CN104344593B - 制冷机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够提高脉冲管制冷机的制冷能力的技术。脉冲管制冷机(100)具备被氦气充满的脉冲管(140)。脉冲管(140)的高温端(145a)经由惯性管(192)与缓冲罐(190)连接，低温端(145b)与压力变化产生部连接。压力变化产生部使在脉冲管(140)的低温端(145b)的氦气压力周期性变化。在脉冲管(140)的高温端(145a)、低温端(145b)分别设有高温侧整流器(149a)、低温侧整流器(149b)。高温侧整流器(149a)阻碍氦气流动的程度大于低温侧整流器(149b)阻碍氦气流动的程度。

Description

制冷机
本申请主张基于2013年8月1日申请的日本专利申请第2013-160171号的优先权。该日本申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。
技术领域
本发明涉及一种具备脉冲管的制冷机。
背景技术
以往，对需要超低温环境的装置进行冷却时，使用脉冲管制冷机。
脉冲管制冷机中，通过反复进行使被压缩机压缩的工作气体(例如氦气)流入回热器以及脉冲管的动作，和使工作气体从脉冲管以及回热器排出而回收至压缩机的动作，从而冷却回热器和脉冲管的低温端。
脉冲管制冷机的回热器由内部具有蓄冷材料的筒状部件(缸体)构成。脉冲管由中空的筒状部件(缸体)构成。两个缸体的低温端由连通路连通，在该位置设置有与被冷却体连接的冷却台。
专利文献1中公开有在脉冲管的低温端侧配置有整流器的脉冲管制冷机。
专利文献1：日本特开2005-127633号公报
目前，在很多脉冲管制冷机中，在脉冲管高温端上连接有相位调整用惯性(Inertance)管。脉冲管制冷机的动作周期包括常温程度的工作气体从惯性管流入脉冲管的阶段，但若这样流入的工作气体到达低温侧的深处就会产生热损失会导致制冷能力下降。
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能够提高脉冲管制冷机的制冷能力的技术。
本发明的一种实施方式涉及一种制冷机。该制冷机为具备被工作气体充满的脉冲管的制冷机。脉冲管的一端经由惯性管与缓冲罐连接，另一端与压力变化产生部连接。压力变化产生部使在脉冲管另一端的工作气体压力周期性变化。在脉冲管的一端、另一端分别设有第一整流器、第二整流器。第一整流器阻碍工作气体流动的程度大于第二整流器阻碍工作气体流动的程度。
另外，将上述构成要件的任意组合或本发明的构成要件以及表现在装置、方法、系统等之间相互置换，均作为本发明的方式而有效。根据本发明，能够提高脉冲管制冷机的制冷能力。
附图说明
图1是表示实施方式所涉及的脉冲管制冷机的结构的示意图。
图2是高温侧整流器的概要结构图。
图3是针对不具有整流器的脉冲管通过计算得到的等效PV图。
图4是表示整流器的流路阻力比与脉冲管制冷机的制冷能力的关系的图表。
图中：100-脉冲管制冷机，110-压缩机，120-回热器，130-后冷却器，140-脉冲管，149a-高温侧整流器，149b-低温侧整流器，180-冷却台，190-缓冲罐，192-惯性管。
具体实施方式
以下，对各附图中示出的相同或等同的构成要件、部件标注相同的符号，适当地省略重复说明。另外，为了方便理解，将各附图中的部件尺寸适当地放大、缩小显示。另外，在各附图中省略表示了在说明实施方式方面不重要的部件的一部分。
图1是表示实施方式所涉及的脉冲管制冷机100的结构的示意图。脉冲管制冷机100为直线型，且具备压缩机110、后冷却器130、蓄冷管或回热器(regenerator)120、脉冲管140、冷却台180及缓冲罐190。回热器120具有高温端125a和低温端125b，脉冲管140具有高温端145a和低温端145b。
脉冲管制冷机100的工作气为氦气。在压缩机110中产生的氦气的压力振动经由后冷却器130及回热器120向脉冲管140传递。脉冲管制冷机100工作时，配管116、回热器120、脉冲管140、惯性管192及缓冲罐190分别被氦气充满。
压缩机110包括第一缸体112a、第二缸体112b、在第一缸体112a内移动的第一活塞114a及在第二缸体112b内移动的第二活塞114b。第一活塞114a和第二活塞114b相互对向配置。随着各活塞114a、114b的动作,在连接第一缸体112a与第二缸体112b的配管116内的氦气中会产生压力波。配管116经由后冷却器130与回热器120的高温端125a连接。
