JP4810503B2 - 横置き型バルクオイルセパレータ及びリザーバ - Google Patents

Description

本発明は、一般的には、ギフォード・マクマホン（ＧＭ）サイクルで動作する、極低温冷凍システム用のヘリウムコンプレッサユニットに関する。より詳細には、本発明は、ヘリウムを圧縮するよう適合されたスクロール式オイル潤滑式コンプレッサユニットと共に用いられる改善された横置き型のバルクオイルセパレータ及びリザーバに関する。

ヘリウムは、典型的には、空調タイプのコンプレッサを用いて圧縮され、空調タイプのコンプレッサでは、相当な量のオイルがヘリウムと共に圧縮室を流通して圧縮室を低温に維持する。ＧＭ型極低温冷凍機コンプレッサにおけるオイルの目的は、ヘリウム圧縮のプロセスで生成される熱を吸収することと潤滑の双方である。エクスパンダに運ばれるヘリウムが実質的にオイルフリー（オイルを伴わない）であることが非常に重要である。バルクオイルセパレータは、圧縮プロセス中に噴射されるかかるオイルの除去を保証するために用いられる。バルクオイルセパレータは、コンプレッサシステムの寿命に亘ってオイルが吸着器に搬送される際に下方に引かれるシステムに対するオイルリザーバとして機能する。

ＧＭサイクル冷凍機の動作の基本原理は、特許文献１に記載されている。ＧＭサイクルは、信頼性のある超寿命な冷凍機を最小コストで確立するために量産されるオイル潤滑型空調コンプレッサを利用できるので、小型商用冷凍機内に極低温を生成する主要な手段となった。ＧＭサイクル冷凍機は、ヘリウムがデザイン冷媒に置換されるが、空調コンプレッサの設計制約内の電力入力及び圧力で良好に動作する。典型的には、ＧＭ冷凍機は、約２ＭＰａ（絶対圧で１インチ平方当たり３００ポンド）(psia)の高圧（Ｐｈ）及び約０．８ＭＰａ（１１８psia）の低圧で動作する。

空調コンプレッサは、広範な範囲のサイズ及び幾つもの異なる設計で構築される。これらのコンプレッサをヘリウムを圧縮するように適合させるための追加の冷却を付与する手段は、異なるコンプレッサに対して異なる。例えば、約２００から６００Ｗを消費するコンプレッサは、典型的には、コンプレッサシェルにエア冷却フィンを追加することによって冷却される往復動ピストン式である。約８００から４５００Ｗの間では、最も一般的なコンプレッサは、圧縮室内に直接流入する低圧戻りガスを備える回転ピストン式である。回転ピストン式コンプレッサでは、オイルは、ヘリウムと共に圧縮室内に流入し、ヘリウムが圧縮される際にヘリウムから熱を吸収する。大部分のオイルは、高圧になるコンプレッサシェル内のヘリウムから分離する。特許文献２は、シェルまわりを水冷管で巻き付け、更に、水冷管上にヘリウム冷却管及びオイル冷却管を巻き付けことによるコンプレッサシェル、オイル及びヘリウムの冷却を開示する。冷却されたオイルは、その後、戻りヘリウムラインに吐出される。実質的には、コンプレッサはオイルポンプとして機能する。吸引されるオイルの量は、典型的には、約２％の変位である。

Hitachi Corporationのスクロール型コンプレッサは、５〜９ｋＷを消費し、スクロール内に直接戻りガスを流す。オイルは、入口に噴射され、高圧でシェル内にヘリウムと共に排出されることができる。オイルの大部分は、上述の回転ピストン型のコンプレッサと同様、ヘリウムから分離し、コンプレッサの底部に集まる。この種のコンプレッサに対しては、小型のコンプレッサと異なり、水冷管の巻きつけによるシェルの冷却は効率的でない。ここでは、ヘリウム及びオイルからの熱は、水冷若しくは空冷のアフタークーラーにより除去される。

Copeland Compressor Corporationの空調サービス用スクロール型コンプレッサは、５〜１５ｋＷを消費する。これらのコンプレッサは、戻りガスが、スクロール内に直接流入するのではなく、低圧のシェル内に流入する点が、Hitachiの設計と異なる。標準的な縦置き型では、スクロールがモータの上方になる。ヘリウムと共に圧縮室に冷却オイルを流す手段が存在しない。Copeland社は、２つのコンプレッサ、５ｋWコンプレッサ及び７．５ｋWコンプレッサを改良して、スクロール上方の排出プリナム内に高圧オイルを収集し、次いで、それを、外部のアフタークーラー内で冷却されるように特別なポートを通して外に流すことによって、ヘリウム冷却用オイルを循環させる。その他の特別な戻りポートは、オイルを低圧付近でスクロールに戻し、そこで、オイルは、圧縮されているヘリウムと混合する。

