用于蓄热式低温制冷机冷头的缸体和蓄热式低温制冷机的制作方法

专利名称：用于蓄热式低温制冷机冷头的缸体和蓄热式低温制冷机的制作方法
技术领域：
本发明大体涉及蓄热式低温制冷机、用于蓄热式低温制冷机的缸体、 低温泵、再凝结装置、超导磁体装置以及半导体检测装置。更具体地，本发明大体涉及蓄热式低温制冷机、诸如蓄热器管或脉冲管的用于蓄热式低温制冷机的缸体，以及使用蓄热式低温制冷机的低温 泵、再凝结装置、超导磁体装置以及半导体检测装置。
背景技术：
蓄热式低温制冷机产生大约4K到100K的低温温度，并用于冷却超导 磁体或用于低温泵。蓄热式低温制冷机包括压縮部分、膨胀部分以及换 热部分。压缩部分设计成由外部提供功、压縮工作流体、以及去除压缩热以减 小熵。膨胀部分设计成从压縮的工作流体吸收功(能量)、膨胀工作流体、 以及从系统外部增加热量以增大熵。换热部分设计成从温度的角度通过 利用蓄热器分开压縮部分和膨胀部分，同时使在膨胀部分增大的熵流出 到压縮部分。蓄热式低温制冷机的示例有脉冲管低温制冷机、GM (吉 福麦特一麦克马洪(Gifford-McMahon))低温制冷机、斯特林(Stirling)
低温制冷机以及其它的种类。在脉冲管低温制冷机中，被气体压縮机压縮的、作为工作流体的工作 气体流入蓄热器和脉冲管的操作，以及工作流体由气体压縮机接收、并 从蓄热器或脉冲管流出的操作被重复。结果，在蓄热器或脉冲管的低温端形成制冷效果。当低温端与物体热 学接触时，从物体带走热量。蓄热器包括填充蓄热材料的缸体。脉冲管包括空的缸体。这些缸体的 一端是高温端，这些缸体的另一端是低温端。为了防止热量从高温端传导，缸体由薄壁不锈钢制成。当从高温端进 入的热量较多时，制冷能力下降较大，从而低温端的温度升高。因此，推荐缸体的厚度逐渐减小到等于或小于lmm。另一方面，由于缸体较薄，工作气体的反复压縮和膨胀使缸体沿轴向 伸张，从而在低温端产生振动。如果这种振动传递到冷却物体，则需要 高精度定位的半导体制造装置的生产率下降。图1是现有技术脉冲管低温制冷机的剖视图。如图1所示，披露一种脉冲管制冷机500，请参见日本特许公开专利申请2004 — 93062。在图1所示的脉冲管低温制冷机500中，脉冲管501和502以及蓄热器503和504是由薄壁金属材料制成的。厚壁部分501a到504a形成其部分缸体，从而形成增强区。此外，日本特许公开专利申请2003 — 329324披露一种技术，其中缸体的低温端比缸体的高温端厚，从而减小振动。但是，在日本特许公开专利申请2004—93062披露的技术中，虽然使
振动在一个方向被厚壁部分501a到504a减小，但这是不够的。另外， 如果为了减小振动而存在较多的厚壁部分501a到504a，将导致制冷能力 下降。此外，在日本特许公开专利申请2003 — 329324披露的技术中，虽然 预计具有抑制振动的作用，但制冷能力下降。发明内容因此，本发明实施例提供一种新颖的和有用的蓄热式低温制冷机、用 于蓄热式低温制冷机的缸体、低温泵、再凝结装置、超导磁体装置以及 半导体检测装置，从而解决上述一个或多个问题。更具体地，本发明实施例可以提供蓄热式低温制冷机、诸如蓄热器管 或脉冲管的用于蓄热式低温制冷机的缸体，以及使用蓄热式低温制冷机 的低温泵、再凝结装置、超导磁体装置以及半导体检测装置，由此同时 实现好的制冷能力和防止振动。本发明的一个方面提供一种用于蓄热式低温制冷机冷头的缸体，所述 缸体包括具有用于蓄热材料的中空形状结构的内部；其中，在高温端的缸体厚度大于在低温端的缸体厚度。本发明的另一个方面可以提供一种蓄热式低温制冷机，包括工作气体压縮机；用于吸入和排出工作气体的冷头；其中，蓄热式低温制冷机是脉冲管低温制冷机，包括
具有蓄热材料的蓄热器管；蓄热器管的低温端连接到其上的中空脉冲管；以及 与蓄热器管低温端或脉冲管接触的冷却台；以及蓄热器管和脉冲管中的至少一个包括如上所述的缸体。本发明的另一个方面可以提供一种蓄热式低温制冷机，包括工作气体压縮机；用于吸入和排出工作气体的冷头；其中，蓄热式低温制冷机是GM (吉福麦特一麦克马洪)型低温制冷 机，包括缸体；装在缸体中的位移器； 装在位移器中的蓄热材料； 与缸体低温端接触的冷却台；以及 缸体是如上所述的缸体。本发明的一个方面可以提供一种蓄热式低温制冷机，包括 工作气体压縮机；用于吸入和排出工作气体的冷头；其中，蓄热式低温制冷机是斯特林低温制冷机，包括 缸体；装在缸体中的位移器； 装在位移器中的蓄热材料； 与缸体低温端接触的冷却台；以及缸体是如上所述的缸体。本发明的另一个方面可以提供一种低温泵，包括 用于冷凝气体分子的低温板；以及 如上所述的蓄热式低温制冷机；其中，低温板在热学上和机械上连接到蓄热式低温制冷机的冷却台。 本发明的另一个方面可以提供一种再凝结装置，包括 用于将气体冷凝成液体的再凝结机构；以及 如上所述的蓄热式低温制冷机；其中，再凝结机构在热学上和机械上连接到蓄热式低温制冷机的冷 却台。本发明的另一个方面可以提供一种超导磁体装置，包括超导磁体；以及如上所述的蓄热式低温制冷机；其中，超导磁体在热学上和机械上连接到蓄热式低温制冷机的冷却台°本发明的另一个方面可以提供一种半导体检测装置，包括半导体检测器；以及如上所述的蓄热式低温制冷机；其中，半导体检测器在热学上和机械上连接到蓄热式低温制冷机的 冷却台。从下面结合附图的详细描述中，本发明的其它目的、特征和优点将变 得更加清楚


