KR102016827B1 - 냉동기 및 냉동기의 운전 방법 - Google Patents

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아키토 마치다
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가부시끼가이샤 마에가와 세이사꾸쇼
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    • H01F6/04—Cooling

Abstract

본 발명에 따른 냉동기는, 냉각 대상물을 냉매와의 열교환에 의해 냉각하기 위한 냉각부와, 상기 냉매를 압축하기 위한 압축기 및 상기 냉매를 팽창시키기 위한 팽창기가 일체화된 팽창기 일체형 압축기와, 상기 압축기, 상기 팽창기 및 상기 냉각부를 통해 상기 냉매를 순환시키도록 구성된 냉매 순환 라인을 구비하는 냉동기로서, 상기 압축기는, 냉매 순환 라인에 직렬에 설치된 저단 압축기, 중단 압축기 및 고단 압축기로 구성되고, 상기 팽창기 일체형 압축기는, 상기 중단 압축기와, 상기 중단 압축기로부터 토출된 냉매를 단열 팽창하여 냉각하기 위한 팽창기와, 출력축이 상기 중단 압축기 및 상기 팽창기에 접속되는 제1 모터와, 상기 중단 압축기와 상기 팽창기 사이에 배치되어 상기 제1 모터의 상기 출력축을 비접촉으로 지지하기 위한 적어도 하나의 비접촉형 베어링과, 상기 중단 압축기, 상기 팽창기, 및 상기 적어도 하나의 비접촉형 베어링을 수용하는 케이싱을 구비한다.

Description

냉동기 및 냉동기의 운전 방법
본 개시는, 팽창기 일체형 압축기를 구비한 냉동기 및 냉동기의 운전 방법에 관한 것이다.
냉동 사이클로서 브레이턴 사이클을 이용하여 극저온을 실현 가능한 팽창기 일체형 압축기를 구비한 냉동기가 알려져 있다. 또, 팽창기 일체형 압축기를 구동하는 모터의 출력축의 베어링에 자기 베어링 등의 비접촉형의 베어링을 이용한 것이 있다. 비접촉형의 베어링은, 모터의 출력축 등의 회전축을 비접촉으로 지지하기 때문에, 회전축과 접촉한 상태로 회전축을 지지하는 구름 베어링과 비교하여, 회전축과의 사이에서의 기계적인 마찰 손실이 없고, 또, 마모가 없기 때문에 내구성이 뛰어나다. 이 때문에, 모터의 회전수가 커지는 경우 등에, 모터 출력축의 베어링에 자기 베어링 등의 비접촉형의 베어링이 이용된다.
특허 문헌 1에는, 이러한 비접촉형의 베어링을 이용한 팽창기 일체형 압축기가 개시되어 있다. 이 팽창기 일체형 압축기는, 샤프트의 일단에 터빈 임펠러, 타단에 컴프레서 임펠러를 부착하고, 샤프트를 자기 베어링으로 지승한 자기 베어링식 터빈 컴프레서가 개시되어 있다.
특허 문헌 1에 기재되는 바와 같은 팽창기 일체형 압축기를 냉동기에 이용하면, 팽창기에서 유체가 팽창할 때에 발생하는 팽창 에너지의 일부가 회수되고, 회수된 팽창 에너지는 압축기를 구동하기 위한 모터 회전축의 회전 에너지로서 이용된다. 이 때문에, 모터의 동력이 저감되게 되어, 냉동기의 성적 계수(COP)가 향상된다.
그러나, 요즈음의 극저온 기술의 진전에 수반하여, 브레이턴 사이클를 이용한 냉동기의 향후의 한층 더한 에너지 절약화를 위해서, 성적 계수(COP)의 새로운 개선이 요구되고 있다.
팽창기 일체형 압축기에서는 압축기와 팽창기의 압력차에 의해 냉매가 케이싱의 내부 공간에 형성되는 영역을 통과하고, 압축기의 배면측으로부터 팽창기측에 누설하여 열침입이 되어, 팽창기의 단열 효율의 저하나, 냉동기의 COP를 저하시키는 문제가 있다.
한편, 압축기의 압축비를 높여 극저온을 실현하기 위해, 압축기를 복수단으로 한 냉동기가 알려져 있다.
특허 문헌 2에는, 압축기 및 팽창기를 각각 2단으로 한 2단 압축 2단 팽창 사이클을 행하는 냉동 공조 장치가 개시되어 있다. 이 장치는, 고단 압축기와 1단 및 2단 팽창기를 일체로 한 팽창기 일체형 압축기를 밀폐 용기에 수용함으로써, 압축기와 팽창기사이의 시일을 불필요하게 하고 있다.
특허 문헌 3에서는, 팽창기 일체형 압축기의 상기 문제를 해결하기 위해, 누설 냉매를 케이싱에 마련한 추기(抽氣) 라인으로부터 압축기의 흡입측 또는 토출측으로 되돌리도록 하고 있다.
일본 특허 공개 평7－91760공보 일본 특허 공개 제2005－98604호 공보 국제 출원(PCT/JP2014/077109)의 명세서 및 도면(미공개)
전술과 같이, 팽창기 일체형 압축기를 구비한 냉동기에서는, 팽창기 일체형 압축기의 케이싱의 내부 공간에 형성되는 영역을 통과하고, 압축기측으로부터 팽창기측으로 누설되는 고온 냉매가 냉동기 성능을 저하시킨다는 문제가 있다.
특허 문헌 1 및 2에는 상기 문제를 해결하는 수단은 개시되어 있지 않다.
특허 문헌 3에 제안된 수단은, 압축기로부터의 고온 냉매의 유입을 어느 정도 회피할 수 있지만, 자기 베어링의 부하 용량 및 압축기 성능의 저하 방지의 관점으로부터, 추기 라인으로의 냉매의 반환량에 한도가 있다.
본 발명의 적어도 일 실시형태의 목적은, 브레이턴 사이클을 이용하여 팽창기 일체형 압축기를 구비한 냉동기에 있어서, 상기 문제를 해결하여 냉동기의 COP를 향상시키는 것을 목적으로 한다.
(1) 본 발명의 적어도 일 실시형태에 따른 냉동기는,
냉각 대상물을 냉매와의 열교환에 의해 냉각하기 위한 냉각부와,
상기 냉매를 압축하기 위한 압축기 및 상기 냉매를 팽창시키기 위한 팽창기가 일체화된 팽창기 일체형 압축기와,
상기 압축기, 상기 팽창기 및 상기 냉각부를 통해 상기 냉매를 순환시키도록 구성된 냉매 순환 라인을 구비하는 냉동기로서,
상기 압축기는, 냉매 순환 라인에 직렬로 설치된 저단 압축기, 중단 압축기 및 고단 압축기로 구성되고,
상기 팽창기 일체형 압축기는,
상기 중단 압축기와
상기 고단 압축기로부터 토출된 냉매를 단열 팽창하여 냉각하기 위한 팽창기와,
출력축이 상기 중단 압축기 및 상기 팽창기에 접속되는 제1 모터와,
상기 중단 압축기와 상기 팽창기의 사이에 배치되고, 상기 제1 모터의 상기 출력축을 비접촉으로 지지하기 위한 적어도 하나의 비접촉형 베어링과,
상기 중단 압축기, 상기 팽창기, 및 상기 적어도 하나의 비접촉형 베어링을 수용하는 케이싱을 구비한다.
팽창기 일체형 압축기에 있어서, 케이싱의 내부 공간 중, 팽창기와 압축기 사이의 영역은 작동 유체의 본래적인 유로는 아니다. 이 때문에, 압축기와 상기 영역 사이, 및 팽창기와 상기 영역 사이는, 통상, 압축기나 팽창기로부터 상기 영역으로 작동 유체가 누출하지 않도록 시일이 설치된다. 그러나, 이러한 시일이 설치되어 있어도, 작동 유체를 완전하게 밀봉하여 압축기측으로부터 누출시키지 않도록 하는 것은 곤란하다.
본 발명자들이 예의 검토한 결과, 압축기측과 팽창기측과의 압력차에 의해서, 압축기로 압축된 작동 유체의 일부가 시일의 약간의 간극을 통과하여 압축기측으로부터 상기 영역을 통해 팽창기측으로 누출되고, 팽창기측으로 유입된 고온의 누출 유체가 팽창기의 단열 효율의 저하 요인이 되는 것이 밝혀졌다.
상기 구성 (1)에 있어서, 압축기를 3단으로 함으로써, 압축비를 높여 냉매의 극저온화를 실현 가능하게 된다.
팽창기 일체형 압축기를 구비한 냉동기에 있어서, 압축기를 복수단으로 할 때, 큰 동력을 필요로 하는 고단측 압축기와 팽창기를 일체화하고, 고단측 압축기로 소비하는 동력을 팽창 에너지의 회수로 보충함으로써, 에너지 절약이 가능하게 생각된다. 그러나, 고단측 압축기로부터 팽창기측을 향해 누출하는 냉매의 압력 및 온도와 팽창기로 팽창한 냉매의 압력 및 온도는 큰 차이가 있고, 비록 소량의 누설이라도 팽창기에 침입하는 침입 열량은 매우 커져, 팽창기의 단열 효율 및 냉동기의 냉동 성능(냉동 능력, COP)을 현저하게 저하시킬 우려가 있다.
상기 구성 (1)에 의하면, 중단 압축기 및 팽창기를 일체화한 팽창기 일체형 압축기를 구비함으로써, 정상 운전 중의 중단 압축기의 출구 정압과 팽창기의 입구 정압의 압력차는 축소 가능 또는 거의 동등하게 할 수 있다. 이것에 의해서, 압축기로부터 팽창기에 누설하는 냉매량 및 여기에 따른 침입열을 억제할 수 있어, 팽창기의 단열 효율 및 냉동기의 냉동 성능의 저하를 억제할 수 있다.
