JP6207430B2 - オイルセパレータ - Google Patents

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Description

本発明はオイルセパレータに関し、特に圧縮機で用いられるオイルセパレータに関する。
ギフォード・マクマホン式(GM)冷凍機、パルスチューブ冷凍機、スターリング冷凍機、およびソルベー冷凍機等の極低温冷凍機は、冷却対象物を、100K(ケルビン)程度の低温から4Kの極低温までの範囲で冷却することができる。そのような冷凍機は、超伝導磁石や検出器等の冷却、クライオポンプ等に用いられている。冷凍機には、冷凍機において冷媒ガスとして使用されるヘリウムガスを圧縮するための圧縮機が付随する。
圧縮機の中には、冷媒ガスの圧縮熱による発熱を冷却したり、圧縮機を潤滑したりするためにオイルを用いるものが存在する。このような圧縮機は、圧縮機内に適切な量のオイルが存在することが良好な動作をするために必要となる。
圧縮機内のオイル量を検出する技術のひとつとして、圧縮機内のオイルセパレータの油面高をフロートスイッチを用いて検出する技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2012−211763号公報
冷凍機の動作中、オイルは圧縮機内のいくつかの装置の間を循環するため、オイルセパレータの油面は、循環するオイルや装置の振動のために揺れる。これにより、油面高を正確に計測するのが難しく、オイルセパレータ内のオイル量を精度よく計測する技術が求められている。
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、オイルセパレータ内のオイル量を精度よく推定することができる技術を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明のある態様のオイルセパレータは、冷媒ガスに含まれるオイルを分離するフィルタエレメントと、フィルタエレメントが分離したオイルを蓄えるオイル吸収体と、オイル吸収体が蓄えているオイルの量に関連する指標を検出する検出部とを備える。
本発明によれば、オイルセパレータ内のオイル量に関連する指標を精度よく検出することができる。
本発明の実施の形態に係る蓄冷器式冷凍機用の圧縮機の内部構成を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態に係るオイルセパレータの内部構成の一例を模式的に示す図である。 図3(a)−(b)は、本発明の実施の形態に係る保持部の外観を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態に係るオイルセパレータの内部構成の別の例を模式的に示す図である。 図5(a)−(c)は、オイル吸収体の重量と、支持部の歪みとの関係を模式的に示す図である。 実施の形態に係るオイルセパレータの内部構成のさらに別の例を模式的に示す図である。
以下、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面における部材の寸法は、理解を容易にするために適宜拡大、縮小して示される。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。
図1を参照し、本発明の第1の実施の形態に係るオイルセパレータを備えた蓄冷器式冷凍機用圧縮機について説明する。また、実施の形態では、蓄冷器式冷凍機としてギフォード・マクマホン(Gifford-McMahon; GM)式冷凍機(以下、「GM冷凍機」という。)を用いた例について説明する。GM冷凍機は冷媒ガスとしてヘリウムガスを使用する。
図1は、本発明の実施の形態に係る蓄冷器式冷凍機用の圧縮機10の内部構成を模式的に示す図である。
圧縮機10は、圧縮カプセル11、水冷式熱交換器12、高圧配管13、低圧配管14、オイルセパレータ15、アドソーバ16、ストレージタンク17、およびバイパス機構18を含む。圧縮機10は、高圧フレキシブル配管22と低圧フレキシブル配管23とによりGM冷凍機30と接続される。圧縮機10は、GM冷凍機30から低圧フレキシブル配管23を介して戻ってくる低圧のヘリウムガスを圧縮カプセル11で昇圧し、高圧フレキシブル配管22を介して再びGM冷凍機30に供給する。
