CN103574961A

CN103574961A - 蓄冷式制冷机

Info

Publication number: CN103574961A
Application number: CN201310202830.8A
Authority: CN
Inventors: 许名尧
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-07-20
Filing date: 2013-05-27
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2033-05-27
Also published as: CN103574961B; US10203135B2; US20170336107A1; JP2014020716A; US20140020407A1; JP5889743B2

Abstract

本发明提供一种蓄冷式制冷机，其成本低且能够进行高效率的蓄冷处理。本发明的蓄冷式制冷机（1A），其具有填充有对制冷剂气体的冷能进行蓄冷的蓄冷材料的第2级蓄冷器（26），其中，将第2级蓄冷器（26）在其横截面方向上分割成制冷剂气体的流路阻力较小的中央区域（21）和流路阻力较大的周边区域（22），在中央区域（21）配置比热较大的磁性蓄冷材料（42），且在周边区域（22）配置由非磁性材料构成的非磁性蓄冷材料（40）。

Description

蓄冷式制冷机

技术领域

本申请主张基于2012年7月20日申请的日本专利申请第2012-161531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。

本发明涉及一种在置换器内配设有蓄冷器的蓄冷式制冷机。

背景技术

通常，作为使制冷剂气体绝热膨胀，通过将在此时产生的冷能蓄冷于蓄冷材料中而进行制冷冷却的蓄冷式制冷机，已知有吉福德-麦克马洪式（Gifford-Mcmahon：GM）制冷机、脉冲管制冷机等制冷机。这些蓄冷式制冷机具有对在制冷剂气体绝热膨胀时产生的冷能进行蓄冷的蓄冷器。该蓄冷器填充有用于在其内部对制冷剂气体的冷能进行蓄冷的蓄冷材料。作为该蓄冷材料以往较多地使用铅。

然而，在实现30K以下的极低温的蓄冷式制冷机的情况，由于铅的比热在15K以下时伴随温度的下降急剧减少，因此即使作为蓄冷材料使用铅也无法得到充分的蓄冷效果。

因此，作为蓄冷材料使用在30K以下的温度下具有比铅大的比热的HoCu₂等的磁性蓄冷材料（专利文献1）。磁性蓄冷材料在15K以下相变而成为反铁磁体。成为反铁磁体的磁性蓄冷材料与铅等相比，具有较大的磁化率，因此能够进行高效率的蓄冷。

专利文献1：日本特开2008-224161号公报

然而，由于磁性蓄冷材料的主体为稀土类物质，因此难以获得且成本较高。

发明内容

本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于提供一种成本低且能够进行高效率的蓄冷处理的蓄冷式制冷机。

本发明的一种形态为，

一种蓄冷式制冷机，其具有填充有对制冷剂气体的冷能进行蓄冷的蓄冷材料的蓄冷器，其中，

将所述蓄冷器在其横截面方向上分割成中央区域和周边区域，

将所述中央区域的比热设为大于所述周边区域的比热。

对于所公开的蓄冷式制冷机而言，由于将制冷剂气体的流量较多的中央区域的比热设为大于制冷剂气体的流量较少的周边区域的比热，因此能够提高蓄冷器的蓄冷效率。

附图说明

图1是本发明的第1实施方式的蓄冷式制冷机的截面图。

图2是沿图1中的A-A线的截面图。

图3是用于说明第2级置换器内的制冷剂气体的流量分布的图。

图4是本发明的第2实施方式的蓄冷式制冷机的截面图。

图5是本发明的第3实施方式的蓄冷式制冷机的截面图。

图6是本发明的第4实施方式的蓄冷式制冷机的截面图。

图7是用于说明设置于本发明的第4实施方式的蓄冷式制冷机的填充件的俯视图。

图中：1A～1D-蓄冷式制冷机，2-第1级置换器，2A-第1级置换器主体，2B-第1级热交换部，3-第1级膨胀空间，4-第1级缸体，5-第1级冷却台，7、50-蓄冷材料，8-常温室，12-压缩机，20-第2级置换器，20A-第2级置换器主体，20B-第2级热交换部，21-中央区域，22-周边区域，27-第2级冷却台，28-第2级膨胀空间，30-第2级缸体，40、64-非磁性蓄冷材料，42、62-磁性蓄冷材料，44A～44C-填充件，45-中央孔，46-贯穿孔，47-放射孔，50a-第1蓄冷材料，50b-第2蓄冷材料，60-高温侧蓄冷材料。

