JPH084652A - クライオポンプ - Google Patents
クライオポンプInfo
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- JPH084652A JPH084652A JP6140007A JP14000794A JPH084652A JP H084652 A JPH084652 A JP H084652A JP 6140007 A JP6140007 A JP 6140007A JP 14000794 A JP14000794 A JP 14000794A JP H084652 A JPH084652 A JP H084652A
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Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
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-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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- F25B21/00—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F25B25/00—Machines, plants or systems, using a combination of modes of operation covered by two or more of the groups F25B1/00 - F25B23/00
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
- Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 真空排気用のクライオポンプに関し、磁気冷
凍機構を設けて温度を４Ｋレベル以下にして高真空排気
を可能にする。 【構成】 絶対温度４Ｋレベルの第三段ヒートステーシ
ョン２３にはシールド２４が設けられ、超伝導マグネッ
ト２５が強磁場を発生する。円筒状容器２７内には磁性
体２８があり、これを摺動可能に貫通するガイドピン３
４の上，下にヒートスイッチ３３，３１が固定され、３
１には小型超伝導マグネット３２が設けられている。マ
グネット２５の磁場の印加、除去により、磁性体２８が
磁気冷凍効果により冷却され、ヒートスイッチ３１，３
３を上下して発生した熱はヒートステーション２３に逃
し、クライオパネル３５の温度を４Ｋレベル以下に冷却
するので低沸点ガスも有効に除去し、高真空となる。
凍機構を設けて温度を４Ｋレベル以下にして高真空排気
を可能にする。 【構成】 絶対温度４Ｋレベルの第三段ヒートステーシ
ョン２３にはシールド２４が設けられ、超伝導マグネッ
ト２５が強磁場を発生する。円筒状容器２７内には磁性
体２８があり、これを摺動可能に貫通するガイドピン３
４の上，下にヒートスイッチ３３，３１が固定され、３
１には小型超伝導マグネット３２が設けられている。マ
グネット２５の磁場の印加、除去により、磁性体２８が
磁気冷凍効果により冷却され、ヒートスイッチ３１，３
３を上下して発生した熱はヒートステーション２３に逃
し、クライオパネル３５の温度を４Ｋレベル以下に冷却
するので低沸点ガスも有効に除去し、高真空となる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は真空排気用のクライオポ
ンプに関する。
ンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】図３は従来のクライオポンプの断面図で
ある。１はギフォード・マクマホンサイクル等に適用さ
れるピストンまたはディスプレーサを用いた往復動式冷
凍機、２は前記冷凍機１に供給するヘリウムガスを高圧
にするガス圧縮機、３は高圧ヘリウムガスを冷凍機１に
供給するための高圧ガス配管、４は冷凍機１からの戻り
の低圧ヘリウムガスが通る低圧ガス配管、５は冷凍機１
の第一段シリンダ、６は第二段シリンダ、７は冷凍機１
が寒冷を発生する第一段ヒートステーション、８は第二
段ヒートステーション、９は第一段ヒートステーション
７に取付けられたシールド、１０は第二段ヒートステー
ション８に取付けられたクライオパネル、１１はクライ
オパネル１０の上部に取付けられたバッフル、１２はポ
ンプケース、１３はクライオポンプにより真空排気をす
る真空容器、１４はポンプケース１２と真空容器１３を
接続するためのフランジ、１５は真空を保持するための
シール、１６は冷凍機１とポンプケース１２の結合部で
溶接等により結合されている。１７は真空容器１３の真
空部である。
ある。１はギフォード・マクマホンサイクル等に適用さ
れるピストンまたはディスプレーサを用いた往復動式冷
凍機、２は前記冷凍機１に供給するヘリウムガスを高圧
にするガス圧縮機、３は高圧ヘリウムガスを冷凍機１に
供給するための高圧ガス配管、４は冷凍機１からの戻り
