JPS59202092A

JPS59202092A - クライオポンプ

Info

Publication number: JPS59202092A
Application number: JP58076428A
Authority: JP
Inventors: 五島　幹彦
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1983-04-30
Filing date: 1983-04-30
Publication date: 1984-11-15

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】１発明の技術分野］本発明は核融合炉等、水素同位元素とヘリウムカスの１
１１気を必要とするものに用いられるクライオポンプに
関づ−る。

［発明の技術的背景］核融合炉では、燃料として水素同位元素（粗水素及び三
重水素）を用い、真空容器内で核融合反応を起こすこと
によって、エネルギとヘリウムカスを発生づるので、燃
焼中（核融合反応中）および燃焼停止中に真空容器内に
残留した水素同位元素とヘリウムを含むカスを排気する
必要がある。

これらのカスωは、現在最も有望とされている１〜カマ
ク型の核融合炉の場合、水素同位元素の原子数が３Ｘ　
１０”　Ｉｌ＋］　／秒、ヘリウムの原子数が１．５×
１０２０個／秒程度と見積られており、これを排気する
ためには、人容最の真空排気装置例えば真空ポンプか必
要となる。使方、核融合炉の真空容器内に不純物が入る
と、核融合反応が起きにくくなるため、真空容器内は常
に清浄な状態に保つ必要がある。このため、真空ポンプ
も清浄なものが要ポンプとしてはクライオポンプが有望
視されている。

このクライオポンプを、核ハ１：合炉用の真空排気装置
に用いたちのが公知であり、第１図はこれを説明するた
めの図である。これは、核融合炉心プラズマ１を囲んで
真空容器２があり、この真空容器２と連通して真空容器
２の内部の水素同位元素およびヘリウムを含むガスを排
気する真空ＩＩ−気ダクト３か設（シられ′Ｃいる。こ
の真空排気タク１〜３（ユ、仕切弁４を介して、第１の
真空ポンプ室５内に設置されている液体窒素温度（大気
圧では７７゜Ｋ）にて水蒸気等を凝縮除去するシェブロ
ンバッフル（構造のトラップ６に接続されている。

ここで、シェブロンバッフル構造とは、“く“の字形の
断面の板（材料は通常アルミニウム又は銅板）をすだれ
状に並べたもので、一方の側から対向する他方の側を直
視すること（Ｊできないか、被排気カス分子は、前記板
の間隙を通過できるようなものをさしている。

前記１〜ラツプ６は、さらに仕切弁７を介して第２の真
空ポンプ至８内に設置されている液体ヘリウム温度（４
，２°Ｋ）付近にて表面吸着性の高い？ｉ！ｌｉ性炭等
の表面を有し、水素同位元素及びヘリウムカスを１６１
時に吸着するクライオ吸着ポンプ９に接続され−Ｃいる
。このクライオ吸着ポンプ９は、東埜排気時に閉じてい
る仕切弁１０．ターボ分子ポンプ１１およびロータリポ
ンプ′１２を介して、水素同位元素とヘリウムを混合し
た状態で回収される回収タンク１３に接続されている。

以上、このｊ：うに（１４成された装置の作用について
述べるに、真空容器２内に、残留した水素同位元素、ヘ
リウムＪ３よび水蒸気等の微量な不純物が混合された１
）１気カスは、真空容器２内部より真空（Ｊｌ気夕゛り
１〜３を通り１−ラップ６にンＪ７かれる。この１ヘラ
ツブ６では、液体窒素温度にて排気ガス中ｔこ含Ｊ、れ
る水蒸気等が凝縮除去され、この状態でクライオ吸着ポ
ンプ９に導入される。クライオ吸着ポンプ９の表面は、
表面吸着性の畠い活性炭等か施されているため、液体ヘ
リウム）品度イ」近て水素同位元素とヘリウムは、同時
に吸着され、しかもこの状態では仕切弁１０が閉じてい
るため、水素同位元素とヘリウムは混合した状態でクラ
イオ吸着ポンプ９に貯め込まれ。この貯め込まれた１１
気ガスは、真空排気運転をしないときに、仕切弁７を閉
じ、他の仕切弁１０を解放して、吸着したＩＩ気ガスを
加熱解放させ、ターボ分子ポンプ１１ｄ３よぴロータリ
ポンプ１２を通して水素同位元素とヘリウムが混合され
た状態で回収タンク１３に回収される。

