JPH08210279A

JPH08210279A - 横形ヘリウム用スクロール圧縮機

Info

Publication number: JPH08210279A
Application number: JP7281538A
Authority: JP
Inventors: Masao Shiibayashi; 椎林正夫; Yoshiaki Ibaraki; 茨木善朗; Yasushi Izunaga; 康伊豆永; Shintaro Sado; 慎太郎佐渡
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-10-30
Filing date: 1995-10-30
Publication date: 1996-08-20

Abstract

(57)【要約】【課題】ヘリウム液化用冷凍装置に適用するヘリウム
圧縮用のスクロール圧縮機において圧縮機の効率を向上
したり冷却効果を高めること。【解決手段】固定スクロールと旋回スクロールを備
え、密閉容器内にガス吐出室と電動機室を形成し下方に
油溜めを設け、クランク軸を水平に設定した横形のヘリ
ウム用スクロール圧縮機において、ガス吸入管１１をガ
ス吐出室３２を貫通して固定および旋回両スクロール間
のガス吸入室と連通させ、吐出室と電動機室３３とを連
通路２６により連通し、フレーム１５下端部に、吐出室
に溜った油を電動機室側に導く均油路２７を設け、吐出
室と反対側の容器側端部の上方部に吐出管１６を設け、
電動機室の下方の油溜りから冷却用インジェクション油
を外部に取出す配管４７を設け、油取出し管より導かれ
た油を別設置の油冷却器を介してスクロール部の圧縮室
にインジェクションする配管経路を備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は極低温分野のヘリウ
ム冷凍装置、殊にヘリウム液化用冷凍装置に適したヘリ
ウム圧縮用の横形スクロール圧縮機に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来のヘリウム用途に用いられたスクロ
ール圧縮機としては、特開昭６１−１８７５８４号公報
に記載のように、スクロールラップの巻き数が２．５巻
き程度のスクロール形状を備えた給油式のヘリウム圧縮
用スクロール圧縮機が公知である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、ヘリ
ウムガスの用いられる冷凍装置の中でも、冷却到達温度
が２０Ｋレベルの領域となるクライオポンプ装置に適し
たものである。すなわち圧縮機の運転圧力比が２〜４と
いった比較的低圧力比（中圧力比）域の運転条件となっ
ている。（以下、特に断らない限り、運転圧力比を単に
圧力比と略記する。）このような低圧力比条件に適した
スクロール圧縮機はヘリウム液化用途の冷凍装置のヘリ
ウム圧縮機には使えないという問題がある。これは、ヘ
リウム液化用途の運転条件では、吸入圧力（低圧側圧
力）が０ｋｇ／ｃｍ² Ｇ（Ｇはゲージ圧力の意）付近で
吐出圧力（高圧側圧力）が１８〜２０ｋｇ／ｃｍ² Ｇと
なり、圧力比として１９〜２１と高い圧力比が必要とな
るためである。

【０００４】また旋回スクロールの鏡板に設けた細孔か
ら該鏡板背面側に導いた中間圧で旋回スクロールを固定
スクロール側に押付ける中間圧方式のスクロール圧縮機
の場合、上記したスクロール形状（ラップ巻き数が約
２．５のもの）では充分な押付け力が得られず、圧力比
１０前後で使用しようとすると旋回スクロールが固定ス
クロールから離れるといった離脱現象が生じ、高い圧力
比運転ができないという問題がある。

【０００５】低運転圧力比用スクロール圧縮機を２台直
列に配備して高圧力比を得るような装置もあるが、この
場合、圧縮機ユニットの軽量化や省スペース化などの点
で不利となる。

【０００６】他方、フロンガスを用いて蒸発温度が−４
０℃といった比較的低温を得る冷凍装置においても、圧
力比７前後が主な運転域となる。このようなフロンガス
を用いた冷凍装置には前記の低運転圧力比用スクロール
圧縮機は適用できないという問題がある。

