本發(fā)明涉及一種使從壓縮裝置供給過來的高壓工作氣體產(chǎn)生西蒙膨脹從而產(chǎn)生超低溫的寒冷的超低溫制冷機(jī)。

背景技術(shù)：

作為產(chǎn)生超低溫的制冷機(jī)的一例，已知有吉福德－麥克馬洪(Gifford-McMahon；GM)制冷機(jī)。GM制冷機(jī)使置換器在缸體內(nèi)往復(fù)移動，從而改變膨脹空間的體積。并且對應(yīng)該體積變化而選擇性地連接膨脹空間與壓縮機(jī)的吐出側(cè)或進(jìn)氣側(cè)，從而使工作氣體在膨脹空間膨脹。通過此時(shí)產(chǎn)生的寒冷對冷卻對象進(jìn)行冷卻。

以往技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：日本專利5575880號公報(bào)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明要解決的技術(shù)課題

本發(fā)明的目的在于提供一種能夠提高超低溫制冷機(jī)的制冷性能的技術(shù)。

用于解決技術(shù)課題的手段

為了解決上述課題，本發(fā)明的一種實(shí)施方式的超低溫制冷機(jī)具備：置換器，其具有內(nèi)部空間并且工作氣體在該內(nèi)部空間中流通；缸體，以使置換器能夠往復(fù)移動的方式容納置換器，并且在缸體與置換器的底部之間形成工作氣體的膨脹空間；多個(gè)環(huán)狀的凸部，設(shè)置在膨脹空間的底面且形成為多重結(jié)構(gòu)；及多個(gè)環(huán)狀的凹部，以能夠接受多個(gè)環(huán)狀的凸部的方式設(shè)置在置換器的底部。

發(fā)明效果

根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種提高超低溫制冷機(jī)的制冷性能的技術(shù)。

附圖說明

圖1中的(a)及(b)為示意地表示本發(fā)明的第1實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)的圖。

圖2中的(a)至(c)為示意地表示用與缸體的軸向垂直的平面剖切第1實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)時(shí)的截面的圖。

圖3為表示膨脹空間內(nèi)的工作氣體回收到置換器的內(nèi)部空間時(shí)通過的路徑的示意圖。

圖4中的(a)及(b)示意地表示本發(fā)明的第2實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)的圖。

圖5為示意地表示本發(fā)明的第3實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)的低溫部的圖。

圖6為示意地表示本發(fā)明的第3實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)的低溫部的圖。

圖7為示意地表示本發(fā)明的第4實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)的低溫部的圖。

圖8為示意地表示用與缸體的軸向垂直的平面剖切第4實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)時(shí)的截面的圖。

圖9為示意地表示本發(fā)明的第5實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)的低溫部的一部分的圖。

圖10為示意地表示本發(fā)明的第5實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)的低溫部的一部分的圖。

具體實(shí)施方式

下面，根據(jù)附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。

(第1實(shí)施方式)

圖1中的(a)及(b)為示意地表示本發(fā)明的第1實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)1的圖。第1實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)1例如為將氦氣用作工作氣體的吉福德－麥克馬洪式制冷機(jī)。超低溫制冷機(jī)1具備：置換器2；缸體4，在缸體4與置換器2之間形成有膨脹空間3；有底圓筒狀的冷卻臺5，其與膨脹空間3相鄰并且從外側(cè)包圍該膨脹空間3。冷卻臺5作為在冷卻對象與工作氣體之間進(jìn)行換熱的換熱器而發(fā)揮作用。

壓縮機(jī)12從進(jìn)氣側(cè)回收低壓工作氣體，并將其壓縮之后向超低溫制冷機(jī)1供給高壓工作氣體。作為工作氣體例如可以使用氦氣，但并不限定于此。

缸體4以使置換器2能夠沿長度方向往復(fù)移動的方式容納置換器2。從強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)、氦隔離能力等觀點(diǎn)考慮，缸體4例如使用不銹鋼。

置換器2包括主體部2a和底部2b。從比重、強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)等觀點(diǎn)考慮，置換器2的主體部2a例如使用酚醛樹脂等。蓄冷材料例如由金屬網(wǎng)等構(gòu)成。底部2b也可以由與主體部2a相同的材料制成。并且，還可以由導(dǎo)熱系數(shù)比主體部2a的導(dǎo)熱系數(shù)高的材料制成底部2b。如此一來，底部2b作為與在底部2b內(nèi)流動的工作氣體之間進(jìn)行換熱的導(dǎo)熱部而發(fā)揮作用。底部2b例如使用銅、鋁、不銹鋼等導(dǎo)熱系數(shù)至少比主體部2a的導(dǎo)熱系數(shù)高的材料。冷卻臺5例如由銅、鋁、不銹鋼等制成。

在置換器2的高溫端設(shè)置有驅(qū)動置換器2進(jìn)行往復(fù)移動的未圖示的止轉(zhuǎn)棒軛機(jī)構(gòu)。置換器2在缸體4內(nèi)沿著缸體4的軸向在上止點(diǎn)UP與下止點(diǎn)LP之間往復(fù)移動。另外，圖1中的(a)為表示第1實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)1的、置換器2位于上止點(diǎn)UP時(shí)的情況的示意圖。并且，圖1中的(b)為表示本發(fā)明的第1實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)1的、置換器2位于下止點(diǎn)LP時(shí)的情況的示意圖。

置換器2具有圓筒狀的外周面，在置換器2的內(nèi)部填充有蓄冷材料。該置換器2的內(nèi)部空間構(gòu)成蓄冷器7。在蓄冷器7的上端側(cè)及下端側(cè)分別設(shè)置有對氦氣的流動進(jìn)行整流的上端側(cè)整流器9及下端側(cè)整流器10。

