(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮して加圧する圧縮機を備えた圧縮ユニットと、この圧縮ユニットからの加圧冷媒により極低温を実現する冷凍機と、この圧縮機の吐出側に配置されるオイルセパレータとを有する極低温冷凍装置において、
上記オイルセパレータの筺体は、筒状の横長の中央シェルと、この中央シェルの一側の開口を閉塞するキャプ状の入口シェルと、この中央シェルの他側の開口を閉塞するキャプ状の出口シェルとから構成されており、
前記入口シェルの上部に冷媒の入口管がつながれ、前記出口シェルの上部に冷媒の出口管が下部にオイル吐出管がそれぞれつながれ、
前記中央シェルの内部においては、この入口シェルから出口シェルへ向かって流れる冷媒の流れ方向に沿ってまずグラスウールが配置されその下流側に向かって順次目の粗さが粗い複数種の網が配置され、且つ一番目の粗い網の流出側には邪魔板を配置し、
この邪魔板は前記中央シェルの内壁に沿って取り付けられるよう略円形でその下部が扇形に切り取られ冷媒の通路となる開口となっており、この切り取られ縁には一番目の粗い網から吐出され邪魔板に当たったオイルを中央シェルの内壁に導くための案内路が形成されていることを特徴とする極低温冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超電導マグネット等の冷却装置、極低温における物性テスト装置又はクライオポンプなどに利用される極低温冷凍装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、極低温冷凍装置は、極低温に冷却されたパネルに気体分子を凝縮又は吸着して高真空圧を発生させるクライオポンプに利用されて、上記パネルを極低温(例えば１０〜２０Ｋ)に冷却したり、超電導マグネットや物性テスト装置の冷却装置に利用されて、超電導マグネットや試料を極低温(例えば４Ｋ)まで冷却させるものである。
【０００３】
このような極低温冷凍装置１は、図５に示すように、圧縮機２を備えた圧縮ユニット３と冷凍機４とが冷媒配管５にて接続されて構成される。圧縮ユニット３における冷媒配管９には、圧縮機２の吐出側に熱交換器６が配設されて、圧縮機２にて加圧された高温高圧の冷媒（以下「ヘリウムガス」と言う。）が常温の高圧ガスに熱交換される。この高圧ガスが冷凍機４へ供給されて断熱膨張され、冷凍機４の低温端部４Ａが極低温に冷却される。
【０００４】
図５中の符号７はオイルセパレータ、符号８はアドソーバ、符号５０はバッファタンクである。
【０００５】
上述したオイルセパレータ７には、シェル内にグラスウールを内蔵しその両側を金具で押さえた構造のものが使われていた。そして、圧縮機２から吐出されたヘリウムガスを熱交換器６を介してこのシェルの一側から流し込むことにより、ヘリウムガスがグラスウールを通過する際に、ヘリウムガスに含まれているオイルをグラスウールで捕捉させ、ヘリウムガスのみをこのシェルの他端から流出させると共に、グラスウールで捕捉されたオイルその他端の下部から圧縮機２へ回収してこの圧縮機２の内部の摺動部の摩耗を抑えるようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ヘリウムガスが流れ込んだオイルセパレータ７内の状態は次のようであると考えられる。
【０００７】
オイルセパレータ７に流れ込んだヘリウムガス中のオイル微粒子がグラスウールの繊維に衝突するとこのオイル微粒子はグラスウールの繊維に付着する。更に、グラスウールの繊維に付着したオイル微粒子に次のオイル微粒子が付着し、段々にその粒子が大きくなりやがて重力により下方に落ちる。オイルセパレータ７の入口近くのグラスウールはほとんどオイルで濡れてくるが、オイルセパレータ７の出口に行くに従って下流側のグラスウールは途中でほとんどオイル微粒子が落ちてしまい、へリウムだけがオイルセパレータ７の出口から出て行く。
【０００８】
重力で下方に落ちたオイル粒子は、まとまって液となり、オイル出口から排出される。
【０００９】
しかし、オイルセパレータ７に流れ込むヘリウムガスの流量が多くなったり、ヘリウム中のオイル微粒子の混合比率が高くなると、グラスウール内で分離しきれなくなって、下流側のグラスウールのメッシュにオイルが付着してしまう。
【００１０】
