CN103486756A - 超低温制冷机和置换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种实现提高冷却效率的超低温制冷机和置换器。本发明的超低温制冷机具有：置换器（2），具有向所容纳的蓄冷器（7）供给制冷剂气体的第1流路（11）；及缸体，容纳置换器（2）并使置换器（2）能够沿着轴向移动，并且在高温端部具备热扩散部（P2），在与置换器（2）的高温端之间形成室温室（8），所述超低温制冷机构成为在置换器（2）的外周面（28）与缸体（4）的内周面（29）之间形成间隙（CL），使第1流路（11）在置换器（2）的侧部开口，室温室（8）内的制冷剂气体经由间隙（CL）及第1流路（11）流入到蓄冷器（7）。

Description

超低温制冷机和置换器

技术领域

本申请主张基于2012年6月12日申请的日本专利申请第2012-133265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。

本发明涉及一种利用由压缩装置供给的高压制冷剂气体来产生超低温的寒冷的超低温制冷机及用于超低温制冷机的置换器。

背景技术

通常，作为用于得到超低温环境的小型化制冷机，已知有利用吉福德-麦克马洪循环的制冷机（GM制冷机）（专利文献1）。在该GM制冷机中用压缩机压缩的制冷剂气体（工作流体）通过阀的开闭而周期性地进行供给及排气。

GM制冷机中，由压缩机供给的高压制冷剂气体首先导入到设置在缸体内的高温侧的室温空间（室温室），并从室温室通过置换器内的蓄冷器导入到形成在低温端的膨胀空间。并且，通过在膨胀空间内进行膨胀而成为产生寒冷的结构。

专利文献1：日本特开2011-17457号公报

通常，在蓄冷器的内部填充有蓄冷材料，因此制冷剂气体流过蓄冷器内部时的流路阻力大于制冷剂气体从压缩机流入到室温室时的流路阻力。通过该流路阻力之差，制冷剂气体在室温空间被压缩，所以有可能由于该压缩热而使制冷气体的温度上升。

以往的GM制冷机中，构成为温度高的制冷剂气体从室温空间直接流入到蓄冷器，因此温度因室温空间中的压缩而上升的制冷剂气体流入到蓄冷器，由此有可能使冷却效率恶化。

发明内容

本发明是鉴于上述观点而完成的，其目的在于提供一种实现提高冷却效率的超低温制冷机和置换器。

从第1观点来看，上述课题能够通过如下解决，

一种超低温制冷机，其具有：

置换器，具有向所容纳的蓄冷器供给制冷剂气体的流路；及

缸体，容纳所述置换器并使该置换器能够沿着轴向移动，并且在高温端部具备热扩散部，在与所述置换器的高温端之间形成空间部，该超低温制冷机的特征在于构成为，

所述置换器的外周面与所述缸体的内周面之间形成间隙，

使所述流路在所述置换器的外周面开口，

所述空间部内的所述制冷剂气体经由所述间隙及所述流路流入到所述蓄冷器。

发明效果

根据公开的发明，空间部内的制冷剂气体经由间隙流入到蓄冷器，因此制冷剂气体在形成间隙的置换器的外周面及缸体的内周面之间进行热交换而被冷却。由此，能够降低流入到蓄冷器的制冷剂气体的温度，且能够提高超低温制冷机的制冷效率。

附图说明

图1是作为本发明的第1实施方式的超低温制冷机及置换器的剖视图。

图2是作为本发明的第2实施方式的超低温制冷机及置换器的剖视图。

图3是作为本发明的第3实施方式的超低温制冷机及置换器的剖视图。

图中：1A、1B、1C-超低温制冷机，2-置换器，2A-置换器主体，2B-低温侧导热部，2C-高温侧导热部，3-膨胀空间，4-缸体，4A-缸体主体，4B-顶部凸缘，5-冷却台，6-加强部，7-蓄冷器，8-室温室，11、20-第1流路，11A-外周侧端部，11B-内侧端部，12-压缩机，16-第2流路，20A-传导部侧流路，20B-主体侧流路，25、26-螺旋槽，28-外周面，29-内周面，CL-间隙，P1-传热部，P2-热扩散部。

