JP5782065B2 - 冷凍システム - Google Patents

Description

本発明は、冷媒が流れる循環経路上に、冷媒を圧縮するコンプレッサと、圧縮された冷媒を冷却する熱交換器と、冷却された冷媒を膨張させて冷熱を発生させる膨張タービンと、冷熱により冷却対象を冷却する冷却部とが順に設けられた冷凍サイクルを有する冷凍システムの技術分野に関する。

コンプレッサや膨張タービンを用いた冷凍サイクルによって冷媒を冷却することによって、対象物を冷却する冷凍システムが広く知られている。この種の冷凍システムでは、例えば特許文献１や特許文献２のように、複数のコンプレッサや膨張タービンを冷媒が流れる循環経路上で直列的に設けることによって、多段階に亘って圧縮・膨張して冷却能力を向上させるものが知られている。

特開２００３−１４８８２４号公報 特開平９−３２９０３４号公報

冷却対象による熱負荷が大きい場合、より大きな冷凍能力を得るため冷凍システムの大型化が必要となる。このような場合、一般的に、蓄冷器方式の冷凍機は大型化が困難であるため、ブレイトンサイクルのような向流型熱交換器方式の冷凍機が用いられる。例えば超電導機器は極低温状態を維持するために大型の冷凍システムを必要とする。具体的に言えば、超電導機器を船舶用の超電導モータや、市街地に電力輸送用に敷設される超電導ケーブルに応用するには、大規模な冷凍システムの設置スペースが必要となってしまうため、普及の妨げとなっている。

また超電導機器に用いられる冷凍システムでは安定的な運用が求められるため、例えば故障発生時のように冷凍システムに異常が生じた場合であっても動作が継続できるように、従来、同等の冷凍システムをバックアップ用として併設することで、信頼性を確保する必要があった。このような場合、冷凍システムの全体サイズが更に大型化してしまうという問題があった。

本発明は上述の問題点に鑑みなされたものであり、優れた信頼性を確保しながら、限られた配置スペースに効率的に敷設可能な冷凍システムを提供することを目的とする。

本発明に係る冷凍機システムは上記課題を解決するために、冷媒が流れる循環経路上に、冷媒を圧縮するコンプレッサと、前記圧縮された冷媒を冷却する熱交換器と、前記冷却された冷媒を膨張させて冷熱を発生させる膨張タービンと、前記冷熱により冷却対象を冷却する冷却部とが順に設けられた冷凍サイクルを有する冷凍システムであって、
前記コンプレッサ及び前記膨張タービンのうち少なくともコンプレッサは、前記循環経路に対して並列に複数設けられているとともに、前記並列に接続された夫々のコンプレッサにより圧縮された冷媒を冷却する熱交換器が共有されて設けられていることを特徴とする。
又本発明は、冷媒が流れる循環経路上に、冷媒を圧縮するコンプレッサと、前記圧縮された冷媒を冷却する熱交換器と、前記冷却された冷媒を膨張させて冷熱を発生させる膨張タービンと、前記冷熱により冷却対象を冷却する冷却部とが順に設けられた冷凍サイクルを有する冷凍システムであって、
前記コンプレッサ及び前記膨張タービンからなる回転機ユニットを、前記循環経路に対して並列に複数設け、
前記並列に複数配置された回転機ユニットの内少なくとも１の回転機が異常の場合に一の回転機ユニットから他の回転ユニットに運転を運転切り換え部を具えるとともに、前記並列に配置された回転機ユニットの夫々のコンプレッサで圧縮された冷媒を冷却する熱交換器を、前記ユニット間で共有して使用されるように設けたことを特徴とする。

本発明によれば、冷却サイクルを構成する回転機であるコンプレッサ又は膨張タービンを、冷媒が流れる循環経路に対して並列に複数設けることによって、仮に一方の回転機に異常（例えば故障など）が発生した場合であっても、他の回転機をバックアップ用として機能させることができるので、運転を継続することができる。一般的に冷凍システムでは回転機は他の構成要素に比べて異常が発生するリスクが高い傾向にある。そのため、本発明では、異常発生リスクの高い回転機についてのみバックアップを用意することにより、システム全体のサイズアップを抑えつつ、信頼性を高めることができる。

