专利名称：超低温制冷机及冷却方法
技术领域：
本发明涉及一种超低温制冷机及冷却方法。
背景技术：
例如在专利文献I中记载有使用了吉福德-麦克马洪(GM)循环等的超低温制冷装置。该超低温制冷装置上设置有压缩机，该压缩机吸入从制冷机排出的低压制冷剂气体并作为高压制冷剂气体向制冷机送出。另外，制冷机中内置有回转阀装置，该回转阀装置用于控制制冷机与压缩机的制冷剂气体的流动。回转阀装置上形成有吸气阀及排气阀，该吸气阀用于将制冷剂气体向制冷机吸气，该排气阀用于排出制冷剂气体。吸气阀用于从压缩机向制冷机供给高压制冷剂气体而设置，排气阀用于从制冷机向压缩机排出低压制冷剂气体而设置。·专利文献专利文献I :日本专利第2617681号公报因此，在开阀时，有相当于压缩机的出入口之间的差压的比较大的差压作用于吸气阀及排气阀。差压越大，阀的能量的损耗越变大。这是因为通过阀时，流动产生混乱，能量作为摩擦热等流失。更准确而言，流动的熵值变大。考虑到这种能量损失，制冷机上设置有比较大型的压缩机。然而，从节能观点考虑，只要能够实现相同级别的制冷性能，就优选使用耗电更小的压缩机。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种节能性能优异的超低温制冷机及冷却方法。根据本发明的一个形态，提供一种超低温制冷机，其具有制冷机，其具备为了对工作气体进行吸排气而在缸的内部进行驱动的置换器；压缩机，其用于压缩从所述缸排出的低压工作气体并作为高压工作气体向所述缸送出；及中间压缓冲容积，其与所述压缩机的高压侧及低压侧中的至少一侧连接并由所述压缩机调压，且该中间压缓冲容积与所述缸连接。根据该形态，能够使用中间压缓冲容积来减轻缸与压缩机的差压。并能够减小压缩机与缸之间的工作气体流动中的能量损失，因此能够采用耗电较小的压缩机并实现节能性优异的超低温制冷机。另外，缓冲容积调压为中间压也有助于制冷机的节能性。根据本发明的另一形态，提供一种冷却方法。该方法通过包含吸气工序和排气工序的热循环产生寒冷，所述吸气工序将工作气体从高压源向膨胀空间吸气，所述排气工序使工作气体膨胀并从该膨胀空间向低压源排气。所述吸气工序包括从中压源向所述膨胀空间吸气的工序，且该中压源具有所述高压源及低压源的中间压。在所述排气工序开始之前，将所述中压源与与所述膨胀空间隔断并将所述中压源以减轻其与所述膨胀空间的差压的方式进行升压。根据本发明的另一形态，提供一种冷却方法。该方法通过包含吸气工序和排气工序的热循环产生寒冷，该吸气工序将工作气体从高压源向膨胀空间吸气，该排气工序使工作气体膨胀并从该膨胀空间向低压源排气。所述排气工序包括从所述膨胀空间向中压源排气的工序，且该中压源具有所述高压源及低压源的中间压。在所述吸气工序开始之前，将所述中压源与所述膨胀空间隔断并将所述中压源以减轻其与所述膨胀空间的差压的方式进行减压。发明效果
根据本发明，能够提供一种节能性优异的超低温制冷机及冷却方法。
图I是示意地表示本发明的一实施方式所涉及的超低温制冷机的结构的图。图2是示意地表示本发明的一实施方式所涉及的超低温制冷机的动作的一例的图。图3是示意地表示本发明的一实施方式所涉及的超低温制冷机的结构的图。图4是示意地表示本发明的其他实施方式所涉及的超低温制冷机的结构的图。图5是示意地表示本发明的另一实施方式所涉及的超低温制冷机的动作的一例的图。
具体实施例方式图I是示意地表示本发明的一实施方式所涉及的超低温制冷机10的结构的图。超低温制冷机10为具备在缸12的内部被机械地驱动的置换器14且通过GM循环产生寒冷的吉福德-麦克马洪式制冷机(所谓GM制冷机)。超低温制冷机10的冷头构成为包含缸12及置换器14。置换器14通过置换器驱动机构16往复移动于缸12的高温端与低温端。置换器驱动机构16例如包含马达、用于将该马达输出的旋转运动转换为往返运动并向置换器14传递的曲柄及止转棒轭。密封件18配置于缸12与置换器14之间，分隔缸12的高温侧的上部室20与低温侧的膨胀室22。将膨胀室22的工作气体压力记为缸压PC。上部室20与蓄冷器24通过第I气体流路26连接，膨胀室22与蓄冷器24通过第2气体流路28连接。工作气体例如为氦气。另外，图示的例子中，虽然蓄冷器24设置于缸12的外部，但蓄冷器24可组装于置换器14的内部。如图所示，超低温制冷机10不限定于单级制冷机，可为串联连接的多个(例如2个)缸的内部分别收容有能够往复移动的置换器的多级(例如2级)制冷机。