超低温制冷机的制作方法
超低温制冷机的制作方法
【专利说明】超低温制冷机
[0001]本申请主张基于2014年10月7日申请的日本专利申请第2014-206156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]本发明涉及一种超低温制冷机。
【背景技术】
[0003]超低温制冷机用于将冷暖却对象冷却至例如100K(开尔文)左右至4Κ左右的范围。作为超低温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、索尔凡制冷机等。超低温制冷机的用途例如为超导磁铁或检测器等的冷却或低温栗。
[0004]专利文献1:日本专利第2659684号公报
【发明内容】
[0005]本发明的一种实施方式的例示性目的之一在于提高超低温制冷机的换热效率。
[0006]根据本发明的一种实施方式，超低温制冷机具备:缸体，沿轴向延伸；置换器，以沿所述轴向能够往复移动的方式配设于所述缸体内，且在所述轴向上的所述置换器与所述缸体的一端部之间形成制冷剂气体的膨胀空间；及蓄冷器，内置于所述置换器中。在所述缸体的内周面与所述置换器的外周面之间设有空隙，所述置换器具备从所述蓄冷器向所述空隙导入所述制冷剂气体的通道。所述超低温制冷机还具备套管，其在所述缸体的一端部的内侧配设于所述膨胀空间的周围。所述套管将从所述空隙向所述膨胀空间导入所述制冷剂气体的通道确定在所述缸体的一端部与所述套管之间和/或所述套管的外表面与内表面之间。
[0007]根据本发明能够提高超低温制冷机的换热效率。
【附图说明】
[0008]图1为表示本发明的一种实施方式所涉及的超低温制冷机的示意图。
[0009]图2为本发明的一种实施方式所涉及的套管的示意俯视图。
[0010]图3为本发明的另一种实施方式所涉及的套管的示意俯视图。
[0011]图4为本发明的另一种实施方式所涉及的套管的示意俯视图。
[0012]图中:10-GM制冷机，12-蓄冷器，18-膨胀空间，20-缸体，22-冷却台，24-置换器，26-第1间隙，32-置换器下部开口，36-套管，38-第2间隙，40-套管筒部，42-套管底板，44-侧部空隙、46-底部空隙，48-贯穿孔，Q-轴向。
【具体实施方式】
[0013]以下，参考附图对本发明的实施方式进行详细说明。另外，在说明中对相同的要件标注相同的符号，并适当省略重复说明。并且，下述结构为示例，对本发明的范围不做任何限定。
[0014]图1为表示本发明的一种实施方式所涉及的超低温制冷机的示意图。超低温制冷机例如为GM制冷机10。图示的GM制冷机10为单级制冷机。GM制冷机10例如使用氦气作为制冷剂气体。
[0015]GM制冷机10等蓄冷器式的超低温制冷机具备:蓄冷器12、膨胀机14、压缩机16。如图1所示，蓄冷器12设置于膨胀机14，且构成为对从压缩机16供给至膨胀机14的高压制冷剂气体进行预冷。膨胀机14具备制冷剂气体的膨胀空间18。通过蓄冷器12预冷的制冷剂气体在膨胀空间18被膨胀，从而进一步被冷却。蓄冷器12构成为被通过膨胀而被冷却的制冷剂气体冷却。压缩机16构成为从蓄冷器12回收制冷剂气体并将其压缩后再次向蓄冷器12及膨胀空间18供给制冷剂气体。
[0016]膨胀机14具备冷头，该冷头包括缸体20、冷却台22及置换器24。缸体20为制冷剂气体的密闭容器，且为沿轴向Q延伸的空心部件。缸体20例如具有圆筒形状。
[0017]冷却台22包围膨胀空间18并与缸体20热连接。冷却台22例如形成为有底圆筒状，且安装于缸体20的外侧。冷却台22作为在外部热源等冷却对象与制冷剂气体之间进行换热的换热器发挥功能。冷却台22有时也被称为热负荷凸缘。
[0018]置换器24与缸体20同轴配设。蓄冷器12内置于置换器24。置换器24例如呈直径稍小于缸体20的圆筒形状。缸体20的内周面与置换器24的外周面之间设有空隙。以下，将该空隙称为第1间隙26。置换器24的外周面是指置换器24的侧面，缸体20的内周面是指与置换器24的侧面对置的缸体20的表面。
[0019]置换器24为将缸体20的内部空间分隔成膨胀空间18与室温空间28的活塞。相对于置换器24在缸体20的一侧形成有膨胀空间18，相对于置换器24在缸体20的另一侧形成有室温空间28。因此，能够将轴向Q上的缸体20 (或置换器24)的一端部称为低温端，将轴向Q上的缸体20 (或置换器24)的另一端部称为高温端。因此，膨胀空间18形成于置换器24的低温端与缸体20的低温端之间，室温空间28形成于置换器24的高温端与缸体20的高温端之间。
[0020]在以下的说明中，方便起见，为了记述要件之间的相对位置关系，有时将室温侧标记为“上”，将低温侧标记为“下”。例如，能够表示为，室温空间28位于置换器24的上方，膨胀空间18位于置换器24的下方。
