(57)【要約】【課題】  システム効率の改善が可能なハイブリッド空気サイクル冷凍冷却ユニットを提供する。【解決手段】  空気サイクル冷凍冷却ユニット９と熱駆動式の冷却ユニット１０を組み合わせる。空気サイクル冷凍冷却ユニット９は、コンプレッサ６と膨張タービン７の組み合わせからなるコンプレッサ・タービンユニット５と熱交換器２，３を備える。空気サイクル冷凍冷却ユニット９は、被冷却部Ｒから流入する冷媒空気に対して、コンプレッサ６による圧縮、熱交換器２，３による冷却、膨張タービン７による断熱膨張を行なって、冷媒空気を冷却し被冷却部Ｒ内に戻す。熱駆動式の冷却ユニット１０は、コンプレッサ６を出て高温となった冷媒空気の廃熱を利用する。この冷却ユニット１０で、被冷却部Ｒから流入する冷媒空気の一部を冷却して被冷却部Ｒ内に戻す。【選択図】      図１
2010048446.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンプレッサと膨張タービンの組み合わせからなるコンプレッサ・タービンユニットと熱交換器を備え、被冷却部から流入する冷媒空気に対して、前記コンプレッサによる圧縮、前記熱交換器による冷却、および前記膨張タービンによる断熱膨張を行ない、これにより冷却した冷媒空気を前記被冷却部内に戻すようにした空気サイクル冷凍冷却ユニットにおいて、
前記コンプレッサを出て高温となった冷媒空気の廃熱を利用する熱駆動式の冷却ユニットを設け、この冷却ユニットで前記被冷却部から流入する冷媒空気の一部を冷却して被冷却部内に戻すようにしたことを特徴とするハイブリッド空気サイクル冷凍冷却ユニット。
【請求項２】
請求項１において、前記熱駆動式の冷却ユニットは、冷媒液の蒸気を吸着・脱離する吸着剤を充填した吸着・再生器と、前記吸着剤から脱離した蒸気を凝縮させる凝縮器と、凝縮した冷媒液を蒸発させて前記吸着・再生器に供給する蒸発器とを備える吸着式冷却ユニットであり、前記蒸発器では前記被冷却部から流入する冷媒空気を冷媒液により冷却し、前記吸着・再生器では前記コンプレッサを出た冷媒空気の廃熱で前記吸着剤を乾燥させて吸着剤から冷媒液の蒸気を脱離させるものとしたハイブリッド空気サイクル冷凍冷却ユニット。
【請求項３】
請求項１において、前記熱駆動式の冷却ユニットは、蒸気吸収液を収容し冷媒液の蒸気を吸収する吸収器と、蒸気吸収液から冷媒液の蒸気を放出させる再生器と、前記蒸気吸収液から放出した冷媒液の蒸気を凝縮させる凝縮器と、凝縮した冷媒液を蒸発させて前記吸収器に供給する蒸発器とを備える吸収式冷却ユニットであり、前記蒸発器では前記冷却部から流入する冷媒空気を冷媒液により冷却し、前記再生器では前記コンプレッサを出た冷媒空気の廃熱で前記蒸気吸収液から冷媒液の蒸気を放出させるものとしたハイブリッド空気サイクル冷凍冷却ユニット。
【請求項４】
請求項１において、前記熱駆動式の冷却ユニットは、熱音響効果を用いた熱音響式冷却ユニットであるハイブリッド空気サイクル冷凍冷却ユニット。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記被冷却部の設定温度が所定温度以下での運転では、前記空気サイクル冷凍ユニットのみを駆動し、所定温度以上での運転では、前記空気サイクル冷凍冷却ユニットと前記熱駆動式の冷却ユニットを共に駆動するものとしたハイブリッド空気サイクル冷凍冷却ユニット。
【請求項６】
請求項５において、前記被冷却部の設定温度が所定温度以上での運転では、前記空気サイクル冷凍冷却ユニットを、前記熱駆動式の冷却ユニットに必要な熱量を発生できる時間だけ駆動するものとしたハイブリッド空気サイクル冷凍冷却ユニット。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記空気サイクル冷凍冷却ユニットにおけるコンプレッサ・タービンユニットのコンプレッサと膨張タービンとの間に熱電素子を介在させたハイブリッド空気サイクル冷凍冷却ユニット。
【請求項８】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記空気サイクル冷凍冷却ユニットにおけるコンプレッサ・タービンユニットの外部で、そのコンプレッサと膨張タービンとを熱良導材で橋絡し、その熱良導材の途中部分に熱電素子を介在させたハイブリッド空気サイクル冷凍冷却ユニット。
