CN104949373B - 斯特林制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种抑制具备蓄冷器的斯特林制冷机的制冷性能下降的技术。斯特林制冷机中，蓄冷器(38)具有低温端及高温端。低温热交换器(39)中形成有与蓄冷器(38)的低温端热接触的多个凸部(39a)。低温热交换器(39)在凸部(39a)之间具备凹部(39b)，通过该凹部(39b)形成工作气体的流通槽。蓄冷器(38)容纳形成为网状的蓄冷材料。

Description

斯特林制冷机

本申请主张基于2014年3月25日申请的日本专利申请第2014-062413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

本发明涉及一种制冷机，尤其涉及一种具备蓄冷器的斯特林制冷机。

背景技术

作为用于产生超低温的超低温制冷机，有多种类型。作为这种超低温制冷机之一，有斯特林制冷机。斯特林制冷机与吉福德麦克马洪(Gifford-McMahon；GM)制冷机等其他超低温制冷机相比，具有易小型化的特征。并且，与GM制冷机相同，斯特林制冷机例如使用氦气等自然介质作为工作气体，因此对环境的影响也较小(参考专利文献1)。

专利文献1：日本特开2007-303721号公报

发明内容

作为本发明的一种实施方式的例示性目的之一，提供一种抑制具备蓄冷器的斯特林制冷机的制冷性能下降的技术。

为了解决上述课题，本发明的一种实施方式的斯特林制冷机具备：蓄冷器，该蓄冷器具有低温端及高温端；及热交换器，形成有与蓄冷器的低温端热接触的多个凸部。热交换器在凸部之间具备凹部，通过该凹部形成工作气体的流通槽。

另外，在方法、装置、系统等之间相互置换以上构成要件的任意组合或本发明的构成要件或表现，也作为本发明的方式而有效。

根据本发明，能够提供一种抑制具备蓄冷器的斯特林制冷机的制冷性能下降的技术。

附图说明

图1是示意地表示本发明的一种实施方式所涉及的斯特林制冷机的图。

图2是示意地表示本发明的一种实施方式所涉及的斯特林制冷机的膨胀器的图。

图3是用于对实施方式所涉及的热交换器进行说明的立体剖视图。

图4是示意地表示实施方式所涉及的热交换器的外观的图。

图5(a)及图5(b)是对实施方式所涉及的低温热交换器和比较例所涉及的低温热交换器进行说明的图。

图6是对具备支承部件时的蓄冷器和低温热交换器进行说明的图。

图中：10-斯特林制冷机，11-压缩机，12-连接管，13-膨胀器，14-压缩机壳体，15-可动部件，16-支承部，20-膨胀器主体，22-置换器，24-第1区段，25-密封部，26-第2区段，28-膨胀空间，29-冷却台，30-弹性部件，32-置换器主体，34-置换器杆，36-气体空间，37-水冷式热交换器，38-蓄冷器，39-低温热交换器，39a-凸部，39b-凹部，40-置换器支承部，41-蓄冷材料支承台，42-支承部件，51-弹性部件安装部。

具体实施方式

斯特林制冷机中有具备蓄冷器的制冷机。蓄冷器容纳由金属网等构成的蓄冷材料，并积蓄由工作气体产生的寒冷。蓄冷器与热交换器相邻设置，但有时在蓄冷器与热交换器之间插入用于设置间隙的支承部件。这是为了使通过热交换器的低温工作气体均匀地冷却蓄冷材料，并且抑制作为蓄冷材料的金属网由于自身重量或所通过的工作气体而挠曲。

然而，如果在蓄冷器与热交换器之间设置间隙，则会增加蓄冷器与冷却对象物之间的热阻，有可能会使制冷机的制冷性能下降。因此，本发明的一种实施方式所涉及的斯特林制冷机具备形成有与蓄冷器的低温端热接触的多个凸部的热交换器。

