JP5417743B2 - タービン、タービン発電機及び冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、タービン、タービン発電機及び冷凍装置に関するものである。

従来より、圧力流体（圧力水など）によってタービン羽根車を回転させて、該圧力流体のエネルギを電力に変換するタービン発電機が知られている。

このタービン発電機として、特許文献１に開示されたものが知られている。特許文献１に係るタービン発電機は、タービン羽根車とノズルとを有するタービンを備えている。このタービン羽根車は、所定の回転軸の周方向に配列された複数の羽根部を備えており、該羽根部のそれぞれは、タービン羽根車の回転方向の前方に凹むように湾曲して形成された流体の衝突面を有している。そして、このタービンにおいては、衝突面における湾曲頂点、すなわち、衝突面における該タービン羽根車の厚み方向中央部に流体を入射させ、入射した流体を衝突面に沿って該湾曲頂点から厚み方向両側に分流させて該衝突面の厚み方向両端部から流体を排出している。こうして、タービンは、流体の速度エネルギを回転動力に変換している。
特開２００８−３８６３３号公報

しかしながら、前述のような、流体を衝突面に衝突させるタービンにおいては、衝突面に入射する流体と衝突面から排出される流体とが干渉して、流体の速度エネルギを回転動力に効率良く変換することが難しい場合がある。特に、流体が気体の場合には、衝突面に入射した後、様々な方向に反射し易く、衝突面に入射する流体と衝突面から排出される流体との干渉によるエネルギ損失が大きくなってしまう。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、衝突面に入射する流体と衝突面から排出される流体との干渉によるエネルギ損失を低減することにある。

本発明は、タービン羽根車の羽根部において、凹状に曲がった衝突面をタービン羽根車の厚み方向に１つ設け、該衝突面における該厚み方向の一端から流体が入射し、該衝突面における該厚み方向他端から流体を排出するようにしたものである。

具体的には、第１の発明は、所定の回転軸（X）の周方向に配列された複数の羽根部（52）を備えたタービン羽根車（5）と、流体を噴射するノズル（13）とを備えたタービンが対象である。そして、前記タービン羽根車（5）の各羽根部（52）は、流体が衝突する衝突面（53）を１つだけ有しており、前記衝突面（53）は、前記タービン羽根車（5）の回転方向の前方に凹むように曲がって形成され、前記タービン羽根車（5）の厚み方向の一端側から流体が入射し、前記タービン羽根車（5）の厚み方向の他端側から流体を排出するように構成されている。

さらに、前記衝突面（53）は、前記タービン羽根車（5）の厚み方向の入射側の端縁が、該タービン羽根車（5）の厚み方向の排出側の端縁よりも前記回転方向の後方に位置している。

一方、前記ノズル（13）は、前記タービン羽根車（5）の衝突面（53）に対して前記タービン羽根車（5）の厚み方向の一端側に流体を噴射するように配設されている。

加えて、前記ノズル（13）の軸心は、前記タービン羽根車（5）の回転軸に直交する平面と平行であって且つ前記タービン羽根車（5）の厚み方向の中央よりも一端側に位置している。

前記の構成の場合、流体を、衝突面（53）におけるタービン羽根車（5）の厚み方向一端側から入射させ、該厚み方向の他端側から排出するため、流体を衝突面（53）におけるタービン羽根車（5）の厚み方向中央部に入射させて該中央部で分流させ、該厚み方向両端部から排出する構成と比較して、タービン羽根車（5）の厚さを一定とした場合に、前記衝突面（53）に入射する流体と該衝突面（53）から排出される流体とを可及的に遠ざけることができる。その結果、衝突面（53）に入射する流体と衝突面（53）から排出される流体との干渉によるエネルギ損失を低減することができ、流体の速度エネルギをタービンの回転動力に効率良く変換することができる。

また、前記衝突面（53）におけるタービン羽根車（5）の厚み方向の入射側（即ち、厚み方向一方側）の部分が、該厚み方向の排出側（即ち、厚み方向他方側）の部分よりも拡大される。こうすることによって、衝突面（53）に入射する流体を確実に受け止めることができる。その結果、入射してくる流体の速度エネルギを可及的にタービンの回転動力に変換することができる。

また、衝突面（53）の入射側の端縁を出射側の端縁より回転方向の後方に位置させることによって、衝突面（53）の入射側の部分が、衝突面（53）に入射した流体がタービン羽根車（5）の厚み方向一方に逸れるのを防止する壁としての役割も果たし、衝突面（53）に入射する流体が該厚み方向の一方側に逸れ難くすることができ、その結果、衝突面（53）に入射する流体を確実に受け止めることができる。

