CN103292508B - 超低温制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超低温制冷机，其能够无关于由制冷剂气体产生的压力损失而尽量抑制反向的力作用于马达，从而有效地防止马达的滑移。基于本发明的超低温制冷机（1），其特征在于，包括缸体（2）及相对于缸体（2）进行往复运动的置换器（3），并包括弹性机构（4），该弹性机构在分别包含置换器（3）的往复运动范围内的一对端部的一对端部区域的至少一方，当置换器（3）接近端部时蓄积弹力，当远离端部时释放弹力。

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来产生超低温寒冷的超低温制冷机。

背景技术

作为超低温制冷机例如有专利文献1中所记载的制冷机。在该技术中，通过止转棒轭机构将马达的旋转运动转换成往复运动来使置换器动作。

在该超低温制冷机中，使置换器在缸体内部往复移动的同时，通过阀的开闭使由缸体与置换器所限定的膨胀空间内的制冷剂气体膨胀而产生寒冷。通过热交换将该寒冷传给位于膨胀空间外周侧的冷却台，由此进行被冷却物的冷冻。

在该超低温制冷机中，若将低温端侧的膨胀空间变得最小的置换器的位置作为上止点，将变得最大的位置作为下止点，则在置换器向上止点移动并最终到达之前，通过阀来完成制冷剂气体的吸气（供给）。另外，有时上止点和下止点的定义与上述相反。

专利文献1：日本特开2011-17457号公报

在上止点的正前方，作用于置换器的基于制冷剂气体的压力损失的力（压损力）由于其移动方向与制冷剂气体的流动方向一致而成为同向，并作为朝向置换器的移动方向的加力而发挥作用，对于马达来说成为使旋转力增加的正向的力。

在上止点的正后方，由于移动方向与流动方向相反，因此作用于置换器的力成为与移动方向相反方向，并作为阻碍置换器朝向移动方向移动的力而发挥作用，对于马达来说成为阻碍旋转力的反向的力。在下止点也一样，在置换器到达下止点之前进行制冷剂气体的排气，因此该正向的力与反向的力同样发生。

即，在以往技术中，在置换器到达下止点或上止点之后，产生起因于基于制冷剂气体的压力损失的反向的力，该反向的力对于马达来说会变成负荷阻力，有诱发马达的滑移等不良状况的可能性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超低温制冷机，其无关于由制冷剂气体产生的压力损失而尽量抑制反向的力作用于马达，从而能够有效地防止马达的滑动等不良状况。

为了解决上述问题，基于本发明的超低温制冷机的特征在于，

包括缸体及相对于该缸体进行往复运动的置换器，并包括弹性机构，该弹性机构在分别包含所述置换器的往复运动范围内的一对端部的一对端部区域的至少一方，当所述置换器接近所述端部时蓄积弹力，当远离所述端部时释放所述弹力。

另外，所述端部是指上述的上止点或下止点，所述端部区域具有包含所述上止点的一方和包含所述下止点的另一方，在本发明中只要具有以一方及另一方中的至少任一方或双方来发挥上述功能的所述弹性机构即可。所述端部区域以外的所述往复运动范围包含往复运动的中间点。所述端部区域的长度小于所述端部与所述中间点的间隔，且由基于作用于所述置换器的制冷剂气体的压力损失的压损力的特性来决定。

其中，所述弹性机构可以包括配置在窗口部的第1弹性体，所述窗口部作为与所述置换器连结的止转棒轭机构的一部分，也可以包括配置在与所述置换器连结的杆的杆端部的第2弹性体。另外，所述弹性机构可以包括配置在所述置换器的高温端的第3弹性体，也可以包括配置在所述置换器的低温端的第4弹性体。另外，所述弹性机构例如为螺旋弹簧，仅接合于所述置换器侧和所述缸体侧的任意一方，而另一侧为自由端，该自由端仅在所述端部区域与另一方接触。

并且，可以使所述置换器或所述缸体包含容纳所述第3弹性体或所述第4弹性体的凹部。所述凹部在由所述置换器与所述缸体之间划分的轴向的空间，最好有一定深度，该深度能够容纳被压缩的所述第3弹性体或所述第4弹性体并防止因所述第3弹性体或第4弹性体产生死体积。

