(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単原子ガスを含むオイル潤滑式のコンプレッサシステムであって、
少なくとも１つのコンプレッサと、
空冷式オイルクーラと、
空冷式ガスクーラとを含み、
前記オイルクーラは、室外に配置され、前記コンプレッサ及び前記ガスクーラは室内に配置され、夏季中に冷却されている間、前記コンプレッサからの熱の３５％以下を室内に廃棄しつつ、残りは、室外で前記オイルクーラにより廃棄される、コンプレッサシステム。
【請求項２】
室内に配置された第２の空冷式オイルクーラを更に含み、オイルの流れは、室内が加熱されるときに室内のクーラに室外のクーラから分流される、請求項１に記載のコンプレッサシステム。
【請求項３】
前記第２のオイルクーラは、ガス若しくはその類を冷却するファンとは異なるファンを有する、請求項２に記載のコンプレッサシステム。
【請求項４】
前記コンプレッサから離れる前記単原子ガスからの熱を、室外の前記オイルクーラから戻る冷却されたオイルに移動させる熱交換器を更に含む、請求項１に記載のコンプレッサシステム。
【請求項５】
前記オイルクーラに行く高温のオイルラインを冷却されたオイル戻りラインに接続するオイルバイパスライン及びバイパスフローレギュレータを更に含み、前記バイパスフローレギュレータは、室外よりも冷たいときに、混合されたオイルの温度を１０℃より大きくなるように制御する、請求項１に記載のコンプレッサシステム。
【請求項６】
単原子ガスを含むオイル潤滑式のコンプレッサシステムであって、
少なくとも１つのコンプレッサと、
空冷式オイルクーラと、
水冷式ガスクーラとを含み、
前記オイルクーラは、室外に配置され、前記コンプレッサ及び前記ガスクーラは室内に配置され、夏季中に冷却されている間、前記コンプレッサからの熱の３５％以下を冷却水内に廃棄しつつ、残りは、室外で前記オイルクーラにより廃棄される、コンプレッサシステム。
【請求項７】
室内に配置された第２の空冷式オイルクーラを更に含み、オイルの流れは、室内が加熱されたときに室内のクーラに室外のクーラから分流される、請求項６に記載のコンプレッサシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、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機用のヘリウムコンプレッサユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧＭサイクル冷凍機の動作の基本原理は、特許文献１に記載される。ＧＭサイクルは、主に、信頼性の高い長寿命な冷凍機を最小コストで構築するために量産されたオイル潤滑式空調コンプレッサを利用することができるので、小さい商業用冷凍機において極低温を生成する支配的な手段となった。ＧＭサイクル冷凍機は、ヘリウムが設計冷凍剤に置換された場合でも、空調コンプレッサの設計制限の範囲内で圧力及びパワー入力にて良好に動作する。典型的には、ＧＭ冷凍機は、約２ＭＰａ（単位平方インチ当たり３００ポンド、絶対圧、ｐｓｉａ）の高圧（Ｐｈ）、及び、約０．８ＭＰａ（１１７ｐｓｉａ）の低圧で動作する。ＧＭ冷凍機の低温側エクスパンダは、典型的には、５ｍから２０ｍの長さのガスラインによりコンプレッサから分離されている。エクスパンダ及びコンプレッサは、通常、室内に搭載され、コンプレッサは、通常、水により冷却され、最も典型的には、水冷却機ユニットにより循環される水により冷却される。あるコンプレッサは、空冷式であり、室内に搭載され、空調された空気により冷却され、若しくは、室外に搭載され、室外の空気により冷却される。
【０００３】
空調コンプレッサは、広範なサイズ及び幾つか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のに適合させるために追加的な冷却を付与する手段は、コンプレッサが異なれば異なる。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空冷フィンを追加することにより冷却される典型的には往復動するピストンタイプである。約８００から４５００Ｗの間は、最も通常のコンプレッサは、低圧の戻りガスがコンプレッサ室内に直接流れる回転ピストンタイプである。回転ピストン型のコンプレッサでは、オイルは、ヘリウムと共にコンプレッサ室内への流れ、圧縮されているときにヘリウムから熱を吸収する。オイルの大部分は、高圧であるコンプレッサシェル内でヘリウムから分離する。