JPH08219020A

JPH08219020A - クライオポンプ

Info

Publication number: JPH08219020A
Application number: JP2394695A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Isokami; 尚志磯上; Norihide Saho; 典英佐保; Takeo Nemoto; 武夫根本; Yasuo Yamashita; 泰郎山下; Hiroyuki Kawakami; 浩幸河上; Yasuo Kamiide; 泰生上出
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-02-13
Filing date: 1995-02-13
Publication date: 1996-08-27

Abstract

(57)【要約】【目的】真空容器と連通するクライオポンプの再生
時、極低温に冷却したクライオパネルに吸着した排気ガ
スの離脱分子がポンプから真空容器にリークしない優れ
たシール性能を有し、短時間で再生できるクライオポン
プを提供する。【構成】極低温のクライオパネル、クライオパネルを
ほぼ囲む低温の輻射熱シールド板、これらを内包するポ
ンプ枠を備え、ポンプ枠24に設けた入口開口部12を介し
て真空容器に連通するクライオポンプにおいて、ポンプ
内で開口部12に対向して設けた低温度のシャッター14
と、ポンプ内でシャッター14を開口部12に対し接離させ
る駆動機構25、27〜31と、開口部12に取り付けシャッタ
ー14との対向面を密封するゴム製のシール材38と、シー
ル材38とシャッター14の接触部加熱用のヒータ40と、接
触部の温度検出用の温度センサ50と、温度センサ50の検
出値を基にヒータ40の出力制御する制御装置6と、を設
けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、核融合装置等で使用さ
れる極低温に冷却したクライオパネル面に、凝縮、吸着
して排気したガス分子を、短時間内にパネル面より離脱
させ、クライオパネル面を再生するクライオポンプに関
する。

【０００２】

【従来の技術】核融合装置の中性粒子入射装置は、水素
の高速中性粒子を炉内に入射し、プラズマを加熱する装
置である。高速水素原子を安定に供給するために、大型
のクライオポンプを設置して内部の圧力を１０~²〜１０
~³Ｐａ程度の真空に保つことにより、高速水素原子が残
留ガスと衝突することを抑制する。

【０００３】クライオポンプは、図９の原理図に示すよ
うに液体ヘリウム等で極低温に冷却したクライオパネル
３をポンプ１内に持ち、クライオポンプ１と連通する真
空容器２内のガスをクライオパネル３表面に吸着、凝固
させることにより排気を行う真空ポンプである。室温状
態である真空容器１側から、あるいはポンプのケーシン
グであるポンプ枠２４から熱放射としてクライオパネル
３面に流入する熱を防ぐため、このクライオパネル３を
ほぼ囲うように、液体窒素等で低温に冷却した熱シール
ド体２０を設置する。クライオポンプは以上のような構
造をとなっているため、クリーンで大排気速度の特徴を
持つが、長時間排気した後には、クライオパネル３表面
に真空容器１から吸引した被排気ガスの固相が吸着し
て、固相被排気ガス自身の熱抵抗が大きくなり吸着表面
温度が高くなるため、凝縮係数が小さくなり排気速度が
低下する。このため、クライオポンプを連続で運転する
には、周期的にクライオパネル３面と被排気系の真空空
間１とを隔離し、クライオパネル３の温度を上げて表面
に吸着した被排気ガスを離脱させることによりパネル面
を再生しなければならない。

【０００４】この連続式クライオポンプの構造は、例え
ば、特開平1-125573号公報に記載されている。これによ
ると、真空容器の排気口に並列配置した複数器の大型の
クライオポンプの内の１つのクライオポンプの排気ガス
入口を、真空容器側でクライオポンプ外に設置した駆動
機構により移動する常温のシャッターで塞ぎ、クライオ
ポンプ内と被排気系真空容器内の真空空間を隔離する。
その後、隔離したクライオポンプを加温して、クライオ
パネル面に、凝縮、吸着して排気したガス分子をパネル
面より離脱させクライオパネル面を再生する。離脱した
ガス分子はクライオポンプ内と連通し、真空容器外に設
置した小型真空ポンプで排気され、クライオポンプ内を
クリーンにして真空容器内の真空空間と同じ程度の真空
圧力にする。その後、クライオポンプを再冷却しパネル
面が所定の温度に達した後、シャッターを真空容器の真
空空間内で機械的に移動してクライオポンプの排気ガス
入口を開き、再び排気運転を行う。シャッターの移動距
離はクライオポンプ群の幅をカバーする必要があり、数
メーターに達する。なお、常時、シャッターは真空容器
内の真空空間に設置している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、再
生時にクライオパネル面上のガスが多量に離脱するので
クライオポンプ内のガス濃度が高く、再生しようとする
クライオポンプ内の圧力はクライオポンプ外の真空容器
の圧力よりはるかに高くなる。したがってその圧力差に
シャッター面積を乗じた力が、シャッターを開けるよう
に作用するため、クライオポンプ内外の気密性が阻害さ
れ、離脱ガスがクライオポンプ外に漏洩する。また、シ
ャッター移動機構や固定保持構造を真空容器内の真空空
間内に設置しなければならないため、保守点検時に真空
容器内を大気に開放する必要があり、保守点検作業時間
が長時間となる。シャッターをクライオポンプ内に内蔵
し、クライオポンプ再生時には、シャッターをポンプ入
口に移動させて、ポンプ入口を内側から塞ぐ構造をとれ
ば、前記問題点は解決できるが、クライオポンプ内部に
設置するシャッターは、クライオパネルへの輻射熱を小
さくするために、液体窒素等で低温に冷却する必要があ
る。しかし、低温のシャッターでシールを行う場合に
は、ポンプ入口とシャッターのと間に介在するゴム等の
シール材が硬化してしまうため、シール性能は極端に悪
く、離脱ガスが真空容器に漏洩して真空度が劣化すると
いう問題があった。

