CN107449172B - 超低温制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够减少超低温制冷机的工作气体流路中的压力损失并且能够抑制死容积过度增加的超低温制冷机。超低温制冷机具备：壳体，具备壳体底面(30a)；置换器(24)，相对于壳体能够沿轴向往复移动，并且所述置换器具备置换器上表面(24b)，在该置换器上表面与壳体底面之间形成上部气体室(37)；壳体气体流路(36)，形成于壳体且开口于上部气体室；置换器上部气体流路(38)，形成于置换器且开口于上部气体室；及气体导流槽(43)，其以构成上部气体室的一部分的方式形成于壳体底面及置换器上表面中的至少一方，并且在置换器沿其轴向往复移动的过程中位于上止点时，导流槽使壳体气体流路与置换器上部气体流路连通。

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2016-108964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。

专利文献1：日本特开2014-194291号公报

能够容纳置换器的驱动机构的壳体固定在缸体的在轴向上与膨胀室相反的一侧。为了确保置换器的轴向往复移动的冲程，在置换器与壳体之间还形成有另一个气体空间。与膨胀室不同，该气体空间是与寒冷的产生无关的死容积。因此，只要能够适当地确保置换器往复移动的冲程，优选将该容积设为尽可能小。

形成于置换器与壳体之间的气体空间还可以具有其他作用：构成超低温制冷机的工作气体流路的一部分。在气体空间过窄时，尤其是在置换器往复移动过程中位于上止点时，可能会给通过气体空间的气体的流动带来过大的压力损失。其结果，超低温制冷机的制冷能力有可能会下降。

发明内容

本发明的一种实施方式的例示性目的之一在于，减少超低温制冷机的工作气体流路中的压力损失并且抑制死容积过度增加。

根据本发明的一种实施方式，超低温制冷机具备：壳体，具备壳体底面；置换器，相对于所述壳体能够沿轴向往复移动，并且所述置换器具备置换器上表面，在所述置换器上表面与所述壳体底面之间形成上部气体室；壳体气体流路，形成于所述壳体且开口于所述上部气体室；置换器上部气体流路，形成于所述置换器且开口于所述上部气体室；及气体导流槽，其以构成所述上部气体室的一部分的方式形成于所述壳体底面及所述置换器上表面中的至少一方，并且在所述置换器沿其轴向往复移动的过程中位于上止点时，所述导流槽使所述壳体气体流路与所述置换器上部气体流路连通。

根据本发明，能够减少超低温制冷机的工作气体流路中的压力损失并且能够抑制死容积过度增加。

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整体结构的图。

图2是表示一种实施方式所涉及的膨胀机的工作气体流路结构的一部分的图。

图3是表示一种实施方式所涉及的膨胀机的工作气体流路结构的一部分的图。

图4是表示一种实施方式所涉及的膨胀机的工作气体流路结构的一部分的图。

图5是表示一种实施方式所涉及的膨胀机的工作气体流路结构的一部分的图。

图6为概略地表示另一实施方式所涉及的超低温制冷机的整体结构的图。

图7是表示另一实施方式所涉及的膨胀机的工作气体流路结构的一部分的图。

图中：10-超低温制冷机，24-置换器，24b-置换器上表面，30-壳体，30a-壳体底面，36-壳体气体流路，37-上部气体室，38-置换器上部气体流路，43-气体导流槽。

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。

并且，置换器24具备置换器上表面24b。置换器上表面24b为与轴向垂直的实质上为圆形的区域。在置换器上表面24b的中心固定有置换器驱动轴26的一端。

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。

壳体30具备壳体底面30a。壳体底面30a为壳体30的表面的一部分，其与置换器上表面24b相向。壳体底面30a与置换器上表面24b平行，并且与置换器上表面24b相同，也是与轴向垂直的实质上为圆形的区域。但是，壳体底面30a的中心被置换器驱动轴26贯穿。置换器24相对于壳体30能够沿轴向往复移动。

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、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。

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。

下面，对膨胀机14中的工作气体的流路结构进行说明。图2及图3是表示一种实施方式所涉及的膨胀机14的工作气体流路结构的一部分的图。图2及图3中示出了置换器上表面24b、壳体底面30a及其周围的工作气体流路。

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经由阀部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返回的气体经由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进入低压气体室42。

详细内容进行后述，但上部气体室37包括气体导流槽43。气体导流槽43形成于壳体底面30a，并构成上部气体室37的一部分。气体导流槽43在置换器24沿其轴向往复移动的过程中位于上止点时使壳体气体流路36与置换器上部气体流路38连通。图2中概略地表示用沿与轴向垂直的平面剖切膨胀机14的上部气体室37处的剖面。图3放大表示图1所示的气体导流槽43的一部分。

