蓄冷式制冷机的制作方法
蓄冷式制冷机的制作方法
【专利说明】蓄冷式制冷机
[0001]本申请主张基于2014年3月5日申请的日本专利申请第2014-042337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
[0002]本发明涉及一种蓄冷式制冷机。
【背景技术】
[0003]蓄冷式制冷机用于将冷却对象物冷却至例如从100K(开尔文)左右至4K左右的范围。作为蓄冷式制冷机例如有吉福德-麦克马洪式(GM)制冷机、脉冲管制冷机、斯特林制冷机及苏尔威制冷机等。蓄冷式制冷机的用于例如超导磁铁或检测器等的冷却、或低温栗O
[0004]专利文献1:日本特开平5-18622号公报
[0005]专利文献2:日本特开平4-68268号公报
【发明内容】
[0006]本发明的一种实施方式的示例性目的之一在于实现蓄冷式制冷机的小型化及/或制冷能力的提尚。
[0007]根据本发明的一种实施方式提供一种单级式或多级式的蓄冷式制冷机，其具备:缸体，具备冷却台；置换器，具备与所述冷却台同一级的蓄冷器，且配设成能够在所述缸体内沿轴向移动；低温侧气体流路，使所述置换器与所述冷却台之间的气体膨胀空间和所述蓄冷器的低温端连通。所述缸体具备从所述冷却台向高温侧沿所述轴向延伸的缸体侧壁。所述置换器具备与所述缸体侧壁对置且沿所述轴向延伸的置换器侧壁。所述低温侧气体流路具备:气体流通间隙，由所述置换器侧壁的外周面与所述缸体侧壁的内周面划定；置换器气体通路，使所述气体流通间隙与所述蓄冷器的低温端连通。所述气体流通间隙在所述轴向上的低温侧与所述气体膨胀空间连续。所述置换器气体通路在所述置换器侧壁的外周面具有通向所述气体流通间隙的间隙侧开口。与所述蓄冷器的低温端的轴向位置相比，所述间隙侧开口的轴向位置位于更靠高温侧。
[0008]根据本发明，能够实现蓄冷式制冷机的小型化及/或制冷能力的提高。
【附图说明】
[0009]图1是概略地表示本发明的一种实施方式所涉及的蓄冷式制冷机的图。
[0010]图2是概略地表示本发明的一种实施方式所涉及的蓄冷式制冷机的二级低温端的图。
[0011]图3是概略地表示一种蓄冷式制冷机的二级低温端的图。
[0012]图4是概略地表示本发明的另一实施方式所涉及的蓄冷式制冷机的二级低温端的图。
[0013]图5是概略地表示本发明的又一实施方式所涉及的蓄冷式制冷机的二级置换器的低温侧的图。
[0014]图中:1-GM制冷机，20-—级缸体，21-—级缸体侧壁，22-—级置换器，23a-—级高温端，23b-—级低温端，24-—级置换器侧壁，30-—级蓄冷器，31-—级膨胀室，33-开口，35- 一级冷却台，40b- 一级低温侧气体流路，40c- 一级置换器气体通路，40d- 一级气体流通间隙，50- 二级冷却部，51- 二级缸体，52- 二级置换器，53a- 二级高温端，53b- 二级低温端，54a- 二级低温侧气体流路，54b- 二级置换器气体通路，54c- 二级气体流通间隙，55- 二级膨胀室，56- 二级缸体侧壁，57- 二级置换器侧壁，58- 二级置换器底部，60- 二级蓄冷器，70-间隙侧开口，71-蓄冷器侧开口，72-连接路，85- 二级冷却台，86- 二级冷却台侧部，87- 二级冷却台底部。
【具体实施方式】
[0015]以下，参考附图对本发明的实施方式进行详细说明。另外，在说明中对于相同的要件标注相同的符号，并适当省略重复说明。并且，以下叙述的结构为示例，对本发明的范围不作任何限定。
[0016]图1是概略地表示本发明的一种实施方式所涉及的蓄冷式制冷机的图。GM制冷机I等蓄冷式制冷机具备:蓄冷器部、膨胀机及压缩机。一般的情况下，蓄冷器部设置于膨胀机。蓄冷器部构成为对工作气体(例如氦气)进行预冷。膨胀机具备使预冷的工作气体膨胀的空间，以对通过蓄冷器部预冷的工作气体进行进一步冷却。蓄冷器部构成为被通过膨胀而冷却的工作气体冷却。压缩机构成为从蓄冷器部回收并压缩工作气体，并将工作气体重新供给至蓄冷器部。
[0017]在如图所示的GM制冷机I等二级式制冷机中，蓄冷器部具备一级蓄冷器和二级蓄冷器。一级蓄冷器构成为将从压缩机供给的工作气体预冷至一级蓄冷器的低温端温度。二级蓄冷器构成为将通过一级蓄冷器预冷的工作气体预冷至二级蓄冷器的低温端温度。
[0018]GM制冷机I具有发挥压缩机的功能的气体压缩机3及发挥膨胀机的功能的二级式冷头10。冷头10具有一级冷却部15及二级冷却部50，这些冷却部以同轴的方式连结于凸缘12。一级冷却部15具备一级高温端23a及一级低温端23b，二级冷却部50具备二级高温端53a及二级低温端53b。一级冷却部15与二级冷却部50串联连接。因此一级低温端23b与二级高温端53a相邻。
[0019]一级冷却部15具备:一级缸体20、一级置换器22、一级蓄冷器30、一级膨胀室31及一级冷却台35。一级缸体20为中空的气密容器。一级置换器22设置在一级缸体20内且可沿轴向Q往复运动。一级蓄冷器30具备填充于一级置换器22内的一级蓄冷材料。因此，一级置换器22为容纳一级蓄冷材料的容器。一级膨胀室31形成在一级缸体20内的一级低温端23b。一级膨胀室31的容积随着一级置换器22的往复运动而变化。一级冷却台35安装在一级低温端23b的一级缸体20的外侧。
[0020]一级缸体20具备从一级冷却台35向高温侧沿轴向Q延伸的一级缸体侧壁21。一级置换器22具备与一级缸体侧壁21对置且沿轴向Q延伸的一级置换器侧壁24。
