超低溫制冷機的制作方法
【專利說明】超低溫制冷機
[0001]本申請主張基于2013年12月18日申請的日本專利申請第2013-261441號的優(yōu)先權(quán)。該日本申請的全部內(nèi)容通過參考援用于本說明書中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及一種使用從壓縮裝置供給的高壓制冷劑氣體產(chǎn)生西蒙膨脹而產(chǎn)生超低溫寒冷的超低溫制冷機，尤其涉及一種在超低溫制冷機中使用的置換器。
【背景技術(shù)】
[0003]作為產(chǎn)生超低溫的制冷機的一例，已知有吉福德-麥克馬洪(Gifford-McMahon ；GM)制冷機。GM制冷機通過使置換器在缸體內(nèi)往復(fù)移動而使膨脹空間的體積發(fā)生變化。通過與該體積變化相對應(yīng)地、選擇性地連接膨脹空間和壓縮機的吐出側(cè)及膨脹空間和吸氣偵牝從而使制冷劑氣體在膨脹空間膨脹。通過此時產(chǎn)生的寒冷對冷卻對象進行冷卻。
[0004]專利文獻1:日本特開2013-142479號公報
[0005]以GM制冷機為代表的具備置換器的制冷機中，為了使置換器在缸體內(nèi)往復(fù)移動，在缸體與置換器之間設(shè)有間隙。在缸體的低溫側(cè)端部設(shè)有冷卻臺，該間隙的一部分作為間隙內(nèi)的制冷劑氣體與冷卻臺之間進行換熱的換熱器發(fā)揮作用。另一方面，還已知因間隙中存在的制冷劑氣體的導(dǎo)熱而存在被稱作穿梭損失的損失。
[0006]若加長換熱器而加寬與制冷劑氣體的換熱面積，則制冷劑氣體與冷卻臺之間的換熱效率得到提高。然而，換熱器越長，穿梭損失就越大。如此，基于改變換熱器長度的換熱效率的提高與穿梭損失的降低處于此消彼長的關(guān)系。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明是鑒于這種課題而完成的，其目的在于提供一種降低穿梭損失，并且提高制冷劑氣體與換熱器之間的換熱效率的技術(shù)。
[0008]為了解決上述課題，本發(fā)明的一種實施方式的超低溫制冷機具備置換器；蓋部，設(shè)置在置換器的低溫端；及缸體，將置換器容納成沿長邊方向往復(fù)移動自如，并且在與蓋部之間形成制冷劑氣體的膨脹空間。蓋部中形成有將置換器和膨脹空間連通的制冷劑氣體流路，制冷劑氣體流路設(shè)置成向膨脹空間內(nèi)流出的制冷劑氣體的流出方向相對于置換器的長邊方向傾斜。
[0009]根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種降低穿梭損失，并且提高制冷劑氣體與換熱器之間的換熱效率的技術(shù)。
【附圖說明】
[0010]圖1是示意地表示本發(fā)明的一種實施方式所涉及的超低溫制冷機及置換器的示意圖。
[0011]圖2(a)-圖2(b)是表示本發(fā)明的實施方式所涉及的超低溫制冷機中的制冷劑氣體流路的一例的圖。
[0012]圖3(a)-圖3(b)是表示本發(fā)明的實施方式所涉及的制冷劑氣體流路的另一例的圖。
[0013]圖4是表示本發(fā)明的實施方式所涉及的2級式超低溫制冷機的結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0014]圖5(a)-圖5(b)是表示本發(fā)明的實施方式所涉及的2級式超低溫制冷機的另一結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0015]圖6是表示本發(fā)明的實施方式的一個變形例所涉及的超低溫制冷機及置換器的示意圖。