スクロール型コンプレッサの構成及び動作、及び、Copeland標準ユニットをヘリウムの圧縮用に適合させた特別な変更の説明は、特許文献３に見出せる。全体のコンプレッサシステムの説明と共にヘリウムサービス用に製造された２つのコンプレッサの大きい方、即ちModel HC-10（登録商標）コンプレッサ（SHI-APD Cryogenics）を用いるコンプレッサシステムが、コンプレッサが本質的な構成要素である全体のコンプレッサシステムの説明と共に、非特許文献１に記載されている。

上述のスクロール型コンプレッサを冷却用のオイル噴射を必要とするアプリケーションに適用するコストを低減するために、Copelandは、見事にもコンプレッサを水平に向けた（横置き型とした）。横置き型では、低圧のコンプレッサの底部のオイルは、圧縮されているガスと共に重力に起因してスクロール内に流れ込む。標準的な縦置き型コンプレッサへの修正は、コンプレッサの従来的な底部中心にポートを追加しただけである。横置き型においては、オイルは、通常的にはベアリング及びスクロールを潤滑するために駆動軸までコンプレッサの従来的な底部のオイルサンプから汲み上げられるだろうが、アフタークーラーで冷却された後に駆動軸の端部に向けられる。循環されるオイルの量は、ベアリングを潤滑するのに必要な量よりも遥かに多い。大部分のオイルは、モータをバイパスし、スクロールセット内の圧縮室への入口近傍で圧縮室に直接流入する。これは、入力電力及びノイズレベルを低減するだけでなく、コンプレッサ内に略一定のオイルレベルをももたらす。コンプレッサの外部にあるバルクオイルセパレータは、コンプレッサシステムに対するオイルリザーバとして機能する。Model603（登録商標）のような従来的な縦置き型セパレータは、低い分離効率を生成し、利用可能なスペースに適合させるのが困難である。横置きにされたスクロールコンプレッサを用いることは、横置き型バルクオイルセパレータに対してコンプレッサの下方にスペースを提供した。

特許文献４に記載された“横置き型オイルセパレータ／リザーバ”は、オイルリザーバセクションから分離された、僅かに高い圧力であるオイルセパレータセクションを有し、これにより、オイルが、セパレータセクションの底部から、そこにあるオイルのレベルよりも上のリザーバセクションの上部へと搬送される。オイルは、リザーバの底部からオイルを拾い上げる管を介してリザーバセクションから流出する。この構成は、セパレータ領域内にオイルが逆流するのを防止する。
McMahon他の米国特許第３，２０５，６６８号明細書 Longsworthの米国特許第６，４８８，１２０号明細書 Weaherston他の米国特許第６，０１７，２０５号明細書 Ｒ．Ｃ．Ｌｏｎｇｓｗｏｒｔｈの"Helium Compressor for GM and Pulse-tube Expanders", in "Advances in Cryogenic Engineering", Vol. 47, Amer. Inst. Of Physics, 2002, pp 691-697 P.E.Isaacsの米国特許第５，５５３，４６０号明細書

小型の方のHC-10と同一サイズのパッケージでの横置き構成の９８ｃｃ変位型Copelandスクロール式コンプレッサの使用は、バルクオイルセパレータの向き及びサイズに過酷な制約を与えた。

コンプレッサ下方に適合する横置き型バルクオイルセパレータの使用は、パッケージング目標を達成することを可能としたが、吸着器内に収集されることができるオイルの量を制限することを可能とするオイルレベルスイッチの高い検出性能及び高い分離効率を備えるコンパクトなバルクオイルセパレータの設計に過酷な制約を与えた。

必要とされるのは、コンパクトで非常に高い分離効率を備え、先行技術のユニットの問題点を回避する横置き型バルクオイルセパレータである。

本発明の目的は、バッフルの上部にガス用ポートを、バッフルの下部にオイル用ポートを有する一連の分離室により、コンパクトなサイズで非常に高い分離効率を備える横置き型バルクオイルセパレータを提供することである。

また、本発明の目的は、オイルが約２％の変位のレートで圧縮室に入る横置き型スクロールコンプレッサを出るヘリウムから、９９％よりも多いオイル、好ましくは９９．９％よりも多いオイルを除去する新規で改善された横置き型バルクオイルセパレータを提供することである。

本発明の更なる目的は、セパレータの最終セクション内の光電オイルレベルセンサの使用を可能としオイルから気泡を除去するオイル沈降セクションを有する横置き型バルクオイルセパレータを提供することである。

本発明によれば、スクリーン若しくは他のマトリックスを介した流れによるのではなくインピンジメントによりオイルがガスから分離されるので、圧力降下が低い。気泡は、連続した室を通って流れる際にオイルから分離するので、最終の室内に光電オイルレベルセンサは、オイルレベルを検出しオイルが低温エクスパンダに吸着器から搬送される前にコンプレッサを停止するために用いることができる。

従って、本発明の目的は、構成が簡易な一体型セパレータ−リザーバである横置き型バルクオイルセパレータを提供することである。本発明によれば、セパレータはリザーバでもある。