(2) 몇 개의 실시형태에서는, 상기 구성 (1)에 있어서,
상기 케이싱의 내부 공간 중 상기 중단 압축기와 상기 팽창기의 사이의 영역에 연통하도록 설치되고, 상기 케이싱 내부에 있어서 상기 중단 압축기측으로부터 상기 팽창기측을 향하는 누출 냉매의 적어도 일부를 상기 영역으로부터 상기 케이싱의 외부의 상기 압중단 압축기의 흡입측 또는 토출측에 접속되는 냉매 순환 라인에 추기하기 위한 추기 라인을 더 구비하고,
상기 케이싱은, 상기 영역과 상기 케이싱의 외부 사이의 상기 냉매의 흐름이 상기 추기 라인을 통한 상기 누출 냉매의 적어도 일부의 흐름만이 되도록 상기 영역을 상기 케이싱의 외부로부터 밀폐하도록 구성된다.
상기 구성 (1)에 의해서도, 또한, 압축기측으로부터 팽창기로의 냉매의 누설이 생기는 경우, 상기 추기 라인을 통하여, 압축기측으로부터 팽창기측을 향하는 누출 유체의 적어도 일부를 상기 영역으로부터 케이싱의 외부의 중단 압축기의 흡입측 또는 토출측에 접속되는 냉매 순환 라인에 추기한다. 이것에 의해서, 중단 압축기측으로부터의 누설 냉매가 있는 경우라도, 팽창기측에 유입하는 냉매량을 더욱 저감시킬 수 있고, 그 때문에, 누출 냉매를 통한 팽창기로의 열의 이동을 더욱 억제할 수 있다. 따라서, 압축기측으로부터의 누출 유체에 기인한 팽창기의 단열 효율의 저하 및 냉동기의 냉동 성능을 개선할 수 있다.
만일, 케이싱이 외부로부터 밀폐되어 있지 않고, 상기 영역으로부터 냉매 순환 라인을 향하는 누출 냉매 이외의 가스의 케이싱 외부로부터 상기 영역 내로의 유입이 허용되는 구성에서는, 케이싱 외부로부터 상기 영역 내에 유입하는 가스로부터 저온의 팽창기측으로 열이 이동할 수 있다. 그 때문에, 팽창기측으로의 의도하지 않는 입열 요인으로서 누출 냉매뿐만 아니라, 케이싱 외부로부터 상기 영역 내에 유입한 가스도 생각되고, 추기 라인을 설치해도 팽창기측으로의 의도하지 않는 입열 요인을 효과적으로 막는 것은 어렵다.
이것에 대해, 상기 구성 (2)에 따른 팽창기 일체형 압축기에서는, 케이싱은 상기 영역과 케이싱의 외부 사이의 유체의 흐름이 상기 추기 라인을 통한 상기 누출 냉매의 적어도 일부의 흐름만이 되도록 상기 영역이 케이싱의 외부로부터 밀폐된다.
그 때문에, 팽창기측으로의 의도하지 않는 입열 요인은 기본적으로는 누출 냉매뿐이다. 따라서, 상기 영역 내에 있어서 압축기측으로부터 팽창기측을 향하는 누출 냉매의 적어도 일부를 냉매 순환 라인으로 이끄는 냉매의 흐름을 추기 라인에 의해서 형성함으로써, 팽창기측으로의 의도하지 않는 입열을 효과적으로 막아 COP를 극적으로 개선할 수 있다.
(3) 몇 개의 실시형태에서는, 상기 구성 (1) 또는 (2)에 있어서,
상기 케이싱의 내부 공간의 상기 영역 중 상기 팽창기보다 상기 중단 압축기에 가까운 영역의 압력과, 상기 영역 중 상기 중단 압축기보다 상기 팽창기에 가까운 영역의 압력과의 차압을 검출하기 위한 압력계를 더 구비하고,
상기 압력계의 검출값으로부터 상기 누출 냉매의 유무를 예측한다.
상기 구성 (3)에 의하면, 상기 2개의 영역의 압력차를 검출함으로써, 중단 압축기로부터 팽창기측에 새는 냉매량을 정확하게 예측할 수 있다.
그 때문에, 검출한 상기 압력차에 근거하여, 냉동기의 운전을 제어하고, 혹은 상기 추기 라인을 구비한 팽창기 일체형 압축기에 있어서는, 이 추기 라인으로부터 누출 냉매를 추기함으로써, 팽창기로의 열침입을 억제할 수 있다.
(4) 몇 개의 실시형태에서는, 상기 구성 (1)~(3)의 어느 하나에 있어서,
상기 영역 중 상기 팽창기보다 상기 중단 압축기에 가까운 영역의 온도와, 상기 영역 중 상기 중단 압축기보다 상기 팽창기에 가까운 영역의 온도의 온도차를 검출하기 위한 온도계를 더 구비하고,
상기 온도계의 검출값으로부터 상기 누출 유체의 유무를 예측한다.
상기 구성 (4)에 의하면, 상기 2개의 영역의 온도차를 검출함으로써, 중단 압축기로부터 팽창기측으로 새는 냉매량을 정확하게 예측할 수 있다.
그 때문에, 검출한 상기 온도차에 근거하여, 냉동기의 운전을 제어하고, 혹은 상기 추기 라인을 구비한 냉동기에 있어서는, 이 추기 라인으로부터 누출 냉매를 추기함으로써, 팽창기로의 열침입을 억제할 수 있다.
(5) 몇 개의 실시형태에서는, 상기 구성 (3) 또는 (4)에 있어서,
상기 추기 라인에 설치되고, 상기 누출 냉매의 추기량을 조절하기 위한 추기 밸브와,
상기 압력계 또는 상기 온도계의 검출값에 근거하여, 상기 추기 밸브의 개도(開度)를 제어하기 위한 컨트롤러를 더 구비한다.
상기 구성 (5)에 의하면, 상기 압력계로 검출된 압력차 또는 상기 온도계로 검출된 온도차에 근거하여, 상기 컨트롤러에 의해서 상기 추기 밸브의 개도를 제어하기 때문에, 누출 냉매량에 따라 추기량을 제어할 수 있다. 그 때문에, 팽창기로의 침입 열량을 더 저감할 수 있다.
(6) 몇 개의 실시형태에서는, 상기 구성 (5)에 있어서,
상기 컨트롤러는, 상기 냉동기의 COP 또는 상기 팽창기의 흡입측과 토출측의 냉매 온도차 중 적어도 어느 하나에 근거하여, 상기 추기 밸브의 개도를 제어하도록 구성된다.
또한, 냉동기 COP는, 예를 들면 식 (1) 소비 전력 기준 COP(COPb) 및 식 (2) 압축 동력 기준 COP(COPc) 등에서 구할 수 있다.
[수 1]
Figure 112017100356120-pct00001
[수 2]
Figure 112017100356120-pct00002
단, 상기 식 (1) 및 식 (2)에 있어서, G는 냉매 순환 라인을 순환하는 냉매의 질량 유량［kg/s］이며, P는 모터의 동력(소비 전력)［W］이며, h1은 압축기 입구 엔탈피［J/kg］이며, h2는 압축기 출구 엔탈피［J/kg］이며, h5는 냉각부용 열교환기 입구 엔탈피［J/kg］이며, h6은 냉각부용 열교환기 출구 엔탈피［J/kg］이다.)
누출 냉매에 의해 팽창기측에 유입하는 열은, 누출 냉매를 냉매 순환 라인에 추기하는 추기량이 많을수록 감소한다. 한편, 추기량을 너무 많게 하면, 압축기로 압축된 후, 냉매 순환 라인을 순환하지 않고, 냉각 대상물의 냉각에 기여하지 않는 누출 냉매가 증가하게 되고, 압축에 이용되는 모터 동력의 증가 및 압축기 효율의 저하를 초래하게 된다. 따라서, 팽창기 일체형 압축기를 이용한 냉동기의 COP가 최대가 되는 추기량(COP 최대 추기량)이 존재한다.
이러한 사정을 감안하여, 상기 구성 (6)에 의하면, 상기 냉동기 COP 또는 팽창기의 흡입측과 토출측의 냉매 온도차 중 적어도 한쪽에 근거하여, 운전 조건에 따라 추기량을 COP 최대 추기량 근방의 값이 되도록 제어하면, 냉동기의 COP를 향상시킬 수 있다.
또, 조건 변화가 적은 운전에서는, 수동 밸브에 의해 개도 조정을 행하고, 일정 개도로 해도 된다.
(7) 몇 개의 실시형태에서는, 상기 구성 (1)~(6) 중 어느 하나에 있어서,
상기 팽창기 및 상기 냉각기가 수용되고 외부로부터 단열된 단열 하우징을 더 구비한다.
상기 구성 (7)에 의하면, 팽창기 및 냉각기를 외부로부터 단열된 단열 하우징에 수용함으로써, 외부열의 침입에 의한 팽창기의 단열 효율 및 냉동기의 냉동 성능의 저하를 억제할 수 있다.
(8) 몇 개의 실시형태에서는, 상기 구성 (1)~(7) 중 어느 하나에 있어서,
출력축이 상기 저단 압축기 및 상기 고단 압축기에 접속되는 제2 모터와,
상기 저단 압축기와 상기 고단 압축기의 사이에 배치되고, 상기 제2 모터의 상기 출력축을 비접촉으로 지지하기 위한 적어도 하나의 비접촉형 베어링과,
상기 저단 압축기, 상기 고단 압축기 및 상기 적어도 하나의 비접촉형 베어링을 수용하는 케이싱을 가지는 압축기 유닛을 더 구비한다.