在置換器2的高溫端形成有使工作氣體從室溫室8流向置換器2的上部開口11。室溫室8為由缸體4和置換器2的高溫端形成的空間，其容積隨著置換器2的往復(fù)移動而發(fā)生變化。

在室溫室8上連接有將由壓縮機(jī)12、供給閥13、回流閥14構(gòu)成的吸排氣系統(tǒng)相互連接的配管中的供排氣共用配管。并且，在置換器2的偏靠高溫端的部分與缸體4之間安裝有密封件15。

在置換器2的底部2b形成有使置換器2的內(nèi)部空間與膨脹空間3連通的工作氣體的流路16。流路16貫穿置換器2的底部2b的中心部，并且作為向膨脹空間3導(dǎo)入工作氣體的工作氣體排氣口而發(fā)揮作用。并且，流路16還作為使膨脹空間3內(nèi)的工作氣體返回到置換器2的內(nèi)部空間的工作氣體吸入口而發(fā)揮作用。

膨脹空間3為由缸體4和置換器2形成的空間，其容積隨著置換器2的往復(fù)移動而發(fā)生變化。在缸體4的外周及底部的與膨脹空間3相對應(yīng)的位置配置有與冷卻對象熱連接的冷卻臺5。工作氣體通過流路16流入膨脹空間3從而供給至膨脹空間3。

在膨脹空間3的底面，以成為多重結(jié)構(gòu)的方式設(shè)置有多個(gè)環(huán)狀的凸部18。并且，在置換器2的底部2b設(shè)置有以能夠接受多個(gè)環(huán)狀的凸部18的方式設(shè)置的多個(gè)環(huán)狀的凹部17。此外，在膨脹空間3的底面的、與流路16對置的區(qū)域設(shè)置有棒狀部件19。該棒狀部件19構(gòu)成為至少在置換器2位于下止點(diǎn)LP時(shí)處于插入于流路16的狀態(tài)。另外，關(guān)于凹部17、凸部18及棒狀部件19的詳細(xì)內(nèi)容將在后面進(jìn)行敘述。

接著，對超低溫制冷機(jī)1的動作進(jìn)行說明。在工作氣體供給工序的某一時(shí)刻，如圖1中(b)所示，置換器2位于缸體4的下止點(diǎn)LP。若與此同時(shí)或在稍微錯(cuò)開的時(shí)刻打開供給閥13，則高壓工作氣體經(jīng)由供給閥13從供排氣共用配管供給至缸體4內(nèi)。其結(jié)果，高壓工作氣體從位于置換器2的上部的上部開口11流入置換器2內(nèi)部的蓄冷器7中。流入到蓄冷器7中的高壓工作氣體被蓄冷材料冷卻的同時(shí)經(jīng)由位于置換器2下部的流路16供給至膨脹空間3。

若膨脹空間3被高壓工作氣體充滿，則供給閥13被關(guān)閉。此時(shí)，如圖1中(a)所示，置換器2位于缸體4內(nèi)的上止點(diǎn)UP。若置換器2位于缸體4內(nèi)的上止點(diǎn)UP的同時(shí)或在稍微錯(cuò)開的時(shí)刻打開回流閥14，則膨脹空間3的工作氣體被減壓而膨脹。通過膨脹成為低溫的膨脹空間3中的工作氣體吸收冷卻臺5的熱量。

置換器2朝向下止點(diǎn)LP移動，膨脹空間3的容積減少。膨脹空間3內(nèi)的工作氣體通過流路16回收到置換器2內(nèi)。此時(shí)，工作氣體吸收冷卻臺5的熱量。從膨脹空間3返回到蓄冷器7的工作氣體還對蓄冷器7內(nèi)的蓄冷材料進(jìn)行冷卻。回收到置換器2的工作氣體經(jīng)由蓄冷器7、上部開口11而返回到壓縮機(jī)12的吸入側(cè)。將以上工序作為一個(gè)循環(huán)，超低溫制冷機(jī)1反復(fù)進(jìn)行該冷卻循環(huán)，由此對冷卻臺5進(jìn)行冷卻。

圖2中的(a)至(c)為示意地表示用與缸體4的軸向垂直的平面剖切第1實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)1時(shí)的截面的圖。更具體而言，圖2中(a)為表示圖1中(a)的AA截面的圖。并且，圖2中(b)為表示圖1中(a)的BB截面的圖。圖2中(c)為表示圖1中(b)的CC截面的圖。

如上所述，置換器2具有圓筒狀的外周面。因此設(shè)置于置換器2的底部2b的凹部17也具有圓環(huán)狀的形狀。在圖2中(a)所示的例子中，在置換器2的底部2b設(shè)置有第1凹部17a和第2凹部17b這兩個(gè)凹部，且這兩個(gè)凹部均形成為圓環(huán)狀的槽。以下，在本說明書中，在并不特別區(qū)分第1凹部17a和第2凹部17b時(shí)統(tǒng)稱為“凹部17”。

第1凹部17a的半徑大于第2凹部17b的半徑。因此，如圖2中(a)所示，第2凹部17b設(shè)置在第1凹部17a的內(nèi)側(cè)。如此，凹部17構(gòu)成為多個(gè)圓環(huán)形狀的槽彼此“嵌套”而形成多重結(jié)構(gòu)。另外，流路16并非圓環(huán)形狀，但也能夠?qū)⑵淇醋魇窃O(shè)置在置換器2的底部2b的一個(gè)凹部。

在膨脹空間3內(nèi)的與凹部17對置的區(qū)域(即，膨脹空間3的底面)設(shè)置有多個(gè)凸部18，該多個(gè)凸部18也形成為多重結(jié)構(gòu)。在圖2中(b)所示的例子中，設(shè)置有第1凸部18a和第2凸部18b這兩個(gè)凸部。以下，在本說明書中，在并不特別區(qū)分第1凸部18a和第2凸部18b時(shí)統(tǒng)稱為“凸部18”。