の低圧ヘリウムガスが通る低圧ガス配管、５は冷凍機１
の第一段シリンダ、６は第二段シリンダ、７は冷凍機１
が寒冷を発生する第一段ヒートステーション、８は第二
段ヒートステーション、９は第一段ヒートステーション
７に取付けられたシールド、１０は第二段ヒートステー
ション８に取付けられたクライオパネル、１１はクライ
オパネル１０の上部に取付けられたバッフル、１２はポ
ンプケース、１３はクライオポンプにより真空排気をす
る真空容器、１４はポンプケース１２と真空容器１３を
接続するためのフランジ、１５は真空を保持するための
シール、１６は冷凍機１とポンプケース１２の結合部で
溶接等により結合されている。１７は真空容器１３の真
空部である。
【０００３】このような構成のクライオポンプにおい
て、ガス圧縮機２で高圧にされたヘリウムガスは冷凍機
１の第一段シリンダ５及び第二段シリンダ６に内蔵され
たピストンまたはディスプレーサが１分間に１２０回程
度の往復動を行って高圧ヘリウムガスを断熱膨張させる
ことによってガスが低温となり、間欠的に第一段ヒート
ステーション７及び第二段ヒートステーション８に寒冷
を発生する。
て、ガス圧縮機２で高圧にされたヘリウムガスは冷凍機
１の第一段シリンダ５及び第二段シリンダ６に内蔵され
たピストンまたはディスプレーサが１分間に１２０回程
度の往復動を行って高圧ヘリウムガスを断熱膨張させる
ことによってガスが低温となり、間欠的に第一段ヒート
ステーション７及び第二段ヒートステーション８に寒冷
を発生する。
【０００４】シールド９は第一段ヒートステーション７
に熱的に接続されて冷却されており、また、パッフル１
１もシールド９を介して冷却されており、いずれも温度
は８０Ｋ前後である。
に熱的に接続されて冷却されており、また、パッフル１
１もシールド９を介して冷却されており、いずれも温度
は８０Ｋ前後である。
【０００５】第二段ヒートステーション８及びクライオ
パネル１０の温度は２０Ｋ程度に冷却される。真空容器
１３内部のガス及び水蒸気は真空部１７からバッフル１
１に衝突して温度が下げられた後、シールド９内部に入
る。比較的高沸点のガス（例えば、酸素ガス等の沸点８
０Ｋ以上のガス）及び水蒸気はバッフル１１、シールド
９に凝縮され、低沸点のガス（例えば、窒素ガス、水素
ガス等の沸点８０Ｋ以下のガス）はクライオパネル１０
に凝縮される。
パネル１０の温度は２０Ｋ程度に冷却される。真空容器
１３内部のガス及び水蒸気は真空部１７からバッフル１
１に衝突して温度が下げられた後、シールド９内部に入
る。比較的高沸点のガス（例えば、酸素ガス等の沸点８
０Ｋ以上のガス）及び水蒸気はバッフル１１、シールド
９に凝縮され、低沸点のガス（例えば、窒素ガス、水素
ガス等の沸点８０Ｋ以下のガス）はクライオパネル１０
に凝縮される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】前述の従来のクライオ
ポンプには解決すべき次の課題があった。即ち、従来の
クライオポンプでは第二段ヒートステーションに取付け
られたクライオポンプの温度が２０Ｋ程度であったた
め、真空容器からの排気ガスに水素、ヘリウム等低沸点
のガスが含まれている場合、クライオポンプの排気能力
が低下し、真空容器を高真空まで排気するのが困難であ
った。
ポンプには解決すべき次の課題があった。即ち、従来の
クライオポンプでは第二段ヒートステーションに取付け
られたクライオポンプの温度が２０Ｋ程度であったた
め、真空容器からの排気ガスに水素、ヘリウム等低沸点
のガスが含まれている場合、クライオポンプの排気能力
が低下し、真空容器を高真空まで排気するのが困難であ
った。
【０００７】また、最近、寒冷発生源である冷凍機の改
良が進んだ結果、第三段ヒートステーションを増設しク
ライオパネルの最低温度を４Ｋ程度まで下げる構造が可
能となったが、排気ガスにヘリウムが多く含まれる場合
は上記と同様にクライオポンプの排気能力が低下し、真
空容器を高真空まで排気するのが困難であった。
良が進んだ結果、第三段ヒートステーションを増設しク
ライオパネルの最低温度を４Ｋ程度まで下げる構造が可
能となったが、排気ガスにヘリウムが多く含まれる場合
は上記と同様にクライオポンプの排気能力が低下し、真
空容器を高真空まで排気するのが困難であった。
【０００８】本発明は、以上の問題点を解決することが
できる低温で作動し、排気ガスの種類に関係なく高真空
が得られるクライオポンプを提供することを目的として
いる。
できる低温で作動し、排気ガスの種類に関係なく高真空
が得られるクライオポンプを提供することを目的として
いる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】そのため本発明は、クラ
イオポンプの第三ヒートステーションに超伝導マグネッ
ト、磁性体とからなる磁気冷凍機構を設けてその磁気冷
凍効果により前記磁性体の温度を低下させて、温度４Ｋ
以下のクライオパネル面を実現したクライオポンプを提
供し、又、第三ヒートステーションの具体的な構成とし
て、シールドと密閉円筒容器とをヒートステーションに
設けて、超伝導マグネットと磁性体とを取付ける構成の
