(57)【要約】【課題】オイル循環ラインを流れるオイルのエネルギーを活用できる圧縮機ユニットを提供することにある。【解決手段】圧縮機ユニットは、冷凍機から戻ってくるガスを圧縮して冷凍機に供給する。圧縮機ユニットは、ガスを圧縮するための圧縮機本体と、圧縮機本体と冷凍機との間でガスを循環させるためのガスラインとは別に設けられ、圧縮機本体を冷却するためのオイルを循環させるオイル循環ラインと、オイル循環ラインを循環するオイルの流れから動力を取り出すための動力取出部２２と、を備える。【選択図】図２
2018040516.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷凍機から戻ってくるガスを圧縮して当該冷凍機に供給する圧縮機ユニットであって、
ガスを圧縮するための圧縮機本体と、
前記圧縮機本体と前記冷凍機との間でガスを循環させるためのガスラインとは別に設けられ、前記圧縮機本体を冷却するためのオイルを循環させるオイル循環ラインと、
前記オイル循環ラインを循環するオイルの流れから動力を取り出すための動力取出部と、を備えることを特徴とする圧縮機ユニット。
【請求項２】
前記動力取出部は、
前記オイル循環ラインを循環するオイルの流れにより回転する第１回転体と、
前記第１回転体とは非接触に配置され、前記第１回転体の回転に基づき回転するよう構成された第２回転体と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の圧縮機ユニット。
【請求項３】
冷却流体を循環させる冷却流体循環ラインをさらに備え、
前記冷却流体循環ラインは、前記オイル循環ラインとの間で熱交換を行い前記オイル循環ラインを冷却し、
前記第２回転体は、冷却流体を循環させる駆動源として用いられることを特徴とする請求項２に記載の圧縮機ユニット。
【請求項４】
ガスを使用する冷凍機と、
前記冷凍機から戻ってくるガスを圧縮して該冷凍機に供給する圧縮機ユニットと、を備え、
前記圧縮機ユニットは、
ガスを圧縮するための圧縮機本体と、
前記圧縮機本体と前記冷凍機との間でガスを循環させるためのガスラインとは別に設けられ、前記圧縮機本体を冷却するためのオイルを循環させるオイル循環ラインと、
前記オイル循環ラインを循環するオイルの流れから動力を取り出すための動力取出部と、を含むことを特徴とする冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍機から戻ってくるガスを圧縮して冷凍機に供給する圧縮機ユニットおよびそのような圧縮機ユニットを備える冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ギフォード・マクマホン式（ＧＭ）冷凍機、パルスチューブ冷凍機、スターリング冷凍機、およびソルベー冷凍機等の極低温冷凍機は、冷却対象物を、１００Ｋ（ケルビン）程度の低温から４Ｋの極低温までの範囲で冷却することができる。そのような冷凍機は、超電導磁石や検出器等の冷却、クライオポンプ等に用いられている。
【０００３】
冷凍機には、動作ガスとして使用されるヘリウムガスを圧縮するための圧縮機ユニットが付随する。この圧縮機ユニットでは、圧縮機本体を冷却するための冷媒として、オイルが使用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２５５９１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載されるような従来の圧縮機ユニットでは、オイル循環ラインにオリフィスを設けることによりオイルに圧力損失を生じさせ、オイル循環ラインの内部を流れるオイル流量を制御したりオイル循環ラインにガスが流入するのを抑止する。オリフィスによるエネルギーの消費は、有効に活用されていないかもしれない。
【０００６】
本発明は、こうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、オイル循環ラインを流れるオイルのエネルギーを活用できる圧縮機ユニットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の圧縮機ユニットは、冷凍機から戻ってくるガスを圧縮して当該冷凍機に供給する圧縮機ユニットであって、ガスを圧縮するための圧縮機本体と、圧縮機本体と冷凍機との間でガスを循環させるためのガスラインとは別に設けられ、圧縮機本体を冷却するためのオイルを循環させるオイル循環ラインと、オイル循環ラインを循環するオイルの流れから動力を取り出すための動力取出部と、を備える。
