CN103292509A - 超低温制冷机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种能够更加有效地实现高输出化的超低温制冷机。本发明的超低温制冷机(1),其特征在于,包括:第一缸体(2);第一置换器(3),其能够相对第一缸体(2)往复移动;第二缸体(4);第二置换器(5),其能够相对第二缸体(4)往复移动;吸排气系统(6)(61~66+V1~V4),其交替进行吸排气动作,该吸排气动作对第一缸体(2)内或第二缸体(4)内的任一侧进行吸气的同时对另一侧进行排气;连通路(7),其将第一缸体(2)内与第二缸体(4)内连通;及开闭构件(V5),其对连通路(7)进行开闭。
Description
技术领域
本发明涉及一种超低温制冷机,其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。
背景技术
伴随超低温制冷机的用途的扩大,要求高输出化。以往为了提高超低温制冷机的性能,通常进行加大制冷机的缸体口径、加长冲程、加大制冷剂气体的高低压差。除此以外,如专利文献1所记载,还提出将多台压缩机与多台膨胀机组合的技术。
专利文献1:日本特开平11-257772号公报
然而,在上述的以往技术中,易导致包括压缩机的压缩机单元的大型化或效率的恶化,并且压缩机单元的负担变大而易导致寿命缩短。即,未能构筑更加有效地实现高输出化的超低温制冷机。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够更加有效地实现高输出化的超低温制冷机。
为了解决上述的问题,依据本发明的超低温制冷机的特征在于,包括:
第一缸体;第一置换器,其能够相对该第一缸体往复移动;第二缸体;第二置换器,其能够相对该第二缸体往复移动;吸排气系统,其能够交替进行对所述第一缸体内或所述第二缸体内的任一侧进行吸气的同时对另一侧进行排气的吸排气动作;连通路,其将所述第一缸体内与所述第二缸体内连通;及开闭构件,其对该连通路进行开闭。
其中,该超低温制冷机也可设为如下:在即将进行所述吸排气动作之前的预定时间将所述开闭构件设为开;并且包括:驱动机构,其以不同的相位驱动所述第一置换器与所述第二置换器;及一个驱动构件,其驱动该驱动机构;而且分别包括多个所述第一置换器与所述第二置换器。
发明效果
依据本发明的超低温制冷机,能够通过开闭构件的开动作使从压缩机吸气至第一缸体及第二缸体中的一侧的高压制冷剂气体流通至另一侧。同样也能够进行从另一侧至一侧的流通。由此,能够抑制压缩机的高压侧的变动及低压侧的变动双方,降低压缩机的负担。
附图说明
图1是表示本发明的实施例所涉及的超低温制冷机的配管结构的示意图。
图2是表示实施例的超低温制冷机的驱动结构的示意图。
图3是说明实施例的第一及第二置换器的结构的图。
图4是表示实施例的超低温制冷机的止转棒轭机构的示意图。
图5是表示实施例的超低温制冷机的阀V1~V5的阀定时VT的具体方式的示意图。
图6是与第一及第二置换器的位置、第一及第二缸体内的压力、压缩机的高压侧及低压侧的压力一同表示实施例及参考例的超低温制冷机的阀定时的时序图。
图7是表示实施例的变形例的概要图。
图中:1-超低温制冷机,2-第一缸体,3-第一置换器,4-第二缸体,5-第二置换器,6-吸排气系统,7-连结管(连通管),8-压缩机,9-盖部,10-冷却台,11-曲柄销轴承,12-第一臂部,13-第二臂部,16-连结部件,17-连结部件,21-支承部件,31-驱动轴,32-框部,34-窗部,51-从动轴,61-第一供给配管,62-第一排气配管,63-第二供给配管,64-第二排气配管,65-第一给排共用配管,66-第二给排共用配管,70-止转棒轭机构,74-输出轴,75-曲柄销,77-曲柄部件,78-止转棒轭,80-连接机构,90-凸缘部,108A、108B-室温室,109、110-整流器,111、116-开口,113A-第一膨胀空间,113B-第二膨胀空间,115-密封部件,V1-第一吸气阀,V2-第一排气阀,V3-第二吸气阀,V4-第二排气阀,V5-连通阀(开闭构件)。
