JP3884108B2 - 急速再生クライオポンプ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は核融合装置、薄膜工業等で超高真空又は極高真空を発生させるための排気用として使用するクライオポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
クライオポンプは、ポンプ内にクライオパネルと称する極低温のパネル面を置き、その表面に気体を凝縮させて排気を行う方式の超高真空ポンプである。
【０００３】
クライオポンプは排気速度、到達圧力共に優れた性能を有するが、溜め込み式ポンプであるため、ある一定量の気体をクライオパネル面に凝着させると排気性能が急速に低下する。この低下した排気性能を回復させるためにヒータ加熱による再生処置が施こされるが、これはクライオパネル面の温度を上げて該クライオパネル面上の凝縮気体を気化させ、これを別の再生用真空ポンプで排気するもので、再生作業は定期的に行なう必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のクライオポンプの再生作業時には、クライオパネル冷却用の冷凍機を停め、ヒータ等により該クライオパネルを加熱することが行われていた。
【０００５】
しかし、この加熱時には、クライオパネルに接続されている冷媒流路部のパイプやクライオパネルの支持部材等も同時に昇温させることになり、これら昇温対象部材の熱容量が大きいこと、及び構成部品材料の関係から加熱温度に制限があるため、昇温に長時間を要する問題があった。
【０００６】
又、再生作業終了後のクライオポンプ再起動の際も、同上の熱容量のため、クライオパネル面の冷却に長時間を要する問題があった。
【０００７】
更に又、これらヒータや冷凍機を強力なものにしてクライオパネルの昇温や冷却に要する時間を短縮させようとした場合には、クライオパネルや冷媒流路が大きな熱衝撃を受けることになり、ひび割れや破壊の発生や構成部品の材質の劣化をきたす危険性があった。
【０００８】
本発明はこれらの問題点を解消し、短時間で再生作業ができる急速再生クライオポンプを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するべく、周囲を気密に形成した薄い金属板からなるダイアフラムをクライオパネルの上面に着離自在に設けると共に、該ダイアフラムを着離させるためのダイアフラム駆動手段と該ダイアフラムを加熱するための加熱手段を備えていることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態を図１及び図２により説明する。
【００１１】
図１は本発明の急速再生クライオポンプ１の排気作動時の断面図を示し、図２は同急速再生クライオポンプ１の再生時の断面図を示す。
【００１２】
ダイアフラム２は薄い金属板からなり、その周囲は円環状の絶縁物３ｆを介してクライオポンプ筐体１ａに気密に接着されていると共に、下面は熱電導性の良好な金属製の環状体２ａを介してダイアフラム駆動手段３に結着されている。
【００１３】
該ダイアフラム駆動手段３は連結杆３ｂ、熱バッファ３ｃ及び形状記憶合金製のコイル３ｄからなる。
【００１４】
又、形状記憶合金製のコイル３ｄは、高温時に伸び、低温時に縮むように形成されていると共に、該コイル３ｄにはヒータが併設されており、通電により該コイル３ｄを昇温させることができる。
【００１５】
１ｂはクライオパネルで、裏面には冷媒流路１ｃを配置して該クライオパネル１ｂを極低温に迄冷却可能に形成されている。尚、１ｄ及び１ｅはそれぞれ冷媒の供給口及び排出口を示す。
【００１６】
１ｆは通気口を有する内筒で、円筒状の断熱体３ｇを介してクライオパネル１ｂと結着していると共にクライオポンプ筐体１ａの底部に定着している。
【００１７】
又、４はターボ分子ポンプで、ダイアフラム２の下側Ｂ部を超高真空に保持する作用をする。
【００１８】
尚、５は該ターボ分子ポンプ４の補助ポンプである。
【００１９】
次に本第１の実施の形態の作用について説明する。
【００２０】
急速再生クライオポンプ１の排気動作時には、ダイアフラム２はクライオパネル１ｂの上面に密着しており、冷媒流路１ｃに極低温の冷媒を流すことによって、該ダイアフラム２はクライオパネル１ｂと同等の低温に保たれる。このため、ダイアフラム２の上側Ａ部にある気体の分子は該ダイアフラム２の上面に凝縮して排気が行なわれる。
【００２１】
ダイアフラム２の上面への気体の凝着が進行して排気性能が低下した場合、急速再生クライオポンプ１の再生を行なう。
