专利名称：超低温制冷机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用从压缩装置供给的高压制冷剂气体产生西蒙膨胀而产生超低温寒冷的超低温制冷机。
背景技术：
例如，专利文献I中记载有，在2级侧置换器的外周面的高温侧实施间隙密封机构，并且在2级侧置换器的剩余部分设置螺旋槽。根据这种结构，将螺旋槽内的制冷剂气体的表面热抽作用利用于制冷机的制冷能力。专利文献1:日本专利第3851929号公报
发明内容
然而，在专利文献I中记载的技术中，由螺旋槽内的制冷剂气体产生的制冷效率并不充分。本发明的目的在于提供一种能够更有效地提高螺旋槽内的制冷剂气体的制冷效率的超低温制冷机。为了解决上述问题，基于本发明的超低温制冷机，其特征在于，包含第I置换器；第I工作缸，在与该第I置换器之间形成第I膨胀空间;第2置换器，连结于所述第I置换器；第2工作缸，在与该第2置换器之间形成第2膨胀空间；螺旋槽，形成于所述第2置换器的外周面并从所述第2膨胀空间以螺旋状延伸，所述螺旋槽与所述第I膨胀空间连通，并且所述第I膨胀空间侧的所述螺旋槽的截面积小于所述第2膨胀空间侧的所述螺旋槽的截面积。其中，所述截面积可设为随着从所述第2膨胀空间朝向所述第I膨胀空间侧而阶段性地变小，形成所述截面积最小的所述螺旋槽的区域在所述第2置换器在轴向上的长度可设为长于所述第2置换器的行程。并且，所述截面积可设为随着从所述第2膨胀空间朝向所述第I膨胀空间侧而连
续变小。另外，可根据所述螺旋槽的深度调整所述截面积，所述螺旋槽可包括向所述第I膨胀空间侧开口的锥形部分。发明效果根据本发明的超低温制冷机，通过提高螺旋槽内的制冷剂气体的制冷效率，能够提高整个制冷机的制冷效率。
图1是表示本发明所涉及的实施例1的超低温制冷机I的一实施方式的示意图。图2是表示实施例1的超低温制冷机I的第2置换器5中的螺旋槽8的一实施方式的示意图。图3是将实施例1的超低温制冷机I的侧隙视为脉冲管型制冷机的脉冲管时的流程图。图4是表示本发明所涉及的实施例2的超低温制冷机I的一实施方式的示意图。图5是表示本发明所涉及的实施例3的超低温制冷机I的一实施方式的示意图。图6是表示本发明所涉及的实施例4的超低温制冷机I的一实施方式的示意图。图中1-超低温制冷机，2-第I置换器，3-第I膨胀空间，4-第I工作缸，5-第2置换器，6-第2膨胀空间，7-第2工作缸，8-螺旋槽，8a-螺旋槽(低温侧)，Sb-螺旋槽(高温侧)，9_第I蓄冷器，10-第2蓄冷器，11-密封件，12-压缩机，13-供给阀，14-回流阀，15-第I开口，16-第2开口，17-连通路，18-第4开口，19-室温室，20-第I热交换器，21-第2热交换器。
具体实施例方式以下，参考附图对用于实施本发明的方式进行说明。[实施例1]本实施例1的超低温制冷机I例如为使用氦气作为制冷剂气体的吉福德麦克马洪(GM)式制冷机。如图1所示，超低温制冷机I具备第I置换器2及在长边方向上串联地连结于第I置换器2的第2置换器5。第I工作缸4和第2工作缸7形成为一体，第I工作缸4的低温端和第2工作缸7的高温端在第I工作缸4底部连接。第2工作缸7形成为与第I工作缸4同轴且第2工作缸7为直径小于第I工作缸4的圆筒部件。第I工作缸4以使第I置换器2可在长边方向上往复移动的方式而容纳第I置换器2，第2工作缸7以使第2置换器5可在长边方向上往复移动的方式容纳第2置换器5。以确保高强度、低导热率及充分的氦截断能力为目的，第I工作缸4及第2工作缸7例如使用不锈钢。第2置换器5在不锈钢等金属制筒的外周面上构成氟树脂等耐磨性树脂的覆膜。第I工作缸4的高温端上设置有往复驱动第I置换器2及第2置换器5的止转棒轭机构(未图示)，第I置换器2和第2置换器5分别沿着第I工作缸4及第2工作缸7往复移动。