CN107091538A - 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，其能够减少超低温制冷机的回转阀机构中的压力损失。超低温制冷机的回转阀机构具备具有定子凹部(64)的阀定子(34b)及具有转子凹部(68)的阀转子(34a)。转子凹部以如下方式形成于阀转子上，即，在阀旋转的第1相位，使转子凹部前缘线(74a)通过定子凹部前缘线(72a)而使转子凹部与定子凹部流体连接，并且在阀旋转的第2相位，使转子凹部后缘线(74b)通过定子凹部后缘线(72b)而使转子凹部从定子凹部流体隔离，并且，转子凹部前缘线的形状与定子凹部前缘线的形状一致，以便在第1相位使转子凹部前缘线与定子凹部前缘线重叠。

Description

超低温制冷机及回转阀机构

本申请主张基于2016年2月18日申请的日本专利申请2016-029022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而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例示性的目的之一在于减少超低温制冷机的回转阀机构中的压力损失。

根据本发明的一种实施方式，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；阀定子，其配设于所述低压气体室，并且所述阀定子具备与阀旋转轴垂直的定子平面、开口于所述定子平面且与所述压缩机排出口连通的高压气体流入口、及将在阀旋转方向上位于彼此分开的位置的定子凹部前缘线及定子凹部后缘线确定在所述定子平面上并且与所述气体膨胀室连通的定子凹部；以及阀转子，其以相对于所述阀定子绕所述阀旋转轴旋转的方式配设于所述低压气体室，所述阀转子具备与所述阀旋转轴垂直且与所述定子平面面接触的转子平面、及将在阀旋转方向上位于彼此分开的位置的转子凹部前缘线及转子凹部后缘线确定在所述转子平面上并且与所述高压气体流入口连通的转子凹部。所述转子凹部以如下方式形成于所述阀转子上，即，在阀旋转的第1相位，使所述转子凹部前缘线通过所述定子凹部前缘线而使所述转子凹部与所述定子凹部流体连接，并且在阀旋转的第2相位，使所述转子凹部后缘线通过所述定子凹部后缘线而使所述转子凹部从所述定子凹部流体隔离。所述转子凹部前缘线的形状与所述定子凹部前缘线的形状一致，以便在所述第1相位使所述转子凹部前缘线与所述定子凹部前缘线重叠。

根据本发明的一种实施方式，超低温制冷机的回转阀机构具备：阀定子，其具备与阀旋转轴垂直的定子平面、及将在阀旋转方向上位于彼此分开的位置的定子凹部前缘线及定子凹部后缘线确定在所述定子平面上并且作为超低温制冷机的工作气体流路的一部分的定子凹部；以及阀转子，其配设成相对于所述阀定子绕所述阀旋转轴旋转，所述阀转子具备与所述阀旋转轴垂直且与所述定子平面面接触的转子平面、及将在阀旋转方向上位于彼此分开的位置的转子凹部前缘线及转子凹部后缘线确定在所述转子平面上并且作为超低温制冷机的工作气体流路的一部分的转子凹部。所述转子凹部以如下方式形成于所述阀转子上，即，在阀旋转的第1相位，使所述转子凹部前缘线通过所述定子凹部前缘线而使所述转子凹部与所述定子凹部流体连接，并且在阀旋转的第2相位，使所述转子凹部后缘线通过所述定子凹部后缘线而使所述转子凹部从所述定子凹部流体隔离。所述转子凹部前缘线的形状与所述定子凹部前缘线的形状一致，以便在所述第1相位使所述转子凹部前缘线与所述定子凹部前缘线重叠。

