专利名称：超低温制冷机及低温泵以及置换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在置换器表面配设树脂的超低温制冷机及低温泵以及置换器。
背景技术：
例如已知有如下超低温制冷机，其利用氦气等制冷剂气体，并且在缸体内驱动置换器使制冷剂气体在缸体内膨胀，由此产生寒冷。另外，作为超低温制冷机例如利用吉福德-麦克马洪(Gifford-McMahon ；GM)型制冷机。该GM型超低温制冷机能够通过设为多级来实现IOK左右的超低温。因此，GM型超低温制冷机多用于使半导体制造装置等的真空容器成为真空的低温泵等。另外，GM型超低温制冷机中有为了谋求提高密封性而在置换器的外周面涂布树脂的超低温制冷机(参考专利文献I)。以往，在置换器的整个外周面上，均匀地形成树脂的厚度。专利文献1:日本专利第3588644号公报但是，容纳于缸体内的置换器的两端在从压缩机导入制冷剂气体的高温侧和通过膨胀产生寒冷的低温侧产生温度差。例如，在2级式GM制冷机的2级侧，高温侧为80K，与此相对，低温侧成为10K。尤其，将GM型超低温制冷机使用于低温泵，并进行为了再生而使驱动置换器的马达向冷却时的旋转方向的相反方向旋转的逆转升温时，该高温侧与低温侧的温度差变得更大。具体而言，逆转升温中置换器的高温侧上升至比室温高20°C左右的温度。因此，涂布有树脂的置换器中，树脂在高温侧膨胀，有可能导致置换器与缸体接触。并且，为了避免该现象可考虑将树脂的膜厚设为较薄，但是若树脂的膜厚变薄，则树脂易从置换器剥落，存在超低温制冷机的可靠性下降的问题点。
发明内容
本发明是鉴于上述问题点而完成的，其目的在于提供一种能够与温度变化无关地维持较高的可靠性的超低温制冷机及低温泵以及置换器。从第I观点出发，能够通过如下超低温制冷机解决上述课题，所述超低温制冷机是使驱动置换器的马达向冷却时的旋转方向的相反方向旋转的能够逆转升温的2级式GM型超低温制冷机，其特征在于，在所述置换器的外周面配设树脂，并且将高温侧的所述树脂的厚度设为相对于低温侧的所述树脂的厚度较薄。从第2观点出发，能够通过如下低温泵解决上述课题，所述低温泵，其特征在于，具有设为能够供给及排出净化气体的结构的真空容器；配设于该真空容器内的低温板；及冷却该低温板的所述超低温制冷机。从第3观点出发，能够通过如下置换器解决上述课题，所述置换器为配设于超低温制冷机的缸体内，并且在外周面配设有树脂的置换器，其特征在于，将高温侧的所述树脂的厚度设为相对于低温侧的所述树脂的厚度较薄。
发明效果根据公开的发明，高温侧的树脂厚度较薄，因此即使高温侧的温度上升，树脂厚度的增加也变少，能够防止置换器与缸体接触。并且，低温侧的树脂较厚，因此能够防止树脂从置换器剥落。
图1是作为本发明的一实施方式的超低温制冷机(GM制冷机)的结构图。图2是作为本发明的一实施方式的低温泵的结构图。图3是作为本发明的一实施方式的置换器的截面图。图4是作为第I变形例的置换器的截面图。图5是作为第2变形例的置换器的截面图。图6是作为第3变形例的置换器的截面图。图中1_GM制冷机，2-低温泵，10-压缩机，11-第I级缸体，12-第2级缸体，13-第 I 级置换器，14、34、35、36_ 第 2 级置换器，14A、34A、35A、36A_ 置换器筒，14B、34B、35B、36B-树脂膜，15-曲柄机构，16-制冷剂气体流路，17、18_蓄冷材料，19-第I级冷却台，20-第2级冷却台，21-第I膨胀室，22-第2膨胀室，23-中空空间，24-中空空间，29-屏蔽，30-低温板，32-百叶窗，33-真空容器，M-马达，H-高温侧，L-低温侧，DL-低温侧置换器厚度，DH-高温侧置换器厚度，RL-低温侧树脂膜厚度，RH-高温侧树脂膜厚度。
