CN102817809B - 低温泵及超低温制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够实现更适于应用对象的设计的低温泵及超低温制冷机。本发明的制冷机（50）具备2个在长边方向上邻接的置换器，高温侧的置换器包括用于蓄冷材料的主容纳区段和副容纳区段。2个置换器之间形成有工作气体的直通流路。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

本申请主张基于2011年6月8日申请的日本专利申请第2011-128662号的优先权。其申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。

技术领域

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中记载有具有将第1级置换器与第2级置换器之间的连接部中的工作气体流路分支成2个工作气体流路的制冷机的低温泵。第1工作气体流路从第1级蓄冷器中的低温侧端部连接于第1级膨胀室。第2工作气体流路从第1级蓄冷器中的低温侧端部直接连接于第2级蓄冷器。向第2级蓄冷器流入的气体的一部分是通过第2工作气体流路流入的，而并不经由第1级膨胀室内。

专利文献1：日本特开2002-243294号公报

有时期待作为超低温制冷机的典型应用对象之一的低温泵具有冷却成不同温度水平的低温板，且使其温度差较大。低温的低温板和高温的低温板的空间配置上有一定程度的限制。例如，为了抑制来自外部的辐射热的影响，低温低温板被高温低温板围住。这种限制还影响到用于冷却低温板的制冷机的结构，例如提供较低的冷却温度的冷却位置与提供较高的冷却温度的冷却位置的位置关系。该位置关系是决定这两者的温度差的主要因素之一。

发明内容

本发明是鉴于这种状况而完成的，其某一方式的例示目的之一在于提供一种能够实现更适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。

本发明的某一方式的低温泵具备：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，提供用于冷却低温低温板的低温冷却位置和用于冷却高温低温板的高温冷却位置，低温冷却位置和高温冷却位置在长边方向上排列。该制冷机具备：第1置换器；及第2置换器，在所述长边方向上与该第1置换器的低温侧邻接。第1置换器具备：低温端，具有用于从该第1置换器的主蓄冷器朝向第2置换器的蓄冷器引导工作气体的直通流路；及副蓄冷器，设置于该直通流路。

本发明的另一方式为超低温制冷机。该超低温制冷机具备在长边方向上邻接的低温侧置换器和高温侧置换器，高温侧置换器包括用于蓄冷材料的主容纳区段和副容纳区段，副容纳区段的与所述长边方向垂直的截面积小于主容纳区段的截面积，且以气体能够流通的方式设置于主容纳区段与低温侧置换器之间。

本发明的另一方式为超低温制冷机。该超低温制冷机具备蓄冷器，所述蓄冷器包括用于冷却来自高温侧的工作气体并向低温侧送出的冷却路径，该蓄冷器的用于向邻接的蓄冷器送出工作气体的冷却路径比用于向邻接的膨胀空间送出工作气体的冷却路径长。

发明效果：

根据本发明能够提供一种能够实现更适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。

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置换器，70-第2置换器，72-连结部，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-主容纳区段，140-副容纳区段，G-间隙。

具体实施方式

在本发明的一实施方式中，为了冷却低温低温板60及高温低温板40，用于低温泵10的制冷机50以与各自对应的配置提供低温冷却位置及高温冷却位置。在制冷机50中，形成有从高温侧的第1置换器68向低温侧的第2置换器70的直通流路，该直通流路上附加有副蓄冷器136。工作气体从第1置换器68经由主蓄冷器134和副蓄冷器136供给至第2置换器70。工作气体从主蓄冷器134供给至与第1置换器68邻接的第1膨胀空间94时并不经由副蓄冷器136。

这样，能够相对升高向第1膨胀空间94供给的气体温度，且相对降低向第2置换器70供给的气体温度。这有助于提高制冷机的第2级制冷能力。并且，能够保持制冷机50的外观形状的同时加大低温冷却位置与高温冷却位置的温度差。

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安装于例如离子注入装置或溅射装置等的真空腔室，为了将真空腔室内部的真空度提高至所希望的工艺中所要求的水平而使用低温泵10。低温泵10包括低温泵容器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和第2缸12串联连接。在第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的一侧的端设置第2冷却台14。

图1所示的制冷机50为二级式制冷机，通过将缸串联且二级组合来实现更低温度。制冷机50可以为三级缸串联连接的三级式制冷机或多于三级的多级制冷机。制冷机50通过制冷剂管18连接于压缩机52。

压缩机52压缩例如氦等制冷剂气体即工作气体并通过制冷剂管18供给至制冷机50。制冷机50通过使工作气体穿过蓄冷器来进行冷却。使工作气体在第1缸11内部的膨胀室及第2缸12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。设置于第1缸11的第1冷却台13冷却成第1冷却温度水平，设置于第2缸12的第2冷却台14冷却成低于第1冷却温度水平的温度的第2冷却温度水平。例如，第1冷却台13冷却成65K～120K左右，优选冷却成80K～100K，第2冷却台14冷却成10K～20K左右。

