JP2012057920A - クライオポンプ及び極低温冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】適用対象により適合させた設計を可能とする極低温冷凍機、及びその冷凍機を適用したクライオポンプを提供する。
【解決手段】冷凍機５０は、連結される２つのディスプレーサの一方に内蔵される蓄冷材の端部が他方の内部に位置するまで一方を他方に入り込ませたディスプレーサ連結構造を備える。クライオポンプ１０は、低温クライオパネル６０と、低温クライオパネル６０よりも高温に冷却される放射シールド４０と、冷凍機５０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、クライオポンプ及び極低温冷凍機に関する。

例えば特許文献１には、第１段ディスプレーサと第２段ディスプレーサとの間の接続部における作動ガスの流路を２つの作動ガス流路に分岐させた冷凍機をもつクライオポンプが記載されている。第１の作動ガス流路は第１段蓄冷器における低温側端部から第１段膨張室へ接続する。第２の作動ガス流路は第１段蓄冷器における低温側端部から第２段蓄冷器へ直接接続する。第２の作動ガス流路により第２段蓄冷器への流入ガスの一部が第１段膨張室内を経由せずに流入する。

特開２００２−２４３２９４号公報

極低温冷凍機の典型的な適用対象の１つであるクライオポンプにおいては、冷凍機の第１段冷却ステージが有底筒状の第１段クライオパネルに取り付けられている。冷凍機の第２段冷却ステージは第１段クライオパネルの内側に配置されるから、第１段冷却ステージと第２段冷却ステージとをつなぐ第２段シリンダの長さは第１段クライオパネルの寸法によって制限され得る。第２段シリンダの長さは第１段冷却ステージと第２段冷却ステージとの温度差を決める主な要因の１つである。このように、冷凍機の適用対象に応じた構造上の要求と、冷凍機の冷凍性能に関する最適な設計とが必ずしも整合しないことがある。

本発明の目的の１つは、適用対象により適合させた設計を可能とする極低温冷凍機、及びその冷凍機を適用したクライオポンプを提供することにある。

本発明のある態様のクライオポンプは、低温クライオパネルと、低温クライオパネルよりも高温に冷却される高温クライオパネルと、低温クライオパネルを冷却するための低温冷却位置と高温クライオパネルを冷却するための高温冷却位置とを提供し、低温冷却位置と高温冷却位置とが長手方向に配列されている冷凍機と、を備えるクライオポンプであって、前記冷凍機は、前記長手方向に沿って互いに連結される第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサを備え、第２ディスプレーサに内蔵された蓄冷材の高温側末端が第１ディスプレーサに入り込むように第２ディスプレーサの高温端が第１ディスプレーサの低温端に収容され連結されている。

この態様によると、低温クライオパネル及び高温クライオパネルを冷却するために各々に対応する配置で低温冷却位置及び高温冷却位置が提供される。第２ディスプレーサを第１ディスプレーサに入り込ませることにより、第２ディスプレーサを長くすることができる。これにより、第２ディスプレーサの両端の温度差を大きくすることができる。よって、低温クライオパネル及び高温クライオパネルの位置関係をそのまま反映させた構造をもつ冷凍機に比べて、第２ディスプレーサによる冷却温度を低下させることができる。

また、第２ディスプレーサに内蔵された蓄冷材の高温側末端が第１ディスプレーサに入り込むようにしているので、第２ディスプレーサの蓄冷材の量を増やすことができる。このようにして、第２ディスプレーサによって実現される冷凍能力も向上させることができる。

本発明の別の態様は、極低温冷凍機である。この極低温冷凍機は、連結される２つのディスプレーサの一方に内蔵される蓄冷材の端部が他方の内部に位置するまで一方を他方に入り込ませたディスプレーサ連結構造を備える。

本発明によれば、適用対象により適合させた設計を可能とする極低温冷凍機、及びその冷凍機を適用したクライオポンプを提供することができる。

本発明の一実施形態に係るクライオポンプを模式的に示す図である。 本発明の一実施形態に係る冷凍機の要部を示す図である。 本発明の一実施形態に係る冷凍機の吸気工程の作動気体流れを示す図である。 本発明の一実施形態に係る冷凍機の排気工程の作動気体流れを示す図である。 他の一例の冷凍機の吸気工程の作動気体流れを示す図である。 他の一例の冷凍機の排気工程の作動気体流れを示す図である。

図１は、本発明の一実施形態に係るクライオポンプ１０を模式的に示す図である。クライオポンプ１０は、例えばイオン注入装置やスパッタリング装置等の真空チャンバに取り付けられて、真空チャンバ内部の真空度を所望のプロセスに要求されるレベルまで高めるために使用される。クライオポンプ１０は、クライオポンプ容器３０と、放射シールド４０と、冷凍機５０と、を含んで構成される。

冷凍機５０は、例えばギフォード・マクマホン式冷凍機（いわゆるＧＭ冷凍機）などの冷凍機である。冷凍機５０は、第１シリンダ１１、第２シリンダ１２、第１冷却ステージ１３、第２冷却ステージ１４、バルブ駆動モータ１６を備える。第１シリンダ１１と第２シリンダ１２は直列に接続される。第１シリンダ１１の第２シリンダ１２との結合部側には第１冷却ステージ１３が設置され、第２シリンダ１２の第１シリンダ１１から遠い側の端には第２冷却ステージ１４が設置される。

図１に示す冷凍機５０は、二段式の冷凍機であり、シリンダを直列に二段組み合わせてより低い温度を達成している。冷凍機５０は、三段のシリンダが直列に接続される三段式の冷凍機またはそれよりも多段の冷凍機であってもよい。冷凍機５０は冷媒管１８を介して圧縮機５２に接続される。