GM冷凍機30から戻ってくるヘリウムガスは、低圧フレキシブル配管23を介して先ずストレージタンク17に流入する。ストレージタンク17は、戻ってくるヘリウムガスに含まれる脈動を除去する。ストレージタンク17は比較的大きな容量を有しているため、ヘリウムガスをストレージタンク17内に導入することにより脈動を軽減または除去することができる。
ストレージタンク17で脈動が軽減または除去されたヘリウムガスは、低圧配管14に導出される。低圧配管14は圧縮カプセル11に接続されており、よってストレージタンク17において脈動が軽減または除去されたヘリウムガスは圧縮カプセル11に供給される。
圧縮カプセル11は、例えばスクロール方式あるいはロータリ式のポンプであり、低圧配管14のヘリウムガスを圧縮して昇圧する。圧縮カプセル11は、昇圧されたヘリウムガスを高圧配管13A(13)に送り出す。ヘリウムガスは圧縮カプセル11で昇圧される際、圧縮カプセル11内のオイルが若干混入した状態で高圧配管13A(13)に送り出される。
なお、高圧配管13は、圧縮機10からGM冷凍機30へ冷媒ガスが流れる冷媒ガス流路に相当する。
圧縮カプセル11は、オイルを用いて冷却を行う構成とされている。このため、オイルを循環させるオイル冷却配管33は、水冷式熱交換器12に含まれるオイル熱交換部26に接続される。また、オイル冷却配管33には、内部を流れるオイル流量を制御するオリフィス32が設けられている。
水冷式熱交換器12は、冷却水配管25に冷却水が循環するよう構成されている。水冷式熱交換器12は、圧縮カプセル11におけるヘリウムガスの圧縮の際に発生する熱(以下、「圧縮熱」という。)を圧縮機10の外部へ放出するための熱交換を実現する。水冷式熱交換器12は、オイル冷却配管33を流れるオイルの冷却処理を行うオイル熱交換部26と、昇圧されたヘリウムガスを冷却するガス熱交換部27と、を有している。
オイル熱交換部26は、オイルが流れるオイル冷却配管33の一部26Aと、冷却水が流れる第1冷却水配管34とを備え、それらの配管の間で熱交換が行われるよう構成される。圧縮カプセル11からオイル冷却配管33へ排出されるオイルは圧縮熱により高温となっている。そのような高温のオイルがオイル熱交換部26を通過すると、熱交換によりオイルの熱が冷却水に移送され、オイル熱交換部26を出るオイルの温度はオイル熱交換部26に入るオイルの温度よりも低くなる。すなわち、圧縮熱はオイル冷却配管33を流れるオイルを介して冷却水に移送され、外部に排出される。
ガス熱交換部27は、高圧のヘリウムガスが流れる高圧配管13Aの一部27Aと、冷却水が流れる第2冷却水配管36と、を有する。ガス熱交換部27において、オイル熱交換部26と同様に、圧縮熱は高圧配管13A(13)内を流れるヘリウムガスを介して冷却水に移送され、外部に排出される。
第1冷却水配管34と第2冷却水配管36とは直列に接続される。第1冷却水配管34の一端は水冷式熱交換器12の冷却水受け入れポート12Aとして機能する。第1冷却水配管34の他端は第2冷却水配管36の一端と接続される。第2冷却水配管36の他端は水冷式熱交換器12の冷却水排出ポート12Bとして機能する。
圧縮カプセル11で昇圧され、ガス熱交換部27で冷却されたヘリウムガスは、高圧配管13A(13)を介してオイルセパレータ15に供給される。オイルセパレータ15ではヘリウムガスに含まれるオイルが分離されると共に、オイルに含まれる不純物や塵埃も除去される。オイルセパレータ15が分離したオイルは、オイルセパレータ15に一時的に蓄えられる。なお、オイルセパレータ15の詳細は後述する。
オイルセパレータ15でオイル除去が行われたヘリウムガスは、高圧配管13B(13)を介してアドソーバ16に送られる。アドソーバ16は例えば活性炭等を含み、ヘリウムガスに含まれる特に気化したオイル成分を吸着して除去する。そして、アドソーバ16において気化したオイル成分が除去されると、ヘリウムガスは高圧フレキシブル配管22に導出され、これによりGM冷凍機30に供給される。