[0021]在一级高温端23a设置有多个一级高温侧气体通路40a以使氦气流入一级蓄冷器30或从一级蓄冷器30流出。在一级低温端23b设置有一级低温侧气体流路40b以使氦气在一级蓄冷器30与一级膨胀室31之间流入或流出。一级低温侧气体流路40b使一级膨胀室31与一级蓄冷器30的低温端连通。
[0022]一级低温侧气体流路40b具备一级置换器气体通路40c及一级气体流通间隙40d。一级置换器气体通路40c使一级气体流通间隙40d与一级蓄冷器30的低温端连通。一级置换器气体通路40c具有:通向一级气体流通间隙40d的间隙侧开口、通向一级蓄冷器30的低温端的蓄冷器侧开口、连接间隙侧开口与蓄冷器侧开口的连接路。
[0023]—级气体流通间隙40d由一级置换器侧壁24的外周面与一级缸体侧壁21的内周面划定。一级气体流通间隙40d在轴向Q上的低温侧与一级膨胀室31连续。另一方面，在轴向Q上的一级气体流通间隙40d的高温侧设置有封住一级气体流通间隙40d与一级高温端23a之间的气体流动的一级密封件39。一级密封件39配设于一级缸体20与一级置换器22之间。因此，一级高温端23a与一级低温端23b之间的工作气体的流动经由一级蓄冷器30 ο
[0024]二级冷却部50具备:二级缸体51、二级置换器52、二级蓄冷器60、二级膨胀室55及二级冷却台85。二级缸体51为中空的气密容器。二级置换器52设置在二级缸体51内且可与一级置换器22 —同沿轴向Q往复运动。二级蓄冷器60具备填充于二级置换器52内的二级蓄冷材料。因此，二级置换器52为容纳二级蓄冷材料的容器。二级膨胀室55设置在二级缸体51内的二级低温端53b。二级膨胀室55的容积随着二级置换器52的往复运动而变化。二级冷却台85安装在二级低温端 53b的二级缸体51的外侧。
[0025]二级缸体51具备从二级冷却台85向高温侧沿轴向Q延伸的二级缸体侧壁56。二级置换器52具备与二级缸体侧壁56对置且沿轴向Q延伸的二级置换器侧壁57。二级置换器侧壁57的低温端被二级置换器底部58堵塞。
[0026]在二级高温端53a设置有二级高温侧气体通路40e以使氦气流入二级蓄冷器60或从二级蓄冷器60流出。在图示的GM制冷机I中，二级高温侧气体通路40e使一级膨胀室31与二级蓄冷器60连通。在二级低温端53b设置有二级低温侧气体流路54a以使氦气流入二级膨胀室55或从二级膨胀室55流出。二级低温侧气体流路54a使二级膨胀室55与二级蓄冷器60的低温端连通。
[0027]二级低温侧气体流路54a具备二级置换器气体通路54b及二级气体流通间隙54c。二级置换器气体通路54b使二级气体流通间隙54c与二级蓄冷器60的低温端连通。
[0028]二级气体流通间隙54c由二级置换器侧壁57的外周面与二级缸体侧壁56的内周面划定。二级气体流通间隙54c在轴向Q上的低温侧与二级膨胀室55连续。另一方面，在轴向Q上的二级气体流通间隙54c的高温侧设置有封住二级气体流通间隙54c与二级高温端53a之间的气体流动的二级密封件59。二级密封件59配设于二级缸体51与二级置换器52之间。因此，二级高温端53a与二级低温端53b之间的工作气体的流动经由二级蓄冷器60。另外，二级冷却部50可以构成为允许少量气体通过二级气体流通间隙54c在二级高温端53a与二级低温端53b之间流动。
[0029]图2是概略地表示本发明的一种实施方式所涉及的蓄冷式制冷机的二级低温端53b的图。二级置换器气体通路54b具有:通向二级气体流通间隙54c的间隙侧开口 70、通向二级蓄冷器60的低温端的蓄冷器侧开口 71。因此，间隙侧开口 70形成于二级置换器侧壁57的外周面，蓄冷器侧开口 71形成于二级置换器侧壁57的内周面。并且，二级置换器气体通路54b具有连接间隙侧开口 70与蓄冷器侧开口 71的连接路72。间隙侧开口 70为设置于二级置换器52的低温侧的从二级置换器52向其外部的气体出口(及从置换器外部向二级置换器52的气体入口)。
[0030]二级置换器气体通路54b为形成于二级置换器侧壁57的弯曲流路。间隙侧开口70及蓄冷器侧开口 71沿垂直于轴向Q的径向形成，连接路72沿轴向Q形成。
[0031]与二级蓄冷器60的低温端的轴向位置相比间隙侧开口 70的轴向位置位于更靠高温侧。即，与蓄冷器侧开口 71相比间隙侧开口 70在轴向Q上位于更靠高温侧。
[0032]二级冷却台85具备二级冷却台侧部86及二级冷却台底部87。如图2所示，当二级置换器52位于上止点时，间隙侧开口 70的轴向位置与二级冷却台侧部86的高温侧端部的轴向位置一致。
[0033]二级气体流通间隙54c比二级置换器气体通路54b窄。由此，能够增加氦气通过二级气体流通间隙54c时的气体与二级冷却台侧部86之间的热交换量。具体而言，二级气体流通间隙54c的径向宽度比连接路72的径向宽度小。并且，二级气体流通间隙54c的径向宽度可以比间隙侧开口 70及/或蓄冷器侧开口 71的轴向宽度小。
[0034]如图1所示，GM制冷机I具备连接气体压缩机3与冷头10的配管7。配管7上设置有高压阀5及低压阀6。GM制冷机I构成为高压氦气从气体压缩机3经由高压阀5及配管7供给至一级冷却部15。并且，GM制冷机I构成为低压氦气从一级冷却部15经由配管7及低压阀6排出至气体压缩机3。