本発明の一態様では、前記循環経路に対して並列に複数設けられた前記コンプレッサ又は前記膨張タービンは、それぞれ切換弁を介して前記循環経路に対して接断可能に構成されている。
この態様によれば、コンプレッサ又は前記膨張タービンのような回転機に異常が発生した場合には、切換弁を開閉することによって、バックアップ用の回転機に切り換え、運転を継続することができる。

本発明の他の態様では、前記膨張タービンは前記冷却部と共に外部から断熱されたコールドボックス内に収納されており、前記コンプレッサは、前記コールドボックスとは別の圧縮機ユニットに収納されており、前記圧縮機ユニットは、前記コールドボックスに比べて前記冷却対象から離れた位置に配置されている。
この態様によれば、冷熱を発生させる膨張タービンを冷却部と共に、外部から断熱されたコールドボックス内に配置することで、熱損失を抑制し、冷却効率を向上できる。一方、コンプレッサでは冷媒が比較的高温になるため、コールドボックスとは別の圧縮機ユニットに収納される。特に、圧縮機ユニットをコールドボックスに比べて冷却対象から離れた位置に配置することによって、冷凍能力を確保しながら、冷却対象周辺の少ない敷設スペースにも設置可能な冷凍システムを実現できる。

この場合、前記圧縮機ユニットは、切換バルブを介して前記コールドボックスに対して並列に複数設けられていてもよい。
この態様によれば、複数の圧縮機ユニットを切換バルブで選択可能に構成することにより、正常動作時に使用している圧縮機ユニットに異常が発生した場合であっても、他の圧縮機ユニットに切り換えることによって、運転を継続し、安定的な運用が可能となる。

また、前記コールドボックス及び前記圧縮機ユニットは、前記冷却対象に対してそれぞれ複数設けられていてもよい。
この態様によれば、コールドボックスと圧縮機ユニットを共に、冷却対象に対してそれぞれ複数設けられることで、より信頼性の高いシステムを構築することができる。

本発明の他の態様では、前記コンプレッサは、前記循環経路上に直列に設けられた第１のコンプレッサ、第２のコンプレッサ、及び、第３のコンプレッサを含んでおり、前記第１のコンプレッサは前記第２のコンプレッサと共に第１の電動機の出力軸上に連結されており、前記第３のコンプレッサは前記膨張タービンと共に第２の電動機の出力軸上に連結されている。
この態様によれば、コンプレッサを循環経路上に直列に複数設けることによって多段圧縮が可能に構成されている。特に第１のコンプレッサは第２のコンプレッサと共に第１の電動機の出力軸上に連結されることにより、コンプレッサ毎に動力源を設ける場合に比べて構成をシンプル化できる。第３のコンプレッサもまた、膨張タービンと共に第２の電動機の出力軸上に連結されることにより構成をシンプル化できることに加えて、膨張タービンで発生した動力が第３のコンプレッサの圧縮動力に寄与することによって、効率化を図ることができる。

本発明によれば、冷却サイクルを構成する回転機であるコンプレッサ又は膨張タービンを、冷媒が流れる循環経路に対して並列に複数設けることによって、仮に一方の回転機に異常（例えば故障など）が発生した場合であっても、他の回転機をバックアップ用として機能させることができるので、運転を継続することができる。一般的に冷凍システムでは回転機は他の構成要素に比べて異常が発生するリスクが高い傾向にある。そのため、本発明では、異常発生リスクの高い回転機についてのみバックアップを用意することにより、システム全体のサイズアップを抑えつつ、信頼性を高めることができる。
又本発明は、前記熱交換器は第１のユニットとバックアップ用ユニットとの間で共有されている。これは、熱交換器はコンプレッサのような回転機でないため異常発生リスクが低く、ユニット間で共有することによって省スペースを図ることが出来る。

