JPH0633886A - 極低温冷凍機用二段圧縮コンプレッサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 吐出ガス、冷凍機油、電動機構および圧縮機
構の冷却効率を高め、コンプレッサの簡素化を達成する
ことを可能とする。 【構成】 ＪＴ冷凍サイクルを構成する極低温冷凍機用
コンプレッサにおいて、ケース６内に導入されるガスを
圧縮してケース６内に吐出する低段側圧縮機構７と、そ
の低段圧縮機構７からケース６外に吐出される中間圧ガ
スを中間圧ガス移送通路２３を経由して導入すると共に
その中間圧ガスを圧縮してケース６外に吐出する高段側
圧縮機構８と、ケース６内と上記低段側圧縮機構７の吸
込み側とを結ぶ冷凍機油移送通路３１と、上記中間圧移
送通路２３を通過する中間圧ガスおよび冷凍機油移送通
路３１を通過する冷凍機油を冷却する冷却器２１とから
構成したものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は極低温液を得るＪＴ(Jou
le-Thompson ) 冷凍サイクルに組み込まれる極低温冷凍
機用二段圧縮コンプレッサに関する。

【０００２】

【従来の技術】ヘリウムガスを冷媒とする極低温冷凍機
においては冷凍サイクル内に図３に示す如き一段圧縮式
コンプレッサが採用されている。

【０００３】図示するように、このコンプレッサ５１の
ケース５２内には回転軸５３の上部にロータ５４および
ステータ５５からなる電動機構５６が設けられると共に
回転軸５３の下部にロータリ式圧縮機構５７が収容され
ている。圧縮機構５７はシリンダ５８を有すると共に回
転軸５３の偏心部５９に係合してシリンダ５８内を摺動
するローラ６１を有する。

【０００４】ケース５２の外周部にはこれに沿って周方
向に水熱交換器６２が設けられ、この水熱交換器６２は
ケース５２の外周部に沿って冷却水を移送する移送通路
６３を有し、この移送通路６３はケース５２の上部側か
ら下部側に亘ってケース５２の外周部に沿って螺旋状に
冷却水を移送するようになっている。また、ケース５２
の上部には吐出管６４が延出され、この吐出管６４には
水熱交換器６２の外周部に周方向に螺旋状に形成された
吐出ガス移送通路６５が接続されている。

【０００５】このように構成されたコンプレッサ５１に
おいては圧縮機構５７で圧縮されたガスはケース５２内
に吐出され、吐出管６４を経て水熱交換器６２の外周部
に沿って移送されることになる。したがって、水熱交換
器６２はケース５２内の電動機構５６および圧縮機構５
７を冷却すると共にケース５２外に吐出されて移送通路
６５を通過する吐出ガスを冷却することになる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このように
ケース５２の外周部に水熱交換器６２を設けていたので
はコンプレッサ５１の機構が複雑になり、コストアップ
を招来する問題があった。また、ケース５２内の電動機
構５６および圧縮機構５７を外部から間接的に冷却して
いるため、冷却効率が低く、水熱交換器６２も大型化す
る問題があった。

【０００７】本発明は上記問題点を有効に解決すべく創
案されたものである。

【０００８】本発明はコンプレッサの冷却効率を高め、
簡素化を達成できる極低温冷凍機用二段圧縮コンプレッ
サを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明はＪＴ冷凍サイク
ルを構成する極低温冷凍機用コンプレッサにおいて、ケ
ース内に導入されるガスを圧縮してケース内に吐出する
低段側圧縮機構と、その低段側圧縮機構からケース外に
吐出される中間圧ガスを中間圧ガス移送通路を経由して
導入すると共にその中間圧ガスを圧縮してケース外に吐
出する高段側圧縮機構と、ケース内と上記低段側圧縮機
構の吸込み側とを結ぶ冷凍機油移送通路と、上記中間圧
移送通路を通過する中間圧ガスおよび冷凍機油移送通路
を通過する冷凍機油を冷却する冷却器とから構成したも
のである。

