JP2021196091A - 冷凍機、クライオポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】キャップの偏摩耗を防止する。【解決手段】第１段ディスプレーサ２は、小径部３３と大径部３４とを有し、小径部３３の外周面には第１段Ｏ−リング１と補助リング１３ａとが配置され、第１段Ｏ−リング１の外周には第１段キャップ２１が配置されている。補助リング１３ａの外径と第１段キャップ２１の外径とは大径部３４の外径よりも大きく、シリンダ１００が横設された際には、補助リング１３ａが第１シリンダ３の内周側面に接触して第１、第２ディスプレーサ２、４の重量が支持される。【選択図】図３

Description

本発明は、冷凍機と、その冷凍機を用いたクライオポンプとに関する。

従来の背景技術を、２段式ギフォード・マクマホン（ＧＭ）冷凍機を例として説明する。ＧＭ冷凍機では一般的に、図９に示すように、ヘリウムガスを圧縮するコンプレッサ２０６と、高圧側・低圧側を切り替えるバルブ機構２０７と、筒形形状の第１、第２段シリンダ２０３、２０５と、第１、第２段シリンダ２０３、２０５の内部にそれぞれ配置された第１、第２段ディスプレーサ２０２、２０４と、第１、第２段ディスプレーサ２０２、２０４の内部にそれぞれ配置された第１段、第２段蓄冷器２０８、２１０と、第１、第２段ディスプレーサ２０２、２０４を往復させる駆動機構２１３とを有している。

第１段シリンダ２０３の端面を塞ぐ第１段フランジ２２０と第１段ディスプレーサ２０２との間に形成される導入空間２１２に、コンプレッサ２０６によって第１段フランジ２２０に設けられたガス導入口を通過させてヘリウムガスを導入し、ヘリウムガスを、導入孔２２４、第１通過孔２２５、第２通過孔２２６、第３通過孔２２７とを通過させ、第１段膨張空間２０９と第２段膨張空間２１１に移動させた後、膨張させ、冷凍作用を発生させている。

第１段ディスプレーサ２０２では、第１段膨張空間２０９と室温部分とを隔てるシールとして、Ｏ−リング２０１と、Ｏ−リング２０１に被せた樹脂製の第１段キャップ２２１とが設けられている。

このようなＧＭ冷凍機２００を水平姿勢で使用するときには、第１段蓄冷器２０８が横倒しとなり、内蔵した第１、第２段ディスプレーサ２０２、２０４の自重によって第１段キャップ２２１の下方側に偏荷重が加わる。

すると、偏荷重により、第１段キャップ２２１に偏摩耗が発生する。その結果、偏摩耗によりシール性能が低下するため、シール交換のためのメンテナンスが必要となり、水平姿勢で使用した場合のメンテナンス間隔が短くなる。

上記の偏荷重に伴う偏摩耗を軽減する方策として、下記特許文献１に記載されたように、図９のＧＭ冷凍機２００では、Ｏ−リング２０１と第１段キャップ２２１の下方に円周方向の溝２２３を形成し、溝２２３の中に、図８(ｃ)に示すような樹脂製のリングであるウェアーリング２２２をはめ込み、偏荷重を支えるようにしている。

ウェアーリング２２２について、下記特許文献１には、第１段キャップ２２１の偏摩耗を軽減するほかに、補助的シール作用を行うという効果が記載されている。

特許第３８９５５５２号公報

しかしながら上記ウェアーリング２２２は、第１段キャップ２２１と距離が離間しているため、ウェアーリング２２２を支点とする傾きによって第１段キャップ２２１に対する偏荷重が残ってしまう。

また、第１段ディスプレーサ２０２の溝２２３にはめ込むために、切れ込み２１４（図８（Ｃ））が形成されており、シール効果を十分に発揮できないという問題もある。

本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、第１段キャップの偏摩耗を防止することにある。又、他の目的はシール効果を向上させることにある。

