CN101012981A - 蓄冷器式冷冻机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有将缸与置换器之间密封的密封部件的蓄冷器式冷冻机，目的是使密封平衡变得良好并且实现维护间隔的长期化。本发明的蓄冷器式冷冻机构成为，设置有缸(22)、置换器(23)、使置换器(23)在缸(22)内往复移动的马达(M)、和分别设在置换器(23)的高温侧及低温侧、且导引置换器(23)的移动的导引部件(35、36)。

Description

蓄冷器式冷冻机

技术领域

本发明涉及蓄冷器式冷冻机，特别涉及通过缸(cylinder)使置换器(displacer)往复移动的蓄冷器式冷冻机。

背景技术

图1表示作为以往的一例的蓄冷器式冷冻机。一般，蓄冷器式冷冻机已知有冷冻温度为40K以上的单级式、和冷冻温度为20K以下的极低温的2级式，在该图中表示单级式的蓄冷器式冷冻机1。

蓄冷器式冷冻机1大体由缸2、置换器3、蓄冷材料(或蓄冷构件)4、气体供给装置5等构成。在缸2的内部中，置换器3被配设成可沿缸方向往复移动。在置换器3的内部中配设有蓄冷材料4。

此外，在置换器3的图中上部形成有气体流通孔9，并且在下部形成有气体流通孔10。由此，从气体供给装置5供给的氦气等动作气体通过该气体流通孔9、10被供给到形成于置换器3的下端与缸2的底面之间的膨胀室11中。

此外，以往设有将缸2与置换器3之间密封的密封部件，以使动作气体不会经由缸2的内周面与置换器3的外周面之间的间隙流动。作为该密封部件使用滑动密封件(slipper seal)12，配设在置换器3的高温侧(图中上侧)。滑动密封件12如图2所示，由O环13和帽密封14构成。进而，在置换器3的低温侧(图中下侧)，设有导引缸2内的置换器3的移动的环状的磨损件15(参照专利文献1)。

另一方面，气体供给装置5由压缩机7、吸气阀V1及排气阀V2构成。在置换器3处于下死点时，由压缩机7生成的高压的动作气体通过将吸气阀V1开阀并将排气阀V2闭阀而经由气体流路8被供给到缸2的内部。由此，缸2内的压力上升。

在此状态下，通过驱动马达M使置换器3向上运动到上死点。由此，高压的动作气体通过气体流通孔9、蓄冷材料4、及气体流通孔10进入膨胀室11内。接着，将吸气阀V1开阀并将排气阀V2闭阀。由此，膨胀室11内的动作气体膨胀，随之产生寒冷。

接着，通过驱动马达M使置换器3再运动到下死点。由此，膨胀的动作气体通过气体流通孔10、蓄冷材料4、气体流通孔9、及气体流路8，再次被回收到气体供给装置5中。通过重复进行以上的循环，在膨胀室11中能够产生30K左右的寒冷。另外，在以往，以马达M的转速为60rpm左右的旋转速度进行驱动置换器3。

【专利文献1】(日本)特开2004-233004号公报

但是，以往的蓄冷器式冷冻机1由于做成了在高温侧和低温侧配设具有不同特性的滑动密封件12和磨损件15的结构，所以虽然在低温侧能够导引置换器3的移动，但有在高温侧不能适当地导引置换器3的移动的问题。

此外，通过在高温侧，置换器3从正确位置偏离，有置换器3与缸2滑动接触而产生偏磨损的问题。

此外，在进行维护时，需要以相对于磨损件15，磨损较快的滑动密封件12为基准进行，还有维护间隔较短的问题。

发明内容

本发明是鉴于上述的问题而做出的，目的是提供一种能够确保置换器的适当移动并且实现维护间隔的长期化的蓄冷器式冷冻机。

为了解决上述问题，本发明的特征是采用了以下所述的手段。

有关技术方案1所述的发明的蓄冷器式冷冻机的特征在于，具有：

缸；

置换器，可往复移动地配设在该缸内；

驱动机构，使该置换器在缸内往复移动；以及

导引部件，分别设在上述置换器的高温侧及低温侧，导引上述置换器的移动。

根据上述发明，通过将导引部件分别设置在高温侧和低温侧，导引部件的经时变化在高温侧与低温侧大体均匀地发生，所以能够抑制其中一个偏向地磨损。由此，能够防止因导引部件使置换器抵接在缸上，能够实现可靠性的提高。

