Discharge prevention of oil from the helium gas compressor

ヘリウムガスを圧縮すると比較的多量の熱が発生する。 ヘリウムは公知のガスのうちで最も大きい比熱を有するものの１つである（ヘリウムでは、γ＝Ｃｐ／Ｃｖ＝１．６７）。 ヘリウムを圧縮する場合、非常に有効な冷却機構を設ける必要がある。 かかる冷却機構が存在しないと、ヘリウムの液化温度に到達することができず、液体ヘリウムを生成できない。 磁気共鳴画像形成（ＭＲＩ）のような用途では、４−１０Ｋのオーダーの非常に低い温度を達成する必要がある。 これは、現在、超電導磁石を超電導状態に維持するために必要とされるものである。 ヘリウムはかかる温度で気体の状態を維持する唯一の公知のガスであり、従って、ヘリウム液化に付随する問題には寛容である必要がある。

圧縮ヘリウムから熱を除去するには２つの二者択一的な方法が知られている。 １つの方法は、ヘリウムを段階的に圧縮し、各段階後、例えば、水冷金属翼のような冷却された熱伝導性翼を通過させることによりガスを冷却するものである。 第２の方法として、加圧下で油をヘリウムに混合するものがある。 ヘリウムガスの圧縮により生じる熱を油に吸収させる。 油は対象温度範囲、即ち、４−１０Ｋのオーダーでは固化して極低温用途における問題を生じさせるため、冷却用としてヘリウムを使用する前にヘリウムから油を除去する必要がある。

本発明は、油がヘリウムと混合される第２の圧縮及び冷却方法にかかわる。

図１は、内部にバイパス逃し弁１２を備えた公知のヘリウム圧縮機を示す概略図である。 極低温動作、例えば、磁気共鳴画像形成においては、内部にバイパス逃し弁を備えたヘリウム圧縮機を用いてヘリウムガスを圧縮するのが一般的である。 かかる装置は、高圧（ＨＰ）ポート１６及び低圧（ＬＰ）ポート１８を備えた完全ユニットとして製造され供給される。 内部のバイパス逃し弁１２は、これがないと、例えばＨＰポート１６がブロックされない場合に生じる可能性のある圧縮機カプセル１４の損傷を防止するために設けられている。 内部のバイパス逃し弁１２は、ＨＰポートとＬＰポートとの間の差圧の増加に反応してＨＰポート１６をＬＰポート１８に事実上接続する。 これにより圧縮ヘリウムの通路１１が形成され、圧縮機カプセル１４の損傷が防止される。 逆止弁（ＮＲＶ）１３もまた、ＬＰポート１８と内部のバイパス逃し弁接続部１５との間に設けられるのが一般的である。 これはガスの逆流を防止し、またガス及び任意の汚染物質がバイパス逃し弁２を介してＬＰポート１８に到達するのを防止する意図がある。 油分離器１７は、圧縮機カプセル１４の高圧出力ラインに設けられて、油を圧縮状態のヘリウムガスから分離する。 この油分離機はヘリウム中に存在する油の１００％を保持しないため、例えば、活性化チャコールの油吸着器１９をＨＰポート１６の上流の圧縮機内部かまたはＨＰポート１６の下流の外部に設けることが知られている。

