特表2023-547684ガス冷凍機、ガス冷凍機の運転方法およびガス冷凍機の開放システムの製造方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-11-13
(54)【発明の名称】ガス冷凍機、ガス冷凍機の運転方法およびガス冷凍機の開放システムの製造方法
(51)【国際特許分類】
F25B 27/00 20060101AFI20231106BHJP
F25B 9/06 20060101ALI20231106BHJP
【ＦＩ】
F25B27/00 G
F25B9/06 K
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023527328
(86)(22)【出願日】2021-10-26
(85)【翻訳文提出日】2023-06-26
(86)【国際出願番号】 EP2021079711
(87)【国際公開番号】W WO2022090248
(87)【国際公開日】2022-05-05
(31)【優先権主張番号】102020213547.9
(32)【優先日】2020-10-28
(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE
(31)【優先権主張番号】102020213822.2
(32)【優先日】2020-11-03
(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】523159889
【氏名又は名称】ヨストエアテック ゲーエムベーハー
【氏名又は名称原語表記】ＪｕｓｔＡｉｒＴｅｃｈ ＧｍｂＨ
【住所又は居所原語表記】Ｈｏｈｅｎｌｉｎｄｅｎｅｒ Ｓｔｒａｓｓｅ １， ８１６７７ Ｍｕｅｎｃｈｅｎ， Ｇｅｒｍａｎｙ
(74)【代理人】
【識別番号】100134119
【弁理士】
【氏名又は名称】奥町 哲行
(72)【発明者】
【氏名】セドラック・ホルガー
(57)【要約】
ガス冷凍機は、ガス用の入力（２）と、復熱器（１０）と、圧縮機入力（４１）を有する圧縮機（４０）であって、圧縮機入力（４１）は第１の復熱器出力（１２）に結合されている、圧縮機（４０）と、熱交換器（６０）と、タービン（７０）と、ガス出力（５）とを備え、ガス冷凍機は、開放システムとして構成され、ガス冷凍機は、復熱器（１０）、圧縮機（４０）、熱交換器（６０）、およびタービン（７０）を備える要素のグループのうちの少なくとも１つの要素内の作動媒体がガスであるように構成され、入力（２）は、入力（２）およびガス出力（５）が構成されているガス冷凍機のハウジング（１００）の第１の部分に配置され、ガス出力（５）は、ガス冷凍機のハウジング（１００）の第２の部分に配置され、第１の部分は、ガス冷凍機がガス冷凍機の動作のために設置される動作方向において第２の部分の上方に配置される。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ガス冷凍機であって、ガス用の入力（２）と、
復熱器（１０）と、
圧縮機入力（４１）を備える圧縮機（４０）であって、前記圧縮機入力（４１）は第１の復熱器出力（１２）に結合されている、圧縮機（４０）と、
熱交換器（６０）と、
タービン（７０）と、
ガス出力（５）と、
を備え、
前記ガス冷凍機は、開放システムとして形成され、前記復熱器（１０）、前記圧縮機（４０）、前記熱交換器（６０）、および前記タービン（７０）を含む要素群のうちの少なくとも１つの要素の作動媒体が前記ガスであるように構成され、
前記入力（２）は、前記入力（２）および前記ガス出力（５）が構成される前記ガス冷凍機のハウジング（１００）の第１の部分に配置され、前記ガス出力（５）は、前記ガス冷凍機の前記ハウジング（１００）の第２の部分に配置され、前記第１の部分は、前記ガス冷凍機が前記ガス冷凍機の動作のために設置される動作方向において前記第２の部分の上方に配置される、
ガス冷凍機。
【請求項2】
前記復熱器（１０）は、第１の復熱器入力（１１）、前記第１の復熱器出力（１２）、第２の復熱器入力（１３）および第２の復熱器出力（１４）を備え、または、前記圧縮機は、前記圧縮機入力（４１）および圧縮機出力（４２）を含む、または、
前記熱交換器（６０）は、一次側に第１の熱交換器入力（６１）および第１の熱交換器出力（６２）を備え、二次側に第２の熱交換器入力（６３）および第２の熱交換器出力（６４）を備え、前記第１の熱交換器入力（６１）は前記圧縮機出力（４２）に結合され、前記第１の熱交換器出力（６２）は前記第２の復熱器入力（１３）に結合され、または、
前記タービン（７０）は、タービン入力（７１）およびタービン出力（７２）を備え、前記タービン入力（７１）は、前記第２の復熱器出力（１４）に接続され、前記ガス出力（５）は、前記タービン出力（７２）に結合される、
請求項１に記載のガス冷凍機。
【請求項3】
前記圧縮機入力（４１）は、吸気壁（３１）によって画定され、前記圧縮機（４０）から離れて延在する吸引領域（３０）に接続され、前記復熱器（１０）は、前記吸引領域（３０）の周りに少なくとも部分的に延在し、前記吸気壁（３１）によって画定される、請求項１または２に記載のガス冷凍機。
【請求項4】
前記圧縮機（４０）は、前記動作方向において前記タービン（７０）の上方に配置され、または前記ガスのための前記入力（２）は、冷却されるべき領域内に配置され、前記冷却されるべき領域から第１の温度を有するガスを吸引し、前記ガス出力（５）は、前記冷却されるべき領域内に配置され、第２の温度を有するガスを前記冷却されるべき領域内に出力し、前記第２の温度は前記第１の温度よりも低く、または、
前記冷却されるべきガスとして、前記ガスのための前記入力（２）を介して冷却されるべき空気を吸引し、前記冷却されるべきガスとして、前記ガス出力（５）を介して冷却された空気を出力するように構成される、
請求項１から３のいずれか一項に記載のガス冷凍機。
【請求項5】
前記圧縮機（４０）が圧縮機ホイール（４０ａ）を備え、前記タービン（７０）がタービンホイール（７０ａ）を備え、前記圧縮機ホイール（４０ａ）および前記タービンホイール（７０ａ）が共通軸上に配置され、駆動モータのロータ（４４）が前記共通軸上に配置され、前記駆動モータのステータと相互作用するか、または、圧縮機ホイール（４０ａ）が、駆動モータのロータ（４４）よりも大きい直径、または前記タービン（４０）のタービンホイール（７０ａ）よりも大きい直径を有する、
請求項１から４のいずれか一項に記載のガス冷凍機。
【請求項6】
前記ロータ（４４）は、前記圧縮機ホイール（４０ａ）と前記タービンホイール（７０ａ）との間に配置され、または、前記圧縮機ホイール（４０ａ）、第１の軸部分（４３ａ）、ロータ（４４）、第２の軸部分（４３ｂ）、および前記タービンホイール（７０ａ）は、一体的に形成され、または、
第１の軸受部分（４０ｂ）が前記圧縮機ホイール（４０ａ）に形成され、第２の軸受部分（７０ｂ）が前記タービンホイール（７０ａ）に形成され、または、
前記ロータ（４４）は、アルミニウムなどの非強磁性材料で形成され、強磁性背面要素（４４ａ）は、前記ロータ（４４）の周りに配置され、磁石（４４ｂ）は、前記背面要素（４４ａ）に配置される、
請求項５に記載のガス冷凍機。
【請求項7】
前記復熱器（１０）は、前記ガス冷凍機の容積の外側領域に配置され、前記圧縮機入力（４１）は、前記ガス冷凍機の前記容積の内側領域に配置される、請求項１から６のいずれか一項に記載のガス冷凍機。
