JP4898559B2

JP4898559B2 - ヘリウム液化用冷凍装置及びヘリウム用圧縮機ユニット

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Publication number: JP4898559B2
Application number: JP2007139294A
Authority: JP
Inventors: 正夫椎林; 隆夫水野; 健司東條; 康伊豆永
Original assignee: Hitachi Appliances Inc
Current assignee: Hitachi Appliances Inc
Priority date: 2007-05-25
Filing date: 2007-05-25
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2027-05-25
Also published as: JP2008291781A

Description

本発明は、ヘリウム液化用冷凍装置及びヘリウム用圧縮機ユニットに係り、特に、低段圧縮機及び高段圧縮機を備えるヘリウム液化用冷凍装置及びヘリウム用圧縮機ユニットに好適なものである。

従来のヘリウム液化冷凍装置に関しては、例えば特開平３−２７１５８３号公報（特許文献１）の図１５及び図１８に開示されたものがある。このヘリウム液化冷凍装置は、作動ガスとしてヘリウムガスを使用した圧縮機ユニットと負荷側冷凍機とこれらの配管とヘリウム用スクロール圧縮機を制御するインバータとを備えて構成されている。前記圧縮機ユニットは、１台のヘリウム用スクロール圧縮機と、油冷却器を有する油インジェクション回路と、ヘリウム用スクロール圧縮機の吐出ヘリウムガスを冷却するガス冷却器とを備えて構成されている。前記ヘリウム用スクロール圧縮機は、スクロールラップ部の設定容積比が３．４〜４．５のスクロール歯形形状を有する互い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、高圧と低圧の圧力比となる高圧力比が２０前後となるように構成されている。

特開平３−２７１５８３号公報

ヘリウム液化冷凍装置における油冷却器やガス冷却器は、水冷式が一般的であったが、現在では水が不要となる空冷式に移行している。このため装置全体の温度が高くなり、これに伴って吐出側圧力Ｐｄ２が２．５ＭｐａＧ（２５ｋｇ／ｃｍ^２Ｇ）前後と高くなり、圧縮機の吐出側圧力Ｐｄ２と吸込み側圧力Ｐｓ１との比となる運転圧力比は、従来の１８〜２０前後からさらに高圧力比の２４〜２６の運転圧力比条件が要求される。従来の圧縮機においては、１台の圧縮機で達成しようとすると体積効率の大幅な低下と圧縮機動力の増加という性能低下の問題がある。特に、体積効率の大幅な低下は、ジュールトムソン弁と該弁から流下した液化ヘリウムの量が減少して、ヘリウム容器内の超電導磁石への冷却効果が損なわれるという問題に至る。

本発明の目的は、コストアップの抑制及び圧縮機の能力制御性の簡便・容易化を図りつつ、高性能化と長寿命化を図ることができるヘリウム液化用冷凍装置及びヘリウム用圧縮機ユニットを得ることにある。

前述の目的を達成するための本発明の第１の態様は、作動ガスとしてヘリウムガスを使用した空冷式ヘリウム用圧縮機ユニットと負荷側冷凍機とを備えたヘリウム液化用冷凍装置において、前記空冷式ヘリウム用圧縮機ユニットは、ヘリウムガスを低圧から中間圧に昇圧する低段圧縮機を有する低段圧縮機ユニットと、前記低段圧縮機で中間圧に圧縮されたヘリウムガスを中間圧から高圧に昇圧する高段圧縮機を有する高段圧縮機ユニットと備え、前記負荷側冷凍機はヘリウムガス予冷却用冷凍機と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とを備え、前記低段圧縮機の行程容積と前記高段圧縮機の工程容積とを同一に設定すると共に、前記低段圧縮機及び前記高段圧縮機のインバータ用電動機を同一に設定し、前記低段圧縮機及び前記高段圧縮機を１台のインバータにて同一回転数で駆動制御し、前記低段圧縮機及び前記高段圧縮機のスクロールラップ部の設定容積比が２．１〜２．４の同一のスクロール歯形形状を有し、前記低段圧縮機の運転圧力比を９〜１１に設定すると共に前記高段圧縮機の運転圧力比を２．３〜２．８に設定して、高圧と低圧との圧力比である高圧力比が２４〜２６となるようにし、前記低段圧縮機の吐出側に逆止弁を備えたことにある。
また、本発明の第２の態様は、作動ガスとしてヘリウムガスを使用した空冷式ヘリウム用圧縮機ユニットと負荷側冷凍機とを備えたヘリウム液化用冷凍装置において、前記空冷式ヘリウム用圧縮機ユニットは、ヘリウムガスを低圧から中間圧に昇圧する低段圧縮機を有する低段圧縮機ユニットと、前記低段圧縮機で中間圧に圧縮されたヘリウムガスを中間圧から高圧に昇圧する高段圧縮機を有する高段圧縮機ユニットと備え、前記負荷側冷凍機はヘリウムガス予冷却用冷凍機と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とを備え、前記低段圧縮機の行程容積と前記高段圧縮機の工程容積とを同一に設定すると共に、前記低段圧縮機及び前記高段圧縮機のインバータ用電動機を同一に設定し、前記低段圧縮機及び前記高段圧縮機を１台のインバータにて同一回転数で駆動制御し、前記低段圧縮機及び前記高段圧縮機のスクロールラップ部の設定容積比が２．１〜２．４の同一のスクロール歯形形状を有し、前記低段圧縮機の運転圧力比を９〜１１に設定すると共に前記高段圧縮機の運転圧力比を２．３〜２．８に設定して、高圧と低圧との圧力比である高圧力比が２４〜２６となるようにし、前記低段圧縮機の吐出側で且つ前記ヘリウムガス予冷却用冷凍機から前記高段圧縮機に至る配管より低段圧縮機側に逆止弁を備え、前記低段圧縮機の吐出側で且つ前記逆止弁より低段圧縮機側から前記低段圧縮機の吸入側にバイパスするバイパス配管を備え、そのバイパス配管の途中に流量調整機能を有する減圧弁手段を備えたことにある。

