JPH11337201A - 冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧縮機の運転状態に影響されることなく、低
段用圧縮機（4）のドーム内に貯留される油の量を一定
に維持する。 【解決手段】 高段用圧縮機（8）と低段用圧縮機（4）
との間を、第２空冷熱交換器（HEX2）を備える第２冷却
油回路（62）と、第３空冷熱交換器（HEX3）を備える第
３冷却油回路（63）とで接続する。そして、高段用圧縮
機（8）のドーム内の冷却油を低段用圧縮機（4）の圧縮
室の圧縮途中へ供給し、中間圧のヘリウムガスを冷却す
る。この冷却油は第３冷却油回路（63）を流れ、第３空
冷熱交換器（HEX3）で冷却された後に高段用圧縮機
（8）に戻り、圧縮機モータを冷却する。一方、低段用
圧縮機（4）には第１油ポンプ（45）と第１空冷熱交換
器（HEX1）とを備える第１冷却油回路（61）を設ける。
また、第１冷却油回路（61）に圧力スイッチ（PS）を設
け、この圧力スイッチ（PS）の動作によって低段用圧縮
機（4）のドーム内の冷却油の減少を検知する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧縮機で圧縮され
たヘリウム等の冷媒ガスを膨脹させることによって寒冷
を発生させるようにした冷凍機に関し、その圧縮機の油
回路に係るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、寒冷を発生させる冷凍機に
は、ヘリウム等の冷媒ガスを圧縮機で圧縮し、この圧縮
された高圧の冷媒ガスを膨張機で膨張させることによっ
て、極低温レベルの寒冷を発生させるようにしたものが
ある。

【０００３】この種の冷凍機では、膨張機で膨張する冷
媒ガスの圧力を高くするために、圧縮機を低段及び高段
の２段として両圧縮機を直列に接続し、冷媒ガスを低段
用圧縮機で圧縮した後、その圧縮機から吐出された冷媒
ガスをさらに高段用の圧縮機で圧縮することがある。

【０００４】このような２段式の圧縮機を使用する場
合、従来、例えば特開平７―２８０３６８号公報に示す
ように、高段用の圧縮機のドーム内底部に貯留された油
を低段用の圧縮機のドーム内に供給するための油配管を
設け、高段用圧縮機のドーム内圧と低段用圧縮機のドー
ム内圧との差によって油を流通させるようにしたものが
ある。この高段用圧縮機から低段用圧縮機へ供給された
油は、低段用圧縮機の圧縮機モータに供給されて該圧縮
機モータを冷却し、ドーム内底部に貯留される。その
後、その一部が該低段用圧縮機内部の潤滑に利用される
一方、冷媒ガスを冷却するために、ポンプによって低段
用圧縮機の圧縮室の圧縮途中に供給される。そして、こ
の低段用圧縮機の圧縮室に供給された油は、低段用圧縮
機から吐出される冷媒と共に高段用圧縮機のドーム内に
送られ、高段用圧縮機のドーム内に再び貯留されてこの
循環を繰り返すように構成されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術においては、高段用圧縮機から低段用圧縮機への
油の供給は、両圧縮機のドーム内圧の差によって行われ
ている。このため、冷凍機の運転状態の変化に伴って圧
縮機のドーム内圧が変化すると、高段用圧縮機から低段
用圧縮機へ流れる油の流量が変化してしまう。これに対
して、低段用圧縮機から高段用圧縮機へと油を戻すのは
ポンプによって行われているため、低段用圧縮機から高
段用圧縮機へと流れる油の流量は、冷凍機の運転状態と
は関係なく、ポンプの能力によって決定される。このた
め、高段用圧縮機のドーム内圧と低段用圧縮機のドーム
内圧との差が減少すると、高段用圧縮機から低段用圧縮
機への油の流量が減少する一方、低段用圧縮機から高段
用圧縮機へと送られる油の量は変化しないため、低段用
圧縮機のドーム内底部に貯留される油の量が減少し、こ
の結果、低段用圧縮機の焼付きを招くおそれがあるとい
う問題があった。

【０００６】本発明は、かかる点に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、圧縮機の運転状態に
影響されることなく、低段用圧縮機のドーム内に貯留さ
れている油の量を一定に維持することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、高段用圧縮機
（8）から低段用圧縮機（4）へと供給された油を、低段
用圧縮機（4）のドーム内に貯留することなく高段用圧
縮機（8）へと戻すようにしたものである。

【０００８】具体的に、請求項１記載の発明が講じた手
段は、低圧の冷媒ガスを吸い込んで中間圧の冷媒ガスを
吐出する低段用圧縮機（4）と、該低段用圧縮機（4）が
吐出した中間圧の冷媒ガスを少なくとも吸い込んで高圧
の冷媒ガスを吐出する高段用圧縮機（8）とを備えた冷
凍機（Ref）を前提としている。そして、上記両圧縮機
（4,8）を、容積型で且つ低圧ドームの密閉型に構成す
る一方、第１冷却器（HEX1）と油ポンプ（45）とを備
え、上記低段用圧縮機（4）のドーム内に貯留される油
を該第１冷却器（HEX1）で冷却して低段用圧縮機（4）
の圧縮機モータに供給する第１冷却油回路（61）と、第
２冷却器（HEX2）を備え、上記高段用圧縮機（8）のド
ーム内に貯留される油を該第２冷却器（HEX2）で冷却し
て低段用圧縮機（4）の圧縮室の圧縮途中に供給する第
２冷却油回路（62）と、第３冷却器（HEX3）を備え、上
記低段用圧縮機（4）から中間圧の冷媒ガスと共に吐出
される油を該第３冷却器（HEX3）で冷却して高段用圧縮
機（8）の圧縮機モータに供給する第３冷却油回路（6
3）とを設けるものである。

