CN107429954B - 冷冻机以及冷冻机的运转方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的冷冻机及冷冻机的运转方法，所述冷冻机包括：冷却部，通过与制冷剂的热交换对冷却对象物进行冷却；膨胀机一体型压缩机，将用于压缩制冷剂的压缩机及用于使制冷剂膨胀的膨胀机一体化；制冷剂循环管路，以使制冷剂通过压缩机、膨胀机及冷却部循环的方式构成，其中包含串联设置的低级、中级及高级压缩机，所述膨胀机一体型压缩机包括：中级压缩机；膨胀机，使从中级压缩机喷出的制冷剂隔热膨胀及冷却；马达，输出轴连接于中级压缩机及膨胀机；至少一个非接触型轴承，配置在中级压缩机与膨胀机之间，非接触地支撑马达的输出轴；以及壳体，收容中级压缩机、膨胀机及非接触型轴承。由此，能够抑制膨胀机的隔热效率及冷冻机的冷冻性能的下降。

Description

冷冻机以及冷冻机的运转方法
技术领域
本揭示涉及一种具备膨胀机一体型压缩机的冷冻机以及冷冻机的运转方法。
背景技术
已知有一种冷冻机，其使用布雷顿循环(Brayton Cycle)来作为冷冻循环，并具备可实现极低温的膨胀机一体型压缩机。而且，对于驱动膨胀机一体型压缩机的马达(motor)的输出轴的轴承，有使用磁力轴承等非接触型轴承者。非接触型轴承是非接触地支撑马达的输出轴等旋转轴，因此与以跟旋转轴接触的状态来支撑旋转轴的滚动轴承相比，无旋转轴之间的机械摩擦损耗，而且，由于无磨损，因此耐久性优异。因此，在马达转速大的情况等下，对于马达输出轴的轴承，使用磁力轴承等非接触型轴承。
专利文献1中，揭示了一种使用此种非接触型轴承的膨胀机一体型压缩机。关于该膨胀机一体型压缩机，揭示了一种磁力轴承式涡轮压缩机(turbine compressor)，其在轴(shaft)的一端安装有涡轮叶片，在另一端安装有压缩机叶片，利用磁力轴承来支撑轴。
若在冷冻机中使用专利文献1记载般的膨胀机一体型压缩机，则当流体在膨胀机中膨胀时产生的膨胀能量的一部分将被回收，所回收的膨胀能量被用作用于驱动压缩机的马达旋转轴的旋转能量。因此，马达的动力将降低，冷冻机的性能系数(Coefficient OfPerformance，COP)提高。
但是，伴随当今极低温技术的进展，为了实现使用布雷顿循环的冷冻机今后进一步的节能化，期望性能系数(COP)的进一步改善。
在膨胀机一体型压缩机中，存在下述问题：由于压缩机与膨胀机的压力差，制冷剂通过形成在壳体的内部空间的区域，从压缩机的背面侧泄漏到膨胀机侧而造成热侵入，从而导致膨胀机的隔热效率下降或导致冷冻机的COP下降。
另一方面，已知有一种冷冻机，其为了提高压缩机的压缩比以实现极低温，而将压缩机设为多级。
专利文献2中揭示了一种冷冻空调装置，进行将压缩机及膨胀机分别设为两级的二级压缩二级膨胀循环。该装置通过将使高级压缩机与一级及二级膨胀机设为一体的膨胀机一体型压缩机收容到密闭容器中，从而不需要压缩机与膨胀机间的密封(seal)。
专利文献3中，为了解决膨胀机一体型压缩机的所述问题，使泄漏制冷剂从设在壳体中的抽气管路(line)返回到压缩机的吸入侧或喷出侧。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开平7-91760公报
专利文献2：日本专利特开2005-98604号公报
专利文献3：国际申请(PCT/JP2014/077109)的说明书及附图(未公开)
发明内容
[发明所要解决的问题]
如前所述，在具备膨胀机一体型压缩机的冷冻机中，存在下述问题：从压缩机侧通过形成在膨胀机一体型压缩机的壳体内部空间的区域泄漏到膨胀机侧的高温制冷剂会导致冷冻机性能下降。
专利文献1及专利文献2中并未揭示解决所述问题的手段。
专利文献3中提出的手段尽管能够一定程度地避免高温制冷剂从压缩机流入，但考虑到防止磁力轴承的负载容量及压缩机性能下降的观点，制冷剂朝向抽气管路的返回量存在限度。
本发明的至少一实施方式的目的在于，在使用布雷顿循环并具备膨胀机一体型压缩机的冷冻机中，解决所述问题以提高冷冻机的COP。
[解决问题的技术手段]
(1)本发明的至少一实施方式的冷冻机包括：
冷却部，通过与制冷剂的热交换来对冷却对象物进行冷却；
膨胀机一体型压缩机，将用于压缩所述制冷剂的压缩机及用于使所述制冷剂膨胀的膨胀机一体化；
制冷剂循环管路，以使所述制冷剂通过所述压缩机、所述膨胀机及所述冷却部来循环的方式而构成，
所述冷冻机的特征在于，
所述压缩机包含串联设置在制冷剂循环管路中的低级压缩机、中级压缩机及高级压缩机，
所述膨胀机一体型压缩机包括：
所述中级压缩机；
所述膨胀机，用于使从所述高级压缩机喷出的所述制冷剂隔热膨胀及冷却；
第1马达，输出轴连接于所述中级压缩机及所述膨胀机；
至少一个非接触型轴承，配置在所述中级压缩机与所述膨胀机之间，用于非接触地支撑所述第1马达的所述输出轴；以及
壳体，收容所述中级压缩机、所述膨胀机及所述至少一个非接触型轴承。
在膨胀机一体型压缩机中，壳体的内部空间中的膨胀机与压缩机之间的区域并非工作流体的原本的流路。因此，压缩机与所述区域之间以及膨胀机与所述区域之间通常设有密封，以免工作流体从压缩机或膨胀机漏出到所述区域。但是，即使设有此种密封，也难以将工作流体完全密封而使其不会从压缩机侧漏出。
经过本发明人等的专心研究，结果明确了：因压缩机侧与膨胀机侧的压力差，经压缩机压缩的工作流体的一部分会通过密封的微小间隙而从压缩机侧经由所述区域漏出到膨胀机侧，流入到膨胀机侧的高温的漏出流体成为膨胀机隔热效率的下降因素。
在所述结构(1)中，通过将压缩机设为三级，从而能提高压缩比，实现制冷剂的极低温化。
在具备膨胀机一体型压缩机的冷冻机中，当将压缩机设为多级时，考虑将需要大动力的高级侧压缩机与膨胀机一体化，通过膨胀能量的回收来弥补在高级侧压缩机中耗费的动力，从而可实现节能。然而，从高级侧压缩机朝向膨胀机侧漏出的制冷剂的压力及温度、与经膨胀机膨胀的制冷剂的压力及温度存在大的差异，即便是少量的泄漏，侵入到膨胀机的侵入热量也会变得非常大，从而有可能造成膨胀机的隔热效率及冷冻机的冷冻性能(冷冻能力、COP)显著下降。
根据所述结构(1)，通过具备使中级压缩机及膨胀机一体化的膨胀机一体型压缩机，从而可使正常运转中的中级压缩机的出口静压与膨胀机的入口静压的压力差缩小或大致等同。由此，能够抑制从压缩机泄漏到膨胀机的制冷剂量及由此造成的侵入热，从而能够抑制膨胀机的隔热效率及冷冻机的冷冻性能的下降。
