專利名稱：低溫泵及超低溫制冷機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請主張基于2010年9月13日申請的日本專利申請第2010-204891號的優(yōu)先權(quán)。其申請的所有內(nèi)容通過參考援用于該說明書中。本發(fā)明涉及一種低溫泵及超低溫制冷機(jī)。
背景技術(shù)：
例如專利文獻(xiàn)1中記載有附帶制冷機(jī)的低溫泵，該制冷機(jī)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(cè)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(cè)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分不經(jīng)由第1級膨脹室內(nèi)而通過第2工作氣體流道流入。專利文獻(xiàn)1 日本特開2002-243^4號公報在作為超低溫制冷機(jī)的典型的應(yīng)用對象之一的低溫泵中，制冷機(jī)的第1級冷卻臺安裝于有底筒狀的第1級低溫板。制冷機(jī)的第2級冷卻臺配置于第1級低溫板的內(nèi)側(cè)，所以連接第1級冷卻臺與第2級冷卻臺的第2級缸的長度根據(jù)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級冷卻臺與第2級冷卻臺的溫度差的主要因素之一。這樣，按照制冷機(jī)的應(yīng)用對象的結(jié)構(gòu)上的要求和有關(guān)制冷機(jī)的制冷性能的最佳設(shè)計有時未必一定會吻合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一在于提供一種可實(shí)現(xiàn)更加適合于應(yīng)用對象的設(shè)計的超低溫制冷機(jī)及應(yīng)用該制冷機(jī)的低溫泵。本發(fā)明的一種形態(tài)的低溫泵，具備低溫低溫板；高溫低溫板，冷卻成高于低溫低溫板的溫度；及制冷機(jī)，提供用于對低溫低溫板進(jìn)行冷卻的低溫冷卻位置和用于對高溫低溫板進(jìn)行冷卻的高溫冷卻位置，且在長邊方向上排列低溫冷卻位置和高溫冷卻位置，其中， 所述制冷機(jī)具備沿所述長邊方向相互連結(jié)的第1排出器及第2排出器，第2排出器的高溫端容納且連結(jié)于第1排出器的低溫端，以便內(nèi)置于第2排出器的蓄冷材的高溫側(cè)末端伸入到第1排出器。根據(jù)該形態(tài)，為了對低溫低溫板及高溫低溫板進(jìn)行冷卻，以與各自對應(yīng)的配置提供低溫冷卻位置及高溫冷卻位置。通過使第2排出器伸入到第1排出器能夠加長第2排出器。由此，能夠加大第2排出器的兩端的溫度差。因此，與具有直接反映低溫低溫板及高溫低溫板的位置關(guān)系的結(jié)構(gòu)的制冷機(jī)相比，能夠降低基于第2排出器的冷卻溫度。并且，由于使內(nèi)置于第2排出器的蓄冷材的高溫側(cè)末端伸入到第1排出器，因此能夠增加第2排出器的蓄冷材的量。這樣，還能夠提高通過第2排出器實(shí)現(xiàn)的制冷能力。本發(fā)明的另一種形態(tài)為超低溫制冷機(jī)。該超低溫制冷機(jī)具備使被連結(jié)的2個排出器的一方伸入到另一方中，直到內(nèi)置于一方的蓄冷材的端部位于另一方的內(nèi)部的排出器連結(jié)結(jié)構(gòu)。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明能夠提供一種可實(shí)現(xiàn)更加適合于應(yīng)用對象的設(shè)計的超低溫制冷機(jī)及應(yīng)用其制冷機(jī)的低溫泵。


圖1是示意地表示本發(fā)明的一實(shí)施方式所涉及的低溫泵的圖。圖2是表示本發(fā)明的一實(shí)施方式所涉及的制冷機(jī)的主要部分的圖。圖3是表示本發(fā)明的一實(shí)施方式所涉及的制冷機(jī)的吸氣工序的工作氣體流動的圖。圖4是表示本發(fā)明的一實(shí)施方式所涉及的制冷機(jī)的排氣工序的工作氣體流動的圖。圖5是表示其他一例的制冷機(jī)的吸氣工序的工作氣體流動的圖。圖6是表示其他一例的制冷機(jī)的排氣工序的工作氣體流動的圖。圖中10-低溫泵，11-第1缸，12-第2缸，13-第1冷卻臺，14-第2冷卻臺，20-控制部，30-低溫泵容器，40-放射屏蔽，50-制冷機(jī)，60-低溫低溫板，68-第1排出器，70-第 2排出器，72-連結(jié)部，88-第1蓄冷器，114-第2蓄冷器，132-凹部，G-間隙。
