JP6578593B2 - クライオポンプ - Google Patents

Description

本発明は、気体を凝縮させて排出するクライオポンプに関する。

クライオポンプは、極低温真空ポンプとも呼ばれ、真空チャンバ内に気体の凝縮点以下に冷却された凝縮面に、気体を凝縮させることによって、気体を固体の形で排出することで排気するための装置である。特許文献１は、クライオポンプにおいて、カップ状の冷却面に電気的な加熱素子を備えることによって、冷却面などの温度制御を可能とする技術を開示している。
真空ポンプとしては、他に特許文献２に開示されるように、超音速ジェットを噴射し、このジェットによって排気対象の気体を搬送する超音速ジェットポンプや、タービンによって気体に運動量を与えることによって排気するターボ分子ポンプなどが存在する。
一般に、クライオポンプは、これらのポンプに比較して、圧力が極端に低い真空状態や、水素、ヘリウムなどの分子量が軽い気体でも、効率よく大排気量を達成可能である利点がある。また、ターボ分子ポンプのように高速の回転部を有していないため、磁場の影響を受けずに運転でき、可動部の潤滑油などによって真空チャンバ内を汚染するおそれも抑制できる利点がある。

特開２０１５−４５３４０号公報 特許第５１８８１８０号公報

クライオポンプでは、冷却された凝縮面に凝縮した気体を排出するため、一旦、ポンプを停止して凝縮面を真空チャンバから隔離し、その上で加熱するという再生処理が必要となる。こうすることによって、凝縮面に凝縮した気体は、加熱されて再度、真空チャンバ外で昇華して気体となり排気されることになる。
このようにクライオポンプでは、凝縮と再生との繰り返し運転されるのが通常であり、運転を継続できる時間に限りがあった。クライオポンプの稼働中には、凝縮面には次々と気体が凝縮していくから、クライオポンプを長時間運転させようとすれば、凝縮面のサイズを非常に大きなものにする必要がある。それでも、凝縮面のサイズが有限である限り、クライオポンプには再生処理が欠かせず、いずれは運転を停止する必要が生じてしまう。また、クライオポンプの利用分野によっては、貯留できる固体の量が規制等によって制限されていることもあり、かかる分野では、クライオポンプの稼働時間が更に制約を受けることになる。
本発明は、かかる課題に鑑み、クライオポンプの稼働時間を長くすることを目的とする。

本発明は、気体を排気するためのクライオポンプであって、
心棒と、
前記心棒を前記気体の凝縮点以下に冷却する冷却機構と、
前記心棒の周囲に固体として付着した前記気体を掻き落とすカッター部材と、
前記カッター部材を前記心棒に対して相対的に移動させる駆動機構とを備える構成とすることができる。

本発明によれば、冷却された心棒に気体を凝縮させ、これを排出することで排気することができる。このとき、本発明では、カッター部材によって心棒に付着した固体を掻き落とすことができるため、心棒への固体の付着量を抑制することができる。排気は、掻き落とされた固体を外部に搬送することによって行えばよい。動力によって搬送する搬送機構を設けても良いし、重力や圧力差などを利用して排出する機構としてもよい。このように、本発明によれば、心棒に付着する固体の量を抑制できるため、心棒の再生処理の頻度を下げることができ、クライオポンプの連続稼働時間を長くすることが可能となる。
冷却面に付着した固体を掻き落とすだけであれば、冷却面の形状は平面、円筒内面など種々の選択が可能であるが、本発明においては、特に、心棒を採用している。こうすることによって、平面状や円筒内面に比較して、冷却すべき部材の体積を抑制し、効率的な冷却が可能となる。また、平面状等に比較し、心棒の外周全体が気体の凝縮に利用できる利点がある。

本発明において、心棒およびカッター部材は、種々の形状をとることができ、また駆動機構によるカッター部材と心棒の動きも種々の態様をとることができる。
例えば、心棒を円柱状の部材とし、カッター部材は、心棒の外周面に、その軸方向の所定の範囲にわたって接触する平板その他の形状の部材としてもよい。かかる場合には、心棒とカッター部材とを、心棒の中心軸周りに相対的に回転させることによって付着した固体を掻き落とすことができる。心棒を固定してカッター部材を回転させてもよいし、カッター部材を固定して心棒を回転させてもよい。また、両者を逆方向または同方向に回転させてもよい。
カッター部材が、心棒の軸方向全体にわたって接触する形状となっている場合には、単純に相対的な回転を行うだけで、心棒全体に付着した固体を掻き落とすことができる。
これに対し、カッター部材は、心棒の軸方向の一部にわたって接触する形状としてもよい。かかる場合には、駆動機構は、心棒とカッター部材とを相対的に回転させるとともに、心棒の軸方向にも相対的に移動させる機構とすればよい。
また、カッター部材は平板に限られるものではなく、例えば、心棒の表面に沿った円弧部分を有する三日月状の形状としてもよいし、心棒の表面に沿ったらせん形状などとしてもよい。三日月形状やらせん形状とする場合には、カッター部材が心棒の表面に対して、心棒の中心軸に対して斜めに接触させることができる。こうすることによって、心棒はカッター部材に対して相対的に斜めに回転する状態となり、固体を掻き落とす際にカッター部材にかかる荷重がカッター部材の接線方向と法線方向に分解されることになるから、カッター部材に対する剛性の要求を低減することができる利点がある。