ヘリウムポンプの１つの公知のタイプとしてスクロール圧縮機として知られている。 図２Ａ−Ｄはスクロール圧縮機の動作部分を略示する。 スクロール圧縮機は一方が他方の内部に挿入された２つの同様の同心スパイラル２１、２３より成る。 スパイラル２３は、スパイラル２１がその内部でオービット運動する際静止状態を維持する。 図２Ａに示すように、外部の開口２７、２７´が開いていると、ガスは圧縮チェンバ２５、２５´へ吸引される。 スパイラル２１がオービット運動をして、図２Ｂに示すように、外側の開口２７、２７´が閉じると、圧縮機チェンバ２５、２５´がスパイラル２３内に引き込まれる。 スパイラル２１が引き続きオービット運動を行うと、図２Ｃに示すように、圧縮機チェンバ２５、２５´がさらにスパイラル内に引き込まれ、体積が減少して、チェンバ２５、２５´内のガスを圧縮する。 外側の開口２７、２７´が再び開く、圧縮機チェンバ２９、２９´を周囲のガスに露出させる。 チェンバ２５、２５´がスクロールの中心に向かって移動すると、チェンバ内のガスの圧縮状態は、図２Ｄに示すように、圧縮機の中心の最高圧力に到達するまで増加する。 そこで、高圧ガスが固定スクロール２３の放出ポート２２を介して放出される。 種々の圧縮チェンバ２５、２５´、２９、２９´が次々に放出ポート２２に到達するが、それと共に新しい圧縮チェンバが外部の開口２７の開閉により形成される。

ガスを圧縮するように働くと述べたが、この例では、スクロール圧縮機はヘリウムと油の混合物（以下、ガスプラス油と呼ぶ）に対して作用する。

発明の概要

図１のヘリウム圧縮機により生じる圧縮ヘリウムの典型的な利用例として、超電導ＭＲＩ磁石を冷却するためのパルスチューブ冷凍機６１への供給がある。 公知のタイプのパルスチューブ冷凍機には高圧ヘリウムガスがＨＰライン６３及びＨＰポート１６を介して圧送される一方、ヘリウムガスの戻り流が比較的低圧のＨＰライン６５を介してＬＰポート１８へ戻る。 この関連において、ＨＰポートは通常、２．４ＭＰａ（２４バール）の圧力でヘリウムガスを供給し、ＬＰポートは通常、０．６ＭＰａ（６バール）の圧力でガスを受ける。 現在のパルスチューブ冷凍機はロータリー弁（ＲＶ）機構６７を使用するのが一般的である。 相互に回転する多数のディスクが弁の開閉時間及び弁オリフィスの寸法を規定する。 かかる構成により、ロータリー弁機構６７で実現される種々の弁間の正確且つ変化しないタイミング及び寸法関係が確保される。 この関連で、ＬＰ及びＨＰポートの両方はロータリー弁機構の少なくとも１つの弁に接続される。

ＨＰ及びＬＰポートは通常、比較的長い可撓性ホース６３、６５によりパルスチューブ冷凍機に接続される。 出願人のパルスチューブ冷凍機の開発試験時、ロータリー弁及び可撓性ラインを有するパルスチューブ冷凍機の一部の低温ヘッドがある期間にわたって圧縮機油で液浸されることに気付いた。 ４つのシステムでこれが発生したため、ランダム発生事象とは考えることができなかった。 油の排出機構を理解するために実験を行った。 本発明は、従来型圧縮機／パルスチューブ冷凍機装置に付随する問題を解消するかまたは少なくとも軽減するための手段及び方法を提供するものであり、内部バイパス逃し弁を有するヘリウム圧縮機のＨＰ及びＬＰポートが弁機構に接続された任意のシステムに利用することが可能である。

本発明以前では、可撓性チューブ内に油が存在する原因として、ＨＰポート１６に接続された油吸着器１９の非効率性が最も可能性が高いと考えられている。

最初の研究では、図１に示すように、ＰＴＲへの可撓性ライン６５の長さは２０メートルであった。 ＨＰライン６３の圧力は２．４ＭＰａ（２４バール）から２．９ＭＰａ（２９バール）へ０．１ＭＰａ（１バール）のステップで増加し、各ステップにつき４乃至６時間の間運転された。 各ステップの後、ラインに油の痕跡があるか否か調べるために２メートルのＬＰライン６５に残留ガス分析（ＲＧＡ）を施した。 検査中の可撓性ラインは約２００℃に加熱された。 油を含むラインでは、ＣＯ及びＣＯ ₂が微量であるが非常に高い濃度で検出され、これは検査中のチューブ内の油の分解を示していた。 ＰＴＲは各試験の間運転され、その第２の段階の無負荷温度は１０Ｋであった。 その後、ＰＴＲに第１及び第２のそれぞれの段階において４０Ｗ及び６Ｗの加熱負荷をかけた。 しかしながら、これらの条件の何れでも油の痕跡を見つけることができなかった。 ガスは常にＨＰポート１６からＬＰポート１８へガス回路６３、６７、６５の周りを流れることができた。

