JP2004232481A

JP2004232481A - ヘリウム用スクロール圧縮装置

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Publication number: JP2004232481A
Application number: JP2003018819A
Authority: JP
Inventors: Masao Shiibayashi; 正夫椎林; Katsuaki Yano; 勝章矢野; Makoto Ito; 伊藤　　誠
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-01-28
Filing date: 2003-01-28
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2023-01-28
Also published as: JP4107492B2

Abstract

【課題】ヘリウム用スクロール圧縮装置において、高性能化、小型化及び軽量化を図り、安価で信頼性の高いものとする。
【解決手段】ヘリウム用スクロール圧縮装置９１０は、ヘリウムガスを圧縮する圧縮機部及びこれを駆動する電動機部を有するスクロール圧縮機１００と、スクロール圧縮機１００から吐出されるヘリウムガス中の潤滑油を分離する油分離器７００と、これから流入されるヘリウムガスを冷却するガス冷却器７１０と、潤滑油を冷却する油冷却器３３と、スクロール圧縮機１００を駆動制御する制御装置４００と、をユニット内に収納して構成される。スクロール圧縮機１００は油冷却器３３で冷却された潤滑油を差圧によって圧縮機部に注入する油注入機構３１を備えている。電動機部は三相４極の直流仕様電動機部で構成されると共に、制御装置４００はスクロール圧縮機１００の回転数制御可能な直流仕様インバータ制御装置で構成される。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヘリウム用スクロール圧縮装置に係り、特に作動ガスとしてヘリウムガスを用いて超高真空分野のクライオポンプ装置等に使用されるヘリウム用スクロール圧縮装置に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のインバータ制御に関するヘリウム用スクロール圧縮機としては、例えば特許文献１に記載されたのものがある（従来技術１）。このスクロール圧縮機は、ヘリウムガスを作動ガスとして圧縮する圧縮機部と、この圧縮機部を駆動する電動機部と、圧縮機部及び電動機部を収納する密閉容器と、密閉容器を貫通する油インジェクション管を通して潤滑油を差圧によって圧縮機部に注入する油注入機構とを備えている。そして、上述した圧縮機部は、鏡板に渦巻状のラップを直立する固定スクロールと鏡板に渦巻状のラップを直立する旋回スクロールとを前記両ラップを互いに内側にして噛み合わせて圧縮室を形成し、この圧縮室を中心に移動させて容積を縮小しヘリウムガスを圧縮して密閉容器内に吐出するように形成されている。また、上述した油注入機構は密閉容器の底部に貯留された潤滑油が外部に導かれ冷却されて供給されるように形成している。さらには、上述した電動機部は交流仕様の電動機部で構成され、上述した制御装置はスクロール圧縮機の回転数制御可能な交流仕様のインバータ制御装置で構成されている。
【０００３】
一方、インバータ制御に関する空調用スクロール圧縮機としては、例えば特許文献２に記載されたものがある（従来技術２）。このスクロール圧縮機は、Ｒ２２冷媒を作動冷媒として圧縮する圧縮機部と、この圧縮機部を駆動する電動機部と、圧縮機部及び電動機部を収納する密閉容器とを備えている。そして、上述した圧縮機部は、鏡板に渦巻状のラップを直立する固定スクロールと鏡板に渦巻状のラップを直立する旋回スクロールとを前記両ラップを互いに内側にして噛み合わせて圧縮室を形成し、この圧縮室を中心に移動させて容積を縮小し冷媒ガスを圧縮して密閉容器内に吐出するように形成されている。また、上述した電動機部は直流仕様の電動機部で構成され、上述した制御装置はスクロール圧縮機の回転数制御可能な交流仕様のインバータ制御装置で構成されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平３−２７１５８３号公報
【特許文献２】
特開平５−１７２０６５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術１では、圧縮機定格出力が２．２ｋＷ〜４．４ｋＷクラスの比較的小形なヘリウム用途のスクロール圧縮機の場合において、電動機部が交流仕様の電動機部で構成されると共に、制御装置がスクロール圧縮機の回転数制御可能な交流仕様のインバータ制御装置で構成されているため、インバータ制御装置の効率と電動機部の効率が総体的に低く、スクロール圧縮機全体としての省エネルギー性に問題があった。
【０００６】
