JPH10220890A - ヘリウム圧縮機ユニット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ヘリウム圧縮機ユニットで、従来技術における
圧縮機の冷凍能力低下と信頼性の低下を解決する。 【解決手段】ヘリウム圧縮機ユニットのガス入口部とス
クロール圧縮機のガス入口部との配管途中に圧力タンク
を設け、圧力タンクのガス入口部あるいは、ガス出口部
に整流手段を装着したこと、圧力タンクの内容積がスク
ロール圧縮機の密閉容器の内容積に対して概ね０.５ の
比率にあること、さらに、商用電源部からスクロール圧
縮機の電源供給部に制御盤を備え、制御盤内に電源周波
数が５０Ｈｚのときのみ商用電源用インバータに切り換
える電源切換手段を装備し、電源周波数が５０Ｈｚ地区
のみインバータ駆動によるヘリウム圧縮機を運転する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はヘリウム圧縮機ユニ
ットに関する。

【０００２】

【従来の技術】ヘリウム冷凍装置では、特開平4−27814
6 号公報に開示されているように、通常のヘリウム圧縮
機ユニットでは、圧縮機としてスクロール圧縮機あるい
は、ロータリ形，レシプロ形の圧縮機を冷却方法などを
改善してヘリウム用圧縮機として用いていた。膨張器側
ではヘリウムガスを断熱膨張させる往復摺動部（ピスト
ン部）があり、その周期が１.２Ｈｚ 前後となってい
る。その往復摺動部（ピストン部）の運転周期が、その
まま圧縮機ユニット側の吸入配管内に比較的大きな圧力
変動をもたらしていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】そのような場合、ヘリ
ウム圧縮機ユニット内の設けた吸入配管内の圧力変動が
数kg／cm² とその圧力脈動幅が大きく、配管振動およ
び、ヘリウム圧縮機自体の振動増加さらに騒音増加など
への影響が大きいという課題があった。一方、商用電源
である電源周波数が５０Ｈｚの地域では、電源周波数が
６０Ｈｚの地区に比べて冷凍能力が回転数の比率分(例
えば、２０％)低下し、電源周波数が５０Ｈｚの地域で
６０Ｈｚ地区と同じ冷凍能力を得るためには、ヘリウム
圧縮機の容量（馬力）を６０Ｈｚ地区の圧縮機容量に対
して１ランク上のヘリウム圧縮機を選定する必要性があ
る。このため、電源周波数が５０Ｈｚの地域のヘリウム
圧縮機は相対的にコスト高となるとともに、ヘリウム圧
縮機ユニット全体の大きさも大きくなり、小形・軽量化
ができないという問題があった。

【０００４】このような、ヘリウム圧縮機の製品の品質
面と信頼性の面、およびコスト面，能力不足に絡んだ使
い勝って性の面でも問題と課題がある。

【０００５】本発明の目的は、ヘリウム圧縮機ユニット
と、スクロール圧縮機を用いたヘリウム圧縮機ユニット
を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、本発明は、ヘリウム圧縮機とガスと油を冷却する冷
却器と油分離器、及びガス中の油分を吸着する吸着器を
一つのパッケージ内部に備えたヘリウム圧縮機ユニット
で、圧縮機にはスクロール圧縮機を用いたヘリウム圧縮
機であり、上記ヘリウム圧縮機ユニットのガス入口部と
スクロール圧縮機のガス入口部との配管途中に圧力タン
クを設け、上記圧力タンクのガス入口部あるいは、ガス
出口部に整流手段を装着したことを特徴とするものであ
る。さらに、上記圧力タンクの内容積がスクロール圧縮
機の密閉容器の内容積に対して適正な比率に設定するこ
と(概ね０.５の比率もしくは、それ以上に設定すること
にある）を特徴とするスクロール圧縮機を用いたヘリウ
ム圧縮機ユニットに構成していることである。さらに、
ヘリウム圧縮機ユニットで、商用電源部からスクロール
圧縮機の電源供給部に制御盤を備え、上記制御盤内に電
源周波数が５０Ｈｚのときのみ商用電源用インバータに
切り換える電源切換手段を装備し、電源周波数が５０Ｈ
ｚ地区のみインバータ駆動によるヘリウム圧縮機を運転
することを特徴とするヘリウム圧縮機ユニットである。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例と説明のた
め図１から図９および、表１，表２にわたって示す。図
１は、ヘリウム圧縮機１００とガスと油を冷却する冷却
器５６と油分離器２３、及びガス中の油分を吸着する吸
着器９５を一つのパッケージ２００ａの内部に備えたヘ
リウム圧縮機ユニット２５５である。図１で、圧縮機１
００にはスクロール圧縮機４００を用いたヘリウム圧縮
機であり、ヘリウム圧縮機ユニット２５５のガス入口部
２２０とスクロール圧縮機のガス入口部１７ａとの配管
途中に圧力タンク９０を設け、圧力タンク９０のガス入
口部９１ａに整流手段９１ａを装着している。パッケー
ジ２００ａの内部には、商用電源部からスクロール圧縮
機４００の電源供給部に制御盤８０を備えている。制御
盤８０内には、電源周波数が５０Ｈｚのときのみ商用電
源用インバータ（図７参照）に切り換える電源切換手段
８２を装備している。なお、６０，６１は吐出側配管で
ある。５５は、油配管で、配管２８，２５と合流する。
８９は、制御盤８０側と圧縮機４００側とを結ぶ電源配
線である。