図１は本実施例に係る冷凍システムの全体構成を示す模式図である。 図１に示す冷凍システムにおける切換弁の操作例を示したものである。 第１変形例に係る冷凍システムの全体構成を示す模式図である。 図３において破線で囲んだ領域の詳細を示す図である。 第２変形例に係る冷凍システムの全体構成を示す模式図である。 関連技術に係る冷凍システムの全体構成を示す模式図である。 冷凍システムが採用するブレイトンサイクルのＴ−Ｓ線図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を例示的に詳しく説明する。但し、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りはこの発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

（関連技術）
まず、本発明に係る実施例を説明する前に、本発明に至る背景となった関連技術について、図６及び図７を参照して説明する。図６は、関連技術に係る冷凍システム１００´の全体構成を示す模式図である。図７は冷凍システム１００´が採用するブレイトンサイクルのＴ−Ｓ線図であり、縦軸が温度Ｔ［Ｋ］を示し、横軸がエントロピーＳ［ＫＪ／ｋｇＫ］を示している。尚、図７（ｂ）は、図７（ａ）の破線で囲んだ領域を拡大して示したものである。

冷凍システム１００´は、冷媒が流れる循環経路１０１上に、冷媒を圧縮するコンプレッサ１０２と、圧縮された冷媒を冷却水と熱交換することにより冷却する熱交換器１０３と、冷却後の冷媒を膨張する膨張タービン１０４と、冷媒と冷却対象との熱交換を行う熱交換器からなる冷却部１０５と、冷媒の冷熱を回収するための冷熱回収熱交換器１０６が順に設けられており、定常循環流れの冷凍サイクルによる向流型熱交換器方式のブレイトンサイクルが形成されている。

冷凍システム１００´は、極低温状態で超電導体を利用した超電導機器（不図示）を冷却対象としている。超電導機器では極低温状態を維持するために、その内部に冷媒として液体窒素を循環しており、図６では当該液体窒素が循環する循環経路１５０のみが示されている。循環経路１５０は、冷却部１０５において冷凍システム１００´の循環経路１０１を流れる冷媒と熱交換可能に構成されている。これにより、超電導機器の熱負荷によって昇温された循環経路１５０を流れる液体窒素が、冷凍システム１００´によって冷却された循環経路１０１を流れる冷媒と熱交換することによって、冷却されるようになっている。
尚、冷凍システム１００´の循環経路１０１には冷媒としてネオンなどを用いているが、これに限られるものではなく、冷却温度などに応じて適宜、ガスの種類を変更することができるのは言うまでもない。

冷凍システム１００´は、循環経路１０１上に複数のコンプレッサ１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃと熱交換器１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃを備える。熱交換器１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃは、コンプレッサ１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃの下流側にそれぞれ設けられ、断熱圧縮によって昇温した冷媒を、冷却水との間で熱交換することにより冷却できるようになっている。

循環経路１０１を流れる冷媒は、まず最上流側にあるコンプレッサ１０２ａによって断熱圧縮されて温度が上昇した後（図７（ｂ）の符号１５１に相当）、下流側に設けられた熱交換器１０３ａにおいて冷却水と熱交換することにより冷却される（図７（ｂ）の符号１５２に相当）。その後、冷媒は再びコンプレッサ１０２ｂによって断熱圧縮されて温度が上昇した後（図７（ｂ）の符号１５３に相当）、下流側に設けられた熱交換器１０３ｂにおいて冷却水と熱交換することにより冷却される（図７（ｂ）の符号１５４に相当）。そして更に、冷媒は再度、コンプレッサ１０２ｃによって断熱圧縮されて温度が上昇した後（図７ｂの符号１５５に相当）、下流側に設けられた熱交換器１０３ｃにおいて冷却水と熱交換することにより冷却される（図７（ｂ）の符号１５６に相当）。