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，也作为本发明的方式而有效。

根据本发明，能够减少超低温制冷机的回转阀机构中的压力损失。

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的图。

图2是概略地表示本发明的一种实施方式所涉及的阀部的分解立体图。

图3(a)是概略地表示本发明的一种实施方式所涉及的阀转子的俯视图，图3(b)是概略地表示本发明的一种实施方式所涉及的阀定子的俯视图。

图4是用于例示本发明的一种实施方式所涉及的超低温制冷机的动作的图。

图5(a)至图5(d)是用于例示本发明的一种实施方式所涉及的阀部的动作的图。

图6是概略地表示回转阀的图。

图7(a)是概略地表示本发明的另一实施方式所涉及的阀转子的俯视图，图7(b)是概略地表示本发明的另一实施方式所涉及的阀定子的俯视图。

图8(a)至图8(d)是用于例示本发明的另一实施方式所涉及的阀部的动作的图。

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，34a、134a-阀转子，34b、134b-阀定子，40-气体膨胀室，42-低压气体室，50、150-定子平面，52、152-转子平面，62、162-高压气体流入口，64、164-定子凹部，68、168-转子凹部，70、170-低压气体流出口，72a、172a-定子凹部前缘线，72b、172b-定子凹部后缘线，74a、174a-转子凹部前缘线，74b、174b-转子凹部后缘线，76a、176a-流出口前缘线，76b、176b-流出口后缘线。

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，以下叙述的结构只是示例，并不对本发明的范围进行任何限定。

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又被称为冷头。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高压都远高于大气压。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。关于低温部，根据超低温制冷机10的用途而不同，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设置成冷却台32朝上而驱动机构壳体30朝下。或者，也可以将膨胀机14设置成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。回转阀的旋转轴方向与膨胀机的轴向正交。

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经由阀部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返回的气体经由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功能，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功能。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又被称为室温室。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一对驱动轴引导件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具备驱动置换器24的驱动机构48。驱动机构48容纳于低压气体室42，并且包括马达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，并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，简称为阀转子)34a及定子阀金属部件(以下，简称为阀定子)34b。即，阀转子34a由树脂材料(例如，工程塑料材料、氟树脂材料)制成，阀定子34b由金属(例如铝材或钢材)制成。另外，相反地，也可以由金属制成阀转子34a，由树脂制成阀定子34b。阀转子34a及阀定子34b有时分别被称为阀盘及阀主体。

阀转子34a及阀定子34b均配设在低压气体室42。阀转子34a连结于马达48a的输出轴，以便通过马达48a的旋转而旋转。阀转子34a以相对于阀定子34b旋转滑动的方式与阀定子34b面接触。阀定子34b固定在驱动机构壳体30。阀定子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。

图2是概略地表示本发明的一种实施方式所涉及的阀部34的主要部分的分解立体图。图2所示的单点划线表示阀旋转轴Y。并且，图3(a)是概略地表示本发明的一种实施方式所涉及的阀转子34a的俯视图，图3(b)是概略地表示本发明的一种实施方式所涉及的阀定子34b的俯视图。

阀定子34b具有与阀旋转轴Y垂直的定子平面50，阀转子34a也同样具有与阀旋转轴Y垂直的转子平面52。当阀转子34a相对于阀定子34b旋转时，转子平面52相对于定子平面50旋转滑动。通过使定子平面50与转子平面52面接触，防止制冷剂气体泄漏。

阀定子34b通过阀定子固定销54而固定在驱动机构壳体30内。阀定子固定销54与阀定子34b的在旋转轴方向上位于与定子平面50相反一侧的阀定子端面51卡合，从而限制阀定子34b的旋转。

阀转子34a被图1所示的转子轴承56支承为能够旋转。在阀转子34a的、在旋转轴方向上位于与转子平面52相反一侧的阀转子端面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，由此阀转子34a与止转棒轭机构48b同步旋转。并且，阀转子34a具备连接转子平面52与阀转子端面58的转子外周面60。转子外周面60被转子轴承56支承，并且面向低压气体室42。

阀定子34b具有高压气体流入口62及定子凹部64。高压气体流入口62开口于定子平面50的中心部，并且以沿旋转轴方向贯穿阀定子34b的中心部的方式形成。高压气体流入口62将以阀旋转轴Y为中心的圆形状的轮廓确定在定子平面50上。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。定子凹部64开口于定子平面50上的高压气体流入口62的径向外侧。定子凹部64形成为以高压气体流入口62为中心的扇形状。定子凹部64的深度短于阀定子34b的旋转轴方向上的长度，定子凹部64并未贯穿阀定子34b。

阀定子34b具有连通通道66，该连通通道66以使定子凹部64与壳体气体流路36相连的方式贯穿形成于阀定子34b。因此，定子凹部64经由连通通道66及壳体气体流路36最终与气体膨胀室40连通。连通通道66的一端开口于定子凹部64而另一端开口于阀定子34b的侧面。连通通道66的定子凹部64侧的部分沿旋转轴方向延伸，而连通通道66的壳体气体流路36侧的部分则沿径向延伸以与连通通道66的定子凹部64侧的部分正交。

