CN110799796B - 超低温制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超低温制冷机(10)，其具备：膨胀室(34)；冷却台(26)，其与膨胀室(34)热连接，且其具备第1传热块(28)和第2传热块(30)，所述第1传热块(28)具备暴露于膨胀室(34)的暴露面和配置于膨胀室(34)的外部的第1热交换面(46)，所述第2传热块(30)具备与第1热交换面(46)对置的第2热交换面(48)；制冷剂供给口(64)，设置于膨胀室(34)的外部的冷却台(26)；制冷剂排出口(66)，设置于膨胀室(34)的外部的冷却台(26)；制冷剂通道(68)，与膨胀室(34)流体隔离，且其以使制冷剂从制冷剂供给口(64)沿着第1热交换面(46)及第2热交换面(48)流向制冷剂排出口(66)的方式形成于第1传热块(28)与第2传热块(30)之间。

Description

超低温制冷机

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与工作气体的膨胀室热连接的冷却台。通过使膨胀室的容积变化与压力变化适当地同步，超低温制冷机能够将冷却台冷却至所期望的超低温。应冷却的对象物与冷却台热连接，并被冷却台冷却。在斯特林制冷机、脉冲管制冷机等其他超低温制冷机中也具备这种冷却台。

以往技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2001-248930号公报

专利文献2：日本特开平10-122683号公报

发明内容

发明要解决的技术课题

超低温制冷机通常用于冷却液氮、气态或液态的氦等各种制冷剂流体(以下，也称为制冷剂)。被冷却的制冷剂用于冷却超导装置或测量设备等需要低温环境的各种装置。在一种典型的结构中，供制冷剂流过的制冷剂管通过钎焊或焊接等接合方式接合于超低温制冷机的冷却台的外表面，从而与冷却台热连接。制冷剂管被冷却台冷却，制冷剂被制冷剂管冷却。制冷剂管与冷却台外表面的接合状态对基于超低温制冷机的制冷剂的制冷性能带来影响。制冷剂管的接合不良会使得在制冷剂管与冷却台之间产生大的热阻，因此制冷剂难以被冷却。

本发明的一种实施方式的例示性目的之一在于提供一种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

根据本发明的一种实施方式，超低温制冷机具备：膨胀室；冷却台，其与所述膨胀室热连接，且其具备第1传热块和第2第1传热块，所述第1传热块具备暴露于所述膨胀室的暴露面和配置于所述膨胀室的外部的第1热交换面，所述第2传热块具备与所述第1热交换面对置的第2热交换面；制冷剂供给口，设置于所述膨胀室的外部的所述冷却台；制冷剂排出口，设置于所述膨胀室的外部的所述冷却台；制冷剂通路，与所述膨胀室流体隔离，且其以使制冷剂从所述制冷剂供给口沿着所述第1热交换面及所述第2热交换面流向所述制冷剂排出口的方式形成于所述第1传热块与所述第2传热块之间。

另外，上述构成要件的任意组合或在方法、装置、系统等之间相互替换本发明的构成要件或表述的实施方式也作为本发明的实施方式而有效。

发明效果

根据本发明，提供一种能够提高超低温制冷机的制冷性能的技术。

附图说明

图1是概略地表示第1实施方式所涉及的超低温制冷机的图。

图2是表示图1所示的超低温制冷机的A-A截面的概略图。

图3是表示第1实施方式所涉及的第1传热块的另一例的概略图。

图4是表示第1实施方式所涉及的冷却台的另一例的概略图。

图5是概略地表示第2实施方式所涉及的超低温制冷机的主要部分的图。

图6是表示图5所示的超低温制冷机的B-B截面的概略图。

图7是概略地表示第3实施方式所涉及的超低温制冷机的主要部分的图。

图8是概略地表示第4实施方式所涉及的超低温制冷机的主要部分的图。

图9是表示图8所示的超低温制冷机的C-C截面的概略图。

图10是表示第4实施方式所涉及的超低温制冷机中的连通通道的另一例的概略图。

图11是概略地表示第4实施方式所涉及的超低温制冷机的另一例的图。

图12是概略地表示第4实施方式所涉及的超低温制冷机的另一例的图。

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的符号，并适当省略重复说明。并且，以下叙述的结构为例示，其并不对本发明的范围作任何限定。并且，在说明书附图中，为了方便说明，适当设定了各构成部件的大小或厚度，其并非一定表示实际尺寸或比率。

(第1实施方式)

图1是概略地表示第1实施方式所涉及的超低温制冷机10的图。图2是表示图1所示的超低温制冷机10的A-A截面的概略图。

超低温制冷机10具备：压缩机12，对工作气体(例如氦气)进行压缩；及冷头14，通过使工作气体绝热膨胀而使工作气体冷却。压缩机12具有压缩机吐出口12a及压缩机吸入口12b。冷头14还被称为膨胀机。图示的超低温制冷机10为单级式的GM制冷机。

详细内容如后述，压缩机12从压缩机吐出口12a向冷头14供给高压(PH)的工作气体。冷头14具备对工作气体进行预冷的蓄冷器15。被预冷的工作气体在冷头14内膨胀而被进一步冷却。工作气体通过蓄冷器15而回收到压缩机吸入口12b。工作气体在通过蓄冷器15时冷却蓄冷器15。压缩机12对所回收的低压(PL)的工作气体进行压缩后重新供给到冷头14。一般而言，高压(PH)及低压(PL)均比大气压高很多。通常，高压(PH)例如为2～3MPa，低压(PL)例如为0.5～1.5MPa。

冷头14具备能够沿轴向(在图1中为上下方向，以箭头C表示)往复移动的置换器20、容纳置换器20的缸体22及置换器驱动机构16。置换器驱动机构16具备与置换器20同轴连结的连杆24。缸体22构成工作气体的压力容器的一部分。

置换器驱动机构16可以采用各种公知的结构。例如，在马达驱动型GM制冷机的情况下，置换器驱动机构16具备止转棒轭机构及马达。置换器20经由连杆24及止转棒轭机构与马达机械连结从而被马达驱动。在气体驱动型GM制冷机的情况下，置换器20经由连杆24与置换器驱动活塞连结，从而被作用于置换器驱动活塞的气压驱动。

