CN103322719B - 蓄冷式制冷机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种蓄冷式制冷机，其实现蓄冷材料的蓄冷效率的提高，并且实现制冷效率的提高。本发明的蓄冷式制冷机，其在产生寒冷的工作气体的流路中途，配设有装填有对工作气体的热进行蓄冷的蓄冷材料（30A）的蓄冷器（20A），其中，蓄冷材料（30A）为烧结纤维材料而成的烧结体，并且，设定为配设于蓄冷器（20A）的低温侧PC的纤维材料的直径比配设于高温侧PH的纤维材料的直径小。

Description

蓄冷式制冷机
技术领域
本发明涉及一种蓄冷式制冷机，尤其涉及一种使用蓄冷材料的蓄冷式制冷机。
背景技术
例如，在吉福特·麦克马洪式制冷机（以下简称为“GM制冷机”）、斯特林制冷机、脉冲管制冷机等制冷机中，构成为利用内部装填有蓄冷材料的蓄冷器而获得低温。
例如脉冲管制冷机具有压缩机、脉冲管、蓄冷器及相位控制部等。在压缩机中生成的高压工作气体通过蓄冷器及脉冲管而流入相位控制部。此时，相位控制部使得在脉冲管内从压缩机送出的工作气体的正弦波状的压力变化与流量变化之间产生相位差。由此，在脉冲管与蓄冷器之间产生寒冷。
蓄冷器的内部装填有蓄冷材料。该蓄冷材料在已冷却的工作气体返回到压缩机时被冷却，另外在工作气体流入脉冲管时对该工作气体进行冷却。因此，能够通过设置蓄冷器来提高制冷机的冷却效率。作为该蓄冷材料，例如可以使用将任意堆积多个由金属纤维构成的蓄冷板并将其压缩烧结而成的蓄冷材料（专利文献1）。
另外，以往的蓄冷材料使用的是自蓄冷器的高温端至低温端具有相同径（直径）的金属纤维。此外，蓄冷器内的金属纤维的空隙率自蓄冷器的高温端至低温端也为相同比例。
专利文献1：日本特开2002-206816号公报
但是，与蓄冷器的高温端侧的温度例如为300K左右相比，低温端侧的温度为例如80K左右。如此，由于在蓄冷器的高温端侧温度较高，因此呈现工作气体的粘度变高且流阻变大的趋势。相对于此，由于在低温端侧温度较低，因此呈现工作气体的粘度变低且流阻变小的趋势。
因此，存在在低温侧被冷却后的低粘度工作气体流经蓄冷材料内时，蓄冷材料的线径大且空隙率大的情况下，热交换效率变差，无法使蓄冷材料有效蓄冷的问题。
另外，当工作气体到达高温侧时，工作气体的温度上升而粘度变高。因此，存在当蓄冷材料的线径小且空隙率小时，由工作气体的流阻所致的损失变大的问题。
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通过实现蓄冷材料的蓄冷效率的提高来实现制冷效率的提高的蓄冷式制冷机。
上述课题从第1观点出发，能够通过如下蓄冷式制冷机来解决。
一种蓄冷式制冷机，在产生寒冷的工作气体的流路中途配设有蓄冷器，且该蓄冷器装填有对所述工作气体的热进行蓄冷的蓄冷材料，其特征在于，
所述蓄冷材料为经烧结纤维材料而成的烧结体，
并且，配设于所述蓄冷器的低温侧的所述纤维材料的直径相对于配设于所述蓄冷器的高温侧的所述纤维材料的直径较小。
发明效果
根据所公开的发明能够实现蓄冷材料的蓄冷效率的提高并随此实现蓄冷式制冷机的制冷效率的提高。
附图说明
图1是表示本发明的第1实施方式即制冷机的截面图。
图2是设置于本发明的第1实施方式即制冷机的蓄冷器的截面图。
图3是设置于本发明的第2实施方式即制冷机的蓄冷器的截面图。