【０００８】
本発明の別の態様は、冷却システムである。この冷却システムは、ガスを使用する冷凍機と、冷凍機から戻ってくるガスを圧縮して該冷凍機に供給する圧縮機ユニットと、を備える。圧縮機ユニットは、ガスを圧縮するための圧縮機本体と、圧縮機本体と冷凍機との間でガスを循環させるためのガスラインとは別に設けられ、圧縮機本体を冷却するためのオイルを循環させるオイル循環ラインと、オイル循環ラインを循環するオイルの流れから動力を取り出すための動力取出部と、を含む。
【０００９】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を装置、方法、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、オイル循環ラインを流れるオイルのエネルギーを活用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態に係る圧縮機ユニットを備える冷凍機システムの構成を示す模式図である。
【図２】図１の動力取出部とその周辺を示す図である。
【図３】変形例に係る冷凍機システムの構成を示す模式図である。
【図４】変形例に係る動力取出部とその周辺を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、工程には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面における部材の寸法は、理解を容易にするために適宜拡大、縮小して示される。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。
【００１３】
図１は、実施の形態に係る圧縮機ユニット１０を備える冷凍機システム２の構成を示す模式図である。冷凍機システム２は、対象物を冷却するＧＭ冷凍機４と、ＧＭ冷凍機４と２本のフレキシブル配管８，９で接続された圧縮機ユニット１０と、を備える。ＧＭ冷凍機４、圧縮機ユニット１０および２本のフレキシブル配管８，９は、冷却対象を冷却する冷却システムを構成する。
【００１４】
ＧＭ冷凍機４は、公知の２段式のＧＭ冷凍機であり、例えば本出願人が先に出願した特開２０１１−１９０９５３号公報に記載の技術を使用して構成されてもよい。
【００１５】
高圧フレキシブル配管８は、圧縮機ユニット１０からＧＭ冷凍機４へ高圧の動作ガス、例えばヘリウムガスを供給する。低圧フレキシブル配管９は、ＧＭ冷凍機４から圧縮機ユニット１０へ低圧のヘリウムガスを供給する。
【００１６】
圧縮機ユニット１０は、圧縮機本体である圧縮カプセル１１と、高圧側配管１３と、低圧側配管１４と、オイルセパレータ１５と、アドソーバ１６と、ストレージタンク１７と、バイパス機構１８と、動力取出部２２と、オイル冷却配管３３と、冷却流体配管３４と、を含む。圧縮機ユニット１０は、ＧＭ冷凍機４から低圧フレキシブル配管９を介して戻される低圧のヘリウムガスを圧縮カプセル１１で昇圧し、高圧フレキシブル配管８を介して再びＧＭ冷凍機４に供給する。
【００１７】
ＧＭ冷凍機４から戻ってくるヘリウムガスは、低圧フレキシブル配管９を介して先ずストレージタンク１７に流入する。ストレージタンク１７は、戻ってくるヘリウムガスに含まれる脈動を除去する。ストレージタンク１７は比較的大きな容量を有しているため、ヘリウムガスをストレージタンク１７内に導入することにより脈動を軽減または除去することができる。
【００１８】
ストレージタンク１７で脈動が軽減または除去されたヘリウムガスは、低圧側配管１４に導出される。低圧側配管１４は圧縮カプセル１１に接続されており、よってストレージタンク１７において脈動が軽減または除去されたヘリウムガスは圧縮カプセル１１に供給される。
【００１９】
圧縮カプセル１１は、低圧側配管１４のヘリウムガスを圧縮して昇圧する。圧縮カプセル１１は、本実施の形態ではスクロール方式のポンプであり、スクロール５２と、シャフト５４と、モータ５６と、を含む。スクロール５２とモータ５６とは、略鉛直方向に並ぶよう配置される。スクロール５２は、一対のうず巻き形をした固定スクロールと可動スクロール（いずれも不図示）とを有する。モータ５６が駆動してシャフト５４が回転すると、可動スクロールが旋回する。これにより、固定スクロールと可動スクロールの２つのスクロールで仕切られる空間の容積が変化し、ヘリウムガスを吸引して圧縮する。なお、圧縮カプセル１１は、ロータリ式のポンプであってもよい。
【００２０】
