(57)【要約】      （修正有）【課題】１５０°Ｋ未満の極低温温度範囲で作動する製作コスト、運転コストおよびメンテナンスコストの低い閉サイクル冷凍装置の提供。【解決手段】ガス混合物からなる冷媒を有する単段圧縮機を用いた極低温用閉サイクル冷凍装置。この冷凍装置は、冷凍を提供するように設けられた絞りオリフィスを有する熱交換器、および冷媒を圧縮するための単段オイル潤滑圧縮機を含む。圧縮機は典型的には転がりピストンタイプである。冷媒は１３０゜Ｋ未満の標準沸点を有する少なくとも１つの極低温ガスと、３００゜Ｋ未満の標準沸点を有する相互にもおよび前記少なくとも１つの極低温ガスとも異なる少なくとも２つのガスとの混合物である。圧縮された冷媒を冷却しかつ冷却された冷媒を熱交換器およびその絞りオリフィスに循環して圧縮機に戻すための手段が含まれている。この装置はカスケード熱交換器または中間相分離器を必要としない。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
標準周囲環境において１５０゜Ｋ未満で６５゜Ｋを超える冷却温度を提供するための流量制限器付き低温熱交換器を有する型の閉サイクル冷凍装置であって：
１３０゜Ｋ未満の標準沸点を有する少なくとも１つの極低温ガスと、３００゜Ｋ未満の標準沸点を有する相互にもおよび前記少なくとも１つの極低温ガスとも異なる少なくとも２つのガスとの混合物からなる冷媒と；
前記標準周囲環境において前記冷媒を圧縮するように作動し、前記冷媒において少なくとも５：１の圧縮比を形成するとき少なくとも５０％の容積効率を有する単段オイル潤滑圧縮機と；
前記圧縮された冷媒からオイルを分離し、前記分離オイルを前記圧縮機に戻すための手段と；および
前記圧縮された冷媒を冷却し、前記低温熱交換器および前記流量制限器を経由して前記圧縮機へ戻すように前記冷却された冷媒を循環するための手段と；
を含み、かつ、中間相分離器を有することのない冷凍装置。
【請求項２】
前記オイル潤滑圧縮機が転がりピストン圧縮機からなる請求項１の冷凍装置。
【請求項３】
前記少なくとも１つの極低温ガスが２０％ないし４５％の窒素からなり、および前記少なくとも２つのガスがメタン、エタン、エチレン、プロパン、イソペンタンおよびイソブタンから選択される請求項１の冷凍装置。
【請求項４】
１３０゜Ｋ未満の沸点を有する前記極低温ガスが、窒素、アルゴンまたはメタン、またはそれらの任意の組合せからなり、前記少なくとも２つのガスがエタン、エチレン、プロパン、イソペンタンおよびイソブタンから選択される請求項２の冷凍装置。
【請求項５】
前記窒素、アルゴンまたはメタンがそれぞれ２０％ないし４５％の量で、または任意の組合せで２０％ないし６０％の量で前記混合物内に含有される請求項４の冷凍装置。
【請求項６】
前記低温熱交換器がジュール・トムソン低温恒温装置である請求項２の冷凍装置。
【請求項７】
前記転がりピストン圧縮機が前記冷媒内に０．０５ないし０．５ＭＰａの低圧範囲、および１．５ないし３．０ＭＰａの高圧範囲の圧力を形成する請求項２の冷凍装置。
【請求項８】
前記ガス混合物が±３０％の百分率変動内で０．３６窒素、０．２メタン、０．１２エチレン、０．２プロパンおよび０．１２イソブタンからなり、および前記転がりピストン圧縮機が、冷媒内に０．３５ＭＰａ付近の低圧、および２．４５ＭＰａ付近の高圧を形成する請求項７の冷凍装置。
【請求項９】
流量制限器を有する前記低温熱交換器が、ジュール・トムソン低温恒温装置からなり、圧縮および冷却された冷媒のすべてが前記流量制限器内を通過する請求項２の冷凍装置。
【請求項１０】
前記転がりピストン圧縮機が４：１の圧力比において７０％を超える容積効率を有する請求項７の冷凍装置。
【請求項１１】
前記単段圧縮機が前記冷媒内に５：１ないし１８：１の範囲の圧力比を形成し、５０％ないし７５％の範囲の容積効率を有する請求項１の冷凍装置。
【請求項１２】
１３０゜Ｋ未満の沸点を有する前記少なくとも１つのガスが窒素、アルゴンおよびメタンから選択され；
３００゜Ｋ未満の沸点を有する前記少なくとも２つのガスが窒素、アルゴン、メタン、エタン、エチレン、プロパン、イソペンタンおよびイソブタンから選択され；
前記冷却手段がアフタクーラからなり；および
前記圧縮された冷媒が前記アフタクーラにより冷却される前に、前記圧縮された冷媒からオイルを分離するように前記オイル分離手段が結合されている；