图4是设置于本发明的第3实施方式即制冷机的蓄冷器的截面图。
图5是表示将第2及第3实施方式所涉及的制冷机的制冷效率与以往做比较的图。
图中：1-制冷机，2-压缩机，3-膨胀器，4-相位控制部，5-壳体，20A、20B、20C-蓄冷器，21-脉冲管，22-低温热交换器，25-主体部，30A、30B、30C-蓄冷材料，30B-1、30C-1-第1蓄冷材料分割体，30B-2、30C-2-第2蓄冷材料分割体，30B-3、30C-3-第3蓄冷材料分割体，30C-4-第4蓄冷材料分割体，31A、31B、31C-边界部，40-惯性管，41-缓冲罐。
具体实施方式
接着，根据附图对本发明的实施方式进行说明。
图1表示本发明的第1实施方式即蓄冷式制冷机。本实施方式中，作为蓄冷式制冷机以斯特林型脉冲管制冷机1（以下，简称制冷机）为例进行说明。该制冷机1大致具有压缩机2、膨胀器3及相位控制部4。
压缩机2的结构为在壳体5的内部设置有缸体6、活塞7、线性马达8及板簧单元15等。
缸体6设置成在壳体5的中央部朝向图中左右方向延伸。该缸体6的内部配设有一对对置配置的活塞7。活塞7构成为在缸体6内能够沿轴向（图1中左右方向）进行直线往复移动。该一对活塞7之间形成有压缩室12。该压缩室12通过通道13连接于膨胀器3。
线性马达8分别设置于各活塞7上。该线性马达8是驱动活塞7使其在缸体6内进行往复移动的马达。该线性马达8构成为具有永久磁铁9、电磁线圈10、磁轭11及支承架19。
永久磁铁9利用支承架19固定于活塞7。因此，永久磁铁9与活塞7一体移动。另外磁轭11固定于壳体5。该磁轭11上形成有环状的凹部，永久磁铁9构成为在该凹部内能够沿轴向移动。
电磁线圈10配设于磁轭11的与永久磁铁9对置的位置（凹部的内部）。向该电磁线圈10供给来自未图示电源的预定频率的交流电流。若交流电流供给到电磁线圈10，则在永久磁铁9与电磁线圈10之间产生向轴向的驱动力。如上所述，电磁线圈10固定于磁轭11上，因此通过线性马达8所产生的驱动力使活塞7在缸体6内向轴向驱动。
板簧单元15构成为其外周部分通过支承部件14固定于壳体5，并且其内周部分固定有活塞7。该板簧单元15起到使活塞7能够在压缩机2内往复移动的功能。因此，若通过线性马达8使活塞7向轴向驱动，则板簧单元15允许活塞7的轴向移动，并且在移动时对活塞7沿与由线性马达8进行驱动的驱动方向相反的方向施加反弹力。
由此各活塞7在缸体6内向轴向进行往复移动，随此使压缩室12内的工作气体的压力升降。该压缩室12内的工作气体的压力波动经通道13供给到膨胀器3，且基于此在膨胀器3中产生寒冷。
膨胀器3具有蓄冷器20A、脉冲管21及低温热交换器22等，从而构成脉冲管制冷机。
蓄冷器20A配置于自压缩机2至脉冲管21的工作气体的流路中途。该蓄冷器20A构成为在筒状体的内部装填有积蓄寒冷的蓄冷材料30A（参考图2。另外，对于蓄冷材料30A之后再进行详述。）。
脉冲管21为圆筒状的管，经低温热交换器22内的通道22a连接于蓄冷器20A。另外，本实施方式中以折回型例示出作为蓄冷器20A与脉冲管21的连接类型，但也可设为直列型。
接着，对脉冲管制冷机的动作进行说明。从压缩机2供给来的工作气体的能量通过蓄冷器20A、低温热交换器22及脉冲管21并在相位控制部4消耗。相位控制部4例如由惯性管40和缓冲罐41构成，在脉冲管21内使工作气体的压力与变位之间产生相位差。