バイパス機構18は、バイパス配管19、高圧側圧力検出装置20、およびバイパス弁21を有する。バイパス配管19は、高圧配管13Bと低圧配管14とを連通する配管である。高圧側圧力検出装置20は、高圧配管13B内のヘリウムガスの圧力(以下、「高圧側圧力」という。)を検出する。バイパス弁21は、バイパス配管19を開閉する電動弁装置である。また、バイパス弁21は常閉弁とされているが、高圧側圧力検出装置20により駆動制御される構成とされている。
具体的には、高圧側圧力検出装置20がオイルセパレータ15からアドソーバ16に至るヘリウムガスの圧力(すなわち、高圧側圧力)が既定圧力以上になったことを検出した際、バイパス弁21は高圧側圧力検出装置20に駆動されて開弁される構成とされている。これにより、既定圧力以上のヘリウムガスがGM冷凍機30に供給される可能性が低減される。
オイル戻り配管24は、高圧側がオイルセパレータ15に接続されており、低圧側が低圧配管14に接続されている。また、オイル戻り配管24の途中には、オイルセパレータ15で分離されたオイルに含まれる塵埃を除去するフィルタ28と、オイルの戻り量を制御するオリフィス29が設けられている。
このように、圧縮カプセル11で用いられるオイルの一部は高圧配管13A(13)を介してオイルセパレータ15に運ばれ、オイル戻り配管24を介して再び圧縮カプセル11に戻る。すなわち、圧縮カプセル11で用いられるオイルは、圧縮機10内において圧縮カプセル11、高圧配管13A(13)、オイルセパレータ15、およびオイル戻り配管24を通る循環経路を循環する。さらに、循環経路を通るオイルの一部はアドソーバ16で除去され、循環経路の外部に出る。
図2は、実施の形態に係るオイルセパレータ15の内部構成の一例を模式的に示す図である。図2に示すオイルセパレータ15は、オイルセパレータ本体41、フィルタエレメント42、オイル吸収体43、支持部44、および検出部50を備える。
オイルセパレータ本体41は円筒形状の容器である。オイルセパレータ本体41は、フィルタエレメント42、オイル吸収体43、および支持部44を収容する。フィルタエレメント42は、高圧配管13Aを通過したヘリウムガスに含まれるオイルを分離すると共に、オイルに含まれる不純物や塵埃も除去する。フィルタエレメント42が分離したオイルは、フィルタエレメント42の下部に配置されているオイル吸収体43によって吸収され、一時的に蓄えられる。
オイル吸収体43は、多孔質の素材からなるスポンジ状部材である。オイル吸収体43は支持部44によって支持される。支持部44は、オイル吸収体43をオイルセパレータ本体41の中間に保持するとともに、オイル吸収体43から徐々に流出するオイルを流す開口部が設けられている。オイル吸収体43に蓄えられたオイルは、オイルセパレータ本体41の下部に接続されたオイル戻り配管24を介して、圧縮カプセル11に戻される。
図2に示すように、オイルセパレータ本体41は、オイル吸収体43によって、オイルセパレータ本体41の外部から冷媒ガスが流入する上部領域47aと、分離したオイルをオイルセパレータ本体41の外部に排出させる下部領域47bとに隔てられる。上部領域47aは高圧のヘリウムガスが流れる高圧配管13Aと接続されており、下部領域47bはオイル戻り配管24を介して低圧配管14と接続されている。このため、上部領域47aの圧力は下部領域47bの圧力よりも高くなり、上部領域47aと下部領域47bとの間には圧力差が生じる。
オイル吸収体43は多孔質であるため、オイル吸収体43がオイルを吸収すると孔部分がオイルで満たされる。このため、オイル吸収体43がオイルを吸収する量が増えるほど、上部領域47aから下部領域47bに向かう気体の流路が狭まる。上部領域47aから下部領域47bに向かう気体の流路が狭まると下部領域47bの圧力は低下し、結果として上部領域47aと下部領域47bとの間の差圧が大きくなる。すなわち、オイル吸収体43が吸収したオイルの量と、上部領域47aと下部領域47bとの間の差圧とは相関関係がある。上部領域47aと下部領域47bとの間の差圧は、オイル吸収体43が蓄えているオイルの量に関連する指標となりうる。
