CN103574962B - 超低温制冷机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种超低温制冷机，其抑制热损失而实现制冷性能的提高。本发明的超低温制冷机，其具有：缸体（12）；置换器（14），以能够往复移动的方式收容于该缸体（12）内；间隙（40），形成于缸体（12）的内周φs与置换器（14）的外周φd之间，并且制冷剂气体流过；槽部（38），形成于置换器（14）的外周或缸体（12）的内周，其中，将槽部（38）的体积设为Vd，间隙（40）的体积设为Vg时，将槽部（38）的体积Vd与间隙（40）的体积Vg的体积比（Vd/Vg）设为8以上75以下，即8≤（Vd/Vg）≤75。

Description

超低温制冷机
技术领域
本申请主张基于2012年7月27日申请的日本专利申请第2012-166642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。
本发明涉及一种具有在外周形成槽的置换器的超低温制冷机。
背景技术
通常，作为能够实现15K以下的超低温的超低温制冷机，已知有吉福德-麦克马洪（GM）循环制冷机、斯特林循环制冷机等具有置换器的制冷机。
例如，若举例说明GM制冷机，置换器在该缸体内设置为能够往复移动，并且在缸体内的低温端形成膨胀空间，并且在高温端设置有室温空间。另外，在置换器内设置有制冷剂气体（氦气）流过的气体流路，并且在该气体流路内填充有蓄冷材料。该气体流路将膨胀空间与室温空间连通。
在供给气体时，通过压缩机向高温端侧即室温空间供给制冷剂气体，该高压的制冷剂气体通过置换器内的气体流路而被导入膨胀空间。并且，回收气体时，膨胀空间内的制冷剂气体通过同一路径被回收于压缩机内。
在上述结构中，通过适当设定置换器的往复移动及制冷剂气体的供给和回收的时机而在膨胀空间内产生寒冷。通过产生该寒冷而被冷却的制冷剂气体在气体回收时从膨胀空间回收到压缩机时冷却置换器内的蓄冷材料。并且，在气体供给时，制冷剂气体通过蓄冷材料冷却之后导入膨胀空间内。
另外，在缸体与置换器之间形成有用于使置换器往复移动的间隙。但是若制冷剂气体通过该间隙，直接流到室温空间与膨胀空间之间，则由于无法进行基于蓄冷材料的冷却而导致冷却效率下降。作为防止这种情况的方法，可以考虑在缸体与置换器之间的间隙设置防止制冷剂气体流过的密封机构。作为该密封机构通常使用O型密封圈。
然而，这种密封机构中存在因随时间劣化而导致密封性下降的可能，此时无法发挥所希望的制冷能力。因此，提出有在置换器的外周面上形成螺旋槽来代替O型密封圈等密封机构（专利文献1）。
专利文献1：日本专利第2659684号公报
通过在置换器的外周面上形成螺旋槽来代替密封机构，从而能够减少一定程度的热损失，且提高制冷性能，但要求制冷性能更高的制冷机。
发明内容
本发明是鉴于上述问题点而完成的，其目的在于提供一种抑制热损失而实现制冷性能提高的超低温制冷机。
从第1观点出发，能够通过如下超低温制冷机来解决上述课题，所述超低温制冷机，具有：
缸体，
置换器，以能够往复移动的方式收容于该缸体内；
间隙，形成于所述缸体的内周与所述置换器的外周之间，并且使制冷剂气体流过；及
凹部，形成于所述置换器的外周或所述缸体的内周的至少一方，该超低温制冷机的特征在于，
将所述凹部的体积设为Vd，并将所述间隙的体积设为Vg时，所述凹部的体积Vd与所述间隙的体积Vg的体积比（Vd/Vg）设为8以上75以下（8≤（Vd/Vg）≤75）。
根据公开的超低温制冷机，能够抑制热损失而实现制冷性能的提高。
附图说明
图1是本发明的一实施方式的超低温制冷机的概略结构图。
图2是本发明的一实施方式的超低温制冷机的第2级置换器的局部剖视图。
图3是用于说明在整体上形成槽部的置换器中槽部的体积与间隙的体积之比的图。
图4是用于说明在局部上形成槽部的置换器中槽部的体积与间隙的体积之比的图。
图5是表示槽部的体积与间隙的体积之比与制冷性能的关系的图。
