Детандер-компрессор, холодильное устройство и способ эксплуатации холодильного устройства

Детандер-компрессор, холодильное устройство и способ эксплуатации холодильного устройства

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

[0001] Настоящее раскрытие относится к детандеру-компрессору, холодильному устройству и способу эксплуатации холодильного устройства.

Уровень техники

[0002] В качестве компрессора для выполнения такта сжатия в цикле охлаждения в холодильном устройстве используется компрессор, использующий бесконтактный подшипник, такой как магнитный подшипник, в качестве подшипника для выходного вала двигателя, приводящего в действие компрессор. Бесконтактный подшипник поддерживает вращающийся вал, например, выходной вал двигателя, без контакта. Таким образом, по сравнению с роликовым подшипником, который поддерживает вращающийся вал в контакте с вращающимся валом, бесконтактный подшипник не вызывает механические потери на трение с вращающимся валом, и он имеет отличную долговечность из-за отсутствия трения. Таким образом, компрессор, использующий бесконтактный подшипник, такой как магнитный подшипник, в качестве подшипника для выходного вала двигателя, используется, когда двигатель должен использоваться при высокой скорости вращения, например.

[0003] Патентный документ 1 раскрывает турбинный компрессор, использующий магнитный подшипник, где крыльчатка турбины устанавливается на одном конце, а крыльчатка компрессора - на другом конце вала, и вал поддерживается магнитным подшипником, что представляет собой пример детандера-компрессора, использующего бесконтактный подшипник, как описано выше.

Список ссылок

Патентная литература

[0004] Патентный документ 1: JP H7-91760 A

Сущность раскрытия

Техническая проблема

[0005] Когда детандер-компрессор, который раскрыт в патентном документе 1, используется для холодильного устройства, часть энергии расширения, создаваемой, когда текучая среда расширяется в детандере, восстанавливается, и восстановленная энергия расширения используется в качестве энергии вращения для вращающегося вала двигателя для приведения в действие компрессора. Таким образом, мощность для двигателя может быть уменьшена, и коэффициент полезного действия (КПД) может быть увеличен.

В связи с этим для того чтобы дополнительно улучшать энергоэффективность, желательно дополнительно увеличивать КПД.

[0006] Задачей по меньшей мере одного варианта выполнения является обеспечение детандера-компрессора, холодильного устройства и способа работы холодильного устройства, способного увеличивать КПД холодильного устройства.

Решение проблемы

[0007] Детандер-компрессор в соответствии по меньшей мере с одним вариантом выполнения настоящего изобретения содержит: двигатель; компрессор, соединенный с выходным валом двигателя и выполненный с возможностью приведения в действие двигателем для сжатия текучей среды; детандер, соединенный с выходным валом двигателя и выполненный с возможностью расширения текучей среды для восстановления энергии для выходного вала из текучей среды; по меньшей мере один бесконтактный подшипник, расположенный между компрессором и детандером, и выполненный с возможностью поддержки выходного вала без контакта; корпус для размещения двигателя, компрессора, детандера и указанного по меньшей мере одного бесконтактного подшипника; и линию отбора, сообщающуюся с областью между компрессором и детандером во внутреннем пространстве корпуса и выполненную с возможностью отбора и направления по меньшей мере части просачивающейся текучей среды со стороны компрессора к стороне детандера во внутреннем пространстве корпуса, из указанной области к линии для текучей среды, соединенной со стороной впуска или стороной выпуска компрессора с внешней стороны корпуса. Корпус выполнен с возможностью уплотнения указанной области с внешней стороны корпуса так, что поток указанной по меньшей мере части просачивающейся текучей среды через линию отбора представляет собой единственный поток текучей среды между указанной областью и внешней стороной корпуса.

[0008] В детандере-компрессоре область между детандером и компрессором во внутреннем пространстве корпуса не является первоначальным путем потока рабочей текучей среды. Таким образом, обычно обеспечены уплотнения между компрессором и вышеописанной областью и между детандером и вышеописанной областью так, что рабочая текучая среда не просачивается от компрессора или детандера в вышеописанную область. Однако, даже если такие уплотнения обеспечены, трудно полностью уплотнять рабочую текучую среду для предотвращения ее от просачивания со стороны компрессора.