【０００９】また、請求項２記載の発明が講じた手段
は、請求項１記載の発明において、低段用圧縮機（4）
のドーム内に貯留される油の量が所定量以下になると異
常信号を出力する油量検出手段（PS）を設けるものであ
る。

【００１０】また、請求項３記載の発明が講じた手段
は、請求項２記載の発明において、油量検出手段（PS）
を、第１冷却油回路（61）内の圧力を検出し、検出圧力
値が所定値以下になると異常信号を出力する圧力スイッ
チ（PS）とするものである。

【００１１】−作用− 請求項１記載の発明では、低段用圧縮機（4）のドーム
内に貯留される油は、第１冷却油回路（61）の油ポンプ
（45）によって第１冷却器（HEX1）へと流れ、該第１冷
却器（HEX1）で冷却された後に低段用圧縮機（4）の圧
縮機モータに供給されて、該圧縮機モータを冷却する。
一方、高段用圧縮機（8）のドーム内に貯留される油
は、高段用圧縮機（8）のドーム内圧と低段用圧縮機
（4）のドーム内圧との差によって第２冷却油回路（6
2）を流れ、該第２冷却油回路（62）に設けられた第２
冷却器（HEX2）で冷却された後に低段用圧縮機（4）の
圧縮室の圧縮途中へ供給される。低段用圧縮機（4）の
圧縮室の圧縮途中へ供給された油は、該圧縮室で圧縮さ
れて高温となった中間圧の冷媒ガスを冷却し、該中間圧
の冷媒ガスと共に低段用圧縮機（4）から吐出される。
この中間圧の冷媒ガスと共に低段用圧縮機（4）から吐
出された油は、第３冷却油回路（63）を流れ、該第３冷
却油回路（63）に設けられた第３冷却器（HEX3）で冷却
された後に、高段用圧縮機（8）の圧縮機モータに供給
されて、該圧縮機モータが冷却される。

【００１２】また、請求項２記載の発明では、油量検出
手段（PS）が低段用圧縮機（4）のドーム内に貯留され
る油の量を検出し、油量が所定値以下になると油量検出
手段（PS）から異常信号が出力される。

【００１３】また、請求項３記載の発明では、低段用圧
縮機（4）のドーム内に貯留される油量が減少すると、
油面が低下して油ポンプ（45）が油を吸い込むことがで
きなくなる。この結果、第１冷媒回路内の圧力が低下し
て所定値以下に低下すると圧力スイッチ（PS）が作動し
て、異常信号を出力する。

【００１４】

【発明の効果】従って、請求項１記載の発明によれば、
高段用圧縮機（8）から第２冷却油回路（62）を流れて
低段用圧縮機（4）へと供給される油は、低段用圧縮機
（4）から吐出される中間圧の冷媒ガスと共に吐出され
て高段用圧縮機（8）へと戻る。このため、第２冷却油
回路（62）を流れる冷却油の量は冷凍運転状態の変化に
伴う両圧縮機（4,8）のドーム内圧の変動に従って変動
することとなるが、この冷却油は低段用圧縮機（4）の
ドーム内に貯留されることなく高段用圧縮機（8）に戻
ることとなる。この結果、冷凍運転状態の変化に伴って
両圧縮機（4,8）のドーム内圧が変動する場合において
も、低段用圧縮機（4）のドーム内に貯留される油の量
を一定に維持することができ、該低段用圧縮機（4）の
潤滑を確実に行うことができる。更には、低段用圧縮機
（4）のドーム内に貯留される油は、油ポンプ（45）に
よって第１冷却油回路（61）を流れ、第１冷却器（HEX
1）で冷却された後に再び低段用圧縮機（4）のドーム内
に供給される。この結果、低段用圧縮機（4）の圧縮機
モータを確実に冷却することができ、低段用圧縮機
（4）の信頼性を向上させることができる。

【００１５】また、請求項２記載の発明によれば、低段
用圧縮機（4）のドーム内に貯留される油量が所定量以
下になると、油量検出手段（PS）が異常信号を出力する
ため、万一、油量低下が生じた場合であっても、この油
量低下を確実に検出することができ、潤滑不良による低
段用圧縮機（4）の焼付きを確実に防ぐことができる。

【００１６】また、請求項３記載の発明によれば、圧力
スイッチ（PS）によって第１冷却油回路（61）内の圧力
を確実に検出することができ、低段用圧縮機（4）のド
ーム内における油量の減少を確実に検出することがで
き、潤滑不良による低段用圧縮機（4）の焼付きを確実
に防ぐことができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。

