CN103032987B - 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）；第2缸体（7），在与第2置换器（5）之间形成第2膨胀空间（6）；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；节流部（9），与螺旋槽（8）的第1置换器（2）侧连通；及流路（10），连通节流部（9）和第1膨胀空间（3）侧，节流部（9）始终位于比第1膨胀空间（3）更靠第2膨胀空间（6）侧。

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相位调整机构发挥作用的直线槽。

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记载的技术中存在如下问题，即当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，因此作为节流件的流路阻力发生变化，难以进行所希望的相位调整，无法提高制冷效率。

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，包含：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；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；节流部，与该螺旋槽的所述第1置换器侧连通；及流路，连通该节流部和所述第1膨胀空间侧，所述节流部始终位于比所述第1膨胀空间更靠所述第2膨胀空间侧。

在此，在所述超低温制冷机中，可如设为如下，即所述流路以向所述第2置换器的轴向延伸的形态形成于所述外周面，所述流路的与所述轴向垂直的截面中的流路截面积大于所述节流部的与该节流部延伸的方向垂直的截面内的节流部截面积。

而且，在所述超低温制冷机中，还可设为如下，即所述流路截面积随着远离所述节流部而连续变大。

或者，在所述超低温制冷机中，还可设为如下，即所述流路与位于所述第2置换器内的第2蓄冷器连通。即，所述流路经所述第2蓄冷器将所述节流部与所述第1膨胀空间连通。

或者，在所述超低温制冷机中，还可设为如下，即所述流路具有向所述第2置换器的径向延伸的形态并兼作所述节流部。

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的基础上，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的一实施方式的示意图。

图2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3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4是表示本发明所涉及的实施例3的超低温制冷机1的一实施方式的示意图。

图5是表示本发明所涉及的实施例4的超低温制冷机1的一实施方式的示意图。

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-节流部，10-流路（轴向），10-1-流路（径向），10-2-流路（径向：兼作节流部），11-第1蓄冷器，12-第2蓄冷器，13-密封垫，14-压缩机，15-供给阀，16-回流阀。

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例如可作为吉福德-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；节流部9，与螺旋槽8的第1置换器2侧连通；及流路10，连通节流部9和第1膨胀空间3侧，节流部9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的偏靠高温侧的部分与第1缸体4之间设置有密封垫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供排共用配管。

第1置换器2的上端结合未图示的轴部件，其从第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向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为了确保较高的强度和较低的导热率及充分的氦截断能力，例如由不锈钢构成。第1置换器2为了确保较轻的比重和充分的耐磨性、比较高的强度、较低的导热率，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例如由金属丝网等蓄冷材料构成，第2蓄冷器12例如通过由毛毡或金属丝网向轴向挟持铅球等蓄冷材料来构成。

第2置换器5的外周面形成有螺旋槽8，其具有与第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具有在第2置换器5的轴向中间结束的终端。

而且，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节流部9。节流部9在图1所示的第1置换器2和第2置换器5位于上死点的状态下，终端位于比第1缸体4的底面更靠下侧。从该节流部9的终端起在第2置换器5的外周面进一步形成与第1膨胀空间3连通并且延伸至第2置换器5的图1中的顶部的流路10。

另外，节流部9始终位于比第1膨胀空间3更靠第2膨胀空间6侧是指，当第1膨胀空间3变为最大、第1置换器2位于上死点时，整个节流部9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。即，图1中，节流部9的上端位于比划分第1膨胀空间3的缸体4的下端部更靠下方。

流路10以向第2置换器5的轴向延伸的形态形成于第2置换器5的外周面，流路10的与轴向垂直的截面中的流路截面积A10形成为大于节流部9的与节流部9延伸的方向垂直的截面内的节流部截面积A9（A10＞A9）。

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从上述供排共用配管供给至第1缸体4，并经连通第1缸体4与第1置换器2内的第1蓄冷器11的连通路和第1蓄冷器11、连通第1蓄冷器11与第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的高压氦气的大部分进一步经连通第1膨胀空间3与第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与第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1膨胀空间3的高压氦气中剩余一部分经流路10、节流部9的构成于第2置换器5的外周面上的路径供给至螺旋槽8内的高压侧。并且，供给至第2膨胀空间6的高压氦气中的一部分供给至螺旋槽8内的低压侧。