具体实施方式
以下,参考附图对本发明的实施例进行说明。
[实施例]
图1及图2是用于说明基于本发明的一实施例的超低温制冷机1的图。图1是表示超低温制冷机1的配管结构的图,图2是表示超低温制冷机1的驱动结构的图。本实施例的超低温制冷机1例如为使用氦气作为制冷剂气体的吉福德-麦克马洪(GM)式制冷机。
首先,对超低温制冷机1的配管结构进行说明。如图1所示,超低温制冷机1包括第一缸体2、第一置换器3、第二缸体4、第二置换器5、构成吸排气系统6的配管组和阀组V1~V4、连结管7(连通路)及连通阀V5(开闭构件)而构成。而且,超低温制冷机1包括未图示的微型计算机,其作为对阀组V1~V4和连通阀V5的开闭进行控制的控制构件。构成吸排气系统6的配管组包括第一供给配管61、第一排气配管62、第二供给配管63、第二排气配管64、第一给排共用配管65及第二给排共用配管66而构成。第一供给配管61的一侧端与压缩机8的高压侧H连接,另一侧端与连接于第一缸体2的第一给排共用配管65连接。在该第一供给配管61的途中位置设置有第一吸气阀V1。
第二供给配管63的一侧端与第一供给配管61的中途连接,另一侧端与连接于第二缸体4的第二给排共用配管66连接。在该第二供给配管63的途中位置设置有第二吸气阀V3。
第二排气配管64的一侧端与压缩机8的低压侧L连接,另一侧端与连接于第二缸体4的第二给排共用配管66连接。在该第二排气配管64的途中位置设置有第二排气阀V4。
第一排气配管62的一侧端与第二排气配管64的中途连接,另一侧端与连接于第一缸体2的第一给排共用配管65连接。在该第一排气配管62的途中位置设置有第一排气阀V2。
连结管7的一侧端与第一给排共用配管65连接,另一侧端与第二给排共用配管66连接。在该连结管7的中间设置有连通阀V5。
接着,利用图2对超低温制冷机1的驱动结构进行说明。第一缸体2构成为有底圆筒状,并外包围第一置换器3。而且,第二缸体4构成为有底圆筒状,并外包围第二置换器5。
第一缸体2与第二缸体4具有共用的凸缘部90,第一缸体2的上端与第二缸体4的上端分别在凸缘部90的上表面开口。第一缸体2的上端与第二缸体4的上端通过共用的盖部9气密地密封。
第一缸体2与第二缸体4设为在图2中左右方向上并列的结构。而且,在凸缘部90的上表面的第一缸体2与第二缸体4的上端开口之间的壁面部8a上,经由形成于盖部9的贯穿孔9c设置有向上方延伸的柱状的支承部件21。支承部件21固定于贯穿孔9c。
接着,参考图1及图3,对本实施例的第一置换器3及第二置换器5的结构进行说明。另外,第一置换器3及第二置换器5设为相同结构,因此在图3中示出第一置换器3来进行说明,而省略第二置换器5的说明。另外,当有需要时,用括弧示出第二置换器5的构成要件的符号。
在第一置换器3的低温端与第一缸体2之间形成有第一膨胀空间113A。而且,在第二置换器5的低温端与第二缸体4之间形成有第二膨胀空间113B。如图1所示,在第一及第二缸体2、4的第一膨胀空间113A及第二膨胀空间113B的外周热力学结合有冷却台10。冷却台10例如由铜、铝、不锈钢等构成。
第一缸体2以能够在长边方向(图3中,箭头Z1、Z2方向)上往复移动的方式容纳第一置换器3。第二缸体4也以能够在长边方向上往复移动的方式容纳第二置换器5。以确保强度、导热率、氦截断能力为主要观点,在第一缸体2及第二缸体4中例如使用不锈钢。
第一置换器3及第二置换器5具有圆筒形状,内部形成有制冷剂气体流动的流路空间。通过在该流路空间填充蓄冷材料来构成蓄冷器117。
在第一缸体2与第一置换器3的高温端之间形成有室温室108A,且在第二缸体4与第二置换器5的高温端之间形成有室温室108B。
