JP2009162464A - 空気サイクル冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】環境温度にかかわらず、被冷却部内を−３０℃以上２５℃以下までの冷却、保温を可能とし、作動温度が高くなっても効率低下を防止することができる空気サイクル冷凍装置を提供する。
【解決手段】被冷却部１の温度、被冷却部１の入口温度、および外気温度を測定する温度測定部Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３を設け、温度測定部Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３による測定結果から、被冷却部１を冷却、加熱、または保温すべきか否かを判定する演算部を設け、この演算部の判定結果に基づいて、冷媒空気流路４における流れ経路を切替える経路切替手段を設けた。
【選択図】図１

Description

この発明は、冷媒として空気が用いられ、冷凍倉庫や零度以下の低温室や空調等に利用される空気サイクル冷凍装置に関する。

ユニット内に取り入れられた空気が、順次、空気対空気熱交換器、空気圧縮機、水対空気熱交換器、および空気対空気熱交換器を経た後、空気膨張機に入り、この空気膨張機を出た空気がコールドエア取出し用接続口から低温空気の往管を通じてエジェクタに送られる技術が提案されている（例えば、特許文献１）。
特許第２９７７０６９号公報

冷凍コンテナにおいては環境温度にかかわらず、コンテナ内を−３０℃〜２５℃までの冷却、保温機能が必要である。空気サイクル冷凍装置において、冷凍庫内温度を０〜１０℃のチルド帯や、１０〜２５℃の恒温制御が構成上困難であった。また、空気サイクル冷凍装置の効率は、作動温度が−２０℃以下では高くなるが、作動温度が高くなると効率低下となってしまう。

この発明の目的は、環境温度にかかわらず、被冷却部内を−３０℃以上２５℃以下までの冷却、保温を可能とし、作動温度が高くなっても効率低下を防止することができる空気サイクル冷凍装置を提供することである。

この発明の空気サイクル冷凍装置は、被冷却部の空気の入口と出口間に設けられて空気の熱交換または圧縮、膨張をそれぞれ行わせる複数の機器が介在した冷媒空気流路を有し、前記被冷却部の空気を冷媒として冷却する空気サイクル冷凍装置であって、
前記被冷却部の温度、被冷却部の入口温度、および外気温度を測定する温度測定部を設け、この温度測定部による測定結果から、前記被冷却部を冷却、加熱、または保温すべきか否かを判定する演算部を設け、この演算部の判定結果に基づいて、前記冷媒空気流路における流れ経路を切替える経路切替手段を設けたことを特徴とする。

この構成によると、温度測定部により、被冷却部の温度、入口温度、および外気温度を測定する。演算部は、この測定結果から、前記被冷却部を冷却、加熱、または保温すべきか否かを判定する。経路切替手段は、この演算部の判定結果に基づいて、冷媒空気流路における流れ経路を切替える。この「流れ経路」の切替えとは、冷媒空気流路における局所的な流路の切替え、流路の部分的な方向切換等と同義である。このように温度測定部による測定結果から演算部による判定を行い、冷媒空気流路における流れ経路を切替えるため、被冷却部内を所望温度に冷却、保温することができる。温度測定部による測定は、例えば、一定時間毎に行うことができる。
したがって、環境温度にかかわらず、被冷却部内を−３０℃以上２５℃以下までの冷却、保温を可能とし、作動温度が高くなっても効率低下を防止することができる。

この発明において、コンプレッサ翼車および膨張タービン翼車を主軸に取付けたタービンユニットを有し、前記複数の機器として、前記コンプレッサ翼車を有するコンプレッサ、前記タービン翼車を有する膨張タービン、熱回収用熱交換器、予圧縮手段、放熱用熱交換器、および他の放熱用熱交換器があり、
前記被冷却部からの戻り空気の熱回収を行う前記熱回収用熱交換器、前記予圧縮手段による圧縮、外気と圧縮空気との熱交換を行う前記放熱用熱交換器による冷却、前記コンプレッサによる圧縮、前記他の放熱用熱交換器による冷却、前記熱回収用熱交換器による冷却、前記膨張タービンによる断熱膨張を順次行うようにしても良い。

この構成によると、運転初期状態において、一つの冷媒空気流路が設定される。先ず、熱回収用熱交換器が被冷却部からの戻り空気の熱回収を行った後、予圧縮手段により所定の気圧に圧縮させる。その圧縮により空気を昇温させ、次に、放熱用熱交換器により外気と圧縮空気との熱交換を行う。この熱交換により冷却された空気を、コンプレッサにより圧縮し、昇温させる。この状態で、他の放熱用熱交換器により空気を冷却し、さらに、熱回収用熱交換器によりこの空気を冷却する。冷却した空気を、膨張タービンにより断熱膨張して冷却し、排出口から被冷却部に排出する。

運転開始後、演算部の判定結果に基づいて、複数の機器の空気流れ順を切り替えるか、または、バイパス流路の開閉を切り替える。これにより、熱回収用熱交換器の下流から膨張タービンの上流に至る流路の空気温度を高めたり、膨張タービンの下流から被冷却部に至る流路の空気を高めたりすることが可能となる。