以下，参考附图对本发明的实施方式进行详细说明。另外，在下面的说明中，对相同要件标注相同符号，并适当省略重复说明。并且，以下叙述的结构为例示，并不用于限定本发明的范围。

图1是示意地表示本发明的一种实施方式所涉及的斯特林制冷机10的图。斯特林制冷机10具备：压缩机11、连接管12及膨胀器13。

压缩机11具备压缩机壳体14。压缩机壳体14是构成为气密地保持高压工作气体的压力容器。工作气体例如为氦气。并且，压缩机11具备容纳于压缩机壳体14的压缩机单元。压缩机单元具备压缩机活塞及压缩机缸，该压缩机活塞及压缩机缸中的一个是构成为在压缩机壳体14中往复移动的可动部件15，另一个为固定在压缩机壳体14的静止部件。压缩机单元具备用于使可动部件15相对于压缩机壳体14沿着可动部件15的中心轴的方向移动的驱动源。压缩机11具备以实现可动部件15的往复移动的方式将可动部件15支承于压缩机壳体14的支承部16。可动部件15以某一振幅及频率相对于压缩机壳体14及静止部件振动。压缩机11内的工作气体的容积也以特定的振幅及频率振动。

在压缩机活塞与压缩机缸之间形成有工作气体室。该工作气体室通过形成于上述静止部件及压缩机壳体14的连通路与连接管12的一端连接。连接管12的另一端连接于膨胀器13的工作气体室。这样，通过连接管12，压缩机11的工作气体室与膨胀器13的工作气体室连接。

如参考图2在下文描述那样，膨胀器13具备：膨胀器主体20、置换器22及置换器支承部40。

图2是示意地表示本发明的一种实施方式所涉及的膨胀器13的图。图2中示出膨胀器13的内部结构的概要。

膨胀器13具备膨胀器主体20及置换器22。膨胀器主体20是构成为气密地保持高压工作气体的压力容器。置换器22是构成为在膨胀器主体20中往复移动的可动部件。并且，膨胀器13具备以实现置换器22的往复移动的方式将置换器22支承于膨胀器主体20的至少一个置换器支承部40。

膨胀器主体20具备第1区段24及第2区段26。第1区段24包括形成于膨胀器主体20与置换器22之间的工作气体的膨胀空间28。在与膨胀空间28相邻的膨胀器主体20的部分设置有用于对对象物进行冷却的冷却台29。第2区段26构成为经由弹性部件30将置换器22支承于膨胀器主体20。

第2区段26在置换器22的往复移动方向(图中以箭头C表示)上与第1区段24相邻。在第2区段26与第1区段24之间设置有密封部25，由此将第2区段26和第1区段24隔开。因此，在第1区段24中的工作气体的压力变动不会传递至第2区段26或者对第2区段26中的工作气体的压力没有太大的影响。另外，第2区段26中封入有与工作气体相同种类的气体，以便成为与从压缩机11送来的工作气体的平均压力相同的压力。

置换器22具备容纳于第1区段24的置换器主体32及置换器杆34。置换器杆34为比置换器主体32更细的轴部。置换器22具有与其往复移动方向平行的中心轴，置换器主体32及置换器杆34以与置换器22的中心轴同轴的方式设置。置换器22具有内部空间，且被与工作气体相同种类的气体充满。

置换器杆34从置换器主体32穿过密封部25向第2区段26延伸。置换器杆34在第2区段26中被膨胀器主体20支承，以实现置换器22的往复移动。上述密封部25例如可以是形成于置换器杆34与膨胀器主体20之间的杆密封件。

第1区段24形成包围置换器主体32的缸部。在该缸部的底面与置换器主体32的端面之间形成有膨胀空间28。膨胀空间28形成于置换器22的往复移动方向上的与置换器主体32和置换器杆34的接合部相反的一侧。在该接合部与密封部25之间形成有与连接管12连接的气体空间36。