クライオポンプも提供する。
イオポンプの第三ヒートステーションに超伝導マグネッ
ト、磁性体とからなる磁気冷凍機構を設けてその磁気冷
凍効果により前記磁性体の温度を低下させて、温度４Ｋ
以下のクライオパネル面を実現したクライオポンプを提
供し、又、第三ヒートステーションの具体的な構成とし
て、シールドと密閉円筒容器とをヒートステーションに
設けて、超伝導マグネットと磁性体とを取付ける構成の
クライオポンプも提供する。
【００１０】即ち、本発明は、（１）ギフォード・マク
マホンサイクル等の冷凍サイクルを使用した多段のヒー
トステーションを有する冷凍機を寒冷発生源とするクラ
イオポンプにおいて、前記冷凍機の絶対温度４Ｋレベル
の第三段ヒートステーションの近辺に超伝導マグネット
と磁性体とからなる磁気冷凍機構を設置してなることを
特徴とするクライオポンプを提供する。
マホンサイクル等の冷凍サイクルを使用した多段のヒー
トステーションを有する冷凍機を寒冷発生源とするクラ
イオポンプにおいて、前記冷凍機の絶対温度４Ｋレベル
の第三段ヒートステーションの近辺に超伝導マグネット
と磁性体とからなる磁気冷凍機構を設置してなることを
特徴とするクライオポンプを提供する。
【００１１】又、（２）前述の（１）の発明において、
前記第三段ヒートステーションにはシールドと、同シー
ルド内に密閉円筒容器とを設け、同シールドには前記超
伝導マグネットを取付け、同密閉円筒容器内に前記磁性
体を設けてなることを特徴とするクライオポンプも提供
するものである。
前記第三段ヒートステーションにはシールドと、同シー
ルド内に密閉円筒容器とを設け、同シールドには前記超
伝導マグネットを取付け、同密閉円筒容器内に前記磁性
体を設けてなることを特徴とするクライオポンプも提供
するものである。
【００１２】
【作用】本発明は前述のような手段により、（１）クラ
イオポンプの寒冷発生源となる冷凍機の絶対温度４Ｋレ
ベルの第三ヒートステーションに超伝導マグネットと磁
性体とからなる磁気冷凍機構を設置したことにより、こ
の磁気冷凍機構の超伝導マグネットから発生する強い磁
場を磁性体に印加した場合の磁性体の発熱、磁場を除去
した場合の吸熱が発生する磁気熱量効果を利用して磁性
体の温度を低下させる。この磁性体により第三ヒートス
テーションの温度を更に低下させて温度４Ｋ以下のクラ
イオパネル面を実現すると共に排気ガスの種類に関係な
く、低沸点ガスでも有効に排気され、排気能力（排気速
度）が飛躍的に大きいクライオポンプを提供できる。そ
の結果、短時間で真空容器の到達真空度を高くできる。
イオポンプの寒冷発生源となる冷凍機の絶対温度４Ｋレ
ベルの第三ヒートステーションに超伝導マグネットと磁
性体とからなる磁気冷凍機構を設置したことにより、こ
の磁気冷凍機構の超伝導マグネットから発生する強い磁
場を磁性体に印加した場合の磁性体の発熱、磁場を除去
した場合の吸熱が発生する磁気熱量効果を利用して磁性
体の温度を低下させる。この磁性体により第三ヒートス
テーションの温度を更に低下させて温度４Ｋ以下のクラ
イオパネル面を実現すると共に排気ガスの種類に関係な
く、低沸点ガスでも有効に排気され、排気能力（排気速
度）が飛躍的に大きいクライオポンプを提供できる。そ
の結果、短時間で真空容器の到達真空度を高くできる。
【００１３】更に、（２）の発明として、第三ヒートス
テーションにシールドを設け、更にこのシールド内に密
閉円筒容器を設けて、超伝導マグネットはシールドの外
周に、磁性体は密閉円筒容器内にそれぞれ取付ける構成
としたので、（１）の発明の作用に加え、超伝導マグネ
ットの励磁による磁性体の冷却が効果的になされるもの
である。
テーションにシールドを設け、更にこのシールド内に密
閉円筒容器を設けて、超伝導マグネットはシールドの外
周に、磁性体は密閉円筒容器内にそれぞれ取付ける構成
としたので、（１）の発明の作用に加え、超伝導マグネ
ットの励磁による磁性体の冷却が効果的になされるもの
である。
【００１４】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて具体
的に説明する。図１は本発明の一実施例に係るクライオ
ポンプの断面図、図２は磁気冷凍法を説明する磁気冷凍
サイクル線図である。なお、図１において、符号１乃至
９，１１乃至１７は図３に示す従来例の構成部材と同じ
であるので、詳しい説明は省略し、そのまま引用して説
明する。
的に説明する。図１は本発明の一実施例に係るクライオ
ポンプの断面図、図２は磁気冷凍法を説明する磁気冷凍
サイクル線図である。なお、図１において、符号１乃至
９，１１乃至１７は図３に示す従来例の構成部材と同じ
であるので、詳しい説明は省略し、そのまま引用して説
明する。
【００１５】図１において、２１は第二段ヒートステー
ション８に取付けられたシールド、２２はシールド２１
を介して冷却されるバッフルで、バッフル１１の下部に
取付けられている。２３は第三段ヒートステーション、
２４はシールド、２５はシールド２４に取付けられた超
伝導マグネット、２６はシールド２４を介して冷却され
るバッフルで、バッフル２２の下部に取付けられてい
る。シールド２１及びバッフル２２の温度は２０Ｋ程度