［技術的前原の問題点］しかしながら、回収された排気カス中に含まれる水素同
位元素とヘリウムの分離が難しいので、水素同位元素を
核融合炉の燃オ゛」どして、またヘリウムは貴重ｌ＼リ
ウム盲源として■利用リ−ることか難しく、燃料の利用
率が著しく低下し、非常に不経済であった。

このようなことから、前述の第２の真空ポンプ室８部分
を以下のように構成したものが特開昭５７−１２８８８
１号にＪＬｉいＴ公知テアル、、　　−’Ｊわち、同一
容器内において、この前段側（仕切弁７側）にクライオ
凝縮ポンプを又後段側（仕切弁１０側）にクライオ吸着
ポンプを収納し、この両者間には、それぞれ水素同位元
素おにびヘリウムを回収づ−る際にその両者間を分離す
るゲートバルブを設け、前記クライオ凝縮ポンプに水素
同位元素を回収する水素同位元素回収タンクを接続し、
第１図の回収タンク１３をヘリウム回収タンクとしたも
のである。

このような構成であるので、水素同位元素とヘリウムを
分離して回収でき、従ってこれらを再利用できる。しか
しながら、水素同位元素回収系とヘリウム回収系が別々
でかつグー１〜バルブをクライオン凝縮ポンプとクライ
オ吸着ポンプを収納する収納容器内に設ける構成である
ので、全体としＣ非７ｉに人形になり、経済的にも好し
くなく、実用化には問題がある。

［発明の目的］本発明は上記事情にかんがみてなされたもので、ゲート
バルブを設けることなく、水素同位元素およびヘリウム
の回収系が１組ですみ、小形でありながら、水素同位元
素とヘリウムを分離して回収でき、再利用が容易で経済
的なりライオ゛ポンプを提供することを目的とする。

［発明の概要］本発明は上記目的を達成するために、液体窒素で冷却さ
れる熱シールド板を用いて箱状にした前記真空容器連通
する間口部を有するケースと、このり−−スの開口部に
設けられる断面くの字形部材を寸だれ状に並設し、前記
真空容器から排気される水素同位元素およびヘリウムを
含むガスが液体ヘリウムで冷却されるシェブロンバッフ
ルと、前記ケース内に前記ヘリウムガスの給排通路を、
前記シェブロンバッフルと反対側に形成し、前記給排通
路の表面にヘリウムガス吸着材が設けられた前記熱シー
ルド板が冷却され主としてヘリウムガスを排気するため
のヘリウム排気面部と、前記ケース内に前記ヘリウム排
気面部と前記シェブロンバッフルとの間に前記液体ヘリ
ウム給排通路をを形成し、この給排通路の外周面に断面
くの字形部材をηだれ状にしてシェブロンバッフルを形
成し、前記熱シールド板で冷却される主として水素同位
元素を排気するための水素排気面部とで構成したもので
ある。

［発明の実施例］以下本発明について図面を参照して説明する。

はじめに第２図により本発明の概念について説明するに
、１５は真空ポンプ室、１６は真空ポンプ室１５内にＷ
ａ’ｌｌされた本発明のクライオポンプである。このク
ライオポンプ１６は、主としてヘリウムガスを排気する
ためのヘリウム排気面２０ど、主として水素同位元素を
排気１−る水素排気面２１Ｊ３よびこの前段側に設置さ
れた液体窒素で冷却したシェブロンバッフル２２と熱シ
ールド板からなるケース２３で、ヘリウム排気面２０．
水素排気１ｆｉ７２１の周囲を完全に囲むように４７４
成されている。

次に第３図〜第７図により本発明のクライオポンプ１６
の一芙施例について説明する。

ケース２３の内部のヘリウム排気面２０は、上。

下のヘッダー管２０３．２０４の間を、複数の金属製薄
板２０１の周囲を溶接し、その内部に液体ヘリウム等の
冷媒液の流れる間隙を形成し、金属製薄板２０１の外面
にヘリウムカスの吸＠４，４２０２を接着材等を用いて
接着する構成となっている。