(2)在若干个实施方式中，于所述结构(1)中，还包括：
抽气管路，以与所述壳体的内部空间中的所述中级压缩机和所述膨胀机之间的区域连通的方式而设置，用于将在所述壳体内部从所述中级压缩机侧朝向所述膨胀机侧的漏出制冷剂的至少一部分，从所述区域抽取到与所述壳体外部的所述中级压缩机的吸入侧或喷出侧连接的制冷剂循环管路，所述壳体构成为，从所述壳体外部密闭所述区域，以使所述区域与所述壳体外部之间的所述制冷剂的流动，仅为经由所述抽气管路的、所述漏出制冷剂的至少一部分的流动。
借助所述结构(1)，另外，在产生从压缩机侧朝向膨胀机的制冷剂泄漏的情况下，通过所述抽气管路，将从压缩机侧朝向膨胀机侧的漏出流体的至少一部分，从所述区域抽取到与壳体外部的中级压缩机的吸入侧或喷出侧连接的制冷剂循环管路。由此，即使存在来自中级压缩机侧的泄漏制冷剂的情况下，也能够进一步降低流入膨胀机侧的制冷剂量，因此，能够进一步抑制经由漏出制冷剂的、朝向膨胀机的热移动。因而，能够改善因来自压缩机侧的漏出流体所引起的、膨胀机的隔热效率的下降及冷冻机的冷冻性能的恶化。
在假设壳体未从外部密闭，而允许从所述区域朝向制冷剂循环管路的漏出制冷剂以外的气体从壳体外部流入所述区域内的结构中，热有可能从自壳体外部流入所述区域内的气体移动到低温的膨胀机侧。因此，作为朝向膨胀机侧的意料外的热输入因素，不仅有漏出制冷剂，考虑还有从壳体外部流入所述区域内的气体，即使设置抽气管路，也难以有效防止朝向膨胀机侧的意料外的热输入因素。
与此相对，所述结构(2)的膨胀机一体型压缩机中，壳体是从壳体外部密闭所述区域，以使所述区域与壳体的外部之间的流体的流动，仅为经由所述抽气管路的、所述漏出制冷剂的至少一部分的流动。
因此，朝向膨胀机侧的意料外的热输入因素基本上只有漏出制冷剂。因而，通过抽气管路，形成将在所述区域内从压缩机侧朝向膨胀机侧的漏出制冷剂的至少一部分导向制冷剂循环管路的、制冷剂的流动，从而能够有效地防止朝向膨胀机侧的意料外的热输入，能够大幅改善COP。
(3)在若干个实施方式中，于所述结构(1)或(2)中，还包括：
压力计，用于对所述壳体内部空间的所述区域中较所述膨胀机更靠近所述中级压缩机的区域的压力、与所述区域中较所述中级压缩机更靠近所述膨胀机的区域的压力的差压进行检测，
根据所述压力计的检测值来预测所述漏出制冷剂的有无。
根据所述结构(3)，通过检测所述两个区域的压力差，从而能够准确地预测从中级压缩机漏向膨胀机侧的制冷剂量。
因此，通过基于检测出的所述压力差，来控制冷冻机的运转，或者在具备所述抽气管路的膨胀机一体型压缩机中，从该抽气管路抽取漏出制冷剂，从而能够抑制朝向膨胀机的热侵入。
(4)在若干个实施方式中，于所述结构(1)～结构(3)中的任一结构中，还包括：
温度计，用于对所述区域中较所述膨胀机更靠近所述中级压缩机的区域的温度、与所述区域中较所述中级压缩机更靠近所述膨胀机的区域的温度的温差进行检测，
根据所述温度计的检测值来预测所述漏出流体的有无。
根据所述结构(4)，通过检测所述两个区域的温差，从而能够准确地预测从中级压缩机漏向膨胀机侧的制冷剂量。
因此，通过基于检测出的所述温差，来控制冷冻机的运转，或者在具备所述抽气管路的冷冻机中，从该抽气管路抽取漏出制冷剂，从而能够抑制朝向膨胀机的热侵入。
(5)在若干个实施方式中，于所述结构(3)或结构(4)中，还包括：
抽气阀，设在所述抽气管路中，用于调节所述漏出制冷剂的抽气量；以及
控制器，用于基于所述压力计或所述温度计的检测值，来控制所述抽气阀的开度。
根据所述结构(5)，基于由所述压力计检测出的压力差或由所述温度计检测出的温差，通过所述控制器来控制所述抽气阀的开度，因此能够根据漏出制冷剂量来控制抽气量。因此，能够进一步降低朝向膨胀机的侵入热量。
(6)在若干个实施方式中，于所述结构(5)中，
所述控制器构成为，基于所述冷冻机的COP、或者所述膨胀机的吸入侧与喷出侧的制冷剂温差中的至少一者，来控制所述抽气阀的开度。
另外，冷冻机COP例如是根据式(1)电力消耗基准COP(COPb)及式(2)压缩动力基准COP(COP。)等而求出。
[式1]
Figure GDA0001413150460000061
[式2]
Figure GDA0001413150460000062
其中，在所述式(1)及式(2)中，G是在制冷剂循环管路中循环的制冷剂的质量流量[kg/s]，P是马达的动力(电力消耗)[W]，h1是压缩机入口焓(enthalpy)[J/kg]，h2是压缩机出口焓[J/kg]，h5是冷却部用热交换器入口焓[J/kg]，h6是冷却部用热交换器出口焓[J/kg]。
将漏出制冷剂抽取到制冷剂循环管路中的抽气量越多，则通过漏出制冷剂流入膨胀机侧的热越减少。另一方面，若使抽气量过多，则经压缩机压缩后不在制冷剂循环管路中循环而无助于冷却对象物的冷却的漏出制冷剂将增加，从而会导致被用于压缩的马达动力增加及压缩机效率下降。因而，存在一抽气量(COP最大抽气量)，其使膨胀机一体型压缩机的冷冻机的COP达到最大。
鉴于此种状况，根据所述结构(6)，只要基于所述冷冻机COP、或者膨胀机的吸入侧与喷出侧的制冷剂温差中的至少一者，根据运转条件来进行控制，以使抽气量成为COP最大抽气量附近的值，便能够提高冷冻机的COP。
而且，在条件变化少的运转中，也可通过手动阀来进行开度调整，以设为固定开度。
(7)在若干个实施方式中，于所述结构(1)～结构(6)中的任一结构中，还包括：
隔热箱体，收容所述膨胀机及所述冷却器，从外部进行隔热。
根据所述结构(7)，通过将膨胀机及冷却器收容到从外部隔热的隔热箱体中，从而能够抑制因外部热侵入造成的膨胀机的隔热效率及冷冻机的冷冻性能的下降。
(8)在若干个实施方式中，于所述结构(1)～结构(7)中的任一结构中，还包括压缩机单元，所述压缩机单元具有：
第2马达，输出轴连接于所述低级压缩机及所述高级压缩机；
至少一个非接触型轴承，配置在所述低级压缩机与所述高级压缩机之间，用于非接触地支撑所述第2马达的所述输出轴；以及
壳体，收容所述低级压缩机、所述高级压缩机及所述至少一个非接触型轴承。