图中：1-GM制冷机，10-压缩机，11-第1级缸体，12-第2级缸体，13-第1级置换器，14-第2级置换器，15-曲柄机构，16-气体流路，17、18-蓄冷材料，19-第1级热站，20-第2级热站，21-第1级膨胀空间，22-第2级膨胀空间，23、23a、23b-气体流路，24、24a、24b-气体流路，25-室温空间，30-筒状部件，36-结合机构，37-开口，38-螺旋状气体流路，40-间隙，M-驱动用马达，V1-供给阀，V2-排气阀，φs-缸体内周，φd-置换器外周，Lg-置换器长度。
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表示本发明的一实施方式的具有置换器的超低温制冷机。在本实施方式中，作为具有置换器的超低温制冷机举例说明吉福德-麦克马洪式制冷机1（以下称为GM制冷机）。但是，本发明的应用并不限定于GM制冷机，也可适用于斯特林循环制冷机等具有置换器的其他超低温制冷机。
本实施方式所涉及的GM制冷机1为2级式GM制冷机。该GM制冷机1设为具有压缩机10、第1级缸体11、第2级缸体12、第1级置换器13、第2级置换器14及蓄冷材料17、18等的结构。
压缩机10通过压缩制冷剂气体（氦气）生成高压制冷剂气体。该高压制冷剂气体经供给阀V1、气体流路16供给至第1级缸体11内。
在第1级缸体11的下部结合有第2级缸体12。在第1级缸体11的内部将第1级置换器13容纳为能够向图中上下方向移动，在第2级缸体12的内部将第2级置换器14容纳为能够向图中上下方向移动。并且，轴部件S从第1级缸体11的上端向上方延伸，并与结合于驱动用马达M的曲柄机构15结合。
在第1级置换器13的上端部与第1级缸体11的上部之间形成有室温空间25，在第1级置换器13的下端部与第1级缸体11的底部之间形成有第1级膨胀空间21。并且，在第2级置换器14的下端部与第2级缸体12的底部之间形成有第2级膨胀空间22。
在第1级置换器13的内部形成有空间部13a，在该空间部13a内填充有第1级蓄冷材料17。并且，在第1级置换器13的高温端侧形成有连通室温空间25和空间部13a的气体流路23a。并且，在第1级置换器13的低温端侧形成有连通空间部13a和第1级膨胀空间21的气体流路23b。因此，室温空间25和第1级膨胀空间21经气体流路23a、空间部13a及气体流路23b连通。
在第2级置换器14的内部形成有空间部14a，在该空间部14a内填充有第2级蓄冷材料18。并且，在第2级置换器14的高温端侧形成有连通第1级膨胀空间21和空间部14a的气体流路24a。并且，在第2级置换器14的低温端侧形成有连通空间部14a和第2级膨胀空间22的气体流路24b。因此，第1级膨胀空间21和第2级膨胀空间22经气体流路24a、空间部14a及气体流路24b连通。
另外，在第1级缸体11的下部热结合有第1级热站19，在第2级缸体12的下部热结合有第2级热站20。
在上述结构的GM制冷机1中，若打开供给阀V1的同时关闭排气阀V2，则高压制冷剂气体从压缩机10经供给阀V1及气体流路16供给到室温空间25内。接着高压制冷剂气体通过气体流路23a、第1级蓄冷材料17及气体流路23b供给到第1级膨胀空间21。
第1级膨胀空间21的高压制冷剂气体进一步通过气体流路24a、第2级蓄冷材料18及气体流路24b供给到第2级膨胀空间22。另外，气体流路23a、24a是为了说明制冷剂气体的流动而在功能上进行了记载的流路，与实际的结构不同。
另一方面，当供给阀V1关闭，排气阀V2打开时，高压制冷剂气体经与上述的供给时的路径相反的路径回收到压缩机10。
接着，对上述结构的GM制冷机1的动作进行说明。
在GM制冷机1工作时，通过驱动用马达M的旋转，第1级置换器13及第2级置换器14如图中箭头所示向上下方向往复移动。
第1级置换器13及第2级置换器14处于下止点或其附近的位置时供给阀V1被打开。由此高压制冷剂气体如上所述供给到第1级缸体11及第2级缸体12的内部。
维持该高压制冷剂气体的供给的同时通过驱动用马达M使第1级置换器13及第2级置换器14向上移动。由此，第1级膨胀空间21及第2级膨胀空间22维持制冷剂气体在各缸体11、12内的高压状态的同时其容积增大。
