特許 7554254 非改良スクロールコンプレッサを備えたヘリウムコンプレッサシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-10

(45)【発行日】2024-09-19

(54)【発明の名称】非改良スクロールコンプレッサを備えたヘリウムコンプレッサシステム

(51)【国際特許分類】

   F04C 18/02 20060101AFI20240911BHJP

   F04C 29/02 20060101ALI20240911BHJP

【ＦＩ】

F04C18/02 311Y

F04C29/02 351B

【請求項の数】 17

(21)【出願番号】P 2022503868

(86)(22)【出願日】2020-07-23

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-10-13

(86)【国際出願番号】 US2020043193

(87)【国際公開番号】W WO2021025868

(87)【国際公開日】2021-02-11

【審査請求日】2022-03-23

(31)【優先権主張番号】62/883,873

(32)【優先日】2019-08-07

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】501356112

【氏名又は名称】スミトモ （エスエイチアイ） クライオジェニックス オブ アメリカ インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】Ｓｕｍｉｔｏｍｏ（ＳＨＩ）Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ，Ｉｎｃ．

(74)【代理人】

【識別番号】110000811

【氏名又は名称】弁理士法人貴和特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ダン，スティーブン ブラウン

【審査官】丹治 和幸

(56)【参考文献】

【文献】特開平０５－２８８１７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－３２５７９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－２３１７９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０１７５７４３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００７－２９８０２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－０１９８５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－０１２１８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭５９－０９３６１６（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開平０７－１１９６３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－０２６１８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－２８３０６９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０４Ｂ ３９／００

Ｆ０４Ｃ ２／００－ ２／０７７、

１８／００－１８／０７７、

２３／００－２９／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

空調または食品貯蔵サービス用に設計された、非改良スクロールコンプレッサを使用するヘリウムコンプレッサシステムであって、
該システムは、コンプレッサとオイル管理システムを有し、
前記コンプレッサは、
ハウジングと
旋回スクロールと、１つ以上の注入ポートを有する固定スクロールとを含むスクロールと、
高圧ヘリウムとオイルとの混合物が排出される、前記ハウジングの単一の排出ポートと、
低圧ヘリウムを受け入れる、前記ハウジングの少なくとも１つのリターンポートと、
前記固定スクロールの前記１つ以上の注入ポートに接続された、前記ハウジングの注入ポートと、
前記旋回スクロールを駆動するドライブシャフトを有するモータと、
前記ハウジングの底部に配置され、該コンプレッサを潤滑するためのオイルを含むコンプレッサオイルパンと、
を備え、
該コンプレッサは、前記コンプレッサオイルパンにある前記コンプレッサを潤滑するためのオイルを前記ドライブシャフトを通って上方に送るように構成されており、
前記オイル管理システムは、
前記排出ポートから前記高圧ヘリウムと前記オイルとの前記混合物を受け入れるオイルセパレータと、
前記オイルセパレータから排出された前記オイルの第１部を、前記ハウジングの注入ポートを介して、前記固定スクロールの前記１つ以上の注入ポートにのみ流動させる第１ラインと、
前記オイルセパレータに接続され、前記オイルセパレータから排出されたヘリウムおよび前記オイルを受け入れるデミスタと、
前記低圧ヘリウムとともに前記オイルの第２部を前記少なくとも１つのリターンポートに流動させる、１つ以上のリターンラインと、
前記デミスタに接続され、前記デミスタから排出された前記オイルの第３部を保持する吸着器と、
を備え、
前記オイルの第２部は、前記オイルセパレータと前記デミスタの両方から前記１つ以上のリターンラインに流動し、
前記ハウジングは前記スクロールの上に備えられた高圧部と前記スクロールの下に備えられた低圧部を有し、前記少なくとも１つのリターンポートは前記低圧部に接続され、かつ、前記１つ以上のリターンラインは、前記オイルの第２部のすべてを前記少なくとも１つのリターンポートに流動させる、
ヘリウムコンプレッサシステム。