在蓄冷器20A与脉冲管21之间产生相当于产生了相位差的工作气体从等温状态过渡到绝热状态时所消耗的做功量的能隙，为了插补其差异而从低温热交换器22引起吸热而产生寒冷。另一方面，在配设于脉冲管21的高温侧（图1中下端部）的散热器23中，则对从低温热转换器22吸到的热量进行散热。通过反复进行这一系列的动作使得热性连接于低温热交换器22的被冷却物冷却。
接着，参考图2对构成膨胀器3的蓄冷器20A进行详细说明。
蓄冷器20A包括：主体部25、垫片24及蓄冷材料30A等。主体部25例如为不锈钢制的筒状形态。蓄冷材料30A及垫片24装填于该主体部25的内部。垫片24相对于蓄冷材料30A配设于高温端侧PH侧，并且形成于其中央的流路24a连接于通道13。
蓄冷材料30A例如是以网眼状或任意堆积导热率较高的铜或铜合金的纤维材料之后对其进行加热并烧结而成的烧结体。因此，关于蓄冷器20A的组装，只要将烧结体即蓄冷材料30A插入并安装于主体部25即可，从而能够实现组装性的提高。
另外，本实施方式所涉及的蓄冷材料30A构成为，使纤维材料的直径（线径）自蓄冷器20A的高温端侧（图中，以箭头PH表示的图中下侧）向低温端侧（图中，以箭头PC表示的图中上侧）逐渐变细。即，本实施方式所涉及的蓄冷器20A设定为配设于低温端侧PC的纤维材料的直径相对于配设于高温端侧PH的纤维材料的直径小。另外，在低温端侧PC与高温端侧PH之间设定为纤维材料的直径随着从高温端侧PH朝向低温端侧PC连续地逐渐变细。
比如列举一个纤维材料的直径，当为运转时的蓄冷器20A的高温端侧PH的温度为300K，低温端侧PC的温度为80K的制冷机1时，能够将低温端侧PC的纤维材料的直径设为0.02mm，高温端侧PH的纤维材料的直径设为0.05mm。
另外如本实施方式，通过将蓄冷器20A内的纤维材料的直径设定得不同，使得形成于蓄冷材料30A内的空隙的空隙率在低温端侧PC及高温端侧PH侧也不相同。本实施方式中，例如低温端侧PC侧的空隙率为30%，高温端侧PH侧的空隙率为70%。另外，在低温端侧PC与高温端侧PH之间构成为蓄冷材料30A的空隙率随着从高温端侧PH朝向低温端侧PC连续地逐渐变小。
工作气体在蓄冷器20A的内部流动，但是其特性在蓄冷器20A的低温端侧PC与高温端侧PH并不均匀。在低温端侧PC温度变成超低温80K，相对而言，在PH成为比低温端侧PC侧更高的温度300K。因此，工作气体显示出在低温端侧PC粘度变低，而在高温端侧PH粘度变高的特性。
在此，关注蓄冷材料30A的低温端侧PC。如上所述在低温端侧PC中纤维材料的直径变小，另外空隙率也变小。因此，蓄冷材料30A的低温端侧PC中的流阻变大。
首先，假定通过膨胀而产生寒冷的工作气体自脉冲管21通过蓄冷器20A再流向压缩机2的情况。此时，通过产生寒冷而降温的粘度较低的工作气体流入蓄冷器20A的低温端侧PC。
在此，低温端侧PC中工作气体的粘度较低，因此能够将纤维材料的线径设得比较细而缩小流路直径。另一方面，高温端侧PH中，工作气体的粘度较大，因此作为几何形状而言比低温端侧的纤维材料的线径设得更粗，扩大流路直径。因此，在低温端侧PC能够更有效地对蓄冷材料30A进行蓄冷。另外，除纤维材料的线径之外，还优选调整空隙率。
通过低温端侧PC后的工作气体朝高温端侧PH流动。此时，纤维材料的直径及空隙率向高温端侧PH逐渐增大，因此在低温侧导热面积增加而进行更多的热交换。
