JP3407939B2

JP3407939B2 - ガス精製装置

Info

Publication number: JP3407939B2
Application number: JP20420993A
Authority: JP
Inventors: 正城木村; 秀則粟田; 治北口; 明良平野
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Liquid Gas Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Liquid Gas Co Ltd; Aisin Corp
Priority date: 1993-08-18
Filing date: 1993-08-18
Publication date: 2003-05-19
Anticipated expiration: 2018-05-19
Also published as: JPH0755274A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、Ｈｅを冷媒として用い
る極低温用冷凍機などに付設するガス精製装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】超電導発電機、電力貯蔵システム、電磁
流体力学（ＭＨＤ）発電、核融合炉、超電導送電などの
エネルギー分野、リニアモーターカー、超電導電磁推進
船などの交通用機器、磁気共鳴映像装置（ＭＲＩ）、超
電導心磁図装置、超電導脳磁図装置などの医療用機器、
超電導デバイス、小型シンクロトロン放射光源、ジョセ
フソンコンピュータなどのコンピュータ関連機器、また
は人口衛星に搭載される宇宙観測機器などの広範な分野
において、Ｈｅガス冷凍機およびＨｅガス圧縮機を使用
した極低温用の冷凍機が使用される。

【０００３】この種の冷凍機の典型的な先行技術とし
て、Ｈｅを冷媒に用いるスターリング冷凍機が公知であ
る。このスターリング冷凍機は、圧縮部シリンダおよび
膨張部シリンダと、それら両シリンダの各ピストンを往
復駆動するためのクランクが収納されるクランクケース
部とが備えられ、圧縮部シリンダとクランクケース部と
を均圧させるために、それらの間に亘ってフィルタを有
する通路が設けられる構造となっている。このフィルタ
には活性炭が内蔵されていて、冷媒中に含まれる潤滑油
ミストを除去するようにしている。

【０００４】冷凍機と圧縮機を組合わせ、液体ヘリウム
温度の冷凍を得る冷凍装置の圧縮機（往復動型）におい
ても前述した冷凍機と同様に、圧縮シリンダ内のピスト
ンを駆動するクランクケース部とが備えられ、ピストン
背後室の空間とクランクケース部とを均圧にするため、
それらの間に亘ってフィルタを有する通路が設けられる
構造となっている。このフィルタにも活性炭が内蔵され
て、冷媒中に含まれる潤滑油ミストを除去するようにし
てある。

【０００５】また、回転型の圧縮機においては、圧縮部
のロータとロータハウジングが形成する空間に潤滑油が
憤霧されており、圧縮機の出口以降の圧縮された冷媒が
流れる流路に活性炭が内蔵されたフィルタが設けられ、
冷媒中に含まれる潤滑油ミストを除去するようにしてあ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】Ｈｅ冷媒中に潤滑油ミ
ストが含まれると冷凍性能の低下を招くことから、フィ
ルタによって潤滑油ミストを除去するのは好ましい手段
である。一方、クランクケース部では、油ミストだけで
なく、油が分解することによって水素Ｈ₂ が発生して冷
媒中に混合することがわかっており、この混合現象に伴
って、Ｈ₂ を含むＨｅの沸点が上昇し、蓄冷器の冷却温
度（１０°Ｋレベル）が上る問題がある。本発明者等に
よる実測では、Ｈ₂ は１時間に１ｐｐｍの割合で増える
ことが確認されている。ところで従来の活性炭フィルタ
では、油ミストは除去できてもＨ₂は吸着しないため、
一旦発生したＨ₂ はＨｅ中に混じったままで、冷媒系統
中に蓄積し循環することになり、そのために冷凍性能、
効率に悪影響を及ぼす。

【０００７】一般的にガス中の水素成分を除去する技術
としては、低温吸着法、ゲッター触媒による吸着法等が
あって、それらは公知の技術であるが、Ｈｅ冷凍機の冷
媒中に増量してくるＨ₂ が、冷凍性能を低下させる原因
であることが当業者に充分認識されるに至っていない現
状では、上述する各吸着法が、Ｈｅ冷凍機の冷媒中のＨ
₂ ガスの除去用としては応用されるまでには至らなく、
したがって具体的な除去装置として開発されたものも未
だ実現していないのが実状である。