【請求項8】
前記復熱器（１０）が、吸引領域（３０）を形成する中央領域に位置する中央開口部を備える容積形状を有し、吸気壁（３１）が、前記圧縮機入力（４１）を形成する前記中央開口部の第１の端部から、カバー（３２）によって閉じられた第２の端部まで延在する、請求項１から７のいずれか一項に記載のガス冷凍機。
【請求項9】
吸引領域（３０）は、第１の端から第２の端まで連続的に増加する開口面積を有し、吸気壁（３１）は、連続的または無段に形成されている、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のガス冷凍機。
【請求項10】
前記復熱器（１０）が回転対称であり、前記復熱器（１０）の対称軸が、前記圧縮機（４０）の軸または前記タービン（７０）の軸または前記ガス出力（５）の軸または前記ガス入力（２）の軸または吸引領域（３０）の軸と実質的に一致する、請求項１から９のいずれか一項に記載のガス冷凍機。
【請求項11】
前記復熱器（１０）が向流熱交換器を備える、請求項１から１０のいずれか一項に記載のガス冷凍機。
【請求項12】
前記ガスの入力（２）により、前記ガスは外部から内部に移動し、前記逆流型熱交換器から排出されたガスは内部から外部に移動する、請求項１１に記載のガス冷凍機。
【請求項13】
前記ハウジング（１００）が、側壁と、底壁または上壁とを備え、前記ガスの前記入力（２）が、前記側壁に配置され、前記ガス出口（５）が、前記底壁または前記上壁に配置され、あるいは前記ガス出口（５）は、前記ガス冷凍機の運転方向の底部に形成され、前記ガス冷凍機を設置可能な部屋の底部の冷媒ガス入口に配置可能な形状であり、または、
前記ガス出口（５）は、前記ガス冷凍機の運転方向の底部に形成され、さらに、前記ガス出口（５）に形成された凝縮物を収集するための水分収集装置が設けられている、
請求項１から１２のいずれか一項に記載のガス冷凍機。
【請求項14】
前記ハウジング（１００）は、回転対称または円筒形であるか、または０．５ｍ～１．５ｍの直径または１．０ｍ～２．５ｍの高さを有する、請求項１から１３のいずれか一項に記載のガス冷凍機。
【請求項15】
前記タービン出力（７２）は、前記ガス出力（５）よりも小さい開口面積を有し、前記開口面積は、前記タービン出力（７２）から前記ガス出力（５）まで連続的に拡大する、請求項１から１４のいずれか一項に記載のガス冷凍機。
【請求項16】
前記ハウジング（１００）は、細長い形状を有し、前記ガスの前記入力（２）は、前記ハウジング（１００）の前記第１の部分に複数の穿孔を有し、前記ハウジングの前記第１の部分の壁は、前記復熱器（１０）の壁を形成し、または前記ガス出力（５）は、前記ハウジング（１００）の前記第１の部分の前記ハウジング（１００）の断面積の少なくとも５０％である開口面積を有する前記ハウジング（１００）の前記第２の部分の開口を含む、請求項１から１５のいずれか一項に記載のガス冷凍機。
【請求項17】
前記圧縮機（４０）は、ガスを吸引領域（３０）を介して上から下へ前記圧縮機入力（４１）に移動させ、圧縮ガスを下から出力側ガイドチャンバ（４５）を備えた前記熱交換器（６０）に供給するように構成されている、請求項１から１６のいずれか一項に記載のガス冷凍機。
【請求項18】
前記熱交換器（６０）が、くさび形またはディスク形の容積を有し、熱交換器入力（６１）が、前記くさび形またはディスク形の容積の外側に配置され、熱交換器出力（６２）が、前記くさび形またはディスク形の容積の内側に配置されるか、または前記熱交換器入力（６１）が、前記くさび形またはディスク形の容積の底部に配置され、前記熱交換器出力（６２）が、前記くさび形またはディスク形の容積の上部に配置される、請求項１から１７のいずれか一項に記載のガス冷凍機。
【請求項19】
前記復熱器（１０）は、外側領域に逆流熱交換器構造を含む容積を有し、内側領域の吸引領域（３０）に続き、第１の復熱器入力（１１）が前記外側領域の外側に配置され、前記ガスを前記吸引領域（３０）に導くために第１の復熱器出力（１２）が前記内側領域に配置され、第２の復熱器入力（１３）も前記内側領域に配置され、第２の復熱器出力（１４）も前記外側領域に配置され、前記第１の復熱器入力（１１）および前記第２の復熱器出力（１４）は、前記復熱器（１０）において流体的に分離され、前記第１の復熱器出力（１２）および前記第２の復熱器入力（１３）は、前記復熱器（１０）において流体的に分離される、
請求項１から１８のいずれか一項に記載のガス冷凍機。
【請求項20】
前記復熱器（１０）は、第１の復熱器入力（１１）から第１の復熱器出力（１２）への相互接続された第１のガス流路（１５）を備え、第２の復熱器入力（１３）と第２の復熱器出力（１４）との間に第２の相互接続されたガス流路（１６）を備え、前記第１のガス流路（１５）および前記第２のガス流路（１６）は、熱的相互作用で配置され、前記復熱器（１０）は、前記第２の復熱器入力（１３）において、一方の側で前記第２のガス流路（１６）を接続し、前記内側領域に沿って延び、前記第２の復熱器入力（１３）を形成する第１の収集領域（１８）と、他方の側で前記第２のガス流路を接続し、前記外側領域の縁部に沿って延び、前記第２の復熱器出力（１４）を形成する第２の収集領域（１７）とを有し、吸気壁（３１）は、前記第１の収集領域を画定し、前記第１の収集領域（１８）を吸引領域（３０）から分離する、
請求項１から１９のいずれか一項に記載のガス冷凍機。
【請求項21】
前記熱交換器（６０）は、前記復熱器（１０）と前記圧縮機（４０）との間に配置されている、請求項１から２０のいずれか一項に記載のガス冷凍機。
【請求項22】
タービン入力（７１）が、接続領域を介して第２の復熱器出力（１４）に接続され、前記接続領域が、前記熱交換器（６０）の周りに延在する、請求項１から２１のいずれか一項に記載のガス冷凍機。
【請求項23】
前記熱交換器（６０）は気液熱交換器であり、液体が流れることができる、ガスが流れる容積内の導管構造を備え、前記液体構造は、前記熱交換器（６０）の二次入力（６３）および二次出力（６４）に結合されている、請求項１から２２のいずれか一項に記載のガス冷凍機。
【請求項24】
前記ハウジング（１００）は、前記熱交換器（６０）からの液体出口（６４）と、前記熱交換器（６０）への液体入口（６３）とを備える、請求項２３に記載のガス冷凍機。
【請求項25】
前記液入口および液出口は、ヒートシンク（８０）に接続されており、前記ヒートシンク（８０）との回路内にポンプ（９０）が配置されている請求項２４に記載のガス冷凍機。
【請求項26】
前記復熱器（１０）は、吸引領域（３０）を完全に囲む容積を有し、前記吸引領域（３０）および前記復熱器（１０）の前記容積は、前記圧縮機入力（４１）から１０ｃｍを超える距離だけ延在し、前記ガスのための前記入力（２）は、第１のガス流路（１５）の第１の端部によって形成され、前記第１のガス流路の第２の端部は、前記吸引領域（３０）内に開口し、前記第１のガス流路（１５）は、ガスを前記吸引領域（３０）内に複数の側から誘導するために前記容積全体に分配される、
請求項１から２５のいずれか一項に記載のガス冷凍機。
【請求項27】
前記復熱器（１０）、前記圧縮機（４０）、前記熱交換器（６０）、および前記タービン（７０）を備える前記要素群のうちの少なくとも１つの要素が、前記ハウジング（１００）内に配置される、請求項１から２６のいずれか一項に記載のガス冷凍機。
【請求項28】
