CN106996654A - 超低温制冷机及回转阀机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超低温制冷机及回转阀机构，其课题在于提高超低温制冷机的回转阀机构的可靠性。回转阀机构具备：定子阀部件，其具备树脂制的圆顶状的转子阀高压凹部(68)及金属制的高压流路中的一个；及转子阀部件(34a)，其具备树脂制的圆顶状的转子阀高压凹部(68)及金属制的高压流路中的另一个，并且以密封将高压流路连通于转子阀高压凹部(68)而形成的高压区域以从低压周围环境隔离该高压区域的方式与定子阀部件相邻配置。

Description

超低温制冷机及回转阀机构

本申请主张基于2015年12月28日于日本申请的日本专利申请第2015-257052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

本发明涉及一种超低温制冷机及超低温制冷机的回转阀机构。

背景技术

以吉福德-麦克马洪(Gifford-McMahon；GM)制冷机为代表的超低温制冷机具有工作气体(也称为制冷剂气体)的膨胀机及压缩机。膨胀机通常具有通过驱动机构的驱动沿轴向往复移动的置换器及内置于置换器中的蓄冷器。置换器容纳于引导其往复移动的缸体中。通过相对于缸体的置换器的相对移动，形成于缸体与置换器之间的可变容积用作工作气体的膨胀室。通过使膨胀室的容积变化与压力变化适当地同步，膨胀机能够产生寒冷。

因此，超低温制冷机具备用于控制膨胀室的压力的阀部。阀部构成为，交替地切换从压缩机向膨胀机的高压工作气体的供给与从膨胀机向压缩机的低压工作气体的回收。阀部通常使用回转阀机构。脉冲管制冷机等其他超低温制冷机中也具备阀部。

专利文献1：日本特开平9-236347号公报

发明内容

本发明的一种实施方式的示例性的目的之一在于提高超低温制冷机的回转阀机构的可靠性。

本发明的一种实施方式所涉及的超低温制冷机具备：工作气体的压缩机，其具备压缩机排出口及压缩机吸入口；膨胀机，其具备气体膨胀室及与所述压缩机吸入口连通的低压气体室；定子阀部件，其配设在所述低压气体室，且具备定子侧旋转滑动面、开口于所述定子侧旋转滑动面且与所述压缩机排出口连通的高压气体流入口、及开口于所述定子侧旋转滑动面且与所述气体膨胀室连通的气体流通口；及转子阀树脂部件，其以相对于所述定子阀部件绕轴旋转的方式配设在所述低压气体室，并且构成为从所述低压气体室隔离转子阀高压凹部，所述转子阀高压凹部形成为，在转子阀树脂部件的一个旋转周期中的一部分期间使所述高压气体流入口与所述气体流通口连通，而在该一个旋转周期的剩余期间使所述高压气体流入口不与所述气体流通口连通。所述转子阀树脂部件具备：转子阀外周面，其面向所述低压气体室；转子侧旋转滑动面，其利用所述转子阀高压凹部的周围与所述定子侧旋转滑动面面接触；凹部底壁面，其面向所述转子阀高压凹部；凹部周壁面，其在所述转子侧旋转滑动面上形成凹部轮廓线并从所述凹部轮廓线朝向所述凹部底壁面延伸而形成，并且所述凹部周壁面的距所述转子阀外周面的树脂厚度沿着所述凹部轮廓线而变化；及第1树脂薄壁部，其具有从所述凹部周壁面到所述转子阀外周面的第1最小树脂厚度，并且具有连接所述凹部底壁面与所述凹部周壁面且相对于所述凹部底壁面及所述凹部周壁面倾斜的第1倾斜接合区域。

本发明的一种实施方式所涉及的超低温制冷机的回转阀机构具备：定子阀部件，其配设在超低温制冷机的低压气体室，且具备定子侧旋转滑动面、开口于所述定子侧旋转滑动面的高压气体流入口、及开口于所述定子侧旋转滑动面的气体流通口；转子阀树脂部件，其以相对于所述定子阀部件绕轴旋转的方式配设在所述低压气体室，并且构成为从所述低压气体室隔离转子阀高压凹部，所述转子阀高压凹部形成为，在转子阀树脂部件的一个旋转周期中的一部分期间使所述高压气体流入口与所述气体流通口连通，而在该一个旋转周期的剩余期间使所述高压气体流入口不与所述气体流通口连通。所述转子阀树脂部件具备：转子阀外周面，其面向所述低压气体室；转子侧旋转滑动面，其利用所述转子阀高压凹部的周围与所述定子侧旋转滑动面面接触；凹部底壁面，其面向所述转子阀高压凹部；凹部周壁面，其在所述转子侧旋转滑动面上形成凹部轮廓线并从所述凹部轮廓线朝向所述凹部底壁面延伸而形成，并且所述凹部周壁面的距所述转子阀外周面的树脂厚度沿着所述凹部轮廓线而变化；及树脂薄壁部，其具有从所述凹部周壁面到所述转子阀外周面的最小树脂厚度，并且具有连接所述凹部底壁面与所述凹部周壁面且相对于所述凹部底壁面及所述凹部周壁面倾斜的倾斜接合区域。

