专利名称：超低温制冷装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超低温制冷装置，尤其涉及一种具有置换器的超低温制冷装置。
技术背景
一直以来，作为具备置换器的超低温制冷装置，已知有吉福特-麦克马洪制冷机 (以下，称为GM制冷机)。该GM制冷机成为置换器在缸体内通过驱动装置往复移动的结构。
并且，成为如下结构缸体与置换器之间形成有膨胀空间。而且，通过使置换器在 缸体内往复移动，而使供给到膨胀空间的高压制冷剂气体膨胀，由此产生超低温寒冷。
通常，在这种GM制冷机中置换器在缸体内往返一次的I个循环的移动速度设定成 与简谐振动的速度相同。
专利文献1:日本专利第2617681号公报
通常，当置换器处于下死点附近位置时，GM制冷机进行向缸体内吸入高压制冷剂 气体的处理。
然而，如专利文献I中公开的超低温制冷装置，在I个循环中的置换器的移动速度 与简谐振动的速度相同的设定中，由于制冷剂气体流入膨胀空间的速度较慢，因此膨胀空 间内的制冷剂气体的压力上升不充分。由此存在在产生寒冷时无法产生充分的寒冷而导致 冷却效率下降的问题点。发明内容
本发明是鉴于上述问题点而完成的，其目的在于提供一种实现提高制冷效率的超 低温制冷装置。
从第I观点考虑，上述课题能够通过如下超低温制冷装置解决，所述超低温制冷 装置具有
置换器，在缸体内通过驱动装置往复移动；
吸气阀，当向所述缸体内供给制冷剂气体时开阀；
排气阀，当从所述缸体内将制冷剂气体排出时开阀，
随着该置换器的移动而使形成于所述缸体内的膨胀空间内的制冷剂气体膨胀来 产生寒冷，其特征在于，
使所述置换器在下死点附近的移动速度比在上死点附近的移动速度更快。发明效 果
根据公开的超低温制冷装置，由于供给气体时能够有效地向缸体内供给制冷剂气 体，因此能够实现提高冷却效率。
图1是作为本发明的第I实施方式的GM制冷机的概要结构图。
图2是放大表示设置于作为本发明的第I实施方式的GM制冷机的止转棒轭机构的分解立体图。
图3是放大表示止转棒轭机构的滑块框的图。
图4是作为本发明的第I实施方式的GM制冷机中的置换器的移动曲线图。
图5是用于说明设置于作为本发明的第I实施方式的GM制冷机的止转棒轭机构 的动作的图。
图6是作为本发明的第I实施方式的GM制冷机的P-V线图。
图7是表示本发明的效果的图。
图8是放大表示作为第I实施方式的变形例的止转棒轭机构的图。
图9是作为第I实施方式的变形例的GM制冷机中的置换器的移动曲线图。
图10是作为本发明的第2实施方式的GM制冷机的概要结构图。
图11 (A)是表示作为本发明的第2实施方式的GM制冷机的阀时刻的图，图1l(B) 是作为本发明的第2实施方式的GM制冷机中的置换器的移动曲线图。
图12是作为第2实施方式的变形例的GM制冷机的概要结构图。
图13是作为本发明的第3实施方式的GM制冷机的概要结构图。
图中1、50、80、90-GM制冷机，3、51、91-驱动装置，5-气体供给系统，6-气体压 缩机，7、63_吸气阀，8、64_排气阀，9-气体流路，10-第I级缸体，11-第I级置换器，12、 22、57_蓄冷器，13、23_蓄冷材料，15-第I级膨胀室，20-第2级缸体，21-第2级置换器， 25-第2级膨胀室，28、55-冷却台，30-马达，31-马达轴，32、52-止转棒轭机构，34-曲柄部 件，35-滚子轴承，36、56-止转棒轭，37-驱动臂，38-滑动槽，39-凸状部，45-凹状部，52-置 换器，52E-驱动活塞，53-膨胀空间，54-缸体，58-室温室，70-驱动室，71-驱动用高压阀， 72-驱动用低压阀，81-流路阻力阀，92-磁铁，93-驱动线圈。
具体实施方式
接着，参考附图对本发明的实施方式进行说明。
图1表示作为本发明的第I实施方式的超低温制冷装置。以下说明中，作为超低 温制冷装置举出使用吉福特-麦克马洪循环的超低温制冷装置(以下，称为GM制冷机)为例 子进行说明。然而，本发明的适用不限定于GM制冷机，也可适用于使用置换器的各种超低 温制冷装置(例如，索尔凡制冷机、斯特林制冷机等)。
本实施方式所涉及的GM制冷机I为2级式制冷机，具有第I级缸体10和第2级 缸体20。该第I级缸体10和第2级缸体20由导热率较低的不锈钢形成。并且成为第2级 缸体20的高温端与第I级缸体10的低温端连结的结构。
第2级缸体20具有小于第I级缸体10的直径。第I级缸体10及第2级缸体20 内分别插入有第I级置换器(displacer) 11及第2级置换器21。第I级置换器11和第2 级置换器21相互连结，通过驱动装置3在缸体10、缸体20的轴向(图中箭头Z1、箭头Z2方 向)上往复驱动。
并且，第I级置换器11及第2级置换器21的内部分别设置有蓄冷器12、蓄冷器 22。该蓄冷器12、蓄冷器22的内部分别填充有蓄冷材料13、蓄冷材料23。并且，在第I级 缸体10内的高温端形成空腔14，且在低温端形成第I级膨胀室15。另外，在第2级缸体20 的低温端形成第2级膨胀室25。
