WO2003001127A1 - Cold storage type freezing machine - Google Patents

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WO2003001127A1
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refrigerator
low
pulse tube
cooled
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Shingo Kunitani
Atsushi Miyamoto
Daisuke Sanjo
Yasuhiro Kakimi
Taketoshi Watanabe
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Air Water Inc.
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    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • the present invention relates to a regenerative refrigerator for a GM refrigerator, a pulse tube refrigerator, and the like, and more particularly, to a regenerative refrigerator capable of efficiently performing cooling and heating / regeneration of an object to be cooled. Things. Background art
  • the pulse tube refrigerator has a simple structure with no moving parts in the low-temperature section, as shown in Fig. 2 described below, so that there is almost no vibration in the cold section and even during long-time operation. , High reliability. Furthermore, maintenance-free operation can be expected when operating the refrigerator, and it plays an important role as a type of sensor and cooling means for semiconductor devices.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating the basic configuration and operating principle of a GM refrigerator.
  • the expansion / compression unit 1 is provided with a displacer lc as an expansion biston. During operation, the displacer lc is configured to reciprocate by a stepping motor.
  • the room temperature end la is located at the upper end of the expansion / compression section 1, and the cold end lb is located at the opposite lower end.
  • the cold storage unit 2 is configured as a cylindrical tube having a room temperature end 2a at the upper end and a low temperature end 2b at the lower end, and a cold storage material such as a stainless steel mesh is laminated inside. Is filled. Further, between the low-temperature end lb of the expansion and compression section 1 and the low-temperature end 2b of the cold storage section 2, a connecting pipe 3 for connecting them is provided.
  • the pressure control means 4 comprises a compressor 4a and a high-pressure switching valve 4b and a low-pressure switching valve 4c.
  • the high-pressure switching valve 4b and the low-pressure switching valve 4c are synchronized with the movement of the display lc.
  • the high-pressure switching valve 4b is opened, and high-pressure working gas enters the upper space of the displacer lc.
  • the displacer lc rises to the room temperature end la, the high-pressure gas in the upper space moves to the lower space while being cooled through the regenerator 2.
  • the gas contracts, and high-pressure working gas is supplied from the high-pressure switching valve 4b.
  • the high-pressure switching valve 4b is closed and the low-pressure switching valve 4c is opened to discharge the high-pressure gas in the low-temperature space.
  • the gas is adiabatically expanded, and cooling is obtained in the space below the cold end lb.
  • the displacer lc descends to the lower end while the low-pressure switching valve 4c is open, the low-temperature gas in the low-temperature space absorbs the refrigeration load, moves to the upper space while being heated through the regenerator 2, and the remaining gas remains. The gas returns to the pressure control means 4 and is sucked.
  • the high pressure switching valve 4b opens to allow the high pressure working gas to enter the headspace of the displacer lc.
  • the cold obtained at the low-temperature end lb of the expansion / compression unit 1 passes through the cold head (cooling unit) 6 that covers the low-temperature end 2b of the regenerator 2 and the low-temperature end lb of the expansion / compression unit 1. Heat is transferred to the cooling object 7.
  • the GM refrigerator since the GM refrigerator has a structure in which reciprocating motion is performed by the stepping motor, vibration is easily generated in the expansion / compression unit 1, and the vibration is transmitted to the object 7 to be cooled using the cold head 6 as a medium. Sometimes.
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating the basic configuration and operating principle of a pulse tube refrigerator.
  • the working gas is replaced by the phase difference by removing the displacer of the GM refrigerator and providing a single tube. I am trying to do it. For this reason, the number of parts of the refrigeration system is small and the structure is simple.
  • the pulse tube refrigerator has a pulse tube 1 with a room temperature end la at the upper end and a cold end lb at the lower end, and similarly, a room temperature end 2a at the upper end and a cold end at the lower end.
  • the regenerator 2 provided with 2b is configured as a cylindrical tube, and the interior thereof is filled with a regenerator material such as a stainless steel mesh.
  • the pressure control means 4 which communicates with the room temperature end 2a of the regenerator 2 and vibrates the pressure of the working gas, includes a compressor 4a and a high-pressure switching valve 4b and a low-pressure switching valve 4c.
  • the phase control means 5 which communicates with the room temperature end la of the pulse tube 1 and adjusts the phase difference between the pressure fluctuation and the position fluctuation of the working gas in the refrigerator system is usually provided with a buffer tank. During operation of the refrigerator, the working gas in the machine and the working gas in the buffer tank flow back and forth, but due to a constant flow resistance, a phase difference occurs between the pressure fluctuation and the position fluctuation of the working gas. By controlling, the working gas is adiabatically expanded near the low temperature end lb of the pulse tube 1 to generate cold.
  • the low temperature end 2b of the regenerator 2 and the low temperature end lb of the pulse tube 1 are connected by a connecting tube 3.