図2に示すオイルセパレータ15における検出部50は、上部領域47aと下部領域47bとの間の差圧をオイル吸収体43が蓄えているオイルの量に関連する指標して取得する。これを実現するために、検出部50は第1圧力計45a、第2圧力計45b、および差圧取得部46を備える。
第1圧力計45aは、オイルセパレータ本体41内の上部領域47aの圧力を検出する。また第2圧力計45bは、オイルセパレータ本体41内の下部領域47bの圧力を検出する。差圧取得部46は、第1圧力計45aが検出した圧力と、第2圧力計45bが検出した圧力との差圧を取得する。これにより、検出部50は、上部領域47aと下部領域47bとの間の差圧をオイル吸収体43が蓄えているオイルの量に関連する指標して取得することができる。
ここで、上部領域47aと下部領域47bとの間の差圧と、オイル吸収体43が蓄えているオイルの量との関連性を高めるためには、上部領域47aと下部領域47bとがオイル吸収体43を介してのみ連通することが好ましい。これを実現するために、オイル吸収体43を保持する支持部44に設けられた開口部は、支持部44のうち、オイル吸収体43と接触する領域に設けられている。
図3(a)−(b)は、実施の形態に係る支持部44の外観を模式的に示す図である。上述したように、オイルセパレータ本体41は円筒形状の容器である。支持部44は、オイルセパレータ本体41の内部に隙間なく嵌まるように、円形の形状をしている。支持部44は、その外周がオイルセパレータ本体41に固定されている。
図3(a)に示す支持部44は、中央部に開口部48がひとつ設けられている。図3(a)において破線で示す領域は、支持部44のうちオイル吸収体43と接触する領域を示しいている。図3(a)に示すように、開口部48はオイル吸収体43と接触する領域の内側に位置する。これにより、オイルセパレータ本体41内部で支持部44を用いてオイル吸収体43を保持すると、上部領域47aと下部領域47bとがオイル吸収体43を介してのみ連通する。これにより、上部領域47aと下部領域47bとの間の差圧と、オイル吸収体43が蓄えているオイルの量との関連性を高めることができる。
図3(b)は、支持部44に設けられた開口部の別の例を示す図である。図3(b)に示す支持部44は、図3(a)に示す支持部44と異なり、複数の開口部48を備える。しかしながら、図3(b)に示す支持部44においても、図3(a)に示す支持部44と同様に、複数の開口部48はいずれもオイル吸収体43と接触する領域の内側に位置する。このため、上部領域47aと下部領域47bとがオイル吸収体43を介してのみ連通し、上部領域47aと下部領域47bとの間の差圧とオイル吸収体43が蓄えているオイルの量との関連性を高めることができる。図3(a)および図3(b)に示す支持部44は、例えばパンチングメタルを用いて実現できる。
なお、オイル吸収体43が蓄えているオイルの量と、上部領域47aと下部領域47bとの間の差圧との関係は、オイル吸収体43の材質および大きさ、オイルの性質、上部領域47aと下部領域47bとの容積等によって変化しうる。予めオイル吸収体43が蓄えているオイルの量と、上部領域47aと下部領域47bとの間の差圧との対応関係を実験によって求めておき、検出部50内の図示しない記憶領域に格納してもよい。これにより、差圧取得部46が求めた差圧から、オイル吸収体43が蓄えているオイル量を精度よく推定することができる。
図4は、実施の形態に係るオイルセパレータ15の内部構成の別の例を模式的に示す図である。図4に示すオイルセパレータ15も、図2に示すオイルセパレータ15と同様に、オイルセパレータ本体41、フィルタエレメント42、オイル吸収体43、支持部44、および検出部50を備える。しかしながら、図4に示すオイルセパレータ15においては、オイル吸収体43が蓄えているオイルの量に関連する指標の取得原理が、図4に示すオイルセパレータ15と異なる。
オイル吸収体43がオイルを吸収すると、当然ながら、オイル吸収体43の重量は吸収したオイルの重量の分だけ増加する。オイル吸収体43の重量が増加すると、その増加量に伴ってオイル吸収体43を保持する支持部44も変形する。