即ち、電動機部の効率が低い場合には、電動機部の発熱量が増加するため、油注入機構部に流入させる油インジェクション量を多量に行なってスクロール圧縮機全体を冷却する必要がある。油インジェクション量が多くなると、圧縮機部の油攪拌損失などが増加し、これに伴って電動機部への入力が増加し、この点からも電動機部の発熱量が増加してしまうものであった。
【０００７】
また、可変速できる最大の回転数域においては電動機入力、インバータ入力が増えてさらに性能が低下するという問題があった。この高速回転時における入力増加により、軸受荷重が増大し、そのことによって軸受寿命が低下するという問題があった。特に、円筒コロ軸受部を主軸受として用いた場合に、その軸受寿命の低下が問題となっていた。
【０００８】
さらに、上述した従来技術１のスクロール圧縮機を収納した圧縮機ユニットにおいては、油インジェクション量が増加することによって、ユニット内に組み込まれた油冷却器の容量を増やす必要があるので、該油冷却器の外形寸法が大きくなり、ひいては圧縮機ユニット全体寸法が大きくなり過ぎるという圧縮機ユニット特有の問題があった。
【０００９】
一方、従来技術２のスクロール圧縮機では、油注入機構部を備えていないため、低速域で圧縮機部のシール効果や体積効率の改善機能が十分得られず、低速域で成績係数が低下してしまうという問題があった。
【００１０】
本発明の目的は、高性能化、小型化及び軽量化が図れると共に、安価で信頼性の高いヘリウム用スクロール圧縮装置を得ることにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するため、本発明は、作動ガスとしてヘリウムガスを圧縮する圧縮機部及びこの圧縮機部を駆動する電動機部を有するスクロール圧縮機と、前記スクロール圧縮機から吐出されるヘリウムガス中の潤滑油を分離する油分離器と、前記油分離器から流入されるヘリウムガスを冷却するガス冷却器と、潤滑油を冷却する油冷却器と、前記スクロール圧縮機を駆動制御する制御装置と、をユニット内に収納し、前記スクロール圧縮機は前記油冷却器で冷却された潤滑油を差圧によって前記圧縮機部に注入する油注入機構を備え、前記電動機部は三相４極の直流仕様電動機部で構成し、前記制御装置は前記スクロール圧縮機の回転数制御可能な直流仕様インバータ制御装置で構成したものである。
【００１２】
本発明は、さらに、下式（１）に示すスクロールラップ部の設定容積比Ｖｒが２．１前後のスクロール歯形形状を有する互にかみ合わされた固定スクロール及び旋回スクロールを備えて前記圧縮機部を構成したものである。
【００１３】
Ｖｒ＝（２λ１−４π＋α）／（２λｓ＋２π＋α）（１）
ここで、λ１：ラップ巻き終り角度、λＳ：ラップ巻き始め角度、π：円周率、α：旋回半径εｔｈとスクロールラップの基礎円半径ａの比である。
【００１４】
本発明は、さらに、下式（２）に示すインジェクション油パラメ−タＵｏが０．１２５〜０．１３５の範囲になるように構成したものである。
【００１５】
Ｕｏ＝（Ｖｒ×Ｑｏｉｌ）／Ｖｔｈ（２）
本発明は、さらに、前記スクロール圧縮機から吐出されるヘリウムガスの温度が６５℃以下となるように前記油注入機構部に流入する油インジェクション量を設定する絞り手段を備えたものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例のヘリウム用スクロール圧縮装置を図１から図１２を参照しながら説明する。
【００１７】
まず、図１及び図２を参照しながら本実施例のヘリウム用スクロール圧縮装置９１０の全体構成に関して説明する。図１は本発明の一実施例になる注油式ヘリウム用スクロール圧縮装置を備えたヘリウム冷凍装置の構成図、図２は同ヘリウム用スクロール圧縮装置の斜視図である。なお、図１ではスクロール圧縮機１００を簡易的に横に図示してあるが、実際にはスクロール圧縮機１００は図３に示すように縦型として用いられる。
【００１８】
ヘリウム冷凍装置はヘリウム用スクロール圧縮装置９１０、冷凍機８００を備えて構成されている。ヘリウム用スクロール圧縮装置９１０と冷凍機８００とは配管７２０、７３０を介して接続されている。
【００１９】
ヘリウム用スクロール圧縮装置９１０は、冷凍機８００を除く冷凍サイクル９１１の構成機器と、スクロール圧縮機１００内の潤滑油を冷却してスクロール圧縮機１００の圧縮室に注入するインジェクション回路９１３と、スクロール圧縮機１００の回転数を制御する直流インバータ制御装置４００と、この直流インバータ制御装置４００に通風して冷却する冷却用ファン４４０と、を備えて構成されている。
【００２０】
冷凍サイクル９１１は、直流（ＤｉｒｅｃｔＣｕｒｒｅｎｔ）電動機を内蔵した注油式密閉形スクロール圧縮機１００、油分離器７００、ガス冷却器７１０及び冷凍機８００を備えて構成されている。これらの機器は、配管５５０、７０２、７２０、７３０、７５２を介して直列に接続されて作動冷媒を循環させる閉ループとなるように構成されている。また、油分離器７００からガス冷却器７１０及び冷凍機８００をバイパスしてスクロール圧縮機１００に油を戻す配管７４０が設けられている。この冷凍サイクルの作動冷媒としてはヘリウムガスが用いられている。なお、スクロール圧縮機１００は、２〜５馬力クラス、行程容積３０〜８０ｃｃクラスのものが用いられている。
【００２１】
係る冷凍サイクルにおいて、スクロール圧縮機１００から吐出された高温、高圧のヘリウムガスは油分離器７００で油を分離した後、ガス冷却器７１０で冷却される。次にヘリウムガスはヘリウム冷凍機８００で断熱膨張された後、配管７３０、７５２を通して再び吸入ガスとしてスクロール圧縮機１００に戻される。このようにして、冷凍装置としての機能が得られる。
【００２２】
油インジェクション回路９１３は、油ストレーナ３８、油冷却器３３、伽ピラリーチューブや油量調整弁などからなる絞り手段２７１を備え、これらを配管３６、３６ａ、３６ｂを介して直列に接続することにより構成されている。この油インジェクション回路９１３は、スクロール圧縮機１００内に溜められた潤滑油内に連通する油取り出し管３０と、スクロール圧縮機１００の圧縮室に連通する油インジェクション管３１と、の間に接続されている。
【００２３】
スクロール圧縮機１００内に溜められた潤滑油は、潤滑油に加えられる吐出圧力と圧縮室の中間圧力との差圧によって油取り出し管３０内に流入していく。この流入した潤滑油は、油ストレーナ３８で塵埃などを除去した後、油冷却器３３で適宜冷却され、絞り手段２７１で油インジェクション量を調節されて油インジェクション管３１からスクロール圧縮機１００の圧縮室へ注入される。
【００２４】
直流インバータ制御装置４００は、スクロール圧縮機１００の外部に配置され、スクロール圧縮機１００に電気的に接続されている。そして、商用電源５００から供給される電力をこの直流インバータ制御装置４００で電力変換してスクロール圧縮機１００に供給する。具体的には、直流インバータ４００が電動機部３に印加する直流電圧の大きさと直流電圧の転流作用（ブラシレス電動機特有な極変換作用）で制御することによりスクロール圧縮機１００の回転数を変化させる。
【００２５】
ヘリウム用スクロール圧縮装置９１０を構成する上述した機器は、図１の一点鎖線で示すユニット９１２内に収納されている。また、これらの機器は、ユニット９１２内に図２の破線で示すように配置され、配管や配線などで繋がっている。これらの機器の配置構成は、全体の配置スペースがコンパクトで配管や配線が短くなるように配慮されている。この場合、スクロール圧縮機１００、油冷却器３３及びガス冷却器７１０の小型化が重要であり、本実施例では、後述するようにスクロール圧縮機１００、油冷却器３３及びガス冷却器７１０を大幅に小型化することができ、これによってユニット９１２の外形寸法を大幅に縮小することことができる。このユニット９１２は、幅寸法Ｌ１、奥行き寸法Ｌ２、高さ寸法Ｌ３の外径寸法を有する略直方形状の箱体で形成されている。そして、冷却用ファン４４０の通風のために、前面や側面などに通風口９１２ａを有している。このユニット外形寸法（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３寸法）は、後述する成績係数の飛躍的な改善でスクロール圧縮機１００、ガス冷却器７１０及び油冷却器３３が小形化できることにより約十数％縮小するものであり、ひいてはユニットの軽量化図れる。
【００２６】
次に、図３から図８を参照しながらヘリウム用スクロール圧縮装置９１０の主要部の詳細を説明する。図３は図１のヘリウム用スクロール圧縮装置の主要部の構成図、図４は図３のＡ−Ａ断面図、図５は図３の固定スクロールの平面図、図６は図５の固定スクロールの縦断面図、図７は図３の旋回スクロールの平面図、図８は図７の旋回スクロールの縦断面図である。
【００２７】
図３において、密閉容器１内の上方にはスクロール圧縮機部２が収納され、下方には電動機部３が収納されている。そして、密閉容器１内は上部室１ａと電動機室１ｂとに区画されている。スクロール圧縮機部２は固定スクロール５と旋回スクロール６を互いに噛み合わせて圧縮室（密閉空間）８を形成している。
【００２８】
固定スクロール５は、円板状の鏡板５ａと、これに直立しインボリウト曲線あるいはこれに近似の曲線に形成されたラップ５ｂとからなり、その中心部に吐出口１０、外周部に吸入口１５ａ，１５ｂを有している。旋回スクロール６は、円板状の鏡板６ａと、これに直立し固定スクロールのラップと同一形状に形成されたラップ６ｂと、鏡板６ａの反ラップ面に形成されたボス部６ｃとからなっている。
【００２９】
フレーム１１は中央部に軸受部２６、２７を形成している。これらの軸受部２６、２７には回転軸１５が支承されている。回転軸１５の一側には偏心軸部１５ａが設けられている。偏心軸部１５ａはボス部６ｃに旋回運動が可能なように挿入されている。
【００３０】
また、固定スクロール５はフレーム１１に複数本のボルト１１ｅによって固定されている。旋回スクロール６はオルダムリングおよびオルダムキーよりなるオルダム機構１２によってフレーム１１に支承されている。これによって旋回スクロール６は、固定スクロール５に対して、自転しないで旋回運動をするように形成されている。旋回スクロール６の旋回運動により圧縮室８は中心方向に移動され、これに伴って圧縮室８の容積が縮小されてヘリウムガスが圧縮されて吐出室１０から密閉容器１内に吐出される。従って、本実施例では密閉容器１内は吐出圧力になる。