  • Cold generated near the low-temperature end lb of the pulse tube 1 is, as in the case of the GM refrigerator, cold head 6 covering the low-temperature end 2b of the regenerator 2 and the low-temperature end lb of the pulse tube 1.
  • the heat is transferred to the object to be cooled 7 via the.
  • conventional GM refrigerators and pulse tube refrigerators use a structure in which a cold head that covers the cold generation part is provided, and the cold head is brought into contact with the object to be cooled to transfer the cold. It is. For this reason, a cold head integrally formed of copper with high thermal conductivity is used to increase the efficiency of heat transfer. Disclosure of the invention
  • Cold storage using a cryopump Trap processing, cold processing of gas liquefaction equipment, and cryogenic freezing of superconducting elements and sensors For example, in a process using a cryopump, it is possible to reach a high vacuum while achieving a cold trap by adsorbing gas molecules on an adsorption panel attached to a cold head of a refrigerator. For this purpose, it is necessary to efficiently transfer the cold generated by the refrigerator to a predetermined cooling target site, with a small loss. On the other hand, in the cryopump process described above, if a certain amount or more of gas molecules are adsorbed on the adsorption panel and the gas molecule layer becomes thicker, the performance deteriorates. Need to be released.
  • the vibration generated by the refrigerator is transmitted to the object to be cooled via the cold head, and cooling the sensors affects the instrument accuracy.
  • a position shift occurs in a gap 18 during processing or transportation.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and has a regenerative refrigerating system.
  • cooling and heating and regeneration of the object to be cooled can be accelerated, efficient heat transfer can be achieved, and even when a GM refrigerator is used, vibration generated by the refrigerator is affected.
  • the purpose is to provide a regenerative refrigerator that does not transmit to the cooling target.
  • the present inventors have conducted various studies to solve the above-described problems, and as a result, in heat utilization in a regenerative refrigerator, heat transfer is performed by extending a flow path of a working gas to a target to be cooled. By doing so, it was found that cooling or heating regeneration could be accelerated and heat transfer efficiency could be improved.
  • the heat transfer from the cold generating part of the refrigerator to the object to be cooled is replaced by solid-state heat transfer using a cold head, and the flow path for the low-temperature working gas to the object to be cooled or its vicinity. It is intended to efficiently transfer heat energy by directly flowing the working gas.
  • the present invention has been completed on the basis of the above findings, and includes a regenerative refrigerator of the following (1) and a pulse tube refrigerator of the regenerative refrigerator of (2).
  • a pressure control means comprising a compressor, a high pressure switching valve and a low pressure switching valve, an expansion / compression section having a room temperature end and a low temperature end at both ends, and a cold storage having a room temperature end and a low temperature end at both ends.
  • a regenerative refrigerator having a heat transfer portion that transfers heat to the object to be cooled, the low temperature end of the expansion / compression portion being connected to the low temperature end of the cool storage portion, and the operation extending to the object to be cooled.
  • a regenerative refrigerator equipped with a gas flow path.
  • the object to be cooled includes an object to be cooled, a space to be cooled, and the like, as shown in FIGS. 3 and 4 described later.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating the basic configuration and operating principle of a GM refrigerator.
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating the basic configuration and operating principle of a pulse tube refrigerator.
  • FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of a pulse tube refrigerator for a cooled object in the regenerative refrigerator of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of a pulse tube refrigerator intended for a cooled space in the regenerative refrigerator of the present invention, and further, a schematic configuration of a cold trap process employed in the present invention example of the embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of a pulse tube refrigerator intended for a cooled space in the regenerative refrigerator of the present invention, and further, a schematic configuration of a cold trap process employed in the present invention example of the embodiment.
  • Fig. 5 is a diagram showing the schematic configuration of the cold trap process adopted in the comparative example.
  • Fig. 6 is a diagram comparing transitions of cooling temperature and time during cooling of a pipe type refrigerator and a panel type refrigerator.
  • Fig. 7 is a diagram comparing the transition of heating temperature and time during regeneration with heating of a pipe-type refrigerator and a panel-type refrigerator.
  • the regenerative refrigerator of the present invention is characterized in that the low-temperature end of the expansion / compression unit and the low-temperature end of the regenerative unit are connected, and a flow path of the working gas extending to the object to be cooled is provided.
  • This allows the cold generated by the refrigerator to flow directly to the object to be cooled, instead of the conventional heat transfer using a cold head integrally formed of copper. Transfer Movement becomes possible. That is, the cooling and the temperature-raising regeneration can be performed at a high speed, and as a result, the operation rate of the regenerative refrigerator is improved.
  • FIGS. 3 and 4 are diagrams showing a configuration example of a pulse tube refrigerator of the regenerative refrigerator of the present invention.
