CN102400888B - 低温泵及超低温制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可实现更加适合于应用对象的设计的超低温制冷机及应用其制冷机的低温泵。本发明的制冷机(50)具备排出器连结结构，使被连结的2个排出器的一方伸入到另一方，直到内置于一方的蓄冷材的端部位于另一方的内部。低温泵(10)具备低温低温板(60)、冷却成高于低温低温板(60)的温度的放射屏蔽(40)及制冷机(50)。

Description

低温泵及超低温制冷机

技术领域

本申请主张基于2010年9月13日申请的日本专利申请第2010-204891号的优先权。其申请的所有内容通过参考援用于该说明书中。

本发明涉及一种低温泵及超低温制冷机。

背景技术

例如专利文献1中记载有附带制冷机的低温泵，该制冷机使第1级排出器与第2级排出器之间的连接部中的工作气体的流道分支成2个工作气体流道。第1工作气体流道从第1级蓄冷器中的低温侧端部连接至第1级膨胀室。第2工作气体流道从第1级蓄冷器中的低温侧端部直接连接至第2级蓄冷器。朝向第2级蓄冷器的流入气体的一部分不经由第1级膨胀室内而通过第2工作气体流道流入。

专利文献1：日本特开2002-243294号公报

在作为超低温制冷机的典型的应用对象之一的低温泵中，制冷机的第1级冷却台安装于有底筒状的第1级低温板。制冷机的第2级冷却台配置于第1级低温板的内侧，所以连接第1级冷却台与第2级冷却台的第2级缸的长度根据第1级低温板的尺寸而受限制。第2级缸的长度是决定第1级冷却台与第2级冷却台的温度差的主要因素之一。这样，按照制冷机的应用对象的结构上的要求和有关制冷机的制冷性能的最佳设计有时未必一定会吻合。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种可实现更加适合于应用对象的设计的超低温制冷机及应用该制冷机的低温泵。

本发明的一种形态的低温泵，具备：低温低温板；高温低温板，冷却成高于低温低温板的温度；及制冷机，提供用于对低温低温板进行冷却的低温冷却位置和用于对高温低温板进行冷却的高温冷却位置，且在长边方向上排列低温冷却位置和高温冷却位置，其中，所述制冷机具备沿所述长边方向相互连结的第1排出器及第2排出器，第2排出器的高温端容纳且连结于第1排出器的低温端，以便内置于第2排出器的蓄冷材的高温侧末端伸入到第1排出器。

根据该形态，为了对低温低温板及高温低温板进行冷却，以与各自对应的配置提供低温冷却位置及高温冷却位置。通过使第2排出器伸入到第1排出器能够加长第2排出器。由此，能够加大第2排出器的两端的温度差。因此，与具有直接反映低温低温板及高温低温板的位置关系的结构的制冷机相比，能够降低基于第2排出器的冷却温度。

并且，由于使内置于第2排出器的蓄冷材的高温侧末端伸入到第1排出器，因此能够增加第2排出器的蓄冷材的量。这样，还能够提高通过第2排出器实现的制冷能力。

本发明的另一种形态为超低温制冷机。该超低温制冷机具备使被连结的2个排出器的一方伸入到另一方中，直到内置于一方的蓄冷材的端部位于另一方的内部的排出器连结结构。

发明效果：

根据本发明能够提供一种可实现更加适合于应用对象的设计的超低温制冷机及应用其制冷机的低温泵。

附图说明

图1是示意地表示本发明的一实施方式所涉及的低温泵的图。

图2是表示本发明的一实施方式所涉及的制冷机的主要部分的图。

图3是表示本发明的一实施方式所涉及的制冷机的吸气工序的工作气体流动的图。

图4是表示本发明的一实施方式所涉及的制冷机的排气工序的工作气体流动的图。

图5是表示其他一例的制冷机的吸气工序的工作气体流动的图。

图6是表示其他一例的制冷机的排气工序的工作气体流动的图。

图中：10-低温泵，11-第1缸，12-第2缸，13-第1冷却台，14-第2冷却台，20-控制部，30-低温泵容器，40-放射屏蔽，50-制冷机，60-低温低温板，68-第1排出器，70-第2排出器，72-连结部，88-第1蓄冷器，114-第2蓄冷器，132-凹部，G-间隙。

具体实施方式

图1是示意地表示本发明的一实施方式所涉及的低温泵10的图。低温泵10例如安装于离子注入装置或溅射装置等的真空腔，为了将真空腔内部的真空度提高至所希望的工艺所需的水平而加以使用。低温泵10包含低温泵容器30、放射屏蔽40及制冷机50而构成。

