(57)【要約】【課題】低圧容器型の圧縮機を用いた場合であっても、圧力の脈動を抑制できる圧縮機ユニットを提供すること。【解決手段】ヘリウムガスを圧縮する圧縮機２１を備え、この圧縮したヘリウムガスを極低温を実現する冷凍機１３に供給可能に構成された圧縮機ユニット１０において、圧縮機２１は低圧容器２６を有する低圧容器型の圧縮機であり、この圧縮機２１から吐出された高圧のヘリウムガスが流れる高圧側配管部３４と、冷凍機１３にて膨張して減圧された低圧のヘリウムガスが流れる低圧側配管部３３とを備え、高圧側配管部３４に、ヘリウムガスの圧力の脈動を吸収するためのバッファタンク２４を設けた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヘリウムガスを圧縮する圧縮機を備え、この圧縮したヘリウムガスを極低温を実現する冷凍機に供給可能に構成された圧縮機ユニットにおいて、
前記圧縮機は低圧容器を有する低圧容器型の圧縮機であり、
この圧縮機から吐出された高圧のヘリウムガスが流れる高圧側配管部と、前記冷凍機にて膨張して減圧された低圧のヘリウムガスが流れる低圧側配管部とを備え、前記高圧側配管部に、前記ヘリウムガスの圧力の脈動を吸収するためのバッファタンクを設けたことを特徴とする圧縮機ユニット。
【請求項２】
前記低圧側配管部は前記低圧容器を含み、この低圧側配管部と前記高圧側配管部との容積比を、前記冷凍機の運転条件に基づいて設定した所定比とした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】
前記高圧側配管部は、前記圧縮機に順次接続された熱交換器、オイルセパレータ及びアドソーバを備え、これらオイルセパレータとアドソーバとの間に前記バッファタンクを設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の圧縮機ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、極低温を実現する冷凍機に接続される圧縮機ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ヘリウムガスを圧縮する圧縮機を備え、この圧縮したヘリウムガスを極低温を実現する冷凍機に供給可能に構成された圧縮機ユニットが知られている（例えば、特許文献１参照）。この種の圧縮機ユニットでは、一般的に、圧縮機として高圧容器を有する高圧容器型のものを配置し、この圧縮機の吐出側の高圧管に熱交換器、オイルセパレータ及びアドソーバを設け、圧縮機の吸込側の低圧管にバッファタンクを設けていた。
【特許文献１】特開２００１−１４０７５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、圧縮機には、低圧容器を有する低圧容器型のものがあり、この圧縮機は、低圧容器内に圧縮要素を備え、この圧縮要素の吐出口に上記高圧管が直接接続されている。このため、圧縮機ユニットに低圧容器型の圧縮機を用いた場合、この圧縮機ユニットに接続される冷凍機の運転・停止に伴い、高圧管内の圧力が上下する圧力の脈動が生じるといった問題があった。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、低圧容器型の圧縮機を用いた場合であっても、圧力の脈動を抑制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】
【０００５】
上記課題を解決するため、本発明は、ヘリウムガスを圧縮する圧縮機を備え、この圧縮したヘリウムガスを極低温を実現する冷凍機に供給可能に構成された圧縮機ユニットにおいて、前記圧縮機は低圧容器を有する低圧容器型の圧縮機であり、この圧縮機から吐出された高圧のヘリウムガスが流れる高圧側配管部と、前記冷凍機にて膨張して減圧された低圧のヘリウムガスが流れる低圧側配管部とを備え、前記高圧側配管部に、前記ヘリウムガスの圧力の脈動を吸収するためのバッファタンクを設けたことを特徴とする。
この構成によれば、冷凍機が停止した場合には、圧縮機から吐出されたヘリウムガスがバッファタンク内に導かれるため、高圧側配管部内の圧力の上昇が抑制される。一方、冷凍機が作動した場合には、バッファタンク内から高圧側配管部へとヘリウムガスが流入することにより、高圧側配管部内の圧力低下が抑制される。従って、低圧容器型の圧縮機を用いた場合であっても、冷凍機の運転・停止に伴う圧力の脈動を抑制できる。