根据所述结构(8)，通过采用包含低级压缩机及高级压缩机的压缩机单元，能够使冷冻机的结构简易且低成本化。而且，由于能够以一个马达来兼用作低级压缩机及高级压缩机的驱动，因此与分别单独驱动低级压缩机及高级压缩机的情况相比，能够降低这些驱动所需的动力。
(9)在若干个实施方式中，于所述结构(8)中包括：
第1热交换器，设在所述低级压缩机与所述中级压缩机之间的所述制冷剂循环管路中，用于对从所述低级压缩机喷出的制冷剂进行冷却；
第2热交换器，设在所述中级压缩机与所述高级压缩机之间的所述制冷剂循环管路中，用于对从所述中级压缩机喷出的制冷剂进行冷却；以及
第3热交换器，设在所述高级压缩机与所述膨胀机之间的所述制冷剂循环管路中，用于对从所述高级压缩机喷出的制冷剂进行冷却，
所述第1热交换器、所述第2热交换器及所述第3热交换器是配置在所述膨胀机一体型压缩机与所述压缩机单元之间，并且以长边方向彼此并列的方式配置。
根据所述结构(9)，通过将所述第1热交换器、所述第2热交换器及所述第3热交换器以长边方向彼此并列的方式配置，从而能够使这些热交换器的配置空间省空间化。
通过构成包含所述三个热交换器的热交换器单元，并将该热交换器单元配置于包含低级压缩机及高级压缩机的所述压缩机单元、与包含中级压缩机的膨胀机一体型压缩机之间，从而连接于这些设备间的配管的配置变得容易，并且能够缩短配管的长度而实现低成本化。而且，通过缩短配管的长度，能够降低在配管中流动的制冷剂的压力损失，由此，能够提高冷冻机的冷冻性能。
(10)本发明的一实施方式的冷冻机的运转方法中，所述冷冻机包括：
冷却部，通过与制冷剂的热交换来对冷却对象物进行冷却；
膨胀机一体型压缩机，将用于压缩所述制冷剂的压缩机及用于使所述制冷剂膨胀的膨胀机一体化；
制冷剂循环管路，以使所述制冷剂通过所述压缩机、所述膨胀机及所述冷却部来循环的方式而构成，
所述压缩机包含串联设置在制冷剂循环管路中的低级压缩机、中级压缩机及高级压缩机，
所述膨胀机一体型压缩机包括：
所述中级压缩机；
所述膨胀机，用于使从所述中级压缩机喷出的制冷剂隔热膨胀及冷却；
第1马达，输出轴连接于所述中级压缩机及所述膨胀机；
至少一个非接触型轴承，配置在所述中级压缩机与所述膨胀机之间，用于非接触地支撑所述第1马达的所述输出轴；以及
壳体，收容所述中级压缩机、所述膨胀机及所述至少一个非接触型轴承，
所述壳体构成为，从所述壳体外部密闭所述壳体内部空间中的所述中级压缩机与所述膨胀机之间的区域，
所述冷冻机的运转方法包括：
压缩步骤，通过所述三个压缩机来压缩制冷剂；
膨胀步骤，通过所述膨胀机来使在所述压缩步骤中经压缩的所述制冷剂膨胀；
冷却步骤，通过与在所述膨胀步骤中经膨胀的所述制冷剂的热交换，来对冷却对象物进行冷却；以及
抽气步骤，通过以与所述壳体内部的所述区域连通的方式而设的抽气管路，将在所述壳体内部从所述中级压缩机侧朝向所述膨胀机侧的漏出制冷剂的至少一部分，从所述壳体内部的所述区域抽取到与所述壳体外部的所述压缩机的吸入侧或喷出侧连接的制冷剂循环管路。
根据所述方法(10)，借助所述结构(1)，另外，在产生从压缩机侧朝向膨胀机的制冷剂泄漏的情况下，通过所述抽气管路，将从压缩机侧朝向膨胀机侧的漏出流体的至少一部分，从所述区域抽取到与壳体外部的中级压缩机的吸入侧或喷出侧连接的制冷剂循环管路。
由此，即使存在来自中级压缩机侧的泄漏制冷剂的情况下，也能够进一步降低流入膨胀机侧的制冷剂量，因此，能够进一步抑制经由漏出制冷剂的、朝向膨胀机的热移动。因而，能够改善因来自压缩机侧的漏出流体引起的、膨胀机的隔热效率的下降及冷冻机的冷冻性能的恶化。
而且，所述膨胀机一体型压缩机的壳体是从壳体外部密闭所述区域，以使所述区域与壳体的外部之间的流体的流动，仅为经由所述抽气管路的、所述漏出制冷剂的至少一部分的流动，因此，朝向膨胀机侧的意料外的热输入因素基本上只有漏出制冷剂。因而，通过抽气管路，形成将在所述区域内从中级压缩机侧朝向膨胀机侧的漏出制冷剂的至少一部分导向制冷剂循环管路的、制冷剂的流动，从而能够有效地防止朝向膨胀机侧的意料外的热输入，能够大幅改善COP。
(11)在若干个实施方式中，于所述方法(10)中，
所述抽气步骤包括第1抽气量调节步骤，所述第1抽气量调节步骤是基于所述壳体内部的所述区域中较所述膨胀机更靠近所述中级压缩机的区域的压力、与所述区域中较所述中级压缩机更靠近所述膨胀机的区域的压力的差压，来调节朝向所述中级压缩机的吸入侧或喷出侧的抽气量。
根据所述方法(11)，通过检测所述两个区域的压力差，从而能够准确地预测从中级压缩机漏向膨胀机侧的制冷剂量。因此，通过基于检测出的所述压力差，从所述抽气管路抽取漏出制冷剂，从而能够抑制朝向膨胀机的热侵入。
(12)在若干个实施方式中，于所述方法(10)或方法(11)中，
所述抽气步骤包括第2抽气量调节步骤，所述第2抽气量调节步骤是基于所述壳体内部的所述区域中较所述膨胀机更靠近所述中级压缩机的区域的温度、与所述区域中较所述中级压缩机更靠近所述膨胀机的区域的温度的温差，来调节朝向所述中级压缩机的吸入侧或喷出侧的抽气量。
根据所述方法(12)，通过检测所述两个区域的温差，从而能够准确地预测从中级压缩机漏向膨胀机侧的制冷剂量。因此，通过基于检测出的所述温差，从所述抽气管路抽取漏出制冷剂，从而能够抑制朝向膨胀机的热侵入。
(13)在若干个实施方式中，于所述方法(10)～方法(12)中的任一方法中，
所述抽气步骤包括第3抽气量调节步骤，所述第3抽气量调节步骤是基于所述冷冻机的COP、或者所述膨胀机的吸入侧与喷出侧的制冷剂温差中的至少一者，来调节从所述壳体内部的所述区域朝向所述压缩机的吸入侧的抽气量。
根据所述方法(13)，基于所述冷冻机COP、或者膨胀机的吸入侧与喷出侧的制冷剂温差中的至少一者来调节抽气量，因此能够提高冷冻机的COP。
(14)在若干个实施方式中，于所述方法(10)～方法(13)中的任一方法中，
所述中级压缩机是离心压缩机，所述离心压缩机具有固定在所述第1马达的一端的压缩机叶片，
所述膨胀机是离心膨胀机，所述离心膨胀机具有固定在所述第1马达的另一端的涡轮叶片，
在所述压缩步骤及所述膨胀步骤中，
将所述压缩机叶片的背面侧压力与所述涡轮叶片的背面侧压力调节为等同。
根据所述方法(14)，通过将所述压缩机叶片的背面侧压力与所述涡轮叶片的背面侧压力设为等同，从而能够有效地抑制从压缩机叶片的背面侧朝向膨胀机侧的、高温制冷剂的漏出。
[发明的效果]
