CN104180568B - 斯特林型脉冲管制冷机及其整流器 - Google Patents

斯特林型脉冲管制冷机及其整流器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种斯特林型脉冲管制冷机及其整流器，该斯特林型脉冲管制冷机通过间隔配置多个网格，降低整流器的整流效果的偏差而提高冷却效率。本发明的斯特林型脉冲管制冷机具有：压缩机，对气体进行加压或减压；蓄冷器，通过所述压缩机的加压或减压来从该压缩机供给气体或向该压缩机供给气体；脉冲管，从所述蓄冷器供给气体或向所述蓄冷器供给气体；及整流器，配置在所述脉冲管的高温侧或低温侧中的至少一侧，所述整流器具备层叠配置的多个网格、及维持该多个网格的间隙的保持部件。

Description

斯特林型脉冲管制冷机及其整流器
本申请主张基于2013年5月20日申请的日本专利申请第2013-106597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。
技术领域
本发明涉及一种斯特林型脉冲管制冷机。
背景技术
作为实现低温环境的装置，有时使用斯特林型脉冲管制冷机(脉冲管制冷机)。在脉冲管制冷机中，通过反复进行向蓄冷器及脉冲管供给被压缩机压缩的制冷剂气体的动作和用压缩机回收已供给的制冷剂气体的动作，由此降低蓄冷器及脉冲管的低温部(例如冷头)的温度。
专利文献1中公开有关于脉管制冷机的技术：所述制冷机为了使从蓄冷管(蓄冷器)向脉冲管或从脉冲管向蓄冷管流入的制冷剂气体的速度分布变得均匀，在脉冲管的低温部侧配置金属丝网(整流器)。
专利文献1：日本特开2011-149601号公报
然而，在专利文献1中公开的技术中，由于层叠了多个金属丝网(网格)，因此由金属丝网的网格形成的流路存在偏差。尤其在斯特林型脉冲管制冷机中，反复进行制冷剂气体的供给及回收动作的运行频率较高(例如20Hz以上)，因此，因层叠的多个金属丝网所形成的流路的偏差，整流器的整流效果有时发生偏差。
发明内容
本发明是鉴于这种情况而完成的，其目的在于提供一种通过间隔配置多个网格，能够降低整流器的整流效果的偏差，能够提高冷却效率的斯特林型脉冲管制冷机及其整流器。
根据本发明的一种实施方式，提供一种斯特林型脉冲管制冷机，该斯特林型脉冲管制冷机具有：压缩机，对气体进行加压或减压；蓄冷器，通过所述压缩机的加压或减压来从该压缩机供给气体或向该压缩机供给气体；脉冲管，从所述蓄冷器供给气体或向所述蓄冷器供给气体；及整流器，配置在所述脉冲管的高温侧或低温侧中的至少一侧，所述斯特林型脉冲管制冷机中，所述整流器具备层叠配置的多个网格、及维持该多个网格的间隙的保持部件。也可为如下斯特林型脉冲管制冷机，所述压缩机以20Hz以上作为运行频率，对气体进行加压及减压。也可为如下斯特林型脉冲管制冷机，其还具有配置在所述脉冲管的高温侧的热交换器、及连接在所述热交换器的与所述脉冲管侧相反的一侧的缓冲罐，所述整流器配置在所述脉冲管的所述热交换器侧。也可为所述保持部件配置在所述多个网格的外周的斯特林型脉冲管制冷机。也可为所述保持部件配置在所述多个网格的中央部的斯特林型脉冲管制冷机。也可为所述保持部件将所述多个网格夹持为一体的斯特林型脉冲管制冷机。也可为所述多个网格在中央具有开口部，所述保持部件配置在所述开口部的斯特林型脉冲管制冷机。也可为所述多个网格包括细网格和粗网格，所述整流器中，在所述细网格的外侧配置所述粗网格的斯特林型脉冲管制冷机。
根据本发明的另一方式，提供一种用于上述斯特林型脉冲管制冷机中的任意一个的整流器。
根据本发明所涉及的斯特林型脉冲管制冷机或其整流器，通过间隔配置多个网格，能够降低整流器的整流效果的偏差而提高冷却效率。
附图说明
