TWI473937B - Low temperature pump and very low temperature freezer - Google Patents

Description

低溫泵及極低溫冷凍機

本發明係有關一種低溫泵及極低溫冷凍機。

例如專利文獻1中記載有附帶冷凍機之低溫泵，該冷凍機使第1級排出器與第2級排出器之間的連接部中的工作氣體的流道分支成2個工作氣體流道。第1工作氣體流道從第1級蓄冷器中的低溫側端部連接至第1級膨脹室。第2工作氣體流道從第1級蓄冷器中的低溫側端部直接連接至第2級蓄冷器。朝向第2級蓄冷器的流入氣體的一部份不經由第1級膨脹室內而藉由第2工作氣體流道流入。

(先前技術文獻)

(專利文獻)

專利文獻1：日本特開2002-243294號公報

在作為極低溫冷凍機的典型的應用對象之一的低溫泵中，冷凍機的第1級冷卻台安裝於有底筒狀的第1級低溫板。冷凍機的第2級冷卻台配置於第1級低溫板的內側，所以連接第1級冷卻台與第2級冷卻台之第2級缸的長度藉由第1級低溫板的尺寸而受限制。第2級缸的長度是決定第1級冷卻台與第2級冷卻台的溫差的主要因素之一。如此一來，按照冷凍機的應用對象的結構上的要求和有關冷凍機的冷凍性能之最佳設計有時未必一定會吻合。

本發明之目的之一在於提供一種可實現更加適合於應用對象之設計之極低溫冷凍機及應用其冷凍機之低溫泵。

本發明之一種形態的低溫泵，具備：低溫板；高溫低溫板，冷卻成高於低溫板的溫度；及冷凍機，提供用於對低溫板進行冷卻之低溫冷卻位置和用於對高溫低溫板進行冷卻之高溫冷卻位置，且在長邊方向排列低溫冷卻位置和高溫冷卻位置，其中，前述冷凍機具備沿前述長邊方向相互連結之第1排出器及第2排出器，第2排出器的高溫端容納且連結於第1排出器的低溫端，以便內置於第2排出器之蓄冷材的高溫側末端伸入到第1排出器。

藉由該形態，為了對低溫板及高溫低溫板進行冷卻，以與各自對應之配置提供低溫冷卻位置及高溫冷卻位置。藉由使第2排出器伸入到第1排出器能夠加長第2排出器。藉此，能夠加大第2排出器兩端的溫差。因此，與具有直接反映低溫板及高溫低溫板的位置關係之結構之冷凍機相比，能夠降低基於第2排出器之冷卻溫度。

並且，由於使內置於第2排出器之蓄冷材的高溫側末端伸入到第1排出器，因此能夠增加第2排出器的蓄冷材之量。如此一來，還能夠提高藉由第2排出器實現之冷凍能力。

本發明之另一種形態係極低溫冷凍機。該極低溫冷凍機具備使被連結之2個排出器的一方伸入到另一方，直到內置於一方的蓄冷材的端部位於另一方的內部之排出器連結結構。

依本發明，能夠提供一種可實現更加適合於應用對象之設計之極低溫冷凍機及應用其冷凍機之低溫泵。

第1圖係模式表示本發明的一實施方式之低溫泵10之圖。低溫泵10例如安裝於離子注入裝置或濺射裝置等的真空腔，為了將真空腔內部的真空度提高至希望之程序所需的水平而加以使用。低溫泵10包含低溫泵容器30、放射屏蔽40及冷凍機50所構成。

冷凍機50例如為吉福德-麥克馬洪式冷凍機(所謂GM冷凍機)等冷凍機。冷凍機50具備第1缸11、第2缸12、第1冷卻台13、第2冷卻台14及閥驅動馬達16。第1缸11與第2缸12串聯連接。第1缸11與第2缸12的結合部側設置第1冷卻台13，於第2缸12遠離第1缸11側之一端設置第2冷卻台14。

第1圖所示之冷凍機50係二級式冷凍機，串聯二級組合缸而實現較低溫度。冷凍機50亦可以串聯連接三級缸之三級式冷凍機或比其多級的冷凍機。冷凍機50透過冷媒管18連接於壓縮機52。

壓縮機52壓縮例如氦等冷媒氣體，亦即工作氣體，並透過冷媒管18供給至冷凍機50。冷凍機50藉由使工作氣體通過蓄冷器來進行冷卻的同時，首先使其在第1缸11的內部的膨脹室，接著使其在第2缸12的內部的膨脹室膨脹來進一步進行冷卻。蓄冷器組裝於膨脹室內部。藉此，設置於第1缸11之第1冷卻台13冷卻至第1冷卻溫度水平，而設置於第2缸12之第2冷卻台14冷卻至溫度低於第1冷卻溫度水平之第2冷卻溫度水平。例如，第1冷卻台13冷卻至65K～120K左右，冷卻至80K～100K為較佳，而第2冷卻台14冷卻至10K～20K左右。