第I级置换器11及第2级置换器21上设置有制冷剂气体(氦气)流动的多个气体 流路LI 气体流路L4。气体流路LI连接空腔14和蓄冷器12，气体流路L2连接蓄冷器12 和第I级膨胀室15。并且，气体流路L3连接第I级膨胀室15和蓄冷器22，气体流路L4连 接蓄冷器22和第2级膨胀室25。
第I级缸体10的高温端侧的空腔14连接于气体供给系统5。气体供给系统5包 括气体压缩机6、阀7、阀8及气体流路9等而构成。
吸气阀7连接于气体压缩机6的吸气口侧，并且排气阀8连接于气体压缩机6的 排气口侧。若打开吸气阀7且关闭排气阀8，则制冷剂气体从气体压缩机6通过吸气阀7及 气体流路9供给到空腔14内。若关闭吸气阀7且打开排气阀8，则空腔14内的制冷剂气体 通过气体流路9及排气阀8回收到气体压缩机6。
驱动装置3使第I级置换器11及第2级置换器21在第I级缸体10及第2级缸 体20内往复移动。该驱动装置3包括马达30和止转棒轭机构32。图2放大表示止转棒轭 机构32。止转棒轭机构32大概包括曲柄部件34和止转棒轭36。
曲柄部件34固定于马达30的旋转轴(以下称为马达轴31)。该曲柄部件34成为 在从马达轴31的安装位置偏心的位置处设置有曲柄销34a的结构。因此，若将曲柄部件34 安装于马达轴31，则马达轴31与曲柄销34a成为偏心的状态。
另外，止转棒轭36上形成有向与各置换器11、置换器21的移动方向正交的方向 (图中，用箭头X1、箭头X2表示的方向)延伸的滑动槽38。由此，止转棒轭36呈框形状。
形成于止转棒轭36的滑动槽38上卡合有滚子轴承35。滚子轴承35成为在滑动 槽38内能够向箭头X1、箭头X2方向转动的结构。另外，为了便于说明，关于止转棒轭36及 滑动槽38的具体结构在后面进行详细说明。
滚子轴承35的中心位置上形成有与曲柄销34a卡合的曲柄销卡合孔35a。因此若 马达轴31在将曲柄销34a卡合于滚子轴承35的状态下旋转，则曲柄销34a以画圆弧的方 式旋转，由此止转棒轭36向图中箭头Z1、箭头Z2方向往复移动。此时，滚子轴承35在滑动 槽38内向图中箭头X1、箭头X2的方向往复移动。
止转棒轭36上设置有向上方向及下方向延伸的驱动臂37。其中，如图1所示，下 方的驱动臂37连结于第I级置换器11。由此，若如上所述，通过止转棒轭机构32使止转棒 轭36向TA、12方向往复移动，则驱动臂37也向上下方向移动，由此第I级置换器11及第 2级置换器21在第I级缸体10及第2级缸体20内往复移动。
前述的吸气阀7及排气阀8的驱动通过由马达30驱动的未图示的回转阀控制。回 转阀以使吸气阀7及排气阀8的开闭与各置换器11、置换器21的往复驱动具有预定相位 差的方式来进行驱动控制。通过该相位差，制冷剂气体在第I级膨胀室15及第2级膨胀室 25内膨胀来产生寒冷。
接着，对成为上述结构的GM制冷机I的动作进行说明。
回转阀在第I级置换器11及第2级置换器21即将到达下死点之前对气体供给系 统5的吸气阀7进行开阀。具体而言，本实施方式中，构成为若通过驱动装置3使第I级置 换器11及第2级置换器21到达下死点(BDC)前30°，则吸气阀7开阀。此时，排气阀8维 持闭阀的状态。
由此由气体压缩机6 (压缩机)生成的高压制冷剂气体经气体流路9及气体流路LI流入形成于第I级置换器11的蓄冷器12。流入到蓄冷器12内的制冷剂气体通过蓄冷 器12内的蓄冷材料13冷却并前进，接着经气体流路L2流入第I级膨胀室15。
流入到第I级膨胀室15的制冷剂气体经气体流路L3流入形成于第2级置换器21 的蓄冷器22。并且，流入蓄冷器22内的制冷剂气体通过蓄冷器22内的蓄冷材料23冷却并 前进，接着经气体流路L4流入第2级膨胀室25。
吸气阀7开阀之后，第I级置换器11及第2级置换器21由驱动装置3驱动而到 达第I级膨胀室15及第2级膨胀室25的体积变得最小的下死点，朝向下方(图中箭头Z2 方向)的移动瞬间停止(移动速度成为零)。
之后，第I级置换器11及第2级置换器21开始向上方(图中箭头Zl方向)移动。 伴随此，从气体压缩机6供给的高压制冷剂气体经过所述路径而供给(吸入)到第I级膨胀 室15及第2级膨胀室25内。并且，在第I级置换器11及第2级置换器21达到121°的时 刻，吸气阀7闭阀，停止从气体供给系统5向GM制冷机I供给制冷剂气体。
吸气阀7闭阀之后，若第I级置换器11及第2级置换器21进一步向上移动而达 到170°，则回转阀打开排气阀8。此时，吸气阀7维持闭阀的状态。由此，第I级膨胀室15 及第2级膨胀室25内的制冷剂气体膨胀并在各膨胀室15、膨胀室25内产生寒冷。
排气阀8开阀之后，第I级置换器11及第2级置换器21由驱动装置3驱动而达 到上死点，停止朝向上方(图中箭头Zl方向)移动(移动速度成为零)。之后，第I级置换器 11及第2级置换器21开始向下方(图中箭头Z2方向)移动。伴随此，在第2级膨胀室25膨 胀的制冷剂气体通过气体流路L4并流入蓄冷器22内，冷却蓄冷器22内的蓄冷材料23的 同时通过，并经气体流路L3流入第I级膨胀室15。