В результате обширного исследования, проведенного авторами настоящего изобретения, они обнаружили, что часть рабочей текучей среды, сжимаемой компрессором, может просачиваться через небольшой зазор в уплотнении со стороны компрессора через указанную область к стороне детандера, и, что просачивающаяся текучая среда, протекшая в сторону детандера и имеющая высокую температуру, может вызывать снижение адиабатической эффективности детандера.

Детандер-компрессор согласно вышеописанному варианту выполнения был выполнен, основываясь на вышеописанном открытии авторов настоящего изобретения, и в вышеописанном варианте выполнения линия отбора выполнен сообщающейся с областью между компрессором и детандером во внутреннем пространстве корпуса, и по меньшей мере часть просачивающейся текучей среды со стороны компрессора к стороне детандера в корпусе отбирается и направляется из указанной области к линии для текучей среды, соединенной со стороной впуска или стороной выпуска компрессора с внешней стороны корпуса. Таким образом, количество просачивающейся текучей среды, имеющей высокую температуру, текущей в сторону детандера, уменьшается, и передача тепла от высокотемпературной просачивающейся текучей среды детандеру уменьшается, посредством чего возможно подавлять снижение адиабатической эффективности детандера из-за просачивающейся текучей среды со стороны компрессора. Тем самым, возможно увеличивать КПД холодильного устройства, использующего детандер-компрессор.

Дополнительно, если корпус не уплотнен с внешней стороны, и газ, отличный от просачивающейся текучей среды из указанной области к линии для текучей среды, имеет возможность протекать с внешней стороны корпуса в указанную область, тепло может передаваться от газа, который протекает с внешней стороны корпуса в указанную область к стороне детандера, которая имеет относительно низкую температуру. Таким образом, не только просачивающаяся текучая среда, но и газ, протекший с внешней стороны корпуса в указанную область, может быть фактором непреднамеренного подвода тепла к стороне детандера, и даже если предусмотрена линия отбора, трудно эффективно подавлять такой непреднамеренный подвод тепла к стороне детандера.

Для сравнения, в детандере-компрессоре согласно вышеописанному варианту выполнения указанная область уплотнена с внешней стороны корпуса так, что поток указанной по меньшей мере части просачивающейся текучей среды через линию отбора представляет собой единственный поток текучей среды между указанной областью и внешней стороной корпуса. Таким образом, фактором непреднамеренного подвода тепла к стороне детандера в основном является только просачивающаяся текучая среда. Таким образом, формируя поток рабочей текучей среды для введения по меньшей мере части просачивающейся текучей среды со стороны компрессора к стороне детандера в указанной области в линию для текучей среды, возможно эффективно подавлять непреднамеренный подвод тепла к стороне детандера и, тем самым, существенно увеличивать КПД.

[0009] В некоторых вариантах выполнения детандер-компрессор дополнительно содержит по меньшей мере один второй компрессор, отличный от вышеописанного компрессора. Второй компрессор соединен с выходным валом двигателя.

[0010] В некоторых вариантах выполнения детандер-компрессор дополнительно содержит по меньшей мере один второй компрессор, отличный от вышеописанного компрессора. Второй компрессор соединен со вторым выходным валом, отличным от выходного вала двигателя.

[0011] Холодильное устройство согласно по меньшей мере одному варианту выполнения настоящего изобретения содержит: охлаждающую часть для охлаждения охлаждаемого объекта путем теплообмена с хладагентом; детандер-компрессор, имеющий компрессор для сжатия хладагента и встроенный детандер для расширения хладагента; и линию циркуляции хладагента, выполненную с возможностью позволять хладагенту циркулировать через компрессор, детандер и охлаждающую часть. Детандер-компрессор содержит: двигатель; компрессор, соединенный с выходным валом двигателя и выполненный с возможностью приведения в действие двигателем для сжатия хладагента; детандер, соединенный с выходным валом двигателя и выполненный с возможностью расширения хладагента для восстановления энергии для выходного вала из хладагента; по меньшей мере один бесконтактный подшипник, расположенный между компрессором и детандером и выполненный с возможностью поддержки выходного вала без контакта; корпус для размещения двигателя, компрессора, детандера и по меньшей мере одного бесконтактного подшипника; и линию отбора, сообщающуюся с областью между компрессором и детандером во внутреннем пространстве корпуса и выполненную с возможностью отбора и направления по меньшей мере части просачивающегося хладагента со стороны компрессора к стороне детандера во внутреннем пространстве корпуса, из указанной области к линии циркуляции хладагента, соединенной со стороной впуска или стороной выпуска компрессора с внешней стороны корпуса. Корпус выполнен с возможностью уплотнения указанной области с внешней стороны корпуса так, что поток указанной по меньшей мере части просачивающегося текучей среды через линию отбора представляет собой единственный поток текучей среды между указанной областью и внешней стороной корпуса.