图1是相关现有技术脉冲管低温制冷机的剖视图；图2是本发明第一实施例的脉冲管制冷机的示意性剖视图；图3是解释本发明缸体运行的示意图；图4是显示形成本发明第一实施例的脉冲管低温制冷机的脉冲管缸 体的一个修改示例的示意性剖视图；图5是显示形成本发明第一实施例的脉冲管低温制冷机的蓄热器管缸体的一个修改示例的示意性剖视图；图6是显示本发明第一实施例和对比实施例的缸体的剖视图； 图7是显示本发明第一实施例和对比实施例的性能表； 图8是本发明第二实施例GM (吉福麦特一麦克马洪)低温制冷机的 示意性剖视图；图9是本发明第三实施例的斯特林制冷机的示意性剖视图；图IO是本发明第四实施例的低温泵的示意性剖视图；图11是本发明第五实施例的再凝结装置的示意性剖视图；图12是本发明第六实施例的超导磁体装置的示意性剖视图；以及图13是本发明第七实施例的半导体检测装置的示意性剖视图。
具体实施方式
下面将参考图12到图13描述本发明的实施例。
第一实施例图2是本发明第一实施例的脉冲管低温制冷机的示意性剖视图。 参看图2，本发明第一实施例的脉冲管低温制冷机10包括气体压縮机11和两级冷头20。氦气由气体压縮机11吸入和排出，将被冷却的物 体(图2未图示)可由冷头20冷却。冷头20包括第一级蓄热器管31、 第一级脉冲管36、第一级冷却台30、第二级蓄热器管41、第二级脉冲管 46、第二级冷却台40。第一级蓄热器管31包括例如由不锈钢制成的缸体32、以及由铜或不 锈钢的金属网形成的蓄热材料33。缸体32内部填充蓄热材料33。第一 级脉冲管36包括例如由不锈钢制成的中空缸体37。缸体32和37的高温端32a和37a分别接触并固定在法兰21上。缸 体32和37的低温端32b和37b接触并固定在第一级冷却台30上。在第一级冷却台30内形成气流通道38。第一级脉冲管36的低温端 37b以及第一级蓄热器管31的低温端32b通过换热器18b和气流通道38 相互连接。第一级冷却台30热学上和机械上连接到将被冷却的物体(图 2未图示)，热量从将被冷却的物体上转移。第二级蓄热器管41包括例如由不锈钢制成的缸体42、以及由铜或不 锈钢的金属网形成的蓄热材料43。缸体42内部填充蓄热材料43。第二 级脉冲管46包括例如由不锈钢制成的缸体47。第二级蓄热器管41的缸体42的高温端42a接触并固定在第一级冷却 台30上。缸体42的低温端42b接触并固定在第二级冷却台40上。第二 脉冲管46的缸体47的高温端47a接触并固定在法兰21上。缸体47的
低温端47b接触并固定在第二级冷却台40上。在第二级冷却台40内形成气流通道48。第二级脉冲管46的低温端 47b以及第一级蓄热器管41的低温端42b通过换热器47b和气流通道48 相互连接。第二级冷却台40热学上和机械上连接到将被冷却的物体(图 2未图示)，热量从将被冷却的物体上转移。在脉冲管低温制冷机10中，高压氦气从气体压縮机11经过吸入阀 12和气流通道14供应到第一级蓄热器管31，而低压氦气从第一级蓄热 器管31经过气流通道14和排出阀13供应到气体压縮机11。此外，第一级缓冲器15A和第二级缓冲器15B分别经过换热器18a 和19a以及小孔连接到第一级脉冲管36的高温端37a和第二脉冲管46 的高温端47a 。下面将讨论脉冲管低温制冷机10的运行。首先，当吸入阀12打开以及排出阀13关闭时，高压氦气从气体压縮 机11流到第一级蓄热器管31。在蓄热材料33冷却氦气使氦气的温度下 降时，氦气从第一级蓄热器管31的低温端32b流过气流通道，并进一步 被换热器18b冷却，流入第一级脉冲管36。已经存在于第一级脉冲管36内部的低压氦气被流动高压氦气压縮， 使低压氦气的压力高于缓冲器15A内的压力，低压氦气流过小孔17和气 流通道16，并流入第一级缓冲器15A。被第一级蓄热器管31冷却的一部分高压氦气流入第二级蓄热器管 41。这部分高压氦气被蓄热材料43进一步冷却，使这部分高压氦气的温 度下降。这部分高压氦气从第二蓄热器管41的低温端42b流过气流通道48，并被换热器19b进一步冷却。这部分高压氦气流入第二级脉冲管46， 流过小孔17和气流通道16，并流入第二级缓冲器15B。当吸入阀12关闭并且排出阀13打开时，第一级脉冲管36和第二级 脉冲管46中的氦气流过，同时气体冷却蓄热材料33和43。氦气从第一 级蓄热器管31的高温端32a流过排出阀13，从而返回气体压縮机11。第一级脉冲管36和第一级缓冲器15A通过相应的小孔17相互连接。 第二级脉冲管46和第二级缓冲器15B通过相应的小孔17相互连接。因 此，氦气的压力变化相位和体积变化相位产生恒定的相位差。基于这些相位差，在第一级脉冲管36的低温端37b和第二级脉冲管 46的低温端47b产生由于氦气膨胀引起的冷却作用。通过重复这些操作 脉冲管低温制冷机10作为一台低温制冷机工作。在脉冲管低温制冷机10中，第一级蓄热器管31、第二级蓄热器管41、 第一级脉冲管36和第二级脉冲管46的缸体32、 37、 42和47在高温端 32a、 37a、 42a和47a—侧的厚度大于在低温端32b、 37b、 42b和47b — 侧的厚度。更具体地，第一级蓄热器管31、第二级蓄热器管41、第一级脉冲管 36和第二级脉冲管46的缸体32、 37、 42和47的厚度从缸体32、 37、 42和47的低温端32b、 37b、 42b和47b到高温端32a、 37a、 42a和47a增大。由此，可以防止从高温端32a、 37a、 42a和47a进入的热量，从而保 持高的冷却能力。缸体32、 37、 42和47的刚性高于从低温端32b、 37b、 42b和47b开始厚度恒定不变的缸体的刚性。因此，可以防止由于基于缸
