JP2002243294A - クライオポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高温側冷却ステージの温度が低温側冷却ステ
ージの冷凍能力に影響を及ぼさないような多段蓄冷器式
冷凍機を備えたクライオポンプを提供する。 【解決手段】 第１段ディスプレーサ４３と第２段ディ
スプレーサ４４との間の接続部における作動ガスの流路
を、第１段蓄冷器４８における低温側端部から第１段膨
張室５３へ接続する第１の作動ガス流路４３−６、４３
−４と、第１段蓄冷器４８における低温側端部から第２
段蓄冷器４９へ直接接続する第２の作動ガス流路４３−
６、４４−３とに分岐させることにより、第２段蓄冷器
４９への流入ガスの一部が、第１段膨張室５３内を経由
せずに流入するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は蓄冷器を内蔵したデ
ィスプレーサを複数段有する多段蓄冷器式冷凍機を用い
たクライオポンプに関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩや超ＬＳＩ等を製造する際等に、
オイルレスの清浄な真空を形成するために用いられる真
空ポンプとして、クライオポンプが用いられている。ク
ライオポンプは、真空容器に連結し、この真空容器中の
ガスを極低温面に吸着凝縮させて真空を作るものであ
る。

【０００３】多段蓄冷器式冷凍機を用いたクライオポン
プは、図５に示すように、コンプレッサ３１と、このコ
ンプレッサ３１ヘガス配管３２により接続された極低温
冷凍機、例えばＧＭ（ギフォード・マクマホン）冷凍機
２０とからなり、この冷凍機２０へ真空容器３０（一部
のみ示す）を連結する。

【０００４】冷凍機２０は、第１段冷却ステージ２１に
第１段クライオパネル２３を取付け、第２段冷却ステー
ジ２２に第２段クライオパネル２４を取り付けている。
第２段クライオパネル２４上には活性炭等の吸着剤２５
が載置されている。第２段クライオパネル２４の上方に
はシェブロン２６が配置されている。

【０００５】第１段クライオパネル２３は、例えば約８
０Ｋ（ケルビン）程度に冷却され、真空容器３０中の水
蒸気、炭酸ガス等の沸点が比較的高いガスを固化捕捉す
る。第２段クライオパネル２４は、例えば約２０Ｋに冷
却され、真空容器中の窒素、アルゴン等のより低沸点の
ガスを固化捕捉し、最も沸点の低い水素、ネオン、ヘリ
ウム等のガスは第２段クライオパネル２４上の吸着剤２
５に吸着される。このようにしてクライオポンプは真空
容器３０中の各種のガスを排気して高真空をつくる。こ
の種のクライオポンプは、例えば特開平５−３２１８３
２号に開示されている。

【０００６】このような原理のクライオポンプに対して
様々な改良が加えられ、第１段冷却ステージ２１を５０
Ｋ程度、第２段冷却ステージ２２を４Ｋ程度まで冷却可
能として、第２段クライオパネル２４上の吸着剤２５を
不要としたクライオポンプも提供されている。

【０００７】次に、図６を参照して、多段蓄冷器式冷凍
機の概略を説明する。ここでは２段ＧＭ冷凍機の場合に
ついて示している。図６において、この冷凍機は、直径
の異なるパイプを同軸上に連結して構成された第１段シ
リンダ４１、第２段シリンダ４２を有する。第１段シリ
ンダ４１内には、上死点及び下死点間を往復運動可能に
第１段ディスプレーサ４３が配設されている。また、第
２段シリンダ４２内には上死点及び下死点間を往復連動
可能に第２段ディスプレーサ４４が配設されている。図
６では具体的構造について図示を省略しているが、第１
段ディスプレーサ４３と第２段ディスプレーサ４４は、
自在継手で連結されている。

【０００８】第１段シリンダ４１の内壁と第１段ディス
プレーサ４３の外壁との間には第１段シ一ル４６が設け
られ、第２段シリンダ４２の内壁と第２段ディスプレー
サ４４の外壁との間には第２段シール４７が設けられて
いる。詳しい構造は図示を省略するが、第１段ディスプ
レーサ４３内には第１段蓄冷器４８が充填され、第２段
ディスプレーサ４４内には第２段蓄冷器４９が充填され
ている。第１段シリンダ４１の低温側の端部の外周面に
は第１段冷却ステージ５１が配設され、第２段シリンダ
４２の低温側の端部の外周面にはこれを覆うように第２
段冷却ステージ５２が配設されている。