在此，第1凹部17a和第2凹部17b形成為寬度分別大于第1凸部18a和第2凸部18b的厚度的槽，從而能夠?qū)捤傻亟邮芨鱾€(gè)凸部18。在凹部17中容納有凸部18的狀態(tài)下形成的多余部分(或稱間隙)還成為膨脹空間3內(nèi)的工作氣體流路。

在膨脹空間3的底面的、與流路16對置的位置還可以設(shè)置棒狀部件19。棒狀部件19形成為至少在置換器2位于下止點(diǎn)LP時(shí)處于插入在流路16內(nèi)的狀態(tài)。棒狀部件19還可以形成為在置換器2位于上止點(diǎn)UP時(shí)處于其至少一部分插入在流路16內(nèi)的狀態(tài)。因此，棒狀部件19的高度(即，在缸體4的軸向上的長度)可以高于凸部18的高度。

棒狀部件19形成為在棒狀部件19插入于流路16內(nèi)的情況下在棒狀部件19與流路16之間能夠形成間隙的程度的粗細(xì)。因此，即使棒狀部件19插入于流路16內(nèi)，工作氣體也能夠流過棒狀部件19與流路16之間的間隙。另外，棒狀部件19為圓筒形狀而并非圓環(huán)形狀，但也能夠?qū)⑵淇醋魇窃O(shè)置在膨脹空間3的底面的凸部之一。

圖2中(c)為表示在各個(gè)凹部17中容納有各個(gè)凸部18的狀態(tài)下形成于凹部17與凸部18之間的間隙的圖。如圖2中(c)所示，就凸部18容納于凹部17而形成的間隙而言，形成于遠(yuǎn)離置換器2的中心軸的一側(cè)的間隙的寬度大于形成于靠近中心軸的一側(cè)的間隙的寬度。

例如，第2凸部18b容納于第2凹部17b而形成的間隙比在棒狀部件19容納于流路16的情況下形成在流路16與棒狀部件19之間的間隙寬。同樣地，第1凸部18a容納于第1凹部17a而形成的間隙比第2凸部18b容納于第2凹部17b而形成的間隙寬。與膨脹空間3的內(nèi)側(cè)相比，在膨脹空間3的外側(cè)存在更多的工作氣體。通過將設(shè)置于遠(yuǎn)離置換器2的中心軸的一側(cè)的間隙設(shè)為更寬，能夠減少流路阻力，其結(jié)果能夠抑制超低溫制冷機(jī)1的壓力損失。

實(shí)現(xiàn)該目的有多種方法。例如，將第1凹部17a的槽寬和第2凹部17b的槽寬設(shè)為一致，并將第1凸部18a的厚度設(shè)為比第2凸部18b的厚度薄。由此，第1凸部18a容納于第1凹部17a而形成的間隙變得比第2凸部18b容納于第2凹部17b而形成的間隙更寬。作為另一實(shí)現(xiàn)方法，還可以將第1凸部18a的厚度和第2凸部18b的厚度設(shè)為一致，并將第1凹部17a的槽寬設(shè)為比第2凹部17b的槽寬更寬。由此，第1凸部18a容納于第1凹部17a而形成的間隙變得比第2凸部18b容納于第2凹部17b而形成的間隙更寬。

或者，如圖1中(a)及(b)所示的例子那樣，也可以將第1凹部17a的槽寬和第2凹部17b的槽寬設(shè)為不同，并且將第1凸部18a的厚度和第2凸部18b的厚度也設(shè)為不同。在圖1中(a)及(b)所示的例子中，第1凹部17a的槽寬小于第2凹部17b的槽寬。因此，為了使第1凸部18a容納于第1凹部17a而形成的間隙大于第2凸部18b容納于第2凹部17b而形成的間隙，將第1凸部18a的厚度設(shè)為小于第2凸部18b的厚度。如此，只要能夠使第1凸部18a容納于第1凹部17a而形成的間隙大于第2凸部18b容納于第2凹部17b而形成的間隙，則凹部17的寬度及凸部18的厚度不受任何限制。

圖2中(c)所示的例子中例示了具有圓環(huán)狀形狀的第1凸部18a容納于具有圓環(huán)狀形狀的槽(即第1凹部17a)的中央的情況。同樣地，在圖2中(c)所示的例子中，具有圓環(huán)狀形狀的第2凸部18b容納于具有圓環(huán)狀形狀的槽(即第2凹部17b)的中央。因此，在形成于第1凸部18a與第1凹部17a之間的空隙中，形成于內(nèi)側(cè)的空隙的大小與形成于外側(cè)的空隙的大小相等。取而代之，也可以使形成于第1凸部18a與第1凹部17a之間的空隙中的內(nèi)側(cè)的空隙比外側(cè)的空隙窄。這可以通過例如將第1凸部18a的半徑設(shè)為小或?qū)⒌?凹部17a的半徑設(shè)為大來實(shí)現(xiàn)。第2凸部18b與第2凹部17b的關(guān)系也相同。

圖3為表示膨脹空間3內(nèi)的工作氣體回收到置換器2的內(nèi)部空間時(shí)通過的路徑的示意圖，并且圖3為放大表示置換器2位于上止點(diǎn)UP時(shí)的膨脹空間3的圖。如圖3所示，凹部17形成為在置換器2位于上止點(diǎn)UP時(shí)也處于容納有凸部18的狀態(tài)。即，即使置換器2位于往復(fù)移動中的任何位置，凸部18的至少一部分始終處于容納于凹部17的狀態(tài)。由此，能夠抑制置換器2往復(fù)移動時(shí)凸部18從凹部17脫落而與置換器2的底部2b接觸。