发明效果

根据本发明的超低温制冷机，能够在对膨胀空间在上止点的正前方通过吸气机构开始吸气时和在下止点的正前方通过排气机构开始排气时，利用正向的力发挥作用这一点，在置换器到达端部之前使该正向的力作为弹力而蓄积于弹性机构。

由此，能够在置换器到达端部之后通过弹性机构释放该弹力，并通过被释放的弹力抵消因压力损失而发挥作用的反向的力，从而能够防止反向的力作为负荷阻力传递于经止转棒轭机构使置换器动作的马达。即，能够更有效地防止起因于负荷阻力的马达的滑移等不良状况。

附图说明

图1是表示本发明所涉及的实施例的超低温制冷机1的一实施方式的示意图。

图2是表示与实施例的超低温制冷机1的置换器3连结的窗口部6的第1弹性体41与杆5的端部的第2弹性体42的一实施方式的示意图。

图3是表示连结于实施例的超低温制冷机1的置换器3的高温端的第3弹性体43与连结于低温端的第4弹性体44的一实施方式的示意图。

图4是表示基于压力损失的压损力的样态的一例的示意图，所述压力损失由在实施例的超低温制冷机1的置换器3的往复运动中发挥作用的制冷剂气体引起。

图5是表示与实施例的超低温制冷机1的置换器3的第3弹性体43对应的凹部3a的形态的一例的示意图。

图6是表示与实施例的超低温制冷机1的置换器3的第4弹性体44对应的凹部3b的形态的一例的示意图。

图中：1-超低温制冷机，2-缸体，3-置换器，4-弹性机构，41-第1弹性体，42-第2弹性体，43-第3弹性体，44-第4弹性体，5-杆，6-窗口部，7-壳体，8-上部罩，9-阀板，10-阀，11-止转棒轭机构，12-马达。

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]

如图1所示，本实施例的超低温制冷机1例如为将氦气用作制冷剂气体的吉福德-麦克马洪（GM）式制冷机。超低温制冷机1具备缸体2、置换器3、弹性机构4、杆5、窗口部6、壳体7、上部罩8、阀板9、阀10、止转棒轭机构11及马达12。

缸体2构成为在与置换器3之间沿径向形成间隙且置换器3能够在缸体2内移动。并且，置换器3的图1中B侧形成有膨胀空间C，图1中与B侧相反侧形成有常温室H。图1中虽未图示，但设置有位于与膨胀空间C邻接并且将其外包的位置的冷却台，该冷却台例如由铜、铝、不锈钢等导热率较高的材质构成。

缸体2将置换器3容纳成能够沿长边方向往复移动。从强度、导热率、氦隔离能力的观点出发，在缸体2中例如使用不锈钢。在缸体2的图1中B侧相反侧的高温端，设置有基于马达12的旋转驱动来往复驱动置换器3的止转棒轭机构11。止转棒轭机构11的曲轴11a以能够沿垂直于杆5的轴向的方向相对移动的方式连结于窗口部6，该窗口部设置于置换器3所连结的杆5的中间。

止转棒轭机构11、窗口部6、阀板9及阀10沿图1中左右方向并列配置，并设置有覆盖这些整体的壳体7，贯穿壳体7而向图1中B侧相反侧突出的杆5的杆端部被上部罩8覆盖。

置换器3通过该止转棒轭机构11而沿缸体2的轴向往复移动。并且，曲轴11a的前端连结于阀板9的未图示的销孔，阀板9通过止转棒轭机构11旋转，在适当的时机进行旋转式的阀10的开闭。

置换器3具有圆筒状的外周面，在置换器3的内部填充有未图示的蓄冷材料。该置换器3的内部容积构成未图示的蓄冷器。蓄冷器的上端侧即高温端侧设置有对氦气的流动进行整流的上侧的未图示的整流器，蓄冷器的下端侧设置有下侧的未图示的整流器。

置换器3的高温端形成有使制冷剂气体从常温室H向置换器3流通的未图示的开口。常温室H是由缸体2与置换器3的高温端形成的空间，其容积随着置换器3的往复移动而变化。

常温室H连接有将由未图示的压缩机、阀板9及阀10构成的吸排气系统进行相互连接的配管中的供排公共配管。并且，在置换器3的偏靠高温端的部分与缸体2之间装有未图示的密封件。