【００１０】

【作用】このように低段側圧縮機構から吐出されて高段
側圧縮機構に移送される中間圧ガスおよびケース内から
低段側圧縮機構に移送される冷凍機油を冷却するため、
吐出ガス、冷凍機油、電動機構および圧縮機構の冷却効
率を高めることができると共に、コンプレッサの簡素化
が達成され、信頼性も向上する。

【００１１】

【実施例】以下に本発明の一実施例を添付図面に基づい
て説明する。

【００１２】図２はＪＴ（ジュール・トムソン）冷凍サ
イクルｊとＧＭ（ギフォード・マクマフォン）冷凍サイ
クルｇとを組み合わせて液体ヘリウムを得るシステムの
概略図である。ＧＭ冷凍サイクルｇは圧縮機ａによって
等温圧縮された冷媒をサイモン膨脹させて温度降下させ
るものであり、ＪＴ冷凍サイクルｊの補助サイクルとし
て機能する。

【００１３】図示するように、ＪＴ圧縮機１から吐出さ
れた冷媒（ヘリウム）は、熱交換器２ａ，２ｂ，２ｃを
通過して順次等圧冷却され、ＧＭ冷凍サイクルｇの低温
部ｂ₁ ，ｂ₂ と熱交換することにより更に冷却され、Ｊ
Ｔ膨脹弁３を介してＪＴ膨脹することにより液化し、液
体ヘリウム４として冷却槽５内に貯蔵される。冷却槽５
内の蒸発した冷媒ガスは、熱交換器２ａ，２ｂ，２ｃに
て等圧加熱され、再びＪＴ圧縮機１に吸い込まれるよう
になっている。

【００１４】上記ＪＴ圧縮機１としての極低温冷凍機用
二段圧縮コンプレッサの側断面図を図１に示す。

【００１５】図示するように、密閉ケース６内に低段側
圧縮機構７と高段側圧縮機構８とが設けられている。こ
れら圧縮機構７，８は直列に配置されたロータリ圧縮機
構からなっている。すなわち、回転軸芯となる主軸９に
低段側ローラ１０および高段側ローラ１１が偏芯して直
列に取り付けられ、これらローラ１０，１１を囲って低
段側シリンダ１２と高段側シリンダ１３とが設けられて
いる。この構成によれば、上記主軸９を交流モータから
なる電動機構１４によって回転させることにより、各シ
リンダ１２，１３内をそれぞれローラ１０，１１が転動
し、ロータリ圧縮が達成される。

【００１６】上記低段側シリンダ１２には吸込管１５が
接続されており、この吸込管１５からＪＴ冷凍サイクル
ｊの冷媒ガスが最終的に二段圧縮コンプレッサ１の低段
側圧縮機構７に導かれるようになっている。吸込管１５
には冷媒ガス中から異物を除去するストレーナ１６が設
けられている。

【００１７】低段側圧縮機構７で圧縮された冷媒ガス
は、その圧縮室の一側面を区画するメインベアリング１
７に設けられた低段側吐出弁１８を通って、低段側マフ
ラ１９内に吐出される。この低段側マフラ１９は、上記
メインベアリング１７を囲繞するように設けられてお
り、吐出弁１８から吐出された冷媒ガスを消音するもの
である。低段側マフラ１９内に吐出された冷媒ガスは、
マフラ１９とメインベアリング１７との隙間１９ａやマ
フラ１９に穿孔された孔（図示せず）を通って密閉ケー
ス６内に充満する。

【００１８】密閉ケース６内に充満した冷媒ガスは、ケ
ース６の内外を連通する第一連通管２０を通ってケース
６外に導かれる。この第一連通管２０は、上記圧縮機構
７の反対側となる密閉ケース６の一側面６ａに取り付け
られている。これにより、低段側圧縮機構７から吐出さ
れた冷媒ガスが、第一連通管２０に到達するまでの距離
を稼いでいる。

【００１９】上記第一連通管２０は冷却器２１を介して
第二連通管２２に接続されている。この第二連通管２２
は高段側圧縮機構８の圧縮室内に接続されている。すな
わち、これら第一連通管２０と第二連通管２２とからケ
ース６内から外部に吐出される中間圧ガスを高段側圧縮
機構８の吸込み側へ移送する中間圧ガス移送通路２３が
形成され、この中間圧ガス移送通路２３に中間圧ガスを
冷却するための空冷式の冷却器２１が介設されることに
なる。この冷却器２１には送風ファン４０が設けられ、
強制的に冷却できるようになっている。