具体的に、前記ノズル（13）から噴射された流体は、前記タービン羽根車（5）の羽根部（52）の衝突面（53）において該タービン羽根車（5）の厚み方向一端部から入射し、該衝突面（53）に沿って流れた後、該衝突面（53）の該厚み方向他端部から排出される。つまり、前記衝突面（53）に入射する流体と該衝突面（53）から排出される流体とを可及的に遠ざけることができる。その結果、衝突面（53）に入射する流体と衝突面（53）から排出される流体との干渉によるエネルギ損失を低減することができ、流体の速度エネルギをタービンの回転動力に効率良く変換することができる。

また、前記ノズル（13）から噴射された流体は、タービン羽根車（5）の接線方向と平行に飛散し、前記衝突面のうちタービン羽根車（5）の厚み方向一端側に入射する。

第２の発明は、第１の発明において、前記衝突面（53）は、前記回転方向の前方へ最も凹んだ頂部（56）が、前記タービン羽根車（5）の厚み方向の中央よりも該厚み方向の排出側に位置するものとする。

前記タービン羽根車（5）の厚み方向一端側から前記衝突面（53）に入射した流体は、その流れ方向が該衝突面（53）に沿って、タービン羽根車（5）の厚み方向に変化していき、最終的には衝突面（53）における該厚み方向他端側から排出される。つまり、衝突面（53）において頂部（56）よりも該厚み方向の入射側（即ち、厚み方向一方側）の部分は、入射してくる流体を受け止める機能を有すると共に、流体の流れを該厚み方向へ向けるのに寄与する部分である。そのため、頂部（56）を該厚み方向の中央よりも排出側（即ち、他方側）に位置させることによって、該頂部（56）よりも該厚み方向の入射側の部分を拡大することができ、その結果、流体の流れ方向を緩やかに変化させることができる。流体の流れ方向を急激に変化させると、その際に圧損が生じ得る。つまり、こうして流体の流れ方向を緩やかに変化させることによって、流体の圧損を低減することができる。

また、頂部（56）を該厚み方向の中央よりも排出側に位置させることによって、該頂部（56）よりも該厚み方向の入射側の部分を拡大することができるため、衝突面（53）に入射する流体を確実に受け止めることができる。

第３の発明は、第２の発明において、前記衝突面（53）は、前記タービン羽根車（5）の厚み方向の入射側の部分の曲率が、該厚み方向の排出側の部分の曲率よりも小さいものとする。

前記の構成の場合、前記頂部（56）よりも前記タービン羽根車（5）の厚み方向一方の、流体が入射する入射側の部分の曲率を小さくすることによって、衝突面（53）の入射側の部分で流体の流れ方向を変化させる際にその変化を緩やかにすることができ、その結果、流体の圧損を低減することができる。

また、前記頂部（56）を該厚み方向の中央よりも排出側に位置させると、前記頂部（56）よりも前記タービン羽根車（5）の厚み方向他方の、流体を排出する側の部分の面積が、入射側の部分の面積よりも相対的に小さくなる。このような場合であっても、該頂部（56）よりも該厚み方向の排出側の部分の曲率を大きくすることによって、排出する流体の、衝突面（53）に対する相対的な排出方向を前記回転方向の後方へ可及的に向けることができる。つまり、流体の速度エネルギのうち、回転方向の前方への速度成分を可及的にタービンの回転動力に変換することができる。

第４の発明は、第１〜第３の何れか１つの発明において、隣接する前記羽根部（52）の前記タービン羽根車（5）の厚み方向の入射側の端縁間に設けられ、隣接する該羽根部（52）の間の空間を該厚み方向の入射側へ開口しないように塞ぐ壁部（58）をさらに備えているものとする。

前記の構成の場合、衝突面（53）に入射した流体が、該衝突面（53）に沿って流れることなくタービン羽根車（5）の厚み方向一方へ抜けていくことを防止することができる。つまり、衝突面（53）に入射する流体の速度エネルギを可及的にタービンの回転動力に変換することができる。

第５の発明は、第１の発明のタービン（3）と、前記タービン羽根車（5）の回転軸（X）に沿って延びる軸部材（4）を介して該タービン羽根車（5）と連結され、該タービン羽根車（5）の回転によって発電する発電部（6）と、前記タービン（3）及び前記発電部（6）を収容するケーシング（7）とを備えたタービン発電機が対象である。そして、前記ケーシング（7）には、前記タービン羽根車（5）の厚み方向の排出側に、流体の流出部（73）が設けられているものとする。