在膨脹空間3內(nèi)膨脹的工作氣體通過流路16而回收到置換器2的內(nèi)部空間。由于流路16設(shè)置在膨脹空間3的中央部，因此膨脹空間3內(nèi)的工作氣體從膨脹空間3的外側(cè)朝向內(nèi)側(cè)移動而被回收。在圖3中，箭頭20表示回收過程中的工作氣體的流路。如箭頭20所示，工作氣體通過凹部17與凸部18之間的間隙。由于間隙作為換熱器而發(fā)揮作用，因此與未形成有凹部17和凸部18的情況相比，工作氣體與冷卻臺5之間的換熱面積增加，能夠提高換熱效率。

尤其，與膨脹空間3的內(nèi)側(cè)相比，在膨脹空間3的外側(cè)存在更多的工作氣體，因此，有足夠多的工作氣體在被回收到置換器2內(nèi)部空間的期間與冷卻臺5進(jìn)行換熱。其結(jié)果，換熱效率得到提高。

此外，隨著置換器2的往復(fù)移動，反復(fù)進(jìn)行凸部18插入于凹部17內(nèi)的動作。其結(jié)果，在膨脹空間3內(nèi)的工作氣體產(chǎn)生湍流。由此，能夠進(jìn)一步提高工作氣體與冷卻臺5之間的換熱效率。

并且，如上所述，在置換器2的往復(fù)移動中棒狀部件19始終插入于流路16內(nèi)。由此，能夠抑制流路16的體積成為死容積(dead volume)。此外，棒狀部件19與流路16之間的間隙作為換熱器而發(fā)揮作用，因此能夠進(jìn)一步增加工作氣體與冷卻臺5之間的換熱面積。另外，也可以將第1凹部17a的容積與第2凹部17b的容積設(shè)為相等或相近。由此，膨脹空間3內(nèi)的工作氣體的分布變得均勻，能夠進(jìn)一步提高工作氣體與冷卻臺5之間的換熱效率。

如以上說明，根據(jù)第1實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)1，在將膨脹空間3內(nèi)膨脹的工作氣體回收到置換器2的內(nèi)部空間時(shí)能夠增加工作氣體與冷卻臺5之間的換熱面積。并且，在凸部18容納于凹部17時(shí)使工作氣體產(chǎn)生湍流。由此，能夠提高工作氣體與冷卻臺5之間的換熱效率，從而能夠提高超低溫制冷機(jī)1的制冷性能。

(第2實(shí)施方式)

下面，對第2實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)1進(jìn)行說明。以下，關(guān)于與第1實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)1重復(fù)的記載，適當(dāng)省略或簡化說明。

圖4中(a)及(b)為示意地表示本發(fā)明的第2實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)1的圖。具體而言，圖4中(a)為表示第2實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)1的、置換器2位于上止點(diǎn)UP時(shí)的情況的示意圖。并且，圖4中(b)為表示本發(fā)明的第2實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)1的、置換器2位于下止點(diǎn)LP時(shí)的情況的示意圖。

與第1實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)1相同，在第2實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)1中，在膨脹空間3的底面，也以成為多重結(jié)構(gòu)的方式設(shè)置有多個(gè)環(huán)狀的凸部18。并且，在置換器2的底部2b，以能夠接受凸部18的方式設(shè)置有多個(gè)環(huán)狀的凹部。

另一方面，第2實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)1不同于第1實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)1，第2實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)1不具備貫穿置換器2的底部2b的中心部且使置換器2的內(nèi)部空間與膨脹空間3連通的工作氣體流路。取而代之，在第2實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)1中，置換器2的側(cè)壁與缸體4的內(nèi)壁之間的間隙成為使置換器2的內(nèi)部空間與膨脹空間3連通的工作氣體流路16。并且，在第2實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)1的置換器2設(shè)置有向流路16(間隙)導(dǎo)入工作氣體的排氣口21。由此，在第2實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)1中，置換器2的內(nèi)部空間與膨脹空間3經(jīng)由排氣口21及流路16而連通。

因此，第2實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)1不同于第1實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)1，工作氣體從膨脹空間3的內(nèi)側(cè)朝向外側(cè)移動而被回收到置換器2。即，與存在于外側(cè)的工作氣體相比，存在于膨脹空間3的內(nèi)側(cè)的工作氣體回收到置換器2的內(nèi)部空間時(shí)通過的路徑長度更長。

因此，如圖4中(a)及(b)所示，就凸部18容納于凹部17而形成的間隙而言，形成在靠近置換器2的中心軸的一側(cè)的間隙寬于形成在遠(yuǎn)離中心軸的一側(cè)的間隙。由此，排出工作氣體時(shí)，膨脹空間3內(nèi)側(cè)的流路阻力變小?；厥展ぷ鳉怏w時(shí)，最長路徑的流路阻力變小，使得減少超低溫制冷機(jī)1的壓力損失的效果變大。

實(shí)現(xiàn)該目的有多種方法。例如，將第1凹部17a的槽寬、第2凹部17b的槽寬及第3凹部17c的槽寬設(shè)為一致，并將第1凸部18a的厚度設(shè)為大于第2凸部18b的厚度。并且，將第2凸部18b的厚度設(shè)為大于第3凸部18c的厚度。由此，第1凸部18a容納于第1凹部17a而形成的間隙變得比第2凸部18b容納于第2凹部17b而形成的間隙窄。并且，第2凸部18b容納于第2凹部17b而形成的間隙變得比第3凸部18c容納于第3凹部17c而形成的間隙窄。

作為另一實(shí)現(xiàn)方法，還可以將第1凸部18a的厚度、第2凸部18b的厚度及第3凸部18c的厚度設(shè)為一致，并將第1凹部17a的槽寬設(shè)為比第2凹部17b的槽寬窄。并且，將第2凹部17b的槽寬設(shè)為比第3凹部17c的槽寬窄。由此，第1凸部18a容納于第1凹部17a而形成的間隙變得比第2凸部18b容納于第2凹部17b而形成的間隙窄。并且，第2凸部18b容納于第2凹部17b而形成的間隙變得比第3凸部18c容納于第3凹部17c而形成的間隙窄。

