CN101542219B

CN101542219B - 冷冻机

Info

Publication number: CN101542219B
Application number: CN2007800433909A
Authority: CN
Inventors: 汤山纯平; 山崎周一; 寺岛充级; 小室拓
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2006-11-30
Filing date: 2007-11-29
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2027-11-29
Also published as: EP2090850A4; CN101542219A; TWI395916B; WO2008066127A1; EP2090850A1; EP2090850B1; TW200839162A; KR20090085641A; KR101121232B1; US20100031693A1; JPWO2008066127A1

Abstract

本发明涉及一种冷冻机，包括：冷却被冷却物的冷却台；载置上述被冷却物的He冷凝部；与上述He冷凝部连通的填充有He气的贮存器；和配置在上述冷却台与上述He冷凝部之间、由热导率低于上述He冷凝部的材料形成的传热缓冲材。

Description

冷冻机

技术领域

本发明涉及冷冻机。

背景技术

为了在4K附近的极低温环境下进行样品物性的测定、使用利用极低温环境的传感器等进行各种物理量的测定等，利用GM冷冻机。该冷冻机通过重复进行He气等冷冻剂气体的压缩和膨胀(冷冻循环)，将非冷却物冷却至极低温。但是，由于上述冷冻循环引起的热流的脉动，在被冷却物的载置面产生温度振幅。为了稳定地冷却被冷却物，期待该温度振幅降低。

在专利文献1中公开了一种极低温冷冻机，包括：设置在安装被冷却物的冷却部、在内部容纳氦气或氦气及液态氦的蓄冷单元；和连接压缩的氦气的供给单元及上述蓄冷单元的氦气导入排出单元。

在专利文献2中公开了一种极低温温度调节器(damper)，包括：常温下导入所需量的氦气的氦气导入管；使氦气液化的冷凝室；和容纳液化的液态氦的液态氦室。

专利文献1：日本专利第2773793号公报

专利文献2：日本特开2004-76955号公报

但是，由于专利文献1的极低温冷冻机中的上述温度振幅为30mK左右，期待温度振幅进一步降低。

另一方面，专利文献2的极低温温度调节器的结构复杂，此外从冷却物的传热流道长、为非轴对称，因此冷却不均匀，有可能变得不稳定。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而提出的，其目的在于，提供能够降低被冷却物的载置面的温度振幅，还能够均匀、稳定地冷却被冷却物的冷冻机。

为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案。即，本发明的冷冻机包括：冷却被冷却物的冷却台；载置所述被冷却物的He冷凝部；与所述He冷凝部连通的填充有He气的贮存器；和配置在所述冷却台与所述He冷凝部之间、由热导率低于所述He冷凝部的材料形成的传热缓冲材。

根据该结构，冷冻机的冷冻循环引起的热流的脉动通过He冷凝部中的He的蒸发及冷凝(相变)被吸收。此时，由于传热缓冲材发挥作为热流的节流机构的作用，冷却台的温度振幅的传递得到抑制。其结果，可以降低被冷却物的载置面的温度振幅。此外，由于冷却台、传热缓冲材、He冷凝部和被冷却物以同轴状地连续配置，被冷却物能够均匀、稳定地冷却。