[0012] В холодильном устройстве согласно вышеописанному варианту выполнения детандер-компрессор имеет линию отбора, сообщающуюся с областью между компрессором и детандером во внутреннем пространстве корпуса, и по меньшей мере часть просачивающегося хладагента со стороны компрессора к стороне детандера в корпусе отбирается и направляется из указанной области к линии циркуляции хладагента, соединенной со стороной впуска или стороной выпуска компрессора с внешней стороны корпуса. Таким образом, количество просачивающегося хладагента, имеющего высокую температуру, текущего в сторону детандера, уменьшается, и передача тепла от высокотемпературного просачивающегося хладагента детандеру уменьшается, посредством чего возможно подавлять снижение адиабатической эффективности детандера из-за просачивающегося хладагента со стороны компрессора. Тем самым, возможно увеличивать КПД холодильного устройства, использующего детандер-компрессор.

Дополнительно, если корпус не уплотнен с внешней стороны, и газ, отличный от просачивающейся текучей среды из указанной области к линии циркуляции хладагента, имеет возможность протекать с внешней стороны корпуса в указанную область, тепло может передаваться от газа, который протекает с внешней стороны корпуса в указанную область к стороне детандера, которая имеет относительно низкую температуру. Таким образом, не только просачивающийся хладагент, но и газ, протекший с внешней стороны корпуса в указанную область, может быть фактором непреднамеренного подвода тепла к стороне детандера, и даже если обеспечена линия отбора, трудно эффективно подавлять такой непреднамеренный подвод тепла к стороне детандера.

Для сравнения, в холодильном устройстве согласно вышеописанному варианту выполнения указанная область уплотнена с внешней стороны корпуса так, что поток по меньшей мере части просачивающегося хладагента через линию отбора представляет собой единственный поток текучей среды между указанной областью и внешней стороной корпуса. Таким образом, фактором непреднамеренного подвода тепла к стороне детандера в основном является только просачивающийся хладагент. Таким образом, формируя поток рабочей текучей среды для введения по меньшей мере части просачивающегося хладагента со стороны компрессора к стороне детандера в указанной области в линию для текучей среды, возможно эффективно подавлять непреднамеренный подвод тепла к стороне детандера и, тем самым, существенно увеличивать КПД.

[0013] Детандер-компрессор дополнительно содержит клапан отбора, выполненный на линии отбора для регулирования величины отбора просачивающегося хладагента и контроллер для управления клапаном отбора. Контроллер выполнен с возможностью управления степенью открытия клапана отбора на основе по меньшей мере одного из КПД холодильного устройства или разницы температур хладагента между температурой на стороне впуска и температурой на стороне выпуска детандера.

КПД холодильного устройства может быть получен из КПД (COPb), основанного на потреблении мощности, представленного следующей формулой (1), КПД (COPc), основанного на энергии сжатия, представленной следующей формулой (2), или т.п.:

где в вышеприведенных формулах (1) и (2) G - массовый расход [кг/с] хладагента, циркулирующего на линии циркуляции хладагента, P - мощность (потребление мощности) [Вт] двигателя, h1 - энтальпия [Дж/кг] на впуске компрессора, h2 - энтальпия [Дж/кг] на выпуске компрессора, h5 - энтальпия [Дж/кг] на впуске теплообменника для охлаждающей части и h6 - энтальпия [Дж/кг] на выпуске теплообменника для охлаждающей части.

Тепло, текущее в сторону детандера из-за просачивающегося хладагента уменьшается, так как величина отбора просачивающегося хладагента, отправляемого к линии циркуляции хладагента, увеличивается. С другой стороны, если величина отбора является слишком большой, увеличивается количество просачивающегося хладагента, который сжимается компрессором, но который не циркулирует на линии циркуляции хладагента и не способствует охлаждению охлаждаемого объекта, что может приводить к увеличению мощности двигателя, используемой для сжатия, и снижению эффективности компрессора. Таким образом, имеется величина отбора (максимальная величина отбора КПД), с которой КПД холодильного устройства, использующего детандер-компрессор, становится самым большим.

