JP2020143836A - オイルセパレータ、フィルターエレメント、および極低温冷凍機用圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】オイルセパレータからのオイル流出を低減する。【解決手段】オイルセパレータ２０は、オイルセパレータ容器４４と、オイルセパレータ容器４４の中に配置され、オイルセパレータ容器４４との間に外側空洞４８を定めるフィルターエレメント４６であって、冷媒ガスが導入される内側空洞５０を有し、内側空洞５０から外側空洞４８に流れる冷媒ガスからオイルを分離するフィルターエレメント４６と、を備える。フィルターエレメント４６は、内側空洞５０を囲む筒状の内側フィルター部材６８と、外側空洞４８に露出された冷媒ガス出口面７４を有し、内側フィルター部材６８の外側に配置された外側フィルター層７２と、を備える。外側フィルター層７２に外側から接触するワイヤ状または帯状のフィルター押さえ部材６０が設けられてもよい。冷媒ガス出口面７４が、外側フィルター層７２の表面積の少なくとも８０％を占めてもよい。【選択図】図２

Description

本発明は、オイルセパレータ、フィルターエレメント、および極低温冷凍機用圧縮機に関する。

極低温冷凍機に使用される冷媒ガスの圧縮機は、圧縮され昇圧された冷媒ガスからオイルを除去するために、多くの場合、オイルセパレータとアドゾーバを有する。オイルセパレータに流入する冷媒ガスにはいくらかのオイルが混入している。大半のオイルはオイルセパレータによって冷媒ガスから分離されるが、オイルセパレータから冷媒ガスとともに微量のオイルが流出しうる。これはアドゾーバで吸着され、冷媒ガスから除去される。

特開２０１２−２０２６３５号公報

オイルセパレータからのオイル流出の増加は望まれない。オイル流出が増えるほど、アドゾーバの吸着材を早期に交換しなければならなくなり、運転コストが高まりうる。多量の吸着材を搭載する大型のアドゾーバを採用すれば、吸着材の交換頻度を減らすことができるが、これは圧縮機の大型化を招きうる。アドゾーバでオイルを除去しきれなければ、オイルは冷媒ガスとともに膨張機に流入し、低温部で固化しうる。これは、膨張機の劣化や冷凍能力の低下の原因となりうる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、オイルセパレータからのオイル流出を低減することにある。

本発明のある態様によると、オイルセパレータは、オイルセパレータ容器と、オイルセパレータ容器の中に配置され、オイルセパレータ容器との間に外側空洞を定めるフィルターエレメントであって、冷媒ガスが導入される内側空洞を有し、内側空洞から外側空洞に流れる冷媒ガスからオイルを分離するフィルターエレメントと、を備える。フィルターエレメントは、内側空洞を囲む筒状の内側フィルター部材と、外側空洞に露出された冷媒ガス出口面を有し、内側フィルター部材の外側に配置された外側フィルター層と、外側フィルター層に外側から接触するワイヤ状または帯状のフィルター押さえ部材と、を備える。

本発明のある態様によると、オイルセパレータは、オイルセパレータ容器と、オイルセパレータ容器の中に配置され、オイルセパレータ容器との間に外側空洞を定めるフィルターエレメントであって、冷媒ガスが導入される内側空洞を有し、内側空洞から外側空洞に流れる冷媒ガスからオイルを分離するフィルターエレメントと、を備える。フィルターエレメントは、内側空洞を囲む筒状の内側フィルター部材と、外側空洞に露出された冷媒ガス出口面を有し、内側フィルター部材の外側に配置された外側フィルター層と、を備え、冷媒ガス出口面が、外側フィルター層の表面積の少なくとも８０％を占める。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機用圧縮機は、上述のいずれかのオイルセパレータを備える。

本発明のある態様によると、内側空洞から外側空洞に流れる冷媒ガスからオイルを分離するフィルターエレメントが提供される。フィルターエレメントは、内側空洞を囲む筒状の内側フィルター部材と、外側空洞に露出された冷媒ガス出口面を有し、内側フィルター部材の外側に配置された外側フィルター層と、外側フィルター層に外側から接触するワイヤ状または帯状のフィルター押さえ部材と、を備える。

本発明のある態様によると、内側空洞から外側空洞に流れる冷媒ガスからオイルを分離するフィルターエレメントが提供される。フィルターエレメントは、内側空洞を囲む筒状の内側フィルター部材と、外側空洞に露出された冷媒ガス出口面を有し、内側フィルター部材の外側に配置された外側フィルター層と、を備え、冷媒ガス出口面が、外側フィルター層の表面積の少なくとも８０％を占める。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、オイルセパレータからのオイル流出を低減することができる。