本発明のクライオポンプにおいて、
前記心棒は、
前記冷却機構に連結された円柱状の冷却棒と、
前記冷却棒の外周を覆い、該冷却棒を中心軸として回転可能に保持された円筒状のスリーブとを有し、
前記駆動機構は、前記スリーブを回転させる機構であるものとしてもよい。

上記態様のように、心棒は、必ずしも一体の部材とする必要はなく、複数の部材の組み合わせであってもよい。上記態様では、スリーブは冷却棒の外周を覆うように保持されているから、冷却棒を冷却することにより、スリーブも併せて冷却され、気体はスリーブの表面に付着することになる。従って、スリーブを回転させると、カッター部材によって固体を掻き落とすことができる。スリーブと冷却棒との間には、固着を回避し、相対的な回転を実現できる程度の微小な間隙を設けておくことが好ましい。
上記態様によれば、回転させるのはスリーブのみで足り、冷却機構に連結された冷却棒は回転させる必要がない。従って、冷却棒と冷却機構の連結部分の構造を簡略化することができる利点がある。

本発明においては、
前記カッター部材は、前記心棒の断面形状とほぼ同形状の孔を有する環状または筒状の部材であり、
前記駆動機構は、前記カッター部材を前記心棒の軸方向に相対的に移動させる機構とすることができる。

カッター部材を環状または筒状とすることによる利点は次の通りである。カッター部材を環状または筒状とすることができるのは、本発明において心棒の外周に固体が付着する構造を採用していることによるものである。そして、固体を掻き落とす際には、カッター部材にも相当の荷重がかかることになるが、環状または筒状という形状を採用することにより、比較的簡易な構造で十分な強度を確保することが可能となる。
さらに、本発明では、カッター部材は心棒の軸方向に相対的に移動するという簡易な動きで固体を掻き落とすことが可能である。仮に平面状や円筒内面を冷却面とする場合には、これらの表面を掻き落とすためには、カッター部材を一方向に走査しながら、それと交差する方向に移動させるなど、二次元的に移動させる必要があるが、上記態様では、心棒に対して環状または筒状のカッター部材という組み合わせを採用しているからこそ、軸方向の移動のみで固体を掻き落とすことが可能となっているのである。カッター部材の動きが単純な分、上記態様においては、駆動機構の構成も簡略化することができる。

上記態様においては、
カッター部材は心棒に対して相対的に移動させればよい。心棒を固定してカッター部材を往復させてもよいし、カッター部材を固定して心棒を往復させてもよい。また、双方を移動させてもよい。
かかる駆動機構としては、圧縮空気、油圧を利用した機構としてもよいし、電動その他の動力を利用した機構としてもよい。
カッター部材を円滑に移動させるため、心棒の周囲を回転させながら移動させるようにしてもよい。
カッター部材は、静止することなく連続的に移動させてもよいし、一端で所定期間、停止させた上で間欠的に移動させてもよい。間欠的に移動させる場合、（１）心棒の一端から他端に向けて固体を掻き落とした後、他端で停止させ、今度は逆に他端から一端に向けて掻き落とすように移動させる態様、（２）心棒の一端から他端に向けて固体を掻き落とした後、直ちに他端から一端に移動させて停止させる態様など種々の態様をとることができる。
心棒の断面は円形が好ましいが、かかる形状に限定されるものではなく、楕円形、多角形など任意の形状とすることができる。また、心棒の断面積は必ずしも全体にわたって同一径である必要はなく、例えば、一端が多端よりも徐々に細くなるようにテーパさせてもよい。カッター部材が心棒の一端から他端に向かって固体を掻き落としていく場合には、他端側を細くしておけば、掻き落とされた多くの固体が心棒とカッター部材との間に詰まってしまいカッター部材の動きが阻害される状態を緩和することが可能となる。
冷却機構は、排気する気体の種類に応じて、その凝縮点以下に心棒を冷却し得る種々のものを用いることができる。気体を凝縮させられる程度まで冷却可能な機構として、例えば、ＧＭ冷凍機を用いてもよい。

本発明において、
前記心棒と前記カッター部材とは異なる材質で形成されているものとしてもよい。
同じ材質の部材を極低温下で接触させると、両者が冷凍固着してしまうことがある。上述のように、心棒とカッター部材との材質を変えることによって、その選択次第で、かかる固着を回避することが可能となる。
材質は、任意に選択可能であるが、例えば、心棒をステンレス鋼とし、カッター部材をテフロン（登録商標）とすることが考えられる。

また、本発明のクライオポンプにおいて、
前記心棒に前記気体を超音速で噴射する噴射機構を備えるものとしてもよい。
こうすることによって、噴射機構から噴射された気体が心棒に凝縮するだけでなく、噴射された気体によって運動量を与えられた気体分子も併せて心棒に凝縮させることができる。
噴射する気体は、排出対象となる気体と同一であってもよいし、異なっていても良い。
気体の噴射の速度は任意に設定可能であるが、他の気体に十分な運動量を与える観点から超音速とすることが好ましい。
噴射機構は、１つであってもよいし、複数であってもよい。