  • FIG. 3 shows a case where the object to be cooled is an object to be cooled
  • a pulse tube 1 with a room temperature end la at the upper end and a low temperature end lb at the lower end, a room temperature end 2a at the upper end and a low temperature end 2b at the lower end, and a regenerator material laminated inside
  • the pressure control means 4 that oscillates the pressure of the working gas by communicating with the regenerator 2, the room temperature end 2 a of the regenerator 2, and the working gas in the refrigerator system by communicating with the room temperature end la of the pulse tube 1.
  • the phase control means 5 for adjusting the phase difference between the pressure fluctuation and the position fluctuation is the same as a conventional pulse tube refrigerator.
  • a low-temperature end lb of the pulse tube 1 is connected to the low-temperature end 2b of the regenerator 2 and a pipe 8 is provided as a flow path of a working gas extending to the object 7 to be cooled. ing.
  • the working gas flow pipe 8 extended to the object to be cooled 7 as described above the working gas having cold flows directly to the object to be cooled and is transmitted to the object to be cooled 7, so that cooling is performed. Can be speeded up.
  • FIGS. 3 and 4 the configuration example of the pulse tube refrigerator among the regenerative refrigerators is shown, but the present invention can be applied to a Suzuichi ring refrigerator or a GM refrigerator.
  • a Stirling refrigerator or a GM refrigerator is applied, there is an advantage that vibrations generated in the refrigerator are not easily transmitted to the object to be cooled.
  • the flow path of the working gas used in the present invention is not limited to a pipe having a tubular shape, but a circular, oval, rectangular, or other cross-sectional shape capable of flowing the working gas. Should be fine.
  • comb-shaped or radial fins may be provided on the inner and outer surfaces of the pipe. Aluminum, copper, stainless steel, etc. can be used as the material of the pipes, fins, and the like. If the piping is exposed to the atmosphere, it is necessary to cover the relevant location with a heat insulating material.
  • helium gas or nitrogen gas which is usually used for regenerative refrigerators can be used.
  • the regenerative refrigerator of the present invention it is desirable to employ a pulse tube refrigerator.
  • the structure of the device is simple and maintenance-free. Also, since no micro-vibration occurs, it does not adversely affect a class of sensors or semiconductor manufacturing equipment.
  • a cold trap process was performed.
  • a pulse tube refrigerator using a pipe hereinafter, referred to as a “cryo coil” in a flow path of a working gas
  • a cold head type pulse tube refrigerator is used to cool and ascend.
  • the transition of cooling time and heating time during thermal regeneration was compared. Assuming a vacuum pump that collects moisture during vacuum evacuation and enhances evacuation performance, the cooling area for adsorbing moisture is the same for both.
  • FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration of the cold trap processing employed in the example of the present invention.
  • the refrigerator used was a pulse tube with an inner diameter of 50 mm and a length of 300 mm, a regenerator with an inner diameter of 56.6 mm and a length of 100 mm.An active buffer was installed as a phase control device. Gas was supplied and exhausted. Helium gas was used as a refrigerant gas. below In the embodiment, the pulse tube refrigerator used as an example of the present invention is referred to as a “pipe type refrigerator”.
  • FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration of a cold trap process employed in the comparative example.
  • the refrigerator used had a pulse tube inner diameter of 38 mm, a length of 200 mm, a regenerator inner diameter of 54.8 mm and a length of 93 mm, and an active buffer was installed as a phase control device. Nitrogen gas was used as the refrigerant gas, and supply and exhaust of the refrigerant gas were performed by opening and closing the compressor and the valve.
  • a pulse tube refrigerator used as a comparative example is referred to as a “panel refrigerator”. In this panel-type refrigerator, as shown in Fig.
  • heat is transferred to the object to be cooled 7 (vacuum container) by a cold drink 9 consisting of a heat transfer block made of copper and a cold panel 10 serving as a cooling surface. It is composed of Furthermore, the refrigeration characteristics of the heater are confirmed to have a refrigeration capacity of 130 W at 133 ° C (140), which indicates that the performance is slightly superior to that of the above-mentioned pipe-type refrigerator.
  • Fig. 6 is a diagram comparing transitions of cooling temperature and time during cooling of a pipe type refrigerator and a panel type refrigerator.
  • the temperature shown in the figure is the surface temperature of the cryocoil for the pipe-type refrigerator and the tip temperature of the cold panel for the panel refrigerator. However, almost no temperature difference occurred at each point of the cryocoil.
  • Fig. 7 is a diagram comparing the transition of heating temperature and time during regeneration with heating of a pipe-type refrigerator and a panel-type refrigerator.
  • the temperature shown in the figure is the same as in the case of FIG. It takes about 4 minutes to heat from -163 ° C (110 K) to 20 ° C (293 K) in a pipe refrigerator, whereas it rises only about 20 ° C in 4 minutes in a panel refrigerator Stayed at. Although not shown in FIG. 7, it is -163 for the panel refrigerator. It took about 240 minutes to heat from C (110 K) to 20 ° C (293 K).