图1是用于说明本发明的一种实施方式所涉及的脉冲管制冷机的一例的概略结构图。
图2是用于说明本发明的一种实施方式所涉及的脉冲管制冷机的整流器的配置的概略剖视图。
图3是用于说明本发明的一种实施方式所涉及的脉冲管制冷机的整流器的概略分解图。
图4(a)和图4(b)是用于说明本发明的一种实施方式所涉及的脉冲管制冷机的整流器的一种实例的说明图。
图5(a)至图5(c)是用于说明本发明的一种实施方式所涉及的脉冲管制冷机的整流器的整流效果的说明图。
图6(a)和图6(b)是用于说明本发明的一种实施方式所涉及的脉冲管制冷机的整流器的另一例的说明图。
图中：100-斯特林型脉冲管制冷机，11-压缩机，12AC-外部热交换器(后冷却器)，12CH-低温部(冷头)，12RG-蓄冷器(再生式热交换器、再生器)，13-脉冲管，14、14A、14B-整流器，14Ma、14Mb-网格，14Mw-网格的开口部，14S-保持部件，14Sb-螺栓，14Sh-壳体，14Ss-止动环，14Sp、14Sp2-间隔环，15-热交换器，16-缓冲罐。
具体实施方式
参考附图，对本发明的并不具有限定作用的实施方式进行说明。另外，在所有附图中，对相同或对应的部件或组件标注相同或对应的附图标记，并省略重复说明。并且，附图中若无特别指定，则不以表示部件或组件之间的相对比例为目的。因此，本领域普通技术人员可以参照以下并不具有限定作用的实施方式决定具体尺寸。
[斯特林型脉冲管制冷机的结构]
利用图1对本发明的一种实施方式所涉及的斯特林型脉冲管制冷机及使用于该斯特林型脉冲管制冷机的整流器进行说明。图1是用于说明本发明的一种实施方式所涉及的脉冲管制冷机的一例的概略结构图。另外，能够使用本发明的斯特林型脉冲管制冷机并不限定于图1所示的制冷机。并且，图1中，经由外部热交换器(后冷却器)12AC连通压缩机11与蓄冷器12RG，但能够使用本发明的脉冲管制冷机也可以不具备外部热交换器12AC。
如图1所示，本实施方式所涉及的斯特林型脉冲管制冷机(以下称作“脉冲管制冷机”)100具有：压缩机11，使气体在脉冲管制冷机100的内部流动；蓄冷器12RG，被所供给的气体冷却；及脉冲管13，经由低温部12CH与蓄冷器12RG连接。并且，脉冲管制冷机100具有配置在脉冲管13的高温侧或低温侧中的至少一侧的整流器14。另外，脉冲管制冷机100具有配置在脉冲管13的高温侧的热交换器15、及连接在热交换器15的与脉冲管13侧相反的一侧的惯性管16t及缓冲罐16。另外，本发明所涉及的脉冲管制冷机100中，作为气体(制冷剂气体)，例如能够使用氦气。
脉冲管制冷机100使从压缩机11供给的气体(高压气体)流过蓄冷器12RG、低温部12CH及脉冲管13。此时，预先存在于脉冲管13的内部的低压气体被流入的高压气体压缩。因此，脉冲管13内的压力变得高于缓冲罐16内的压力，气体通过惯性管16t流入缓冲罐16。并且，脉冲管制冷机100通过使气体流过惯性管16t及缓冲罐16而改变气体的压力变动与体积变化之间的相位关系。另外，缓冲罐16为与其他构成要件相比容积较大的容器。
由此，脉冲管制冷机100在脉冲管13内的气体与蓄冷器12RG内的气体之间产生相位差，并从低温部12CH吸热，以弥补气体从等温状态绝热膨胀时所消耗的能隙。即，脉冲管制冷机100在低温部12CH产生寒冷。接着，脉冲管制冷机100利用配置在脉冲管13的高温侧的热交换器15而对在低温部12CH吸收的热(能量)进行散热(放出)。
如上，脉冲管制冷机100通过在脉冲管制冷机100的内部反复进行基于绝热变化的膨胀与压缩的动作，能够冷却与低温部12CH热连接的非冷却物。另外，本发明所涉及的脉冲管制冷机100可以以20Hz以上的运行频率对气体进行加压或减压。
