JPH0257235B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ 冷凍冷却されるヒートシンクと、該ヒートシ
ンクと熱交換関係にある拡張表面領域の冷凍パネ
ルとからなる冷凍ポンプであつて、少くとも一本
のヒートパイプがヒートシンクと冷凍パネルの
各々に近接して熱的接触関係におかれ、該ヒート
パイプは冷凍パネルの作用温度を含む温度範囲で
蒸発および凝縮する流体を内部に有し、ヒートシ
ンクと冷凍パネル間の温度差を最小限にすべく高
伝導性の熱通路を与えている冷凍ポンプ。

２ 冷凍ポンプへの冷凍装置が２段冷凍装置であ
つて、ヒートパイプが該装置の第１の高温段と第
２のポンプ冷凍パネルとの間を伸びている請求の
範囲１のポンプ。

３ ヒートパイプ内の流体は約130K以下の範囲
の温度で蒸発および凝縮する請求の範囲２のポン
プ。

４ 高伝導性の熱流エレメントが主ポンプ面を通
るが該面から離れて伸びている請求の範囲２のポ
ンプ。

５ 第２のポンプ冷凍パネルは、放射を阻止しか
つ高凝縮点温度ガスを凝縮するためにほゞ真空チ
ヤンバへの全開口を横切つて伸びているシエブロ
ン状のバツフルよりなり、該バツフルは第１段と
熱的に接触しており、第２段は該バツフルと第１
段との間に位置決めされている請求の範囲２のポ
ンプ。

６ 正面ポンプ面と側部放射シールドとが相互連
結されていない請求の範囲２のポンプ。

７ 冷凍ポンプの冷却作用の間熱通路を与えるべ
くヒートシンクと冷凍パネルとの間にヒートパイ
プと平行に高伝導性の熱流通路をさらに備えてい
る請求の範囲１のポンプ。

８ 平行な高伝導性熱流通路は少くとも一本のヒ
ートパイプである請求の範囲７の冷凍ポンプ。

９ 平行な高伝導性熱流通路は少くとも一本の中
実熱ストラツトである請求の範囲７のポンプ。

技術分野 本発明は冷凍ポンプ（croyopumps）に関し、
特に２段閉サイクル冷却装置により冷却される冷
凍ポンプの応用に関する。

背 景 現在入手可能な冷凍ポンプは、閉サイクル或は
開放サイクルのいずれであつても、大むね同一設
計概念に従つている。通常４〜25Kの範囲で作用
する低温面が主ポンプ面である。この面は、通常
70〜130Kの温度範囲で作用しかつ低温面に放射
シールドを与える高温面で取り囲まれている。
又、この高温面は水蒸気のごとき高沸点ガスのた
めのポンプ位置として作用する。放射シールドは
だいたい、主ポンプ面と脱気されるべきチヤンバ
との間に位置する正面アレー（array）を除いて
閉じられたハウジングからなる。作用において、
水蒸気のごとき高沸点ガスが正面アレー上で凝集
される。低沸点ガスがこの正面アレーを通過して
放射シールド内の空間に入り主ポンプ面上で凝縮
する。極低温沸点ガスを除去すべく、主ポンプ面
の温度又はそれ以下の温度で作用するチヤコール
或は分子シーブ（sieve）のような吸収剤で被覆
された面をこの空間に設けることもできる。この
ようにしてガスがポンプ面に凝縮および又は吸収
されると、真空だけが作用室内に残る。