在膨胀器主体20的缸部的侧面，以位于置换器主体32的外周部的方式安装有蓄冷器38。更具体而言，蓄冷器38以在置换器主体32的外周部位于以置换器22的长轴为中心轴的圆筒形状区域的方式设置于膨胀器主体20的缸部侧面。蓄冷器38例如具备金属丝网的层叠结构。膨胀空间28与气体空间36之间的工作气体的流通通过蓄冷器38实现。

在蓄冷器38与气体空间36之间设置有水冷式热交换器37。水冷式热交换器37实现用于对从压缩机11供给的工作气体进行冷却并向膨胀器13的外部释放其热量的热交换。并且，在蓄冷器38与冷却台29之间安装有低温热交换器39。实施方式所涉及的斯特林制冷机10中，冷却台29与低温热交换器39形成为一体。为了便于说明，以下内容中区分冷却台29与低温热交换器39来进行说明。另外，低温热交换器39的详细内容将进行后述。

膨胀器13在置换器22的往复移动方向上的多个不同位置将置换器22支承于膨胀器主体20，以实现置换器22的往复移动。为此，膨胀器13具备2个置换器支承部40。这两个置换器支承部40设置于第2区段26。如此，能够抑制置换器22相对于中心轴倾斜。

置换器支承部40具备上述弹性部件30。弹性部件30配设于置换器杆34与膨胀器主体20之间，以便在置换器22从中立位置位移时对置换器22施加弹性复原力。由此，置换器22以由弹性部件30的弹簧常数、工作气体的压力引起的弹簧常数及置换器22的重量确定的固有振动频率进行往复移动。置换器杆34经由弹性部件安装部51固定于弹性部件30。

弹性部件30例如具备至少包含1个板簧的弹簧机构。板簧是还称作弯曲弹簧(flexural spring)的弹簧，沿置换器22的往复移动方向柔软，沿与往复移动方向垂直的方向刚硬。这种板簧例如公开于日本特开2008-215440号公报。通过参考将该文献的全部内容援用于本申请说明书中。因此，通过弹性部件30，允许置换器22沿其中心轴的方向移动，但限制沿与其正交的方向移动。

这样，构成由置换器22及弹性部件30构成的振动系统。该振动系统构成为，使置换器22以和压缩机11的可动部件15的振动相同的频率且与该振动具有相位差的方式振动。置换器22通过由压缩机11的可动部件15的振动而产生的工作气体压力的波动而驱动。通过置换器22及压缩机11的可动部件15的往复移动，在膨胀空间28与压缩机11的工作气体室之间形成逆向斯特林循环。由此，与膨胀空间28相邻的冷却台被冷却，斯特林制冷机10能够冷却对象物。

接着，对实施方式所涉及的低温热交换器39进行更详细的说明。

图3是用于对实施方式所涉及的低温热交换器39进行说明的立体剖视图。实施方式所涉及的膨胀器主体20为圆筒形状。因此，实施方式所涉及的低温热交换器39为圆环形状。图3是以与置换器22的长轴平行的面及垂直的面剖切蓄冷器38与低温热交换器39的一部分时的立体剖视图。图3中，以符号28a表示膨胀空间28的内表面。

从压缩机11流过连接管12及气体空间36的气体被蓄冷器38的蓄冷材料冷却的同时到达低温热交换器39。低温热交换器39形成有与蓄冷器38热接触的多个凸部39a。并且，在低温热交换器39的相邻的凸部39a之间具备多个凹部39b，该凹部39b形成工作气体的流通槽。

由于低温热交换器39为圆环形状，因此凸部39a也呈环状。其结果，凹部39b也呈环状。在此，实施方式所涉及的低温热交换器39在与环状凹部39b垂直的方向即圆环的矢径上也具有多个凹部39b。由此，通过蓄冷器38而到达低温热交换器39的工作气体到达由凹部39b形成的流通槽。在流通槽中流动的工作气体通过沿着低温热交换器39的矢径方向放射状扩展的凹部39b而到达膨胀空间28。因此，可以说形成于低温热交换器39的凸部39a的形状是被多个槽分割的环形形状。