に冷却される。また、第三段ヒートステーション２３、
シールド２４、超伝導マグネット２５及びバッフル２６
の温度は４Ｋ程度に冷却される。
ション８に取付けられたシールド、２２はシールド２１
を介して冷却されるバッフルで、バッフル１１の下部に
取付けられている。２３は第三段ヒートステーション、
２４はシールド、２５はシールド２４に取付けられた超
伝導マグネット、２６はシールド２４を介して冷却され
るバッフルで、バッフル２２の下部に取付けられてい
る。シールド２１及びバッフル２２の温度は２０Ｋ程度
に冷却される。また、第三段ヒートステーション２３、
シールド２４、超伝導マグネット２５及びバッフル２６
の温度は４Ｋ程度に冷却される。
【００１６】２７は、第三段ヒートステーション２３に
取付けられた密閉した円筒状容器である。この円筒容器
２７の底部は第三段ヒートステーション２３と兼用した
構造となっており、温度４Ｋ程度に冷却される。円筒容
器２７の側面部（筒状部）は熱伝導率の小さい材料で作
られており、側面部を通しての底部と上部の固体による
伝熱量は小さい構造となっている。また、円筒容器２７
の上部はクライオパネル３５と兼用した構造となってい
る。
取付けられた密閉した円筒状容器である。この円筒容器
２７の底部は第三段ヒートステーション２３と兼用した
構造となっており、温度４Ｋ程度に冷却される。円筒容
器２７の側面部（筒状部）は熱伝導率の小さい材料で作
られており、側面部を通しての底部と上部の固体による
伝熱量は小さい構造となっている。また、円筒容器２７
の上部はクライオパネル３５と兼用した構造となってい
る。
【００１７】２８は円筒容器２７の中央部に設けられた
磁性体である。磁性体２８の代表的なものとして、ＧＧ
Ｇ（Ｇｄ3 Ｇａ5 Ｏ12, ガドリニウム・ガリウム・ガー
ネット）等がある。２９，３０は円筒容器２７内部の磁
性体２８の下部，上部に設けられた空間であり、高圧ヘ
リウムガスが封入されている。
磁性体である。磁性体２８の代表的なものとして、ＧＧ
Ｇ（Ｇｄ3 Ｇａ5 Ｏ12, ガドリニウム・ガリウム・ガー
ネット）等がある。２９，３０は円筒容器２７内部の磁
性体２８の下部，上部に設けられた空間であり、高圧ヘ
リウムガスが封入されている。
【００１８】３１は前記の下部空間２９に設けられた熱
伝導率の小さい材料で作られたヒートスイッチ、３２は
ヒートスイッチ３１に設けられた小型超伝導マグネッ
ト、３３は上部空間３０に設けられた熱伝導率の小さい
材料で作られたヒートスイッチ、３４はヒートスイッチ
３１とヒートスイッチ３３とを連結したガイドピンであ
り、磁性体２８をルーズに貫通している。
伝導率の小さい材料で作られたヒートスイッチ、３２は
ヒートスイッチ３１に設けられた小型超伝導マグネッ
ト、３３は上部空間３０に設けられた熱伝導率の小さい
材料で作られたヒートスイッチ、３４はヒートスイッチ
３１とヒートスイッチ３３とを連結したガイドピンであ
り、磁性体２８をルーズに貫通している。
【００１９】超伝導マグネット２５が磁場を発生する
と、小型超伝導マグネット３２の磁場との相互作用でマ
グネットが上下方向に力を受け、この力によりガイドピ
ン３４に連結されたヒートスイッチ３１，３３が同時に
上下に滑らかに動く構造となっている。ガイドピン３４
が図１に示すように上死点まで移動した場合、ヒートス
イッチ３１の上面は磁性体２８の下面と接し、磁性体２
８の下面は殆んど全面がヒートスイッチ３１に覆われ、
ガイドピン３４が逆に下死点まで移動した場合、ヒート
スイッチ３３の下面は磁性体２８の上面と接し、磁性体
２８の上面は殆んど全面がヒートスイッチ３３に覆われ
る構造となっている。３５は円筒容器２７の上面に取付
けられたクライオパネルで、一部は円筒容器２７の上面
と兼用している。
と、小型超伝導マグネット３２の磁場との相互作用でマ
グネットが上下方向に力を受け、この力によりガイドピ
ン３４に連結されたヒートスイッチ３１，３３が同時に
上下に滑らかに動く構造となっている。ガイドピン３４
が図１に示すように上死点まで移動した場合、ヒートス
イッチ３１の上面は磁性体２８の下面と接し、磁性体２
８の下面は殆んど全面がヒートスイッチ３１に覆われ、
ガイドピン３４が逆に下死点まで移動した場合、ヒート
スイッチ３３の下面は磁性体２８の上面と接し、磁性体
２８の上面は殆んど全面がヒートスイッチ３３に覆われ
る構造となっている。３５は円筒容器２７の上面に取付
けられたクライオパネルで、一部は円筒容器２７の上面
と兼用している。
【００２０】前述のように、本発明の実施例において
は、図３に示す従来のクライオポンプに第三ヒートステ
ーション２３を設けて、温度を４Ｋレベルにすると共
に、更に４Ｋレベル以下とするために、磁気冷凍機構を
設けたものである。磁気冷凍機構は、シールド２４に超
伝導マグネット２５を設け、円筒状容器２７、この中に
空間２９，３０を有して設けられた磁性体２８、上，下
のヒートスイッチ３１及び３３、これらを連結するガイ
ドピン３４、ヒートスイッチ３１に設けられた小型超伝
導マグネット３２からなる機構となっている。このよう
な機構によりクライオパネル３５の温度を４Ｋレベル以