本発明のクライオポンプにおいて、
前記排気する気体を該クライオポンプ内に吸気する吸気管を有する場合、
前記噴射機構は、
前記吸気管と隔離され、前記カッター部材で掻き落とされた固体を貯留する貯留室と、
該貯留室内の気体を噴射するためのノズルとを備えるものとしてもよい。
こうすることにより、貯留室内に貯留された固体が昇華することによって、貯留室内の圧力が高まり、ノズルから気体を噴射させることができる。かかる態様によれば、貯留室内の圧力を利用することにより、動力を利用するまでなく、簡易な構造で気体の噴射を実現できる。かかる態様においても、ノズルとして断面積が最小となるスロート部分を有する超音速ノズルを採用することによって、超音速の噴射を実現することが可能である。

噴射機構を備える場合には、
前記気体には、前記冷却機構によって凝縮する第１気体と、凝縮しない第２気体とが混在しており、
前記噴射機構の下流側に、前記第２気体を排気するための排気機構が設けられているものとしてもよい。
かかる態様では、第１気体はクライオポンプの原理によって排気し、第２気体は気体のまま排気することができる。即ち、第２気体は、噴射機構からの気体によって運動量が与えられ、排気機構から排出されることになる。噴射機構から噴射する気体は、第１気体、第２気体のいずれでもよい。また、両者と異なる第３の気体を噴射してもよい。
こうすることによって、凝縮点の異なる気体を分離して排気することが可能となる。例えば、第１気体として水素同位体、第２気体としてヘリウムとしてもよい。

噴射機構を有するか否かに関わらず、本発明のクライオポンプにおいては、
該クライオポンプは、核融合炉に連結されており、
前記排出される気体は、該核融合炉から排出される水素同位体を含む気体であり、
前記冷却機構は、前記水素同位体の凝縮点以下に前記心棒を冷却する機構であるものとしてもよい。

クライオポンプは、半導体ウェハ製造、電子顕微鏡など種々の分野で利用されるが、こうした利用分野の一つとして、核融合炉の排気が挙げられる。核融合炉は、重水素および三重水素という水素同位体の核融合によってヘリウムを生じるとともに、莫大なエネルギを得るものであるが、この反応には、水素同位体の高温高密度のプラズマが必要となる。一般にプラズマは、真空状態の方が発生に要するエネルギを抑制でき、反応の効率も高くなる。また、核融合を生じさせるためには、プラズマの密度分布は格段面内で均一または中心ほど高いことが好ましいが、かかる密度分布を実現するためには、各断面の周囲にある水素同位体の気体を排気しておくことが好ましい。さらに、ヘリウムは、核融合によって生じる、いわば廃棄物であるため、核融合炉の運転を継続するためには、装置内から排気する必要がある。これらの理由により、核融合炉では、水素同位体およびヘリウムを排気して内部を真空状態に保つためのポンプが必要となる。
本発明のクライオポンプは、上述の通り核融合炉に適用することができ、また次に示す通り有用性が高い。核融合炉で用いられる水素同位体およびヘリウムは非常に軽量の分子であり、また、核融合炉ではプラズマの封入に強い磁場を用いるため、タービンの回転によって排気を行うターボ分子ポンプよりも、クライオポンプの方が適している。ただし、水素同位体の一つである三重水素は安全上の理由から最大貯留量が規制されているため、水素同位体を凝縮させて排気するクライオポンプでは、凝縮した水素同位体の量がこの規制値を超えないようにする必要がある。本発明は、従来のクライオポンプと異なり、心棒に凝縮した水素同位体をカッター部材で掻き落とし、高い頻度で排出しながら稼働するため、水素同位体の貯留量を抑制することができる。従って、本発明のクライオポンプは、排気効率および稼働環境の点で核融合炉に適すると同時に、三重水素の貯留量の規制も回避できる点で非常に有用性が高いのである。

クライオポンプを核融合炉に適用する場合、さらに、
前記カッター部材によって掻き落とされた前記固体を、前記核融合炉内に射出する射出機構を備えるものとしてもよい。
即ち、クライオポンプで回収された水素同位体の固体を、ペレットとして核融合炉内に射出する態様である。核融合炉では、先に説明した通り、各断面の中心部ほどプラズマの密度が高くなる密度分布を実現することが好ましい。かかる密度分布を実現する方法として、水素のペレットをプラズマ内部に射出する方法が知られている。上記態様では、クライオポンプで回収された水素同位体の固体を射出用のペレットとして利用することができるため、別途、ペレットを用意する必要がなく、効率的に水素同位体を活用できる利点がある。

本発明は、上述した種々の特徴を全て備えている必要はなく、適宜、一部を省略したり組み合わせたりすることも可能である。また、本発明は、クライオポンプとしての態様だけでなく、排気方法として構成することもできる。
例えば、気体を凝縮させて排出する排気方法であって、
前記気体と接触する位置に設置された心棒を、前記気体の凝縮点以下に冷却する工程と、
カッター部材を、前記心棒に対して相対的に移動させることによって、該心棒の周囲に固体として付着した前記気体を掻き落とす工程とを備える排気方法との構成である。
かかる排気方法は、クライオポンプと同様の原理によるものであるが、必ずしもクライオポンプと称される装置を用いるものには限定されない。
当該排気方法においても、クライオポンプで説明した種々の特徴を適用することは可能である。また、例えば、噴射機構を設け、この噴射機構から気体を噴射する工程をとる場合には、さらに、固体を掻き落とす際に気体の噴射を停止させるように制御するものとしてもよい。