前記圧縮機（４０）の駆動モータに電力を供給するため、または前記ガス冷凍機の要素に制御データを提供するため、または前記ガス冷凍機の要素からセンサデータを取得するための電子機器モジュール（１０２）が、前記電子機器モジュール（１０２）を冷却するように構成された前記ガス冷凍機の領域に配置されている、または前記ガス冷凍機にエネルギーおよび／または制御信号を電気供給するための電子機器モジュール（１０２）が、前記タービン出力（７２）および前記ガス出力（５）と、前記ガス出力（５）の外側の前記ハウジング（１００）のハウジング壁との間の領域に配置されている、または
前記ガス冷凍機にエネルギーおよび／または制御信号を電気供給するための電子機器モジュール（１０２）が、前記圧縮機（４０）の圧縮機ホイール（４０ａ）の基部と前記タービンのタービンホイール（７０ａ）の基部との間の領域に配置されている、または
前記ガス冷凍機にエネルギーおよび／または制御信号を電気供給するための電子機器モジュール（１０２）が、前記タービン（７０）のタービン入力（７１）の境界部材（７１ａ）に配置され、前記電子機器モジュール（１０２）が、前記タービン（７０）の前記タービン入力（７１）の外側にさらに配置されている、または
前記ガス冷凍機にエネルギーおよび／または制御信号を電気供給するための電子機器モジュール（１０２）は、中央に開口部を有し、円盤状であり、前記圧縮機（４０）の駆動モータのステータの周りに延在し、または前記ステータと一体に形成され、例えば、前記圧縮機（４０）の圧縮機ホイール（４０ａ）の基部と前記タービン（７０）のタービンホイール（７０ａ）の基部との間の領域に配置されている、
請求項１から２７のいずれか一項に記載のガス冷凍機。
【請求項29】
ガス冷凍機の運転方法であって、前記ガス冷凍機が、ガス用の入力（２）と、復熱器（１０）と、圧縮機入力（４１）を備える圧縮機（４０）であって、前記圧縮機入力（４１）が第１の復熱器出力（１２）に結合されている、圧縮機（４０）と、圧縮機出力（４２）に結合された熱交換器（６０）と、タービン（７０）と、ガス出力（５）と、を備え、前記方法が、
前記入力（２）を介して前記ガスを吸引するステップと、
前記復熱器（１０）の一次領域を通って移動した前記ガスを前記圧縮機（４０）によって圧縮するステップと、
前記圧縮ガスを前記熱交換器（６０）に導入するステップと、
前記熱交換器（６０）からの前記ガスを前記復熱器（１０）の二次領域に導入するステップと、
前記復熱器（１０）の前記二次領域の前記出力において前記ガスを前記タービン（７０）によって緩和するステップと、
前記ガス出力（５）を介して前記緩和ガスを出力するステップと、
を含み、
前記入力（２）は、前記入力（２）および前記ガス出力（５）が構成される前記ガス冷凍機のハウジング（１００）の第１の部分に配置され、前記ガス出力（５）は、前記ガス冷凍機の前記ハウジング（１００）の第２の部分に配置され、前記第１の部分は、前記ガス冷凍機が前記ガス冷凍機の動作のために設置される動作方向において前記第２の部分の上方に配置される、
方法。
【請求項30】
ガス冷凍機の製造方法であって、前記ガス冷凍機が、ガス用の入力（２）と、復熱器（１０）と、圧縮機入力（４１）を有する圧縮機（４０）であって、前記圧縮機入力（４１）は第１の復熱器出力（１２）に結合されている、圧縮機（４０）と、圧縮機出力（４２）に結合された熱交換器（６０）と、タービン（７０）と、ガス出力（５）と、を備え、前記方法が、
前記復熱器（１０）、前記圧縮機（４０）、前記タービン（７０）、および前記熱交換器（６０）を開放システムに配置するステップであって、前記ガス冷凍機は、前記復熱器（１０）、前記圧縮機（４０）、前記熱交換器（６０）、および前記タービン（７０）を含む要素群のうちの少なくとも１つの要素の作動媒体が前記ガスであるように構成されている、ステップ、を含み、
前記入力（２）は、前記入力（２）および前記ガス出力（５）が構成される前記ガス冷凍機のハウジング（１００）の第１の部分に配置され、前記ガス出力（５）は、前記ガス冷凍機の前記ハウジング（１００）の第２の部分に配置され、前記第１の部分は、前記ガス冷凍機が前記ガス冷凍機の動作のために設置される動作方向において前記第２の部分の上方に配置される、
方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、加熱および冷却のための機械に関し、特に、冷風冷凍機またはガス冷凍機に関する。
【0002】
冷気冷凍機は周知であり、例えば、宇宙用途で使用されている。図５に模式的に示す技術公報「宇宙用途向け高容量ターボ－レーヨン冷凍機」、Ｍ．Ｚａｇａｒｏｌａ ｅｔ ａｌ、Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ４６（２００６）、１６９～１７５頁には、極低温冷凍機が開示されている。圧縮機Ｃは、閉鎖システム内を循環するガスを圧縮する。圧縮ガスは、「ヒートシンク」および「放熱」と概略的に示されている熱交換器によって冷却される。冷却されたガスは復熱器Ｒに供給され、復熱器Ｒはそれによって冷却されたガスをタービンＥに供給する。タービンＥからは低温のガスが排出され、熱交換器を介して熱を吸収したり、冷却効果を得たりする。冷却効果を提供する熱交換器を出るガスは、その入口のガスよりもやはり温かいが、再加熱される復熱器Ｒにも供給される。
【0003】
図５のサイクルの温度－エントロピー図を図６に示す。等エントロピー圧縮は、遷移点１から遷移点２への遷移によって示されるように、圧縮機Ｃによって実行される。図６の点２から点３への移行によって示されるように、熱放出のために熱交換器を介して等圧放熱が起こる。点３と点４との間の遷移によって示されるように、等圧放熱も復熱器Ｒを介して行われる。次いで、点４と点５との間の移行によって示されるように、タービンＥにおいて等エントロピー膨張が起こる。熱交換器の冷却効果は、点５から点６への移行によって表されるように、等圧熱吸収を表す。熱交換器で放出された熱は、点２と点３との間の温度差として温度エントロピー図に表される。これに対応して、タービン膨張によって達成される温度低下は、点４と点５との間の温度差によって表される。最後に、「利用可能な冷却」として表される冷却に使用することができる温度差が、点５と点６との間に示されている。
【0004】
様々な他の実施態様における他の冷気冷凍機は、２０１３年６月２１日にフリードリヒスハーフェンでＨｉｓｔｏｒｉｋｅｒｔａｇｕｎｇ（Ｈｉｓｔｏｒｉａｎ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎ）２０１３で開催されたＩ．Ｅｂｉｎｇｅｒによる講演「Ｌｕｆｔ ａｌｓ Ｋａｌｔｅｍｉｔｔｅｌ－Ｇｅｓｃｈｉｃｈｔｅ ｄｅｒ Ｋａｌｔｌｕｆｔｋａｌｔｅｍａｓｃｈｉｎｅ」（冷媒としての空気－冷気冷凍機の歴史）で提示される。
【0005】
冷却および加熱に使用されるヒートポンプと比較して、ガス冷凍機は、液体冷媒のエネルギー集約的な循環を回避することができるという利点を有する。さらに、ガス冷凍機は、一方では連続蒸発を必要とせず、他方では連続凝縮を必要としない。図５に示すサイクルでは、異なる凝集状態間の遷移はなく、ガスのみが循環する。さらに、真空に近い非常に低い圧力がヒートポンプに必要とされ、特に気候にとって問題のある冷媒が不要にされる場合、これらの圧力は、特に機器に関して、運転中の生成、取り扱いおよび保守の点でかなりの費用をもたらす可能性がある。それにもかかわらず、冷風冷凍機の使用は制限されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明の目的は、改良されたガス冷凍機を提供することである。
