制冷的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種能夠提高脈沖管制冷機(jī)的制冷能力的技術(shù)。脈沖管制冷機(jī)(100)具備被氦氣充滿的脈沖管(140)。脈沖管(140)的高溫端(145a)經(jīng)由慣性管(192)與緩沖罐(190)連接，低溫端(145b)與壓力變化產(chǎn)生部連接。壓力變化產(chǎn)生部使在脈沖管(140)的低溫端(145b)的氦氣壓力周期性變化。在脈沖管(140)的高溫端(145a)、低溫端(145b)分別設(shè)有高溫側(cè)整流器(149a)、低溫側(cè)整流器(149b)。高溫側(cè)整流器(149a)阻礙氦氣流動(dòng)的程度大于低溫側(cè)整流器(149b)阻礙氦氣流動(dòng)的程度。
【專利說(shuō)明】制冷機(jī)
[0001]本申請(qǐng)主張基于2013年8月I日申請(qǐng)的日本專利申請(qǐng)第2013-160171號(hào)的優(yōu)先權(quán)。該日本申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過(guò)參考援用于本說(shuō)明書(shū)中。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及一種具備脈沖管的制冷機(jī)。

【背景技術(shù)】
[0003]以往，對(duì)需要超低溫環(huán)境的裝置進(jìn)行冷卻時(shí)，使用脈沖管制冷機(jī)。
[0004]脈沖管制冷機(jī)中，通過(guò)反復(fù)進(jìn)行使被壓縮機(jī)壓縮的工作氣體(例如氦氣)流入回?zé)崞饕约懊}沖管的動(dòng)作，和使工作氣體從脈沖管以及回?zé)崞髋懦龆厥罩翂嚎s機(jī)的動(dòng)作，從而冷卻回?zé)崞骱兔}沖管的低溫端。
[0005]脈沖管制冷機(jī)的回?zé)崞饔蓛?nèi)部具有蓄冷材料的筒狀部件(缸體)構(gòu)成。脈沖管由中空的筒狀部件(缸體)構(gòu)成。兩個(gè)缸體的低溫端由連通路連通，在該位置設(shè)置有與被冷卻體連接的冷卻臺(tái)。
[0006]專利文獻(xiàn)I中公開(kāi)有在脈沖管的低溫端側(cè)配置有整流器的脈沖管制冷機(jī)。
[0007]專利文獻(xiàn)1:日本特開(kāi)2005-127633號(hào)公報(bào)
[0008]目前，在很多脈沖管制冷機(jī)中，在脈沖管高溫端上連接有相位調(diào)整用慣性(Inertance)管。脈沖管制冷機(jī)的動(dòng)作周期包括常溫程度的工作氣體從慣性管流入脈沖管的階段，但若這樣流入的工作氣體到達(dá)低溫側(cè)的深處就會(huì)產(chǎn)生熱損失會(huì)導(dǎo)致制冷能力下降。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明是鑒于這種情況而完成的，其目的在于提供一種能夠提高脈沖管制冷機(jī)的制冷能力的技術(shù)。
[0010]本發(fā)明的一種實(shí)施方式涉及一種制冷機(jī)。該制冷機(jī)為具備被工作氣體充滿的脈沖管的制冷機(jī)。脈沖管的一端經(jīng)由慣性管與緩沖罐連接，另一端與壓力變化產(chǎn)生部連接。壓力變化產(chǎn)生部使在脈沖管另一端的工作氣體壓力周期性變化。在脈沖管的一端、另一端分別設(shè)有第一整流器、第二整流器。第一整流器阻礙工作氣體流動(dòng)的程度大于第二整流器阻礙工作氣體流動(dòng)的程度。
[0011]另外，將上述構(gòu)成要件的任意組合或本發(fā)明的構(gòu)成要件以及表現(xiàn)在裝置、方法、系統(tǒng)等之間相互置換，均作為本發(fā)明的方式而有效。根據(jù)本發(fā)明，能夠提高脈沖管制冷機(jī)的制冷能力。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1是表示實(shí)施方式所涉及的脈沖管制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0013]圖2是高溫側(cè)整流器的概要結(jié)構(gòu)圖。