这样，制冷机50提供用于冷却低温低温板的低温冷却位置和用于冷却高温低温板的高温冷却位置。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。1个或多个提供中间冷却温度的中间冷却位置可排列于低温冷却位置与高温冷却位置之间。

通过在膨胀室膨胀来吸热而冷却各冷却台的工作气体再次穿过蓄冷器，经过制冷剂管18返回到压缩机52中。从压缩机52向制冷机50的工作气体的流动及从制冷机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）进行切换。阀驱动马达16从外部电源接受电力供给来使回转阀旋转。

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，第1冷却台13或第2冷却台14上可设置有温度传感器28。控制部20可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可具备用于控制阀驱动马达16的逆变器。控制部20可构成为控制压缩机52。控制部20可以一体地设置于低温泵10，也可以作为与低温泵10分体的控制装置来构成。

图1所示的低温泵10为所谓卧式低温泵。卧式低温泵一般是制冷机的第2冷却台14沿着与筒状放射屏蔽40的轴向交叉的方向（通常是正交方向）插入于放射屏蔽40内部的低温泵。此外，本发明同样也能够应用于所谓立式低温泵。立式低温泵是制冷机沿着放射屏蔽的轴向插入的低温泵。

低温泵容器30具备形成为一端具有开口而另一端闭塞的圆筒状形状的部位（以下称为“胴部”）32。开口作为应从溅射装置等的真空腔室排气的气体所进入的吸气口34而设置。吸气口34由低温泵容器30的胴部32的上端部内表面划定。并且，胴部32上形成有用于插通制冷机50的开口37。胴部32的开口37上安装有圆筒状制冷机容纳部38的一端，另一端安装于制冷机50的壳体。制冷机容纳部38容纳制冷机50的第1缸11。

另外，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使用安装法兰36被安装于排气对象容积即溅射装置等的真空腔室。

为了将低温泵10的内部和外部隔开而设置低温泵容器30。如上所述，低温泵容器30包括胴部32和制冷机容纳部38而构成，胴部32及制冷机容纳部38的内部气密地保持为共同的压力。在低温泵10的动作中，即制冷机工作期间，低温泵容器30的外表面也暴露在低温泵10外部的环境中。因此，低温泵容器30的外表面维持为高于放射屏蔽40的温度。典型地，低温泵容器30的温度维持为环境温度。其中，环境温度是指设置有低温泵10的部位的温度或接近该温度的温度，例如室温左右。

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而另一端闭塞的圆筒状形状即杯状形状。放射屏蔽40可构成为如图1所示的一体的筒状，另外也可以由多个零件构成为整体呈筒状形状。这些多个零件可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，且同轴配设。低温泵容器30的胴部32的内径稍超出放射屏蔽40的外径，放射屏蔽40在与低温泵容器30的胴部32的内表面之间隔着若干间隔以与低温泵容器30非接触的状态配置。即，放射屏蔽40的外表面与低温泵容器30的内表面对置。此外，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，可以是多角柱形状或椭圆筒形状等任意截面的筒形状。典型地，放射屏蔽40的形状呈与低温泵容器30的胴部32的内表面形状相似的形状。

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及与此热连接的低温低温板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例如包括多个板64。板64例如分别具有圆锥台侧面的形状，譬如伞状形状。各板64安装于板安装部件66，板安装部件66安装于第2冷却台14。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的背面。

板安装部件66例如具有一端闭塞而另一端开放的筒形状，闭塞的端部安装于第2冷却台14的上端，其以筒状侧面围绕第2冷却台14的方式朝向放射屏蔽40的底部延伸。板安装部件66的侧面相互隔开间隔安装有多个板64。板安装部件66的侧面形成有用于使制冷机50的第2缸12穿过的开口。或者，板安装部件66可具备用于向第2冷却台14安装的端部和从该端部朝向放射屏蔽40的底部延伸的用于安装板的平板。

为了从来自真空腔室等的辐射热保护第2冷却台14及与此热连接的低温低温板60，放射屏蔽40的吸气口上设置有挡板62。挡板62例如形成为百叶窗结构或人字形结构。挡板62可形成为以放射屏蔽40的中心轴为中心的同心圆状，或者，也可以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。此外，在挡板62与真空腔室之间可设置有闸阀（未图示）。该闸阀例如在低温泵10再生时被关闭，在通过低温泵10对真空腔室进行排气时被打开。

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沿着与放射屏蔽40的中心轴方向垂直的方向插入。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的状态固定。

此外，放射屏蔽40可通过连接用套筒安装于第1冷却台13，以此代替放射屏蔽40直接安装于第1冷却台13。该套筒例如为用于包围第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。与将放射屏蔽40直接安装于第1冷却台13时相比，能够通过该结构加长第2缸12。且能够加大第1冷却台13与第2冷却台14的温度差。