図5(a)−(c)は、オイル吸収体43の重量と、支持部44の歪みとの関係を模式的に示す図である。より具体的に、図5(a)は、オイル吸収体43がオイルを吸収していないときの支持部44の形状を示す。図5(b)は、オイル吸収体43がオイルを吸収しているときの支持部44の形状を示す。図5(c)は、オイル吸収体43が図5(b)に示す例よりも多量のオイルを吸収しているときの支持部44の形状を示す。
実施の形態に係るオイル吸収体43はスポンジ状部材であり、比較的軽量である。一方、支持部44はパンチングメタル等の薄い金属版である。このため、図5(a)に示すように、オイル吸収体43がオイルを吸収していないときは、支持部44はオイル吸収体43の重量では実質的に歪まず、オイルセパレータ本体41の長軸に対して垂直な面を維持する。
オイル吸収体43がオイルを吸収するにしたがって、オイル吸収体43の重量が増加する。これにより、オイル吸収体を保持する支持部44はオイル吸収体43の荷重によって歪みが生じる。図5(b)および図5(c)に示すように、オイル吸収体43の重量が増加するほど支持部44の歪みが大きくなり、支持部44の歪み量とオイル吸収体43の重量とは相関関係がある。すなわち、支持部44の歪み量は、オイル吸収体43が蓄えているオイルの量に関連する指標となりうる。
そこで検出部50は、支持部44がオイル吸収体43の荷重に起因して変形した変形量を、オイル吸収体43が蓄えているオイルの量に関連する指標として検出する。より具体的には、検出部50は支持部44の歪みを検出する歪みゲージ49を備え、支持部44の歪みをオイル吸収体43が蓄えているオイルの量に関連する指標として検出する。
図4に示すように、歪みゲージ49は、支持部44の面のうちオイル吸収体43と接触する面と反対側の面に備えられている。ここで歪みゲージ49の中央部は、歪みゲージ49の側部と比較して、オイル吸収体43の荷重が増えたときの歪み量が大きい。このため、歪みゲージ49は支持部44の中央付近に備えることが好ましい。歪み量の変動が大きい方が、より精度の高い計測ができるからである。図示はしないが、歪みゲージ49は、支持部44の外周のうち、オイルセパレータ本体41に固定されている位置の近傍に備えられてもよい。オイル吸収体43の荷重が増えたときに支持部44に生じる歪みは、オイルセパレータ本体41と固定されている位置の近傍でも大きくなるからである。
なお、オイル吸収体43が蓄えているオイルの量と、支持部44の歪み量との関係は、支持部44の厚みや材質等によって変化しうる。予めオイル吸収体43が蓄えているオイルの量と、支持部44の歪み量との対応関係を実験によって求めておき、検出部50内の図示しない記憶領域に格納してもよい。これにより、歪みゲージ49が検出した支持部44の歪み量から、オイル吸収体43が蓄えているオイル量を精度よく推定することができる。
図6は、実施の形態に係るオイルセパレータ15の内部構成のさらに別の例を模式的に示す図である。図6に示すオイルセパレータ15は、オイルセパレータ本体41、フィルタエレメント42、オイル吸収体43、支持部44、検出部50、および弾性部材51を備える。図6に示すオイルセパレータ15は、オイル吸収体43が蓄えているオイルの量に関連する指標の取得原理が、図2および図4に示すオイルセパレータ15と異なる。
図6に示すオイルセパレータ15においては、支持部44に弾性部材51が接続されている。オイル吸収体43は、支持部44および弾性部材51によって支持される。オイル吸収体43がオイルを吸収して重量が増加すると、その荷重が弾性部材51に加わり、弾性部材51が弾性変形する。一般に弾性部材51の変形量は弾性部材51に加わる荷重に比例するため、弾性部材51の変形量は、オイル吸収体43が蓄えているオイルの量に関連する指標となりうる。
そこで検出部50は、オイル吸収体43の荷重に起因して変形した弾性部材51の変形量を、オイル吸収体43が蓄えているオイルの量に関連する指標として検出する。このため検出部50は、弾性部材51の変形量を検出するために、弾性部材51と連動する支持部44の位置を検出する変位センサ52を備える。変位センサ52は、例えば磁気を利用した変位センサ等、既知の計測技術を用いて実現できる。