【００１８】図１及び図２は本発明の実施形態に係る冷
凍機（Ref）の全体構成を示す。この冷凍機（Ref）は、
液体ヘリウムの蒸発によって被冷却物（70）を約４Ｋレ
ベルに冷却するように構成されている。

【００１９】冷凍機（Ref）は、図１に示す圧縮機ユニ
ット（1）と、図２に示す真空デュワー（Dw）内に配置
された冷凍機ユニット（21）とにより構成されている。

【００２０】上記圧縮機ユニット（1）は、低圧ガス吸
入口（2）からの低圧ヘリウムガスを低圧配管（3）を介
して吸い込んで圧縮し、冷却油と共に吐出する低段用圧
縮機（4）と、この低段用圧縮機（4）から吐出されたヘ
リウムガスを冷却する第３空冷熱交換器（HEX3）と、こ
の第３空冷熱交換器（HEX3）から吐出されたヘリウムガ
スを、中間圧ガス吸入口（6）から中間圧配管（7）を介
して吸入された中間圧のヘリウムガスと共にさらに高圧
に圧縮し、冷却油と共に吐出する高段用圧縮機（8）
と、この高段用圧縮機（8）から吐出された高圧ヘリウ
ムガスから冷却油を分離する前段油分離器（9）と、こ
の前段油分離器（9）から吐出された高圧ヘリウムガス
を冷却する第５空冷熱交換器（HEX5）と、この第５空冷
熱交換器（HEX5）から吐出されたヘリウムガスからさら
に冷却油を分離する後段油分離器（11）と、この後段油
分離器（11）から吐出されたヘリウムガスから不純物を
吸着除去する吸着器（12）（アドソーバ）とが順に冷媒
配管で接続されて構成されている。そして、該吸着器
（12）の吐出側は予冷用高圧配管（13）を介して予冷用
高圧ガス吐出口（14）に、また予冷用高圧配管（13）か
ら分岐接続されたＪ−Ｔ用高圧配管（15）を介してＪ−
Ｔ用高圧ガス吐出口（16）にそれぞれ接続されている。
尚、上記低圧配管（3）には、低圧ガス吸入口（2）から
低段用圧縮機（4）へのヘリウムガスの流通のみを許容
する第１逆止弁（CV-1）が設けられている。

【００２１】上記低段用圧縮機（4）及び高段用圧縮機
（8）は、スクロール型で且つ低圧ドームの密閉型に構
成されると同時に、運転周波数可変のインバータ式に構
成されており、図示しないが、冷却油をドーム内に導入
して圧縮機モータに散布するモータインジェクションポ
ートと、冷却油を圧縮室の圧縮途中へ導入するＦＳイン
ジェクションポートと、冷媒ガスをドーム内に導入する
吸入口と、圧縮した冷媒ガスを吐出する吐出口とを備え
ている。

【００２２】上記Ｊ−Ｔ用高圧配管（15）には流量調整
用の絞り固定式の第１絞り弁（V1）が配設されている。

【００２３】さらに、上記低段用圧縮機（4）の吸込側
と第１逆止弁（CV-1）との間の低圧配管（3）には、ヘ
リウムガス給排配管（17）の一端が第２逆止弁（CV-2）
を介して接続され、このヘリウムガス給排配管（17）の
他端は、ヘリウムガスを所定圧力で貯蔵するバッファタ
ンク（図示せず）に接続されると共に、第２逆止弁（CV
-2）はバッファタンクから低圧配管（3）へ向かうヘリ
ウムガスの流通のみを許容するように構成されている。
ヘリウムガス給排配管（17）には流量調整用の絞り固定
式の第２絞り弁（V2）と、この第２絞り弁（V2）の低圧
配管（3）側に低圧制御弁（LPR）とが配設されている。
上記低圧制御弁（LPR）は、低圧配管（3）でのヘリウム
ガスの圧力が設定圧以下に低下したときにそれをパイロ
ット圧として自動的に開くもので、この低圧制御弁（LP
R）の開弁に伴いバッファタンク内のヘリウムガスが低
圧配管（3）に供給される。

【００２４】尚、上記Ｊ−Ｔ用高圧配管（15）と、ヘリ
ウムガス給排配管（17）の集合部とは高圧制御弁（HP
R）を配置したヘリウムガス戻し配管（18）により接続
されている。上記高圧制御弁（HPR）は、Ｊ−Ｔ用高圧
配管（15）でのヘリウムガスの圧力が設定圧以上に上昇
したときにそれをパイロット圧として自動的に開くもの
で、この高圧制御弁（HPR）の開弁によりＪ−Ｔ用高圧
配管（15）（冷媒回路）のヘリウムガスがバッファタン
ク内に戻される。