なお、前記金属製薄板２０１としては、ステンレス、ア
ルミニウム、銅等のいずれかを用いる。

また前記ヘリウムガスの吸着材２０２としては、活性炭
や、モレキュラシーブ等が用いられるが、これらは窒素
、酸素、水分などの一般のカスはもちろ／υ水素同位元
素や、ヘリウムガスに対して吸着性を有し、ヘリウムガ
スの場合には２０°に以下に冷却する必要がある。また
、下部ヘッダー管２０４には冷媒液の注入管２０５を接
続し、上部ヘッダー管２０３には排出管２０６を接続し
、液体ヘリウム等の冷媒液は注入管２０５を通って下部
ヘッダー管２０４に流入し、複数の金属製薄板２０１か
ら成る間隙を下から上へ流れて、ヘリウム排気面２０を
冷却し、上部へツタ−管２０３から排出管２０６を経て
外部に排出されるようにする。なお、図中実線の矢印は
冷媒液の流れ方向を示し、破線の矢印は液体窒素の流れ
を示している。

ざらに、へり・クム排気面２０の前段側に配置された水
素４Ｊｌ気而２１は上、下のヘッダー管２１３゜２１４
の間に管１本当り２枚の金ｊ」製の薄板（これを以下フ
ィン２１１と称ザる。）を′＜″の字形の断面状にイτ
Ｊ（プたフィン付ぎ管２１２を複数個並列に配して、前
ｊホしたシェブロンバッフル型に構成されている。これ
らのフィン付き管２１２は通常熱伝導の良い月利例えは
アルミ又は銅で製作される。なｄ３、前記フィン付き管
２１２は、軸方向に複数個の薄板をイ」（プた管で、溶
接や型を用いて押し出し加工あるいは引抜き加工で製作
する。

ぞして、下部へラグ−管２１４には、冷媒液の注入１’
Ｊ２１５を接続し、上部ヘッダー管２１３にはＪＪ＋出
管２１６を接続し、冷媒液は注入管２１５を通って、下
部ヘッダー管２１４に流入し、フィン（ｌさ管２１２内
を下から上へ並列に流れて、フィン２１１の先端まで冷
却し、上部ヘッダー管２１３から排出管２１６を経て外
部に排出されるよう（こする。ヘリウム排気面２０と水
素排気面２１を冷ム［Ｊする冷媒液は、前述のように、
完全に別の流路を通って流れるので冷媒液の供給及び停
止は夫々の排気面について、独立に行うことができるよ
うになっている。これらのヘリウム排気面２０と水素排
気面２１の周囲は、空温部からの輻射熱による冷媒液の
消費量（蒸発量）を少なくするために、液体窒素で冷却
された複数の熱シールド板２３Ａから成るケース２３の
開口部に、設けられているシェブロンバッフル２２にに
っで完全に囲まれている。シェブロンバッフル２２は水
素排気面２１の前段側に設ける。これらの熱シールド板
２３Ａとシェブロンバッフル２２には液体窒素を流ず冷
却管２４を設け、夫々液体窒素湿度に冷却する。熱シー
ルド板２３Ａ、シェブロンバッフル２２及び液体窒素冷
五〇管２４には、通常熱伝導の良い材料例えばアルミニ
ウム又は銅が用いられる３、さらに上部の熱シールド板
２３Ａには吊りボルトが設けられ、本発明のクライオポ
ンプ１６を真空ポンプ室１５の天井（又は蓋）から吊り
下げて支持することができるようになっている。

以上述べた第３図〜第５図の実施例では、液体窒素の冷
却管２４を全て直列に接続した例であるか、いくつかに
分けて並列に流しても全く差し支えない。また第３図〜
第７図に示す冷媒液の注入管２０５．２１５や排出管２
０６，２１６は、実際には熱シールド板２３Ａの外側で
゛は２重管構造どじ、外側を液体窒素で冷却するが、こ
こでは図か煩雑になるので省略しである。

