JP2647225B2 - スクロール圧縮機及びそれを用いたヘリウム液化用冷凍装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は極低温分野ヘリウム冷凍装置、殊にヘリウム
液化用冷凍装置に適したヘリウム圧縮用給油式スクロー
ル圧縮機、及び作動ガスとしてフロンガスを用いる冷凍
・空中用途のスクロール圧縮機に関するものである。

［従来の技術］ 従来のヘリウム用途に用いられたスクロール圧縮機と
しては、特開昭61−187584号公報に記載のように、スク
ロールラップの巻き数が2,5巻き程度のスクロール形状
を備えた給油式のヘリウム圧縮用スクロール圧縮機が公
知である。

［発明が解決しようとする課題］ 上記従来技術は、ヘリウムガスの用いられる冷凍装置
の中でも、冷却到達温度が20Kレベルの領域となるクラ
イオポンプ装置に適したものである。すなわち圧縮機の
運転用圧力比が２〜４といった比較的低圧力比（中圧力
比）域の運転条件となっている。（以下、特に断らない
限り、運転圧力比を単に圧力比と略記する。）このよう
な低圧力比条件に適したスクロール圧縮機はヘリウム液
化用途の冷凍装置のヘリウム圧縮機には使えないという
問題がある。これは、ヘリウム液化用途の運転条件で
は、吸入圧力（低圧側圧力）が0kg/cm²G（Ｇはゲージ圧
力の意）付近で吐出圧力（高圧側圧力）が18〜20kg/cm²
Gとなり、圧力比として19〜21と高い圧力比が必要とな
りためである。

また旋回スクロールの鏡板に設けた細孔から該鏡板背
面側に導いた中間圧で旋回スクロールを固定スクロール
側に押付ける中間圧力方式のスクロール圧縮機の場合、
上記したスクロール形状（ラップ巻き数が約2,5のも
の）では充分な押付け力が得られず、圧力比10前後で使
用しようとすると旋回スクロールが固定スクロールから
離れるといった離脱現象が生じ、高い圧力比運転ができ
ないという問題がある。

低運転圧力比用スクロール圧縮機を２台直列に配備し
て高圧力比を得るような装置もあるが、この場合、圧縮
機ユニットの軽量化や省スペース化などの点で不利とな
る。

他方、フロンガスを用いて蒸発温度が−40℃といった
比較的低温を得る冷凍装置においても、圧力比７前後が
主な運転域となる。このようなフロンガスを用いた前記
の低運転圧力比用スクロール圧縮機は適用できないとい
う問題がある。

本発明の目的は、フロンガスを冷媒に用いる冷凍用途
と、ヘリウム液化温度の4.5K前後の極低温の得られるヘ
リウムガスを用いるヘリウム液化用冷凍装置に共用でき
るスクロール圧縮機構造を提供するにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明によるスクロール圧縮機は、作動ガスとしてヘ
リウムガスを使用したヘリウム液化装置用のヘリウム用
スクロール圧縮機用とフロンガスを使用した冷凍装置用
のフロンガス用スクロール圧縮機用の両用途に共用せし
めるため、下式に示すスクロールラップ部の設定容積比
V_rが3.4〜4.5のスクロール歯形形状を有する互に噛み合
わされた固定スクロール及び旋回スクロールを備えたこ
とを特徴とする。

ここで、λ_l:ラップ巻き終り角度（インボリュート伸
開角） λ_s: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ε_thとスクロールラップの基礎円半径ａの
比（＝ε_th/a） また本発明によるヘリウム液化用冷凍装置は、作動ガ
スとしてヘリウムガスを使用したヘリウム用圧縮機ユニ
ット、高圧へリウムガスの予冷のための膨張機及びジュ
ールトムソン弁と該弁から流下した液化ヘリウムを溜め
るヘリウム容器を備え、夫々低圧ガスラインと高圧ガス
ラインの配管とで接続したヘリウム液化用冷凍装置にお
いて、ヘリウム用圧縮機としてスクロール圧縮機を備
え、運転圧力比20前後を単段圧縮にて得られるように、
下式に示すスクロール部の設定容積比V_rが3.4〜4.5のス
クロール歯形形状を備えるとともに、ヘリウムガス冷却
のための油インジェクション構造を固定スクロール鏡板
部に設けた密閉形スクロール圧縮機を前記圧縮機ユニッ
ト内に配備したことを特徴とする。