【００２２】
この場合は、先ずダイアフラム駆動手段３を作動させてダイアフラム２をクライオパネル１ｂの上面より離面させる。
【００２３】
即ち、導線３ｅより通電をしてコイル３ｄを昇温させると、形状記憶合金の作用によって該コイル３ｄが伸張し、連結杆３ｂ及び環状体２ａを介してダイアフラム２を持ち上げるように作動する。
【００２４】
尚、熱バッファ３ｃは、該コイル３ｄの熱が急速に環状体２ａ及びダイアフラム２に伝わらないようにするためのものである。即ちダイアフラム２がクライオパネル１ｂの上面から未だ離れない内に該コイル３ｄの熱がダイアフラム２に到着すると、極低温に冷却されたクライオパネル１ｂに該熱が伝わるという不具合を生ずるからである。
【００２５】
時間の経過と共にコイル３ｄの熱は熱バッファ３ｃを経て環状体２ａに達し、ダイアフラム２を昇温させるが、この時はもうダイアフラム２はクライオパネル１ｂから離れているので、クライオパネル１ｂは伝熱による加熱あるいはダイアフラム２からの輻射により加熱されるという不具合は生じない。
【００２６】
即ち、ダイアフラム２とクライオパネル１ｂの各着離表面には、熱伝導がよく放射率が低い金、銀又は銅の鏡面メッキを施してある。
【００２７】
今、ダイアフラム２とクライオパネル１ｂとの着離面の対向面積をＳ（ｍ² ）、クライオパネル１ｂの温度をＴｐ（Ｋ）、再生時のダイアフラム２の温度をＴｄ（Ｋ）、着離面の放射率をε、ステンファンボルツマン定数をσ（Ｗ／ｍ² Ｋ⁴ ）とすると、ダイアフラム２からクライオパネル１ｂへの放射による熱伝達量Ｑ（Ｗ）は（１）式で得られる。
【００２８】
【数１】

【００２９】
そこで、着離面直径を２００mm、着離面の放射率εを０．０２、クライオパネル１ｂの温度Ｔｐを０Ｋ、ダイアフラム２の温度Ｔｄを２９３Ｋ、ステファンボルツマン定数σを５．６７×１０^-8Ｗ／ｍ² Ｋ⁴ とすると、ダイアフラム２からクライオパネル１ｂへの放射による熱伝達量Ｑは０．２６Ｗとなり、これは通常のクライオポンプの除熱能力からみて問題とならない小さな数値である。
【００３０】
この様に再生時にダイアフラム２からクライオパネル１ｂへ放射熱伝達によって伝えられる熱量は非常に小さく、不具合を生じない。
【００３１】
又、ダイアフラム２は薄い金属板製であるため熱容量が小さく、従って再生時に該ダイアフラム２は急速に昇温して凝縮気体の放出を始める。この放出された気体は、別の再生用真空ポンプ（図示せず）によって排出する。
【００３２】
ダイアフラム２の下側のＢ部も分子ポンプ４によって超高真空に保たれているので、前記クライオパネル１ｂの表面には気体の凝縮が起きず、従ってクライオパネル１ｂとダイアフラム２の間の熱伝達が良好に保たれる。
【００３３】
又、ダイアフラム２とクライオパネル１ｂの着離面が離れる時も、抵抗がなく容易に行われる。
【００３４】
一方、再生中もクライオパネル１ｂに配置した冷媒流路１ｃには冷媒を流したままとするので、再生終了時に前記ヒータへの通電をやめてコイル３ｄの長さを短縮させ、ダイアフラム２をクライオポンプ１ｂに密着させることにより、急速に該ダイアフラム２を冷却して排気動作に戻ることができる。
【００３５】
このように本発明の急速再生クライオポンプ１は、ガス吸着面となるダイアフラム２の熱容量を、従来のクライオパネルの熱容量の１００分の１以下にできるので、再生作業時にガス吸着面の昇温及び冷却に要する時間が大幅に短縮される。
【００３６】
又、クライオパネル１は常に極低温に保たれるため、再生作業時に該クライオパネル１ｂに熱衝撃を生ずることがない。
【００３７】
更に、本発明の急速再生クライオポンプ１を複数台組み合わせることにより、連続して排気を行なうことができる。
【００３８】
尚、形状記憶合金製のコイル３ｄにヒータを併設する代りに、コイル３ｄ自体を発熱体としてもよい。
【００３９】
本発明の第２の実施の形態を図３及び図４により説明する。
【００４０】
図３は急速再生クライオポンンプ１の第２の実施の形態の再生時の断面図を示す。
【００４１】
ダイアフラム駆動手段６は、先端に断熱体６ａを有する連結杆６ｂ及び伸縮駆動部６ｃよりなる。又、７は円環状のヒータプレートであり、クライオポンプ筐体１ａに定着されている。尚、伸縮駆動部６ｃにはソレノイドやリニアモータ又はベローズでシールした空気作動式シリンダー等を使用する。図４は、ベローズ６ｄ、エアシリンダー６ｅ及びピストン６ｆを用いた空気作動式の場合を示す。
【００４２】
本第２の実施の形態は、前記第１の実施の形態におけるダイアフラム駆動手段３の代りにダイアフラム駆動手段６を設置し、又、ヒータプレート７を設けた点が該第１の実施の形態とは異なる。