【請求項９】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記空気サイクル冷凍冷却ユニットにおけるコンプレッサ・タービンユニットのコンプレッサと、コンプレッサ・タービンユニットの外側の低温部材とを熱良導材で接続し、その熱良導材の途中部分に熱電素子を介在させたハイブリッド空気サイクル冷凍冷却ユニット。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれか１項において、前記被冷却部が冷凍コンテナであるハイブリッド空気サイクル冷凍冷却ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、空気サイクル冷凍冷却ユニットと他の冷却ユニットとを組み合わせて構成したハイブリッド空気サイクル冷凍冷却ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
空気サイクル冷凍冷却ユニットは、冷媒として空気を用いるため、フロンやアンモニアガス等を用いる場合に比べてエネルギー効率が不足するが、環境保護の面では好ましい。また、冷凍倉庫等のように、冷媒空気を直接に吹き込むことができる施設では、庫内ファンの省略等によってトータルコストを引下げられる可能性があり、このような用途で空気サイクル冷凍冷却ユニットが提案されている（例えば特許文献１）。
【０００３】
また、−３０℃〜−６０℃のディープ・コール領域では、空気冷却の理論効率は、フロンやアンモニアガスと同等以上になることが知られている。ただし、上記空気冷却の理論効率を得ることは、最適に設計された周辺装置があって、初めて成り立つとも述べられている。周辺装置は、コンプレッサや膨張タービン等である。
【０００４】
空気サイクル冷凍冷却ユニットは、冷媒空気を圧縮する際、高温の空気を得る。従来、この高温空気は、後段の放熱用熱交換器によって冷却用空気もしくは冷媒と熱交換して、廃熱を外気に放出していた。また、廃熱利用例として、放熱用熱交換器の冷却媒体として水を用いて温水を得るようにした例や、外気と熱交換して高温になった外気で吸湿器の乾燥を行うようにしたものがある（特許文献２）。
【特許文献１】特許第２６２３２０２号公報
【特許文献２】特開２０００−２５７９６８号公報
【特許文献３】特開平９−２６４６３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献２に開示のように、空気サイクル冷凍冷却ユニットの廃熱を吸湿器の乾燥に利用する例では、僅かのシステム効率向上しか図れず、とくに１０℃〜３０℃の空調領域ではフロンやアンモニアガスと同等以上の性能を得ることが難しい。
【０００６】
この発明の目的は、システム効率の改善が可能なハイブリッド空気サイクル冷凍冷却ユニットを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明のハイブリッド空気サイクル冷凍冷却ユニットは、コンプレッサと膨張タービンの組み合わせからなるコンプレッサ・タービンユニットと熱交換器を備え、被冷却部から流入する冷媒空気に対して、前記コンプレッサによる圧縮、前記熱交換器による冷却、および前記膨張タービンによる断熱膨張を行ない、これにより冷却した冷媒空気を前記被冷却部内に戻すようにした空気サイクル冷凍冷却ユニットにおいて、
前記コンプレッサを出て高温となった冷媒空気の廃熱を利用する熱駆動式の冷却ユニットを設け、この冷却ユニットで前記被冷却部から流入する冷媒空気の一部を冷却して被冷却部内に戻すようにしたことを特徴とする。
この構成によると、空気サイクル冷凍冷却ユニットのコンプレッサを出て高温となった冷媒空気の廃熱を利用して、熱駆動式の冷却ユニットを運転し、被冷却部から流入する冷媒空気の一部を冷却して被冷却部に戻すようにしているので、空気サイクル冷凍冷却ユニットの単独運転の場合に比べてシステム効率の改善が可能となる。
【０００８】
