超低溫制冷裝置的制作方法

專利名稱：超低溫制冷裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超低溫制冷裝置，尤其涉及一種具有置換器的超低溫制冷裝置。
技術(shù)背景
一直以來(lái)，作為具備置換器的超低溫制冷裝置，已知有吉福特-麥克馬洪制冷機(jī) (以下，稱為GM制冷機(jī))。該GM制冷機(jī)成為置換器在缸體內(nèi)通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置往復(fù)移動(dòng)的結(jié)構(gòu)。
并且，成為如下結(jié)構(gòu)缸體與置換器之間形成有膨脹空間。而且，通過(guò)使置換器在 缸體內(nèi)往復(fù)移動(dòng)，而使供給到膨脹空間的高壓制冷劑氣體膨脹，由此產(chǎn)生超低溫寒冷。
通常，在這種GM制冷機(jī)中置換器在缸體內(nèi)往返一次的I個(gè)循環(huán)的移動(dòng)速度設(shè)定成 與簡(jiǎn)諧振動(dòng)的速度相同。
專利文獻(xiàn)1:日本專利第2617681號(hào)公報(bào)
通常，當(dāng)置換器處于下死點(diǎn)附近位置時(shí)，GM制冷機(jī)進(jìn)行向缸體內(nèi)吸入高壓制冷劑 氣體的處理。
然而，如專利文獻(xiàn)I中公開(kāi)的超低溫制冷裝置，在I個(gè)循環(huán)中的置換器的移動(dòng)速度 與簡(jiǎn)諧振動(dòng)的速度相同的設(shè)定中，由于制冷劑氣體流入膨脹空間的速度較慢，因此膨脹空 間內(nèi)的制冷劑氣體的壓力上升不充分。由此存在在產(chǎn)生寒冷時(shí)無(wú)法產(chǎn)生充分的寒冷而導(dǎo)致 冷卻效率下降的問(wèn)題點(diǎn)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于上述問(wèn)題點(diǎn)而完成的，其目的在于提供一種實(shí)現(xiàn)提高制冷效率的超 低溫制冷裝置。
從第I觀點(diǎn)考慮，上述課題能夠通過(guò)如下超低溫制冷裝置解決，所述超低溫制冷 裝置具有
置換器，在缸體內(nèi)通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置往復(fù)移動(dòng)；
吸氣閥，當(dāng)向所述缸體內(nèi)供給制冷劑氣體時(shí)開(kāi)閥；
排氣閥，當(dāng)從所述缸體內(nèi)將制冷劑氣體排出時(shí)開(kāi)閥，
隨著該置換器的移動(dòng)而使形成于所述缸體內(nèi)的膨脹空間內(nèi)的制冷劑氣體膨脹來(lái) 產(chǎn)生寒冷，其特征在于，
使所述置換器在下死點(diǎn)附近的移動(dòng)速度比在上死點(diǎn)附近的移動(dòng)速度更快。發(fā)明效 果
根據(jù)公開(kāi)的超低溫制冷裝置，由于供給氣體時(shí)能夠有效地向缸體內(nèi)供給制冷劑氣 體，因此能夠?qū)崿F(xiàn)提高冷卻效率。


圖1是作為本發(fā)明的第I實(shí)施方式的GM制冷機(jī)的概要結(jié)構(gòu)圖。
圖2是放大表示設(shè)置于作為本發(fā)明的第I實(shí)施方式的GM制冷機(jī)的止轉(zhuǎn)棒軛機(jī)構(gòu)的分解立體圖。
圖3是放大表示止轉(zhuǎn)棒軛機(jī)構(gòu)的滑塊框的圖。
圖4是作為本發(fā)明的第I實(shí)施方式的GM制冷機(jī)中的置換器的移動(dòng)曲線圖。
圖5是用于說(shuō)明設(shè)置于作為本發(fā)明的第I實(shí)施方式的GM制冷機(jī)的止轉(zhuǎn)棒軛機(jī)構(gòu) 的動(dòng)作的圖。
圖6是作為本發(fā)明的第I實(shí)施方式的GM制冷機(jī)的P-V線圖。
圖7是表示本發(fā)明的效果的圖。
圖8是放大表示作為第I實(shí)施方式的變形例的止轉(zhuǎn)棒軛機(jī)構(gòu)的圖。
圖9是作為第I實(shí)施方式的變形例的GM制冷機(jī)中的置換器的移動(dòng)曲線圖。
圖10是作為本發(fā)明的第2實(shí)施方式的GM制冷機(jī)的概要結(jié)構(gòu)圖。
圖11 (A)是表示作為本發(fā)明的第2實(shí)施方式的GM制冷機(jī)的閥時(shí)刻的圖，圖1l(B) 是作為本發(fā)明的第2實(shí)施方式的GM制冷機(jī)中的置換器的移動(dòng)曲線圖。
圖12是作為第2實(shí)施方式的變形例的GM制冷機(jī)的概要結(jié)構(gòu)圖。
圖13是作為本發(fā)明的第3實(shí)施方式的GM制冷機(jī)的概要結(jié)構(gòu)圖。
圖中1、50、80、90-GM制冷機(jī)，3、51、91-驅(qū)動(dòng)裝置，5-氣體供給系統(tǒng)，6-氣體壓 縮機(jī)，7、63_吸氣閥，8、64_排氣閥，9-氣體流路，10-第I級(jí)缸體，11-第I級(jí)置換器，12、 22、57_蓄冷器，13、23_蓄冷材料，15-第I級(jí)膨脹室，20-第2級(jí)缸體，21-第2級(jí)置換器， 25-第2級(jí)膨脹室，28、55-冷卻臺(tái)，30-馬達(dá)，31-馬達(dá)軸，32、52-止轉(zhuǎn)棒軛機(jī)構(gòu)，34-曲柄部 件，35-滾子軸承，36、56-止轉(zhuǎn)棒軛，37-驅(qū)動(dòng)臂，38-滑動(dòng)槽，39-凸?fàn)畈浚?5-凹狀部，52-置 換器，52E-驅(qū)動(dòng)活塞，53-膨脹空間，54-缸體，58-室溫室，70-驅(qū)動(dòng)室，71-驅(qū)動(dòng)用高壓閥， 72-驅(qū)動(dòng)用低壓閥，81-流路阻力閥，92-磁鐵，93-驅(qū)動(dòng)線圈。
具體實(shí)施方式
接著，參考附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。
圖1表示作為本發(fā)明的第I實(shí)施方式的超低溫制冷裝置。以下說(shuō)明中，作為超低 溫制冷裝置舉出使用吉福特-麥克馬洪循環(huán)的超低溫制冷裝置(以下，稱為GM制冷機(jī))為例 子進(jìn)行說(shuō)明。然而，本發(fā)明的適用不限定于GM制冷機(jī)，也可適用于使用置換器的各種超低 溫制冷裝置(例如，索爾凡制冷機(jī)、斯特林制冷機(jī)等)。
本實(shí)施方式所涉及的GM制冷機(jī)I為2級(jí)式制冷機(jī)，具有第I級(jí)缸體10和第2級(jí) 缸體20。該第I級(jí)缸體10和第2級(jí)缸體20由導(dǎo)熱率較低的不銹鋼形成。并且成為第2級(jí) 缸體20的高溫端與第I級(jí)缸體10的低溫端連結(jié)的結(jié)構(gòu)。
第2級(jí)缸體20具有小于第I級(jí)缸體10的直徑。第I級(jí)缸體10及第2級(jí)缸體20 內(nèi)分別插入有第I級(jí)置換器(displacer) 11及第2級(jí)置換器21。第I級(jí)置換器11和第2 級(jí)置換器21相互連結(jié)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置3在缸體10、缸體20的軸向(圖中箭頭Z1、箭頭Z2方 向)上往復(fù)驅(qū)動(dòng)。
并且，第I級(jí)置換器11及第2級(jí)置換器21的內(nèi)部分別設(shè)置有蓄冷器12、蓄冷器 22。該蓄冷器12、蓄冷器22的內(nèi)部分別填充有蓄冷材料13、蓄冷材料23。并且，在第I級(jí) 缸體10內(nèi)的高溫端形成空腔14，且在低溫端形成第I級(jí)膨脹室15。另外，在第2級(jí)缸體20 的低溫端形成第2級(jí)膨脹室25。
第I級(jí)置換器11及第2級(jí)置換器21上設(shè)置有制冷劑氣體(氦氣)流動(dòng)的多個(gè)氣體 流路LI 氣體流路L4。氣體流路LI連接空腔14和蓄冷器12，氣體流路L2連接蓄冷器12 和第I級(jí)膨脹室15。并且，氣體流路L3連接第I級(jí)膨脹室15和蓄冷器22，氣體流路L4連 接蓄冷器22和第2級(jí)膨脹室25。
