CN1156663C - 冷冻机 - Google Patents

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Abstract

一种冷冻机，使用旋转阀，该旋转阀由以轴心为中心而旋转的水平截面圆形的转子和将该转子内藏成自由转动的外壳所构成，在该转子的外周面设置多个通口，在外壳的内周面设置和该通口对应的多个通口，藉着该转子转动，切换为令转子的既定的通口和与其对应的该外壳的通口对正而令两通口连通的状态，及脱离该对正的情况而将两通口设为非连通的状态。可提供藉着使用小型、寿命长的切换阀可实现大型化、大容量化以及高效率化的冷冻机。

Description

冷冻机
技术领域
本发明是有关于冷冻机及其所使用的旋转阀。
背景技术
为了驱动以GM(Gifford-McMahon)冷冻机、脉波管冷冻机等为代表的小型冷冻机，需要压力振动源，视情况需要相位控制装置。又，在这些压力振动源、相位控制装置，为了控制动作气体的流动而设置切换阀。例如，如图17所示，在主动缓冲型脉波管冷冻机，有在压力振动源上使用压缩机91+两个切换阀93、94，在相位控制装置上使用两个缓冲槽92a、92b+两个切换阀95、96的。在图17，97是储冷器，98是脉波管。
上述各切换阀93～96，为了令高效率驱动冷冻机，按照严密决定的某一定的循环开闭，但是该循环一般是数～数十Hz的压力振动，开闭循环比较快。因而，在该切换阀93～96上，一般使用电磁阀或图18所示小型的平面密封型旋转阀。该平面密封型旋转阀在构造上设置了两个端口102、103(两端口102、103以连通流路104连通)的转子101和设置了3个端口106～108的定子105面接触，利用马达109的转动驱动转子101转动，切换各端口102、103、106～108(切换成如图18所示的将定子105的两端口107、108连通的状态和如图19所示的将定子105的两端口106、107连通的状态)。于是，图18所示平面密封型旋转阀可将动作气体切换为两方向。因此，仅提供用于压力振动源与相位控制装置的旋转阀即可。在图18，110表示以旋转方式容纳转子101的外壳。
为了冷冻机的大型化、高效率，需要将动作气体大容量化、将运转频率高速化以及设置复杂的相位控制装置，但是若考虑市场性，希望满足那些要求而且所需的切换阀是小型、寿命长。可是，在切换阀的代表例的电磁阀或图18所示的平面密封型旋转阀，无法令满足上述的要求，尚无法实现冷冻机的大型化、高效率化是实况。
即，在切换阀上使用电磁阀时，在想将动作气体大容量化的情况，阀变得复杂且大，无法高速动作。又，在令频繁的高速动作的情况，寿命显著降低。又，在设置相位控制装置的情况，为了将该相位控制装置复杂化，需要增加阀数，冷冻机整体变大。
而，作为切换阀而使用平面密封型旋转阀时，在为了将动作气体大容量化而增大端口直径的情况，或为了采用复杂的相位控制装置而增加端口数的情况，需要增大转子101和定子105的接触面积。又，因作用于转子101的压力因转子101和定子105的接触面积增大而变大，需要扭力大的马达109，阀整体变大。因此，只能开发冷冻性能数瓦等级的比较小型的冷冻机是实况。
发明内容
本发明是鉴于上述的情况而想出来的，其目的在于提供一种冷冻机及其所使用的旋转阀，藉着使用小型、寿命长的切换阀可实现大型化、大容量化以及高效率化。
本发明提供一种冷冻机，其包括一控制动作气体流动的旋转阀，该旋转阀包括：
一个绕其轴线旋转且其剖面为圆形的转子；
一个在内部容纳所述转子的中空外壳，
所述转子具有多组设置在其外周面的与所述转子内部互相连通的端口，
所述外壳具有多个设置在其内周面且与所述各组端口对应的端口，
其特征在于，
在所述转子的外周面的一侧面设置有一组端口，在另一侧面，在所述转子的轴心方向上与上述一组端口不同的位置设置有一组端口，
该旋转阀通过转子的旋转在第一状态和第二状态之间切换，
其中，该第一状态为：所述转子的一侧面的一组端口与和其对应的所述壳体的多个端口对正连通；同时，所述转子的另一侧面的一组端口与和其对应的所述壳体的多个端口不对正连通；
该第二状态为：所述转子的另一侧面的一组端口与和其对应的外壳的多个端口对正连通；同时，所述转子的一侧面的一组端口与和其对应的所述壳体的多个端口不对正连通。
