CN105402922B - 斯特林型脉冲管制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种提高斯特林型脉冲管制冷机的制冷能力的技术。配置于真空环境中的斯特林型脉冲管制冷机(100)中，冷头(306)对冷却对象进行冷却。蓄冷管(304)具备高温端和低温端，且低温端与冷头连接。脉冲管(310)具备高温端和低温端，且低温端与蓄冷管的低温端连接。凸缘(320)支承蓄冷管的高温端和脉冲管的高温端。蓄冷管和脉冲管并排延伸在凸缘与冷头之间。蓄冷管在低温端侧具备用于容纳蓄冷材料的蓄冷材料容纳区域(304a)，且在高温端侧具备狭窄区域(304b)。狭窄区域的截面积为蓄冷材料容纳区域的截面积的10％以下。

Description

斯特林型脉冲管制冷机

本申请主张基于2014年9月10日申请的日本专利申请第2014-184399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

本发明涉及一种脉冲管制冷机，尤其涉及一种斯特林型脉冲管制冷机。

背景技术

超低温制冷机用于超导磁铁或检测器等的冷却、低温泵等中。该超低温制冷机中，作为工作气体通常使用氦气。超低温制冷机存在几种，其中，脉冲管制冷机由于在使工作气体膨胀的膨胀器中不具有可动组件，因此振动低且可靠性高，因此备受期待。并且，斯特林型脉冲管制冷机为以可逆过程为基础的冷却循环，因此能够期待高效率化。这种制冷机例如公开于专利文献1。

专利文献1：日本特开2004-333054号公报

发明内容

本发明的一种实施方式的例示性目的之一在于，提供一种提高斯特林型脉冲管制冷机的制冷能力的技术。

为了解决上述课题，本发明的一种实施方式为配置于真空环境中的斯特林型脉冲管制冷机。该斯特林型脉冲管制冷机具备：冷头，对冷却对象进行冷却；蓄冷管，具有高温端和低温端，且低温端与冷头连接；脉冲管，具有高温端和低温端，且低温端与蓄冷管的低温端连接；及凸缘，支承蓄冷管的高温端和脉冲管的高温端。蓄冷管和脉冲管并排延伸在凸缘与冷头之间，蓄冷管在低温端侧具备用于容纳蓄冷材料的蓄冷材料容纳区域，且在高温端侧具备狭窄区域。狭窄区域的截面积为蓄冷材料容纳区域的截面积的10％以下。

另外，在方法、装置、系统等之间相互置换上述构成要件的任意组合或本发明的构成要件或表现形式的，作为本发明的实施方式同样有效。

根据本发明，能够提高斯特林型脉冲管制冷机的制冷能力。

附图说明

图1为示意性地表示本发明的实施方式所涉及的斯特林型脉冲管制冷机的整体结构的概要的图。

图2为示意性地表示本发明的实施方式所涉及的后冷却器及蓄冷管的连接关系的图。

图3为以表格形式表示通过改变狭窄区域的截面积与蓄冷材料容纳区域的截面积之比来查看77K下的斯特林型脉冲管制冷机的制冷能力的实验结果的图。

图中：100-斯特林型脉冲管制冷机，200-压缩机，202a-第1活塞，202b-第2活塞，204-缸体，206a-第1柔性轴承，206b-第2柔性轴承，300-膨胀器，302-后冷却器，304-蓄冷管，304a-蓄冷材料容纳区域，304b-狭窄区域，306-冷头，308-整流器，310-脉冲管，312-高温换热器，314-惯性管，316-缓冲罐，318-U字管，320-凸缘，322a-第1锥部，322b-第2锥部，400-通道，500-真空容器。

具体实施方式

以下，参考附图，对本发明的实施方式进行详细说明。另外，在说明中对相同的要件标注相同的符号，并适当省略重复说明。并且，以下所述的结构为示例，不对本发明的范围做任何限定。

图1为示意性地表示本发明的实施方式所涉及的斯特林型脉冲管制冷机100的整体结构的概要的图。斯特林型脉冲管制冷机100具备：压缩机200、膨胀器300、连接压缩机200和膨胀器300的通道400。并且，膨胀器300的一部分容纳于真空容器500中，置于真空环境中。