【００２５】これに対し、上記冷凍機ユニット（21）に
は、圧縮機ユニット（1）の高段用圧縮機（8）に対し閉
回路に接続された予冷機（22）と、低段用圧縮機（4）
及び高段用圧縮機（8）に対し直列に接続されたＪ−Ｔ
回路（31）とが設置されている。これら予冷機（22）及
びＪ−Ｔ回路（31）は、図２に示すように、予冷機（2
2）は、Ｇ−Ｍ（ギフォード・マクマホン）サイクルの
冷凍機で構成されていて、Ｊ−Ｔ回路（31）におけるヘ
リウムガス（冷媒ガス）を予冷するためにヘリウムガス
を圧縮及び膨張させる。この予冷機（22）は上記真空デ
ュワー（Dw）の外部に配置される密閉円筒状のケース
（23）と、該ケース（23）に連設された大小２段構造の
シリンダ（24）とを有する。上記ケース（23）には上記
圧縮機ユニット（1）の予冷用高圧ガス吐出口（14）に
フレキシブル配管（25）を介して接続される高圧ガス入
口（26）と、同中間圧ガス吸入口（6）にフレキシブル
配管（27）を介して接続される低圧ガス出口（28）とが
開口されている。一方、シリンダ（24）は真空デュワー
（Dw）の側壁を貫通してその内部に延びており、その大
径部の先端部は所定温度レベルに冷却保持される第１ヒ
ートステーション（29）に、また小径部の先端部は上記
第１ヒートステーション（29）よりも低い温度レベルに
冷却保持される第２ヒートステーション（30）にそれぞ
れ形成されている。

【００２６】すなわち、ここでは図示しないが、シリン
ダ（24）内には、上記各ヒートステーション（29,30）
に対応する位置にそれぞれ膨張空間を区画形成するフリ
ータイプのディスプレーサ（置換器）が往復動可能に嵌
挿されている。一方、上記ケース（23）内には、回転す
る毎に開閉するロータリバルブと、該ロータリバルブを
駆動するバルブモータとが収容されている。ロータリバ
ルブは、上記高圧ガス入口（26）から流入したヘリウム
ガスをシリンダ（24）内の各膨張空間に供給し、又は各
膨張空間内で膨張したヘリウムガスを低圧ガス出口（2
8）から排出するように切り換わる。そして、このロー
タリバルブの開閉により高圧ヘリウムガスをシリンダ
（24）内の各膨張空間でサイモン膨張させて、その膨張
に伴う温度降下により極低温レベルの寒冷を発生させ、
その寒冷をシリンダ（24）における第１及び第２ヒート
ステーション（29,30）にて保持する。つまり、予冷機
（22）では、高段用圧縮機（8）から吐出された高圧の
ヘリウムガスを断熱膨張させてヒートステーション（2
9,30）の温度を低下させ、Ｊ−Ｔ回路（31）における後
述の予冷器（36,37）を予冷するとともに、膨張した低
圧ヘリウムガスを高段用圧縮機（8）に戻して再圧縮す
るようになされている。

【００２７】一方、上記Ｊ−Ｔ回路（31）は、約４Ｋレ
ベルの寒冷を発生させるためにヘリウムガスをジュール
・トムソン膨張させるものであって、このＪ−Ｔ回路
（31）は上記真空デュワー（Dw）内に配置された第１〜
第３のＪ−Ｔ熱交換器（32〜34）を備えている。この各
Ｊ−Ｔ熱交換器（32〜34）は１次側及び２次側をそれぞ
れ通過するヘリウムガス間で互いに熱交換させるもの
で、第１Ｊ−Ｔ熱交換器（32）の１次側は圧縮機ユニッ
ト（1）のＪ−Ｔ用高圧ガス吐出口（16）にフレキシブ
ル配管（35）を介して接続されている。また、第１及び
第２のＪ−Ｔ熱交換器（32,33）の各１次側同士は、上
記予冷機（22）におけるシリンダ（24）の第１ヒートス
テーション（29）外周に配置した第１予冷器（36）を介
して接続されている。同様に、第２及び第３Ｊ−Ｔ熱交
換器（33,34）の各１次側同士は、第２ヒートステーシ
ョン（30）外周に配置した第２予冷器（37）を介して接
続されている。さらに、上記第３Ｊ−Ｔ熱交換器（34）
の１次側は、高圧のヘリウムガスをジュール・トムソン
膨張させるＪ−Ｔ弁（38）に吸着器（39）を介して接続
されている。上記Ｊ−Ｔ弁（38）は真空デュワー（Dw）
外側から操作ロッド（38a）によって開度が調整され
る。上記Ｊ−Ｔ弁（38）には、ステンレス鋼製の管から
なるヘリウム配管（40）の一端が接続される一方、該ヘ
リウム配管（40）の他端は上記第３Ｊ−Ｔ熱交換器（3
4）の２次側に接続されている。また、上記ヘリウム配
管（40）には、内部をヘリウムが流通し、且つ被冷却物
（70）と接触して設けられて該被冷却物（70）の冷却を
行う冷却部（41）が設けられている。尚、この冷却部
（41）と被冷却物（70）とは共に上記真空デュワー（D
w）内部に設けられている。そして、この第３Ｊ−Ｔ熱
交換器（34）の２次側は第２Ｊ−Ｔ熱交換器（33）の２
次側を経て第１Ｊ−Ｔ熱交換器（32）の２次側に接続さ
れ、この第１Ｊ−Ｔ熱交換器（32）の２次側はフレキシ
ブル配管（42）を介して圧縮機ユニット（1）の低圧ガ
ス吸入口（2）に接続されている。