這樣，冷凍機50提供用於對低溫板進行冷卻之低溫冷卻位置和用於對高溫低溫板進行冷卻之高溫冷卻位置。低溫冷卻位置和高溫冷卻位置在長邊方向亦即缸排列方向上排列。亦可在低溫冷卻位置與高溫冷卻位置之間排列提供中間冷卻溫度之1個或複數個中間冷卻位置。

在膨脹室中藉由依序膨脹而吸熱，且對各冷卻台進行了冷卻之工作氣體再次通過蓄冷器，經過冷媒管18返回至壓縮機52。從壓縮機52向冷凍機50和從冷凍機50向壓縮機52的工作氣體的流動藉由冷凍機50內的迴轉閥(未圖示)切換。閥驅動馬達16從外部電源接受電力供給而使迴轉閥旋轉。

設置有用於控制冷凍機50之控制部20。控制部20根據第1冷卻台13或第2冷卻台14的冷卻溫度來控制冷凍機50。為此，於第1冷卻台13或第2冷卻台14可以設置有溫度感測器28。控制部20亦可藉由控制閥驅動馬達16的運行頻率來控制冷卻溫度。為此控制部20亦可具備用於控制閥動馬達16之變頻器。控制部20可以構成為控制壓縮機52。控制部20可以一體設置於低溫泵10，亦可作為與低溫泵10不同體的控制裝置所構成。

第1圖所示之低溫泵10係所謂臥式低溫泵。臥式低溫泵一般是指冷凍機的第2冷卻台14沿著與筒狀的放射屏蔽40的軸向交叉之方向(通常為正交方向)***於放射屏蔽40的內部之低溫泵。再者，本發明同樣亦能夠應用於所謂立式低溫泵中。立式低溫泵是指沿放射屏蔽的軸向***有冷凍機之低溫泵。

低溫泵容器30具有形成為一端具有開口且另一端被封閉之圓筒狀的形狀的部位(以下稱為“胴部”)32。開口作為應從濺射裝置等真空腔排氣之氣體進入之吸氣口34而設置。吸氣口34藉由低溫泵容器30的胴部32的上端部內面所區隔。並且，於胴部32形成有用於插通冷凍機50之開口37。圓筒狀的冷凍機容納部38的一端安裝於胴部32的開口37，另一端安裝於冷凍機50的外殼。冷凍機容納部38容納冷凍機50的第1缸11。

並且，安裝突緣36在低溫泵容器30的胴部32的上端朝徑向外側延伸。低溫泵10利用安裝突緣36安裝於排氣對象容積亦即濺射裝置等的真空腔。

為了隔開低溫泵10的內部與外部而設置低溫泵容器30。如上所述，低溫泵容器30包含胴部32與冷凍機容納部38而構成，胴部32及製冷機容納部38的內部被氣密地保持成共同的壓力。即使在低溫泵10的動作中，亦即製冷機動作的期間低溫泵容器30的外面亦被暴露於低溫泵10的外部的環境中，因此維持成高於放射屏蔽40之溫度。低溫泵容器30的溫度典型地維持成環境溫度。在此，環境溫度是指設置有低溫泵10之部位的溫度，或與其溫度相近之溫度，例如室溫程度。

放射屏蔽40配設於低溫泵容器30的內部。放射屏蔽40形成為一端具有開口且另一端封閉之圓筒狀的形狀亦即杯狀形狀。放射屏蔽40可構成為如第1圖所示之一體的筒狀，並且亦可構成為藉由複數個零組件整體上呈筒狀的形狀。該等複數個零組件亦可相互保持間隙而配設。

低溫泵容器30的胴部32及放射屏蔽40均形成為大致圓筒狀，且被同軸配設。低溫泵容器30的胴部32的內徑稍微超出放射屏蔽40的外徑，放射屏蔽40在與低溫泵容器30的胴部32的內面之間具備稍微的間隔且以與低溫泵容器30非接觸之狀態配置。亦即，放射屏蔽40的外面與低溫泵容器30的內面相對。再者，低溫泵容器30的胴部32及放射屏蔽40的形狀不限於圓筒形狀，可以為角筒形狀或橢圓筒形狀等任何一種剖面的筒形狀。放射屏蔽40的形狀典型地成為與低溫泵容器30的胴部32的內面形狀相似之形狀。

放射屏蔽40作為主要從來自低溫泵容器30之輻射熱保護第2冷卻台14及熱連接於此的低溫板60的高溫低溫板而設置。放射屏蔽40包圍低溫板60。第2冷卻台14在放射屏蔽40的內部配置於放射屏蔽40的大致中心軸上。放射屏蔽40以熱連接於第1冷卻台13之狀態被固定，冷卻成與第1冷卻台13相同程度的溫度。

低溫板60例如包含複數個板64。板64例如分別具有圓錐台側面的形狀，即具有傘狀的形狀。各板64安裝於在第2冷卻台14上安裝之板安裝構件66上。各板64上通常設置有活性炭等吸附劑(未圖示)。吸附劑例如黏結於板64的裏面。