なお、オイル吸収体43が蓄えているオイルの量と、弾性部材51の変形量との関係は、弾性部材51のばね定数等によって変化しうる。予めオイル吸収体43が蓄えているオイルの量と、弾性部材51の変形量との対応関係を実験によって求めておき、検出部50内の図示しない記憶領域に格納してもよい。これにより、変位センサ52が検出した弾性部材51の変形量から、オイル吸収体43が蓄えているオイル量を精度よく推定することができる。
以上説明したとおり、フィルタエレメント42が分離したオイルはオイル吸収体43に蓄えられる。オイル吸収体43はスポンジ状の固体であるため、オイル溜まりのように揺れ動くことがない。したがって、オイル吸収体43の重量やオイルセパレータ本体41内の圧力等の物理量を安定して計測することができる。これにより、実施の形態に係るオイルセパレータ15によれば、オイルセパレータ内のオイル量に関連する指標を精度よく計測することができる。
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
10 圧縮機、 11 圧縮カプセル、 12 水冷式熱交換器、 13 高圧配管、 14 低圧配管、 15 オイルセパレータ、 16 アドソーバ、 17 ストレージタンク、 18 バイパス機構、 19 バイパス配管、 20 高圧側圧力検出装置、 21 バイパス弁、 22 高圧フレキシブル配管、 23 低圧フレキシブル配管、 24 オイル戻り配管、 25 冷却水配管、 26 オイル熱交換部、 27 ガス熱交換部、 28 フィルタ、 29 オリフィス、 30 GM冷凍機、 32 オリフィス、 33 オイル冷却配管、 34 第1冷却水配管、 36 第2冷却水配管、 41 オイルセパレータ本体、 42 フィルタエレメント、 43 オイル吸収体、 44 支持部、 45a 第1圧力計、 45b 第2圧力計、 46 差圧取得部、 47a 上部領域、 47b 下部領域、 48 開口部、 49 歪みゲージ、 50 検出部、 51 弾性部材、 52 変位センサ。

Claims (5)

  1. オイルセパレータであって、
    冷媒ガスに含まれるオイルを分離するフィルタエレメントと、
    前記フィルタエレメントが分離したオイルを蓄えるオイル吸収体と、
    前記オイル吸収体が蓄えているオイルの量に関連する指標を検出する検出部とを備え
    前記オイルセパレータは、
    前記オイル吸収体によって、前記オイルセパレータの外部から冷媒ガスが流入する上部領域と、分離したオイルを前記オイルセパレータの外部に排出させる下部領域とに隔てられ、
    前記検出部は、
    前記上部領域の圧力を検出する第1圧力計と、
    前記下部領域の圧力を検出する第2圧力計と、
    前記第1圧力計が検出した圧力と前記第2圧力計が検出した圧力との差圧を、前記指標として取得する差圧取得部とを備えることを特徴とするオイルセパレータ。
  2. 冷媒ガスに含まれるオイルを分離するフィルタエレメントと、
    前記フィルタエレメントが分離したオイルを蓄えるオイル吸収体と、
    前記オイル吸収体が蓄えているオイルの量に関連する指標を検出する検出部と、
    前記オイル吸収体を支持し、前記オイル吸収体から流出するオイルを流す開口部が設けられた支持部とを備え、
    前記支持部に設けられた開口部は、前記支持部のうち、前記オイル吸収体と接触する領域に設けられ、
    前記検出部は、前記支持部が前記オイル吸収体の荷重に起因して変形した変形量を前記指標として検出することを特徴とするオイルセパレータ。
  3. 前記検出部は、前記支持部の歪みを検出する歪みゲージを備え、前記支持部の歪みを前記指標として検出することを特徴とする請求項に記載のオイルセパレータ。
  4. 前記支持部に接続された弾性部材をさらに備え、
    前記検出部は、前記弾性部材の変形量を前記指標として検出することを特徴とする請求項に記載のオイルセパレータ。
  5. 前記オイル吸収体は、スポンジ状部材であることを特徴とする請求項1からのいずれかに記載のオイルセパレータ。
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