CN102713466B - 超低温制冷机的活塞阀的固定结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超低温制冷机的活塞阀的固定结构，对于超低温制冷机来说，其包括：活塞，其在气缸的内侧沿着轴向进行往复直线运动，置换器，其沿着与活塞相反的方向进行往复直线运动；上述超低温制冷机在气缸和活塞与置换器之间形成可变的压缩空间；上述超低温制冷机的活塞阀的固定结构的特征在于，包括：储存槽，其设在活塞上，用于储存来自压缩空间的制冷剂，流路，其沿着活塞的轴向形成，用于连通压缩空间和储存槽，薄型的活塞阀，其通过开闭流路来调节从压缩空间吸入到储存槽的制冷剂，以及螺栓，其为了固定活塞阀而沿着活塞的轴向紧固。因此本发明在高压状态下也能在结构上牢固地固定活塞阀，能够提高活塞阀的运转可靠性。

Description

超低温制冷机的活塞阀的固定结构

技术领域

本发明涉及一种采用使通过高压制冷剂进行摩擦的零件之间润滑的气体轴承的超低温制冷机，尤其涉及能在高压状态下也能将活塞阀牢固地固定于活塞的超低温制冷机的活塞阀的固定结构。

背景技术

通常，超低温制冷机作为用于冷却小型电子零件或超导体等的低振动、高可靠性制冷机，通过氦或氢等的工作流体的压缩或膨胀等过程产生制冷功率，广为人知的具有代表性的有斯特林制冷机（Stirling refrigerator）和GM制冷机（GM refrigerator）或焦耳-汤姆逊制冷机（Joule-Thomson refrigerator）等。这种制冷机不仅存在在高速运转时其可靠性降低的问题，还存在为应对摩擦部位的磨损需另行润滑的问题。因此，需要一种不仅能在高速运转中维持其可靠性，而且还无需另行润滑、可长期不进行维修的超低温制冷机，近期适用的是高压的工作流体起到一种轴承作用来减少零件之间的摩擦的无润滑超低温制冷机。

这种超低温制冷机的构成为，在压缩空间内对制冷剂进行压缩、抽取，经过散热及再生过程后，在膨胀空间进行膨胀，通过与周围空气的热交换作用将周围温度维持在超低温状态。此时，将在气缸、活塞、置换器等的零件之间产生摩擦，为了将高压的工作流体用作轴承，使压缩空间的高压制冷剂沿着活塞的轴承流路提供到互相摩擦的零件之间，并具有在设定压力以上开放活塞的轴承流路的薄型的活塞阀。

但是，以往的超低温制冷机构成为，以能够开闭活塞的轴承流路的方式将活塞阀固定于活塞的一部分，用夹子将阀夹入固定于设在活塞的一部分的槽之后，在夹子上涂敷作为粘附剂之一的环氧树脂来防止夹子脱离。因此，由于在以往的超低温制冷机的活塞阀固定结构中，经常会发生涂敷在夹子上的环氧树脂在初期注入制冷剂之前的真空状态下泄漏的现象（Outgassing），因而存在随着用于固定夹子的环氧树脂的量减少可能会导致夹子及由该夹子固定的活塞阀脱离，降低运转可靠性的问题。

发明内容

技术问题

为了解决上述以往技术的问题点而提出的本发明的目的在于提供在结构上能够牢固地固定活塞阀的超低温制冷机的活塞阀的固定结构。

解决问题的手段

用于解决上述问题的本发明的超低温制冷机的活塞阀的固定结构，对于超低温制冷机来说，其包括：活塞，其在气缸的内侧沿着轴向进行往复直线运动，置换器，其沿着与活塞相反的方向进行往复直线运动；上述超低温制冷机在气缸和活塞与置换器之间形成可变的压缩空间；上述超低温制冷机的活塞阀的固定结构的特征在于，包括：储存槽，其设在活塞上，用于储存来自压缩空间的制冷剂，流路，其沿着活塞的轴向形成，用于连通压缩空间和储存槽，薄型的活塞阀，其通过开闭流路来调节从压缩空间吸入到储存槽的制冷剂，以及螺栓，其为了固定活塞阀而沿着活塞的轴向紧固。