従って、本発明の目的は、コンプレッサシステムの寿命に亘ってリザーバから吸着器に搬送されるオイルの量の最新の１０％の変化に対して非常に高い感度を有する最終セクション内のレベルセンサを有する横置き型バルクオイルセパレータを提供することである。それは、ここでの参照により本願明細書内にその内容が組み込まれる上記の特許文献２に記載される“フェールセーフ”を実現するように設計される。従って、コンプレッサ自体は、如何なるオイルがコンプレッサユニットの外に運ばれる前に、オイルの不足に対する把握若しくは保護スイッチにより、停止することになる。構成要素は、通常の環境下で、ユニット及び接続された冷凍システムが、吸着器に搬送されることができるオイルの限界値が到来することによりコンプレッサが停止する前に、例えば１０年のような、選択された設計寿命よりも長く動作できるような大きさに設定される。

上述及び他の効果を達成するために本発明の目的によれば、横置き型バルクオイルセパレータ及びリザーバであって、
プレート上に当たるようにガス及びオイルの流入混合物を方向付ける入口管を有するシェルと、
前記シェル内に固定式に設けられ、複数のセクションに前記シェルを分割する１つ以上のバッフルであって、前記ガス及びオイルの流入混合物がその上に当たる１つ以上のバッフルと、
前記１つ以上のバッフル上の開口であって、オイルレベルより上でガスが流通し、オイルレベルよりも下でオイルがセクション間を流通するようにする開口と、
単一の開口を備え、オイルが最終セクション内にこぼれ落ちるようにするガス及びオイル用の最終バッフルであって、前記単一の開口が、前記シェルの入口ヘッドと前記最終バッフル間の最小オイルレベルを維持するリップを有し、前記最終バッフルと前記シェルの出力ヘッド間の前記最終セクション内のオイルレベルが、前記リップよりも必要に応じて低い、最終バッフルと、
オイルの流出を方向付けるオイル出口管とを含む、バルクオイルセパレータ及びリザーバが提供される。

ヘリウム及びオイルは、バルクオイルセパレータ内に流入し、バルクオイルセパレータのヘッド上に当たる（インピンジする）。オイルの大部分は、セパレータの第１セクション内に落ちる。０．１０１５ｃｍの外径（直径）を有するバルクオイルセパレータでは、オイルは、５ｃｍの深さでバッフルにより分離された３つのセクションで維持され、バッフルは、セクション間のガス流通用の開口をオイルより上に有する共に、セクション間のオイル流通用のポートをオイルより上に有する。より多くのオイルが、連続したバッフル上に当たるときにガスから除去される。最終バッフルは、オイル用のポートを有さず、従って、オイルは、ガス用の最終の開口から、オイルレベルスイッチを有する最終セクションへとこぼれ落ちる。これらのセクションは、オイルから気泡が上昇するのを可能とし、従って、最終セクションにこぼれ落ちるオイルは、光電式オイルレベルスイッチのエラーを引き起こすだろう気泡から解放される。オイルレベルは、２７０ｍｌのオイルが長年、例えば５年以上かけて吸着器へ運ばれる際に、７．５ｃｍから５ｃｍに下降し、次いで、更なる３０ｍｌのオイルが運ばれる際に、レベルセンサを備えた最終セクションのみで３．５ｃｍまで下降する。この構成は、“自由（freedom）”フェールセーフ概念を実現する際のオイルレベルスイッチの動作に高い感度を付与する。たった約３０ｍｌが、最終セクションにおいてレベルを、オイルレベルスイッチが開となる３．５ｃｍのレベルまで下降させる。本発明は、バルクオイルセパレータ内のオイルの量の変化に対する遮断の感度を最大化する。バルクオイルセパレータの入口セクションに留まる５００ｍｌのオイルは、オイルから気泡を分離し続ける。

その他の実施例では、一体のリザーバを備える横置き型バルクオイルセパレータであって、
シェルと、
シェル内でガス及びオイルの流入混合物を入口から出口端まで流すための通路と、
前記流入混合物をプレート上に当たるように方向付ける入口管と、
オイルレベルの上にガスを流すための切り欠きと、前記シェルの底部付近にオイルを流すためのポートとを有する一以上のバッフルと、
最大のオイルレベルよりも上にガス用の出口ポート、及び、前記シェルの底部付近にオイル用の出口ポートと、
前記オイル用の出口ポートの上にある一定のオイルレベルとを含む、リザーバ一体横置き型バルクオイルセパレータが提供される。

本発明のその他の局面によれば、横置き型バルクオイルセパレータ及びリザーバ内のガスからオイルを分離する方法であって、
シェル内にガスとオイルの混合物の流れを導入するステップと、
前記混合物を、前記バルクオイルセパレータの入口ヘッド上に当てるステップと、
前記混合物が、前記シェル内に固定式に設けられ複数のセクションに前記シェルを分割する１つ以上のバッフルに当たることを可能とするステップと、
前記バッフル内の上下の切り欠きであって、セクション間のガス流通用の上側の切り欠きとセクション間のオイルの流通用の下側の切り欠きに、前記混合物を流通させることにより、オイルからガスを分離するステップと、
前記シェルの入口ヘッドと最終バッフル間の最小オイルレベルを維持するリップ及び単一の切り欠きを有する最終バッフル上にオイルを流すステップであって、前記最終バッフルと前記シェルの出力ヘッド間の前記最終セクション内のオイルレベルが、前記リップよりも必要に応じて低い、ステップと、
オイル出口管を介したオイルの流出を方向付けるステップとを含む、方法が提供される。

