JPH01237365A - クライオポンプ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は超高真空装置や核融合装置等で使用されるクラ
イオポンプ装置に係り、特にクライオポンプ本体を収納
したクライオポンプ収納箱を排気対象物である真空容器
内に配置し、この真空容器内に高温物がある場合に適用
されるクライオポンプ装置に関する。

（従来の技術） 本発明では本来「クライオポンプ」と呼称されているも
のを、クライオポンプ収納箱あるいは真空容器と区別す
るために「クライオポンプ本体」と称する。

クライオポンプはクライオポンプ本体が真空容器内に収
容され、液体ヘリウム等の冷媒液で冷却される金属面即
ちクライオ面に、真空容器内の排気気体分子を凝縮付着
させるか、又は吸着剤を用いる場合には、排気気体分子
を吸着させる等により収集蓄積させて、真空容器内の圧
力を下げる方式の真空ポンプであり、これにはクライオ
凝縮ポンプ、クライオ吸着ポンプ、クライオトラッピン
グ等いろいろな種類がある。第６図は従来の通常のクラ
イオポンプ装置の一例を示す。■は核融合装置等の排気
対象物、（２）は排気管、■は仕切弁、■はクライオポ
ンプ本体（ト）を収容する真空容器である。クライオポ
ンプ本体（ハ）はクライオ面（６）とシエプロンバッフ
ル■及び輻射シールド板（８）等で構成されている。

クライオポンプ本体■は排気気体を凝縮排気（又は吸着
排気）することによって、クライオ面上に蓄積する方式
の真空ポンプであるので、排気対象物（例えば核融合装
置等）の運転停止時に、クライオ面（６）の温度を上げ
て蓄積した排気気体をクライオ面上から離脱させ、別の
真空ポンプによって外部へ排気することが必要となる。

これを「クライオポンプの再生」という、クライオポン
プでは「排気」と「再生」をある一定時間毎に交互に行
う必要がある。

真空容器（イ）には別の排気管（９）と仕切弁（１０）
を介して、補助真空ポンプ（１１）が付設される。この
補助真空ポンプ（１１）は一般に機械式ポンプ（例えば
ターボ分子ポンプ、油回転ポンプ等）で、クライオポン
プ本体■に冷媒液を供給する際に、真空断熱を行うを必
要があるので、真空容器（イ）内を高真空状態に保持し
たり、クライオポンプの再生時に、クライオ面（６）か
ら離脱した排気気体を外部に排出する際に使用する。ま
た仕切弁（３）はクライオポンプ本体■によって排気対
象物（１）を排気する時には全開とし、クライオポンプ
本体０の再生時には全閉とする。他方、仕切弁（１０）
はクライオポンプ本体０の排気時には閉じ、再生時には
開くように動作する。

この従来のクライオポンプ本体０では、クライオポンプ
本体■が収容されている真空容器（へ）と排気対象物（
ト）との間が、排気管■と仕切弁（３）を介して接続さ
れているためしこ、排気管■と仕切弁（３）のコンダク
タンスによって制限され、大きな排気速度を得ることが
できないという欠点があった。そこで、排気対象物１の
中にクライオポンプ本体（ハ）を直に設置することが考
えられるが、この場合には、排気対象物■を長期間連続
排気運転することができないという不都合が生じる。そ
れは、排気対象物■を長期間連続排気運転するとクライ
オポンプ本体（ハ）の再生ができなくなるからである。

即ちクライオポンプの再生を長期間行わないと、クライ
オ面（６）上に排気気体分子が蓄積しすぎて、クライオ
ポンプの排気能力が低下し、最後には排気能力が零とな
るからである。

そこで、第７図〜第９図に示すように、クライオポンプ
本体■（第１．第２と区別する時は添字ａ、ｂをつける
）をクライオポンプ収納箱（１２）の中に入れたものを
、排気対象物である真空容器に）の中に、クライオポン
プ収納箱（１２）ごと複数個設置し、各クライオポンプ
（１３）を交互に排気、再生運転し、大きな排気速度と
長期間の連続排気運転を可能にしたクライオポンプ装置
が次の文献に発表されている。（ＫｆＫ　３６８０．　
ＦＰＡ−８３−７，ＩＪＷＦＤＭ−６００：ＴＡＳＫＡ
−Ｍ　Ｒｅｐｏｒｔ、　Ａ　Ｌｏｗ　Ｃｏ５ｔ、　Ｎｅ
ａｒ　Ｔｅａｍ　ＴａｎｄｅｍＭｉｒｒｏｒ　Ｄｅｖｉ
ｃｅ　ｆｏｒ　Ｆｕｓｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　
Ｔｅｓｔｉｎｇ。