具体实施方式

接着，参考附图说明本发明的实施方式。

图1中示出了本发明的第1实施方式即超低温制冷机1A。本实施方式所涉及的超低温制冷机1A举出利用氦气作为制冷剂气体的吉福德-麦克马洪（GM）式制冷机的例子进行说明，但是本发明的适用并不限定于GM制冷机，还能够适用于具有置换器的各种制冷机。并且，在本实施方式中，作为超低温制冷机1A例示出单级式制冷机，但还能够适用于多级式制冷机中。

超低温制冷机1A具有置换器（displacer）2、缸体4、冷却台5、蓄冷器7、及压缩机12等。

置换器2构成为具有置换器主体2A（相当于权利要求中记载的主体部）、低温侧导热部2B、及蓄冷器7等。置换器主体2A被设为有底筒状，且在其内部设置有容纳蓄冷材料的蓄冷器7。

置换器主体2A为了减少轴向热传递，利用例如酚醛树脂（注册商标）等导热系数较小的材料。

在蓄冷器7的高温侧（图中上方成为高温侧）设置有对制冷剂气体的流动进行整流的整流器9。并且，在蓄冷器7的低温侧（图中下方成为低温侧）也设置有对制冷剂气体的流动进行整流的整流器10。

在位于置换器2的高温端的上板部2D形成有多个第1流路11，该第1流路11用于使制冷剂气体从室温室8（相当于权利要求中记载的空间部）流入到蓄冷器7。室温室8为在缸体4与置换器2的上板部2D之间形成的空间。

在该室温室8连接有吸排气系统。吸排气系统具有压缩机12、供给阀13、返回阀14等。在供给阀13开启的同时返回阀14闭合，从而在压缩机12中产生的高压制冷剂气体供给到室温室8。相反，在供给阀13闭合的同时返回阀14开启，从而使低压制冷剂气体回流到压缩机12。

在置换器2的低温端设置有低温侧导热部2B。并且，在置换器主体2A与低温侧导热部2B之间形成有连通蓄冷器7与膨胀空间3的第2流路16。该低温侧导热部2B利用销6而与置换器主体2A结合。

膨胀空间3为通过缸体4和置换器2形成的空间。该膨胀空间3内导入高压制冷剂气体。并且，随着置换器2的移动而在膨胀空间3的容积几乎达到最大的时刻返回阀14被打开，从而制冷剂气体绝热膨胀而在膨胀空间3中产生寒冷。

在与缸体4的膨胀空间3对应的位置设置有冷却台5。该冷却台5热连接于被冷却物，被冷却物经冷却台5而被冷却。

缸体4在其内部容纳置换器2并使置换器2能够移动。在置换器2的高温端连接有未图示的止转棒轭机构。因此，置换器2通过该止转棒轭机构在缸体4内往复移动。

该缸体4具有缸体主体4A及用于固定缸体主体4A的顶部凸缘4B。缸体主体4A具有圆筒形状，在其低温端部配设冷却台5，并且在高温端部配设顶部凸缘4B。所述室温室8形成于该顶部凸缘4B与置换器2的上板部2D之间。

缸体主体4A由不锈钢形成。并且，顶部凸缘4B由与不锈钢等缸体4相同的材料，或导热效率比不锈钢高的铜、铝等材质形成。

并且，在置换器2的外周面28与缸体4（顶部凸缘4B）的内周面29之间形成有间隙CL。该间隙CL被设为例如0.1㎜～1.0㎜左右的间隙。

并且，缸体4具有传热部P1和热扩散部P2。传热部P1设置于缸体4的外周中的与间隙CL对应的位置。该传热部P1为向热扩散部P2（本实施方式中顶部凸缘4B的顶板部分）传递热的部件。