この目的は、請求項１に記載のガス冷凍機、請求項２９に記載のガス冷凍機の運転方法、または請求項３０に記載のガス冷凍機の製造方法によって達成される。
この目的は、請求項１に記載のガス冷凍機、請求項２９に記載のガス冷凍機の運転方法、または請求項３０に記載のガス冷凍機の製造方法によって達成される。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の一態様は、特に復熱器または復熱器と圧縮機との間の接続部において、管を通る損失を防止するために、ガス冷凍機を特にコンパクトに設計しなければならないという知見に基づいている。この目的のために、復熱器は、圧縮機の吸引領域の周りに延びるように配置され、吸引領域は、吸気壁によって復熱器から分離されている。一方では吸引領域を有する圧縮機と他方では復熱器との間のこの一体化された配置は、復熱器を通って復熱器の一次側に存在するガスを吸引するために最適な流れ条件を有するコンパクトな設定を達成することができるという事実をもたらす。さらに、復熱器の効果は、ガス冷凍機全体の効率にとって重要であり、このため、復熱器は、吸引領域の周りに少なくとも部分的に、好ましくは完全に延びるように配置される。これにより、圧縮機入力から離れて延在し、吸気壁によって復熱器から分離された吸気領域全体にわたって、実質的な量のガスが復熱器から全側から吸引されることが保証される。したがって、復熱器はかなりの容積を占める可能性があるが、圧縮機が復熱器と直接一体化されているため、コンパクトな設計が依然として達成される。一方、この実施態様はまた、復熱器内の一次側と熱的に相互作用しなければならない復熱器内の二次側に十分な空間が残り、一次側を流れる温かいガスの流れおよび二次側を流れる温かいガスの流れが熱的に良好に相互作用することを可能にする。
【0008】
好ましい実施形態では、直接流または逆流の原理が復熱器で使用されて、この構成要素で特に良好な効率を達成する。本発明のさらに好ましい実施形態では、復熱器の一次側への第１の入力は、ガスまたは空気の入力を表し、その結果、ガス冷凍機は開放システムで動作可能である。次いで、タービン出力またはガス出口はまた、例えば冷却空気またはより一般的には冷却ガスが導入される空間に導かれる。代替的に、一方ではガス入力、他方ではガス出力は、配管システムおよび熱交換器を介して冷却されるシステムに接続されてもよい。そして、本発明に係るガス冷凍機は、閉鎖システムである。
【0009】
好ましくは、ガス冷凍機全体は、典型的には少なくともその「内部」において回転対称であり、直立形状および直径よりも高い、すなわち細長い直立形状を有するハウジング内に設置される。このハウジングは、ガス入力ならびにガス出力および復熱器、圧縮機およびタービン、好ましくは熱交換器も収容する。
【0010】
好ましくは、動作中、圧縮機はタービンの上方に配置される。やはり好ましくは、圧縮機はラジアルホイールを備え、タービンはタービンホイールも備え、圧縮機ホイールおよびタービンホイールは共通の軸上に配置され、この軸は、駆動モータのステータと相互作用する駆動モータのロータをさらに備える。好ましくは、ロータは、圧縮機ホイールとタービンホイールとの間に配置される。
【0011】
さらに他の実施形態では、復熱器はガスエンジンの容積の外側領域に配置され、圧縮機入力はガスエンジンの容積の内側領域に配置され、吸引領域も容積の内側領域に位置する。好ましくは、吸気領域は、吸気壁が連続的に、すなわち好ましくは縁部なしに形成されるように、第１の端部から第２の端部まで連続的に増加する開口面積を有する。より小さい開口面積を有する端部は、圧縮機入力に接続され、より大きい開口面積を有する端部は、圧縮機動作が、吸引領域内に吸引効果を生み出し、吸引効果は、吸引領域に流体的に結合された復熱器の一次出力を介して、復熱器を通って、ガス入口として直接形成されるか、またはハウジング内のガス出口に接続される復熱器の一次入力まで延びる。
【0012】
やはり好ましくは、圧縮機のガイドチャンバは、ガスエンジンの容積の中心から外側に圧縮ガスを案内するように構成され、圧縮ガスは熱交換器の一次入力に直接供給される。熱交換器を通って、加熱されたガスは、外部から内部に流れ、そこから復熱器の二次入力または第２の入力に入り、復熱器は、好ましくは容積の内側に位置し、吸引領域の周り、特に吸気壁の周りに延びるが、吸引領域から流体的に分離される。二次入力に供給されたガスは、復熱器の二次側で内側から外側に流れ、したがって、熱的に特に好ましい逆流原理を可能にし、次いで、復熱器に対して外側から、好ましくはタービンの吸引領域に流れ、ガスは、外側から内側に流れ、タービンホイールを通って空気出力に緩和され、空気出力は、好ましくはガス冷凍機の下部に大きな表面として形成される。一方、ガス入力は、ガス冷凍機の側方上部領域に、ガス入口または復熱器への一次入口を形成する対応するガス流路に接続された複数の穿孔によって形成される。
【0013】
好ましくは、ガス冷凍機を制御および動作させるために必要な電子機器は、タービン吸引領域の下の領域、すなわち空気出口に隣接する領域に配置され、その結果、冷却された空気は、タービン出力壁を介して電子素子に冷却効果を提供することができる。
【0014】
さらに、冷気冷凍機の設置は、技術的に複雑ではなく、したがって、例えばヒートポンプと比較した場合にエラーが生じにくい。また、回路内で相当量の液冷媒を移動させるための作業が不要となるため、より高い効率が期待できる。
【0015】
本発明の一態様は、吸引領域の周りの少なくとも部分的な復熱器の配置に関する。
【0016】
本発明の別の態様は、例えば直径よりも大きい高さを有する細長い形状を有する円筒形状であってもよい単一のハウジング内の復熱器、圧縮機、熱交換器、およびタービンの配置に関する。
【0017】
本発明の別の態様は、圧縮機がタービンの上方に配置されてガス冷凍機内のガスの最適な流れ効果を達成する特別な実施に関する。
【0018】
本発明の別の態様は、供給される駆動エネルギーを可能な限り節約するために、タービンから圧縮機への動力の最適かつ効率的な伝達を生み出すために、圧縮機ホイールおよびタービンホイールをエンジンのロータも位置する軸上に配置することに関する。
【0019】
本発明の別の態様は、ガス冷凍機において効率的な流れ誘導を達成するかどうかにかかわらず、圧縮機およびタービンを有する回転対称復熱器であって、その回転軸が復熱器の軸と一致する、回転対称復熱器の実施に関する。
【0020】
本発明の別の態様は、熱エネルギーの効率的な変換を伴う省スペースのガス冷凍機を実現するためのガス冷凍機における熱交換器の好ましい配置および設計に関する。
【0021】
本発明の別の態様は、例えば圧縮機ホイールとタービンホイールとの間のガス冷凍機の冷却領域に、または復熱器出力からタービンへの、または特に冷却タービン出力の近くのガスの経路上のタービン入力の境界と熱的に相互作用する電子機器モジュールを配置することに関する。
【0022】
態様の各々は、それ自体で、または言及された他の態様の１つもしくは複数もしくはすべてと共に実施することができることに特に留意されたい。