两个活塞114a、114b针对配管116对称地往复驱动，从而在配管116产生压力波。更具体而言，若两个活塞114a、114b相互靠近则配管116内的压力升高，氦气从配管116向回热器120送出。若两个活塞114a、114b相互远离则配管116内的压力降低，氦气从回热器120向配管116引入。
压缩机110的运转频率，即两个活塞114a、114b对称往复运动的频率为30Hz以上，例如为50Hz左右。如同压缩机110基本不使用阀(无阀)而产生压力振动的情况下，由于不需要考虑阀的响应速度，因而能够相对提高运转频率。相反，如同GM型压缩机根据阀的开闭(有阀)产生压力振动的情况下，需要相对降低运转频率，例如几Hz以下。
后冷却器130对从配管116送向回热器120的高温端125a的氦气进行预冷。后冷却器130作为在通过后冷却器130的氦气与制冷剂(未图示)之间实现热交换的热交换器发挥作用。
回热器120由中空状缸体121构成，其内部填充有蓄冷材料122。
脉冲管140包括中空状的缸体141、设置于缸体141的高温端145a侧的高温侧整流器149a、及设置于缸体141的低温端145b侧的低温侧整流器149b。氦气从惯性管192流入脉冲管140时，高温侧整流器149a使氦气的速度的空间分布平均化。氦气从热交换器182流入脉冲管140时，低温侧整流器149b使氦气的速度的空间分布平均化。以下，将这种速度分布的平均化称作为整流。通过在脉冲管140的各端部进行整流，能够使后述气体活塞稳定，并能够提高脉冲管制冷机100的制冷性能。
图2是高温侧整流器149a的概要结构图。高温侧整流器149a具有将具有规定的网眼或网目的金属丝网160层叠M片(M为自然数)而成的层叠结构。因此，构成高温侧整流器149a的金属丝网具有大致相同的网眼。M片金属丝网160也可以通过例如扩散接合处理相互结合。
“网眼”是指金属丝网相邻的金属丝部分彼此之间的距离(间隙长度)。
“网目”是指在1英寸(25.4mm)之间存在的目数。
“扩散接合处理”是通过加热在各金属丝网之间的界面产生原子相互扩散，由此进行界面接合的方法的总称。通常，扩散接合处理在800℃～1080℃的范围(例如1000℃)进行。
低温侧整流器149b具有将与构成高温侧整流器149a的金属丝网160相同的金属丝网层叠N片(N为小于M的自然数)而成的层叠结构。由于N＜M，因此高温侧整流器149a阻碍氦气流动的程度(以下称为流路阻力)大于低温侧整流器149b的流路阻力。
回到图1，回热器120的低温端125b经由热交换器182与脉冲管140的低温端145b连接。热交换器182与冷却台180热连接。热交换器182构成为使在回热器120的低温端125b与脉冲管140的低温端145b之间来往的低温氦气和冷却台180之间实现热交换。冷却台180热连接有未图示的冷却对象物。脉冲管制冷机100工作时，冷却对象物的热量经由冷却台180及热交换器182移动至氦气，从而冷却冷却对象物。
缓冲罐190经由惯性管192与脉冲管140的高温端145a连接。
对如上结构的脉冲管制冷机100的动作进行说明。
通过两个活塞114a、114b的相互靠近，高压氦气从压缩机110供给至后冷却器130并被预冷。被预冷的高压氦气供给至回热器120。流入到回热器120内的氦气通过蓄冷材料122被冷却而降低温度的同时，从回热器120的低温端125b流出并通过热交换器182。通过热交换器182的氦气通过设置于脉冲管140的低温端145b的低温侧整流器149b而被整流，从而流入脉冲管140的内部。
此时，在脉冲管140的内部预先存在的低压氦气被流入的高压氦气压缩。由此，脉冲管140内的氦气压力变得高于缓冲罐190内的压力，部分氦气通过惯性管192流入缓冲罐190。
接着，若两个活塞114a、114b远离，则脉冲管140内的氦气从脉冲管140的低温端145b通过热交换器182流入回热器120的低温端125b。并且氦气冷却蓄冷材料122的同时通过回热器120内，从回热器120的高温端125a通过后冷却器130回收至压缩机110。
其中，脉冲管140经由惯性管192与缓冲罐190连接。因此，氦气从缓冲罐190经由惯性管192供给至脉冲管140的高温端145a，这样所供给的氦气通过高温侧整流器149a而被整流。
