Compressor with oil bypass

本発明は、一般的には、ギフォード・マクマホン（ＧＭ）サイクルで動作する、極低温冷凍システム用のヘリウムコンプレッサユニットに関する。 より詳細には、本発明は、ヘリウムを圧縮するよう適合された横置き型スクロール式オイル潤滑型コンプレッサユニット用の、改善されたオイル冷却構造に関する。

冷凍機コンプレッサは、ベアリングやギアのような可動部品の潤滑を必要とする。 これらのコンプレッサは、オイルサンプを含み、サンプからのオイルを各潤滑ポイントに注ぐ。 オイル潤滑型空調機コンプレッサは、ＧＭ型極低温冷凍機に圧縮されたヘリウムを搬送する標準的な圧縮機となっている。 これらの比較的安価であるが信頼性の高いコンプレッサを用いる能力は、ヘリウムが圧縮された際にヘリウムを冷却する方法の発展と、ＧＭ型冷凍システムの低温エクスパンダにオイルがいかないようにするオイルセパレータ及び吸着器の発展に由来する。 ヘリウムガスは、標準的な空調冷媒よりも非常に圧縮中に高温となるので、圧縮室を介してヘリウムと共に大量のオイルを流すことにより頻繁に冷却される。 更に、コンプレッサユニットも、ヘリウムの圧縮時に熱を生成する。 それ故に、ＧＭ型極低温冷凍機におけるオイルの目的は、ヘリウム圧縮のプロセスで生成される熱を吸収することと潤滑の双方である。

ＧＭサイクル冷凍機の動作の基本原理は、特許文献１に記載されている。 ＧＭサイクルは、主に、最小のコストで信頼性の高い長寿命の冷凍機を構築するために量産のオイル潤滑型空調コンプレッサを利用できるので、小型の商業用冷凍機において極低温温度を生成する最も有力な手段となる。 ＧＭサイクル冷凍機は、ヘリウムがデザイン冷媒に置換されても、空調コンプレッサのデザイン制約内での圧力及び電力入力で良好に動作する。 典型的には、ＧＭ冷凍機は、約２ＭＰａ（絶対圧で単位インチ平方当たり３００ポンド）（ｐｓｉａ）の高圧（Ｐｈ）、及び、約０．８ＭＰａ（１１７ｐｓｉａ）の低圧で動作する。

空調コンプレッサは、広範なサイズといくつかの異なるデザインで構築されている。 これらのコンプレッサをヘリウムの圧縮に適合させるための追加の冷却を提供する手段は、異なるコンプレッサに対して異なる。 例えば、約２００〜６００Ｗを消費するコンプレッサは、典型的には、空冷式フィンをコンプレッサシェルに付加することにより冷却される反復ピストン形である。 約８００から４５００Ｗの間では、たいていの通常のコンプレッサは、圧縮室に直接流れる低圧戻りガスを備える回転ピストン型である。 回転ピストン型コンプレッサでは、オイルは、ヘリウムと共に圧縮室に流れ、圧縮された際にヘリウムからの熱を吸収する。 大部分のオイルは、高圧となるコンプレッサシェル内のヘリウムから分離する。 特許文献２は、コンプレッサシェルまわりに水冷管を巻き、更に水管上にヘリウム冷却管及びオイル冷却管を巻くことによるヘリウム、オイル及びコンプレッサシェルの冷却を開示する。 冷却されたオイルは、その後、戻りヘリウムライン内に噴射される。 実質的には、コンプレッサがオイルポンプとして機能する。 汲み上げられるオイルの量は、典型的には、変位の約２％である。

このオイル冷却システムの問題は、冷却水の温度及び流量が非常に重要であり、注意深く監視されなければならないことである。 監視の失敗は、オイルセパレータの効率を低減し、過熱を引き起こし、コンプレッサの停止や故障の可能性を増加させる。