【0023】
本発明の好ましい実施形態は、添付の図面を参照して以下に詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1】本発明の一実施形態に係るガス冷凍機の概略図である。
【図2a】本発明の他の実施形態に係る全体型ガス冷凍機の断面図である。
【図2b】電子アセンブリの代替的な構成を有する、本発明の別の実施形態による完全に一体化されたガス冷凍機の断面図である。
【図3】ガス冷凍機の異なる点における異なる温度／圧力／体積流量比の図である。
【図4a】二次側に収集空間を有する好ましい復熱器の断面の概略図である。
【図4b】二次側に収集空間を有する好ましい復熱器の概略上面図である。
【図4c】より大きい入力断面およびより小さい出力断面を有する断面くさび形熱交換器の概略断面図である。
【図5】公知の冷気冷凍機の概略図である。
【図7a】好ましい圧縮機－タービンの組み合わせの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0025】
図１は、冷却されるべきガス、すなわち「温かい」ガスのためのガス入力２と、冷却されるべきガス、すなわち「低温」ガスのためのガス出力５とを有するガス冷凍機を示す。本発明の好ましい実施形態では、ガスは、オフィス、データセンタ、工場などの室内空気などの普通空気である。このような場合、ガス冷凍機は、ある箇所でガス入力２を介して室内に空気を吸引し、別の箇所で冷却された空気を室内に排出することにより、開ループとして運転することができる。
【0026】
しかしながら、本発明は、ガス出力５が熱交換器の一次側に接続され、ガス入力２も熱交換器の一次側に接続されるが、「温かい」端に接続され、この熱交換器の二次側が熱源に接続される閉鎖システムとして実施することもできる。
【0027】
ガス冷凍機は、第１の復熱器入力１１、第１の復熱器出力１２、第２の復熱器入力１３、および第２の復熱器出力１４を有する復熱器１０をさらに備える。第１の復熱器入力１１から第１の復熱器出力１２への経路は復熱器の一次側を表し、第２の復熱器入力１３から第２の復熱器出力１４への経路は復熱器の二次側を表す。
【0028】
さらに、圧縮機４０には、圧縮機入力４１および圧縮機出力４２が設けられている。圧縮機入力４１は、吸気壁３１によって境界付けられた吸引領域３０を介して第１の復熱器出力１２に結合されている。さらに、熱交換器６０には、熱交換器入力６１および熱交換器出力６２が設けられている。第１の熱交換器入力６１および第１の熱交換器出力６２は、熱交換器６０の一次側を形成する。第２の熱交換器入力６３および第２の熱交換器出力６４は、熱交換器６０の二次側を形成する。二次側はヒートシンク８０に結合され、ヒートシンクは、例えば、ガス冷凍機が冷却に使用される場合には屋根に配置されてもよく、またはガス冷凍機が加熱に使用される場合には床暖房システムであってもよく、ポンプ９０が二次側にさらに設けられ、ヒートシンク８０と第２の熱交換器入力６３との間に配置されることが好ましい。図１に示すように、第１の熱交換器入力６１は圧縮機出力４２に接続され、第１の熱交換器出力６２は第２の復熱器入力１３、すなわち復熱器の二次側に接続される。さらに、タービン入力７１およびタービン出力７２を有するタービン７０が提供される。タービン入力７１は、復熱器１０の第２の出力１４、すなわち復熱器の二次側の出力に接続されることが好ましく、ガス出力５は、タービン出力７２と同一であるか、またはタービン出力に結合される。
【0029】
図１に示すように、圧縮機入力４１は、吸気壁３１によって復熱器から分離され、復熱器によって境界付けられた吸引領域３０に接続されている。吸引領域３０は、圧縮機４０から離れて延び、復熱器１０は、吸引領域の周りに少なくとも部分的に延びるように構成される。吸引領域３０は、吸気壁３１によって境界付けられ、吸気壁３１は、復熱器の境界でもある。吸気壁３１には、復熱器１０の第２の出力１２に存在するガスを吸引領域３０に流入させるための開口部が設けられている。したがって、吸気壁に設けられた開口部は、第１の復熱器出力１２を表す。吸気壁は、吸引領域３０と第２の復熱器入力１３および第２の復熱器出力１４（また、復熱器内の設けられた経路を介してガスによってのみアクセス可能である第１の復熱器入力１１に関して）の両方との間に流体分離を提供するようにさらに構成される。
【0030】
好ましい実施形態では、復熱器は、例えば図２ａに示すように、吸引領域３０の周りに完全に延在する。しかしながら、特定の実施形態では、復熱器が３６０°の全角度範囲の一部だけ吸引領域の周りに延在することで十分である。したがって、例えばガス冷凍機を部屋の隅に取り付ける場合、吸引領域３０の周りにわずか９０°だけ延びる復熱器の配置は、この点で有利であり得る。実装に応じて、吸引領域の周りの他のより大きいまたはより小さい拡張部も復熱器について考えられる。しかしながら、復熱器が吸引領域の周りに完全に、すなわち３６０°延伸する実施態様は特に効率的である。
【0031】
ここで、復熱器が上面視で円形断面を有することがさらに好ましい。上面図における三角形、正方形、五角形または他の多角形の断面などの他の断面も考えられるが、これは、上面図におけるそのような断面を有するこれらの復熱器もまた、好ましくはすべての側面から高効率で復熱効果を達成するために、対応するガス流路を用いて容易に設計することができるためである。
【0032】
本発明の好ましい実施形態では、ガス冷凍機全体は、例えば図２ａの１００に示すように、ハウジング内に収容される。ガス入力２は、図２ａのハウジング１００の上側領域に位置し、ハウジングまたは上側ハウジング壁は、復熱器壁と同一になるように形成される。したがって、ガス入力２は、ハウジング壁の穿孔１１によって表される第１の復熱器入力を同時に表す。図２ａに示すように、復熱器は、ハウジングの高さの３０から６０％の間など、ハウジング１００全体の高さのかなりの部分を占めることが好ましい。さらに、ガス冷凍機のすべての構成要素、すなわち圧縮機４０および復熱器１０の両方、ならびに熱交換器６０およびタービン７０は、図２ａの例示的な特にコンパクトな実施態様に示すように、ハウジング１００内に配置される。熱交換器６０の二次側の接続部６３、６４、ならびに空気入口２および空気出口５のみが外部にアクセス可能である。さらに、外部からさらにアクセス可能な対応する接続部１０１を有する電子機器モジュール１０２は、好ましくは、タービンの下、タービン入力７１の下、またはタービン出力７２の隣に配置される。他のすべての要素ならびに入力および出力などは、コンパクトな実装形態では外部からアクセスできない。したがって、図２ａの特にコンパクトな構成のガス冷凍機は、空気入口２、空気出口５、熱交換器６０の二次側のための接続部６３、６４、および電子機器モジュール１０２のための電力／信号接続部１０１のみを有する。
【0033】
電子機器モジュール１０２は、好ましくは、圧縮機４０の駆動モータに電力を供給するために、またはガス冷凍機の要素に制御データを供給するために、またはガス冷凍機の要素からセンサデータを取得するために使用され、電子機器アセンブリを冷却するように構成された、または適したガス冷凍機の領域に配置される。
【0034】
指摘したように、ガス冷凍機は冷却に使用することができる。この場合、ガス入力は、冷却対象の部屋に直接または熱交換器を介して冷却対象領域に接続され、熱交換器６０または熱交換器の二次側６３、６４は、建物の屋根の換気装置または冷却対象領域の外側の換気装置などのヒートシンク８０に接続される。
