(57)【要約】被冷却対象の冷却および昇温が高速化できる蓄冷型冷凍機を提供することができる。具体的な構成は、圧縮機４ａ並びに高圧切換弁４ｂおよび低圧切替弁４ｃからなる圧力制御手段４と、室温端部１ａと低温端部１ｂとを有する膨張圧縮部１と、室温端部２ａと低温端部２ｂとを有する蓄冷部２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、膨張圧縮部の低温端部１ｂと蓄冷部の低温端部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８を設けた蓄熱型冷凍機である。これにより、冷凍機の稼働率を大幅に向上させることが可能になり、センサー類や半導体製造装置の用途として広く適用することができる。
2003001127.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、ＧＭ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、ＧＭ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、センサー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、ＧＭ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には膨張ピストンとしてディスプレーサ１ｃが設けられており、作動中はディスプレーサ１ｃはステッピングモーターによっ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１ａが位置し、反対の下端には低温端部１ｂ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１ｂ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とはディスプレーサ１ｃの動きと同期している。ディスプレーサ１ｃ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ィスプレーサ１ｃの上部空間に入る。次に、ディスプレーサ１ｃが室温端部１ａ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１ｃ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１ｂ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１ｃ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１ｃが低温端部１ｂ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１ｃの上部空間に入るようになる。
膨張圧縮部１の低温端部１ｂ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１ｂ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冷凍機ではステッピングモーター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、コールドヘッド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ＧＭ冷凍機のディスプレーサを取り払って、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１ａと下端に低温端部１ｂ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ッ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１ａ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１ｂ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１ｂは連結管３によって連結される。パルス管１の低温端部１ｂ近傍で発生した寒冷は、ＧＭ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１ｂとを覆うコールドヘッド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ＧＭ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ヘッ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ー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、冷凍機のコールドヘ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ーター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、コールドヘッドの伝熱効率を高め、伝熱量を大きくしようとすると、伝熱面積を大きくするためにコールドヘ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、このようにコー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、ＧＭ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ールドヘ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ールドトラップでは、処理中または搬送中のウェーハ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ＧＭ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、コー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。
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１ａと下端に低温端部１ｂ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１ａ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１ｂ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、スター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ＧＭ冷凍機を適用する場合にあっては、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、アルミニュウム、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、センサー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、クライオコイルという）を使用したパルス管冷凍機を用い、比較例としてコールドヘ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アクティブバッファを設置し、圧縮機とロータリー弁の開閉により冷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８ｍの銅製配管を使用した。さらに、ヒータによる冷凍特性を確認すると、１３３℃（１４０Ｋ）において１１０Ｗ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アクティブバッファを設置した。冷媒ガスとして窒素ガスを用い、圧縮機とロータ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ブロックからなるコールドリンク９と、冷却面となるコールドパネル１０とから構成されている。さらに、ヒータによる冷凍特性を確認すると、１３３℃（１４０Ｋ）において１３０Ｗ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℃（１５０Ｋ）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℃（１１０Ｋ）から２０℃（２９３Ｋ）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℃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℃（１１０Ｋ）から２０℃（２９３Ｋ）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２ｋｇ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３ｋｇ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べ、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ＧＭ冷凍機で作動中に摺動する膨張ピストン（ディスプレーサ）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。
【図面の簡単な説明】
図１は、ＧＭ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ッ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ある。
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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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