在这里，优选地，活塞包括：活塞本体，其与气缸的内周面滑动接触，活塞插件，其设置于活塞本体的内侧，而且与活塞本体一同进行运动；储存槽形成于活塞插件的外周面，且位于该活塞插件的外周面与活塞本体之间。

并且，更为优选地，在活塞插件的外周面还具有沿着圆周方向形成的环状的沟槽。

并且，更为优选地，在活塞插件的外周面还具有以横穿沟槽的方式沿着轴向形成的直线形状的槽。

并且，优选地，置换器包括置换器杆，该置换器杆贯通活塞插件，并与活塞插件的内周面滑动接触。

并且，优选地，包括紧固部件，该紧固部件与螺栓相螺合以固定螺栓，并且该紧固部件沿着活塞的径向被组装。

并且，优选地，还包括沿着轴向设置于活塞的螺纹孔，该螺纹孔能够扣入至螺栓的头部的头部。

并且，优选地，还包括垫圈，该垫圈安装在螺栓的头部和螺纹孔之间，用于防止制冷剂泄漏。

并且，优选地，在储存槽的与螺纹孔靠近的面具有固定槽；若紧固部件在与螺栓的螺纹相结合的同时旋转规定角度，则紧固部件的一部分扣入固定槽并被固定。

并且，优选地，紧固部件形成为阶梯状，以将活塞阀按向形成有螺纹孔的一面。

发明的效果

如上所述构成的本发明的超低温制冷机的活塞阀的固定结构，沿着活塞的轴向由螺栓来固定活塞阀后，将螺栓沿着活塞的径向固定于紧固部件，因此不使用环氧树脂等的粘附剂也能在结构上进行固定，从而即使在高压状态下也能牢固地固定活塞阀，进而具有能保障活塞阀的运转可靠性的优点。

附图说明

图1是示出本发明的超低温制冷机的优选一例的侧视图。

图2是示出本发明的超低温制冷机的优选一例的侧截面立体图。

图3是示出本发明的超低温制冷机的优选一例的侧截面图。

图4是示出根据本发明的优选一例的超低温制冷机的活塞阀的固定结构的立体图。

图5是示出根据本发明的优选一例的超低温制冷机的活塞阀的固定结构的侧截面分解图。

具体实施方式

以下，参照附图将详细说明本发明的实施例。

图1至图3是示出本发明的超低温制冷机的一例的图。

如图1至图3所示，本发明的超低温制冷机的一例包括：外壳（case）10，其用于形成外观；固定部件20，其固定于外壳10的内部，形成预定空间；可动部件30，其在固定部件20内的压缩空间C沿着轴向进行往复直线运动并对制冷剂进行压缩及膨胀；线性电机（linear motor）40，其设置在外壳10和固定部件20之间，来驱动可动部件30；再生器50，其与可动部件30轴向结合，以互相相反的方向流动的制冷剂之间实现等体积再生；散热部60，其安装于固定部件20和可动部件30及再生器50的周边，向外部散发被压缩的制冷剂的热；冷却部70，其沿着轴向与再生器50结合以形成膨胀空间E，使得膨胀的制冷剂吸收外部的热。

外壳10包括与再生器50、散热部60及冷却部70形成同心的框架（frame）11、沿着轴向与框架11连接而固定的圆筒形状的壳管（shell tube）12。框架11和壳管优选地通过焊接而相连，并在其内部形成密闭壳体。在框架11中固定部件20由螺丝紧固的部分即使所形成的直径比壳管12小，但其厚度很厚，为了提高热交换效率，在框架11中安装散热部60的部分所形成的厚度相对较薄。在壳管12提供预定的管13，为了通过排气使外壳10的内部处于高度的真空状态后，注入纯氦（He）气等的制冷剂，因此提供用于排气或用于注入制冷剂的管13。此外，壳管12还具有向线性电机40供应电源的电源端子14。