图2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。节流部9对应节流孔，所述节流孔配置于连通供排共用配管与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气体活塞8P。

在此，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节流部9（节流孔）的截面积及总长进行调整。

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的高压氦气的大部分进一步经未图示的连通路17供给至第2蓄冷器12。其中，未供给至第2蓄冷器12的剩余氦气通过流路10及节流部9从高温侧供给至螺旋槽8。该气体对应存在于图3中的高温侧空间8H的氦气，起到抑制气体活塞8P从螺旋槽8向第1膨胀空间3流出的作用。在此，与节流部9的截面积相比流路10的截面积充分大，因此与流过节流部9时的阻力相比氦气流过流路10时的阻力充分小。因此，能够根据节流部9的截面积及总长调整从第1膨胀空间3流入高温侧空间8H的氦气的流入阻力。

流入第2蓄冷器12的高压氦气在第2蓄冷器12内被第2蓄冷材料冷却并供给至第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供给至螺旋槽8内。该气体对应存在于图3中的低温侧空间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，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。

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的氦气经上述未图示的连通路、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，能够得到如下有利的作用效果。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，从而使该气体活塞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垫发挥作用。

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，依据该假想气体活塞8P能够将侧隙当作脉冲管型制冷机的脉冲管且将比气体活塞8P更靠低温侧的低温侧空间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，能够由在第2置换器5的外周面向轴向延伸的槽状的节流部9构成双入口，所述双入口构成调整气体活塞8P的轴向的长度和相位的相位调整机构，因此能够更简单地构成相位调整机构。而且，由于能够使该节流部9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，因此使作为双入口的流量系数遍及往复运动的整个区域恒定，从而能够稳定相位调整功能。

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通过第3膨胀空间来提高制冷效率。

另外，本实施例1的节流部9设为第2置换器5的外周面上的向轴向延伸的槽状，但是也能够代替槽状而设为从流路10的始端向图1中下方延伸而与螺旋槽8的终端连通的孔部。

[实施例2]

在上述的本实施例1的超低温制冷机1中，高压氦气从第1膨胀空间3朝向螺旋槽8在流路10及节流部9中流通，低压氦气从螺旋槽8向第1膨胀空间3流通。即，制冷剂气体在作为双入口发挥作用的节流部9中双向流通。在此，高压氦气的密度高于低压氦气，因此与低压氦气相比流速较小且压力损失较小。因此，就1循环中通过节流部9的气体量而言，高压氦气稍多于低压氦气，在双向流通的气体流量之间产生不平衡。其结果，每重复进行冷却循环时产生从螺旋槽8的高温侧朝向低温侧的稳定流动。该流动为图2中以顺时针箭头L表示的二次流动。

本实施例2中，如图3（b）所示，将上述的实施例1中流路10的图3（a）中恒定的流路10在延伸方向上的流路截面积A10设为随着远离节流部9连续变大。另外，图3中，对于流路10，通过调整从第2置换器5的径向观察时的宽度方向尺寸来调整流路截面积A10，但是也可结合径向的深度方向进行调整。

据此，通过流路10的流路截面积A10的缩小能够对氦气流动赋予预先阻碍产生图2所示的二次流动的阻力。即，通过使氦气从第1膨胀空间3朝向螺旋槽8在节流部9中流通时的流路阻力大于从螺旋槽8朝向第1膨胀空间3流通时的节流部9所形成的流路阻力，能够抑制产生二次流动L。因此，能够防止伴随二次流动L的热量损失来提高制冷效率。

[实施例3]

在上述的实施例1及实施例2中，示出向第2置换器5的外周面的轴向设置流路10的结构，但是也可在径向设置。以下对与此相关的实施例3进行叙述。

本实施例3的超低温制冷机1中流路10-1以外的结构与图1所示的实施例1基本相同，因此对共同的构成要件附加相同符号，主要说明不同点。即，如图4所示，在本实施例3的超低温制冷机1中，也设为如下，即作为前提包括形成于第2置换器5的外周面并从第2膨胀空间6以螺旋状延伸的螺旋槽8及与螺旋槽8的第1置换器2侧连通的节流部9，并包含连通节流部9和第2蓄冷器12的流路10-1，节流部9始终位于比第1膨胀空间3更靠第2缸体7内部。