本发明的一种实施方式所涉及的回转阀机构具备：定子阀部件，其具备树脂制的圆顶状高压凹部及金属制的高压流路中的一个；及转子阀部件，其具备所述树脂制的圆顶状高压凹部及所述金属制的高压流路中的另一个，并且以密封将所述高压流路连通于所述圆顶状高压凹部而形成的高压区域以从低压周围环境隔离该高压区域的方式与所述定子阀部件相邻配置。

另外，在方法、装置、系统等之间相互替代本发明的构成要件及表现的方式，仍作为本发明的方式而有效。

根据本发明，能够提高超低温制冷机的回转阀机构的可靠性。

附图说明

图1是概略地表示本发明的一种实施方式所涉及的超低温制冷机的整体结构以及超低温制冷机的膨胀机的剖面的图。

图2是概略地表示可使用于图1所示的超低温制冷机的回转阀的主要部分的分解立体图。

图3是概略地表示可使用于图1所示的超低温制冷机的转子阀部件的立体图。

图4是表示采用图3所示的转子阀部件时的高压流路中的工作气体流速的模拟试验结果的图。

图5是概略地表示本发明的一种实施方式所涉及的转子阀部件的立体图。

图6是表示作用于图5所示的转子阀部件的冯米斯应力的模拟试验结果的图。

图中：10-超低温制冷机，12-压缩机，12a-排出口，12b-吸入口，14-膨胀机，34-阀部，34a-转子阀部件，34b-定子阀部件，40-气体膨胀室，42-低压气体室，50-定子侧旋转滑动面，52-转子侧旋转滑动面，60-转子阀外周面，62-高压气体流入口，64-气体流通口，68-转子阀高压凹部，70-转子阀开口部，72-凹部底壁面，74-凹部周壁面，76-凹部轮廓线，80-第1树脂薄壁部，82-第2树脂薄壁部，84-第1最小树脂厚度，86-第2最小树脂厚度，88-第1倾斜接合区域，90-第2倾斜接合区域。

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，在说明书中，对相同的要件标注相同的符号，并适当省略重复说明。并且，以下所述的结构只是示例，对本发明的范围并不作任何限定。

在一种实施方式中，超低温制冷机的回转阀机构具备金属制(或树脂制)的定子阀部件及相对于定子阀部件旋转滑动的树脂制(或金属制)的转子阀部件。定子阀部件及转子阀部件也可以分别被称为定子阀板及转子阀板。

回转阀机构设置在充满有相对低压的工作气体的低压室。金属部件具备用于高压工作气体的高压流路，高压流路贯穿形成在金属部件。树脂部件具备用于高压工作气体的圆顶状高压凹部。圆顶状凹部以与凹部的深度方向垂直的截面随着朝向深度方向逐渐变小的方式成型。圆顶状凹部能够以任意的加工方法成型，但例如也可以通过圆角加工或倒角加工来形成。转子阀部件以密封将金属制的高压流路连通于树脂制的圆顶状高压凹部而形成的高压区域以从低压周围环境隔离该高压区域的方式与定子阀部件相邻配置。圆顶状凹部可在回转阀机构的一个旋转周期中的至少一部分期间与高压流路连通，而在其他期间则被阻断。

因此，转子阀部件及定子阀部件的实心部分中的至少一部分(尤其是面向上述高压区域的部分)作为承受高压与低压的压差负荷的压力隔壁而发挥作用。圆顶状凹部的隔壁部的壁厚随着朝向其深度方向逐渐变厚。由此能够减少作用于圆顶状凹部表面和/或隔壁内部的应力。尤其，树脂部件的薄壁部处的应力减小会降低该部位的破损风险并提高回转阀机构的可靠性。并且，由于圆顶状凹部表面不具有显著影响工作气体流动的锐角部，因此有助于减小工作气体流的压力损失以及提高制冷性能。

图1是概略地表示本发明的一种实施方式所涉及的超低温制冷机10的图。超低温制冷机10具备压缩工作气体的压缩机12及使工作气体通过绝热膨胀而被冷却的膨胀机14。工作气体例如为氦气。膨胀机14也被称作冷头。膨胀机14具备对工作气体进行预冷的蓄冷器16。超低温制冷机10具备气体配管18，该气体配管18包括分别连接压缩机12和膨胀机14的第1管18a及第2管18b。图示的超低温制冷机10为单级式的GM制冷机。