[0035]GM制冷机I具备用于使一级置换器22及二级置换器52往复运动的驱动马达8。一级置换器22及二级置换器52通过驱动马达8沿轴向Q —体地进行往复运动。并且，驱动马达8与高压阀5和低压阀6连结以便与该往复运动联动而选择性地切换高压阀5的开启和低压阀6的开启。由此，GM制冷机I构成为适当地切换工作气体的进气冲程和排气冲程。
[0036]对上述结构的GM制冷机I的动作进行说明。首先，在一级置换器22及二级置换器52分别位于一级缸体20及二级缸体51内的下止点或其附近时，高压阀5打开。一级置换器22及二级置换器52从下止点向上止点移动。在此期间低压阀6处于关闭状态。
[0037]高压氦气从气体压缩机3流入到一级冷却部15。高压氦气从一级高温侧气体通路40a流入到一级置换器22的内部，通过一级蓄冷器30冷却至规定的温度。被冷却的氦气从一级低温侧气体流路40b流入到一级膨胀室31。流入到一级膨胀室31的高压氦气的一部分从二级高温侧气体通路40e流入到二级置换器52的内部。该氦气通过二级蓄冷器60进一步冷却至更低的规定温度，并从二级低温侧气体流路54a流入到二级膨胀室55。其结果，一级膨胀室31及二级膨胀室55内成为高压状态。
[0038]当一级置换器22及二级置换器52分别到达一级缸体20及二级缸体51内的上止点或其附近时，高压阀5关闭。与此几乎同时低压阀6打开。一级置换器22及二级置换器52从上止点向下止点开始移动。
[0039]一级膨胀室31及二级膨胀室55内的氦气被减压膨胀。其结果，氦气被冷却。在一级膨胀室31冷却的氦气通过一级低温侧气体流路40b (即一级气体流通间隙40d及一级置换器气体通路40c)流入一级蓄冷器30。通过由一级膨胀室31及一级气体流通间隙40d的气体流动而产生的气体与一级冷却台35之间的热交换，一级冷却台35被冷却。并且，在二级膨胀室55冷却的氦气通过二级低温侧气体流路54a(即二级气体流通间隙54c及二级置换器气体通路54b)流入二级蓄冷器60。通过由二级膨胀室55及二级气体流通间隙54c的气体流动而产生的气体与二级冷却台85之间的热交换，二级冷却台85被冷却。氦气冷却一级蓄冷器30及二级蓄冷器60，并经由低压阀6及配管7返回至气体压缩机3。
[0040]若一级置换器22及二级置换器52分别到达一级缸体20及二级缸体51内的下止点或其附近时，则低压阀6关闭。与此几乎同时高压阀5再次打开。
[0041]GM制冷机I将以上动作作为I个周期，并重复上述动作。如此，GM制冷机I能够从分别与一级冷却台35及二级冷却台85热连接的冷却对象物(未图示)吸收热，进行冷却。一级高温端23a的温度例如为室温。一级低温端23b及二级高温端53a(即一级冷却台35)的温度例如在约20K?约40K的范围内。二级低温端53b (即二级冷却台85)的温度例如为约4K。
[0042]在本实施方式中，与二级蓄冷器60的低温端相比间隙侧开口 70位于更靠高温侧。换言之，将二级置换器52的低温侧的气体出入口的位置设置在比二级蓄冷器60的端部更靠高温侧。因此，从间隙侧开口 70至二级置换器底部58的轴向距离变大，能够在轴向Q上加长二级气体流通间隙54c。二级气体流通间隙54c为在二级膨胀室55膨胀并冷却的气体从二级膨胀室55朝向间隙侧开口 70贴着二级冷却台侧部86流动的气体流路。由于被冷却的气体的流路较长，因此气体与二级冷却台侧部86的热交换量增加。由此，能够提高GM制冷机I的制冷能力。
[0043]本实施方式所涉及的气体流路结构的优点通过与图3中举例说明的结构进行比较而变得明确。图3所示的二级低温端153b具有从二级蓄冷器160的低温端沿径向直线形成在二级置换器侧壁157上的二级置换器气体通路154b，从而代替本实施方式所涉及的图2所示的二级置换器气体通路 54b。并且，图3所示的二级低温端153b具有轴向长度与本实施方式所涉及的图2所示的二级气体流通间隙54c的轴向长度相同的二级气体流通间隙154c。因此，二级低温端153b具有与本实施方式所涉及的图2所示的二级冷却台底部87相比在轴向Q上明显变厚的二级置换器底部158。二级蓄冷器160的低温端远离二级膨胀室155。
[0044]因此，根据本实施方式，由于二级置换器底部58的轴向厚度较小，因此能够使二级蓄冷器60的低温端靠近二级膨胀室55。不需要如图3所示的被较厚的二级置换器底部158占用的不必要空间。能够缩短二级冷却部50的轴向长度，可实现GM制冷机I的小型化。
[0045]若改变观点，在本实施方式中，由于与间隙侧开口 70相比蓄冷器侧开口 71配置在更靠低温侧，因此将本实施方式所涉及的二级蓄冷器60的轴向长度可设为比图3所示的二级蓄冷器160长。由此，能够增加二级蓄冷器60的蓄冷材料的量，因此能够提高GM制冷机I的制冷能力。
[0046]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，可进行各种设计变更，可以是各种变形例，并且这种变形例也属于本发明的范围内，这对本领域技术人员来说是可以理解的。
[0047]例如，如图4所示，二级置换器气体通路54b的蓄冷器侧开口 71可以形成于二级置换器底部58。间隙侧开口 70与上述实施方式相同，形成于二级置换器侧壁57的外周面。如此，间隙侧开口 70可以配置于比蓄冷器侧开口 71在轴向Q上更靠高温侧。
[0048]或者，如图5所示，二级置换器52可具备:置换器主体部75，具有间隙侧开口 70 ;置换器盖部76，具有蓄冷器侧开口 71。置换器主体部75可具备主体螺纹部77，置换器盖部76可具备盖螺纹部78。采用这种结构，可在置换器低温端容易实现本实施方式所涉及的弯曲的气体流路结构。