ヘリウム圧縮機は継続して動作する間、幾つかの故障条件によりロータリー弁（ＲＶ）６７が停止することが知られている。 これらの条件では、ＨＰライン内部のヘリウム圧力は例えば２．９ＭＰａ（２９バール）のような比較的非常に高い値に上昇し、一方、低圧ラインのヘリウム圧力は０．１５ＭＰａ（１．５バール）のような比較的非常に低い圧力に急速に降下する。

ＰＴＲ低温ヘッドを冷却した後、圧縮機が依然として動作中である間にロータリー弁６７を停止させる効果についてさらに研究を行った。 ロータリー弁が停止するや否や、ＨＰライン６３内及び圧縮機の接続部分内のヘリウム圧力は上昇する。 この上昇の速度及び大きさはロータリー弁６７の停止位置により異なる。 ＨＰポート１６が停止位置でＰＴＲに接続されている場合、ＨＰラインの圧力上昇は非常に大きいものではない。 これは、ＰＴＲ容積全体が圧縮機に接続された状態にあることによる。 しかしながら、ＬＰポートがロータリー弁の停止位置で圧縮機に接続されている場合、ＨＰラインの圧力上昇は非常に大きい。 ＬＰポートが圧縮機に接続されると、ＬＰライン全体のガス圧力は圧縮機により非常に低い値に減少される。

研究中、圧縮機圧力及びＨＰライン圧力を２．８−２．９ＭＰａ（２８−２９バール）に上昇させる位置でロータリー弁６７を停止させ、圧縮機をこの状態で１乃至２日間運転させた。 この点で、２メートルのライン３３内に微量の油の存在を観察することができた。

しかしながら、ＨＰラインでは長い間加熱した後においてのみ微量の油が観察されるが、ＬＰラインでは加熱するとほとんどすぐに微量の油が観察されるということに気付いた。 この予期しない、そして驚くべき結果から、パルスチューブ冷凍機６１及び可撓性ホース６３、６５に到達する油は圧縮機からＬＰラインへ、最初にＮＲＶ（逆止弁）の抵抗を克服して移動した後、動作時にＰＴＲ低温ヘッドが介してＨＰラインに到達すると結論が導かれた。 この結論を検証した結果、油がＮＲＶを過ぎ、ＬＰポートを介して移動するのを防止する種々の方法及び装置を提供する本発明が生まれた。

油の排出機構を追跡する研究をさらに継続した。 圧力ゲージを２メートルのＬＰ可撓性ライン３３の遠隔端部の位置３１に（さらなる吸着器の代わりに）接続し、それと同時にもう一方の端部を圧縮機のＬＰポート１８に接続した。 圧縮機のＨＰポート１６を非接続状態、従ってブロック状態に維持した。 ＬＰラインの初期圧力は０．１５ＭＰａ（１．５バール）であった。 圧縮機をＨＰラインの高圧を２．８−２．９ＭＰａ（２８−２９バール）にして２乃至３日間運転した。 これにより、ＨＰラインから内部バイパス弁１２を介してＬＰラインへガス流だけが存在する本質的に内部バイパス条件で圧縮機を運転した。 ＬＰラインの圧力は、ガスプラス油の混合物が吸着器１９を通らずに内部バイパス弁１２を移動するため、ある期間にわたって０．４ＭＰａ（４バール）へ上昇したことが判明した。 ガスプラス油は接続点１５に流入した。 ＬＰポート１８は比較的非常に低い圧力であった。 接続点１５の圧力がＨＰラインから内部のバイパス弁１２を介する高圧のガスプラス油の流入により十分な大きさに上昇する場合、一部のガスプラス油はＮＲＶを通り、ＬＰポート１８の方へ、そしてそれを介してＬＰライン６５へ移動する可能性がある。 ２メートルのライン３３はＲＧＡを受けると微量の油があることを示していた。 これは、ガスプラス油がＮＲＶを通過できるという仮説を確認するものと考えられた。 ある期間にわたり、認めうる量の油がこのようにしてＬＰ可撓性ライン６５へ移動した後、ＰＴＲ６１の低温ヘッドへ移動できた。

