专利名称：蓄冷器式冷冻机的制作方法
技术领域：
本申请主张基于2009年3月16日申请的日本专利申请第2009-063608号的优先权。该申请的全部内容通过参照援用在本说明书中。本发明涉及蓄冷器式冷冻机，尤其涉及可以通过填装蓄冷材料的置换器在气缸内 进行往返运动而获得极低温的蓄冷器式冷冻机。
背景技术：
在极低温区域广泛使用的冷冻机之一有蓄冷器式冷冻机。该蓄冷器式冷冻机具备 称为蓄冷器的蓄热式热交换器。该蓄冷器在容器内部内装有称为蓄冷材料的热交换材料。作为蓄冷材料，使用在成为对象的温度下具有大比热的材料。由于冷冻机的使用 温度为从室温到4. 2K左右的宽范围，所以需要选择在其整个区域中尽量具有大比热的材 料。比热根据材料温度依赖性有很大差异，不是可以用1个材料对应整个温度区域的比热。 因此，根据温度组合适当的材料而使用。而且，冷冻机有使用于液氦凝缩的最低到达温度成为4. 2K的冷冻机和在低温泵 等以IOK使用的冷冻机。并且，常利用具有2个蓄冷器的2级形式。通常，在IOK的冷冻机中，在1级蓄冷器上使用金属网状的铜或不锈钢，在第2级 蓄冷器上使用球状的铅。铅既在50K以下的温度区域具有高于其他材料的比热和某种程度 的构造上的强度，又廉价，所以被广泛使用(例如，参照专利文献1)。然而，因对环境的影响，在欧洲从2006年探讨了实施禁止对电气产品的使用的指 令(RoHS限制)。限制的内容是从除了一部分军事用、宇宙用的大部分电气产品排除铅的内 容。由此，作为蓄冷材料使用铅时，存在该蓄冷器式冷冻机也成为限制对象品的可能性。因 此，作为用于蓄冷器式冷冻机的蓄冷材料的材料，提出有各种代替铅的蓄冷材料(参照专 利文献2)。在专利文献2中，作为代替铅的蓄冷材料可例举铟和铋以及还有第3材料的合金。 铟在50K以下的温度下具有次于铅的比热，所以是想要有效利用其特性的构思。然而，由于铟是非常软的金属，所以以此状态不可以作为蓄冷材料来使用，通过设 为铋或与其他金属的合金，从而提高到蓄冷材料所要求的硬度，但是尽管如此，要作为蓄冷 材料来利用也不充分。而且，铟的价格是铅的约3倍，所以要作为蓄冷材料来使用存在非常 昂贵的问题。对此，作为代替铅的蓄冷材料提出使用铋或铋和锑的合金的技术(参照专利 文献3)。专利文献1 日本特开平3-99162号公报专利文献2 日本特开2004-225920号公报专利文献3 日本特开2006-242484号公报作为代替铅的蓄冷材料使用铋时，因铋也使用于化妆品的材料，所以认为安全性 高，也无污染环境的担忧，而且廉价。然而，铋的比热小于铅的比热，尤其在15K以下的极低 温环境下比热会大大下降。因此，认为在为了实现极低温的蓄冷器式冷冻机中，虽然如上述在安全性及环境载荷方面具有良好的特性，但是难以将铋作为蓄冷材料来使用。而且，为了解决该问题点，也提出有铋和其他蓄冷材料的混合化(参照引用文献 3)。然而，进行混合化时，产生难以决定铋和其他蓄冷材料的混合比，而且通常可以作为蓄 冷材料来使用的其他蓄冷材料的成本高，从而蓄冷器式冷冻机的价格上升的问题点。
发明内容
