JPH0842930A - 単流体冷却装置 - Google Patents

単流体冷却装置

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JPH0842930A
JPH0842930A JP7072614A JP7261495A JPH0842930A JP H0842930 A JPH0842930 A JP H0842930A JP 7072614 A JP7072614 A JP 7072614A JP 7261495 A JP7261495 A JP 7261495A JP H0842930 A JPH0842930 A JP H0842930A
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    • F03B13/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B11/00—Compression machines, plants or systems, using turbines, e.g. gas turbines
    • F25B11/02—Compression machines, plants or systems, using turbines, e.g. gas turbines as expanders
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    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 圧縮に使用されるエネルギーの本質的な蒸留
の回収が可能にして、２相流タービン膨張機を備えた冷
凍システムを提供する。 【構成】 単流体２相タービンエキスパンダーは圧縮−
膨張冷却システムにおいて用いられる。タービンエキス
パンダー１４は関連する冷却コンプレッサー１１の駆動
トレインの結合されたロータを有し、コンプレッサーは
高速コンプレッサー又はギヤークリューコンプレッサー
である。タービンは、ストレートフォワード設計であ
り、周辺翼を有するロータディスクとノズルブロックを
有し、ノズルグループは翼の方向に向けられている。各
ノズルは、オリフィス板と収束／放散形状であり、音速
放出が可能である。翼はインパルスリアクション形状で
あり、鋭い曲部出口を持ち、ロータにおける２相混合物
のフラッシングを防ぐ。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、圧縮／膨張冷凍に係
り、特に冷却器、空調機、ヒートポンプ、又はターボエ
キスパンダーが、圧力を減少させるのに濃縮された冷凍
剤を膨張させるとともに、圧縮された流体のエネルギー
の一部を回復させるのに用いられる冷凍システムに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】単流体２相流膨張弁、フロートバルブ、
又は流体を膨張させるため、すなわち冷却流体の流れを
高圧から低圧に絞るために、コンデンサ熱交換機と蒸発
熱交換機間の機械的圧力調節器を組み込んでいる。
【０００３】冷凍サイクルにおいて、冷凍効率を改良す
る目的で、タービン又はターボエキスパンダーを使用す
ることは予め提案されている。２相流タービンは、絞り
膨張バルブの等エンタルピー膨張プロセスを断熱（等エ
ントロピー）膨張プロセスに置き換えるのに、必要とさ
れる。すなわち、タービンは、膨張する冷却剤のエネル
ギーを吸収するとともに、回転エネルギーに変換する。
同時に、蒸発機に入る冷却剤の液体蒸留が増加する。理
想的には、膨張冷却剤のエネルギーは回復し、システム
コンプレッサーを駆動するのに必要なモータエネルギー
を低減させるのに用いることが出来る。
【０００４】米国特許第４，３３６，６９３号には、膨
張ステージとして、リアクションタービンを用いる冷凍
システムについて述べられている。この研究において
は、遠心リアクションタービンは、膨張機能を果たすと