众所周知，具有第1高压的工作气体从压缩机12的排出口12a通过第1管18a供给至膨胀机14。通过在膨胀机14中绝热膨胀，工作气体从第1高压减压至比其低的第2高压。具有第2高压的工作气体从膨胀机14通过第2管18b回收到压缩机12的吸入口12b。压缩机12压缩回收过来的具有第2高压的工作气体。如此，工作气体再次被升压至第1高压。通常，第1高压及第2高压均远高于大气压。为了便于说明，将第1高压及第2高压分别简称为高压及低压。通常，高压例如为2～3MPa，低压例如为0.5～1.5MPa。高压与低压的压差例如为1.2～2MPa左右。

膨胀机14具备膨胀机可动部分20及膨胀机静止部分22。膨胀机可动部分20构成为相对于膨胀机静止部分22能够沿轴向(图1中的上下方向)往复移动。在图1中用箭头A表示膨胀机可动部分20的移动方向。膨胀机静止部分22构成为将膨胀机可动部分20支承为能够沿轴向往复移动。并且，膨胀机静止部分22构成将膨胀机可动部分20与高压气体(包括第1高压气体及第2高压气体)一同容纳的气密容器。

膨胀机可动部分20包括置换器24及驱动置换器24往复移动的置换器驱动轴26。置换器24中内置有蓄冷器16。置换器24具有包围蓄冷器16的置换器部件24a。在置换器部件24a的内部空间填充有蓄冷材料，由此在置换器24内形成蓄冷器16。置换器24例如具有沿轴向延伸的实际上为圆柱状的形状。置换器部件24a具有在轴向上实际上相同的外径及内径。因此，蓄冷器16也具有沿轴向延伸的实际上为圆柱状的形状。

膨胀机静止部分22大致具有由缸体28及驱动机构壳体30构成的两个部分结构。膨胀机静止部分22的轴向上的上部为驱动机构壳体30，膨胀机静止部分22的轴向上的下部为缸体28，它们彼此牢固地结合在一起。缸体28构成为引导置换器24往复移动。缸体28从驱动机构壳体30沿轴向延伸。缸体28具有在轴向上实际上相同的内径，因此，缸体28具有沿轴向延伸的实际上为圆筒的内面。其内径稍大于置换器部件24a的外径。

并且，膨胀机静止部分22包括冷却台32。冷却台32在轴向上的与驱动机构壳体30相反的一侧固定在缸体28的末端。冷却台32是为了将由膨胀机14生成的寒冷传递至其他物体而设置的。该物体安装在冷却台32上，从而在超低温制冷机10工作时被冷却台32冷却。

在超低温制冷机10工作时，蓄冷器16在轴向上的一侧(图中的上侧)具有蓄冷器高温部16a而在相反的一侧(图中的下侧)具有蓄冷器低温部16b。如此，蓄冷器16在轴向上具有温度分布。包围蓄冷器16的膨胀机14的其他构成要件(例如置换器24及缸体28)也同样具有轴向温度分布，因此膨胀机14在工作时在轴向上的一侧具有高温部而在轴向上的另一侧具有低温部。高温部例如具有室温左右的温度。低温部虽因超低温制冷机10的用途而异，但例如被冷却至约100K至约10K范围内的某一温度。冷却台32以从外侧包围缸体28的低温部的方式固定在缸体28上。

在本说明书中，为了便于说明，使用轴向、径向及周向等术语。如图中的箭头A所示，轴向表示膨胀机可动部分20相对于膨胀机静止部分22移动的方向。径向表示与轴向垂直的方向(图中的横向)，周向表示包围轴向的方向。有时将膨胀机14的某一要件在轴向上与冷却台32相对较近的情况称为“下”，相对较远的情况称为“上”。因此，膨胀机14的高温部及低温部在轴向上分别位于上部及下部。这种表述只是为了便于理解膨胀机14的要件之间的相对位置关系而使用，与在现场进行设置时的膨胀机14的配置并没有关系。例如，可以将膨胀机14设置为冷却台32朝上而驱动机构壳体30朝下。或者，也可以将膨胀机14设置为其轴向与水平方向一致。

并且，对于回转阀机构，也使用轴向、径向及周向等术语。此时，轴向表示回转阀机构的旋转轴的方向。

下面，对膨胀机14中的工作气体的流路结构进行说明。膨胀机14具备阀部34、壳体气体流路36、上部气体室37、置换器上盖气体流路38、置换器下盖气体流路39、气体膨胀室40及低压气体室42。高压气体从第1管18a经过阀部34、壳体气体流路36、上部气体室37、置换器上盖气体流路38、蓄冷器16及置换器下盖气体流路39而流入气体膨胀室40。从气体膨胀室40返回的气体经过置换器下盖气体流路39、蓄冷器16、置换器上盖气体流路38、上部气体室37、壳体气体流路36及阀部34而进入低压气体室42。