本发明是鉴于上述的问题点而完成的，其目的在于，提供一种作为蓄冷材料使用 铋，并且可以获得15K以下的极低温的蓄冷器式冷冻机。上述的课题可以通过以下蓄冷器式冷冻机来解决，S卩，作为在无载荷的最低到达 温度下可以获得5K 15K的极低温的蓄冷器式冷冻机，包括由具有导热率低且气密性高的材料形成的圆柱形的内周面的气缸；具有沿稍小于上述气缸的内周面的直径的圆柱形状的外周面，并且可在轴向往返 运动地配置在上述气缸内，在上述气缸内的一端形成膨胀空间的置换器；形成为在上述置换器的外周面上或上述气缸的内周面上的任意一方构成连接该 外周面或该内周面的两端的辅助气体通道，包括至少一部分沿相对于上述置换器的轴向交 叉的方向的槽而构成，使得在上述气缸和上述置换器之间的间隙，从该外周面或该内周面 的一端朝向另一端流动的气体与上述气缸及上述置换器积极地进行热交换的沟槽图案；用于将气体供给到上述膨胀空间以及用于从上述膨胀空间回收气体的主气体通 道；以及由铋的粒体构成，并配置在上述主气体通道内的至少一部分的蓄冷材料。发明的效果公开的蓄冷器式冷冻机由于将铋作为蓄冷材料来使用，所以可以减少对环境带来 的载荷。而且，由于在置换器的外周面形成有沟槽图案，所以从具有蓄冷材料的正规的气 体通道分支而在置换器和气缸之间的间隙流动的气体沿着该沟槽图案流动。该沟槽图案形 成为包括沿相对于置换器的轴向交叉的方向的槽，使得在槽内流动的气体与置换器及气缸 积极地进行热交换。因此，分支的气体从高温侧流到低温测时，与向轴向直接流动的情况相比进一步 被冷却，相反从低温侧流到高温侧时，进一步冷却置换器及气缸，所以作为冷却材料即使使 用比热小于以往所使用的铅的比热的祕，也可以确实获得15K以下的极低温。
图1是表示本发明所涉及的蓄冷器式冷冻机的基本结构的剖面图。图2是表示作为本发明的一实施方式的2级结构的蓄冷器式冷冻机的简要结构的 剖面图。图3是表示作为本发明的一实施方式的2级结构的蓄冷器式冷冻机的第2级置换 器的结构例的剖面图。图4是表示铋尺寸和冷冻能力的关系的例子的图。图5是表示构成蓄冷材料的材料的容积比热的图。
图6是与以往进行比较而表示作为本发明的一实施方式的2级结构的蓄冷器式冷冻机(无载荷状态压缩机的运转频率为50Hz)的特性的图，图6(A)是表示第1级的温度 特性的图，图6(B)是表示第2级的温度特性的图。图7是与以往进行比较而表示作为本发明的一实施方式的2级结构的蓄冷器式冷 冻机(载荷施加状态压缩机的运转频率为50Hz)的特性的图，图7(A)是表示第1级的温 度特性的图，图7(B)是表示第2级的温度特性的图。图8是与以往进行比较而表示作为本发明的一实施方式的2级结构的蓄冷器式冷 冻机(无载荷状态压缩机的运转频率为60Hz)的特性的图，图8(A)是表示第1级的温度 特性的图，图(B)是表示第2级的温度特性的图。图9是与以往进行比较而表示作为本发明的一实施方式的2级结构的蓄冷器式冷 冻机(载荷施加状态压缩机的运转频率为60Hz)的特性的图，图9㈧是表示第1级的温 度特性的图，图9(B)是表示第2级的温度特性的图。图10是表示作为本发明的一实施方式的2级结构的蓄冷器式冷冻机的第2级置 换器的其他的结构例的剖面图。图11是表示作为本发明的一实施方式的2级结构的蓄冷器式冷冻机的第1级置 换器的结构例的剖面图。图12是表示形成于置换器表面的沟槽图案的结构例的简要展开图。图13是表示本发明所涉及的蓄冷器式冷冻机的其他的基本结构的剖面图。图中1-气缸，2-置换器，3-气体通道，4-螺旋形气体通道，5-蓄冷材料，6_膨胀 空间，10-氦压缩机，11-第1级气缸，12-第2级气缸，13-第1级置换器，14-第2级置换器， 15-曲柄机构，16-气体通道，17、18-蓄冷材料，19、20-热站，21、22_膨胀空间，23、24_气体 通道，30-筒状部件，31-盖部件，36-耦合机构，37-开口，38-螺旋形气体通道，50-筒状部 件，55-螺旋形气体通道，60-气缸，61-置换器，62-上部空间，63-膨胀空间，64、66_配管， 65-蓄冷器，67-氦压缩机。