【０００７】本発明の目的は、フロンガスを冷媒に用い
る冷凍用途と、ヘリウム液化温度の４．５Ｋ前後の極低
温の得られるヘリウムガスを用いるヘリウム液化用冷凍
装置に共用できるスクロール圧縮機構造を提供するにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による横形ヘリウ
ム用スクロール圧縮機は、圧縮要素部となる固定スクロ
ールと旋回スクロールを備え、密閉容器の側端部より反
対側の側端部に向かってガス吐出室と電動機室をフレー
ムにて区画して形成するとともに両室の下方に油溜めを
設け、上記旋回スクロールを駆動するための上記電動機
により駆動されるクランク軸の軸心を水平方向に設定し
た横形のヘリウム用密閉形スクロール圧縮機において、
ガス吸入管をガス吐出室を貫通して固定および旋回両ス
クロール間のガス吸入室と連通する吸入孔と接続し、吐
出室と電動機室とを固定スクロールおよびフレームの上
縁部に設けた連通路にて連通し、該連通路を通って吐出
室から電動機室にガスを導くようにするとともに、フレ
ーム下端部には、吐出室に溜った油を電動機室側に導く
均油路を設け、吐出室と反対側に位置する容器側端部の
上方部に圧縮機の外部に吐出ガスを導く吐出管を設け、
かつ前記電動機室の下方の油溜りから冷却用インジェク
ション油を外部に取出す配管を上記吐出管と同じ側の容
器側端部の下方部に設置するとともに、該油取出し管よ
り導かれた油を別設置の油冷却器を介してスクロール部
の圧縮室にインジェクションする配管経路を備えたこと
を特徴とする。

【０００９】この様な構成とする理由は、ヘリウムガス
の比熱比κがκ＝１．６６と他のガス（フロンガス）に
比べて高いため、断熱圧縮時の吐出ガス温度が高くなる
ので、これを防ぐため油によるガスの冷却を行う必要が
あるからである。

【００１０】

【作用】図１に、設定容積比Ｖ_r ＝３．９としたスクロ
ール形状（その具体的な歯形形状を図３から図７に示
す。）を用いた場合の運転圧力比に対する断熱図示効率
の変化を計算した結果を示す。断熱図示効率η_i(th) は
次式で与えられるもので、主に高圧力比運転での圧縮不
足に伴う動力損失の大きさを理論動力との比で表わした
値となる。

【００１１】

【数１】

【００１２】ここでＰ_d ：吐出圧力Ｐ_s ：吸入圧力 κ ：比熱比Ｖ_r ：設定容積比 κはガスに固有の値であり、図１において、κ＝１．１
５はフロンガスＲ−２２の場合であり、κ＝１．６６は
ヘリウムガスの場合である。図１から、本発明に該当す
る上記スクロール形状とすることにより、冷媒フロンガ
ス（Ｒ−２２）による冷媒仕様の運転域においても、ま
たヘリウムガスによるヘリウム液化装置の運転域におい
ても、η_i(th) の値が９０％前後という高い効率が示さ
れていることが分かる。該スクロール形状を持つ圧縮機
に対して前記した油インジェクション構造などの冷却手
段を付加することにより、さらに圧縮機の効率が向上で
きることを実験的につかんでいる。このような効率特性
を備えたスクロール形状は、フロンガス利用の冷凍装置
のフロンガス圧縮用のスクロール圧縮機にも、ヘリウム
液化装置のヘリウムガス圧縮機にも共用できる。また本
構成により、圧縮機のわずかな改造により両用途に対し
て高性能で高信頼性のスクロール圧縮機が容易に提供で
きる。すなわち、上記した両用途に、スクロール部（歯
形形状）を共用化することを特徴としている。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明のスクロール形状を有する
スクロール圧縮機を、ヘリウム液化用途のヘリウム圧縮
用の圧縮機として構成した場合を、図２から図７にわた
って示す。

【００１４】図２は、本実施形態のスクロール圧縮機の
全体構成の縦断面図であり、旋回スクロールを旋回駆動
するクランク軸およびその駆動用電動機を水平に配置
し、スクロール部を図で右側に、電動機部を図で左側に
配した横形構造のスクロール圧縮機の全体構造を示す。
図２において、旋回スクロール５および固定スクロール
１は夫々の鏡板５ａ，１ａを上下方向に立てるように組
合わされて圧縮機部を構成している。固定スクロール１
と旋回スクロール５の詳細な形状は図３から図７に示し
てある。

