專利名稱：用于蓄熱式低溫制冷機(jī)冷頭的缸體和蓄熱式低溫制冷機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及蓄熱式低溫制冷機(jī)、用于蓄熱式低溫制冷機(jī)的缸體、 低溫泵、再凝結(jié)裝置、超導(dǎo)磁體裝置以及半導(dǎo)體檢測(cè)裝置。更具體地，本發(fā)明大體涉及蓄熱式低溫制冷機(jī)、諸如蓄熱器管或脈沖管的用于蓄熱式低溫制冷機(jī)的缸體，以及使用蓄熱式低溫制冷機(jī)的低溫 泵、再凝結(jié)裝置、超導(dǎo)磁體裝置以及半導(dǎo)體檢測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
蓄熱式低溫制冷機(jī)產(chǎn)生大約4K到100K的低溫溫度，并用于冷卻超導(dǎo) 磁體或用于低溫泵。蓄熱式低溫制冷機(jī)包括壓縮部分、膨脹部分以及換 熱部分。壓縮部分設(shè)計(jì)成由外部提供功、壓縮工作流體、以及去除壓縮熱以減 小熵。膨脹部分設(shè)計(jì)成從壓縮的工作流體吸收功(能量)、膨脹工作流體、 以及從系統(tǒng)外部增加熱量以增大熵。換熱部分設(shè)計(jì)成從溫度的角度通過 利用蓄熱器分開壓縮部分和膨脹部分，同時(shí)使在膨脹部分增大的熵流出 到壓縮部分。蓄熱式低溫制冷機(jī)的示例有脈沖管低溫制冷機(jī)、GM (吉 福麥特一麥克馬洪(Gifford-McMahon))低溫制冷機(jī)、斯特林(Stirling)
低溫制冷機(jī)以及其它的種類。在脈沖管低溫制冷機(jī)中，被氣體壓縮機(jī)壓縮的、作為工作流體的工作 氣體流入蓄熱器和脈沖管的操作，以及工作流體由氣體壓縮機(jī)接收、并 從蓄熱器或脈沖管流出的操作被重復(fù)。結(jié)果，在蓄熱器或脈沖管的低溫端形成制冷效果。當(dāng)?shù)蜏囟伺c物體熱 學(xué)接觸時(shí)，從物體帶走熱量。蓄熱器包括填充蓄熱材料的缸體。脈沖管包括空的缸體。這些缸體的 一端是高溫端，這些缸體的另一端是低溫端。為了防止熱量從高溫端傳導(dǎo)，缸體由薄壁不銹鋼制成。當(dāng)從高溫端進(jìn) 入的熱量較多時(shí)，制冷能力下降較大，從而低溫端的溫度升高。因此，推薦缸體的厚度逐漸減小到等于或小于lmm。另一方面，由于缸體較薄，工作氣體的反復(fù)壓縮和膨脹使缸體沿軸向 伸張，從而在低溫端產(chǎn)生振動(dòng)。如果這種振動(dòng)傳遞到冷卻物體，則需要 高精度定位的半導(dǎo)體制造裝置的生產(chǎn)率下降。圖1是現(xiàn)有技術(shù)脈沖管低溫制冷機(jī)的剖視圖。如圖1所示，披露一種脈沖管制冷機(jī)500，請(qǐng)參見日本特許公開專利申請(qǐng)2004 — 93062。在圖1所示的脈沖管低溫制冷機(jī)500中，脈沖管501和502以及蓄熱器503和504是由薄壁金屬材料制成的。厚壁部分501a到504a形成其部分缸體，從而形成增強(qiáng)區(qū)。此外，日本特許公開專利申請(qǐng)2003 — 329324披露一種技術(shù)，其中缸體的低溫端比缸體的高溫端厚，從而減小振動(dòng)。但是，在日本特許公開專利申請(qǐng)2004—93062披露的技術(shù)中，雖然使
振動(dòng)在一個(gè)方向被厚壁部分501a到504a減小，但這是不夠的。另外， 如果為了減小振動(dòng)而存在較多的厚壁部分501a到504a，將導(dǎo)致制冷能力 下降。此外，在日本特許公開專利申請(qǐng)2003 — 329324披露的技術(shù)中，雖然 預(yù)計(jì)具有抑制振動(dòng)的作用，但制冷能力下降。發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明實(shí)施例提供一種新穎的和有用的蓄熱式低溫制冷機(jī)、用 于蓄熱式低溫制冷機(jī)的缸體、低溫泵、再凝結(jié)裝置、超導(dǎo)磁體裝置以及 半導(dǎo)體檢測(cè)裝置，從而解決上述一個(gè)或多個(gè)問題。更具體地，本發(fā)明實(shí)施例可以提供蓄熱式低溫制冷機(jī)、諸如蓄熱器管 或脈沖管的用于蓄熱式低溫制冷機(jī)的缸體，以及使用蓄熱式低溫制冷機(jī) 的低溫泵、再凝結(jié)裝置、超導(dǎo)磁體裝置以及半導(dǎo)體檢測(cè)裝置，由此同時(shí) 實(shí)現(xiàn)好的制冷能力和防止振動(dòng)。本發(fā)明的一個(gè)方面提供一種用于蓄熱式低溫制冷機(jī)冷頭的缸體，所述 缸體包括具有用于蓄熱材料的中空形狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)部；其中，在高溫端的缸體厚度大于在低溫端的缸體厚度。本發(fā)明的另一個(gè)方面可以提供一種蓄熱式低溫制冷機(jī)，包括工作氣體壓縮機(jī)；用于吸入和排出工作氣體的冷頭；其中，蓄熱式低溫制冷機(jī)是脈沖管低溫制冷機(jī)，包括
具有蓄熱材料的蓄熱器管；蓄熱器管的低溫端連接到其上的中空脈沖管；以及 與蓄熱器管低溫端或脈沖管接觸的冷卻臺(tái)；以及蓄熱器管和脈沖管中的至少一個(gè)包括如上所述的缸體。本發(fā)明的另一個(gè)方面可以提供一種蓄熱式低溫制冷機(jī)，包括工作氣體壓縮機(jī)；用于吸入和排出工作氣體的冷頭；其中，蓄熱式低溫制冷機(jī)是GM (吉福麥特一麥克馬洪)型低溫制冷 機(jī)，包括缸體；裝在缸體中的位移器； 裝在位移器中的蓄熱材料； 與缸體低溫端接觸的冷卻臺(tái)；以及 缸體是如上所述的缸體。本發(fā)明的一個(gè)方面可以提供一種蓄熱式低溫制冷機(jī)，包括 工作氣體壓縮機(jī)；用于吸入和排出工作氣體的冷頭；其中，蓄熱式低溫制冷機(jī)是斯特林低溫制冷機(jī)，包括 缸體；裝在缸體中的位移器； 裝在位移器中的蓄熱材料； 與缸體低溫端接觸的冷卻臺(tái)；以及缸體是如上所述的缸體。本發(fā)明的另一個(gè)方面可以提供一種低溫泵，包括 用于冷凝氣體分子的低溫板；以及 如上所述的蓄熱式低溫制冷機(jī)；其中，低溫板在熱學(xué)上和機(jī)械上連接到蓄熱式低溫制冷機(jī)的冷卻臺(tái)。 本發(fā)明的另一個(gè)方面可以提供一種再凝結(jié)裝置，包括 用于將氣體冷凝成液體的再凝結(jié)機(jī)構(gòu)；以及 如上所述的蓄熱式低溫制冷機(jī)；其中，再凝結(jié)機(jī)構(gòu)在熱學(xué)上和機(jī)械上連接到蓄熱式低溫制冷機(jī)的冷 卻臺(tái)。本發(fā)明的另一個(gè)方面可以提供一種超導(dǎo)磁體裝置，包括超導(dǎo)磁體；以及如上所述的蓄熱式低溫制冷機(jī)；其中，超導(dǎo)磁體在熱學(xué)上和機(jī)械上連接到蓄熱式低溫制冷機(jī)的冷卻臺(tái)°本發(fā)明的另一個(gè)方面可以提供一種半導(dǎo)體檢測(cè)裝置，包括半導(dǎo)體檢測(cè)器；以及如上所述的蓄熱式低溫制冷機(jī)；其中，半導(dǎo)體檢測(cè)器在熱學(xué)上和機(jī)械上連接到蓄熱式低溫制冷機(jī)的 冷卻臺(tái)。從下面結(jié)合附圖的詳細(xì)描述中，本發(fā)明的其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將變 得更加清楚