以下说明基于上述结构的低温泵10的动作。低温泵10工作时，首先，在其工作之前用其他适当的粗抽泵将真空腔室内部粗抽至1Pa左右。之后使低温泵10工作。第1冷却台13及第2冷却台14通过制冷机50的驱动而被冷却，与它们热连接的放射屏蔽40、挡板62及低温低温板60也被冷却。

被冷却的挡板62对从真空腔室朝向低温泵10内部飞来的气体分子进行冷却，并将在该冷却温度下蒸气压充分变低的气体（例如水分等）凝缩于表面而被排气。在挡板62的冷却温度下蒸气压未充分变低的气体穿过挡板62进入放射屏蔽40内部。进入的气体分子中在低温低温板60的冷却温度下蒸气压充分变低的气体凝缩于低温低温板60的表面而被排气。在该冷却温度下蒸气压也未充分变低的气体（例如氢等）通过粘结于低温低温板60的表面且被冷却的吸附剂吸附而被排气。这样，低温泵10能够使真空腔室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。分别表示包括制冷机50的中心轴的截面。图3以箭头示意地表示吸气工序中的工作气体流动，图4以箭头示意地表示排气工序中的工作气体流动。

制冷机50具备沿着中心轴方向即长边方向相互邻接的第1置换器68及第2置换器70。高温侧的第1置换器68和低温侧的第2置换器70通过连结部72连结。制冷机50具备第2置换器70的高温侧的末端（附图中为上端）稍微进入第1置换器68的低温端而连结的置换器连结结构。

详细内容如后述，第1置换器68具备第1蓄冷器88。第1蓄冷器88包括冷却路径，所述冷却路径用于对从高温侧流入的工作气体进行冷却并向低温侧送出。第1蓄冷器88具备适于高温侧的置换器的蓄冷材料86和用于该蓄冷材料86的蓄冷材料容器87。第1蓄冷器88能够划分为主蓄冷器134和副蓄冷器136。形成有从第1置换器68通过主蓄冷器134及副蓄冷器136朝向第2蓄冷器114引导工作气体的直通流路。通过设置副蓄冷器136，第1蓄冷器88的用于向第2蓄冷器114送出工作气体的冷却路径变得长于用于向第1膨胀空间94送出工作气体的冷却路径。

第1置换器68的中空结构兼作蓄冷材料容器87。蓄冷材料容器87包括用于填充蓄冷材料86的主容纳区段138和副容纳区段140。主容纳区段138中容纳主蓄冷器134，副容纳区段140中容纳副蓄冷器136。副容纳区段140以气体能够在与主容纳区段138之间流通的方式设置于主容纳区段138的低温侧。副容纳区段140的与长边方向垂直的截面积小于主容纳区段138。由此，能够在副容纳区段140的外侧与直通流路隔开形成从主蓄冷器134朝向第1膨胀空间94引导工作气体的独立流路。

第1缸11和第2缸12形成为一体，第1缸11的低温端和第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为与第1缸11同轴配置且直径小于第1缸11的圆筒部件。第1缸11能够往复移动地容纳第1置换器68，第2缸12能够往复移动地容纳第2置换器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为将第1缸11和第2缸12以各自的末端连接的圆环状部件。第2缸12的低温端被第2缸底部76闭塞。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置换器68连接于止转棒轭机构。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置换器68沿着第1缸11的内侧面往复移动。第1置换器68和第2置换器70连结，因此第2置换器70也与第1置换器68联动而沿着第2缸12的内侧面往复移动。

第1置换器68为与第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置换器68的最大径部分的外径实际上稍小于或等于第1缸11的内径，由此第1置换器68能够沿着第1缸11滑动，或者能够保持微小间隙而非接触地移动。

第1置换器68包括第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分别闭塞第1圆筒部分82的相互对置的端面。如后述，用于连接第1置换器68的内部和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置换器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装配密封垫的圆环槽，此处装配有圆环状第1密封垫90。第1密封垫90能够滑动地粘附于第1缸11，其截断第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置换器68外侧的流通。为了提高与缸外部的绝热性，在第1置换器68的第1圆筒部分82的外周部分形成有极浅的凹部92。

第1圆筒部分82的内部填充有第1级蓄冷材料86。蓄冷材料86例如为金属（例如铜或铜与其他金属例如锌的合金）的金属丝网层叠体。或者，蓄冷材料86可以为这种金属制的具有多个开口的板层叠体。可以说被第1高温端80、第1圆筒部分82及第1低温端84围住的第1置换器68的内部容积是保持蓄冷材料86的第1蓄冷器88。

第1置换器68在其内部划定主容纳区段138和副容纳区段140。主容纳区段138被第1高温端80、第1圆筒部分82及第1低温端84围住，占第1置换器68的容积的一大半。副容纳区段140为与主容纳区段138的低温侧连续的空间，其形成于第1低温端84。副容纳区段140可以是将主容纳区段138连接于第1置换器68外侧的单一开口部分，也可以是多个开口。