本発明は、上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、筒形形状の第１段シリンダと、前記第１段シリンダの内部に配置された筒形形状の第１段ディスプレーサと、前記第１段シリンダの端面である第１段フランジと、前記第１段シリンダ内に位置し、前記第１段ディスプレーサの端面に取り付けられた押え板と、前記第１段ディスプレーサの内部に配置された第１段蓄冷器と、前記第１段ディスプレーサを、前記第１段シリンダの中心軸線に沿った方向に往復移動させる往復移動機構と、を有し、前記第１段フランジと前記第１段ディスプレーサとの間に形成された導入空間に高圧ヘリウムガスが導入された後、前記第１段ディスプレーサが前記第１段フランジの方向に移動して、前記導入空間に導入された高圧ヘリウムガスを、前記第１段シリンダの内部のうち前記導入空間とは反対側に形成された第１段膨張空間に前記第１段ディスプレーサの内部を通過させて前記第１段蓄冷器に接触させながら移動させる往動と、前記第１段膨張空間に移動した前記高圧ヘリウムガスを、膨張させながら前記第１段ディスプレーサの内部を通過させて前記第１段蓄冷器を冷却した後、前記第１段ディスプレーサを前記第１段フランジから離間する方向に移動させる復動とを繰り返す冷凍機であって、前記第１段ディスプレーサは、一端が前記押え板に着脱可能に取り付けられた小径部と、前記小径部の他端に位置し、前記小径部よりも大径の大径部と、を有し、前記小径部には、第１段シール部材の内周と、樹脂製で環状形形状の補助リングとの内周面とが前記小径部の外周面に接触して配置され、前記第１段シール部材と前記補助リングとは外周面が前記第１段シリンダの内周面に接触する大きさに形成され、前記大径部は、外周面の径が前記第１段シリンダの内周面の径よりも小さい大きさに形成された冷凍機である。
また、本発明は、筒形形状の第１段シリンダと、前記第１段シリンダの内部に配置された筒形形状の第１段ディスプレーサと、前記第１段シリンダの端面である第１段フランジと、前記第１段シリンダ内に位置し、前記第１段ディスプレーサの端面に取り付けられた押え板と、前記第１段ディスプレーサの内部に配置された第１段蓄冷器と、前記第１段ディスプレーサを、前記第１段シリンダの中心軸線に沿った方向に往復移動させる往復移動機構と、を有し、前記第１段フランジと前記第１段ディスプレーサとの間に形成された導入空間に高圧ヘリウムガスが導入された後、前記第１段ディスプレーサが前記第１段フランジの方向に移動して、前記導入空間に導入された高圧ヘリウムガスを、前記第１段シリンダの内部のうち前記導入空間とは反対側に形成された第１段膨張空間に前記第１段ディスプレーサの内部を通過させて前記第１段蓄冷器に接触させながら移動させる往動と、前記第１段膨張空間に移動した前記高圧ヘリウムガスを、膨張させながら前記第１段ディスプレーサの内部を通過させて前記第１段蓄冷器を冷却した後、前記第１段ディスプレーサを前記第１段フランジから離間する方向に移動させる復動とを繰り返す冷凍機であって、前記第１段ディスプレーサは、一端が前記押え板に着脱可能に取り付けられた小径部と、前記小径部の他端に位置し、前記小径部よりも大径の大径部と、を有し、前記小径部には、第１段シール部材の内周と、樹脂製で環状形形状の補助リングとの内周面とが前記小径部の外周面に接触して配置され、前記第１段シール部材と前記補助リングとは外周面が前記第１段シリンダの内周面に接触する大きさに形成され、前記大径部は、外周面の径が前記第１段シリンダの内周面の径よりも小さい大きさに形成され、前記押え板は、前記小径部と同じかわずかに小さい外径を有する板小径部と、前記板小径部より大きい外径を有する板大径部とを有し、前記小径部の端面と前記板小径部の端面とは接触され、前記補助リングは内周面が、前記小径部の外周面に接触し、外周面は前記第１段シリンダの内周面と接触するようにされた冷凍機である。
また、本発明は、筒形形状の第１段シリンダと、前記第１段シリンダの内部に配置された筒形形状の第１段ディスプレーサと、前記第１段シリンダの端面である第１段フランジと、前記第１段シリンダ内に位置し、前記第１段ディスプレーサの端面に取り付けられた押え板と、前記第１段ディスプレーサの内部に配置された第１段蓄冷器と、前記第１段ディスプレーサを、前記第１段シリンダの中心軸線に沿った方向に往復移動させる往復移動機構と、を有し、前記第１段フランジと前記第１段ディスプレーサとの間に形成された導入空間に高圧ヘリウムガスが導入された後、前記第１段ディスプレーサが前記第１段フランジの方向に移動して、前記導入空間に導入された高圧ヘリウムガスを、前記第１段シリンダの内部のうち前記導入空間とは反対側に形成された第１段膨張空間に前記第１段ディスプレーサの内部を通過させて前記第１段蓄冷器に接触させながら移動させる往動と、前記第１段膨張空間に移動した前記高圧ヘリウムガスを、膨張させながら前記第１段ディスプレーサの内部を通過させて前記第１段蓄冷器を冷却した後、前記第１段ディスプレーサを前記第１段フランジから離間する方向に移動させる復動とを繰り返す冷凍機であって、前記第１段ディスプレーサは、一端が前記押え板に着脱可能に取り付けられた小径部と、前記小径部の他端に位置し、前記小径部よりも大径の大径部と、を有し、前記小径部には、第１段シール部材の内周と、樹脂製で環状形形状の補助リングとの内周面とが前記小径部の外周面に接触して配置され、前記第１段シール部材と前記補助リングとは外周面が前記第１段シリンダの内周面に接触する大きさに形成され、前記大径部は、外周面の径が前記第１段シリンダの内周面の径よりも小さい大きさに形成され、前記押え板は、前記小径部より小さい外径を有する板小径部と、前記板小径部より大きい外径を有する板大径部とを有し、前記小径部の端面と前記板小径部の端面とは接触され、前記補助リングは、前記小径部の外周面に接触して配置された補助リング大内径部と前記板小径部の外径より大きく、前記補助リング大内径部よりも小さい内径の補助リング小内径部とを有し、前記補助リング大内径部の外径と前記補助リング小内径部の外径とは同じ大きさにされており、前記補助リング大内径部の外周面と前記補助リング小内径部の外周面とは前記第１段シリンダの内周面と接触する冷凍機である。
また、本発明は、上記いずれかの冷凍機であって、前記補助リングは前記第１段シール部材よりも前記押え板に近い位置に配置された冷凍機である。
また、本発明は真空室内の気体を真空排気するクライオポンプであって、前記クライオポンプは、上述したいずれかの冷凍機と、前記冷凍機によって冷却され、前記真空室内の気体を凝縮もしくは吸着して除去するクライオパネルを有するクライオポンプである。

