CN107449171A - 超低温制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超低温制冷机，其抑制作用于超低温制冷机的阀定子与阀转子之间的推压力变动。超低温制冷机具备：壳体(30)，在所述壳体的内部划定有低压气体室(42)；阀定子(34b)，在所述阀定子与壳体之间划定有变压区(84)及高压区(80)；阀转子(34a)；第1密封部件(74)，以密封高压区(80)的方式与高压区相邻配置，并且包围第1面积(A1)；第2密封部件(76)，以密封变压区(84)的方式与变压区相邻配置，并且包围比第1面积(A1)更大的第2面积(A2)；及第3密封部件(78)，以密封变压区(84)的方式与变压区相邻配置，并且包围比第2面积(A2)更大的第3面积(A3)。

Description

超低温制冷机

本申请主张基于2016年5月31日申请的日本专利申请第2016-108965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。

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)的膨胀机和压缩机。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该置换器中的蓄冷器。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。回转阀机构的阀定子与阀转子以防止或最小化气体从它们的接触面泄漏的方式被彼此压紧。为了实现这种压紧，可以利用接触面与阀定子的背面之间的压差。

专利文献1：日本特开2001-241796号公报

但是，在阀定子与阀转子的接触面产生的气体压力在阀的一个旋转周期中变动。由此，用于推压的压差也会变动。例如，在供给高压工作气体时压差变得最小，而在回收低压工作气体时压差变得最大。随着压差的变动，阀定子与阀转子之间的推压力也会变动。

发明内容

本发明的一种实施方式的例示性目的之一在于，抑制作用于超低温制冷机的阀定子与阀转子之间的推压力变动。

根据本发明的一种实施方式，超低温制冷机具备：壳体，在所述壳体的内部划定有低压气体室；阀定子，在所述低压气体室内固定于所述壳体，并且在所述阀定子与所述壳体之间划定有变压区及高压区；阀转子，以在所述低压气体室内相对于所述阀定子能够围绕阀旋转轴旋转的方式支承于所述壳体，并且所述阀转子构成为在阀转子的一个旋转周期的一部分中使所述高压区与所述变压区连通，在该一个旋转周期的其他部分中使所述低压气体室与所述变压区连通；第1密封部件，在所述壳体与所述阀定子之间围绕所述阀旋转轴延伸，并且以密封所述高压区的方式与所述高压区相邻配置，并且包围第1面积；第2密封部件，在所述壳体与所述阀定子之间围绕所述阀旋转轴延伸，并且以密封所述变压区的方式与所述变压区相邻配置，并且包围比所述第1面积更大的第2面积；及第3密封部件，在所述壳体与所述阀定子之间围绕所述阀旋转轴延伸，并且以密封所述变压区的方式与所述变压区相邻配置，并且包围比所述第2面积更大的第3面积。

根据本发明，能够抑制作用于超低温制冷机的阀定子与阀转子之间的推压力的变动。

附图说明

图1为概略地表示一种实施方式所涉及的超低温制冷机的图。

图2为概略地表示可使用于图1所示的超低温制冷机的阀部的主要部分的立体分解图。

图3(a)及图3(b)为举例说明图2所示的阀部的动作的图。

图4为概略地表示一种实施方式所涉及的阀部及其周边结构的图。

图5为概略地表示一种实施方式所涉及的阀部与其周边结构的图。

图6为图4及图5所示的阀定子的概略俯视图。

图7为概略地表示另一实施方式所涉及的阀部与其周边结构的图。

图8为概略地表示另一实施方式所涉及的阀部与其周边结构的图。

图9为概略地表示另一实施方式所涉及的阀部与其周边结构的图。

图中：10-超低温制冷机，30-壳体，34a-阀转子，34b-阀定子，42-低压气体室，44-密封部，73-低压导入通道，74-第1密封部件，76-第2密封部件，78-第3密封部件，80-高压区，84-变压区，86-第1定子圆周面，90-第2定子圆周面，94-第3定子圆周面。

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，在以下说明中，对相同要件标注相同符号，并适当省略重复说明。并且，以下所述的结构为例示，并不对本发明的范围作任何限定。

图1为概略地表示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：压缩机12，压缩工作气体；及膨胀机14，使工作气体通过绝热膨胀而被冷却。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的吐出口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。而为了便于说明，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和膨胀机静止部分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中为上下方向)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质上为圆柱状的形状。置换器部件24a具有在轴向上实质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质上为圆柱状的形状。