상기 구성 (8)에 의하면, 저단 압축기 및 고단 압축기를 포함한 압축기 유닛으로 함으로써, 냉동기의 구성을 간단하고 쉽게 저비용화할 수 있다. 또, 1개의 모터로 저단 압축기 및 고단 압축기의 구동을 겸용할 수 있으므로, 저단 압축기 및 고단 압축기를 각각 단독으로 구동하는 경우와 비교하여 이러한 구동에 필요로 하는 동력을 저감시킬 수 있다.
(9) 몇 개의 실시형태에서는, 상기 구성 (8)에 있어서,
상기 저단 압축기와 상기 중단 압축기 사이의 상기 냉매 순환 라인에 설치되고, 상기 저단 압축기로부터 토출된 냉매를 냉각하기 위한 제1 열교환기와, 상기 중단 압축기와 상기 고단 압축기 사이의 상기 냉매 순환 라인에 설치되고, 상기 중단 압축기로부터 토출된 냉매를 냉각하기 위한 제2 열교환기와,
상기 고단 압축기와 상기 팽창기 사이의 상기 냉매 순환 라인에 설치되고, 상기 고단 압축기로부터 토출된 냉매를 냉각하기 위한 제3 열교환기를 구비하고,
상기 제1 열교환기, 상기 제2 열교환기 및 상기 제3 열교환기는, 상기 팽창기 일체형 압축기와 상기 압축기 유닛의 사이에 배치됨과 함께, 길이 방향이 서로 병렬이 되도록 배치된다.
상기 구성 (9)에 의하면, 상기 제1 열교환기, 상기 제2 열교환기 및 상기 제3 열교환기를 길이 방향이 서로 병렬이 되도록 배치함으로써, 이러한 열교환기의 배치 스페이스를 공간 절약화할 수 있다.
상기 3개의 열교환기를 포함한 열교환기 유닛을 구성하고, 이 열교환기 유닛을, 저단 압축기 및 고단 압축기를 포함한 상기 압축기 유닛과, 중단 압축기를 포함한 팽창기 일체형 압축기의 사이에 배치함으로써, 이러한 기기 사이에 접속되는 배관의 배치가 용이하게 됨과 함께, 배관의 길이를 축소할 수 있고 저비용화할 수 있다. 또, 배관의 길이를 축소함으로써, 배관을 흐르는 냉매의 압력 손실을 저감시킬 수 있고, 이것에 의해서 냉동기의 냉동 성능을 향상시킬 수 있다.
(10) 본 발명의 일 실시형태에 따른 냉동기의 운전 방법은,
냉각 대상물을 냉매와의 열교환에 의해 냉각하기 위한 냉각부와,
상기 냉매를 압축하기 위한 압축기 및 상기 냉매를 팽창시키기 위한 팽창기가 일체화된 팽창기 일체형 압축기와,
상기 압축기, 상기 팽창기 및 상기 냉각부를 통해 상기 냉매를 순환시키도록 구성된 냉매 순환 라인을 포함하고,
상기 압축기는, 냉매 순환 라인에 직렬로 설치된 저단 압축기, 중단 압축기 및 고단 압축기로 구성되고,
상기 팽창기 일체형 압축기는,
상기 중단 압축기와
상기 중단 압축기로부터 토출된 냉매를 단열 팽창하여 냉각하기 위한 팽창기와,
출력축이 상기 중단 압축기 및 상기 팽창기에 접속되는 제1 모터와,
상기 중단 압축기와 상기 팽창기 사이에 배치되어 상기 제1 모터의 상기 출력축을 비접촉으로 지지하기 위한 적어도 하나의 비접촉형 베어링과,
상기 중단 압축기, 상기 팽창기, 및, 상기 적어도 하나의 비접촉형 베어링을 수용하는 케이싱을 구비하고,
상기 케이싱은, 상기 케이싱의 내부 공간 중 상기 중단 압축기와 상기 팽창기의 사이의 영역을 상기 케이싱의 외부로부터 밀폐하도록 구성되는 냉동기의 운전 방법으로서,
상기 3개의 압축기에 의해 냉매를 압축하는 압축 단계와,
상기 압축 단계에 있어서 압축된 상기 냉매를 상기 팽창기에 의해 팽창시키는 팽창 단계와,
상기 팽창 단계에 있어서 팽창된 상기 냉매와의 열교환에 의해 냉각 대상물을 냉각하는 냉각 단계와,
상기 케이싱 내부의 상기 영역에 연통하도록 설치된 추기 라인을 통해서, 상기 케이싱 내부에 있어서 상기 중단 압축기측으로부터 상기 팽창기측을 향하는 누출 냉매의 적어도 일부를 상기 케이싱 내부의 상기 영역으로부터 상기 케이싱의 외부의 상기 압축기의 흡입측 또는 토출측에 접속되는 냉매 순환 라인에 추기하는 추기 단계를 구비한다.
상기 방법 (10)에 의하면, 상기 구성 (1)에 의해서도, 또한, 압축기측으로부터 팽창기로의 냉매의 누설이 생기는 경우, 상기 추기 라인을 통하여 압축기측으로부터 팽창기측을 향하는 누출 유체의 적어도 일부를 상기 영역으로부터 케이싱의 외부의 중단 압축기의 흡입측 또는 토출측에 접속되는 냉매 순환 라인에 추기한다.
이것에 의해서, 중단 압축기측으로부터의 누설 냉매가 있는 경우라도, 팽창기측에 유입하는 냉매량을 더 저감할 수 있고, 그 때문에, 누출 냉매를 개재한 팽창기로의 열의 이동을 더욱 억제할 수 있다. 따라서, 압축기측으로부터의 누출 유체에 기인한 팽창기의 단열 효율의 저하 및 냉동기의 냉동 성능을 개선할 수 있다.
또, 상기 팽창기 일체형 압축기의 케이싱은, 상기 영역과 케이싱의 외부의 사이의 유체의 흐름이 상기 추기 라인을 통한 누출 냉매의 적어도 일부의 흐름만이 되도록, 상기 영역이 케이싱의 외부로부터 밀폐되기 때문에, 팽창기측으로의 의도하지 않는 입열 요인은 기본적으로는 누출 냉매뿐이다. 따라서, 상기 영역 내에 있어서 중단 압축기측으로부터 팽창기측을 향하는 누출 냉매 중 적어도 일부를 냉매 순환 라인으로 이끄는 냉매 흐름을 추기 라인에 의해서 형성함으로써, 팽창기측으로의 의도하지 않는 입열을 효과적으로 막아, COP를 극적으로 개선할 수 있다.
(11) 몇 개의 실시형태에서는, 상기 방법 (10)에 있어서,
상기 추기 단계는,
상기 케이싱 내부의 상기 영역 중 상기 팽창기보다 상기 중단 압축기에 가까운 영역의 압력과, 상기 영역 중 상기 중단 압축기보다 상기 팽창기에 가까운 영역의 압력과의 차압에 근거하여, 상기 중단 압축기의 흡입측 또는 토출측으로의 추기량을 조절하는 제1 추기량 조절 단계를 포함한다.
상기 방법 (11)에 의하면, 상기 2개의 영역의 압력차를 검출함으로써, 중단 압축기로부터 팽창기측으로 새는 냉매량을 정확하게 예측할 수 있다. 그 때문에, 검출한 상기 압력차에 근거하여, 상기 추기 라인으로부터 누출 냉매를 추기함으로써, 팽창기로의 열침입을 억제할 수 있다.
(12) 몇개의 실시형태에서는, 상기 방법 (10) 또는 (11)에 있어서,
상기 추기 단계는,
상기 케이싱 내부의 상기 영역 중 상기 팽창기보다 상기 중단 압축기에 가까운 영역의 온도와, 상기 영역 중 상기 중단 압축기보다 상기 팽창기에 가까운 영역의 온도의 온도차에 근거하여, 상기 중단 압축기의 흡입측 또는 토출측으로의 추기량을 조절하는 제2 추기량 조절 단계를 포함한다.
상기 방법 (12)에 의하면, 상기 2개의 영역의 온도차를 검출함으로써, 중단 압축기로부터 팽창기측으로 새는 냉매량을 정확하게 예측할 수 있다. 그 때문에, 검출한 상기 온도차에 근거하여, 상기 추기 라인으로부터 누출 냉매를 추기함으로써, 팽창기로의 열침입을 억제할 수 있다.
(13) 몇 개의 실시형태에서는, 상기 방법 (10)~(12) 중 어느 하나에 있어서,
상기 추기 단계는,
상기 냉동기의 COP 또는 상기 팽창기의 흡입측과 토출측과의 냉매 온도차 중 적어도 한쪽에 근거하여, 상기 케이싱 내부의 상기 영역으로부터 상기 압축기의 흡입측으로의 추기량을 조절하는 제3 추기량 조절 단계를 포함한다.
상기 방법 (13)에 의하면, 상기 냉동기 COP 또는 팽창기의 흡입측과 토출측의 냉매 온도차 중 적어도 한쪽에 근거하여 추기량을 조절하기 때문에, 냉동기의 COP를 향상시킬 수 있다.
(14) 몇 개의 실시형태에서는, 상기 방법 (10)~(13) 중 어느 하나에 있어서,
상기 중단 압축기는 상기 제1 모터의 일단에 고정된 컴프레서 임펠러를 가지는 원심 압축기이고,
상기 팽창기는 상기 제1 모터의 타단에 고정된 터빈 임펠러를 가지는 원심 팽창기이며,
상기 압축 단계 및 상기 팽창 단계에 있어서,
상기 컴프레서 임펠러의 배면측 압력과 상기 터빈 임펠러의 배면측 압력을 동등하게 한다.
