JPH0742671A - ルーバーブラインド型バッフルを備えたクライオポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ポンプを大きくすることなく、排気速度を向
上させること。 【構成】 ８０Ｋシールドの中に垂直方向に複数列のク
ライオパネル１２を配置し、吸気口（ガス流入口）Ｂか
らクライオパネル１２が見えないように、該クライオパ
ネルの周囲を垂直方向のルーバー型バッフル１３で取り
囲むと共に、吸気口Ｂと対向する背面シールド板２１の
内側に、該背面シールド板２１と平行に、８０Ｋバッフ
ル２３を備えたクライオパネル２２を配置している。 【効果】 背面シールド板２１の内側に位置するシール
ド底部でも水素の排気ができるので、排気速度を大きく
することができ、それに伴い、同一排気速度の場合で
は、従来方式よりも、クライオポンプの大きさを小型化
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、核融合実験装置やプラ
ズマ科学実験装置の中性粒子注入装置（ＮＢＩ）に使用
される水素に対して大きな排気速度を有するクライオポ
ンプに関する。

【０００２】

【従来の技術】中性粒子注入装置用の水素に対して数十
万１／ｓ〜数百万１／ｓの大排気速度を有するクライオ
ポンプでは、排気速度を大きくとるために大型のクライ
オパネルが必要である。該クライオパネルは、通常、外
部から放射される輻射熱（熱線）により加熱されないよ
うに外側シールド板で蔽われ、また気体分子は通過でき
るがガス流入口から入射する輻射熱を遮ぎる構造の複数
のルーバーブラインド型バッフルを備えている。

【０００３】従来は、大排気速度を得るために大きな面
積のクライオパネルで水素を凝縮により排気を行ってい
た。大面積のクライオパネルの冷却には、水素が凝縮す
るのに必要な低温が必要であるために液体ヘリウムが使
用されてきた。また、クライオパネルの輻射シールドや
バッフルの冷却には、液体窒素が使用されている。

【０００４】水素に対する排気速度を大きくする手段と
しては、水素の通過確率の大きなルーバーブラインド型
のバッフルが知られている。（一例として、特開昭６１
−１６９６８２号公報参照）。

【０００５】図３は、ルーバーブラインド型クライオポ
ンプの概略構造図を示したもので、（ａ）は正面図、
（ｂ）は横断面図、（ｃ）は要部斜視図である。このク
ライオポンプは、液体窒素で冷却された８０Ｋシールド
１１の中に、垂直方向に通常複数列のクライオパネル１
２を配置し、その周囲を、液体窒素で冷却された垂直方
向のルーバー型のバッフル１３で取り囲む構造となって
いる。上記クライオパネル１２は中空になっており、内
部に液体ヘリウム１４が充填または循環しており、この
液体ヘリウム１４によって３．２〜４．２Ｋ程度に冷却
されている。

【０００６】クライオパネル１２の形状には、種々の形
状のものがあり、垂直に配置された中空のパイプと銅や
アルミニュウム等の熱伝導率の高い材質のパネルとで構
成されており、中空パイプ内に液体ヘリウムを充填また
は循環させて冷却する方式なども知られている。

【０００７】図４は、ルーバーブラインド型クライオポ
ンプが水素を排気する過程を示した説明図で、図中、図
３に記載した符号と同一の符号は同一ないし同類部分を
示すものとする。図４において、真空装置に導入された
水素は真空容器１内を通過し、他の真空装置（例えばト
ーラス型の核融合プラズマ実験装置）へと注入される。
真空容器１内を通過中に散乱された水素は、図に示すよ
うにクライオポンプ２に入射し、シールド１１やバッフ
ル１３に衝突後、液体ヘリウムで冷却されたクライオパ
ネル１２で凝縮排気される。しかし、クライオポンプ２
に入射した總ての水素がクライオパネル１１に捕捉、排
気されるわけではない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来のルーバ
ーブラインド型クライオポンプには、次のような問題点
があった。

【０００９】（ｉ）排気速度が大きく、排気効率が大き
いため、同一排気速度の他の方式のクライオポンプより
も小型化が可能である。このクライオポンプの排気効率
を決定する一つの要因は、クライオポンプの形状であ
る。クライオポンプが水素を排気する過程は、先ず、図
５におけるＢの部分（吸気口に相当する。）に入射し、
次いで、両側のルーバーブラインド型のバッフル１３を
通過した後、クライオパネル１２（液体Ｈｅの場合）又
はクライオソープションパネル（ヘリウム冷凍機を使用
した場合）に入射した水素のみが排気される。しかし、
８０Ｋシールド１１の底部１１ａは、水素の排気には寄
与していないために、底部１１ａに到達した水素は、そ
こで反射し、一部はバッフル１３に入射し、クライオパ
ネル１２に到達した分子は排気されるが、残りは再び入
口（吸気口）Ｂに戻ってしまう。

