(57)【要約】  機械（Ｍ）内の作動流体の経路に沿って直列に配置される蒸発器（９）、圧縮機（１）および凝縮器（３）を備える圧縮逆サイクル機械（Ｍ）であって、凝縮器（３）と蒸発器（９）との間に配置される境界層タービン（７）を備え、前記タービン（７）が、ロータケーシング（５３）の容積内で回転するシャフト（３３）に取り付けられる一組のパワーディスク（３０）と、作動流体をステータ容積（５１）に導入するための入口開口部（７０）と、パワーディスク（３０）に対して接線方向に流れを加速する、ステータノズル（５２）と、作動流体の排出口（７３）とを備え、ロータケーシング（５３）が、前記ロータケーシングの容積の周縁部における作動流体の集中を回避するために、パワーディスクの周縁部から前記作動流体の液体フラクションのドレイン（７１、７２）を備える、圧縮逆サイクル機械（Ｍ）。【選択図】  図１
2020506355.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械（Ｍ）内の作動流体の経路に沿って互いに直列に配置される蒸発器（９）、圧縮機（１）および凝縮器（３）を備える圧縮逆サイクル機械（Ｍ）において、
前記凝縮器（３）と前記蒸発器（９）との間に配置される境界層タービン（７）をさらに備え、前記タービン（７）が、
ロータケーシング（５３）の容積内で回転するシャフト（３３）に取り付けられる一組のパワーディスク（３０）と、
ステータ容積（５１）に作動流体を導入するための入口開口部（７０）と、
前記パワーディスク（３０）に対して接線方向に流れを加速するステータノズル（５２）と、
作動流体の排出口（７３）と、
を備え、
前記ロータケーシング（５３）が、前記ロータケーシングの前記容積の周縁部における前記作動流体の集中を回避するために、前記パワーディスクの前記周縁部からの前記作動流体の少なくとも液体フラクションのためのドレイン（７１、７２）を備える、ことを特徴とする、圧縮逆サイクル機械（Ｍ）。
【請求項２】
前記タービン（７）と並列に配置されるバイパス回路（４０）を備える、請求項１に記載の圧縮逆サイクル機械（Ｍ）。
【請求項３】
前記機械内の前記作動流体の流れ方向における前記タービン（７）の上流および下流にそれぞれ配置される、第１の絞り弁および第２の絞り弁（Ｖｌａｍ１；Ｖｌａｍ２）を備える、請求項１又は２に記載の圧縮逆サイクル機械（Ｍ）。
【請求項４】
前記タービン（７）に連結される、電力を発生するための発電機（８）を備える、請求項１〜３のいずれか一項又は複数項に記載の圧縮逆サイクル機械（Ｍ）。
【請求項５】
前記排出ドレイン（７１、７２）が、その排出流量を調整するために弁によって絞られる、請求項１〜４のいずれか一項又は複数項に記載の圧縮逆サイクル機械（Ｍ）。
【請求項６】
前記タービン（７）が、前記一組のパワーディスク（３０）の少なくとも１つの面に設けられた、前記回転シャフト（３３）と連結される回転シールディスク（３１）を備え、
前記パワーディスク（３０）には、ロータ軸線方向排出孔（３５）が設けられ、前記シールディスク（３１）には、前記ロータ軸線方向排出孔（３５）と整列するシールディスク軸線方向排出孔（３２）が設けられ、
シールステータ要素（５４）が、前記回転シールディスク（３１）の少なくとも一部を囲み、
前記回転シールディスク（３１）が、前記パワーディスク（３０）に対して同心であると共に、前記パワーディスク（３０）の外径よりも小さい外径を有し、かつ、前記シールステータ要素（５４）の対応する座部と係合する環状リップ（３４）を備え、
排出リング（５７）が、前記シールステータ要素（５４）と前記プラグ（６０）との間に設けられ、前記排出リング（５７）には、半径方向排出リング孔（５９）が設けられ、
前記シールディスク軸線方向排出孔（３２）が、前記半径方向排出リング孔（５９）と流体連通しており、前記半径方向排出リング孔（５９）が、前記タービンエンクロージャ（７５）の前記排出通路（７３）と流体連通している、請求項１〜５のいずれか一項又は複数項に記載の圧縮逆サイクル機械（Ｍ）。
【請求項７】
前記タービン（７）において、前記ロータケーシング（５３）の前記ドレイン（７１、７２）を通して作動流体の少なくとも液体フラクションの完全な流出を実現する、請求項１〜６のいずれか一項又は複数項に記載の圧縮逆サイクル機械を調整する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、逆サイクルの分野に関し、特に閉回路における作動流体の相転移、蒸発と凝縮の両方を利用する冷凍システムまたは圧縮ヒートポンプの性能の改善に関する。
【０００２】
本発明は、特に、上記の逆サイクルの凝縮器と蒸発器との間の圧力差のエネルギー回収のための装置に関し、このエネルギーは、一般に、通路部分を縮小した適合ダクトまたは絞り弁において散逸される。
【０００３】
本発明は、圧縮冷凍システム、例えば工業規模（＞１００ｋＷの電力）または家庭用サイズ（＜１０ｋＷの電力）のもののエネルギー消費を低減するために、冷凍産業において好ましく有効であるが非限定的な用途を見出している。
【背景技術】
【０００４】
冷凍システムおよびヒートポンプにおけるエネルギー回収のための解決策は、背景技術において知られている。
【０００５】
冷凍システムとヒートポンプは、逆サイクルとも呼ばれる。逆サイクルは、主として、２つのカテゴリー、すなわち圧縮システムと吸収システムに分けられる。
【０００６】
圧縮システムに関しては、それらは、典型的にはＲ１３４ａまたはＲ２２工業用ガスなどの作動流体を含む閉サイクルによって構成され、この工業用ガスは、次の順序で、圧縮機、凝縮器、絞り弁もしくは毛細管、および蒸発器を通して流れる。
【０００７】
これらのシステムにおいては、凝縮器は、蒸発器よりも高い圧力で作動し、したがって、作動流体は、オリフィス、絞り弁または毛細管などのエネルギー散逸要素を通して液相で凝縮器から液相および蒸気相で蒸発器に移送される。前記エネルギー散逸要素の内部で、作動流体は、単相状態（液体）から二相状態（液体および蒸気）に変化して圧力エネルギーを散逸させる。また、例えば圧縮機の内部の油溜まりに由来する潤滑油の小部分が、一般に作動流体と共に循環する。