另外，超低温制冷机10可构成为通过工作气体的压力驱动置换器14。超低温制冷机10可构成为通过GM循环以外的适当的热循环例如苏尔威循环产生寒冷。超低温制冷机10进一步具备压缩机30及压力控制部32。压缩机30用于使工作气体循环而设置。即，压缩机30压缩从缸12排出的低压PL的工作气体，并再次将高压PH的工作气体向缸12送出。高压配管42及低压配管44分别从压缩机30的吐出口及吸入口延伸，通过高压配管42及低压配管44连接压缩机30与压力控制部32。压缩机30与压力控制部32分开构成，如此由配管连接。压缩机30构成为吸入基本上恒定的低压PL的工作气体，且吐出基本上恒定的高压PH的工作气体。然而，压缩机30也可构成为输入压及输出压的至少一个可变。例如，压缩机30可控制为将压缩机30的出入口之间的差压维持在目标压力。压力控制部32设置于缸12与压缩机30之间，且将压缩机30与缸12的高温端连接。压力控制部32与置换器14的往复移动同步而周期性地切换压缩机30与缸12的连接状态，以便实现用于产生寒冷的热循环。即，压力控制部32在向缸12填充工作气体的吸气工序中将压缩机30的高压侧与缸12连接，在从缸12排出工作气体的排气工序中将压缩机30的低压侧与缸12连接。另外，如后所述，压力控制部32不仅将缸12切换连接于高压源及低压源，而且还使缓冲容积34与缸12连接。压力控制部32构成为包含至少一个缓冲容积34、高压阀VI、中压阀V2及低压阀V3。高压阀Vl设置在高压气体流路36上，用于使压缩机30的高压侧与缸12的上部室20连通。中压阀V2设置在中压气体流路38上，用于使缓冲容积34与缸12的上部室20或膨胀室22连通。低压阀V3设置在低压气体流路40上，用于使压缩机30的低压侧与缸12的 膨胀室22连通。高压阀VI、中压阀V2及低压阀V3相对于缸12及蓄冷器24并列设置。通过打开高压阀VI、中压阀V2及低压阀V3中的至少一个阀，与所打开的阀相对应的高压源、中压源及低压源中的至少一个与缸12及蓄冷器24连通。S卩，超低温制冷机10具备工作气体源，该工作气体源包含能够选择性地与缸12连通的高压源、中压源及低压源。高压气体流路36的一端与从压缩机30的吐出口延伸的高压配管42连接，高压气体流路36的另一端与第I气体流路26连接。中压气体流路38的一端与缓冲容积34连接，中压气体流路38的另一端与第I气体流路26连接。低压气体流路40的一端与从压缩机30的吸入口延伸的低压配管44连接，低压气体流路40的另一端与第I气体流路26连接。缓冲容积34以通过压缩机30调压为高压PH及低压PL的中间压的方式而与压缩机30的高压侧及低压侧中的至少一侧连接。将缓冲容积34的压力记为缓冲压PB。参考图2，如后所述，缓冲压PB在热循环内由压力控制部32控制在中间压力范围内。该中间压力范围的上限压小于压缩机30的高压PH，下限压大于压缩机30的低压PL。如此，缓冲容积34作为中压源发挥作用，且该中压源通过高压源及低压源中的至少一方调压，其中该高压源用于向膨胀空间供给工作气体，该低压源用于从膨胀空间排出工作气体。缓冲压PB例如在中压阀V2的闭阀期间的至少一部分期间内，以恢复到设定压的方式进行调压。能够通过压缩机30恢复因使缓冲容积34与缸12连通而引起的缓冲压PB的增减。因此，即使将缓冲容积34设为比较小，也能够使其作为充分的工作气体源来发挥作用。例如，能够将缓冲容积34设为小于缸12或膨胀室22的容积来实现超低温制冷机10的小型化。与此相对，当不通过压缩机30恢复缓冲压PB时，可考虑设置相应的大容积的缓冲器。当不那么重视缓冲器的小型化时，可设为不进行缓冲压PB的恢复。此时，也可以不设置用于将缓冲容积34与压缩机30连通的连接通道。考虑到高压阀VI、中压阀V2及低压阀V3被开阀时作用于各阀的差压，缓冲容积34的设定压以减小因各阀中的工作气体流动引起的能量损失的方式进行设定。如图所示，当设置一个缓冲容积34时，可将压缩机30的高压PH及低压PL的平均值PM设为缓冲容积34的设定压。或者，可将设定压设定为比平均值PM更高的高压或更低的低压。缓冲容积34设置在连通压缩机30的高压侧与低压侧的连接通道。无论高压阀Vl及低压阀V3的开闭状态如何，缓冲容积34都能够与压缩机30的高压侧或低压侧连通。具体而言，缓冲容积34设置为在高压阀Vl闭阀时能够与压缩机30的高压侧连通。