【００２０】高段側圧縮機構８に導かれた冷媒ガスは、
高段側のロータリ圧縮により最終的な圧力まで更に圧縮
され、高段側圧縮室の一側面を区画するサブベアリング
２４に設けられた高段側吐出弁２５を通って、高段側マ
フラ２６内に吐出される。この高段側マフラ２６は、上
記サブベアリング２４を囲繞するように設けられてい
る。高段側マフラ２６内に吐出された冷媒ガスは、吐出
管２７を通って密閉ケース６外に導かれ、図２に示すよ
うに、オイルセパレータ２８を経由してＪＴ冷凍サイク
ルｊを循環するようになっている。オイルセパレータ２
８とＪＴコンプレッサ１の吸込み側とはオイルセパレー
タ２８で分離された冷凍機油を移送するバイパス管２９
で結ばれている。

【００２１】また、ケース６内の冷凍機油を低段側圧縮
機構７の吸込み側に移送するための冷凍機油移送通路３
１が形成され、この冷凍機油移送通路３１は入口側がケ
ース６内底部に挿入されると共に途中に細管３２を有し
て出口側が吸込管１５を経由して低段側圧縮機構７の吸
込み側に接続されるようになっている。そして細管３２
は中間圧ガス移送通路２３を通過する中間圧ガスを冷却
する空冷式の冷却器２１内に設けられている。したがっ
て、冷却器２１は中間圧ガス移送通路２３と冷凍機油移
送通路３１の一部を並設しており、中間圧ガスおよび冷
凍機油を冷却する共通の冷却器となっている。

【００２２】以上の構成からなる上記実施例の作用につ
いて述べる。

【００２３】図２に示す熱交換器２ａを通過して等温加
熱された冷媒ガス（ヘリウムガス）は、略大気圧の完全
過熱ガスとなって吸込管１５より二段圧縮コンプレッサ
１の低段側圧縮機構７に導かれる。

【００２４】低段側圧縮機構７の圧縮室内で圧縮された
冷媒は、吐出弁１８およびマフラ１９を通って密閉ケー
ス６内に中間圧ガスとして吐出される。ここで、密閉ケ
ース６の容積は吐出された中間圧ガスの容積に比べて十
分大きいことから、そのガス流速が大幅に減速される。
また、吐出温度も中間圧ということから比較的低くなる
（従来の一段圧縮形式の吐出ガス温度と比較して）。

【００２５】すなわち、密閉ケース６内に中間圧ガスと
して吐出された冷媒ガスは、そのガス流速が遅く且つガ
ス温度が低くなるため、冷媒ガスにミスト状に混合して
いる冷凍機油はその粒子径が大きく且つ粘性が大きくな
る。よって、重力の作用により、冷媒ガスと冷凍機油と
が密閉ケース６内にて効率よく分離される。さらに、密
閉ケース６の内部を低段側圧縮機構７から吐出された中
間圧ガス雰囲気とすることにより、従来の如く一段圧縮
の内部高圧式コンプレッサに比べて密閉ケース６内の圧
力が大幅に低くなる。よって、ロータリ圧縮機構のブレ
ード（図示せず）がローラ１０，１１に押圧される力が
20％程度に軽減され、ブレード先端がローラ１０，１１
の外周面に摺接することによって生じる磨耗が防止され
る。なお、この20％程度のブレード押圧力でもブレード
ジャンピング現象を防止するには充分である。従って、
信頼性の高い冷凍サイクルが達成される。

【００２６】また、上記中間圧ガスの出口部となる第一
連通管２０が圧縮機構７，８の反対側の密閉ケース６の
一側面６ａに取り付けられているので、低段側圧縮機構
７から吐出された冷媒ガスが第一連通管２０に到達する
までの距離が長くなり、もって冷媒ガスと冷凍機油との
分離性能が向上するし、低段側圧縮機構７と第一連通管
２０との間にはステータ１４ａおよびロータ１４ｂから
なる電動機構１４が設けられているので、低段側圧縮機
構７から第一連通管２０へ向かう冷媒ガスがステータ１
４ａやロータ１４ｂに流れ当たり、これによっても分離
性能が向上する。