本实施例3中，节流部9也构成在第2置换器5的外周面向轴向延伸的槽状，如图4所示，节流部9的上端始终位于比第1缸体4的底部即第1膨胀空间3更靠下。

本实施例3中也与上述的实施例1相同，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如图2所示那样当作脉冲管型制冷机，并在螺旋槽8内构成假想气体活塞8P，从而能够将流量系数恒定的节流部9作为双入口来适当调整长度和相位。

即，使气体活塞8P具备更可靠的密封功能，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膨胀空间利用并进行附加制冷，由此也能够提高制冷效率。

另外，流入高温侧空间8H的氦气经第2蓄冷器12流入。因此，与实施例1相比能够以被冷却成更低温的状态流入螺旋槽8，因此较优选。

[实施例4]

上述的实施例1～3中，将节流部9设为相对第2置换器5的外周面向轴向延伸的槽，但也可以由向第2置换器5的径向延伸的孔部构成流路，且进一步使该孔部兼作节流部的作用。以下对与此相关的实施例4进行叙述。

本实施例4的超低温制冷机1中，流路10-2为向径向延伸的形态且兼作节流部，除此以外的结构与图4所示的实施例3基本相同，因此对共同的构成要件附加相同符号，主要说明不同点。

如图5所示，本实施例4的超低温制冷机1中，包括形成于第2置换器5的外周面并从第2膨胀空间6以螺旋状延伸的螺旋槽8及与螺旋槽8的第1置换器2侧连通的流路10-2。流路10-2向第2置换器5的径向延伸而与第2蓄冷器12连通，流路10-2仍始终位于比第1膨胀空间3更靠第2膨胀空间6侧，并且与第1置换器2及第2置换器5的往复运动无关地始终不露出于第1膨胀空间3。

另外，本实施例4中，螺旋槽8的与流路10-2连通的连通部分8T中，与连通部分8T延伸的方向垂直的截面内的螺旋槽截面积随着接近流路10-2而连续变小。由此，使连通部分8T中的氦气顺畅流通。

本实施例4中也与上述的实施例1相同，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当作如图2所示的脉冲管型制冷机，并在螺旋槽8内构成假想气体活塞8P，并且将兼作节流部的流路10-2作为双入口适当调整长度和相位，由此能够使气体活塞8P具备密封功能。即，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，由此也能够提高制冷效率。

另外，流路10-2本身兼作节流部，从减小流量系数的观点出发将节流部预先设定为截面积小于螺旋槽截面积。即，若相对于第2蓄冷器12内的作为第2蓄冷材料的铅球等的外径将流路10-2的内径设定为较小，则能够防止铅球从流路10-2的第2蓄冷器12侧的开口部进入，并能够防止铅球向第2蓄冷器12外脱落。

另外，假使需将流路10-2的内径设为大于第2蓄冷材料的外径时，能够通过将网眼小于铅球直径的网等适当的防脱落构件设置于流路10-2的第2蓄冷器12侧来应对。

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，但该级数可适当选择为3级等。

在实施例中，节流部9及流路10设为第2置换器5的外周面上的向轴向延伸的槽状，但不限于此。例如，可在螺旋槽8的延长线上形成节流部9、流路10。

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 (5)

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；

连通路，连通所述第2置换器与所述第2膨胀空间；

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；

节流部，与该螺旋槽的所述第1置换器侧连通；及

流路，将该节流部与所述第1膨胀空间侧连通，

所述节流部始终位于比所述第1膨胀空间更靠所述第2膨胀空间侧。

2.如权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述流路以向所述第2置换器的轴向延伸的形态形成于所述外周面，所述流路的与所述轴向垂直的截面中的流路截面积大于所述节流部的与该节流部延伸的方向垂直的截面内的节流部截面积。

3.如权利要求2所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述流路截面积随着远离所述节流部而连续变大。

4.如权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述流路与位于所述第2置换器内的第2蓄冷器连通。

5.如权利要求4所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述流路具有向所述第2置换器的径向延伸的形态并兼作所述节流部。