[0021]置换器24以能够沿轴向Q往复移动的方式配设于缸体20内。在置换器24的高温端连结有用于使置换器24往复移动的驱动部25。通过置换器24的往复移动，膨胀空间18及室温空间28的容积分别以互补的方式发生变化。
[0022]在置换器24的高温端设有用于使制冷剂气体在室温空间28与蓄冷器12之间流通的置换器上部开口 30。置换器上部开口 30沿着轴向Q而形成。在置换器24的低温端设有用于使制冷剂气体在蓄冷器12与膨胀空间18之间流通的置换器下部开口 32。置换器下部开口 32为从蓄冷器12的低温端向第1间隙26导入制冷剂气体的通道。置换器下部开口 32沿着与轴向Q正交的径向而形成。
[0023]在第1间隙26的上部可以设置密封件34。通过密封件34来阻断通过第1间隙26的气体流动。因此，室温空间28与膨胀空间18之间的制冷剂气体流动经由蓄冷器12。当密封件34为如同密封环的接触密封件时，密封件34可以安装于置换器24的高温端。密封件34也可以是非接触密封件。另外，在一种实施方式中，也可以允许通过第1间隙26的制冷剂气体的流动或泄漏。
[0024]并且，膨胀机14具备在缸体20的低温端的内侧配设于膨胀空间18的周围的套管36。套管36与缸体20同轴配置。套管36安装于缸体20的低温端。因此，在套管36的外表面可以设置与缸体20的内表面抵接的至少1个抵接部(未图示)。套管36可以由与缸体20相同的材料(例如不锈钢)形成。
[0025]套管36确定从第1间隙26向膨胀空间18导入制冷剂气体的通道。该气体通道为形成于缸体20的低温端与套管36之间的空隙。以下，将该空隙称为第2间隙38。第2间隙38比第1间隙26窄。S卩，径向上的第2间隙38的宽度比径向上的第1间隙26的宽度小。套管36构成冷却台22的制冷剂气体的流速增加机构。
[0026]图2为本发明的一种实施方式所涉及的套管36的示意俯视图。如图1及图2所示，套管36具备与缸体20的内周面对置的套管筒部40及与缸体20的底部对置的套管底板42。套管筒部40在缸体20的低温端沿着其内周面向轴向Q延伸。套管底板42从套管筒部40朝向径向内侧延伸。如此，套管36形成为有底的筒状。套管筒部40例如为沿轴向Q延伸的短圆筒，且直径稍微小于缸体20的内径。套管底板42为安装于套管筒部40的下端的圆板。
[0027]如图1所示，第2间隙38包括:形成于套管筒部40与缸体20的内周面之间的侧部空隙44以及形成于套管底板42与缸体20的底部之间且与侧部空隙44连续的底部空隙46。在套管底板42的中心具有贯穿孔48，贯穿孔48使底部空隙46与膨胀空间18连通。如此，能够将制冷剂气体流路延长至贯穿孔48。
[0028]套管上端50的轴向位置与冷却台上端23的轴向位置大致相同。因此，从第1间隙26向第2间隙38的气体入口位于与冷却台上端23大致相同的高度。气体入口也可以设置在与此不同的高度。并且，从第2间隙38向膨胀空间18的气体出口(即贯穿孔48)位于与冷却台22的底部中心49相同的径向位置。气体出口也可以设置在与此不同的位置。
[0029]如此，通过套管36在冷却台22与套管36之间形成制冷剂气体流路。该流路沿着缸体20的内表面并从冷却台上端23到达冷却台22的底部中心49。套管36提供使制冷剂气体在冷却台22的内表面的大致整个区域以与冷却台22的内表面平行的方式流动的流路。在图1中，用箭头A表示侧部空隙44中的制冷剂气体流动，用箭头B表示底部空隙46中的制冷剂气体流动。并且，用箭头C表示通过贯穿孔48的气体流动。
[0030]在置换器24的轴向上的可动范围(以下，也称为冲程)内，置换器下部开口 32始终位于比套管上端50更靠轴向Q上方。置换器下部开口 32始终位于第2间隙38的上方，不进入套管36中。因此，置换器下部开口 32不会因套管36而被缸体20 (或冷却台22)遮住。另外，在一种实施方式中，至少在一部分冲程中(例如置换器24位于下止点时)，置换器下部开口 32也可以位于比套管上端50更靠轴向Q下方。
[0031]套管上端50确定用于接收置换器24的低温端的开口。在置换器24的冲程中，置换器24的低温端始终插入在套管36中。换言之，置换器底面33的可动范围在套管36之中。套管上端50插入于第1间隙26的下部，套管筒部40包围置换器24的低温端。另外，在一种实施方式中，至少在一部分冲程(例如置换器24位于上止点时)或全部冲程中，置换器底面33也可以在套管36之外。
[0032]在置换器24插入于套管36时形成于套管筒部40与置换器24的低温端之间的径向空隙比侧部空隙44窄。S卩，该径 向空隙的宽度比侧部空隙44的径向宽度小。由此，可增加通过侧部空隙44的流量。
