JP3018526B2 - クライオポンプ - Google Patents

クライオポンプ

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JP3018526B2
JP3018526B2 JP3041576A JP4157691A JP3018526B2 JP 3018526 B2 JP3018526 B2 JP 3018526B2 JP 3041576 A JP3041576 A JP 3041576A JP 4157691 A JP4157691 A JP 4157691A JP 3018526 B2 JP3018526 B2 JP 3018526B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、極低温に冷却したクラ
イオパネル面に、ガス分子を凝縮・吸着して高速で排気
するクライオポンプに関する。
【0002】
【従来の技術】従来のクライオパネルは、特開昭61−16
9682号公報に記載のように、液体ヘリウム等で5.0K
以下の極低温に冷却した単一平坦面のクライオパネル
を、クライオポンプのガス流入り口面に対して直角に、
複数枚配置している。液体ヘリウムはわずかな熱で蒸発
し、かつ、高価な冷媒である。液体ヘリウムの蒸発量を
少なくするために、このクライオパネルがポンプ外の常
温,高温部からの輻射熱で、直接、加熱されないよう
に、クライオパネルの回りに、液体窒素で約80Kの低
温に冷却した熱シールド板を配置する。
【0003】クライオポンプの両側面部の熱シールド板
はルーバブラインド型をしており、排気するガス分子
は、このルーバの隙間を通り、極低温のクライオパネル
に衝突し、そこで凝縮・吸着される。
【0004】ルーバの表面は、輻射熱を吸収するように
黒色に表面処理しており、外部の光線は、これらの熱シ
ールド板に少なくとも一度衝突した後、クライオパネル
に到達する。
【0005】排気するガス分子は、ポンプ前方に隣接さ
れた前面熱シールド板に、一回もしくは数回衝突を繰り
返しながら、あるガス分子はポンプ入り口から流失し、
ある分子はクライオパネルに到達して凝固・吸着する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上記従来の技術は、ル
ーバの下流側にある距離はなしてクライオパネルを配置
しているため、ルーバ間で衝突を繰り返す間にポンプ入
り口から流失するガス分子の数が増加する確率が高くな
り、ガス分子の排気速度が小さくなるという問題があっ
た。
【0007】しかし、最近の大型核融合装置に使用する
中性粒子入射装置では、水素,重水素の排気速度の大き
いクライオポンプが必要となっている。一方、中性粒子
入射装置は、真空容器で構成するため、内部に設置する
クライオポンプの、ビーム対向画開口面積及び体積を小
さくする。すなわち、クライオポンプの高性能,小型化
を図ることによって、真空容器を小さくして、製造コス
トを低減することが重要となる。
【0008】本発明の目的は、クライオポンプの排気速
度を増加することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明はルーバの裏面側にクライオパネルからのば
した副クライオパネルを配置したものである。複数のル
ーバを保持しているルーバホルダとの接触を避けるため
に副クライオパネルは、短冊状にしている。
【0010】また、ルーバを効率よく冷却するためにル
ーバホルダに冷却管を治金的に一体化している。
【0011】
【作用】ポンプ入り口面より入射したガス分子は、熱シ
ールド板やルーバに当たり、反射を繰り返しながらルー
バを通過可能な入射角でクライオパネルに入射した時の
み排気される。ガス分子は、すくなくとも一度はルーバ
の表面に当たり、その後(1)クライオパネルに衝突する
か、(2)上段のルーバの裏面に当たるか、(3)ルーバ外
に戻されるかに分かれる。しかし、副クライオパネルを
ルーバ裏面に配置することによって、(2)のガス分子を
この副クライオパネルに衝突させ、このガスを排気する
ことが出来る。
【0012】副クライオパネルの配置は、格段のルーバ
の裏面に、直接光線が当たらない範囲でルーバ先端まで
伸ばしてあるので、ガス分子を捕捉する確率が大きくな
る。
【0013】また、ルーバホルダはルーバを冷却する冷
媒が内部を流動する冷却管と一体化されているので、冷
媒の温度近くまで冷却される。従って、ルーバホルダに
はんだ付け等で一体化されているルーバは、効率よく冷
却されルーバの温度は、冷媒の温度に近くなる。よっ
て、ルーバからクライオパネル,副クライオパネルに輻
射熱で浸入する熱量を最小に抑えることが出来る。
【0014】
【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にクライオポンプ冷却システムの
構成例を示す。クライオポンプ1は、核融合装置の中性
粒子入射装置やスペースチャンバ等の真空容器2内に配
置される。クライオポンプ1は、単一ユニット3また
は、複数のユニット群3を合わせて構成する。各ユニッ
ト3の上部は、配管6,配管7を介して液体ヘリウム上
部タンク4及び液体窒素上部タンク5と連通し、ユニッ