根据本发明的至少一实施方式，能够抑制在膨胀机一体型压缩机的壳体内部因从压缩机侧漏出的制冷剂引起的、朝向膨胀机的热侵入，由此，能够提高膨胀机的隔热效率及冷冻机的冷冻性能(冷冻能力、COP)。
附图说明
图1是一实施方式的冷冻机的系统图。
图2是一实施方式的冷冻机的系统图。
图3是一实施方式的膨胀机一体型压缩机的纵剖面图。
图4是一实施方式的冷冻机的运转方法的流程图。
图5是表示一实施方式的冷冻机的一部分的系统图。
图6是比较例的冷冻机的系统图。
图7是比较例的冷冻机的系统图。
[符号的说明]
10(10A、10B)、100：冷冻机
12：冷却部
14：膨胀机一体型压缩机
16：制冷剂循环管路
16a：旁通管路
20a、78：输出轴
20b：定子
22、24、26：非接触型轴承
28：壳体
30：冷热回收热交换器
32：超导设备
34：液氮循环管路
36：储槽
38：液氮泵
40：缓冲槽
42、44：开闭阀
50：转子盘片
52：压缩机叶片
54：涡轮转子
56、56′：抽气管路
58：抽气阀
60：控制器
62、64：密封部
66、68：压力计
70、72、86、88：温度计
74：隔热箱体
76、102：压缩机单元
80、104：热交换器单元
82、84、94、96：动力计
90、92：流量计
C1：低级压缩机
C2：中级压缩机
C3：高级压缩机
Hx1：第1热交换器
Hx2：第2热交换器
Hx3：第3热交换器
Is：区域
M1：第1马达
M2：第2马达
T：膨胀机
r：制冷剂
r0：漏出制冷剂
w：冷却水
具体实施方式
以下，参照附图来说明本发明的若干实施方式。但是，作为实施方式而记载或者于附图中所示的构成零件的尺寸、材质、形状、其相对配置等并不意图将本发明的范围限定于此，只不过是单纯的说明例。
例如，“在某方向上”、“沿着某个方向”、“平行”、“正交”、“中心”、“同心”或“同轴”等表示相对或绝对性的配置的表达不仅表示严格的此种配置，也表示带有公差、或者带有可获得相同功能的程度的角度或距离而相对地位移的状态。
例如，“相同”、“相等”及“均质”等表示事物为相等状态的表达，不仅表示严格相等的状态，也表示存在公差、或者可获得相同功能的程度的差的状态。
例如，四边形状或圆筒形状等表示形状的表达，不仅表示几何学的严格意义上的四边形状或圆筒形状等形状，也表示在可获得相同效果的范围内包含凹凸部或倒角部等的形状。
另一方面，“配备”、“装备”、“具备”、“包含”或“具有”一个构成要素这一表达并非将其他构成要素的存在除外的排他性表达。
图1及图2表示依据若干个实施方式的冷冻机10(10A、10B)。
冷冻机10(10A、10B)具备：通过与制冷剂的热交换来对冷却对象物进行冷却的冷却部12、膨胀机一体型压缩机14及制冷剂循环管路16。
膨胀机一体型压缩机14使用于压缩制冷剂的中级压缩机C2及用于使制冷剂膨胀的膨胀机T一体化。制冷剂循环管路16构成为，使制冷剂通过压缩机C1、C2、C3、膨胀机T及冷却部12等而循环。
冷冻机10(10A、10B)中所设的压缩机包含串联设置在制冷剂循环管路16中的低级压缩机C1、中级压缩机C2及高级压缩机C3。
至少一实施方式的膨胀机一体型压缩机14如图3所示，具备中级压缩机C2；膨胀机T；第1马达M1；至少一个非接触型轴承22、24、26；以及收容中级压缩机C2、膨胀机T及所述至少一个非接触型轴承的壳体28。
膨胀机T使从高级压缩机C3喷出的制冷剂隔热膨胀及冷却。第1马达M1的输出轴20a连接于中级压缩机C2及膨胀机T。至少一个非接触型轴承22、24及26配置在高级压缩机C3与膨胀机T之间，非接触地支撑输出轴20a。
图示的实施方式中，在输出轴20a的两端部配置有中级压缩机C2及膨胀机T。
中级压缩机C2及膨胀机T由第1马达M1予以驱动。中级压缩机C2以压缩制冷剂r的方式而构成，膨胀机T使制冷剂r膨胀。通过利用制冷剂r的压力能量来作为中级压缩机C2的辅助(assist)动力，从而能够降低第1马达M1的动力。
在图1及图2所示的冷冻机10(10A、10B)中，制冷剂在制冷剂循环管路16中循环。
作为冷冻机10(10A、10B)的例示性的实施方式，第1热交换器Hx1设在低级压缩机C1与中级压缩机C2之间的制冷剂循环管路16中，对从低级压缩机C1喷出的制冷剂进行冷却。
而且，第2热交换器Hx2设在中级压缩机C2与高级压缩机C3之间的制冷剂循环管路16中，对从中级压缩机C2喷出的制冷剂进行冷却。
而且，第3热交换器Hx3设在高级压缩机C3与膨胀机T之间的制冷剂循环管路16中，对从高级压缩机C3喷出的制冷剂进行冷却。
经低级压缩机C1一级压缩的制冷剂在经第1热交换器Hx1冷却后，被送往中级压缩机C2，由中级压缩机C2进行进一步压缩。经中级压缩机C2压缩的制冷剂在经第2热交换器Hx2冷却后，由高级压缩机C3进行进一步压缩。经高级压缩机C3压缩的制冷剂在经第3热交换器Hx3冷却后，进一步经冷热回收热交换器30冷却，随后被送往膨胀机T。制冷剂使膨胀机T旋转，制冷剂的压力能量被用作中级压缩机C2的辅助动力，并且制冷剂自身膨胀而成为低压低温。
成为低压低温的制冷剂被送往冷却部12。冷却部12例如包含热交换器，利用制冷剂来对冷却对象物进行冷却。随后，制冷剂被送往冷热回收热交换器30，在其中对送往膨胀机T的制冷剂进行冷却后，返回至低级压缩机C1。
例示性的实施方式中，在冷却部12中通过与制冷剂的热交换而受到冷却的冷却对象物，是用于对超导电缆(cable)等超导设备32进行冷却的液氮。
图1所示的例示性的实施方式中，设有在冷却部12、超导设备32及储槽(reservetank)36之间循环的液氮循环管路34。在液氮循环管路34中设有液氮泵(pump)38，使经冷却部12冷却为极低温的液氮循环至超导设备32。
此时，由于超导设备32为超导状态，因而需要极低温下的冷却。此时，在膨胀机T的喷出侧，制冷剂成为极低温，因此在制冷剂循环管路16内，在中级压缩机C2的喷出侧与膨胀机18的喷出侧成为大的温差。
例如，一实施例中，在中级压缩机C2的吸入侧为约30℃～40℃，在喷出侧为约90℃～100℃，与此相对，在膨胀机18的吸入侧为约-190℃～-200℃，在喷出侧为约-210℃～-220℃。
因而，若从中级压缩机C2侧朝向膨胀机18侧发生制冷剂泄漏，则冷冻机10(10A、10B)的冷却性能会下降。
