脈衝管制冷機及應用此制冷機的低溫泵的製作方法
2023-06-09 20:48:56
專利名稱：脈衝管制冷機及應用此制冷機的低溫泵的製作方法
技術領域：
本發明與可靠性高的脈衝管制冷機及應用此制冷機的低溫泵相關，該脈衝管制冷機可不需使用如加熱器等附加機構，而可維持脈衝管制冷機的冷卻溫度。
背景技術：
一般而言，低溫泵通過將氣體分子吸附於安裝於制冷機冷端部(cold head)的吸附面板，而達到高真空的效果。而在此低溫泵中，在將氣體分子吸附於吸附面板時，必須將吸附面板的冷卻溫度維持於一定範圍。
例如，於水分專用的低溫泵中，吸附面板3(參考
圖1)的冷卻溫度必須維持於約110K的範圍。圖1為水分專用低溫泵的概略構造。圖中，1為GM制冷機，2為冷端部，3為安裝於冷端部2的吸附面板，4為在使用狀態下成為真空的空間，5為安裝邊。
目前，低溫泵的冷卻主要是使用以氦氣(單質氣體)作為工作氣體的GM制冷機，然而一般運轉時，吸附面板3的溫度過度下降至110K以下(有時下降至30～40K)，使得偏離原本僅結冰除去水分的目的，而使其他氣體成分亦結冰。因此，在水分專用低溫泵中，為了維持溫度，將加熱器及溫度計(皆無圖示)裝於冷端部2上，通過調節加熱器的溫度，而維持吸附面板3的溫度。
然而，於如此構造中，因為加熱器的配線由真空空間4伸出至大氣中，故密封施工複雜，且洩漏危險性高。又，為了跟隨熱負荷量的變化(例如，當吸附面板3附著過多水分或真空度下降，而使吸附面板3的溫度上升，必須調節加熱器的溫度)，必須具備溫度控制器，故機構變複雜，且價格升高。
又，在特開平6～73542號公報中，揭示一種吸附面板3的溫度控制機構，其設有熱交換器；將此熱交換器連結於吸附面板3的連結部；將氦氣等冷卻媒體輸送至該熱交換器的輸送機構；及該冷卻媒體的流量調節機構等。然而，於如此構造中，機構變複雜，且價格升高。
有鑑於上述問題，本發明的目的在於提供一種脈衝管制冷機及應用此制冷機的低溫泵，該脈衝管制冷機不需使用加熱器等，而可維持冷卻溫度。
發明內容
本發明的第1要點為提供一種脈衝管制冷機，其可使用液化溫度在脈衝管制冷機的使用溫度範圍內的氣體，作為工作氣體，而本發明的第2要點為提供一種可應用此制冷機的低溫泵。
亦即，本發明的脈衝管制冷機，其使用液化溫度在脈衝管制冷機的使用溫度範圍內的氣體，作為工作氣體。因此，脈衝管制冷機在運轉中，工作氣體在不低於其液化溫度的脈衝管制冷機的使用溫度範圍，且於該使用溫度範圍內略維持一定。如此，當工作氣體冷卻至該液化溫度，即使有來自外部的熱負荷，冷端部的溫度幾乎不會改變。但是，若由於來自外部的熱負荷，而使熱侵入量增加時，因冷端部的溫度急劇上升，故必須將即使有來自外部的熱負荷，冷端部的溫度亦幾乎不會改變的溫度範圍，設為工作氣體的設定溫度。又，此溫度範圍，可通過使用多種氣體的混合氣體作為工作氣體，而可做某種程度的調節。
更進一步而言，當使用高液化溫度的氦以外的氣體(如氮氣等)作為工作氣體的脈衝管制冷機運轉時，工作氣體於脈衝管制冷機的低溫側液化。然而，因為在脈衝管制冷機中，工作氣體會產生壓縮、膨脹或移動(低溫側←→高溫側)，液化的工作氣體會超過沸點以上部分，或因為減壓時的膨脹，而使沸點下降。因此，液化的動作氣體無法固化而再次氣化。如此，因為工作氣體在1循環中，重複液化及氣化，故動作氣體不會阻塞通路，而於作為脈衝管制冷機而工作時，脈衝管制冷機的冷端部的溫度，可維持為工作氣體的液化溫度(＝沸點)附近的溫度。又，當冷端部的熱負荷增加(或減少)時，雖然於1循環中所液化的量減少(或增加)，然而冷端部的溫度仍維持為工作氣體的液化溫度附近。即使熱侵入量增加，在動作氣體液化期間，冷端部的溫度仍維持為工作氣體的液化溫度附近(參考圖2)。
