CN103032985B - 超低温制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够更有效地提高制冷效率的超低温制冷机。基于本发明的超低温制冷机（1），其特征在于，包括：第1置换器（2）；第1缸体（4），在与第1置换器（2）之间形成第1膨胀空间（3）；第2置换器（5），连结于第1置换器（2）；第2缸体（7），在与第2置换器（5）之间形成第2膨胀空间（6）；及螺旋槽（8），形成于第2置换器（5）的外周面并从第2膨胀空间（6）以螺旋状延伸，第2缸体（7）包括与螺旋槽（8）的第1置换器（2）侧连通的第1节流部（9）及与第1节流部（9）的第1置换器（2）侧连通的容积部（10）。

Description

超低温制冷机

技术领域

本发明涉及一种利用从压缩装置供给的高压制冷剂气体产生西蒙膨胀（Simon Expansion）来产生超低温寒冷的超低温制冷机。

背景技术

例如，专利文献1中记载有使GM制冷机的活塞与缸体之间的间隙的气体进行膨胀做功的GM制冷机。该制冷机具备有作为节流孔发挥作用的向轴向延伸的直线槽。

专利文献1：中国专利申请公开第101900447A号说明书

然而，在专利文献1的结构中，当2级式置换器往复运动时上述的直线槽的高温侧部分相对1级侧的膨胀空间反复进入和退出，因此作为节流孔的流路阻力发生变化。因此存在无法提高制冷效率的问题。

发明内容

本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种能够更有效地提高制冷效率的超低温制冷机。

为了解决上述问题，基于本发明的超低温制冷机，其特征在于，包括：第1置换器；第1缸体，在与该第1置换器之间形成第1膨胀空间；第2置换器，连结于所述第1置换器；第2缸体，在与该第2置换器之间形成第2膨胀空间；及螺旋槽，形成于所述第2置换器的外周面并从所述第2膨胀空间以螺旋状延伸，所述第2缸体包括与该螺旋槽的所述第1置换器侧连通的第1节流部及与该第1节流部的所述第1置换器侧连通的容积部。

在此，所述超低温制冷机中，可将所述容积部设为位于比所述外周面更靠径向内侧或面向所述外周面的圆环状空间。

另外，所述超低温制冷机中，还包括第2节流部，该第2节流部将所述螺旋槽的所述第1置换器侧与所述第2置换器内的蓄冷室连通。

发明效果

根据本发明的超低温制冷机，在将所述第2置换器的外周侧的侧隙当作脉冲管型制冷机基础上，能够在进行适当的相位调整之后降低损失并提高制冷效率。

附图说明

图1是表示本发明所涉及的实施例1的超低温制冷机1的整体结构的一实施方式的示意图。

图2是表示本发明所涉及的实施例1的超低温制冷机1的主要部分的一实施方式的示意图。

图3是将实施例1的超低温制冷机1的侧隙看作脉冲管型制冷机的脉冲管时的流程图。

图4是表示本发明所涉及的实施例2的超低温制冷机1的一实施方式的示意图。

图5是将实施例2的超低温制冷机1的侧隙看作脉冲管型制冷机的脉冲管时的流程图。

图中：1-超低温制冷机，2-第1置换器，3-第1膨胀空间，4-第1缸体，5-第2置换器，6-第2膨胀空间，7-第2缸体，8-螺旋槽，8P-气体活塞，8H-高温侧空间，8L-低温侧空间，9-第1节流部，10-容积部，11-第1蓄冷器，12-第2蓄冷器，13-密封件，14-压缩机，15-供给阀，16-回流阀，17-第2节流部。

具体实施方式

以下，参考附图对用于实施本发明的方式进行说明。

[实施例1]

本实施例1的超低温制冷机1例如能夠作为吉福德-麦克马洪（GM）型制冷机来构成，如图1所示，包含：第1置换器2；第1缸体4，在与第1置换器2之间形成第1膨胀空间3；第2置换器5，连结于第1置换器2；及第2缸体7，在与第2置换器5之间形成第2膨胀空间6。

而且，超低温制冷机1包含：螺旋槽8，形成于第2置换器5的外周面并从第2膨胀空间6以螺旋状延伸；第1节流部9，与螺旋槽8的第1置换器2侧连通；及容积部10，与第1节流部9的第1膨胀空间3侧连通。容积部10始终位于比第1膨胀空间3更靠第2膨胀空间6侧。