【００１５】図２に示すように、このスクロール圧縮機
は、密閉形・給油式スクロール圧縮機を成しており、密
閉容器３１と、これの内部に形成された吐出室３２と、
電動機室３３と、下方の油溜め３４ａ，３４ｂと、フレ
ーム１５と、固定および旋回両スクロール１，５よりな
る圧縮機部とガスの吸入管１１と、背圧室２６と、圧縮
ガスの吐出管１６と、電動機１７と、回転駆動軸（クラ
ンク軸）１９および偏心軸（クランクピン）２０と、中
央部の油吸い上げ管２３とを有する。ヘリウムガスや油
分を吐出室３２から電動機室３３に導く連通路２６ａ，
２６ｂと、両室３２および３３内の油溜め３４ａ，３４
ｂの油面のレベルを調整するための均油路２７とを固定
スクロール鏡板１ａの外周部の上部と下部に夫々設けて
ある。前記フレーム１５は、密閉容器３１の胴体３１ａ
の内部にボルト１５ａにて固定されている。

【００１６】前記スクロール圧縮機部は、固定スクロー
ル１と、旋回スクロール５と、オルダム継手１０とを有
して構成されている。前記固定スクロール１は、図３に
示すように円板状の鏡板１ａと、インボリュート曲線ま
たはこれに近似の曲線で形成されかつ鏡板１ａに垂直に
取り付けられたラップ１ｂとを有して構成されている。
また、固定スクロール１は円周方向に間隔をおいて取り
付けられた複数本のボルト９で前記フレーム１５に固定
されている。前記各ボルト９は、固定スクロール１の鏡
板１ａの外縁部に、円周方向に間隔をおいて形成された
ボルト通し穴９ａ（図３参照）に挿通され、かつ、フレ
ーム１５の外縁部に前記ボルト通し穴９ａに合わせて設
けられたねじ穴にねじ込まれて止められている。一方、
旋回スクロール５は円板状の鏡板５ａと，前記固定スク
ロール１のラップ１ｂとかみ合う形状に形成されかつ前
記鏡板５ａに垂直に取り付けられたラップ５ｂと、前記
鏡板５ａにおいてラップ５ｂの取り付け面の反対側の面
に設けられたボス５ｃとを有して構成されている。電動
機１７で駆動されるクランク軸１９の偏心軸２０は上記
ボス５ｃに軸受嵌合しており、クランク軸１９が電動機
１７で回転されると、旋回スクロール５は、オルダムリ
ングおよびオルダムキーからなるオルダム継手１０を介
して自転が阻止されて旋回運動し得るようになってい
る。固定スクロール１の鏡板１ａと旋回スクロール５の
鏡板５ａとは対向させて配置され、固定スクロール１の
ラップ１ｂと旋回スクロール５のラップ５ｂとは互いに
かみ合わされている。

【００１７】前記ヘリウムガスの吸入管１１は、図２に
示すように、機外からスクロール圧縮機の固定スクロー
ル内周部の吸入室２２にガスを導入するようになってい
る。更に図２に示すように、密閉容器３１の電動機室３
３側のサイドカバー３１ｃには、該室３３内の下部の油
溜り３４から油を取出す下方に弯曲した油取出管４７ａ
が油取出口４７を経て機外の油配管５１に接続されてお
り、この油配管５１は、図２には図示されていない油冷
却器を介して、密閉容器３１の圧縮機部側のサイドカバ
ー３１ｂを貫通している油インジェクション管４０に接
続されている。油インジェクション管４０は固定スクロ
ール１の鏡板１ａに設けられた後述の油インジェクショ
ン孔１ｗに接続されている。なお、５７は電動機への給
電端子保護カバーである。

【００１８】固定スクロール１と旋回スクロール５のラ
ップ間に形成される密閉空間（圧縮室）１３は旋回スク
ロールの旋回につれてその容積を減じ、従って、吸入室
２２から該減圧室１３に取り込まれたガス（ヘリウム）
は圧縮されて固定スクロール１鏡板１ａの中央の吐出口
２から吐出室３２に吐出されるのであるが、この過程に
おいてガスは油インジェクション管から注入される前記
の油で冷却される様になっている。

