(57)【要約】【課題】簡易な構成を用いて、液相成分を含む二相流によって駆動される動翼において良好な動力回収効率を達成する。【解決手段】二相流タービンは、回転軸に連結されたハブ上に設けられ、液相成分及び気相成分を含む二相流を受けることで駆動される。この動翼は、ハブに固定され、二相流を受ける圧力面を有する動翼本体と、圧力面上において、回転軸の径方向に交差するように延在する少なくとも一つの溝部と、を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸に連結されたハブ上に設けられ、液相成分及び気相成分を含む二相流を受けることで駆動可能な二相流タービン動翼であって、
前記ハブに固定され、前記二相流を受ける圧力面を有する動翼本体と、
前記圧力面上において、前記回転軸の径方向に交差するように延在する少なくとも一つの溝部と、
を備える、二相流タービン動翼。
【請求項２】
前記少なくとも一つの溝部は、径方向に沿って互いに平行に配列された複数の溝部を含む、請求項１に記載の二相流タービン動翼。
【請求項３】
前記少なくとも一つの溝部は、単一の溝部を含む、請求項１に記載の二相流タービン動翼。
【請求項４】
前記少なくとも一つの溝部は、径方向外側縁部における接線方向と前記圧力面の法線方向とによって規定される流出部交差角が１０度以内である、請求項１から３のいずれか一項に記載の二相流タービン動翼。
【請求項５】
前記少なくとも一つの溝部は、径方向外側が径方向内側に比べて大きな曲率を有する、請求項４に記載の二相流タービン動翼。
【請求項６】
前記少なくとも一つの溝部は、前記圧力面の他の領域に比べて小さな表面粗度を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の二相流タービン動翼。
【請求項７】
前記二相流は、前記圧力面の径方向に沿う中心線に対して一方側から前記圧力面に対して供給され、
前記少なくとも一つの溝部は、前記圧力面のうち前記中心線に対して他方側に設けられている、請求項１から６のいずれか一項に記載の二相流タービン動翼。
【請求項８】
前記動翼本体は平行翼である、請求項１から７のいずれか一項に記載の二相流タービン動翼。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか一項に記載の二相流タービン動翼を備える、二相流タービン。
【請求項１０】
前記二相流を前記二相流タービン動翼に供給するためのノズル出口部、又は、前記二相流タービン動翼の出口部における前記二相流の湿り度が８０％以上である、請求項９に記載の二相流タービン。
【請求項１１】
膨張行程を含む冷凍サイクルと、
前記膨張行程において作動流体を前記二相流として供給することで駆動可能な請求項９又は１０に記載の二相流タービンと、
前記二相流タービンに連結された発電機と、
を備える、冷凍サイクルシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、回転軸に連結されたハブ上に設けられ、液相成分及び気相成分を含む二相流を受けることで駆動可能な二相流タービン動翼、当該二相流タービン動翼を備える二相流タービン、及び、当該二相流タービンを備える冷凍サイクルシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮工程、凝縮工程、膨張工程及び蒸発工程を備える冷凍サイクルが知られている。この種の冷凍サイクルは、作動流体（冷媒）が流れる循環経路上に、各工程に対応する圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器等の構成要素を配置することで構成され、例えば空調等に利用されている。冷凍サイクルを冷房として機能させる場合、圧縮工程で生成された高温の圧縮作動流体は凝縮工程で液化され、膨張行程で減圧された後、蒸発工程で気化されることにより冷熱が発生する。