第８図は以上のように構成された本発明のクライオポン
プ１６を使用した核融合炉の真空排気装置の一例を示す
もので、第１図及び第２図と同じ作用をする部品には同
じ番号を付けて説明を省略−りる。第８図において、ロ
ータリーポンプ１２のＩＪＩ出側は２つの回収ラインに
分岐されている。１つは回収管３０．仕切弁３１を経て
ヘリウム回収タンク３２に接続し、他は回収管３３．仕
切弁３４を経て水素１ｉ］１位元素回収タンク３５に接
続する。

以下、第２図〜第８図をもとに本発明のクライオポンプ
の作用について説明する。核融合炉の真空容器２内に残
留した水素同位元素、ヘリウム及び水蒸気等の微量な不
純物の混合した排気カスは、容器２内部より真空排気ダ
ク１〜３及び仕切弁４を介して、真空ポンプ室１５内に
導かれる。クライオポンプ１６の運転中は真空ポンプ室
１５の出口側の仕切弁１０は閉じているので、排気ガス
中に含まれる水蒸気等の不純物は液体窒素で冷却された
シェブロンバッフル２２で凝縮除去され、ヘリウムと水
素同位元素の混合ガスがクライオポンプ１６の内部に導
入される。そして混合カス中の水素同位元素は冷媒液で
冷却されたフィン付き管２１２によってシェブロンバッ
フル状に構成された水素排気面２１で凝縮排気され、残
ったヘリウムガスのみが、水素排気面２１の間隙を通っ
てヘリウム排気面２０に達する。ヘリウム排気面２０は
前述のように、冷媒液によって冷却された金属製薄板２
０１の外面に吸着４Ｊ　２０２を接着しであるので、ヘ
リウムガスを吸着排気する。ここで？主意しなければな
らない点は、水素排気面２１は冷媒液で冷却された金属
面による凝縮排気作用を利用している。このため、水素
同位元素及びヘリウム以外のガスに対しては有効である
が、ヘリウムガスに対しては全く無力であり、使方ヘリ
ウム排気面２０は冷媒液で冷却された吸着材２０２によ
る吸着排気作用を利用するので、ヘリウムカスに対して
も水素同位元素に対しても有効であるという点である。

そこで、もし水素排気面２１とヘリウム排気面２０の順
序を逆にすると、ヘリウム排気面２０にヘリウムガスと
共に水素同位元素も吸着排気されるので、後述のクライ
オポンプの再生の際に、ヘリウムガスと水素同位元素の
分離回収が不可能になる。水素排気面２１とヘリウム排
気面２０は、それぞれ水素同位元素とヘリウムガスを貯
め込む貯め込み式のポンプなので、核融合炉の運転停止
中に、各排気面の貯め込まれていたカス分子を放出させ
、別の真空ポンプを用いて外部へ排出する必要かある。

以下、このことを［クライオポンプ（又は各排気面）の
再生」と称す。

本発明のクライオポンプの再生を行う際には、ヘリウム
排気面２０の再生を先に行う必要があるので、まず、真
空ポンプ室１５の入口側の仕切弁４を閉じ、出口側の仕
切弁１０を開（Ｊてがら、仕切弁３１を聞け、ロータリ
ポンプ１２の排出側の回収ラインをヘリウム回収タンク
３２に接続する。

（このＩｌ！Ｊ仕切弁３４は全開とする。）そして、ヘ
リウム排気面２０への冷媒液の供給を止め、２０〜３０
’に程度の温度に制御された冷媒カス例えば冷媒液とし
て液体ヘリウムを用いる場合にはヘリウムガスを外部か
ら注入管２０５を介して流入させ、ヘリウム排気面２０
内を通って、排出管２０６を介して外部へ流出させるこ
とによって、ヘリウム排気面２０を２０〜３０’に程度
に加温し、ヘリウム排気面２ｏに吸着していたヘリウム
ガスを離脱（放出）させる。離脱したヘリウムガスは、
ターボ分子ポンプ１１とロータリポンプ１２によって排
気され、ヘリウム回収タンク３２中に回収される。この
時、水素排気面２１には冷媒液が供給され続けているの
で、水素排気面２１に凝縮排気されている水素同位元素
は離ＩＢＭ　Ｌ、ない。