【０００６】本発明は、上記問題を解決して、真空容器
と連通するクライオポンプの再生時に、クライオポンプ
から真空容器にガスリークの生じない優れたシール性能
を有するクライオポンプを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の第１のクライオポンプは、第１の冷媒で極
低温度に冷却するクライオパネルと、このクライオパネ
ルをほぼ取り囲み第２の冷媒で低温度に冷却する輻射熱
シールド板と、クライオパネル及び輻射熱シールド板を
内包するポンプ枠とを備え、このポンプ枠に設けた入口
を介して真空容器に連通するクライオポンプにおいて、
ポンプ内でポンプ枠の入口に対向して設けられ第２の冷
媒で低温度に冷却するシャッターと、ポンプ内でシャッ
ターをポンプ枠の入口に対して接離方向に移動させる駆
動機構と、ポンプ枠の入口に取り付けられこの入口とシ
ャッターの近接時に対向面を密封するゴム又は合成樹脂
製のシール材と、シール材とシャッターとの接触部位を
加熱するための加熱体と、接触部位の温度を検出するた
めの温度センサと、温度センサの検出値を基に加熱体の
出力を制御する制御装置と、を設けたことを特徴とす
る。

【０００８】この第１のクライオポンプにおいて、温度
センサをポンプ枠上に、加熱体をポンプ枠の壁内に設置
し、制御装置は温度センサの検出値からシール材とシャ
ッターの接触部位の温度を算出するのがよい。また制御
装置は算出した接触部位の温度がシール材のガラス転移
温度ないしガラス転移温度を超える温度に上昇するよう
に加熱体の出力を制御するのが好ましい。

【０００９】また本発明の第２のクライオポンプは、上
記第１のクライオポンプと同様にクライオパネル、輻射
熱シールド板、ポンプ枠とを備え、真空容器に連通し、
そして同様にシャッター、駆動機構およびシール材を設
けたもので、さらにシャッターでシール材に対向する部
位に設けられた加熱体と、シャッタでシール材に対向す
る部位の温度を検出する温度センサと、クライオパネル
を再生しようとする時に温度センサの検出値を基に加熱
体の出力を制御し、温度センサの検出値が所定値になっ
た時に駆動機構によるシャッターの閉動作を制御する制
御装置と、を設けたことを特徴とする。

【００１０】そして上記所定値は、シール材のガラス転
移温度ないし該ガラス転移温度を超える温度とするのが
よい。

【００１１】また本発明の第３のクライオポンプは、上
記第１のクライオポンプと同様にクライオパネル、輻射
熱シールド板、ポンプ枠とを備え、真空容器に連通し、
そして同様にシャッター、駆動機構、シール材、加熱体
及び温度センサを設けたもので、ポンプ枠の入口とシャ
ッターとをシール材を介して密封してクライオパネルを
再生する時、温度センサの検出値を取り込み、シャッタ
ーとシール材との接触部位の温度がシール材のガラス転
移温度を超えて上昇した後に、加熱体の出力を低下させ
てシャッターの温度を低下させるように制御する制御装
置を設けたことを特徴とする。

【００１２】また本発明の第４のクライオポンプは、上
記第１のクライオポンプと同様にクライオパネル、輻射
熱シールド板、ポンプ枠とを備え、真空容器に連通し、
そして同様にシャッター、駆動機構を設けたもので、さ
らにポンプ枠の入口に取り付けられこの入口とシャッタ
ーとの間を密封するゴム又は合成樹脂製のシール材と、
シール材内部に挿入した高熱伝導部材内に配置した加熱
体と、シール材とシャッターとの接触部位の温度を検出
するための温度センサと、この温度センサの検出値を基
に加熱体の出力を制御する制御装置と、を設けたことを
特徴とする。