【０００８】
背景技術は、圧縮機の機械的エネルギーの消費を低減すること、および、蒸発器の入口における作動流体の品質（液相および気相の全質量に対する蒸気質量分率）を低減することの二重の目的で有用な動力を生成するためにエキスパンダーによって凝縮器と蒸発器との間の圧力差の利用を提供し、それによって、蒸発器入口から蒸発器出口までの利用可能なエンタルピー差を増大させている。逆サイクルにおける性能向上は、成績係数（ＣＯＰ）の増加によって測定され得る。ＣＯＰは、通常、蒸発器によって吸収される熱と圧縮機によって要求される仕事の絶対値との間の比として定義される。用途の種類および大きさに応じて、逆方向サイクルのＣＯＰ値は、普通は２から１０の範囲で変化し得る。凝縮器と蒸発器との間にタービンを導入するおかげで、機械的エネルギー消費の低減および品質の低下の両方が、逆サイクルのＣＯＰの最大２０％の増加を可能にすることで知られている。
【０００９】
背景技術において知られている装置の中で、特に、米国特許第４３３６６９３号明細書が知られており、この米国特許第４３３６６９３号明細書は、作動流体膨張機能を提供するようにブレードが設けられるラジアルタービンを使用して、有用な仕事の取り出しの前に気相から液相の分離を行う冷凍装置を説明している。有用な仕事は、発電機などの負荷を動かすのに使用され得る。
【００１０】
欧州特許第０７２８９９６号明細書は、部分負荷に対するその性能を改善するために、流体バイパス機能を有する冷凍システム内の二相流体のためのブレードが設けられるタービンを説明している。さらに、前記タービンは、冷凍サイクルの圧縮機に接続され得る。この特許は、次に述べる性能向上を評価している、すなわち、Ｒ２２またはＲ１３４Ａなどの高圧作動流体、ならびに（３０００ｒｐｍから３６００ｒｐｍまでの）２極インダクションモータによって駆動される遠心またはスクリュー圧縮機を用いた、１００トンから１０００トンの冷凍システムについて、タービンの効率は、６０％に等しいと評価される。運転条件に基づいて、タービンは、絞り弁が設けられるシステムに対して、圧縮機の機械的エネルギーの消費を６％から１５％だけ低減する。
【００１１】
欧州特許第０６７６６００号明細書は、周辺ブレードを持つロータによって特徴付けられる、絞り弁の代わりにタービンを含む冷凍システムに関する。
【００１２】
米国特許第４４４２６８２号明細書は、冷凍システムに適用するための、したがってブレードが設けられる、バンキ水車タイプのタービンを示しており、そのタービン出口においては、作動流体の蒸気フラクションが、蒸発器出口で直接バイパスされて、その負荷損失を低減する。
【００１３】
米国特許第２０１３０２９４８９０号明細書は、自動車の車室の冷蔵用のブレードレス圧縮機（境界層圧縮機）が設けられる逆ブレイトンサイクルを示している。作動流体は、単相ガス、好ましくは空気である。
【００１４】
中国特許第２０３１３１９９６号明細書は、絞り弁が羽根付きタービンで置き換えられる密閉空間用の空調機を説明しており、この空調機は、発電機に磁気結合によって結合されている。
【００１５】
一般に、背景技術は、作動流体の相転移を伴う逆サイクルにおいて絞り弁の代わりに作動し得るタービンを設計し提供する際の困難を認めていると言うことができる。
【００１６】
この困難は、主として、作動流体の二相性によるものであり、システムのこの点についての二相性は、液体フラクションおよびガスフラクションから成る。
【００１７】
背景技術はまた、異なる回転速度による、前記タービンと圧縮機との間の直接結合の困難さを認めている。
【００１８】
前述の知られている解決法は一般的に機能的であるが、しかしながら、それらは、今のところは圧縮冷凍サイクルにおける効率的で信頼性のあるタービンの提供を妨げているいくつかの制限を有し、特に、
２相流体の蒸気中に分散される液体フラクションに起因する、固定され（ステータ）または移動する（ロータ）の両方のブレードの腐食（経験から、蒸気タービンにおいてまたはガスタービン圧縮機噴霧システムにおいて、いかに液体の小さな粒子が流体の高速の状態でガス状の流体によって飛沫同伴されようとも、ロータブレードの腐食を回避することは事実上不可能であることが知られている）と、
二相状態の作動流体と共に、システム内で循環しなければならない、圧縮機のオイルによって構成される第３の液体物質の存在と、
タービンの寸法の縮小を伴い、その結果として必然的に効率の不利益をもたらすことが生じる、絞り弁の先端での流体の比較的小さい体積流量に起因する、寸法効果と
である。
【発明の概要】
【００１９】
本発明の目的は、背景技術の欠点を克服し、特に、通路が縮小したダクトによってまたは絞り弁によって通常は散逸される逆サイクルにおける圧力エネルギーの効果的な回収を可能にすることである。
【００２０】
本発明のもう１つの目的は、圧力エネルギーの回収が摩耗および故障または機能不全を受けない、またはほとんど受けない信頼性のある構成要素によって行われる、逆サイクル機械を提供することである。
【００２１】
特に、本発明の目的は、圧縮逆サイクルの高圧部と低圧部との間で作動し、凝縮器から到達し前記逆サイクルの蒸発器に方向づけられる作動流体と部分的にも交差するタービンの腐食の問題を解決することである。このタービンは、多相状態の、最も簡単な状態の二相液体および蒸気の、また圧縮機から到達するかも知れず、サイクル内で循環している任意の油と混合される、作動流体によって作動することになる。このタービンは、品質の任意の値を得るために作動流体を処理することができる。
【００２２】
さらに、本発明のもう１つの目的は、寸法が縮小する際のタービンの性能低下という問題を解決することであり、このタービンの性能低下は、作動流体の質量流量の減少および処理流体の高密度の両方に起因する、従来の用途に関して逆サイクルの場合は著しく低減される。
【００２３】
この目的、ならびに後でより明らかになるであろうこれらのおよび他の目的は、本説明の一構成部分であると理解される、任意選択的に従属請求項の特徴を有する、対応する添付の独立請求項による逆サイクル機械によって達成される。
