(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被液化ガスを圧縮する雌雄一対のロータをボア内に収容したスクリュー圧縮機（１ａ）と、該スクリュー圧縮機で圧縮した被液化ガスを断熱膨脹させて一部液化させ、生成液化ガスと未液化ガスとをクライオボックス（１０）に供給する熱交換器（３〜８）及びジュール・トムソン弁（９）からなる液化手段とを具えた極低温冷凍機において、
前記圧縮機の一対のロータの噛み合う歯間に前記クライオボックスの未液化ガスを還流させる第一のガス戻し通路（１２）と、
前記第一のガス戻し通路から前記未液化ガスの一部を取込んで、該未液化ガスを、ガス圧縮室を形成するボア高圧部を除くボア内低圧部（２６）に供給する第二のガス戻し通路（２５）と、
該第二のガス戻し通路の未液化ガスに潤滑油噴霧を混合する潤滑油噴霧供給手段と、
からなることを特徴とする極低温冷凍機。
【請求項２】
前記第二のガス戻し通路に、前記第一のガス戻し通路から未液化ガスを吸入してこれを前記圧縮機のボア内低圧部に圧送するガス圧送手段（２７）を設けるとともに、該ガス圧送手段の下流側の第二のガス戻し通路に未液化ガスの温度を降下させる冷却手段（３０）を設けたことを特徴とする請求項１記載の極低温冷凍機。
【請求項３】
前記スクリュー圧縮機から吐出された被液化ガスから潤滑油を分離する油分離器（１６）と、該油分離器で分離した潤滑油を前記第二のガス戻し通路に排出する潤滑油排出通路（２８）と、該潤滑油排出通路の出口側に配設した絞り（２９）からなり、該絞りを介して前記潤滑油排出通路の出口側と第二のガス戻し通路とを連通させたことを特徴とする請求項１若しくは２記載の極低温冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はヘリウム、窒素、酸素等の低沸点ガスの液化を行う極低温冷凍機に係り、特に、圧縮機のボア内を低温な未液化ガスと潤滑油噴霧の混合ガスで潤滑・冷却するようにした極低温冷凍機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ヘリウム、窒素、酸素等の低沸点ガスを液化する極低温冷凍機は、断熱のため真空に保持されたコールドボックス内に、圧縮機から吐出された高温高圧の被液化ガスをガス供給通路を介して送り込み、これをコールドボックス内の熱交換器の冷却装置で予冷した後、ジュール・トムソン弁（以下、ＪＴ弁という。）に供給してその一部液化を行い、この液化ガス及びこの段階でまだ液化されていない未液化ガスを、クライオボックスに供給し、未液化ガスのみクライオボックスと圧縮機の吸入口とを連通するガス戻し通路を介して上記圧縮機に還流させ、再圧縮するように構成されている。
【０００３】
図２は本発明者等が検討している前記極低温冷凍機のサイクル図で、１は圧縮機、２はコールドボックス、３〜８は被液化ガスの予冷のための熱交換器、９はＪＴ弁、１０はクライオボックス、１１はガス供給通路、１２はガス戻し通路である。
圧縮機１は、コールドボックス２外に配置されていて、圧縮機１の吐出口１３とクライオボックス１０とを連通するガス供給通路１１は、コールドボックス２の一側壁及びクライオボックス１０の天井部を貫通してその底面付近まで深く挿入され、圧縮機１の吸入口１４とクライオボックス１０とを連通するガス戻し通路１２は、貯液面（液化ガス）から適宜上方へ離間した位置まで浅く挿入されている。
【０００４】
前記熱交換器３〜８は、ガス供給通路１１及びガス戻し通路１２に対して互いに熱交換し得るようＪＴ弁９の上流に多段設置され、このガス供給通路１１の第一熱交換器３と第二熱交換器４との間は、第一バイパス通路１３ａを介してガス戻し通路１２の第二熱交換器４と第三熱交換器５間に、また、ガス供給通路１１の第三熱交換器５と第四熱交換器６間は第二バイパス通路１３ｂを介してガス戻し通路１２の第四熱交換器６と第五熱交換器７との間に連通され、これら第１バイパス通路１３ａ，第二バイパス通路１３ｂに介設する膨張タービン等の膨張機１４ａ，１４ｂにより、低温となった被液化ガスの一部をガス戻し通路１２に供給するようになっている。
また、コールドボックス２外の前記ガス供給通路１１には、その上流側から下流へ間隔を隔てて油分離器１６、ミスト分離機１７が順次介設されて被液化ガスの冷却後、潤滑油分が取り除かれるようになっており、また、潤滑油を冷却すべく潤滑油回収通路２８にオイルクーラ１５が介設されている。
【０００５】
