(57)【要約】本発明は、閉じた作動循環路（２００）を流れる作動流体を介して熱を冷熱源（１５）から温熱源（１）へと移動させるための極低温冷凍デバイスであって、作動循環路（２００）は、以下の部分、即ち、流体を実質的に等温圧縮する部分と、流体を実質的に等圧冷却する部分と、流体を実質的に等温膨張させる部分と、流体を実質的に等圧加熱する部分とを直列に含んでいるデバイスに関する。作動循環路（２００）の圧縮部分は直列に配置された少なくとも２つのコンプレッサ（７、５、３）を含み、作動循環路（２００）の膨張部分は少なくとも１つの膨張タービン（９、１１、１３）を含み、コンプレッサ（７、５、３）及び膨張タービン（９、１１、１３）は、出力軸を含んだ少なくとも１つの高速モータ（７０）によって駆動される。出力軸の一端は直接結合によって第１コンプレッサ（７、５、３）を支持し且つ回転させ、出力軸の他端は直接結合によって第２コンプレッサ（７、５、３）又は膨張タービン（９、１１、１３）を支持し且つ回転させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
閉じた作動循環路（２００）を流れる作動流体を介して熱を冷熱源（１５）から温熱源（１）へと移動させる極低温冷凍デバイスであって、前記作動循環路（２００）は、前記流体を実質的に等温圧縮する部分と、前記流体を実質的に等圧冷却する部分と、前記流体を実質的に等温膨張させる部分と、前記流体を実質的に等圧加熱する部分とを直列に具備しており、前記作動循環路（２００）の前記圧縮部分は、直列に配置された少なくとも２つのコンプレッサ（７、５、３、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６）と、各コンプレッサ（７、５、３、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６）の出口に配置され、圧縮された前記流体を冷却する少なくとも１つの熱交換器（６、４、２、１０８）とを備えており、前記作動循環路（２００）の前記膨張部分は、少なくとも１つの膨張タービン（９、１１、１３、１１６、１１１）と、膨張した前記流体を加熱する少なくとも１つの熱交換器（１０、１２、１４、１１０）とを備えており、前記コンプレッサ（７、５、３、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６）及び前記膨張タービン（９、１１、１３）は、出力軸を具備した少なくとも１つの高速モータ（７０、１０７、１１２、１１４、１０９）によって駆動され、前記出力軸の一端は、直接結合によって第１コンプレッサ（７、５、３、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６）を支持し且つ回転させ、前記出力軸の他端は、直接結合によって第２コンプレッサ（７、５、３、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６）又は膨張タービン（９、１１、１３、１１６、１１１）を支持し且つ回転させ、前記コンプレッサ（７、５、３、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６）は遠心圧縮式であり、前記膨張タービン（９、１１、１３、１１６、１１１）は求心膨張式であり、前記モータ（７０、１０７、１１２、１１４、１０９）の前記出力軸（７１）は磁気軸受上又は動圧気体軸受上に据えられており、前記軸受（１７１）は、前記コンプレッサ（７、５、３、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６）及び前記タービン（９、１１、１３、１１６、１１１）を支持するのに使用され、前記冷却部分及び前記加熱部分は共通の熱交換器（８、１１３）を備えており、それを、前記作動流体が、冷却されるか又は加熱されるかに応じて対向流で流れることを特徴とするデバイス。
【請求項２】
請求項１に記載のデバイスであって、前記作動循環路は、前記作動流体用の緩衝貯蔵チャンバを形成する容積を備えていることを特徴とするデバイス。
【請求項３】