【００３１】
回転軸１６の他側（下部）には電動機軸部１６ｂが形成されている。この電動機軸部１６ａには直流仕様の電動機部３が直結されている。この電動機部３は、三相４極電動機仕様で整流子不付きの三相永久磁石同期電動機であり、直流ブラシレス電動機である。この電動機部３は、ロータ３ｂを永久磁石とすることにより磁極を構成し、交流電動機における励磁電流を不要としているため、電動機効率が格段に向上するものである。これにより、電動機入力・電流を大幅に低減することができるものである。
【００３２】
直流仕様の直流電動機部３において、ステータ３ａの長さＳ１をロータ３ｂの長さＳ２より長く設定することによって、電動機トルクの増加を図ることができるようになっている。例えば、ロータ３ｂの長さＳ２＝６５ｍｍに対してステータ３ａの長さＳ１＝７０ｍｍとすることによって、電動機部３の最大トルクを約１０〜１５％前後増大させることができる。
【００３３】
直流電動機部３のステータ３ａの巻線に電気的に接続された電源端子部３４０には、外部に配置された直流仕様のインバータ制御装置４００が電気的につながっている。直流インバータ制御装置４００は商用電源５００に接続される。直流インバータ制御装置４００の出力周波数は、例えば５０Ｈｚから２００Ｈｚである。この場合、三相４極の直流仕様ステータ３ａを有する電動機部３であるのため、圧縮機の回転軸１６の回転数は２５Ｈｚから１００Ｈｚの同期速度となる。
【００３４】
固定スクロール５の吸入口１５には吸入管１７が接続されている。吸入管１７は、密閉容器１を貫通して垂直方向に吸入口１５に接続されている。吐出口１０が開口している上部室１ａは通路１８ａ，１８ｂを介して電動機室１ｂと連通している。この電動機室１ｂは密閉容器１を貫通する吐出管２０に連通されている。また、電動機室１ｂの上部と下部とは、直流仕様の電動機ステータ３ａと密閉容器１の側壁との間の隙間２５ａ、２５ｂ、および電動機ステータ３ａと電動機ロータ３ｂとの隙間２５ｃを介して連通されている。
【００３５】
なお、旋回スクロール６の旋回運動に伴い生じる遠心力を相殺するために、バランスウエイト９ａと副バランスウエイト９ｂとが回転軸１６とロータ３ｂとに設けられている。また、吸入管１７と固定スクロール５との間には高圧部と低圧部とをシールするＯリング２１が設けられている。
【００３６】
旋回スクロール６の鏡板６ａの背面には、スクロール圧縮機部２とフレーム１１で囲まれた空間２３（以下背圧室と呼ぶ）が形成されている。この背圧室２３には旋回スクロール６の鏡板６ａに穿設した細孔６ｅを介して吸入圧力と吐出圧力の中間圧力のヘリウムガスが導入され、旋回スクロール６を固定スクロール５に押付ける軸方向の付与力が与えられる。
【００３７】
密閉容器１の底部に溜められた潤滑油２４は、密閉容器１内の高圧圧力と背圧室２３の中間圧力との差圧により油吸上管１６ｄへ吸上げられた後、回転軸１６内の中央穴５０を上昇し旋回軸受３２へ、また横穴５１を介して補助軸受２６から主軸受２７（円筒コロ軸受部）へ給油される。
【００３８】
各軸受３２、２６、２７へ給油された潤滑油２４は、背圧室２３を経て圧縮室８へ注入され、圧縮ガスと混合されて吐出ガスと共に上部室１ａへ吐出される。なお、フォーミング防止用油板２８は密閉容器１の底部に溜められた潤滑油２４の油面上に配設され、スクロール圧縮機１００の起動時に発生する潤滑油２４のフォーミング現象を防止するようになっている。
【００３９】
固定スクロール５及び旋回スクロール６のスクロールラップ５ｂ、６ｂとしては、次の式（１）に示すスクロールラップ部の設定容積比Ｖｒが２．１前後のスクロール歯形形状を有するものが用いられる。
【００４０】
Ｖｒ＝（２λ１−４π＋α）／（２λｓ＋２π＋α）（１）
ここで、λ１：ラップ巻き終り角度（インボリュート伸開角）、λＳ：ラップ巻き始め角度（インボリュート伸開角）、π：円周率、α：旋回半径εｔｈとスクロールラップの基礎円半径ａの比（＝εｔｈ／ａ）である。
【００４１】
スクロールラップ部の設定容積比Ｖｒを２．１前後に設定する理由は、運転圧力比範囲として吐出圧力Ｐｄ／吸込圧力Ｐｓ＝１．７〜５．０が効率上優位になるためである。特にスクロール圧縮機１００を回転数制御する場合には、低い運転圧力比域（例えば吐出圧力Ｐｄ／吸込圧力Ｐｓ＝１．７〜３．５）での運転頻度が多くなるためである。
【００４２】
密閉容器１の底部には、潤滑油が溜められると共に、この潤滑油２４を器外へ取出す油取り出し管３０が設けられている。油取り出し管３０の流入部３０ａが密閉容器１の底部の潤滑油２４内に開口され、油取り出し管３０が潤滑油２４内と連通されている。
【００４３】
また、密閉容器１の上部には、スクロール圧縮機部２の圧縮途中の圧縮室８へ潤滑油２４を注入する単数個の油インジェクション管３１が設けられている。
【００４４】