或者，也可以將第1凹部17a的槽寬、第2凹部17b的槽寬及第3凹部17c的槽寬設(shè)為不同，并且將第1凸部18a的厚度、第2凸部18b的厚度及第3凸部18c的厚度也設(shè)為不同。只要能夠使第1凸部18a容納于第1凹部17a而形成的間隙窄于第2凸部18b容納于第2凹部17b而形成的間隙，并且能夠使容納第2凸部18b容納于第2凹部17b而形成的間隙窄于第3凸部18c容納于第3凹部17c而形成的間隙，則凹部17的寬度及凸部18的厚度不受任何限制。

與第1實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)1相同，在凹部17中容納有凸部18的情況下形成的間隙作為換熱器發(fā)揮作用。因此，與未形成有凹部17和凸部18的情況相比，工作氣體與冷卻臺5之間的換熱面積增加，能夠提高換熱效率。此外，隨著置換器2的往復(fù)移動，反復(fù)進(jìn)行凸部18插入于凹部17內(nèi)的動作。其結(jié)果，膨脹空間3內(nèi)的工作氣體產(chǎn)生湍流。由此，能夠進(jìn)一步提高工作氣體與冷卻臺5之間的換熱效率。

與膨脹空間3的內(nèi)側(cè)相比，在膨脹空間3的外側(cè)存在更多的工作氣體。在第2實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)1中，就凹部17接受凸部18后形成的間隙而言，在有更多工作氣體存在的膨脹空間3的外側(cè)更窄。

通常，間隙窄，則換熱效率會提高。因此，在第2實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)1中，有更多工作氣體存在的膨脹空間3的外側(cè)的換熱效率更高，因此能夠提高超低溫制冷機(jī)1整體的換熱效率。

如以上說明，根據(jù)第2實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)1，在將膨脹空間3內(nèi)膨脹的工作氣體回收到置換器2的內(nèi)部空間時(shí)能夠增加工作氣體與冷卻臺5之間的換熱面積。并且，在凸部18容納于凹部17時(shí)使工作氣體產(chǎn)生湍流。由此，能夠提高工作氣體與冷卻臺5之間的換熱效率，從而能夠提高超低溫制冷機(jī)1的制冷性能。

(第3實(shí)施方式)

如上所述，在第1實(shí)施方式及第2實(shí)施方式的如同凸部18與凹部17的組合的凸片式換熱器中，為了提高換熱效率優(yōu)選在凸部18與凹部17之間形成較窄的間隙。換熱效率的提高有利于超低溫制冷機(jī)1的制冷能力的提高。但是，若間隙過窄，則因流過其中的工作氣體的粘性，置換器2的移動所受阻力會變大。并且，若工作氣體的流動阻力過大，則可能會成為導(dǎo)致供給至膨脹空間3的工作氣體量不足的原因。因此，過窄的間隙可能會降低超低溫制冷機(jī)1的制冷能力。

考慮到這種此消彼長的關(guān)系，在第3實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)1中，與第1實(shí)施方式及第2實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)1相比，設(shè)置于冷卻臺5的換熱器凸片的基部的寬度更薄。即，凸片基部的寬度小于凸片前端部的寬度。由此，第3實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)1的凸片式換熱器具有局部擴(kuò)大的間隙。工作氣體的流動阻力與間隙的寬度有關(guān)，因此擴(kuò)大的間隙能夠減小流動阻力。與第1實(shí)施方式及第2實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)1相同，換熱器凸片的前端部形成較窄的間隙。因此，能夠獲得提高換熱效率這一有利效果。

因此，在第3實(shí)施方式中，多個(gè)環(huán)狀的凸部18中的至少一個(gè)環(huán)狀的凸部18具備環(huán)狀的前端部及將環(huán)狀的前端部連接于膨脹空間3的底面的環(huán)狀的薄壁部。在環(huán)狀的前端部與接受該環(huán)狀的凸部18的環(huán)狀的凹部17之間形成有窄間隙。在環(huán)狀的薄壁部與接受該環(huán)狀的凸部18的環(huán)狀的凹部17之間形成有與窄間隙連續(xù)的寬間隙。

下面，參考圖5對第3實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)1進(jìn)行說明。以下，對與第1實(shí)施方式和/或第2實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)1重復(fù)的內(nèi)容，適當(dāng)省略或簡化說明。

圖5為示意地表示本發(fā)明的第3實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)1的低溫部的圖。圖5所示的超低溫制冷機(jī)1具有軸向上的一部分的寬度較薄的換熱器凸片(即凸部18)及與第1實(shí)施方式相同的縱排式的工作氣體排氣口的組合。圖5表示置換器位于上止點(diǎn)時(shí)的情況。另外，為了便于理解，在圖5中用虛線表示置換器位于下止點(diǎn)時(shí)的情況。

如圖5所示，多個(gè)環(huán)狀的凸部18包括環(huán)狀的第1凸部18a、被環(huán)狀的第1凸部18a包圍的環(huán)狀的第2凸部18b。第2凸部18b包圍缸體中心軸。并且，多個(gè)環(huán)狀的凹部17包括接受第1凸部18a的環(huán)狀的第1凹部17a、接受第2凸部18b的環(huán)狀的第2凹部17b。置換器的底部2b具備分隔相鄰的凹部17或分隔流路16和與之相鄰的凹部17的置換器凸部26。