상기 방법(14)에 의하면, 상기 컴프레서 임펠러의 배면측 압력과 상기 터빈 임펠러의 배면측 압력을 동등하게 함으로써, 컴프레서 임펠러의 배면측으로부터 팽창기측으로의 고온 냉매의 누출을 효과적으로 억제할 수 있다.
본 발명의 적어도 일 실시형태에 의하면, 팽창기 일체형 압축기의 케이싱 내부에서 압축기측으로부터 누출한 냉매에 기인한 팽창기로의 열침입을 억제할 수 있고, 이것에 의해서, 팽창기의 단열 효율 및 냉동기의 냉동 성능(냉동 능력, COP)을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일 실시형태에 따른 냉동기의 계통도이다.
도 2는 일 실시형태에 따른 냉동기의 계통도이다.
도 3은 일 실시형태에 따른 팽창기 일체형 압축기의 종단면도이다.
도 4는 일 실시형태에 따른 냉동기의 운전 방법의 플로우도이다.
도 5는 일 실시형태에 따른 냉동기의 일부를 나타내는 계통도이다.
도 6은 비교예에 따른 냉동기의 계통도이다.
도 7은 비교예에 따른 냉동기의 계통도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 몇 개의 실시형태에 대해 설명한다. 단, 실시형태로서 기재되고 또는 도면에 나타나고 있는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대적 배치 등은, 본 발명의 범위를 이것에 한정하는 취지가 아니라, 단순한 설명예에 지나지 않는다.
예를 들면, 「어느 방향으로」, 「어느 방향을 따라서」, 「평행」, 「직교」, 「중심」, 「동심」혹은 「동축」 등의 상대적 혹은 절대적인 배치를 나타내는 표현은, 엄밀하게 그러한 배치를 나타낼 뿐만 아니라, 공차, 혹은, 동일한 기능이 얻어지는 정도의 각도나 거리를 가지고 상대적으로 변위하고 있는 상태도 나타내는 것으로 한다.
예를 들면, 「동일」, 「동일하다」및 「균질」 등의 사물이 동일한 상태인 것을 나타내는 표현은, 엄밀하게 동일한 상태를 나타낼 뿐만 아니라, 공차, 혹은, 동일한 기능이 얻어지는 정도의 차이가 존재하고 있는 상태도 나타내는 것으로 한다.
예를 들면, 4각형상이나 원통형상 등의 형상을 나타내는 표현은, 기하학적으로 엄밀한 의미에서의 4각형상이나 원통형상 등의 형상을 나타낼 뿐만 아니라, 동일한 효과가 얻어지는 범위에서, 요철부나 모따기부 등을 포함한 형상도 나타내는 것으로 한다.
한편, 하나의 구성 요소를 「구비하다」, 「갖춘다」, 「구비한다」, 「포함한다」, 또는 「가진다」라는 표현은, 다른 구성 요소의 존재를 제외하는 배타적인 표현은 아니다.
도 1 및 도 2는, 몇 개의 실시형태에 따른 냉동기(10)(10A, 10B)를 나타낸다.
냉동기(10)(10A, 10B)는, 냉각 대상물을 냉매와의 열교환에 의해 냉각하는 냉각부(12)와, 팽창기 일체형 압축기(14)와 냉매 순환 라인(16)을 구비한다.
팽창기 일체형 압축기(14)는, 냉매를 압축하기 위한 중단 압축기(C2) 및 냉매를 팽창시키기 위한 팽창기(T)가 일체화되고 있다. 냉매 순환 라인(16)은, 압축기(C1, C2, C3), 팽창기(T) 및 냉각부(12) 등을 통해 냉매를 순환시키도록 구성된다.
냉동기(10)(10A, 10B)에 설치되는 압축기는, 냉매 순환 라인(16)에 직렬로 설치된 저단 압축기(C1), 중단 압축기(C2) 및 고단 압축기(C3)로 구성된다.
적어도 일 실시형태에 따른 팽창기 일체형 압축기(14)는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 중단 압축기(C2)와 팽창기(T)와 제1 모터(M1)와 적어도 하나의 비접촉형 베어링(22, 24, 26)과 중단 압축기(C2), 팽창기(T) 및 상기 적어도 하나의 비접촉형 베어링을 수용하는 케이싱(28)을 구비한다.
팽창기(T)는 고단 압축기(C3)로부터 토출된 냉매를 단열 팽창하여 냉각한다. 제1 모터(M1)의 출력축(20a)은 중단 압축기(C2) 및 팽창기(T)에 접속된다. 적어도 하나의 비접촉형 베어링(22, 24 및 26)은, 고단 압축기(C3)와 팽창기(T) 사이에 배치되고 출력축(20a)을 비접촉으로 지지한다.
도시한 실시형태에서는, 출력축(20a)의 양단부에 중단 압축기(C2) 및 팽창기(T)가 배치되어 있다.
중단 압축기(C2) 및 팽창기(T)는 제1 모터(M1)에 의해서 구동된다. 중단 압축기(C2)는 냉매(r)를 압축하도록 구성되고, 팽창기(T)는 냉매(r)를 팽창시킨다. 냉매(r)의 압력 에너지를 중단 압축기(C2)의 어시스트 동력으로서 이용함으로써, 제1 모터(M1)의 동력을 저감할 수 있다.
도 1 및 도 2에 나타내는 냉동기(10)(10A, 10B)에 있어서, 냉매는 냉매 순환 라인(16)을 순환한다.
냉동기(10)(10A, 10B)의 예시적인 실시형태로서 제1 열교환기(Hx1)가 저단 압축기(C1)와 중단 압축기(C2) 사이의 냉매 순환 라인(16)에 설치되고, 저단 압축기(C1)로부터 토출된 냉매를 냉각한다.
또, 제2 열교환기(Hx2)가 중단 압축기(C2)와 고단 압축기(C3) 사이의 냉매 순환 라인(16)에 설치되고, 중단 압축기(C2)로부터 토출된 냉매를 냉각한다.
또, 제3 열교환기(Hx3)가 고단 압축기(C3)와 팽창기(T) 사이의 냉매 순환 라인(16)에 설치되고, 고단 압축기(C3)로부터 토출된 냉매를 냉각한다.
저단 압축기(C1)에서 일단 압축된 냉매는, 제1 열교환기(Hx1)에서 냉각된 후, 중단 압축기(C2)에 보내지고, 중단 압축기(C2)에서 더 압축된다. 중단 압축기(C2)에서 압축된 냉매는, 제2 열교환기(Hx2)에서 냉각된 후, 고단 압축기(C3)에서 더 압축된다. 고단 압축기(C3)에서 압축된 냉매는, 제3 열교환기(Hx3)에서 냉각된 후, 다시, 냉열 회수 열교환기(30)에서 냉각되고, 그 후, 팽창기(T)에 보내진다. 냉매는 팽창기(T)를 회전시키고, 냉매의 압력 에너지는 중단 압축기(C2)의 어시스트 동력으로서 이용함과 함께, 냉매 자체는 팽창하여 저압 저온이 된다.
저압 저온이 된 냉매는 냉각부(12)에 보내진다. 냉각부(12)는, 예를 들면 열교환기로 구성되고, 냉매로 냉각 대상물을 냉각한다. 그 후, 냉매는 냉열 회수 열교환기(30)에 보내지고, 거기서 팽창기(T)에 보내지는 냉매를 냉각한 후, 저단 압축기(C1)로 되돌아온다.
예시적인 실시형태에서는, 냉각부(12)에 있어서 냉매와의 열교환에 의해 냉각되는 냉각 대상물은, 초전도 케이블 등의 초전도 기기(32)를 냉각하기 위한 액체 질소이다.
도 1에 나타내는 예시적인 실시형태에서는, 냉각부(12), 초전도 기기(32) 및 리저버 탱크(36)의 사이를 순환하는 액체 질소 순환 라인(34)이 설치되어 있다. 액체 질소 순환 라인(34)에는 액체 질소 펌프(38)가 설치되고, 냉각부(12)에서 극저온으로 냉각된 액체 질소를 초전도 기기(32)에 순환하고 있다.
이 경우, 초전도 기기(32)가 초전도 상태가 되기 때문에 극저온으로의 냉각이 필요해진다. 이 때, 팽창기(T)의 토출측에서는 냉매가 극저온이 되기 때문에, 냉매 순환 라인(16) 내에서는, 중단 압축기(C2)의 토출측과 팽창기(18)의 토출측에서 큰 온도차가 된다.
예를 들면, 일 실시예에 있어서, 중단 압축기(C2)의 흡입측에서는 약 30~40℃, 토출측에서 약 90~100℃가 되는데에 대해서, 팽창기(18)의 흡입측에서는 약 -190~－200℃, 토출측에서는 약 -210~－220℃가 된다.
따라서, 중단 압축기(C2)측으로부터 팽창기(18)측으로 냉매 누출이 발생하면, 냉동기(10)(10A, 10B)의 냉각 성능이 저하한다.
또한, 냉매 순환 라인(16)을 흐르는 냉매로서는, 냉각 대상물의 냉각 목표 온도 등에 따라 적절하게 선택할 수 있고, 예를 들면, 헬륨, 네온, 수소, 질소, 공기, 탄화수소 등을 이용할 수 있다.
예시적인 실시형태에서는, 도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 제3 열교환기(Hx3)의 출구측과 저단 압축기(C1)의 입구측의 냉매 순환 라인(16)에 접속된 바이패스 라인(16a)가 설치되어 바이패스 라인(16a)에 냉매를 일시 저류 가능한 버퍼 탱크(40)가 설치되며, 버퍼 탱크(40)의 전후에 개폐 밸브(42 및 44)가 설치되어 있다.