ここで、λ_l:ラップ巻き終り角度（インボリュート伸
開角） λ_s: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ε_thとスクロールラップの基礎円半径ａの
比（＝ε_th/a） この様な構成とする理由は、ヘリウムガスの比熱比κ
がκ＝1.66と他のガス（フロンガス）に比べて高いた
め、断熱圧縮時の吐出ガス温度が高くなるので、これを
防ぐため油によるガス冷却を行う必要があるからであ
る。

［作用］ 第１図に、設定容積比V_r＝3.9としたスクロール形状
（その具体的な歯形形状を第３図から第７図に示す。）
を用いた場合の運転圧力比に対する断熱図示効率の変化
を計算した結果を示す。断熱図示効率η_i(th)は次式で
与えられるもので、主に高圧力比運転での圧縮不足に伴
う動力損失の大きさを理論動力との比で表した値とな
る。

ここで P_d:吐出圧力 P_s:吸入圧力 κ：比熱比、 V_r:設定容積比 κはガスに固有の値であり、第１図において、κ＝1.
15はフロンガスＲ−22の場合であり、κ＝1.66はヘリウ
ムガスの場合である。第１図から、本発明に該当する上
記スクロール形状とすることにより、冷媒フロンガス
（Ｒ−22）による冷媒仕様の運転域においてもまた、ヘ
リウムガスによるヘリウム液化装置の運転領域において
もη_i(th)の値が90％前後という高い効率が示されてい
ることが分かる。該スクロール形状を持つ圧縮機に対し
て前記した油インジェクション構造などの冷却手段を付
加することにより、さらに圧縮機の効率が向上できるこ
とを実験的につかんでいる。このような効率特性を備え
たスクロール形状は、フロンガス利用の冷凍装置のフロ
ンガス圧縮用のスクロール用の圧縮機にも、ヘリウム液
化装置のヘリウムガス圧縮機にも共用できる。また本構
成により、圧縮機のわずかな改造により両用途に対して
高性能で高信頼性のスクロール圧縮機が容易に提供でき
る。すなわち、上記した両用途に、スクロール部（歯形
形状）を共用化することを特徴としている。

［実 施 例］ 本発明のスクロール形状を有するスクロール圧縮機
を、ヘリウム液化用途のヘリウム圧縮用の圧縮機として
構成した場合を、第２図から第７図にわたって示す。

第２図は、本実施例のスクロール圧縮機の全体構成の
重断面図であり、旋回スクロールを旋回駆動するクラン
ク軸およびその駆動用電動機を水平に配置し、スクロー
ル部を図で右側に、電動機部を図で左側をに配した横形
構造のスクロール圧縮機の全体構造を示す。第２図にお
いて、旋回スクロール５およびスクロール１は夫々の鏡
板5a,1aを上下方向に立てるように組合わされて圧縮機
部を構成している。固定スクロール１と旋回スクロール
５の詳細な形状は第３図から第７図に示してある。