第I置换器2具有圆筒状的外周面，第I置换器2的内部填充有第I蓄冷材料。还可将该第I置换器2的内部容积表达为第I蓄冷器9。第I置换器2的高温端上形成有从室温室19向第I置换器2流通制冷剂气体的第I开口 15。室温室19是由第I工作缸4和第I置换器2的高温端形成的空间，容积伴随第I置换器2的往复移动而变化。相互连接由压缩机12、供给阀13及回流阀14构成的吸排气系统的配管中，供排共同配管连接于室温室19。并且，在第I置换器2的偏靠高温端的部分与第I工作缸4之间安装有密封件11。第I置换器2的低温端上形成有通过第I热交换器20向第I膨胀空间3导入制冷剂气体的第2开16。第I膨胀空间3是由第I工作缸4和第I置换器2形成的空间，容积伴随第I置换器2的往复移动而变化。在第I工作缸4外周上与第I膨胀空间3对应的位置配置有与被冷却物热连接的第I冷却台(未图示)，第I冷却台通过第I热交换器20冷却。第2置换器5具有圆筒状的外周面，第2置换器5的内部填充有第2蓄冷材料。还可将该第2置换器5的内部容积表达为第2蓄冷器10。第I膨胀空间3与第2置换器5的高温端由连通路17连通。制冷剂气体通过该连通路17从第I膨胀空间3向第2蓄冷器10流通。第2置换器5的低温端上形成有用于通过第2热交换器21使制冷剂气体向第2膨胀空间6流通的第4开口 18。第2膨胀空间6是由第2工作缸7和第2置换器5形成的空间，容积伴随第2置换器5的往复移动而变化。第2热交换器21是由第2工作缸7的低温端部分和第2置换器5形成的间隙，该间隙构成为大于具有螺旋槽的第2置换器5与第2工作缸7之间的间隙。在第2工作缸7外周上与第2膨胀空间6对应的位置配置有与被冷却物热连接的第2冷却台(未图示)，第2冷却台由第2热交换器21冷却。以确保轻比重和充分的耐磨性、较高的强度及低导热率为目的，第I置换器2例如使用夹布酚醛等。第I蓄冷材料例如由金属丝网等构成。并且，第2蓄冷材料例如通过毛毡及金属丝网在轴向上挟持铅球等蓄冷材料来构成。另外，第2置换器5的外周面形成有螺旋槽8，该螺旋槽8具有通过第2热交换器21与第2膨胀空间6连通的始端，并且以螺旋状向第I膨胀空间3侧延伸。该螺旋槽8在图1中的下侧(低温侧)构成截面积较大的螺旋槽8a，在上侧(高温侧)构成截面积较小的螺旋槽Sb。螺旋槽Sb具有在第2置换器5的上端结束的终端，并与第I膨胀空间3连通。并且，螺旋槽8的截面积形成为随着从第2膨胀空间6朝向第I膨胀空间3侧而阶段性地变小。更具体而言，如图2所示，通过将级数分为两级来较浅地形成螺旋槽Sb的槽，从而使截面积小于螺旋槽8a。并且，形成有截面积最小的螺旋槽Sb的区域的第2置换器5在轴向上的长度形成为比第2置换器5的行程更长，并形成为即使在第2置换器5位于上死点的状态下螺旋槽8b也存在于第2工作缸7内。图3是将螺旋槽8a当作脉冲管型制冷机的脉冲管的制冷剂气体流程图。螺旋槽Sb与配置于将第2蓄冷器10和螺旋槽8a (脉冲管)的高温侧连通的连通路上的双入口(节流孔)对应。螺旋槽8a内的制冷剂气体中位于轴向的大致中间的部分构成假想的气体活塞8P。即，螺旋槽8及第2蓄冷器10可看作双入口式脉冲管制冷机。其中，气体活塞8P的轴向长度和相位调整为，气体活塞8P在往复运动中一定容纳于螺旋槽8a内，且在气体活塞8P的高温侧存在高温侧空间8H，而在低温侧存在低温侧空间8L。气体活塞8P的轴向长度和相位通过作为相位调整机构发挥作用的双入口(螺旋槽8b的截面积)调整。接着，对制冷机的动作进行说明。在制冷剂气体供给工序的某一时刻，第I置换器2及第2置换器5分别位于第I工作缸4及第2工作缸7的下死点。若与此同时或者在稍微错开的时机打开供给阀13，则高压氦气通过供给阀13从供排共同配管供给至第I工作缸4内，并从位于第I置换器2的上部的第I开口 15流入第I置换器2的内部(第I蓄冷器9)。