核融合の全体構成を示す説明図である。 クライオポンプ１００の全体構成を示す説明図である。 クライオポンプ１００による水素同位体の排気動作を示す説明図である。 クライオポンプ１００によるヘリウムの排気動作を示す説明図である。 実施例２としてのクライオポンプ２００の全体構成を示す説明図である。 排気制御処理のフローチャートである。 変形例としてのクライオポンプの構成を示す説明図である。

本発明のクライオポンプを、核融合炉に適用した実施例について説明する。
Ａ．全体構成：
図１は、核融合炉１０の全体構成を示す説明図である。核融合炉１０は、二重水素および三重水素のプラズマを核融合反応させる装置である。この反応によって、莫大なエネルギが放出されるとともに、ヘリウムが発生される。
中央のドーナツ型の装置は磁場閉じ込めプラズマ装置１１であり、プラズマを磁場によって封じ込めるための装置である。核融合に用いられるプラズマは、非常に高温高密度であり、金属製の容器等では容器自体が損耗、溶融等してしまうため封じ込めることができないため、磁力等によって封じ込める方法がとられる。プラズマを封じ込めるために磁場を利用する方式としては、ヘリカル型、トカマク型などが知られており、磁場閉じ込めプラズマ装置１１には、いずれを採用してもよい。また、レーザービームや粒子ビームを利用する、いわゆる慣性閉じ込め方式と呼ばれる装置を利用してもよい。

磁場閉じ込めプラズマ装置１１には、３カ所に中性粒子入射加熱装置１２が接続されている。磁場閉じ込めプラズマ装置１１内のプラズマに対して中性粒子を入射し、その運動エネルギによってプラズマを加熱するための装置である。中性粒子入射加熱装置１２の数や位置などは任意に設定可能である。また、プラズマを加熱するための装置としては、中性粒子入射加熱装置１２に代えて、電子サイクロトロン共鳴加熱やイオンサイクロトロン共鳴加熱など、電磁波を用いる方式の装置を採用してもよい。

磁場閉じ込めプラズマ装置１１の周囲から配管１４を介して実施例のクライオポンプ１００が接続されている。クライオポンプ１００は、磁場閉じ込めプラズマ装置１１で生じる水素、二重水素、三重水素の気体（以下、水素同位体と呼ぶ）およびヘリウムなどを排気するための装置である。本実施例のクライオポンプ１００では、水素同位体を冷却して凝縮させた固体として排出し、ヘリウムについては気体のまま排出する構成を採用している。クライオポンプ１００の構成については、後述する。
配管１４を設ける部位および数は、任意に設計可能であるが、磁場閉じ込めプラズマ装置１１内に設けられるダイバータと呼ばれる装置の付近に設けることが好ましい。ダイバータの付近では、プラズマが気体に変化しやすいからである。
磁場閉じ込めプラズマ装置１１の内部は、数パスカル程度の圧力となっているため、クライオポンプ１００を０．１パスカル程度に減圧することにより、水素同位体およびヘリウムをクライオポンプ１００内に流入させることができる。

磁場閉じ込めプラズマ装置１１には、さらに配管１６によって水素ペレット入射装置２００が接続されている。水素ペレット入射装置２００は、水素同位体を冷却して固体状態にしたペレットを、磁場閉じ込めプラズマ装置１１内に配管１６を通じて入射するための装置である。
核融合炉１０では、核融合反応を安定的に生じさせるために、各断面の中心部ほどプラズマの密度が高くなる密度分布を実現することが好ましい。かかる密度分布を実現する方法として、水素のペレットをプラズマ内部に射出する方法が知られている。こうすることにより、プラズマの中心部に水素同位体を補填することができ、中心部の密度を高めることができるのである。
水素ペレット入射装置２００で用いるペレットは、クライオポンプ１００から排出される水素同位体の固体を、配管１５を介して水素ペレット入射装置２００に搬送することで利用している。搬送は、動力や振動を用いる方法、圧縮空気等の気体を用いる方法など種々の方法をとり得る。こうすることで、排出される固体を射出用のペレットとして利用することができるため、別途、ペレットを用意する必要がなく、効率的に水素同位体を活用できる利点がある。もちろん、水素ペレット入射装置２００は、クライオポンプ１００とは別個に用意されたペレットを使用するものとしてもよい。

Ｂ．クライオポンプの全体構成：
図２は、クライオポンプ１００の全体構成を示す説明図である。
クライオポンプ１００は、概ね中空円柱形の金属製の密閉された外容器１１０内に組み込まれている。外容器１１０は、配管１４を介して磁場閉じ込めプラズマ装置１１に接続されており、配管１４を介して水素同位体およびヘリウムが流入する。
外容器１１０の内部には、下端にフランジ１０２ｃを有する中空の支柱１０２が固定されている。支柱には、上端および中段にもフランジ部１０２ａ、１０２ｂが形成されている。
中段のフランジ部１０２ｂには、概ね円筒形の内容器１２０が設置されている。本実施例では、内容器１２０の底面に断面円形のカップ状の突部１２５を設け、突部１２５の底面をフランジ部１０２ｂに載せた状態で支持するようにした。この理由については後述する。内容器１２０については、突部１２５を省略した構成をとってもよい。