圧縮機５２は、例えばヘリウム等の冷媒ガス、すなわち作動気体を圧縮して、冷媒管１８を介して冷凍機５０に供給する。冷凍機５０は、作動気体を蓄冷器を通過させることにより冷却しつつ、まず第１シリンダ１１の内部の膨張室で、次いで第２シリンダ１２の内部の膨張室で膨張させてさらに冷却する。蓄冷器は膨張室内部に組み込まれている。これにより、第１シリンダ１１に設置される第１冷却ステージ１３は第１の冷却温度レベルに冷却され、第２シリンダ１２に設置される第２冷却ステージ１４は第１の冷却温度レベルよりも低温の第２の冷却温度レベルに冷却される。例えば、第１冷却ステージ１３は６５Ｋ〜１２０Ｋ程度、好ましくは８０Ｋ〜１００Ｋに冷却され、第２冷却ステージ１４は１０Ｋ〜２０Ｋ程度に冷却される。

こうして冷凍機５０は、低温クライオパネルを冷却するための低温冷却位置と高温クライオパネルを冷却するための高温冷却位置とを提供する。低温冷却位置と高温冷却位置とが長手方向すなわちシリンダ配列方向に配列されている。中間の冷却温度を提供する１つまたは複数の中間冷却位置が低温冷却位置と高温冷却位置との間に配列されていてもよい。

膨張室で順次膨張することで吸熱し、各冷却ステージを冷却した作動気体は、再び蓄冷器を通過し、冷媒管１８を経て圧縮機５２に戻される。圧縮機５２から冷凍機５０へ、また冷凍機５０から圧縮機５２への作動気体の流れは、冷凍機５０内のロータリバルブ（図示せず）により切り替えられる。バルブ駆動モータ１６は、外部電源から電力の供給を受けて、ロータリバルブを回転させる。

冷凍機５０を制御するための制御部２０が設けられている。制御部２０は、第１冷却ステージ１３または第２冷却ステージ１４の冷却温度に基づいて冷凍機５０を制御する。そのために、第１冷却ステージ１３または第２冷却ステージ１４に温度センサ２８が設けられていてもよい。制御部２０は、バルブ駆動モータ１６の運転周波数を制御することにより冷却温度を制御してもよい。そのために制御部２０は、バルブ駆動モータ１６を制御するためのインバータを備えてもよい。制御部２０は圧縮機５２を制御するよう構成されていてもよい。制御部２０はクライオポンプ１０に一体に設けられていてもよいし、クライオポンプ１０とは別体の制御装置として構成されていてもよい。

図１に示されるクライオポンプ１０は、いわゆる横型のクライオポンプである。横型のクライオポンプとは一般に、冷凍機の第２冷却ステージ１４が筒状の放射シールド４０の軸方向に交差する方向（通常は直交方向）に沿って放射シールド４０の内部に挿入されているクライオポンプである。なお、本発明はいわゆる縦型のクライオポンプにも同様に適用することができる。縦型のクライオポンプとは、放射シールドの軸方向に沿って冷凍機が挿入されているクライオポンプである。

クライオポンプ容器３０は、一端に開口を有し他端が閉塞されている円筒状の形状に形成された部位（以下、「胴部」と呼ぶ）３２を有する。開口は、スパッタ装置等の真空チャンバから排気されるべき気体が進入する吸気口３４として、設けられている。吸気口３４はクライオポンプ容器３０の胴部３２の上端部内面により画定される。また胴部３２には冷凍機５０を挿通するための開口３７が形成されている。胴部３２の開口３７には円筒状の冷凍機収容部３８の一端が取り付けられ、他端は冷凍機５０のハウジングに取り付けられている。冷凍機収容部３８は冷凍機５０の第１シリンダ１１を収容する。

またクライオポンプ容器３０の胴部３２の上端には径方向外側に向けて取付フランジ３６が延びている。クライオポンプ１０は、排気対象容積であるスパッタ装置等の真空チャンバに、取付フランジ３６を用いて取り付けられる。

クライオポンプ容器３０は、クライオポンプ１０の内部と外部とを隔てるために設けられている。上述のようにクライオポンプ容器３０は胴部３２と冷凍機収容部３８とを含んで構成されており、胴部３２及び冷凍機収容部３８の内部は共通の圧力に気密に保持される。クライオポンプ容器３０の外面は、クライオポンプ１０の動作中、すなわち冷凍機が作動している間も、クライオポンプ１０の外部の環境にさらされるため、放射シールド４０よりも高い温度に維持される。典型的にはクライオポンプ容器３０の温度は環境温度に維持される。ここで環境温度とは、クライオポンプ１０が設置されている場所の温度、またはその温度に近い温度をいい、例えば室温程度である。

放射シールド４０は、クライオポンプ容器３０の内部に配設されている。放射シールド４０は、一端に開口を有し他端が閉塞されている円筒状の形状、すなわちカップ状の形状に形成されている。放射シールド４０は、図１に示されるような一体の筒状に構成されていてもよく、また、複数のパーツにより全体として筒状の形状をなすように構成されていてもよい。これら複数のパーツは互いに間隙を有して配設されていてもよい。

クライオポンプ容器３０の胴部３２及び放射シールド４０はともに略円筒状に形成されており、同軸に配設されている。クライオポンプ容器３０の胴部３２の内径が放射シールド４０の外径を若干上回っており、放射シールド４０はクライオポンプ容器３０の胴部３２の内面との間に若干の間隔をもってクライオポンプ容器３０とは非接触の状態で配置される。すなわち、放射シールド４０の外面は、クライオポンプ容器３０の内面と対向している。なお、クライオポンプ容器３０の胴部３２および放射シールド４０の形状は、円筒形状には限られず、角筒形状や楕円筒形状などいかなる断面の筒形状でもよい。典型的には、放射シールド４０の形状はクライオポンプ容器３０の胴部３２の内面形状に相似する形状とされる。

放射シールド４０は、第２冷却ステージ１４およびこれに熱的に接続される低温クライオパネル６０を主にクライオポンプ容器３０からの輻射熱から保護する高温クライオパネルとして設けられている。放射シールド４０は、低温クライオパネル６０を包囲する。第２冷却ステージ１４は、放射シールド４０の内部において放射シールド４０のほぼ中心軸上に配置される。放射シールド４０は、第１冷却ステージ１３に熱的に接続された状態で固定され、第１冷却ステージ１３と同程度の温度に冷却される。

