突出方向（羽根車（60）の径方向）から見て、略Ｕ字状をなしている。各羽根部（61）の幅寸法（羽根車厚さ方向に沿った長さ）は、羽根車（60）の厚さ寸法に等しい。各羽根部（61）の回転方向の後側に位置する面（63）は、後述するように、ノズル（55）から噴射された冷媒が衝突する流体衝突面（63）を構成している。

ノズル（55）の先端は羽根部（61）の近傍に開口しており、ノズル（55）の先端から噴出した冷媒が羽根部（61）の流体衝突面（63）に噴きつけられる。

図４に示すように、ノズル（55）は、羽根車厚さ方向の中央に位置し且つ該羽根車（60）の軸心（Z）に垂直な中央面（S）に対し、該厚さ方向の一側（図２における上側）にオフセットした位置（ずれた位置）に配設されている。ノズル（55）の噴射軸（55a）は、中央面（S）に対して平行に延びている。そして、ノズル（55）は、噴射した冷媒を、羽根部（61）の流体衝突面（63）における羽根車厚さ方向の一側端部に吹き付けるように構成されている。

羽根部（61）の流体衝突面（63）は、ノズル（55）より吹き付けられた冷媒を、羽根車厚さ方向の一側から他側に向かって流動させて、該厚さ方向の他側端部から排出するように構成されている（図４参照）。

流体衝突面（63）は、略Ｕ字状の湾曲面とされている。流体衝突面（63）におけるＵ字開口側の両端縁のうち、羽根車厚さ方向の他側の端縁は、一側の端縁に比べて羽根部（61）の回転方向の後側に位置している。

各羽根部（61）の流体衝突面（63）における、羽根車厚さ方向の他側に位置する端縁部（つまり羽根部（61）の冷媒排出側の端縁部）は、該厚さ方向から見て、該羽根部（61）の回転方向後側に隣接する羽根部（61）に重複する位置まで延びている（図４参照）。この端縁部における接平面と羽根車（60）の円周接線方向とのなす角度β、つまり羽根部（61）の出口角βは、本実施形態では１０°〜１５°に設定されている。

各羽根部（61）の流体衝突面（63）におけるその突出方向から見た湾曲頂部は、上記中央面（S）よりも羽根車厚さ方向の一側に位置している。すなわち、流体衝突面（63）において回転方向前側に最も凹んだ部分は、中央面（S）に対して、羽根車厚さ方向の一側に位置している。

また、羽根部（61）の流体衝突面（63）は、相対的に羽根車厚さ方向の一側に位置する部分の方が他側に位置する部分に比べて、該羽根部（61）の突出方向から見た曲率が大きくなるように形成されている。すなわち、流体衝突面（63）は、中央面（S）に対して羽根車厚さ方向の一側に位置し且つ第一半径ｒを有する円筒面（曲率１／ｒの円筒面）と、中央面（S）に対して羽根車厚さ方向の他側に位置し且つ第一半径ｒよりも大きい第二半径Ｒを有する円筒面（曲率１／Ｒの円筒面）とを、中央面（S）を境に滑らかに接続した面とされている。

また、羽根部（61）の流体衝突面（63）は、図５に示すように、羽根車（60）の径方向外側に向かって回転方向前側に所定角αだけ傾斜している。この所定角αは、ノズル（55）の噴射軸（55a）の延長線上に到達した羽根部（61）の流体衝突面（63）が、噴射軸（55a）に対して垂直になるように設定されている。本実施形態では、この流体衝突面（63）の傾斜を得るために、その加工に際して、加工ツール（80）（本実施形態ではボールエンドミル）を、ワークに対しその径方向から所定角度αだけ傾けて進入させるようにしている（図６参照）。

上記仕切り板（62）の外径は、羽根車（60）の外径よりも大きく設定されており、仕切り板（62）は、羽根車（60）の軸心方向（Z軸方向）から見て、羽根車（60）の径方向外側に鍔状に突出している。そして、仕切り板（62）は、互いに隣接する各羽根部（61）間に形成される冷媒流路の、羽根車厚さ方向の一側に開放する端部を塞ぐように構成されている。

以上のように構成された膨張タービン（100）において、ノズル（55）より噴射された冷媒は、図４に２点鎖線で示すように、流体衝突面（63）における羽根車厚さ方向の一側端部に入射した後に、羽根車厚さ方向の一側から他側に向かって流動し、中央面（S）を通過して羽根車厚さ方向の他側端部より排出される。排出された冷媒は、下方へと流れて、排出口（71）からケーシング（51)外へと排出される。こうして、流体衝突面（63）に入射した冷媒が、二手に分かれることなく一方向にのみ流れることで、冷媒の入射位置と排出位置とを遠ざけることができる。これにより、冷媒の入射流れと排出流れとの干渉を防止し、タービン効率を向上させることができる。