热扩散部P2为用于使从流过间隙CL内的制冷剂气体通过传热部P1而传递来的热量向缸体4的外部放出的部件。作为该热扩散部P2的结构，能够通过例如在置换器4的外周缠绕与不锈钢等缸体4相同的材质、或导热效率比不锈钢高的铜、铝等材质的板来构成。并且，也可通过将与热扩散部P2对应的缸体4本身的厚度设为大于其他位置来构成。另外，还能够使热扩散部P2与顶部凸缘4B成为一体。本实施方式中，示出了使构成缸体4的顶部凸缘4B与热扩散部P2成为一体的例子。

在置换器2（置换器主体2A）与顶部凸缘4B之间的预定位置安装有密封件15。通过该密封件15防止由压缩机12供给的制冷剂气体经由间隙CL流入到膨胀空间3。

接着，对设为上述结构的超低温制冷机1A的动作进行说明。

若置换器2在缸体4向下移动的状态下打开供给阀13，则在压缩机12中产生的高压制冷剂气体供给到室温室8内。并且，在维持来自压缩机12的高压制冷剂气体的供给的同时使置换器2向上移动。由此，室温室8内的高压制冷剂气体从间隙CL经由第1流路11而流入到蓄冷器7内。

此时，如上所述，制冷剂气体流过蓄冷器7内部时的流路阻力大于制冷剂气体从压缩机12流入到室温室8时的流路阻力，因此室温室8内的制冷剂气体通过该流路阻力之差而被压缩，由此，室温室8内的制冷剂气体的温度上升。

以往，构成为该高温制冷剂气体流入到蓄冷器7内，因此热效率下降。但是本实施方式中，通过在置换器2形成第1流路11，并且在置换器2（置换器主体2A）与缸体4（顶部凸缘4B）之间设置间隙CL来防止制冷效率的下降。另外，关于该方面，为了便于说明，在后面进行详述。

流入到蓄冷器7的高压制冷剂气体通过蓄冷材料被冷却的同时经由位于置换器2的下部的第2流路16流入到膨胀空间3。而且，若膨胀空间3由制冷剂气体填满，并且置换器2到达上止点或上止点附近的预定位置，则供给阀13闭合的同时返回阀14被打开。由此，制冷剂气体绝热膨胀，并在膨胀空间3产生寒冷。在该膨胀空间3产生的寒冷经冷却台5对被冷却物进行冷却。

接着，置换器2向下止点移动，减少膨胀空间3的容积。随此，膨胀空间3内的制冷剂气体经第2流路16、蓄冷器7、第1流路11、及室温室8返回到压缩机12的吸入侧。此时，蓄冷材料通过制冷剂气体被冷却。将该工序设为1个周期，超低温制冷机1A通过重复该冷却周期而对冷却台5进行冷却。

在此，关注在置换器2的上板部2D上形成的第1流路11、及在置换器主体2A与顶部凸缘4B之间形成的间隙CL，以下进行说明。

本实施方式中，第1流路11的剖面形状呈L字形。因此，第1流路11的外周侧端部11A构成为在置换器主体2A（置换器2）的外周面28开口。即，外周侧端部11A构成为在间隙CL开口，并且与顶部凸缘4B的传热部P1对置。并且，第1流路11的内侧端部11B构成为与蓄冷器7连接。

如上所述，流入到室温室8内的制冷剂气体在室温室8内被压缩而温度上升。该温度上升的制冷剂气体经由间隙CL流入到第1流路11（外周侧端部11A）。

此时，制冷剂气体以较快的流速通过间隙为0.1㎜～1.0㎜左右的狭窄的间隙CL，因此在制冷剂气体与顶部凸缘4B的传热部P1之间、及制冷剂气体与置换器主体2A的上板部2D之间进行热交换。即，温度上升的制冷剂气体的热经顶部凸缘4B的传热部P1向热扩散部P2传递，并在该热扩散部P2向外部散热。并且，升温的上板部2D的热经外周面28向置换器主体2A导热。