[0049]置换器主体部75的低温端开放，置换器盖部76从该开口部插入置换器主体部75的低温端，盖螺纹部78与主体螺纹部77螺合。如此，置换器盖部76固定于置换器主体部75。
[0050]置换器盖部76具备:置换器底部79，堵塞置换器主体部75的低温端；内壁部80，从置换器底部79朝向高温侧延伸以插入置换器主体部75的低温端。蓄冷器侧开口 71设置在内壁部80的低温端。盖螺纹部78设置在内壁部80的高温侧端部。沿周向可以形成多个蓄冷器侧开口 71。
[0051]置换器主体部75具备包围置换器盖部76的内壁部80的外壁部81。间隙侧开口70以在轴向Q上位于比蓄冷器侧开口 71更靠高温侧的方式设置在外壁部81。沿周向可以形成多个间隙侧开口 70。外壁部81的低温端与置换器底部79的外周部抵接。主体螺纹部77设置在比间隙侧开口 70更靠高温侧少许的位置。内壁部80与外壁部81之间形成有连接路72。
[0052]另外，还可以与图5所示的实施方式相反，置换器主体部75具备具有蓄冷器侧开口 71的内壁部，置换器盖部76具备具有间隙侧开口 70的外壁部。此时，置换器主体部75的低温端被置换器盖部76覆盖，盖螺纹部78与主体螺纹部77螺合，置换器盖部76固定于置换器主体部75。
[0053]在上述实施方式中，以二级式的蓄冷式制冷机的第二级为例进行了说明，但本发明的实施方式并不限定于此。例如，实施方式所涉及的气体流路结构也可以设置在二级式的蓄冷式制冷机的第一级的低温端(例如一级低温端23b)。此时，一级置换器气体通路40c可形成为在一级置换器侧壁24及/或一级置换器底部形成的弯曲流路。例如，一级置换器气体通路40c的间隙侧开口及蓄冷器侧开口沿径向形成于一级置换器侧壁24，一级置换器气体通路40c的连接路沿轴向Q形成于一级置换器侧壁24也可。与一级蓄冷器30的低温端的轴向位置相比，间隙侧开口的轴向位置位于更靠高温侧。间隙侧开口位于比蓄冷器侧开口在轴向Q上更靠高温侧。实施方式所涉及的气体流路结构也可以设置在第一级及第二级双方的低温端。
[0054]或者，实施方式所涉及的气体流路结构也可以设置在单级式的蓄冷式制冷机的低温端。而且，实施方式所涉及的气体流路结构也可以设置在三级式(或其他多级式)的蓄冷式制冷机中的至少一个级的低温端。
[0055]在上述实施方式中，以GM制冷机I为例子进行了说明，但并不限定于此，实施方式所涉及的气体流路结构也可以设置在具备内置有蓄冷器的置换器的其他种类的蓄冷式制冷机。
[0056]具备实施方式所涉及的气体流路结构的GM制冷机I或其他蓄冷式制冷机可用作超导磁铁、低温泵、X射线检测器、红外线传感器、量子光子检测器、半导体检测器、稀释制冷机、He3制冷机、绝热去磁制冷机、氦液化器、低温恒温器等的冷却机构或液化机构。
【主权项】
1.一种单级式或多级式的蓄冷式制冷机，其特征在于，具备: 缸体，具备冷却台； 置换器，具备与所述冷却台同一级的蓄冷器，且配设成能够在所述缸体内沿轴向移动；及 低温侧气体流路，使所述置换器与所述冷却台之间的气体膨胀空间和所述蓄冷器的低温端连通， 所述缸体具备从所述冷却台向高温侧沿所述轴向延伸的缸体侧壁，所述置换器具备与所述缸体侧壁对置且沿所述轴向延伸的置换器侧壁， 所述低温侧气体流路具备:气体流通间隙，由所述置换器侧壁的外周面与所述缸体侧壁的内周面划定；置换器气体通路，使所述气体流通间隙与所述蓄冷器的低温端连通，其中，所述气体流通间隙在所述轴向上的低温侧与所述气体膨胀空间连续， 所述置换器气体通路在所述置换器侧壁的外周面具有通向所述气体流通间隙的间隙侧开口，并且与所述蓄冷器的低温端的轴向位置相比，所述间隙侧开口的轴向位置位于更靠高温侧。2.根据权利要求1所述的蓄冷式制冷机，其特征在于， 所述气体流通间隙比所述置换器气体通路窄。3.根据权利要求1或2所述的蓄冷式制冷机，其特征在于， 所述置换器气体通路具有通向所述蓄冷器的低温端的蓄冷器侧开口， 所述置换器具备:主体部，具有所述间隙侧开口 ；盖部，具有所述蓄冷器侧开口，其中，所述主体部具备主体螺纹部，所述盖部具备与所述主体螺纹部螺合的盖螺纹部。4.根据权利要求1至3中任一项所述的蓄冷式制冷机，其特征在于， 所述多级式的蓄冷式制冷机为具备作为高温级的第一级与作为低温级的第二级的二级式蓄冷式制冷机，所述置换器气体通路设置在所述第二级上。
【专利摘要】本发明提供一种蓄冷式制冷机，其实现蓄冷式制冷机的小型化及/或制冷能力的提高。单级式或多级式的蓄冷式制冷机具备二级低温侧气体流路(54a)，所述二级低温侧气体流路使二级置换器与二级冷却台(85)之间的二级膨胀室(55)和二级蓄冷器(60)的低温端连通。二级低温侧气体流路具备：二级气体流通间隙(54c)，由二级置换器侧壁(57)的外周面与二级缸体侧壁(56)的内周面划定；二级置换器气体通路(54b)，使二级气体流通间隙与二级蓄冷器的低温端连通。二级置换器气体通路在二级置换器侧壁的外周面上具有通向二级气体流通间隙的间隙侧开口。与二级蓄冷器的低温端的轴向位置相比，间隙侧开口的轴向位置位于更靠高温侧。
【IPC分类】F25B9/00
【公开号】CN104896781
【申请号】CN201510096786
【发明人】松井孝聪
【申请人】住友重机械工业株式会社
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年3月4日
【公告号】US20150253042
【专利说明】蓄冷式制冷机