このように冷凍システム１００´では、複数段に亘ってコンプレッサ１０２による断熱圧縮と、熱交換器１０３による冷却とを繰り返すことによって効率向上が図られている。すなわち、断熱圧縮と冷却との繰り返しを複数段に亘って行うことで、ブレイトンサイクルの圧縮工程を理想的な等温圧縮に近づけている。この段数は多い程、等温圧縮に近似することになるが、段数が増えることによる圧縮比の選択、装置構成の複雑化、運用の簡易性などを考慮して段数を決定するとよい。

熱交換器１０３ｃを通った冷媒は、冷熱回収熱交換器１０６によって更に温度が冷却された後（図７（ａ）の符号１５７に相当）、膨張タービン１０４によって断熱膨張され、冷熱を生成する（図７（ａ）の符号１５８に相当）。
尚、図６の例では、単一の膨張タービン１０４を有する冷凍システム１００´を示しているが、コンプレッサ１０２と同様に、循環経路１０１に対して直列に複数の膨張タービンが設けられていてもよい。

膨張タービン１０４から排出された冷媒は、冷却部１０５において、冷却対象である超電導機器内の循環経路１５０を流れる液体窒素と熱交換され、熱負荷によって温度が上昇する（図７（ａ）の符号１５９に相当）。

冷却部１０５で昇温された冷媒は、冷熱回収熱交換器１０６に導入され、上述の熱交換器１０３ｃを通った高温の圧縮冷媒と熱交換することにより、残った冷熱を回収する。これにより、冷却対象を冷却した後に冷媒に残っている冷熱を用いて、膨張タービン１０４に導入される冷媒の温度を低下させることができるので、冷却効率の向上が図られている。

このように冷凍システム１００´では、コンプレッサ１０２や膨張タービン１０４のような複数の回転機を用いてブレイトンサイクルが構成されている。
上流側の２つのコンプレッサ１０２ａ及び１０２ｂは、共通の動力源である電動機１０７ａの出力軸１０８ａの両端にそれぞれ連結されることによって第１のユニット１０９ａを構成することによって、部品填数を削減し、少ない設置スペースに敷設可能に構成されている。下流側のコンプレッサ１０２ｃ及び膨張タービン１０４もまた、共通の動力源である電動機１０７ｂの出力軸１０８ｂの両端にそれぞれ連結されることによって第２のユニット１０９ｂを構成することによって、部品填数を削減し、少ない設置スペースに敷設可能に構成されているが、これに加えて、膨張タービン１０４で発生した動力がコンプレッサ１０２ｃの圧縮動力に寄与することによって、効率化が図られている。

尚、共通の電動機の出力軸１０８上に連結されたコンプレッサ１０２又は膨張タービン１０４は、それぞれ不図示の架台上に載せてユニット化してもよい。

このような冷凍システム１００´では、冷却対象の熱負荷が大きくなると大型化が必要となり、広大な敷設スペースを要してしまうことが問題となる。また冷凍システム１００´の安定的な運用を行う場合、故障発生時のように不測の事態に陥った際にも運転が継続できるように、同等のバックアップ用の冷凍システムを用意して信頼性を確保することが考えられるが、このような手法では、システム全体のサイズが非常に大規模なものとなってしまう（単純に１つのバックアップシステムを導入すると、設置スペースも倍になってしまう）。
このような問題は、以下に説明する冷凍システムによって解決することができる。

（実施例）
図１は本実施例に係る冷凍システム１００の全体構成を示す模式図である。尚、図１では上述の関連技術と共通する箇所には同じ符号を付すこととし、重複する説明は適宜省略するものとする。
尚、図１では超電導機器が冷却対象１６０として示されており、該冷却対象１６０を冷却するための循環経路１５０上には液体窒素を循環させるためのポンプ１７０が示されている。