【００１９】図３は、上述のスクロール圧縮機における
固定スクロール１の平面図であり、また図４は固定スク
ロールの鏡板部１ａに設けた油インジェクション用孔１
ｗに接続された油インジェクション管４０とその周辺の
構造を示す縦断面図であり、図５と図６は旋回スクロー
ル５の平面図と縦断面図であり、図７は両スクロール
１，５の噛み合った状態を示す平面図である。

【００２０】本実施形態ではスクロール部の設定容積比
（最大密閉空間形成時の容積／最小密閉空間形成時の容
積）Ｖ_r の値、３．９の例が前記図に例示される。

【００２１】ここで、図５をもとにして、設定容積比Ｖ
_r を式で表わすと次式のとおりである。

【００２２】

【数２】

【００２３】ここでλ_l はラップ巻き終わり部である５
Ｋ（５Ｊ’）の位置のスクロールラップ巻き角度（図の
場合λ_l ＝２５．２ｒａｄ）であり、λ_S はラップ巻き
始め部の５Ｐの位置のスクロールラップ巻き角度（図の
場合λ_S ＝１．０５ｒａｄ）である。πは円周率で、α
は次式で表わされるパラメータである。

【００２４】

【数３】

【００２５】本実施形態のスクロール圧縮機は、後述の
フロンガス用途である冷凍仕様のスクロール圧縮機に較
べて、ヘリウム液化用途のものであるため、次のような
改造をしている。すなわち、前述の如く、ヘリウムガス
及び圧縮機全体（主に電動機１７）を冷却するため、両
スクロール部で形成される圧縮室１３に油を注入できる
よう油インジェクション管４０を設け、該管４０と圧縮
室１３側とを連結する孔１ｗを固定スクロール１の鏡板
部に設ける。この油インジェクション孔１ｗの穴径ｄ₀
はラップ厚さｔよりも大きく、かつ、歯溝中央位置に１
箇所設けている。このようなインジェクション孔の構造
は、冷却油量を多く確保できること、またインジェクシ
ョン管４０内の圧力脈動を抑える効果がある。油インジ
ェクション孔１ｗの位置は、図の場合スクロールラップ
巻き角度としてλ₀ ≒１６．３ｒａｄの位置である。こ
のλ₀ の位置に在る油インジェクション孔１ｗは、両ス
クロール間に最大容積の密閉室が形成されるクランク軸
回転角度から約３５°のクランク軸回転角度までの範囲
に亘って、吸入室２２と連通する。この様に吸入室２２
側とインジェクション管４０とが一時的に連通する構成
とすることにより、圧縮機の起動の際に生じる恐れのあ
る油圧縮現象を回避する効果が得られ、また吸入ガスの
油による冷却効果を高めることができる。

【００２６】その他の改造点は、前記したように、電動
機室側のサイドカバー３１ｃにインジェクション油を機
外に導く油取出し管４７ａ及び油取り出し口４７を設
け、油配管５１に取出された油溜め３４ｂからの油を油
冷却器で冷却し、この冷却された油が上記油インジェク
ション管を介して上記の油インジェクション孔１ｗから
上記の様に注入される様にしたことである。

【００２７】吸入室２２に入ったヘリウムガスは、イン
ジェクションされた油と合流し圧縮室１３にて圧縮作用
を受けながら圧縮要素部の中心部に向かって移動する。
そして固定スクロール１の中央部の吐出孔２からガスと
油は吐出室３２に至り、右サイドカバー３１ｂの内壁面
に衝突するとともにガスは上方向に流れが方向変換する
などして、大部分の油はガスと分離され、下方の油溜め
部３４ａに落下する。油分の少なくなったガスは固定ス
クロール１の外周部上方の連通路２６ａ，２６ｂ及びフ
レーム１５に同様に設けた連通路１５ｆを通って電動機
室３３に至る。なお両室を連結するこれら連通路は図３
に示すように、短形状の通路２６ａと２６ｂとの２箇所
が設けられており、この部分を通るガス速度を極力低下
せしめている。この部分のガス速度とチャンバ（密閉容
器）自体の油分離作用とは相関があり、上記構成とする
ことによりヘリウム圧縮機として適正な油分離性能が得
られる。電動機室３３は、広い空間になっているので、
ここではガス速度は大きく低下し、ガス中に混合してい
る油はさらに分離されて下方に落下する。