所述He冷凝部可以由4K附近温度下的热导率为200W/(m·K)以上的材料形成。

根据该结构，通过在He冷凝部内冷凝的液态He，可以有效地冷却被冷却物。

所述传热缓冲材可以由4K附近温度下的热导率小于100W/(m·K)的材料形成。

根据该结构，可以切实地防止冷却台的温度振幅的传递。

所述He冷凝部的容积可以为10cc～100cc。

根据该结构，可以确保被冷却物的冷却所需的液态He的容纳容积，且使He冷凝部小型化。

所述贮存器的容积可以为所述He冷凝部的容积的5倍～100倍。

根据该结构，可以确保被冷却物的冷却所需的He气的容纳容积，且使贮存器小型化。

填充在所述贮存器中的所述He气的压力在室温下可以为0.1MPa～1.0MPa。

根据该结构，假设冷冻机停止，从而He冷凝部的液态He蒸发，也可以防止贮存器和He冷凝部形成高压力。

可以在所述He冷凝部的内面直立设置有散热片。

此外，可以在所述He冷凝部的内面装配有多孔结构体。

根据这些结构，由于He冷凝部的内面与液态He的接触面积增大，可以有效地冷却载置在He冷凝部上的被冷却物。

还可以在所述传热缓冲材与所述冷却台或所述He冷凝部的接触面上形成凹凸。

根据该结构，由于传热缓冲材与冷却台或He冷凝部的接触面积缩小，冷却台的温度振幅的传递得到抑制。其结果，可以降低被冷却物的载置面的温度振幅。

还可以进一步包括装配在所述He冷凝部的温度传感器及加热器，和基于所述温度传感器的测定结果驱动所述加热器的控制部。

根据该结构，当He冷凝部的温度低于规定值时，可以驱动加热器，使He冷凝部的温度恢复至规定值。因此，可以降低被冷却物的载置面的温度振幅。

根据本发明，通过设置传热缓冲材，防止了冷却台的温度振幅的传递，其结果，可以降低被冷却物的载置面的温度振幅。此外，由于冷却台、传热缓冲材、He冷凝部和被冷却物以同轴状地连续配置，被冷却物能够均匀、稳定地冷却。

附图说明

图1为本发明的第一实施方式的冷冻机的结构简图；

图2为表示第二冷却台的温度与温度振幅的关系的图；

图3为表示He冷凝部的液态He的容积比与温度振幅的关系的图；

图4为表示第二冷却台的温度与冷冻能力的关系的图；

图5为表示冷却时间与第二冷却台的温度的关系的图；

图6为本发明的第二实施方式的冷冻机的He冷凝部附近的结构简图；

图7为本发明的第三实施方式的冷冻机的He冷凝部附近的结构简图；

图8为本发明的第四实施方式的冷冻机的He冷凝部附近的结构简图；

图9为本发明的第五实施方式的冷冻机的He冷凝部附近的结构简图。

符号说明

1 冷冻机

14 第二冷却台(冷却台)

16 传热缓冲材

18 凹凸

20 He冷凝部

30 贮存器

40 被冷却物

50 He气

62 控制部

64 温度传感器

66 加热器

222 第一散热片(散热片)

224 第二散热片(散热片)

322 多孔结构体

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

(第一实施方式)

图1为本发明的第一实施方式的冷冻机的结构简图。本实施方式的冷冻机1包括：冷却被冷却物40的第二冷却台14；载置被冷却物40的He冷凝部20；与He冷凝部20连通、填充有He气50的贮存器30和配置在第二冷却台14与He冷凝部20之间、由热导率低于He冷凝部20的材料形成的传热缓冲材16。

冷冻机1主要包括压缩机4、主体部2和冷却部15。压缩机4将由低压管道8供给的低压He气压缩为高压He气并供给到高压管道6。主体部2通过电动机等的动力连续地切换高压管道6及低压管道8与下述冷却部15内的He气流道之间的连接。

接着主体部2设置有冷却部15。冷却部15配置在保持真空环境的真空槽10的内部，通过在内部流通的He气的膨胀而产生寒冷。在冷却部15中依次设置有第一冷却部11、第一冷却台12、第二冷却部13和第二冷却台14。第一冷却部11和第二冷却部13形成为圆柱状、第一冷却台12和第二冷却台14形成为圆盘状而以同轴状配置。在冷却部15的内部形成有He气流道(未图示)。供给到该He气流道的高压He气在第二冷却台14中吸热膨胀，转变为低压He气。

在第二冷却台14的下面、与后述的He冷凝部20之间设置有传热缓冲材16。传热缓冲材16例如形成为直径几十mm左右、厚度2mm左右的板状。传热缓冲材16由在4K附近温度下的热导率低于后述的He冷凝部20的、不锈钢材料等构成。特别是，若由4K附近温度下的热导率小于100W/(m·K)的材料构成传热缓冲材16，则可以抑制第二冷却台14的温度振幅传递到He冷凝部20。