第I級(jí)缸體10的高溫端側(cè)的空腔14連接于氣體供給系統(tǒng)5。氣體供給系統(tǒng)5包 括氣體壓縮機(jī)6、閥7、閥8及氣體流路9等而構(gòu)成。
吸氣閥7連接于氣體壓縮機(jī)6的吸氣口側(cè)，并且排氣閥8連接于氣體壓縮機(jī)6的 排氣口側(cè)。若打開(kāi)吸氣閥7且關(guān)閉排氣閥8，則制冷劑氣體從氣體壓縮機(jī)6通過(guò)吸氣閥7及 氣體流路9供給到空腔14內(nèi)。若關(guān)閉吸氣閥7且打開(kāi)排氣閥8，則空腔14內(nèi)的制冷劑氣體 通過(guò)氣體流路9及排氣閥8回收到氣體壓縮機(jī)6。
驅(qū)動(dòng)裝置3使第I級(jí)置換器11及第2級(jí)置換器21在第I級(jí)缸體10及第2級(jí)缸 體20內(nèi)往復(fù)移動(dòng)。該驅(qū)動(dòng)裝置3包括馬達(dá)30和止轉(zhuǎn)棒軛機(jī)構(gòu)32。圖2放大表示止轉(zhuǎn)棒軛 機(jī)構(gòu)32。止轉(zhuǎn)棒軛機(jī)構(gòu)32大概包括曲柄部件34和止轉(zhuǎn)棒軛36。
曲柄部件34固定于馬達(dá)30的旋轉(zhuǎn)軸(以下稱為馬達(dá)軸31)。該曲柄部件34成為 在從馬達(dá)軸31的安裝位置偏心的位置處設(shè)置有曲柄銷34a的結(jié)構(gòu)。因此，若將曲柄部件34 安裝于馬達(dá)軸31，則馬達(dá)軸31與曲柄銷34a成為偏心的狀態(tài)。
另外，止轉(zhuǎn)棒軛36上形成有向與各置換器11、置換器21的移動(dòng)方向正交的方向 (圖中，用箭頭X1、箭頭X2表示的方向)延伸的滑動(dòng)槽38。由此，止轉(zhuǎn)棒軛36呈框形狀。
形成于止轉(zhuǎn)棒軛36的滑動(dòng)槽38上卡合有滾子軸承35。滾子軸承35成為在滑動(dòng) 槽38內(nèi)能夠向箭頭X1、箭頭X2方向轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)。另外，為了便于說(shuō)明，關(guān)于止轉(zhuǎn)棒軛36及 滑動(dòng)槽38的具體結(jié)構(gòu)在后面進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
滾子軸承35的中心位置上形成有與曲柄銷34a卡合的曲柄銷卡合孔35a。因此若 馬達(dá)軸31在將曲柄銷34a卡合于滾子軸承35的狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)，則曲柄銷34a以畫(huà)圓弧的方 式旋轉(zhuǎn)，由此止轉(zhuǎn)棒軛36向圖中箭頭Z1、箭頭Z2方向往復(fù)移動(dòng)。此時(shí)，滾子軸承35在滑動(dòng) 槽38內(nèi)向圖中箭頭X1、箭頭X2的方向往復(fù)移動(dòng)。
止轉(zhuǎn)棒軛36上設(shè)置有向上方向及下方向延伸的驅(qū)動(dòng)臂37。其中，如圖1所示，下 方的驅(qū)動(dòng)臂37連結(jié)于第I級(jí)置換器11。由此，若如上所述，通過(guò)止轉(zhuǎn)棒軛機(jī)構(gòu)32使止轉(zhuǎn)棒 軛36向TA、12方向往復(fù)移動(dòng)，則驅(qū)動(dòng)臂37也向上下方向移動(dòng)，由此第I級(jí)置換器11及第 2級(jí)置換器21在第I級(jí)缸體10及第2級(jí)缸體20內(nèi)往復(fù)移動(dòng)。
前述的吸氣閥7及排氣閥8的驅(qū)動(dòng)通過(guò)由馬達(dá)30驅(qū)動(dòng)的未圖示的回轉(zhuǎn)閥控制。回 轉(zhuǎn)閥以使吸氣閥7及排氣閥8的開(kāi)閉與各置換器11、置換器21的往復(fù)驅(qū)動(dòng)具有預(yù)定相位 差的方式來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。通過(guò)該相位差，制冷劑氣體在第I級(jí)膨脹室15及第2級(jí)膨脹室 25內(nèi)膨脹來(lái)產(chǎn)生寒冷。
接著，對(duì)成為上述結(jié)構(gòu)的GM制冷機(jī)I的動(dòng)作進(jìn)行說(shuō)明。
回轉(zhuǎn)閥在第I級(jí)置換器11及第2級(jí)置換器21即將到達(dá)下死點(diǎn)之前對(duì)氣體供給系 統(tǒng)5的吸氣閥7進(jìn)行開(kāi)閥。具體而言，本實(shí)施方式中，構(gòu)成為若通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置3使第I級(jí)置 換器11及第2級(jí)置換器21到達(dá)下死點(diǎn)(BDC)前30°，則吸氣閥7開(kāi)閥。此時(shí)，排氣閥8維 持閉閥的狀態(tài)。
由此由氣體壓縮機(jī)6 (壓縮機(jī))生成的高壓制冷劑氣體經(jīng)氣體流路9及氣體流路LI流入形成于第I級(jí)置換器11的蓄冷器12。流入到蓄冷器12內(nèi)的制冷劑氣體通過(guò)蓄冷 器12內(nèi)的蓄冷材料13冷卻并前進(jìn)，接著經(jīng)氣體流路L2流入第I級(jí)膨脹室15。
流入到第I級(jí)膨脹室15的制冷劑氣體經(jīng)氣體流路L3流入形成于第2級(jí)置換器21 的蓄冷器22。并且，流入蓄冷器22內(nèi)的制冷劑氣體通過(guò)蓄冷器22內(nèi)的蓄冷材料23冷卻并 前進(jìn)，接著經(jīng)氣體流路L4流入第2級(jí)膨脹室25。
吸氣閥7開(kāi)閥之后，第I級(jí)置換器11及第2級(jí)置換器21由驅(qū)動(dòng)裝置3驅(qū)動(dòng)而到 達(dá)第I級(jí)膨脹室15及第2級(jí)膨脹室25的體積變得最小的下死點(diǎn)，朝向下方(圖中箭頭Z2 方向)的移動(dòng)瞬間停止(移動(dòng)速度成為零)。
之后，第I級(jí)置換器11及第2級(jí)置換器21開(kāi)始向上方(圖中箭頭Zl方向)移動(dòng)。 伴隨此，從氣體壓縮機(jī)6供給的高壓制冷劑氣體經(jīng)過(guò)所述路徑而供給(吸入)到第I級(jí)膨脹 室15及第2級(jí)膨脹室25內(nèi)。并且，在第I級(jí)置換器11及第2級(jí)置換器21達(dá)到121°的時(shí) 刻，吸氣閥7閉閥，停止從氣體供給系統(tǒng)5向GM制冷機(jī)I供給制冷劑氣體。
吸氣閥7閉閥之后，若第I級(jí)置換器11及第2級(jí)置換器21進(jìn)一步向上移動(dòng)而達(dá) 到170°，則回轉(zhuǎn)閥打開(kāi)排氣閥8。此時(shí)，吸氣閥7維持閉閥的狀態(tài)。由此，第I級(jí)膨脹室15 及第2級(jí)膨脹室25內(nèi)的制冷劑氣體膨脹并在各膨脹室15、膨脹室25內(nèi)產(chǎn)生寒冷。
排氣閥8開(kāi)閥之后，第I級(jí)置換器11及第2級(jí)置換器21由驅(qū)動(dòng)裝置3驅(qū)動(dòng)而達(dá) 到上死點(diǎn)，停止朝向上方(圖中箭頭Zl方向)移動(dòng)(移動(dòng)速度成為零)。之后，第I級(jí)置換器 11及第2級(jí)置換器21開(kāi)始向下方(圖中箭頭Z2方向)移動(dòng)。伴隨此，在第2級(jí)膨脹室25膨 脹的制冷劑氣體通過(guò)氣體流路L4并流入蓄冷器22內(nèi)，冷卻蓄冷器22內(nèi)的蓄冷材料23的 同時(shí)通過(guò)，并經(jīng)氣體流路L3流入第I級(jí)膨脹室15。