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实施方式的蓄冷式制冷机1A。在本实施方式中，作为蓄冷式制冷机1A举例说明将氦气用作制冷剂气体的2级式吉福德-麦克马洪式（GM）制冷机。但是，本发明的应用并不限定于GM制冷机，可适用于具有填充有蓄冷材料的蓄冷器的各种制冷机（脉冲管制冷机等）。

蓄冷式制冷机1A具有第1级置换器2及第2级置换器20、第1级缸体4及第2级缸体30、第1级冷却台5及第2级冷却台27、第1级蓄冷器17及第2级蓄冷器26及压缩机12等。

第1级置换器2呈圆筒形状，且构成为具有第1级置换器主体2A、第1级热交换部2B及第1级蓄冷器17等。第1级置换器主体2A设为有底筒状，在其内部设置有填充有蓄冷材料7的第1级蓄冷器17。作为该蓄冷材料7，能够使用在15K以上具有较大比热（体积比热）的铅或铜等材质构成的蓄冷材料。

在第1级蓄冷器17的高温侧（图中上方成为高温侧）设有对制冷剂气体的流动进行整流的整流器9。并且，在第1级蓄冷器17的低温侧（图中下方成为低温侧）也设有对制冷剂气体的流动进行整流的整流器10。

在第1级置换器2的高温端形成有用于使制冷剂气体从常温室8流向第1级蓄冷器17的第1流路11。常温室8为形成于第1级缸体4上表面与第1级置换器2的上表面之间的空间。在该常温室8连接有后述的吸排气系统。

在第1级置换器2的低温端设有第1级热交换部2B。并且，在第1级置换器主体2A与第1级热交换部2B之间形成有连通第1级蓄冷器17和第1级膨胀空间3的第2流路16。该第1级热交换部2B使用销6与第1级置换器2结合。

第1级膨胀空间3为形成于第1级缸体4的下表面与第1级热交换部2B（第1级置换器2）的下表面之间的空间。高压的制冷剂气体经第2流路16导入该第1级膨胀空间3。并且，在与第1级缸体4的第1级膨胀空间3对应的位置设有第1级冷却台5。

上述结构的第1级置换器2可移动地安装于第1级缸体4内。并且，在第1级置换器2的高温端连接有未图示的驱动机构（例如，止转棒轭机构）。由此，第1级置换器2通过该止转棒轭机构在第1级缸体4内往复移动。

另外，在第1级置换器2与第1级缸体4之间的指定位置安装有密封件15。该密封件15气密地分割第1级膨胀空间3与常温室8之间。

第2级缸体30一体设置于第1级缸体4的低温侧端部。该第2级缸体30在其内部以可移动的方式容纳第2级置换器20。

第2级置换器20呈圆筒形状，且与第1级置换器2的低温端部连结。具体而言，在第1级热交换部2B的低温端配设有销19a，并且在第2级置换器20的高温端也配设有销19b。该各销19a、19b通过连接器19c连结，由此第2级置换器20成为与第1级置换器2连结的结构。

因此，若第1级置换器2通过止转棒轭机构在第1级缸体4内往复移动，则第2级置换器20也随之在第2级缸体30内往复移动。

第2级置换器20构成为具有第2级置换器主体20A、第2级热交换部20B及第2级蓄冷器26等。第2级置换器主体20A设为有底筒状，且在其内部设置有第2级蓄冷器26。该第2级置换器20以可移动的方式安装于第2级缸体30内。

在第2级置换器20的高温端形成有用于使制冷剂气体从第1级膨胀空间3流向第2级蓄冷器26的第3流路24。并且，在第2级置换器20的低温端设置有第2级热交换部20B。另外，在第2级置换器主体20A与第2级热交换部20B之间形成有将第2级蓄冷器26与第2级膨胀空间28连通的第4流路29。