而且，为了提高热接触性，在传热缓冲材16的两面贴有In箔等，并连接第二冷却台14、传热缓冲材16和He冷凝部20。

在传热缓冲材16的下面设置有载置被冷却物40的He冷凝部20。He冷凝部20由在4K附近温度下的热导率高于上述传热缓冲材16的、Cu、Ag或Al等材料构成。本实施方式中，由无氧铜形成He冷凝部20。特别是，若由4K附近温度下的热导率为200W/(m·K)以上的材料构成He冷凝部20，则通过在He冷凝部20内冷凝的液态He，可以有效地冷却被冷却物40。

He冷凝部20形成为两端密闭的圆筒状，在内部可贮留液态He。若该He冷凝部20的容积为10cc～100cc，则可以确保被冷却物40的冷却所需的液态He的容纳容积，且使He冷凝部20小型化。本实施方式中，将He冷凝部20的容积设定为40cc。

在He冷凝部20的下面配置有台子41。该台子41的下面为作为被冷却物40的载置场所的冷却位置。台子41由具有与He冷凝部20相同物性的材料构成。本实施方式中，在He冷凝部20与台子41之间、以及台子41与被冷却物40之间贴有In箔等，并连接He冷凝部20与台子41。而且，也可以不设置台子41而将被冷却物40热接触良好地贴于He冷凝部20。

上述冷却部15的第二冷却台14、传热缓冲材16、He冷凝部20以及被冷却物40构成始于被冷却物的传热流道。本实施方式中，通过将它们以同轴状地连续配置，能够缩短传热流道的距离。由此，能够降低冷却损失，可以在短时间内有效地将被冷却物40冷却至目标温度。此外，能够使传热流道为轴对称形状，可以均匀且稳定地冷却被冷却物40整体。

从He冷凝部20延伸设置细管32，平时与配置在真空槽10的外部的贮存器30连接。贮存器30的容积优选为He冷凝部20的容积的5倍～100倍。本实施方式中，贮存器30的容积设定为3250cc。由此，可以确保被冷却物40的冷却所需的He气的容纳容积，且使贮存器30小型化。

在贮存器30的内部填充有He气。该He气的压力优选在室温下为0.1MPa～1.0MPa。本实施方式中，在贮存器30中填充有室温下的压力为0.4MPa的He气50。由此，假设冷冻机1停止，He冷凝部20的液态He52蒸发，贮存器30也不会形成高压力。而且，在细管32的中间部形成有用于与第一冷却台12进行热交换的热紧固部(熱アンカ一)34。

接着，对本实施方式的冷冻机1的作用进行说明。如上所述，从压缩机4供给到冷却部15的高压He气在第二冷却台14中吸热膨胀，转变为低压He气。主体部2连续地切换高压管道6及低压管道8与冷却部15的He气流道的连接。由此，重复He气的压缩及膨胀(冷冻循环)，第二冷却台14的温度成为极低温。

在第二冷却台14的下方设置有He冷凝部20。若通过第二冷却台14冷却He冷凝部20，则He冷凝部20的内部的He气冷凝而液化，生成液态He52。本实施方式中，以相对于He冷凝部20的容积比为30％以下(例如20％左右)来生成液态He。

但是，由于上述冷冻循环引起的热流的脉动，在第二冷却台14产生温度振幅。但是，本实施方式中，冷冻循环引起的热流的脉动通过He的蒸发和冷凝(相变)吸收。因此，与第二冷却台14同等的温度振幅不会在He冷凝部20产生，He冷凝部20的温度振幅减小。

而且，本实施方式中，在第二冷却台14与He冷凝部20之间设置有由热导率低于He冷凝部20的材料形成的传热缓冲材16。由于该传热缓冲材16发挥作为热流的节流机构的作用，可以抑制第二冷却台14的温度振幅传递到He冷凝部20。因此，可以降低被冷却物的载置面的温度振幅。