実施の形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。 実施の形態に係るオイルセパレータを概略的に示す断面図である。 実施の形態に係るフィルターエレメントを概略的に示す側面図である。 実施の形態に係るフィルター押さえ部材の例を示す。 実施の形態に係るフィルター押さえ部材の例を示す。 実施の形態に係るフィルター押さえ部材の例を示す。 実施の形態に係るフィルター押さえ部材の例を示す。 実施の形態に係るフィルター押さえ部材の例を示す。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、実施の形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。

極低温冷凍機１０は、圧縮機１２と、コールドヘッド１４とを備える。圧縮機１２は、極低温冷凍機１０の冷媒ガスをコールドヘッド１４から回収し、回収した冷媒ガスを昇圧して、再び冷媒ガスをコールドヘッド１４に供給するよう構成されている。圧縮機１２は、圧縮機ユニットとも称される。コールドヘッド１４は、膨張機とも称され、室温部１４ａと、冷却ステージとも称される低温部１４ｂとを有する。圧縮機１２とコールドヘッド１４により極低温冷凍機１０の冷凍サイクルが構成され、それにより低温部１４ｂが所望の極低温に冷却される。冷媒ガスは、作動ガスとも称され、通例はヘリウムガスであるが、適切な他のガスが用いられてもよい。

極低温冷凍機１０は、一例として、単段式または二段式のギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機であるが、パルス管冷凍機、スターリング冷凍機、またはそのほかのタイプの極低温冷凍機であってもよい。コールドヘッド１４は、極低温冷凍機１０のタイプに応じて異なる構成を有するが、圧縮機１２は、極低温冷凍機１０のタイプによらず、以下に説明する構成を用いることができる。

なお、一般に、圧縮機１２からコールドヘッド１４に供給される冷媒ガスの圧力と、コールドヘッド１４から圧縮機１２に回収される冷媒ガスの圧力は、ともに大気圧よりかなり高く、それぞれ第１高圧及び第２高圧と呼ぶことができる。説明の便宜上、第１高圧及び第２高圧はそれぞれ単に高圧及び低圧とも呼ばれる。典型的には、高圧は例えば２〜３ＭＰａである。低圧は例えば０．５〜１．５ＭＰａであり、例えば約０．８ＭＰａである。

圧縮機１２は、圧縮機本体１６、オイルライン１８、オイルセパレータ２０、アドゾーバ２１を備える。また、圧縮機１２は、吐出ポート２２、吸入ポート２４、吐出流路２６、吸入流路２８、ストレージタンク３０、バイパス弁３２、冷媒ガス冷却部３４、オイル冷却部３６を備える。

圧縮機本体１６は、その吸入口から吸入される冷媒ガスを内部で圧縮して吐出口から吐出するよう構成されている。圧縮機本体１６は、例えば、スクロール方式、ロータリ式、または冷媒ガスを昇圧するそのほかのポンプであってもよい。圧縮機本体１６は、固定された一定の冷媒ガス流量を吐出するよう構成されていてもよい。あるいは、圧縮機本体１６は、吐出する冷媒ガス流量を可変とするよう構成されていてもよい。圧縮機本体１６は、圧縮カプセルと称されることもある。

圧縮機本体１６では冷却と潤滑のためにオイルが使用され、吸入された冷媒ガスは圧縮機本体１６内でこのオイルに直接さらされる。よって、冷媒ガスは、オイルが若干混入した状態で吐出口から送出される。

オイルライン１８は、オイル循環ライン１８ａと、オイル戻りライン１８ｂとを備える。オイル循環ライン１８ａは、オイル冷却部３６を有し、圧縮機本体１６から流出するオイルがオイル冷却部３６により冷却され再び圧縮機本体１６に流入するように構成されている。オイル循環ライン１８ａには、内部を流れるオイル流量を制御するオリフィスが設けられている。また、オイル循環ライン１８ａには、オイルに含まれる塵埃を除去するフィルターが設けられてもよい。オイル戻りライン１８ｂは、オイルセパレータ２０で回収されたオイルを圧縮機本体１６に戻すために、オイルセパレータ２０を圧縮機本体１６に接続する。オイル戻りライン１８ｂの途中には、オイルセパレータ２０で分離されたオイルに含まれる塵埃を除去するフィルターと、圧縮機本体１６へのオイルの戻り量を制御するオリフィスが設けられてもよい。

オイルセパレータ２０は、圧縮機本体１６を通ることによって冷媒ガスに混入するオイルを冷媒ガスから分離するために設けられている。オイルセパレータ２０は、吐出流路２６の上流部２６ａを通じて圧縮機本体１６の吐出口に接続されている。また、オイルセパレータ２０は、吐出流路２６の下流部２６ｂを通じて吐出ポート２２に接続されている。オイルセパレータ２０の詳細については後述する。