此外，技术方案2所述的发明的特征在于，在技术方案1所述的蓄冷器式冷冻机中，上述导引部件是氟树脂制。

根据上述发明，通过由平滑性良好且高硬度的氟树脂制形成导引部件，能够可靠地进行缸内的置换器的导引，并且能够延长维护间隔。

此外，技术方案3所述的发明的特征在于，在技术方案1或2所述的蓄冷器式冷冻机中，上述驱动机构以73～150rpm的旋转速度驱动上述置换器。

此外，技术方案4所述的发明的特征在于，在技术方案1至3中任一项所述的蓄冷器式冷冻机中，上述导引部件形成有环状槽。

此外，技术方案5所述的发明的特征在于，在技术方案1至4中任一项所述的蓄冷器式冷冻机中，上述缸与上述置换器是单级的。

本发明的效果如下：

根据本发明，由于导引部件的经时变化在高温侧与低温侧大体均匀地发生、能够抑制其中之一偏向地磨损，所以能够防止因导引部件使置换器抵接在缸上，能够实现可靠性的提高。

附图说明

图1是作为以往的一例的蓄冷器式冷冻机的剖视图。

图2是将滑动密封件放大表示的立体图。

图3是将磨损件放大表示的立体图。

图4是作为本发明的一实施例的蓄冷器式冷冻机的剖视图。

图5是将作为本发明的一实施例的蓄冷器式冷冻机的冷冻特性与以往的蓄冷器式冷冻机比较表示的图。

具体实施方式

接着，结合附图说明用来实施本发明的优选的实施方式。

图4表示作为本发明的一实施例的蓄冷器式冷冻机20。作为使用氦等动作气体、且具有收容蓄冷材料的蓄冷器的蓄冷器式冷冻机，已知有吉福特-麦克马洪(ギフオ一ドマクマホン)(GM)循环冷冻机、(反)斯特林(スタ一リング)循环冷冻机。

在本实施例中，假设以吉福特-麦克马洪(GM)冷冻机为例进行说明。该GM冷冻机采用大体利用阀控制来自氦气压缩机的气体流路、通过在膨胀空间中使氦气膨胀而得到寒冷的结构。

蓄冷器式冷冻机20大体上由缸22、置换器23、蓄冷材料24、以及气体供给装置25、以及导引部件35、36等构成。构成气体供给装置25的压缩机27将动作气体(氦气)压缩为20多Kgf/cm²。该高压的动作气体通过将吸气阀V1开阀、将排气阀V2闭阀，经由气体流路28被供给到缸22内。

缸22由不锈钢等热传导率较低、气密性较高的刚性材料形成。有关本实施例的蓄冷器式冷冻机20由于是单级式的蓄冷器式冷冻机，所以采用缸22也仅配设一个的结构。此外，缸22的外形做成了圆筒形状。

在该缸22的内部中，以可沿图中上下方向往复移动的结构收纳有置换器23。轴部件S从置换器23的上部向上方延伸，与结合在驱动用马达M(驱动机构)上的曲柄机构26结合。因而，如果马达M旋转，则该旋转被曲柄机构26变换为轴部件S的上下运动，由此置换器23在缸22内往复移动。

在本实施例中，更优选地构成为，以马达M的旋转速度为73～150rpm的旋转速度驱动置换器23。在以往，马达M的旋转速度一般是60～72rpm左右，但在本实施例中，与以往相比提高了马达M的旋转速度，由此实现了冷冻能力的提高。但是，随着马达M的旋转速度的上升，缸22内的置换器23的往复速度及每单位时间的往复次数也增大。