[0033]套管36也可以在置换器24的低温端与套管36之间提供密封件。密封件可以是接触密封件或非接触密封件。通过密封件来阻断从第1间隙26向膨胀空间18的直接性气体流动。因此，第1间隙26与膨胀空间18之间的制冷剂气体流动均经由第2间隙38。此时，套管筒部40的内表面可以与置换器24的低温端的外周面接触。或者，也可以是套管筒部40的内表面与置换器24的低温端的外周面之间具有少许空隙的非接触。通过置换器24的往复移动，置换器24的低温端与套管36进行滑动，或者以非接触方式进行移动。
[0034]并且，GM制冷机10具备用于连接压缩机16和膨胀机14的配管系统52。在配管系统52设有高压阀54及低压阀56。配管系统52连接于缸体20的高温端。GM制冷机10构成为高压制冷剂气体从压缩机16经由高压阀54及配管系统52供给至膨胀机14。并且，GM制冷机10构成为低压制冷剂气体从膨胀机14经由配管系统52及低压阀56向压缩机16排气。
[0035]GM制冷机10具备与置换器24的往复移动同步地有选择性地开闭高压阀54和低压阀56从而切换对于膨胀空间18的制冷剂气体的供给与排出的阀驱动部(未图示)。阀驱动部可以是上述驱动部25。高压阀54、低压阀56及阀驱动部也可以组装于膨胀机14中。
[0036]接着，对GM制冷机10的动作进行说明。在置换器24位于缸体20的下止点或其附近时，高压阀54被开启。高压制冷剂气体从压缩机16通过高压阀54及配管系统52供给至缸体20。制冷剂气体从室温空间28通过置换器上部开口 30流入到蓄冷器12。制冷剂气体一边通过蓄冷器12 —边被冷却。制冷剂气体通过置换器下部开口 32、第1间隙26及第2间隙38流入膨胀空间18。在制冷剂气体流入膨胀空间18的期间，置换器24向缸体20的上止点移动。由此，膨胀空间18的容积增加。如此，膨胀空间18被高压制冷剂气体充满。
[0037]在置换器24位于缸体20的上止点或其附近时，高压阀54被关闭。与此同时或比其稍晚的时刻，低压阀56被开启。膨胀空间18的制冷剂气体进行膨胀并被冷却。制冷剂气体从冷却台22吸热。
[0038]低压制冷剂气体通过相反的路径被回收。制冷剂气体从膨胀空间18通过第2间隙38、第1间隙26及置换器下部开口 32流入蓄冷器12。制冷剂气体一边通过蓄冷器12 —边冷却蓄冷器12。制冷剂气体通过置换器上部开口 30及室温空间28从缸体20排出。制冷剂气体通过低压阀56及配管系统52回收至压缩机16。在制冷剂气体从膨胀空间18流出的期间，置换器24向缸体20的下止点移动。由此，膨胀空间18的容积减少，低压制冷剂气体从膨胀空间18排出。
[0039]以上为GM制冷机10的1个冷却循环。GM制冷机10通过反复该冷却循环来将冷却台22冷却为所希望的温度。如此，GM制冷机10能够从与冷却台22热连接的冷却对象(未图示)吸热并进行冷却。冷却台22例如可以冷却至选自约10K至约30K的范围的目标温度。或者，冷却台22例如也可以冷却至选自约50K至约100K的范围的目标温度。
[0040]如上说明，根据本实施方式，通过以与冷却台22相邻的方式在缸体20的内部设置套管36来确定从第1间隙26向膨胀空间18的制冷剂气体通道(即第2间隙38)。与以往的从置换器24的低温端直接向膨胀空间18喷出气体的情况相比，通过如此确定气体通道，能够抑制沿着冷却台22的表面的方向上的流速成分的下降。与以往相比，能够提高流速，因此能够提高冷却台22的换热效率。
[0041]第2间隙38比第1间隙26窄。具体而言，通过套管36在其外侧区域确定的气体通道在径向上比缸体20和置换器24之间的空隙窄。因此，从空隙流入到气体通道时流速会提高，从而能够提高换热效率。通过估算可知，当流入到膨胀空间18的制冷剂气体的流速成为2倍时，制冷机的制冷能力提高约5%至约10%。因此，越是制冷能力大的大型制冷机，通过应用本实施方式所涉及的套管36而获得的制冷能力的增加量越大。这种大型制冷机的典型的制冷机为单级制冷机。因此，本实施方式适合大功率的单级制冷机(例如，10K下具有100W以上且300W以下的制冷能力的单级制冷机或70K下具有500W以上且lkW以下的制冷能力的单级制冷机)。
[0042]并且，根据本实施方式，通过将套管36安装于缸体20的比较简单的操作即可提高制冷机的换热效率。通过在以往的制冷机上增加套管36即可轻松地提高制冷机的换热效率。
[0043]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，能够加以各种设计变更且可以有各种变形例，并且这种变形例也属于本发明的范围，这一点已被本领域技术人员所认可。
[0044]套管36并不一定必须具有套管底板42。在一种实施方式中，套管36仅具有套管筒部40。可以说套管下端的贯穿孔48的直径与套管筒部40的直径相同。