另外，缓冲容积34设置为在低压阀V3闭阀时能够与压缩机30的低压侧连通。由此，既能够与超低温制冷机10的热循环同步而对缓冲容积34进行调压，又能够不受热循环内的各工序的定时的制约而独立地调整缓冲压PB。缓冲容积34上连接有第I连接通道46及第2连接通道48各自的一端。也可省略第I连接通道46及第2连接通道48的其中之一，而缓冲容积34与压缩机30的高压侧或低压侧的任一方连接。在一实施例中，缓冲容积34为缓冲罐。如图所示，缓冲容积34可与压缩机30及缸12分开设置，互相以配管及流路连接。或者，缓冲容积34也可组装于缸12或置换器驱动机构16的内部。缓冲容积34也可组装于压缩机30。第I连接通道46的另一端与高压气体流路36连接，第2连接通道48的另一端与低压气体流路40连接。即，高压气体流路36在比高压阀Vl更靠上游处向第I连接通道46分支，低压气体流路40在低压阀V3的下游向第2连接通道48分支。在此“上游”是指在从压缩机30的吐出口送出且经由缸12及蓄冷器24而回到压缩机30的吸入口的工作气体·的循环路径中靠近压缩机30的吐出口的一侧，“下游”是指靠近压缩机30的吸入口的一侧。另外，高压气体流路36可在比高压阀Vl更靠下游处向第I连接通道46分支，低压气体流路40可在低压阀V3的上游处向第2连接通道48分支。设置有缓冲容积34的连接通道上设置有用于对缓冲容积34进行调压的流动调整部。在图I所示的实施例中，流动调整部为用于调节连接通道的流量的阀，通过控制开闭时刻或阀的开度来调节流量。使用阀作为流动调整部，从而能够提高缓冲压PB的调压的控制性。能够通过阀的开闭来自由调整缓冲压PB。压力控制部32包含用于对缓冲容积34进行调压的第I调压阀VH及第2调压阀VL0第I调压阀VH设置于第I连接通道46，第2调压阀VL设置于第2连接通道48。可省略第I调压阀VH及第2调压阀VL的任一方。此时，可设置节流孔来代替第I调压阀VH及第2调压阀VL的至少一方。也可使压力控制部32的至少局部以与置换器14的往复移动同步并机械地动作的方式而组装于缸12或置换器驱动机构16。例如，可设置与置换器驱动机构16联动而交替开闭高压阀Vl及低压阀V3的回转阀机构。可在该回转阀机构中，以在分别对高压阀Vl及低压阀V3进行开阀之前暂时对中压阀V2进行开阀的方式形成中压阀V2。而且，第I调压阀VH及第2调压阀VL可形成于回转阀机构。或者，压缩机30上也可组装压力控制部32的至少局部。另外，包含于压力控制部32的至少一个阀也可为单独开闭的控制阀。用于控制该控制阀的开闭的控制器(未图示)也可设置于超低温制冷机10。该控制器也可为用于控制超低温制冷机10的控制装置。例如，第I调压阀VH及第2调压阀VL也可为根据需要独立于其他阀且能够开闭的控制阀。制冷循环包含吸气工序和排气工序，该吸气工序将工作气体从高压源向膨胀空间吸气，该排气工序使工作气体膨胀并从该膨胀空间向低压源排气。在本实施例中，吸气工序包含从中压源向膨胀空间吸气的工序，排气工序包含从膨胀空间向中压源排气的工序。在一实施例中，中压源为缓冲容积34。吸气工序与排气工序交替进行。也可在刚进行吸气工序及排气工序的一个工序之后连续进行吸气工序及排气工序的另一个工序。或者，也可在吸气工序与排气工序之间隔着不进行吸排气的间隔而交替进行吸气工序与排气工序。 在一实施例中，使用中压源作为工作气体源而开始吸气工序。在吸气工序的中途，工作气体源从中压源向高压源过渡，通过从高压源的吸气来完成吸气工序。另外，在一实施例中，使用中压源作为工作气体源而开始排气工序。在排气工序的中途，工作气体源从中压源向低压源过渡，通过向低压源的排气来完成排气工序。工作气体源的过渡即可为结束从中压源的吸气并开始从高压源或低压源的吸排气的切换式过渡，也可为包含在结束从中压源的吸气之前开始从高压源或低压源的吸排气的并用状态的过渡。该工作气体源的过渡也可在吸气工序及排气工序的至少一个工序中进行。在一实施例中，缓冲压PB与缸压PC大体联动而被调压。如此，将缓冲容积34调压为中间压力范围，以便在缸12排出低压工作气体时成为相对低压，且在缸12对高压工作气体进行吸气时成为相对高压。如上述，中间压力范围为由小于压缩机30的高压PH的缓冲最大压和大于压缩机30的低压PL的缓冲最小压所规定的缓冲压PB的调压范围。若如此，则在缸压PC因从缸12的排气而下降时，缓冲压PB也一定程度地减压。