また、本発明の第３の態様は、作動ガスとしてヘリウムガスを使用し、ヘリウムガスを低圧から中間圧に昇圧する低段圧縮機を有する低段圧縮機ユニットと、前記低段圧縮機で中間圧に圧縮されたヘリウムガスを中間圧から高圧に昇圧する高段圧縮機を有する高段圧縮機ユニットと備え、ヘリウムガス予冷却用冷凍機と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とからなる負荷側冷凍機にヘリウムガスを供給する空冷式ヘリウム用圧縮機ユニットにおいて、前記低段圧縮機の行程容積と前記高段圧縮機の工程容積とを同一に設定すると共に、前記低段圧縮機及び前記高段圧縮機のインバータ用電動機を同一に設定し、前記低段圧縮機及び前記高段圧縮機を１台のインバータにて同一回転数で駆動制御し、前記低段圧縮機及び前記高段圧縮機のスクロールラップ部の設定容積比が２．１〜２．４の同一のスクロール歯形形状を有し、前記低段圧縮機の運転圧力比を９〜１１に設定すると共に前記高段圧縮機の運転圧力比を２．３〜２．８に設定して、高圧と低圧との圧力比である高圧力比が２４〜２６となるようにし、前記低段圧縮機の吐出側で且つ前記ヘリウムガス予冷却用冷凍機から前記高段圧縮機に至る配管より低段圧縮機側に逆止弁を備え、前記低段圧縮機の吐出側で且つ前記逆止弁より低段圧縮機側から前記低段圧縮機の吸入側にバイパスするバイパス配管を備え、そのバイパス配管の途中に流量調整機能を有する減圧弁手段を備えたことにある。

本発明によれば、ヘリウムガスを低圧から中間圧に昇圧する低段圧縮機及び中間圧から高圧に昇圧する高段圧縮機を備え、低段圧縮機の行程容積を前記高段圧縮機の工程容積と同一に設定したので、各圧縮機の運転圧力比を従来機に対して約半分の圧力比に設定することができ、圧縮室間の内部漏れ低減による体積効率の向上を図ることができると共に、各圧縮機を同一に製造できることで各圧縮機を安価に製造できる。さらには、各圧縮機の工程容積と同一に設定したことにより、圧縮機内蔵のインバータ用電動機も同一品を使用することができ、１つのインバータにて２つの圧縮機を同時に回転数制御することができることとなり、両圧縮機の能力制御性が簡便・容易となると共に、冷凍負荷が小さい場合には、低い運転周波数とすることができ、大幅な省エネルギーを達成することができる。

以下、参考例及び本発明の複数の実施形態について図を用いて説明する。参考例及び各実施形態の図における同一符号は同一物または相当物を示す。
（参考例）
参考例を図１から図１１を用いて説明する。

参考例のヘリウム液化用冷凍装置５０の全体構成・機能に関して図１および図２を参照しながら説明する。図１は参考例のヘリウム液化用冷凍装置５０の全体構成を示す図、図２は参考例の圧縮機ユニット２５８の構成を示す図である。

図１に示すように、ヘリウム液化用冷凍装置５０は、作動ガスとしてヘリウムガスを使用した空冷式ヘリウム用圧縮機ユニット２５８と負荷側冷凍機２５９とを備えて構成されている。

圧縮機ユニット２５８は、ヘリウムガスを低圧から中間圧に昇圧する低段圧縮機１００（図２参照）を有する低段圧縮機ユニット１１００と、低段圧縮機１００で中間圧に圧縮されたヘリウムガスを中間圧から高圧に昇圧する高段圧縮機２００（図２参照）を有する高段圧縮機ユニット１２００と備えて構成されている。

負荷側冷凍機２５９は、ヘリウムガス予冷却用冷凍機３００、４００と、ジュールトムソン弁２６０と、該ジュールトムソン弁２６０から流下した液化ヘリウムを溜めるヘリウム容器５００とを備えて構成されている。

圧縮機ユニット２５８及び負荷側冷凍機２５９を構成する機器の間を接続する配管は、ヘリウム容器５００から低段圧縮機１００に至る低圧配管６００と、低段圧縮機ユニット１１００から高段圧縮機ユニット１２００及び予冷却用冷凍機３００、４００から高段圧縮機ユニット１２００に至る中間圧配管６５０、８２０、８６０、８３０、７００と、高段圧縮機ユニット１２００から予冷却用冷凍機３００、４００及びジュールトムソン弁へ至る高圧配管７７３とから成っている。

低段圧縮機１００と高段圧縮機２００とを直列・シリーズに設置すると共に、低段圧縮機１００の行程容積Ｖｔｈおよび設定容積比Ｖｒと高段圧縮機２００の行程容積Ｖｔｈおよび設定容積比Ｖｒとをそれぞれ同一のものとしている。

冷凍機３００、４００は、高段圧縮機ユニット１２００の吸入側配管である中間圧配管７００と吐出側配管である高圧配管７５０との間に接続されている。ヘリウム容器５００は、低段圧縮機ユニット１１００の吸入側配管である低圧配管６００と高圧配管７５０との間に接続されている。７８０は冷凍機３００の流出側配管８２０と冷凍機４００の流出側配管８６０との配管８３０への合流点である。８３２は低段圧縮機ユニット１１００の吐出側配管である中間圧ガス配管６５０と配管８３０との中間圧配管７００への合流点である。７６０は配管７５０から冷凍機３００の流入側配管８００と冷凍機４００及びヘリウム容器５００の流入側配管７５６への分岐点である。７７０は配管７５６から冷凍機４００の流入側配管８５０とヘリウム容器５００の流入側配管７７３への分岐点である。