特許文献２は、シェルまわりに水冷管を巻き付け、更に、水管上にヘリウム冷却管及びオイル冷却管を巻き付けることによるヘリウム、オイル及びコンプレッサシェルの冷却を開示する。冷却されたオイルは、次いで、戻りヘリウムライン内に噴射される。実際には、コンプレッサは、オイルポンプとして機能する。３０００Ｗから１５０００Ｗの間を消費するスクロールコンプレッサ、１５ｋＷから５０ｋＷの間を消費するスクリューコンプレッサは、ヘリウムを圧縮するために使用されてきたが、現在では、最も大型のＧＭサイクル冷凍機は、約１５ｋＷを消費する。小型の往復動コンプレッサは、吸入バルブ及び排出バルブを有し、回転ピストン型のコンプレッサは、排出バルブを有する。これらのバルブは、変位の約０．５％までオイルでの流れに許容できるオイルの流量を制限する一方、バルブを有さないスクロールコンプレッサ及びスクリューコンプレッサは、典型的には約２％の変位であるオイルを吸引することができる。これは、コンプレッサからの熱の約７５％を吸収するのに十分であり、残りは、ヘリウム内に流れる。双方のストリームは、コンプレッサからコンプレッサの外部で冷却されるために流れ、バルブを有するより小型のコンプレッサでなされるようなコンプレッサシェルから熱を取り除く必要性は無い。
【０００４】
特許文献３は、本願と同一の譲受人によりヘリウムを圧縮するために適合されてきたＣｏｐｅｌａｎｄ社により製造される水平スクロールコンプレッサを開示する。空調冷凍剤のために必要とされるオイルの数倍のオイルを流すことへの適合は、過剰なオイルをモータをバイパスさせ、スクロール入口に直接流すことにより、なされる。Ｃｏｐｅｌａｎｄコンプレッサは、ヘリウムからオイルの大部分を除去するための外部のバルクオイルセパレータを必要とする。熱は、水冷式熱交換器内でオイル及びヘリウムから除去され、オイルは、コンプレッサに戻され、ヘリウムは、エクスパンダに流れる前に第２のオイルセパレータ及び吸着器を通過する。
【０００５】
これを空冷に変換するための先行技術は、図１に示すように、水冷熱交換器を空冷熱交換器に置換するだろう。これは、空気の温度が１５℃から３０℃の間である場合に、許容可能に良好に作動する。試験が示すこととして、約３ｋＷまでの熱負荷は最終消費者にとって許容可能であるが、より大きい熱負荷に対しては、冷却水が利用可能で無い場合に室外の空気へと熱を廃棄することが好ましい。温度が−３０℃から＋４５℃に変化できる室外環境で動作するようにヘリウムコンプレッサを設計することは、多くの挑戦を提示する。オイルの循環速度は、約８５℃未満に最大排出温度を維持するために十分高く設定される。これは、コンプレッサにとって許容可能な制限内であるが、オイルは、低温オイルよりも高い速度にて、その中で吸着される異物、主に水蒸気をガス抜きする。これは、より早期に吸着器を装填し、吸着器のより頻繁な交換を必要とする。低い室外温度では、オイルは、非常に粘度が高くなり、コンプレッサの始動を困難とする。この問題は、物置を室温近くに維持するようにサーモスタット制御式で制御される調整可能なルーバーとファンを有する小さな物置内にコンプレッサを置くことで、過去に解決されている。これらの特徴の１つ若しくは双方は、コンプレッサのキャビネット内に組み込むこともできる。ヒータは、コンプレッサがオンする前にコンプレッサを暖機するために必要とされ、次いで、コンプレッサからの熱は、物置又はキャビネットを高温に維持する。本願の譲受人は、室内動作用のヘリウム空冷コンプレッサ、モデルＣＳＡ−７１を製造し、これは、日立のスクロールコンプレッサを使用し、また、室外動作用のモデルＣＮＡ−６１を製造し、これは、三洋の回転ピストンコンプレッサを使用する。双方は、従来の冷却手段を使用する。
【０００６】
日立社は、ヘリウムを圧縮するのに適合されてきたスクロールコンプレッサの幾つかのモデルを作成する。それらは、約５ｋＷから９ｋＷの間の消費電力である。日立社のスクロールコンプレッサは、鉛直方向に向き、戻りガス及びオイルをスクロール内へと直接別々のラインを介して流すことが、Ｃｏｐｅｌａｎｄ社のコンプレッサと異なる。ヘリウム及びオイルは、共に、高圧でシェル内へと排出される。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に、ヘリウムから分離し、コンプレッサの底部に集まる。小型のコンプレッサと異なり、この種のコンプレッサに対しては、シェルまわりに巻かれた水冷管によりシェルを冷却することは、効率的でない。ここで、ヘリウム及びオイルからの熱は、空冷若しくは水冷である、コンプレッサシェルの外部のアフタークーラにより除去される。日立社のスクロールは、別のバルクオイルセパレータを必要とせず、従って管路がより簡易であるので、本発明の原理を図示するために使用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】McMahon他の米国特許第２，９０６，１０１号明細書