低温クライオパネル６０は、例えば複数のパネル６４を含む。パネル６４は例えば、それぞれが円すい台の側面の形状、いわば傘状の形状を有する。各パネル６４は、第２冷却ステージ１４に取り付けられているパネル取付部材６６に取り付けられている。各パネル６４には通常活性炭等の吸着剤（図示せず）が設けられている。吸着剤は例えばパネル６４の裏面に接着されている。

パネル取付部材６６は一端が閉塞され他端が開放されている円筒状の形状を有し、閉塞された端部が第２冷却ステージ１４の上端に取り付けられて円筒状側面が第２冷却ステージ１４を取り囲むように放射シールド４０の底部に向けて延びている。パネル取付部材６６の円筒状側面に複数のパネル６４が互いに間隔をあけて取り付けられている。パネル取付部材６６の円筒状側面には、冷凍機５０の第２シリンダ１２を通すための開口が形成されている。

放射シールド４０の吸気口には、真空チャンバ等からの輻射熱から第２冷却ステージ１４およびこれに熱的に接続される低温クライオパネル６０を保護するために、バッフル６２が設けられている。バッフル６２は、例えば、ルーバ構造やシェブロン構造に形成される。バッフル６２は、放射シールド４０の中心軸を中心とする同心円状に形成されていてもよいし、あるいは格子状等他の形状に形成されていてもよい。バッフル６２は放射シールド４０の開口側の端部に取り付けられており、放射シールド４０と同程度の温度に冷却される。なおバッフル６２と真空チャンバとの間にはゲートバルブ（図示せず）が設けられていてもよい。このゲートバルブは例えばクライオポンプ１０を再生するときに閉とされ、クライオポンプ１０により真空チャンバを排気するときに開とされる。

放射シールド４０の側面には冷凍機取付孔４２が形成されている。冷凍機取付孔４２は、放射シールド４０の中心軸方向に関して放射シールド４０側面の中央部に形成されている。放射シールド４０の冷凍機取付孔４２はクライオポンプ容器３０の開口３７と同軸に設けられている。冷凍機５０の第２シリンダ１２及び第２冷却ステージ１４は冷凍機取付孔４２から放射シールド４０の中心軸方向に垂直な方向に沿って挿入されている。放射シールド４０は、冷凍機取付孔４２において第１冷却ステージ１３に熱的に接続された状態で固定される。

なお放射シールド４０が第１冷却ステージ１３に直接取り付けられる代わりに、接続用のスリーブによって放射シールド４０が第１冷却ステージ１３に取り付けられてもよい。このスリーブは例えば、第２シリンダ１２の第１冷却ステージ１３側の端部を包囲し、放射シールド４０を第１冷却ステージ１３に熱的に接続するための伝熱部材である。

上記の構成のクライオポンプ１０による動作を以下に説明する。クライオポンプ１０の作動に際しては、まずその作動前に他の適当な粗引きポンプで真空チャンバ内部を１Ｐａ程度にまで粗引きする。その後クライオポンプ１０を作動させる。冷凍機５０の駆動により第１冷却ステージ１３及び第２冷却ステージ１４が冷却され、これらに熱的に接続されている放射シールド４０、バッフル６２、クライオパネル６０も冷却される。

冷却されたバッフル６２は、真空チャンバからクライオポンプ１０内部へ向かって飛来する気体分子を冷却し、その冷却温度で蒸気圧が充分に低くなる気体（例えば水分など）を表面に凝縮させて排気する。バッフル６２の冷却温度では蒸気圧が充分に低くならない気体はバッフル６２を通過して放射シールド４０内部へと進入する。進入した気体分子のうちクライオパネル６０の冷却温度で蒸気圧が充分に低くなる気体は、クライオパネル６０の表面に凝縮されて排気される。その冷却温度でも蒸気圧が充分に低くならない気体（例えば水素など）は、クライオパネル６０の表面に接着され冷却されている吸着剤により吸着されて排気される。このようにしてクライオポンプ１０は真空チャンバの真空度を所望のレベルに到達させることができる。

図２乃至図４は、本発明の一実施形態に係る冷凍機５０の要部を示す図である。それぞれ冷凍機５０の中心軸を含む断面を示す。図３は吸気工程における作動気体流れを矢印で模式的に示し、図４は排気工程における作動気体流れを矢印で模式的に示す。

冷凍機５０は、中心軸方向すなわち長手方向に沿って互いに連結される第１ディスプレーサ６８及び第２ディスプレーサ７０を備える。第１ディスプレーサ６８と第２ディスプレーサ７０とは連結部７２により連結される。冷凍機５０は、第２ディスプレーサ７０に内蔵される蓄冷材１１２の端部が第１ディスプレーサ６８の内部に位置するまで第２ディスプレーサ７０を第１ディスプレーサ６８に入り込ませたディスプレーサ連結構造を備える。

第１シリンダ１１と第２シリンダ１２とは一体に形成されており、第１シリンダ１１の低温端と第２シリンダ１２の高温端とが第１シリンダ底部７４により接続されている。第１シリンダ１１及び第２シリンダ１２はそれぞれかつ長手方向に直列に配列されている。第２シリンダ１２は第１シリンダ１１と同軸に配置され、第１シリンダ１１よりも小径の円筒部材である。第１シリンダ１１は第１ディスプレーサ６８を往復動可能に収容し、第２シリンダ１２は第２ディスプレーサ７０を往復動可能に収容する。

第１シリンダ１１の低温端の外周部に第１冷却ステージ１３が取り付けられ、第２シリンダ１２の低温端の外周部に第２冷却ステージ１４が取り付けられている。第１シリンダ底部７４は第１シリンダ１１と第２シリンダ１２とを各々の末端で接続する円環状の部材である。第２シリンダ１２の低温端は第２シリンダ底部７６で閉塞されている。第１シリンダ１１の高温端の外周部にはフランジ部７８が形成されている。