圖1是相關(guān)現(xiàn)有技術(shù)脈沖管低溫制冷機(jī)的剖視圖；圖2是本發(fā)明第一實(shí)施例的脈沖管制冷機(jī)的示意性剖視圖；圖3是解釋本發(fā)明缸體運(yùn)行的示意圖；圖4是顯示形成本發(fā)明第一實(shí)施例的脈沖管低溫制冷機(jī)的脈沖管缸 體的一個(gè)修改示例的示意性剖視圖；圖5是顯示形成本發(fā)明第一實(shí)施例的脈沖管低溫制冷機(jī)的蓄熱器管缸體的一個(gè)修改示例的示意性剖視圖；圖6是顯示本發(fā)明第一實(shí)施例和對(duì)比實(shí)施例的缸體的剖視圖； 圖7是顯示本發(fā)明第一實(shí)施例和對(duì)比實(shí)施例的性能表； 圖8是本發(fā)明第二實(shí)施例GM (吉福麥特一麥克馬洪)低溫制冷機(jī)的 示意性剖視圖；圖9是本發(fā)明第三實(shí)施例的斯特林制冷機(jī)的示意性剖視圖；圖IO是本發(fā)明第四實(shí)施例的低溫泵的示意性剖視圖；圖11是本發(fā)明第五實(shí)施例的再凝結(jié)裝置的示意性剖視圖；圖12是本發(fā)明第六實(shí)施例的超導(dǎo)磁體裝置的示意性剖視圖；以及圖13是本發(fā)明第七實(shí)施例的半導(dǎo)體檢測(cè)裝置的示意性剖視圖。
具體實(shí)施方式
下面將參考圖12到圖13描述本發(fā)明的實(shí)施例。
第一實(shí)施例圖2是本發(fā)明第一實(shí)施例的脈沖管低溫制冷機(jī)的示意性剖視圖。 參看圖2，本發(fā)明第一實(shí)施例的脈沖管低溫制冷機(jī)10包括氣體壓縮機(jī)11和兩級(jí)冷頭20。氦氣由氣體壓縮機(jī)11吸入和排出，將被冷卻的物 體(圖2未圖示)可由冷頭20冷卻。冷頭20包括第一級(jí)蓄熱器管31、 第一級(jí)脈沖管36、第一級(jí)冷卻臺(tái)30、第二級(jí)蓄熱器管41、第二級(jí)脈沖管 46、第二級(jí)冷卻臺(tái)40。第一級(jí)蓄熱器管31包括例如由不銹鋼制成的缸體32、以及由銅或不 銹鋼的金屬網(wǎng)形成的蓄熱材料33。缸體32內(nèi)部填充蓄熱材料33。第一 級(jí)脈沖管36包括例如由不銹鋼制成的中空缸體37。缸體32和37的高溫端32a和37a分別接觸并固定在法蘭21上。缸 體32和37的低溫端32b和37b接觸并固定在第一級(jí)冷卻臺(tái)30上。在第一級(jí)冷卻臺(tái)30內(nèi)形成氣流通道38。第一級(jí)脈沖管36的低溫端 37b以及第一級(jí)蓄熱器管31的低溫端32b通過換熱器18b和氣流通道38 相互連接。第一級(jí)冷卻臺(tái)30熱學(xué)上和機(jī)械上連接到將被冷卻的物體(圖 2未圖示)，熱量從將被冷卻的物體上轉(zhuǎn)移。第二級(jí)蓄熱器管41包括例如由不銹鋼制成的缸體42、以及由銅或不 銹鋼的金屬網(wǎng)形成的蓄熱材料43。缸體42內(nèi)部填充蓄熱材料43。第二 級(jí)脈沖管46包括例如由不銹鋼制成的缸體47。第二級(jí)蓄熱器管41的缸體42的高溫端42a接觸并固定在第一級(jí)冷卻 臺(tái)30上。缸體42的低溫端42b接觸并固定在第二級(jí)冷卻臺(tái)40上。第二 脈沖管46的缸體47的高溫端47a接觸并固定在法蘭21上。缸體47的
低溫端47b接觸并固定在第二級(jí)冷卻臺(tái)40上。在第二級(jí)冷卻臺(tái)40內(nèi)形成氣流通道48。第二級(jí)脈沖管46的低溫端 47b以及第一級(jí)蓄熱器管41的低溫端42b通過換熱器47b和氣流通道48 相互連接。第二級(jí)冷卻臺(tái)40熱學(xué)上和機(jī)械上連接到將被冷卻的物體(圖 2未圖示)，熱量從將被冷卻的物體上轉(zhuǎn)移。在脈沖管低溫制冷機(jī)10中，高壓氦氣從氣體壓縮機(jī)11經(jīng)過吸入閥 12和氣流通道14供應(yīng)到第一級(jí)蓄熱器管31，而低壓氦氣從第一級(jí)蓄熱 器管31經(jīng)過氣流通道14和排出閥13供應(yīng)到氣體壓縮機(jī)11。此外，第一級(jí)緩沖器15A和第二級(jí)緩沖器15B分別經(jīng)過換熱器18a 和19a以及小孔連接到第一級(jí)脈沖管36的高溫端37a和第二脈沖管46 的高溫端47a 。下面將討論脈沖管低溫制冷機(jī)10的運(yùn)行。首先，當(dāng)吸入閥12打開以及排出閥13關(guān)閉時(shí)，高壓氦氣從氣體壓縮 機(jī)11流到第一級(jí)蓄熱器管31。在蓄熱材料33冷卻氦氣使氦氣的溫度下 降時(shí)，氦氣從第一級(jí)蓄熱器管31的低溫端32b流過氣流通道，并進(jìn)一步 被換熱器18b冷卻，流入第一級(jí)脈沖管36。已經(jīng)存在于第一級(jí)脈沖管36內(nèi)部的低壓氦氣被流動(dòng)高壓氦氣壓縮， 使低壓氦氣的壓力高于緩沖器15A內(nèi)的壓力，低壓氦氣流過小孔17和氣 流通道16，并流入第一級(jí)緩沖器15A。被第一級(jí)蓄熱器管31冷卻的一部分高壓氦氣流入第二級(jí)蓄熱器管 41。這部分高壓氦氣被蓄熱材料43進(jìn)一步冷卻，使這部分高壓氦氣的溫 度下降。這部分高壓氦氣從第二蓄熱器管41的低溫端42b流過氣流通道48，并被換熱器19b進(jìn)一步冷卻。這部分高壓氦氣流入第二級(jí)脈沖管46， 流過小孔17和氣流通道16，并流入第二級(jí)緩沖器15B。當(dāng)吸入閥12關(guān)閉并且排出閥13打開時(shí)，第一級(jí)脈沖管36和第二級(jí) 脈沖管46中的氦氣流過，同時(shí)氣體冷卻蓄熱材料33和43。氦氣從第一 級(jí)蓄熱器管31的高溫端32a流過排出閥13，從而返回氣體壓縮機(jī)11。第一級(jí)脈沖管36和第一級(jí)緩沖器15A通過相應(yīng)的小孔17相互連接。 第二級(jí)脈沖管46和第二級(jí)緩沖器15B通過相應(yīng)的小孔17相互連接。因 此，氦氣的壓力變化相位和體積變化相位產(chǎn)生恒定的相位差。基于這些相位差，在第一級(jí)脈沖管36的低溫端37b和第二級(jí)脈沖管 46的低溫端47b產(chǎn)生由于氦氣膨脹引起的冷卻作用。通過重復(fù)這些操作 脈沖管低溫制冷機(jī)10作為一臺(tái)低溫制冷機(jī)工作。在脈沖管低溫制冷機(jī)10中，第一級(jí)蓄熱器管31、第二級(jí)蓄熱器管41、 第一級(jí)脈沖管36和第二級(jí)脈沖管46的缸體32、 37、 42和47在高溫端 32a、 37a、 42a和47a—側(cè)的厚度大于在低溫端32b、 37b、 42b和47b — 側(cè)的厚度。更具體地，第一級(jí)蓄熱器管31、第二級(jí)蓄熱器管41、第一級(jí)脈沖管 36和第二級(jí)脈沖管46的缸體32、 37、 42和47的厚度從缸體32、 37、 42和47的低溫端32b、 37b、 42b和47b到高溫端32a、 37a、 42a和47a增大。由此，可以防止從高溫端32a、 37a、 42a和47a進(jìn)入的熱量，從而保 持高的冷卻能力。缸體32、 37、 42和47的剛性高于從低溫端32b、 37b、 42b和47b開始厚度恒定不變的缸體的剛性。因此，可以防止由于基于缸