アドゾーバ２１は、冷媒ガスに残留している例えば気化したオイルそのほかの汚染成分を冷媒ガスから吸着により除去するために設けられている。アドゾーバ２１は、吐出流路２６の下流部２６ｂの途中に配置されている。

吐出ポート２２は、圧縮機本体１６により高圧に昇圧された冷媒ガスを圧縮機１２から送出するために圧縮機筐体３８に設置された冷媒ガスの出口であり、吸入ポート２４は、低圧の冷媒ガスを圧縮機１２に受け入れるために圧縮機筐体３８に設置された冷媒ガスの入口である。圧縮機筐体３８には、圧縮機本体１６やオイルセパレータ２０など圧縮機１２の各構成要素が収容されている。圧縮機本体１６の吐出口が吐出流路２６により吐出ポート２２に接続され、吸入ポート２４が吸入流路２８により圧縮機本体１６の吸入口に接続されている。

ストレージタンク３０は、コールドヘッド１４から圧縮機１２へと戻る低圧の冷媒ガスに含まれる脈動を除去するための容積として設けられている。ストレージタンク３０は、吸入流路２８に配置されている。

バイパス弁３２は、圧縮機本体１６を迂回するように吐出流路２６を吸入流路２８に接続する。一例として、バイパス弁３２は、オイルセパレータ２０とアドゾーバ２１の間で吐出流路２６の下流部２６ｂから分岐し、圧縮機本体１６とストレージタンク３０の間で吸入流路２８に接続される。バイパス弁３２は、冷媒ガス流量制御のために、及び／または、圧縮機１２を停止する際の吐出流路２６と吸入流路２８との均圧化のために設けられている。

冷媒ガス冷却部３４およびオイル冷却部３６は、例えば冷却水などの冷却媒体を用いて圧縮機１２を冷却する冷却系を構成する。冷媒ガス冷却部３４は、吐出流路２６の上流部２６ａに配置され、圧縮機本体１６での冷媒ガスの圧縮に伴って生じる圧縮熱により加熱された高圧の冷媒ガスを冷却するために設けられている。冷媒ガス冷却部３４は、冷媒ガスと冷却媒体との熱交換により冷媒ガスを冷却する。また、オイル冷却部３６は、圧縮機本体１６から流出するオイルと冷却媒体との熱交換によりオイルを冷却する。冷却媒体は、外部から圧縮機１２に供給され、冷媒ガス冷却部３４とオイル冷却部３６を経て、圧縮機１２の外部に排出される。このようにして、圧縮機本体１６で生じる圧縮熱は、冷却媒体とともに圧縮機１２の外へと除去される。なお、冷却媒体は、例えばチラー（図示せず）により冷却され、再び供給されてもよい。

また、極低温冷凍機１０は、コールドヘッド１４の室温部１４ａに高圧ポート４０と低圧ポート４１とを備える。高圧ポート４０は、高圧配管４２によって吐出ポート２２に接続され、低圧ポート４１は、低圧配管４３によって吸入ポート２４に接続されている。

したがって、コールドヘッド１４から圧縮機１２に回収される冷媒ガスは、低圧ポート４１から低圧配管４３を通じて圧縮機１２の吸入ポート２４に流入する。冷媒ガスは、吸入流路２８上のストレージタンク３０を経て、圧縮機本体１６の吸入口へと回収される。冷媒ガスは、圧縮機本体１６によって圧縮され昇圧される。圧縮機本体１６の吐出口から送出される冷媒ガスは、吐出流路２６上の冷媒ガス冷却部３４、オイルセパレータ２０、アドゾーバ２１を経て、吐出ポート２２から圧縮機１２を出る。冷媒ガスは、高圧配管４２と高圧ポート４０を経てコールドヘッド１４の内部に供給される。

図２は、実施の形態に係るオイルセパレータを概略的に示す断面図である。図３は、実施の形態に係るフィルターエレメントを概略的に示す側面図である。

オイルセパレータ２０は、オイルセパレータ容器４４と、フィルターエレメント４６とを備える。フィルターエレメント４６は、オイルセパレータ容器４４の中に配置され、オイルセパレータ容器４４との間に外側空洞４８を定める。また、フィルターエレメント４６は、冷媒ガスが導入される内側空洞５０を有し、内側空洞５０から外側空洞４８に流れる冷媒ガスからオイルを分離する。図２においては、理解を容易にするために、オイルセパレータ２０内での冷媒ガスの流れを白色の矢印Ｇで示し、オイルの流れを濃色の矢印ＯＬで示す。