【００２８】なお、図５に示すように、旋回スクロール
の鏡板５ａには細孔２９ａ，２９ｂを設けており、これ
により、旋回スクロール５の鏡板背部（図で鏡板５ａの
左側方部）の存する背圧室３６の圧力を吸入圧力と吐出
圧力との中間的圧力として旋回スクロールを固定スクロ
ールへ押圧する力を得ている。したがってクランク軸１
９の軸受部３７，３８およびボス部５ｃの軸受部３９へ
の給油は、電動機室３３の圧力（高圧側圧力）と背圧室
３６の圧力との差圧を利用して給油管２３を介して行な
われる。このように軸受部３８と３９を潤滑した油は背
圧室３６に至り、内部のオルダムリング部１０の摺動部
を潤滑した後、背圧孔（細孔）２９ａ，２９ｂを介して
圧縮室１３側へ移動し、ここでヘリウムガス及び管路４
０を通ってインジェクションされた油と混合することと
なる。これらガスと油とが一緒になって、圧縮室１３、
吐出室３２、更には電動機室３３へとチャンバ内を移動
する。電動機室３３で大部分の油を分離し、油分の少い
ヘリウムガスが吐出管１６を介して外部の冷却器５０
（図１８参照）に導かれることになる。このように、本
実施形態では吐出室３２で第一段目の油分離作用を、電
動機室３３では第二段目の油分離作用をなさしめ、チャ
ンバ自体の油分離性能を飛躍的に向上することができ
る。

【００２９】図５に示した細孔２９ａ，２９ｂの位置
は、後述するフロンガス用途の冷凍仕様の旋回スクロー
ルの場合（図１１の２９ｃ，２９ｄの位置）よりも約１
ｒａｄだけラップ巻始め部に寄った位置に設定してい
る。このように、中間圧導出用孔の位置を用途に応じて
変更改造している。この背圧孔２９ａ，２９ｂの位置変
更は、旋回スクロールの安定した挙動（鏡板変位の軸方
向踊り防止）を図り且つ高圧力比運転を確保するための
ものである。図５の上記細孔はスクロールラップ巻き角
度にしてλ_b ＝１２．２ｒａｄである。

【００３０】インジェクションする油の供給源として、
吐出管１６を接続したサイドカバー部３１ｃの油取り出
し口４７に設けた油取出管４７ａを介して油溜め３４ｂ
から高温の油を取り出す。油取出管４７ａは、油吸込み
口をチャンバ底部に向けるようにした曲がり形状とされ
ている。油取り出し口４７をガスの吐出管１６を設けた
のと同じサイドカバー部に設定したことにより高温の油
を機外に導くことが可能となり、油により機外に持ち去
られる熱量をより多くすることができる（この機外に取
出された油は油冷却器で冷却されることは前述したとお
りである）。

【００３１】このように、本実施形態では、ヘリウムガ
スとインジェクション油との圧縮機内部の流れを冷却面
で有効に活用できるようにするために、インジェクショ
ン油の圧縮機からの取出し位置を電動機室側のサイドカ
バー部に設定し、圧縮機から機外へのヘリウムガスの吐
出口と同じ側に設定するものである。従って、圧縮機が
横形構造で底部油溜めの油と電動機との接触面積が大き
いことと相俟って、油による圧縮機全体の冷却効果を高
めることができる。この横形構造では、電動機の下部が
油溜め中に浸っており、放熱面積は従来の縦形構造に比
べて数倍の大きさとなる。このように油を介して、電動
機からの発熱をチャンバ側壁部に伝え、チャンバ表面か
らの放熱量を高めることができる。

【００３２】また本実施形態では、ヘリウムガスは吸入
管１１から、直接、スクロール１と５からなる圧縮機部
の吸入室２２に吸込まれるので、圧縮機内部やチャンバ
周囲からの加熱による吸入ガスへの影響が、低圧チャン
バ方式の構造（吸入ガスが電動機室を通った後に圧縮機
部の吸入室に入る構造）の圧縮機に比べて、小さいとい
う性能面での利点がある。