ここで、上記実施形態では、上記各羽根部（61）の冷媒排出側（羽根車厚さ方向の他側）の端縁が冷媒入射側（羽根車厚さ方向の一側）の端縁に比べて、羽根車（60）の回転方向の後側に位置している。

したがって、流体衝突面（63）において相対的に冷媒排出側に位置する部分の流路長さ（冷媒流動方向に沿った長さを）を、流体入射側に位置する部分の流路長さに比して長くとることができる。これにより、流体衝突面（63）に入射した冷媒を、流体排出側において緩やかに膨張させることができる。よって、流体衝突面（63）での冷媒の剥離等を抑制して、冷媒の入射流れと排出流れとの干渉をより一層確実に抑制することが可能となる。

また、上記実施形態では、流体衝突面（63）における中央面（S）よりも冷媒入射側に位置する部分の曲率（＝１／ｒ）が、冷媒排出側に位置する部分の曲率（＝１／Ｒ）に比べて大きく設定されている。また、流体衝突面（63）の湾曲頂部が、中央面（S）よりも冷媒入射側に位置している。

これにより、流体衝突面（63）を、冷媒の入射位置においてその入射方向に極力沿わせて、冷媒入射時の剥離を抑制することができるとともに、冷媒排出側では、冷媒を緩やかに膨張させてその剥離を抑制することができる。したがって、冷媒の入射流れと排出流れとの剥離による干渉を可及的に抑制することができる。

また、上記実施形態では、羽根車（60）の冷媒入射側の一側面に、仕切り板（62）を設けるとともに、羽根車（60）の羽根部（61）をその外周側から囲む環状部材（56）を設けるようにしている。

これにより、羽根部（61）の流体衝突面（63）に入射した冷媒は、仕切り板（62）によって、羽根車厚さ方向の一側へと向かう流れが規制されるとともに、環状部材（56）によって羽根車（60）の径方向外側へと向かう流れが規制される。したがって、流体衝突面（63）に入射した後の冷媒流れを、羽根車厚さ方向の一側から他側に向かう方向に集約することができる。よって、冷媒の入射流れと排出流れとの干渉を可及的に抑制することが可能となる。

また、上記実施形態では、羽根部（61）の流体衝突面（63）は、噴射ノズル（55）の延長線上において、該噴射軸（55a）に垂直になるように形成されている。これにより、噴射ノズル（55）より噴射された冷媒を、流体衝突面（63）に対して垂直に吹き付けることができる。したがって、この吹き付けられた冷媒の運動エネルギーを効率的に、羽根車（60）の回転エネルギーに変換することができ、タービン効率を向上させることが可能となる。

また、上記実施形態では、羽根部（61）の流体衝突面（63）における冷媒排出側に位置する端縁部（Ｕ字開口側の両端縁部のうち羽根車厚さ方向の他側が位置する端縁部）が、羽根車厚さ方向から見て、該各羽根部（61）の回転方向後側に隣接する羽根部（61）に重複する位置まで延設されている。

これにより、流体衝突面（63）の冷媒排出側において冷媒の案内流路を十分に長くとることができる。したがって、流体衝突面（63）の冷媒排出側における曲率変化を緩やかに保ちながら、羽根部（61）の出口角βを所望の角度に一致させることができる。これにより、冷媒の剥離等を抑制しつつ、必要なタービン効率を得ることができる。

また、上記実施形態では、羽根車（60）は、その厚さ方向の冷媒入射側を、ケーシング（51）の軸心方向の上側に向けて、且つ、厚さ方向の冷媒排出側を、ケーシング（51）の軸心方向の下側に向けて配設されている。これにより、羽根車（60）を通過した冷媒を、重力に従って自然に下部空間(52)へと案内して、排出口（71）からケーシング（51）外へと排出することができる。したがって、タービン（100）を通過した冷媒を排出口（71）へと導くための排出流路構成を簡素化することができる。よって、冷媒の排出流路中での圧力損失を低減することができるとともに、部品点数を削減することが可能となる。

（他の実施形態）
本発明の構成は、上記実施形態に限定されるものではなく、それ以外の種々の構成を包含するものである。すなわち、上記実施形態では、流体衝突面（63）の冷媒排出側の端部を、羽根車厚さ方向から見て、羽根車（60）の回転方向の後側に隣接する羽根部（61）に重複する位置まで延設するようにしているが、例えば該隣接する羽根部（61）の回転方向前側端と同位置まで延ばすようにしてもよい（図７参照）。