この発明において、前記熱駆動式の冷却ユニットは、冷媒液の蒸気を吸着・脱離する吸着剤を充填した吸着・再生器と、前記吸着剤から脱離した蒸気を凝縮させる凝縮器と、凝縮した冷媒液を蒸発させて前記吸着・再生器に供給する蒸発器とを備える吸着式冷却ユニットであり、前記蒸発器では前記被冷却部から流入する冷媒空気を冷媒液により冷却し、前記吸着・再生器では前記コンプレッサを出た冷媒空気の廃熱で前記吸着剤を乾燥させて吸着剤から冷媒液の蒸気を脱離させるものとしても良い。
【０００９】
この発明において、前記熱駆動式の冷却ユニットは、蒸気吸収液を収容し冷媒液の蒸気を吸収する吸収器と、蒸気吸収液から冷媒液の蒸気を放出させる再生器と、前記蒸気吸収液から放出した冷媒液の蒸気を凝縮させる凝縮器と、凝縮した冷媒液を蒸発させて前記吸収器に供給する蒸発器とを備える吸収式冷却ユニットであり、前記蒸発器では前記被冷却部から流入する冷媒空気を冷媒液により冷却し、前記再生器では前記コンプレッサを出た冷媒空気の廃熱で前記蒸気吸収液から冷媒液の蒸気を放出させるものとしても良い。
【００１０】
この発明において、前記熱駆動式の冷却ユニットは、熱音響効果を用いた熱音響式冷却ユニットであっても良い。
【００１１】
この発明において、前記被冷却部の設定温度が所定温度以下での運転では、前記空気サイクル冷凍冷却ユニットのみを駆動し、所定温度以上での運転では、前記空気サイクル冷凍冷却ユニットと前記熱駆動式の冷却ユニットを共に駆動するものとしても良い。上記所定温度は任意の値で良い。
被冷却部の設定温度が熱駆動式の冷却ユニットでの冷媒液の凝固温度以下では使用できない。そこで、被冷却部の設定温度が冷媒液の凝固点温度を下回る所定の温度以下の場合は、熱駆動式の冷却ユニットの運転を停止して、空気サイクル冷凍冷却ユニットのみでの運転を行うことになる。
【００１２】
この発明において、前記被冷却部の設定温度が所定温度以上での運転では、前記空気サイクル冷凍冷却ユニットを、前記熱駆動式の冷却ユニットに必要な熱量を発生できる時間だけ駆動するものとしても良い。上記所定温度は任意の値で良い。
空気サイクル冷凍冷却ユニットを高効率で運転するためには、コンプレッサ・タービンユニットを高効率点で回転させる必要があり、回転数は１点に決められる。このため、被冷却部の温度調整には、空気サイクル冷凍冷却ユニットを断続運転することで対応することになる。そこで、被冷却部の設定温度が所定温度以上での運転では、断続運転として、空気サイクル冷凍冷却ユニットを、熱駆動式の冷却ユニットに必要な熱量を発生できる時間だけ駆動するのが望ましい。
【００１３】
この発明において、前記空気サイクル冷凍冷却ユニットにおけるコンプレッサ・タービンユニットのコンプレッサと膨張タービンとの間に熱電素子を介在させても良い。
熱電素子は、温度差によって起電力を発生するベーゼック効果を利用した素子である。コンプレッサ・タービンユニットのコンプレッサと膨張タービンとの間には１５０℃程度の温度差があるので、その温度差を利用して熱電素子から起電力を取り出すことができる。
【００１４】
この発明において、前記空気サイクル冷凍冷却ユニットにおけるコンプレッサ・タービンユニットの外部で、そのコンプレッサと膨張タービンとを熱良導材で橋絡し、その熱良導材の途中部分に熱電素子を介在させても良い。上記熱良導材は、鋼材程度の熱伝導率を有する材質であれば良く、銅、アルミニウム等であっても良い。
この構成例の場合も、コンプレッサと膨張タービンの温度差を利用して起電力を取り出すことができる。
【００１５】
この発明において、前記空気サイクル冷凍冷却ユニットにおけるコンプレッサ・タービンユニットのコンプレッサと、コンプレッサ・タービンユニットの外側の低温部材とを熱良導材で接続し、その熱良導材の途中部分に熱電素子を介在させても良い。この場合の低温部材は、例えばコンプレッサ・タービンユニットを覆うカバー等である。この構成の場合も、コンプレッサと低温部材との温度差を利用して起電力を取り出すことができる。
【００１６】
この発明において、前記被冷却部が冷凍コンテナであっても良い。
【発明の効果】
【００１７】