係る構成とすることにより、例えば、行程容積Ｖｔｈ＝１５０ＣＣ／ｒｅｖを有するスクロールラップ形状を適用した場合、運転周波数として７５Ｈｚにおいて、低段圧縮機１００を循環するヘリウムガス流量はＧｓ＝３０Ｎｍ^３／ｈとなり、高段圧縮機２００を循環するヘリウムガス流量はＧｈ＝３００Ｎｍ^３／ｈとなる。流量比・能力比として、Ｇｈ／Ｇｓ＝１０前後となるように設定する。従来の単一の圧縮機を用いた例で、ヘリウムガス流量Ｇｓ_１＝１５Ｎｍ^３／ｈを確保する場合にはＧｈ／Ｇｓ_１＝２０の高い比率となる。参考例では、低段圧縮機１００に高段圧縮機２００の行程容積、例えばＶｔｈ＝１５０ＣＣ／ｒｅｖの同一品を適用するものであり、これにより、流量比がより小さくなり、両圧縮機の動力負荷の差を小さくすることができる。また、高段圧縮機２００の負荷を軽減できるものである。そのことが、後述する図１０に示すように、装置全体として省エネ化が図れるものとなる。

図２に示すように、低段圧縮機ユニット１１００は、低段圧縮機１００、油冷却器３３、絞り部２７１、冷却器６５１、油分離手段６５２を主要構成要素として構成されている。また、高段圧縮機ユニット１２００として、高段圧縮機２００、油冷却器３３３、絞り部２７１１、冷却器７５３、油分離手段７５４を主要構成要素として構成されている。

インバータ９００は、圧縮機ユニット２５８外に設置されてもよいし、圧縮機ユニット２５８内に設置されてもよい。１台のインバータ９００にて２台の圧縮機１００，２００を駆動して同一の運転周波数による回転数制御ができるものである。同一のヘリウム用圧縮機であり、これに収納するインバータ用電動機３ａ，３ｂも同一品であり、インバータ制御機能（運転周波数、二次電圧関係等）が単一化できる。

参考例では、上記したように、ヘリウム液化用冷凍装置５０において、低圧Ｐｓ１から中間圧Ｐｄ１に昇圧する低段圧縮機１００と中間圧Ｐｄ１から高圧Ｐｄ２に昇圧する高段圧縮機２００の両方の圧縮機の行程容積Ｖｔｈを、例えば１５０ＣＣ／ｒｅｖという大きさの同一値に設定しものである。

低段圧縮機１００から吐出されたヘリウムガスは、空冷式冷却器６５１と油分離器６５２を経由し、高段圧縮機２００の吸入配管７００に至り、さらに、該圧縮機２００から高圧の吐出圧力Ｐｄ２となり、吐出管２０から空冷式冷却器７５２に至る。該冷却器７５２からのヘリウムガスは、油分離器７５３さらにアドゾーバ（油吸着器）７５４を経由して、外部の冷凍機３００，４００、及びヘリウム容器５００に移動する。

次にヘリウムガスは、ヘリウム冷凍機３００、４００で適宜に断熱膨張された後、再び配管８２０，８３０及び８６０にて、吸入ガスとして高段圧縮機２００に戻る。また、ヘリウム容器５００からのヘリウムガスは、配管６００にて、吸入ガスとして低段圧縮機１００に戻る。なお、両圧縮機１００、２００は、１つのインバータ９００にて駆動する。これにより、２つの圧縮機１００、２００の回転数を同じに設定するもので、冷凍負荷の能力制御がバランスよくできるという効果がある。冷凍機側の負荷が変わっても、Ｇｈ／Ｇｓの流量比が常時同一に設定できるもので、このように、参考例では、１台のインバータで運転圧力条件の異なる２台の圧縮機を同時運転することを特徴とするものである。９８０は電源で、３９０（３９０ａ，３９０ｂ）は電源線である。

次に、図３から図９を参照しながら、低段圧縮機ユニット１１００の構成、機能に関して説明する。図３は参考例における低段圧縮機ユニット１１００を示す図である。図３では、縦形構造の注油式密閉形スクロール圧縮機を低段圧縮機１００として用いた例であり、低段圧縮機１００の部分を縦断面して示す。図４は図３の低段圧縮機１００の固定スクロール５の平面図、図５は図４の固定スクロール５の縦断面図、図６は図３の低段圧縮機１００の旋回スクロール６の平面図、図７は図６の旋回スクロール６の縦断面図、図８は低段圧縮機１００または高段圧縮機２００の正面図、図９は図８の平面図である。なお、低段圧縮機ユニット１１００で以下に説明する構成及び機能は高段圧縮機ユニット１２００でも基本的には同一であるため、重複する説明を省略する。

図３に示すように、低段圧縮機ユニット１１００では、作動ガスがヘリウムガスであり、作動ヘリウムガスを冷却するための油インジェクション管３１を密閉容器１の蓋キャップ２ａに貫通して固定スクロール５の鏡板部５ａに設けた油注入用ポート２２に接続している。油注入用ポート２２の開口部は、旋回スクロール６のラップ６ｂの歯先面に対向して開口している。密閉容器１内に、スクロール圧縮機部２５０が上側に、電動機部３が下側に収納されている。電動機部３はインバータ用電動機で構成され、運転周波数として３０Ｈｚから１００Ｈｚまで回転数を可変可能な特性を備えている。そして、密閉容器１内は、フレーム７を挟んで、吐出室１ａと電動機室１ｂとに区画されている。スクロール圧縮機部２５０は、固定スクロール５と旋回スクロール６を互いに噛み合せて圧縮室（密閉空間）８を形成している。