相同道理，在缸压PC因向缸12的吸气而上升时，缓冲压PB也一定程度地增压。由于能够将缓冲压PB与缸压PC的差压设为比较小，因此能够抑制中压气体流路38上的能量损失。优选在即将开始吸气工序之前，将缓冲压PB调压为相对低压的第I设定压。在吸气工序中，将缓冲压PB控制在中间压力范围的低压区域内，且在即将开始排气工序之前，将其调压为相对高压的第2设定压。在排气工序中，将缓冲压PB控制在中间压力范围的高压区域内，且在即将开始吸气工序之前，将其再次调压为相对低压的第I设定压。也可使第I设定压与高压区域的下限值相等，第2设定压与低压区域的上限值相等。可通过将低压区域的上限值设为大于高压区域的下限值来使低压区域与高压区域重叠。或者，也可通过使低压区域的上限值与高压区域的下限值一致、即设成第I设定压与第2设定压相等来将中间压力范围划分为低压区域和高压区域。图2是示意地表示本发明的一实施方式所涉及的超低温制冷机10的动作的一例的图。图2的下部表示I个周期的热循环中压力控制部32的各阀的开闭状态的一例。图2的上部及中部表示缓冲压PB及缸压PC由于该开闭状态的变化而产生的时间变化。如图所示，该例子中，在I次循环内依次切换步骤I到步骤6的6个阶段的阀开闭状态。前半部分的步骤I到步骤3为吸气工序，后半部分的步骤4到步骤6相当于排气工序。在图2所示的动作例中(在图5所示的动作例中也相同)，在吸气工序中，在使压缩机30的高压侧与缸12连通之前，缓冲容积34与缸12连通。通过缓冲压PB而使缸压PC升压，作用于高压阀Vl的差压减轻。最迟在开始排气工序之前，优选在开启高压阀Vl之前，从缸12隔断缓冲容积34。以恢复缓冲压PB的减少量的至少一部分的方式从压缩机30向缓冲容积34供给工作气体，使缓冲压PB升压，以减小与缸压PC的差压。另外，在排气工序中，在使压缩机30的低压侧与缸12连通之前，缓冲容积34与缸12连通。通过缓冲压PB而使缸压PC减压，作用于低压阀V3的差压减轻。最迟在开始吸气工序之前，优选在开启低压阀V3之前，从缸12隔断缓冲容积34。以消耗缓冲压PB的增加量的至少一部分的方式从缓冲容积34向压缩机30排出工作气体，使缓冲压PB减压，以减小与缸压PC的差压。如此，在图2所示的动作例中，交替反复进行由中压源形成的高压阀Vl及低压阀V3的差压降低与中压源的工作气体压的复原。更加具体而言，如图2所示，吸气工序的开始时刻的工作气体压的初始状态为如下缓冲压PB为第I设定压P1，缸压PC由于排气工序的完成而实际上与压缩机30的低压PL相等。第I设定压Pl设定为比压缩机30的低压PL与高压PH的平均值PM更低的低压。各阀在吸气工序的开始时刻呈步骤I的开闭状态。即，压力控制部32的阀中只有中压阀V2开阀。高压阀VI、低压阀V3、第I调压阀VH及第2调压阀VL则闭阀。在高压阀Vl关闭的状态下，中压阀V2首先开阀，由此缓冲容积34先与缸12连通。置换器14位于缸12的低温侧，从缓冲容积34向缸12主要向上部室20供给工作气体。如此，开始缸压PC的升压。另一方面，缓冲压PB逐渐从第I设定压Pl下降。步骤I的结束时刻的缓冲压PB成为缓冲压PB的最小值。在预定的步骤切换条件成立时，阀开闭状态从步骤I切换至步骤2。步骤切换条件可根据工作气体压和/或经过时间来规定。步骤切换条件例如可为缸压PC升压至预定压，也可为缓冲压PB下降至预定压。也可将从吸气工序的开始时刻经过预定时间设为步骤 切换条件。通过控制器单独控制阀的开闭时，控制器在步骤切换条件成立时切换开闭状态。或者，(例如在回转阀机构中)结构性组装阀，以便使各阀在设计上规定的步骤切换条件下开闭。在以下叙述的各步骤的切换中也同样地能够适用例如基于工作气体压和/或经过时间的步骤切换条件。在步骤2中，高压阀Vl及第I调压阀VH开阀。中压阀V2、低压阀V3及第2调压阀VL则闭阀。即，高压阀Vl及第I调压阀VH从关闭状态切换为开启状态，中压阀V2从开启状态切换为关闭状态。低压阀V3及第2调压阀VL持续关闭状态。如此，缸12的工作气体源从缓冲容积34切换为压缩机30，压缩机30的高压PH导入到缸12。缸压PC变得基本上与高压PH相等。另外，缓冲容积34与压缩机30的高压侧连通，缓冲压PB逐渐朝向第2设定压P2升压。使步骤I中的缓冲压PB的下降量恢复，进而缓冲压PB调压为超过第I设定压Pl的高压。