置换器20的轴向往复移动被缸体22引导。通常，置换器20及缸体22均为沿轴向延伸的圆筒状的部件，并且缸体22的内径等于或稍微大于置换器20的外径。置换器20及缸体22的中心轴相当于超低温制冷机10的中心轴92(参考图2)。连杆24的直径小于置换器20的直径。

缸体22被置换器20分隔为膨胀室34和常温室36。膨胀室34划定超低温制冷机10的工作气体的膨胀空间。置换器20的轴向上的一端与缸体22之间形成膨胀室34，轴向上的另一端与缸体22之间形成常温室36。膨胀室34配置于下止点LP侧，常温室36配置于上止点UP侧。连杆24通过常温室36延伸至置换器20的上盖部。

在冷头14设置有冷却台26，其以从外侧包围膨胀室34的方式固定在缸体22上。冷却台26与膨胀室34热连接。冷却台26例如通过钎焊或焊接接合于缸体22。冷却台26的详细内容将在后面进行叙述。

蓄冷器15内置于置换器20。在置换器20的上盖部具有将蓄冷器15与常温室36连通的入口流路40。并且，在置换器20的筒部具有将蓄冷器15与膨胀室34连通的出口流路42。或者，出口流路42也可以设置于置换器20的下盖部。而且，蓄冷器15具备内接于上盖部的入口保持件41、内接于下盖部的出口保持件43及夹持于两个保持件之间的蓄冷材料。在图1中，蓄冷材料为夹在入口保持件41与出口保持件43之间且标注有黑点的区域。蓄冷材料例如可以是铜制的金属丝网。保持件可以是比蓄冷材料更粗的金属丝网。

密封部44设置于置换器20与缸体22之间。密封部44例如为滑动密封件，其安装于置换器20的筒部或上盖部。置换器20与缸体22之间的间隙被密封部44封闭，因此在常温室36与膨胀室34之间不会存在直接的气体流通(即，绕过蓄冷器15的气体流)。

在置换器20沿轴向移动时，膨胀室34及常温室36的容积以互补方式增减。即，置换器20向下移动时，膨胀室34变窄而常温室36变宽。反之亦然。

工作气体从常温室36通过入口流路40流入蓄冷器15。更确切地说，工作气体从入口流路40通过入口保持件41流入蓄冷器15。工作气体从蓄冷器15经由出口保持件43及出口流路42流入膨胀室34。在工作气体从膨胀室34返回常温室36时，通过相反的路径。即，工作气体从膨胀室34通过出口流路42、蓄冷器15及入口流路40返回到常温室36。欲绕过蓄冷器15而流过间隙的工作气体被密封部44阻隔。

而且，超低温制冷机10具备将压缩机12连接于冷头14的工作气体流路52。工作气体流路52具备阀单元54，该阀单元54构成为控制膨胀室34的压力。阀单元54具有吸气开闭阀V1和排气开闭阀V2。阀单元54可以采用回转阀方式等各种公知的结构。

在吸气开闭阀V1被打开的期间排气开闭阀V2被关闭。高压的工作气体从压缩机吐出口12a通过吸气开闭阀V1供给到缸体22。另一方面，在排气开闭阀V2被打开的期间吸气开闭阀V1被关闭。工作气体从缸体22通过排气开闭阀V2回收到压缩机吸入口12b，缸体22被减压。另外，吸气开闭阀V1与排气开闭阀V2也可以同时关闭一段时间。如此，缸体22与压缩机吐出口12a及压缩机吸入口12b交替连接。

下面，对超低温制冷机10的例示性动作进行说明。在工作气体供给工序的某一时刻，置换器20在缸体22内位于下止点LP。若与此同时或在稍微错开时刻打开吸气开闭阀V1，则高压的工作气体从压缩机12供给到缸体22。工作气体一边被蓄冷器15冷却一边供给到膨胀室34。

若膨胀室34被高压的工作气体填满，则吸气开闭阀V1被关闭。此时，置换器20在缸体22内位于上止点UP。若与此同时或在稍微错开时刻打开排气开闭阀V2，则膨胀室34的工作气体被减压膨胀。工作气体通过膨胀而成为低温，并从冷却台26吸收热量。

置换器20朝向下止点LP移动，膨胀室34的容积减小。膨胀室34内的工作气体一边通过蓄冷器15一边冷却蓄冷材料，并被回收到压缩机12。将以上工序设为一个循环，超低温制冷机10通过反复进行该冷却循环而将冷却台26冷却至所期望的超低温。

冷却台26具备第1传热块28及第2传热块30。缸体22、第1传热块28及第2传热块30沿轴向依次配置。缸体22从第1传热块28沿轴向延伸。冷却台26形成为直径稍微大于缸体22的直径的圆筒状。第1传热块28及第2传热块30组合而形成为圆筒状的形状。

第1传热块28及第2传热块30例如由铜等具有较高的导热系数的金属或其他导热材料制成。第1传热块28和第2传热块30通常由相同的材料制成，但也可以由不同的材料制成。第1传热块28例如利用切削等机械加工从一块材料制成。同样地，第2传热块30也利用切削等机械加工从一块材料制成。

第1传热块28以包围膨胀室34的方式配置，从而与膨胀室34热连接。在第1传热块28与置换器底部20a之间形成有膨胀室34。第1传热块28具有暴露在膨胀室34的暴露面，该暴露面包含与置换器底部20a对置的膨胀室底面34a。膨胀室底面34a形成与超低温制冷机10的中心轴92大致垂直的平面。第1传热块28具备配置于膨胀室34的外部的第1热交换面46。第1热交换面46在轴向上朝向与膨胀室底面34a相反的一侧。

并且，第2传热块30与第1传热块28相邻配置，并且经由第1传热块28与膨胀室34热连接。第2传热块30例如通过钎焊或焊接接合于第1传热块28。第2传热块30的外周部与第1传热块28的外周部接合。第2传热块30配置于膨胀室34的外部，其不具有暴露在膨胀室34的暴露面。第2传热块30具备与第1热交换面46对置的第2热交换面48。