【００１３】また本発明の第５のクライオポンプは、上
記第１のクライオポンプと同様にクライオパネル、輻射
熱シールド板、ポンプ枠とを備え、真空容器に連通し、
そして同様にシャッター、駆動機構を設けたもので、さ
らにポンプ枠の入口に取り付けられこの入口とシャッタ
ーとの対向面を密封するゴム又は合成樹脂製のシール材
と、シール材内部に挿入された高熱伝導部材と、を設け
たことを特徴とする。

【００１４】また、本発明の第６のクライオポンプは、
上記第１のクライオポンプと同様にクライオパネル、輻
射熱シールド板、ポンプ枠とを備え、真空容器に連通
し、そして同様にシャッター、駆動機構を設けたもの
で、さらにポンプ枠の入口に取り付けられこの入口とシ
ャッターとが重なる領域及びシャッターの外側面にわた
って当接して入口とシャッターとの間を密封するゴム又
は合成樹脂製のシール材を設けたことを特徴とする。

【００１５】

【作用】クライオポンプにおいては、液体ヘリウム等で
極低温に冷却したクライオパネルはクライオポンプと連
通する真空容器内のガスをクライオパネル表面に吸着、
凝固させることにより真空容器の排気を行い、熱シール
ド体は室温状態である真空容器、ポンプ枠等の高温側か
らの熱放射としてクライオパネル面に流入する熱を防
ぐ。排気時にはクライオパネル表面に被排気ガスの固相
が吸着して排気速度が低下するため、周期的にクライオ
パネルと真空容器から隔離し、クライオパネルの温度を
上げて表面に吸着した被排気ガスを離脱させてパネル面
を再生しなければならない。

【００１６】以下、本発明の各クライオポンプの再生時
の動作について説明する。（第１〜第６）上記第１〜第６の各クライオポンプの再
生時に、クライオポンプ内のシャッターは駆動機構によ
り駆動されて、真空容器との連通を遮断するように、シ
ール材を介してポンプ枠の入口を内側から塞ぐ。したが
って、再生時に、クライオパネル面上から離脱したガス
でクライオポンプ内の圧力が高くなっても、クライオポ
ンプの内側から外側に、圧力差にシャッター面積を乗じ
た力がシャッターに作用するので、シャッターは閉まり
勝手となり、シール性能は高まる。また、シャッター移
動機構をポンプ内に設置することにより、個々のクライ
オポンプの保守点検が可能となり、従来の技術の項であ
げた公報に記載のクライオスタットのようにクライオポ
ンプの保守点検のため真空容器側を開放する必要をなく
すことができ、これにより点検作業時間を短縮すること
ができる。

【００１７】ところで、第１のクライオポンプにおいて
は、ポンプ枠に設置された常温のシール材と、熱シール
ド板を冷却するのと同じ冷媒で冷却したシャッターとが
接すると、シール材からシャッターに向かって熱伝導に
より、熱が入り込む。シャッターシール性能は、接点温
度が高いほど向上するため、ポンプ枠に設置したヒータ
によってポンプ枠を加熱すると、熱伝導によって接点温
度も高くなり、シール性能が向上する。

【００１８】第２のクライオポンプにおいては、ポンプ
枠に設置された常温のシール材と冷媒で冷却されたシャ
ッターとが接する前に、シャッター側の接触部位を加熱
手段によりシール材のガラス転移温度に上げておくこと
により、シャッターを閉じた直後からシール材のシール
性能を高められ、再生作業を効率よく開始できる。

【００１９】第３のクライオポンプにおいては、シール
材をシール材のガラス転移温度に上げてシール性能を確
保した後、加熱手段の出力を低下させることにより、シ
ャッターを冷却するための冷媒消費量を増大させるがこ
となく、またクールダウン時間を短縮でき、シャッター
を開けて行う排気作業の開始を早めることができる。

【００２０】第４のクライオポンプにおいては、シール
材に挿入した高熱伝導材内に配した加熱手段により、低
温に冷却されたシャッターに接して冷却されるシール材
を、高熱伝導材を介して加熱するので、シール材を早く
昇温でき、シール性能を早く向上させることができ、再
生作業を効率よく開始できる。

【００２１】第５のクライオポンプにおいては、高熱伝
導部材により常温のポンプ枠からシール材へと熱が流れ
易くなるため、シール接触部位の温度が高くなりシール
性能が向上する。

【００２２】第６のクライオポンプにおいては、シール
材とシャッターとの接触面積を大きくしたので、シール
性能を向上させることができる。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１、図２、図３
により説明する。図１はクライオポンプ冷却システム構
成例で、真空容器と連通するクライオポンプ群を、真空
容器からのガスが流入するポンプ入口面から見た図、図
２は図１のII−II断面図でクライオポンプの構成を示す
図、図３はクライオポンプの入口およびこの入口を開閉
するシャッターの構造例を示す図である。

