(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
飽和液体のフロー（Ｄ）を減圧して膨張させるのに適したノズル（１０）であって、収束部（２）と、スロート（３）と、発散部（４）と、を備え、
前記ノズルは、
前記発散部（４）において飽和液体相を蒸気相と混合するために飽和液体相を細分するのに適したミキサー部品（５）を、前記スロート（３）の下流に含むことを特徴とする、ノズル（１０）。
【請求項２】
前記発散部（４）が、増大する断面を有することを特徴とする、請求項１に記載のノズル（１０）。
【請求項３】
前記ミキサー部品（５）が固定らせんであることを特徴とする、請求項１または２に記載のノズル（１０）。
【請求項４】
前記ミキサー部品（５）が、増大する断面を有する回転形状を有することを特徴とする、請求項１または２に記載のノズル（１０）。
【請求項５】
前記収束部（２）が、前記スロート（３）の断面を変化させるのに適したニードルを含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のノズル（１０）。
【請求項６】
中空体（６２）を備えるエジェクタ（７０）であって、前記中空体（６２）は、収束部（６３）と、混合室（６４）と、発散部（６５）と、を含み、
前記エジェクタ（７０）は、
前記エジェクタ（７０）が前記収束部（６３）において請求項１〜５のいずれか１項に記載のノズル（１０）を含み、前記ノズル（１０）は、前記ノズル（１０）の周りの前記収束部（６３）に導入される２次フロー（Ｆ２）を引っ張るために飽和液体の１次フロー（Ｆ１）を膨張させるのに適していることを特徴とする、エジェクタ（７０）。
【請求項７】
一部が前記混合室（６４）に、一部が前記発散部（６５）に存在する第２のミキサー部品（５）であって、前記ノズル（１０）の出口における前記１次フロー（Ｆ１）の２相流を前記２次フロー（Ｆ２）と混合することを促進するのに適した第２のミキサー部品（５）を含むことを特徴とする、請求項６に記載のエジェクタ（７０）。
【請求項８】
軸（２２）の周りを回動自在な少なくとも１つの中空アーム（２１、２１’）を含むヘロンタービン（２０、２０’）であって、前記軸（２２）は前記中空アーム（２１）に飽和液体を供給し、
前記タービンは、
前記少なくとも１つの中空アーム（２１）の末端において、請求項１〜５のいずれか１項に記載のノズル（１０）を含むことを特徴とする、ヘロンタービン（２０、２０’）。
【請求項９】
軸の周りを回動自在なホイール（３２）に固定された少なくとも２つの動翼（３１）を含むペルトンタービン（３０）であって、
前記動翼（３１）に向かって２相噴射を行うのに適した、請求項１〜５のいずれか１項に記載の少なくとも１つのノズル（１０）を含むことを特徴とする、ペルトンタービン（３０）。
【請求項１０】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の少なくとも１つのノズル（１０）を含むフランシス型タービン（４０）であって、前記タービンのローター（４２）の内側に向かって２相噴射を行うのに適した、フランシス型タービン（４０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービン内で膨張用部品として用いられるノズルおよびエジェクタの分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、このような装置は圧力エネルギーを運動エネルギーに変換するように設計されており、この運動エネルギーは、例えば、タービンブレードまたは動翼を回転させる、あるいは、エジェクタにおいてはフローを吸入させるため等の仕事量を作り出すのに使われる。
【０００３】
このような装置は通常、極めて低温に過冷却された液体または蒸気を膨張させるために用いられる。
【０００４】
しかしながら、蒸気相が出現すると、膨張後の液体／蒸気２相流における運動量がかなり制限されてしまうため、飽和液体を膨張させるためのエジェクタまたはノズルの使用には限界がある。
【０００５】
図１〜４は、この現象を示す。図１は、最新式のノズル１を示す。ノズル１は、収束部２と、スロート３と、中程度の角度の発散部４とを備える。飽和液体のフローＤは、収束部２を介してノズル１に入り、スロート３を通過した後、中程度の発散部４を通過し、ノズルに沿って右から左へ移動する。