体膨胀和收縮导致的缸体压力变化而使处于低温端的第一级冷却台30和 第二级冷却台40振动。以下的描述将不再区分第一级和第二级。在脉冲管制冷机io中，脉冲管36和46的低温端以及蓄热器管31和41的低温端可以通过连接管 (图2中未图示)相互连接。在这种情况下，如果冷却台30和40设置 在脉冲管36和46的低温端或者蓄热器管31和41的低温端，则没有设 置冷却台30和40的缸体具有从低温端到高温端的恒定厚度。在这种情况下，即使在具有恒定厚度的缸体产生振动，也几乎没有振 动传递到冷却台30和40。因此，不会影响连接到冷却台30和40的被冷 却物体。冷却能力通过减小厚度而增大。图3是解释本发明缸体工作的示意图。更具体地，图3 (A)表示温 度和不锈钢导热系数之间的关系，图3 (B)是温度20K附近的放大图， 图3 (C)是示意性表示缸体的剖视图。参看图3 (A)和图3 (B)，导热率从300K到IOK左右是减小的。10K 左右的导热率基本为零(0)。 300K到20K之间的导热率斜率大于温度在 20K以下的导热率斜率。由于热阻与导热率成反比，因此热阻从300K到 IOK左右是增大的。另外，热阻与厚度t成反比。如图3 (C)所示，此实施例的缸体的结构是，厚度从缸体低温端LE 的^连续增大到缸体高温端HE的tH。换句话说，此实施例的缸体的结构 是，厚度从缸体高温端HE的tH连续减小到缸体低温端LE的1^。因此， 根据温度梯度引起的导热率影响以及厚度的影响，热阻明显增大。因此，通过使缸体具有上述结构，热阻增大，从而进入低温端LE的 热量减小。如同下面讨论的，与从低温端到高温端具有恒定厚度的缸体 传导的热量相比，其传导的热量减少。另一方面，在低温端LE —侧的振动幅度缸体与金属件的弹性系数以 及缸体厚度成反比。例如，在此温度不锈钢轴向的弹性系数是不变的， 厚度从t,连续增大到tH。因此，通过增大厚度的作用，减小振动的幅度比厚度不变(U)的情 况大。因此，此实施例的缸体可以减小传导的热量和振动。另外，如图3 (B)所示，在温度等于或高于10K时导热率增大。因 此，从有效减小导热的角度出发，优选地，脉冲管制冷机的蓄热器管和 脉冲管的缸体达到的温度等于或高于IOK。这一点可以适用于第二实施例 的GM (吉福麦特一麦克马洪)低温制冷机、第三实施例的斯特林低温制 冷机以及具有缸体的蓄热式低温制冷机。图4是示意性剖视图，表示形成本发明第一实施例的脉冲管低温制冷 机的脉冲管缸体的一个修改示例。图4 (A)表示图2所示第一级脉冲管的示意性剖视图。由于第二级 脉冲管的剖面结构与第一级脉冲管的相同，因此为了便于解释省略其图不o如图4 (A)所示，第一级脉冲管36的缸体37的厚度从低温端37b 到高温端37a连续增大。由于此结构，如上所述，缸体37的导热和振动 减小。在这种情况下，从有效减小导热的角度出发，优选地，第一级脉冲管 36的低温端37b达到的温度等于或高于10K。例如，缸体37在低温端37b一侧的厚度在O. lmm到l.Omm的范围内，缸体37在高温端37a—侧的厚 度在l.Omm到3. Omm范围内。图4(B)到图4(C)表示脉冲管36的缸体的修改示例。参看图4 (B) 和图4 (C)，脉冲管36的缸体37 — 1和37_2的厚度从低温端37b到高 温端37a增大。在图4 (B)所示的示例中，缸体37 — 1具有两段结构，缸体部分37 一1A和37 — 1B，其中脉冲管36的缸体部分37 —1A和37 — 1B的厚度按 两段方式从低温端37b到高温端37a增大。例如，在低温端37b —侧的缸体部分37 — 1B的厚度在0. 1 到1. 0mm 范围内，在高温端37a —侧的缸体部分37 — 1A的厚度在1. ()■到3. 0mm 范围内。此外，在图4 (C)所示的示例中，缸体37 — 2具有三段结构，缸体 部分37 — 2A、 37 — 2B和37 — 2C，其中脉冲管的缸体部分37 — 2A、 37 — 2B和37 — 2C的厚度按三段式从低温端37b到高温端37a增大。例如，在低温端37b —侧的缸体部分37_2C的厚度在0. lmm到1. 0mm 范围内，在中间的缸体部分37—2B的厚度在1.0mm到2.0腿范围内，在 高温端37a —侧的缸体部分37_ 1A的厚度在2. 0mm到3. 0mm范围内。缸体37 — 1和37—2达到与图4 (A)所示缸体37达到的效果相同的 效果，并且可以容易地制造缸体37_1和37 — 2。另外，当段数大于2时， 可以减小传导的热量。考虑到减小导热并且在加工能力与制造成本之间 的平衡，优选地，段数在2到5之间。当然，段数可以等于或大于6。图5是示意性剖视图，表示形成本发明第一实施例的脉冲管低温制冷 机的蓄热器管缸体的修改示例。图5 (A)表示图2所示的第一级冷却|￡存管和第二级冷却忙存管的示意横截面。在图5 (A)以及图5 (B)和图5 (C)中省略了第一冷却台、 第二冷却台和其它部件的图解。如图5 (A)所示，第一级蓄热器管和第二级蓄热器管的缸体32和42 的厚度从低温端32b和42b到高温端32a和42a连续增大。在这种情况下，从有效减小导热的角度出发，优选地，低温端32b 和42b达到的温度等于或高于IOK。第一级蓄热器管的低温端32b达到的 温度高于第二级蓄热器管低温端42b达到的温度。图5 (B)表示第一级蓄热器管和第二级蓄热器管的一个修改示例。