【００２４】核融合装置の中性粒子入射装置やスペース
チャンバ等では、クライオポンプ１のユニット群が真空
容器２内に設置される。クライオポンプ１の前面部には
前面枠があり、その開口部12が被排気ガスの入口面とな
っている。

【００２５】クライオポンプ１内のクライオパネル３を
冷却するための液体ヘリウムは、ヘリウム液化装置４で
製造され、液体ヘリウム供給管５ａで各クライオポンプ
１上部に設置された液体ヘリウムタンクに供給される。
クライオポンプ１内で侵入熱により蒸発したヘリウムガ
スは、ヘリウムガス回収管５ｂを通ってヘリウム液化装
置４に戻り、再び液化される。

【００２６】クライオポンプ１のルーバブラインド７及
び熱シールド板20a、20b、20cを冷却する液体窒素は、
液体窒素貯蔵タンクまたは、窒素液化機８より液体窒素
供給管９ａにより液体窒素タンクに供給される。クライ
オポンプ内で蒸発した窒素ガスは、窒素ガス回収管９ｂ
を通って窒素液化装置８に戻り再び液化されるか、また
は大気に放出される。

【００２７】液体ヘリウムタンク内の液体ヘリウム及び
液体窒素タンク内の液体窒素は、自然循環によりクライ
オポンプ１内に供給される。ルーバブラインド７及び熱
シールド板20a〜20cの表面は、輻射熱を効率良く吸収す
るように黒色処理している。

【００２８】図２は２個のユニットを組み合わせたクラ
イオポンプの上部断面図である。真空容器２から吸引し
た被排気ガスを凝縮、凝固してトラップするクライオパ
ネル３は、ステンレス鋼や、銅やアルミニウム等の金属
製で、パネル内に液体ヘリウム配管17及びそれにつなが
る冷却冷媒通路18を設けている。

【００２９】クライオパネル３内には液体ヘリウムが配
管18を介して自然循環で流れクライオパネルは約3.7Ｋ
の極低温に冷却される。

【００３０】シャッター14はステンレス鋼や、銅や、ア
ルミニウム等の金属製で、シャッター14内に冷却冷媒流
路23を設けている。シャッター14内では、液体窒素が自
然循環で流れ、シャッター14は約80Ｋの低温に冷却され
る。

【００３１】一方、ステンレス鋼や銅やアルミニウム等
の金属製のルーバ７はルーバホルダー19と櫛歯上に組み
合わされ、組み合わせ部はろう付け、溶接、半田付け等
で冶金的に一体化されている。また、前面熱シールド板
20aは、ルーバホルダー19に溶接等で冶金的に一体化さ
れている。ルーバホルダー19は、同ホルダーにろう付け
等で冶金的に一体化された配管21内を自然循環で流動す
る液体窒素により温度約８０Ｋに冷却される。

【００３２】ステンレス鋼や銅やアルミニウム等の金属
製の背面熱シールド板20c、側面熱シールド板20bも同様
にろう付け等で冶金的に一体化された配管22内を自然循
環で流動する液体窒素で温度約８０Ｋに冷却される。

【００３３】排気運転時は、真空容器からの被排気ガス
はクライオポンプ開口部12よりクライオパネル３に凝固
して排気される。ポンプ１奥部に後退しているシャッタ
ー14は液体窒素温度に冷却されているので熱シールド板
として作用し、クライオパネル３を熱的に保護する。

【００３４】再生時には、クライオポンプ開口部12がシ
ャッター14で閉じられ、クライオパネル３から離脱した
排気ガスは図１に示した配管15を通り、真空ポンプ16で
クライオポンプ１外に放出される。再生するためには、
クライオポンプ１外部に設置した制御装置６でシャッタ
ー駆動機構13を制御し、図２に示すロッド27、28及び連
結部29、30を図上で左方向に移動させ、それに伴って左
方向にシャッター14を押し出すことによって開口部12を
閉じる。シャッター14はフレキシブル管を介して移動中
でも液体窒素タンク内の液体窒素で冷却される。

【００３５】図３は、シャッター14がポンプ開口部12を
塞いだときのシール部付近拡大図を示す。ポンプのケー
シングであるポンプ枠24のポンプ入口部に例えばヒータ
40等の加熱手段を備える。ヒータ40は、ポンプ枠24内部
に取り付ける。この時、ヒータ40からの熱を効率よくシ
ール材38に伝えるために、ヒータ40からシール材38まで
の間を熱伝導率の高い、例えば銅や、アルミニウム等で
構成した部材41を、ろう付け、溶接、半田付け等で冶金
的にポンプ枠24に一体化する。この高熱伝導率部材41に
温度センサ50を設置し、その信号をポンプ外に設置した
制御装置６に取り込む。