流入到第I級(jí)膨脹室15的制冷劑氣體與在第I級(jí)膨脹室15膨脹后的制冷劑氣體 一同經(jīng)氣體流路L2流入蓄冷器12。流入蓄冷器12的制冷劑氣體冷卻蓄冷材料13的同時(shí) 前進(jìn)，并且經(jīng)氣體流路L1、氣體流路9、排氣閥8回收到氣體供給系統(tǒng)5的氣體壓縮機(jī)6。并 且，在第I級(jí)置換器11及第2級(jí)置換器21達(dá)到340°的時(shí)刻，排氣閥8閉閥，停止制冷劑氣 體從GM制冷機(jī)I朝向氣體供給系統(tǒng)5回收(吸入)的處理。
通過(guò)反復(fù)進(jìn)行以上循環(huán)，能夠在第I級(jí)膨脹室15內(nèi)產(chǎn)生20 50K左右的寒冷，而 且能夠在第2級(jí)膨脹室25內(nèi)產(chǎn)生4 IOK以下的超低溫。
在此，著眼于構(gòu)成驅(qū)動(dòng)裝置3的止轉(zhuǎn)棒軛36，主要利用圖2及圖3對(duì)其結(jié)構(gòu)及功能 進(jìn)行說(shuō)明。
圖3是主視觀察止轉(zhuǎn)棒軛36的圖。如前述，止轉(zhuǎn)棒軛36上形成有向X1、X2方向 延伸的滑動(dòng)槽38。以往的止轉(zhuǎn)棒軛的滑動(dòng)槽通常呈橫長(zhǎng)的矩形狀。
與此相反，本實(shí)施方式中，設(shè)為在滑動(dòng)槽38的與置換器11、置換器21的下死點(diǎn)對(duì) 應(yīng)的位置(圖3中用箭頭A表示的位置。以下稱為下死點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置A)設(shè)置凸?fàn)畈?9的結(jié) 構(gòu)。并且，在滑動(dòng)槽38的與置換器11、置換器21的上死點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置(圖3中用箭頭B表 示的位置。以下稱為上死點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置B)設(shè)置有凹狀部45。
滑動(dòng)槽38在下部具有向X1、X2方向以直線狀延伸的下部水平部40 (直線狀部)， 在上部具有同樣向X1、X2方向以直線狀延伸的上部水平部41 (直線狀部)。凸?fàn)畈?9形成 為在下部水平部40的大致中央位置向上方(Zl方向)突出。并且，凹狀部45形成為在上部 水平部41的大致中央位置朝向上方(Zl方向)凹陷。
在此，設(shè)想向鉛垂方向(Zl、Z2方向)延伸且穿過(guò)下死點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置A的線段。該線段為圖3中用單點(diǎn)劃線表示的線段，以下說(shuō)明中，將該線段稱為中心線Z。前述的驅(qū)動(dòng)臂37 成為與該中心線Z呈一直線狀的結(jié)構(gòu)。
凸?fàn)畈?9構(gòu)成為以圖中用箭頭O表示的位置(以下將該位置稱為中心點(diǎn)O)為中心的圓弧形狀，且形成圓形部。
本實(shí)施方式中，凸?fàn)畈?9的形狀呈以中心線Z為中心且在圖中箭頭Xl方向側(cè)及箭頭X2方向側(cè)呈對(duì)稱的形狀。
因此，若將連結(jié)凸?fàn)畈?9的Xl方向側(cè)的端部和中心點(diǎn)O的線段設(shè)為線段C，將連結(jié)凸?fàn)畈?9的X2方向側(cè)的端部和中心點(diǎn)O的線段設(shè)為線段D，則線段C與中心線Z所成的角度Θ I和線段D與中心線Z所成的角度Θ2相等(θ 1=Θ2)。
該角度Θ I Θ 2的大小沒(méi)有特定，但本實(shí)施方式中設(shè)定為Θ 1= Θ 2=30°。然而， 這些角度不限定于此，例如也可在20° <(θ 1=0 2X40°的范圍內(nèi)設(shè)定。
另外，規(guī)定凸?fàn)畈?9的形成范圍的角度Θ1、角度Θ 2未必一定如上述設(shè)定成相同的角度，也能夠設(shè)為不同結(jié)構(gòu)(Θ I古Θ2)。
接著，利用圖4及圖5,對(duì)利用具有成為上述結(jié)構(gòu)的止轉(zhuǎn)棒軛36的止轉(zhuǎn)棒軛機(jī)構(gòu) 32的各置換器11、置換器21的動(dòng)作進(jìn)行說(shuō)明。
圖4是置換器11、置換器21的移動(dòng)曲線圖。并且，圖5表示滑動(dòng)槽38內(nèi)的滾子軸承35的動(dòng)作。
另外，圖4中橫軸表示曲柄部件34的旋轉(zhuǎn)角度(曲柄角度)，縱軸表示第2級(jí)置換器21的偏移(移動(dòng)量)。另外，用實(shí)線表示本實(shí)施方式所涉及的GM制冷機(jī)I的特性(圖中， 用箭頭A表示)，用單點(diǎn)劃線表示不具有凸?fàn)畈?9及凹狀部45的以往的GM制冷機(jī)的特性 (圖中，用箭頭B表7]^)。
本實(shí)施方式所涉及的止轉(zhuǎn)棒軛機(jī)構(gòu)32的曲柄角度0°設(shè)定在下死點(diǎn)(BDC)前 30°。由此，如圖5 (A)所示，曲柄角度0°時(shí)的滾子軸承35在滑動(dòng)槽38內(nèi)的位置處于下部水平部40與凸?fàn)畈?9的邊界。
若曲柄部件34從該狀態(tài)旋轉(zhuǎn)30°，則滾子軸承35伴隨此對(duì)止轉(zhuǎn)棒軛36朝向下方 (Ζ2方向)移動(dòng)加力。隨著該動(dòng)作，滾子軸承35在滑動(dòng)槽38內(nèi)向Χ2方向移動(dòng)。由此，滾子軸承35 —邊卡合于凸?fàn)畈?9 —邊在滑動(dòng)槽38內(nèi)向Χ2方向移動(dòng)。具體而言，滾子軸承35 成為隨著其移動(dòng)而與凸?fàn)畈?9卡合并跨上凸?fàn)畈?9的狀態(tài)。
如前述，由于安裝有滾子軸承35的曲柄銷34a處于相對(duì)于曲柄部件34的中心偏心的位置，因此止轉(zhuǎn)棒軛36隨著滾子軸承35的移動(dòng)而向Z2方向移動(dòng)。另外，止轉(zhuǎn)棒軛36 上經(jīng)驅(qū)動(dòng)臂37連接有置換器11、置換器21。因此，置換器11、置換器21也隨著止轉(zhuǎn)棒軛 36的移動(dòng)而向Z2方向移動(dòng)。
在此，著眼于止轉(zhuǎn)棒軛36的移動(dòng)速度(這等價(jià)于置換器11、置換器21的移動(dòng)速度)。
凸?fàn)畈?9比下部水平部40更突出。由此就止轉(zhuǎn)棒軛36在單位時(shí)間內(nèi)的移動(dòng)量而言，滾子軸承35卡合于凸?fàn)畈?9時(shí)的移動(dòng)量大于滾子軸承35卡合于以往的水平部46 時(shí)的移動(dòng)量。
換而言之，與滾子軸承35卡合于以往的水平部46時(shí)止轉(zhuǎn)棒軛36的移動(dòng)速度VlB相比，通過(guò)滾子軸承35的移動(dòng)而使止轉(zhuǎn)棒軛36向下方(Z2方向)移動(dòng)的移動(dòng)速度Vl (參考 圖 4)更快(VI > V1B)。
圖5 (B)表示曲柄角度為30°的狀態(tài)。本實(shí)施方式中，設(shè)定為曲柄角度為30°時(shí) 成為置換器11、置換器21的下死點(diǎn)(BDC)。因此，在下死點(diǎn)(BDC)處，滾子軸承35位于凸?fàn)?部39的頂點(diǎn)部(中央位置)。
滾子軸承35隨著曲柄部件34的旋轉(zhuǎn)超過(guò)與置換器11、置換器21的下死點(diǎn)(BDC) 對(duì)應(yīng)的位置，則止轉(zhuǎn)棒軛36的移動(dòng)方向反轉(zhuǎn)。即，若超過(guò)下死點(diǎn)(BDC)，則止轉(zhuǎn)棒軛36開(kāi)始 朝向上方(Zl方向)移動(dòng)。
此時(shí)，曲柄角度在從下死點(diǎn)(BDC)開(kāi)始向后30°之間，滾子軸承35維持與凸?fàn)畈?39卡合的狀態(tài)。具體而言，滾子軸承35 —邊維持與凸?fàn)畈?9 (具體而言，比中心線Z更靠 X2方向側(cè)的部分)卡合的狀態(tài)一邊移動(dòng)而到達(dá)與水平部40、水平部41對(duì)置的位置(圖5(C) 中表示該狀態(tài))。