【０００６】
この場合において、前記低圧側配管部は前記低圧容器を含み、この低圧側配管部と前記高圧側配管部との容積比を、前記冷凍機の運転条件に基づいて設定した所定比とした構成としても良い。また、前記高圧側配管部は、前記圧縮機に順次接続された熱交換器、オイルセパレータ及びアドソーバを備え、これらオイルセパレータとアドソーバとの間に前記バッファタンクを接続した構成としても良い。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、低圧容器型の圧縮機を用いた場合であっても、冷凍機の運転・停止に伴う圧力の脈動を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１において、符号１０は圧縮機ユニットを示している。この圧縮機ユニット１０には、供給管１１および戻り管１２を介して、例えばクライオポンプ用冷凍機、液体ヘリウムの凝縮用冷凍機、マグネットや半導体素子の直冷用冷凍機等の極低温を実現するための冷凍機１３が接続されている。
【０００９】
圧縮機ユニット１０は、筐体１０Ａ内に、冷媒としてのヘリウムガスを圧縮する圧縮機２１と、冷却用熱交換器２２と、オイルセパレータ２３と、バッファタンク２４と、アドソーバ２５とを備えて構成されている。これら冷却用熱交換器２２、オイルセパレータ２３及びアドソーバ２５は、高圧冷媒管３０を介して圧縮機２１の吐出側に順次接続されている。また、バッファタンク２４は、接続管３１を介してオイルセパレータ２３とアドソーバ２５との間の高圧冷媒管３０に接続されている。また、圧縮機２１の吸込側には低圧冷媒管３２が接続されている。
圧縮機２１は、低圧冷媒管３２を流れる低圧Ｐ１のヘリウムガスを貯留する密閉容器２６（低圧容器）を備える低圧容器型の圧縮機であり、本構成では、この圧縮機２１の密閉容器２６と低圧冷媒管３２とを備えて低圧側配管部３３が構成されている。また、高圧冷媒管３０及び接続管３１と、これら高圧冷媒管３０及び接続管３１に接続された冷却用熱交換器２２、オイルセパレータ２３、バッファタンク２４及びアドソーバ２５とを備えて高圧側配管部３４が構成されている。
【００１０】
また、圧縮機２１は、密閉容器２６内に低段側及び高段側の各圧縮要素（図示略）を有する２段圧縮機である。低段側の圧縮要素で中間圧Ｐ２に圧縮されたヘリウムガスは、密閉容器２６の低段側吐出ポート２６Ａを通じて機外に吐出され、図中矢印で示すように、冷却用熱交換器２２の第１熱交換部２２Ａに供給される。この第１熱交換部２２Ａに供給されたヘリウムガスは、当該第１熱交換部２２Ａの水冷ジャケット２７を循環する冷却水と熱交換して常温程度に冷却され、密閉容器２６の高段側吸込ポート２６Ｂを通じて高段側の圧縮要素に流入する。
【００１１】
そして、この高段側の圧縮要素で高圧Ｐ３に圧縮されたヘリウムガスは、密閉容器２６の高段側吐出ポート２６Ｃを通じて機外に吐出され、冷却用熱交換器２２の第２熱交換部２２Ｂに供給される。この第２熱交換部２２Ｂに供給されたヘリウムガスは、当該第２熱交換部２２Ｂの水冷ジャケット２７を循環する冷却水と熱交換して常温程度に冷却される。
この第２熱交換部２２Ｂで冷却されたヘリウムガスは、オイルセパレータ２３に供給され、このオイルセパレータ２３でヘリウムガスに含まれる潤滑用オイルが分離される。オイルセパレータ２３は、その内部にグラスウールの繊維（図示略）が収容されており、このグラスウールの繊維にヘリウムガスに含まれるオイル微粒子を付着させて当該オイルを分離するものである。このオイルセパレータ２３で分離されたオイルは、オイル管２８を通じて流出し、このオイル管２８に設けられたキャピラリチューブ２９で減圧されて圧縮機２１の密閉容器２６内部に戻される。また、オイルセパレータ２３には、このオイルセパレータ２３の内部圧力が所定圧力以上となった場合に開放される安全弁２３Ａが設けられている。
【００１２】
一方、オイルセパレータ２３にてオイルが分離されたヘリウムガスは、アドソーバ２５に供給される。このアドソーバ２５は、その内部に活性炭（図示略）が収容されており、この活性炭に上記オイルセパレータ２３にて分離しきれなかったオイルや、このオイル中の揮発成分を吸着させて除去するものである。