Ｐ３４９〜Ｐ３５６　（Ｐ７．３−１〜Ｐ７．３−８）
　、　Ｋｅｒｎｆｏｒｓｃｈｕｎｇｓｚｅｎｔｒｕｍ　
Ｋａｒｌｓｒｕｈｅ　（ＫｆＫ）、（Ａｐｒｉｌ　１９
８４）：］　この複数個のクライオポンプ収納箱（１２
）　（第１．第２と区別する時は添字ａｓｂをつける）
には、それぞれ駆動軸（１４）を介して蓋（第１．第２
と区別する時は添字ａ、ｂをつける）　（１５）が付い
ており、駆動装置（図示しない）によって駆動軸（１４
）を回動させることにより、蓋（１５）を開閉すること
ができる。クライオポンプ収納箱（１２）と蓋（１５）
にはそれぞれシール面（１２Ｓ）と（１５Ｓ）が設けら
れており、蓋（１５）を閉じた時には、蓋（１５）とク
ライオポンプ収納箱（１２）との間はシール面（１２Ｓ
）と（１５５）が接触して、完全に真空シールできるよ
うにしである。第１、第２のクライオポンプ本体（５ａ
Ｌ　（５ｂ）は第６図で説明したクライオポンプ本体■
と同じ機能を有するものである。（１６）はクライオポ
ンプ収納箱（１２）に付設された排気管である。この第
１．第２のクライオポンプ本体（５ａ）、　（５ｂ）と
第１．第２のクライオポンプ収納箱（１２ａ）　、　（
１２ｂ）及び第１．第２の蓋（１５ａ）　、　（１５ｂ
）等から成るクライオポンプ（１３）を−例として第９
図に示すように、排気対象物である真空容器（４）の中
に直に設置する。第９図において、第１のクライオポン
プ本体（５ａ）で排気を行う時は、第１のクライオポン
プ収納箱（１２ａ）とその蓋（１５ａ）を全開とし、排
気管（１６）の途中に付設されている第１の仕切弁（１
０ａ）を全開にして、真空容器に）内の気体をクライオ
面上に収集蓄積して排気する。このようにすると、真空
容器（イ）と第１のクライオポンプ本体（５ａ）の間に
、第６図で述べたような排気管や仕切弁が介在しないの
で、それらのコンダクタンスによる制限が無くなり、第
１のクライオポンプ本体（５ａ）は大きな排気速度を持
つことができる。同時に、第２のクライオポンプ本体（
５ｂ）の再生を行うために、第２のクライオポンプ収納
箱（１２ｂ）の蓋（１５ｂ）を全開とし、排気管（１６
）の途中に付設されている第２の仕切弁（１０ｂ）を全
開にしてから、第２のクライオポンプ本体（５ｂ）のク
ライオ面（へ）の温度を上げ、クライオ面上に蓄積して
いた排気気体分子をクライオ面上から離脱させて、補助
真空ポンプ（１１）によって外部へ排出する。この時、
第２のクライオポンプ収納箱（１２ｂ）と蓋（１５ｂ）
は双方のシール面（１２５）と（１５Ｓ）が接触して完
全に真空シールされているので、クライオ面上から離脱
した排気気体が真空容器（イ）内へ混入することはない
。そしである一定時間経過した後で、今度は第１のクラ
イオポンプ収納箱（１２ａ）の蓋（１５ａ）を全開とし
、第１の仕切弁（１０ａ）を全開にして、第１のクライ
オポンプ本体（５ａ）の再生を行うとともに、同時に第
２のクライオポンプ収納箱（１２ｂ）の蓋（１５ｂ）を
全開とし、第２の仕切弁（１０ｂ）を全開にして、第２
のクライオポンプ本体（５ｂ）によって排気を継続する
。こうして、このクライオポンプ装置は第１と第２のク
ライオポンプ本体（５ａ）と（５ｂ）との間で排気と再
生を交互にくり返すことによって、大きな排気速度を持
つと共に、連続排気が可能という利点を有している。