【０００９】第１段シリンダ４１の低温側の端部内に
は、第１段ディスプレーサ４３の往復運動により容積が
変化する第１段膨張室５３が形成され、第２段シリンダ
４２の低温側の端部内には、第２段ディスプレーサ４４
の往復運動により容積が変化する第２段膨張室５４が形
成されている。

【００１０】この冷凍機には、作動ガスとしてのへリウ
ムガスを圧縮するコンプレッサ６１（図５のコンプレッ
サ３１に対応）を含む冷媒回路が接続される。この冷媒
回路はまた、コンプレッサ６１から高圧のへリウムガス
を第１段シリンダ４１内に供給するタイミングを制御す
るための吸気バルブ６２と、第１段シリンダ４１内から
コンプレッサ６１に低圧のへリウムガスを排出するタイ
ミングを制御するための排気バルブ６３とを含む。

【００１１】駆動モータ６５は、第１段、第２段ディス
プレーサ４３、４４を往復運動させると共に、この往復
運動に連動して吸気バルブ６２及び排気バルブ６３の開
閉を行う。

【００１２】第１段ディスプレーサ４３の高温側の端部
には、第１段蓄冷器４８に対してヘリウムガスを流出入
させるために複数の第１段高温側流路４３−１が設けら
れている。また、第１段ディスプレーサ４３の低温側の
端部には、第１段蓄冷器４８及び第１段膨張室５３にヘ
リウムガスを流出入させるために複数の第１段低温側流
路４３−２が設けられている。第２段ディスプレーサ４
４の高温側の端部には、第２段蓄冷器４９にヘリウムガ
スを流出入させるために第２段高温側流路４４−１が設
けられている。また、第２段ディスプレーサ４４の低温
側の端部には、第２段蓄冷器４９及び第２段膨張室５４
にへリウムガスを流出入させるために複数の第２段低温
側流路４４−２が設けられている。

【００１３】本冷凍機は、以下のように動作する。はじ
めに、第１段、第２段ディスプレーサ４３、４４がそれ
ぞれ、第１段、第２段シリンダ４１、４２内にて下死点
にあるとする。吸気バルブ６２が開、排気バルブ６３が
閉の状態にされると、コンプレッサ６１からの圧縮され
た高圧のヘリウムガスが、第１段高温側流路４３−１か
ら第１段蓄冷器４８に流入する。流入したへリウムガス
は、第１段蓄冷器４８の蓄冷材によって所定の温度まで
冷却され、第１段低温側流路４３−２から第１段膨張室
５３へ流出する。

【００１４】第１段膨張室５３へ流入した高圧のへリウ
ムガスの一部は、第２段高温側流路４４−１から第２段
蓄冷器４９に流入する。そして、流入したへリウムガス
は、第２段蓄冷器４９の蓄冷材によって、さらに低い所
定の温度まで冷却され、第２段低温側流路４４−２から
第２段膨張室５４へ流出する。

【００１５】その結果、第１段、第２段膨張室５３、５
４内は高圧状態となる。その後、第１段、第２段ディス
プレーサ４３、４４は上死点側へと移動する。それに伴
い、高圧のへリウムガスは次々と第１段、第２段膨張室
５３、５４に供給される。そして、第１段、第２段ディ
スプレーサ４３、４４が上死点に達すると、吸気バルブ
６２をまず閉じ、少し遅れて排気バルブ６３を開く。す
ると、この時へリウムガスは、高圧の状態から低圧の状
態となり体積が膨張し、第１段、第２段膨張室５３、５
４にて寒冷状態を発生する。この際、第１段、第２段膨
張室５３、５４内のへリウムガスはもとの状態より低
温、低圧となり、第１段、第２段冷却ステージ５１、５
２をそれぞれ冷却することとなる。第１段、第２段冷却
ステージ５１、５２は、これらの周囲から熱を奪い、周
囲を冷却することとなる。