【０００８】図２は本発明に用いたヘリウム用途におけ
る注油式密閉形スクロール圧縮機の縦断面図、およびヘ
リウムガス冷却用のための注油系統図である。図３は、
両スクロール５，６を組み合わせた平面図である。図２
で、密閉容器１内の上方にはスクロール圧縮機部２が、
下方には電動機部３が収納されている。そして、密閉容
器１内は上部室１ａと電動機室１ｂとに区画されてい
る。図３に示すように、スクロール圧縮機部２は固定ス
クロール５と旋回スクロール６を互に噛み合わせて圧縮
室（密閉空間）８ａ，８ｂを形成している。固定スクロ
ール５は、円板状の鏡板５ａと、これに直立しインボリ
ウト曲線と円弧曲線に形成されたラップ５ｂとからな
り、その中心部に吐出口１０，外周部に吸入口１４を備
えている。旋回スクロール６は円板状の鏡板６ａと、こ
れに直立し、固定スクロールのラップと同一形状に形成
されたラップ６ｂと、鏡板の反ラップ面に形成されたボ
ス部６ｃとからなっている。旋回スクロール６の歯底面
６ｍには円形溝４２がある。フレーム４は中央部に軸受
部を形成し、この軸受部に回転軸７が支承され、回転軸
先端の偏心軸７ａは、ボス部６ｃに旋回運動が可能なよ
うに挿入されている。またフレーム４には固定スクロー
ル５が複数本のボルトによって固定され、旋回スクロー
ル６はオルダムリング３３ａおよびオルダムキーよりな
るオルダム機構３３によってフレーム４に支承され、旋
回スクロール６は固定スクロール５に対して、自転しな
いで旋回運動をするように形成されている。回転軸７に
は下部に電動機ロータ部を一体に結合している。固定ス
クロール５の吸入口１４には密閉容器１を貫通して垂直
方向の吸入管１７が接続され、吐出口１０が開口してい
る上部室１ａは通路１８ａ，１８ｂを介して電動機室１
ｂと連通している。この電動機室１ｂは密閉容器１を貫
通する吐出管１８に連通している。２３は油分離器で配
管２９を介してガス冷却器５６に接続されている。な
お、油分離器２３と冷却器５６の吐出配管における設置
順序は、図１と逆になっているが、本発明ではどちらで
もよい。

【０００９】また電動機室１ｂの上部と下部とは、電動
機ステータ３ａと密閉容器１の側壁との間の隙間および
電動機ステータ３ａと電動機ロータ３ｂとの隙間を介し
て連通している。なお吸入管１７と固定スクロール５と
の間には高圧部と低圧部とをシールするＯリング５３を
設けている。また吸入管１７内には、逆止弁１３が設け
られ、逆止弁１３は圧縮機停止時の回転軸７の逆転を防
止することと、密閉容器内の潤滑油が低圧側に流出する
のを防止するものである。