【００３３】なお、本実施形態では、設定容積比Ｖ_r を
３．９に設定した例を示したが、設定容量比Ｖ_r をＶ_r
＝３．５〜４．５に設定しても同様の効果が得られる。
設定容積比をＶ_r ＝５にすることも可能だが、スクロー
ルの鏡板外径がＶ_r の大きさに比例して大きくなるの
で、軽量化と小型化の面で不利となる。

【００３４】図８から図１２は、本発明をフロンガスを
用いた冷凍装置に用いられるスクロール圧縮機とした場
合の実施形態における圧縮機の構造及びスクロール部の
形状を示す図である。これらの図に示した実施形態と前
記したヘリウム液化用途のスクロール圧縮機の実施形態
（図２〜図７）との比較にて分かるように、両者ともス
クロール歯形形状及びそれの駆動機構などは共通して用
いている。ただし、後者の実施形態の圧縮機には、油イ
ンジェクション構造は付加されていない。具体的には、
図９において油穴１ｗは設けられておらず、また図８に
おいて油インジェクション管４０も油取出し口４７、油
取出管４７ａ、油配管５１も付属していない構成として
いる。その他の主な構成部品は全て先の実施形態として
共用化している。ただし、前記したように、旋回スクロ
ールの鏡板部に設けた中間圧用細孔２９ｃ，２９ｄはヘ
リウム液化用途圧縮機に比べて、よりラップ巻終わり端
部の方に寄った位置（図１１ではλ_b ＝１３．２ｒａｄ
としている）にしている。このように、本発明のスクロ
ール圧縮機では背圧室３６に中間圧力を導く細孔２９
ｃ，２９ｄの位置を用途に応じて変更、追加工すること
ができるような構成となっている。この他、チャンバ底
部の油の種類も用途に応じて変更することが可能であ
る。なお圧縮機内部のガスおよび軸受用油の流れについ
ては前に説明したのと同様であるので、ここではその説
明は省略する。

【００３５】図１３は前記第１の実施形態として述べた
ヘリウム液化用スクロール圧縮機の外観図で、図１４は
油インジェクション回路を備えた圧縮機まわりの構造を
示す。該圧縮機には、油面計４８が付属しており、油面
計の中央レベル４８ｃに比べて、油を取り出す油取出管
４７ａの下端開口部を低い位置に設定しており、図１３
中に示したＬ寸法を例えば十数ミリメートルに設定して
ある。これによりインジェクション油量を常に確保する
ものである。また油のレベルを適正に調整する機能があ
る。油取り出し管４７ａから取出された高温の油は油配
管５１を介して油冷却器５５に至り、ここで油は冷却さ
れる。冷却された油は電磁弁５３及び油量調整用のキャ
ピラリチューブなどの減圧装置５４を介して圧縮機部の
圧縮室にインジェクションされる。圧縮機の電源取出し
部５７は、インバータ部５６と電気的に接続されてお
り、インバータ部５６にて運転周波数を変ればクランク
軸１９の回転数を変えることができ、これにより、圧縮
機より吐出されるヘリウムガス流量を容易に変えること
ができ、ヘリウム液化冷凍機側の負荷に応じた運転が可
能となる。

【００３６】図１５は、インバータ制御した場合のイン
ジェクション油量を調節する手段を備えた実施形態であ
る。これを以下説明する。図１６は図１３に示したよう
にインジェクション油量Ｑ_inの調節機能がない場合の動
作例を示す。この場合は、インジェクション油の供給は
ほぼ一定差圧を利用して行なわれるため、駆動周波数Ｈ
_d に無関係に一定な油の量がインジェクションされる。
このためヘリウムガス中に油の占める体積流量比ξ₀
（ξ₀ ＝油の流量／ヘリウムガス流量）がＨ_d の低下と
ともに高くなる。すなわち、低速域になるほど油の占め
る割合が高くなり、圧縮機の起動の際の油圧縮作用をひ
きおこす恐れがある。これを改善するため図１５に示す
実施形態では、減圧装置５４ａ，５４ｂを並列に設け、
或る所定の運転周波数を境にして片側を電磁弁５３にて
開閉する操作をすることにより、運転周波数に応じて適
正なインジェクション油量を供給することができる。そ
の動作例を図１７に示す。すなわち、上記したξ₀ の値
をほぼ一定に維持することができる。なお、弁５３の開
度を運転周波数に応じ連続的に変えるようにしてもよ
い。