本发明还提供一种冷冻机，其包括一控制动作气体流动的旋转阀，该旋转阀包括：
一个绕其轴线旋转且其剖面为圆形的转子；
一个在内部容纳所述转子的中空外壳，
所述转子具有多个设置在其外周面的凹部，
所述外壳具有多个设置在其内周面且与所述凹部对应的端口，
其特征在于，
在所述转子的外周面的一侧面设置有一个凹部，在另一侧面，在所述转子的轴心方向上与上述凹部不同的位置设置有一个凹部，
该旋转阀通过转子的旋转在第一状态和第二状态之间切换，
其中，该第一状态为：所述转子的一侧面的凹部与和其对应的所述壳体的多个端口对正连通；同时，所述转子的另一侧面的凹部与和其对应的所述壳体的多个端口不对正连通；
该第二状态为：所述转子的另一侧面的凹部与和其对应的外壳的多个端口对正连通；同时，所述转子的一侧面的凹部与和其对应的所述壳体的多个端口不对正连通。
该冷冻机是脉波管冷冻机，该脉波管冷冻机是一具有缓冲槽的冷冻机。
于是，本发明的冷冻机，因使用多个端口或凹部在轴心方向独立的旋转阀，端口直径或凹部宽度的扩大或端口数或凹部数的增加所引起的转子直径的扩大变成极小，旋转阀可小型化、长寿命化。其结果，本发明的冷冻机和习知的电磁阀或平面密封型旋转阀相比，可容易进行大口径化、多端口化，可实现大型化、大容量化以及高效率化。例如，若依据本发明的冷冻机，可提供数百瓦以上的大型冷冻机。当然，也可应用于习知的数瓦等级的小型冷冻机。在这种本发明的冷冻机上可列举脉波管冷冻机、GM冷冻机、Solvay冷冻机，但是未限定为这些冷冻机，只要是需要藉切换阀切换动作气体的冷冻机，不管其种类。此外，在本发明，「水平截面圆形的转子」意指在垂直竖立转子的情况将转子的水平截面形状成为圆形，又意指在令转子水平横躺的情况转子的垂直截面形状成为圆形。
附图说明
图1是在本发明的冷冻机使用的旋转阀的构造说明图。
图2是该旋转阀的作用的说明图。
图3是该旋转阀的作用的说明图。
图4是使用了旋转阀的脉波管冷冻机的说明图。
图5是表示本发明的冷冻机之别的实施例的说明图。
图6是在旋转阀使用的转子的立体图。
图7是表示该旋转阀的作用的说明图。
图8是表示该旋转阀的作用的说明图。
图9是表示该转子的变形例的立体图。
图10是使用了该转子的旋转阀的构造说明图。
图11是使用了该转子的旋转阀的构造说明图。
图12是表示本发明的冷冻机的另外的实施例的说明图。
图13是旋转阀的剖面图。
图14是表示该旋转阀的作用的说明图。
图15是表示该旋转阀的作用的说明图。
图16是表示该旋转阀的作用的说明图。
图17是表示习知例的脉波管冷冻机的说明图。
图18是表示平面密封型旋转阀的说明图。
图19是表示该平面密封型旋转阀的作用的说明图。
符号说明
1 转子
2 外壳
5～12 端口
17～22端口
具体实施方式
使用图1所示旋转阀A详细说明在本发明的冷冻机使用的旋转阀的构造、作用、效果。本旋转阀A具备以轴心为中心的、剖面为圆形的转子1、将该转子1设置于自由转动的圆筒形的外壳2、将该转子1轴支成自由转动的轴承3、3以及令该转子1朝一方向转动的马达4。又，在该转子1的外周面形成8个端口5～12(这8个端口5～12之中，两端口5、6、两端口7、8、两端口9、10以及两端口11、12用连通流路13～16连通)，而且在和该端口5～12对应的该外壳2的部分钻设6个端口17～22(这6个端口17～22之中，端口17和端口5、端口18和两端口6、9、端口19和端口10、端口20和端口7、端口21和端口11、端口22和两端口8、12各自对应)。而，在图1所示的状态，两端口5、17、两端口6、18、两端口7、20以及两端口8、22各自连通，其他的端口9～12、19、21处于非连通状态。又，转子1转动，变成图2所示的状态时，两端口9、18、两端口10、19、两端口11、21以及两端口12、22各自连通，其他的端口5～8、17、20处于非连通状态。又，转子1转动，变成图3所示的状态时，各端口17～22都变成非连通状态。
此外，转子1是圆筒形(即中空形状)或是圆柱形(即中实形状)都可，转子1的转动可利用马达4以外的各种装置。又，也可形成凹部，替代端口5～12，所连接的端口5～12不必相邻。又，在外壳2钻设的端口17～22未位于外壳2的同一侧面也可。又，将轴承3设置于转子1的两端，但是只设置于转子1的一端也可，在轴承3上不限滚动轴承，可使用滑动轴承等一般的轴承。又，在马达4上也可使用自由反转型。又，马达4的转动是均匀或是不连续的变化也可。