流入第I蓄冷器9的高压氦气被第I蓄冷材料冷却的同时通过位于第I置换器2的下部的第2开口 16供给至第I膨胀空间3。供给至第I膨胀空间3的高压氦气中的大部分进一步通过连通路17供给至第2蓄冷器10。其中，未供给至第2蓄冷器10的残留氦气通过螺旋槽Sb从高温侧供给至螺旋槽8a。该气体对应于在图3中的高温侧空间8H内存在的氦气，起到抑制气体活塞8P从螺旋槽8a向第I膨胀空间3流出的作用。流入到第2蓄冷器10的高压氦气被第2蓄冷材料进一步冷却的同时通过第4开口 18及第2热交换器21供给至第2膨胀空间6。供给至第2膨胀空间6的高压氦气中的一部分从低温侧供给至螺旋槽8a内。该气体对应于在图3中的低温侧空间8L内存在的氦气。其中，如上所述，由于螺旋槽Sb的截面积小于螺旋槽8a的截面积，所以流入高温侧空间8H的氦气流入螺旋槽8a时的流入阻力大于流入低温侧空间8L的氦气流入螺旋槽8a时的流入阻力。因此，流入高温侧空间8H的氦气的气体量变得小于流入低温侧空间8L的氦气的气体量，防止高温侧空间8H的气体向第2膨胀空间6泄漏。这样，第I膨胀空间3、第2膨胀空间6、螺旋槽8a被高压氦气填满，供给阀13关闭。此时，第I置换器2及第2置换器5位于第I工作缸4及第2工作缸7内的上死点。若与此同时或者在稍微错开的时机打开回流阀14，则第I膨胀空间3、第2膨胀空间6、螺旋槽8a的制冷剂气体被减压而膨胀。通过膨胀变成低温的第I膨胀空间3的氦气通过第I热交换器20吸收第I冷却台的热，第2膨胀空间6的氦气通过第2热交换器21吸收第2冷却台的热。第I置换器2及第2置换器5朝向下死点移动，第I膨胀空间3、第2膨胀空间6的容积会减少。第2膨胀空间6的氦气通过上述的开18及第2蓄冷器10回收至第I膨胀空间3内。在此，螺旋槽8a内的低温侧空间8L的氦气也通过第2膨胀空间6被回收，螺旋槽8a内的高温侧空间8H的氦气通过螺旋槽8b流入第I膨胀空间3内。第I膨胀空间3内的氦气通过第2开口 16及第I蓄冷器9返回至压缩机12的吸入侧。此时，第I蓄冷材料及第2蓄冷材料被制冷剂气体冷却。将该工序设为I周期，制冷机通过反复该冷却周期来冷却第I冷却台及第2冷却台。根据这种本实施例1的超低温制冷机1，能够获得如下有利的作用效果。即，能够通过在螺旋槽8a内构成假想的气体活塞8P来使该气体活塞8P作为防止氦气在侧隙的低温侧与高温侧之间流通的密封件发挥作用。除此以外，能够通过该假想的气体活塞8P将侧隙当作脉冲管型制冷机，将比气体活塞8P更靠低温侧的低温侧空间8L用作第3膨胀空间，因此也能够由此提高制冷2级冷却台的能力。在上述的实施例1的超低温制冷机I中，形成有截面积最小的螺旋槽Sb的区域的第2置换器5在轴向上的长度设为长于第2置换器5的行程，由此在使螺旋槽Sb具备双入口功能时，即使第2置换器5位于上支点也能够确保该功能。这样，在本实施例1中由于能够稳定相位调整功能，所以能够使气体活塞8P的长度和相位稳定而使上述密封功能也稳定，并且第3膨胀空间也进一步提高制冷效率。还可以从以下侧面说明提高在定义了上述气体活塞8P基础上的制冷效率的效果。即，关于形成于第2置换器5的外周面上的螺旋槽8，若使低温侧螺旋槽8a大于高温侧螺旋槽8b，则从高温侧通过侧隙浸入的、换言之为泄漏的工作流体即氦气被低温侧螺旋槽8a捕集即捕捉并被封闭。即，若增大低温侧螺旋槽8a的截面积，则能够捕集更多的工作流体。并且，若从高温侧泄漏的工作流体与低温侧螺旋槽8a内的工作流体混合，则工作流体的温度下降。温度下降后的工作流体流入低温端时，焓变得比从高温侧贯穿至低温侧时更少，因此能够降低泄漏损失。同样，通过使螺旋槽8从低温端贯穿至高温端，即使螺旋槽8内的工作流体即气体被压缩，也能够减少放出至高温端的放出热。