【０００６】
図２は、図１のノズル１に沿った移動に伴うフローＤの測定圧力を横軸沿いに、質量速度ρ．Ｖ、すなわち、密度ρに速度Ｖをかけた積を縦軸沿いに示す。この質量速度は、スロート３において最大であることがわかる（垂直線で示す）。
【０００７】
図３は、ノズル１に沿った移動に伴うフローＤの均一な液体−蒸気密度（ρ：ｋｇ／ｍ2で表す）の変動を、圧力（Ｐ：ＭＰａで表す）の関数として示す。これらの結果は計算によって得られ、これらの結果から、ノズルに沿って圧力が低下する間の蒸気相の出現とともに密度ρが低下していることがわかる。
【０００８】
図４は、ノズル１に沿った移動に伴うフローＤの速度（Ｖ：ｍ／ｓで表す）の変動を、圧力（Ｐ：ＭＰａで表す）の関数として示す。
【０００９】
実験によって得られた結果は、液体の部分的な気化による密度の低下に起因する２相混合物の速度における実際の増加（破線カーブ）が、理論上の変動（連続線のカーブ）から大きく離れていることを示している。
【００１０】
このような不具合により、２相タービンの開発は深刻に制限され、２相タービンは産業上実用性がないとまで信じている人もいる。
【００１１】
本発明は、第１の側面において、飽和液体の膨張に起因する液体／蒸気の２相流から作り出される運動量の極大化に適したノズルを提案することによって、先行技術の欠点を軽減することを目的とする。
【００１２】
また、２相タービンのようなエジェクタによって、特に等エンタルピー膨張器を有する熱ポンプまたは冷却システムのためのより高いエネルギー性能を得ることができるということが知られている。
【００１３】
現在、タービンおよびエジェクタは、液体のままである液体または主に蒸気のままである蒸気を膨張させるために広く使われており、それらの熱力学的な膨張の変動は、理想的な等エントロピー膨張に近い。所定の圧力差および液体の膨張に関して、このような等エントロピー膨張は、高圧の飽和液体の膨張によって生じ得る蒸気の割合を最小とする。
【００１４】
図５は、Ｔ／Ｓ図としての蒸気圧縮における冷却周期を示す。このＴ／Ｓ図において、単位質量あたりのエントロピーＳ（ｋＪ／ｋｇ．Ｋで表される）および温度Ｔ（ケルビンで表される）が、横軸および縦軸に沿ってそれぞれ表されている。
【００１５】
この図は：
状態１０１と１０２との間において、蒸発の低圧から凝結の高圧までの蒸気相の冷媒流体の圧縮と；
状態１０２と１０３との間において、蒸気の脱過熱の段階に続く、冷媒液体が飽和液体になる凝結と、を示す。
【００１６】
点１０３（凝結の高圧）と点１０４ith（蒸発の低圧）との間の転移は、最新式の技術における等エンタルピー膨張を示す。この膨張の間に発生する蒸気量が最大である。
【００１７】
この等エンタルピー膨張は、凝結の高圧（点１０３）と理論上の点（点１０４is）との間の転移によって図５に示す、理想的な等エントロピー膨張の性能を実現するには程遠い。等エントロピー膨張では、発生する蒸気量が最小となり、飽和液体の蒸発のエントロピー差が等エンタルピー膨張と比べてかなり大きい。
【００１８】
なお、典型的には等エンタルピー膨張は、オリフィスの大きさよりもはるかに大きな上流部および下流部を有するオリフィスにおいて起こり、オリフィスにおける水頭損失に加え、オリフィスの両側の急激な狭小部および急激な拡張部によって、非常に大きな水頭損失が生じる。
【００１９】
タービンやエジェクタにおいて、収束部を介してスロートに流体を運ぶことによって水頭損失を制限することが知られている。収束部における膨張はスロートに至るまで擬似等エントロピー膨張であることが、実験や数件の学術論文によって示されている。
【００２０】
ここで、スロートの下流の液体の速度がスロートにおける液体の速度と実質的に同じのままである、換言すれば、圧力エネルギーが運動エネルギーに変換されていないことに気づくことが重要である。
【００２１】
図６Ａ〜６Ｃはこの現象を示し、以下、図６Ａ〜６Ｃについて説明する。図６Ａは、先行技術のエジェクタ６０を示す。このエジェクタは、図１を参照して説明したようなノズル１と、中空体６２とを主に備える。
【００２２】
ノズル１の役割は、高圧ＰF1S1の飽和液体のフローＦ１のスピードを上昇させることによりフローＦ１を理論上の低圧ＰTh_F1S3まで膨張させ、それによりＰF1S1より著しく低い圧力ＰF2S2の流体フローＦ２を引っ張ることである。