冷凍システム１００は、上述の冷凍システム１００´と基本的には同じブレイトンサイクルに基づいて冷却を行うことができるが、コンプレッサ１０２又は膨張タービン１０４のような回転機の少なくとも一つが、循環経路１０１に対して並列に複数設けられている点で異なっている。

具体的に説明すると、共通の電動機１０７ａの出力軸１０８ａの両端にコンプレッサ１０２ａ及び１０２ｂが設けられた第１のユニット１０９ａについて、共通の電動機１１７ａの出力軸１１８ａの両端にコンプレッサ１１２ａ及び１１２ｂが設けられたバックアップ用ユニット１１９ａが、循環経路１０１に対して並列に設けられている。第１のユニット１０９ａとバックアップ用ユニット１１９ａとは、切換弁Ｖ１、Ｖ２の切換で選択可能であり、正常時に使用される第１のユニット１０９ａに異常が発生した際にバックアップ用ユニット１１９ａが選択されるように操作される。

尚、熱交換器１０３ａは第１のユニット１０９ａとバックアップ用ユニット１１９ａとの間で共有されている。これは、熱交換器１０３ａはコンプレッサ１０２ａ、１０２ｂのような回転機でないため異常発生リスクが低く、ユニット間で共有することによって省スペースを図っているからである。
熱交換器１０３ａは、その下流側に第１のユニット１０９ａとバックアップ用ユニット１１９ａとの間にそれぞれ切換弁Ｖ３、Ｖ４が設けられており、使用されるユニットに応じて切り換えられるようになっている。

また、共通の電動機１０７ｂの出力軸１０８ｂの両端にコンプレッサ１０２ｃ及び膨張タービン１０４が設けられた第２のユニット１０９ｂについて、共通の電動機１１７ｂの出力軸１１８ｂの両端にコンプレッサ１１２ｃ及び１１４が設けられたバックアップ用ユニット１１９ｂが、循環経路１０１に対して並列に設けられている。第２のユニット１０９ｂとバックアップ用ユニット１１９ｂとは、切換弁Ｖ５、Ｖ６の切換で選択可能であり、正常時に使用される第２のユニット１０９ｂに異常が発生した際にバックアップ用ユニット１１９ｂが選択されるように操作される。

尚、熱交換器１０３ｂは第２のユニット１０９ｂとバックアップ用ユニット１１９ｂとの間で共有されている。これは、熱交換器１０３ｂはコンプレッサ１０２ｃや膨張タービン１０４のような回転機でないため異常発生リスクが低く、ユニット間で共有することによって省スペースを図っているからである。
熱交換器１０３ｃ、冷熱回収熱交換器１０６は、その下流側に第２のユニット１０９ｂとバックアップ用ユニット１１９ｂとの間にそれぞれ切換弁Ｖ７、弁８が設けられており、使用されるユニットに応じて切り換えられるようになっている。

図２は図１に示す冷凍システム１００における切換弁Ｖ１〜Ｖ８の操作例を示したものである。
まず図２の上段は、冷凍システム１００が正常に動作している場合（通常運転時）における切換弁Ｖ１〜Ｖ８の状態を示している。このとき、第１のユニット１０９ａ側では、切換弁Ｖ１を開くことによって第１のユニット１０９ａ側に冷媒を導くと共に、Ｖ２を閉じることによってバックアップ用ユニット１１９ａ側への冷媒が遮断される。このとき、切換弁Ｖ３を開くと共に切換弁Ｖ４を閉じることによって、コンプレッサ１０２ａで圧縮された冷媒が熱交換器１０３ａを介して、下流側にあるコンプレッサ１０２ｂに導かれる。

一方、第２のユニット１０９ｂ側では、切換弁Ｖ５を開くことによって第２のユニット１０９ｂ側に冷媒を導くと共に、Ｖ６を閉じることによってバックアップ用ユニット１１９ｂ側への冷媒が遮断される。このとき、切換弁Ｖ７を開くと共に切換弁Ｖ８を閉じることによって、コンプレッサ１０２ｃで圧縮された冷媒が熱交換器１０３ｃ、冷熱回収熱交換器１０６を介して、下流側にある膨張タービン１０４に導かれる。