メッシュ全面にオイルが付着すると、ヘリウムガスの流路（グラスウールのメッシュ）が閉塞されて局部的にヘリウムガスの流速が速くなる。流速の速いヘリウムガスによりメッシュに付着しているオイルが吹き飛ばされ、オイルセパレータ７内の出口側の空間にオイルの粒子として飛散する。このようなオイルの流出は、いずれ冷凍機４まで侵入し、冷凍機４内で凍結して、冷凍機４の不良の発生の原因となることが考えられる。
【００１１】
また、オイルセパレータ７からのオイルの流出により、圧縮機２に戻るオイルの量が少なくなると、圧縮機２内のオイル不足が生じて、圧縮機２内部の摺動部の摩耗が進んで、耐久性が劣ることが考えられる。
【００１２】
本発明の課題は、上述の事情を考慮してなされたものであり、オイルセパレータで、ヘリウムガス（冷媒）とオイルとを確実に分離して、オイルが冷凍機まで侵入しにくくして冷凍機の不良の発生低下、並びに圧縮機の耐久性を向上させることにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、冷媒を圧縮して加圧する圧縮機を備えた圧縮ユニットと、この圧縮ユニットからの加圧冷媒により極低温を実現する冷凍機と、この圧縮機の吐出側に配置されるオイルセパレータとを有する極低温冷凍装置において、上記オイルセパレータの筺体は、筒状の横長の中央シェルと、この中央シェルの一側の開口を閉塞するキャプ状の入口シェルと、この中央シェルの他側の開口を閉塞するキャプ状の出口シェルとから構成されており、前記入口シェルの上部に冷媒の入口管がつながれ、前記出口シェルの上部に冷媒の出口管が下部にオイル吐出管がそれぞれつながれ、前記中央シェルの内部においては、この入口シェルから出口シェルへ向かって流れる冷媒の流れ方向に沿ってまずグラスウールが配置されその下流側に向かって順次目の粗さが粗い複数種の網が配置され、且つ一番目の粗い網の流出側には邪魔板を配置し、この邪魔板は前記中央シェルの内壁に沿って取り付けられるよう略円形でその下部が扇形に切り取られ冷媒の通路となる開口となっており、この切り取られ縁には一番目の粗い網から吐出され邪魔板に当たったオイルを中央シェルの内壁に導くための案内路が形成されているようにしたものである。
【００１４】
請求項１に記載された発明には次の作用がある。中央シェルに配置された複数種類の網によって確実にヘリウム中のオイルが分離され、且つこのシェル内の邪魔板は、その下部が開放されているので、この下部がオイルの通路となりスムーズにシェル内をオイルが流れる。しかも、邪魔板に当たったオイルはスムーズにシェルの内壁に沿って流下する。これにより、オイルセパレータから確実にオイルとヘリウムガスとを分離して取り出せ、オイルが冷凍機まで侵入しにくくなる。又、圧縮機の耐久性が向上する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る極低温冷凍装置の一実施の形態における冷媒回路を示す回路図である。この実施の形態における極低温冷凍装置１０は、クライオポンプ等に利用され約１０Ｋまで冷却する冷凍装置であり、圧縮機１１を備えた圧縮ユニット１２と、冷凍機１３とを有して構成される。
【００２４】
圧縮ユニット１２は、圧縮機１１を配設した冷媒配管１５の吸込側にバッファタンク１６が、吐出側に熱交換器１７、オイルセパレータ１８及びアドソーバ１９が順次配設されたものであり、圧縮機１１が、冷媒（ヘリウムガス）を圧縮して高温高圧の加圧冷媒とする。
【００２５】
熱交換器１７は、圧縮機１１からの高温高圧冷媒を熱交換して、常温の高圧冷媒（たとえば約２０〜２１ｋｇ／ｃｍ２）とする。オイルセパレータ１８は、圧縮機１１内で潤滑・冷却用に使用された冷媒中のオイルを分離する。更に、アドソーバ１９は、オイルセパレータ１８にて除去しきれなかった上記オイルや、このオイル中の揮発成分を活性炭を用いて吸着する。また、バッファタンク１６は、後述するように、冷凍機１３による冷媒の吸込、排出によって発生する冷媒の圧力脈動を吸収して圧縮機１１へ導くものである。
【００２６】
上記冷凍機１３は、圧縮ユニット１２におけるアドソーバ１９からの常温高圧冷媒（たとえば約２０〜２１ｋｇ／ｃｍ２）を導入して断熱膨張を繰り返し、低温端部６０をたとえば約１０Ｋに冷却、低温端部７０をたとえば約８０Ｋに冷却する。これらの低温端部２０により、クライオポンプを構成する。
【００２７】