[0014]圖3是針對(duì)不具有整流器的脈沖管通過(guò)計(jì)算得到的等效PV圖。
[0015]圖4是表示整流器的流路阻力比與脈沖管制冷機(jī)的制冷能力的關(guān)系的圖表。
[0016]圖中:100-脈沖管制冷機(jī)，110-壓縮機(jī)，120-回?zé)崞鳎?30-后冷卻器，140-脈沖管，149a-高溫側(cè)整流器，149b-低溫側(cè)整流器，180-冷卻臺(tái)，190-緩沖罐，192-慣性管。

【具體實(shí)施方式】
[0017]以下，對(duì)各附圖中示出的相同或等同的構(gòu)成要件、部件標(biāo)注相同的符號(hào)，適當(dāng)?shù)厥÷灾貜?fù)說(shuō)明。另外，為了方便理解，將各附圖中的部件尺寸適當(dāng)?shù)胤糯?、縮小顯示。另外，在各附圖中省略表示了在說(shuō)明實(shí)施方式方面不重要的部件的一部分。
[0018]圖1是表示實(shí)施方式所涉及的脈沖管制冷機(jī)100的結(jié)構(gòu)的示意圖。脈沖管制冷機(jī)100為直線型,且具備壓縮機(jī)110、后冷卻器130、蓄冷管或回?zé)崞?regenerator) 120、脈沖管140、冷卻臺(tái)180及緩沖罐190?；?zé)崞?20具有高溫端125a和低溫端125b，脈沖管140具有高溫端145a和低溫端145b。
[0019]脈沖管制冷機(jī)100的工作氣為氦氣。在壓縮機(jī)110中產(chǎn)生的氦氣的壓力振動(dòng)經(jīng)由后冷卻器130及回?zé)崞?20向脈沖管140傳遞。脈沖管制冷機(jī)100工作時(shí)，配管116、回?zé)崞?20、脈沖管140、慣性管192及緩沖罐190分別被氦氣充滿。
[0020]壓縮機(jī)110包括第一缸體112a、第二缸體112b、在第一缸體112a內(nèi)移動(dòng)的第一活塞114a及在第二缸體112b內(nèi)移動(dòng)的第二活塞114b。第一活塞114a和第二活塞114b相互對(duì)向配置。隨著各活塞114a、114b的動(dòng)作，在連接第一缸體112a與第二缸體112b的配管116內(nèi)的氦氣中會(huì)產(chǎn)生壓力波。配管116經(jīng)由后冷卻器130與回?zé)崞?20的高溫端125a連接。
[0021]兩個(gè)活塞114a、114b針對(duì)配管116對(duì)稱地往復(fù)驅(qū)動(dòng)，從而在配管116產(chǎn)生壓力波。更具體而言，若兩個(gè)活塞114a、114b相互靠近則配管116內(nèi)的壓力升高，氦氣從配管116向回?zé)崞?20送出。若兩個(gè)活塞114a、114b相互遠(yuǎn)離則配管116內(nèi)的壓力降低，氦氣從回?zé)崞?20向配管116引入。
[0022]壓縮機(jī)110的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，即兩個(gè)活塞114a、114b對(duì)稱往復(fù)運(yùn)動(dòng)的頻率為30Hz以上，例如為50Hz左右。如同壓縮機(jī)110基本不使用閥(無(wú)閥)而產(chǎn)生壓力振動(dòng)的情況下，由于不需要考慮閥的響應(yīng)速度，因而能夠相對(duì)提高運(yùn)轉(zhuǎn)頻率。相反，如同GM型壓縮機(jī)根據(jù)閥的開(kāi)閉(有閥)產(chǎn)生壓力振動(dòng)的情況下，需要相對(duì)降低運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，例如幾Hz以下。