接着，假定在压缩机2内被压缩的工作气体自蓄冷器20A流向脉冲管21的情况。此时，压缩机2中被压缩的高温且粘度较高的工作气体首先流入蓄冷器20A的高温端侧PH。之后，被蓄冷材料30A冷却的同时自蓄冷材料30A的高温端侧PH流向低温端侧PC直至脉冲管21，并通过膨胀而产生寒冷。通过反复进行这一系列动作对冷却对象物进行冷却。根据本实施方式所涉及的制冷机1，将高温端侧PH的纤维材料的线径设为比低温端侧的纤维材料的线径更粗，因此能够使得蓄冷器20A内的热损下降，并提高制冷机1的制冷效率。
接着，对本发明的第2及第3实施方式进行说明。
图3表示设置于本发明的第2实施方式即制冷机的蓄冷材料30B，另外图4表示设置于本发明的第3实施方式即制冷机的蓄冷材料30C。
另外，图3及图4中，对与用于说明第1实施方式的图1及图2中所示结构相对应的结构加以相同符号，并省略其说明。另外，第2及第3实施方式的特征在于蓄冷材料30B、30C，其他结构与第1实施方式所涉及的制冷机1为相同结构，因此在图3及图4中仅图示出蓄冷材料30B、30C，并且还省略其他结构的图示。
所述第1实施方式中，将蓄冷材料30A设为自低温端侧PC至高温端侧PH为一体的结构，且设定为配设于低温端侧PC的纤维材料的直径相对于配设于高温端侧PH的纤维材料的直径连续变小。相对于此，在第2及第3实施方式中特征在于，将蓄冷材料30B及蓄冷材料30C分割为多个，使构成被分割的各蓄冷材料分割体的纤维材料的直径自低温端侧PC向高温端侧PH变化。
在图3所示的第2实施方式中，将蓄冷材料30B分割为3个。因此，蓄冷材料30B由第1蓄冷材料分割体30B-1、第2蓄冷材料分割体30B-2及第3蓄冷材料分割体30B-3构成。另外，在图4所示的第3实施方式中，将蓄冷材料30C分割为4个。因此，蓄冷材料30C由第1蓄冷材料分割体30C-1、第2蓄冷材料分割体30C-2、第3蓄冷材料分割体30C-3及第4蓄冷材料分割体30C-4构成。
该各分割体30B-1～30B-3及各分割体30C-1～30C-4为以网眼状或任意堆积导热率较高的铜或铜合金等纤维材料之后将其加热并烧结而成的烧结体。因此，组装第2实施方式的蓄冷器20B及第3实施方式的蓄冷器20C时，按照后述顺序将各分割体30B-1～30B-3、30C-1～30C-4插入并安装到主体部25即可，而能够实现组装性的提高。
另外，通过将各分割体30B-1～30B-3、30C-1～30C-4插入并安装到主体部25，使得在各分割体30B-1～30B-3、30C-1～30C-4的边界位置形成边界部31A～31C。
接着，对各分割体30B-1～30B-3、30C-1～30C-4的每个具体结构进行说明。
首先，对第2实施方式即第1至第3蓄冷材料分割体30B-1～30B-3进行说明。现在，将构成第1蓄冷材料分割体30B-1的纤维材料的直径设为DB1mm，并且将空隙率设为SB1，将构成第2蓄冷材料分割体30B-2的纤维材料的直径设为DB2mm，并且将空隙率设为SB2，将构成第3蓄冷材料分割体30B-3的纤维材料的直径设为DB3mm，并且将空隙率设为SB3。
第2实施方式的蓄冷器20B的特征在于其结构如下：使构成各分割体30B-1～30B-3的纤维材料的直径尺寸满足DB1＜DB3且DB1≤DB2、DB2≤DB3，另外空隙率满足SB1＜SB3且SB1≤SB2、SB2≤SB3。