第2级膨胀空间28为形成于第2级缸体30的下表面与第2级热交换部20B（第2级置换器20）的下表面之间的空间。高压的制冷剂气体经第4流路29导入该第2级膨胀空间28。并且，在与第2级缸体30的第2级膨胀空间28对应的位置设置有第2级冷却台27。

吸排气系统具有压缩机12、供给阀13及回流阀14等。打开供给阀13的同时关闭回流阀14，则通过压缩机12生成的高压制冷剂气体供给到常温室8。相反，关闭供给阀13的同时打开回流阀14，则低压的制冷剂气体向压缩机12回流。

接着，对上述结构的蓄冷式制冷机1A的动作进行说明。

现在，若在第1级置换器2及第2级置换器20处于下止点的状态下打开供给阀13，则来自压缩机12的高压制冷剂气体经常温室8及第1流路11而进入第1级蓄冷器17内。在第1级蓄冷器17内与蓄冷材料7进行热交换而被冷却的高压制冷剂气体经第2流路16供给到第1级膨胀空间3。

供给到该第1级膨胀空间3的高压制冷剂气体继续从第3流路24进入第2级蓄冷器26内，与后述的各蓄冷材料40、42之间进行热交换而被冷却的基础上经第4流路29供给到第2级膨胀空间28。

在该状态下，通过止转棒轭机构使第1级置换器2及第2级置换器20朝向上止点向图中上方向移动。由此，第1级膨胀空间3及第2级膨胀空间28的容积增大。此时，高压制冷剂气体仍通过第1级蓄冷器17及第2级蓄冷器26继续供给到第1级膨胀空间3及第2级膨胀空间28。

并且，在第1级置换器2及第2级置换器20移动至上止点附近时，关闭供给阀13的同时打开回流阀14。由此，制冷剂气体在第1级膨胀空间3及第2级膨胀空间28内膨胀，产生寒冷。

该膨胀的制冷剂气体通过第1级蓄冷器17及第2级蓄冷器26及各流路11、16、24、29向压缩机12的低压侧回流。此时，第1级蓄冷器17及第2级蓄冷器26内的各蓄冷材料7、40、42通过产生寒冷的制冷剂气体对制冷剂气体的冷能进行蓄冷。

并且，在维持打开该回流阀14的同时关闭供给阀13的状态的状态下，第1级置换器2及第2级置换器20朝向下止点向图中下方向移动。

将上述动作作为1个周期，通过重复实施该周期，第1级膨胀空间3例如冷却成40K左右，并且第2级膨胀空间28例如被冷却成4K左右。

在此，对于设置于第2级置换器20的第2级蓄冷器26，使用图1、图2及图3进行详细说明。

图2为沿图1所示的第2级置换器20的A-A线的截面图，图3是表示在第2级置换器20内流动的制冷剂气体的流量分布的图。

如图1所示，构成为第2级蓄冷器26在高温端侧设置有分隔件31，并且在低温端侧设置有分隔件32，由该分隔件31、32所形成的空间内填充有蓄冷材料40、42。并且各分隔件31、32构成为阻止蓄冷材料40、42的通过，但制冷剂气体能够自由通过。

在本实施方式中，设为将第2级蓄冷器26在其横截面方向上分割成位于中央附近的大致圆形区域即中央区域21和位于其周边位置的环状的周边区域22的结构。

在此，关注第2级蓄冷器26内的制冷剂气体的流量。如前述，蓄冷式制冷机1A进行冷却处理时，制冷剂气体流过第2级置换器20的内部。在打开供给阀13的状态下，制冷剂气体在第2级置换器20内从高温端朝向低温端（朝向图中下方向）流动，并且在打开回流阀14时，制冷剂气体在第2级置换器20内从低温端朝向高温端（朝向图中上方向）流动。

图3（A）表示制冷剂气体在第2级置换器20内从低温端流向高温端时的流量分布。并且，图3（B）表示制冷剂气体在第2级置换器20内从高温端流向低温端时的流量分布。在各图中表示的箭头的大小表示与流过第2级蓄冷器26内的制冷剂气体的流量对应。