膨胀机静止部分22大致具有由缸体28及驱动机构壳体(以下简称为壳体)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从壳体30沿轴向延伸。缸体28具有在轴向上实质上相同的内径，因此，缸体28具有沿轴向延伸的实质上为圆筒的内表面。其内径稍微大于置换器部件24a的外径。

并且，膨胀机静止部分22包括冷却台32。冷却台32在轴向上的与壳体30相反的一侧固定于缸体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。该物体安装于冷却台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(图中为横向)，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。回转阀旋转轴方向与膨胀机轴向正交。

在超低温制冷机10工作时，蓄冷器16在轴向上的一侧(图中为上侧)具有蓄冷器高温部16a而在相反的一侧(图中为下侧)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。

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、置换器上部气体流路38、置换器下部气体流路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、置换器上部气体流路38、蓄冷器16及置换器下部气体流路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部气体流路39、蓄冷器16、置换器上部气体流路38、上部气体室37、壳体气体流路36、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。壳体气体流路36形成于壳体30并且开口于上部气体室37。壳体气体流路36始于阀部34并止于上部气体室37。即，壳体气体流路36的一端连接于阀部34的气体通道，壳体气体流路36的另一端连接于上部气体室37。

上部气体室37在蓄冷器高温部16a侧形成于膨胀机静止部分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相邻。上部气体室37又被称为室温室。上部气体室37为形成于膨胀机可动部分20与膨胀机静止部分22之间的可变容积。

置换器上部气体流路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。置换器下部气体流路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的侧面设置有密封置换器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部气体流路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侧形成于缸体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划定在壳体30的内部。第2管18b连接于壳体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。

下面，对膨胀机14的驱动结构进行说明。如图1所示，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支承为能够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的方式设置于壳体30。轴向上的下侧的驱动轴引导件46b或壳体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的驱动而沿轴向移动。因此，通过马达48a的旋转，驱动置换器24沿轴向往复移动。驱动轴引导件46a、46b在轴向上夹着止转棒轭机构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有时还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固定在壳体30。阀定子34b构成为接受从第1管18a进入壳体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。置换器24向缸体28的下止点或其附近位置移动时，阀部34被切换成使压缩机12的吐出口12a与气体膨胀室40连通。从而开始超低温制冷机10的进气工序。高压气体从阀部34经过壳体气体流路36、上部气体室37、置换器上部气体流路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经过置换器下部气体流路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。

置换器24向缸体28的上止点或其附近位置移动时，阀部34被切换成使压缩机12的吸入口12b与气体膨胀室40连通。由此，结束进气工序而开始排气工序。高压气体在气体膨胀室40膨胀并被冷却。已膨胀的气体从气体膨胀室40经过置换器下部气体流路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经过壳体气体流路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。若排气工序结束，则重新开始进气工序。

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冷却至所希望的温度。因此，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的阀部34的主要部分的立体分解图。图2所示的单点划线表示阀旋转轴Y。

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，并且形成为沿旋转轴方向贯穿阀定子34b的中心部。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的吐出口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为中心的圆弧状。定子凹部64的深度短于阀定子34b在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而另一端开口于定子侧面67。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，其与连通通道66的定子凹部64侧的部分正交。定子侧面67为围绕阀旋转轴Y延伸的阀定子34b的外周面，其连接定子平面50与阀定子端面51。

在超低温制冷机10的进气工序中，高压气体流过定子凹部64及连通通道66，而在排气工序中则来自气体膨胀室40的低压返回气体流过定子凹部64及连通通道66。

阀转子34a具有转子凹部68及低压气体流出口70(作为第2转子凹部)。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，并且形成为椭圆状。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在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。由此，阀部34构成进气阀。

低压气体流出口70开口于转子平面52上的在径向上与转子凹部68相反的一侧，并且形成为沿旋转轴方向贯穿阀转子34a。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形成为，位于与阀定子34b的定子凹部64大致相同的圆周上。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。由此，阀部34构成排气阀。

图3(a)及图3(b)为举例说明图2所示的阀部34的动作的图。图3(a)及图3(b)表示从阀转子34a侧透视观察阀部34时的状态，并且示出了高压气体流入口62、定子凹部64、转子凹部68及低压气体流出口70之间的相对位置。阀转子34a相对于阀定子34b沿阀旋转方向R(图中为逆时针方向)旋转。在此，用虚线表示阀定子34b的高压气体流入口62及定子凹部64，用实线表示阀转子34a的转子凹部68及低压气体流出口70。