第1置换器2与第2置换器5均具有圆筒状外周面，第1置换器2的内部配置第1蓄冷器11，第2置换器5的内部配置第2蓄冷器12。第1置换器2的偏靠高温端侧的部分与第1缸体4之间设置有密封件13，第1缸体4的上端连接有将由压缩机14、供给阀15、回流阀16构成的吸排气系统相互连接的配管中的连接于第1缸体4的供排共用配管。

第1置换器2的上端结合未图示的轴部件，该轴部件从第1缸体4的上端突出，经未图示的曲柄机构连结于未图示的驱动用马达。轴部件、曲柄机构、驱动用马达构成使第1置换器2和第2置换器5沿轴向往复运动的驱动机构。

第1置换器2容纳于下部开口的有底圆筒形状的第1缸体4内，第2置换器5容纳于上部开口的有底圆筒形状的第2缸体7内，第1缸体4与第2缸体7构成为一体。

第1缸体4、第2缸体7由具有较高的强度、较低的导热率、充分的氦截断能力的材料构成，例如由不锈钢构成。第1置换器2由具有较轻的比重和充分的耐磨性、比较高的强度、较低的导热率的材料构成，例如由酚醛布等构成。第2置换器5例如由外周面施加有耐磨性较高的氟树脂等的覆膜的金属制筒构成。第1蓄冷器11例如由金属丝网等第1蓄冷材料构成，第2蓄冷器12例如通过由毛毡及金属丝网沿轴向挟持铅球等第2蓄冷材料来构成。

如图2所示，在第2置换器5的外周面上形成有螺旋槽8，该螺旋槽8具有与形成在第1缸体4的低温侧的第2膨胀空间6连通的始端，并且以螺旋状向第1膨胀空间3侧延伸，螺旋槽8具有在位于比第2置换器5的轴向中央更靠高温侧的部分结束的终端。

从该螺旋槽8的终端起在第2置换器5的外周面形成向轴向延伸的槽状的第1节流部9，第1节流部9的终端与形成在第2置换器5的外周面的容积部10连通。如图1所示，在第1置换器2和第2置换器5的上死点，容积部10位于比第1缸体4的底面更靠下侧。

另外，容积部10始终位于比第1膨胀空间3更靠第2膨胀空间6侧是指，在第1膨胀空间3变成最大的、第1置换器2位于上死点时整个容积部10位于比露出于第1膨胀空间3的外周面的露出部分更靠第2膨胀空间6侧。另外，图2中，第2置换器5的外周面中位于比容积部10更靠高温侧的部分构成相对第1缸体4的内周面缩小径向间隙的侧隙密封部。

容积部10具有在第2置换器5的外周面比侧隙部更向径向深入的形态，并形成向周向延伸的圆环状槽部即圆环状空间。通过该容积部10与第2缸体7的内周面划分的圆环状空间的容积具有螺旋槽8的总容积的至少一半以上的容积而构成。

若使压缩机14动作并打开供给阀15，则高压氦气经供给阀15从上述的供排共用配管供给至第1缸体4内，并经连通第1置换器2内的上端和第1蓄冷器11的连通路和第1蓄冷器11、连通第1蓄冷器11和第1膨胀空间3的连通路供给至第1膨胀空间3。

供给至第1膨胀空间3的高压氦气进一步经连通第1膨胀空间3和第2蓄冷器12的连通路供给至第2蓄冷器12，而且，经连通第2蓄冷器12和第2膨胀空间6的连通路供给至第2膨胀空间6。另外，供给至第2膨胀空间6的高压氦气中的一部分从低温侧供给至螺旋槽8内。

图3是将螺旋槽8当作脉冲管型制冷机的脉冲管时的制冷剂气体流程图。第1节流部9对应节流孔，且所述节流孔配置于连通作为缓冲器发挥作用的容积部10和作为脉冲管发挥作用的螺旋槽8的高温侧的连通路。螺旋槽8内的制冷剂气体中位于轴向的大致中间的部分构成假想的气体活塞8P。

在此，调整气体活塞8P的轴向的长度和相位，以便气体活塞8P在往复运动中必定限制在螺旋槽8内，且气体活塞8P的高温侧存在高温侧空间8H，低温侧存在低温侧空间8L。气体活塞8P的轴向的长度和相位根据作为相位调整机构发挥作用的容积部10（缓冲器）的容积和第1节流部9（节流孔）的截面积进行调整。