制冷机50例如为吉福德-麦克马洪式制冷机(所谓GM制冷机)等制冷机。制冷机50具备第1缸11、第2缸12、第1冷却台13、第2冷却台14及阀驱动马达16。第1缸11与第2缸12串联连接。第1缸11的与第2缸12的结合部侧设置第1冷却台13，在第2缸12的远离第1缸11侧的一端设置第2冷却台14。

图1所示的制冷机50为二级式制冷机，串联且二级组合缸而实现较低温度。制冷机50也可以是串联连接三级缸的三级式制冷机或比其多级的制冷机。制冷机50通过冷媒管18连接于压缩机52。

压缩机52压缩例如氦等冷媒气体即工作气体，并通过冷媒管18供给至制冷机50。制冷机50通过使工作气体通过蓄冷器来进行冷却的同时，首先使其在第1缸11的内部的膨胀室，接着使其在第2缸12的内部的膨胀室膨胀来进一步进行冷却。蓄冷器组装于膨胀室内部。由此，设置于第1缸11的第1冷却台13被冷却至第1冷却温度水平，而设置于第2缸12的第2冷却台14被冷却至温度低于第1冷却温度水平的第2冷却温度水平。例如，第1冷却台13冷却至65K～120K左右，优选冷却至80K～100K，而第2冷却台14冷却至10K～20K左右。

这样，制冷机50提供用于对低温低温板进行冷却的低温冷却位置和用于对高温低温板进行冷却的高温冷却位置。低温冷却位置和高温冷却位置在长边方向即缸排列方向上排列。也可以在低温冷却位置与高温冷却位置之间排列有提供中间冷却温度的1个或多个中间冷却位置。

在膨胀室中通过依次膨胀而吸热，且对各冷却台进行了冷却的工作气体再次通过蓄冷器，经过冷媒管18返回至压缩机52。从压缩机52向制冷机50和从制冷机50向压缩机52的工作气体的流动通过制冷机50内的回转阀(未图示)切换。阀驱动马达16从外部电源接受电力供给而使回转阀旋转。

设置有用于控制制冷机50的控制部20。控制部20根据第1冷却台13或第2冷却台14的冷却温度控制制冷机50。为此，在第1冷却台13或第2冷却台14可以设置温度传感器28。控制部20也可以通过控制阀驱动马达16的运行频率来控制冷却温度。为此控制部20也可以具备用于控制阀驱动马达16的逆变器。控制部20可以构成为控制压缩机52。控制部20可以一体设置于低温泵10，也可以作为与低温泵10分体的控制装置而构成。

图1所示的低温泵10为所谓卧式低温泵。卧式低温泵一般是指，制冷机的第2冷却台14沿与筒状的放射屏蔽40的轴向交叉的方向(通常为正交方向)插入于放射屏蔽40的内部的低温泵。另外，本发明同样也能够应用于所谓立式低温泵。立式低温泵是指，沿放射屏蔽的轴向插入有制冷机的低温泵。

低温泵容器30具有形成为一端具有开口且另一端被闭塞的圆筒状的形状的部位(以下称为“胴部”)32。开口作为应从溅射装置等真空腔排气的气体进入的吸气口34而设置。吸气口34由低温泵容器30的胴部(躯干部)32的上端部内面划定。并且，在胴部32形成有用于插通制冷机50的开口37。圆筒状的制冷机容纳部38的一端安装于胴部32的开口37，另一端安装于制冷机50的外壳。制冷机容纳部38容纳制冷机50的第1缸11。

并且，安装法兰36在低温泵容器30的胴部32的上端朝向径向外侧延伸。低温泵10利用安装法兰36安装于排气对象容量部即溅射装置等的真空腔。

为了隔开低温泵10的内部与外部而设置低温泵容器30。如上所述，低温泵容器30包含胴部32和制冷机容纳部38而构成，胴部32及制冷机容纳部38的内部被气密地保持成共同的压力。即使在低温泵10的动作中，即制冷机在工作的期间低温泵容器30的外面也被暴露于低温泵10的外部的环境中，因此维持成高于放射屏蔽40的温度。低温泵容器30的温度典型地维持成环境温度。在此，环境温度是指，设置有低温泵10的场所的温度，或与其温度相近的温度，例如室温程度。

放射屏蔽40配设于低温泵容器30的内部。放射屏蔽40形成为一端具有开口且另一端被闭塞的圆筒状的形状即杯状形状。放射屏蔽40可构成为如图1所示的一体的筒状，并且也可以构成为通过多个零件作为整体构成筒状的形状。这些多个零件也可以相互保持间隙而配设。

