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的制冷能力的技術。脈沖管制冷機(100)具備被氦氣充滿的脈沖管(140)。脈沖管(140)的高溫端(145a)經由慣性管(192)與緩沖罐(190)連接，低溫端(145b)與壓力變化產生部連接。壓力變化產生部使在脈沖管(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)分別設有高溫側整流器(149a)、低溫側整流器(149b)。高溫側整流器(149a)阻礙氦氣流動的程度大于低溫側整流器(149b)阻礙氦氣流動的程度。
【專利說明】制冷機
[0001]本申請主張基于2013年8月I日申請的日本專利申請第2013-160171號的優(yōu)先權。該日本申請的全部內容通過參考援用于本說明書中。

【技術領域】
[0002]本發(fā)明涉及一種具備脈沖管的制冷機。

【背景技術】
[0003]以往，對需要超低溫環(huán)境的裝置進行冷卻時，使用脈沖管制冷機。
[0004]脈沖管制冷機中，通過反復進行使被壓縮機壓縮的工作氣體(例如氦氣)流入回熱器以及脈沖管的動作，和使工作氣體從脈沖管以及回熱器排出而回收至壓縮機的動作，從而冷卻回熱器和脈沖管的低溫端。
[0005]脈沖管制冷機的回熱器由內部具有蓄冷材料的筒狀部件(缸體)構成。脈沖管由中空的筒狀部件(缸體)構成。兩個缸體的低溫端由連通路連通，在該位置設置有與被冷卻體連接的冷卻臺。
[0006]專利文獻I中公開有在脈沖管的低溫端側配置有整流器的脈沖管制冷機。
[0007]專利文獻1:日本特開2005-127633號公報
[0008]目前，在很多脈沖管制冷機中，在脈沖管高溫端上連接有相位調整用慣性(Inertance)管。脈沖管制冷機的動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低溫側的深處就會產生熱損失會導致制冷能力下降。


【發(fā)明內容】

[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的制冷能力的技術。
[0010]本發(fā)明的一種實施方式涉及一種制冷機。該制冷機為具備被工作氣體充滿的脈沖管的制冷機。脈沖管的一端經由慣性管與緩沖罐連接，另一端與壓力變化產生部連接。壓力變化產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、另一端分別設有第一整流器、第二整流器。第一整流器阻礙工作氣體流動的程度大于第二整流器阻礙工作氣體流動的程度。
[0011]另外，將上述構成要件的任意組合或本發(fā)明的構成要件以及表現(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的制冷能力。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是表示實施方式所涉及的脈沖管制冷機的結構的示意圖。
[0013]圖2是高溫側整流器的概要結構圖。
[0014]圖3是針對不具有整流器的脈沖管通過計算得到的等效PV圖。
[0015]圖4是表示整流器的流路阻力比與脈沖管制冷機的制冷能力的關系的圖表。
[0016]圖中:100-脈沖管制冷機，110-壓縮機，120-回熱器，130-后冷卻器，140-脈沖管，149a-高溫側整流器，149b-低溫側整流器，180-冷卻臺，190-緩沖罐，192-慣性管。