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，并且壳体气体流路36在上部气体室37开口。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在轴向上夹在壳体底面30a与置换器上表面24b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。

置换器上部气体流路38形成于置换器24，并且置换器上部气体流路38在上部气体室37开口。置换器上部气体流路38为以使蓄冷器高温部16a与上部气体室37连通的方式形成的置换器部件24a的至少一个孔。

具体而言，置换器上部气体流路38具备形成于置换器上表面24b的多个孔。这些多个孔从置换器上表面24b沿轴向贯穿置换器部件24a直至蓄冷器高温部16a。并且，这些孔以包围置换器驱动轴26的方式排列在置换器上表面24b。多个孔沿周向隔着相同角度而配置在以置换器的中心轴为中心的圆周上。例如，在置换器上表面24b上隔着90度间隔形成有四个孔，这四个孔位于离置换器上表面24b的中心相同距离的位置。为了便于理解，在图2中用虚线表示置换器上部气体流路38。

在用与轴向垂直的平面剖切的剖面上，多个孔中的一个孔配置于与壳体气体流路36相同的位置(即，壳体气体流路36的正下方)。在用与轴向垂直的平面剖切的剖面上，多个孔中的其余的孔形成于与壳体气体流路36不同的位置。

如图1所示，置换器下部气体流路39为以使蓄冷器低温部16b与气体膨胀室40连通的方式形成的置换器部件24a的至少一个孔。

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，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采用具有阀转子34a及阀定子34b的回转阀的形式。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，对气体导流槽43进行说明。如图所示，气体导流槽43以面向构成置换器上部气体流路38的多个孔的方式形成于壳体底面30a。并且，壳体气体流路36开口于气体导流槽43。即，壳体气体流路36的出口配置于气体导流槽43的底面。根据这种结构，即使在置换器24位于上止点导致置换器上表面24b与壳体底面30a极其接近的情况下，通过气体导流槽43也能够确保容许气体在壳体气体流路36与置换器上部气体流路38之间流动的容积。并且，比较容易在壳体底面30a加工气体导流槽43，因此给膨胀机14的制造工序带来的新的负担较小。

气体导流槽43形成为，气体导流槽43的容积为置换器24位于上止点时的上部气体室37的容积的一半以下。如此，能够将气体导流槽43的容积设为较小，因此能够防止形成气体导流槽43而导致的死容积的过度增加。与此同时，置换器24位于上止点时的上部气体室37中的压力损失得到减少，超低温制冷机10的制冷能力的下降得到抑制。

具体而言，气体导流槽43的高度、宽度及长度设定为，使气体导流槽43的容积成为置换器24位于上止点时的上部气体室37的容积的一半以下。在此，气体导流槽43的高度、宽度及长度例如分别相当于气体导流槽43的轴向上的尺寸、径向上的尺寸及周向上的尺寸。

如图3所示，气体导流槽43也可以形成为，自壳体底面30a的气体导流槽43的轴向高度D1大于置换器24位于上止点时从壳体底面30a至置换器上表面24b的轴向间隔D2。轴向间隔D2相当于置换器24往复移动过程中的壳体底面30a与置换器上表面24b之间的最小距离。并且，气体导流槽43也可以形成为，自壳体底面30a的气体导流槽43的轴向高度D1小于气体导流槽43的径向宽度D3。由此，也能够防止上部气体室37的死容积过度增加，并且能够减少上部气体室37中的压力损失。

如图2所示，气体导流槽43围绕置换器24的中心轴(例如，置换器驱动轴26)延伸。例如，气体导流槽43为以置换器24的中心轴作为中心的环状的槽。由此，能够比较容易地加工气体导流槽43。

如图所示，气体导流槽43的剖面形状例如为矩形形状，但并不限于此，气体导流槽43也可以形成为其他任意的剖面形状。

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的吐出口与气体膨胀室40连接。由于置换器24位于缸体28的下止点或其附近，因此上部气体室37变得较大。高压气体从阀部34经过壳体气体流路36、气体导流槽43、上部气体室37、置换器上部气体流路38而轻松地流入到蓄冷器高温部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(参考图1及图3)，阀部34被切换成使压缩机12的吸入口与气体膨胀室40连接。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经过置换器上部气体流路38、气体导流槽43、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。