請求項１及び２の何れかに記載のデバイスであって、前記作動流体は、気相にあり、ヘリウム、ネオン、窒素、酸素、アルゴン、一酸化炭素、メタン若しくは前記冷熱源の温度で気相を有している任意の他の流体から選択される純粋なガス又は複数種の純粋なガスの混合物からなることを特徴とするデバイス。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１項に記載のデバイスであって、圧縮ステージの数が膨張ステージの数よりも多いことを特徴とするデバイス。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか１項に記載のデバイスであって、少なくとも１つのモータ（７０、１０７、１１２、１１４、１０９）を具備し、その出力軸の少なくとも一端が、直接結合によって、少なくとも２つのホイール（コンプレッサインペラ及び／又はタービンホイール）を回転させることを特徴とするデバイス。
【請求項６】
請求項５に記載のデバイスであって、少なくとも１つのモータを具備し、その出力軸の一端が、直接結合によって、２つのコンプレッサインペラを回転させ、前記出力軸の他端が、直接結合によって、１つのタービンホイールを回転させることを特徴とするデバイス。
【請求項７】
閉じた作動循環路（２００）を流れる作動流体を介して熱を冷熱源（１５）から温熱源（１）へと移動させる極低温冷凍方法であって、前記作動循環路（２００）は、直列に配置された少なくとも２つのコンプレッサ（７、５、３、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６）を備えた圧縮部分と、流体冷却部分と、少なくとも１つの膨張タービン（９、１１、１３、１１６、１１１）を備えた膨張部分と、加熱部分とを直列に具備しており、前記方法は、圧縮された前記流体を前記コンプレッサ（７、５、３、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６）の出口で冷却することによって、前記圧縮部分において前記流体を実質的に等温圧縮する第１工程と、前記冷却部分において前記流体を実質的に等圧冷却する第２工程と、膨張した前記流体を前記タービンの出口で加熱することによって、前記膨張部分において前記流体を実質的に等温膨張させる第３工程と、冷熱源（１５）と熱を交換した前記流体を実質的に等圧加熱する第４工程とを含んだ作動サイクルを含んでおり、前記流体作動サイクル（温度Ｔ、エントロピーＳ）は逆エリクソンタイプであり、実質的に等温圧縮する前記第１工程の間、圧縮された前記流体が、各コンプレッサ（７、５、３、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６）の出口において冷却されて、各コンプレッサの入口及び出口における前記流体の温度を実質的に等しく、好ましくはこれらの温度の差を約１０Ｋの範囲内に保ち、実質的に等温膨張する前記第３工程の間、膨張した前記流体が各タービン（９、１１、１３、１１６、１１１）の出口において冷却されて、各タービン（９、１１、１３、１１６、１１１）の入口及び出口における前記流体の温度を実質的に等しく、好ましくはこれらの温度の差を約５Ｋの範囲内に保ち、前記コンプレッサ（７、５、３、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６）及び前記膨張タービン（９、１１、１３、１１６、１１１）は、出力軸を具備した少なくとも１つの高速モータ（７０、１０７、１１２、１１４、１０９）によって駆動され、前記出力軸の一端は、直接結合によって第１コンプレッサ（７、５、３、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６）を支持し且つ回転させ、前記出力軸の他端は、直接結合によって第２コンプレッサ（７、５、３、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６）又は膨張タービン（９、１１、１３、１１６、１１１）を支持し且つ回転させ、前記方法は、前記タービン（９、１１、１３、１１６、１１１）の機械仕事の一部を、前記出力軸（７１）を介して前記コンプレッサ（７、５、３、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６）へと移動させる工程を含んでおり、前記モータ（７０、１０７、１１２、１１４、１０９）の前記出力軸（７１）は磁気軸受上（１７１）又は動圧気体軸受（１７１）上に据えられており、前記軸受（１７１）は、前記コンプレッサ及び前記タービンを支持するのに使用され、前記冷却部分及び前記加熱部分は共通の熱交換器（８、１１３）を備えており、それを、前記作動流体が、冷却されるか又は加熱されるかに応じて対向流で流れることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法であって、冷却を行う前記第２工程が完了すると、前記作動流体は約６０Ｋの低温へと冷却されることと、前記作動循環路（２００）は、膨張タービン（９、１１、１３、１１６、１１１）の数の約３倍の数のコンプレッサ（７、５、３、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６）を具備していることとを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項７及び８の何れかに記載の方法であって、前記作動流体が、超電導素子を冷却するか又は約６５Ｋの温度に保つのに使用されることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項７乃至９の何れか１項に記載の方法であって、前記冷熱源（１５）を構成する前記流体の温度低下は、前記熱交換器における前記作動ガスの温度上昇に実質的に等しいことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の概要】
【０００１】
本発明は、極低温冷凍デバイス及び方法に関する。  
本発明は、より詳細には、閉じた作動循環路（un circuit de travail ferme）内を流れる作動流体を介して、熱を冷熱源から温熱源へと移動させる極低温冷凍デバイスであって、作動循環路が、圧縮部分と、冷却部分と、膨張部分と、加熱部分とを直列に備えているデバイスに関する。
【０００２】
冷熱源は、例えば、冷却用の液体窒素であってもよく、温熱源は、水又は空気であってもよい。
【０００３】
超伝導素子の冷却用として知られている冷凍機は、一般に、逆ブレイトンサイクルを使用する。これらの知られている冷凍機は、潤滑式回転スクリューコンプレッサと、対向流式プレート型熱交換器と、膨張タービンとを使用する。
【０００４】
これらの知られている冷凍機は、
−サイクルの及びその結果としての冷凍機の低いエネルギー効率、
−圧縮後の作動ガスからの脱油を強いる、コンプレッサを冷却及び潤滑するための油の使用、
−電気モータとコンプレッサとの間でのロータリシールの使用、
−コンプレッサの低い等温圧縮効率、
−メンテナンス作業の頻度
などの多くの欠点を有している。
【０００５】
文献米国特許第３４９４１４５号は、油潤滑式の軸受が必要なギアを介した連結を使用する冷凍システムを記載している。このタイプのデバイスは、作動ガスとギアハウジングと給油式軸受との間で、メカニカルシールなどのロータリシールを使用する。この構成は、作動ガスの漏れのリスクと、油による作動ガスの汚染の可能性とを高める。また、このシステムは、低速モータに関するものである。
【０００６】
文献米国特許第４９８４４３２号は、ボールベアリングなどの従来の軸受を使用する低速モータで動作するコンプレッサ又は液体シールタービンを使用する冷凍システムを記載している。この技術は、容積式コンプレッサ及びタービンに関するものである。
【０００７】
本発明の目的は、上に挙げた従来技術の欠点の全て又は一部を克服することである。
【０００８】