如上所述，本發明的脈衝管制冷機，因不必如現有技術般使用加熱器等調節溫度，而自動地維持冷卻溫度，故不需使用加熱器等電氣能源，可減少能源消耗。而且，因為不需加熱器的控制機構，故裝置單純，可減少故障頻度，並且降低裝置價格。此外，因無至真空空間的配線，故不需進行密封施工，且亦無真空洩漏的危險。又，本發明的低溫泵，因為應用上述的脈衝管制冷機，故可達到如上所述的優良效果。
本發明的工作氣體，系使用氮氣、氬等各種單質氣體。此外，亦可使用在這些單質氣體中混合氦氣等所成的混合氣體或空氣。又，當確定脈衝管制冷機的使用溫度範圍時，可以在此使用溫度範圍內的液化溫度為基礎，選擇單質氣體的種類、或調整混合比的混合氣體。
附圖簡述圖1為本發明的低溫泵的剖面圖。
圖2為對冷端部的熱負荷及冷端部溫度關係的示意圖。
實施發明的最佳形式其次，說明本發明的低溫泵一實施形態。在此實施形態中，圖1的低溫泵中，不使用GM制冷機，而使用以氮氣(單質氣體)作為工作氣體的脈衝管制冷機。又，在冷端部2不安裝加熱器及溫度計，亦未設置溫度控制器。因此，也無加熱器的配線。除此外的部分，則與圖1所示的實施形態相同。
在此實施形態中，因為不使用加熱器等，故除了可減少能源消耗外，且故障頻度減少，裝置價格降低。而且，因為無加熱器的配線，故無真空洩漏的危險性。
在與上述實施形態相同的低溫泵中，填充絕對壓力為18.0kgf/cm2的氮氣作為工作氣體，當運轉脈衝管制冷機時，通過安裝於冷端部的加熱器(此係為了實驗而安裝，以施加熱負荷)，而調查施加熱負荷時的冷端部的溫度變化。其結果如圖2所示(測量結果以黑圈顯示)。由圖2可知，可達到因工作氣體液化而產生的溫度維持效果，於熱負荷為0～60W間，可將冷卻溫度維持於112～115K的範圍。又，氮氣於16.4kgf/cm2時的液化溫度為112k。
在與上述實施形態相同的低溫泵中，填充氮氣的分壓為14.4kgf/cm2而氦氣為3.6kgf/cm2的混合氣體，作為工作氣體，與實施例1相同運轉脈衝管制冷機，通過安裝於冷端部的加熱器(此係為了實驗而安裝，以施加熱負荷)，而調查施加熱負荷時的冷端部的溫度變化。其結果如圖2所示(測量結果以白圈顯示)。由圖2可知，可達到因工作氣體液化而產生的溫度維持效果，於熱負荷為0～60W間，可將冷卻溫度維持於99～110k的範圍。在實施例2中，氮與氦二種成分達成氣液平衡，故與實施例1相比，其可達到的溫度降低。又，氮氣於14.7kgf/cm2時的液化溫度為110k。
工業上的利用可能性本發明的脈衝管制冷機，不僅可用於水分專用的低溫泵(如包含HELIXTECHNOLOGY所制的Waterpumps(產品名))或各種低溫泵，亦可使用於冷凝管等。又，本發明的低溫泵，可使用於半導體製造用真空裝置、光磁氣記錄媒體製造用真空裝置等的各種吸真空裝置等。
權利要求
1.一種脈衝管制冷機，其使用液化溫度在脈衝管制冷機的使用溫度範圍內的氣體作為工作氣體。
2.權利要求1的脈衝管制冷機，其中，工作氣體為單質氣體或混合氣體。
3.權利要求1或2的脈衝管制冷機，其中，工作氣體為氮氣。
4.一種低溫泵，其應用權利要求1的脈衝管制冷機。
5.權利要求4的低溫泵，其中，應用於脈衝管制冷機的工作氣體為氮氣或含氮氣的混合氣體。
全文摘要
一種脈衝管制冷機,其不需使用加熱器等,而可維持冷卻溫度。此脈衝管制冷機使用液化溫度在脈衝管制冷機使用溫度範圍內的氣體,作為工作氣體。
文檔編號F04B37/00GK1272914SQ99800910
公開日2000年11月8日 申請日期1999年6月9日 優先權日1998年6月12日
發明者宮本篤, 垣見康浩, 國谷晉吾, 伊藤大介 申請人:大同北產株式會社