體膨脹和收縮導(dǎo)致的缸體壓力變化而使處于低溫端的第一級(jí)冷卻臺(tái)30和 第二級(jí)冷卻臺(tái)40振動(dòng)。以下的描述將不再區(qū)分第一級(jí)和第二級(jí)。在脈沖管制冷機(jī)io中，脈沖管36和46的低溫端以及蓄熱器管31和41的低溫端可以通過連接管 (圖2中未圖示)相互連接。在這種情況下，如果冷卻臺(tái)30和40設(shè)置 在脈沖管36和46的低溫端或者蓄熱器管31和41的低溫端，則沒有設(shè) 置冷卻臺(tái)30和40的缸體具有從低溫端到高溫端的恒定厚度。在這種情況下，即使在具有恒定厚度的缸體產(chǎn)生振動(dòng)，也幾乎沒有振 動(dòng)傳遞到冷卻臺(tái)30和40。因此，不會(huì)影響連接到冷卻臺(tái)30和40的被冷 卻物體。冷卻能力通過減小厚度而增大。圖3是解釋本發(fā)明缸體工作的示意圖。更具體地，圖3 (A)表示溫 度和不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)之間的關(guān)系，圖3 (B)是溫度20K附近的放大圖， 圖3 (C)是示意性表示缸體的剖視圖。參看圖3 (A)和圖3 (B)，導(dǎo)熱率從300K到IOK左右是減小的。10K 左右的導(dǎo)熱率基本為零(0)。 300K到20K之間的導(dǎo)熱率斜率大于溫度在 20K以下的導(dǎo)熱率斜率。由于熱阻與導(dǎo)熱率成反比，因此熱阻從300K到 IOK左右是增大的。另外，熱阻與厚度t成反比。如圖3 (C)所示，此實(shí)施例的缸體的結(jié)構(gòu)是，厚度從缸體低溫端LE 的^連續(xù)增大到缸體高溫端HE的tH。換句話說，此實(shí)施例的缸體的結(jié)構(gòu) 是，厚度從缸體高溫端HE的tH連續(xù)減小到缸體低溫端LE的1^。因此， 根據(jù)溫度梯度引起的導(dǎo)熱率影響以及厚度的影響，熱阻明顯增大。因此，通過使缸體具有上述結(jié)構(gòu)，熱阻增大，從而進(jìn)入低溫端LE的 熱量減小。如同下面討論的，與從低溫端到高溫端具有恒定厚度的缸體 傳導(dǎo)的熱量相比，其傳導(dǎo)的熱量減少。另一方面，在低溫端LE —側(cè)的振動(dòng)幅度缸體與金屬件的彈性系數(shù)以 及缸體厚度成反比。例如，在此溫度不銹鋼軸向的彈性系數(shù)是不變的， 厚度從t,連續(xù)增大到tH。因此，通過增大厚度的作用，減小振動(dòng)的幅度比厚度不變(U)的情 況大。因此，此實(shí)施例的缸體可以減小傳導(dǎo)的熱量和振動(dòng)。另外，如圖3 (B)所示，在溫度等于或高于10K時(shí)導(dǎo)熱率增大。因 此，從有效減小導(dǎo)熱的角度出發(fā)，優(yōu)選地，脈沖管制冷機(jī)的蓄熱器管和 脈沖管的缸體達(dá)到的溫度等于或高于IOK。這一點(diǎn)可以適用于第二實(shí)施例 的GM (吉福麥特一麥克馬洪)低溫制冷機(jī)、第三實(shí)施例的斯特林低溫制 冷機(jī)以及具有缸體的蓄熱式低溫制冷機(jī)。圖4是示意性剖視圖，表示形成本發(fā)明第一實(shí)施例的脈沖管低溫制冷 機(jī)的脈沖管缸體的一個(gè)修改示例。圖4 (A)表示圖2所示第一級(jí)脈沖管的示意性剖視圖。由于第二級(jí) 脈沖管的剖面結(jié)構(gòu)與第一級(jí)脈沖管的相同，因此為了便于解釋省略其圖不o如圖4 (A)所示，第一級(jí)脈沖管36的缸體37的厚度從低溫端37b 到高溫端37a連續(xù)增大。由于此結(jié)構(gòu)，如上所述，缸體37的導(dǎo)熱和振動(dòng) 減小。在這種情況下，從有效減小導(dǎo)熱的角度出發(fā)，優(yōu)選地，第一級(jí)脈沖管 36的低溫端37b達(dá)到的溫度等于或高于10K。例如，缸體37在低溫端37b一側(cè)的厚度在O. lmm到l.Omm的范圍內(nèi)，缸體37在高溫端37a—側(cè)的厚 度在l.Omm到3. Omm范圍內(nèi)。圖4(B)到圖4(C)表示脈沖管36的缸體的修改示例。參看圖4 (B) 和圖4 (C)，脈沖管36的缸體37 — 1和37_2的厚度從低溫端37b到高 溫端37a增大。在圖4 (B)所示的示例中，缸體37 — 1具有兩段結(jié)構(gòu)，缸體部分37 一1A和37 — 1B，其中脈沖管36的缸體部分37 —1A和37 — 1B的厚度按 兩段方式從低溫端37b到高溫端37a增大。例如，在低溫端37b —側(cè)的缸體部分37 — 1B的厚度在0. 1 到1. 0mm 范圍內(nèi)，在高溫端37a —側(cè)的缸體部分37 — 1A的厚度在1. ()■到3. 0mm 范圍內(nèi)。此外，在圖4 (C)所示的示例中，缸體37 — 2具有三段結(jié)構(gòu)，缸體 部分37 — 2A、 37 — 2B和37 — 2C，其中脈沖管的缸體部分37 — 2A、 37 — 2B和37 — 2C的厚度按三段式從低溫端37b到高溫端37a增大。例如，在低溫端37b —側(cè)的缸體部分37_2C的厚度在0. lmm到1. 0mm 范圍內(nèi)，在中間的缸體部分37—2B的厚度在1.0mm到2.0腿范圍內(nèi)，在 高溫端37a —側(cè)的缸體部分37_ 1A的厚度在2. 0mm到3. 0mm范圍內(nèi)。缸體37 — 1和37—2達(dá)到與圖4 (A)所示缸體37達(dá)到的效果相同的 效果，并且可以容易地制造缸體37_1和37 — 2。另外，當(dāng)段數(shù)大于2時(shí)， 可以減小傳導(dǎo)的熱量?？紤]到減小導(dǎo)熱并且在加工能力與制造成本之間 的平衡，優(yōu)選地，段數(shù)在2到5之間。當(dāng)然，段數(shù)可以等于或大于6。圖5是示意性剖視圖，表示形成本發(fā)明第一實(shí)施例的脈沖管低溫制冷 機(jī)的蓄熱器管缸體的修改示例。圖5 (A)表示圖2所示的第一級(jí)冷卻|￡存管和第二級(jí)冷卻忙存管的示意橫截面。在圖5 (A)以及圖5 (B)和圖5 (C)中省略了第一冷卻臺(tái)、 第二冷卻臺(tái)和其它部件的圖解。如圖5 (A)所示，第一級(jí)蓄熱器管和第二級(jí)蓄熱器管的缸體32和42 的厚度從低溫端32b和42b到高溫端32a和42a連續(xù)增大。在這種情況下，從有效減小導(dǎo)熱的角度出發(fā)，優(yōu)選地，低溫端32b 和42b達(dá)到的溫度等于或高于IOK。第一級(jí)蓄熱器管的低溫端32b達(dá)到的 溫度高于第二級(jí)蓄熱器管低溫端42b達(dá)到的溫度。圖5 (B)表示第一級(jí)蓄熱器管和第二級(jí)蓄熱器管的一個(gè)修改示例。參看圖5 (B)，第一級(jí)蓄熱器管的缸體32 — 1的厚度從低溫端32b到 高溫端32a連續(xù)增大。第二級(jí)蓄熱器管的缸體42 — 1的厚度從低溫端42b 到高溫端42a是恒定的。在圖5 (B)所示的示例中，從有效減小導(dǎo)熱的角度出發(fā)，優(yōu)選地， 低溫端32b達(dá)到的溫度等于或高于IOK。第二級(jí)蓄熱器管的低溫端42b達(dá) 到的溫度低于第一級(jí)蓄熱器管的低溫端32b達(dá)到的溫度。圖5 (C)表示第一級(jí)蓄熱器管和第二級(jí)蓄熱器管的另一個(gè)修改示例。參看圖5 (C)，第一級(jí)蓄熱器管的缸體32_2的厚度從低溫端32b到 高溫端32a是恒定的。第二級(jí)蓄熱器管的缸體42—2的厚度從低溫端42b 到高溫端42a連續(xù)增大。在圖5 (C)所示的示例中，從有效減小導(dǎo)熱的角度出發(fā)，優(yōu)選地， 低溫端42b達(dá)到的溫度等于或高于IOK。第一級(jí)蓄熱器管的低溫端32b達(dá) 到的溫度高于第二級(jí)蓄熱器管的低溫端42b達(dá)到的溫度。第一蓄熱器管和第二級(jí)蓄熱器管的缸體所具有的結(jié)構(gòu)可以是，缸體的厚度從低溫端到高溫端逐段增大，像圖4 (B)和圖4 (C)中所示的缸體 37 — 1和37 — 2—樣,而不是缸體厚度從低溫端到高溫端連續(xù)增大的結(jié)構(gòu)。 