具体实施例方式接着，结合附图对本发明的实施方式进行说明。图1表示作为本发明的一实施方式的超低温制冷机1，图2表示作为利用该超低温制冷机I的本发明的一实施方式的低温泵2。本实施方式中，作为超低温制冷机1，举出吉福德-麦克马洪(Gifford-McMahon)型2级式制冷机为例子进行说明(以下称为GM制冷机I)。GM制冷机I具有压缩机10、第I级缸体11、第2级缸体12、第I级置换器13、第2级置换器14、曲柄机构15、制冷剂气体流路16、蓄冷材料17、蓄冷材料18、第I级冷却台19、第2级冷却台20、第I膨胀室21、第2膨胀室22等。压缩机10压缩作为制冷剂气体的氦气，生成高压氦气。所生成的高压制冷剂气体经吸气阀Vl及制冷剂气体流路16供给至第I级缸体11内。并且，从第I级缸体11排出的低压制冷剂气体经制冷剂气体流路16及排气阀V2回收至压缩机10。第I级缸体11的下部结合有第2级缸体12。第I级缸体11、第2级缸体12内容纳有相互连结的第I级置换器13、第2级置换器14。驱动轴Sh从第I级缸体11向上方延伸，并与结合于驱动用马达M的曲柄机构15结合。曲柄机构15为将马达M的旋转转换为置换器13、置换器14的直线往复移动的机构，例如能够利用止转棒轭机构。另外，为了进行后述的再生处理，马达M选定能够正反反转的马达。第I级置换器13能够往复移动地容纳于第I级缸体11内。在该第I级缸体11和第I级置换器13的下端部形成第I膨胀室21。
另外，第I级置换器13的内部形成有用于对第I膨胀室21进行制冷剂气体的供给及排出的中空空间(制冷剂气体流路)23。该中空空间23内容纳有蓄冷材料17。当从第I膨胀室21排出制冷剂气体时，蓄冷材料17与排出的制冷剂气体接触而被冷却(进行蓄冷)。第2级置换器14能够往复移动地容纳于第2级缸体12内。在该第2级缸体12和第2级置换器14的下端部形成第2膨胀室22。另外，第2级置换器14的内部形成有用于对第2膨胀室22进行制冷剂气体的供给及排出的中空空间(制冷剂气体流路)24。该中空空间24内容纳有蓄冷材料18。当从第2膨胀室22排出制冷剂气体时，蓄冷材料18与排出的制冷剂气体接触而被冷却(进行蓄冷)。该第2级置换器14由置换器筒14A及配设于该置换器筒14A外周的树脂膜14B构成。另外，为了方便说明，对于该置换器筒14A及树脂膜14B的详细内容，将进行后述。第I级冷却台19配设成围绕位于第I级缸体11下端(低温端)的第I膨胀室21。另外，第2级冷却台20配设成围绕位于第2级缸体12下端(低温端)的第2膨胀室22。前述的吸气阀Vl及排气阀V2的驱动由通过马达M驱动的未图示的回转阀控制。回转阀以使吸气阀Vl及排气阀V2的开闭与各置换器13、置换器14的往复驱动具有预定的相位差的方式进行驱动控制。根据该相位差，制冷剂气体在第I膨胀室21及第2膨胀室22内膨胀而产生寒冷。接着，对设为上述结构的GM制冷机I的动作进行说明。回转阀在各置换器13、置换器14到达下死点(各膨胀室21、膨胀室22的容积变为最小的位置)的附近对吸气阀Vl进行开阀。此时，排气阀V2维持闭阀的状态。由此，被压缩机10压缩的高压制冷剂气体经制冷剂气体流路16供给至第I级缸体11内。并且，通过形成于第I级置换器13上部的制冷剂气体流路23a、容纳有蓄冷材料17的中空空间23、形成于第I级置换器13下部的制冷剂气体流路23b，供给至第I膨胀室21内。供给至第I膨胀室21的高压氦气进一步通过形成于第2级置换器14上部的制冷剂气体流路24a、容纳有蓄冷材料18的中空空间24、形成于第2级置换器14下部的制冷剂气体流路24b，供给至第2膨胀室22。在此期间，通过曲柄机构15使各置换器13、置换器14向上移动。并且，若置换器13、置换器14移动至上死点附近的预定位置，则回转阀关闭吸气阀Vl来停止供给制冷剂气体，并且打开排气阀V2。由此，第I膨胀室21及第2膨胀室22内的高压制冷剂气体瞬间膨胀，在各膨胀室21、膨胀室22内产生寒冷。各置换器13、置换器14若经过上死点则开始朝向下方的移动。伴随于此，在第2膨胀室22中膨胀后的制冷剂气体经制冷剂气体流路24b流入中空空间24。流入到中空空间24的制冷剂气体冷却蓄冷材料18的同时前进，并经制冷剂气体流路24a流入第I膨胀室21。另外，流入第I膨胀室21的制冷剂气体与在第I膨胀室21中膨胀后的制冷剂气体一同经制冷剂气体流路23b流入中空空间23。流入中空空间23的制冷剂气体冷却蓄冷材料17的同时前进，并经制冷剂气体流路23a、制冷剂气体流路16及排气阀V2回收至气体压缩机10。并且，在置换器13、置换器14到达下死点附近的预定位置的时刻关闭排气阀V2，停止制冷剂气体的回收(吸入)处理。