この発明のハイブリッド空気サイクル冷凍冷却ユニットは、コンプレッサと膨張タービンの組み合わせからなるコンプレッサ・タービンユニットと熱交換器を備え、被冷却部から流入する冷媒空気に対して、前記コンプレッサによる圧縮、前記熱交換器による冷却、および前記膨張タービンによる断熱膨張を行ない、これにより冷却した冷媒空気を前記被冷却部内に戻すようにした空気サイクル冷凍冷却ユニットにおいて、前記コンプレッサを出て高温となった冷媒空気の廃熱を利用する熱駆動式の冷却ユニットを設け、この冷却ユニットで前記被冷却部から流入する冷媒空気の一部を冷却して被冷却部内に戻すようにしたため、システム効率の改善が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
この発明の一実施形態を図１ないし図７と共に説明する。図１は、この実施形態のハイブリッド空気サイクル冷凍冷却ユニットの系統図を示す。このハイブリッド空気サイクル冷凍冷却ユニットは、コンプレッサ・タービンユニット５と２つの熱交換器２，３とで構成された空気サイクル冷凍冷却ユニット９と、熱駆動式の冷却ユニット１０とを組み合わせてなり、被冷却部Ｒの空気を直接に冷媒として冷却する装置である。被冷却部Ｒは、例えば冷凍コンテナである。
【００１９】
空気サイクル冷凍冷却ユニット９は、被冷却部Ｒにそれぞれ開口した空気の庫内吸込み口Ｎａから庫内噴出口Ｎｂに至る冷媒経路１を有する。コンプレッサ・タービンユニット５は、コンプレッサ６と膨張タービン７の組み合わせからなる。前記冷媒経路１に、コンプレッサ・タービンユニット５のコンプレッサ６、放熱用熱交換器２、熱回収用熱交換器３、コンプレッサ・タービンユニット５の膨張タービン７が順に設けられている。
【００２０】
この空気サイクル冷凍冷却ユニット９において、被冷却空間Ｒの空気（−３０℃，０．１ＭＰａ）は、その出口から冷媒経路１の庫内吸込み口Ｎａに流入する。庫内吸込み口Ｎａに流入した空気は、熱回収用熱交換器３により、冷媒経路１中の空気の冷却に使用され、昇温する（３０℃，０．１ＭＰａ）。すなわち、熱回収用熱交換器３は、放熱用熱交換器２を出た空気が流入する高温流路１ｃと、被冷却部Ｒを出た低温空気が流入する低温流路１ａとの間で熱交換を行なって、放熱用熱交換器２を出た空気を冷却する。
【００２１】
熱回収用熱交換器３の低温流路１ａを経た空気はコンプレッサ・タービンユニット５のコンプレッサ６により圧縮され、この圧縮により昇温した状態で（１３０℃，０．１８ＭＰａ）、熱駆動式の冷却ユニットを通過して（５０〜８０℃）、放熱用熱交換器２により冷却される（４０℃）。すなわち、放熱用熱交換器２は、例えば図示しないブロワにより供給される外気が流入する低温流路８と、１ｂとの間で熱交換を行なって、冷媒空気を冷却する。
【００２２】
放熱用熱交換器２により冷却された空気は、上記したように熱回収用熱交換器３で冷却された後（−２０℃，０．１８ＭＰａ）、コンプレッサ・タービンユニット５の膨張タービン７により断熱膨張されることで冷却されて（−５０℃，０．１ＭＰａ）、庫内噴出口Ｎｂから被冷却部Ｒに戻される。なお、上記説明で示した温度および気圧の数値は、一応の目安となる一例である。
【００２３】
熱駆動式の冷却ユニット１１は、空気サイクル冷凍冷却ユニット９における前記コンプレッサ６を出て高温となった冷媒空気の廃熱を利用して、被冷却部Ｒから流入する冷媒空気の一部を冷却して被冷却部Ｒに戻すものである。熱駆動式の冷却ユニット１１は、被冷却部Ｒにそれぞれ開口した空気の庫内吸込み口Ｎ１ａから庫内噴出口Ｎ１ｂに至る別の冷媒経路１１を有する。
【００２４】
図２には、前記熱駆動式の冷却ユニット１０の一例の系統図を示す。この熱駆動式の冷却ユニット１０は、吸着・再生器３０、凝縮器３１および蒸発器３２を備える吸着式冷却ユニットである。吸着・再生器３０は、冷媒液の蒸気を吸着・脱離する吸着剤を充填した容器であり、複数個のものが用意される。冷媒液として例えば水や塩水が用いられ、吸着剤として例えばゼオライトが用いられる。これらの各吸着・再生器３０には、その吸着剤を冷却して冷媒液の蒸気を吸着させる冷却経路３３が配管されると共に、吸着剤を乾燥させて冷媒液の蒸気を脱離させる乾燥経路３４が配管される。冷却経路３３は、冷媒として例えば図示しないブロワにより外気が供給される経路である。乾燥経路３４は、前記コンプレッサ６の出口から１００℃以上の高温となった冷媒空気が供給されて放熱用熱交換器入口に戻される経路である。これら両経路３３，３４は電磁弁からなる切換弁３５を介して並列に接続されている。これにより、切換弁３５の開閉切換えで、冷却経路３３を冷媒が流れて吸着剤を冷却する状態と、コンプレッサ６を出た高温の冷媒空気が乾燥経路３４を流れて吸着剤を乾燥させる状態とに切り換えられる。