主容纳区段138是大径圆筒空间，副容纳区段140是直径小于主容纳区段的圆筒空间。主容纳区段138和副容纳区段140同轴排列，副容纳区段140与主容纳区段138的低温侧的中心部相连结。副容纳区段140是用于在第1置换器68中收容第2置换器70的凹部132的至少一部分，例如是凹部132中连接器部件128与主容纳区段138之间的区域。

同种蓄冷材料86填充于主容纳区段138和副容纳区段140双方。填充于主容纳区段138的蓄冷材料86构成主蓄冷器134，填充于副容纳区段140的蓄冷材料86构成副蓄冷器136。副蓄冷器136是使凹部132从主蓄冷器134朝向第2置换器70延伸的蓄冷材料延长部分。即，第1置换器68在第1低温端84具备蓄冷材料延长部分。

副蓄冷器136的蓄冷材料可通过例如从凹部132的内壁突出的按压部（未图示）保持于副容纳区段140。或者，副蓄冷器136的蓄冷材料也可以通过连结部72的连接器部件128的上端保持于副容纳区段140。

主容纳区段138和副容纳区段140中可填充有不同种类的蓄冷材料。或者，主容纳区段138和副容纳区段140的至少一方可进一步划分为多个用于不同种类的蓄冷材料的小区段。此时，可以在主容纳区段138与副容纳区段140的边界或相邻小区段的边界设置用于分隔不同种类的蓄冷材料的分隔部件或空隙。

在第1缸11的内部与第1低温端84邻接形成有第1膨胀空间94。第1膨胀空间94的容积通过第1置换器68的往复移动而变化。第1膨胀空间94是被第1置换器68、第1缸11及第2置换器70围住的区域。具体而言，第1膨胀空间94通过第1置换器68的第1低温端84、第1缸11的内表面及从第1置换器68的凹部132延伸的第2置换器70的第2圆筒部分108划定。第1膨胀空间94和第1低温端84的末端部围绕第2置换器70的高温端106。

第1置换器68的第1高温端80形成有用于使工作气体在第1置换器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沿着围绕中心轴的周向设置于多处。

第1置换器68的第1低温端84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沿着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的入口部分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。弯曲流路从入口部分100向出口部分102形成于第1低温端84。

在此，仅为了方便而这样称呼入口部分100及出口部分102，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，而且还容许从出口部分102朝向入口部分100的工作气体流动。此外，第2开口98可以不是弯曲流路，可以是在第1蓄冷器88的低温端例如沿着中心轴方向或其正交方向形成的直线贯穿孔。

第1置换器68的第1低温端84的直径稍小于第1圆筒部分82的低温侧末端。由此，在第1低温端84的侧面与第1缸11的内表面之间形成连接第2开口98和第1膨胀空间94的圆环状第1通道104。第1通道104还可以看作是第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沿着第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括第2开口98的出口部分102的长边方向的可动范围。由此，即使在第1置换器68处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对置。这样，流过第1通道104的工作气体和第1冷却台13能够通过第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置换器68穿过第2开口98流向第1膨胀空间94的第1流路。该第1流路从压缩机52及制冷剂管18（参考图1）穿过第1开口96、主蓄冷器134、第2开口98、第1通道104向第1膨胀空间94输送工作气体（参考图3）。并且，使工作气体向反方向从第1膨胀空间94返回到压缩机52中（参考图4）。

上述第1流路包括与从第1置换器68向第2置换器70的直通流路相独立的流路。独立流路使第1置换器68的主蓄冷器134与第1膨胀空间94相连结。第1置换器68的第1低温端84包括不与第2置换器70对置的非对置部分。该非对置部分是露出在第1膨胀空间94的第1低温端84的外周部130。独立流路形成于该非对置部分。这样，独立流路从形成于第1低温端84的与第2置换器70的对置部分的直通流路分离。

第2置换器70是与第2缸12的内部容积形状对应地形成为大致圆筒状的部件。第2置换器70的最大径部分的外径实际上稍小于或等于第2缸12的内径，由此第2置换器70能够沿着第2缸12滑动，或者能够保持微小间隙而非接触地移动。

第2置换器70包括第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分别闭塞第2圆筒部分108的相互对置的端面。如后述，用于连接第2置换器70的内部和外部的开口分别形成于第2高温端106及第2低温端110。

第2圆筒部分108的内部填充有第2级蓄冷材料112。可以说被第2高温端106、第2圆筒部分108及第2低温端110围住的第2置换器70的内部容积是保持蓄冷材料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料112的毛毡或金属丝网124。同样地，低温侧也可容纳有用于按压蓄冷材料112的毛毡或金属丝网。

