(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダと、
前記シリンダ内に該シリンダの軸方向に往復運動可能に配置され、該シリンダ内の一端に膨張室を画定するディスプレーサであって、金属製の筒と、該筒の外周面上に形成された被膜とを含み、該筒と被膜とは，前記筒と前記シリンダとが直接接した場合の摩擦係数よりも、該被膜と前記シリンダとが接した場合の摩擦係数の方が小さくなるような材料で形成されている前記ディスプレーサと、
前記膨張室内に冷媒ガスを供給し、前記膨張室から冷媒ガスを回収する主ガス流路と、
前記主ガス流路内の少なくとも一部に配置された蓄冷材と、
前記ディスプレーサの外周面の両端を結ぶ補助ガス流路であって、該補助ガス流路が、該ディスプレーサの外周面上に形成された溝を含み、該溝の少なくとも一部が前記ディスプレーサの軸方向に対して交差する方向に沿い、該溝が、前記ディスプレーサの金属製の筒の外周面もしくは該外周面よりも深い位置まで達している前記補助ガス流路と
を有し、前記筒の熱伝導度が、前記被膜の熱伝導度よりも大きい蓄冷器式冷凍機。
【請求項２】
前記補助ガス流路を構成する溝が、らせん状の部分を含む請求項１に記載の蓄冷器式冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蓄冷器式冷凍機に関し、特にディスプレーサがシリンダ内で往復駆動され、シリンダ内の低温端に画定された膨張室で冷媒ガスが膨張して吸熱を生じる蓄冷器式冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヘリウム等の冷媒ガスを用い、蓄冷材を収容した蓄冷器を有する蓄冷器式冷凍機として、ギフォードマクマホン（ＧＭ）サイクル冷凍機、（逆）スターリングサイクル冷凍機等が知られている。半導体装置製造用のスパッタリング装置等で清浄な真空を得たい場合、クライオポンプが用いられる。近年、クライオポンプ用冷凍機としてＧＭ冷凍機が用いられている。勿論、ＧＭ冷凍機はクライオポンプに限らず、種々の目的に使用することができる。以下、ＧＭ冷凍機の構成について説明する。
【０００３】
シリンダ内にディスプレーサが挿入されている。シリンダ内の低温端に膨張室が画定され、高温端に空洞が画定されている。ディスプレーサ内にガス流路が設けられており、ガス流路内に蓄冷材が充填されている。ディスプレーサ内のガス流路は、膨張室及び高温端側の空洞に連通している。駆動機構が、ディスプレーサを、シリンダの軸方向に往復駆動する。
【０００４】
ヘリウムガス供給系が、高温端側の空洞にヘリウムガスを供給し、また空洞からヘリウムガスを回収する。ヘリウムガスの供給と回収は、ディスプレーサの往復駆動に同期して行われる。高温端側の空洞にヘリウムガスが供給されると、ディスプレーサ内のガス流路を通って、膨張室までヘリウムガスが導入される。膨張室内のヘリウムガスは、同一経路を通ってヘリウムガス供給系に回収される。
【０００５】
シリンダとディスプレーサとの間の隙間に、ヘリウムガスの漏れを防止するためのシール機構が設けられている。ディスプレーサの往復動、及びヘリウムガスの供給と回収とを繰り返すと、膨張室内で吸熱が生ずる。冷却されたヘリウムガスが膨張室から回収されるとき、ディスプレーサ内の蓄冷材が冷却される。ヘリウムガスが膨張室に導入されるとき、蓄冷材がヘリウムガスを冷却する。
【０００６】
シリンダとディスプレーサとの間のシール機構の不具合により、所望の冷凍能力を発揮できない場合がある。特許第２６５９６８４号公報に、シール機構の不具合による冷凍能力の低下を防止することができる冷凍機に関する発明が開示されている。特許第２６５９６８４号公報に開示された発明では、シール機構を設ける代わりに、ディスプレーサの外周面上にらせん溝が設けられている。
【０００７】
ディスプレーサ内の正規のガス流路から分岐し、シリンダとディスプレーサとの間の隙間に流入したヘリウムガスが、らせん溝に沿って流れる。らせん溝に沿って流れるヘリウムガスは、シリンダ軸に平行に流れる場合に比べて、より長い経路を通るため、ディスプレーサと十分な熱交換を行うことができる。このため、シリンダとディスプレーサとの間の隙間を流れるヘリウムガスによる熱損失を少なくすることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ディスプレーサの外周面上に溝の形成された冷凍機の冷凍能力をより高め、かつ製造を容易に行うことが可能な蓄冷器式冷凍機を提供することである。