【００２５】
凝縮器３１は、吸着・再生器３０の吸着剤から脱離した冷媒液の蒸気を凝縮させる容器であり、途中に電磁弁からなる開閉弁３６が介在する蒸気還流路３７により各吸着・再生器３０に接続されている。これにより、各吸着・再生器３０において吸着剤から脱離した冷媒液の蒸気は、開閉弁３６を開くことにより蒸気還流路３７を経て凝縮器３１に回収され、ここで凝縮されて冷媒液に戻される。
【００２６】
蒸発器３２は、凝縮器３１から取り込んだ冷媒液を蒸発させる容器であり、前記冷媒経路１１が配管される。蒸発器３２は、途中に電磁弁からなる開閉弁３８が介在する蒸気供給路３９により各吸着・再生器３０に接続されている。図示しない真空ポンプにより真空引きして、蒸発器３２と各吸着・再生器３０の内部気圧を下げ冷媒液の蒸気圧以下とした状態で前記開閉弁３８を開くと、蒸発器３２における冷媒液の蒸気が蒸気供給路３９を経て各吸着・再生器３０に流入して吸着剤に吸着される。蒸発器３２の冷媒液は、蒸発するときの潜熱によって温度が低下する。冷媒液が水の場合であれば０℃まで、塩水の場合であれば濃度に応じて−２０℃程度まで冷却される。これにより、冷媒経路１１を経て蒸気器３２に供給される被冷却部Ｒからの冷媒空気は冷却されて被冷却部Ｒに戻される。
【００２７】
ただし、被冷却部Ｒの設定温度が前記熱駆動式の冷却ユニット１０での冷媒液の凝固温度以下では使用できないので、被冷却部Ｒの設定温度が所定の温度以下の場合は、熱駆動式の冷却ユニット１０の運転を停止して、空気サイクル冷凍冷却ユニット９のみでの運転を行うことになる。
【００２８】
吸着・再生器３０の吸着剤は、冷媒液を吸着しても、１００℃程度の空気や水（ここではコンプレッサ６から出た冷媒空気）により乾燥させることで繰り返し使用することができる。そこで、前記切換弁３５、開閉弁３６，３８の開閉を切り換えて、吸着・再生器３０での工程を、吸着、乾燥、冷却の各工程に切り換えることにより、熱駆動式の冷却ユニット１０において被冷却部Ｒの冷媒空気の空調領域での冷却を効率良く行うことができる。
【００２９】
この場合の熱駆動式の冷却ユニット１０での駆動電力は、電磁弁からなる前記切換弁３５、開閉弁３６，３８の開閉の切り換えと、吸着工程の前段での真空引きだけとなる。
【００３０】
なお、空気サイクル冷凍冷却ユニット９を高効率で運転するためには、コンプレッサ・タービンユニット５を高効率点で回転させる必要があり、回転数は１点に決められる。このため、被冷却部Ｒの温度調整には、空気サイクル冷凍冷却ユニット９を断続運転することで対応することになる。そこで、この場合、被冷却部Ｒの設定温度が所定温度以上での運転では、空気サイクル冷凍冷却ユニット９を、熱駆動式の冷却ユニット１０に必要な熱量を発生できる時間だけ駆動するものとしている。なお、上記所定温度は、種々の状況に応じて適宜定められる任意の温度で良い。
【００３１】
図３には、前記熱駆動式の冷却ユニット１０の他の例の系統図を示す。この熱駆動式の冷却ユニット１０は、吸収器４０、再生器４１、凝縮器４２および蒸発器４３を備える吸収式冷却ユニットである。吸収器４０は、冷媒液の蒸気を吸収する蒸気吸収液を収容した容器である。冷媒液として例えば水が用いられ、蒸気吸収液として例えば臭化リチウム（ＬｉＢｒ）の水溶液が用いられる。
【００３２】
再生器４１は、吸収器４０から取り込んだ蒸気吸収液から冷媒液の蒸気を放出させる容器であり、蒸気吸収液を加熱して冷媒液の蒸気を放出させる蒸気放熱経路４４が配管される。この蒸気放熱経路４４は、前記コンプレッサ６の出口から１００℃以上の高温となった冷媒空気が供給されて放熱用熱交換器入口に戻される経路である。
【００３３】
凝縮器４２は、再生器４１で蒸気吸収液から放出した冷媒液の蒸気を凝縮させる容器であり、蒸気還流路４７により再生器４１に接続されている。これにより、再生器４１において蒸気吸収液から放出された冷媒液の蒸気は、蒸気還流路４７を経て凝縮器４２に回収され、ここで凝縮されて冷媒液に戻される。
【００３４】
