脉冲管制冷机及应用此制冷机的低温泵
阅读：1008发布：2020-06-25
专利汇可以提供脉冲管制冷机及应用此制冷机的低温泵专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种脉冲管制冷机，其不需使用加热器等，而可维持冷却 温度 。此脉冲管制冷机使用 液化 温度在脉冲管制冷机使用温度范围内的气体，作为工作气体。，下面是脉冲管制冷机及应用此制冷机的低温泵专利的具体信息内容。
技术领域
本发明与可靠性高的脉冲管制冷机及应用此制冷机的低温泵相 关，该脉冲管制冷机可不需使用如加热器等附加机构，而可维持脉冲 管制冷机的冷却温度。
背景技术
一般而言，低温泵通过将气体分子吸附于安装于制冷机冷端部 (cold head)的吸附面板，而达到高真空的效果。而在此低温泵中， 在将气体分子吸附于吸附面板时，必须将吸附面板的冷却温度维持于 一定范围。
例如，于水分专用的低温泵中，吸附面板3(参考图1)的冷却 温度必须维持于约110K的范围。图1为水分专用低温泵的概略构造。 图中，1为GM制冷机，2为冷端部，3为安装于冷端部2的吸附面板， 4为在使用状态下成为真空的空间，5为安装边。
目前，低温泵的冷却主要是使用以氦气(单质气体)作为工作气 体的GM制冷机，然而一般运转时，吸附面板3的温度过度下降至110K 以下(有时下降至30～40K)，使得偏离原本仅结冰除去水分的目的， 而使其他气体成分亦结冰。因此，在水分专用低温泵中，为了维持温 度，将加热器及温度计(皆无图示)装于冷端部2上，通过调节加热 器的温度，而维持吸附面板3的温度。
然而，于如此构造中，因为加热器的配线由真空空间4伸出至大 气中，故密封施工复杂，且泄漏危险性高。又，为了跟随热负荷量的 变化(例如，当吸附面板3附着过多水分或真空度下降，而使吸附面 板3的温度上升，必须调节加热器的温度)，必须具备温度控制器， 故机构变复杂，且价格升高。
又，在特开平6-73542号公报中，揭示一种吸附面板3的温度 控制机构，其设有：热交换器；将此热交换器连结于吸附面板3的连 结部；将氦气等冷却媒体输送至该热交换器的输送机构；及该冷却媒 体的流量调节机构等。然而，于如此构造中，机构变复杂，且价格升 高。
有鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种脉冲管制冷机及应 用此制冷机的低温泵，该脉冲管制冷机不需使用加热器等，而可维持 冷却温度。
例如，于水分专用的低温泵中，吸附面板3(参考图1)的冷却 温度必须维持于约110K的范围。图1为水分专用低温泵的概略构造。 图中，1为GM制冷机，2为冷端部，3为安装于冷端部2的吸附面板， 4为在使用状态下成为真空的空间，5为安装边。
目前，低温泵的冷却主要是使用以氦气(单质气体)作为工作气 体的GM制冷机，然而一般运转时，吸附面板3的温度过度下降至110K 以下(有时下降至30～40K)，使得偏离原本仅结冰除去水分的目的， 而使其他气体成分亦结冰。因此，在水分专用低温泵中，为了维持温 度，将加热器及温度计(皆无图示)装于冷端部2上，通过调节加热 器的温度，而维持吸附面板3的温度。
然而，于如此构造中，因为加热器的配线由真空空间4伸出至大 气中，故密封施工复杂，且泄漏危险性高。又，为了跟随热负荷量的 变化(例如，当吸附面板3附着过多水分或真空度下降，而使吸附面 板3的温度上升，必须调节加热器的温度)，必须具备温度控制器， 故机构变复杂，且价格升高。
又，在特开平6-73542号公报中，揭示一种吸附面板3的温度 控制机构，其设有：热交换器；将此热交换器连结于吸附面板3的连 结部；将氦气等冷却媒体输送至该热交换器的输送机构；及该冷却媒 体的流量调节机构等。然而，于如此构造中，机构变复杂，且价格升 高。
有鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种脉冲管制冷机及应 用此制冷机的低温泵，该脉冲管制冷机不需使用加热器等，而可维持 冷却温度。
发明内容
本发明的第1要点为提供一种脉冲管制冷机，其可使用液化温度 在脉冲管制冷机的使用温度范围内的气体，作为工作气体，而本发明 的第2要点为提供一种可应用此制冷机的低温泵。