[0023]后冷卻器130對(duì)從配管116送向回?zé)崞?20的高溫端125a的氦氣進(jìn)行預(yù)冷。后冷卻器130作為在通過(guò)后冷卻器130的氦氣與制冷劑(未圖示)之間實(shí)現(xiàn)熱交換的熱交換器發(fā)揮作用。
[0024]回?zé)崞?20由中空狀缸體121構(gòu)成，其內(nèi)部填充有蓄冷材料122。
[0025]脈沖管140包括中空狀的缸體141、設(shè)置于缸體141的高溫端145a側(cè)的高溫側(cè)整流器149a、及設(shè)置于缸體141的低溫端145b側(cè)的低溫側(cè)整流器149b。氦氣從慣性管192流入脈沖管140時(shí)，高溫側(cè)整流器149a使氦氣的速度的空間分布平均化。氦氣從熱交換器182流入脈沖管140時(shí)，低溫側(cè)整流器149b使氦氣的速度的空間分布平均化。以下，將這種速度分布的平均化稱作為整流。通過(guò)在脈沖管140的各端部進(jìn)行整流，能夠使后述氣體活塞穩(wěn)定，并能夠提高脈沖管制冷機(jī)100的制冷性能。
[0026]圖2是高溫側(cè)整流器149a的概要結(jié)構(gòu)圖。高溫側(cè)整流器149a具有將具有規(guī)定的網(wǎng)眼或網(wǎng)目的金屬絲網(wǎng)160層疊M片(M為自然數(shù))而成的層疊結(jié)構(gòu)。因此，構(gòu)成高溫側(cè)整流器149a的金屬絲網(wǎng)具有大致相同的網(wǎng)眼。M片金屬絲網(wǎng)160也可以通過(guò)例如擴(kuò)散接合處理相互結(jié)合。
[0027]“網(wǎng)眼”是指金屬絲網(wǎng)相鄰的金屬絲部分彼此之間的距離(間隙長(zhǎng)度)。
[0028]“網(wǎng)目”是指在I英寸(25.4mm)之間存在的目數(shù)。
[0029]“擴(kuò)散接合處理”是通過(guò)加熱在各金屬絲網(wǎng)之間的界面產(chǎn)生原子相互擴(kuò)散，由此進(jìn)行界面接合的方法的總稱。通常，擴(kuò)散接合處理在800°C?1080°C的范圍(例如1000°C)進(jìn)行。
[0030]低溫側(cè)整流器149b具有將與構(gòu)成高溫側(cè)整流器149a的金屬絲網(wǎng)160相同的金屬絲網(wǎng)層疊N片(N為小于M的自然數(shù))而成的層疊結(jié)構(gòu)。由于N < M，因此高溫側(cè)整流器149a阻礙氦氣流動(dòng)的程度(以下稱為流路阻力)大于低溫側(cè)整流器14%的流路阻力。
[0031]回到圖1，回?zé)崞?20的低溫端125b經(jīng)由熱交換器182與脈沖管140的低溫端145b連接。熱交換器182與冷卻臺(tái)180熱連接。熱交換器182構(gòu)成為使在回?zé)崞?20的低溫端125b與脈沖管140的低溫端145b之間來(lái)往的低溫氦氣和冷卻臺(tái)180之間實(shí)現(xiàn)熱交換。冷卻臺(tái)180熱連接有未圖示的冷卻對(duì)象物。脈沖管制冷機(jī)100工作時(shí)，冷卻對(duì)象物的熱量經(jīng)由冷卻臺(tái)180及熱交換器182移動(dòng)至氦氣，從而冷卻冷卻對(duì)象物。
[0032]緩沖罐190經(jīng)由慣性管192與脈沖管140的高溫端145a連接。
[0033]對(duì)如上結(jié)構(gòu)的脈沖管制冷機(jī)100的動(dòng)作進(jìn)行說(shuō)明。
[0034]通過(guò)兩個(gè)活塞114a、114b的相互靠近，高壓氦氣從壓縮機(jī)110供給至后冷卻器130并被預(yù)冷。被預(yù)冷的高壓氦氣供給至回?zé)崞?20。流入到回?zé)崞?20內(nèi)的氦氣通過(guò)蓄冷材料122被冷卻而降低溫度的同時(shí)，從回?zé)崞?20的低溫端125b流出并通過(guò)熱交換器182。通過(guò)熱交換器182的氦氣通過(guò)設(shè)置于脈沖管140的低溫端145b的低溫側(cè)整流器149b而被整流，從而流入脈沖管140的內(nèi)部。