図４及び図５に示すように、固定スクロール５は、円板状の鏡板５ａと、これに直立しインボリュート曲線あるいはこれに近似の曲線に形成されたラップ５ｂとからなり、その中心部に吐出口１０、外周部に吸入口１５（１５ａ，１５ｂ）を備えている。

図６及び図７に示すように、旋回スクロール６は、円板状の鏡板６ａと、これに直立し、固定スクロール５のラップ５ｂと同一形状に形成されたラップ６ｂと、鏡板の反ラップ面に形成されたボス部６ｃとからなっている。

図３に戻って、フレーム７の中央部に軸受部である主軸受４０が備えられ、この主軸受４０に回転軸１４が支承され、回転軸１４の先端に偏心軸１４ａが設けられている。偏心軸１４ａはボス部６ｃに旋回運動が可能なように挿入されている。固定スクロール５はフレーム７に複数本のボルト８１によって固定されている。旋回スクロール６は、オルダムリングおよびオルダムキーよりなるオルダム機構３８によってフレーム７に支承され、固定スクロール５に対して自転しないで旋回運動をするように形成されている。回転軸１４には、圧縮機部２５０と反対方向に延びる電動機軸１４ｂが一体に設けられ、電動機軸１４ｂには電動機部３が直結されている。

固定スクロール５の吸入口１５には密閉容器１を貫通して吸入管１７が接続されている。吐出口１０が開口している吐出室１ａは、通路１８ａ，１８ｂを介して、電動機室１ｂと連通している。この電動機室１ｂは密閉容器中央部のケ−シング部２ｂを貫通する吐出管２０に連通している。また、電動機３の上側の電動機室１ｂ１は、電動機ステータ３ａとケーシング２ｂの側壁との間の隙間２５（２５ｂ、２５Ｃ）および電動機ステータ３ａと電動機ロータ３ｂとの隙間２６を介して、電動機３の下側の電動機室１ｂ２と連通している。

吸入管１７と固定スクロール５との間には高圧部と低圧部とをシールするＯリング５３が設けられている。また、吸入管１７内には逆止弁１３が設けられている。逆止弁１３は圧縮機停止時の回転軸１４の逆転を防止すると共に、密閉容器１内の潤滑油が低圧側に流出するのを防止するために設けられている。

旋回スクロール６の鏡板６ａの背面には、スクロール圧縮機部２５０とフレーム７で囲まれた空間３６（以下背圧室と呼ぶ）が形成されている。この背圧室３６には、旋回スクロール６の鏡板６ａに穿設した細孔６ｅ、６ｆ（図６参照）を通して、吸入圧力Ｐｓ１と吐出側の圧力Ｐｄ１との中間の圧力Ｐｂ１が導入される。これにより、旋回スクロール６を固定スクロール５に押付ける軸方向の付与力を与えられる。

潤滑油２３は密閉容器１の底部に溜められている。この潤滑油２３は、密閉容器１内の高圧圧力Ｐｄ１と上記背圧室３６の中間圧力Ｐｂ１との差圧により油吸上管２７へ吸上げられた後、回転軸１４の給油孔１４ｃ内を流れ、旋回軸受３２、主軸受４０および補助軸受３９へ給油される。旋回軸受３２及び主軸受４０へ給油された油は、背圧室３６を経て、穴６ｅ、６ｆを通してスクロールラップの圧縮室８へ注入され、圧縮ガスと混合されて吐出ガスと共に吐出室１ａへ吐出される。なお、主軸受の円筒コロ主軸受４０への給油差圧が確保されるため、軸受４０の冷却作用を促進させ、ヘリウム圧縮機の性能向上に伴う軸受荷重の低減効果との相乗作用により円筒コロ主軸受４０の寿命を大幅に延長することができる。また、軸受部３２、４０、３９への給油が確実となり、圧縮機の信頼性が向上できる。密閉容器１の底部には、該底部の潤滑油２３を器外へ取出す油取り出し管３０が設けられている。また、密閉容器１の蓋キャップ部２ａには、スクロール圧縮機部２５０の圧縮途中の圧縮室８へ油を注入する油インジェクション管３１が設けられている。

上記構成により、電動機ロータ３ｂに直結した電動機軸１４ｂが回転して偏心軸１４ａが偏心回転すると、旋回軸受３２を介して旋回スクロール６は旋回運動を行う。この旋回運動により、圧縮室８は次第に中心に移動して容積が減少する。作動ガスは、吸入管１７から吸入口１５（１５ａ，１５ｂ）を経て吸入室５ｆへ入り、軸受及び細穴６ｄ，６ｅを経由した油と前記油注入用ポート２２から注入された油と混合されて圧縮室８で圧縮され、吐出口１０から吐出室１ａへ吐出される。

吐出された作動ガスと油の混合体は通路１８ａ，１８ｂを通って電動機室１ｂへ流入する。図３の実線の矢印は作動ガスの流れを、破線の矢印は油の流れをそれぞれ示している。狭い通路１８ａ，１８ｂから広い空間の電動機室１ｂに流入した作動ガスと油は、その流速が急激に低下し、かつ流れ方向が変更するため、作動ガス中に含まれる油の大部分が分離され、作動ガスは吐出管２０から流出し、油は下方に落ちて密閉容器１底部に留まる。

密閉容器１の底部に溜められた潤滑油２３は、密閉容器１内の圧力（吐出圧力Ｐｄ１）と圧縮室８の圧力（吐出圧力Ｐｄ１以下の圧力）との差圧によって、油取り出し管３０の流入部３０ａから油取り出し管３０内に流入していく。油取り出し管３０内へ流入した油は、外部油配管３６ａを通って空冷式油冷却器３３へ至り、ここで適宜冷却された後、油インジェクション管３６ｂ、３１および油注入用ポート２２を経て圧縮室８へ注入される。２７１は油流量調節弁である。この様にして圧縮室８へ注入された油は、該圧縮室８内において作動ガスの冷却およびスクロールラップ先端部等の摺動部を潤滑する役目を果す。