【０００９】
本発明の一観点によると、シリンダと、前記シリンダ内に該シリンダの軸方向に往復運動可能に配置され、該シリンダ内の一端に膨張室を画定するディスプレーサであって、金属製の筒と、該筒の外周面上に形成された被膜とを含み、該筒と被膜とは，前記筒と前記シリンダとが直接接した場合の摩擦係数よりも、該被膜と前記シリンダとが接した場合の摩擦係数の方が小さくなるような材料で形成されている前記ディスプレーサと、前記膨張室内に冷媒ガスを供給し、前記膨張室から冷媒ガスを回収する主ガス流路と、前記主ガス流路内の少なくとも一部に配置された蓄冷材と、前記ディスプレーサの外周面の両端を結ぶ補助ガス流路であって、該補助ガス流路が、該ディスプレーサの外周面上に形成された溝を含み、該溝の少なくとも一部が前記ディスプレーサの軸方向に対して交差する方向に沿い、該溝が、前記ディスプレーサの金属製の筒の外周面もしくは該外周面よりも深い位置まで達している前記補助ガス流路とを有し、前記筒の熱伝導度が、前記被膜の熱伝導度よりも大きい蓄冷器式冷凍機が提供される。
【００１０】
ディスプレーサの外周面に溝形成されているため、蓄冷材を有する主ガス流路から分岐してディスプレーサとシリンダとの隙間を流れるガスは、この溝に沿って流れる。この溝は、溝内を流れるガスがディスプレーサ及びシリンダと積極的に熱交換を行うように、ディスプレーサの軸方向に対して交差する方向に沿う溝を含むように形成してある。
【００１１】
このため、分岐したガスが高温側から低温側に流れるときは、軸方向に直接流れる場合に比べて、より冷却され、逆に低温側から高温側に流れるときは、ディスプレーサ及びシリンダをより冷却する。また、溝が、金属製の筒の外周面もしくは外周面よりも深い位置まで達しているため、熱交換効率を高めることができる。このため、分岐ガスによる熱損失を低減することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の実施例による蓄冷器式冷凍機の基本構成を示す。シリンダ１内に、円筒状のディスプレーサ２が挿入されている。シリンダ１は、熱伝導率が低く、気密性の高い剛性材料、例えばステンレス等で形成されている。ディスプレーサ２の側壁は、ステンレス製の筒２ａ及びその外周面上に形成された樹脂製の被膜２ｂにより構成されている。ディスプレーサ２の外周面には、上面と下面とを結ぶ１本あるいは複数本のらせん状の溝４が形成されている。らせん状の溝４は、ステンレス製の筒２ａの表面もしくはそれよりも深い位置まで達する。すなわち、溝４の底面にステンレス製の筒２ａが露出している。
【００１３】
ディスプレーサ２の内部にガス流路３が形成されている。このガス流路３に作動温度において高い熱容量を有する蓄冷材５が充填されている。ディスプレーサ２とシリンダ１の一方の端部（図１においては下端）との間に、膨張室６が画定されている。
【００１４】
シリンダ１の上端からシリンダ１内に供給される冷媒ガスが、ディスプレーサ２内のガス流路３を通って膨張室６に導入される。また、一部の冷媒ガスは、ガス流路３から分岐しディスプレーサ２とシリンダ１との間の間隙を流れる。このガスは、ディスプレーサ外周面に設けたらせん状の溝４に沿って、ディスプレーサ２及びシリンダ１の表面と熱交換しながら下方に流れ膨張室６に導入される。
【００１５】
これらの冷媒ガスが膨張することによって吸熱が生じ、再び上方に回収される時、冷媒ガス流路３を流れ、その際に蓄冷材５を冷却する。上記と同様に、冷媒ガスの一部は、らせん状の溝４内を、ディスプレーサ２とシリンダ１の表面とを冷却しながら上方に流れ、ガス流路３を流れた冷媒ガスと合流する。
【００１６】
冷媒ガスがらせん状の溝４に沿って流れる場合は、ディスプレーサ２とシリンダ１との間の間隙を軸方向に直線的に流れる場合に比べて、ディスプレーサ２やシリンダ１の表面と冷媒ガスとの間で多くの熱交換を行うことができる。さらに、溝４の内面にステンレス製の筒２ａが露出しているため、溝４が樹脂製の被膜２ｂ内にのみ形成されている場合に比べて、より多くの熱交換が行われる。
【００１７】