この発明において、コンプレッサ翼車および膨張タービン翼車を主軸に取付けたタービンユニットを有し、前記複数の機器として、前記コンプレッサ翼車を有するコンプレッサ、前記タービン翼車を有する膨張タービン、熱回収用熱交換器、および放熱用熱交換器があり、
前記被冷却部からの戻り空気の熱回収を行う前記熱回収用熱交換器、前記コンプレッサによる圧縮、外気と圧縮空気との熱交換を行う前記放熱用熱交換器による冷却、前記熱回収用熱交換器による冷却、前記膨張タービンによる断熱膨張を順次行うようにしても良い。

この構成によると、運転初期状態において、一つの冷媒空気流路が設定される。先ず、熱回収用熱交換器が被冷却部からの戻り空気の熱回収を行った後、この空気をコンプレッサにより圧縮し、昇温させる。この状態で、放熱用熱交換器により空気を冷却し、さらに、熱回収用熱交換器によりこの空気を冷却する。冷却した空気を、膨張タービンにより断熱膨張して冷却し、排出口から被冷却部に排出する。運転開始後、演算部の判定結果に基づいて、複数の機器の空気流れ順を切り替えるか、または、バイパス流路の開閉を切り替える。これにより、熱回収用熱交換器の下流から膨張タービンの上流に至る経路の空気温度を高めたり、膨張タービンの下流から被冷却部に至る経路の空気を高めたりすることが可能となる。

前記冷媒空気流路のうち、前記熱回収用熱交換器の冷却側流路をバイパスするバイパス流路を設け、前記経路切替手段は、このバイパス流路の開閉を切り替えても良い。演算部が被冷却部を加熱または保温すべきと判定すると、前記バイパス流路を開通させることにより外気が導入される。この結果、熱回収用熱交換器における冷却側経路の下流の空気はバイパス流路開通前の冷却温度まで冷却されなくなる。このように、バイパス流路の開通により冷媒空気流路途中の空気温度を調整し、被冷却部内の冷却または保温を可能とすることができる。

前記冷媒空気流路のうち、前記膨張タービンをバイパスするバイパス流路を設け、前記経路切替手段は、このバイパス流路の開閉を切り替えても良い。演算部が被冷却部を加熱または保温すべきと判定すると、前記バイパス流路を開通させることにより外気が導入される結果、排出口に至る空気はバイパス流路開通前の冷却温度まで冷却されなくなる。したがって、被冷却部内の冷却または保温を可能とすることができる。

前記演算部の判定結果に基づいて、前記放熱用熱交換器の冷媒流量を制御する冷媒流量制御手段を設けても良い。冷媒流量制御手段は、演算部の判定結果に基づいて放熱用熱交換器の出力設定部を制御する。これにより放熱用熱交換器の冷媒流量を調整し、被冷却部に導かれる空気の温度を細かく調整することが可能となる。

前記タービンユニットは主軸を回転駆動するモータを備え、このモータの回転数を、前記演算部の判定結果に基づいて制御するモータ回転数制御手段を設けても良い。演算部の判定結果に基づいて、モータの回転数を制御すると、膨張タービンの下流の空気の温度勾配を変えることができる。モータ回転数制御手段によりモータの回転数が高く制御されると、温度勾配が大きくなり被冷却部に至る空気温度をより積極的に低くすることができる。モータ回転数制御手段によりモータの回転数が低く制御されると、温度勾配が小さくなり被冷却部に至る空気温度があまり低くならないようにすることができる。

前記タービンユニットは転がり軸受と磁気軸受とを併用し、前記転がり軸受がラジアル負荷を支持し、前記磁気軸受がアキシアル負荷と軸受予圧のどちらか一方または両方を支持し、前記磁気軸受を構成する電磁石は主軸に設けられた強磁性体からなるフランジ状のスラスト板に非接触で対向するように、スピンドルハウジングに取付けられた磁気軸受装置であっても良い。

この構成によると、転がり軸受と磁気軸受とを併用し、転がり軸受がラジアル負荷を支持し、磁気軸受がアキシアル負荷と軸受予圧のどちらか一方または両方を支持するものであるため、アキシアル方向の精度の良い支持が行え、また転がり軸受の長期耐久性が確保でき、磁気軸受のみの支持の場合における電源停止時の損傷も回避される。また、磁気軸受の電磁石に対向させるフランジ状のスラスト板に、モータロータの永久磁石を設けたため、磁気軸受とモータロータとのスラスト板の兼用によって主軸長さが短くなり、コンパクト化されると共に、固有振動数の低下が回避できて高速回転時の低振動の回転が可能となる。

前記タービンユニットは主軸を回転駆動するモータを備え、このモータのモータロータが前記スラスト板と共通の主軸に設けられ、前記モータロータと対向するようにモータステータが配置され、これらモータロータとモータステータとの間の磁気力ないしローレンツ力により、主軸を回転させるモータ一体型の軸受軸受装置であっても良い。このように、モータロータが前記スラスト板と共通の主軸に設けられ、前記モータロータと対向するようにモータステータが配置されるため、装置構造を簡単化することができる。