接着，对制冷机的动作进行说明。在制冷剂气体供给工序的某一时刻，第1置换器2及第2置换器5分别位于第1缸体4及第2缸体7的下死点。若与此同时或在稍微错开的时机打开供给阀15，则高压氦气经供给阀15从供排共用配管供给至第1缸体4内，并从第1置换器2的上部流入第1置换器2的内部（第1蓄冷器11）。流入第1蓄冷器11后的高压氦气被第1蓄冷材料冷却的同时经位于第1置换器2的下部的连通路供给至第1膨胀空间3。

供给至第1膨胀空间3的高压氦气进一步经未图示的连通路供给至第2置换器5内部的第2蓄冷器12。在此，第2置换器5在高温侧端部具备间隙密封部，因此可抑制氦气从第1膨胀空间3流入容积部10。

另外，在该时刻，螺旋槽8内的氦气的压力与压缩机14的低压侧的压力大致相等，与此相对，容积部10内的氦气为压缩机14的高压与低压的中间压力左右。因此，容积部10内的氦气经第1节流部9流入螺旋槽8的高温侧。

流入第2蓄冷器12的高压氦气被第2蓄冷材料进一步冷却的同时经连通路供给至第2膨胀空间6。供给至第2膨胀空间6的高压氦气中的一部分从低温侧流入螺旋槽8内。该气体对应于图3中存在于低温侧空间8L内的氦气。

在此，如上所述，与螺旋槽8的截面积相比第1节流部9的截面积较小，因此与流入低温侧空间8L的氦气流入螺旋槽8时的流入阻力相比从容积部10流入高温侧空间8H的氦气流入螺旋槽8时的流入阻力较大。因此，流入高温侧空间8H的氦气的气体量变得少于流入低温侧空间8L的氦气的气体量，防止高温侧空间8H的氦气向第2膨胀空间6漏气。另一方面，允许高温侧空间8H的氦气的一部分被气体活塞8P推压而流入容积部10。

这样，第1膨胀空间3、第2膨胀空间6、螺旋槽8被高压氦气填满，供给阀15被关闭。此时，第1置换器2及第2置换器5位于第1缸体4及第2缸体7内的上死点。若与此同时或在稍微错开的时机打开回流阀16，则第1膨胀空间3、第2膨胀空间6、螺旋槽8的制冷剂气体被减压膨胀。通过膨胀变成低温的第1膨胀空间3的氦气吸收未图示的第1冷却台的热量，第2膨胀空间6的氦气吸收未图示的第2冷却台的热量。

第1置换器2及第2置换器5朝向下死点移动，第1膨胀空间3、第2膨胀空间6的容积减少。第2膨胀空间6的氦气经上述的连通路、第2蓄冷器12回收至第1膨胀空间3内。在此，螺旋槽8内的低温侧空间8L的氦气经第2膨胀空间6也被回收。

第1膨胀空间3内的氦气经第1蓄冷器11返回至压缩机14的吸入侧。此时，第1蓄冷材料、第2蓄冷材料被制冷剂气体冷却。该工序设为1循环，制冷机通过反复该冷却循环来冷却第1冷却台、第2冷却台。

根据上述的本实施例1的超低温制冷机1，能够得到如下作用效果。能够在构成第2置换器5与第2缸体7的侧隙的螺旋槽8内构成假想气体活塞8P来使该气体活塞8P作为防止氦气在侧隙的低温侧与高温侧之间流通的密封件发挥作用。

即，通过假想气体活塞8P，能够防止氦气经第2置换器5的外周面与第2缸体7的内周面之间的侧隙相互移动，并防止产生泄漏损失来提高制冷效率。

而且，能够依据该假想气体活塞8P将侧隙当作脉冲管型制冷机且将比气体活塞8P更靠低温侧的螺旋槽8内的低温侧空间8L作为第3膨胀空间利用，因此通过此也能够提高制冷效率。

另外，由在第2置换器5的外周面向轴向延伸的槽状的第1节流部9构成节流孔，且该节流孔构成调整气体活塞8P的轴向的长度和相位的相位调整机构，并由容积部10构成缓冲器。因此，能够更可靠地进行相位调整。而且，该容积部10设为与上述的第1置换器2和第2置换器5的往复运动无关地始终不进入第1膨胀空间3内的结构。因此，能够使容积部10内的氦气的压力稳定，并能够使容积部10内作为缓冲器容积发挥作用。并且，第1节流部9与容积部10相同，也设为与第1置换器2和第2置换器5的往复运动无关地始终不进入第1膨胀空间3内的结构。因此能够使作为节流孔发挥作用的第1节流部9的流量系数遍及往复运动的整个区域恒定来稳定相位调整功能。