[0035]此時(shí)，在脈沖管140的內(nèi)部預(yù)先存在的低壓氦氣被流入的高壓氦氣壓縮。由此，脈沖管140內(nèi)的氦氣壓力變得高于緩沖罐190內(nèi)的壓力，部分氦氣通過(guò)慣性管192流入緩沖_ 190。
[0036]接著，若兩個(gè)活塞114a、114b遠(yuǎn)離，則脈沖管140內(nèi)的氦氣從脈沖管140的低溫端145b通過(guò)熱交換器182流入回?zé)崞?20的低溫端125b。并且氦氣冷卻蓄冷材料122的同時(shí)通過(guò)回?zé)崞?20內(nèi)，從回?zé)崞?20的高溫端125a通過(guò)后冷卻器130回收至壓縮機(jī)110。
[0037]其中，脈沖管140經(jīng)由慣性管192與緩沖罐190連接。因此，氦氣從緩沖罐190經(jīng)由慣性管192供給至脈沖管140的高溫端145a，這樣所供給的氦氣通過(guò)高溫側(cè)整流器149a而被整流。
[0038]由于慣性管192和緩沖罐190的作用，氦氣的壓力變化的相位與氦氣的體積變化的相位具有大致恒定的相位差。根據(jù)該相位差，在脈沖管140的低溫端145b產(chǎn)生因氦氣膨脹而引起的冷卻作用。脈沖管制冷機(jī)100通過(guò)反復(fù)進(jìn)行上述動(dòng)作能夠冷卻連接在冷卻臺(tái)180的被冷卻對(duì)象。
[0039]另外，在保持某一壓力的同時(shí)，在脈沖管140內(nèi)上下周期性移動(dòng)的氦氣的動(dòng)作通常被稱作“氣體活塞”。
[0040]圖3是針對(duì)不具有整流器的脈沖管通過(guò)計(jì)算得到的等效PV圖。脈沖管的高溫端附近的位移62大于低溫端附近的位移64。因此，即使在高溫端設(shè)置與在低溫端充分發(fā)揮整流作用的整流器相同的整流器，在高溫端也可能會(huì)產(chǎn)生無(wú)法起到所要求的整流作用的情況。
[0041]與此相對(duì)，在本實(shí)施方式所涉及的脈沖管制冷機(jī)100中，由于高溫側(cè)整流器149a的流路阻力大于低溫側(cè)整流器149b的流路阻力，因此高溫端145a與低溫端145b均能夠得到充分的整流作用。特別是通過(guò)增加高溫側(cè)整流器149a的流路阻力，在脈沖管制冷機(jī)100工作時(shí)能夠抑制相對(duì)高溫的(?300K)氦氣向低溫端145b側(cè)移動(dòng)。其結(jié)果，可以抑制熱損失從而提高脈沖管制冷機(jī)100的制冷性能。
[0042]而且，若過(guò)度增加整流器的流路阻力，則整流器中的損失會(huì)對(duì)脈沖管140的冷卻作用產(chǎn)生惡劣影響。因此，通過(guò)在所要求的整流作用較低的低溫端145b設(shè)置流路阻力較小的低溫側(cè)整流器14%，在所要求的整流作用較高的高溫端145a設(shè)置流路阻力較大的高溫側(cè)整流器149a，能夠?qū)崿F(xiàn)脈沖管140的冷卻作用的最大化。
[0043]而且，在本實(shí)施方式所涉及的脈沖管制冷機(jī)100中，壓縮機(jī)110的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率為30Hz以上。通常運(yùn)轉(zhuǎn)頻率越大，氦氣從慣性管192流入脈沖管140時(shí)的流速就會(huì)越大，因此，運(yùn)轉(zhuǎn)頻率越大，通過(guò)增加高溫側(cè)整流器149a的流路阻力而減少熱損失的本實(shí)施方式的作用效果就越有效。
[0044]圖4是表示整流器的流路阻力比與脈沖管制冷機(jī)100的制冷能力的關(guān)系的圖表。圖4的圖表的數(shù)據(jù)基于本