定子凹部64在定子平面50上确定扇形状的定子凹部轮廓72。定子凹部轮廓72具有定子凹部前缘线72a、定子凹部后缘线72b、定子凹部内缘线72c及定子凹部外缘线72d。定子凹部前缘线72a及定子凹部后缘线72b在阀旋转方向R上位于彼此分开的位置，定子凹部内缘线72c及定子凹部外缘线72d在阀径向上位于彼此分开的位置。定子凹部内缘线72c将定子凹部前缘线72a的一端连接于定子凹部后缘线72b的一端，定子凹部外缘线72d将定子凹部前缘线72a的另一端连接于定子凹部后缘线72b的另一端。

定子凹部前缘线72a及定子凹部后缘线72b均为直线。定子凹部前缘线72a及定子凹部后缘线72b分别沿以阀旋转轴Y为中心的第1半径及第2半径而形成在定子平面50上。第1半径及第2半径位于彼此不同的角度位置。

定子凹部内缘线72c及定子凹部外缘线72d均为以阀旋转轴Y为中心的圆弧，并且具有相同的中心角。定子凹部内缘线72c相对于定子凹部外缘线72d位于径向内侧。即，定子凹部内缘线72c的半径小于定子凹部外缘线72d的半径。并且，定子凹部内缘线72c的半径大于高压气体流入口62的圆形轮廓线的半径。

阀转子34a具有转子凹部68及低压气体流出口70。转子平面52利用转子凹部68的周围与定子平面50面接触。同样，转子平面52利用低压气体流出口70的周围与定子平面50面接触。

转子凹部68开口于转子平面52，并且形成为扇形状。转子凹部68从转子平面52的中心部向径向外侧延伸。转子凹部68的深度短于阀转子34a的旋转轴方向上的长度，转子凹部68并未贯穿阀转子34a。转子凹部68位于转子平面52上的与高压气体流入口62相对应的部位，转子凹部68始终与高压气体流入口62连通。

转子凹部68在转子平面52上确定转子凹部轮廓74。转子凹部轮廓74具有转子凹部前缘线74a、转子凹部后缘线74b、转子凹部内缘线74c及转子凹部外缘线74d。转子凹部前缘线74a及转子凹部后缘线74b在阀旋转方向R上位于彼此分开的位置，转子凹部内缘线74c及转子凹部外缘线74d在阀径向上位于彼此分开的位置。转子凹部内缘线74c将转子凹部前缘线74a的一端连接于转子凹部后缘线74b的一端，转子凹部外缘线74d将转子凹部前缘线74a的另一端连接于转子凹部后缘线74b的另一端。

转子凹部前缘线74a及转子凹部后缘线74b均为直线。转子凹部前缘线74a及转子凹部后缘线74b分别沿以阀旋转轴Y为中心的第1半径及第2半径而形成在转子平面52上。第1半径及第2半径位于彼此不同的角度位置。

转子凹部内缘线74c及转子凹部外缘线74d均为以阀旋转轴Y为中心的圆弧。转子凹部内缘线74c的中心角相对于阀旋转轴Y位于与转子凹部外缘线74d的中心角相反的一侧。转子凹部内缘线74c相对于转子凹部外缘线74d位于径向内侧，转子凹部内缘线74c的半径小于定子凹部外缘线72d的半径。转子凹部内缘线74c的半径与高压气体流入口62的圆形轮廓线的半径相等，转子凹部外缘线74d的半径与定子凹部外缘线72d的半径相等。

转子凹部68以如下方式形成于阀转子34a，即，在阀转子34a的一个旋转周期的一部分(例如进气工序)中使高压气体流入口62与定子凹部64连通，在该一个旋转周期的剩余部分(例如排气工序)中使高压气体流入口62不与定子凹部64连通。由转子凹部68及高压气体流入口62构成的两个区域或由转子凹部68、高压气体流入口62及定子凹部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)。阀转子34a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阀定子34b相邻配置。转子凹部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。如此，阀部34构成确定进气工序A1的进气阀V1(参考图4)。

低压气体流出口70开口于转子平面52上的与转子凹部68在径向上相反的一侧，并且以沿旋转轴方向贯穿阀转子34a的方式形成。低压气体流出口70从阀转子34a的转子平面52贯穿至阀转子端面58。低压气体流出口70构成与低压气体室42连通的低压流路。