第1凸部18a具備環(huán)狀的第1前端部22a及環(huán)狀的第1薄壁部23a。第1薄壁部23a將第1前端部22a連接于膨脹空間3的底面(即，冷卻臺5的內(nèi)部底面)。環(huán)狀的第1前端部22a在環(huán)狀的第1凹部17a中形成第1窄間隙24a。環(huán)狀的第1薄壁部23a在環(huán)狀的第1凹部17a中形成第1寬間隙25a。第1寬間隙25a在軸向上與第1窄間隙24a連續(xù)。第1窄間隙24a形成于第1前端部22a的徑向兩側(cè)，第1寬間隙25a形成于第1薄壁部23a的徑向兩側(cè)。在徑向上，第1窄間隙24a的寬度小于第1寬間隙25a的寬度。在此，徑向是指與缸體的軸向及周向均垂直的方向。周向通常是指以包圍軸的方式延伸的環(huán)狀的凸部18的延伸方向。

同樣地，第2凸部18b具備環(huán)狀的第2前端部22b及環(huán)狀的第2薄壁部23b。第2薄壁部23b將第2前端部22b連接于膨脹空間3的底面。環(huán)狀的第2前端部22b在環(huán)狀的第2凹部17b中形成第2窄間隙24b，環(huán)狀的第2薄壁部23b在環(huán)狀的第2凹部17b中形成第2寬間隙25b。第2寬間隙25b在軸向上與第2窄間隙24b連續(xù)。第2窄間隙24b及第2寬間隙25b形成于第2凸部18b的徑向兩側(cè)。第2窄間隙24b的徑向?qū)挾刃∮诘?寬間隙25b的徑向?qū)挾取?/p>

就距中心軸的距離與間隙寬度之間的關(guān)系而言，第3實(shí)施方式與第1實(shí)施方式相同。凸部18容納于凹部17而形成的間隙形成為，形成在遠(yuǎn)離置換器的中心軸的一側(cè)的間隙寬于形成在靠近中心軸的一側(cè)的間隙。因此，第1窄間隙24a的徑向?qū)挾缺鹊?窄間隙24b的徑向?qū)挾葘?，并且?寬間隙25a的徑向?qū)挾缺鹊?寬間隙25b的徑向?qū)挾葘挕?/p>

另外，由某一個(gè)凸部18與對應(yīng)的凹部17形成的間隙寬度也可以與由另一個(gè)凸部18與對應(yīng)的另一個(gè)凹部17形成的間隙寬度相同。因此，第1窄間隙24a的徑向?qū)挾纫部梢耘c第2窄間隙24b的徑向?qū)挾认嗟取５?寬間隙25a的徑向?qū)挾纫部梢耘c第2寬間隙25b的徑向?qū)挾认嗟取?/p>

以下，在本說明書中，在并不特別區(qū)分第1前端部22a和第2前端部22b時(shí)統(tǒng)稱為“前端部22”。并且，在并不特別區(qū)分第1薄壁部23a和第2薄壁部23b時(shí)統(tǒng)稱為“薄壁部23”。窄間隙及寬間隙也同樣統(tǒng)稱為“窄間隙24”及“寬間隙25”。

在徑向上，窄間隙24形成于前端部22與置換器凸部26之間。在徑向上，寬間隙25形成于薄壁部23與置換器凸部26之間。

棒狀部件19也與凸部18同樣地具有較細(xì)的基部。即，棒狀部件19具備前端部及將該前端部連接于膨脹空間3的底面的小徑部。棒狀部件19的前端部在流路16中形成窄間隙。棒狀部件19的小徑部在流路16中形成寬間隙。棒狀部件19的軸向上的高度與凸部18的軸向上的高度相等。

如圖5所示，在置換器位于下止點(diǎn)時(shí)，薄壁部23在凹部17中形成寬間隙25。在置換器位于上止點(diǎn)時(shí),寬間隙25被開放。因此，薄壁部23或小徑部的軸向上的高度優(yōu)選大于凸部18的軸向上的總高的1/3且小于2/3。軸向上的高度是指從膨脹空間3的底面沿軸向測定的長度。

超低溫制冷機(jī)1構(gòu)成為始終保持凸部18與置換器的底部2b在軸向上重疊。因此，凸部18的至少上方部分在置換器往復(fù)移動的一個(gè)周期中始終容納于凹部17。在第3實(shí)施方式中，前端部22始終容納于凹部17。如圖5所示，在置換器位于上止點(diǎn)時(shí)，前端部22位于凹部17之內(nèi)，而薄壁部23位于凹部17之外。在置換器位于上止點(diǎn)時(shí)，凸部18與置換器的底部2b的重疊部分的軸向上的長度例如可以是凸部18的軸向上的總高的1/3以下、1/5以下或1/10以下。

因此，在置換器從下止點(diǎn)或其附近朝向上方移動時(shí)(即工作氣體從置換器供給至膨脹空間3時(shí))，在置換器的底部2b與凸部18之間形成寬間隙25。由于寬度較寬，因此工作氣體容易流通，對置換器的運(yùn)動所受阻力較小。另一方面，在置換器從上止點(diǎn)或其附近朝向下方移動時(shí)(即膨脹并冷卻的工作氣體從膨脹空間3回收到置換器時(shí))，工作氣體通過窄間隙24，并且在窄間隙24中進(jìn)行充分的換熱。由此，能夠減少如上所述的過窄的間隙引起的副作用，并且能夠提高換熱效率甚至制冷能力。

另外，凸部18在前端部22與薄壁部23之間具有一個(gè)階梯部，但并不限于此。凸部18也可以具有兩個(gè)以上階梯部。例如，在凸部18具有兩個(gè)階梯部的情況下，凸部18可以具有前端部、比前端部薄的中間部、比中間部更薄的基部?；蛘?，凸部18也可以具有從前端部22至薄壁部23平滑的表面以代替帶階梯的表面。例如，凸部18可以具有以使間隙從窄間隙24朝向?qū)掗g隙25逐漸變寬的方式形成的平滑的表面。