下に冷却する。
は、図３に示す従来のクライオポンプに第三ヒートステ
ーション２３を設けて、温度を４Ｋレベルにすると共
に、更に４Ｋレベル以下とするために、磁気冷凍機構を
設けたものである。磁気冷凍機構は、シールド２４に超
伝導マグネット２５を設け、円筒状容器２７、この中に
空間２９，３０を有して設けられた磁性体２８、上，下
のヒートスイッチ３１及び３３、これらを連結するガイ
ドピン３４、ヒートスイッチ３１に設けられた小型超伝
導マグネット３２からなる機構となっている。このよう
な機構によりクライオパネル３５の温度を４Ｋレベル以
下に冷却する。
【００２１】図２は磁気冷凍サイクルの図で、磁気冷凍
法とは、磁性体に強い外磁場を加えた場合に磁性体が発
熱し、その加えた外磁場を除くと吸熱する磁気熱量効果
と呼ばれる現象を利用したものである。即ち、図２にお
いて理想的な場合を次に説明する。
法とは、磁性体に強い外磁場を加えた場合に磁性体が発
熱し、その加えた外磁場を除くと吸熱する磁気熱量効果
と呼ばれる現象を利用したものである。即ち、図２にお
いて理想的な場合を次に説明する。
【００２２】（１→２）：（等温磁化過程）、等温（Ｔ
1 ＝一定）という条件下で磁場をＨ 1 からＨ2 まで増加
して磁性体を磁化する。磁性体は磁化される過程で磁気
エントロピー（ΔＳ）を高熱源に放出する。（磁性体の
放熱量Ｑ1)高熱源とは図１では第三段ヒートステーショ
ン２３に相当する。
1 ＝一定）という条件下で磁場をＨ 1 からＨ2 まで増加
して磁性体を磁化する。磁性体は磁化される過程で磁気
エントロピー（ΔＳ）を高熱源に放出する。（磁性体の
放熱量Ｑ1)高熱源とは図１では第三段ヒートステーショ
ン２３に相当する。
【００２３】（２→３）：（断熱消磁過程）、磁性体と
外界との熱交換を遮断（断熱）した後、磁場をＨ2 から
Ｈ3 まで下げる。この過程で磁性体の温度はＴ1 からＴ
2 へ下がる。
外界との熱交換を遮断（断熱）した後、磁場をＨ2 から
Ｈ3 まで下げる。この過程で磁性体の温度はＴ1 からＴ
2 へ下がる。
【００２４】（３→４）：（等温消磁過程）、磁性体と
低熱源（冷却しようとする物質）との間で熱交換を行わ
せる過程（等温）で、磁場をＨ3 からＨ4 まで減少して
いく。（磁性体の吸熱量Ｑ2)低熱源とは図１ではクライ
オパネル３５に相当する。
低熱源（冷却しようとする物質）との間で熱交換を行わ
せる過程（等温）で、磁場をＨ3 からＨ4 まで減少して
いく。（磁性体の吸熱量Ｑ2)低熱源とは図１ではクライ
オパネル３５に相当する。
【００２５】（４→１）：（断熱磁化過程）、磁場をＨ
4 からＨ1 まで断熱の条件下で増加する過程であり、こ
の過程で磁性体の温度がＴ2 からＴ1 まで上昇する。
4 からＨ1 まで断熱の条件下で増加する過程であり、こ
の過程で磁性体の温度がＴ2 からＴ1 まで上昇する。
【００２６】以上のような磁気カルノーサイクルを繰り
返すことにより、高熱源（温度Ｔ1の第三段ヒートステ
ーション２３）にはＱ1 の熱量を放熱し、低熱源（温度
Ｔ2のクライオパネル３５）にはＱ2 の熱量が吸熱さ
れ、従って、クライオパネル３５の温度がＴ1(４Ｋ）以
下に低下すると共にこのような低温でクライオパネル３
５に凝縮するガスの熱量を吸熱できる。また、カルノー
サイクルを採用しているため理論的にも寒冷発生効率は
高くなっている。
返すことにより、高熱源（温度Ｔ1の第三段ヒートステ
ーション２３）にはＱ1 の熱量を放熱し、低熱源（温度
Ｔ2のクライオパネル３５）にはＱ2 の熱量が吸熱さ
れ、従って、クライオパネル３５の温度がＴ1(４Ｋ）以
下に低下すると共にこのような低温でクライオパネル３
５に凝縮するガスの熱量を吸熱できる。また、カルノー
サイクルを採用しているため理論的にも寒冷発生効率は
高くなっている。
【００２７】次に図１の構成での本実施例の作用につい
て説明するが、クライオポンプを作動するにはまず、予
冷が必要であり、予冷の手順を説明した後、図２のサイ
クル線図に沿って１→２→３→４→１の順に以下説明す
る。
て説明するが、クライオポンプを作動するにはまず、予
冷が必要であり、予冷の手順を説明した後、図２のサイ
クル線図に沿って１→２→３→４→１の順に以下説明す
る。
【００２８】第一段ヒートステーション７、シールド
９、バッフル１１は温度８０Ｋ程度に冷却されている。
第二段ヒートステーション８、シールド２１、バッフル
２２は温度２０Ｋ程度に冷却されている。第三段ヒート
ステーション２３、シールド２４、超伝導マグネット２
５、バッフル２６は温度４Ｋ程度に冷却されている。こ
こまでの冷却方法は図３に示す従来例と同様である。
９、バッフル１１は温度８０Ｋ程度に冷却されている。
第二段ヒートステーション８、シールド２１、バッフル
２２は温度２０Ｋ程度に冷却されている。第三段ヒート
ステーション２３、シールド２４、超伝導マグネット２
５、バッフル２６は温度４Ｋ程度に冷却されている。こ
こまでの冷却方法は図３に示す従来例と同様である。
【００２９】円筒容器２７、磁性体２８、ヒートスイッ
チ３１，３３、小型超伝導マグネット３２、クライオパ
ネル３５を温度４Ｋ程度に冷却するには次の手順を行