【００１６】次に、第１段、第２段ディスプレーサ４
３、４４を下死点に移動させる。そして、上記にて示し
た逆の順路を通り、へリウムガスは排気バルブ６３から
排気され、コンプレッサ６１に戻る。この際、へリウム
ガスは第１段、第２段蓄冷器４８、４９をそれぞれ冷却
することとなる。そして、第１段、第２段ディスプレー
サ４３、４４が下死点に達し、第１段、第２段膨張室５
３、５４の体積が最小になると、再び排気バルブ６３を
閉、吸気バルブ６２を開く。以上の動作を１サイクルと
し、上記動作を繰り返すこととなる。この種の冷凍機
は、例えば特開平１０−１２２６８３号に開示されてい
る。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、第２段
蓄冷器４９、第２段膨張室５４へ流れる作動ガスは、一
旦第１段膨張室５３を経由してから第２段側に入ること
になる。したがって、第１段冷却ステージの温度が高い
場合、第２段蓄冷器４９へ流入するガス温度も高くな
り、第２段蓄冷器４９の効率が低下して第２段冷却ステ
ージ５２の冷凍能力の低下することが避けられない。

【００１８】図５で説明したように、冷凍機外部のクラ
イオパネル等の被冷却物は、冷凍機のシリンダ外壁に設
けられた冷却ステージのフランジに接続されている。膨
張ガスの冷熱は先ずシリンダ壁に伝達され、更にシリン
ダから冷却ステージのフランジ、被冷却物へと熱伝導に
より伝熱される。

【００１９】冷凍作用からみれば、冷却ステージのフラ
ンジの温度がその冷凍機のステージ温度となる。したが
って、シリンダと冷却ステージのフランジとの熱伝導性
能を低く設計すれば（例えば、熱伝導板を薄板にする）
両者に温度差が生じ、シリンダ温度を低いまままで冷却
ステージのフランジ温度を高くすることができるので、
第１段のクライオパネルが過度に低温とならないように
することも可能である。

【００２０】しかし、冷却ステージのフランジへの冷熱
の伝熱を低くするわけであるから、第１段冷却ステージ
の温度を冷え過ぎないようにすることは可能であるが、
負荷の大きい運転状態に対する冷凍能力に制限を受ける
ことになる。

【００２１】例えば、クライオポンプ用の２段ＧＭ冷凍
機の場合、冷却ステージの冷凍温度は、通常運転におい
て第１段冷却ステージ温度が８０〜９０Ｋ、第２段冷却
ステージ温度は１０〜１２Ｋが要求される。ＧＭ冷凍機
の場合、冷凍能力と冷凍温度には比例的な関係があり、
例えば通常負荷運転で第１段冷却ステージの冷凍能力が
９０Ｋで３０Ｗの冷凍機であれば、低負荷運転条件では
５０Ｋ以下に温度が低下するのが通常である。しかし、
第１段冷却ステージ温度が低くなり過ぎると、第１段ク
ライオパネルにアルゴンや窒素が凝着し、凝着した成分
は負荷が増加して温度が上昇した場合に再び脱離するこ
とになり、クライオポンプの真空度に悪影響を及ぼすこ
とになる。

【００２２】一方、第２段冷却ステージの冷凍能力は第
１段冷却ステージ温度の影響を受け、第１段冷却ステー
ジ温度が９０Ｋのように高い場合には第２段冷却ステー
ジの冷凍能力が著しく低下する傾向があり、必要な冷凍
能力を保持するには膨張体積をその分大きくしなければ
ならない。

【００２３】また、冷凍温度が液体へリウム温度とな
る、いわゆる４Ｋ−ＧＭ冷凍機においては、４Ｋ温度で
の冷凍能力は第１段冷却ステージ温度の影響が特に大き
く、第１段冷却ステージ温度を高くすると４Ｋでの冷凍
能力を維持することが難しい。したがって、水素などの
排気を目的としたクライオポンプに４Ｋ−ＧＭ冷凍機を
適用する場合には、各段の冷却ステージ温度と冷凍能力
を要求に合わせることが大きな問題となる。