【0035】
一方、ガス冷凍機が建物または被加熱領域を加熱するために使用される場合、熱交換器の二次側６３、６４は、例えば、床暖房システム（ＦＨＳ）、または床暖房以外の加熱能力を有し得る任意の加熱回路に接続される。この場合、ガス入力２は、直接システムが使用される場合には高温ガスの供給源に、またはその一次側で熱源に接続された熱交換器に接続され、その二次側はガス入力２およびガス出力５によって形成される。特に、図１に示されていないこの熱交換器の二次入力はガス入力２であり、二次出力は図１に示されていないこの熱交換器のガス出口５である。
【0036】
図２ａを参照して、ガス冷凍機の設計のための特に好ましい実施形態を以下に示す。
一実施態様では、図２ａに示すように、圧縮機４０は、ガス冷凍機の動作方向においてタービン７０の上流に配置される。これは、冷却されるべき領域内の温かい空気を上方から下方に吸引することができ、冷たい空気が冷却されるべき領域内に下方に排出されるという利点を有する。これは、例えば、冷たい空気が床または部屋の下部に集まりやすく、温かい空気が部屋の上部に集まる傾向があるという物理的特性を考慮している。
一実施態様では、図２ａに示すように、圧縮機４０は、ガス冷凍機の動作方向においてタービン７０の上流に配置される。これは、冷却されるべき領域内の温かい空気を上方から下方に吸引することができ、冷たい空気が冷却されるべき領域内に下方に排出されるという利点を有する。これは、例えば、冷たい空気が床または部屋の下部に集まりやすく、温かい空気が部屋の上部に集まる傾向があるという物理的特性を考慮している。
【0037】
さらに、図２ａに示す実施形態では、圧縮機は圧縮機ホイールを備え、タービンはタービンホイール７０ａも備える。好ましくは、両方の車輪は、同一の軸４３上に配置される。さらに、駆動モータのロータ４４が軸４３上に配置されて、タービンによって達成される駆動力を超えて依然として必要とされる追加の駆動力を提供する。ロータ４４は、ここでは、図２ａには示されていない駆動モータのステータと協働する。
【0038】
また、図２ａに示すように、ロータ４４は、コンプレッサホイールとタービンホイール７０ａとの間に配置されることが好ましい。
【0039】
好ましくは、復熱器は、圧縮機入力４１に接続された吸引領域３０を復熱器の内側領域に配置することができるように、ガス冷凍機の容積の外側領域に配置される。次に、図２ａに示すように、空気がすべての側から引き込まれ、空気入口２の概略断面図が図の左側および右側の両方に示されている。したがって、復熱器１０は、吸引領域３０を形成する中央開口部を有する中央領域を有する体積形状を備え、吸気壁は、第１の端部から第２の端部まで延在し、第２の端部はカバー３２によって覆われる。したがって、空気またはガスは、上方から吸引領域に流入せず、復熱器の一次領域を通って側方からのみ流入する。圧縮機入力４１における第１の端部からカバープレート３２による第２の端部への拡大は、ほぼ放物線または双曲線の形状を有する連続的な拡大であり、これは、吸引領域内の最適な流れパターンを確保し、上部から下部までの吸引領域において最低の流れ抵抗を形成する層流を可能な限り確保するためである。圧縮機入力４１に近い復熱器におけるより長いガス流路に起因するわずかに大きい流れ抵抗は、圧縮機入力４１からさらに離れたわずかに短いガス流路によって補償され、その結果、吸引領域に沿って下から上までの全領域について流れ抵抗のほぼ等しい条件がもたらされ、その結果、復熱器はその全体積にわたって等しく効率的に流れる。
【0040】
好ましくは、復熱器１０は回転対称であり、復熱器１０の対称軸は、圧縮機の軸またはタービンの軸または吸引領域の軸および／またはハウジングの軸と一致する。
【0041】
一実施形態では、復熱器は、図４ａの概略図に一態様として示されている逆流熱交換器として実装される。例えば図２ａの復熱器の「左半分」または「右半分」を表す図４ａの例では、第１の復熱器入力１１から第１の復熱器出力１２まで第１のガス流路１５が存在する。さらに、図４ａの左側の第１の収集空間１７と図４ａの右側の第２の収集空間１８との間に延在する第２のガス流路１６が存在する。第２のガス流路１６は、第１のガス流路１５と熱的に相互作用する。実装形態、すなわち復熱器の二次側がどのように占有されるかに応じて、ガス流路１６内の流れ方向は、ガス流路１５内の流れと同じ方向である。次に、図４ａの左下の左接続は第２の復熱器入力１３であり、右接続は復熱器出力１４である。一方、好ましくは、流路１５および１６内の流れ方向が互いに反対である逆流で復熱器を動作させる場合、図４ａの左側の入力は第２の復熱器出力１４であり、図４ａの右側の接続は第２の復熱器入力１３である。
【0042】
熱相互作用は、ガス流路１５と１６との間、すなわちガス流路１５と対応するガス流路１６との間に配置された復熱器の材料を介して起こり、すなわち、緩和のためにタービンにもたらされる復熱器の二次領域を流れるガスを冷却することを犠牲にして、吸引された温かいガスを加熱する。
【0043】
復熱器は、図４ａに示す実施形態では、左接続部４を介して供給されるガスを下から上に様々なガス流路に分配するための収集空間１７を含む。これに対応して、流路を通って流れたガスは、他方の側で第２の収集空間１８によって収集され、第２の接続部を介して引き出される。一方、占有率が異なる場合、すなわち真の逆流の場合、収集空間１８は、個々のガス流路１６へのガスの分配を保証し、収集空間１７は、タービン緩和効果により下側接続部を介して抽出する目的で、個々の流路から排出されたガスの収集を引き起こす。
【0044】
好ましい実施形態では、小型ガス冷凍機が配置されるハウジングは、回転対称または円筒形であり、０．５から１．５メートルの直径および１．０から２．５メートルの高さを有する。特に、７０から９０センチメートル、特に８０センチメートルの直径を有するサイズが好ましく、１７０から１９０センチメートル、好ましくは１８０ｃｍの高さが、好ましくは直接空気冷却として実施される、例えばコンピュータ室のための既に顕著な冷却を生み出すために好ましい。さらに、最適な流れ分布を確保するために、タービン出力７２から放物線状または双曲線状に延びるガス出口５への拡大が提供され、それにより、タービン出力７２での高速から空気出口５での適合された減速速度への流れ条件の良好な適合が達成され、その結果、冷却によって過剰なノイズが生成されない。
【0045】
好ましくは、ハウジングは、細長い形状を有し、ガス入口は、ガス冷凍機の動作方向またはハウジングの壁に対してハウジングの上側領域に複数の穿孔によって形成される。さらに、ガス出口は、ハウジングの下部領域または底部の開口部によって形成され、領域の底部の開口部は、上部領域、すなわち空気入口におけるハウジングの断面積の少なくとも５０％に対応する。ガス出口の開口を可能な限り大きくすることにより、ガス出口での低い空気速度、したがって快適な騒音挙動、およびまた空気の動きが少ないだけの室内での快適な「ドラフト」挙動が達成される。
【0046】