低温泵容器30的胴部32及放射屏蔽40均形成为大致圆筒状，且被同轴配设。低温泵容器30的胴部32的内径稍微超出放射屏蔽40的外径，放射屏蔽40在与低温泵容器30的胴部32的内面之间具备稍微的间隔且以与低温泵容器30非接触的状态配置。即，放射屏蔽40的外面与低温泵容器30的内面相对。另外，低温泵容器30的胴部32及放射屏蔽40的形状不限于圆筒形状，可以为角筒形状或椭圆筒形状等任何一种截面的筒形状。放射屏蔽40的形状典型地成为与低温泵容器30的胴部32的内面形状相似的形状。

放射屏蔽40作为主要从来自低温泵容器30的辐射热保护第2冷却台14及热连接于此的低温低温板60的高温低温板而设置。放射屏蔽40包围低温低温板60。第2冷却台14在放射屏蔽40的内部配置于放射屏蔽40的大致中心轴上。放射屏蔽40以热连接于第1冷却台13的状态被固定，冷却成与第1冷却台13相同程度的温度。

低温低温板60例如包含多个板64。板64例如分别具有圆锥台侧面的形状，譬如具有伞状的形状。各板64安装于在第2冷却台14上安装的板安装部件66上。各板64上通常设置有活性炭等吸附剂(未图示)。吸附剂例如粘结于板64的里面。

板安装部件66具有一端被闭塞且另一端开放的圆筒状的形状，以被闭塞的端部安装于第2冷却台14的上端而圆筒状侧面围绕第2冷却台14的方式朝向放射屏蔽40的底部延伸。多个板64在板安装部件66的圆筒状侧面相互隔开间隔而安装。在板安装部件66的圆筒状侧面形成有用于通过制冷机50的第2缸12的开口。

为了从来自真空腔等的辐射热保护第2冷却台14及热连接于此的低温低温板60，在放射屏蔽40的吸气口设置有挡板62。挡板62形成为例如百叶窗结构或人字形结构。挡板62也可以形成为以放射屏蔽40的中心轴为中心的同心圆状，或形成为格子状等其他形状。挡板62安装于放射屏蔽40的开口侧的端部，冷却成与放射屏蔽40相同程度的温度。另外，也可以在挡板62与真空腔之间设置闸阀(未图示)。该闸阀例如在再生低温泵10时设为关闭，且通过低温泵10对真空腔进行排气时设为开。

在放射屏蔽40的侧面形成有制冷机安装孔42。制冷机安装孔42在放射屏蔽40的中心轴方向上形成于放射屏蔽40侧面的中央部。放射屏蔽40的制冷机安装孔42与低温泵容器30的开口37同轴设置。制冷机50的第2缸12及第2冷却台14从制冷机安装孔42沿与放射屏蔽40的中心轴方向垂直的方向被插入。放射屏蔽40在制冷机安装孔42中以热连接于第1冷却台13的状态被固定。

另外，放射屏蔽40可通过连接用套管安装于第1冷却台13来代替放射屏蔽40直接安装于第1冷却台13。该套管例如为用于包围第2缸12的第1冷却台13侧的端部，且将放射屏蔽40热连接于第1冷却台13的传热部件。

以下对基于上述结构的低温泵10的动作进行说明。当低温泵10工作时，首先在其工作前由其他适当的粗抽泵将真空腔内部粗抽至1Pa左右。之后使低温泵10工作。通过制冷机50的驱动冷却第1冷却台13及第2冷却台14，也冷却热连接于它们的放射屏蔽40、挡板62及低温板60。

被冷却的挡板62冷却从真空腔朝向低温泵10内部飞来的气体分子，使蒸汽压在该冷却温度下充分变低的气体(例如水分等)在表面凝缩而排气。在挡板62的冷却温度下蒸汽压不会充分变低的气体通过挡板62进入放射屏蔽40内部。进入的气体分子中蒸汽压在低温板60的冷却温度下充分变低的气体在低温板60的表面上凝缩而被排气。蒸汽压在其冷却温度下也不会充分变低的气体(例如氢等)通过粘结于低温板60的表面并被冷却的吸附剂吸附而被排气。这样，低温泵10能够使真空腔的真空度达到所希望的水平。

图2至图4是表示本发明的一实施方式所涉及的制冷机50的主要部分的图。分别表示包含制冷机50的中心轴的截面。图3用箭头示意地表示吸气工序中的工作气体流动，图4用箭头示意地表示排气工序中的工作气体流动。

制冷机50具备沿中心轴方向即长边方向相互连结的第1排出器68及第2排出器70。第1排出器68与第2排出器70通过连结部72连结。制冷机50具备排出器连结结构，该排出器连结结构使第2排出器70伸入到第1排出器68，直到内置于第2排出器70的蓄冷材112的端部位于第1排出器68的内部。