버퍼 탱크(40)에 냉매를 일시적으로 저류함으로써, 냉매 순환 라인(16)을 순환하는 냉매의 양을 조절할 수 있다.
또, 제1 열교환기(Hx1), 제2 열교환기(Hx2) 및 제3 열교환기(Hx3)에서는, 냉매를 냉각하기 위한 냉각 매체로서 예를 들면 냉각수(w)가 공급된다.
팽창기 일체형 압축기(14)에 있어서, 예시적인 실시형태로서 도 3에 나타내는 바와 같이, 제1 모터(20)의 출력축(20a)은, 중단 압축기(C2)와 팽창기(T) 사이에 배치된 래디얼 자기 베어링(22, 24) 및 스러스트 자기 베어링(26)에 의해서 비접촉으로 지지된다. 래디얼 자기 베어링(22 및 24)은 제1 모터(M1)의 양측에 배치되고, 자력에 의해서 출력축(20a)을 부상시켜 출력축(20a)의 래디얼 하중을 부담한다. 한편, 스러스트 자기 베어링(26)은 제1 모터(M1)와 팽창기(T) 사이에 설치되고, 출력축(20a)에 설치된 로터 디스크(50)의 사이에 갭이 형성되도록, 자력에 의해서 출력축(20a)의 스러스트 하중을 부담한다.
예시적인 실시형태에서는, 중단 압축기(C2)는 제1 모터(M1)의 일단에 고정된 컴프레서 임펠러(52)를 가지는 원심 압축기이며, 팽창기(T)는 제1 모터(M1)의 타단에 고정된 터빈 임펠러(54)를 가지는 원심 팽창기이다. 컴프레서 임펠러(52) 및 터빈 로터(54)가 각각 냉매(r)의 유로에 배치되어 있다. 또한, 출력축(20a)의 주위에 스테이터(20b)가 설치된다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 예시적인 실시형태로서 팽창기 일체형 압축기(14)에 추기 라인(56)(56＇)이 설치된다.
추기 라인(56)(또는 56＇)은 케이싱(28)의 내부 공간 중, 중단 압축기(C2)와 팽창기(T) 사이의 영역(Is)에 연통하도록 설치된다. 추기 라인(56)(56＇)을 통하여, 케이싱(28)의 내부에 있어서, 중단 압축기(C2)측으로부터 팽창기(T)측을 향하는 누출 냉매(r0)의 적어도 일부가 영역(Is)으로부터 케이싱(28)의 외부의 중단 압축기(C2)의 흡입측 또는 토출측에 접속되는 냉매 순환 라인(16)에 추기된다.
또, 케이싱(28)은, 영역(Is)과 케이싱(28)의 외부 사이의 냉매(r)의 흐름이 추기 라인(56)을 통한 누출 냉매의 적어도 일부의 흐름만이 되도록 영역(Is)을 케이싱(28)의 외부로부터 밀폐하도록 구성된다.
예시적인 실시형태로서 도 3에 나타내는 바와 같이, 케이싱(28)의 내부에는, 중단 압축기(C2)로부터 냉매(r)가 케이싱 내부로 누설하는 것을 억제하기 위한 시일부(62), 및 팽창기(T)로부터 냉매(r)가 케이싱(28)의 내부로 누설하는 것을 억제하기 위한 시일부(64)가 설치된다.
시일부(62 및 64)는, 예를 들면, 래비린드 시일이어도 된다. 이 경우, 래비린드 시일은, 도 3에 나타내는 바와 같이, 컴프레서 임펠러(52) 또는 터빈 임펠러(54)의 배면측으로서, 컴프레서 임펠러(52) 또는 터빈 임펠러(54)와 케이싱(28)의 사이, 및 출력축(20a)의 둘레로서 출력축(20a)과 케이싱(28)의 사이에 설치되어도 된다.
영역(Is) 중 중단 압축기측과 팽창기측의 압력차가 커지면, 시일부(62 및 64)를 마련해도, 중단 압축기측으로부터 케이싱 내부로의 냉매의 누설을 완전하게 저지하는 것은 곤란한 경우도 있다. 영역(Is)에 침입한 누출 냉매(r0)는, 출력축(20a)과 비접촉형 베어링(22, 24 및 26)의 간극을 통과하고, 작동 온도가 중단 압축기측보다 낮은 팽창기측에 누출한다. 이것에 의해서, 팽창기(T)로의 열침입이 일어나고, 팽창기의 단열 효율이 저하될 우려가 있다.
따라서, 누설 냉매(r0)를 추기 라인(56)(56＇)을 통하여, 중단 압축기(C2)의 흡입측 또는 토출측의 냉매 순환 라인(16), 혹은 저단 압축기(C1)의 흡입측 또는 토출측의 냉매 순환 라인(16)에 배출함으로써, 팽창기측으로의 열침입을 억제한다.
도 3에 나타내는 예시적인 실시형태에서는, 추기 라인(56)(56＇)은, 케이싱(28)을 관통하도록 직경 방향으로 연장하고 있다. 또한, 추기 라인(56)(56＇)의 축방향 위치는 특별히 한정되지 않고, 출력축(20a)의 축방향을 따르도록 설치해도 된다.
예시적인 실시형태에서는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 영역(Is) 중 팽창기(T)보다 중단 압축기(C2)에 가까운 영역의 압력과, 영역(Is) 중 중단 압축기(C2)보다 팽창기(T)에 가까운 영역의 압력의 차압을 검출하기 위한 압력계를 더 구비하고, 이 압력계로 검출한 상기 차압으로부터 누출 냉매(r0)의 유무 및 양을 예측한다.
도시한 실시형태는, 영역(Is) 중 팽창기(T)보다 중단 압축기(C2)에 가까운 영역의 압력을 검출하는 압력계(66)와, 영역(Is) 중 중단 압축기(C2)보다 팽창기(T)에 가까운 영역의 압력을 검출하는 압력계(68)를 구비하고 있다. 이러한 압력계의 검출값은 컨트롤러(60)에 입력되고, 컨트롤러(60)에서 이러한 검출값의 차압을 구하고, 이 차압으로부터 누출 냉매(r0)의 유무 및 양을 예측한다.
예시적인 실시형태에서는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 영역(Is) 중 팽창기(T)보다 중단 압축기(C2)에 가까운 영역의 온도와, 영역(Is) 중 중단 압축기(C2)보다 팽창기(T)에 가까운 영역의 온도의 온도차를 검출하기 위한 온도계를 더 구비한다.
도시한 실시형태는, 영역(Is) 중 팽창기(T)보다 중단 압축기(C2)에 가까운 영역의 온도를 검출하는 온도계(70)와, 영역(Is) 중 중단 압축기(C2)보다 팽창기(T)에 가까운 영역의 온도를 검출하는 온도계(72)를 구비하고 있다. 이러한 온도계의 검출값은 컨트롤러(60)에 입력되어, 컨트롤러(60)에서 이러한 검출값의 온도차를 구하고, 이 온도차로부터 누출 냉매(r0)의 유무 및 양을 예측한다.
또한, 도 3에 나타내는 실시형태에서는, 압력계(66, 68) 및 온도계(70, 72)의 양쪽 모두를 구비하지만, 이러한 압력계 또는 온도계의 어느 한 쪽을 구비하도록 해도 된다.
예시적인 실시형태에서는, 도 1 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 추기 라인(56)에 누출 냉매(r0)의 추기량을 조절하기 위한 추기 밸브(58)를 더 구비한다.
예시적인 실시형태에서는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 압력계(66 및 68)의 검출값 또는 온도계(70 및 72)의 검출값에 근거하여, 추기 밸브(58)의 개도를 제어하는 컨트롤러(60)를 더 구비한다. 이것에 의해서, 누출 냉매(r0)의 유무 및 양에 근거하여 누출 냉매(r0)의 추기량을 제어할 수 있다.
예시적인 실시형태에서는, 도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 팽창기(T) 및 냉각부(12)는, 외부로부터 단열된 단열 하우징(74)에 수용되고 있다.
도시한 실시형태에서는, 냉열 회수 열교환기(30)도 밀폐 하우징(74)의 내부에 수용되고 있다.
예시적인 실시형태에서는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 저단 압축기(C1)와 고단 압축기(C3)와 제2 모터(M2)와 적어도 하나의 비접촉형 베어링(22, 24 및 26)과 이러한 기기를 수용하는 케이싱(28)을 가지는 압축기 유닛(76)을 더 구비한다.
제2 모터(M2)의 출력축(78)은 저단 압축기(C1) 및 고단 압축기(C3)에 접속되고, 적어도 하나의 비접촉형 베어링(22, 24 및 26)은, 예를 들면, 래디얼 자기 베어링 및 스러스트 자기 베어링으로 구성되어 출력축(78)을 비접촉으로 지지한다.
또한, 압축기 유닛(76)에 이용되는 케이싱(28) 및 비접촉형 베어링(22, 24, 26)은, 팽창기 일체형 압축기(14)의 케이싱(28) 및 비접촉형 베어링(22, 24, 26)과 동일 구성의 것이어도 되고, 또는 동일 구성이 아니어도 된다.
예시적인 실시형태에서는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 제1 열교환기(Hx1), 제2 열교환기(Hx2) 및 제3 열교환기(Hx3)는, 팽창기 일체형 압축기(14)와 압축기 유닛(76)의 사이에 배치됨과 함께, 이러한 열교환기는 길이 방향이 서로 병렬이 되도록 배치되고, 예를 들면, 열교환기 유닛(80)을 구성한다.
예시적인 실시형태에서는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 컨트롤러(60)는, 냉동기(10)(10A)의 COP 또는 팽창기(T)의 흡입측과 토출측과의 냉매 온도차의 적어도 어느 하나에 근거하여, 추기 밸브(58)의 개도를 제어하도록 구성된다.
