JP3005244B2 - 高分子量気体の吸脱着装置及びこれを用いる冷却装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明はスクリュー型圧縮機における作動気体の漏れ
を減少させ体積効率を向上するために、作動気体中に該
気体よりも高分子量の気体を注入して混合気体として圧
縮する場合において、該混合気体に対して高分子量気体
の吸脱着を繰返し行い連続運転ができるようにする技術
に関する。

（従来の技術） スクリュー型圧縮機は互いに噛み合わせた雄・雌一対
のスクリューロータを協同回転させながら両ロータ間の
閉じ込み空間の容積変化を生ぜしめるように動作させる
ものであるが、この場合の圧縮効率は、両ロータによっ
て形成されるシールラインからの気体の漏れ量、すなわ
ち該シールラインによって形成される閉じ込み空間から
の気体の短絡漏洩量に大きく左右される。このため従来
は、このような短絡漏洩量を少なくするため、前記両ロ
ータの表面粗さを極力平滑化し両ロータ間及びケーシン
グとの間等のクリアランスをできるだけ小さくするよう
に色々な工夫が行われている。

（発明が解決しようとする課題） これに対し、本出願人は前記従来技術の改良方向と異
なり、作動気体中に該気体よりも高分子量の気体を注入
して混合気体として運転することにより、閉じ込み空間
からの気体の短絡漏洩量を減少させスクリュー型回転機
械の体積効率を向上させる運転方法を発明した。この発
明については、平成２年４月17日に「スクリュー型回転
機械の運転方法」としてすでに特許出願（特願平２−10
1494号）をしている。

本発明は、前記出願の「スクリュー型回転機械の運転
方法」をスクリュー型圧縮機を用いる冷却装置（ヒート
ポンプを含む）に採用する場合に、該装置の能率の良い
連続運転を可能にする作動気体からの高分子量気体の吸
脱着装置とこの装置を用いるに好適な冷却装置を得るこ
とを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明のスクリュー型圧縮機を用いる冷却装置の高分
子量気体の吸脱着装置は、前記の目的を達成するため
に、 前記圧縮機に対して複数個の吸着器を接続し、切替弁
の開閉によって、前記圧縮機の吐出側に一の吸着器が接
続されて作動気体と高分子量気体の吐出混合気体が導入
され該吸着器が前記混合気体中の高分子量気体の吸着を
行うときは、他の吸着器が前記圧縮機の吸入側に接続さ
れて該吸着器が高分子量気体を冷却負荷域からの戻り作
動気体中に注入する脱着を行うような高分子量気体の吸
脱着回路を形成する。

この場合、冷却負荷域からの戻り作動気体が適度に加
温された後に脱着を行う吸着器に導入されるように該吸
着器の手前に加温器を設けることができる。

また本発明の冷却装置は、前記の目的を達成するため
に、 請求項１の高分子量気体の吸脱着装置、該吸脱着装置
の吸着器において高分子量気体を吸着された作動気体を
冷却する補助寒冷部、該補助寒冷部により冷却された作
動気体を絞り膨脹させるジュール・トムソン弁、該弁に
より温度低下した作動気体が導入される冷却負荷域、前
記冷却負荷域から導出された作動気体を流量調整弁を介
してスクリュー型圧縮器の吸入側及び脱着を行う吸着器
側に戻す回路を有する。

（作用） 本発明の高分子量気体の吸脱着装置は、スクリュー型
圧縮機に接続される複数個の吸着器を運転側と待機側に
切替弁の開閉によって交互に切替え、前記圧縮機の吐出
側に接続された一の吸着器により吐出混合気体中から高
分子量気体を吸着するとき、前記圧縮機の吸入側に接続
された他の吸着機により冷却負荷域からの戻り作動気体
中に高分子量気体を注入するように回路の切替えが行わ
れ、装置の能率のよい連続運転が行われる。この際、冷
却負荷域からの戻り作動気体を加温することにより高分
子量気体の注入を調節することができる。

また、本発明の冷却装置は、前記機能を有する高分子
量気体の吸脱着装置に、補助寒冷部、ジュール・トムソ
ン弁、冷却負荷域及び流量調整弁を介してスクリュー型
圧縮機の吸入側、脱着を行う吸着器側に作動気体を分け
て戻す回路を連結することにより、能率のよい冷却装置
の連続運転を可能とする。