【００２４】ここで、図７を参照して、上記の問題点を
第１段ディスプレーサ４３と第２段ディスプレーサ４４
との間の作動ガスの流れから説明する。なお、図７にお
いて、４５は図６では図示を省略した第１段ディスプレ
ーサ４３と第２段ディスプレーサ４４とを連結している
自在継手を示す。

【００２５】第１段蓄冷器４８内を低温側へ流れた作動
ガスは、第１段蓄冷器４８の低温側の端部で第１段ディ
スプレーサ４３の外筒を半径方向に貫通した少なくとも
１つの第１段低温側流路４３−２を通って第１段シリン
ダ４１の内壁に到達し、第１段シリンダ４１の内壁と第
１段ディスプレーサ４３の外筒との間の環状の隙間４３
−３を通過して第１段膨張室５３に流入する。更に、第
２段膨張室側へ向かう作動ガスは、第１段ディスプレー
サ４３における外筒の低温側端部と第２段ディスプレー
サ４４における外筒の高温側端部との間の環状の隙間流
路４３−４及び第２段ディスプレーサ４４における外筒
の高温側端部内壁と自在継手４５との間の環状の隙間流
路４４−３を通して第２段蓄冷器４９へ入り、さらに第
２段膨張室５４（図６参照）へ流入する。

【００２６】上記のごとく作動ガスが第１段膨張室５３
に流入、流出する際に環状の隙間流路４３−３を通過さ
せる理由は、作動ガスと第１段シリンダ４１の内壁との
熱伝達を良好にするためである。このような作動ガスの
流れによる形態を、横吹き式と呼ぶ。

【００２７】一方、冷凍機として第１段冷却ステージ５
１の冷凍能力を低くしたい場合もある。この場合には、
図７のような環状の隙間流路４３−３を通さずに、図８
に示すように、第１段ディスプレーサ４３における外筒
の低温側端部に少なくとも１つの連通路４３−５を形成
して第１段蓄冷器４８の低温側の端部から直接、第１段
膨張室５３に作動ガスを流入させる方法が提供されてい
る。これは、作動ガスと第１段シリンダ４１の内壁との
接触を無くすことで、作動ガスと第１段シリンダ４１と
の熱伝達率を低く抑えるものであり、下吹き式と呼ぶ。
しかし、この方法においても作動ガスの流れは第１段膨
張室５３を経由して第２段ディスプレーサ４４と接続し
ており、第１段冷却ステージの温度が第２段冷却ステー
ジの冷凍能力に及ぼす影響は大きい。

【００２８】本発明の課題は、上記のように多段蓄冷器
式冷凍機の低温側冷却ステージと高温側冷却ステージと
の温度差が大きい場合の問題を解決することにある。

【００２９】本発明の具体的な課題は、高温側冷却ステ
ージの温度が低温側冷却ステージの冷凍能力に影響を及
ぼさないような多段蓄冷器式冷凍機を備えたクライオポ
ンプを提供することにある。

【００３０】本発明の他の課題は、高温側冷却ステージ
の温度が下がりすぎることのない多段蓄冷器式冷凍機を
備えたクライオポンプを提供することにある。

【００３１】

【課題を解決するための手段】本発明は、蓄冷器を内蔵
したディスプレーサをシリンダに収容したものを複数段
直列に接続させた多段蓄冷器式冷凍機を備え、各段のシ
リンダの低温側端部の周囲には冷却ステージが設けられ
ているクライオポンプにおいて、少なくとも１組のディ
スプレーサ接続部における作動ガスの流路を、高温段側
の蓄冷器における低温側端部から高温段側の膨張室へ接
続する第１の作動ガス流路と、前記高温段側の蓄冷器に
おける低温側端部から低温段側の蓄冷器へ直接接続する
第２の作動ガス流路とに分岐させることにより、前記低
温段側の蓄冷器への流入ガスの一部が、前記高温段側の
膨張室内を経由せずに流入するようにしたことを特徴と
する。