在這種情況下，可以進(jìn)一步提高制造的容易性。下面將參考圖6和圖7討論本發(fā)明實(shí)施例的示例和對(duì)比例。 圖6是本發(fā)明第一實(shí)施例和對(duì)比例的缸體的剖視圖。更具體地，圖6 (A)表示示例1、圖6 (B)表示示例2、圖6 (C)表示對(duì)比示例1到3。 圖7是本發(fā)明第一實(shí)施例和對(duì)比例的缸體的性能和測(cè)量值的表。 參看圖6和圖7，在圖6 (A)所示的示例1的缸體中，缸體部分的厚 度按兩段式從低溫端LE到高溫端HE增大。在圖6 (B)所示的示例1的 缸體中，缸體部分的厚度按三段式增大。另一方面，在圖6 (C)所示的 對(duì)比例1到3的缸體中，缸體部分的厚度從低溫端LE —側(cè)到高溫端HE 一側(cè)是恒定的。示例1、示例2和對(duì)比例的測(cè)量值表示在圖6和圖7中。每個(gè)缸體的 高溫端HE的溫度是300K，每個(gè)缸體的低溫端LE的溫度是IOK。示例1和示例2的缸體的縱向平均厚度是1. 5mm。對(duì)比例1到3的缸 體的厚度是lmrn、 1. 5mm和2mm。示例1中厚度不同的位置處的溫度是100K。示例2中厚度不同的位 置處的溫度是250K和60K。這些溫度是在將缸體應(yīng)用到脈沖管和蓄熱器 管(由不銹鋼制成)的情況下通過實(shí)驗(yàn)得到的。另外，計(jì)算出傳導(dǎo)的熱量和振動(dòng)幅度。傳導(dǎo)的熱量表示到達(dá)低溫端LE的熱量(W)。振動(dòng)幅度表示在高溫端HE固定的情況下，低溫端LE的 振動(dòng)峰值到峰值。如圖7所示，示例1和示例2的振動(dòng)幅度基本與對(duì)比例2的相同。示 例1的傳導(dǎo)熱量比對(duì)比例2的傳導(dǎo)熱量低55%或更多，示例2的傳導(dǎo)熱量 比對(duì)比例2的傳導(dǎo)熱量低65%或更多。另外，示例1和2的傳導(dǎo)熱量基本等于或小于對(duì)比例1的傳導(dǎo)熱量。 示例1和2的振動(dòng)幅度比對(duì)比例1的振動(dòng)幅度明顯下降。此外，示例1和2的振動(dòng)幅度大于對(duì)比例3的振動(dòng)幅度，但示例1 和2的傳導(dǎo)熱量小于對(duì)比例3的傳導(dǎo)熱量。對(duì)比示例1和示例2，三段式缸體的傳導(dǎo)熱量低于兩段式缸體的傳導(dǎo) 熱量。段數(shù)越多，冷卻能力越高。本發(fā)明的發(fā)明者實(shí)際上使用示例2以及單段式脈沖管低溫制冷機(jī)的 對(duì)比例的缸體。在沒有負(fù)載的狀態(tài)下，雖然對(duì)比例達(dá)到的溫度是36K，但 示例2達(dá)到的溫度是32K。因此，可以發(fā)現(xiàn)，示例2的冷卻能力高于對(duì)比 例的冷卻能力。同時(shí)，上面通過使用小孔型脈沖管低溫制冷機(jī)討論本發(fā)明的實(shí)施例。 但是，本發(fā)明實(shí)施例的缸體可以應(yīng)用于其它類型的低溫制冷機(jī)，例如運(yùn) 動(dòng)活塞型、單向閥型和雙入口型脈沖管低溫制冷機(jī)。(第二實(shí)施例)圖8是本發(fā)明第二實(shí)施例的GM (吉福麥特一麥克馬洪)低溫制冷機(jī) 的示意性剖視圖。
參看圖8，本發(fā)明第二實(shí)施例的GM (吉福麥特一麥克馬洪)低溫制冷機(jī)60包括氣體壓縮機(jī)61和兩級(jí)式冷頭66。氣體壓縮機(jī)61吸入和排出氦 氣，從而使冷頭66作為低溫制冷機(jī)工作。冷頭66包括第一級(jí)冷卻部分 70和第二級(jí)冷卻部分80。第一級(jí)冷卻部分70和第二級(jí)冷卻部分80同軸 地連接在法蘭68上。第一級(jí)冷卻部分70包括第一級(jí)缸體71、第一級(jí)位移器72、第一級(jí)蓄 熱器78、第一級(jí)膨脹空間73、第一級(jí)冷卻臺(tái)75。第一級(jí)位移器72設(shè)計(jì)成在第一級(jí)缸體71內(nèi)沿軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。第一級(jí) 蓄熱器78裝在第一級(jí)位移器72中。處于低溫端71b內(nèi)的第一級(jí)膨脹空 間73的體積隨第一級(jí)位移器72往復(fù)運(yùn)動(dòng)而變化。第一級(jí)冷卻臺(tái)75處于 低溫端71b附近。在第一級(jí)缸體71的內(nèi)壁與第一級(jí)位移器72的外壁之 間裝有第一級(jí)密封76。在第一級(jí)位移器72的高溫端71a設(shè)置有多個(gè)第一級(jí)高溫側(cè)流動(dòng)通道 72-1，使氦氣流入和流出第一級(jí)蓄熱器78。另外，在第一級(jí)位移器72的 低溫端71b具有多個(gè)第一級(jí)低溫側(cè)流動(dòng)通道72_2，從而使氦氣流入和流 出第一級(jí)蓄熱器78和第一級(jí)膨脹空間73。第二級(jí)冷卻部分80具有與第一級(jí)冷卻部分70基本相同的結(jié)構(gòu)。換句 話說，第二級(jí)冷卻部分80包括第二級(jí)缸體81、第二級(jí)位移器82、第二 級(jí)蓄熱器88、第二級(jí)膨脹空間83、第二級(jí)冷卻臺(tái)85。第二級(jí)位移器82設(shè)計(jì)成在第二級(jí)缸體81內(nèi)沿軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。第二級(jí) 蓄熱器88裝在第二級(jí)位移器82內(nèi)。處于低溫端81b內(nèi)的第二級(jí)膨脹空 間83的體積隨第二級(jí)位移器82往復(fù)運(yùn)動(dòng)而變化。第二級(jí)冷卻臺(tái)85處于
低溫端81b附近。在第二級(jí)缸體81的內(nèi)壁與第二級(jí)位移器82的外壁之 間裝有第二級(jí)密封86。在第二級(jí)位移器82的高溫端81a具有第二級(jí)高溫側(cè)流動(dòng)通道72 — 3， 使氦氣流入和流出第一級(jí)蓄熱器78。另外，在第二級(jí)位移器82的低溫端 81b具有多個(gè)第二級(jí)低溫側(cè)流動(dòng)通道82—2，從而使氦氣流入和流出第二 級(jí)膨脹空間83。另外，在GM低溫制冷機(jī)60中，高壓氦氣由氣體壓縮機(jī)61供應(yīng)到第 一級(jí)冷卻部分70，低壓氦氣由第一級(jí)冷卻部分70排出到氣體壓縮機(jī)61。 驅(qū)動(dòng)電機(jī)65使第一級(jí)位移器72和第二級(jí)位移器82往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使得吸入 閥62和排出閥63的打開和關(guān)閉與此相連，從而控制吸入和排出氦氣的 時(shí)間。在GM低溫制冷機(jī)60中，第一級(jí)缸體71的高溫端71a的溫度是室溫， 低溫端71b的溫度是例如IOK。第二級(jí)缸體81的高溫端81a的溫度是例 如IOK，低溫端81b的溫度是例如4K。第一級(jí)缸體71的高溫端71a比第一級(jí)缸體71的低溫端71b厚。更具 體地，厚度從低溫端71b到高溫端71a連續(xù)增大。由此可以防止第一級(jí) 冷卻臺(tái)75的振動(dòng)以及從高溫端71a進(jìn)入熱量，從而獲得好的冷卻能力。第一級(jí)缸體71的結(jié)構(gòu)并不限于圖8所示的結(jié)構(gòu)。第一級(jí)缸體71可以 具有圖4 (B)和圖4 (C)所示的結(jié)構(gòu)，其中厚度逐段增大，第一級(jí)缸體 71的段數(shù)等于或大于4。第二級(jí)缸體81的高溫端81a是IOK。因此，導(dǎo)熱系數(shù)極低。此時(shí)， 該厚度足以避免振動(dòng)，并且可以從低溫端81b到高溫端81a是恒定的。