また、上記実施形態では、羽根車（60）を、略円板状に形成するようにしているが、これに限ったものではなく、例えば、円錐状等に形成するようにしてもよい。

本発明は、中心軸回りに回転可能に構成された羽根車と、該羽根車の周方向の一側に凹む湾曲した流体衝突面を有し且つ該羽根車の外周面に沿って周方向に並ぶ複数の羽根部と、該羽根部の流体衝突面に向けて流体を噴射することで上記羽根車をその中心軸回りに回転駆動させる噴射ノズルと、を備えた、冷凍サイクルに使用される膨張タービンに有用であり、特に、膨張タービンをタービン発電機に適用する場合に有用である。

Ｓ中央面
５１ケーシング（タービン容器）
５５噴射ノズル
５６環状部材
６０羽根車
６１羽根部
６２仕切り板
６３流体衝突面
７１排出口（排出口）
１００膨張タービン

Claims

中心軸（Z）回りに回転可能に構成された羽根車（60）と、該羽根車（60）の周方向の一側に凹む湾曲した流体衝突面（63）を有し且つ該羽根車（60）の外周面に沿って周方向に並ぶ複数の羽根部（61）と、該羽根部（61）の流体衝突面（63）に向けて流体を噴射することで上記羽根車（60）をその中心軸（Z）回りに回転駆動させる噴射ノズル（55）と、を備えた、冷凍サイクルに使用される膨張タービンであって、
上記噴射ノズル（55）は、上記流体衝突面（63）における上記羽根車厚さ方向の中央に位置し且つ該羽根車（60）の中心軸（Z）に垂直な中央面（S）に対して該羽根車厚さ方向の一側にずれた位置に配設されていて、上記流体衝突面（63）における上記中央面（S）よりも該羽根車厚さ方向の一側に位置する部分に、上記噴射した流体を入射させるように構成されており、
上記流体衝突面（63）は、上記入射した流体を、該流体衝突面（63）に沿って上記羽根車厚さ方向の一側から他側に向かって流動させて、上記中央面（S）よりも該羽根車厚さ方向の他側に位置する部分から排出するように構成され、
上記各羽根部（61）はそれぞれ、基端部が上記羽根車（60）の外周面に接続されるとともに該羽根車（60）の径方向外側に向かって突出形成されていて、その突出方向から見たときに、上記流体衝突面（63）が、上記羽根車回転方向の後側に開口する略Ｕ字状をなすように構成されており、
上記各羽根部（61）の流体衝突面（63）におけるＵ字開口側の両端縁のうち、上記羽根車厚さ方向の他側に位置する端縁が、上記羽根車厚さ方向の一側に位置する端縁よりも上記羽根車回転方向の後側に位置していることを特徴とする冷凍サイクルに使用される膨張タービン。
請求項１記載の冷凍サイクルに使用される膨張タービンにおいて、
上記羽根部（61）の流体衝突面（63）における該羽根部（61）の突出方向から見た湾曲頂部は、上記中央面（S）よりも上記羽根車厚さ方向の一側に位置していることを特徴とする冷凍サイクルに使用される膨張タービン。
請求項１又は２記載の冷凍サイクルに使用される膨張タービンにおいて、
上記羽根部（61）の流体衝突面（63）は、相対的に上記羽根車厚さ方向の一側に位置する部分の方が他側に位置する部分に比べて、該羽根部（61）の突出方向から見た曲率が大きくなるように形成されていることを特徴とする冷凍サイクルに使用される膨張タービン。
中心軸（Z）回りに回転可能に構成された羽根車（60）と、該羽根車（60）の周方向の一側に凹む湾曲した流体衝突面（63）を有し且つ該羽根車（60）の外周面に沿って周方向に並ぶ複数の羽根部（61）と、該羽根部（61）の流体衝突面（63）に向けて流体を噴射することで上記羽根車（60）をその中心軸（Z）回りに回転駆動させる噴射ノズル（55）と、を備えた、冷凍サイクルに使用される膨張タービンであって、
上記噴射ノズル（55）は、上記流体衝突面（63）における上記羽根車厚さ方向の中央に位置し且つ該羽根車（60）の中心軸（Z）に垂直な中央面（S）に対して該羽根車厚さ方向の一側にずれた位置に配設されていて、上記流体衝突面（63）における上記中央面（S）よりも該羽根車厚さ方向の一側に位置する部分に、上記噴射した流体を入射させるように構成されており、
上記流体衝突面（63）は、上記入射した流体を、該流体衝突面（63）に沿って上記羽根車厚さ方向の一側から他側に向かって流動させて、上記中央面（S）よりも該羽根車厚さ方向の他側に位置する部分から排出するように構成され、