【００３６】シャッター14がクライオポンプ開口部12を
塞いだ場合には、ポンプ外枠14上に設置した、例えばフ
ッ素ゴム、シリコーンゴム、フッ素樹脂ゴム等でできて
いる、真空シール材38とシャッター14とが接することに
なる。この場合、常温であるポンプ外枠24から、液体窒
素によって冷却されているシャッター14に向かって、熱
伝導により熱が侵入する。ここでシャッター14のシール
近傍内部には熱伝導率が低い部材、例えばステンレスや
ＦＲＰ等で構成された部材39が挿入され、そのシール側
にはステンレス鋼等のシャッター14と同材質の板48を溶
接によりシャッター14と一体化している。溶接場所は、
シャッター14端部側のみであり、シャッター中心側には
空間が空いている。また、シャッター14と同材質の板48
と低熱伝導部材39とは接触しているだけであり、両者の
接触面はシール面よりはるかに粗いため、この位置の接
触熱抵抗は大きい。本構造によりシャッター14内部の熱
抵抗は大きく、液体窒素が冷却しているシャッター14中
心付近と、シール部付近であるシャッター14端部とでは
大きな温度差がつく。さらに、常温のポンプ枠24に設置
したヒータ40で熱を加えることによって、シール材38と
シャッター14との接点温度はシャッター14を冷却する液
体窒素の温度約80Ｋよりもはるかに高い温度、例えば20
0Ｋ程度に上昇する。ここで、ヒータの加熱は真空中で
の加熱となるため、なんらかの原因でシャッター14とシ
ール材38とがうまく接触しなかった場合、極端に温度が
上昇してしまい、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フッ素
樹脂ゴムといった真空シール材38の耐熱温度を越えてし
まう危険性がある。そこで、温度センサ50からの信号に
より、シール材38の安全温度、例えばフッ素ゴムの場合
450Ｋ程度を越えないようにヒータ熱量を制御する。

【００３７】シャッター14とシール材38との接点温度
は、接触熱抵抗に大きく依存するが、温度センサ50で測
定した温度とヒータ40による加熱量とから算出すること
が可能である。したがって、実施例ではシール材38、ヒ
ータ40、温度センサ50付近を高熱伝導部材41で構成した
が、ステンレス鋼等で製作されたポンプ枠24にシール材
38、ヒータ40、温度センサ50を直接装着して構造を簡略
化した場合でも、同様にシール接点温度を算出すること
ができる。

【００３８】フッ素ゴム、シリコーンゴム、フッ素樹脂
ゴムといった真空シール材38は、低温で硬化し、シール
性能が悪くなる。したがって、逆にシール接点部の温度
を高くすればするほど、シール性能は向上する。つま
り、シャッター14とシール材38との接点温度を、シール
材38のガラス転移温度より上昇させれば、シール性能は
飛躍的に向上する。

【００３９】また、接点温度を一旦ガラス転移温度まで
上昇させた後、再生運転の途中でヒータ40による加熱を
低減あるいは停止するように制御装置６で制御する。こ
れにより、再生運転が完全に終了した後にクールダウン
を始めるのと比べて、（再生＋クールダウン）の時間を
短縮することができるとともに、消費電力量を低減する
ことができる。また、シール材38のシール性能は温度履
歴に依存し、一旦ガラス転移温度まで上昇して押付けた
シール構造は、冷却したまま押付けたシール構造と比較
して、シール性能ははるかに優れている。

【００４０】また、ガラス転移温度以上になるまで温度
を上昇させなくても、ある程度接点温度を上昇させた
後、再生運転を続けたままシャッター14の再冷却を開始
した場合でも、効果はある。

【００４１】図４に本発明の他の実施例のシール部断面
図を示す。本実施例ではシャッター14のシール材38接触
部を熱伝導率の高い例えば銅やアルミニウム等で構成
し、この部分の内部にヒータ40等の加熱手段を装着す
る。また、図３の実施例と同様にシャッター14内部には
ステンレス鋼やＦＲＰといった熱伝導率の低い部材39を
挿入してシャッター14内部の熱抵抗を大きくし、シャッ
ター14冷却用の冷媒である液体窒素が熱によって多量に
蒸発することを防ぐ。ヒータ40の加熱量は高熱伝導部材
39に装着した温度センサ50からの信号を基に制御装置６
によって制御される。本構造により、少ない加熱量で接
点温度を大きく上昇させることが可能となる。

【００４２】また、接する直前にヒータ40でシャッター
14を加熱し、シャッター14温度をシール材38のガラス転
移温度以上に上昇させ、シャッター14とシール材38とを
接触させた後、再生運転を続けながらヒータ40の加熱を
低減あるいは停止する。この再生運転方法により、（再
生＋クールダウン）時間をさらに短縮することができ
る。