（実施例） 図面は本発明の一実施例であって高分子量気体の吸脱
着装置を用いたヘリウム冷凍機を示すものである。

１はスクリュー型圧縮機、3,4は吸着剤２を充填した
吸着器、５は加温器、6a,7a,8a,9aは吸着器３用の切替
弁、6b,7b,8b,9bは吸着器４用の切替弁、11,12は流量調
整弁、13は作動ガス（ヘリウムガス）と高分子量ガス
（Ｒ−22）の混合ガスの吐出管、14は作動ガス吸入管、
15は作動ガス分流管、16は混合ガス吸入管、17は送入
管、18は返戻管である。

また、22は補助寒冷流路、23はジュール・トムソン弁
（JT弁）、24は冷却負荷域、25は被冷却流体流路、26は
冷却管、27は返戻管、28は冷却管である。

前記の構造において、スクリュー型圧縮機１、吸着器
3,4及び加温器５を含む回路系統の側を吸脱着側系統Ａ
と言い、補助寒冷流路22及び冷却負荷域24等を含む回路
系統の側を負荷側系統Ｂと言う。両系統A,Bは送入管17
と返戻管18とにより互いに連結される関係にある。

次にこのヘリウム冷凍機の作動について説明する。

（イ）吸着器３が運転側となり吸着器４が待機側すなわ
ち脱着器として働く場合 吸着器３に関するガスの流入流出を司る切替弁の開閉
は、切替弁6a,7aが開放となり、8a,9aが閉鎖となる。一
方、吸着器４に関するガスの流入流出を司る切替弁の開
閉は、切替弁6b,7bが閉鎖となり、8b,9bが開放となる。

この切替弁操作により、開放の各切替弁を流れるガス
の方向は図中の実線矢印のようになる。

したがって、スクリュー型圧縮機１から吐出された作
動ガスと高分子量ガスとの混合ガスからなる高圧ガス
は、吐出管13から切替弁6aを通って吸着器３に導入さ
れ、ここで吸着剤によって高分子量ガスが吸着分離され
る。高分子量ガスを分離された作動ガスは切替弁7aを経
て送入管17に流入する。途中で補助寒冷流路22を流れる
液体窒素により冷却され、また冷却管28を流れる戻り作
動ガスによっても冷却される。

このように冷却された作動ガスは次にジュール・トム
ソン弁23において断熱的に膨脹して寒冷を発生し、この
低圧となった作動ガスが冷却負荷域24に流入して冷却管
26を流れる際に被冷却流体流路25を流れる被冷却流体に
寒冷を与える。

次いで作動ガスは、返戻管27を経て冷却管28に至り、
前記のように送入管17を流れる作動ガスと熱交換をして
冷却作用を遂行し、返戻管18に還流する。

返戻管18を流れる戻り作動ガスは、流量調整弁11,12
において待機側の吸着器４へ導く戻り作動ガスの流量を
適当に制御調整されて、一部は作動ガス吸入管14を経て
直接にスクリュー型圧縮機１に吸入され、また作動ガス
分流管15に分流した戻り作動ガスの他部は加温器５に導
入される。ここで作動ガスは所定の温度まで昇温するよ
うに加熱により調温せしめられる。

次に適当に加熱調温された作動ガスは、切替弁8bを通
って待機側の吸着器４に導入される。この吸着器４は脱
着器として働き、戻り作動ガスの温度に応じた分量の高
分子量ガスが吸着剤２から脱着され〔吸着器４が運転側
として作動していた際に吸着していた高分子量ガスが脱
着される〕、作動ガスと高分子量ガスとの混合ガスとな
り、切替弁9bを通り混合ガス吸入管16を経て作動ガス吸
入管14内の作動ガスと混合して一緒にスクリュー型圧縮
機１に吸入されてサイクルを完了する。なお、加温器５
は前記のように、待機側の吸着器４に導入される戻り作
動ガスの温度を制御し、吸着剤２からの高分子量ガスの
脱着量を制御する機能を有するものである。そして前記
の作動が連続的に繰返し行われる。

（ロ）吸着器４が運転側となり吸着器３が待機側すなわ
ち脱着剤として働く場合 吸着器４に関するガスの流入流出を司る切替弁の開閉
は、切替弁6b,7bが開放となり、8b,9bが閉鎖となる。一
方、吸着器３に関するガスの流入流出を司る切替弁の開
閉は、切替弁6a,7aが閉鎖となり、切替弁8a,9aが開放と
なる。

この切替弁操作により開放の各切替弁を流れるガスの
方向は図中の点線矢印のようになる。

したがって、スクリュー型圧縮機１から吐出された作
動ガスと高分子量ガスとの混合ガスからなる高圧ガス
は、吐出管13から切替弁6bを通って吸着器４に導入さ
れ、ここで高分子量ガスを分離された作動ガスは切替弁
7bを経て送入管17に流入する。負荷側系統Ｂ内における
作動は前記（イ）の場合と全く同様に行われる。