在图3(a)中示出进气工序开始时刻的状态。转子凹部68与定子凹部64相连。由此，高压气体流入口62通过转子凹部68而与定子凹部64流体连接。如图3(a)中斜线所示，定子平面50上的高压区域的面积比较大。由于阀转子34a及阀定子34b配设于低压气体室42，因此，可以认为斜线部外侧的区域大体为低压。如此，在进气工序中，高压区域的面积扩大，作用于定子平面50的平均压力变得较高。

在图3(b)中示出排气工序开始时刻的状态。低压气体流出口70与定子凹部64相连。转子凹部68从定子凹部64流体隔离。因此，如图3(b)中斜线所示，定子平面50上的高压区域的面积限定在转子凹部68而比较小。可以认为斜线部外侧的区域大体为低压。如此，在排气工序中，高压区域的面积缩小，作用于定子平面50的平均压力变得较低。

如此，作用于定子平面50的压力随着阀旋转而变化，而作用于位于与定子平面50相反的一侧的阀定子端面51的压力则不变。高压始终作用于阀定子端面51。

因此，作用于阀定子34b的压差(即，定子平面50与阀定子端面51之间的压力差)在进气工序中减少，而在排气工序中增加。在该压差的作用下，阀定子34b推向阀转子34a。因此，作用于阀定子34b与阀转子34a之间的推压力也同样在进气工序中减少，在排气工序中增加。

图4及图5为概略地表示一种实施方式所涉及的阀部34及其周边结构的图。为了便于理解，在图4中用虚线表示进气工序中的工作气体流路结构，在图5中用虚线表示排气工序中的工作气体流路结构。并且，图6为图4及图5所示的阀定子34b的概略俯视图。

图4至图6所示的实施方式所涉及的阀部34中，阀定子34b具有三级结构，这一点不同于图2所示的具有无级的阀定子34b的阀部34。就气体流路结构、相对于壳体30的固定等阀定子34b的其他特征而言，图4至图6所示的阀定子34b和图2所示的阀定子34b可以相同。因此，如虚线所示，在图4至图6所示的阀定子34b的内部形成有高压气体流入口62、定子凹部64及连通通道66。另外，图4及图5所示的阀转子34a的结构可以与图2所示的阀转子34a的结构相同。因此，如虚线所示，在图4及图5所示的阀转子34a的内部形成有转子凹部68及低压气体流出口70。

壳体30具备用于容纳阀定子34b的三级结构的定子容纳凹面71。在壳体30，除了形成有上述的壳体气体流路36之外，还形成有高压气体入口72和低压导入通道73。

高压气体入口72贯穿形成于壳体30，以便从压缩机12(参考图1)的吐出口12a将压力(即高压)导入到阀定子34b与定子容纳凹面71之间的间隙中。高压气体入口72的一端连接于第1管18a，高压气体入口72的另一端开口于定子容纳凹面71。高压气体入口72朝向阀定子端面51开口。

低压导入通道73贯穿形成于壳体30，以便从低压气体室42将压力(即低压)导入到阀定子34b与定子容纳凹面71之间的间隙中。低压导入通道73的一端连接于低压气体室42，低压导入通道73的另一端开口于定子容纳凹面71。

在阀定子34b与定子容纳凹面71之间，与三级结构的各个级相对应地设置有三个密封部件，即第1密封部件74、第2密封部件76及第3密封部件78。通过这些密封部件，阀定子34b与定子容纳凹面71之间的间隙被分隔为高压区80、低压区82、变压区84。密封部件也可以容纳于形成在阀定子34b或定子容纳凹面71的密封部件容纳槽中。密封部件为环状的密封部件，例如O型环。

由此，以低压气体室42、变压区84、高压区80沿阀旋转轴Y的方向(图4及图5中为左右方向)依次配置的方式在阀定子34b与壳体30之间划定变压区84及高压区80。更具体而言，以低压气体室42、变压区84、恒压区、高压区80沿阀旋转轴Y的方向依次配置的方式在阀定子34b与壳体30之间划定变压区84、恒压区及高压区80。恒压区可以是低压区82。

阀转子34a以在低压气体室42相对于阀定子34b能够围绕阀旋转轴Y旋转的方式支承于壳体30。阀转子34a在阀旋转轴Y的方向上相对于变压区84配设于低压气体室42侧。阀转子34a构成为，在阀转子的一个旋转周期的一部分(例如进气工序)中使高压区80与变压区84连通，而在该一个旋转周期的其他部分(例如排气工序)中使低压气体室42与变压区84连通。