板安裝構件66具有一端封閉且另一端開放之圓筒狀的形狀，以封閉之端部安裝於第2冷卻台14的上端而圓筒狀側面圍繞第2冷卻台14之方式朝放射屏蔽40的底部延伸。複數個板64於板安裝構件66的圓筒狀側面相互隔開間隔而安裝。於板安裝構件66的圓筒狀側面形成有用於通過冷凍機50的第2缸12之開口。

為了從來自真空腔等輻射熱保護第2冷卻台14及熱連接於此的低溫板60，於放射屏蔽40的吸氣口設置有擋板62。擋板62形成為例如百葉窗結構或人字形結構。擋板62可以形成為以放射屏蔽40的中心軸為中心之同心圓狀，或亦可形成為格子狀等其他形狀。擋板62安裝於放射屏蔽40的開口側的端部，冷卻成與放射屏蔽40相同程度的溫度。再者，亦可以在擋板62與真空腔之間設置閘閥(未圖示)。該閘閥例如在低溫泵10再生時設為關閉，且藉由低溫泵10對真空腔進行排氣時設為開啟。

在放射屏蔽40的側面形成有冷凍機安裝孔42。冷凍機安裝孔42於放射屏蔽40的中心軸方向上形成於放射屏蔽40側面的中央部。放射屏蔽40的冷凍機安裝孔42與低溫泵容器30的開口37同軸設置。冷凍機50的第2缸12及第2冷卻台14從冷凍機安裝孔42沿著與放射屏蔽40的中心軸方向垂直之方向***。放射屏蔽40在冷凍機安裝孔42中以熱連接於第1冷卻台13之狀態固定。

再者，放射屏蔽40可藉由連接用套管安裝於第1冷卻台13來代替放射屏蔽40直接安裝於第1冷卻台13。該套管例如為用於包圍第2缸12的第1冷卻台13側的端部，且將放射屏蔽40熱連接於第1冷卻台13的傳熱構件。

以下對基於上述結構的低溫泵10的動作進行說明。當低溫泵10作動時，首先在其作動前由其他適當的粗抽泵將真空腔內部粗抽至1Pa左右。之後使低溫泵10作動。藉由冷凍機50的驅動冷卻第1冷卻台13及第2冷卻台14，亦冷卻熱連接於該等的放射屏蔽40、擋板62及低溫板60。

被冷卻之擋板62冷卻從真空腔朝向低溫泵10內部飛來之氣體分子，使蒸氣壓在其冷卻溫度下充份變低的氣體(例如水分等)在表面凝結而排氣。在擋板62的冷卻溫度下蒸氣壓不會充份變低的氣體通過擋板62進入放射屏蔽40內部。進入之氣體分子中蒸氣壓在低溫板60的冷卻溫度下充份變低的氣體在低溫板60的表面上凝結而被排氣。蒸氣壓在其冷卻溫度下亦不會充份變低的氣體(例如氫等)藉由黏結於低溫板60的表面並被冷卻之吸附劑吸附而被排氣。如此一來，低溫泵10能夠使真空腔的真空度達到所希望的水平。

第2圖至第4圖係表示本發明的一實施方式之冷凍機50的主要部份的圖。分別表示包含冷凍機50的中心軸的剖面。第3圖用箭頭模示地表示吸氣過程中的作動氣體流動，第4圖用箭頭模示地表示排氣過程中的作動氣體流動。

冷凍機50具備沿中心軸方向亦即長邊方向相互連結之第1排出器68及第2排出器70。第1排出器68與第2排出器70藉由連結部72連結。冷凍機50具備排出器連結結構，該排出器連結結構使第2排出器70伸入到第1排出器68，直到內置於第2排出器70的蓄冷材112的端部位於第1排出器68的內部。

第1缸11與第2缸12一體地形成，且第1缸11的低溫端與第2缸12的高溫端藉由第1缸底部74連接。第1缸11及第2缸12分別在長邊方向上串聯排列。第2缸12是與第1缸11同軸配置，直徑小於第1缸11之圓筒構件。第1缸11可往返移動地容納第1排出器68，第2缸12可往返移動地容納第2排出器70。

第1缸11的低溫端的外圍部安裝有第1冷卻台13，第2缸12的低溫端的外圍部安裝有第2冷卻台14。第1缸底部74是在各自的末端連接第1缸11與第2缸12之圓環狀構件。第2缸12的低溫端被第2缸底部76封閉。於第1缸11的高溫端的外圍部形成有突緣部78。

與第1缸11的高溫端鄰接而設置具有閥驅動馬達16與迴轉閥、止轉棒軛機構之驅動機構(未圖示)。第1排出器68連接於止轉棒軛。該止轉棒軛機構藉由閥驅動馬達16驅動。馬達的旋轉藉由止轉棒軛機構轉換成直線往返運動，藉此第1排出器68沿著第1缸11的內側面往返移動。第1排出器68和第2排出器70被連結，所以第2排出器70亦與第1排出器68連動而沿著第2缸12的內側面往返移動。