流入到第I级膨胀室15的制冷剂气体与在第I级膨胀室15膨胀后的制冷剂气体 一同经气体流路L2流入蓄冷器12。流入蓄冷器12的制冷剂气体冷却蓄冷材料13的同时 前进，并且经气体流路L1、气体流路9、排气阀8回收到气体供给系统5的气体压缩机6。并 且，在第I级置换器11及第2级置换器21达到340°的时刻，排气阀8闭阀，停止制冷剂气 体从GM制冷机I朝向气体供给系统5回收(吸入)的处理。
通过反复进行以上循环，能够在第I级膨胀室15内产生20 50K左右的寒冷，而 且能够在第2级膨胀室25内产生4 IOK以下的超低温。
在此，着眼于构成驱动装置3的止转棒轭36，主要利用图2及图3对其结构及功能 进行说明。
图3是主视观察止转棒轭36的图。如前述，止转棒轭36上形成有向X1、X2方向 延伸的滑动槽38。以往的止转棒轭的滑动槽通常呈横长的矩形状。
与此相反，本实施方式中，设为在滑动槽38的与置换器11、置换器21的下死点对 应的位置(图3中用箭头A表示的位置。以下称为下死点对应位置A)设置凸状部39的结 构。并且，在滑动槽38的与置换器11、置换器21的上死点对应的位置(图3中用箭头B表 示的位置。以下称为上死点对应位置B)设置有凹状部45。
滑动槽38在下部具有向X1、X2方向以直线状延伸的下部水平部40 (直线状部)， 在上部具有同样向X1、X2方向以直线状延伸的上部水平部41 (直线状部)。凸状部39形成 为在下部水平部40的大致中央位置向上方(Zl方向)突出。并且，凹状部45形成为在上部 水平部41的大致中央位置朝向上方(Zl方向)凹陷。
在此，设想向铅垂方向(Zl、Z2方向)延伸且穿过下死点对应位置A的线段。该线段为图3中用单点划线表示的线段，以下说明中，将该线段称为中心线Z。前述的驱动臂37 成为与该中心线Z呈一直线状的结构。
凸状部39构成为以图中用箭头O表示的位置(以下将该位置称为中心点O)为中心的圆弧形状，且形成圆形部。
本实施方式中，凸状部39的形状呈以中心线Z为中心且在图中箭头Xl方向侧及箭头X2方向侧呈对称的形状。
因此，若将连结凸状部39的Xl方向侧的端部和中心点O的线段设为线段C，将连结凸状部39的X2方向侧的端部和中心点O的线段设为线段D，则线段C与中心线Z所成的角度Θ I和线段D与中心线Z所成的角度Θ2相等(θ 1=Θ2)。
该角度Θ I Θ 2的大小没有特定，但本实施方式中设定为Θ 1= Θ 2=30°。然而， 这些角度不限定于此，例如也可在20° <(θ 1=0 2X40°的范围内设定。
另外，规定凸状部39的形成范围的角度Θ1、角度Θ 2未必一定如上述设定成相同的角度，也能够设为不同结构(Θ I古Θ2)。
接着，利用图4及图5,对利用具有成为上述结构的止转棒轭36的止转棒轭机构 32的各置换器11、置换器21的动作进行说明。
图4是置换器11、置换器21的移动曲线图。并且，图5表示滑动槽38内的滚子轴承35的动作。
另外，图4中横轴表示曲柄部件34的旋转角度(曲柄角度)，纵轴表示第2级置换器21的偏移(移动量)。另外，用实线表示本实施方式所涉及的GM制冷机I的特性(图中， 用箭头A表示)，用单点划线表示不具有凸状部39及凹状部45的以往的GM制冷机的特性 (图中，用箭头B表7]^)。
本实施方式所涉及的止转棒轭机构32的曲柄角度0°设定在下死点(BDC)前 30°。由此，如图5 (A)所示，曲柄角度0°时的滚子轴承35在滑动槽38内的位置处于下部水平部40与凸状部39的边界。
若曲柄部件34从该状态旋转30°，则滚子轴承35伴随此对止转棒轭36朝向下方 (Ζ2方向)移动加力。随着该动作，滚子轴承35在滑动槽38内向Χ2方向移动。由此，滚子轴承35 —边卡合于凸状部39 —边在滑动槽38内向Χ2方向移动。具体而言，滚子轴承35 成为随着其移动而与凸状部39卡合并跨上凸状部39的状态。
如前述，由于安装有滚子轴承35的曲柄销34a处于相对于曲柄部件34的中心偏心的位置，因此止转棒轭36随着滚子轴承35的移动而向Z2方向移动。另外，止转棒轭36 上经驱动臂37连接有置换器11、置换器21。因此，置换器11、置换器21也随着止转棒轭 36的移动而向Z2方向移动。
在此，着眼于止转棒轭36的移动速度(这等价于置换器11、置换器21的移动速度)。
凸状部39比下部水平部40更突出。由此就止转棒轭36在单位时间内的移动量而言，滚子轴承35卡合于凸状部39时的移动量大于滚子轴承35卡合于以往的水平部46 时的移动量。
换而言之，与滚子轴承35卡合于以往的水平部46时止转棒轭36的移动速度VlB相比，通过滚子轴承35的移动而使止转棒轭36向下方(Z2方向)移动的移动速度Vl (参考 图 4)更快(VI > V1B)。
图5 (B)表示曲柄角度为30°的状态。本实施方式中，设定为曲柄角度为30°时 成为置换器11、置换器21的下死点(BDC)。因此，在下死点(BDC)处，滚子轴承35位于凸状 部39的顶点部(中央位置)。
滚子轴承35随着曲柄部件34的旋转超过与置换器11、置换器21的下死点(BDC) 对应的位置，则止转棒轭36的移动方向反转。即，若超过下死点(BDC)，则止转棒轭36开始 朝向上方(Zl方向)移动。