【００１０】また、旋回スクロール６の鏡板の背面に
は、圧縮機部２とフレーム４で囲まれた空間３５（以下
背圧室と呼ぶ）が形成され、背圧室３５には旋回スクロ
ールの鏡板に穿設した細孔（図示せず）を介し、吸入圧
力と吐出圧力の中間の圧力が導入され、旋回スクロール
６を固定スクロール５に押付ける軸方向の付与力を与え
ている。

【００１１】潤滑油２４は密閉容器１の底部に溜められ
ており、この潤滑油２４は密閉容器内の高圧圧力と、背
圧室３５の中間圧力との差圧により油吸上管７ｄへ吸い
上げられた後、回転軸７内の偏心孔内を上昇し、旋回軸
受３２，主軸受４ａおよび補助軸受４ｂへ給油される。
各軸受部へ給油された油は背圧室３５を経てスクロール
ラップの圧縮室８へ注入され圧縮ガスと混合され、次い
で吐出ガスと共に上部室１ａへ吐出される。

【００１２】密閉容器１の底部には、底部の潤滑油２４
を器外へ取出す油取り出し管２８が設けられて、油取り
出し管２８は油分離器２３と油冷却器２６の底部に接続
されている。

【００１３】また密閉容器１の上部には、スクロール圧
縮機部２の圧縮途中の圧縮室８へ油を注入する油注入用
配管２１が設けられている。この油注入用配管２１は固
定スクロール５の鏡板５ａに穿設した作動ガス冷却用油
注入穴２２を介して圧縮室８にそれぞれ連通している。
油取り出し管２８と油注入用配管２１とは、油冷却器２
６および絞り装置２７を介設した油配管２５を介して接
続されている。

【００１４】この構成により、電動機ロータ３ｂに直結
した回転軸７が回転して偏心軸７ａが偏心回転すると、
旋回軸受３２を介して旋回スクロール６は旋回運動を行
う。この旋回運動により、圧縮室８ａ，８ｂは次第に中
心に移動して容積が減少する。作動ガスは吸入管１７か
ら吸入口１４を経て吸入室５ｆへ入ると共に、軸受を潤
滑した油が旋回スクロール６の外周部隙間等から吸入室
５ｆへ流入して作動ガスに混入する。軸受を経由した油
とした作動ガス冷却用油注入穴２２から注入された油と
を含んだ作動ガスは圧縮室で圧縮されて吐出口１０から
上部室１ａへ吐出され、通路１６ａ，１６ｂを通って電
動機室１ｂへ流入する。実線の矢印は作動ガスの流れ
を、破線の矢印は油の流れをそれぞれ示している。狭い
通路１６ａ，１６ｂから広い空間の電動機室１ｂに流入
した作動ガスと油は、その流速が急激に低下し、かつ流
れ方向が変更するため、ガス中に含まれる油の大部分が
分離され、作動ガスは吐出管１８内へ流出し、油は電動
機ロータ外周部の隙間を通って流下し、密閉容器１底部
に溜まる。密閉容器１の底部に溜められた潤滑油２４
は、密閉容器１内の圧力（吐出圧力）と圧縮室８ａ，８
ｂの圧力（吐出圧力以下の圧力）との差圧によって油取
り出し管２８に流入していく。油取り出し管２８内へ流
入した油は油配管２５を通って油冷却器２６へ至り、こ
こで適宜冷却された後、絞り装置２７を通り、油注入用
配管２１および作動ガス冷却用油注入穴２２を経て圧縮
室へ注入される。圧縮室へ注入された油は、圧縮室内で
作動ガスの冷却作用およびスクロールラップ先端部等の
摺動部を潤滑する役目を果す。そして、この油は作動ガ
スと共に圧縮された後、吐出過程時で、両スクロールの
歯底面に設定した溝４２，４３等を介して、吐出口１０
より上部室１ａへスムースに吐出され、前述と同様に電
動機室１ｂで作動ガスから分離して密閉容器１の底部に
溜まる。尚、各軸受３２，４ａへの給油は、密閉容器１
内の圧力と背圧室３５内の圧力（中間圧力）との差圧に
より、油吸上管７ｄ，回転軸７内の給油孔７ｃを介して
行われる。油注入用配管２１から作動ガス冷却用油注入
穴２２を介して圧縮室８ａ，８ｂに注入された冷却用の
油は、両スクロールの圧縮作用により作動ガスとともに
高圧の吐出圧力まで昇圧され、この密閉容器１内に吐出
される。密閉容器１内が比較的広い空間を備えているの
で、密閉容器１自体が油分離機能を有し、注入された大
部分の油は、この密閉容器１内でガス中から分離され
て、次に容器下部の油溜め部に回収される。