【０００３】
典型的な冷凍サイクルでは、膨張工程は、例えば膨張弁のようなデバイスを用いて液化された作動流体の減圧が行われるが、特許文献１では、膨張弁に代えて、気液混合状態にある冷媒（二相流）によって駆動可能な二相流タービンを配置することにより、膨張工程で生じる膨張エネルギを回収することでシステム効率を向上させることが開示されている。また特許文献２には、二相流タービンの一例が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開昭６１−９８９５４号公報
【特許文献２】米国特許第５４６７６１３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１及び２に開示されるような二相流タービンでは、作動流体として、気相成分及び液相成分を含む二相流が用いられる。二相流タービンは、回転軸に連結されたハブ上に少なくとも一つの動翼（典型的には複数の動翼）を有しており、この動翼でノズルから吐出される二相流を受けることによって、ハブに連結された回転軸を駆動する。
【０００６】
図１１は典型的な二相流タービン１においてノズル２から吐出された二相流４がハブ６上の動翼８を駆動する様子を示す模式図である。図１１（ａ）では二相流４のうち気相成分（ガス成分）４ａによってハブ６上の動翼８が駆動される様子が示されており、図１１（ｂ）では二相流４のうち液相成分（液滴成分）４ｂによってハブ６上の動翼８が駆動される様子が示されている。
【０００７】
二相流タービン１は、回転軸（不図示）に連結されたハブ６上に周方向に沿って複数の動翼８が設けられており、各動翼８がノズル２から吐出される二相流４を受けることによって、ハブ６とともに回転軸が駆動される。言い換えると、ノズル２は、所定のタイミングで複数の動翼８の少なくとも一つに対向する位置に配置されている。尚、図１１では説明を簡潔にするために、ハブ６上に周方向に沿って略等間隔で設けられた複数の動翼８のうち一つに着目しており、当該動翼８が時間と共に二相流によって駆動される様子が示されている。
【０００８】
二相流４に含まれる気相成分４ａは、ノズル２から吐出すると周囲に向けて迅速に行き渡る性質を有しており、ハブ６の周方向に沿って平衡圧力場を形成する。そのため図１１（ａ）に示されるように、気相成分４ａは、ハブ６の周囲に周方向に沿った流路を形成する。これにより、動翼８が位置Ａ〜Ｅのいずれにある場合においても、気相成分４ａはハブ６上に設けられた動翼８に対して略垂直（言い換えるとハブ６の接線方向）に受けられ、動翼８を好適に駆動する。
【０００９】
一方で二相流４に含まれる液相成分４ｂは、気相成分４ａに比べて質量が大きな液滴から構成されている。そのため図１１（ｂ）に示されるように、ノズル２から吐出された液相成分４ｂは強い直進性を有する。その結果、ノズル２から吐出された液相成分４ｂは、例えば、位置Ｂ又はＣのように動翼８に対して略垂直に受けられる場合には動翼８に対して好適に動力を伝達できるものの、その他の位置Ａ，Ｄ，Ｅのように動翼８に対して斜めに受けられる位置では、液相成分４ｂが有する動力の径方向成分が少なからず損失してしまうこととなる。
【００１０】
このような動力の径方向成分の損失は、例えば動翼８が三次元翼である場合にはシュラウド構造を工夫し、二相流の流路を制御することで抑制することも考えられる。しかしながら、一般的に三次元翼やシュラウド構造の設計変更はコスト増の要因となる。また、このような解決手法は、そもそもシュラウド構造を有さない設計には適用することができない。
【００１１】
本発明の少なくとも一実施形態は上述の事情に鑑みなされたものであり、簡易な構成を用いて、液相成分を含む二相流によって駆動される動翼において良好な動力回収効率を達成可能な二相流タービン動翼、当該二相流タービン動翼を備える二相流タービン、及び、当該二相流タービンを備える冷凍サイクルシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る二相流タービン動翼は上記課題を解決するために、