前記の構成のタービン（3）においては、タービン羽根車（5）の衝突面（53）に入射した流体は、タービン羽根車（5）の厚み方向他端から排出される。そのため、ケーシング（7）に設けられる流出部（73）をタービン羽根車（5）に対して厚み方向の排出側に位置させることによって、タービン羽根車（5）から排出された流体をケーシング（7）の流出部（73）まで複雑且つ長い経路を介して流通させる必要がなく、タービン羽根車（5）から排出された流体をケーシング（7）の流出部（73）から流出させる構成を簡単することができる。

第６の発明は電動圧縮機（11）と、放熱器（12）と、第５の発明のタービン発電機（2）と、蒸発器（14）とが冷媒配管で接続されて、蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う冷媒回路を備えた冷凍装置が対象である。そして、前記タービン発電機（2）で発生する電力が少なくとも前記電動圧縮機（11）の動力源として使用されるものとする。

前記の構成の場合、蒸気圧縮式冷凍サイクルに用いられるので、タービン発電機（2）にはガス冷媒と液冷媒とが混在した二相冷媒が流入する場合がある。かかる場合、ガス冷媒を含むため噴射される冷媒が広範囲に拡散するが、前記タービン（3）によれば、前記衝突面（53）に入射する流体と該衝突面（53）から排出される流体とを可及的に遠ざけることができるため、衝突面（53）に入射する流体と衝突面（53）から排出される流体との干渉によるエネルギ損失を低減することができ、流体の速度エネルギをタービン（3）の回転動力に効率良く変換することができる。また、液冷媒については、タービン羽根車（5）の回転を妨げないようにケーシング（7）から速やかに排出する必要があるが、ケーシング（7）に設けられる流出部（73）をタービン羽根車（5）に対して厚み方向の排出側に位置させることによって、液冷媒をケーシング（7）から速やかに流出させることができる。さらに、タービン発電機（2）で発生した電力を電動圧縮機（11）の動力源として使用することによって、冷凍装置に外部から供給する電力量を低減することができる。

本発明によれば、タービン羽根車（5）の羽根部（52）の衝突面（53）を、回転方向の前方に凹むように曲げて形成し、該タービン羽根車の厚み方向の一端側から流体が入射して、該厚み方向の他端側から流体を排出するように構成することによって、前記衝突面（53）に入射する流体と該衝突面（53）から排出される流体とを可及的に遠ざけることができ、その結果、流体の速度エネルギをタービンの回転動力に効率良く変換することができる。

つまり、タービン羽根車（5）とノズル（13）とを備えたタービンにおいて、タービン羽根車（5）の羽根部（52）の衝突面（53）を、回転方向の前方に凹むように曲げて形成し、該タービン羽根車（5）の厚み方向の一端側から流体が入射して、該厚み方向の他端側から流体を排出するように構成すると共に、ノズル（13）を前記タービン羽根車（5）の衝突面（53）に対して前記厚み方向の一端側に流体を噴射するように配設することによって、前記衝突面（53）に入射する流体と該衝突面（53）から排出される流体とを可及的に遠ざけることができ、その結果、流体の速度エネルギをタービンの回転動力に効率良く変換することができる。

また、前記衝突面（53）の前記厚み方向の入射側の端縁を、該厚み方向の排出側の端縁よりも前記回転方向の後方に位置させることによって、衝突面（53）に入射する流体を確実に受け止めることができると共に、流体の圧損を低減することができ、その結果、流体の速度エネルギをタービンの回転動力に効率良く変換することができる。

第２の発明によれば、前記衝突面（53）の頂部（56）を前記厚み方向の中央よりも該厚み方向の排出側に位置させることによって、衝突面（53）に入射する流体を確実に受け止めることができると共に、流体の圧損を低減することができ、その結果、流体の速度エネルギをタービンの回転動力に効率良く変換することができる。

第３の発明によれば、前記衝突面（53）において、前記厚み方向の入射側の部分の曲率を該厚み方向の排出側の部分の曲率よりも小さくすることによって、流体の圧損を低減することができると共に、流体の速度エネルギのうち、回転方向前方への速度成分を可及的にタービンの回転動力に変換することができる。その結果、流体の速度エネルギをタービンの回転動力に効率良く変換することができる。

