CN102635967B - 蓄冷器式制冷机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种蓄冷器式制冷机，其能够通过利用气体蓄冷材料作为超低温用蓄冷材料来降低制造成本，并且能够提高冷媒气体与气体蓄冷材料的热交换效率。本发明的蓄冷器式制冷机具有：缸，用于使冷媒气体绝热膨胀；及蓄冷管(32)，与缸连接，且在内部包含划分流过冷媒气体的第1空间(S1)和填充由气体构成的蓄冷材料的第2空间(S2)的划分部件(35)，并将伴随冷媒气体的绝热膨胀在缸中发生的冷量蓄冷至填充于第2空间(S2)的蓄冷材料。划分部件(35)露出在第2空间(S2)中的面积大于划分部件(35)露出在第1空间S1中的面积。

Description

蓄冷器式制冷机
技术领域
本申请主张基于2011年2月15日申请的日本专利申请第2011-029308号的优先权。其申请的所有内容通过参考援用于该说明书中。
本发明涉及一种利用氦气等冷媒气体并具有容纳蓄冷材料的蓄冷器的蓄冷器式制冷机。
背景技术
例如，为了得到4K左右的超低温，采用利用氦气等冷媒气体并具有容纳蓄冷材料的蓄冷器的蓄冷器式制冷机。并且，作为蓄冷器式制冷机，例如采用吉福德-麦克马洪(Gifford-McMahon；GM)制冷机、脉冲管制冷机等制冷机。
蓄冷器式制冷机通过使冷媒气体绝热膨胀并将此时产生的冷量蓄冷至蓄冷材料来进行制冷冷却。因此，蓄冷器式制冷机具有缸和与缸连接的蓄冷管，在蓄冷管的内部具备用于对冷量进行蓄冷的蓄冷材料。
蓄冷材料需在作为使用温度的超低温下具有较大的比热。然而，通常铅等金属在15K以下的超低温中其比热随着温度下降急剧减少。因此，作为蓄冷材料使用在15K以下的温度下具有大于铅的比热等的磁性蓄冷材料，例如HoCu2。但是，磁性蓄冷材料在15K以下具有较大的磁化率，并且有可能产生磁噪声，因此需在蓄冷管的周围设置磁屏蔽部件，因此制造成本增加。
另一方面，作为冷媒气体使用的氦在作为使用温度的超低温下具有较大的比热。因此，有时使用由氦气构成的气体蓄冷材料作为15K以下的超低温用蓄冷材料(例如，参考专利文献1。)。通过使用由氦气构成的气体蓄冷材料，无需在蓄冷管的周围设置磁屏蔽材，因此能够降低制造成本。
专利文献1：日本特表2006-524307号公报
但是，上述利用气体蓄冷材料作为超低温用蓄冷材料的蓄冷器式制冷机存在如下问题。
在向蓄冷管的内部放入气密地填充有由氦气构成的气体蓄冷材料的空心体而成时，流过蓄冷管的内部即空心体的外部的由氦气构成的冷媒气体和空心体内部的由氦气构成的气体蓄冷材料经空心体壁进行热交换。
此时，气体的流速较快一方的气体的传热系数较大。因此，填充于空心体且不具有流速的由氦气构成的气体蓄冷材料的传热系数小于具有流速且由氦气构成的冷媒气体的传热系数。因此，气体蓄冷材料与冷媒气体的热交换效率较低。
并且，空心体内周面的面积小于空心体外周面的面积。因此，由氦气构成的气体蓄冷材料与空心体接触的接触面积小于由氦气构成的冷媒气体与空心体接触的接触面积。因此，气体蓄冷材料与冷媒气体的热交换效率较低。
另外，上述课题同样存在于利用由除氦气以外的气体构成的气体蓄冷材料的情况。
发明内容
本发明是鉴于上述点而完成的，其目的在于提供一种能够通过利用气体蓄冷材料作为超低温用蓄冷材料来降低制造成本且能够提高冷媒气体与气体蓄冷材料的热交换效率的蓄冷器式制冷机。
为了解决上述课题，本发明的特征在于采取以下叙述的构件。
本发明的蓄冷器式制冷机，其具有：缸，用于使冷煤气体绝热膨胀；及蓄冷管，与所述缸连接，且在内部包含划分流过所述冷媒气体的第1空间和填充由气体构成的蓄冷材料的第2空间的划分部件，并将伴随所述冷媒气体的绝热膨胀在所述缸中发生的冷量蓄冷至填充于所述第2空间的所述蓄冷材料，所述划分部件露出在所述第2空间中的面积大于所述划分部件露出在所述第1空间中的面积。
另外，本发明在上述蓄冷器式制冷机中，所述划分部件包含连通所述蓄冷管的高温侧与所述蓄冷管的低温侧的配管，所述第1空间为所述配管内部的空间，所述第2空间为所述配管外部的空间，且为与所述蓄冷管的高温侧及所述蓄冷管的低温侧均未连通的空间。
另外，本发明在上述蓄冷器式制冷机中，所述划分部件以连通所述蓄冷管的高温侧与所述蓄冷管的低温侧的方式形成第1狭缝空间，并且以与所述蓄冷管的高温侧及所述蓄冷管的低温侧均不连通的方式形成第2狭缝空间，所述第1空间包含所述第1狭缝空间，所述第2空间包含所述第2狭缝空间，所述划分部件露出在所述第2狭缝空间中的面积大于所述划分部件露出在所述第1狭缝空间中的面积。
另外，本发明在上述蓄冷器式制冷机中，所述配管具有用于增加所述配管外侧的表面积的部件。