この結果を確認するため、ＨＰライン６３及びＬＰライン６５をＰＴＲ６１に接続し、圧縮機を始動することにより、実験を繰り返した。 その後、ロータリー弁６７を停止して故障状態をシミュレーションした。 ロータリー弁６７を停止するや否や、ＬＰラインの圧力は０．１５−０．２ＭＰａ（１．５−２バール）へ降下し、圧縮機及びＨＰラインの圧力は２．８−２．９ＭＰａ（２８−２９バール）へ上昇した。 これらの状態は初期の実験で仮定したものによく似ており、その実験の有効性が確認された。

本発明は、一部は、圧縮機が依然として運転中である、特にロータリー弁６７の停止時に、圧縮機のＬＰ側から油が排出されないようにすると、圧縮機からＰＴＲへの油の移動が阻止されるか少なくとも実質的減少するという発見に基づく。 この状況では、ガスプラス油は、圧縮機圧力とＰＴＲのＬＰライン６５の低圧との間の大きい差圧により圧縮機からＮＲＶ１３を通ってＰＴＲ６１の方へ移動する。 この状態は可能な場合は必ず回避する必要がある。 本発明のさらに別の局面によると、この状態が生じた場合その影響を減少させる方法及び装置が提供される。

従って、本発明は頭書の特許請求の範囲に記載した方法及び装置に提供する。

本発明の上記及びさらに別の目的、利点及び特性は、添付図面に関連して非限定的な例によってのみ与えられる本発明のある特定の実施例に関する以下の説明を読むと明らかになるであろう。

図３は、圧縮機から低圧ラインを介して油が排出されあにようにする本発明の一実施例による装置であって、それ自体公知の油トラップがＬＰライン６５内の圧縮機とロータリー弁との間の位置３１に配置された新規な配置構成の装置を示す。

油トラップは、一方の端部の２メートルの可撓性ライン３３及びもう一方の端部の２メートルの可撓性ライン３２によりＬＰラインのライン上の圧縮機に接続されている。 可撓性ライン３２、３３の初期圧力は０．１５ＭＰａ（１．５バール）に維持された。 この実施例を、圧縮機を内部バイパスモードで２．８−２．９ＭＰａ（２８−２９バール）の非常に高い圧力に運転することによりテストした。 ゲージ上の圧力がある期間にわたり上昇することが認められた。 圧縮機は約２．８ＭＰａの高い圧力で数日間運転された。 ３日間動作させた後２メートルのライン３３をＲＧＡにかけた結果、油による汚染が認められたが、位置３１の油トラップより先の２メートルのライン３２には微量の油も発見できなかった。 従って、このテストは、本発明の一実施例に従ってヘリウムポンプからの油の排出を防止するために所与の期間にわたり油トラップを用いると満足な結果を得ることができることを確認するものである。

本発明の第２の実施例によると、油吸着器１９と同様なさらに別の油吸着器が上述した油トラップの代わりに位置３１に配置される。

本発明の第３の実施例によると、圧縮機からＰＴＲへの油の移動は、上述した油吸着器または油トラップの代わりにＬＰライン６５の位置３１にガスリザバーを配置すると減少する。 このリザバーは、ロータリー弁が停止した場合ＮＲＶ１３の両端間の差圧を減少させる働きをする。 差圧の減少度合いはリザバーの容積による。