参看图5 (B)，第一级蓄热器管的缸体32 — 1的厚度从低温端32b到 高温端32a连续增大。第二级蓄热器管的缸体42 — 1的厚度从低温端42b 到高温端42a是恒定的。在图5 (B)所示的示例中，从有效减小导热的角度出发，优选地， 低温端32b达到的温度等于或高于IOK。第二级蓄热器管的低温端42b达 到的温度低于第一级蓄热器管的低温端32b达到的温度。图5 (C)表示第一级蓄热器管和第二级蓄热器管的另一个修改示例。参看图5 (C)，第一级蓄热器管的缸体32_2的厚度从低温端32b到 高温端32a是恒定的。第二级蓄热器管的缸体42—2的厚度从低温端42b 到高温端42a连续增大。在图5 (C)所示的示例中，从有效减小导热的角度出发，优选地， 低温端42b达到的温度等于或高于IOK。第一级蓄热器管的低温端32b达 到的温度高于第二级蓄热器管的低温端42b达到的温度。第一蓄热器管和第二级蓄热器管的缸体所具有的结构可以是，缸体的厚度从低温端到高温端逐段增大，像图4 (B)和图4 (C)中所示的缸体 37 — 1和37 — 2—样,而不是缸体厚度从低温端到高温端连续增大的结构。 在这种情况下，可以进一步提高制造的容易性。下面将参考图6和图7讨论本发明实施例的示例和对比例。 图6是本发明第一实施例和对比例的缸体的剖视图。更具体地，图6 (A)表示示例1、图6 (B)表示示例2、图6 (C)表示对比示例1到3。 图7是本发明第一实施例和对比例的缸体的性能和测量值的表。 参看图6和图7，在图6 (A)所示的示例1的缸体中，缸体部分的厚 度按两段式从低温端LE到高温端HE增大。在图6 (B)所示的示例1的 缸体中，缸体部分的厚度按三段式增大。另一方面，在图6 (C)所示的 对比例1到3的缸体中，缸体部分的厚度从低温端LE —侧到高温端HE 一侧是恒定的。示例1、示例2和对比例的测量值表示在图6和图7中。每个缸体的 高温端HE的温度是300K，每个缸体的低温端LE的温度是IOK。示例1和示例2的缸体的纵向平均厚度是1. 5mm。对比例1到3的缸 体的厚度是lmrn、 1. 5mm和2mm。示例1中厚度不同的位置处的温度是100K。示例2中厚度不同的位 置处的温度是250K和60K。这些温度是在将缸体应用到脉冲管和蓄热器 管(由不锈钢制成)的情况下通过实验得到的。另外，计算出传导的热量和振动幅度。传导的热量表示到达低温端LE的热量(W)。振动幅度表示在高温端HE固定的情况下，低温端LE的 振动峰值到峰值。如图7所示，示例1和示例2的振动幅度基本与对比例2的相同。示 例1的传导热量比对比例2的传导热量低55%或更多，示例2的传导热量 比对比例2的传导热量低65%或更多。另外，示例1和2的传导热量基本等于或小于对比例1的传导热量。 示例1和2的振动幅度比对比例1的振动幅度明显下降。此外，示例1和2的振动幅度大于对比例3的振动幅度，但示例1 和2的传导热量小于对比例3的传导热量。对比示例1和示例2，三段式缸体的传导热量低于两段式缸体的传导 热量。段数越多，冷却能力越高。本发明的发明者实际上使用示例2以及单段式脉冲管低温制冷机的 对比例的缸体。在没有负载的状态下，虽然对比例达到的温度是36K，但 示例2达到的温度是32K。因此，可以发现，示例2的冷却能力高于对比 例的冷却能力。同时，上面通过使用小孔型脉冲管低温制冷机讨论本发明的实施例。 但是，本发明实施例的缸体可以应用于其它类型的低温制冷机，例如运 动活塞型、单向阀型和双入口型脉冲管低温制冷机。(第二实施例)图8是本发明第二实施例的GM (吉福麦特一麦克马洪)低温制冷机 的示意性剖视图。
参看图8，本发明第二实施例的GM (吉福麦特一麦克马洪)低温制冷机60包括气体压縮机61和两级式冷头66。气体压縮机61吸入和排出氦 气，从而使冷头66作为低温制冷机工作。冷头66包括第一级冷却部分 70和第二级冷却部分80。第一级冷却部分70和第二级冷却部分80同轴 地连接在法兰68上。第一级冷却部分70包括第一级缸体71、第一级位移器72、第一级蓄 热器78、第一级膨胀空间73、第一级冷却台75。第一级位移器72设计成在第一级缸体71内沿轴向往复运动。第一级 蓄热器78装在第一级位移器72中。处于低温端71b内的第一级膨胀空 间73的体积随第一级位移器72往复运动而变化。第一级冷却台75处于 低温端71b附近。在第一级缸体71的内壁与第一级位移器72的外壁之 间装有第一级密封76。在第一级位移器72的高温端71a设置有多个第一级高温侧流动通道 72-1，使氦气流入和流出第一级蓄热器78。另外，在第一级位移器72的 低温端71b具有多个第一级低温侧流动通道72_2，从而使氦气流入和流 出第一级蓄热器78和第一级膨胀空间73。第二级冷却部分80具有与第一级冷却部分70基本相同的结构。换句 话说，第二级冷却部分80包括第二级缸体81、第二级位移器82、第二 级蓄热器88、第二级膨胀空间83、第二级冷却台85。第二级位移器82设计成在第二级缸体81内沿轴向往复运动。第二级 蓄热器88装在第二级位移器82内。处于低温端81b内的第二级膨胀空 间83的体积随第二级位移器82往复运动而变化。第二级冷却台85处于