第１シリンダ１１の高温端に隣接して、バルブ駆動モータ１６やロータリバルブ、スコッチヨーク機構を備える駆動機構（図示せず）が設けられている。第１ディスプレーサ６８は、スコッチヨーク機構に接続されている。このスコッチヨーク機構は、バルブ駆動モータ１６により駆動される。モータの回転はスコッチヨーク機構により直線往復運動に変換され、これにより第１ディスプレーサ６８は第１シリンダ１１の内側面に沿って往復移動する。第１ディスプレーサ６８と第２ディスプレーサ７０とは連結されているため、第１ディスプレーサ６８に連動して第２ディスプレーサ７０も第２シリンダ１２の内側面に沿って往復移動する。

第１ディスプレーサ６８は、第１シリンダ１１の内部容積形状に対応して概ね円筒状に形成されている部材である。第１ディスプレーサ６８の最も大径の部分の外径は第１シリンダ１１の内径に実質的に等しいかわずかに小さいことにより、第１ディスプレーサ６８は第１シリンダ１１に沿って摺動可能または微小間隙を有して非接触に移動可能である。

第１ディスプレーサ６８は、第１高温端８０、第１円筒部分８２、及び第１低温端８４とを含んで構成される。第１高温端８０及び第１低温端８４はそれぞれ第１円筒部分８２の互いに対向する端面を閉塞する。後述するように、第１ディスプレーサ６８の内部と外部とを接続するための開口が第１高温端８０及び第１低温端８４のそれぞれに形成されている。第１円筒部分８２の内部に第１段の蓄冷材８６が充填されている。第１高温端８０、第１円筒部分８２、及び第１低温端８４に囲まれた第１ディスプレーサ６８の内部容積は、蓄冷材８６を保持する第１蓄冷器８８であるとも言える。

第１ディスプレーサ６８の第１高温端８０と第１円筒部分８２との接続部の径方向外側にシールを装着するための円環溝が形成されており、そこに円環状の第１シール９０が装着されている。第１シール９０は第１シリンダ１１に摺動可能に密着し、第１ディスプレーサ６８の外側での第１シリンダ１１の高温端と第１膨張空間９４との間の作動気体の流通を遮断する。第１ディスプレーサ６８の第１円筒部分８２の外周部分には極浅い凹部９２がシリンダ外部との断熱性を高めるために形成されている。第１低温端８４に隣接して、第１シリンダ１１の内部には第１膨張空間９４が形成されている。第１膨張空間９４は第１ディスプレーサ６８の往復運動により容積が変化する。

第１ディスプレーサ６８の第１高温端８０には、第１ディスプレーサ６８の外側（すなわち第１シリンダ１１の高温側）と第１蓄冷器８８との間で作動気体を流通させるための第１開口９６が形成されている。第１開口９６は、中心軸を取り巻く周方向に沿って複数箇所に設けられている。

第１ディスプレーサ６８の第１低温端８４には、第１蓄冷器８８と第１膨張空間９４との間で作動気体を流通させるための第２開口９８が形成されている。第２開口９８は、中心軸を取り巻く周方向に沿って第１低温端８４の外周部に複数箇所に設けられている。第２開口９８は、入口部分１００が第１蓄冷器８８の低温端に形成され、出口部分１０２が第１低温端８４の側面に形成されている。入口部分１００から出口部分１０２へと屈曲流路が第１低温端８４に形成される。入口部分１００及び出口部分１０２は便宜上そのように呼ぶにすぎず、第２開口９８は入口部分１００から出口部分１０２に向かう作動気体流れだけではなく、出口部分１０２から入口部分１００へ向かう作動気体流れも許容される。なお第２開口９８は屈曲流路でなくてもよく、第１蓄冷器８８の低温端において例えば中心軸方向またはその直交方向に沿って形成された直線的な貫通孔であってもよい。

第１ディスプレーサ６８の第１低温端８４は、第１円筒部分８２の低温側末端よりも若干小径とされている。これにより、第１低温端８４の側面と第１シリンダ１１の内面との間に第２開口９８と第１膨張空間９４とを接続する円環状の第１通路１０４が形成される。第１通路１０４は第１膨張空間９４の一部であるとみなすこともできる。第１通路１０４によって、第２開口９８の出口部分１０２が第１膨張空間９４に接続される。

第１通路１０４は第１冷却ステージ１３に沿って長手方向に延びている。図示されるように、第１冷却ステージ１３の長手方向の長さに、第２開口９８の出口部分１０２の長手方向の可動範囲が含まれている。よって、第１ディスプレーサ６８がいずれの長手方向位置にあるときでも第２開口９８の出口部分１０２には第１冷却ステージ１３が対向する。こうして、第１通路１０４を流れる作動気体と第１冷却ステージ１３とが第１シリンダ１１を通じて効率的に熱交換をすることができる。

このようにして第１ディスプレーサ６８から第２開口９８を通じて第１膨張空間９４に作動気体を流すための第１流路が形成されている。この第１流路は、圧縮機５２及び冷媒管１８から（図１参照）、第１開口９６、第１蓄冷器８８、第２開口９８、第１通路１０４を通じて第１膨張空間９４へと作動気体を送り届ける（図３参照）。また逆方向に第１膨張空間９４から圧縮機５２へと作動気体を戻す（図４参照）。

第２ディスプレーサ７０は、第２シリンダ１２の内部容積形状に対応して概ね円筒状に形成されている部材である。第２ディスプレーサ７０の最も大径の部分の外径は第２シリンダ１２の内径に実質的に等しいかわずかに小さいことにより、第２ディスプレーサ７０は第２シリンダ１２に沿って摺動可能または微小間隙を有して非接触に移動可能である。

