CN106852168A - 超低温制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超低温制冷机。本发明的超低温制冷机(1)中，置换器(2)具有内部空间，工作气体在该内部空间流通。缸体(4)以使置换器(2)能够往复移动的方式容纳置换器，并且在缸体(4)与置换器(2)的底部(2b)之间形成工作气体的膨胀空间(3)。多个环状的凸部(18)设置在膨胀空间(3)的底面且形成为多重结构。多个环状的凹部(17)以能够接受多个环状的凸部(18)的方式设置在置换器(2)的底部(2b)。

Description

超低温制冷机

技术领域

本发明涉及一种使从压缩装置供给过来的高压工作气体产生西蒙膨胀从而产生超低温的寒冷的超低温制冷机。

背景技术

作为产生超低温的制冷机的一例，已知有吉福德－麦克马洪(Gifford-McMahon；GM)制冷机。GM制冷机使置换器在缸体内往复移动，从而改变膨胀空间的体积。并且对应该体积变化而选择性地连接膨胀空间与压缩机的吐出侧或进气侧，从而使工作气体在膨胀空间膨胀。通过此时产生的寒冷对冷却对象进行冷却。

以往技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利5575880号公报

发明内容

发明要解决的技术课题

本发明的目的在于提供一种能够提高超低温制冷机的制冷性能的技术。

用于解决技术课题的手段

为了解决上述课题，本发明的一种实施方式的超低温制冷机具备：置换器，其具有内部空间并且工作气体在该内部空间中流通；缸体，以使置换器能够往复移动的方式容纳置换器，并且在缸体与置换器的底部之间形成工作气体的膨胀空间；多个环状的凸部，设置在膨胀空间的底面且形成为多重结构；及多个环状的凹部，以能够接受多个环状的凸部的方式设置在置换器的底部。

发明效果

根据本发明，能够提供一种提高超低温制冷机的制冷性能的技术。

附图说明

图1中的(a)及(b)为示意地表示本发明的第1实施方式所涉及的超低温制冷机的图。

图2中的(a)至(c)为示意地表示用与缸体的轴向垂直的平面剖切第1实施方式所涉及的超低温制冷机时的截面的图。

图3为表示膨胀空间内的工作气体回收到置换器的内部空间时通过的路径的示意图。

图4中的(a)及(b)示意地表示本发明的第2实施方式所涉及的超低温制冷机的图。

图5为示意地表示本发明的第3实施方式所涉及的超低温制冷机的低温部的图。

图6为示意地表示本发明的第3实施方式所涉及的超低温制冷机的低温部的图。

图7为示意地表示本发明的第4实施方式所涉及的超低温制冷机的低温部的图。

图8为示意地表示用与缸体的轴向垂直的平面剖切第4实施方式所涉及的超低温制冷机时的截面的图。

图9为示意地表示本发明的第5实施方式所涉及的超低温制冷机的低温部的一部分的图。

图10为示意地表示本发明的第5实施方式所涉及的超低温制冷机的低温部的一部分的图。

具体实施方式

下面，根据附图对本发明的实施方式进行说明。

(第1实施方式)

图1中的(a)及(b)为示意地表示本发明的第1实施方式所涉及的超低温制冷机1的图。第1实施方式所涉及的超低温制冷机1例如为将氦气用作工作气体的吉福德－麦克马洪式制冷机。超低温制冷机1具备：置换器2；缸体4，在缸体4与置换器2之间形成有膨胀空间3；有底圆筒状的冷却台5，其与膨胀空间3相邻并且从外侧包围该膨胀空间3。冷却台5作为在冷却对象与工作气体之间进行换热的换热器而发挥作用。

压缩机12从进气侧回收低压工作气体，并将其压缩之后向超低温制冷机1供给高压工作气体。作为工作气体例如可以使用氦气，但并不限定于此。

缸体4以使置换器2能够沿长度方向往复移动的方式容纳置换器2。从强度、导热系数、氦隔离能力等观点考虑，缸体4例如使用不锈钢。

置换器2包括主体部2a和底部2b。从比重、强度、导热系数等观点考虑，置换器2的主体部2a例如使用酚醛树脂等。蓄冷材料例如由金属网等构成。底部2b也可以由与主体部2a相同的材料制成。并且，还可以由导热系数比主体部2a的导热系数高的材料制成底部2b。如此一来，底部2b作为与在底部2b内流动的工作气体之间进行换热的导热部而发挥作用。底部2b例如使用铜、铝、不锈钢等导热系数至少比主体部2a的导热系数高的材料。冷却台5例如由铜、铝、不锈钢等制成。

在置换器2的高温端设置有驱动置换器2进行往复移动的未图示的止转棒轭机构。置换器2在缸体4内沿着缸体4的轴向在上止点UP与下止点LP之间往复移动。另外，图1中的(a)为表示第1实施方式所涉及的超低温制冷机1的、置换器2位于上止点UP时的情况的示意图。并且，图1中的(b)为表示本发明的第1实施方式所涉及的超低温制冷机1的、置换器2位于下止点LP时的情况的示意图。

置换器2具有圆筒状的外周面，在置换器2的内部填充有蓄冷材料。该置换器2的内部空间构成蓄冷器7。在蓄冷器7的上端侧及下端侧分别设置有对氦气的流动进行整流的上端侧整流器9及下端侧整流器10。

