TWI490410B - Low temperature pump and very low temperature freezer - Google Patents

Description

低溫泵及極低溫冷凍機

本申請主張基於2011年6月8日申請之日本專利申請第2011-128662號之優先權。其申請之全部內容通過參閱援用於本說明書中。

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中記載之低溫泵，具有將第1段置換器與第2段置換器之間的連接部中的工作氣體流路分歧成2個工作氣體流路之冷凍機。第1工作氣體流路從第1段蓄冷器中的低溫側端部連接於第1段膨脹室。第2工作氣體流路從第1段蓄冷器中的低溫側端部直接連接於第2段蓄冷器。藉由第2工作氣體流路向第2段蓄冷器流入之氣體的一部份，並不經第1段膨脹室內而流入。

(先前技術文獻) (專利文獻)

專利文獻1：日本特開2002-243294號公報

作為極低溫冷凍機的典型應用對象之一之低溫泵，具有被冷卻成不同溫度位準之低溫板，且其溫度差以較大為佳。低溫的低溫板和高溫的低溫板的空間配置上有一定程 度的限制。例如，為了抑制來自外部之輻射熱的影響，低溫低溫板被高溫低溫板所圍繞。這種限制還影響到用於冷卻低溫板之冷凍機的結構，例如提供較低冷卻溫度之冷卻位置與提供較高冷卻溫度之冷卻位置的位置關係。該位置關係是決定兩者的溫度差之主要因素之一。

本發明係鑒於這種狀況而完成者，其一態樣的例示目的之一，在於提供一種能夠實現更適於應用對象之設計之極低溫冷凍機及應用該冷凍機之低溫泵。

本發明的一態樣的低溫泵，具備：低溫低溫板；高溫低溫板，冷卻成比低溫低溫板更高溫；及冷凍機，提供用於冷卻低溫低溫板之低溫冷卻位置和用於冷卻高溫低溫板之高溫冷卻位置，低溫冷卻位置和高溫冷卻位置沿長邊方向排列。該冷凍機，具備：第1置換器；及第2置換器，其在前述長邊方向上與該第1置換器的低溫側鄰接。第1置換器，具備：低溫端，其具有用於從其主蓄冷器朝向第2置換器的蓄冷器引導工作氣體之直通流路；及副蓄冷器，其設置於該直通流路。

本發明的另一態樣為極低溫冷凍機。該極低溫冷凍機具備在長邊方向上鄰接之低溫側置換器和高溫側置換器，高溫側置換器包括用於蓄冷材料之主容納區間和副容納區間，副容納區間的與前述長邊方向垂直之剖面積小於主容納區間，且以氣體能夠流通之方式設置於主容納區間與低 溫側置換器之間。

本發明的另一態樣為極低溫冷凍機。該極低溫冷凍機具備蓄冷器，該蓄冷器包括用於冷卻來自高溫側之工作氣體並向低溫側送出之冷卻路徑，該蓄冷器的用於向鄰接之蓄冷器送出工作氣體之冷卻路徑長，比用於向鄰接之膨脹空間送出工作氣體之冷卻路徑更長。

依本發明可提供一種能夠實現更適於應用對象之設計之極低溫冷凍機及應用該冷凍機之低溫泵。

本發明的一實施形態中，用於低溫泵10之冷凍機50，為了冷卻低溫低溫板60及放射屏蔽(高溫低溫板)40以各別對應之配置提供低溫冷卻位置及高溫冷卻位置。冷凍機50中，形成有從高溫側的第1置換器68向低溫側的第2置換器70之直通流路，該直通流路上附加有副蓄冷器136。工作氣體從第1置換器68經主蓄冷器134和副蓄冷器136供給至第2置換器70。工作氣體從主蓄冷器134供給至與第1置換器68鄰接之第1膨脹空間94而不經副蓄冷器136。

如此，能夠相對昇高向第1膨脹空間94供給之氣體溫度，且相對降低向第2置換器70供給之氣體溫度。這有助於提高冷凍機的第2段冷凍能力。並且，能夠保持冷 凍機50的外觀形狀並加大低溫冷卻位置與高溫冷卻位置的溫度差。

第1圖係示意表示本發明的一實施形態之低溫泵10之圖。為了安裝於例如離子植入裝置或濺鍍裝置等的真空腔室來將真空腔室內部的真空度提高至所希望之程序中所要求之位準而使用低溫泵10。低溫泵10包括低溫泵容器30、放射屏蔽40及冷凍機50而構成。

冷凍機50例如為脈管式冷凍機(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和第2缸12串列連接。在第1缸11之與第2缸12的結合部側設置第1冷卻台13，在第2缸12之遠離第1缸11之一側的端設置第2冷卻台14。

第1圖所示之冷凍機50為二段式冷凍機，藉由將缸串列地進行二段組合來實現更低溫度。冷凍機50可以為三段缸串列連接之三段式冷凍機或多於三段之多段冷凍機。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。使工作氣體在第1缸11內部的膨脹室及第2缸12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。設置於第1缸11之第1冷卻台13冷卻成第1冷卻溫度位準，設置於第2缸12之第2冷卻台14冷卻成低於第1冷卻溫度位準之溫度之第2 冷卻溫度位準。例如，第1冷卻台13冷卻成65K~120K左右，冷卻成80K~100K為較佳，第2冷卻台14冷卻成10K~20K左右。

如此，冷凍機50提供用於冷卻低溫低溫板之低溫冷卻位置和用於冷卻高溫低溫板之高溫冷卻位置。低溫冷卻位置和高溫冷卻位置沿長邊方向、亦即缸排列方向排列。1個或複數個提供中間冷卻溫度之中間冷卻位置可排列於低溫冷卻位置與高溫冷卻位置之間。