超低温制冷机10具备供制冷剂流过的制冷剂流路60。制冷剂流路60与工作气体流路52流体隔离。制冷剂流路60为与工作气体流路52不同的另一系统，两者彼此隔离。流过制冷剂流路60的制冷剂不会与流过工作气体流路52的工作气体混合。制冷剂可以是与工作气体相同种类(例如氦气)。制冷剂也可以与工作气体不同的种类(例如液氮)。不管在何种情况下，制冷剂流路60中的制冷剂的压力通常低于工作气体流路52中的工作气体的压力，制冷剂流路60中的制冷剂的压力例如为大气压程度。

制冷剂流路60具备制冷剂泵62、制冷剂供给口64、制冷剂排出口66及制冷剂通道68。

制冷剂泵62是为了使制冷剂在制冷剂流路60中循环而设置的。制冷剂泵62与制冷剂供给口64及制冷剂排出口66连接，以便将从制冷剂排出口66排出的制冷剂输送至制冷剂供给口64。制冷剂泵62的吐出口经由制冷剂供给管63a与制冷剂供给口64连接，制冷剂泵62的回收口经由制冷剂排出管63b与制冷剂排出口66连接。制冷剂泵62、制冷剂供给管63a及制冷剂排出管63b也可以不视为构成超低温制冷机10的一部分。制冷剂供给管63a及制冷剂排出管63b可以由与超低温制冷机10的制造商不同的另一制造商制造并且由超低温制冷机10的使用者准备。

制冷剂供给口64及制冷剂排出口66作为超低温制冷机10的一部分而设置于冷却台26的外表面。因此，制冷剂供给口64及制冷剂排出口66配置于膨胀室34的外部。制冷剂供给口64具备使制冷剂流入冷却台26的内部(具体而言，流入制冷剂通道68)的制冷剂流入孔64a。制冷剂流入孔64a将制冷剂供给管63a连接于制冷剂通道68。制冷剂排出口66具备使制冷剂从冷却台26的内部(具体而言，从制冷剂通道68)流出的制冷剂流出孔66a。制冷剂流出孔66a将制冷剂通道68连接于制冷剂排出管63b。制冷剂从制冷剂泵62经过制冷剂供给口64供给到制冷剂通道68。并且，制冷剂从制冷剂通道68经过制冷剂排出口66排出到制冷剂泵62。

制冷剂供给口64在冷却台26的外表面上的位置及数量是任意的，但是，在此，多个制冷剂供给口64沿周向等间隔配置在冷却台26的外周面。制冷剂供给口64设置于第1传热块28与第2传热块30的边界部，但并不只限于此。制冷剂供给口64可以为一个。一个制冷剂排出口66设置于第2传热块30的与第2热交换面48相反的一侧的端面中心部，但并不只限于此。也可以设置多个制冷剂排出口66。

制冷剂通道68与膨胀室34流体隔离。制冷剂通道68形成于冷却台26的内部并贯穿冷却台26。在冷却台26中，制冷剂通道68与膨胀室34彼此隔开。工作气体不会从膨胀室34流入到制冷剂通道68。制冷剂也不会从制冷剂通道68泄漏到膨胀室34。

制冷剂通道68以使制冷剂从制冷剂供给口64沿着第1热交换面46及第2热交换面48流向制冷剂排出口66的方式形成于第1传热块28与第2传热块30之间。制冷剂通道68形成于第1热交换面46与第2热交换面48之间。

用于冷却对象物70的热交换器72设置于制冷剂泵62与制冷剂供给口64之间。热交换器72连接于制冷剂供给管63a中。热交换器72也可以连接于制冷剂排出口66与制冷剂泵62之间的制冷剂排出管63b中。对象物70与热交换器72热连接。通过使被冷却的制冷剂流过热交换器72，从而冷却对象物70。

第1传热块28的第1热交换面46与第2传热块30的第2热交换面48之间的间隔恒定。制冷剂通道68的流路宽度在整个制冷剂通道68中恒定。但是，并非一定要如此，如后述，第1热交换面46与第2热交换面48之间的间隔也可以根据部位而不同。

第1热交换面46具备第1基础面74和从第1基础面74延伸出的至少一个第1散热片76。第1基础面74形成与膨胀室底面34a大致平行的平面，其在轴向上朝向与膨胀室底面34a相反的一侧。第1基础面74也可以说是制冷剂通道68的上表面。第1散热片76具备第1散热片前端76a。第1传热块28具备一个第1散热片76，但也可以具备多个第1散热片76。也可以将第1传热块28的外周部视为另一个第1散热片76。

第2热交换面48具备第2基础面78和从第2基础面78延伸出的至少一个第2散热片80。第2基础面78形成与第1基础面74大致平行的平面。第2基础面78也可以说是制冷剂通道68的下表面。第2散热片80沿着第1散热片76延伸出。第2散热片80具备第2散热片前端80a。第2传热块30具备两个第2散热片80，但是第2散热片80可以为一个，也可以为三个以上。

第2基础面78在相邻的两个第2散热片80之间形成容纳第1散热片76的凹部。并且，在第1传热块28设置有多个第1散热片76的情况下，第1基础面74在相邻的两个第1散热片76之间形成容纳第2散热片80的凹部。

第1散热片前端76a配置成比第2散热片前端80a更靠近第2基础面78。第2散热片前端80a配置成比第1散热片前端76a更靠近第1基础面74。由此，第1散热片76插入到相邻的两个第2散热片80之间，第1散热片76和第2散热片80交替配置。由此，形成曲折的制冷剂通道68。

第1散热片76及第2散热片80沿轴向延伸。因此，第1散热片76及第2散热片80在轴向上具有散热片高度。第1散热片76的高度(从第1基础面74至第1散热片前端76a为止的距离)H1大于第1基础面74与第2散热片前端80a之间的间隔G1。第2散热片80的高度(从第2基础面78至第2散热片前端80a为止的距离)H2大于第2基础面78与第1散热片前端76a之间的间隔G2。第1散热片76的高度H1和第2散热片80的高度H2相等。如有需要，高度H1和高度H2也可以不同。第1基础面74与第2散热片前端80a之间的间隔G1和第2基础面78与第1散热片前端76a之间的间隔G2相等。间隔G1和间隔G2也可以不同。