[实施例2]上述的实施例1的超低温制冷机I中，高压氦气从第I膨胀空间3朝向螺旋槽8a流通螺旋槽8b，低压氦气从螺旋槽8a向第I膨胀空间3流通。即，制冷剂气体双向流通于作为双入口发挥作用的螺旋槽Sb。其中，高压氦气的密度高于低压氦气，所以与低压氦气相比流速较小，且压力损失较小。因此，I个周期内通过螺旋槽8b的气体量中，高压氦气稍微多于低压氦气，在双向流通的气体流量之间产生不平衡。其结果，每重复冷却周期时产生从螺旋槽8a的高温侧朝向低温侧的固定流动。该流动为图3中顺时针箭头L所示的二次流动。本实施例2中，使上述的实施例1中向第I膨胀空间3开口的部分的螺旋槽8b的截面积形成为如图4 (b)所示那样随着朝向第I膨胀空间3而连续变大而代替如图4 (a)所示那样在螺旋槽8b的延伸方向上恒定，从而构成锥形部分8bb。此外，图4中，在锥形部分8bb通过调整从第2置换器5的径向观察的宽度方向尺寸来调整截面积，但也可以同时调整径向的深度方向。由此，通过锥形部分8bb能够将预先阻碍产生图2所示的二次流动L的阻力赋予给氦气的流动。即，通过使从第I膨胀空间3朝向螺旋槽8a流通螺旋槽Sb时的由螺旋槽8b所产生的流路阻力大于从螺旋槽8a朝向第I膨胀空间3流通时的由螺旋槽Sb所产生的流路阻力，由此能够抑制产生二次流动L。因此，能够防止伴随二次流动L的热损失来提高制冷效率。[实施例3]在上述的实施例1及实施例2中，示出了使螺旋槽8的截面积分二级改变的形态，但也能够使其改变为三级。以下，对关于这些的实施例3进行叙述。本实施例3的超低温制冷机I除螺旋槽8以外的结构与图1所示的实施例1基本相同，因此对共同的构成要件附加相同的符号并主要说明差异点。即，如图5所示，在本实施例3的超低温制冷机I中，也包含形成于第2置换器5的外周面并从第2膨胀空间6以螺旋状延伸的螺旋槽8。螺旋槽8与第I膨胀空间3连通，并且螺旋槽8的第I膨胀空间3侧的截面积小于第2膨胀空间6侧的截面积，截面积随着从第2膨胀空间6朝向第I膨胀空间3侧分3级变小。在本实施例3中，螺旋槽8a以截面积从大到小的顺序呈螺旋槽8aa、螺旋槽8ab、螺旋槽8b这3级形态。截面积最小的螺旋槽Sb作为双入口发挥作用，一部分相对于第I工作缸4的底部即第I膨胀空间3始终位于下部。此外，在图5中，螺旋槽8aa、8ab、8b的截面积也表示为通过第2置换器5的中心轴线的截面内的截面积，分别由深度和宽度双方进行调整，槽形状呈曲面形状。该截面积也可以设为与螺旋槽8的延伸方向垂直的截面内的截面积，槽形状也可以为方形状。在本实施例3中，如图5所示，与上述的实施例1同样，也将由螺旋槽8aa和螺旋槽8ab构成的高温侧螺旋槽8a如图3所示那样当作脉冲管型制冷机，并在螺旋槽8a内构成假想的气体活塞8P，从而能够以螺旋槽8b作为双入口来适当地调整气体活塞8P的长度和相位，其中螺旋槽8aa和螺旋槽8ab构成第2置换器5的外周面与第2工作缸7的内周面之间的侧隙。S卩，通过气体活塞8P使其具备可靠的密封功能来防止泄漏损失，从而能够提高制冷效率，并通过将螺旋槽8a内的低温侧空间8L用作第3膨胀空间进行追加制冷，由此能够提高制冷效率。[实施例4]在上述的实施例1 3中，将螺旋槽8设为在相对于第2置换器5的外周面延伸的方向上阶段性地改变截面积的形态，但也可以设为朝向第I膨胀空间3连续缩小的形态。以下，对关于这些的实施例4进行说明。本实施例4的超低温制冷机I除螺旋槽8设为朝向第I膨胀空间3连续缩小截面积的形态以外的结构与图1所示的实施例1基本相同，因此对共同的构成要件附加相同的符号并主要说明差异点。如图6所示，在本实施例4的超低温制冷机I中，形成于第2置换器5的外周面并 从第2膨胀空间6以螺旋状延伸的螺旋槽8具有截面积从与第2膨胀空间6连通的始端朝向与第I膨胀空间3连通的终端连续变小的形态。