係る極低温冷凍機よれば、清浄化された被液化ガスは、コールドボックス２内の各熱交換器３〜８を経由して所定温度、例えば、約８０°Ｋに予冷され、予冷後、低温となった被液化ガスは、ＪＴ弁９を通過する際、断熱膨張して、その一部は液に、残部は同温の蒸気となる。
【０００６】
因みに、ＪＴ弁９は、絞り又は多孔質体を透過拡散するときのガスの熱自由膨張による冷却効果（ジュール・タムソン効果）を利用して、これを通過する被液化ガスの一部液化を行い、その液と残部の湿り蒸気をクライオボックス１０に供給するものであるが、一般に、液化の程度は、流量の約５〜１０％である。
この液化において、ＪＴ弁９で液化されなかった未液化ガス（湿り蒸気）は、液化ガスと伴にクライオボックス１０に供給されて液化ガスのみ滞留され、湿り蒸気乃至飽和蒸気は、ガス戻し通路１２を介して圧縮機１の吸入口１４に吸入される。
従って、前記クライオボックス１０及びコールドボックス２の一側壁を貫通する液化ガスの取り出し管部（図示せず）を形成したり、或いは、液化ガスと熱交換する低温取り出し用の熱交換器を（図示せず）設置すれば、液化ガスを冷凍源とした極低温の取り出しが可能となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、近年の液化ガスの消費量の増大に応じて圧縮機を含む設備全体が大形化してしまうと、圧縮機の回転部、摺動部を潤滑・冷却する潤滑液の使用量が著しく増大し、その抵抗により損失動力が大幅に増大してしまうという問題がある。
特に、前記圧縮機として、図３（ａ），（ｂ）に示すように、軸方向に沿って相連通する一対のボア１８ａ，１８ｂに対し、互いに噛み合って回転する雌雄一対のロータ１９ａ，１９ｂを回転自在に収容して、これら一対のロータ１９ａ，１９ｂの噛み合う歯間と各ボア１８ａ，１８ｂのボア内面２１ａ，２１ｂとでガス圧縮室２２を形成し、ボア内面２１ａ，２１ｂと各ロータ１９ａ，１９ｂの歯外周の端面との間に潤滑油を噴射供給してシールする構成のスクリュー圧縮機１ａを使用するには、潤滑油Ｏに対するロータ１９ａ，１９ｂの攪拌抵抗が無視できないほど増大してしまう。
【０００８】
本発明の目的は、極低温冷凍機の圧縮源たるスクリュー圧縮機のボア内を効率良く噴霧潤滑・冷却し、潤滑油攪拌抵抗に起因した動力損失を低減することにある。
【０００９】
なお、油潤滑式圧縮機の潤滑改善に関する関連技術として、特開昭６０−２３７１８３号公報には、油冷式圧縮機本体の吐出口から油回収器に至る流路内のオイルミストを含む圧縮気体の一部を圧縮機の潤滑箇所に供給するものが開示されている。しかし、このように圧縮気体を軸受部のような低圧部に供給できても、圧縮に関与する部位に圧縮気体を直接供給するには、圧力バランス上、難しく、また、潤滑・冷却のために圧縮気体の一部を圧縮機側に戻する構成には、その分、圧縮機の吐出能力を低下させてしまうという不具合もある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的は以下の構成により達成される。
請求項１に記載の発明は、被液化ガスを圧縮する雌雄一対のロータをボア内に収容したスクリュー圧縮機（１ａ）と、該スクリュー圧縮機で圧縮した被液化ガスを断熱膨脹させて一部液化させ、生成液化ガスと未液化ガスとをクライオボックス（１０）に供給する熱交換器（３〜８）及びジュール・トムソン弁（９）からなる液化手段とを具えた極低温冷凍機において、
前記圧縮機の一対のロータの噛み合う歯間に前記クライオボックスの未液化ガスを還流させる第一のガス戻し通路（１２）と、
前記第一のガス戻し通路から前記未液化ガスの一部を取込んで、該未液化ガスを、ガス圧縮室を形成するボア高圧部を除くボア内低圧部（２６）に供給する第二のガス戻し通路（２５）と、
該第二のガス戻し通路の未液化ガスに潤滑油噴霧を混合する潤滑油噴霧供給手段と、
からなることを特徴とする。
【００１１】
係る請求項１記載の発明は、クライボックスに滞留する未液化ガスの一部に潤滑油噴霧供給手段により潤滑油噴霧を混合し、この混合ガスをボア低圧部に供給するものであり、圧縮機から吐出された被液化ガスの全てを直接ＪＴ弁に供給しつつ、ボア内低圧部、すなわち、雌雄一対のロータとボア内面との間を潤滑し冷却するものである。
【００１２】
この場合、圧縮機のボア内低圧部に対する上記未液化ガスと潤滑油噴霧との混合ガスの供給に対しては、前記第二のガス戻し通路に、前記第一のガス戻し通路から未液化ガスを吸入してこれを前記圧縮機のボア内低圧部に圧送するガス圧送手段（２７）を設けるのが好ましい。
【００１３】