そして、油取り出し管３０と油インジェクション管３１とは、油ストレーナ３８、油冷却器３３及び絞り手段２７１を介して接続されている。油取り出し管３０、油ストレーナ３８、油冷却器３３、絞り手段２７１及び油インジェクション管３１との間は油配管３６で接続され、これらによって油インジェクション回路９１３が形成されている。
【００４５】
油インジェクション管３１は、スクロール圧縮機部２の作動ヘリウムガスを冷却するため、密閉容器１を貫通して固定スクロール５の鏡板部５ａに設けられた油注入用ポート２２に接続されている。油注入用ポート２２の開口部は、図５及び図６に示すように、固定スクロール５のラップ５ｂ間（ラップ歯溝部）に位置し、旋回スクロール６のラップ６ｂの歯先面に対向して設けられている。係る構成によって、密閉容器１の底部から油インジェクション管３１に供給された潤滑油２４はポート２２を経て固定スクロール５のラップ歯溝部に注入される。
【００４６】
ここで、スクロール圧縮機１００の圧縮過程でのヘリウムガスの冷却効果を高めるため、ヘリウムガスの吸入過程から冷却できるように構成されている。即ち、油注入用ポート２２は、圧縮室８とつながると共に、旋回スクロール６の旋回運動によりスクロールラップ外周部の吸入室５ｆに間欠的に連通する位置に設けられている。換言すれば、油注入機構は圧縮室８と連通されると共に、吸入室５ｆにも間欠的に連通されるようなっている。
【００４７】
油注入用ポート２２の穴径ｄｏは、ラップ厚さｔより大きく設定されると共に、溝幅寸法Ｄｔより小さく設定されている。これによって、差圧による油インジェクション量が大量な場合でも、圧縮過程でその油インジェクション管３１内にヘリウムガスがその油注入用ポート２２から逃げやすくなり、該油インジェクション管３１内の圧力脈動を減少させることができる。
【００４８】
上記構成により、商用電源５００から直流インバータ制御装置４００を通して直流電動機部３に直流電力が供給されると、直流仕様の電動機ロータ３ｂに直結した電動機軸部１６ｂが回転して偏心軸部１６ａが偏心回転すると、旋回軸受３２を介して旋回スクロール６は旋回運動を行う。
【００４９】
この旋回運動により、圧縮室８は次第に中心に移動して容積が縮小する。これに伴って、ヘリウムガスは作動ガスとして吸入管１７から吸入口１５ａ、１５ｂを経て吸入室５ｆへ入ると共に、軸受３２、２６，２７を潤滑した潤滑油２４は旋回スクロール６の旋回スクロール鏡板外周部の微小隙間等から吸入室５ｆへ流入して前記作動ガスに混入し、さらには、油インジェクション管３１に供給された潤滑油２４はポート２２を経て圧縮室８に注入される。軸受３２、２６，２７を経由した潤滑油２４とポート２２から注入された潤滑油２４とを含んだ作動ガスは、圧縮室８で圧縮されて吐出口１０から上部室１ａへ吐出され、通路１８ａ，１８ｂを通って電動機室１ｂへ流入される。図３において、実線の矢印は潤滑油２４の流れを、太い二重線の矢印はヘリウムガスの流れをそれぞれ示している。
【００５０】
狭い通路１８ａ，１８ｂから広い空間の電動機室１ｂに流入した作動ガスと潤滑油２４は、その流速が急激に低下し、かつ流れ方向が変更するため、作動ガス中に含まれる潤滑油２４の大部分が分離され、作動ガスの一部は通路２５ａ及び電動機下部の空間１ｃを通り、再度通路２５ｂを上昇して、吐出管２０内へ流出される。潤滑油２４は電動機ロータ外周部の隙間２５ａ、２５ｂを通って流下され、密閉容器１の底部に留められる。
【００５１】
密閉容器１の底部に溜められた潤滑油２４は、密閉容器１内の吐出圧力が加えられ、この高圧の吐出圧力と背圧室２３の中間圧力との差圧により油吸上管１６ｄへ吸上げられた後、回転軸１６内の中央穴５０を上昇し旋回軸受３２へ給油されると共に、横穴５１を介して補助軸受２６から主軸受２７（円筒コロ軸受部）へ給油される。
【００５２】
また、密閉容器１の底部に溜められた潤滑油２４は、潤滑油に加えられる吐出圧力とポート２２が開口している圧縮室８の中間圧力との差圧によって油取り出し管３０の流入部３０ａから油取り出し管３０内に流入していく。油取り出し管３０内へ流入した潤滑油２４は、油配管３６を通って油ストレーナ３８に至り、ここで塵埃などが除去されされた後、油配管３６を通って油冷却器３３へ至り、ここで適宜冷却される。冷却された潤滑油２４は、絞り手段２７１により適切な油インジェクション量に調節されて油インジェクション管３１に供給され、ポート２２を経て圧縮室８へ注入される。この様にして圧縮室８へ注入された油は、該圧縮室８内において作動ガスの冷却作用およびスクロールラップ先端部等の摺動部を潤滑する役目を果す。
【００５３】
圧縮室８へ注入された潤滑油２４は、圧縮室８内において作動ガスの冷却作用およびスクロールラップ先端部等の摺動部を潤滑する役目を果す。そして、この潤滑油２４は、上述したように、作動ガスと共に圧縮された後、吐出口１０より上部室１ａへ吐出され、前述と同様に電動機室１ｂで作動ガスから分離されて密閉容器１の底部に溜められる。
【００５４】