  • the weight of the cryocoil of the pipe-type refrigerator used in this example was 2 kg, and the weight of the cold panel and the cold drink of the panel refrigerator was 3 kg.
  • the delay time in cooling and heating of the panel refrigerator is acceptable up to 1.27 times.
  • the delay time confirmed in FIGS. 6 and 7 exceeds that, and it can be seen that the effect of the pipe-type refrigerator of the example of the present invention is remarkable.
  • the cooling areas of the pipe-type refrigerator and the panel-type refrigerator are equal, but in the pipe-type refrigerator, the cross-sectional area of the heat transfer member is increased to reduce the heat transfer resistance. It is not necessary, and as a result, it is a characteristic of the pipe-type refrigerator of the present invention that it can respond to the panel-type refrigerator at a weight ratio of 2/3.
  • the heat transfer resistance is reduced and the weight of the member to be cooled can be reduced by utilizing the flow of the coolant gas for the heat transfer of the object to be cooled.
  • heat transfer characteristics can be significantly improved.
  • the regenerative refrigerator of the present invention when utilizing the heat, the cooling of the object to be cooled and the temperature rise regeneration can be accelerated, and efficient heat transfer can be achieved. As a result, the operating rate of the refrigerator can be significantly improved. Moreover, when the expansion piston (displacer) that slides during operation in the GM refrigerator among the regenerative refrigerators of the present invention, vibration generated in the refrigerator is not transmitted to the object to be cooled. . For this reason, sensors and semiconductor manufacturing equipment Since it does not adversely affect the application, it can be widely applied to these uses.

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Description

明 細 書
蓄冷型冷凍機 技術分野
本発明は、 G M冷凍機およびパルス管冷凍機等を対象とした蓄冷型冷 凍機に関し、 さらに詳しくは、 被冷却対象の冷却および昇温再生を効率 的に行うことができる蓄冷型冷凍機に関するものである。 背景技術
小型で極低温用冷凍機として用いられる蓄冷型冷凍機は、 従来から種 々の性能の冷凍機が開発され、 スターリング冷凍機、 GM冷凍機、 さら にはパルス管冷凍機に見られるような発展経緯がある。 いずれの冷凍機 も、 機内で冷媒用の作動ガスを圧縮および膨張させて冷熱を発生させる 方式であるが、 近年においては、 G M冷凍機、 およびパルス管冷凍機が 汎用されている。