第２ディスプレーサ７０は、第２高温端１０６、第２円筒部分１０８、及び第２低温端１１０とを含んで構成される。第２高温端１０６及び第２低温端１１０はそれぞれ第２円筒部分１０８の互いに対向する端面を閉塞する。後述するように、第２ディスプレーサ７０の内部と外部とを接続するための開口が第２高温端１０６及び第２低温端１１０のそれぞれに形成されている。第２円筒部分１０８の内部に第２段の蓄冷材１１２が充填されている。第２高温端１０６、第２円筒部分１０８、及び第２低温端１１０に囲まれた第２ディスプレーサ７０の内部容積は、蓄冷材１１２を保持する第２蓄冷器１１４であるとも言える。第２蓄冷器１１４の高温側には蓄冷材１１２をおさえるためのフェルトまたは金網１２４が設けられている。同様に低温側にも蓄冷材１１２をおさえるためのフェルトまたは金網が収容されていてもよい。

第２ディスプレーサ７０の第２円筒部分１０８の径方向外側にシールを装着するための円環溝が形成されており、そこに円環状の第２シール１１６が装着されている。第２シール１１６は第２ディスプレーサ７０の可動範囲にわたって第２シリンダ１２に摺動可能に密着し、第２ディスプレーサ７０の外側での第１膨張空間９４と第２膨張空間１２０との間の作動気体の流通を遮断する。第２ディスプレーサ７０の第２円筒部分１０８の外周部分には極浅い凹部１１８がシリンダ外部との断熱性を高めるために形成されている。第２低温端１１０に隣接して、第２シリンダ１２の内部には第２膨張空間１２０が形成されている。第２膨張空間１２０は第２ディスプレーサ７０の往復運動により容積が変化する。

第２ディスプレーサ７０の第２高温端１０６には、第２ディスプレーサ７０の外側（すなわち第１ディスプレーサ６８の低温側）と第２蓄冷器１１４との間で作動気体を流通させるための第３開口１２２が形成されている。第３開口１２２は、中心軸を取り巻く周方向に沿って複数箇所または全周に設けられている。

第２ディスプレーサ７０の第２低温端１１０には、第２蓄冷器１１４と第２膨張空間１２０との間で作動気体を流通させるための第４開口１２６が形成されている。第４開口１２６は、第２低温端１１０の側面の複数箇所に形成されている。第４開口１２６を第２膨張空間１２０に接続する流路も第１通路１０４と同様に第２冷却ステージ１４に沿って設けられており、第２膨張空間１２０から第２蓄冷器１１４に流れる作動気体と第２冷却ステージ１４とが効率的に熱交換をすることができる。

上述のように第１ディスプレーサ６８と第２ディスプレーサ７０とは連結部７２により長手方向に沿って互いに連結される。第２蓄冷器１１４の高温側末端が第１ディスプレーサ６８に入り込むように第２ディスプレーサ７０の第２高温端１０６が第１ディスプレーサ６８の第１低温端８４に収容されている。図示されるように、第２蓄冷器１１４の高温側の端面が第１低温端８４の端面よりも長さＡだけ入り込んでいる。そのために、第２ディスプレーサ７０の第２高温端１０６の端面は第１ディスプレーサ６８の第１低温端８４の端面よりも長さＢだけ入り込んでいる。長さＢは少なくとも１５ｍｍである。

第２ディスプレーサ７０を第１ディスプレーサ６８に入り込ませることにより、第２シリンダ１２の長さを長くすることなく第２ディスプレーサ７０を長くすることができる。第２ディスプレーサ７０が長くなることにより、第２ディスプレーサ７０の高温端と低温端との距離が広がるため、温度差を大きくすることができる。つまり低温端の温度をより低くすることが可能となる。また、第２蓄冷器１１４に充填される蓄冷材１１２を増量することができる。第２蓄冷器１１４の比熱が大きくなり、冷凍機５０の第２段の冷凍能力を増強することができる。

第２ディスプレーサ７０を第１ディスプレーサ６８に入り込ませることにより、既存のシリンダ形状及び寸法は維持できる。よって、ディスプレーサの可動範囲（いわゆるストローク）も保たれるので、冷凍機５０の駆動機構の設計の変更も要しない。また、既存のシリンダ形状及び寸法を保つことができるので、冷凍機５０が適用される装置構造の設計への影響は少ないか存在しない。例えばクライオポンプ１０においては放射シールド４０と低温クライオパネル６０との位置関係を保ったまま、低温クライオパネル６０の排気能力を向上することができる。

連結部７２は、コネクタ部材１２８を含む。第１ディスプレーサ６８の第１低温端８４と第２ディスプレーサ７０の第２高温端１０６とは円柱状または角柱状のコネクタ部材１２８を介して連結される。コネクタ部材１２８には、互いに直交する方向の２つの結合ピンが両端に挿通されており、一方のピンが第１ディスプレーサ６８の第１低温端８４とコネクタ部材１２８とを連結し、他方のピンが第２ディスプレーサ７０の第２高温端１０６とコネクタ部材１２８とを連結する。２つのピンの挿通方向はいずれも冷凍機５０の長手方向に直交する方向である。一実施例においては、連結部７２は、いわゆる自在継手を含んでもよい。

こうして第１ディスプレーサ６８とコネクタ部材１２８とは互いに結合ピンで揺動可能に接続され、第２ディスプレーサ７０とコネクタ部材１２８とはそれと直交する方向に結合ピンで揺動可能に接続されている。よって、冷凍機５０の組立工程において第１ディスプレーサ６８及び第２ディスプレーサ７０を第１シリンダ１１及び第２シリンダ１２へと挿入するときに、第１ディスプレーサ６８に対し第２ディスプレーサ７０はいくらかの相対移動または偏心が可能である。このため、シリンダ製造上の公差が緩和され、冷凍機５０の低コスト化に寄与する。