回転軸に連結されたハブ上に設けられ、液相成分及び気相成分を含む二相流を受けることで駆動可能な二相流タービン動翼であって、
前記ハブに固定され、前記二相流を受ける圧力面を有する動翼本体と、
前記圧力面上において、前記回転軸の径方向に交差するように延在する少なくとも一つの溝部と、
を備える。
【００１３】
上記（１）の構成によれば、二相流タービン動翼の動翼本体のうち圧力面上には、少なくとも一つの溝部が設けられる。溝部は、回転軸の径方向に交差するように延在する。動翼本体は、回転軸とともに回転するハブ上に固定されているため、回転軸の回転に伴って、圧力面が二相流を受ける角度は時々刻々と変化する。二相流が圧力面に対して斜めに侵入する場合、二相流は圧力面で受けられる際に、圧力面上の溝部に導かれて転向することで、二相流が有する動力の径方向成分を効果的に取り込み、動翼の回転に寄与させることができる。このように、二相流が有する動力の径方向成分を無駄にすることなく回収できるため、二相流タービンの効率的な駆動が可能となる。
【００１４】
（２）幾つかの実施形態では上記（１）の構成において、
前記少なくとも一つの溝部は、径方向に沿って互いに平行に配列された複数の溝部を含む。
【００１５】
上記（２）の構成によれば、複数の溝部が圧力面上に設けられる。溝部の各々は、圧力面上において、径方向に沿って互いに平行に配列される。これにより、圧力面上の広い範囲にわたって、二相流が有する動力の径方向成分を回収できる。
【００１６】
（３）幾つかの実施形態では上記（１）の構成において、
前記少なくとも一つの溝部は、単一の溝部を含む。
【００１７】
上記（３）の構成によれば、単一の溝部が圧力面上に設けられる。この場合、圧力面上に溝部を形成するための加工負担が少なく、簡易的な構成で二相流が有する動力の径方向成分を回収できる。
【００１８】
（４）幾つかの実施形態では上記（１）から（３）のいずれか一構成において、
前記少なくとも一つの溝部は、径方向外側縁部における接線方向と前記圧力面の法線方向とによって規定される流出部交差角が１０度以内である。
【００１９】
上記（４）の構成によれば、圧力面上に設けられる溝部は、流出部交差角が１０度以内である径方向外側縁部を有する。溝部の流出部交差角を当該範囲に設定することで、上述した溝部による二相流の転向作用をより効果的に得ることができ、二相流が有する動力の径方向成分をより効率的に回収できる。
【００２０】
（５）幾つかの実施形態では上記（４）の構成において、
前記少なくとも一つの溝部は、径方向外側が径方向内側に比べて大きな曲率を有する。
【００２１】
上記（５）の構成によれば、圧力面上に設けられる溝部は、径方向外側が径方向内側に比べて大きな曲率を有するように形成される。これにより、径方向内側では、二相流を溝部の内側にスムーズに取り込むとともに、径方向外側では、二相流が有する動力の径方向成分を効果的に転向させることができる。その結果、上述した溝部による二相流の転向作用をより効果的に得ることができ、二相流が有する動力の径方向成分をより効率的に回収できる。
【００２２】
（６）幾つかの実施形態では上記（１）から（５）のいずれか一構成において、
前記少なくとも一つの溝部は、前記圧力面の他の領域に比べて小さな表面粗度を有する。
【００２３】
上記（６）の構成によれば、圧力面上において溝部は他の領域に比べて小さな表面粗度を有する。一般的にムーディ線図のように、粗度が荒いと境界層部の圧損が大きくなり損失になる。本構成では、流体が流れる主要部の表面粗度を小さくすることによって、流体が流れる圧損を低減することができる。
【００２４】
（７）幾つかの実施形態では上記（１）から（６）のいずれか一構成において、