Hitachi Corporationは、５〜９ｋＷを消費し、スクロール内に直接戻りガスを流すスクロール型コンプレッサを製造する。 オイルは、入口に噴射され、高圧でシェル内にヘリウムと共に排出されることができる。 オイルの大部分は、上述の回転ピストン型のコンプレッサと同様、ヘリウムから分離し、コンプレッサの底部に集まる。 この種のコンプレッサに対しては、小型のコンプレッサと異なり、水冷管の巻きつけによるシェルの冷却は効率的でない。 ここで、ヘリウム及びオイルからの熱は、水冷若しくは空冷のアフタークーラーにより除去される。

Copeland Compressor Corporationは、消費電力５〜１５ｋＷの空調サービス用スクロール型コンプレッサを製造する。 これらのコンプレッサは、戻りガスが、スクロール内で無く低圧のシェル内に流れる点が、Hitachiの設計と異なる。 スクロールがモータの上方になる標準的な縦置き型では、ヘリウムと共に圧縮室に冷却オイルを流す手段が存在しない。 Copeland社は、２つのコンプレッサ、５ｋWコンプレッサ及び７．５ｋWコンプレッサを改良して、スクロール上方の排出プリナム内に高圧オイルを収集し、次いで、それを、外部のアフタークーラー内で冷却されるように特別なポートを通して外に流すことによって、ヘリウム冷却用オイルを循環させる。 その他の特別な戻りポートは、オイルを低圧付近でスクロールに戻し、そこで、オイルは、圧縮されているヘリウムと混合する。

スクロール型コンプレッサの構成及び動作、及び、Copeland標準ユニットをヘリウムの圧縮用に適合させた特別な変更の説明は、特許文献３に見出せる。 全体のコンプレッサシステムの説明と共にヘリウムサービス用に製造された２つのコンプレッサの大きい方を用い、そのコンプレッサが本質的な構成要素であるコンプレッサシステムが、非特許文献１に記載されている。

上述のスクロール型コンプレッサを冷却用のオイル噴射を必要とするアプリケーションに適用するコストを低減するための努力において、Copelandは、見事にもコンプレッサを水平に向けた（横置き型とした）。 Copelandコンプレッサでは、低圧のコンプレッサの底部のオイルは、圧縮されているガスと共に重力に起因してスクロール内に流れ込む。 標準的な縦置き型コンプレッサへの修正は、コンプレッサの底部中心にポートを追加しただけである。 横置き型においては、オイルは、通常的にはベアリング及びスクロールを潤滑するために駆動軸までコンプレッサの底部のオイルサンプから汲み上げられるだろうが、アフタークーラーで冷却された後に駆動軸の端部に向けられる。 縦置き型の場合に比べて多くのオイルがスクロール内にヘリウムと共に流れ込む。 しかしながら、横置き型の問題は、ベアリングを潤滑するのに必要な以上のオイルが循環し、シェルの底部内に“過剰”に集まることである。 この過剰なオイルは、スクロールへとモータ内の“エア”ギャップを介して流れ、これにより、モータに大きな抵抗をもたらす。

標準的なCopeland製スクロール型コンプレッサが横置き型で動作するとき、駆動軸の端部内に向けられる冷却オイルは、ベアリングを潤滑するのに必要な量以上のオイルの過剰分を含む。 過剰分は、コンプレッサシェルの底部に落ち、その多くは、ロータとステータの間の“エア”ギャップを通って流れスクロール入口に到着し、そこで、ヘリウムと共に高圧まで昇圧される。 “エア”ギャップ内のオイル及びその結果としての抵抗によって、モータは、コンプレッサが鉛直位置で動作されるときよりも大きい電力を消費する。

横置き型の問題の更なる問題は、より大きいな振動である。 コンプレッサからの本来的な振動に加えて、標準的なCopeland製スクロール型コンプレッサを横置き型で動作させることは、“エア”ギャップ内のオイルに起因してより大きな振動を生む。

ＭｃＭａｈｏｎ他の米国特許第２，９０６，１０１号明細書

Ｌｏｎｇｓｗｏｒｔｈの米国特許第６，４８８，１２０号明細書

Ｗｅａｈｅｒｓｔｏｎ他の米国特許第６，０１７，２０５号明細書

Ｒ． Ｃ． Ｌｏｎｇｓｗｏｒｔｈの" Helium Compressor for GM and Pulse-tube Expanders", in "Advances in Cryogenic Engineering ", Vol. 47, Amer. Inst. Of Physics, 2002, pp 691-697