低温端81b附近。在第二级缸体81的内壁与第二级位移器82的外壁之 间装有第二级密封86。在第二级位移器82的高温端81a具有第二级高温侧流动通道72 — 3， 使氦气流入和流出第一级蓄热器78。另外，在第二级位移器82的低温端 81b具有多个第二级低温侧流动通道82—2，从而使氦气流入和流出第二 级膨胀空间83。另外，在GM低温制冷机60中，高压氦气由气体压縮机61供应到第 一级冷却部分70，低压氦气由第一级冷却部分70排出到气体压縮机61。 驱动电机65使第一级位移器72和第二级位移器82往复运动，使得吸入 阀62和排出阀63的打开和关闭与此相连，从而控制吸入和排出氦气的 时间。在GM低温制冷机60中，第一级缸体71的高温端71a的温度是室温， 低温端71b的温度是例如IOK。第二级缸体81的高温端81a的温度是例 如IOK，低温端81b的温度是例如4K。第一级缸体71的高温端71a比第一级缸体71的低温端71b厚。更具 体地，厚度从低温端71b到高温端71a连续增大。由此可以防止第一级 冷却台75的振动以及从高温端71a进入热量，从而获得好的冷却能力。第一级缸体71的结构并不限于图8所示的结构。第一级缸体71可以 具有图4 (B)和图4 (C)所示的结构，其中厚度逐段增大，第一级缸体 71的段数等于或大于4。第二级缸体81的高温端81a是IOK。因此，导热系数极低。此时， 该厚度足以避免振动，并且可以从低温端81b到高温端81a是恒定的。
下面讨论GM低温制冷机60的运行。首先，吸入阀62处于关闭状态，排出阀63处于打开状态。在氦气排 入第一级缸体71和第二级缸体81的状态下，第一级位移器72和第二级 位移器82分别处于第一级缸体71和第二级缸体81的底死点中心。接着，当吸入阀62处于打开状态、以及排出阀63处于打开状态时， 高压氦气从气体压縮机61流到第一级冷却部分70。高压氦气从第一级高温侧流动通道72 — 1流到第一级蓄热器78，并 被指定温度下的第一级蓄热器78的蓄热材料冷却。冷却的氦气从第一级 低温侧流动通道72—2流到第一膨胀空间73。流入第一级膨胀空间73的一部分高压氦气从第二级高温侧流动通道 72 — 3流到第二级冷贮存装置88。流动的氦气被第二级蓄热器88的蓄热 材料冷却到更低的指定温度，并从第二级低温侧流动通道82 — 2流到第 二级膨胀空间83。结果，第一级膨胀空间73和第二级膨胀空间83的内部变成高压状态。此后，第一级位移器72和第二级位移器82运动到顶死点中心一侧， 并且将高压氦气供应到第一级膨胀空间73和第二级膨胀空间83。当第一级位移器72和第二级位移器82到达顶死点中心时，关闭吸入 阀62。此后，当打开排出阀63时，氦气的状态从高压状态变到低压状态， 从而氦气的体积膨胀。由此在第一级膨胀空间73和第二级膨胀空间83 形成冷却作用。此时，在第一级膨胀空间73的氦气以及在第二级膨胀空间83的氦气
处于比上述初始状态更低的温度和更低的压力状态，从而冷却第一级冷却台75和第二级冷却台85。第一级冷却台75和第二级冷却台85从热学上连接到第一级冷却台75和第二级冷却台85的被冷却物体吸收热量， 使其冷却。接着,第一级位移器72和第二级位移器82运动到底死点中心。由此， 氦气流过与上述通道相反的通道。在氦气冷却第一级位移器72和第二级 位移器82时，氦气从排出阀返回到气体压縮机61。然后，第一级位移器 72和第二级位移器82到达底死点中心。上述操作作为一个循环被重复执行。这样，虽然第一级缸体71和第二级缸体81内部的压力，由于如上所 述的第一级位移器72和第二级位移器82的分别往复运动是脉冲式的， 但第一级缸体71的厚度从低温端71b到高温端71a连续增大。因此，第 一级缸体的刚性提高，从而可以防止由于压力变化(脉冲)造成的第一 级缸体71振动。当第二级缸体81的高温端81a的温度高于10K时，第二级缸体81 的结构与第一级缸体71的相同。由此可以达到好的冷却能力并防止振动。在本发明此实施例的GM低温制冷机60中，防止了冷却台的振动，并 防止从高温端71a—侧进入的热量。因此，本发明此实施例的GM低温制 冷机60具有好的冷却能力。(第三实施例)图9是本发明第三实施例的斯特林低温制冷机的示意性剖视图。 参看图9，本发明第三实施例的斯特林低温制冷机包括气体压縮机112和冷头120。工作气体通过毛细管101吸入和排出气体压縮机110， 使冷头120作为低温制冷机工作。气体压縮机110包括磁轭111、停留容器112和压縮活塞113。 磁轭111包括圆柱形槽形成部分118、环形槽形成部分119和环形永 磁体116。槽形成部分118形成压縮活塞113的缸体。固定在压縮活塞 113的可动线圈115插在槽形成部分119中。永磁体116嵌在槽形成部分 119的外侧内壁中。外部的电源(图9中未图示)连接到可动线圈115。 停留容器112固定在磁轭111上。压縮活塞113装在停留容器112 内部，从而形成填充氦气的停留空间。活塞控制弹簧114用于连接压縮 活塞113和停留容器112，从而避免压縮活塞113接触停留容器112的内 壁。冷头120包括外壳部分121和连接到外壳部分121的缸体122。冷头 120还包括冷却台128。位移器123具有缸体122，其中填充蓄热材料。 膨胀空间125处于缸体122的低温端122b，冷却台128固定在膨胀空间 125。冷头120包括位移器控制弹簧124，用于将位移器123保持在中心 点。 缸体122的高温端122a比缸体122的低温端122b厚。更具体地，厚 度从低温端122b到高温端122a连续增大。由此，防止冷却台128的振 动以及从高温端122a传导的热量，从而达到好的冷却能力。缸体122的结构并不限于图9所示的结构。缸体122可以具有图4(B) 和图4 (C)所示的结构，其中厚度逐段增大，缸体的段数等于或大于4。