第1缸11与第2缸12一体地形成，且第1缸11的低温端与第2缸12的高温端通过第1缸底部74连接。第1缸11及第2缸12分别在长边方向上串联排列。第2缸12与第1缸11同轴配置，是直径小于第1缸11的圆筒部件。第1缸11可往复移动地容纳第1排出器68，第2缸12可往复移动地容纳第2排出器70。

第1缸11的低温端的外周部安装有第1冷却台13，第2缸12的低温端的外周部安装有第2冷却台14。第1缸底部74是在各自的末端连接第1缸11与第2缸12的圆环状部件。第2缸12的低温端被第2缸底部76闭塞。在第1缸11的高温端的外周部形成有法兰部78。

与第1缸11的高温端邻接而设置有阀驱动马达16或具备回转阀、止转棒轭机构的驱动机构(未图示)。第1排出器68连接于止转棒轭。该止转棒轭机构通过阀驱动马达16驱动。马达的旋转通过止转棒轭机构转换成直线往复运动，由此第1排出器68沿第1缸11的内侧面往复移动。第1排出器68和第2排出器70被连结，所以第2排出器70也与第1排出器68连动而沿第2缸12的内侧面往复移动。

第1排出器68是与第1缸11的内部容积形状对应地形成为大致圆筒状的部件。第1排出器68的最大径的部分的外径实际上等于或略小于第1缸11的内径，由此第1排出器68可沿第1缸11滑动地或具有微小间隙而而非接触地移动。

第1排出器68包含第1高温端80、第1圆筒部分82及第1低温端84而构成。第1高温端80及第1低温端84闭塞分别与第1圆筒部分82互相相对的端面。如后述，用于连接第1排出器68的内部与外部的开口分别形成于第1高温端80及第1低温端84。第1圆筒部分82的内部填充有第1级蓄冷材86。被第1高温端80、第1圆筒部分82及第1低温端84包围的第1排出器68的内部容积也可说是保持蓄冷材86的第1蓄冷器88。

在第1排出器68的第1高温端80与第1圆筒部分82的连接部的径向外侧形成有用于安装密封垫的圆环槽，圆环槽安装有圆环状的第1密封垫90。第1密封垫90可滑动地紧贴在第1缸11，阻断第1缸11的高温端与第1膨胀空间94之间的工作气体在第1排出器68的外侧中的流通。为了提高与缸外部的隔热性而在第1排出器68的第1圆筒部分82的外周部分形成有极浅的凹部92。在第1缸11的内部与第1低温端84邻接而形成有第1膨胀空间94。第1膨胀空间94通过第1排出器68的往复运动改变容积。

第1排出器68的第1高温端80形成有用于使工作气体在第1排出器68的外侧(即第1缸11的高温侧)与第1蓄冷器88之间流通的第1开口96。第1开口96沿围绕中心轴的周向设置于多处。

第1排出器68的第1低温端84上形成有用于使工作气体在第1蓄冷器88与第1膨胀空间94之间流通的第2开口98。第2开口98沿围绕中心轴的周向在第1低温端84的外周部设置于多处。第2开口98中，入口部分100形成于第1蓄冷器88的低温端，出口部分102形成于第1低温端84的侧面。弯曲流道从入口部分100朝向出口部分102形成于第1低温端84。入口部分100及出口部分102仅仅是为了方便起见的叫法，第2开口98不仅容许从入口部分100朝向出口部分102的工作气体流动，还容许从出口部分102朝向入口部分100的工作气体流动。另外，第2开口98可以不是弯曲流道，还可以是在第1蓄冷器88的低温端例如沿中心轴方向或其正交方向形成的直线的贯穿孔。

第1排出器68的第1低温端84的直径稍微小于第1圆筒部分82的低温侧末端。由此，第1低温端84的侧面与第1缸11的内面之间形成连接第2开口98与第1膨胀空间94的圆环状的第1通道104。第1通道104可以看作是第1膨胀空间94的一部分。第2开口98的出口部分102通过第1通道104连接于第1膨胀空间94。

第1通道104沿第1冷却台13向长边方向延伸。如图所示，第1冷却台13的长边方向的长度包含有第2开口98的出口部分102的长边方向的可动范围。因此，即使第1排出器68位于任一长边方向位置时，第1冷却台13也会与第2开口98的出口部分102相对。这样，流过第1通道104的工作气体和第1冷却台13可通过第1缸11有效地进行热交换。

这样，形成用于使工作气体从第1排出器68通过第2开口98流向第1膨胀空间94的第1流道。该第1流道将工作气体从压缩机52及冷媒管18(参考图1)通过第1开口96、第1蓄冷器88、第2开口98及第1通道104送达第1膨胀空间94(参考图3)。并且，使工作气体逆向地从第1膨胀空间94返回到压缩机52(参考图4)。