具体实施例方式其次，对本发明的实施方式与附图一起进行说明。在图1表示本发明所涉及的蓄冷器式冷冻机的基本结构。气缸1由不锈钢等的导 热率低且气密性高的刚性材料形成。在气缸1内配置有圆柱形的置换器2。在置换器2的 外周面形成有由连结上面和下面的1根或者多根螺旋形的沟槽图案2a构成的螺旋形气体 通道4。置换器2是中空构造，在其内部形成有气体通道3。在该气体通道3容纳在运转温 度下具有高热容量的蓄冷材料5。在本发明中，作为蓄冷材料5使用铋。而且，在置换器和 气缸1的下端之间划定膨胀空间6。从上方供给的冷媒气体通过置换器2内的气体通道3供给到膨胀空间6。而且，一 部分的冷媒气体从气体通道3分支并在置换器2和气缸1之间的间隙流动。该分支气体通 过设置在置换器外周面的螺旋形气体通道4，与置换器2和气缸1的表面进行热交换，并且 流到下方而供给到膨胀空间6。该冷媒气体伴随置换器2的移动，在膨胀空间6内膨胀并被冷却。回收冷媒气体时，被冷却的冷媒气体在冷媒气体通道3流动，此时冷却铋蓄冷材料5。在膨胀空间6内被冷却的冷媒气体的一部分分支并在螺旋形气体通道4与置换器2和气缸1的表面进行热交 换，并且流到上方，其后与在气体通道3流动的冷媒气体合流。如上述，本发明所涉及的蓄冷器式冷冻机使用铋蓄冷材料5。如上述，因铋也使用 于化妆品的材料，所以认为安全性高，也没有污染环境的担忧，而且廉价。于是，铋蓄冷材料 5可以说在安全性及环境载荷方面是良好的蓄冷材料。然而，在仅作为蓄冷材料而使用铋的结构中，铋的比热小于铅的比热，尤其在15K 以下的极低温环境下比热会大大下降，所以认为难以使用于实现15K以下的极低温的蓄冷 器式冷冻机。在本发明中，其特征在于，作为蓄冷材料5使用铋的同时，在置换器2的外周面设 置由沟槽图案2a构成的螺旋形气体通道4。通过设为在置换器2的外周面设置由沟槽图案 2a构成的螺旋形气体通道4，冷媒气体通过该螺旋形气体通道4的结构，与冷媒气体仅在置 换器2内的气体通道3流动的情况相比，变成冷媒气体与置换器2和气缸1的表面充分地 进行热接触，所以在气体通道表面和冷媒气体之间可以进行更多的热交换。由此，作为蓄冷材料5即使在15K以下的极低温中，使用相对于以往使用的铅比热 小的铋，也可以提高对铋蓄冷材料5的热效率，能够使冷冻性能提高。其次，对作为基于上述的原理的本发明的一实施方式的蓄冷器式冷冻机进行说 明。在以下的说明中，举例说明二级式的吉福德-麦克马洪循环冷冻机(以下，称为二级式 GM冷冻机)。图2简要地表示二级式GM式冷冻机的结构例，是获得4. 2 IOK左右的极低 温的冷冻机。以下，对获得IOK左右的极低温的冷冻机进行说明。氦压缩机10将氦气压缩到约20Kgf/cm2，并供给高压氦气。高压氦气通过进气阀 VI、气体通道16供给到第1级气缸11内。在第1级气缸11耦合有第2级气缸12。在第1级气缸11、第2级气缸12内分别容纳相互耦合的第1级置换器13、第2级 置换器14。轴部件S从第1级气缸11向上方延伸，与耦合于驱动用电动机M的曲柄机构 15華禹合。第1级置换器13、第2级置换器14分别具有容纳蓄冷材料17、18的中空空间，并 具有连接外部和中空空间的气体通道23、24。