低压气体流出口70在转子平面52上确定扇形状的流出口轮廓76。流出口轮廓76具有流出口前缘线76a、流出口后缘线76b、流出口内缘线76c及流出口外缘线76d。流出口前缘线76a及流出口后缘线76b在阀旋转方向R上位于彼此分开的位置，流出口内缘线76c及流出口外缘线76d在阀径向上位于彼此分开的位置。流出口内缘线76c将流出口前缘线76a的一端连接于流出口后缘线76b的一端，流出口外缘线76d将流出口前缘线76a的另一端连接于流出口后缘线76b的另一端。流出口轮廓76具有与定子凹部轮廓72大致相同的形状。

流出口前缘线76a及流出口后缘线76b均为直线。流出口前缘线76a及流出口后缘线76b分别沿以阀旋转轴Y为中心的第3半径及第4半径而形成在定子平面50上。第3半径及第4半径分别位于第1半径及第2半径的大致相反侧。因此，流出口前缘线76a从转子凹部前缘线74a大致分开180度，流出口后缘线76b从转子凹部后缘线74b大致分开180度。

流出口内缘线76c及流出口外缘线76d均为以阀旋转轴Y为中心的圆弧，并且具有相同的中心角。流出口内缘线76c相对于流出口外缘线76d位于径向内侧。即，流出口内缘线76c的半径小于流出口外缘线76d的半径。流出口内缘线76c的半径与定子凹部内缘线72c的半径相等，流出口外缘线76d的半径与定子凹部外缘线72d的半径相等。

低压气体流出口70以如下方式形成于阀转子34a，即，在高压气体流入口62并未与定子凹部64连通的期间的至少一部分(例如排气工序)中使定子凹部64与低压气体室42连通。如此，阀部34构成确定排气工序A2的排气阀V2(参考图4)。

下面，对具有上述结构的超低温制冷机10的动作进行说明。图4是用于例示本发明的一种实施方式所涉及的超低温制冷机10的动作的图。图5(a)至图5(d)是用于例示本发明的一种实施方式所涉及的阀部34的动作的图。

图4中例示有超低温制冷机10的进气工序A1及排气工序A2。在图4中，与360度对应地示出了阀部34的一个旋转周期(也是置换器24的轴向往复移动的一个周期)。0度相当于周期的开始时刻，360度相当于周期的结束时刻。90度、180度、270度分别相当于1/4周期、半周期、3/4周期。

进气工序A1是从阀旋转的第1相位θ1至第2相位θ2的范围，排气工序A2是从阀旋转的第3相位θ3至第4相位θ4的范围。进气工序A1与排气工序A2彼此交替。在即将开始排气工序A2之前结束进气工序A1，并且在即将开始进气工序A1之前结束排气工序A2，以免进气工序A1与排气工序A2彼此重叠。在第1相位θ1，置换器24位于下止点或其附近，在第3相位θ3，置换器24位于上止点或其附近。

在图4中，第1相位θ1为约0度，第2相位θ2为约180度。第3相位θ3为约180度，第4相位θ4为约360度。但是，第1相位θ1、第2相位θ2、第3相位θ3及第4相位θ4并不限定于此。

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的进气工序A1。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的容积增加。如此，气体膨胀室40被高压气体充满。

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。由此结束进气工序A1并开始排气工序A2。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经由壳体气体流路36、阀部34及低压气体室42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的容积减少，低压气体从气体膨胀室40排出。若排气工序A2结束，则再次开始进气工序A1。

图5(a)、图5(b)、图5(c)及图5(d)分别表示第1相位θ1、第2相位θ2、第3相位θ3及第4相位θ4时的阀转子34a与阀定子34b的相对位置。阀转子34a相对于阀定子34b沿阀旋转方向R(图中逆时针方向)旋转。图中，以实线表示阀定子34b的高压气体流入口62及定子凹部64，以虚线表示阀转子34a的转子凹部68及低压气体流出口70。

在第1相位θ1，转子凹部前缘线74a通过定子凹部前缘线72a而使转子凹部68与定子凹部64流体连接。图5(a)表示转子凹部前缘线74a刚通过定子凹部前缘线72a之后的状态。转子凹部前缘线74a的形状与定子凹部前缘线72a的形状一致，并且在第1相位θ1，转子凹部前缘线74a与定子凹部前缘线72a重叠。如此，在第1相位θ1，进气阀V1被开启从而开始进气工序A1。在进行进气工序A1的期间，低压气体流出口70从定子凹部64流体隔离。