また、真空容器（イ）内にプラズマ（又はビーム）（１
７）とプラズマ（１７）の受けとなるビームダンプ（こ
こではプラズマやビームを受けるビームダンプやダイレ
クトコンバータ及び核融合第一壁等の真空容器内にある
高温物を総称して「ビームダンプ」と称する）　（１８
）がある場合にはビームダンプ（１８）はプラズマ（１
７）によって高温に加熱されるので、ビームダンプ（１
８）とクライオポンプ収納箱（１２ａ）、　（１２ｂ）
の間に水冷板（１９）を設置して、ビームダンプ（１８
）からクライオポンプ本体（５ａ）　、　（５ｂ）を直
視できないようにすると共に、ビームダンプ（１８）か
らの輻射熱を水冷板（１９）で除去するようにしである
。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、この従来のクライオポンプ装置では、第
１のクライオポンプ本体（５ａ）の排気中は第１の蓋（
１５ａ）は第９図に示すように常に直角状態に開いてい
た。その理由は蓋（１５ａ）の開は方が少ないと、蓋（
１５ａ）とクライオポンプ収納箱（１２ａ）の間の開口
部のコンダクタンスが小さくなり、コンダクタンスによ
る制限が生じて大きな排気速度が得られなくなると考え
られているためである。

このために真空容器（イ）中に蓋（１５ａ）を全開状態
に保つための空間（少なくとも蓋（１５ａ）の幅りの空
間）が必要となる。また真空容器（イ）中にプラズマ（
又はイオン、電子、中性粒子等のビーム）　（１７）と
プラズマ（１７）の受けとなるビームダンプ（１８）が
ある場合には、ビームダンプ（１８）からの輻射熱を除
去するために、ビームダンプ（１８）と各クライオポン
プ収納箱（１２ａ）　、　（１２ｂ）の蓋（１５ａ）、
　（１５ｂ）の間に水冷板（１９）を設置する必要があ
る。そして、こ＝８− の水冷板（１９）をプラズマ（１７）にできるだけ接触
させないようにする必要がある。というのは水冷板（１
９）がプラズマ（１７）に接触し続けていると、水冷板
（１９）が損傷したり、又はプラズマ（１７）が冷やさ
れたり、プラズマ（１７）中に水冷板（１９）から蒸発
やスパッタリングによって放出された金属原子等が不純
物となって混入する恐れが大きいからである。

そこで、この理由によってもクライオポンプでは、蓋（
１５ａ）を全開状態に保つための空間（少なくとも蓋（
１５ａ）の幅りの空間）の他に、水冷板（１９）を設置
するための空間（少なくとも水冷板（１９）の設置幅Ｌ
ｃの空間）が必要となり、従って真空容器（イ）も大形
になるという欠点があった。また、水冷板（１９）を設
置しないで、ビームダンプ（１８）からクライオポンプ
本体（５ａ）を直視できるようにすると、ビームダンプ
（１８）からの輻射熱によって、クライオポンプ本体（
５ａ）のシェブロンバッフル■や輻射シールド板（８）
を冷却している冷却液（通常、液体窒素等）や、クライ
オ面０を冷却している冷却液（通常、液体ヘリウム等）
の消費量が急増し、膨大な量となる。そして、液体ヘリ
ウムや液体窒素は通常の冷却流体である水に比べて高価
であるから不経済である。また、もしもシェブロンバッ
フル■や輻射シールド板（８）及びクライオ面０がビー
ムダンプ（１８）からの輻射熱によって加熱され、十分
に冷却できないようになると排気能力が低下し、場合に
よっては零となり、クライオポンプ（１３）として正常
な排気能力を保持できなくなる。また、クライオポンプ
収納箱（１２ａ）、　（１２ｂ）の蓋（１５ａ）　。

（１５ｂ）で、ビームダンプ（１８）からクライオポン
プ本体（５ａ）、　（５ｂ）を直視できないようにして
も、ビームダンプ（１８）からの輻射熱によって、クラ
イオポンプ収納箱（１２ａ）、　（１２ｂ）及び蓋（１
５ａ）、　（１５ｂ）が加熱されて温度が上るので、前
記と同じ状況となる。

本発明の目的は真空容器内にビームダンプがある場合に
、クライオポンプ本体のシェブロンバッフルや輻射シー
ルド板を冷却している冷却液やクライオ面を冷やしてい
る冷却液の消費量をふやすことなく、且つ、正常な排気
能力を保持できるクライオポンプ装置を提供することに
ある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明においては、クライ
オポンプ本体と、このクライオポンプ本体を収納するク
ライオポンプ収納箱と、このクライオポンプ収納箱を密
閉および開放する蓋とからなるクライオポンプ複数個を
内部にビームダンプを有する真空容器内に配設し、前記
クライオポンプ収納箱と蓋に冷却装置を付設し、前記蓋
を開放するときは前記ビームダンプからクライオポンプ
本体を直視できない位置に移るように蓋を配設する。