另外，本发明在上述蓄冷器式制冷机中，所述部件为凸片。
另外，本发明在上述蓄冷器式制冷机中，所述蓄冷管包含填充于所述第2空间的由金属构成的填充材料。
另外，本发明在上述蓄冷器式制冷机中，所述填充材料与所述配管成为一体。
另外，本发明在上述蓄冷器式制冷机中，所述填充材料通过扩散接合与所述配管成为一体。
发明效果：
根据本发明，在蓄冷器式制冷机中，能够通过利用气体蓄冷材料作为超低温用蓄冷材料来降低制造成本，并且能够提高冷媒气体与气体蓄冷材料的热交换效率。
附图说明
图1是示意地表示第1实施方式所涉及的脉冲管制冷机的结构的图。
图2是示意地表示第1实施方式所涉及的脉冲管制冷机的第2级蓄冷管的周边结构的图。
图3是放大并示意地表示低温侧第2级蓄冷管的结构的截面图。
图4是与磁性蓄冷材料的比热的温度依赖性对比来表示各压力下的氦气的比热的温度依赖性的图表。
图5是示意地表示通过内部配管的管壁进行热交换时的样子的图。
图6是放大并示意地表示低温侧第2级蓄冷管的结构的截面图。
图7是放大并示意地表示低温侧第2级蓄冷管的结构的截面图。
图8是放大并示意地表示低温侧第2级蓄冷管的结构的纵截面图。
图9是将划分部件切断一部分来表示的立体图。
图10是表示第3实施方式所涉及的GM制冷机的结构的概要截面图。
图11是放大并示意地表示低温侧第2级蓄冷管的结构的纵截面图。
图中：10-脉冲管制冷机，21-第1级蓄冷管，22-第2级蓄冷管，23-第1级脉冲管，24-第2级脉冲管，29-第1级蓄冷材料，30-高温侧第2级蓄冷材料，31、31d-高温侧第2级蓄冷管，32、32a、32b、32c、32d-低温侧第2级蓄冷管，35、35a-内部配管，39-凸片，40-填充材料，43-划分部件，50-GM制冷机，61-第1级缸，62-第2级缸，63-第1级置换器，64-第2级置换器，67、68-蓄冷材料。
具体实施方式
接着，参考附图对用于实施本发明的方式进行说明。
(第1实施方式)
参考图1对第1实施方式所涉及的脉冲管制冷机进行说明。本实施方式所涉及的脉冲管制冷机为将本发明所涉及的蓄冷器式制冷机应用于脉冲管制冷机中的例子，具有适于获得数K～20K左右的超低温的2级结构。
图1是示意地表示本实施方式所涉及的脉冲管制冷机的结构的图。
如图1所示，本实施方式所涉及的脉冲管制冷机10具有压缩机11、阀单元12及膨胀机20。膨胀机20具有第1级蓄冷管21、第2级蓄冷管22、第1级脉冲管23、第2级脉冲管24、第1级冷却台25、第2级冷却台26、第1节流孔27及第2节流孔28。
另外，图1中，为了便于图示，用虚线表示第1级冷却台25、第2级冷却台26。
压缩机11在吐出侧具有高压配管13，在吸入侧具有低压配管14。压缩机11通过低压配管14吸入冷媒气体，由此从膨胀机20回收冷媒气体。并且，通过压缩已吸入的冷媒气体并将已压缩的冷媒气体吐出至高压配管13，从而向膨胀机20供给冷媒气体。
另外，在本实施方式中，具有导入配管15，所述导入配管的一端从压缩机11的吐出侧即高压配管13分支，并且另一端连接于第2级蓄冷管22的后述的低温侧第2级蓄冷管32，用于将气体蓄冷材料导入至低温侧第2级蓄冷管32的内部空间。
阀单元12具有阀V1～V6。阀单元12连接于压缩机11与膨胀机20之间，使压缩机11的吐出侧即高压配管13、压缩机11的吸入侧即低压配管14交替连通于膨胀机20。阀V1连通或截断高压配管13与第1级蓄冷管21。阀V2连通或截断低压配管14与第1级蓄冷管21。阀V3连通或截断高压配管13与第1级脉冲管23。阀V4连通或截断低压配管14与第1级脉冲管23。阀V5连通或截断高压配管13与第2级脉冲管24。阀V6连通或截断低压配管14与第2级脉冲管24。
第1级蓄冷管21对作为冷媒气体的氦气反复绝热膨胀而产生的冷量进行蓄冷。第1级蓄冷管21的高温端连接于阀单元12，低温端连接于第2级蓄冷管22的高温端和第1级脉冲管23的低温端。
第1级蓄冷管21的内部填充第1级蓄冷材料29。作为第1级蓄冷材料29，例如能够使用铜网(加工成网状形状的铜线)。另外，第1级蓄冷管21为了将轴向的传导损失抑制在最小，能够使用薄壁的SUS材料。作为SUS材料，能够使用例如SUS304等材质。
第2级蓄冷管22与第1级蓄冷管21相同地对作为冷媒气体的氦气反复绝热膨胀而产生的冷量进行蓄冷。第2级蓄冷管22的高温端连接于第1级蓄冷管21的低温端，低温端连接于第2级脉冲管24的低温端。
第2级蓄冷管22的详细结构的例子将利用图2进行后述。
第1级脉冲管23的高温端连接于阀单元12，低温端连接于第1级蓄冷管21的低温端侧。第1级脉冲管23通过经第1级蓄冷管21供给的作为冷媒气体的氦气反复绝热膨胀而产生冷量。