置换器3的低温端形成有经间隙向膨胀空间C导入制冷剂气体的未图示的开口。膨胀空间C是由缸体2与置换器3形成于图1中B侧的空间，其容积随着置换器3的往复移动而变化。在与缸体2外周及底部的膨胀空间C对应的位置，配置有与被冷却物热力学连接的冷却台，冷却台被通过间隙的制冷剂气体冷却。

从比重、耐磨性、强度及导热率的观点出发，置换器3中例如使用酚醛树脂（酚醛布）等树脂。内部的蓄冷材料例如由金属丝网等构成。

本实施例中，弹性机构4具备第1弹性体41、第2弹性体42、第3弹性体43及第4弹性体44。如图1中的椭圆所示，第1弹性体41分别配置于窗口部6与壳体7的轴向的一对间隙。如图1中所示，第2弹性体42配置于杆5的杆端部与上部罩8的轴向的间隙。第3弹性体43配置于置换器3的常温室H侧即高温端侧，第4弹性体44配置于置换器3的膨胀空间C侧即低温端侧。

如图1中的A方向观察即图2所示，第1弹性体41与第2弹性体42由螺旋弹簧构成。其中，4个第1弹性体41的一端由例如粘结剂等适当的接合机构分别接合并固定于窗口部6侧，另一端则设为自由端。第2弹性体42的一端接合于杆5的杆端部，另一端也设为自由端。

如图3所示，第3弹性体43与第4弹性体44也由螺旋弹簧构成。第3弹性体43的一端接合于置换器3的高温端侧，另一端则设为自由端。第4弹性体44的一端接合于置换器3的低温端侧，另一端则设为自由端。

在位于图1中高温端侧的第2弹性体42、第1弹性体41及第3弹性体43的加力不发挥作用的状态下的自由长度以如下方式设定：仅在置换器3位于包含图1中高温端侧的下止点的预定长度的端部区域时，另一端才分别抵接于上部罩8的上底面、壳体7的上底面及缸体2的上底面。

在位于图1中低温端侧的第1弹性体41、第4弹性体44的加力不发挥作用的状态下的自由长度以如下方式设定：仅在置换器3位于包含图1中低温端侧的上止点的预定长度的端部区域时，另一端才分别抵接于壳体7的下底面及缸体2的下底面。

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，置换器3位于缸体2的图1中B侧的上止点。若在置换器3到达该上止点之前随着阀板9的旋转而打开阀10，则高压氦气经阀10从供排公共配管向缸体2内供给，并从位于置换器3的上部的开口流入置换器3的内部的蓄冷器。流入蓄冷器的高压氦气被蓄冷材料冷却的同时，经位于置换器3的下部的开口及间隙向膨胀空间C供给。

如此，膨胀空间C由高压氦气充满，将阀10关闭。此时，置换器3位于缸体2内的图1中B侧相反侧的下止点。若在置换器3到达该下止点之前打开阀10，则膨胀空间C的制冷剂气体被减压并膨胀。因膨胀而成为低温的膨胀空间C的氦气经间隙吸收冷却台的热量。

置换器3朝向上止点移动，膨胀空间C的容积减小。膨胀空间C内的氦气经间隙、开口、蓄冷器及开口返回压缩机的吸入侧。此时，蓄冷材料被制冷剂气体冷却。将该工序设为1个循环，制冷机通过反复该冷却循环来冷却冷却台。

在此，在图4中例示性地示出置换器3的举动与压损力F之间的关系。图4中横轴表示时间T（s），右侧的纵轴表示与置换器3在缸体2内的位置P对应的止转棒轭机构11的曲轴11a的角度。0度（360度）表示上止点，180度表示下止点。并且，左侧的纵轴，越向下侧表示压损力F向辅助方向（+）越增大，而越向上侧表示压损力F向反向（-）越增大。

在时间T0，置换器3位于上止点，且在临近该上死点的位置开始吸气，因此压损力F从正前方到上止点向辅助方向起作用，并从上止点开始向反向起作用，而在时间T1，置换器3位于下止点，且在该下止点的正前方开始排气，因此压损力F从正前方到上止点向辅助方向起作用，并从上止点起开始向反向起作用。