【００２３】
この流体フローＦ２は通常、圧力ＰF1S1およびエジェクション後の混合物の圧力ＰTh_MixS5より低い蒸発圧力ＰF2S2を有する流体の蒸発に起因する蒸気フローである。
【００２４】
中空体６２は、収束部６３と、一定の断面Ｓ４を有する混合室６４と、最大の断面Ｓ５を有する円錐形発散部６５とを有する。
【００２５】
フローＦ１は、断面Ｓ１を介してノズル１に入り、１次２相流において膨張し、断面Ｓ３の出口に至る。
【００２６】
以下の記号が用いられる。
・ＶF1S1：断面Ｓ１における１次フローＦ１の速度
・ＰF1S1：断面Ｓ１における１次フローＦ１の圧力
・ＶTh_F1S3：断面Ｓ３における１次フローＦ１の理論上の速度
・ＰTh_F1S3：断面Ｓ３における１次フローＦ１の理論上の圧力
【００２７】
フローＦ２は、断面Ｓ２を介してエジェクタ６０に入る。フローＦ２は、断面Ｓ３とＳ２との間における圧力差の結果として、１次フローＦ１によって、いわゆる“２次”フローにおいて引っ張られ、加速される。
【００２８】
以下の記号が用いられる。
・ＶF2S2：断面Ｓ２における２次フローＦ２の速度
・ＰF2S2：断面Ｓ２における２次フローＦ２の圧力
・ＶTh_F2S3：断面Ｓ３における２次フローＦ２の理論上の速度
【００２９】
１次フローＦ１および２次フローＦ２は、収束部６３において一定の圧力で混合し始め、その後混合室６４に入り、混合室６４において理論上の速度ＶTh_MixS4および理論上の圧力ＰTh_MixS4で２相混合物を形成する。
【００３０】
発散部６５は、流体フローＦ１およびＦ２の２相混合物を速度ＶTh_MixS5に達するまで減速させるためのディフューザを形成し、運動エネルギーを圧力ポテンシャルエネルギーに変換させる。混合物の圧力は、発散部６５において理論上の出口圧力ＰTh_MixS5まで上昇する。
【００３１】
しかし実際には、スロート３の出口において測定される１次フローＦ１の実際の速度ＶNoz1_F1S3が、理論上の速度ＶTh_F1S3よりもかなり遅いことがわかる。
【００３２】
結果的に：
・２次フローＦ２の引っ張りは、理論におけるよりも少なく；
・混合室６４の出口における混合物の実際の圧力ＰNoz1_MixS4は、理論上の圧力ＰTh_MixS4より低く；その結果、
・実際の出口圧力ＰNoz1_MixS5は、理論上の出口圧力ＰTh_MixS5より低い。
【００３３】
この様子は図６Ｂおよび６Ｃに示されており、上記に規定される圧力および速度が、理論値については細線で、先行技術の性能については太い破線で、それぞれ示されている。
【００３４】
本発明はまた、最新式の技術における欠点を有さないエジェクタを提供することを目的とする。
【発明の概要】
【００３５】
より具体的には、本発明は飽和フローを膨張させるのに適したノズルに関する。このノズルは、収束部と、スロートと、管と、管内においてスロートの下流に配置されたミキサー部品と、を備える。ミキサー部品は、飽和液体相を蒸気相と混合するために飽和液体相を細分するのに適している。
【００３６】
このように、大まかに言えば、本発明のノズルは飽和液体の蒸気相と液相とをスロートの下流で混合することを目的とし、一方、最新式の技術においては、これら２つの相を別々に処理することが目的とされている。
【００３７】
本出願人は、先行技術のノズルにおいては、液体と蒸気がスロートの出口で分離し、拡張が生じていることを見出した。本出願人は、スロートの下流において液相と蒸気相との間にずれがある、すなわち、蒸気相は、利用可能な体積の全てを占めようとし、液体フローの周囲にわたって広がり、液体フローが中央にとどまることを見出した。その結果、膨張によって生成された蒸気が液体噴射の周囲に位置するので、収束部の出口における液体の噴射はこの蒸気によって加速されない。
【００３８】
そこで本発明は、蒸気相と液相とを混合することで、後述のように、飽和液体の膨張に起因する液体／蒸気２相流から作り出される運動量を大幅に増加させることを提案する。
【００３９】
具体的な実施形態において、管は、増大する断面、例えば、円錐形の断面を有する発散部である。この円錐形管の錐体の開度は、２相流の加速の間に質量フローが一定に保たれるように選択できる。
【００４０】
あるいは、中程度の円錐形発散部４を円筒状の管と置き換えてもよい。
【００４１】