第１ディスプレーサ６８の第１低温端８４は、外周部１３０を有する。外周部１３０は、第１円筒部分８２から第１シリンダ底部７４に向けて突出する環状の凸部として形成されている。外周部１３０の側面は第１低温端８４の側面でもある。よって、外周部１３０の側面は第１シリンダ１１の内面に対向しており、外周部１３０の側面と第１シリンダ１１の内面との間に上述の第１通路１０４が形成される。外周部１３０に囲まれる中心部分は凹部１３２となっている。凹部１３２は第１蓄冷器８８に開放されている。あるいは、凹部１３２と第１蓄冷器８８の低温側末端とを接続する開口が第１低温端８４の中心部に、すなわち凹部１３２の上面に形成されていてもよい。

コネクタ部材１２８はこの凹部１３２に配置され、その全体が凹部１３２に収容されている。コネクタ部材１２８の第２ディスプレーサ７０との接続部は、第２ディスプレーサ７０の第３開口１２２に収容されている。コネクタ部材１２８の下端と第２蓄冷器１１４または金網１２４との間には空隙があり互いに接触していない。

第１低温端８４の凹部１３２は、第２ディスプレーサ７０を受け入れるために形成されている。第２ディスプレーサ７０の高温側、具体的には第２高温端１０６と第２円筒部分１０８の高温側末端とが凹部１３２に遊挿されている。つまり、いくらかの遊びをもって挿入されている。よって、凹部１３２の側面と第２ディスプレーサ７０の第２高温端１０６及び第２円筒部分１０８の側面との間には隙間Ｇが形成される。凹部１３２の径と第２円筒部分１０８の径との差が隙間Ｇとなる。隙間Ｇは大きくても１ｍｍ以内、好ましくは０．５ｍｍ以内とされる。

よって、第１ディスプレーサ６８から凹部１３２を通じて第２ディスプレーサ７０に作動気体を流すための直通流路が形成されている。この直通流路は、圧縮機５２及び冷媒管１８から（図１参照）、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、第４開口１２６を通じて第２膨張空間１２０へと作動気体を送り届ける（図３参照）。また逆方向に第２膨張空間１２０から圧縮機５２へと作動気体を戻す（図４参照）。

第１ディスプレーサ６８と第２ディスプレーサ７０との間での作動気体の流通はこの直通流路を通じた流れが支配的となるように隙間Ｇの寸法が調整されている。このようにすれば、第１蓄冷器８８と第２蓄冷器１１４との間の作動気体流れの隙間Ｇを通じた漏れを抑制することができる。第１膨張空間９４を経由せずに第１蓄冷器８８から第２蓄冷器１１４へと直接流入する作動気体を多くすることができる。

隙間Ｇは凹部１３２から第１膨張空間９４に通じている。第１膨張空間９４は、第１ディスプレーサ６８、第１シリンダ１１、及び第２ディスプレーサ７０で囲まれる領域である。具体的には、第１膨張空間９４は、第１ディスプレーサ６８の第１低温端８４と、第１シリンダ１１の内面と、第１ディスプレーサ６８の凹部１３２から延びている第２ディスプレーサ７０の第２円筒部分１０８と、により画定される。

第１膨張空間９４と第１ディスプレーサ６８との間での作動気体の流通は第２開口９８を通じた流れが支配的となるよう隙間Ｇの寸法が調整されている。すなわち、第１ディスプレーサ６８から第２開口９８を通じて第１膨張空間９４に流入した作動気体は、再び第２開口９８を通じて第１ディスプレーサ６８に戻される。第１膨張空間９４を経由し隙間Ｇを通じて凹部１３２に流入する流れは十分に抑制されている。

このようにして、第１膨張空間９４への作動気体流れと第２膨張空間１２０への作動気体流れとが分離されている。よって、第１膨張空間９４に流入し第１冷却ステージ１３と熱交換をした作動気体の第２ディスプレーサ７０への流入は抑制されている。第１ディスプレーサ６８から供給され第２膨張空間１２０に直接向かう作動気体は、第１膨張空間９４を経由しない。こうして、冷凍機５０の第１段の冷却温度が第２段の冷凍能力に与える影響を小さくすることができる。

このように流れを分離する構成は、異なる冷却ステージに要求される温度差が大きい場合に特に好ましい。比較的高温に冷却される冷却ステージ及びその熱交換部（すなわち膨張空間）を経由して次段のより低温の冷却ステージ及びその熱交換部に作動気体が向かう場合には、前段の高温が後段に与える影響が大きくなる。流れを分離することにより、後段の冷凍能力への影響を抑えることができる。

よって、例えば二段式の冷凍機５０においては、第１段の冷却温度が８０Ｋ以上好ましくは１００Ｋ以上とされ、第２段の冷却温度が３０Ｋ以下好ましくは２０Ｋ以下とされる場合に上述の流れ分離構成を採用することが好ましい。また、隣り合う冷却段の温度差が少なくとも５０Ｋ以上、好ましくは８０Ｋ以上と大きくなる場合に流れ分離構成を採用することが好ましい。

また、第２膨張空間１２０への直通流路を第１ディスプレーサ６８から流れ出る作動気体の流れ方向と、第１膨張空間９４へ向けて第１ディスプレーサ６８から流れ出る作動気体の流れ方向とをそろえるように各流路が構成されている。凹部１３２は第１蓄冷器８８から第２蓄冷器１１４に向かう流れを長手方向に流すよう形成されており、第２開口９８の入口部分１００も第１蓄冷器８８からの流れを長手方向に流すよう形成されている。凹部１３２及び第２開口９８の入口部分１００はシリンダの中心軸方向に平行に形成された開口部である。なお上述のように第２開口９８に流入した作動気体は第２開口９８の内部で径方向外向きに折り曲げられ出口部分１０２から流出する。つまり第１蓄冷器８８の外部で流れ方向が変更されている。

このように第１蓄冷器８８の低温端から外側への流れ方向を揃えるように開口を形成することにより、第１蓄冷器８８の低温端における作動気体の流れの均一性を向上することができる。作動気体流れの均一性をよくすることにより、第１蓄冷器８８の低温端における温度分布の均一性も良好となる。これは、第１蓄冷器８８の低温端において全体的に低温を保つことに寄与すると考えられる。