固定部件20包括在固定于框架11的同时延长到壳管12的内侧的气缸（cylinder）21、从气缸21延伸以与框架11的内侧相吻合的置换器外罩（displacer housing）22。气缸21和置换器外罩22呈有高度差的圆筒形状，置换器外罩22的直径小于气缸21的直径，从气缸21的外周面延伸的连接部分由螺丝固定于框架11。这时，气缸21和置换器外罩22将在内部形成压缩制冷剂的压缩空间C，并分别具有与散热部60的内侧的散热空间D连通的通孔21h、22h。

可动部件30包括在气缸21的内部借助后述的线性电机40来驱动而进行往复直线运动的活塞（piston）31、在置换器外罩22的内部根据对活塞31的往复直线运动的作用力与反作用力定律联动地沿着与活塞31的方向相反的方向进行往复直线运动的置换器（displacer）32。活塞31由在气缸21的内周面留间隙设置的活塞本体（piston body）311和设置在活塞本体311的内侧的活塞插件（piston plug）312构成。置换器32由在贯通活塞插件312的中心的同时通过固定于外壳10的板簧S可缓冲地得到支撑的置换器杆（displacer rod）321和沿着轴向收容/结合在作为内置于置换器外罩22的置换器杆321的端部的置换器本体321a，来形成使制冷剂流动的预定的空间的置换器盖（displacer cover）322构成，并在活塞31和置换器本体321a之间形成压缩空间C。此时，置换器本体321a的截面呈“U”字形的同时具有与散热部60的内侧连通的第1通孔321h、第2通孔321H，而置换器盖322不仅具有借助与再生器50连通的吸入口（未图示）的压力差来开闭的置换器阀323，还具有与置换器本体321a的内侧连通的通孔322H。

另一方面，由于可动部件30进行往复直线运动，因而除了板簧S以外还采用可使互相摩擦的零件润滑的气体轴承，所构成的结构如下。沿着活塞插件312的轴向具有能使压缩空间C的制冷剂流入的流路312a；以及具有与此连通的沿着活塞插件312的外周面按圆周方向形成的多个储存槽312b；并具有按活塞本体311的径向贯通的多个孔311h，使得储存于活塞插件312的储存槽312b的制冷剂供应到活塞本体311和气缸21之间的空间；并具有按活塞插件312的径向贯通的多个孔312h，使得储存于活塞插件312的储存槽312b的制冷剂供应到活塞插件312和置换器杆321之间的空间。当然，为了将储存于活塞插件312的储存槽312b的制冷剂引到活塞本体311的孔311h或者活塞插件312的孔312h，在活塞插件312的外周面按圆周方向或轴向具有多种形态的槽（未图示），在压缩空间C和储存槽312b之间提供能使制冷剂单向流动的活塞阀（未图示）。

线性电机40包括：圆筒形内定子（inner stator）41，其以能够接触的方式固定于气缸21的外周面；圆筒形外定子（outer stator）42，其以能够接触的方式固定于壳管12的内周面，以便与内定子41的外侧维持规定间隔；永久磁铁43，其与活塞本体311相连接，以便维持内定子41和外定子42之间的间隔。当然，外定子42在线圈卷绕体421安装有多个芯块（core block）422，该线圈卷绕体421与外壳10侧的电源端子14相连接。外定子42的芯块422的一端借助框架11来得到支撑，优选地通过焊接固定于框架11，另一端借助支架16来得到支撑。支架16由螺丝固定于板簧S的外周。即，外定子的一端借助框架11来得到支撑，另一端借助与板簧S相连接的支架16来得到支撑。