この冷凍機１３には吸込側冷媒配管２１及び排出側冷媒配管２２が設けられる。吸込側冷媒配管２１は、往き側冷媒配管２３を介して、圧縮ユニット１２における冷媒配管１５のアドソーバ１９側端部に接続される。これらの往き側冷媒配管２３及び吸込側冷媒配管２１により、上述のように、圧縮ユニット１２の圧縮機１１からの高圧冷媒が冷凍機１３内へ導入される。また、排出側冷媒配管２２は、戻り側冷媒配管２４を介して、圧縮ユニット１２における冷媒配管１５のバッファタンク１６側端部に接続される。これらの排出側冷媒配管２２及び戻り側冷媒配管２４により、冷凍機１３にて膨張した低圧冷媒（たとえば約４ｋｇ／ｃｍ２）が圧縮ユニット１２の圧縮機１１へ戻される。
【００２８】
ここで、圧縮ユニット１２の冷媒配管１５、冷凍機１３の吸込側冷媒配管２１及び排出側冷媒配管２２、並びに往き側冷媒配管２３及び戻り側冷媒配管２４が、冷媒を圧縮ユニット１２と冷凍機１３との間で循環させる循環経路を構成する。
【００２９】
前記オイルセパレータ１８の内部構造は次の通りである。
【００３０】
図２において、シェル３０は、筒状の中央シェル３１と、キャプ状の入口（一側）シェル３２と、キャプ状の出口（一側）シェル３３とから構成されており、中央シェル３１の両側の開口を２つの出入口シェル３２、３３で溶接により塞ぐようになっている。
【００３１】
３４は入口シェル３２の上部に接続された冷媒入口管で、熱交換器１７につながれている。
【００３２】
３５は中央シェル３１に配置されたグラスウール、３６はヘリウムガスの入口側となる部分に配置されグラスウールの一側を押さえる入口側押さえ金具で、多数の孔が形成されたいわゆるパンチングメタルである。３７は目の細かい第１の網で、ヘリウムガスの出口側となる部分に配置されている。３８は目の粗い第２の網で、第１の網３７の出口側に配置されている。この第２の網３８は約１０枚程度積層状態になっている。
【００３３】
３９はヘリウムガスの出口側となる部分に配置され第２の網３８の一側を押さえる出口側押さえ金具で、多数の孔が形成されたいわゆるパンチングメタルである。
【００３４】
４０は邪魔板で、出口側押さえ金具３９の出口側に配設されている。この邪魔板４０は、図３乃至４で示すように略円形でその下部が約１５０度の扇形に切り取られ開口４１となっている。
【００３５】
４２はその切り取られた部分の上辺にそって設けられた案内路で、略Ｕ字状に折り曲げ中央が高く両端に行くに従って低くなるように傾斜している。尚この邪魔板４０の周縁フランジ４３が中央シェル３１の内壁に溶接されることによって、この邪魔板４０がシェル３０内に固定されている。
【００３６】
４４は出口シェルの上部に取りつけられた冷媒出口管で、アドソーバ１９（図１参照）につながれている。４５は出口シェルの下部に取りつけられたオイル吐出管で、圧縮機１１（図１参照）の吸込側８０につながれている。
【００３７】
尚、４６はオイルセパレータ１８の固定用の脚片である。
【００３８】
このような構造のオイルセパレータ１８に、冷媒入口配管３４からヘリウムガスが流入すると、そのヘリウムガスはグラスウール３５を通過する。その際、ヘリウムガス中のオイル微粒子がグラスウール３５の繊維に衝突するとこのオイル微粒子はグラスウールの繊維に付着する。更に、このグラスウールの繊維に付着したオイル微粒子に次のオイル微粒子が付着し、次第にその粒子が大きくなりやがて重力により下方に落ちる。
【００３９】
従って、冷媒入口管３４近く（入口押さえ金具３６付近）のグラスウールはこの現象により、ほとんどオイルで濡れた状態となる。しかしながら、冷媒出口管４４近く（出口押さえ金具３９付近）のグラスウールに行くに従って（下流側の）グラスウールは途中でほとんどオイル微粒子が落ちてしまい、へリウムだけとなりこのヘリウムが出口押さえ金具３９の孔から吐出される。吐出されたヘリウムガスは邪魔板４０の開口４１を介して出口シェル３３の内方に導かれ、その後冷媒吐出管４４を介してアドソーバ１９に至る。
【００４０】
一方、グラスウール３５の繊維に付着して落下したオイルは、オイルセパレータ１８の下部４７に溜まり、オイル吐出管４５近く（出口押さえ金具３９付近）のグラスウール３５に行くに従って出口シェル３３の下部４８に導かれ、その後オイル吐出管４５を介して圧縮機１１に戻される。
【００４１】
