CN1272914A - 脉冲管制冷机及应用此制冷机的低温泵 - Google Patents

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Abstract

一种脉冲管制冷机,其不需使用加热器等,而可维持冷却温度。此脉冲管制冷机使用液化温度在脉冲管制冷机使用温度范围内的气体,作为工作气体。

Description

脉冲管制冷机及应用此制冷机的低温泵
技术领域
本发明与可靠性高的脉冲管制冷机及应用此制冷机的低温泵相关，该脉冲管制冷机可不需使用如加热器等附加机构，而可维持脉冲管制冷机的冷却温度。
背景技术
一般而言，低温泵通过将气体分子吸附于安装于制冷机冷端部(cold head)的吸附面板，而达到高真空的效果。而在此低温泵中，在将气体分子吸附于吸附面板时，必须将吸附面板的冷却温度维持于一定范围。
例如，于水分专用的低温泵中，吸附面板3(参考图1)的冷却温度必须维持于约110K的范围。图1为水分专用低温泵的概略构造。图中，1为GM制冷机，2为冷端部，3为安装于冷端部2的吸附面板，4为在使用状态下成为真空的空间，5为安装边。
目前，低温泵的冷却主要是使用以氦气(单质气体)作为工作气体的GM制冷机，然而一般运转时，吸附面板3的温度过度下降至110K以下(有时下降至30～40K)，使得偏离原本仅结冰除去水分的目的，而使其他气体成分亦结冰。因此，在水分专用低温泵中，为了维持温度，将加热器及温度计(皆无图示)装于冷端部2上，通过调节加热器的温度，而维持吸附面板3的温度。
然而，于如此构造中，因为加热器的配线由真空空间4伸出至大气中，故密封施工复杂，且泄漏危险性高。又，为了跟随热负荷量的变化(例如，当吸附面板3附着过多水分或真空度下降，而使吸附面板3的温度上升，必须调节加热器的温度)，必须具备温度控制器，故机构变复杂，且价格升高。
又，在特开平6～73542号公报中，揭示一种吸附面板3的温度控制机构，其设有：热交换器；将此热交换器连结于吸附面板3的连结部；将氦气等冷却媒体输送至该热交换器的输送机构；及该冷却媒体的流量调节机构等。然而，于如此构造中，机构变复杂，且价格升高。
有鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种脉冲管制冷机及应用此制冷机的低温泵，该脉冲管制冷机不需使用加热器等，而可维持冷却温度。
发明内容
本发明的第1要点为提供一种脉冲管制冷机，其可使用液化温度在脉冲管制冷机的使用温度范围内的气体，作为工作气体，而本发明的第2要点为提供一种可应用此制冷机的低温泵。
亦即，本发明的脉冲管制冷机，其使用液化温度在脉冲管制冷机的使用温度范围内的气体，作为工作气体。因此，脉冲管制冷机在运转中，工作气体在不低于其液化温度的脉冲管制冷机的使用温度范围，且于该使用温度范围内略维持一定。如此，当工作气体冷却至该液化温度，即使有来自外部的热负荷，冷端部的温度几乎不会改变。但是，若由于来自外部的热负荷，而使热侵入量增加时，因冷端部的温度急剧上升，故必须将即使有来自外部的热负荷，冷端部的温度亦几乎不会改变的温度范围，设为工作气体的设定温度。又，此温度范围，可通过使用多种气体的混合气体作为工作气体，而可做某种程度的调节。
更进一步而言，当使用高液化温度的氦以外的气体(如氮气等)作为工作气体的脉冲管制冷机运转时，工作气体于脉冲管制冷机的低温侧液化。然而，因为在脉冲管制冷机中，工作气体会产生压缩、膨胀或移动(低温侧←→高温侧)，液化的工作气体会超过沸点以上部分，或因为减压时的膨胀，而使沸点下降。因此，液化的动作气体无法固化而再次气化。如此，因为工作气体在1循环中，重复液化及气化，故动作气体不会阻塞通路，而于作为脉冲管制冷机而工作时，脉冲管制冷机的冷端部的温度，可维持为工作气体的液化温度(＝沸点)附近的温度。又，当冷端部的热负荷增加(或减少)时，虽然于1循环中所液化的量减少(或增加)，然而冷端部的温度仍维持为工作气体的液化温度附近。即使热侵入量增加，在动作气体液化期间，冷端部的温度仍维持为工作气体的液化温度附近(参考图2)。