【請求項2】

空調または食品貯蔵サービス用に設計された、非改良スクロールコンプレッサを使用するヘリウムコンプレッサシステムであって、
該システムは、コンプレッサとオイル管理システムを有し、
前記コンプレッサは、
ハウジングと
旋回スクロールと、１つ以上の注入ポートを有する固定スクロールとを含むスクロールと、
高圧ヘリウムとオイルとの混合物が排出される、前記ハウジングの単一の排出ポートと、
低圧ヘリウムを受け入れる、前記ハウジングの少なくとも１つのリターンポートと、
前記固定スクロールの前記１つ以上の注入ポートに接続された、前記ハウジングの注入ポートと、
前記旋回スクロールを駆動するドライブシャフトを有するモータと、
前記ハウジングの底部に配置され、該コンプレッサを潤滑するためのオイルを含むコンプレッサオイルパンと、
を備え、
該コンプレッサは、前記コンプレッサオイルパンにある前記コンプレッサを潤滑するためのオイルを前記ドライブシャフトを通って上方に送るように構成されており、
前記オイル管理システムは、
前記排出ポートから前記高圧ヘリウムと前記オイルとの前記混合物を受け入れるオイルセパレータと、
前記オイルセパレータから排出された前記オイルの第１部を、前記ハウジングの注入ポートを介して、前記固定スクロールの前記１つ以上の注入ポートにのみ流動させる第１ラインと、
前記オイルセパレータに接続され、前記オイルセパレータから排出されたヘリウムおよび前記オイルを受け入れるデミスタと、
前記低圧ヘリウムとともに前記オイルの第２部を前記少なくとも１つのリターンポートに流動させる、１つ以上のリターンラインと、
前記デミスタに接続され、前記デミスタから排出された前記オイルの第３部を保持する吸着器と、
を備え、
前記オイルの第２部は、前記デミスタから前記１つ以上のリターンラインに流動し、
前記ハウジングは前記スクロールの上下に備えられた高圧部を有し、前記少なくとも１つのリターンポートは前記スクロールの上方に配置される、
ヘリウムコンプレッサシステム。

【請求項3】

前記スクロールは、前記少なくとも１つのリターンポートを通って供給された前記低圧ヘリウムを受け入れる吸入口と、前記高圧ヘリウムを排出する吐出口とを含む、請求項１に記載のヘリウムコンプレッサシステム。

【請求項4】

前記高圧ヘリウムは、前記スクロールの前記吐出口から前記高圧部に排出される、請求項３に記載のヘリウムコンプレッサシステム。

【請求項5】

前記スクロールの前記１つ以上の注入ポートは、前記スクロールの前記吸入口と前記吐出口との間に配置される、請求項３に記載のヘリウムコンプレッサシステム。

【請求項6】

前記オイルセパレータは、前記オイルの第２部の一部が前記１つ以上のリターンラインに流動する際に通過するフロート弁を備える、請求項１に記載のヘリウムコンプレッサシステム。

【請求項7】

前記オイルセパレータは、前記オイルセパレータ内で一定のオイルレベルを維持するよう構成され、前記コンプレッサオイルパン内のオイルレベルは、前記オイルの第３部が前記吸着器内に保持されるにしたがって低下する、請求項１に記載のヘリウムコンプレッサシステム。

【請求項8】

前記オイル管理システムは、前記オイルの第１部を冷却するオイル冷却器をさらに備える、請求項１または２に記載のヘリウムコンプレッサシステム。

【請求項9】

前記排出ポートは、前記ハウジングの底部において前記スクロールの下方に配置される、請求項２に記載のヘリウムコンプレッサシステム。

【請求項10】

前記排出ポートは、前記スクロールと前記ハウジングの底部との間に配置され、前記コンプレッサオイルパン内のオイルレベルを一定に維持するよう構成され、前記オイルセパレータ内のオイルレベルは、前記オイルの第３部が前記吸着器内に保持されるにしたがって低下する、請求項２に記載のヘリウムコンプレッサシステム。

【請求項11】

前記スクロールは、前記少なくとも１つのリターンポートに接続され、前記少なくとも１つのリターンポートを通って供給される前記低圧ヘリウムおよび前記オイルの第２部を受け入れる吸入口と、前記高圧ヘリウムを排出する吐出口とを含む、請求項２に記載のヘリウムコンプレッサシステム。

【請求項12】

圧縮ヘリウムを１つ以上の極低温膨張器に供給する、オイル潤滑型スクロールコンプレッサシステムであって、
該システムは、コンプレッサとオイル管理システムを有し、
前記コンプレッサは、
低圧ヘリウムを受け入れるための吸入口と、高圧へリウムを排出するための吐出口と、１つ以上の注入ポートとを備える、ヘリウムを圧縮するスクロールと、
前記コンプレッサの底部に配置され、該コンプレッサを潤滑するためのオイルを含むオイルパンと、
前記高圧ヘリウムと前記オイルとの混合物が排出される単一の排出ポートと、
前記低圧ヘリウムを受け入れる、少なくとも１つのリターンポートと、
前記スクロールの前記１つ以上の注入ポートに接続された注入ポートと、
前記スクロールを駆動するドライブシャフトを有するモータと、
を備え、
該コンプレッサは、前記オイルパンにある前記コンプレッサを潤滑するためのオイルを前記ドライブシャフトを通って上方に送るように構成されており、
前記オイル管理システムは、
前記排出ポートから前記高圧ヘリウムと前記オイルとの混合物を受け入れるオイルセパレータと、
前記オイルセパレータから排出された前記オイルの第１部を、前記スクロールの前記１つ以上の注入ポートにのみ流動させる第１ラインと、
前記少なくとも１つのリターンポートへ前記低圧ヘリウムとともに前記オイルの第２部を流動させる、１つ以上のリターンラインと、
前記オイルの第３部を保持する吸着器と、
を備え、
前記オイルの第２部は、前記オイルセパレータのフロート弁を通って供給されたオイルと、前記オイルセパレータと前記吸着器との間に接続されたデミスタを通って供給されたオイルとを含み、
前記少なくとも１つのリターンポートは前記スクロールの下方に配置され、かつ、前記１つ以上のリターンラインは、前記オイルの第２部のすべてを前記少なくとも１つのリターンポートに流動させる、
オイル潤滑型スクロールコンプレッサシステム。