特に、 パルス管冷凍機では、 後述する図 2に示すように、 低温部に可 動部品を有しない単純な構造であることから、 寒冷部でほとんど振動の 発生がなく、 長時間の運転に際しても、高い信頼性を得ている。 さらに、 冷凍機の稼働に際して、 メンテナンスフリーが期待でき、 センサ一類や 半導体装置用の冷却手段として重要な役割を果たしている。
図 1は、 G M冷凍機の基本的な構成および作動原理を説明する概略図 である。 膨張圧縮部 1には膨張ビストンとしてディスプレーサ lcが設け られており、 作動中はディスプレーサ lcはステッピングモー夕一によつ て往復運動をする構造である。 膨張圧縮部 1の上端には室温端部 laが位 置し、 反対の下端には低温端部 lbが位置する。 同様に、 蓄冷部 2は上端 には室温端部 2aを、 下端には低温端部 2bを位置した円筒状管体として 構成され、 その内部にはステンレス鋼メッシュ等の蓄冷材が積層されて 充填されている。 さらに、 膨張圧縮部 1の低温端部 lbと蓄冷部 2の低温 端部 2bと間には、 これらを連結する連結管 3が設けられる。
圧力制御手段 4は、 圧縮機 4a並びに高圧切換弁 4bおよび低圧切替弁 4cから構成されているが、 高圧切換弁 4bと低圧切換弁 4cとはディスプ レ一サ lcの動きと同期している。 ディスプレーサ lcが膨張圧縮部 1の 下端側にあるときは、 高圧切換弁 4bが開いて高圧の作動ガスがデイスプ レ一サ lcの上部空間に入る。 次に、 ディスプレーサ lcが室温端部 laま で上昇すると、 上部空間の高圧ガスは蓄冷部 2を通って冷却されながら 下部空間に移動する。 このとき、下部は温度が低いので気体が収縮して、 高圧切換弁 4bから高圧の作動ガスが供給される。 ディスプレーサ lcが 上端側に移動すると、 高圧切換弁 4bを閉じて、 低圧切換弁 4cを開くこ とによって、 低温空間の高圧ガスを放出する。 この結果、 ガスが断熱膨 張して、 低温端部 lbの下部空間で寒冷が得られる。 低圧切換弁 4cを開 いたままでディスプレーサ lcが下端側に下降すると、 低温空間内の低温 ガスは冷凍負荷を吸収した後、 蓄冷部 2を通って加熱されながら上部空 間まで移動し、 残りのガスは圧力制御手段 4へ戻って吸入される。 ディ スプレーサ lcが低温端部 lbまで下降すると、 高圧切換弁 4bが開いて高 圧の作動ガスがディスプレーサ lcの上部空間に入るようになる。
膨張圧縮部 1の低温端部 lbで得られた寒冷は、蓄冷器 2の低温端部 2b と膨張圧縮部 1の低温端部 lbとを覆うコールドヘッド （冷却部） 6を介 して、 被冷却対象 7まで熱伝達される。 前述の通り、 GM冷凍機ではス テツビングモー夕一によって往復運動を行う構造であるため、 膨張圧縮 部 1で振動が発生し易く、 コールドへッド 6を媒体として被冷却対象 7 まで振動が伝達することがある。
図 2は、 パルス管冷凍機の基本的な構成および作動原理を説明する概 略図である。 パルス管冷凍機では G M冷凍機のデイスプレーサを取り払 つて、 単独の管体を設けた構造として、 作動ガスを位相差によって置換 するようにしている。 このため、 冷凍装置の部品数も少なく、 簡単な構 造となっている。
同図に示すように、 パルス管冷凍機は、 上端に室温端部 laと下端に低 温端部 lb を備えたパルス管 1と、 同様に、 上端に室温端部 2aと下端に 低温端部 2bを備えた蓄冷器 2が円筒状管体として構成され、 その内部に はステンレス鋼メヅシュ等の蓄冷材が積層されて充填されている。
蓄冷器 2の室温端部 2aと連通して作動ガスの圧力を振動させる圧力制 御手段 4は、 圧縮機 4a並びに高圧切換弁 4bおよび低圧切替弁 4cから構 成されている。 また、 パルス管 1の室温端部 laと連通して冷凍機系内の 作動ガスの圧力変動と位置変動との位相差を調整する位相制御手段 5は、 通常、 バッファタンクが設けられている。 冷凍機の作動時には、 機内の 作動ガスとバッファタンク内の作動ガスとが互いに行き来するが、 一定 の流動抵抗から、 作動ガスの圧力変動と位置変動との位相差を生じ、 こ の位相差を制御することによって、 パルス管 1の低温端部 lb近傍で作動 ガスを断熱膨張させて、 寒冷を発生させる。
蓄冷器 2の低温端部 2b とパルス管 1の低温端部 lbは連結管 3によつ て連結される。 パルス管 1の低温端部 lb近傍で発生した寒冷は、 G M冷 凍機の場合と同様に、蓄冷器 2の低温端部 2bとパルス管 1の低温端部 lb とを覆うコールドへッド 6を介して、 被冷却対象 7まで熱伝達される。 上記図 1、 2に示すように、 従来の G M冷凍機およびパルス管冷凍機 における冷却は、 寒冷発生部を覆うコールドヘッドを設け、 これを被冷 却対象に当接して寒冷を伝熱する構造である。 このため、 熱伝達の効率 化が図れるように、 熱伝導度の大きな銅で一体に構成されたコールドへ ヅドが採用されている。 発明の開示