ヘリウム排気面２０に吸着していたヘリウムガスかほと
んとＤｉｆ　ＩＢＭ　ｔ、、回収されると、次に仕切弁
３１を閉じ、他の仕切弁３４を聞けて、ロータリポンプ
１２の制用側の回収ラインを水素同位元素回収タンク３
５に接続する。そして前）本と同様に、水素ＪＪｌ気面
２１への冷媒液の供給を止め、２０〜３０’に程度の温
度に制御された冷媒ガスを外部から注入管２１５を介し
て流入させ、水素排気面２１内を通って、排出管２１６
を介して外部へ流出さゼることによって、水素排気ｍ１
２１を２０〜３０’に程度に加温し、水素排気面２１に
凝縮していた水素同位元素を離Ｄ（１さじる。そして離
ＪＪｊａ　Ｌだ水素同位元素はターボ分子ポンプ１１と
ロータリポンプ１２にＪ−って排気され、水素同位元素
回収タンク３５中に回収される。水素排気面２１の再生
の際には、離脱した水素同位元素がヘリウム４Ｊｌ気而
２０に吸着しないようにヘリウム排気面２０の温度を１
００’に程度に高めておく必要がある。この場合にも１
００’に程度の温度に制御した冷媒ガスを外部から注入
＊　２０５を介して流し込むことによって、ヘリウム排
気面２ｏを加温づることができる。

このように、従来のようにゲートバルブを設けることが
なく、水素同位元素とヘリウムの回収系を別々にする必
要がないので、小形でありながら、経済的にも有利とな
る。また水素同位元素とヘリウムガスを分離して回収す
ることができるので、水素同位元素は核融合炉の燃オ′
」として、ま１〔ヘリウムガスは貴重なヘリウム資源と
して再使用することが可能どなる。各排気面の再生完了
後、各排気面に再度冷媒液を供給し、各排気面を液体ヘ
リウム温度（４６２°Ｋ）付近まで冷却づ′る。

そして真空ポンプ室１５の出口側の仕切弁１゜をＩＷｊ
め、入口側の仕切弁４を開いて、クライオポンプ１Ｇの
運転を再開する。

クライオポンプ１６の再生の詩に、水素排気面２１の加
温を先に行うと、離脱した水素同位元素がヘリウム排気
面２ｏに吸着するので、ヘリウム排気面２０の再生の時
にヘリウムガスと水素同位元素の分離回収が不可能にな
る。

第９図〜第１２図はヘリウム排気面２ｏ及び水素１ノ１
気而２１の面積を大きくとるために、両側からｊＪｌ気
できるようにした例である。機器の構成及び作用は、前
記とほとんど同じため、第３図〜第７図と同一符号をイ
」シて説明を省略する。この例Ｃ′は、水素排気面２１
が両側にあるため、注入管２１５及び抽出管２１６が途
中で２つに分岐されている点つまり注入管の分岐管２１
５ａ、２１５ｂ及び１ノ１出管の分岐管２１６ａ、２１
６ｂのみが異なる。