缸体的段数可以大于2，在这种情况下，缸体可以具有图5 (A)至U5 (C)所示的结构，并且可以结合图4 (B)和图4 (C)所示的缸体。下面将讨论斯特林低温制冷机的运行。在斯特林低温制冷机中，将交 流电由外部电源供应到可动线圈，压縮活塞沿图的水平方向往复运动。 结果，在气体流过的槽形成部分119的空间、膨胀空间125的空间以及 将这些空间相互连接的空间中反复执行氦气的四行程循环，即等温压縮、 等容运动、等温膨胀和等容运动，从而产生冷却作用。在本发明此实施例的斯特林低温制冷机中，防止了冷却台128的振 动，并防止了从高温端122a传导的热量。因此，本发明此实施例的斯特 林低温制冷机具有好的冷却能力。(第四实施例)图IO是本发明第四实施例的低温泵的示意性剖视图。参看图10，本发明第四实施例的低温泵包括低温泵主体部分151，它 连接到经过抽吸开口排气的真空室。低温泵主体部分151包括真空室152。在真空室152内具有遮挡部分 154、两级式低温制冷机160、导流板155、低温板156和其它的部分。 在真空室152中设置有测量遮挡部分154、导流板155和低温板156的温 度的温度计，以及当真空容器内部压力升高时排出气体的安全阀。低温制冷机160具有基本与本发明第二实施例的GM低温制冷机60 相同的结构。低温制冷机160包括第一级冷却部分170、第二级冷却部分 180以及用于产生压缩工作流体的压縮机161。 第一级冷却部分170和第二级冷却部分180包括膨胀装置和蓄热器 (图10中未图示)，用于使从压縮机161供应到气流通道162的工作流 体绝热膨胀，并执行冷却。第一级冷却台175处于第一级冷却部分170的头端，从而能够在等于 或低于80K的温度下冷却。第二级冷却台185处于第二级冷却部分180 的头端，从而能在等于或高于10K以及等于或低于20K的温度下冷却。遮挡部分154的法兰154b的内边缘固定在第一级冷却台175上。由 此法兰154b热学上接触第一级冷却台175，从而冷却法兰154b和圆柱形 部分154a，并且将它们的温度保持在基本等于第一级冷却台175的温度。导流板155处于遮挡部分154抽吸开口一侧。导流板155的上和下端 是敞开的，导流板155内部是由中空的金字塔形部件形成。导流板155 是由内径不同的多个金字塔形部件构成。另外，导流板155热学上通过 梁部件(未图示)或类似部件接触遮挡部分154。由于遮挡部分154热学上接触第一级冷却台175，因此第一级冷却台 的冷却作用传递到导流板155，使得将导流板155在例如约80K下被冷却。 导流板155控制流入低温泵主体151内部的气体的方向，从而冷却气体。 导流板155冷凝气体中所含的蒸气，从而减小散发到低温板156的热量。低温板156的顶部固定在第二级冷却台185上。形成在顶部以及从顶 部向下以伞状延伸的圆柱部分的多块金属板分开地设置。由于低温板156 的顶部在热学上接触第二级冷却台185，因此低温板156的温度保持在基 本等于第二级冷却台185的温度。在低温板156后表面上形成附着板。附着板通过导热率好的环氧树脂 粘附吸附剂例如活性碳。附着板吸附未被低温板156冷凝的氢、氖、氦或类似物质。形成附着板的部分并不限于低温板156的后表面。缸体171和181的高温端171a和181a比缸体171和181的低温端171b和181b厚。更具体地，厚度从低温端171b和181b到高温端171a和181a连续增大。由此防止第一级冷却台175和第二级冷却台185的振动以及从高温端171a—侧进入的热量，从而达到高的冷却能力。由于防止了低温板156的振动，并且低温板156被充分冷却，因此排出容量提高。缸体171和181的结构可以是图4 (B)和图4 (C)或者图5 (A)和图5 (B)所示的结构。作为低温制冷机160，替代GM低温制冷机，可以使用本发明第一实施例的脉冲管低温制冷机的两级式低温制冷机以及本发明第三实施例的斯特林低温制冷机。(第五实施例)图11是本发明第五实施例的再凝结装置的示意性剖视图。参看图11，本发明第五实施例的再凝结装置200设计成，通过将处 于真空容器202中的液氮容器203内的液氮蒸发再凝结氮气。液氮容器 203作为液氦容器的隔热层，液氦容器中装有冷却超导磁体的液氦。再凝结装置200包括低温制冷机210、真空容器211、再凝结机构216 和绝热运动管204。低温制冷机210能在液氮温度下冷却物体。真空容器211设计成将低 温制冷机210的冷却台215保持在真空状态。再凝结机构216设置在冷
却台215处，并设计成将氮气凝结成液氮。绝热运动管204连通再凝结 机构216内部与液氮容器203内部。在图11中省略了气体压縮机的图示， 气体压縮机用于压縮作为低温制冷机的工作气体的氦气。低温制冷机210是本发明第二实施例的、图8所示的单级式GM低温 制冷机。由于低温制冷机210具有与本发明第二实施例的GM低温制冷机 基本相同的结构和运行，因此省略其详细解释。制冷机210包括固定在 法兰212上的缸体213以及处于缸体213中的位移器214。位移器214由 驱动电机205驱动往复运动，从而在低温端213b产生冷却作用。在此冷却作用下，再凝结机构216由温度低于液氮温度的冷却台215 冷却。结果，在液氮容器203中蒸发的氮气被再凝结机构216冷却，从 而冷凝成液氮。氮气经过绝热运动管204，返回到液氮容器203。在低温制冷机210中，缸体213的高温端213a比缸体213的低温端 213b厚。更具体地，厚度从低温端213b到高温端213a连续增大。由此 防止冷却台215的振动以及从高温端213a —侧进入的热量，从而达到高 的冷却能力。由此可以防止MRI装置201振动产生的不良影响，其中MRI装置201 作为通过与冷却台215连接的绝热运动管204而将被冷却的连接物体。 另外，在高的冷却能力下，可以防止液氮排到空气中造成的冷却成本增 大、以及对放置MRI装置201的房间环境的不良影响。低温制冷机210可以使用单级脉冲管低温制冷机或者斯特林低温制 冷机，而不是GM低温制冷机。另外，低温制冷机210具有多级，第二、 第三或更多级冷却台达到的温度可以是4K，从而能再凝结液氦。