また、外容器１１０の内部には、中央に金属製の心棒１３０が設置されている。心棒１３０は、中空の支柱１０２の内部を貫通してＧＭ冷凍機１０１に連結され、極低温に冷却されるようになっている。冷却温度は任意に設定可能である。本実施例では、水素同位体を心棒１３０周りに凝縮させて排気するため、冷却温度は、水素同位体の凝縮点よりも低い温度である１０Ｋとした。かかる温度の冷却が可能であれば、ＧＭ冷凍機１０１に代えて他の冷凍機を採用してもよい。
心棒１３０の径および長さは、クライオポンプ１００の排気能力およびＧＭ冷凍機１０１の冷却能力に応じて、任意に設計可能である。

心棒１３０の下端側には、支柱１０２の上端のフランジ部１０２ａに載せる形で、受部１４０が固定されている。受部１４０は、円柱形の部材の中央に断面Ｕ字状の凹部１４３を設け、さらに凹部１４３につながり、外部に延びる排出管１４１、１４２が形成された部材である。排出管１４１、１４２は、心棒１３０の外周に凝縮した水素同位体の固体を排出するためのものであり、内容器１２０の底面から立ち上がる支持壁１２４で支持されている。本実施例では、排出管１４１は、内容器１２０内に開口し、排出管１４２は内容器１２０と外容器１１０との間に開口するよう長さが設定されている。
外容器１１０には、下端側に水素同位体を排出するための排気管１０４が設けられているから、排出管１４２から排出された水素同位体は、排気管１０４から外部に排出される。本実施例では、排気管１０４が配管１５（図１参照）に接続されており、水素同位体の固体は、そのままペレットとして利用される。
このように、本実施例では、水素同位体は固体の状態で外容器１１０から排出するものとしているが、排出管１０４から排出された後、昇華させ、気体の状態で排気管１０４から排気するようにしてもよい。この場合は、配管１４から流入してくる水素同位体と、排出管１４２から排出される固体とが混在しないように、外容器１１０の内部に隔壁を設けておくことが好ましい。
排出管１４１、１４２は種々の形状とすることができ、両者ともに内容器１２０と外容器１１０との間に開口するようにしてもよいし、両者ともに外容器１１０の外側に開口するようにしてもよい。

内容器１２０の内面には、３つのシェルフ１２１Ｕ、１２１Ｍ、１２１Ｌが形成されている。各シェルフには、支柱１２２Ｕ、１２２Ｍ、１２２Ｌが固定されており、各支柱にはノズル部材１２３Ｕ、１２３Ｍ、１２３Ｌが固定されている。また、受部１４０の上に中空のドーナツ状の貯気室１５０が形成されている。貯気室１５０の内部には上端が広く、下端が狭いすり鉢形状のガイド１５１が設けられている。また、貯気室１５０にはヘリウムを排気するための排気管１０５が取り付けられている。

図中には、ノズル部材１２３Ｕ、１２３Ｍの先端部分の領域Ａについて拡大図を示した。このようにノズル部材１２３Ｕ、１２３Ｍの先端部分は、気体を噴出させるためのノズルを形成している。本実施例では、ノズルは、気体が上流から下流に流れる途中で最小径ｄｍｉｎとなるスロート部が形成された、いわゆるコンバージェント・ダイバージェント・ノズルとなっており、気体を超音速で噴出させることが可能となっている。
同様に、ノズル部材１２３Ｍ、１２３Ｌによって上から２段目のノズルが形成され、ノズル部材１２３Ｌと貯気室１５０によって上から３段目のノズルが形成されている。これらのノズルも、領域Ａに示したノズルと同様の形状となっている。
本実施例では、３段のノズルを備えるものとしたが、その数や位置は任意に設定可能である。

内容器１２０は、ノズル部材１２３Ｕ、１２３Ｍ、１２３Ｌによって密閉された状態となっており、開口部は、これらで形成される３段のノズル部分のみである。本実施例では、このように閉じられた内容器１２０内に、排出管１４１から固体としての水素同位体が排出されるようになっている。排出された水素同位体は内容器１２０内で昇華するため、内容器１２０内の水素同位体の圧力が上昇し、やがて３段のノズルから噴出されるようになる。昇華を促進するため、内容器１２０にヒータ等の加熱機構を設けても良い。
図中には、こうして各ノズルから心棒１３０に向けて、水素同位体が噴出されている様子を示した。このように本実施例では、内容器１２０およびノズル部材１２３Ｕ、１２３Ｍ、１２３Ｌによって、水素同位体の噴出機構が形成されていることになる。
水素同位体を噴出するための噴出機構は上述の構成に限られず、また必ずしも排出管１４１から排出された水素同位体を用いる必要もない。例えば、内容器１２０の内部に、排出された水素同位体とは別に、噴出用の水素同位体を供給するようにしてもよいし、外部から噴出用の気体を導入し、心棒１３０に向けて噴射するようにしてもよい。