详细内容进行后述，但阀部34构成为与置换器24的往复移动同步地控制气体膨胀室40的压力。阀部34作为用于将高压气体供给至气体膨胀室40的供给通道的一部分而发挥作用，并且还作为用于从气体膨胀室40排出低压气体的排出通道的一部分而发挥作用。阀部34构成为，在置换器24通过下止点或其附近时结束低压气体的排出并开始高压气体的供给。阀部34构成为，在置换器24通过上止点或其附近时结束高压气体的供给并开始低压气体的排出。如此，阀部34构成为，与置换器24的往复移动同步地切换工作气体的供给功能与排出功能。

壳体气体流路36贯穿形成于驱动机构壳体30，以使气体在膨胀机静止部分22与上部气体室37之间流通。

上部气体室37在蓄冷器高温部16a侧形成在膨胀机静止部分22与置换器24之间。更详细而言，上部气体室37在轴向上夹在驱动机构壳体30与置换器24之间，且在周向上被缸体28所包围。上部气体室37与低压气体室42邻接。上部气体室37也被称作室温室。上部气体室37是形成在膨胀机可动部分20与膨胀机静止部分22之间的可变容积。

置换器上盖气体流路38是以使蓄冷器高温部16a与上部气体室37连通的方式形成的置换器部件24a的至少一个开口。置换器下盖气体流路39是以使蓄冷器低温部16b与气体膨胀室40连通的方式形成的置换器部件24a的至少一个开口。在置换器部件24a的侧面设置有封闭置换器24与缸体28之间的间隙的密封部44。密封部44可以以沿周向包围置换器上盖气体流路38的方式安装在置换器部件24a上。

气体膨胀室40在蓄冷器低温部16b侧形成在缸体28与置换器24之间。与上部气体室37相同，气体膨胀室40也是形成在膨胀机可动部分20与膨胀机静止部分22之间的可变容积，并且通过相对于缸体28的置换器24的相对移动，气体膨胀室40的容积与上部气体室37的容积以互补的方式变动。由于设置有密封部44，因此气体不会在上部气体室37与气体膨胀室40之间直接流通(即，气体不会以绕过蓄冷器16的方式流动)。

低压气体室42划定在驱动机构壳体30的内部。第2管18b连接于驱动机构壳体30，由此低压气体室42通过第2管18b与压缩机12的吸入口12b连通。因此，低压气体室42始终维持在低压。

置换器驱动轴26从置换器24贯穿上部气体室37而向低压气体室42突出。膨胀机静止部分22具备将置换器驱动轴26支承为可沿轴向移动的驱动轴引导件46a、46b。驱动轴引导件46a、46b分别以包围置换器驱动轴26的方式设置在驱动机构壳体30。轴向上的下侧的驱动轴引导件46b或驱动机构壳体30的下端部气密地构成，因此低压气体室42从上部气体室37被隔离。气体不会在低压气体室42与上部气体室37之间直接流通。

膨胀机14具备容纳于低压气体室42且驱动置换器24的驱动机构48。驱动机构48包括马达48a及止转棒轭机构48b。置换器驱动轴26构成止转棒轭机构48b的一部分。并且，止转棒轭机构48b具备以与马达48a的输出轴平行的方式延伸并且从该输出轴偏心的曲柄销49。置换器驱动轴26连结于止转棒轭机构48b，以便通过止转棒轭机构48b的驱动而沿轴向移动。因此，通过马达48a的旋转而驱动置换器24沿轴向往复移动。驱动轴引导件46a、46b在轴向上隔着止转棒轭机构48b而位于不同的位置。

阀部34连结于驱动机构48，且容纳于驱动机构壳体30。阀部34采用回转阀的形式。阀部34具备转子阀树脂部件(以下，简称为转子阀部件)34a及定子阀金属部件(以下，简称为定子阀部件)34b。即，转子阀部件34a由树脂材料(例如，工程塑料材料、氟树脂材料)制成，定子阀部件34b由金属(例如铝材或钢材)制成。另外，相反地，也可以由金属制成转子阀部件34a，由树脂制成定子阀部件34b。

转子阀部件34a连结于马达48a的输出轴，以便通过马达48a的旋转而旋转。转子阀部件34a以相对于定子阀部件34b旋转滑动的方式与定子阀部件34b面接触。定子阀部件34b固定在驱动机构壳体30。定子阀部件34b构成为接受从第1管18a进入驱动机构壳体30的高压气体。

下面，对具有上述结构的超低温制冷机10的动作进行说明。当置换器24向缸体28的下止点或其附近的位置移动时，阀部34被切换成使压缩机12的排出口12a与气体膨胀室40连接。由此开始超低温制冷机10的吸气工序。高压气体从阀部34通过壳体气体流路36、上部气体室37及置换器上盖气体流路38而进入蓄冷器高温部16a。气体通过蓄冷器16的同时被冷却，并从蓄冷器低温部16b通过置换器下盖气体流路39而进入气体膨胀室40。在气体流入气体膨胀室40的期间，置换器24朝向缸体28的上止点移动。由此气体膨胀室40的容积变大。如此，气体膨胀室40被高压气体所充满。