第1排出器68係與第1缸11的內部容積形狀對應形成為大致圓筒狀之構件。第1排出器68的最大徑的部份的外徑實際上相等或略小於第1缸11的內徑，藉此第1排出器68可沿第1缸11滑動地或者具有微小間隙成非接觸地移動。

第1排出器68包含第1高溫端80、第1圓筒部份82及第1低溫端84所構成。第1高溫端80及第1低溫端84分別封閉與第1圓筒部份82互相相對之端面。如後述，用於連接第1排出器68的內部與外部之開口分別形成於第1高溫端80及第1低溫端84。第1圓筒部份82的內部填充有第1級蓄冷材86。被第1高溫端80、第1圓筒部份82及第1低溫端84包圍的第1排出器68的內部容積亦可稱為保持蓄冷材86之第1蓄冷器88。

在第1排出器68的第1高溫端80與第1圓筒部份82的連接部的徑向外側形成有用於安裝密封墊的圓環槽，圓環槽安裝有圓環狀的第1密封墊90。第1密封墊90可滑動地緊貼於第1缸11，阻斷第1缸11的高溫端與第1膨脹空間94之間的作動氣體在第1排出器68的外側的流通。為了提高與缸外部的隔熱性而在第1排出器68的第1圓筒部份82的外圍部份形成有極淺的凹部92。在第1缸11的內部與第1低溫端84鄰接而形成有第1膨脹空間94。第1膨脹空間94藉由第1排出器68的往返運動改變容積。

第1排出器68的第1高溫端80形成有用於使作動氣體在第1排出器68的外側(亦即第1缸11的高溫側)與第1蓄冷器88之間流通之第1開口96。第1開口96沿著圍繞中心軸之周圍方向設置於多處。

第1排出器68的第1低溫端84形成有用於使作動氣體在第1蓄冷器88與第1膨脹空間94之間流通之第2開口98。第2開口98沿著圍繞中心軸的周圍方向在第1低溫端84的外圍部設置多處。第2開口98中，入口部份100形成於第1蓄冷器88的低溫端，出口部份102形成於第1低溫端84的側面。彎曲流道從入口部份100朝向出口部份102形成於第1低溫端84。入口部份100及出口部份102僅僅是為了方便起見的稱謂，第2開口98不僅容許從入口部份100朝向出口部份102之作動氣體流動，還容許從出口部份102朝向入口部份100之作動氣體流動。再者，第2開口98可以不是彎曲流道，可以是在第1蓄冷器88的低溫端例如沿中心軸方向或其正交方向形成之直線的貫穿孔。

第1排出器68的第1低溫端84的直徑稍微小於第1圓筒部份82的低溫側末端。藉此，第1低溫端84的側面與第1缸11的內面之間形成連接第2開口98與第1膨脹空間94之圓環狀的第1通道104。第1通道104也可視為第1膨脹空間94的一部份。第2開口98的出口部份102藉由第1通道104連接於第1膨脹空間94。

第1通道104沿著第1冷卻台13向長邊方向延伸。如圖示，第1冷卻台13的長邊方向的長度包含有第2開口98的出口部份102的長邊方向的可動範圍。因此，即使第1排出器68位於任一長邊方向位置時，第1冷卻台13亦會與第2開口98的出口部份102相對。這樣，流過第1通道104的作動氣體和第1冷卻台13可經第1缸11有效地進行熱交換。

如此，形成有用於使作動氣體從第1排出器68經第2開口98流向第1膨脹空間94之第1流道。該第1流道將作動氣體從壓縮機52及冷媒管18(參閱第1圖)經第1開口96、第1蓄冷器88、第2開口98及第1通道104送達第1膨脹空間94(參閱第3圖)。並且，使作動氣體逆向地從第1膨脹空間94返回到壓縮機52(參閱第4圖)。

第2排出器70係與第2缸12的內部容積形狀對應而形成為大致圓筒狀之構件。第2排出器70的最大徑部份的外徑實際上相等或略小於第2缸12的內徑，由此第2排出器70可沿著第2缸12滑動或者具有微小間隙而非接觸地移動。

第2排出器70包含第2高溫端106、第2圓筒部份108及第2低溫端110所構成。第2高溫端106及第2低溫端110分別封閉與第2圓筒部份108互相相對之端面。如後述，用於連接第2排出器70的內部與外部之開口分別形成於第2高溫端106及第2低溫端110。在第2圓筒部份108的內部填充有第2級蓄冷材112。被第2高溫端106、第2圓筒部份108及第2低溫端110包圍的第2排出器70的內部容積亦可稱為保持蓄冷材112之第2蓄冷器114。第2蓄冷器114的高溫側設置有用於按壓蓄冷材112之毛氈或金屬絲網124。同樣在低溫側可容納有用於按壓蓄冷材112之毛氈或金屬絲網。