室温室108A、108B是容积随着第一置换器3及第二置换器5的往复移动而变化的空间。在该室温室108A上连接有所述的第一给排共用配管65,并且在室温室108B上连接有所述的第二给排共用配管66。
另外,在各蓄冷器117的上端侧即室温室108A、108B侧设置有对氦气的流动进行整流的上侧的整流器109,在各蓄冷器117的下端侧设置有下侧的整流器110。
在第一置换器3及第二置换器5的高温端,形成有使氦气从室温室108A、108B向蓄冷器117流通的开口111。
在第一置换器3及第二置换器5的低温端,形成有对第一膨胀空间113A及第二膨胀空间113B导出导入氦气的开口116。
第一膨胀空间113A及第二膨胀空间113B的容积分别随着第一置换器3及第二置换器5的往复移动而变化。另外,在第一置换器3的靠近高温端的部分与第一缸体2之间安装有密封部件115。
从比重与耐磨损性、强度、导热率的观点出发,在第一置换器3及第二置换器5中使用例如酚醛树脂(酚醛布)等。蓄冷材料例如由金属丝网等构成。
超低温制冷机1具有以不同的相位驱动第一置换器3及第二置换器5的驱动机构。驱动机构包括止转棒轭机构70及连接机构80。
图4是表示止转棒轭机构70的概要图。止转棒轭机构70包括曲柄部件77及止转棒轭78。曲柄部件77与马达(驱动构件)的输出轴(马达轴)74连结。曲柄部件77具有曲柄销75,该曲柄销从输出轴74偏心而配置且与输出轴74平行地延伸。止转棒轭78具有形成有窗部34的横长的框部32、驱动轴31及圆筒形状的曲柄销轴承11。框部32形成于驱动轴31的中途部分。即,框部32形成驱动轴31的一部分。
驱动轴31的下端固定于第一置换器3的上部。曲柄销轴承11能够转动地设置于窗部34。曲柄销75能够滑动地收容于曲柄销轴承11的内壁。止转棒轭机构70通过这种结构,经曲柄部件77的旋转运动,将在马达产生的旋转驱动力转换为使第一置换器3向上下方向(图2的Z1、Z2方向)往复移动的驱动力。
如图2所示,驱动轴31从第一置换器3的上部经盖部9的插通孔9a向上侧且向外侧突出。而且,在第二置换器5的上部固定有从动轴51。从动轴51经盖部9的插通孔9b从第二置换器5的上部向上方突出。
如图2所示,超低温制冷机1具有连接止转棒轭机构70和从动轴51的连接机构80。连接机构80包括第一臂(杆)部12、第二臂(杆)部13及支承部件21。另外,第一臂部12及第二臂部13可省略任一个。
第一臂部12的第一端部12a与驱动轴31的上端部、第二端部12b与从动轴51的上端部、中央部12c与支承部件21的上部分别通过销等连结部件16能够转动地连结。
而且,第二臂部13的第一端部13a与驱动轴31的框部32的下部、第二端部13b与从动轴51的中间部、中央部13c与支承部件21的中间部分别通过销等连结部件17能够转动地连结。
即,第一臂部12、第二臂部13,能够在在支承部件21的上下方向上分开地将各自的中央部12c、中央部13c与支承部件21连结且维持为相互平行的状态下,以连结点为中心在图2的用箭头A1、A2示出的方向上摆动。
若一同参考图4,曲柄销75由马达旋转,由此曲柄销轴承11一边沿窗部34的长边方向滑动,一边使驱动轴31及第一置换器3向上下方向往复移动。
根据该往复移动,将各自的第一端部12a、13a连结于驱动轴31的第一臂部12、第二臂部13以与支承部件21的连结点为中心向图2的A1、A2方向进行摆动。即,当驱动轴31向上方向(图2的Z1方向)滑动时,第一臂部12、第二臂部13向图2的箭头A2方向进行摆动,其结果,与第一臂部12、第二臂部13的第二端部12b、13b连结的从动轴51向下方向(图2的Z2方向)滑动。而且,当驱动轴31向下方向滑动时,第一臂部12、第二臂部13向图2的箭头A1方向进行摆动,其结果,从动轴51向上方向滑动。这种由第一臂部12、第二臂部13引起的摆动的驱动轴31、从动轴51的滑动动作(上下移动)的结果,与驱动轴31、从动轴51结合的第一置换器3、第二置换器5以相反相位向上下方向往复移动。