第2级脉冲管24的高温端连接于阀单元12，低温端连接于第2级蓄冷管22的低温端。第2级脉冲管24与第1级脉冲管23相同地通过经第2级蓄冷管22供给的作为冷媒气体的氦气反复绝热膨胀而产生冷量。另外，第2级脉冲管24相当于本发明中的缸。
第1级脉冲管23在高温端、低温端分别具有整流器23a、23b。第2级脉冲管24在高温端、低温端分别具有整流器24a、24b。整流器23a、23b、24a、24b用于使第1级脉冲管23、第2级脉冲管24中的伴随冷媒气体的供给或回收的冷媒气体的流动稳定。
第1级冷却台25为固定第1级蓄冷管21的低温端及第1级脉冲管23的低温端的部分。第1级冷却台25从第1级脉冲管23被传导冷量并维持低温。另外，第1级冷却台25也是固定第2级蓄冷管22的高温端的部分。
第2级冷却台26为固定第2级蓄冷管22的低温端及第2级脉冲管24的低温端的部分。第2级冷却台26从第2级脉冲管24被传导冷量并维持超低温。
第1节流孔27设置于第1级脉冲管23与阀单元12之间。另外，第2节流孔28设置于第2级脉冲管24与阀单元12之间。因此，以第1节流孔27限制从阀单元12流入并流出第1级脉冲管23的高温端的冷媒气体的流量。另外，以第2节流孔28限制从阀单元12流入并流出第2级脉冲管24的高温端的冷媒气体的流量。
在具有上述结构的脉冲管制冷机10中，以成为相互相反动作的方式反复连通容纳于阀单元12中的阀V1及V2的动作及截断动作。这样，第1级蓄冷管21的高温端与高压配管13或低压配管14切换连通。其结果，在与第1级蓄冷管21的低温端连通的第1级脉冲管23进行冷媒气体的周期性供给/回收，因此冷媒气体在第1级脉冲管23内反复压缩和膨胀，此时通过绝热膨胀产生冷量。而且，通过将已产生的冷量蓄冷至第1级蓄冷管21，冷却第1级蓄冷管21的低温端侧。
另外，与第1级蓄冷管21的低温端连接的第2级蓄冷管22也与高压配管13或低压配管14切换连通。其结果，在与第2级蓄冷管22的低温端连通的第1级脉冲管23进行冷媒气体的周期性供给/回收，所以冷媒气体在第2级脉冲管24内反复压缩和膨胀，此时通过绝热膨胀产生冷量。而且，通过将已产生的冷量蓄冷至第2级蓄冷管22，冷却第2级蓄冷管22的低温端侧。
此时，利用阀V3、V4抑制来自第1级脉冲管23的高温端的冷媒气体的流入流出。其结果，第1级脉冲管23内的压力变化和流速变化的时机与第1级蓄冷管21的压力变化和流速变化的时机偏离而相位差变大。因此，反复冷媒气体的压缩/膨胀时，制冷机产生冷量的工作量变大而制冷能力提高。
另外，利用阀V5、V6抑制来自第2级脉冲管24的高温端的冷媒气体的流入流出。其结果，第2级脉冲管24内的压力变化和流速变化的时机与第2级蓄冷管22的压力变化和流速变化的时机偏离而相位差变大。因此，反复冷媒气体的压缩/膨胀时，制冷机产生冷量的工作量变大而制冷能力提高。
在本实施方式所涉及的脉冲管制冷机10中，作为冷媒气体例如使用具有0.5～2.5MPa压力的氦(He)气，例如以2Hz左右的反复速度反复冷媒气体的压缩或膨胀。由此，能够在第1级蓄冷管21的低温端得到例如50K左右的低温，并能够在第2级蓄冷管22的低温端得到例如4K左右的低温。
图2是示意地表示本实施方式所涉及的脉冲管制冷机的第2级蓄冷管22的周边结构的图。另外，图3是放大并示意地表示低温侧第2级蓄冷管32的结构的截面图。图3(a)是纵截面图，图3(b)是横截面图。图4是与磁性蓄冷材料的比热的温度依赖性对比来表示各压力下的氦气的比热的温度依赖性的图表。
第2级蓄冷管22从高温侧朝向低温侧依次具有高温侧第2级蓄冷管31、低温侧第2级蓄冷管32。低温侧第2级蓄冷管32相当于本发明中的蓄冷管。
高温侧第2级蓄冷管31的高温端连接于第1级蓄冷管21的低温端，低温端连接于低温侧第2级蓄冷管32的高温端。另外，高温侧第2级蓄冷管31的高温端固定于第1级冷却台25。
在高温侧第2级蓄冷管31的内部填充高温侧第2级蓄冷材料30。高温侧第2级蓄冷管31为了将轴向的传导损失抑制在最小，能够使用薄壁的SUS材料。作为SUS材料，能够使用例如SUS304等材质。另外，作为高温侧第2级蓄冷材料30，例如能够利用铅球。这是因为铅在15～40K的温度区域具有金属中较大的比热。
低温侧第2级蓄冷管32的高温端连接于高温侧第2级蓄冷管31的低温端，低温端连接于第2级脉冲管24的低温端。另外，低温侧第2级蓄冷管32的低温端固定于第2级冷却台26。