第４の発明によれば、隣接する羽根部（52）の該厚み方向入射側の端縁間に設けられ、隣接する羽根部（52）の間の空間を該厚み方向の入射側へ開口しないように塞ぐ壁部（58）を設けることによって、衝突面（53）に入射した流体が、該厚み方向一方へ抜けていくことを防止することができる。その結果、流体の速度エネルギをタービンの回転動力に効率良く変換することができる。

第５の発明によれば、タービン発電機において、第１の発明に係るタービン（3）を備えることによって、流体の速度エネルギを電力に効率良く変換することができる。それに加えて、ケーシング（7）における、前記タービン羽根車（5）の厚み方向の排出側に、流体の流出部（73）を設けることによって、タービン羽根車（5）から排出された流体をケーシング（7）の流出部（73）から流出させる構成を簡単することができる。

第６の発明によれば、蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う冷凍装置であっても、前記衝突面（53）に入射する流体と該衝突面（53）から排出される流体とを可及的に遠ざけて、流体の速度エネルギをタービンの回転動力に効率良く変換することができると共に、タービン羽根車（5）から排出された流体をケーシング（7）の流出部（73）から速やかに流出させることができる。また、タービン発電機（2）で発生した電力を電動圧縮機（11）の動力源として使用することによって、冷凍装置の成績係数を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

本発明の実施形態に係るタービン発電機（2）は、図３に示すように、冷凍装置（1）に設けられている。

冷凍装置（1）は、電動圧縮機（11）、放熱器（12）、タービン発電機（2）および蒸発器（14）が冷媒配管を介して順に接続された冷媒回路を備え、該冷媒回路を冷媒（例えば、二酸化炭素）が循環して、蒸気圧縮式冷凍サイクルを行うように構成されている。

タービン発電機（2）は、膨張弁（13）と共に設けられ、循環する冷媒から電力を回収するように構成されている。タービン発電機（2）は、図４に示すように、タービン（3）と、該タービン（3）と連結された発電部（6）と、該タービン（3）及び発電部（6）を収容するケーシング（7）とを備えている。

タービン（3）は、回転シャフト（4）と、該回転シャフト（4）に対して固定的に取り付けられて該回転シャフト（4）と一体的に回転するタービン羽根車（5）と、膨張弁（13）とで構成された、ペルトンタービンである。

膨張弁（13）は、ニードル弁（図示省略）によって冷媒の流量調整を行って冷媒を減圧する（膨張させる）ように構成されている。この膨張弁（13）は、冷媒回路においては膨張弁として機能する一方、タービン（3）においては冷媒の圧力エネルギを速度エネルギに変換して、該冷媒をタービン羽根車（5）に噴射するためのノズルとして機能する。よって、以下、膨張弁（13）をノズル（13）とも表現する。

タービン羽根車（5）は、詳しくは後述するが、外周に複数の羽根部（52,52,…）が設けられた円盤状の羽根車本体（51）で構成されている。タービン羽根車（5）は、前記ノズル（13）から噴射する冷媒が羽根部（52,52,…）に衝突することで羽根車本体（51）の軸心（X）回りに回転する。この羽根車本体（51）には、互いの軸心（X）が一致する状態で回転シャフト（4）が取り付けられている。つまり、タービン羽根車（5）が回転すると、回転シャフト（4）も同様に回転する。尚、軸心（X）が回転軸を構成し、回転シャフト（4）が軸部材を構成する。

こうして、タービン（3）は、ノズル（13）で冷媒の圧力エネルギを速度エネルギに変換して、該冷媒をタービン羽根車（5）に対して噴射することによってタービン羽根車（5）を回転させて、回転シャフト（4）を介して回転動力を出力する。

ケーシング（7）は、円筒形状をしていて、その長手方向の異なる位置に２つの軸受（71,71）を備えている。回転シャフト（4）は、ケーシング（7）内において該ケーシング（7）の長手方向に延びるように配設され、該２つの軸受（71,71）で回転自在に支持されている。

また、ケーシング（7）には、流入部（72）と流出部（73）とが設けられている。流入部（72）は、冷媒配管によって放熱器（12）に接続され、流出部（73）は、冷媒配管によって蒸発器（14）に接続されている。本実施形態では、流入部（72）が２つ設けられており（図３では１つだけ図示）、それぞれの流入部（72）には、ノズル（13）が設けられている。２つのノズル（13,13）は、タービン羽根車（5）における１８０度ずれた２つの羽根部（52,52）に向かって冷媒を噴射するように配設されている。流出部（73）は、ケーシング（7）の底部近傍に設けられており、タービン（3）よりも下方に位置している。