この発明の空気サイクル冷凍装置は、被冷却部の空気の入口と出口間に設けられて空気の熱交換または圧縮、膨張をそれぞれ行わせる複数の機器が介在した冷媒空気流路を有し、前記被冷却部の空気を冷媒として冷却する空気サイクル冷凍装置であって、
前記被冷却部の温度、被冷却部の入口温度、および外気温度を測定する温度測定部を設け、この温度測定部による測定結果から、前記被冷却部を冷却、加熱、または保温すべきか否かを判定する演算部を設け、この演算部の判定結果に基づいて、前記冷媒空気流路における流れ経路を切替える経路切替手段を設けたため、環境温度にかかわらず、被冷却部内を−３０℃以上２５℃以下までの冷却、保温を可能とし、作動温度が高くなっても効率低下を防止することができる。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図３と共に説明する。
図１は、空気サイクル冷凍装置の全体の構成を示す。この空気サイクル冷凍装置は、冷凍庫等の被冷却部１の空気を直接に冷媒として冷却する装置であり、被冷却部１にそれぞれ開口した空気の取入口２から排出口３に至る冷媒空気流路４を有している。この冷媒空気流路４に、複数の機器としての、予圧縮手段５、第１の放熱用熱交換器６、空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット７のコンプレッサ８、第２の放熱用熱交換器９、熱回収用熱交換器１０、タービンユニット７の膨張タービン１１が順に設けられている。被冷却部１内の温度、膨張タービン１１から被冷却部１に至る流路途中の温度、外気温度、を測定する温度測定部としての温度センサＴ１，Ｔ２，Ｔ３が設けられている。

図２に示すように、タービンユニット７におけるモータ一体型の磁気軸受装置は、主軸１２をラジアル方向に対し複数の転がり軸受１３，１４で支持し、主軸１２にかかるアキシアル負荷と軸受予圧のどちらか一方または両方を、それぞれ磁気軸受となる電磁石１５と永久磁石１６とにより支持すると共に、主軸１２を回転駆動するモータ１７を設けたものである。後述するが、制御手段であるコントローラ１８は、モータ１７の回転数を、演算部１９（図３）の判定結果に基づいて制御する。

図１に示すように、前記予圧縮手段５はブロア等からなり、動力部としてのモータ５ａにより駆動される。第１の放熱用熱交換器６および第２の放熱用熱交換器９は、冷却媒体を循環させる熱交換器６ａ，９ａをそれぞれ有し、熱交換器６ａ，９ａ内の冷却媒体と、冷媒空気流路４の空気との間で熱交換を行う。各熱交換器６ａ（９ａ）は、ブロワ６ｂ（９ｂ）およびポンプ６ｃ（９ｃ）に配管接続されており、熱交換で昇温した冷却媒体がこのブロワ６ｂ（９ｂ）およびポンプ６ｃ（９ｃ）により冷却される。前記コントローラ１８は、ブロワ６ｂ（９ｂ）およびポンプ６ｃ（９ｃ）のオン、オフを、演算部１９の判定結果に基づいて切り替え可能になっている。また、ブロワ６ｂ（９ｂ）およびポンプ６ｃ（９ｃ）は、冷媒流量調整可能に構成されている。つまり、コントローラ１８は、演算部１９の判定結果に基づいて、ブロワ６ｂ（９ｂ）およびポンプ６ｃ（９ｃ）の駆動源の出力設定部２０（図３）を制御する。これにより放熱用熱交換器６（９）の冷媒流量を調整し得る。

前記熱回収用熱交換器１０の冷却側流路１０ａをバイパスするバイパス流路２１を設け、このバイパス流路２１途中に、機器としての第１のバルブ２２を介在させている。この第１のバルブ２２は開閉可能でかつ開度調整可能に構成されている。後述する演算部１９の判定に応じて、第１のバルブ２２の開閉を切り替える。初期状態においては、この第１のバルブ２２を閉じた状態に設定している。第１のバルブ２２を閉じた状態では、バイパス流路２１が閉じられ、被冷却部１の温度に応じて空気を所定温度まで冷却する。この第１のバルブ２２を開いた状態において、バイパス流路２１が開通すると、前記熱回収用熱交換器１０での熱交換ができず、膨張タービン１１に至る空気が放熱用熱交換器９の冷媒温度＋１０℃以内になる。

また、前記タービンユニット７の膨張タービン１１をバイパスするバイパス流路２３を設け、このバイパス流路２３途中に第２のバルブ２４を介在させている。この第２のバルブ２４は開閉可能でかつ開度調整可能に構成されている。演算部１９の判定に応じて、この第２のバルブ２４の開閉を切り替える。運転初期状態においては、この第２のバルブ２４を閉じた状態に設定している。第２のバルブ２４を閉じた状態では、バイパス流路２３が閉じられ、膨張タービン１１により空気が例えば−４０℃〜−３０℃まで冷却される。この第２のバルブ２４を開いた状態において、バイパス流路２３が開通すると、膨張機での断熱膨張ができず、排出口３に至る空気は冷却されなくなる。