具体的な実施形態において、本発明のノズルの収束部は、スロートの断面を変化させるニードルを含む。
【００４２】
具体的な実施形態において、上述のミキサー部品は、固定らせんである。
【００４３】
あるいは、らせんは可動式でもよい。
【００４４】
本発明の別の実施形態において、ミキサー部品は、増大する断面を有する回転形状を有していてもよい。
【００４５】
本発明のノズルは、様々な装置、特に、エジェクタ、ヘロン（Ｈｅｒｏ）タービン、ペルトン（Ｐｅｌｔｏｎ）タービン、またはフランシス（Ｆｒａｎｃｉｓ）タービン等において使用できる。
【００４６】
より具体的には、本発明はまた、収束部と混合室と発散部とを含む中空体を備えたエジェクタを提供する。このエジェクタは、収束部において、上述のような膨張ノズルを含んでおり、上記ノズルは、飽和液体の１次フローを膨張させ、それによりノズルの周りの収束部に導入される２次フローを引っ張るのに適している。
【００４７】
本発明はこのように、１次フローの蒸気相と液相とを十分に混合させることを可能にし、最新式の技術のエジェクタと比べてより効果的に２次フローを引っ張ることを可能にする。その結果、理論上の出口圧力に非常に近い実際の出口圧力が得られる。
【００４８】
本発明はまた、軸の周りを回動自在な１つ以上の中空アームを含むヘロンタービンを提供する。上記軸は、中空アームに飽和液体を供給する。このタービンは、中空アームのそれぞれの末端において、上述したような膨張ノズルを含む。
【００４９】
本発明はまた、軸の周りを回動自在なホイールに固定された少なくとも２つの動翼を含むペルトンタービンを提供する。このタービンは、上記動翼に向かって２相噴射を行うのに適した、少なくとも１つの上述したような膨張ノズルを含む。
【００５０】
本発明はまた、フランシス型タービンを提供する。このタービンは、上記タービンのローターの内側に向かって２相噴射を行うのに適した、少なくとも１つの上述したような膨張ノズルを含む。
【００５１】
具体的な実施形態において、本発明のエジェクタは、一部が混合室に、一部が発散部に存在する第２のミキサー部品を含む。この特徴によって、ノズルの出口における１次フローの２相流を２次フローと混合することが促進される。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
本発明の他の特徴および利点は、以下の説明によって明らかになる。この説明は、特徴に制限のない１つの実施形態を示す添付の図面を用いて行う。
【図１】先行技術のノズルを示す。
【図２】図１のノズルを通過する飽和フローの圧力および速度の値を示す。
【図３】図１のノズルを通過する飽和フローの圧力および速度の値を示す。
【図４】図１のノズルを通過する飽和フローの圧力および速度の値を示す。
【図５】蒸気圧縮の冷却周期を示すＴ／Ｓ図である。
【図６Ａ】先行技術のエジェクタを示す。
【図６Ｂ】図６Ａのエジェクタを通過する１次フローおよび２次フローの圧力および速度の値を示す。
【図６Ｃ】図６Ａのエジェクタを通過する１次フローおよび２次フローの圧力および速度の値を示す。
【図７Ａ】本発明の具体的な実施形態に係るノズルを示す。
【図７Ｂ】本発明の具体的な実施形態に係るノズルを示す。
【図８】本発明において使用するのに適したミキサー部品を示す。
【図９】図７Ａおよび７Ｂのノズルを通過する飽和フローの圧力および速度の値を示す。
【図１０Ａ】本発明の具体的な第１実施形態におけるヘロンタービンを示す。
【図１０Ｂ】本発明の具体的な第１実施形態におけるヘロンタービンを示す。
【図１０Ｃ】本発明の具体的な第２実施形態におけるヘロンタービンの図である。
【図１１】本発明の具体的な実施形態に係るペルトンタービンを示す。
【図１２】本発明の具体的な実施形態に係るフランシスタービンを示す。
【図１３Ａ】本発明の具体的な実施形態に係るエジェクタを示す。
【図１３Ｂ】図１３Ａのエジェクタを通過する１次フローおよび２次フローの圧力および速度の値を示す。
【図１３Ｃ】図１３Ａのエジェクタを通過する１次フローおよび２次フローの圧力および速度の値を示す。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
図７Ａおよび７Ｂは、本発明に係るノズル１０を示す。
【００５４】