通过设为这种结构使得第2实施方式所涉及的蓄冷器20B也与第1实施方式所涉及的蓄冷器20A相同，低温端侧PC中的纤维材料的直径及空隙率与高温端侧PH中的纤维材料的直径及空隙率相比较小。另外，自高温端侧PH至低温端侧PC的蓄冷器20B内的纤维材料的直径及空隙率自蓄冷器20B的高温端侧PH至低温端侧PC阶段性变小。
接着，对第3实施方式即第1至第4蓄冷材料分割体30C-1～30C-4进行说明。现在，将构成第1蓄冷材料分割体30C-1的纤维材料的直径设为DC1mm，并且将空隙率设为SC1，将构成第2蓄冷材料分割体30C-2的纤维材料的直径设为DC2mm，并且将空隙率设为SC2，将构成第3蓄冷材料分割体30C-3的纤维材料的直径设为DC3mm，并且将空隙率设为SC3，将构成第4蓄冷材料分割体30C-4的纤维材料的直径设为DC4mm，并且将空隙率设为SC4。
第3实施方式的蓄冷器20C的特征在于其结构如下：使构成各分割体30C-1～30C-4的纤维材料的直径具有DC1＜DC4且DC1≤DC2、DC2≤DC3、DC3≤DC4的尺寸，另外使空隙率满足SC1＜SC4且SC1≤SC2、SC2≤SC3、SC3≤SC4。
通过设为这种结构使得第3实施方式所涉及的蓄冷器20C也与第1实施方式所涉及的蓄冷器20A相同，低温端侧PC中的纤维材料的直径及空隙率与高温端侧PH中的纤维材料的直径及空隙率相比较小。另外，自高温端侧PH至低温端侧PC的蓄冷器20C内的纤维材料的直径及空隙率自高温端侧PH至低温端侧PC阶段性变小。
如此，在第2及第3实施方式中，低温端侧PC中的纤维材料的直径及空隙率与高温端侧PH中的纤维材料的直径及空隙率相比较小，因此与第1实施方式同样，当工作气体自脉冲管21通过蓄冷器20A而流向压缩机2时能够对蓄冷材料30A进行有效冷却，并且当工作气体自蓄冷器20A流向脉冲管21时，能够通过蓄冷材料30A对工作气体进行有效冷却。因此，根据第2及第3实施方式也能够使得蓄冷器20B、20C内的热损下降，并提高制冷效率。
图5表示对第2实施方式所涉及的制冷机与第3实施方式所涉及的制冷机的制冷能力进行比较的图。该图中，在横轴上取蓄冷材料的分割数，在纵轴上取制冷能力（W）。另外，图中以箭头A表示利用3分割的蓄冷材料30B的制冷机的制冷能力，图中以箭头B表示利用4分割的蓄冷材料30C的制冷机的制冷能力。
另外，该图所示的试验中，将构成第1蓄冷材料分割体30B-1的纤维材料的直径（直径）设为0.023mm且空隙率为70%，构成第2及第3蓄冷材料分割体30B-2、30B-3的纤维材料的直径（直径）设为0.04mm且空隙率为50%的蓄冷材料用作第2实施方式所涉及的蓄冷材料30B。
另外，将构成第1蓄冷材料分割体30C-1的纤维材料的直径（直径）设为0.023mm且空隙率为70%，构成第2及第3蓄冷材料分割体30C-2、30C-3的纤维材料的直径（直径）设为0.04mm且空隙率为40%，构成第4蓄冷材料分割体30C-4的纤维材料的直径（直径）设为0.05mm且空隙率为30%的蓄冷材料用作第3实施方式所涉及的蓄冷材料30C。
另外，图中以箭头C表示参考用的将蓄冷材料的特性自低温端侧至高温端侧均匀化的以往制冷机的制冷能力。并且任何制冷机在低温端侧PC中的冷却温度均为77K。