具體實(shí)施例方式圖1是示意地表示本發(fā)明的一實(shí)施方式所涉及的低溫泵10的圖。低溫泵10例如安裝于離子注入裝置或?yàn)R射裝置等的真空腔，為了將真空腔內(nèi)部的真空度提高至所希望的工藝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及制冷機(jī)50而構(gòu)成。制冷機(jī)50例如為吉福德-麥克馬洪式制冷機(jī)(所謂GM制冷機(jī))等制冷機(jī)。制冷機(jī)50具備第1缸11、第2缸12、第1冷卻臺13、第2冷卻臺14及閥驅(qū)動馬達(dá)16。第1缸 11與第2缸12串聯(lián)連接。第1缸11的與第2缸12的結(jié)合部側(cè)設(shè)置第1冷卻臺13，在第 2缸12的遠(yuǎn)離第1缸11側(cè)的一端設(shè)置第2冷卻臺14。圖1所示的制冷機(jī)50為二級式制冷機(jī)，串聯(lián)且二級組合缸而實(shí)現(xiàn)較低溫度。制冷機(jī)50也可以是串聯(lián)連接三級缸的三級式制冷機(jī)或比其多級的制冷機(jī)。制冷機(jī)50通過冷媒管18連接于壓縮機(jī)52。壓縮機(jī)52壓縮例如氦等冷媒氣體即工作氣體，并通過冷媒管18供給至制冷機(jī)50。 制冷機(jī)50通過使工作氣體通過蓄冷器來進(jìn)行冷卻的同時，首先使其在第1缸11的內(nèi)部的膨脹室，接著使其在第2缸12的內(nèi)部的膨脹室膨脹來進(jìn)一步進(jìn)行冷卻。蓄冷器組裝于膨脹室內(nèi)部。由此，設(shè)置于第1缸11的第1冷卻臺13被冷卻至第1冷卻溫度水平，而設(shè)置于第 2缸12的第2冷卻臺14被冷卻至溫度低于第1冷卻溫度水平的第2冷卻溫度水平。例如， 第1冷卻臺13冷卻至6 120K左右，優(yōu)選冷卻至80K 100K，而第2冷卻臺14冷卻至 IOK 20K左右。這樣，制冷機(jī)50提供用于對低溫低溫板進(jìn)行冷卻的低溫冷卻位置和用于對高溫低溫板進(jìn)行冷卻的高溫冷卻位置。低溫冷卻位置和高溫冷卻位置在長邊方向即缸排列方向上排列。也可以在低溫冷卻位置與高溫冷卻位置之間排列有提供中間冷卻溫度的1個或多個中間冷卻位置。在膨脹室中通過依次膨脹而吸熱，且對各冷卻臺進(jìn)行了冷卻的工作氣體再次通過蓄冷器，經(jīng)過冷媒管18返回至壓縮機(jī)52。從壓縮機(jī)52向制冷機(jī)50和從制冷機(jī)50向壓縮機(jī)52的工作氣體的流動通過制冷機(jī)50內(nèi)的回轉(zhuǎn)閥(未圖示)切換。閥驅(qū)動馬達(dá)16從外部電源接受電力供給而使回轉(zhuǎn)閥旋轉(zhuǎn)。設(shè)置有用于控制制冷機(jī)50的控制部20。控制部20根據(jù)第1冷卻臺13或第2冷卻臺14的冷卻溫度控制制冷機(jī)50。為此，在第1冷卻臺13或第2冷卻臺14可以設(shè)置溫度傳感器觀。控制部20也可以通過控制閥驅(qū)動馬達(dá)16的運(yùn)行頻率來控制冷卻溫度。為此控制部20也可以具備用于控制閥驅(qū)動馬達(dá)16的逆變器?？刂撇?0可以構(gòu)成為控制壓縮機(jī)52?？刂撇?0可以一體設(shè)置于低溫泵10，也可以作為與低溫泵10分體的控制裝置而構(gòu)成。圖1所示的低溫泵10為所謂臥式低溫泵。臥式低溫泵一般是指，制冷機(jī)的第2冷卻臺14沿與筒狀的放射屏蔽40的軸向交叉的方向(通常為正交方向)插入于放射屏蔽40 的內(nèi)部的低溫泵。另外，本發(fā)明同樣也能夠應(yīng)用于所謂立式低溫泵。立式低溫泵是指，沿放射屏蔽的軸向插入有制冷機(jī)的低溫泵。低溫泵容器30具有形成為一端具有開口且另一端被閉塞的圓筒狀的形狀的部位 (以下稱為“胴部”)32。開口作為應(yīng)從濺射裝置等真空腔排氣的氣體進(jìn)入的吸氣口 34而設(shè)置。吸氣口 34由低溫泵容器30的胴部(軀干部)32的上端部內(nèi)面劃定。并且，在胴部32 形成有用于插通制冷機(jī)50的開口 37。圓筒狀的制冷機(jī)容納部38的一端安裝于胴部32的開口 37，另一端安裝于制冷機(jī)50的外殼。制冷機(jī)容納部38容納制冷機(jī)50的第1缸11。并且，安裝法蘭36在低溫泵容器30的胴部32的上端朝向徑向外側(cè)延伸。低溫泵 10利用安裝法蘭36安裝于排氣對象容量部即濺射裝置等的真空腔。為了隔開低溫泵10的內(nèi)部與外部而設(shè)置低溫泵容器30。如上所述，低溫泵容器30 包含胴部32和制冷機(jī)容納部38而構(gòu)成，胴部32及制冷機(jī)容納部38的內(nèi)部被氣密地保持成共同的壓力。即使在低溫泵10的動作中，即制冷機(jī)在工作的期間低溫泵容器30的外面也被暴露于低溫泵10的外部的環(huán)境中，因此維持成高于放射屏蔽40的溫度。低溫泵容器 30的溫度典型地維持成環(huán)境溫度。在此，環(huán)境溫度是指，設(shè)置有低溫泵10的場所的溫度，或與其溫度相近的溫度，例如室溫程度。放射屏蔽40配設(shè)于低溫泵容器30的內(nèi)部。放射屏蔽40形成為一端具有開口且另一端被閉塞的圓筒狀的形狀即杯狀形狀。放射屏蔽40可構(gòu)成為如圖1所示的一體的筒狀，并且也可以構(gòu)成為通過多個零件作為整體構(gòu)成筒狀的形狀。這些多個零件也可以相互保持間隙而配設(shè)。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(shè)。低溫泵容器30的胴部32的內(nèi)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(nèi)面之間具備稍微的間隔且以與低溫泵容器30非接觸的狀態(tài)配置。即，放射屏蔽40的外面與低溫泵容器30的內(nèi)面相對。另外，低溫泵容器30的胴部32及放射屏蔽40的形狀不限于圓筒形狀，可以為角筒形狀或橢圓筒形狀等任何一種截面的筒形狀。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(nèi)面形狀相似的形狀。