従来の蓄冷器式冷凍機では、ディスプレーサとシリンダの隙間を流れる冷媒ガスを少なくするためにシール機構が用いられていた。しかし、その気密性を実現するのは極めて困難であり、シール性能が不安定となって冷却温度が高くなったり、変動したりするものと考えられる。
【００１８】
本実施例においては、低温部にシール機構を用いる必要がなくなるため、上述のような劣化が生じにくい。以下、図２に概略的に示す２段式ＧＭ冷凍機を例に、本発明の実施例について説明する。
【００１９】
図２は、実施例によるＧＭ冷凍機の構成例を概略的に示す。実施例のＧＭ冷凍機は２段構成であり、数Ｋ〜２０Ｋ程度の極低温を得るのに適している。
【００２０】
ガス圧縮機１０が、ヘリウムガスを約２０Ｋｇｆ／ｃｍ２  に圧縮し、高圧ヘリウムガスを供給する。高圧ヘリウムガスは、吸気弁Ｖ１、ガス流路１６を介して第１段目シリンダ１１の高温端側の空洞に供給される。第１段目シリンダ１１の低温端に、第２段目シリンダ１２が結合されている。
【００２１】
第１段目シリンダ１１、及び第２段目シリンダ１２内に、相互に結合された第１段目ディスプレーサ１３、及び第２段目ディスプレーサ１４がそれぞれ収容されている。第１段目シリンダ１１の高温端から、スコッチヨークＳが導出されている。スコッチヨークＳは、クランク機構１５を介して駆動用モータＭに結合している。
【００２２】
第１段目ディスプレーサ１３及び第２段目ディスプレーサ１４は、それぞれ蓄冷材１７及び１８が充填された空間を有し、内部の空間と外部とを接続するガス流路２３ａ、２３ｂ、２４ａ及び２４ｂを有している。また、第１段目シリンダ１１の低温端側に第１段目膨張室２１が画定され、第２段目シリンダ１２の低温端側に第２段目膨張室２２が画定されている。ガス流路２３ａは、第１段目シリンダ１１の高温端側の空洞と、第１段目ディスプレーサ１３内の空間とを接続する。ガス流路２３ｂは、第１段目ディスプレーサ１３内の空間と第１段目膨張室２１とを接続する。ガス流路２４ａは、第１段目膨張室２１と第２段目ディスプレーサ１４内の空間とを接続する。ガス流路２４ｂは、第２段目ディスプレーサ１４内の空間と第２段目膨張室２２とを接続する。なお、ガス流路２３ａ、２３ｂ、２４ａ及び２４ｂは、冷媒ガスの流れを説明するために機能的に記載したものであり、実際の構造とは異なる。
【００２３】
通常、第１段目シリンダ１１及び第２段目シリンダ１２は、十分な強度、低い熱伝導率、十分なヘリウムガス遮蔽能を有するステンレス綱（たとえばＳＵＳ３０４）等によって形成される。
【００２４】
また、第１段目ディスプレーサ１３は、比重が軽く、十分な耐摩耗性、比較的高い強度、及び低い熱伝導率を有する布入りフェノール（ベークライト）等によって形成される。第２段目ディスプレーサ１４は、図１で説明したように、ステンレス製の筒、その外周面上に形成された樹脂製の被膜、及びらせん状の溝を含んで構成される。
【００２５】
図３に、第２段目ディスプレーサ１４の詳細な断面図を示す。ステンレス製の筒３９の外周面上に、布入りフェノールからなる厚さ約０．５ｍｍの被膜４０が形成されている。筒３９の両端は開放されている。例えば、図２に示す第２段目シリンダの内径が３５ｍｍの場合、被膜４０の外周面の直径を３５ｍｍ、筒３９の内径を３０ｍｍとする。ディスプレーサの軸方向の長さは、たとえば２００ｍｍ程度とする。
【００２６】
筒３９の下端に、布入りフェノール等で形成された蓋３１が挿入され接着されている。その上に金網３２が配置され、その上にフェルト栓３３が配置されている。フェルト栓３３の上に、たとえば鉛球からなる蓄冷材１８が充填されている。蓄冷材１８の上にフェルト栓３４が配置され、フェルト栓３４の上に、パンチングメタル３５が配置されている。蓋４１が、筒３９の上端を塞ぎ、パンチングメタル３５を固定している。筒３９の上端に、図２に示す第１段目ディスプレーサ１３と結合するための結合機構３６が取り付けられている。
【００２７】
筒３９の側壁の、金網３２の高さに対応する位置に、ガス流路を形成する開口３７が設けられている。筒３９の開口３７よりも上の外周面には、開口３７の位置と上端とを結ぶ１本のらせん状の溝３８が形成されている。この溝は、例えば、幅約２ｍｍ、深さ約１ｍｍ、ピッチ約４ｍｍである。被膜４０の厚さが約０．５ｍｍであるため、溝３８の深さはステンレス製の筒３９まで達する。
【００２８】
開口３７よりも下の筒３９の外周面上には、被膜４０が形成されていない。従って、開口３７よりも下の部分では、筒３９と第２段目シリンダ１２との間に隙間が形成される。この隙間は、筒３９の内部と図２に示す膨張室２２とを結ぶガス流路となる。