【００２７】分離された密閉ケース６内の冷媒ガスは中
間圧ガスとして中間圧ガス移送路２３に介設される冷却
器２１を経由して高段側圧縮機構８に導かれ、最終圧力
まで圧縮される。このとき、高段側圧縮機構８にて圧縮
される冷媒ガス中には冷凍機油が殆ど含まれていないた
め、高段側圧縮機構８の体積効率が高まる。また、上記
高段側圧縮機構８に流入する冷媒ガスは冷却器２１を通
過する際に予冷却されるため、ガス密度が高まった状態
で流入する。よって、充填効率も高まることになる。他
方、密閉ケース６内にて分離された冷凍機油もケース底
部６ｂにケース６内外を連通して設けられた冷凍機油移
送通路２７の細管２８を通って減圧される際に冷却器２
１で冷却されて吸込管１５に流入し、吸入される冷媒ガ
スと共に再びコンプレッサ１に吸い込まれる。

【００２８】高段側圧縮機構８にて高い体積効率および
充填効率で圧縮された冷媒ガスは、吐出管２６を通って
二段圧縮コンプレッサ１から吐出される。吐出された冷
媒ガスは、図２に示すように、ガス冷却熱交換器２８に
導かれて冷却され、粘性が大きくなった冷凍機油のみが
オイルセパレータ２９にて冷媒ガスから分離され、冷媒
ガスのみがＪＴ冷凍サイクルｊに向かう。他方、分離さ
れた冷凍機油はバイパス通路２９を通って上記二段圧縮
コンプレッサ１（ＪＴ圧縮機）の吸込管１５に導かれ、
吸入される冷媒ガスと共に再びコンプレッサ１に吸い込
まれる。

【００２９】このように本発明にあっては低段側圧縮機
構７から吐出されて高段側圧縮機構８に移送される中間
圧ガスおよびケース６内から低段側圧縮機構７に移送さ
れる冷凍機油を共通の冷却器２１で冷却するため、従来
の如くコンプレッサの外周部に水熱交換器６２を配置す
ることは不要であり、吐出ガス、冷凍機油、電動機構１
４および圧縮機構７，８の冷却効率を向上できると共に
コンプレッサの簡素化を達成することができる。また、
冷凍機油の冷却により摺動部の油性が強化され、コンプ
レッサの信頼性を向上できる。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、低
段側圧縮機構からケース外に吐出されて高段側圧縮機構
に導入される中間圧ガスおよびケース内から低段側圧縮
機構に導入される冷凍機油を共通の冷却器により冷却す
るため、吐出ガス、冷凍機油、電動機構および圧縮機構
の冷却効率が高められると共にコンプレッサの簡素化を
達成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す横置型極低温冷凍機用
二段圧縮コンプレッサの側断面図である。

【図２】二段圧縮コンプレッサが組み込まれたＪＴ冷凍
サイクルを示す概略図である。

【図３】従来の一段圧縮コンプレッサを示す側断面図で
ある。

【符号の説明】

１ 極低温冷凍機用二段圧縮コンプレッサ ６ ケース ７ 低段側圧縮機構 ８ 高段側圧縮機構 ２１ 冷却器 ２３ 中間圧ガス移送通路 ３１ 冷凍機油移送通路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＪＴ冷凍サイクルを構成する極低温冷凍
   機用コンプレッサにおいて、ケース内に導入されるガス
   を圧縮してケース内に吐出する低段側圧縮機構と、該圧
   縮機構からケース外に吐出される中間圧ガスを中間圧ガ
   ス移送通路を経由して導入すると共にその中間圧ガスを
   圧縮してケース外に吐出する高段側圧縮機構と、ケース
   内と上記低段側圧縮機構の吸込み側とを結ぶ冷凍機油移
   送通路と、上記中間圧移送通路を通過する中間圧ガスお
   よび冷凍機油移送通路を通過する冷凍機油を冷却する冷
   却器とを備えたことを特徴とする極低温冷凍機用二段圧
   縮コンプレッサ。