このように、アドソーバ２５にヘリウムガスを通過させることにより、このヘリウムガス中の不純物が除去されて、高純度のヘリウムガスを冷凍機１３に供給することができる。このため、アドソーバ２５は冷凍機１３の直近に配置することが望ましい。従って、本実施形態では、アドソーバ２５は圧縮機ユニット１０の筐体１０Ａに収容される高圧冷媒管３０の末端に配置され、このアドソーバ２５の吐出口２５Ａに上記供給管１１を介して冷凍機１３が接続されている。
【００１３】
冷凍機１３に供給された高圧Ｐ３のヘリウムガスは、この冷凍機１３にて断熱膨張し、この冷凍機１３の低温端部１４を極低温（例えば１０Ｋ程度）に冷却する。この冷凍機１３で膨張し、減圧された低圧Ｐ１のヘリウムガスは、戻り管１２を介して、圧縮機ユニット１０に戻される。この圧縮機ユニット１０に戻された低圧Ｐ１のヘリウムガスは、上記低圧冷媒管３２を介して圧縮機２１に至り、この圧縮機２１の密閉容器２６の低段側吸込ポート２６Ｄを通じて、この密閉容器２６内に吸い込まれる。本構成では、圧縮機２１の密閉容器２６内に低圧Ｐ１のヘリウムガスが貯留されるため、この密閉容器２６がアキュムレータの機能を果たす。これにより本構成では、筐体１０Ａ内にアキュムレータを設ける必要が無くなるため、このアキュムレータの分、圧縮機ユニット１０の小型化を図ることができる。
【００１４】
また、オイルセパレータ２３とアドソーバ２５とをつなぐ高圧冷媒管３０と、圧縮機２１につながる低圧冷媒管３２との間には、高低圧差圧調整弁３５、均圧電磁弁３６及び低圧圧力調整弁３７がそれぞれ並行に配置されている。この高低圧差圧調整弁３５は、高圧Ｐ３と低圧Ｐ１との圧力差が一定値を越えた場合に、弁体を開放して、高圧冷媒管３０内のヘリウムガスの一部を低圧冷媒管３２に導くものである。均圧電磁弁３６は、圧縮機２１の運転が停止した場合に、弁体を開放して、高圧側配管部３４と低圧側配管部３３の圧力を略同一の状態とするものである。これによれば、高圧側配管部３４と低圧側配管部３３との間でヘリウムガスの圧力差がほとんどなくなるため、次回の圧縮機２１の起動をスムーズに実行することができる。また、低圧圧力調整弁３７は、低圧冷媒管３２内のヘリウムガスの圧力が一定値を下回った場合に、弁体を開放して、高圧冷媒管３０内のヘリウムガスの一部を低圧冷媒管３２内に導き、この低圧冷媒管３２内のヘリウムガスの圧力の下がり過ぎを防止するものである。
【００１５】
ところで、圧縮機２１は、上述のように、低圧冷媒管３２を流れる低圧Ｐ１のヘリウムガスを貯留する密閉容器２６（低圧容器）を備える低圧容器型の圧縮機である。この種の低圧容器型の圧縮機２１では、吸込冷媒ガスを密閉容器２６内に貯留する一方、この密閉容器２６の内部に収容される圧縮要素（特に高段側）で圧縮された吐出冷媒ガスは、この圧縮要素から高圧冷媒管３０に直接吐出されるように構成されている。
一方、圧縮機ユニット１０に接続される冷凍機１３は、この冷凍機１３の低温端部１４の温度に応じて頻繁に運転及び停止する。冷凍機１３が停止すると圧縮機ユニット１０からの冷媒の供給は停止され、この冷凍機１３が起動すると圧縮機ユニット１０からの冷媒の供給が開始される。
従って、低圧容器型の圧縮機を備える圧縮機ユニットでは、この圧縮機ユニットに接続される冷凍機の運転及び停止に伴って高圧冷媒管内の圧力が上下する圧力の脈動が生じるといった問題がある。
この問題を解消するために、本実施形態では、高圧冷媒管３０を含む高圧側配管部３４にバッファタンク２４が設けられている。このバッファタンク２４は、中空の容器であり、上記冷凍機１３の運転及び停止に伴って高圧側配管部３４内に生じる圧力の脈動を吸収するため、圧縮機ユニット１０と冷凍機１３とで形成される冷媒回路内に冷媒をスムーズに流通させることができる。すなわち、冷凍機１３が停止した場合には、圧縮機２１から吐出されたヘリウムガスがバッファタンク２４内に導かれるため、高圧側配管部３４内の圧力の上昇が抑制される。一方、冷凍機１３が作動した場合には、バッファタンク２４内から高圧側配管部３４へとヘリウムガスが流入することにより、この高圧側配管部３４内の圧力低下が抑制される。従って、低圧容器型の圧縮機２１を用いた場合であっても、冷凍機１３の運転・停止に伴う圧力の脈動を抑制できる。また、バッファタンク２４はオイルセパレータ２３と同一容器を用いている。これによれば、部品の共通化が図れるため、製造コストの低減を図ることができる。