この目的のために、本発明は、閉じた作動循環路を流れる作動流体を介して熱を冷熱源から温熱源へと移動させる極低温冷凍デバイスであって、前記作動循環路は、前記流体を実質的に等温圧縮する部分と、前記流体を実質的に等圧冷却する部分と、前記流体を実質的に等温膨張させる部分と、前記流体を実質的に等圧加熱する部分とを直列に具備しており、前記作動循環路の前記圧縮部分は、直列に配置された少なくとも２つのコンプレッサと、各コンプレッサの出口に配置され、圧縮された前記流体を冷却する少なくとも１つの熱交換器とを備えており、前記作動循環路の前記膨張部分は、少なくとも１つの膨張タービンと、膨張した前記流体を加熱する少なくとも１つの熱交換器とを備えており、前記コンプレッサ及び前記膨張タービンは、出力軸を具備した少なくとも１つの高速モータによって駆動され、前記出力軸の一端は、直接結合によって第１コンプレッサを支持し且つ回転力させ（entraine en rotation）、前記出力軸の他端は、直接結合によって第２コンプレッサ又は膨張タービンを支持し且つ回転させるデバイスを提案する。
【０００９】
前記態様は、油による汚染も接触もないシステムを得るのに役立つ。これは、遠心コンプレッサと、求心タービンと、軸受との本発明に係る組み合わせが、固定部分及び回転部分との接触を減らすか又は皆無にするからである。これは、あらゆる漏れのリスクを避けるのに役立つ。システム全体は、実際には気密封止されており、大気に関するロータリシール（メカニカルシール又はドライフェイスシール）を何ら備えていない。
【００１０】
更に、本発明の態様は、以下の特徴の１つ以上を備えていてもよい。  
−前記コンプレッサは遠心圧縮式である。  
−前記膨張タービンは求心膨張式である。
【００１１】
−前記モータの前記出力軸は、磁気軸受上又は動圧気体軸受上に据えられており、前記軸受は、前記コンプレッサ及び前記タービンを支持するのに使用される。
【００１２】
−前記冷却部分及び前記加熱部分は共通の熱交換器を備えており、その中を、前記作動流体は、冷却されるか又は加熱されるかに応じて対向流で流れる。
【００１３】
−前記作動循環路は、前記作動流体用の緩衝貯蔵チャンバを形成する容積を備えている。
【００１４】
−前記作動流体は、気相にあり、ヘリウム、ネオン、窒素、酸素、アルゴン、一酸化炭素、メタン若しくは前記冷熱源の温度で気相を有している任意の他の流体から選択される純粋なガス又は複数種の純粋なガスの混合物からなる。
【００１５】
本発明は、更に、閉じた作動循環路を流れる作動流体を介して熱を冷熱源から温熱源へと移動させる極低温冷凍方法であって、前記作動循環路は、直列に配置された少なくとも２つのコンプレッサを備えた圧縮部分と、流体冷却部分と、少なくとも１つの膨張タービンを備えた膨張部分と、加熱部分とを直列に具備しており、前記方法は、圧縮された前記流体を前記コンプレッサの出口で冷却することによって、前記圧縮部分において前記流体を実質的に等温圧縮する第１工程と、前記冷却部分において前記流体を実質的に等圧冷却する第２工程と、膨張した前記流体を前記タービンの出口で加熱することによって、前記膨張部分において前記流体を実質的に等温膨張させる第３工程と、前記冷熱源と熱を交換した前記流体を実質的に等圧加熱する第４工程とを含んだ作動サイクルを含んでおり、前記流体作動サイクル（温度Ｔ、エントロピーＳ）は逆エリクソンタイプである方法を提案する。
【００１６】
更に、本発明の態様は、以下の特徴の１つ以上を備えていてもよい。  
−実質的な等温圧縮を行う前記第１工程の間、圧縮された前記流体は各コンプレッサの出口において冷却されて、各コンプレッサの入口及び出口における前記流体の温度を実質的に等しく、好ましくはこれらの差を約１０Ｋの範囲内に保つ。
【００１７】
−実質的な等温膨張を行う前記第３工程の間、膨張した前記流体は各タービンの出口において冷却されて、各タービンの入口及び出口における前記流体の温度を実質的に等しく、好ましくはこれらの差を約５Ｋの範囲内に保つ。
【００１８】
−前記コンプレッサ及び前記膨張タービンは、出力軸を具備した少なくとも１つの高速モータによって駆動され、前記出力軸の一端は、直接結合によって第１コンプレッサを支持し且つこれを回転させ、前記出力軸の他端は、直接結合によって第２コンプレッサ又は膨張タービンを支持し且つこれを回転させ、前記方法は、前記タービンの機械仕事の一部を、前記出力軸を介して前記コンプレッサへと移動させる工程を含んでいる。
【００１９】