냉동기 COP는, 예를 들면, 제1 모터(M1) 및 제2 모터(M2)의 동력(소비 전력)을 계측하여 산출할 수 있다. 이 경우, 동력 계측을 동력계(82 및 84)로 행하고, 계측 결과는 컨트롤러(60)에 송신된다.
팽창기(T)의 흡입측 및 토출측의 온도의 계측은, 냉매 순환 라인(22)의 팽창기(6)의 흡입측에 설치된 온도계(86) 및 팽창기(T)의 토출측에 설치된 온도계(88)로 행하고, 계측 결과는 컨트롤러(60)에 송신된다. 컨트롤러(60)는 온도계(86 및 88)로 계측된 온도로부터 팽창기(T)의 흡입측과 토출측의 냉매 온도차를 계산한다.
또, 추기 라인(56)(56＇)에 설치된 유량계(90)에 의해, 영역(Is)으로부터 케이싱 외부의 중단 압축기(C2)의 흡입측 또는 토출측에 접속되는 냉매 순환 라인(16)에 추기되는 누출 냉매의 추기량이 검출되고, 검출 결과가 컨트롤러(60)에 송신된다.
또, 냉매 순환 라인(16)에 설치된 유량계(92)로 냉매 순환량을 검출한다.
예시적인 실시형태에서는, 컨트롤러(60)는, 추기 라인(56)에 있어서의 누출 냉매의 유량, 제1 모터(M1) 및 제2 모터(M2)의 동력, 냉동기(10)(10A)의 COP 또는 팽창기(T)의 흡입측과 토출측과의 냉매 온도차 등의 계측에 근거하여, 팽창기 일체형 압축기(14)의 케이싱 내부의 영역(Is)으로부터 중단 압축기(C2)의 흡입측으로의 추기량을 조절하도록 구성된다. 또한, 냉동기 COP는, 예를 들면 상기 식(1)로 구해지는 소비 전력 기준 COP(COPb) 및 상기 식(2)으로 구해지는 압축 동력 기준 COP(COPc) 등으로부터 구해진다.
이 때, 식(1) 및 식(2) 에 있어서, G는, 냉매 순환 라인(16)을 순환하는 냉매의 질량 유량［kg/s］이고, P는, 제1 모터(M1) 및 제2 모터(M2)의 동력의 합계값(소비 전력)［W］이며, h1은, 저단 압축기(C1), 중단 압축기(C2) 및 고단 압축기(C3)의 입구 엔탈피합［J/kg］이며, h2는, 저단 압축기(C1), 중단 압축기(C2) 및 고단 압축기(C3)의 출구 엔탈피합［J/kg］이며, h5는 냉각부(12)용 열교환기 입구 엔탈피［J/kg］이며, h6은 냉각부(12)용 열교환기 출구 엔탈피［J/kg］이다.
예시적인 실시형태에서는, 컨트롤러(60)는, 목표로 하는 냉동기 COP(이하에 있어서 「목표 냉동기 COP」라고도 함) 또는 팽창기(T)의 흡입측과 토출측의 온도차 중 적어도 한쪽을 포함한 냉동기(10)(10A)의 운전 조건을 나타내는 정보가 기억된 메모리를 구비하고, 동력 센서(82, 84) 등으로부터 산출된 냉동기 COP(이하에 있어서 「측정 냉동기 COP」라고도 함) 또는 온도계(86, 88) 중 적어도 한쪽의 검출 결과에 근거하여 상기 운전 조건이 실현되도록 추기 밸브(58)의 개도를 제어하여 추기량을 조절한다.
또한, 컨트롤러(60)는, 메모리에 기억된 냉동기(10)(10A)의 운전 조건을 나타내는 정보와, 측정 냉동기 COP 또는 온도계(86, 88) 중 적어도 한쪽의 검출 결과와의 편차에 근거하여 추기 밸브(58)의 개도 지령값을 결정해도 된다. 이 경우, 컨트롤러(60)는, 추기 밸브(58)의 개도 지령값을 결정하기 위한 제어기로서, 예를 들면 P 제어기, PI 제어기, PID 제어기 등을 포함하고 있어도 된다.
또, COP가 최대가 되는 냉동기(10)(10A)의 운전 조건은, 냉각부(12)에 있어서의 냉각 부하에 따라 변화해도 된다. 이 경우, 컨트롤러(60)는 냉각부(12)에 있어서의 냉각 부하에 따른 운전 조건이 실현되도록, 측정 냉동기 COP 또는 온도계(86, 88) 중 적어도 한쪽의 검출 결과에 근거해 추기량을 조절해도 된다.
또한, 엔탈피 h1, h2, h5 및 h6는, 각각, 각 포인트로의 압력 P1, P2, P5 및 P6, 온도 T1, T2, T5 및 T6의 계측값으로부터 구해진다. 따라서, 냉동기(10)(10A)에는, 냉매 순환 라인(16)을 순환하는 냉매의 질량 유량을 측정하기 위한 유량계(도시하지 않음)나, 각 압축기의 입구 및 출구와 냉각부(12)의 입구 및 출구의 온도 및 압력을 각각 측정하기 위한 온도계(도시하지 않음) 및 압력계(도시하지 않음)를 설치해도 된다.
다른 실시형태에서는, 컨트롤러(60)는, 목표 냉동기 COP 또는 팽창기(T)의 흡입측과 토출측의 온도차의 최대값 중 적어도 한쪽을 나타내는 정보가 기억된 메모리를 구비하고, 측정 냉동기 COP 또는 온도계(86, 88) 중 적어도 한쪽의 검출 결과가 목표 냉동기 COP 또는 팽창기(T)의 흡입측과 토출측의 온도차의 최대값에 가까워지도록, 추기 밸브(58)의 개도를 제어하여 추기량을 조절한다. 또한, 컨트롤러(60)는, 메모리에 기억된 목표 냉동기 COP 또는 팽창기(T)의 흡입측과 토출측의 온도차의 최대값을 나타내는 정보와, 측정 냉동기 COP 또는 온도계(86, 88) 중 적어도 한쪽의 검출 결과의 편차에 근거하여 추기 밸브(58)의 개도 지령값을 결정해도 된다. 이 경우, 컨트롤러(60)는, 추기 밸브(58)의 개도 지령값을 결정하기 위한 제어기로서, 예를 들면 P 제어기, PI 제어기, PID 제어기 등을 포함하고 있어도 된다.
예시적인 실시형태에서는, 컨트롤러(60)는, 스러스트 자기 베어링(26)의 부하(스러스트 하중)의 허용값을 넘지 않도록 결정된 추기량의 상한값을 넘지 않도록, 케이싱 내부의 영역(Is)으로부터 중단 압축기(C2)의 흡입측 또는 토출측으로의 추기량을 조절하도록 구성된다.
적어도 일 실시형태에 따른 냉동기의 운전 방법은, 도 4에 나타내는 바와 같이, 압축 단계 S10, 팽창 단계 S12, 냉각 단계 S14 및 추기 단계 S16를 구비한다.
압축 단계 S10에서는, 저단 압축기(C1), 중단 압축기(C2) 및 고단 압축기(C3)로 냉매를 압축한다.
팽창 단계 S12에서는, 압축 단계 S10에서 압축된 냉매를 팽창기(T)에 의해 팽창시킨다.
냉각 단계 S14에서는, 냉각부(12)에서 팽창기(T2)에서 팽창된 냉매와의 열교환에 의해 냉각 대상물을 냉각한다.
추기 단계 S16에서는, 팽창기 일체형 압축기(14)의 케이싱 내부의 영역(Is)에 연통하도록 설치된 추기 라인(56)(56＇)을 통해서, 케이싱 내부에 있어서 중단 압축기(C2)측으로부터 팽창기(T)측을 향하는 누출 냉매(r0)의 적어도 일부를, 케이싱 내부의 영역(Is)으로부터 케이싱 외부의 중단 압축기(16)의 흡입측 또는 토출측에 접속되는 냉매 순환 라인(16)에 추기한다.
예시적인 실시형태에서는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 추기 단계 S16에 있어서, 팽창기 일체형 압축기(14)의 케이싱 내부의 영역(Is) 중 팽창기(T)보다 중단 압축기(16)에 가까운 영역의 압력과, 영역(Is) 중 중단 압축기(16)보다 팽창기(T)에 가까운 영역의 압력의 차압에 근거하여, 중단 압축기(C2)의 흡입측 또는 토출측으로의 추기량을 조절하는 제1 추기량 조절 단계 S16a를 포함한다.
상기 2개의 영역의 압력은, 예를 들면, 도 3에 나타내는 압력계(66 및 68)로 검출한다.
예시적인 실시형태에서는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 추기 단계 S16에 있어서, 팽창기 일체형 압축기(14)의 케이싱 내부의 영역(Is) 중 팽창기(T)보다 중단 압축기(16)에 가까운 영역의 온도와, 영역(Is) 중 중단 압축기(16)보다 팽창기(T)에 가까운 영역의 온도의 온도차에 근거하여, 중단 압축기(C2)의 흡입측 또는 토출측으로의 추기량을 조절하는 제2 추기량 조절 단계 S16b를 포함한다.
상기 2개의 영역의 온도는, 예를 들면, 도 3에 나타내는 온도계(70 및 72)로 검출한다.
예시적인 실시형태에서는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 추기 단계 S16에 있어서, 냉동기(10)(10A)의 COP 또는 팽창기(T)의 흡입측과 토출측의 냉매 온도차의 적어도 한쪽에 근거하여, 팽창기 일체형 압축기(14)의 케이싱 내부의 영역(Is)으로부터 중단 압축기(C2)의 흡입측 또는 토출측으로의 추기량을 조절하는 제3 추기량 조절 단계 S16c를 포함한다.