C учетом этого вышеописанный холодильное устройство согласно вышеописанному варианту выполнения имеет контроллер, выполненный с возможностью управления степенью открытия клапана отбора на основе по меньшей мере одного из КПД холодильного устройства или разницы температур хладагента между температурой на стороне впуска и температурой на стороне выпуска компрессора. Таким образом, управляя величиной отбора на основе по меньшей мере одного из КПД холодильного устройства или разницы температур хладагента между температурой на стороне впуска и температурой на стороне выпуска детандера так, что величина отбора становится значением вблизи максимальной величины отбора КПД в зависимости от рабочих условий, возможно увеличивать КПД холодильного устройства.

При работе, когда изменения в условиях невелики, степень открытия может регулироваться ручным клапаном, и степень открытия может быть постоянной.

[0014] Способ работы холодильного устройства согласно варианту выполнения настоящего изобретения представляет собой способ работы холодильного устройства, включающего в себя детандер-компрессор, содержащий: двигатель; компрессор, соединенный с выходным валом двигателя; детандер, соединенный с выходным валом двигателя; по меньшей мере один бесконтактный подшипник, расположенный между компрессором и детандером и выполненный с возможностью поддержки выходного вала без контакта; и корпус для размещения двигателя, компрессора, детандера и по меньшей мере одного бесконтактного подшипника. Корпус выполнен с возможностью уплотнения указанной области с внешней стороны корпуса так, что поток по меньшей мере части просачивающейся текучей среды через линию отбора представляет собой единственный поток текучей среды между указанной областью и внешней стороной корпуса. Способ содержит: этап сжатия, на котором сжимают хладагент с использованием компрессора; этап расширения, на котором расширяют хладагент, сжатый на этапе сжатия, с использованием детандера; этап охлаждения, на котором охлаждают охлаждаемый объект путем теплообмена с хладагентом, расширенным на этапе расширения; и этап отбора, на котором отбирают и отправляют через линию отбора, сообщающуюся с областью между компрессором и детандером во внутреннем пространстве корпуса, по меньшей мере часть просачивающегося хладагента со стороны компрессора к стороне детандера во внутреннем пространстве корпуса, из указанной области к лини циркуляции хладагента, соединенной со стороной впуска или стороной выпуска компрессора с внешней стороны корпуса.

[0015] Согласно способу работы согласно вышеописанному варианту выполнения на этапе отбора по меньшей мере часть просачивающегося хладагента со стороны компрессора к стороне детандера в корпусе отбирают и отправляют из указанной области к линии циркуляции хладагента, соединенной со стороной впуска или стороной выпуска компрессора с внешней стороны корпуса, через линию отбора, сообщающуюся с областью между компрессором и детандером во внутреннем пространстве корпуса детандера-компрессора. Таким образом, количество просачивающегося хладагента, имеющего высокую температуру, текущего в сторону детандера, уменьшается, и передача тепла от высокотемпературного просачивающегося хладагента детандеру уменьшается, посредством чего возможно подавлять снижение адиабатической эффективности детандера из-за просачивающегося хладагента со стороны компрессора. Тем самым, возможно увеличивать КПД холодильного устройства, использующего детандер-компрессор.

Дополнительно, если корпус не уплотнен с внешней стороны, и газ, отличный от просачивающейся текучей среды из указанной области к линии циркуляции хладагента, имеет возможность протекать с внешней стороны корпуса в указанную область, тепло может передаваться от газа, который протекает с внешней стороны корпуса в указанную область к стороне детандера, которая имеет относительно низкую температуру. Таким образом, не только просачивающийся хладагент, но и газ, протекший с внешней стороны корпуса в указанную область, может быть фактором непреднамеренного подвода тепла к стороне детандера, и даже если предусмотрена линия отбора, трудно эффективно подавлять такой непреднамеренный подвод тепла к стороне детандера.