第２図に示すように、このスクロール圧縮機は、密閉
形・給油式スクロール圧縮機を成しており、密閉容器31
と、これの内部に形成された吐出室32と、電動機室33
と、下方の油溜め34a,34bと、フレーム15と、固定およ
び旋回両スクロール1,5よりなる圧縮機部と、ガスの吸
入管11と、背圧室36と、圧縮ガスの吐出管16と、電動機
17と、回転駆動軸（クランク軸）19および偏心軸（クラ
ンクピン）20と、中央部の油吸い上げ管23とを有する。
ヘリウムガスや油分を吐出室32から電動機室33に導く連
通路26a,26bと、両室32および33内の油溜め34a,34bの油
面のレベルを調整するための均油路27とを固定スクロー
ル鏡板1aの外周部の上部と下部に夫々設けてある。前記
フレーム15は、密閉容器31の胴体31aの内部にボルト15a
にて固定されている。

前記スクロール圧縮機部は、固定スクロール１と、旋
回スクロール５と、オルダム継手10とを有して構成され
ている。前記固定スクロール１は、第３図に示すように
円板状の鏡板1aと、インボリュート曲線またはこれに近
似の曲線で形成されかつ鏡板1aに垂直に取り付けられた
ラップ1bとを有して構成されている。また、固定スクロ
ール１は円周方向に間隔をおいて取り付けられた複数本
のボルト９で前記フレーム15に固定されている。前記各
ボルト９は、固定スクロール１の鏡板1aの外縁部に、円
周方向に間隔をおいて形成されたボルト通し穴9a（第３
図参照）に挿通され、かつ、フレーム15の外縁部に前記
ボルト通し穴9aに合わせて設けられたねじ穴にねじ込ま
れて止められている。一方、旋回スクロール５は円板状
の鏡板5aと、前記固定スクロール１のラップ1bとかみ合
う形状に形成されかつ前記鏡板5aに垂直に取り付けられ
たラップ5bと、前記鏡板5aにおいてラップ5bの取り付け
面の反対側の面に設けられたボス5cとを有して構成され
ている。電動機17で駆動されるクランク軸19の偏心軸20
は上記ボス5cに軸受嵌合しており、クランク軸19が電動
機17で回転されると、旋回スクロール５は、オルダムリ
ングおよびオルダムキーからなるオルダム継手10を介し
て自転が阻止されて旋回運動し得るようになつている。
固定スクロール１の鏡板1aと旋回スクロール５の鏡板5a
とは対向させて配置され、固定スクロール１のラップ1b
と旋回スクロール５のラップ5bとは互いにかみ合わされ
ている。

前記ヘリウムガスの吸入管11は、第２図に示すよう
に、機外からスクロール圧縮機の固定スクロール内周部
の吸入室22にガスを導入するようになつている。

更に第２図に示すように、密閉容器31の電動機室33側
のサイドカバー31cには、該室33内の下部の油溜り34か
ら油を取出す下方に弯曲した油取出管47aが油取出口47
を経て機外の油配管51に接続されており、この油配管51
は、第２図には図示されていない油冷却器を介して、密
閉容器31の圧縮機部側のサイドカバー31bを貫通してい
る油インジェクション管40に接続されている。油インジ
ェクション管40は固定スクロール１の鏡板1aに設けられ
た後述の油インジェクション孔1wに接続されている。な
お、57は電動機への給電端子保護カバーである。

固定スクロール１と旋回スクロール５のラップ間に形
成される密閉空間（圧縮室）13は旋回スクロールの旋回
につれてその容積を減じ、従って、吸入室33から該圧縮
室13に取り込まれたガス（ヘリウム）は圧縮されて固定
スクロール鏡板1aの中央吐出口２から吐出室32に吐出さ
れるのであるが、この仮定においてガスは油インジェク
ション管から注入される前記の油で冷却される様になっ
ている。

第３図は、上述のスクロール圧縮機における固定スク
ロール１の平面図であり、また第４図は固定スクロール
の鏡板部1aに設けた油インジェクション用孔1wに接続さ
れた油インジェクション管40とその周辺の構造を示す重
断面図であり、第５図と等６図は旋回スクロール５の平
面図と縦断面図であり、第７図は両スクロール1,5の噛
み合った状態を示す平面図である。