【００２４】
特に、本発明の目的は、機械内の作動流体の経路に沿って互いに直列に配置される蒸発器、圧縮機および凝縮器を備える圧縮逆サイクル機械であって、
凝縮器と蒸発器との間に配置される境界層タービンを備え、前記タービンが、
ロータケーシングの容積内で回転するシャフトに取り付けられる一組のパワーディスクと、
ステータ容積に作動流体を導入するための入口開口部と、
パワーディスクに対して接線方向に流れを加速する、ステータノズルと、
作動流体の排出口と
を備え、
ロータケーシングが、前記ロータケーシングの容積の周縁部における作動流体の集中を回避するために、パワーディスクの周縁部から作動流体の少なくとも液体フラクションのドレインを備える
圧縮逆サイクル機械である。
【００２５】
本発明の基礎をなす考え方は、任意選択的に電気発電機に連結される、ロータブレードがない場合は単相または多相流体を処理することができる、摩擦型またはテスラ型タービンとも呼ばれる境界層タービンを用いることである。
【００２６】
境界層機械、およびポンプまたは圧縮機だけでなく特に有用なエネルギーを生成するためのタービンは、１９１３年にＮｉｋｏｌａ  Ｔｅｓｌａに特許権が与えられた。特に境界層タービン（米国特許第１０６１２０６号明細書）に関して、それらは、翼状の輪郭またはブレードまたはインペラーのない回転する平坦なディスクを使用しており、したがってそれらは、「ブレードレス」と呼ばれている。概念的には、ロータは、実際には揚力によるのではなく抵抗力（粘性摩擦）により作動流体から運動エネルギーを吸収し、それによって流体の粘性および粘着性を利用する。したがって、タービンのこれらのタイプは、高密度流体のおよび高密度の作業に適している。その後、境界層ポンプまたはタービンの改良された変形例が、特に多相流体などの複合流体を使った動作について報告されている。実際に、これらの境界層機械においては、多相流体の高密度フラクションは、ブレードまたは輪郭によって迂回されず、したがって表面の機械的腐食が最小である。逆に、流体と仕事を交換するためのブレードおよび輪郭が設けられる伝統的なタービンまたはポンプは、それらが多相流体で使用される場合は急速な摩耗を受ける。同様に、同じ理由で、顕著な利点が、キャビテーションを受けやすい液体を使った操作の場合は報告されており、このキャビテーションは、通常は腐食により、伝統的なブレード付き機械の性能の急速な低下をもたらす。
【００２７】
この場合は回転シャフトに振動を励起する流体力学的力が最小限にされるので、流体と相互作用するブレードまたは輪郭がないことにより、振動に関して顕著な利点がさらにもたらされる。さらに、振動の問題は、特に、多相流体を処理する従来のタービン機械において深刻である。
【００２８】
しかしながら、境界層タービンを多相流体に適用することは、ロータの遠心力に起因する相の分離に関連付けられ、相の間の異なる密度に起因する限界がある。多相流体のこの「遠心分離」は、実際に、ロータの周囲に最も高密度である相の濃縮を生じる。
【００２９】
液体−気体多相流体（最も単純な意味では二相）の場合は、ロータの周辺領域と外側格納ケーシング（ホイール室）との間の液体の蓄積は、前記ロータのフラッディングを生じ、その結果としてエネルギーの当然の粘性散逸が生じる。実際に、ロータの中心にある出口を通した液相の流れは、気相によって必要とされるものよりも高い圧力勾配を必要とすることになる。
【００３０】
本発明が基づいている一般的な考え方は、少なくとも圧縮機、作動流体の少なくとも１つの蒸発器および少なくとも１つの凝縮器を備え、作動流体の高圧サイクル部と低圧サイクル部との間で作動する境界層タービンが設けられる圧縮逆サイクル機械を規定している。
【００３１】
より詳細には、本発明の目的は、機械内の作動流体の経路に沿って互いに直列に配置される蒸発器、圧縮機および凝縮器を備える圧縮逆サイクルの機械であり、その機械は、
凝縮器と蒸発器との間で作動する（間に提供される）境界層タービンをさらに備え、前記タービンは、
ロータケーシングの容積内で回転するシャフトに取り付けられる一組のパワーディスクと、
ステータ容積に作動流体を導入するための入口開口部と、
パワーディスクに対して接線方向に流れを加速する、ステータノズルと、
作動流体の排出口と
を備え、
ロータケーシングは、ロータケーシングの容積のパワーディスクの周縁部における作動流体の集中を回避するために、パワーディスクの周縁部から前記作動流体の少なくとも液体フラクションのドレインを備える。
【００３２】
前記境界層タービンは、逆サイクル機械の作動流体の流量の全部または小部分を処理することができる。
【００３３】
さらに、前記境界層タービンは、作動流体の部分的膨張を行い、もう１つの構成要素に膨張を完了させるというタスクを割り当てることができる。
【００３４】
この解決策は、タービンが単相または多相タイプの流体によって腐食されることになるブレードまたは輪郭を有さないので、タービンの侵食を最小限にするという利点を提供する。この後者の場合は、流体は、０と１との間で可変である品質によって特徴付けられる。さらに、この解決策は、ロータの小さい寸法（マイクロタービン）に対してタービン性能への寸法効果の悪影響を低減するという追加の利点を提供する。
【００３５】
有効な実施形態によれば、以前に説明した逆サイクルにおいて、境界層タービンは、例えば機械的な形態で有用なエネルギーを発生させるために使用される。電力の発生のための発電機が、前記タービンに結合され得る。
【００３６】
この解決策は、逆サイクルのエネルギー消費を低減し、その冷凍能力またはヒートポンプ熱出力を増加し、その成績係数（ＣＯＰ）の２倍の増加を可能にするという利点を提供する。
【００３７】
有効な実施形態によれば、前記逆サイクルに適用するための前記境界層タービンは、ロータケーシング（またはホイール室）上に作動流体の液体フラクションの排出のための少なくとも１つのドレインの存在によって特徴付けられる。前記ドレインは、ロータケーシングの容積をタービンの出口に、または逆サイクルの蒸発器に直接接続することができる。
【００３８】