Для сравнения, в способе работы согласно вышеописанному варианту выполнения указанная область уплотнена с внешней стороны корпуса так, что поток по меньшей мере части просачивающегося хладагента через линию отбора представляет собой единственный поток текучей среды между указанной областью и внешней стороной корпуса. Таким образом, фактором непреднамеренного подвода тепла к стороне детандера в основном является только просачивающийся хладагент. Таким образом, формируя поток рабочей текучей среды для введения по меньшей мере части просачивающегося хладагента со стороны компрессора к стороне детандера в указанной области в линию для текучей среды, возможно эффективно подавлять непреднамеренный подвод тепла к стороне детандера и, тем самым, существенно увеличивать КПД.

[0016] В некоторых вариантах выполнения способ работы дополнительно содержит этап регулирования величины отбора, на котором регулируют величину отбора из указанной области во внутреннем пространстве корпуса к стороне впуска компрессора на основе по меньшей мере одного из КПД холодильного устройства или разницы температур хладагента между температурой на стороне впуска и температурой на стороне выпуска компрессора.

В этом случае, так как величина отбора регулируется на основе по меньшей мере одного из КПД холодильного устройства или разницы температур хладагента между температурой на стороне впуска и температурой на стороне выпуска компрессора, возможно увеличивать КПД холодильного устройства.

Полезные эффекты изобретения

[0017] Согласно по меньшей мере одному варианту выполнения настоящего изобретения возможно уменьшать передачу тепла от текучей среды, просочившейся со стороны компрессора в корпусе детандера-компрессора, детандеру, тем самым, улучшать коэффициент полезного действия (КПД) холодильного устройства.

Краткое описание чертежей

[0018] Фиг. 1 представляет собой схематическое изображение, иллюстрирующее детандер-компрессор согласно варианту выполнения.

Фиг. 2 представляет собой схематическое изображение, иллюстрирующее холодильное устройство согласно варианту выполнения.

Фиг. 3 представляет собой схематическое изображение, иллюстрирующее холодильное устройство согласно варианту выполнения.

Фиг. 4 представляет собой схематическое изображение, иллюстрирующее холодильное устройство согласно варианту выполнения.

Фиг. 5 представляет собой график, показывающий сравнение отношения адиабатической эффективности между холодильным устройством согласно варианту выполнения и холодильным устройством согласно сравнительному примеру.

Фиг. 6 представляет собой график, показывающий сравнение отношения холодопроизводительностей между холодильным устройством согласно варианту выполнения и холодильным устройством согласно сравнительному примеру.

Фиг. 7 представляет собой график, показывающий сравнение отношения КПД между холодильным устройством согласно варианту выполнения и холодильным устройством согласно сравнительному примеру.

Подробное описание

[0019] Варианты выполнения настоящего изобретения далее будут описаны подробно со ссылкой на сопровождающие чертежи. Однако предполагается, что, если особо не оговорено, размеры, материалы, формы, относительные положения и т.п. компонентов, описанных в вариантах выполнения, должны интерпретироваться только как иллюстративные и не ограничивающие объем охраны настоящего изобретения.

[0020] Фиг. 1 представляет собой схематическое изображение детандера-компрессора согласно варианту выполнения. Как проиллюстрировано на Фиг. 1, детандер-компрессор 1 включает в себя двигатель 2, компрессор 4, детандер 6, бесконтактные подшипники 32, 34 и 36, корпус 9 и линию 24 отбора.

Компрессор 4 соединен с выходным валом 3 двигателя 2 и выполнен с возможностью приведения в действие двигателем 2 для сжатия текучей среды. С другой стороны, детандер 6 соединен с выходным валом 3 двигателя 2 и выполнен с возможностью расширения текучей среды для восстановления энергии для выходного вала 3 из текучей среды. Двигатель 2 может быть выполнен между компрессором 4 и детандером 6, как проиллюстрировано на Фиг. 1. В другом варианте выполнения двигатель 2 может быть выполнен вне компрессора 4 и детандера (то есть двигатель 2, компрессор 4 и детандер 6 могут быть выполнены в указанном порядке в аксиальном направлении выходного вала 3).