蓄冷型冷凍機での熱利用としては、 クライオポンプを用いたコールド トラップ処理、 ガス液化装置の寒冷処理、 さらには超伝導素子やセンサ —類の極低温冷凍などが挙げられる。 例えば、 クライオポンプを用いた 処理では、 冷凍機のコールドへッドに取り付けた吸着パネルに気体分子 を吸着させて、 コールドトラップを達成しつつ、 高真空に到達すること が可能になる。 このためには、 冷凍機で発生させた寒冷を、 所定の被冷 却部位までに高速で、 ロスが少なく、 効率的に伝達する必要がある。 一方、 上述のクライオポンプの処理において、 吸着パネルに一定量以 上の気体分子が吸着して気体分子層が厚くなると、性能が劣化するため、 吸着パネルを昇温して吸着した気体分子を外部に放出する必要がある。 また、 超伝導素子やセンサー類の極低温冷凍に蓄冷型冷凍機を用いる場 合であっても、 冷却後の後処理として、 昇温再生が必ず必要になる。 こ のように、 被冷却対象を昇温再生する場合には、 コールドヘッドにヒ一 夕一を取り付けて昇温したり、 冷凍機系内に常温ガスを導入して流通さ せたりしている。
このため、 蓄冷型冷凍機での熱利用には、 冷却および昇温再生の両プ ロセスにおいて、 高速化による効率的な熱伝達が要請される。 この要請 に対応して、 コ一ルドヘッドの伝熱効率を高め、 伝熱量を大きくしょう とすると、 伝熱面積を大きくするためにコ一ルドへッドの断面積を大き くし、 伝熱距離を短くしなければならなくなる。 しかし、 このようにコ —ルドヘッドの形状が限定されるようになると、 利用できる被冷却対象 の位置や形態に制限が生ずるようになる。
特に、 G M冷凍機で発生した寒冷を利用する場合には、 冷凍機で発生 した振動がコ一ルドへッドを介して被冷却対象に伝わり、 センサ類の冷 却では計器精度に影響を及ぼしたり、 半導体装置に取り付けられたコ一 ルドトラップでは、 処理中または搬送中のゥェ一八に位置ズレを発生さ せる問題がある。
本発明は、 このような状況に鑑みてなされたものであり、 蓄冷型冷凍 機での熱利用に際して、被冷却対象の冷却および昇温再生が高速化でき、 効率的な熱伝達が図れ、 しかも G M冷凍機を使用する場合であっても、 冷凍機で発生した振動が被冷却対象に伝達することがない蓄冷型冷凍機 を提供することを目的としている。
本発明者らは、 上記の課題を解決するため種々の検討を行った結果、 蓄冷型冷凍機での熱利用において、 作動ガスが流動する経路を被冷却対 象まで延長して伝熱を行うようにすれば、 冷却または昇温再生が高速化 でき、 熱伝達の効率化を達成できることを知見した。
換言すれば、 冷凍機の寒冷発生部から被冷却対象までの熱伝達を、 コ —ルドヘッドを用いた固体伝熱に代えて、 低温の作動ガス用の流動経路 を被冷却対象、 またはその近傍まで設けて、 直接、 作動ガスを流動させ ることによって、 効率的な熱エネルギーの移動を図るものである。
本発明は、 上記の知見に基づいて完成されたものであり、 下記 (1)の蓄 冷型冷凍機、 および (2)の蓄冷型冷凍機のうちパルス管冷凍機を要旨とし ている。
(1)圧縮機並びに高圧切換弁および低圧切替弁からなる圧力制御手段と、 両端に室温端部と低温端部とを有する膨張圧縮部と、 両端に室温端部と 低温端部とを有する蓄冷部を備えて被冷却対象に熱伝達する蓄冷型冷凍 機であって、 前記膨張圧縮部の低温端部と前記蓄冷部の低温端部とを連 結し、 かつ前記被冷却対象まで延長した作動ガスの流動経路を設けた蓄 熱型冷凍機。
(2) 両端に室温端部と低温端部とを有するパルス管と、 両端に室温端部 と低温端部とを有する蓄冷器と、 前記パルス管の室温端部に連通して作 動ガスの圧力変動と位相差を制御する位相制御手段と、 圧縮機並びに高 圧切換弁および低圧切替弁からなり前記蓄冷器の室温端部と連通する圧 力制御手段とを備えて被冷却対象に熱伝達するパルス管冷凍機であって、 前記パルス管の低温端部と前記蓄冷器の低温端部とを連結し、 かつ前記 却対象まで延長した作動ガスの流動経路を設けたパルス管冷凍機。
なお、 本発明において被冷却対象というのは、 後述する図 3および図 4に示すように、 被冷却物および被冷却空間等を含むものである。 図面の簡単な説明
図 1は、 G M冷凍機の基本的な構成および作動原理を説明する概略図 である。
図 2は、 パルス管冷凍機の基本的な構成および作動原理を説明する概 略図である。
図 3は、 本発明の蓄熱型冷凍機のうち被冷却物を対象としたパルス管 冷凍機の構成例を示す図である。
図 4は、 本発明の蓄熱型冷凍機のうち被冷却空間を対象としたパルス 管冷凍機の構成例を示す図であり、 さらに、 実施例の本発明例で採用し たコールドトラヅプ処理の概略構成を示す図である。