前記二相流は、前記圧力面の径方向に沿う中心線に対して一方側から前記圧力面に対して供給され、
前記少なくとも一つの溝部は、前記圧力面のうち前記中心線に対して他方側に設けられている。
【００２５】
上記（７）の構成によれば、圧力面に対して中心線の一方側から二相流が供給される場合、溝部は圧力面上の他方側に設けられる。動翼はハブとともに回転するため、このように一方側から二相流が供給されると他方側において二相流から受ける動力の径方向成分が大きくなる。本構成では、このように二相流から受ける動力の径方向成分が大きくなる領域に溝部を設けることで、より効率的に動力の径方向成分を回収できる。
【００２６】
（８）幾つかの実施形態では上記（１）から（７）のいずれか一構成において、
前記動翼本体は平行翼である。
【００２７】
上記（８）の構成によれば、上記構成を有する二相流タービン動翼が平行翼として構成される。平行翼は長手方向に対する垂直断面形状が一定であり、長手方向に対する垂直断面形状が一定でない三次元翼に比べて構造がシンプルである。本構成では、平行翼である動翼本体の圧力面上に溝部を設けることで、シンプルな翼形状ながらも、二相流が有する径方向動力を効果的に回収し、良好なタービン効率が得られる。
【００２８】
（９）本発明の少なくとも一実施形態に係る二相流タービンは上記課題を解決するために、
上記（１）から（８）のいずれか一構成の二相流タービン動翼を備える。
【００２９】
上記（９）の構成によれば、二相流タービンは上述の各実施形態に係る二相流タービン動翼を備えることで、二相流が有する動力の径方向成分を効果的に回収し、良好なタービン効率を得ることができる。
【００３０】
（１０）幾つかの実施形態では上記（９）の構成において、
前記二相流を前記二相流タービン動翼に供給するためのノズル出口部、又は、前記二相流タービン動翼の出口部における前記二相流の湿り度が８０％以上である。
【００３１】
上記（１０）の構成によれば、湿り度が当該範囲にある液相成分が支配的な領域において二相流タービンを運転することで、良好な駆動効率が得られる。
【００３２】
（１１）本発明の少なくとも一実施形態に係る冷凍サイクルシステムは上記課題を解決するために、
膨張行程を含む冷凍サイクルと、
前記膨張行程において作動流体を前記二相流として供給することで駆動可能な上記（９）又は（１０）に記載の二相流タービンと、
前記二相流タービンに連結された発電機と、
を備える。
【００３３】
上記（１１）の構成によれば、冷凍サイクルの膨張行程において、作動流体を二相流として供給することで二相流タービンの駆動が行われる。二相流タービンは上述の各実施形態に係る二相流タービン動翼を備えるため、二相流が有する動力を径方向成分を含めて効果的に回収し、良好なタービン効率を得ることができる。二相流タービンは発電機に連結されており、二相流タービンの駆動によって電気エネルギが得られる。このようにして、本構成では膨張行程におけるエネルギ回収を効率的に行うことができ、シンプルな構成ながらも高性能な冷凍サイクルシステムを実現できる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、簡易な構成を用いて、液相成分を含む二相流によって駆動される動翼において良好な動力回収効率を達成可能な二相流タービン動翼、当該二相流タービン動翼を備える二相流タービン、及び、当該二相流タービンを備える冷凍サイクルシステムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の少なくとも一実施形態に係る二相流タービンの軸方向断面図である。
【図２】図１の二相流タービン動翼をノズルとともに軸方向から示す模式図である。
【図３】ハブ上に設けられた動翼を圧力面側から示す斜視図である。
【図４】図３のＦ方向から動翼を示す斜視図である。
【図５】図４のＧ領域における断面図である。
【図６】溝部の流出部交差角を示す模式図である。