第1密封部件74在壳体30与阀定子34b之间围绕阀旋转轴Y延伸。第1密封部件74包围第1面积A1。第1面积A1为用与阀旋转轴Y垂直的平面剖切的截面上的面积(后述的第2面积A2及第3面积A3也相同)。第1密封部件74以密封高压区80的方式与高压区80相邻配置。第1密封部件74构成为从低压区82密封高压区80。

第2密封部件76在壳体30与阀定子34b之间围绕阀旋转轴Y延伸。第2密封部件76包围比第1面积A1更大的第2面积A2。第2密封部件76在阀旋转轴Y的方向上配设于第1密封部件74与阀转子34a之间。第2密封部件76以密封变压区84的方式与变压区84相邻配置。第2密封部件76构成为从低压区82密封变压区84。

第3密封部件78在壳体30与阀定子34b之间围绕阀旋转轴Y延伸。第3密封部件78包围比第2面积A2更大的第3面积A3。第3密封部件78在阀旋转轴Y的方向上配置于第2密封部件76与阀转子34a之间。第3密封部件78以密封变压区84的方式与变压区84相邻配置。第3密封部件78构成为从低压气体室42密封变压区84。

阀定子34b除了具备上述定子平面50及阀定子端面51之外，还具备面向定子容纳凹面71并且连接定子平面50和阀定子端面51的定子外周面。定子外周面具有三个台阶部。具体而言，阀定子34b具备第1定子圆周面86、第1定子台阶部88、第2定子圆周面90、第2定子台阶部92、第3定子圆周面94。阀定子34b的外形具有以阀旋转轴Y为中心而轴对称的形状，因此第1定子圆周面86、第1定子台阶部88、第2定子圆周面90、第2定子台阶部92、第3定子圆周面94均与阀旋转轴Y同轴。

第1定子圆周面86以阀旋转轴Y为中心具有第1半径R1以确定第1面积A1。第1定子圆周面86沿阀旋转轴Y的方向延伸以连接阀定子端面51与第1定子台阶部88。第1密封部件74在壳体30与第1定子圆周面86之间围绕阀旋转轴Y延伸。第1密封部件74安装成夹在第1定子圆周面86与定子容纳凹面71之间。

第1定子台阶部88为从第1定子圆周面86朝向径向外侧扩展的平坦的圆环区域。第1定子台阶部88与垂直于阀旋转轴Y的平面平行，并且面朝与定子平面50相反的一侧。第1定子台阶部88连接第1定子圆周面86与第2定子圆周面90。第1定子台阶部88的面积等于第2面积A2与第1面积A1之差。

第2定子圆周面90以阀旋转轴Y为中心具有第2半径R2以确定第2面积A2。第2半径R2大于第1半径R1。第2定子圆周面90沿阀旋转轴Y的方向延伸以连接第1定子台阶部88与第2定子台阶部92。第2密封部件76在壳体30与第2定子圆周面90之间围绕阀旋转轴Y延伸。第2密封部件76安装成夹在第2定子圆周面90与定子容纳凹面71之间。

第2定子台阶部92为从第2定子圆周面90朝向径向外侧扩展的平坦的圆环区域。第2定子台阶部92与垂直于阀旋转轴Y的平面平行，并且面朝与定子平面50相反的一侧。第2定子台阶部92连接第2定子圆周面90与第3定子圆周面94。第2定子台阶部92的面积等于第3面积A3与第2面积A2之差。

第3定子圆周面94以阀旋转轴Y为中心具有第3半径R3以确定第3面积A3。第3半径R3大于第2半径R2。第3定子圆周面94沿阀旋转轴Y的方向延伸以连接第2定子台阶部92与定子平面50。第3密封部件78在壳体30与第3定子圆周面94之间围绕阀旋转轴Y延伸。第3密封部件78安装成夹在第3定子圆周面94与定子容纳凹面71之间。

壳体30的高压气体入口72使高压区80与第1管18a连接。因此，高压从压缩机12(参考图1)的吐出口12a导入到高压区80。并且，高压从高压气体入口72通过高压区80而导入到阀定子34b的高压气体流入口62。

壳体30的低压导入通道73使低压区82与低压气体室42连接。低压导入通道73在阀旋转轴Y的方向上开口于第1密封部件74与第2密封部件76之间(例如，朝向第1定子台阶部88开口)。因此，低压从低压气体室42导入到低压区82。