オイルセパレータ２０は、縦型のオイルセパレータとして構成されている。オイルセパレータ２０は、細長く延びた筒型の形状を有し、その長手方向を鉛直方向に一致させるようにして圧縮機１２に設置される。図１に示される圧縮機本体１６から流入する冷媒ガス（いくらかのオイルが混入している）は、オイルセパレータ２０の上部から導入される。フィルターエレメント４６によって清浄化された冷媒ガスは、オイルセパレータ２０の上部からオイルセパレータ２０の外部に排出される。フィルターエレメント４６によって冷媒ガスから分離されたオイルは、フィルターエレメント４６の内部または表面を鉛直方向に流下し、オイルセパレータ２０の底部から回収される。

オイルセパレータ容器４４は、オイルセパレータ２０の外形を定める円筒状の容器であり、容器筒部４４ａ、上部フランジ４４ｂ、下部フランジ４４ｃを備える。上部フランジ４４ｂが容器筒部４４ａの上端に固定され、下部フランジ４４ｃが容器筒部４４ａの下端に固定されている。上部フランジ４４ｂと下部フランジ４４ｃはそれぞれ、例えば溶接により容器筒部４４ａに固定され、オイルセパレータ容器４４は、気密容器となっている。

上部フランジ４４ｂには、冷媒ガス導入管５２、冷媒ガス導出管５４及び戻りオイル管５６が設けられている。冷媒ガス導入管５２は、図１に示される吐出流路２６の上流部２６ａがオイルセパレータ２０に接続する部分に相当する。冷媒ガス導出管５４は、吐出流路２６の下流部２６ｂがオイルセパレータ２０に接続する部分に相当する。戻りオイル管５６は、オイルライン１８のオイル戻りライン１８ｂがオイルセパレータ２０に接続する部分に相当する。

冷媒ガス導入管５２は、上部フランジ４４ｂを貫通して設けられている。冷媒ガス導入管５２は、オイルセパレータ２０の中心軸に沿って延びている。上部フランジ４４ｂを貫通した冷媒ガス導入管５２は、フィルターエレメント４６の内側空洞５０まで延びている。図２に示される例においては、冷媒ガス導入管５２は、内側空洞５０の上部で開口しているが、冷媒ガス導入管５２は、内側空洞５０の底部近傍まで延びていてもよい。冷媒ガス導入管５２を通じて、オイルセパレータ２０の外部からフィルターエレメント４６の内側空洞５０へと冷媒ガスが導入される。

冷媒ガス導出管５４は、上部フランジ４４ｂを貫通して設けられている。上部フランジ４４ｂを貫通した冷媒ガス導出管５４は、外側空洞４８において上部フランジ４４ｂの近傍、例えば、オイルセパレータ２０の軸方向において上部フランジ４４ｂとフィルターエレメント４６との間で、開口している。内側空洞５０からフィルターエレメント４６を通過して外側空洞４８に流れる冷媒ガスは、冷媒ガス導出管５４からオイルセパレータ２０の外部に排出される。

戻りオイル管５６は、上部フランジ４４ｂを貫通して設けられている。上部フランジ４４ｂを貫通した戻りオイル管５６は、容器筒部４４ａに沿って下部フランジ４４ｃの近傍まで延びている。戻りオイル管５６は、外側空洞４８において下部フランジ４４ｃの近傍、例えば、オイルセパレータ２０の軸方向においてフィルターエレメント４６と下部フランジ４４ｃの間で、開口している。フィルターエレメント４６によって冷媒ガスから分離したオイルは、戻りオイル管５６からオイルセパレータ２０の外部に排出される。

フィルターエレメント４６は、フィルター積層体５８、フィルター押さえ部材６０、上部蓋体６２、下部蓋体６４を備える。フィルター積層体５８は、内筒部材６６、内側フィルター部材６８、フィルター保持部材７０、外側フィルター層７２を備える。図２には、フィルター積層体５８の外側部分の部分拡大図を破線の円内に併せて示してある。

フィルター積層体５８は、上部蓋体６２と下部蓋体６４で挟まれている。上部蓋体６２及び下部蓋体６４は、それぞれ、例えばステンレスなど金属で形成された円板状の部材である。上述のように、冷媒ガス導入管５２が上部フランジ４４ｂを貫通して外側空洞４８に進入している。冷媒ガス導入管５２は、さらに、上部蓋体６２を貫通して内側空洞５０へと延びている。