【請求項13】

圧縮ヘリウムを１つ以上の極低温膨張器に供給する、オイル潤滑型スクロールコンプレッサシステムであって、
該システムは、コンプレッサとオイル管理システムを有し、
前記コンプレッサは、
低圧ヘリウムを受け入れるための吸入口と、高圧へリウムを排出するための吐出口と、１つ以上の注入ポートとを備える、ヘリウムを圧縮するスクロールと、
前記コンプレッサの底部に配置され、該コンプレッサを潤滑するためのオイルを含むオイルパンと、
前記高圧ヘリウムと前記オイルとの混合物が排出される単一の排出ポートと、
前記低圧ヘリウムを受け入れる、少なくとも１つのリターンポートと、
前記スクロールの前記１つ以上の注入ポートに接続された注入ポートと、
前記スクロールを駆動するドライブシャフトを有するモータと、
を備え、
該コンプレッサは、前記オイルパンにある前記コンプレッサを潤滑するためのオイルを前記ドライブシャフトを通って上方に送るように構成されており、
前記オイル管理システムは、
前記排出ポートから前記高圧ヘリウムと前記オイルとの混合物を受け入れるオイルセパレータと、
前記オイルセパレータから排出された前記オイルの第１部を、前記スクロールの前記１つ以上の注入ポートにのみ流動させる第１ラインと、
前記少なくとも１つのリターンポートへ前記低圧ヘリウムとともに前記オイルの第２部を流動させる、１つ以上のリターンラインと、
前記オイルの第３部を保持する吸着器と、
を備え、
前記排出ポートは、前記スクロールと前記コンプレッサの前記オイルパンとの間に配置され、
前記少なくとも１つのリターンポートは前記スクロールの上方に配置される、
オイル潤滑型スクロールコンプレッサシステム。

【請求項14】

前記少なくとも１つのリターンポートは、前記スクロールと前記コンプレッサの前記オイルパンとの間に配置される、請求項１２に記載のオイル潤滑型スクロールコンプレッサシステム。

【請求項15】

前記オイルセパレータは、前記オイルセパレータ内のオイルレベルを一定に維持するよう構成され、前記コンプレッサの前記オイルパン内のオイルレベルは、前記オイルの第３部が前記吸着器内に保持されるにしたがって低下する、請求項１２に記載のオイル潤滑型スクロールコンプレッサシステム。

【請求項16】

前記排出ポートは、前記コンプレッサの前記オイルパン内のオイルレベルを一定に維持するよう構成され、前記オイルセパレータ内のオイルレベルは、前記オイルの第３部が前記吸着器内に保持されるにしたがって低下する、請求項１３に記載のオイル潤滑型スクロールコンプレッサシステム。

【請求項17】

前記オイルの第１部を冷却するオイル冷却器をさらに備える、請求項１２または１３に記載のオイル潤滑型スクロールコンプレッサシステム。

【発明の詳細な説明】

【背景技術】

【0001】

ギフォード・マクマホン（ＧＭ）サイクルで運転する極低温冷凍機は、空調および食品貯蔵用途向けに製造されたものを修正したオイル潤滑型コンプレッサを使用するため、小型の極低温冷凍機市場で優位を占めている。これらは非常に信頼性が高く、大量生産によるコスト面でも有利である。

【0002】

極低温冷凍機は、ヘリウムを冷媒として使用するが、標準的なコンプレッサは、ヘリウムと比較して比熱比が低い標準的な冷媒を圧縮するように設計されている。圧縮中のヘリウムの温度上昇は、標準的な冷媒の温度上昇よりもはるかに大きい。ヘリウムを適切な温度制限内に保つための最良の方法は、ヘリウムの圧縮時に、コンプレッサ内の軸受を潤滑するために使用されるコンプレッサオイルの一部をヘリウムとともに流動させることである。

【0003】

スクロールコンプレッサは、ヘリウムを冷却するためにスクロールを通ってヘリウムとともに流動するための十二分なオイルを許容することができるとともに、故障する可能性のある吸入または吐出バルブを有していないため、コンプレッサオイルをヘリウムとともに流動させることに適している。

