超低溫制冷機的制作方法
【專利說明】超低溫制冷機
[0001]本申請主張基于2014年10月7日申請的日本專利申請第2014-206156號的優先權。該日本申請的全部內容通過參考援用于本說明書中。
技術領域
[0002]本發明涉及一種超低溫制冷機。
【背景技術】
[0003]超低溫制冷機用于將冷暖卻對象冷卻至例如100K(開爾文)左右至4Κ左右的范圍。作為超低溫制冷機例如有吉福德-麥克馬洪式(GM)制冷機、脈沖管制冷機、斯特林制冷機、索爾凡制冷機等。超低溫制冷機的用途例如為超導磁鐵或檢測器等的冷卻或低溫栗。
[0004]專利文獻1:日本專利第2659684號公報
【發明內容】
[0005]本發明的一種實施方式的例示性目的之一在于提高超低溫制冷機的換熱效率。
[0006]根據本發明的一種實施方式，超低溫制冷機具備:缸體，沿軸向延伸；置換器，以沿所述軸向能夠往復移動的方式配設于所述缸體內，且在所述軸向上的所述置換器與所述缸體的一端部之間形成制冷劑氣體的膨脹空間；及蓄冷器，內置于所述置換器中。在所述缸體的內周面與所述置換器的外周面之間設有空隙，所述置換器具備從所述蓄冷器向所述空隙導入所述制冷劑氣體的通道。所述超低溫制冷機還具備套管，其在所述缸體的一端部的內側配設于所述膨脹空間的周圍。所述套管將從所述空隙向所述膨脹空間導入所述制冷劑氣體的通道確定在所述缸體的一端部與所述套管之間和/或所述套管的外表面與內表面之間。
[0007]根據本發明能夠提高超低溫制冷機的換熱效率。
【附圖說明】
[0008]圖1為表示本發明的一種實施方式所涉及的超低溫制冷機的示意圖。
[0009]圖2為本發明的一種實施方式所涉及的套管的示意俯視圖。
[0010]圖3為本發明的另一種實施方式所涉及的套管的示意俯視圖。
[0011]圖4為本發明的另一種實施方式所涉及的套管的示意俯視圖。
[0012]圖中:10-GM制冷機，12-蓄冷器，18-膨脹空間，20-缸體，22-冷卻臺，24-置換器，26-第1間隙，32-置換器下部開口，36-套管，38-第2間隙，40-套管筒部，42-套管底板，44-側部空隙、46-底部空隙，48-貫穿孔，Q-軸向。
【具體實施方式】
[0013]以下，參考附圖對本發明的實施方式進行詳細說明。另外，在說明中對相同的要件標注相同的符號，并適當省略重復說明。并且，下述結構為示例，對本發明的范圍不做任何限定。
[0014]圖1為表示本發明的一種實施方式所涉及的超低溫制冷機的示意圖。超低溫制冷機例如為GM制冷機10。圖示的GM制冷機10為單級制冷機。GM制冷機10例如使用氦氣作為制冷劑氣體。
[0015]GM制冷機10等蓄冷器式的超低溫制冷機具備:蓄冷器12、膨脹機14、壓縮機16。如圖1所示，蓄冷器12設置于膨脹機14，且構成為對從壓縮機16供給至膨脹機14的高壓制冷劑氣體進行預冷。膨脹機14具備制冷劑氣體的膨脹空間18。通過蓄冷器12預冷的制冷劑氣體在膨脹空間18被膨脹，從而進一步被冷卻。蓄冷器12構成為被通過膨脹而被冷卻的制冷劑氣體冷卻。壓縮機16構成為從蓄冷器12回收制冷劑氣體并將其壓縮后再次向蓄冷器12及膨脹空間18供給制冷劑氣體。
[0016]膨脹機14具備冷頭，該冷頭包括缸體20、冷卻臺22及置換器24。缸體20為制冷劑氣體的密閉容器，且為沿軸向Q延伸的空心部件。缸體20例如具有圓筒形狀。
[0017]冷卻臺22包圍膨脹空間18并與缸體20熱連接。冷卻臺22例如形成為有底圓筒狀，且安裝于缸體20的外側。冷卻臺22作為在外部熱源等冷卻對象與制冷劑氣體之間進行換熱的換熱器發揮功能。冷卻臺22有時也被稱為熱負荷凸緣。
[0018]置換器24與缸體20同軸配設。蓄冷器12內置于置換器24。置換器24例如呈直徑稍小于缸體20的圓筒形狀。缸體20的內周面與置換器24的外周面之間設有空隙。以下，將該空隙稱為第1間隙26。置換器24的外周面是指置換器24的側面，缸體20的內周面是指與置換器24的側面對置的缸體20的表面。
[0019]置換器24為將缸體20的內部空間分隔成膨脹空間18與室溫空間28的活塞。相對于置換器24在缸體20的一側形成有膨脹空間18，相對于置換器24在缸體20的另一側形成有室溫空間28。因此，能夠將軸向Q上的缸體20 (或置換器24)的一端部稱為低溫端，將軸向Q上的缸體20 (或置換器24)的另一端部稱為高溫端。因此，膨脹空間18形成于置換器24的低溫端與缸體20的低溫端之間，室溫空間28形成于置換器24的高溫端與缸體20的高溫端之間。
[0020]在以下的說明中，方便起見，為了記述要件之間的相對位置關系，有時將室溫側標記為“上”，將低溫側標記為“下”。例如，能夠表示為，室溫空間28位于置換器24的上方，膨脹空間18位于置換器24的下方。