＜冷凍機の動作原理＞
１段式冷凍機を例にとって、冷凍機の冷凍サイクルを説明する。

図６(ａ)〜図６(ｄ)は、冷凍機の動作を説明するための図であり、図７は、その冷凍機のＧＭサイクルの作動原理を説明するためのグラフである。

図６(ａ)〜図６(ｄ)を参照し、冷凍機はシリンダ１０１を有しており、シリンダ１０１の内部には、ディスプレーサ１０２が配置されている。

ここで、シリンダ１０１の一端を低温部側１１３、他端を室温部側１１４とすると、１サイクルの開始時には、排出バルブ１０９と吸入バルブ１１８とは閉じられ、ディスプレーサ１０２はシリンダ１０１の低温部側１１３に位置しているものとする。この状態の体積と圧力の関係は、図７のグラフ上では、Ａの点に位置している。

次いで、排出バルブ１０９は閉じられた状態で、図６(ａ)に示すように、ディスプレーサ１０２はシリンダ１０１の低温部側１１３に位置し、シリンダ１０１とディスプレーサ１０２との間に導入空間１１２が形成されている状態で吸入バルブ１１８を開け、圧縮機１０６の高圧部側１１６から高圧のＨｅガスを放出すると、高圧のＨｅガスは、導入空間１１２に導入され、導入空間１１２の圧力が上昇する。圧力が上昇中の状態では、体積と圧力の関係は、図７のグラフの(ａ)の直線上を移動する。

そして、シリンダ１０１が高圧のＨｅガスで充填されると、導入空間１１２は高圧になる。この状態は、図７のグラフのＢの点に位置している。

次に、図６(ｂ)に示すように、低温部側１１３に位置するディスプレーサ１０２の室温部側１１４への移動を開始すると、室温部側１１４に充填されたＨｅガスは、ディスプレーサ１０２の移動に伴って導入空間１１２から押し出され、蓄冷器１０４を通り、蓄冷器１０４で冷却されながら、低温部側１１３とディスプレーサ１０２の間の膨張空間１０７に充填される。充填中の状態は、図７のグラフの(ｂ)の直線を移動する。

ディスプレーサ１０２が室温部側１１４に到着して導入空間１１２の容積が無くなったときには、膨張空間１０７は最大容積となる。このときは、図７のグラフのＣの点に位置している。

次いで、吸入バルブ１１８を閉じ、排出バルブ１０９を開け、膨張空間１０７に位置する高圧のＨｅガスを膨張空間１０７から放出させる。放出中は、図７のグラフの(ｃ)の直線上を移動する。

放出されたＨｅガスはサイモン膨張により温度が低下し、温度が低下したＨｅガスは、蓄冷器１０４を通るときに蓄冷器１０４を冷却しながら圧縮機１０６に戻り、膨張空間１０７内は、最低圧力になる。その状態では、図７のグラフのＤ点に位置している。

次いで、ディスプレーサ１０２を室温部側１１４から低温部側１１３に向けて移動させると、ディスプレーサ１０２の移動によって、膨張空間１０７内に位置するＨｅガスは膨張空間１０７から放出され、放出されたＨｅガスは、蓄冷器１０４を冷却しながら導入空間１１２並びに排出バルブ１０９を通過して圧縮機１０６の低圧側１１７に移動する。ディスプレーサ１０２の移動による放出中は、図７のグラフの(ｄ)の直線上を移動する。

そして、ディスプレーサ１０２が低温部側１１３に到着すると、１サイクルが終了し、排出バルブ１０９が閉じられると、最初の状態に戻る。

ＧＭ冷凍機はこのような冷凍サイクルを繰り返すことで極低温が得られている。

以上は蓄冷器１０４をシリンダ１０１の外部に配置して説明したが、設置面積を小さくするために、実際の冷凍機では蓄冷器１０４はディスプレーサ１０２の内部に配置されている。

また、以上は１段式冷凍機について説明したが、２段式冷凍機の場合は１段目は冷凍能力が大きく低温端が８０Ｋ以下に冷却され、２段目は冷凍能力は小さいが低温端は１２Ｋまで冷却される。

クライオポンプに用いた場合は、１段目の蓄冷器では８０Ｋの温度まで冷却される低温シールドと低温バッフルを冷却して主にＨ₂Ｏを凝縮する。２段目の蓄冷器は１５Ｋの温度まで冷却されるクライオパネルを冷却してＮ₂，Ｏ₂，Ａｒを凝縮し、吸着剤によってＮｅ、Ｈｅ、Ｈ₂を吸着して排気する。

本発明によれば、キャップシールに近接するリングで偏荷重を支え、リングに切れ目を要しないので、ディスプレーサと蓄冷器とを有する冷凍機（ギフォード・マクマホン式冷凍機（以下GM冷凍機）、ソルベー冷凍機・スターリング冷凍機等）のディスプレーサ（２段式冷凍機では高温側の１段目のディスプレーサ）に設置されるキャップシールの寿命が長くなり、シール性も向上する。

特に、径方向の位置決めを数十μｍの精度で実現できるので、キャップシールへの偏荷重軽減効果が大きく、キャップシールの偏摩耗減少効果も大きく、メンテナンス間隔を延長することができる。