此时，曲柄角度在从下死点(BDC)开始向后30°之间，滚子轴承35维持与凸状部 39卡合的状态。具体而言，滚子轴承35 —边维持与凸状部39 (具体而言，比中心线Z更靠 X2方向侧的部分)卡合的状态一边移动而到达与水平部40、水平部41对置的位置(图5(C) 中表示该状态)。
由此，与滚子轴承35卡合于以往的水平部46时的止转棒轭36的移动速度V2B相 比，通过滚子轴承35的移动而使止转棒轭36向上方(Zl方向)移动的移动速度V2 (参考图 4)更快(V2 > V2B)。这与滚子轴承35从图5 (A)所示的状态向图5 (B)所示的状态移动 时相同。
另外，若曲柄部件34旋转，则如图5 (D)所示，向滑动槽38内的与水平部40、水平 部41对置的位置移动。将此时的止转棒轭36在Zl方向上的移动速度设为V3。由于滚子 轴承35与下部水平部40卡合，因此该止转棒轭36的移动速度V3与以往的移动速度V3B 大致相同。
并且，如上述在本实施方式中，凸状部39的形状呈以中心线Z对称的形状。由此， 在下死点对应位置A的前后30°时的止转棒轭36的移动速度V1、移动速度V2虽然其方向 不同，但绝对值相同。另外，当凸状部39的形状呈以中心线Z对称的形状时，能够使止转棒 轭36的制造轻松化。
另外，如上述在本实施方式中，圆弧形状的凸状部39成为直接与下部水平部40连 结的结构，但为了使滚子轴承35顺畅地移动，也可在圆弧形状的凸状部39与下部水平部40 之间有顺畅的连结部(例如，直线)。
图5 (E) 图5 (G)表示滚子轴承35与凹状部45卡合时的动作。凹状部45呈 相对于上部水平部41凹陷的形状。该凹状部45中，在滚子轴承35与凹状部45卡合期间， 止转棒轭36 (置换器11、置换器21)的移动速度V4比滚子轴承35与以往的水平部47卡 合时的止转棒轭36的移动速度V4B慢(V4 < V4B)。
并且,该凹状部45以成为上死点对应位置B的位置为中心形成在以曲柄部件34 的曲柄角为基准的遍及±30°范围内。因此，如图4所示，与滚子轴承35卡合于以往的水 平部47时的止转棒轭36的移动速度V4B相比，置换器11、置换器21在以上死点(TDC)为 中心±30°的范围内的移动速度V4更慢(V4 < V4B)。
而且，若曲柄部件34从图5 (G)所示的状态进一步旋转，则如图5 (H)所示，滚子 轴承35向与滑动槽38内的水平部40、水平部41对置的位置移动。由此，止转棒轭36开始 移动，伴随此置换器11、置换器21也开始移动。
若将此时的止转棒轭36的Zl方向的移动速度设为V5，则由于滚子轴承35与上部水平部41卡合，因此该移动速度V5与以往的移动速度V5B大致相同。
根据上述说明明确可知，本实施方式所涉及的GM制冷机I中设定为置换器11、置 换器21在下死点的移动速度V1、移动速度V2比在上死点的移动速度V4更快(VI > V4，V2>V4)。由此，如图4所示，与以往的GM制冷机的置换器的移动曲线(图中，用箭头B表示的 单点划线)相比，本实施方式所涉及的置换器的移动曲线(图中，用箭头A表示的实线)在下 死点附近呈陡峭的特性。
在此，“置换器11、置换器21在下死点的移动速度”是指置换器11、置换器21在滑 动槽38中形成有凸状部39的范围内的移动速度。并且，“在上死点的移动速度”是指置换 器11、置换器21在滑动槽38中形成有凹状部45的范围内的移动速度。
另外，本实施方式中，构成为吸气阀7在置换器11、置换器21到达下死点(BDC)前 30°的时刻被开阀。由此，本实施方式中，吸气阀7开阀的同时，置换器11、置换器21 (止 转棒轭36)的移动速度从V5变成Vl (比以往的VlB快)。
另外，本实施方式中设定为在上死点附近处置换器11、置换器21 (止转棒轭36)的 移动速度发生变化的时刻与吸气阀7开阀的时刻相同，但也可设定成吸气阀7的开阀时刻 早于置换器11、置换器21 (止转棒轭36)的移动速度发生变化的时刻。
当这样构成时，构成为在从吸气阀7开阀时起到置换器11、置换器21到达下死点 时为止的期间内，置换器11、置换器21 (止转棒轭36)的移动速度变快。
并且，本实施方式中，在从置换器11、置换器21 (止转棒轭36)到达下死点时到打 开排气阀8时为止的期间内，置换器11、置换器21 (止转棒轭36)的移动速度与以往的置 换器的移动速度大致相同。具体而言，置换器11、置换器21 (止转棒轭36)的移动速度在 曲柄角度为30°时，从移动速度V2变为移动速度V3，与以往的移动速度V3B大致相同。另 外，本实施方式中吸气阀7在曲柄角度为121°时闭阀。
接着，对将置换器11、置换器21在下死点的移动速度Vl、移动速度V2设定成比在 上死点的移动速度V4更快而带来的作用效果进行说明。
如前述，通过吸气阀7开阀，从气体供给系统5向GM制冷机I供给高压制冷剂气 体。制冷剂气体具有成为高压时密度变大的特性。由此，能够通过将制冷剂气体设为高压 来减少压力损失。
另外，如本实施方式，通过加速置换器11、置换器21在下死点的移动速度Vl、移动 速度V2，能够增大从气体供给系统5向GM制冷机I内供给气体的量。如此，由于制冷剂气 体为高压，因此即使增大向GM制冷机I内供给气体的量，压力损失也较小。因此，能够有效 地向GM制冷机I内供给大量制冷剂气体。