再生器50包括：再生外罩51，其与置换器外罩22结合，呈圆筒形状；蓄热材料52，其插入到置换器本体321a的一部分及再生外罩51的内侧；端盖（end cap）53，其能遮盖蓄热材料52的端部地进行附着。制冷剂能通过蓄热材料52和端盖53。由于蓄热材料52起到通过与制冷剂气体接触进行热交换来蓄能后再返还的作用，因此不仅热交换面积及比热大而且热传递系数小，优选地由具有均匀的透气性的材质构成，作为一例，可由细线团的形态构成。

散热部60由圆筒形状的底座61及沿着圆周方向紧密排列在该底座61的板形翅片62构成，由热传递效率高的铜等的金属材质所形成。

冷却部70安装在再生器50的端部，以便能与端盖53之间形成膨胀空间E，通过热交换作用维持超低温。当然，冷却部70可构成为，为了在内部的制冷剂与外部的空气之间起到热交换的作用形成较宽的表面积。

此外，未说明的附图标记80所示的是被动平衡器（passive balancer），该被动平衡器可包括减少在运转超低温制冷机时产生的密闭壳体的振动的板簧。

察看如上所述构成的超低温制冷机的运转，如下。

首先，若通过电源端子14向外定子42供应电源，则会在内定子41和外定子42及永久磁铁43之间互相产生电磁力，永久磁铁43将借助这种电磁力进行往复直线运动。这时，由于永久磁铁43与活塞本体311及与此相吻合的活塞插件312连接，因而活塞31将与永久磁铁43一起进行往复直线运动。因此，一旦活塞31在气缸21的内部进行往复直线运动，根据作用力与反作用力定律，置换器32将对活塞31的运动进行相反方向的运动，同时借助板簧S来得到弹性支撑，由此将会进行与活塞的运动相反方向的往复直线运动。

因此，经过如下过程：通过活塞31和置换器32的相反方向的往复直线运动，在气缸21的内部的压缩空间C压缩制冷剂的同时穿过气缸21的通孔21h，经由框架11的内侧的散热空间D的同时利用散热部60进行散热的等温压缩过程。压缩空间C被压缩时，由于置换器本体321a还与再生器的蓄热材料52一同运动，因而在膨胀空间E的内部形成相对负压，使经过等温压缩过程的制冷剂通过置换器外罩22的通孔22h及置换器本体321a的第1通孔321h流入到再生器的蓄热材料52的内部，与其相反方向流动的制冷剂起到热交换作用经过等体积再生过程。经过等体积再生过程的制冷剂转移到膨胀空间E被膨胀的同时经过在冷却部70冷却外部空气的等温膨胀过程。此后，经过等温膨胀过程的制冷剂在膨胀空间E相对被压缩的同时压缩空间C相对膨胀的过程中重新流入到再生器50的内部后，经过如同上述说明的利用沿着相反方向流动的制冷剂来再生的等体积再生过程。这时，制冷剂通过设于置换器盖322的吸入口及置换器阀323经由置换器本体321a及置换器盖322的内部后，通过置换器盖322的通孔322H和置换器本体321a的第2通孔321h重新流入到压缩空间C。当然，在线性电机40运转的过程中将依次反复上述等温压缩过程、等体积再生过程、等温膨胀过程及等体积再生过程，以便在冷却部70实现超低温冷却。

另一方面，如上所述，随着构成可动部件30的活塞31和置换器32根据作用力和反作用力定律和用于支撑置换器32的板簧的影响进行相反方向的往复直线运动，并反复进行压缩空间C的体积缩小、变大，压缩空间C的制冷剂不仅向再生器50方向流动，还向其相反方向流动，起到使相互滑动接触的零件润滑的气体轴承作用。具体来讲，从压缩空间C经由散热空间D流向再生器50一侧的制冷剂，在置换器外罩22和置换器本体321a之间起到气体轴承作用；从压缩空间C通过在活塞插件312轴向设置的流路312a流向储存槽312b的制冷剂，通过在活塞本体311径向贯通的孔311h流向活塞本体311和气缸21之间起到气体轴承作用的同时通过在活塞插件312径向贯通的孔312h流向活塞插件312和置换器杆321之间起到气体轴承的作用。