放射屏蔽40作為主要從來自低溫泵容器30的輻射熱保護(hù)第2冷卻臺14及熱連接于此的低溫低溫板60的高溫低溫板而設(shè)置。放射屏蔽40包圍低溫低溫板60。第2冷卻臺14在放射屏蔽40的內(nèi)部配置于放射屏蔽40的大致中心軸上。放射屏蔽40以熱連接于第1冷卻臺13的狀態(tài)被固定，冷卻成與第1冷卻臺13相同程度的溫度。低溫低溫板60例如包含多個板64。板64例如分別具有圓錐臺側(cè)面的形狀，譬如具有傘狀的形狀。各板64安裝于在第2冷卻臺14上安裝的板安裝部件66上。各板64上通常設(shè)置有活性炭等吸附劑(未圖示)。吸附劑例如粘結(jié)于板64的里面。板安裝部件66具有一端被閉塞且另一端開放的圓筒狀的形狀，以被閉塞的端部安裝于第2冷卻臺14的上端而圓筒狀側(cè)面圍繞第2冷卻臺14的方式朝向放射屏蔽40的底部延伸。多個板64在板安裝部件66的圓筒狀側(cè)面相互隔開間隔而安裝。在板安裝部件 66的圓筒狀側(cè)面形成有用于通過制冷機(jī)50的第2缸12的開口。為了從來自真空腔等的輻射熱保護(hù)第2冷卻臺14及熱連接于此的低溫低溫板60， 在放射屏蔽40的吸氣口設(shè)置有擋板62。擋板62形成為例如百葉窗結(jié)構(gòu)或人字形結(jié)構(gòu)。擋板62也可以形成為以放射屏蔽40的中心軸為中心的同心圓狀，或形成為格子狀等其他形狀。擋板62安裝于放射屏蔽40的開口側(cè)的端部，冷卻成與放射屏蔽40相同程度的溫度。 另外，也可以在擋板62與真空腔之間設(shè)置閘閥(未圖示)。該閘閥例如在再生低溫泵10時設(shè)為關(guān)閉，且通過低溫泵10對真空腔進(jìn)行排氣時設(shè)為開。在放射屏蔽40的側(cè)面形成有制冷機(jī)安裝孔42。制冷機(jī)安裝孔42在放射屏蔽40 的中心軸方向上形成于放射屏蔽40側(cè)面的中央部。放射屏蔽40的制冷機(jī)安裝孔42與低溫泵容器30的開口 37同軸設(shè)置。制冷機(jī)50的第2缸12及第2冷卻臺14從制冷機(jī)安裝孔42沿與放射屏蔽40的中心軸方向垂直的方向被插入。放射屏蔽40在制冷機(jī)安裝孔42 中以熱連接于第1冷卻臺13的狀態(tài)被固定。另外，放射屏蔽40可通過連接用套管安裝于第1冷卻臺13來代替放射屏蔽40直接安裝于第1冷卻臺13。該套管例如為用于包圍第2缸12的第1冷卻臺13側(cè)的端部，且將放射屏蔽40熱連接于第1冷卻臺13的傳熱部件。以下對基于上述結(jié)構(gòu)的低溫泵10的動作進(jìn)行說明。當(dāng)?shù)蜏乇?0工作時，首先在其工作前由其他適當(dāng)?shù)拇殖楸脤⒄婵涨粌?nèi)部粗抽至1 左右。之后使低溫泵10工作。通過制冷機(jī)50的驅(qū)動冷卻第1冷卻臺13及第2冷卻臺14，也冷卻熱連接于它們的放射屏蔽 40、擋板62及低溫板60。被冷卻的擋板62冷卻從真空腔朝向低溫泵10內(nèi)部飛來的氣體分子，使蒸汽壓在該冷卻溫度下充分變低的氣體(例如水分等)在表面凝縮而排氣。在擋板62的冷卻溫度下蒸汽壓不會充分變低的氣體通過擋板62進(jìn)入放射屏蔽40內(nèi)部。進(jìn)入的氣體分子中蒸汽壓在低溫板60的冷卻溫度下充分變低的氣體在低溫板60的表面上凝縮而被排氣。蒸汽壓在其冷卻溫度下也不會充分變低的氣體(例如氫等)通過粘結(jié)于低溫板60的表面并被冷卻的吸附劑吸附而被排氣。這樣，低溫泵10能夠使真空腔的真空度達(dá)到所希望的水平。圖2至圖4是表示本發(fā)明的一實(shí)施方式所涉及的制冷機(jī)50的主要部分的圖。分別表示包含制冷機(jī)50的中心軸的截面。圖3用箭頭示意地表示吸氣工序中的工作氣體流動，圖4用箭頭示意地表示排氣工序中的工作氣體流動。制冷機(jī)50具備沿中心軸方向即長邊方向相互連結(jié)的第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通過連結(jié)部72連結(jié)。制冷機(jī)50具備排出器連結(jié)結(jié)構(gòu)， 該排出器連結(jié)結(jié)構(gòu)使第2排出器70伸入到第1排出器68，直到內(nèi)置于第2排出器70的蓄冷材112的端部位于第1排出器68的內(nèi)部。第1缸11與第2缸12 —體地形成，且第1缸11的低溫端與第2缸12的高溫端通過第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(lián)排列。第2缸12 與第1缸11同軸配置，是直徑小于第1缸11的圓筒部件。第1缸11可往復(fù)移動地容納第 1排出器68，第2缸12可往復(fù)移動地容納第2排出器70。第1缸11的低溫端的外周部安裝有第1冷卻臺13，第2缸12的低溫端的外周部安裝有第2冷卻臺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的圓環(huán)狀部件。