[0021]置換器24以能夠沿軸向Q往復移動的方式配設于缸體20內。在置換器24的高溫端連結有用于使置換器24往復移動的驅動部25。通過置換器24的往復移動，膨脹空間18及室溫空間28的容積分別以互補的方式發生變化。
[0022]在置換器24的高溫端設有用于使制冷劑氣體在室溫空間28與蓄冷器12之間流通的置換器上部開口 30。置換器上部開口 30沿著軸向Q而形成。在置換器24的低溫端設有用于使制冷劑氣體在蓄冷器12與膨脹空間18之間流通的置換器下部開口 32。置換器下部開口 32為從蓄冷器12的低溫端向第1間隙26導入制冷劑氣體的通道。置換器下部開口 32沿著與軸向Q正交的徑向而形成。
[0023]在第1間隙26的上部可以設置密封件34。通過密封件34來阻斷通過第1間隙26的氣體流動。因此，室溫空間28與膨脹空間18之間的制冷劑氣體流動經由蓄冷器12。當密封件34為如同密封環的接觸密封件時，密封件34可以安裝于置換器24的高溫端。密封件34也可以是非接觸密封件。另外，在一種實施方式中，也可以允許通過第1間隙26的制冷劑氣體的流動或泄漏。
[0024]并且，膨脹機14具備在缸體20的低溫端的內側配設于膨脹空間18的周圍的套管36。套管36與缸體20同軸配置。套管36安裝于缸體20的低溫端。因此，在套管36的外表面可以設置與缸體20的內表面抵接的至少1個抵接部(未圖示)。套管36可以由與缸體20相同的材料(例如不銹鋼)形成。
[0025]套管36確定從第1間隙26向膨脹空間18導入制冷劑氣體的通道。該氣體通道為形成于缸體20的低溫端與套管36之間的空隙。以下，將該空隙稱為第2間隙38。第2間隙38比第1間隙26窄。S卩，徑向上的第2間隙38的寬度比徑向上的第1間隙26的寬度小。套管36構成冷卻臺22的制冷劑氣體的流速增加機構。
[0026]圖2為本發明的一種實施方式所涉及的套管36的示意俯視圖。如圖1及圖2所示，套管36具備與缸體20的內周面對置的套管筒部40及與缸體20的底部對置的套管底板42。套管筒部40在缸體20的低溫端沿著其內周面向軸向Q延伸。套管底板42從套管筒部40朝向徑向內側延伸。如此，套管36形成為有底的筒狀。套管筒部40例如為沿軸向Q延伸的短圓筒，且直徑稍微小于缸體20的內徑。套管底板42為安裝于套管筒部40的下端的圓板。
[0027]如圖1所示，第2間隙38包括:形成于套管筒部40與缸體20的內周面之間的側部空隙44以及形成于套管底板42與缸體20的底部之間且與側部空隙44連續的底部空隙46。在套管底板42的中心具有貫穿孔48，貫穿孔48使底部空隙46與膨脹空間18連通。如此，能夠將制冷劑氣體流路延長至貫穿孔48。
[0028]套管上端50的軸向位置與冷卻臺上端23的軸向位置大致相同。因此，從第1間隙26向第2間隙38的氣體入口位于與冷卻臺上端23大致相同的高度。氣體入口也可以設置在與此不同的高度。并且，從第2間隙38向膨脹空間18的氣體出口(即貫穿孔48)位于與冷卻臺22的底部中心49相同的徑向位置。氣體出口也可以設置在與此不同的位置。
[0029]如此，通過套管36在冷卻臺22與套管36之間形成制冷劑氣體流路。該流路沿著缸體20的內表面并從冷卻臺上端23到達冷卻臺22的底部中心49。套管36提供使制冷劑氣體在冷卻臺22的內表面的大致整個區域以與冷卻臺22的內表面平行的方式流動的流路。在圖1中，用箭頭A表示側部空隙44中的制冷劑氣體流動，用箭頭B表示底部空隙46中的制冷劑氣體流動。并且，用箭頭C表示通過貫穿孔48的氣體流動。
[0030]在置換器24的軸向上的可動范圍(以下，也稱為沖程)內，置換器下部開口 32始終位于比套管上端50更靠軸向Q上方。置換器下部開口 32始終位于第2間隙38的上方，不進入套管36中。因此，置換器下部開口 32不會因套管36而被缸體20 (或冷卻臺22)遮住。另外，在一種實施方式中，至少在一部分沖程中(例如置換器24位于下止點時)，置換器下部開口 32也可以位于比套管上端50更靠軸向Q下方。
[0031]套管上端50確定用于接收置換器24的低溫端的開口。在置換器24的沖程中，置換器24的低溫端始終插入在套管36中。換言之，置換器底面33的可動范圍在套管36之中。套管上端50插入于第1間隙26的下部，套管筒部40包圍置換器24的低溫端。另外，在一種實施方式中，至少在一部分沖程(例如置換器24位于上止點時)或全部沖程中，置換器底面33也可以在套管36之外。
[0032]在置換器24插入于套管36時形成于套管筒部40與置換器24的低溫端之間的徑向空隙比側部空隙44窄。S卩，該徑