第2置换器70的第2圆筒部分108的径向外侧形成有用于装配密封垫的圆环槽，此处装配有圆环状第2密封垫116。第2密封垫116遍及第2置换器70的可动范围能够滑动地粘附于第2缸12，其截断第1膨胀空间94与第2膨胀空间120之间的工作气体在第2置换器70外侧的流通。为了提高与缸外部的绝热性，在第2置换器70的第2圆筒部分108的外周部分形成有极浅的凹部118。在第2缸12的内部与第2低温端110邻接地形成有第2膨胀空间120。第2膨胀空间120的容积通过第2置换器70的往复运动而变化。

第2置换器70的第2高温端106形成有用于使工作气体在第2置换器70的外侧（即第1置换器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沿着围绕中心轴的周向设置于多处或设置于整周。

第2置换器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侧面的多处。与第1通道104相同，使第4开口126连接于第2膨胀空间120的流路也是沿着第2冷却台14而设置，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能够有效地进行热交换。

如上所述，第1置换器68和第2置换器70通过连结部72沿着长边方向相互连结。连结部72包括连接器部件128。第1置换器68的第1低温端84和第2置换器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的两端插通有2个相互正交的方向的结合销，一个销连结第1置换器68的第1低温端84和连接器部件128，另一个销连结第2置换器70的第2高温端106和连接器部件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可包括所谓万能联轴器。

这样，第1置换器68和连接器部件128能够由结合销相互摆动连接，第2置换器70和连接器部件128能够在与它们正交的方向上由结合销摆动连接。由此，在制冷机50的组装工序中，将第1置换器68及第2置换器70插入到第1缸11及第2缸12时，第2置换器70能够相对于第1置换器68稍微相对移动或偏心。因此，可缓合缸制造上的公差，有助于制冷机50的低成本化。

第1置换器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突出的环状凸部而形成。外周部130的侧面还是第1低温端84的侧面。由此，外周部130的侧面与第1缸11的内表面对置，在外周部130的侧面与第1缸11的内表面之间形成上述第1通道104。被外周部130围住的中心部分成为凹部132。凹部132向第1蓄冷器88开放。外周部130包围至少1个形成副容纳区段140的开口。

连接器部件128配置于该凹部132，其上侧的至少一部分容纳于凹部132。连接器部件128的上端与副蓄冷器136之间有空隙而互不接触。连接器部件128的与第2置换器70的连接部容纳于第2置换器70的第3开口122。在连接器部件128的下端与第2蓄冷器114或金属丝网124之间有空隙而互不接触。

第1低温端84的凹部132为了收容第2置换器70而形成。第2置换器70的高温侧，具体而言第2高温端106间隙插入于凹部132。即，带着若干游隙而被插入。由此，在凹部132的侧面与第2置换器70的第2高温端106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最大也不过在0.5mm以内。如图所示，第2置换器70的高温端106比第1低温端84的端面仅进入长度A。该进入量例如最多也是15mm或者最多也是10mm。

这样，形成用于使工作气体从第1置换器68通过凹部132流向第2置换器70的直通流路。直通流路包括使第1置换器68的主蓄冷器134和第2置换器70的蓄冷器114相连结的中间部分。该直通流路的中间部分形成于第1置换器68的低温端84的面向第2置换器70的对置部分，包括至少1个设置有副蓄冷器136的开口。

直通流路为了使工作气体从压缩机52及制冷剂管18（参考图1）通过第1开口96、主蓄冷器134、副蓄冷器136、凹部132、第3开口122、第2蓄冷器114、第4开口126输送到第2膨胀空间120而使用（参考图3）。并且，为了使工作气体向反方向从第2膨胀空间120返回到压缩机52而使用（参考图4）。

间隙G的尺寸被调整为工作气体在第1置换器68与第2置换器70之间的流通中通过该直通流路的流动成为主流。若这样，则能够抑制第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。且能够增多从第1蓄冷器88直接流入第2蓄冷器114而并不经由第1膨胀空间94的工作气体。

间隙G从凹部132通往第1膨胀空间94。但是，间隙G的尺寸被调整为工作气体在第1膨胀空间94与第1置换器68之间的流通中通过第2开口98的流动成为主流。即，从第1置换器68通过第2开口98流入第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置换器68中。可充分抑制经由第1膨胀空间94并通过间隙G流入凹部132的流动。

优选第2置换器70向第1置换器68的进入部分的间隙G可被密封为工作气体实际上不能流通。间隙G的至少一部分可通过在制冷机50的组装工作中第1置换器68与第2置换器70的摆动被完全闭塞。或者，也可以在第1置换器68或第2置换器70的间隙G的位置装配密封部件来截断间隙G的气体流通。还可以通过第1置换器68和第2置换器70波纹管连接来截断间隙G的气体流通。还可以通过第1置换器68与第2置换器70形成为一体来完全闭塞整个间隙G或其一部分。

这样，分离工作气体向第1膨胀空间94的流动和工作气体向第2膨胀空间120的流动。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流入第2置换器70。从第1置换器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级冷却温度对第2级制冷能力带来的影响。