在第2相位θ2，转子凹部后缘线74b通过定子凹部后缘线72b而使转子凹部68从定子凹部64流体隔离。图5(b)表示转子凹部后缘线74b即将通过定子凹部后缘线72b之前的状态。转子凹部后缘线74b的形状与定子凹部后缘线72b的形状一致，并且在第2相位θ2，转子凹部后缘线74b与定子凹部后缘线72b重叠。如此，在第2相位θ2，进气阀V1被关闭从而结束进气工序A1。

在第3相位θ3，流出口前缘线76a通过定子凹部前缘线72a而使低压气体流出口70与定子凹部64流体连接。图5(c)表示流出口前缘线76a刚通过定子凹部前缘线72a之后的状态。流出口前缘线76a的形状与定子凹部前缘线72a的形状一致，并且在第3相位θ3，流出口前缘线76a与定子凹部前缘线72a重叠。如此，在第3相位θ3，排气阀V2被开启从而开始排气工序A2。在进行排气工序A2的期间，转子凹部68从定子凹部64流体隔离。

在第4相位θ4，流出口后缘线76b通过定子凹部后缘线72b而使低压气体流出口70从定子凹部64流体隔离。图5(d)表示流出口后缘线76b即将通过定子凹部后缘线72b之前的状态。流出口后缘线76b的形状与定子凹部后缘线72b的形状一致，并且在第4相位θ4，流出口后缘线76b与定子凹部后缘线72b重叠。如此，在第4相位θ4，排气阀V2被关闭从而结束排气工序A2。

如此，在进气工序A1中，高压气体从高压气体流入口62通过转子凹部68而流向定子凹部64。高压气体最终流入气体膨胀室40。另一方面，在排气工序A2中，从气体膨胀室40返回的低压气体从定子凹部64通过低压气体流出口70而流向低压气体室42。

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冷却至所希望的温度。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6是概略地表示一回转阀90的图。回转阀90具有第1定子圆形孔91、第2定子圆形孔92、转子椭圆孔93及转子圆形孔94。图6中示出进气工序开始时刻的情况。如图6所示，转子椭圆孔93与第2定子圆形孔92在一个接触点95上相连。

如此，在回转阀90的旋转流路与静止流路在一个点上重叠的情况下，该重叠部分的流路截面积极小。因此，在重叠部分，工作气体流动的压力损失会变大。压力损失的增加可能会降低制冷机的制冷效率。

相对于此，阀部34构成为在阀开闭时阀转子34a的流路与阀定子34b的流路以直线重叠。由此，能够加大重叠部分的流路截面积。因此工作气体流动的压力损失减少，从而能够提高超低温制冷机10的制冷性能。

由于阀开启时的压力差较大，因此基于流路截面积的增加的压力损失减少效果变大。因此阀部34优选可以构成为，至少在开始进气工序A1时转子凹部68与定子凹部64以线重叠。并且，阀部34可以构成为，至少在开始排气工序A2时低压气体流出口70与定子凹部64以线重叠。

图7(a)是概略地表示本发明的另一实施方式所涉及的阀转子134a的俯视图，图7(b)是概略地表示本发明的另一实施方式所涉及的阀定子134b的俯视图。图8(a)至图8(d)是用于例示本发明的另一实施方式所涉及的阀部134的动作的图。

如以下说明，流路孔的形状也可以不同于参考图1至图5进行叙述的实施方式。与已经叙述的实施方式相同，阀部134构成进气阀及排气阀。

阀定子134b具有高压气体流入口162及定子凹部164。高压气体流入口162将以阀旋转轴Y为中心的圆形状的轮廓确定在定子平面150上。定子凹部164开口于定子平面150上的高压气体流入口162的径向外侧，并且形成为扇形状。

定子凹部164在定子平面150上具有定子凹部前缘线172a、定子凹部后缘线172b、定子凹部内缘线172c及定子凹部外缘线172d。定子凹部前缘线172a及定子凹部后缘线172b在阀旋转方向R上位于彼此分开的位置，定子凹部内缘线172c及定子凹部外缘线172d在阀径向上位于彼此分开的位置。定子凹部内缘线172c将定子凹部前缘线172a的一端连接于定子凹部后缘线172b的一端，定子凹部外缘线172d将定子凹部前缘线172a的另一端连接于定子凹部后缘线172b的另一端。