在本实施例4中，也能够与上述的实施例1同样，构成第2置换器5的外周面与第2工作缸7的内周面之间的侧隙的螺旋槽8中，以第2置换器5的轴向中间的任意位置，例如从下端起第2置换器5的轴向的整个长度的三分之二左右为分界，区分为位于低温侧的螺旋槽8a及位于高温侧的螺旋槽Sb，通过将螺旋槽8a如图2所示那样当作脉冲管型制冷机，在螺旋槽8a内构成假想的气体活塞8P，并以螺旋槽8b作为双入口来适当地调整长度和相位。即，能够防止泄漏损失来提高制冷效率，并能够通过将螺旋槽8a内的低温侧空间8L用作第3膨胀空间来提高制冷效率。以上对本发明的优选实施例进行了详细说明，但本发明不限于上述的实施例，在不脱离本发明的范围内，能够对上述的实施例施加各种变形及取代。例如，在上述的超低温制冷机中示出级数为二级的情况，但该级数可以适当地选择为三级等。另外，螺旋槽8a、8b的截面积可以设为通过第2置换器5的中心轴线的截面内的截面积，也可以设为与螺旋槽8的延伸方向垂直的截面内的截面积。并且，截面积可通过深度和宽度双方进行调整，槽形状可以为曲面形状、方形状等任一形状。并且，实施方式中，对超低温制冷机为GM制冷机的例子进行了说明，但并不限于此。例如，本发明也能够应用于期特林制冷机、苏尔威制冷机等具备置换器的任一制冷机。并且，实施方式中，对螺旋槽8形成至第2置换器5的高温侧端部的例子进行了说明，但并不限于此，只要在第2置换器5位于下死点时螺旋槽8a到达第I膨胀空间3，就能够得到相同的效果。产业上的可利用性本发明涉及降低侧隙中的泄漏损失，且将侧隙用作第3膨胀空间来提高制冷效率的超低温制冷机。根据本发明，将侧隙用作脉冲管型制冷机时，能够更轻松地调整假想的气体活塞的轴向的长度或相位。
权利要求
1.一种超低温制冷机，其特征在于，包括 第I置换器;第I工作缸，在与该第I置换器之间形成第I膨胀空间；第2置换器，连结于所述第I置换器；第2工作缸，在与该第2置换器之间形成第2膨胀空间；螺旋槽，形成于所述第2置换器的外周面并从所述第2膨胀空间以螺旋状延伸，所述螺旋槽与所述第I膨胀空间连通，并且所述第I膨胀空间侧的所述螺旋槽的截面积小于所述第2膨胀空间侧的所述螺旋槽的截面积。
2.如权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于，所述截面积随着从所述第2膨胀空间朝向所述第I膨胀空间侧而阶段性地变小。
3.如权利要求2所述的超低温制冷机，其特征在于，形成所述截面积最小的所述螺旋槽的区域在所述第2置换器的轴向上的长度长于所述第2置换器的行程。
4.如权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于，所述截面积随着从所述第2膨胀空间朝向所述第I膨胀空间而连续变小。
5.如权利要求1至4中任一项所述的超低温制冷机，其特征在于，根据所述螺旋槽的深度来调整所述截面积。
6.如权利要求1至5中任一项所述的超低温制冷机，其特征在于，所述螺旋槽包括向所述第I膨胀空间侧开口的锥形部分。
全文摘要
本发明提供一种能够更有效地提高制冷效率的超低温制冷机。基于本发明的超低温制冷机(1)，其特征在于，包括第1置换器(2)；第1工作缸(4)，在与第1置换器(2)之间形成第1膨胀空间(3)；第2置换器(5)，连结于第1置换器(2)；第2工作缸(7)，在与第2置换器(5)之间形成第2膨胀空间(6)；螺旋槽(8)，形成于第2置换器(5)的外周面并从第2膨胀空间(6)以螺旋状延伸，螺旋槽(8)与第1膨胀空间(3)连通，并且第1膨胀空间(3)侧的螺旋槽(8)的截面积小于第2膨胀空间(6)侧的螺旋槽(8)的截面积。
文档编号F25B9/14GK103017393SQ20121027462
公开日2013年4月3日 申请日期2012年8月2日 优先权日2011年9月21日
发明者许名尧, 森江孝明 申请人:住友重机械工业株式会社