第2排出器70是与第2缸12的内部容积形状对应而形成为大致圆筒状的部件。第2排出器70的最大径部分的外径实际上等于或略小于第2缸12的内径，由此第2排出器70可沿第2缸12滑动地或者具有微小间隙而非接触地移动。

第2排出器70包含第2高温端106、第2圆筒部分108及第2低温端110而构成。第2高温端106及第2低温端110闭塞分别与第2圆筒部分108相相对的端面。如后述，用于连接第2排出器70的内部与外部的开口分别形成于第2高温端106及第2低温端110。在第2圆筒部分108的内部填充有第2级蓄冷材112。被第2高温端106、第2圆筒部分108及第2低温端110包围的第2排出器70的内部容积也可说是保持蓄冷材112的第2蓄冷器114。第2蓄冷器114的高温侧设置有用于按压蓄冷材112的毛毡或金属丝网124。同样在低温侧可容纳有用于挤压蓄冷材112的毛毡或金属丝网。

在第2排出器70的第2圆筒部分108的径向外侧形成有用于安装密封垫的圆环槽，圆环槽安装有圆环状的第2密封垫116。第2密封垫116遍及第2排出器70的可动范围可滑动地紧贴在第2缸12，阻断第1膨胀空间94与第2膨胀空间120之间的工作气体在第2排出器70的外侧中流通。为了提高与缸外部的隔热性而在第2排出器70的第2圆筒部分108的外周部分形成极浅的凹部118。在第2缸12的内部与第2低温端110邻接而形成有第2膨胀空间120。第2膨胀空间120通过第2排出器70的往复运动改变容积。

第2排出器70的第2高温端106形成有用于使工作气体在第2排出器70的外侧(即第1排出器68的低温侧)与第2蓄冷器114之间流通的第3开口122。第3开口122沿围绕中心轴的周向设置于多处或整周。

第2排出器70的第2低温端110形成有用于使工作气体在第2蓄冷器114与第2膨胀空间120之间流通的第4开口126。第4开口126形成于第2低温端110的侧面的多处。将第4开口126连接于第2膨胀空间120的流道也与第1通道104相同地沿第2冷却台14设置，从第2膨胀空间120流向第2蓄冷器114的工作气体和第2冷却台14能够有效的进行热交换。

如上述，第1排出器68和第2排出器70通过连结部72沿长边方向相互连结。第2排出器70的第2高温端106被容纳于第1排出器68的第1低温端84，以便第2蓄冷器114的高温侧末端伸入到第1排出器68。如图示，第2蓄冷器114的高温侧的端面比第1低温端84的端面只伸入长度A。因此，第2排出器70的第2高温端106的端面比第1排出器68的第1低温端84的端面只伸入长度B。长度B至少为15mm。

通过使第2排出器70伸入到第1排出器68，无需加长第2缸12的长度就可加长第2排出器70。通过第2排出器70变长，第2排出器70的高温端与低温端的距离扩大，所以能够增大温度差。即，能够进一步降低低温端的温度。并且，能够增加填充至第2蓄冷器114的蓄冷材112的量。第2蓄冷器114的比热变大，并且能够增强制冷机50的第2级制冷能力。

通过使第2排出器70伸入到第1排出器68，能够维持原有的缸形状及尺寸。因此，也可保持排出器的可动范围(所谓冲程)，所以也无需变更制冷机50的驱动机构的设计。并且，由于能够保持原有的缸形状及尺寸，所以对应用制冷机50的装置结构的设计的影响较少或不存在。例如在低温泵10中以能够保持放射屏蔽40与低温低温板60的位置关系的状态提高低温低温板60的排气能力。

连结部72包含连接器部件128。第1排出器68的第1低温端84与第2排出器70的第2高温端106通过圆柱状或棱柱状的连接器部件128连结。连接器部件128中，相互正交的方向的2个结合销被插通至两端，一方的销连结第1排出器68的第1低温端84与连接器部件128，另一方的销连结第2排出器70的第2高温端106与连接器部件128。2个销的插通方向均为与制冷机50的长边方向正交的方向。在一实施例中，连结部72也可包含所谓万能联轴器。

这样，第1排出器68与连接器部件128通过结合销可摆动地相互连接，第2排出器70与连接器部件128在与其正交的方向通过结合销可摆动地连接。因此，在制冷机50的组装工序中，将第1排出器68及第2排出器70插入至第1缸11及第2缸12时，第2排出器70可相对于第1排出器68多少相对移动或偏心。因此，缓和制造缸时的公差，且有助于制冷机50的低成本化。