この空気サイクル冷凍装置は、被冷却部１を例えば０℃〜−６０℃程度に保つシステムであり、被冷却部１の出口１ａから冷媒空気流路４の取入口２に０℃〜−６０℃程度で１気圧の空気が流入する。なお、以下に示す温度および気圧の数値は、一応の目安となる一例である。運転初期状態において、取入口２に流入した空気は、熱回収用熱交換器１０により、冷媒空気流路４中の空気の冷却に使用され、４０℃まで昇温する。この昇温した空気は１気圧のままであるが、予圧縮手段５により１．４気圧に圧縮させられ、その圧縮により、７０℃まで昇温する。第１の放熱用熱交換器６は、昇温した７０℃の空気をブロワ６ｂ及びポンプ６ｃにより例えば４０℃に冷却する。

熱交換により冷却された４０℃，１．４気圧の空気が、タービンユニット７のコンプレッサ８により、１．８気圧まで圧縮され、この圧縮により７０℃程度に昇温した状態で、第２の放熱用熱交換器９により４０℃に冷却される。この４０℃の空気は、熱回収用熱交換器１０で−３０℃の空気により−２０℃以下まで冷却される。気圧はコンプレッサ８から排出された１．８気圧が維持される。
熱回収用熱交換器１０で−２０℃以下まで冷却された空気は、タービンユニット７の膨張タービン１１により断熱膨張され、−５５℃まで冷却されて排出口３から被冷却部１の入口１ｂに排出される。

図２に示すように、コンプレッサ８は、コンプレッサ翼車８ａと微小の隙間を介して対向するハウジング８ｂを有し、中心部の吸込口８ｃから軸方向に吸入した空気を、コンプレッサ翼車８ａで圧縮し、外周部の出口（図示せず）から矢印８ｄで示すように排出する。膨張タービン１１は、タービン翼車１１ａと微小の隙間を介して対向するタービンハウジング１１ｂを有し、外周部から矢印１１ｃで示すように吸い込んだ空気を、タービン翼車１１ａで断熱膨張させ、中心部の排出口１１ｄから軸方向に排出する。

このタービンユニット７は、主軸１２をラジアル方向に対し複数の軸受１３，１４で支承し、主軸１２にかかるスラスト力を電磁石１５により支承するものとされる。電磁石１５は、主軸１２の中央に設けられた強磁性体からなるフランジ状のスラスト板１２ａの両面に非接触で対向するように、スピンドルハウジング２５に設置されている。また、このタービンユニット７は、主軸１２を回転駆動するモータ１７を設けたものである。モータ１７は、電磁石１５と並んで設けられており、スピンドルハウジング２５に設けられたステータ２６と主軸１２に設けられたロータ２７とで構成される。ステータ２６はステータコイル２６ａを有し、ロータ２７は磁石等からなる。モータ１７の制御は、コントローラ１８で行われる。

主軸１２を支承する軸受１３，１４は、転がり軸受であって、アキシアル方向位置の規制機能を有するものであり、例えば深溝玉軸受が用いられる。深溝玉軸受の場合、両方向のスラスト支持機能を有し、内外輪のアキシアル方向位置を中立位置に戻す作用を持つ。これら２個の軸受１３，１４は、それぞれスピンドルハウジング２５におけるコンプレッサ翼車８ａおよびタービン翼車１１ａの近傍に配置されている。軸受１４は、スピンドルハウジング２５内に嵌合した軸受ハウジング内に嵌合している。

主軸１２は、中央部の大径部１２ｂと、両端部の小径部１２ｃとを有する段付き軸とされている。両側の軸受１３，１４は、その内輪が小径部１２ｃに圧入状態に嵌合し、片方の幅面が大径部１２ｂと小径部１２ｃ間の段差面に係合する。
スピンドルハウジング２５における両側の軸受１３，１４よりも各翼車８ａ，１１ａ側の部分は、内径面が主軸１２に近接する径に形成され、この内径面に非接触シール２８，２９が形成されている。非接触シール２８，２９は、スピンドルハウジング２５の内径面に複数の円周溝を軸方向に並べて形成したラビリンスシールとされている。

空気サイクル冷凍装置の電気的構成について説明する。
図３に示すように、制御手段であるコントローラ１８は、演算部１９と、駆動部３０，３１と、モータ駆動回路３２と、出力設定部２０とを有する。演算部１９は、例えば、中央演算処理装置（略称ＣＰＵ：Central Processing Unit）等により実現される。この演算部１９は、温度センサＴ１乃至Ｔ３からの出力信号に基づいて、被冷却部１を冷却、加熱、または保温すべきか否かを判定する。図示外の記憶部には、予め定める外気温度の設定温度、被冷却部１内の設定温度、および被冷却部１の入口１ｂの設定温度が書換え可能に記憶されている。
温度センサＴ１，Ｔ２，Ｔ３からの出力信号が、一定時間毎、または温度変化がある毎に演算部１９に入力されると、コントローラ１８は、前記記憶部に記憶された設定温度に照らした判定を演算部１９に実行させる。