なお、本実施例では密閉容器１内が吐出圧力となる高圧チャンバ方式としているが、本発明は密閉容器１内が吐出圧力より低い圧力（例えば吸入圧力）となる低圧チャンバ方式のヘリウム用スクロール圧縮機に対しても対象となる。その場合には、圧縮機外部に設置されている油分離器７００から分離された潤滑油２４を外部の油冷却器（図示せず）にて冷却し、その冷却した潤滑油を、油インジェクション管３１からスクロール圧縮機部の油注入機構部と接続すると共に、軸受給油機構に接続するようにすればよい。
【００５５】
図９及び図１０を参照しながら本実施例のヘリウム用スクロール圧縮装置９１０の成績係数が優れていることを説明する。図９は本実施例の直流インバータ及び直流電動機部を備えたヘリウム用スクロール圧縮装置と従来技術１の交流インバータ及び交流電動機部を備えたヘリウム用スクロール圧縮装置とにおける圧縮機回転数の変化に対する成績係数Ｋの変化を比較して示す図、図１０は従来技術２の直流インバータ及び直流電動機部を備えたヘリウム用スクロール圧縮装置における圧縮機回転数の変化に対する成績係数Ｋの変化を示す図である。図９における成績係数Ｋはヘリウムガス吐出ガス量（Ｎｍ^３／ｈ）をインバータ入力（ｋＷ）で除した値（Ｎｍ^３／ｈ・ｋＷ）であり、図１０における成績係数Ｋは冷凍能力（ｋｃａｌ）をインバータ入力（Ｗ）で除した値（ｋｃａｌ／ｈ・Ｗ）である。
【００５６】
本実施例によれば、図９から明らかなように、その成績係数Ｋｈが従来技術１の成績係数Ｋ１に対して十数％改善でき、特に低速域（例えば１４００〜１６００ｒｐｍ）では数十％の著しい改善効果がある。このような低速域での改善効果は、ヘリウム用途の場合、作動ガスの冷却のための油インジェクション機構部の潤滑油２４による圧縮機全体への冷却効果が低速域になるほど顕著に機能するためである。即ち、潤滑油２４が差圧にて圧縮室８に供給されるため、油インジェクション量は圧縮機回転数によらずほぼ一定量となるからである。そして、スクロール圧縮機１００で発生した熱（電動機の発熱や摺動部の発熱など）を冷却するのに必要な冷却量は、低速になるほど小さくなるため、低速になるほど潤滑油２４による冷却効果が一層高まるというヘリウム用スクロール圧縮機に特有な作用を奏する。
【００５７】
上述した成績係数Ｋｎの向上は、直流インバータ制御装置４００及び直流電動機部３の適用によって電動機効率の大幅な改善がなされ、これに伴って電動機発熱量が大きく抑えられることとなり、圧縮機全体を冷却する油インジェクション量を従来技術１に対して格段に少なく設定できるからである。そして、高速域での成績係数の改善効果は、電動機効率の改善効果の他に、油インジェクション量低下による油攪拌損失動力の低減による改善効果を含むものである。また、低速域での成績係数の改善効果は、さらに潤滑油２４による圧縮室８内のシール効果に伴う体積効率の改善、内部圧縮動力の低減による改善効果を含むものである。
【００５８】
一方、冷媒としてフロン２２などが使用される空調用途の直流インバータ制御装置及び直流電動機部を備えたスクロール圧縮機では、その成績係数が図１０に示すように変化する。即ち、空調用途では、直流インバータを使用しても低速域では成績係数は低下する。これは、油注入機構部を備えていないために、低速域では圧縮室８内のシール効果や体積効率の改善機能が十分でないためである。
【００５９】
このように、直流インバータ装置４００及び直流電動機部３を備えた本実施例のヘリウム用スクロール圧縮装置では、空調用途にはない特有の効果を奏するものである。
【００６０】
本実施例のヘリウム用スクロール圧縮装置９１０は、ヘリウムガス能力Ｑｇが高くしかも油上がり量Ｘｏが少ないことを、図１１を参照しながら説明する。図１１は吐出ガス温度Ｔｄの変化に対するＨｅガス能力（前記ヘリウムガス吐出ガス量（Ｎｍ３／ｈ）と同一値）Ｑｇ及び圧縮機から流出する油上がり量Ｘｏの変化を示す。
【００６１】
従来技術１では、電動機効率が低いために電動機発熱量が大きくなり、吐出ガス温度Ｔｄが高くならざるを得ず、７０℃以上になってしまうものであったが、本実施例では、電動機効率が約十％から数％向上するために電動機発熱量が低減され、吐出ガス温度Ｔｄが例えばＴｄ＝５０〜６５℃にまで低下させることができる。従って、図１１から明らかなように、本実施例によれば、ヘリウムガス能力Ｑｇが高くしかも油上がり量Ｘｏが低い状態で運転することができる。これによって、密閉容器１内に潤滑油２４を確実に保有させることができ、軸受２６、２７、３２での油切れ現象を回避できる。
【００６２】
特に本実施例では、吐出管２０の表面温度となる吐出ガス温度Ｔｄが約６５℃以下となるように油注入機構部に流入する冷却用インジェクション油量を調節する絞り手段２７１が備えられている。即ち、密閉容器１下部より潤滑油２４を油インジェクション管３１に導く油配管３６に油量調整弁２７１が備えられている。これによって、本実施例では、ヘリウムガス能力Ｑｇが高くしかも油上がり量Ｘｏが低い状態で運転できるようになっている。
【００６３】
本実施例のヘリウム用スクロール圧縮装置では、次の式（２）に示すインジェクション油パラメータＵｏが０．１２５〜０．１３５になるように設定したことを特徴とするものである。
【００６４】
Ｕｏ＝（Ｖｒ×Ｑｏｉｌ）／Ｖｔｈ（２）