接着,利用图5及图6的时序图对超低温制冷机1的第一吸气阀V1、第一排气阀V2、第二吸气阀V3、第二排气阀V4、连通阀V5的动作形态即阀定时VT进行说明。另外,为了便于图示,在图5中用粗线示出阀定时VT,在图6(e)中以块状示意地表示图5所示的阀定时VT。
图5及图6中,纵轴表示5个阀V1~V5的开闭状态,横轴表示时间。将横轴的原点设为时刻t0。5个阀的动作根据图6(a)所示的第一置换器3、第二置换器5的位置DP确定。其中,用实线表示第一置换器3的位置DP,用虚线表示第二置换器5的位置DP。如从图6(a)可知,第一置换器3与第二置换器5以成为相互相反相位的方式驱动。关于图6(b)所示的压力P,也用实线表示第一缸体2的膨胀空间113A内的压力,用虚线表示第二缸体4的膨胀空间113B内的压力。
图5及图6的时刻t1比第二置换器5的位置DP位于下止点D的时刻稍微靠前,在时刻t1,连通阀V5通过控制构件设为开,开状态持续预定时间,第二缸体4内的高压氦气经连结管7向第一缸体2内供给。
该预定时间基于图6(b)所示的第二缸体4内的压力P的从高压H至低压L的下降时间或第一缸体2内的压力P的从低压L至高压H的上升时间确定。该下降时间或上升时间例如能够通过实验或模拟而确定,预定时间大致设定为下降时间或上升时间的一半左右。即,在从时刻t1经过预定时间的时刻t2,第二缸体4内与第一缸体2内的压力P大致相等。
在连通阀V5的开状态持续预定时间之后的时刻t2,连通阀V5通过控制构件设为闭。而且,在时刻t2,第一吸气阀V1设为开,高压氦气从压缩机8的高压侧H经第一供给配管61及第一给排共用配管65向第一缸体2内供给,而第一缸体2内的压力P成为高压H。而且,在从时刻t2经过预定时间的时刻t3,第一吸气阀V1设为闭。
相同地,在时刻t2,第二排气阀V4设为开,第二缸体4内的氦气经第二给排共用配管66及第二排气配管64向压缩机8的低压侧L排出,第二缸体4内的压力P成为低压L。而且,在从时刻t2经过预定时间的时刻t3,第二排气阀V4设为闭。
图5及图6的时刻t4比第一置换器3的位置DP位于下止点D的时刻稍微靠前,在时刻t4,连通阀V5通过控制构件设为开,开状态持续预定时间,第一缸体2内的高压氦气经连结管7向第二缸体4内供给。在从时刻t4经过预定时间的时刻t5,第二缸体4内与第一缸体2内的压力P大致相等。
在连通阀V5的开状态持续预定时间之后的时刻t5,连通阀V5通过控制构件设为闭。而且,在时刻t5,第二吸气阀V3设为开,高压氦气从压缩机8的高压侧H经第二供给配管63及第二给排共用配管66向第二缸体4内供给,而第二缸体4内的压力P成为高压H。而且,在从时刻t5经过预定时间的时刻t6,第二吸气阀V3设为闭。
相同地,在时刻t5,第一排气阀V2设为开,第一缸体2内的氦气经第一给排共用配管65及第一排气配管62向压缩机8的低压侧L排出,而第一缸体2内的压力P成为低压L。而且,在从时刻t5经过预定时间的时刻t6,第一排气阀V2设为闭。
另外,时刻t7~t9的阀的动作为使时刻t1~t3的动作延迟相当于第一置换器3或第二置换器5的往复移动的1周期的量的动作。而且,时刻t10~12的阀的动作为使时刻t4~t6的动作延迟相当于第一置换器3或第二置换器5的往复移动的1周期的量的动作。
接着,一同参考图1~3对作为本实施例的超低温制冷机1的制冷机的动作进行说明。为了方便说明,仅对由第一缸体2及第一置换器3进行的制冷动作进行说明。另外,在以后的说明中,将使膨胀空间113A的容积最大的第一置换器的位置设为下止点D,将使该容积最小的第一置换器的位置设为上止点U。