[0001]本申请主张基于2014年3月5日申请的日本专利申请第2014-042337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
[0002]本发明涉及一种蓄冷式制冷机。
【背景技术】
[0003]蓄冷式制冷机用于将冷却对象物冷却至例如从100K(开尔文)左右至4K左右的范围。作为蓄冷式制冷机例如有吉福德-麦克马洪式(GM)制冷机、脉冲管制冷机、斯特林制冷机及苏尔威制冷机等。蓄冷式制冷机的用于例如超导磁铁或检测器等的冷却、或低温栗O
[0004]专利文献1:日本特开平5-18622号公报
[0005]专利文献2:日本特开平4-68268号公报
【发明内容】
[0006]本发明的一种实施方式的示例性目的之一在于实现蓄冷式制冷机的小型化及/或制冷能力的提尚。
[0007]根据本发明的一种实施方式提供一种单级式或多级式的蓄冷式制冷机，其具备:缸体，具备冷却台；置换器，具备与所述冷却台同一级的蓄冷器，且配设成能够在所述缸体内沿轴向移动；低温侧气体流路，使所述置换器与所述冷却台之间的气体膨胀空间和所述蓄冷器的低温端连通。所述缸体具备从所述冷却台向高温侧沿所述轴向延伸的缸体侧壁。所述置换器具备与所述缸体侧壁对置且沿所述轴向延伸的置换器侧壁。所述低温侧气体流路具备:气体流通间隙，由所述置换器侧壁的外周面与所述缸体侧壁的内周面划定；置换器气体通路，使所述气体流通间隙与所述蓄冷器的低温端连通。所述气体流通间隙在所述轴向上的低温侧与所述气体膨胀空间连续。所述置换器气体通路在所述置换器侧壁的外周面具有通向所述气体流通间隙的间隙侧开口。与所述蓄冷器的低温端的轴向位置相比，所述间隙侧开口的轴向位置位于更靠高温侧。
[0008]根据本发明，能够实现蓄冷式制冷机的小型化及/或制冷能力的提高。
【附图说明】
[0009]图1是概略地表示本发明的一种实施方式所涉及的蓄冷式制冷机的图。
[0010]图2是概略地表示本发明的一种实施方式所涉及的蓄冷式制冷机的二级低温端的图。
[0011]图3是概略地表示一种蓄冷式制冷机的二级低温端的图。
[0012]图4是概略地表示本发明的另一实施方式所涉及的蓄冷式制冷机的二级低温端的图。
[0013]图5是概略地表示本发明的又一实施方式所涉及的蓄冷式制冷机的二级置换器的低温侧的图。
[0014]图中:1-GM制冷机，20-—级缸体，21-—级缸体侧壁，22-—级置换器，23a-—级高温端，23b-—级低温端，24-—级置换器侧壁，30-—级蓄冷器，31-—级膨胀室，33-开口，35- 一级冷却台，40b- 一级低温侧气体流路，40c- 一级置换器气体通路，40d- 一级气体流通间隙，50- 二级冷却部，51- 二级缸体，52- 二级置换器，53a- 二级高温端，53b- 二级低温端，54a- 二级低温侧气体流路，54b- 二级置换器气体通路，54c- 二级气体流通间隙，55- 二级膨胀室，56- 二级缸体侧壁，57- 二级置换器侧壁，58- 二级置换器底部，60- 二级蓄冷器，70-间隙侧开口，71-蓄冷器侧开口，72-连接路，85- 二级冷却台，86- 二级冷却台侧部，87- 二级冷却台底部。
【具体实施方式】
[0015]以下，参考附图对本发明的实施方式进行详细说明。另外，在说明中对于相同的要件标注相同的符号，并适当省略重复说明。并且，以下叙述的结构为示例，对本发明的范围不作任何限定。
[0016]图1是概略地表示本发明的一种实施方式所涉及的蓄冷式制冷机的图。GM制冷机I等蓄冷式制冷机具备:蓄冷器部、膨胀机及压缩机。一般的情况下，蓄冷器部设置于膨胀机。蓄冷器部构成为对工作气体(例如氦气)进行预冷。膨胀机具备使预冷的工作气体膨胀的空间，以对通过蓄冷器部预冷的工作气体进行进一步冷却。蓄冷器部构成为被通过膨胀而冷却的工作气体冷却。压缩机构成为从蓄冷器部回收并压缩工作气体，并将工作气体重新供给至蓄冷器部。
[0017]在如图所示的GM制冷机I等二级式制冷机中，蓄冷器部具备一级蓄冷器和二级蓄冷器。一级蓄冷器构成为将从压缩机供给的工作气体预冷至一级蓄冷器的低温端温度。二级蓄冷器构成为将通过一级蓄冷器预冷的工作气体预冷至二级蓄冷器的低温端温度。
[0018]GM制冷机I具有发挥压缩机的功能的气体压缩机3及发挥膨胀机的功能的二级式冷头10。冷头10具有一级冷却部15及二级冷却部50，这些冷却部以同轴的方式连结于凸缘12。一级冷却部15具备一级高温端23a及一级低温端23b，二级冷却部50具备二级高温端53a及二级低温端53b。一级冷却部15与二级冷却部50串联连接。因此一级低温端23b与二级高温端53a相邻。
[0019]一级冷却部15具备:一级缸体20、一级置换器22、一级蓄冷器30、一级膨胀室31及一级冷却台35。一级缸体20为中空的气密容器。一级置换器22设置在一级缸体20内且可沿轴向Q往复运动。一级蓄冷器30具备填充于一级置换器22内的一级蓄冷材料。因此，一级置换器22为容纳一级蓄冷材料的容器。一级膨胀室31形成在一级缸体20内的一级低温端23b。一级膨胀室31的容积随着一级置换器22的往复运动而变化。一级冷却台35安装在一级低温端23b的一级缸体20的外侧。
[0020]一级缸体20具备从一级冷却台35向高温侧沿轴向Q延伸的一级缸体侧壁21。一级置换器22具备与一级缸体侧壁21对置且沿轴向Q延伸的一级置换器侧壁24。