閉サイクル冷却装置により冷却されるシステム
では、冷却装置は展型的には放射シールドの後部
を通して伸びる冷却フインガをもつ２段冷凍装置
である。冷凍装置の第２段の低温端は冷却フイン
ガの先端にある。冷却フインガの第２段の低温端
でヒートシンクに連結されている主ポンプ面又は
冷凍パネルは、第２段のヒートシンクまわりに配
置されてそこに連結された平らな金属面又は金属
面のアレー（array）とすることができる。主ポ
ンプ面は低温吸収剤を含む。冷却フインガの第１
段の低温端でヒートステーシヨンに連結されてい
る放射シールドは主冷凍ポンプパネルを放射熱か
ら保護するように同パネルを取り囲んでいる。放
射シールドは、真空チヤンバから主ポンプ面への
低沸点ガスの実質的に邪魔されない流れを許すべ
く上記パネルから十分離れていなければならな
い。正面放射シールドは側部シールドを介して第
１段のヒートシンクによつて冷却される。展型的
には、正面アレーから第１段のヒートシンク迄の
長い熱通路を横切る温度差は30〜50Kの間であ
る。それ故、正面アレーを水蒸気凝縮し切るべく
十分低温に維持するために展型的には130K以下
に維持し、第１段は80〜100Kの間で作用しなけ
ればならない。

冷凍装置により受入可能な熱負荷は大きく温度
に依存する。高い作用温度で通常の冷凍装置によ
り高い熱負荷を受入れる。それ故、正面アレーと
第１段ヒートシンクとの間の温度差の減少は、第
１段ヒートシンクの作用温度の増大を可能とす
る。これは冷凍装置がより高い熱負荷を受入れる
のをゆるし、一方正面アレーを受入れ可能な作用
温度に維持する。この温度差の減少を達成するた
め、従来の冷凍ポンプは放射シールドに銅のごと
き高伝導性材料を使用している。温度勾配は、放
射シールドの横断面を増しこれによりシールドの
熱伝導性を増すことによりさらに減少される。こ
のシールドの重量増加は重量のみならず製造コス
トをも増し、かつ冷凍ポンプの冷却時間と再生時
間とを増大させる。

本発明の目的は、システムの重量を増すことな
くかつ同時に冷凍装置がより高い負荷レベル（よ
り高温）で作用するのを可能としつゝ、冷凍パネ
ルと関連するヒートシンクとの間の温度差を最小
限にした冷凍ポンプを提供することにある。

発明の開示 本発明の第一実施例では、少くとも一本の高伝
導性ヒートパイプが第１段のヒートシンクから正
面冷凍ポンプ面までの熱通路を与える。これらの
ヒートパイプをシステムに加えることにより、周
囲の放射シールドが正面シールドへの主熱通路と
して作用する必要がない。ヒートパイプは、放射
シールドが同一目的を果すのに比べ又は中実スト
ラツトに比べ、より小さな重量で正面冷凍パネル
とヒートシンクとの間に非常に高い伝導度を与え
ることができる。ヒートシンクからその関連する
冷凍パネル迄伸びるヒートパイプは、冷凍パネル
の作用温度を含む温度範囲で蒸発および凝縮する
流体を内部にもつ。

ヒートパイプの長さを最小にしかつ主冷凍パネ
ルへのガス流抵抗を最小にするために、ヒートパ
イプは熱ストラツトのように主ポンプ面の孔を通
して伸びる。ヒートパイプは、より高温の面と主
ポンプ面とを循環する熱短絡による低温ヒートシ
ンクの負荷を阻止するために、隙間によつて主ポ
ンプ面から離されねばならない。かゝる構造によ
り、正面冷凍パネルは側部放射シールドに連結さ
れる必要はない。冷凍パネルがこのように熱スト
ラツトによつてのみ支持されることにより製造が
簡単になる。

【図面の簡単な説明】

本発明の上記および他の目的、特徴および利点
は、全図面を通じ同じ参照記号が同じ部分を示す
添附図面に示した本発明の好適な実施例の次の記
載から明らかとなろう。図面はスケールどうりで
はなく、本発明の原理を示す上で強調して示して
ある。