この解決策は、遠心力による、存在する場合には作動流体および／または循環油の高密度の（液体）フラクションの蓄積により、ロータの周辺領域のフラッディングの危険性を回避するという利点を有する。これにより、タービン性能が最適化が可能であり、粘性損失が低減される。
【００３９】
有効な実施形態によれば、上記の排出ドレインは、排出流量を調整するために、可変横断面を持つ適切な弁によって絞られ得る。
【００４０】
この解決策は、蒸気フラクションの一部をまた排出することなくロータケーシング容積からの液体フラクションの完全な排出を可能にするために、排出ドレインのサイズを逆サイクルの運転条件に適合させることができ、それによって、パワーディスクを通して流れる作動流体の蒸気フラクションが最大化されるという利点を有する。
【００４１】
有効な実施形態によれば、タービンは、前記パワーディスクの、およびその内側で回転するシールステータ要素の外径よりも小さい外径によって特徴付けられる、少なくとも１つの回転シールディスクを有し、前記パワーディスクには、軸線方向の排出孔が設けられ、回転シールディスクには、パワーディスクの排出孔と連続的に軸線方向排出孔が設けられる。
【００４２】
好ましくは、前記タービンの排出口は、排出口および排出通路のための半径方向孔をさらに備える。
【００４３】
前記シールディスクは、ホイール室からタービンの排出孔への作動流体の漏れを妨げるために適切な軸対称形状部分によってさらに特徴付けられる。
【００４４】
有効な実施形態によれば、前記境界層タービンは、ステータからの出力における、およびパワーディスクの入口における蒸気フラクションを最大化し、かつ、シールディスクの周囲を通る漏れ流量を最小限にするために「インパルス」式のものであり、この種の漏れは、ロータの周辺領域から排出孔に流れる。この解決策は、タービンによって発生される動力を最大化し、漏れによる損失を低減するという利点を有する。
【００４５】
また、本発明は、とはいえ蒸気フラクションを排出することなく、また逆方向サイクルの運転条件が変化する場合も、ホイール室の前記排出ドレインを通る作動流体の液体フラクションの完全な流出を行うために、前記境界層タービンの周りで作動流体のバイパスによって前記逆サイクルを調整するための第１の方法を提供する。この解決策は、ロータとの作動流体の液体フラクションの接触を最小限にし、またロータを通過する作動流体部分の蒸気フラクションを最大化するという利点を提供し、その結果膨張効率および生成された有用な動力に関して利益が生じる。
【００４６】
また、上記の利点は、とはいえ蒸気フラクションを排出することなく、また逆方向サイクルの運転条件が変化する場合も、ホイール室の前記排出ドレインを通る作動流体の液体フラクションの完全な流出を行うために、境界層タービンの上流または下流に配置される絞り弁によって、または両方の弁が存在する状態で前記逆サイクルを調整するための第２の方法によって達成され得る。
【００４７】
また、この利点は、とはいえ蒸気フラクションを流出させることなく、また逆方向サイクルの運転条件が変化する場合も、前記ドレインを通る作動流体の液体フラクションの完全な流出を行うために、弁によって排出ドレインを絞ることによって、前記逆流サイクルを調整するための第３の方法によって達成され得る。
【００４８】
１つの好ましい有効な実施形態においては、上記の３つの調整方法は、２つ一組になって交互にまたは３つすべてが同時に存在することができる。
【００４９】
さらなる有効な特徴は、添付の特許請求の範囲の主題であり、それらは、本説明の不可欠な部分であると理解される。
【００５０】
本発明は、添付の図面において非限定的な説明目的で提供される非限定的な例を参照して下に説明される。これらの図面は、本発明の異なる態様および実施形態、ならびに、適切な場合には、構造、構成要素、材料を示す参照数字を示しており、異なる図において同様な要素は、同様な参照数字で示されている。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】システムの高圧部（凝縮器）からシステムの低圧部（蒸発器）への作動流体の膨張が境界層タービンによって一部でも生じる、少なくとも１つの圧縮機、１つの蒸発器および１つの凝縮器を持つ逆サイクルの図である。
【図２ａ】逆サイクルについて温度（Ｔ）−エントロピー（Ｓ）および圧力（Ｐ）−エンタルピー（Ｈ）の熱力学的基準チャートをそれぞれ示しており、チャートは、伝統的なサイクル（点ＡＢＣＤ）と、理想的なタービンを備えたもの、すなわち全作動流体流量の等エントロピー断熱膨張を行う（点ＡＢＣＤｉｓ）ものの両方を描いている図である。
【図２ｂ】逆サイクルについて温度（Ｔ）−エントロピー（Ｓ）および圧力（Ｐ）−エンタルピー（Ｈ）の熱力学的基準チャートをそれぞれ示しており、チャートは、伝統的なサイクル（点ＡＢＣＤ）と、理想的なタービンを備えたもの、すなわち全作動流体流量の等エントロピー断熱膨張を行う（点ＡＢＣＤｉｓ）ものの両方を描いている図である。
【図３】全逆サイクルの始動から停止までの一時的な事象の間に、冷凍用途のためにプロトタイプの逆サイクルに挿入される境界層タービンシャフトの速度を描いている図である。
【図４】逆サイクルに適用するための境界層タービンの一例の分解図であり、例示として、中心線に対して対称なタービンが描かれている図である。
【図５】図４の境界層タービンのアセンブリの切開図である。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
本発明はさまざまな変更および代替の構成が可能であるが、いくつかの好ましい実施形態が、図面に示されており、下に詳細に説明される。
【００５３】
いずれにせよ、本発明を特定の例示された実施形態に限定する意図はないことが理解されるべきであるが、それどころか、これは、添付の特許請求の範囲で定義されるように本発明の範囲に属するすべての変更、代替構造、および均等物に適用されることを意図している。
【００５４】
「例えば（ｆｏｒ  ｅｘａｍｐｌｅ）」、「等（ｅｔｃ．）」、「または（ｏｒ）」の使用は、別段の定めがない限り、非排他的な代替手段を含むが，これらに限定されない。