しかしながら、オイルセパレータ１８の冷媒入口配管３４から流入する冷媒中のオイルの量が極端に増加したり、又は、流入する全体の冷媒量が増加すると、前記メカニズムによりオイルが分離しきれなくなり、目の細かい網（第１の網）３７の表面にオイルが付着滞留してしまう。目の細かい網３７にオイルが滞留すると、冷媒ガスの流路面積が狭くなり、冷媒の流速が増すため、目の細かい網３７に付着したオイルを吹き飛ばす。従来のオイルセパレータであれば液滴となったオイルが冷媒出口配管４４から冷媒と一緒に排出されてしまう場合がある。
【００４２】
しかるに、本発明によると、目の細かい網３７から吹き飛ばされた液滴は、粒子が大きいため下流の目の粗い第２の網３７に衝突して重力により下方に落ちる。従って、出口押さえ金具３９付近では確実にヘリウムガスとオイルとは分離されている。
【００４３】
更に、万一分離しきれずに出口押さえ金具３９の上部の孔４９からオイルが吐出されたとしても、そのオイルは邪魔板４０に当たって下方に落下し、案内路４２で受けられこの案内路４２に沿って図３矢印のようにその両側に流れ、オイルセパレータ１８の内壁を伝わって出口シェル３３の下部４８に導かれ、上述したオイルとともに、オイル吐出管４５を介して圧縮機１１に戻される。
【００４４】
これによって、このオイルセパレータ１８に流れ込んだヘリウムガス中のオイルは確実に分離され、オイルはオイル吐出管４５を介して圧縮機１１（図１参照）の吸込側８０に戻され、オイルの除去されたヘリウムガスのみがアドソーバ１９に流れる。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように、請求項１記載の発明は、冷媒を圧縮して加圧する圧縮機を備えた圧縮ユニットと、この圧縮ユニットからの加圧冷媒により極低温を実現する冷凍機と、この圧縮機の吐出側に配置されるオイルセパレータとを有する極低温冷凍装置において、上記オイルセパレータの筺体は、筒状の横長の中央シェルと、この中央シェルの一側の開口を閉塞するキャプ状の入口シェルと、この中央シェルの他側の開口を閉塞するキャプ状の出口シェルとから構成されており、前記入口シェルの上部に冷媒の入口管がつながれ、前記出口シェルの上部に冷媒の出口管が下部にオイル吐出管がそれぞれつながれ、前記中央シェルの内部においては、この入口シェルから出口シェルへ向かって流れる冷媒の流れ方向に沿ってまずグラスウールが配置されその下流側に向かって順次目の粗さが粗い複数種の網が配置され、且つ一番目の粗い網の流出側には邪魔板を配置し、この邪魔板は前記中央シェルの内壁に沿って取り付けられるよう略円形でその下部が扇形に切り取られ冷媒の通路となる開口となっており、この切り取られ縁には一番目の粗い網から吐出され邪魔板に当たったオイルを中央シェルの内壁に導くための案内路が形成されているようにしたものである。
これにより、中央シェルに配置された複数種類の網によって確実にヘリウム中のオイルが分離され、且つこのシェル内の邪魔板は、その下部が開放されているので、この下部がオイルの通路となりスムーズにシェル内をオイルが流れる。しかも、邪魔板に当たったオイルはスムーズにシェルの内壁に沿って流下する。これにより、オイルセパレータから確実にオイルとヘリウムガスとを分離して取り出せ、オイルが冷凍機まで侵入しにくくなる。又、圧縮機の耐久性が向上する
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るオイルセパレータが配置された極低温冷凍装置の冷媒回路図である。
【図２】図１に示したオイルセパレータの内部構造図である。
【図３】図２の３−３断面図である。
【図４】図１に示したオイルセパレータの邪魔板の断面図である。
【図５】従来の極低温冷凍装置の冷媒回路図である。
【符号の説明】
１０  極低温冷凍装置
１１    圧縮機
１２    圧縮ユニット
１３    冷凍機
１８    オイルセパレータ
３０    シェル
３５    グラスウール
３７    第１の網
３８    第２の網
４０    邪魔板
４２    案内路（オイルの通路）
【図１】
0003710976.tif 000002
【図２】
0003710976.tif 000003
【図３】
0003710976.tif 000004
【図４】
0003710976.tif 000005
【図５】
0003710976.tif 000006