圧縮カプセル１１は、昇圧されたヘリウムガスを高圧側配管１３Ａ（１３）に送り出す。ヘリウムガスは圧縮カプセル１１で昇圧される際、圧縮カプセル１１内のオイルが若干混入した状態で高圧側配管１３Ａ（１３）に送り出される。
【００２１】
オイル冷却配管３３は、圧縮カプセル１１を冷却するためのオイルを循環させる。ここで、従来の圧縮機ユニットでは、オイル冷却配管３３にオリフィスやキャピラリを設けることによりオイルに圧力損失を生じさせ、オイル冷却配管３３の内部を流れるオイル流量を制御したりオイル冷却配管３３にヘリウムガスが流入するのを抑止している。これに対し、本実施の形態では、オイル冷却配管３３にオリフィスやキャピラリを設けずに、動力取出部２２によりオイルから動力を取り出すことによりオイルに圧力損失を生じさせ、オイル流量の制御等する。動力取出部２２の構成については、図２で後述する。
【００２２】
冷却流体配管３４は、オイル冷却配管３３を流れるオイル等を冷却するための流体（ここでは冷却水）を循環させる。
【００２３】
オイル冷却配管３３と冷却流体配管３４とは、熱交換器１２を構成する。熱交換器１２は、圧縮カプセル１１におけるヘリウムガスの圧縮の際に発生する熱（以下、圧縮熱と称す）を圧縮機ユニット１０の外部へ放出するための熱交換を実現する。熱交換器１２は、オイル冷却配管３３を流れるオイルの冷却処理を行うオイル熱交換部２６と、昇圧されたヘリウムガスを冷却するガス熱交換部２７と、を有している。
【００２４】
オイル熱交換部２６は、オイルが流れるオイル冷却配管３３の一部２６Ａと、冷却水が流れる冷却流体配管３４の一部３４Ａと、を有し、それらの配管の間で熱交換が行われるよう構成される。圧縮カプセル１１からオイル冷却配管３３へ排出されるオイルは圧縮熱により高温となっている。そのような高温のオイルがオイル熱交換部２６を通過すると、熱交換によりオイルの熱が冷却水に移送され、オイル熱交換部２６を出るオイルの温度はオイル熱交換部２６に入るオイルの温度よりも低くなる。すなわち、圧縮熱はオイル冷却配管３３を流れるオイルを介して冷却水に移送される。
【００２５】
ガス熱交換部２７は、高圧のヘリウムガスが流れる高圧側配管１３Ａの一部１３Ｃと、冷却水が流れる冷却流体配管３４の他の一部３４Ｂと、を有する。ガス熱交換部２７について、オイル熱交換部２６と同様に、圧縮熱は高圧側配管１３Ａ（１３）内を流れるヘリウムガスを介して冷却水に移送される。
【００２６】
冷却水に移送された熱は、外部に排出される。特に、空冷ファン４０からの風を受けて外部に排出される。
【００２７】
圧縮カプセル１１で昇圧され、ガス熱交換部２７で冷却されたヘリウムガスは、高圧側配管１３Ａ（１３）を介してオイルセパレータ１５に供給される。オイルセパレータ１５ではヘリウムガスに含まれるオイルが分離されると共に、オイルに含まれる不純物や塵埃も除去される。
【００２８】
オイルセパレータ１５でオイル除去が行われたヘリウムガスは、高圧側配管１３Ｂ（１３）を介してアドソーバ１６に送られる。アドソーバ１６は、ヘリウムガスに含まれる特に気化したオイル成分を除去するためのものである。そして、アドソーバ１６において気化したオイル成分が除去されると、ヘリウムガスは高圧フレキシブル配管８に導出され、これによりＧＭ冷凍機４に供給される。
【００２９】
バイパス機構１８は、バイパス配管１９、高圧側圧力検出装置２０、およびバイパス弁２１を有する。バイパス配管１９は、高圧側配管１３Ｂと低圧側配管１４とを連通する配管である。高圧側圧力検出装置２０は、高圧側配管１３Ｂ内のヘリウムガスの圧力を検出する。バイパス弁２１は、バイパス配管１９を開閉する電動弁装置である。また、バイパス弁２１は常閉弁とされているが、高圧側圧力検出装置２０により駆動制御される構成とされている。
【００３０】
具体的には、高圧側圧力検出装置２０がオイルセパレータ１５からアドソーバ１６に至るヘリウムガスの圧力（即ち、高圧側配管１３Ｂ内の圧力）が既定圧力以上になったことを検出した際、バイパス弁２１は高圧側圧力検出装置２０に駆動されて開弁される構成とされている。これにより、既定圧力以上のヘリウムガスがＧＭ冷凍機４に供給される可能性が低減される。
【００３１】
オイル戻り配管２４は、高圧側がオイルセパレータ１５に接続されており、低圧側が低圧側配管１４に接続されている。また、オイル戻り配管２４の途中には、オイルセパレータ１５で分離されたオイルに含まれる塵埃を除去するフィルタ２８と、オイルの戻り量を制御するオリフィス２９が設けられている。
【００３２】