【０００８】本発明の目的は、極低温用冷凍機、圧縮機
およびそれらの組合わせになる冷凍装置の冷媒として用
いられるヘリウムの中に混じるＨ₂ ガスを除去すること
によって、ヘリウムガスの純度を高めて、長時間の運転
でも、冷凍機の冷却温度を低く維持し、圧縮機の吐出ガ
スのヘリウム純度を高く維持し、また、冷凍装置の冷却
温度（たとえば、４．２Ｋ）の安定維持を図ることであ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、ヘリウムを冷
媒として用い、かつ可動部に潤滑油を用いる極低温冷凍
機、圧縮機および前記極低温冷凍機と前記圧縮機を組合
わせた冷凍装置において、冷媒が流れる空間と潤滑油が
溜まる空間とを均圧にするための連通する通路に、水素
吸蔵合金が配設されることを特徴とするガス精製装置で
ある。

【００１０】また本発明は、前記通路には活性炭が配設
されることを特徴とする。

【００１１】

【作用】本発明に従えば、ヘリウム（Ｈｅ）を冷媒とす
る冷凍機における冷媒が流れる空間と潤滑油が溜まる空
間とを連通して均圧にする通路に臨ませて、水素吸蔵合
金が配設される。この水素吸蔵合金によって、Ｈｅ冷媒
中に含まれるＨ₂ ガスは吸収されて合金の固体内部に入
り込んで放出されることがないために、Ｈｅ冷媒中にＨ
₂ が存在しなくなって冷媒純度が高く維持され、その結
果、冷凍性能を低下させることなく、冷却温度を極低温
域に安定保持できる。

【００１２】この水素吸蔵合金は、潤滑油が溜まる空間
たとえばクランクケース部で発生するＨ₂ ガスを、圧縮
部シリンダに流れ込む前に除去することができるので除
去効率が高く、また、併せて油ミストを補捉することも
可能である。

【００１３】

【実施例】図１は、本発明の第１実施例の冷媒精製装置
が用いられるスターリング冷凍機の構造図である。この
冷凍機は、スターリング逆サイクルの極低温用気体冷媒
サイクルが２系統設けられ、これら両冷凍サイクルはク
ランクケースを共用して並列に配設される。各冷凍サイ
クルは、圧縮部シリンダ４、蓄冷器５Ａ，５Ｂおよび膨
張部シリンダ６を含んで構成され、それら構成要素４，
５Ａ，５Ｂ，６が管路９，１０Ａ，１０Ｂ，１１によっ
て接続されて密閉循環回路を形成し、この循環回路中に
所要量のＨｅからなる冷媒が充填される。

【００１４】クランクケース２内には、クランク軸１２
が設けられ、内底部には潤滑油８が貯留される。クラン
ク軸１２は、４連型に形成されて、４個のクランク腕部
に連結される連接棒を介して、２基の圧縮部シリンダ４
の各ピストンおよび２基の膨張部シリンダ６の各ピスト
ンがそれぞれ接続される。このクランク軸１２が、モー
タ３によって回転駆動されることによって、圧縮部シリ
ンダ４と膨張部シリンダ６とが交互に圧縮作用を行い、
Ｈｅを冷媒とする冷凍サイクルが等温圧縮、定容積放
熱、等温膨張、定容積吸熱を繰り返して、蓄冷器５部に
おいて１５°Ｋレベルの冷熱が得られる。

【００１５】上記第１実施例の冷凍機は、さらにフィル
タ１を備える。このフィルタ１は、圧縮部シリンダ４の
ピストン背後側室Ａと、クランクケース２内の上部空間
部分Ｂとを連通するために設けられる配管路１３途中に
介設される。フィルタ１を備える配管路１３は、前記ピ
ストン背後側室Ａとクランクケース２内部とを均圧する
ために設けられる。