冷凍機５０の動作を説明する。図３に示す吸気工程及び図４に示す排気工程を１サイクルとし、冷凍機５０はこれを繰り返す。吸気工程のある時点においては第１ディスプレーサ６８及び第２ディスプレーサ７０はそれぞれ、第１シリンダ１１及び第２シリンダ１２内の下死点に位置する。それと同時にまたはわずかにタイミングをずらしてロータリバルブにより圧縮機５２の吐出側とシリンダ内部容積とが接続されることにより、圧縮機５２から高圧の作動気体例えばヘリウムガスが第１ディスプレーサ６８に流入する。高圧のヘリウムガスは、第１開口９６から第１蓄冷器８８に流入し、蓄冷材８６によって冷却される。冷却されたヘリウムガスの一部は、第２開口９８、第１通路１０４を通じて第１膨張空間９４に流入する。

冷却されたヘリウムガスの残りは、第１ディスプレーサ６８の凹部１３２及び第２ディスプレーサ７０の第３開口１２２を通じて第２蓄冷器１１４に流入する。内部の蓄冷材１１２によってヘリウムガスは冷却され、第４開口１２６を通じて第２膨張空間１２０へと流入する。こうして、第１膨張空間９４及び第２膨張空間１２０はそれぞれ高圧状態となる。第１ディスプレーサ６８及び第２ディスプレーサ７０が上死点へと移動することにより、第１膨張空間９４及び第２膨張空間１２０は拡張される。拡張された第１膨張空間９４及び第２膨張空間１２０は高圧のヘリウムガスで満たされる。

排気工程のある時点においては第１ディスプレーサ６８及び第２ディスプレーサ７０はそれぞれ、第１シリンダ１１及び第２シリンダ１２内の上死点に位置する。それと同時にまたはわずかにタイミングをずらしてロータリバルブの回転により圧縮機５２の吸入側とシリンダ内部容積とが接続される。第１膨張空間９４及び第２膨張空間１２０のヘリウムガスは減圧され膨張する。膨張によりヘリウムガスは低圧となり寒冷が発生する。第１膨張空間９４のヘリウムガスは第１冷却ステージ１３から熱を吸収して冷却し、第２膨張空間１２０のヘリウムガスは第２冷却ステージ１４から熱を吸収して冷却する。

第１ディスプレーサ６８及び第２ディスプレーサ７０は下死点へ向けて移動され、第１膨張空間９４及び第２膨張空間１２０は縮小される。第１膨張空間９４から第１通路１０４、第２開口９８、第１蓄冷器８８、及び第１開口９６を通じて圧縮機５２へと低圧のヘリウムガスは回収される。また、第２膨張空間１２０から第４開口１２６、第２蓄冷器１１４、第３開口１２２、凹部１３２、第１蓄冷器８８、及び第１開口９６を通じて圧縮機５２へと低圧のヘリウムガスは回収される。このとき第１蓄冷器８８の蓄冷材８６及び第２蓄冷器１１４の蓄冷材１１２も冷却される。

図５は典型的な他の冷凍機１５０の吸気工程を示し、図６はその冷凍機１５０の排気工程を示す図である。この冷凍機１５０は第１ディスプレーサ１６８と第２ディスプレーサ１７０との連結部１７２に関して上述の図２に示す冷凍機５０とは構成が異なる。第１シリンダ１１、第２シリンダ１２、第１冷却ステージ１３、及び第２冷却ステージ１４については、図２に示す冷凍機５０と図５、図６に示す冷凍機１５０とで同一の寸法及び形状とされている。

図５及び図６に示されるように、冷凍機１５０においては、第１ディスプレーサ１６８と第２ディスプレーサ１７０との間の空間である連結用凹み１４０が第１膨張空間１９４と第２蓄冷器１１４とを接続する流路として形成されている。よって、第２ディスプレーサ１７０の高温端は第１ディスプレーサ１６８の低温端の連結用凹み１４０にわずかに進入している。進入量はせいぜい１０ｍｍである。よって、第２蓄冷器１１４は、第１ディスプレーサ１６８の外側に位置している。

第２ディスプレーサ１７０への十分な流れを保証するために、進入部分における第２ディスプレーサ１７０と第１ディスプレーサ１６８との間隔は少なくとも、２ｍｍ乃至３ｍｍよりも大きくされる。なお組付作業時の２つのディスプレーサ間の相対移動量を大きくとることを重視する場合には、第２ディスプレーサ１７０の高温端は第１ディスプレーサ１６８の低温端に進入せず連結用凹み１４０の外側に配置される。

よって、吸気工程における作動気体流れは、第１開口９６、第１蓄冷器８８、第２開口１９８、第１膨張空間１９４、連結用凹み１４０、第２蓄冷器１１４を経て第２膨張空間１２０へと供給される（図５参照）。排気工程における作動気体流れはこれとは逆方向となり、第２膨張空間１２０から第１開口９６へと戻される（図６参照）。このように、第１蓄冷器８８と第２蓄冷器１１４との間の作動気体流れは第１膨張空間１９４を経由する。このため、冷凍機１５０の第２段の冷凍性能は第１段の冷却温度の影響を受けやすい。

なお冷凍機１５０においては、第１ディスプレーサ１６８の第１蓄冷器８８を第１膨張空間１９４に連通させるための第２開口１９８が第１ディスプレーサ１６８の低温側側面に形成されている。第２開口１９８は、冷凍機１５０の中心軸から放射状に第１ディスプレーサ１６８の側面の複数箇所に形成されている。この第２開口１９８は、図２に示す冷凍機５０に採用することも可能である。