当置换器24向缸体28的上止点或其附近的位置移动时，阀部34被切换成使压缩机12的吸入口12b与气体膨胀室40连接。由此结束吸气工序而开始排气工序。高压气体在气体膨胀室40中膨胀而被冷却。已膨胀的气体从气体膨胀室40通过置换器下盖气体流路39而进入蓄冷器16。气体通过蓄冷器16的同时冷却蓄冷器16。气体从蓄冷器16经过壳体气体流路36、阀部34及低压气体室42而返回到压缩机12。在气体从气体膨胀室40流出的期间，置换器24朝向缸体28的下止点移动。由此气体膨胀室40的容积变小，低压气体从气体膨胀室40排出。若排气工序结束，则再次开始吸气工序。

以上为超低温制冷机10的1次冷却循环。超低温制冷机10通过重复进行冷却循环，将冷却台32冷却至所期望的温度。由此，超低温制冷机10能够将与冷却台32热连接的物体冷却至超低温。

图2是概略地表示可使用于图1所示的超低温制冷机10的示例性的回转阀的主要部分的分解立体图。图2所示的单点划线Y表示阀部34的旋转轴。

定子阀部件34b具有平坦的定子侧旋转滑动面50，转子阀部件134a具有同样平坦的转子侧旋转滑动面52。定子侧旋转滑动面50及转子侧旋转滑动面52均与旋转轴Y垂直。通过使定子侧旋转滑动面50与转子侧旋转滑动面52面接触，能够防止制冷剂气体泄漏。

定子阀部件34b通过定子阀固定销54固定在驱动机构壳体30内。定子阀固定销54与定子阀部件34b的在旋转轴方向上位于与定子侧旋转滑动面50相反的一侧的定子阀端面51卡合，并限制定子阀部件34b的旋转。

转子阀部件134a被图1所示的转子阀轴承56支承为能够旋转。在转子阀部件134a的、在旋转轴方向上位于与转子侧旋转滑动面52相反的一侧的转子阀端面58形成有与曲柄销49卡合的卡合孔(未图示)。马达48a使曲柄销49旋转，由此转子阀部件134a与止转棒轭机构48b同步旋转。并且，转子阀部件134a具备连接转子侧旋转滑动面52与转子阀端面58的转子阀外周面60。转子阀外周面60被转子阀轴承56支承，并且面向低压气体室42。

定子阀部件34b具有高压气体流入口62及气体流通口64。高压气体流入口62开口于定子侧旋转滑动面50的中心部，且以沿旋转轴方向贯穿定子阀部件34b的中心部的方式形成。高压气体流入口62通过第1管18a与压缩机12的排出口12a连通。气体流通口64开口于定子侧旋转滑动面50上的高压气体流入口62的径向外侧。气体流通口64形成为以高压气体流入口62为中心的圆弧状槽。

定子阀部件34b具有以使气体流通口64与壳体气体流路36相连的方式贯穿形成在定子阀部件34b的连通路66。因此，气体流通口64经由连通路66及壳体气体流路36最终与气体膨胀室40连通。连通路66的一端开口于气体流通口64而另一端开口于定子阀部件34b的侧面。连通路66的气体流通口64侧的部分沿旋转轴方向延伸，而连通路66的壳体气体流路36侧的部分沿径向延伸以与气体流通口64侧的部分正交。

在超低温制冷机10的吸气工序中，高压气体流过气体流通口64，另一方面，在排气工序中，来自气体膨胀室40的低压回流气体流过气体流通口64。

转子阀部件134a具有转子阀高压凹部68及转子阀开口部70。转子侧旋转滑动面52利用转子阀高压凹部68的周围与定子侧旋转滑动面50面接触。同样地，转子侧旋转滑动面52利用转子阀开口部70的周围与定子侧旋转滑动面50面接触。

转子阀高压凹部68开口于转子侧旋转滑动面52且形成为椭圆状槽。转子阀高压凹部68从转子侧旋转滑动面52的中心部向径向外侧延伸。转子阀高压凹部68的深度短于转子阀部件134a的旋转轴方向上的长度，转子阀高压凹部68并未贯穿转子阀部件134a。转子阀高压凹部68的径向上的一端位于转子侧旋转滑动面52上的与高压气体流入口62相对应的位置。因此，转子阀高压凹部68始终与高压气体流入口62连通。转子阀高压凹部68的径向上的另一端形成为位于与定子阀部件34b的气体流通口64大致相同的圆周上。

由此，在阀部34中构成吸气阀。转子阀高压凹部68形成为，在转子阀部件134a的一个旋转周期的一部分(例如吸气工序)期间使高压气体流入口62与气体流通口64连通，而在该一个旋转周期的剩余(例如排气工序)期间使高压气体流入口62不与气体流通口64连通。由转子阀高压凹部68及高压气体流入口62构成的两个区域，或由转子阀高压凹部68、高压气体流入口62及气体流通口64构成的三个区域彼此连通而在阀部34内形成高压区域(或高压流路)。转子阀部件134a以密封高压区域而从低压周围环境(即低压气体室42)隔离高压区域的方式与定子阀部件34b相邻配置。转子阀高压凹部68作为阀部34的高压流路中的流动方向变更部或流路折回部。