本発明は、また、一体のリザーバを備える横置き型バルクオイルセパレータであって、
シェルと、
前記バルクオイルセパレータの入口ヘッド上に流入混合物を方向付ける手段と、
オイルのレベルよりも上にガスを流通させる手段と前記シェルの底部付近にオイルを流通させる手段を有する一以上のバッフルと、
ガスの流出を方向付ける手段と、
オイルの流出を方向付ける手段とを含む、リザーバ一体横置き型バルクオイルセパレータに向けられる。

本発明の他の目的及び効果は、添付図面及び以下の説明を参照することにより明らかになる。

これより図面、より具体的には図１を参照するに、コンプレッサシステム１の他の主要な構成要素と関連して本発明のバルクオイルセパレータ４が示されている。９８ｍLの変位のスクロールセット１２を有するCopelandコンプレッサのシェル２は、ドライブシャフト１３を介してモータ１４により駆動される。横置きは、矢印１８に示すように、重力によりサンプ２８内の冷却オイルがヘリウムと共にスクロールセット内に流入することを可能とする。シェル２は、戻り（低）圧（約０．８ＭＰａ）の空間（ボリューム）３を有すると共に、供給（高）圧（約２ＭＰａ）の空間１１を有する。

コンプレッサは、空調サービスで用いられる冷媒を圧縮するために用いられるタイプであって、モータの上方にスクロールを備え、従来的な底部にオイルサンプを備えて、典型的には縦置きされるタイプである。モータ１４の下方のドライブシャフト１３の端部は、オイルポンプ１６を含み、オイルポンプ１６は、下側のベアリング、上側のベアリングを潤滑するためのポートを有するドライブシャフト１３内の穴を介してオイルを汲み上げ、スクロールセット内の圧縮室内に幾らかのオイルを噴射するため、（縦置きされるとき）従来的なサンプからオイルを汲み上げる。Copelandは、ポンプ１６への入口に冷却オイルを当てる（インピンジする）ことを可能とするポート１５を追加することによって、標準的なコンプレッサが横置き型で動作できるように標準的なコンプレッサを改良した。

余剰オイルは、サンプ２７内に落ち、モータ巻線内に小さな経路を流通してサンプ２８に至る。サンプ２８内に直接オイルを導くオイルバイパスライン２３の追加は、逆流しモータ内の“エアギャップ”を流通する際に電力消費及び振動の増加を引き起こすサンプ２７内に落ちる余剰オイルの量を減らす。オイルバイパスライン２３を備える場合、サンプ２７，２８内のオイルレベルは、スクロールセット１２への入口の高さにより決まるように、コンプレッサの動作中に略一定のままとなる。２．０／０．８ＭＰａ（高／低）の設計動作圧では、約７Ｌ／ｍのオイルの流量が、ヘリウム温度を約７０℃の最低値に維持するために必要とされる。オリフィス２４，２６のサイズは、ライン２５及びポート１５を介してベアリングに約２Ｌ／ｍの流量、及び、サンプ２８内への直接の５Ｌ／ｍの流量を設定する。

図１を参照するに、矢印１９は、圧縮室から出て高圧プレナム１１内に流れ込む高圧ヘリウム／オイル混合物を示す。そこから、混合物は、バルクオイルセパレータ４にライン２０を通って流れ、そこで、オイルの大部分は、ライン２１を介して出ていき、０．１％以下のオイルが、ヘリウムと共にライン３１を通って出て行く。ライン２１及び３１における双方の流れストリームは、アフタークーラー６を通って流れ、アフタークーラー６は、双方のストリームを、３０を介した冷却水の対抗流により冷却する。冷却されたオイルは、ライン２５及びオリフィス２６を通ってポート１５内に流れ、ベアリングに対して潤滑を供する第１ストリームと、ライン２３及びオリフィス２４を通ってサンプ２８に流れる第２ストリームとに分割される。冷却されたヘリウムは、ライン３２を通ってオイルセパレータ８へ流れ、オイルセパレータ８は、バルクオイルセパレータ４で分離されないオイルの大部分を除去する。分離されたオイルは、８の底部に集まり、ライン３６及びフィルタ／オリフィス３８を通って、コンプレッサ２における低圧室３に戻る。セパレータ８からは、ミストの形態で極微量のオイルだけを含んだヘリウムは、ライン３３を介して吸着器１０へと流れ、吸着器１０は、供給ライン３７を介して出て行く前にオイル蒸気をほとんど除去する。吸着器は、汚染物質をトラップして保持する。その主要な目的は、ヘリウムガスから、水蒸気のような、要素のすべての極微量を除去することであるが、主としてオイルを除去することである。供給ライン３７は、ヘリウムをエクスパンダ（図示せず）に運ぶ。ヘリウムは、エクスパンダ低圧側からライン３９を介して戻り、続いてライン１７を介してコンプレッサ空間３内に流入する。システムは、大気リリーフバルブ３４により、加圧され過ぎてしまうことから保護される。冷却中、若しくはライン３７若しくは３９が接続されない動作中、システムの高圧側と低圧側との間の過剰な圧力差は、ライン３４における内部のリリーフバルブ３５により制限される。

