JPS5825873B2 - 低温ポンプによる排気方法及びその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、低温ポンプによる排気方法及びその装置（以
下、単に「低温ポンプ方法」又は「低温ポンプ装置」と
云う）に関し、更に詳しくは、既に機械ポンプ又は拡散
ポンプによって非常に低圧に減圧されている包囲容積か
らガス分子を極めて冷たい面上にとらえることによる低
温ポンプを利用した超高真空の発生に関する。

低温ポンプ法は大きな宇宙模擬室内で使われる宇宙計画
の初期段階、ロケット排気試験室、及び低密度風道でそ
の第１の主要な適用を遠戚した。

低温ポンプの利点は、普通の真空ポンプ技術に比べてき
れいな真空を得ること、そして高いポンプ速度を経済的
に遠戚することにあり、それで低温ポンプ方法及び装置
の改善に絶えず関心を生じている。

低温ポンプ（低温学的ポンプ）装置は今までは真空雰囲
気から異なるガスを取除くため３個の面を使っていた。

これら面は一般に１２０°に以下の色々の温度に冷却さ
れる。

これら面は、水及び二酸化炭素（４０−１２０°にの温
度範囲に凍らせて）、窒素、酸素、アルゴン、一酸化炭
素、メタン及びハロゲン化炭化水素、（１０−２５°に
の温度に凍らせて）及びヘリウム、水素及びネオン（１
０−２５°にの温度で低温吸収させて）を取除くのに使
われる。

低温吸収とはガスを低温で吸収材に吸収させることであ
る。

３面装置の一続はアメリガ特許第３３９０５３６号に記
載されている。

特許者は３個の面を持つ液冷（窒素及びヘノラム）低温
ポンプを記載し、第１面は取外し可能な面輻射遮蔽で、
これは水蒸気と二酸化炭素とが第２及び第３面と接触す
るのを阻止するものである。

本装置の面はすべて高度に磨かれ、それで僅かの輻射量
しか装置内部に伝えられない。

この輻射は第３面上に打当たることが出来る。

別の三面装置はアメリカ特許第３５７９９９８号に記載
されている。

特許者は水蒸気と二酸化炭素とが第２及び第３面に接触
するのを阻止する■字形バッフルを使う伝統的概念を記
載している。

その上、窒素、酸素、アルゴン、一酸化炭素、メタン及
びハロゲン化炭化水素が第３面に接触するのを防ぐため
第２の■字形バッフルが使われている。

装置は装置の幾何学を基とし、面の液冷を使っている。

アメリガ特許第３１６８８１９号は低温ポンプのため１
個の面を使う拡散ポンプ冷却トラップを記載している。

アメリカ特許第３３３８０６３号は可変面積低温パネル
を記載しているが低温ポンプのための三面技術は説明し
ていない。

アメリカ特許第３４８５０５４号は低温ポンプを１Ｏ−
１−Ｏ−５トルの範囲で運転することを記載している。

この特許は、低温パネルが冷たいままでガスを装置から
外に吸出することの出来る分離した結露機内に低温パネ
ルを包囲することによって始めの高圧から室を速かに吸
出して下げることの出来る高い熱質量の低温パネルを記
載している。

アメリカ特許第３５８５８０７号は可動の遮蔽パネルに
よって低温パネルの熱及びガス負荷への露出を制御する
装置を記載している。

低温ポンプを工業的環境内で論評するいくつかの文献が
提供されている。

イギリスパーガモン社発行の真空関係出版物中のビツサ
ー、シマースキ及びゲラートによる“工業的真空装置の
ための多用途低温ポンプ“と題する論文はその分野の当
事者に利用されている。

この文献は低温ポンプの３個の吸収面を冷やすため閉サ
イクルの冷凍機の使用を記載している。

低温パネルに結合された閉サイクル冷凍機の全体的論評
は１９６６年ニューヨーク、アメリカ物理学会出版の“
真空科学、技術誌″第３巻第５号の２５２−２５７ペー
ジのターナ−、ホーガンの“一体化冷凍機を持つ小型低
温ポンプ“と題する論文に見ることが出来る。

低温学的温度に４却された吸収材の使用は、クリーブラ
ンド、オハイオ トーマス出版社発行の低温技術ニュー
ス２６−３０ページの“ヘリウム及び水素の低温吸収ポ
ンプ“と題する論文でガレイス及びスターンによって論
議されている。

その上、技術的文献はバルザー、ヴイーコ、バリアン社
などの大規模真空装置製造業者から利用出来る。

速い低温ポンプ速度を得られる真空ポンプを得るため、
約３０００にの付帯放射がヘリウム、水素及びネオンを
低温吸収するのに使われる吸収面に打当るのが防がれる
時は全ヘリウムポンプ速度は増加し、１０−６トル以下
の程度のきれいな真空が得られる。