这样一来，在制冷剂气体与置换器主体2A及顶部凸缘4B之间进行热交换，因此制冷剂气体通过间隙CL时被冷却。

因此，本实施方式中，即使制冷剂气体的温度在室温室8上升，该制冷剂气体也由通过间隙CL而被冷却，且温度下降后的制冷剂气体供给到蓄冷器7。由此，即使制冷剂气体的温度在室温室8上升，也由通过间隙CL来降低制冷剂气体的温度，因此抑制蓄冷器7的蓄冷材料的温度上升，进而能够提高超低温制冷机1A的冷却效率。

此时，在间隙CL中流动的制冷剂气体与缸体4之间进行热交换，并且还与上板部2D之间进行热交换。由此，上板部2D的温度上升，但该上板部2D的热量经间隙CL热传递至顶部凸缘4B。由此，上板部2D的温度下降，因此能够防止上板部2D的热量对蓄冷器7产生影响。

尤其，作为上板部2D的材质，能够通过使用导热系数比置换器主体2A的材料更大的材料来更有效地防止对蓄冷器7的影响。

接着，对本发明的第2实施方式进行说明。

图2中示出了第2实施方式所涉及的超低温制冷机1B。另外，图2中，关于与图1所示的结构对应的结构附加相同符号而省略其说明。

在所述第1实施方式所涉及的超低温制冷机1A中，将置换器2构成为具有置换器主体2A和低温侧导热部2B，且将第1流路11构成为形成在与置换器主体2A的高温端侧一体形成的上板部2D上。

相反，本实施方式所涉及的超低温制冷机1B的特征在于，由置换器主体2A、低温侧导热部2B、及高温侧导热部2C构成置换器2，且在高温侧导热部2C形成第1流路20。

高温侧导热部2C（相当于权利要求中记载的导热部）配设于置换器主体2A的高温端侧。对该高温侧导热部2C相对于置换器主体2A的固定方法并无特别限定，能够利用众所周知的方法来固定。

具体而言，能够利用使用未图示的固定销来固定高温侧导热部的方法、及先在置换器主体2A和高温侧导热部2C形成有外螺纹和内螺纹，并通过使该外螺纹和内螺纹螺合来固定高温侧导热部的方法。

该高温侧导热部2C由具有与置换器主体2A的导热率相等或比其高的导热率的材料形成。作为该高温侧导热部2C的具体材质，例如能够利用铜、铝、不锈钢等。

并且，高温侧导热部2C的外周面28与顶部凸缘4B的内周面29（传热部P1）相对置，在其之间形成有间隙CL。该间隙CL与第1实施方式相同地被设为例如0.1㎜～1.0㎜左右的间隙。

第1流路20包括在高温侧导热部2C形成的传导部侧流路20A、及在置换器主体2A形成的主体侧流路20B。

传导部侧流路20A的剖面形状呈L字形，其一端部构成为在高温侧导热部2C的外周面28开口。并且，主体侧流路20B形成在位于置换器主体2A的高温端的上板部2D。该主体侧流路20B的高温侧的端部与上述传导部侧流路20A的另一端部连接，低温侧的端部与蓄冷器7连接。

因此，本实施方式中，在由制冷剂气体的蓄冷器7内的流路阻力与从压缩机12流入到室温室8时的流路阻力的阻力之差引起的在室温室8内温度上升的制冷剂气体经由间隙CL流入到第1流路20（传导部侧流路20A）。

此时，制冷剂气体以较快的流速通过间隙CL，因此在制冷剂气体与顶部凸缘4B之间、及在制冷剂气体与高温侧导热部2C之间进行热交换。即，温度上升的制冷剂气体的热经内周面29向顶部凸缘4B导热，并且经外周面28向高温侧导热部2C导热。

本实施方式中，如上述，将高温侧导热部2C的导热率设为与置换器主体2A的导热率相等或比其高。因此，在制冷剂气体与高温侧导热部2C之间进行热交换时，能够更高效地进行该热交换。

因此，与第1实施方式相比根据本实施方式所涉及的超低温制冷机1B能够提高制冷剂气体通过间隙CL时的冷却效率。并且，由此能够更有效地抑制蓄冷器7的蓄冷材料的温度上升，并能够进一步提高超低温制冷机1B的冷却效率。