[0045]图3为本发明的另一实施方式所涉及的套管136的示意俯视图。如图3所示，也可以在套管136 (例如套管筒部)的外表面形成凹凸。此时，可以使凸部142与缸体20 (或冷却台22)的内表面接触，从而在凹部144与缸体20的内表面之间形成制冷剂气体通道146。制冷剂气体通道146沿着缸体20的轴向而设。用虚线图示缸体20的内表面。
[0046]同样，也可以在套管底板的底面形成凹凸。此时，也可以使形成于套管底板与缸体之间的气体通道沿径向而设。
[0047]作为代替方案，也可以在缸体的内表面形成有凹凸。此时，可以使凸部与套管的外表面接触，从而在凹部与套管的外表面之间形成制冷剂气体的通道。
[0048]图4为本发明的另一实施方式所涉及的套管236的示意俯视图。套管236(例如套管筒部)也可以在套管236的外表面238与内表面240之间确定气体通道。该气体通道也可以是形成于套管236的贯穿孔242。贯穿孔242沿着缸体的轴向而设。这种贯穿孔也可以设置于套管底板，此时贯穿孔可以沿着径向而设。
[0049]在一种实施方式中，形成在缸体与套管之间的气体通道(例如图1或图3所示的气体通道)也可以与形成在套管的外表面与内表面之间的气体通道(例如图4所示的气体通道)组合使用。例如，也可以在套管筒部与缸体之间形成气体通道，并且使与此连续的气体通道作为贯穿孔形成在套管底板。或者，也可以在套管筒部形成贯穿孔，并且使与此连续的气体通道形成在套管底板与缸体之间。
[0050]在一种实施方式中，为了容纳套管，可以将置换器的低温端的外径设为稍小于高温端。或者，也可以将缸体的低温端或冷却台的内径设为稍大于缸体的高温端。
[0051]在一种实施方式中，也可以在二级式(或其他多级式)制冷机中的至少1个级的低温端设置套筒。
[0052]在上述实施方式中，以GM制冷机10为例进行了说明，但并不限于此。在一种实施方式中，套管也可以设置在具备内置有蓄冷器的置换器、容纳置换器的缸体的其他种类的制冷机。
[0053]具备实施方式所涉及的套管的GM制冷机10或其他制冷机也可以用作超导磁体、低温栗、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、绝热消磁制冷机、氦液化机、低温恒温器等中的冷却机构或液化机构。
【主权项】
1.一种超低温制冷机，其特征在于，具备: 缸体，沿轴向延伸； 置换器，以沿所述轴向能够往复移动的方式配设于所述缸体内，且在所述轴向上的所述置换器与所述缸体的一端部之间形成制冷剂气体的膨胀空间；及蓄冷器，内置于所述置换器中， 在所述缸体的内周面与所述置换器的外周面之间设有空隙，所述置换器具备从所述蓄冷器向所述空隙导入所述制冷剂气体的通道， 所述超低温制冷机还具备套管，其在所述缸体的一端部的内侧配设于所述膨胀空间的周围， 所述套管将从所述空隙向所述膨胀空间导入所述制冷剂气体的通道确定在所述缸体的一端部与所述套管之间和/或所述套管的外表面与内表面之间。2.根据权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于， 所述套管具备:筒部，与所述缸体的内周面对置；及底板，与所述缸体的底部对置，通过所述套管确定的所述通道包括:侧部空隙，形成于所述套管的筒部与所述缸体的内周面之间；及底部空隙，形成于所述套管的底板与所述缸体的底部之间且与所述侧部空隙连续。3.根据权利要求2所述的超低温制冷机，其特征在于， 所述套管的底板在中心具有贯穿孔，所述贯穿孔使所述底部空隙与所述膨胀空间连通。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， 所述超低温制冷机为单级制冷机。
【专利摘要】本发明提供一种超低温制冷机，其课题在于提高超低温制冷机的换热效率。本发明的GM制冷机(10)具备在缸体(20)的低温端的内侧配设于膨胀空间(18)的周围的套管(36)。在缸体(20)的内周面与置换器(24)的外周面之间设有第1间隙(26)。置换器(24)具备从内置的蓄冷器(12)向第1间隙(26)导入制冷剂气体的置换器下部开口(32)。套管(36)将从第1间隙(26)向膨胀空间(18)导入制冷剂气体的第2间隙(38)确定在缸体(20)的低温端与套管(36)之间和/或套管(36)的外表面与内表面之间。
【IPC分类】F25B9/14
【公开号】CN105485953
【申请号】CN201510648594
【发明人】平塚善胜
【申请人】住友重机械工业株式会社
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年10月8日
【公告号】US20160097567
【专利说明】超低温制冷机