【００２８】すなわち、Ｊ−Ｔ回路（31）はヘリウム配
管（40）、フレキシブル配管（35,42）、低圧配管
（3）、両圧縮機（4,8）及びＪ−Ｔ用高圧配管（15）に
対し直列に接続された冷媒回路をなし、ヘリウム配管
（40）の冷却部（41）で被冷却物（70）を冷却して蒸発
したヘリウムガスを第３〜第１Ｊ−Ｔ熱交換器（34〜3
2）の各２次側を通して低段用及び高段用圧縮機（4,8）
に吸入圧縮する。また、この高段用圧縮機（8）により
圧縮された高圧ヘリウムガスを第１〜第３のＪ−Ｔ熱交
換器（32〜34）において、低段用圧縮機（4）側に向か
う低温低圧のヘリウムガスと熱交換させるとともに、第
１及び第２予冷器（36,37）でそれぞれシリンダ（24）
の第１及び第２ヒートステーション（29,30）で冷却し
た後、Ｊ−Ｔ弁（38）でジュール・トムソン膨張させて
約４Ｋの液状態のヘリウムとなし、この液体ヘリウムを
ヘリウム配管（40）の冷却部（41）へと送るようになさ
れている。

【００２９】続いて、本発明の特徴とする油回路につい
て説明すると、上記前段油分離器（9）の底部は、フィ
ルタ（64a）、オリフィス（64b）及び第４空冷熱交換器
（HEX4）を配設した第４冷却油回路（64）を介して高段
用圧縮機（8）のＦＳインジェクションポートに接続さ
れており、前段油分離器（9）でヘリウムガスから分離
された冷却油を第４冷却油回路（64）により高段用圧縮
機（8）の圧縮室の圧縮途中に供給している。

【００３０】上記前段及び後段の油分離器（9,11）は、
後述する第３冷却油回路（63）の第３空冷熱交換器（HE
X3）よりも低段用圧縮機（4）側に第２油戻し配管（6
6）を介して接続されている。この第２油戻し配管（6
6）は油分離器（9,11）側で２つの分岐油戻し配管（66
A,66B）に並列に分岐され、一方の分岐油戻し配管（66
A）は、フィルタ（66Aa）及びオリフィス（66Ab）を備
えて前段油分離器（9）にその油溜り底面よりも所定高
さの位置に開口され、また他方の分岐油戻し配管（66
B）は、フィルタ（66Ba）及びオリフィス（66Bb）を備
えて後段油分離器（11）の底部にそれぞれ開口されてい
る。

【００３１】上記高段用圧縮機（8）内の底部には、そ
の内部の冷却油を吸引して吐出する第２油ポンプ（50）
が配設され、この第２油ポンプ（50）には第２リターン
配管（68）の一端が接続されている。この第２リターン
配管（68）は高段用圧縮機（8）の外部に延び、その部
分にはフィルタ（68a）及びオリフィス（68b）が直列に
配設されており、第２リターン配管（68）の他端は、第
４冷却油回路（64）の第４空冷熱交換器（HEX4）よりも
高段用圧縮機（8）側に接続されている。

【００３２】更に、上記高段用圧縮機（8）には、第２
冷却油回路（62）と第１油戻し配管（65）とが接続され
ている。この第２冷却油回路（62）は、フィルタ（62
a）、オリフィス（62b）及び第２冷却器である第２空冷
熱交換器（HEX2）とが直列に接続されて成ると共に、フ
ィルタ（62a）側の一端が高段用圧縮機（8）の底部に、
第２空冷熱交換器（HEX2）側の一端が低段用圧縮機
（4）のＦＳインジェクションポートに接続されてお
り、高段用圧縮機（8）のドーム内の冷却油を第２空冷
熱交換器（HEX2）で冷却した後に低段用圧縮機（4）の
圧縮室の圧縮途中に供給している。また、第１油戻し配
管（65）は、フィルタ（65a）とオリフィス（65b）とが
直列に接続されて成ると共に、フィルタ（65a）側の一
端が、高段用圧縮機（8）に対しそのドーム内における
油溜り底面よりも所定高さの位置に開口されると共に、
オリフィス（65b）側の一端は、後述する第１冷却油回
路（61）のオリフィス（61b）と第１空冷熱交換器（HEX
1）との間に接続されている。

【００３３】また、上述のように、低段用圧縮機（4）
と高段用圧縮機（8）とは第３空冷熱交換器（HEX3）を
介して配管で接続されており、低段用圧縮機（4）が吐
出するヘリウムガスは、第３空冷熱交換器（HEX3）で冷
却された後に高段用圧縮機（8）に吸入される。そし
て、この低段用圧縮機（4）から高段用圧縮機（8）へ至
る配管は、一端が低段用圧縮機（4）の吐出口に接続さ
れ、他端が高段用圧縮機（8）のモータインジェクショ
ンポートに接続されて第３冷却油回路（63）に構成され
ており、低段用圧縮機（4）から吐出された冷却油とヘ
リウムガスは、共に第３冷却器である第３空冷熱交換器
（HEX3）で冷却された後に高段用圧縮機（8）のドーム
内へ供給される。