【００３２】本クライオポンプにおいては、前記ディス
プレーサ接続部は自在継手で構成されており、前記第１
の作動ガス流路は、高温段側のディスプレーサにおける
外筒の低温側端部に設けられた流路と、前記高温段側の
ディスプレーサにおける外筒の低温側端部と低温段側の
ディスプレーサにおける外筒の高温側端部との間の隙間
とで形成され、前記第２の作動ガス流路は、前記高温段
側のディスプレーサにおける外筒の低温側端部に設けら
れた前記流路と、前記低温段側のディスプレーサにおけ
る外筒の高温側端部内壁と前記自在継手との間の隙間流
路とで形成される。

【００３３】本クライオポンプの他の形態においては、
前記ディスプレーサ接続部が自在継手で構成され、前記
第１の作動ガス流路は、高温段側のディスプレーサにお
ける外筒の低温側端部において径方向に貫通した少なく
とも１つの穴と、高温段側のシリンダ内壁と前記高温段
側のディスプレーサの外筒との隙間流路とで形成され、
前記第２の作動ガス流路は、前記高温段側のディスプレ
ーサにおける外筒の低温側端部に設けられた流路と、低
温段側のディスプレーサにおける外筒の高温側端部内壁
と前記自在継手との間の隙間流路とで形成される。

【００３４】また、前記第１の作動ガス流路を、高温段
側のディスプレーサにおける外筒の低温側端部のコーナ
部において斜め方向に貫通し、前記高温段側の膨張室に
連通する少なくとも１つの穴で形成し、前記第２の作動
ガス流路を、前記高温段側のディスプレーサにおける外
筒の低温側端部に設けられた流路と、低温段側のディス
プレーサにおける外筒の高温側端部内壁と前記自在継手
との間の隙間流路とで形成するようにしても良い。

【００３５】

【発明の実施の形態】図１を参照して、本発明の第１の
実施の形態について説明する。図１は、クライオポンプ
に使用されている２段ＧＭ冷凍機における第１段ディス
プレーサ４３と第２段ディスプレーサ４４との間の作動
ガスの流れを、図７あるいは図８と同じ部分について示
した図である。それ故、図７、図８と同じ部分には同一
番号を付している。

【００３６】本形態では、第１段ディスプレーサ４３の
低温側の端部における外筒に軸方向に延びるガス流路４
３−６を設けて、第２段ディスプレーサ４４における外
筒の高温側の端部内壁と自在継手４５との間の隙間流路
４４−３に連通（第２の作動ガス流路）させるようにす
ると共に、ガス流路４３−６からのガスの一部を第１段
ディスプレーサ４３における外筒の低温側の端部と第２
段ディスプレーサ４４における外筒の高温側の端部との
間の環状の隙間流路４３−４に分流（第１の作動ガス流
路）させるようにしたものである。これにより、第１段
蓄冷器４８を通過したところでガス流路を分岐させ、一
方は第１段膨張室５３への流路とし、他方の第２段側へ
流入する作動ガスは、第１段膨張室５３を経由せずに直
接、第２段蓄冷器４９へ流入する構造としている。この
ような構造は直通吹き式と呼ばれても良い。

【００３７】排気行程において作動ガスが流出する流路
は流入する場合の逆の径路である。すなわち、第２段デ
ィスプレーサ４４の高温側端部から流出するガスは、第
２段蓄冷器４９の高温側端部の出口から第１段膨張室５
３を経由せずに直接、第１段蓄冷器４８へ流入し、他
方、第１段膨張室５３内のガスも直接、第１段蓄冷器４
８へと排気され、第１段蓄冷器４８の低温側端部で両方
の流れが合流することになる。つまり、低温段側の蓄冷
器から排気されたガスは高温段側の膨張室を経由するこ
となく、高温段側の蓄冷器に流入する。