【００１５】このような配管経路を構成することによっ
て、軸受給油系路とは別の経路を備えているため、特別
な給油ポンプがいらず、常に安定した冷却用注入油量が
供給できる。このため、ヘリウムガスへの冷却作用を常
に確実に行うことができる。

【００１６】図４は、圧力タンク９０の縦断面図で、図
５，図６は本発明の作用と効果を説明する説明図であ
る。図５の横軸は、圧力タンク９０の内容積ＶＢがスク
ロール圧縮機の密閉容器の内容積Ｖｃに対する比率を表
す。図４で、圧力タンク９０のガス入口部９２ａとガス
出口部９２ｂの内側に整流手段９１ａを装着している。
整流手段９１ａとしては、金網部材、たとえば数十メッ
シュの金網材が適正で、圧力タンクのガス出入り口を覆
うようにして、内側から打ち張りした構造である。図
５，図６に示すように、上記構造とすることにより、ヘ
リウム圧縮機ユニット内の設けた吸入配管内の圧力変動
ΔＰｓが、より小さい圧力タンクの設置でも、バッファ
タンクとしての機能を備え、より小さい圧力脈動幅とな
り、配管振動および、ヘリウム圧縮機自体の振動をより
小さく抑える効果のあることが分かる。これは、吸入配
管内の圧力変動ΔＰｓが、より小さいとスクロール圧縮
機に作用するトルク変動およびオルダム機構部３３に作
用する自転トルク（荷重）の変動値も小さくなるためで
ある。このことは、オルダム機構部３３の摩耗軽減作用
などスクロール圧縮機の信頼性の面でも有益な効果とな
る。整流手段９１ａの金網部材は、たとえば数十メッシ
ュの金網材としているため、ガス中の異物の除去機能も
合わせもつことになる。

【００１７】図６で、圧力タンク９０の内容積がスクロ
ール圧縮機の密閉容器の内容積に対して概ね０.５ 前後
の比率の場合における吸入配管内の圧力変動ΔＰｓの例
を従来型と比較して示している。振動低減効果は、さら
に騒音も低下し、静粛なユニットが得られる当波及効果
につながる。なお、圧力タンク９０の内容積が高圧チャ
ンバ方式のスクロール圧縮機の密閉容器の内容積を基準
にして、その内容積Ｖｃに対して概ね０.５ 以上の比率
に設定していることも本発明の特徴である。

【００１８】図７で、ヘリウム圧縮機ユニットの圧縮機
モータ３の電源供給方法で、商用電源部８８からスクロ
ール圧縮機４００の電源供給部４００ａとの間に制御盤
８０を備え、制御盤８０内には、電源周波数が５０Ｈｚ
のときのみ商用電源用インバータ８５に切り換える電源
切換手段８２を装備している。電源８８の周波数が５０
Ｈｚ地区のみインバータ８５をつないでインバータ８５
の駆動によってヘリウム圧縮機を運転するものである。
電源８８の周波数が６０Ｈｚ地区の場合には、インバー
タ８５は通電されずにそのまま商用電源にて一定速度の
スクロール圧縮機の運転となる。すなわち、商用電源部
８８からスクロール圧縮機４００の電源供給部として、
制御盤８０内に電源周波数が５０Ｈｚのときのみ商用電
源用インバータに切り換える電源切換手段８５を装備
し、インバータ８５の駆動によって、圧縮機の運転周波
数を６０Ｈｚに可変速にしてヘリウム用スクロール圧縮
機４００を運転するものである。この発明により、圧縮
機は常に運転周波数として６０Ｈｚ運転となり、必要と
する圧力タンクの内容積の大きさが同じとなり、圧力脈
動幅も運転周波数によらず一定となり、配管共振の可能
性などの問題もなくなる。