続いて図２の下段は、冷凍システム１００の正常作動時に使用される第１のユニット１０９ａを構成するコンプレッサ１０２ａ又は１０２ｂにおいて異常が発生した場合における切換弁Ｖ１〜Ｖ８の状態を示している。このとき、第１のユニット１０９ａ側では、切換弁Ｖ１を閉じることによって異常が発生した第１のユニット１０９ａ側への冷媒が遮断されると共に、Ｖ２を開くことによってバックアップ用ユニット１１９ａ側に冷媒が導かれる。このとき、切換弁Ｖ３を閉じると共に切換弁Ｖ４を開くことによって、コンプレッサ１１２ａで圧縮された冷媒が熱交換器１０３ａを介して、下流側にあるコンプレッサ１１２ｂに導かれる。

一方、第２のユニット１０９ｂ側では、コンプレッサ１０２ｃ及び膨張タービン１０４が正常に動作しているので、切換弁Ｖ５〜Ｖ８の開閉状態は上段と変わらない。尚、第２のユニット１０９ｂ側でもコンプレッサ１０２ｃ及び膨張タービン１０４に異常が生じた場合には、同様の考え方によって切換弁Ｖ５〜Ｖ８が操作される（具体的に言えば、第２のユニット１０９ｂへの冷媒供給が遮断されるように切換弁Ｖ５が閉じられると共に切換弁Ｖ６を開くことでバックアップ用ユニット１１９ｂ側に冷媒を導入する。そして、切換弁Ｖ７を閉じて切換弁Ｖ８を開くことで、コンプレッサ１１２ｃを通った冷媒を熱交換器１０３ｃ、冷熱回収熱交換器１０６を介して膨張タービン１１４に導く）。

このように切換弁Ｖ１〜Ｖ８を切換操作することにより、メインのユニットに異常が発生した場合においてもバックアップ用のユニットを駆動し、冷凍システム１００の運用を継続することができる。
尚、このような切換弁Ｖ１〜Ｖ８の切換操作は、オペレータが異常を発見した場合に手動によって行われてもよいし、マイクロプロセッサ等から構成されるコントローラに制御プログラムを組み込むことにより、異常を検出したときに自動的に切換制御されてもよい。

本実施例に係る冷凍システム１００では、図１に示すように冷却対象側に配置され、比較的低温な冷熱が流れる膨張タービン１０４及び１１４、冷却部１０５、冷熱回収熱交換器１０６を、外部と断熱可能なコールドボックス１３０内に一つのユニットとして収納されている。このコールドボックス１３０は、例えば内外表面間に真空の断熱層を有することにより、外部からの熱侵入を防止し、比較的低温な膨張タービン１０４、１１４、熱交換器１０５、冷熱回収熱交換器１０６からの熱損失を防止する。
一方、コンプレッサ１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、熱交換器１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃは比較的高温な冷媒が流れるため、上述のコールドボックス１３０の外部において、圧縮機ユニット１４０として一体的にまとめられている。

コールドボックス１３０は、圧縮機ユニット１４０に比べて冷却対象に近い位置に配置される。これにより、コールドボックス１３０で発生させた冷熱を、少ない損失で冷却対象に供給することができ、良好な冷凍効率を達成することができる。
逆に言えば、圧縮機ユニット１４０はコールドボックス１３０と別体として構成されているため、コールドボックス１３０から離れた位置に分散して配置することができる。その結果、冷却対象の周辺に敷設スペースが少ない場合であっても、コールドボックス１３０のみを冷却対象の近傍に配置すると共に、圧縮機ユニット１４０を離れたスペースに分散配置することで、狭い敷設スペースにも冷凍装置１００を導入することができる。