第2缸12的低溫端被第2缸底部76閉塞。在第1缸11的高溫端的外周部形成有法蘭部78。與第1缸11的高溫端鄰接而設(shè)置有閥驅(qū)動馬達(dá)16或具備回轉(zhuǎn)閥、止轉(zhuǎn)棒軛機(jī)構(gòu)的驅(qū)動機(jī)構(gòu)(未圖示)。第1排出器68連接于止轉(zhuǎn)棒軛。該止轉(zhuǎn)棒軛機(jī)構(gòu)通過閥驅(qū)動馬達(dá)16驅(qū)動。馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)通過止轉(zhuǎn)棒軛機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換成直線往復(fù)運(yùn)動，由此第1排出器68沿第1 缸11的內(nèi)側(cè)面往復(fù)移動。第1排出器68和第2排出器70被連結(jié)，所以第2排出器70也與第1排出器68連動而沿第2缸12的內(nèi)側(cè)面往復(fù)移動。第1排出器68是與第1缸11的內(nèi)部容積形狀對應(yīng)地形成為大致圓筒狀的部件。 第1排出器68的最大徑的部分的外徑實(shí)際上等于或略小于第1缸11的內(nèi)徑，由此第1排出器68可沿第1缸11滑動地或具有微小間隙而而非接觸地移動。第1排出器68包含第1高溫端80、第1圓筒部分82及第1低溫端84而構(gòu)成。第 1高溫端80及第1低溫端84閉塞分別與第1圓筒部分82互相相對的端面。如后述，用于連接第1排出器68的內(nèi)部與外部的開口分別形成于第1高溫端80及第1低溫端84。第1 圓筒部分82的內(nèi)部填充有第1級蓄冷材86。被第1高溫端80、第1圓筒部分82及第1低溫端84包圍的第1排出器68的內(nèi)部容積也可說是保持蓄冷材86的第1蓄冷器88。在第1排出器68的第1高溫端80與第1圓筒部分82的連接部的徑向外側(cè)形成有用于安裝密封墊的圓環(huán)槽，圓環(huán)槽安裝有圓環(huán)狀的第1密封墊90。第1密封墊90可滑動地緊貼在第1缸11，阻斷第1缸11的高溫端與第1膨脹空間94之間的工作氣體在第1排出器68的外側(cè)中的流通。為了提高與缸外部的隔熱性而在第1排出器68的第1圓筒部分 82的外周部分形成有極淺的凹部92。在第1缸11的內(nèi)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通過第1排出器68的往復(fù)運(yùn)動改變?nèi)莘e。第1排出器68的第1高溫端80形成有用于使工作氣體在第1排出器68的外側(cè) (即第1缸11的高溫側(cè))與第1蓄冷器88之間流通的第1開口 96。第1開口 96沿圍繞中心軸的周向設(shè)置于多處。第1排出器68的第1低溫端84上形成有用于使工作氣體在第1蓄冷器88與第1 膨脹空間94之間流通的第2開口 98。第2開口 98沿圍繞中心軸的周向在第1低溫端84 的外周部設(shè)置于多處。第2開口 98中，入口部分100形成于第1蓄冷器88的低溫端，出口部分102形成于第1低溫端84的側(cè)面。彎曲流道從入口部分100朝向出口部分102形成于第1低溫端84。入口部分100及出口部分102僅僅是為了方便起見的叫法，第2開口 98 不僅容許從入口部分100朝向出口部分102的工作氣體流動，還容許從出口部分102朝向入口部分100的工作氣體流動。另外，第2開口 98可以不是彎曲流道，還可以是在第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的直線的貫穿孔。第1排出器68的第1低溫端84的直徑稍微小于第1圓筒部分82的低溫側(cè)末端。 由此，第1低溫端84的側(cè)面與第1缸11的內(nèi)面之間形成連接第2開口 98與第1膨脹空間 94的圓環(huán)狀的第1通道104。第1通道104可以看作是第1膨脹空間94的一部分。第2 開口 98的出口部分102通過第1通道104連接于第1膨脹空間94。第1通道104沿第1冷卻臺13向長邊方向延伸。如圖所示，第1冷卻臺13的長邊方向的長度包含有第2開口 98的出口部分102的長邊方向的可動范圍。因此，即使第1 排出器68位于任一長邊方向位置時，第1冷卻臺13也會與第2開口 98的出口部分102相對。這樣，流過第1通道104的工作氣體和第1冷卻臺13可通過第1缸11有效地進(jìn)行熱交換。這樣，形成用于使工作氣體從第1排出器68通過第2開口 98流向第1膨脹空間 94的第1流道。該第1流道將工作氣體從壓縮機(jī)52及冷媒管18 (參考圖1)通過第1開口 96、第1蓄冷器88、第2開口 98及第1通道104送達(dá)第1膨脹空間94 (參考圖3)。并且， 使工作氣體逆向地從第1膨脹空間94返回到壓縮機(jī)52 (參考圖4)。第2排出器70是與第2缸12的內(nèi)部容積形狀對應(yīng)而形成為大致圓筒狀的部件。 第2排出器70的最大徑部分的外徑實(shí)際上等于或略小于第2缸12的內(nèi)徑，由此第2排出器70可沿第2缸12滑動地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圓筒部分108及第2低溫端110而構(gòu)成。