（作　用） このようにすると、蓋を開放してクライオポンプの排気
中に、クライオポンプ収納箱および蓋が冷却管で冷却さ
れていることと、ビームダンプからクライオポンプ本体
を直視できない位置に蓋が位置することにより、ビーム
ダンプからの輻射熱がクライオポンプ本体に届かないこ
とがら、クライオポンプ本体を冷やしている冷却液の消
費量をふやすことなく、且つ、正常な排気能力を保持で
きるクライオポンプ装置が得られる。そして、第９図に
示した従来の水冷板（１９）が不要になるから小形化が
可能になる。

（実施例） 以下、第１図ないし第３図を参照して本発明の一実施例
について説明する。尚、これらの図面において、第６図
〜第９図と同じ作用をする要素・部品には同じ符号を付
けて説明を一部省略する。

又、同じ名称で第１．第２と区別しない場合は添字ａ、
ｂ等を省略する。（１２）はクライオポンプ本体■を収
納するクライオポンプ収納箱で、（１２Ｓ）はそのシー
ル面である。クライオポンプ収納箱（１２）の外面には
冷却面（２１）が付設され、その内部を冷却流体（通常
は水）が流れてクライオポンプ収納箱（１２）を冷却す
ることができる。また、クライオポンプ収納箱（１２）
に付設された駆動軸（１４）を介して、蓋（１５）が取
り付けられている。（１５Ｓ）は蓋（１５）のシール面
である。蓋（１５）の外面には冷却管（２３）が付設さ
れ、その内部を冷却流体が流れて、蓋（１５）を冷却す
ることができる。蓋（１５）は駆動装置（図示しない）
を用いて、駆動軸（１４）を回動させることによって開
閉することができる。冷却管（２３）の端部には可撓管
（又はベローズ管）　（２４）を接続し、蓋（１５）の
開閉動作の際に妨げとならないように配慮する。蓋（１
５）を閉じた時には、蓋（１５）とクライオポンプ収納
箱（１２）との間はシール面（１２Ｓ）と（１５Ｓ）が
接触して、完全にシールできるようにしておく。クライ
オポンプ本体（ハ）とクライオポンプ収納箱（１２）及
び蓋（１５）等から成るクライオポンプを排気対象物で
ある真空容器（イ）内に設置する。

次にこの実施例の動作について説明する。

第１のクライオポンプ本体（５ａ）で排気を行う時は、
第１のクライオポンプ収納箱（１２ａ）の蓋（１５ａ）
を全開（約６０°程度の角度で直角と略同程度のコンダ
クタンスになる）とし、第１の仕切弁（１０ａ）を全開
にして、真空容器（イ）内の気体をクライオ面上に凝縮
（又は吸着）排気する。同時に第２のクライオポンプ本
体（５ｂ）の再生を行うために、第２のクライオポンプ
収納箱（１２ｂ）の蓋（１５ｂ）を全閉とし、第２の仕
切弁（１０ｂ）を全開にしてから、第２のクライオポン
プ本体（５ｂ）のクライオ面の温度を上げ、クライオ面
上に蓄積していた排気気体分子をクライオ面上から離脱
させて、補助真空ポンプ（１１）によって外部へ排出す
る。そして前述と同様に、ある一定時間経過した後で、
第１．第２の蓋（１５ａ）、　（１５ｂ）と仕切弁（１
（ｌａ）、　（１０ｂ）の開閉位置を逆にして、第１の
クライオポンプ本体（５ａ）の再生を行うと共に、第２
のクライオポンプ本体（５ｂ）によって排気を継続する
。このように第１と第２のクライオポンプ本体（５ａ）
と（５ｂ）との間で排気と再生を交互にくり返すことに
よって連続排気ができる。本実施例のクライオポンプ装
置ではクライオポンプ収納箱（１２ａ）、　（１２ｂ）
及び蓋（１５ａ）、　（１５ｂ）は前述のように冷却管
（２１）−、（２３）内を流れる冷却流体によって冷却
できるので、従来の第９図の水冷板（１９）が不要とな
り、水冷板（１９）の設置スペース（Ｌｃ）分だけ真空
容器（イ）を小形にできる。また、クライオポンプ本体
（５ａ）の排気の際に蓋（１５ａ）を開く場合にも、ク
ライオポンプ本体（５ａ）がビームダンプ（１８）から
直視できないような位置で、且つできるだけ全開に近い
位置まで開（ようにする。これは第１図に示すように約
６０°程度の角度にして、直角迄は開かなくても全開に
近いコンダクタンスが得られるからである。このためビ
ームダンプ（１８）からの輻射熱はクライオポンプ本体
（５ａ）には入らず、輻射熱を受けるクライオポンプ収
納箱（１２ａ）　、　（１２ｂ）及び蓋（１５ａ）、　
（１５ｂ）はそれらに付設した冷却管（２１）、　（２
３）内を流れる冷却流体によって冷却されるので温度が
上昇しない。このため、クライオポンプ本体（ハ）のシ
ェブロンバッフル■や輻射シールド板（８）を冷却して
いる冷却液（液体窒素等）やクライオ面■を冷却してい
る冷却液（液体ヘリウム等）の消費量をふやすことなく
、クライオポンプ（１３）として正常な排気能力を保持
できる。なお第１図で、冷却管（２１）の端部及び冷却
管（ｚ３）に接続された可撓管（２４）の端部は真空容
器（イ）を貫通しており（図示しない）、冷却管（２１
）、　（２３）内を流れる冷却流体は真空容器（イ）の
外部から流入し、クライオポンプ収納箱（１２ａ）　、
　（１２ｂ）及び蓋（１５ａＬ　（１５ｂ）を冷却して
熱を奪った後で真空容器（イ）の外部へ流出する。