制冷剂通道68具备第1横穿通道82、第2横穿通道84及散热片间通道86。第1横穿通道82以使制冷剂横跨第1散热片76的方式形成于第1散热片前端76a与第2基础面78之间。第2横穿通道84以使制冷剂横跨第2散热片80的方式形成于第2散热片前端80a与第1基础面74之间。散热片间通道86形成于第1散热片76与第2散热片80之间。散热片间通道86使第1横穿通道82与第2横穿通道84连通。

散热片间通道86形成有多个。在相邻的两个第2散热片80中的一个第2散热片80与第1散热片76之间形成有一个散热片间通道86，在另一个第2散热片80与第1散热片76之间形成有另一个散热片间通道86。两个散热片间通道86被第1横穿通道82连通。如图2所示，散热片间通道86的宽度W1、W2、W3相等。另外，宽度W1、W2、W3也可以与上述间隔G1、G2相等。

如图1所示，通过使制冷剂流过第1横穿通道82，制冷剂沿着第1散热片前端76a横跨第1散热片76。通过使制冷剂流过第2横穿通道84，制冷剂沿着第2散热片前端80a横跨第2散热片80。散热片间通道86将制冷剂从第1横穿通道82导向第2横穿通道84或者从第2横穿通道84导向第1横穿通道82。

如图2所示，第2传热块30以使第2散热片80与第1散热片76组合而形成与超低温制冷机10的中心轴92同轴配置的同心环状结构90的方式固定于第1传热块28。大部分超低温制冷机10具有大致轴对称的结构。因此，与其他结构相比，同心环状结构90更容易适用于超低温制冷机10。

第1散热片76具有以超低温制冷机10的中心轴92为中心的环状形状。第2散热片80也具有以超低温制冷机10的中心轴92为中心的环状形状。但是，第2散热片80具有与第1散热片76不同的直径。第1散热片76及第2散热片80围绕超低温制冷机10的中心轴92沿周向延伸。

第1散热片76及第2散热片80在超低温制冷机10的径向上具有散热片厚度，且在周向上具有散热片长度。在散热片为环状形状的情况下，散热片长度相当于环的圆周长度。散热片高度及散热片长度大于散热片厚度。并且，散热片长度大于散热片高度。相反地，散热片长度也可以小于散热片高度。

同心环状结构90以使散热片高度方向、散热片厚度方向及散热片长度方向分别与超低温制冷机10的轴向、径向及周向一致的方式设置于冷却台26的内部。但是，这种同心环状结构90的配置并不是必须的。同心环状结构90在冷却台26的内部可以配置在任意位置及朝向，此时，散热片高度方向、散热片厚度方向及散热片长度方向不一定与超低温制冷机10的轴向、径向及周向一致。

第1散热片76及第2散热片80在整周上连续。因此，第1横穿通道82、第2横穿通道84及散热片间通道86也在整周上连续。即，第1散热片前端76a在整周上与第2基础面78分开。第2散热片前端80a在整周上与第1基础面74分开。并且，第1散热片76和第2散热片80在整周上彼此分开。

但是，第1横穿通道82也可以通过使第1散热片前端76a与第2基础面78局部接触而分割为多个区域。第2横穿通道84也可以通过使第2散热片前端80a与第1基础面74局部接触而分割为多个区域。同样地，散热片间通道86也可以通过使第1散热片76与第2散热片80局部接触而分割为多个区域。由此，第1横穿通道82、第2横穿通道84及散热片间通道86例如可以在周向上被分割。

第1散热片76及第2散热片80可以在周向上被分割。被分割的第1散热片76(或第2散热片80)的分段(segment)之间的间隙也可以成为制冷剂通道68的一部分。第2散热片80中的一个第2散热片80形成于超低温制冷机10的中心轴92上，该第2散热片80具有棒状形状。另外，也可以使第1散热片76形成于超低温制冷机10的中心轴92上且具有棒状形状。

并且，制冷剂通道68具备将制冷剂排出口66与制冷剂通道68连通的出口通道88。出口通道88沿着超低温制冷机10的中心轴92贯穿第2传热块30。由于在超低温制冷机10的中心轴92上形成有第2散热片80，因此出口通道88沿第2散热片80的高度方向贯穿第2散热片80，将第2横穿通道84连接于制冷剂流出孔66a。另外，在第1散热片76形成于超低温制冷机10的中心轴92上的情况下，出口通道88可以从与配置于中心轴92上的该第1散热片76对置的第2基础面78贯穿第2传热块30并连接于制冷剂排出口66。

制冷剂供给口64以使制冷剂供给到同心环状结构90的外周部的方式设置于冷却台26。制冷剂通道68构成为将制冷剂从同心环状结构90的外周部引导向同心环状结构90的中心部。制冷剂排出口66以使制冷剂从同心环状结构90的中心部排出的方式设置于冷却台26。

如此，制冷剂通道68构成为，使制冷剂从冷却台26的外周部放射状流向中心部。制冷剂从制冷剂供给口64流入同心环状结构90的外周部，并纵向横向流过第2横穿通道84、散热片间通道86、第1横穿通道82、散热片间通道86、第2横穿通道84、出口通道88。由此，制冷剂从同心环状结构90的中心部排出到制冷剂排出口66。为了便于理解，在图1中用箭头表示制冷剂的流向。

制冷剂通道68作为通过冷却台26冷却制冷剂的与冷却台26一体化的热交换器而发挥作用。制冷剂通道68中的制冷剂流与第1热交换面46接触并与第1热交换面46热交换从而被冷却。并且，制冷剂通道68中的制冷剂流与第2热交换面48接触并与第2热交换面48热交换从而被冷却。

通过使如此冷却的制冷剂流过热交换器72，能够冷却对象物70。通过与对象物70的热交换而被加热的制冷剂流过制冷剂通道68，从而通过冷却台26再次被冷却。再冷却后的制冷剂再次利用于对象物70的冷却。