下面討論GM低溫制冷機(jī)60的運(yùn)行。首先，吸入閥62處于關(guān)閉狀態(tài)，排出閥63處于打開狀態(tài)。在氦氣排 入第一級(jí)缸體71和第二級(jí)缸體81的狀態(tài)下，第一級(jí)位移器72和第二級(jí) 位移器82分別處于第一級(jí)缸體71和第二級(jí)缸體81的底死點(diǎn)中心。接著，當(dāng)吸入閥62處于打開狀態(tài)、以及排出閥63處于打開狀態(tài)時(shí)， 高壓氦氣從氣體壓縮機(jī)61流到第一級(jí)冷卻部分70。高壓氦氣從第一級(jí)高溫側(cè)流動(dòng)通道72 — 1流到第一級(jí)蓄熱器78，并 被指定溫度下的第一級(jí)蓄熱器78的蓄熱材料冷卻。冷卻的氦氣從第一級(jí) 低溫側(cè)流動(dòng)通道72—2流到第一膨脹空間73。流入第一級(jí)膨脹空間73的一部分高壓氦氣從第二級(jí)高溫側(cè)流動(dòng)通道 72 — 3流到第二級(jí)冷貯存裝置88。流動(dòng)的氦氣被第二級(jí)蓄熱器88的蓄熱 材料冷卻到更低的指定溫度，并從第二級(jí)低溫側(cè)流動(dòng)通道82 — 2流到第 二級(jí)膨脹空間83。結(jié)果，第一級(jí)膨脹空間73和第二級(jí)膨脹空間83的內(nèi)部變成高壓狀態(tài)。此后，第一級(jí)位移器72和第二級(jí)位移器82運(yùn)動(dòng)到頂死點(diǎn)中心一側(cè)， 并且將高壓氦氣供應(yīng)到第一級(jí)膨脹空間73和第二級(jí)膨脹空間83。當(dāng)?shù)谝患?jí)位移器72和第二級(jí)位移器82到達(dá)頂死點(diǎn)中心時(shí)，關(guān)閉吸入 閥62。此后，當(dāng)打開排出閥63時(shí)，氦氣的狀態(tài)從高壓狀態(tài)變到低壓狀態(tài)， 從而氦氣的體積膨脹。由此在第一級(jí)膨脹空間73和第二級(jí)膨脹空間83 形成冷卻作用。此時(shí)，在第一級(jí)膨脹空間73的氦氣以及在第二級(jí)膨脹空間83的氦氣
處于比上述初始狀態(tài)更低的溫度和更低的壓力狀態(tài)，從而冷卻第一級(jí)冷卻臺(tái)75和第二級(jí)冷卻臺(tái)85。第一級(jí)冷卻臺(tái)75和第二級(jí)冷卻臺(tái)85從熱學(xué)上連接到第一級(jí)冷卻臺(tái)75和第二級(jí)冷卻臺(tái)85的被冷卻物體吸收熱量， 使其冷卻。接著,第一級(jí)位移器72和第二級(jí)位移器82運(yùn)動(dòng)到底死點(diǎn)中心。由此， 氦氣流過與上述通道相反的通道。在氦氣冷卻第一級(jí)位移器72和第二級(jí) 位移器82時(shí)，氦氣從排出閥返回到氣體壓縮機(jī)61。然后，第一級(jí)位移器 72和第二級(jí)位移器82到達(dá)底死點(diǎn)中心。上述操作作為一個(gè)循環(huán)被重復(fù)執(zhí)行。這樣，雖然第一級(jí)缸體71和第二級(jí)缸體81內(nèi)部的壓力，由于如上所 述的第一級(jí)位移器72和第二級(jí)位移器82的分別往復(fù)運(yùn)動(dòng)是脈沖式的， 但第一級(jí)缸體71的厚度從低溫端71b到高溫端71a連續(xù)增大。因此，第 一級(jí)缸體的剛性提高，從而可以防止由于壓力變化(脈沖)造成的第一 級(jí)缸體71振動(dòng)。當(dāng)?shù)诙?jí)缸體81的高溫端81a的溫度高于10K時(shí)，第二級(jí)缸體81 的結(jié)構(gòu)與第一級(jí)缸體71的相同。由此可以達(dá)到好的冷卻能力并防止振動(dòng)。在本發(fā)明此實(shí)施例的GM低溫制冷機(jī)60中，防止了冷卻臺(tái)的振動(dòng)，并 防止從高溫端71a—側(cè)進(jìn)入的熱量。因此，本發(fā)明此實(shí)施例的GM低溫制 冷機(jī)60具有好的冷卻能力。(第三實(shí)施例)圖9是本發(fā)明第三實(shí)施例的斯特林低溫制冷機(jī)的示意性剖視圖。 參看圖9，本發(fā)明第三實(shí)施例的斯特林低溫制冷機(jī)包括氣體壓縮機(jī)112和冷頭120。工作氣體通過毛細(xì)管101吸入和排出氣體壓縮機(jī)110， 使冷頭120作為低溫制冷機(jī)工作。氣體壓縮機(jī)110包括磁軛111、停留容器112和壓縮活塞113。 磁軛111包括圓柱形槽形成部分118、環(huán)形槽形成部分119和環(huán)形永 磁體116。槽形成部分118形成壓縮活塞113的缸體。固定在壓縮活塞 113的可動(dòng)線圈115插在槽形成部分119中。永磁體116嵌在槽形成部分 119的外側(cè)內(nèi)壁中。外部的電源(圖9中未圖示)連接到可動(dòng)線圈115。 停留容器112固定在磁軛111上。壓縮活塞113裝在停留容器112 內(nèi)部，從而形成填充氦氣的停留空間。活塞控制彈簧114用于連接壓縮 活塞113和停留容器112，從而避免壓縮活塞113接觸停留容器112的內(nèi) 壁。冷頭120包括外殼部分121和連接到外殼部分121的缸體122。冷頭 120還包括冷卻臺(tái)128。位移器123具有缸體122，其中填充蓄熱材料。 膨脹空間125處于缸體122的低溫端122b，冷卻臺(tái)128固定在膨脹空間 125。冷頭120包括位移器控制彈簧124，用于將位移器123保持在中心 點(diǎn)。 缸體122的高溫端122a比缸體122的低溫端122b厚。更具體地，厚 度從低溫端122b到高溫端122a連續(xù)增大。由此，防止冷卻臺(tái)128的振 動(dòng)以及從高溫端122a傳導(dǎo)的熱量，從而達(dá)到好的冷卻能力。缸體122的結(jié)構(gòu)并不限于圖9所示的結(jié)構(gòu)。缸體122可以具有圖4(B) 和圖4 (C)所示的結(jié)構(gòu)，其中厚度逐段增大，缸體的段數(shù)等于或大于4。
缸體的段數(shù)可以大于2，在這種情況下，缸體可以具有圖5 (A)至U5 (C)所示的結(jié)構(gòu)，并且可以結(jié)合圖4 (B)和圖4 (C)所示的缸體。下面將討論斯特林低溫制冷機(jī)的運(yùn)行。在斯特林低溫制冷機(jī)中，將交 流電由外部電源供應(yīng)到可動(dòng)線圈，壓縮活塞沿圖的水平方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 結(jié)果，在氣體流過的槽形成部分119的空間、膨脹空間125的空間以及 將這些空間相互連接的空間中反復(fù)執(zhí)行氦氣的四行程循環(huán)，即等溫壓縮、 等容運(yùn)動(dòng)、等溫膨脹和等容運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生冷卻作用。在本發(fā)明此實(shí)施例的斯特林低溫制冷機(jī)中，防止了冷卻臺(tái)128的振 動(dòng)，并防止了從高溫端122a傳導(dǎo)的熱量。因此，本發(fā)明此實(shí)施例的斯特 林低溫制冷機(jī)具有好的冷卻能力。