如图3（A）、（B）所示，流过第2级置换器20内的制冷剂气体的流量分布在第2级置换器20的横截面方向上并不均匀。

即，在设为圆筒状的第2级蓄冷器26的中央区域21上制冷剂气体的流量（以下称为中央区域流量）较多，在其外周位置即周边区域22上的制冷剂气体的流量（以下称为周边区域流量）与中央区域流量相比变少。这是因为，中央区域21的制冷剂气体的流路阻力小于周边区域22的制冷剂气体的流路阻力。

在本实施方式中，设为与上述制冷剂气体的第2级蓄冷器26内的流量分布对应将第2级蓄冷器26在其横截面方向上分割成中央区域21和周边区域22的结构。具体而言，设为通过将圆筒形状的分隔件33（相当于权利要求中所记载的分割部件）设置于中央区域21与周边区域22的边界部来分割中央区域21与周边区域22的结构。

该分隔件33配设于在第2级蓄冷器26内的低温端侧配设的分隔件32的上部。并且，该分隔件33与其他分隔件31、32同样设为允许制冷剂气体通过，但阻止蓄冷材料的通过的结构。

另一方面，在本实施方式中，设为使用非磁性蓄冷材料40和磁性蓄冷材料42这两种磁性材料作为填充于第2级蓄冷器26的蓄冷材料的结构。在本实施方式中，使用铋或含有铋的合金作为非磁性蓄冷材料40，并且使用HoCu₂来作为磁性蓄冷材料42。

HoCu₂等的磁性蓄冷材料42在30K以下的极低温环境中具有比铋等非磁性蓄冷材料40更大的比热（体积比热）。第2级置换器20在蓄冷式制冷机1A运转时成为15K以下的极低温。由此，在蓄冷式制冷机1A运转时第2级蓄冷器26也成为30K以下，磁性蓄冷材料42成为具有比非磁性蓄冷材料40更大的比热的状态。

在本实施方式中，像这样设为将比热较大的磁性蓄冷材料42配设于中央区域21，且将比热比磁性蓄冷材料42小的非磁性蓄冷材料40配设于周边区域22的结构。由此，通过上述结构，中央区域21的比热比周边区域22的比热更大。

在上述本实施方式中，在制冷剂气体的流量较多的中央区域21配设有比热较大的磁性蓄冷材料42，因此能够提高第2级蓄冷器26的蓄冷效率。

并且，由于配置磁性蓄冷材料42的区域只有中央区域21，因此与在整个第2级蓄冷器26配设磁性蓄冷材料42的结构相比，能够减少磁性蓄冷材料42的填充量（使用量）。

因此，能够抑制难以获得且成本较高的磁性蓄冷材料的量的同时得到充分的蓄热性能。

并且在本实施方式中，设为将磁性蓄冷材料42的配设位置仅配设于中央区域21且在低温端的附近的结构。这是因为使用HoCu₂作为磁性蓄冷材料42时，HoCu₂的体积比热峰值为5K～10K的较低的温度，因此即使在中央区域21内也配设于温度较低的低温端的蓄冷效率较高。

因此在本实施方式中，构成为将分割非磁性蓄冷材料40和磁性蓄冷材料42的分隔件33的高度设定为比第2级蓄冷器26的整体高度小，且仅在温度较低的低温端附近配设磁性蓄冷材料42。并且，构成为在分隔件33内填充的磁性蓄冷材料42的上部设置分隔件34，使非磁性蓄冷材料40和磁性蓄冷材料42不会混杂。通过上述结构，也能够维持与制冷剂气体的较高的热效率的同时降低磁性蓄冷材料42的使用量。

另外，在上述实施方式中示出了使用铋作为非磁性蓄冷材料40，使用HoCu₂等作为磁性蓄冷材料42的例子。但是，非磁性蓄冷材料40及磁性蓄冷材料42的材料并不限定于此，也可使用其他的材质。此时，作为磁性蓄冷材料42优选选定在30K以下具有比热峰值的材料。另外，作为非磁性蓄冷材料40可使用铅来代替铋，但是若为环境着想，则优选铋等。

并且，中央区域与周边区域的横截面积的比例根据制冷机的能力或尺寸适当选择，但优选例如中央区域占50～95%的程度。

并且，将各蓄冷材料40、42填充于第2级蓄冷器26内时，优选以流过中央区域的制冷剂气体的压力损失比流过周边区域的制冷剂气体的压力损失大的方式填充蓄冷材料40、42。