また、リングに切れ目を要しないので、シール性増強効果が大きく、冷凍性能向上に貢献する。

本発明の冷凍機が使用される真空処理装置を説明するための図 本発明の冷凍機が使用されるクライオポンプを説明するためにその一部の断面を表した図 本発明の一例の冷凍機を説明するための図 本発明の他の例の冷凍機を説明するための図 本発明の他の例の冷凍機を説明するための図 (ａ)〜(ｄ)：冷凍サイクルを説明するための図 冷凍サイクルの体積−圧力の関係を示すグラフ (ａ)：本発明の冷凍機の補助リングの一例、(ｂ)：本発明の冷凍機の補助リングの他の例、(ｃ)：従来技術の冷凍機のウエアリング（補助リングに相当） 従来技術の冷凍機を説明するための図

＜本発明の冷凍機の応用装置＞
図１の符号６１は、本発明の冷凍機３０ａ（図３）を有するクライオポンプを示しており、符号６０は、そのクライオポンプ６１が取り付けられた真空処理装置を示している。ここでは真空処理装置を例にあげているが、MRIやMCZに用いられる超伝導マグネットの冷却用冷凍機にも応用できる。

図１の様に横向きになった時に大きな効果がでるが、上向き、下向き、斜め向きの時も偏摩耗防止の効果を発揮することができる。

この真空処理装置６０は真空室６６を有しており、真空処理装置６０は蒸着装置であるものとすると、真空室６６の内部には蒸発源６８が配置されており、蒸発源６８の上方には、基板配置装置６３が配置されている。

但し、真空処理装置６０はスパッタリング装置やエッチング装置等、真空処理を行う装置であればよく、また、本発明の冷凍機３０ａは、ディスプレーサと蓄冷器とを有する冷凍機であればよく、ギフォード・マクマホン式冷凍機、ソルベー冷凍機・スターリング冷凍機等、シリンダ内でディスプレーサが往復移動する冷凍機であればよい。

基板配置装置６３の上方にはカメラ６４が配置されている。基板配置装置６３上には、シャドウマスク６５が配置されている。

真空室６６には、粗引き用の真空ポンプ６９とクライオポンプ６１とが接続されており、先ず、真空室６６の内部は粗引き用の真空ポンプ６９によって真空排気され、所定圧力に低下したところで、本発明のクライオポンプ６１が動作して真空室６６の内部の圧力を高真空雰囲気の圧力まで低下させる。

真空室６６は、搬送室９７に接続されており、搬送室９７には、他の真空処理装置９０が複数台接続されている。

前工程の真空処理装置９０内で処理された搬送対象物は、搬送室９７を介して、真空雰囲気を維持しながら、真空室６６の内部に搬入される。符号６２は、搬入された処理対象物である。

カメラ６４と、基板配置装置６３を移動させる移動装置と、カメラ６４の撮影結果と、移動装置による基板配置装置６３の移動を制御する制御装置とによって、処理対象物６２とシャドウマスク６５とを位置合わせさせる位置合わせ装置が構成されており、処理対象物６２とシャドウマスク６５とは、カメラ６４で撮影しながら相対的に移動され、位置合わせ装置によって処理対象物６２とシャドウマスク６５との間の位置合わせが行われ、処理対象物６２はシャドウマスク６５上に配置される。

基板配置装置６３の中央には、貫通孔６７が設けられており、蒸発源６８から、気体にされた有機材料等の蒸気を放出させると、蒸気は貫通孔６７を通過してシャドウマスク６５に到達し、シャドウマスク６５の開口を通過した蒸気が、処理対象物６２に到達して開口のパターンに応じたパターンの薄膜が形成される。

＜クライオポンプ＞
次に、クライオポンプ６１の構造を説明すると、図２を参照し、クライオポンプ６１は、ポンプ本体部７１と、冷凍機３０ａとを有しており、冷凍機３０ａは、モータ部５３と冷凍部５４とを有している。

ポンプ本体部７１は、真空気密を保持できるポンプケース８３（真空排気槽）の内部に、８０Ｋに冷却される低温バッフル８７と８０Ｋに冷却される低温シールド８２とが設けられており、真空処理装置６０から流入する輻射熱を大部分吸収できるように配置されている。さらに内部には、極低温の１５Ｋに冷却されるクライオパネル７６（極低温板）が配置されている。

真空室６６の底面には、排気口８８が設けられており、排気口８８とクライオポンプ６１の間にバルブが配置され、バルブを開けるとクライオポンプ吸気口８９にて高真空排気できるように取り付けられている。
モータ部５３は、クライオポンプ６１の真空雰囲気の外に配置されており、モータ部５３には交流電源にて駆動するモータが内蔵されている。

冷凍部５４は、輻射による入熱、熱伝導による入熱の影響を受けないように断熱真空雰囲気に配置される。

冷凍部５４は、ポンプケース８３側の筒体９１と、ポンプケース側フランジ９２と、ベローズ９３と、モータ部側フランジ９９と、冷凍ケース９５とを有しており、全ての部品は溶接又は弾性体により気密が保持できるようになっている。

ポンプケース側フランジ９２とモータ部側フランジ９９とは、防振装置５５を介して互いに固定されている。

ポンプケース側フランジ９２とモータ部側フランジ９９との間には、伸縮可能なベローズ９３が配置されている。

冷凍部５４を囲む空間はクライオポンプの内部と同様な真空状態となる。

冷凍ケース９５の内部には第１シリンダ３が配置されており、ポンプケース８３の内部には第２シリンダ５が配置されている。

第１シリンダ３と第２シリンダ５とは気密に接続されており、第１シリンダ３と第２シリンダ５とで、内部にヘリウムガスが導入されるシリンダ１００が形成されている。

シリンダ１００は一端はモータ部５３に固定されており、シリンダ１００のモータ部５３に取りつけられた部分を根元側とすると、シリンダ１００の根元側に対する反対の先端側は、低温シールド８２まで非接触の状態で挿入され、低温シールド８２と接続されている。また、低温バッフル８７と低温シールド８２も接続されており、その荷重は全てシリンダ１００の１段目で受ける。