藉由在膨脹室膨脹來吸熱而冷卻各冷卻台後之工作氣體再度通過蓄冷器，經過冷媒管18返回到壓縮機52中。從壓縮機52向冷凍機50之工作氣體的流動及從冷凍機50向壓縮機52之工作氣體的流動藉由冷凍機50內的旋轉閥(未圖示)進行切換。閥驅動馬達16從外部電源接受電力供給來使旋轉閥旋轉。

設置有用於控制冷凍機50之控制部20。控制部20依第1冷卻台13或第2冷卻台14的冷卻溫度控制冷凍機50。為此，第1冷卻台13或第2冷卻台14上可設置有溫度感測器28。控制部20可藉由控制閥驅動馬達16的運轉頻率來控制冷卻溫度。為此，控制部20可具備用於控制閥驅動馬達16之變頻器。控制部20可構成為控制壓縮機52。控制部20可以一體地設置於低溫泵10，亦可以作為與低溫泵10分離之控制裝置來構成。

第1圖所示之低溫泵10為所謂臥式低溫泵。臥式低溫泵一般是冷凍機的第2冷卻台14沿著與筒狀放射屏蔽 40的軸向交叉之方向(通常是正交方向)***於放射屏蔽40內部之低溫泵。此外，本發明同樣亦能夠應用於所謂立式低溫泵。立式低溫泵是冷凍機沿著放射屏蔽的軸向***之低溫泵。

低溫泵容器30具備形成為一端具有開口而另一端封閉之圓筒狀形狀之部位(以下稱為“胴部”)32。開口作為讓應從濺鍍裝置等的真空腔室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的上端部內面界定。並且，在胴部32形成有用於插通冷凍機50之開口37。胴部32的開口37上安裝有圓筒狀冷凍機容納部38的一端，另一端安裝於冷凍機50的殼體。冷凍機容納部38容納冷凍機50的第1缸11。

另外，安裝凸緣36在低溫泵容器30的胴部32的上端朝向徑向外側延伸。低溫泵10使用安裝凸緣36來安裝於排氣對象容積亦即濺鍍裝置等的真空腔室。

為了將低溫泵10的內部和外部分隔而設置低溫泵容器30。如上所述，低溫泵容器30包括胴部32和冷凍機容納部38而構成，胴部32及冷凍機容納部38的內部氣密地保持為共通的壓力。在低溫泵10的動作中亦即冷凍機作動期間，低溫泵容器30的外面亦暴露在低溫泵10外部的環境中。因此，低溫泵容器30的外面維持為高於放射屏蔽40之溫度。典型地，低溫泵容器30的溫度維持為環境溫度。其中，環境溫度是指設置有低溫泵10之場所的溫度或接近該溫度之溫度，例如室溫左右。

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而另一端封閉之圓筒狀形狀亦即杯狀形狀。放射屏蔽40可構成為如第1圖所示之一體的筒狀，另外，亦可以由複數個零件構成為整體呈筒狀形狀。該等複數個零件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，且呈同軸配設。低溫泵容器30的胴部32的內徑若干大於放射屏蔽40的外徑，放射屏蔽40以與低溫泵容器30的胴部32的內面之間保持若干間隔而與低溫泵容器30非接觸的狀態配置。亦即，放射屏蔽40的外面與低溫泵容器30的內面對置。此外，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，可以是多角柱形狀或橢圓筒形狀等任意剖面的筒形狀。典型地，放射屏蔽40的形狀呈與低溫泵容器30的胴部32的內面形狀相似之形狀。

放射屏蔽40作為保護第2冷卻台14及與此熱連接之低溫低溫板60之高溫低溫板而設置，以避免受到主要來自低溫泵容器30的輻射熱。放射屏蔽40包圍低溫低溫板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之狀態固定，冷卻成與第1冷卻台13相同程度之溫度。

低溫低溫板60例如包括複數個板64。板64例如分別具有圓錐台側面的形狀，即所謂傘狀形狀。各板64安裝 於板安裝構件66，板安裝構件安裝於第2冷卻台14。各板64上通常設置有活性碳等吸附劑(未圖示)。吸附劑例如黏著於板64的背面。

板安裝構件66例如具有一端封閉而另一端開放之筒形狀，封閉之端部安裝於第2冷卻台14的上端，以筒狀側面圍繞第2冷卻台14之方式朝向放射屏蔽40的底部延伸。在板安裝構件66的側面以相互隔著間隔的方式安裝有複數個板64。在板安裝構件66的側面形成有用於讓冷凍機50的第2缸12通過之開口。或者，板安裝構件66可具備用於安裝於第2冷卻台14之端部及從該端部朝向放射屏蔽40的底部延伸之用於安裝板之平板。

為了保護第2冷卻台14及與其熱連接之低溫低溫板60而避免受到來自真空腔室等之輻射熱，在放射屏蔽40的吸氣口設置有擋板62。擋板62例如形成為百葉窗結構或人字形結構。擋板62可形成為以放射屏蔽40的中心軸為中心之同心圓狀，或者，亦可以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相同程度之溫度。此外，在擋板62與真空腔室之間可設置有閘閥(未圖示)。該閘閥例如在低溫泵10再生時被關閉，在藉由低溫泵10對真空腔室進行排氣時被打開。

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在放射屏蔽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呈同軸設置。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以熱連接於第1冷卻台13之狀態固定於冷凍機安裝孔42。

此外，除了將放射屏蔽40直接安裝於第1冷卻台13，亦可藉由連接用套筒將放射屏蔽40安裝於第1冷卻台13。該套筒例如為包圍第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之傳熱構件。與將放射屏蔽40直接安裝於第1冷卻台13時相比，藉由該結構能加長第2缸12。如此能夠加大第1冷卻台13與第2冷卻台14的溫度差。

以下說明基於上述結構的低溫泵10之動作。低溫泵10作動時，首先，在其作動之前用其他適當的粗抽泵將真空腔室內部粗抽至1Pa左右。之後使低溫泵10動作。第1冷卻台13及第2冷卻台14藉由冷凍機50的驅動而被冷卻，與其等熱連接之放射屏蔽40、擋板62及低溫低溫板60亦被冷卻。