【００３７】図１８は前記ヘリウム圧縮用の圧縮機１０
８をヘリウム液化用冷凍装置に組込んだ場合の実施形態
である。圧縮機１０８は高圧力比２０まで単段圧縮が可
能で、高効率の圧縮機特性を備えており、このため圧縮
機は１台のみ配備される。該圧縮機１０８とガス冷却器
５０、油分離装置７０や油冷却器５５（図１５参照）な
どの機器が一つの架台上に機能的に配置された圧縮機ユ
ニット８０（詳細は図示せず）にまとめられている。圧
縮機は１台だけであり、圧縮機ユニットにした場合、ユ
ニット全体の軽量化と省スペース化が図られる。圧縮機
１０８は、図２に示したように横形構造としているため
高さ方向に制限のある冷凍装置にあっても、より低い圧
縮機ユニットの外法寸法がとれるという利点がある。

【００３８】図１８は、クロードサイクル冷凍装置の例
を示している。圧縮機ユニットから吐出された高圧ヘリ
ウムガスは、高圧ライン１１０を介して５段の熱交換器
３０１〜３０５により極低温まで冷却され、ジュール・
トムソン弁１１５（以後「Ｊ−Ｔ弁」と称する。）に至
る。なお高圧ガスの予冷は、高圧ガスの一部を途中の膨
張機１４０，１６０による断熱膨張によってもたらされ
る寒冷ガスを利用する。５番目の熱交換器３０１を通っ
た高圧のヘリウムガスの温度は約１０Ｋ近くになる。そ
して上記したＪ−Ｔ弁１１５で断熱膨張させてヘリウム
液体温度以下の４．２Ｋの極低温を得る。なお、バイパ
ス管路１２０，１９０及び吸入弁１３０，１９１を通っ
て膨張器１４０，１６０では上記したように断熱膨張す
る。

【００３９】Ｊ−Ｔ弁１１５を通過したヘリウムはジュ
ールトムソン膨張を経てヘリウム２００となって、高圧
容器（輻射シールド付）２１５内に溜る。この容器内に
は、超電導コイル２１２が浸漬されており、液体ヘリウ
ムは該コイル２１２を液体ヘリウム温度下（４．５Ｋ前
後）で冷却する。

【００４０】次に、低圧ガスライン１０５ａ，１０５に
導かれたヘリウムガスは前記した５段の熱交換器により
極低温から常温（大気温度）まで温度上昇しながら、再
び圧縮機ユニット８０のガス吸込部８０ａまで戻る。

【００４１】以上の説明のように、本発明は、フロンガ
スを冷媒に用いる冷凍用途と、ヘリウム液化温度の４．
５Ｋ前後の極低温の得られるヘリウムガスを用いるヘリ
ウム液化用冷凍装置に共用できる圧縮機として、設定容
積比が３．５〜４．５のスクロール形状となして上記両
用途に共用できるスクロール部の歯形形状とすることを
特徴としている。本構成により、圧縮機のわずかな改造
により両用途に対して高性能で高信頼性のスクロール圧
縮機が簡便に提供できるものである。また横形構造のス
クロール式ヘリウム圧縮機の構成とすることにより、油
による電動機の冷却効果（電動機の下部が油溜めに浸っ
ていることによる冷却効果）及びチャンバ放熱作用を促
進し、圧縮機全体の冷却効果が高まる。またインジェク
ション用油の油取出し位置を圧縮機のヘリウムガス吐出
管と同じサイドカバー部に設けることにより、より一層
油による冷却効果が高まる。上記構成とすることによ
り、チャンバ底部の油の温度をより低く抑えることがで
きるので、ヘリウム用途で問題となる油の劣化を防止で
き、油の寿命ひいては圧縮機自体の寿命にも良い結果を
もたらす。

【００４２】

【発明の効果】本発明によれば次の効果がある。

【００４３】（１）単一のスクロール歯形形状を、フロ
ンガスを用いた冷凍サイクル向けのフロンガス圧縮機
と、ヘリウム液化用途向けのヘリウムガス圧縮機とのい
ずれにも共用できるので、経済的であり、製造コストが
安価となる。