以上説明したように、本実施例に係る冷凍システム１００によれば、冷凍サイクルのうち圧縮工程と膨張工程とを担う回転機を、冷媒が流れる循環経路１０１に対して並列に複数設けることによって、仮に一方の回転機に異常（例えば故障など）が発生した場合であっても、他の回転機をバックアップ用として機能させることができるので、運転を継続することができる。一般的に冷凍システムでは回転機は他の構成要素に比べて異常が発生するリスクが高い傾向にあるため、異常発生リスクの高い回転機についてのみバックアップを用意することにより、システム全体のサイズアップを抑えつつ、信頼性を高めることができる。

（第１変形例）
続いて、図３を参照して、第１変形例に係る冷凍システム２００の構成について説明する。図３は、第１変形例に係る冷凍システム２００の全体構成を示す模式図である。
尚、図３では上述の実施例と共通する箇所には同じ符号を付すこととし、重複する説明は適宜省略するものとする。

第１変形例に係る冷凍システム２００は、コールドボックス１３０及び圧縮機ユニット１４０から構成されている点で、上述の実施例と共通しているが、１つのコールドボックス１３０に対して、３つの圧縮機ユニット１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃが設けられている点で異なっている。それぞれの圧縮機ユニット１４０は、冷媒を循環するための配管を介してコールドボックス１３０に接続されている。
ここで図４(本発明の参考例)は図３において破線で囲んだ領域の詳細を示す図である。図４では、図３に示す３つの圧縮機ユニットに対応して設けられる３系統のうち１つを代表的に示しており、他の２つの系統も同様の構成を有している。

冷凍システム２００が正常に動作している場合には、３つの圧縮機ユニット１４０のうちいずれか１つを選択的に駆動させることによって、冷凍システム２００の動作が行われるが、当該選択された圧縮機ユニット１４０に異常が発生した場合には、それぞれのボックス１８０内の切換バルブ１８１ａ及び１８１ｂを操作することで、他の２つの圧縮機ユニット１４０に切り換えられて冷凍システム２００の運転が継続される。

尚、冷凍システム２００の正常動作時に、３つの圧縮機ユニット１４０のうち複数を同時に並列に動作させてもよい。この場合、１つの圧縮機ユニット１４０当たりの負荷が少なくなるので、システムの効率化を図ることができるが、その分、バックアップ用の圧縮機ユニット１４０が実質的に減少するので、その兼ね合いから圧縮機ユニット１４０の動作数を決定するとよい。

このように第１変形例に係る冷凍システム２００では、圧縮機ユニット１４０を複数備えることによって、より高い信頼性を確保することができる。またそれぞれの圧縮機ユニット１４０は、冷却対象の近くに配置しなければならないコールドボックス１３０から離れて配置可能なので、冷却対象の周辺に冷凍システム全体に必要な広い設置スペースが確保できない場合であっても、圧縮機ユニット１４０をコールドボックス１３０から離れた他の設置スペースに設置することで、少ない設置スペースに配置可能な冷凍システム２００を実現できる。

（第２変形例）
続いて、図５を参照して、第２変形例に係る冷凍システム３００の構成について説明する。図５は、第２変形例に係る冷凍システム３００の全体構成を示す模式図である。
尚、図５では上述の実施例と共通する箇所には同じ符号を付すこととし、重複する説明は適宜省略するものとする。

第２変形例に係る冷凍システム３００は、コールドボックス１３０及び圧縮機ユニット１４０から構成されている点で、上述の実施例と共通しているが、２つのコールドボックス１３０ａ、１３０ｂを有しており、それぞれのコールドボックス１３０に対して１つの圧縮機ユニット１４０ａ、１４０ｂが設けられている点で異なっている。すなわち、１つのコールドボックス１３０と１つの圧縮機ユニット１４０をセットにして、そのバックアップを備えている。

この変形例では、冷凍システム３００の正常動作時には、例えば、コールドボックス１３０ａと圧縮機ユニット１４０ａとのセットが動作され、故障発生時にコールドボックス１３０ｂと圧縮機ユニット１４０ｂとのセットが動作されるように切り換えることによって、継続的な運転が可能となる。