在置换器2的高温端形成有使工作气体从室温室8流向置换器2的上部开口11。室温室8为由缸体4和置换器2的高温端形成的空间，其容积随着置换器2的往复移动而发生变化。

在室温室8上连接有将由压缩机12、供给阀13、回流阀14构成的吸排气系统相互连接的配管中的供排气共用配管。并且，在置换器2的偏靠高温端的部分与缸体4之间安装有密封件15。

在置换器2的底部2b形成有使置换器2的内部空间与膨胀空间3连通的工作气体的流路16。流路16贯穿置换器2的底部2b的中心部，并且作为向膨胀空间3导入工作气体的工作气体排气口而发挥作用。并且，流路16还作为使膨胀空间3内的工作气体返回到置换器2的内部空间的工作气体吸入口而发挥作用。

膨胀空间3为由缸体4和置换器2形成的空间，其容积随着置换器2的往复移动而发生变化。在缸体4的外周及底部的与膨胀空间3相对应的位置配置有与冷却对象热连接的冷却台5。工作气体通过流路16流入膨胀空间3从而供给至膨胀空间3。

在膨胀空间3的底面，以成为多重结构的方式设置有多个环状的凸部18。并且，在置换器2的底部2b设置有以能够接受多个环状的凸部18的方式设置的多个环状的凹部17。此外，在膨胀空间3的底面的、与流路16对置的区域设置有棒状部件19。该棒状部件19构成为至少在置换器2位于下止点LP时处于插入于流路16的状态。另外，关于凹部17、凸部18及棒状部件19的详细内容将在后面进行叙述。

接着，对超低温制冷机1的动作进行说明。在工作气体供给工序的某一时刻，如图1中(b)所示，置换器2位于缸体4的下止点LP。若与此同时或在稍微错开的时刻打开供给阀13，则高压工作气体经由供给阀13从供排气共用配管供给至缸体4内。其结果，高压工作气体从位于置换器2的上部的上部开口11流入置换器2内部的蓄冷器7中。流入到蓄冷器7中的高压工作气体被蓄冷材料冷却的同时经由位于置换器2下部的流路16供给至膨胀空间3。

若膨胀空间3被高压工作气体充满，则供给阀13被关闭。此时，如图1中(a)所示，置换器2位于缸体4内的上止点UP。若置换器2位于缸体4内的上止点UP的同时或在稍微错开的时刻打开回流阀14，则膨胀空间3的工作气体被减压而膨胀。通过膨胀成为低温的膨胀空间3中的工作气体吸收冷却台5的热量。

置换器2朝向下止点LP移动，膨胀空间3的容积减少。膨胀空间3内的工作气体通过流路16回收到置换器2内。此时，工作气体吸收冷却台5的热量。从膨胀空间3返回到蓄冷器7的工作气体还对蓄冷器7内的蓄冷材料进行冷却。回收到置换器2的工作气体经由蓄冷器7、上部开口11而返回到压缩机12的吸入侧。将以上工序作为一个循环，超低温制冷机1反复进行该冷却循环，由此对冷却台5进行冷却。

图2中的(a)至(c)为示意地表示用与缸体4的轴向垂直的平面剖切第1实施方式所涉及的超低温制冷机1时的截面的图。更具体而言，图2中(a)为表示图1中(a)的AA截面的图。并且，图2中(b)为表示图1中(a)的BB截面的图。图2中(c)为表示图1中(b)的CC截面的图。

如上所述，置换器2具有圆筒状的外周面。因此设置于置换器2的底部2b的凹部17也具有圆环状的形状。在图2中(a)所示的例子中，在置换器2的底部2b设置有第1凹部17a和第2凹部17b这两个凹部，且这两个凹部均形成为圆环状的槽。以下，在本说明书中，在并不特别区分第1凹部17a和第2凹部17b时统称为“凹部17”。

第1凹部17a的半径大于第2凹部17b的半径。因此，如图2中(a)所示，第2凹部17b设置在第1凹部17a的内侧。如此，凹部17构成为多个圆环形状的槽彼此“嵌套”而形成多重结构。另外，流路16并非圆环形状，但也能够将其看作是设置在置换器2的底部2b的一个凹部。

在膨胀空间3内的与凹部17对置的区域(即，膨胀空间3的底面)设置有多个凸部18，该多个凸部18也形成为多重结构。在图2中(b)所示的例子中，设置有第1凸部18a和第2凸部18b这两个凸部。以下，在本说明书中，在并不特别区分第1凸部18a和第2凸部18b时统称为“凸部18”。

在此，第1凹部17a和第2凹部17b形成为宽度分别大于第1凸部18a和第2凸部18b的厚度的槽，从而能够宽松地接受各个凸部18。在凹部17中容纳有凸部18的状态下形成的多余部分(或称间隙)还成为膨胀空间3内的工作气体流路。

在膨胀空间3的底面的、与流路16对置的位置还可以设置棒状部件19。棒状部件19形成为至少在置换器2位于下止点LP时处于插入在流路16内的状态。棒状部件19还可以形成为在置换器2位于上止点UP时处于其至少一部分插入在流路16内的状态。因此，棒状部件19的高度(即，在缸体4的轴向上的长度)可以高于凸部18的高度。

棒状部件19形成为在棒状部件19插入于流路16内的情况下在棒状部件19与流路16之间能够形成间隙的程度的粗细。因此，即使棒状部件19插入于流路16内，工作气体也能够流过棒状部件19与流路16之间的间隙。另外，棒状部件19为圆筒形状而并非圆环形状，但也能够将其看作是设置在膨胀空间3的底面的凸部之一。