前記演算部１９には、第１，第２のバルブ２２，２４の開閉を制御するバルブ制御手段１９ａと、ポンプ６ｃ（９ｃ）のオン、オフおよび冷媒流量等を制御する冷媒流量制御手段１９ｂと、モータ１７の回転数を制御するモータ回転数制御手段１９ｃとが設けられる。
前記演算部１９において、バルブ制御手段１９ａには、第１のバルブ２２を必要十分な駆動電圧に増幅させる駆動部３０を介して第１のバルブ２２が電気的に接続される。バルブ制御手段１９ａには、第２のバルブ２４を必要十分な駆動電圧に増幅させる駆動部３１を介して第２のバルブ２４が電気的に接続されている。これら駆動部３０，３１は、例えばアンプやリレー等によって実現される。また、演算部１９において、モータ回転数制御手段１９ｃには、モータ駆動回路３２を介してモータステータ２６が電気的に接続され、出力設定部２０を介してポンプ６ｃ（９ｃ）の図示外の駆動源が電気的に接続されてる。これらバルブ制御手段１９ａ、冷媒流量制御手段１９ｂ、モータ回転数制御手段１９ｃ、が経路切替手段に相当する。

表１は、温度指令と、バルブ等の開閉状態との関係を示す表である。
運転初期状態つまり冷凍モードにおいては、バルブ制御手段１９ａにより第１のバルブ２２「閉」、第２のバルブ２４「閉」、モータ回転数制御手段１９ｃによりモータ１７の回転数「高」、冷媒流量制御手段１９ｂにより各ブロワ／ポンプ「オン」に設定されている。この運転初期状態では、第１のバルブ２２「閉」によりそのバイパス経路２１が閉じられ、被冷却部１の現温度に応じて熱回収用熱交換器１０により空気を所定温度まで冷却する。また、第２のバルブ２４「閉」によりそのバイパス経路２３が閉じられ、さらにモータ１７の回転数「高」により空気が−４０℃〜−３０℃まで冷却される。このモータ１７の回転数「高」の場合、冷却する空気の温度勾配が最も大きくなる。

ここで、モータ１７の回転数「高」は、例えば６００００ｒｐｍ以上、モータ１７の回転数「中」は、例えば２００００ｒｐｍ以上４００００ｒｐｍ以下、モータ１７の回転数「低」は、例えば１００００ｒｐｍ以上２００００ｒｐｍ未満である。ただし、これらの回転数は、空気サイクル冷凍装置の冷凍能力等に応じて変更され、必ずしもこれらの回転数に限定されるものではない。

外気温度が予め定める設定温度よりも高く、かつ被冷却部１内の温度が予め定める設定温度よりも低い場合、演算部１９は被冷却部１を冷却すべきと判定する。これにより、コントローラ１８は、バルブ制御手段１９ａにより第１のバルブ２２「閉」、第２のバルブ２４「閉」、モータ回転数制御手段１９ｃによりモータ１７の回転数「低」、冷媒流量制御手段１９ｂにより各ブロワ／ポンプ「オン」に制御する。この状態は、消費電力が最も低い理想的な状態である。この状態では、第１のバルブ２２「閉」によりそのバイパス流路２１が閉じられ、被冷却部１の現温度に応じて熱回収用熱交換器１０により空気を所定温度まで冷却する。また、第２のバルブ２４「閉」によりそのバイパス流路２３が閉じられ、さらにモータ１７の回転数「低」により空気が数度冷却される。このモータ１７の回転数「低」の場合、冷却する空気の温度勾配が最も小さくなる。

外気温度が予め定める設定温度よりも低く、かつ被冷却部１内の温度が予め定める設定温度よりも高い場合、演算部１９は被冷却部１を加熱または保温すべきと判定する。これにより、コントローラ１８は、第１のバルブ２２「開」、第２のバルブ２４「閉」、モータ１７の回転数「中」、各ブロワ／ポンプ「オン」に制御する。この状態では、第１のバルブ２２「開」によりそのバイパス流路２１が開通して、膨張タービン１１に至る空気が放熱用熱交換器９の冷媒温度＋１０℃以内になる。また、第２のバルブ２４「閉」によりそのバイパス流路２３が閉じられ、さらにモータ１７の回転数「中」により前記膨張機１１の断熱膨張によって空気が冷却される。このモータ１７の回転数「中」の場合、冷却する空気の温度勾配は「低」の温度勾配よりも大きく、「高」の温度勾配よりも小さくなる。

外気温度が予め定める設定温度よりも低く、かつ被冷却部１内の温度が予め定める設定温度よりも低い場合、演算部１９は被冷却部１を加熱または保温すべきと判定する。これにより、コントローラ１８は、第１のバルブ２２「開」、第２のバルブ２４「開」、モータ１７の回転数「中」、各ブロワ／ポンプ「オフ」に制御する。この状態では、第１のバルブ２２「開」によりそのバイパス流路２１が開通して、膨張タービン１１に至る空気が放熱用熱交換器９の冷媒温度＋１０℃以内になる。また、第２のバルブ２４「開」によりそのバイパス流路２３が開通すると、膨張機での断熱膨張ができず、排出口３から被冷却部１の入口１ｂに至る空気の冷却温度が抑制される。さらにモータ１７の回転数「中」により加熱された冷媒空気を循環させる。