低温侧第2级蓄冷管32具有高温侧划分部件33、低温侧划分部件34、内部配管35、导入口36。高温侧划分部件33划分低温侧第2级蓄冷管32的内部空间SI和低温侧第2级蓄冷管32的高温侧。低温侧划分部件34划分低温侧第2级蓄冷管32的内部空间SI和低温侧第2级蓄冷管32的低温侧。内部配管35贯穿高温侧划分部件33和低温侧划分部件34，并且一端向高温侧划分部件33的高温侧开口，另一端向低温侧划分部件34的低温侧开口。即，内部配管35连通低温侧第2级蓄冷管32的高温侧和低温侧第2级蓄冷管32的低温侧。这样，低温侧第2级蓄冷管32具有在内部容纳内部配管35的所谓套管式结构。另外，导入口36用于经前述导入配管15从压缩机11的吐出侧的高压配管13将氦气作为气体蓄冷材料导入至低温侧第2级蓄冷管32的内部。
另外，内部配管35相当于本发明中的配管。
另外，具有套管式结构的低温侧第2级蓄冷管32可具有如图2所示多次折弯长形配管的结构，另外，也可具有将长形配管弯曲成螺旋状的结构。由此，能够在第1级冷却台25与第2级冷却台26的有限的距离之间设置长形的低温侧第2级蓄冷管32。
或者，也可通过加长第1级冷却台25与第2级冷却台26的距离等，不在中途折弯低温侧第2级蓄冷管32，而设为向上下方向延伸的圆筒形状。
如图3(a)及图3(b)所示，内部配管35将低温侧第2级蓄冷管32的内部空间SI划分为第1空间S1和第2空间S2。第1空间S1为内部配管35内部的空间。第2空间S2为低温侧第2级蓄冷管32内部的空间，且为内部配管35外部的空间。如前述，内部配管35贯穿高温侧划分部件33和低温侧划分部件34，因此第1空间S1连通低温侧第2级蓄冷管32的高温侧和低温侧第2级蓄冷管32的低温侧。另外，在第1空间S1流过冷媒气体。
在第2空间S2填充低温侧第2级蓄冷材料。作为低温侧第2级蓄冷材料，能够使用例如由氦气等气体构成的气体蓄冷材料。如图4所示，氦气在例如1.5MPa的压力、5～15K的温度区域中具有比作为低温下具有较大比热的磁性蓄冷材料的HoCu2更大的比热。
作为垂直于低温侧第2级蓄冷管32的轴向的截面形状，例如能够将外径设为12mm，内径设为10mm。另外，作为垂直于内部配管35的轴向的截面形状，例如能够将外径设为1.0mm，内径设为0.8mm。
接着，对本实施方式中能够提高冷媒气体与气体蓄冷材料的热交换效率的作用效果进行说明。
图5是示意地表示经内部配管35的管壁38进行热交换时的样子的图。
通常，若将流动气体的传热系数设为α，流动气体的雷诺数设为Re，则满足下述公式(1)的关系。
α∝Re0.8                       (1)
另外，若设为气体以流速v流动，则雷诺数Re满足下述公式(2)的关系。
α∝v                           (2)
在此，设为在管壁38的左侧冷媒气体以流速vi流动，在管壁38的右侧气体蓄冷材料以流速vo(等于0)被填充。而且，将冷媒气体的温度设为Ti，冷媒气体的传热系数设为αi，冷媒气体与管壁38的接触面积设为Ai。另外，将气体蓄冷材料的温度设为To，气体蓄冷材料的传热系数设为αo，气体蓄冷材料与管壁38的接触面积设为Ao。另外，将管壁38的厚度设为δ，管壁38的导热率设为λ。冷媒气体与管壁38的接触面积Ai相当于内部配管35露出在第1空间S1中的面积，气体蓄冷材料与管壁38的接触面积Ao相当于内部配管35露出在第2空间S2中的面积。
此时，通过管壁38从冷媒气体热交换至气体蓄冷材料时的热阻Rt由下述公式(3)表示。
Rt＝(1/αiAi)+(δ/λ)+(1/αoAo)   (3)
根据公式(1)及公式(2)，流速vo等于0的气体蓄冷材料的传热系数αo小于以流速vi流动的冷媒气体的传热系数αi。因此，由于公式(3)的右边的第3项(1/αoAo)变大，所以热阻Rt变大，且无法提高冷媒气体与气体蓄冷材料的热交换效率。
另一方面，在本实施方式中，将内部配管35的内径设为r、外径设为R(＞r)时，成为Ai/Ao＝r/R＜1，气体蓄冷材料与管壁38的接触面积Ao大于冷媒气体与管壁38的接触面积Ai。因此，由于公式(3)的右边的第3项(1/αoAo)变得更小，所以能够减小热阻Rt，且能够提高冷媒气体与气体蓄冷材料的热交换效率。
(第1实施方式的第1变形例)
接着，参考图6对第1实施方式的第1变形例所涉及的脉冲管制冷机进行说明。本变形例所涉及的脉冲管制冷机中，内部配管具有用于增加内部配管外侧的表面积的部件。
另外，本变形例所涉及的脉冲管制冷机中，低温侧第2级蓄冷管32a以外的部分能够设为与第1实施方式所涉及的脉冲管制冷机相同，省略关于低温侧第2级蓄冷管32a以外的部分的说明。
图6是放大并示意地表示低温侧第2级蓄冷管32a的结构的截面图。图6(a)是纵截面图，图6(b)是横截面图。