被冷卻之擋板62，將從真空腔室朝向低溫泵10內部飛來之氣體分子予以冷卻，使在該冷卻溫度下蒸氣壓充份變低之氣體(例如水份等)凝結於表面而被排氣。在擋板62的冷卻溫度下蒸氣壓無法充份變低之氣體通過擋板62進入放射屏蔽40內部。進入後之氣體分子當中，在低溫低溫板60的冷卻溫度下蒸氣壓充份變低之氣體凝結於低溫低溫板60的表面而被排氣。在該冷卻溫度下蒸氣壓仍 無法充份變低之氣體(例如氫等)藉由黏著於低溫低溫板60的表面且被冷卻之吸附劑吸附而被排氣。如此，低溫泵10能夠使真空腔室的真空度達到所希望之位準。

第2圖至第4圖係表示本發明的一實施形態之冷凍機50的主要部份之圖。分別表示包括冷凍機50的中心軸之剖面。第3圖以箭頭示意表示吸氣步驟中的工作氣體流動，第4圖以箭頭示意表示排氣步驟中的工作氣體流動。

冷凍機50具備沿著中心軸方向、亦即長邊方向相互鄰接之第1置換器68及第2置換器70。高溫側的第1置換器68和低溫側的第2置換器70藉由連結部72連結。冷凍機50具備有置換器連結結構，亦即使第2置換器70的高溫側的末端(附圖中為上端)稍微進入第1置換器68的低溫端而連結。

詳細內容如後述，第1置換器68具備第1蓄冷器88。第1蓄冷器88包括冷卻路徑，該冷卻路徑用於對從高溫側流入之工作氣體進行冷卻並向低溫側送出。第1蓄冷器88具備適於高溫側的置換器之蓄冷材料86、及用於該蓄冷材料86之蓄冷材料容器87。第1蓄冷器88能夠區分為主蓄冷器134和副蓄冷器136。形成有從第1置換器68通過主蓄冷器134及副蓄冷器136朝向第2蓄冷器114引導工作氣體之直通流路。藉由設置副蓄冷器136，第1蓄冷器88的用於向第2蓄冷器114送出工作氣體之冷卻路徑變得比用於向第1膨脹空間94送出工作氣體之冷卻路徑更長。

第1置換器68的中空結構兼作為蓄冷材料容器87。蓄冷材料容器87包括用於填充蓄冷材料86之主容納區間138和副容納區間140。主容納區間138中容納主蓄冷器134，副容納區間140中容納副蓄冷器136。副容納區間140以氣體能夠在與主容納區間138之間流通之方式設置於主容納區間138的低溫側。副容納區間140的與長邊方向垂直之剖面積小於主容納區間138。藉此，能夠在副容納區間140的外側形成與直通流路分隔而從主蓄冷器134朝向第1膨脹空間94引導工作氣體之獨立流路。

第1缸11和第2缸12形成為一體，第1缸11的低溫端和第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分別沿長邊方向上串列排列。第2缸12為與第1缸11呈同軸配置且直徑小於第1缸11之圓筒構件。第1缸11將第1置換器68予以能夠往返移動地容納，第2缸12將第2置換器70予以能夠往返移動地容納。

第1缸11的低溫端的外周部安裝有第1冷卻台13，第2缸12的低溫端的外周部安裝有第2冷卻台14。第1缸底部74為將第1缸11和第2缸12以各自的末端連接之圓環狀構件。第2缸12的低溫端被第2缸底部76所封閉。第1缸11的高溫端的外周部形成有凸緣部78。

與第1缸11的高溫端鄰接設置具備有閥驅動馬達16、旋轉閥、蘇格蘭軛機構之驅動機構(未圖示)。第1置換器68連接於蘇格蘭軛機構。該蘇格蘭軛機構藉由閥 驅動馬達16驅動。馬達的旋轉藉由蘇格蘭軛機構轉換成直線往返運動，藉此第1置換器68沿著第1缸11的內側面往返移動。第1置換器68和第2置換器70連結，因此第2置換器70亦與第1置換器68聯動而沿著第2缸12的內側面往返移動。

第1置換器68為與第1缸11的內部容積形狀對應地形成為大致圓筒狀之構件。第1置換器68的最大徑部份的外徑實際上稍小於或等於第1缸11的內徑，藉此使第1置換器68能夠沿著第1缸11滑動，或者能夠保持微小間隙而非接觸地移動。

第1置換器68包括第1高溫端80、第1圓筒部份82及第1低溫端84而構成。第1高溫端80及第1低溫端84分別封閉第1圓筒部份82的相互對置之端面。如後述，用於連接第1置換器68的內部和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置換器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裝配密封件之圓環溝槽，此處裝配有圓環狀第1密封件90。第1密封件90能夠滑動地密合於第1缸11，用以截斷在第1置換器68外側之第1缸11的高溫端與第1膨脹空間94之間的工作氣體流通。為了提高與缸外部的隔熱性，在第1置換器68的第1圓筒部份82的外周部份形成有極淺的凹部92。

第1圓筒部份82的內部填充有第1段蓄冷材料86。蓄冷材料86例如為金屬(例如銅或銅與其他金屬例如鋅 的合金)的網狀積層體。或者，蓄冷材料86可以為這種金屬製的具有複數個開口之板狀積層體。被第1高溫端80、第1圓筒部份82及第1低溫端84所圍住之第1置換器68的內部容積，可以說是保持蓄冷材料86之第1蓄冷器88。

第1置換器68在其內部劃分成主容納區間138和副容納區間140。主容納區間138被第1高溫端80、第1圓筒部份82及第1低溫端84所圍住，佔第1置換器68的容積的一大半。副容納區間140為與主容納區間138的低溫側連續之空間，其形成於第1低溫端84。副容納區間140可以是將主容納區間138連接於第1置換器68外側之單一開口部份，亦可以是複數個開口。