【0004】

ＧＭ膨張器用のヘリウムを圧縮するためにオイル潤滑型コンプレッサを使用する別の態様では、ヘリウムが膨張器に到達する前にヘリウムからオイルを除去する必要がある。この工程の最終段階は、吸着器内の残留オイルを除去することである。

【0005】

非改良の標準的なオイル潤滑型空調コンプレッサをヘリウムの圧縮に適合させるためには、排出ポートを通ってヘリウムとともに流動する潤滑油および冷却オイルの再循環を制御する外部のオイル管理システムが必要となる。さらに、オイルの一部が吸着器に移されるにしたがって、オイルが減少することを許容するオイルリザーバが必要となる。ヘリウムを圧縮するためのオイル管理システムの説明は以下のとおりである。

【0006】

米国特許第６，４８８，１２０号（発明の名称：油を含まないガスを供給するフェイルセーフ油潤滑式ヘリウムコンプレッサ）は、コンプレッサのオイルパンから吸着器にオイルを輸送し、システム内のオイルの初期量を制御することにより、吸着器が７５％を超えて充填される前に、コンプレッサが潤滑油の不足によって停止する工程を記載している。このシステムは、通常、故障する前に少なくとも１０年は稼働するように設計されている。

【0007】

米国特許第６，４８８，１２０号に示されているように、一般的には、圧縮中のヘリウムを冷却するオイルの大部分は、コンプレッサのオイルパン内のポートを通り、次にオイル冷却器を通って、コンプレッサから流出する。ヘリウムは、一部の同伴オイルとともに排出ポートを通って排出され、冷却され、その後、オイルセパレータ内において、同伴オイルはヘリウムから分離される。

【0008】

米国特許第６，４８８，１２０号に記載されたコンプレッサは、ローリングピストン型コンプレッサであり、オイルパンからのオイルとオイルセパレータからのオイルの両方とともに、戻りヘリウムがローリングピストンの吸入口に直接流入し、バルブを有するポートを通って、コンプレッサハウジングに排出されるように構成されている。コンプレッサのオイルパンのオイル用の前記ポートと前記バルブはいずれも、ヘリウムを圧縮できるようにコンプレッサに非標準的に適合されている。

【0009】

ほとんどのスクロールコンプレッサは、垂直方向に運転するよう設計されている。スクロールの１つは、通常、コンプレッサハウジングの上部に固定される。嵌合スクロールは、モータにより駆動されるシャフトの端部に、固定スクロール内を旋回するメカニズムで接続される。外側渦巻部に侵入するガスは、吐出される中心部に向かって旋回するにしたがって圧縮される。オイルはオイルパンに溜まり、シャフトを通って送られ、軸受を潤滑する。一部のコンプレッサの設計では、固定スクロールは軸方向にわずかに移動することができ、旋回スクロールとのシール間隙を制御したり、過剰な圧力を解放したりすることができる。

【0010】

空調サービス用に設計された最もシンプルで標準的なスクロールコンプレッサは、１つの排出ポートと１つのリターンポートのみを有するものであり、２つの基本的なタイプが市販されている。

【0011】

第１のタイプは、戻り圧（低圧）の戻りガスが、モータおよびオイルパンを備えたコンプレッサハウジングの一部に流入するように構成されている。同伴オイルと混合したガスは、排出ポートを通って排出圧（高圧）で流出する。米国特許第６，６１５，５９８号（発明の名称：圧縮機設備）は、液体冷媒が気体冷媒と同一のポートから戻るスクロールコンプレッサの第１のタイプを開示している。

【0012】

第２のタイプは、低圧の戻りガスがコンプレッサハウジングのポートを通って直接スクロールに流入し、モータおよびオイルパンを備えたハウジングの一部に排出され、よってモータおよびオイルパンが高圧となるように構成されている。少量のオイルと混合されたガスは、排出圧（高圧）でオイルパンの上方に位置するハウジングの排出ポートを通って流出する。米国特許第５，６６０，５３９号（発明の名称：スクロールコンプレッサ）は、このタイプのスクロールコンプレッサを開示している。

【0013】

標準的な空調および冷凍システムは、冷媒とともに少量のオイルが循環すれば十分であるように構成されているので、システム内のオイルの量は一定である。米国特許第８，８８８，４７６号（発明の名称：横型スクロール圧縮機）は、コンプレッサが水平方向に配置されていることを除いては、米国特許第５，６６０，５３９号と同様のコンプレッサを開示している。

【0014】

米国特許第６，６１５，５９８号は、ガスがスクロールに侵入する前にガスを冷却する手段として、戻りガスとともに少量の液体冷媒をコンプレッサに戻すことを開示している。システムの効率を向上させるために固定スクロール内の１つ以上のポートに液体冷媒または蒸気冷媒を導入するハウジングの別のポートを備える、他の標準的なスクロールコンプレッサが市販されている。