返戻管18を流れる戻り作動ガスは、（イ）の場合と同
様に、一部が作動ガス分流管15を経て加温器５に導入さ
れて調温された後、切替弁8aを通って待機側の吸着器３
に導入される。ここで脱着により作動ガスと高分子量ガ
スとの混合ガスとなって切替弁9aを通り混合ガス吸入管
16を経て作動ガス吸入管14内の作動ガスと共にスクリュ
ー型圧縮機１に吸入されてサイクルを完了する。

前記したヘリウム冷凍機のサイクルは所謂クロード・
サイクルと言われるものである。なお、実施例では寒冷
発生のためジュール・トムソン弁を用いたが、これに代
って膨脹機（エキスパンダー）を用いることができるの
は勿論である。また、前記実施例からも明らかなよう
に、吸脱着側系統Ａと負荷側系統Ｂとは、作動ガスの送
入管17と返戻管18により互いに連結された構成となって
いる。

したがって負荷側系統Ｂを前記実施例に換えて受液
器、凝縮器、膨脹弁、、蒸発器等からなる所謂圧縮式冷
凍機の構成のものを用い、これを吸脱着側系統Ａと送入
管17、返戻管18により互いに連結すれば冷媒の気液状態
変化を伴う冷凍サイクル（ヒートポンプサイクル）にも
適用できる。

〔発明の効果〕

本発明の高分子量気体の吸脱着装置は、スクリュー型
圧縮機に接続される複数個の吸着器を運転側と待機側に
切替弁の開閉によって交互に切替えることができ、これ
により、前記圧縮機の吐出側に接続された一の吸着器に
より吐出混合気体中から高分子量気体を吸着するとき、
前記圧縮機の吸入側に接続された他の吸着器により冷却
負荷域からの戻り作動気体中に高分子量気体を注入する
ようにすることができるから、装置の能率のよい連続運
転を行うことができる。この際、冷却負荷域からの戻り
作動気体を適宜加温すれば、高分子量気体の注入量を加
減することができる。

また、本発明の冷却装置は、前記機能を有する高分子
量気体の吸脱着装置に、補助寒冷部、ジュール・トムソ
ン弁、冷却負荷域及び流量調整弁を介してスクリュー型
圧縮機の吸入側、脱着を行う吸着器側に作動気体を分け
て戻す分流回路を連結することにより、スクリュー型圧
縮機の体積効率を高めるとともに冷却装置を能率良く連
続運転することができる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示すフローシートダイヤグラ
ムである。 １……スクリュー型圧縮機、3,4……吸着器、５……加
温器、6a,6b,7a,7b,8a,8b,9a,9b……切替弁、22……補
助寒冷部としての補助寒冷流路、23……ジュール・トム
ソン弁、24……冷却負荷域。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】作動気体中に高分子量気体を注入して混合
   気体とし、これを圧縮するようにしたスクリュー型圧縮
   機を用いる冷却装置の高分子量気体の吸脱着装置におい
   て、前記圧縮機に対して複数個の吸着器を接続し、切替
   弁の開閉によって、前記圧縮機の吐出側に一の吸着器が
   接続されて吐出混合気体が導入され該吸着器が前記混合
   気体中の高分子量気体の吸着を行うときは、他の吸着器
   が前記圧縮機の吸入側に接続されて該吸着器が高分子量
   気体を冷却負荷域からの戻り作動気体中に注入する脱着
   を行うような高分子量気体の吸脱着回路が形成されてい
   ることを特徴とする高分子量気体の吸脱着装置。
2. 【請求項２】冷却負荷域からの戻り作動気体が適度に加
   温された後に脱着を行う吸着器に導入されるように該吸
   着器の手前に加温器が設けられていることを特徴とする
   請求項１記載の高分子量気体の吸脱着装置。
3. 【請求項３】請求項１の高分子量気体の吸脱着装置、該
   吸脱着装置の吸着器において高分子量気体を吸着された
   作動気体を冷却する補助寒冷部、該補助寒冷部により冷
   却された作動気体を絞り膨脹させるジュール・トムソン
   弁、該弁により温度低下した作動気体が導入される冷却
   負荷域、前記冷却負荷域から導出された作動気体を流量
   調整弁を介してスクリュー型圧縮器の吸入側及び脱着を
   行う吸着器側に戻す回路を有する冷却装置。