另外，除了MRI装置201，再凝结装置可以作为SQUID (超导量子干 涉装置)、SCM (超导磁体)装置或者EDX (能量弥散X射线)分析装置中 的液氮容器或液氦容器的再凝结装置。(第六实施例)图12是本发明第四实施例的超导磁体装置的示意性剖视图。 参看图12，本发明第六实施例的超导磁体装置250包括真空容器251、低温制冷机270以及超导磁体260。低温制冷机270具有冷头装在顶板252的结构。超导磁体260对高磁场空间261产生磁场。低温制冷机270是两级GM低温制冷机，具有与本发明第二实施例的、图8所示的GM低温制冷机相同的结构。其中省略了第一级和第二级缸体的详细结构图示。低温制冷机270的第一级冷却台285通过隔热板253在热学上和机械 上连接到为超导磁体260的超导线圈255提供电流的氧化物超导电流导 线258。制冷机270的第二级冷却台295在热学上和机械上连接到超导线圈 255的线圈冷却台254。线圈冷却台254接触超导线圈255，从而通过第 二级冷却台295的冷台将超导线圈255冷却到等于或低于超导临界温度 的温度。在低温制冷机270中，缸体281和291的高温端281a和291a分别比 低温端281b和291b厚。更具体地，厚度从低温端281b和291b到高温 端281a和291a连续增大。由此防止第一级冷却台285和第二级冷却台295的振动以及从高温端281a—侧进入的热量，从而达到高的冷却能力。 由此防止超导磁体260的振动以及超导线圈255产生的磁场变化，对 物体施加稳定和所需的磁场。另外，由于冷却能力高，就可以稳定地保 持超导线圈255以及氧化物超导电流导线258的超导状态。缸体281和 291的结构可以是如图4 (B)、图4 (C)、图5 (A)或图5 (B)所示的结 构。另外，低温制冷机270可以使用本发明第一实施例的脉冲管低温制冷 机、或者本发明第三实施例的两级斯特林低温制冷机，而不是GM低温制 冷机。(第七实施例)图13是本发明第七实施例的半导体检测装置的示意性剖视图。在图 13中，与上面已经讨论的部件相同的部件用相同参考数字表示，省略其 解释。参看图13，本发明第七实施例的半导体检测装置包括低温制冷机 100、半导体检测器301和信号处理部分302。半导体检测器301接触并 固定在低温制冷机的冷却台128上。信号处理部分302设计成处理半导 体检测器301的信号。由于低温制冷机100具有与本发明第三实施例中图9所示斯特林低温 制冷机基本相同的结构，因此省略其详细解释。半导体检测器301包括例如半导体辐射检测元件，诸如Si检测元件 或Ge检测元件，或者半导体红外线检测元件，诸如InGaAs PIN光电二
极管。这些检测元件由低温制冷机100形成的冷却作用冷却，从而减小其噪音并提高信噪比。信号处理部分302可以使用公知的信号处理电路， 并根据半导体检测器301的类型恰当地选择。在低温制冷机100中，防止冷却台128的振动，并得到高的冷却能力。 由此，可以防止由于振动而在半导体检测器301产生的噪音，例如在半 导体辐射检测元件情况下的颤噪噪音。此外，由于低温制冷机100具有 高的冷却能力，因此可以得到高的信噪比，并减小从室温开始冷却时的 冷却时间。因此，根据上述实施例，可以提供一种用于蓄热式低温制冷机冷头的 缸体，此缸体包括用于装蓄热材料的中空结构的内部，其中缸体在高温 端一侧的厚度大于缸体在低温端的厚度。在低温端得到的温度可以基本等于或高于IOK。缸体的厚度可以从低 温端到高温端逐段增大。缸体的厚度可以从低温端到高温端连续增大。 缸体可以是单段式的，在缸体的低温端得到的温度可以基本等于或大于 IOK。缸体可以是由多个缸体部分形成的多段式缸体， 一个缸体部分的高 温端一侧的厚度可以大于这个缸体部分的低温端一侧的厚度，在该缸体 部分低温端得到的温度可以基本等于或大于IOK。根据上述的缸体，由于缸体的刚性增大，同时防止热量从缸体高温端 进入，从而可以防止缸体低温端的振动。因此，可以防止振动对缸体或 连接到缸体低温端的冷却台的影响。还可以提供一种蓄热式低温制冷机，包括工作气体压縮机；用于吸 入和排出工作气体的冷头；其中蓄热式低温制冷机是脉冲管低温制冷机，