【００２９】
被膜４０の外周面と第２段目シリンダ１２の内周面との間の隙間は、ディスプレーサを安定に往復駆動するために０．０１ｍｍ以上であることが好ましく、漏洩ガスが軸方向に直線的に流れることを防止するために、０．０３ｍｍ以下であることが好ましい。
【００３０】
なお、蓄冷材１８として、鉛の代わりに、他の材料、例えば、磁性蓄冷材を用いてもよい。極低温領域で比熱の大きな磁性蓄冷材を用いることにより、冷凍能力を高めることができる。
【００３１】
次に、図２に示したＧＭ冷凍機の動作について説明する。ガス圧縮機１０から吸気弁Ｖ１を介して供給される高圧ヘリウムガスが、ガス流路１６を介して第１段目シリンダ１１内に供給される。さらに、ガス流路２３ａ、第１段目ディスプレーサ１３内の空間、及びガス流路２３ｂを通って、第１段目膨張室２１に導入される。
【００３２】
第１段目膨張室２１内に導入されたヘリウムガスは、さらにガス流路２４ａ、第２段目ディスプレーサ１４内の空間、及びガス流路２４ｂを通って第２段目の膨張室２２内に導入される。ヘリウムガスの一部は、第２段目シリンダ１２と第２段目ディスプレーサ１４との間の隙間を、らせん溝３８に沿って流れる。
【００３３】
吸気弁Ｖ１が閉じ、排気弁Ｖ２が開いた時には、第２段目シリンダ１２、第１段目シリンダ１１内の高圧ヘリウムガスは、吸気の場合と同一の経路を逆に辿り、ガス流路１６、排気弁Ｖ２を通ってガス圧縮機１０に回収される。
【００３４】
ＧＭ冷凍機の作動時においては、駆動用モータＭの回転によって第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４が図中の矢印で示すように上下に往復駆動される。第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４が下方に移動した時、吸気弁Ｖ１が開き、高圧ヘリウムガスが第１段目シリンダ１１、第２段目シリンダ１２内に供給される。
【００３５】
駆動用モータＭによって第１段目ディスプレーサ１３、第２段目ディスプレーサ１４が上方に移動した時、吸気弁Ｖ１が閉じ、排気弁Ｖ２が開いて、ヘリウムガスはガス圧縮機１０に回収される。このとき、第１段目シリンダ１１、第２段目シリンダ１２内の膨張室２１及び２２内が低圧になる。
【００３６】
膨張室２１、２２内で、ヘリウムガスの膨張によって吸熱が発生する。冷却されたヘリウムガスが、ディスプレーサ１４、１３内の空間を通り、蓄冷材１８、１７を冷却する。
【００３７】
次の吸気工程で供給される高圧ヘリウムガスは、蓄冷材１７及び１８により冷却されながら膨張室２１及び２２に供給される。冷却されたヘリウムガスが膨張することにより、さらに冷却が進む。定常状態においては、第１段目シリンダ１１の膨張室２１が、たとえば４０Ｋ〜７０Ｋ程度の温度に保たれ、第２段目シリンダ１２の膨張室２２の温度は数Ｋ〜２０Ｋ程度の温度に保たれる。
【００３８】
らせん溝３８の内面にステンレス製の筒３９が露出しているため、ディスプレーサ１４内の蓄冷材１８と、らせん溝３８に沿って流れるヘリウムガスとの間の熱交換効率を高めることができる。これにより、冷凍能力を高めることが可能になる。
【００３９】
第１段目シリンダの低温端近傍に、第１段目ヒートステーション１９が熱的に結合されており、第２段目シリンダ１２の低温端近傍に、第２段目ヒートステーション２０が熱的に結合している。
【００４０】
第１段目ヒートステーション１９は、たとえばクライオパネル等に結合され、ガス分子を吸着させる。また、第２段目ヒートステーション２０は、たとえば活性炭等の吸着材を収容する吸着塔に結合され、残留ガス分子の吸着を行う。このような構成を有するクライオポンプは、スパッタリング装置等において清浄な真空を形成するために用いられる。
【００４１】
上記実施例では、被膜４０を布入りフェノールで形成したが、耐摩耗性が高く、摩擦抵抗が小さいその他の材料で形成してもよい。このような材料として、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ガラス繊維強化エポキシ、ポリテトラフルオロエチレン等が挙げられる。または、四フッ化エチレン等を用いてもよい。
【００４２】