低温侧第2级蓄冷管32a与第1实施方式相同地具有高温侧划分部件33、低温侧划分部件34、内部配管35a及导入口36。内部配管35a以外的结构能够设为与第1实施方式中的结构相同。另外，内部配管35a将低温侧第2级蓄冷管32a的内部空间SI划分为第1空间S1和第2空间S2的结构也能够设为与第1实施方式中的结构相同。
本实施例中，内部配管35a作为用于增加内部配管35a外侧的表面积的部件具有凸片39。如图6(b)所示，从与内部配管35a垂直的截面观察时，例如8片等多片凸片39也可设为放射状。由此，能够进一步增大气体蓄冷材料与内部配管的接触面积，且能够提高冷媒气体与气体蓄冷材料的热交换效率。
另外，代替凸片能够利用在内部配管的外周面设置实施波状的表面加工的部件等用于增加内部配管外侧的表面积的各种部件。
(第1实施方式的第2变形例)
接着，参考图7对第1实施方式的第2变形例所涉及的脉冲管制冷机进行说明。本变形例所涉及的脉冲管制冷机中，低温侧第2级蓄冷管包含填充于第2空间的由金属构成的填充材料。
另外，本变形例所涉及的脉冲管制冷机中，低温侧第2级蓄冷管32b以外的部分也能够设为与第1实施方式所涉及的脉冲管制冷机相同，省略关于低温侧第2级蓄冷管32b以外的部分的说明。
图7是放大并示意地表示低温侧第2级蓄冷管32b的结构的截面图。图7(a)是纵截面图，图7(b)是横截面图。
低温侧第2级蓄冷管32b与第1实施方式相同地具有高温侧划分部件33、低温侧划分部件34、内部配管35及导入口36。这些结构能够设为与第1实施方式中的结构相同。另外，内部配管35将低温侧第2级蓄冷管32b的内部空间SI划分为第1空间S1和第2空间S2的结构也能够设为与第1实施方式中的结构相同。
本变形例中，低温侧第2级蓄冷管32b包含填充于第2空间S2的由金属构成的填充材料40。如图7(a)及图7(b)所示，由金属构成的填充材料40可以是金属粉末聚合体。填充材料40与内部配管35局部接触。因此，能够增大气体蓄冷材料与包含填充材料40的内部配管35的接触面积，并能够提高冷媒气体与气体蓄冷材料的热交换效率。
另外，本变形例中，填充材料可以例如通过扩散接合、超声波接合等各种接合方法与内部配管成为一体。由此，填充材料和内部配管能够更加可靠地热接触，因此，能够进一步增大气体蓄冷材料与包含填充材料的内部配管的接触面积，并能够进一步提高冷媒气体与气体蓄冷材料的热交换效率。
(第2实施方式)
接着，参考图8及图9对第2实施方式所涉及的脉冲管制冷机进行说明。本实施方式所涉及的脉冲管制冷机中，低温侧第2级蓄冷管具有狭缝结构来代替套管式结构。
另外，本实施方式所涉及的脉冲管制冷机中，低温侧第2级蓄冷管32c以外的部分能够设为与第1实施方式所涉及的脉冲管制冷机相同，省略关于低温侧第2级蓄冷管32c以外的部分的说明。
图8是放大并示意地表示低温侧第2级蓄冷管32c的结构的纵截面图。图9是将划分部件43切断一部分来表示的立体图。另外，图9中，切断用虚线包围的部分I而示出。另外，图9中省略密封部件的图示。
本实施方式中，能够将低温侧第2级蓄冷管32c设为向上下方向延伸的圆筒形状。
低温侧第2级蓄冷管32c具有高温侧密封部件41、低温侧密封部件42、划分部件43及导入口36。划分部件43具有圆筒形状，划分部件43的外径小于低温侧第2级蓄冷管32c的内径。划分部件43和高温侧密封部件41划分作为低温侧第2级蓄冷管32c的内部且形成于与划分部件43之间的内部空间SI和低温侧第2级蓄冷管32c的高温侧。划分部件43和低温侧密封部件42划分形成于低温侧第2级蓄冷管32c与划分部件43之间的内部空间SI和低温侧第2级蓄冷管32c的低温侧。
划分部件43中形成有第1狭缝空间S1，并且形成有第2狭缝空间S2。
第1狭缝空间S1形成为在划分部件43的高温端的端面及划分部件43的低温端的端面均开口。即，第1狭缝空间S1形成为连通低温侧第2级蓄冷管32c的高温侧和低温侧第2级蓄冷管32c的低温侧。并且，第1狭缝空间S1未向划分部件43的外周面开口。即，第1狭缝空间S1形成为不与被低温侧第2级蓄冷管32c的内周面和划分部件43的外周面包围的空间连通。
另外，如图9所示，划分部件43中可形成有贯穿划分部件43的高温端的端面与低温端的端面之间的贯穿孔44。此时，第1狭缝空间可向贯穿孔44的外周面开口。
另一方面，第2狭缝空间S2在划分部件43的高温端的端面及划分部件43的低温端的端面均未开口。即，第2狭缝空间S2形成为均未连通低温侧第2级蓄冷管32c的高温侧及低温侧第2段蓄冷管32c的低温侧。代替此，第2狭缝空间S2向划分部件43的外周面开口。即，第2狭缝空间S2形成为与被低温侧第2级蓄冷管32c的内周面和划分部件43的外周面包围的空间连通。
