CN104006565A - 超低温制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超低温制冷机，其通过有效地利用制冷处理时产生的能量而实现了制冷效率的提高。该超低温制冷机具有：第1制冷机（10），具有压缩机（12）、与压缩机（12）之间进行制冷剂气体的进排气的蓄冷器（40）、低温端与蓄冷器（40）的低温端（44）相连接的脉冲管（50）；第2制冷机（100），功率比该第1制冷机（10）小；连接配管（75），在脉冲管（50）的高温端与第2制冷机（100）之间进行制冷剂气体的进排气；及流量控制阀（70），设置于该连接配管（75）并对脉冲管（50）与第2制冷机（100）之间的制冷剂气体的流量进行控制。

Description

超低温制冷机

本申请主张基于2013年2月26日申请的日本专利申请第2013-036297号的优先权。该申请的所有内容通过参考援用于本说明书中。

技术领域

本发明涉及一种具有脉冲管的超低温制冷机。

背景技术

以往，作为以较少的振动可产生超低温的制冷机已知有脉冲管制冷机。该脉冲管制冷机具备压缩机、蓄冷器、连接于蓄冷器的脉冲管、连接于脉冲管的缓冲节流孔以及缓冲罐等。制冷剂气体（例如氦气）在规定时刻对蓄冷器以及脉冲管进行进排气处理。

并且，连接于脉冲管的缓冲罐发挥对脉冲管中的制冷剂气体的压力变动和位移的相位差进行控制的相位控制机构的功能。由此，通过适当地控制该制冷剂气体的压力变动和位移的相位差，在脉冲管的低温侧产生寒冷。

并且，提出一种通过直接串联连接具有脉冲管和蓄冷器的第1脉冲管部和第2脉冲管部而实现制冷效率的提高的超低温制冷机（专利文献1）。

专利文献1：日本专利4147997号公报

该结构中，假设在构成第1脉冲管部的脉冲管内存在基于制冷剂气体的气体活塞的情况下，无法适当地对该气体活塞的相位进行控制，因此气体活塞相对于脉冲管的位移量有可能变得过大。在该情况下，气体活塞的位移便超过脉冲管，有可能无法充分地实现制冷效率的提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过有效地利用在制冷处理时产生的能量而实现制冷效率的提高的超低温制冷机。

根据本发明的一种方式的超低温制冷机，具有：

第1制冷机，具有压缩机、与该压缩机之间进行制冷剂气体的进排气的蓄冷器、以及低温端与所述蓄冷器的低温端相连接的脉冲管；

第2制冷机，功率比所述第1制冷机小；

连接配管，在所述脉冲管的高温端与所述第2制冷机之间进行所述制冷剂气体的进排气；及

流量控制阀，设置于所述连接配管，并对流过该连接配管内部的所述制冷剂气体的流量进行控制。

根据本发明，能够利用在第1制冷机中产生的制冷剂气体的脉动在第2制冷机产生寒冷，并且通过设置于第1制冷机与第2制冷机之间的流量控制阀能够适当地控制第1制冷机的相位，从而能够提高制冷效率。

附图说明

图1是本发明的一实施方式的超低温制冷机的结构图。

图2是本发明的一实施方式的变形例的超低温制冷机的结构图。

图3是本发明的另一实施方式的超低温制冷机的结构图。

图中：10-第1制冷机，12-压缩机，13A-高压侧制冷剂用流路，13B-低压侧制冷剂用流路，15A-高压侧配管，15B-低压侧配管，17-回转阀，18-连结机构，20-共通配管，40、140-蓄冷器，42、52、142、152-高温端，44、54、144、154-低温端，50、150-脉冲管，56-连通配管，63-双向进气阀，65-旁通配管，70-流量控制阀，75-连接配管，100-第2制冷机，156-连通配管，160-节流孔，161-缓冲配管，163-双向进气阀，165-旁通配管，170-缓冲罐，180-传热部件，200-第2制冷机，202-缸体，203-置换器，204-蓄冷材料，209-气流孔，206-驱动装置，210-气流孔，211-膨胀室，212、215-密封部件，M-马达，S-轴部件。

具体实施方式

接着，根据附图对本发明的实施方式进行说明。

图1是作为本发明的一实施方式的超低温制冷机的概要结构图。本实施方式所涉及的超低温制冷机具有第1制冷机10、第2制冷机100以及连接配管75等。

首先，对第1制冷机10进行说明。第1制冷机10构成单级双向进气型脉冲管制冷机。然而，在第1制冷机10中未设有节流孔以及缓冲罐。

该第1制冷机10具有压缩机12、蓄冷器40以及脉冲管50等。

压缩机12上连接有高压（供给）侧制冷剂用流路13A以及低压（回收）侧制冷剂用流路13B。高压侧制冷剂用流路13A具有高压侧配管15A和设置于该高压侧配管15A的高压侧开闭阀V1。并且，低压侧制冷剂用流路13B具有低压侧配管15B和设置于该低压侧配管15B的低压侧开闭阀V2。