以上説明した第１の実施形態に係る空気サイクル冷凍装置によれば、演算部１９は、温度センサＴ１,Ｔ２,Ｔ３からの出力信号に基づいて、記憶部に記憶された設定温度に照らし被冷却部１を冷却、加熱、または保温すべきか否かを判定する。この演算部１９の判定結果に基づいて、上記表１で示したように、第１,第２のバルブ２２，２４の開閉状態、モータ１７の回転数、各ブロワ／ポンプのオン、オフを制御する。このように温度センサＴ１,Ｔ２,Ｔ３による測定結果から演算部１９による判定を行い、消費電力の大きなモータ１７、ブロワ／ポンプの駆動源の制御を行うと共に、バイパス流路２１，２３の開閉制御を行っている。このため、環境温度にかかわらず、被冷却部１内を−３０℃以上２５℃以下までの冷却、保温を可能とし、作動温度が高くなっても効率低下を防止することができるうえ、被冷却部１内の作動温度が高い設定においても、従来技術のものより消費電力を低下させることができる。

冷媒空気流路４のうち、前記熱回収用熱交換器１０の冷却側流路１０ａをバイパスするバイパス流路２１を設けたため、演算部１９が被冷却部１を加熱または保温すべきと判定すると、前記バイパス流路２１を開通させる。この結果、熱回収用熱交換器１０における冷却側経路１０ａの下流の空気はバイパス流路開通前の冷却温度まで冷却されなくなる。このように、バイパス流路２１の開通により冷媒空気流路４途中の空気温度を調整し、被冷却部１内の冷却または保温を可能とすることができる。

冷媒空気流路４のうち、膨張タービン１１をバイパスするバイパス流路２３を設けたため、演算部１９が被冷却部１を加熱または保温すべきと判定すると、前記バイパス流路２３を開通させ、膨張機での断熱膨張を停止させる。この結果、排出口３に至る空気はバイパス流路開通前の冷却温度まで冷却されなくなる。したがって、被冷却部１内の冷却または保温を可能とすることができる。

タービンユニット７は主軸１２を回転駆動するモータ１７を備え、コントローラ１８は、このモータ１７の回転数を演算部１９の判定結果に基づいて制御する。前記バイパス流路２３を閉じた状態ではこのモータ１７の回転数を制御すると、コンプレッサ８の下流の空気の温度勾配と膨張タービン１１の下流の空気の温度勾配と冷媒空気の流量とを変えることができる。コントローラ１８によりモータ１７の回転数が「高」に制御されると、冷却する空気の温度勾配が最も大きくなる。それ故、被冷却部１の入口１ｂに至る空気温度をより積極的に低くすることができる。コントローラ１８によりモータ１７の回転数が「中」に制御されると、冷却する空気の温度勾配は回転数「低」の温度勾配よりも大きく、回転数「高」の温度勾配よりも小さくなる。
コントローラ１８によりモータ１７の回転数が「低」に制御されると、冷却する空気の温度勾配が最も小さくなる。これにより、被冷却部１の入口に至る空気温度があまり低くならないようにすることができる。しかも、モータ１７の消費電力の低減を図ることができる。前記バイパス流路２３を開通した状態ではこのモータ１７の回転数を制御すると、コンプレッサ８の下流の空気の温度勾配と冷媒空気の流量とを変えることができる。

また、タービンユニット７は、転がり軸受１３，１４と磁気軸受とを併用し、転がり軸受１３，１４がラジアル負荷を支持し、磁気軸受がアキシアル負荷と軸受予圧のどちらか一方または両方を支持するものであるため、アキシアル方向の精度の良い支持が行え、また転がり軸受１３，１４の長期耐久性が確保でき、磁気軸受のみの支持の場合における電源停止時の損傷も回避される。また、磁気軸受の電磁石１５に対向させるフランジ状のスラスト板１２ａに、モータロータの永久磁石を設けた場合、磁気軸受とモータロータとのスラスト板１２ａの兼用によって主軸長さが短くなり、コンパクト化されると共に、固有振動数の低下が回避できて高速回転時の低振動の回転が可能となる。

また、主軸１２を回転駆動するモータ１７のモータロータ２７がスラスト板１２ａと共通の主軸１２に設けられ、前記モータロータ２７と対向するようにモータステータ２６が配置され、これらモータロータ２７とモータステータ２６との間の磁気力ないしローレンツ力により、主軸１２を回転させるモータ一体型の軸受軸受装置を設けても良い。このように、モータロータ２７がスラスト板１２ａと共通の主軸１２に設けられ、モータロータ２７と対向するようにモータステータ２６が配置される場合、装置構造を簡単化することができる。