発電部（6）は、回転シャフト（4）に対して固定的に取り付けられて該回転シャフト（4）と一体的に回転するロータ（61）と、該ロータ（61）の外周側に設置されてケーシング（7）に固定された固定子（62）とを有し、ケーシング（7）内において２つの軸受（71,71）の間に配設されている。固定子（62）は、図示を省略するが、スロットが形成される固定子鉄心とスロットに配置される固定子コイルとを有する。発電部（6）は、回転シャフト（4）が回転することでロータ（61）が回転磁界を発生し、その回転磁界によって固定子鉄心の固定子コイルに誘起電圧が生じ電流が流れる。このように、発電部（6）は、タービン（3）から出力される回転動力を電力に変換して出力する。

こうして発電した電力は、電動圧縮機（11）の動力源として利用される。つまり、冷媒の運動エネルギー（膨張エネルギー）が電動圧縮機（11）のために動力回収される。

以下に、タービン羽根車（5）について詳しく説明する。

本実施形態に係るタービン羽根車（5）は、水力発電等に利用されるものより極めて小さいものである。具体的には、タービン羽根車（5）は、図１，２に示すように、円盤状の羽根車本体（51）を備えている。そして、羽根車本体（51）の外周面には、複数の羽根部（52,52,…）が周方向に間隔を開けて形成されている。

各羽根部（52）は、羽根車本体（51）の外周において半径方向に立設されている。さらに詳しくは、羽根部（52）は、羽根車本体（51）の軸心（X）回りの周方向一方、即ち、回転方向後方に開口し且つ周方向他方、即ち、回転方向前方に凹むように曲がって形成された略Ｕ字形状の衝突面（53）と、該衝突面（53）と対向し且つ回転方向に対して概略直交する背面（57）とを有している。

衝突面（53）の形状について、さらに詳しく説明すると、回転方向前方へ最も凹んだ頂部（56）が羽根車本体（51）の厚み方向の中央よりも該厚み方向他端側に位置するように構成されている。そして、衝突面（53）は、該頂部（56）よりも該厚み方向一端側に位置し、冷媒が入射する入射面（54）と、該頂部（56）よりも該厚み方向他端側に位置し、冷媒を排出する排出面（55）とを有している。

これら入射面（54）及び排出面（55）は共に、円弧状に湾曲している（即ち、円筒の内周面の一部となっている）。また、入射面（54）及び排出面（55）は共に、中心角が９０度となる、１／４円周面となっている。ただし、入射面（54）の曲率の方が排出面（55）の曲率よりも小さく、即ち、入射面（54）の曲率半径の方が排出面（55）の曲率半径よりも大きくなっている。そして、入射面（54）と排出面（55）とは、頂部（56）において、互いの接線方向が羽根車本体（51）の厚み方向と一致した状態で連続的に繋がっている。尚、入射面（54）及び排出面（55）は、１／４円周面であるため、開口端縁（即ち、回転方向後側端縁）における接線が羽根車本体（51）の円形側面と平行になっている。

また、入射面（54）の開口端縁の方が、排出面（55）の開口端縁よりも、該回転方向後方に位置する。すなわち、入射面（54）の方が排出面（55）よりも回転方向後方に延びている。

さらに、隣接する羽根部（52,52）の間には、一方の羽根部（52）の入射面（54）の開口端縁を、他方の羽根部（52）の背面（57）と接合する壁部（58）が設けられている。この壁部（58）は、隣接する羽根部（52,52）の間の空間が該厚み方向一方へ開口しないように塞いでいる。

一方、隣接する羽根部（52,52）において、一方の羽根部（52）の排出面（55）の開口端縁と、他方の羽根部（52）の背面（57）との間には、それらを接合する壁部は設けられていない。つまり、隣接する羽根部（52,52）の間の空間は、厚み方向他方へ開口している。

このように、タービン羽根車（5）において、隣接する２つの羽根部（52,52）の間の空間は、厚み方向他端側の円形平面に開口している一方、厚み方向一端側の円形平面には開口していない。

尚、頂部（56）は衝突面（53）を横断する線分となるが、この線分が羽根車本体（51）の半径方向に延びるように、羽根部（52）が形成されている。すなわち、衝突面（53）は、頂部（56）を通る半径と平行に形成されている。また、背面（57）も同様に、頂部（56）を通る半径と平行に形成されている。

また、隣接する２つの羽根部（52,52）の間には、一方の羽根部（52）の衝突面（53）と他方の羽根部（52）の背面（57）とを繋ぐ、概略鱗形状の平面（59）が形成されている。この平面（59）は、一方の羽根部（52）の衝突面（53）の頂部（56）を通る半径に対して直交している。