図２は、図１の動力取出部２２とその周辺を示す図である。動力取出部２２は、第１回転体４２と、第２回転体４４と、を含む。第１回転体４２は、略歯車状に形成され、オイル冷却配管３３内に配置される。第１回転体４２は特に、その回転軸Ｒ１が、第１回転体４２が配置されるオイル冷却配管３３の部分の延在方向すなわちオイルが流れる方向に実質的に直交するようにオイル冷却配管３３に配置される。また、第１回転体４２特には、その回転軸Ｒ１がオイル冷却配管３３の中心軸Ｃ１から離れた位置に位置するようにオイル冷却配管３３内に配置される。第１回転体４２は、歯４２ａがオイルの流れを受けることにより回転し、オイルに圧力損失を生じさせる。
【００３３】
第２回転体４４は、第１回転体４２と同様に略歯車状に形成され、第１回転体４２とは直接的にも間接的にも非接触に、冷却流体配管３４内に配置される。第２回転体４４は特に、その回転軸Ｒ２が、第２回転体４４が配置される冷却流体配管３４の部分の延在方向すなわちオイルが流れる方向に実質的に直交し、かつ、第１回転体４２の回転軸Ｒ１と実質的に平行となるよう冷却流体配管３４内に配置される。また、第２回転体４４は特に、その回転軸Ｒ１がオイル冷却配管３３の中心軸Ｃ２から離れた位置、好ましくは第１回転体４２側に離れた位置に位置するように冷却流体配管３４内に配置される。
【００３４】
第１回転体４２と第２回転体４４は、マグネットギアを構成する。第１回転体４２の回転力は、磁力を介して、回転体同士が非接触で、第２回転体４４に伝達される。したがって、第１回転体４２の歯４２ａがオイルの流れを受けて回転すると、第２回転体４４が第１回転体４２とは反対方向に回転する。第２回転体４４が回転すると、第２回転体４４の歯４４ａが冷却水をかき、冷却水が冷却流体配管３４内を循環する。つまり、第２回転体４４は、冷却水を循環させる駆動源として用いられる。
【００３５】
第１回転体４２および第２回転体４４の形状（径の大きさ、歯の数、歯たけの長さ等）は、オイルに生じる圧力損失や冷却水の流速等を勘案して、実験またはシミュレーションに基づいて決定すればよい。
【００３６】
以上説明した実施の形態に係る圧縮機ユニット１０によると、動力取出部２２によりオイルの流れから動力を取り出すことにより内部を流れるオイルに圧力損失を生じさせることができる。すなわち、圧縮機ユニット１０によると、オイル流量を制御等するためにオイル冷却配管３３で発生させる圧力損失の少なくとも一部を回収でき、オイル冷却配管３３を流れるオイルのエネルギーを活用できる。
【００３７】
また、実施の形態に係る圧縮機ユニット１０によると、第１回転体４２の回転力は、磁力を介して、回転体同士が非接触で、第２回転体４４に伝達される。ここで、第１回転体４２の回転を第２回転体４４に伝達するためのシャフトをオイル冷却配管３３から外に突出させる場合、オイルが漏れないようにシールする必要が生じる。オイル冷却配管３３内は比較的高圧になるため、オイルが漏れないようシールするのは困難である。これに対し、上述のように第１回転体４２の回転が非接触で第２回転体４４に伝達されるため、すなわち回転を伝達するためのシャフトをオイル冷却配管３３から外に突出させる必要がないため、このような問題は生じない。
【００３８】
また、実施の形態に係る圧縮機ユニット１０によると、動力取出部２２によりオイルの流れから取り出した動力により、冷却流体配管３４の冷却水を循環させることができる。これにより、冷却水を循環させるためのポンプが不要になり、圧縮機ユニット１０の製造コストを低減できる。なお、動力取出部２２により取り出した動力だけでは冷却水を循環させには不十分であり、ポンプが必要になる場合も考えられる。この場合でも、ポンプに投入するエネルギー量を抑えることができるため、圧縮機ユニット１０のランニングコストを低減できる。
【００３９】
以上、実施の形態に係る圧縮機ユニット１０およびそれを備える冷凍機システム２について説明した。この実施の形態は例示であり、その各構成要素の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００４０】
（変形例１）
実施の形態では、圧縮カプセル１１のスクロール５２とモータ５６とが略鉛直方向に並ぶよう配置されたいわゆる縦置きタイプの圧縮機について説明したが、これに限られず、圧縮カプセルのスクロールとモータとが略水平方向に並ぶよう配置されたいわゆる横置きタイプの圧縮機に本実施の形態に係る技術思想が適用されてもよい。
【００４１】