好ましくは、圧縮機４０は、吸気領域においてガス冷凍機の動作方向に上から下への空気の移動を達成するように配置される。次いで、圧縮機４０は、下から上への流れの偏向をもたらし、ここでは、圧縮機ホイールからガイドチャンバ４５への移行時に既に本質的に９０°の偏向を達成する圧縮機のガイドチャンバ４５を好適に使用する。次の９０°は、圧縮されたガスをガイドチャンバの出力で、圧縮機出力４２でもある熱交換器入力６１を介して下から上に供給することによって達成される。次いで、第２の熱交換器において、ガスは、復熱器１３の入力と一致する熱交換器出力６２に向かって外側から内側に移動する。次いで、ガスは、図４ａを参照して示されているように、最初に復熱器において下から上に、次に対応するガス流路の出力において上から下に移動し、最後に第２の復熱器出力１４においてタービン入力７１に入る。タービン入力７１は、やはり流れに関して最適に、外側領域、すなわち熱交換器の外側において、第２の復熱器出力に接続され、その結果、ガスが、著しい損失を被ることなく、タービン７０に入り、タービン内で緩和し、それに応じてタービンを駆動し、緩和プロセスを通じて熱を失うように、可能な限り少ないガス偏向が達成される。
【0047】
図２ａまたは図２ｂに示す好ましい実施形態では、タービン出力はハウジングの底部に配置される。これにより、ガス冷凍機をデータセンタの「二重」フロアの冷却入口領域に配置することができる。空気流路は、この冷却入口領域からコンピュータラックなどの冷却されるべき領域に延びる。したがって、ガス冷凍機は、（中央）冷却入口から延在する二重床または床内空気流路の既存のインフラストラクチャに冷気を供給するコンパクトな手段を提供する。
【0048】
ガス冷凍機の底部にタービン出力を配置することは、凝縮した水分が重力によってユニットから下方に落下し、水分からのエンジンの保護を詳述する必要なく容易に収集および排出することができるという点でさらに有利である。
【0049】
図４ｂは、二次側に収集空間を有する好ましい復熱器１０の概略上面図を示す。図２ａまたは図２ｂの上面図は概略図である。本実施形態では、ガス冷凍機は、密閉蓋によって上部が完全に密閉されている。しかし、図４ｂは、蓋が透明である場合の状況を示す。中央には、吸気壁３１によって囲まれた吸引領域３０が示されている。一方、内側収集空間１８の境界１８ａおよび外側収集空間１７の境界１７ａは、負圧領域３０の周りに延在する。ガス流は、矢印５０によって示されるように、外側から内側へ、すなわち第１の復熱器入力１１から第１の復熱器出力１２へと生じる。そして、領域３０内の矢印端５１で示すように、吸引領域３０内を下方にガスが流れる。次いで、ガスは圧縮され、熱交換器６０を通って流れ、第２の復熱器入力１３に流入する。そこから、収集チャンバ１８内の矢印によって示されるように、それは底部から上部に流れる。次いで、ガスは、矢印端部５３によって示されるように、復熱器を通って収集チャンバ１７内へと外向きに流れ、下方に流れる。収集チャンバ１７から、ガスは次に、第２の復熱器出力１４を介してタービン入力７１に入る。
【0050】
実装に応じて、ガス流の短絡が本質的に起こらないように、一方のライン１５および他方のライン１６が復熱器１０内で互いに分離されている限り、流れ方向を異なるように設計することもできることに留意されたい。同様に、収集空間１７、１８はライン１５から分離される。図示の実施形態では、収集空間１７、１８は、第２の復熱器入力１３を第２の復熱器出力１４に接続するライン１６に関連付けられている。代替的に、実施態様は、収集空間が第１の復熱器入力および第１の復熱器出力に関連付けられ、第２の入力および第２の復熱器出力が収集空間からガス分離されるようなものであってもよい。
【0051】
好ましくは、熱交換器６０はディスク形状容積を有し、熱交換器入力はディスク形状容積の外側に位置し、熱交換器出力はディスク形状容積の内側に位置する。さらに、熱交換器入力は、好ましくは、熱交換器の底部に配置され、熱交換器出力は、ディスク形状容積の上部に配置される。他の実施形態では、熱交換器入力６１の断面が熱交換器出力６２の断面よりも大きくなるように形成された断面楔状の熱交換器を形成することが好ましく、これにより、図２ａのように幾分環状に形成されるが、図２ｂのリング断面の外側境界が内側境界よりも大きくなる、好ましくは回転対称の熱交換器が得られ、熱交換器は、例えば図２ａのように水平に配置される必要はなく、下から上に斜めに配置することができる。
【0052】
図４ｃは、図２ａまたは図２ｂの復熱器１０ならびに圧縮機４０およびタービン７０に対するこの実施態様の片側の断面図を示す。断面の片側の概略図のみが示されており、断面図にはより大きい入力６１およびより小さい出力６２が示されており、出力６２から収集領域１８へ、復熱器１０を通って収集領域１７へ、およびそこから熱交換器６０を通過してタービン入力へのガスの流れをさらに示している。
【0053】
排熱をヒートシンク８０に運ぶ水／グリコール混合物などの液体は、好ましくは、熱交換器の二次側を流れ、その入力はライン６３を表し、その出力はライン６４を表す。ヒートシンク８０内で冷却された媒体は、例えば、屋根上に換気装置を有する液体／空気熱交換器であってもよく、図３にも示すように、ポンプ９０によって熱交換器６０の二次側の入力６３にフィードバックされる。そのため、熱交換器４０において、ガスが流れる領域には、できるだけ効率よくガスから熱を除去して放熱するための螺旋状の液線が存在することが好ましい。
【0054】
好ましくは、吸引領域は、圧縮機入力から１０ｃｍを超える、好ましくは６０ｃｍを超える距離だけ延びる。さらに、ガス流路は、すべての側面の容積にわたって実質的に均一に分布するように配置され、したがって、可能な限り効率的に低抵抗で可能な限り多くの空気を吸引領域に供給することができる。
【0055】
図３は、速度ｃ、温度Ｔ、体積Ｖおよび圧力ｐの様々な比を示す図を示す。さらに、熱出力Ｑおよび電力ＰもそれぞれｋＷで示されている。
【0056】
例えば、空気が１．０バールの圧力および２５℃の温度Ｔｓｒｃで復熱器入力１１に入ると仮定する。そこでは、空気は約５メートル／秒の速度で吸引領域に入り、条件は吸引領域の上部に示されている。復熱器内の熱相互作用は、この空気を２５℃から３８．５℃に加熱し、圧力降下は最小限である。吸引領域での吸引は、速度を５ｍ／ｓから約１０９ｍ／ｓに増加させ、これは３８℃から３２℃へのわずかな温度低下および小さな圧力低下を伴う。しかしながら、圧縮機の作用は、その後、速度をさらに増加させながら、空気を５６℃の温度および１．２バールのわずかに高い圧力にする。この高速は、熱交換器内で約１５ｍ／ｓの速度に低下し、熱交換器の作用によって温度が５６℃から約４０℃に低下する。復熱器の動作は、復熱器の二次入力１３におけるこの温度をタービン入力における約１６℃の温度まで低下させる。タービン出口では、緩和により－１．７８℃への温度低下が起こり、タービン入力での速度は１５０ｍ／ｓから１１７ｍ／ｓに低下し、次いでこの速度は空気出力に向かって約５ｍ／ｓに低下し、これは約５．０℃への温度上昇を伴う。２５℃の入力側空気温度と比較して、この空気は、圧縮機をより速くまたはより遅く回転させることによって必要に応じて増減することができる冷却を提供する。出力側、すなわち熱交換器に関して、比率も示されている。５５℃の温度を有する液体が結合出力され、液体混合物、すなわちグリコール／水混合物は、ヒートシンク８０内の換気装置によって例えば３７．９℃に冷却され、それに応じて熱交換器の二次入力６３にフィードバックされる。
【0057】
本発明に係るガス冷凍機の運転方法では、ガス冷凍機は、具体的には復熱器内に突出する吸引領域３０を介して吸引されるように運転される。