う。まず、ヒートスイッチ３１，３３が下死点の位置
（図１は上死点）にある場合（ヒートスイッチ３１，３
３が上死点にある場合も以下に説明する手順と類似方法
で冷却できる。) 、下部空間２９内部に封入された高圧
ヘリウムガスが第三段ヒートステーション２３との熱伝
導作用により小型超伝導マグネット３２、ヒートスイッ
チ３１、磁性体２８、円筒容器２７を温度４Ｋ程度まで
冷却する。
チ３１，３３、小型超伝導マグネット３２、クライオパ
ネル３５を温度４Ｋ程度に冷却するには次の手順を行
う。まず、ヒートスイッチ３１，３３が下死点の位置
（図１は上死点）にある場合（ヒートスイッチ３１，３
３が上死点にある場合も以下に説明する手順と類似方法
で冷却できる。) 、下部空間２９内部に封入された高圧
ヘリウムガスが第三段ヒートステーション２３との熱伝
導作用により小型超伝導マグネット３２、ヒートスイッ
チ３１、磁性体２８、円筒容器２７を温度４Ｋ程度まで
冷却する。
【００３０】次に、小型超伝導マグネット３２に電流を
流すと超伝導マグネット２５が発生している磁場の作用
によりヒートスイッチ３１、３３は上死点の位置（図１
に示す位置）に移動する。この時上部空間３０内部に封
入された高圧ヘリウムガスの作用によりクライオパネル
３５は冷却される。上記の操作を数回繰り返すことによ
り円筒容器２７、磁性体２８、ヒートスイッチ３１，３
３、小型超伝導マグネット３２、クライオパネル３５を
温度４Ｋ程度に冷却できる。
流すと超伝導マグネット２５が発生している磁場の作用
によりヒートスイッチ３１、３３は上死点の位置（図１
に示す位置）に移動する。この時上部空間３０内部に封
入された高圧ヘリウムガスの作用によりクライオパネル
３５は冷却される。上記の操作を数回繰り返すことによ
り円筒容器２７、磁性体２８、ヒートスイッチ３１，３
３、小型超伝導マグネット３２、クライオパネル３５を
温度４Ｋ程度に冷却できる。
【００３１】次に図１、図２により、磁気冷凍法により
クライオパネル３５を温度４Ｋ以下に冷却する場合の手
順を具体的に説明する。
クライオパネル３５を温度４Ｋ以下に冷却する場合の手
順を具体的に説明する。
【００３２】（１→２）：（等温磁化過程）、ヒートス
イッチ３１，３３は下死点にあり、ヒートスイッチ３３
の下面は磁性体２８の上面に接している。この状態で、
超伝導マグネット２５の磁場をＨ1 からＨ2 まで増加す
ると、磁性体２８から発生する熱（Ｑ1)は下部空間２９
に封入された高圧ヘリウムガスを介して第三段ヒートス
テーション２３に吸収される。磁性体２８の上面は前述
のように熱伝導率の小さいヒートスイッチ３３で覆われ
ているのでクライオパネル３５への伝熱量は非常に小さ
い。この状態では、磁性体２８の温度は４Ｋ（Ｔ1)に保
持される。
イッチ３１，３３は下死点にあり、ヒートスイッチ３３
の下面は磁性体２８の上面に接している。この状態で、
超伝導マグネット２５の磁場をＨ1 からＨ2 まで増加す
ると、磁性体２８から発生する熱（Ｑ1)は下部空間２９
に封入された高圧ヘリウムガスを介して第三段ヒートス
テーション２３に吸収される。磁性体２８の上面は前述
のように熱伝導率の小さいヒートスイッチ３３で覆われ
ているのでクライオパネル３５への伝熱量は非常に小さ
い。この状態では、磁性体２８の温度は４Ｋ（Ｔ1)に保
持される。
【００３３】（２→３）：（断熱消磁過程）、小型超伝
導マグネット３２の電流の向きを変え、ヒートスイッチ
３１，３３を上死点まで移動させる。（図１の状態とな
る）同時に超伝導マグネット２５の磁場をＨ2 からＨ3
まで下げる。この過程で磁性体２８の温度は４Ｋ（Ｔ1)
以下に下がる。
導マグネット３２の電流の向きを変え、ヒートスイッチ
３１，３３を上死点まで移動させる。（図１の状態とな
る）同時に超伝導マグネット２５の磁場をＨ2 からＨ3
まで下げる。この過程で磁性体２８の温度は４Ｋ（Ｔ1)
以下に下がる。
【００３４】（３→４）：（等温消磁過程）、図１の状
態で、上部空間３０に封入された高圧ヘリウムガスを介
して磁性体２８が発生した寒冷によりクライオパネル３
５は４Ｋ以下に冷却される。又、前記と同じく、ヒート
スイッチ３１が磁性体２８の下面を完全に覆っているの
で第三ヒートステーション２３への熱伝達はなく、第三
ヒートステーションは冷却されない。同時に超伝導マグ
ネット２５の磁場をＨ 3 からＨ4 まで減少する。
態で、上部空間３０に封入された高圧ヘリウムガスを介
して磁性体２８が発生した寒冷によりクライオパネル３
５は４Ｋ以下に冷却される。又、前記と同じく、ヒート
スイッチ３１が磁性体２８の下面を完全に覆っているの
で第三ヒートステーション２３への熱伝達はなく、第三
ヒートステーションは冷却されない。同時に超伝導マグ
ネット２５の磁場をＨ 3 からＨ4 まで減少する。
【００３５】（４→１）：（断熱磁化過程）、小型超伝
導マグネット３２の電流の向きを変え、ヒートスイッチ
３１，３３を下死点まで移動させる。同時に超伝導マグ
ネット２５の磁場をＨ4 からＨ1 まで増加する。磁性体
２８の温度は４Ｋ（Ｔ1)まで上昇する。
導マグネット３２の電流の向きを変え、ヒートスイッチ
３１，３３を下死点まで移動させる。同時に超伝導マグ