従って、Copeland型の横置き型のオイル潤滑式コンプレッサのオイル冷却システムを改善する必要がある。 本発明は、上述の問題点を鑑みてなされてものである。 それ故に、モータに対する抵抗を低減するオイル潤滑式コンプレッサを有することが望ましい。 また、可変の速度で動作でき、振動が低減され、入力電力を低減した効率的なオイル潤滑式コンプレッサを有することが望ましい。

上述の文献のいずれも、アフタークーラーから戻るオイルが２つのストリーム、ベアリングを潤滑する部分とサンプに落ちる過剰分とからなるストリームと、コンプレッサシェルの外部の管内でモータをバイパスしスクロールインレット近傍のシェル内に流れ戻るストリーム、に分離されたときに、入力電力が顕著に低減されるような、オイルバイパスを開示していない。

本発明の目的は、オイルが、重力により圧縮室の入口内に流れ込むことができ、アフタークーラーから戻るオイルを２つのストリームに分割することにより、モータまわりのオイルの半分以上をバイパスさせ、２つのストリームのうちの第１オイル部分が、ベアリングを潤滑し、サンプに落ちる過剰分を含み、第２オイル部分が、コンプレッサシェルの外部の管内でモータをバイパスしてスクロール入口近傍のシェルに流れ戻る、新規の改善された潤滑型コンプレッサを提供することである。

また、本発明の目的は、モータまわりのオイルの大部分をバイパスさせ、オイルバランシング効果を改善し、これにより、モータ上の抵抗を低減するオイルバイパスシステムを提供することである。

また、本発明の目的は、入力電力を低減するオイルバイパスシステムを提供することである。

また、本発明の更なる目的は、コンプレッサ振動ないしコンプレッサ騒音を低減するオイルバイパスシステムを提供することである。

また、本発明の更なる目的は、第１及び第２オイル部分の流量が固定若しくは可変のオリフィスにより定まるコンプレッサを提供することである。

また、本発明の更なるその他の目的は、可変オリフィスが、コンプレッサの動作中に自動的に調整され、可変速度での動作を可能とするコンプレッサを提供することである。

本発明のその他の目的及び効果は、後の説明及び添付の図面を参照することで明らかになるだろう。

本発明の一局面によれば、オイルが圧縮室入口内に重力により流れ込むオイル潤滑型コンプレッサであって、
戻りガスの圧力のオイルサンプと、
駆動軸の第１端部上に当たる第１戻りオイル部分と、
前記駆動軸の第１端部と第２端部との間に配置され、前記駆動軸を回転させるモータと、
前記駆動軸の第２端部により駆動される圧縮室と、
前記モータと前記圧縮室入口との間のコンプレッサシェル内に流れ込む第２オイル部分とを備える、オイル潤滑型コンプレッサが提供される。

図１を参照するに、本発明による好ましい実施例が示されており、コンプレッサユニット用の新規のオイルバイパス装置が示されている。 新規のオイルバイパス装置は、本発明によるオイル潤滑式ヘリウムコンプレッサユニット１内で用いられ、駆動軸１３を介してモータ１４により駆動されるコンプレッサスクロールセット１２を含むコンプレッサシェル２を含む。 オイルは、オイルサンプ２７及び２８内にモータ１４の一方の側でコンプレッサシェル２内に収容される。 モータ１４は、駆動軸１３に取り付けられるロータと、“エア”ギャップ４６によりロータから分離されたアウタステータとからなる。 ここでは“エア”ギャップ４６と称されるが、ギャップは、実際には、本アプリケーションにおいてはヘリウムをその中に有する。 先行技術による大量のオイルが流れる“エアギャップ”と比較して、本発明の“エアギャップ”を流れるオイルの量は大幅に低減される。 シェル２は、戻り（低）圧で容積３を有し、供給（高）圧で容積１１を有する。 コンプレッサ２は、空調サービスに用いられる冷媒を圧縮するのに用いられるタイプであり、典型的には、鉛直向きにされ、スクロールをモータ上方に備え、オイルサンプを底部に備える。 モータ１４の下方の駆動軸１３の端部は、オイルポンプ１６を備え、オイルポンプ１６は、サンプからオイルを汲み上げ、それを、ポートを備える駆動軸１３内の穴を介して吸い上げ、下側のベアリング及び上側のベアリングを潤滑し、スクロールセット内の圧縮室内にいくらかのオイルを噴射する。