[0001]本申请主张基于2014年10月7日申请的日本专利申请第2014-206156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]本发明涉及一种超低温制冷机。
【背景技术】
[0003]超低温制冷机用于将冷暖却对象冷却至例如100K(开尔文)左右至4Κ左右的范围。作为超低温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、索尔凡制冷机等。超低温制冷机的用途例如为超导磁铁或检测器等的冷却或低温栗。
[0004]专利文献1:日本专利第2659684号公报
【发明内容】
[0005]本发明的一种实施方式的例示性目的之一在于提高超低温制冷机的换热效率。
[0006]根据本发明的一种实施方式，超低温制冷机具备:缸体，沿轴向延伸；置换器，以沿所述轴向能够往复移动的方式配设于所述缸体内，且在所述轴向上的所述置换器与所述缸体的一端部之间形成制冷剂气体的膨胀空间；及蓄冷器，内置于所述置换器中。在所述缸体的内周面与所述置换器的外周面之间设有空隙，所述置换器具备从所述蓄冷器向所述空隙导入所述制冷剂气体的通道。所述超低温制冷机还具备套管，其在所述缸体的一端部的内侧配设于所述膨胀空间的周围。所述套管将从所述空隙向所述膨胀空间导入所述制冷剂气体的通道确定在所述缸体的一端部与所述套管之间和/或所述套管的外表面与内表面之间。
[0007]根据本发明能够提高超低温制冷机的换热效率。
【附图说明】
[0008]图1为表示本发明的一种实施方式所涉及的超低温制冷机的示意图。
[0009]图2为本发明的一种实施方式所涉及的套管的示意俯视图。
[0010]图3为本发明的另一种实施方式所涉及的套管的示意俯视图。
[0011]图4为本发明的另一种实施方式所涉及的套管的示意俯视图。
[0012]图中:10-GM制冷机，12-蓄冷器，18-膨胀空间，20-缸体，22-冷却台，24-置换器，26-第1间隙，32-置换器下部开口，36-套管，38-第2间隙，40-套管筒部，42-套管底板，44-侧部空隙、46-底部空隙，48-贯穿孔，Q-轴向。
【具体实施方式】
[0013]以下，参考附图对本发明的实施方式进行详细说明。另外，在说明中对相同的要件标注相同的符号，并适当省略重复说明。并且，下述结构为示例，对本发明的范围不做任何限定。
[0014]图1为表示本发明的一种实施方式所涉及的超低温制冷机的示意图。超低温制冷机例如为GM制冷机10。图示的GM制冷机10为单级制冷机。GM制冷机10例如使用氦气作为制冷剂气体。
[0015]GM制冷机10等蓄冷器式的超低温制冷机具备:蓄冷器12、膨胀机14、压缩机16。如图1所示，蓄冷器12设置于膨胀机14，且构成为对从压缩机16供给至膨胀机14的高压制冷剂气体进行预冷。膨胀机14具备制冷剂气体的膨胀空间18。通过蓄冷器12预冷的制冷剂气体在膨胀空间18被膨胀，从而进一步被冷却。蓄冷器12构成为被通过膨胀而被冷却的制冷剂气体冷却。压缩机16构成为从蓄冷器12回收制冷剂气体并将其压缩后再次向蓄冷器12及膨胀空间18供给制冷剂气体。
[0016]膨胀机14具备冷头，该冷头包括缸体20、冷却台22及置换器24。缸体20为制冷剂气体的密闭容器，且为沿轴向Q延伸的空心部件。缸体20例如具有圆筒形状。
[0017]冷却台22包围膨胀空间18并与缸体20热连接。冷却台22例如形成为有底圆筒状，且安装于缸体20的外侧。冷却台22作为在外部热源等冷却对象与制冷剂气体之间进行换热的换热器发挥功能。冷却台22有时也被称为热负荷凸缘。
[0018]置换器24与缸体20同轴配设。蓄冷器12内置于置换器24。置换器24例如呈直径稍小于缸体20的圆筒形状。缸体20的内周面与置换器24的外周面之间设有空隙。以下，将该空隙称为第1间隙26。置换器24的外周面是指置换器24的侧面，缸体20的内周面是指与置换器24的侧面对置的缸体20的表面。
[0019]置换器24为将缸体20的内部空间分隔成膨胀空间18与室温空间28的活塞。相对于置换器24在缸体20的一侧形成有膨胀空间18，相对于置换器24在缸体20的另一侧形成有室温空间28。因此，能够将轴向Q上的缸体20 (或置换器24)的一端部称为低温端，将轴向Q上的缸体20 (或置换器24)的另一端部称为高温端。因此，膨胀空间18形成于置换器24的低温端与缸体20的低温端之间，室温空间28形成于置换器24的高温端与缸体20的高温端之间。
[0020]在以下的说明中，方便起见，为了记述要件之间的相对位置关系，有时将室温侧标记为“上”，将低温侧标记为“下”。例如，能够表示为，室温空间28位于置换器24的上方，膨胀空间18位于置换器24的下方。