这里，关注缸22内的置换器23的支撑构造。在本实施例中，作为导引部件35、36而使用磨损件，配设在置换器23中。该导引部件35、36发挥相对于缸22导引置换器23的移动的功能。但是，与以往使用的滑动密封件12(参照图1及图2)不同，不具有将缸22与置换器23之间密封的功能。

该导引部件35、36具有环状形状，配设在形成于置换器23外周的环状槽内。此外，如图3中放大表示，在导引部件35、36上形成有槽部16，做成了提高导引性的结构。

另外，在本实施例中将导引部件35、36设置在置换器23上，但导引部件35、36的配设位置并不限于置换器23上，也可以做成在缸22的内周位置形成环状槽、配设在该环状槽内的结构。

此外，导引部件35、36的材质选定PTFE(四氟化乙烯树脂)。该PTFE在耐热性、耐药性、润滑性、硬度、耐弯曲性、耐磨损性等方面较好。因此，即使置换器23在缸22内往复移动，也能够平滑地支撑并导引往复移动。由此，能够防止置换器23与缸22的接触，能够抑制在缸22、置换器23上发生偏磨损，能够提高蓄冷器式冷冻机20的可靠性。此外，导引部件35、36由于寿命比以往使用的滑动密封件12长，所以能够延长维护间隔。

由磨损件构成的导引部件35、36如上所述支撑及导引置换器23的功能较好，但与滑动密封件12(参照图2)相比没有密封性。图5表示图1所示的在高温侧配设滑动密封件12并且在低温侧配设磨损件15的以往的蓄冷器式冷冻机1、和在高温侧配设高温侧导引部件35并且在低温侧配设低温侧导引部件36的蓄冷器式冷冻机20的冷却特性。

在图5中，为了表示冷却特性，在横轴上取温度、在纵轴上取热负荷。此外，图中箭头A60所示的是使有关本实施例的蓄冷器式冷冻机20以60Hz驱动置换器23时的特性，图中箭头A50所示的是使有关本实施例的蓄冷器式冷冻机20以50Hz驱动置换器23时的特性。此外，图中箭头B60所示的是使以往的蓄冷器式冷冻机1以60Hz驱动置换器3时的特性，图中箭头B50所示的是使以往的蓄冷器式冷冻机1以50Hz驱动置换器3时的特性。

根据该图可知，由箭头A60表示的特性与由箭头B60表示的特性大体相等，同样箭头A50所示的特性与箭头B50所示的特性大体相等。这意味着即使如以往那样通过设置滑动密封件12来提高缸2与置换器3之间的密封性，也不会给冷冻特性带来较大影响。

在本发明中着眼于这一点，其特征在于，通过将以往使用的滑动密封件12代替为导引部件，能够可靠地进行缸22内的置换器23的导引及支撑，能够在维持冷冻特性的同时抑制在缸22及置换器23中产生磨损。由此，有关本实施例的蓄冷器式冷冻机20根据上述理由而做成了在置换器23的高温侧配设高温侧导引部件35、在低温侧配设低温侧导引部件36的结构。

接着，对上述构成的蓄冷器式冷冻机20的动作进行说明。

现在，假设通过马达M的驱动，置换器23处于缸22内的最下位置(将该最下位置称作下死点)。在此状态下，如果将气体供给装置25的吸气阀V1开阀并且将排气阀V2闭阀，则由压缩机27产生的高压的动作气体经由气体流路28被供给到缸22的内部中。由此，缸22内的压力上升。

在此状态下，通过马达M使置换器3向上运动到缸22内的最上位置(将该最上位置称作上死点)。由此，高压的动作气体通过气体流通孔29、空间室33内的蓄冷材料24、以及气体流通孔30流入到膨胀室31内。此时，想要从气体供给装置25流入到缸22与置换器23之间的间隙的动作气体主要受高温侧导引部件35密封，所以流入到缸22中的动作气体大体都流入到蓄冷材料24内。