蒸発器４３は、凝縮器４２から取り込んだ冷媒液を蒸発させる容器であり、前記冷媒経路１１が配管される。蒸発器４３は、蒸気供給路４９により吸収器４０に接続されている。図示しない真空ポンプによる真空引きで、蒸発器４３と吸収器４０の内部気圧を下げると、蒸発器４３における冷媒液の蒸気が蒸気供給路４９を経て吸収器４０に流入して蒸気吸収液に吸収される。蒸発器４３の冷媒液は、蒸発するときの潜熱によって温度が低下する。これにより、冷媒経路１１を経て蒸気器４３に供給される被冷却部Ｒからの冷媒空気は冷却されて被冷却部Ｒに戻される。
【００３５】
吸収器４０の蒸気吸収液は、その吸収剤濃度が低下すると蒸気の吸収ができなくなる。そこで、ここでは、蒸気吸収液を前記吸収器４０、再生器４１、凝縮器４２、蒸発器４３の間で循環させながら、再生器４１において、蒸気還流路４７を経て供給されるコンプレッサ６を出た高温空気により蒸気吸収液を加熱し蒸気を放出させる。これにより、蒸気吸収液の吸収剤濃度を一定範囲内に保つことができ、被冷却部Ｒからの冷媒空気を連続して冷却できる。その他の構成は、吸着式冷却ユニットの場合と同様である。
【００３６】
図４には、前記熱駆動式の冷却ユニット１０のさらに他の例の概略図を示す。この熱駆動式の冷却ユニット１０は、熱と音波とのエネルギー変換現象である熱音響効果を用いた熱音響式冷却ユニットであり、薄板あるいは細管を束ねてなるスタック５１をリング状の管体５０の途中１箇所に介在させると共に、管体５０の途中の他の１箇所に別のスタック５２を介在させて構成される。この構成において、例えばスタック５１の両端部５１ａ，５１ｂ間に温度差を与えると、スタック５１から音波が発生する。逆に、管体５０の一端に音波を加えると、スタック５１，５２の両端部間に温度差が生じる。
【００３７】
ここでは、一方のスタック５１の一端部５１ａに、コンプレッサ６を出て高温となった冷媒空気を供給する高温流路５３を配管し、そのスタック５１の他端部５１ｂを冷却水などで一定温度に保っている。また、他方のスタック５２の管体５０を介して前記スタック一端部５１ａと対向する一端部５２ｂを冷却水などで一定温度に保ち、そのスタック５２の他端部５２ａに、被冷却部Ｒからの冷媒空気を循環供給する冷媒経路１１を配管している。
【００３８】
この熱駆動式の冷却ユニット１０の場合、一方のスタック５１において、高温流路５３を経て供給されるコンプレッサ６からの高温の冷媒空気により加熱される一端部５１ａと、一定温度に保たれる他端部５１ｂとの間に温度差が与えられる。これにより、管体５０を経て、他方のスタック５２の一定温度に保たれている一端部５２ｂに音波が加えられ、その他端部５２ａに温度低下が生じる。この温度低下した他端部５２ａと冷媒経路１１を流れる冷媒空気との間で熱交換が行なわれ、冷媒空気が冷却して被冷却部Ｒに戻される。      
【００３９】
図５は、前記空気サイクル冷凍冷却ユニット９におけるコンプレッサ・タービンユニット５の一例の断面図を示す。このコンプレッサ・タービンユニット５は圧縮膨張タービンシステムを構成するものであり、コンプレッサ６および膨張タービン７を有し、コンプレッサ６のコンプレッサ翼車６ａおよび膨張タービン７のタービン翼車７ａが共通の主軸１３の両端にそれぞれ嵌合して取り付けられ、その主軸１３がモータ一体型磁気軸受装置で支持されている。
【００４０】
図５において、コンプレッサ６は、コンプレッサ翼車６ａと隙間ｄ１を介して対向するコンプレッサハウジング６ｂを有し、中心部の吸込口６ｃから軸方向に吸入した空気を、コンプレッサ翼車６ａで圧縮し、外周部の出口（図示せず）から矢印６ｄで示すように排出する。
膨張タービン７は、タービン翼車７ａと微小の隙間ｄ２を介して対向するタービンハウジング７ｂを有し、外周部から矢印７ｃで示すように吸い込んだ空気を、タービン翼車７ａで断熱膨張させ、中心部の排出口７ｄから軸方向に排出する。
【００４１】
このコンプレッサ・タービンユニット５におけるモータ一体型磁気軸受装置は、主軸１３をラジアル方向に対し複数の軸受１５，１６で支持し、主軸１３にかかるアキシアル負荷と軸受予圧のどちらか一方または両方を磁気軸受である電磁石１７と永久磁石１７Ａとにより支持すると共に、主軸１３を回転駆動するアキシアルギャップ型のモータ２８を設けたものである。このコンプレッサ・タービンユニット５は、主軸１３に作用するスラスト力を検出するセンサ１８と、このセンサ１８の出力に応じて前記電磁石１７による支持力を制御する磁気軸受用コントローラ１９と、電磁石１７とは独立に前記モータ２８を制御するモータ用コントローラ２９とを有している。