接着，在第1级置换器13及第2级置换器14到达上止点或其附近的位置的时刻，关闭供给阀V1，打开排气阀V2。由此，第1级膨胀空间21及第2级膨胀空间22内的高压制冷剂气体进行绝热膨胀，由此在第1级膨胀空间21及第2级膨胀空间22内产生寒冷。
通过进行膨胀成为低压的制冷剂气体随着第1级置换器13及第2级置换器14向下移动，通过配设于第2级置换器14的第2级蓄冷材料18内及配设于第1级置换器13的第1级蓄冷材料17内而回收到压缩机10。此时，通过产生寒冷而低温化后的制冷剂气体在通过各蓄冷材料17、18内时将其冷却。
由此，在下一个供给工序中，当高压制冷剂气体从压缩机10供给到各膨胀空间21、22时，高压制冷剂气体通过各蓄冷材料17、18内，从而进行冷却。由此，通过设置蓄冷材料17、18能够提高GM制冷机1的制冷性能。
图2放大表示图1所示的GM制冷机1的第2级置换器14。第2级置换器14具有成为主体部的筒状部件30。该筒状部件30设为其上下端开放的圆筒形状。
并且，在筒状部件30的下端插入粘结有由夹布酚醛等形成的盖部件31，在盖部件之上配置有金属丝网32，并且在金属丝网之上配置有毛毡塞33。在筒状部件30的金属丝网32的高度位置设置有形成气体流路24b的开口37。
并且，在毛毡塞33之上填充有蓄冷材料18。在蓄冷材料18之上配置有毛毡塞34，在毛毡塞34之上配置有冲孔金属板35。冲孔金属板35通过在筒状部件30的内表面上部沿圆周设置的阶梯差而被固定。在筒状部件30的上端安装有用于与所述第1级置换器13结合的结合机构36。
并且，在构成第2级置换器14的筒状部件30的外周面形成有凹部。在本实施方式中，设为形成螺旋状的槽部38来作为该凹部的结构。该槽部38可设为从筒状部件30的高温侧至低温侧几乎遍及整体而形成的结构，或也可设为形成于筒状部件30的局部的结构。
并且，槽部38的形状也并不限定于如本实施方式的螺旋形状，也可设为形成多个相对于第2级置换器14的轴向正交的环状槽的结构。另外，凹部的形状并不限定于槽，也可设为形成凹坑部等的结构。
构成第2级置换器14的筒状部件30的外径设为稍小于第2级缸体12的内径。由此，在第2级缸体12与第2级置换器14之间形成间隙40。
对此，使用图3及图4进行说明。图3及图4为示意地表示图1所示的第2级缸体12及第2级置换器14的图。图3表示在第2级置换器14的整体形成槽部38的例子，图4表示在第2级置换器14的局部形成槽部38的例子。
如前所述，第2级置换器14的外径φd（以下称为置换器外周φd）设为稍小于第2级缸体12的内径φs（以下称为缸体内周φs）（φd＜φs）。由此，在第2级缸体12与第2级置换器14之间形成间隙40。
该间隙40与形成于第2级置换器14的外周的槽部38相接。并且，在第2级缸体12与第2级置换器14之间未设置有O型密封圈等的密封机构。
由此，从压缩机10朝向第2级膨胀空间22供给制冷剂气体时及从第2级膨胀空间22朝向压缩机10回收制冷剂气体时，制冷剂气体在通过形成于第2级置换器14的内部的第2级蓄冷材料18（空间部14a）的正规气体流路（以下将该流路称为主流路）和通过间隙40的气体流路（以下将该流路称为副流路）的两者中分支流过。
具体而言，当从压缩机10朝向第2级膨胀空间22供给制冷剂气体时，流过构成副流路的间隙40的制冷剂气体进入形成于第2级置换器14的外周面的槽部38（螺旋槽），并与存在于槽部38内的制冷剂气体混合。
第2级置换器14通过内设的第2级蓄冷材料18被冷却，由此存在于槽部38内的制冷剂气体也被冷却。从间隙40进入槽部38内的制冷剂气体通过与槽部38内的制冷剂气体混合而被冷却。并且，在槽部38被冷却后的制冷剂气体再度从槽部38回到间隙40并供给到第2级膨胀空间22。
另一方面，在第2级膨胀空间22中绝热膨胀且温度下降的制冷剂气体回收到压缩机10时，流过构成副流路的间隙40的制冷剂气体进入槽部38，并与存在于槽部38内的制冷剂气体混合。槽部38内的制冷剂气体与通过绝热膨胀而低温化的制冷剂气体混合而被冷却。