スクロール圧縮機１００，２００は、次の式（１）に示すスクロールラップ部の設定容積比Ｖｒが２．１〜２．４の同一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５及び旋回スクロール６を備えたことを特徴とするものである。

Ｖｒ＝（２λ１−４π＋α）／（２λｓ＋２π＋α） … （１）
ここで、λ１：ラップ巻き終り角度（インボリュート伸開角）、λＳ：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εｔｈとスクロールラップの基礎円半径ａの比（＝εｔｈ／ａ）である。

設定容積比Ｖｒとは、最大吸い込み容積となる行程容積Ｖｔｈを圧縮室８の吐出行程直前の最内室の容積Ｖｄで除した値である。特に、その中でも、もっとも効果のあるスクロール圧縮機として、両方の圧縮機１００，２００に共通して、スクロールラップ部の設定容積比Ｖｒを２．３のスクロール歯形形状に設定するものである。具体的なスクロールラップ形状としては、図６に示すように、ランプ終端部（先端部）の位置６ｍが、ラップ巻き始め角度λ１となり、ラップ中央部（先端部）の６ｐの位置が上記ラップ巻き始め角度λＳとなる。

図６において、６５はインボリュート曲線で、ａ点が始点（λＳ）となる。ｄ点とｃ点を結ぶ曲線６７は内側円弧曲線で、先端部はａ点とｃ点とをなめらかな円弧曲線６６にて結んでいる。ｄ点より外側の曲線６８は、インボリュート曲線である。歯溝寸法（図６のＤｔ寸法）は次の式（２）で与えられる。

Ｄｔ＝２×εｔｈ＋ｔ … （２）
Ｖｒ＝２．３仕様のスクロールスクロールラップ形状例の場合、そのラップ巻き始め角度（ａ点）はおよそλｓ＝２．０ｒａｄとなる。ｆ点及びｇ点がラップ巻き終り部の点となる。角度にして、ｆ点の位置となる、例えば、インボリュート伸開角λ１＝１９．３ｒａｄとなる。曲線６９は円弧形状であり、点ｆと点ｇを滑らかに結んでいる。

次に、図１０を参照しながら、圧縮機入力について説明する。図１０は参考例における中間圧力Ｐｄ１及び中間圧力比Ｐｄ１／Ｐｓ１に対する圧縮機入力の特性図である。

空冷式冷却器を備えた２つのヘリウム用スクロール圧縮機ユニットにおいては、高圧圧力は、前記したように、例えばＰｄ２＝２．４ＭｐａＧ（約２４ｋｇ／ｃｍ^２Ｇ）の条件となる。図１０から、ヘリウム液化冷凍装置の圧力条件、例えば、Ｐｓ１＝０．０１ＭｐａＧ（約０．１ｋｇ／ｃｍ２Ｇ）、Ｐｄ２＝２．４ＭｐａＧ（約２４ｋｇ／ｃｍ２Ｇ）の条件において、圧縮機の入力の面で、中間圧力Ｐｄ１の最適範囲は０．８ＭｐａＧから１．０ＭｐａＧとなる。圧力比としては、低圧Ｐｓ１から中間圧Ｐｄ１に昇圧する低段圧縮機１００の運転圧力比として主にＰｄ１／Ｐｓ１＝９〜１１となるものである。一方、中間圧Ｐｄ１から高圧Ｐｄ２に昇圧する高段圧縮機２００の運転圧力比としてＰｄ２／Ｐｄ１＝２．３〜２．８となる。低段圧縮機となるヘリウム用スクロール圧縮機１００の入力値は、行程容積１５０ＣＣ／ｒｅｖで運転周波数６５Ｈｚにおいては、Ｗ１＝約５．８ｋＷとなる。また、高段圧縮機となるヘリウム用スクロール圧縮機２００の入力値は、行程容積１５０ＣＣ／ｒｅｖで運転周波数６５Ｈｚにおいては、Ｗ２＝約１６．５ｋＷとなる。上記入力の比率Ｗ２／Ｗ１＝２７０〜２８０％と、高段圧縮機２００の入力が高くなる。

このため、装置全体として入力低減を図るためには、高段圧縮機のスクロールラップ形状を低圧力比条件に見合う省エネ性の高い設定容積比Ｖｒ＝２．１〜２．４に設定することが望ましい。このスクロールラップ形状の設定容積比Ｖｒ＝２．１〜２．４からずれると装置全体の入力が図１０に示すような増加傾向となり、高性能化を実現できない。参考例の運転圧力比の条件設定とすることにより、高圧と低圧の圧力比となる高圧力比２４〜２６を達成し、省エネ性の高い装置を提供することができる。その中で特にスクロールラップ形状の設定容積比Ｖｒ＝２．３に設定することが、性能面で実用的に有利となる。

次に、図１１及び図１２を参照しながら、ヘリウムガス流量について説明する。

図１１は参考例における中間圧力Ｐｄ１と低段圧縮機１００及び高段圧縮機２００のヘリウムガス流量Ｇｓ，Ｇｈとの関係を示す特性図である。なお、１点破線にてロータリタイプ圧縮機のヘリウムガス流量Ｇｓの特性を比較のために図示してあるが、これから明らかなように内部漏れの小さいスクロール圧縮機が有利である。

図１１に示すように、中間圧力Ｐｄ１を高く設定することにより、高段圧縮機２００のヘリウムガス流量Ｇｈは増加し、一方、低段圧縮機１００のヘリウムガス流量Ｇｓは漸減する。