ヘリウムのような冷媒が圧縮されるとき、圧縮中の温度上昇は、空調用の冷媒よりも遥かに大きい。 この高温は、オイルを分解し、スクロールを変形させる。 比較的大きな量のオイルを、ヘリウムと共に圧縮室に流すことにより、温度は、許容限界内に維持することができる。 これを、標準的コンプレッサに対する最小の変更で行うため、Copeland社は、コンプレッサを横置き型で搭載されるように適合させた。

圧縮の熱の大部分は、オイル内でコンプレッサから離れ、オイルは、次いで、冷却され、オイル戻りポート１５を介してコンプレッサに戻る。

本発明に先立って、従来では、オイルは、モータステータと回転巻線の間の、共通に“エア”ギャップと称されるギャップを介して流れ、サンプ２８内に至り、そこから、ヘリウムと共に圧縮室内に流れていた。 図２は、戻りオイルのすべてがポート１５を流れるように製造されたCopeland製コンプレッサを示す。 サンプ２７内の過剰オイルは、“エア”ギャップよりも高いレベルを有する一方で、スクロールへの入口は、“エア”ギャップよりも下方である。 したがって、サンプ２８内のオイルレベルは、“エア”ギャップよりも下方である。 エアギャップは、オイル流れに対して制限となり、したがって、サンプ２７内のオイルのレベルは、オイルを“エア”ギャップを通ってサンプ２８内に流すのに必要な圧力ヘッドを提供するほど、“エア”ギャップの底部より上方に十分高い。 元の設計におけるサンプ２７内のオイルレベルは、オイルの流量が異なる動作環境で変化するので高さが可変である。 これは、バルクオイルセパレータ４の深さの変化を生む。 より重要なことは、“エア”ギャップ内のオイルからのモータに対する抵抗に起因して損失される電力である。

これに比べて、本発明によれば、図１及び図３に示すように、アフタークーラーから戻るオイルの半分以上を、サンプ２７からサンプ２８へ“エア”ギャップを通って流すのでは無く、サンプ２８に直接戻すオイルバイパスライン２３を加えることによって、モータに対する抵抗が低減され、入力電力も低減される。 冷却されたオイルは、ポート１５を通って流れ、駆動軸１３の端部上に当たり、そこで、第１オイル部分は、オイルポンプ１６により汲み上げられ、第２の“過剰”なオイル部分は、オイルサンプ２７内に落ちる。

図４に示す代替実施例では、バイパスライン２３は、ライン２５では無くサンプ２７から出る。 “過剰”オイルのすべては、バイパスライン２７を通って流れ、サンプ２７内のオイルレベルは、“エア”ギャップよりも下方である。

全体のオイル循環速度及び流れの分割は、オリフィス２４及び２６のサイズにより設定される。 即ち、オリフィスは、そこを通過することができるオイルの量を制御する。 オイルの大きい部分がコンプレッサモータをバイパスするとき、サンプ２７内のオイルレベルが、図１及び図３にオイルレベルを実線で示すように、サンプ２８内の“エア”ギャップよりもわずかに上方になりうり、若しくは、モータ１４のステータを介した通路がいくつかある場合には、オイルレベルはわずかに“エア”ギャップよりも下方となる。

本発明のコンプレッサが可変速度で動作できることを許容する速度制御装置が利用可能である。 オイルの流量は、バイパスオイルオリフィス２４及びベアリングオリフィス２６を固定型でなく可変とすることで、動作中に調整されてよい。 オリフィス２４及び２６は、コンプレッサが動作している間に自動的に調整されることでき、異なる動作条件及び動作速度の変化に対してオイルの流量を最適化し、動作速度を変化させる。 即ち、コンプレッサの第１及び第２オイル部分の流量は、固定若しくは可変のオリフィスにより定まる。 可変オリフィスは、コンプレッサの動作中に自動的に調整されてもよい。