第2设定压P2设定为比压缩机30的低压PL与高压PH的平均值PM更高的高压。第2设定压P2成为缓冲压PB的吸气工序中的最大值。在吸气工序中，缓冲压PB在从步骤I完成时刻的最小压到第2设定压P2的比较低的低压的范围内调压。另外，图示的例子中，第I设定压Pl与第2设定压P2的平均值设定为压缩机30的平均压PM。在步骤3中，只有高压阀Vl开阀。即，高压阀Vl保持开启状态。第I调压阀VH从开启切换为关闭。中压阀V2、低压阀V3及第2调压阀VL保持关闭状态。另外，可在缸压PC到达高压PH之前从步骤2切换到步骤3。另外，第I调压阀VH可在步骤3的中途，在完成吸气工序之前，从开启切换为关闭。由于第I调压阀VH、第2调压阀VL及中压阀V2关闭，因此缓冲压PB保持恒定。缸压PC维持成基本上与压缩机30的高压PH相等。主要在步骤3中，置换器14从缸12的低温端向高温端移动，缸12的膨胀室22的容积被最大化。此时，室温的工作气体一边通过蓄冷器24而被冷却，一边填充于膨胀室22。如此，膨胀室22被高压工作气体充满而完成吸
气工序。开始排气工序。图示的例子中，排气工序的开始时刻与吸气工序的完成时刻一致，但也可使这些时刻不同。可在从完成吸气工序之后经过预定时间时，开始排气工序。在排气工序的开始时刻的工作气体压的初始状态为如下缓冲压PB为第2设定压P2，缸压PC因吸气工序的完成而实际上与压缩机30的高压PH相等。在步骤4中，压力控制部32的阀中只有中压阀V2开阀。高压阀VI、低压阀V3、第I调压阀VH及第2调压阀VL则闭阀。在低压阀V3关闭的状态下，中压阀V2首先开阀，由此缓冲容积34先与缸12连通。置换器14位于缸12的高温侧，工作气体从缸12主要从膨胀室22向缓冲容积34膨胀而被排出。如此，开始缸压PC的减压。通过此时的西蒙膨胀，工作气体温度下降，产生寒冷。另一方面，缓冲压PB通过从缸12的流入而进一步从第2设定压P2上升。步骤4的结束时刻的缓冲压PB成为缓冲压PB的最大值。在步骤5中，低压阀V3及第2调压阀VL开阀。中压阀V2、高压阀Vl及第I调压阀VH闭阀。S卩，低压阀V3及第2调压阀VL从关闭状态切换为开启状态，中压阀V2从开启状态切换为关闭状态。高压阀Vl及第I调压阀VH则保持关闭状态。
如此，缸12的工作气体源从缓冲容积34切换为压缩机30，工作气体从缸12的膨胀室22向压缩机30的低压侧膨胀而被排出。缸压PC变得实际上与低压PL相等。另外，缓冲容积34与压缩机30的低压侧连通，缓冲压PB逐渐朝向第I设定压Pl减压。缓冲压PB被减压的量比步骤4中的缓冲压PB的增加量更大。第I设定压Pl成为排气工序中的缓冲压PB的最小值。在排气工序中，缓冲压PB在从步骤4完成时刻的最大压到第I设定压Pl的比较高的高压的范围内调压。在步骤6中，只有低压阀V3开阀。即，低压阀V3保持开启状态。第2调压阀VL从开启切换为关闭。中压阀V2、高压阀Vl及第I调压阀VH则保持关闭状态。另外，也可在缸压PC到达低压PL之前，从步骤5切换为步骤6。另外，第2调压阀VL可在步骤6的中途，在完成排气工序之如，从开启切换为关闭。由于第I调压阀VH、第2调压阀VL及中压阀V2关闭，因此缓冲压PB保持恒定。缸压PC维持为实际上与压缩机30的低压PL相等。在步骤6中，主要是置换器14从缸12的高温端向低温端移动，缸12的膨胀室22的容积被最小化。冷却后的工作气体通过置换器14从膨胀室22挤出，一边冷却蓄冷器24，一边通过该蓄冷器。如此，从膨胀室22排出低压工作气体，完成排气工序。再次开始吸气工序，重复热循环。另外，在图2中，图示为各步骤中分配相等的所需时间，但这只不过为了方便说明。各步骤的所需时间可调整为最适于实现所希望的制冷性能的时间。另外，在从一个步骤向下一个步骤过渡时，无需同时切换所有阀的开闭状态。可使一部分阀的开闭稍微先于(或者迟于)其他阀进行开闭。例如，高压阀Vl及低压阀V3的开闭时刻与第I调压阀VH及第2调压阀VL的开闭时刻可不必一定同时。若附加说明，则还有可能中压阀V2的开阀期间未必一定在吸气工序及排气工序的最初。可将中压阀V2的开阀期间设在开始吸气工序后或开始排气工序后。到缸12被充分升压(或减压)为止，在高压阀Vl (或低压阀V3)上在开阀期间中作用有相应的差压。由此，可考虑即使在吸气工序的中途(或排气工序的中途)暂时对中压阀V2进行开阀，也有减轻作用于高压阀Vl (或低压阀V3)的差压的相应的效果。