SHI及びCryomech圧縮機のようなある特定の公知のヘリウム圧縮機には、ＬＰラインに吸着器／フィルターを備えた内部のガスリザバーが設けられる。 Leybold及びＡＰＤ圧縮機のような他の圧縮機はこの特徴を備えていない。

本発明の第４の実施例によると、ガスリザバーと油吸着器を組み合わせたものがＬＰライン６５の位置３１に配置される。 これは、油排出問題を防止すると共にそれを対処する働きをする。 ガスリザバーの特徴により、ＮＲＶ両端間の差圧が減少するため、ガスプラス油がＮＲＶを通過する蓋然性が減少する。 吸着器の特徴により、ＮＲＶを通過する油がさらにＬＰラインをたどってＰＴＲの方へ移動するのが阻止される。

本発明の第５の実施例によると、図４に示すように、ＮＲＶの後のＬＰラインには低圧スイッチ５１が設けられている。 ＲＶ６７が何らかの理由で停止した場合、ＬＰラインの圧力はその通常の０．５−０．６ＭＰａ（５−６バール）のレベルから急速に降下する。 スイッチ５１はこのＬＰラインの圧力降下に応答し、降下圧力の検出と共に圧縮機を停止させる。 これによりＮＲＶ１３の両端間に大きな差圧がかからないようになり、ガスプラス油がＮＲＶ１３を通過する可能性が減少する。 スイッチ５１はできるだけ迅速に反応するように設計する必要があるため、ＬＰライン圧力の比較的小さな減少に反応するよう設計するのが好ましい。 例えば、スイッチが作動されると、圧縮機カプセル１４が０．５ＭＰａ（５バール）のＬＰライン圧力により停止するようにしてもよい。

スイッチ５１は、ヘリウム圧縮機が遭遇する可能性のある温度及び圧力で動作可能な任意の圧力センサーでよい。 好ましい実施例において、この圧力スイッチ５１は電気スイッチであり、ＬＰラインに異常な低圧が発生すると、それにより作動されて圧縮機カプセルへの電源を遮断し、圧縮機の動作を停止させる。

テスト例では、圧力スイッチ５１（Barkdale Control Products GmbH USD 7 type）をLeyboldヘリウム圧縮機のＬＰポート１８の前のＬＰ側に固定された。 ヘリウム圧縮機のＬＰポート１６及びＨＰポート１８は、この場合１０ＫのＯＭＴ ＰＴＲ １０３０２０７であるパルスチューブ冷凍機６１に接続された。 圧力スイッチ５１の適当なスイッチング圧力を確立するために、ＰＴＲが暖かい時生じるシステムの低圧カットオフ値を決定した。 圧縮機のダイヤルゲージ上において静充填圧力が１４バールである場合、最低動圧として０．５１ＭＰａ（５．１バール）、最高動圧として２．４ＭＰａ（２４バール）が得られることが判明した。 圧力は、低温で、ＰＴＲの第１段階の熱負荷５０Ｗ、ＰＴＲの第２段階の熱負荷が６Ｗである場合、動的状態において最低０．６３ＭＰａ（６．３バール）、最高２．２ＭＰａ（２２バール）に変化した。 従って、０．５１ＭＰａ（５．１バール）の圧力スイッチの設定が適当であると考えられた。