ところの請求項１１の冷凍装置。
【請求項１３】
１３０゜Ｋ未満の沸点を有する前記少なくとも１つのガスが窒素、アルゴンおよびメタンから選択され；
３００゜Ｋ未満の沸点を有する前記少なくとも２つのガスが窒素、アルゴン、メタン、エタン、エチレンおよびプロパンから選択され；
前記冷却手段がアフタクーラからなり；および
前記圧縮された冷媒が前記アフタクーラにより冷却されたのちに、前記圧縮された冷媒からオイルを分離するように前記オイル分離手段が結合されている；
ところの請求項１１の冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
通常の家庭用または商業用範囲の温度を提供することを目的とした閉サイクル冷凍装置において、冷媒ガスは圧縮され次に凝縮され、凝縮された流体は絞られかつ蒸発されて冷凍効果を形成し、また蒸発されたガスは圧縮機に戻されてサイクルを完成する。冷媒は典型的にはフレオンタイプの純ガスであり、必要とされる適度の圧力および効率を達成するためには単純な単段往復動または転がりピストン圧縮機で十分である。
【０００２】
しかしながら、冷凍装置が６５゜Ｋないし１５０゜Ｋの範囲のような極低温範囲のきわめて低い温度を提供することを目的とする場合、冷媒は通常、たとえば７７゜Ｋの標準沸点を有する窒素、または８７゜Ｋの標準沸点を有するアルゴン、あるいは１１２°Ｋの標準沸点を有するメタンのような１３０°Ｋ未満の沸点を有する極低温ガスからなっている。これらの極低温ガスは、典型的には特殊設計の多段圧縮機または高圧オイルレス圧縮機からなるきわめて圧力の高いガス装置を使用することを必要とした。このような装置は、製作および運転が高価であり、かつ頻繁にメンテナンスを必要とする。
【０００３】
比較的高い温度用に設計された単段オイル潤滑圧縮機が使用可能な範囲の低圧において冷凍を行うために、家庭用冷凍温度と約１５０゜Ｋとの間の中間範囲において作動する閉サイクル冷凍装置において種々の手段が用いられてきた。たとえば、低圧を可能にするために純粋のフレオン冷媒よりもむしろ主としてフレオンベースの冷媒の混合物が一般に用いられてきた。冷凍装置に対し単段圧縮機を使用可能にするために、このような混合ガス冷媒がカスケード熱交換器または連続式気液分離段と共に用いられてきた。このような手段が、たとえば１９７３年１０月３０日付で公告されたMissimerの米国特許第３７６８２７３号に詳細に記載されている。
【０００４】
しかしながら、窒素、アルゴンまたはメタンのようなきわめて低沸点の極低温ガスが使用されるところの６５°Ｋないし１５０゜Ｋの範囲の温度に対しては、標準周囲環境において作動する冷凍機に対し低い入口圧力と高い吐出圧力との間において必要な比はきわめて大きく、したがってこれまで多段圧縮機のみが用いられてきた。多数の熱交換器または中間相分離器を追加することになるので、これらは実際的ではないように思われる。
【特許文献１】米国特許第３７６８２７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、本発明の主な目的は、１５０゜Ｋ未満の極低温温度範囲内の冷却温度を提供するための標準周囲環境において作動する閉サイクル冷凍装置であって、単段オイル潤滑圧縮機を使用しかつカスケード熱交換器または中間相分離器を必要としない閉サイクル冷凍装置を提供することである。このような単段圧縮機による極低温冷凍装置の製作コスト、運転コストおよびメンテナンスコストが低いという利点は自明である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば一般に、比較的高い圧力比においてきわめて高い容積効率を有する単段オイル潤滑圧縮機を、窒素、アルゴンまたはメタンのようなきわめて沸点が低い極低温ガスを少なくとも１つ含むガス混合物からなる冷媒と組み合わせて使用することにより、相分離機を追加せずに、標準周囲環境において作動する単段閉サイクル冷凍装置にて、１５０°Ｋ未満の温度で、ワット数の多い冷凍容量を達成することが思いがけなくも可能であることがわかった。圧縮機は、少なくとも５：１の圧力比で運転したとき、５０％を超える容積効率を有することが好ましい。フレオンタイプの冷媒を用いるように設計された典型的な転がりピストン圧縮機は、容易にこれらの条件を満たすことができることがわかった。
【０００７】