【００４４】（２）ヘリウム液化用のヘリウム冷凍装置
に、スクロールラップの設定容積比Ｖ_r がＶ_r ＝３．５
〜４．５前後である様に設定したスクロール形状を有す
るスクロール圧縮機を配備し、圧力比２０という高圧力
比運転の単段圧縮が可能となる。したがって圧縮機ユニ
ットとして従来より軽量化と省スペース化が図れる。

【００４５】（３）インバータ制御によるヘリウム圧縮
機の運転において、冷凍機側の負荷に応じたヘリウム流
量の制御と共にインジェクション油量の制御ができ、高
い信頼性を維持して、常に最適冷凍運転を行って省エネ
ルギー化を図ることができる。（４）圧縮不足がなくなるので、旋回スクロール背面側
の背圧室に導かれる中間圧の不足で旋回スクロールが固
定スクロールから離れるといった現象は防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のスクロール歯形をヘリウム液化用途と
フロンガスを用いた冷凍用途に適用した場合の圧縮機の
効率特性を示す説明図。

【図２】ヘリウム圧縮用の横形スクロール圧縮機の全体
構造を示す縦断面図。

【図３】図２の圧縮機における固定スクロールと旋回ス
クロールの平面図。

【図４】固定スクロールの油インジェクション部の縦断
面図。

【図５】旋回スクロールの平面図。

【図６】旋回スクロールの縦断面図。

【図７】固定スクロール及び旋回スクロールの噛合い状
態を示す平面図。

【図８】フロンガス圧縮用の横形スクロール圧縮機の縦
断面図。

【図９】図８の圧縮機における固定スクロールの平面
図。

【図１０】図８の圧縮機における固定スクロールの縦断
面図。

【図１１】図８の圧縮機における旋回スクロールの平面
図。

【図１２】図８の圧縮機における旋回スクロールの縦断
面図。

【図１３】図２の圧縮機の外観図。

【図１４】油インジェクション回路を備えた圧縮機まわ
りの全体構成図。

【図１５】油インジェクション回路を備えた圧縮機まわ
りの全体構成図。

【図１６】インジェクション油量の制御例を示す説明
図。

【図１７】インジェクション油量の制御例を示す説明
図。

【図１８】ヘリウム液化装置の全体構成図。

【符号の説明】

１…固定スクロール１ｗ…油インジェク
ション孔５…旋回スクロール３２…吐出室３６…背圧室４０…油インジェク
ション管４７ａ…油取出管５１…油配管５５…油冷却器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐渡慎太郎静岡県清水市村松390番地株式会社日立製作所清水工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧縮要素部となる固定スクロールと旋回
スクロールを備え、密閉容器の側端部より反対側の側端
部に向かってガス吐出室と電動機室をフレームにて区画
して形成するとともに両室の下方に油溜めを設け、上記
旋回スクロールを駆動するための上記電動機により駆動
されるクランク軸の軸心を水平方向に設定した横形のヘ
リウム用密閉形スクロール圧縮機において、ガス吸入管をガス吐出室を貫通して固定および旋回両ス
クロール間のガス吸入室と連通する吸入孔と接続し、吐
出室と電動機室とを固定スクロールおよびフレームの上
縁部に設けた連通路にて連通し、該連通路を通って吐出
室から電動機室にガスを導くようにするとともに、フレ
ーム下端部には、吐出室に溜った油を電動機室側に導く
均油路を設け、吐出室と反対側に位置する容器側端部の
上方部に圧縮機の外部に吐出ガスを導く吐出管を設け、
かつ前記電動機室の下方の油溜りから冷却用インジェク
ション油を外部に取出す配管を上記吐出管と同じ側の容
器側端部の下方部に設置するとともに、該油取出し管よ
り導かれた油を別設置の油冷却器を介してスクロール部
の圧縮室にインジェクションする配管経路を備えたこと
を特徴とする横形ヘリウム用スクロール圧縮機。
【請求項２】圧縮機を回転数可変に制御するインバー
タを備え、インジェクション油の油量調節用の減圧装置
を並列に設け、片側のインジェクション流路に弁を付属
して該弁を圧縮機回転数に応じて開閉操作せしめること
を特徴とする請求項１記載の横形ヘリウム用スクロール
圧縮機。