ネット２５の磁場をＨ4 からＨ1 まで増加する。磁性体
２８の温度は４Ｋ（Ｔ1)まで上昇する。
【００３６】以上のような磁気冷凍サイクルを繰り返す
ことにより、定常的に温度４Ｋ以下の寒冷を発生でき、
クライオパネル３５の温度を４Ｋ以下に保持できること
になる。
ことにより、定常的に温度４Ｋ以下の寒冷を発生でき、
クライオパネル３５の温度を４Ｋ以下に保持できること
になる。
【００３７】クライオポンプ運転時は、真空容器１３内
部のガス及び水蒸気は真空部１７からバッフル１１に衝
突して温度が下げられた後、シールド９内部に入る。比
較的高沸点のガス（例えば、酸素ガス等の沸点８０Ｋ以
上のガス）及び水蒸気はバッフル１１、シールド９に凝
縮され、低沸点のガス（例えば、窒素ガス、水素ガス、
ヘリウムガス等の沸点８０Ｋ以下のガス）はバッフル２
２に衝突して温度が下げられた後、シールド２１内部に
入る。
部のガス及び水蒸気は真空部１７からバッフル１１に衝
突して温度が下げられた後、シールド９内部に入る。比
較的高沸点のガス（例えば、酸素ガス等の沸点８０Ｋ以
上のガス）及び水蒸気はバッフル１１、シールド９に凝
縮され、低沸点のガス（例えば、窒素ガス、水素ガス、
ヘリウムガス等の沸点８０Ｋ以下のガス）はバッフル２
２に衝突して温度が下げられた後、シールド２１内部に
入る。
【００３８】窒素ガス、水素ガス等沸点２０Ｋ以上のガ
スはバッフル２２、シールド２１に凝縮される。バッフ
ル２２、シールド２１に凝縮されなかった水素ガスの一
部やヘリウムガスはバッフル２６に衝突してシールド２
４内部に入る。
スはバッフル２２、シールド２１に凝縮される。バッフ
ル２２、シールド２１に凝縮されなかった水素ガスの一
部やヘリウムガスはバッフル２６に衝突してシールド２
４内部に入る。
【００３９】水素ガスやヘリウムガスはバッフル２６、
シールド２４に凝縮されるがバッフル２６、シールド２
４に凝縮されなかったヘリウムガスの一部は温度４Ｋ以
下のクライオパネル３５に確実に凝縮されることにな
る。
シールド２４に凝縮されるがバッフル２６、シールド２
４に凝縮されなかったヘリウムガスの一部は温度４Ｋ以
下のクライオパネル３５に確実に凝縮されることにな
る。
【００４０】
【発明の効果】以上、具体的に説明したように、本発明
においては、ギフォード・マクマホンサイクル等の冷凍
サイクルを使用した冷凍機を寒冷発生源とするクライオ
ポンプにおいて、冷凍機の第三段ヒートステーションに
超伝導マグネットと磁性体を設置し、磁気冷凍効果によ
り磁性体の温度を低下させて、温度４Ｋ以下のクライオ
パネル面を実現すると共に排気ガスの種類に関係なく排
気能力（排気速度）が飛躍的に大きいクライオポンプが
可能となる。その結果、短時間で真空容器の到達真空度
を高くできる。
においては、ギフォード・マクマホンサイクル等の冷凍
サイクルを使用した冷凍機を寒冷発生源とするクライオ
ポンプにおいて、冷凍機の第三段ヒートステーションに
超伝導マグネットと磁性体を設置し、磁気冷凍効果によ
り磁性体の温度を低下させて、温度４Ｋ以下のクライオ
パネル面を実現すると共に排気ガスの種類に関係なく排
気能力（排気速度）が飛躍的に大きいクライオポンプが
可能となる。その結果、短時間で真空容器の到達真空度
を高くできる。
【図１】本発明の一実施例に係るクライオポンプの全体
構成を示す断面図である。
構成を示す断面図である。
【図２】本発明に適用される磁気冷凍サイクルの図であ
る。
る。
【図３】従来のクライオポンプの全体構成を示す断面図
である。
である。
１ 往復動冷凍機 ５ 第一段シリンダ ６ 第二段シリンダ ７ 第一段ヒートステーション ８ 第二段ヒートステーション １２ ポンプケース １３ 真空容器 ２１ シールド ２２ バッフル ２３ 第三段ヒートステーション ２４ シールド ２５ 超伝導マグネット ２６ バッフル ２７ 円筒状容器 ２８ 磁性体 ２９ 空間 ３０ 空間 ３１ ヒートスイッチ ３２ 小型超伝導マグネット ３３ ヒートスイッチ ３４ ガイドピン ３５ クライオパネル
Claims (2)
- 【請求項１】 ギフォード・マクマホンサイクル等の冷
凍サイクルを使用した多段のヒートステーションを有す
る冷凍機を寒冷発生源とするクライオポンプにおいて、
前記冷凍機の絶対温度４Ｋレベルの第三段ヒートステー
ションに超伝導マグネットと磁性体とからなる磁気冷凍
機構を設置してなることを特徴とするクライオポンプ。 - 【請求項２】 前記第三段ヒートステーションにはシー
ルドと、同シールド内に密閉円筒容器とを設け、同シー
ルドには前記超伝導マグネットを取付け、同密閉円筒容
器内に前記磁性体を設けてなることを特徴とする請求項
１記載のクライオポンプ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6140007A JPH084652A (ja) | 1994-06-22 | 1994-06-22 | クライオポンプ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6140007A JPH084652A (ja) | 1994-06-22 | 1994-06-22 | クライオポンプ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH084652A true JPH084652A (ja) | 1996-01-09 |