【具體實施方式】
[0017]以下，對各附圖中示出的相同或等同的構成要件、部件標注相同的符號，適當?shù)厥÷灾貜驼f明。另外，為了方便理解，將各附圖中的部件尺寸適當?shù)胤糯?、縮小顯示。另外，在各附圖中省略表示了在說明實施方式方面不重要的部件的一部分。
[0018]圖1是表示實施方式所涉及的脈沖管制冷機100的結構的示意圖。脈沖管制冷機100為直線型,且具備壓縮機110、后冷卻器130、蓄冷管或回熱器(regenerator) 120、脈沖管140、冷卻臺180及緩沖罐190?；責崞?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100的工作氣為氦氣。在壓縮機110中產生的氦氣的壓力振動經由后冷卻器130及回熱器120向脈沖管140傳遞。脈沖管制冷機100工作時，配管116、回熱器120、脈沖管140、慣性管192及緩沖罐190分別被氦氣充滿。
[0020]壓縮機110包括第一缸體112a、第二缸體112b、在第一缸體112a內移動的第一活塞114a及在第二缸體112b內移動的第二活塞114b。第一活塞114a和第二活塞114b相互對向配置。隨著各活塞114a、114b的動作，在連接第一缸體112a與第二缸體112b的配管116內的氦氣中會產生壓力波。配管116經由后冷卻器130與回熱器120的高溫端125a連接。
[0021]兩個活塞114a、114b針對配管116對稱地往復驅動，從而在配管116產生壓力波。更具體而言，若兩個活塞114a、114b相互靠近則配管116內的壓力升高，氦氣從配管116向回熱器120送出。若兩個活塞114a、114b相互遠離則配管116內的壓力降低，氦氣從回熱器120向配管116引入。
[0022]壓縮機110的運轉頻率，即兩個活塞114a、114b對稱往復運動的頻率為30Hz以上，例如為50Hz左右。如同壓縮機110基本不使用閥(無閥)而產生壓力振動的情況下，由于不需要考慮閥的響應速度，因而能夠相對提高運轉頻率。相反，如同GM型壓縮機根據(jù)閥的開閉(有閥)產生壓力振動的情況下，需要相對降低運轉頻率，例如幾Hz以下。
[0023]后冷卻器130對從配管116送向回熱器120的高溫端125a的氦氣進行預冷。后冷卻器130作為在通過后冷卻器130的氦氣與制冷劑(未圖示)之間實現(xiàn)熱交換的熱交換器發(fā)揮作用。
[0024]回熱器120由中空狀缸體121構成，其內部填充有蓄冷材料122。
[0025]脈沖管140包括中空狀的缸體141、設置于缸體141的高溫端145a側的高溫側整流器149a、及設置于缸體141的低溫端145b側的低溫側整流器149b。氦氣從慣性管192流入脈沖管140時，高溫側整流器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，低溫側整流器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。通過在脈沖管140的各端部進行整流，能夠使后述氣體活塞穩(wěn)定，并能夠提高脈沖管制冷機100的制冷性能。
[0026]圖2是高溫側整流器149a的概要結構圖。高溫側整流器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))而成的層疊結構。因此，構成高溫側整流器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也可以通過例如擴散接合處理相互結合。
[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(間隙長度)。
[0028]“網(wǎng)目”是指在I英寸(25.4mm)之間存在的目數(shù)。
[0029]“擴散接合處理”是通過加熱在各金屬絲網(wǎng)之間的界面產生原子相互擴散，由此進行界面接合的方法的總稱。通常，擴散接合處理在800°C?1080°C的范圍(例如1000°C)進行。
[0030]低溫側整流器149b具有將與構成高溫側整流器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))而成的層疊結構。由于N < M，因此高溫側整流器149a阻礙氦氣流動的程度(以下稱為流路阻力)大于低溫側整流器14%的流路阻力。
[0031]回到圖1，回熱器120的低溫端125b經由熱交換器182與脈沖管140的低溫端145b連接。熱交換器182與冷卻臺180熱連接。熱交換器182構成為使在回熱器120的低溫端125b與脈沖管140的低溫端145b之間來往的低溫氦氣和冷卻臺180之間實現(xiàn)熱交換。冷卻臺180熱連接有未圖示的冷卻對象物。脈沖管制冷機100工作時，冷卻對象物的熱量經由冷卻臺180及熱交換器182移動至氦氣，從而冷卻冷卻對象物。
[0032]緩沖罐190經由慣性管192與脈沖管140的高溫端145a連接。
[0033]對如上結構的脈沖管制冷機100的動作進行說明。
[0034]通過兩個活塞114a、114b的相互靠近，高壓氦氣從壓縮機110供給至后冷卻器130并被預冷。被預冷的高壓氦氣供給至回熱器120。流入到回熱器120內的氦氣通過蓄冷材料122被冷卻而降低溫度的同時，從回熱器120的低溫端125b流出并通過熱交換器182。通過熱交換器182的氦氣通過設置于脈沖管140的低溫端145b的低溫側整流器149b而被整流，從而流入脈沖管140的內部。
[0035]此時，在脈沖管140的內部預先存在的低壓氦氣被流入的高壓氦氣壓縮。由此，脈沖管140內的氦氣壓力變得高于緩沖罐190內的壓力，部分氦氣通過慣性管192流入緩沖_ 190。