亦即，本发明的脉冲管制冷机，其使用液化温度在脉冲管制冷机 的使用温度范围内的气体，作为工作气体。因此，脉冲管制冷机在运 转中，工作气体在不低于其液化温度的脉冲管制冷机的使用温度范 围，且于该使用温度范围内略维持一定。如此，当工作气体冷却至该 液化温度，即使有来自外部的热负荷，冷端部的温度几乎不会改变。 但是，若由于来自外部的热负荷，而使热侵入量增加时，因冷端部的 温度急剧上升，故必须将即使有来自外部的热负荷，冷端部的温度亦 几乎不会改变的温度范围，设为工作气体的设定温度。又，此温度范 围，可通过使用多种气体的混合气体作为工作气体，而可做某种程度 的调节。
更进一步而言，当使用高液化温度的氦以外的气体(如氮气等) 作为工作气体的脉冲管制冷机运转时，工作气体于脉冲管制冷机的低 温侧液化。然而，因为在脉冲管制冷机中，工作气体会产生压缩、膨 胀或移动(低温侧←→高温侧)，液化的工作气体会超过沸点以上部 分，或因为减压时的膨胀，而使沸点下降。因此，液化的动作气体无 法固化而再次气化。如此，因为工作气体在1循环中，重复液化及气 化，故动作气体不会阻塞通路，而于作为脉冲管制冷机而工作时，脉 冲管制冷机的冷端部的温度，可维持为工作气体的液化温度(＝沸 点)附近的温度。又，当冷端部的热负荷增加(或减少)时，虽然于 1循环中所液化的量减少(或增加)，然而冷端部的温度仍维持为工 作气体的液化温度附近。即使热侵入量增加，在动作气体液化期间， 冷端部的温度仍维持为工作气体的液化温度附近(参考图2)。
如上所述，本发明的脉冲管制冷机，因不必如现有技术般使用加 热器等调节温度，而自动地维持冷却温度，故不需使用加热器等电气 能源，可减少能源消耗。而且，因为不需加热器的控制机构，故装置 单纯，可减少故障频度，并且降低装置价格。此外，因无至真空空间 的配线，故不需进行密封施工，且亦无真空泄漏的危险。又，本发明 的低温泵，因为应用上述的脉冲管制冷机，故可达到如上所述的优良 效果。
本发明的工作气体，系使用氮气、氩等各种单质气体。此外，亦 可使用在这些单质气体中混合氦气等所成的混合气体或空气。又，当 确定脉冲管制冷机的使用温度范围时，可以在此使用温度范围内的液 化温度为基础，选择单质气体的种类、或调整混合比的混合气体。
附图简述
图1为本发明的低温泵的剖面图。
图2为对冷端部的热负荷及冷端部温度关系的示意图。
实施发明的最佳形式
其次，说明本发明的低温泵一实施形态。在此实施形态中，图1 的低温泵中，不使用GM制冷机，而使用以氮气(单质气体)作为工作 气体的脉冲管制冷机。又，在冷端部2不安装加热器及温度计，亦未 设置温度控制器。因此，也无加热器的配线。除此外的部分，则与图1 所示的实施形态相同。
在此实施形态中，因为不使用加热器等，故除了可减少能源消耗 外，且故障频度减少，装置价格降低。而且，因为无加热器的配线， 故无真空泄漏的危险性。
[实施例1]
在与上述实施形态相同的低温泵中，填充绝对压力为18.0kgf/cm2 的氮气作为工作气体，当运转脉冲管制冷机时，通过安装于冷端部的 加热器(此系为了实验而安装，以施加热负荷)，而调查施加热负荷 时的冷端部的温度变化。其结果如图2所示(测量结果以黑圈显示)。 由图2可知，可达到因工作气体液化而产生的温度维持效果，于热负 荷为0～60W间，可将冷却温度维持于112～115K的范围。又，氮气于 16.4kgf/cm2时的液化温度为112K。
[实施例2]
在与上述实施形态相同的低温泵中，填充氮气的分压为 14.4kgf/cm2而氦气为3.6kgf/cm2的混合气体，作为工作气体，与实施 例1相同运转脉冲管制冷机，通过安装于冷端部的加热器(此系为了 实验而安装，以施加热负荷)，而调查施加热负荷时的冷端部的温度 变化。其结果如图2所示(测量结果以白圈显示)。由图2可知，可 达到因工作气体液化而产生的温度维持效果，于热负荷为0～60W间， 可将冷却温度维持于99～110K的范围。在实施例2中，氮与氦二种成 分达成气液平衡，故与实施例1相比，其可达到的温度降低。又，氮 气于14.7kgf/cm2时的液化温度为110K。
工业上的利用可能性
本发明的脉冲管制冷机，不仅可用于水分专用的低温泵(如包含 HELIXTECHNOLOGY所制的Waterpumps(产品名))或各种低温泵，亦 可使用于冷凝管等。又，本发明的低温泵，可使用于半导体制造用真 空装置、光磁气记录媒体制造用真空装置等的各种吸真空装置等。