接着，将吸气阀V1闭阀并且将排气阀V2开阀。由此，膨胀室31内的动作气体膨胀，随之在膨胀室31中产生寒冷。这样，如果通过在膨胀室31中产生的寒冷进行冷冻处理，则驱动马达M使置换器31再次移动到下死点。由此，膨胀室31内的动作气体通过气体流通孔30、空间室33内的蓄冷材料24、气体流通孔29、以及气体流路28，再次被回收到气体供给装置25的压缩机27中。

此时，由于在膨胀室31中膨胀的动作气体被冷却，所以该冷却后的动作气体通过蓄冷材料24而将蓄冷材料24冷却。由此，在接下来的吸气工序中被供给的动作气体在通过蓄冷材料24时被冷却，所以能高效率地进行冷却处理。

将上述处理作为1个循环，蓄冷器式冷冻机20反复实施动作气体向膨胀室31的流入及膨胀处理，由此，能够实现例如30K的极低温。

在该冷却处理中，置换器23在缸22内往复移动。特别是，在本实施例中，通过与以往相比加快马达M的转速(73～150rpm)而实现冷却效率的提高。因此，在缸22内置换器23往复移动的速度及次数与以往相比也增大了。

但是，在本实施例中做成了在缸22的高温侧设置高温侧导引部件35、并且在低温侧设置低温侧导引部件36的结构。即，做成了在缸22的上下位置分别配设导引部件35、36的结构。由磨损件构成的导引部件35、36如上所述，与以往使用的滑动密封件12(参照图1及图2)相比硬度及耐磨损性较好。

因此，与使用滑动密封件12的以往的蓄冷器式冷冻机1相比，能够延长用来进行导引部件35、36的更换的维护的间隔。此外，通过在高温侧和低温侧分别设置导引部件35、36，各导引部件35、36的磨损在高温侧和低温侧大致均匀地产生。因此，能够防止高温侧导引部件35或低温侧导引部件36的任一个偏向地磨损。能够防止因偏磨损而使缸22与置换器23之间的密封性降低、或缸22与置换器23抵接。

此外，由于配设在置换器23的高温侧的高温侧导引部件35和配设在低温侧的低温侧导引部件36是相同的结构，所以磨损的发生也大体同样地发生。因此，即使各导引部件35、36随时间变化，置换器23的导引也在低温侧和高温侧以大体相同的状态进行，所以能够长期地防止在往复移动时置换器23与缸22接触。

以上按照实施例说明了本发明，但本发明并不限于这些实施例。例如，并不限于GM式冷冻机，也可以将本发明应用在斯特林冷冻机及使用其他蓄冷器的冷冻机中。

此外，在上述的各实施例中对将本发明应用在蓄冷器式冷冻机20中的例子进行了说明，但本发明的应用并不限于单级式的冷冻机，也可以应用作多级式冷冻机中的一部分。此外，对本领域的技术人员来说显然能够进行各种变更、改良、组合等。

Claims (5)

1、一种蓄冷器式冷冻机，其特征在于，具有：

缸；

置换器，可往复移动地配设在该缸内；

驱动机构，使该置换器在缸内往复移动；以及

导引部件，分别设在上述置换器的高温侧及低温侧，导引上述置换器的移动。

2、如权利要求1所述的蓄冷器式冷冻机，其特征在于，上述导引部件是氟树脂制成的。

3、如权利要求1或2所述的蓄冷器式冷冻机，其特征在于，上述驱动机构以73～150rpm的旋转速度驱动上述置换器。

4、如权利要求1至3中任一项所述的蓄冷器式冷冻机，其特征在于，上述导引部件形成有环状槽。

5、如权利要求1至4中任一项所述的蓄冷器式冷冻机，其特征在于，上述缸与上述置换器是单级的。

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