【發(fā)明者】進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖表的橫軸為M/N，S卩，高溫側(cè)整流器149a的金屬絲網(wǎng)的片數(shù)除以低溫側(cè)整流器149b的金屬絲網(wǎng)的片數(shù)的值。這個(gè)值與高溫側(cè)整流器149a的流路阻力和低溫側(cè)整流器149b的流路阻力比的值對(duì)應(yīng)。金屬絲網(wǎng)的網(wǎng)目為#250。縱軸表示將M/N = 2時(shí)且77K溫度下的脈沖管制冷機(jī)100的制冷能力設(shè)為I時(shí)的各M/N中77K溫度下的脈沖管制冷機(jī)100的制冷能力。
[0045]從圖4的圖表中明確可知，制冷能力在M/N = 6附近最大。尤其，M/N在4至8的范圍內(nèi)，制冷能力顯著提高。以#300的網(wǎng)目進(jìn)行的試驗(yàn)中也表現(xiàn)出同樣的結(jié)果。
[0046]以上，對(duì)實(shí)施方式所涉及的脈沖管制冷機(jī)100進(jìn)行了說(shuō)明。該實(shí)施方式是例示，其各構(gòu)成要件的組合可以存在各種變形例，而且這種變形例也在本發(fā)明的范圍內(nèi)，這對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是可以理解的。
[0047]在實(shí)施方式中，對(duì)高溫側(cè)整流器149a與低溫側(cè)整流器149b由具有大致相同網(wǎng)眼的金屬絲網(wǎng)構(gòu)成的情況進(jìn)行了說(shuō)明，但不限于此。例如，也可以使構(gòu)成高溫側(cè)整流器的金屬絲網(wǎng)的網(wǎng)目大于構(gòu)成低溫側(cè)整流器的金屬絲網(wǎng)的網(wǎng)目。根據(jù)本
【發(fā)明者】進(jìn)行的試驗(yàn)，層疊片數(shù)相同的情況下，當(dāng)網(wǎng)目號(hào)碼的比率(高溫側(cè)整流器的網(wǎng)目號(hào)碼/低溫側(cè)整流器的網(wǎng)目號(hào)碼)在5至12的范圍時(shí)，制冷能力提高。
[0048]另外，例如也可以不用金屬絲網(wǎng)而由多孔體構(gòu)成整流器。
【權(quán)利要求】
1.一種制冷機(jī)，其具備被工作氣體充滿的脈沖管，所述制冷機(jī)的特征在于， 所述脈沖管的一端經(jīng)由慣性管與緩沖罐連接，另一端與壓力變化產(chǎn)生部連接， 所述壓力變化產(chǎn)生部使在所述脈沖管的另一端的工作氣體的壓力周期性變化， 在所述脈沖管的一端、另一端分別設(shè)有第一整流器、第二整流器， 所述第一整流器阻礙工作氣體流動(dòng)的程度大于所述第二整流器阻礙工作氣體流動(dòng)的程度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制冷機(jī)，其特征在于， 在所述脈沖管的另一端的工作氣體的壓力變化頻率為30Hz以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制冷機(jī)，其特征在于， 所述第一整流器阻礙工作氣體流動(dòng)的程度除以所述第二整流器阻礙工作氣體流動(dòng)的程度的值在4至8的范圍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的制冷機(jī)，其特征在于， 當(dāng)N為自然數(shù)，Μ為大于Ν的自然數(shù)時(shí)，所述第二整流器具有將具有大致相同網(wǎng)眼的金屬絲網(wǎng)層疊Ν片的層疊結(jié)構(gòu)，所述第一整流器具有將具有與所述金屬絲的網(wǎng)眼大致相同的網(wǎng)眼的金屬絲網(wǎng)層疊Μ片的層疊結(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】F25B9/14GK104344593SQ201410375115
【公開(kāi)日】2015年2月11日 申請(qǐng)日期:2014年7月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月1日
【發(fā)明者】平塚善勝, 中野恭介 申請(qǐng)人:住友重機(jī)械工業(yè)株式會(huì)社