【００３８】図２を参照して、本発明の第２の実施の形
態について説明する。本形態は以下の観点に基づいてい
る。第１段蓄冷器４８の低温側端部において作動ガス流
路を分岐させる構造は、作動ガスの一部が第１段膨張室
５３を経由せずに第２段蓄冷器４９へ直接流入する流路
を確保する点にある。したがって、第１段蓄冷器４８の
低温側端部においてガス流路を分岐させ、一方は図７で
説明したような第１段蓄冷器４８の低温側端部で第１段
ディスプレーサ４４の外筒を半径方向に貫通した１つ以
上の第１段低温側流路４３−２を通って第１段シリンダ
４１の内壁に流出させ、更に第１段シリンダ４１の内壁
と第１段ディスプレーサ４３の外筒との間の環状の隙間
４３−３を通過して第１段膨張室５３に流入（第１の作
動ガス流路）させる。そして、分岐した他方は、図１で
説明したような第１段ディスプレーサ４３における外筒
の低温側の端部に軸方向に延びるガス流路４３−６を設
けて、第２段ディスプレーサ４４における外筒の高温側
端部内壁と自在継手４５との間の隙間流路４４−３に直
接連通（第２の作動ガス流路）させるようにする。これ
はいわば、前に述べた横吹き式と直通吹き式との併用で
ある。

【００３９】勿論、前に述べた下吹き式と直通吹き式と
の併用でも良い。この場合、図２に示した第１段低温側
流路４３−２、第１段シリンダ４１の内壁と第１段ディ
スプレーサ４３の外筒との間の環状の隙間４３−３に代
えて、図８で説明したような連通路４３−５を第１段デ
ィスプレーサ４３における外筒の高温側端部に設ければ
良い。

【００４０】ところで、クライオポンプでは、第１段冷
却ステージ温度が下がりすぎると第１段クライオパネル
にアルゴンが固化・蓄積されてしまう不都合があり、あ
る温度（４０Ｋ付近）以下には下がらない様な工夫が必
要とされる場合がある。

【００４１】第１段冷却ステージの冷えすぎ防止策とし
ては、ディスプレーサ中に設置される蓄冷材の量を減じ
るか、冷却ステージの取付け位置を、低温側端部から高
温側端部寄りに移動させる方法が一般的である。

【００４２】しかし、蓄冷材を減らす方法は、熱交換効
率の低下を生じさせることにより温度低下を防ぐ方法で
あるため、積極的にエネルギー損失を発生させることを
意味し、第２段冷却ステージの温度が下がり難いなど、
冷凍機全体の効率を低下させると言う欠点がある。

【００４３】一方、第１段冷却ステージを高温側にずら
して設置することにより冷えすぎ防止を図る方法では、
見掛け上は冷えすぎ防止が可能となるが、冷凍機の温度
発生部は低い温度領域となっており、根本的な解決策と
は言い難い。

【００４４】図３は上記の第２の実施の形態の変形例で
あり、上記の第１段冷却ステージの冷え過ぎを防止する
ために、図２における第１段低温側流路４３−２に代え
て、第１段ディスプレーサ４３の外筒のコーナ部に４３
−２´で示す斜めの流路を設けるようにしたものであ
る。この斜めの流路４３−２´は第１段膨張室５３に連
通している。

【００４５】このように、流路４３−２´を斜めにして
第１段膨張室５３に連通させることにより、作動ガスと
第１段シリンダとの間の熱伝達係数が低下し、第１段冷
却ステージ温度の冷えすぎを防止できる。この場合、第
１段蓄冷器４８内のガス温度自体は下がっているため、
第２段冷却ステージへの影響は発生しない。この形態に
よれば、冷凍機全体のエネルギー効率の低下を生じるこ
となく、第１段冷却ステージの冷えすぎ防止が図れる。
なお、第１段冷却ステージの冷えすぎのみを重視し、第
２段冷却ステージへの影響を軽視するのであれば、この
形態は、図７で説明したような構造に適用してもその効
果が得られる。つまり、図７における環状の隙間４３−
３に代えて、図３のような斜めの流路４３−２´を第１
段ディスプレーサ４３の外筒のコーナ部に設けるように
すれば良い。