冷凍機３００としては、容器壁に内蔵したＮ_２ガスシールド板用冷凍機またはＨｅガスの予冷用の冷凍機の例であり、冷却温度としては２０Ｋレベルとなる。一方、冷凍機４００としては、超電導磁石の冷却用の冷凍機の例であり、冷却温度としては４Ｋレベルとなる。これら両者３００、４００の冷凍負荷が運転周波数７５Ｈｚにおいて、中間圧力Ｐｄ１＝０．８ＭｐａＧ時で２８０Ｎｍ^３／ｈが必要能力の場合、中間圧力をＰｄ１＝０．８５ＭｐａＧに高く設定することにより、図１１のａ点からｂ点に能力増加ができることになる。その分、運転周波数を７５Ｈｚから６５Ｈｚに低下しても能力確保（ａ点）できる。

これらの作用を図１２を用いて説明する。図１２は参考例における運転周波数に対するヘリウムガス流量Ｇｈ，Ｇｓの関係を示す特性図である。図１２において、中間圧力Ｐｄ１の値をパラメータとして示し、中間圧力Ｐｄ１＝０．７ＭＰａＧ条件とＰｄ１＝０．８５ＭＰａＧ条件との能力を比較して示す。

点Ａから点Ｂへの状態変化は、高段圧縮機２００の行程容積Ｖｔｈを１５０ＣＣ／ｒｅｖで同一とし、中間圧力Ｐｄ１を０．７ＭＰａＧから０．８５ＭＰａＧに増加し、運転周波数を７５Ｈｚから６５Ｈｚに低下した場合を示す。また、点Ｃから点Ｄへの状態変化は、低段圧縮機１００の行程容積Ｖｔｈを１００ＣＣ／ｒｅｖから１５０ＣＣ／ｒｅｖに増加し、中間圧力Ｐｄ１を０．７ＭＰａＧから０．８５ＭＰａＧに増加し、運転周波数を７５Ｈｚから６５Ｈｚに低下した場合を示す。このように中間圧力Ｐｄ１を適切な範囲に増加させることにより、運転周波数を低させても、減点Ａを点Ｂの状態に同一能力を確保できると共に、点Ｃを点Ｄの状態に能力を増加できる。点Ａ（点Ｃ）の状態における圧縮機全体入力に対する点Ｂ（点Ｄ）の状態における圧縮機全体入力は、図１０に示すように、圧縮機１００，２００の回転数の低減効果等により５％前後の低減効果がある。なお、点Ｃを点Ｄの状態に運転状態が変更となることにより、低段圧縮機１００の能力余剰分が発生する。それは、図１５においてΔＧの記号で示している。この余剰冷凍能力は、通常の冷凍負荷に対して高くなる起動初期の冷凍負荷に供され、プルダウン運転時間の短縮が図れる。

参考例では、運転状態を点Ｂ（点Ｄ）から増速して従来の運転周波数（７５Ｈｚ）まで増速することにより、最大冷凍能力の点Ｅ、点Ｆの運転が可能となる。従来の能力でよい場合には、６５Ｈｚ／７５Ｈｚ＝８６％となり、約１４％の行程容積Ｖｔｈの低下、ひいては圧縮機の小型化が可能となる効果が得られる。

このように、適正な中間圧力Ｐｄ１に設定については、運転周波数のより低速化運転による圧縮機の入力低減効果、ヘリウム装置全体の入力低減化、及び液体ヘリウム容器全体の冷却効果が向上できるＧｓ流量の確保の観点から、上記の中間圧力Ｐｄ１を０．８ＭｐａＧから０．９５ＭｐａＧと設定することが望ましい。両方の圧縮機１００、２００の運転周波数を低下できることにより、主軸受部の転がり軸受の寿命が大きく伸張できる効果もある。

次に、図１３を参照しながら、停止状態から圧縮機１００、２００をインバータ９００にて駆動する際の制御方法について説明する。図１３は参考例における低段圧縮機１００及び高段圧縮機２００のヘリウムガス流量Ｇｓ，Ｇｈの運転周波数に対する変化を示す。

停止状態から圧縮機１１０、２００をインバータ９００にて駆動する際、最初から冷凍負荷に応じた周波数制御することではなく、先ず圧縮機１１０、２００の各部の温度を上昇させてある程度圧縮機内部に潤滑油がゆきわたるようにするため、起動初期には６０Ｈｚ運転を強制的に２０分〜４０分前後継続して運転することが圧縮機信頼性面でよい。インバータ駆動においては先ず最初に暖気運転を実施する運転パターンとするものである。その後に、冷凍負荷に応じて、能力制御・周波数制御するものである。図１３の（ａ）〜（ｆ）点は、各周波数におけるヘリウムガス流量を示す。上述したように、各周波数におけるＧｈ／Ｇｓは、１０前後となるように設定している。