图2中(c)为表示在各个凹部17中容纳有各个凸部18的状态下形成于凹部17与凸部18之间的间隙的图。如图2中(c)所示，就凸部18容纳于凹部17而形成的间隙而言，形成于远离置换器2的中心轴的一侧的间隙的宽度大于形成于靠近中心轴的一侧的间隙的宽度。

例如，第2凸部18b容纳于第2凹部17b而形成的间隙比在棒状部件19容纳于流路16的情况下形成在流路16与棒状部件19之间的间隙宽。同样地，第1凸部18a容纳于第1凹部17a而形成的间隙比第2凸部18b容纳于第2凹部17b而形成的间隙宽。与膨胀空间3的内侧相比，在膨胀空间3的外侧存在更多的工作气体。通过将设置于远离置换器2的中心轴的一侧的间隙设为更宽，能够减少流路阻力，其结果能够抑制超低温制冷机1的压力损失。

实现该目的有多种方法。例如，将第1凹部17a的槽宽和第2凹部17b的槽宽设为一致，并将第1凸部18a的厚度设为比第2凸部18b的厚度薄。由此，第1凸部18a容纳于第1凹部17a而形成的间隙变得比第2凸部18b容纳于第2凹部17b而形成的间隙更宽。作为另一实现方法，还可以将第1凸部18a的厚度和第2凸部18b的厚度设为一致，并将第1凹部17a的槽宽设为比第2凹部17b的槽宽更宽。由此，第1凸部18a容纳于第1凹部17a而形成的间隙变得比第2凸部18b容纳于第2凹部17b而形成的间隙更宽。

或者，如图1中(a)及(b)所示的例子那样，也可以将第1凹部17a的槽宽和第2凹部17b的槽宽设为不同，并且将第1凸部18a的厚度和第2凸部18b的厚度也设为不同。在图1中(a)及(b)所示的例子中，第1凹部17a的槽宽小于第2凹部17b的槽宽。因此，为了使第1凸部18a容纳于第1凹部17a而形成的间隙大于第2凸部18b容纳于第2凹部17b而形成的间隙，将第1凸部18a的厚度设为小于第2凸部18b的厚度。如此，只要能够使第1凸部18a容纳于第1凹部17a而形成的间隙大于第2凸部18b容纳于第2凹部17b而形成的间隙，则凹部17的宽度及凸部18的厚度不受任何限制。

图2中(c)所示的例子中例示了具有圆环状形状的第1凸部18a容纳于具有圆环状形状的槽(即第1凹部17a)的中央的情况。同样地，在图2中(c)所示的例子中，具有圆环状形状的第2凸部18b容纳于具有圆环状形状的槽(即第2凹部17b)的中央。因此，在形成于第1凸部18a与第1凹部17a之间的空隙中，形成于内侧的空隙的大小与形成于外侧的空隙的大小相等。取而代之，也可以使形成于第1凸部18a与第1凹部17a之间的空隙中的内侧的空隙比外侧的空隙窄。这可以通过例如将第1凸部18a的半径设为小或将第1凹部17a的半径设为大来实现。第2凸部18b与第2凹部17b的关系也相同。

图3为表示膨胀空间3内的工作气体回收到置换器2的内部空间时通过的路径的示意图，并且图3为放大表示置换器2位于上止点UP时的膨胀空间3的图。如图3所示，凹部17形成为在置换器2位于上止点UP时也处于容纳有凸部18的状态。即，即使置换器2位于往复移动中的任何位置，凸部18的至少一部分始终处于容纳于凹部17的状态。由此，能够抑制置换器2往复移动时凸部18从凹部17脱落而与置换器2的底部2b接触。

在膨胀空间3内膨胀的工作气体通过流路16而回收到置换器2的内部空间。由于流路16设置在膨胀空间3的中央部，因此膨胀空间3内的工作气体从膨胀空间3的外侧朝向内侧移动而被回收。在图3中，箭头20表示回收过程中的工作气体的流路。如箭头20所示，工作气体通过凹部17与凸部18之间的间隙。由于间隙作为换热器而发挥作用，因此与未形成有凹部17和凸部18的情况相比，工作气体与冷却台5之间的换热面积增加，能够提高换热效率。

尤其，与膨胀空间3的内侧相比，在膨胀空间3的外侧存在更多的工作气体，因此，有足够多的工作气体在被回收到置换器2内部空间的期间与冷却台5进行换热。其结果，换热效率得到提高。

此外，随着置换器2的往复移动，反复进行凸部18插入于凹部17内的动作。其结果，在膨胀空间3内的工作气体产生湍流。由此，能够进一步提高工作气体与冷却台5之间的换热效率。

并且，如上所述，在置换器2的往复移动中棒状部件19始终插入于流路16内。由此，能够抑制流路16的体积成为死容积(dead volume)。此外，棒状部件19与流路16之间的间隙作为换热器而发挥作用，因此能够进一步增加工作气体与冷却台5之间的换热面积。另外，也可以将第1凹部17a的容积与第2凹部17b的容积设为相等或相近。由此，膨胀空间3内的工作气体的分布变得均匀，能够进一步提高工作气体与冷却台5之间的换热效率。

如以上说明，根据第1实施方式所涉及的超低温制冷机1，在将膨胀空间3内膨胀的工作气体回收到置换器2的内部空间时能够增加工作气体与冷却台5之间的换热面积。并且，在凸部18容纳于凹部17时使工作气体产生湍流。由此，能够提高工作气体与冷却台5之间的换热效率，从而能够提高超低温制冷机1的制冷性能。