さらにＶ字型バッフルを省略することによってヘリウム
、水素及び窒素の吸収に大きな増加が得られる。

円筒形（カップ）の２個の開端低温パネルが対向関係に
組合わされてそれで３個の分離した低温ポンプ面が画定
される。

異なるガスを低温吸収するため、そして付帯輻射がヘリ
ウム、水素及びネオンを取除くのに使われる低温吸収面
に当るのを防ぐため面は処理される。

それゆえ、本発明の主目的は改善された低温ポンプ装置
を得ることである。

次の本発明の目的は、ヘリウム、水素及びネオンを低温
吸収するのに使われる面を約３０００にの付帯輻射から
遮蔽することによって低温ポンプ装置を改善する方法を
得ることである。

さらに次の本発明の目的は、閉サイクル冷凍機によって
冷却される低温ポンプを得ることである。

図面を参照すると、低温ポンプ装置は１０で示される。

低温ポンプ１０はベース即ち取付板１２を有しベースは
ボルト、リベット、又は溶接など普通の締付装置で真空
室に固定することが出来る。

ベースは低温ポンプ１０と真空室（図示なし）との絹合
せを容易にしている。

大部分の真空室において、好適な据付は低温ポンプの取
外しを可能にし、それで必要な孔がベース１２にある。

この事は技術的に当然だから図示してない。

２段低温冷凍機１４はベース１２から突出しこれに取付
けられ、ベース１２の一側にモーターと制御用ハウジン
グ１６を、ベース１２の他側には真空室内に突出するよ
うにして第１段冷凍機１８と第２段冷凍機２０とを有し
ている。

好適な低温冷凍機はエアープロダクツアンドケミカルズ
社の商品名“デイスプレツクズとして売られているモデ
ルＣ８−２０２である。

冷凍機は又アメリカ特許第３６２００２９号に記載され
、本特許明細はここに引用して組入れられている。

冷凍機は第１段冷凍機１８のベース２２の所で７７°に
１第２段冷凍機２０のベース２４の所で１０°にの冷凍
を生ずる修正ツルベイサイクルで運転される。

開底型の（パネル３０を第２段冷凍機２０に接触せずに
取付ける必要開口を除く）第１低温パネル３０は第１段
冷凍機１８のベース２２に取付けられる。

低温パネル３０は鋼のような高伝導度の金属板材から横
取するのが好ましい。

低温パネル３０のすべての内面３２，３４と外面３６
、３８とは、通常この面上に光沢ニッケルメッキを施し
て高度に輝やく面にされる。

点４〇一点４２から内面３２の下方に底内面３４を横切
って、低温パネル３０の内面は輻射エネルギーを吸収す
る塗布をされている。

この塗布材料はよく知られているけれども、有効である
と見出されている一つはアレンタウンペイント社かう商
品名“ブラックエポキシエナメル及び促進剤″として製
造販売されている黒色エポキシペイントである。

塗布は高温の輻射が第２低温パネル５０の作動に影響を
与えないようにするためこの場所の面上に行なうのが好
ましく、この事はあとで詳しく述べる。

しかし、あとで述べるようなポンプ速度を遠戚するには
低温パネル３０の面３４だけに塗布するのが有効である
。

これも又開底聞損円筒形の第２低温パネル５０は低温パ
ネル３０と同じように作られる。

又低温パネル５０も伝導性材料で作られ、且その外面５
２に光沢ニッケルメッキを設けるのが好ましい。

低温パネル５０はパネル３０より直径を小さく長さを短
かく作られ、そ力で冷凍機１４の第２段階２０に逆姿勢
で取付けられる。

低温パネル５０の内面５４は微粒子の形の活性炭で被わ
れる。

活性炭は低温パネル５０の内面に、当業者にはよく知ら
れている方法でエポキシで接着される。

もし大量の水蒸気が真空雰囲気中にある場合は、本発明
の装置は図面の６０で示す■字形バッフルを取付けるこ
とが出来る。

バッフル６０ば、これが図面の装置の機能に不可欠では
ないので点線で示されている。

■字形バッフル６０は銅などの伝導性材料で作られ、且
あとで詳しく述へるように光沢ニッケルメッキによる光
沢面即ち輻射吸収面を設けられる。

図示の装置は、記載の低温ポンプパネルの面上で次の第
１表に示すガスを取除くことによって１０ ’トル以
下の超高真空を得るのに使われる。

第 １ 表 ガス群 Ｉ ｌｌ１１１ 面 ３２．３６ ５２ ５６除去さ
れるガス Ｎ２０ Ｎ２ Ｈｅ除去されるガ
ス ＣＯＯ２Ｈ２ カス群 面 除去されるガス 除去されるガス 除去されるガス 除去されるガス ■ ３２．３６ ■ ■ ２ ６ Ａ Ｎｅ Ｏ 第１表に示すように、水蒸気と二酸化炭素とは低温パネ
ル３０の内外光沢面３２．３６に付着する。