接着，对本发明的第3实施方式进行说明。

图3中示出了第3实施方式所涉及的超低温制冷机1C。另外，图3中，关于与图1及图2所示的结构对应的结构附加相同符号而省略其说明。

在所述第1及第2实施方式所涉及的超低温制冷机1A、1B中，置换器主体2A及高温侧导热部2C的外周面28被设为平滑面，顶部凸缘4B的内周面29同样也被设为平滑面。

相反，本实施方式所涉及的超低温制冷机1C的特征在于，在形成间隙CL的置换器主体2A（置换器2）的外周面28及顶部凸缘4B（缸体4）的内周面29形成有增大与制冷剂气体的接触面积的凹凸部25、26（相当于权利要求中记载的接触面积增大部）。本实施方式中，凹凸部由螺旋槽25、26构成。

该螺旋槽25形成在置换器主体2A的外周面28的高温端侧，并且，螺旋槽26形成在比置换器2位于上止点时的置换器2上配设的密封件15的配设位置更靠高温侧（包括传热部P1的区域）。因此，在本实施方式所涉及的超低温制冷机1C中，在螺旋槽25与螺旋槽26之间形成有间隙CL。

并且，螺旋槽25及螺旋槽26的形成范围设定为置换器2在缸体4内移动的移动范围内具有螺旋槽25与螺旋槽26始终对置的范围。另外，螺旋槽25与螺旋槽26的平均间距与第1及第2实施方式相同地设为0.1㎜～1.0㎜左右。

这样一来，能够通过形成螺旋槽25、26来增大与制冷剂气体的接触面积，由此，能够提高制冷剂气体通过间隙CL时的热交换效率。因此，根据本实施方式所涉及的超低温制冷机1C，在制冷剂气体与置换器2之间、及制冷剂气体与缸体4之间以高效率进行热交换，因此能够有效地冷却制冷剂气体。由此，能够更有效地抑制蓄冷器7的温度上升，并能够提高超低温制冷机1C的制冷效率。

另外，在上述实施方式中构成为在置换器2形成螺旋槽25，并且还在缸体4形成螺旋槽26。但是，螺旋槽未必一定设置在置换器2及缸体4这二者，也可构成为仅形成于其中之一。

并且，上述实施方式中，示出由置换器主体2A和低温侧导热部2B构成的置换器2的至少一部分上形成螺旋槽25的结构。但是，由第2实施方式中说明的置换器主体2A、低温侧导热部2B、及高温侧导热部2C构成的置换器2中，也可在高温侧导热部2C的至少一部分上形成螺旋槽25。

以上，对本发明的优选实施方式进行了详述，但本发明并不限定于特定的实施方式，在技术方案的范围中记载的本发明的主旨范围内，能够进行各种变形或改变。

Claims (6)

1.一种超低温制冷机，其具有：

置换器，具有向所容纳的蓄冷器供给制冷剂气体的流路；及

缸体，容纳所述置换器并使该置换器能够沿着轴向移动，并且在高温端部具备热扩散部，且在所述缸体与所述置换器的高温端之间形成空间部，

所述超低温制冷机的特征在于，

所述置换器的外周面与所述缸体的内周面之间形成间隙，

使所述流路在所述置换器的所述外周面开口，

所述空间部内的所述制冷剂气体经由所述间隙及所述流路流入到所述蓄冷器。

2.根据权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述置换器包括主体部及由导热率高于该主体部的材质构成的导热部，

所述缸体包括与所述热扩散部连接的传热部，

所述导热部隔着所述间隙与所述传热部对置。

3.根据权利要求2所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述导热部为选自铜、铝、不锈钢中的一种材质。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的超低温制冷机，其特征在于，

在形成所述间隙的所述置换器的外周面或所述缸体的内周面的至少其中之一形成有使与所述制冷剂气体的接触面积增大的接触面积增大部。

5.根据权利要求4所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述接触面积增大部的至少一部分包括螺旋槽。

6.一种置换器，其具有高温端，该置换器的特征在于，包括：

主体部；

导热部，位于所述高温端侧且由导热率高于所述主体部的材质构成。

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