超低溫制冷機(jī)1也可以具有軸向上的一部分的寬度較薄的換熱器凸片及橫排式的排氣口21的組合。此時(shí)，如圖6所示，距中心軸的距離與間隙寬度之間的關(guān)系可以與第2實(shí)施方式相同。因此，第1窄間隙可以比第2窄間隙窄。第1寬間隙可以比第2寬間隙窄。

(第4實(shí)施方式)

圖7為示意地表示本發(fā)明的第4實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)1的低溫部的圖。圖7表示置換器位于上止點(diǎn)時(shí)的情況。另外，為了便于理解，在圖7中用虛線表示了置換器位于下止點(diǎn)時(shí)的情況。并且，圖8為示意地表示用與缸體的軸向垂直的平面剖切第4實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)1時(shí)的截面的圖。更具體而言，圖8為表示圖7中的DD截面的圖。以下，對與上述任一實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)1重復(fù)的記載，適當(dāng)省略或簡化說明。

與第3實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)1相同，圖7及圖8所示的超低溫制冷機(jī)1也具備軸向上的一部分的寬度較薄的換熱器凸片(即凸部18)，但是圖7及圖8所示的超低溫制冷機(jī)1與第3實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)1的不同點(diǎn)在于工作氣體的流路結(jié)構(gòu)不同。圖7及圖8所示的超低溫制冷機(jī)1具有多個(gè)縱排式的工作氣體排氣口以及與圖4及圖6所示的超低溫制冷機(jī)1相同的橫排式的排氣口21。

詳細(xì)內(nèi)容將在后面敘述，但是，超低溫制冷機(jī)1具備貫穿置換器的底部2b從而使置換器的內(nèi)部空間與多個(gè)環(huán)狀的凹部17中的某一個(gè)環(huán)狀的凹部連通的至少一個(gè)工作氣體的流路。并且，多個(gè)環(huán)狀的凸部18中的某一個(gè)環(huán)狀的凸部和與其相鄰的環(huán)狀的凸部之間的間隔比多個(gè)環(huán)狀的凹部17中的接受某一個(gè)環(huán)狀的凸部的環(huán)狀的凹部的寬度寬。

如圖7所示，多個(gè)環(huán)狀的凸部18包括環(huán)狀的第1凸部18a、被環(huán)狀的第1凸部18a包圍的環(huán)狀的第2凸部18b及被環(huán)狀的第2凸部18b包圍的環(huán)狀的第3凸部18c。第3凸部18c包圍配設(shè)在缸體的中心軸上的棒狀部件19。棒狀部件19也可以看作是凸部18中的一個(gè)。并且，多個(gè)環(huán)狀的凹部17包括接受第1凸部18a的環(huán)狀的第1凹部17a、接受第2凸部18b的環(huán)狀的第2凹部17b及接受第3凸部18c的環(huán)狀的第3凹部17c。并且，接受棒狀部件19的第4凹部17d設(shè)置于置換器的底部2b。第4凹部17d也可以看作是凹部17中的一個(gè)。置換器的底部2b具備分隔相鄰的凹部17的多個(gè)置換器凸部26。

超低溫制冷機(jī)1具有使置換器的內(nèi)部空間(即蓄冷器7)與膨脹空間3連通的工作氣體的多個(gè)流路16。流路16包括第1流路16a、第2流路16b、第3流路16c及第4流路16d。第1流路16a為置換器側(cè)壁與缸體內(nèi)壁之間的間隙，其將排氣口21連接于膨脹空間3。

第2流路16b貫穿置換器的底部2b，并使置換器的內(nèi)部空間與第2凹部17b連通。同樣地，第3流路16c及第4流路16d分別貫穿置換器的底部2b，并使置換器的內(nèi)部空間與第3凹部17c及第4凹部17d連通。如圖8所示，第2流路16b包括多個(gè)(圖中為八個(gè))貫穿孔。第3流路16c包括多個(gè)(圖中為四個(gè))貫穿孔。這些貫穿孔在置換器的底部2b沿周向等間隔形成。第4流路16d為貫穿置換器的底部2b的中心部的單一的孔。

如此，超低溫制冷機(jī)1具有多個(gè)縱排式的工作氣體排氣口，具體而言具有第2流路16b、第3流路16c及第4流路16d。除了中心的第4流路16d之外，在其周圍還設(shè)置有第2流路16b及第3流路16c。由于工作氣體的排氣流路變寬，因此換熱面積增加，能夠促進(jìn)工作氣體與換熱凸片(即凸部18)之間的換熱。因此，能夠提高超低溫制冷機(jī)1的制冷性能。并且，由于工作氣體的排氣流路變寬，因此工作氣體的流動阻力減少，從而能夠期待降低超低溫制冷機(jī)1的驅(qū)動馬達(dá)所受負(fù)載。

各個(gè)凸部18均具有前端部22及薄壁部23。前端部22在對應(yīng)的凹部17中形成窄間隙24，薄壁部23在對應(yīng)的凹部17中形成寬間隙25。距中心軸的距離與間隙寬度之間的關(guān)系不同于第1實(shí)施方式至第3實(shí)施方式。在第4實(shí)施方式中，間隙的寬度不管距中心軸的距離如何均恒定。因此，多個(gè)凸部18的徑向上的寬度相同。并且，多個(gè)凹部17的徑向上的寬度也相同。但是，與其他實(shí)施方式相同，在第4實(shí)施方式中也可以使距中心軸的距離與間隙寬度具有一定的關(guān)系。

多個(gè)環(huán)狀的凸部18中的某一個(gè)環(huán)狀的凸部18和與其相鄰的環(huán)狀的凸部18之間的間隔P比接受該環(huán)狀的凸部18(或相鄰的環(huán)狀的凸部18)的環(huán)狀的凹部17的寬度Q寬。換言之，某一個(gè)置換器凸部26與其兩側(cè)的間隙的總計(jì)寬度P比該置換器凸部26與相鄰的置換器凸部26之間的間隔Q寬。