这样，低温侧第2级蓄冷管32c具有在内部形成有狭缝空间的所谓狭缝结构。另外，导入口36用于经前述导入配管15从压缩机11的吐出侧的高压配管13将氦气作为气体蓄冷材料导入至内部。
如图8及图9所示，划分部件43将低温侧第2级蓄冷管32c的内部空间SI划分为第1空间S1和第2空间S2。第1空间S1为包含第1狭缝空间S1的空间。第2空间S2为包含被低温侧第2级蓄冷管32c的内周面、划分部件43的外周面、高温侧密封部件41及低温侧密封部件42包围的空间和第2狭缝空间S2的空间。另外，在第1空间S1流过冷媒气体。
作为垂直于低温侧第2级蓄冷管32c的轴向的截面形状，例如能够将外径设为32mm，内径设为30mm。另外，作为垂直于划分部件43的轴向的截面形状，例如能够将外径设为29.5mm。
本实施方式中，划分部件43露出在第2狭缝空间S2中的面积设为大于划分部件43露出在第1狭缝空间S1中的面积。由此，能够使气体蓄冷材料与划分部件43的接触面积大于冷媒气体与划分部件43的接触面积，并能够提高冷媒气体与气体蓄冷材料的热交换效率。
图9所示的例子中，形成有沿划分部件43的径向且不同长度的2种第2狭缝空间S2，其中，较短一方的第2狭缝空间S2-1的数量形成为较长一方的第2狭缝空间S2-2的2倍。而且，由1个第1狭缝空间S1、较长一方的1个第2狭缝空间S2-2、较短一方的2个第2狭缝空间S2-1构成的狭缝空间组沿划分部件43的周向反复形成，以便配置成放射状。此时，划分部件43露出在第1狭缝空间S1中的面积能够由划分部件43在第1狭缝空间S1中的径向长度L1表示。另外，划分部件43露出在第2狭缝空间S2的面积能够由较长一方的第2狭缝空间S2-2的径向长度LL2与较短一方的第2狭缝空间S2-1的径向长度LS2的2倍之和(LL2+LS2×2)表示。而且，该例子中，使LL2+LS2×2大于L1即可。
另外，划分部件43露出在第2狭缝空间S2中的面积变得大于划分部件43露出在第1狭缝空间S1中的面积即可，第1狭缝空间S1及第2狭缝空间S2能够呈图9所示的例子以外的各种形状。
(第3实施方式)
接着，参考图10及图11对第3实施方式所涉及的GM制冷机进行说明。该GM制冷机为将本发明所涉及的蓄冷器式制冷机应用于GM制冷机的例子，具有适于获得数K～20K左右的超低温的2级结构。
图10是表示本实施方式所涉及的GM制冷机50的结构的概要截面图。图11是放大并示意地表示低温侧第2级蓄冷管的结构的纵截面图。
GM制冷机50具有压缩机51、冷媒气体流路52、第1级缸61、第2级缸62、第1级置换器63、第2级置换器64、曲柄机构65、蓄冷材料67、68、热站69、70、膨胀空间71、72及空心空间(冷媒气体流路)73、74。
压缩机51将氦气(冷媒气体)压缩成约20Kgf/cm2，生成高压氦气。生成的高压氦气经吸气阀V11、冷媒气体流路52供给至第1级缸61内。另外，从第1级缸61排出的低压氦气经冷媒气体流路52、排气阀V12回收至压缩机51。
另外，本实施方式中，具有导入配管53，所述导入配管的一端从压缩机51的吐出侧分支，并且另一端连接于后述的第2级置换器64的低温侧第2级蓄冷管32d，用于将气体蓄冷材料导入至第2级置换器64的内部空间。
第1级缸61上结合有第2级缸62。第1级缸61、第2级缸62内分别容纳有相互连结的第1级置换器63、第2级置换器64。
驱动轴Sh从第1级缸61向上方延伸，并与结合于驱动用马达M的曲柄机构65结合。
第1级置换器63可沿第1级缸61往复移动地设置于第1级缸61内。第1级置换器63在第1级缸61的一端形成膨胀空间71。第1级置换器63具有旋转体形状。
另外，第1级置换器63的内部形成有用于对膨胀空间71进行冷媒气体的供给及排出的空心空间(冷媒气体流路)73。第1级置换器63的外周面与第1级缸61的内周面之间设置有例如活塞环等密封部件75。第1级置换器63在沿第1级缸61往复移动时，通过使供给至膨胀空间71的冷媒气体膨胀来产生冷量。
空心空间73内容纳有蓄冷材料67。蓄冷材料67在从膨胀空间71排出冷媒气体时，与排出的冷媒气体接触并对冷量进行蓄冷。即，蓄冷材料67对在第1级置换器63沿第1级缸61往复移动时通过使供给至膨胀空间71的冷媒气体膨胀来产生的冷量进行蓄冷。
第2级置换器64可沿第2级缸62往复移动地设置于第2级缸62内。第2置换器64在第2级缸62的一端形成膨胀空间72。第2级置换器64具有旋转体形状。