膨胀空间28的工作气体随着置换器22的往复移动而膨胀，从而产生寒冷。变冷的工作气体经由低温热交换器39的凹部39b到达蓄冷器38，冷却蓄冷材料的同时返回到气体空间36。由此，蓄冷器38中低温热交换器39侧的端部的温度变得低于气体空间36侧的端部，成为低温端。因此，蓄冷器38的气体空间36侧的端部成为高温端。

如图3所示，低温热交换器39的凸部39a与蓄冷器38的低温端热接触，并且还作为物理性地按压蓄冷器38的蓄冷材料的按压部件发挥作用。如上所述，蓄冷器38的蓄冷材料为用金属线编织的网状结构，因此有时因工作气体流的压力或温度变化以从高温端朝向低温端膨胀的方式弯曲。低温热交换器39的凸部39a还能够抑制这种蓄冷材料的变形。由此，抑制蓄冷器38的蓄冷材料产生偏移，能够相对于置换器22的轴向均匀地填充蓄冷材料。其结果，还能够提高蓄冷器38的效率。

图4是示意地表示实施方式所涉及的低温热交换器39的外观的图，是表示从蓄冷器38侧观察低温热交换器39时的图。凸部39a以与膨胀器主体20的外周部同心圆状配置成环状，在凸部39a之间也具备有凹部39b。并且，凹部39b还沿低温热交换器39的矢径方向设置成放射状，形成向膨胀空间28导通工作气体的流通槽。如此，工作气体能够在低温热交换器39的整个区域中流通，因此能够提高工作气体与低温热交换器39之间的热交换效率。并且，凹部39b所形成的流通槽均匀地形成于低温热交换器39中，因此工作气体不会偏移而与整个低温热交换器39均匀地接触。由此，通过低温热交换器39的工作气体均匀地过渡到蓄冷器38的低温端，能够使蓄冷器38的低温端的温度分布均匀。

如图5(a)及图5(b)是对本实施方式所涉及的低温热交换器39和比较例所涉及的低温热交换器39进行说明的图。更具体而言，图5(a)是将图2中的包括蓄冷器38与低温热交换器39的区域放大的图。图5(b)是将比较例所涉及的包括蓄冷器38与低温热交换器39且与图5(a)所示的区域相对应的区域放大的图。

如图5(b)所示，比较例所涉及的低温热交换器39并不像实施方式所涉及的低温热交换器39那样具有凸部39a及凹部39b。因此，在比较例所涉及的低温热交换器39中，为了确保出入蓄冷器38的工作气体的流路，在低温热交换器39与蓄冷器38之间插入有蓄冷材料支承台41。如图5(b)所示，蓄冷材料支承台41支承蓄冷器38的蓄冷材料，并且在蓄冷器38与低温热交换器39之间形成有供工作气体扩散的间隙(空间)。由此，比较例所涉及的低温热交换器39中，工作气体与低温热交换器39均匀地接触，从而提高热交换效率。

然而，比较例所涉及的低温热交换器39与实施方式所涉及的低温热交换器39相比，至蓄冷器38的低温端的距离较长。因此，比较例所涉及的低温热交换器39与实施方式所涉及的低温热交换器39相比，蓄冷器38与冷却对象物之间的热阻增大。这会导致热交换效率的下降。

实施方式所涉及的低温热交换器39中，低温热交换器39本身具备工作气体流路，并且同时具有支承蓄冷器38的蓄冷材料的功能。因此，冷却对象物与蓄冷器38之间的距离较近，与比较例所涉及的低温热交换器39相比，能够降低蓄冷器38与冷却对象物之间的热阻，从而提高制冷性能。并且，实施方式所涉及的低温热交换器39中不存在像比较例所涉及的低温热交换器39那样的间隙，因此死体积更小，这也有助于制冷能力的提高。