ノズル１０は、以下の点において図１のノズル１と異なる。すなわち、ノズル１０はスロート３の下流にミキサー部品５を含み、上記ミキサー部品は中程度の発散部４において蒸気相と液相とを均一に混合させるのに適しており、これにより、発散部４の出口における２相流の運動量を大幅に増加させる。
【００５５】
ここに記載された実施形態において、本発明に係るノズル１０の中程度の発散部４は、２相流の加速の間に質量フローレートを一定に維持できるように、軽く広がった円錐形状を有する。
【００５６】
ここで示す実施形態において、ミキサー部品５は、図８に示すような固定らせんによって構成される。
【００５７】
図９において、連続太線は、ノズル１０に沿った移動に伴うフローＤの速度Ｖの変動を圧力の関数として示す。この図には、比較のために図４のカーブも再現する。この図は、スロート３の下流にらせん形状のミキサー部品５を導入することによって、理論上のカーブ（連続細線）に近づくことが可能になることを表している。
【００５８】
図７Ａおよび７Ｂに戻って、ノズル１０の出口におけるフローＤの速度は、ノズルの出口６の直径δを変えることで調整できる。
【００５９】
図９の例において、本発明に係るノズル１０の出口フローの速度は１１０ｍ／ｓに等しく、この値はミキサー５がない場合に得られる速度である２０ｍ／ｓよりもかなり速い。
【００６０】
ノズルの出口において利用可能なエネルギーはＶ2／２の関係から得られることが知られている。
【００６１】
その結果、本発明のノズル１０の出口における利用可能な運動エネルギー（６０５０Ｊ／ｋｇ）は、先行技術のノズル１の出口において得られる運動エネルギー（２００Ｊ／ｋｇ）の約３０倍の大きさである。
【００６２】
本発明のノズル１０は、特に、タービンまたは２相エジェクタに組み込まれてもよい。
【００６３】
図１０Ａおよび１０Ｂはそれぞれ、本発明に係るヘロン型２相タービン２０を、正面図および平面図に示す。
【００６４】
ここに記載された実施形態において、タービン２０は２つの中空アーム２１を有し、これらのアームのそれぞれは、末端において本発明に係るノズル１０を含む。
【００６５】
中空アーム２１は、中空アームに飽和液体を供給するのに適した中空軸２２の周りを回動自在である。
【００６６】
なお、ヘロン型タービンにおいて、仕事量は、アーム２１からの接線方向の噴射の衝撃によって軸２２から直接回収される。
【００６７】
図１０Ｃは、本発明に係る別のヘロン型タービン２０’を示す。このヘロンタービン２０’は、飽和液体供給用軸２２’の周りに分配された８つの中空アーム２１’を有し、これらのアーム２１’はそれぞれ、本発明に係るノズル１０を含む（図示せず）。
【００６８】
図１１は、本発明に係るペルトン２相タービン３０を示す。このタービン３０は、本発明のノズル１０を２つ有し、これらのノズルから放出される２相噴射が回転ホイール３２に固定された動翼３１に当たって、回転ホイール３２を動かす。
【００６９】
図１２は、本発明に係るフランシス型２相タービン４０を示す。このタービン４０は、本発明のノズル１０を８つ有し、これらのノズルから放出される２相噴射がローター４２の内側に向けられている。
【００７０】
図１３Ａは、本発明に係るエジェクタ７０を示す。
【００７１】
エジェクタ７０は、以下の点において最新式の技術のエジェクタ６０と異なる。すなわち、このエジェクタ７０は、ノズル１の代わりに本発明に係るノズル１０を含み、このノズル１０において、らせん５が１次フローＦ１の蒸気相と液相とを混合させるための渦流を発生させる。
【００７２】
本発明のエジェクタ７０において得られる圧力および速度は、図１３Ｂおよび１３Ｃにそれぞれ示される。これらの図から、特に、ノズル１０を用いることによって、ノズル１０の断面Ｓ３における１次フローＦ１の実際の速度ＶNoz10_F1S3を理論上の速度ＶTh_F1S3に非常に近い速度にすることが可能になることがわかる。
【００７３】
さらに、ここに記載された実施形態において、本発明のエジェクタ７０は、混合室６４の内部あるいは出口に配置されるのに適した第２の固定らせん５を含む。
【００７４】
この第２らせんによって、１次フローＦ１の２相流の相を２次フローＦ２と混合することが促進される。
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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