真空室６６、排気口８８、バルブから、クライオポンプ吸気口８９に入射した気体は、冷凍部５４のシリンダ１００の１段目により低温バッフル８７と、低温シールド８２により、蒸気圧の低い気体、主にＨ₂Ｏを凝縮し、その他の蒸気圧の高いＮ₂，Ｏ₂，Ａｒ，Ｈ₂等は、低温バッフル８７を通過して、さらにシリンダ１００の２段目により１５Ｋ以下に冷却されているクライオパネル７６により凝縮又は吸着して真空排気するようになっている。

クライオパネル７６は、取付部材８４を介してシリンダ１００の先端部で接続されており、シリンダ１００の二段目で荷重を受けている。

従って、クライオポンプの内部部品は全てシリンダ１００で荷重を受けており、そのシリンダ１００の根元となるモータ部５３により支持されている。

モータ部５３は、冷凍ケース９５によってモータ部側フランジ９９に固定されており、モータ部側フランジ９９は、防振装置５５によって、ポンプケース側フランジ９２に固定されている。

ポンプケース側フランジ９２は、ポンプケース８３側の筒体９１によって、ポンプケース８３に固定されており、従って、クライオパネル７６と、冷凍部５４及びその内部に配置されたシリンダ１００と、モータ部５３とは、防振装置５５を介してポンプケース８３によって支持されている。

＜冷凍機＞
次に、冷凍機３０ａの内部を説明する。

図３を参照し、上述の第１段シリンダ３と第２段シリンダ５とは筒形形状であり、第２段シリンダ５は第１段シリンダ３よりも小内径にされている。第１段シリンダ３の一端と第２段シリンダ５の一端とは接続されており、上述したように、１個のシリンダ１００が形成されている。接続部分にはフランジ３５が設けられている。

第１段シリンダ３の他端の上面を第１段フランジ２０とし、第２段シリンダ５の他端の底面を第２外底板３７とすると、第１段シリンダ３の内部と第２段シリンダ５との内部とは第１段フランジ２０とフランジ３５と第２外底板３７とによって気密にされ、第１段シリンダ３の内部と第２段シリンダ５との内部には、冷凍機の動作気体である高純度ヘリウムガスが密封されている。

第１段フランジ２０には貫通孔が設けられ、貫通孔にはロッド３１が気密に移動可能に挿通されている。

ロッド３１の先端は第１段シリンダ３内に位置しており、ロッド３１の先端には押え板(アッパーキャップ)３２ａが設けられている。

第１段シリンダ３の内部には筒形形状の第１段ディスプレーサ２が配置されており、第２段シリンダ５の内部には、第１段ディスプレーサ２よりも小内径及び小外径で一端が第１段ディスプレーサ２に連結された筒形形状の第２段ディスプレーサ４が配置されている。

第１段シリンダ３と第２段シリンダ５と第１段ディスプレーサ２と第２段ディスプレーサ４は、第１、第２段シリンダ３、５の中心軸線と、第１、第２段ディスプレーサ２、４の中心軸線とは一致するように配置されている。

第１段ディスプレーサ２の内部空間には第１段蓄冷器８が配置され、第２段ディスプレーサ４の内部空間には第２段蓄冷器１０が配置されている。

第１段ディスプレーサ２は筒形形状の小径部３３と、小径部３３よりも大径の筒形形状の大径部３４とを有している。大径部３４の小径部３３と反対側の端面には、第２段ディスプレーサ４の上端部が連結されている。モータ部５３によってロッド３１が軸方向に往復移動すると、押え板３２ａと第１段ディスプレーサ２と第２段ディスプレーサ４とは、第１段シリンダ３の内部と第２段シリンダ５の内部とが形成する空間内を一緒に往復移動する。従って、ここではモータ部５３とロッド３１とによって、第１、第２段シリンダ３、５を往復移動させる往復移動機構が構成されている。

小径部３３には、第１段Ｏ−リング１と、樹脂製で環状形形状の補助リング１３ａとが、それらの内周を小径部３３の外周に接触して配置されている。第１段Ｏ−リング１には樹脂製で環状形形状の第１段キャップ２１の内周が第１段Ｏ−リング１の外周と接触して配置されており、第１段Ｏ−リング１と第１段キャップ２１とで第１段シール部材２２が構成されている。

補助リング１３ａの形状は図８(ａ)に示す。環状形形状の補助リング１３ａの材質は樹脂製が好ましく、例えばキャップシールと同等かそれ以上の硬度を持つフッ素樹脂を採用することができる。

第１段Ｏ−リング１と、第１段キャップ２１と、補助リング１３ａとを小径部３３に配置する際には、まず、第１段フランジ２０が取り外されて第１段シリンダ３に開口が形成された状態にして第１、第２段ディスプレーサ２、４を第１、第２段シリンダ３、５から取り出す。