【特許文献２】Longsworthの米国特許第６，４８８，１２０号明細書
【特許文献３】米国特許公開第２００７／０２５３８５４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、空冷式のオイル潤滑式ヘリウムコンプレッサにおける構成要素であるオイルセパレータ（複数も可）と吸着器を、室内の空調環境内に維持しつつ、夏季中にコンプレッサからの熱の少なくとも６５％を室外に廃棄することである。
【０００９】
本発明のその他の目的は、室内空間を加熱するコストを節約するために冬季中にオイルからの熱を室内空間に廃棄する選択肢を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、ＧＭ若しくはパルスチューブサイクルの極低温冷凍機で使用されるように設計され、夏季中にコンプレッサにより生成される熱の少なくとも６５％を室外の空気に廃棄し、残りは室内の空調された空気に廃棄される。これは、高温で高圧のヘリウムがコンプレッサ、１つ以上のオイルセパレータ、オイル吸着器及び他の管及び制御要素を含む室内組立体内の空冷式若しくは水冷式の熱交換器で冷却されている間、室外の空冷式熱交換器に高圧で高温オイルを循環し、コンプレッサ入口に冷却されたオイルを戻すことにより達成される。
【００１１】
本発明は、おそらくは、約４から１２ｋＷの間の消費電力であり、夏季に空調された空間に約１から３ｋＷの熱を廃棄するコンプレッサシステムに好適である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ファン２７の付いた６で示すような空冷式のアフタークーラにより標準の水冷式のアフタークーラを置換するために先行技術を使用するだろうオイル潤滑式ヘリウムコンプレッサシステムの概略図。
【図２Ａ】オイルが室外に搭載された空冷式オイルクーラ９に循環され、空冷式ヘリウムクーラ１２を含む、システムの残りが、本発明により室内に配置される、コンプレッサの概略図であり、クーラ１２により室内空気へ移動される熱量を最小化するヘリウム／オイル熱交換器も含む図。
【図２Ｂ】熱交換器１１が省略された図２Ａのバリエーションの概略図。
【図３Ａ】室内に搭載されるファン２９及び第２の空冷式オイルクーラ１０を追加する選択肢を示すコンプレッサシステムの概略図であり、ソレノイドバルブ４８，４９は、夏季中は室外オイルクーラ９へ冬季中は室内オイルクーラ１０へ高温オイルを循環させるために使用される。
【図３Ｂ】オイルクーラ１０がヘリウムクーラ１２と共に搭載され同一のファン３０を共有する以外は、図３Ａに類似する図。
【図４】バイパスライン２５及びオイル温度レギュレータ２４が追加された図２Ａに類似するシステムを示す図。外部温度が非常に低いとき、レギュレータ２４は、オイルクーラ９からの低温のオイルと混合し、戻り温度を約１０℃より大きく保つために、バイパスライン２５を高温オイルが通過することを可能とする。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
同一の番号及び説明を有する図中の同一又は類似の部品は通常繰り返されない。図１は、アフタークーラ６が空冷でなく水冷であることを除いて本発明の譲受人により現に製造されるオイル潤滑式ヘリウムコンプレッサシステムの概略図である。本図は、ヘリウムからオイルの大部分を分離するためにコンプレッサ排出ライン２１に接続されるバルクオイルセパレータ５を必要とするＣｏｐｅｌａｎｄ社により製造される水平スクロールコンプレッサを示す。続く図は、ヘリウム／オイルの混合物がスクロールから、バルクオイルセパレータとして機能するコンプレッサシェルへと排出されるので、コンプレッサを図示するために日立により製造される垂直スクロールコンプレッサを使用する。
【００１４】