此时，由于本实施例的超低温制冷机1具备第1弹性体41及第4弹性体44，因此能够在临近上死点的位置打开阀10并开始吸气时，用第1弹性体41及第4弹性体44将在上止点的正前方朝向辅助方向发挥作用的制冷剂气体的压损力F作为弹力来蓄积，并在上止点的正后方释放该弹力。因此，能够通过弹力抵消上止点正后方的反向的压损力F，并能够防止负荷阻力作用于马达12。

并且，由于本实施例的超低温制冷机1具备有第2弹性体42、第1弹性体41及第3弹性体43，因此能够在临近下死点的位置打开阀10并开始排气时，用第2弹性体42、第1弹性体41及第3弹性体43蓄积在下止点的正前方朝向辅助方向发挥作用的制冷剂气体的压损力。因此，能够通过弹力抵消下止点正后方的反向的压损力F，并能够防止负荷阻力作用于马达12。

另外，上述实施例中使用的图2及图3所示的弹性体的大小为例示性的大小，尤其设置于置换器3本身的第3弹性体43与第4弹性体44相对于置换器3的相对大小能够适当设定成不会阻碍制冷剂气体的吸气与排气的大小。也可以对应于第3弹性体43的设置，如从轴向观察置换器3而表示的图5所示，在构成置换器3的高温端的上底面设置容纳第3弹性体43的圆环状的凹部3a。通过该凹部3a，在置换器3位于下止点时能够使凹部3a容纳被压缩的第3弹性体43，而避免因第3弹性体43发生死体积。

同样地也可以对应于第4弹性体44的设置，如从轴向观察置换器3而表示的图6所示，在构成置换器3的低温端的下底面设置容纳第4弹性体44的圆环状的凹部3b。通过该凹部3b，在置换器3位于上止点时能够使凹部3b容纳被压缩的第4弹性体44，而避免因第4弹性体44发生死体积。

以上对于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，能够在不脱离本发明的范围内对上述实施例进行各种变形及替换。

例如，上述超低温制冷机中示出了级数为一级时的情况，但该级数能够适当变更为两级、三级等。并且，实施方式中，对于超低温制冷机为GM制冷机的例子进行了说明，但不限于此。例如，本发明也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

本发明是利用伴随制冷剂气体的吸气与排气而发生的压损力向对置换器移动进行辅助的方向起作用而通过端部后再向阻碍置换器移动的方向起作用这一点的装置。即，根据弹性机构的设置，将辅助方向的压损力作为弹力来蓄积，并在通过端部后释放弹性，从而通过被释放的弹力来消除对置换器的移动进行阻碍的方向的力。由此，能够防止驱动止转棒轭机构的马达的转矩过大而导致滑移等不良状况，并能够提高装置整体的耐久性。因此，是适合应用于各种超低温制冷机的装置。

本申请主张基于2012年2月24日申请的日本专利申请第2012-039244号的优先权。该申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。

Claims (7)

1.一种超低温制冷机，其特征在于，

包括由压缩机、阀板和阀构成的吸排气系统、缸体、相对于该缸体进行往复运动的置换器、基于马达的旋转驱动往复驱动连结有所述置换器的杆的机构，并包括弹性机构，该弹性机构当所述置换器接近上止点时蓄积弹力，当远离所述上止点时释放所述弹力，

在所述置换器到达所述上止点之前随所述阀板的旋转而打开所述阀。

2.如权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述弹性机构包括配置在窗口部的第1弹性体，所述窗口部作为与所述置换器连结的止转棒轭机构的一部分。

3.如权利要求1或2所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述弹性机构包括第2弹性体，且该第2弹性体配置在所述杆的杆端部。

4.如权利要求1或2所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述弹性机构包括第3弹性体，且该第3弹性体配置在所述置换器的高温端。

5.如权利要求1或2所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述弹性机构包括第4弹性体，且该第4弹性体配置在所述置换器的低温端。

6.如权利要求4所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述弹性机构包括第4弹性体，且该第4弹性体配置在所述置换器的低温端。

7.如权利要求6所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述置换器或所述缸体包括容纳所述第3弹性体或所述第4弹性体的凹部。