제1 추기량 조절 단계 S16a, 제2 추기량 조절 단계 S16b 및 제3 추기량 조절 단계 S16c는, 적어도 하나 행하거나 또는 2이상 병용해도 된다. 또, 이러한 단계 S16a~16c의 실시 순서는 도시의 순서에 한정되지 않는다.
예시적인 실시형태에서는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 중단 압축기(16)는 제1 모터(M1)의 일단에 고정된 컴프레서 임펠러(52)를 가지는 원심 압축기이며, 팽창기(T)는 제1 모터(M1)의 타단에 고정된 터빈 임펠러(54)를 가지는 원심 팽창기이다.
그리고, 압축 단계 S10 및 팽창 단계 S12 에 있어서, 컴프레서 임펠러(52)의 배면측 압력과 터빈 임펠러(54)의 배면측 압력이 동등해지도록 조절한다.
몇개의 실시형태에 의하면, 도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 중단 압축기(C2) 및 팽창기(T)를 일체화한 팽창기 일체형 압축기(14)를 구비함으로써, 정상 운전 중의 중단 압축기(C2)의 출구 정압과 팽창기(T)의 입구 정압의 압력차를 축소 가능 또는 거의 동등하게 할 수 있다. 이것에 의해서, 중단 압축기(C2)로부터 팽창기(T)에 누설하는 냉매량 및 침입열을 억제할 수 있고, 팽창기(T)의 단열 효율 및 냉동기(10)(10A, 10B)의 냉동 성능의 저하를 억제할 수 있다.
예시적인 실시형태에 의하면, 도 1 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 또한, 중단 압축기(C2)로부터 팽창기(T)측으로의 냉매의 누설이 생기는 경우, 추기 라인(56)(56＇)을 통하여, 누출 냉매(r0)의 적어도 일부를 영역(Is)으로부터 케이싱외에 추기함으로써, 팽창기측에 유입하는 냉매량을 더욱 저감시킬 수 있다.
예시적인 실시형태에 의하면, 도 1에 나타내는 바와 같이, 영역(Is) 중 중단 압축기측과 팽창기측의 압력 또는 온도의 차이를 검출함으로써, 누출 냉매(r0)의 유무 및 누출량을 정확하게 예측할 수 있다. 이 예측에 근거하여 냉동기(10)(10A)의 운전을 제어하고, 혹은 추기 라인(56)(56＇)의 추기량을 조절함으로써, 팽창기(T)로의 열침입을 억제할 수 있다.
예시적인 실시형태에 의하면, 도 1 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 추기 라인(56)(56＇)에 추기 밸브(58)을 설치함과 함께, 상기 압력차 또는 상기 온도차에 근거하여 추기 밸브(58)의 개도를 제어하는 컨트롤러(60)를 설치함으로써, 팽창기(T)로의 열침입을 효율적으로 억제할 수 있다.
예시적인 실시형태에 의하면, 도 1에 나타내는 바와 같이, 냉동기(10)(10A)의 COP 또는 팽창기(T)의 흡입측과 토출측의 냉매 온도차 중 적어도 어느 한쪽에 근거하여, 컨트롤러(60)에 의해서 추기 밸브(58)의 개도를 제어함으로써, 운전 조건에 따라서 추기량을 COP가 최대가 되는 값으로 제어할 수 있고, 이것에 의해서, 냉동기(10)(10A)의 COP를 향상시킬 수 있다.
예시적인 실시형태에 의하면, 팽창기(T) 및 냉각부(12), 또 냉열 회수 열교환기(30)가 단열 하우징(74)에 수용되기 때문에, 외부열의 침입에 의한 팽창기(T)의 단열 효율의 저하 및 냉동기(10)(10A)의 냉동 성능의 저하를 억제할 수 있다.
예시적인 실시형태에 의하면, 저단 압축기(C1) 및 고단 압축기(C3)를 일체화한 압축기 유닛(76)을 구비함으로써, 냉동기(10)(10A, 10B)의 구성을 간단하고 쉽게 저비용화할 수 있다. 또, 1개의 모터로 저단 압축기(C1) 및 고단 압축기(C3)의 구동을 겸용할 수 있으므로, 저단 압축기(C1) 및 고단 압축기(C3)를 각각 단독으로 구동하는 경우와 비교해서, 이러한 구동에 필요로 하는 동력을 저감시킬 수 있다.
예시적인 실시형태에 의하면, 도 2에 나타내는 바와 같이, 제1 열교환기(Hx1), 제2 열교환기(Hx2) 및 제3 열교환기(Hx3)를 길이 방향이 서로 병렬이 되도록 배치하기 때문에, 이러한 열교환기의 배치 스페이스를 공간 절약화할 수 있다.
또, 이러한 열교환기를 유닛화하여 열교환기 유닛(80)을 구성하고, 팽창기 일체형 압축기(14)와 압축기 유닛(76)의 사이에 배치하기 때문에, 이러한 기기간에 접속되는 배관의 배치가 용이함과 함께, 배관의 길이를 축소할 수 있고 저비용화할 수 있다. 또, 배관의 길이를 축소함으로써, 배관을 흐르는 냉매의 압력 손실을 저감시킬 수 있고, 이것에 의해서 냉동기(10)(10A, 10B)의 냉동 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 버퍼 탱크(40)를 설치하는 경우라도, 공간 절약화할 수 있고 또한 배관의 부착도 용이해진다.
도 6은, 비교예로서의 냉동기(100)에 있어서의 각 기기의 배치를 나타낸다. 냉동기(100)에서는, 제3 열교환기(Hx3)는 압축기 유닛(76)과 함께, 유닛(102)을 구성하고, 열교환기 유닛(104)은 제1 열교환기(Hx1) 및 제2 열교환기(Hx2)만으로 구성하고 있다.
냉동기(100)에서는, 압축기 유닛(102)의 스페이스가 커지고, 비교적 열교환기 유닛(104)의 배치 스페이스는 공간 절약화할 수 없다. 또, 각 기기에 접속되는 배관의 길이가 길어지고, 배관을 흐르는 냉매의 압력 손실이 증가해 냉동기(100)의 성능 저하를 초래한다.
또, 도 7에 나타내는 바와 같이, 저단 압축기(C1) 및 중단 압축기(C2)를 일체화한 압축기 유닛(106)을 구성한 경우, 저단 압축기(C1), 중단 압축기(C2)와 제1 열교환기(Hx1), 제2 열교환기(Hx2)의 사이에 배관을 접속할 때, 도시와 같이, 냉동기(100)보다도 여분의 배관의 설치가 필요해진다. 따라서, 배관의 설치에 넓은 스페이스를 필요로 하고, 또 배관의 길이가 길어져, 배관을 흐르는 냉매의 압력 손실이 증가하여 냉동기(100)의 성능 저하를 초래한다.
도 5는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 저단 압축기(C1) 및 고단 압축기(C3)의 구성을 나타낸다. 본 실시형태에서는, 저단 압축기(C1) 및 고단 압축기(C3)는, 각각 독자적인 모터(M3 및 M4)를 구비하고 있다. 모터(M3 및 M4)에는 각각 동력계(94 및 96)가 설치되고, 이러한 동력계의 검출값은 컨트롤러(60)에 입력된다. 본 실시형태의 다른 구성은 도 1에 나타내는 실시형태와 동일하다.
본 실시형태에 의하면, 저단 압축기(C1) 및 고단 압축기(C3)는, 각각 독자적인 모터 회전수로 구동할 수 있기 때문에, 각각의 압축기의 최적인 운전 조건으로 운전할 수 있다.
산업상의 이용 가능성
본 발명의 적어도 일 실시형태에 의하면, 브레이턴 사이클를 이용하여 팽창기 일체형 압축기를 구비한 냉동기에 있어서, 압축기로부터 팽창기측으로의 냉매의 누출을 억제할 수 있고, 이것에 의해서, 팽창기의 단열 효율의 저하 및 냉동기의 냉동 성능 저하를 억제할 수 있다.