图2为表示第二冷却台的温度与温度振幅的关系的图。其中，对三种装置结构测定了温度振幅。具体地说，对(1)与本实施方式同样地设置第二冷却台14、传热缓冲材16和He冷凝部20时的He冷凝部20的温度振幅(菱形标记)、(2)不设置传热缓冲材16而设置第二冷却台14和He冷凝部20时的He冷凝部20的温度振幅(三角形标记)以及(3)不设置传热缓冲材16和He冷凝部20时的第二冷却台14的温度振幅(圆形标记)进行了测定。横轴为作为被冷却物的载置场所的冷却位置(温度振幅的测定位置)的温度。而且，将贮存器30的容积设定为3250cc，将He气向贮存器30的填充压设定为0.4MPa，将在He冷凝部20的内部中的液态He的容积比设定为20％。

其结果，各装置结构的温度振幅的大小为(3)＞(2)＞(1)的顺序。而且，冷却位置的温度越高则各装置结构间的温度振幅之差越大。此外，在(1)的装置结构中，当冷却位置的温度为4.2K时，He冷凝部20的温度振幅被抑制在±9mK。由上述测定结果确认了与(3)仅有第二冷却台14的装置结构相比，(2)追加有He冷凝部20的装置结构中温度振幅非常低以及(1)追加有传热缓冲材16和He冷凝部20的装置结构中与(2)相比温度振幅进一步降低。

图3为表示He冷凝部的液态He的容积比与温度振幅的关系的图。其中，对(1)与本实施方式同样地设置传热缓冲材时的温度振幅(菱形标记)以及(2)不设置传热缓冲材时的温度振幅(三角形标记)进行了测定。而且，将贮存器30的容积设定为3250cc，将He气向贮存器30的最大填充压设定为0.48MPa，将冷却位置的温度设定为4.2K。

其结果，与液态He的容积比无关，温度振幅的大小为(2)＞(1)。此外，无液态He时的温度振幅增大，而液态He即便少量存在时温度振幅降低。进一步地，对于(1)，液态He的容积比例为1％～30％时，He冷凝部20的温度振幅都被抑制在±9mK。由以上所述确认了即使少量的液态He也具有可以大幅降低温度振幅的效果。

但是由于本实施方式中设置了热导率低于He冷凝部20的传热缓冲材16，因此认为冷冻机的冷冻能力降低。因此，本申请的发明人对传热缓冲材16的有无引起的冷冻能力的差异进行了研究。

图4为表示冷却位置的温度与冷却位置的冷冻能力的关系的图。其中，对(1)与本实施方式同样地设置传热缓冲材16时的冷冻能力(菱形标记)以及(2)不设置传热缓冲材时的冷冻能力(方形标记)进行了测定。而且，将在He冷凝部20的内部中的液态He的容积比设定为20％。

其结果，与冷却位置的温度无关，具有传热缓冲材16时的冷冻能力的降低率为25％左右。因此，确认冷冻能力的损失被抑制在几十％。

此外认为，由于本实施方式中设置了热导率低于He冷凝部20的传热缓冲材16，因此冷却时间增加。因此，本申请的发明人对传热缓冲材16的有无引起的冷却时间的差异进行了研究。

图5为表示冷却时间与冷却位置的温度的关系的图。其中，对(1)与本实施方式同样地设置传热缓冲材时的冷却位置的温度(实线)以及(2)不设置传热缓冲材时的冷却位置的温度(方形标记)进行了测定。其结果，确认了几乎不存在传热缓冲材16的有无引起的冷却时间的差异。

如上面详细描述，本实施方式的冷冻机(参照图1)为在载置被冷却物40的He冷凝部20与第二冷却台14之间具备由热导率低于He冷凝部20的材料形成的传热缓冲材16的结构。根据该结构，冷冻机1的冷冻循环引起的热流的脉动通过He冷凝部20的He的蒸发和冷凝(相变)被吸收。此时，由于传热缓冲材16发挥作为热流的节流机构的作用，第二冷却台14的温度振幅的传递得到抑制，其结果，可以降低被冷却物40的载置面的温度振幅。此外，由于第二冷却台14、传热缓冲材16、He冷凝部20和被冷却物40以同轴状地连续配置，始于被冷却物的传热流道为轴对称形状，形成短距离。因此，被冷却物40能够均匀、稳定地冷却。