[0021]置换器24以能够沿轴向Q往复移动的方式配设于缸体20内。在置换器24的高温端连结有用于使置换器24往复移动的驱动部25。通过置换器24的往复移动，膨胀空间18及室温空间28的容积分别以互补的方式发生变化。
[0022]在置换器24的高温端设有用于使制冷剂气体在室温空间28与蓄冷器12之间流通的置换器上部开口 30。置换器上部开口 30沿着轴向Q而形成。在置换器24的低温端设有用于使制冷剂气体在蓄冷器12与膨胀空间18之间流通的置换器下部开口 32。置换器下部开口 32为从蓄冷器12的低温端向第1间隙26导入制冷剂气体的通道。置换器下部开口 32沿着与轴向Q正交的径向而形成。
[0023]在第1间隙26的上部可以设置密封件34。通过密封件34来阻断通过第1间隙26的气体流动。因此，室温空间28与膨胀空间18之间的制冷剂气体流动经由蓄冷器12。当密封件34为如同密封环的接触密封件时，密封件34可以安装于置换器24的高温端。密封件34也可以是非接触密封件。另外，在一种实施方式中，也可以允许通过第1间隙26的制冷剂气体的流动或泄漏。
[0024]并且，膨胀机14具备在缸体20的低温端的内侧配设于膨胀空间18的周围的套管36。套管36与缸体20同轴配置。套管36安装于缸体20的低温端。因此，在套管36的外表面可以设置与缸体20的内表面抵接的至少1个抵接部(未图示)。套管36可以由与缸体20相同的材料(例如不锈钢)形成。
[0025]套管36确定从第1间隙26向膨胀空间18导入制冷剂气体的通道。该气体通道为形成于缸体20的低温端与套管36之间的空隙。以下，将该空隙称为第2间隙38。第2间隙38比第1间隙26窄。S卩，径向上的第2间隙38的宽度比径向上的第1间隙26的宽度小。套管36构成冷却台22的制冷剂气体的流速增加机构。
[0026]图2为本发明的一种实施方式所涉及的套管36的示意俯视图。如图1及图2所示，套管36具备与缸体20的内周面对置的套管筒部40及与缸体20的底部对置的套管底板42。套管筒部40在缸体20的低温端沿着其内周面向轴向Q延伸。套管底板42从套管筒部40朝向径向内侧延伸。如此，套管36形成为有底的筒状。套管筒部40例如为沿轴向Q延伸的短圆筒，且直径稍微小于缸体20的内径。套管底板42为安装于套管筒部40的下端的圆板。
[0027]如图1所示，第2间隙38包括:形成于套管筒部40与缸体20的内周面之间的侧部空隙44以及形成于套管底板42与缸体20的底部之间且与侧部空隙44连续的底部空隙46。在套管底板42的中心具有贯穿孔48，贯穿孔48使底部空隙46与膨胀空间18连通。如此，能够将制冷剂气体流路延长至贯穿孔48。
[0028]套管上端50的轴向位置与冷却台上端23的轴向位置大致相同。因此，从第1间隙26向第2间隙38的气体入口位于与冷却台上端23大致相同的高度。气体入口也可以设置在与此不同的高度。并且，从第2间隙38向膨胀空间18的气体出口(即贯穿孔48)位于与冷却台22的底部中心49相同的径向位置。气体出口也可以设置在与此不同的位置。
[0029]如此，通过套管36在冷却台22与套管36之间形成制冷剂气体流路。该流路沿着缸体20的内表面并从冷却台上端23到达冷却台22的底部中心49。套管36提供使制冷剂气体在冷却台22的内表面的大致整个区域以与冷却台22的内表面平行的方式流动的流路。在图1中，用箭头A表示侧部空隙44中的制冷剂气体流动，用箭头B表示底部空隙46中的制冷剂气体流动。并且，用箭头C表示通过贯穿孔48的气体流动。
[0030]在置换器24的轴向上的可动范围(以下，也称为冲程)内，置换器下部开口 32始终位于比套管上端50更靠轴向Q上方。置换器下部开口 32始终位于第2间隙38的上方，不进入套管36中。因此，置换器下部开口 32不会因套管36而被缸体20 (或冷却台22)遮住。另外，在一种实施方式中，至少在一部分冲程中(例如置换器24位于下止点时)，置换器下部开口 32也可以位于比套管上端50更靠轴向Q下方。
[0031]套管上端50确定用于接收置换器24的低温端的开口。在置换器24的冲程中，置换器24的低温端始终插入在套管36中。换言之，置换器底面33的可动范围在套管36之中。套管上端50插入于第1间隙26的下部，套管筒部40包围置换器24的低温端。另外，在一种实施方式中，至少在一部分冲程(例如置换器24位于上止点时)或全部冲程中，置换器底面33也可以在套管36之外。
[0032]在置换器24插入于套管36时形成于套管筒部40与置换器24的低温端之间的径向空隙比侧部空隙44窄。S卩，该径 向空隙的宽度比侧部空隙44的径向宽度小。由此，可增加通过侧部空隙44的流量。