(第2实施方式)

下面，对第2实施方式所涉及的超低温制冷机1进行说明。以下，关于与第1实施方式所涉及的超低温制冷机1重复的记载，适当省略或简化说明。

图4中(a)及(b)为示意地表示本发明的第2实施方式所涉及的超低温制冷机1的图。具体而言，图4中(a)为表示第2实施方式所涉及的超低温制冷机1的、置换器2位于上止点UP时的情况的示意图。并且，图4中(b)为表示本发明的第2实施方式所涉及的超低温制冷机1的、置换器2位于下止点LP时的情况的示意图。

与第1实施方式所涉及的超低温制冷机1相同，在第2实施方式所涉及的超低温制冷机1中，在膨胀空间3的底面，也以成为多重结构的方式设置有多个环状的凸部18。并且，在置换器2的底部2b，以能够接受凸部18的方式设置有多个环状的凹部。

另一方面，第2实施方式所涉及的超低温制冷机1不同于第1实施方式所涉及的超低温制冷机1，第2实施方式所涉及的超低温制冷机1不具备贯穿置换器2的底部2b的中心部且使置换器2的内部空间与膨胀空间3连通的工作气体流路。取而代之，在第2实施方式所涉及的超低温制冷机1中，置换器2的侧壁与缸体4的内壁之间的间隙成为使置换器2的内部空间与膨胀空间3连通的工作气体流路16。并且，在第2实施方式所涉及的超低温制冷机1的置换器2设置有向流路16(间隙)导入工作气体的排气口21。由此，在第2实施方式所涉及的超低温制冷机1中，置换器2的内部空间与膨胀空间3经由排气口21及流路16而连通。

因此，第2实施方式所涉及的超低温制冷机1不同于第1实施方式所涉及的超低温制冷机1，工作气体从膨胀空间3的内侧朝向外侧移动而被回收到置换器2。即，与存在于外侧的工作气体相比，存在于膨胀空间3的内侧的工作气体回收到置换器2的内部空间时通过的路径长度更长。

因此，如图4中(a)及(b)所示，就凸部18容纳于凹部17而形成的间隙而言，形成在靠近置换器2的中心轴的一侧的间隙宽于形成在远离中心轴的一侧的间隙。由此，排出工作气体时，膨胀空间3内侧的流路阻力变小。回收工作气体时，最长路径的流路阻力变小，使得减少超低温制冷机1的压力损失的效果变大。

实现该目的有多种方法。例如，将第1凹部17a的槽宽、第2凹部17b的槽宽及第3凹部17c的槽宽设为一致，并将第1凸部18a的厚度设为大于第2凸部18b的厚度。并且，将第2凸部18b的厚度设为大于第3凸部18c的厚度。由此，第1凸部18a容纳于第1凹部17a而形成的间隙变得比第2凸部18b容纳于第2凹部17b而形成的间隙窄。并且，第2凸部18b容纳于第2凹部17b而形成的间隙变得比第3凸部18c容纳于第3凹部17c而形成的间隙窄。

作为另一实现方法，还可以将第1凸部18a的厚度、第2凸部18b的厚度及第3凸部18c的厚度设为一致，并将第1凹部17a的槽宽设为比第2凹部17b的槽宽窄。并且，将第2凹部17b的槽宽设为比第3凹部17c的槽宽窄。由此，第1凸部18a容纳于第1凹部17a而形成的间隙变得比第2凸部18b容纳于第2凹部17b而形成的间隙窄。并且，第2凸部18b容纳于第2凹部17b而形成的间隙变得比第3凸部18c容纳于第3凹部17c而形成的间隙窄。

或者，也可以将第1凹部17a的槽宽、第2凹部17b的槽宽及第3凹部17c的槽宽设为不同，并且将第1凸部18a的厚度、第2凸部18b的厚度及第3凸部18c的厚度也设为不同。只要能够使第1凸部18a容纳于第1凹部17a而形成的间隙窄于第2凸部18b容纳于第2凹部17b而形成的间隙，并且能够使容纳第2凸部18b容纳于第2凹部17b而形成的间隙窄于第3凸部18c容纳于第3凹部17c而形成的间隙，则凹部17的宽度及凸部18的厚度不受任何限制。

与第1实施方式所涉及的超低温制冷机1相同，在凹部17中容纳有凸部18的情况下形成的间隙作为换热器发挥作用。因此，与未形成有凹部17和凸部18的情况相比，工作气体与冷却台5之间的换热面积增加，能够提高换热效率。此外，随着置换器2的往复移动，反复进行凸部18插入于凹部17内的动作。其结果，膨胀空间3内的工作气体产生湍流。由此，能够进一步提高工作气体与冷却台5之间的换热效率。

与膨胀空间3的内侧相比，在膨胀空间3的外侧存在更多的工作气体。在第2实施方式所涉及的超低温制冷机1中，就凹部17接受凸部18后形成的间隙而言，在有更多工作气体存在的膨胀空间3的外侧更窄。

通常，间隙窄，则换热效率会提高。因此，在第2实施方式所涉及的超低温制冷机1中，有更多工作气体存在的膨胀空间3的外侧的换热效率更高，因此能够提高超低温制冷机1整体的换热效率。

如以上说明，根据第2实施方式所涉及的超低温制冷机1，在将膨胀空间3内膨胀的工作气体回收到置换器2的内部空间时能够增加工作气体与冷却台5之间的换热面积。并且，在凸部18容纳于凹部17时使工作气体产生湍流。由此，能够提高工作气体与冷却台5之间的换热效率，从而能够提高超低温制冷机1的制冷性能。