心棒１３０の上端側には、円筒形状のカッター部材１３２がはめ込まれている。カッター部材１３２は内側形状が心棒１３０の断面形状とほぼ同じ形状となっており、図中の矢印ｖに示すように心棒１３０の軸方向に往復運動可能となっている。駆動機構１３４は、心棒１３０を駆動するための機構である。駆動機構１３４は、圧縮空気を利用する機構としたが、電動、油圧駆動など種々の方式を採用可能である。
カッター部材１３２は、心棒１３０に沿って往復運動することにより、心棒１３０の外周に付着した水素同位体の固体を掻き落とす役割を果たす。本実施例では、心棒１３０が金属製であるのに対し、本実施例ではカッター部材１３２はテフロン（登録商標）製とした。このように両者を異なる材質で形成することにより、心棒１３０が極低温に冷却された状態でも、心棒１３０とカッター部材１３２とが固着することを抑制できる。もちろん、心棒１３０とカッター部材１３２の固着がクライオポンプ１００の動作上、支障のない範囲に収まる場合には、両者を同一材質の素材で形成しても構わない。

Ｃ．クライオポンプの動作：
次に、クライオポンプ１００の排気動作について、水素同位体の排気、ヘリウムの排気の順に説明する。

図３は、クライオポンプ１００による水素同位体の排気動作を示す説明図である。心棒１３０、受部１４０およびカッター部材１３２のみを模式的に示した。
図３（ａ）は、動作開始の状態を表している。この状態では、カッター部材１３２は、心棒１３０の上端に停止している。心棒１３０には、内容器１２０に設けられたノズルから、図示するように水素同位体が噴射されている。

図３（ｂ）は、開始後しばらく経過した時点の状態を表している。心棒１３０は極低温に冷却されているため、その周囲に、水素同位体が凝縮し、固体水素として付着する。
この状態で、カッター部材１３２を矢印ＶＤのように下側に駆動させると、カッター部材１３２によって固体水素が掻き落とされ、受部１４０の凹部１４３に押し込まれ始める。

図３（ｃ）は、カッター部材１３２を最下端まで下げた状態を表している。カッター部材１３２によって掻き落とされた固体水素は、受部１４０の凹部１４３に押し込まれ、さらに排出管１４１、１４２を通じて受部１４０から排出される。図２で説明した通り、固体水素は、排出管１４１からは内容器１２０内に排出され、排出管１４２からは内容器１２０と外容器１１０との間の空間に排出されることになる。
最下端まで押し下げが完了すると、カッター部材１３２は矢印ＶＵのように上側に駆動され、開始時の状態（図３（ａ））に戻る。

以上の動作を繰り返すことによって、クライオポンプ１００は、水素同位体を固体水素の形で排気することができる。
本実施例では、図３（ａ）に示すようにノズルから心棒１３０に向けて水素同位体を噴射するため、固体水素の付着を促進することができる。もっとも、心棒１３０は極低温に冷却されているため、仮にノズルからの噴射を行わなかったとしても、心棒１３０の外周には固体水素は付着し、クライオポンプ１００の排気動作は実現することができる。この意味で、ノズルからの噴射は、クライオポンプ１００の排気効率を向上させることができるが、その動作に本質的に必要というわけではない。

本実施例では、心棒１３０を固定してカッター部材１３２を上下に駆動している。心棒１３０とカッター部材１３２とは、心棒１３０の軸方向に相対的に移動させればよいから、例えば、カッター部材１３２を固定して心棒１３０を移動させるようにしてもよい。また、両者を同時に移動させるようにしてもよい。
本実施例では、上下方向にカッター部材１３２を移動させているが、心棒１３０を水平方向に設置し、カッター部材１３２を左右方向に移動させるようにしてもよい。
本実施例では、カッター部材１３２を最下端まで移動させた後、ホームポジションとも言うべき上端の位置（図３（ａ））に戻している。これに対し、カッター部材１３２を下端まで移動させた後は、下端で待機させ、固体水素が付着した後、これを掻き落としながら上端に移動させるようにしてもよい。こうすることによって、往復いずれの動作においても固体水素を掻き落とすことができ、排気効率を向上させることができる。かかる態様は、特に心棒１３０を水平に設置した場合に有用である。
カッター部材１３２は円筒形状に限られず、リング形状としてもよい。

本実施例のクライオポンプ１００は、水素同位体の排気と併せてヘリウムを排気することもできる。以下では、ヘリウムの排気について説明する。

図４は、クライオポンプ１００によるヘリウムの排気動作を示す説明図である。ヘリウムの排気に関係する内容器１２０部分を拡大して示した。
内容器１２０には、配管１４から水素同位体とヘリウムが吸入される。そして、内容器１２０に形成された３段のノズルからは水素同位体の超音速ジェットが図中の矢印Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３のように噴射されている。これらの超音速ジェットは、やや下向きに噴射しているため、内容器１２０内の気体分子は水素同位体、ヘリウムともに下向きの運動量を与えられ、矢印Ｆ１で示すように下向きの流れを生じる。
水素同位体は、先に図３で説明した通り、心棒１３０に固体水素として付着するが、ヘリウムは凝縮点が水素同位体よりも低いため、心棒１３０が１０Ｋに冷却されていたとしても凝縮しない。この結果、ヘリウムは気体の状態のままで貯気室１５０に集められ、矢印Ｆ２のように排気管１０５を介して外部に排気される。内容器１２０の内部は外容器１１０よりも圧力が低いから、排気管１０５から外部に排気可能とするため、排気管１０５には外部からの逆流を防止するための逆止弁を設けたり、排気管１０５の開口部に減圧室を形成するなどしておくことが好ましい。