【0015】

固定スクロール内に１つ以上の液体注入ポートを備え、かつ、低圧のモータおよびオイルパンを備えたコンプレッサの例は、米国特許第５，６４０，８５４号（発明の名称：液体注入機構を備えたスクロール式圧縮機）、米国特許第８，３０３，２７８号（発明の名称：液体／蒸気注入を備えたスクロールコンプレッサ）、および、米国特許第８，７６９，９８２号（発明の名称：注入システム）に開示されている。

【0016】

米国特許第８，９５６，１３１号（発明の名称：スクロールコンプレッサ）は、高圧のモータおよびオイルパンを備えたコンプレッサ内の固定スクロール内の注入ポートについて開示している。

【0017】

液体を注入するために、ハウジングに、１つの排出ポート、１つのリターンポート、および１つのポートが備えられている、これらのコンプレッサは、本明細書では非改良の標準的なスクロールコンプレッサという。

【0018】

米国特許第８，９７８，４００号（発明の名称：空冷ヘリウムコンプレッサ）は、オイルパンにポートを追加する改良がなされたスクロールコンプレッサを備えたコンプレッサシステムを開示している。高圧のオイルは、オイルパンからポートを通ってオイル冷却器を流れてから、スクロール内の注入ポートに戻る。ヘリウムは、ハウジングの別のポートおよび別の冷却器を通って流れてから、スクロールの吸入口にポートを通って戻る。圧縮熱の約７０％がオイルから除去され、残りの圧縮熱はアフタークーラー内でヘリウムから除去される。ヘリウムとともにスクロールを通って流動するオイルは、変位容積の約２％を占める。

【0019】

米国特許第８，９７８，４００号に記載されたスクロールコンプレッサは、米国特許第４，６４８，８１４号（発明の名称：スクロール流体機械）、米国特許第８，６２８，３０６号（発明の名称：ヘリウム用密閉形圧縮機）、および、米国特許第５３，７５１号（発明の名称：ヘリウム用密閉型スクロールコンプレッサ）に開示された特徴を有する。これらはすべて、高圧のオイルパン、オイルパンからオイルを流出させるためのポート、および、スクロールの中間点にオイルを注入するためのポートを有する。

【0020】

ヘリウムを圧縮するために改良された横型スクロールコンプレッサの例は、米国特許第７，６７４，０９９号（発明の名称：オイルバイパス付きコンプレッサ）に開示されている。このコンプレッサは、低圧のハウジングを備え、オイルパン内のオイルがヘリウムとともにスクロールに直接流入し、その後、ヘリウムとともに排出ポートを流出し、外部のオイルセパレータに流入するタイプである。標準的なコンプレッサに対してなされた改良は、軸受を潤滑するために、ドライブシャフトの端部にオイルをスプレーするポイントにセパレータの底部からのオイルを流動させために備えられたハウジングのポートである。

【0021】

ヘリウムは、標準的な冷媒用に設計されたコンプレッサに特別な特徴を必要とする最も一般的なガスであるが、本発明においては、圧縮時に標準的な冷媒よりも高温となるすべての単原子ガスおよび二原子ガスを代表する語として使用される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0022】

【文献】米国特許第６，４８８，１２０号

【文献】米国特許第６，６１５，５９８号

【文献】米国特許第５，６６０，５３９号

【文献】米国特許第８，８８８，４７６号

【文献】米国特許第５，６４０，８５４号

【文献】米国特許第８，３０３，２７８号

【文献】米国特許第８，７６９，９８２号

【文献】米国特許第８，９５６，１３１号

【文献】米国特許第８，９７８，４００号

【文献】米国特許第４，６４８，８１４号

【文献】米国特許第８，６２８，３０６号

【文献】米国特許第５３，７５１号

【文献】米国特許第７，６７４，０９９号

【発明の概要】

【0023】

本発明の非改良スクロールコンプレッサを備えたヘリウムコンプレッサシステムの実施形態は、空調または食品貯蔵用途に設計された非改良の大量生産型のスクロールコンプレッサをヘリウムの圧縮に使用することを可能とする、改良されたオイル管理システムを提供するものである。本発明の実施形態に適用可能な非改良の標準的なスクロールコンプレッサは、１つの排出ポート、少なくとも１つのリターンポート、および、液体注入用の１つのポートを有する、ハウジングを備える。

【0024】

本発明の実施形態に適用可能な前記非改良スクロールコンプレッサは、旋回スクロールと、吸入口、吐出口、および該吸入口と吐出口との間に配置された１つ以上の注入ポートを有する固定スクロールとを含むスクロールと、高圧ヘリウムとオイルとの混合物が排出される前記ハウジングの排出ポートとを含む。該非改良スクロールコンプレッサは、低圧ヘリウムを受け入れるハウジングの少なくとも１つのリターンポートと、固定スクロールの１つ以上の注入ポートに接続されたハウジングの注入ポートと、旋回スクロールを駆動するドライブシャフトを有するモータと、ハウジングの底部に配置されたコンプレッサオイルパンとをさらに含む。