另一方面，转子阀开口部70是从转子阀部件134a的转子侧旋转滑动面52贯穿至转子阀端面58的圆弧状孔，形成与低压气体室42连通的低压流路。转子阀开口部70相对于转子侧旋转滑动面52的中心部位于在径向上与转子阀高压凹部68的外端部大致相反的一侧。转子阀开口部70形成为位于与定子阀部件34b的气体流通口64大致相同的圆周上。由此，在阀部34中构成排气阀。转子阀部件134a形成为，在高压气体流入口62与气体流通口64未连通的期间中的至少一部分(例如排气工序)期间，使气体流通口64与低压气体室42连通。

图3是概略地表示可使用于图1所示的超低温制冷机10的转子阀部件234a的立体图。与图2所示的转子阀部件134a相同，转子阀部件234a具有转子阀高压凹部68及转子阀开口部70，并且作为吸排气阀而发挥作用。

转子阀部件234a具备凹部底壁面72及凹部周壁面74。凹部底壁面72面向转子阀高压凹部68并且确定转子阀高压凹部68的深度。凹部底壁面72与转子侧旋转滑动面52平行且与旋转轴方向垂直。凹部周壁面74在转子侧旋转滑动面52上形成椭圆状的凹部轮廓线76，并且从凹部轮廓线76朝向凹部底壁面72延伸。凹部周壁面74与凹部底壁面72垂直交叉，并且形成边缘线78。因此，边缘线78具有与凹部轮廓线76相同的尺寸及形状。转子阀开口部70形成为扇状的贯穿孔。

转子阀部件234a的从凹部周壁面74到转子阀外周面60的树脂厚度沿凹部轮廓线76而变化，并且具备第1树脂薄壁部80及第2树脂薄壁部82。第1树脂薄壁部80具有从凹部周壁面74到转子阀外周面60的第1最小树脂厚度84。第2树脂薄壁部82具有从凹部周壁面74到转子阀开口部70的第2最小树脂厚度86。第1最小树脂厚度84与第2最小树脂厚度86可以相等也可以不同。第1最小树脂厚度84也可以大于或小于第2最小树脂厚度86。

凹部轮廓线76具有第1圆弧状部分76a、第2圆弧状部分76b、第1直线状部分76c及第2直线状部分76d。第1圆弧状部分76a及第2圆弧状部分76b分别位于第1树脂薄壁部80及第2树脂薄壁部82。第1直线状部分76c及第2直线状部分76d连接第1圆弧状部分76a与第2圆弧状部分76b。第1直线状部分76c及第2直线状部分76d从转子侧旋转滑动面52上的中心部朝向径向外侧延伸，第1直线状部分76c与第2直线状部分76d之间的间隔随着从中心部朝向径向外侧逐渐变大。转子阀高压凹部68的宽度在径向外侧比中心部更宽。由于定子阀部件34b的气体流通口64位于径向外侧，因此通过采用这种转子阀高压凹部68的形状，能够稍微延长超低温制冷机10的吸气期间。

图4是表示采用图3所示的转子阀部件234a时的阀部34内的高压流路中的工作气体流速的模拟试验结果的图。在图4中，深灰色部分表示流速较低的区域，浅灰色部分表示流速较高的区域。

从图4中可以理解，在从定子阀部件34b的高压气体流入口62流向气体流通口64的工作气体在转子阀高压凹部68中折返时，流速较低的区域92形成于边缘线78的附近。该区域92几乎不用作流路，反而成为对气体流动带来压力损耗的主要因素。在区域92与转子阀高压凹部68内的气体流动区域之间形成有圆角面状的边界94。

图5是概略地表示本发明的一种实施方式所涉及的转子阀部件34a的立体图。与图2所示的转子阀部件134a及图3所示的转子阀部件234a相同，转子阀部件34a具有转子阀高压凹部68及转子阀开口部70，并且作为吸排气阀而发挥作用。

第1树脂薄壁部80具有第1倾斜接合区域88，第2树脂薄壁部82具有第2倾斜接合区域90。第1倾斜接合区域88连接凹部底壁面72与凹部周壁面74并且相对于凹部底壁面72及凹部周壁面74倾斜。第2倾斜接合区域90连接凹部底壁面72与凹部周壁面74并且相对于凹部底壁面72及凹部周壁面74倾斜。

如图5所示，转子阀部件34a具备遍及凹部周壁面74的整周而连接凹部底壁面72与凹部周壁面74的圆角面。第1倾斜接合区域88及第2倾斜接合区域90分别构成圆角面的一部分。由此，转子阀部件34a的凹部底壁面72形成为圆顶状。转子阀高压凹部68不具有如图3所示的转子阀部件234a所具有的边缘线78，而是从凹部周壁面74向凹部底壁面72平滑地弯曲。