以上説明したように、参考例によれば、次の作用効果を奏することができる。
（１）ヘリウム液化冷凍装置５０に２つの圧縮機１００、２００を直列に配置し、低圧から中間圧に昇圧する低段側圧縮機１００と、中間圧から高圧に昇圧する高段側圧縮機２００の２つを備え、かつ両方の圧縮機１００、２００の行程容積を同一に設定することにより、それぞれの運転圧力比を従来機に対して、約半分の圧力比に設定でき、圧縮室間の内部漏れ低減による体積効率の向上効果、液体ヘリウム容器内の超電導コイルへの冷却効果が向上できる。また、２つの圧縮機１００、２００を同一に設置・使用することで、生産性の向上が図れ、圧縮機ユニット２５８及び圧縮機１００、２００の製造コストも安価にできる効果がある。
（２）同一の圧縮機１００、２００を配置し、さらに内蔵したインバータ用電動機も同一品を使用することによって、１つのインバータ９００にて２つの圧縮機１００、２００を同時に回転数制御することができ、両圧縮機１００、２００の能力制御性が簡便・容易となる。また、冷凍負荷が小さい場合には、低い運転周波数とすることができ、大幅な省エネルギーを達成することができる。また、インバータ制御により、転がり軸受の長寿命化、ひいては、ヘリウム圧縮機１００、２００の長寿命化が達成できる。
（３）中間圧力の最適範囲に設定することにより、高段側圧縮機２００の小型化と該圧縮機２００の省エネ化、ひいては上記（２）項と関連して信頼性が大幅に向上できる。
（４）中間圧力の最適な設定により、高段側圧縮機２００の入力となる負荷低減効果を最大に発揮せしめ、その結果、装置全体として高圧力比に対して、高効率で高信頼性のヘリウム液化冷凍装置を提供できるものとなる。
（第１実施形態）
次に、本発明の第１実施形態について図１４を用いて説明する。図１４は本発明の第１実施形態のヘリウム液化用冷凍装置の全体構成を示す図である。この第１実施形態は、次に述べる点で参考例と相違するものであり、その他の点については参考例と基本的には同一であるので、重複する説明を省略する。

この第１実施形態では、低圧Ｐｓ１から中間圧Ｐｄ１に昇圧する低段圧縮機１００の吐出配管６６０に逆止弁手段を備え、吸入配管流路６００には電磁弁などの電動弁手段６１０を備えたものである。これは、冷凍サイクルの運転後に圧縮機１００、２００が停止した場合、冷凍サイクル全体が１つの圧力にバランスし、再起動時における低段圧縮機１００の起動を軽減するために上記弁手段６６０，６１０を設けるものである。

例えば、Ｐｓ１＝０．１ｋｇ／ｃｍ２Ｇ、Ｐｄ１＝９．０ｋｇ／ｃｍ２Ｇ、Ｐｄ２＝２４ｋｇ／ｃｍ２Ｇの圧力条件で圧縮機が停止した場合、そのバランス圧力ＰＢが１６〜２０ｋｇ／ｃｍ２Ｇと比較的に高い圧力レベルとなることがある。その高いバランス圧力から２つの圧縮機１００、２００が再起動した場合、低段圧縮機１００の吐出圧力Ｐｄ１がバランス圧力ＰＢより小さくなり、配管７００から配管６５０への逆流が生じることになる。これによって、低段圧縮機１００の起動初期の負荷トルクが増大することとなり、その分圧縮機入力が増加することとなる。これを解消するため、本実施形態では、吐出配管６６０に逆止弁手段６６０を備え、かつ吸入配管流路６００に電磁弁などの電動弁手段６１０を備えるものである。

なお、吸入配管流路６００の電動弁手段６１０を省いても、本発明の目的を妨げるものではない。また、低段圧縮機１００についてのみ、該圧縮機１００の吐出穴１０の上方部にリード弁タイプの逆止弁手段（図示せず）を付属させてもよい。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図１５を用いて説明する。図１５は本発明の第２実施形態のヘリウム液化用冷凍装置の全体構成を示す図である。この第２実施形態は、次に述べる点で第１実施形態と相違するものであり、その他の点については第１実施形態と基本的には同一であるので、重複する説明を省略する。

この第２実施形態では、低圧圧力Ｐｓ１から中間圧Ｐｄ１に昇圧する低段圧縮機１００の吐出配管６５０側から吸入配管６００側にバイパスする配管６４５を備え、そのバイパス配管６４５の途中に流量調整機能を有する減圧弁手段６６６を備えたものである。余剰となるヘリウムガス流量Ｇｓの一部をバイパスさせてもよい。該バイパスする配管６４５は、前記吐出配管６６０に設けた逆止弁手段６６０の下流側に分岐点６４４を備え、かつ吸入配管流路６００途中に設けた電動弁手段６１０の上流側の分岐点６４８を構成するものである。

参考例のヘリウム液化用冷凍装置の全体構成を示す図である。図１の圧縮機ユニットの構成を示す図である。参考例における低段圧縮機ユニットを示す図である。図３の低段圧縮機の固定スクロールの平面図である。図４の固定スクロールの縦断面図である。図３の低段圧縮機の旋回スクロールの平面図である。図６の旋回スクロールの縦断面図である。参考例の低段圧縮機または高段圧縮機の正面図である。図８の平面図である。参考例における中間圧力及び中間圧力比に対する圧縮機入力の特性図である。参考例における中間圧力及び運転周波数に対するヘリウムガス流量の特性図である。参考例における運転周波数に対するヘリウムガス流量の関係を示す特性図である。圧縮機を停止状態からインバータにて駆動する際の参考例における制御方法を説明する図である。本発明の第１実施形態のヘリウム液化用冷凍装置の全体構成を示す図である。本発明の第２実施形態のヘリウム液化用冷凍装置の全体構成を示す図である。