在第2排出器70的第2圓筒部份108的徑向外側形成有用於安裝密封墊的圓環槽，圓環槽安裝有圓環狀的第2密封墊116。第2密封墊116跨第2排出器70的可動範圍滑動地緊貼於第2缸12，阻斷第1膨脹空間94與第2膨脹空間120之間的作動氣體在第2排出器70的外側中的流通。為了提高與缸外部的隔熱性而在第2排出器70的第2圓筒部份108的外圍部份形成有極淺的凹部118。在第2缸12的內部與第2低溫端110鄰接而形成有第2膨脹空間120。第2膨脹空間120藉由第2排出器70的往返運動改變容積。

第2排出器70的第2高溫端106形成有用於使作動氣體在第2排出器70的外側(亦即第1排出器68的低溫側)與第2蓄冷器114之間流通之第3開口122。第3開口122沿著圍繞中心軸的周圍方向設置於多處或全周圍。

第2排出器70的第2低溫端110形成有用於使作動氣體於第2蓄冷器114與第2膨脹空間120之間流通之第4開口126。第4開口126形成於第2低溫端110的側面的多處。將第4開口126連接於第2膨脹空間120的流道亦與第1通道104相同地沿第2冷卻台14設置，從第2膨脹空間120流向第2蓄冷器114的作動氣體和第2冷卻台14能夠有效地進行熱交換。

如上述，第1排出器68和第2排出器70藉由連結部72沿著長邊方向相互連結。第2排出器70的第2高溫端106容納於第1排出器68的第1低溫端84，以使第2蓄冷器114的高溫側末端伸入到第1排出器68。如圖示，第2蓄冷器114的高溫側的端面比第1低溫端84的端面只伸入長度A。因此，第2排出器70的第2高溫端106的端面比第1排出器68的第1低溫端84的端面只伸入長度B。長度B至少為15mm。

藉由使第2排出器70伸入到第1排出器68，無需加長第2缸12的長度就可加長第2排出器70。藉由第2排出器70變長，第2排出器70的高溫端與低溫端的距離擴大，所以能夠增大溫差。亦即，能夠更加降低低溫端的溫度。並且，能夠增加填充至第2蓄冷器114之蓄冷材112的量。第2蓄冷器114的比熱變大，能夠增強冷凍機50的第2級冷凍能力。

藉由使第2排出器70伸入到第1排出器68，能夠維持原有的缸形狀及尺寸。因此，亦可保持排出器的可動範圍(所謂衝程)，所以亦無需變更冷凍機50的驅動機構的設計。並且，由於能夠保持原有的缸形狀及尺寸，所以對應用冷凍機50之裝置結構的設計的影響較少或不存在。例如在低溫泵10中以能夠保持放射屏蔽40與低溫板60的位置關係的狀態提高低溫板60的排氣能力。

連結部72包含連接器構件128。第1排出器68的第1低溫端84與第2排出器70的第2高溫端106透過圓柱狀或角柱狀的連接器構件128連結。連接器構件128中，相互正交的方向的2個結合銷插通至兩端，一方的銷連結第1排出器68的第1低溫端84與連接器構件128，另一方的銷連結第2排出器70的第2高溫端106與連接器構件128。2個銷的插通方向均為與冷凍機50的長邊方向正交之方向。在一實施例中，連結部72亦可包含所謂萬能聯軸器。

如此，第1排出器68與連接器構件128藉由結合銷可擺動地相互連接，第2排出器70與連接器構件128在與其正交之方向藉由結合銷可擺動地連接。因此，在冷凍機50的組裝過程中，將第1排出器68及第2排出器70***至第1缸11及第2缸12時，第2排出器70可相對於第1排出器68多少相對移動或偏心。因此，緩和製造缸時的公差，且有助於冷凍機50之低成本化。

第1排出器68的第1低溫端84具有外圍部130。外圍部130形成從第1圓筒部份82朝向第1缸底部74突出之環狀的凸部。外圍部130的側面亦可為第1低溫端84的側面。因此，外圍部130的側面與第1缸11的內面相對，在外圍部130的側面與第1缸11的內面之間形成上述之第1通道104。被外圍部130包圍的中心部份成為凹部132。凹部132向第1蓄冷器88開放。或者，連接凹部132與第1蓄冷器88的低溫側末端的開口亦可形成於第1低溫端84的中心部、亦即凹部132的上面。

連接器構件128配置於該凹部132，其整體容納於凹部132。連接器構件128的與第2排出器70的連接部容納於第2排出器70的第3開口122。連接器構件128的下端與第2蓄冷器114或金屬絲網124之間存在空隙，且不相互接觸。

第1低溫端84的凹部132為了收納第2排出器70而形成。第2排出器70的高溫側，具體而言，第2高溫端106和第2圓筒部份108的高溫側末端間隙遊動***於凹部132。亦即，保持一些間隙而被***。因此，在凹部132的側面與第2排出器70的第2高溫端106及第2圓筒部份108的側面之間形成間隙G。凹部132的直徑與第2圓筒部份108的直徑之差成為間隙G。間隙G最大為1mm以內，並以0.5mm以內為較佳。