根据第1实施方式所涉及的超低温制冷机10，冷却制冷剂的热交换器与冷却台26的内部一体化。更具体而言，制冷剂通道68以使制冷剂从制冷剂供给口64沿着第1热交换面46及第2热交换面48流向制冷剂排出口66的方式形成于第1热交换面46与第2热交换面48之间。通过如此将热交换器一体化，与以往的在冷却台的外表面接合制冷剂管的外置式的热交换结构相比，能够更加可靠地实现超低温制冷机10与制冷剂的热接触。因此，超低温制冷机10能够更高效地冷却制冷剂。

在超低温制冷机10中，通过第1散热片76与第2散热片80的组合而形成曲折的制冷剂通道68。与未设置这种散热片且彼此对置的两个热交换面均为平面的情况相比，能够加大制冷剂与热交换面的接触面积。因此，超低温制冷机10的热交换效率得到提高。

并且，在超低温制冷机10具有大致轴对称的结构时，与冷却台26的外周部相比，中心部的温度稍微低。制冷剂供给口64配置于冷却台26的外周部，制冷剂排出口66配置于冷却台26的中心部。由于制冷剂被对象物70加热，因此制冷剂供给口64处的制冷剂的温度较高。通过将制冷剂供给口64配置在冷却台26中的比较高温的部位，能够减小制冷剂供给口64处的制冷剂与冷却台26之间的温度差。温度差越小，热交换效率越高。这也有助于提高超低温制冷机10的热交换效率。

图3是表示第1实施方式所涉及的第1传热块28的另一例的概略图。在上述实施方式中，第1传热块28从一块材料制作而成，但本发明并不只限于此。第1传热块28也可以由多个子块(subblock)形成。可以通过钎焊或焊接接合多个子块而形成第1传热块28。关于第2传热块30，也同样可以由多个子块形成。

如图3所示，第1传热块28具备膨胀室形成子块28a和第1散热片子块28b。在膨胀室形成子块28a设置有膨胀室底面34a，在第1散热片子块28b设置有第1散热片76。第1散热片子块28b经由钎焊层等接合层94接合于膨胀室形成子块28a。膨胀室形成子块28a具有平坦的接合面94a，第1散热片子块28b具有平坦的接合面94b，这两个接合面94a、94b被接合层94接合。接合面94a、94b可以是与膨胀室底面34a平行的平面。与以往典型的将外置式热交换器接合于冷却台的外表面的情况相比，这种平坦面彼此之间的接合容易实现更牢固的接合。

另外，第1传热块28与第2传热块30的接合也优选采用平坦的接合面的接合。因此，也可以将第1传热块28的外周部设为环状平坦面，将第2传热块30的外周部也设为环状平坦面，并且通过钎焊或焊接接合这两个环状平坦面。

图4是表示第1实施方式所涉及的冷却台26的另一例的概略图。如图4所示，同心环状结构90的外周部的第1热交换面46与第2热交换面48之间的间隔可以窄于同心环状结构90的中心部的第1热交换面46与第2热交换面48之间的间隔。

在如图2所示的实施方式那样第1热交换面46与第2热交换面48之间的间隔均匀时，越是同心环状结构90的外周部，散热片间通道86的流路截面面积(用与中心轴92垂直的平面剖切的截面的面积)越大。这是因为，与位于同心环状结构90的内侧的散热片间通道86相比，位于外侧的散热片间通道86的直径更大。流路截面面积越大，流路阻力变得越小。即，在图2所示的同心环状结构90中，外周部的流路阻力较小，中心部的流路阻力较大。流路阻力更加均匀，同心环状结构90中的热交换效率会变得更好。

并且，作为热交换器的一个评价指标，可以考虑热交换量与压损之比(热交换量/压损)。该评价指标的值大表示热交换器的性能良好。在制冷剂供给口64的附近，制冷剂与冷却台26之间的温度差大，因此热交换量大。因此，在制冷剂供给口64的附近，即使流路窄而压损大，该评价指标也具有一定程度的大小。相对于此，在制冷剂排出口66的附近，制冷剂已被冷却，因此制冷剂与冷却台26之间的温度差小，因此热交换量也小。因此，若制冷剂排出口66附近的压损大，则上述评价指标明显变小，因此不优选。

因此，如图4所示，在同心环状结构90的外周部，制冷剂通道68设为较窄，在同心环状结构90的中心部，制冷剂通道68设为较宽。外侧的散热片间通道86的宽度W1窄于中间的散热片间通道86的宽度W2。并且，中间的散热片间通道86的宽度W2窄于内侧的散热片间通道86的宽度W3。由此，能够使制冷剂通道68中的流路阻力及上述评价指标均变得进一步均匀化。

在第1实施方式中，如上所述，第1横穿通道82及第2横穿通道84遍及同心环状结构90的整周而形成，散热片间通道86中的制冷剂流引导向散热片高度方向。但是，本发明并不只限于此。接着，对其他例子进行说明。

(第2实施方式)

图5是概略地表示第2实施方式所涉及的超低温制冷机10的主要部分的图。图6是表示图5所示的超低温制冷机10的B-B截面的概略图。在图5中示出了冷却台26及其周边结构，在图6中示出了同心环状结构90。第2实施方式所涉及的超低温制冷机10的制冷剂通道68与第1实施方式不同。

第1横穿通道82形成于第1散热片前端76a与第2基础面78之间的局部上，第2横穿通道84形成于第2散热片前端80a与第1基础面74之间的局部上。在一个第1散热片76形成有一个第1横穿通道82，在一个第2散热片80形成有一个第2横穿通道84。

第1散热片前端76a的大部分与第2基础面78接触，第1散热片前端76a在周向上的特定部位具有一个凹陷，该凹陷形成第1横穿通道82。第2散热片前端80a的大部分与第1基础面74接触，第2散热片前端80a在周向上的特定部位具有一个凹陷，该凹陷形成第2横穿通道84。