[0036]接著，若兩個活塞114a、114b遠離，則脈沖管140內的氦氣從脈沖管140的低溫端145b通過熱交換器182流入回熱器120的低溫端125b。并且氦氣冷卻蓄冷材料122的同時通過回熱器120內，從回熱器120的高溫端125a通過后冷卻器130回收至壓縮機110。
[0037]其中，脈沖管140經由慣性管192與緩沖罐190連接。因此，氦氣從緩沖罐190經由慣性管192供給至脈沖管140的高溫端145a，這樣所供給的氦氣通過高溫側整流器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產生因氦氣膨脹而引起的冷卻作用。脈沖管制冷機100通過反復進行上述動作能夠冷卻連接在冷卻臺180的被冷卻對象。
[0039]另外，在保持某一壓力的同時，在脈沖管140內上下周期性移動的氦氣的動作通常被稱作“氣體活塞”。
[0040]圖3是針對不具有整流器的脈沖管通過計算得到的等效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，在高溫端也可能會產生無法起到所要求的整流作用的情況。
[0041]與此相對，在本實施方式所涉及的脈沖管制冷機100中，由于高溫側整流器149a的流路阻力大于低溫側整流器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。特別是通過增加高溫側整流器149a的流路阻力，在脈沖管制冷機100工作時能夠抑制相對高溫的(?300K)氦氣向低溫端145b側移動。其結果，可以抑制熱損失從而提高脈沖管制冷機100的制冷性能。
[0042]而且，若過度增加整流器的流路阻力，則整流器中的損失會對脈沖管140的冷卻作用產生惡劣影響。因此，通過在所要求的整流作用較低的低溫端145b設置流路阻力較小的低溫側整流器14%，在所要求的整流作用較高的高溫端145a設置流路阻力較大的高溫側整流器149a，能夠實現(xiàn)脈沖管140的冷卻作用的最大化。
[0043]而且，在本實施方式所涉及的脈沖管制冷機100中，壓縮機110的運轉頻率為30Hz以上。通常運轉頻率越大，氦氣從慣性管192流入脈沖管140時的流速就會越大，因此，運轉頻率越大，通過增加高溫側整流器149a的流路阻力而減少熱損失的本實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100的制冷能力的關系的圖表。圖4的圖表的數(shù)據(jù)基于本
【發(fā)明者】進行的實驗結果。圖表的橫軸為M/N，S卩，高溫側整流器149a的金屬絲網(wǎng)的片數(shù)除以低溫側整流器149b的金屬絲網(wǎng)的片數(shù)的值。這個值與高溫側整流器149a的流路阻力和低溫側整流器149b的流路阻力比的值對應。金屬絲網(wǎng)的網(wǎng)目為#250?？v軸表示將M/N = 2時且77K溫度下的脈沖管制冷機100的制冷能力設為I時的各M/N中77K溫度下的脈沖管制冷機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，制冷能力顯著提高。以#300的網(wǎng)目進行的試驗中也表現(xiàn)出同樣的結果。
[0046]以上，對實施方式所涉及的脈沖管制冷機100進行了說明。該實施方式是例示，其各構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，這對本領域技術人員來說是可以理解的。
[0047]在實施方式中，對高溫側整流器149a與低溫側整流器149b由具有大致相同網(wǎng)眼的金屬絲網(wǎng)構成的情況進行了說明，但不限于此。例如，也可以使構成高溫側整流器的金屬絲網(wǎng)的網(wǎng)目大于構成低溫側整流器的金屬絲網(wǎng)的網(wǎng)目。根據(jù)本
【發(fā)明者】進行的試驗，層疊片數(shù)相同的情況下，當網(wǎng)目號碼的比率(高溫側整流器的網(wǎng)目號碼/低溫側整流器的網(wǎng)目號碼)在5至12的范圍時，制冷能力提高。
[0048]另外，例如也可以不用金屬絲網(wǎng)而由多孔體構成整流器。
【權利要求】
1.一種制冷機，其具備被工作氣體充滿的脈沖管，所述制冷機的特征在于， 所述脈沖管的一端經由慣性管與緩沖罐連接，另一端與壓力變化產生部連接， 所述壓力變化產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的程度大于所述第二整流器阻礙工作氣體流動的程度。
2.根據(jù)權利要求1所述的制冷機，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)權利要求1或2所述的制冷機，其特征在于， 所述第一整流器阻礙工作氣體流動的程度除以所述第二整流器阻礙工作氣體流動的程度的值在4至8的范圍。
4.根據(jù)權利要求1至3中任一項所述的制冷機，其特征在于， 當N為自然數(shù)，Μ為大于Ν的自然數(shù)時，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片的層疊結構，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片的層疊結構。
【文檔編號】F25B9/14GK104344593SQ201410375115
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年7月31日 優(yōu)先權日:2013年8月1日
【發(fā)明者】平塚善勝, 中野恭介 申請人:住友重機械工業(yè)株式會社