第１図は本発明を具現化せる冷凍ポンプの横断
面図、第２図は第１図の冷凍ポンプの正面配列構
成の平面図である。

発明の好適な実施例 第１図の冷凍ポンプは、フランジ１４に沿つて
作用室の壁に装着される主ハウジング１２を備え
ている。ハウジング１２の正面開口１６は作用室
の円形開口に通じている。代りに、冷凍ポンプ列
が作用室内に突出して後部フランジに気密シール
が形成されてもよい。開口２０を通して冷凍装置
の２段低温フインガ１８が突出している。本例の
場合、冷凍装置はギホード・マクマホン
（Gifford−macMahon）冷凍装置であるが、他
の装置も使用できる。低温フインガ１８内の２段
変位手段はモータ２２により駆動される。各サイ
クルで低温フインガ内に圧力下で導入されたヘリ
ウムガスが膨張されて冷却されそして導管２６を
通して排出される。このような冷凍装置は米国特
許第3218815号に開示されている。第１段のヒー
トシンク或はヒートステーシヨン２８は冷凍装置
の第１段の低温端に装着されている。同様に、ヒ
ートシンク３０は第２段３２の低温端に装着され
ている。適当な温度センサおよび蒸気圧センサエ
レメント３０および３４がヒートシンク３０の後
部に取付けられている。

主ポンプ面はヒートシンク３０に取付られたパ
ネルである。このパネルはデイスク３８と垂直配
置にされてデイスク３８に取付けられた一組の円
形シエブロン（chevrons）４０とからなる。円
筒面４２は低温吸収剤を保持している。低い沸点
ガスによりこの吸収剤に接近するのはシエブロン
４０を通じてである。面３８，４０および４２は
主低温パネルと大ざつぱに定義できる。

カツプ形の放射シールド４４が第１段の高温ヒ
ートシンク２８に装着されている。低温フインガ
の第２段が放射シールドの開口を通して伸びてい
る。この放射シールド４４は放射により主低温パ
ネルの加熱を最小限とすべく主低温パネルの後部
および側部を包囲している。この放射シールドの
温度はヒートシンク２８における約100〓から開
口１６付近の約130〓に亘る。

正面低温パネル４６は主低温パネルの放射シー
ルドおよび水蒸気のごとき高沸点温度ガスの冷凍
ポンプ壁として作用する。このパネルはスポーク
状のプレート５０により接合された同心ルーバー
又はシエブロン４８の円形列からなる。この配列
の形状は必ずしも円形の同心配列要素に限定され
る必要はない。しかし、バツフル配列がこのよう
に構成されると、放射熱シールドとより高温の冷
凍ポンプパネルとして作用し、一方冷凍パネルへ
の低沸点温度ガスのための通路を与える。

通常の冷凍ポンプでは、正面アレー（array）
４６は放射シールド４４に取付けられ、シールド
は正面アレーを支持するとともにヒートシンク２
８からアレーへの熱通路として作用する。シール
ド４４は主冷凍パネルへの邪魔されないガス流を
ゆるすべく十分大きくなければならない。その結
果、ヒートシンク２８から正面アレー迄のシール
ドの熱通路長さは大きくなる。正面アレーとヒー
トシンク２８との間の温度差を最小にするため、
大きな放射シールドが必要とされてきた。

本発明によれば、熱部材５４がヒートシンク２
８に取付けられたプレート５６と正面アレーとの
間に伸びている。これらのストラツトは主パネル
３８の隙間ある開口を通して伸び、それ故同パネ
ルから離れており、或はストラツトは主ポンプ面
３８，４２の外側を通つてもよい。ストラツト５
４は放射シールドとして作用する必要がなく、そ
れ故ヒートシンク２８と冷凍パネル４６との間に
非常に短い長さをもつことができる。その結果、
所定の伝導度をもつ熱通路は、放射シールドが唯
一の熱流通路として作用するものに必要とされる
ものに比べ、かなり小さな横断面積で得ることが
できる。ヒートシンク２８から冷凍パネル４６の
中心への熱流通路は通常の放射シールド４４を通
る通路長さの1/2以下に減少できる。このことは
ヒートシンク２８に連結される全体的なエレメン
ト列の全重量の20〜25％の削減を可能とする。