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。

在置换器24位于上止点时，壳体底面30a与置换器上表面24b之间的轴向间隔非常窄，例如为几毫米(例如1～3mm左右)。这是为了减少死容积。如上所述，气体导流槽43形成于壳体底面30a，并且构成上部气体室37的一部分。气体导流槽43在置换器24沿其轴向往复移动的过程中位于上止点时使壳体气体流路36与置换器上部气体流路38连通。因此，即使在置换器24位于上止点的情况下，也能够确保工作气体在壳体气体流路36与置换器上部气体流路38之间流动。从而能够使气体顺畅且均匀地流过蓄冷器16中。由此，能够减少压力损失，并且能够抑制超低温制冷机10的制冷能力的下降。

在一种实施方式中，如图4所示，在用与轴向垂直的平面剖切的剖面上，置换器上部气体流路38的所有多个孔也可以形成于与壳体气体流路36不同的位置(即，此时，在壳体气体流路36的正下方不存在置换器上部气体流路38)。该结构有助于工作气体流动的均匀化。

在一种实施方式中，气体导流槽43只要面向多个孔即可，无需遍及围绕置换器24的中心轴的整周而延伸。如图5所示，气体导流槽43例如也可以是C字状的槽。C字状的气体导流槽43在与壳体气体流路36相反的一侧开口，并且在气体导流槽43的两个端部分别配置有作为置换器上部气体流路38的孔。由此，(与气体导流槽43遍及整周时相比)气体导流槽43的长度变短，从而能够防止由气体导流槽43引起的死容积过度增加。

图6为概略地表示另一实施方式所涉及的超低温制冷机10的整体结构的图。图7是表示另一实施方式所涉及的膨胀机14的工作气体流路结构的一部分的图。

在参考图1至图3进行说明的实施方式中，气体导流槽43形成于壳体底面30a，但并不限于此。如图6及图7所示，气体导流槽43也可以形成于置换器上表面24b。气体导流槽43可以以面向壳体气体流路36的方式形成于置换器上表面24b。置换器上部气体流路38具备开口于气体导流槽43的多个孔。为了便于理解，在图7中用虚线表示壳体气体流路36。

由此，也能够防止上部气体室37的死容积的过度增加，并且能够减少上部气体室37中的压力损失。而且，能够比较容易地加工气体导流槽43，从而能够提高可制造性。

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。

气体导流槽43也可以以构成上部气体室37的一部分的方式形成于壳体底面30a和置换器上表面24b这两者上。即，可以通过形成在壳体底面30a的槽状的凹部和形成在置换器上表面24b的槽状的凹部的组合而形成气体导流槽43。

如图所示，壳体气体流路36只有一条，因此开口于上部气体室37的壳体气体流路36的出口为一个。但是，在一种实施方式中，壳体气体流路36也可以在壳体30内分支以具有开口于上部气体室37的多个出口，或者也可以在壳体30形成多个壳体气体流路36。开口于上部气体室37的壳体气体流路36的多个出口可以以包围置换器驱动轴26的方式配置于壳体底面30a(或气体导流槽43)。

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，实施方式所涉及的工作气体流路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 (5)

1.一种超低温制冷机，其特征在于，具备：

壳体，具备壳体底面；

置换器，相对于所述壳体能够沿轴向往复移动，并且所述置换器具备置换器上表面，在所述置换器上表面与所述壳体底面之间形成上部气体室；

壳体气体流路，形成于所述壳体且开口于所述上部气体室；

置换器上部气体流路，形成于所述置换器且开口于所述上部气体室；及

气体导流槽，其以构成所述上部气体室的一部分的方式形成于所述壳体底面及所述置换器上表面中的至少一方，并且在所述置换器沿其轴向往复移动的过程中位于上止点时，所述导流槽使所述壳体气体流路与所述置换器上部气体流路连通，

所述气体导流槽为，围绕所述置换器的中心轴延伸的环状的槽。

2.根据权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述置换器上部气体流路具备形成于所述置换器上表面的多个孔，

所述气体导流槽以面向所述多个孔的方式形成于所述壳体底面，

所述壳体气体流路开口于所述气体导流槽。

3.根据权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述气体导流槽以面向所述壳体气体流路的方式形成于所述置换器上表面，

所述置换器上部气体流路具备开口于所述气体导流槽的多个孔。

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，

所述气体导流槽形成为，使所述气体导流槽的容积成为所述置换器位于所述上止点时的所述上部气体室的容积的一半以下。

5.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，

所述气体导流槽为C字状的槽。

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