図 5、 比較例で採用したコールドトラップ処理の概略構成を示す図で める。
図 6は、 配管型冷凍機とパネル型冷凍機の冷却時における冷却温度と 時間の推移を比較した図である。
図 7は、 配管型冷凍機とパネル型冷凍機の昇温再生時における加熱温 度と時間の推移を比較した図である。 発明を実施するための最良の形態
本発明の蓄熱型冷凍機は、 膨張圧縮部の低温端部と蓄冷部の低温端部 とを連結し、 かつ被冷却対象まで延長した作動ガスの流動経路を設ける ことを特徴としている。 これにより、 従来の銅で一体構成されたコール ドヘッドを用いた伝熱に代えて、 直接、 冷凍機の発生した寒冷を被冷却 対象まで流動させることが可能になるので、 効率的な熱エネルギーの移 動が可能になる。 すなわち、 冷却および昇温再生が高速化でき、 結果と して蓄熱型冷凍機の稼働率が向上する。
図 3および図 4は、 本発明の蓄熱型冷凍機のうちパルス管冷凍機の構 成例を示す図であり、 図 3は被冷却対象が被冷却物である場合を、 図 4 は被冷却対象が真空容器などの被冷却空間である場合を示している。 図示する構成のうち、 上端に室温端部 laと下端に低温端部 lb を備え たパルス管 1、 上端に室温端部 2a と下端に低温端部 2bを備え、 内部に 蓄冷材が積層された蓄冷器 2、 蓄冷器 2の室温端部 2aと連通して作動ガ スの圧力を振動させる圧力制御手段 4、 およびパルス管 1の室温端部 la と連通して冷凍機系内の作動ガスの圧力変動と位置変動との位相差を調 整する位相制御手段 5は、 従来のパルス管冷凍機と同様である。
本発明のパルス管冷凍機では、 パルス管 1の低温端部 lbと蓄冷器 2の 低温端部 2bとを連結し、 かつ被冷却対象 7まで延長した作動ガスの流動 経路となる配管 8を設けている。 このように被冷却対象 7まで延長した 作動ガスの流動配管 8を設けることによって、 寒冷を持つ作動ガスが直 接被冷却対象まで流動し、 被冷却対象 7に伝達することになるので、 冷 却の高速化が図れる。
被冷却対象の昇温再生時には、 冷凍機の外部から系内に常温ガスを導 入して加熱するようにしている （具体的な構成は図示せず）。 このよう にすることによって、被冷却対象 7の昇温時間も短縮することができる。 これにより、 冷凍機の冷却および昇温再生の稼働率を大幅に向上させる ことができる。
上記図 3および図 4では蓄熱型冷凍機のうちパルス管冷凍機の構成例 について示したが、 ス夕一リング冷凍機または GM冷凍機であっても適 用できる。 スターリング冷凍機または G M冷凍機を適用する場合にあつ ては、 冷凍機で発生する振動が被冷却対象に伝達しにくいという利点が ある。 本発明で採用される作動ガスの流動経路は、 単に管体形状の配管に限 定されるものではなく、 作動ガスの流動が可能な円形、 楕円、 矩形、 若 しくはその他の断面形状のものであればよい。 また、 作動ガスによる伝 熱効率を向上させるため、 配管の内外面に、 櫛形状または放射状のフィ ン等を設けてもよい。配管、 フィン等の材質としては、 アルミ二ユウム、 銅、 ステンレス鋼等を用いることができる。 なお、 配管が大気に露出す る場合には、 該当個所を断熱材で被覆する必要がある。
冷凍用の作動ガスとしては、 通常、 蓄熱型冷凍機用として使用されて いるヘリウムガスや窒素ガスを採用することができる。
本発明の蓄熱型冷凍機では、パルス管冷凍機を採用するのが望ましい。 前述の通り、 作動中に摺動する膨張ピストン （ディスプレーサ） がない ため、 装置の構造が簡単であり、 メンテナンスフリーが可能になる。 ま た、 微振動も発生しないため、 センサ一類や半導体製造装置に対して悪 影響を及ぼさないからである。
(実施例）
本発明のパルス管冷凍機の効果を確認するため、 コールドトラップ処 理を実施した。 本発明例として作動ガスの流動経路に配管 （以下、 クラ ィォコイルという） を使用したパルス管冷凍機を用い、 比較例としてコ 一ルドへッド型のパルス管冷凍機を用いて、 冷却および昇温再生時にお ける冷却時間と加熱時間の推移比較を行った。 真空排気の際に水分を捕 集し排気性能を高める真空ポンプを想定し、 水分を吸着する冷却面積は 両者とも同等のものとした。
前記の図 4は、 本発明例で採用したコールドトラップ処理の概略構成 を示す図である。 使用した冷凍機は、 パルス管内径 50mm、 長さ 300mm で、 蓄冷部内径 56.6mm、 長さ 100mm とし、 位相制御装置としてァクテ ィブバッファを設置し、 圧縮機と口一夕リー弁の開閉により泠媒ガスの 供給と排気を行った。 冷媒ガスとしてヘリウムガスを使用した。 以下の 実施例において、 本発明例として使用したパルス管冷凍機を 「配管型冷 凍機」 という。
この配管型冷凍機では、 クライオコイルとして外径 9.52mm、 長さ 8 m の銅製配管を使用した。さらに、ヒー夕による冷凍特性を確認すると、 133 °C ( 140 K ) において 110 Wの冷凍能力を有するものであった。