(第四實(shí)施例)圖IO是本發(fā)明第四實(shí)施例的低溫泵的示意性剖視圖。參看圖10，本發(fā)明第四實(shí)施例的低溫泵包括低溫泵主體部分151，它 連接到經(jīng)過抽吸開口排氣的真空室。低溫泵主體部分151包括真空室152。在真空室152內(nèi)具有遮擋部分 154、兩級(jí)式低溫制冷機(jī)160、導(dǎo)流板155、低溫板156和其它的部分。 在真空室152中設(shè)置有測(cè)量遮擋部分154、導(dǎo)流板155和低溫板156的溫 度的溫度計(jì)，以及當(dāng)真空容器內(nèi)部壓力升高時(shí)排出氣體的安全閥。低溫制冷機(jī)160具有基本與本發(fā)明第二實(shí)施例的GM低溫制冷機(jī)60 相同的結(jié)構(gòu)。低溫制冷機(jī)160包括第一級(jí)冷卻部分170、第二級(jí)冷卻部分 180以及用于產(chǎn)生壓縮工作流體的壓縮機(jī)161。 第一級(jí)冷卻部分170和第二級(jí)冷卻部分180包括膨脹裝置和蓄熱器 (圖10中未圖示)，用于使從壓縮機(jī)161供應(yīng)到氣流通道162的工作流 體絕熱膨脹，并執(zhí)行冷卻。第一級(jí)冷卻臺(tái)175處于第一級(jí)冷卻部分170的頭端，從而能夠在等于 或低于80K的溫度下冷卻。第二級(jí)冷卻臺(tái)185處于第二級(jí)冷卻部分180 的頭端，從而能在等于或高于10K以及等于或低于20K的溫度下冷卻。遮擋部分154的法蘭154b的內(nèi)邊緣固定在第一級(jí)冷卻臺(tái)175上。由 此法蘭154b熱學(xué)上接觸第一級(jí)冷卻臺(tái)175，從而冷卻法蘭154b和圓柱形 部分154a，并且將它們的溫度保持在基本等于第一級(jí)冷卻臺(tái)175的溫度。導(dǎo)流板155處于遮擋部分154抽吸開口一側(cè)。導(dǎo)流板155的上和下端 是敞開的，導(dǎo)流板155內(nèi)部是由中空的金字塔形部件形成。導(dǎo)流板155 是由內(nèi)徑不同的多個(gè)金字塔形部件構(gòu)成。另外，導(dǎo)流板155熱學(xué)上通過 梁部件(未圖示)或類似部件接觸遮擋部分154。由于遮擋部分154熱學(xué)上接觸第一級(jí)冷卻臺(tái)175，因此第一級(jí)冷卻臺(tái) 的冷卻作用傳遞到導(dǎo)流板155，使得將導(dǎo)流板155在例如約80K下被冷卻。 導(dǎo)流板155控制流入低溫泵主體151內(nèi)部的氣體的方向，從而冷卻氣體。 導(dǎo)流板155冷凝氣體中所含的蒸氣，從而減小散發(fā)到低溫板156的熱量。低溫板156的頂部固定在第二級(jí)冷卻臺(tái)185上。形成在頂部以及從頂 部向下以傘狀延伸的圓柱部分的多塊金屬板分開地設(shè)置。由于低溫板156 的頂部在熱學(xué)上接觸第二級(jí)冷卻臺(tái)185，因此低溫板156的溫度保持在基 本等于第二級(jí)冷卻臺(tái)185的溫度。在低溫板156后表面上形成附著板。附著板通過導(dǎo)熱率好的環(huán)氧樹脂 粘附吸附劑例如活性碳。附著板吸附未被低溫板156冷凝的氫、氖、氦或類似物質(zhì)。形成附著板的部分并不限于低溫板156的后表面。缸體171和181的高溫端171a和181a比缸體171和181的低溫端171b和181b厚。更具體地，厚度從低溫端171b和181b到高溫端171a和181a連續(xù)增大。由此防止第一級(jí)冷卻臺(tái)175和第二級(jí)冷卻臺(tái)185的振動(dòng)以及從高溫端171a—側(cè)進(jìn)入的熱量，從而達(dá)到高的冷卻能力。由于防止了低溫板156的振動(dòng)，并且低溫板156被充分冷卻，因此排出容量提高。缸體171和181的結(jié)構(gòu)可以是圖4 (B)和圖4 (C)或者圖5 (A)和圖5 (B)所示的結(jié)構(gòu)。作為低溫制冷機(jī)160，替代GM低溫制冷機(jī)，可以使用本發(fā)明第一實(shí)施例的脈沖管低溫制冷機(jī)的兩級(jí)式低溫制冷機(jī)以及本發(fā)明第三實(shí)施例的斯特林低溫制冷機(jī)。(第五實(shí)施例)圖11是本發(fā)明第五實(shí)施例的再凝結(jié)裝置的示意性剖視圖。參看圖11，本發(fā)明第五實(shí)施例的再凝結(jié)裝置200設(shè)計(jì)成，通過將處 于真空容器202中的液氮容器203內(nèi)的液氮蒸發(fā)再凝結(jié)氮?dú)?。液氮容?203作為液氦容器的隔熱層，液氦容器中裝有冷卻超導(dǎo)磁體的液氦。再凝結(jié)裝置200包括低溫制冷機(jī)210、真空容器211、再凝結(jié)機(jī)構(gòu)216 和絕熱運(yùn)動(dòng)管204。低溫制冷機(jī)210能在液氮溫度下冷卻物體。真空容器211設(shè)計(jì)成將低 溫制冷機(jī)210的冷卻臺(tái)215保持在真空狀態(tài)。再凝結(jié)機(jī)構(gòu)216設(shè)置在冷
卻臺(tái)215處，并設(shè)計(jì)成將氮?dú)饽Y(jié)成液氮。絕熱運(yùn)動(dòng)管204連通再凝結(jié) 機(jī)構(gòu)216內(nèi)部與液氮容器203內(nèi)部。在圖11中省略了氣體壓縮機(jī)的圖示， 氣體壓縮機(jī)用于壓縮作為低溫制冷機(jī)的工作氣體的氦氣。低溫制冷機(jī)210是本發(fā)明第二實(shí)施例的、圖8所示的單級(jí)式GM低溫 制冷機(jī)。由于低溫制冷機(jī)210具有與本發(fā)明第二實(shí)施例的GM低溫制冷機(jī) 基本相同的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行，因此省略其詳細(xì)解釋。制冷機(jī)210包括固定在 法蘭212上的缸體213以及處于缸體213中的位移器214。位移器214由 驅(qū)動(dòng)電機(jī)205驅(qū)動(dòng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而在低溫端213b產(chǎn)生冷卻作用。在此冷卻作用下，再凝結(jié)機(jī)構(gòu)216由溫度低于液氮溫度的冷卻臺(tái)215 冷卻。結(jié)果，在液氮容器203中蒸發(fā)的氮?dú)獗辉倌Y(jié)機(jī)構(gòu)216冷卻，從 而冷凝成液氮。氮?dú)饨?jīng)過絕熱運(yùn)動(dòng)管204，返回到液氮容器203。在低溫制冷機(jī)210中，缸體213的高溫端213a比缸體213的低溫端 213b厚。更具體地，厚度從低溫端213b到高溫端213a連續(xù)增大。由此 防止冷卻臺(tái)215的振動(dòng)以及從高溫端213a —側(cè)進(jìn)入的熱量，從而達(dá)到高 的冷卻能力。由此可以防止MRI裝置201振動(dòng)產(chǎn)生的不良影響，其中MRI裝置201 作為通過與冷卻臺(tái)215連接的絕熱運(yùn)動(dòng)管204而將被冷卻的連接物體。 另外，在高的冷卻能力下，可以防止液氮排到空氣中造成的冷卻成本增 大、以及對(duì)放置MRI裝置201的房間環(huán)境的不良影響。低溫制冷機(jī)210可以使用單級(jí)脈沖管低溫制冷機(jī)或者斯特林低溫制 冷機(jī)，而不是GM低溫制冷機(jī)。另外，低溫制冷機(jī)210具有多級(jí)，第二、 第三或更多級(jí)冷卻臺(tái)達(dá)到的溫度可以是4K，從而能再凝結(jié)液氦。