【0025】

前記非改良の標準的なスクロールコンプレッサに連結されたオイル管理システムによって、ヘリウムとオイルとの混合物は排出ポートから外部セパレータに流動し、外部セパレータから、オイルの第１部が注入ポートを通ってコンプレッサに戻され、オイルの第２部は、ヘリウムとともにリターンポートを通って戻される。オイルの第３部は、長期間にわたって吸着器内に捕集される。オイルが吸着器に捕集されることにより、コンプレッサ内または外部オイルセパレータ内のオイルパン内のオイルは減少する。

【0026】

本発明の実施形態のヘリウムコンプレッサシステムは、主として、圧縮ヘリウムを１つ以上の極低温膨張器に供給する用途に適用される。

【図面の簡単な説明】

【0027】

図面は、本発明に基づいた１つ以上の実施形態を例示としてのみ記載しており、本発明を限定する意図を有することはない。図面において、同一または同様の部分について、同一または同様の参照符号を付している。

【0028】

【図1】図１は、低圧で戻るヘリウムが、モータおよびオイルパンを含むハウジングの低圧部に流入する、スクロールコンプレッサシステムの実施形態の模式図である。

【図2】図２は、低圧で戻るヘリウムが、ハウジング内に配置されたスクロールに直接流入し、その後、モータおよびオイルパンを含むハウジングの高圧部へ排出される、スクロールコンプレッサシステムの別の実施形態の模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0029】

以下、本発明のいくつかの実施形態について、本発明の好ましい実施形態を示す添付図面を参照しつつ、詳細に説明を行う。本発明は、さまざまな異なる形態で実施することができ、本明細書に記載した実施形態に限定されることはない。これらの実施形態は、本発明の開示が十分かつ完全となり、本発明の範囲が当業者に明らかとなるよう提供される。全体を通して、同様の符号が同様の要素に付され、主要な符号は、別の実施形態において同様の要素を示すためにも使用される。同一または類似する部品について、図面において同一の符号を付し、明細書においてはその説明の繰り返しは省略される。

【0030】

図１は、低圧で戻るヘリウムが、モータおよびオイルパンを含むハウジング２の低圧部に流入する、オイル潤滑型ヘリウムコンプレッサシステム１００の実施形態の模式図である。コンプレッサシステム１００は、コンプレッサ１１０と、コンプレッサ１１０に連結されたオイル管理システム１２０とを含む。オイル管理システム１２０は、バルクオイルセパレータ５、デミスタ７、吸着器８、およびライン１２、１７、２２、２３、２５、２６、および２９を含む。コンプレッサ１１０は、スクロール１３、モータ１５、ドライブシャフト１４、オイルパン１８、オイルポンプ１６を含むコンプレッサハウジング２を含む。低圧部３はスクロール１３の下方に形成され、高圧部４はスクロール１３の上方に形成される。

【0031】

低圧ヘリウムは、１つ以上のリターンライン１７を通って戻り、少なくとも１つのリターンポート３１を通ってハウジング２に供給される。低圧ヘリウムは、バルクオイルセパレータ５およびデミスタ７から戻るオイルと混合される。ヘリウムがコンプレッサ１１０の低圧部３に流入すると、オイルの大部分はハウジング２底部のオイルパン１８に落下し、ヘリウムは、ミスト化したオイルの一部とともに、スクロール１３の吸入口３２を通ってスクロール１３に流入する。

【0032】

スクロール１３は、リターンポート３１を通って供給される低圧ヘリウムを受け入れる吸入口３２と、スクロール１３の上方の高圧部４に高圧の圧縮ヘリウムを排出する吐出口２８とを含む。リターンポート３１は、低圧部３と接続される。リターンポート３１は、スクロール１３とオイルパン１８との間に配置される。

【0033】

コンプレッサ１１０内で軸受を潤滑するオイルは、ドライブシャフト１４を通って上方に送られる。潤滑油の一部と、スクロール１３に注入されたオイルは、スクロール１３内でヘリウムとともに圧縮される。高圧ヘリウムとオイルとの混合物は、スクロール１３の吐出口２８を通ってコンプレッサ１１０の高圧部４に排出される。高圧ヘリウムとオイルとの混合物は、高圧部４から排出ポート３０およびライン１２を通ってバルクオイルセパレータ５に流入する。