而且，在第1级置换器13、第2级置换器14 和第1级气缸11、第2级气缸12之间划定膨胀空间21、22。通常，第1级气缸11、第2级气缸12由具有充分的强度、低导热率、充分的氦气屏 蔽能力的不锈钢(例如，SUS304)等形成。而且，第1级置换器13、第2级置换器14由比 重轻，并且具有充分的耐磨损性、比较高的强度以及低导热率的织物苯酚(酚醛塑料)等形 成。通过进气阀Vl从氦压缩机10供给的高压氦气通过气体通道16供给到第1级气 缸11内，通过气体通道23a、由金属网等构成的第1级用蓄冷材料17以及气体通道23b供 给到第1级膨胀空间21。第1级膨胀空间21的压缩氦气还通过气体通道24a、由铋构成的 第2级用蓄冷材料18 (以下，称为铋蓄冷材料18)以及气体通道24b供给到第2级膨胀空 间22。另外，气体通道23a、24a是为了说明冷媒气体的流动而功能性地记载的气体通道，与 实际的结构不同。进气阀Vl关闭而排气阀V2打开时，第2级气缸12、第1级气缸11内的高压氦气沿与进气时相反的路径，通过气体通道16、排气阀V2回收到氦压缩机10。
在蓄冷器式冷冻机运转时，如图中由箭头所示，根据驱动用电动机M的旋转第1级 置换器13、第2级置换器14向上下被往返驱动。第1级置换器13、第2级置换器14向下 方被驱动时，进气阀Vl打开，高压氦气供给到第1级气缸11、第2级气缸12内。第1级置换器13、第2级置换器14根据驱动用电动机M向上方被驱动时，进气阀 Vl关闭而排气阀V2打开，氦气回收到氦压缩机10，第1级气缸11、第2级气缸12内的膨胀 空间成为低压。此时，在膨胀空间21、22，通过氦气的膨胀产生冷冻。被冷却的氦气通过第 1及第2置换器13、14的内部等被回收，在其过程中冷却蓄冷材料18、17 (对该冷却处理，在 以下进行详述)。在下一回的进气工序中被供给的高压氦气根据通过蓄冷材料17、18被供给而进 行冷却。通过被冷却的氦气膨胀，再进行冷却。在稳定状态下，第1级气缸11的膨胀空间 21例如保持在40K 70K左右的温度，第2级气缸12的膨胀空间22的温度保持在9. 5K 15K左右的极低温。第1级热站19围绕第1级气缸的下方被热耦合，第2级热站20围绕第2级气缸 12的下部分被热耦合。第1级热站19例如耦合于低温板等，并吸附气体分子。而且，第2 级热站20例如耦合于容纳活性碳等的吸附材料的吸附塔，并进行残留气体分子的吸附。具 有这种结构的低温泵为了在溅射装置等形成洁净的真空而使用。图3表示图2的二级式GM冷冻机的第2级置换器14的结构。由织物苯酚形成的 筒状部件30具有上下端开放的圆柱形状。例如，图2所示的第2级气缸的内径为35mm时， 筒状部件30的外径设为35mm，内径设为30mm。置换器的轴向的长度例如设为200mm左右。 在筒状部件30的下端插入并粘合由织物苯酚等形成的盖部件31，在其上配置金属网32，在 其上配置毡塞33。毡塞33上填充由铋构成的铋蓄冷材料18。在铋蓄冷材料18上配置毡塞34，在毡 塞34上配置冲孔金属板35。冲孔金属板35通过沿着圆周设置的台阶而固定在筒状部件 30的内面上部。在筒状部件30的上端安装有用于与图2所示的第1级置换器13耦合的耦 合机构36。在筒状部件30的侧壁设置有在金属网32的高度位置形成气体通道的开口 37。在 比筒状部件30的开口 37处于上方的外周面形成有由连结开口 37的位置和上端的1根螺 旋形的槽构成的螺旋形气体通道38。