図の全てに共通なコンプレッサシステム構成要素は、コンプレッサシェル２、シェル内の高圧容積４、オイルセパレータ７、吸着器８、コンプレッサスクロール１３、ドライブシャフト１４、モータ１５、オイル戻りポート１６、ヘリウム戻りライン１７、スクロールからのヘリウム／オイル混合物排出器１９、アフタークーラへの高圧高温オイルライン２２、オイル流量制御オリフィス２３、コンプレッササンプ内のオイル、空冷アフタークーラ３１への高圧ヘリウム、クーラ６若しくは９からの高圧オイル３２、オイルセパレータ７から吸着器８へのガスライン３３、オイルセパレータ７から内部リリーフ弁（ＩＲＶ）３５へのガスライン３４、吸着器ガスカップリング３６、エクスパンダ（図示せず）にコンプレッサを接続する高圧ヘリウムガス供給ライン３７、コンプレッサにライン３９を介して低圧でエクスパンダから戻るガスを接続する戻りガスカップリング３８、大気リリーフ弁（ＡＲＶ）４０、オリフィス／フィルタ４２を介したセパレータ７からコンプレッサへのオイル戻りライン４１、ドライブシャフト１４と一体のオイルポンプ４７、及び、アフタークーラからのヘリウムをオイルセパレータ７に接続するライン５０である。
【００１５】
図１におけるコンプレッサシステム１００は、水冷アフタークーラを空冷アフタークーラ６及びファン２７で置換し、全体のシステムを室外に設置することにより、空冷ユニットに水冷ユニットを変換する従来の方法を示す。オイルの流量は、許容可能な値で最大温度を維持するように設定され、熱交換器及びファンは、約４５℃の最大空気温度でオイル及びヘリウムから熱を廃棄するようにサイズが決定される。ヘリウムは、約５０℃でオイルセパレータ７に流れるだろう。室温約２５℃近くまでヘリウムを冷却する機構がなければ、ヘリウムは、高温オイルから気化し吸着器に収集する高い割合の異物、主に水を搬送するだろう。従って、吸着器は、コンプレッサ、ヘリウムアフタークーラ、オイルセパレータ（複数も可）及び吸着器が本発明により空調された環境に維持される場合よりも頻繁に交換される必要がある。
【００１６】
コンプレッサシステム１００は、続くシステムに対して次の相違を有する。即ち、戻りガスは、ライン１７からスクロールの入口側のコンプレッサのシェル内に流れ、従って、シェル２内の大部分の容積は低圧である（符号３参照）。サンプ２６内のオイルは、低圧であり、１８にてスクロール内に流れる際に低圧のヘリウムに混合する。排出ライン２１は、スクロールを離れる同一のヘリウム／オイル混合物（符号１９参照）を含む。図１は、排出温度が高すぎる場合にコンプレッサを停止する温度スイッチであるＴＳＧ４４を示す。ＴＳＭ４５は、モータ温度が高すぎる場合にコンプレッサを停止する温度スイッチである。たいていのコンプレッサシステムは、これらの２つの保護手段を有する。
【００１７】
図２Ａは、コンプレッサシステム２００の概略図である。図２Ａは、垂直式の日立社のコンプレッサを示し、これは、ライン１７を通って戻るヘリウムが、ライン１６を通る戻りオイルと同様、スクロール１３内に直接流れるように構成される。高温の圧縮ヘリウム及びオイルの混合物は、スクロールから出て（符号１９参照）、オイルの大部分は、コンプレッサの底部のサンプ２６に落ちる。少量のオイルを有する高温の圧縮ヘリウムは、熱交換器１１へとライン２０を介してコンプレッサ２０を出ていき、熱交換器１１は、高温ヘリウムから熱のいくらかを戻りオイルに移動させる。次いで、ヘリウムは、ファン３０により駆動される室内空気により冷却されるヘリウムクーラ１２を通って流れる。コンプレッサからの熱の大部分は、オイルクーラ９内で室外に廃棄される。
【００１８】
表１は、図示のシステムにおけるヘリウム及びオイルの温度の推定値を、夏季の室外温度４５℃に対してとー３０℃の冬季温度に対して与える。室内の温度は、夏季では２７℃であり、冬季では２１℃であると想定する。オイルの循環量は、ライン２２内の最大オイル温度が８５℃になるように制限するために固定オリフィス２３により設定される。この流量は、より低い周囲温度で同一に留まることを想定するが、実際には、流量は温度と共に低下する。計算は、６０ｈｚで動作し９８ｍＬの排出量を有し０．９ＭＰａから２．３ＭＰａにヘリウムを圧縮するときに８．０ｋＷの消費電力となるスクロールコンプレッサに対してなされる。ファン速度は、可変であることが想定され、従って、例えば、室外の空気流れは、オイルが冷たくなりすぎるのを防止するために冬季では減少される。室外の熱交換器へのラインは、絶縁されることが想定される。
【００１９】
【表１】
0005584901.tif 000002