第2高溫端106及第2低溫端110閉塞分別與第2圓筒部分108相相對的端面。如后述，用于連接第2排出器70的內(nèi)部與外部的開口分別形成于第2高溫端106及第2低溫端 110。在第2圓筒部分108的內(nèi)部填充有第2級蓄冷材112。被第2高溫端106、第2圓筒部分108及第2低溫端110包圍的第2排出器70的內(nèi)部容積也可說是保持蓄冷材112的第2蓄冷器114。第2蓄冷器114的高溫側(cè)設(shè)置有用于按壓蓄冷材112的毛氈或金屬絲網(wǎng) 124。同樣在低溫側(cè)可容納有用于擠壓蓄冷材112的毛氈或金屬絲網(wǎng)。在第2排出器70的第2圓筒部分108的徑向外側(cè)形成有用于安裝密封墊的圓環(huán)槽，圓環(huán)槽安裝有圓環(huán)狀的第2密封墊116。第2密封墊116遍及第2排出器70的可動范圍可滑動地緊貼在第2缸12，阻斷第1膨脹空間94與第2膨脹空間120之間的工作氣體在第2排出器70的外側(cè)中流通。為了提高與缸外部的隔熱性而在第2排出器70的第2圓筒部分108的外周部分形成極淺的凹部118。在第2缸12的內(nèi)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通過第2排出器70的往復(fù)運(yùn)動改變?nèi)莘e。第2排出器70的第2高溫端106形成有用于使工作氣體在第2排出器70的外側(cè) (即第1排出器68的低溫側(cè))與第2蓄冷器114之間流通的第3開口 122。第3開口 122 沿圍繞中心軸的周向設(shè)置于多處或整周。第2排出器70的第2低溫端110形成有用于使工作氣體在第2蓄冷器114與第 2膨脹空間120之間流通的第4開口 126。第4開口 1 形成于第2低溫端110的側(cè)面的多處。將第4開口 1 連接于第2膨脹空間120的流道也與第1通道104相同地沿第2冷卻臺14設(shè)置，從第2膨脹空間120流向第2蓄冷器114的工作氣體和第2冷卻臺14能夠有效的進(jìn)行熱交換。
如上述，第1排出器68和第2排出器70通過連結(jié)部72沿長邊方向相互連結(jié)。第 2排出器70的第2高溫端106被容納于第1排出器68的第1低溫端84，以便第2蓄冷器 114的高溫側(cè)末端伸入到第1排出器68。如圖示，第2蓄冷器114的高溫側(cè)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。通過使第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。通過第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(kuò)大，所以能夠增大溫度差。即，能夠進(jìn)一步降低低溫端的溫度。并且，能夠增加填充至第2蓄冷器 114的蓄冷材112的量。第2蓄冷器114的比熱變大，并且能夠增強(qiáng)制冷機(jī)50的第2級制冷能力。通過使第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，也可保持排出器的可動范圍(所謂沖程)，所以也無需變更制冷機(jī)50的驅(qū)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計。并且，由于能夠保持原有的缸形狀及尺寸，所以對應(yīng)用制冷機(jī)50的裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)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與低溫低溫板60的位置關(guān)系的狀態(tài)提高低溫低溫板60的排氣能力。連結(jié)部72包含連接器部件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通過圓柱狀或棱柱狀的連接器部件1 連結(jié)。連接器部件128中，相互正交的方向的2個結(jié)合銷被插通至兩端，一方的銷連結(jié)第1排出器68的第1低溫端84 與連接器部件128，另一方的銷連結(jié)第2排出器70的第2高溫端106與連接器部件128。2 個銷的插通方向均為與制冷機(jī)50的長邊方向正交的方向。在一實(shí)施例中，連結(jié)部72也可包含所謂萬能聯(lián)軸器。這樣，第1排出器68與連接器部件1 通過結(jié)合銷可擺動地相互連接，第2排出器70與連接器部件1 在與其正交的方向通過結(jié)合銷可擺動地連接。因此，在制冷機(jī)50 的組裝工序中，將第1排出器68及第2排出器70插入至第1缸11及第2缸12時，第2排出器70可相對于第1排出器68多少相對移動或偏心。因此，緩和制造缸時的公差，且有助于制冷機(jī)50的低成本化。第1排出器68的第1低溫端84具有外周部130。外周部130作為從第1圓筒部分82朝向第1缸底部74突出的環(huán)狀的凸部而形成。外周部130的側(cè)面也可為第1低溫端 84的側(cè)面。因此，外周部130的側(cè)面與第1缸11的內(nèi)面相對，在外周部130的側(cè)面與第1 缸11的內(nèi)面之間形成上述的第1通道104。