由于惯性管192和缓冲罐190的作用，氦气的压力变化的相位与氦气的体积变化的相位具有大致恒定的相位差。根据该相位差，在脉冲管140的低温端145b产生因氦气膨胀而引起的冷却作用。脉冲管制冷机100通过反复进行上述动作能够冷却连接在冷却台180的被冷却对象。
另外，在保持某一压力的同时，在脉冲管140内上下周期性移动的氦气的动作通常被称作“气体活塞”。
图3是针对不具有整流器的脉冲管通过计算得到的等效PV图。脉冲管的高温端附近的位移62大于低温端附近的位移64。因此，即使在高温端设置与在低温端充分发挥整流作用的整流器相同的整流器，在高温端也可能会产生无法起到所要求的整流作用的情况。
与此相对，在本实施方式所涉及的脉冲管制冷机100中，由于高温侧整流器149a的流路阻力大于低温侧整流器149b的流路阻力，因此高温端145a与低温端145b均能够得到充分的整流作用。特别是通过增加高温侧整流器149a的流路阻力，在脉冲管制冷机100工作时能够抑制相对高温的(～300K)氦气向低温端145b侧移动。其结果，可以抑制热损失从而提高脉冲管制冷机100的制冷性能。
而且，若过度增加整流器的流路阻力，则整流器中的损失会对脉冲管140的冷却作用产生恶劣影响。因此，通过在所要求的整流作用较低的低温端145b设置流路阻力较小的低温侧整流器149b，在所要求的整流作用较高的高温端145a设置流路阻力较大的高温侧整流器149a，能够实现脉冲管140的冷却作用的最大化。
而且，在本实施方式所涉及的脉冲管制冷机100中，压缩机110的运转频率为30Hz以上。通常运转频率越大，氦气从惯性管192流入脉冲管140时的流速就会越大，因此，运转频率越大，通过增加高温侧整流器149a的流路阻力而减少热损失的本实施方式的作用效果就越有效。
图4是表示整流器的流路阻力比与脉冲管制冷机100的制冷能力的关系的图表。图4的图表的数据基于本发明者进行的实验结果。图表的横轴为M/N，即，高温侧整流器149a的金属丝网的片数除以低温侧整流器149b的金属丝网的片数的值。这个值与高温侧整流器149a的流路阻力和低温侧整流器149b的流路阻力比的值对应。金属丝网的网目为#250。纵轴表示将M/N＝2时且77K温度下的脉冲管制冷机100的制冷能力设为1时的各M/N中77K温度下的脉冲管制冷机100的制冷能力。
从图4的图表中明确可知，制冷能力在M/N＝6附近最大。尤其，M/N在4至8的范围内，制冷能力显著提高。以#300的网目进行的试验中也表现出同样的结果。
以上，对实施方式所涉及的脉冲管制冷机100进行了说明。该实施方式是例示，其各构成要件的组合可以存在各种变形例，而且这种变形例也在本发明的范围内，这对本领域技术人员来说是可以理解的。
在实施方式中，对高温侧整流器149a与低温侧整流器149b由具有大致相同网眼的金属丝网构成的情况进行了说明，但不限于此。例如，也可以使构成高温侧整流器的金属丝网的网目大于构成低温侧整流器的金属丝网的网目。根据本发明者进行的试验，层叠片数相同的情况下，当网目号码的比率(高温侧整流器的网目号码/低温侧整流器的网目号码)在5至12的范围时，制冷能力提高。
另外，例如也可以不用金属丝网而由多孔体构成整流器。

Claims (3)

1.一种制冷机，其具备被工作气体充满的脉冲管，所述制冷机的特征在于，
所述脉冲管的一端经由惯性管与缓冲罐连接，另一端与压力变化产生部连接，
所述压力变化产生部使在所述脉冲管的另一端的工作气体的压力周期性变化，
在所述脉冲管的一端、另一端分别设有第一整流器、第二整流器，
所述第一整流器阻碍工作气体流动的程度大于所述第二整流器阻碍工作气体流动的程度，
所述第一整流器阻碍工作气体流动的程度除以所述第二整流器阻碍工作气体流动的程度的值在4至8的范围。
2.根据权利要求1所述的制冷机，其特征在于，
在所述脉冲管的另一端的工作气体的压力变化频率为30Hz以上。
3.根据权利要求1或2所述的制冷机，其特征在于，
当N为自然数，M为大于N的自然数时，所述第二整流器具有将具有大致相同网眼的金属丝网层叠N片的层叠结构，所述第一整流器具有将具有与所述金属丝网的网眼大致相同的网眼的金属丝网层叠M片的层叠结构。
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