由此，第2级置换器14被冷却，内设的蓄冷材料18也被冷却。并且，在槽部38内进行热交换的制冷剂气体返回到间隙40，并供给到第1级膨胀空间21。
如上所述，通过在第2级置换器14的外周面形成具有一定槽体积的槽部38（凹部），能够使制冷剂气体存在于槽部38内。通过将该槽部38内的制冷剂气体量相对于流过间隙40而来的制冷剂气体的气体量设在预定的范围内，从而流过间隙40的制冷剂气体能够与存在于该间隙40内的制冷剂气体良好地混合并进行热交换。
由此，通过在第2级置换器14设置槽部38，与未在置换器设置槽部而制冷剂气体直接通过各膨胀空间之间的结构相比，能够减少热损失。
然而，可以预想若间隙40的体积及槽部38的体积发生变化，则流过间隙40的制冷剂气体和槽部38内的制冷剂气体的混合状态发生变化，从而各制冷剂气体之间的热交换性产生变化。
因此，本发明者着眼于槽部38的体积Vd与间隙40的体积Vg的体积比（Vd/Vg）并进行了使其变化时求出GM制冷机1能够实现的制冷温度的实验。
关于间隙40的体积Vg，因为间隙40与置换器外周φd及缸体内周φs相比非常小，因此若将第2级置换器14的长度设为Lg，可通过以下公式求出。另外，如图4所示，即使槽部38的形成范围不是第2级置换器14的整个范围，长度Lg也可设为第2级置换器14的整体长度。
Vg=（φs-φd）/2×π×φs×Lg
并且，关于槽部38的体积Vd，若将槽部38的截面积设为Sd，槽长度设为Ld，则能够从以下公式求出。
Vd=Sd×Ld
由此，槽部38的体积Vd与间隙40的体积Vg的体积比（Vd/Vg）可根据以下公式求出。
（Vd/Vg）=（Sd×Ld）/｛（φs-φd）/2×π×φs×Lg｝
图5示出进行在使上述的体积比（Vd/Vg）变化时求出GM制冷机1能够实现的制冷温度的实验的结果。另外，图5中横轴为槽部38的体积Vd与间隙40的体积Vg的体积比（Vd/Vg），纵轴为能够实现的制冷温度。
如图5所示，在GM制冷机1中可得到最佳性能时的冷却温度为3.85K。并且，可得到该最佳性能的体积比的范围为16≤（Vd/Vg）≤54。并且，冷却温度为3.85K左右时的5%劣化程度是为了维持作为最低限度制冷机的性能而所需的能力，因此通过将体积比的范围设定为8≤（Vd/Vg）≤75的范围，能够良好地保持制冷性能。
由此，根据图5所示的实验结果，证实了通过将体积比（Vd/Vg）设定为8以上75以下，能够实现槽部38的体积和间隙40的体积（即，副流路的体积）的最佳化，能够在高效率的状态下运转GM制冷机1。
以上，对本发明的优选实施方式进行了详述，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及变更。
在上述的实施方式中，虽然对在置换器的外周面设置凹部的结构进行了说明，但也可在缸体的内周面设置凹部，或者也可设为在置换器的外周面和缸体的内周面双方设置凹部的结构。

Claims (5)

1.一种超低温制冷机，其具有：
缸体；
置换器，以能够往复移动的方式收容在该缸体内；
间隙，形成于所述缸体的内周与所述置换器的外周之间，并且使制冷剂气体流过；及
凹部，形成于所述置换器的外周面或所述缸体的内周面的至少一方，
所述超低温制冷机的特征在于，
将所述凹部的体积设为Vd，所述间隙的体积设为Vg时，所述凹部的体积Vd与所述间隙的体积Vg的体积比即Vd/Vg设为8以上75以下，即8≤(Vd/Vg)≤75。
2.根据权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于，
所述凹部为槽。
3.根据权利要求1或2所述的超低温制冷机，其特征在于，
所述凹部形成为螺旋状。
4.根据权利要求1或2所述的超低温制冷机，其特征在于，
在所述置换器的内部形成有所述制冷剂气体流过的主流路，
所述间隙及所述凹部形成所述制冷剂气体在所述置换器的外周流过的副流路。
5.根据权利要求1或2所述的超低温制冷机，其特征在于，
所述凹部形成于所述置换器的外周面或所述缸体的内周面的至少一方的局部。
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