Выходной вал 3 двигателя 2 поддерживается без контакта радиальными магнитными подшипниками 32, 34 и упорным магнитным подшипником 36 (далее упоминаемыми также как бесконтактные подшипники 32, 34, 36 или магнитные подшипники 32, 34, 36 в этом описании), которые выполнены между компрессором 4 и детандером 6 без контакта. Радиальные магнитные подшипники 32, 34 выполнены на противоположных сторонах в аксиальном направлении выходного вала 3 и поднимают в воздух выходной вал 3 с помощью магнитной силы, чтобы нести радиальную нагрузку выходного вала 3. С другой стороны, упорный магнитный подшипник 36 выполнен на стороне двигателя 2 (между двигателем 2 и детандером 6 в варианте выполнения, проиллюстрированном на Фиг. 1) в аксиальном направлении выходного вала 3 и несет осевую нагрузку выходного вала 3 с помощью магнитной силы так, что образуется зазор между упорным магнитным подшипником 36 и аксиальным роторным диском 37.

Корпус 9 вмещает двигатель 2, компрессор 4, детандер 6, и радиальные магнитные подшипники 32, 34, и упорный магнитный подшипник 36.

Упорный магнитный подшипник 36 и аксиальный роторный диск 37, выполненные на выходном валу 3, могут быть расположены между компрессором 4 и двигателем 2.

[0021] В некоторых вариантах выполнения внутри корпуса 9 детандера-компрессора 1 выполнен уплотнительный участок 44 для подавления просачивания рабочей текучей среды из компрессора 4 во внутреннее пространство корпуса 9. Уплотнительный участок 64 также может быть выполнен для подавления просачивания рабочей текучей среды из детандера 6 во внутреннее пространство корпуса 9. Уплотнительные участки 44, 64 могут, например, быть лабиринтными уплотнениями. В этом случае лабиринтные уплотнения 44, 64 могут быть выполнены на задней лицевой стороне крыльчатки 42 компрессора 4 или турбинного ротора 62 детандера 6 и между корпусом 9 и крыльчаткой 42 или турбинным ротором 62 и могут быть выполнены вокруг выходного вала 3 и между выходным валом 3 и корпусом 9 соответственно, как проиллюстрировано на Фиг. 1.

Тем не менее, даже когда уплотнительный участок 44 выполнен для подавления просачивания рабочей текучей среды из компрессора 4 во внутреннее пространство корпуса 9, трудно полностью предотвращать просачивание рабочей текучей среды из компрессора 4 во внутреннее пространство корпуса 9. То есть внутри корпуса 9 детандера-компрессора 1 часть рабочей текучей среды, сжимаемой компрессором 4, чтобы иметь повышенную температуру, течет со стороны компрессора 4 в область 5 через небольшой зазор в уплотнительном участке 44 для уплотнения области 5 с задней стороны крыльчатки 42 компрессора. Просачивающаяся текучая среда, текущая со стороны компрессора 4 в область 5, проходит через зазоры между выходным валом 3 и магнитными подшипниками 32, 34, 36, и дополнительно просачивается к стороне детандера 6, где рабочая температура является относительно низкой по сравнению с рабочей температурой компрессора 4.

Таким образом, из-за просачивающейся текучей среды, имеющей высокую температуру, со стороны компрессора 4, тепло непреднамеренно подводится к детандеру 6, и, тем самым, адиабатическая эффективность детандера 6 может быть снижен.

[0022] В связи с этим в некоторых вариантах выполнения линия 24 отбора выполнена так, чтобы отбирать по меньшей мере часть просачивающейся текучей среды в корпусе 9 со стороны компрессора 4 к стороне детандера 6 и отправлять по меньшей мере часть просачивающейся текучей среды к линии для текучей среды, соединенной со стороной впуска или стороной выпуска компрессора 4 с внешней стороны корпуса 9.

Линия 24 отбора выполнена так, чтобы быть в сообщении с областью 5 между компрессором 4 и детандером 6 во внутреннем пространстве корпуса 9. В одном варианте выполнения линия 24 отбора продолжается вдоль радиального направления так, чтобы проникать в корпус 9. Положение в аксиальном направлении линии отбора особо не ограничено, и линия 24 отбора может быть образована в том же положении, что и аксиальный роторный диск 37, выполненный на выходном валу 3, в аксиальном направлении, как проиллюстрировано на Фиг. 1.

Обеспечивая линию 24 отбора, количество высокотемпературной просачивающейся текучей среды, текущей в сторону детандера 6, может быть уменьшено, и, тем самым, передача тепла от высокотемпературной просачивающейся текучей среды детандеру 6 может быть уменьшена. Тем самым, возможно подавлять снижение адиабатической эффективности детандера 6 из-за просачивающейся текучей среды со стороны компрессора 4 и, тем самым, увеличивать КПД холодильного устройства, использующего детандер-компрессор.