図 5は、 比較例で採用したコールドトラップ処理の概略構成を示す図 である。 使用した冷凍機は、 パルス管内径 38mm、 長さ 200mmで、 蓄冷 部内径 54.8mm、 長さ 93mmとし、 位相制御装置としてァクティブバヅフ ァを設置した。 冷媒ガスとして窒素ガスを用い、 圧縮機と口一夕リー弁 の開閉により冷媒ガスの供給と排気を行った。 以下の実施例において、 比較例として使用したパルス管冷凍機を 「パネル型冷凍機」 という。 このパネル型冷凍機では、 図 5に示すように、 被冷却対象 7 (真空容 器） への熱伝達は銅製の伝熱プロックからなるコールドリンク 9と、 冷 却面となるコ一ルドパネル 10とから構成されている。 さらに、 ヒー夕に よる冷凍特性を確認すると、 133 °C (140 ) において 130 Wの冷凍能力 を有しており、 前記の配管型冷凍機に比べ、 若干性能に優れていること が分かる。
図 6は、 配管型冷凍機とパネル型冷凍機の冷却時における冷却温度と 時間の推移を比較した図である。 図中で示す温度は、 配管型冷凍機では クライオコイル表面温度であり、 パネル型冷凍機ではコールドパネルの 先端温度である。 ただし、 クライオコイル各点での温度差は殆ど発生し なかった。
配管型冷凍機では- 128 °C (150 K ) まで冷却するのに 20分を要したの に対し、 パネル型冷凍機では約 60分を要する結果となった。
図 7は、 配管型冷凍機とパネル型冷凍機の昇温再生時における加熱温 度と時間の推移を比較した図である。 図中で示す温度は、 前記図 6の場 合と同様である。 配管型冷凍機では- 163 °C (110 K ) から 20 °C (293 K ) まで加熱する のに約 4分であるのに対し、 パネル型冷凍機では 4分で僅か 20 °C程度の 上昇に留まった。 図 7では示されていないが、 パネル型冷凍機では- 163 。C (110 K ) から 20 °C (293 K ) まで加熱するのに約 240分を要した。 本実施例で使用した配管型冷凍機のクライオコイル重量は 2 kgであ り、 パネル型冷凍機のコールドパネルおよびコールドリンク重量は 3 kg であった。 さらに、 両者の冷凍能力差も考慮すると、 パネル型冷凍機の 冷却および加熱における遅延時間は、 1.27倍までが許容範囲となる。 し かし、図 6および図 7で確認された遅延時間はそれを超えるものであり、 本発明例の配管型冷凍機の効果が顕著であることが分かる。
上述の通り、 本実施例では配管型冷凍機とパネル型冷凍機との冷却面 積を同等としたが、 配管型冷凍機では伝熱抵抗を少なくするため、 伝熱 部材の断面積を大きくする必要がなく、 結果としてパネル型冷凍機に比 ベ、 重量比で 2/3で対応できることも本発明例の配管型冷凍機の特徴で ある。
したがって、 本発明例の配管型冷凍機では、 被冷却対象の熱伝達に冷 媒ガスの流動を利用することによって、伝熱抵抗を少なくするとともに、 冷却すべき部材の重量も軽減できるので、 これらの相乗効果として著し く熱伝達特性を向上させることができる。 産業上の利用の可能性
本発明の蓄冷型冷凍機によれば、 その熱利用に際して、 被冷却対象の 冷却および昇温再生が高速化でき、効率的な熱伝達が図れる。 この結果、 冷凍機の稼働率を大幅に向上させることが可能になる。 しかも、 本発明 の蓄冷型冷凍機のうち G M冷凍機で作動中に摺動する膨張ピス トン （デ イスプレーサ） を使用する場合に、 冷凍機で発生した振動を被冷却対象 に伝達させることがない。 このため、 センサー類や半導体製造装置に対 して悪影響を及ぼすことがないので、 これらの用途として広く適用する ことができる。

Claims

請 求 の 範 囲
1 .圧縮機並びに高圧切換弁および低圧切替弁からなる圧力制御手段と、 両端に室温端部と低温端部とを有する膨張圧縮部と、 両端に室温端部と 低温端部とを有する蓄冷部を備えて被冷却対象に熱伝達する蓄冷型冷凍 機であって、 前記膨張圧縮部の低温端部と前記蓄冷部の低温端部とを連 結し、 かつ前記被冷却対象まで延長した作動ガスの流動経路を設けた蓄 熱型冷凍機。
2 . 両端に室温端部と低温端部と有するパルス管と、 両端に室温端部と 低温端部とを有する蓄冷器と、 前記パルス管の室温端部に連通して作動 ガスの圧力変動と位相差を制御する位相制御手段と、 前記蓄冷器の室温 端部と連通して圧縮機並びに高圧切換弁および低圧切替弁からなる圧力 制御手段とを備えて被冷却対象に熱伝達するパルス管冷凍機であって、 前記パルス管の低温端部と前記蓄冷器の低温端部とを連結し、 かつ前記 被冷却対象まで延長した作動ガスの流動経路を設けたパルス管冷凍機。
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