在氦气供给工序的某一时刻,第二置换器5位于第二缸体4内的上止点U。在比其稍微靠前的定时,即图5、6的时刻t1~t2,通过控制构件将连通阀V5在预定时间内设为开。
第二缸体4内的高压氦气经连通阀V5及连通管7流入到第一缸体2内,第二缸体4内的压力下降,而第一缸体2内的压力上升。从开经过预定时间之后,连通阀V5通过控制构件设为闭,将第一吸气阀V1设为开,将第二排气阀V4设为开。
高压氦气从压缩机8的高压侧H经第一供给配管61、第一给排共用配管65流入第一缸体2内,第二缸体4内的高压氦气经第二给排共用配管66、第二排气配管64流入到压缩机8的低压侧。
高压氦气向第一缸体2内供给,从位于第一置换器3的上部的开口111流入到第一置换器3的内部的蓄冷器117。流入到蓄冷器117的高压氦气一边被蓄冷材料冷却,一边经位于第一置换器3的下部的开口116向第一膨胀空间113A供给。
如此,第一膨胀空间113A被高压氦气填满,如上述,第一吸气阀V1设为闭。此时,第一置换器3位于第一缸体2内的下止点D。若比其稍微靠前将第一排气阀V2设为开,则第一膨胀空间的氦气进行绝热膨胀。通过绝热膨胀变成低温的第一膨胀空间113A的氦气吸收冷却台10的热量。
第一置换器3朝向上止点U移动,第一膨胀空间113A的容积减少。第一膨胀空间113A内的氦气经开口116、蓄冷器117、开口111返回到压缩机8的吸入侧即低压侧L。此时,蓄冷材料被氦气冷却。将该工序设为1周期,超低温制冷机1通过重复进行该冷却周期来冷却冷却台10。
在本实施例的超低温制冷机1中,成对使用第一置换器3、第二置换器5及所对应的第一缸体2、第二缸体4,并使其以相互相反相位动作,基于连通阀V5的适当的开闭,能够不经压缩机8地使高压制冷剂气体在成对的第一缸体2、第二缸体4彼此之间流通。
在图6的(c)中作为参考例示出无本实施例的连通阀V5与连结管7的4阀式GM制冷机中的阀定时VT(4V)。该阀定时VT(4V)在时刻t1~t3之间进行第一吸气阀V1的开动作且进行第二排气阀V4的开动作,而且,在时刻t4~时刻t6之间进行第二吸气阀V3的开动作且进行第一排气阀V2的开动作。
用图6中(d)的8P(4V)表示此时的压缩机8的高压侧H的压力变动与低压侧L的压力变动的波形。而且,用图6中(f)的8P表示本实施例的5阀式超低温制冷机1中的压缩机8的高压侧H的压力变动与低压侧L的压力变动的波形。
若对此两者的波形进行比较,则可知与8P(4V)相比,8P将压力变动幅度抑制为大致一半左右。具体而言,相对于图6(d)所示的参考例的高压侧H的压力变动幅度ΔH2,图6(f)所示的本实施例的高压侧H的压力变动幅度ΔH1较小(ΔH1<ΔH2)。而且该值为ΔH1≈(ΔH2/2)。另外,本实施例的低压侧L的压力变动幅度也相同。
即根据本实施例,通过在吸排气动作的初期阶段从压力较高侧的缸体向较低侧的缸体流通供给高压氦气,能够抑制压缩机8的压力变动。
因此,在本实施例的超低温制冷机1中能够减轻压缩机8的负担。因此,不会导致包括压缩机8的压缩机单元的大型化或效率恶化。进而在本实施例中,能够抑制压力变动,因此能够抑制由压缩机单元的负担增大引起的寿命缩短。并且,还能够实现压缩机8本身的工作量的降低,因此还能够实现节能化。
另外,本实施例中示出将吸排气系统6所含的阀V1~V4、连通阀V5分别设为独立的电磁阀的方式,但这些阀也能够替换成构成周知的回转阀的阀板与阀主体。
此时,可通过下述来构成:将阀板驱动结合于对图2所示的位于第一缸体2及第二缸体4的盖部9的上侧的止转棒轭机构70进行驱动的马达(驱动构件)的输出轴74,并在盖部9的上侧适当固定阀主体。即,使用回转阀时能够省略控制构件。
以上对本发明的优选实施例进行了详细说明,但本发明并不限定于上述实施例,能够在不脱离本发明的范围的情况下对上述的实施例施加各种变形及替换。
例如,在上述的超低温制冷机中示出了级数为一级的情况,但该级数能够适当选择2级、3级等,置换器的对数也不仅限于一对还能够设为多对。