10(10A, 10B), 100:냉동기 12:냉각부
14:팽창기 일체형 압축기 16:냉매 순환 라인
16a:바이패스 라인 20a, 78:출력축
20b:스테이터 22,24,26:비접촉형 베어링
28:케이싱 30:냉열 회수 열교환기
32:초전도 기기 34:액체 질소 순환 라인
36:리저버 탱크 38:액체 질소 펌프
40:버퍼 탱크 42,44:개폐 밸브
50:로터 디스크 52:임펠러
54:터빈 로터 56,56＇:추기 라인
58:추기 밸브 60:컨트롤러
62,64:시일부 66,68:압력계
70,72,86,88:온도계 74:단열 하우징
76,102:압축기 유닛 80,104:열교환기 유닛
82,84,94,96:동력계 90,92:유량계
C1:저단 압축기 C2:중단 압축기
C3:고단 압축기 Hx1:제1 열교환기
Hx2:제2 열교환기 Hx3:제3 열교환기
Is:영역 M1:제1 모터
M2:제2 모터 T:팽창기
r:냉매 r0:누출 냉매
w:냉각수

Claims (14)

  1. 냉각 대상물을 냉매와의 열교환에 의해 냉각하기 위한 냉각부와,
    상기 냉매를 압축하기 위한 압축기 및 상기 냉매를 팽창시키기 위한 팽창기가 일체화된 팽창기 일체형 압축기와,
    상기 압축기, 상기 팽창기 및 상기 냉각부를 통하여 상기 냉매를 순환시키도록 구성된 냉매 순환 라인을 구비하는 냉동기로서,
    상기 냉매 순환 라인에 저단 압축기, 중단 압축기 및 고단 압축기가 직렬로 설치되고,
    상기 팽창기 일체형 압축기는,
    상기 중단 압축기와,
    상기 중단 압축기와 일체로 형성되고, 상기 고단 압축기로부터 토출된 냉매를 단열 팽창해 냉각하기 위한 팽창기와,
    출력축이 상기 중단 압축기 및 상기 팽창기에 접속되는 제1 모터와,
    상기 중단 압축기와 상기 팽창기의 사이에 배치되고, 상기 제1 모터의 상기 출력축을 비접촉으로 지지하기 위한 적어도 하나의 비접촉형 베어링과,
    상기 중단 압축기, 상기 팽창기, 및 상기 적어도 하나의 비접촉형 베어링을 수용하는 케이싱을 구비한 것을 특징으로 하는 냉동기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 케이싱의 내부 공간 중 상기 중단 압축기와 상기 팽창기 사이의 영역에 연통하도록 설치되고, 상기 케이싱 내부에 있어서 상기 중단 압축기측으로부터 상기 팽창기측을 향하는 누출 냉매의 적어도 일부를 상기 영역으로부터 상기 케이싱의 외부의 상기 중단 압축기의 흡입측 또는 토출측에 접속되는 냉매 순환 라인에 추기(抽氣)하기 위한 추기 라인을 더 구비하고,
    상기 케이싱은, 상기 영역과 상기 케이싱의 외부 사이의 상기 냉매의 흐름이 상기 추기 라인을 통한 상기 누출 냉매의 적어도 일부의 흐름만이 되도록, 상기 영역을 상기 케이싱의 외부로부터 밀폐하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 냉동기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 케이싱의 내부 공간의 상기 영역 중 상기 팽창기보다 상기 중단 압축기에 가까운 영역의 압력과, 상기 영역 중 상기 중단 압축기보다 상기 팽창기에 가까운 영역의 압력의 차압을 검출하기 위한 압력계를 더 구비하고,
    상기 압력계의 검출값으로부터 상기 누출 냉매의 유무를 검출하는 것을 특징으로 하는 냉동기.
  4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 영역 중 상기 팽창기보다 상기 중단 압축기에 가까운 영역의 온도와,
    상기 영역 중 상기 중단 압축기보다 상기 팽창기에 가까운 영역의 온도의 온도차를 검출하기 위한 온도계를 더 구비하고,
    상기 온도계의 검출값으로부터 상기 누출 냉매의 유무를 검출하는 것을 특징으로 하는 냉동기.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 케이싱의 내부 공간의 상기 영역 중 상기 팽창기보다 상기 중단 압축기에 가까운 영역의 압력과, 상기 영역 중 상기 중단 압축기보다 상기 팽창기에 가까운 영역의 압력의 차압을 검출하기 위한 압력계, 또는, 상기 영역 중 상기 팽창기보다 상기 중단 압축기에 가까운 영역의 온도와, 상기 영역 중 상기 중단 압축기보다 상기 팽창기에 가까운 영역의 온도의 온도차를 검출하기 위한 온도계 중 적어도 어느 하나와,
    상기 추기 라인에 설치되고, 상기 누출 냉매의 추기량을 조절하기 위한 추기 밸브와,
    상기 압력계 또는 상기 온도계의 검출값에 근거하여, 상기 추기 밸브의 개도(開度)를 제어하기 위한 컨트롤러를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 냉동기.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 냉동기의 COP 또는 상기 팽창기의 흡입측과 토출측의 냉매 온도차 중 적어도 한쪽에 근거하여, 상기 추기 밸브의 개도를 제어하는 것임을 특징으로 하는 냉동기.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 팽창기 및 상기 냉각부가 수용되고, 외부로부터 단열된 단열 하우징을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 냉동기.
  8. 청구항 1에 있어서,
    출력축이 상기 저단 압축기 및 상기 고단 압축기에 접속되는 제2 모터와,
    상기 저단 압축기와 상기 고단 압축기의 사이에 배치되고, 상기 제2 모터의 상기 출력축을 비접촉으로 지지하기 위한 적어도 하나의 비접촉형 베어링과,
    상기 저단 압축기, 상기 고단 압축기 및 상기 적어도 하나의 비접촉형 베어링을 수용하는 케이싱을 갖는 압축기 유닛을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 냉동기.
  9. 청구항 8에 있어서,
    길이 방향이 서로 병렬이 되도록 배치된 제1 열교환기, 제2 열교환기 및 제3 열교환기를 더 구비하고,
    상기 제1 열교환기는, 상기 저단 압축기와 상기 중단 압축기 사이의 상기 냉매 순환 라인에 설치되고, 상기 저단 압축기로부터 토출된 냉매를 냉각하기 위한 것이고,
    상기 제2 열교환기는, 상기 중단 압축기와 상기 고단 압축기 사이의 상기 냉매 순환 라인에 설치되고, 상기 중단 압축기로부터 토출된 냉매를 냉각하기 위한 것이며,
    상기 제3 열교환기는, 상기 고단 압축기와 상기 팽창기 사이의 상기 냉매 순환 라인에 설치되고, 상기 고단 압축기로부터 토출된 냉매를 냉각하기 위한 것이고,
    상기 제1 열교환기, 상기 제2 열교환기 및 상기 제3 열교환기는, 상기 팽창기 일체형 압축기와 상기 압축기 유닛 사이에 배치됨과 함께, 길이 방향이 서로 병렬이 되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 냉동기.
  10. 냉각 대상물을 냉매와의 열교환에 의해 냉각하기 위한 냉각부와,
    상기 냉매를 압축하기 위한 압축기 및 상기 냉매를 팽창시키기 위한 팽창기가 일체화된 팽창기 일체형 압축기와,
    상기 압축기, 상기 팽창기 및 상기 냉각부를 통해 상기 냉매를 순환시키도록 구성된 냉매 순환 라인을 포함하고,
    상기 냉매 순환 라인에 저단 압축기, 중단 압축기 및 고단 압축기가 직렬로 설치되고,
    상기 팽창기 일체형 압축기는,
    상기 중단 압축기와,
    상기 중단 압축기와 일체로 형성되고, 상기 중단 압축기로부터 토출된 냉매를 단열 팽창하여 냉각하기 위한 팽창기와,
    출력축이 상기 중단 압축기 및 상기 팽창기에 접속되는 제1 모터와,
    상기 중단 압축기와 상기 팽창기의 사이에 배치되고, 상기 제1 모터의 상기 출력축을 비접촉으로 지지하기 위한 적어도 하나의 비접촉형 베어링과,
    상기 중단 압축기, 상기 팽창기, 및, 상기 적어도 하나의 비접촉형 베어링을 수용하는 케이싱을 구비하고,
    상기 케이싱은, 상기 케이싱의 내부 공간 중 상기 중단 압축기와 상기 팽창기 사이의 영역을 상기 케이싱의 외부로부터 밀폐하도록 구성되는 냉동기의 운전 방법으로서,
    상기 3개의 압축기에 의해 냉매를 압축하는 압축 단계와,
    상기 압축 단계에 있어서 압축된 상기 냉매를 상기 팽창기에 의해 팽창시키는 팽창 단계와,
    상기 팽창 단계에 있어서 팽창된 상기 냉매와의 열교환에 의해 냉각 대상물을 냉각하는 냉각 단계와,
    상기 케이싱 내부의 상기 영역에 연통하도록 설치된 추기 라인을 통해서, 상기 케이싱 내부에 있어서 상기 중단 압축기측으로부터 상기 팽창기측을 향하는 누출 냉매의 적어도 일부를 상기 케이싱 내부의 상기 영역으로부터 상기 케이싱의 외부의 상기 압축기의 흡입측 또는 토출측에 접속되는 냉매 순환 라인에 추기하는 추기 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 냉동기의 운전 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 추기 단계는,
    상기 케이싱 내부의 상기 영역 중 상기 팽창기보다 상기 중단 압축기에 가까운 영역의 압력과, 상기 영역 중 상기 중단 압축기보다 상기 팽창기에 가까운 영역의 압력의 차압에 근거하여, 상기 중단 압축기의 흡입측 또는 토출측으로의 추기량을 조절하는 제1 추기량 조절 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉동기의 운전 방법.
  12. 청구항 10 또는 청구항 11에 있어서,
    상기 추기 단계는,
    상기 케이싱 내부의 상기 영역 중 상기 팽창기보다 상기 중단 압축기에 가까운 영역의 온도와, 상기 영역 중 상기 중단 압축기보다 상기 팽창기에 가까운 영역의 온도의 온도차에 근거하여, 상기 중단 압축기의 흡입측 또는 토출측으로의 추기량을 조절하는 제2 추기량 조절 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉동기의 운전 방법.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 추기 단계는,
    상기 냉동기의 COP 또는 상기 팽창기의 흡입측과 토출측의 냉매 온도차 중 적어도 한쪽에 근거하여, 상기 케이싱 내부의 상기 영역으로부터 상기 압축기의 흡입측으로의 추기량을 조절하는 제3 추기량 조절 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉동기의 운전 방법.
  14. 청구항 10에 있어서,
    상기 중단 압축기는 상기 제1 모터의 일단에 고정된 컴프레서 휠을 가지는 원심 압축기이며,
    상기 팽창기는 상기 제1 모터의 타단에 고정된 터빈 휠을 가지는 원심 팽창기이며,
    상기 압축 단계 및 상기 팽창 단계에 있어서,
    상기 원심 압축기의 배면측 압력과 상기 원심 팽창기의 배면측 압력을 동등하게 조절하는 것을 특징으로 하는 냉동기의 운전 방법.
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