高压侧配管15A的一端部连接于压缩机12的供给侧，另一端部连接于共通配管20的一端部。并且，低压侧配管15B的一端部连接于压缩机12的回收侧，另一端部连接于共通配管20的一端部。共通配管20的另一端部连接于蓄冷器40的高温端42。

从而，通过高压侧开闭阀V1在规定时刻打开，高压制冷剂气体（例如，氦气）从压缩机12供给到高压侧配管15A。并且，通过低压侧开闭阀V2在规定时刻打开，低压制冷剂气体从低压侧配管15B回流到压缩机12。

蓄冷器40的内部填充有蓄冷材料。作为蓄冷材料能够使用由比热高的磷青铜和不锈钢等制成的金属丝网，或由铅、铋、磁性蓄冷材料等制成的球体。

蓄冷器40的低温端44经由连通配管56连接于脉冲管50的低温侧。脉冲管50在低温侧设有低温侧热交换器54，并且在高温侧设有热交换器52。所述连通配管56连接于在脉冲管50的低温侧设置的热交换器54。

并且，如上所述，在第1制冷机10中脉冲管50的高温侧与蓄冷器40的高温端42通过旁通配管65相连接。有时将具有这种旁通配管65的制冷机称作双向进气型脉冲管制冷机。具体而言，旁通配管65的一端部连接于共通配管20，另一端部连接于脉冲管50的高温侧热交换器52。

并且，如上所述，由于第1制冷机10构成双向进气型脉冲管制冷机，因此脉冲管50的高温侧与蓄冷器40的高温端42通过旁通配管65相连接。具体而言，旁通配管65的一端部连接于共通配管20，另一端部连接于脉冲管50的高温侧热交换器52。

另外，在旁通配管65的管路中设有双向进气阀63。通过调整该双向进气阀63能够高精度地控制后述脉冲管50内的制冷剂气体的相位，并且能够实现制冷特性的提高。

接着，对第2制冷机100进行说明。在本实施方式中第2制冷机100也被设成单级双向进气型脉冲管制冷机。

该第2制冷机100具有蓄冷器140、脉冲管150、节流孔160以及缓冲罐170等。

与所述第1制冷机10的蓄冷器40相同，蓄冷器140的内部填充有由磷青铜和不锈钢等制成的金属丝网，或铅、铋、磁性蓄冷材料等蓄冷材料。蓄冷器140的低温端144经由连通配管156连接于脉冲管150的低温侧。

脉冲管150在低温侧设有低温侧热交换器154，并且在高温侧设有热交换器152。所述连通配管156连接于脉冲管150的低温侧热交换器154。

并且，由于第2制冷机100也为双向进气型脉冲管制冷机，因此脉冲管150的高温侧（热交换器152）与蓄冷器140的高温端142通过旁通配管165相连接。

该旁通配管165的管路中设有双向进气阀163。通过调整该双向进气阀163能够高精度地控制后述脉冲管150内的制冷剂气体的相位，并且能够实现制冷特性的提高。

另外，在脉冲管150的高温侧经由缓冲配管161连接有缓冲罐170。并且缓冲配管161上设有缓冲节流孔160（以下，简称为节流孔）。

该节流孔160以及缓冲罐170发挥对第2制冷机100的脉冲管150中的制冷剂气体的压力变动与位移的相位差进行控制的相位控制机构的功能。因此，通过适当地控制该制冷剂气体的压力变动与位移的相位差，在脉冲管150的低温侧产生寒冷。

具有上述结构的第1制冷机10和第2制冷机100构成为通过连接配管75相连接。具体而言，连接配管75的一端部连接于与第1制冷机10的脉冲管50的高温侧相连接的脉冲配管65。并且连接配管75的另一端部连接于与蓄冷器140的高温侧相连接的旁通配管165。另外，在连接配管75的管路中设有流量控制阀70。

因此，若高压侧开闭阀V1以及低压侧开闭阀V2在规定时刻交替开闭，导致在脉冲管50的内部产生制冷剂气体的脉动，则该制冷剂气体的脉动经由流量控制阀70以及连接配管75供给到第2制冷机100。由此，在脉冲管150中产生制冷剂气体的压力变动，并且通过节流孔160控制制冷剂气体的位移，从而能够在脉冲管150的低温侧产生寒冷。

另一方面，由于具有上述结构的第2制冷机100具有规定的容积，因此能够将第2制冷机100作为第1制冷机10的缓冲罐而使用。从而，能够使流量控制阀70以及第2制冷机100发挥对1制冷机10的脉冲管50中的制冷剂气体的压力变动与位移的相位差进行控制的相位控制机构的功能。