圆顶状的凹部底壁面72确定转子阀高压凹部68的自转子侧旋转滑动面52的最大深度。第1最小树脂厚度84及第2最小树脂厚度86均小于该最大深度。如此，转子阀部件34a的树脂厚度较薄。这有助于转子阀部件34a的小型化。

从圆角加工的容易性的观点考虑，圆角面具有小于第1圆弧状部分76a或第2圆弧状部分76b的半径的圆角半径。并且，圆角半径大于圆弧状部分的半径的1/10。由此，能够获得第1树脂薄壁部80及第2树脂薄壁部82处的应力缓和效应。通过加大圆角半径，能够获得更大的应力缓和效应。

与图3所示的转子阀部件234a相同，第1直线状部分76c及第2直线状部分76d从转子侧旋转滑动面52上的中心部朝向径向外侧延伸，第1直线状部分76c与第2直线状部分76d之间的间隔随着从中心部朝向径向外侧而逐渐变大。

如上所述，转子阀部件34a可以由氟树脂材料制成。此时，圆角面可以具有以如下方式确定的圆角半径，即，使作用于凹部周壁面74上的冯米斯应力的最大值成为小于氟树脂材料的抗拉强度的1/3(或1/5)。圆角半径还可以以如下方式确定，即，使作用于凹部周壁面74上的冯米斯应力的最大值成为小于氟树脂材料的抗拉强度的1/5。通过如此设计转子阀高压凹部68，实际上能够充分降低第1树脂薄壁部80及第2树脂薄壁部82处的转子阀部件34a的破损风险。另外，圆角半径也可以以如下方式确定，即，使作用于凹部周壁面74上的冯米斯应力的最大值成为大于氟树脂材料的抗拉强度的1/6(或1/8)。

图6是表示作用于图5所示的转子阀部件34a的冯米斯应力的模拟试验结果的图。图6表示超低温制冷机10运行中(即，转子阀高压凹部68内的区域成为高压，转子阀部件34a的周围区域(低压气体室42)成为低压的状态)的模拟试验结果。在图6中，深灰色部分表示应力较大的区域，浅灰色部分表示应力较小的区域。在该模拟模型中省略了转子阀开口部70。

从图6中可以理解，冯米斯应力的最大值出现在面向转子阀高压凹部68的第1树脂薄壁部80的内面上。最大值为约6.66MPa。在此，所使用的氟树脂材料的抗拉强度为约37MPa。因此，冯米斯应力的最大值小于所使用材料的抗拉强度的1/5。

另一方面，根据以相同条件进行的模拟试验结果，在具有边缘线78的图3所示的转子阀部件234a的情况下，冯米斯应力的最大值同样出现在第1树脂薄壁部80的内面上，其值为约8.5MPa。

由此，根据本实施方式，通过在转子阀部件34a的树脂薄壁部设置倾斜接合区域，能够减少作用于薄壁部的应力。并且，能够降低薄壁部处的破损风险并提高回转阀机构的可靠性。另外，可以沿图4所示的边界94形成圆顶状的凹部底壁面72。通过用材料填补引起压力损耗的区域92而形成平滑的弯曲表面，能够降低工作气体流的压力损失，并且能够提高超低温制冷机10的制冷性能。

以上，根据实施例对本发明进行了说明。本领域的技术人员可以理解，本发明并不限定于上述实施方式，能够进行各种设计变更，可以存在各种变形例，并且这种变形例也属于本发明的范围内。

在上述实施方式中，第1倾斜接合区域88及第2倾斜接合区域90形成为圆角面，但并不限定于此。第1倾斜接合区域88和/或第2倾斜接合区域90可以是平坦的倾斜面(例如，45度倒角面或其他任意角度的倒角面)。

在上述说明中，对单级式的GM制冷机的实施方式进行了说明。本发明并不限定于此，实施方式所涉及的工作气体流路结构能够适用于二级式或多级式的GM制冷机或脉冲管制冷机等其他超低温制冷机中。

Claims (10)

1.一种超低温制冷机，其特征在于，具备：

工作气体的压缩机，其具备压缩机排出口及压缩机吸入口；

膨胀机，其具备气体膨胀室及与所述压缩机吸入口连通的低压气体室；

定子阀部件，其配设在所述低压气体室，且具备定子侧旋转滑动面、开口于所述定子侧旋转滑动面且与所述压缩机排出口连通的高压气体流入口、及开口于所述定子侧旋转滑动面且与所述气体膨胀室连通的气体流通口；及

转子阀树脂部件，其以相对于所述定子阀部件绕轴旋转的方式配设在所述低压气体室，并且构成为从所述低压气体室隔离转子阀高压凹部，所述转子阀高压凹部形成为，在转子阀树脂部件的一个旋转周期中的一部分期间使所述高压气体流入口与所述气体流通口连通，而在该一个旋转周期的剩余期间使所述高压气体流入口不与所述气体流通口连通，