这样分离流动的结构在不同冷却台所要求的温度差较大时尤其优选。当工作气体经由冷却成较高温的冷却台及其热交换部（即膨胀空间）朝向下一级的更低温的冷却台及其热交换部时，前级高温对后级带来的影响变大。能够通过分离流动来抑制对后级制冷能力的影响。

由此，例如在二级式制冷机50中，当第1级冷却温度被设为80K以上优选设为100K以上，且第2级冷却温度被设为30K以下优选设为20K以下时，优选采用上述的流动分离结构。并且，当相邻冷却级的温度差至少被设为50K以上优选设为80K以上时，优选采用流动分离结构。

另外，就朝向第2膨胀空间120的直通流路而言，各流路构成为从第1置换器68流出的工作气体的流动方向与朝向第1膨胀空间94从第1置换器68流出的工作气体的流动方向一致。至少将从主蓄冷器134向独立流路的进入部分的方向规定为从主蓄冷器134向独立流路的流出方向与从主蓄冷器134向直通流路的流动方向一致。

因此，凹部132形成为从第1蓄冷器88朝向第2蓄冷器114的流动向长边方向流动，第2开口98的入口部分100也形成为来自第1蓄冷器88的流动向长边方向流动。凹部132及第2开口98的入口部分100是与缸的中心轴方向平行地形成的开口部。此外，如上所述，流入第2开口98的工作气体从在第2开口98的内部向径向外向弯曲的出口部分102流出。即，流动方向在第1蓄冷器88的外部发生改变。

这样，通过以使从第1蓄冷器88的主蓄冷器134的低温端向外侧的流动方向一致的方式形成开口，能够提高工作气体在主蓄冷器134的低温端的流动均匀性。通过使工作气体流动均匀性变得良好，第1蓄冷器88的低温端的温度分布均匀性也变得良好。认为这有助于在第1蓄冷器88的低温端整体上保持低温。

本实施例所涉及的第1置换器68的蓄冷器结构中，局部加长用于冷却从高温侧流入的工作气体的冷却路径或热交换路径。针对此，典型的蓄冷器为简单圆筒形，工作气体的从流入口到流出口的路径长度是均匀的。

本实施例所涉及的蓄冷器结构中，在长度方向上追加副蓄冷器136，由此与第2置换器70对置的局部区域的冷却路径长于包括与第1膨胀空间94对置的区域在内的其他区域的冷却路径。由于能够向第2置换器70供给更低温的工作气体，因此能够提高制冷机50的第2级制冷能力。由于向第1膨胀空间94供给的气体为相对高温，因此能够加大制冷机50的第1级与第2级之间的温度差。

第1置换器68的内部形成有副蓄冷器136，因此能够维持现有的缸形状及尺寸。由此，也可保持置换器的可动范围（所谓行程），因此也无需改变制冷机50的驱动机构的设计。并且，可保持现有的缸形状及尺寸即制冷机50的外形，因此对应用制冷机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，能够以保持放射屏蔽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。

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循环，制冷机50反复进行该循环。在吸气工序的某一时刻，第1置换器68及第2置换器70分别位于第1缸11及第2缸12内的下死点。与此同时或稍微错开时机，压缩机52的吐出侧与缸内部容积通过回转阀连接，由此，高压工作气体例如氦气从压缩机52流入第1置换器68。

高压氦气从第1开口96流入第1蓄冷器88，且被蓄冷材料86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。流入第1膨胀空间94的工作气体从主蓄冷器134供给，并不经由副蓄冷器136。

被冷却的氦气的剩余部分通过第1置换器68的凹部132及第2置换器70的第3开口122流入第2蓄冷器114。流入第2蓄冷器114的氦气被主蓄冷器134和副蓄冷器136双方冷却。氦气被第2蓄冷器114的蓄冷材料112进一步冷却，通过第4开口126流入第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。第1置换器68及第2置换器70向上死点移动，由此第1膨胀空间94及第2膨胀空间120被扩张。被扩张的第1膨胀空间94及第2膨胀空间120由高压氦气所充满。

在排气工序的某一时刻，第1置换器68及第2置换器70分别位于第1缸11及第2缸12内的上死点。与此同时或稍微错开时机，压缩机52的吸入侧与缸内部容积通过回转阀的旋转连接。第1膨胀空间94及第2膨胀空间120的氦气被减压而膨胀。氦气通过膨胀而成低压，且产生降温。第1膨胀空间94的氦气从第1冷却台13吸收热来进行冷却，第2膨胀空间120的氦气从第2冷却台14吸收热来进行冷却。

第1置换器68及第2置换器70朝向下死点移动，第1膨胀空间94及第2膨胀空间120被缩小。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回收至压缩机52中。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回收至压缩机52。此时，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是表示该制冷机150的排气工序的图。关于第1置换器168的蓄冷器结构，该制冷机150的结构不同于上述的图2所示的制冷机50。对于第1置换器168与第2置换器170的连结部172，其结构也有不同于上述的图2所示的制冷机50的部分。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中被设为同一尺寸及形状。