另外，作为在制冷剂循环管路16中流动的制冷剂，可根据冷却对象物的冷却目标温度等来适当选择，例如可使用氦、氖、氢、氮、空气、烃等。
例示性的实施方式中，如图1及图2所示，设有与第3热交换器Hx3的出口侧和低级压缩机C1的入口侧的制冷剂循环管路16连接的旁通管路(bypass line)16a，在旁通管路16a中设有可暂时贮存制冷剂的缓冲槽(buffer tank)40，在缓冲槽40的前后设有开闭阀42及开闭阀44。
通过在缓冲槽40中暂时贮存制冷剂，从而能够调节在制冷剂循环管路16中循环的制冷剂的量。
而且，在第1热交换器Hx1、第2热交换器Hx2及第3热交换器Hx3中，作为用于对制冷剂进行冷却的冷却介质，例如供给冷却水w。
在膨胀机一体型压缩机14中，作为例示性的实施方式，如图3所示，第1马达20的输出轴20a是由配置在中级压缩机c2与膨胀机T之间的径向(radial)磁力轴承22、24及推力(thrust)磁力轴承26来非接触地予以支撑。径向磁力轴承22及径向磁力轴承24是配置在第1马达M1的两侧，通过磁力来使输出轴20a悬浮，以负担输出轴20a的径向载荷。另一方面，推力磁力轴承26是设在第1马达M1与膨胀机T之间，以与设于输出轴20a的转子盘片(rotordisc)50之间形成间隙的方式，通过磁力来负担输出轴20a的推力载荷。
例示性的实施方式中，中级压缩机C2是具有被固定在第1马达M1一端的压缩机叶片52的离心压缩机，膨胀机T是具有被固定在第1马达M1另一端的涡轮叶片54的离心膨胀机。压缩机叶片52及涡轮转子(turbine rotor)54被分别配置在制冷剂r的流路中。另外，在输出轴20a的周围设有定子(stator)20b。
如图3所示，作为例示性的实施方式，在膨胀机一体型压缩机14中设有抽气管路56(56′)。
抽气管路56(或56′)是以与壳体28的内部空间中的中级压缩机C2与膨胀机T之间的区域Is连通的方式而设置。在壳体28的内部，从中级压缩机C2侧朝向膨胀机T侧的漏出制冷剂r0的至少一部分，从区域Is通过抽气管路56(56′)而被抽取到与壳体28外部的中级压缩机C2的吸入侧或喷出侧连接的制冷剂循环管路16中。
而且，壳体28是构成为，从壳体28的外部密闭区域Is，以使区域Is与壳体28外部之间的制冷剂r的流动，仅为经由抽气管路56的、漏出制冷剂的至少一部分的流动。
作为例示性的实施方式，如图3所示，在壳体28的内部，设有：密封部62，用于抑制制冷剂r从中级压缩机C2泄漏到壳体内部；以及密封部64，用于抑制制冷剂r从膨胀机T泄漏到壳体28内部。
密封部62及密封部64例如也可为迷宫式密封(labyrinth seal)。此时，迷宫式密封也可如图3所示，设在压缩机叶片52或涡轮叶片54的背面侧，且压缩机叶片52或涡轮叶片54与壳体28之间、及输出轴20a的周围且输出轴20a与壳体28之间。
若区域Is中的中级压缩机侧与膨胀机侧的压力差变大，则即使设置密封部62及密封部64，有时也难以完全阻止从中级压缩机侧朝向壳体内部的制冷剂泄漏。侵入区域Is中的漏出制冷剂r0通过输出轴20a与非接触型轴承22、24及26的间隙，而漏出到工作温度比中级压缩机侧低的膨胀机侧。由此，有可能引起朝向膨胀机T的热侵入，而导致膨胀机的隔热效率下降。
因此，将泄漏制冷剂r0通过抽气管路56(56′)排出到中级压缩机C2的吸入侧或喷出侧的制冷剂循环管路16，或是排出到低级压缩机C1的吸入侧或喷出侧的制冷剂循环管路16，从而抑制朝向膨胀机侧的热侵入。
图3所示的例示性的实施方式中，抽气管路56(56′)以贯穿壳体28的方式沿径向延伸。另外，抽气管路56(56′)的轴向位置并无特别限定，也可以沿着输出轴20a的轴向的方式而设置。
例示性的实施方式中，如图3所示，还包括压力计，该压力计用于对区域Is中较膨胀机T更靠近中级压缩机C2的区域的压力、与区域Is中较中级压缩机C2更靠近膨胀机T的区域的压力的差压进行检测，根据由该压力计检测出的所述差压来预测漏出制冷剂r0的有无及量。
图示的实施方式包括：压力计66，对区域Is中较膨胀机T更靠近中级压缩机C2的区域的压力进行检测；以及压力计68，对区域Is中较中级压缩机C2更靠近膨胀机T的区域的压力进行检测。这些压力计的检测值被输入至控制器60，由控制器60求出这些检测值的差压，并根据该差压来预测漏出制冷剂r0的有无及量。
例示性的实施方式中，如图3所示，还包括温度计，该温度计用于对区域Is中较膨胀机T更靠近中级压缩机C2的区域的温度、与区域Is中较中级压缩机C2更靠近膨胀机T的区域的温度的温差进行检测。
图示的实施方式包括：温度计70，对区域Is中较膨胀机T更靠近中级压缩机C2的区域的温度进行检测；以及温度计72，对区域Is中较中级压缩机C2更靠近膨胀机T的区域的温度进行检测。这些温度计的检测值被输入至控制器60，由控制器60求出这些检测值的温差，并根据该温差来预测漏出制冷剂r0的有无及量。
另外，图3所示的实施方式中，具备压力计66、68及温度计70、72这两者，但也可具备这些压力计或温度计中的其中任一种。
例示性的实施方式中，如图1及图3所示，还包括抽气阀58，该抽气阀58用于在抽气管路56中对漏出制冷剂r0的抽气量进行调节。
例示性的实施方式中，如图3所示，还包括控制器60，该控制器60基于压力计66及压力计68的检测值或者温度计70及温度计72的检测值，来控制抽气阀58的开度。由此，可基于漏出制冷剂r0的有无及量来控制漏出制冷剂r0的抽气量。
例示性的实施方式中，如图1及图2所示，膨胀机T及冷却部12被收容在从外部隔热的隔热箱体74中。
图示的实施方式中，冷热回收热交换器30也被收容在密闭箱体74的内部。
例示性的实施方式中，如图1所示，还包括压缩机单元76，该压缩机单元76具有：低级压缩机C1；高级压缩机C3；第2马达M2；至少一个非接触型轴承22、24及26；以及收容这些设备的壳体28。
第2马达M2的输出轴78连接于低级压缩机C1及高级压缩机C3，至少一个非接触型轴承22、24及26例如包含径向磁力轴承及推力磁力轴承，从而非接触地支撑输出轴78。
另外，用于压缩机单元76的壳体28及非接触型轴承22、24、26既可为与膨胀机一体型压缩机14的壳体28及非接触型轴承22、24、26相同的结构，或者也可并非相同的结构。