Family
ID=15258770
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6140007A Withdrawn JPH084652A (ja) | 1994-06-22 | 1994-06-22 | クライオポンプ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH084652A (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013204973A (ja) * | 2012-03-29 | 2013-10-07 | Toshiba Corp | 磁気冷凍デバイス及び磁気冷凍システム |
| CN107424853A (zh) * | 2017-04-24 | 2017-12-01 | 上海交通大学 | 一种用于低温系统的电磁离合主动控制接触式热开关装置 |
| CN107731579A (zh) * | 2017-09-29 | 2018-02-23 | 上海润理真空技术有限公司 | 一种应用于真空设备的热传导开关 |
| CN110608149A (zh) * | 2018-06-14 | 2019-12-24 | 上海优拓低温技术有限公司 | 一种低温泵 |
| JP2021063255A (ja) * | 2019-10-11 | 2021-04-22 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 | 磁気冷凍材料、これを用いた磁気冷凍システム、蓄冷材料 |
| CN113236530A (zh) * | 2021-05-19 | 2021-08-10 | 浙江博开机电科技有限公司 | 一种便于水汽再生型低温泵 |
| DE102023205834A1 (de) * | 2023-06-21 | 2024-12-24 | Bruker Switzerland Ag | Sorptionspumpe mit magnetokalorischer Einheit und schaltbarem Magnetsystem |
-
1994
- 1994-06-22 JP JP6140007A patent/JPH084652A/ja not_active Withdrawn
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013204973A (ja) * | 2012-03-29 | 2013-10-07 | Toshiba Corp | 磁気冷凍デバイス及び磁気冷凍システム |
| CN107424853A (zh) * | 2017-04-24 | 2017-12-01 | 上海交通大学 | 一种用于低温系统的电磁离合主动控制接触式热开关装置 |
| CN107731579A (zh) * | 2017-09-29 | 2018-02-23 | 上海润理真空技术有限公司 | 一种应用于真空设备的热传导开关 |
| CN110608149A (zh) * | 2018-06-14 | 2019-12-24 | 上海优拓低温技术有限公司 | 一种低温泵 |
| CN110608149B (zh) * | 2018-06-14 | 2022-02-25 | 上海优拓低温技术有限公司 | 一种低温泵 |
| JP2021063255A (ja) * | 2019-10-11 | 2021-04-22 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 | 磁気冷凍材料、これを用いた磁気冷凍システム、蓄冷材料 |
| CN113236530A (zh) * | 2021-05-19 | 2021-08-10 | 浙江博开机电科技有限公司 | 一种便于水汽再生型低温泵 |
| DE102023205834A1 (de) * | 2023-06-21 | 2024-12-24 | Bruker Switzerland Ag | Sorptionspumpe mit magnetokalorischer Einheit und schaltbarem Magnetsystem |
| DE102023205834B4 (de) * | 2023-06-21 | 2025-04-30 | Bruker Switzerland Ag | Sorptionspumpen-Anordnung umfassend eine Sorptionspumpe mit magnetokalorischer Einheit und Verfahren zum Betrieb einer Soprtionspumpe einer Sorptionspumpen-Anordnung |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20010904 |