ともに、パワーを引き出す前に、液体からの蒸気を分離
するように作用する。これは、公知のターボエキスパン
ダーよりも効率を上昇させる。この従来の特許におい
て、タービンによって発生したエネルギーは例えば発電
機を駆動するのに使用できる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この役
目をなすタービンは、多くの理由により特別な効果はな
い。殆どの冷凍プロセスにおいて、冷却剤が飽和液体相
から底品質の２相液体／蒸気状態にされるところでは、
膨張プロセスは、コンプレッサーに必要なワーク入力に
比べて、比較的少ない量のワークを発生する。さらに、
一般に用いられるタービンは、コンプレッサーよりも容
量が小さいばかりでなく、２相流と膨張液体の速度によ
り、低効率となる。最適な効率とするためには、２相流
タービンは、もちろん、コンプレッサーとは完全に異な
る速度を必要とする。結局、公知の技術では、タービン
エキスパンダーは、エネルギー回収が少なくかつ絞り弁
の初期コストと保守コストにおいて優れていないので、
２相流タービンは使用されていない。
【０００６】単流体２相流タービンエキスパンダーは、
冷凍システムの残りに対するタービンの臨界が見られる
場合のみ、実用的な効率が得られる。もし、タービンロ
ータが高効率膨張を果たすことができるような設計速度
を持っておれば、コンプレッサーにタービンロータシャ
フトを直接結合することが可能であり、例えば蒸気速度
と２相流速度のような冷却剤の特性にタービンが適合
し、かつ冷凍システム（すなわち、冷凍機、冷却器、又
は空調機）の容量は、タービンエキスパンダーの質量流
体条件を満たす。しかしながら、従来のシステムは、こ
れを満足するものではなく、かつ所望の効率の増加は達
成されない。
【０００７】例えば、Ｒ１３４ＡとＲ２２のような中間
−高圧力冷却剤に対して、２相流タービンエキスパンダ
ーは、リッジ（Ｒｉｔｚｉ）の米国特許第４，２９８，
３１１号やハイズ（Ｈａｙｓ）の米国特許第４，３３
６，６９３号およびハイズ（Ｈａｙｓ）の米国特許第
４，４３８，６３８号において述べられているものを使
用することが出来る。これらの特許は、液体質量のほと
んど（例えば９０％）液体である２相の作動流体（ワー
キング）によって駆動されるタービンに関するものであ
り、蒸気と液体混合物がロータをインパクトするよう
に、１つ又はそれ以上のノズルがロータにおいて凝縮さ
れた冷却剤に向けられている。これらのタービンはリア
クションモータとして設計されており、膨張する蒸気の
機械的エネルギーは、熱としてよりも機械的シャフト出
力エネルギーに変換される。このことは、理論的には、
膨張後の全液体質量の液体蒸留を最大にする。
【０００８】しかしながら、最適な膨張を供するところ
のタービンのサイズでは、最適な出力シャフトパワーが
得られない。所定の質量に対するタービンの膨張容量
を、コンプレッサー駆動に直接結合できるのに必要なシ
ャフト速度に適合させるような工夫がなされていない。
【０００９】本発明の目的は、凝縮流体の断熱膨張にア
プローチし、圧縮に使用されるエネルギーの本質的な蒸
留の回収が可能にして、従来の欠点を除去した、２相流
タービン膨張機を備えた冷凍システムを提供することで
ある。
【００１０】この目的は、特許請求の範囲の請求項１の
序文による方法と装置において、請求項１の特徴部分に
よって達成される。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、液体と蒸気として存在し充てんされた流
体冷却剤と、蒸気を圧縮しエネルギーを冷却剤流体に加
えるために所定の回転速度で駆動されるとともに、所定
の減少した圧力で前記流体を受ける入口と上昇した圧力
で流体を供給する出口を有するロータリーコンプレッサ
ーと、入力シャフトに結合された駆動シャフトを有する
駆動モータと、圧縮された液体を蒸気に変換するために
凝縮された冷却剤からの熱を放出するコンデンサー手段