【００３４】上記低段用圧縮機（4）内の底部には、そ
の内部の冷却油を吸引して吐出する第１油ポンプ（45）
が配設され、この第１油ポンプ（45）には第１冷却油回
路（61）の一端が接続されている。この第１冷却油回路
（61）は低段用圧縮機（4）の外部に延び、その部分に
はフィルタ（61a）、オリフィス（61b）及び第１冷却器
である第１空冷熱交換器（HEX1）がそれぞれ直列に配設
されている。また、この第１冷却油回路（61）の他端は
低段用圧縮機（4）のモータインジェクションポートに
接続されており、第１空冷熱交換器（HEX1）で冷却され
た油を低段用圧縮機（4）のドーム内へ供給される。

【００３５】上記第１冷却油回路（61）には、第１リタ
ーン配管（67）が接続されている。この第１リターン配
管（67）は、オリフィス（67b）を備えると共に、一端
が第１冷却油回路（61）のフィルタ（61a）とオリフィ
ス（61b）との間に、他端が第２冷却油回路（62）の第
２空冷熱交換器（HEX2）よりも高段用圧縮機（8）側に
ぞれぞれ接続されている。

【００３６】また、上記第１冷却油回路（61）における
第１油ポンプ（45）とフィルタ（61a）との間には圧力
スイッチ（PS）が接続されている。この圧力スイッチ
（PS）は、第１冷却油回路（61）内の圧力が所定値以下
となると作動して異常信号を出力する油量検出手段（P
S）に構成されている。

【００３７】−運転動作− 本実施形態に係る冷凍機（Ref）の運転動作について説
明すると、ヘリウム配管（40）に設けられた冷却部（4
1）において液体ヘリウムが蒸発し、該冷却部（41）に
接触させて配置した被冷却物（70）が冷却保持される。
また、上記冷却部（41）内で蒸発したヘリウムガスは、
冷凍機（Ref）の冷媒回路に供給され、そこで圧縮及び
膨張により冷却されて液化する。この液体ヘリウムはヘ
リウム配管（40）を流れて、再び冷却部（41）に至る。
このことによって、被冷却物（70）安定して冷却され
る。

【００３８】上記冷凍機（Ref）の運転についてさらに
詳しく説明すると、低段用圧縮機（4）によりヘリウム
ガスが圧縮されて冷却油と共に吐出され、この低段用圧
縮機（4）から吐出されたヘリウムガスは高段用圧縮機
（8）に吸引されて圧縮され、その高段用圧縮機（8）か
ら冷却油と共に吐出される。この高段用圧縮機（8）か
ら吐出された高圧のヘリウムガスは前段油分離器（9）
において殆どの冷却油を、また後段油分離器（11）にお
いて残りの少しの冷却油をそれぞれ分離された後、その
一部が予冷機（22）（膨張機）に供給されて該予冷機
（22）におけるシリンダ（24）内の各膨張空間で膨張
し、このガスの膨張に伴う温度降下により第１ヒートス
テーション（29）が所定温度レベルに、また第２ヒート
ステーション（30）が第１ヒートステーション（29）よ
りも低い温度レベルにそれぞれ冷却される。膨張空間で
膨張したヘリウムガスは圧縮機ユニット（1）に戻り、
その中間圧配管（7）を経由して高段用圧縮機（8）に吸
い込まれて圧縮される。

【００３９】一方、圧縮機ユニット（1）における高段
用圧縮機（8）から吐出された高圧のヘリウムガスの残
部は上記Ｊ−Ｔ用高圧配管（15）の第１絞り弁（V1）を
経由してＪ−Ｔ回路（31）の第１Ｊ−Ｔ熱交換器（32）
の１次側に入り、そこで低段用圧縮機（4）側へ向かう
２次側の低圧ヘリウムガスと熱交換されて常温３００Ｋ
から約５０Ｋまで冷却され、その後、上記予冷機（22）
の第１ヒートステーション（29）外周の第１予冷器（3
6）に入ってさらに冷却される。この冷却されたガスは
第２Ｊ−Ｔ熱交換器（33）の１次側に入って、同様に２
次側の低圧ヘリウムガスとの熱交換により約１５Ｋまで
冷却された後、予冷機（22）の第２ヒートステーション
（30）外周の第２予冷器（37）に入ってさらに冷却され
る。この後、ガスは第３Ｊ−Ｔ熱交換器（34）の１次側
に入って２次側の低圧ヘリウムガスとの熱交換によりさ
らに冷却され、しかる後にＪ−Ｔ弁（38）に至る。この
Ｊ−Ｔ弁（38）では高圧ヘリウムガスは絞られてジュー
ル・トムソン膨張し、約４Ｋの液状態のヘリウムとな
り、この液体ヘリウムはヘリウム配管（40）から冷却部
（41）へ供給され、冷却部（41）内で蒸発して被冷却物
（70）を冷却する。また、冷却部（41）内で蒸発したヘ
リウムガスは、ヘリウム配管（40）を介して第３Ｊ−Ｔ
熱交換器（34）の２次側に吸入され、第２及び第１Ｊ−
Ｔ熱交換器（33,32）の各２次側を経由して低段用圧縮
機（4）に吸い込まれて圧縮される。