符号の説明

１…密閉容器、１ａ…吐出室、１ｂ…電動機室、３…電動機部、３ａ…電動機ステータ、３ｂ…電動機ロータ、５…固定スクロール、５ａ…固定スクロール鏡板、５ｂ…ラップ、５ｆ…吸入室、６…旋回スクロール、６ａ…旋回スクロール鏡板、６ｂ…ラップ、６ｃ…ボス部、６ｐ…旋回スクロール中央先端部、７…フレーム、８…圧縮室、１０…吐出口、１３…逆止弁、１４…回転軸、１４ａ…偏心軸、１４ｂ…電動機軸、１５…吸入口、１７…吸入管、１８ａ，１８ｂ…通路、２０…吐出管、２２…ポート、２３…潤滑油、２７…油吸上管、３０…油取り出し管、３０ａ…流入部、３１…油インジェクション管、３２…旋回軸受、３３…油冷却器、３６…油配管、３８…オルダム機構、３９…軸受部（補助軸受）、４０…軸受部（主軸受）、５０…ヘリウム液化用冷凍装置、５３…Ｏリング、２５０…圧縮機部、２５８…空冷式ヘリウム用圧縮機ユニット、２５９…負荷側冷凍機、２６０…ジュールトムソン弁、２７１…絞り部、３００、４００…冷凍機、５００…ヘリウム容器、６００…吸入配管、６５１…ガスと油の冷却器、６５２…油分離手段、７００…吸入配管、７５２…ガスと油の冷却器、７５３…油分離手段、７５４…アドゾーバ（油吸着器）、９００…インバータ、１１００，１２００…圧縮機ユニット。

Claims

作動ガスとしてヘリウムガスを使用した空冷式ヘリウム用圧縮機ユニットと負荷側冷凍機とを備えたヘリウム液化用冷凍装置において、
前記空冷式ヘリウム用圧縮機ユニットは、ヘリウムガスを低圧から中間圧に昇圧する低段圧縮機を有する低段圧縮機ユニットと、前記低段圧縮機で中間圧に圧縮されたヘリウムガスを中間圧から高圧に昇圧する高段圧縮機を有する高段圧縮機ユニットと備え、
前記負荷側冷凍機はヘリウムガス予冷却用冷凍機と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とを備え、
前記低段圧縮機の行程容積と前記高段圧縮機の工程容積とを同一に設定すると共に、
前記低段圧縮機及び前記高段圧縮機のインバータ用電動機を同一に設定し、
前記低段圧縮機及び前記高段圧縮機を１台のインバータにて同一回転数で駆動制御し、
前記低段圧縮機及び前記高段圧縮機のスクロールラップ部の設定容積比が２．１〜２．４の同一のスクロール歯形形状を有し、
前記低段圧縮機の運転圧力比を９〜１１に設定すると共に前記高段圧縮機の運転圧力比を２．３〜２．８に設定して、高圧と低圧との圧力比である高圧力比が２４〜２６となるようにし、
前記低段圧縮機の吐出側に逆止弁を備えたことを特徴とするヘリウム液化用冷凍装置。
作動ガスとしてヘリウムガスを使用した空冷式ヘリウム用圧縮機ユニットと負荷側冷凍機とを備えたヘリウム液化用冷凍装置において、
前記空冷式ヘリウム用圧縮機ユニットは、ヘリウムガスを低圧から中間圧に昇圧する低段圧縮機を有する低段圧縮機ユニットと、前記低段圧縮機で中間圧に圧縮されたヘリウムガスを中間圧から高圧に昇圧する高段圧縮機を有する高段圧縮機ユニットと備え、
前記負荷側冷凍機はヘリウムガス予冷却用冷凍機と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とを備え、
前記低段圧縮機の行程容積と前記高段圧縮機の工程容積とを同一に設定すると共に、
前記低段圧縮機及び前記高段圧縮機のインバータ用電動機を同一に設定し、
前記低段圧縮機及び前記高段圧縮機を１台のインバータにて同一回転数で駆動制御し、
前記低段圧縮機及び前記高段圧縮機のスクロールラップ部の設定容積比が２．１〜２．４の同一のスクロール歯形形状を有し、
前記低段圧縮機の運転圧力比を９〜１１に設定すると共に前記高段圧縮機の運転圧力比を２．３〜２．８に設定して、高圧と低圧との圧力比である高圧力比が２４〜２６となるようにし、
前記低段圧縮機の吐出側で且つ前記ヘリウムガス予冷却用冷凍機から前記高段圧縮機に至る配管より低段圧縮機側に逆止弁を備え、
前記低段圧縮機の吐出側で且つ前記逆止弁より低段圧縮機側から前記低段圧縮機の吸入側にバイパスするバイパス配管を備え、
そのバイパス配管の途中に流量調整機能を有する減圧弁手段を備えたことを特徴とするヘリウム液化用冷凍装置。
作動ガスとしてヘリウムガスを使用し、ヘリウムガスを低圧から中間圧に昇圧する低段圧縮機を有する低段圧縮機ユニットと、前記低段圧縮機で中間圧に圧縮されたヘリウムガスを中間圧から高圧に昇圧する高段圧縮機を有する高段圧縮機ユニットと備え、ヘリウムガス予冷却用冷凍機と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とからなる負荷側冷凍機にヘリウムガスを供給する空冷式ヘリウム用圧縮機ユニットにおいて、
前記低段圧縮機の行程容積と前記高段圧縮機の工程容積とを同一に設定すると共に、
前記低段圧縮機及び前記高段圧縮機のインバータ用電動機を同一に設定し、
前記低段圧縮機及び前記高段圧縮機を１台のインバータにて同一回転数で駆動制御し、
前記低段圧縮機及び前記高段圧縮機のスクロールラップ部の設定容積比が２．１〜２．４の同一のスクロール歯形形状を有し、
前記低段圧縮機の運転圧力比を９〜１１に設定すると共に前記高段圧縮機の運転圧力比を２．３〜２．８に設定して、高圧と低圧との圧力比となる高圧力比を２４〜２６とし、
前記低段圧縮機の吐出側で且つ前記ヘリウムガス予冷却用冷凍機から前記高段圧縮機に至る配管より低段圧縮機側に逆止弁を備え、
前記低段圧縮機の吐出側で且つ前記逆止弁より低段圧縮機側から前記低段圧縮機の吸入側にバイパスするバイパス配管を備え、
そのバイパス配管の途中に流量調整機能を有する減圧弁手段を備えたことを特徴とする空冷式ヘリウム用圧縮機ユニット。