ヘリウムの排気（図４の動作）は、水素同位体の排気（図３の動作）と並行して行われる。即ち、ヘリウムが排気されている間も、図３に示したように、カッター部材１３２は上下に駆動され、固体水素が掻き落とされる。貯気室１５０内のガイド１５１は、カッター部材１３２で掻き落とされた固体水素を受部１４０内に効果的に収容する役割を果たす。

以上で説明した実施例１のクライオポンプ１００によれば、心棒１３０に付着した固体水素をカッター部材１３２で掻き落とすことによって排気するため、固体水素を大量に貯留することなく排気を継続することができる。また、心棒１３０の再生処理もほぼ不要とすることができる。従って、クライオポンプ１００の連続稼働時間を長期化することが可能である。

また、実施例１のクライオポンプ１００では、水素同位体の超音速ジェットを心棒１３０に向けて噴射するため、水素同位体の排気効率を向上させることができる。さらに、この超音速ジェットの効果によってヘリウムを排気することも可能となる。

実施例１のクライオポンプ１００には、心棒１３０と円筒状のカッター部材１３２を採用することによる構造上の利点もある。水素を凝縮させる冷却面としては種々の形状が考えられるが、実施例１のように心棒１３０を採用することによって、冷却すべき部材の体積を抑制し、効率的な冷却が可能となるとともに、心棒１３０の外周全体が気体の凝縮に利用でき、体積当たりに凝縮に利用可能な表面積が大きくなる利点もある。
また、カッター部材１３２を筒状にすることによって、固体水素を掻き落とす際の荷重に耐えうる強度を比較的簡易な構造で確保することが可能となる。
さらに、実施例１では、心棒１３０に沿ってカッター部材１３２を往復動させるという比較的単純な動作によって固体水素を掻き落とすことが可能となっている。従って、駆動機構１３４の構成も簡略化することができる利点もある。

Ｄ．全体構成：
次に、実施例２としてのクライオポンプ２００について説明する。クライオポンプ２００も、実施例１と同様、核融合炉に適用され（図１参照）、水素同位体およびヘリウムを排気するための装置である。

図５は、実施例２としてのクライオポンプ２００の全体構成を示す説明図である。
クライオポンプ２００は、実施例１と同様の外容器２１０内に組み込まれている。
外容器２１０の下側には、中央に円形の孔２１２が形成された隔離板２１１が形成されている。隔離板２１１は外容器２１０と一体的に形成されていてもよいし、別体であってもよい。

また、外容器１１０の内部には、中央に金属製の心棒２３０が設置されている。心棒２３０は、実施例１と同様、ＧＭ冷凍機２０１に連結され、極低温に冷却されるようになっている。冷却温度は任意に設定可能である。
心棒２３０は、隔離板２１１と同程度の高さの位置に段部２３１が形成され、ここから下は細径部２３２となっている。細径部２３２の径は、カッター部材２３２の動作時に心棒２３０を十分に支持できるだけの剛性を有するように設定すればよい。
また、段部２３１より上側では、心棒２３０は、上端の径ＤＵ＞下端の径ＤＬというようにテーパ状となっている。こうすることにより、カッター部材２３２を下側に移動させるとき、固体水素が心棒２３０とカッター部材２３２との間に詰まってしまうことを緩和できる。さらに、段部２３１において心棒２３０の径が不連続に変化しているため、段部２３１で固体水素を心棒２３０から、より確実に剥離、落下させることができる。

実施例２では、カッター部材２３２によって掻き落とされた固体水素は、孔２１２から隔離板２１１の下側に落下する。外容器２１０には、隔離板２１１の下側の部位に水素同位体を排出するための排気管２０４が設けられているから、水素同位体は、排気管２０４から外部に排出される。実施例１と同様、排気管２０４から排出される水素同位体の固体をペレットとして核融合炉内に入射させてもよい。

外容器２１０内には円筒状の内容器２２０が設けられている。図中では、内容器２２０の支持方法については図示を省略した。
内容器２２０の下側には中央に円形の孔を有するシェルフ２５２が設けられており、シェルフ２５２の下側の部分が、実施例１と同様のドーナツ状の貯気室２５０を形成する。また、貯気室２５０の内部には実施例１と同様のガイド２５１、およびヘリウムを排気するための排気管２０５が取り付けられている。

内容器２２０には、心棒２３０に向けて気体を噴射するためのノズル２４１が設けられている。実施例２では、ノズル２４１は、圧縮機２４０に取り付けられており、外容器２１０内の気体を吸引・圧縮して噴射するようになっている。ノズル２４の形状は、実施例１と同様、コンバージェント・ダイバージェント・ノズルとすることができる。
また、実施例２では、圧縮機２４０は、スライド機構２４２に取り付けられており、矢印Ｖ２に示すように、上下方向にスライド可能となっている。スライド機構２４２としては、電動、油圧など種々の駆動方法をとることができる。こうすることにより、ノズルの位置を変化させながら気体を噴射させることができるため、心棒２３０の全体にわたって偏りなく気体の噴射が可能となる。かかるスライド機構に代えて、実施例１と同様、多段のノズルを備えるようにしてもよいし、ノズルは一段だけとしても差し支えない。