图4所示脉波管冷冻机是在图17所示的脉波管冷冻机，使用一个旋转阀B(构造和图1所示旋转阀A一样)替代4个切换阀93～96的。但，旋转阀B因需要具有和上述各切换阀93～96一样的作用，各端口5～12、17～22的形状、个数等和旋转阀A不同。
在上述旋转阀A、B，将转子1的直径小型化时，因截面积变小，可使用于转子1的压力负载的影响变成极小。又，因转子1的外径的周速减少，在转子1和外壳2之间设置密封(在图1～图3未示)的情况，可令该密封的摩擦所引起的产生扭矩减少。而且，因压力负载减少与密封的摩擦所引起的产生扭矩减少，可令马达4所需的动力减少。结果，可使用小型且高速的马达4。又，因转子1的周速减少，可实现(设置于转子1和外壳2之间的)密封长寿命化与转子1的高转速化。
又，因利用轴承3支撑作用于转子1的轴向与径向的负载，还可使用于马达4的负载减少，使得马达4所需的动力变成极小。又，转子1承受的压力负载利用支撑转子1的轴承3而更减少。这些有助于转子1与马达4小型化，可使旋转阀A、B整体变小。
由于这些构造上的优点，本发明的旋转阀可容易的进行端口直径的大径化，随着可容易进行动作气体的大容量化·运转频率的高速化。又，本发明的旋转阀，因可容易的令端口数增加，可容易的变成复杂的相位控制装置，可实现使用旋转阀的本发明的冷冻机的高效率化。
其次依照图面详细说明本发明的实施例。
图5是表示本发明的脉波管冷冻机之别的实施例的说明图。在本实施例，是在图17所示的脉波管冷冻机，使用旋转阀D替代切换阀93、94及切换阀95、96。除此以外的部分和图17所示脉波管冷冻机一样，对于相同的部分赋与相同的符号。
该旋转阀D是在该旋转阀A的转子1的外周面的一侧面(在图面为左侧面)形成一个凹部32，在另一侧面(在图面为右侧面)形成一个凹部33(参照图6)。又，在外壳2的一侧面(在图面为左侧面)钻设和该凹部32连通的两个端口34、35，而且钻设和该凹部连通的两个端口35、36(参照图7)。而，转子1旋转，变成图7所示的状态时，凹部32和两端口34、35连通，动作气体就流动。此时，凹部33和两端口35、36变成非连通状态，动作气体就不流动。又，转子1自此状态转动，变成图8所示的状态时，凹部33和两端口35、36连动，动作气体就流动。此时，凹部32和两端口34、35变成非连通状态，动作气体就不流动。此外，在本实施例使用2个旋转阀D，但是未限定如此，使得使用一个旋转阀D替代切换阀93、94及切换阀95、96也可。在本实施例，也有和该旋转阀A一样的作用·效果。
图9是表示在旋转阀E使用的转子1。本转子1在其外周面的一侧面(在图面为左侧面)形成一个凹部38，在另一侧面(在图面为右侧面)形成一个凹部39。又，在构成该旋转阀E的外壳2的一侧面(在图面为左侧面)钻设和该凹部38连通的两个端口40、41(参照图10)，而且钻设和该凹部39连通的两个端口42、43(参照图11)。在使用本旋转阀E的情况，也有和使用该旋转阀D一样的作用·效果。
图12是表示本发明的脉波管冷冻机的另外的实施例的说明图。在本实施例，是在图17所示的脉波管冷冻机，使用一个旋转阀F替代4个切换阀93～96(即，具有和图4所示脉波管冷冻机一样的构造)、在图12，51是压缩机，52是储冷器，53是脉波管，54是高压侧缓冲槽，55是低压侧缓冲槽。又，56是将压缩机51的低压侧和旋转阀F的端口75连通的管，57是将压缩机51的高压侧和旋转阀F的端口77连通的管，58是将高压侧缓冲槽54和旋转阀F的端口78连通的管，59是将低压侧缓冲槽55和旋转阀F的端口80连通的管。
该旋转阀F如图13所示，具备转子(阀体)61，利用马达(图上未示)向一方向旋转；及外壳62，将该转子61设置成自由转动。在图13中，61a是在转子61形成的连结轴部，从外壳62的一端面(图中是右端面)突出而连结在马达上。63是将转子61支撑成自由转动的轴承，64是O形环，65、66是盖部。
在该转子61在其外周面形成4个凹部71～74。又，在该外壳62在其外周面沿着该外壳62的纵向钻设排成一列的6个端口75～80，这些各端口75～80和转子61的各凹部71～74对应。即，转子61的凹部71和外壳62的两端口76、77、凹部72和两端口75、76、凹部73和两端口78、79、凹部74和两端口79、80分别对应。又，该外壳62的端口76和储冷器52连通，端口79和脉波管53连通。