第1横穿通道82及第2横穿通道84的配置规定为，将散热片间通道86中的制冷剂流引导向与散热片高度方向成角度的方向。第1横穿通道82和第2横穿通道84在周向上配置于不同的部位。更具体而言，第1横穿通道82和第2横穿通道84相对于中心轴92配置于彼此相反的一侧。因此，散热片间通道86中的制冷剂流引导向相对于散热片高度方向(即轴向)倾斜的方向或周向。

制冷剂供给口64仅设置有一个。

为了便于理解，在图5及图6中用箭头表示制冷剂的流向，在图5及图6中，对应的箭头上标注相同的符号D1至D4。制冷剂从制冷剂供给口64通过外侧的第1横穿通道82流入外侧的散热片间通道86(箭头D1)。制冷剂在外侧的散热片间通道86中分支为两路并分别流过半周后合流(箭头E1)，并从外侧的第2横穿通道84流入中间的散热片间通道86(箭头D2)。制冷剂在中间的散热片间通道86中再次分支为两路并分别流过半周后合流(箭头E2)，并从内侧的第1横穿通道82流入内侧的散热片间通道86(箭头D3)。制冷剂在内侧的散热片间通道86中再次分支为两路并分别流过半周后合流(箭头E3)，并从内侧的第2横穿通道84且通过出口通道88从制冷剂排出口66流出(箭头D4)。

根据第2实施方式，散热片间通道86中的制冷剂流引导向与散热片高度方向成角度的方向。散热片间通道86中的制冷剂流大致朝向周向。与第1实施方式那样散热片间通道86中的制冷剂引导向散热片高度方向的情况相比，制冷剂通道68变长。由此，能够加大制冷剂与热交换面的接触面积，因此能够提高超低温制冷机10的热交换效率。

还应注意，第1横穿通道82和第2横穿通道84在散热片高度方向上配置于不同的位置。第1横穿通道82位于下方，相对于此，第2横穿通道84位于上方。因此，与第1横穿通道82及第2横穿通道84在相同的高度上的情况相比，从第1横穿通道82到第2横穿通道84的流路长度变长。这也有助于加大制冷剂与热交换面的接触面积。

并且，制冷剂供给口64和制冷剂排出口66各为一个也有助于加长制冷剂通道68。

另外，第1横穿通道82及第2横穿通道84的位置及数量是任意的。例如，可以在一个第1散热片76上设置多个第1横穿通道82。多个第1横穿通道82可以沿周向等角度间隔配置。同样地，可以在一个第2散热片80上设置多个第2横穿通道84。多个第2横穿通道84也可以沿周向等角度间隔设置。

(第3实施方式)

图7是概略地表示第3实施方式所涉及的超低温制冷机10的主要部分的图。

膨胀室底面34a具备与置换器20同轴配置的环状凸部96。并且，置换器底部20a具备容纳环状凸部96的环状凹部98。由此，散热片式的热交换器不仅可以设置于制冷剂通道68，还可以设置于膨胀室34。由于超低温制冷机10的工作气体与冷却台26之间的热交换面积增加，因此超低温制冷机10的热交换效率得到提高。

并且，环状凸部96形成为中空，以从与膨胀室底面34a相反的一侧容纳第2散热片80。如此设置，能够进一步改善膨胀室34与制冷剂通道68的热连接。并且，由于能够将第2散热片80容纳于环状凸部96，因此还能够缩短冷却台26的轴向长度。

换言之，在置换器20设置有朝向膨胀室底面34a延伸出的置换器底部散热片100。在第1传热块28形成有空洞部102，该空洞部102以容纳置换器底部散热片100的方式形成于膨胀室底面34a且使第1散热片76成为中空。如此设置，能够进一步改善膨胀室34与制冷剂通道68的热连接。并且，由于能够将置换器底部散热片100容纳于第1散热片76的空洞部102，因此还能够缩短冷却台26的轴向长度。

(第4实施方式)

图8是概略地表示第4实施方式所涉及的超低温制冷机10的主要部分的图。图9是表示图8所示的超低温制冷机10的C-C截面的概略图。在上述各实施方式中，制冷剂通道68具有单一的分层，但并不只限于此。

制冷剂通道68被划分为多个分层。多个分层在轴向上分别配置于不同的部位。多个分层彼此连接以使制冷剂依次流过。从构成制冷剂通道68的一部分的观点出发，各个分层也可以被称为子通道。

如图8所示，制冷剂通道68被划分为第1分层104和第2分层106。在冷却台26中，第1分层104配置于轴向下部，第2分层106配置于轴向上部。如此，第1分层104和第2分层106在轴向上相邻。

冷却台26的第2传热块30以包围第1传热块28的方式配置。第2传热块30具备第2传热块底部30a和第2传热块侧筒部30b。第2传热块底部30a在轴向上与第1传热块28相邻，第2传热块侧筒部30b从第2传热块底部30a朝向轴向上方延伸并且包围第1传热块28的整周。

制冷剂供给口64以向制冷剂通道68的第2分层106供给制冷剂的方式设置于第2传热块侧筒部30b。第2分层106形成于第1热交换面46与第2热交换面48之间。更具体而言，第2分层106为形成于第1传热块28的外周面与第2传热块侧筒部30b的内周面之间的周向流路。制冷剂通道68的第1分层104形成于第1传热块28与第2传热块底部30a之间。作为一例，第1分层104为与上述第2实施方式同样由对置的散热片形成的曲折的流路。第1分层104也可以为与第1实施方式或第3实施方式相同的曲折的流路。制冷剂排出口66以从第1分层104排出制冷剂的方式设置于第2传热块底部30a。

并且，制冷剂通道68具有连接第1分层104和第2分层106的连通通道108。连通通道108形成于第1传热块28的外周面与第2传热块侧筒部30b的内周面之间，并从第1分层104朝向第2分层106沿轴向延伸。如图9所示，连通通道108相对于中心轴92设置于与制冷剂供给口64相反的一侧。为了便于理解，在图9中用虚线表示制冷剂供给口64。作为一例，连通通道108的截面形状为沿着圆周弯曲的细长的矩形，但并不只限于此。连通通道108的截面形状也可以为圆形、椭圆形或其他任意形状。