【００１６】
ここで、バッファタンク２４を高圧側配管部３４に設ける場合、圧力の脈動を吸収するといった点に鑑みれば、高圧冷媒管３０のどこに設けても同様な効果を奏することが期待できる。しかしながら、バッファタンクをオイルセパレータ２３の上流側、すなわち冷却用熱交換器２２とオイルセパレータ２３との間に設けた場合には、潤滑用オイルを含むヘリウムガスがバッファタンクに流入するため、このバッファタンク内にオイルが付着する。特に、バッファタンクはヘリウムガスが常時流通するものではないため、このバッファタンク内に付着したオイルは、当該バッファタンク内に溜まりやすくなる。従って、バッファタンクを冷却用熱交換器２２とオイルセパレータ２３との間に設ける場合には、このバッファタンク内に溜まったオイルを圧縮機２１へ返送する管路を別個に設ける必要があり、冷媒回路及びオイル回路の回路構成が複雑になるという問題が生じる。
また、バッファタンクをアドソーバ２５の下流側に設ける場合、バッファタンク内に一度流入したヘリウムガスが冷凍機１３に供給されるため、このバッファタンク内に残留した物質がヘリウムガスに混入するおそれがあり、冷凍機１３に高純度のヘリウムガスを供給することが困難となるという問題がある。
【００１７】
これに対して、本実施形態では、バッファタンク２４は、接続管３１を介してオイルセパレータ２３とアドソーバ２５との間の高圧冷媒管３０に接続されている。これによれば、オイルセパレータ２３でオイルが除去されたヘリウムガスがバッファタンク２４内に流入するため、このバッファタンク２４内にオイルが溜めることはない。従って、バッファタンク２４にオイル返送用の管路を設ける必要はなく、冷媒及びオイルの回路構成の簡素化図ることができる。
また、バッファタンク２４から排出されたヘリウムガスは必ずアドソーバ２５を通過することにより、このアドソーバ２５で不純物が除去されるため、高純度にヘリウムガスを冷凍機１３に供給することができる。さらに、本実施形態では、アドソーバ２５は圧縮機ユニット１０の筐体１０Ａに収容される高圧冷媒管３０の末端に配置されているため、バッファタンク２４をオイルセパレータ２３とアドソーバ２５との間に設けることにより、このバッファタンク２４を筐体１０Ａの内部に収容することができる。
【００１８】
また、本実施形態では、圧縮機ユニット１０は、筐体１０Ａ内に配置される低圧側配管部３３と高圧側配管部３４との容積比が予め設定された所定比を満足するように構成されている。具体的には、図２に示すように、低圧側配管部３３は、圧縮機２１の密閉容器２６と低圧冷媒管３２とを備え、この低圧側配管部３３の総容積は、低圧側容積値Ｖ１（ｍ3）に設定されている。一方、高圧側配管部３４は、冷却用熱交換器２２と、オイルセパレータ２３と、バッファタンク２４と、アドソーバ２５と、高圧冷媒管３０と、接続管３１とを備え、この高圧側配管部３４の総容積は、高圧側容積値Ｖ２（ｍ3）に設定されている。そして、これら低圧側容積値Ｖ１と高圧側容積値Ｖ２との比は、所定比α：β（α＜β）に設定されている。
この所定比α：βは、圧縮機ユニット１０に接続される冷凍機１３の運転条件によって決定される。詳述すると、この種の冷凍機１３では、目標温度となる極低温を実現するために、この冷凍機１３に供給されるヘリウムガスの高圧値及び当該冷凍機１３で断熱膨張されたヘリウムガス低圧値が略決定される。従って、圧縮機ユニット１０では、冷凍機１３が上記ヘリウムガスの高圧値及び低圧値で運転できるように、低圧側容積値Ｖ１と高圧側容積値Ｖ２との比を設定している。この場合、圧縮機２１の密閉容器２６、冷却用熱交換器２２、オイルセパレータ２３及びアドソーバ２５は、冷凍機１３の運転条件（冷媒循環量、運転圧力）によってある程度は決定されるため、バッファタンク２４及び配管の容積を調整することによって、低圧側容積値Ｖ１と高圧側容積値Ｖ２との比を所定比α：βに設定することが望ましい。
【００１９】
これによれば、例えば、圧縮機ユニット１０の圧縮機を高圧容器型のものから低圧容器型の圧縮機２１に変更した場合であっても、冷凍機１３の設定を何ら変更することなく、この冷凍機１３を所望する目標温度となるように運転することができる。従って、同一の冷凍機であれば、この冷凍機の設定もしくは設計を変更することなく同一の運転条件で冷凍機を運転することができる。