通过反复进行以上的循环，在本实施方式所涉及的GM制冷机I中，在第I膨胀室21能够产生80 100K左右的寒冷，在第2膨胀室22能够产生10 30K左右的超低温。 在此，参考图1及图3，对作为本发明的一实施方式的第2级置换器14的详细结构进行说明。另外，图3是表示第2级置换器14的基本结构的图，为了方便图示及说明，将其长度图示为短于实际的第2级置换器14，并且还将中空空间24表示为贯穿孔。本实施方式所涉及的第2级置换器14由置换器筒14A及树脂膜14B构成。各图中，上侧为高温侧H，下侧为低温侧L。置换器筒14A由不锈钢构成。另外，树脂膜14B由氟树脂等构成。为了提高第2级缸体12与第2级置换器14之间的密封性，树脂膜14B配设(涂布)于置换器筒14A的外周面。本实施方式中，树脂膜14B形成在遍及第2级置换器14的低温侧L至高温侧H的整个区域。另外，树脂膜14B的厚度构成为高温侧的厚度(以下称为高温侧树脂膜厚度RH)相对于低温侧的厚度(以下称为低温侧树脂膜厚度RU较薄(RL > RH)。尤其，就本实施方式所涉及的树脂膜14B而言，树脂膜14B的厚度从低温侧L朝向高温侧H连续变薄，在高温端(上端)其厚度变成大致零(RH O)。另外，置换器筒14A的厚度构成为高温侧的厚度(以下称为高温侧置换器厚度DH)相对低温侧的厚度(以下称为低温侧置换器厚度DL)较厚(DL < DH) 0并且，从低温侧L至高温侧H，置换器筒14A与树脂膜14B相加的整体的第2级置换器14的直径L设为相同直径。接着，对利用具有设为上述结构的第2级置换器14的GM制冷机I的低温泵2进行说明。低温泵2安装于未图示的处理腔室(例如，半导体制造装置的处理腔室)，使该处理腔室内成为真空。该低温泵2具有GM制冷机1、屏蔽29、低温板30、百叶窗32及真空容器
99坐
OOOGM制冷机I的各缸体11、缸体12、屏蔽29及低温板30等配设于真空容器33的内部。该真空容器33安装于前述的处理腔室。另外，在本实施方式所涉及的低温泵2中，GM制冷机I相对真空容器33横置配设。另外，GM制冷机I的马达M为能够进行正向旋转和逆向旋转的马达。该可逆马达M连接于未图示的控制器，且构成为根据该控制器的指示，在真空处理时进行正向旋转，再生时进行逆向旋转。另外，屏蔽29连接于配设在GM制冷机I的第I级缸体11外周的第I级冷却台19。屏蔽29发挥防止外部的辐射热热传导至低温板30的功能。该屏蔽29上设置有百叶窗32。百叶窗32配设成覆盖设为杯形状(有底状)的屏蔽29的上部。该百叶窗32靠近真空容器33的上部开口而配设。低温板30连接于配设在GM制冷机I的第2级缸体12外周的第2级冷却台20。该低温板30的内周面配设有活性炭31。在设为上述结构的低温泵2中进行真空处理时，使GM制冷机I的马达M以正向旋转进行旋转。通过马达M进行正向旋转，GM制冷机I成为冷却模式，从压缩机3供给至第I膨胀室及第2膨胀室的制冷剂气体伴随各置换器13、置换器14的移动绝热膨胀而产生寒冷。由此，第I级冷却台19例如被冷却至80 100K (屏蔽29为100K以下)，第2级冷却台20例如被冷却至5 20K (低温板30为20K以下)。若处理腔室内的各种气体进入该状态下的低温泵2，则二氧化碳主要冷凝在百叶窗32及屏蔽29，氩或氮主要冷凝在低温板30，而且氢、氖、氦等主要吸附于活性炭31。由此，处理腔室被排气而能够实现高真空。另外，在以下说明中，将冷凝或吸附在屏蔽29、低温板30等的导入气体称为固体状气体。然而，如上述那样从处理腔室内排气的导入气体冷凝或吸附于屏蔽29、低温板30、活性炭31等。若在该屏蔽29、低温板30等上被冷凝等的固体状气体21的量逐渐增加，则低温泵2的排气性能下降。因此，需要进行从真空容器33排出在低温泵2上被冷凝等的固体状气体的再生处理。