図２は、本発明の横置き型バルクオイルセパレータの好ましい実施例の構成の詳細を示す。横置き型バルクオイルセパレータ４は、シェル４０、入口管２０、バッフル４５ａ，４５ｂ，４５ｃ、オイル出口管２１、及び、オイルレベルセンサ４６を含む。バッフル４５ａ，４５ｂ，４５ｃは、シェル４０内に蝋付けされる。バッフルは、セパレータ４を、４つのセクション、即ち４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄに分割する。バッフル４５ａ及び４５ｂは、拡大視Ａに示すように、セパレータ４の中心線よりも上に、ガスを流通させるための開口４８ａ及び４８ｂと、ポート４７ａ及び４７ｂとを有する。バッフル４５ｃは、拡大視Ｂに示すように、リップ４９を有する単一の開口を有し、リップ４９は、当該リップのレベルで若しくはそれよりも上で、セクション４４ａ，４４ｂ，４４ｃ内の最小のオイルレベルを維持する。

ここで用いられる用語バッフルは、流体の移動若しくは力を妨げるためのプレート若しくは仕切りを指す。バルクオイルセパレータ内にこのように配置される任意の手段が、流体の移動若しくは力を妨げるために用いられてもよいことは、理解されるべきである。

セパレータ４にライン２０を介してヘリウムと共に入るオイルは、シェル４０の内部ヘッド上に当たるように方向付けられる。これは、初期分離としばしば称される。というのは、比較的軽いガスは、高密度のオイルが直線経路で進むのに対して、容易に曲がるからである。たいていのオイルは、このポイントでヘリウムから分離される。オイルは、バッフルに当たる際に、更に、ガスから分離される。幾つかの異なる種類のパッキン、スクリーン及びスカーリングパッドがバッフル間のセクションで用いられてよいが、パッキンの不在は最も効率的であることが分かっている。ガス出口管３１への入口は、５０で示すように、ガスがガス出口管内に流入する際にガスを９０°曲げるバッフルプレート４５ｃ内の領域に直ぐ近傍にある。これは、ガスからオイルを分離するための最終機構である。管３１の端部は、バッフル５０から３１の内径（直径）の約半分だけ離間し、５０の面積は、管３１の入口面積の約２倍である。セクション４４ａに落ちるオイルは、大量の気泡が混合されている。これらの気泡の大部分は、セクション４４ａ，４４ｂ，４４ｃ内でオイルの表面から上昇し、従って、セクション４４ｄ内のオイルは、光電オイルレベルセンサが通常的に若しくは誤り無く動作できるほど十分に気泡を含まない。破線４１で示されるセクション４４ａ，４４ｂ，４４ｃ内のオイルレベル、４２で示される４４ｄ内のオイルレベルは、リップ４９よりも上の初期レベルを有する。図２は、セクション４４ｄ内のオイルレベルがリップ４９のレベルよりも下方に降下した際に存在する状態を示す。分かるように、本発明の横置き型バルクオイルセパレータは、ヘリウムを実質的にオイルフリーにすることができる。

ここで用いられる用語光電オイルレベルセンサは、光技術が流体の存在若しくは不在を直接的に検出する、内蔵固体スイッチング電子部品を備える光電装置を指す。理解されるべきこととして、これらに限定されないが、マイクロプロセッサベースのセンサ、光ファイバ（fibro optic）センサ、レーザーセンサ、電気化学センサ、光センサ、電子センサ、容量センサ、フロートセンサ及び伝導性液体レベルセンサを含む、直接若しくは間接式の当業者に知られている任意の他の液体レベルセンサが利用されてもよい。

図３は、セパレータ４の内部の底部より上のオイルの高さに対する、本設計のバルクセパレータを出ることができるオイルの量の算出プロット図である。新たなシステム内に入れられるオイルの量は、初期の開始期間後、例えば約２０時間後、センサ４６に対する遮断ポイント(cut-out-point)より上に２００から３００ｍLの間のオイルが存在するようにされる。即ち、オイルレベルは、レベルセンサ４６が開となりコンプレッサが停止される前に最大７．５ｃｍから３．５ｃｍまで降下することになる。初期レベルは、セパレータの中心線よりも上であり、リップ４９の高さに到達するまで全体のセパレータ内で降下し、このとき、セクション４４ｄ内のレベルだけが、センサ４６が開となるまで降下する。初期的には、それは、１１５ｍＬ／ｃｍ降下し、その後、遮断ポイントで約３０ｍＬ／ｃｍ降下する。これは、遮断ポイントでの高いレベルの感度を付与する。即ち、セパレータは、オイルレベルがリップ４９の下方に降下したときのオイルレベルの変化に対する感度が、オイルレベルがリップ４９の上にあるときに比べて、約２倍から約４倍の間、好ましくは約２．５倍から３．８倍の間の範囲で増加する。