【0058】
ガス冷凍機を製造する方法では、個々の要素は、復熱器の容積内の吸引領域の特定の好ましい配置を達成するように形成および配置される。
【0059】
図１～図６には示されていないが、復熱器は、他の熱交換器技術、すなわち、例えば、対向流で動作せず、ガス流路が互いに平行ではないか、またはハウジング方向に対して垂直にもしくは水平動作方向に配置されている熱交換器を用いて実施することもできる。
【0060】
また、圧縮機およびタービンは、必ずしも同じ軸上に位置する必要はなく、圧縮機を駆動するためにタービンによって放出されたエネルギーを使用するために他の手段をとることができる。
【0061】
さらに、熱交換器は、必ずしも復熱器とタービンとの間または復熱器と圧縮機との間のハウジング内に配置される必要はない。熱交換器は外部に接続することもできるが、ハウジング内に配置された構成がコンパクトな設計に好ましい。
【0062】
さらに、圧縮機およびタービンは必ずしもラジアルホイールとして実装される必要はないが、これは、図２ａの電子機器モジュール１０２を介して圧縮機の回転数を連続的に制御することによって良好な出力調整を達成することができるため好ましい。
【0063】
実施形態に応じて、圧縮機は、ラジアルホイールと、ガス流の１８０°の偏向を達成するガイド経路またはガイドチャンバ４５とを有するターボ圧縮機として、図２ａに示すように設計することができる。しかしながら、良好な効率をもたらす特に効率的な設定を依然として達成するために、例えばガイドチャンバの異なる形状を介して、またはラジアルホイールの異なる形状を介して、他のガスルーティング手段を達成することもできる。
【0064】
例えば、図３の２８５．８回転／秒の対応する依然として中程度の回転数で得られる４．２４という非常に高い効率εを特に参照する。
【0065】
加えて、２５℃の温度が供給されるが結果として生じる特に好ましい温度スイングが参照される。この比較的高い温度にもかかわらず、依然として中程度の圧縮機回転数で氷点に近い低温が達成される。さらに、二次側の温度要件は重要ではない。３７．９℃の比較的温かい水／グリコール混合物が供給されるが、依然として放熱を達成することができ、約５５℃の加熱された水／グリコール混合物が得られる。これは、非常に暑い気候であっても、屋外の放熱器を介して安全な放熱を依然として達成できることを意味する。
【0066】
図７ａは、好ましい圧縮機－タービンの組み合わせの斜視図を示し、図７ｂは、図７ａの好ましい圧縮機－タービンの組み合わせの側面図を示す。組み合わせは、好ましくは、モノリシックユニットとして設計されるか、または同じ材料で一体的に形成される。それは、圧縮機ホイール４０ａが取り付けられる上側または第１の軸受領域４０ｂを含む。圧縮機ホイール４０ａは、軸４３としても示されている第１の中間領域４３ａに合流する。この軸領域４３ａは、ロータ４４に合流し、ロータは、別の中間領域４３ｂに合流する。これには、下側軸受部分７０ｂを介して懸架可能なタービンホイール７０ａが接続されている。軸受領域用のサスペンションは、第１の軸受領域４０ｂ用の図２ａまたは図２ｂの吸引領域３０の壁に取り付けられ、タービンホイール７０ａ用の軸受領域７０ｂは、タービン出力７２のサスペンションに取り付けられる。好ましくは、ローラまたはボールベアリングがベアリングとして使用される。
【0067】
好ましい実施形態では、組み合わせは、アルミニウムまたはプラスチックなどの材料で形成され、ロータ４４は、例えば接着剤によって磁石が取り付けられた強磁性バックリングによって取り囲まれて、図７ａまたは図７ｂに示されていないステータとのモータギャップを形成する。
【0068】
図７ｂにさらに示すように、組み合わせは、圧縮機ホイール４０ａの直径がロータ４４の直径よりも大きく、ロータ４４の直径（好ましくは、地鉄４４ａおよび磁石４４ｂなし）がタービンホイール７０ａの直径以上であるように寸法決めされる。このように、ガス冷凍機は、好ましくは下から上に向かって、図２ａまたは図２ｂに対して図７ａまたは図７ｂの組み合わせで組み立てることができるので、より容易な組み立て性が達成される。さらに、タービンホイール７０ａ上にバックリング４４ａを摺動させ、その周囲でロータ４４に取り付けることが可能である。組み立ては、好ましくは、復熱器出力１４の内側境界が配置されるベースとしてタービン出力７１を有する要素を使用して、下から上に向かって行われる。次いで、タービンホイール７０ａと圧縮機ホイールとの組み合わせが、この上に配置され、下側軸受部分７０ｂの軸受支持部に挿入される。そして、上側軸受支持部を突出軸受部４０ｂに載置することにより、吸引領域３０を、その上方に配置されたガイドチャンバ４５および熱交換器６０および復熱器１０とともに容易に装着することができる。
【0069】
図２ｂは、図２ａに対する電子機器モジュール１０２の代替的な配置を有する、本発明のさらなる実施形態による完全に一体化されたガス冷凍機の断面図を示す。図２ａでは、電子機器モジュールは、タービン出力に隣接する冷却領域に取り付けられているが、図２ｂでは、図７ｂの圧縮機ホイール４０ａの基部とタービンホイール７０ａの基部との間のいわゆる「エンジンルーム」に配置されている。特に、タービン入力７１の上側境界７１ａ上のモジュール１０２の配置は、図３のシナリオでは摂氏２７度または１６度しかない熱交換器から来るガスのためにこの領域が十分に冷却されるので有利である。したがって、モータから失われた熱またはモジュール内の電子機器もしくはセンサからの廃熱は、タービン７０を通って容易に放散される。
【0070】
好ましくは、ガス冷凍機に電力および／または制御信号を電気的に供給するための電子機器モジュール１０２は、中央に開口部を有し、円盤状であり、圧縮機４０の駆動モータのステータの周りに延在し、またはステータと一体に形成され、さらに例示的には、圧縮機４０の圧縮機ホイール４０ａの基部とタービンのタービンホイール７０ａの基部との間の領域に配置される。
【0071】
図２ｂには環状アセンブリが断面で示されているが、アセンブリは、エンジンケーシング内に収容され、タービン７０の入力７１の境界７１ａと熱的に相互作用している、例えば境界７１ａに取り付けられている限り、任意の方法で形成することができる。この点に関して、例えば図２ｂに示すように、復熱器出力１４の横方向境界１４ａを通り、適切な位置でハウジング１００を通って、エンジン用の動力供給ライン１０１ａおよびデータ１０１ｂを送ることがさらに好ましい。
【0072】
いくつかの態様を装置の文脈で説明してきたが、これらの態様はまた、装置のブロックまたは構成要素が対応する方法ステップまたは方法ステップの特徴としても理解されるように、対応する方法の説明を表すことが理解される。同様に、方法ステップに関連してまたは方法ステップとして説明される態様はまた、対応する装置の対応するブロックまたは詳細または特徴の説明を構成する。方法ステップの一部またはすべては、マイクロプロセッサ、プログラマブルコンピュータ、または電子回路などのハードウェア装置によって（または使用して）実行されてもよい。いくつかの実施形態では、最も重要な方法ステップのいくつかまたは複数は、そのような装置によって実行されてもよい。
【図1】
【図2a】
【図2b】
【図3】
【図4a】
【図4b】
【図4c】
【図5】
【図6】
【図7a】
【図7b】
【国際調査報告】