存在于凹部17的工作氣體在超低溫制冷機(jī)1的排氣工序中(即，置換器朝向下止點(diǎn)移動時(shí))從流路16立刻返回到蓄冷器7，因此對冷卻的貢獻(xiàn)較小。相對于此，存在于相鄰的兩個(gè)凸部18之間的工作氣體通過凸部18與置換器凸部26之間的間隙而返回到蓄冷器7。此時(shí)，在工作氣體與凸部18之間進(jìn)行換熱，因此存在于凸部18彼此之間的工作氣體對冷卻的貢獻(xiàn)較大。如上所述，通過將凸部18彼此之間的間隔P設(shè)為比凹部17的寬度Q寬，從而能夠增加存在于凸部18彼此之間的工作氣體的容積。因此，能夠促進(jìn)工作氣體與換熱凸片之間的換熱，從而能夠提高超低溫制冷機(jī)1的制冷性能。

(第5實(shí)施方式)

圖9為示意地表示本發(fā)明的第5實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)1的低溫部的一部分的圖。棒狀部件19制作成與冷卻臺5獨(dú)立的單獨(dú)部件，并且安裝在冷卻臺5。因此，在棒狀部件19的下端具有螺紋部19a。冷卻臺5具有與螺紋部19a相對應(yīng)的螺孔5a。通過將棒狀部件19的螺紋部19a擰入冷卻臺5的螺孔5a中，使棒狀部件19固定于冷卻臺5。棒狀部件19通過釬焊牢牢地固定于冷卻臺5。

在卸下棒狀部件19的狀態(tài)下，第3凸部18c內(nèi)的空間變得比安裝有棒狀部件19時(shí)更寬。因此，能夠容易加工第3凸部18c。如此，通過將棒狀部件19制作成獨(dú)立的單獨(dú)部件，能夠容易制作冷卻臺5的凸部18。尤其，在由銅等比較柔軟的金屬制作凸部18的情況下尤為有效。

或者，也可以將棒狀部件19壓入于冷卻臺5或通過其他固定方式固定棒狀部件19從而代替螺紋卡合。

同樣地，也可以將置換器凸部26的至少一個(gè)凸部制作成與置換器獨(dú)立的單獨(dú)部件，并且通過螺紋卡合、壓入或其他固定方式將其安裝于置換器。也可以將凸部18的至少一個(gè)凸部制作成與冷卻臺5獨(dú)立的單獨(dú)部件，并且通過螺紋卡合、壓入或其他固定方式將其安裝于冷卻臺5。

或者，如圖10所示，棒狀部件19的直徑R也可以大于其他凸部18(例如相鄰的凸部)的徑向上的寬度S。如此一來，棒狀部件19的剛性變高，能夠防止棒狀部件19在第3凸部18c的加工中與工具發(fā)生干擾等而變形。因此，冷卻臺5的制作變得容易。

圖9所示的冷卻臺5也可以應(yīng)用于第1實(shí)施方式至第4實(shí)施方式中的任意一種實(shí)施方式中。同樣地，圖10所示的冷卻臺5也可以應(yīng)用于第1實(shí)施方式至第4實(shí)施方式中的任意一種實(shí)施方式中。

以上，根據(jù)實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行了說明。在不脫離技術(shù)方案中所記載的本發(fā)明的思想的范圍內(nèi)，這些實(shí)施方式可以存在很多變形例或配置的變更。

例如，在上述超低溫制冷機(jī)中示出了級數(shù)為1級的情況，但是，也可以適當(dāng)選擇該級數(shù)，例如2級以上等。并且，在各個(gè)實(shí)施方式中，對超低溫制冷機(jī)為GM制冷機(jī)時(shí)的例子進(jìn)行了說明，但并不限于此。例如，本發(fā)明也能夠應(yīng)用于斯特林制冷機(jī)、蘇爾威制冷機(jī)等具備置換器的任何制冷機(jī)中。

上述各個(gè)實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)1均具備圓環(huán)形狀的凸部18以及以能夠接受凸部18的方式形成的圓環(huán)形狀的凹部17。然而，凹部17及凸部18的形狀并不限于圓環(huán)形狀。凹部17及凸部18的形狀只要是封閉的圖形即可，例如也可以是多邊形或星形形狀。另一方面，若凹部17及凸部18為圓環(huán)形狀，則即使置換器2與缸體4的相對位置以缸體4的軸為中心進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)，也不會影響凹部17接受凸部18，因此優(yōu)選凹部17及凸部18為圓環(huán)形狀。

在上述第1實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)1中，對具有兩個(gè)凹部17和兩個(gè)凸部18的情況進(jìn)行了說明。然而，凹部17和凸部18的個(gè)數(shù)并不限于兩個(gè)，也可以多于兩個(gè)。并且，在上述第2實(shí)施方式所涉及的超低溫制冷機(jī)1中，對具有三個(gè)凹部17和三個(gè)凸部18的情況進(jìn)行了說明。然而，凹部17和凸部18的個(gè)數(shù)并不限于三個(gè)。例如，可以具有兩個(gè)凹部17和兩個(gè)凸部18，也可以具有四個(gè)以上凹部17和四個(gè)以上凸部18。

符號說明

1-超低溫制冷機(jī)，2-置換器，2a-主體部，2b-底部，3-膨脹空間，4-缸體，5-冷卻臺，7-蓄冷器，8-室溫室，9-上端側(cè)整流器，10-下端側(cè)整流器，11-上部開口，12-壓縮機(jī)、13-供給閥，14-回流閥，15-密封件、16-流路，17-凹部，17a-第1凹部，17b-第2凹部，18-凸部，18a-第1凸部，18b-第2凸部，19-棒狀部件，21-排氣口。