如图5及图6所示，在制冷机150中，第1置换器168与第2置换器170之间的空间，即连结用凹陷160作为连接第1膨胀空间194和第2蓄冷器114的流路而形成。为了保证向第2置换器170的充分的流动，进入部分中的第2置换器170与第1置换器168的间隔至少大于2mm～3mm。

由此，吸气工序中的工作气体流动经过第1开口96、第1蓄冷器88、第2开口198、第1膨胀空间194、连结用凹陷160、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成为与此相反的方向，从第2膨胀空间120向第1开口96返回（参考图6）。这样，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级制冷性能容易受第1级冷却温度的影响。

此外，在制冷机150中，用于使第1置换器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置换器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置换器168侧面的多处。该第2开口198还能够在图2所示的制冷机50中采用。

如从与图5及图6所示的制冷机150的对比可知，图2～图4所示的制冷机50的连结部72可以说具有对从与第1置换器68邻接的第1膨胀空间94通往第2置换器70的间隙G的气体流动进行密封的密封结构。

作为表示该密封结构的密封性的指标之一可以考虑第2置换器70的进入长度A与间隙G之比X。即，X=A/G。当第2置换器70的进入长度A较大且间隙G较小时，比X值变大。此时，工作气体变得很难流动。相反，当第2置换器70的进入长度A较小且间隙G较大时，比X值变小。此时，工作气体变得容易流动。

在一实施例中，当进入长度A为10mm、间隙G为0.5mm时比X成为20，因此比X优选至少为20以上。当进入长度A为15mm、间隙G为0.5mm时比X成为30，因此比X更优选至少为30以上。与此相对，如图5及图6所示的制冷机150，当进入长度A为10mm且间隙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，能够通过将比X值设为10倍以上的大小来实现充分的密封性。

在优选的一实施例中，进入长度A为15mm以下，间隙G为0.5mm以下，且比X为30以上。即，以比X设为30以上的方式，进入长度A选自15mm以下的范围，间隙G选自0.5mm以下的范围。根据这种结构，能够在用于副蓄冷器136的副容纳区段140确保充分的宽度的同时对间隙G赋予充分的密封性。

如上所述，根据本发明的一实施方式，在2个冷却台位置及缸尺寸大致被规定的制冷机的结构中，形成从第1置换器68向第2置换器70的直通流路且附加副蓄冷器136。从长边方向观察时，在第1蓄冷器88的中心部分形成有蓄冷材料86的较长部位，在第1蓄冷器88的外周部分形成有蓄冷材料86的较短部位。与第1膨胀空间94中停留的工作气体相比，能够降低向第2置换器70供给的气体温度。

由此，能够加大制冷机50的第1级与第2级之间的温度差。并且，向第2级的工作气体温度下降，因此还能够提高第2级制冷能力。低温泵10具备位置关系已被规定的放射屏蔽40和其内部的低温低温板60，因此成为这种制冷机50的优选应用对象。尤其在要求较大地设定放射屏蔽40与其内部的低温低温板60的温度差时适合。

以上，根据实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于上述实施方式，本领域技术人员可理解能够进行各种设计变更、能够实现多种多样的变形例、及这种变形例也属本发明范围内。

副蓄冷器136未必一定要设置于主蓄冷器134的低温侧。本发明的一实施方式所涉及的蓄冷器结构可以在高温端或其他部分具有在热交换方面没有效果或热交换作用小于蓄冷材料的局部部分。这样，蓄冷器结构可包括冷却路径相对较长的区域和较短的区域。例如，蓄冷器结构可具有蓄冷材料欠缺的区域来代替设置副蓄冷器136，或者设置副蓄冷器136的同时具有蓄冷材料欠缺的区域。用于向邻接的膨胀空间送出工作气体的冷却路径可包括蓄冷材料欠缺区域。即使这样也能够对朝向膨胀空间的工作气体与朝向低温置换器的工作气体赋予温度差。

本发明并不限于对二级式制冷机的应用，还可应用于比此更多级的制冷机。此时，可以由第1级和与此邻接的第2级中作为高温侧的第1级蓄冷器结构具备上述副蓄冷器136，还可以由第2级和与此邻接的第3级中作为高温侧的第2级蓄冷器结构具备上述副蓄冷器136。并且，本发明的一实施方式所涉及的制冷机不仅能够应用于低温泵，还能够应用于任意对象。

Claims (8)

1.一种低温泵，其特征在于，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，具备：第2冷却台，用于冷却低温低温板；第1冷却台，用于冷却高温低温板；第1缸，在低温端具有第1冷却台，且沿长边方向延伸；以及第2缸，在低温端具有第2冷却台，且沿所述长边方向延伸，所述制冷机中，第1缸的低温端与第2缸的高温端连接，第2冷却台与第1冷却台在所述长边方向上排列，