また、前記第二のガス戻し通路に、前記第一のガス戻し通路から未液化ガスを吸入してこれを前記圧縮機のボア内低圧部に圧送するガス圧送手段を設けた場合に、該ガス圧送手段の加圧によるガス温度上昇に対応するために、前記第二のガス戻し通路に未液化ガスの温度を降下させる冷却手段（３０）を設けるのが好ましい（請求項２）。
【００１４】
そして、上記未液化ガス及び潤滑油の噴霧の混合ガスを、特別な加圧装置によらず生成するには、前記スクリュー圧縮機から吐出された被液化ガスから潤滑油を分離する油分離器（１６）と、該油分離器で分離した潤滑油を前記第二のガス戻し通路に排出する潤滑油排出通路（２８）と、該潤滑油排出通路の出口側に配設した絞り（２９）からなり、該絞りを介して前記潤滑油排出通路の出口側と第二のガス戻し通路とを連通させ、その絞りにより発生する減圧効果で潤滑油の霧化と混合を行うようにするのが好ましい（請求項３）。
【００１５】
また、冷凍機の保有するエネルギを活用して上記第２のガス戻し通路に対するガス圧送を行うには、前記第二のガス戻し通路に、前記第一のガス戻し通路から未液化ガスを吸入してこれを前記圧縮機のボア内低圧部に圧送するガス圧送手段を設け、該ガス圧送手段を、第２のガス戻し通通路に介設され前記ボア内低圧部に前記クライオボックスに滞留する未液化ガスの一部を圧送するコンプレッサブロワと、前記予冷後、液化前の未液化ガスの一部を導入してエネルギを回収する膨張タービンと、前記コンプレッサブロワに膨張タービンの回転駆動力を伝達する動力伝達手段とから構成するのが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の一実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明するが、既に従来の技術の欄で説明した構成と同一の構成又は同様な構成については同一符号を付しその詳細な説明は省略する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特に、特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明にすぎない。
【００１７】
図１は、この発明の一実施形態に係る極低温冷凍機のサイクル図であり、図３は該サイクルに用いられるスクリュー圧縮機の構造を示す断面図である。図示されるように、スクリュー圧縮機（以下、圧縮機という。）１ａの吸込口１４及び圧縮機１ａの吐出口１３は、それぞれ第一のガス戻し通路１２、ガス供給通路１１を介して前記クライオボックス１０に連通されていて、ガスを還流するよう構成され、前記ガス供給通路１１及びガス戻し通路１２には、これら通路１１、１２間で熱交換し得るよう上流から下流に向かって第一〜第六熱交換器３〜８が順次介設されていて、ガス供給通路１１の上記第六熱交換器８とクライオボックス１０との間には、液化のためのＪＴ弁９が介設されている。１５はオイルクーラである。
【００１８】
第一熱交換器３と第二熱交換器４との間のガス供給通路１１は、第一バイパス通路１３ａを介して、ガス戻し通路１２の第二熱交換器４と第三熱交換器５との間に連通され、また、第三熱交換器５と第四熱交換器６との間のガス供給通路１１は、第二バイパス通路１３ｂを介して第四熱交換器６と第五熱交換器７との間に連通されていて、これら第一、第二バイパス通路１３ａ，１３ｂに介設された膨張タービン等の膨張機１４ａ，１４ｂの断熱膨張により温度低下した被液化ガスの一部を第一のガス戻し通路１２に供給するようになっている。
【００１９】
さて、前記した極低温冷凍機において、圧縮機１ａ吐出直後の被液化ガス一部を使用することなく、圧縮機１ａの潤滑・冷却を図るには、圧縮機１ａに還流する未液化ガスの一部を冷却ガスとして利用し、この未液化ガスを潤滑油噴霧の搬送媒体とするのが好ましい。
【００２０】
そこで、本実施形態では、圧縮機１ａのボア内低圧部、すなわち、雌ロータ１９ａ，雄ロータ１９ｂの噛み合う歯間とボア内面１８ａ，１８ｂによって形成されるガス圧縮室２２（図３（ｂ）参照）を除くボア内に、第二のガス戻し通路２５が連通されていて、このボア内低圧部２６に第一のガス戻し通路１２から未液化ガスの一部が供給されるように構成されている。
【００２１】
そして、第二のガス戻し通路２５の途中には、コンプレッサブロワ２７（回転圧縮機）が介装され、このコンプレッサブロワ２７により、第一のガス戻し通路１２から未液化ガスの一部が前記ボア内低圧部２６へ圧送されるようになっていている。また、圧縮機たるコンプレッサブロワ２７の駆動のため、上記ガス供給通路１１の第一熱交換器３とミスト分離器１７の間が第二のガス供給管３４で連通されていて、この第二のガス供給管３４に膨張タービン３５が介設され、この膨張タービン３５と前記コンプレッサブロワ２７とが動力伝達手段たる軸３６で連結されている。つまり、膨張タービン３５をコンプレッサブロワ３５の駆動源とすれば、冷凍機の保有する熱エネルギを有効に利用し、設備、コストの削減を図れるからである。