このように構成された羽根部（52）に対して、前記ノズル（13）は、タービン羽根車（5）の回転方向前方に向かって冷媒を噴射し、噴射される冷媒が羽根部（52）の入射面（54）に当たるように配設されている。詳しくは、ノズル（13）の軸心は、また、ノズル（4）の軸心は、羽根車本体（51）の軸心（X）に直交する平面と平行であって、羽根車本体（51）の厚み方向において羽根車本体（51）の厚み方向中央よりも入射面（54）側にオフセットされていると共に、羽根車本体（51）の外周面に対する接線を半径方向内方にオフセットさせた状態となっている。こうすることで、ノズル（13）から噴射された冷媒は、羽根部（52）の入射面（54）に入射する。尚、本実施形態では、タービン羽根車（5）における１８０度ずれた２つの羽根部（52,52）の入射面（54,54）に冷媒が噴射されるようになっている。

以上のように構成されたタービン発電機（2）の動作について説明する。

冷媒回路を循環して放熱器（12）で放熱した冷媒は、ノズル（13）を介してケーシング（7）に流入する。この冷媒は、ノズル（13）を流通する際に減圧される（膨張する）。このノズル（13）で減圧された冷媒は、タービン羽根車（5）の外周に配設された羽根部（52,52,…）の衝突面（53,53,…）に向かって噴射される。噴射された冷媒は、衝突面（53）の入射面（54）に入射し、該入射面（54）及び排出面（55）に沿って流れ、排出面（55）から、タービン羽根車（5）の厚み方向他方、即ち、下方へ排出される。こうして、冷媒が衝突面（53）に沿って流れる際の衝撃によって、タービン羽根車（5）が軸心（X）回りに回転する。タービン羽根車（5）が回転すると、該タービン羽根車（5）と一体的に回転シャフト（4）が回転し、さらには、回転シャフト（4）に固定されたロータ（61）が回転する。ロータ（61）が回転すると、回転磁界が発生し、固定子（62）の固定子コイルに誘導電圧が生じる。こうして、タービン発電機（2）は電力を発生する。尚、排出面（55）から排出された冷媒は、ケーシング（7）の流出部（73）からケーシング（7）外へ流出して蒸発器（14）へ流れていく。

ここで、羽根部（52）においては、タービン羽根車（5）の厚み方向において衝突面（53）が１つだけ設けられている。そして、該衝突面（53）に対して厚み方向一端部から冷媒を入射させ、衝突面（53）の厚み方向他端部から冷媒を排出している。こうすることによって、流体を衝突面における厚み方向中央部に入射させて、該中央部で分流させて、該厚み方向両端部から排出する構成と比較して、衝突面（53）に入射する冷媒と衝突面（53）から排出される冷媒とを、タービン羽根車（5）の厚み方向に遠ざけることができる。その結果、衝突面（53）に入射する冷媒と衝突面（53）から排出される冷媒との干渉によるエネルギ損失を低減することができ、流体の速度エネルギをタービン（3）の回転動力に効率良く変換することができる。さらに、タービン発電機（2）としては、効率良く発電することができる。

また、衝突面（53）の頂部（56）をタービン羽根車（5）の厚み方向中央よりも該厚み方向他方、即ち、排出側へオフセットすることによって、入射面（54）を排出面（55）よりも拡大することができる。さらに、入射面（54）の開口端縁を排出面（55）の開口端縁よりも回転方向後方へ延ばすことによって、入射面（54）を排出面（55）よりも拡大することができる。

こうして、入射面（54）を大きくすることによって、ノズル（13）から噴射されて拡散する冷媒を確実に受け止めて、冷媒の速度エネルギをタービン羽根車（5）の回転動力として回収することができる。

また、入射面（54）を大きくすることによって、冷媒の圧損を低減することができる。つまり、入射面（54）は、タービン羽根車（5）に対して概略回転方向に入射してきた冷媒を厚み方向へ導く機能を有する。そして、入射面（54）を大きくすることによって、冷媒の流れを緩やかに変化させることができる。仮に、入射面（54）が冷媒の流れを急激に変化させるように構成されていたとすると、冷媒の流れを変化させる際に大きな圧損が発生する。つまり、冷媒の流れを緩やかに変化させることによって、冷媒の圧損を低減することができる。

さらに、入射面（54）の曲率の方が排出面（55）よりも曲率が小さくなっているため、この点においても、冷媒の流れを緩やかに変化させることができ、冷媒の圧損を低減することができる。