压缩机11用于使气体在脉冲管制冷机100内部流动。如图1所示，本发明所涉及的压缩机11(斯特林型脉冲管制冷机)利用对置配置的一对缸体及活塞而对气体进行加压或减压，从而使气体在脉冲管制冷机100内部流动。在此，活塞也可为利用磁铁、马达、凸轮等驱动机构(未图示)被驱动(往复移动)的结构。
压缩机11在一对缸体及活塞之间形成压力室。并且，压缩机11中，所形成的压力室与蓄冷器12RG连接。由此，压缩机11通过活塞的移动对压力室内部的气体进行加压，由此能够向蓄冷器12RG供给气体。并且，压缩机11通过活塞的移动对压力室内部的气体进行减压，由此能够从蓄冷器12RG供给(回收)气体。
蓄冷器12RG通过从压缩机11或脉冲管13供给的气体被冷却。蓄冷器12RG例如也可为在管部件的内部配置蓄冷材料(未图示)的结构。另外，管部件例如可以使用中空的缸体。蓄冷材料例如可以使用金属丝网。
蓄冷器12RG通过使从压缩机11供给的气体(压缩气体)绝热膨胀而使其温度下降。并且，蓄冷器12RG通过从脉冲管13(低温部12CH)供给的气体(温度比较低的气体)被冷却。即，蓄冷器12RG对所供给的气体的寒冷进行所谓的蓄冷(再生)。
脉冲管13为大致圆筒形状的管，在其内部的气体与蓄冷器12RG内的气体之间产生相位差。脉冲管13经由低温部12CH与蓄冷器12RG连接。并且，脉冲管13通过压缩机11对气体进行加压或减压，由此经由低温部12CH从蓄冷器12RG供给气体或向蓄冷器12RG供给气体。另外，图1中，作为脉冲管制冷机100的蓄冷器12RG与脉冲管13的连接类型，例示了直线型，但也可以设为所谓的U字型。
本发明所涉及的脉冲管制冷机100还具有配置在脉冲管13的整流器14。即，脉冲管制冷机100利用配置在脉冲管13的高温侧(惯性管16t侧)或低温侧(低温部12CH侧)中的至少一侧的整流器14而使从脉冲管13流出的气体及向脉冲管13流入的气体的速度分布变得均匀。
图2是用于说明本发明的一种实施方式所涉及的脉冲管制冷机的整流器的配置的概略剖视图。
如图2所示，本发明所涉及的整流器14例如配置在脉冲管13的高温侧(惯性管16t侧)。由此，脉冲管制冷机100能够使从脉冲管13向热交换器15(以及惯性管16t和缓冲罐16)流出的气体Fs、及从热交换器15(以及惯性管16t和缓冲罐16)向脉冲管13流入的气体Fr的速度分布变得大致均匀。
另外，脉冲管制冷机100中，作为对气体进行冷却的热交换器15，例如也可以使用在铜块上设置有狭缝的装置。并且，如图2所示，脉冲管制冷机100也可以进一步使用气体冷却用的水冷式水套15WJ(或空冷式散热片等)。
图3中示出用于说明本发明的一种实施方式所涉及的脉冲管制冷机的整流器的概略分解图的一例。
如图3所示，本发明所涉及的整流器14具备层叠配置的多个网格14。在此，多个网格14为包括细网格14a和粗网格14b的结构。
另外，本发明的整流器14可以使用4张以上(例如5张～20张)的网格。并且，整流器14也可为配置与流路的直径或气体的流速对应的张数的网格的结构。另外，多个网格14例如也可为使用多张相同网眼的网格的结构。
并且，如图3所示，整流器14例如也可为在细网格14a的外侧配置粗网格14b的结构。由此，整流器14利用粗网格14b能够减轻流入到整流器14时产生的湍流，并且利用细网格14a能够得到充分的整流效果。
另外，多个网格14的网格大小例如也可以使用#30～#500(例如金属丝网的网眼约为0.577mm～0.026mm)的网格。并且，整流器14除金属丝网以外还可以使用冲孔金属板、金属过滤器、树脂过滤器或发泡金属、或其他能够用作整流器的多孔体等。
本发明所涉及的整流器14还具有维持多个网格14的间隙的保持部件14S(后述的图4(a)和图4(b)或图6(a)和图6(b))。另外，保持部件14S的结构在后述的[整流器的结构]中进行说明。