(第3实施方式)

如上所述，在第1实施方式及第2实施方式的如同凸部18与凹部17的组合的凸片式换热器中，为了提高换热效率优选在凸部18与凹部17之间形成较窄的间隙。换热效率的提高有利于超低温制冷机1的制冷能力的提高。但是，若间隙过窄，则因流过其中的工作气体的粘性，置换器2的移动所受阻力会变大。并且，若工作气体的流动阻力过大，则可能会成为导致供给至膨胀空间3的工作气体量不足的原因。因此，过窄的间隙可能会降低超低温制冷机1的制冷能力。

考虑到这种此消彼长的关系，在第3实施方式所涉及的超低温制冷机1中，与第1实施方式及第2实施方式所涉及的超低温制冷机1相比，设置于冷却台5的换热器凸片的基部的宽度更薄。即，凸片基部的宽度小于凸片前端部的宽度。由此，第3实施方式所涉及的超低温制冷机1的凸片式换热器具有局部扩大的间隙。工作气体的流动阻力与间隙的宽度有关，因此扩大的间隙能够减小流动阻力。与第1实施方式及第2实施方式所涉及的超低温制冷机1相同，换热器凸片的前端部形成较窄的间隙。因此，能够获得提高换热效率这一有利效果。

因此，在第3实施方式中，多个环状的凸部18中的至少一个环状的凸部18具备环状的前端部及将环状的前端部连接于膨胀空间3的底面的环状的薄壁部。在环状的前端部与接受该环状的凸部18的环状的凹部17之间形成有窄间隙。在环状的薄壁部与接受该环状的凸部18的环状的凹部17之间形成有与窄间隙连续的宽间隙。

下面，参考图5对第3实施方式所涉及的超低温制冷机1进行说明。以下，对与第1实施方式和/或第2实施方式所涉及的超低温制冷机1重复的内容，适当省略或简化说明。

图5为示意地表示本发明的第3实施方式所涉及的超低温制冷机1的低温部的图。图5所示的超低温制冷机1具有轴向上的一部分的宽度较薄的换热器凸片(即凸部18)及与第1实施方式相同的纵排式的工作气体排气口的组合。图5表示置换器位于上止点时的情况。另外，为了便于理解，在图5中用虚线表示置换器位于下止点时的情况。

如图5所示，多个环状的凸部18包括环状的第1凸部18a、被环状的第1凸部18a包围的环状的第2凸部18b。第2凸部18b包围缸体中心轴。并且，多个环状的凹部17包括接受第1凸部18a的环状的第1凹部17a、接受第2凸部18b的环状的第2凹部17b。置换器的底部2b具备分隔相邻的凹部17或分隔流路16和与之相邻的凹部17的置换器凸部26。

第1凸部18a具备环状的第1前端部22a及环状的第1薄壁部23a。第1薄壁部23a将第1前端部22a连接于膨胀空间3的底面(即，冷却台5的内部底面)。环状的第1前端部22a在环状的第1凹部17a中形成第1窄间隙24a。环状的第1薄壁部23a在环状的第1凹部17a中形成第1宽间隙25a。第1宽间隙25a在轴向上与第1窄间隙24a连续。第1窄间隙24a形成于第1前端部22a的径向两侧，第1宽间隙25a形成于第1薄壁部23a的径向两侧。在径向上，第1窄间隙24a的宽度小于第1宽间隙25a的宽度。在此，径向是指与缸体的轴向及周向均垂直的方向。周向通常是指以包围轴的方式延伸的环状的凸部18的延伸方向。

同样地，第2凸部18b具备环状的第2前端部22b及环状的第2薄壁部23b。第2薄壁部23b将第2前端部22b连接于膨胀空间3的底面。环状的第2前端部22b在环状的第2凹部17b中形成第2窄间隙24b，环状的第2薄壁部23b在环状的第2凹部17b中形成第2宽间隙25b。第2宽间隙25b在轴向上与第2窄间隙24b连续。第2窄间隙24b及第2宽间隙25b形成于第2凸部18b的径向两侧。第2窄间隙24b的径向宽度小于第2宽间隙25b的径向宽度。

就距中心轴的距离与间隙宽度之间的关系而言，第3实施方式与第1实施方式相同。凸部18容纳于凹部17而形成的间隙形成为，形成在远离置换器的中心轴的一侧的间隙宽于形成在靠近中心轴的一侧的间隙。因此，第1窄间隙24a的径向宽度比第2窄间隙24b的径向宽度宽，并且第1宽间隙25a的径向宽度比第2宽间隙25b的径向宽度宽。

另外，由某一个凸部18与对应的凹部17形成的间隙宽度也可以与由另一个凸部18与对应的另一个凹部17形成的间隙宽度相同。因此，第1窄间隙24a的径向宽度也可以与第2窄间隙24b的径向宽度相等。第1宽间隙25a的径向宽度也可以与第2宽间隙25b的径向宽度相等。

以下，在本说明书中，在并不特别区分第1前端部22a和第2前端部22b时统称为“前端部22”。并且，在并不特别区分第1薄壁部23a和第2薄壁部23b时统称为“薄壁部23”。窄间隙及宽间隙也同样统称为“窄间隙24”及“宽间隙25”。