【００５５】
「を含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」の使用は、別段の定めがない限り、「を含むが、これに限定されない（ｉｎｃｕｄｅｓ，ｂｕｔ  ｉｓ  ｎｏｔ  ｌｉｍｉｔｅｄ  ｔｏ）」を意味する。
【００５６】
「垂直の（ｖｅｒｔｉｃａｌ）」および「水平の（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）」、「上方の（ｕｐｐｅｒ）」および「下方の（ｌｏｗｅｒ）」などの指示（他の指示がない場合）は、組立（または動作）条件に関連して、および日常語で使用する際の通常の用語に関連して読まれるべきであり、その場合、「垂直の（ｖｅｒｔｉｃａｌ）」は、重力「ｇ」のベクトルの方向と実質的に平行な方向を示し、「水平の（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）」は、それと垂直な方向を示す。
【００５７】
非限定的な例として、Ｒ１３４ａまたはＲ２２タイプの作動流体を使用する図１に示される逆サイクルを参照すると、例えば電気タイプのモータ（２）によって駆動される圧縮機（１）は、蒸発器（９）が存在する低圧領域から凝縮器（３）が存在する高圧領域へ作動流体を送る。前記凝縮器から、作動流体は、伝統的に、膨張要素（絞り弁または毛細管）を通過して蒸発器に入る。本発明においては、作動流体は、有用な仕事を生成するために、境界層タービン（７）を一部でも通過する。
【００５８】
前記タービン（７）は、電力を発生させるために発電機（８）に接続され得る。前記有用な仕事または電力は、圧縮機の仕事または電力の消費を部分的に補償し、それによって全体的なエネルギー消費を低減し、ＣＯＰを増加させる。前記境界層タービン（７）は、多相流体、任意選択的に最も単純な場合には２相で作動する。図２ａ、図２ｂおよび従来の逆サイクルを参照すると、流体は、圧縮機内でＡ−Ｂ変換を行い、次に凝縮器内でＢ−Ｃ変換を行い、次に絞り要素で等エンタルピー変換Ｃ−Ｄを行って、次いで蒸発器でＤ−Ａ変換によってサイクルを閉じる。
【００５９】
本発明の場合は、凝縮器からの出力の流体は、境界層タービン（７）に送られる。理想的には、このタービンは、点Ｃ−Ｄｉｓの間で表される、等エントロピー可逆変換を行うかも知れない。しかしながら、実際の膨張変換は、（理想的な変換の場合である）１００％より低い等エントロピー断熱効率によって特徴付けられることになり、したがって実際の変換は、理想的なものＣ−Ｄｉｓと、等エンタルピー型Ｃ−Ｄの完全にエネルギー散逸のものとの間に含まれることになる。これは、次の２つの利点をもたらす、すなわち、圧縮機のエネルギー消費を低減するために使用され得る有用なエネルギーの回収、蒸発器で利用可能なエンタルピー差の増加、その結果として冷凍またはヒートポンプ能力の当然の増加が生じる。両方の利点は、境界層タービンなしの初期逆サイクルに関してＣＯＰの増加を伴い、エネルギー回収は、実際、ＣＯＰの分母の減少を可能にして、圧縮のために費やされる仕事を補償し、同時に蒸発器でのエンタルピー差の増加は、ＣＯＰの分子の等量の増加を可能にする。
【００６０】
境界層タービン内部の作動流体の経路に続いて、作動流体は、ステータ容積内の適切な入口開口部（７０）を通して高圧で供給される。前記ステータ容積は、タービンの外側エンクロージャ（７５）と内側リング（５０）とによって画定される容積によって表され、その中に加圧流体の通過のための適切なスロットが設けられる。図４においては、非限定的な例として、前記ステータ容積（５１）は、前記スロットの容積と一致する。したがって、前記リング（５０）は、外側にステータ容積（５１）を、内部にロータケーシングまたはホイール室（５３）を形成する。ロータケーシングの内側には、流体から有用な仕事を取り出すことができるタービンの移動要素がある。前記移動要素は、回転シャフト（３３）によって表され、その上にパワーディスク（３０）が、堅固に取り付けられ、シャフト軸線に沿って互いに間隔をおいて配置され（隙間空間）、パワーディスクの数は、少なくとも２に等しい。作動流体は、適切なステータノズル（５２）を通過することによってステータ容積からホイール室に移動し、このステータノズル（５２）は、パワーディスク（３０）にほぼ接線方向である方向に流れを加速する。
【００６１】
ステータノズル（５２）は、ステータ容積（５１）をロータケーシング（５３）自体と接続する貫通孔としてリング（５０）に設けられている。
【００６２】
流体の加速は、圧力エネルギーを犠牲にして生じ、この圧力エネルギーは、ステータ容積からホイール室の方へ減少される。前記圧力低下により、流体は、その蒸気フラクションを増加し、液体フラクションを減少させ、液体フラクションはまた、逆サイクルで循環する潤滑油を含むことができる。蒸気フラクションは、排出がディスク内の適切な軸線方向孔（３５）を通して生じるまで、パワーディスクの間の隙間空間を通過せざるを得ず、ロータ軸線方向排出孔（３５）が、回転シャフト（３３）の近くに、ディスク自体の中央部に接近した各パワーディスク（３０）に設けられる。
【００６３】
接線方向の摩擦力のおかげで、流体は、パワーディスク（３０）と有用な仕事を交換し、したがって、流体が前記ロータ軸線方向排出孔（３５）を通して出て行くまで、前記ディスクによって接線方向に減速される。
【００６４】
前記ロータ軸線方向排出孔（３５）は、シールディスク軸線方向排出孔（３２）と整列している。一組のパワーディスクの両側に配置されるこの種のシールディスクは、隙間空間なしで一組のパワーディスクに押し付けられ、したがって、流体は、最初にロータ軸線方向排出孔（３５）を通して、次にシールディスク（３１）に設けられるシールディスク軸線方向排出孔（３２）を通して、最後に固定排出リング（５７）に設けられる排出リング半径方向孔（５９）を通して排出されて、最終的に集められ、エンクロージャ（７５）自体に設けられる半径方向排出通路（７３、７４）を通してエンクロージャ（７５）へ外部に送られる。
【００６５】