定子凹部前缘线172a及定子凹部后缘线172b均为直线。定子凹部前缘线172a及定子凹部后缘线172b分别沿与以阀旋转轴Y为中心的第1半径及第2半径交叉的方向而形成在定子平面150上。第1半径及第2半径位于彼此不同的角度位置。

定子凹部内缘线172c及定子凹部外缘线172d均为以阀旋转轴Y为中心的圆弧。定子凹部外缘线172d的中心角大于定子凹部内缘线172c的中心角。定子凹部内缘线172c相对于定子凹部外缘线172d位于径向内侧，定子凹部内缘线172c的半径小于定子凹部外缘线172d的半径。并且，定子凹部内缘线172c的半径大于高压气体流入口162的圆形轮廓线的半径。

阀转子134a具有转子凹部168及低压气体流出口170。转子平面152利用转子凹部168的周围与定子平面150面接触。同样，转子平面152利用低压气体流出口170的周围与定子平面150面接触。

转子凹部168开口于转子平面152，并且形成为椭圆状。转子凹部168从转子平面152的中心部向径向外侧延伸。转子凹部168位于转子平面152上的与高压气体流入口162相对应的部位，转子凹部168始终与高压气体流入口162连通。

转子凹部168在转子平面152上具有转子凹部前缘线174a、转子凹部后缘线174b、转子凹部内缘线174c及转子凹部外缘线174d。转子凹部前缘线174a及转子凹部后缘线174b在阀旋转方向R上位于彼此分开的位置，转子凹部内缘线174c及转子凹部外缘线174d在阀径向上位于彼此分开的位置。转子凹部内缘线174c将转子凹部前缘线174a的一端连接于转子凹部后缘线174b的一端，转子凹部外缘线174d将转子凹部前缘线174a的另一端连接于转子凹部后缘线174b的另一端。转子凹部168的径向外侧的宽度大于中心部的宽度。

转子凹部前缘线174a及转子凹部后缘线174b均为直线。转子凹部前缘线174a及转子凹部后缘线174b从转子平面152的中心部向径向外侧延伸，转子凹部前缘线174a与转子凹部后缘线174b之间的间隔随着从中心部朝向径向外侧而逐渐变宽。转子凹部内缘线174c为半圆状，转子凹部内缘线174c的半径与高压气体流入口162的圆形轮廓线的半径相等。转子凹部外缘线174d在与定子凹部外缘线172d相同的径向位置沿定子凹部外缘线172d弯曲。

低压气体流出口170在转子平面152上具有流出口前缘线176a、流出口后缘线176b、流出口内缘线176c及流出口外缘线176d。流出口前缘线176a及流出口后缘线176b在阀旋转方向R上位于彼此分开的位置，流出口内缘线176c及流出口外缘线176d在阀径向上位于彼此分开的位置。流出口内缘线176c将流出口前缘线176a的一端连接于流出口后缘线176b的一端，流出口外缘线176d将流出口前缘线176a的另一端连接于流出口后缘线176b的另一端。

流出口前缘线176a及流出口后缘线176b均为直线。流出口前缘线176a及流出口后缘线176b分别沿与以阀旋转轴Y为中心的第3半径及第4半径交叉的方向而形成在定子平面150上。第3半径及第4半径相对于阀旋转轴Y分别位于第1半径及第2半径的大致相反侧。

流出口内缘线176c及流出口外缘线176d均为以阀旋转轴Y为中心的圆弧。流出口内缘线176c的中心角大于流出口外缘线176d的中心角。流出口内缘线176c相对于流出口外缘线176d位于径向内侧，流出口内缘线176c的半径小于流出口外缘线176d的半径。流出口内缘线176c的半径与定子凹部内缘线172c的半径相等，流出口外缘线176d的半径与定子凹部外缘线172d的半径相等。

图8(a)、图8(b)、图8(c)及图8(d)分别表示第1相位、第2相位、第3相位及第4相位时的阀转子134a与阀定子134b的相对位置。阀转子134a相对于阀定子134b沿阀旋转方向R(图中逆时针方向)旋转。图中，以实线表示阀定子134b，以虚线表示阀转子134a。