由此，制冷剂通道68以使制冷剂从制冷剂供给口64沿着第1热交换面46及第2热交换面48流向制冷剂排出口66的方式形成于第1传热块28与第2传热块30之间。制冷剂从制冷剂供给口64流入第2分层106，在第2分层106中分为两路并分别流过半周后合流，流入连通通道108。制冷剂从连通通道108流入第1分层104，并通过出口通道88从制冷剂排出口66流出。

根据第4实施方式，制冷剂通道68在轴向上被划分为多个分层。多个分层彼此连接以使制冷剂依次流过。由此，相比在第1实施方式至第3实施方式中制冷剂通道68位于冷却台26的底部，在第4实施方式中，能够沿轴向扩大制冷剂通道68。因此，在第4实施方式中，能够加长制冷剂通道68的流路长度，从而能够促进制冷剂与热交换面之间的热交换。因此，能够提高超低温制冷机10的热交换效率。

在上述例子中，制冷剂通道68具有两个分层，但并不只限于此。制冷剂通道68也可以被划分为三个或比其更多的分层。

图10是表示第4实施方式所涉及的超低温制冷机10的连通通道108的另一例的概略图。图10中示出了与中心轴92垂直的截面。在参考图8及图9进行说明的实施方式中，连通通道108设置于一处，但并不只限于此。

如图10中(a)所示，也可以设置多个连通通道108。多个连通通道108形成于第1传热块28与第2传热块30之间。连通通道108可以是形成于第1传热块28的外周面的槽，也可以是形成于第2传热块30的内周面的槽。连通通道108也可以是形成于第1传热块28和第2传热块30中的任一个传热块的贯穿孔。

多个连通通道108除了制冷剂供给口64的附近以外沿着以中心轴92为中心的圆周等角度间隔配置。作为一例，七个连通通道108以45度间隔配置，其中一个连通通道108相对于中心轴92设置于与制冷剂供给口64相反的一侧。多个连通通道108的流路截面面积(与轴向垂直的截面面积)相等。连通通道108的截面形状例如为椭圆状，但并不只限于此。

并且，如图10中(b)所示，多个连通通道108的流路截面面积可以互不相同。连通通道108的流路截面面积可以设置成，越靠近制冷剂供给口64就越小，越远离制冷剂供给口64就越大。因此，相对于中心轴92设置于与制冷剂供给口64相反的一侧的连通通道108a具有最大的流路截面面积。在图10中(a)所示的情况下，流过远离制冷剂供给口64的(例如，与制冷剂供给口64相反的一侧的)连通通道108的制冷剂流量少于流过靠近制冷剂供给口64的连通通道108的制冷剂流量，其结果，远离制冷剂供给口64的连通通道108中的热交换可能会变得不够充分。根据图10中(b)所示的结构，与图10中(a)所示的情况相比，能够使流过多个连通通道108的制冷剂流量均匀化，从而能够有效利用远离制冷剂供给口64的连通通道108中的热交换面积。

图11是概略地表示第4实施方式所涉及的超低温制冷机10的另一例的图。在参考图8及图9进行说明的实施方式中，在制冷剂供给口64和制冷剂排出口66中的流路截面面积相等，但并不只限于此。

制冷剂供给口64的制冷剂流入孔64a的流路截面面积A1也可以大于制冷剂排出口66的制冷剂流出孔66a的流路截面面积A2。在制冷剂流入孔64a及制冷剂流出孔66a均为圆形时，制冷剂流入孔64a的直径可以大于制冷剂流出孔66a的直径。从制冷剂供给口64流入制冷剂通道68的制冷剂在从制冷剂流入孔64a进入第2分层106时流向大幅变化。即，从制冷剂流入孔64a沿径向流入的制冷剂在第2分层106中朝向周向拐弯。这种流向的急剧变化会导致流路阻力的增加。相对于此，从制冷剂通道68流出到制冷剂排出口66的制冷剂直线性地沿轴向流过，因此流路阻力较小。

因此，通过将制冷剂供给口64的流路截面面积A1设为大于制冷剂排出口66的流路截面面积A2，能够使制冷剂供给口64中的流路阻力等于或小于制冷剂排出口66中的流路阻力。能够避免制冷剂供给口64中的流路阻力变得过大。这有助于提高冷却台26与制冷剂之间的热交换效率。

另外，在如第1实施方式至第3实施方式那样制冷剂通道68不具有多个分层的情况下，也同样可以将制冷剂供给口64的流路截面面积A1设为大于制冷剂排出口66的流路截面面积A2。

图12是概略地表示第4实施方式所涉及的超低温制冷机10的另一例的图。如图12所示，制冷剂通道68的第2分层106可以具有邻近区域110a和远离区域110b。邻近区域110a为与远离区域110b相比更靠近连通通道108的区域。邻近区域110a和远离区域110b形成彼此连通的一个流路。邻近区域110a位于第2分层106中的轴向下方，远离区域110b位于轴向上方。

邻近区域110a的流路截面面积(与周向垂直的截面面积)大于远离区域110b的流路截面面积。例如，邻近区域110a的径向宽度可以大于远离区域110b的径向宽度。由此，制冷剂流容易集中的区域的流路截面面积变得较大。在图8所示的情况下，流过第2分层106中远离连通通道108的轴向上方的区域的制冷剂流量少于流过第2分层106中靠近连通通道108的轴向下方的区域的制冷剂流量，其结果，远离连通通道108的轴向上方的区域中的热交换可能会变得不够充分。根据图12所示的结构，制冷剂流容易集中的邻近区域110a的流路截面面积变得较大。能够提高第2分层106中的连通通道108附近的冷却台26与制冷剂之间的热交换效率。

另外，邻近区域110a及远离区域110b可以仅设置于第2分层106中的连通通道108附近。或者，邻近区域110a及远离区域110b也可以设置于整个第2分层106(即，遍及冷却台26的整周设置)。

同样地，制冷剂通道68的至少一个分层(例如第1分层104)可以具有邻近区域110a及远离区域110b。能够提高制冷剂通道68的至少一个分层(例如第1分层104)中的连通通道108附近的冷却台26与制冷剂之间的热交换效率。