【００４３】
本第２の実施の形態の作動について説明する。
【００４４】
排気動作時にはダイアフラム２はクライオパネル１ｂと密着しているが、再生を行なう際は、該ダイアフラム２をダイアフラム駆動手段６によって持ち上げ該ダイアフラム２の上面をヒータプレート７に圧着させる。そして導線３ｅより通電をしてヒータプレート７によって該ダイアフラム２を昇温させ、凝縮気体の放出を行なわせる。
【００４５】
本第２の実施の形態の再生時には、ダイアフラム２がクライオパネル１ｂから離れた後に加熱され、昇温するので、クライオパネル１ｂが共に加熱されるという不具合が生じない。
【００４６】
図５は本発明の急速再生クライオポンプ１の第３の実施の形態の再生時の断面図を示す。
【００４７】
同図５において、ダイアフラム駆動手段６は前記第２の実施の形態と同じであるが、前記ヒータプレート７の代りに渦巻状の電熱線からなるヒータ８がダイアフラム２に設置されており、再生時には導線３ｅより該ヒータ８へ通電をして、ダイアフラム２が該ヒータ８により直接加熱される構造とした。
【００４８】
即ち、これら第２、第３の実施の形態では、ダイアフラム２がクライオパネル１ｂから離れた後に加熱できる利点と共に、ヒータプレート７又はヒータ８の発熱量の調節により該ダイアフラム２の温度を直接にコントロールすることができる点に特徴がある。
【００４９】
尚、本発明のクライオパネル１ｂは冷媒で冷却する方法を示したが、これは市販されているヘリウムガスを使用するクライオポンプのコールドヘッドを用いてもよい。
【００５０】
【発明の効果】
このように本発明によれば、再生作業時にガス吸着面の昇温及び冷却に要する時間が大幅に短縮されると共に、クライオパネルや冷媒流路が常に冷却状態に保たれているので、これらが熱衝撃を受けることがない安全構造の急速再生クライオポンプを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の急速再生クライオポンプの排気動作の断面図である。
【図２】同上の再生時の断面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態の急速再生クライオポンプの再生時の断面図である。
【図４】同上の第２の実施の形態において空気作動式シリンダーを使用した場合の断面図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態の急速再生クライオポンプの再生時の断面図である。
【符号の説明】
１ 急速再生クライオポンプ
1b クライオパネル
２ ダイアフラム
３、６ ダイアフラム駆動手段
3c 熱バッファ
７、８ 加熱手段

Claims (10)

1. 周囲を気密に形成した薄い金属板からなるダイアフラムをクライオパネルの上面に着離自在に設けると共に、該ダイアフラムを着離させるためのダイアフラム駆動手段と該ダイアフラムを加熱するための加熱手段を備えていることを特徴とする急速再生クライオポンプ。
2. 前記ダイアフラム駆動手段は温度変化により伸縮する形状記憶合金を用いたことを特徴とする請求項１に記載の急速再生クライオポンプ。
3. 前記加熱手段は前記形状記憶合金に併設したヒータからなることを特徴とする請求項１及び請求項２に記載の急速再生クライオポンプ。
4. 前記形状記憶合金と前記ダイアフラムとの間に熱バッファを介在させたことを特徴とする請求項１及び請求項３に記載の急速再生クライオポンプ。
5. 前記ダイアフラムの下側を超高真空としたことを特徴とする請求項１に記載の急速再生クライオポンプ。
6. 前記ダイアフラムの下側を真空とするための分子ポンプを備えていることを特徴とする請求項５に記載の急速再生クライオポンプ。
7. 前記加熱手段は前記ダイアフラムが前記クライオパネルから離れたときに接触するヒータプレートからなることを特徴とする請求項１に記載の急速再生クライオポンプ。
8. 前記加熱手段は前記ダイアフラムの周辺部に接着した電熱線からなることを特徴とする請求項１に記載の急速再生クライオポンプ。
9. 前記ダイアフラム駆動手段はソレノイド又はリニアモータ又はベローズでシールした空気作動式シリンダーによることを特徴とする請求項１に記載の急速再生クライオポンプ。
10. 前記ダイアフラムとクライオパネルとが互いに着離する双方の着離面に、金、銀、銅等をメッキして鏡面に形成したことを特徴とする請求項１に記載の急速再生クライオポンプ。

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