【００４６】いずれにしても、直通吹き式を採用するこ
とにより、第１段蓄冷器４８から第２段蓄冷器４９へ流
入する作動ガスは、第１段膨張室５３を経由しない。排
気行程においても第２段蓄冷器４９から流出するガス
は、第２段蓄冷器４９の出口から第１段膨張室５３を経
由せずに直接、第１段蓄冷器４８へ流入する。これによ
り、第２段側へ流出入するガスの温度は第１段冷却ステ
ージ温度の影響を比較的受けにくい。したがって、高負
荷運転時に第１段冷却ステージ温度が高くなっても第２
段の高温側のガス温度は実質的により低い温度が維持さ
れるため、第２段冷却ステージの冷凍能力の低下が抑制
されて、第１段冷却ステージ温度が高い状態のままで所
定の冷凍能力を維持することができる。

【００４７】第１段側についてみると、第１段膨張室へ
のガス流路と第２段側への流路を分離させたことによ
り、第１段膨張室や第１段冷却ステージの伝熱フランジ
を第２段とは比較的独立に設計することが可能となる。
したがって、低負荷時にクライオポンプとして望ましく
ない５０Ｋ以下の低い温度に到達すること無く、且つ高
熱負荷の場合にも第２段冷却ステージにおいては高い冷
凍能力を実現することが可能となる。

【００４８】作動ガスを第１段膨張室を経由せずに第２
段側へ流入させる流路と従来の第１段膨張室を経由して
流入させる流路とを併用することにより、同一の冷凍機
であっても、使用目的に応じて第１段冷却ステージと第
２段冷却ステージとを異った性能の冷凍機とすることが
可能となる。

【００４９】４Ｋ−２段ＧＭ冷凍機において、ガス流路
を分岐させた場合と分岐させない従来の場合の運転性能
の例を図４に示す。横軸が第１段冷却ステージ温度、縦
軸が第２段冷却ステージの冷凍能力（４．２Ｋ）を示
す。従来の横吹き式では、第１段負荷の増加によって第
１段冷却ステージ温度が上昇するに伴い、第２段冷却ス
テージの冷凍能力が急激に減少する。これに対し、ガス
流路を直通吹き式とした場合には、第１段冷却ステージ
温度が高い範囲まで第２段冷却ステージの冷凍能力が低
下しないことがわかる。なお、横吹き／下吹き併用とあ
るのは、図７の横吹き式と図８の下吹き式との併用の場
合であり、従来の横吹き式に比べれば第２段冷却ステー
ジの冷凍能力はやや向上するものの、本発明の直通吹き
式に比べればはるかに低い。

【００５０】以上、本発明の実施の形態を２段ＧＭ冷凍
機に適用して説明したが、本発明はすべての多段蓄冷器
式冷凍機を備えたクライオポンプに適用可能であること
は言うまでも無い。つまり、３段以上の多段の場合、少
なくとも１組のディスプレーサ接続部における作動ガス
の流路に上記の構造が適用されることになる。また、冷
凍機もＧＭ冷凍機に限定されず、ソルベーサイクル冷凍
機、スターリング冷凍機等の各種の蓄冷器式冷凍機に適
用され得る。

【００５１】

【発明の効果】本発明によれば、高温側冷却ステージの
温度が低温側冷却ステージの冷凍能力に影響を及ぼさな
いような多段蓄冷器式冷凍機を備えたクライオポンプを
提供することができ、高温側冷却ステージの温度が高い
場合においても低温側冷却ステージでは所定の冷凍能力
を維持することができる。また、使用目的に応じて高温
側冷却ステージと低温側冷却ステージの性能の異った特
性を持つ多段蓄冷器式冷凍機を備えたクライオポンプを
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態による作動ガスの分
岐構造を、第１段ディスプレーサと第２段ディスプレー
サとの間に適用した場合の断面図である。