如上所述，本发明的脉冲管制冷机，因不必如现有技术般使用加热器等调节温度，而自动地维持冷却温度，故不需使用加热器等电气能源，可减少能源消耗。而且，因为不需加热器的控制机构，故装置单纯，可减少故障频度，并且降低装置价格。此外，因无至真空空间的配线，故不需进行密封施工，且亦无真空泄漏的危险。又，本发明的低温泵，因为应用上述的脉冲管制冷机，故可达到如上所述的优良效果。
本发明的工作气体，系使用氮气、氩等各种单质气体。此外，亦可使用在这些单质气体中混合氦气等所成的混合气体或空气。又，当确定脉冲管制冷机的使用温度范围时，可以在此使用温度范围内的液化温度为基础，选择单质气体的种类、或调整混合比的混合气体。
附图简述
图1为本发明的低温泵的剖面图。
图2为对冷端部的热负荷及冷端部温度关系的示意图。
实施发明的最佳形式
其次，说明本发明的低温泵一实施形态。在此实施形态中，图1的低温泵中，不使用GM制冷机，而使用以氮气(单质气体)作为工作气体的脉冲管制冷机。又，在冷端部2不安装加热器及温度计，亦未设置温度控制器。因此，也无加热器的配线。除此外的部分，则与图1所示的实施形态相同。
在此实施形态中，因为不使用加热器等，故除了可减少能源消耗外，且故障频度减少，装置价格降低。而且，因为无加热器的配线，故无真空泄漏的危险性。
[实施例1]
在与上述实施形态相同的低温泵中，填充绝对压力为18.0kgf/cm2的氮气作为工作气体，当运转脉冲管制冷机时，通过安装于冷端部的加热器(此系为了实验而安装，以施加热负荷)，而调查施加热负荷时的冷端部的温度变化。其结果如图2所示(测量结果以黑圈显示)。由图2可知，可达到因工作气体液化而产生的温度维持效果，于热负荷为0～60W间，可将冷却温度维持于112～115K的范围。又，氮气于16.4kgf/cm2时的液化温度为112k。
[实施例2]
在与上述实施形态相同的低温泵中，填充氮气的分压为14.4kgf/cm2而氦气为3.6kgf/cm2的混合气体，作为工作气体，与实施例1相同运转脉冲管制冷机，通过安装于冷端部的加热器(此系为了实验而安装，以施加热负荷)，而调查施加热负荷时的冷端部的温度变化。其结果如图2所示(测量结果以白圈显示)。由图2可知，可达到因工作气体液化而产生的温度维持效果，于热负荷为0～60W间，可将冷却温度维持于99～110k的范围。在实施例2中，氮与氦二种成分达成气液平衡，故与实施例1相比，其可达到的温度降低。又，氮气于14.7kgf/cm2时的液化温度为110k。
工业上的利用可能性
本发明的脉冲管制冷机，不仅可用于水分专用的低温泵(如包含HELIXTECHNOLOGY所制的Waterpumps(产品名))或各种低温泵，亦可使用于冷凝管等。又，本发明的低温泵，可使用于半导体制造用真空装置、光磁气记录媒体制造用真空装置等的各种吸真空装置等。

Claims (5)

1.一种脉冲管制冷机，其使用液化温度在脉冲管制冷机的使用温度范围内的气体作为工作气体。
2.权利要求1的脉冲管制冷机，其中，工作气体为单质气体或混合气体。
3.权利要求1或2的脉冲管制冷机，其中，工作气体为氮气。
4.一种低温泵，其应用权利要求1的脉冲管制冷机。
5.权利要求4的低温泵，其中，应用于脉冲管制冷机的工作气体为氮气或含氮气的混合气体。
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