[0016]圖中:1-超低溫制冷機，2-置換器，2a_主體部，2b_蓋部，3-膨脹空間，4-缸體，5-冷卻臺，7-蓄冷器，8-室溫室，11-上部開口，12-壓縮機，13-供給閥，14-回流閥，15-密封件，16-制冷劑氣體流路，17-第I開口部，18-第2開口部，19-內(nèi)部表面，20-外部表面，31-超低溫制冷機，32-第I置換器，32b-蓋部，33-銷，34-連接器，35-銷，36-第2置換器，37-第I缸體，38-第2缸體，39-室溫室，41-第I蓄冷器，42-上部開口，43-壓縮機，44-供給閥，45-回流閥，46-密封件，47-第I膨脹空間，48-制冷劑氣體流路，49-第I冷卻臺，50-第2蓄冷器，51-第2膨脹空間，52b-蓋部，53-螺旋槽，54-第2冷卻臺，56-制冷劑氣體流路。
【具體實施方式】
[0017]結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式進行說明。
[0018]實施方式所涉及的超低溫制冷機I例如為將氦氣用作制冷劑氣體的吉福德-麥克馬洪(GM)式的制冷機。超低溫制冷機I具備置換器2、在與置換器2之間形成膨脹空間3的缸體4、及與膨脹空間3相鄰且以外包圍該膨脹空間3的方式存在的有底圓筒狀的冷卻臺5。冷卻臺5作為在冷卻對象與制冷劑氣體之間進行換熱的換熱器發(fā)揮作用。置換器2包括主體部2a和在低溫端的蓋部2b。蓋部2b可由與主體部2a相同的部件構(gòu)成。并且，蓋部2b也可由導(dǎo)熱系數(shù)高于主體部2a的材質(zhì)制成。如此一來，蓋部2b還作為在與流經(jīng)蓋部2b內(nèi)的制冷劑氣體之間進行換熱的導(dǎo)熱部發(fā)揮作用。蓋部2b例如使用銅、鋁、不銹鋼等導(dǎo)熱系數(shù)至少大于主體部2a的材料。冷卻臺5例如由銅、鋁、不銹鋼等制成。
[0019]壓縮機12從吸氣側(cè)回收低壓制冷劑氣體，并將其壓縮之后向超低溫制冷機I供給高壓制冷劑氣體。作為制冷劑氣體，例如能夠使用氦氣等，但并不限定于此。
[0020]缸體4將置換器2容納成能夠沿長邊方向往復(fù)移動。從強度、導(dǎo)熱系數(shù)、氦隔離能力等觀點考慮，缸體4例如使用不銹鋼。
[0021]在置換器2的高溫端設(shè)有往復(fù)驅(qū)動置換器2的未圖示的止轉(zhuǎn)棒軛機構(gòu)，置換器2沿著缸體4的軸向往復(fù)移動。
[0022]置換器2具有圓筒狀的外周面，在置換器2的內(nèi)部填充有蓄冷材料。該置換器2的內(nèi)部容積構(gòu)成蓄冷器7。在蓄冷器7的上端側(cè)及下端側(cè)可設(shè)有對氦氣的流動進行整流的整流器(未圖示)。
[0023]在置換器2的高溫端形成有使制冷劑氣體從該室溫室8向置換器2流通的上部開口 11。室溫室8為由缸體4和置換器2的高溫端形成的空間，其容積隨著置換器2的往復(fù)移動發(fā)生變化。
[0024]室溫室8上連接有將由壓縮機12、供給閥13、回流閥14構(gòu)成的吸排氣系統(tǒng)相互連接的配管中的供排共同配管。并且，在置換器2的偏靠高溫端的部分與缸體4之間安裝有密封件15。