另外，第2级置换器64的内部形成有用于对膨胀空间72进行冷媒气体的供给及排出的空心空间(冷媒气体流路)74。第2级置换器64的外周面与第2级缸62的内周面之间设置有例如活塞环等密封部件76。第2级置换器64在沿第2级缸62往复移动时，通过使供给至膨胀空间72的冷媒气体膨胀来产生冷量。
另外，第2级置换器64的后述的低温侧第2级蓄冷管32d的外周面与第2级缸62的内周面之间也设置有例如活塞环等密封部件77、78。密封部件77、78以连接导入配管53的导入口36为中心设置于高温侧及低温侧。
空心空间74内容纳有蓄冷材料68。蓄冷材料68在从膨胀空间72排出冷媒气体时，与排出的冷媒气体接触并对冷量进行蓄冷。即，蓄冷材料68对在第2级置换器64沿第2级缸62往复移动时通过使供给至膨胀空间72的冷媒气体膨胀来产生的冷量进行蓄冷。
以包围第1级缸61的下端(低温端)的方式热结合第1级热站69，以包围第2级缸62的下端(低温端)的方式热结合第2级热站70。
优选第1级缸61、第2级缸62由例如不锈钢(例如SUS304)等形成。由此，能够使第1级缸61、第2级缸62具有较高的强度、较低的导热率及较高的氦气屏蔽能力。
优选第1级置换器63、第2级置换器64由例如酚醛布(酚醛树脂)等形成。由此，能够对第1级置换器63、第2级置换器64进行轻质化，并且能够提高耐磨性及强度，降低从高温侧向低温侧的侵入热量。
优选第1级蓄冷材料67例如由金属丝网等构成，优选第2级蓄冷材料68如后述例如由铅球等构成。由此，能够在低温区域中确保充分高的热容量。
这样构成的GM制冷机中如下产生冷量。
从压缩机51经吸气阀V11供给的作为冷煤气体的高压氦气经冷媒气体流路52供给至第1级缸61内。而且，通过开口(冷媒气体流路)73a、容纳有蓄冷材料67的空心空间(冷媒气体流路)73及开口(冷媒气体流路)73b供给至第1级膨胀空间71。
供给至第1级膨胀空间71的高压氦气进一步通过开口(冷媒气体流路)74a、容纳有蓄冷材料68的空心空间(冷媒气体流路)74及开口(冷媒气体流路)74b供给至第2级膨胀空间72。
当吸气阀V11关闭，排气阀V12开启时，第2级缸62、第1级缸61内的高压氦气沿与吸气时相反的路径前进并经冷煤气体流路52、排气阀V12回收至压缩机51。
当GM制冷机动作时，驱动用马达M的旋转驱动力通过曲柄机构65转换为驱动轴Sh的往复驱动力。而且，如图10中的箭头所示，第1级置换器63、第2级置换器64通过驱动轴Sh上下(分别沿第1级缸61及第2级缸62)往复驱动。
当第1级置换器63、第2级置换器64通过驱动轴Sh向驱动轴Sh的相反侧(图10的下方)驱动时，吸气阀V11开启，排气阀V12关闭。而且，高压氦气供给至第1级缸61内的膨胀空间71及第2级缸62内的膨胀空间72(供给工序)。
另外，当第1级置换器63、第2级置换器64通过驱动轴Sh向驱动轴Sh侧(图10的上方)驱动时，吸气阀V11关闭，排气阀V12开启。而且，第1级缸61内的膨胀空间71及第2级缸62内的膨胀空间72变成低压，并且氦气从膨胀空间71及膨胀空间72排出，并回收至压缩机51(排出工序)。
此时，通过氦气在膨胀空间71、72中膨胀来产生冷量。产生冷量且被冷却的氦气从膨胀空间71、72排出时，通过与蓄冷材料67、68接触并进行热交换来冷却蓄冷材料67、68。即，已产生的冷量蓄冷至蓄冷材料67、68。
在下一个供给工序中供给的高压氦气通过蓄冷材料67、68供给，从而被冷却。被冷却的氦气通过在膨胀空间71、72中膨胀，由此进一步进行冷却。
如以上，通过反复供给工序和排出工序，第1级缸61内的膨胀空间71被冷却为例如40K～70K左右的温度，第2级缸62内的膨胀空间72被冷却为例如数K～20K左右的温度。
接着，对第2级置换器64进行说明。
第2级置换器64从高温侧向低温侧依次具有高温侧第2级蓄冷管31d、低温侧第2级蓄冷管32d。低温侧第2级蓄冷管32d相当于本发明中的蓄冷管。
高温侧第2级蓄冷管31d的高温端连接于第1级置换器63的低温端，低温端与低温侧第2级蓄冷管32d的高温端连接。
高温侧第2级蓄冷管31d的内部如前述填充有蓄冷材料68。高温侧第2级蓄冷管31d为了将轴向的传导损失抑制在最小，能够使用薄壁的SUS材料。作为SUS材料，能够使用例如SUS304等材质。另外，作为蓄冷材料68，例如能够利用铅球。
低温侧第2级蓄冷管32d的高温端与高温侧第2级蓄冷管31d的低温端连接。