と、前記上昇した圧力で、冷却剤液を前記減少した圧力
に膨張させるための液体と蒸気の結合として、前記液体
が供給される入口を有するタービンエキスパンダーによ
って構成された単相流体圧縮／膨張冷却装置において、
前記ロータリーコンプレッサーの入力シャフトに結合さ
れ、冷却剤流体の圧縮エネルギーの少なくとも一部を、
圧縮された状態で回収する出力シャフトと、前記減少し
た圧力で前記冷却剤流体を供給する出口および、前記タ
ービンエキスパンダーの出口と前記コンプレッサーの出
口間の回路に位置し、前記減少した圧力で前記冷却流体
を供給し、冷却剤流体を蒸気と吸収熱に蒸発させるとと
もに、蒸気を前記コンプレッサー入口に戻すための蒸発
器手段によって、構成されていることを特徴とする。
【００１２】また本発明は、液体と蒸気として存在し充
てんされた流体冷却剤と、蒸気を圧縮しエネルギーを冷
却剤流体に加えるために所定の回転速度で駆動されると
ともに、所定の減少した圧力で前記流体を受ける入口と
上昇した圧力で流体を供給する出口を有するロータリー
コンプレッサーと、入力シャフトに結合された駆動シャ
フトを有する駆動モータと、圧縮された液体を蒸気に変
換するために凝縮された冷却剤からの熱を放出するコン
デンサー手段と、前記上昇した圧力で、冷却剤液を前記
減少した圧力に膨張させるための液体と蒸気の結合とし
て、前記液体が供給される入口を有するタービンエキス
パンダーによって構成された単相流体圧縮／膨張冷却装
置において、前記ロータリーコンプレッサーの入力シャ
フトに結合され、冷却剤流体の圧縮エネルギーを、圧縮
された状態で回収する出力シャフトと、前記減少した圧
力で前記冷却剤流体を供給する出口および、前記タービ
ンエキスパンダーの出口と前記コンプレッサーの出口間
の回路に位置し、前記減少した圧力で前記冷却流体を供
給し、冷却剤流体を蒸気と吸収熱に蒸発させるととも
に、蒸気を前記コンプレッサー入口に戻すための蒸発器
手段によって構成され、前記タービンコンプレッサー
は、定常状態動作において前記コンプレッサーのパワー
の約１０％を供給する、ことを特徴とする。
【００１３】
【作用】わずかに低蒸気質に予冷された吸入条件を備え
た、単流体２相流タービンエキスパンダーは、凝縮され
た冷却剤を断熱的に膨張させるためと冷却剤の圧縮エネ
ルギー量を回収するために、関連する冷凍コンプレッサ
ーのドライブトレインに直接すなわち機械的に結合さ
れ、そのエネルギーはコンプレッサーを回転させるのに
適用される。
【００１４】
【実施例】図面に関して、まず、図１を参照すると、ヒ
ートポンプ、冷凍機、冷却器、または空調機用の冷凍シ
ステム１０は、概略的に示されており、電動機１２又は
他の原動機によって駆動されるコンプレッサー１１によ
って構成されている。コンプレッサー１１は液体と蒸気
相または蒸気相状態で存在する作動流体を圧縮する。コ
ンプレッサーは、高圧高温で圧縮された蒸気をコンデン
サ１３に放出する。そのコンデンサ１３は、作動流体か
ら熱を放出し、高圧蒸気を高圧流体に凝縮する。液体は
コンデンサ１３からタービンエキスパンダー１４に流れ
る。高圧液は、高圧ポートに流れ、タービンロータを、
膨張作動流体の機械的エネルギーによって駆動する。換
言すると、コンプレッサー１１によって作動流体に与え
られたエネルギーの一部はエキスパンダー１４によって
回収される。ここから、作動流体は低圧で蒸発器に流れ
る。蒸発器１５において、吸収された熱は作動流体を液
体から蒸気状態に変換する。蒸発器１５からの蒸気は吸
気口側のコンプレッサー１１に再入する。この概略図に
おいて、タービンエキスパンダー１４からコンプレッサ
ー１１までの連結１６は、これらの２つの要素のシャフ
トを機械的に連結し、それによりタービンエキスパンダ
ー１４はコンプレッサー１１の駆動に際してモータを実
際に助ける。タービンエキスパンダーはモータのコンプ
レッサー負荷を軽減し、冷凍サイクルは、例えば絞り膨
張弁のような異なるタイプのエキスパンダーよりも、よ
り効率的に運転される。