ここで用いられる冷凍機は、極低温冷凍機を指す。

一般的に、コンプレッサは、一般的には低圧なある圧力でガスを受け、それを、より高い圧まで増加させる機械装置である。 ここ用いられるコンプレッサは、極低温冷凍システムに対して必要なヘリウムガスの流量を提供する極低温冷凍機の一部として定義される。 より具体的には、ここで用いられるコンプレッサは、オイルで潤滑される、スクロール型コンプレッサであり、ヘリウムの圧縮時に熱を生成する。 しかし、本発明のコンプレッサはこの種に限定されない。 反復式、遠心式、ダイアフラム式及びスクリュー式のような、“エア”ギャップを介して冷却オイルを流す他の種のコンプレッサが用いられてもよい。

ここで称される“過剰”オイルは、ポート１５を介して流れ、サンプ２７内に落ちるオイルを指す。

より詳細には、図１の矢印２９は、サンプ２８からのオイルと共に圧縮室に入るヘリウムを指す。 矢印１９は、圧縮室から出て高圧プレナム１１内に流れ込むヘリウムとオイルの混合体を指す。 そこから、混合体は、バルクオイルセパレータ４にライン２０を通って流れ、そこで、オイルの大部分は、ライン２１を介して出ていき、０．１％以下のオイルが、ヘリウムと共にライン３１を通って出て行く。 ライン２１及び３１における双方の流れストリームは、アフタークーラー６を通って流れ、アフタークーラー６は、双方のストリームを、３０を介した冷却水の対抗流により冷却する。 冷却されたオイルは、ライン２５及びオリフィス２６を通ってポート１５内に流れてベアリングに対して潤滑を供すると共に、ライン２３及びオリフィス２４を通ってサンプ２８に流れる。 冷却されたヘリウムは、ライン３２を通ってオイルセパレータ８へ流れ、オイルセパレータ８は、バルクオイルセパレータ４で分離されないオイルの大部分を除去する。 分離されたオイルは、８の底部に集まり、ライン４１及びフィルタ／オリフィス４２を通って、コンプレッサ２における低圧室３に戻る。 セパレータ８からは、ミストの形態で極微量のオイルだけを含んだヘリウムは、ライン３３を介して吸着器１０へと流れ、吸着器１０は、供給ライン３７を介して出て行く前にオイル蒸気をほとんど除去する。 即ち、吸着器１０は、汚染物質をトラップして保持する。 その主要な目的は、ヘリウムガスから、水蒸気のような、要素のすべての極微量を除去することであるが、主としてオイルを除去することである。 供給ライン３７は、ヘリウムをエクスパンダ（図示せず）に運ぶ。 ヘリウムは、エクスパンダ低圧側からライン３９を介して戻り、続いてライン２４を介してコンプレッサ容積３内に流れる。 自己シール型継手３６は、ライン３３及び３７を切り離すことを可能とすると共に、吸着器がヘリウムの損失無く交換されることを可能とする。 自己シール型継手３８は、ライン３９がヘリウムの損失無く取り外されることを可能とする。 システムは、大気リリーフバルブ（ＡＲＶ）４０により、加圧され過ぎてしまうことから保護される。 冷却中、若しくはライン３７若しくは３９が接続されない動作中、システムの高圧側と低圧側との間の過剰な圧力差は、ライン３４における内部のリリーフバルブ３５により制限される。 温度スイッチ４７及び４４は、安全な動作温度を超えた場合にコンプレッサを停止させることになる典型的なスイッチである。