−冷却を行う前記第２工程が完了すると、前記作動流体は約６０Ｋの低温へと冷却され、前記作動循環路は、膨張タービンの数の約３倍の数のコンプレッサを具備している。
【００２０】
−前記作動流体は、超電導素子を冷却するか又は約６５Ｋの温度に保つのに使用される。
【００２１】
−前記冷熱源を構成する前記流体の温度低下は、前記熱交換器における前記作動ガスの温度上昇に実質的に等しい。
【００２２】
本発明は、以下の利点の１つ以上を有していてもよい。  
−前記作動流体サイクル（逆エリクソンタイプ）は、知られているシステムよりも高い効率を達成するのに役立ち、必ず他の欠点を生じさせるか又はそれらを大きくするということはない。
【００２３】
−タービンにおける膨張仕事を、有利に利用することができる、
−潤滑又は冷却のための油の使用を排除することができ、そのおかげで、コンプレッサの下流の脱油設備を省略することができ、また、廃油処理及び再循環作業を省略することができる。
【００２４】
−このシステムは少数の可動部分を必要とするだけであり、それにより、その単純性及び信頼性を高める。本発明のおかげで、コンプレッサは、増速ギア（multiplicateur de vitesse）又はカルダン継ぎ手などを有したタイプの機械動力伝達装置なしに動作すること（s'affranchir）ができる。
【００２５】
−メンテナンス作業は、少なくなるか又は事実上なくなる。
【００２６】
−このシステムは、ロータリシールを回避するのに及び外部に対して完全に気密封止したシステムを使用するのに役立つ。これは、作動サイクルガスのあらゆる損失又は汚染を防ぐ。
【００２７】
−冷凍機の大きさは、知られているシステムに比べて縮小され得る。
【００２８】
他の特徴及び利点は、図面とともに与えられる以下の説明を読むことによって明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、本発明に係る冷凍デバイスの第１の例示的態様の構成及び動作を示す概略図である。
【図２】図２は、図１の詳細を概略的に示しており、コンプレッサ−コンプレッサ又はコンプレッサ−タービンアッセンブリの駆動モータの配置を示している。
【図３】図３は、図１の冷凍機における作動流体の作動サイクルの一例を概略的に示している。
【図４】図４は、本発明に係る冷凍機の第２の例示的態様の構成及び動作を示す概略図である。
【図５】図５は、図３の冷凍機における作動流体の作動サイクルの第２の例を概略的に示している。
【００３０】
図１の例示的態様を参照すると、本発明に係る冷凍機は、熱を、極低温にある冷熱源１５から、例えば周囲温度にある温熱源１へと移動させるのに適している。
【００３１】
冷熱源１５は例えば冷却用の液体窒素であってもよく、温熱源１は水であってもよいし、空気であってもよい。この熱移動を実行するために、図１に示す冷凍機は、以下に挙げる構成要素を備えた、作動ガスの作動循環路２００を使用する。
【００３２】
循環路２００は、直列に配置されており且つ周囲温度で動作する複数の遠心コンプレッサ３、５、７を備えている。
【００３３】
循環路２００は、周囲温度で動作し、コンプレッサ３、５、７の出口にそれぞれ配置された複数の熱交換器２、４、６を備えている。各圧縮ステージの入口及び出口における（即ち、各コンプレッサ３、５、７の入口及び出口における）作動ガスの温度は、熱交換器によって、実質的に同じレベルに維持される（図３の領域Ａを参照のこと。この図は、ガスの作動サイクルを示しており、ここで、Ｋで表した温度は、Ｊ／ｋｇで表したエントロピーの関数である）。図３において、鋸歯パターンにおける領域Ａの立ち上がり部分は、各々、圧縮ステージに対応しており、この領域Ａの減少している部分は、各々、熱交換器による冷却に対応している。
【００３４】
この配置は、等温圧縮に近付くのに役立つ。各圧縮ステージの入口及び出口温度は、実質的に同じである。
【００３５】
熱交換器２、４、６は、別々のものであってもよく、温熱源１との熱交換における同一の熱交換器の別々の部分から構成されていてもよい。
【００３６】