以上，根据实施例对本发明进行了说明。本领域技术人员应当可以理解，本发明并不只限定于上述实施方式，能够进行各种设计变更，能够存在各种各样的变形例，并且这样的变形例也在本发明的范围内。

第1散热片76及第2散热片80的形状并不只限于环状。散热片形状也可以为筒状或矩形板形状或棒状。

制冷剂通道68形成为曲折的通道，这并不是必须的。第1热交换面46也可以不具有第1散热片76。第2热交换面48也可以不具有第2散热片80。第1热交换面46和第2热交换面48中的至少一方也可以为平坦面。如此设置，也可以在制冷剂与热交换面之间进行热交换。

在第1实施方式中说明的各种实施方式也可以适用于第2实施方式至第4实施方式。例如，图3所示的传热块结构也可以适用于第2实施方式至第4实施方式。图4所示的制冷剂通道68的结构也可以适用于第2实施方式至第4实施方式。第4实施方式的分层流路结构也可以适用于第1实施方式至第3实施方式。通过组合而产生的新的实施方式兼具所组合的实施方式各自的效果。

在上述实施方式中以单级式的超低温制冷机10为例子进行了说明，但也可以适用于多级式的超低温制冷机10。并且，在上述实施方式中以GM制冷机为例子进行了说明，但也可以适用于斯特林制冷机、脉冲管制冷机等其他超低温制冷机。

符号说明

10-超低温制冷机，20-置换器，26-冷却台，28-第1传热块，30-第2传热块，34-膨胀室，46-第1热交换面，48-第2热交换面，64-制冷剂供给口，66-制冷剂排出口，68-制冷剂通道，74-第1基础面，76-第1散热片，76a-第1散热片前端，78-第2基础面，80-第2散热片，80a-第2散热片前端，82-第1横穿通道，84-第2横穿通道，86-散热片间通道，90-同心环状结构，92-中心轴，96-环状凸部，98-环状凹部，104-第1分层，106-第2分层。

产业上的可利用性

本发明能够用于超低温制冷机领域。

Claims (10)

1.一种超低温制冷机，其特征在于，具备：

膨胀室；

冷却台，其与所述膨胀室热连接，且其具备第1传热块和第2传热块，所述第1传热块具备暴露于所述膨胀室的暴露面和配置于所述膨胀室的外部的第1热交换面，所述第2传热块具备与所述第1热交换面对置的第2热交换面；

制冷剂供给口，设置于所述膨胀室的外部的所述冷却台；

制冷剂排出口，设置于所述膨胀室的外部的所述冷却台；及

制冷剂通道，与所述膨胀室流体隔离，且其以使制冷剂从所述制冷剂供给口沿着所述第1热交换面及所述第2热交换面流向所述制冷剂排出口的方式形成于所述第1传热块与所述第2传热块之间，

所述第1热交换面具备第1基础面和从所述第1基础面延伸出的至少一个第1散热片，所述第1散热片具备第1散热片前端，

所述第2热交换面具备第2基础面和沿着所述第1散热片从所述第2基础面延伸出的至少一个第2散热片，所述第2散热片具备第2散热片前端，

所述第1散热片前端配置成比所述第2散热片前端更靠近所述第2基础面，所述第2散热片前端配置成比所述第1散热片前端更靠近所述第1基础面，

所述制冷剂通道具备：

第1横穿通道，以使所述制冷剂横跨所述第1散热片的方式形成于所述第1散热片前端与所述第2基础面之间；

第2横穿通道，以使所述制冷剂横跨所述第2散热片的方式形成于所述第2散热片前端与所述第1基础面之间；及

散热片间通道，以使所述第1横穿通道与所述第2横穿通道连通的方式形成于所述第1散热片与所述第2散热片之间，

所述第1横穿通道形成于所述第1散热片前端与所述第2基础面之间的局部上，所述第2横穿通道形成于所述第2散热片前端与所述第1基础面之间的局部上，

所述第1横穿通道及所述第2横穿通道的配置规定为，将所述散热片间通道中的制冷剂流引导向与散热片高度方向成角度的方向。

2.根据权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于，

还具备置换器，所述置换器能够沿轴向往复移动并且在其与所述冷却台之间形成所述膨胀室，

所述第1传热块的暴露于所述膨胀室的所述暴露面包含所述膨胀室的底面，所述膨胀室的底面具备与所述置换器同轴配置的环状凸部，所述环状凸部形成为中空以从与所述膨胀室的底面相反的一侧容纳所述第2散热片，

所述置换器具备以容纳所述环状凸部的方式形成的环状凹部。

3.根据权利要求1或2所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述第1散热片具有以超低温制冷机的中心轴为中心的环状形状，

所述第2散热片具有直径与所述第1散热片的直径不同的环状形状，

所述第2传热块以所述第2散热片与所述第1散热片组合而形成与所述超低温制冷机的中心轴同轴配置的同心环状结构的方式固定于所述第1传热块。

4.根据权利要求3所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述制冷剂供给口以将所述制冷剂供给到所述同心环状结构的外周部的方式设置于所述冷却台，所述制冷剂通道以将所述制冷剂从所述同心环状结构的所述外周部引导向所述同心环状结构的中心部的方式构成，所述制冷剂排出口以将所述制冷剂从所述同心环状结构的所述中心部排出的方式设置于所述冷却台。

5.根据权利要求3所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述同心环状结构的外周部处的所述第1热交换面与所述第2热交换面之间的间隔窄于所述同心环状结构的中心部处的所述第1热交换面与所述第2热交换面之间的间隔。

6.根据权利要求1或2所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述制冷剂通道被划分为多个分层。

7.根据权利要求6所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述制冷剂通道的所述多个分层分别配置于轴向上的不同部位，并且彼此连接以使所述制冷剂依次流过。

8.根据权利要求6所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述制冷剂通道的所述多个分层具有在轴向上彼此相邻的第1分层和第2分层，所述制冷剂通道具有连接所述第1分层和所述第2分层的多个连通通道。

9.根据权利要求8所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述多个连通通道的流路截面面积互不相同。

10.根据权利要求1或2所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述制冷剂供给口的流路截面面积大于所述制冷剂排出口的流路截面面积。

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