さらに詳細には、本発明の閉サイクル冷凍装置は、オイル潤滑単段転がりピストン圧縮機、圧縮ガスから同伴オイルを除去しかつ分離オイルを圧縮機の低圧配管に戻すための油分離器、圧縮ガスから圧縮熱を除去するためのアフタクーラ、およびアフタクーラと圧縮機との間に結合されたジュール・トムソン低温恒温装置（cryostat）のような低温熱交換器を含む。熱交換器内で、アフタクーラから受け入れられた高圧流体流れのすべてが低温側に流動し、ここで高圧流れはＪＴ絞り弁（ristrictor）内を流れるときに圧力を低下し、冷却されるべき負荷から熱を吸収し、次に低圧配管を経由して圧縮機の高温側に戻る。熱交換器は熱損失を低減するために真空絶縁されていることが好ましい。
【０００８】
当該冷凍装置には２、３のガスとオイルとの混合物が充填され、これによりユニットの運転中、戻り圧力は０．０５ＭＰａないし０．５ＭＰａの範囲であり、また戻り圧力は転がりピストン圧縮機により圧縮されて１．５ないし３．０ＭＰａの範囲の吐出圧力を形成し、これにより少なくとも５：１の圧力比を形成する。
【０００９】
冷媒として使用されるガス混合物は、１３０°Ｋ未満の沸点を有する窒素および／またはアルゴンおよび／またはメタンのような、沸点がきわめて低い少なくとも１つのガスと、３００゜Ｋ未満の沸点を有するエチレンおよびプロパンのような、好ましくはより高い異なる沸点を有しかつ異なる等温一体絞り効果 (isothermal integral throttling effects)を有する少なくとも２つのガスとからなっているべきである。含んでもよい適切な他のガスはエタン、イソペンタンおよびイソブタンである。このようなガス混合物は主として、低圧においてより大きな冷却効果を得ることができるという事実を含み、純粋な窒素ガス単体よりも幾つかの利点を有している。使用されるガスの数およびパーセントは当業者には周知であり、また１９７３年１１月１４日付で公告されたAlfeev，Brodyansky， Yagodin，NikolsfyおよびIvantsovの英国特許第１３３６８９２号にその概要が記載されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１を参照すると、本発明を態様化した冷凍装置１０が、ブロック線図内で三角形ブロックにより示された転がりピストン圧縮機１２として略図で示される。
【００１１】
圧縮機１２は、混合ガス冷媒および同伴オイルを低圧配管１４から周期的に受け入れ、かつ圧縮ガスおよび同伴オイルを高圧配管１６に吐出する。簡単なガス−液体フィルタでよい四角形ブロックで示された油分離器１８は、圧縮されたガス混合物および同伴オイルを配管１６から受け入れるように接続され、かつオイルをガスから分離するように機能する。オイルは毛細管２０および低圧配管１４を経て圧縮機１２に戻される。濾過された圧縮ガスは、配管２４を経由して、同様に四角形ブロックで示されたアフタクーラ２２に通される。アフタクーラ２２は、横断矢印２３により略図で示されるように、空気または水で冷却してよく、圧縮熱を除去し、かつおそらくはガス混合物内の高温成分を凝縮するように機能する。もし偶然にも混合物内のいずれのガスもアフタクーラにより凝縮されない場合、油分離器１８は圧縮機１２の直接吐出物よりもむしろアフタクーラ２２の吐出物を濾過するように結合してもよい。
【００１２】
アフタクーラ２２から吐出される冷却された流体は、高圧配管２６を経由してジュール・トムソン低温恒温装置２８として略図で示されている熱交換器に直接通してもよく、この場合低温恒温装置２８は破線３０で示されるような真空絶縁内に内包されていることが好ましい。中間相分離器は必要としない。ＪＴ低温恒温装置２８は向流熱交換器３２を有し、該熱交換器３２内ですべての流入流体流れは入口高圧コイル３３を経て低温端部に流入し、ここで流体はＪＴ絞り弁３４を通過して流れに従い圧力を低下する。流体流れは、このとき冷却される負荷３６と隣接して流れ、かつ負荷３６から熱を吸収し、低温恒温装置２８の出口低圧コイル３７および低圧戻り配管１４を経て、圧縮機１２の高温端部に戻る。
【００１３】