次に、押え板３２ａを小径部３３から取り外す。第１段ディスプレーサ２に第１段Ｏ−リング１と、第１段キャップ２１と、補助リング１３ａとが配置されていた場合はそれらを取り外し小径部３３の外周面を露出させる。

新しく用意した第１段Ｏ−リング１と、第１段キャップ２１と、補助リング１３ａを、小径部３３に次の手順で装着する。

第１段Ｏ−リング１の内径の大きさと、補助リング１３ａの内径の大きさとは、小径部３３の外径の大きさと略等しくなるようにされており、先ず第１段Ｏ−リング１の外周に第１段キャップ２１を被せて、第１段Ｏ−リング１に小径部３３の先端位置が挿入されるように、第１段Ｏ−リング１を移動させて小径部３３の上端面付近の部分を第１段Ｏ−リング１に嵌め込み、次いで、第１段Ｏ−リング１を上端面付近の部分から大径部３４が位置する方向に移動させ、第１段Ｏ−リング１の側面を大径部３４の上端面に接触させる。第１段Ｏ−リング１の内周は小径部３３の外周面に接触している。

次に、補助リング１３ａに小径部３３の上端面付近の部分が挿入されるように補助リング１３ａを移動させ、補助リング１３ａに小径部３３の上端面付近の部分を嵌め込み、次いで、補助リング１３ａを大径部３４が位置する方向に移動させる。

補助リング１３ａの外径は、大径部３４の外径よりわずかに大きい。
従って、第１段キャップ２１のうち、直径が大径部３４の外径以下の部分は、少なくとも大径部３４の上端面と補助リング１３ａとに接触する。

補助リング１３ａと第１段キャップ２１のうち、直径が大径部３４の外径よりもわずかに大きい部分は、大径部３４の外周面上にわずかに突き出される。

その状態で押え板３２ａを小径部３３の一端に取り付け、押え板３２ａを小径部３３に固定する。

ここで、補助リング１３ａの高さと第１段キャップ２１の高さとを合計した値は、小径部３３の高さよりも等しいかわずかに小さくなるようにされており、補助リング１３ａと第１段キャップ２１とは、押え板３２ａの底面と大径部３４の底面とに挟まれて移動できないようになる。

第１段キャップ２１の外径と補助リング１３ａの外径とは、第１段キャップ２１の外周面と補助リング１３ａの外周面とが第１段シリンダ３の内周面に接触する大きさに形成されており、他方、大径部３４の外径は、第１段シリンダ３の内径よりも小さくされている。

この状態の第１、第２段ディスプレーサ２、４を第１、第２段シリンダ３、５の内部に挿入すると、第１段キャップ２１の外周面と補助リング１３ａの外周面とが第１段シリンダ３の内周面に接触する。

この例では、第2段ディスプレーサ４と第2段シリンダ５との間の微小な間隙を用いてシールを行っているが、第2段ディスプレーサ４にシールリングを備えても良い。いずれにせよ、第2段ディスプレーサ４の重量は小さいので、大きな重量の第1段ディスプレーサ２による偏荷重が問題で、補助リング１３aで支えている。

第１段シリンダ３の開口は第１段フランジ２０で塞ぐ。

第１段フランジ２０に形成された貫通孔にはロッド３１が気密に移動可能に挿通されており、モータ部５３がロッド３１と押え板３２ａと第１、第２段ディスプレーサ２、４とを軸方向で往復移動できるようにする。

＜冷凍動作＞
冷凍機３０ａには制御装置が設けられており、下記の冷凍動作は制御装置によって行われる。

第１、第２段ディスプレーサ２、４を第１段フランジ２０から離間させ、第１、第２段シリンダ３、５の内部のうち、第１段フランジ２０と第１段ディスプレーサ２との間に導入空間１２を形成する。

この冷凍機３０ａはコンプレッサ(不図示)を有しており、第１段フランジ２０には導入口２３が設けられている。

導入口２３は、コンプレッサの高圧ヘリウムガス供給部に接続されており、導入空間１２には、コンプレッサが供給する高圧ヘリウムガスが導入口２３を通過して導入される。

導入空間１２に高圧ヘリウムガスが導入された後、ロッド３１の移動によって第１段ディスプレーサ２を第１段フランジ２０の方向に移動させると、第１段シリンダ３の内部のうち導入空間１２とは反対側に第１段膨張空間９が形成され、第２段シリンダ５の内部のうち、第２段ディスプレーサ４と第２段シリンダ５の底面との間に第２段膨張空間１１が形成される。第１、第２段膨張空間９、１１が最大容積となったときには導入空間１２の容積は最小になっている。

押え板３２ａと小径部３３とには貫通孔が形成されており、押え板３２ａと小径部３３とにはこの貫通孔から成る第１流路２４が設けられている。また、第１段ディスプレーサ２には、第１段蓄冷器８が配置された空間と第１段膨張空間９とを接続する第２流路２５が設けられており、第２段ディスプレーサ４には、第１段膨張空間９と第２段蓄冷器１０が設けられた空間とを接続する第３流路２６と、第２段膨張空間１１と第２段蓄冷器１０が設けられた空間とを接続する第４流路２７とが設けられている。

第１、第２段膨張空間９、１１が形成される際には、導入空間１２に導入された高圧ヘリウムガスが第１流路２４を通過して第１段蓄冷器８が配置された空間に流入し、第１段蓄冷器８で冷却された後、第２流路２５を通過して第１段膨張空間９に流入すると共に、第１段膨張空間９に流入した高圧ヘリウムガスは、第３流路２６を通過して第２段蓄冷器１０が配置された空間に流入し、第２段蓄冷器１０で冷却された後、第４流路２７を通過して第２段膨張空間１１に流入する。