在此，对低温泵2中的再生方法进行说明。再生通过提高低温泵2的温度使被冷凝或吸附的固体状气体气化并释放该固体状气体来进行。作为该再生方法有很多种，作为其中之一有通过使马达M相对冷却处理时的旋转方向(正向旋转)向相反方向旋转来使GM制冷机I的温度上升的方法(基于该方法的温度上升称为逆转升温)。该逆转升温中，通过将驱动置换器13、置换器14的马达M的旋转设为冷却处理时的相反方向来使GM制冷机I的冷却循环反转，由此使各冷却台19、冷却台20的温度上升。通过各冷却台19、冷却台20升温，连接于此的屏蔽29及低温板30也升温，由此能够使冷凝或吸附在屏蔽29、低温板30等的固体状气体气化。然而，若通过使马达M逆旋转来进行逆转升温处理，则第I级缸体11及置换器13上升至室温左右。第2级置换器14的高温侧H与第I级置换器13连接。因此，在逆转升温时，第2级置换器14的高温侧H的温度也上升至室温左右。构成置换器筒14A的不锈钢的线膨胀系数为10. 4 X 10—7°C 17. 3X 10_6/°C，与此相对，构成树脂膜14B的氟树脂的线膨胀系数大至5X10_5/°C 12X10_5/°C。因此，如前所述，在如以往那样将树脂膜以均匀的厚度涂布于置换器筒的第2级置换器中，尤其在高温侧H有可能产生树脂膜的剥落等。与此相对，如已用图3进行说明，本实施方式所涉及的第2级置换器14中，将配设(涂布)于置换器筒14A外周面的树脂膜14B的厚度设定为使高温侧树脂膜厚度RH相对于低温侧树脂膜厚度RL较薄(RL > RH)。由此，温度上升至比室温高20°C左右的温度的第2级置换器14的高温侧H成为主要存在膨胀量相对于树脂膜14B较少的置换器筒14A的结构。因此，能够在高温侧H抑制第2级置换器14的热膨胀。另一方面，第2级置换器14的低温侧L成为主要存在树脂膜14B的结构。即使在逆转升温时，低温侧L的温度也不会上升至室温，相对于高温侧H维持较低的温度。因此，树脂膜14B在低温侧L不会膨胀至与第2级缸体12接触的程度。而且，第2级置换器14的低温侧树脂膜厚度RL较大，由此能够在低温侧L可靠地防止树脂膜14B从置换器筒14A剥落。因此，根据本实施方式所涉及的GM制冷机1、低温泵2及第2级置换器14，能够防止第2级缸体12与第2级置换器14的接触，并能够防止马达M中产生马达滑动。并且，树脂膜14B也不会从置换器筒14A剥落，因此能够提高GM制冷机1、低温泵2及第2级置换器14的可靠性。接着，对上述置换器筒14A的变形例进行说明。图4至图6表示置换器筒14A的第I至第3变形例。另外，在图4至图6中，对于与图1至图3所示的结构对应的结构，附加相同符号并省略其说明。图4表示作为第I变形例的第2级置换器34。前述的实施方式所涉及的第2级置换器14中，构成为树脂膜14B的厚度从低温侧L朝向高温侧H连续变薄。与此相对，第I变形例所涉及的真空容器34的特征在于，从低温侧L起遍及预定范围形成相同膜厚的树脂膜34B。在如此构成的情况下，也成为在低温侧L存在树脂膜34B的低温侧树脂膜厚度RL而在高温侧H不存在树脂膜34B的结构。与此对应，置换器筒34A的厚度也是低温侧的厚度DL相对高温侧的厚度DH较薄(DL < DH)。在如此构成的情况下，也能够实现与图1至图3所示的置换器筒14A相同的效果。图5及图6表示作为第2及第3变形例的第2级置换器35、第2级置换器36。该各置换器35、置换器36的特征在于，构成为树脂膜35B、树脂膜36B的厚度从低温侧L朝向高温侧H阶段性地变薄。图5所示的作为第2变形例的第2级置换器35中，树脂膜35B的厚度以2阶段发生变化。并且，其阶梯差的形成位置设定于第2级置换器35的大致中央位置。具体而言，树脂膜35B的厚度在低温侧L为RL，而在高温侧H成为比其薄的RH(RL> RH)。与此对应，置换器筒35A的厚度也是低温侧的厚度DL相对高温侧的厚度DH较薄(DL < DH)o图6所示的作为第3变形例的第2级置换器36中，树脂膜36B的厚度以3阶段发生变化。并且，其各阶梯差的形成位置设定成大致等间隔。具体而言设定成，若将树脂膜36B的低温侧的厚度设为RL、中央部分的厚度设为RM、高温侧的厚度设为RH，则RL > RM > RH。与此对应，置换器筒36A的厚度也设定成DL