[整流器的结构]
利用图4(a)、图4(b)、图5(a)至图5(c)、图6(a)和图6(b)，对本发明的实施方式所涉及的脉冲管制冷机100的整流器14的一例进行说明。在此，图4(a)是用于说明本发明的一种实施方式所涉及的整流器14的一种实例(14A)的俯视图。图4(b)是用于说明整流器14A的剖视图。图5(a)是用于说明使用细网格14a和粗网格14b时的整流器14A的整流效果的说明图。图5(b)是用于说明使用相同网眼的网格时的整流效果的说明图。图5(c)是用于说明不维持间隙而层叠多个网格时的整流效果的说明图。图6(a)和图6(b)是用于说明整流器14的另一例(14B)的说明图。
如图4(a)及图4(b)所示，整流器14A(脉冲管制冷机100)中，由壳体14Sh、止动环14Ss、及多个间隔环14Sp构成保持部件14S。在此，保持部件14S(壳体14Sh、止动环14Ss、及多个间隔环14Sp)配置在所层叠的多个网格(14Ma、14Mb)的外周。并且，保持部件14S将多个网格(14Ma、14Mb)保持成维持间隙。
壳体14Sh是保持多个网格(14Ma、14Mb)、止动环14Ss、及间隔环14Sp的部件。壳体14Sh例如可以使用大致圆筒形状的部件。并且，壳体14Sh在大致圆筒形状的内部配置有层叠的多个网格。
止动环14Ss是按压并固定被层叠的多个网格(14Ma、14Mb)及间隔环14Sp的部件。止动环14Ss例如可以使用折皱形状的部件。
多个间隔环14Sp分别配置在多个网格(14Ma、14Mb)之间，是分别维持多个网格(14Ma、14Mb)的间隙的部件。间隔环14Sp例如可以使用圆环形状(环形状)的部件。并且，间隔环14Sp通过分别与多个网格的外周部进行扩散接合处理，而分别固定多个网格。
另外，“扩散接合处理”是指通过加热在网格界面中产生原子相互扩散而使网格与间隔环界面接合的方法。由此，提高各界面中的热接触性，使热阻减小。扩散接合处理能够在800℃～1080℃的范围(例如1000℃)中进行。
如图5(a)所示，本发明所涉及的整流器14A(脉冲管制冷机100)利用多个间隔环14Sp分别固定多个网格(14Ma、14Mb)的位置，因此能够将由多个网格的网眼形成的流路精确地固定(确定)成所希望的流路形状。如图5(a)所示，整流器14A能够配置成使多个网格的网眼的位置依次偏离。
由此，本发明所涉及的整流器14A(脉冲管制冷机100)能够降低由多个网格的网眼形成的流路的偏差。并且，本发明所涉及的整流器14A能够降低由所层叠的多个网格形成的流路的偏差，因此能够降低整流效果的偏差。即，本发明所涉及的脉冲管制冷机100能够提高整流器14A的整流效果，并且能够轻松地控制在其内部流通的气体的流量(速度)，能够提高制冷机的冷却性能。
另外，本发明所涉及的整流器14A能够利用保持部件14S将多个网格(14Ma、14Mb)保持成维持间隙，因此能够防止多个网格彼此相接触。尤其，在斯特林型脉冲管制冷机中，由于反复进行制冷剂气体的供给和回收动作的运行频率较高(例如20Hz以上)，因此若多个网格彼此相接触，则容易破损。本发明所涉及的整流器14A能够利用保持部件14S防止多个网格彼此相接触，因此能够防止网格的破损。
并且，如图5(b)所示，使用相同的网眼的网格时，与图5(a)相同地利用本发明所涉及的保持部件14S(图4(a)和图4(b))，能够降低由多个网格的网眼形成的流路的偏差，并且能够降低整流器的整流效果的偏差。