その状態で、導入口２３がコンプレッサに設けられたタンクに接続されると、第１、第２段膨張空間９、１１に流入した高圧ヘリウムガスは、第１〜第４流路２４〜２７を逆流して膨張しながら第１、第２段蓄冷器８、１０が配置された空間を流れ、第１、第２段蓄冷器８、１０を冷却しながら圧力が低下したヘリウムガスとしてコンプレッサのタンクに移動する。

コンプレッサのタンクに戻ったヘリウムガスは、コンプレッサ内部で放熱しながら圧縮され、高圧ヘリウムガスとなる。

第１、第２段膨張空間９、１１を形成するときの移動であって、第１、第２段ディスプレーサ２、４が第１段フランジ２０に近づく方向への移動を往動とし、導入空間１２を形成するときの移動であって、第１、第２段ディスプレーサ２、４の第１段フランジ２０から離間する方向移動を復動とすると、高圧ヘリウムガスの導入空間１２への導入と、往動と、第１、第２段膨張空間９、１１に移動した高圧ヘリウムガスのコンプレッサーへの移動と、復動とを繰り返すことで、第１、第２段蓄冷器８，１０内に温度勾配が形成され、第１、第２段シリンダ３、５の下端が冷却され、低温バッフル８７、低温シールド８２、クライオパネル７６等が冷却される。

＜補助リングの他の例＞
図４は、押え板３２ｂが、第１段シリンダ３の内径よりわずかに小さい外径を有する板大径部４１と、小径部３３と同じかわずかに小さい外径を有する板小径部４２とを有しており、第１段ディスプレーサ２の小径部３３の端面と板小径部４２の端面とは接触されている。

補助リング１３ｂは内周面が、第１段ディスプレーサ２の小径部３３の外周面に接触し、外周面は第１段シリンダ３の内周面と接触するようにされている。

したがって、図４の補助リング１３ｂの高さは、図３の補助リング１３ａの高さよりも板小径部４２の高さだけ長くされ、偏摩耗が一層防止できるようにされている。

図５は、押え板３２ｃが、第１段シリンダ３の内径よりわずかに小さい外径を有する板大径部４３と、小径部３３よりも小さい外径を有する板小径部４４とを有しており、第１段ディスプレーサ２の小径部３３の上端面と板小径部４４の下端面とは接触されている。

図５の補助リング１３ｃは、図８(ｂ)に示す様に、第１段ディスプレーサ２の小径部３３の外周面に接触して配置された大内径部４６と、押え板３２ｃの板小径部４４の外周面とわずかな間隙をもって配置され、大内径部４６よりも小内径の小内径部４５とを有している。大内径部４６の外径と小内径部４５の外径とは同じ大きさにされており、大内径部４６の外周面と小内径部４５の外周面とは第１段シリンダ３の内周面と接触するようにされている。

小内径部４５は、押え板３２ｃの板大径部４３と第１段ディスプレーサ２の小径部３３によって挟まれるので、補助リング１３ｃが安定する。

１……第１段Ｏ−リング
２……第１段ディスプレーサ
３……第１段シリンダ
８……第１段蓄冷器
９……第１段膨脹空間
１２……導入空間
１３ａ〜１３ｃ……補助リング
２０……第１段フランジ
２２……第１段シール部材
６０……真空処理装置
６１……クライオポンプ
３０ａ〜３０ｃ……冷凍機
３２ａ〜３２ｃ……押え板
３３……小径部
３４……大径部
４１……板大径部
４２……板小径部

Claims (5)