由此，與滾子軸承35卡合于以往的水平部46時(shí)的止轉(zhuǎn)棒軛36的移動(dòng)速度V2B相 比，通過(guò)滾子軸承35的移動(dòng)而使止轉(zhuǎn)棒軛36向上方(Zl方向)移動(dòng)的移動(dòng)速度V2 (參考圖 4)更快(V2 > V2B)。這與滾子軸承35從圖5 (A)所示的狀態(tài)向圖5 (B)所示的狀態(tài)移動(dòng) 時(shí)相同。
另外，若曲柄部件34旋轉(zhuǎn)，則如圖5 (D)所示，向滑動(dòng)槽38內(nèi)的與水平部40、水平 部41對(duì)置的位置移動(dòng)。將此時(shí)的止轉(zhuǎn)棒軛36在Zl方向上的移動(dòng)速度設(shè)為V3。由于滾子 軸承35與下部水平部40卡合，因此該止轉(zhuǎn)棒軛36的移動(dòng)速度V3與以往的移動(dòng)速度V3B 大致相同。
并且，如上述在本實(shí)施方式中，凸?fàn)畈?9的形狀呈以中心線Z對(duì)稱的形狀。由此， 在下死點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置A的前后30°時(shí)的止轉(zhuǎn)棒軛36的移動(dòng)速度V1、移動(dòng)速度V2雖然其方向 不同，但絕對(duì)值相同。另外，當(dāng)凸?fàn)畈?9的形狀呈以中心線Z對(duì)稱的形狀時(shí)，能夠使止轉(zhuǎn)棒 軛36的制造輕松化。
另外，如上述在本實(shí)施方式中，圓弧形狀的凸?fàn)畈?9成為直接與下部水平部40連 結(jié)的結(jié)構(gòu)，但為了使?jié)L子軸承35順暢地移動(dòng)，也可在圓弧形狀的凸?fàn)畈?9與下部水平部40 之間有順暢的連結(jié)部(例如，直線)。
圖5 (E) 圖5 (G)表示滾子軸承35與凹狀部45卡合時(shí)的動(dòng)作。凹狀部45呈 相對(duì)于上部水平部41凹陷的形狀。該凹狀部45中，在滾子軸承35與凹狀部45卡合期間， 止轉(zhuǎn)棒軛36 (置換器11、置換器21)的移動(dòng)速度V4比滾子軸承35與以往的水平部47卡 合時(shí)的止轉(zhuǎn)棒軛36的移動(dòng)速度V4B慢(V4 < V4B)。
并且,該凹狀部45以成為上死點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置B的位置為中心形成在以曲柄部件34 的曲柄角為基準(zhǔn)的遍及±30°范圍內(nèi)。因此，如圖4所示，與滾子軸承35卡合于以往的水 平部47時(shí)的止轉(zhuǎn)棒軛36的移動(dòng)速度V4B相比，置換器11、置換器21在以上死點(diǎn)(TDC)為 中心±30°的范圍內(nèi)的移動(dòng)速度V4更慢(V4 < V4B)。
而且，若曲柄部件34從圖5 (G)所示的狀態(tài)進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)，則如圖5 (H)所示，滾子 軸承35向與滑動(dòng)槽38內(nèi)的水平部40、水平部41對(duì)置的位置移動(dòng)。由此，止轉(zhuǎn)棒軛36開(kāi)始 移動(dòng)，伴隨此置換器11、置換器21也開(kāi)始移動(dòng)。
若將此時(shí)的止轉(zhuǎn)棒軛36的Zl方向的移動(dòng)速度設(shè)為V5，則由于滾子軸承35與上部水平部41卡合，因此該移動(dòng)速度V5與以往的移動(dòng)速度V5B大致相同。
根據(jù)上述說(shuō)明明確可知，本實(shí)施方式所涉及的GM制冷機(jī)I中設(shè)定為置換器11、置 換器21在下死點(diǎn)的移動(dòng)速度V1、移動(dòng)速度V2比在上死點(diǎn)的移動(dòng)速度V4更快(VI > V4，V2>V4)。由此，如圖4所示，與以往的GM制冷機(jī)的置換器的移動(dòng)曲線(圖中，用箭頭B表示的 單點(diǎn)劃線)相比，本實(shí)施方式所涉及的置換器的移動(dòng)曲線(圖中，用箭頭A表示的實(shí)線)在下 死點(diǎn)附近呈陡峭的特性。
在此，“置換器11、置換器21在下死點(diǎn)的移動(dòng)速度”是指置換器11、置換器21在滑 動(dòng)槽38中形成有凸?fàn)畈?9的范圍內(nèi)的移動(dòng)速度。并且，“在上死點(diǎn)的移動(dòng)速度”是指置換 器11、置換器21在滑動(dòng)槽38中形成有凹狀部45的范圍內(nèi)的移動(dòng)速度。
另外，本實(shí)施方式中，構(gòu)成為吸氣閥7在置換器11、置換器21到達(dá)下死點(diǎn)(BDC)前 30°的時(shí)刻被開(kāi)閥。由此，本實(shí)施方式中，吸氣閥7開(kāi)閥的同時(shí)，置換器11、置換器21 (止 轉(zhuǎn)棒軛36)的移動(dòng)速度從V5變成Vl (比以往的VlB快)。
另外，本實(shí)施方式中設(shè)定為在上死點(diǎn)附近處置換器11、置換器21 (止轉(zhuǎn)棒軛36)的 移動(dòng)速度發(fā)生變化的時(shí)刻與吸氣閥7開(kāi)閥的時(shí)刻相同，但也可設(shè)定成吸氣閥7的開(kāi)閥時(shí)刻 早于置換器11、置換器21 (止轉(zhuǎn)棒軛36)的移動(dòng)速度發(fā)生變化的時(shí)刻。
當(dāng)這樣構(gòu)成時(shí)，構(gòu)成為在從吸氣閥7開(kāi)閥時(shí)起到置換器11、置換器21到達(dá)下死點(diǎn) 時(shí)為止的期間內(nèi)，置換器11、置換器21 (止轉(zhuǎn)棒軛36)的移動(dòng)速度變快。
并且，本實(shí)施方式中，在從置換器11、置換器21 (止轉(zhuǎn)棒軛36)到達(dá)下死點(diǎn)時(shí)到打 開(kāi)排氣閥8時(shí)為止的期間內(nèi)，置換器11、置換器21 (止轉(zhuǎn)棒軛36)的移動(dòng)速度與以往的置 換器的移動(dòng)速度大致相同。具體而言，置換器11、置換器21 (止轉(zhuǎn)棒軛36)的移動(dòng)速度在 曲柄角度為30°時(shí)，從移動(dòng)速度V2變?yōu)橐苿?dòng)速度V3，與以往的移動(dòng)速度V3B大致相同。另 外，本實(shí)施方式中吸氣閥7在曲柄角度為121°時(shí)閉閥。
接著，對(duì)將置換器11、置換器21在下死點(diǎn)的移動(dòng)速度Vl、移動(dòng)速度V2設(shè)定成比在 上死點(diǎn)的移動(dòng)速度V4更快而帶來(lái)的作用效果進(jìn)行說(shuō)明。
如前述，通過(guò)吸氣閥7開(kāi)閥，從氣體供給系統(tǒng)5向GM制冷機(jī)I供給高壓制冷劑氣 體。制冷劑氣體具有成為高壓時(shí)密度變大的特性。由此，能夠通過(guò)將制冷劑氣體設(shè)為高壓 來(lái)減少壓力損失。
另外，如本實(shí)施方式，通過(guò)加速置換器11、置換器21在下死點(diǎn)的移動(dòng)速度Vl、移動(dòng) 速度V2，能夠增大從氣體供給系統(tǒng)5向GM制冷機(jī)I內(nèi)供給氣體的量。如此，由于制冷劑氣 體為高壓，因此即使增大向GM制冷機(jī)I內(nèi)供給氣體的量，壓力損失也較小。因此，能夠有效 地向GM制冷機(jī)I內(nèi)供給大量制冷劑氣體。
由此，能夠在向GM制冷機(jī)I供給制冷劑氣體并對(duì)吸氣閥7進(jìn)行閉閥之后對(duì)排氣閥 8進(jìn)行開(kāi)閥時(shí)，使大量制冷劑氣體膨脹。由此，能夠提高GM制冷機(jī)I的冷卻效率。
如此，為了對(duì)GM制冷機(jī)I有效地供給高壓制冷劑氣體，優(yōu)選設(shè)為在從吸氣閥7開(kāi) 閥時(shí)到置換器11、置換器21到達(dá)下死點(diǎn)時(shí)為止的期間內(nèi)加快置換器11、置換器21的移動(dòng) 速度的結(jié)構(gòu)。