ト3の下部は、配管10,配管11を介して液体ヘリウ
ム下部タンク8及び液体窒素下部タンク9と連通してい
る。
【0015】液体ヘリウム12は、ヘリウム液化装置1
3内で製造され液体ヘリウム供給管で液体ヘリウム上部
タンク4内に供給される。液体ヘリウム上部タンクと液
体ヘリウム下部タンクは、液体ヘリウムバイパス管15
を介して連通されている。クライオポンプ1で加熱され
て蒸発したヘリウムガスは、液体ヘリウム上部タンク4
及びヘリウムガス回収管16を通ってヘリウム液化装置
に戻り、再び液化される。
【0016】一方、液体窒素17は、窒素液化機また
は、窒素貯蔵タンク18より供給管19で液体窒素上部
タンク5内に供給される。液体窒素上部タンクと液体窒
素下部タンクは液体窒素バイパス管20を介して連通さ
れている。クライオポンプ内のルーバ及び熱シールド板
(図2で説明)で加熱されて蒸発した窒素ガスは、液体
窒素上部タンク5及び窒素ガス回収管21を通って窒素
液化装置に戻り、再び液化されるか、または、大気に放
出される。液体ヘリウム上部タンク及び液体窒素上部タ
ンク内の液体ヘリウム,液体窒素は自然循環によりそれ
ぞれ液体ヘリウムバスパス管15,液体窒素バイパス管
20を介してクライオポンプ内に供給される。
【0017】図2は、三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であり、図3は、二個のユニッ
トの斜視図である。
【0018】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22は、ステンレス鋼や、銅や、アルミ
ニウム等の金属製のプレート23,24,サイドプレー
ト25,26で囲まれた流路にフィン27をろう付けし
たもので、これらは治金的に一体化されている。プレー
ト23,24には、押し出し成形等で制作した凸凹状の
ステンレス鋼や、銅や、アルミニウム等の金属製の副ク
ライオパネル28をろう付け等で治金的に一体化してい
る。クライオパネル内には、液体ヘリウムが配管6,配
管7を介して自然循環でながれ、クライオパネルは4.
5K 以下の極低温に冷却される。
【0019】いっぽう、ステンレス鋼や、銅や、アルミ
ニウム等の金属製のルーバ29,前面熱シールド板3
0,31は、ルーバホルダ32と櫛歯状に組み合わさ
れ、組み合わせ部は、ろう付け等で治金的に一体化され
ている。ルーバホルダ32は、同ホルダにろう付け等で
治金的に一体化された配管7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。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3
3,側面熱シールド板34も同様にろう付け等で治金的
に一体化された配管7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。ルーバホルダ32は、ホ
ルダプレート35に固定され、ホルダプレート35は、
背面熱シールド板33の所定の位置にボルト等で支持さ
れている。
【0020】クライオパネル22は、図4に示すよう
に、エポキシ樹脂等の熱伝導率の小さな材質で制作した
スペーサ36,37を介して前面熱シールド板30と背
面熱シールド板33の間に支持されている。ルーバホル
ダ32の配置箇所の副クライオパネル22は、ルーバホ
ルダ32と接触しないようにパネルの一部を切りとっ
て、短冊状になっている。温度4.5K 以下の極低温の
クライオパネル22及び副クライオパネル28は、温度
約80Kのルーバ29,前面熱シールド板30,31,
ルーバホルダ32,背面熱シールド板33,側面熱シー
ルド板34と直接接触しないように配置されている。
【0021】図5は、クライオパネル22の一枚の断面
斜視図であり、副クライオパネル28はクライオパネル
長手方向に対して所定のピッチで分断されている。分断
された間隔Rの間にルーバホルダが配置される。この構
造により、副クライオパネル28の先端を、ルーバホル
ダ32と接触せずにルーバ29の端部29aの近くまで
設置できる。
【0022】本実施例によれば、ポンプ入り口面より入
射したガス分子は、前面熱シールド板30,31,背面
熱シールド板33やルーバ29,ルーバホルダ32に当
たり、反射を繰り返しながらルーバ29を通過可能な入
射角でクライオパネルに入射したガス分子が排気され
る。ガス分子は、すくなくとも一度はルーバや熱シール
ド板,ルーバホルダの表面に当たり、その後(1)クライ
オパネル,副クライオパネルに衝突するか、(2)上段の
ルーバの裏面に当たるか、(3)ルーバ外に戻されるかに
分かれる。しかし、副クライオパネルをルーバ裏面側に
配置することによって、(2)のガス分子をこの副クライ
オパネルに衝突させ、このガスを排気することが出来
る。
【0023】副クライオパネル28の配置は、格段のル
ーバ29の裏面に、直接、光線が当たらない範囲でルー
バ先端29aまで伸ばしてあるので、ガス分子を捕捉す
る確率が大きくなる。すなわち、副クライオパネルが一
枚もない場合のガス排気速度を100とすると、ルーバ
の裏面側に副クライオパネルを配置した場合のガス排気
速度は130となり、排気速度は、大幅に増加する。