本実施例ではスクロール部の設定容積比（最大密閉空
間形成時の容積／最小密閉空間形成時の容積）V_rの値、
3.9の例が前記図に例示される。

ここで、第５図をもとにして、設定容積比V_rを式で表
わすと次式のとおりである。

ここでλ_ｌはラップ巻き終わり部である5K（5J′）の
位置のスクロールラップ巻き角度（図の場合λ_ｌ＝25.2
rad）であり、λ_ｓはラップ巻き始め部の5Pの位置のス
クロールラップ巻き角度（図の場合λ_ｓ＝1.05rad）で
ある。πは円周率で、αは次式で表わされるパラメータ
である。

但し ε_th:旋回半径 a:スクロールラップの基礎円半径 本実施例のスクロール圧縮機は、後述のフロンガス用
途である冷凍仕様のスクロール圧縮機に較べて、ヘリウ
ム液化用途のものであるため、次のような改造をしてい
る。すなわち、前述の如く、ヘリウムガス及び圧縮機全
体（主に電動機17）を冷却するため、両スクロール部で
形成される圧縮室13に油を注入できるよう油インジェク
ション管40を設け、該管40と圧縮室13側とを連結する孔
1wを固定スクロール１の鏡板部に設ける。この油インジ
ェクション孔1wの孔経d_oはラップ厚さｔよれも大きく、
かつ、歯溝中央位置に１箇所設けている。このようなイ
ンジェクション孔の構造は、冷却油量を多く確保するこ
とができること、またインジェクション管40内の圧力脈
動を抑える効果がある。油インジェクション孔1wの位置
は、図の場合スクロールラップ巻き角度としてλ_ｏ≒1
6.3radの位置である。このλ_ｏの位置に在る８インジェ
クション孔1wは、両スクロール間に最大容積の密閉室が
形成されるクランク軸回転角度から約35゜のクランク軸
回転角度までの範囲に亘って、吸入室22と連通する。こ
の様に吸入室22側とインジェクション管40とが一時的に
連通する構成とすることにより、圧縮機の起動の際に生
じる恐れのある油圧縮現象を回避する効果が得られ、ま
た吸入ガスの油による冷却効果を高めることができる。

その他の改造点は、前記したような、電動機室側のサ
イドカバー31cにインジェクション油を機外に導く油取
出し管47a及び油取り出し口47を設け、油配管51に取出
された油溜め34bからの油を油冷却器で冷却し、この冷
却された油が上記の油インジェクション管を介して上記
の油インジェクション孔1wから上記の様に注入される様
にしたことがある。

吸入室22に入ったヘリウムガスは、インジェクション
された油と合流し圧縮室13にて圧縮作用を受けながら圧
縮要素部の中心に向かって移動する。そして固定スクロ
ール１の中央部の吐出孔２からガスと油は吐出室32に至
り、右サイドカバー31bの内壁面に衝突するとともにガ
スは上方向に流れが変更するなどして、大部分の油はガ
スと分離され、下方の油溜め部34aに落下する。油分の
少なくなったガスは固定スクロールの外周部上方の連通
路26a,26b及びフレーム15に同様に設けた連通路15fを通
って電動機室33に至る。なお両室を連結するこれら連通
路は第３図に示すように、短形状の通路26aと26bとの２
箇所が設けられており、この部分を通るガス速度を極力
低下しせめている。この部分のガス速度とチャンバ（密
閉容器）事態の油分離用とは相関があり、上記構成する
ことによりヘリウム圧縮機として適正な油分離性能が得
られる。電動機室33は、広い空間になっているので、こ
こではガス速度は大きく低下し、ガス中に混合している
油はさらに分離されて下方に落下する。