圖6并列表示本實(shí)施方式所涉及的GM制冷機(jī)I的P-V線圖(用箭頭A表示的特性) 和作為比較例未在滑動(dòng)槽38中設(shè)置凸?fàn)畈?9的GM制冷機(jī)的P-V線圖(圖中用箭頭B表示 的特性)。
P-V線圖中，GM制冷機(jī)的I個(gè)循環(huán)期間產(chǎn)生的寒冷量相當(dāng)于由P-V線圖包圍的面 積。所以觀察圖6可知，本實(shí)施方式所涉及的GM制冷機(jī)I的P-V線圖的面積比比較例所涉 及的GM制冷機(jī)的P-V線圖的面積大。由此，根據(jù)圖6證實(shí)了與比較例相比，本實(shí)施方式所 涉及的GM制冷機(jī)I的冷卻效率更高。
另外，圖7是與比較例所涉及的GM制冷機(jī)的冷卻溫度進(jìn)行比較來(lái)表示本實(shí)施方式 所涉及的GM制冷機(jī)I的冷卻溫度的圖。任何GM制冷機(jī)中，都測(cè)定第I級(jí)膨脹室的附近溫 度和第2級(jí)膨脹室的附近溫度。
如該圖表示，比較例所涉及的GM制冷機(jī)的第I級(jí)溫度為46. 2K，與此相對(duì)，本實(shí)施 方式所涉及的GM制冷機(jī)的第I級(jí)溫度為45. 1K。另外，比較例所涉及的GM制冷機(jī)的第2級(jí) 溫度為4. 26K，與此相對(duì)，本實(shí)施方式所涉及的GM制冷機(jī)的第2級(jí)溫度為4. 19K。由此，根 據(jù)圖7也證實(shí)了與比較例相比，本實(shí)施方式所涉及的GM制冷機(jī)I的冷卻效率更高。
圖8表示作為上述實(shí)施方式的變形例的GM制冷機(jī)的止轉(zhuǎn)棒軛機(jī)構(gòu)48。該圖中，放 大表示止轉(zhuǎn)棒軛機(jī)構(gòu)48的止轉(zhuǎn)棒軛49。另外，圖8中，對(duì)與圖1至圖5所示的結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的 結(jié)構(gòu)附加相同符號(hào)，省略其說(shuō)明。
設(shè)置于圖1至圖5所示的GM制冷機(jī)I的止轉(zhuǎn)棒軛機(jī)構(gòu)32設(shè)成將凹狀部45設(shè)置 于止轉(zhuǎn)棒軛36的上部水平部41的結(jié)構(gòu)。對(duì)此，本變形例的特征在于，上部水平部41并未 設(shè)置凹狀部45而設(shè)為平坦的結(jié)構(gòu)。
圖9是利用圖8所示的止轉(zhuǎn)棒軛49的GM制冷機(jī)的置換器11、置換器21的移動(dòng)曲 線圖。本變形例所涉及的GM制冷機(jī)中，由于上部水平部41未設(shè)置有凹狀部45,因此置換器 11、置換器21不會(huì)在上死點(diǎn)附近停止，該移動(dòng)成為簡(jiǎn)諧振動(dòng)式移動(dòng)。
此時(shí)，將置換器11、置換器21在從上死點(diǎn)(TDC)前30°至到達(dá)上死點(diǎn)為止的移動(dòng) 速度設(shè)為V4a，將置換器11、置換器21在從上死點(diǎn)至上死點(diǎn)(TDC)后30°為止的移動(dòng)速度 設(shè)為V4b。
如前述就置換器11、置換器21在下死點(diǎn)(BDC)附近的移動(dòng)速度V1、V2而言，由于 滾子軸承35與形成于下部水平部40的凸?fàn)畈?9卡合，因此其速度比滾子軸承35與水平 部40、水平部41卡合時(shí)的速度更快。由此，根據(jù)本變形例的結(jié)構(gòu)，置換器11、置換器21在 下死點(diǎn)附近的移動(dòng)速度V1、V2也比置換器11、置換器21在上死點(diǎn)附近的移動(dòng)速度V4a、V4b快。
因此，即使設(shè)為本變形例所涉及的GM制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)，也能夠與前述的實(shí)施方式所 涉及的GM制冷機(jī)I相同地實(shí)現(xiàn)提高冷卻效率。
另外，本實(shí)施方式中，對(duì)凸?fàn)畈?9為圓弧狀的例子進(jìn)行了說(shuō)明，但凸?fàn)畈?9的形 狀不限定于此，比下部水平部40更向上側(cè)突出的形狀即可，例如可組合多個(gè)直線或曲線構(gòu) 成凸?fàn)畈?9。
接著，對(duì)本發(fā)明的第2實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。
圖10表示作為第2實(shí)施方式的GM制冷機(jī)50。本實(shí)施方式中，舉出I級(jí)式GM制冷 機(jī)的例子來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。
GM制冷機(jī)50具有驅(qū)動(dòng)裝置51、置換器52、缸體54、冷卻臺(tái)55、蓄冷器57及壓縮機(jī)62等。本實(shí)施方式所涉及的GM制冷機(jī)50的特征在于，作為驅(qū)動(dòng)置換器52的驅(qū)動(dòng)裝置51 適用氣體驅(qū)動(dòng)方式。
置換器52構(gòu)成為具有置換器主體52A、低溫側(cè)導(dǎo)熱部52B及蓄冷器57等。置換器 主體52A呈有底筒狀，其內(nèi)部設(shè)置有容納蓄冷材料的蓄冷器57。
蓄冷器57的高溫側(cè)(圖中，上方成為高溫側(cè))設(shè)置有對(duì)制冷劑氣體的流動(dòng)進(jìn)行整流 的整流器59。并且，蓄冷器57的低溫側(cè)(圖中，下方成為低溫側(cè))也設(shè)置有對(duì)制冷劑氣體的 流動(dòng)進(jìn)行整流的整流器60。
位于置換器52的高溫端的頂板部52D上形成有多個(gè)用于使制冷劑氣體從室溫室 58向蓄冷器57流動(dòng)的流路61。室溫室58形成于置換器52的頂板部52D與缸體54的頂 板部54A之間。
該室溫室58與壓縮機(jī)62連接。具體而言，室溫室58連接有與壓縮機(jī)62的供給 側(cè)連接的供給配管67及與壓縮機(jī)62的返回側(cè)連接的返回配管68。供給配管67經(jīng)吸氣閥63(也有時(shí)稱為閥VI)連接于室溫室58。另外，返回配管68經(jīng)排氣閥64 (也有時(shí)稱為閥 V2)連接于室溫室58。另外，各配管67、配管68在各閥63、閥64的下游側(cè)成為一條而連接 于室溫室58。
因此，通過(guò)吸氣閥63開(kāi)閥且排氣閥64閉閥，在壓縮機(jī)62中生成的高壓制冷劑氣 體供給到室溫室58。相反，通過(guò)吸氣閥63閉閥且排氣閥64開(kāi)閥，制冷劑氣體從室溫室58 回流到壓縮機(jī)62。
置換器52的低溫端設(shè)置有低溫側(cè)導(dǎo)熱部52B。并且，在置換器主體52A與低溫側(cè) 導(dǎo)熱部52B之間形成有連通蓄冷器57與膨脹空間53的第2流路66。該低溫側(cè)導(dǎo)熱部52B 利用銷56結(jié)合于置換器主體52A。
膨脹空間53形成于缸體54與置換器52 (低溫側(cè)導(dǎo)熱部52B)之間。從壓縮機(jī)62 向該膨脹空間53導(dǎo)入高壓制冷劑氣體。并且，構(gòu)成為通過(guò)導(dǎo)入的制冷劑氣體進(jìn)行絕熱膨脹 來(lái)在膨脹空間53內(nèi)產(chǎn)生寒冷。
缸體54在其內(nèi)部容納置換器52并使置換器能夠移動(dòng)。該缸體54具有有底筒狀 的形狀，在成為開(kāi)口側(cè)的低溫端部配設(shè)有冷卻臺(tái)55。該冷卻臺(tái)55熱性連接于被冷卻物，通 過(guò)在膨脹空間53中產(chǎn)生寒冷來(lái)冷卻被冷卻物。
并且，在缸體54與置換器52之間裝有密封件65。通過(guò)該密封件65防止從壓縮機(jī) 62供給的制冷劑氣體通過(guò)置換器52與缸體54之間的間隙而流入膨脹空間53。