本願譲受人（出願人）は、既に、この種のオイル潤滑型コンプレッサの改良に貢献する発明を開示している。バルクオイルセパレータ４は、オイルレベルスイッチ４６を有するものとして示されている。コンプレッサ２内のオイルレベルは略一定であるので、バルクオイルセパレータ内のオイルレベルは、吸着器１０内にオイルが集まるにつれて長期間かけて降下する。これは、米国特許第６，４８８，１２０号に記載されるようなコンプレッサを“フェールセーフ”させる手段を供給する。この特許は、コンプレッサが、吸着器が約７５％より大きく負荷される前に停止し、オイル（ミスト）が決して吸着器を出て行かないことを規定する。コンプレッサにおける略一定のオイルレベルは、コンプレッサを停止させるためにオイルレベルセンサ若しくはスイッチ４６が開となるときのレベルよりも上までオイルを付加することを可能とし、吸着器が約７５％で負荷されるまでにレベルスイッチ４６を開にさせることができる付加可能な余剰オイルの最大量と、レベルスイッチ４６が開となるときに吸着器８に収集されうるオイルの最小量との間に大きな差異をもたらすことがない。最大量と最小量の差異は、異なる温度及び圧力での動作中のオイルレベルの変化、及び、システム内の初期オイル充填に関する公差に起因する。

図４は、主要な特徴である図２のセパレータを具現化するがオイルレベル検出器を含んでいない例えばによる横置き型バルクオイルセパレータ／リザーバの代替設計の代替実施例の図である。主要な特徴は、セパレータ７内へのオイル／ガス混合物をシェル４０の内部ヘッド上に当たるように導く管の２０の出口、及び、ガス用に上側の開口４８を有しオイル用に下側のポート４７を有する一以上のバッフルプレート４５である。出口ガス管３１の入口は、シェル４０の端部の管径の半分以内であり、分離の最終ステージとしてガスを９０°回転させる。オイルレベル４１は、セパレータ５の全てのセクションにおいて同一であり、シェル４０の中心線の上方でも下方でもよい。開口４８は、常に、オイルレベル４１の上方であり、ポート４７は、常にオイルレベル４１の下方である。ガスの滞在時間（滞留時間）は、約０．１から約１．５秒の間であり、好ましくは約０．３から約１．０秒の間である。オイルの滞在時間は、約２から約１０秒の間であり、好ましくは約３から約７秒の間である。高いオイルレベルは、バルクオイルセパレータ内におけるガスに対するより短い滞在時間を生み、従って、管３１を出るガス内に僅かに高いオイルの残留分が存在する一方、低いオイルレベルは、バルクオイルセパレータ内のオイルに対してより短い滞在時間を生み、従って、僅かに高い量のガスがオイル内の気泡の形態で管２１を介して出て行く。図４から分かるように、横置き型オイルセパレータ及びリザーバは、非常に高い性能（好ましい実施例よりも劣るが）を維持し、コンパクトな設計である。

理解すべきこととして、特定のバルクオイルセパレータが存在するが、同等の性能は、３つのスケーリングファクタ、１）ガス滞在時間、２）オイル滞在時間及び３）ガスから除去されたオイルの割合を用いることによって、より小さなサイズ若しくはより大きなサイズで得ることができる。４つ目のパラメータ、オイル内のガスの量は、量子化するのが困難であり、ここで用いられるように、光電レベルセンサが信頼性の高い信号を付与するほど十分低いとして定義される。

ここで用いられるように、ガス滞在時間は、ガスがバルクオイルセパレータを流通するのに要する平均時間、即ちガスからオイルを除去するのに利用可能な時間として定義される。

ここで用いられるように、オイル滞在時間は、オイルがバルクオイルセパレータを流通するのに要する平均時間、即ちオイルからガスを除去するのに利用可能な時間として定義される。ガスから除去されるオイルの割合は、代替的に、ガスと共に出て行くオイルの留分（フラクション）として表現されてもよい。

［例１］
図２に示すような、本コンプレッサシステムで用いられるバルクオイルセパレータは、外径１０．１５ｃｍ（４．０インチ）及び長さ２２．８ｃｍ（９．０インチ）を有する。オイルは、容積の約５０％を占めた。コンプレッサは、６０Ｈｚ出力で３３８Ｌ／ｍｉｎ、９８ｍＬの変位、及び約７Ｌ／ｍｉｎのオイル循環レートを有していた。ガスはヘリウムであり、オイルはUCONLBX３００^TM（LBX Company，LLC）であった。試験条件の略限界で動作する本横置き型バルクオイルセパレータの設計及び性能に対して得られた結果が、表１に示される。