図５及び図６に示す冷凍機１５０との対比からわかるように、図２乃至図４に示す冷凍機５０の連結部７２は、第１ディスプレーサ６８に隣接する第１膨張空間９４から第２ディスプレーサ７０へと通じる隙間Ｇの気体流れをシールするシール構造を有するとも言える。このシール構造は、隣接する２つのディスプレーサのうち一方の端部がそれを受け入れる他方の凹部に遊挿されており、それらの隙間がディスプレーサ連結構造の外部との作動気体流れをシールするためのクリアランスとして調整されている。このクリアランスは、冷凍機の組立作業のときのわずかな相対変位を許容するためのクリアランスとして設けられている。

このシール構造のシール性を表す１つの指標として、第２ディスプレーサ７０の入り込み長さＢと隙間Ｇとの比Ｘが考えられる。すなわちＸ＝Ｂ／Ｇである。第２ディスプレーサ７０の入り込み長さＢが大きく、隙間Ｇが小さい場合には、比Ｘの値は大きくなる。この場合、第１膨張空間９４と第２蓄冷器１１４とをつなぐ経路は蛇行の程度がきつくなるから、作動気体は流れにくくなる。逆に、第２ディスプレーサ７０の入り込み長さＢが小さく、隙間Ｇが大きい場合には、比Ｘの値は小さくなる。この場合、蛇行経路は緩くなるから、作動気体は流れやすくなる。

一実施例においては、比Ｘは少なくとも１０以上であることが好ましい。入り込み長さＢが１５ｍｍ、隙間Ｇが１ｍｍである場合には、比Ｘは１５となり、入り込み長さＢが１５ｍｍ、隙間Ｇが０．５ｍｍである場合には、比Ｘは３０となる。よって、比Ｘは少なくとも３０以上であることがより好ましい。これに対して、図５及び図６に示される冷凍機１５０のように、入り込み長さＢが１０ｍｍ、隙間Ｇが２ｍｍ乃至３ｍｍである場合には、比Ｘは約３．３乃至５となる。このようにして、典型的な冷凍機の連結部分に比べて、比Ｘの値を１０倍以上の大きさとすることにより、十分なシール性を実現することが可能となる。

好ましい一実施例においては、入り込み長さＢが少なくとも１５ｍｍであり、かつ比Ｘが少なくとも１０以上好ましくは３０以上である。第２ディスプレーサ７０の入り込み長さＢを少なくとも１５ｍｍとする前提で比Ｘの下限値を設定することにより、隙間Ｇを十分に狭くすることができる。

説明したように、本発明の一実施形態によれば、２つの冷却ステージ位置及びシリンダ寸法が概ね定められている冷凍機の構成において、第２ディスプレーサ７０をより長くすることができる。これにより、高温端と低温端の距離を長くして温度差を大きくすることができる。また、内蔵する蓄冷材を増量して冷凍能力を向上させることもできる。クライオポンプは位置関係が定められている放射シールドとその内部のクライオパネルとを備えるから、このような冷凍機の好ましい適用対象となる。特に、放射シールドとその内部のクライオパネルとの温度差を大きくとることが求められる場合に好適である。

１０ クライオポンプ、 １１ 第１シリンダ、 １２ 第２シリンダ、 １３ 第１冷却ステージ、 １４ 第２冷却ステージ、 ２０ 制御部、 ３０ クライオポンプ容器、 ４０ 放射シールド、 ５０ 冷凍機、 ６０ 低温クライオパネル、 ６８ 第１ディスプレーサ、 ７０ 第２ディスプレーサ、 ７２ 連結部、 ８８ 第１蓄冷器、 １１４ 第２蓄冷器、 １３２ 凹部、 Ｇ 隙間。

Claims (7)

1. 低温クライオパネルと、
   低温クライオパネルよりも高温に冷却される高温クライオパネルと、
   低温クライオパネルを冷却するための低温冷却位置と高温クライオパネルを冷却するための高温冷却位置とを提供し、低温冷却位置と高温冷却位置とが長手方向に配列されている冷凍機と、を備えるクライオポンプであって、
   前記冷凍機は、前記長手方向に沿って互いに連結される第１ディスプレーサ及び第２ディスプレーサを備え、第２ディスプレーサに内蔵された蓄冷材の高温側末端が第１ディスプレーサに入り込むように第２ディスプレーサの高温端が第１ディスプレーサの低温端に収容され連結されていることを特徴とするクライオポンプ。
2. 第２ディスプレーサは第１ディスプレーサに少なくとも１５ｍｍ入り込んでいることを特徴とする請求項１に記載のクライオポンプ。
3. 第１ディスプレーサの低温端には第２ディスプレーサを受け入れる凹部が形成され、第２ディスプレーサの高温端は該凹部に遊挿されており、
   第１ディスプレーサから前記凹部を通じて第２ディスプレーサに作動気体を流すための直通流路が形成されており、第１ディスプレーサと第２ディスプレーサとの間で該直通流路を通じた流れが支配的となるよう第２ディスプレーサの高温端と前記凹部との隙間が調整されていることを特徴とする請求項１または２に記載のクライオポンプ。
4. 第１ディスプレーサの低温端には、隣接する第１膨張空間に作動気体を導くための開口が形成されており、該第１膨張空間と第１ディスプレーサとの間で前記開口を通じた流れが支配的となるよう前記隙間が調整されていることを特徴とする請求項３に記載のクライオポンプ。
5. 前記直通流路を第１ディスプレーサから流れ出る流れ方向と前記開口を第１ディスプレーサから流れ出る流れ方向とをそろえるように前記開口の向きが定められていることを特徴とする請求項４に記載のクライオポンプ。
6. 前記冷凍機は、第１ディスプレーサと第２ディスプレーサとを連結し、第１ディスプレーサに隣接する第１膨張空間から第２ディスプレーサへと通じる間隙をシールするシール構造を有する連結部を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のクライオポンプ。
7. 連結される２つのディスプレーサの一方に内蔵される蓄冷材の端部が他方の内部に位置するまで一方を他方に入り込ませたディスプレーサ連結構造を備えることを特徴とする極低温冷凍機。

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