此外，本实施方式中，可以将He冷凝部20的液态He52的容积比抑制在30％以下。因此，能够使填充He气50的贮存器30小型化。此外，能够降低室温时的He气50对贮存器30的填充压力。其结果，假设冷冻机1停止，He冷凝部20的液态He52气化，也可以防止贮存器30和He冷凝部形成高压力。

(第二实施方式)

接着，对本发明的第二实施方式的冷冻机进行说明。

图6为本实施方式的冷冻机的He冷凝部附近的结构简图。本实施方式的冷冻机在He冷凝部220的内面221、223上直立设置散热片222、224。而且，对于与第一实施方式相同结构的部分，省略其具体的说明。

在第二冷却台14与被冷却物40之间配置有He冷凝部220。

He冷凝部220为由Cu、Ag或Al等材料形成的圆筒状的中空容器，其内部填充有He气50。若通过第二冷却台14冷却He冷凝部220，则He气冷凝而生成液态He52。通过该液态He52，冷却被冷却物40。

在He冷凝部220的内面上直立设置多个散热片222、224。对于各散热片222、224，优选为与He冷凝部220同样地由热导率高的材料构成。各散热片222、224可以与He冷凝部220一体成型，也可以另外成型并固定在He冷凝部220中。

第一散热片222由He冷凝部220的底面221向着顶面223来形成。由此，能够增大He冷凝部220的内面与液态He52的接触面积。因此，可以有效地冷却载置在He冷凝部220上的被冷却物40。

第二散热片224由He冷凝部220的顶面223向着底面221来形成。由此，能够增大He冷凝部220的内面与He气50的接触面积。因此，可以有效地冷却并冷凝He冷凝部220的内部的He气50。

(第三实施方式)

接着，对本发明的第三实施方式的冷冻机进行说明。

图7为表示本实施方式的冷冻机的He冷凝部附近的结构简图。本实施方式的冷冻机在He冷凝部320的内面装配有多孔结构体322。而且，对于与第一实施方式相同结构的部分，省略其具体的说明。

在He冷凝部320的内面装配有多孔结构体322。多孔结构体322由网(mesh)、泡沫金属或烧结金属等构成。多孔结构体322可以填充在He冷凝部320的整个内侧，也可以仅填充一部分。

多孔结构体322为了与He冷凝部320的内面保持热学上良好的接触，通过粘接剂等装配在He冷凝部320的内面上。

通过设置多孔结构体322，能够增大He冷凝部320的内面与液态He52的接触面积。因此，可以有效地冷却载置在He冷凝部320上的被冷却物40。此外，通过设置多孔结构体322，能够增大He冷凝部320的内面与He气50的接触面积。因此，可以有效地冷却并冷凝He冷凝部320的内部的He气50。

(第四实施方式)

接着，对本发明的第四实施方式的冷冻机进行说明。

图8为本实施方式的冷冻机的He冷凝部附近的结构简图。本实施方式的冷冻机在传热缓冲材16的与第二冷却台14的接触面上形成有凹凸18。而且，对于与第一实施方式相同结构的部分，省略其具体的说明。

传热缓冲材16由热导率低的不锈钢材料等构成。其与第二冷却台14的接触面上形成凹凸18。凹凸18可以规则地形成，也可以不规则(随意)地形成。此外，以与第二冷却台14点接触而可以使凹凸18形成为锥状，或者以与第二冷却台14面接触而可以使凹凸18形成为锥台状。此外，以与第二冷却台14线接触而可以使凹凸18形成截面三角形的突起，或者以与第二冷却台14带状地面接触而可以使凹凸18形成截面梯形的突起。

本实施方式中，由于在传热缓冲材16的与第二冷却台14的接触面上形成凹凸18，传热缓冲材16与第二冷却台14的接触面积减小。由此，与传热缓冲材16和第二冷却台14以全部面接触的情况相比，热流的节流功能得到强化，因此能够抑制第二冷却台14的温度振幅传递到He冷凝部420。因此，可以降低被冷却物的载置面的温度振幅。