如图8(a)所示，在第1相位，转子凹部前缘线174a通过定子凹部前缘线172a而使转子凹部168与定子凹部164流体连接。转子凹部前缘线174a的形状与定子凹部前缘线172a的形状一致，并且在第1相位，转子凹部前缘线174a与定子凹部前缘线172a重叠。如此，在第1相位，进气阀被开启从而开始进气工序。在进行进气工序的期间，低压气体流出口170从定子凹部164流体隔离。

如图8(b)所示，在第2相位，转子凹部后缘线174b通过定子凹部后缘线172b而使转子凹部168从定子凹部164流体隔离。转子凹部后缘线174b的形状与定子凹部后缘线172b的形状一致，并且在第2相位，转子凹部后缘线174b与定子凹部后缘线172b重叠。如此，在第2相位，进气阀被关闭从而结束进气工序。

如图8(c)所示，在第3相位，流出口前缘线176a通过定子凹部前缘线172a而使低压气体流出口170与定子凹部164流体连接。流出口前缘线176a的形状与定子凹部前缘线172a的形状一致，并且在第3相位，流出口前缘线176a与定子凹部前缘线172a重叠。如此，在第3相位，排气阀被开启从而开始排气工序。在进行排气工序的期间，转子凹部168从定子凹部164流体隔离。

如图8(d)所示，在第4相位，流出口后缘线176b通过定子凹部后缘线172b而使低压气体流出口170从定子凹部164流体隔离。流出口后缘线176b的形状与定子凹部后缘线172b的形状一致，并且在第4相位，流出口后缘线176b与定子凹部后缘线172b重叠。如此，在第4相位，排气阀被关闭从而结束排气工序。

如此，在进气工序中，高压气体从高压气体流入口162通过转子凹部168而流向定子凹部164。高压气体最终流入气体膨胀室40。另一方面，在排气工序中，从气体膨胀室40返回的低压气体从定子凹部164通过低压气体流出口170而流向低压气体室42。

阀部134构成为，在阀开闭时阀转子134a的流路与阀定子134b的流路以直线重叠。由此，能够加大重叠部分的流路截面积，因此工作气体流动的压力损失减少，从而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。本发明并不限定于上述实施方式，能够进行各种设计变更，能够存在各种变形例，并且这种变形例也属于本发明的范围，这对于本领域技术人员而言是可以理解的。

在上述实施方式中，阀部34、134构成为在阀开闭时阀转子34a、134a的流路与阀定子34b、134b的流路以直线重叠。但是，在一种实施方式中，阀部也可以构成为在阀开闭时阀转子的流路与阀定子的流路以曲线重叠。曲线例如可以是圆弧状的曲线。

可以将转子凹部前缘线及定子凹部前缘线分别设为曲线，并且使转子凹部前缘线的形状与定子凹部前缘线的形状一致，以便在第1相位使转子凹部前缘线与定子凹部前缘线重叠。也可以将转子凹部后缘线及定子凹部后缘线分别设为曲线，并且使转子凹部后缘线的形状与定子凹部后缘线的形状一致，以便在第2相位使转子凹部后缘线与定子凹部后缘线重叠。

可以将流出口前缘线及定子凹部前缘线分别设为曲线，并且使流出口前缘线的形状与定子凹部前缘线的形状一致，以便在第3相位使流出口前缘线与定子凹部前缘线重叠。也可以将流出口后缘线及定子凹部后缘线分别设为曲线，并且使流出口后缘线的形状与定子凹部后缘线的形状一致，以便在第4相位使流出口后缘线与定子凹部后缘线重叠。

并且，阀部中的流路也可以采用各种结构。在上述实施方式中，转子凹部68并未贯穿阀转子34a而在阀转子34a内具有底面。但是，取而代之，转子凹部也可以是贯穿阀转子的贯穿孔。同样地，定子凹部也可以是贯穿阀定子的贯穿孔。高压气体流入口也可以不贯穿阀定子而在阀定子内具有底面。低压气体流出口也可以不贯穿阀转子而在阀转子内具有底面。高压气体流入口也可以形成于阀转子。低压气体流出口也可以形成于阀定子。