本発明のこの実施態様によれば、圧縮機１２は単段転がりピストン圧縮機であり、この単段転がりピストン圧縮機は、従来よく使用されている往復動ピストン圧縮機よりも、実質的により高い吐出圧力および容積効率／圧力比を達成することができる。圧縮機１２には、オイルと、前に説明したように、少なくとも窒素、アルゴンまたはメタン、および異なるより高い沸点および等温一体絞り効果を有する他のガスを含む組合せガスとが充填される。オイルの容積は、圧縮機メーカーにより仕様された量に対し油分離器内のオイルの余分量を追加したものとすべきである。充填圧力は装置の内容積の関数である。図１の実施態様においては、装置容積の大部分は高圧であるので、充填圧力は高圧配管よりやや低くなるであろう。
【００１４】
１つの適切なガスの組合せは、０．３６窒素、０．２０メタン、０．１２エチレン、０．２０プロパンおよび０．１２イソブタンであることがわかった。図２を参照すると、このガス混合物に対する温度／エンタルピー線図が示されている。この線図からわかるように、このガス混合物は、同等な圧力サイクルにおいて、純粋な窒素、アルゴンまたはメタン単体よりも、実質的により低い温度を達成することができる。
【００１５】
一般に、ガスの組合せは、窒素、アルゴンおよび／またはメタンをそれぞれ２０％ないし４５％、または任意の組合せで２０％ないし６０％含み、残りはエタン、エチレン、プロパン、イソペンタンおよびイソブタンから選択された少なくとも２つのガスで構成すべきである。この目的は、３．０ＭＰａを超えない高圧および１８：１より小さいが好ましくは少なくとも５：１の圧縮比で、１５０゜Ｋ未満の希望の低温を達成する混合物を提供することである。
【００１６】
転がりピストン圧縮機の容積効率が通常高いことは、転がりピストン圧縮機の圧縮室の略断面図である図３ａおよび３ｂを参照することにより理解されよう。
【００１７】
定置円筒ハウジング５０は、弁を有しない入口ポート５２、および弁５５を有する吐出ポート５４を有し、これらのポート５２および５４は摺動ベーン５６の両側に配置されている。モータ（図示されていない）は定置ハウジングの中心にセンターを有する駆動軸５８を有し、また駆動軸５８は偏心伸長軸６０を有し、偏心伸長軸６０上に円筒ピストン６２が固定されている。この円筒ピストン６２は、モータが回転するとき、円筒ハウジング５０の内壁に沿って転がる。円筒転がりピストンの２つの平らな端板（図示されていない）は、ピストンが回転するときに、円筒ハウジングの平らな端壁に対し密着摺動している。ガスシールは、すべての転がり面および摺動面の間のオイルフィルムにより達成される。転がりピストン圧縮機のこの構造は典型的でありかつ通常使用されるものである。
【００１８】
図３ａにおいては、転がりピストン６２が、出口弁５４を経て高圧部にガスを吐出し終わり、かつ入口ポート５２をシールしはじめ、またピストン６２とハウジング５０の円筒内壁との間の三日月型隙間６４内に捕獲されている低圧ガスを圧縮しはじめようとするところである。図３ｂにおいては、転がりピストン６２がストローク中間位置にあり、三日月型隙間６６は摺動弁５６により分割されている。この位置において最初のガス容積がその半分となり、また圧縮されるべきガスの次のバッチの半分が反対側の三日月型隙間６６を満たす。
【００１９】
このような転がりピストン圧縮機が、本発明により、このような混合ガス閉サイクル極低温冷凍装置における単段圧縮機として成功したと考えられる幾つかの理由がある。その１つの理由は、このような転がりピストン圧縮機はガスと共により多量のオイルを同伴することができることである。なぜならば、高圧ガスが上記のように楔形三日月形状から「絞り出される」からであり、これに対し往復動ピストン圧縮機の場合、往復動ピストンの平らな端板の上に高圧ガスが捕獲されかつ過剰のオイルと「ハンマリング」を発生させるからである。他の理由は、圧縮されるガスが往復動ピストンよりもより多くの面積およびより多くのオイルと接触し、したがってガスが圧縮および吐出の間に、より多量にかつより効率的に冷却されることである。さらに他の理由は、入口弁がなくかつ単一吐出弁の周りの隙間容積が小さいことであり、これらの両方は容積効率を改良するように機能している。
【００２０】
転がりピストン圧縮機のこれらの構造的および作動上の特徴はすべて、そのきわめて高い容積効率／圧力比特性に貢献している。容積効率は、各サイクルごとに吐出された圧縮ガスの量を、戻り圧力において圧縮機の掃引容積を充満するガス量によって割った値として定義される。吐出弁の周りの隙間容積およびピストンそれ自体を通過する漏れにより、ガスのすべてが吐出されるのではない。漏れは典型的には隙間空間内に残されたガスに比較してきわめて小さいので、容積効率は主として圧力比の逆関数である。圧力比が高いと、オイルは隙間容積からガスを排斥するように働くので、容積効率は注入されるオイルの量により著しく影響される。転がりピストン圧縮機は、たとえば０．３％以下の高いオイル％を許容でき、かつたとえば約５：１の圧力比において約７５％のきわめて高い容積効率を達成することができる。１８：１以下の圧力比においても、転がりピストン圧縮機は、使用されようとする混合ガスに対し５０％を超える容積効率を容易に達成することができる。