【００１６】図２には、フィルタ１の構造が概略示され
る。フィルタ１はたとえば円筒状の密封容器に形成さ
れ、配管路１３を接続するための管接続口が頂壁部およ
び底壁部に設けられる。図２（イ）の例は、容器内に活
性炭１５の層が下、水素吸蔵合金１４の層が上に積層し
て収設されるとともに、メタルフィルタ１６が上・下か
ら挟み付けるように収設されてなる２層構造であり、図
２（ロ）の例は、容器内に水素吸蔵合金１４の層が中
層、活性炭１５の層が上・下両層に積層して収設される
とともにメタルフィルタ１６が上・下から挟み付けるよ
うに収設されてなる３層構造である。図２（ハ）の例
は、円筒状の容器内の上・下にメタルフィルタ１６が収
設されており、この上下のメタルフィルタ１６の間に水
素吸蔵合金１４が充填される１層構造である。

【００１７】活性炭１５の層は、たとえばペレット状の
活性炭を積層して形成され、主として配管路１３を流動
するガス中に含まれる油ミストを除去する作用を成すも
のである。

【００１８】一方、水素吸蔵合金１４は、たとえばジル
コニアとアルミニウムとマンガンとを要素とする共融混
合体が用いられ、ペレット状にしたものを積層すること
によって水素吸蔵合金層が形成される。この水素吸蔵合
金１４は、配管路１３を流動するガス中のＨ₂ ガスを吸
着する作用を成すものである。この場合、ガス中に含ま
れる低濃度のたとえば１〜数１０００ｐｐｍのＨ₂ ガス
を吸着することが可能である。

【００１９】通常、スターリング冷凍機は、冷凍運転が
長時間継続して行われると、クランクケース２内の油が
高温状態の下で一部が分解または／およびミスト状とな
って、圧縮シリンダ部４に拡散してゆく。このため、圧
縮シリンダ部４でＨ₂ ガスや油ミストの濃度が次第に増
加するために圧縮部、膨張部に封入されたＨｅガスの純
度が低下する。

【００２０】図１に示される第１実施例は、均圧のため
に設けられる配管路１３中に、活性炭１５および水素吸
蔵合金１４が収設されているため、油ミストは活性炭１
５によって除去され、油分解によって生じたＨ₂ ガスは
水素吸蔵合金１４によって吸着・除去される。その結
果、圧縮部および膨張部でのＨｅガス純度を高い状態に
維持することが可能であり、冷凍機を４．２°Ｋの低温
レベルで長時間安定して運転させることができる。

【００２１】なお、Ｈ₂ ガスを飽和するまで吸着した水
素吸蔵合金１４は、再賦活して使用することが可能であ
り、この場合、取り出した水素吸蔵合金１４を真空ポン
プによって負圧域にされている密封空間内に収納して１
００℃〜数１００℃に加熱することによって賦活させる
ことができる。また、５０Ｎｍ³ 程度のＨｅガスが冷媒
として充填されるスターリング冷凍機の場合、１０，０
００時間の連続運転を１５°Ｋレベル一定で安定的に行
わせるためには、水素吸蔵合金１４は１２０ｃｃ〜１３
０ｃｃの容積があれば充分であって吸着性能を長時間維
持することができる。

【００２２】図３は、本発明の第２の実施例の冷媒精製
装置が用いられるスターリング冷凍機の構造図である。
図３に示される冷凍機は、図１図示の冷凍機に類似し、
対応する部分には同一の参照符を付す。水素吸蔵合金１
４を備えるフィルタ７を、活性炭１５を出たあとの配管
から分岐して設ける。この構造とすることによって、オ
イルの分解によって発生したＨ₂ ガスを捕集することが
できる。フィルタ７は一側壁部に配管接続口が設けられ
る密封容器内に、水素吸蔵合金１４が層を成して収設さ
れて、配管路１３に分岐接続される配管路１７の端部に
前記配管接続口を接続して設けられる。