ヘリウム及び他の単原子ガスは、圧縮されるとき他のガスよりも非常に高温になり、従って、ヘリウムと共にコンプレッサ入口に噴射されるオイルは相当な量である。表１は、システム１００に対して、本例に対して噴射されるオイルの容積は排出された容積の２．０％を占めることを示す。先行技術を表すシステム１００は、コンプレッサの熱の１００％を室外に廃棄する先行技術を示す。システム２００は、想定される最も暑い日には、熱の８１％を室外に、１９％を室内に廃棄し、想定される最も寒い日には、熱の８９％を室外に、１１％を室内に廃棄する本発明を示す。本例で使用される入力電力８．０ｋＷに対して、空調システムへの最大の熱負荷は、１．５ｋＷである。
【００２０】
本発明の最も重要な局面は、オイルクーラを除いて、コンプレッサシステムの全てを室内に維持することが、セパレータ７及び吸着器８を流れるヘリウムがシステム１００に対してよりも非常に低温になるという結果を生むことである。表１は、吸着器を出るヘリウムがシステム１００に対して５０℃であるのに比べてシステム２００に対して３２℃であることを示す。
【００２１】
図２Ｂは、熱交換器１１が省略された図２Ａのバリエーションの概略図である。表１は、システム２００に対して比較可能なシステム２０１に対する温度を列挙する。システム２０１は、想定される最も暑い日には、熱の６６％を室外に、３４％を室内に廃棄し、想定される最も寒い日には、熱の７０％を室外に、３０％を室内に廃棄する。本例で使用される入力電力８．０ｋＷに対して、空調システムへの最大の熱負荷は、２．７ｋＷである。システム２０１は、熱交換器１１を有さないコストの節約は、空調システムへの非常に高い室内熱負荷により相殺されることを示す。
【００２２】
図３Ａは、室内に搭載される第２の空冷オイルクーラ１０とファン２９を追加する選択肢を示すコンプレッサシステム３００の概略図である。ソレノイドバルブ４８，４９は、夏季中に室外オイルクーラ９に、冬季中に室内オイルクーラ１０に高温オイルを循環させるために使用される。典型的には、自己シーリングであるだろうガスラインカップリング５１は、このサブ組立体をオプションとして売られることを可能とする。夏季中、ソレノイドバルブ４８は開であり、４９は閉であり、従って、温度はシステム２００と同一である。冬季中、オイルは、室内のオイルクーラ１０を通って流れ、従って、コンプレッサからの熱の全ては内部空間を加熱する。
【００２３】
図３Ｂは、オイルクーラ１０がヘリウムクーラ１２と共に搭載され同一のファン３０を共有する以外は、図３Ａに類似するコンプレッサシステム３０１を示す。
【００２４】
図４は、バイパスライン２５及びオイル温レギュレータ２４が追加された図２Ａに類似するコンプレッサシステム４００を示す。外部の空気温度が非常に低いとき、レギュレータ２４は、高温オイルがバイパスラインを流れオイルクーラ９からの低温オイルと混合し、約１０℃よりも大きい戻り温度を維持することを可能とする。システム４００は、冬季中により迅速に始動することを可能とする点でシステム２００に対して利点を有するだろう。室外クーラ９内のオイルを暖めるためにヒータを待つのではなく、システム４００のオイルバイパスライン２５は、オイルを早急に循環させることができ、外部からの低温オイルは、コンプレッサが暖機している間に混合することができる。ファン２８は初期的にオフにするのが望ましい場合がある。
【００２５】
水冷式の熱交換器により空冷式のヘリウムクーラ１２を置換することは本発明の範囲内である。ここでは、本発明を制限するための意図はなにも無い。本発明は、他の水平スクロールコンプレッサや、スクリュー式、往復動式、遠心式、及び回転ベーン式のような他のコンプレッサや、任意の単原子ガスのコンプレッサと共に使用されてもよいことは、理解されるべきである。ヘリウム／オイル熱交換器１１は、任意のシステムにおいて任意的である。
【００２６】
本発明が説明されてきたが、理解されるべきこととして、本発明の原理に一般的に続いて、更なる修正、使用及び／又は適合は、本発明が関連する分野の既知又は慣用のプラクティス内に入るような本開示からの逸脱や、添付の請求項の限定若しくは本発明の範囲内に入るような上述の主要な特徴に適用されるような本開示からの逸脱を含めて、可能である。また、ここで使用される用語は、要約書も同様、説明の目的であり、限定としてみなされるべきでない。
【００２７】
また、次の請求項は、ここで開示した本発明の一般的な特徴及び特別な特徴を全てカバーするように意図される。
【図１】
0005584901.tif 000003
【図２Ａ】
0005584901.tif 000004
【図２Ｂ】
0005584901.tif 000005
【図３Ａ】
0005584901.tif 000006
【図３Ｂ】
0005584901.tif 000007
【図４】
0005584901.tif 000008