主容納區間138是大徑圓筒空間，副容納區間140是直徑小於主容納區間之圓筒空間。主容納區間138和副容納區間140同軸排列，副容納區間140與主容納區間138的低溫側的中心部相連結。副容納區間140是用於在第1置換器68中收容第2置換器70之凹部132的至少一部份，例如是凹部132當中連接器構件128與主容納區間138之間的區域。

同種蓄冷材料86填充於主容納區間138和副容納區間140雙方。填充於主容納區間138之蓄冷材料86構成主蓄冷器134，填充於副容納區間140之蓄冷材料86構成副蓄冷器136。副蓄冷器136是從主蓄冷器134朝向第2置換器70於凹部132延伸之蓄冷材料延長部份。亦即， 第1置換器68在第1低溫端84具備蓄冷材料延長部份。

副蓄冷器136的蓄冷材料可藉由例如從凹部132的內壁突出之固定部(未圖示)保持於副容納區間140。或者，副蓄冷器136的蓄冷材料亦可以藉由連結部72的連接器構件128的上端保持於副容納區間140。

主容納區間138和副容納區間140中可填充有不同種類的蓄冷材料。或者，主容納區間138和副容納區間140的至少一方可進一步劃分為複數個用於不同種類的蓄冷材料之小區間。此時，可在主容納區間138與副容納區間140的邊界或相鄰小區間的邊界設置用於隔離不同種類的蓄冷材料之隔離構件或空隙。

在第1缸11的內部與第1低溫端84鄰接地形成有第1膨脹空間94。第1膨脹空間94的容積藉由第1置換器68的往返移動而變化。第1膨脹空間94是被第1置換器68、第1缸11及第2置換器70所圍住之區域。具體而言，第1膨脹空間94藉由第1置換器68的第1低溫端84、第1缸11的內面及從第1置換器68的凹部132延伸之第2置換器70的第2圓筒部份108界定。第1膨脹空間94和第1低溫端84的末端部圍繞第2置換器70的高溫端106。

第1置換器68的第1高溫端80形成有用於使工作氣體在第1置換器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向設置於多處。

第1置換器68的第1低溫端84形成有用於使工作氣體在第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沿著圍繞中心軸之周向在第1低溫端84的外周部設置於多處。第2開口98的入口部份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。從入口部份100向出口部份102之彎曲流路形成於第1低溫端84。

在此，僅為了方便而如此稱呼入口部份100及出口部份102，第2開口98不僅容許從入口部份100朝向出口部份102之工作氣體流動，而且還容許從出口部份102朝向入口部份100之工作氣體流動。此外，第2開口98可以不是彎曲流路，可以是在第1蓄冷器88的低溫端例如沿著中心軸方向或其正交方向形成之直線貫通孔。

第1置換器68的第1低溫端84的直徑稍小於第1圓筒部份82的低溫側末端。藉此，在第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和第1膨脹空間94之圓環狀第1通路104。第1通路104亦可視為第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通路104連接於第1膨脹空間94。

第1通路104沿著第1冷卻台13向長邊方向延伸。如圖所示，第1冷卻台13的長邊方向的長度包括第2開口98的出口部份102的長邊方向的活動範圍。藉此，不管第1置換器68是處於任何長邊方向位置，第1冷卻台13都會與第2開口98的出口部份102對置。如此，流過 第1通路104之工作氣體和第1冷卻台13能夠通過第1缸11有效地進行熱交換。

如此，形成用於使工作氣體從第1置換器68通過第2開口98流向第1膨脹空間94之第1流路。該第1流路從壓縮機52及冷媒管18(參閱第1圖)通過第1開口96、主蓄冷器134、第2開口98、第1通路104向第1膨脹空間94輸送工作氣體(參閱第3圖)。並且，使工作氣體向反方向從第1膨脹空間94返回到壓縮機52中(參閱第4圖)。

上述第1流路包括：與從第1置換器68向第2置換器70之直通流路相獨立之流路。獨立流路使第1置換器68的主蓄冷器134與第1膨脹空間94相連結。第1置換器68的第1低溫端84包括相對於第2置換器70之非對置部份。該非對置部份是露出在第1膨脹空間94之第1低溫端84的外周部130。獨立流路形成於該非對置部份。如此，獨立流路從形成於第1低溫端84的與第2置換器70對置之部份之直通流路分離。

第2置換器70是與第2缸12的內部容積形狀對應地形成為大致圓筒狀之構件。第2置換器70的最大徑部份的外徑實際上稍小於或等於第2缸12的內徑，藉此使第2置換器70能夠沿著第2缸12滑動，或者能夠保持微小間隙而非接觸地移動。

第2置換器70包括第2高溫端106、第2圓筒部份108及第2低溫端110而構成。第2高溫端106及第2低 溫端110分別封閉第2圓筒部份108的相互對置之端面。如後述，用於連接第2置換器70的內部和外部之開口分別形成於第2高溫端106及第2低溫端110。

第2圓筒部份108的內部填充有第2段蓄冷材料112。被第2高溫端106、第2圓筒部份108及第2低溫端110所圍住之第2置換器70的內部容積，可以說是保持蓄冷材料112之第2蓄冷器114。第2蓄冷器114的高溫側設置有用於固定蓄冷材料112之毛氈或金屬網124。同樣地，低溫側亦可容納有用於固定蓄冷材料112之毛氈或金屬網。

第2置換器70的第2圓筒部份108的徑向外側形成有用於裝配密封件之圓環溝槽，此處裝配有圓環狀第2密封件116。第2密封件116遍及第2置換器70的活動範圍可滑動地密合於第2缸12，用以截斷在第2置換器70外側之第1膨脹空間94與第2膨脹空間120之間的工作氣體流通。為了提高與缸外部的隔熱性，在第2置換器70的第2圓筒部份108的外周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鄰接地形成有第2膨脹空間120。第2膨脹空間120的容積藉由第2置換器70的往返運動而變化。