另外，除了MRI裝置201，再凝結(jié)裝置可以作為SQUID (超導(dǎo)量子干 涉裝置)、SCM (超導(dǎo)磁體)裝置或者EDX (能量彌散X射線)分析裝置中 的液氮容器或液氦容器的再凝結(jié)裝置。(第六實(shí)施例)圖12是本發(fā)明第四實(shí)施例的超導(dǎo)磁體裝置的示意性剖視圖。 參看圖12，本發(fā)明第六實(shí)施例的超導(dǎo)磁體裝置250包括真空容器251、低溫制冷機(jī)270以及超導(dǎo)磁體260。低溫制冷機(jī)270具有冷頭裝在頂板252的結(jié)構(gòu)。超導(dǎo)磁體260對(duì)高磁場空間261產(chǎn)生磁場。低溫制冷機(jī)270是兩級(jí)GM低溫制冷機(jī)，具有與本發(fā)明第二實(shí)施例的、圖8所示的GM低溫制冷機(jī)相同的結(jié)構(gòu)。其中省略了第一級(jí)和第二級(jí)缸體的詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖示。低溫制冷機(jī)270的第一級(jí)冷卻臺(tái)285通過隔熱板253在熱學(xué)上和機(jī)械 上連接到為超導(dǎo)磁體260的超導(dǎo)線圈255提供電流的氧化物超導(dǎo)電流導(dǎo) 線258。制冷機(jī)270的第二級(jí)冷卻臺(tái)295在熱學(xué)上和機(jī)械上連接到超導(dǎo)線圈 255的線圈冷卻臺(tái)254。線圈冷卻臺(tái)254接觸超導(dǎo)線圈255，從而通過第 二級(jí)冷卻臺(tái)295的冷臺(tái)將超導(dǎo)線圈255冷卻到等于或低于超導(dǎo)臨界溫度 的溫度。在低溫制冷機(jī)270中，缸體281和291的高溫端281a和291a分別比 低溫端281b和291b厚。更具體地，厚度從低溫端281b和291b到高溫 端281a和291a連續(xù)增大。由此防止第一級(jí)冷卻臺(tái)285和第二級(jí)冷卻臺(tái)295的振動(dòng)以及從高溫端281a—側(cè)進(jìn)入的熱量，從而達(dá)到高的冷卻能力。 由此防止超導(dǎo)磁體260的振動(dòng)以及超導(dǎo)線圈255產(chǎn)生的磁場變化，對(duì) 物體施加穩(wěn)定和所需的磁場。另外，由于冷卻能力高，就可以穩(wěn)定地保 持超導(dǎo)線圈255以及氧化物超導(dǎo)電流導(dǎo)線258的超導(dǎo)狀態(tài)。缸體281和 291的結(jié)構(gòu)可以是如圖4 (B)、圖4 (C)、圖5 (A)或圖5 (B)所示的結(jié) 構(gòu)。另外，低溫制冷機(jī)270可以使用本發(fā)明第一實(shí)施例的脈沖管低溫制冷 機(jī)、或者本發(fā)明第三實(shí)施例的兩級(jí)斯特林低溫制冷機(jī)，而不是GM低溫制 冷機(jī)。(第七實(shí)施例)圖13是本發(fā)明第七實(shí)施例的半導(dǎo)體檢測(cè)裝置的示意性剖視圖。在圖 13中，與上面已經(jīng)討論的部件相同的部件用相同參考數(shù)字表示，省略其 解釋。參看圖13，本發(fā)明第七實(shí)施例的半導(dǎo)體檢測(cè)裝置包括低溫制冷機(jī) 100、半導(dǎo)體檢測(cè)器301和信號(hào)處理部分302。半導(dǎo)體檢測(cè)器301接觸并 固定在低溫制冷機(jī)的冷卻臺(tái)128上。信號(hào)處理部分302設(shè)計(jì)成處理半導(dǎo) 體檢測(cè)器301的信號(hào)。由于低溫制冷機(jī)100具有與本發(fā)明第三實(shí)施例中圖9所示斯特林低溫 制冷機(jī)基本相同的結(jié)構(gòu)，因此省略其詳細(xì)解釋。半導(dǎo)體檢測(cè)器301包括例如半導(dǎo)體輻射檢測(cè)元件，諸如Si檢測(cè)元件 或Ge檢測(cè)元件，或者半導(dǎo)體紅外線檢測(cè)元件，諸如InGaAs PIN光電二
極管。這些檢測(cè)元件由低溫制冷機(jī)100形成的冷卻作用冷卻，從而減小其噪音并提高信噪比。信號(hào)處理部分302可以使用公知的信號(hào)處理電路， 并根據(jù)半導(dǎo)體檢測(cè)器301的類型恰當(dāng)?shù)剡x擇。在低溫制冷機(jī)100中，防止冷卻臺(tái)128的振動(dòng)，并得到高的冷卻能力。 由此，可以防止由于振動(dòng)而在半導(dǎo)體檢測(cè)器301產(chǎn)生的噪音，例如在半 導(dǎo)體輻射檢測(cè)元件情況下的顫噪噪音。此外，由于低溫制冷機(jī)100具有 高的冷卻能力，因此可以得到高的信噪比，并減小從室溫開始冷卻時(shí)的 冷卻時(shí)間。因此，根據(jù)上述實(shí)施例，可以提供一種用于蓄熱式低溫制冷機(jī)冷頭的 缸體，此缸體包括用于裝蓄熱材料的中空結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，其中缸體在高溫 端一側(cè)的厚度大于缸體在低溫端的厚度。在低溫端得到的溫度可以基本等于或高于IOK。缸體的厚度可以從低 溫端到高溫端逐段增大。缸體的厚度可以從低溫端到高溫端連續(xù)增大。 缸體可以是單段式的，在缸體的低溫端得到的溫度可以基本等于或大于 IOK。缸體可以是由多個(gè)缸體部分形成的多段式缸體， 一個(gè)缸體部分的高 溫端一側(cè)的厚度可以大于這個(gè)缸體部分的低溫端一側(cè)的厚度，在該缸體 部分低溫端得到的溫度可以基本等于或大于IOK。根據(jù)上述的缸體，由于缸體的剛性增大，同時(shí)防止熱量從缸體高溫端 進(jìn)入，從而可以防止缸體低溫端的振動(dòng)。因此，可以防止振動(dòng)對(duì)缸體或 連接到缸體低溫端的冷卻臺(tái)的影響。還可以提供一種蓄熱式低溫制冷機(jī)，包括工作氣體壓縮機(jī)；用于吸 入和排出工作氣體的冷頭；其中蓄熱式低溫制冷機(jī)是脈沖管低溫制冷機(jī)，
包括具有蓄熱材料的蓄熱器管；連接蓄熱器管低溫端的中空脈沖管；以及與蓄熱器管低溫端或脈沖管接觸的冷卻臺(tái)；以及蓄熱器管和脈沖管中 的至少一個(gè)包括上述缸體。還可以提供一種蓄熱式低溫制冷機(jī)，包括工作氣體壓縮機(jī)；用于吸 入和排出工作氣體的冷頭；其中蓄熱式低溫制冷機(jī)是GM (吉福麥特一麥 克馬洪)型低溫制冷機(jī)，包括缸體；裝在缸體中的位移器；裝在位移器 中的蓄熱材料；與缸體低溫端接觸的冷卻臺(tái)；以及缸體是上述類型的缸 體。還可以提供一種蓄熱式低溫制冷機(jī)，包括工作氣體壓縮機(jī)；用于吸 入和排出工作氣體的冷頭；其中蓄熱式低溫制冷機(jī)是斯特林低溫制冷機(jī)， 包括缸體；裝在缸體中的位移器；裝在位移器中的蓄熱材料；與缸體低 溫端接觸的冷卻臺(tái)；以及缸體是上述類型的缸體。根據(jù)上述的蓄熱式低溫制冷機(jī)，由于得到高的冷凍能力并防止對(duì)缸體 的振動(dòng)，因此可以穩(wěn)定地冷卻連接到冷卻臺(tái)的被冷卻物體。另外，可以 防止由于振動(dòng)引起的機(jī)械疲勞或信號(hào)衰減對(duì)被冷卻物體產(chǎn)生不利影響。還可以提供一種低溫泵，包括用于冷凝氣體分子的低溫板；以及上 述的蓄熱式低溫制冷機(jī)；其中低溫板在熱學(xué)上和機(jī)械上連接到蓄熱式低 溫制冷機(jī)的冷卻臺(tái)。還可以提供一種再凝結(jié)裝置，包括用于將氣體凝結(jié)為液體的再凝結(jié) 機(jī)構(gòu)；以及上述的蓄熱式低溫制冷機(jī)；其中再凝結(jié)機(jī)構(gòu)在熱學(xué)上和機(jī)械 上連接到蓄熱式低溫制冷機(jī)的冷卻臺(tái)。還可以提供一種超導(dǎo)磁體裝置，包括超導(dǎo)磁體；以及上述的蓄熱式