【００４２】
磁気軸受の一部構成部品である電磁石１７は、主軸１３の軸方向中間部において軸方向に並ぶように主軸１３に垂直かつ同軸に設けられた強磁性体からなるフランジ状の２つのスラスト板１３ａ，１３ｂのうち、コンプレッサ６寄りに位置するスラスト板１３ａのコンプレッサ６側に向く片面を磁石ターゲットとして、この片面に非接触で対向するようにスピンドルハウジング１４に設置されている。また、磁気軸受の他の構成部品である永久磁石１７Ａは、膨張タービン７寄りに位置するスラスト板１３ｂの膨張タービン７側に向く片面を磁石ターゲットとして、この片面に非接触で対向するようにスピンドルハウジング１４に設置されている。
【００４３】
モータ２８は、前記電磁石１７および永久磁石１７Ａと並んで主軸１３に設けられたモータロータ２８ａと、このモータロータ２８ａに対し軸方向に対向するモータステータ２８ｂとでなるモータユニットである。具体的には、モータユニットの一部品を構成するモータロータ２８ａは、主軸１３における前記各スラスト板１３ａ，１３ｂの電磁石１７および永久磁石１７Ａが対向する側とは反対側の各片面に、円周方向に等ピッチで並ぶ永久磁石２８ａａを配置することで左右一対のものが構成される。このように軸方向に対向配置される永久磁石２８ａａの間では、その磁極が互いに異極となるように設定される。
【００４４】
モータユニットの他の部品であるモータステータ２８ｂは、前記左右一対のモータロータ２８ａに挟まれる軸方向中央の位置において、これら両モータロータ２８ａの各面に非接触で対向するようにコアの無い状態で配置した複数個のモータコイル２８ｂａと、これらモータコイル２８ｂａを内部に収容した絶縁材であるケース２８ｂｂとでなる。このケース２８ｂｂがスピンドルハウジング１４に固定される。このモータ２８は、前記モータロータ２８ａとモータステータ２８ｂ間に作用するローレンツ力により、主軸１３を回転させる。
【００４５】
主軸１３を支持する軸受１５，１６は転がり軸受であって、アキシアル方向位置の規制機能を有するものであり、例えば深溝玉軸受やアンギュラ玉軸受が用いられる。深溝玉軸受の場合、両方向のスラスト支持機能を有し、内外輪のアキシアル方向位置を中立位置に戻す作用を持つ。これら２個の転がり軸受１５，１６は、それぞれスピンドルハウジング１４におけるコンプレッサ翼車６ａおよびタービン翼車７ａの近傍に配置されている。
【００４６】
主軸１３は、中間部の大径部１３ｃと、両端部の小径部１３ｄとを有する段付き軸とされている。両側の軸受１５，１６は、その内輪１５ａ，１６ａが小径部１３ｄに圧入状態に嵌合し、片方の幅面が大径部１３ｃと小径部１３ｄ間の段差面に係合する。スピンドルハウジング１４における両側の軸受１５，１６よりも各翼車６ａ，７ａ側の部分には、主軸１３との間の隙間を密封するシール２１，２２が設けられている。
【００４７】
前記センサ１８は、タービン翼車７ａ側の軸受１６の近傍における静止側、つまりスピンドルハウジング１４側に設けられ、軸受１６の外輪１６ｂを支持する軸受ハウジングを兼ねる。このセンサ１８は、アキシアル方向に移動自在にスピンドルハウジング１４に嵌合している。また、センサ１８には、センサ予圧ばね２５によりアキシアル方向の予圧が印加されている。
【００４８】
センサ予圧ばね２５による予圧は、押し付け力によってスラスト力を検出するセンサ１８が、主軸１３のアキシアル方向のいずれの向きの移動に対しても検出できるようにするためであり、コンプレッサ・タービンユニット５の通常の運転状態で主軸１３に作用する平均的なスラスト力以上の大きさとされている。
【００４９】
センサ１８の非配置側の軸受１５は、スピンドルハウジング１４に対してアキシアル方向に移動自在に設置され、かつ軸受予圧ばね２６によって弾性支持されている。この例では軸受１５の外輪１５ｂが、軸受ハウジング２７を介してスピンドルハウジング１４の内径面にアキシアル方向移動自在に嵌合していて、軸受予圧ばね２６は、軸受ハウジング２７とスピンドルハウジング１４との間に介在している。軸受予圧ばね２６は、内輪１５ａの幅面が係合した主軸１３の段面に対向して外輪１５ｂを付勢するものとされ、軸受１５に予圧を与えている。軸受予圧ばね２６は、センサ予圧ばね２５よりもばね定数が小さいものとされる。