［発明の効果１以上の様に本発明によれば、ヘリウム排気面を液体ヘリ
ウムなどの冷媒液で冷却した金属面に吸着（Ａを接着し
て構成し、その前側に冷媒液で冷却する管をシェブロン
バッフル状に並べた水素排気面を配し、それらの周囲を
液体窒素で冷却した複数の熱シールド板から成るケース
及びシェブロンバッフルひ囲んで構成されており、ヘリ
ウム排気面と水素１〕１気面への冷媒液の注入管と排出
管をそれぞれ独立に設りることによって、小形で経済的
″に（つ右利で、クライオポンプの再生時に所定の温込
むことができ、各排気面の加温を独立に行うことができ
るので、ヘリウムガスと水素同位元素を分離して回収す
ることが可能となり、水素同位元素を核融合炉の燃料と
して、またヘリウムガスは貴重なヘリウム資源として再
利用することができるクライオポンプを提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は核融合炉に広く使用されている′従来の真空排
気装置を示す図、第２図は本発明のクライオポンプの概
念を示すだめの図、第３図は本発明のライオポンプの一
実施例を示す外観図、第４図は第３図のＡ−Ａ線に沿っ
て切断し矢印方向にみた断面図、第５図は第３図のＢ−
Ｂ線に沿って切断し矢印方向に見た断面図、第６図は第
４図のＣ−Ｃ矢視図、第７図は第４図のＤ−Ｄ線に治っ
て切断し矢印方向に見た断面図、第８図は本発明のクラ
イオポンプを核融合炉用の真空排気装置に使用した一例
を示す図、第９図〜第１２図は本発明の他の実施例を示
ず図で、第９図は第１０図のＡ′−Ａ’線に沿って切断
し矢印方向に見た断面図、第１０図は第９図のＢ　ｒ　
　１３　＋線に沿って切断し矢印方向に児たｒＩＪ１面
図、第１１図は第１０図のＥ−Ｆ線に沿って切断し矢印
方向に見た断面図、第１２図は第１０図のＦ−Ｆ線に治
って切断し矢印方向に兄た断面図である。１・・・炉心ブシズマ、２・・・真空容器、３・・・真
空排気ダクト、４，１０・・・仕切弁、１１・・・ター
ボ分子ポンプ、１２・・・ロータリポンプ、１５・・・
央空ポンプ室、１６・・・クライオポンプ、２ｏ・・・
ヘリウム排気面、２１・・・水素排気面、２２・・・シ
ェブロンバッフル、２３・・・ケース、２３Ａ・・・熱
シールド板、２４・・・液体窒素冷ムＩＪ管、２５・・
・吊りポル１〜．２０１・・・金属製薄板、２０２・・
・吸着材、２１１・・・フィン、２１２・・・フィンｆ
ｑき管、２０３，２１３・・・上部ヘッダー管、２０４
．２１４・・・下部ヘッダー管、２０５．２１ｂ・・・
冷媒液の注入管、２ｏ６゜２１６・・・抽出管、３０．
３３・・・回収管、３１゜３４・・・仕切弁、３２・・
・ヘリウム回収タンク、３５・・・水素同位元素回収タ
ンク。第１弱第２１１第３図第４図第５図第６図 − 第　８　図第　９　図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）　真空容器内部で水素同位元素を燃料として核融
合反応を起こさせ、エネルギおよびヘリウムカスを発生
づ−る核融合炉に、前記真空容器内部から水素同位元素
およびヘリウムを含むカスを前記真空容器内から排気覆
るためのクライオポンプにおいて、液体窒素で冷却され
る熱シールド扱を用いて箱状にした前記真空容器連通ず
る開口部を有するケースと、このケースの開口部に設け
られるＲＪｉ面くの字形部＋４をすだれ状に並設し、前
記真空容器からＩＪ＋気される水素同位元素およびヘリ
ウムを含むノノズかａ１本ヘリウムで冷却されるシ１ブ
［Ｊンハッフルと、前記ケース内に前記ヘリウムカスの
給Ｊ）１通路を、前記シェブロンバッフルと反’Ａ　１
１！１１に形成し、前記給１）ｌ′油通路表面（こヘリ
ウムカス１νｋ”４月か設りられた前記熱シールド板で
冷却され土としてヘリウムガスを排気するためのへりラ
ム排気面部と、前記ケース内に前記ヘリウム１）１気面
部と前記シェブロンバッフルとの間に前記液体ヘリウム
給排通路を形成し、この給υ１通路の外周面に断面くの
字形部材をすだれ状にしてシェア［ｌンハッフルを形成
し、前記熱シールド板で冷却される主として水素同位元
素を排気づ゛るＩこめの水メ。排気面部とを備えたクライオポンプ。
（２）ヘリウム排気面部と水素排気面部には、それぞれ
冷媒の注入路およびυ１出路を独立に形成した特許請求
の範囲第（１）項記載のクライオポンプ。
（３）ヘリウム排気面部と水素排気面部の再生ｕＦｆの
１１（１湿を、各排気面部に対して夫々独立に８ｔｌ’
ｌ　Ｉ良制御可能な冷媒を、外部から注入管を介して供
給　７する特許請求の範囲第（１）項記載のクライオポ
ンプ。
（４）ヘリウム排気面部と水素排気面部を、複数重に形
成した特許請求の範囲第１項記載のクライオポンプ。