【0034】

スクロール１３は、固定スクロール１３Ａと旋回スクロール１３Ｂとを含む。固定スクロール１３Ａは、コンプレッサハウジング２の上方部に位置する。旋回スクロール１３Ｂは、旋回スクロール１３Ｂを固定スクロール１３Ａ内で旋回させるメカニズムを備え、かつ、モータにより駆動されるシャフト１４の端部に接続される。外側渦巻部に侵入したガスは、吐出される中心部に向かって旋回するにしたがって圧縮される。オイルはオイルパン１８に溜まり、ドライブシャフト１４を通って送られ、コンプレッサ１１０内の軸受や他の機械部品を潤滑する。固定スクロール１３Ａは、ハウジング２の注入ポート１１に接続された１つ以上の注入ポート１１Ａを有する。スクロール１３の１つ以上の注入ポート１１Ａは、スクロール１３の吸入口３２と吐出口２８との間に配置される。

【0035】

ヘリウムとオイルとの混合物中のオイルは、バルクオイルセパレータ５内で分離され、オイルは、バルクオイルセパレータ５の底部に形成されたオイルパン１９に流動する。バルクオイルセパレータ５のオイルパン１９内のオイルの一部は、オイル冷却器９およびライン２９を通って、オイル注入ポート１１に戻る。圧縮熱の約７０％がオイル冷却器９で取り出されるため、このオイルは、冷却オイルということができる。冷却オイルの循環速度は、ライン２９上に形成されたオリフィス１０によって制御される。冷却オイルは、ハウジング２の注入ポート１１に接続された固定スクロール１３Ａの１つ以上の注入ポート１１Ａを通ってスクロール１３に供給される。注入ポート１１Ａから供給された冷却オイルと、シャフト１４を通って供給された潤滑油は、スクロール１３内で混合され、高圧の圧縮ヘリウムとともに吐出口２８を通って高圧部４へ排出される。

【0036】

一方、バルクオイルセパレータ５内で分離された他の一部のオイルは、バルクオイルセパレータ５内に形成されるフロート弁２１を通ってライン２２に流動する。ライン２２は、図示しない極低温膨張器からの低圧ヘリウムがハウジング２に戻る際に通過する１つ以上のリターンライン１７に接続されている。このオイルの一部は、１つ以上のライン１７内で戻りヘリウムと混合され、リターンポート３１を通ってオイルパン１８に戻る。フロート弁２１によって、バルクオイルセパレータ５は、バルクオイルセパレータ５内のオイルのレベルを一定に維持することができる。

【0037】

ヘリウムと一部の同伴オイルは、バルクオイルセパレータ５からヘリウム冷却器６およびライン２３を通ってデミスタ７へ流動する。ヘリウムとオイルとの混合物から分離されたオイルは、デミスタ７内のオイルパン２０に溜まり、その後、オリフィス２４、ライン２５、およびリターンライン１７を通ってコンプレッサのオイルパン１８に戻される。非常に少量のオイルは、ヘリウムとともにデミスタ７からライン２６を通って、オイルが保持される吸着器８に流動する。オイルフリーの高圧ヘリウムは、その後、吸着器８からライン２７を通って図示しない極低温膨張器に流動する。長期間にわたって吸着器８内にオイルが捕集されるにつれて、コンプレッサのオイルパン１８内のオイルレベルは低下する。

【0038】

セパレータ５内のオイルの第１部は、オイルセパレータ５の底部からライン２９を通って固定スクロール１３Ａの注入ポート１１Ａに戻る。オイルの第２部は、ライン１７および２２を通ってリターンポート３１に戻る、オイルセパレータ５内のオイルと、ライン１７および２５を通ってリターンポート３１に戻る、デミスタ７内のオイルとを含む。オイルの第３部は、吸着器８内に保持される。図１に示した実施形態では、オイルセパレータ５内のオイルレベルは、一定のレベルに維持され、コンプレッサのオイルパン１８内のオイルレベルは、オイルの第３部が吸着器８内に保持されるにつれて減少する。フロート弁２１によって、オイルセパレータ５内のオイルレベルを一定に維持することができる。

【0039】

図２は、オイル潤滑型ヘリウムコンプレッサシステム２００の他の実施形態の模式図である。コンプレッサシステム２００は、コンプレッサ２１０と、コンプレッサ２１０に連結されたオイル管理システム２２０とを含む。オイル管理システム２２０は、バルクオイルセパレータ５、デミスタ７、吸着器８、およびライン１２、１７、２３、２５、２６および２９を含む。コンプレッサ２１０は、スクロール１３、モータ１５、ドライブシャフト１４、オイルパン１８、およびオイルポンプ１６を含むコンプレッサハウジング２を含む。高圧部４は、ハウジング２内に形成される。