【００１５】図２は一般の冷凍システムの蒸気圧縮曲線
である。このチャートにおいては、温度Ｔは縦座標とし
て表され、エントロピーＳは横座標として表されてい
る。圧縮／膨張サイクルは垂直線Ａとして蒸気の断熱膨
張を示し、ラインＢ１で蒸気の過熱冷却が起こり、ライ
ンＢ２で２相等温の圧縮度によって追従される。作動流
体は等エンタルピー（ｉｓｅｎｔｈａｌｐｉｃ）膨張を
行う。その膨張は、曲線Ｃに示すように、幾分右に下が
る。蒸発器における流体の等温蒸発は水平直線Ｄとして
示されている。等エンタルピー膨張により、凝縮した作
動流体の圧縮エネルギーの幾らかはシステムの低圧側で
液体が蒸気に変えられる時に消費されるので、膨張した
冷却剤の質は幾分増加する。効率的な運転のためには、
作動流体の質、すなわち、膨張した冷却剤の蒸留はでき
るだけ小さい方が良い。
【００１６】図３は、図２のものと同様であるが、ター
ビンエキスパンダーを通しての作動流体の断熱膨張を達
成するシステム用のものである。断熱膨張は垂直な線
Ｃ’として示されている。ここで、少なくとも圧縮エネ
ルギーの幾らかは、エキスパンダーを通過する作動流体
から回収され、かつ機械的エネルギーに変換されるとと
もに、コンプレッサーへ戻される。このことは、冷却剤
の高い蒸留が流体として蒸発器に入り、非常に多くの量
の冷却が冷却剤の同量をもって達成される、ことを意味
する。タービンエキスパンダーを効率的に使用すること
によって、高冷却効率が可能である。例えば、Ｒ１２，
Ｒ２２およびＲ１３４Ａのような高圧冷却剤によって、
標準の膨張バルブを介してのスロットリングロスはせい
ぜい２０％であり、例えば、Ｒ１２３又はＲ２４５ｃａ
のような低圧の冷却剤では１２％である。しかしなが
ら、スロットリングタイプのエキスパンダーを５０％の
効率を有するタービンエキスパンダーに置き換えること
が出来れば、スロットリングロスのかなりの量を回復で
きる。このように、コンプレッサーのシャフトに直接
（すなわち、機械的に）結合されているタービンエキス
パンダーは冷凍効率の改良を達成できる。冷凍サイクル
の効率を改善するためにタービンエキスパンダーを使用
することは実現出来ないアイデアであった。エキスパン
ダータービンを冷却システムに適合させることは達成さ
れていない。
【００１７】例えば、効率よく運転するためには、シス
テムの必要性から、エキスパンダータービンホイールの
大きさと回転速度は質量流と圧力低下に適合させなけれ
ばならない。もちろん、経済的理由により、このタービ
ン速度はコンプレッサーのドライブトレインの有効なシ
ャフトに対応しなければならない。効率的な運転のため
に、タービンは十分な量のパワーをコンプレッサーに供
給しなければならない。最後に、タービンデザインは、
初期コストとメンテナンスコストの両方を小さくするた
めに、簡単でしかも信頼性がなければならない。
【００１８】図４は、この発明の実用的な実施例による
コンプレッサーとエキスパンダーアッセンブリーの縦断
面図である。ここで、３相−２極モータ１２は高速遠心
コンプレッサー１１のハウジングに取り付けられてい
る。コンプレッサーは吸入口１８と羽根車またはロータ
１９を有し、この吸入口には蒸気が蒸発器から供給さ
れ、羽根またはロータはロータシャフトによって高速、
例えば１５，０００ｒｐｍで駆動される。作動流体は遠
心駆動され、拡散室２１に入る。拡散室では羽根車から
の機械的エネルギーが圧力に変換される。圧縮されたガ
スはコンデンサー熱交換機（図示されていない）の出口
２２へ進む。羽根車シャフト２０は、モータ１２のモー
タシャフトによって順番に駆動されるステップーアップ
ギヤーボックス２３を介して駆動される。この実施例に
おいては、モータシャフト２４は３６００ｒｐｍの設計
速度で回転する。
【００１９】タービンエキスパンダー１４はモータ１２
の多端に取り付けられている。ここで、吸入口プレナム
２５は凝縮された高圧の作動流体を受け、出口プレナム
２６は作動流体を低圧で蒸発器熱交換機（図示されてい
ない）に放出する。