如该图所示，可知第2及第3实施方式所涉及的制冷机A、B的制冷能力与以往的制冷机C的制冷能力相比大幅提高。因此，由该图证实，通过利用将低温端侧PC的纤维材料的直径及空隙率设为小于高温端侧PH的纤维材料的直径及空隙率的蓄冷材料30B、30C，能够获得比以往更高的制冷能力。
另外，对第2实施方式所涉及的制冷机A的制冷能力与第3实施方式所涉及的制冷机B的制冷能力进行比较，可知分割数较多的第3实施方式所涉及的制冷机B的制冷能力更高。
这是通过增加蓄冷材料的分割数来增大边界部的个数而引起的。以下，对其理由进行说明。
如第2及第3实施方式，通过蓄冷材料被分割，在被分割的各分割体之间形成边界部。具体而言，3分割的第2实施方式的蓄冷材料30B中，在第1蓄冷材料分割体30B-1～第3蓄冷材料分割体30B-3之间形成有2个边界部31A、31B，4分割的第3实施方式的蓄冷材料30C中，在第1蓄冷材料分割体30C-1～第4蓄冷材料分割体30C-4之间形成有3个边界部31A～31C。
在该各边界部31A～31C中各分割体30B-1～30B-3、30C-1～30C-4分离，因此在各边界部31A～31C形成微细的间隙。因此，该各边界部31A～31C的导热率与各分割体30B-1～30B-3、30C-1～30C-4相比变低。
因此，能够通过边界部31A来抑制被低温端侧PC的第1蓄冷材料分割体30B-1、30C-1蓄冷的冷热向第2蓄冷材料分割体30B-2、30C-2进行导热。另外，通过边界部31B、31C来抑制高温端侧PH的第3蓄冷材料分割体30B-3及第4蓄冷材料分割体30C-4的高热向第2蓄冷材料分割体30B-2及第3蓄冷材料分割体30C-3进行导热。
如此，通过分割蓄冷器来使得各分割体在边界部热性分离，因此低温端侧PC能够保持低温状态。因此，通过增加分割数来增加被热分离的边界部的个数，能够更有效地将蓄冷器的低温端侧PC的温度保持在低温。基于上述理由通过增加蓄冷材料的分割数，能够提高制冷机的制冷能力。
以上，对本发明的优选方式进行了详述，但是本发明并不限于上述特定实施方式，可在技术方案中所记载的本发明的宗旨范围内进行各种变形或变更。
具体而言，上述第2及第3实施方式中构成为，在每个各分割体30B-1～30B-3、30C-1～30C-4中，纤维材料的直径及空隙率均匀。然而也可构成为，在每个分割体30B-1～30B-3、30C-1～30C-4内部，纤维材料的直径及空隙率在低温侧与高温侧之间变化。
另外，示出上述第2实施方式中将蓄冷材料30B分割成3段，在第3实施方式中将蓄冷材料30C分割成4段的例子，但是蓄冷材料的分割数并不限于此，可适当选定。
本申请主张基于2012年3月21日申请的日本专利申请第2012-063187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 (2)

1.一种蓄冷式制冷机，在产生寒冷的工作气体的流路中途配设有蓄冷器，且该蓄冷器装填有对所述工作气体的热进行蓄冷的蓄冷材料，所述蓄冷式制冷机的特征在于，
所述蓄冷材料是对被任意堆叠的纤维材料进行烧结而成的烧结体，并且，设定成所述纤维材料的直径随着从所述蓄冷器的高温侧朝向低温侧连续地逐渐变小。
2.如权利要求1所述的蓄冷式制冷机，其特征在于，
所述蓄冷材料中，装填于所述蓄冷器的低温侧的所述纤维材料的空隙率比装填于所述蓄冷器的高温侧的所述纤维材料的空隙率小。
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