【0040】

低圧ヘリウムは、図示しない極低温膨張器から、ライン１７および少なくとも１つのリターンポート３１を通って戻る。低圧ヘリウムは、リターンライン１７内で、デミスタ７から戻るオイルと混合される。スクロール１３は、リターンポート３１に接続され、低圧ヘリウムおよび戻りオイルを受け入れる吸入口３２を有する。低圧ヘリウムは、スクロール１３内で圧縮される。ヘリウムは、デミスタ７からのオイルとともに、吸入口３２を通ってスクロール１３に直接流入する。コンプレッサ２１０内の軸受を潤滑するオイルは、シャフト１４を通って送られる。潤滑油、デミスタ７からのオイル、注入ポート１１および１１Ａを通ってスクロール１３に注入されたオイルの一部は、ヘリウムとともに圧縮され、スクロール１３の吐出口２８を通ってコンプレッサ２１０の高圧部４に排出される。高圧部４では、オイルの大部分がヘリウムから分離され、コンプレッサのオイルパン１８に捕集される。

【0041】

図２では、モータ１５の下方に排出ポート３０が図示されている。排出ポート３０は、スクロール１３の下方で、ハウジング２の底部に配置される。排出ポート３０は、スクロール１３とオイルパン１８との間に配置される。オイルパン１８内のオイルレベルは、オイルがヘリウムとともに排出ポート３０からライン１２を通ってバルクオイルセパレータ５に流動するため、排出ポート３０と実質的に同一レベルに維持される。このように、この実施形態のオイルの管理工程は、吸着器８に捕集されるオイルが、コンプレッサ２１０内のオイルパン１８からのオイルではなく、バルクオイルセパレータ５内のオイルパン１９からのオイルであることを除いて、図１に示した実施形態のオイルの管理工程と同様である。

【0042】

ヘリウムとオイルとの混合物中のオイルは、バルクオイルセパレータ５内で分離され、オイルは、バルクオイルセパレータ５の底部に形成されたオイルパン１９に流動する。バルクオイルセパレータ５のオイルパン１９内のオイルの一部は、オイル冷却器９およびライン２９を通ってオイル注入ポート１１に戻る。圧縮熱の約７０％がオイル冷却器９で取り出されるため、このオイルは、冷却オイルということができる。冷却オイルの循環速度は、ライン２９上に形成されたオリフィス１０によって制御される。冷却オイルは、固定スクロール１３Ａの１つ以上の注入ポート１１Ａを通ってスクロール１３に供給される。注入ポート１１Ａから供給された冷却オイル、シャフト１４を通って供給された潤滑油、および、リターンライン１７を通ってデミスタ７から戻ったオイルは、スクロール１３内で混合され、高圧の圧縮ヘリウムとともに吐出口２８を通って高圧部４へ排出される。

【0043】

バルクオイルセパレータ５内で分離されたオイルの他の部分は、ヘリウム冷却器６を通ってライン２３からデミスタ７に流動する。デミスタ７内の分離されたオイルはオイルパン２０に捕集され、その後、オリフィス２４、ライン２９、およびリターンライン１７を通ってコンプレッサのオイルパン１８に戻される。非常に少量のオイルは、ヘリウムとともにデミスタ７からライン２６を通って、オイルが保持される吸着器８に流動する。オイルフリーの高圧ヘリウムは、その後、吸着器８からライン２７を通って図示しない極低温膨張器に流動する。長期間にわたって吸着器８内にオイルが捕集されるにつれて、コンプレッサ２１０のオイルパン１８内のオイルレベルは一定レベルに維持されるが、バルクオイルセパレータ５内のオイルレベルは低下する。

【0044】

セパレータ５内のオイルの第１部は、オイルセパレータ５の底部からライン２９を通って固定スクロール１３Ａの１つ以上の注入ポート１１Ａに戻る。オイルセパレータ５内のオイルの第２部は、ヘリウムとともにデミスタ７およびライン１７、２３および２５を通ってリターンポート３１に戻る。オイルの第３部は、吸着器８内で保持される。図２に示した実施形態では、ハウジング２のオイルパン１８内のオイルレベルは、オイルがヘリウムとともにライン１２を通ってバルクオイルセパレータ５に流出するため一定であり、コンプレッサ２１０の外部にあるオイルセパレータ５内のオイルレベルは、オイルの第３部が吸着器８内に保持されるにつれて減少する。

【0045】

背景技術の欄に記載した、ハウジングの高圧部内にモータを有するすべての標準的なコンプレッサでは、モータ上方にガス排出ポートが備えられる。これらのコンプレッサに標準的な冷媒を適用した場合、システム内には一定量のオイルが含まれ、オイルは潤滑剤として機能し、冷却材としては機能しない。オイルの大部分は、コンプレッサ内で循環し、排出ポートを下回るレベルでオイルパンに捕集される。図２に示したように、標準的な冷媒を使用する用途では、排出ポート３０は、オイルがモータに抵抗を付与してしまうレベルよりも下方で、かつ、オイルのレベルを上回る位置に配置される。

【0046】

本明細書において使用される用語および説明は、例示としてのみ記載されており、本発明を限定する意図はない。本発明の概念および範囲内において、さまざまなバリエーションも適用可能であることは、当業者には明らかである。

【図1】

【図2】