压缩机200经由通道400回收从膨胀器300返回的工作气体。压缩机200将所回收的工作气体压缩之后，经由通道400将高压工作气体供给至膨胀器300。压缩机200反复进行工作气体的回收与供给，使工作气体产生正弦波状的压力振动。压缩机200的运转频率(即，斯特林型脉冲管制冷机100的制冷循环的频率)可以设为30Hz以上，也可以设为例如与工频电源相等的50Hz至60Hz左右。并且，可以将工作气体的压力振幅的上限值设为3MPa左右，将下限值设为1MPa左右。压缩机200被马达(未图示)所产生的焦耳热等加热，因此利用未图示的水冷式的冷却机构进行冷却。

在图1所示的例子中，压缩机200为双缸对置型的压力振动产生机构，且具备第1活塞202a和第2活塞202b。第1活塞202a和第2活塞202b均容纳于缸体204中。缸体204还容纳有第1柔性轴承206a及第2柔性轴承206b。

第1柔性轴承206a与第1活塞202a连接，并且将第1活塞202a支承为自如地往复移动。同样，第2柔性轴承206b与第2活塞202b连接，并且将第2活塞202b支承为自如地往复移动。

这些柔性轴承具有在所连接的活塞的轴向上柔软，而在径向上坚固的性质。因此，能够抑制第1活塞202a及第2活塞202b在缸体204内沿轴向往复移动时与缸体204的内壁接触。另外，压缩机200构成为除了成为工作气体的出入口的通道400之外处于密闭状态。

膨胀器300包括后冷却器302、蓄冷管304、冷头306、整流器308、U字管318、脉冲管310、高温换热器312、惯性管(Inertance-tube)314及缓冲罐316。

后冷却器302的一端与通道400的端部连接。后冷却器302例如可以是水冷式的换热器。后冷却器302作为用于冷却从压缩机200供给的工作气体并将其热量向膨胀器300的外部释放的换热器发挥功能。后冷却器302的另一端连接于蓄冷管304的高温端。

蓄冷管304具有高温端和低温端。蓄冷管304具有筒状的外周面。蓄冷管304的内部被分为低温侧的蓄冷材料容纳区域304a和高温侧的狭窄区域304b。蓄冷材料容纳区域304a中容纳有将多种不锈钢筛网层叠而成的蓄冷材料(未图示)，且发挥蓄冷器的功能。蓄冷材料冷却从压缩机200供给的工作气体。蓄冷材料还积蓄从脉冲管310返回的工作气体的寒冷。在高温侧的狭窄区域304b未容纳有蓄冷材料。蓄冷管304的低温端与冷头306连接。

冷头306可以由导热性较好的例如铜等材料构成，且具有成为工作气体的流路的气体流路。在脉冲管310成为低温的工作气体通过气体流路时，冷头306被工作气体冷却。另外，在冷头306配置有与冷却对象物热连接的冷却台(未图示)，而对冷却对象进行冷却。虽未限定，但在斯特林型脉冲管制冷机100运转时，冷头306大致成为77K的温度。

整流器308设置在冷头306的内部且与蓄冷管304的低温端连接。整流器308通过将多个筛网重叠成多层而构成。整流器308也被称为过滤器(strainer)，用于降低从脉冲管310流出而流入到冷头306的工作气体的涡流和旋流、流速分布的紊乱等。由此，流入到冷头306的工作气体的流动变得均匀，能够提高冷头306的冷却效率。

U字管318为连接冷头306和脉冲管310的U字形状的管。工作气体经由U字管318在蓄冷管304与脉冲管310之间流通。

脉冲管310经由U字管318与蓄冷管304连接以使工作气体经由U字管318能够在脉冲管310和蓄冷管304之间流通。与蓄冷管304相同，脉冲管310也具有筒状的外周面，且具备低温端和高温端。图1所示的例子是，脉冲管310在蓄冷管304的外部与蓄冷管304并排而设的所谓的回流式斯特林型脉冲管制冷机。

为了抑制来自斯特林型脉冲管制冷机100的外部的辐射热的侵入或由工作气体的对流引起的热的侵入，从蓄冷管304到脉冲管310的区间被真空容器500真空绝热。凸缘320支承蓄冷管304的高温端和脉冲管310的高温端，将冷管304及脉冲管310配置于真空容器500内的真空环境中。图1所示的例子为回流式斯特林型脉冲管制冷机，因此蓄冷管304和脉冲管310并排延伸在凸缘320与冷头306之间。