【0024】また、ルーバホルダ32はルーバ29を冷
却する液体窒素が内部を流動する冷却管7と一体化され
ているので、冷媒の温度の77K近くまで冷却される。
従って、ルーバホルダ32にはんだ付け等で一体化され
ているルーバ29は、効率よく冷却されルーバ29の温
度は、約80Kとなる。よって、ルーバからクライオパ
ネル,副クライオパネルに輻射熱で浸入する熱量を最小
に抑えることが出来る。
【0025】また、本実施例によれば図2に示すよう
に、クライオパネル22とその両側に配置した二組のル
ーバブラインドと、背面熱シールド板33の組み合わせ
で一ユニットが構成できる。よって、クライオポンプの
クールダウン時に各ユニット間に温度不均一が生じて発
生するユニットの熱変形が、他のユニットに変形を及ぼ
すのを防止できるので、ルーバとクライオパネルが接触
して熱リークが生じたり、クライオポンプの一部が破壊
したりすることがない。また、各ユニットごとにクライ
オパネルとルーバの位置,配置を調整できるのでクライ
オポンプ全体の組立が容易になる。
【0026】本発明の他の実施例を図6に示す。この実
施例では、背面熱シールド板33のあるクライオポンプ
の奥行き方向に対し、クライオポンプ奥行方向の半分の
位置よりも奥部に冷却管7をルーバホルダ32に治金的
に一体化している。冷却管7に衝突した排気ガス分子
は、反射してクライオポンプ外に流出する確率が多くな
る。これは、冷却管がない場合には、クライオパネル,
副クライオパネルにガス分子が衝突する確率が高まるた
めである。従って、冷却管がない場合の方がクライオポ
ンプの排気速度は増加する。しかし、冷却管の配置場所
の違いによってもクライオパネル,副クライオパネルに
ガス分子が衝突する確率は異なる。すなわち、クライオ
ポンプの入り口に近いルーバもしくはルーバホルダに衝
突して反射したガス分子がクライオポンプから流失する
確率が、クライオポンプの奥で反射したガス分子のそれ
より高くなる。一方、ルーバホルダは冷却管でより均一
に冷却される必要があるため、ルーバホルダの長手方向
の中央部に冷却管を配置する方がよいこととなる。従っ
て、本実施例のように冷却管を前記中央部よりクライオ
ポンプ奥側に配置することによりクライオポンプの排気
速度を増加させる効果がある。
【0027】
【発明の効果】本発明によれば、ルーバの裏面側にクラ
イオパネルからのばした副クライオパネルを配置し、複
数のルーバを保持しているルーバホルダとの接触を避け
るために副クライオパネルを短冊状にしているので、副
クライオパネルを格段のルーバの裏面に、直接、光線が
当たらない範囲でルーバ先端まで伸ばして配置できるの
で、ガス分子を捕捉する確率を大きくしてクライオポン
プの排気速度を増してクライオポンプを小型化できる。
【0028】また、ルーバホルダはルーバを冷却する冷
媒が内部を流動する冷却管と一体化されているので、冷
媒の温度近くまで冷却される。従って、ルーバホルダに
はんだ付け等で一体化されているルーバは、効率よく冷
却されルーバの温度は、冷媒の温度に近くなる。よっ
て、ルーバからクライオパネル,副クライオパネルに輻
射熱で浸入する熱量を最小に抑えることが出来る。
【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
ムの説明図。
【図2】本発明の一実施例のクライオポンプユニットを
組み合わせたクライオポンプの上部断面図。
【図3】本発明に用いるクライオポンプユニットの斜視
図。
【図4】本発明に用いるスペーサ取り付け構造を説明す
るための断面図。
【図5】本発明に用いるクライオパネルの斜視図。
【図6】本発明の他の実施例のクライオポンプユニット
の上部断面図。
【符号の説明】
1…クライオポンプ、3…クライオポンプユニット、2
2…クライオパネル、28…副クライオパネル、29…
ルーバ、32…ルーバホルダ。
───────────────────────────────────────────────────── 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 (56)参考文献 特開 平2−191876(JP,A)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ガス分子を凝固・吸着する極低温度に冷却
    したクライオパネルと、前記クライオパネルを高温から
    の輻射熱から保護する低温に冷却した輻射熱シールド板
    を備えたクライオポンプにおいて、ルーバブラインド型
    輻射熱シールドのルーバ配列と平行に配置した前記クラ
    イオパネルに一体化した副クライオパネルをルーバの裏
    面側に配置し、かつ、副クライオパネルをクライオパネ
    ルの長手方向に分断し、前記ルーバを保持するルーバホ
    ルダを分断された部分に配置し、前記ルーバホルダに冷
    却管を金的に一体化したことを特徴とするクライオポ
    ンプ。
  2. 【請求項2】請求項において、前記ルーバホルダのク
    ライオポンプ奥行方向の半分の位置よりも奥部に冷却管
    金的に一体化したクライオポンプ。
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