JPH0886280A - クライオポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】極低温に冷却したクライオパネル面に、凝縮、
吸着して補足したガス分子を、クライオパネルが極低温
状態のままでパネル面より離脱できるクライオポンプを
提供する。 【構成】クライオポンプ内のシャッター１４のシール部
付近３９を低熱伝導率部材で構成することにより、接触
部の温度を上昇させ、再生中に離脱した被排気ガスが真
空容器へ漏洩することを防止するように構成する。 【効果】シャッターを低温に保持したままで、真空容器
への漏洩の無い再生が可能となり、短時間で効率良く再
生を行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、核融合装置等で使用さ
れるクライオポンプに係わり、特に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等で使用
される大型のクライオポンプは、液体ヘリウムにより
４．２Ｋ以下に冷却されるクライオパネルと、常温に保
たれている部分からの輻射熱を防ぐため液体窒素で約８
０Ｋに冷却されている熱シールド板からなり、被排気ガ
スである水素をクライオパネル表面に吸着、凝固させる
ことにより排気を行う。クライオポンプはこのような原
理で排気を行うため、長時間排気した後は、クライオパ
ネル表面に被排気ガスの固相が吸着して、固層の被排気
ガス自身の熱伝導により、吸着表面温度が高くなり、凝
縮係数が低くなるため、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
ライオパネル面と被排気系の真空空間とを隔離し、クラ
イオパネルの温度を上げてクライオパネル面に吸着した
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。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。この
連続式クライオポンプは、次のように構成されている。
複数の大型のクライオポンプのうちの１つのクライオポ
ンプの排気ガス入口を、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、シャッターをクライ
オポンプ外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クライオポンプで真空容器内
の真空空間入口に移動して、再生作業を行う。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
があるため、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されている。

【０００３】

【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とい
う問題がある。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という問題があ
る。

【０００４】本発明の目的は、極低温に冷却したクライ
オパネル面に、凝縮、吸着して補足したガス分子を、ク
ライオパネルが極低温状態のままでパネル面より離脱で
きるクライオポンプを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のクライオポンプは、第１の冷媒で極低温度
に冷却され、真空容器に連通するクライオパネルと、第
２の冷媒で低温度に冷却され、前記クライオパネルを高
温部分からの輻射熱から保護する輻射熱シールド体を備
えたクライオポンプにおいて、前記クライオポンプのガ
ス入口面と前記クライオポンプの奥部との間を移動する
シャッターをクライオポンプの内側に具備し、該シャッ
ターを前記第２の冷媒で低温度に冷却するように構成
し、前記シャッターが移動して前記ガス入口面を塞ぐポ
ンプ枠にシール材が設置されたものであって、該シール
材と接する前記シャッターの一部分を熱伝導率の低い材
質で構成したことを特徴とするものである。

【０００６】又、第１の冷媒で極低温度に冷却され、真
空容器に連通するクライオパネルと、第２の冷媒で低温
度に冷却され、前記クライオパネルを高温部分からの輻
射熱から保護する輻射熱シールド体を備えたクライオポ
ンプにおいて、前記第２の冷媒で低温度に冷却され、ク
ライオポンプ排気運転時はクライオポンプの奥部に待避
し、クライオポンプ再生時は排気ガス入口に移動してガ
ス入口面を内側から塞ぐように動作する機械的に移動可
能なシャッターを前記クライオポンプ内に内蔵するとと
もに、前記ガス入口面を塞ぎ前記シャッターと接するポ
ンプ枠のシール部分に真空シール材を設け、前記シャッ
ター側のシール部分付近を熱伝導率の低い材料で構成し
たことを特徴とするものである。

【０００７】又、前記シャッターの内部に、前記シール
材内あるいは前記ポンプ枠に加熱手段を設けたものであ
る。

【０００８】

【作用】クライオポンプの再生時に、クライオポンプ内
部のシャッターが、排気ガス入口に移動してガス入口枠
を内側から塞ぐので、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。この作用
により、シャッターは閉まり勝手となり、シール性能は
高まる。ここで、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。シャッターのシール
部分付近は低い熱伝導率部材で構成されているため、こ
の部材中に大きな温度差がつき、シャッター本体には熱
が入りにくく、シール接点部の温度はシャッター本体温
度よりはるかに高い温度となる。これにより、シャッタ
ーを冷却するための冷媒消費量を増大させることなく、
シャッターシール性能は向上し、さらに、シャッター移
動機構および固定保持構造をポンプ内に設置することに
より、保守点検作業時間を短縮することができる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１から図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
例を示す図、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側断面図、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
を示す縦断面図である。

【００１０】図１は、クライオポンプ群をガス入口面か
ら見た図であるが、図１に示すように、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内に設置されている。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。クライオポン
プ１内のクライオパネルを冷却するための液体ヘリウム
は、ヘリウム液化装置４内で製造され、液体ヘリウム供
給管５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５
を通ってヘリウム液化装置４に戻り、再び液化される。

【００１１】クライオポンプ１のルーバブラインド及び
熱シールド板を冷却する液体窒素は、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９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９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。