高温换热器312连接于脉冲管310的高温端。虽未图示，但与压缩机200及后冷却器302相同，高温换热器312也利用一定温度的冷却水来冷却工作气体。作为一例，高温换热器312在斯特林型脉冲管制冷机100运转时大致成为300K左右的温度。

惯性管314连接脉冲管310的高温端和缓冲罐316。惯性管314为细长的管，并作为实施方式所涉及的斯特林型脉冲管制冷机100的相位调整机构而发挥功能。

缓冲罐316为用于积蓄工作气体的容器。缓冲罐316积蓄可吸收经由惯性管314流入及流出的工作气体的压力振动程度的工作气体。

积蓄在缓冲罐316的工作气体的压力保持在斯特林型脉冲管制冷机100的平均压力左右。其中，所谓“斯特林型脉冲管制冷机100的平均压力”是指，压缩机200所产生的工作气体的压力振动的平均值，例如可以设为2MPa左右。

上述结构的斯特林型脉冲管制冷机100产生寒冷的工作原理如下。即，压缩机200向从蓄冷管304至惯性管314为止的内部空间供给伴有正弦波状的压力振动的工作气体。从压缩机200供给的工作气体被后冷却器302冷却之后，被蓄冷管304内的蓄冷材料进一步冷却。经由脉冲管310到达惯性管314的工作气体在流经惯性管314和缓冲罐316时，在压力变化与流量变化之间产生相位差。

因此，在脉冲管310的内部，工作气体的压力与流量之间也产生相位差。其结果，工作气体在脉冲管310的内部膨胀。该工作气体的膨胀成为脉冲管310的低温端中的PV做功，在低温端产生寒冷。被冷却的工作气体被整流器308整流之后通过冷头306，并对冷头306进行冷却。工作气体通过冷头306之后，冷却蓄冷管304内的蓄冷材料并返回到压缩机200。

通过反复进行以上动作，实施方式所涉及的斯特林型脉冲管制冷机100能够产生大致77K的寒冷。

接着，对设置于蓄冷管304的高温侧的狭窄区域304b进行说明。

如上所述，蓄冷管304与脉冲管310并排配置。在此，假设在蓄冷管304的整个内部区域填充有蓄冷材料，则蓄冷管304内部的流路阻力会变大，有可能产生压力损失。因此，通常在蓄冷管304内，蓄冷材料容纳于低温端侧的蓄冷材料容纳区域304a，而高温端侧的狭窄区域304b则成为仅供工作气体流通的空间，并且作为所谓的调整蓄冷管304与脉冲管310的长度的连接器发挥功能。由于狭窄区域304b为仅供工作气体流通的空间，因此成为死容积。另外，狭窄区域304b例如由铝形成，还可以作为支承容纳于蓄冷材料容纳区域304a的蓄冷材料的支承部件发挥功能。

图2为示意性地表示本发明的实施方式所涉及的后冷却器302及蓄冷管304的连接关系的图，且为放大表示狭窄区域304b的图。如图2所示，在狭窄区域304b的蓄冷材料容纳区域304a侧的出口设有越往蓄冷材料容纳区域304a截面积越变大的第1锥部322a。同样，在狭窄区域304b的后冷却器302侧的出口设有越往后冷却器302截面积越变大的第2锥部322b。

狭窄区域304b容纳于真空容器500内，置于真空环境中。由于狭窄区域304b被真空绝热，因此本申请的发明人发现，在狭窄区域304b中工作气体通过压缩机200的作用而被绝热压缩，导致工作气体的温度上升。工作气体的温度上升会导致蓄冷材料的温度上升，甚至会成为斯特林型脉冲管制冷机100的制冷性能下降的一个原因。根据以上内容，若从抑制由工作气体的绝热压缩引起的发热的观点及减少斯特林型脉冲管制冷机100的死容积的观点来看，狭窄区域304b中的工作气体流通区域的体积越小越好。

另一方面，如上所述，实施方式所涉及的斯特林型脉冲管制冷机100的制冷循环的频率为30Hz以上。与例如吉福德-麦克马洪(Gifford-McMahon；GM)式制冷机的制冷循环的频率相比，这是较高的频率。因此，若为了减少工作气体流通区域的体积而缩小蓄冷管304的高温端侧的流路，则流路阻力会变大。这样会使斯特林型脉冲管制冷机100的压力损失的影响变大，因此不优选缩小蓄冷管304的高温端侧的流路。