[0023] В некоторых вариантах выполнения корпус 9 выполнен с возможностью уплотнения области 5 с внешней стороны корпуса 9 так, что поток по меньшей мере части просачивающейся текучей среды через линию 24 отбора представляет собой единственный поток текучей среды между указанной областью 5 и внешней стороной корпуса 9.

Если корпус 9 не уплотнен с внешней стороны, и газ, отличный от просачивающейся текучей среды из области 5 к линии для текучей среды, имеет возможность протекать с внешней стороны корпуса 9 в область 5, тепло может передаваться от газа, текущего с внешней стороны корпуса 9 в область 5, к стороне детандера 6, которая имеет относительно низкую температуру. Таким образом, не только просачивающаяся текучая среда, но и газ, текущий с внешней стороны корпуса 9 в область 5, также может быть фактором непреднамеренного подвода тепла к стороне детандера 6, и даже если выполнена линия 24 отбора, трудно эффективно предотвращать факторы непреднамеренного подвода тепла к стороне детандера 6.

Для сравнения, в детандере-компрессоре 1 согласно варианту выполнения область 5 уплотнена с внешней стороны корпуса 9 так, что поток по меньшей мере части просачивающейся текучей среды через линию 24 отбора представляет собой единственный поток текучей среды между указанной областью и внешней стороной корпуса 9. Таким образом, в основном только текучая среда является фактором непреднамеренного подвода тепла к стороне детандера 6. Таким образом, формируя поток рабочей текучей среды, используя линию 24 отбора для введения по меньшей мере части просачивающейся текучей среды со стороны компрессора 4 к стороне детандера 6 в области 5, возможно эффективно предотвращать непреднамеренный подвод тепла к стороне детандера 6, тем самым, существенно увеличивать КПД.

[0024] В некоторых вариантах выполнения детандер-компрессор дополнительно включает в себя второй компрессор, который отличается от вышеописанного компрессора, и второй компрессор соединен с выходным валом двигателя.

Например, второй компрессор, компрессор 4 и детандер 6 могут быть соединены с выходным валом 3 двигателя 2 так, что второй компрессор, компрессор 4, двигатель 2, и детандер 6 размещены в указанном порядке.

Дополнительно, в некоторых вариантах выполнения детандер-компрессор 1 может включать в себя по меньшей мере два вторых компрессора, отличных от компрессора 4.

По меньшей мере один второй компрессор может быть соединен с выходным валом двигателя, отличного от двигателя 2 и приводимого в действие этим двигателем. Например, второй компрессор может быть соединен с каждой из противоположных сторон выходного вала двигателя, отличного от двигателя 2, то есть детандер-компрессор может иметь три компрессора для одного детандера.

[0025] Холодильное устройство согласно вариантам выполнения далее будет описан со ссылкой на Фиг. 2-4.

Каждая из Фиг. 2-4 представляет собой схематическое изображение, иллюстрирующее холодильное устройство согласно варианту выполнения.

[0026] Как проиллюстрировано на Фиг. 2-4, холодильное устройство 100 включает в себя охлаждающую часть 16 для охлаждения охлаждаемого объекта, детандер-компрессор 1, имеющий компрессор 4 и встроенный детандер 6, и линию 22 циркуляции хладагента. В холодильном устройстве 100, проиллюстрированном на Фиг. 2-4, детандер-компрессор 1, который проиллюстрирован на Фиг. 1, который имеет линию 24 отбора, используется в качестве детандера-компрессора 1.

[0027] В некоторых вариантах выполнения, которые проиллюстрированы на Фиг. 2-4, компрессор 4, теплообменник 12, теплообменник 14 восстановления холодного теплоносителя, детандер 6 и охлаждающая часть 16 выполнены в указанном порядке на линии 22 циркуляции хладагента, и линия 22 циркуляции хладагента выполнена с возможностью позволять хладагенту циркулировать через эти устройства.

Компрессор 4 соединен с выходным валом 3 двигателя 2 и выполнен с возможностью приводиться в действие двигателем 2 для сжатия текучей среды. Детандер 6 соединен с выходным валом 3 двигателя 2 и выполнен с возможностью расширения текучей среды для восстановления энергии для выходного вала 3 из текучей среды.