第1排出器68的第1低温端84具有外周部130。外周部130作为从第1圆筒部分82朝向第1缸底部74突出的环状的凸部而形成。外周部130的侧面也可为第1低温端84的侧面。因此，外周部130的侧面与第1缸11的内面相对，在外周部130的侧面与第1缸11的内面之间形成上述的第1通道104。被外周部130包围的中心部分成为凹部132。凹部132向第1蓄冷器88开放。或者，连接凹部132与第1蓄冷器88的低温侧末端的开口也可形成于第1低温端84的中心部、即凹部132的上面。

连接器部件128配置于该凹部132，其整体容纳于凹部132。连接器部件128的与第2排出器70的连接部被容纳于第2排出器70的第3开口122。连接器部件128的下端与第2蓄冷器114或金属丝网124之间存在空隙，且不相互接触。

第1低温端84的凹部132为了收纳第2排出器70而形成。第2排出器70的高温侧，具体而言，第2高温端106和第2圆筒部分108的高温侧末端被间隙插入于凹部132。即，保持一些间隙而被插入。因此，在凹部132的侧面与第2排出器70的第2高温端106及第2圆筒部分108的侧面之间形成间隙G。凹部132的直径与第2圆筒部分108的直径之差成为间隙G。间隙G最大为1mm以内，优选为0.5mm以内。

因此，形成有用于使工作气体从第1排出器68通过凹部132流向第2排出器70的直通流道。该直通流道将工作气体从压缩机52及冷媒管18(参考图1)通过第1开口96、第1蓄冷器88、凹部132、第3开口122、第2蓄冷器114及第4开口126送达第2膨胀空间120(参考图3)。并且，使工作气体从第2膨胀空间120反方向返回到压缩机52(参考图4)。

工作气体在第1排出器68与第2排出器70之间的流通调整间隙G的尺寸，以便通过该直通流道的流动成为支配性流动(主导性流动)。若这样，能够抑制第1蓄冷器88与第2蓄冷器114之间的工作气体流动通过间隙G泄漏。可以使不经由第1膨胀空间94而从第1蓄冷器88直接流入第2蓄冷器114的工作气体增多。

间隙G从凹部132通往第1膨胀空间94。第1膨胀空间94是由第1排出器68、第1缸11及第2排出器70包围的区域。具体而言，第1膨胀空间94通过第1排出器68的第1低温端84、第1缸11的内面及从第1排出器68的凹部132延伸的第2排出器70的第2圆筒部分108被划定。

工作气体在第1膨胀空间94与第1排出器68之间的的流通调整间隙G的尺寸，以便通过第2开口98的流动成为支配性流动。即，从第1排出器68通过第2开口98流入到第1膨胀空间94的工作气体再次通过第2开口98返回到第1排出器68。充分地抑制经由第1膨胀空间94且通过间隙G而流入到凹部132的流动。

这样，朝向第1膨胀空间94的工作气体流动与朝向第2膨胀空间120的工作气体流动被分离。由此，抑制流入第1膨胀空间94且与第1冷却台13进行了热交换的工作气体向第2排出器70的流入。由第1排出器68供给且直接朝向第2膨胀空间120的工作气体不经由第1膨胀空间94。这样，能够减小制冷机50的第1级的冷却温度对第2级的制冷能力的影响。

这样，分离流动的结构在不同的冷却台所要求的温度差较大时尤其优选。工作气体经由冷却成比较高温的冷却台及其热交换部(即膨胀空间)朝向次级的温度更低的冷却台及其热交换部时，前级的高温对后级的影响变大。通过分离流动，能够抑制对后级的制冷能力的影响。

因此，例如在二级式制冷机50中，第1级的冷却温度为80K以上优选为100K以上，第2级的冷却温度为30K以下优选为20K以下时，优选采用上述的流动分离结构。并且，相邻的冷却级的温度差至少为50K以上优选变大至80K以上时优选采用流动分离结构。

并且，使从第1排出器68流出的工作气体在朝向第2膨胀空间120的直通流道中流动的方向和从第1排出器68朝向第1膨胀空间94流出的工作气体的流动方向一致的方式构成各流道。凹部132形成为使从第1蓄冷器88朝向第2蓄冷器114的流动流向长边方向，第2开口98的入口部分100也形成为使来自第1蓄冷器88的流动流向长边方向。凹部132及第2开口98的入口部分100为与缸的中心轴方向平行地形成的开口部。另外，如上所述，流入第2开口98的工作气体在第2开口98的内部朝向径向外向弯曲且从出口部分102流出。即，在第1蓄冷器88的外部变更流动方向。