【００４３】図５に、本発明の他の実施例を示す。本構
成は図３に示した実施例とほぼ同様であるが、ポンプ枠
24及びシャッター14にそれぞれ少なくとも１個以上の温
度センサ50を設けている。この複数の温度センサ50から
の情報により、シャッター14とシール材38との接点を精
度良く推算することができ、制御精度が向上する。

【００４４】温度センサ50だけでなく、ポンプ内１の圧
力、及びシャッター14位置を計測し、制御装置６に取り
込み、これらの信号を基に、ポンプ内部からシャッター
14とシール材38との間からポンプ外の真空空間にリーク
するリーク量が許容リーク量を越えないように、シャッ
ター14の押付荷重、ヒータ40の加熱量、及びクライオパ
ネル３の冷却温度を制御装置６により制御すれば、さら
に制御精度は向上する。

【００４５】以上示した実施例において、シール材とし
てシリコーンゴムを選べば、他のシール材と比較してガ
ラス転移温度が低いため、ヒータによる加熱量が小さく
て済む。特に、フェニル基を持つシリコーンゴムであれ
ば、さらに耐寒性に優れるため、より効果がある。

【００４６】図６は本発明の他の実施例のシール部断面
図を示す。前述の図３〜図５に示す実施例はシール部に
ヒータを備えているが、本実施例はヒータを用いないも
のである。本実施例において、シャッター14がクライオ
ポンプ開口部12を塞いだ場合には、ポンプ外枠24上に設
置した、例えばフッ素ゴム、シリコーンゴム、フッ素樹
脂ゴム等でできている、真空シール材38とシャッターと
が接することになる。この場合、常温であるポンプ外枠
24から、液体窒素によって冷却されているシャッター14
に向かって、熱伝導により熱が侵入する。シール材38内
部には空間部が存在し、側面切り欠き部から銅やアルミ
ニウム等の熱伝導率が高い材質からなる部材49を挿入し
ている。このため、シール材38内部の熱抵抗は小さく、
シール材38では大きな温度差はつかない。ここでシャッ
ター14のシール近傍内部には熱伝導率が低い部材、例え
ばステンレス鋼やＦＲＰ等で構成された部材39が挿入さ
れ、そのシール側にはステンレス鋼等のシャッター14と
同材質の板48を溶接によりシャッター14と一体化してい
る。溶接場所は、シャッター14端部側のみであり、シャ
ッター14中心側には空間が空いている。また、シャッタ
ー14と同材質の板48と低熱伝導部材39とは接触している
だけであり、両者の接触面はシール面よりはるかに粗い
ため、この位置の接触熱抵抗は大きい。本構造によりシ
ャッター内部の熱抵抗は大きく、液体窒素が冷却してい
るシャッター中心付近と、シール部付近であるシャッタ
ー端部とでは大きな温度差がつく。したがってシール接
点温度はシャッターの内部温度約80Ｋよりもかなり高い
温度、例えば約200Ｋ程度にまで上昇する。これによ
り、シール性能は向上する。

【００４７】図７に本発明の他の実施例のシール部断面
図を示す。本実施例ではシール材38内部の高熱伝導部材
49を２分割にし、その内部にヒータ40等の加熱手段を設
けている。このように、シール材38内部のシール接点側
を加熱することによって、シール接点温度を高くするこ
とが可能であり、少ない加熱量で高い接点温度を得るこ
とができる。これにより、シール性能は向上する。

【００４８】図８に本発明の他の実施例でヒータを用い
ないシール部付近断面図を示す。本実施例では、シール
材38の幅は、シャッター14とポンプ枠24が重なる長さよ
り大きい。このため、シャッター14が閉じた時に、シー
ル材38はシャッター14横からはみ出し、シール材38はシ
ャッター14と、前面だけでなく側面とも接する。シール
材38は幅が大きいため熱抵抗が小さく、さらにシール材
38とシャッター14前面とが接触する面積が大きい上にシ
ャッター14側面とも接触することから接触熱抵抗も小さ
い。したがってシール材38における温度差は小さくな
り、シール性能が向上する。本構造により簡素な構造で
シール性能を向上することができる。

【００４９】また、上記の実施例ではいずれもルーバ、
熱シールド板、シャッター等の冷却に液体窒素を用いた
が、他の冷媒、例えば低温のヘリウムガスを用いて冷却
した場合でも、効果は同様である。