[0033]套管36也可以在置换器24的低温端与套管36之间提供密封件。密封件可以是接触密封件或非接触密封件。通过密封件来阻断从第1间隙26向膨胀空间18的直接性气体流动。因此，第1间隙26与膨胀空间18之间的制冷剂气体流动均经由第2间隙38。此时，套管筒部40的内表面可以与置换器24的低温端的外周面接触。或者，也可以是套管筒部40的内表面与置换器24的低温端的外周面之间具有少许空隙的非接触。通过置换器24的往复移动，置换器24的低温端与套管36进行滑动，或者以非接触方式进行移动。
[0034]并且，GM制冷机10具备用于连接压缩机16和膨胀机14的配管系统52。在配管系统52设有高压阀54及低压阀56。配管系统52连接于缸体20的高温端。GM制冷机10构成为高压制冷剂气体从压缩机16经由高压阀54及配管系统52供给至膨胀机14。并且，GM制冷机10构成为低压制冷剂气体从膨胀机14经由配管系统52及低压阀56向压缩机16排气。
[0035]GM制冷机10具备与置换器24的往复移动同步地有选择性地开闭高压阀54和低压阀56从而切换对于膨胀空间18的制冷剂气体的供给与排出的阀驱动部(未图示)。阀驱动部可以是上述驱动部25。高压阀54、低压阀56及阀驱动部也可以组装于膨胀机14中。
[0036]接着，对GM制冷机10的动作进行说明。在置换器24位于缸体20的下止点或其附近时，高压阀54被开启。高压制冷剂气体从压缩机16通过高压阀54及配管系统52供给至缸体20。制冷剂气体从室温空间28通过置换器上部开口 30流入到蓄冷器12。制冷剂气体一边通过蓄冷器12 —边被冷却。制冷剂气体通过置换器下部开口 32、第1间隙26及第2间隙38流入膨胀空间18。在制冷剂气体流入膨胀空间18的期间，置换器24向缸体20的上止点移动。由此，膨胀空间18的容积增加。如此，膨胀空间18被高压制冷剂气体充满。
[0037]在置换器24位于缸体20的上止点或其附近时，高压阀54被关闭。与此同时或比其稍晚的时刻，低压阀56被开启。膨胀空间18的制冷剂气体进行膨胀并被冷却。制冷剂气体从冷却台22吸热。
[0038]低压制冷剂气体通过相反的路径被回收。制冷剂气体从膨胀空间18通过第2间隙38、第1间隙26及置换器下部开口 32流入蓄冷器12。制冷剂气体一边通过蓄冷器12 —边冷却蓄冷器12。制冷剂气体通过置换器上部开口 30及室温空间28从缸体20排出。制冷剂气体通过低压阀56及配管系统52回收至压缩机16。在制冷剂气体从膨胀空间18流出的期间，置换器24向缸体20的下止点移动。由此，膨胀空间18的容积减少，低压制冷剂气体从膨胀空间18排出。
[0039]以上为GM制冷机10的1个冷却循环。GM制冷机10通过反复该冷却循环来将冷却台22冷却为所希望的温度。如此，GM制冷机10能够从与冷却台22热连接的冷却对象(未图示)吸热并进行冷却。冷却台22例如可以冷却至选自约10K至约30K的范围的目标温度。或者，冷却台22例如也可以冷却至选自约50K至约100K的范围的目标温度。
[0040]如上说明，根据本实施方式，通过以与冷却台22相邻的方式在缸体20的内部设置套管36来确定从第1间隙26向膨胀空间18的制冷剂气体通道(即第2间隙38)。与以往的从置换器24的低温端直接向膨胀空间18喷出气体的情况相比，通过如此确定气体通道，能够抑制沿着冷却台22的表面的方向上的流速成分的下降。与以往相比，能够提高流速，因此能够提高冷却台22的换热效率。
[0041]第2间隙38比第1间隙26窄。具体而言，通过套管36在其外侧区域确定的气体通道在径向上比缸体20和置换器24之间的空隙窄。因此，从空隙流入到气体通道时流速会提高，从而能够提高换热效率。通过估算可知，当流入到膨胀空间18的制冷剂气体的流速成为2倍时，制冷机的制冷能力提高约5%至约10%。因此，越是制冷能力大的大型制冷机，通过应用本实施方式所涉及的套管36而获得的制冷能力的增加量越大。这种大型制冷机的典型的制冷机为单级制冷机。因此，本实施方式适合大功率的单级制冷机(例如，10K下具有100W以上且300W以下的制冷能力的单级制冷机或70K下具有500W以上且lkW以下的制冷能力的单级制冷机)。
[0042]并且，根据本实施方式，通过将套管36安装于缸体20的比较简单的操作即可提高制冷机的换热效率。通过在以往的制冷机上增加套管36即可轻松地提高制冷机的换热效率。
[0043]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，能够加以各种设计变更且可以有各种变形例，并且这种变形例也属于本发明的范围，这一点已被本领域技术人员所认可。
[0044]套管36并不一定必须具有套管底板42。在一种实施方式中，套管36仅具有套管筒部40。可以说套管下端的贯穿孔48的直径与套管筒部40的直径相同。