上部蓋体６２及び下部蓋体６４は、それぞれフィルター積層体５８の上部及び下部に例えば接着剤により接着されている。接着剤は、エポキシ系接着剤やシリコン系接着剤など密閉性を有するものであってもよい。これにより、フィルター積層体５８と上部蓋体６２との間、および、フィルター積層体５８と下部蓋体６４との間に隙間が発生することを防止できる。冷媒ガス導入管５２から内側空洞５０に導入された冷媒ガスが、オイルを含んだまま隙間を通って外側空洞４８に流出することを防止できる。また、冷媒ガスから分離され液化したオイルが、隙間を通って外側空洞４８に流出することを防止できる。

内筒部材６６は、例えばステンレスや炭素鋼よりなるパンチングプレートから形成された筒状（例えば円筒状）の部材である。内筒部材６６は、冷媒ガス導出管５４を囲むようにしてオイルセパレータ２０の中心軸と同軸に配置されている。内筒部材６６は、内側フィルター部材６８を内側から支持するために設けられている。内筒部材６６の内部空間が内側空洞５０であり、内側空洞５０は、内筒部材６６と上部蓋体６２と下部蓋体６４とにより囲まれている。なお、内筒部材６６が多孔板であることは必須ではなく、金網、スリットを設けた板、棒材を格子状に並べた部材など、ガスの流れを阻害せずに内側フィルター部材６８を支持する構造であれば、どのようなものであってもよい。

内側フィルター部材６８は、筒状の形状を有し、内側空洞５０を囲んでいる。内側フィルター部材６８も、オイルセパレータ２０の中心軸と同軸に配置されている。内側フィルター部材６８は、内筒部材６６を芯とし、内筒部材６６の周りに、フィルター材を円筒形状に巻回すように配置して設けられている。内側フィルター部材６８がフィルター積層体５８の大半の体積を占める。内側フィルター部材６８は、例えばグラスウールなどの鉱物繊維またはその他のフィルター材で形成されている。

フィルター保持部材７０は、内側フィルター部材６８と外側フィルター層７２の間に配置されている。フィルター保持部材７０は、例えば金網またはその他のメッシュ部材であり、内側フィルター部材６８の最外層を外側から押さえ、内側フィルター部材６８を保持する。フィルター保持部材７０が内側フィルター部材６８を外側から補強し、内筒部材６６が内側フィルター部材６８を内側から補強している。なお、フィルター保持部材７０が金網であることは必須ではなく、パンチングメタルなどの多孔板、スリットを設けた板、棒材を格子状に並べた部材など、ガスの流れを阻害せずに内側フィルター部材６８を支持する構造であれば、どのようなものであってもよい。

外側フィルター層７２は、外側空洞４８に露出された冷媒ガス出口面７４を有し、内側フィルター部材６８の外側に配置されている。また、外側フィルター層７２は、フィルター保持部材７０の外側に配置されている。そのため、内側フィルター部材６８とフィルター保持部材７０は、外側フィルター層７２で覆われ（または包まれ）ており、これらは外側空洞４８に露出されていない。冷媒ガス出口面７４は、外側フィルター層７２の外面の少なくとも一部（例えば大部分）を占める。外側フィルター層７２のすぐ外側に外側空洞４８が隣接している。

外側フィルター層７２は、例えば不織布である。不織布は、多数の細孔を有し、冷媒ガスに通気性を有するとともにオイルに浸透性を有する。内側フィルター部材６８によって分離された液状のオイルが内側フィルター部材６８の最外層およびフィルター保持部材７０に沿って鉛直方向に流下するとき、このオイルは、外側フィルター層７２の内面に沿って、または外側フィルター層７２の内部を流れることができる。仮に、外側フィルター層７２が無かったとすると、内側フィルター部材６８を通って吹き出す冷媒ガスによって、オイルが飛散され、冷媒ガスに再び混入しうる。外側フィルター層７２は、このようなオイルの再飛散と冷媒ガスへの再混入を抑制することができる。

外側フィルター層７２は、冷媒ガスに通気性を有しオイルに浸透性を有する例えば合成樹脂製の多孔質膜であってもよい。多孔質膜は、多孔質材料のフィルムまたはシートであってもよい。このようにしても、外側フィルター層７２は、冷媒ガス流れによるオイルの再飛散と冷媒ガスへの再混入を抑制することができる。

ただし、後述するように、外側フィルター層７２は、パンチングメタルなどの多孔板ではない。また、フィルターエレメント４６においては、多孔板が、例えば内筒部材６６のように外側フィルター層７２の内側には配置されうるが、外側フィルター層７２の外側には配置されない。

フィルター押さえ部材６０は、外側フィルター層７２に外側から接触するワイヤ状の部材である。フィルター押さえ部材６０は、外側フィルター層７２を外側から押さえ、外側フィルター層７２を保持する。フィルター押さえ部材６０の一端は、上部蓋体６２に接続され、他端は、下部蓋体６４に接続されている。