低溫制冷機(jī)；其中超導(dǎo)磁體在熱學(xué)上和機(jī)械上連接到蓄熱式低溫制冷機(jī) 的冷卻臺(tái)。還可以提供一種半導(dǎo)體檢測(cè)裝置，包括半導(dǎo)體檢測(cè)器；以及上述的 蓄熱式低溫制冷機(jī)；其中半導(dǎo)體檢測(cè)器在熱學(xué)上和機(jī)械上連接到蓄熱式 低溫制冷機(jī)的冷卻臺(tái)。根據(jù)上述的低溫泵、再凝結(jié)裝置、超導(dǎo)磁體裝置以及半導(dǎo)體檢測(cè)裝置， 將被冷卻的物體在熱學(xué)上和機(jī)械上連接到具有冷卻能力并防止振動(dòng)的冷 卻臺(tái)上。因此，可以穩(wěn)定地冷卻將被冷卻的物體，并防止由于振動(dòng)引起 的機(jī)械疲勞或信號(hào)衰減對(duì)被冷卻物體的不利影響。因此，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可以提供一種蓄熱式低溫制冷機(jī)，用于 蓄熱式低溫制冷機(jī)的、諸如蓄熱器管或脈沖管的缸體，以及使用蓄熱式 低溫制冷機(jī)的低溫泵、再凝結(jié)裝置、超導(dǎo)磁體裝置和半導(dǎo)體檢測(cè)裝置， 由此得到高的冷卻能力并且防止振動(dòng)。雖然為了徹底而清楚地披露本發(fā)明而參考具體實(shí)施例描述了本發(fā)明， 但權(quán)利要求并不由此而受到限制、相反應(yīng)被理解為包括對(duì)本領(lǐng)域一般技 術(shù)人員明顯的并清楚地落在這里給出的基本原理范圍內(nèi)的所有修改和替 代結(jié)構(gòu)。例如，本發(fā)明第一到第三實(shí)施例討論了本發(fā)明實(shí)施例的缸體應(yīng)用于脈 沖管低溫制冷機(jī)、GM (吉福麥特一麥克馬洪)低溫制冷機(jī)和斯特林低溫 制冷機(jī)的示例。但是，本發(fā)明實(shí)施例的缸體可以應(yīng)用于其它蓄熱式低溫 制冷機(jī)。另外，本發(fā)明第四到第七實(shí)施例討論了本發(fā)明第一到第三實(shí)施例的脈 沖管低溫制冷機(jī)、GM(吉福麥特一麥克馬洪)低溫制冷機(jī)和斯特林低溫制 冷機(jī)應(yīng)用于實(shí)用裝置的示例。但是，本發(fā)明第一到第三實(shí)施例的脈沖管低溫制冷機(jī)、GM (吉福麥特一麥克馬洪)低溫制冷機(jī)和斯特林低溫制冷機(jī)可以應(yīng)用于其它的實(shí)用裝置。本專利申請(qǐng)基于2006年9月1日提交的日本優(yōu)先權(quán)專利申請(qǐng)2006 — 237928，其整體內(nèi)容通過引用結(jié)合在此。
權(quán)利要求
1.一種用于蓄熱式低溫制冷機(jī)冷頭的缸體，所述缸體包括具有用于蓄熱材料的中空形狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)部；其中，在高溫端的缸體厚度大于在低溫端的缸體厚度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的缸體，其特征在于，在低溫端得到的溫度 大體等于或大于IOK。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的缸體，其特征在于，缸體的厚度從低溫端 到高溫端逐段增大。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的缸體，其特征在于，缸體的厚度從低溫端 到高溫端連續(xù)增大。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的缸體，其特征在于，缸體是單段式的，在 缸體的低溫端得到的溫度大體等于或大于IOK。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的缸體，其特征在于，缸體是由多個(gè)缸體部 分形成的多段式缸體；在多個(gè)缸體部分中的一個(gè)缸體部分的高溫端一側(cè)的厚度大于在多個(gè) 缸體部分中的這個(gè)缸體部分的低溫端一側(cè)的厚度；以及 在該缸體部分的低溫端得到的溫度大體等于或大于IOK。
7. —種蓄熱式低溫制冷機(jī)，包括 工作氣體壓縮機(jī)；用于吸入和排出工作氣體的冷頭；其中，蓄熱式低溫制冷機(jī)是脈沖管低溫制冷機(jī)，包括- 具有蓄熱材料的蓄熱器管； 蓄熱器管的低溫端連接到其上的脈沖管；以及 與蓄熱器管低溫端或脈沖管接觸的冷卻臺(tái)；以及 蓄熱器管和脈沖管中的至少一個(gè)包括如權(quán)利要求1所述的缸體。
8. —種蓄熱式低溫制冷機(jī)，包括-工作氣體壓縮機(jī)； 用于吸入和排出工作氣體的冷頭；其中，蓄熱式低溫制冷機(jī)是GM (吉福麥特一麥克馬洪)型低溫制冷 機(jī)，包括缸體；裝在缸體中的位移器； 裝在位移器中的蓄熱材料； 與缸體低溫端接觸的冷卻臺(tái)；以及 缸體是如權(quán)利要求1所述的缸體。
9. 一種蓄熱式低溫制冷機(jī)，包括 工作氣體壓縮機(jī)； 用于吸入和排出工作氣體的冷頭；其中，蓄熱式低溫制冷機(jī)是斯特林低溫制冷機(jī)，包括 缸體；裝在缸體中的位移器； 裝在位移器中的蓄熱材料； 與缸體低溫端接觸的冷卻臺(tái)；以及 缸體是如權(quán)利要求1所述的缸體。
10. —種低溫泵，包括 用于冷凝氣體分子的低溫板；以及 如權(quán)利要求7所述的蓄熱式低溫制冷機(jī)；其中，低溫板在熱學(xué)上和機(jī)械上連接到蓄熱式低溫制冷機(jī)的冷卻臺(tái)。
11. 一種再凝結(jié)裝置，包括 用于將氣體冷凝成液體的再凝結(jié)機(jī)構(gòu)；以及 如權(quán)利要求7所述的蓄熱式低溫制冷機(jī)；其中，再凝結(jié)機(jī)構(gòu)在熱學(xué)上和機(jī)械上連接到蓄熱式低溫制冷機(jī)的冷 卻臺(tái)。
12. —種超導(dǎo)磁體裝置，包括 超導(dǎo)磁體；以及如權(quán)利要求7所述的蓄熱式低溫制冷機(jī)；其中，超導(dǎo)磁體在熱學(xué)上和機(jī)械上連接到蓄熱式低溫制冷機(jī)的冷卻臺(tái)°
13. —種半導(dǎo)體檢測(cè)裝置，包括 半導(dǎo)體檢測(cè)器；以及如權(quán)利要求7所述的蓄熱式低溫制冷機(jī)；其中，半導(dǎo)體檢測(cè)器在熱學(xué)上和機(jī)械上連接到蓄熱式低溫制冷機(jī)的 冷卻臺(tái)。
全文摘要
一種用于蓄熱式低溫制冷機(jī)冷頭的缸體，所述缸體包括具有用于蓄熱材料的中空形狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)部；其中，在高溫端的缸體厚度大于在低溫端的缸體厚度。
文檔編號(hào)F25B9/00GK101153753SQ20071014696
公開日2008年4月2日 申請(qǐng)日期2007年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月1日
發(fā)明者三田壽江, 許名堯 申請(qǐng)人:住友重機(jī)械工業(yè)株式會(huì)社