【００１２】液体ヘリウムタンク及び液体窒素タンク内
の液体ヘリウム、液体窒素は、自然循環により、クライ
オポンプ内に供給される。ルーバブラインド及び熱シー
ルド板の表面は、輻射熱を効率良く吸収するように黒色
処理している。

【００１３】図２に示すように、２個のユニットを組み
合わせたクライオポンプにおいて、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、銅やアルミニウム等の金属で製作されており、パネ
ル内に液体ヘリウム配管１７、冷却冷媒通路１８を設け
ている。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３は約３．
７Ｋの極低温に冷却される。シャッター１４は、ステン
レス鋼、銅やアルミニウム等の金属で製作されており、
シャッター１４内に冷却冷媒流路２３が設けられてい
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以下の低温に冷却され
る。

【００１４】一方、ステンレス鋼、銅やアルミニウム等
の金属で製作されたルーバ７は、ルーバホルダー１９と
櫛歯上に組み合わされている。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２０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
には、ろう付け等で冶金的に配管２１が一体化されてお
り、配管２１内を自然循環により流動する液体窒素でル
ーバホルダー１９は、温度約８０Ｋに冷却される。ステ
ンレス鋼、銅やアルミニウム等の金属で製作されている
背面熱シールド板、側面熱シールド板も同様にろう付け
等で冶金的に配管２２が一体化されており、配管２２内
を自然循環により流動する液体窒素で温度約８０Ｋに冷
却される。

【００１５】排気運転時は、被排気ガスは、クライオポ
ンプ開口部１２からクライオパネル３に凝固して排気さ
れる。ポンプ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。

【００１６】再生時には、クライオポンプ開口部１２が
シャッター１４で閉じられおり、クライオパネル３から
離脱した排気ガスは配管を通り、真空ポンプでクライオ
ポンプ１外に放出される。再生するためには、クライオ
ポンプ外枠に固定した電動モーター２５を回転させるこ
とによってロッド２７、２８及び連結部２９、３０を左
方向に移動させる。その移動に伴って、左方向にシャッ
ター１４が押し出され、開口部１２が閉じられる。シャ
ッター１４には、移動中でもフレキシブル管を介して液
体窒素タンク内の液体窒素が供給され、この液体窒素に
より冷却される。

【００１７】図３に示すように、シャッター１４がクラ
イオポンプ開口部１２を塞いだ場合、ポンプ外枠上に設
置された、例えばバイトンゴム、シリコーンゴム、テフ
ロンゴム等で形成される真空シール材３８とシャッター
とが接し、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
により熱の侵入が生じる。ここで、シャッター１４のシ
ール付近部分３９は、熱伝導率が低い部材、例えばステ
ンレスやＦＲＰ等で構成されているため、この部分で大
きな温度差が生じ、シール材３８とシャッターとの接点
温度は、シャッター１４を冷却する液体窒素の温度約８
０Ｋよりもはるかに高い温度、例えば２００Ｋ程度に上
昇する。バイトンゴム、シリコーンゴム、テフロンゴム
といった真空シール材３８は、低温で硬化するためシー
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。ここ
で、この低熱伝導率部材３９の熱容量はなるべく小さく
した方が温度上昇時間を短くすることができ、再生時間
全体の短縮化がはかれる。

【００１８】本発明の他の実施例を図４により説明す
る。図４は、本実施例のシール部を示す縦断面図であ
る。

【００１９】本実施例では、図４に示すように、シャッ
ター本体１４とシャッターの低い熱伝導率部３９との接
合部のうち、ポンプ内側の接合部４３は、溶接等の冶金
的あるいはスタイキャスト等の接着剤を用いた接合によ
りリークが生じないような構造となっており、ポンプ外
側接合部４４は、単に接触しているだけである。また、
低い熱伝導率部材３９のポンプ内側には空間が存在して
おり、ポンプ外側接合部４４が単なる接触であるため、
この空間はポンプ外側の真空空間と同じ圧力、すなわち
真空状態となっている。このような構造とすることによ
り、シャッター本体１４と低い熱伝導率部材３９とは、
ポンプ内側方向には真空断熱され、さらにポンプ内側接
合部４３では接触熱抵抗が大きいため、ポンプ外枠24か
らシャッター本体１４へ熱伝達する熱は、主として伝導
面積の小さなシャッターと低い熱伝導率部材ポンプ外側
接合部４４に流れることになる。したがって、シャッタ
ー本体１４とシール接点部の温度差は大きくなり、シー
ル接点部の温度が上昇し、シール性能が向上する。

【００２０】本発明の他の実施例を図５により説明す
る。図５は、本実施例のシール部を示す縦断面図であ
る。

【００２１】本実施例では、図５に示すように、ポンプ
枠２４に例えばヒータ等の加熱手段４０を備えており、
中性粒子入射装置は、アルゴンガス雰囲気中で作動する
ため、引火する危険性は少ないが、万一の場合を考慮
し、ヒータ４０はポンプ枠２４内部に取り付けられてい
る。この時、ヒータから熱を効率よくシール材３８に伝
えるため、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形成した部
材４１をポンプ枠２４に、ろう付け、溶接、半田付け等
で冶金的に固定し一体化している。本実施例によれば、
シール部接点部分の温度を短時間でより高く上げること
が可能である。