【図７】第１変形例に係る動翼の模式図である。
【図８】第２変形例に係る動翼の模式図である。
【図９】第３変形例に係る動翼の模式図である。
【図１０】本発明の少なくとも一実施形態に係る冷凍サイクルシステムの構成図である。
【図１１】典型的な二相流タービンにおいてノズルから吐出された二相流がハブ上の動翼を駆動する様子を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００３７】
図１は本発明の少なくとも一実施形態に係る二相流タービン１の軸方向断面図であり、図２は図１の二相流タービン動翼８（以下、適宜「動翼８」と称する）をノズル２とともに軸方向から示す模式図である。
尚、以下の説明では、特段の記載がない限りにおいて、二相流タービン１の回転軸１０を基準に周方向、軸方向、径方向を規定するものとする。
【００３８】
二相流タービン１は、軸方向に沿って延びる回転軸１０と、回転軸１０に連結されたハブ６と、ハブ６上に設けられた少なくとも一つの動翼８と、を備える。動翼８の上流側には、二相流４である作動流体を供給するためのノズル２（図２を参照）が配置されたノズル室１２が設けられている。また動翼８の下流側には、動翼８に対して仕事を終えた作動流体を外部に導くタービンディフューザ１４が設けられている。
【００３９】
尚、二相流タービン１には、上流側から二相流４である作動流体を供給するようにしてもよいし、上流側から液相状態にある作動流体を供給し、例えばノズル２としてリーマ形状を採用することにより二相流を生成するようにしてもよい。
【００４０】
図２に示されるように、ハブ６上には周方向に沿って複数の動翼８が配列されている。これらの動翼８には、ノズル室１２に設けられたノズル２から、二相流４が供給される。ノズル２は、ノズル室１２の内壁に沿って動翼８に対応するように周方向に沿って複数設けられている。ノズル２の数は、動翼８の数と同じであってもよいし、異なっていてもよい。ハブ６上に設けられた動翼８は、ノズル２から吐出された二相流を受けることによって、矢印で示されるようにハブ６及び回転軸１０を駆動する。
【００４１】
ノズル２は、二相流４がハブ６の接線方向に沿うように吐出方向が設定されており、動翼８が二相流４を受けることで、図１１を参照して前述したように、動翼８が位置Ａ〜Ｅを順に移動する。このとき、二相流４に含まれる気相成分４ａは、ノズル２から吐出すると周囲に向けて迅速に行き渡る性質を有しており、ハブ６の周方向に沿って平衡圧力場を形成する。そのため図１１（ａ）に示されるように、気相成分４ａは、ハブ６の周囲に周方向に沿った流路を形成する。これにより、動翼８が位置Ａ〜Ｅのいずれにある場合においても、気相成分４ａはハブ６上に設けられた動翼８に対して略垂直（言い換えるとハブ６の接線方向）に受けられ、動翼８を好適に駆動する。
【００４２】
一方で二相流４に含まれる液相成分４ｂは、気相成分４ａに比べて質量が大きな液滴から構成されている。そのため図１１（ｂ）に示されるように、ノズル２から吐出された液相成分４ｂは強い直進性を有する。その結果、ノズル２から吐出された液相成分４ｂは、例えば、位置Ｂ又はＣのように動翼８に対して略垂直に受けられる場合には動翼８に対して好適に動力を伝達できるものの、その他の位置Ａ，Ｄ，Ｅでは動翼８に対して斜めに受けられる。本実施形態では、このような場合においても、動翼８が以下のような構成を有することにより、良好な動力伝達を行うことができる。
【００４３】
図３はハブ６上に設けられた動翼８を圧力面１６側から示す斜視図であり、図４は図３のＦ方向から動翼８を示す斜視図であり、図５は図４のＧ領域における断面図である。尚、図３ではハブ６側が紙面下方になり、チップ（先端）側が紙面上方になるように示されている。
【００４４】
動翼８は、長手方向が径方向に沿うようにハブ６上に立設された動翼本体１８を有する。動翼本体１８は、長手方向に対する垂直断面形状が一定である平行翼として形成されている。