この冷凍機は、複数の高速モータ（７０、図２を参照のこと）を備えている。本発明の文脈では、高速モータは、通常、回転速度が遠心圧縮ステージ又は求心膨張ステージとの直接結合を許容するモータを意味する。高速モータ７０は、好ましくは、磁気軸受又は動圧気体軸受１７１（図２）を使用する。高速モータは、典型的には、１００００ｒｐｍ又は数万ｒｐｍの速度で回転する。低速モータは、数千ｒｐｍの速度で回転する。
【００３７】
複数のコンプレッサを直列に備えた圧縮部分の下流において、冷凍機は、好ましくは対向流式プレート型である熱交換器８を備えており、この交換器は、周囲温度にある要素（図１に示した循環路２００の上部）を極低温にある要素（循環路２００の下部）から隔てている。流体は、冷却される（図３の領域Ｄに対応している）。周囲温度から極低温へのガスの冷却は、冷熱源１５との熱交換後に膨張部分から生じる極低温の同種の作動ガスとの対向流交換によって行われる。
【００３８】
プレート型熱交換器８を備えたこの冷却部分の下流において、循環路は、好ましくは求心式の、直列に配置された１つ以上の膨張タービン９、１１、１３を備えている。タービン９、１１、１３は、極低温で動作し、各膨張ステージの入口及び出口（タービンの入口及び出口）温度は、タービンの出口に配置された１つ以上の極低温熱交換器１０、１２、１４によって、実質的に同一に保たれる。これは図３の領域Ｃに対応し、領域Ｃの減少している部分は、各々、膨張ステージに対応しており、この領域の立ち上がり部分は熱交換器１０、１２、１４における加熱に対応している。この配置は、等温膨張に近付くのに役立つ。各膨張ステージの入口及び出口温度は、実質的に同じである。更に、この冷凍機の効率を高めるべく、熱交換器（１０、１２、１４）における作動ガス温度の上昇を、冷却されるべき流体（１５）（冷熱源）の温度の低下と（絶対値で）実質的に同一としてもよい。
【００３９】
これら加熱用の熱交換器１０、１２、１４は、別々のものであってもよく、冷熱源１５との熱交換を行う同一の熱交換器の別々の部分から構成されていてもよい。
【００４０】
膨張部分及び冷熱源１５との熱交換の下流において、作動流体は、再び、プレート型熱交換器８と熱を交換する（図３の領域Ｂ）。流体は、圧縮部分の後段でのその移動に対して逆流して、熱交換器８において熱を交換する。加熱後、流体は圧縮部分に戻り、そのサイクルを繰り返し得る。
【００４１】
循環路は、周囲温度にある作動ガスのチャンバを更に備え、例えば冷凍機が停止している間に、この循環路内の圧力を制限してもよい（単純化のために図示していない）。
【００４２】
冷凍機は、好ましくは、作動流体として、閉じた循環炉内を流れる気相の流体を使用する。これは、例えば、純粋なガスからなるか又は複数種の純粋なガスの混合物からなる。この技術にとって最も適切なガスは、特には、ヘリウム、ネオン、窒素、酸素及びアルゴンである。一酸化炭素及びメタンを使用することもできる。
【００４３】
この冷凍機は、逆エリクソンサイクルに近い流体作動サイクルを達成するように設計されており、そのように動作する。これは、等温圧縮、等圧冷却、等温膨張及び等圧加熱を意味している。
【００４４】
有利な特徴によると、少なくともコンプレッサ３、５、７を駆動するため（即ち、コンプレッサインペラを駆動するため）に、冷凍機は、複数の高速モータ７０を使用する。
【００４５】
図２に概略的に示すように、各高速モータ７０は、その出力軸の一端にコンプレッサインペラ３１が取り付けられており、その出力軸の他端には他のコンプレッサインペラ又はタービンホイール９が取り付けられている。この配置は、多くの利点を提供する。この配置は、冷凍機における、モータ７０とコンプレッサ３、５、７のインペラとの間の、又は、モータ７０とタービンホイール９、１１、１３との間の直接結合を可能にする。これは、増速ギアも減速器もなしに動作するのに役立つ（それによって、必要な可動部分の数を抑える）。また、この配置は、タービン９、１１、１３の機械仕事の利用を可能にし、結果として、この冷凍機全体のエネルギー効率を高めるのを可能にする。この配置によると、この冷凍機は、油なしに動作し、それにより、作動ガスの純度を保証し且つ脱油作業の必要性を排除する。
【００４６】
高速モータの数は、この冷凍機に望まれるエネルギー効率に主に依存する。この効率が高いほど、高速モータの数は多くなる。
【００４７】