上記各羽根部（61）の上記羽根車厚さ方向の一側には、該各羽根部（61）の流体衝突面（63）に入射した流体が該羽根車厚さ方向の一側に排出されるのを防止する仕切り板（62）が設けられていることを特徴とする冷凍サイクルに使用される膨張タービン。
中心軸（Z）回りに回転可能に構成された羽根車（60）と、該羽根車（60）の周方向の一側に凹む湾曲した流体衝突面（63）を有し且つ該羽根車（60）の外周面に沿って周方向に並ぶ複数の羽根部（61）と、該羽根部（61）の流体衝突面（63）に向けて流体を噴射することで上記羽根車（60）をその中心軸（Z）回りに回転駆動させる噴射ノズル（55）と、を備えた、冷凍サイクルに使用される膨張タービンであって、
上記噴射ノズル（55）は、上記流体衝突面（63）における上記羽根車厚さ方向の中央に位置し且つ該羽根車（60）の中心軸（Z）に垂直な中央面（S）に対して該羽根車厚さ方向の一側にずれた位置に配設されていて、上記流体衝突面（63）における上記中央面（S）よりも該羽根車厚さ方向の一側に位置する部分に、上記噴射した流体を入射させるように構成されており、
上記流体衝突面（63）は、上記入射した流体を、該流体衝突面（63）に沿って上記羽根車厚さ方向の一側から他側に向かって流動させて、上記中央面（S）よりも該羽根車厚さ方向の他側に位置する部分から排出するように構成され、
上記流体衝突面（63）は、上記噴射ノズル（55）より噴射された流体が該流体衝突面（63）に対して垂直に入射するように形成されていることを特徴とする冷凍サイクルに使用される膨張タービン。
中心軸（Z）回りに回転可能に構成された羽根車（60）と、該羽根車（60）の周方向の一側に凹む湾曲した流体衝突面（63）を有し且つ該羽根車（60）の外周面に沿って周方向に並ぶ複数の羽根部（61）と、該羽根部（61）の流体衝突面（63）に向けて流体を噴射することで上記羽根車（60）をその中心軸（Z）回りに回転駆動させる噴射ノズル（55）と、を備えた、冷凍サイクルに使用される膨張タービンであって、
上記噴射ノズル（55）は、上記流体衝突面（63）における上記羽根車厚さ方向の中央に位置し且つ該羽根車（60）の中心軸（Z）に垂直な中央面（S）に対して該羽根車厚さ方向の一側にずれた位置に配設されていて、上記流体衝突面（63）における上記中央面（S）よりも該羽根車厚さ方向の一側に位置する部分に、上記噴射した流体を入射させるように構成されており、
上記流体衝突面（63）は、上記入射した流体を、該流体衝突面（63）に沿って上記羽根車厚さ方向の一側から他側に向かって流動させて、上記中央面（S）よりも該羽根車厚さ方向の他側に位置する部分から排出するように構成され、
上記各羽根部（61）はそれぞれ、基端部が上記羽根車（60）の外周面に接続されるとともに該羽根車（60）の径方向外側に向かって突出形成されていて、その突出方向から見たときに、上記流体衝突面（63）が、上記羽根車回転方向の後側に開口する略Ｕ字状をなすように構成されており、
上記各羽根部（61）の流体衝突面（63）における上記Ｕ字開口側の両端縁部のうち上記羽根車厚さ方向の他側に位置する端縁部が、上記羽根車厚さ方向から見て、該各羽根部（61）の回転方向後側に隣接する羽根部（61）に重複する位置まで延びていることを特徴とする冷凍サイクルに使用される膨張タービン。
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の冷凍サイクルに使用される膨張タービンにおいて、
上記各羽根部（61）を上記羽根車（60）の外周側から囲むように形成された環状部材（56）をさらに備えていることを特徴とする冷凍サイクルに使用される膨張タービン。
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の冷凍サイクルに使用される膨張タービンにおい
て、
上記羽根車（60）及び上記羽根部（61）を内部に収容するタービン容器(51)をさらに備え、
上記タービン容器(51)は、上記羽根部（61）の流体衝突面（63）に沿って流動排出された流体を、該容器外に排出するための排出口（71）を有し、
上記排出口（71）は、上記羽根車（60）に対してその厚さ方向の他側に位置していることを特徴とする冷凍サイクルに使用される膨張タービン。