在径向上，窄间隙24形成于前端部22与置换器凸部26之间。在径向上，宽间隙25形成于薄壁部23与置换器凸部26之间。

棒状部件19也与凸部18同样地具有较细的基部。即，棒状部件19具备前端部及将该前端部连接于膨胀空间3的底面的小径部。棒状部件19的前端部在流路16中形成窄间隙。棒状部件19的小径部在流路16中形成宽间隙。棒状部件19的轴向上的高度与凸部18的轴向上的高度相等。

如图5所示，在置换器位于下止点时，薄壁部23在凹部17中形成宽间隙25。在置换器位于上止点时,宽间隙25被开放。因此，薄壁部23或小径部的轴向上的高度优选大于凸部18的轴向上的总高的1/3且小于2/3。轴向上的高度是指从膨胀空间3的底面沿轴向测定的长度。

超低温制冷机1构成为始终保持凸部18与置换器的底部2b在轴向上重叠。因此，凸部18的至少上方部分在置换器往复移动的一个周期中始终容纳于凹部17。在第3实施方式中，前端部22始终容纳于凹部17。如图5所示，在置换器位于上止点时，前端部22位于凹部17之内，而薄壁部23位于凹部17之外。在置换器位于上止点时，凸部18与置换器的底部2b的重叠部分的轴向上的长度例如可以是凸部18的轴向上的总高的1/3以下、1/5以下或1/10以下。

因此，在置换器从下止点或其附近朝向上方移动时(即工作气体从置换器供给至膨胀空间3时)，在置换器的底部2b与凸部18之间形成宽间隙25。由于宽度较宽，因此工作气体容易流通，对置换器的运动所受阻力较小。另一方面，在置换器从上止点或其附近朝向下方移动时(即膨胀并冷却的工作气体从膨胀空间3回收到置换器时)，工作气体通过窄间隙24，并且在窄间隙24中进行充分的换热。由此，能够减少如上所述的过窄的间隙引起的副作用，并且能够提高换热效率甚至制冷能力。

另外，凸部18在前端部22与薄壁部23之间具有一个阶梯部，但并不限于此。凸部18也可以具有两个以上阶梯部。例如，在凸部18具有两个阶梯部的情况下，凸部18可以具有前端部、比前端部薄的中间部、比中间部更薄的基部。或者，凸部18也可以具有从前端部22至薄壁部23平滑的表面以代替带阶梯的表面。例如，凸部18可以具有以使间隙从窄间隙24朝向宽间隙25逐渐变宽的方式形成的平滑的表面。

超低温制冷机1也可以具有轴向上的一部分的宽度较薄的换热器凸片及横排式的排气口21的组合。此时，如图6所示，距中心轴的距离与间隙宽度之间的关系可以与第2实施方式相同。因此，第1窄间隙可以比第2窄间隙窄。第1宽间隙可以比第2宽间隙窄。

(第4实施方式)

图7为示意地表示本发明的第4实施方式所涉及的超低温制冷机1的低温部的图。图7表示置换器位于上止点时的情况。另外，为了便于理解，在图7中用虚线表示了置换器位于下止点时的情况。并且，图8为示意地表示用与缸体的轴向垂直的平面剖切第4实施方式所涉及的超低温制冷机1时的截面的图。更具体而言，图8为表示图7中的DD截面的图。以下，对与上述任一实施方式所涉及的超低温制冷机1重复的记载，适当省略或简化说明。

与第3实施方式所涉及的超低温制冷机1相同，图7及图8所示的超低温制冷机1也具备轴向上的一部分的宽度较薄的换热器凸片(即凸部18)，但是图7及图8所示的超低温制冷机1与第3实施方式所涉及的超低温制冷机1的不同点在于工作气体的流路结构不同。图7及图8所示的超低温制冷机1具有多个纵排式的工作气体排气口以及与图4及图6所示的超低温制冷机1相同的横排式的排气口21。

详细内容将在后面叙述，但是，超低温制冷机1具备贯穿置换器的底部2b从而使置换器的内部空间与多个环状的凹部17中的某一个环状的凹部连通的至少一个工作气体的流路。并且，多个环状的凸部18中的某一个环状的凸部和与其相邻的环状的凸部之间的间隔比多个环状的凹部17中的接受某一个环状的凸部的环状的凹部的宽度宽。

如图7所示，多个环状的凸部18包括环状的第1凸部18a、被环状的第1凸部18a包围的环状的第2凸部18b及被环状的第2凸部18b包围的环状的第3凸部18c。第3凸部18c包围配设在缸体的中心轴上的棒状部件19。棒状部件19也可以看作是凸部18中的一个。并且，多个环状的凹部17包括接受第1凸部18a的环状的第1凹部17a、接受第2凸部18b的环状的第2凹部17b及接受第3凸部18c的环状的第3凹部17c。并且，接受棒状部件19的第4凹部17d设置于置换器的底部2b。第4凹部17d也可以看作是凹部17中的一个。置换器的底部2b具备分隔相邻的凹部17的多个置换器凸部26。

超低温制冷机1具有使置换器的内部空间(即蓄冷器7)与膨胀空间3连通的工作气体的多个流路16。流路16包括第1流路16a、第2流路16b、第3流路16c及第4流路16d。第1流路16a为置换器侧壁与缸体内壁之间的间隙，其将排气口21连接于膨胀空间3。