包括具有蓄热材料的蓄热器管；连接蓄热器管低温端的中空脉冲管；以及与蓄热器管低温端或脉冲管接触的冷却台；以及蓄热器管和脉冲管中 的至少一个包括上述缸体。还可以提供一种蓄热式低温制冷机，包括工作气体压縮机；用于吸 入和排出工作气体的冷头；其中蓄热式低温制冷机是GM (吉福麦特一麦 克马洪)型低温制冷机，包括缸体；装在缸体中的位移器；装在位移器 中的蓄热材料；与缸体低温端接触的冷却台；以及缸体是上述类型的缸 体。还可以提供一种蓄热式低温制冷机，包括工作气体压縮机；用于吸 入和排出工作气体的冷头；其中蓄热式低温制冷机是斯特林低温制冷机， 包括缸体；装在缸体中的位移器；装在位移器中的蓄热材料；与缸体低 温端接触的冷却台；以及缸体是上述类型的缸体。根据上述的蓄热式低温制冷机，由于得到高的冷冻能力并防止对缸体 的振动，因此可以稳定地冷却连接到冷却台的被冷却物体。另外，可以 防止由于振动引起的机械疲劳或信号衰减对被冷却物体产生不利影响。还可以提供一种低温泵，包括用于冷凝气体分子的低温板；以及上 述的蓄热式低温制冷机；其中低温板在热学上和机械上连接到蓄热式低 温制冷机的冷却台。还可以提供一种再凝结装置，包括用于将气体凝结为液体的再凝结 机构；以及上述的蓄热式低温制冷机；其中再凝结机构在热学上和机械 上连接到蓄热式低温制冷机的冷却台。还可以提供一种超导磁体装置，包括超导磁体；以及上述的蓄热式
低温制冷机；其中超导磁体在热学上和机械上连接到蓄热式低温制冷机 的冷却台。还可以提供一种半导体检测装置，包括半导体检测器；以及上述的 蓄热式低温制冷机；其中半导体检测器在热学上和机械上连接到蓄热式 低温制冷机的冷却台。根据上述的低温泵、再凝结装置、超导磁体装置以及半导体检测装置， 将被冷却的物体在热学上和机械上连接到具有冷却能力并防止振动的冷 却台上。因此，可以稳定地冷却将被冷却的物体，并防止由于振动引起 的机械疲劳或信号衰减对被冷却物体的不利影响。因此，根据本发明的实施例，可以提供一种蓄热式低温制冷机，用于 蓄热式低温制冷机的、诸如蓄热器管或脉冲管的缸体，以及使用蓄热式 低温制冷机的低温泵、再凝结装置、超导磁体装置和半导体检测装置， 由此得到高的冷却能力并且防止振动。虽然为了彻底而清楚地披露本发明而参考具体实施例描述了本发明， 但权利要求并不由此而受到限制、相反应被理解为包括对本领域一般技 术人员明显的并清楚地落在这里给出的基本原理范围内的所有修改和替 代结构。例如，本发明第一到第三实施例讨论了本发明实施例的缸体应用于脉 冲管低温制冷机、GM (吉福麦特一麦克马洪)低温制冷机和斯特林低温 制冷机的示例。但是，本发明实施例的缸体可以应用于其它蓄热式低温 制冷机。另外，本发明第四到第七实施例讨论了本发明第一到第三实施例的脉 冲管低温制冷机、GM(吉福麦特一麦克马洪)低温制冷机和斯特林低温制 冷机应用于实用装置的示例。但是，本发明第一到第三实施例的脉冲管低温制冷机、GM (吉福麦特一麦克马洪)低温制冷机和斯特林低温制冷机可以应用于其它的实用装置。本专利申请基于2006年9月1日提交的日本优先权专利申请2006 — 237928，其整体内容通过引用结合在此。
权利要求
1.一种用于蓄热式低温制冷机冷头的缸体，所述缸体包括具有用于蓄热材料的中空形状结构的内部；其中，在高温端的缸体厚度大于在低温端的缸体厚度。
2. 根据权利要求1所述的缸体，其特征在于，在低温端得到的温度 大体等于或大于IOK。
3. 根据权利要求1所述的缸体，其特征在于，缸体的厚度从低温端 到高温端逐段增大。
4. 根据权利要求1所述的缸体，其特征在于，缸体的厚度从低温端 到高温端连续增大。
5. 根据权利要求1所述的缸体，其特征在于，缸体是单段式的，在 缸体的低温端得到的温度大体等于或大于IOK。
6. 根据权利要求1所述的缸体，其特征在于，缸体是由多个缸体部 分形成的多段式缸体；在多个缸体部分中的一个缸体部分的高温端一侧的厚度大于在多个 缸体部分中的这个缸体部分的低温端一侧的厚度；以及 在该缸体部分的低温端得到的温度大体等于或大于IOK。
7. —种蓄热式低温制冷机，包括 工作气体压縮机；用于吸入和排出工作气体的冷头；其中，蓄热式低温制冷机是脉冲管低温制冷机，包括- 具有蓄热材料的蓄热器管； 蓄热器管的低温端连接到其上的脉冲管；以及 与蓄热器管低温端或脉冲管接触的冷却台；以及 蓄热器管和脉冲管中的至少一个包括如权利要求1所述的缸体。
8. —种蓄热式低温制冷机，包括-工作气体压縮机； 用于吸入和排出工作气体的冷头；其中，蓄热式低温制冷机是GM (吉福麦特一麦克马洪)型低温制冷 机，包括缸体；装在缸体中的位移器； 装在位移器中的蓄热材料； 与缸体低温端接触的冷却台；以及 缸体是如权利要求1所述的缸体。
9. 一种蓄热式低温制冷机，包括 工作气体压縮机； 用于吸入和排出工作气体的冷头；其中，蓄热式低温制冷机是斯特林低温制冷机，包括 缸体；装在缸体中的位移器； 装在位移器中的蓄热材料； 与缸体低温端接触的冷却台；以及 缸体是如权利要求1所述的缸体。
10. —种低温泵，包括 用于冷凝气体分子的低温板；以及 如权利要求7所述的蓄热式低温制冷机；其中，低温板在热学上和机械上连接到蓄热式低温制冷机的冷却台。
11. 一种再凝结装置，包括 用于将气体冷凝成液体的再凝结机构；以及 如权利要求7所述的蓄热式低温制冷机；其中，再凝结机构在热学上和机械上连接到蓄热式低温制冷机的冷 却台。
12. —种超导磁体装置，包括 超导磁体；以及如权利要求7所述的蓄热式低温制冷机；其中，超导磁体在热学上和机械上连接到蓄热式低温制冷机的冷却台°
13. —种半导体检测装置，包括 半导体检测器；以及如权利要求7所述的蓄热式低温制冷机；其中，半导体检测器在热学上和机械上连接到蓄热式低温制冷机的 冷却台。
全文摘要
一种用于蓄热式低温制冷机冷头的缸体，所述缸体包括具有用于蓄热材料的中空形状结构的内部；其中，在高温端的缸体厚度大于在低温端的缸体厚度。
文档编号F25B9/00GK101153753SQ20071014696
公开日2008年4月2日 申请日期2007年9月3日 优先权日2006年9月1日
发明者三田寿江, 许名尧 申请人:住友重机械工业株式会社