例示性的实施方式中，如图2所示，第1热交换器Hx1、第2热交换器Hx2及第3热交换器Hx3是配置在膨胀机一体型压缩机14与压缩机单元76之间，并且，这些热交换器是以长边方向彼此并列的方式配置，例如构成热交换器单元80。
例示性的实施方式中，如图1所示，控制器60构成为，基于冷冻机10(10A)的COP、或者膨胀机T的吸入侧与喷出侧的制冷剂温差的至少任一者，来控制抽气阀58的开度。
冷冻机COP例如可测量第1马达M1及第2马达M2的动力(电力消耗)而算出。此时，由动力计82及动力计84来进行动力测量，测量结果被发送至控制器60。
膨胀机T的吸入侧及喷出侧的温度测量是由设置在制冷剂循环管路22的膨胀机T的吸入侧的温度计86、及设置在膨胀机T的喷出侧的温度计88来进行，测量结果被发送至控制器60。控制器60根据由温度计86及温度计88所测量的温度，来计算膨胀机T的吸入侧与喷出侧的制冷剂温差。
而且，通过设置在抽气管路56(56′)中的流量计90，对从区域Is抽取到与壳体外部的中级压缩机C2的吸入侧或喷出侧连接的制冷剂循环管路16中的漏出制冷剂的抽气量进行检测，检测结果被发送至控制器60。
而且，由设置在制冷剂循环管路16中的流量计92来检测制冷剂循环量。
例示性的实施方式中，控制器60构成为，基于抽气管路56中的漏出制冷剂的流量、第1马达M1及第2马达M2的动力、冷冻机10(10A)的COP或者膨胀机T的吸入侧与喷出侧的制冷剂温差等的测量，对从膨胀机一体型压缩机14的壳体内部的区域Is朝向中级压缩机C2的吸入侧的抽气量进行调节。另外，冷冻机COP例如是根据以所述式(1)求出的电力消耗基准COP(COPb)、及以所述式(2)求出的压缩动力基准COP(COPc)等而求出。
此时，在式(1)及式(2)中，G是在制冷剂循环管路16中循环的制冷剂的质量流量[kg/s]，P是第1马达M1及第2马达M2的动力的合计值(电力消耗)[W]，h1是低级压缩机C1、中级压缩机C2及高级压缩机C3的入口焓和[J/kg]，h2是低级压缩机C1、中级压缩机C2及高级压缩机C3的出口焓和[J/kg]，h5是冷却部12用热交换器入口焓[J/kg]，h6是冷却部12用热交换器出口焓[J/kg]。
例示性的实施方式中，控制器60具备存储有表示冷冻机10(10A)的运转条件的信息的存储器，该冷冻机10(10A)的运转条件包含设为目标的冷冻机COP(以下也称作“目标冷冻机COP”)、或者膨胀机T的吸入侧与喷出侧的温差中的至少一者，基于由动力传感器82、84等算出的冷冻机COP(以下也称作“测定冷冻机COP”)或者温度计86、88中的至少一者的检测结果，来控制抽气阀58的开度而调节抽气量，以实现所述运转条件。
另外，控制器60也可基于存储在存储器中的表示冷冻机10(10A)的运转条件的信息、与测定冷冻机COP或者温度计86、88中的至少一者的检测结果的偏差，来决定抽气阀58的开度指令值。此时，控制器60也可包含例如比例(Proportional，P)控制器、比例积分(Proportional Integral，PI)控制器、比例积分微分(Proportional IntegralDifferential，PID)控制器等，以作为用于决定抽气阀58的开度指令值的控制器。
而且，COP达到最大的冷冻机10(10A)的运转条件也可根据冷却部12中的冷却负载而变化。此时，控制器60也可基于测定冷冻机COP或者温度计86、88中的至少一者的检测结果来调节抽气量，以实现与冷却部12中的冷却负载相应的运转条件。
另外，焓h1、h2、h5及h6是分别根据各点(point)处的压力P1、P2、P5及P6与温度T1、T2、T5及T6的测量值而求出。因此，在冷冻机10(10A)中，也可设置：流量计(未图示)，用于对在制冷剂循环管路16中循环的制冷剂的质量流量进行测定；或者温度计(未图示)及压力计(未图示)，用于对各压缩机的入口及出口与冷却部12的入口及出口的温度及压力分别进行测定。
另一实施方式中，控制器60具备存储有信息的存储器，该信息表示目标冷冻机COP、或者膨胀机T的吸入侧与喷出侧的温差的最大值中的至少一者，以测定冷冻机COP或者温度计86、88中的至少一者的检测结果接近目标冷冻机COP或者膨胀机T的吸入侧与喷出侧的温差的最大值的方式，控制抽气阀58的开度而调节抽气量。另外，控制器60也可基于存储在存储器中的表示目标冷冻机COP或者膨胀机T的吸入侧与喷出侧的温差的最大值的信息、与测定冷冻机COP或者温度计86、88中的至少一者的检测结果的偏差，来决定抽气阀58的开度指令值。此时，控制器60例如也可包含P控制器、PI控制器、PID控制器等，以作为用于决定抽气阀58的开度指令值的控制器。
例示性的实施方式中，控制器60构成为，以不超过抽气量的上限值的方式，来调节从壳体内部的区域Is朝向中级压缩机C2的吸入侧或喷出侧的抽气量，该抽气量的上限值是以不超过推力磁力轴承26的负载(推力载荷)的容许值的方式而决定。
至少一实施方式的冷冻机的运转方法如图4所示，具备压缩步骤S10、膨胀步骤S12、冷却步骤S14及抽气步骤S16。
压缩步骤S10中，利用低级压缩机C1、中级压缩机C2及高级压缩机C3来压缩制冷剂。
膨胀步骤S12中，通过膨胀机T来使压缩步骤S10中经压缩的制冷剂膨胀。
冷却步骤S14中，利用冷却部12，通过与经膨胀机T2膨胀的制冷剂的热交换，来对冷却对象物进行冷却。
抽气步骤S16中，通过以与膨胀机一体型压缩机14的壳体内部的区域Is连通的方式而设的抽气管路56(56′)，将在壳体内部从中级压缩机C2侧朝向膨胀机T侧的漏出制冷剂r0的至少一部分，从壳体内部的区域Is，抽取到与壳体外部的中级压缩机16的吸入侧或喷出侧连接的制冷剂循环管路16。
例示性的实施方式中，如图4所示，在抽气步骤S16中，包含第1抽气量调节步骤S16a，该第1抽气量调节步骤S16a是基于膨胀机一体型压缩机14的壳体内部的区域Is中较膨胀机T更靠近中级压缩机16的区域的压力、与区域Is中较中级压缩机16更靠近膨胀机T的区域的压力的差压，来调节朝向中级压缩机C2的吸入侧或喷出侧的抽气量。
所述两个区域的压力例如是由图3所示的压力计66及压力计68来检测。
例示性的实施方式中，如图4所示，在抽气步骤S16中，包含第2抽气量调节步骤S16b，该第2抽气量调节步骤S16b是基于膨胀机一体型压缩机14的壳体内部的区域Is中较膨胀机T更靠近中级压缩机16的区域的温度、与区域Is中较中级压缩机16更靠近膨胀机T的区域的温度的温差，来调节朝向中级压缩机C2的吸入侧或喷出侧的抽气量。