【００５０】

【発明の効果】本発明によれば、クライオポンプを、ポ
ンプ内部にシャッタおよびその駆動機構を設けたものと
したので、真空容器と連通するポンプの入口を、シール
材を介してポンプの内側から塞ぐことができ、したがっ
て、クライオポンプの再生時に、クライオパネルから離
脱したガスでクライオポンプ内の圧力が高くなっても、
その圧力はクライオポンプの内側から外側に作用してシ
ャッターは閉まり勝手となり、クライオポンプのシール
性能を高めることができ、離脱したガスが真空容器にリ
ークすることを防止できる。

【００５１】また低温に冷却されたシャッターと接する
シール材を加熱するための加熱体を設け、シール材をこ
の材料のガラス転移温度ないしそれ以上に加熱すること
により、シール性能を高めることができる。

【００５２】また再生時に、適宜経過後に加熱体の出力
を低下するように制御すれば、（再生＋クールダウン）
運転を短時間で行うことができる。

【００５３】かくして、本発明のクライオポンプの複数
台を真空容器の排気口に並列配置し、各クライオポンプ
を適宜順次に再生運転するようにシステムを構成すれ
ば、クライオポンプシステムとして排気速度も高く保っ
たまま排気運転を行うことができ、再生運転もシャッタ
ー内部に冷媒を保持したまま、短時間で行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のクライオポンプ冷却システ
ムを説明する図である。