第2流路16b贯穿置换器的底部2b，并使置换器的内部空间与第2凹部17b连通。同样地，第3流路16c及第4流路16d分别贯穿置换器的底部2b，并使置换器的内部空间与第3凹部17c及第4凹部17d连通。如图8所示，第2流路16b包括多个(图中为八个)贯穿孔。第3流路16c包括多个(图中为四个)贯穿孔。这些贯穿孔在置换器的底部2b沿周向等间隔形成。第4流路16d为贯穿置换器的底部2b的中心部的单一的孔。

如此，超低温制冷机1具有多个纵排式的工作气体排气口，具体而言具有第2流路16b、第3流路16c及第4流路16d。除了中心的第4流路16d之外，在其周围还设置有第2流路16b及第3流路16c。由于工作气体的排气流路变宽，因此换热面积增加，能够促进工作气体与换热凸片(即凸部18)之间的换热。因此，能够提高超低温制冷机1的制冷性能。并且，由于工作气体的排气流路变宽，因此工作气体的流动阻力减少，从而能够期待降低超低温制冷机1的驱动马达所受负载。

各个凸部18均具有前端部22及薄壁部23。前端部22在对应的凹部17中形成窄间隙24，薄壁部23在对应的凹部17中形成宽间隙25。距中心轴的距离与间隙宽度之间的关系不同于第1实施方式至第3实施方式。在第4实施方式中，间隙的宽度不管距中心轴的距离如何均恒定。因此，多个凸部18的径向上的宽度相同。并且，多个凹部17的径向上的宽度也相同。但是，与其他实施方式相同，在第4实施方式中也可以使距中心轴的距离与间隙宽度具有一定的关系。

多个环状的凸部18中的某一个环状的凸部18和与其相邻的环状的凸部18之间的间隔P比接受该环状的凸部18(或相邻的环状的凸部18)的环状的凹部17的宽度Q宽。换言之，某一个置换器凸部26与其两侧的间隙的总计宽度P比该置换器凸部26与相邻的置换器凸部26之间的间隔Q宽。

存在于凹部17的工作气体在超低温制冷机1的排气工序中(即，置换器朝向下止点移动时)从流路16立刻返回到蓄冷器7，因此对冷却的贡献较小。相对于此，存在于相邻的两个凸部18之间的工作气体通过凸部18与置换器凸部26之间的间隙而返回到蓄冷器7。此时，在工作气体与凸部18之间进行换热，因此存在于凸部18彼此之间的工作气体对冷却的贡献较大。如上所述，通过将凸部18彼此之间的间隔P设为比凹部17的宽度Q宽，从而能够增加存在于凸部18彼此之间的工作气体的容积。因此，能够促进工作气体与换热凸片之间的换热，从而能够提高超低温制冷机1的制冷性能。

(第5实施方式)

图9为示意地表示本发明的第5实施方式所涉及的超低温制冷机1的低温部的一部分的图。棒状部件19制作成与冷却台5独立的单独部件，并且安装在冷却台5。因此，在棒状部件19的下端具有螺纹部19a。冷却台5具有与螺纹部19a相对应的螺孔5a。通过将棒状部件19的螺纹部19a拧入冷却台5的螺孔5a中，使棒状部件19固定于冷却台5。棒状部件19通过钎焊牢牢地固定于冷却台5。

在卸下棒状部件19的状态下，第3凸部18c内的空间变得比安装有棒状部件19时更宽。因此，能够容易加工第3凸部18c。如此，通过将棒状部件19制作成独立的单独部件，能够容易制作冷却台5的凸部18。尤其，在由铜等比较柔软的金属制作凸部18的情况下尤为有效。

或者，也可以将棒状部件19压入于冷却台5或通过其他固定方式固定棒状部件19从而代替螺纹卡合。

同样地，也可以将置换器凸部26的至少一个凸部制作成与置换器独立的单独部件，并且通过螺纹卡合、压入或其他固定方式将其安装于置换器。也可以将凸部18的至少一个凸部制作成与冷却台5独立的单独部件，并且通过螺纹卡合、压入或其他固定方式将其安装于冷却台5。

或者，如图10所示，棒状部件19的直径R也可以大于其他凸部18(例如相邻的凸部)的径向上的宽度S。如此一来，棒状部件19的刚性变高，能够防止棒状部件19在第3凸部18c的加工中与工具发生干扰等而变形。因此，冷却台5的制作变得容易。

图9所示的冷却台5也可以应用于第1实施方式至第4实施方式中的任意一种实施方式中。同样地，图10所示的冷却台5也可以应用于第1实施方式至第4实施方式中的任意一种实施方式中。

以上，根据实施方式对本发明进行了说明。在不脱离技术方案中所记载的本发明的思想的范围内，这些实施方式可以存在很多变形例或配置的变更。

例如，在上述超低温制冷机中示出了级数为1级的情况，但是，也可以适当选择该级数，例如2级以上等。并且，在各个实施方式中，对超低温制冷机为GM制冷机时的例子进行了说明，但并不限于此。例如，本发明也能够应用于斯特林制冷机、苏尔威制冷机等具备置换器的任何制冷机中。

上述各个实施方式所涉及的超低温制冷机1均具备圆环形状的凸部18以及以能够接受凸部18的方式形成的圆环形状的凹部17。然而，凹部17及凸部18的形状并不限于圆环形状。凹部17及凸部18的形状只要是封闭的图形即可，例如也可以是多边形或星形形状。另一方面，若凹部17及凸部18为圆环形状，则即使置换器2与缸体4的相对位置以缸体4的轴为中心进行了旋转，也不会影响凹部17接受凸部18，因此优选凹部17及凸部18为圆环形状。