如上所述，阀定子34b的定子凹部64开口于定子平面50。连通通道66从定子凹部64延伸至变压区84。连通通道66在阀旋转轴Y的方向上开口于第2密封部件76与第3密封部件78之间的第2定子圆周面90上。并且，壳体气体流路36使变压区84与缸体28(参考图1)的内部空间(最终为气体膨胀室40)连通。壳体气体流路36在阀旋转轴Y的方向上开口于第2密封部件76与第3密封部件78之间(例如，朝向第2定子圆周面90上的连通通道66开口)。

因此，变压区84位于从阀部34至气体膨胀室40的工作气体流路的中途。因此，如图4中虚线箭头所示，在进气工序中，高压从高压区80通过高压气体流入口62、转子凹部68、定子凹部64及连通通道66而导入到变压区84。另一方面，在排气工序中，低压从低压气体室42通过低压气体流出口70、定子凹部64及连通通道66而导入到变压区84。换言之，与气体膨胀室40相同的压力导入到变压区84。

如参考图3(a)所说明的那样，在进气工序中，定子平面50与阀定子端面51之间的压差减少，由此产生的推压力F1(参考图4)变得较小。但是，如上所述，在进气工序中，高压导入到变压区84。因此，高压作用于第2定子台阶部92，由此会附加辅助推压力F1的推压力F2。因此，根据图4至图6所示的实施方式所涉及的阀部34，其不同于图2所示的阀部34，能够补偿推压力下降的至少一部分。

另一方面，如参考图3(b)所说明的那样，在排气工序中，定子平面50与阀定子端面51之间的压差增加，由此产生的推压力F1’(参考图5)变得较大。如上所述，此时低压导入到变压区84。低压作用于第2定子台阶部92，因此不会产生辅助的推压力F2。因此，根据图4至图6所示的实施方式所涉及的阀部34，其不同于图2所示的阀部34，在进气工序和排气工序之间的推压力的变动得到抑制。

如上所述，根据该实施方式，阀部34构成为，利用作用于阀定子34b的压差使阀定子34b推向阀转子34a。在阀部34设置有第2密封部件76和比该第2密封部件76大型的第3密封部件78。通过第2密封部件76与第3密封部件78，在第2密封部件76与第3密封部件78之间划定有具有与气体膨胀室40的压力相同的压力的变压区84。在变压区84中，阀定子34b具有面朝与定子平面50相反的一侧的面(例如，第2定子台阶部92)从而接受变动压。通过采用这种结构，能够抑制在超低温制冷机10的阀部34的一个旋转周期中作用于阀定子34b与阀转子34a之间的推压力变动。

并且，在阀部34设置有比第2密封部件76小型的第1密封部件74。通过第1密封部件74与第2密封部件76，在第1密封部件74与第2密封部件76之间划定有低压区82。在低压区82中，阀定子34b具有面朝与定子平面50相反的一侧的面(例如，第1定子台阶部88)从而接受低压。因此，低压区82具有减少将阀定子34b推向阀转子34a的推压力的效果。由此，能够减少使阀转子34a相对于阀定子34b旋转滑动的力(即，阀部34的滑动转矩)。这有利于驱动阀部34的驱动源(例如，图1所示的马达48a)的小型化。

如上所述，由于阀定子34b具有三级结构并且设置有三个密封部件，因而能够抑制作用于阀定子34b与阀转子34a之间的推压力的变动，并且能够减少阀部34的滑动转矩。

通过压差的作用，阀定子34b能够而沿阀旋转轴Y的方向稍微位移。在进气工序和排气工序中的压差不同时，阀定子34b的位置在两个工序中可以稍微不同。第1密封部件74、第2密封部件76及第3密封部件78分别安装于第1定子圆周面86与定子容纳凹面71之间、第2定子圆周面90与定子容纳凹面71之间及第3定子圆周面94与定子容纳凹面71之间。这些地方的径向间隙的大小不会因阀定子34b沿轴向位移而变化，因此在进气工序和排气工序中均能保持密封部件的密封性。

第3半径R3与第2半径R2之差可以是阀定子34b的最大半径(例如，第3半径R3)的10％以下。第3半径R3与第2半径R2之差也可以是阀定子34b的最大半径的1％以上。由此，能够微调辅助推压力F1的推压力F2。

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，并且这样的变形例也属于本发明的范围，这对于本领域的技术人员来说是可以理解的。