前記ロータ軸線方向排出孔およびシールディスク軸線方向排出孔（３５、３２）において、圧力は，パワーディスク周囲の圧力よりも低く、わずかな圧力損失を除いて，（排出通路７３、７４において）タービンの最終排出圧力に等しい。したがって、一組のパワーディスクの両側で、２つの対向するシールステータ要素（５４）に面する２つのパワーディスク表面で、パワーディスクの周囲からロータ軸線方向排出孔（３５）およびシールディスク軸線方向排出孔（３２）への作動流体の漏れ損失を制限することが重要である。
【００６６】
このシール効果は、作動流体の漏れを妨げるために適切な軸対称スロット（３４Ａ）によって特徴付けられるシールディスク（３１）によって提供され、好ましくは、シールディスク（３１）には、周囲のシールステータ要素（５４）の対応する座部（５４Ａ）に係合される少なくとも環状リップ（３４）が設けられる。
【００６７】
前記シールディスク（３１）は、モノリシック部品によって、または有限厚を有する複数のディスクのアセンブリによって提供されることができ、両方の場合において、シールディスク（３１）は、前述の漏れ損失を最小限に抑えるために、その中でシールディスク（３１）が回転するシールステータ要素５４のそれぞれの部分の対応する内径よりも小さく、好ましくは０．３％よりも小さく、パワーディスク３０の直径よりも小さい、シールディスク（３１）のあらゆる部分の外径によって特徴付けられる。
【００６８】
換言すれば、シールディスク（３１）とシールステータ要素（５４）との間の半径方向距離は、対応する直径の０．３％よりも小さいことが好ましい。
【００６９】
パワーディスク（３０）と同様に、前記シールディスク（３１）は、回転シャフト（３３）に堅固に取り付けられる。
【００７０】
ステータノズル（５２）を通して膨張した後に依然として存在する液体フラクションは、その代わりとして、２つの代替経路をたどる：最小限の程度で、液体フラクションは、タービンの排出口まで蒸気フラクションによって飛沫同伴され、大部分は、遠心力により、パワーディスク周囲にロータケーシングに閉じ込められる。
【００７１】
前記液体フラクションをロータケーシングから排出するために、排出ドレイン（７１、７２）が、液体フラクションを集めタービンのエンクロージャの外側にこれを運ぶためにホイール室の壁に設けられる。
【００７２】
特に、前記ドレイン（７１、７２）は、ロータケーシング（５３）の周縁部分に設けられるドレインであり、より詳細には、ドレイン通路は、周方向または環状のチャネルとしてシールステータ要素（５４）に設けられる第２のドレイン部（７１Ｂ、７２Ｂ）と流体連通している、前記シールステータ要素（５４）の周縁部分にダクトとして設けられる第１のドレイン部（７１Ａ、７２Ａ）を備え、この周方向または環状のチャネルは、使用中にハウジング（７５）の内壁に面し、一方ではハウジング（７５）の穴と流体連通している。
【００７３】
例示として、前記ドレイン（７１、７２）は、液体フラクションをタービンの全体の排出口（７３）に向かって、または他の実施形態においては、逆サイクルの蒸発器（９）に向かって直接運ぶことができる。
【００７４】
排出ドレイン（７１、７２）は、それぞれの弁（図示せず）によって絞られることが好ましい。
【００７５】
これは、パワーディスクの周縁部のフラッディングを回避するようにし、その結果として粘性効果による当然の損失が生じる。
【００７６】
最後に、タービンのエンクロージャ（７５）は、端部でプラグ（６０）によって閉鎖されることができ、このエンクロージャ（７５）は、回転シャフト（３３）の回転を可能にする適切なベアリングを収容することができる。
【００７７】
エネルギー消費を低減するために、前記回転シャフトに逆転サイクルの圧縮機（１）を機械的に接続することができる。
【００７８】
もう１つの好ましい構成においては、電力を発生するための発電機（８）は、前記回転シャフトに接続される。
【００７９】
要約すると、好ましい実施形態の図４および図５に示されるように、タービン（７）は、対称構造を備えることが好ましく、その中には、
内部容積を画定するタービンエンクロージャ（７５）と、
両側でタービンエンクロージャ（７５）の内部容積を閉鎖するための、２つの互いに面し向かい合った対向プラグ（６０）と、
内部容積を通過しプラグ（６０）の外側に突出する回転シャフト（３３）と
が少なくとも設けられ、
前記タービンエンクロージャ（７５）には、
加圧流体用の半径方向入口（７０）と、
ドレイン（７１、７２）と、
排出通路（７３、７４）と
が設けられ、
タービンエンクロージャ（７５）の前記内部容積の内側には、少なくとも、
タービンエンクロージャ（７５）の内壁を画定する、加圧流体の通過のための外部環状スロットを持つ内側リング（５０）であって、前記リング（５０）がロータケーシング（５３）を内部に画定し、前記内側リング（５０）には、ステータ容積（５１）をロータケーシング（５３）と接続するステータノズル（５２）が設けられる、内側リング（５０）と、
前記ロータケーシング（５３）に収容され、前記回転シャフト（３３）に連結される一組のパワーディスク（３０）と、
前記一組のパワーディスク（３０）の対向面に設けられ、前記回転シャフト（３３）と連結される第１および第２の回転シールディスク（３１）であって、
前記パワーディスク（３０）には、ロータ軸線方向排出孔（３５）が設けられ、前記シールディスク（３１）には、前記ロータ軸線方向排出孔（３５）と整列した軸線方向排出孔（３２）が設けられる、第１および第２の回転シールディスク（３１）と、
それぞれ前記第１および第２のシールディスク（３１）の少なくとも一部を囲む第１および第２の固定（非回転）シールステータ要素（５４）であって、
前記回転シールディスク（３１）が、パワーディスク（３０）に対して同心であると共に、前記パワーディスク（３０）の外径よりも小さい外径を有し、かつ、シールステータ要素（５４）の対応する座部と係合する環状リップ（３４）が設けられる、シールステータ要素（５４）と、