由此，在脉冲管50中产生制冷剂气体的压力变动，并且通过流量控制阀70控制制冷剂气体的位移从而能够在脉冲管50的低温侧产生寒冷。

这样，本实施方式所涉及的超低温制冷机中，第1制冷机10以及第2制冷机100均能够在脉冲管50、150中产生寒冷，与以往相比，能够减少在缓冲罐消耗的能量。因此，根据本实施方式所涉及的超低温制冷机能够提高制冷效率。

并且，在本实施方式中，在连接第1制冷机10和第2制冷机100的连接配管75上设有流量控制阀70。因此通过流量控制阀70能够将脉冲管50内的制冷气体的压力变动与位移的相位差控制为最佳状态或与其接近的状态。

从而，在脉冲管50的低温侧能够高效地产生寒冷，即使是将第1制冷机10和第2制冷机100连接起来的结构，在第1制冷机10中也能够高效地产生寒冷，能够实现第1制冷机10的制冷效率的提高。

然而，在本实施方式所涉及的超低温制冷机中，第2制冷机100被供给具有在第1制冷机10产生的脉动的制冷剂气体，并据此进行制冷处理。因此需要将第2制冷机100的功率设定为小于第1制冷机10的功率。

具体而言，将第1制冷机10中从压缩机12流入蓄冷器40的所述制冷剂气体的流量设为F1，并且将从第1制冷机10流入第2制冷机100的蓄冷器140的制冷剂气体的流量设为F2时，优选各流量F1、F2的关系成为F2≤（F1/5）。

接着，对一实施方式的变形例进行说明。

图2是图1所示的超低温制冷机的变形例的概要结构图。另外，在图2中对于与图1所示的结构对应的结构标注相同的符号并省略其说明。

该变形例的特征在于通过传热部件180将构成第2制冷机100的脉冲管150的低温侧和构成第1制冷机10的蓄冷器40进行热连接。

传热部件180例如通过铜等导热率高的金属制成。该传热部件180与在第2制冷机100产生寒冷的脉冲管150的低温端热连接。并且传热部件180也和蓄冷器140的低温端以及蓄冷器40的大致中央位置（与低温端相隔规定距离的位置）热连接。

从而，能够通过在脉冲管150的低温端产生寒冷，对蓄冷器140的低温端以及与蓄冷器40的低温端相隔规定距离的位置进行冷却。由此能够对配设于蓄冷器40、140内的蓄冷材料进行预冷却，由此也能够提高超低温制冷机的制冷效率。

另外，第1制冷机10的制冷能力比第2制冷机100的制冷能力高，由此在脉冲管50中产生比脉冲管150更低的寒冷。因此传热部件180构成为不与脉冲管50热连接。

并且，在蓄冷器40的低温端44流入通过在脉冲管50的低温侧产生的寒冷而被冷却为超低温的制冷剂气体。从而，配设于接近蓄冷器40的低温端44的位置的蓄冷材料由该低温制冷剂气体冷却。

从而，在本变形例中，通过将传热部件180连接于朝高温端与低温端44隔开一定程度的位置，具体而言，温度高于传热部件180的温度的位置，实现了有效地冷却蓄冷器40内的蓄冷材料。

接着，对本发明的其他实施方式进行说明。

图3是第2实施方式的超低温制冷机的概要结构图。另外，在图3中对于与图1所示的结构对应的结构标注相同的符号并省略其说明。

利用图1进行说明的第一实施方式所涉及的超低温制冷机示出将脉冲管制冷机用作连接于第1制冷机10的第2制冷机100的例子。与此相对，本实施方式的特征在于将吉福德-麦克马洪式制冷机（以下，称作GM制冷机）用作第2制冷机200。

在图3所示的超低温制冷机中，第1制冷机10与第1实施方式所示的大致相同，但是高压侧开闭阀V1以及低压侧开闭阀V2被设成回转阀17并由后述驱动装置206驱动。

在本实施方式中，将单级式GM制冷机用作第2制冷机200。作为该GM制冷机而构成的第2制冷机200的功率被设定为小于第1制冷机10的功率。另外，在本实施方式中示出使用单级式GM制冷机的例子，但也可以将多级式GM制冷机用作第2制冷机200。

第2制冷机200具有缸体202、置换器203、蓄冷材料204以及驱动装置206等。置换器203配设于缸体202的内部。该置换器203经由轴部件S连接于驱动装置206。并且，在置换器203的内部配设有蓄冷材料204。

驱动装置206具有马达M和止转棒轭机构(图中省略图示)。止转棒轭机构将马达M作为驱动源而被驱动，并将马达M的旋转力转换为轴部件S的上下方向的移动力。从而，通过马达M的驱动，置换器203在缸体202内向图中的上下方向往复移动。并且，在置换器203的图中的上部形成有气流孔209，并且在下部形成有气流孔210。