なお、第５図に示すように、旋回スクロールの鏡板5a
には細孔29a,29bを設けており、これにより、旋回スク
ロール５の鏡板背部（図で鏡板5aの左側方部）に存する
背圧室36の圧力を吸入圧力と吐出圧力との中間的圧力と
して旋回スクロールを固定スクロールへ押圧する力を得
ている。したがってクランク軸19の軸受部37、38および
ボス部5cの軸受部39への給油は、電動機室33の圧力（高
圧側圧力）と背圧室36の圧力との差圧を利用して給油管
23を介して行なわれる。このように軸受部38と39を潤滑
した油は背圧室36に至り、内部のオルダムリング部10の
摺動部を潤滑した後、背圧孔（細孔）29a,29bを介して
圧縮室13側へ移動し、ここでヘリウムガス及び管路40を
通ってインジェクションされた油と混合することとな
る。これらガスと油とが一緒になって、圧縮室13、吐出
室32、更には電動機室33へとチャンバ内を移動する。電
動機室33で大部分の油を分離し、油分の少いヘリウムガ
スが吐出管16を介して外部の冷却器50（第18図参照）に
導かれることになる。このような、本実施例では吐出室
32で第一段目の油分離作用を、電動機室33では第二段目
の油分離作用をなさしめ、チャンバ自体の油分性能を飛
躍的に向上することができる。

第５図に示した細孔29a,29bの位置は、後述するフロ
ンガス用途の冷凍仕様の旋回スクロールの場合（第11図
の29c,29dの位置）よりも約1radだけラップ巻始め部に
寄った位置に設定している。このように、中間圧導出用
孔の位置を用途に応じて変更改造している。この背圧孔
29a、29bの変更位置は、旋回スクロールの安定した挙動
（鏡板変位の軸方向踊り防止）を図り且つ高圧力運転を
確保するためのものである。第５図の上記細孔の位置は
スクロールラップ巻き角度にしてλ_ｂ＝12.2radであ
る。

インジェクションする油の供給源として、吐出管16を
接続したサイドカバー31cの油取り出し口47に設けた油
取出管47aを介して油溜め34bから高温の油を取り出す。
油取出管47aは、油吸込み口をチャンバ底部に向けるよ
うにした曲がり形状とされている。油取り出し口47をガ
スの吐出管16を設けたのと同じサイドカバー部に設定し
たことにより高温の油を機外に導くことが可能となり、
油により機外に持ち去られる熱量をより多くすることが
できる（この機外に取出された油は油冷却器で冷却され
ることは前述したとおりである）。

このように、本実施例では、ヘリウムガスとインジェ
クション油との圧縮機内部の流れを冷却面で有効に活用
できるようにするために、インジェクション油の圧縮機
からの取出し位置を電動機室側のサイドカバー部に設定
し、圧縮機から機外へのヘリウムガスと吐出口と同じ側
に設定するものである。従って、圧救機が横型構造で底
部油溜めの油と電動機との接触面積が大きいことと相俟
って、油圧による圧縮機全体の冷却効果を高めることが
できる。この横型構造では、電動機の下部が油溜め中に
浸っており、放熱面積は従来の縦形構造に比べて数倍の
大きさとなる。このように油を介して、電動機からの発
熱をチャンバ側壁部に伝え、チャンバ表面から放熱量を
高めることができる。

また本実施例では、ヘリウムガスは吸入管11から、直
接、スクロール１と５からなる圧縮機部の吸入室22に吸
込まれるので、圧縮機内部やチャンバ周囲からの加熱に
よる吸入ガスへの影響が、低圧チャンバ方式の構造（吸
入ガスが電動機室を通った後に圧縮機部の吸入室に入る
構造）の圧縮機に比べて、小さいという性能面での利点
がある。

なお、本実施例では、設定容積比V_rを3.9に設定した
例を示したが、設定容積比V_rをV_r＝3.5〜4.5に設定して
も同様の効果が得られる。設定容積比をV_r＝５にするこ
とも可能だが、スクロールの鏡板外径がV_rの大きさに比
例して大きくなるので、軽量化と小形化の面で不利とな
る。