第2置換器70的第2高溫端106形成有用於使工作氣體在第2置換器70的外側(亦即第1置換器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沿著圍繞中心軸之周向設置於多處或設置於整周。

第2置換器70的第2低溫端110形成有用於使工作氣體在第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側面的多處。與第1通路104相同，將第4開口126連接於第2膨脹空間120之流路也是沿著第2冷卻台14設置，藉此使從第2膨脹空間120流向第2蓄冷器114之工作氣體和第2冷卻台14能夠有效地進行熱交換。

如上所述，第1置換器68和第2置換器70藉由連結部72沿著長邊方向相互連結。連結部72包括連接器構件128。第1置換器68的第1低溫端84和第2置換器70的第2高溫端106透過圓柱狀或角柱狀連接器構件128連結。

連接器構件128的兩端插通有2個相互正交之方向的結合銷，其中一端的銷連結第1置換器68的第1低溫端84和連接器構件128，另一端的銷連結第2置換器70的第2高溫端106和連接器構件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可包括所謂萬向接頭。

如此，第1置換器68和連接器構件128彼此藉由結合銷可擺動地連接，第2置換器70和連接器構件128在與其正交之方向上藉由結合銷可擺動地連接。藉此，在冷凍機50的組裝步驟，要將第1置換器68及第2置換器70***到第1缸11及第2缸12時，第2置換器70能夠相對於第1置換器68稍微相對移動或偏心。因此，可緩合 缸製造上的公差，有助於冷凍機50的低成本化。

第1置換器68的第1低溫端84具有外周部130。外周部130是以從第1圓筒部份82朝向第1缸底部74突出之環狀凸部的形式來形成。外周部130的側面也是第1低溫端84的側面。藉此，外周部130的側面與第1缸11的內面對置，在外周部130的側面與第1缸11的內面之間形成上述第1通路104。被外周部130所圍住之中心部份成為凹部132。凹部132向第1蓄冷器88開口。外周部130包圍形成副容納區間140之至少1個開口。

連接器構件128配置於該凹部132，其上側的至少一部份容納於凹部132。連接器構件128的上端與副蓄冷器136之間有空隙而互不接觸。連接器構件128之與第2置換器70的連接部，容納於第2置換器70的第3開口122。在連接器構件128的下端與第2蓄冷器114或金屬網124之間存在空隙而互不接觸。

第1低溫端84的凹部132是為了收容第2置換器70而形成。第2置換器70的高溫側，具體而言第2高溫端106留有間隙地***於凹部132。亦即，帶著若干遊隙而被***。藉此，在凹部132的側面與第2置換器70的第2高溫端106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至多為0.5mm以內。如圖所示，第2置換器70的高溫端106僅以長度A進入第1低溫端84的端面。該進入量例如至多為15mm或者至多為10mm。

如此，形成用於使工作氣體從第1置換器68通過凹部132流向第2置換器70之直通流路。直通流路包括使第1置換器68的主蓄冷器134和第2置換器70的蓄冷器114相連結之中間部份。該直通流路的中間部份形成於第1置換器68的低溫端84的面向第2置換器70之對置部份，包括設置有副蓄冷器136之至少1個開口。

直通流路用來使工作氣體從壓縮機52及冷媒管18(參閱第1圖)通過第1開口96、主蓄冷器134、副蓄冷器136、凹部132、第3開口122、第2蓄冷器114、第4開口126輸送到第2膨脹空間120(參閱第3圖)。並且，用來使工作氣體向反方向從第2膨脹空間120返回到壓縮機52(參閱第4圖)。

將間隙G的尺寸調整為，工作氣體在第1置換器68與第2置換器70之間的流通中，使通過該直通流路之流動成為主流。如此一來，能夠抑制第1蓄冷器88與第2蓄冷器114之間的工作氣體流動通過間隙G洩漏。且能夠增多不經第1膨脹空間94而從第1蓄冷器88直接流入第2蓄冷器114之工作氣體。

間隙G從凹部132通往第1膨脹空間94。但是，間隙G的尺寸被調整為工作氣體在第1膨脹空間94與第1置換器68之間的流通中通過第2開口98之流動成為主流。亦即，從第1置換器68通過第2開口98流入第1膨脹空間94之工作氣體，再度通過第2開口98返回到第1置換器68中。如此可充份抑制經第1膨脹空間94並通過 間隙G流入凹部132之流動。

第2置換器70向第1置換器68之進入部份的間隙G，較佳為被密封成工作氣體實際上不能流通。間隙G的至少一部份可藉由在冷凍機50的組裝作業中第1置換器68與第2置換器70的擺動而被完全封閉。或者，亦可以在第1置換器68或第2置換器70的間隙G的位置裝配密封構件來截斷間隙G的氣體流通。亦可以將第1置換器68和第2置換器70藉由波紋管連接來截斷間隙G的氣體流通。亦可以藉由將第1置換器68與第2置換器70形成為一體來完全封閉整個間隙G或其一部份。

如此，使工作氣體向第1膨脹空間94之流動和工作氣體向第2膨脹空間120之流動分離。藉此，抑制流入第1膨脹空間94且與第1冷卻台13進行了熱交換之工作氣體流入第2置換器70。使從第1置換器68供給且直接朝向第2膨脹空間120之工作氣體不經第1膨脹空間94。如此，能夠減小冷凍機50的第1段冷卻溫度對第2段冷凍能力帶來之影響。

如此將流動分離之結構，在不同冷卻台所要求之溫度差較大時為尤佳。當工作氣體經由被冷卻成較高溫之冷卻台及其熱交換部(亦即膨脹空間)流向下一段的更低溫的冷卻台及其熱交換部時，前段高溫對後段帶來之影響變大。藉由將流動分離能抑制對後段冷凍能力之影響。