该槽例如为宽度约2mm，深度约0. 6mm,齿距约4mm。比开口 37处于下方的筒状部件30的外径设为比其处于上方的部分的外径稍小。 从而，在比开口 37处于下方的部分，在筒状部件30和第2级气缸之间形成间隙。该间隙形 成连结筒状部件30的内部和图2所示的膨胀空间22的气体通道。筒状部件30的外周面和第2级气缸12的内面之间的间隙为了稳定地往返驱动置 换器，优选为0. Olmm以上，为了防止漏气向轴向直线流动，优选为0. 03mm以下。如上述构成的二级式GM冷冻机将铋蓄冷材料5作为生成5K IOK左右的极低温 的第2级置换器14的蓄冷材料而使用。如上述，铋在安全性及环境载荷方面为良好的蓄冷 材料，但是铋的比热小于铅的比热。图5是表示与铋一同作为蓄冷材料而使用的材料的容 积比热的图。如同图所示，铋的比热小于铅的比热，尤其在IOK以下的极低温环境比热会大 大下降，所以认为难以使用于实现IOK以下的极低温的蓄冷器式冷冻机。
本发明者将铋作为蓄冷材料而使用，并且潜心研究实现IOK以下的极低温的蓄冷 器式冷冻机的结果，通过在第2级置换器14的外周面或第2级气缸12的内周面上的任意 一方形成连结该外周面或内周面的两端的螺旋形气体通道38，可以将铋作为蓄冷材料而使 用，并且可以实现15K以下的极低温。将在第2级置换器14内流动的氦气设为主气体通道的情况，在该螺旋形气体通道 38内流动的氦气(冷媒气体)构成辅助气体通道。而且，该螺旋形气体通道38形成包括至 少一部分沿相对于第2级置换器14的轴向(图中，上下方向)交叉的方向(图中，左右方 向)的槽而构成的沟槽图案，使得在第2级气缸12和第2级置换器14之间的间隙，从上述 外周面或内周面的一端朝向另一端流动的氦气与第2级气缸12及第2级置换器14积极地 进行热交换。图2及图3所示的二级式GM冷冻机表示在第2级置换器14的外周面上形成 螺旋形气体通道38的例子。图6至图9与以往的二级式GM冷冻机(以下，称为比较例)进行比较并表示本实 施方式所涉及的二级式GM冷冻机(以下，称为实施例)的冷却特性。在此，以往的二级式 GM冷冻机将铅作为蓄冷材料来使用，并且使用了在第2气缸和第2置换器之间配设限制气 体的流动的密封圈的蓄冷材料。另外，在图中，将本实施方式所涉及的二级式GM冷冻机示 为“Bi+螺旋”，而且将以往的二级式GM冷冻机示为“Pb+密封圈”。而且，图6及图7是将运转频率设为50Hz的特性，图8及图9是将运转频率设为 60Hz的特性。而且，图6及图8是将第1级站19及第2级站20均设为无载荷时的特性，图 7及图9表示在第1级站19外加12W的载荷的同时，在第2级站20外加3W的载荷时的特 性。并且，在各图中，(A)表示第1级热站的温度特性，(B)表示第2级热站的温度特性。如图6及图8所示，在无载荷的运转中，如图6(A)及图8㈧所示，第1级温度在 实施例和比较例中大致相同。然而，如图6(B)及图8(B)所示，第2级温度在比较例中为 6. 5K 7. 2K，但是在实施例中，可以谋求温度特性提高到5. 3K 5. 5K。而且，在施加图7所示的载荷的运转(50Hz)中，在图7(A)所示的第1级中，比较 例为71K 80K，但是在实施例中可以谋求温度特性提高到65K 66K。而且，在图7(B)所 示的第2级中，比较例为10. IK 11. 0K，但是在实施例中可以谋求温度特性提高到9. 5K 9. 8K。