[0025]在置換器2的低溫端形成有向膨脹空間3導(dǎo)入制冷劑氣體的制冷劑氣體流路16。膨脹空間3為由缸體4和置換器2形成的空間，其容積隨著置換器2的往復(fù)移動發(fā)生變化。在缸體4的外周及底部的與膨脹空間3對應(yīng)的位置配置有與冷卻對象熱連接的冷卻臺5，冷卻臺5被通過制冷劑氣體流路16流入膨脹空間3的制冷劑氣體冷卻。
[0026]從比重、強度、導(dǎo)熱系數(shù)等觀點考慮，置換器2的主體部2a例如使用酚醛樹脂等。蓄冷材料例如由金屬絲網(wǎng)等構(gòu)成。另外，圖1中示出超低溫制冷機I運行中的狀態(tài)。因此，隨著主體部2a因低溫而稍微收縮，主體部2a和蓋部2b處于外徑相同的狀態(tài)，但在常溫下，蓋部2b的外徑稍微小于主體部2a的外徑。
[0027]接著，對超低溫制冷機I的動作進行說明。在制冷劑氣體供給工序的某一時間點，置換器2位于缸體4的下止點LP。若與此同時或者稍微錯開的時刻打開供給閥13，則高壓制冷劑氣體經(jīng)由供給閥13從供排共同配管供給至缸體4內(nèi)。其結(jié)果，高壓制冷劑氣體從位于置換器2上部的上部開口 11流入置換器2內(nèi)部的蓄冷器7中。流入到蓄冷器7中的高壓制冷劑氣體被蓄冷材料冷卻的同時，經(jīng)由位于置換器2下部的制冷劑氣體流路16供給至膨脹空間3。
[0028]若膨脹空間3被高壓制冷劑氣體填滿，則供給閥13被關(guān)閉。此時，置換器2位于缸體4內(nèi)的上止點UP。若與此同時或者稍微錯開的時刻打開回流閥14，則膨脹空間3的制冷劑氣體被減壓而膨脹。通過膨脹成為低溫的膨脹空間3的氦氣吸收冷卻臺5的熱量。
[0029]置換器2朝向下止點LP移動，從而膨脹空間3的容積減小。膨脹空間3內(nèi)的制冷劑氣體經(jīng)由制冷劑氣體流路16、蓄冷器7、上部開口 11返回到壓縮機12的吸氣側(cè)。此時，蓄冷材料被制冷劑氣體冷卻。將該工序作為I個循環(huán)，超低溫制冷機I重復(fù)進行該冷卻循環(huán)，由此對冷卻臺5進行冷卻。
[0030]在實施方式所涉及的超低溫制冷機I及置換器2中，從冷卻臺5進入的熱量經(jīng)由膨脹空間3中存在的制冷劑氣體進入至蓋部2b。S卩，當膨脹空間3中產(chǎn)生的低溫制冷劑氣體通過制冷劑氣體流路16時，制冷劑氣體與蓋部2b之間進行換熱。
[0031]并且，進入到蓋部2b的熱量進一步在蓋部2b內(nèi)部朝向膨脹空間3傳遞。如上所述，在置換器2的低溫端具備蓋部2b。因此，蓋部2b與膨脹空間3內(nèi)的低溫制冷劑氣體接觸，從而能夠進一步提高冷卻臺5與制冷劑氣體之間的換熱效率。
[0032]另外，有時還由例如酚醛樹脂等制成置換器2的蓋部2b。然而，與由導(dǎo)熱系數(shù)高于主體部2a的材質(zhì)制成蓋部2b的本實施方式所涉及的超低溫制冷機I相比，制冷劑氣體與蓋之間的換熱減少，基本上不進行換熱。因此，僅在膨脹空間3中產(chǎn)生的低溫制冷劑氣體與冷卻臺5之間進行換熱，冷卻效率下降。因此，就置換器2的蓋而言，優(yōu)選由導(dǎo)熱系數(shù)高于主體部2a的材質(zhì)制成蓋部2b。
[0033]如以上說明，在實施方式所涉及的超低溫制冷機I中，置換器2在缸體4內(nèi)往復(fù)移動，從而使膨脹空間3內(nèi)的制冷劑氣體膨脹而產(chǎn)生寒冷。如圖1所示，為了置換器2的往復(fù)移動，在缸體4與置換器2之間設(shè)有間隙C。間隙C中與冷卻臺5相鄰的部分作為在冷卻臺5與間隙C內(nèi)的制冷劑氣體之間進行換熱的換熱器發(fā)揮作用。
[0034]在此