測定されたオイルレベル変化速度を、図３に示す計算値と比べると、１６０ｍＬ／ｃｍである測定された初期変化は、計算された１１５ｍＬ／ｃｍよりも高く、６０ｍＬ／ｃｍである遮断時の測定された変化は、計算された３０Ｌ／ｃｍよりも大きかった。計算は、性的な条件を想定していたが、動作中の条件は非常に動的である。試験結果は、セクション４４ｄでのオイルレベルの変化に対する感度が、オイルレベルがリップ４９の下方に低下したときに１６０／６０＝２．７倍増加したことを示した。計算された感度の増加は、１１５／３０＝３．８であった。

バルクオイルセパレータの最小容積５００ｍLは、オイルレベル４２が遮断ポイント付近にあるときのセクション４４ａ，４４ｂ，４４ｃ内のオイルである。示されているように、気泡をオイルから分離するのに利用可能な時間は、バルクオイルセパレータ内のオイルの滞在時間である。ガスのオイルからの効率的な除去は、３．３秒の滞在時間で実証された。

例１及び図３からは、バルクオイルセパレータは、レベルスイッチが作動する前に３００ｍｌまでのオイルが吸着器に運ばれるのを可能とするように設計されていることが実証される。これは、バルクオイルセパレータの容積の約１８％、即ち３００ｍｌ／１６００ｍｌを表す。

ここでは何も本発明を限定することが意図されていない。理解されるべきこととして、本発明は、天然ガスやエアを含む他の圧縮若しくは希ガスのみならず、他の横置き型スクロールコンプレッサや、スクリュー式、反復式、遠心式、ベーン式、回転波式のような他のコンプレッサにも使用できる。

本発明は説明されたが、理解されるべきこととして、本発明の原理を一般的に踏襲する本発明の更なる変形、使用及び／又は適合が可能であり、本発明の属する分野での当業者の知られた若しくは通常的な設計変更であって、上述の本質的な特徴に適用されうる本開示からの逸脱は、本発明の範囲内である。また、要約書を含むここで採用される語句や表現は、説明の目的のためであって、限定としてみなされるべきでない。

また、添付の特許請求の範囲の各請求項は、ここで説明された本発明の包括的で特別な特徴の全てをカバーするように意図されたものであることも理解されるべきである。

本発明の横置き型バルクオイルセパレータと他のコンプレッサシステム構成要素の間の関係を図示するオイル潤滑型ヘリウムコンプレッサシステムの概略図である。 本発明による横置き型バルクオイルセパレータを図示する概略図であり、図中のＡは、バッフル４５ａ及び４５ｂの断面図であり、Ｂは、バッフル４５ｃの断面図である。 図２のバルクオイルセパレータ内のオイル量とオイルレベルスイッチに対する開口ポイントより上のオイル深さとの関係を表すグラフである。 本発明による横置き型バルクオイルセパレータの代替実施例を図示する概略図であり、図中のＡは、上側の開口を有するバッフルの断面図である。

符号の説明

１ コンプレッサシステム
２ シェル
４ バルクオイルセパレータ
８ オイルセパレータ
１０ 吸着器
１２ スクロールセット
１３ ドライブシャフト
１６ ポンプ
２８ サンプ
４５ バッフル４５

Claims (24)