【００２３】図４は、本発明の第３実施例に係る冷凍機
が示される。この例は、フィルタ２１の中に、水素吸蔵
合金１４と活性炭１５とを図示のように充填して、水素
吸蔵合金１４によってＨ₂ ガスを捕集できる。このよう
にフィルタ７、フィルタ２１を別体に設けたことによっ
て、図３の例のようにフィルタ７はＨ₂ 除去専用、フィ
ルタ２１は油ミスト除去専用として機能するので、取付
け、取外しの作業が容易となり、またフィルタ７につい
ては油ミストの付着が減って本来のＨ₂ 吸着が安定して
行われる。

【００２４】

【００２５】

【００２６】

【００２７】図５には、本発明の第４実施例に係る冷凍
装置、すなわち、スターリング冷凍機とジュールトムソ
ン回路１００を組合わせて液体ヘリウム温度（約５．２
Ｋ以下）の冷凍を得る冷凍装置が示される。ジュールト
ムソン回路１００は、圧縮機１０１、フィルタ７Ａ、熱
交換器１１８，１０３，１０５，１０７，１０９、予冷
熱交換器１０４，１０６、そしてＪＴ弁から構成され
る。圧縮機１０１の吐出口１０２は、順次、熱交換器１
１８、フィルタ７Ａ、熱交換器１０３の高圧側、予冷熱
交換器１０４、熱交換器１０５高圧側、予冷熱交換器１
０６、熱交換器１０７高圧側、ＪＴ弁、熱交換器１０９
に連通し、熱交換器１０９の出口側は、順次、熱交換器
１０７，１０５，１０３の低圧側、そして、圧縮機１０
１の吸入口に連通している。

【００２８】圧縮機１０１のクランクケース１１２内に
は、クランク軸１１３が設けられ、内底部に潤滑油１１
４が貯留される。クランク軸１１３は、クランク腕部に
連結される連接棒を介して、ピストン１１６が接続され
る。このクランク軸１１３がモータ１１１によって回転
駆動されることによって、圧縮部１１７内のヘリウムガ
スが圧縮され、熱交換器１１８，１０３，１０５，１０
７、予冷熱交換器１０４，１０６内を流れ、熱交換器１
１８では、水あるいは、空気などで冷却され、熱交換器
１０３，１０５，１０７では、各々の熱交換器１０３，
１０５，１０７の低圧側を流れる冷えたヘリウムガスで
冷却され、予冷熱交換器１０４，１０６では、スターリ
ング冷凍機の膨張部で冷却される。このようにして冷却
されたヘリウムガスはＪＴ弁に流入し、そこで約１気圧
まで等エンタルピー膨張し、ヘリウムガスの一部が液体
となって熱交換器１０９に流入し、そこで外部より吸熱
し、液を蒸発させ、熱交換器１０３，１０５，１０７の
低圧側を通って圧縮機１０１の吸入口に戻る。

【００２９】この実施例は図３図示の第２実施例と同様
に、圧縮機１０１および配管１００には、フィルタ１お
よびフィルタ７を備える。このフィルタ１は活性炭１５
が充填されていて、ダイヤフラム１１９によりクランク
ケース１１２内の上部空間部分Ｃとダイヤフラム１１９
で分離されたピストン１１６の背後側室Ｄとを連通する
ために設けられる配管路１１５の途中に介設される。フ
ィルタ１を備える配管路１１５は、ピストン１１６の背
後側室Ｄとクランクケース１１２内部とを均圧するため
設けられる。一方、フィルタ７は、内部に水素吸蔵合金
１４が充填され、オイルから分解し発生したＨ₂を吸蔵
する。