藉此，例如在二段式冷凍機50中，當第1段冷卻溫度為80K以上，較佳為100K以上，且第2段冷卻溫度為 30K以下，較佳為20K以下時，採用上述流動分離結構為較佳。並且，當相鄰冷卻段的溫度差至少為50K以上，較佳為80K以上時，採用流動分離結構為較佳。

另外，將各流路構成為，使經由第2膨脹空間120之直通流路從第1置換器68流出之工作氣體的流動方向、與朝向第1膨脹空間94從第1置換器68流出之工作氣體的流動方向一致。至少將從主蓄冷器134向獨立流路之進入部份的方向設定為，使從主蓄冷器134向獨立流路之流出方向與從主蓄冷器134向直通流路之流動方向一致。

因此，凹部132形成為使從第1蓄冷器88朝向第2蓄冷器114之流動向長邊方向流動，第2開口98的入口部份100亦形成為使來自第1蓄冷器88之流動向長邊方向流動。凹部132及第2開口98的入口部份100，是與缸的中心軸方向平行地形成之開口部。此外，如上所述，流入第2開口98之工作氣體，從在第2開口98的內部向徑向外側彎曲之出口部份102流出。亦即，流動方向在第1蓄冷器88的外部發生改變。

如此，藉由以使從第1蓄冷器88的主蓄冷器134的低溫端向外側之流動方向一致之方式形成開口，能夠提高工作氣體在主蓄冷器134的低溫端之流動均一性。藉此改善工作氣體流動均一性，而使第1蓄冷器88的低溫端的溫度分佈均一性也變得良好。這有助於在第1蓄冷器88的低溫端整體上保持低溫。

本實施例之第1置換器68的蓄冷器結構，局部加長 用於冷卻從高溫側流入之工作氣體之冷卻路徑或熱交換路徑。相對於此，典型的蓄冷器為簡單圓筒形，從工作氣體的流入口到流出口之路徑長度是均一的。

本實施例之蓄冷器結構，在長邊方向上追加副蓄冷器136，藉此使與第2置換器70對置之局部區域的冷卻路徑，比包括與第1膨脹空間94對置之區域在內之其他區域的冷卻路徑更長。由於能夠向第2置換器70供給更低溫的工作氣體，因此能夠提高冷凍機50的第2段冷凍能力。由於向第1膨脹空間94供給之氣體為相對高溫，因此能夠加大冷凍機50的第1段與第2段溫度差。

在第1置換器68的內部形成副蓄冷器136，因此能夠維持現有的缸形狀及尺寸。如此，亦可保持置換器的活動範圍(所謂行程)，因此亦無需改變冷凍機50的驅動機構的設計。此外，可保持現有的缸形狀及尺寸，亦即冷凍機50的外形，因此對應用冷凍機50之裝置結構的設計之影響較少或不存在。例如，在低溫泵10中，能夠以保持放射屏蔽40與低溫低溫板60的位置關係之狀態提高低溫低溫板60的排氣能力。

對冷凍機50的動作進行說明。以第3圖所示之吸氣步驟及第4圖所示之排氣步驟為1循環，冷凍機50反覆進行該循環。在吸氣步驟的某一時點，第1置換器68及第2置換器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點，壓縮機52的吐出側與缸內部容積藉由旋轉閥連接，藉此使高壓工作氣體例如氦氣 從壓縮機52流入第1置換器68。

高壓氦氣從第1開口96流入第1蓄冷器88，且被蓄冷材料86冷卻。被冷卻之氦氣的一部份通過第2開口98、第1通路104流入第1膨脹空間94。流入第1膨脹空間94之工作氣體從主蓄冷器134供給，並不經副蓄冷器136。

被冷卻之氦氣的剩餘部份，通過第1置換器68的凹部132及第2置換器70的第3開口122流入第2蓄冷器114。流入第2蓄冷器114之氦氣被主蓄冷器134和副蓄冷器136雙方冷卻。氦氣被第2蓄冷器114的蓄冷材料112進一步冷卻，通過第4開口126流入第2膨脹空間120。

如此，第1膨脹空間94及第2膨脹空間120分別成為高壓狀態。第1置換器68及第2置換器70向上死點移動，藉此使第1膨脹空間94及第2膨脹空間120擴張。擴張後之第1膨脹空間94及第2膨脹空間120由高壓氦氣所充滿。

在排氣步驟的某一時點，第1置換器68及第2置換器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點，壓縮機52的吸入側與缸內部容積藉由旋轉閥的旋轉連接。第1膨脹空間94及第2膨脹空間120的氦氣被減壓而膨脹。氦氣經由膨脹成為低壓，產生寒冷。第1膨脹空間94的氦氣從第1冷卻台13吸收熱來進行冷卻，第2膨脹空間120的氦氣從第2冷卻台14 吸收熱來進行冷卻。

第1置換器68及第2置換器70朝向下死點移動，使第1膨脹空間94及第2膨脹空間120縮小。低壓氦氣從第1膨脹空間94通過第1通路104、第2開口98、第1蓄冷器88及第1開口96回收至壓縮機52。此外，低壓氦氣從第2膨脹空間120通過第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回收至壓縮機52中。此時，第1蓄冷器88的蓄冷材料86及第2蓄冷器114的蓄冷材料112亦被冷卻。

第5圖係表示典型的其他冷凍機150的吸氣步驟之圖，第6圖係表示該冷凍機150的排氣步驟之圖。關於第1置換器168的蓄冷器結構，該冷凍機150的結構不同於上述第2圖所示之冷凍機50。對於第1置換器168與第2置換器170的連結部172，其結構亦有不同於上述的第2圖所示之冷凍機50的部份。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設定為同一尺寸及形狀。