窒素、酸素、アルゴン、一酸化炭素、メタン及び商品名
フレオンで売られているハロゲン化炭化水素は低温パネ
ル５０の外光沢面５２上で取除かれる。

最後にヘリウム、水素、及びネオンは低温パネル５０の
内面の活性炭層５６上で吸収される。

■字形バッフルの年い図の装置で、群Ｉのガスは面５６
ではなく面５２上で吸取ることが出来、そして群■のガ
スは面５２同様、面５６上でも吸取ることが出来る。

ガスの低温吸収の色々の温度による効果はよく知られ、
且文献に広く論議されティる。

面３２，３６（光沢）は大体４Ｏ−１２０ｃＫの温度、
光沢面５２と吸着層５６とは大体１〇−２５°にの温度
であり、それでガスはこれら面に付着し、それでこれら
が真空に影響する所から取除かれる。

３０００に程度の輻射は低温パネル３０にその内面３２
上に打当たることが発見されている。

この面を光沢にしておけば、輻射は活性炭層５６に向け
て反射し、それで、真空雰囲気から取除くのが最も困難
なヘリウム、水素及びネオンを活性炭が取除く効率を減
少する。

通常は、３種の水準の付帯輻射が第１表の面上に打当た
ると期待される。

輻射の水準は（ａ）約３００’に、 （ｂ）４０−１２
００に１及び（ｃ）１０−２５°Ｋに分類される。

低温パネル３０の底内面に輻射吸収層が無いと、すべて
の水準の付帯輻射は上述の活性炭層上に落下する。

輻射吸収層が有ると、後の２種〔例えば（ｂ）と（Ｃ）
〕の付帯輻射は活性炭層だけに打当り、それでヘリウム
、水素及びネオン、その上この面に打ち当る群■のガス
を低温吸収する活性炭の効率を維持する。

低温パネル３０の開端を閉じるのに普通の■字形バッフ
ルが使われていることは図面に示されている。

■字形バッフル６０は普通の型であり、群Ｉのガスを低
温ポンプのより冷たい部分に限定するのに使われている
。

出版資料によって、■字形バッフルに打ち当る群■と群
■のガスの約３５％が、低温パネル３０の内面３２と低
温パネル５０の内外面で画定される低温領域に通る。

■字形バッフルのそれ以上の論議は、１９６６年アメリ
カ航空宇宙局の科学技術情報によって出版されたＮＡＳ
Ａ ５Ｐ−１０５でサンテラー、ホークボアー及びパカ
ノの“真空技術及び宇宙模擬実験“と題する出版物に述
べられている。

この論及び本発明に使われた型の■字形バッフルの使用
の技術的状態を明白に論議している。

■字形バッフルは群Ｉのガスが面５２内に通るのを阻止
するよう機能する光沢面を持つものの一つである。

次の第２表は、上述のように低温パネル３０の内面３２
，３４上に輻射吸収層の有る場合、無い場合の図示の装
置で行なわれた一連の試験を示している。

（ａ）Ｌ／秒、（ｂ）第２冷凍段階、（Ｃ）第１冷凍段
階、第２表の結果から、第２段パネル５０が低温で第１
段パネルが高温であることは、輻射吸収層（黒色ペイン
ト）が付帯輻射の吸収及びこれが活性炭に吸収されるの
を防ぐのに有効であることを示している。

活性炭が低温であると、ヘリウム及び水素を活性炭が吸
収するのをより効果的にするざことは、ヘリウム及び水
素が第２表に示すよう高速で排気されていることに表わ
れている。

第３表は、光沢１号Ｖ字型バッフルを使った時と本発明
の装置とを比較した一連の結果を示している。

第３表の測定の助変数は第２表のものと同じである。

第３表から、輻射吸収層のない低温ポンプの第２表の結
果と比べて、■字形バッフルを使うと、ヘリウムの吸収
速度を増加するが、本発明によるバッフルの無い時とは
同水準ではないことが明らかである。

■字形バッフルは第２段上の熱負荷、即ち活性炭層上の
熱負荷を減らすよう助けるが、第２段低温パネルへのガ
ス流を阻止するから、群■のガスの吸収速度が減少する
代価を払わなくてはならない。

本発明の方法は、輻射吸収面が通常群■（第１表）と群
■（第１表）のガスを吸取る面間に置かれ、それでヘリ
ウム、水素及びネオンを吸収するのに使われる面上の熱
負荷が減少して、真空内に大量の水蒸気が無く■字形バ
ッフルを省略出来る限り、文献に述べられた他の低温ポ
ンプにも適用可能である。