【００３０】図６には、本発明の第５実施例に係る冷凍
装置が示される。図６に示される実施例は前記第４実施
例に類似し、対応する部分には同一の参照符を付してい
る。この第５実施例において、ジュールトムソン回路に
は、フィルタ７Ａに水素吸蔵合金１４を充填している。
フィルタ１は、内部に水素吸蔵合金１４および活性炭１
５が共に充填される。このフィルタ１によってオイル分
を吸着しＨ₂ を吸蔵することができる。なお、図５およ
び図６の各例において、活性炭１５と水素吸蔵合金１４
との取り付け位置については、活性炭１５は冷媒の流れ
の中に容れ、水素吸蔵合金１４は流れの中に直接的に容
れる場合と流れに対して間接的に容れる分岐接続方式の
場合とがある。図５の例は間接、図６の例は直接の場合
である。以下に示される図９と図１０の各実施例の場合
も同様である。

【００３１】図７には、本発明の第６実施例に係る冷凍
装置が示される。図７図示の例は、図５図示の第４実施
例の変形例であって、ジュールトムソン回路１００の高
圧側に、水素吸蔵合金１４が充填されるフィルタ７Ａを
分岐接続して、流路がＴ状になるように設けた構造に特
徴が存する。

【００３２】図８には、本発明の第７実施例に係る冷凍
装置が示される。この例もまた、図６図示の第５実施例
の変形例であって、フィルタ７Ａが分岐接続される点で
第６実施例と同じである。

【００３３】

【００３４】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、Ｈｅを冷
媒として用い、かつ可動部に潤滑油が用いられる極低温
用冷凍機などの冷凍装置において、冷媒が流れる空間と
潤滑油が溜まる空間と均圧にするための連通する通路に
臨ませて水素吸蔵合金が配設される。したがって、潤滑
油が分解した際に発生するＨ₂ は、水素吸蔵合金に接し
て吸着されるために、冷凍サイクル内のＨｅ冷媒の純度
を常時高い値に維持するとこが可能であって、長時間継
続運転する際にも安定した極低温レベルを保持すること
ができて、冷凍性能の低下を防止する効果が奏される。
すなわち潤滑油に含まれる水素が、冷媒の流れる空間に
流入するのを防止することができ、これによって冷凍性
能の低下を防止することができる。また本発明によれ
ば、前記通路には、水素吸蔵合金と活性炭とが配設され
るので、油ミストは活性炭によって除去され、油分解に
よって生じた水素は、水素吸蔵合金によって吸着、除去
される。このことによって、冷凍性能の低下がさらに防
止される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る冷凍機の構造図であ
る。

【図２】図１に示される冷媒精製装置の略示構造図であ
る。

【図３】本発明の第２実施例に係る冷凍機の構造図であ
る。

【図４】本発明の第３実施例に係る冷凍機の構造図であ
る。

【図５】本発明の第４実施例に係る冷凍機の構造図であ
る。

【図６】本発明の第５実施例に係る冷凍機の構造図であ
る。

【図７】本発明の第６実施例に係る冷凍機の構造図であ
る。

【図８】本発明の第７実施例に係る冷凍機の構造図であ
る。

【符号の説明】

１，７，２１フィルタ４圧縮部シリンダ８潤滑油１３，１７配管路１４水素吸蔵合金１５活性炭

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者北口治大阪府大阪市西区京町堀１丁目４番22号株式会社リキッドガス内 (72)発明者平野明良愛知県刈谷市朝日町二丁目一番地アイシン精機株式会社内 (56)参考文献特開昭63−25460（ＪＰ，Ａ) 特開平４−161770（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−17367（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−252457（ＪＰ，Ａ) 特開平４−278147（ＪＰ，Ａ) 実開平１−88360（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F25B 9/00 F25B 9/14 520 F25B 43/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ヘリウムを冷媒として用い、かつ可動部
に潤滑油を用いる極低温冷凍機、圧縮機および前記極低
温冷凍機と前記圧縮機を組合わせた冷凍装置において、
冷媒が流れる空間と潤滑油が溜まる空間とを均圧にする
ための連通する通路に、水素吸蔵合金が配設されること
を特徴とするガス精製装置。
【請求項２】前記通路には活性炭が配設されることを
特徴とする請求項１に記載のガス精製装置。