被外周部130包圍的中心部分成為凹部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(cè)末端的開口也可形成于第1低溫端84的中心部、即凹部132的上面。連接器部件1 配置于該凹部132，其整體容納于凹部132。連接器部件128的與第2排出器70的連接部被容納于第2排出器70的第3開口 122。連接器部件128的下端與第2蓄冷器114或金屬絲網(wǎng)IM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(cè)，具體而言，第2高溫端106和第2圓筒部分108的高溫側(cè)末端被間隙插入于凹部132。 即，保持一些間隙而被插入。因此，在凹部132的側(cè)面與第2排出器70的第2高溫端106 及第2圓筒部分108的側(cè)面之間形成間隙G。凹部132的直徑與第2圓筒部分108的直徑之差成為間隙G。間隙G最大為Imm以內(nèi)，優(yōu)選為0. 5mm以內(nèi)。因此，形成有用于使工作氣體從第1排出器68通過凹部132流向第2排出器70的直通流道。該直通流道將工作氣體從壓縮機(jī)52及冷媒管18 (參考圖1)通過第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 1 送達(dá)第2膨脹空間120 (參考圖3)。并且，使工作氣體從第2膨脹空間120反方向返回到壓縮機(jī)52 (參考圖 4)。工作氣體在第1排出器68與第2排出器70之間的流通調(diào)整間隙G的尺寸，以便通過該直通流道的流動成為支配性流動(主導(dǎo)性流動)。若這樣，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泄漏?？梢允共唤?jīng)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的工作氣體增多。間隙G從凹部132通往第1膨脹空間94。第1膨脹空間94是由第1排出器68、 第1缸11及第2排出器70包圍的區(qū)域。具體而言，第1膨脹空間94通過第1排出器68 的第1低溫端84、第1缸11的內(nèi)面及從第1排出器68的凹部132延伸的第2排出器70的第2圓筒部分108被劃定。工作氣體在第1膨脹空間94與第1排出器68之間的的流通調(diào)整間隙G的尺寸， 以便通過第2開口 98的流動成為支配性流動。即，從第1排出器68通過第2開口 98流入到第1膨脹空間94的工作氣體再次通過第2開口 98返回到第1排出器68。充分地抑制經(jīng)由第1膨脹空間94且通過間隙G而流入到凹部132的流動。這樣，朝向第1膨脹空間94的工作氣體流動與朝向第2膨脹空間120的工作氣體流動被分離。由此，抑制流入第1膨脹空間94且與第1冷卻臺13進(jìn)行了熱交換的工作氣體向第2排出器70的流入。由第1排出器68供給且直接朝向第2膨脹空間120的工作氣體不經(jīng)由第1膨脹空間94。這樣，能夠減小制冷機(jī)50的第1級的冷卻溫度對第2級的制冷能力的影響。這樣，分離流動的結(jié)構(gòu)在不同的冷卻臺所要求的溫度差較大時尤其優(yōu)選。工作氣體經(jīng)由冷卻成比較高溫的冷卻臺及其熱交換部(即膨脹空間)朝向次級的溫度更低的冷卻臺及其熱交換部時，前級的高溫對后級的影響變大。通過分離流動，能夠抑制對后級的制冷能力的影響。因此，例如在二級式制冷機(jī)50中，第1級的冷卻溫度為80K以上優(yōu)選為100K以上， 第2級的冷卻溫度為30K以下優(yōu)選為20K以下時，優(yōu)選采用上述的流動分離結(jié)構(gòu)。并且，相鄰的冷卻級的溫度差至少為50K以上優(yōu)選變大至80K以上時優(yōu)選采用流動分離結(jié)構(gòu)。并且，使從第1排出器68流出的工作氣體在朝向第2膨脹空間120的直通流道中流動的方向和從第1排出器68朝向第1膨脹空間94流出的工作氣體的流動方向一致的方式構(gòu)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的流動流向長邊方向，第2開口 98的入口部分100也形成為使來自第1蓄冷器88的流動流向長邊方向。凹部132及第2開口 98的入口部分100為與缸的中心軸方向平行地形成的開口部。另外，如上所述，流入第2開口 98的工作氣體在第2開口 98的內(nèi)部朝向徑向外向彎曲且從出口部分102流出。S卩，在第1蓄冷器88的外部變更流動方向。這樣，通過使從第1蓄冷器88的低溫側(cè)朝向外側(cè)流動的方向一致的方式形成開口，由此能夠提高工作氣體在第1蓄冷器88的低溫端處的流動的均勻性。通過改善工作氣體流動的均勻性，第1蓄冷器88的低溫端處的溫度分布均勻性也變得良好?？梢哉J(rèn)為這一點(diǎn)有助于在第1蓄冷器88的低溫端中整體上保持低溫。對制冷機(jī)50的動作進(jìn)行說明。將圖3所示的吸氣工序及圖4所示的排氣工序設(shè)為1個循環(huán)，制冷機(jī)50反復(fù)該循環(huán)。在吸氣工序的某一時刻中，第1排出器68及第2排出器70分別位于第1缸11及第2缸12內(nèi)的下止點(diǎn)。