在置换器203的下端与缸体202的底面之间形成有膨胀室211。并且，在置换器203的上端与缸体202的上表面之间形成有室温室216。

室温室216连接有一端连接于第1制冷机10的连接配管75的另一端部。从而，第1制冷机10的脉冲管50内的制冷剂气体伴随着压力变动经由连接配管75对室温室216进行进排气。

供给到室温室216的制冷剂气体通过气流孔209、210供给到膨胀室211。另外，在缸体202与置换器203之间设有密封部件212、215，以免制冷剂气体经由缸体202的内周面与置换器203的外周面之间的间隙流动。

所述驱动装置206经由连结机构18与回转阀17连接。从而，置换器203与回转阀17（高压侧开闭阀V1以及低压侧开闭阀V2）通过马达M被同步驱动。

本实施方式中，当置换器203位于下止点时，在回转阀17中高压侧开闭阀V1打开，高压制冷剂气体从压缩机12经由蓄冷器40、脉冲管50以及连接配管75等被供给到室温室216的内部。由此缸体202内的压力上升。

此时，在本实施方式中，将第1制冷机10中从压缩机12流入冷管40中的所述制冷剂气体的流量设为F1，将从第1制冷机10流入第2制冷机200的室温室216中的制冷剂气体的流量设为F2时，各流量F1、F2的关系成为F2≤（F1/5）。

接着，通过马达M的驱动使置换器203向上移动至上止点。由此高压制冷剂气体通过气流孔209、蓄冷材料204以及气流孔210进入膨胀室211内。

接着，通过与置换器203的动作同步的回转阀17来关闭吸气阀V1的同时打开排气阀V2。由此，膨胀室211内的制冷剂气体膨胀，在膨胀室211产生寒冷。

接着，驱动马达M使置换器203再次移动至下止点。由此，已膨胀的制冷剂气体通过气流孔210、蓄冷材料204、气流孔209、室温室216、连接配管75、脉冲管50以及蓄冷器40等再次被回收到压缩机12。通过重复进行以上循环，第2制冷机200连续地产生寒冷。

这样，在本实施方式所涉及的超低温制冷机中也能够在第1制冷机10以及第2制冷机200均产生寒冷，且能够减少不必要的能量消耗，因此能够提高制冷效率。并且，在本实施方式中，由于在连接第1制冷机10与第2制冷机100的连接配管75上设有流量控制阀70，因此通过流量控制阀70能够提高第1制冷机10的制冷效率。

另外，构成为通过一个驱动装置206对构成第2制冷机200即GM制冷机的置换器203和回转阀17的进行驱动，因此能够实现超低温制冷机结构的简单化，并且能够使回转阀17的动作和置换器203的动作容易同步。

以上对本发明的优选实施方式进行了详细的说明，然而，本发明并不限定于上述特定的实施方式，在本申请权利要求中所记载的本发明宗旨的范围内可进行各种变形和变更。

另外，在上述各实施方式中示出将双向进气型脉冲管制冷机用作第1制冷机10以及第2制冷机100的例子，但是各脉冲管制冷机的形式并不限定于双向进气型，也可以使用其他形式（基本型、小孔型、4阀型等）。

并且，在上述各实施方式中示出将脉冲管制冷机以及GM制冷机用作第2制冷机的例子，但是也可以使用其他结构的制冷机（例如，索尔凡制冷机、斯特林制冷机等）。

Claims (5)

1.一种超低温制冷机，其特征在于，具有：

第1制冷机，具有压缩机、与该压缩机之间进行制冷剂气体的进排气的蓄冷器、以及低温端与所述蓄冷器的低温端相连接的脉冲管；

第2制冷机，功率比所述第1制冷机小；

连接配管，在所述脉冲管的高温端与所述第2制冷机之间进行所述制冷剂气体的进排气；及

流量控制阀，设置于所述连接配管，并对流过该连接配管内部的所述制冷剂气体的流量进行控制。

2.根据权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于，

将从所述压缩机流入所述第1制冷机的蓄冷器中的所述制冷剂气体的流量设为F1，将从所述第1制冷机流入所述第2制冷机的蓄冷器中的所述制冷剂气体的流量设为F2时，F2≤（F1/5）。

3.根据权利要求1或2所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述第2制冷机为脉冲管制冷机。

4.根据权利要求1或2所述的超低温制冷机，其特征在于，

所述第2制冷机为GM制冷机。

5.根据权利要求4所述的超低温制冷机，其特征在于，

设有阀装置，该阀装置在所述压缩机与所述蓄冷器之间进行所述制冷剂气体的进排气处理，

构成为所述GM制冷机的驱动机构与所述阀装置通过一个驱动装置而被驱动。