另一方面，如图5(c)所示，不维持间隙而层叠多个网格时，由多个网格的网眼形成的流路形状有时会产生偏差。并且，不维持间隙而层叠了多个网格时，由于由多个网格的网眼形成的流路形状的偏差，流体阻力有时会产生偏差。即，不维持间隙而层叠多个网格时(图5(c))，与图5(a)、图5(b)的情况相比较，整流器的整流效果的偏差会增加。并且，在不维持间隙而层叠多个网格时，由于整流效果的偏差会增加，因此有可能降低冷却性能。
如图6(a)和图6(b)所示，整流器14B(脉冲管制冷机100)中，与整流器14A(图4(a)和图4(b))相同地，由壳体14Sh、止动环14Ss、及多个间隔环14Sp构成保持部件14S。并且，整流器14B在被层叠的多个网格(14Ma、14Mb)的中央还具有开口部14Mw。另外，整流器14B的保持部件14S还具备螺栓部件14Sb及多个第2间隔环14Sp2。
螺栓部件14Sb配置在多个网格(14Ma、14Mb)的开口部14Mw。并且，多个第2间隔环14Sp2在多个网格的中央分别配置于多个网格之间，且分别维持多个网格的间隙。另外，保持部件14S的壳体14Sh、止动环14Ss及多个间隔环14Sp与图4(a)和图4(b)的情况相同，因此省略说明。
如图6(a)和图6(b)所示，整流器14B利用多个第2间隔环14Sp2将多个网格(14Ma、14Mb)夹持为一体。因此，整流器14B的刚性比整流器14A(图4(a)和图4(b))高。即，整流器14B的机械强度较高，多个网格的变形量(例如挠曲量)较小，能够进一步降低由多个网格的网眼形成的流路的偏差(变形)及整流效果的偏差。并且，整流器14B能够降低多个网格的变形量，因此能够进一步防止多个网格相互接触而引起的破损。
如上所述，根据本发明所涉及的斯特林型脉冲管制冷机100或其整流器14，由于利用保持部件14S间隔配置多个网格，因此能够降低整流器14的整流效果的偏差，能够提高冷却效率。并且，根据本发明所涉及的斯特林脉冲管制冷机100或其整流器14，由于能够利用保持部件14S防止多个网格彼此相接触，因此能够防止多个网格的破损。
以上，对本发明的优选实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述实施方式。并且，本发明依所附加的技术方案的范围，能够进行各种变形或变更。

Claims (7)

1.一种斯特林型脉冲管制冷机，具有：
压缩机，对气体进行加压或减压；
蓄冷器，通过所述压缩机的加压或减压来从该压缩机供给气体或向该压缩机供给气体；
脉冲管，从所述蓄冷器供给气体或向所述蓄冷器供给气体；及
整流器，配置在所述脉冲管的高温侧或低温侧中的至少一侧，
所述斯特林型脉冲管制冷机的特征在于，
所述整流器具备层叠配置的多个网格、及维持该多个网格的间隙的保持部件，
所述保持部件配置在所述多个网格的中央部。
2.根据权利要求1所述的斯特林型脉冲管制冷机，其特征在于，
所述压缩机以20Hz以上作为运行频率，对气体进行加压及减压。
3.根据权利要求1或2所述的斯特林型脉冲管制冷机，其特征在于，
所述斯特林型脉冲管制冷机还具有：配置在所述脉冲管的高温侧的热交换器、及连接在所述热交换器的与所述脉冲管侧相反的一侧的缓冲罐，
所述整流器配置在所述脉冲管的所述热交换器侧。
4.根据权利要求1所述的斯特林型脉冲管制冷机，其特征在于，
所述保持部件将所述多个网格夹持为一体。
5.根据权利要求1或4所述的斯特林型脉冲管制冷机，其特征在于，
所述多个网格在中央具有开口部，
所述保持部件配置在所述开口部。
6.根据权利要求1或2所述的斯特林型脉冲管制冷机，其特征在于，
所述多个网格包括细网格和粗网格，
所述整流器中，在所述细网格的外侧配置所述粗网格。
7.一种整流器，其用于根据权利要求1或2所述的斯特林型脉冲管制冷机。
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