1. 筒形形状の第１段シリンダと、
   前記第１段シリンダの内部に配置された筒形形状の第１段ディスプレーサと、
   前記第１段シリンダの端面である第１段フランジと、
   前記第１段シリンダ内に位置し、前記第１段ディスプレーサの端面に取り付けられた押え板と、
   前記第１段ディスプレーサの内部に配置された第１段蓄冷器と、
   前記第１段ディスプレーサを、前記第１段シリンダの中心軸線に沿った方向に往復移動させる往復移動機構と、
   を有し、
   前記第１段フランジと前記第１段ディスプレーサとの間に形成された導入空間に高圧ヘリウムガスが導入された後、前記第１段ディスプレーサが前記第１段フランジの方向に移動して、前記導入空間に導入された高圧ヘリウムガスを、前記第１段シリンダの内部のうち前記導入空間とは反対側に形成された第１段膨張空間に前記第１段ディスプレーサの内部を通過させて前記第１段蓄冷器に接触させながら移動させる往動と、
   前記第１段膨張空間に移動した前記高圧ヘリウムガスを、膨張させながら前記第１段ディスプレーサの内部を通過させて前記第１段蓄冷器を冷却した後、前記第１段ディスプレーサを前記第１段フランジから離間する方向に移動させる復動とを繰り返す冷凍機であって、
   前記第１段ディスプレーサは、
   一端が前記押え板に着脱可能に取り付けられた小径部と、
   前記小径部の他端に位置し、前記小径部よりも大径の大径部と、
   を有し、
   前記小径部には、第１段シール部材の内周と、樹脂製で環状形形状の補助リングとの内周面とが前記小径部の外周面に接触して配置され、
   前記第１段シール部材と前記補助リングとは外周面が前記第１段シリンダの内周面に接触する大きさに形成され、前記大径部は、外周面の径が前記第１段シリンダの内周面の径よりも小さい大きさに形成された冷凍機。
2. 筒形形状の第１段シリンダと、
   前記第１段シリンダの内部に配置された筒形形状の第１段ディスプレーサと、
   前記第１段シリンダの端面である第１段フランジと、
   前記第１段シリンダ内に位置し、前記第１段ディスプレーサの端面に取り付けられた押え板と、
   前記第１段ディスプレーサの内部に配置された第１段蓄冷器と、
   前記第１段ディスプレーサを、前記第１段シリンダの中心軸線に沿った方向に往復移動させる往復移動機構と、
   を有し、
   前記第１段フランジと前記第１段ディスプレーサとの間に形成された導入空間に高圧ヘリウムガスが導入された後、前記第１段ディスプレーサが前記第１段フランジの方向に移動して、前記導入空間に導入された高圧ヘリウムガスを、前記第１段シリンダの内部のうち前記導入空間とは反対側に形成された第１段膨張空間に前記第１段ディスプレーサの内部を通過させて前記第１段蓄冷器に接触させながら移動させる往動と、
   前記第１段膨張空間に移動した前記高圧ヘリウムガスを、膨張させながら前記第１段ディスプレーサの内部を通過させて前記第１段蓄冷器を冷却した後、前記第１段ディスプレーサを前記第１段フランジから離間する方向に移動させる復動とを繰り返す冷凍機であって、
   前記第１段ディスプレーサは、
   一端が前記押え板に着脱可能に取り付けられた小径部と、
   前記小径部の他端に位置し、前記小径部よりも大径の大径部と、
   を有し、
   前記小径部には、第１段シール部材の内周と、樹脂製で環状形形状の補助リングとの内周面とが前記小径部の外周面に接触して配置され、
   前記第１段シール部材と前記補助リングとは外周面が前記第１段シリンダの内周面に接触する大きさに形成され、前記大径部は、外周面の径が前記第１段シリンダの内周面の径よりも小さい大きさに形成され、
   前記押え板は、前記小径部と同じかわずかに小さい外径を有する板小径部と、前記板小径部より大きい外径を有する板大径部とを有し、
   前記小径部の端面と前記板小径部の端面とは接触され、前記補助リングは内周面が、前記小径部の外周面に接触し、外周面は前記第１段シリンダの内周面と接触するようにされた冷凍機。
3. 筒形形状の第１段シリンダと、
   前記第１段シリンダの内部に配置された筒形形状の第１段ディスプレーサと、
   前記第１段シリンダの端面である第１段フランジと、
   前記第１段シリンダ内に位置し、前記第１段ディスプレーサの端面に取り付けられた押え板と、
   前記第１段ディスプレーサの内部に配置された第１段蓄冷器と、
   前記第１段ディスプレーサを、前記第１段シリンダの中心軸線に沿った方向に往復移動させる往復移動機構と、
   を有し、
   前記第１段フランジと前記第１段ディスプレーサとの間に形成された導入空間に高圧ヘリウムガスが導入された後、前記第１段ディスプレーサが前記第１段フランジの方向に移動して、前記導入空間に導入された高圧ヘリウムガスを、前記第１段シリンダの内部のうち前記導入空間とは反対側に形成された第１段膨張空間に前記第１段ディスプレーサの内部を通過させて前記第１段蓄冷器に接触させながら移動させる往動と、
   前記第１段膨張空間に移動した前記高圧ヘリウムガスを、膨張させながら前記第１段ディスプレーサの内部を通過させて前記第１段蓄冷器を冷却した後、前記第１段ディスプレーサを前記第１段フランジから離間する方向に移動させる復動とを繰り返す冷凍機であって、
   前記第１段ディスプレーサは、
   一端が前記押え板に着脱可能に取り付けられた小径部と、
   前記小径部の他端に位置し、前記小径部よりも大径の大径部と、
   を有し、
   前記小径部には、第１段シール部材の内周と、樹脂製で環状形形状の補助リングとの内周面とが前記小径部の外周面に接触して配置され、
   前記第１段シール部材と前記補助リングとは外周面が前記第１段シリンダの内周面に接触する大きさに形成され、前記大径部は、外周面の径が前記第１段シリンダの内周面の径よりも小さい大きさに形成され、
   前記押え板は、前記小径部より小さい外径を有する板小径部と、前記板小径部より大きい外径を有する板大径部とを有し、前記小径部の端面と前記板小径部の端面とは接触され、
   前記補助リングは、前記小径部の外周面に接触して配置された補助リング大内径部と前記板小径部の外径より大きく、前記補助リング大内径部よりも小さい内径の補助リング小内径部とを有し、
   前記補助リング大内径部の外径と前記補助リング小内径部の外径とは同じ大きさにされており、前記補助リング大内径部の外周面と前記補助リング小内径部の外周面とは前記第１段シリンダの内周面と接触する冷凍機。
4. 前記補助リングは前記第１段シール部材よりも前記押え板に近い位置に配置された請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の冷凍機。
5. 真空室内の気体を真空排気するクライオポンプであって、
   前記クライオポンプは、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の冷凍機と、
   前記冷凍機によって冷却され、前記真空室内の気体を凝縮もしくは吸着して除去するクライオパネルを有するクライオポンプ。

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