本願の譲受人は、既に、この種のオイル潤滑型コンプレッサの改良に貢献する発明を開示している。 バルクオイルセパレータ４は、オイルレベルスイッチ４９を有するものとして示されている。 コンプレッサ２内のオイルレベルは略一定であるので、バルクオイルセパレータ４内のオイルレベルは、吸着器１０内にオイルが集まる際の長期間にわたり降下する。 これは、ここでの参照により本願の内容に組み込まれる米国特許第６，４８８，１２０号に記載されるようなコンプレッサを“フェールセーフ”させる手段を供給する。 この特許では、コンプレッサは、吸着器が約７５％より大きく負荷される前に停止し、オイル（ミスト）は決して吸着器を出て行かない。 コンプレッサ２における略一定のオイルレベルは、コンプレッサを停止させるためにオイルレベルセンサ若しくはスイッチ４９が開くときのレベル以上のオイルを付加することを可能とし、吸着器が約７５％で負荷されている場合よりも少なく開かせることができる、付加することができる余剰オイルの最大量と、レベルスイッチ４９が開くときに吸着器８に収集されうるオイルの最小量との間に大きな差異をもたらすことがない。 最大量と最小量の差異は、異なる温度及び圧力での動作中のオイルレベルの変化、及び、システム内の初期オイル充填に関する公差に起因する。

本発明の効果は、オイルバイパスラインがコンプレッサの動作の効率及びオイルのバランシングを更に改善することである。 更なる効果は、オイル潤滑型コンプレッサが改良型Copelandコンプレッサとして横置き型で動作されるときの性能の劣化の防止である。

［例１］
３３８Ｌ/ｍｉｎの変位及び７Ｌ／ｍｉｎのオイル循環速度を有するコンプレッサに対して、６０Ｈｚでの入力電力は、５Ｌ／ｍｉｎのオイルがモータ１４をライン２３を介した流れることでバイパスするとき、８３００Ｗから８０００Ｗに低減された。

本発明の好ましい実施例は、ＧＭ型冷凍機、及び、特に空調用のCopeland製スクロール型圧縮冷凍ユニットに関する。 しかし、本発明は、圧縮型冷凍ユニットにおける他の種のスクロール型コンプレッサに対しても適合可能である。

代替実施例では、コンプレッサは、ベアリングを潤滑するのに必要とされる量を超えるオイルを制御するための追加のバルブ、アパーチャー若しくは通路を含み得る。 また、ここで使用される用語は、説明のためであり、限定とみなされるべきで無いことは理解されるべきである。

以上、本発明を詳説したが、理解されるべきこととして、本発明の原理を一般的に踏襲する本発明の更なる変形、使用及び／又は適合が可能であり、当業者の知られた若しくは通常的な設計変更であって、上述の本質的な特徴が適用された本開示からの逸脱は、本発明の範囲内である。

本発明によるオイル潤滑式ヘリウムコンプレッサの概略図であり、オイルバイパスシステムを備えた、横置きで搭載された標準的なCopeland製スクロール型コンプレッサを示す。

オイル潤滑式ヘリウムコンプレッサの概略図であり、アフタークーラーから戻るオイルが駆動軸のオイルポンプ端に当たることを可能とするポートを備えた、横置きで搭載された標準的なCopeland製スクロール型コンプレッサを示し、従来構成を表す図である。

本発明によるオイル潤滑式ヘリウムコンプレッサの概略図であり、２つの部分（フラクション）に分離されるべきアフタークーラーから戻るオイルを備え、第１部分はポートに流れてオイルが駆動軸のオイルポンプ端に当たることを可能とし、第２部分はモータをバイパスしてスクロールへの入口近傍でシェル内に流れる、横置きで搭載された標準的なCopeland製スクロール型コンプレッサを示す。

本発明によるオイル潤滑式ヘリウムコンプレッサの概略図であり、アフタークーラーから戻るオイルが駆動軸のオイルポンプ端に当たることを可能とするポートを備え、過剰オイルがモータと駆動軸のオイルポンプ端との間でサンプに落ち、次いで過剰オイルのすべてがモータをバイパスする外部管を通ってスクロール入口に流れ込む、横置きで搭載された標準的なCopeland製スクロール型コンプレッサを示す。

符号の説明

２ コンプレッサシェル １２ コンプレッサスクロールセット １３ 駆動軸 １４ モータ ２３ バイパスライン ２５ ライン ２６ オリフィス ２７ オイルサンプ ２８ オイルサンプ