由此，能够在向GM制冷机I供给制冷剂气体并对吸气阀7进行闭阀之后对排气阀 8进行开阀时，使大量制冷剂气体膨胀。由此，能够提高GM制冷机I的冷却效率。
如此，为了对GM制冷机I有效地供给高压制冷剂气体，优选设为在从吸气阀7开 阀时到置换器11、置换器21到达下死点时为止的期间内加快置换器11、置换器21的移动 速度的结构。
图6并列表示本实施方式所涉及的GM制冷机I的P-V线图(用箭头A表示的特性) 和作为比较例未在滑动槽38中设置凸状部39的GM制冷机的P-V线图(图中用箭头B表示 的特性)。
P-V线图中，GM制冷机的I个循环期间产生的寒冷量相当于由P-V线图包围的面 积。所以观察图6可知，本实施方式所涉及的GM制冷机I的P-V线图的面积比比较例所涉 及的GM制冷机的P-V线图的面积大。由此，根据图6证实了与比较例相比，本实施方式所 涉及的GM制冷机I的冷却效率更高。
另外，图7是与比较例所涉及的GM制冷机的冷却温度进行比较来表示本实施方式 所涉及的GM制冷机I的冷却温度的图。任何GM制冷机中，都测定第I级膨胀室的附近温 度和第2级膨胀室的附近温度。
如该图表示，比较例所涉及的GM制冷机的第I级温度为46. 2K，与此相对，本实施 方式所涉及的GM制冷机的第I级温度为45. 1K。另外，比较例所涉及的GM制冷机的第2级 温度为4. 26K，与此相对，本实施方式所涉及的GM制冷机的第2级温度为4. 19K。由此，根 据图7也证实了与比较例相比，本实施方式所涉及的GM制冷机I的冷却效率更高。
图8表示作为上述实施方式的变形例的GM制冷机的止转棒轭机构48。该图中，放 大表示止转棒轭机构48的止转棒轭49。另外，图8中，对与图1至图5所示的结构对应的 结构附加相同符号，省略其说明。
设置于图1至图5所示的GM制冷机I的止转棒轭机构32设成将凹状部45设置 于止转棒轭36的上部水平部41的结构。对此，本变形例的特征在于，上部水平部41并未 设置凹状部45而设为平坦的结构。
图9是利用图8所示的止转棒轭49的GM制冷机的置换器11、置换器21的移动曲 线图。本变形例所涉及的GM制冷机中，由于上部水平部41未设置有凹状部45,因此置换器 11、置换器21不会在上死点附近停止，该移动成为简谐振动式移动。
此时，将置换器11、置换器21在从上死点(TDC)前30°至到达上死点为止的移动 速度设为V4a，将置换器11、置换器21在从上死点至上死点(TDC)后30°为止的移动速度 设为V4b。
如前述就置换器11、置换器21在下死点(BDC)附近的移动速度V1、V2而言，由于 滚子轴承35与形成于下部水平部40的凸状部39卡合，因此其速度比滚子轴承35与水平 部40、水平部41卡合时的速度更快。由此，根据本变形例的结构，置换器11、置换器21在 下死点附近的移动速度V1、V2也比置换器11、置换器21在上死点附近的移动速度V4a、V4b快。
因此，即使设为本变形例所涉及的GM制冷机的结构，也能够与前述的实施方式所 涉及的GM制冷机I相同地实现提高冷却效率。
另外，本实施方式中，对凸状部39为圆弧状的例子进行了说明，但凸状部39的形 状不限定于此，比下部水平部40更向上侧突出的形状即可，例如可组合多个直线或曲线构 成凸状部39。
接着，对本发明的第2实施方式进行说明。
图10表示作为第2实施方式的GM制冷机50。本实施方式中，举出I级式GM制冷 机的例子来进行说明。
GM制冷机50具有驱动装置51、置换器52、缸体54、冷却台55、蓄冷器57及压缩机62等。本实施方式所涉及的GM制冷机50的特征在于，作为驱动置换器52的驱动装置51 适用气体驱动方式。
置换器52构成为具有置换器主体52A、低温侧导热部52B及蓄冷器57等。置换器 主体52A呈有底筒状，其内部设置有容纳蓄冷材料的蓄冷器57。
蓄冷器57的高温侧(图中，上方成为高温侧)设置有对制冷剂气体的流动进行整流 的整流器59。并且，蓄冷器57的低温侧(图中，下方成为低温侧)也设置有对制冷剂气体的 流动进行整流的整流器60。
位于置换器52的高温端的顶板部52D上形成有多个用于使制冷剂气体从室温室 58向蓄冷器57流动的流路61。室温室58形成于置换器52的顶板部52D与缸体54的顶 板部54A之间。
该室温室58与压缩机62连接。具体而言，室温室58连接有与压缩机62的供给 侧连接的供给配管67及与压缩机62的返回侧连接的返回配管68。供给配管67经吸气阀63(也有时称为阀VI)连接于室温室58。另外，返回配管68经排气阀64 (也有时称为阀 V2)连接于室温室58。另外，各配管67、配管68在各阀63、阀64的下游侧成为一条而连接 于室温室58。
因此，通过吸气阀63开阀且排气阀64闭阀，在压缩机62中生成的高压制冷剂气 体供给到室温室58。相反，通过吸气阀63闭阀且排气阀64开阀，制冷剂气体从室温室58 回流到压缩机62。
置换器52的低温端设置有低温侧导热部52B。并且，在置换器主体52A与低温侧 导热部52B之间形成有连通蓄冷器57与膨胀空间53的第2流路66。该低温侧导热部52B 利用销56结合于置换器主体52A。