这样，通过使从第1蓄冷器88的低温侧朝向外侧流动的方向一致的方式形成开口，由此能够提高工作气体在第1蓄冷器88的低温端处的流动的均匀性。通过改善工作气体流动的均匀性，第1蓄冷器88的低温端处的温度分布均匀性也变得良好。可以认为这一点有助于在第1蓄冷器88的低温端中整体上保持低温。

对制冷机50的动作进行说明。将图3所示的吸气工序及图4所示的排气工序设为1个循环，制冷机50反复该循环。在吸气工序的某一时刻中，第1排出器68及第2排出器70分别位于第1缸11及第2缸12内的下止点。与此同时或稍微错开时机，通过由回转阀连接压缩机52的吐出侧与缸内部容积，高压的工作气体例如氦气从压缩机52流入第1排出器68。高压氦气从第1开口96流入第1蓄冷器88，通过蓄冷材86被冷却。被冷却的氦气的一部分通过第2开口98、第1通道104流入第1膨胀空间94。

被冷却的氦气的剩余部分通过第1排出器68的凹部132及第2排出器70的第3开口122流入第2蓄冷器114。氦气通过内部的蓄冷材112冷却，且通过第4开口126流入至第2膨胀空间120。这样，第1膨胀空间94及第2膨胀空间120分别成为高压状态。通过第1排出器68及第2排出器70向上止点移动而扩张第1膨胀空间94及第2膨胀空间120。被扩张的第1膨胀空间94及第2膨胀空间120由高压氦气填满。

在排气工序的某一时刻中，第1排出器68及第2排出器70分别位于第1缸11及第2缸12内的上止点。与此同时或稍微错开时机通过回转阀的旋转而连接压缩机52的吸入侧与缸内部容积。第1膨胀空间94及第2膨胀空间120的氦气被减压而被膨胀。氦气通过膨胀成为低压并产生寒冷。第1膨胀空间94的氦气从第1冷却台13吸收热并进行冷却，第2膨胀空间120的氦气从第2冷却台14吸收热并进行冷却。

第1排出器68及第2排出器70朝向下止点移动，并缩小第1膨胀空间94及第2膨胀空间120。低压氦气从第1膨胀空间94通过第1通道104、第2开口98、第1蓄冷器88及第1开口96，被回收至压缩机52。并且，低压氦气从第2膨胀空间120通过第4开口126、第2蓄冷器114、第3开口122、凹部132、第1蓄冷器88及第1开口96，被回收至压缩机52。此时，第1蓄冷器88的蓄冷材86及第2蓄冷器114的蓄冷材112也被冷却。

图5是表示典型的其他制冷机150的吸气工序的图，图6是表示其制冷机150的排气工序的图。该制冷机150与上述的图2所示的制冷机50关于第1排出器168与第2排出器170的连结部172的结构不同。对于第1缸11、第2缸12、第1冷却台13及第2冷却台14，在图2所示的制冷机50和图5、图6所示的制冷机150中成为相同尺寸及形状。

如图5及图6所示，在制冷机150中，第1排出器168与第2排出器170之间的空间即连结用凹坑140作为连接第1膨胀空间194和第2蓄冷器114的流道而形成。因此，第2排出器170的高温端稍微进入到第1排出器168的低温端的连结用凹坑140。进入量最大为10mm。由此，第2蓄冷器114位于第1排出器168的外侧。

为了保证向第2排出器170的充分的流量，进入部分中的第2排出器170与第1排出器168之间的间隔至少被加大2mm～3mm。另外，重视增大安装工作时的2个排出器之间的相对移动量时，第2排出器170的高温端不进入第1排出器168的低温端而配设于连结用凹坑140的外侧。

因此，吸气工序中的工作气体流动经第1开口96、第1蓄冷器88、第2开口198、第1膨胀空间194、连结用凹坑140、第2蓄冷器114供给至第2膨胀空间120(参考图5)。排气工序中的工作气体流动与此成反方向。从第2膨胀空间120返回至第1开口96(参考图6)。如此，第1蓄冷器88与第2蓄冷器114之间的工作气体流动经由第1膨胀空间194。因此，制冷机150的第2级的制冷性能易受第1级的冷却温度的影响。

另外，在制冷机150中，用于使第1排出器168的第1蓄冷器88与第1膨胀空间194连通的第2开口198形成于第1排出器168的低温侧侧面。第2开口198从制冷机150的中心轴以放射状形成于第1排出器168的侧面的多处。该第2开口198也可在图2所示的制冷机50中采用。