这样，在本实施例1中能够稳定相位调整功能，因此稳定气体活塞8P的长度和相位，还稳定上述的密封功能，从而能够更可靠地防止泄漏损失，并且还更可靠地确保第3膨胀空间来提高制冷效率。

[实施例2]

在上述的本实施例1的超低温制冷机1中，第1节流部9设为第2置换器5的外周面上的向轴向延伸的槽状，但还可在此附加将从第1节流部9的始端向第2置换器5的径向延伸而与第2蓄冷器12连通的孔部作为第2节流部17。另外，优选在第2蓄冷器12的与第2节流部17连通的部分的上下设置未图示的隔开部件来设置无蓄冷材料的空间。另外，第2节流部17的直径优选小于第2蓄冷材料的粒径。以下，针对有关此内容的实施例2进行叙述。

本实施例2中，如图4所示，在上述的实施例1的基础上，附加从第1节流部9的高温侧端部向第2置换器5的径向内侧延伸而与第2蓄冷器12连通的第2节流部17。此时的流程图如图5所示。

第1节流部9对应节流孔，且该节流孔配置于连通作为缓冲器发挥作用的容积部10和作为脉冲管发挥作用的螺旋槽8的高温侧的连通路。而且，第2节流部17对应于双入口节流孔，且所述双入口节流孔配置于连通第2蓄冷器12与螺旋槽8（脉冲管）的高温侧的连通路。即，能够将螺旋槽8、第2蓄冷器12当作具备缓冲器容积的双入口式脉冲管制冷机。

与实施例1相同地，螺旋槽8内的制冷剂气体中位于轴向的大致中间的部分构成假想气体活塞8P。调整气体活塞8P的轴向的长度和相位，以使气体活塞8P在往复运动中必定限制在螺旋槽8内，且气体活塞8P的高温侧存在高温侧空间8H，低温侧存在低温侧空间8L。气体活塞8P的轴向的长度和相位根据作为相位调整机构发挥作用的容积部10（缓冲器）的容积、第1节流部9的截面积（节流孔）、第2节流部17的截面积进行调整。

接着，对制冷机的动作进行说明。在制冷剂气体供给工序的某一时刻，第1置换器2及第2置换器5分别位于第1缸体4及第2缸体7的下死点。若与此同时或在稍微错开的时机打开供给阀15，则高压氦气经供给阀15从供排共用配管供给至第1缸体4内，从第1置换器2的上部流入第1置换器2的内部（第1蓄冷器11）。流入第1蓄冷器11的高压氦气被第1蓄冷器11内部的第1蓄冷材料冷却的同时经位于第1置换器2的下部的连通路供给至第1膨胀空间3。

供给至第1膨胀空间3的高压氦气进一步经未图示的连通路供给至第2蓄冷器12。在此，第2置换器5具备间隙密封部，因此可抑制氦气从第1膨胀空间3流入容积部10。

另外，在该时刻，螺旋槽8内的氦气的压力与压缩机14的低压侧的压力大致相等，与此相对，容积部10内的氦气为压缩机14的高压与低压的中间压力左右。因此，容积部10内的氦气经第1节流部9流入螺旋槽8的高温侧。

流入到第2蓄冷器12的高压氦气的大部分被第2蓄冷材料进一步冷却的同时经连通路供给至第2膨胀空间6。供给至第2膨胀空间6的高压氦气中的一部分从低温侧流入螺旋槽8内。该气体对应图5中存在于低温侧空间8L内的氦气。在此，流入到第2蓄冷器12的高压氦气的一部分从第2节流部17流入螺旋槽8的高温端。

在此，如上所述，与螺旋槽8的截面积相比，第1节流部9的截面积及第2节流部17的截面积均较小，因此与流入低温侧空间8L的氦气流入螺旋槽8时的流入阻力相比，从容积部10及第2蓄冷器12流入高温侧空间8H的氦气流入螺旋槽8时的流入阻力较大。因此，流入高温侧空间8H的氦气的气体量变得少于流入低温侧空间8L的氦气的气体量，可防止高温侧空间8H的氦气向第2膨胀空间6漏气。另一方面，允许高温侧空间8H的氦气的一部分被气体活塞8P推压而流入容积部10。