該缸體54的高溫端設(shè)置有驅(qū)動(dòng)置換器52的驅(qū)動(dòng)裝置51。驅(qū)動(dòng)裝置51構(gòu)成為具 有驅(qū)動(dòng)活塞52E、驅(qū)動(dòng)室70、驅(qū)動(dòng)用高壓閥71、驅(qū)動(dòng)用低壓閥72等。另外，本實(shí)施方式中將 在壓縮機(jī)62中生成的高壓制冷劑氣體用作驅(qū)動(dòng)氣體。
驅(qū)動(dòng)活塞52E構(gòu)成驅(qū)動(dòng)室70的置換器側(cè)的壁，并且成為與置換器52 —體的結(jié)構(gòu)。 驅(qū)動(dòng)活塞52E能夠設(shè)置成例如從置換器52的頂板部52D的中央位置朝向上方突出。由此， 若驅(qū)動(dòng)活塞52E上下移動(dòng)，則伴隨于此置換器52也在缸體54內(nèi)進(jìn)行上下移動(dòng)。
驅(qū)動(dòng)室70形成于缸體54的頂板部54A的中央位置。該驅(qū)動(dòng)室70成為從頂板部 54A向上方突出的結(jié)構(gòu)，前述的驅(qū)動(dòng)活塞52E成為能夠在驅(qū)動(dòng)室70內(nèi)向上下方向(缸體54 的軸向)移動(dòng)的結(jié)構(gòu)。
并且，驅(qū)動(dòng)室70內(nèi)的預(yù)定位置上配設(shè)有密封件73。該密封件73配設(shè)于驅(qū)動(dòng)室70 的內(nèi)壁與置換器52E之間。由此，驅(qū)動(dòng)室70成為相對(duì)于室溫室58氣密地劃分的結(jié)構(gòu)。并 且，通過(guò)設(shè)置密封件73，驅(qū)動(dòng)活塞52E能夠維持驅(qū)動(dòng)室70的氣密狀態(tài)的同時(shí)進(jìn)行上下移動(dòng)。
此外，驅(qū)動(dòng)室70與壓縮機(jī)62連接。具體而言，驅(qū)動(dòng)室70上連接有供給配管67及返回配管68。供給配管67經(jīng)驅(qū)動(dòng)用高壓閥71(也有時(shí)稱為閥V3)連接于驅(qū)動(dòng)室70。并且， 返回配管68經(jīng)驅(qū)動(dòng)用低壓閥72 (也有時(shí)稱為閥V4)連接于驅(qū)動(dòng)室70。另外，各配管67、配管68在各閥71、閥72的下游側(cè)成為一條而連接于驅(qū)動(dòng)室70。
因此，通過(guò)驅(qū)動(dòng)用高壓閥71開(kāi)閥并且驅(qū)動(dòng)用低壓閥72閉閥，在壓縮機(jī)62中生成的高壓制冷劑氣體供給到驅(qū)動(dòng)室70，驅(qū)動(dòng)室70內(nèi)的壓力(以下將該壓力稱為P2)變高。相反，通過(guò)驅(qū)動(dòng)用高壓閥71閉閥并且驅(qū)動(dòng)用低壓閥72開(kāi)閥，驅(qū)動(dòng)室70內(nèi)的制冷劑氣體回流到壓縮機(jī)62，驅(qū)動(dòng)室70內(nèi)的壓力P2變低。
這樣，驅(qū)動(dòng)室70內(nèi)的壓力P2能夠通過(guò)驅(qū)動(dòng)用高壓閥71及驅(qū)動(dòng)用低壓閥72的開(kāi)閉進(jìn)行控制。另一方面，缸體54內(nèi)的壓力(以下，將該壓力稱為Pl)能夠通過(guò)吸氣閥63及排氣閥64的開(kāi)閉進(jìn)行控制。
由此，若通過(guò)各閥63、閥64、閥71、閥72的開(kāi)閉控制，缸體54內(nèi)的壓力Pl變得大于驅(qū)動(dòng)室70內(nèi)的壓力P2 (PI >P2)，則置換器52進(jìn)行向上移動(dòng)(向上死點(diǎn)方向的移動(dòng))。 相反，當(dāng)缸體54內(nèi)的壓力Pl小于驅(qū)動(dòng)室70內(nèi)的壓力P2時(shí)(Pl < P2)，置換器52進(jìn)行向下移動(dòng)(向下死點(diǎn)方向的移動(dòng))。如此，本實(shí)施方式所涉及的GM制冷機(jī)50設(shè)為通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置 51驅(qū)動(dòng)置換器52的結(jié)構(gòu)。
另外，上述的各閥63、閥64、閥71、閥72 (閥V1、閥V2、閥V3、閥V4)作為回轉(zhuǎn)閥成為一體結(jié)構(gòu)，且構(gòu)成為通過(guò)回轉(zhuǎn)閥每旋轉(zhuǎn)I圈(360°旋轉(zhuǎn))而使置換器52進(jìn)行I次往復(fù)移動(dòng)(進(jìn)行I個(gè)循環(huán)的動(dòng)作)。接著，參考圖11，對(duì)成為上述結(jié)構(gòu)的GM制冷機(jī)50的動(dòng)作進(jìn)行說(shuō)明。
圖11表示本實(shí)施方式所涉及的GM制冷機(jī)50的動(dòng)作。圖11 (A)表示作為本實(shí)施方式的GM制冷機(jī)50的閥時(shí)刻，圖11 (B)表示GM制冷機(jī)50中的置換器52的移動(dòng)。
另外，圖11 (A)中，粗實(shí)線表示各閥63、閥64、閥71、閥72 (閥V1、閥V2、閥V3、 閥V4)開(kāi)閥的期間，并且橫軸表示回轉(zhuǎn)閥的旋轉(zhuǎn)角度(以下僅稱為閥旋轉(zhuǎn)角度)。并且，圖12 (B)中，橫軸表示回轉(zhuǎn)閥的旋轉(zhuǎn)角度，縱軸表示置換器52的位移量。
參考圖11 (A)，當(dāng)閥旋轉(zhuǎn)角度為0°時(shí)，成為只有構(gòu)成驅(qū)動(dòng)裝置51的驅(qū)動(dòng)用高壓閥71 (V3)開(kāi)閥而其他閥72、閥63、閥64 (V1、V2、V4)閉閥的狀態(tài)。由此，在壓縮機(jī)62中升壓的制冷劑氣體通過(guò)驅(qū)動(dòng)用高壓閥71 (V3)而供給到驅(qū)動(dòng)室70。
因此，驅(qū)動(dòng)室70內(nèi)的壓力P2變得大于缸體54內(nèi)的壓力Pl (PI <P2)。因此，置換器52朝向下死點(diǎn)(BDC)進(jìn)行向下移動(dòng)。其中，將該向下移動(dòng)時(shí)置換器52的移動(dòng)速度設(shè)為 VCl。
本實(shí)施方式所涉及的GM制冷機(jī)50將下死點(diǎn)(BDC)設(shè)定成比閥旋轉(zhuǎn)角度90°靠前的角度。并且，吸氣閥63 (Vl)設(shè)定成以比下死點(diǎn)(BDC)靠前的閥旋轉(zhuǎn)角度Θ1開(kāi)閥。并且，驅(qū)動(dòng)用高壓閥71 (V3)設(shè)定成以閥旋轉(zhuǎn)角度Θ I與下死點(diǎn)(BDC)之間的閥旋轉(zhuǎn)角度Θ2 閉閥。
這樣，若驅(qū)動(dòng)用高壓閥71 (V3)閉閥，并且吸氣閥63 (Vl)開(kāi)閥，則高壓制冷劑氣體經(jīng)吸氣閥63 (Vl)從壓縮機(jī)62導(dǎo)入缸體54內(nèi)(室溫室58及膨脹空間53)。由此，缸體 54內(nèi)的壓力Pl上升。
并且，若置換器52到達(dá)下死點(diǎn)(BDC)，則驅(qū)動(dòng)用低壓閥72 (V4)開(kāi)閥。由此，由于驅(qū)動(dòng)室70連接于返回配管68，因此其內(nèi)部壓力P2變低。因此，缸體54內(nèi)的壓力Pl變得高于驅(qū)動(dòng)室70內(nèi)的壓力P2，置換器52朝向上死點(diǎn)(TDC)進(jìn)行向上移動(dòng)。其中，將向上移動(dòng)時(shí)置換器52的移動(dòng)速度設(shè)為VC2。
隨著該置換器52的向上移動(dòng)，在壓縮機(jī)62中生成的高壓制冷劑氣體通過(guò)室溫室 58、流路61、蓄冷器57及第2流路66流入膨脹空間53。此時(shí)，制冷劑氣體通過(guò)蓄冷器57 內(nèi)的蓄冷材料進(jìn)行冷卻。