因此，形成有用於使作動氣體從第1排出器68經凹部132流向第2排出器70的直通流道。該直通流道將作動氣體從壓縮機52及冷媒管18(參閱第1圖)經第1開口96、第1蓄冷器88、凹部132、第3開口122、第2蓄冷器114及第4開口126送達第2膨脹空間120(參閱第3圖)。並且，使作動氣體從第2膨脹空間120反方向地返回至壓縮機52(參閱第4圖)。

作動氣體在第1排出器68與第2排出器70之間的流通調整間隙G的尺寸，以便使得經此直通流道之流動成為支配性流動。如此一來，能夠抑制第1蓄冷器88與第2蓄冷器114之間作動氣體流動經間隙G的洩漏。可以使不經由第1膨脹空間94而從第1蓄冷器88直接流入第2蓄冷器114之作動氣體增多。

間隙G從凹部132通往第1膨脹空間94。第1膨脹空間94係由第1排出器68、第1缸11及第2排出器70所包圍的區域。具體而言，第1膨脹空間94藉由第1排出器68的第1低溫端84、第1缸11的內面及從第1排出器68的凹部132延伸之第2排出器70的第2圓筒部份108所區隔。

作動氣體在第1膨脹空間94與第1排出器68之間的流通調整間隙G的尺寸，以便使得經第2開口98的流動成為支配性流動。亦即，從第1排出器68經第2開口98流入第1膨脹空間94之作動氣體再次經第2開口98返回至第1排出器68。充份地抑制經由第1膨脹空間94且經間隙G而流入到凹部132之流動。

如此，朝向第1膨脹空間94的作動氣體流動與朝向第2膨脹空間120的作動氣體被分離。因此，抑制流入第1膨脹空間94且與第1冷卻台13進行了熱交換之作動氣體向第2排出器70之流入。由第1排出器68供給且直接朝向第2膨脹空間120之作動氣體不經由第1膨脹空間94。因此，能夠減小冷凍機50的第1級的冷卻溫度對第2級的冷凍能力之影響。

如上述分離流動的結構在不同之冷卻台所要求之溫差較大時尤佳。作動氣體經由冷卻成比較高溫之冷卻台及其熱交換部(亦即膨脹空間)朝向比下一級溫度更低之冷卻台及其熱交換部時，前級的高溫對後級的影響變大。藉由分離流動，能夠抑制對後級的冷凍能力的影響。

因此，例如在二級式冷凍機50中，第1級的冷卻溫度為80K以上、100K以上為較佳，第2級的冷卻溫度為30K以下、20K以下為較佳時，採用上述之流動分離結構為較佳。並且，相鄰之冷卻級的溫差至少為50K以上，變大至80K以上為較佳時採用流動分離結構為較佳。

並且，使從第1排出器68流出之作動氣體在向第2膨脹空間120的直通流道中流動之方向和從第1排出器68朝向第1膨脹空間94流出之作動氣體的流動方向一致的方式構成各流道。凹部132形成為使從第1蓄冷器88朝向第2蓄冷器114之流動流向長邊方向，第2開口98的入口部份100亦形成為使來自第1蓄冷器88的流動流向長邊方向。凹部132及第2開口98的入口部份100為與缸的中心軸方向平行地形成之開口部。再者，如上述，流入第2開口98之作動氣體在第2開口98的內部朝向徑向外側彎曲且從出口部份102流出。亦即，在第1蓄冷器88的外部變更流動方向。

如上述，藉由使從第1蓄冷器88的低溫側朝向外側流動的方向一致的方式形成開口，能夠提高作動氣體在第1蓄冷器88的低溫端流動的均勻性。藉由改善作動氣體流動的均勻性，第1蓄冷器88的低溫端之溫度分佈均勻性亦變得良好。可認為這一點有助於在第1蓄冷器88的低溫端中整體上保持低溫。

對冷凍機50的動作進行說明。將第3圖所示的吸氣過程及第4圖所示之排氣過程設為1個循環，冷凍機50重複該循環。在吸氣過程的某一時刻中，第1排出器68及第2排出器70分別位於第1缸11及第2缸12內的下死點。與此同時或稍微錯開時機，藉由迴轉閥連接壓縮機52的吐出側與缸內部容積，使高壓的作動氣體例如氦氣從壓縮機52流入第1排出器68。高壓氦氣從第1開口96流入第1蓄冷器88，藉由蓄冷材86冷卻。被冷卻之氦氣的一部份經第2開口98、第1通道104流入第1膨脹空間94。

被冷卻之氦氣的剩餘部份經第1排出器68的凹部132及第2排出器70的第3開口122流入第2蓄冷器114。氦氣藉由內部的蓄冷材112冷卻，且經第4開口126流入至第2膨脹空間120。如上述，第1膨脹空間94及第2膨脹空間120分別成為高壓狀態。藉由第1排出器68及第2排出器70向上死點移動而擴張第1膨脹空間94及第2膨脹空間120。被擴張之第1膨脹空間94及第2膨脹空間120由高壓氦氣填滿。