【図２】本発明の第２の実施の形態による作動ガスの分
岐構造を、第１段ディスプレーサと第２段ディスプレー
サとの間に適用した場合の断面図である。

【図３】図２の変形例を概略的に示した図である。

【図４】第１段冷却ステージ温度と第２段冷却ステージ
の冷凍能力との関係を、本発明と従来例との場合につい
て示した特性図である。

【図５】従来のクライオポンプの一例を説明するための
図である。

【図６】従来の２段ＧＭ冷凍機の構造を概略的に示した
断面図である。

【図７】従来の作動ガスの流路構造を、第１段ディスプ
レーサと第２段ディスプレーサとの間について示した断
面図である。

【図８】従来の作動ガスの他の流路構造を、第１段ディ
スプレーサと第２段ディスプレーサとの間について示し
た断面図である。

【符号の説明】

４１ 第１段シリンダ ４２ 第２段シリンダ ４３ 第１段ディスプレーサ ４４ 第２段ディスプレーサ ４５ 自在継手 ４６ 第１段シール ４７ 第２段シール ４８ 第１段蓄冷器 ４９ 第２段蓄冷器 ５１ 第１段冷却ステージ ５２ 第２段冷却ステージ ５３ 第１段膨張室 ５４ 第２段膨張室 ６１ コンプレッサ ６２ 吸気バルブ ６３ 排気バルブ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 青木 薫 東京都西東京市谷戸町二丁目１番１号 住 友重機械工業株式会社田無製造所内 (72)発明者 亀井 一紘 東京都西東京市谷戸町二丁目１番１号 住 友重機械工業株式会社田無製造所内 Ｆターム(参考） 3H076 AA26 BB21 BB31 CC51 CC55

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 蓄冷器を内蔵したディスプレーサをシリ
   ンダに収容したものを複数段直列に接続させた多段蓄冷
   器式冷凍機を備え、各段のシリンダの低温側端部の周囲
   には冷却ステージが設けられているクライオポンプにお
   いて、 少なくとも１組のディスプレーサ接続部における作動ガ
   スの流路を、高温段側の蓄冷器における低温側端部から
   高温段側の膨張室へ接続する第１の作動ガス流路と、前
   記高温段側の蓄冷器における低温側端部から低温段側の
   蓄冷器へ直接接続する第２の作動ガス流路とに分岐させ
   ることにより、前記低温段側の蓄冷器への流入ガスの一
   部が、前記高温段側の膨張室内を経由せずに流入するよ
   うにしたことを特徴とするクライオポンプ。
2. 【請求項２】 請求項１記載のクライオポンプにおい
   て、 前記ディスプレーサ接続部は自在継手で構成されてお
   り、 前記第１の作動ガス流路は、高温段側のディスプレーサ
   における外筒の低温側端部に設けられた流路と、前記高
   温段側のディスプレーサにおける外筒の低温側端部と低
   温段側のディスプレーサにおける外筒の高温側端部との
   間の隙間流路とで形成され、 前記第２の作動ガス流路は、前記高温段側のディスプレ
   ーサにおける外筒の低温側端部に設けられた前記流路
   と、前記低温段側のディスプレーサにおける外筒の高温
   側端部内壁と前記自在継手との間の隙間流路とで形成さ
   れることを特徴とするクライオポンプ。
3. 【請求項３】 請求項１記載のクライオポンプにおい
   て、 前記ディスプレーサ接続部は自在継手で構成されてお
   り、 前記第１の作動ガス流路は、高温段側のディスプレーサ
   における外筒の低温側端部において径方向に貫通した少
   なくとも１つの穴と、高温段側のシリンダ内壁と前記高
   温段側のディスプレーサの外筒との隙間流路とで形成さ
   れ、 前記第２の作動ガス流路は、前記高温段側のディスプレ
   ーサにおける外筒の低温側端部に設けられた流路と、低
   温段側のディスプレーサにおける外筒の高温側端部内壁
   と前記自在継手との間の隙間流路とで形成されることを
   特徴とするクライオポンプ。
4. 【請求項４】 請求項１記載のクライオポンプにおい
   て、 前記第１の作動ガス流路は、高温段側のディスプレーサ
   における外筒の低温側端部のコーナ部において斜め方向
   に貫通し、前記高温段側の膨張室に連通する少なくとも
   １つの穴で形成され、 前記第２の作動ガス流路は、前記高温段側のディスプレ
   ーサにおける外筒の低温側端部に設けられた流路と、低
   温段側のディスプレーサにおける外筒の高温側端部内壁
   と前記自在継手との間の隙間流路とで形成されることを
   特徴とするクライオポンプ。