第８図から第12図は、本発明をフロンガスを用いた冷
凍装置に用いられるスクロール圧縮機とした場合の実施
例における圧縮機の構造及びスクロール部の形状を示す
図である。これらの図に示した実施例と前記したヘリウ
ム液化用途のスクロール圧縮機の実施例（第２図〜第７
図）との比較にて分かるように、前者ともスクロール歯
形形状及びそれの駆動機構などは共通して用いている。
ただし、後者の実施例の圧縮機には、油インジェクショ
ン構造は付加されていない、具体的には、第９図におい
て油穴1wは設けられておらず、また第８図において油イ
ンジェクション管40も油取出し口47、油取出管47a,油配
管51も付属していない構成としている。その他の主な構
成部品は全て先の実施例と共用化している。ただし、前
記したように、旋回スクロールの鏡板部に設けた中間圧
用細孔29c、29dはヘリウム液化用用途圧縮機に比べて、
よりラップ巻終わり端部の方に寄った位置（第11図では
λ_ｂ＝13,2radとしている）。このように本発明のスク
ロール圧縮機では背圧室36に中間圧力を導く細孔29c,29
dの位置を用途に応じて変更、追加工することができる
ような構造となっている。この他、チャンバ底部の油の
種類も用途に応じて変更することが可能である。なお、
圧縮機内部のガスおよび軸受用油の流れについては前に
説明したのと同様であるので、ここではその説明は省略
する。

第13図は前記第１の実施例として述べたヘリウム液化
用スクロール圧縮機の外観図で、第14図は油インジェク
ション回路を備えた圧縮機まわりの構造を示す。該圧縮
機には、油面計48が付属しており、油面計の中央レベル
48cに比べて、油を取り出す油取出管47aの下端開口部を
低い位置に設定しており、第13図中に示したＬ寸法を例
えば十数ミリメートルに設定してある。これによりイン
ジェクション油量を常に確保するものである。また油の
レベルを適正に調整する機能がある。油取り出し管47A
から取出された高温の油は油配管51を介して油冷却器55
に至り、ここで油は冷却される。冷却された油は電磁弁
53及び油量調整用のキャピラリチューブなどの減圧装置
54を介して圧縮機部の圧縮室にインジェクションされ
る。圧縮機の電源取出し部57は、インバータ部56と電気
的に接続されており、インジバータ部56にて運転周波数
を変ればクランク軸19の回転数を変えることができ、こ
れにより、圧縮機より吐出されるヘリウムガス流量を容
易に変えることができ、ヘリウム液化冷凍機側の負荷に
応じた運転が可能となる。

第15は、インバータ制御した場合のインジェクション
油量を調節する手段を備えた実施例である。これを以下
説明する。第16図は第13図に示したようにインジェクシ
ョン油量Q_inの調節機能がない場合の動作例を示す。こ
の場合は、インジェクション油の供給はほぼ一定差圧を
利用して行なわれるため、駆動周波数H_dに無関係に一定
な油の量がインジェクションされる。このためヘリウム
ガス中に油の占める体積流量比ξ_ｏ（ξ_ｏ＝油の流量／
ヘリウムガス流量）がH_dの低下とともに高くなる。すな
わち、低速域になるほどの油の占める割合が高くなり、
圧縮機の起動の際の油圧縮作用をひきおこす恐れがあ
る。これを改善するため第15図に示す実施例では、減圧
装置54a,54bを並列に設け、或る所定の運転周波数を境
にして片側を電磁弁53にて開閉する操作をすることによ
り、運転周波数に応じて適正なインジェクション油量を
供給することができる。その動作例を第17図に示す。す
なわち、上記したξ_ｏの値をほぼ一定に維持することが
できる。なお、弁53の開度を運転周波数に応じ連続的に
変えるようにしてもよい。