膨胀空间53形成于缸体54与置换器52 (低温侧导热部52B)之间。从压缩机62 向该膨胀空间53导入高压制冷剂气体。并且，构成为通过导入的制冷剂气体进行绝热膨胀 来在膨胀空间53内产生寒冷。
缸体54在其内部容纳置换器52并使置换器能够移动。该缸体54具有有底筒状 的形状，在成为开口侧的低温端部配设有冷却台55。该冷却台55热性连接于被冷却物，通 过在膨胀空间53中产生寒冷来冷却被冷却物。
并且，在缸体54与置换器52之间装有密封件65。通过该密封件65防止从压缩机 62供给的制冷剂气体通过置换器52与缸体54之间的间隙而流入膨胀空间53。
该缸体54的高温端设置有驱动置换器52的驱动装置51。驱动装置51构成为具 有驱动活塞52E、驱动室70、驱动用高压阀71、驱动用低压阀72等。另外，本实施方式中将 在压缩机62中生成的高压制冷剂气体用作驱动气体。
驱动活塞52E构成驱动室70的置换器侧的壁，并且成为与置换器52 —体的结构。 驱动活塞52E能够设置成例如从置换器52的顶板部52D的中央位置朝向上方突出。由此， 若驱动活塞52E上下移动，则伴随于此置换器52也在缸体54内进行上下移动。
驱动室70形成于缸体54的顶板部54A的中央位置。该驱动室70成为从顶板部 54A向上方突出的结构，前述的驱动活塞52E成为能够在驱动室70内向上下方向(缸体54 的轴向)移动的结构。
并且，驱动室70内的预定位置上配设有密封件73。该密封件73配设于驱动室70 的内壁与置换器52E之间。由此，驱动室70成为相对于室温室58气密地划分的结构。并 且，通过设置密封件73，驱动活塞52E能够维持驱动室70的气密状态的同时进行上下移动。
此外，驱动室70与压缩机62连接。具体而言，驱动室70上连接有供给配管67及返回配管68。供给配管67经驱动用高压阀71(也有时称为阀V3)连接于驱动室70。并且， 返回配管68经驱动用低压阀72 (也有时称为阀V4)连接于驱动室70。另外，各配管67、配管68在各阀71、阀72的下游侧成为一条而连接于驱动室70。
因此，通过驱动用高压阀71开阀并且驱动用低压阀72闭阀，在压缩机62中生成的高压制冷剂气体供给到驱动室70，驱动室70内的压力(以下将该压力称为P2)变高。相反，通过驱动用高压阀71闭阀并且驱动用低压阀72开阀，驱动室70内的制冷剂气体回流到压缩机62，驱动室70内的压力P2变低。
这样，驱动室70内的压力P2能够通过驱动用高压阀71及驱动用低压阀72的开闭进行控制。另一方面，缸体54内的压力(以下，将该压力称为Pl)能够通过吸气阀63及排气阀64的开闭进行控制。
由此，若通过各阀63、阀64、阀71、阀72的开闭控制，缸体54内的压力Pl变得大于驱动室70内的压力P2 (PI >P2)，则置换器52进行向上移动(向上死点方向的移动)。 相反，当缸体54内的压力Pl小于驱动室70内的压力P2时(Pl < P2)，置换器52进行向下移动(向下死点方向的移动)。如此，本实施方式所涉及的GM制冷机50设为通过驱动装置 51驱动置换器52的结构。
另外，上述的各阀63、阀64、阀71、阀72 (阀V1、阀V2、阀V3、阀V4)作为回转阀成为一体结构，且构成为通过回转阀每旋转I圈(360°旋转)而使置换器52进行I次往复移动(进行I个循环的动作)。接着，参考图11，对成为上述结构的GM制冷机50的动作进行说明。
图11表示本实施方式所涉及的GM制冷机50的动作。图11 (A)表示作为本实施方式的GM制冷机50的阀时刻，图11 (B)表示GM制冷机50中的置换器52的移动。
另外，图11 (A)中，粗实线表示各阀63、阀64、阀71、阀72 (阀V1、阀V2、阀V3、 阀V4)开阀的期间，并且横轴表示回转阀的旋转角度(以下仅称为阀旋转角度)。并且，图12 (B)中，横轴表示回转阀的旋转角度，纵轴表示置换器52的位移量。
参考图11 (A)，当阀旋转角度为0°时，成为只有构成驱动装置51的驱动用高压阀71 (V3)开阀而其他阀72、阀63、阀64 (V1、V2、V4)闭阀的状态。由此，在压缩机62中升压的制冷剂气体通过驱动用高压阀71 (V3)而供给到驱动室70。
因此，驱动室70内的压力P2变得大于缸体54内的压力Pl (PI <P2)。因此，置换器52朝向下死点(BDC)进行向下移动。其中，将该向下移动时置换器52的移动速度设为 VCl。
本实施方式所涉及的GM制冷机50将下死点(BDC)设定成比阀旋转角度90°靠前的角度。并且，吸气阀63 (Vl)设定成以比下死点(BDC)靠前的阀旋转角度Θ1开阀。并且，驱动用高压阀71 (V3)设定成以阀旋转角度Θ I与下死点(BDC)之间的阀旋转角度Θ2 闭阀。
这样，若驱动用高压阀71 (V3)闭阀，并且吸气阀63 (Vl)开阀，则高压制冷剂气体经吸气阀63 (Vl)从压缩机62导入缸体54内(室温室58及膨胀空间53)。由此，缸体 54内的压力Pl上升。