【図２】図１のII−II断面図で、クライオパネル２個１
組のクライオポンプユニットを示す図である。

【図３】本発明の一実施例のシール接触部位を示す断面
図である。

【図４】本発明の他の実施例になるシール接触部位を示
す断面図である。

【図５】本発明のさらに他の実施例になるシール接触部
位を示す断面図である。

【図６】本発明のさらに他の実施例になるシール接触部
位を示す断面図である。

【図７】本発明のさらに他の実施例になるシール接触部
位を示す断面図である。

【図８】本発明のさらに他の実施例になるシール接触部
位を示す断面図である。

【図９】クライオポンプの原理を説明する図である。

【符号の説明】１クライオポンプ２真空容器３クライオパネル６制御装置１２開口面１３シャッター駆動装置１４シャッター２４外枠３８シール材４０ヒータ５０温度センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山下泰郎茨城県日立市国分町一丁目１番１号株式会社日立製作所国分工場内 (72)発明者河上浩幸茨城県日立市国分町一丁目１番１号株式会社日立製作所国分工場内 (72)発明者上出泰生茨城県日立市国分町一丁目１番１号株式会社日立製作所国分工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の冷媒で極低温度に冷却するクライ
オパネルと、該クライオパネルをほぼ取り囲み第２の冷
媒で低温度に冷却する輻射熱シールド板と、前記クライ
オパネル及び前記輻射熱シールド板を内包するポンプ枠
とを備え、該ポンプ枠に設けた入口を介して真空容器に
連通するクライオポンプにおいて、ポンプ内で前記ポン
プ枠の入口に対向して設けられ第２の冷媒で低温度に冷
却するシャッターと、ポンプ内で該シャッターを前記ポ
ンプ枠の入口に対して接離方向に移動させる駆動機構
と、前記ポンプ枠の入口に取り付けられ該入口と前記シ
ャッターの近接時に対向面を密封するゴム又は合成樹脂
製のシール材と、該シール材と前記シャッターとの接触
部位を加熱するための加熱体と、前記接触部位の温度を
検出するための温度センサと、前記温度センサの検出値
を基に前記加熱体の出力を制御する制御装置と、を設け
たことを特徴とするクライオポンプ。
【請求項２】前記温度センサをポンプ枠上に、前記加
熱体をポンプ枠の壁内に設置し、前記制御装置は前記温
度センサの検出値から前記シール材と前記シャッターの
接触部位の温度を算出することを特徴とする請求項１記
載のクライオポンプ。
【請求項３】前記制御装置は前記算出した接触部位の
温度が前記シール材のガラス転移温度ないし該ガラス転
移温度を超える温度に上昇するように前記加熱体の出力
を制御することを特徴とする請求項２記載のクライオポ
ンプ。
【請求項４】第１の冷媒で極低温度に冷却するクライ
オパネルと、該クライオパネルをほぼ取り囲み第２の冷
媒で低温度に冷却する輻射熱シールド板と、前記クライ
オパネル及び前記輻射熱シールド板を内包するポンプ枠
とを備え、該ポンプ枠に設けた入口を介して真空容器に
連通するクライオポンプにおいて、ポンプ内で前記ポン
プ枠の入口に対向して設けられ第２の冷媒で低温度に冷
却するシャッターと、ポンプ内で該シャッターを前記ポ
ンプ枠の入口に対して接離方向に移動させる駆動機構
と、前記ポンプ枠の入口に取り付けられ該入口と前記シ
ャッターの近接時に対向面を密封するゴムまたは合成樹
脂製のシール材と、前記シャッターで前記シール材に対
向する部位に設けられた加熱体と、前記シャッタで前記
シール材に対向する部位の温度を検出する温度センサ
と、前記クライオパネルを再生しようとする時に前記温
度センサの検出値を基に前記加熱体の出力を制御し、前
記温度センサの検出値が所定値になった時に前記駆動機
構によるシャッターの閉動作を制御する制御装置と、を
設けたことを特徴とするクライオポンプ。
【請求項５】前記所定値は、前記シール材のガラス転
移温度ないし該ガラス転移温度を超える温度なることを
特徴とする請求項４記載のクライオポンプ。
【請求項６】第１の冷媒で極低温度に冷却するクライ
オパネルと、該クライオパネルをほぼ取り囲み第２の冷
媒で低温度に冷却する輻射熱シールド板と、前記クライ
オパネル及び前記輻射熱シールド板を内包するポンプ枠
とを備え、該ポンプ枠に設けた入口を介して真空容器に
連通するクライオポンプにおいて、ポンプ内で前記ポン
プ枠の入口に対向して設けられ第２の冷媒で低温度に冷
却するシャッターと、ポンプ内で該シャッターを前記ポ
ンプ枠の入口に対して接離方向に移動させる駆動機構
と、前記ポンプ枠の入口に取り付けられ該入口と前記シ
ャッターの近接時に対向面を密封するゴム又は合成樹脂
製のシール材と、該シール材と前記シャッターとの接触
部位を加熱するための加熱体と、前記接触部位の温度を
検出するための温度センサと、前記ポンプ枠の入口と前
記シャッターとを前記シール材を介して密封して前記ク
ライオパネルを再生する時、前記温度センサの検出値を
取り込み、前記シャッターと前記シール材との接触部位
の温度が前記シール材のガラス転移温度を超えて上昇し
た後に、前記加熱体の出力を低下させて前記シャッター
の温度を低下させるように制御する制御装置と、を設け
たことを特徴とするクライオポンプ。
【請求項７】第１の冷媒で極低温度に冷却するクライ
オパネルと、該クライオパネルをほぼ取り囲み第２の冷
媒で低温度に冷却する輻射熱シールド板と、前記クライ
オパネル及び前記輻射熱シールド板を内包するポンプ枠
とを備え、該ポンプ枠に設けた入口を介して真空容器に
連通するクライオポンプにおいて、ポンプ内で前記ポン
プ枠の入口に対向して設けられ第２の冷媒で低温度に冷
却するシャッターと、ポンプ内で該シャッターを前記ポ
ンプ枠の入口に対して接離方向に移動させる駆動機構
と、前記ポンプ枠の入口に取り付けられ該入口と前記シ
ャッターとの間を密封するゴム又は合成樹脂製のシール
材と、該シール材内部に挿入した高熱伝導部材内に配置
した加熱体と、前記シール材と前記シャッターとの接触
部位の温度を検出するための温度センサと、該温度セン
サの検出値を基に前記加熱体の出力を制御する制御装置
と、を設けたことを特徴とするクライオポンプ。
【請求項８】第１の冷媒で極低温度に冷却するクライ
オパネルと、該クライオパネルをほぼ取り囲み第２の冷
媒で低温度に冷却する輻射熱シールド板と、前記クライ
オパネル及び前記輻射熱シールド板を内包するポンプ枠
とを備え、該ポンプ枠に設けた入口を介して真空容器に
連通するクライオポンプにおいて、ポンプ内で前記ポン
プ枠の入口に対向して設けられ第２の冷媒で低温度に冷
却するシャッターと、ポンプ内で該シャッターを前記ポ
ンプ枠の入口に対して接離方向に移動させる駆動機構
と、前記ポンプ枠の入口に取り付けられ該入口と前記シ
ャッターとの対向面を密封するゴム又は合成樹脂製のシ
ール材と、該シール材内部に挿入された高熱伝導部材
と、を設けたことを特徴とするクライオポンプ。
【請求項９】第１の冷媒で極低温度に冷却するクライ
オパネルと、該クライオパネルをほぼ取り囲み第２の冷
媒で低温度に冷却する輻射熱シールド板と、前記クライ
オパネル及び前記輻射熱シールド板を内包するポンプ枠
とを備え、該ポンプ枠に設けた入口を介して真空容器に
連通するクライオポンプにおいて、ポンプ内で前記ポン
プ枠の入口に対向して設けられ第２の冷媒で低温度に冷
却するシャッターと、ポンプ内で該シャッターを前記ポ
ンプ枠の入口に対して接離方向に移動させる駆動機構
と、前記ポンプ枠の入口に取り付けられ該入口と前記シ
ャッターとが重なる領域及び該シャッターの外側面にわ
たって当接して該入口と前記シャッターとの間を密封す
るゴム又は合成樹脂製のシール材と、を設けたことを特
徴とするクライオポンプ。