フィルター押さえ部材６０は、例えば、ピアノ線または金属ワイヤで形成されている。あるいは、フィルター押さえ部材６０は、金属製には限られない。フィルター押さえ部材６０は、オイルを吸収しうる例えば合成樹脂製またはその他の繊維材料で形成されてもよい。

フィルター押さえ部材６０は、らせん状である。フィルター押さえ部材６０は、上部蓋体６２から下部蓋体６４へと外側フィルター層７２の外面に沿ってらせん状に延び、外側フィルター層７２に巻き付けられている。このようにして、フィルター押さえ部材６０は、外側フィルター層７２の外面で斜めに延びている。フィルター押さえ部材６０にオイルが付着したとしても、フィルター押さえ部材６０に沿って下方に流れ落ちやすい。フィルター押さえ部材６０上にオイルが溜まることが抑制され、外側フィルター層７２から出る冷媒ガス流れによるオイルの再飛散と冷媒ガスへの再混入を抑制することができる。

一例として、フィルター押さえ部材６０は、フィルターエレメント４６の長手方向単位長さ（例えば１００ｍｍ）あたりのらせん巻き数が、多くとも５回（例えば、１〜３回）であってもよい。

このようにすれば、フィルター押さえ部材６０によって覆われる外側フィルター層７２の表面積が十分に小さくなる（すなわち冷媒ガス出口面７４の面積が十分に大きくなる）。仮に、パンチングメタルのように多数の小孔を有する多孔板が、外側フィルター層７２に代えて、または外側フィルター層７２の外側に追加して、フィルターエレメント４６に設置されていたとすると、それら小孔で冷媒ガス流速が増加されうる。小孔の下縁の板厚部分にオイルが付着していた場合、流速が増加された冷媒ガスは、このオイルを飛散させうる。飛散されたオイルは、冷媒ガスに再び混入しうる。しかしながら、実施の形態によれば、冷媒ガス出口面７４の面積が十分に大きいので、冷媒ガスの流速の局所的な増加は起こりにくく、オイルの再飛散と冷媒ガスへの再混入を抑制することができる。また、冷媒ガスが通過できる面積が大きくなるので、冷媒ガスに生じる圧力損失が低減される。

フィルター押さえ部材６０のらせんの角度（例えば、水平面、すなわちオイルセパレータ２０の中心軸に垂直な平面に対する角度）は、適宜選択されうる。らせんの角度が小さければ（たとえば４５度より小さければ）、らせんの巻き数が増えるので、フィルター押さえ部材６０を外側フィルター層７２にしっかりと巻き付け、外側フィルター層７２を保持できる。らせんの角度が大きければ（たとえば４５度より大きければ）、らせんの巻き数が減るので、冷媒ガス出口面７４の面積を大きくすることができる。この場合、外側フィルター層７２をより確実に保持するために、複数本（例えば２〜３本）のフィルター押さえ部材６０が設けられ、例えば周方向に等間隔に配置されてもよい。

外側フィルター層７２の冷媒ガス出口面７４は、外側フィルター層７２の外面（すなわち上部蓋体６２と下部蓋体６４との間の筒状の表面）のうち、フィルター押さえ部材６０で覆われていない領域にあたる。冷媒ガス出口面７４は、外側フィルター層７２の表面積の大部分、例えば、少なくとも８０％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、または少なくとも９８％を占める。言い換えると、外側フィルター層７２は、例えば、その表面積の多くとも２０％、多くとも１５％、多くとも１０％、多くとも５％、または多くとも２％がフィルター押さえ部材６０によって覆われている。

このようにすれば、外側フィルター層７２は、冷媒ガス流れによるオイルの再飛散と冷媒ガスへの再混入を抑制することができる。また、冷媒ガスが通過できる面積が大きくなるので、冷媒ガスに生じる圧力損失が低減される。一般に、典型的なパンチングメタルの開孔率が最大で約７５％であり、そのため、冷媒ガス出口面７４が外側フィルター層７２の表面積に占める比率は、７５％より大きくてもよい。

また、外側フィルター層７２の表面積のうち冷媒ガス出口面７４が占める比率は、例えば、１００％未満、９９．５％未満、９９％未満、９８．５％未満、または９８％未満であってもよい。一例として、一般に入手しやすい針金がフィルター押さえ部材６０として使用されると、冷媒ガス出口面７４は、外側フィルター層７２の表面積の例えば９９．２％〜９８％を占める。また、直径０．１ｍｍのピアノ線がフィルター押さえ部材６０として使用されると、冷媒ガス出口面７４は、外側フィルター層７２の表面積の例えば約９９．９９％を占める。なお、言い換えると、外側フィルター層７２の表面積のうちフィルター押さえ部材６０によって覆われる面積の比率は、例えば、多くとも２％、多くとも１．５％、多くとも１％、多くとも０．５％、または多くとも０．０１％であってもよい。