并且，若置换器52到达下死点(BDC)，则驱动用低压阀72 (V4)开阀。由此，由于驱动室70连接于返回配管68，因此其内部压力P2变低。因此，缸体54内的压力Pl变得高于驱动室70内的压力P2，置换器52朝向上死点(TDC)进行向上移动。其中，将向上移动时置换器52的移动速度设为VC2。
随着该置换器52的向上移动，在压缩机62中生成的高压制冷剂气体通过室温室 58、流路61、蓄冷器57及第2流路66流入膨胀空间53。此时，制冷剂气体通过蓄冷器57 内的蓄冷材料进行冷却。
吸气阀63 (Vl)以阀旋转角度Θ 3闭阀。在该阀旋转角度Θ 3的时刻，缸体54内被填充高压制冷剂气体，内部压力Pl维持较高状态。并且，驱动用低压阀72 (V4)在阀旋转角度Θ 3时也维持开阀状态，由此，驱动室70内的压力P2变成较低状态。因此，在阀旋转角度Θ 3时，置换器52也维持向上移动。
本实施方式中，设为以阀旋转角度180°对排气阀64 (V2)进行开阀的结构。通过排气阀64 (V2)被开阀，膨胀空间53内的制冷剂气体膨胀，由此在膨胀空间53内产生寒冷。通过在该膨胀空间53中产生的寒冷，冷却连接于冷却台55的被冷却物。
如上述排气阀64 (V2)被开阀之后，驱动用低压阀72 (V4)也维持开阀的状态。通过排气阀64 (V2)被开阀，缸体54内的压力P2成为较低压力。同样道理，通过打开驱动用低压阀72 (V4)，驱动室70内的压力P2也成为较低压力。进而在该状态下，形成于缸体54 内的空间部(膨胀空间53及室温室58等)及驱动室70都连接于返回配管68。
因此，在排气阀64 (V2)和驱动用低压阀72 (V4)均为开阀的状态下，缸体54内的压力Pl和驱动室70内的压力P2大致相同(PI ^ P2)。这样，在缸体54内的压力Pl与驱动室70内的压力P2大致相同的状态下，置换器52维持大致停止的状态。由此，若将此时的置换器52的速度设为VC3，则VC30。
驱动用低压阀72 (V4)在阀旋转角度Θ 4时被闭阀。并且，若驱动用低压阀72 (V4)被闭阀，则之后在阀旋转角度Θ 5时驱动用高压阀71 (V3)被开阀。
通过使驱动用低压阀72 (V4)闭阀且驱动用高压阀71 (V3)开阀，高压制冷剂气体从压缩机62流入驱动室70。由此驱动室70内的压力P2上升。另一方面，即使在阀旋转角度Θ 5时，排气阀64 (V2)也维持开阀状态，缸体54内的压力Pl成为较低状态。由此， 通过驱动用高压阀71 (V3)开阀，驱动活塞52E被施以向下移动的力，置换器52开始朝向下死点向下移动。将此时的置换器52的速度设为VC4。
若置换器52在排气阀64 (V2)开阀的状态下向下移动，则膨胀空间53及室温室 58等缸体54内的制冷剂气体经返回配管68回流到压缩机62。
之后，在阀旋转角度Θ 6时，排气阀64 (V2)被闭阀。由此，来自压缩机62的高压制冷剂气体经驱动用高压阀71 (V3)只供给到驱动室70，由此置换器52的向下移动速度成为前述的VCl。
根据上述说明明确可知，本实施方式所涉及的GM制冷机50中，置换器52在下死点(BDC)附近的移动速度VC1、移动速度VC2也比在上死点 (TDC)附近的移动速度VC3快 (VCl > VC3、VC2 > VC3)。
其原因在于，本实施方式中相对于驱动用高压阀71 (V3)的开阀时间，将驱动用低压阀72(V4)的开阀时间设定为较长。具体而言，驱动用高压阀71(V3)在I个循环(360° ) 中阀旋转角度Θ 5 阀旋转角度Θ 2之间(约120° )开阀，对此，驱动用低压阀72 (V4)在阀旋转角度BDC 阀旋转角度Θ 4之间(约245° )开阀。
这样，与驱动用高压阀71 (V3)开阀的时间相比，延长驱动用低压阀72 (V4)开阀的时间，从而能够延长驱动用低压阀72 (V4)和吸气阀63 (Vl)均为开阀的时间(BDC Θ 3)以及延长驱动用低压阀72 (V4)和排气阀64 (V2)均为开阀的时间(180° Θ 4)。
S卩，通过使驱动用低压阀72 (V4)和吸气阀63 (Vl)均为开阀的时间(BDC Θ 3) 变长，能够加快置换器52向上移动的速度VC2。并且，通过使驱动用低压阀72 (V4)和排气阀64 (V2)均为开阀的时间(180° Θ 4)变长，置换器52的速度变慢，能够相对加快下死点(BDC)附近的速度。
这样，在本实施方式中也与第I实施方式相同，能够加快置换器52在下死点(BDC) 的移动速度V1、移动速度V2，因此能够有效地向GM制冷机50 (膨胀空间53)内供给大量制冷剂气体。由此，能够在产生寒冷时在膨胀空间53内使大量制冷剂气体膨胀，并能够提高 GM制冷机50的冷却效率。
图12表示作为上述的第2实施方式所涉及的GM制冷机50的变形例的GM制冷机 80。
另外，图12中，对与图10所示的第2实施方式所涉及的GM制冷机50对应的结构附加相同符号，省略其说明。
本变形例所涉及的GM制冷机80其特征在于，在供给配管67的驱动用高压阀71 与驱动室70之间设置成为流体阻力的流路阻力阀81。该流路阻力阀81能够利用可调整阀开度的电磁阀。通过设置流路阻力阀81，能够加大供给配管67的驱动用高压阀71与驱动室70之间的流体阻力。