亦即，本发明的脉冲管制冷机，其使用液化温度在脉冲管制冷机 的使用温度范围内的气体，作为工作气体。因此，脉冲管制冷机在运 转中，工作气体在不低于其液化温度的脉冲管制冷机的使用温度范 围，且于该使用温度范围内略维持一定。如此，当工作气体冷却至该 液化温度，即使有来自外部的热负荷，冷端部的温度几乎不会改变。 但是，若由于来自外部的热负荷，而使热侵入量增加时，因冷端部的 温度急剧上升，故必须将即使有来自外部的热负荷，冷端部的温度亦 几乎不会改变的温度范围，设为工作气体的设定温度。又，此温度范 围，可通过使用多种气体的混合气体作为工作气体，而可做某种程度 的调节。
更进一步而言，当使用高液化温度的氦以外的气体(如氮气等) 作为工作气体的脉冲管制冷机运转时，工作气体于脉冲管制冷机的低 温侧液化。然而，因为在脉冲管制冷机中，工作气体会产生压缩、膨 胀或移动(低温侧←→高温侧)，液化的工作气体会超过沸点以上部 分，或因为减压时的膨胀，而使沸点下降。因此，液化的动作气体无 法固化而再次气化。如此，因为工作气体在1循环中，重复液化及气 化，故动作气体不会阻塞通路，而于作为脉冲管制冷机而工作时，脉 冲管制冷机的冷端部的温度，可维持为工作气体的液化温度(＝沸 点)附近的温度。又，当冷端部的热负荷增加(或减少)时，虽然于 1循环中所液化的量减少(或增加)，然而冷端部的温度仍维持为工 作气体的液化温度附近。即使热侵入量增加，在动作气体液化期间， 冷端部的温度仍维持为工作气体的液化温度附近(参考图2)。
如上所述，本发明的脉冲管制冷机，因不必如现有技术般使用加 热器等调节温度，而自动地维持冷却温度，故不需使用加热器等电气 能源，可减少能源消耗。而且，因为不需加热器的控制机构，故装置 单纯，可减少故障频度，并且降低装置价格。此外，因无至真空空间 的配线，故不需进行密封施工，且亦无真空泄漏的危险。又，本发明 的低温泵，因为应用上述的脉冲管制冷机，故可达到如上所述的优良 效果。
本发明的工作气体，系使用氮气、氩等各种单质气体。此外，亦 可使用在这些单质气体中混合氦气等所成的混合气体或空气。又，当 确定脉冲管制冷机的使用温度范围时，可以在此使用温度范围内的液 化温度为基础，选择单质气体的种类、或调整混合比的混合气体。
附图简述
图1为本发明的低温泵的剖面图。
图2为对冷端部的热负荷及冷端部温度关系的示意图。
实施发明的最佳形式
其次，说明本发明的低温泵一实施形态。在此实施形态中，图1 的低温泵中，不使用GM制冷机，而使用以氮气(单质气体)作为工作 气体的脉冲管制冷机。又，在冷端部2不安装加热器及温度计，亦未 设置温度控制器。因此，也无加热器的配线。除此外的部分，则与图1 所示的实施形态相同。
在此实施形态中，因为不使用加热器等，故除了可减少能源消耗 外，且故障频度减少，装置价格降低。而且，因为无加热器的配线， 故无真空泄漏的危险性。
[实施例1]
在与上述实施形态相同的低温泵中，填充绝对压力为18.0kgf/cm2 的氮气作为工作气体，当运转脉冲管制冷机时，通过安装于冷端部的 加热器(此系为了实验而安装，以施加热负荷)，而调查施加热负荷 时的冷端部的温度变化。其结果如图2所示(测量结果以黑圈显示)。 由图2可知，可达到因工作气体液化而产生的温度维持效果，于热负 荷为0～60W间，可将冷却温度维持于112～115K的范围。又，氮气于 16.4kgf/cm2时的液化温度为112K。
[实施例2]
在与上述实施形态相同的低温泵中，填充氮气的分压为 14.4kgf/cm2而氦气为3.6kgf/cm2的混合气体，作为工作气体，与实施 例1相同运转脉冲管制冷机，通过安装于冷端部的加热器(此系为了 实验而安装，以施加热负荷)，而调查施加热负荷时的冷端部的温度 变化。其结果如图2所示(测量结果以白圈显示)。由图2可知，可 达到因工作气体液化而产生的温度维持效果，于热负荷为0～60W间， 可将冷却温度维持于99～110K的范围。在实施例2中，氮与氦二种成 分达成气液平衡，故与实施例1相比，其可达到的温度降低。又，氮 气于14.7kgf/cm2时的液化温度为110K。
工业上的利用可能性
本发明的脉冲管制冷机，不仅可用于水分专用的低温泵(如包含 HELIXTECHNOLOGY所制的Waterpumps(产品名))或各种低温泵，亦 可使用于冷凝管等。又，本发明的低温泵，可使用于半导体制造用真 空装置、光磁气记录媒体制造用真空装置等的各种吸真空装置等。
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