<DM < DH。如第2及第3变形例的置换器35、置换器36，通过构成为树脂膜35B、树脂膜36B的厚度从低温侧L朝向高温侧H阶段性地变薄，除了前述的实施方式及第I变形例的效果之外，各阶梯差部分中在置换器筒35A、置换器筒36A与树脂膜35B、树脂膜36B之间还产生楔子效果，因此能够更可靠地防止树脂膜35B、树脂膜36B从置换器筒35A、置换器筒36A剥落。另外，在本说明书中，如图1及图3所示的实施方式及图4所示的第I变形例，“将树脂的厚度设为高温侧相对低温侧较薄”及“将树脂的厚度设为从低温侧朝向高温侧阶段性地变薄”的表现包含低温侧L中不存在树脂膜14B、树脂膜34B的结构。以上，对本发明的优选实施方式进行了详细说明，但本发明并不限定于上述特定的实施方式，在技术方案中记载的本发明的宗旨范围内能够进行各种变形或变更。具体而言，上述各实施方式所涉及的第2级置换器14、第2级置换器34、第2级置换器35、第2级置换器36设为在置换器筒14A、置换器筒34A、置换器筒35A、置换器筒36A仅配设树脂膜14B、树脂膜34B、树脂膜35B、树脂膜36B的结构。然而，也可设为可在该树脂膜14B、树脂膜34B、树脂膜35B、树脂膜36B形成导入制冷剂气体的槽(环状槽或螺旋槽等)来进一步提高冷却效率的结构。另外，本实施方式中示出将树脂膜配设于置换器的结构，但树脂膜的形成位置不限定于置换器，也可设为形成于缸体12内侧的结构。另外，本实施方式中示出置换器的外径L为均一的结构，但是不限于此，可使高温侧的外径相对低温侧较小。例如，可将置换器筒的外径(厚度)形成为在低温侧和高温侧大致相同，而仅将树脂膜的厚度设为高温侧比低温侧薄。而且，上述的变形例中，示出以2阶段或3阶段改变树脂膜的厚度的结构，但形成于树脂膜的阶段差并不限定于2阶段、3阶段，也可设定为2阶段、3阶段以上的数量。
权利要求
1.一种超低温制冷机，其是使驱动置换器的马达向冷却时的旋转方向的相反方向旋转的能够逆转升温的二级式GM型超低温制冷机，其特征在于， 在所述置换器的外周面配设树脂，并且， 将所述树脂的厚度形成为高温侧的所述树脂的厚度薄于低温侧的所述树脂的厚度。
2.如权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于， 将所述树脂的厚度设为从低温侧朝向高温侧连续变薄。
3.如权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于， 将所述树脂的厚度设为从低温侧朝向高温侧阶段性地变薄。
4.一种低温泵，其特征在于，具有 设为能够供给及排出净化气体的结构的真空容器； 配设于该真空容器内的低温板；及 冷却该低温板的权利要求1至3中任一项所述的超低温制冷机。
5.一种置换器，其配设于超低温制冷机的缸体内，并且在外周面配设有树脂，其特征在于， 将所述树脂的厚度形成为高温侧的所述树脂的厚度薄于低温侧的所述树脂的厚度。
6.如权利要求5所述的置换器，其特征在于， 将所述树脂的厚度设为从低温侧朝向高温侧连续变薄。
7.如权利要求5所述的置换器，其特征在于， 将所述树脂的厚度设为从低温侧朝向高温侧阶段性地变薄。
全文摘要
本发明提供一种能够与温度变化无关地维持较高的可靠性的超低温制冷机及低温泵以及置换器。本发明的超低温制冷机是使驱动置换器(13、14)的马达(M)向冷却时的旋转方向的相反方向旋转的能够逆转升温的二级式GM型超低温制冷机，其由置换器筒(14A)和形成于其外周面的树脂膜(14B)构成第2级置换器(14)，并将树脂模(14B)的高温侧(H)的厚度设定为相对低温侧(L)较薄。
文档编号F04B37/08GK103032986SQ20121037598
公开日2013年4月10日 申请日期2012年9月29日 优先权日2011年10月5日
发明者许名尧 申请人:住友重机械工业株式会社