【００２０】タービンエキスパンダー１４内で、ロータ
ディスク２７は、モータシャフト２４を結合するシャフ
ト２８に取り付けられている。ノズルブロック２９はデ
ィスク２７を円周方向に囲みかつ複数のノズル３０を含
んでいる。これらのノズル３０は、吸入口プレナム２５
に連通する基部端を有し、端部はロータディスクのリム
に向けられている。
【００２１】図５と６は一般的なロータ２７とノズルブ
ロックのアレンジメントを示す。ロータディスク２７
は、軸流用に配設された周辺ブレード３１を有し、おう
とつ（凹凸）翼によって衝撃反作用に設計されていると
ともに、ブレード又は羽根３１の出口側（すなわち図６
の上端）プロフィル上の鋭い曲りは図６に示されてい
る。ブレード３１の放射状外方縁に支持されたロータ囲
い板３２は流体抵抗を防止する。ロータ２７における２
相流混合物のフラッシングを防止するために、ロータ２
７は純粋なインパルスタイプである。もちろん、軸流設
計により、流体放出の欠点を避けることが出来、ブレー
ドの頂上にわたる流体のロータへの再入の欠点を避ける
事ができる。ブレード出口の鋭い曲りはブレード圧力面
の液体抵抗を減少させる。
【００２２】ノズル３０の設計は図７に断面で示されて
いる。多数の小孔を設けることによって流体からフラシ
ュオフするので、吸入口の多孔オリフィス板３３は、蒸
気ポッケトの破壊を生じる。ノズル３０は収束／放散設
計の内部プロフィル３４を有し、すなわち、プロフィル
はウエスト３５に集まり、それから、出口端に放散す
る。一つの代表的な設計においては、ノズルは、２００
フィート／秒の出力圧を達成する。この実施例において
は、ロータディスク２７の直径は７．５〃であり、適正
なロータ速度は３６００ｒｐｍであり、ロータの羽根の
速度は１００フィート／秒である。羽根速度は２相流混
合物の２分の１である。このことは、ノズルからロータ
の羽根までの２相流体のインパクトが最小のフラシュを
与えることと、流体−蒸気混合物の機械的エネルギーが
ロータディスク２７に移送されることを意味する。高圧
冷却剤（代表的にはＲ２３４Ａ）を用いる５００トン水
冷冷却器において、タービンエキスパンダーは、２０Ｃ
ＦＭの吸入口容積率と、約２６５ＣＦＭの出口容積率を
もっている。断熱放熱速度は、約３．５平方インチのノ
ズル放出断面積で、２００フィート／秒である。前述の
ように、ロータは７．５０インチの直径をもっている。
３６００ｒｐｍのロータ速度に戻ると、タービンは、６
０％の効率を持ち、約１７．５馬力のタービン出力を達
成する。
【００２３】例えばＲ２４５ＣＡのような低圧冷却剤を
用いる同じような５００トンシステムでは、タービンエ
キスパンダーは、１７ＣＦＭの吸入口容積流率と１２０
６ＣＭＦの出力口容積流率を持つ。断熱ノズル放出速度
は、２１．４平方インチのノズル放出断面積で、１６１
フィート／秒である。この場合、ロータ速度を適正なも
のとするために、１２００ｒｐｍの低い最適ロータ速度
を必要とし、ロータ径を２５インチにする必要がある。
これは、タービンロータシャフトを３対１のギヤー装置
を介してモータシャフト２４に接続することによって、
達成することが出来る。低圧システムに対しては、ター
ビンパワー、すなわちタービンによって回収されるパワ
ー量は約８．３馬力よりも低く、見積タービン効率は約
４５％である。
【００２４】図６に戻ると、この実施例においては、ブ
ロック２９の半径方向回りに配設された１４のノズル３
０がある。しかしながら、ノズルの数とそれらのサイズ
は、例えば質量流、圧力差などの要素によって変えるこ
とができる。
【００２５】図９は他の実施例を示し、小さいシステム
用のすなわち５０トンの容量の高速スクリュータイプの
コンプレッサー４０はインダクションモータ４１によっ
て駆動され、タービンエキスパンダー４３はコンプレッ
サーの高速雄ネジ（図示されていない）のシャフトに結
合されている。ここに、ゴーストラインで示されている
ロータ４４はノズル４５から放射するジェットによって
回転駆動される。入口プレナム４６は高液作動流体を受