如第5圖及第6圖所示，在冷凍機150中，第1置換器168與第2置換器170之間的空間，亦即連結用凹陷160作為連接第1膨脹空間194和第2蓄冷器114之流路。為了保證向第2置換器170之充份的流動，進入部份中的第2置換器170與第1置換器168的間隔至少大於2mm~3mm。

藉此，吸氣步驟中的工作氣體流動經過第1開口96、第1蓄冷器88、第2開口198、第1膨脹空間194、連結用凹陷160、第2蓄冷器114供給至第2膨脹空間120(參閱第5圖)。排氣步驟中的工作氣體流動成為與此相反之方向，從第2膨脹空間120向第1開口96返回(參閱第6圖)。如此，第1蓄冷器88與第2蓄冷器114之間的工作氣體流動經第1膨脹空間194。因此，冷凍機150的第2段冷凍性能易受第1段冷卻溫度的影響。

此外，在冷凍機150中，用於使第1置換器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置換器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置換器168側面的多處。該第2開口198亦能夠在第2圖所示之冷凍機50中採用。

如從與第5圖及第6圖所示之冷凍機150的對比可知，第2圖~第4圖所示之冷凍機50的連結部72可以說具有密封結構，，用以密封從與第1置換器68鄰接之第1膨脹空間94通往第2置換器70之間隙G的氣體流動。

作為表示該密封結構的密封性之指標之一，可以考慮第2置換器70的進入長度A與間隙G之比X。亦即，X=A/G。當第2置換器70的進入長度A較大且間隙G較小時，比X值變大。此時，工作氣體變得很難流動。相反，當第2置換器70的進入長度A較小且間隙G較大時，比X值變小。此時，工作氣體變得容易流動。

在一實施例中，當進入長度A為10mm、間隙G為0.5mm時比X成為20，因此比X至少20以上為較佳。當進入長度A為15mm、間隙G為0.5mm時比X成為30，因此比X至少30以上為更佳。與此相對，如第5圖及第6圖所示之冷凍機150，當進入長度A為10mm且間隙G為2mm~3mm時，比X成為約3.3~5。如此，與典型的冷凍機的連結部份相比，能夠藉由將比X值設為10倍以上的大小來實現充份的密封性。

在較佳的一實施例中，進入長度A為15mm以下，間隙G為0.5mm以下，且比X為30以上。亦即，為了使比X成為30以上，進入長度A選自15mm以下的範圍，間隙G選自0.5mm以下的範圍。藉由這種結構，能夠在用於副蓄冷器136之副容納區間140確保充份的寬度，同時對間隙G賦予充份的密封性。

如所說明，依本發明的一實施形態，在2個冷卻台位置及缸尺寸大致固定之冷凍機的結構中，形成從第1置換器68向第2置換器70之直通流路且附加副蓄冷器136。從長邊方向觀察時，在第1蓄冷器88的中心部份形成有蓄冷材料86的較長部位，在第1蓄冷器88的外周部份形成有蓄冷材料86的較短部位。與第1膨脹空間94停留的工作氣體相比，能夠降低向第2置換器70供給之氣體溫度。

藉此，能夠加大冷凍機50的第1段與第2段溫度差。並且，使向第2段之工作氣體溫度下降，因此亦能夠 提高第2段冷凍能力。低溫泵10具備位置關係固定之放射屏蔽40和其內部的低溫低溫板60，因此成為這種冷凍機50的較佳應用對象。尤其在要求較大地設定放射屏蔽40與其內部的低溫低溫板60的溫度差時更適合。

以上，依實施例對本發明進行了說明，但本發明並不限於上述實施形態，所屬領域技術具有通常知識者可理解能夠進行各種設計變更、能夠實現多種多樣的變形例、及這種變形例亦屬本發明範圍內。

副蓄冷器136未必一定要設置於主蓄冷器134的低溫側。本發明的一實施形態之蓄冷器結構可以在高溫端或其他部份具有在熱交換方面沒有效果或熱交換作用小於蓄冷材料之局部部份。如此，蓄冷器結構可包括冷卻路徑相對較長之區域和較短之區域。例如，蓄冷器結構可具有蓄冷材料欠缺之區域，來代替設置副蓄冷器136，或者設置副蓄冷器136的同時具有蓄冷材料欠缺之區域。用於向鄰接之膨脹空間送出工作氣體之冷卻路徑可包括蓄冷材料欠缺區域。即使如此亦能夠對朝向膨脹空間之工作氣體與朝向低溫置換器之工作氣體賦予溫度差。

本發明並不限於對二段式冷凍機之應用，還可應用於比此更多段之冷凍機。此時，可以由第1段和與此鄰接之第2段中高溫側之第1段蓄冷器結構具備上述副蓄冷器136，亦可以由第2段和與此鄰接之第3段中高溫側之第2段蓄冷器結構具備上述副蓄冷器136。並且，本發明的一實施形態之冷凍機不僅能夠應用於低溫泵，還能夠應用於 任意對象。

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置換器

70‧‧‧第2置換器

72‧‧‧連結部

88‧‧‧第1蓄冷器

114‧‧‧第2蓄冷器

132‧‧‧凹部

134‧‧‧主蓄冷器

136‧‧‧副蓄冷器

138‧‧‧主容納區間

140‧‧‧副容納區間

G‧‧‧間隙

第1圖係示意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步驟的工作氣體流動之圖。

第4圖係表示本發明的一實施形態之冷凍機的排氣步驟的工作氣體流動之圖。

第5圖係表示其他一例的冷凍機的吸氣步驟的工作氣體流動之圖。

第6圖係表示其他一例的冷凍機的排氣步驟的工作氣體流動之圖。

32‧‧‧胴體

62‧‧‧擋板

60‧‧‧低溫低溫板

66‧‧‧板安裝構件

64‧‧‧板

14‧‧‧第2冷卻台

12‧‧‧第2缸

30‧‧‧低溫泵容器

40‧‧‧放射屏蔽

34‧‧‧吸氣口

36‧‧‧安裝凸緣

10‧‧‧低溫泵

13‧‧‧第1冷卻台

11‧‧‧第1缸

50‧‧‧冷凍機

38‧‧‧冷凍機容納部

37‧‧‧開口

42‧‧‧冷凍機安裝孔

28‧‧‧溫度感測器

20‧‧‧控制部

52‧‧‧壓縮機

18‧‧‧冷媒管

16‧‧‧閥驅動馬達

Claims (8)