[0021]在一级高温端23a设置有多个一级高温侧气体通路40a以使氦气流入一级蓄冷器30或从一级蓄冷器30流出。在一级低温端23b设置有一级低温侧气体流路40b以使氦气在一级蓄冷器30与一级膨胀室31之间流入或流出。一级低温侧气体流路40b使一级膨胀室31与一级蓄冷器30的低温端连通。
[0022]一级低温侧气体流路40b具备一级置换器气体通路40c及一级气体流通间隙40d。一级置换器气体通路40c使一级气体流通间隙40d与一级蓄冷器30的低温端连通。一级置换器气体通路40c具有:通向一级气体流通间隙40d的间隙侧开口、通向一级蓄冷器30的低温端的蓄冷器侧开口、连接间隙侧开口与蓄冷器侧开口的连接路。
[0023]—级气体流通间隙40d由一级置换器侧壁24的外周面与一级缸体侧壁21的内周面划定。一级气体流通间隙40d在轴向Q上的低温侧与一级膨胀室31连续。另一方面，在轴向Q上的一级气体流通间隙40d的高温侧设置有封住一级气体流通间隙40d与一级高温端23a之间的气体流动的一级密封件39。一级密封件39配设于一级缸体20与一级置换器22之间。因此，一级高温端23a与一级低温端23b之间的工作气体的流动经由一级蓄冷器30 ο
[0024]二级冷却部50具备:二级缸体51、二级置换器52、二级蓄冷器60、二级膨胀室55及二级冷却台85。二级缸体51为中空的气密容器。二级置换器52设置在二级缸体51内且可与一级置换器22 —同沿轴向Q往复运动。二级蓄冷器60具备填充于二级置换器52内的二级蓄冷材料。因此，二级置换器52为容纳二级蓄冷材料的容器。二级膨胀室55设置在二级缸体51内的二级低温端53b。二级膨胀室55的容积随着二级置换器52的往复运动而变化。二级冷却台85安装在二级低温端 53b的二级缸体51的外侧。
[0025]二级缸体51具备从二级冷却台85向高温侧沿轴向Q延伸的二级缸体侧壁56。二级置换器52具备与二级缸体侧壁56对置且沿轴向Q延伸的二级置换器侧壁57。二级置换器侧壁57的低温端被二级置换器底部58堵塞。
[0026]在二级高温端53a设置有二级高温侧气体通路40e以使氦气流入二级蓄冷器60或从二级蓄冷器60流出。在图示的GM制冷机I中，二级高温侧气体通路40e使一级膨胀室31与二级蓄冷器60连通。在二级低温端53b设置有二级低温侧气体流路54a以使氦气流入二级膨胀室55或从二级膨胀室55流出。二级低温侧气体流路54a使二级膨胀室55与二级蓄冷器60的低温端连通。
[0027]二级低温侧气体流路54a具备二级置换器气体通路54b及二级气体流通间隙54c。二级置换器气体通路54b使二级气体流通间隙54c与二级蓄冷器60的低温端连通。
[0028]二级气体流通间隙54c由二级置换器侧壁57的外周面与二级缸体侧壁56的内周面划定。二级气体流通间隙54c在轴向Q上的低温侧与二级膨胀室55连续。另一方面，在轴向Q上的二级气体流通间隙54c的高温侧设置有封住二级气体流通间隙54c与二级高温端53a之间的气体流动的二级密封件59。二级密封件59配设于二级缸体51与二级置换器52之间。因此，二级高温端53a与二级低温端53b之间的工作气体的流动经由二级蓄冷器60。另外，二级冷却部50可以构成为允许少量气体通过二级气体流通间隙54c在二级高温端53a与二级低温端53b之间流动。
[0029]图2是概略地表示本发明的一种实施方式所涉及的蓄冷式制冷机的二级低温端53b的图。二级置换器气体通路54b具有:通向二级气体流通间隙54c的间隙侧开口 70、通向二级蓄冷器60的低温端的蓄冷器侧开口 71。因此，间隙侧开口 70形成于二级置换器侧壁57的外周面，蓄冷器侧开口 71形成于二级置换器侧壁57的内周面。并且，二级置换器气体通路54b具有连接间隙侧开口 70与蓄冷器侧开口 71的连接路72。间隙侧开口 70为设置于二级置换器52的低温侧的从二级置换器52向其外部的气体出口(及从置换器外部向二级置换器52的气体入口)。
[0030]二级置换器气体通路54b为形成于二级置换器侧壁57的弯曲流路。间隙侧开口70及蓄冷器侧开口 71沿垂直于轴向Q的径向形成，连接路72沿轴向Q形成。
[0031]与二级蓄冷器60的低温端的轴向位置相比间隙侧开口 70的轴向位置位于更靠高温侧。即，与蓄冷器侧开口 71相比间隙侧开口 70在轴向Q上位于更靠高温侧。
[0032]二级冷却台85具备二级冷却台侧部86及二级冷却台底部87。如图2所示，当二级置换器52位于上止点时，间隙侧开口 70的轴向位置与二级冷却台侧部86的高温侧端部的轴向位置一致。
[0033]二级气体流通间隙54c比二级置换器气体通路54b窄。由此，能够增加氦气通过二级气体流通间隙54c时的气体与二级冷却台侧部86之间的热交换量。具体而言，二级气体流通间隙54c的径向宽度比连接路72的径向宽度小。并且，二级气体流通间隙54c的径向宽度可以比间隙侧开口 70及/或蓄冷器侧开口 71的轴向宽度小。
[0034]如图1所示，GM制冷机I具备连接气体压缩机3与冷头10的配管7。配管7上设置有高压阀5及低压阀6。GM制冷机I构成为高压氦气从气体压缩机3经由高压阀5及配管7供给至一级冷却部15。并且，GM制冷机I构成为低压氦气从一级冷却部15经由配管7及低压阀6排出至气体压缩机3。
[0035]GM制冷机I具备用于使一级置换器22及二级置换器52往复运动的驱动马达8。一级置换器22及二级置换器52通过驱动马达8沿轴向Q —体地进行往复运动。并且，驱动马达8与高压阀5和低压阀6连结以便与该往复运动联动而选择性地切换高压阀5的开启和低压阀6的开启。由此，GM制冷机I构成为适当地切换工作气体的进气冲程和排气冲程。