吸氣閥63 (Vl)以閥旋轉(zhuǎn)角度Θ 3閉閥。在該閥旋轉(zhuǎn)角度Θ 3的時(shí)刻，缸體54內(nèi)被填充高壓制冷劑氣體，內(nèi)部壓力Pl維持較高狀態(tài)。并且，驅(qū)動(dòng)用低壓閥72 (V4)在閥旋轉(zhuǎn)角度Θ 3時(shí)也維持開(kāi)閥狀態(tài)，由此，驅(qū)動(dòng)室70內(nèi)的壓力P2變成較低狀態(tài)。因此，在閥旋轉(zhuǎn)角度Θ 3時(shí)，置換器52也維持向上移動(dòng)。
本實(shí)施方式中，設(shè)為以閥旋轉(zhuǎn)角度180°對(duì)排氣閥64 (V2)進(jìn)行開(kāi)閥的結(jié)構(gòu)。通過(guò)排氣閥64 (V2)被開(kāi)閥，膨脹空間53內(nèi)的制冷劑氣體膨脹，由此在膨脹空間53內(nèi)產(chǎn)生寒冷。通過(guò)在該膨脹空間53中產(chǎn)生的寒冷，冷卻連接于冷卻臺(tái)55的被冷卻物。
如上述排氣閥64 (V2)被開(kāi)閥之后，驅(qū)動(dòng)用低壓閥72 (V4)也維持開(kāi)閥的狀態(tài)。通過(guò)排氣閥64 (V2)被開(kāi)閥，缸體54內(nèi)的壓力P2成為較低壓力。同樣道理，通過(guò)打開(kāi)驅(qū)動(dòng)用低壓閥72 (V4)，驅(qū)動(dòng)室70內(nèi)的壓力P2也成為較低壓力。進(jìn)而在該狀態(tài)下，形成于缸體54 內(nèi)的空間部(膨脹空間53及室溫室58等)及驅(qū)動(dòng)室70都連接于返回配管68。
因此，在排氣閥64 (V2)和驅(qū)動(dòng)用低壓閥72 (V4)均為開(kāi)閥的狀態(tài)下，缸體54內(nèi)的壓力Pl和驅(qū)動(dòng)室70內(nèi)的壓力P2大致相同(PI ^ P2)。這樣，在缸體54內(nèi)的壓力Pl與驅(qū)動(dòng)室70內(nèi)的壓力P2大致相同的狀態(tài)下，置換器52維持大致停止的狀態(tài)。由此，若將此時(shí)的置換器52的速度設(shè)為VC3，則VC30。
驅(qū)動(dòng)用低壓閥72 (V4)在閥旋轉(zhuǎn)角度Θ 4時(shí)被閉閥。并且，若驅(qū)動(dòng)用低壓閥72 (V4)被閉閥，則之后在閥旋轉(zhuǎn)角度Θ 5時(shí)驅(qū)動(dòng)用高壓閥71 (V3)被開(kāi)閥。
通過(guò)使驅(qū)動(dòng)用低壓閥72 (V4)閉閥且驅(qū)動(dòng)用高壓閥71 (V3)開(kāi)閥，高壓制冷劑氣體從壓縮機(jī)62流入驅(qū)動(dòng)室70。由此驅(qū)動(dòng)室70內(nèi)的壓力P2上升。另一方面，即使在閥旋轉(zhuǎn)角度Θ 5時(shí)，排氣閥64 (V2)也維持開(kāi)閥狀態(tài)，缸體54內(nèi)的壓力Pl成為較低狀態(tài)。由此， 通過(guò)驅(qū)動(dòng)用高壓閥71 (V3)開(kāi)閥，驅(qū)動(dòng)活塞52E被施以向下移動(dòng)的力，置換器52開(kāi)始朝向下死點(diǎn)向下移動(dòng)。將此時(shí)的置換器52的速度設(shè)為VC4。
若置換器52在排氣閥64 (V2)開(kāi)閥的狀態(tài)下向下移動(dòng)，則膨脹空間53及室溫室 58等缸體54內(nèi)的制冷劑氣體經(jīng)返回配管68回流到壓縮機(jī)62。
之后，在閥旋轉(zhuǎn)角度Θ 6時(shí)，排氣閥64 (V2)被閉閥。由此，來(lái)自壓縮機(jī)62的高壓制冷劑氣體經(jīng)驅(qū)動(dòng)用高壓閥71 (V3)只供給到驅(qū)動(dòng)室70，由此置換器52的向下移動(dòng)速度成為前述的VCl。
根據(jù)上述說(shuō)明明確可知，本實(shí)施方式所涉及的GM制冷機(jī)50中，置換器52在下死點(diǎn)(BDC)附近的移動(dòng)速度VC1、移動(dòng)速度VC2也比在上死點(diǎn) (TDC)附近的移動(dòng)速度VC3快 (VCl > VC3、VC2 > VC3)。
其原因在于，本實(shí)施方式中相對(duì)于驅(qū)動(dòng)用高壓閥71 (V3)的開(kāi)閥時(shí)間，將驅(qū)動(dòng)用低壓閥72(V4)的開(kāi)閥時(shí)間設(shè)定為較長(zhǎng)。具體而言，驅(qū)動(dòng)用高壓閥71(V3)在I個(gè)循環(huán)(360° ) 中閥旋轉(zhuǎn)角度Θ 5 閥旋轉(zhuǎn)角度Θ 2之間(約120° )開(kāi)閥，對(duì)此，驅(qū)動(dòng)用低壓閥72 (V4)在閥旋轉(zhuǎn)角度BDC 閥旋轉(zhuǎn)角度Θ 4之間(約245° )開(kāi)閥。
這樣，與驅(qū)動(dòng)用高壓閥71 (V3)開(kāi)閥的時(shí)間相比，延長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)用低壓閥72 (V4)開(kāi)閥的時(shí)間，從而能夠延長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)用低壓閥72 (V4)和吸氣閥63 (Vl)均為開(kāi)閥的時(shí)間(BDC Θ 3)以及延長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)用低壓閥72 (V4)和排氣閥64 (V2)均為開(kāi)閥的時(shí)間(180° Θ 4)。
S卩，通過(guò)使驅(qū)動(dòng)用低壓閥72 (V4)和吸氣閥63 (Vl)均為開(kāi)閥的時(shí)間(BDC Θ 3) 變長(zhǎng)，能夠加快置換器52向上移動(dòng)的速度VC2。并且，通過(guò)使驅(qū)動(dòng)用低壓閥72 (V4)和排氣閥64 (V2)均為開(kāi)閥的時(shí)間(180° Θ 4)變長(zhǎng)，置換器52的速度變慢，能夠相對(duì)加快下死點(diǎn)(BDC)附近的速度。
這樣，在本實(shí)施方式中也與第I實(shí)施方式相同，能夠加快置換器52在下死點(diǎn)(BDC) 的移動(dòng)速度V1、移動(dòng)速度V2，因此能夠有效地向GM制冷機(jī)50 (膨脹空間53)內(nèi)供給大量制冷劑氣體。由此，能夠在產(chǎn)生寒冷時(shí)在膨脹空間53內(nèi)使大量制冷劑氣體膨脹，并能夠提高 GM制冷機(jī)50的冷卻效率。
圖12表示作為上述的第2實(shí)施方式所涉及的GM制冷機(jī)50的變形例的GM制冷機(jī) 80。
另外，圖12中，對(duì)與圖10所示的第2實(shí)施方式所涉及的GM制冷機(jī)50對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)附加相同符號(hào)，省略其說(shuō)明。
本變形例所涉及的GM制冷機(jī)80其特征在于，在供給配管67的驅(qū)動(dòng)用高壓閥71 與驅(qū)動(dòng)室70之間設(shè)置成為流體阻力的流路阻力閥81。該流路阻力閥81能夠利用可調(diào)整閥開(kāi)度的電磁閥。通過(guò)設(shè)置流路阻力閥81，能夠加大供給配管67的驅(qū)動(dòng)用高壓閥71與驅(qū)動(dòng)室70之間的流體阻力。
由此，在進(jìn)行使制冷劑氣體從缸體54向壓縮機(jī)62回流的吸氣時(shí)，能夠縮小缸體54 內(nèi)的壓力Pl與驅(qū)動(dòng)室70內(nèi)的壓力P2的差壓，并能夠使置換器52在上死點(diǎn)(TDC)附近的移動(dòng)速度進(jìn)一步變慢。并且，通過(guò)設(shè)置流路阻力閥81，由于向驅(qū)動(dòng)室70導(dǎo)入氣體的速度變慢，因此驅(qū)動(dòng)室70內(nèi)的壓力上升至高壓的時(shí)間變長(zhǎng)。由此，閥Vl打開(kāi)時(shí)能夠使缸體54內(nèi)的壓力Pl大于驅(qū)動(dòng)室70內(nèi)的壓力P2，并能夠進(jìn)一步加快置換器52在下死點(diǎn)(BDC)附近的移動(dòng)速度。由此，能夠進(jìn)一步提高冷卻效率。