接着，使用图4至图7对本发明的第2至第4实施方式所涉及的蓄冷式制冷机1B～1D进行说明。另外，在图4至图7中，对与图1至图3所示的结构对应的结构附加相同符号，省略其说明。

图4表示第2实施方式的蓄冷式制冷机1B。在前述的第1实施方式所涉及的蓄冷式制冷机1A中，示出了在中央区域21中仅配置一种磁性蓄冷材料42的结构。相对于此，本实施方式的特征在于作为在30K以下具有比热峰值的蓄冷材料50使用2种蓄冷材料50a、50b，并经分隔板35将其层叠。

具体而言，作为位于上部的第1蓄冷材料50a，使用了第1实施方式中使用的磁性蓄冷材料即HoCu₂。相对于此，作为位于下部的第2蓄冷材料50b，使用了陶瓷蓄冷材料即GOS（Gd₂O₂S）。

GOS在4K～5K的极低温区域中能够实现HoCu₂的2倍左右的比热。因此在中央区域21配设第1蓄冷材料50a及第2蓄冷材料50b，并且在比由HoCu₂构成的第1磁性蓄冷材料50a的配设位置更低温侧配设由GOS构成的第2磁性蓄冷材料50b，从而能够得到与第1实施方式相比更高的蓄冷效率。

另外，虽然在上述的实施方式中示出了作为第2蓄冷材料50b使用了GOS的例子，但是也可代替GOS使用GAP(GdAlO₃)等在极低温区域具有较高的比热峰值的其他的蓄冷材料。

图5表示第3实施方式的蓄冷式制冷机1C。

在所述的第1实施方式中示出了具有2个置换器、2个缸体及2个蓄冷器等的2级式蓄冷式制冷机1A，但本发明的应用并不限定于多级式蓄冷式制冷机。

本实施方式的特征在于在1级式蓄冷式制冷机1C的中央区域21中配设磁性蓄冷材料62，且在其周围的周边区域22配设非磁性蓄冷材料64。即使是1级式蓄冷式制冷机1C，也使用不同的2种蓄冷材料62、64，将比热较大的蓄冷材料62配置于中央区域21中，将比热较小的蓄冷材料64配置于周边区域22中，由此能够实现与第1实施方式相同的效果。

另外，1级式蓄冷式制冷机1C与多级式蓄冷式制冷机相比蓄冷器17内的温度较高，因此配置于中央区域21的蓄冷材料并不限定于磁性蓄冷材料，也可使用比热比磁性蓄冷材料小的材料。并且，也可设为将磁性蓄冷材料以外的非磁性蓄冷材料配置于中央区域21中的结构。

并且，虽然中央区域与周边区域的横截面积的比例根据制冷机的能力或尺寸来适当选择，但优选例如中央区域占50～95%的程度。

图6表示第4实施方式的蓄冷式制冷机1D。

蓄冷式制冷机1D设为通过在第2级蓄冷器26内设置分隔件36而分割成高温侧与低温侧，且在高温侧的区域（称为高温侧区域26a）填充非磁性蓄冷材料40，并且在低温侧的区域（称为低温侧区域26b）填充磁性蓄冷材料42的结构。由此，设为在第2级蓄冷器26的低温侧区域26b中，在中央区域21及周边区域22双方均配设有由磁性材料构成的磁性蓄冷材料42的结构。

并且本实施方式的特征在于在配设于低温侧的磁性蓄冷材料42的周边区域22配设填充件44A。图7（A）放大表示填充件44A。

填充件44A通过由导热率较高的铜或铜合金等构成的板材制成，通过形成中央孔45而形成为环形状(环状形状)。该中央孔45的直径设定为与中央区域21的直径大致相同的大小。并且填充件44A的外径设为可安装于第2级蓄冷器26中的大小。

并且填充件44A形成有多个贯穿孔46。在本实施方式中，设为以2个为一组的贯穿孔46以放射状形成有8组的结构。该各贯穿孔46的直径设定为比磁性蓄冷材料42的粒径更大。

