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