[0036]对上述结构的GM制冷机I的动作进行说明。首先，在一级置换器22及二级置换器52分别位于一级缸体20及二级缸体51内的下止点或其附近时，高压阀5打开。一级置换器22及二级置换器52从下止点向上止点移动。在此期间低压阀6处于关闭状态。
[0037]高压氦气从气体压缩机3流入到一级冷却部15。高压氦气从一级高温侧气体通路40a流入到一级置换器22的内部，通过一级蓄冷器30冷却至规定的温度。被冷却的氦气从一级低温侧气体流路40b流入到一级膨胀室31。流入到一级膨胀室31的高压氦气的一部分从二级高温侧气体通路40e流入到二级置换器52的内部。该氦气通过二级蓄冷器60进一步冷却至更低的规定温度，并从二级低温侧气体流路54a流入到二级膨胀室55。其结果，一级膨胀室31及二级膨胀室55内成为高压状态。
[0038]当一级置换器22及二级置换器52分别到达一级缸体20及二级缸体51内的上止点或其附近时，高压阀5关闭。与此几乎同时低压阀6打开。一级置换器22及二级置换器52从上止点向下止点开始移动。
[0039]一级膨胀室31及二级膨胀室55内的氦气被减压膨胀。其结果，氦气被冷却。在一级膨胀室31冷却的氦气通过一级低温侧气体流路40b (即一级气体流通间隙40d及一级置换器气体通路40c)流入一级蓄冷器30。通过由一级膨胀室31及一级气体流通间隙40d的气体流动而产生的气体与一级冷却台35之间的热交换，一级冷却台35被冷却。并且，在二级膨胀室55冷却的氦气通过二级低温侧气体流路54a(即二级气体流通间隙54c及二级置换器气体通路54b)流入二级蓄冷器60。通过由二级膨胀室55及二级气体流通间隙54c的气体流动而产生的气体与二级冷却台85之间的热交换，二级冷却台85被冷却。氦气冷却一级蓄冷器30及二级蓄冷器60，并经由低压阀6及配管7返回至气体压缩机3。
[0040]若一级置换器22及二级置换器52分别到达一级缸体20及二级缸体51内的下止点或其附近时，则低压阀6关闭。与此几乎同时高压阀5再次打开。
[0041]GM制冷机I将以上动作作为I个周期，并重复上述动作。如此，GM制冷机I能够从分别与一级冷却台35及二级冷却台85热连接的冷却对象物(未图示)吸收热，进行冷却。一级高温端23a的温度例如为室温。一级低温端23b及二级高温端53a(即一级冷却台35)的温度例如在约20K?约40K的范围内。二级低温端53b (即二级冷却台85)的温度例如为约4K。
[0042]在本实施方式中，与二级蓄冷器60的低温端相比间隙侧开口 70位于更靠高温侧。换言之，将二级置换器52的低温侧的气体出入口的位置设置在比二级蓄冷器60的端部更靠高温侧。因此，从间隙侧开口 70至二级置换器底部58的轴向距离变大，能够在轴向Q上加长二级气体流通间隙54c。二级气体流通间隙54c为在二级膨胀室55膨胀并冷却的气体从二级膨胀室55朝向间隙侧开口 70贴着二级冷却台侧部86流动的气体流路。由于被冷却的气体的流路较长，因此气体与二级冷却台侧部86的热交换量增加。由此，能够提高GM制冷机I的制冷能力。
[0043]本实施方式所涉及的气体流路结构的优点通过与图3中举例说明的结构进行比较而变得明确。图3所示的二级低温端153b具有从二级蓄冷器160的低温端沿径向直线形成在二级置换器侧壁157上的二级置换器气体通路154b，从而代替本实施方式所涉及的图2所示的二级置换器气体通路 54b。并且，图3所示的二级低温端153b具有轴向长度与本实施方式所涉及的图2所示的二级气体流通间隙54c的轴向长度相同的二级气体流通间隙154c。因此，二级低温端153b具有与本实施方式所涉及的图2所示的二级冷却台底部87相比在轴向Q上明显变厚的二级置换器底部158。二级蓄冷器160的低温端远离二级膨胀室155。
[0044]因此，根据本实施方式，由于二级置换器底部58的轴向厚度较小，因此能够使二级蓄冷器60的低温端靠近二级膨胀室55。不需要如图3所示的被较厚的二级置换器底部158占用的不必要空间。能够缩短二级冷却部50的轴向长度，可实现GM制冷机I的小型化。
[0045]若改变观点，在本实施方式中，由于与间隙侧开口 70相比蓄冷器侧开口 71配置在更靠低温侧，因此将本实施方式所涉及的二级蓄冷器60的轴向长度可设为比图3所示的二级蓄冷器160长。由此，能够增加二级蓄冷器60的蓄冷材料的量，因此能够提高GM制冷机I的制冷能力。
[0046]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，可进行各种设计变更，可以是各种变形例，并且这种变形例也属于本发明的范围内，这对本领域技术人员来说是可以理解的。
[0047]例如，如图4所示，二级置换器气体通路54b的蓄冷器侧开口 71可以形成于二级置换器底部58。间隙侧开口 70与上述实施方式相同，形成于二级置换器侧壁57的外周面。如此，间隙侧开口 70可以配置于比蓄冷器侧开口 71在轴向Q上更靠高温侧。
[0048]或者，如图5所示，二级置换器52可具备:置换器主体部75，具有间隙侧开口 70 ;置换器盖部76，具有蓄冷器侧开口 71。置换器主体部75可具备主体螺纹部77，置换器盖部76可具备盖螺纹部78。采用这种结构，可在置换器低温端容易实现本实施方式所涉及的弯曲的气体流路结构。