け、出口プレナム４７は低圧作動流体を液／蒸気混合と
して、放出する。ここで知られている実施例のコンプレ
ッサーとネジギヤーコンプレッサーに加えて、２相流タ
ービンエキスパンダーは種々のコンプレッサーの駆動シ
ャフトに直接結合できる。タービンエキスパンダーは、
冷凍機、空調機または冷却器のコンプレッサーの駆動ト
ルクに直接結合できる。
【００２６】この発明の変形例が図１０−１２に示され
ている。例えば図４に関して前述した装置は、オープン
駆動装置であって、モータ１２は冷却剤雰囲気中にはな
い。タービン１４とモータシャフト２４との間、および
モータシャフト２４とコンプレッサー１１との間に分離
シールが必要である。しかしながら、図１０の装置では
タービンエキスパンダー１４が遠心コンプレッサー用の
ギヤボックス２３のモータ軸端に取付られている。ター
ビンエキスパンダー１４とコンプレッサー１１の双方
は、共通のコンプレッサーハウジング４７内に取付られ
ており、シングルシール４６のみが必要とされ、コンプ
レッサーハウジング４７の入口点におけるモータシャフ
トに取付られている。タービンエキスパンダー１４は低
速ギヤーシャフト間に支持されている。この装置は、シ
ステムが必要とするシールの数を減少させる。もちろ
ん、低いものではタービンへの支持が改良される。
【００２７】さらに、図４において前述したオープンド
ライブコンプレッサーハウジング内に配設されており、
サービス面でより困難である。ハーメチックギヤーボッ
クスに風損が生じる。
【００２８】図１１に示す装置において、ステップアッ
プ（増速）ギヤーボックス４８は、モータシャフトに位
置し、遠心コンプレッサーのロータに直接結合されてい
る出力シャフトをもっている。ステップダウン（減速）
ギヤーボックス２３’は、高速シャフトを結合するとと
もに、代表的に３６００ｒｐｍの減少された速度に適合
するタービンエキスパンダー１４に結合する。タービン
１４はコンプレッサー１１に比べて低パワーで動作する
ので、ギヤーボックス２３は、前述した図３の実施例で
必要とされるものよりも軽くかつ安価にできる。もちろ
ん、図８の実施例に関して、タービンエキスパンダー１
４とコンプレッサー１１の双方が共通のハウジング４７
に位置しているので、シングルシール４６のみが必要と
される。
【００２９】図１０はこの発明によるハーメチック装置
を示すもので、高速モータ１２’が減速ギヤー２３’，
タービンエキスパンダー１４およびコンプレッサー１１
の共通のハウジング内に気密にシールされている。高周
波インバータ５０は、高速コンプレッサー１１を直接駆
動するために、高周波数ＡＣ電力をモータ１２’に供給
する。システムは、ハウジング４７内に完全にシールさ
れており、かつ最小の機械部品の数の使用で済むことに
なる。
【００３０】
【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば、例えば
Ｒ２２又はＲ１３４Ａの高圧冷却剤と、２極インダクシ
ョンモータ（３０００から３６００ｒｐｍ）によって駆
動される遠心力またはスクリューコンプレッサーを用い
ている、１００から１０００トンの容量の冷凍システム
に対して、タービン効率は６０％と評価される。運転条
件によっては、絞り膨張弁を備えたシステムに比べて、
モータ負荷が６−１５％に減少する。例えばＲ１２３又
はＲ２４５ｃａのような低圧力冷却剤を用いる同様なシ
ステムでは、タービンロータ径の増加と低ロータシャフ
ト速度により、回収をもっと小さくできる。理想的に
は、約２−６％の回収が可能である。
【００３１】速度と容量間の臨界関係が観測される限
り、スクリューコンプレッサー又は他のロータリーコン
プレッサーを有する１００トンの容量以下の冷凍システ
ムにおいてタービンエキスパンダーを使用すると、効率
的なエネルギー回収を達成することができる。例えば、
高圧冷却剤を使用しているシステムにおいて、タービン
エキスパンダーは、１２，０００ｒｐｍで運転している
歯車スクリューコンプレッサー又は４０，０００ｒｐｍ