在上面，对超低温制冷机为单级式的GM制冷机的实施方式进行了说明。本发明并不限定于此，实施方式所涉及的阀结构也可以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。

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；

阀定子，其配设于所述低压气体室，所述阀定子具备与阀旋转轴垂直的定子平面、开口于所述定子平面且与所述压缩机排出口连通的高压气体流入口、及将在阀旋转方向上位于彼此分开的位置的定子凹部前缘线及定子凹部后缘线确定在所述定子平面上并且与所述气体膨胀室连通的定子凹部；以及

阀转子，其以相对于所述阀定子绕所述阀旋转轴旋转的方式配设于所述低压气体室，所述阀转子具备与所述阀旋转轴垂直且与所述定子平面面接触的转子平面、及将在阀旋转方向上位于彼此分开的位置的转子凹部前缘线及转子凹部后缘线确定在所述转子平面上并且与所述高压气体流入口连通的转子凹部，

所述转子凹部以如下方式形成于所述阀转子上，即，在阀旋转的第1相位，使所述转子凹部前缘线通过所述定子凹部前缘线而使所述转子凹部与所述定子凹部流体连接，并且在阀旋转的第2相位，使所述转子凹部后缘线通过所述定子凹部后缘线而使所述转子凹部从所述定子凹部流体隔离，

所述转子凹部前缘线的形状与所述定子凹部前缘线的形状一致，以便在所述第1相位使所述转子凹部前缘线与所述定子凹部前缘线重叠。

2.根据权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述转子凹部前缘线及所述定子凹部前缘线均为直线。

3.根据权利要求1或2所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述转子凹部后缘线的形状与所述定子凹部后缘线的形状一致，以便在所述第2相位使所述转子凹部后缘线与所述定子凹部后缘线重叠。

4.根据权利要求3所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述转子凹部后缘线及所述定子凹部后缘线均为直线。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述阀转子具备低压气体流出口，该低压气体流出口将在阀旋转方向上位于彼此分开的位置的流出口前缘线及流出口后缘线确定在所述转子平面上并且与所述低压气体室连通，

所述低压气体流出口以如下方式形成于所述阀转子上，即，在阀旋转的第3相位，使所述流出口前缘线通过所述定子凹部前缘线而使所述低压气体流出口与所述定子凹部流体连接，并且在阀旋转的第4相位，使所述流出口后缘线通过所述定子凹部后缘线而使所述低压气体流出口从所述定子凹部流体隔离，

所述流出口前缘线的形状与所述定子凹部前缘线的形状一致，以便在所述第3相位使所述流出口前缘线与所述定子凹部前缘线重叠。

6.根据权利要求5所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述流出口前缘线及所述定子凹部前缘线均为直线。

7.根据权利要求5或6所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述流出口后缘线的形状与所述定子凹部后缘线的形状一致，以便在所述第4相位使所述流出口后缘线与所述定子凹部后缘线重叠。

8.根据权利要求7所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述流出口后缘线及所述定子凹部后缘线均为直线。

9.一种超低温制冷机的回转阀机构，其特征在于，具备：

阀定子，其具备与阀旋转轴垂直的定子平面、及将在阀旋转方向上位于彼此分开的位置的定子凹部前缘线及定子凹部后缘线确定在所述定子平面上并且作为超低温制冷机的工作气体流路的一部分的定子凹部；以及

阀转子，其配设成相对于所述阀定子绕所述阀旋转轴旋转，所述阀转子具备与所述阀旋转轴垂直且与所述定子平面面接触的转子平面、及将在阀旋转方向上位于彼此分开的位置的转子凹部前缘线及转子凹部后缘线确定在所述转子平面上并且作为超低温制冷机的工作气体流路的一部分的转子凹部，

所述转子凹部以如下方式形成于所述阀转子上，即，在阀旋转的第1相位，使所述转子凹部前缘线通过所述定子凹部前缘线而使所述转子凹部与所述定子凹部流体连接，并且在阀旋转的第2相位，使所述转子凹部后缘线通过所述定子凹部后缘线而使所述转子凹部从所述定子凹部流体隔离，

所述转子凹部前缘线的形状与所述定子凹部前缘线的形状一致，以便在所述第1相位使所述转子凹部前缘线与所述定子凹部前缘线重叠。

10.一种超低温制冷机，其特征在于，

所述超低温制冷机具备权利要求9所述的回转阀机构。