【００４０】続いて、本発明の特徴とする油回路におけ
る冷却油の流通について、図３に基づいて説明する。

【００４１】上記前段油分離器（9）で回収されて前段
油分離器（9）内に貯留している冷却油は、その一部 A
が前段油分離器（9）の底部から第４冷却油回路（64）
を流れ、第４空冷熱交換器（HEX4）で冷却された後に高
段用圧縮機（8）のＦＳインジェクションポートから圧
縮室の圧縮途中に流入する。そして、この圧縮室に流入
した冷却油は、高段用圧縮機（8）で圧縮された高圧の
ヘリウムガスを冷却し、この高圧ヘリウムガスと共に吐
出された後に、前段油分離器（9）でヘリウムガスと分
離し、この循環を繰り返す。その際、前段油分離器
（9）から高段用圧縮機（8）のＦＳインジェクションポ
ートへは、圧力差によって冷却油が流れる。つまり、前
段油分離器（9）内部の圧力は高段用圧縮機（8）の吐出
圧力（約２４kgf/cm²）であるのに対して、ＦＳインジ
ェクションポートの開口する圧縮室の圧縮途中の圧力は
高段用圧縮機（8）の吸入圧力（約８kgf/cm²）であるた
め、この圧力差によって冷却油が流れる。

【００４２】また、上述のように高段用圧縮機（8）の
ＦＳインジェクションポートから圧縮室に流入した冷却
油が吐出されるまでの間に、圧縮室に流入した冷却油の
一部L2 が圧縮室からドーム内底部の油溜まりに流れ
る。このため、この油溜まりに流れる量と同量 L2 の冷
却油を、第２油ポンプ（50）によって第２リターン配管
（68）から第４冷却回路へと戻して高段用圧縮機（8）
内に貯留される冷却油量を略一定に維持する。

【００４３】上記高段用圧縮機（8）に貯留している冷
却油は、その一部 B が高段用圧縮機（8）のドーム底部
から第２冷却油回路（62）を流れ、第２空冷熱交換器
（HEX2）で冷却された後に低段用圧縮機（4）のＦＳイ
ンジェクションポートから圧縮室の圧縮途中に流入す
る。その際、高段用圧縮機（8）から低段用圧縮機（4）
のＦＳインジェクションポートへは、圧力差によって冷
却油が流れる。つまり、高段用圧縮機（8）のドーム内
部の圧力は低段用圧縮機（4）の吐出圧力（約８kgf/c
m²）であるのに対して、ＦＳインジェクションポートの
開口する圧縮室の圧縮途中の圧力は低段用圧縮機（4）
の吸入圧力（約０．１kgf/cm²）であるため、この圧力
差によって冷却油が流れる。そして、この圧縮室に流入
した冷却油は、低段用圧縮機（4）で圧縮された中間圧
のヘリウムガスを冷却し、この中間圧のヘリウムガスと
共に吐出されて第３冷却油回路（63）へと流れる。

【００４４】一方、前段油分離器（9）に貯留している
冷却油の一部は分岐油戻し配管（66A）を流れ、また、
図３には示さないが、後段油分離器（11）内の冷却油は
分岐油戻し配管（66B）を流れ、両者を合わせた量 F2
の冷却油が第２油戻し配管（66）から第２冷却油回路
（62）に合流する。その後、低段用圧縮機（4）から吐
出した冷却油と両油分離器（9,11）からの冷却油を合わ
せた冷却油 B+F2 が、第３空冷熱交換器（HEX3）で冷却
された後に中間圧ヘリウムガスと共に高段用圧縮機
（8）のモータインジェクションポートより高段用圧縮
機（8）のドーム内に流入する。そして、モータインジ
ェクションポートより流入した冷却油は、高段用圧縮機
（8）の圧縮機モータに散布されて圧縮機モータを冷却
した後にドーム底部に貯留され、その後、軸受け等の潤
滑に利用される。

【００４５】また、高段用圧縮機（8）の場合と同様
に、低段用圧縮機（4）の圧縮室に流入した冷却油の一
部 L1 が圧縮室からドーム内底部の油溜まりに流れる。
この油溜まりに流れた量と同量 L1 の冷却油は、後述す
るように第１油ポンプ（45）によって第１リターン配管
（67）から第２冷却油回路（62）へと戻る。

【００４６】上記低段用圧縮機（4）においては、その
油溜まりから冷却油 C+L1 が第１油ポンプ（45）で押し
出されて、第１冷却油回路（61）を流れる。このうちの
一部の冷却油 L1 は、第１リターン配管（67）へと分岐
して流れ、第２冷却油回路（62）へと戻される。一方、
高段用圧縮機（8）のドーム内に貯留された冷却油の一
部 F1 は、第１油戻し配管（65）を流れて、第１冷却油
回路（61）を流れる冷却油 C と合流する。そして、合
流した後の冷却油 C+F1 が第１空冷熱交換器（HEX1）で
冷却された後に、低段用圧縮機（4）のモータインジェ
クションポートよりドーム内に流入して圧縮機モータに
散布され、この圧縮機モータを冷却した後に低段用圧縮
機（4）のドーム底部に貯留し、その後、軸受け等の潤
滑に利用される。