如图7所示，第1定子台阶部88可以是倾斜面。并且，第2定子台阶部92也可以是倾斜面。如此，第1定子台阶部88及第2定子台阶部92中的至少一个可以不是平坦面。如此一来，与台阶部为平坦的情况相比，能够缓和阀定子34b中的应力集中。

如图8所示，第2密封部件76还可以设置于第1定子台阶部88。此时，第2密封部件76在壳体30与第1定子台阶部88之间围绕阀旋转轴Y延伸。第2密封部件76安装成夹在第1定子台阶部88与定子容纳凹面71之间。如此一来，变压区84将扩大至第1定子台阶部88。因此，上述辅助力不仅能够作用于第2定子台阶部92，还能够作用于第1定子台阶部88。与上述实施方式相同，能够抑制在超低温制冷机10的阀部34的一个旋转周期中作用于阀定子34b与阀转子34a之间的推压力变动。

另外，第3密封部件78也可以设置于第2定子台阶部92。

如图9所示，在第2密封部件76设置于第1定子台阶部88的情况下，阀定子34b可以具有两级结构。此时，阀定子34b不具有第2定子台阶部92及第3定子圆周面94。由此，也能够利用第1定子台阶部88和变压区84产生辅助力。与上述实施方式相同，也能够抑制在超低温制冷机10的阀部34的一个旋转周期中作用于阀定子34b与阀转子34a之间的推压力变动。

在一种实施方式中，恒压区不只限于低压区。恒压区也可以构成为，保持在高压与低压之间的中间压等其他任意的恒定压。

在一种实施方式中，阀定子34b的用与阀旋转轴Y垂直的平面剖切的截面上的外形并不限于圆形，也可以是其他形状。

在一种实施方式中，连通通道66也可以在阀旋转轴Y的方向上开口于第2密封部件76与第3密封部件78之间的第3定子圆周面94上。

在上述说明中，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。但是，本发明并不限定于此，实施方式所涉及的阀结构也可适用于二级式或多级式GM制冷机或脉冲管制冷机等其他超低温制冷机。

Claims (5)

1.一种超低温制冷机，其特征在于，具备：

壳体，在所述壳体的内部划定有低压气体室；

阀定子，在所述低压气体室内固定于所述壳体，并且在所述阀定子与所述壳体之间划定有变压区及高压区；

阀转子，以在所述低压气体室内相对于所述阀定子能够围绕阀旋转轴旋转的方式支承于所述壳体，并且所述阀转子构成为在阀转子的一个旋转周期中的一部分中使所述高压区与所述变压区连通，在该一个旋转周期中的其他部分中使所述低压气体室与所述变压区连通；

第1密封部件，在所述壳体与所述阀定子之间围绕所述阀旋转轴延伸，并且以密封所述高压区的方式与所述高压区相邻配置，并且包围第1面积；

第2密封部件，在所述壳体与所述阀定子之间围绕所述阀旋转轴延伸，并且以密封所述变压区的方式与所述变压区相邻配置，并且包围比所述第1面积更大的第2面积；及

第3密封部件，在所述壳体与所述阀定子之间围绕所述阀旋转轴延伸，并且以密封所述变压区的方式与所述变压区相邻配置，并且包围比所述第2面积更大的第3面积。

2.根据权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述阀定子在其与所述壳体之间划定所述变压区、恒压区及所述高压区，

所述第1密封部件以从所述恒压区密封所述高压区的方式配置，所述第2密封部件以从所述恒压区密封所述变压区的方式配置。

3.根据权利要求2所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述壳体具备使所述恒压区与所述低压气体室连通的低压导入通道。

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，

所述阀定子具备：

第1定子圆周面，其以所述阀旋转轴为中心具有第1半径以确定所述第1面积；

第2定子圆周面，其以所述阀旋转轴为中心具有比所述第1半径更大的第2半径以确定所述第2面积，并且与所述第1定子圆周面连接；及

第3定子圆周面，其以所述阀旋转轴为中心具有比所述第2半径更大的第3半径以确定所述第3面积，并且与所述第2定子圆周面连接，

所述第1密封部件在所述壳体与所述第1定子圆周面之间围绕所述阀旋转轴延伸，

所述第2密封部件在所述壳体与所述第2定子圆周面之间围绕所述阀旋转轴延伸，

所述第3密封部件在所述壳体与所述第3定子圆周面之间围绕所述阀旋转轴延伸。

5.根据权利要求4所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述第3半径与所述第2半径之差为所述阀定子的最大半径的10％以下。