次に他の実施例について、第４図および第５図を参照し
て説明する。

第４図及び第５図はクライオポンプ収納箱（１２）の蓋
（１５）を４個で構成した場合を示す。

この場合にもクライオポンプ収納箱（１２）の外面には
冷却管（２１）が付設され、蓋（１５）の外面にも冷却
管（２３）が付設されており、クライオポンプ収納箱（
１２）及び蓋（１５）は冷却管（２１）、　（２３）内
を流れる冷却流体によって冷却できるので、第９図の水
冷板（１９）が不要となる。また、第１図〜第３図のク
ライオポンプ装置に比べて蓋（１５）の寸法が１７４に
なっているので、真空容器（イ）を更に小さくすること
ができる。その他の構成２作用、効果等は前述の第１図
〜第３図の実施例と同じである。

なお、クライオポンプ収納箱及び蓋の冷却構造は必ずし
も、冷却管を付設する構造だけでなく、２枚の板を張り
合せてその内部に冷却流体を流す、いわゆる「ジャケッ
ト構造」等の冷却装置でもよく、また冷却流体は水だけ
に限る必要はない。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明はクライオポンプ装置によ
れば、クライオポンプ収納箱と蓋の外面に冷却装置を付
設し、その内部に冷却流体を流してクライオポンプ収納
箱と蓋を冷却できるようにしたので、これらのクライオ
ポンプを真空容器内に設置する場合には水冷板が不要と
なり、水冷板の設置スペース分だけ真空容器を小形にで
きるという効果がある。また、クライオポンプの排気の
際に蓋を開く場合にも、クライオポンプ本体がビームダ
ンプから直視できないような位置に移るように蓋を配設
したので、ビームダンプからの輻射熱はクライオポンプ
本体に入らず、輻射熱を受けるクライオポンプ収納箱及
び蓋はそれらに付設した冷却装置を流れる冷却流体によ
って冷却されるので温度が上昇しない。このためクライ
オポンプ本体のシェブロンバッフルや輻射シールド板を
冷却している冷却液（液体窒素等）やクライオ面を冷却
している冷却液（液体ヘリウム等）の消費量をふやすこ
となく、クライオポンプ装置として正常な排気能力を保
持できるというすぐれた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のクライオポンプ装置の一実施例を示す
縦断面図、第２図は第１図のクライオポンプの外観を示
す斜視図、第３図は第２図の■−■線に沿う矢視断面図
、第４図は本発明のクライオポンプ装置の他の実施例を
示す縦断面図、第５図は第４図のクライオポンプを示す
断面図、第６図は従来のクライオポンプの設置状況を示
す概略図、第７図は第６図とは異なる従来のクライオポ
ンプを示す斜視図、第８図は第７図の■−■線に沿う矢
視断面図、第９図は第７図のクライオポンプを真空容器
内に設置したクライオポンプ装置を示す縦断面図である
。 ４・真空容器 ５．５ａ、５ｂ・クライオポンプ本体 １２、１２ａ、　１２ｂ　　クライオポンプ収納箱１３
・・クライオポンプ １５、１５ａ、　１５ｂ−蓋 １８・・・ビームダンプ ２１、２３・冷却装置である冷却管 代理人　弁理士　　井　上　−男 第　　７　　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　クライオポンプ本体と、このクライオポンプ本体を収
   納するクライオポンプ収納箱と、このクライオポンプ収
   納箱を密閉および開放する蓋とからなるクライオポンプ
   複数個を内部にビームダンプを有する真空容器内に配設
   し、前記クライオポンプ収納箱と蓋に冷却装置を付設し
   、前記蓋を開放するときは前記ビームダンプからクライ
   オポンプ本体を直視できない位置に移るように蓋を配設
   したことを特徴とするクライオポンプ装置。