图7是表示上述实施例的变形例中的设置有多个置换器对的结构的图。如图7中用单点划线所示,能够用连结部件85等将连接机构80彼此连结,由此通过单一的止转棒轭机构70驱动多个置换器对。此时,多个置换器对能够共同使用包括压缩机8的吸排气系统6。
而且,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,但并不限定于此。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一种制冷机。而且,上止点、下止点的定义也可与上述相反地定义。进而,预定时间或一定时间的设定的方式也只示出了一例,也可基于下降时间或上升时间以其他比率定义。
产业上的可利用性
本发明在超低温制冷机中使用一对或多对置换器及所对应的缸体,并且不经压缩机地使高压制冷剂气体在成对的缸体相互间流通,由此能够减轻压缩机的负担。即,本发明不会导致包括压缩机的压缩机单元的大型化或效率的恶化。而且,本发明还能够防止压缩机单元的负担变大从而寿命缩短的情况。因此本发明能够适用于各种超低温制冷机。
本申请主张基于2012年2月27日申请的日本专利申请第2012-040635号的优先权。其申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。
Claims (10)
1.一种超低温制冷机,其特征在于,
该超低温制冷机包括:第一缸体;第一置换器,其能够相对该第一缸体往复移动;第二缸体;第二置换器,其能够相对该第二缸体往复移动;吸排气系统,其交替进行吸排气动作,该吸排气动作为对所述第一缸体内或所述第二缸体内的任一个进行吸气并且对另外一个进行排气;连通路,其将所述第一缸体内与所述第二缸体内连通;及开闭构件,其对该连通路进行开闭。
2.如权利要求1所述的超低温制冷机,其特征在于,
在即将进行所述吸排气动作之前的预定时间将所述开闭构件设为开。
3.如权利要求1或2所述的超低温制冷机,其特征在于,
该超低温制冷机包括:
驱动机构,其以不同的相位驱动所述第一置换器与所述第二置换器;及一个驱动构件,其驱动该驱动机构。
4.如权利要求1或2所述的超低温制冷机,其特征在于,
该超低温制冷机分别包括多个所述第一置换器与所述第二置换器。
5.如权利要求1或2所述的超低温制冷机,其特征在于,
该超低温制冷机还具有与第一置换器及第二置换器热耦合的冷却台。
6.如权利要求5所述的超低温制冷机,其特征在于,
所述冷却台以从外侧包围第一膨胀空间及第二膨胀空间的方式结合于所述第一置换器及所述第二置换器各自的外周面,其中所述第一膨胀空间形成于所述第一置换器的低温端与所述第一缸体之间,所述第二膨胀空间形成于所述第二置换器的低温端与所述第二缸体之间。
7.如权利要求3所述的超低温制冷机,其特征在于,
所述驱动机构具有连接机构,且该连接机构连接所述第一置换器与所述第二置换器。
8.如权利要求7所述的超低温制冷机,其特征在于,
所述第一缸体与所述第二缸体并列设置,
所述连接机构具有:支承部件,其从并列设置的所述第一缸体与第二缸体上设置的盖部延伸;及臂部,其中央部能够转动地连结于该支承部件,该臂部的第一端部能够转动地连结于从所述第一置换器延伸的第一轴,第二端部能够转动地连结于从所述第二置换器延伸的第二轴。
9.如权利要求8所述的超低温制冷机,其特征在于,
所述驱动机构还具有止转棒轭机构,且该止转棒轭机构将所述驱动构件的旋转驱动力转换成往复驱动力,
该止转棒轭机构形成所述第一轴的一部分。
10.如权利要求9所述的超低温制冷机,其特征在于,
所述连接机构还具有另一臂部,该另一臂部以与所述臂部平行的方式将第一端部、第二端部及中央部分别能够转动地连结于所述第一轴、所述第二轴及所述支承部件。
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