前記第１および第２のシールステータ要素（５４）と前記プラグ（６０）との間に設けられる第１および第２の排出リング（５７）であって、前記第１および第２の排出リング（５７）には半径方向排出リング孔（５９）が設けられ、
前記シールディスク軸線方向排出孔（３２）が、前記半径方向排出リング孔（５９）と流体連通しており、前記半径方向排出リング孔（５９）が、タービンエンクロージャ（７５）の前記排出通路（７３、７４）と流体連通している、第１および第２の排出リング（５７）と
が設けられる。
【００８０】
この実施形態においては、前記ドレイン（７１，７２）は、上記のように、ロータケーシング（５３）の周縁部分に設けられるドレインである。
【００８１】
（基本的な実施形態として見ることができる）もう１つの実施形態においては、タービン（７）は対称構造を示さず、タービン（７）は、
内部容積を画定するタービンエンクロージャ（７５）と、
両側でタービンエンクロージャ（７５）の内部容積を閉鎖するための、２つの互いに面し向かい合ったプラグ（６０）と、
内部容積を通過しプラグ（６０）の外側に突出する回転シャフト（３３）と
を備え、
前記タービンエンクロージャ（７５）には、
加圧流体用の半径方向入口（７０）と、
ドレイン（７１）と、
排出通路（７３）と
が設けられ、
タービンエンクロージャ（７５）の前記内部容積の内側には、少なくとも、
タービンエンクロージャ（７５）の内壁を使って画定する、加圧流体の通過のための外部環状スロットを持つ内側リング（５０）であって、前記リング（５０）がロータケーシング（５３）を内部に画定し、前記内側リング（５０）には、ステータ容積（５１）をロータケーシング（５３）と接続するステータノズル（５２）が設けられる、内側リング（５０）と、
前記ロータケーシング（５３）に収容され、前記回転シャフト（３３）に連結される一組のパワーディスク（３０）と、
前記一組のパワーディスク（３０）の１つの面に設けられ、前記回転シャフト（３３）と連結される回転シールディスク（３１）であって、
前記パワーディスク（３０）には、ロータ軸線方向排出孔（３５）が設けられ、前記シールディスク（３１）には、前記ロータ軸線方向排出孔（３５）と整列したシールディスク軸線方向排出孔（３２）が設けられる、回転シールディスク（３１）と、
前記回転シールディスク（３１）の少なくとも一部を囲むシールステータ要素（５４）であって、
前記回転シールディスク（３１）が、パワーディスク（３０）に対して同心であり、前記パワーディスク（３０）の外径よりも小さい外径を有し、シールステータ要素（５４）の対応する座部と係合する環状リップ（３４）が設けられる、シールステータ要素（５４）と、
前記シールステータ要素（５４）と前記プラグ（６０）との間に設けられる排出リング（５７）であって、前記排出リング（５７）には半径方向排出リング孔（５９）が設けられ、
前記シールディスク軸線方向排出孔（３２）が、前記半径方向排出リング孔（５９）と流体連通しており、前記半径方向排出リング孔（５９）が、タービンエンクロージャ（７５）の前記排出通路（７３）と流体連通している、排出リング（５７）と
が設けられる。
【００８２】
本実施形態においては、前記ドレイン（７１）は、上記のようにロータケーシング（５３）の周縁部分に設けられるドレインである。
【００８３】
作動流体としてＲ１３４ａを利用し、４バールおよび８．９℃の蒸発器（９）における条件と１６バールおよび５７．９℃の凝縮器（３）における条件との間で作動する逆サイクルを考えなさい。それについて正の符号はサイクルに供給され（またはサイクルによって吸収され）、かつサイクルによって生じる仕事に供給される熱と関連する、熱力学の典型的な慣例を採用しなさい。成績係数（ＣＯＰ）が蒸発器によって吸収される熱とサイクルによって合計で要求される仕事の絶対値との間の比であるとしよう。伝統的な逆サイクルの場合、すなわち絞り弁などの熱エネルギー散逸の膨張装置の場合は、８０％に等しい圧縮の等エントロピー断熱効率を仮定すると、１．９８に等しいＣＯＰが得られる。作動流体の流量が２ｋｇ／ｓに等しい場合は、圧縮機（１）によって吸収される動力は、−１１９．３ｋＷである。本発明による境界層タービン（７）が絞り弁の代わりに設置される場合、逆サイクルによって合計で消費される動力は、タービンの等エントロピー断熱効率が変化するにつれて下の表に示されるように低減され、ＣＯＰは、増加する。
【００８４】
【表１】
2020506355.tif 000003
エネルギー回収の可能性と共に、絞り弁の代わりに境界層タービンを使用することは、プロトタイプによって実験的に実証されており、図３は、プロトタイプ逆サイクルの電源投入および電源遮断テスト中の境界層タービンの検出された回転速度を示している。
【００８５】
上に列挙した目標および目的は、このようにして達成される。
【００８６】
これまで説明してきたことに対する非常に多くの変形が明らかに可能である。
【００８７】
例えば、図１を参照すると、逆サイクルの凝縮器から到達しタービンに方向づけられる作動流体は、逆サイクルの運転条件が変化するにつれてタービンの性能を最適化するために、調整バイパス弁（４）を通して部分的にまたは完全に迂回され得る。また、例えば、タービンは、作動流体の部分的な膨張を行うかも知れない。また、例えば、作動流体は、適切な調整絞り弁（５、６）によってタービンの上流または下流で絞られ得る。これらの弁（４、５、６）は、個々にまたは２つ一組になって、あるいは３つすべてが同時に存在することができる。これらの調整弁を使用すると、逆サイクルの運転条件が変化するので、ホイール室から排出ドレイン（７１、７２）を通してタービンの出口へ作動流体の液体フラクションを正確に流出させることができ、当然の粘性損失のあるパワーディスク（３０）の周縁部のフラッディングと、ロータを通して流れる作動流体部分の蒸気フラクションの最大化との両方を回避することができ、その蒸気フラクションは、前記排出ドレイン（７１、７２）を通して別様に部分的に漏れるかも知れない。さらに、例えば、ホイール室のフラッディング、または排出ドレイン（７１、７２）を通した蒸気フラクションの一部の通過は、ホイール室（５３）から排出される作動流体の質量流量を調整するために、前記排出ドレイン（７１、７２）の通路部分を適切に調整することによって回避され得る。