上述结构的填充件44A配设于第2级蓄冷器26内。此时，填充件44A以埋设于磁性蓄冷材料42内的方式配设于第2级蓄冷器26内。在本实施方式中，设为3片填充件44A在磁性蓄冷材料42内隔着预定间隔而重叠的结构。但是，磁性蓄冷材料42内的填充件44A的配设数量并不限定于此，能够适当选定。

如前所述，填充件44A形成有中央孔45。因此，通过将填充件44A配设于磁性蓄冷材料42内，从而成为填充件44A实质上配设于周边区域22中的结构。

在此，关注低温侧区域26b内的磁性蓄冷材料42的填充率。在低温侧区域26b中配设（埋设）有填充件44A，因此磁性蓄冷材料42的填充量下降与该填充件44A的体积相应的量。

由于在与中央区域21对应的填充件44A的中央形成有中央孔45，因此低温侧区域26b内的中央区域21的磁性蓄冷材料42的填充率成为较高的填充率。与此相对，由于在周边区域22中存在填充件44A，因此与中央区域21相比在周边区域22的磁性蓄冷材料42的填充率成为较低的填充率。

如此，在本实施方式所涉及的蓄冷式制冷机1D中，在低温侧区域26b内，中央区域21的磁性蓄冷材料42的填充率相对于周边区域22的填充率变大。因此，在低温侧区域26b内的中央区域21的比热变得比周边区域22的比热更大。

由此，通过本实施方式所涉及的蓄冷式制冷机1D，与第1实施方式所涉及的蓄冷式制冷机1A同样，无需降低第2级蓄冷器26的冷却效率就能够减少磁性蓄冷材料42的填充量。

图7（B）、（C）表示图7（A）所示的填充件44A的变形例。图7（B）所示的填充件44B为通过金属丝网构成填充件。金属丝网的网眼并无特别限定，能够与所希望的蓄冷材料的比热及填充率相应地适当选定。

图7（C）所示的填充件44C为以从中央孔45以放射状延伸的方式形成放射孔47来代替形成于填充件44A的贯穿孔46的填充件。该放射孔47具有梯形形状，设为比上底长的下底部分与中央孔45连通的结构。通过适当选定该放射孔47的形状，能够改变蓄冷器内的蓄冷材料的比热。另外，作为填充件44B、44C的材质，优选使用与填充件44A同样地导热率较高的铜或铜合金。

另外，图7（B）、（C）所示的各变形例所涉及的填充件44B、44C，虽然示出了将其外形形状设为环形状的例子，但填充件的外形并不限定于环形形状。例如，能够将填充件的外形设为球体、圆柱、方形等其他的外形形状。

以上，对本发明的优选实施方式进行了详细说明，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。

Claims

1.一种蓄冷式制冷机，其具有蓄冷器，该蓄冷器填充有对制冷剂气体的冷能进行蓄冷的蓄冷材料，所述蓄冷式制冷机的特征在于，

将所述中央区域的比热设为大于所述周边区域的比热。

2.根据权利要求1所述的蓄冷式制冷机，其特征在于，

所述中央区域的所述制冷剂气体的流路阻力比所述周边区域的所述制冷剂气体的流路阻力更小。

3.根据权利要求1或2所述的蓄冷式制冷机，其特征在于，

在所述中央区域配置由磁性材料构成的磁性蓄冷材料，在所述周边区域配置由非磁性材料构成的非磁性蓄冷材料。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的蓄冷式制冷机，其特征在于，

通过分割部件分割所述中央区域和所述周边区域。

5.根据权利要求1或2所述的蓄冷式制冷机，其特征在于，

在所述中央区域及所述周边区域双方配设由磁性材料构成的磁性蓄冷材料，并且在所述周边区域配设填充件。

6.根据权利要求5所述的蓄冷式制冷机，其特征在于，

与所述周边区域的所述磁性蓄冷材料的填充率相比，所述中央区域的所述磁性蓄冷材料的填充率较高。

7.根据权利要求5或6所述的蓄冷式制冷机，其特征在于，

所述填充件为金属丝网。

8.根据权利要求5或6所述的蓄冷式制冷机，其特征在于，

所述填充件为具有多个贯穿孔的板材。