另外，流體阻力不限定于電磁閥，也能夠利用節(jié)流孔等其他部件。
圖13表示作為本發(fā)明的第3實(shí)施方式的GM制冷機(jī)90。
另外，圖13中，也對(duì)與圖10所示的第2實(shí)施方式所涉及的GM制冷機(jī)50對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)附加相同符號(hào)，省略其說(shuō)明。
本實(shí)施方式所涉及的GM制冷機(jī)90其特征在于，使用線性馬達(dá)作為驅(qū)動(dòng)裝置91。 該驅(qū)動(dòng)裝置91具有磁鐵92、驅(qū)動(dòng)線圈93及控制裝置94等。
磁鐵92為N極和S極以預(yù)定間距交替起磁的棒狀磁鐵。該磁鐵92設(shè)置成在置換器52的頂板部52D的中央部朝向上方突出。
驅(qū)動(dòng)線圈93包括多個(gè)電磁鐵。該各電磁鐵通過(guò)使電流流動(dòng)來(lái)產(chǎn)生磁力。磁鐵92 能夠向上下方向移動(dòng)地插通于形成在驅(qū)動(dòng)線圈93的中心部的空間內(nèi)。該驅(qū)動(dòng)線圈93連接于控制裝置94。
控制裝置94進(jìn)行驅(qū)動(dòng)線圈93的驅(qū)動(dòng)控制。具體而言，控制裝置94可改變供給到驅(qū)動(dòng)線圈93的電流的大小及其流動(dòng)方向。如前述，磁鐵92中N極和S極以預(yù)定間距交替起磁。由此，控制裝置94控制成使構(gòu)成驅(qū)動(dòng)線圈93的多個(gè)電磁鐵的磁極依次發(fā)生變化，由 此磁鐵92進(jìn)行直線移動(dòng)。
磁鐵92固定于置換器52。由此，通過(guò)驅(qū)動(dòng)線圈93移動(dòng)磁鐵92，由此置換器52也 進(jìn)行移動(dòng)。由此，能夠通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置91來(lái)驅(qū)動(dòng)置換器52。
基于驅(qū)動(dòng)裝置91的置換器52的移動(dòng)能夠通過(guò)控制流向驅(qū)動(dòng)線圈93的電流的大 小及其流動(dòng)方向來(lái)調(diào)整。本實(shí)施方式中，控制裝置94上組裝有微型計(jì)算機(jī)，并且還組裝有 設(shè)定成使置換器52進(jìn)行圖4中用實(shí)線表示的移動(dòng)的程序。
由此，通過(guò)由控制裝置94控制驅(qū)動(dòng)線圈93，使置換器52進(jìn)行圖4中用實(shí)線表示的 移動(dòng)。由此，在使用線性馬達(dá)作為驅(qū)動(dòng)裝置91的本實(shí)施方式中，也能夠與第I實(shí)施方式相 同地加快置換器52在下死點(diǎn)(BDC)的移動(dòng)速度V1、移動(dòng)速度V2，因此能夠有效地向GM制 冷機(jī)50 (缸體54)內(nèi)供給大量制冷劑氣體。由此，能夠在產(chǎn)生寒冷時(shí)在膨脹空間53內(nèi)使大 量制冷劑氣體膨脹，并能夠提高GM制冷機(jī)90的冷卻效率。
以上，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明不限定于上述特定的 實(shí)施方式，能夠在技術(shù)方案中的本發(fā)明的要點(diǎn)范圍內(nèi)進(jìn)行各種變形或變更。
權(quán)利要求
1.一種超低溫制冷裝置，其包括置換器，在缸體內(nèi)通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置往復(fù)移動(dòng)；吸氣閥，當(dāng)向所述缸體內(nèi)供給制冷劑氣體時(shí)開(kāi)閥；排氣閥，當(dāng)從所述缸體內(nèi)將制冷劑氣體排出時(shí)開(kāi)閥，隨著該置換器的移動(dòng)而使形成于所述缸體內(nèi)的膨脹空間內(nèi)的制冷劑氣體膨脹來(lái)產(chǎn)生寒冷，所述超低溫制冷裝置的特征在于，使所述置換器在下死點(diǎn)附近的移動(dòng)速度比在上死點(diǎn)附近的移動(dòng)速度更快。
2.如權(quán)利要求1所述的超低溫制冷裝置，其特征在于，在從所述吸氣閥開(kāi)閥時(shí)起到所述置換器到達(dá)下死點(diǎn)時(shí)為止的期間內(nèi)，加快所述置換器的移動(dòng)速度。
3.如權(quán)利要求1或2所述的超低溫制冷裝置，其特征在于，所述超低溫制冷裝置構(gòu)成為以所述置換器的下死點(diǎn)為中心的移動(dòng)對(duì)稱。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的超低溫制冷裝置，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)裝置具有止轉(zhuǎn)棒軛機(jī)構(gòu)，所述止轉(zhuǎn)棒軛機(jī)構(gòu)具備軸承和止轉(zhuǎn)棒軛，且所述止轉(zhuǎn)棒軛具有使所述軸承能夠移動(dòng)地卡合的滑動(dòng)槽，在該滑動(dòng)槽的與所述置換器的下死點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置設(shè)置凸?fàn)畈俊?br> 5.如權(quán)利要求4所述的超低溫制冷裝置，其特征在于，在所述凸?fàn)畈康闹醒氩烤哂袌A形部。
6 .如權(quán)利要求5所述的超低溫制冷裝置，其特征在于，所述圓形部的兩側(cè)具有直線狀部。
7.如權(quán)利要求1或2所述的超低溫制冷裝置，其特征在于，驅(qū)動(dòng)裝置具有供給對(duì)所述置換器進(jìn)行移動(dòng)加力的驅(qū)動(dòng)氣體的驅(qū)動(dòng)室；通過(guò)開(kāi)閥而向所述驅(qū)動(dòng)室供給所述驅(qū)動(dòng)氣體的高壓閥；及通過(guò)開(kāi)閥而將所述驅(qū)動(dòng)室內(nèi)的所述驅(qū)動(dòng)氣體排氣的低壓閥。
8.如權(quán)利要求7所述的超低溫制冷裝置，其特征在于，將所述低壓閥的開(kāi)閥時(shí)間設(shè)定成長(zhǎng)于所述高壓閥的開(kāi)閥時(shí)間。
9.如權(quán)利要求7或8所述的超低溫制冷裝置，其特征在于，在所述高壓閥與所述驅(qū)動(dòng)室之間設(shè)置有流路阻力閥。
10.如權(quán)利要求1或2所述的超低溫制冷裝置，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)裝置為與所述置換器連接的線性馬達(dá)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有置換器且實(shí)現(xiàn)提高制冷效率的超低溫制冷裝置。本發(fā)明的超低溫制冷裝置具有通過(guò)馬達(dá)(30)及止轉(zhuǎn)棒軛機(jī)構(gòu)(32)而在缸體(10、20)內(nèi)往復(fù)移動(dòng)的置換器(11、21)，隨著該置換器(11、21)的移動(dòng)而使形成于缸體(10、20)內(nèi)的膨脹空間(15、25)內(nèi)的制冷劑氣體膨脹來(lái)產(chǎn)生寒冷，其中，該超低溫制冷裝置構(gòu)成為置換器(11、21)在下死點(diǎn)附近的移動(dòng)速度比在上死點(diǎn)附近的移動(dòng)速度快。
文檔編號(hào)F25B9/14GK103032984SQ201210333080
公開(kāi)日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2012年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月28日
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