说明这种脉波管冷冻机的动作的概略。首先，利用马达的转动，将该外壳62的各端口75～77设为非连通状态，将两端口79、80设为非连通状态。此时，脉波管53内的压力变成和压缩机51的低压侧相同。接着，经由转子61的凹部73令两端口78、79连通时(参照图14)，高压侧缓冲槽54内的高压冷媒气体流入脉波管53的热端后，脉波管53内的气体压力上升至接近高压侧缓冲槽54的压力附近为止。
其次，经由转子61的凹部71令两端口76、77连通时(参照图13)，自压缩机51的高压侧供给高压冷媒气体，流入脉波管53的冷端。此时，高压冷媒气体的流入压力(压缩机51的高压侧的压力)设为比高压侧缓冲槽54的压力稍高，流入了脉波管53的热端的高压冷媒气体马上回到高压侧缓冲槽54内。
其次，将两端口76、77及两端口78、79设为非连通状态后，经由转子61的凹部74令两端口79、80连通时(参照图15)，因脉波管53的热端的冷媒气体流入(回到)低压侧缓冲槽55，脉波管53的压务降低至低压侧缓冲槽55的压力为止。即，脉波管53内的高压冷媒气体膨胀至低压侧缓冲槽55的压力为止，温度降低，冷却脉波管53的冷端侧。
其次，经由转子61的凹部72令两端口75、76连通时(参照图16)，在脉波管53内膨胀的冷媒气体向压缩机51的低压侧排出，而且低压侧缓冲槽55的低压冷媒气体流入脉波管53内。
照这样完成一个循环，接着一个循环重新开始。因照这样循环工作，高压冷媒气体不断的膨胀而变成低压。
此外，在上述各实施例使用的脉波管冷冻机上，是密闭系也可，是开放系也可。又，是具有储冷件的也可，是未具储冷件的也可。又，是间接冷却方式也可，是直接冷却方式也可。
如上所述示，若依据本发明的冷冻机，因使用多个端口或凹部在轴心方向独立的旋转阀，端口直径或凹部宽度的扩大或端口数或凹部数的增加所引起的转子直径的扩大变成极小，旋转阀可小型化、长寿命化。其结果，本发明的冷冻机和习知的电磁阀或平面密封型旋转阀相比，可容易进行大口径化、多端口化，可实现大型、大容量化以及高效率化。例如，若依据本发明的冷冻机，可提供数百瓦以上的大型冷冻机。当然，也可应用于习知的数瓦等级的小型冷冻机。

Claims (3)

1.一种冷冻机，其包括一控制动作气体流动的旋转阀，该旋转阀包括：
一个绕其轴线旋转且其剖面为圆形的转子；
一个在内部容纳所述转子的中空外壳，
所述转子具有多组设置在其外周面的与所述转子内部互相连通的端口，
所述外壳具有多个设置在其内周面且与所述各组端口对应的端口，
其特征在于，
在所述转子的外周面的一侧面设置有一组端口，在另一侧面，在所述转子的轴心方向上与上述一组端口不同的位置设置有一组端口，
该旋转阀通过转子的旋转在第一状态和第二状态之间切换，
其中，该第一状态为：所述转子的一侧面的一组端口与和其对应的所述外壳的多个端口对正连：同时，所述转子的另一侧面的一组端口与和其对应的所述外壳的多个端口不对正连通；
该第二状态为：所述转子的另一侧面的一组端口与和其对应的外壳的多个端口对正连通；同时，所述转子的一侧面的一组端口与和其对应的所述外壳的多个端口不对正连通。
2.一种冷冻机，其包括一控制动作气体流动的旋转阀，该旋转阀包括：
一个绕其轴线旋转且其剖面为圆形的转子；
一个在内部容纳所述转子的中空外壳，
所述转子具有多个设置在其外周面的凹部，
所述外壳具有多个设置在其内周面且与所述凹部对应的端口，
其特征在于，
在所述转子的外周面的一侧面设置有一个凹部，在另一侧面，在所述转子的轴心方向上与上述凹部不同的位置设置有一个凹部，
该旋转阀通过转子的旋转在第一状态和第二状态之间切换，
其中，该第一状态为：所述转子的一侧面的凹部与和其对应的所述外壳的多个端口对正连通；同时，所述转子的另一侧面的凹部与和其对应的所述外壳的多个端口不对正连通；
该第二状态为：所述转子的另一侧面的凹部与和其对应的外壳的多个端口对正连通；同时，所述转子的一侧面的凹部与和其对应的所述外壳的多个端口不对正连通。
3.如权利要求1或2的冷冻机，其特征在于，该冷冻机是脉波管冷冻机，该脉波管冷冻机是一具有缓冲槽的冷冻机。
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