此时，为了避免在缓冲容积34与缸12之间产生与假想的流动方向相反方向的流动，优选针对吸气工序(或排气工序)在缓冲压PB比缸压PC高压(或低压)时设定中压阀V2的开阀期间。根据上述的实施方式，在开始向缸12吸气时，缓冲容积34优先被连通。由此，能够在减轻作用于高压阀Vl的差压之后进行开阀。另外，在从缸12的排气中，将缓冲压PB预先调压为较低，在吸气时作用于中压阀V2的差压也被减轻。由此，还能够减小因优先连通缓冲容积34引起的中压阀V2中的能量损失。同样道理，在开始从缸12的排气时，缓冲容积34优先被连通。由此，能够在减轻作用于低压阀V3的差压之后进行开阀。另外，向缸12的吸气中，将缓冲压PB预先调压为较高，在排气时作用于中压阀V2的差压也被减轻。由此，还能够减小因优先连通缓冲容积34引起的中压阀V2中的能量损失。
如此，由于减小工作气体流动中的能量损失，因此能够采用耗电较小的压缩机30来实现节能性优异的超低温制冷机10。另外，相比较于使缓冲压反复增减至压缩机的最大压级别及最小压级别的情况，将缓冲容积34维持在中间压力范围也更有助于节能性。而且，由于能够通过对缓冲容积34进行调压来减小缓冲容积34，因此还能够配合压缩机的小型化而整体上缩小超低温制冷机10。图3是示意地表示本发明的一实施方式所涉及的超低温制冷机10的结构的图。图I所示的超低温制冷机10具有I个缓冲容积34，与此相对，图3所示的超低温制冷机10在具有多个缓冲容积这一点上有所不同。在以下说明中，为了避免冗长，关于与已经叙述过的实施例共同的部分，附加相同的参考符号而适当省略说明。另外，与图I所示的实施例相关地说明的变形例也能够适用于图3所示的实施例。超低温制冷机10的压力控制部32除第I缓冲容积34之外还具备第2缓冲容积50。第I缓冲容积34与图I所示的实施例同样，经第I连接通道46及第2连接通道48分别与压缩机30的高压侧及低压侧连通。第I连接通道46上设置第I调压阀VH1，第2连接通道48上设置第2调压阀VL1。为了将第I缓冲容积34与缸12连通，在第I中压气体流路38上设置有第I中压阀V21。第2缓冲容积50以与第I缓冲容积34并列且与第I缓冲容积34相同的配置进行设置。第2缓冲容积50经第I连接通道52与压缩机30的高压侧连通，并经第2连接通道54与压缩机30的低压侧连通。第I连接通道52上设置第I调压阀VH2，第2连接通道54上设置第2调压阀VL2。为了将第2缓冲容积50与缸12连通，在第2中压气体流路56上设置有第2中压阀V22。第2中压气体流路56与第I气体流路26连接。在一实施例中，第I缓冲容积34的缓冲压PBl与第2缓冲容积50的缓冲压PB2调压为不同的值。将一个缓冲容积的压力控制在比另一个缓冲容积的压力更高的高压的范围。例如，将第I缓冲容积34的缓冲压PBl的热循环I个周期的平均值设定在PM+APJf第2缓冲容积50的缓冲压PB2的热循环I个周期的平均值设定在PM-Λ P。在吸气工序时，从低压的缓冲容积起依次与缸12连通。相反，在排气工序时，从高压的缓冲容积起依次与缸12连通。若如此，则能够进一步减轻作用于高压阀Vl及低压阀V3的差压。另外，也能够减小作用于中压阀V21、中压阀V22的差压。图4是示意地表示本发明的其他实施方式所涉及的超低温制冷机10的结构的图。图I所示的超低温制冷机10中设置第I调压阀VH及第2调压阀VL作为流动调整部，与此相对，图4所示的超低温制冷机10在流动调整部为节流孔这一点上有所不同。在以下说明中，为了避免冗长，关于与已经叙述的实施例共同的部分，附加相同的参考符号而适当省略说明。另外，与图I至图3所示的实施例相关地说明的变形例也能够适用于本实施例。
如图4所示，设置第I调压节流孔OH及第2调压节流孔OL来代替第I调压阀VH及第2调压阀VL。通过使用节流孔作为流动调整部来代替阀，从而能够简化压力控制部32的结构。第I调压节流孔OH设置于第I连接通道46，第2调压节流孔OL设置于第2连接通道48。第I调压节流孔OH及第2调压节流孔OL的开度预先调整为与缓冲压PB联动。即，当缓冲压PB比设定压PM更低压时，节流孔的开度设定为第I调压节流孔OH的流量大于第2调压节流孔0L。当缓冲压PB与设定压PM相等时，节流孔的开度设定为第I调压节流孔OH及第2调压节流孔OL的流量相等。当缓冲压PB比设定压PM更高压时，节流孔的开度设定为第2调压节流孔OL的流量大于第I调压节流孔0H。