以上，对低温热交换器39与蓄冷器38的低温端直接接触的情况进行了说明，但是在低温热交换器39与蓄冷器38之间还可以具备支承蓄冷材料的支承部件。图6是对具备支承部件42时的蓄冷器38与低温热交换器39进行说明的图。

如图6所示，支承部件42插入于蓄冷器38与低温热交换器39之间。支承部件42与低温热交换器39的凸部39a接触，并将凸部39a的按压力均匀地分配给位于蓄冷器38的低温端的蓄冷材料。由此，能够更加有效地抑制蓄冷器38的蓄冷材料发生偏移。

在此，为了缩短低温热交换器39与蓄冷器38之间的距离，支承部件42优选使用较薄的部件。并且，为了抑制压力损失，优选工作气体的流路阻力也较小。为此，支承部件42例如能够使用目径为1～2mm左右(#16)的金属网眼。

如上所述，根据本发明的斯特林制冷机10，能够提供一种抑制具备蓄冷器的斯特林制冷机10的制冷性能下降的技术。尤其，由于使用作为低温热交换器39的一部分的凸部39a来按压蓄冷器38的蓄冷材料，因此低温热交换器39与蓄冷器38之间的距离缩短，能够减小热阻。由此，能够抑制斯特林制冷机10的制冷性能下降。并且，还能够防止蓄冷器38的蓄冷材料的挠曲。

以上，根据实施例对本发明进行了说明。但本发明并不限定于上述实施方式，本领域技术人员应可理解能够进行各种设计变更，并能够实施各种变形例，并且这些变形例也属于本发明的范围内。

上述说明中，作为斯特林制冷机10，以蓄冷器38配置于以置换器22的长轴作为中心轴的圆筒形状的区域的环型斯特林制冷机为例进行了说明。然而，本发明还能够适用于不具有置换器22的脉冲型斯特林制冷机。

如上所述，环型斯特林制冷机10的蓄冷器38为壁较厚的筒状形状，与长轴垂直的方向的剖面呈圆环状形状。与此相反，脉冲型斯特林制冷机的蓄冷器为圆柱形状，与长轴垂直的方向的剖面呈圆形，这一方面与环型斯特林制冷机10的蓄冷器38不同。其他方面，环型斯特林制冷机10的蓄冷器38与脉冲型斯特林制冷机的蓄冷器相同。

因此，将本发明适用于脉冲型斯特林制冷机时，低温热交换器呈圆形形状。该低温热交换器中，在与蓄冷器的低温端热接触的一侧面上形成有多个凸部，在相邻的凸部之间具备形成工作气体的流通槽的凹部，由此能够将本发明适用于脉冲型斯特林制冷机。其结果，在脉冲型斯特林制冷机的情况下，形成于低温热交换器的凸部也呈环状。

上述说明中，对制冷机为斯特林制冷机的情况进行了说明，但本发明还能够适用于GM制冷机或苏尔威制冷机。

上述说明中，主要对与蓄冷器38的低温端热接触的低温热交换器39进行了说明，但本发明还能够适用于具备与蓄冷器38的高温端热接触的高温热交换器的制冷机的高温热交换器。

Claims (3)

1.一种斯特林制冷机，其特征在于，具备：

蓄冷器，具有低温端及高温端；及

热交换器，形成有与所述蓄冷器的低温端热接触的多个环状凸部且所述多个环状凸部形成为同心圆状，

所述热交换器在所述多个环状凸部之间具备形成为同心圆状的环状凹部，通过该环状凹部形成工作气体的流通槽。

2.根据权利要求1所述的斯特林制冷机，其特征在于，

所述蓄冷器容纳形成为网状的蓄冷材料，

所述斯特林制冷机还具备支承部件，该支承部件在所述蓄冷器与所述热交换器之间支承所述蓄冷材料，

形成于所述热交换器的凸部与所述支承部件接触。

3.根据权利要求1或2所述的斯特林制冷机，其特征在于，

所述热交换器还具备沿圆环的矢径延伸的多个凹部，

所述环状凸部形成为被多个槽分割的环形形状。