ここで、Ｖｔｈ：圧縮機の行程容積（ｃｍ^３／ｒｅｖ）、Ｖｒ：設定容積比、Ｑｏｉｌ：インジェクション油量（リットル／分）である。
【００６５】
実用的には、上記インジェクション油パラメータＵｏの値は０．１２５〜０．１３５の範囲が適切である。この点を図１２及び図１３を参照しながら説明する。図１２は本実施例及び従来技術１のヘリウム用スクロール圧縮装置におけるヘリウム用スクロール圧縮装置の圧縮機回転数に対する油インジェクション量の変化を示す図、図１３は本実施例及び従来技術１のヘリウム用スクロール圧縮装置におけるヘリウム用スクロール圧縮装置の油インジェクションパラメータに対する成績係数の変化を示す図である。
【００６６】
図１２から明らかなように、本実施例によれば、圧縮機の低速域から高速域まで全範囲にわたって従来技術１の油インジェクション量を低減することが可能である。
【００６７】
また、本実施例によれば、油インジェクションパラメータＵｏの低い範囲、具体的にはＵｏが０．１２５〜０．１３５の範囲に設定することができるので、図１３から明らかなように、成績係数Ｋｈ’の良好な状態で運転することができる。
【００６８】
図１４を参照しながら本実施例のヘリウム用スクロール圧縮装置９１０の吐出ガス温度Ｔｄが低くしかもインバータ入力Ｗｉｎが小さいことを説明する。図１４は油インジェクション量Ｑｏｉｌの変化に対する吐出ガス温度Ｔｄ及びインバータ入力Ｗｉｎの変化を示す。
【００６９】
吐出ガス温度Ｔｄ及びインバータ入力Ｗｉｎは、図１４に示すように、油インジェクション量の低下とともに低下する。従来技術１では、電動機効率が低いために電動機発熱量が大きくなり、油インジェクション量が多くならざるを得ないものであったが、本実施例では、電動機効率が約十％から数％向上するために電動機発熱量が低減され、油インジェクション量を大幅に低減させることができる。
【００７０】
このことが、本実施例の成績係数が従来技術１に対して飛躍的に改善される理由となる。即ち、直流インバータ制御装置と直流電動機部を備えた本実施例のヘリウム用スクロール圧縮装置によって、（１）電動機部の効率の改善、（２）油インジェクション量Ｑｏｉｌの最適化、即ち吐出ガス温度Ｔｄの低下による体積効率の向上（ヘリウム吐出ガス流量の増加）、（３）圧縮動力の低減、それによるインバータ入力の低減、（４）油インジェクション量の低減による攪拌損失動力の低減、それによるインバータ入力の低減できる。これらの全体の効果が十数％の成績係数が向上するということにつながっており、ヘリウム用途特有な効果が実現できるものである。
【００７１】
このように、本実施例では、直流インバータ制御装置と、永久磁石を採用した直流仕様電動機部を内蔵すると共に冷却のためのスクロール圧縮機部に油注入機構を備えたヘリウム専用スクロール圧縮機との組み合わせにより、従来技術１に対して数十パーセント以上の高性能なヘリウム用スクロール圧縮装置が実現でき、さらにヘリウム圧縮ユニット装置として１０％以上の軽量化・小形化が図れるというヘリウム用途特有な効果が得られるものである。
【００７２】
本実施例の効果を纏めると次のとおりである。
（１）広い運転周波数範囲において、ヘリウム用スクロール圧縮装置にて省エネルギー性の高いヘリウム圧縮装置を提供できる。従来装置に対して、特に低い運転周波数域で数十％優位にある高性能化を達成できる。
（２）インジェクション油量が約２０％位少なくて済むので、油冷却器の容量低下などにより、ヘリウム圧縮機ユニット全体寸法が小型化できる。
（３）吐出ガス温度の低下差ようにより、油上がり量が低下し、圧縮機底部の油保有を確実になさしめ、軸受部での油切れ現象を回避できる。このため、圧縮機の信頼性が向上できる。上記（２）項との相乗効果により、より一層軽量化ができ、製品コストが低く抑えることができる。
（４）高性能化により、圧縮機荷重が低下し、主軸受部の軸受寿命が延びると共に、吐出ガス温度も６５℃以下に設定でき、コイル温度も低下して電動機保護機能も増すので、圧縮機の信頼性向上の効果も派生する。即ち、電動機焼損を未然に防止でき、信頼性の高いヘリウム圧縮装置を提供できる。
【００７３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、高性能化、小型化及び軽量化が図れると共に、安価で信頼性の高いヘリウム用スクロール圧縮装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例になる注油式ヘリウム用スクロール圧縮装置を備えたヘリウム冷凍装置の構成図である。
【図２】同ヘリウム用スクロール圧縮装置の斜視図である。
【図３】図１のヘリウム用スクロール圧縮装置の主要部の構成図である。
【図４】図３のＡ−Ａ断面図である。
【図５】図３の固定スクロールの平面図である。
【図６】図５の固定スクロールの縦断面図である。
【図７】図３の旋回スクロールの平面図である。
【図８】図７の旋回スクロールの縦断面図である。
【図９】図１のヘリウム用スクロール圧縮装置及び従来技術１のヘリウム用スクロール圧縮装置の圧縮機回転数に対する成績係数を示す図である。