また、この所定比α：βは、冷凍機１３の運転条件に基づいて決定されるものであるため、この運転条件または冷凍機の機種によって適宜変更される。
【００２０】
本実施形態によれば、ヘリウムガスを圧縮する圧縮機２１を備え、この圧縮したヘリウムガスを極低温を実現する冷凍機１３に供給可能に構成された圧縮機ユニット１０において、圧縮機２１は低圧容器２６を有する低圧容器型の圧縮機であり、この圧縮機２１から吐出された高圧のヘリウムガスが流れる高圧側配管部３４と、冷凍機１３にて膨張して減圧された低圧のヘリウムガスが流れる低圧側配管部３３とを備え、高圧側配管部３４に、ヘリウムガスの圧力の脈動を吸収するためのバッファタンク２４を設けたため、低圧容器型の圧縮機２１であっても、冷凍機１３の運転及び停止に伴って高圧側配管部３４内に生じる圧力の脈動を吸収することができる。
【００２１】
また、本実施形態によれば、低圧側配管部３３は圧縮機２１の密閉容器２６を含み、この低圧側配管部３３と高圧側配管部３４との容積比を、冷凍機１３の運転条件に基づいて設定した所定比α：βとすることにより、例えば、圧縮機ユニット１０の圧縮機を高圧容器のものから低圧容器の圧縮機２１に変更した場合であっても、冷凍機１３に何ら操作もしくは作業することなく、この冷凍機１３を所望する条件で運転することが可能となる。
【００２２】
また、本実施形態によれば、高圧側配管部３４は、圧縮機２１に順次接続された冷却用熱交換器２２、オイルセパレータ２３及びアドソーバ２５を備え、これらオイルセパレータ２３とアドソーバ２５との間にバッファタンク２４を設けたことにより、オイルセパレータ２３でオイルが除去されたヘリウムガスがバッファタンク２４内に流入するため、このバッファタンク２４内にオイルが溜めることはない。従って、バッファタンク２４にオイル返送用の管路を設ける必要はなく、冷媒及びオイルの回路構成の簡素化図ることができる。これに加えて、バッファタンク２４から排出されたヘリウムガスは必ずアドソーバ２５を通過することにより、このアドソーバ２５で不純物が除去されるため、高純度にヘリウムガスを冷凍機１３に供給することができる。さらに、本実施形態では、アドソーバ２５は圧縮機ユニット１０の筐体１０Ａに収容される高圧冷媒管３０の末端に配置されているため、バッファタンク２４をオイルセパレータ２３とアドソーバ２５との間に設けることにより、このバッファタンク２４を筐体１０Ａの内部に収容することができる。
また、本実施形態では、バッファタンク２４を高圧側配管部３４に配置しているため、この高圧側配管部３４ではヘリウムガスの体積が縮小することにより、このバッファタンク２４に収容できるヘリウムガスの重量が増加する。従って、バッファタンクを低圧側配管部に配置する場合に比べてバッファタンクの小型化を図ることができ、ひいては圧縮機ユニット１０の筐体１０Ａの小型化を図ることができる。
【００２３】
以上、本発明を実施するための最良の形態について述べたが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想に基づいて各種の変形および変更が可能である。例えば、本実施形態の圧縮機ユニット１０は、水冷式の冷却用熱交換器２２を備える構成としているが、これに限るものではなく、空冷式の冷却用熱交換器を備える構成としても良い。この空冷式の冷却用熱交換器を備える構成では、この冷却用熱交換器が屋外に設置される一方、定期的なメンテナンスが必要となるアドソーバは屋内に設置することが望ましい。この場合、圧縮機、冷却用熱交換器、オイルセパレータ及びバッファタンクを収容し、屋外に設置された一の筐体と、アドソーバを収容し、屋内に設置される他の筐体とを備えて圧縮機ユニットが構成される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本実施形態に係る圧縮機ユニットの回路図である。
【図２】低圧側配管部３３と高圧側配管部３４との容積比を示した図である。
【符号の説明】
【００２５】
１０  圧縮機ユニット
１０Ａ  筐体
１３  冷凍機
２１  圧縮機
２２  冷却用熱交換器（熱交換器）
２３  オイルセパレータ
２４  バッファタンク
２５  アドソーバ
２６  密閉容器（低圧容器）
３３  低圧側配管部
３４  高圧側配管部
【図１】
2008150972.tif 000003
【図２】
2008150972.tif 000004