[0045]图3为本发明的另一实施方式所涉及的套管136的示意俯视图。如图3所示，也可以在套管136 (例如套管筒部)的外表面形成凹凸。此时，可以使凸部142与缸体20 (或冷却台22)的内表面接触，从而在凹部144与缸体20的内表面之间形成制冷剂气体通道146。制冷剂气体通道146沿着缸体20的轴向而设。用虚线图示缸体20的内表面。
[0046]同样，也可以在套管底板的底面形成凹凸。此时，也可以使形成于套管底板与缸体之间的气体通道沿径向而设。
[0047]作为代替方案，也可以在缸体的内表面形成有凹凸。此时，可以使凸部与套管的外表面接触，从而在凹部与套管的外表面之间形成制冷剂气体的通道。
[0048]图4为本发明的另一实施方式所涉及的套管236的示意俯视图。套管236(例如套管筒部)也可以在套管236的外表面238与内表面240之间确定气体通道。该气体通道也可以是形成于套管236的贯穿孔242。贯穿孔242沿着缸体的轴向而设。这种贯穿孔也可以设置于套管底板，此时贯穿孔可以沿着径向而设。
[0049]在一种实施方式中，形成在缸体与套管之间的气体通道(例如图1或图3所示的气体通道)也可以与形成在套管的外表面与内表面之间的气体通道(例如图4所示的气体通道)组合使用。例如，也可以在套管筒部与缸体之间形成气体通道，并且使与此连续的气体通道作为贯穿孔形成在套管底板。或者，也可以在套管筒部形成贯穿孔，并且使与此连续的气体通道形成在套管底板与缸体之间。
[0050]在一种实施方式中，为了容纳套管，可以将置换器的低温端的外径设为稍小于高温端。或者，也可以将缸体的低温端或冷却台的内径设为稍大于缸体的高温端。
[0051]在一种实施方式中，也可以在二级式(或其他多级式)制冷机中的至少1个级的低温端设置套筒。
[0052]在上述实施方式中，以GM制冷机10为例进行了说明，但并不限于此。在一种实施方式中，套管也可以设置在具备内置有蓄冷器的置换器、容纳置换器的缸体的其他种类的制冷机。
[0053]具备实施方式所涉及的套管的GM制冷机10或其他制冷机也可以用作超导磁体、低温栗、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、绝热消磁制冷机、氦液化机、低温恒温器等中的冷却机构或液化机构。
【主权项】
1.一种超低温制冷机，其特征在于，具备: 缸体，沿轴向延伸； 置换器，以沿所述轴向能够往复移动的方式配设于所述缸体内，且在所述轴向上的所述置换器与所述缸体的一端部之间形成制冷剂气体的膨胀空间；及蓄冷器，内置于所述置换器中， 在所述缸体的内周面与所述置换器的外周面之间设有空隙，所述置换器具备从所述蓄冷器向所述空隙导入所述制冷剂气体的通道， 所述超低温制冷机还具备套管，其在所述缸体的一端部的内侧配设于所述膨胀空间的周围， 所述套管将从所述空隙向所述膨胀空间导入所述制冷剂气体的通道确定在所述缸体的一端部与所述套管之间和/或所述套管的外表面与内表面之间。2.根据权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于， 所述套管具备:筒部，与所述缸体的内周面对置；及底板，与所述缸体的底部对置，通过所述套管确定的所述通道包括:侧部空隙，形成于所述套管的筒部与所述缸体的内周面之间；及底部空隙，形成于所述套管的底板与所述缸体的底部之间且与所述侧部空隙连续。3.根据权利要求2所述的超低温制冷机，其特征在于， 所述套管的底板在中心具有贯穿孔，所述贯穿孔使所述底部空隙与所述膨胀空间连通。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， 所述超低温制冷机为单级制冷机。
【专利摘要】本发明提供一种超低温制冷机，其课题在于提高超低温制冷机的换热效率。本发明的GM制冷机(10)具备在缸体(20)的低温端的内侧配设于膨胀空间(18)的周围的套管(36)。在缸体(20)的内周面与置换器(24)的外周面之间设有第1间隙(26)。置换器(24)具备从内置的蓄冷器(12)向第1间隙(26)导入制冷剂气体的置换器下部开口(32)。套管(36)将从第1间隙(26)向膨胀空间(18)导入制冷剂气体的第2间隙(38)确定在缸体(20)的低温端与套管(36)之间和/或套管(36)的外表面与内表面之间。
【IPC分类】F25B9/14
【公开号】CN105485953
【申请号】CN201510648594
【发明人】平塚善胜
【申请人】住友重机械工业株式会社
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年10月8日
【公告号】US20160097567
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