低圧のスイッチの設定を確立した後、圧力スイッチ５１のスイッチングの反復性を検証し且つ圧縮機カプセル１４の適当なターンオフ遅延時間を得るために繰り返しテストを行った。 各テストサイクルにおいて、ＰＴＲ６１を始動した後、ＲＶ駆動装置への電源を切ることによりＲＶ６７を停止させた。 圧力スイッチ５１を０．５１ＭＰａ（５．１バール）で動作するように設定した。 ＨＰラインの圧力上昇及びＬＰラインの圧力降下を記録した。 ＲＶの停止から圧縮機の停止までの時間遅延を測定した。 このサイクルを５回繰り返した。 全ての場合において、圧縮機はＲＶの停止から５秒以内に停止した。 ＨＰラインの圧力は最大２．５５ＭＰａ（２５．５バール）に上昇した。 これは内部のバイパス弁１２を動作させて油をＮＲＶ１３を通過させるには不十分であった。 これらのテストの後、圧縮機のＬＰポート１８に油が存在するか否かをチェックした。 視覚による点検では油の存在は認められなかった。 このシステムにはさらに油の痕跡がなく、あるいはＰＴＲの性能劣化は認められなかった。 テスト結果は、圧力スイッチ５１はほとんど直ちに圧縮機を停止させ、圧縮機のＬＰラインからＰＴＲの低温ヘッドへ油が排出される可能性を阻止することを示すものである。 ０．５１ＭＰａ（５．１バール）のスイッチ動作圧力がテストした実施例では適当な値であることが判明した。 従って、圧力スイッチ５１は満足に動作することが検証された。

しかしながら、スイッチの動作圧力は入念に選択する必要がある。 ＰＴＲの充填圧力は、圧力スイッチが選択したスイッチ動作圧力で正確に動作するように正確でなければならない。 静充填圧が標準推奨値または、さらに正確を期して、圧力スイッチの動作圧力を決定するにあたり使用する圧力よりも低い場合、圧縮機は圧力スイッチ５１の望ましくない作動により始動期間の間に停止することがある。 また、静充填圧が高すぎる場合、圧縮機を停止させるに必要な時間遅延が長くなり、ＲＶが停止すると圧縮機がバイパス動作モードに移行することがある。 これは内部のバイパス弁１２の作動を伴い、ガスプラス油がＭＲＶ１３を介して移動することによりＬＰラインが汚染されることにつながる。

図６に示す本発明の第６の実施例によると、内部のバイパス弁１２には圧縮機カプセル１４へのそれ自体の戻りチャンネル６１が設けられている。 このように、取り付けた装置６１上のロータリー弁６７が例えば停止した場合、ＨＰライン６３の過大な圧力により内部のバイパス弁を通過するガスプラス油は、圧縮カプセル１４へ直接移動し、ＮＲＶ１３またはＬＰライン６５に到達することができない。 内部のバイパス弁１２を通過するガスプラス油は、ＬＰライン６５の内部圧力よりも格段に高い、比較的高い圧力である。 ガスプラス油が圧縮機カプセル１４を通ってＬＰライン６５に流入するのを防止するために、戻りチャンネル６１を、ＬＰポート１８からガスを受ける開口２７、２７´よりもスクロールの中心に近い比較的高圧の場所で、図２Ａ−２Ｂに示すようなスクロールポンプのような圧縮機ポンプに接続する。 戻りチャンネル６１は、圧縮機のコアの深部にあるそれ自体のマニホルドにより圧縮機に接続するのが好ましい。 ヘリウムガスは圧縮機の油と混合されるため、戻しチャンネル６１がガスプラス油を供給するということは問題ではない。 この特定の実施例の問題点は圧縮機カプセルを改造しなければならないということである。

本発明を限られた数の特定実施例に関連して説明したが、頭書の特許請求の範囲内において多数の変形例及び設計変更が可能である。 これらの実施例のうちのある特定のものを組み合わせることもできる。 例えば、油トラップまたはガスリザバー／吸着器を圧力スイッチの上流のＬＰラインに配置してもよい。 本発明は恐らく、ヘリウム圧縮機がバルブ系統を介して圧縮ヘリウムを装置に供給する任意の状況に利用可能である。 本発明をロータリー弁を介して作動されるパルスチューブ冷凍機に関連して特に説明したが、任意の弁により制御される装置に利用可能である。

従来技術による圧縮ヘリウムをパルスチューブ冷凍機に供給する公知のヘリウム圧縮機を示す。

従来技術のスクロール圧縮機の作用を示す。

本発明の実施例に従って構成された図１のシステムを示す。

本発明のさらに別の実施例に従って構成されたさらに別のシステムを示す。

本発明のさらに別の実施例に従って構成されたさらに別のシステムを示す。