所述两个区域的温度例如是由图3所示的温度计70及温度计72来检测。
例示性的实施方式中，如图4所示，在抽气步骤S16中，包含第3抽气量调节步骤S16c，该第3抽气量调节步骤S16c是基于冷冻机10(10A)的COP、或者膨胀机T的吸入侧与喷出侧的制冷剂温差中的至少一者，来调节从膨胀机一体型压缩机14的壳体内部的区域Is朝向中级压缩机C2的吸入侧或喷出侧的抽气量。
第1抽气量调节步骤S16a、第2抽气量调节步骤S16b及第3抽气量调节步骤S16c也可进行至少一个或者并用两个以上。而且，这些步骤S16a～16c的实施顺序并不限定于图示的顺序。
例示性的实施方式中，如图3所示，中级压缩机16是具有被固定在第1马达M1一端的压缩机叶片52的离心压缩机，膨胀机T是具有被固定在第1马达M1另一端的涡轮叶片54的离心膨胀机。
并且，在压缩步骤S10及膨胀步骤S12中，将压缩机叶片52的背面侧压力与涡轮叶片54的背面侧压力调节为等同。
根据若干个实施方式，如图1及图2所示，通过具备将中级压缩机C2及膨胀机T一体化的膨胀机一体型压缩机14，从而可使正常运转中的中级压缩机C2的出口静压与膨胀机T的入口静压的压力差缩小或大致等同。由此，能够抑制从中级压缩机C2泄漏到膨胀机T中的制冷剂量及侵入热，从而能够抑制膨胀机T的隔热效率及冷冻机10(10A、10B)的冷冻性能的下降。
根据例示性的实施方式，如图1及图3所示，另外，在产生从中级压缩机C2朝向膨胀机T侧的制冷剂的泄漏的情况下，通过抽气管路56(56′)，将漏出制冷剂r0的至少一部分从区域Is抽取到壳体外，由此，能够进一步降低流入膨胀机侧的制冷剂量。
根据例示性的实施方式，如图1所示，通过检测区域Is中的中级压缩机侧与膨胀机侧的压力或温差，从而能够准确地预测漏出制冷剂r0的有无及漏出量。通过基于该预测来控制冷冻机10(10A)的运转，或者调节抽气管路56(56′)的抽气量，从而能够抑制朝向膨胀机T的热侵入。
根据例示性的实施方式，如图1及图3所示，通过在抽气管路56(56′)中设置抽气阀58，并且设置基于所述压力差或所述温差来控制抽气阀58的开度的控制器60，从而能够有效地抑制朝向膨胀机T的热侵入。
根据例示性的实施方式，如图1所示，通过基于冷冻机10(10A)的COP、或者膨胀机T的吸入侧与喷出侧的制冷剂温差中的至少任一者，由控制器60控制抽气阀58的开度，从而能够根据运转条件来将抽气量控制为COP达到最大的值，由此，能够提高冷冻机10(10A)的COP。
根据例示性的实施方式，膨胀机T及冷却部12，进而，冷热回收热交换器30被收容在隔热箱体74中，因此能够抑制因外部热的侵入造成的膨胀机T的隔热效率的下降及冷冻机10(10A)的冷冻性能的下降。
根据例示性的实施方式，通过具备将低级压缩机C1及高级压缩机C3一体化的压缩机单元76，从而能够使冷冻机10(10A、10B)的结构简易且低成本化。而且，由于能够利用一个马达来兼用作低级压缩机C1及高级压缩机C3的驱动，因此与分别独立地驱动低级压缩机C1及高级压缩机C3的情况相比，能够降低这些驱动所需的动力。
根据例示性的实施方式，如图2所示，将第1热交换器Hx1、第2热交换器Hx2及第3热交换器Hx3以长边方向彼此并列的方式配置，因此能够使这些热交换器的配置空间省空间化。
而且，将这些热交换器单元化而构成热交换器单元80，并配置在膨胀机一体型压缩机14与压缩机单元76之间，因此连接于这些设备间的配管的配置变得容易，并且能够缩短配管的长度而实现低成本化。而且，通过缩短配管的长度，能够降低在配管中流动的制冷剂的压力损失，由此，能够提高冷冻机10(10A、10B)的冷冻性能。
进而，即使在设置缓冲槽40的情况下，也能够实现省空间化，且配管的安装也变得容易。
图6表示作为比较例的冷冻机100中的各设备的配置。冷冻机100中，第3热交换器Hx3与压缩机单元76一同构成单元102，热交换器单元104仅包含第1热交换器Hx1及第2热交换器Hx2。
冷冻机100中，压缩机单元102的空间变大，相应地，热交换器单元104的配置空间便无法省空间化。而且，连接于各设备的配管的长度变长，在配管中流动的制冷剂的压力损失增加而导致冷冻机100的性能下降。
而且，如图7所示，在构成有将低级压缩机C1及中级压缩机C2一体化的压缩机单元106的情况下，当在低级压缩机C1、中级压缩机C2与第1热交换器Hx1、第2热交换器Hx2之间连接配管时，如图所示，需要较冷冻机100更多的配管的引绕。因而，配管的设置需要大的空间，且配管的长度变长，在配管中流动的制冷剂的压力损失增加而导致冷冻机100的性能下降。
图5表示本发明的一实施方式的低级压缩机C1及高级压缩机C3的结构。本实施方式中，低级压缩机C1及高级压缩机C3具备各自独立的马达M3及马达M4。在马达M3及马达M4中分别设有动力计94及动力计96，这些动力计的检测值被输入至控制器60。本实施方式的其他结构与图1所示的实施方式相同。
根据本实施方式，低级压缩机C1及高级压缩机C3能够由各自独立的马达转速来驱动，因此能够以各个压缩机的最佳运转条件来运转。
[产业上的可利用性]
根据本发明的至少一实施方式，在使用布雷顿循环，并具备膨胀机一体型压缩机的冷冻机中，能够抑制从压缩机朝向膨胀机侧的制冷剂的漏出，由此，能够抑制膨胀机的隔热效率的下降及冷冻机的冷冻性能下降。

Claims (14)

1.一种冷冻机，包括：
冷却部，通过与制冷剂的热交换来对冷却对象物进行冷却；
膨胀机一体型压缩机，将用于压缩所述制冷剂的压缩机及用于使所述制冷剂膨胀的膨胀机一体化；
制冷剂循环管路，以使所述制冷剂通过所述压缩机、所述膨胀机及所述冷却部来循环的方式而构成，
所述冷冻机的特征在于，
所述制冷剂循环管路中串联设置低级压缩机、中级压缩机及高级压缩机，
所述膨胀机一体型压缩机包括：
所述中级压缩机；
所述膨胀机，与所述中级压缩机一体形成，用于使从所述高级压缩机喷出的所述制冷剂隔热膨胀及冷却；
第1马达，输出轴连接于所述中级压缩机及所述膨胀机；
至少一个非接触型轴承，配置在所述中级压缩机与所述膨胀机之间，用于非接触地支撑所述第1马达的所述输出轴；以及
壳体，收容所述中级压缩机、所述膨胀机及所述至少一个非接触型轴承，以及