【００８８】
さらなる例として、図４を参照すると、ホイール室（５３）の外径は、必ずしもホイール室に前記パワーディスクをできるだけ正確に収容させることなく、パワーディスク（３０）の外径よりも大きい任意のものであってもよく、すなわち、その結果としてホイール室とパワーディスクとの間に最小限の半径方向ギャップが生じる。
【００８９】
さらなる例として、図５を参照すると、シールディスク（３１）は、パワーディスクの周囲から排出孔（３５、３２、５９）への作動流体の通過を妨げるために、半径方向対称スロットおよび軸対称スロットの両方、あるいは２つの選択肢のうちの１つのみを有することができる。
【００９０】
さらなる例として、図５を参照すると、シールディスク（３１）は、それが回転するシールロータ要素（５４）の内径よりも小さい外径を有する。
【００９１】
さらなる例として、図１を参照すると、境界層タービンは、作動流体の観点から、直列にまたは並列に配置される複数であるかも知れない。前記タービンは、作動流体の流量の全部または小部分を処理するかも知れない。同様に、調整弁（４、５、６）の全部または一部のみ、ならびに排出ドレイン（７１、７２）の横断面の調整が、各タービンについて繰り返されるかも知れない。さらに、作動流体の圧縮は、作動流体の観点から直列または並列構成で配置される複数の圧縮機（１）で生じるかも知れない。
【００９２】
この出願が優先権を主張するイタリア特許出願第１０２０１６０００１３２４６７号明細書（ＵＡ２０１６Ａ００９６４２）における開示は、参照により本明細書に組み込まれている。
【００９３】
任意の請求項で言及された技術的特徴の後に参照符号が続いている場合、それらの参照符号は請求項の理解度を高めるという唯一の目的のために含まれており、この種の参照符号は、この種の参照符号による例示として認識される各要素の解釈にいかなる限定的な影響も有さない。
【図１】
2020506355.tif 000004
【図２ａ】
2020506355.tif 000005
【図２ｂ】
2020506355.tif 000006
【図３】
2020506355.tif 000007
【図４】
2020506355.tif 000008
【図５】
2020506355.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成30年10月30日(2018.10.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械（Ｍ）内の作動流体の経路に沿って互いに直列に配置される蒸発器（９）、圧縮機（１）および凝縮器（３）を備える逆圧縮サイクル機械（Ｍ）であって、
前記凝縮器（３）と前記蒸発器（９）との間に配置される境界層タービン（７）をさらに備え、前記タービン（７）が、
ホイール室（５３）の容積内で回転するシャフト（３３）に取り付けられる一組のパワーディスク（３０）と、
ステータ容積（５１）に作動流体を導入するための入口開口部（７０）と、
前記パワーディスク（３０）に対して接線方向に流れを加速するステータノズル（５２）と、
作動流体の排出口（７３）と、
を備え、
前記ホイール室（５３）が、前記ホイール室の前記容積の周縁部における前記作動流体の集中を回避するために、前記パワーディスクの前記周縁部からの前記作動流体の少なくとも液体フラクションのためのドレイン（７１、７２）を備える逆圧縮サイクル機械（Ｍ）において、
前記ドレインは、前記ホイール室の壁に設けられている、ことを特徴とする、逆圧縮サイクル機械（Ｍ）。
【請求項２】
前記タービン（７）と並列に配置されるバイパス回路（４０）を備える、請求項１に記載の逆圧縮サイクル機械（Ｍ）。
【請求項３】
前記機械内の前記作動流体の流れ方向における前記タービン（７）の上流および下流にそれぞれ配置される、第１の絞り弁および第２の絞り弁（Ｖｌａｍ１；Ｖｌａｍ２）を備える、請求項１又は２に記載の逆圧縮サイクル機械（Ｍ）。
【請求項４】
前記タービン（７）に連結される、電力を発生するための発電機（８）を備える、請求項１〜３のいずれか一項又は複数項に記載の逆圧縮サイクル機械（Ｍ）。
【請求項５】
前記排出ドレイン（７１、７２）が、その排出流量を調整するために弁によって絞られる、請求項１〜４のいずれか一項又は複数項に記載の逆圧縮サイクル機械（Ｍ）。
【請求項６】
前記タービン（７）が、前記一組のパワーディスク（３０）の少なくとも１つの面に設けられた、前記回転シャフト（３３）と連結される回転シールディスク（３１）を備え、
前記パワーディスク（３０）には、ロータ軸線方向排出孔（３５）が設けられ、前記シールディスク（３１）には、前記ロータ軸線方向排出孔（３５）と整列するシールディスク軸線方向排出孔（３２）が設けられ、
シールステータ要素（５４）が、前記回転シールディスク（３１）の少なくとも一部を囲み、
前記回転シールディスク（３１）が、前記パワーディスク（３０）に対して同心であると共に、前記パワーディスク（３０）の外径よりも小さい外径を有し、かつ、前記シールステータ要素（５４）の対応する座部と係合する環状リップ（３４）を備え、
排出リング（５７）が、前記シールステータ要素（５４）とプラグ（６０）との間に設けられ、前記排出リング（５７）には、半径方向排出リング孔（５９）が設けられ、
前記シールディスク軸線方向排出孔（３２）が、前記半径方向排出リング孔（５９）と流体連通しており、前記半径方向排出リング孔（５９）が、タービンエンクロージャ（７５）の前記排出通路（７３）と流体連通している、請求項１〜５のいずれか一項又は複数項に記載の逆圧縮サイクル機械（Ｍ）。
【請求項７】
前記タービン（７）において、前記ホイール室（５３）の前記ドレイン（７１、７２）を通して作動流体の少なくとも液体フラクションの完全な流出を実現する、請求項１〜６のいずれか一項又は複数項に記載の逆圧縮サイクル機械を調整する方法。
【国際調査報告】
2020506355.tif 000010
2020506355.tif 000011
2020506355.tif 000012