虽然本实施方式中在传热缓冲材16的与第二冷却台14的接触面上形成凹凸18，但是也可以在第二冷却台14的与传热缓冲材16的接触面上形成凹凸。此外，还可以在传热缓冲材16的与He冷凝部420的接触面上形成凹凸，还可以在He冷凝部420的与传热缓冲材16的接触面上形成凹凸。即，只要在第二冷却台14或He冷凝部420与传热缓冲材16的接触面上形成凹凸即可。在任意一种情况下，都能够抑制第二冷却台14的温度振幅传递到He冷凝部420。因此，可以降低被冷却物的载置面的温度振幅。

(第五实施方式)

接着，对本发明的第五实施方式的冷冻机进行说明。

图9为本实施方式的冷冻机的He冷凝部附近的结构简图。本实施方式的冷冻机包括：装配在He冷凝部520上的温度传感器64及加热器66，和基于温度传感器64的测定结果驱动加热器66的控制部62。而且，对于与第一实施方式相同结构的部分，省略其具体的说明。

本实施方式中，在He冷凝部520的被冷却物40的载置面附近装配有温度传感器64。此外，在He冷凝部520上装配有具备电热丝等的加热器66。该温度传感器64和加热器66与控制部62连接。控制部62基于温度传感器64的测定结果驱动加热器66。即，将温度传感器64的输出信号转换为加热器66的驱动电流，此外在加热器66中流通反馈电流，从而使由该发热引起的温度的脉动最小来进行控制。

具体地说，首先比较被冷却物40的载置面的设定温度与温度传感器64的测定温度。当测定温度低于设定温度时，驱动加热器加热He冷凝部520。由此，升高被冷却物40的载置面的温度，使其能够恢复至设定温度。因此，可以降低被冷却物40的载置面的温度振幅。

而且，本发明的技术范围不被上述实施方式所限定，包括在不脱离本发明宗旨的范围内，对上述实施方式进行的各种变更。即，实施方式中举出的具体的材料、结构等仅仅为一例，能够进行适当改变。

产业上的可利用性

本发明可以提供能够降低被冷却物的载置面的温度振幅，此外被冷却物能够均匀、稳定地冷却的冷冻机。

Claims

1.一种冷冻机，其特征在于，包括：

冷却被冷却物的冷却台；

在内部收容液态He并在下面具有载置所述被冷却物的台子的He冷凝部；

与所述He冷凝部连通的填充有He气的贮存器；和

配置在所述冷却台的下面与所述He冷凝部的上面之间、由热导率低于所述He冷凝部的材料形成的传热缓冲材，

收容在所述He冷凝部中的液态He的容积为所述He冷凝部的容积的1～30％。

2.根据权利要求1所述的冷冻机，其特征在于，所述He冷凝部由4K附近温度下的热导率为200W/(m·K)以上的材料形成。

3.根据权利要求1所述的冷冻机，其特征在于，所述传热缓冲材由4K附近温度下的热导率小于100W/(m·K)的材料形成。

4.根据权利要求1所述的冷冻机，其特征在于，所述贮存器的容积为所述He冷凝部的容积的5倍～100倍。

5.根据权利要求1所述的冷冻机，其特征在于，填充在所述贮存器中的所述He气的压力在室温下为0.1MPa～1.0MPa。

6.根据权利要求1所述的冷冻机，其特征在于，在所述He冷凝部的内面直立设置有散热片。

7.根据权利要求1所述的冷冻机，其特征在于，在所述He冷凝部的内面装配有多孔结构体。

8.根据权利要求1所述的冷冻机，其特征在于，在所述传热缓冲材与所述冷却台或所述He冷凝部的接触面上形成有凹凸。

9.根据权利要求1所述的冷冻机，其特征在于，进一步包括：

装配在所述He冷凝部的温度传感器及加热器；和

基于所述温度传感器的测定结果驱动所述加热器的控制部。