图4及图5是示出根据本发明的超低温制冷机的活塞阀的固定结构的立体图及侧截面分解图。

本发明的超低温制冷机如同上述说明，制冷剂在气缸、活塞、置换器之间起到气体轴承作用。通过设在活塞的预定的流路供给压缩空间的制冷剂后，制冷剂将供给到气缸和活塞之间的间隙或活塞和置换器之间的间隙。这时，参照图4及图5察看，沿着在活塞形成的预定的流路供给压缩空间的制冷剂的结构包括：流路312a，以与压缩空间连通的方式沿着活塞31（图3中示出）优选为活塞插件312的轴向形成；多个储存槽312b，以与流路312a连通的方式在活塞31（图3中示出）优选为活塞插件312的中间部分外周面沿着圆周方向形成；薄型的活塞阀313，用于开闭与储存槽312b连通的流路312a的端部；螺栓B，沿着活塞31（图3中示出）优选为活塞插件312的轴向被紧固，以将活塞阀313固定于活塞31（图3中示出）优选为活塞插件312；紧固部件314，沿着活塞31（图3中示出）优选为活塞插件312的径向被紧固，以将螺栓B固定于活塞31（图3中示出）优选为活塞插件312。

如上所述，活塞31（图3中示出）由活塞本体311（图3中示出）及与其内周面相螺合的活塞插件312构成，如上所述，优选地在活塞插件312上具有流路312a及储存槽312b。这时，储存槽312b形成为在活塞插件312的中间部分的外周面沿着圆周方向连通的环状的槽，沿着轴向留有规定的间隔形成两个槽。当然，为了连通储存槽312b，在活塞插件312的外周面具有沿着圆周方向形成的环状的沟槽g和沿着轴向形成的直线形状的槽h。并且，流路312a沿着活塞插件312的轴向贯通地形成，能够贯通压缩空间和靠近压缩空间的储存槽312b之间，形成圆形截面。并且，在活塞插件312将安装固定活塞阀313的螺栓B，为此，活塞插件312具有即使沿着圆周方向与流路312a维持规定间隔也沿着轴向平行的螺纹孔312c。这时，螺纹孔312c在压缩空间内沿着储存槽312b的方向能够组装螺栓B而成，并且螺纹孔312c在使螺栓的头部不向压缩空间突出的同时能够收容于活塞插件312而成。并且，在活塞插件312安装有固定螺栓B的紧固部件314，为此，活塞插件312具有与螺纹孔312c临近的储存槽312b的内周面具有固定槽312d。

活塞阀313形成为能够通过压缩空间和储存槽312b之间的压力差开闭的薄板形态，被安装为一端由螺栓B紧固，另一端能够开闭流路312a。这时，为了提高活塞阀313的开闭力，活塞阀沿着形成有流路312a的储存槽312b的一面按圆周方向以曲线形态而成。

螺栓B固定于活塞插件312的螺纹孔312c，作为螺栓B的一端的螺栓的头部在通过垫圈W支撑的状态下安装在螺纹孔312c，不仅能提高紧固力，还能防止制冷剂的泄漏，螺纹为螺栓B的另一端被设置为露出于储存槽312b的内侧的同时能够夹紧固部件314。

紧固部件314具有以规定的板形状在中心具有与螺栓B的螺纹相结合的孔的螺栓结合部314a，并具有随着规定角度旋转紧固部件的一部分就会夹在固定槽314d的活塞结合部314b。这时，螺栓结合部314a和活塞结合部314b形成阶梯状，若紧固部件314安装在螺栓B和固定槽314d之间，螺栓结合部314a将活塞阀313按向形成有螺纹孔312c的一面。