第18図は前記ヘリウム圧縮用の圧縮機108をヘリウム
液化用冷凍装置に組込んだ場合の実施例である。圧縮機
108は高圧力比20まで単段圧縮が可能で、高効率の圧縮
機特性を備えており、このため圧縮機は１台のみ配備さ
れる。該圧縮機108とガス冷却器50、油分離装置70や油
冷却器55（第15図参照）などの機器が一つの架台上に機
能的に配置された圧縮機ユニット80（詳細は図示せず）
にまとめられている。圧縮機は１台だけであり、圧縮機
ユニットした場合、ユニット全体の軽量化と省スペース
化が図られる。圧縮機108は、第２図に示したように横
形構造としているため高さ方向に制限のある冷凍装置に
あっても、より低い圧縮機ユニットの外法寸法がとれる
という利点がある。

第18図は、クロードサイクル冷凍装置の例を示してい
る。圧縮機ユニットから吐出された高圧ヘリウムガス
は、高圧ライン110を介して５段の熱交換器301〜305に
より極低温まで冷却され、ジュール・トムソン弁115
（以後「Ｊ−Ｔ弁」と称する）に至る。なお高圧ガスの
予冷は、高圧ガスの一部を途中の膨張機140、160による
断熱膨張によってもたらされる寒冷ガスを利用する。５
番目の熱交換器301を通った高圧のヘリウムガスの温度
は約10K近くになる。そして上記したＪ−Ｔ弁115で断熱
膨張させてヘリウム液体温度以下の4.2Kの極低温を得
る。なお、バイパス管路120、190及び吸入弁130、191を
通って膨張器140、160では上記したように断熱膨張す
る。

Ｊ−Ｔ弁115を通過したヘリウムはジュールトムソン
膨張を経て液体ヘリウム200となって、高圧容器（輻射
シールド付）215内に溜る。この容器内には、超電導コ
イル212が浸漬されており、液体ヘリウムは該コイル212
を液体ヘリウム温度下（4.5前後）で冷却する。

次に、低圧ガスライン105a,105に導かれたヘリウムガ
スは前記した５段の熱交換器により極低温から常温（大
気温度）まで温度上昇しながら、再び圧縮機ユニット80
のガス吸込部80aまで戻る。

以上の説明のように、本発明は、フロンガスを冷媒に
用いる冷媒用途と、ヘリウム液化温度の4.5K前後の極低
温の得られるヘリウムガスを用いるヘリウム液化用冷凍
装置に共用できる圧縮機として、設定容積比が3.5〜4.5
％のスクロール形状をなして上記両用途に共用できるス
クロール部の歯形形状とすることを特徴としている。本
構成により、圧縮機のわずかな改造により両用途に対し
て高性能で高信頼性のスクロール圧救機が簡便に提供で
きるものである。また横形構造のスクロール式ヘリウム
圧縮機の構成とすることにより、油による電動機の冷却
効果（電動機の下部が油溜めに浸っていることによる冷
却効果）及びチャンバ放熱作用を促進し、圧縮機全体の
冷却効果が高まる。またインジェクション用油の油取出
し位置を圧縮機のヘリウムガス吐出管と同じサイドカバ
ー部に設けることにより、より一層油による冷却効果が
高まる。上記構成とすることにより、キャンバ底部の油
の温度をより低く押えることができるので、ヘリウム用
途で問題となる油の劣化を防止でき、油の寿命ひいては
圧縮機自体の寿命にも良い結果をもたらす。

［発明の効果］ 本発明によれば次の効果がある。

（１）単一のスクロール歯形形状を、フロンガスを用い
た冷凍サイクル向けのフロンガス圧縮機と、ヘリウム液
化用途向けのヘリウムガス圧縮機とのいずれにも共用で
きるので、経済的であり、製造コストが安価となる。