以上説明した構成によると、オイルを含有する冷媒ガスは、冷媒ガス導入管５２を通じて、オイルセパレータ２０の内側空洞５０に導入される。冷媒ガスは、内側空洞５０から、内筒部材６６、内側フィルター部材６８、フィルター保持部材７０、外側フィルター層７２の順に、フィルターエレメント４６のフィルター積層体５８を径方向外方に向かって放射状に流れる。冷媒ガスがフィルター積層体５８を通過する際に、冷媒ガスに含まれているオイルが濾過されることによって冷媒ガスから分離され、オイルが分離された冷媒ガスが冷媒ガス出口面７４から外側空洞４８に流入する。そして、外側空洞４８に導入された冷媒ガスは、冷媒ガス導出管５４を通ってオイルセパレータ２０から排出される。オイルは、戻りオイル管５６を通じてオイルセパレータ２０から排出される。

実施の形態によると、外側フィルター層７２の大部分の面積が冷媒ガス出口面７４として外側空洞４８に開放されている。これにより、外側フィルター層７２から外側空洞４８に出る冷媒ガスによるオイルの再飛散と冷媒ガスへの再混入を抑制することができる。よって、オイルセパレータ２０からのオイル流出が低減される。

アドゾーバ２１へと流入するオイル量が低減されるので、アドゾーバ２１の吸着材の寿命を延ばすことができ、吸着材の交換頻度を低減し、圧縮機１２の運転コストを低減することができる。あるいは、アドゾーバ２１に搭載する吸着材の量を減らすことができ、アドゾーバ２１ひいては圧縮機１２を小型化することができる。圧縮機１２から冷媒ガスとともに流出するオイル量を低減することができるので、オイルによるコールドヘッド１４の劣化や冷凍能力の低下も抑制される。

図４から図８は、実施の形態に係るフィルター押さえ部材の他の種々の例を示す。フィルター押さえ部材６０は、種々の形状をとることが可能である。図４から図８は、図３と同様に、フィルターエレメント４６の側面図を概略的に示す。以下、実施の形態に係るフィルター押さえ部材の種々の例について、既述の実施の形態と異なる構成を中心に説明し、共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を省略する。

図４に示されるように、フィルター押さえ部材６０は、外側フィルター層７２に外側から接触する帯状の部材であってもよい。冷媒ガス出口面７４は、外側フィルター層７２の表面積の少なくとも８０％を占めてもよい。フィルター押さえ部材６０は、らせん状であり、外側フィルター層７２に巻き付けられている。ただし、フィルター押さえ部材６０は、上部蓋体６２および下部蓋体６４に接続されていなくてもよい。

図５に示されるように、フィルター押さえ部材６０は、縦方向、すなわちフィルターエレメント４６の軸方向に沿って延びる複数本（例えば２〜４本）のワイヤ状部材であってもよい。フィルター押さえ部材６０は、外側フィルター層７２に外側から接触する。冷媒ガス出口面７４は、外側フィルター層７２の表面積の少なくとも８０％を占めてもよい。複数のワイヤ状部材は、例えば周方向に等間隔に配置され、それぞれが上部蓋体６２および下部蓋体６４に接続されていてもよい。

図６に示されるように、フィルターエレメント４６は、複数の蓋連結部材７６を有してもよい。蓋連結部材７６は、フィルターエレメント４６の構造を補強するために、上部蓋体６２と下部蓋体６４を堅く結合する。蓋連結部材７６は、例えばステンレスなど金属製の棒状部材であってもよい。蓋連結部材７６はそれぞれ縦方向に延び、周方向に等間隔に配置されている。蓋連結部材７６が、フィルター押さえ部材として利用される。蓋連結部材７６の内面が外側フィルター層７２の外面に押し当てられ、それにより、外側フィルター層７２が保持される。冷媒ガス出口面７４は、外側フィルター層７２の表面積の少なくとも８０％を占めてもよい。

図７に示されるように、フィルターエレメント４６は、少なくとも１つのリング状のフィルター押さえ部材６０を有してもよい。冷媒ガス出口面７４は、外側フィルター層７２の表面積の少なくとも８０％を占めてもよい。フィルター押さえ部材６０は、例えば、水平面、すなわちフィルターエレメント４６の中心軸に垂直な平面に沿って配置され、外側フィルター層７２に巻き付けられている。よって、フィルター押さえ部材６０は、上部蓋体６２および下部蓋体６４に接続されていない。図示されるように、複数本のフィルター押さえ部材６０が設けられてもよい。フィルター押さえ部材６０は、水平面に対し斜めの平面に沿って配置され、外側フィルター層７２に巻き付けられてもよい。