而且，在外加图9所示的载荷的运转(60Hz)中，在图9(A)所示的第1级中，比较 例为65K 78K，但是在实施例中可以谋求温度特性提高到62K 63K。而且，在图9(B)所 示的第2级中，比较例为9. 8K 10. 7K，但是在实施例中可以谋求温度特性提高到9. 2K 9. 4K。这样，可认为本实施方式所涉及的二级式GM冷冻机相对于比较例表示良好的冷 却特性是基于以下原因。即，本实施方式所涉及的二级式GM冷冻机由于在第2级置换器14 的外周面形成构成螺旋形气体通道38的沟槽图案，所以氦气(冷媒气体)从通过第2级置 换器14内的正规的气体通道分支，并在形成于第2级置换器14和第2级气缸12之间的螺 旋形气体通道38内流动。构成螺旋形气体通道38的沟槽图案形成为包括沿相对于第2级置换器14的轴向 交叉的方向的槽，使得在槽内流动的氦气与第2级置换器14及第2级气缸12积极地进行 热交换。
因此，作为冷媒气体的氦气从低温侧流到高温侧时，与以往相比更有效地冷却第2级置换器14及第2级气缸12。因此，与未具有螺旋形气体通道38的以往结构相比也进 一步有效地冷却填充于第2级置换器14的铋蓄冷材料18。而且，相反，分支的氦气从高温 侧流到低温侧时，与向轴向直接流动的情况相比，氦气进一步被冷却。因此，认为即使将在 15K以下的极低温区域比热小于铅的铋作为蓄冷材料18而使用，也可通过设置螺旋形气体 通道38来进一步提高冷却效率。另一方面，图4表示铋蓄冷材料18的铋尺寸(粒径)和冷冻能力的关系的一例。 通过同图，粒径不到0. 14mm时，填充于第2级置换器14时的密度变得过高，通过作为冷却 气体的阻抗急剧增大。而且，粒径超过1. 6mm时，存在铋蓄冷材料18和氦气及第2级置换 器14之间的热交换效率显著下降的忧虑。由此，铋粒体优选粒径为0. 14mm 1. 6mm。图10表示第2级置换器14的其他的结构例。本结构中的筒状部件30是在圆柱 形的不锈钢管39的表面上紧固由织物苯酚形成的耐磨性树脂部件40的部件。例如，耐磨性树脂部件40的外径设为35mm，内径设为32mm，不锈钢管39的内径设 为30mm。通过机械强度高的不锈钢管配置在内侧而抑冷冻却时的耐磨损性树脂部件40的 热收缩。因此，不锈钢制气缸和置换器的热变形特性相似。在筒状部件30的上端开放部插入有圆环形的盖部件41。其他的结构与图3所示 的置换器相同。根据如图3、图4所示的第2级置换器14的结构例，由于不需要容纳密封 圈，所以可以弄薄筒状部件30的侧壁的厚度。这意味着可以增大第2级置换器14内的铋蓄冷材料18的容纳空间。铋蓄冷材料 18的增量关联到冷冻能力的增大。尤其，将比热小于铅的铋作为蓄冷材料18而使用时，该 铋蓄冷材料18的增量在使冷冻特性提高的方面有利。而且，图2所示的蓄冷器式冷冻机，对仅在第2级置换器14设置螺旋形气体通道 38的结构进行了说明。然而，也可以在第1级置换器设置螺旋形气体通道。图6表示在外 周面设置螺旋形的气体通道的第1级置换器的结构例。由织物苯酚树脂形成的筒状部件50为具有上盖的圆柱形状，其下端被开放。在筒 状部件50的上盖上面安装有具有稍小于筒状部件50的外径的直径的凸缘51。在凸缘51 和筒状部件50的上盖设置有形成气体通道的开口 52。在凸缘51的上面安装有用于向图中 箭头的方向上下驱动筒状部件50的驱动轴S。在筒状部件50内配置有未图示于上面的金属网。在金属网的下面填充有铜金属 网等的蓄冷材料17。