【００１９】図８，図９は、図７の本発明における作用
と効果を説明する説明図である。図８から、本発明によ
れば、従来の駆動方法によるものに対して、商用電源で
ある電源周波数が５０Ｈｚの地域でも、電源周波数が６
０Ｈｚの地区と同等の冷凍能力（ヘリウムガス流量）が
得られる。６０Ｈｚの地区では、インバータ効率分の性
能低下が、従来法では課題となっていた。そこで、図９
から、本発明によれば、従来のインバータ駆動方法によ
るものに対して、成績係数の向上効果が得られる。特
に、６０Ｈｚの地区では、インバータ効率分の性能改善
が得られる。

【００２０】表１は、従来技術によるモータの種類を示
したもので、その場合一定速用モータ（形式Ａ）とイン
バータ用モータ（形式Ｂ）との２種類のモータが必要と
なることを表している。

【００２１】

【表１】

【００２２】一方、表２は、本発明によるモータの種類
を示したもので、その場合一定速用モータ（形式Ａ）と
インバータ用モータ（形式Ａ）とが共通となり、１種類
のモータで済むこととなり、モータの共用化が可能とな
ることを表している。

【００２３】

【表２】

【００２４】なお、モータ（形式Ａ）は、正弦波の交流
電源をベースとした商用電源を用いることを前提として
いるモータである。

【００２５】

【発明の効果】

（１）ヘリウム圧縮機ユニット内の設けた吸入配管内の
圧力変動がより小さい圧力タンクの設置でも、微少の圧
力脈動幅となり、配管振動および、ヘリウム圧縮機自体
の振動をより小さく抑えることができ、ヘリウム圧縮機
ユニット全体の製品の品質面と信頼性が大きく向上・改
善する。

【００２６】（２）さらに騒音も低下し、静粛なユニッ
トが得られる。

【００２７】（３）商用電源である電源周波数が５０Ｈ
ｚの地域でも、電源周波数が６０Ｈｚの地区と同等の冷
凍能力と成績係数が得られる。

【００２８】（４）これまで電源周波数が５０Ｈｚの地
域のヘリウム圧縮機は相対的にコスト高となっていた
が、本発明により、ヘリウム圧縮機ユニット全体の大き
さが従来機に対して、圧力タンクの小形化と相まって、
ユニット全体としても、小形・軽量化ができる。

【００２９】（５）ヘリウム用スクロール圧縮機に作用
するトルク変動およびオルダム機構部３３に作用する自
転トルク（荷重）の変動値も小さくなるため、オルダム
機構部３３の摩耗軽減作用などスクロール圧縮機の信頼
性の面でも有益な効果となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ヘリウム圧縮機ユニットの外観図および内部機
器の説明図。

【図２】本発明の注油式密閉型スクロール圧縮機の一実
施例を示す説明図。

【図３】スクロールを組み合わせた平面図。

【図４】圧力タンクの縦断面図。

【図５】本発明の作用と効果を説明する説明図。

【図６】本発明の作用と効果を説明する説明図。

【図７】電源切換手段を備えた制御盤をスクロール圧縮
機の駆動部につないだ電気回路図。

【図８】本発明の作用と効果の説明図。

【図９】本発明の作用と効果の説明図。

【符号の説明】

１７…吸入管、２１…油注入用配管、２５…油配管、２
８…油取り出し管、８０…制御手段、９０…圧力タン
ク、９１…整流手段、４００…スクロール圧縮機。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ヘリウム圧縮機とガスと油を冷却する冷却
   器と油分離器、及びガス中の油分を吸着する吸着器を一
   つのパッケージ内部に備えたヘリウム圧縮機ユニットに
   おいて、 圧縮機にはスクロール圧縮機を用いたヘリウム圧縮機で
   あり、上記ヘリウム圧縮機ユニットのガス入口部とスク
   ロール圧縮機のガス入口部との配管途中に圧力タンクを
   設け、上記圧力タンクのガス入口部あるいは、ガス出口
   部に整流手段を装着したことを特徴とするヘリウム圧縮
   機ユニット。