该制冷机具备：第1置换器，在所述长边方向上能够往复移动地被收容在第1缸中；及第2置换器，在所述长边方向上能够往复移动地被收容在第2缸中，且在所述长边方向上与该第1置换器的低温侧邻接而与第1置换器连结，

第1置换器具备：

主蓄冷器，从第1置换器的高温端向低温端填充蓄冷材料而成；

直通流路，设置在第1置换器的低温端，用于从所述主蓄冷器的低温端沿所述长边方向朝向第2置换器的蓄冷器引导工作气体；及

副蓄冷器，设置于该直通流路，在所述长边方向上被配置在相比所述主蓄冷器靠低温侧，

通过该副蓄冷器而形成为，用于向所述第2置换器的蓄冷器送出工作气体的冷却流路比用于向第1膨胀空间送出工作气体的冷却路径长，

第1膨胀空间为通过所述第1置换器、所述第1缸以及所述第2置换器包围的空间。

2.如权利要求1所述的低温泵，其特征在于，

所述直通流路包括至少1个开口，所述开口形成于第1置换器的低温端的面向第2置换器的对置部分，所述副蓄冷器设置于该至少1个开口。

3.如权利要求1或2所述的低温泵，其特征在于，

在第1缸的内部与第1置换器的低温端邻接地形成有第1膨胀空间，

第1置换器的低温端包括不与第2置换器对置的非对置部分，该非对置部分具有独立流路，所述独立流路用于从所述主蓄冷器的低温端朝向第1膨胀空间引导工作气体。

4.如权利要求3所述的低温泵，其特征在于，

至少将从所述主蓄冷器向所述独立流路的进入部分的方向规定为，使从所述主蓄冷器向所述独立流路的流出方向与从所述主蓄冷器向所述直通流路的流动方向一致。

5.如权利要求1或2所述的低温泵，其特征在于，

所述直通流路包括凹部，所述凹部为了收容所述第2置换器的高温端而形成于第1置换器的低温端，该高温端与该凹部的间隙被调整为，在第1置换器与第2置换器之间通过该直通流路的流动成为主流。

6.一种超低温制冷机，其特征在于，

所述超低温制冷机具备在长边方向上邻接的低温侧置换器、高温侧置换器和能够往复移动地容纳该高温侧置换器的第1缸，

高温侧置换器包括用于从高温侧置换器的高温端向低温端遍及的蓄冷材料的主容纳区段和用于在所述长边方向与该主容纳区段的低温侧连续的蓄冷材料的副容纳区段，

副容纳区段的与所述长边方向垂直的截面积小于主容纳区段的截面积，且以气体能够流通的方式设置于主容纳区段与低温侧置换器之间，

通过所述副容纳区段，向所述低温侧置换器供给气体的温度比向由所述低温侧置换器、所述高温侧置换器和所述第1缸包围的区域即第一膨胀空间供给的工作气体的温度低。

7.一种超低温制冷机，其特征在于，

所述超低温制冷机具备：

高温侧置换器，其具备用于冷却来自高温侧的工作气体而向低温侧送出的第1蓄冷器，且能够在长边方向往复移动；和

低温侧置换器，其具备用于进一步冷却由第1蓄冷器冷却了的工作气体的第2蓄冷器，并能够与第1置换器一起在所述长边方向上往复移动，

第1蓄冷器具备从其高温端向低温端延伸的蓄冷材料容器、填充于该蓄冷材料容器的蓄冷材料、第1蓄冷器的高温端的朝向所述蓄冷材料的工作气体入口、从所述蓄冷材料朝向与第1蓄冷器的低温端邻接的膨胀空间的工作气体出口和从第1蓄冷器的低温端朝向第2蓄冷器的工作气体通路，

第1蓄冷器在所述工作气体通路中具备蓄冷材料延伸部分，以使得所述长边方向的从所述工作气体入口向所述工作气体通路的蓄冷材料的长度比从所述工作气体入口向所述工作气体出口的蓄冷材料的长度长。

8.一种低温泵，其特征在于，所述低温泵具备：

低温低温板；

高温低温板，冷却成高于低温低温板的温度；及

权利要求6或7所述的制冷机，

所述制冷机具备：第2冷却台，用于冷却低温低温板；第1冷却台，用于冷却高温低温板；第1缸，在低温端具有第1冷却台，且沿所述长边方向延伸；以及第2缸，在低温端具有第2冷却台，且沿所述长边方向延伸，所述制冷机中，第1缸的低温端与第2缸的高温端连接，第2冷却台与第1冷却台在所述长边方向上排列，

高温侧置换器被收容于能够在所述长边方向上往复移动的第1缸中，低温侧置换器被收容于能够在所述长边方向上往复移动的第2缸中，且沿所述长边方向与高温侧置换器的低温侧邻接而连接于高温侧置换器。