在蓄冷材料17的下面配置有未图示的其他的金属网。在筒状部件50 的侧壁以配置蓄冷材料17的下侧的金属网的高度形成有用于形成气体通道的开口 53。另外，在筒状部件50的下侧开放端插入由织物苯酚树脂等形成的盖部件54，与筒 状部件50粘合。盖部件54是盲板，并密封关闭筒状部件50的下端的开口。而且，在盖部 件54的下面形成有用于安装为了与第2级置换器14连接的耦合机构36的凹部。在筒状部件50的外周面从上端到形成开口 53的高度形成有由1个螺旋形槽构成 的螺旋形气体通道55。比筒状部件50的开口 53的高度处于下方的部分的外径成为比其上 方的部分的外径稍小。从而，在比开口 53的高度处于下方的部分，在第1级气缸11的内面 和筒状部件50的外周面之间形成间隙。该间隙部分成为连结筒状部件50的内部和图2所 示的膨胀空间21之间的气体通道。
由于凸缘51的直径稍小于筒状部件50的外径，所以在凸缘的外周面和气缸内面 之间形成间隙。该间隙成为连结气体通道53和图2所示的第1级气缸11内的上部空间的 气体通道。这样，通过在第1级置换器设置螺旋形气体通道55，以与冷却特性在上述的第2 级提高的情况相同的理由，可以使第1级的冷却特性提高。 而且，在上述实施方式中，对在置换器表面形成螺旋形气体通道38的情况进行了 说明，但是在气缸2、11、12和置换器3、13、14之间的间隙流动的氦气只要是与气体通道表 面充分地进行热交换而流动的形状，就不限于螺旋形，也可以为其他的形状。以下，参照图 12对其他的气体通道形状进行说明。图12表示将形成在置换器的外周面的沟槽图案向圆周方向展开的简要展开图。 另外，图12是表示沟槽图案的形状的特征的图，而不是表示槽的齿距、对槽的轴向的倾斜 等的图。图12(A)表示从置换器外周面的一端到另一端形成1个螺旋形槽的情况。如图 12(B)所示，也可以设置多根螺旋形的槽。在图12(B)中，表示大致平行地形成4个槽的情 况。而且，如图12(C)及(D)所示，也可以将螺旋形的槽设为波形线或曲折线。另外，如图 12(E)所示，也可以组合与置换器的轴向平行的直线和垂直的直线而设为台阶形Z字线。而 且，如图12(F)所示，也可以组合波形线和Z字线。如图12(G)所示，也可以设为组合螺旋的旋转方向相互成为相反方向的2个螺旋 或者2个以上的螺旋而螺旋形槽相互交叉。另外，如图12(H)所示，也可以设为在外周面的 圆周方向形成多个圆周形槽并设置相互连接邻接的槽的连接槽的形状。此时，为了尽量加 长气体通道长度，优选将形成在圆周形槽的上下的连接槽设置在圆周上的不同的位置。另 夕卜，优选设置在相互成为轴对称的位置。这样，通过在沟槽图案中至少一部分的槽沿相对于置换器的轴向交叉的方向而形 成，与气体向轴向平行地流动的情况相比，在更长的路径流动。因此，在气体和置换器及气 缸之间可更有效地进行热交换。形成在置换器的外周面的气体通道的剖面也可以为矩形、三角形、半圆形等以及 其他的形状。而且，为了提高在形成于置换器的外周面的气体通道流动的气体的热交换效 率，也可以在置换器外周面或者气体通道的内面粘贴蓄冷材料。而且，也可以在气体通道内 填充蓄冷材料。在上述实施方式中，对在置换器3、13、14的外周面形成沟槽图案的情况进行了说 明，但是即使在气缸2、11、12的内周面形成沟槽图案，也可以获得相同的效果。此时，在气 缸内周面形成沟槽图案为宜，使得至少连结包括置换器进行往返运动的范围的筒状区域的 两端。图13表示在气缸内周面形成沟槽图案的气缸及置换器的基本结构。代替形成在 置换器2的外周面的螺旋形气体通道4，在气缸1的内周面形成有螺旋形气体通道4a。其 他是与图1的基本结构相同的结构。另外，不限于螺旋形的沟槽图案，也可以形成如图12 所示的各种沟槽图案。以上按照实施方式说明了本发明，但是本发明不限于这些。例如，不限于蓄冷器式 冷冻机，可以将本发明应用于利用斯特林冷冻机或索尔文循环冷冻机等其他蓄冷器的冷冻 机。