與此同時或稍微錯開時機(jī)，通過由回轉(zhuǎn)閥連接壓縮機(jī)52的吐出側(cè)與缸內(nèi)部容積，高壓的工作氣體例如氦氣從壓縮機(jī)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，通過蓄冷材86被冷卻。被冷卻的氦氣的一部分通過第2開口 98、第1通道104流入第1膨脹空間94。被冷卻的氦氣的剩余部分通過第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。氦氣通過內(nèi)部的蓄冷材112冷卻，且通過第4開口 1 流入至第2膨脹空間120。這樣，第1膨脹空間94及第2膨脹空間120分別成為高壓狀態(tài)。通過第1排出器68及第2排出器70向上止點(diǎn)移動而擴(kuò)張第1膨脹空間94及第2膨脹空間 120。被擴(kuò)張的第1膨脹空間94及第2膨脹空間120由高壓氦氣填滿。在排氣工序的某一時刻中，第1排出器68及第2排出器70分別位于第1缸11及第2缸12內(nèi)的上止點(diǎn)。與此同時或稍微錯開時機(jī)通過回轉(zhuǎn)閥的旋轉(zhuǎn)而連接壓縮機(jī)52的吸入側(cè)與缸內(nèi)部容積。第1膨脹空間94及第2膨脹空間120的氦氣被減壓而被膨脹。氦氣通過膨脹成為低壓并產(chǎn)生寒冷。第1膨脹空間94的氦氣從第1冷卻臺13吸收熱并進(jìn)行冷卻，第2膨脹空間120的氦氣從第2冷卻臺14吸收熱并進(jìn)行冷卻。第1排出器68及第2排出器70朝向下止點(diǎn)移動，并縮小第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通過第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(jī)52。并且，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，被回收至壓縮機(jī)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也被冷卻。圖5是表示典型的其他制冷機(jī)150的吸氣工序的圖，圖6是表示其制冷機(jī)150的排氣工序的圖。該制冷機(jī)150與上述的圖2所示的制冷機(jī)50關(guān)于第1排出器168與第2 排出器170的連結(jié)部172的結(jié)構(gòu)不同。對于第1缸11、第2缸12、第1冷卻臺13及第2冷卻臺14，在圖2所示的制冷機(jī)50和圖5、圖6所示的制冷機(jī)150中成為相同尺寸及形狀。如圖5及圖6所示，在制冷機(jī)150中，第1排出器168與第2排出器170之間的空間即連結(jié)用凹坑140作為連接第1膨脹空間194和第2蓄冷器114的流道而形成。因此， 第2排出器170的高溫端稍微進(jìn)入到第1排出器168的低溫端的連結(jié)用凹坑140。進(jìn)入量最大為10mm。由此，第2蓄冷器114位于第1排出器168的外側(cè)。為了保證向第2排出器170的充分的流量，進(jìn)入部分中的第2排出器170與第1 排出器168之間的間隔至少被加大2mm 3mm。另外，重視增大安裝工作時的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(jìn)入第1排出器168的低溫端而配設(shè)于連結(jié)用凹坑140的外側(cè)。因此，吸氣工序中的工作氣體流動經(jīng)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(jié)用凹坑140、第2蓄冷器114供給至第2膨脹空間120(參考圖5)。排氣工序中的工作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(參考圖 6)。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(jīng)由第1膨脹空間194。因此，制冷機(jī)150的第2級的制冷性能易受第1級的冷卻溫度的影響。另外，在制冷機(jī)150中，用于使第1排出器168的第1蓄冷器88與第1膨脹空間 194連通的第2開口 198形成于第1排出器168的低溫側(cè)側(cè)面。第2開口 198從制冷機(jī)150 的中心軸以放射狀形成于第1排出器168的側(cè)面的多處。該第2開口 198也可在圖2所示的制冷機(jī)50中采用。從與圖5及圖6所示的制冷機(jī)150的對比可知，可以說圖2至圖4所示的制冷機(jī) 50的連結(jié)部72具有密封從與第1排出器68鄰接的第1膨脹空間94通往第2排出器70的間隙G的氣體流動的密封結(jié)構(gòu)。該密封結(jié)構(gòu)中，鄰接的2個排出器中一方的端部間隙插入于收納此排出器的另一方的凹部，這些間隙作為用于密封與排出器連結(jié)結(jié)構(gòu)的外部的工作氣體流動的空隙而被調(diào)整。該空隙作為用于制冷機(jī)的組裝工作時容許少許的相對變位的空隙而設(shè)置。作為表示該密封結(jié)構(gòu)的密封性的1種指標(biāo)，可考慮第2排出器70的伸入長度B與間隙G之比X。