因此，察看将活塞阀313组装在活塞插件312的储存槽312b的过程，活塞阀313的一端将置于流路312a的端部，活塞阀313的另一端将置于螺纹孔312c。之后，在压缩空间内按储存槽312b的方向将螺栓B插在螺纹孔312c，在螺栓的头部和螺纹孔312c之间安装垫圈W，将紧固部件314夹在向储存槽312b的内部露出的螺栓螺纹后，将紧固部件314旋转规定角度使紧固部件的一部分夹在固定槽314d。像这样，将活塞阀313通过螺栓B及紧固部件314固定于活塞插件312，就也能够在与真空状态等的相同的环境下牢固地固定活塞阀313，提高活塞阀313的运转可靠性。

以上，本发明以本发明的实施例及附图为基础并将此作为例对本发明进行了详细说明。但是本发明的范围并不局限于以上的实施例及附图，本发明的范围应仅局限于后述的权利要求书中所记载的内容。

Claims (10)

1.一种超低温制冷机的活塞阀的固定结构，

上述超低温制冷机包括：

活塞，其在气缸的内侧沿着轴向进行往复直线运动，

置换器，其沿着与活塞相反的方向进行往复直线运动；

上述超低温制冷机在气缸、活塞与置换器之间形成可变的压缩空间；

上述超低温制冷机的活塞阀的固定结构的特征在于，包括：

储存槽，其设在活塞上，用于储存来自压缩空间的制冷剂，

流路，其沿着活塞的轴向形成，用于连通压缩空间和储存槽，

薄型的活塞阀，其通过开闭流路来调节从压缩空间吸入到储存槽的制冷剂，以及

螺栓，其为了固定活塞阀而沿着活塞的轴向紧固。

2.根据权利要求1所述的超低温制冷机的活塞阀的固定结构，其特征在于，

活塞包括：

活塞本体，其与气缸的内周面滑动接触，

活塞插件，其设置于活塞本体的内侧，而且与活塞本体一同进行运动；

储存槽形成于活塞插件的外周面，且位于该活塞插件的外周面与活塞本体之间。

3.根据权利要求2所述的超低温制冷机的活塞阀的固定结构，其特征在于，在活塞插件的外周面还具有沿着圆周方向形成的环状的沟槽。

4.根据权利要求3所述的超低温制冷机的活塞阀的固定结构，其特征在于，在活塞插件的外周面还具有以横穿沟槽的方式沿着轴向形成的直线形状的槽。

5.根据权利要求2所述的超低温制冷机的活塞阀的固定结构，其特征在于，置换器包括置换器杆，该置换器杆贯通活塞插件，并与活塞插件的内周面滑动接触。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的超低温制冷机的活塞阀的固定结构，其特征在于，包括紧固部件，该紧固部件与螺栓相螺合以固定螺栓，并且该紧固部件沿着活塞的径向被组装。

7.根据权利要求6所述的超低温制冷机的活塞阀的固定结构，其特征在于，还包括沿着轴向设置于活塞的螺纹孔，该螺纹孔能够扣入至螺栓的头部。

8.根据权利要求7所述的超低温制冷机的活塞阀的固定结构，其特征在于，还包括垫圈，该垫圈安装在螺栓的头部和螺纹孔之间，用于防止制冷剂泄漏。

9.根据权利要求7所述的超低温制冷机的活塞阀的固定结构，其特征在于，

在储存槽的与螺纹孔靠近的面具有固定槽；

若紧固部件在与螺栓的螺纹相结合的同时旋转规定角度，则紧固部件的一部分扣入固定槽并被固定。

10.根据权利要求9所述的超低温制冷机的活塞阀的固定结构，其特征在于，紧固部件形成为阶梯状，以将活塞阀压向形成有螺纹孔的一面。