図３は、変形例に係る冷凍機システム１０２の構成を示す模式図である。図３は図１に対応する。冷凍機システム１０２は、ＧＭ冷凍機４と、ＧＭ冷凍機４と２本のフレキシブル配管８，９で接続された圧縮機ユニット１１０と、備える。
【００４２】
圧縮機ユニット１１０は、圧縮カプセル１１１と、高圧側配管１３と、低圧側配管１４と、オイルセパレータ１５と、アドソーバ１６と、ストレージタンク１７と、バイパス機構１８と、動力取出部２２と、オイル冷却配管３３と、冷却流体配管３４と、バルクオイルセパレータ１６０と、を含む。バルクオイルセパレータ１６０は、ヘリウムガスからオイルを分離する。なお、横置きタイプの圧縮機については、特開２０１１−９９６６９に詳しい。
【００４３】
図３に示すように、横置きタイプの圧縮機においても、オイル冷却配管３３と冷却流体配管３４との間に動力取出部２２を設けることができる。
【００４４】
（変形例２）
実施の形態では、ＧＭ冷凍機４を例として説明したが、これに限られず、冷凍機に動作ガスを供給する圧縮機に本実施の形態に係る技術的思想が適用されてもよい。そのような冷凍機は例えばＧＭ型またはスターリング型パルスチューブ冷凍機や、スターリング冷凍機や、ソルベー冷凍機であってもよい。
【００４５】
（変形例３）
実施の形態では、動力取出部２２により取り出した動力により冷却流体配管３４の冷却水を循環させる場合について説明したが、これに限られない。例えば、動力取出部２２により取り出した動力を用いて、発電機により発電してもよい。この場合、第２回転体４４により発電機を駆動しても、第２回転体４４が発電機の一部であってもよい。
【００４６】
（変形例４）
実施の形態では、動力取出部２２の第１回転体４２および第２回転体４４が、略歯車状に形成される場合について説明したが、これに限られない。動力取出部の第１回転体および第２回転体の形状としては、様々な形状が考えられる。
【００４７】
図４は、変形例に係る動力取出部１２２とその周辺を示す図である。第１回転体１４２は、第１羽根車１４２ａと、第１マグネットギア部１４２ｂと、を含む。第１羽根車１４２ａと第１マグネットギア部１４２ｂとは、実質的に同軸に一体に形成され、同時に回転する。第１回転体１４２は、第１羽根車１４２ａおよび第１マグネットギア部１４２ｂの回転軸Ｒ３がオイルが流れる方向に実質的に直交するようにオイル冷却配管３３内に配置される。第２回転体１４４は、第２羽根車１４４ａと、第２マグネットギア部１４４ｂと、を含む。第２羽根車１４４ａ、第２マグネットギア部１４４ｂはそれぞれ、第１羽根車１４２ａ、第１マグネットギア部１４２ｂと同様に構成される。第２回転体１４４は、第２羽根車１４４ａおよび第２マグネットギア部１４４ｂの回転軸Ｒ４が第１羽根車１４２ａおよび第１マグネットギア部１４２ｂの回転軸Ｒ３と実質的に重なるように冷却流体配管３４内に配置される。
【００４８】
オイルの流れを受けて第１羽根車１４２ａひいては第１マグネットギア部１４２ｂが回転すると、その回転力が磁力を介して第２マグネットギア部１４４ｂに伝達され、第２マグネットギア部１４４ｂひいては第２羽根車１４４ａが回転する。第２羽根車１４４ａは、冷却流体配管３４の冷却水をかいて循環させる。
【００４９】
上述した実施の形態と変形例の任意の組み合わせもまた本発明の実施の形態として有用である。組み合わせによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態および変形例それぞれの効果をあわせもつ。また、請求項に記載の各構成要件が果たすべき機能は、実施の形態および変形例において示された各構成要素の単体もしくはそれらの連係によって実現されることも当業者には理解されるところである。例えば、請求項に記載のオイル循環ラインは、オイル冷却配管３３を含んで実現されてもよい。また例えば、請求項に記載のガスラインは、高圧側配管１３および低圧側配管１４を含んで実現されてもよい。また例えば、請求項に記載の冷却流体循環ラインは、冷却流体配管３４を含んで実現されてもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１０  圧縮機ユニット、  ２２  動力取出部、  ４２  第１回転体、  ４４  第２回転体、  １１０  圧縮機ユニット、  １２２  動力取出部、  １４２  第１回転体、  １４４  第２回転体。
【図１】
2018040516.tif 000003
【図２】
2018040516.tif 000004
【図３】
2018040516.tif 000005
【図４】
2018040516.tif 000006