で運転しているインバータ駆動５トンスクロールコンプ
レッサーの高速シャフトに直接結合することが出来る。
【００３２】タービンは簡単な設計であり、周辺の翼を
備えたロータディスクとノズルブロックを備えていると
ともに、ノズルブロックは翼の方向に向けられている。
ノズルには、それぞれ、蒸気ポケットを破壊させるため
に、入口の翼が設けられている。ノズルは、ウエストを
集める内部形状を有し、出口に放出する。このデザイン
により、音速放出が達成され、液滴の破壊を行う流通圧
勾配を生成する。ロータの翼は、ロータの２相混合物の
さらなるはみ出しを防ぐために、純粋のインパルス設計
（デザイン）を生み出すよに曲げられている。ロータは
軸流デザインであり、翼には円周方向の囲い板を有し、
液体抵抗を防止し、液体の循環と侵入を防ぐことができ
る。
【００３３】この発明の他の目的、特徴および利点は、
好ましい実施例の説明と添付図面を参照することによ
り、明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示すタービンエキスパンダ
ーを内蔵した単液圧縮／膨張冷凍システムの透視図。
【図２】絞り膨張弁とタービンエキスパンダーを用いる
システムの冷却剤圧縮／膨張サイクルのチャート。
【図３】絞り膨張弁とタービンエキスパンダーを用いる
システムの冷却剤圧縮／膨張サイクルのチャート。
【図４】本発明の一実施例による遠心コンプレッサーと
エキスパンダーの組合わせによる断面図。
【図５】実施例のタービンエキスパンダーのロータとノ
ズルブロックの斜視図。
【図６】羽プロフィルの形状を示すロータの斜視図。
【図７】同様な斜視図で羽根プロフィルの形状を示す
図。
【図８】実施例のノズルの軸方向断面図。
【図９】関連するタービンエキスパンダーを有する高速
スクリューコンプレッサーを示す他の実施例の斜視図。
【図１０】本発明の実用的な変形例の概略図。
【図１１】本発明の実用的な変形例の概略図。
【図１２】本発明の実用的な変形例の概略図。
【符号の説明】
１１…コンプレッサー １２…モータ １３…コンデンサ １４…エキスパンダー １５…蒸発器 １６…連結 １９…ロータ ２０…羽根車シャフト ２１…拡散室 ２２…出口 ２３…ギヤーボックス ２４…モータシャフト ２５…吸入口プレナム ２６…出口プレナム ２７…ディスク ２８…シャフト ３０…ノズル ３１…ブレード ３２…ロータ囲い板 ３３…オリフィス板 ３５…ウエスト ４０…コンプレッサー ４１…インダクションモータ ４３…タービンエキスパンダー ４４…ロータ ４５…ノズル ４６…入口プレナム ４７…出口プレナム ４８…ギヤーボックス

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 液体と蒸気として存在し充てんされた流
    体冷却剤と、 蒸気を圧縮しエネルギーを冷却剤流体に加えるために所
    定の回転速度で駆動されるとともに、所定の減少した圧
    力で前記流体を受ける入口と上昇した圧力で流体を供給
    する出口を有するロータリーコンプレッサーと、 入力シャフトに結合された駆動シャフトを有する駆動モ
    ータと、 圧縮された液体を蒸気に変換するために凝縮された冷却
    剤からの熱を放出するコンデンサー手段と、 前記上昇した圧力で、冷却剤液を前記減少した圧力に膨
    張させるための液体と蒸気の結合として、前記液体が供
    給される入口を有するタービンエキスパンダーによって
    構成された単相流体圧縮／膨張冷却装置において、 前記ロータリーコンプレッサーの入力シャフトに結合さ
    れ、冷却剤流体の圧縮エネルギーの少なくとも一部を、
    圧縮された状態で回収する出力シャフトと、 前記減少した圧力で前記冷却剤流体を供給する出口およ
    び、 前記タービンエキスパンダーの出口と前記コンプレッサ
    ーの出口間の回路に位置し、前記減少した圧力で前記冷
    却流体を供給し、冷却剤流体を蒸気と吸収熱に蒸発させ