【００２２】本発明のさらに他の実施例を図６により説
明する。図６は、本実施例のシール部の縦断面図であ
る。

【００２３】本実施例では、シャッターのシール材接触
部４１を熱伝導率の高い、例えば銅やアルミニウム等で
形成し、この部分の内部にヒータ等の加熱手段４０を装
着している。この外側に、熱伝導率の低い部材、例えば
ステンレス鋼やＦＲＰの部材３９を溶接等の冶金的ある
いはスタイキャスト等による接着剤により、リークが発
生しないように設置する。本実施例によれば、ポンプ枠
構造を複雑化、大型化することなく、シール部の接点部
分の温度を短時間で高く上げることが可能である。

【００２４】本発明のさらに他の実施例を図７により説
明する。図７は、本実施例のシール部の縦断面図であ
る。

【００２５】本実施例の構造は、図６に示す実施例の構
造とほぼ同様であるが、ヒータ等の加熱手段の代わりに
ヘリウム流路４２を内部に設けている点が異なってい
る。ヘリウム流路４２はフレキシブル配管とつながって
おり、シャッターが移動してもヘリウムを供給すること
が可能である。本実施例では、再生時にヘリウム流路４
２に常温のヘリウムを供給することによってシール部の
温度を高め、再生後には、常温のヘリウムガスの供給を
ストップ、あるいは約８０Ｋの低温のヘリウムガスを供
給することによって、低温に冷却することができる。
又、本実施例の場合は、水素が引火する危険性は全くな
い。

【００２６】なお、図５から図７に示す実施例では、そ
れぞれポンプ枠、シャッターに加熱手段を設けた場合の
例を示したが、シール材内部にヒータ等の加熱手段を設
けても同様の効果がある。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
スを用いて冷却してもよい。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
シャッター内部に液体窒素を保持したまま、リークのな
いシールを行うことができるので、シャッターからの輻
射熱は少なく、クライオポンプシステムとしての排気速
度も高く保ったまま、再生を短時間で行うことができ
る。

【００２８】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であるクライオポンプ冷却シ
ステムの構成を示す図である。

【図２】本実施例の２個１組のクライオポンプユニット
の側断面図である。

【図３】本実施例のシャッター部を示す縦断面図であ
る。

【図４】本発明の他の実施例であるシール接点部を示す
縦断面図である。

【図５】本発明の他の実施例であるシール接点部を示す
縦断面図である。

【図６】本発明のさらに他の実施例であるシール接点部
を示す縦断面図である。

【図７】本発明のさらに他の実施例であるシール接点部
を示す縦断面図である。

【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、７…ルーバ、１２…開口面、１４…シャッター、２
４…外枠。

───────────────────────────────────────────────────── 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 (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１の冷媒で極低温度に冷却され、真空容
   器に連通するクライオパネルと、第２の冷媒で低温度に
   冷却され、前記クライオパネルを高温部分からの輻射熱
   から保護する輻射熱シールド体を備えたクライオポンプ
   において、前記クライオポンプのガス入口面と前記クラ
   イオポンプの奥部との間を移動するシャッターをクライ
   オポンプの内側に具備し、該シャッターを前記第２の冷
   媒で低温度に冷却するように構成し、前記シャッターが
   移動して前記ガス入口面を塞ぐポンプ枠にシール材が設
   置されたものであって、該シール材と接する前記シャッ
   ターの一部分を熱伝導率の低い材質で構成したことを特
   徴とするクライオポンプ。
2. 【請求項２】第１の冷媒で極低温度に冷却され、真空容
   器に連通するクライオパネルと、第２の冷媒で低温度に
   冷却され、前記クライオパネルを高温部分からの輻射熱
   から保護する輻射熱シールド体を備えたクライオポンプ
   において、前記第２の冷媒で低温度に冷却され、クライ
   オポンプ排気運転時はクライオポンプの奥部に待避し、
   クライオポンプ再生時は排気ガス入口に移動してガス入
   口面を内側から塞ぐように動作する機械的に移動可能な
   シャッターを前記クライオポンプ内に内蔵するととも
   に、前記ガス入口面を塞ぎ前記シャッターと接するポン
   プ枠のシール部分に真空シール材を設け、前記シャッタ
   ー側のシール部分付近を熱伝導率の低い材料で構成した
   ことを特徴とするクライオポンプ。
3. 【請求項３】前記シャッターの内部に加熱手段を設けた
   請求項１又は２に記載のクライオポンプ。
4. 【請求項４】前記シール材内に加熱手段を設けた請求項
   １又は２に記載のクライオポンプ。
5. 【請求項５】前記ポンプ枠に加熱手段を設けた請求項１
   又は２に記載のクライオポンプ。