另外，也可省略第I调压节流孔OH及第2调压节流孔OL的任一方。此时，还可省略未设置节流孔的一侧的连接通道。即，也可使缓冲容积34通过附带节流孔的连接通道与压缩机30的高压侧及低压侧中的至少一侧连通。当仅设置第I调压节流孔OH时，优选使设定压小于平均压PM而将调压范围设为低压。当仅设置第2调压节流孔OL时，优选使设定压大于平均压PM而将调压范围设为高压。·图5是示意地表示图4所示的超低温制冷机10的动作的一例的图。图5的下部示出压力控制部32的各阀在I个周期的热循环中的开闭状态的一例。图5的上部及中部示出缓冲压PB及缸压PC由于其开闭状态的变化而导致的时间变化。如图所示，该例子中，在I次循环内依次切换为步骤I到步骤6的6个阶段的阀的开闭状态。前半部分的步骤I到步骤3为吸气工序，后半部分的步骤4到步骤6相当于排气工序。步骤2及步骤3的阀开闭状态相同，步骤5及步骤6的阀开闭状态相同。如图5所示，吸气工序的开始时刻的工作气体压的初始状态为如下缓冲压PB为平均压PM，缸压PC由于排气工序的完成而实际上与压缩机30的低压PL相等。在步骤I中，只有中压阀V2开阀。高压阀Vl及低压阀V3则闭阀。在高压阀Vl关闭的状态下，中压阀V2首先开阀，由此缓冲容积34先与缸12连通，开始缸压PC的升压。置换器14位于缸12的低温侧，从缓冲容积34向缸12主要向上部室20供给工作气体。无论中压阀V2开闭与否，缓冲容积34都通过第I调压节流孔OH及第2调压节流孔OL与压缩机30连通。由于设定为中压阀V2的流量大于从第I调压节流孔OH的流入及向第2调压节流孔OL的流出的合计流量，因此在中压阀V2的开阀期间，缓冲压PB从设定压PM逐渐下降。步骤I的结束时刻的缓冲压PB成为缓冲压PB的最小值。在步骤2中，高压阀Vl从关闭状态切换为开启状态，中压阀V2从开启状态切换为关闭状态。低压阀V3则保持关闭状态。缸12的工作气体源从缓冲容积34切换为压缩机30，压缩机30的高压PH导入到缸12。缸压PC变得实际上与高压PH相等。当缓冲压PB比设定压PM更低压时，第I调压节流孔OH的流量较大。因此，通过第I调压节流孔OH及第2调压节流孔OL而使缓冲压PB朝向设定压PM升压。如此，恢复步骤I中缓冲压PB的下降量。在步骤3中，只有高压阀Vl继续开阀。中压阀V2及低压阀V3则保持关闭状态。当缓冲压PB与设定压PM相等时，第I调压节流孔OH及第2调压节流孔OL的流量相等。因此，缓冲压PB保持恒定。缸压PC维持成实际上与压缩机30的高压PH相等。主要在步骤3中，置换器14从缸12的低温端向高温端移动，缸12的膨胀室22的容积被最大化。此时，室温的工作气体一边通过蓄冷器24而被冷却，一边填充于膨胀室22。如此,膨胀室22被高压工作气体充满而完成吸气工序。在吸气工序中，缓冲压PB被调压在以设定压PM为边界的低压范围内。该低压范围的下限值为步骤I完成时刻的缓冲最小压。接着，开始排气工序。在排气工序的开始时刻的工作气体压的初始状态下，缓冲压PB与设定压PM相等。缸压PC由于吸气工序的完成而实际上与压缩机30的高压PH相等。在步骤4中，只有中压阀V2开阀。高压阀Vl及低压阀V3则闭阀。在低压阀V3关闭的状态下，中压阀V2首先开阀，由此缓冲容积34先与缸12连通。置换器14位于缸12的高温侧，工作气体从缸12主要从膨胀室22向缓冲容积34膨胀而被排出。如此，开始缸压PC的减压。通过此时的西蒙膨胀，工作气体温度下降，产生寒冷。另一方面，缓冲压PB由于从缸12的流入而逐渐从设定压PM上升。步骤4的结束时刻的缓冲压PB成为缓冲压PB的最大值。在步骤5中，低压阀V3从关闭状态切换为开启状态，中压阀V2从开启状态切换为关闭状态。高压阀Vl则保持关闭状态。缸12的工作气体源从缓冲容积34切换为压缩机30，工作气体从缸12的膨胀室22向压缩机30的低压侧膨胀而被排出。缸压PC变得实际上与低压PL相等。当缓冲压PB比设定压PM更高压时，第2调压节流孔OH的流量较大。因此，通过第I调压节流孔OH及第2调压节流孔OL而使缓冲压PB朝向设定压PM减压。如此，复原步骤4中缓冲压PB的增加量。在步骤6中，只有低压阀V3继续开阀。中压阀V2及高压阀Vl则保持关闭状态。由于缓冲压PB与设定压PM相等，因此缓冲压PB保持恒定。缸压PC维持为实际上与压缩机30的低压PL相等。主要在步骤3中，置换器14从缸12的高温端向低温端移动，缸12的膨胀室22的容积被最小化。