在上述第1实施方式所涉及的超低温制冷机1中，对具有两个凹部17和两个凸部18的情况进行了说明。然而，凹部17和凸部18的个数并不限于两个，也可以多于两个。并且，在上述第2实施方式所涉及的超低温制冷机1中，对具有三个凹部17和三个凸部18的情况进行了说明。然而，凹部17和凸部18的个数并不限于三个。例如，可以具有两个凹部17和两个凸部18，也可以具有四个以上凹部17和四个以上凸部18。

符号说明

1-超低温制冷机，2-置换器，2a-主体部，2b-底部，3-膨胀空间，4-缸体，5-冷却台，7-蓄冷器，8-室温室，9-上端侧整流器，10-下端侧整流器，11-上部开口，12-压缩机、13-供给阀，14-回流阀，15-密封件、16-流路，17-凹部，17a-第1凹部，17b-第2凹部，18-凸部，18a-第1凸部，18b-第2凸部，19-棒状部件，21-排气口。

Claims (12)

1.一种超低温制冷机，其特征在于，具备：

置换器，具有内部空间并且工作气体在该内部空间中流通；

缸体，以使所述置换器能够往复移动的方式容纳所述置换器，并且在所述缸体与所述置换器的底部之间形成工作气体的膨胀空间；

多个环状的凸部，设置在所述膨胀空间的底面且形成为多重结构；及

多个环状的凹部，以能够接受所述多个环状的凸部的方式设置在所述置换器的底部。

2.根据权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于，还具备：

工作气体的流路，其贯穿所述置换器的底部的中心部，并且使所述置换器的内部空间与所述膨胀空间连通。

3.根据权利要求2所述的超低温制冷机，其特征在于，还具备：

棒状部件，其设置于所述膨胀空间内的与所述流路对置的区域，并且至少在所述置换器位于下止点时插入在所述流路。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的超低温制冷机，其特征在于，

在容纳于所述多个环状的凹部中的所述多个环状的凸部与所述多个环状的凹部之间形成有多个间隙，所述多个间隙包括：第1间隙，形成在远离所述置换器的中心轴的一侧且具有第1间隙宽度；及第2间隙，形成在靠近所述置换器的中心轴的一侧且具有第2间隙宽度，所述第1间隙宽度大于所述第2间隙宽度。

5.根据权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述置换器的侧壁与所述缸体的内壁之间的间隙为使所述置换器的内部空间与所述膨胀空间连通的工作气体的流路，

所述置换器具备向所述间隙导入工作气体的排气口，

在容纳于所述多个环状的凹部中的所述多个环状的凸部与所述多个环状的凹部之间形成有多个间隙，所述多个间隙包括：第1间隙，形成在靠近所述置换器的中心轴的一侧且具有第1间隙宽度；及第2间隙，形成在远离所述置换器的中心轴的一侧且具有第2间隙宽度，所述第1间隙宽度大于所述第2间隙宽度。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述多个环状的凹部形成为在所述置换器位于上止点时也容纳有所述多个环状的凸部。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述多个环状的凸部中的至少一个环状的凸部具备环状的前端部及环状的薄壁部，所述环状的薄壁部将所述环状的前端部连接于所述膨胀空间的底面，

所述环状的前端部在接受该环状的凸部的环状的凹部中形成窄间隙，

所述环状的薄壁部在接受该环状的凸部的所述环状的凹部中形成与所述窄间隙连续的宽间隙。

8.根据权利要求7所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述至少一个环状的凸部在所述缸体的中心轴的方向上具有轴向上的总高，所述薄壁部具有所述轴向上的总高的1/3至2/3的轴向上的高度。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述多个环状的凸部包括环状的第1凸部及环状的第2凸部，所述环状的第2凸部被所述环状的第1凸部包围，

所述多个环状的凹部包括：环状的第1凹部，接受所述环状的第1凸部；及环状的第2凹部，接受所述环状的第2凸部，

所述环状的第1凸部具备环状的第1前端部及环状的第1薄壁部，所述环状的第1薄壁部将所述环状的第1前端部连接于所述膨胀空间的底面，所述环状的第1前端部在所述环状的第1凹部中形成第1窄间隙，所述环状的第1薄壁部在所述环状的第1凹部中形成与所述第1窄间隙连续的第1宽间隙，

所述环状的第2凸部具备环状的第2前端部及环状的第2薄壁部，所述环状的第2薄壁部将所述环状的第2前端部连接于所述膨胀空间的底面，所述环状的第2前端部在所述环状的第2凹部中形成第2窄间隙，所述环状的第2薄壁部在所述环状的第2凹部中形成与所述第2窄间隙连续的第2宽间隙，

所述第1窄间隙比所述第2窄间隙宽并且所述第1宽间隙比所述第2宽间隙宽，或者，所述第1窄间隙比所述第2窄间隙窄并且所述第1宽间隙比所述第2宽间隙窄。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的超低温制冷机，其特征在于，还具备：

工作气体的流路，其贯穿所述置换器的底部，并且使所述置换器的内部空间与所述多个环状的凹部中的某一个环状的凹部连通。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述置换器的侧壁与所述缸体的内壁之间的间隙为使所述置换器的内部空间与所述膨胀空间连通的工作气体的流路，

所述置换器具备向所述置换器的侧壁与所述缸体的内壁之间的间隙导入工作气体的排气口。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述多个环状的凸部中的某一个环状的凸部和与其相邻的环状的凸部之间的间隔比所述多个环状的凹部中的接受所述某一个环状的凸部的环状的凹部的宽度宽。