从与图5及图6所示的制冷机150的对比可知，可以说图2至图4所示的制冷机50的连结部72具有密封从与第1排出器68邻接的第1膨胀空间94通往第2排出器70的间隙G的气体流动的密封结构。该密封结构中，邻接的2个排出器中一方的端部间隙插入于收纳此排出器的另一方的凹部，这些间隙作为用于密封与排出器连结结构的外部的工作气体流动的空隙而被调整。该空隙作为用于制冷机的组装工作时容许少许的相对变位的空隙而设置。

作为表示该密封结构的密封性的1种指标，可考虑第2排出器70的伸入长度B与间隙G之比X。即X＝B/G。当第2排出器70的伸入长度B较大，间隙G较小时，比X的值变大。此时，连接第1膨胀空间94与第2蓄冷器114的路径的弯曲程度严重，所以工作气体难以流动。相反，当第2排出器的70的伸入长度B较小、间隙G较大时，比X的值变小。此时，弯曲路径变缓，所以工作气体容易流动。

在一实施例中，优选比X至少为10以上。当伸入长度B为15mm，间隙G为1mm时，比X成为15，而当伸入长度B为15mm，间隙G为0.5mm时，比X成为30。因此，优选比X至少为30以上。与此相对，如图5及图6所示的制冷机150，当伸入长度B为10mm，间隙G为2mm～3mm时，比X成为约3.3～5。这样，与典型的制冷机的连结部分相比，通过将比X的值设为10倍以上的大小，可实现充分的密封性。

在优选的一实施例中，伸入长度B至少为15mm，并且比X至少为10以上优选为30以上。通过在将第2排出器70的伸入长度B至少设为15mm的前提下设定比X的下限值，能够充分缩小间隙G。

如说明，根据本发明的一实施方式，大体规定2个冷却台位置及缸尺寸的制冷机的结构中，能够使第2排出器70更加长。由此，能够加长高温端与低温端的距离来加大温度差。并且还能够增大内置的蓄冷材的量来提高制冷能力。由于低温泵具备位置关系已被规定的放射屏蔽和其内部的低温板，所以成为这种制冷机的优选应用对象。尤其在要求加大放射屏蔽与其内部的低温板的温度差时为最佳。

Claims (7)

1.一种低温泵，具备：

低温低温板；

高温低温板，冷却成高于低温低温板的温度；及

制冷机，提供用于对低温低温板进行冷却的低温冷却位置和用于对高温低温板进行冷却的高温冷却位置，在长边方向上排列低温冷却位置和高温冷却位置，其特征在于，

所述制冷机反复将吸气工序和排气工序设为1个循环的循环，

所述制冷机具备沿所述长边方向相互连结的第1排出器及第2排出器，第2排出器的高温端容纳且连结于第1排出器的低温端，以便在所述循环期间内置于第2排出器的蓄冷材的高温侧末端伸入到第1排出器，且第2蓄冷材的高温侧末端被配置在相比第1蓄冷材的低温侧末端更靠近低温侧。

2.如权利要求1所述的低温泵，其特征在于，

第2排出器伸入到第1排出器至少15mm。

3.如权利要求1或2所述的低温泵，其特征在于，

在第1排出器的低温端形成收纳第2排出器的凹部，第2排出器的高温端间隙插入于该凹部，

形成有用于使工作气体从第1排出器通过所述凹部流向第2排出器的直通流道，且调整第2排出器的高温端与所述凹部的间隙，以便通过该直通流道的流动在第1排出器与第2排出器之间成为支配性流动。

4.如权利要求3所述的低温泵，其特征在于，

在第1排出器的低温端形成有用于将工作气体引导至邻接的第1膨胀空间的开口，且调整所述间隙，以便通过所述开口的流动在该第1膨胀空间与第1排出器之间成为支配性流动。

5.如权利要求4所述的低温泵，其特征在于，

决定所述开口的方向，以使从第1排出器流出所述直通流道的流动方向和从第1排出器流出所述开口的流动方向一致。

6.如权利要求1或2所述的低温泵，其特征在于，

所述制冷机具备连结部，该连结部连结第1排出器和第2排出器，且具有密封从与第1排出器邻接的第1膨胀空间通往第2排出器的间隙的密封结构。

7.一种超低温制冷机，通过反复将吸气工序和排气工序设为1个循环的循环，对冷却台进行冷却，其特征在于，

具备：

高温侧的第1排出器；

低温侧的第2排出器；

第1蓄冷材，内置于第1排出器；

第2蓄冷材，内置于第2排出器；和

排出器连结结构，在所述一个循环期间，该排出器连结结构使第2排出器进入到第1排出器直至第2蓄冷材的高温侧末端位于第1排出器的内部，

第2蓄冷材的高温侧末端被配置在比第1蓄冷材的低温侧末端更靠近低温侧。