次に、この発明の第２の実施形態を図４と共に説明する。
以下の説明においては、各形態で先行する形態で説明している事項に対応している部分には同一の参照符を付し、重複する説明を略する場合がある。構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分は、先行して説明している形態と同様とする。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組合せることも可能である。

第２の実施形態に係る空気サイクル冷凍装置では、この冷媒空気流路４に、複数の機器としての、タービンユニット７のコンプレッサ８、膨張タービン１１、熱回収用熱交換器１０、放熱用熱交換器９、第１，第２のバルブ２２，２４を有している。また、被冷却部１内の温度、膨張タービン１１から被冷却部１に至る流路途中の温度、外気温度、を測定する温度測定部としての温度センサＴ１，Ｔ２，Ｔ３が設けられている。
その他、この空気サイクル冷凍装置のコントローラ１８は、前述の図３に示すブロック図と同様の構成となっており、温度指令と、バルブ等の開閉状態との関係は、前述の表１と同様になっている。

この空気サイクル冷凍装置は、被冷却部１の出口１ａから冷媒空気流路４の取入口２に空気が流入する。運転初期状態において、この取入口２に流入した空気は、熱回収用熱交換器１０により、冷媒空気流路４中の空気の冷却に使用され、昇温する。この昇温した空気が、コンプレッサ８により圧縮され、この圧縮により昇温した状態で、放熱用熱交換器９により冷却される。この冷却された空気は、熱回収用熱交換器１０で冷却される。気圧はコンプレッサ８から排出された気圧が維持される。熱回収用熱交換器１０で冷却された空気は、タービンユニット７の膨張タービン１１により断熱膨張され、冷却されて排出口３から被冷却部１の入口１ｂに排出される。

第２の実施形態に係る空気サイクル冷凍装置によれば、図１の空気サイクル冷凍装置に比べて予圧縮手段、第１の放熱用熱交換器を省略することができる。その分、機器の部品点数を低減して構造を簡単化し、製造コストの低減を図ることができる。また構造を簡単化できるため、装置の小形化を図ることができ、種々の大きさのコンテナに対する取り付けの汎用性を高めることができる。その他、第１の実施形態と同様の作用、効果を奏する。

本発明の他の実施形態として、演算部１９の判定に応じて、コントローラ１８により、各バルブの開閉を切り替えると共に各バルブの開度も調整するようにしても良い。演算部１９の判定に応じて、第１のバルブ２２の開度も調整可能とすると、前記熱回収用熱交換器１０で熱交換する空気量とバイパス流路２１を通過する空気量との割合を細かく調整することが可能となり、膨張タービン１１に至る空気を所望の温度に昇温することができる。演算部１９の判定に応じて、第２のバルブ２４の開度も調整可能とすると、前記膨張機１１で断熱膨張する空気量とバイパス流路２３を通過する空気量との割合を細かく調整することが可能となり、冷却する温度勾配を細かく調整することができる。
この実施形態において、第１，第２のバルブ２２，２４のうちいずれか一方を、演算部１９の判定に応じてコントローラ１８により開度調整し、いずれか他方を手動により開度調整するようにしても良い。勿論、第１，第２のバルブ２２，２４両方共、演算部１９の判定に応じてコントローラ１８により開度調整しても良い。

第１，第２の実施形態において、第１および第２のバルブ２２，２４のいずれか一方だけを設ける構成にしても良い。この場合、第１，第２の実施形態のものより部品点数の低減を図り、構造を簡単化することができる。これにより製造コストの低減を図ることができる。
第１，第２の実施形態においては、モータ１７、ブロワ／ポンプの駆動源の制御を行うと共に、バイパス流路の開閉制御を行っているが、本発明の他の実施形態として、演算部１９の判定結果に基づいて、バイパス流路の開閉制御のみ行っても良い。この場合、演算部１９の処理負荷を低減できると共に、制御系を簡単化して製造コストの低減を図ることができる。
他の実施形態として、演算部１９の判定結果に基づいて、モータ１７、ブロワ／ポンプの駆動源の制御、およびバイパス流路の開閉制御のうち、少なくともいずれか１つの制御を行うようにしても良い。この場合にも、演算部１９の処理負荷を低減できると共に、制御系を簡単化して製造コストの低減を図ることができる。

本発明の他の実施形態として、演算部１９の判定結果に基づいて、コントローラ１８は、ブロワおよびポンプのオン、オフを制御すると共に、冷媒流量を調整する制御を行ってもよい。すなわちコントローラ１８は、演算部１９の判定結果に基づいて、ブロワおよびポンプの駆動源の出力設定部２０を制御する。これにより放熱用熱交換器の冷媒流量を調整し得る。これにより、冷媒空気流路のうち放熱用熱交換器の下流に搬送される空気温度をより細かく調整することが可能となる。この実施形態において、第１，第２の放熱用熱交換器６，９のうちいずれか一方を、演算部１９の判定結果に基づいて、冷媒流量を調整する制御を行い、いずれか他方の冷媒流量を手動調整するようにしても良い。