図８に示されるように、フィルターエレメント４６は、フィルター押さえ部材６０を有していなくてもよい。外側フィルター層７２は、接着剤７８によってフィルター保持部材７０及び／または内側フィルター部材６８に接着されている。よって、接着剤７８は、外側フィルター層７２の内面をフィルター保持部材７０及び／または内側フィルター部材６８に接着する。そのため、外側フィルター層７２の外面の全域（１００％）が冷媒ガス出口面７４として外側空洞４８に露出されている。一例として、接着剤７８は、らせん状に設けられていてもよい。あるいは、接着剤７８は、ドット状のパターンを有してもよい。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１０ 極低温冷凍機、 １２ 圧縮機、 ２０ オイルセパレータ、 ４４ オイルセパレータ容器、 ４６ フィルターエレメント、 ４８ 外側空洞、 ５０ 内側空洞、 ６０ フィルター押さえ部材、 ６８ 内側フィルター部材、 ７０ フィルター保持部材、 ７２ 外側フィルター層、 ７４ 冷媒ガス出口面。

Claims (10)

1. オイルセパレータ容器と、
   前記オイルセパレータ容器の中に配置され、前記オイルセパレータ容器との間に外側空洞を定めるフィルターエレメントであって、冷媒ガスが導入される内側空洞を有し、前記内側空洞から前記外側空洞に流れる前記冷媒ガスからオイルを分離するフィルターエレメントと、を備え、
   前記フィルターエレメントは、
   前記内側空洞を囲む筒状の内側フィルター部材と、
   前記外側空洞に露出された冷媒ガス出口面を有し、前記内側フィルター部材の外側に配置された外側フィルター層と、
   前記外側フィルター層に外側から接触するワイヤ状または帯状のフィルター押さえ部材と、を備えることを特徴とするオイルセパレータ。
2. 前記フィルター押さえ部材は、らせん状であることを特徴とする請求項１に記載のオイルセパレータ。
3. 前記冷媒ガス出口面が、前記外側フィルター層の表面積の少なくとも８０％を占めることを特徴とする請求項１または２に記載のオイルセパレータ。
4. 前記冷媒ガス出口面が、前記外側フィルター層の表面積の少なくとも９５％を占めることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のオイルセパレータ。
5. オイルセパレータ容器と、
   前記オイルセパレータ容器の中に配置され、前記オイルセパレータ容器との間に外側空洞を定めるフィルターエレメントであって、冷媒ガスが導入される内側空洞を有し、前記内側空洞から前記外側空洞に流れる前記冷媒ガスからオイルを分離するフィルターエレメントと、を備え、
   前記フィルターエレメントは、
   前記内側空洞を囲む筒状の内側フィルター部材と、
   前記外側空洞に露出された冷媒ガス出口面を有し、前記内側フィルター部材の外側に配置された外側フィルター層と、を備え、
   前記冷媒ガス出口面が、前記外側フィルター層の表面積の少なくとも８０％を占めることを特徴とするオイルセパレータ。
6. 前記外側フィルター層は、不織布または多孔質膜であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のオイルセパレータ。
7. 前記内側フィルター部材と前記外側フィルター層の間に配置されたフィルター保持部材をさらに備えることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のオイルセパレータ。
8. 請求項１から７のいずれかに記載のオイルセパレータを備えることを特徴とする極低温冷凍機用圧縮機。
9. 内側空洞から外側空洞に流れる冷媒ガスからオイルを分離するフィルターエレメントであって、
   前記内側空洞を囲む筒状の内側フィルター部材と、
   前記外側空洞に露出された冷媒ガス出口面を有し、前記内側フィルター部材の外側に配置された外側フィルター層と、
   前記外側フィルター層に外側から接触するワイヤ状または帯状のフィルター押さえ部材と、を備えることを特徴とするフィルターエレメント。
10. 内側空洞から外側空洞に流れる冷媒ガスからオイルを分離するフィルターエレメントであって、
    前記内側空洞を囲む筒状の内側フィルター部材と、
    前記外側空洞に露出された冷媒ガス出口面を有し、前記内側フィルター部材の外側に配置された外側フィルター層と、を備え、
    前記冷媒ガス出口面が、前記外側フィルター層の表面積の少なくとも８０％を占めることを特徴とするフィルターエレメント。

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