（２）ヘリウム液化用のヘリウム冷凍装置に、スクロー
ルラップの設定容積比V_rがV_r＝3.5〜4.5前後である様に
設定したスクロール形状を有するスクロール圧縮機を配
備し、圧力比20という高圧力比運転の短段圧縮が可能と
なる。したがって圧縮機ユニットとして従来より軽量化
と省スペース化が図れる。

（３）インバータ制御によるヘリウム圧縮機の運転にお
いて、冷凍機側の負荷に応じたヘリウム流量の制御と共
にインジェクション油量の制御ができ、高い信頼性を維
持して、常に最適冷凍運転を行って省エネルギー化を図
ることができる。

（４）圧縮不足がなくなるので、旋回スクロール背面側
の背圧室に導かれる中間圧の不足で旋回スクロールが固
定スクロールから離れるといった現象は防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第18図までは本発明の説明図および実施例を
示す図であって、第１図は本発明のスクロール歯形をヘ
リウム液化用途とフロンガスを用いた冷凍用途に適用し
た場合の圧縮機の効率特性を示す説明図、第２図はヘリ
ウム圧縮用の横形スクロール圧縮機の全体構造を示す縦
断面図、第３図から第７図は第２図の圧縮機における固
定スクロールと旋回スクロールの平面図及び縦断面図、
第８図はフロンガス圧縮用の横形スクロール圧縮機の縦
断面図、第９図から第12図は第８図の圧縮機における固
定スクロールと旋回スクロールの平面図および縦断面
図、第13図は第２図の圧縮機の外観図、第14図、第15図
は油インジェクション回路を備えた圧縮機まわりの全体
構成図、第16図と第17図はインジェクション油量の制御
例を示す説明図、第18図はヘリウム液化装置の全体構成
図である。 １……固定スクロール 1w……油インジェクション孔 ５……旋回スクロール、36……背圧室 32……吐出室 40……油インジェクション管 47a……油取出管、51……油配管 55……油冷却器

フロントページの続き (72)発明者 佐渡 慎太郎 静岡県清水市村松390番地 株式会社日 立製作所清水工場内 (56)参考文献 特開 平１−216091（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−58094（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−236546（ＪＰ，Ａ) 実開 昭56−85087（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭58−179494（ＪＰ，Ｕ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】作動ガスとしてヘリウムガスを使用したヘ
   リウム液化装置用のヘリウム用スクロール圧縮機用とフ
   ロンガスを使用した冷凍装置用のフロンガス用スクロー
   ル圧縮機用の両用途に共用せしめるため、下式に示すス
   クロールラップ部の設定容積比V_rが3.4〜4.5のスクロー
   ル歯形形状を有する互に噛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たことを特徴とするスクロー
   ル圧縮機。 ここで、λ_l:ラップ巻き終り角度（インボリュート伸
   開角） λ_s: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ε_thとスクロールラップの基礎円半径ａの
   比（＝ε_th/a）
2. 【請求項２】作動ガスとしてヘリウムガスを使用したヘ
   リウム用圧縮機ユニット、高圧へリウムガスの予冷のた
   めの膨張機及びジュールトムソン弁と該弁から流下した
   液化ヘリウムを溜めるヘリウム容器を備え、夫々低圧ガ
   スラインと高圧ガスラインの配管とで接続したヘリウム
   液化用冷凍装置において、ヘリウム用圧縮機としてスク
   ロール圧縮機を備え、運転圧力比20前後を単段圧縮にて
   得られるように、下式に示すスクロール部の設定容積比
   V_rが3.4〜4.5のスクロール歯形形状を備えるとともに、
   ヘリウムガス冷却のための油インジェクション構造を固
   定スクロール鏡板部に設けた密閉形スクロール圧縮機を
   前記圧縮機ユニット内に配備したことを特徴とするヘリ
   ウム液化用冷凍装置。 ここで、λ_l:ラップ巻き終り角度（インボリュート伸開
   角） λ_s: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ε_thとスクロールラップの基礎円半径ａの
   比（＝ε_th/a）