即X = B/G。當(dāng)?shù)?排出器70的伸入長度B較大，間隙G較小時，比X的值變大。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(yán)重，所以工作氣體難以流動。相反，當(dāng)?shù)?排出器的70的伸入長度B較小、間隙G較大時，比X的值變小。 此時，彎曲路徑變緩，所以工作氣體容易流動。在一實(shí)施例中，優(yōu)選比X至少為10以上。當(dāng)伸入長度B為15mm，間隙G為Imm時， 比X成為15，而當(dāng)伸入長度B為15謹(jǐn)，間隙G為0.5謹(jǐn)時，比X成為30。因此，優(yōu)選比X至少為30以上。與此相對，如圖5及圖6所示的制冷機(jī)150，當(dāng)伸入長度B為10mm，間隙G為 2mm 3mm時，比X成為約3. 3 5。這樣，與典型的制冷機(jī)的連結(jié)部分相比，通過將比X的值設(shè)為10倍以上的大小，可實(shí)現(xiàn)充分的密封性。在優(yōu)選的一實(shí)施例中，伸入長度B至少為15mm，并且比X至少為10以上優(yōu)選為30 以上。通過在將第2排出器70的伸入長度B至少設(shè)為15mm的前提下設(shè)定比X的下限值， 能夠充分縮小間隙G。如說明，根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施方式，大體規(guī)定2個冷卻臺位置及缸尺寸的制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)中，能夠使第2排出器70更加長。由此，能夠加長高溫端與低溫端的距離來加大溫度差。并且還能夠增大內(nèi)置的蓄冷材的量來提高制冷能力。由于低溫泵具備位置關(guān)系已被規(guī)定的放射屏蔽和其內(nèi)部的低溫板，所以成為這種制冷機(jī)的優(yōu)選應(yīng)用對象。尤其在要求加大放射屏蔽與其內(nèi)部的低溫板的溫度差時為最佳。
權(quán)利要求
1.一種低溫泵，具備低溫低溫板；高溫低溫板，冷卻成高于低溫低溫板的溫度；及制冷機(jī)，提供用于對低溫低溫板進(jìn)行冷卻的低溫冷卻位置和用于對高溫低溫板進(jìn)行冷卻的高溫冷卻位置，在長邊方向上排列低溫冷卻位置和高溫冷卻位置，其特征在于，所述制冷機(jī)具備沿所述長邊方向相互連結(jié)的第1排出器及第2排出器，第2排出器的高溫端容納且連結(jié)于第1排出器的低溫端，以便內(nèi)置于第2排出器的蓄冷材的高溫側(cè)末端伸入到第1排出器。
2.如權(quán)利要求1所述的低溫泵，其特征在于，第2排出器伸入到第1排出器至少15mm。
3.如權(quán)利要求1或2所述的低溫泵，其特征在于，在第1排出器的低溫端形成收納第2排出器的凹部，第2排出器的高溫端間隙插入于該凹部，形成有用于使工作氣體從第1排出器通過所述凹部流向第2排出器的直通流道，且調(diào)整第2排出器的高溫端與所述凹部的間隙，以便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流動。
4.如權(quán)利要求3所述的低溫泵，其特征在于，在第1排出器的低溫端形成有用于將工作氣體引導(dǎo)至鄰接的第1膨脹空間的開口，且調(diào)整所述間隙，以便通過所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流動。
5.如權(quán)利要求4所述的低溫泵，其特征在于，決定所述開口的方向，以使從第1排出器流出所述直通流道的流動方向和從第1排出器流出所述開口的流動方向一致。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的低溫泵，其特征在于，所述制冷機(jī)具備連結(jié)部，該連結(jié)部連結(jié)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(jié)構(gòu)。
7.一種超低溫制冷機(jī)，其特征在于，具備排出器連結(jié)結(jié)構(gòu)，該排出器連結(jié)結(jié)構(gòu)使被連結(jié)的2個排出器的一方伸入到另一方中，直到內(nèi)置于一方的蓄冷材的端部位于另一方的內(nèi)部。
全文摘要
本發(fā)明提供一種可實(shí)現(xiàn)更加適合于應(yīng)用對象的設(shè)計的超低溫制冷機(jī)及應(yīng)用其制冷機(jī)的低溫泵。本發(fā)明的制冷機(jī)(50)具備排出器連結(jié)結(jié)構(gòu)，使被連結(jié)的2個排出器的一方伸入到另一方，直到內(nèi)置于一方的蓄冷材的端部位于另一方的內(nèi)部。低溫泵(10)具備低溫低溫板(60)、冷卻成高于低溫低溫板(60)的溫度的放射屏蔽(40)及制冷機(jī)(50)。
文檔編號F04B37/08GK102400888SQ20111026831
公開日2012年4月4日 申請日期2011年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月13日
發(fā)明者田中秀和 申請人:住友重機(jī)械工業(yè)株式會社