而且，举例说明了二级式置换器的结构，但是也可以应用于利用一级式或三级式以上的置换器的情况。而且，在其他的结构中，也可以将本发明应用于在低温下利用置换器 的蓄冷器式冷冻机。其他，可以进行各种变更、改善、组合等的技术对本技术领域者不言自 明。
权利要求
一种蓄冷器式冷冻机，可以获得无载荷的最低到达温度5K～15K的极低温，其特征在于，包括气缸，由具有导热率低且气密性高的材料形成的圆柱形的内周面；置换器，具有沿稍小于上述气缸的内周面的直径的圆柱形状的外周面，可在轴向往返运动地配置在上述气缸内，在上述气缸内的一端形成膨胀空间；沟槽图案，形成为在上述置换器的外周面上或上述气缸的内周面上的任意一方构成连结该外周面或该内周面的两端的辅助气体通道，包括至少一部分沿相对于上述置换器的轴向交叉的方向的槽而构成，使得在上述气缸和上述置换器之间的间隙，从该外周面或该内周面的一端朝向另一端流动的气体与上述气缸及上述置换器积极地进行热交换；主气体通道，用于将气体供给到上述膨胀空间以及用于从上述膨胀空间回收气体；以及蓄冷材料，由铋的粒体构成，并配置在上述主气体通道内的至少一部分。
2.如权利要求1所述的蓄冷器式冷冻机，其特征在于， 上述沟槽图案为螺旋形状。
3.如权利要求2所述的蓄冷器式冷冻机，其特征在于，上述沟槽图案为至少2根以上的螺旋大致平行地配置的多重螺旋形状。
4.如权利要求1至3中的任一项所述的蓄冷器式冷冻机，其特征在于，上述置换器在内部具有中空腔，在该中空腔内填充上述蓄冷材料，该中空腔形成上述 主气体通道。
5.如权利要求1至4中的任一项所述的蓄冷器式冷冻机，其特征在于， 上述气缸的内周面和上述置换器的上述外周面的间隙为0. Olmm 0. 03mm。
6.如权利要求1至5中的任一项所述的蓄冷器式冷冻机，其特征在于， 上述铋的粒体的粒径为0. 14mm 1. 6mm。
全文摘要
本发明提供一种蓄冷器式冷冻机，可以通过填装蓄冷材料的置换器在气缸内进行往返运动而获得极低温，其课题在于，作为蓄冷材料使用铋，并且实现15K以下的极低温。该蓄冷器式冷冻机包括气缸(1)，具有圆柱形的内周面；置换器(2)，可在轴向往返运动地配置在气缸(1)内的同时，在气缸(1)内的一端形成膨胀空间(6)；沟槽图案(2a)，形成为构成连结置换器(2)的外周面的两端的辅助气体通道(3)，并包括至少一部分沿相对于置换器(2)的轴向交叉的方向的槽而构成，使得在气缸(1)和置换器(2)之间的间隙，从上述外周面的一端朝向另一端流动的气体与气缸(1)及置换器(2)积极地进行热交换；主气体通道(3)，用于相对于膨胀空间(6)供给或回收气体；以及铋蓄冷材料(5)，由铋的粒体构成，并配置在主气体通道(3)内的至少一部分。
文档编号F25B9/00GK101839582SQ20101013593
公开日2010年9月22日 申请日期2010年3月16日 优先权日2009年3月16日
发明者中岛锦, 来住和广 申请人:住友重机械工业株式会社