布入りフェノールは、筒に布を巻き付け、それにフェノールを含浸させることにより形成される。熱可塑性樹脂は、筒の外周面上に樹脂を焼き付けることにより形成される。ガラス繊維強化エポキシは、筒の外周にガラス繊維布を巻き付け、この布にエポキシを含浸させることにより形成される。四フッ化エチレンは、筒の外周面上に原料粉末をスプレーし、焼き付けることにより形成される。
【００４３】
また、上記実施例では、らせん溝３８の深さに比べて、被膜４０の方が薄い。このため、被膜４０を厚くし、その内部にのみ、らせん溝３８を形成する場合に比べて、被膜４０のコーティング工程の時間短縮を図ることができる。また、被膜４０の薄膜化により、筒３９を太くすることができる。これにより、蓄冷材１８の充填量を増やすことが可能になる。
【００４４】
上記実施例では、ディスプレーサの外周面上に１本のらせん状の溝を形成した場合について説明したが、シリンダとディスプレーサとの隙間を流れるガスが、ディスプレーサと十分に熱交換しながら流れるような形状であれば、溝の形状は１本のらせん状に限らずその他の形状でもよい。例えば、二重らせん構造のようにらせん状の溝を複数本設けてもよい。らせん状の溝を波線またはジグザグ線としてもよい。ディスプレーサの軸方向に平行な直線と垂直な直線とを組み合わせて、階段状のジグザグ線としてもよい。らせんの回転方向が相互に逆向きになる２つのらせん、あるいは２つ以上のらせんを組み合わせてらせん状の溝が相互に交差するようにしてもよい。外周面の円周方向に複数の円周状の溝を形成し、隣接する溝を相互に接続する接続溝を設けた形状としてもよい。このとき、ガス流路長をなるべく長くするために円周状溝の上下に形成される接続溝を、円周上の異なる位置に設けることが好ましい。
【００４５】
このように、ディスプレーサの外周面上に形成された溝のうち少なくとも一部が、ディスプレーサの軸方向に対して交差する方向に沿うように形成することにより、ガスが軸方向に平行に流れる場合に比べて、より長い経路を流れることになる。このため、ガスとディスプレーサとの間で、より効率的に熱交換することが可能になる。
【００４６】
ディスプレーサの外周面に形成されたガス流路の断面は、矩形、三角形、半円形等、その他の形状でもよい。
【００４７】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、ＧＭ式冷凍機に限らず、スターリング冷凍機やソルベイサイクル冷凍機等その他の蓄冷器を用いた冷凍機に本発明を適用することが可能である。
【００４８】
また、２段式ディスプレーサの構成を例に説明したが、１段式あるいは３段式以上のディスプレーサを用いる場合にも適用できる。また、その他の構成においても、低温においてディスプレーサを用いる蓄冷器式冷凍機に本発明を適用することができる。その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、ディスプレーサの外周面上に形成されている溝が、表面の被覆膜の下の金属製の筒まで達している。このため、溝に沿って流れる冷媒ガスと、ディスプレーサ内に充填されている蓄冷材との間の熱交換効率を高めることができる。これにより、冷凍能力の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による冷凍機の基本構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施例によるＧＭ冷凍機の概略断面図である。
【図３】実施例によるＧＭ冷凍機の第２段目ディスプレーサの断面図である。
【符号の説明】
１  シリンダ
２  ディスプレーサ
３  ガス流路
４  らせん溝
５  蓄冷材
６  膨張室
１０  ガス圧縮機
１１  第１段目シリンダ
１２  第２段目シリンダ
１３  第１段目ディスプレーサ
１４  第２段目ディスプレーサ
１５  クランク機構
１６  ガス流路
１７、１８  蓄冷材
１９、２０  ヒートステーション
２１、２２  膨張室
２３、２４  ガス流路
３１  蓋
３２  金網
３３、３４  フェルト栓
３５  パンチングメタル
３６  結合機構
３７  開口
３８  らせん状溝
３９  筒
４０  被膜
４１  蓋
【図１】
0003588644.tif 000002
【図２】
0003588644.tif 000003
【図３】
0003588644.tif 000004