由此，在进行使制冷剂气体从缸体54向压缩机62回流的吸气时，能够缩小缸体54 内的压力Pl与驱动室70内的压力P2的差压，并能够使置换器52在上死点(TDC)附近的移动速度进一步变慢。并且，通过设置流路阻力阀81，由于向驱动室70导入气体的速度变慢，因此驱动室70内的压力上升至高压的时间变长。由此，阀Vl打开时能够使缸体54内的压力Pl大于驱动室70内的压力P2，并能够进一步加快置换器52在下死点(BDC)附近的移动速度。由此，能够进一步提高冷却效率。
另外，流体阻力不限定于电磁阀，也能够利用节流孔等其他部件。
图13表示作为本发明的第3实施方式的GM制冷机90。
另外，图13中，也对与图10所示的第2实施方式所涉及的GM制冷机50对应的结构附加相同符号，省略其说明。
本实施方式所涉及的GM制冷机90其特征在于，使用线性马达作为驱动装置91。 该驱动装置91具有磁铁92、驱动线圈93及控制装置94等。
磁铁92为N极和S极以预定间距交替起磁的棒状磁铁。该磁铁92设置成在置换器52的顶板部52D的中央部朝向上方突出。
驱动线圈93包括多个电磁铁。该各电磁铁通过使电流流动来产生磁力。磁铁92 能够向上下方向移动地插通于形成在驱动线圈93的中心部的空间内。该驱动线圈93连接于控制装置94。
控制装置94进行驱动线圈93的驱动控制。具体而言，控制装置94可改变供给到驱动线圈93的电流的大小及其流动方向。如前述，磁铁92中N极和S极以预定间距交替起磁。由此，控制装置94控制成使构成驱动线圈93的多个电磁铁的磁极依次发生变化，由 此磁铁92进行直线移动。
磁铁92固定于置换器52。由此，通过驱动线圈93移动磁铁92，由此置换器52也 进行移动。由此，能够通过驱动装置91来驱动置换器52。
基于驱动装置91的置换器52的移动能够通过控制流向驱动线圈93的电流的大 小及其流动方向来调整。本实施方式中，控制装置94上组装有微型计算机，并且还组装有 设定成使置换器52进行图4中用实线表示的移动的程序。
由此，通过由控制装置94控制驱动线圈93，使置换器52进行图4中用实线表示的 移动。由此，在使用线性马达作为驱动装置91的本实施方式中，也能够与第I实施方式相 同地加快置换器52在下死点(BDC)的移动速度V1、移动速度V2，因此能够有效地向GM制 冷机50 (缸体54)内供给大量制冷剂气体。由此，能够在产生寒冷时在膨胀空间53内使大 量制冷剂气体膨胀，并能够提高GM制冷机90的冷却效率。
以上，对本发明的优选实施方式进行了详细说明，但本发明不限定于上述特定的 实施方式，能够在技术方案中的本发明的要点范围内进行各种变形或变更。
权利要求
1.一种超低温制冷装置，其包括置换器，在缸体内通过驱动装置往复移动；吸气阀，当向所述缸体内供给制冷剂气体时开阀；排气阀，当从所述缸体内将制冷剂气体排出时开阀，随着该置换器的移动而使形成于所述缸体内的膨胀空间内的制冷剂气体膨胀来产生寒冷，所述超低温制冷装置的特征在于，使所述置换器在下死点附近的移动速度比在上死点附近的移动速度更快。
2.如权利要求1所述的超低温制冷装置，其特征在于，在从所述吸气阀开阀时起到所述置换器到达下死点时为止的期间内，加快所述置换器的移动速度。
3.如权利要求1或2所述的超低温制冷装置，其特征在于，所述超低温制冷装置构成为以所述置换器的下死点为中心的移动对称。
4.如权利要求1至3中任一项所述的超低温制冷装置，其特征在于，所述驱动装置具有止转棒轭机构，所述止转棒轭机构具备轴承和止转棒轭，且所述止转棒轭具有使所述轴承能够移动地卡合的滑动槽，在该滑动槽的与所述置换器的下死点对应的位置设置凸状部。
5.如权利要求4所述的超低温制冷装置，其特征在于，在所述凸状部的中央部具有圆形部。
6 .如权利要求5所述的超低温制冷装置，其特征在于，所述圆形部的两侧具有直线状部。
7.如权利要求1或2所述的超低温制冷装置，其特征在于，驱动装置具有供给对所述置换器进行移动加力的驱动气体的驱动室；通过开阀而向所述驱动室供给所述驱动气体的高压阀；及通过开阀而将所述驱动室内的所述驱动气体排气的低压阀。
8.如权利要求7所述的超低温制冷装置，其特征在于，将所述低压阀的开阀时间设定成长于所述高压阀的开阀时间。
9.如权利要求7或8所述的超低温制冷装置，其特征在于，在所述高压阀与所述驱动室之间设置有流路阻力阀。
10.如权利要求1或2所述的超低温制冷装置，其特征在于，所述驱动装置为与所述置换器连接的线性马达。
全文摘要
本发明提供一种具有置换器且实现提高制冷效率的超低温制冷装置。本发明的超低温制冷装置具有通过马达(30)及止转棒轭机构(32)而在缸体(10、20)内往复移动的置换器(11、21)，随着该置换器(11、21)的移动而使形成于缸体(10、20)内的膨胀空间(15、25)内的制冷剂气体膨胀来产生寒冷，其中，该超低温制冷装置构成为置换器(11、21)在下死点附近的移动速度比在上死点附近的移动速度快。
文档编号F25B9/14GK103032984SQ201210333080
公开日2013年4月10日 申请日期2012年9月10日 优先权日2011年9月28日
发明者许名尧 申请人:住友重机械工业株式会社