また、排出面（55）の曲率を入射面（54）の曲率よりも大きくすることによって、排出面（55）の面積が入射面（54）の面積よりも小さい構成であっても、排出される冷媒の、羽根部（52）に対する相対的な排出方向を、回転方向後方、即ち、冷媒の入射方向と反対向きにできる限り向けることができる。その結果、冷媒の速度エネルギの回転方向成分を可及的に、タービン羽根車（5）の回転動力に変換することができる。

さらにまた、隣接する羽根部（52,52）間のタービン羽根車（5）の厚み方向一端に壁部（58）を設けることによって、隣接する羽根部（52,52）の空間が該厚み方向一方、即ち、入射側に開口しないように構成するこができる。つまり、入射面（54）に入射した冷媒が厚み方向一方へ逸れ難くなり、衝突面（53）に入射した冷媒のほとんどを該衝突面（53）に沿って流れさせ、排出面（55）から排出することができるため、タービン羽根車（5）の回転動力の発生に寄与しない冷媒の量を低減することができる。

また、タービン発電機（2）において、厚み方向他方、即ち、排出側がケーシング（7）の流出部（73）の方を向くようにタービン羽根車（5）を配設する（即ち、タービン羽根車（5）を流出部（73）よりも上方に配置すると共に、入射面（54）が上方に、排出面（55）が下方に位置する姿勢で配置する）ことによって、タービン羽根車（5）から排出された冷媒を、ケーシング（7）の流出部（73）からスムーズに排出することができる。さらに、タービン羽根車（5）から流出部（73）まで冷媒を導くための複雑な機構が必要ないため、構成を簡単にすることができる。

《その他の実施形態》
本発明は、前記実施形態について、以下のような構成としてもよい。

すなわち、前記実施形態では、円盤状の羽根車本体（51）を切削加工して羽根部（52,52,…）を形成しているが、これに限られるものではない。例えば、図５に示すように、タービン羽根車（205）は、羽根車本体（251）と、リム（250）と、羽根部としてのバケット（252）とから成っている。リム（250）は、羽根車本体（251）の外周面から放射状に延びるように複数形成されている。バケット（252）は、各リム（250）の先端に形成されている。バケット（252）は、羽根車本体（251）の回転方向後方に開口するように椀状に形成されている。このバケット（252）の椀状内面は、ノズル（13）から噴射した冷媒が衝突する衝突面（253）を構成している。なお、羽根車本体（251）の中心には、回転シャフト（4）用の軸孔が形成されている。本実施形態では、タービン羽根車（205）における１８０度ずれた２つのバケット（252）に冷媒が噴射されるようになっている。

バケット（252）の衝突面（253）は、図６に示すように、回転方向前方へ最も凹んだ頂部（256）に対して、羽根車本体（251）の厚み方向一方に位置し、冷媒が入射する入射面（254）と、該厚み方向他方に位置し、冷媒を排出する排出面（255）とを有している。この頂部（256）は、羽根車本体（251）の厚み方向の中央よりも該厚み方向他方に位置する。

これら入射面（254）及び排出面（255）は共に、円弧状に湾曲している（即ち、円筒の内周面の一部となっている）。また、入射面（254）及び排出面（255）は共に、中心角が９０度となる、１／４円周面となっている。ただし、入射面（254）の曲率の方が排出面（255）の曲率よりも小さく、即ち、入射面（254）の曲率半径の方が排出面（255）の曲率半径よりも大きくなっている。そして、入射面（254）と排出面（255）とは、頂部（256）において、互いの接線方向が羽根車本体（251）の厚み方向と一致した状態で連続的に繋がっている。尚、入射面（254）及び排出面（255）は、１／４円周面であるため、開口端縁（2即ち、回転方向後側端縁）における接線が羽根車本体（251）の円形側面と平行になっている。

また、入射面（254）の開口端縁の方が、排出面（255）の開口端縁よりも、該回転方向後方に位置する。すなわち、入射面（254）の方が排出面（255）よりも回転方向後方に延びている。