在排氣過程的某一時刻中，第1排出器68及第2排出器70分別位於第1缸11及第2缸12內的上死點。與此同時或稍微錯開時機藉由迴轉閥的旋轉而連接壓縮機52的吸入側與缸內部容積。第1膨脹空間94及第2膨脹空間120的氦氣被減壓而膨脹。氦氣藉由膨脹成為低壓並產生寒冷。第1膨脹空間94的氦氣從第1冷卻台13吸收熱進行冷卻，第2膨脹空間120的氦氣從第2冷卻台14吸收並熱進行冷卻。

第1排出器68及第2排出器70朝向下死點移動，並縮小第1膨脹空間94及第2膨脹空間120。低壓氦氣從第1膨脹空間94經第1通道104、第2開口98、第1蓄冷器88及第1開口96，被回收至壓縮機52。並且，低壓氦氣從第2膨脹空間120經第4開口126、第2蓄冷器114、第3開口122、凹部132、第1蓄冷器88及第1開口96，被回收至壓縮機52。此時，第1蓄冷器88的蓄冷材86及第2蓄冷器114的蓄冷材112亦被冷卻。

第5圖係表示典型的其他冷凍機150的吸氣過程之圖，第6圖係表示其冷凍機150的排氣過程之圖。該冷凍機150與上述之第2圖所示之冷凍機50有關的第1排出器168與第2排出器170的連結部172的結構不同。對於第1缸11、第2缸12、第1冷卻台13及第2冷卻台14，在第2圖所示之冷凍機50和第5圖、第6圖所示之冷凍機150形成相同尺寸及形狀。

如第5圖及第6圖所示，在冷凍機150中，第1排出器168與第2排出器170之間的空間亦即連結用凹坑140形成為連接第1膨脹空間194和第2蓄冷器114之流道。因此，第2排出器170的高溫端稍微進入到第1排出器168的低溫端的連結用凹坑140。進入量最大為10mm。因此，第2蓄冷器114位於第1排出器168的外側。

為了保證向第2排出器170的充份的流量，進入部份中的第2排出器170與第1排出器168之間的間隔至少被加大2mm～3mm。再者，重視增大安裝作業時的2個排出器之間的相對移動量時，第2排出器170的高溫端不進入第1排出器168的低溫端而是配設於連結用凹坑140的外側。

因此，吸氣過程中的作動氣體流動經第1開口96、第1蓄冷器88、第2開口198、第1膨脹空間194、連結用凹坑140、第2蓄冷器114供給至第2膨脹空間120(參閱第5圖)。排氣過程中的作動氣體流動與此成反方向，從第2膨脹空間120返回至第1開口96(參閱第6圖)。如此，第1蓄冷器88與第2蓄冷器114之間的作動氣體流動經由第1膨脹空間194。因此，冷凍機150的第2級的冷凍性能易受第1級的冷卻溫度的影響。

再者，在冷凍機150中，用於使第1排出器168的第1蓄冷器88與第1膨脹空間194連通之第2開口198形成於第1排出器168的低溫側側面。第2開口198從冷凍機150的中心軸以放射狀形成於第1排出器168的側面的多處。該第2開口198亦可於第2圖所示的冷凍機50中採用。

從與第5圖及第6圖所示之冷凍機150的對比可知，可以說第2圖至第4圖所示之冷凍機50的連結部72具有密封從與第1排出器68鄰接之第1膨脹空間94通往第2排出器70之間隙G的氣體流動的密封結構。該密封結構中，鄰接之2個排出器中的一方的端部被遊動***於收納此排出器的另一方的凹部，該等間隙作為用於密封與排出器連結結構的外部的作動氣體流動的空隙而被調整。該空隙作為用於冷凍機的組裝作業時容許少許的相對變位的空隙而設置。

作為表示該密封結構的密封性之1種指標，可考慮第2排出器70的伸入長度B與間隙G之比X。亦即X=B/G。當第2排出器70的伸入長度B較大，間隙G較小時，比X之值變大。此時，連接第1膨脹空間94與第2蓄冷器114的路徑的彎曲程度嚴重，所以作動氣體難以流動。相反，當第2排出器70的伸入長度B較小、間隙G較大時，比X之值變小。此時，彎曲路徑變緩，所以作動氣體容易流動。

在一實施例中，比X至少為10以上較佳。當伸入長度B為15mm，間隙G為1mm時，比X成為15，而當伸入長度B為15mm，間隙G為0.5mm時，比X成為30。因此，比X至少30以上為較佳。與此相對，如第5圖及第6圖所示之冷凍機150，當伸入長度B為10mm，間隙G為2mm～3mm時，比X成為約3.3～5。如此一來，與典型的冷凍機的連結部份相比，藉由將比X之值設為10倍以上的大小，可實現充份的密封性。

在較佳一實施例中，伸入長度B至少為15mm，並且比X至少為10以上、30以上為較佳。藉由在將第2排出器70的伸入長度B至少設為15mm的前提下設定比X之下限值，能夠充份縮小間隙G。