【００４５】
動翼本体１８は、ノズル２から吐出された二相流４を受けるための圧力面１６を有する。圧力面１６は凹状に形成されており、ノズル２から吐出された二相流４を受けた際の動力回収効率を向上するように構成されている。
【００４６】
圧力面１６上には、少なくとも一つの溝部２０が設けられる。溝部２０は、圧力面１６の表面に対して凹状に形成されており、回転軸１０の径方向に交差するように延在する。溝部２０は、幅方向に沿って一方の縁部から他方の縁部にわたって延在している。
【００４７】
図３〜図５の例では、圧力面１６上には径方向に沿って複数の溝部２０が設けられている。複数の溝部２０は、互いに略平行に延在する。各溝部２０は、チップ側縁部２２とハブ側縁部２４とによって規定されており、チップ側縁部２２及びハブ側縁部２４の間に凹状に形成される。このように、圧力面１６上には径方向に沿って互いに平行に配列された複数の溝部２０が設けられることにより、後述するような液相成分４ｂの径方向動力回収を圧力面１６上の広い範囲にわたって行うことが可能になっている。
【００４８】
図３及び図５では、このような溝部２０に対して、二相流４に含まれる液相成分４ｂが供給される様子が模式的に示されている。液相成分４ｂが所定方向から圧力面１６に対して斜めに供給される場合、まずハブ側縁部２４から溝部２０に侵入する。そして、溝部２０の凹状底部に沿って移動し、チップ側縁部２２から外部に向かうように転向される。このとき、圧力面１６に供給される液相成分４ｂが有する径方向動力は溝部２０によって動翼本体１８に作用し、ハブ６に伝達される。
【００４９】
ここで図６に示されるように、溝部２０の径方向外側縁部であるチップ側縁部２２における流出部交差角θを、当該チップ側縁部２２における接線方向Ｈと、圧力面１６の法線方向Ｉとによって規定する。幾つかの実施形態では、流出部交差角θは１０度以内であってもよい。流出部交差角θを、このような範囲に設定することにより、二相流４に含まれる液相成分４ｂの径方向移動成分を効果的に転向させることができ、径方向動力をより効率的に回収できる。
【００５０】
このように本実施形態では、三次元翼に比べて構成がシンプルな平行翼において、圧力面１６上に溝部２０を設けることで、シンプルな翼形状ながらも、二相流４が有する径方向動力を効果的に回収し、良好なタービン効率が得られる。
【００５１】
尚、三次元翼においても圧力面１６上に当該溝部２０を設けることで、径方向動力をより効果的に回収するようにしてもよい。
【００５２】
尚、溝部２０は、圧力面１６のうち溝部２０を除く他の領域に比べて小さな表面粗度を有してもよい。一般的にムーディ線図のように、粗度が荒いと境界層部の圧損が大きくなり損失になる。本構成では、流体が流れる主要部の表面粗度を小さくすることによって、流体が流れる圧損を低減することができる。
【００５３】
尚、表面粗度の調整は、例えば、溝部又は圧力面の少なくとも一方に対して所定の表面加工を施すことで行われてもよい。この場合、表面加工としては既知の各種手法を採用することができる。
【００５４】
図７は第１変形例に係る動翼の模式図である（図６に対応する模式図である）。前述の実施形態では、圧力面１６上に設けられた溝部２０は、略一定の曲率を有する形状を有しているが、本変形例のように、溝部２０の曲率は一定でなくてもよい。図７の例では特に、溝部２０は、径方向外側（チップ側縁部２２の近傍）が径方向内側（ハブ側縁部２４の近傍）に比べて大きな曲率を有している。
【００５５】