【００２２】
勿論、前記膨張タービン３５としてノズルスロート面積の調節により容量を制御する可変容量タービンの使用も可能であり、また、前記動力伝達手段として図示しない太陽歯車、遊星歯車、内歯車、外歯車、アイドル歯車、出力歯車から成る遊星歯車機構を用いてコンプレッサブロワ２７の回転を最適に調節することも可能である。
【００２３】
また、上記第二ガス戻し通路２５の未液化ガスの温度を低くしてこれに潤滑油噴霧を混合するため、前記第二のガス戻し通路２５に前記油回収器１６から潤滑油を回収する潤滑油回収通路２８の出口が絞り（オリフィス）２９を介して連通され、その第二のガス戻し通路２５の上記絞り２９接続部より上流でかつ、コンプレッサブロワ２７の下流には、このコンプレッサブロワ２７の加圧による未液化ガスの昇温を規制するための冷却装置、例えば、水熱交換器３０が介設されている。
【００２４】
そして、上記第二のガス戻し通路２５の上記絞り２９接続部と前記水交換器３０との間には、第一開閉弁３１が介設され、上記潤滑油通路２８の途中には、第二開閉弁３２が介設されている。すなわち、圧縮機１ａの運転時、第一開閉弁３１及び第二開閉弁３２を開とし、上記水熱交換器３０のポンプ３３を稼動して冷却媒体たる水を循環させると、圧縮機１の閉じ込み完了時、絞り２９に作用する未液化ガスの負圧で潤滑油排出通路２８内の潤滑油が霧化状態となって第二のガス戻し通路２５内に吸出され、圧縮機１ａのボア内低圧部２６は、この潤滑油噴霧と未液化ガスとの混合ガスで潤滑・冷却され、圧縮機１で圧縮した被液化ガスの全てがＪＴ弁９の液化に供される。
このように本実施形態に係る極低温冷凍機にあっては、潤滑油と未液化ガスの混合ガスでボア内低圧部１２の潤滑・冷却が可能となり、極めて小さな潤滑油の攪拌抵抗で圧縮機１の運転を行うことができる。
【００２５】
なお、上記第一開閉弁３１を流量制御弁として、絞り２９に対する負圧を調節することも勿論可能であり、ガス供給通路１１と潤滑油供給通路２８とを通路３８で連通して、これに弁３７を介対することにより、ミスト分離機１７直後の未液化ガス（吐出ガス）の一部を噴霧用として利用することも可能である。
【００２６】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によれば次の如き優れた効果を発揮する。
（１）スクリュー圧縮機の雌雄一対のロータの歯外周面とボア内面との間を潤滑油の噴霧で潤滑・冷却することができるようにしたので、潤滑油攪拌抵抗の少ない極低温冷凍機を提供することができる。
（２）前記第一のガス戻し通路から未液化ガス（クライオボックスに滞留する蒸気）を吸入してこれをボア内低圧部に圧送するように構成したので、少なくともボア低圧部を確実に潤滑・冷却することができる。
（３）第二のガス戻し通路に、未液化ガスの温度を降下させる冷却手段を備えるようにしたので、ガス圧送手段の加圧による温度の上昇に対応することができる。
（４）未液化ガス及び潤滑油の噴霧の混合ガスを、特別な動力装置によらず生成することができる。
（５）冷凍機の保有するエネルギを活用して第２のガス戻し通路に対するガス圧送を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る極低温冷凍機のサイクル図である。
【図２】従来の極低温圧縮機のサイクル図である。
【図３】スクリュー圧縮機の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１ａ  スクリュー圧縮機
３〜８  熱交換器（液化手段）
９  ＪＴ弁
１０  クライオボックス
１８ａ，１８ｂ  ボア
１９ａ  雌ロータ
１９ｂ  雄ロータ
１２  第一のガス戻し通路
１６  油分離器（潤滑油噴霧供給手段）
２５  第二のガス戻し通路
２７  コンプレッサブロワ（ガス圧送手段）
２８  潤滑油排出通路（潤滑油噴霧供給手段）
２９  絞り（潤滑油噴霧供給手段）
３０  水熱交換器（冷却手段）
３５  膨張タービン
３６  軸（動力伝達手段）
【図１】
0003750885.tif 000002
【図２】
0003750885.tif 000003
【図３】
0003750885.tif 000004