控制中有可能发生的膨胀机的膨胀比及绝热效率的降低，因此能够防止性能系数变差。
[0029]此外，由于缓冲罐设置于具有压力差的低压管线与高压管线之间，因此通过对设置于高压管线上的第一阀进行开闭，能够基于缓冲罐与高压管线的压力差，向缓冲罐导入冷媒。另一方面，通过对设置于低压管线上的第二阀进行开闭，能够基于缓冲罐与低压管线的压力差，能够将来自于缓冲罐的冷媒排出。这样，由于利用缓冲罐的流量控制，不需要来自外部的动力供给，因此能效也十分优异。
【附图说明】
[0030]图1是表示本实施例的布雷顿循环冷冻机(以下适当称为“冷冻机”)100的整体结构的概念示意图。
[0031]图2是冷冻机所具有的布雷顿循环的T-S线图。
[0032]图3是表示本实施方式的冷冻机的压缩机的压缩比与性能系数比间关系的图表。
[0033]图4是表示热负荷变化时的控制器的控制内容的流程图。
[0034]图5是表示本实施例的冷冻机的压力传感器的检测值与各压缩机及膨胀机的绝热效率比间关系的图表。
[0035]图6是表示本实施例的冷冻机中的压力传感器的检测值与性能系数间关系的图表。
[0036]图7是表示比较例的冷冻机中的压力传感器的检测值与各压缩机及膨胀机的绝热效率比间关系的图表。
[0037]图8是表示比较例的冷冻机中的压力传感器的检测值与性能系数间关系的图表。
【具体实施方式】
[0038]下面，基于附图对本发明的实施方式进行示例性的详细说明。但是，该实施方式所记载的结构部件的尺寸、材质、形状、其相对配置等，除非有特别的记载，否则仅为说明例而已，不是指将本发明的范围仅限定于此。
[0039]图1为表示本实施例的布雷顿循环冷冻机(以下适当称为“冷冻机”)100的整体结构的概念示意图。图2为冷冻机100所具有的布雷顿循环的T-S线图，纵轴表示温度T[K]，横轴表示熵S[KJ/kgK]。另外，图2中的(b)是放大表示图2中的(a)中以虚线包围的区域。
[0040]冷冻机100中，在冷媒流动的循环路径101上，依次设置有压缩机102、热交换器103、膨胀机104、冷却部105、以及冷热回收热交换器106，其中，所述压缩机102压缩冷媒；所述热交换器103通过将被压缩的冷媒与冷却水进行热交换来冷却；膨胀机104使冷却后的冷媒膨胀；冷却部105由使冷媒与冷却对象进行热交换的热交换器构成；冷热回收热交换器106用于回收冷媒的冷热；并形成基于稳定循环流动的冷冻循环的逆流型热交换器方式的布雷顿循环。
[0041]另外，在本实施例的冷冻机100中，将在极低温状态下利用超导体的超导设备(没有图示)作为冷却对象。在作为冷却对象的超导设备侧，在冷却部105中将液氮用作与在冷冻机100中使用的冷媒进行热交换的二次冷媒(图1中，仅示出冷却对象中作为冷媒的液氮循环的循环路径150)。由此，由超导设备的热负荷所升温的在循环路径150中流动的液氮，通过与由冷冻机100冷却的在循环路径101中流动的冷媒进行热交换，从而被冷却。
[0042]并且，在二次冷媒流动的循环路径150上，设置有检测冷却对象热负荷的热负荷检测装置，也就是温度传感器160。
[0043]另外，作为在冷冻机100侧的循环路径中流动的冷媒，可以根据冷却温度等适当选择选择气体种类，例如使用氦气、氖气、氢气、氮气、空气、烃类气体等较好。
[0044]冷冻机100在循环路径101上具备多个压缩机102a、102b、102c和多个热交换器103a、103b、103c。热交换器103a、103b、103c分别设置在压缩机102a、102b、102c的下游侧，将通过绝热压缩而升温的冷媒与冷却水进行热交换，由此能够冷却。
[0045]循环路径101中流动的冷媒首先通过处于最上游侧的压缩机102a进行绝热压缩而使温度上升后(与图2中的(b)的附图标记151相当)，通过在设置于下游侧的热交换器103a中与冷却水进行热交换而被冷却(与图2中的(b)的附图标记152相当)。然后，冷媒再次通过压缩机102b进行绝热压缩而使温度上升后(与图2中的(b)的附图标记153相当)，通过在设置于下游侧的热交换器103b中与冷却水进行热交换而被冷却(与图2中的(b)的附图标记154相当)。然后进一步地，冷媒再次通过压缩机102c进行绝热压缩而使温度上升后(与图2中的(b)的附图标记155相当)，通过在设置于下游侧的热交换器103c中与冷却水进行热交换而被冷却(与图2中的(b)的附图标记156相当)。
[0046]这样在冷冻机100中，通过多段连续地反复进行基于压缩机102的绝热压缩及基于热交换器103的冷却来实现效率的提高。即，通过多段连续地反复进行绝热压缩和冷却，使布雷顿循环的压缩工序接近理想的等温压缩。该段数越多，则越接近等温压缩，但可以考虑基于段数增加的压缩比的选择、装置结构的复杂化、运用的简便性等来决定段数。
[0047]流过热交换器103c的冷媒在由冷热回收热交换器106进一步冷却温度后(与图2中的(a)的附图标记157相当)，通过膨胀机104绝热膨胀，产生冷热(与图2中的(a)的附图标记158相当)。
[0048]另外，在图1的例子中，示出了具有单一的膨胀机104的冷冻机100，但也可以与压缩机102相同地，相对于循环路径101串联设置多个膨胀机。
[0049]从膨胀机104排出的冷媒在冷却部105中，与作为冷却对象的在超导设备内的循环路径150中流动的液氮进行热交换，通过热负荷使温度上升(与图2中的(a)的符号159相当)。
[0050]由冷却部105升温的冷媒，被导入冷热回收热交换器106，与通过上述热交换器103c的高温的压缩冷媒进行热交换，从而回收残留的冷热。由此，能够在将冷却对象冷却后使用冷媒中残留的冷热，来降低导入膨胀机104的冷媒的温度，从而实现冷却效率的提高。
[0051]这样在冷冻机100中，使用如压缩机102和膨胀机104这样的多个旋转机来构成布雷顿循环。
[0052]上游侧的两个压缩机102a及102b通过分别与作为共用动力源的电动机107a的输出轴108a的两端连接，从而削减部件数量，形成能够在小的设置空间内铺设的结构。下游侧的压缩机102c及膨胀机104也通过分别与作为共用动力源的电动机107b的输出轴108b的两端连接，从而削减部件数量，形成能够在小的设置空间内铺设的结构，而且由膨胀机104回收的动力有助于压缩机102c的压缩动力，从而实现高效化。
[0053]这里图3是表示本实施例的冷冻机100的压缩机102的压缩比与性能系数比(C0P比)间关系的图表。根据该图表，分析表明当压缩机102的压缩比为大致1.40附近时C0P取最大值。根据本发明人的研究，发现为了将压缩比设定为大致1.40，将压缩机段数设定为〃 “3”，并且将膨胀机段数设定为“ 1 ”为最优选。
[0054]再次回到图1，在作为构成布雷顿循环的冷媒管线的循环路径101中，在被压缩机102压缩前的冷媒所流动的低压管线109与被所述压缩机压缩后的冷媒所流动的高压管线110之间，设置有缓冲罐111。在缓冲罐111的入口侧(高压管线110侧)，设置有能够控制流入该缓冲罐111的冷媒流入量的第一阀