1. 横置き型バルクオイルセパレータ及びリザーバであって、
   プレート上に当たるようにガス及びオイルの流入混合物を方向付ける入口管を有するシェルと、
   前記シェル内に固定式に設けられ、複数のセクションに前記シェルを分割する１つ以上のバッフルであって、前記ガス及びオイルの流入混合物がその上に当たる１つ以上のバッフルと、
   前記１つ以上のバッフル上の開口であって、オイルレベルより上でガスが流通し、オイルレベルよりも下でオイルがセクション間を流通するようにする開口と、
   単一の開口を備え、オイルが最終セクション内にこぼれ落ちるようにするガス及びオイル用の最終バッフルであって、前記単一の開口が、前記シェルの入口ヘッドと前記最終バッフル間の最小オイルレベルを維持するリップを有し、前記最終バッフルと前記シェルの出力ヘッド間の前記最終セクション内のオイルレベルが、前記リップよりも必要に応じて低い、最終バッフルと、
   オイルの流出を方向付けるオイル出口管とを含む、バルクオイルセパレータ及びリザーバ。
2. オイルレベルセンサが、前記最終セクション内の前記最終バッフルの前記リップの下方にある、請求項１に記載のバルクオイルセパレータ及びリザーバ。
3. 前記最終セクション内のオイルが、光電オイルレベルセンサが通常的に機能するほど十分に気泡が抜けている、請求項１に記載のバルクオイルセパレータ及びリザーバ。
4. 流出ガスがガス出口管に入る際に該流出ガスを９０°回転させるプレートの１／２の管径内の入口を備えるガス出口管を更に含む、請求項１に記載のバルクオイルセパレータ及びリザーバ。
5. 前記プレートは、前記最終バッフルの一部である、請求項４に記載のバルクオイルセパレータ及びリザーバ。
6. セパレータの容積の少なくとも約１８％のオイル容積の変化を許容するオイルリザーバを有する請求項１に記載のバルクオイルセパレータ及びリザーバ。
7. オイルレベルが前記リップの下方に降下したときのオイルレベルの変化に対して、オイルレベルが前記リップの上方にあるときの同変化に対してよりも、少なくとも約２倍から約２．７倍、感度の増加を有する、請求項１に記載のバルクオイルセパレータ及びリザーバ。
8. オイルレベルが前記リップの下方に降下したときのオイルレベルの変化に対して、オイルレベルが前記リップの上方にあるときの同変化に対してよりも、少なくとも約２．５倍、感度の増加を有する、請求項１に記載のバルクオイルセパレータ及びリザーバ。
9. ガスの滞在時間は、約０．１から約１．５秒の間である、請求項１に記載のバルクオイルセパレータ及びリザーバ。
10. ガスの滞在時間は、約０．３から約１．０秒の間である、請求項９に記載のバルクオイルセパレータ及びリザーバ。
11. オイルの滞在時間は、約２から約１０秒の間である、請求項１に記載のバルクオイルセパレータ及びリザーバ。
12. オイルの滞在時間は、約３から約７秒の間である、請求項１１に記載のバルクオイルセパレータ及びリザーバ。
13. 少なくとも９９％のオイルが当該セパレータから出ていくヘリウムから分離される、請求項４に記載のバルクオイルセパレータ及びリザーバ。
14. 少なくとも９９．９％のオイルが当該セパレータから出ていくヘリウムから分離される、請求項１３に記載のバルクオイルセパレータ及びリザーバ。
15. 入口流れが当たる前記プレートは、前記シェルの内部ヘッドである、請求項１に記載のバルクオイルセパレータ及びリザーバ。
16. オイル出口管への入口は、前記最終セクション内の前記オイルレベルセンサの下方である、請求項２に記載のバルクオイルセパレータ及びリザーバ。
17. 一体のリザーバを備える横置き型バルクオイルセパレータであって、
    シェルと、
    シェル内でガス及びオイルの流入混合物を入口から出口端まで流すための通路と、
    前記流入混合物をプレート上に当たるように方向付ける入口管と、
    オイルレベルの上にガスを流すための開口と、前記シェルの底部付近にオイルを流すためのポートとを有する一以上のバッフルと、
    最大のオイルレベルよりも上にガス用の出口ポート、及び、前記シェルの底部付近にオイル用の出口ポートと、
    前記シェルの入口ヘッドとの間の最小オイルレベルを維持するリップを有する開口を備え、オイルが最終セクション内にこぼれ落ちるようにする最終バッフルと、
    前記最終セクション内の前記リップの下方にあるオイルレベルセンサとを含む、リザーバ一体横置き型バルクオイルセパレータ。
18. 前記流入混合物が当たる前記プレートは、前記シェルのヘッドである、請求項１７に記載のリザーバ一体横置き型バルクオイルセパレータ。
19. 通常レベルを備えるオイルリザーバは、セパレータの容積の少なくとも約１８％のオイル容積の変化を許容する、請求項１７に記載のリザーバ一体横置き型バルクオイルセパレータ。
20. 前記ガス出口管への前記入口の位置は、ガスが入る際にガスの９０°の回転を引き起こす、請求項１７に記載のリザーバ一体横置き型バルクオイルセパレータ。
21. ガスを９０°回転させるプレートが、最終バッフルの一部である、請求項２０に記載のリザーバ一体横置き型バルクオイルセパレータ。
22. ガスの滞在時間は、約０．３から約１秒の間である、請求項１７に記載のリザーバ一体横置き型バルクオイルセパレータ。
23. オイルの滞在時間は、約２から約１０秒の間である、請求項２２に記載のリザーバ一体横置き型バルクオイルセパレータ。
24. 横置き型バルクオイルセパレータ及びリザーバ内のガスからオイルを分離する方法であって、
    シェル内にガスとオイルの混合物の流れを導入するステップと、
    前記混合物を、前記バルクオイルセパレータの入口ヘッド上に当てるステップと、
    前記混合物が、前記シェル内に固定式に設けられ複数のセクションに前記シェルを分割する１つ以上のバッフルに当たることを可能とするステップと、
    前記バッフル内の上下の開口であって、セクション間のガス流通用の上側の開口とセクション間のオイルの流通用の下側の開口に、前記混合物を流通させることにより、オイルからガスを分離するステップと、
    前記シェルの入口ヘッドと最終バッフル間の最小オイルレベルを維持するリップ及び単一の開口を有する最終バッフル上にオイルを流すステップであって、前記最終バッフルと前記シェルの出力ヘッド間の前記最終セクション内のオイルレベルが、前記リップよりも必要に応じて低い、ステップと、
    オイル出口管を介したオイルの流出を方向付けるステップとを含む、方法。
    

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