    るとともに、蒸気を前記コンプレッサー入口に戻すため
    の蒸発器手段によって、構成されていることを特徴とす
    る、 単流体冷却装置。
  2. 【請求項２】 前記冷却剤が高圧冷却剤であることを特
    徴とする請求項１の単流体冷却装置。
  3. 【請求項３】 前記冷却剤がＲ２２とＲ１３４Ａからな
    るグループから選択されたものであることを特徴とする
    請求項２の単流体冷却装置。
  4. 【請求項４】 前記タービンエキスパンダーが、複数の
    周辺翼を有し少なくとも１つのノズルが前記流体のジェ
    ットに向いているロータを有する、インパルスタイプの
    ２相流タービンエキスパンダーであることを特徴とす
    る、請求項１の単流体冷却装置。
  5. 【請求項５】 前記ノズルが入口で穴板を含んでいるこ
    とを特徴とする、請求項１の単流体冷却装置。
  6. 【請求項６】 前記コンプレッサー，前記蒸発器手段お
    よび前記ノズルが、１００トンから１０００トンの範囲
    の冷却容量を有することを特徴とする、請求項１の単流
    体冷却装置。
  7. 【請求項７】 前記コンプレッサーが遠心コンプレッサ
    ーを含み、前記入力シャフトが３０００から３６００ｒ
    ｐｍのシャフト速度を有し、前記タービンエキスパンダ
    ーが３０００から３６００ｒｐｍの速度で回転すること
    を特徴とする、請求項６の単流体冷却装置。
  8. 【請求項８】 前記タービンエキスパンダーが約１８．
    ５ｃｍのオーダーの直径を持つタービンディスクを有
    し、少なくとも１つのノズルが前記ディスクの周辺翼で
    前記冷却流体に向いている、ことを特徴とする請求項７
    の単流体冷却装置。
  9. 【請求項９】 前記コンプレッサーがスクリューコンプ
    レッサーであり、前記駆動モータが多極インダクション
    モータであり、前記タービンエキスパンダーがギヤーボ
    ックスを介して前記駆動モータシャフトに結合されてい
    る、ことを特徴とする請求項１の単流体冷却装置。
  10. 【請求項１０】 前記タービンエキスパンダーの出力シ
    ャフトが前記駆動モータのシャフト速度の約３から５倍
    の速度を有することを特徴とする請求項９の単流体冷却
    装置。
  11. 【請求項１１】 液体と蒸気として存在し充てんされた
    流体冷却剤と、 蒸気を圧縮しエネルギーを冷却剤流体に加えるために所
    定の回転速度で駆動されるとともに、所定の減少した圧
    力で前記流体を受ける入口と上昇した圧力で流体を供給
    する出口を有するロータリーコンプレッサーと、 入力シャフトに結合された駆動シャフトを有する駆動モ
    ータと、 圧縮された液体を蒸気に変換するために凝縮された冷却
    剤からの熱を放出するコンデンサー手段と、 前記上昇した圧力で、冷却剤液を前記減少した圧力に膨
    張させるための液体と蒸気の結合として、前記液体が供
    給される入口を有するタービンエキスパンダーによって
    構成された単相流体圧縮／膨張冷却装置において、 前記ロータリーコンプレッサーの入力シャフトに結合さ
    れ、冷却剤流体の圧縮エネルギーを、圧縮された状態で
    回収する出力シャフトと、 前記減少した圧力で前記冷却剤流体を供給する出口およ
    び、 前記タービンエキスパンダーの出口と前記コンプレッサ
    ーの出口間の回路に位置し、前記減少した圧力で前記冷
    却流体を供給し、冷却剤流体を蒸気と吸収熱に蒸発させ
    るとともに、蒸気を前記コンプレッサー入口に戻すため
    の蒸発器手段によって構成され、前記タービンコンプレ
    ッサーは、定常状態動作において前記コンプレッサーの
    パワーの約１０％を供給する、ことを特徴とする、 単相流体冷却装置。
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