【図１０】従来技術２のヘリウム用スクロール圧縮装置の圧縮機回転数に対する成績係数を示す図である。
【図１１】図１のヘリウム用スクロール圧縮装置及び従来技術１のヘリウム用スクロール圧縮装置における吐出ガス温度Ｔｄの変化に対するヘリウムガス能力及び油上がり量の変化を示す図である。
【図１２】図１のヘリウム用スクロール圧縮装置及び従来技術１のヘリウム用スクロール圧縮装置におけるヘリウム用スクロール圧縮装置の圧縮機回転数に対する油インジェクション量の変化を示す図である。
【図１３】図１のヘリウム用スクロール圧縮装置及び従来技術１のヘリウム用スクロール圧縮装置におけるヘリウム用スクロール圧縮装置の油インジェクションパラメータに対する成績係数の変化を示す図である。
【図１４】図１のヘリウム用スクロール圧縮装置及び従来技術１のヘリウム用スクロール圧縮装置におけるヘリウム用スクロール圧縮装置の油インジェクション量に対する吐出ガス温度及びインバータ入力の変化を示す図である。
【符号の説明】
１…密閉容器、１ａ…吐出室、１ｂ…電動機室、３…直流用電動機部、３ａ…電動機ステータ、３ｂ…電動機ロータ、５…固定スクロール、５ａ…固定スクロール鏡板、５ｂ…ラップ、５ｆ…吸入室、６…旋回スクロール、６ａ…旋回スクロール鏡板、６ｂ…ラップ、６ｃ…ボス部、８…圧縮室、９ａ，９ｂ…バランスウエイト、１０…吐出口、１１…フレーム、１２…オルダム機構、１５…吸入口、１６…回転軸、１６ａ…偏心軸部、１６ｂ…電動機軸部、１６ｄ…油吸上管、１７…吸入管、１８ａ，１８ｂ…通路、２０…吐出管、２１…Ｏリング、２２…ポート、２４…潤滑油、２５ａ，２５ｂ，２５ｃ…隙間、２６…補助軸受、２７…主軸受、３０…油取り出し管、３０ａ…流入部、３１…油インジェクション管、３２…旋回軸受、３３…油冷却器、３６…油配管、３８…油ストレーナ、１００…スクロール圧縮機、２７１…絞り手段、３９０…動力電源線、４００…直流インバータ制御装置、４４０…冷却用ファン、５００…商用電源、５５０…配管、７００…油分離器、７１０…ガス冷却器、７２０…配管、７３０…吸入配管、７４０…油戻り管、７５２…吸入配管、８００…冷凍機、９１０…ヘリウム用スクロール圧縮装置、９１２…ユニット。

Claims

作動ガスとしてヘリウムガスを圧縮する圧縮機部及びこの圧縮機部を駆動する電動機部を有するスクロール圧縮機と、前記スクロール圧縮機から吐出されるヘリウムガス中の潤滑油を分離する油分離器と、前記油分離器から流入されるヘリウムガスを冷却するガス冷却器と、潤滑油を冷却する油冷却器と、前記スクロール圧縮機を駆動制御する制御装置と、をユニット内に収納し、
前記スクロール圧縮機は前記油冷却器で冷却された潤滑油を差圧によって前記圧縮機部に注入する油注入機構を備え、
前記電動機部は三相４極の直流仕様電動機部で構成し、
前記制御装置は前記スクロール圧縮機の回転数制御可能な直流仕様インバータ制御装置で構成した
ことを特徴とするヘリウム用スクロール圧縮装置。
下式（１）に示すスクロールラップ部の設定容積比Ｖｒが２．１前後のスクロール歯形形状を有する互にかみ合わされた固定スクロール及び旋回スクロールを備えて前記圧縮機部を構成したことを特徴とする請求項１に記載のヘリウム用スクロール圧縮装置。
Ｖｒ＝（２λ１−４π＋α）／（２λｓ＋２π＋α）（１）
ここで、λ１：ラップ巻き終り角度、λＳ：ラップ巻き始め角度、π：円周率、α：旋回半径εｔｈとスクロールラップの基礎円半径ａの比である。
下式（２）に示すインジェクション油パラメ−タＵｏが０．１２５〜０．１３５の範囲になるように構成したことを特徴とする請求項１または２に記載のヘリウム用スクロール圧縮装置。
Ｕｏ＝（Ｖｒ×Ｑｏｉｌ）／Ｖｔｈ（２）
ここで、Ｖｔｈ：圧縮機の行程容積（ｃｍ^３／ｒｅｖ）、Ｖｒ：設定容積比、Ｑｏｉｌ：インジェクション油量（リットル／分）である。
前記スクロール圧縮機から吐出されるヘリウムガスの温度が６５℃以下となるように前記油注入機構部に流入する油インジェクション量を設定する絞り手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のヘリウム用スクロール圧縮装置。
ヘリウムガスを作動ガスとして圧縮する圧縮機部と、この圧縮機部を駆動する電動機部と、前記圧縮機部及び前記電動機部を収納する密閉容器と、前記密閉容器を貫通する油インジェクション管を通して潤滑油を差圧によって前記圧縮機部に注入する油注入機構と、を備えたヘリウム用スクロール圧縮機において、
前記圧縮機部は、鏡板に渦巻状のラップを直立する固定スクロールと鏡板に渦巻状のラップを直立する旋回スクロールとを前記両ラップを互いに内側にして噛み合わせて圧縮室を形成し、この圧縮室を中心に移動させて容積を縮小しヘリウムガスを圧縮して前記密閉容器内に吐出するように形成し、
前記油注入機構は前記密閉容器の底部に貯留された潤滑油が外部に導かれ冷却されて供給されるように形成し、
前記電動機部は三相４極の直流電動機部で構成し、
前記制御装置は前記スクロール圧縮機の回転数制御可能な直流インバータ制御装置で構成した
ことを特徴とするヘリウム用スクロール圧縮機。