このように構成されたバケット（252）に対して、前記ノズル（13）は、噴射される冷媒が入射面（254）に当たるように配設されている。詳しくは、ノズル（13）の軸心は、図６に示すように、羽根車本体（251）の厚み方向において、該厚み方向と直交し且つ、羽根車本体（251）の厚み方向中央よりも該厚み方向一方にオフセットされている。また、ノズル（13）の軸心は、図５に示すように、羽根車本体（251）の軸心（X）に直交する平面内において、羽根車本体（251）の外周面上の所定の点における接線（詳しくは、回転軸回りの外周円の接線）を半径方向内方に平行移動させた直線と一致している。こうすることで、ノズル（13）から噴射された冷媒は、バケット（252）の入射面（254）に入射する。そして、バケット（252）の衝突面（253）に衝突した冷媒の運動エネルギーがバケット（252）に吸収され、タービン羽根車（205）が回転する。

尚、前記実施形態では、羽根部（52）又はバケット（252）の衝突面（53,253）は、入射面（54,254）が排出面（55,255）よりも、面積が拡大されていたり、曲率が小さく設定されていたりするが、これに限られるものではない。例えば、入射面（54,254）と排出面（55,255）とが、タービン羽根車（5,205）の厚み方向において対称な形状に構成されていてもよい。

以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

以上説明したように、本発明は、周方向に配列された複数の羽根部を備えたタービン羽根車、並びに、それを備えたタービン及びタービン発電機について有用である。

本発明の実施形態に係るタービン羽根車を示す斜視図である。 タービン羽根車を示す図であって、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は正面図である。 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。 その他の実施形態に係るタービン羽根車を示す正面図である。 バケットの断面図である。

X 回転軸
1 冷凍装置
11 電動圧縮機
13 ノズル
2 タービン発電機
3 タービン
4 回転シャフト（軸部材）
5,205 タービン羽根車
52 羽根部
252 バケット（羽根部）
53,253 衝突面
56,256 頂部
58 壁部
6 発電部
7 ケーシング
73 流出部

Claims (6)

1. 所定の回転軸（X）の周方向に配列された複数の羽根部（52）を備えたタービン羽根車（5）と、流体を噴射するノズル（13）とを備えたタービンであって、
   前記タービン羽根車（5）の各羽根部（52）は、流体が衝突する衝突面（53）を１つだけ有しており、
   前記衝突面（53）は、前記タービン羽根車（5）の回転方向の前方に凹むように曲がって形成され、前記タービン羽根車（5）の厚み方向の一端側から流体が入射し、前記タービン羽根車（5）の厚み方向の他端側から流体を排出するように構成されるとともに、
   前記衝突面（53）は、前記タービン羽根車（5）の厚み方向の入射側の端縁が、該タービン羽根車（5）の厚み方向の排出側の端縁よりも前記回転方向の後方に位置し、
   前記ノズル（13）は、前記タービン羽根車（5）の衝突面（53）に対して前記タービン羽根車（5）の厚み方向の一端側に流体を噴射するように配設され、
   前記ノズル（13）の軸心は、前記タービン羽根車（5）の回転軸に直交する平面と平行であって且つ前記タービン羽根車（5）の厚み方向の中央よりも一端側に位置していることを特徴とするタービン。
2. 請求項１において、
   前記衝突面（53）は、前記回転方向の前方へ最も凹んだ頂部（56）が、前記タービン羽根車（5）の厚み方向の中央よりも該厚み方向の排出側に位置することを特徴とするタービン。
3. 請求項２において、
   前記衝突面（53）は、前記タービン羽根車（5）の厚み方向の入射側の部分の曲率が、該厚み方向の排出側の部分の曲率よりも小さいことを特徴とするタービン。
4. 請求項１乃至３の何れか１つにおいて、
   隣接する前記羽根部（52）の前記タービン羽根車（5）の厚み方向の入射側の端縁間に設けられ、隣接する該羽根部（52）の間の空間を該厚み方向の入射側へ開口しないように塞ぐ壁部（58）をさらに備えていることを特徴とするタービン。
5. 請求項１に記載のタービン（3）と、
   前記タービン羽根車（5）の回転軸（X）に沿って延びる軸部材（4）を介して該タービン羽根車（5）と連結され、該タービン羽根車（5）の回転によって発電する発電部（6）と、
   前記タービン（3）及び前記発電部（6）を収容するケーシング（7）とを備えたタービン発電機であって、
   前記ケーシング（7）には、前記タービン羽根車（5）の厚み方向の排出側に、流体の流出部（73）が設けられていることを特徴とするタービン発電機。
6. 電動圧縮機（11）と、放熱器（12）と、請求項５に係るタービン発電機（2）と、蒸発器（14）とが冷媒配管で接続されて、蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う冷媒回路を備えた冷凍装置であって、
   前記タービン発電機（2）で発生する電力が少なくとも前記電動圧縮機（11）の動力源として使用されることを特徴とする冷凍装置。

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