低温侧第2级蓄冷管32d能够设为与第1实施方式中的低温侧第2级蓄冷管32相同。即，低温侧第2级蓄冷管32d具有高温侧划分部件33、低温侧划分部件34、内部配管35及导入口36。高温侧划分部件33划分低温侧第2级蓄冷管32d的内部空间SI和低温侧第2级蓄冷管32d的高温侧。低温侧划分部件34划分低温侧第2级蓄冷管32d的内部空间SI和低温侧第2级蓄冷管32d的低温侧。内部配管35贯穿高温侧划分部件33和低温侧划分部件34，并且一端向高温侧划分部件33的高温侧开口，另一端向低温侧划分部件34的低温侧开口。即，内部配管35连通低温侧第2级蓄冷管32d的高温侧和低温侧第2级蓄冷管32d的低温侧。这样，低温侧第2级蓄冷管32d具有在内部容纳有内部配管35的所谓套管式结构。另外，导入口36贯穿第2级缸62及低温侧第2级蓄冷管32d的管壁而设置，用于经前述导入配管53从压缩机51的吐出侧将氦气作为气体蓄冷材料导入至低温侧第2级蓄冷管32d的内部。
在本实施方式中，如图10及图11所示，也可不在中途折弯低温侧第2级蓄冷管32d，而是设为向上下方向延伸的圆筒形状，如已在第1实施方式中利用图2进行说明，可具有多次折弯长形配管的结构。
在本实施方式中，内部配管35也将低温侧第2级蓄冷管32d的内部空间SI划分为第1空间S1和第2空间S2。第1空间S1为内部配管35内部的空间。第2空间S2为低温侧第2级蓄冷管32d内部的空间，且为内部配管35外部的空间。如前述，内部配管35为贯穿高温侧划分部件33和低温侧划分部件34的配管，因此第1空间S1为连通低温侧第2级蓄冷管32d的高温侧和低温侧第2级蓄冷管32d的低温侧的空间。另外，在第1空间S1流过冷媒气体。
在第2空间S2中填充低温侧第2级蓄冷材料。作为低温侧第2级蓄冷材料，能够利用例如由氦气等气体构成的气体蓄冷材料。氦气例如在1.5MPa的压力、5～15K的温度区域中具有比作为低温下具有较大比热的磁性蓄冷材料的HoCu2更大的比热。
在本实施方式中也与第1实施方式相同，气体蓄冷材料与内部配管的管壁的接触面积大于冷媒气体与内部配管的管壁的接触面积。由此，能够减小冷媒气体和气体蓄冷材料进行热交换时的热阻，并能够提高冷媒气体与气体蓄冷材料的热交换效率。
另外，在本实施方式中也与第1实施方式的第1变形例相同，内部配管可具有用于增加内部配管外侧的表面积的部件。另外，与第1实施方式的第2变形例相同，低温侧第2级蓄冷管可包含填充于第2空间的由金属构成的填充材料。另外，与第2实施方式相同地可具有狭缝结构来代替套管式结构。
以上，对本发明的优选实施方式进行了叙述，但是本发明不限于这种特定的实施方式，可以在权利要求中记载的本发明的宗旨的范围内进行各种变形或变更。

Claims (7)

1.一种蓄冷器式制冷机，其具有：
缸，用于使冷媒气体绝热膨胀；及
蓄冷管，与所述缸连接，且在内部包含划分流过所述冷媒气体的第1空间和填充由气体构成的蓄冷材料的第2空间的划分部件，并将伴随所述冷媒气体的绝热膨胀在所述缸中发生的冷量蓄冷至填充于所述第2空间的所述蓄冷材料，
所述划分部件露出在所述第2空间中的面积大于所述划分部件露出在所述第1空间中的面积，
所述划分部件包含连通所述蓄冷管的高温侧和所述蓄冷管的低温侧的配管，
所述第1空间为所述配管内部的空间，
所述第2空间为所述配管外部的空间，且为与所述蓄冷管的高温侧及所述蓄冷管的低温侧均未连通的空间。
2.如权利要求1所述的蓄冷器式制冷机，其中，
所述配管具有用于增加所述配管外侧的表面积的部件。
3.如权利要求2所述的蓄冷器式制冷机，其中，
所述部件为凸片。
4.如权利要求1或2所述的蓄冷器式制冷机，其中，
所述蓄冷管包含填充于所述第2空间的由金属构成的填充材料。
5.如权利要求4所述的蓄冷器式制冷机，其中，
所述填充材料与所述配管成为一体。
6.如权利要求5所述的蓄冷器式制冷机，其中，
所述填充材料通过扩散接合与所述配管成为一体。
7.一种蓄冷器式制冷机，其具有：
缸，用于使冷媒气体绝热膨胀；及
蓄冷管，与所述缸连接，且在内部包含划分流过所述冷媒气体的第1空间和填充由气体构成的蓄冷材料的第2空间的划分部件，并将伴随所述冷媒气体的绝热膨胀在所述缸中发生的冷量蓄冷至填充于所述第2空间的所述蓄冷材料，
所述划分部件露出在所述第2空间中的面积大于所述划分部件露出在所述第1空间中的面积，
所述划分部件以连通所述蓄冷管的高温侧与所述蓄冷管的低温侧的方式形成第1狭缝空间，并且以与所述蓄冷管的高温侧及所述蓄冷管的低温侧均不连通的方式形成第2狭缝空间，
所述第1空间包含所述第1狭缝空间，
所述第2空间包含所述第2狭缝空间，
所述划分部件露出在所述第2狭缝空间中的面积大于所述划分部件露出在所述第1狭缝空间中的面积。
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