本申请的发明人发现，蓄冷管304的高温侧的区域(即狭窄区域304b)的体积与由绝热压缩引起的发热及死容积的抑制、压力损失的抑制之间存在此消彼长的关系。因此，本申请的发明人进行了改变蓄冷管304内的狭窄区域304b的流路直径，并查看77K下的斯特林型脉冲管制冷机100的制冷能力的实验。

图3为以表格形式表示改变狭窄区域304b的截面积与蓄冷材料容纳区域304a的截面积之比并查看77K下的斯特林型脉冲管制冷机100的制冷能力的实验结果的图。本申请的发明人通过实验发现，狭窄区域304b的截面积与蓄冷材料容纳区域304a的截面积之比为4％时，斯特林型脉冲管制冷机100的制冷能力最大。并且还发现，只要狭窄区域304b的截面积为蓄冷材料容纳区域304a的截面积的3％以上且7％以下，就处于能够抑制由工作气体的绝热压缩引起的发热，且能够抑制由压力损失引起的制冷性能的下降的范围内。

并且，本申请的发明人观察到，狭窄区域304b的截面积只要在蓄冷材料容纳区域304a的截面积的10％以下，则对抑制由工作气体的绝热压缩引起的发热且抑制由压力损失引起的制冷性能的下降具有一定效果。

如以上说明，通过调整位于蓄冷管304的高温端侧的狭窄区域304b的截面积，能够提高斯特林型脉冲管制冷机100的制冷能力。

如上所述，在狭窄区域304b的两端分别设有第1锥部322a及第2锥部322b。由此，能够降低流入到狭窄区域304b的工作气体的流路阻力。并且，在狭窄区域304b的体积相同的情况下，若对狭窄区域304b由一条流路构成的情况和由多个细的流路构成的情况进行比较，则前者的流路阻力比后者的流路阻力小。因此，狭窄区域304b优选为一条直线上的贯穿通道。

以上，根据实施例对本发明进行了说明。本发明并不限定于上述实施方式，可进行各种设计变更且具有各种变形例，并且这种变形例也属于本发明的范围，这被本领域人员所认可。

上述说明中，作为斯特林型脉冲管制冷机100以蓄冷管304与脉冲管310并排连接的回流式斯特林型脉冲管制冷机为例进行了说明。然而，斯特林型脉冲管制冷机100并不限于直线型。例如，也可以是在蓄冷管304中内置有脉冲管310的所谓同轴回流式斯特林型脉冲管制冷机。此时，只要在蓄冷管304的高温端侧设置流路直径变窄的狭窄区域304b即可。

Claims (4)

1.一种斯特林型脉冲管制冷机，其配置于真空环境中，该斯特林脉冲管制冷机的特征在于，具备：

冷头，对冷却对象进行冷却；

蓄冷管，具备高温端和低温端，且所述低温端与所述冷头连接；

脉冲管，具备高温端和低温端，且所述低温端与所述蓄冷管的低温端连接；及

凸缘，支承所述蓄冷管的高温端和所述脉冲管的高温端，

所述蓄冷管和所述脉冲管并排延伸在所述凸缘与所述冷头之间，

所述斯特林型脉冲管制冷机还具备：

换热器，与所述脉冲管的高温端连接，

冷却部，与所述换热器并排配置且与所述蓄冷管的高温端连接，所述冷却部冷却所述斯特林型脉冲管制冷机的工作气体，

所述蓄冷管在低温端侧具备用于容纳蓄冷材料的蓄冷材料容纳区域，且在高温端侧具备调整所述蓄冷管与所述脉冲管的长度的长度调整连接器，

所述长度调整连接器具有将所述蓄冷材料容纳区域与所述冷却部相连接的狭窄区域，所述狭窄区域的截面积为所述蓄冷材料容纳区域的截面积的10％以下，

所述长度调整连接器的所述冷却部侧的狭窄区域出口具备越往所述冷却部截面积越变大的锥部。

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，

所述斯特林型脉冲管制冷机的制冷循环的频率为30Hz以上，

所述狭窄区域的截面积为所述蓄冷材料容纳区域的截面积的3％以上且7％以下。

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，

在所述长度调整连接器的蓄冷材料容纳区域侧的狭窄区域出口具备越往所述蓄冷材料容纳区域截面积越变大的锥部。

4.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，

所述长度调整连接器由铝形成。