本発明は、冷媒が流れる循環経路上に、冷媒を圧縮するコンプレッサと、前記圧縮された冷媒を冷却する熱交換器と、前記冷却された冷媒を膨張させて冷熱を発生させる膨張タービンと、前記冷熱により冷却対象を冷却する冷却部とが順に設けられた冷凍サイクルを有する冷凍システムに利用可能である。

１００ 冷凍システム
１０１ 循環経路
１０２ コンプレッサ
１０３ 熱交換器
１０４ 膨張タービン
１０５ 冷却部
１０６ 冷熱回収熱交換器
１０７ 電動機
１０８ 出力軸
１０９ａ 第１のユニット
１０９ｂ 第２のユニット

Claims (7)

1. 冷媒が流れる循環経路上に、冷媒を圧縮するコンプレッサと、前記圧縮された冷媒を冷却する熱交換器と、前記冷却された冷媒を膨張させて冷熱を発生させる膨張タービンと、前記冷熱により冷却対象を冷却する冷却部とが順に設けられた冷凍サイクルを有する冷凍システムであって、
   前記コンプレッサ及び前記膨張タービンのうち少なくともコンプレッサは、前記循環経路に対して並列に複数設けられているとともに、前記並列に接続された夫々のコンプレッサにより圧縮された冷媒を冷却する熱交換器が共有されて設けられていることを特徴とする冷凍システム。
2. 前記循環経路に対して並列に複数設けられた前記コンプレッサ及び前記膨張タービンは、それぞれ切換弁を介して前記循環経路に対して接断可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の冷凍システム。
3. 前記膨張タービンは前記冷却部と共に外部から断熱されたコールドボックス内に収納されており、
   前記コンプレッサは、前記コールドボックスとは別の圧縮機ユニットに収納されており、
   前記圧縮機ユニットは、前記コールドボックスに比べて前記冷却対象から離れた位置に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍システム。
4. 前記圧縮機ユニットは、切換弁を介して前記コールドボックスに対して並列に複数設けられていることを特徴とする請求項３に記載の冷凍システム。
5. 冷却対象側に配置され、比較的低温な冷熱が流れる膨張タービン、冷却部、冷熱回収熱交換器を含み、外部と断熱可能なコールドボックスと、コンプレッサ、熱交換器を含み比較的高温な冷媒が流れる圧縮機ユニットとは、コールドボックスと別体として構成され、前記コールドボックス及び前記圧縮機ユニットは、前記冷却対象に対して並列にそれぞれ複数設けられていることを特徴とする請求項３に記載の冷凍システム。
6. 前記コンプレッサは、前記循環経路上に直列に設けられた第１のコンプレッサ、第２のコンプレッサ、及び、第３のコンプレッサを含んでおり、
   前記第１のコンプレッサは前記第２のコンプレッサと共に第１の電動機の出力軸上に連結されており、
   前記第３のコンプレッサは前記膨張タービンと共に第２の電動機の出力軸上に連結されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の冷凍システム。
7. 冷媒が流れる循環経路上に、冷媒を圧縮するコンプレッサと、前記圧縮された冷媒を冷却する熱交換器と、前記冷却された冷媒を膨張させて冷熱を発生させる膨張タービンと、前記冷熱により冷却対象を冷却する冷却部とが順に設けられた冷凍サイクルを有する冷凍システムであって、
   前記コンプレッサ及び前記膨張タービンからなる回転機ユニットを、前記循環経路に対して並列に複数設け、
   前記並列に複数配置された回転機ユニットのうち少なくとも１の回転機が異常の場合に一の回転機ユニットから他の回転ユニットに運転を運転切り換え部を具えるとともに、前記並列に配置された回転機ユニットの夫々のコンプレッサで圧縮された冷媒を冷却する熱交換器を、前記ユニット間で共有して使用されるように設けたことを特徴とする冷凍システム。

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