所述转子阀树脂部件具备：

转子阀外周面，其面向所述低压气体室；

转子侧旋转滑动面，其利用所述转子阀高压凹部的周围与所述定子侧旋转滑动面面接触；

凹部底壁面，其面向所述转子阀高压凹部；

凹部周壁面，其在所述转子侧旋转滑动面上形成凹部轮廓线并从所述凹部轮廓线朝向所述凹部底壁面延伸而形成，并且所述凹部周壁面的距所述转子阀外周面的树脂厚度沿着所述凹部轮廓线而变化；及

第1树脂薄壁部，其具有从所述凹部周壁面到所述转子阀外周面的第1最小树脂厚度，并且具有连接所述凹部底壁面与所述凹部周壁面且相对于所述凹部底壁面及所述凹部周壁面倾斜的第1倾斜接合区域。

2.根据权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述转子阀树脂部件构成为从转子阀开口部隔离所述转子阀高压凹部，所述转子阀开口部形成为在所述一个旋转周期的剩余期间中的至少一部分期间使所述气体流通口与所述低压气体室连通，

所述转子阀树脂部件具备第2树脂薄壁部，所述第2树脂薄壁部具有从所述凹部周壁面到所述转子阀开口部的第2最小树脂厚度，并且所述第2树脂薄壁部具有连接所述凹部底壁面与所述凹部周壁面且相对于所述凹部底壁面及所述凹部周壁面倾斜的第2倾斜接合区域。

3.根据权利要求2所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述转子阀树脂部件具备遍及所述凹部周壁面的整周而连接所述凹部底壁面与所述凹部周壁面的圆角面，所述第1倾斜接合区域及所述第2倾斜接合区域为所述圆角面的一部分。

4.根据权利要求3所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述凹部轮廓线具有至少一个圆弧状部分，所述圆角面具有比所述圆弧状部分的半径小的圆角半径。

5.根据权利要求4所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述圆角半径大于所述圆弧状部分的半径的1/10。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述转子阀树脂部件由氟树脂材料制成，

所述圆角面具有以如下方式确定的圆角半径，即，使作用于所述凹部周壁面上的冯米斯应力的最大值成为小于所述氟树脂材料的抗拉强度的1/3。

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，

所述凹部底壁面确定所述转子阀高压凹部的距所述转子侧旋转滑动面的最大深度，所述第1最小树脂厚度小于所述最大深度。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述高压气体流入口位于所述定子侧旋转滑动面上的中心部，所述气体流通口位于所述定子侧旋转滑动面上的所述高压气体流入口的径向外侧，

所述凹部轮廓线具有从所述转子侧旋转滑动面上的中心部朝向径向外侧延伸的两直线状部分，所述两根直线状部分之间的间隔随着从中心部朝向径向外侧而逐渐变大。

9.一种回转阀机构，其为超低温制冷机的回转阀机构，其特征在于，具备：

定子阀部件，其配设在超低温制冷机的低压气体室，且具备定子侧旋转滑动面、开口于所述定子侧旋转滑动面的高压气体流入口、及开口于所述定子侧旋转滑动面的气体流通口；及

转子阀树脂部件，其以相对于所述定子阀部件绕轴旋转的方式配设在所述低压气体室，并且构成为从所述低压气体室隔离转子阀高压凹部，所述转子阀高压凹部形成为，在转子阀树脂部件的一个旋转周期中的一部分期间使所述高压气体流入口与所述气体流通口连通，而在该一个旋转周期的剩余期间使所述高压气体流入口不与所述气体流通口连通，

所述转子阀树脂部件具备：

转子阀外周面，其面向所述低压气体室；

转子侧旋转滑动面，其利用所述转子阀高压凹部的周围与所述定子侧旋转滑动面面接触；

凹部底壁面，其面向所述转子阀高压凹部；

凹部周壁面，其在所述转子侧旋转滑动面上形成凹部轮廓线并从所述凹部轮廓线朝向所述凹部底壁面延伸而形成，并且所述凹部周壁面的距所述转子阀外周面的树脂厚度沿着所述凹部轮廓线而变化；及

树脂薄壁部，其具有从所述凹部周壁面到所述转子阀外周面的最小树脂厚度，并且具有连接所述凹部底壁面与所述凹部周壁面且相对于所述凹部底壁面及所述凹部周壁面倾斜的倾斜接合区域。

10.一种回转阀机构，其特征在于，具备：

定子阀部件，其具备树脂制的圆顶状高压凹部及金属制的高压流路中的一个；及

转子阀部件，其具备所述树脂制的圆顶状高压凹部及所述金属制的高压流路中的另一个，并且以密封将所述高压流路连通于所述圆顶状高压凹部而形成的高压区域以从低压周围环境隔离该高压区域的方式与所述定子阀部件相邻配置。