【００１０】(ii) そこで、ルーバーブラインド型のク
ライオポンプの排気速度を大きくする方法（手段）とし
ては、バッフル形状を最適化する方法がとられている
が、バッフルの形状の改善のみによる排気速度の改善に
は限界がある。

【００１１】(iii) 排気速度を大きくするもう一つの方
法（手段）は、バッフル１３の長さＤを大きくし、排気
に寄与する部分を増やし、排気速度を向上させる方法で
あるが、これではクライオポンプ自体が大きくなってし
まう。

【００１２】本発明は、上記した従来技術の問題点を解
決するもので、ポンプを大きくすることなく、排気速度
を向上させるようにしたルーバーブラインド型バッフル
を備えたクライオポンプを提供することを目的としてい
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、気体分子は通過できるがガス流入口か
ら入射する輻射熱を遮ぎるルーバーブラインド型バッフ
ルを備えたクライオパネルによって、流入した水素分子
を凝縮又は吸着するようにしたクライオポンプにおい
て、並設されたクライオパネルのガス流入口に対向する
背面シールド板の内側に、バッフルとクライオパネルと
からなる流入した水素分子を吸着させる手段を設けたこ
とを特徴とし、上記水素分子を吸着させる手段として、
並設されたクライオパネルのガス流入口と対向する背面
シールド板の内側に、該背面シールド板と平行に、８０
Ｋバッフルを備えたクライオパネルを配置したことを特
徴としている。

【００１４】また、クライオパネルの表面に吸着剤を接
着したクライオソープションパネルを用いることもでき
る。

【００１５】

【作用】本発明は、上記のように、従来水素の排気に寄
与しなかった、並設されたクライオパネルのガス流入口
と対向する背面シールド板の内側に、バッフルとクライ
オパネルとからなる水素分子を吸着させる手段を設けて
いるので、水素を排気する排気面が大きくなり、排気速
度が大きくなる。

【００１６】

【実施例】次に、本発明の実施例を図面と共に説明す
る。図１は、本発明の一実施例を示すクライオポンプの
要部断面図であって、図中、図３〜図５に記載した符号
と同一の符号は、同一ないし同類部分を示すものとす
る。

【００１７】図には、真空容器（図４の１）内に設置さ
れたクライオポンプ（図４の２）の一部が示されてお
り、図３に示すように、８０Ｋシールド１１の中に垂直
方向に複数列（図１では２列）配置されたクライオパネ
ル１２は、周囲を垂直方向のルーバー型のバッフル１３
で取り囲むように構成されている点は、従来例（図３）
と変りはないが、本実施例（本発明）では、並設された
クライオパネル１２のガス流入口に相当する吸気口Ｂと
対向する背面シールド板２１の内側に、該背面シールド
板２１と平行に、８０Ｋバッフル２３を備えたクライオ
パネル２２が新たに配置されている。なお、上記８０Ｋ
バッフル２３は、吸気口Ｂからクライオパネル２２が見
えないように設計されている。

【００１８】次に、作用について説明すると、吸気口Ｂ
に入射した水素分子は、バッフル１３かバッフル２３の
何れかに到達し、ここで散乱され、一部はクライオパネ
ル２２に到達して排気され、残りはバッフル２３で反射
され、クライオパネル２２とは逆方向に反射される。こ
の反射された分子の一部は吸気口Ｂに戻ってしまうが、
残りの分子は再びバッフル１３，２３の何れかに入射
し、一部は排気される。水素分子はこのようなプロセス
を繰り返し、排気されるか、吸気口Ｂに戻ってしまう。
バッフル２３とその後ろのクライオパネル２２により、
排気に寄与する部分が増えるために排気速度が大きくな
る。

【００１９】例えば、４５度ルーバーバッフル１３でバ
ッフルの間隔が等間隔の場合、気体分子がこのバッフル
を通過できる確率は０．４４程度である。図１において
吸気口の幅ａと深さｄが等しい場合は、従来形状の場合
での排気確率（捕捉係数）は約０．５４であり、クライ
オパネル１２での水素の捕捉係数が１．０の場合では、
吸気口Ｂに入射した水素分子の内の５４％が排気される
ことになる。

【００２０】ところが、シールド底部（背部）でも水素
が排気できるようにした本発明の場合では、同じ形状
（吸気口Ｂの幅ａ＝深さｄ）でも、底部のバッフル２３
の通過確率がルーバーブラインドバッフル１３と同じ
０．４４の場合の捕捉率は、該シールド底部で排気され
る分、捕捉率が大きくなるため、約０．７０と計算さ
れ、従来型のクライオポンプより約３０％も排気速度を
大きくすることができる。逆に水素の排気速度が同じで
あれば、本発明の方がクライオポンプ自体の大きさを小
型化できるため、ＮＢＩ装置そのものも小型化でき、装
置全体の製造コストを下げる効果もでてくる。