其中所述冷冻机还包括以长边方向彼此并列配置的第1热交换器、第2热交换器及第3热交换器，其特征在于，所述冷冻机还包括：
抽气管路，以与所述壳体的内部空间中的所述中级压缩机和所述膨胀机之间的区域连通的方式而设置，用于将在所述壳体内部从所述中级压缩机侧朝向所述膨胀机侧的漏出制冷剂的至少一部分，从所述区域抽取到与所述壳体外部的所述中级压缩机的吸入侧或喷出侧连接的制冷剂循环管路，
所述壳体构成为，从所述壳体外部密闭所述区域，以使所述区域与所述壳体外部之间的所述制冷剂的流动，仅为经由所述抽气管路的、所述漏出制冷剂的至少一部分的流动。
2.根据权利要求1所述的冷冻机，其特征在于，还包括：
压力计，用于对所述壳体内部空间的所述区域中较所述膨胀机更靠近所述中级压缩机的区域的压力、与所述区域中较所述中级压缩机更靠近所述膨胀机的区域的压力的差压进行检测，
根据所述压力计的检测值来检测所述漏出制冷剂的有无。
3.根据权利要求1所述的冷冻机，其特征在于，还包括：
温度计，用于对所述区域中较所述膨胀机更靠近所述中级压缩机的区域的温度、与所述区域中较所述中级压缩机更靠近所述膨胀机的区域的温度的温差进行检测，
根据所述温度计的检测值来检测所述漏出制冷剂的有无。
4.根据权利要求2所述的冷冻机，其特征在于，还包括：
抽气阀，设在所述抽气管路中，用于调节所述漏出制冷剂的抽气量；以及
控制器，基于所述压力计的检测值，来控制所述抽气阀的开度。
5.根据权利要求3所述的冷冻机，其特征在于，还包括：
抽气阀，设在所述抽气管路中，用于调节所述漏出制冷剂的抽气量；以及
控制器，基于所述温度计的检测值，来控制所述抽气阀的开度。
6.根据权利要求4或5所述的冷冻机，其特征在于，
所述控制器基于所述冷冻机的性能系数、或者所述膨胀机的吸入侧与喷出侧的制冷剂温差中的至少一者，来控制所述抽气阀的开度。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的冷冻机，其特征在于，还包括：
隔热箱体，收容所述膨胀机及所述冷却部，从外部进行隔热。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的冷冻机，其特征在于，还包括压缩机单元，所述压缩机单元具有：
第2马达，输出轴连接于所述低级压缩机及所述高级压缩机；
至少一个非接触型轴承，配置在所述低级压缩机与所述高级压缩机之间，用于非接触地支撑所述第2马达的所述输出轴；以及
壳体，收容所述低级压缩机、所述高级压缩机及所述至少一个非接触型轴承。
9.根据权利要求8所述的冷冻机，其特征在于，其中
所述第1热交换器设在所述低级压缩机与所述中级压缩机之间的所述制冷剂循环管路中，用于对从所述低级压缩机喷出的制冷剂进行冷却，
所述第2热交换器设在所述中级压缩机与所述高级压缩机之间的所述制冷剂循环管路中，用于对从所述中级压缩机喷出的制冷剂进行冷却，
所述第3热交换器设在所述高级压缩机与所述膨胀机之间的所述制冷剂循环管路中，用于对从所述高级压缩机喷出的制冷剂进行冷却，以及
所述第1热交换器、所述第2热交换器及所述第3热交换器是配置在所述膨胀机一体型压缩机与所述压缩机单元之间，并且以长边方向彼此并列的方式配置。
10.一种冷冻机的运转方法，所述冷冻机包括：
冷却部，通过与制冷剂的热交换来对冷却对象物进行冷却；
膨胀机一体型压缩机，将用于压缩所述制冷剂的压缩机及用于使所述制冷剂膨胀的膨胀机一体化；
制冷剂循环管路，以使所述制冷剂通过所述压缩机、所述膨胀机及所述冷却部来循环的方式而构成，
所述制冷剂循环管路中串联设置低级压缩机、中级压缩机及高级压缩机，
所述膨胀机一体型压缩机包括：
所述中级压缩机；
所述膨胀机，用于使从所述中级压缩机喷出的所述制冷剂隔热膨胀及冷却；
第1马达，输出轴连接于所述中级压缩机及所述膨胀机；
至少一个非接触型轴承，配置在所述中级压缩机与所述膨胀机之间，用于非接触地支撑所述第1马达的所述输出轴；以及
壳体，收容所述中级压缩机、所述膨胀机及所述至少一个非接触型轴承，
所述壳体构成为，从所述壳体外部密闭所述壳体内部空间中的所述中级压缩机与所述膨胀机之间的区域，
所述冷冻机的运转方法的特征在于，包括：
压缩步骤，通过所述低级压缩机、中级压缩机及高级压缩机来压缩所述制冷剂；
膨胀步骤，通过所述膨胀机来使在所述压缩步骤中经压缩的所述制冷剂膨胀；
冷却步骤，通过与在所述膨胀步骤中经膨胀的所述制冷剂的热交换，来对冷却对象物进行冷却；以及
抽气步骤，通过以与所述壳体内部的所述区域连通的方式而设的抽气管路，将在所述壳体内部从所述中级压缩机侧朝向所述膨胀机侧的漏出制冷剂的至少一部分，从所述壳体内部的所述区域抽取到与所述壳体外部的所述压缩机的吸入侧或喷出侧连接的制冷剂循环管路。
11.根据权利要求10所述的冷冻机的运转方法，其特征在于，
所述抽气步骤包括第1抽气量调节步骤，所述第1抽气量调节步骤是基于所述壳体内部的所述区域中较所述膨胀机更靠近所述中级压缩机的区域的压力、与所述区域中较所述中级压缩机更靠近所述膨胀机的区域的压力的差压，来调节朝向所述中级压缩机的吸入侧或喷出侧的抽气量。
12.根据权利要求10或11所述的冷冻机的运转方法，其特征在于，
所述抽气步骤包括第2抽气量调节步骤，所述第2抽气量调节步骤是基于所述壳体内部的所述区域中较所述膨胀机更靠近所述中级压缩机的区域的温度、与所述区域中较所述中级压缩机更靠近所述膨胀机的区域的温度的温差，来调节朝向所述中级压缩机的吸入侧或喷出侧的抽气量。
13.根据权利要求10或11所述的冷冻机的运转方法，其特征在于，
所述抽气步骤包括第3抽气量调节步骤，所述第3抽气量调节步骤是基于所述冷冻机的性能系数、或者所述膨胀机的吸入侧与喷出侧的制冷剂温差中的至少一者，来调节从所述壳体内部的所述区域朝向所述压缩机的吸入侧的抽气量。
14.根据权利要求10或11所述的冷冻机的运转方法，其特征在于，
所述中级压缩机是离心压缩机，所述离心压缩机具有固定在所述第1马达的一端的压缩机叶片，
所述膨胀机是离心膨胀机，所述离心膨胀机具有固定在所述第1马达的另一端的涡轮叶片，
在所述压缩步骤及所述膨胀步骤中，
将所述离心压缩机的背面侧压力与所述离心膨胀机的背面侧压力调节为等同。
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