言い換えると、溝部２０の径方向外側縁部であるチップ側縁部２２における流出部交差角θ１を、当該チップ側縁部２２における接線方向Ｈと、圧力面１６の法線方向Ｉとによって規定するとともに、径方向内側縁部であるハブ側縁部２４における流入部交差角θ２を、当該ハブ側縁部２４における接線方向Ｊと、圧力面１６の法線方向Ｉとによって規定すると、流出部交差角θ１が流入部交差角θ２より小さくなるように構成される。これにより、ハブ側縁部２４では、溝部２０の底側に向けて二相流４をスムーズに取り込むとともに、チップ側縁部２２では、二相流４に含まれる液相成分４ｂの径方向成分を効果的に転向させることができ、径方向動力をより効率的に回収できる。この場合においても、流出部交差角θ１は１０度以内であると、動力回収効率を向上させる点から好ましい。
【００５６】
図８は第２変形例に係る動翼８の模式図である（図３と同様に、ハブ６上に設けられた動翼８を圧力面１６側から示す斜視図である）。この変形例では、二相流４が圧力面１６の径方向に沿う中心線Ｋに対して一方側（紙面左側）から圧力面１６に対して供給されるようにノズル２が配置される。これにより、二相流４は圧力面１６に対して、圧力面１６の中心線Ｋの一方側から斜めに供給される。
【００５７】
そして溝部２０は、圧力面１６のうち中心線Ｋに対して他方側（紙面右側）に設けられている。図８に圧力面１６上における液相成分４ｂの流路が示されているように、液相成分４ｂはハブ６側からチップ側に向けて進行するため、圧力面１６のうち二相流４の径方向移動成分が大きくなる中心線Ｋより他方側に溝部２０を設けることにより、簡易な構成で効率的に二相流の径方向動力を回収できる。
【００５８】
図９は第３変形例に係る動翼８の模式図である（図３と同様に、ハブ６上に設けられた動翼８を圧力面１６側から示す斜視図である）。上述の実施形態では圧力面１６上に複数の溝部２０が設けられていたが、本変形例では、圧力面１６上に単一の溝部２０が設けられている。この場合、圧力面１６上に溝部２０を形成するための加工負担が少なく、簡易的な構成で液相成分４ｂの径方向動力を回収できる。
【００５９】
以上説明したように上述の各実施形態によれば、動翼８の動翼本体１８のうち圧力面１６上には、少なくとも一つの溝部２０が設けられる。溝部２０は、回転軸１０の径方向に交差するように延在する。動翼本体１８は、回転軸１０とともに回転するハブ６上に固定されているため、回転軸１０の回転に伴って、圧力面１６が二相流４を受ける角度は時々刻々と変化する。二相流４が圧力面１６に対して斜めに侵入する場合、二相流４は圧力面１６で受けられる際に、圧力面１６上の溝部２０に導かれて転向することで、二相流４が有する動力の径方向成分を効果的に取り込み、動翼８の回転に寄与させることができる。このように、二相流４が有する動力の径方向成分を無駄にすることなく回収できるため、二相流タービン１の効率的な駆動が可能となる。
【００６０】
そして、このような動翼８を備える二相流タービン１では、二相流４が有する径方向動力を効果的に回収し、良好なタービン効率を得ることができる。特に、二相流４を動翼８に供給するためのノズル出口部３０（図２を参照）、又は、動翼８の出口部３２（図１を参照）における二相流４の湿り度が８０％以上である二相流タービンでは、湿り度が高いことによって液相成分４ｂが支配的な領域にある二相流４を利用して二相流タービンを運転することで、良好な駆動効率が得られる。
【００６１】
続いて上記構成を有する二相流タービン１の応用例の一つとして、二相流タービン１を利用した冷凍サイクルシステム１００について説明する。図１０は本発明の少なくとも一実施形態に係る冷凍サイクルシステム１００の構成図である。
【００６２】
冷凍サイクルシステム１００は、冷凍サイクルを利用した空調システムである。以下の説明では、冷凍サイクルシステム１００を冷房サイクルで運転している状態について述べるが、特段の記載がない限りにおいて暖房サイクルで運転している状態についても本発明を適用可能である。
【００６３】