圧縮ステージ（コンプレッサ）の数と膨張ステージ（タービン）の数との比は、目的の冷却温度に依存する。例えば、冷熱源が２７３Ｋである冷凍機の場合、圧縮ステージの数は、膨張ステージの数と実質的に等しい。冷熱源が６５Ｋである冷凍機の場合、圧縮ステージの数は、膨張ステージの数の約３倍である。
【００４８】
図４は、例えば、超電導ケーブルの温度を約６５Ｋの極低温に冷却するか又はこの温度に維持するのに使用され得る他の態様を示している。この温度レベルの場合、圧縮ステージ（コンプレッサ）の数は、膨張ステージ（タービン）の数の約３倍でなければならない。これは、幾つかの考えられる配置で得ることができる。例えば、３つのコンプレッサ及び１つのタービンか、又は、６つのコンプレッサ及び２つのタービンである。
【００４９】
ユニットの数の選択は、望まれるエネルギー効率に依存する。従って、３つのコンプレッサと１つのタービンとを使用する解決策は、６つのコンプレッサと２つのタービンとを使用する解決策よりもエネルギー効率が低いであろう。
【００５０】
図４の例では、この冷凍機は、６つのコンプレッサ１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６と、２つのタービン１１６、１１１と、４つの高速モータ１０７、１１２、１１４、１０９とを備えている。最初の２つのコンプレッサ１０１、１０２（即ち、コンプレッサインペラ）は、第１高速モータ１０７の２つの端部にそれぞれ据え付けられている。次の２つのコンプレッサ１０３、１０４は、第２高速モータ１１２の２つの端部にそれぞれ据え付けられている。次のコンプレッサ１０５及びタービン１１６（即ち、タービンホイール）は、第３高速モータ１１４の２つの端部にそれぞれ据え付けられている。最後に、最後のタービン１１１と第６コンプレッサ１０６は、第４モータ１０９の２つの端部にそれぞれ据え付けられている。
【００５１】
閉じたループの循環路における１サイクル中の作動ガスの経路は、以下のように説明され得る。
【００５２】
最初のステップでは、このガスは、直列的な４つのコンプレッサ１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６を連続的に通過することによって、累進的に圧縮される。
【００５３】
各圧縮ステージが完了すると、（各コンプレッサの出口において）作動ガスは、それぞれの熱交換器１０８において（例えば空気又は水との熱交換によって）冷却されて、等温圧縮に迫る。この圧縮部分の後段において、ガスは、対向流式プレート型熱交換器１０３によって等圧冷却される。この冷却部分の後段において、冷却ガスは、直列的な２つの求心タービン１１６、１１１において累進的に膨張する。各膨張ステージの後段において、作動ガスは、実質的な等温膨張を達成するために、熱交換器１１０における熱交換によって（例えば冷熱源との熱交換によって）加熱される。この等温膨張が完了すると、作動ガスは、熱交換器１１３において加熱され、その後、圧縮によって新たなサイクルを開始することができる。
【００５４】
図５は、図５の冷凍機における作動流体のサイクル（温度Ｔ及びエントロピーＳ）を示している。図３について上述したのと同様に、６つの鋸歯が圧縮領域Ａにおいて認められ、これらは６つの連続した圧縮及び冷却に対応している。膨張領域Ｃでは、２つの鋸歯が認められ、これらは２つの連続した膨張及び加熱に対応している。
【００５５】
本発明は、エネルギー効率、信頼性及び大きさの点で、極低温冷凍機を改良するものである。本発明は、メンテナンス作業の回数を減らすこと及び油の使用を省略することに役立つ。
【００５６】
明らかなことではあるが、モータの出力軸の一端又は両端は、１つよりも多くのホイール（即ち、複数のコンプレッサ又は複数のタービン）を直接駆動することができる。
【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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【国際調査報告】
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