1. 一種低溫泵，其特徵為，具備：低溫低溫板；高溫低溫板，冷卻成比低溫低溫板更高溫；及冷凍機，具備有第2冷卻台、第1冷卻台、第1缸及第2缸，該第2冷卻台用於冷卻低溫低溫板，該第1冷卻台用於冷卻高溫低溫板，該第1缸在低溫端設有第1冷卻台且朝長邊方向延伸，該第2缸在低溫端設有第2冷卻台且朝前述長邊方向延伸，使第1缸的低溫端和第2缸的高溫端連接而將第2冷卻台和第1冷卻台沿前述長邊方向排列，該冷凍機，具備有：第1置換器及第2置換器，該第1置換器將第1缸收納成可沿前述長邊方向往返移動，該第2置換器將第2缸收納成可沿前述長邊方向往返移動，且在前述長邊方向上以與該第1置換器的低溫側鄰接的方式連結於第1置換器，第1置換器，具備有主蓄冷器、直通流路以及副蓄冷器，該主蓄冷器，是從第1置換器的高溫端往低溫端填充蓄冷材料而構成；該直通流路，設置於第1置換器的低溫端，用於從前述主蓄冷器的低溫端沿著前述長邊方向朝向第2置換器的蓄冷器引導工作氣體；該副蓄冷器，設置於該直通流路，在前述長邊方向上 配置在比前述主蓄冷器更低溫側。
2. 如申請專利範圍第1項之低溫泵，其中，前述直通流路包括至少1個開口，該開口形成於第1置換器的低溫端的面向第2置換器之對置部份，前述副蓄冷器設置於該至少1個開口。
3. 如申請專利範圍第1或2項之低溫泵，其中，在第1缸的內部，形成有與第1置換器的低溫端鄰接之第1膨脹空間；第1置換器的低溫端包括對於第2置換器之非對置部份，該非對置部份具有獨立流路，該獨立流路用於從前述主蓄冷器的低溫端朝向前述第1膨脹空間引導工作氣體。
4. 如申請專利範圍第3項之低溫泵，其中，至少將從前述主蓄冷器向前述獨立流路的進入部份的方向設定為，使從前述主蓄冷器向前述獨立流路之流出方向與從前述主蓄冷器向前述直通流路之流動方向一致。
5. 如申請專利範圍第1或2項之低溫泵，其中，前述直通流路包括凹部，該凹部為了收容前述第2置換器的高溫端而形成於第1置換器的低溫端，該高溫端與該凹部的間隙調整為，使在第1置換器與第2置換器之間通過該直通流路之流動成為主流。
6. 一種極低溫冷凍機，其特徵為，具備有在長邊方向上鄰接之低溫側置換器和高溫側置換器，高溫側置換器包括用於蓄冷材料之主容納區間和副容 納區間，該主容納區間是用於將蓄冷材料收納成遍及高溫側置換器之高溫端至低溫端，該副容納區間，是在前述長邊方向上連續於該主容納區間的低溫側而用於收納蓄冷材料；副容納區間，其與前述長邊方向垂直之剖面積小於主容納區間，且以氣體能夠流通之方式設置於主容納區間與低溫側置換器之間。
7. 一種極低溫冷凍機，其特徵為，具備有高溫側置換器和低溫側置換器，該高溫側置換器，係設有用於冷卻來自高溫側之工作氣體並向低溫側送出之第1蓄冷器，且能沿長邊方向往返移動；該低溫側置換器，係設有用於將經由第1蓄冷器冷卻後之工作氣體進一步冷卻之第2蓄冷器，且能和高溫側置換器一起沿前述長邊方向往返移動；第1蓄冷器具備有：從其高溫端往低溫端延伸之蓄冷材料容器、填充於該蓄冷材料容器內之蓄冷材料、使工作氣體在第1蓄冷器的高溫端朝向前述蓄冷材料流入之工作氣體入口、使工作氣體從前述蓄冷材料朝向與第1蓄冷器的低溫端鄰接的膨脹空間流出之工作氣體出口、以及使工作氣體從第1蓄冷器的低溫端朝向第2蓄冷器流動之工作氣體通路；第1蓄冷器，是在前述工作氣體通路具備有蓄冷材料延長部分，而在前述長邊方向上，使從前述工作氣體入口 通往前述工作氣體通路之蓄冷材料長度，比從前述工作氣體入口通往前述工作氣體出口之蓄冷材料長度更長。
8. 一種低溫泵，其特徵為，具備有低溫低溫板、被冷卻成比低溫低溫板更高溫之高溫低溫板、以及申請專利範圍第6或7項之冷凍機；前述冷凍機，具備有第2冷卻台、第1冷卻台、第1缸及第2缸，該第2冷卻台用於冷卻低溫低溫板，該第1冷卻台用於冷卻高溫低溫板，該第1缸在低溫端設有第1冷卻台且朝長邊方向延伸，該第2缸在低溫端設有第2冷卻台且朝前述長邊方向延伸，使第1缸的低溫端和第2缸的高溫端連接而將第2冷卻台和第1冷卻台沿前述長邊方向排列，該低溫泵具備有高溫側置換器和低溫側置換器，該高溫側置換器，是能沿前述長邊方向往返移動地收納於第1缸；該低溫側置換器，是能沿前述長邊方向往返移動地收納於第2缸，在前述長邊方向上，以與高溫側置換器的低溫側鄰接的方式連結於高溫側置換器。