被冷却后的工作气体通过置换器14从膨胀室22挤出，一边冷却蓄冷器24, —边通过该蓄冷器。如此,从膨胀室22排出低压的工作气体,完成排气工序。在排气工序中，缓冲压PB在以设定压PM为边界的高压范围内调压。该高压范围的上限值为步骤4完成时刻的缓冲最大压。再次开始吸气工序，重复热循环。上述的各实施方式所涉及的超低温制冷机能够用作核磁共振成像诊断装置、超导磁铁装置或低温泵的冷却源。另外，上述的各实施方式所涉及的冷却方法能够用作适于核磁共振成像诊断装置、超导磁铁装置或低温泵的冷却方法。符号的说明10-超低温制冷机，12-缸，14-置换器，16-置换器驱动机构，20-上部室，22-膨胀室，24-蓄冷器，30-压缩机，32-压力控制部，34-缓冲容积，46-第I连接通道，48-第2连接通道，Vl-高压阀，V2-中压阀，V3-低压阀，VH-第I调压阀，VL-第2调压阀，OH-第I调压节流孔，OL-第2调压节流孔。产业上的可利用性·
本发明能够在超低温制冷机及冷却方法的领域中利用。
权利要求
1.一种超低温制冷机，其特征在于，具备 制冷机，其具备为了对工作气体进行吸排气而在缸的内部进行驱动的置换器； 压缩机，其用于压缩从所述缸排出的低压工作气体并作为高压工作气体向所述缸送出；及 中间压缓冲容积，其与所述压缩机的高压侧及低压侧中的至少一侧连接并由所述压缩机调压，且该中间压缓冲容积与所述缸连接。
2.如权利要求I所述的超低温制冷机，其特征在于， 该超低温制冷机进一步具备 连接通道，其将所述缓冲容积与所述压缩机的高压侧及低压侧中的至少一侧连通；及 流动调整部，其为了对所述缓冲容积进行调压而设置于所述连接通道。
3.如权利要求2所述的超低温制冷机，其特征在于， 所述流动调整部为阀。
4.如权利要求2所述的超低温制冷机，其特征在于， 所述流动调整部为节流孔。
5.如权利要求I至4中任一项所述的超低温制冷机，其特征在于， 该超低温制冷机进一步具备 中压阀，其设置为用于使所述缓冲容积与所述缸连通； 高压阀，其设置为用于使所述压缩机的高压侧与所述缸连通；及 低压阀，其设置为用于使所述压缩机的低压侧与所述缸连通， 在通过所述高压阀使所述压缩机的高压侧与所述缸连通之前，所述中压阀使所述缓冲容积与所述缸连通，且在通过所述低压阀使所述压缩机的低压侧与所述缸连通之前，所述中压阀使所述缓冲容积与所述缸连通。
6.如权利要求5所述的超低温制冷机，其特征在于， 在通过所述高压阀或低压阀使所述压缩机与所述缸连通时使所述中压阀闭阀， 所述缓冲容积以在所述中压阀闭阀期间恢复压力的方式进行调压。
7.—种冷却方法，其通过包含吸气工序和排气工序的热循环产生寒冷，所述吸气工序将工作气体从高压源向膨胀空间吸气，所述排气工序使工作气体膨胀并从该膨胀空间向低压源排气，所述冷却方法的特征在于， 所述吸气工序包括从中压源向所述膨胀空间吸气的工序，且该中压源具有所述高压源及低压源的中间压， 在所述排气工序开始之前，将所述中压源与所述膨胀空间隔断并将所述中压源以减轻与所述膨胀空间之间的差压的方式进行升压。
8.—种冷却方法，其通过包含吸气工序和排气工序的热循环产生寒冷，所述吸气工序将工作气体从高压源向膨胀空间吸气，所述排气工序使工作气体膨胀并从该膨胀空间向低压源排气，所述冷却方法的特征在于， 所述排气工序包括从所述膨胀空间向中压源排气的工序，且该中压源具有所述高压源及低压源的中间压， 在所述吸气工序开始之前，将所述中压源与所述膨胀空间隔断并将所述中压源以减轻与所述膨胀空间之间的差压的方式进行减压。
9.一种通过权利要求5或6所述的超低温制冷机冷却的核磁共振成像诊断装置、超导磁铁装置或低温泵。
全文摘要
本发明提供一种超低温制冷机及冷却方法，本发明的超低温制冷机(10)具备制冷机，其具备用于对工作气体进行吸排气而在缸(12)的内部驱动的置换器(14)；压缩机(30)，其用于压缩从缸(12)排出的低压工作气体并将高压工作气体向缸(12)送出；及中间压缓冲容积(34)，其与压缩机(30)的高压侧及低压侧中的至少一侧连接并通过压缩机(30)调压，且与缸(12)连接。
文档编号F25B9/14GK102939506SQ201080067238
公开日2013年2月20日 申请日期2010年6月14日 优先权日2010年6月14日
发明者李 瑞, 颜鹏达 申请人:住友重机械工业株式会社