这样，第1膨胀空间3、第2膨胀空间6、螺旋槽8被高压氦气填满，供给阀15被关闭。此时，第1置换器2及第2置换器5位于第1缸体4及第2缸体7内的上死点。若与此同时或在稍微错开的时机打开回流阀16，则第1膨胀空间3、第2膨胀空间6、螺旋槽8的制冷剂气体被减压并膨胀。通过膨胀变成低温的第1膨胀空间3的氦气吸收未图示的第1冷却台的热量，第2膨胀空间6的氦气吸收未图示的第2冷却台的热量。

第1置换器2及第2置换器5朝向下死点移动，第1膨胀空间3、第2膨胀空间6的容积减少。第2膨胀空间6的氦气经第2蓄冷器12回收至第1膨胀空间3内。在此，螺旋槽8内的低温侧空间8L的氦气经第2膨胀空间6也被回收。另一方面，螺旋槽8内的高温侧空间8H的氦气的一部分经第2节流部17流入第2蓄冷器12。

第1膨胀空间3内的氦气经第1蓄冷器11返回至压缩机14的吸入侧。此时，第1蓄冷材料、第2蓄冷材料被制冷剂气体冷却。该工序设为1循环，制冷机通过反复该冷却循环来冷却第1冷却台、第2冷却台。

本实施例2中也与上述的实施例1相同，如图5所示，将构成第2置换器5的外周面与第2缸体7的内周面之间的侧隙的螺旋槽8当作脉冲管型制冷机，在螺旋槽8内构成假想气体活塞8P，将流量系数恒定的第1节流部9作为节流孔，而且，将流量系数恒定的第2节流部17作为连通第2蓄冷器12与作为脉冲管的螺旋槽8的连通流路上的双入口，由此能够进一步适当地调整长度和相位。

即，使气体活塞8P具备进一步可靠的密封功能，从而能够防止泄漏损失来提高制冷效率，并将螺旋槽8内的低温侧空间8L作为第3膨胀空间利用来进行附加制冷，由此也能够提高制冷效率。

以上，对本发明的优选实施例进行了详细说明，但本发明不限于上述实施例，在不脱离本发明的范围内，能够对上述实施例加以各种变形及置换。例如，在上述的超低温制冷机中示出了级数为2级的情况，但该级数能够适当选择为3级等。

另外，第1节流部9的截面积能够通过深度和宽度双方进行调整，槽形状可以是曲面形状、方形等任意形状。另外，对第1节流部9在第2置换器5的轴向上形成为直线状的例子进行了说明，但并不限于此。例如，可将螺旋槽沿着延长线形成，只要连通容积部10与螺旋槽的高温端，就能够起到相同的效果。

另外，在实施方式中，对超低温制冷机为GM制冷机的例子进行了说明，但不限于此。例如还能够适用于斯特林制冷机、苏尔威制冷机等具备置换器的任何制冷机。

产业上的可利用性

本发明涉及一种降低侧隙中的泄漏损失且将侧隙作为第3膨胀空间利用来提高制冷效率的超低温制冷机。

根据本发明，在将侧隙作为脉冲管型制冷机利用时能够更可靠地进行假想气体活塞的轴向的长度和相位的调整。

Claims (3)

1.一种超低温制冷机，其特征在于，包括：

第1置换器；

第1缸体，在与该第1置换器之间形成第1膨胀空间；

第2置换器，连结于所述第1置换器；

第2缸体，在与该第2置换器之间形成第2膨胀空间；及

螺旋槽，形成于所述第2置换器的外周面并从所述第2膨胀空间以螺旋状延伸，并且

所述第2缸体包括：与该螺旋槽的所述第1置换器侧连通的第1节流部及与该第1节流部的所述第1置换器侧连通的容积部，

所述容积部设为与所述第1置换器和所述第2置换器的往复运动无关地始终不进入所述第1膨胀空间内的结构。

2.如权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述容积部为位于比所述外周面更靠径向内侧或面向所述外周面的圆环状空间。

3.如权利要求2所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述超低温制冷机还包括第2节流部，且该第2节流部将所述螺旋槽的所述第1置换器侧与所述第2置换器内的蓄冷室连通。