Теплообменник 12 выполнен для охлаждения хладагента путем теплообмена с охлаждающей водой, и теплообменник 14 восстановления холодного теплоносителя выполнен для восстановления холодного теплоносителя хладагента.

Охлаждающая часть 16 выполнена для охлаждения охлаждаемого объекта путем теплообмена с хладагентом.

[0028] Хладагент, циркулирующий на линии 22 циркуляции хладагента, сжимается компрессором 4, чтобы иметь повышенную температуру и давление, а затем охлаждается путем теплообмена с охлаждающей водой в теплообменнике 12, выполненном на расположенной дальше по ходу стороне. После этого хладагент дополнительно охлаждается теплообменником 14 восстановления холодного теплоносителя, а затем расширяется с помощью детандера 6, чтобы иметь пониженную температуру и давление, тем самым, чтобы генерировать холодный теплоноситель.

Хладагент, выпускаемый из детандера 6, охлаждает охлаждаемый объект путем теплообмена с охлаждаемым объектом в охлаждающей части 16, и температура хладагента повышается при тепловой нагрузке.

Хладагент, имеющий температуру, повышенную охлаждающей частью 16, вводиться в теплообменник 14 восстановления холодного теплоносителя, и осуществляет теплообмен со сжатым хладагентом, прошедшим через теплообменник 12 и имеющим относительно высокую температуру, чтобы позволять сжатому хладагенту восстанавливать оставшийся холодный теплоноситель. Далее хладагент входит обратно в компрессор 4, а затем снова сжимается компрессором 4, как описано выше.

Этот цикл охлаждения образован в холодильном устройстве 100.

[0029] В некоторых вариантах выполнения объект, охлаждаемый путем теплообмена с хладагентом в охлаждающей части 16, представляет собой жидкий азот для охлаждения сверхпроводящего устройства, такого как сверхпроводящий кабель. В этом случае охлаждение при очень низкой температуре необходимо для сверхпроводящего устройства, чтобы быть в сверхпроводящем состоянии. В связи с этим, так как хладагент имеет очень низкую температуру на стороне выпуска детандера 6 холодильного устройства 100, имеется разница между температурой на стороне компрессора 4 и температурой на стороне детандера 6 на линии 22 циркуляции хладагента. Например, в одном варианте выполнения в то время как температура на линии 22 циркуляции хладагента составляет от около 30°C до около 40°C на стороне впуска компрессора 4 и от около 90°C до около 120°C на его стороне выпуска, температура составляет от около -190°C до около -200°C на стороне впуска детандера 6 и от около -210°C до около -220°C на его стороне выпуска.

Так как разница температур между стороной компрессора 4 и стороной детандера 6 является большой, таким образом, также имеется большая разница температур в корпусе 9 между стороной компрессора 4 и стороной детандера 6. Даже если количество просачивающегося хладагента со стороны компрессора 4 к стороне детандера 6 является небольшим, просачивающийся хладагент может быть фактором снижения адиабатической эффективности детандера. Таким образом, во многом значимым особенно в области обработки при низких температурах является то, что тепло, текущее со стороны компрессора 4 к стороне детандера 6, может быть уменьшено путем выполнения линии отбора для отбора высокотемпературного просачивающегося хладагента и отправления его наружу корпуса 9.

[0030] Хладагент, текущий по линии циркуляции хладагента, может быть соответственно выбран, например, в зависимости от целевой температуры охлаждаемого объекта, и он может, например, быть гелием, неоном, водородом, азотом, воздухом или углеводородом.

[0031] В некоторых вариантах выполнения, которые проиллюстрированы на Фиг. 2-4, линия 24 отбора, связанная с областью 5 между компрессором 4 и детандером 6 во внутреннем пространстве корпуса 9 детандера-компрессора 1, соединена с линией 22а циркуляции хладагента, которая соединена со стороной впуска компрессора 4 с внешней стороны корпуса 9. На линии 24 отбора выполнен клапан 26 отбора для регулирования величины отбора.

[0032] Обеспечивая линию 24 отбора, количество высокотемпературной просачивающейся текучей среды, текущей в сторону детандера 6, уменьшается, и передача тепла от высокотемпературной текучей среды детандеру 6 уменьшается, посредством чего возможно подавлять снижение адиабатической эффективности детандера 6 из-за просачивающейся текуч