熱ストラツト５４としてヒートパイプを使用す
ることによりさらに大きさ重量削減を得ることが
できる。ヒートパイプは各端部がシールドされか
つ脱気されているが少量の低沸点温度液体とその
蒸気とを含む金属管である。液体はウイツク
（wick）により正面アレー位置にある各ヒートパ
イプの高温端に運ばれる。高温端でのヒートパイ
プへの熱入力は液体を蒸発させる。この加熱され
た蒸気はヒートパイプを通じて急速に分散され、
それゆえ迅速に熱をプレート５６位置にあるヒー
トパイプの低温端に運ぶ。該低温端が蒸気が凝縮
し、その熱をヒートシンク２８に与える。凝縮さ
れた液体はそれからウイツクによつて高温端に戻
される。もしも冷凍ポンプが作用室の上におかれ
るならば、凝縮された液体はパイプ内にウイツク
を必要とせず高温端に流れる。そのようなウイツ
クがなくても、パイプは大まかにヒートパイプと
称される。

実際上、ヒートパイプの長さに亘つて温度差は
ない。それゆえ、冷凍パネル４６は冷凍装置の第
１段２９の作用温度に非常に接近した温度で作用
する。その結果、第１段が130〓付近で作用する
冷凍装置が使用可能である。冷凍装置の熱負荷容
量はその作用温度により増大するので、このよう
な冷凍ポンプはより増大された負荷処理能力をも
つ。

ヒートパイプでは、熱ストラツトの長さはさ程
重要ではない。それゆえ、ヒートパイプは主ポン
プ面３８を通つて伸びる必要がなく、事実放射シ
ールドに接近させることができる。しかし経済上
の理由より、真直ぐで短いヒートパイプが望まし
い。さらに、主冷凍パネル内に位置決めされたヒ
ートパイプは真空チヤンバから該パネルへのガス
流を妨げない。それ故、熱ストラツトがヒートパ
イプである場合でも、ヒートパイプは好ましくは
面３８から離れる隙間をもつて該面３８を通つて
伸びる。

上述したように、ヒートパイプはヒートシンク
とヒートソースとにおいてパイプ内ガスの凝縮と
蒸発とによつて作用する。特定のヒートパイプは
特定の温度範囲で作用する。その範囲より上の温
度では、ガスの全部又はほとんどが蒸発しこれに
よりパイプの伝導度（conductance）を大巾に減
ずる。又その範囲より下の温度では、ヒートパイ
プ内の媒体は凝縮し切つて凍結する。冷凍装置の
作用温度範囲内で作用できるように設計されたヒ
ートパイプを使用することにより、連続作用中冷
凍ポンプによつて受入れられる負荷が増大可能で
ある。しかしながら、単一のヒートパイプが冷凍
ポンプの全冷却温度範囲および冷凍ポンプの作用
温度を通じて作用可能ということは有り得ない。
それ故、作用温度範囲で作用可能な主ヒートパイ
プは冷却中より高温では適正に作用しない。

システムの迅速な冷却を図るため、正面冷凍パ
ネルとその関連したヒートシンク２８との間に平
行な熱通路が設けられねばならない。或る一つの
形式では、補助的な熱通路は、より高温のオーバ
ーラツプする温度範囲で作用するように設計され
た一つ又はそれ以上の平行なヒートパイプであ
る。代りに、平行な熱通路は中実の熱ストラツト
であつてもよい。いずれの場合も、主作動ヒート
パイプと平行な熱通路は熱ストラツト５４の形態
であることが好ましい。

以上、本発明は特に好ましい実施例に関連して
述べられてきたが、当業者には種々の形態および
詳細の変更が本発明の精神および範囲を離れるこ
となしに可能であることが理解されるべきであ
る。例えば、閉サイクルの２段冷凍装置が示され
ている。液体チツ素、水素又はヘリウムのような
開放サイクル冷媒によつて冷却される冷凍ポンプ
もまた使用できる。又、一段および二段の閉サイ
クル冷凍装置の組合わせも冷却を与えるために使
用可能である。又、主冷凍パネルの作用温度で凝
縮されないガスを取り出すために低温吸収剤を設
けることもできる。