【００５０】
前記モータ２８の冷却手段として、動力部であるモータ２８の配置部を貫通するモータ冷却流路５４が、スピンドルハウジング１４に設けられている。このモータ冷却流路５４は、図１の空気サイクル冷凍冷却ユニット９の冷媒流路１に一点鎖線で示すように介在させられる。具体的には、図１において、コンプレッサ６から放熱用熱交換器２を経た空気が前記モータ冷却流路５４を流れることにより、モータ２８のモータロータ２８ａが冷却される。
【００５１】
前記スピンドルハウジング１４におけるコンプレッサ６側（コンプレッサハウジング６ｂ）と、膨張タービン７側（タービンハウジング７ｂ）との間には、熱電素子５５が介在させてある。熱電素子５５は、温度差によって起電力を発生するベーゼック効果を利用した素子である。スピンドルハウジング１４の高温側であるコンプレッサ６側と低温側である膨張タービン７側との間には１５０℃程度の温度差があるので、この温度差を利用して熱電素子５５から起電力を取り出すことができる。
【００５２】
図６は、コンプレッサ・タービンユニット５の他の例の断面図を示す。このコンプレッサ・タービンユニット５は、図５の例において、スピンドルハウジング１４の外部で、コンプレッサ６側と膨張タービン７側とを熱良導材５６で橋絡し、その熱良導材５６の途中部分に熱電素子５５を介在させたものである。熱良導材５６は、鋼材程度の熱伝導率を有する材質であれば良く、銅、アルミニウム、鋼材等であっても良い。その他の構成は図５の例の場合と同様である。この構成例の場合も、スピンドルハウジング１４における温度差を利用して起電力を取り出すことができる。
【００５３】
図７は、コンプレッサ・タービンユニット５のさらに他の例の断面図を示す。このコンプレッサ・タービンユニット５は、図５の例において、スピンドルハウジング１４の高温側であるコンプレッサ６の出口部と、コンプレッサ・タービンユニット５の外側の低温部材５７とを熱良導材５６で接続し、その熱良導材５６の途中部分に熱電素子５５を介在させたものである。この場合の低温部材５７は、例えばコンプレッサ・タービンユニット５を覆うカバー等である。その他の構成は図５の例の場合と同様である。この構成の場合も、コンプレッサ５と外部の低温部材５７との温度差を利用して起電力を取り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】この発明の一実施形態にかかるハイブリッド空気サイクル冷凍冷却ユニットの系統図である。
【図２】同ハイブリッド空気サイクル冷凍冷却ユニットにおける熱駆動式の冷却ユニットの一例の系統図である。
【図３】同熱駆動式の冷却ユニットの他の例の系統図である。
【図４】同熱駆動式の冷却ユニットのさらに他の例の概略図である。
【図５】ハイブリッド空気サイクル冷凍冷却ユニットの空気サイクル冷凍冷却ユニットにおけるコンプレッサ・タービンユニットの一例の断面図である。
【図６】同コンプレッサ・タービンユニットの他の例の断面図である。
【図７】同コンプレッサ・タービンユニットのさらに他の例の断面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１，１１…冷媒経路
２…放熱用熱交換器
３…熱回収用熱交換器
５…コンプレッサ・タービンユニット
６…コンプレッサ
６ｂ…コンプレッサハウジング
７…膨張タービン
７ｂ…タービンハウジング
９…空気サイクル冷凍冷却ユニット
１０…熱駆動式の冷却ユニット
１４…スピンドルハウジング
３０…吸着・再生器
３１…凝縮器
３２…蒸発器
４０…吸収器
４１…再生器
４２…凝縮器
４３…蒸発器
５０…管体
５１，５２…スタック
５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５２ｂ…スタック端部
５５…熱電素子
５６…熱良導材
５７…低温部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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