冷凍サイクルシステム１００は、典型的には、圧縮工程、凝縮工程、膨張工程及び蒸発工程からなる冷凍サイクル１０２を含む。冷凍サイクル１０２は、冷媒が流れる循環経路１０４上に、各工程に対応する圧縮機１０６、凝縮器１０８、二相流タービン１、及び、蒸発器１１２が配置されることで構成される。圧縮機１０６は多段型であり、循環経路１０４に沿って直列的に配置された低圧側圧縮機１０６Ａ及び高圧側圧縮機１０６Ｂを含む。低圧側圧縮機１０６Ａ及び高圧側圧縮機１０６Ｂは互いに同軸上に連結されており、電動機１１４によって駆動可能に構成される。
【００６４】
圧縮機１０６から吐出される高温高圧の冷媒は凝縮器１０８に送られ、外気との熱交換により凝縮される。凝縮器１０８で凝縮された冷媒は、循環経路１０４を介して二相流タービン１に送られる。二相流タービン１では、ノズル２から冷媒が二相流４として動翼８に向けて吐出され、動翼８を駆動する。これにより、二相流タービン１の回転軸１０が駆動され、回転軸１０に連結された発電機１１６が駆動される。動翼８は、前述したように二相流４を受ける圧力面１６上に少なくとも一つの溝部２０を有するため、液相成分４ｂを含む二相流４によって効率的に駆動される。その結果、二相流タービン１によって駆動される発電機１１６では、高効率な発電性能が得られる。
【００６５】
尚、発電機１１６によって生成された電気エネルギは、不図示のバッテリ等の蓄電装置に蓄えられてもよいし、電気エネルギを消費する負荷に直接供給されてもよい。
【００６６】
二相流タービン１で仕事を終えた冷媒は蒸発器１１２に供給される。蒸発器１１２では、冷媒と冷却水とを熱交換することにより、冷媒の気化熱による冷熱を発生させることで、冷却水を冷却する。蒸発器１１２で熱交換を終えた冷媒は、圧縮機１０６に戻され、上記サイクルが繰り返される。
【００６７】
尚、この冷凍サイクル１０２では、凝縮器１０８で凝縮された冷媒の一部が、循環経路１０４から分岐されたバイパス経路１１８を介して膨張弁１１０に供給されることで、気化される。膨張弁１１０で気化された冷媒は、熱交換器１２０において循環経路１０４の冷媒と熱交換することで、二相流タービン１に供給される冷媒を二相流４にする。熱交換器１２０を通過したバイパス経路１１８上の冷媒（ガス）は、圧縮機１０６に戻され再循環する。
【００６８】
このような冷凍サイクルシステムでは、冷凍サイクル１０２の膨張工程に二相流タービン１を配置することで、膨張工程で生じる膨張エネルギを回収することでシステム効率を向上させることができる。本実施形態では特に、上記構成を有する二相流タービン１を膨張工程に採用するため、良好なタービン効率が得られる。
【００６９】
以上説明したように上述の実施形態によれば、簡易な構成を用いて、液相成分を含む二相流によって駆動される動翼において良好な動力回収効率を達成可能な二相流タービン動翼、当該二相流タービン動翼を備える二相流タービン、及び、当該二相流タービンを備える冷凍サイクルシステムを提供できる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明の少なくとも一実施形態は、回転軸に連結されたハブ上に設けられ、液相成分及び気相成分を含む二相流を受けることで駆動可能な二相流タービン動翼、当該二相流タービン動翼を備える二相流タービン、及び、当該二相流タービンを備える冷凍システムに利用可能である。
【符号の説明】
【００７１】
１  二相流タービン
２  ノズル
４  二相流
６  ハブ
８  二相流タービン動翼（動翼）
１０  回転軸
１６  圧力面
１８  動翼本体
２０  溝部
２２  チップ側縁部
２４  ハブ側縁部
１００  冷凍サイクルシステム
１０２  冷凍サイクル
１０４  循環経路
１０６  圧縮機
１０８  凝縮器
１１０  膨張弁
１１２  蒸発器
１１４  電動機
１１６  発電機
１１８  バイパス経路
１２０  熱交換器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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