本発明の装置は、輻射吸収層の置き方を容易に達成させ
、それで約３０００にの付帯輻射がヘリウム、水素及び
ネオンを低温ポンプ（低温吸収）する面に反射されない
と言う形の発見を組合わせている。

本発明の方法及び装置は高真空（例えば１０−６トル以
下）で特に効果的であり、その理由はこの程度の真空で
は水素が金属からガス放出され“きれいな真空“の達成
を妨げるからである。

本発明の装置では、このガス放出された水素は、低温冷
機の第２段で冷却される利点を持つ活性炭層で低温吸収
される。

本発明を、冷凍を低温冷凍機以外から供給されるように
配置することは可能である。

例えば、肢体窒素及び液体ヘリウムの供給を維持して夫
々の低温パネルを冷やすよう真空室の壁を通して吸収し
、それで閉サイクル低温吸収材料を使ってなされる最も
好都合な冷凍と同程度の冷凍が達成される。

活性炭は好適な低温吸収材料であるが、当業者に知られ
ているその他のものも本発明の方法及び装置に有利に使
うことが出来る。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明による装置及び方法を示す図解的表現であ
る。 １０・・・・・・ポンプ装置、１２・・・・・・ベース
、１４・・・・・・冷凍機、１６・・・・・・ハウジン
グ、１８・・・・・・第１冷凍段階、２０・・・・・・
第２段階、２２，２４・・・・・・ベース、３０・・・
・・・パネル、３２，３４・・・・・・内面、３６゜３
８・・・・・・外面、４０，４２・・・・・・点、５０
・・・・・・パネル、５２・・・・・・外面、５４・・
・・・・内面、５６・・・・・・層、６０・・・・・・
バッフル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 真空雰囲気から不必要なガスを取除くための室温以
   下に冷却された面を有し、前記真空雰囲気は前記面を通
   過してその温度を下げられる低温ポンプによる排気方法
   において、ヘリウム、水素及びネオンを低温吸収するの
   に使われる低温吸収材で塗布された最低温度の面に対面
   する前記面の部分のみを輻射エネルギー吸収材料で塗布
   し、前記輻射吸収層は前記低温吸収材層を過大な熱負荷
   から保護するため前記低温吸収材層上に反射される約３
   ００°にの付帯輻射を吸収して、ヘリウム、水素及びネ
   オンをより高速で吸収する低温ポンプによる排気方法。 ２、特許請求の範囲第１項記載の方法において、前記輻
   射エネルギー吸収材料を有する前記面は１２００に以下
   の温度に冷却される低温ポンプによる排気方法。 ３ ％許請求の範囲第１項記載の方法において、ヘリウ
   ム、水素及びネオンを吸収する前記低温吸収層を有する
   前記パネルは２５°に以下の温度に冷却される低温ポン
   プによる排気方法。 ４ 低温ポンプによる排気装置において 前記装置を真空室に取付けるベースと、 前記ベースに支持され、前記真空室内に１２００に以下
   の温度源を設けるよう構成された第１冷凍源と、 前記ベースに支持され、前記真空室内に２５°に以下の
   温度源を設けるよう構成された第２冷凍源と、 前記第１冷凍源によって冷却されるよう前記真空室内で
   前記ベースによって支持されるようにされ、且つ開底と
   聞損とを持つ円筒形の第１パネルを有し、前記パネルは
   磨かれた外面と内面とを有し、前記第１パネルの前記内
   底面は輻射エネルギー吸収材で塗布され、 前記第１パネルより小直径で長さの短かい開底聞損の円
   筒形で且つ第１パネルと接触せずに前記第１パネルの内
   側に逆姿勢に置かれた第２パネルを有し、前記第２パネ
   ルは前記第２冷凍源によって冷却され、且つ磨かれた外
   面と、前記内面上にガス吸収材とを有し、前記第２パネ
   ルは真空雰囲気の部分が前記第第１及び第２低温パネル
   間を循環し、且つ前記ガス吸収材に接触することが出来
   る寸法及び形である低温ポンプによる排気装置５ 特許
   請求の範囲第４項記載の装置において、前記輻射吸収材
   の塗布は黒色エポキシ樹脂ペイントである低温ポンプに
   よる排気装置。 ６ 特許請求の範囲第４項記載の装置において、前記ガ
   ス吸収材は活性炭である低温ポンプによる排気装置。 ７ 特許請求の範囲第４項記載の装置において、磨かれ
   た■字形バッフルが前記第１パネルの前記開端を閉じる
   低温ポンプによる排気装置。 ８ 特許請求の範囲第４項記載の装置において、黒色エ
   ポキシ樹脂塗布面を持つ■字形バッフルが前記第１パネ
   ルの前記開端を閉じる低温ポンプによる排気装置。