【００４７】上記圧力スイッチ（PS）の動作について説
明すると、この圧力スイッチ（PS）は第１冷却油回路
（61）内の圧力が所定値以下に低下すると作動し、信号
を出力する。つまり、図４に示すように、低段用圧縮機
（4）のドーム内に貯留されている冷却油量が十分あっ
て油面高さが所定値以上に維持されている場合には、第
１油ポンプ（45）の吐出圧力は一定している。これに対
して、低段用圧縮機（4）のドーム内に貯留されている
冷却油量が減少して油面高さが所定値以下に低下した場
合には、第１油ポンプ（45）が冷却油を吸入できなくな
るため、第１油ポンプ（45）の吐出圧力は急激に減少す
る。従って、第１油ポンプ（45）の吐出圧力、即ち第１
冷却油回路（61）内の圧力が所定値以下に低下した場合
は、低段用圧縮機（4）に貯留されている冷却油が減少
していると判断できるため、圧力スイッチ（PS）の出力
する信号は、冷却油量が所定量以下となったことを示す
異常信号となる。そして、この異常信号が制御ユニット
に入力されて圧縮機の非常停止等の保護動作が行われ
る。

【００４８】−実施形態１の効果− 本実施形態１によれば、高段用圧縮機（8）から第２冷
却油回路（62）を流れて低段用圧縮機（4）のＦＳイン
ジェクションポートへと供給される冷却油は、低段用圧
縮機（4）から中間圧のヘリウムガスと共に吐出されて
高段用圧縮機（8）のモータインジェクションポートへ
と戻る。このため、第２冷却油回路（62）を流れる冷却
油の量は冷凍機（Ref）の運転状態の変化に伴う両圧縮
機（4,8）のドーム内圧の変動に従って変動することと
なるが、この冷却油は低段用圧縮機（4）のドーム内に
貯留されることなく高段用圧縮機（8）に戻されること
となる。この結果、冷凍機（Ref）の運転状態の変化に
伴って両圧縮機（4,8）のドーム内圧が変動する場合に
おいても、低段用圧縮機（4）のドーム内に貯留される
油の量を一定に維持することができ、該低段用圧縮機
（4）の潤滑を確実に行うことができる。

【００４９】また、圧力スイッチ（PS）によって第１冷
却油回路（61）内の圧力を検出することによって、低段
用圧縮機（4）のドーム内における油量の減少を確実に
検出することができ、低段用圧縮機（4）の焼付きを確
実に防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る冷凍機の圧縮機ユニ
ットを示す回路図である。

【図２】本発明の実施の形態に係る冷凍機の冷凍機ユニ
ットを示す回路図である。

【図３】本発明の実施の形態に係る圧縮機ユニットの油
回路における冷却油の流通状態を説明するための説明図
である。

【図４】圧縮機のドーム内に貯留される冷却油の油面高
さと油ポンプの吐出圧力との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

（4） 低段用圧縮機 （8） 高段用圧縮機 （45） 第１油ポンプ（油ポンプ） （61） 第１冷却油回路 （62） 第２冷却油回路 （63） 第３冷却油回路 （Ref） 冷凍機 （HEX1）第１空冷熱交換器（第１冷却器） （HEX2）第２空冷熱交換器（第２冷却器） （HEX3）第３空冷熱交換器（第３冷却器） （PS） 圧力スイッチ、油量検出手段

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 低圧の冷媒ガスを吸い込んで中間圧の冷
   媒ガスを吐出する低段用圧縮機（4）と、該低段用圧縮
   機（4）が吐出した中間圧の冷媒ガスを少なくとも吸い
   込んで高圧の冷媒ガスを吐出する高段用圧縮機（8）と
   を備えた冷凍機（Ref）において、 上記両圧縮機（4,8）は、容積型で且つ低圧ドームの密
   閉型に構成される一方、 第１冷却器（HEX1）と油ポンプ（45）とを備え、上記低
   段用圧縮機（4）のドーム内に貯留される油を該第１冷
   却器（HEX1）で冷却して低段用圧縮機（4）の圧縮機モ
   ータに供給する第１冷却油回路（61）と、 第２冷却器（HEX2）を備え、上記高段用圧縮機（8）の
   ドーム内に貯留される油を該第２冷却器（HEX2）で冷却
   して低段用圧縮機（4）の圧縮室の圧縮途中に供給する
   第２冷却油回路（62）と、 第３冷却器（HEX3）を備え、上記低段用圧縮機（4）か
   ら中間圧の冷媒ガスと共に吐出される油を該第３冷却器
   （HEX3）で冷却して高段用圧縮機（8）の圧縮機モータ
   に供給する第３冷却油回路（63）とを備えることを特徴
   とする冷凍機。
2. 【請求項２】 請求項１記載の冷凍機において、 低段用圧縮機（4）のドーム内に貯留される油の量が所
   定量以下になると異常信号を出力する油量検出手段（P
   S）を備えていることを特徴とする冷凍機。
3. 【請求項３】 請求項２記載の冷凍機において、 油量検出手段（PS）は、第１冷却油回路（61）内の圧力
   を検出し、検出圧力値が所定値以下になると異常信号を
   出力する圧力スイッチ（PS）であることを特徴とする冷
   凍機。