この発明の第１の実施形態に係る空気サイクル冷凍装置の系統図である。 同空気サイクル冷凍装置のタービンユニットの断面図である。 同空気サイクル冷凍装置のコントローラの一例を表すブロック図である。 この発明の第２の実施形態に係る空気サイクル冷凍装置の系統図である。

符号の説明

１…被冷却部
１ａ…出口
１ｂ…入口
５…予圧縮手段
６…第１の放熱用熱交換器
７…タービンユニット
８…コンプレッサ
８ａ…コンプレッサ翼車
９…第２の放熱用熱交換器
１０…熱回収用熱交換器
１１…膨張タービン
１１ａ…タービン翼車
１２…主軸
１２ａ…スラスト板
１３，１４…転がり軸受
１５…電磁石
１６…永久磁石
１７…モータ
１８…コントローラ
１９…演算部
１９ａ…バルブ制御手段
１９ｂ…冷媒流量制御手段
１９ｃ…モータ回転数制御手段
２１，２３…バイパス流路
２２，２４…第１，第２のバルブ
２６…ロータ
２７…ステータ

Claims (9)

1. 被冷却部の空気の入口と出口間に設けられて空気の熱交換または圧縮、膨張をそれぞれ行わせる複数の機器が介在した冷媒空気流路を有し、前記被冷却部の空気を冷媒として冷却する空気サイクル冷凍装置であって、
   前記被冷却部の温度、被冷却部の入口温度、および外気温度を測定する温度測定部を設け、この温度測定部による測定結果から、前記被冷却部を冷却、加熱、または保温すべきか否かを判定する演算部を設け、
   この演算部の判定結果に基づいて、前記冷媒空気流路における流れ経路を切替える経路切替手段を設けたことを特徴とする空気サイクル冷凍装置。
2. 請求項１において、コンプレッサ翼車および膨張タービン翼車を主軸に取付けたタービンユニットを有し、前記複数の機器として、前記コンプレッサ翼車を有するコンプレッサ、前記タービン翼車を有する膨張タービン、熱回収用熱交換器、予圧縮手段、放熱用熱交換器、および他の放熱用熱交換器があり、
   前記被冷却部からの戻り空気の熱回収を行う前記熱回収用熱交換器、前記予圧縮手段による圧縮、外気と圧縮空気との熱交換を行う前記放熱用熱交換器による冷却、前記コンプレッサによる圧縮、前記他の放熱用熱交換器による冷却、前記熱回収用熱交換器による冷却、前記膨張タービンによる断熱膨張、
   を順次行う空気サイクル冷凍装置。
3. 請求項１において、コンプレッサ翼車および膨張タービン翼車を主軸に取付けたタービンユニットを有し、前記複数の機器として、前記コンプレッサ翼車を有するコンプレッサ、前記タービン翼車を有する膨張タービン、熱回収用熱交換器、および放熱用熱交換器があり、
   前記被冷却部からの戻り空気の熱回収を行う前記熱回収用熱交換器、前記コンプレッサによる圧縮、外気と圧縮空気との熱交換を行う前記放熱用熱交換器による冷却、前記熱回収用熱交換器による冷却、前記膨張タービンによる断熱膨張、
   を順次行う空気サイクル冷凍装置。
4. 請求項２または請求項３において、前記冷媒空気流路のうち、前記熱回収用熱交換器の冷却側流路をバイパスするバイパス流路を設け、前記経路切替手段は、このバイパス流路の開閉を切り替える空気サイクル冷凍装置。
5. 請求項２ないし請求項４のいずれか１項において、前記冷媒空気流路のうち、前記膨張タービンをバイパスするバイパス流路を設け、前記経路切替手段は、このバイパス流路の開閉を切り替える空気サイクル冷凍装置。
6. 請求項２ないし請求項５のいずれか１項において、前記演算部の判定結果に基づいて、前記放熱用熱交換器の冷媒流量を制御する冷媒流量制御手段を設けた空気サイクル冷凍装置。
7. 請求項２ないし請求項６のいずれか１項において、前記タービンユニットは主軸を回転駆動するモータを備え、このモータの回転数を、前記演算部の判定結果に基づいて制御するモータ回転数制御手段を設けた空気サイクル冷凍装置。
8. 請求項２ないし請求項７のいずれか１項において、前記タービンユニットは転がり軸受と磁気軸受とを併用し、前記転がり軸受がラジアル負荷を支持し、前記磁気軸受がアキシアル負荷と軸受予圧のどちらか一方または両方を支持し、前記磁気軸受を構成する電磁石は主軸に設けられた強磁性体からなるフランジ状のスラスト板に非接触で対向するように、スピンドルハウジングに取付けられた磁気軸受装置である空気サイクル冷凍装置。
9. 請求項８において、前記タービンユニットは主軸を回転駆動するモータを備え、このモータのモータロータが前記スラスト板と共通の主軸に設けられ、前記モータロータと対向するようにモータステータが配置され、これらモータロータとモータステータとの間の磁気力ないしローレンツ力により、主軸を回転させるモータ一体型の軸受軸受装置である空気サイクル冷凍装置。

Images