[0049]置换器主体部75的低温端开放，置换器盖部76从该开口部插入置换器主体部75的低温端，盖螺纹部78与主体螺纹部77螺合。如此，置换器盖部76固定于置换器主体部75。
[0050]置换器盖部76具备:置换器底部79，堵塞置换器主体部75的低温端；内壁部80，从置换器底部79朝向高温侧延伸以插入置换器主体部75的低温端。蓄冷器侧开口 71设置在内壁部80的低温端。盖螺纹部78设置在内壁部80的高温侧端部。沿周向可以形成多个蓄冷器侧开口 71。
[0051]置换器主体部75具备包围置换器盖部76的内壁部80的外壁部81。间隙侧开口70以在轴向Q上位于比蓄冷器侧开口 71更靠高温侧的方式设置在外壁部81。沿周向可以形成多个间隙侧开口 70。外壁部81的低温端与置换器底部79的外周部抵接。主体螺纹部77设置在比间隙侧开口 70更靠高温侧少许的位置。内壁部80与外壁部81之间形成有连接路72。
[0052]另外，还可以与图5所示的实施方式相反，置换器主体部75具备具有蓄冷器侧开口 71的内壁部，置换器盖部76具备具有间隙侧开口 70的外壁部。此时，置换器主体部75的低温端被置换器盖部76覆盖，盖螺纹部78与主体螺纹部77螺合，置换器盖部76固定于置换器主体部75。
[0053]在上述实施方式中，以二级式的蓄冷式制冷机的第二级为例进行了说明，但本发明的实施方式并不限定于此。例如，实施方式所涉及的气体流路结构也可以设置在二级式的蓄冷式制冷机的第一级的低温端(例如一级低温端23b)。此时，一级置换器气体通路40c可形成为在一级置换器侧壁24及/或一级置换器底部形成的弯曲流路。例如，一级置换器气体通路40c的间隙侧开口及蓄冷器侧开口沿径向形成于一级置换器侧壁24，一级置换器气体通路40c的连接路沿轴向Q形成于一级置换器侧壁24也可。与一级蓄冷器30的低温端的轴向位置相比，间隙侧开口的轴向位置位于更靠高温侧。间隙侧开口位于比蓄冷器侧开口在轴向Q上更靠高温侧。实施方式所涉及的气体流路结构也可以设置在第一级及第二级双方的低温端。
[0054]或者，实施方式所涉及的气体流路结构也可以设置在单级式的蓄冷式制冷机的低温端。而且，实施方式所涉及的气体流路结构也可以设置在三级式(或其他多级式)的蓄冷式制冷机中的至少一个级的低温端。
[0055]在上述实施方式中，以GM制冷机I为例子进行了说明，但并不限定于此，实施方式所涉及的气体流路结构也可以设置在具备内置有蓄冷器的置换器的其他种类的蓄冷式制冷机。
[0056]具备实施方式所涉及的气体流路结构的GM制冷机I或其他蓄冷式制冷机可用作超导磁铁、低温泵、X射线检测器、红外线传感器、量子光子检测器、半导体检测器、稀释制冷机、He3制冷机、绝热去磁制冷机、氦液化器、低温恒温器等的冷却机构或液化机构。
【主权项】
1.一种单级式或多级式的蓄冷式制冷机，其特征在于，具备: 缸体，具备冷却台； 置换器，具备与所述冷却台同一级的蓄冷器，且配设成能够在所述缸体内沿轴向移动；及 低温侧气体流路，使所述置换器与所述冷却台之间的气体膨胀空间和所述蓄冷器的低温端连通， 所述缸体具备从所述冷却台向高温侧沿所述轴向延伸的缸体侧壁，所述置换器具备与所述缸体侧壁对置且沿所述轴向延伸的置换器侧壁， 所述低温侧气体流路具备:气体流通间隙，由所述置换器侧壁的外周面与所述缸体侧壁的内周面划定；置换器气体通路，使所述气体流通间隙与所述蓄冷器的低温端连通，其中，所述气体流通间隙在所述轴向上的低温侧与所述气体膨胀空间连续， 所述置换器气体通路在所述置换器侧壁的外周面具有通向所述气体流通间隙的间隙侧开口，并且与所述蓄冷器的低温端的轴向位置相比，所述间隙侧开口的轴向位置位于更靠高温侧。2.根据权利要求1所述的蓄冷式制冷机，其特征在于， 所述气体流通间隙比所述置换器气体通路窄。3.根据权利要求1或2所述的蓄冷式制冷机，其特征在于， 所述置换器气体通路具有通向所述蓄冷器的低温端的蓄冷器侧开口， 所述置换器具备:主体部，具有所述间隙侧开口 ；盖部，具有所述蓄冷器侧开口，其中，所述主体部具备主体螺纹部，所述盖部具备与所述主体螺纹部螺合的盖螺纹部。4.根据权利要求1至3中任一项所述的蓄冷式制冷机，其特征在于， 所述多级式的蓄冷式制冷机为具备作为高温级的第一级与作为低温级的第二级的二级式蓄冷式制冷机，所述置换器气体通路设置在所述第二级上。
【专利摘要】本发明提供一种蓄冷式制冷机，其实现蓄冷式制冷机的小型化及/或制冷能力的提高。单级式或多级式的蓄冷式制冷机具备二级低温侧气体流路(54a)，所述二级低温侧气体流路使二级置换器与二级冷却台(85)之间的二级膨胀室(55)和二级蓄冷器(60)的低温端连通。二级低温侧气体流路具备：二级气体流通间隙(54c)，由二级置换器侧壁(57)的外周面与二级缸体侧壁(56)的内周面划定；二级置换器气体通路(54b)，使二级气体流通间隙与二级蓄冷器的低温端连通。二级置换器气体通路在二级置换器侧壁的外周面上具有通向二级气体流通间隙的间隙侧开口。与二级蓄冷器的低温端的轴向位置相比，间隙侧开口的轴向位置位于更靠高温侧。
【IPC分类】F25B9/00
【公开号】CN104896781
【申请号】CN201510096786
【发明人】松井孝聪
【申请人】住友重机械工业株式会社
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年3月4日
【公告号】US20150253042
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