【００２１】図２は、本発明の他の実施例を示す図１と
同様の要部断面図であり、図中、図１に記載した符号と
同一の符号は同一ないし同類部分を示すものとする。こ
の実施例では、吸気口Ｂと対向する背面シールド板２１
の内側に、該シールド板２１と平行に配置されるクライ
オパネル２２に、シエブロン型のバッフル３３が取付け
られている。このものも、吸気口Ｂからクライオパネル
２２が直接見えない形状になっている。

【００２２】上記した二つの実施例において、ルーバー
ブラインドバッフル１３の角度θは４５度以外の角度で
もよいし、角度が一定である必要もない。該バッフル１
３のピッチＰも一定間隔である必要はなく、吸気口Ｂか
らクライオパネル１２が見えないようにさえなっていれ
ばよい。また、吸気口の幅ａと奥行きｄの比率も任意の
値でよい。

【００２３】また、クライオポンプの冷却方法として、
液体窒素、液体ヘリウムを使用しても良いし、２０Ｋ以
下に冷却できるヘリウム冷凍機で冷却してもよい。２０
Ｋ以下のヘリウムガスを循環させて冷却するタイプのク
ライオポンプでもよい。

【００２４】また、２０Ｋ以下に冷却できるヘリウム冷
凍機の場合は、クライオパネルの表面に活性炭等の吸着
剤を接着したクライオソープションパネルによる吸着排
気となる。

【００２５】さらに、クライオパネルの冷却方法として
液体ヘリウムを使用し、クライオパネルの表面に吸着剤
を接着したクライオソープションパネルを使用すれば、
ヘリウムガスも排気することができる。即ち、このクラ
イオポンプでは、冷却方法とクライオパネルの構造を目
的に合った方式をとることにより水素以外の気体、例え
ば、ヘリウム、重水素、トリチュウム等の２０Ｋでは凝
縮によっては排気できない気体にも適用できるし、窒素
や酸素、アルゴン等の２０Ｋで凝縮によって排気できる
気体に適用することも可能である。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ルーバーブラインド型バッフルを備えたクライオパネル
によって、流入した水素分子を凝縮又は吸着するように
したクライオポンプにおいて、並設されたクライオパネ
ルの吸気口と対向する背面シールド板の内側に、バッフ
ルとクライオパネルとからなる水素分子を吸着させる手
段を設けたことにより、次のような効果を奏することが
できる。

【００２７】（ｉ）従来、水素の排気作用に寄与しなか
った背面シールド板の内側に位置するシールド底部でも
水素の排気ができるために、排気速度を大きくすること
ができる。

【００２８】(ii) 排気速度が大きいために、同一排気
速度の場合では、従来方式よりもクライオポンプの大き
さを小型化できる。

【００２９】(iii) クライオポンプが小型化できるため
に、ＮＢＩ等の真空装置も小型化でき、装置の製造コス
トを低減することができる。

【００３０】また、クライオパネルの表面に吸着剤を接
着したクライオソープションパネルを用いることによ
り、ヘリウムガスも排気することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すクライオポンプの要部
断面図である。

【図２】本発明の他の実施例を示すクライオポンプの要
部断面図である。

【図３】従来のルーバーブラインド型クライオポンプの
（ａ）は要部平面図、（ｂ）は要部横断図、（ｃ）は要
部斜視図である。

【図４】従来のルーバーブラインド型クライオポンプの
水素排気過程を示す説明図である。

【図５】従来例の要部説明図である。

【符号の説明】

１ 真空容器 ２ クライオポンプ １１ シールド １２ バッフル ２１ 背面シールド板 ２２ クライオパネル ２３，３３ バッフル Ｂ 吸気口（ガス流入口）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 気体分子は通過できるがガス流入口から
   入射する輻射熱を遮ぎるルーバーブラインド型バッフル
   を備えたクライオパネルによって、流入した水素分子を
   凝縮又は吸着するようにしたクライオポンプにおいて、
   並設されたクライオパネルのガス流入口と対向する背面
   シールド板の内側に、バッフルとクライオパネルとから
   なる流入した水素分子を吸着させる手段を設けたことを
   特徴とするルーバーブラインド型バッフルを備えたクラ
   イオポンプ。
2. 【請求項２】 並設されたクライオパネルのガス流入口
   と対向する背面シールド板の内側に、該背面シールド板
   と平行に、８０Ｋバッフルを備えたクライオパネルを配
   置したことを特徴とする請求項１記載のルーバーブライ
   ンド型バッフルを備えたクライオポンプ。
3. 【請求項３】 クライオパネルの表面に吸着剤を接着し
   たクライオソープションパネルを用いたことを特徴とす
   る請求項１又は請求項２記載のルーバーブラインド型バ
   ッフルを備えたクライオポンプ。