如說明，根據本發明的一實施形態，大體規定2個冷卻台位置及缸尺寸之冷凍機的結構中，能夠更加長第2排出器70。藉此，能夠加長高溫端與低溫端的距離來加大溫差。並且還能夠增大內置的蓄冷材的量來提高冷凍能力。由於低溫泵具備位置關係已被規定的放射屏蔽和其內部的低溫板，所以成為這種冷凍機的最佳應用對象。尤其在要求加大放射屏蔽與其內部的低溫板的溫差時為較佳。

10．．．低溫泵

11．．．第1缸

12．．．第2缸

13．．．第1冷卻台

14．．．第2冷卻台

20．．．控制部

30．．．低溫泵容器

40．．．放射屏蔽

50．．．冷凍機

60．．．低溫低溫板

68．．．第1排出器

70．．．第2排出器

72．．．連結部

88．．．第1蓄冷器

114．．．第2蓄冷器

132‧‧‧凹部

G‧‧‧間隙

第1圖係模示表示本發明的一實施形態之低溫泵之圖。

第2圖係表示本發明的一實施形態之冷凍機的主要部份之圖。

第3圖係表示本發明的一實施形態之冷凍機的吸氣過程的作動氣體流動之圖。

第4圖係表示本發明的一實施形態之冷凍機的排氣過程的作動氣體流動之圖。

第5圖係表示其他一例的冷凍機的吸氣過程的作動氣體流動之圖。

第6圖係表示其他一例的冷凍機的排氣過程的作動氣體流動之圖。

32．．．胴部

62．．．擋板

60．．．低溫板

64．．．板

30．．．低溫泵容器

66．．．板安裝構件

14．．．第2冷卻台

40．．．放射屏蔽

12．．．第2缸

34．．．吸氣口

36．．．安裝突緣

13．．．第1冷卻台

37．．．開口

42．．．冷凍機安裝孔

28．．．溫度感測器

10．．．低溫泵

11．．．第1缸

20．．．控制部

50．．．冷凍機

38．．．冷凍機容納部

52．．．壓縮機

18．．．冷媒管

16．．．閥驅動馬達

Claims (7)

1. 一種低溫泵，具備：低溫板；高溫低溫板，冷卻成高於低溫板的溫度；及冷凍機，提供用於對低溫板進行冷卻之低溫冷卻位置和用於對高溫低溫板進行冷卻之高溫冷卻位置，在長邊方向上排列低溫冷卻位置和高溫冷卻位置，其特徵為：前述冷凍機，將吸氣過程及排氣過程設為1個循環，藉由反覆進行該循環來將前述低溫冷卻位置與前述高溫冷卻位置冷卻，前述冷凍機具備：沿著前述長邊方向相互連結的第1排出器及第2排出器、內置於第1排出器的第1蓄冷材、以及內置於第2排出器的第2蓄冷材；第2排出器的高溫端容納且連結於第1排出器的低溫端，以便涵蓋前述1個循環使第2蓄冷材的高溫側末端伸入到第1排出器；第2蓄冷材的高溫側末端配置在較第1蓄冷材的低溫側末端更低溫側。
2. 如申請專利範圍第1項記載之低溫泵，其中，第2排出器伸入到第1排出器至少15mm。
3. 如申請專利範圍第1或2項記載之低溫泵，其中，於第1排出器的低溫端形成收納第2排出器之凹部，第2排出器的高溫端遊動***於該凹部，形成有用於使作動氣體從第1排出器通過前述凹部流向第2排出器之直通流道，且調整第2排出器的高溫端與 前述凹部的間隙，以便使通過該直通流道的流動在第1排出器與第2排出器之間成為支配性的流動。
4. 如申請專利範圍第3項記載之低溫泵，其中，於第1排出器的低溫端形成有用於將作動氣體引導至鄰接之第1膨脹空間之開口，且調整前述間隙，以便使通過前述開口的流動在該第1膨脹空間與第1排出器之間成為支配性的流動。
5. 如申請專利範圍第4項記載之低溫泵，其中，決定前述開口的方向，以使得從第1排出器流出前述直通流道的流動方向和從第1排出器流出前述開口的流動方向一致。
6. 如申請專利範圍第1或2項記載之低溫泵，其中，前述冷凍機具備連結部，該連結部連結第1排出器和第2排出器，且具有密封從與第1排出器鄰接的第1膨脹空間通往第2排出器的間隙的密封結構。
7. 一種極低溫冷凍機，將吸氣過程及排氣過程設為1個循環，藉由反覆該循環進行來將冷卻台冷卻，其特徵為：具備：高溫側的第1排出器、低溫側的第2排出器、內置於第1排出器的第1蓄冷材、以及內置於第2排出器的第2蓄冷材、以及在第2蓄冷材的高溫側末端涵蓋前述1個循環而 位於第1排出器內部之前，使第2排出器伸入到第1排出器之排出器連結結構；第2蓄冷材的高溫側末端配置在較第1蓄冷材的低溫側末端更低溫側。