【００２１】
ここで図４を参照すると、転がりピストン圧縮機の容積効率／圧力比が往復動ピストン圧縮機に対し著しい差があることが示されている。曲線Ａは、Tecumsehの往復動ピストン圧縮機においてヘリウムガスで得られたデータおよび計算データを示す。曲線Ｂは同様にダイキンの転がりピストン圧縮機においてヘリウムで得られた同様なデータを示す。両方の圧縮機は、フレオンＲ２２を圧縮するように設計されていた。転がりピストン圧縮機は１８：１の圧縮比において約５０％の容積効率を得ているのに対し；この値は、往復動ピストン圧縮機では約４：１の圧縮比においてはじめて到達することができた。転がりピストン圧縮機は、４：１のこの低い圧縮比においては、約７８％の容積効率を達成した。
【００２２】
本発明を態様化した、図１に関して説明したような閉サイクルＪＴ極低温冷凍装置の運転においては、単段転がりピストン圧縮機には、前記のように、０．３６窒素、０．２メタン、０．１２エチレン、０．２プロパンおよび０．１２イソブタンの混合ガスと共に１．２リットルのオイルが充填された。圧縮機は、０．０５〜０．５ＭＰａの範囲の低圧と、１．５〜２．５ＭＰａの範囲の高圧とで、１ないし１．５ｋＷの範囲の動力入力のもとで運転された。１．３４ｋＷの入力圧縮動力のもとで、ＪＴ低温恒温装置において得られた冷凍能力および温度の典型的な値は、（１）２．４８ＭＰａの高圧および０．３８ＭＰａの低圧（約６．５：１の圧縮比）で１０９゜Ｋの温度において５０Ｗの測定冷却能力；および（２）２．３８ＭＰａの高圧および０．３４ＭＰａの低圧（約７：１の圧縮比）で９９゜Ｋの温度において２０Ｗの測定冷却能力を含むものであった。これらの結果を得るために上記のガス混合物においては、特定のガスパーセントが記載されているが、±３０％にも至る範囲内でこれらのパーセントは変更可能であり、またその場合でも含まれる温度において実質的に改良された冷却能力を達成することが当業者には理解されよう。
【００２３】
１５０゜Ｋ未満でこの１０９゜Ｋを超えるところの他の高い温度は、上記または他のガス混合物およびガスパーセンテージを用いてさらに大きい冷凍能力で容易に達成可能であることが当然理解されよう。他の極端な温度においては、当業者に理解されるように、より低い沸点を有する異なるガス混合物を用いることにより６５゜Ｋという低い温度も実質的に意義のある冷却能力で達成可能である。
【００２４】
しかしながら、本発明にとって最適に利用可能な温度範囲は９０゜Ｋないし１２５°Ｋである。圧縮機は０．３５ＭＰａ付近の低圧と２．４５ＭＰａ付近の高圧との間で運転されるのが有利である。
【００２５】
他の有効な混合物は、０．３５メタン、０．２５エタン、０．２５プロパンおよび０．１５イソブタンのメタンベース混合物である。これは、約１ＭＰａの低圧および約１５ＭＰａの吐出圧で１３０゜Ｋ未満を達成するであろう。
【００２６】
本発明の特定の実施態様が記載されてきたが、多くの修正態様も可能であり、また添付の請求の範囲は、このような修正態様をすべて含むものであり、これらの修正態様は一般に、使用された言語範囲の広い解釈の中に入るものである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明を態様化した閉サイクル冷凍装置の概略系統図である。
【図２】本発明において使用される典型的なガス混合物冷媒のための温度−エンタルピー線図である。
【図３ａ】ガス入口位置で作動する転がりピストン圧縮機の対応する断面図である。
【図３ｂ】ガス吐出位置で作動する転がりピストン圧縮機の対応する断面図である。
【図４】往復動ピストン圧縮機および転がりピストン圧縮機の容積効率対圧力比を比較した１セットの２つの曲線を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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