心棒２３０の上端側には、実施例１と同様、円筒形状のカッター部材２３２がはめ込まれている。カッター部材２３２は図中の矢印Ｖ１に示すように心棒２３０の軸方向に往復運動可能となっている。駆動機構２３４は、心棒２３０を駆動するための機構である。

駆動機構２３４およびスライド機構２４２、圧縮機２４０の動作は制御装置２６０によって制御される。制御装置２６０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、あらかじめインストールされた制御プログラムに従って、これらの動作を制御する。実施例２では、ソフトウェア的に制御する方法を採用したが、制御処理をハードウェアによって実現するようにしてもよい。

実施例２のクライオポンプ２００の排気動作も実施例１と原理的には同じである。即ち、極低温に冷却された心棒２３０の外表面に固体水素を付着させ、これをカッター部材２３２で掻き落とすことによって、水素同位体の排気を行う。また、ノズル２４１からの超音速ジェットの噴射による拡散効果によってヘリウムを排気管２０５から排気する。

Ｅ．排気制御処理：
図６は、排気制御処理のフローチャートである。制御装置２６０によって繰り返し実行される処理内容を示した。
処理を開始すると制御装置２６０は、圧縮機２４０を作動させる（ステップＳ１０）。これによってノズル２４１からの超音速ジェットの噴射が開始される。
制御装置２６０は、スライド機構２４２を制御して、圧縮機２４０を下げる動作を行い（ステップＳ１２）、下位置でしばらく保持した後（ステップＳ１４）、圧縮機の上側に移動させる上げ動作を行う（ステップＳ１６）。図５に示した左右２台の圧縮機２４０を同期して移動させてもよいし、一方が下げ動作をしているときに他方が上げ動作をするというように交互に移動させるようにしてもよい。
下位置で保持するのは（ステップＳ１４）、貯気室２５０に近い位置にノズル２４１を保持することにより、ヘリウムの排気を促進するためである。この処理は省略しても構わない。また、保持する時間は、任意に設定可能である。

制御装置２６０は、ステップＳ１２〜Ｓ１４の動作を所定時間経過するまで（ステップＳ１８）繰り返し実行する。この所定時間は、心棒２３０の外表面に固体水素が付着するまでの時間であり、心棒２３０の冷却能力、ノズル２４１からのジェットによる吹きつけ効果、カッター部材２３２による掻き落とし能力などを考慮して設定することができる。

所定時間経過すると、制御装置２６０は、圧縮機の動作を停止する（ステップＳ２０）。そして、駆動機構２３４を制御し、カッター部材２３２を下げる動作を行う（ステップＳ２２）。このように制御することにより、カッター部材２３２で固体水素を掻き落としている間は、圧縮機の動作が停止しているため、カッター部材２３２の外表面に固体水素が付着することを抑制できる。
ステップＳ２０の処理を省略し、圧縮機は動作させたままで、カッター部材２３２を作動させても構わない。

以上の処理全体を繰り返し実行することにより、実施例２のクライオポンプ２００は、水素同位体およびヘリウムの排気を行うことができる。
実施例２のクライオポンプ２００も、実施例１と同様の効果を奏することができる。

以上、本実施例の種々の変形例を示してきた。本発明については、ここに記載した実施例および変形例に限らず、さらに種々の変形例を構成することが可能である。
（１）心棒およびカッター部材の変形例：
図７は、変形例としてのクライオポンプの構成を示す説明図である。心棒およびカッター部材の構造のみを模式的に示した。

図７（ａ）に示した変形例（１）のクライオポンプは、円柱状の心棒３３０Ａと平板状のカッター部材３３２Ａを備えている。カッター部材３３２Ａは心棒３３０Ａの表面に接触するように固定されている。カッター部材３３２Ａの全幅（図中における高さ方向の長さ）は、心棒３３０Ａの軸方向の長さとほぼ同一である。心棒３３０Ａは極低温に冷却されているため、この表面には固体水素が付着している。この状態で、駆動機構によって心棒３３０Ａを図示するように中心軸周りに回転させると、カッター部材３３２Ａによって固体水素が掻き落とされ、実施例と同様、クライオポンプを継続的に運転することが可能となる。
図７（ａ）の例では、カッター部材３３２Ａは、心棒３３０Ａの表面に対して垂直（即ちカッター部材３３２Ａの面と心棒３３０Ａの中心軸が同一平面内にある位置関係）に設置してあるが、角度を持たせて（即ちカッター部材３３２Ａの面と心棒３３０Ａの中心軸が異なる平面にあり平行となる位置関係）に設置してもよい。
また、カッター部材３３２Ａの幅は、心棒３３０Ａの全長よりも短くしてもよい。この場合は、心棒３３０Ａを回転させている間、カッター部材３３２Ａを心棒３３０Ａの軸方向に移動させることによって、心棒３３０Ａの全体に付着した固体水素を掻き落とすことができる。

図７（ｂ）に示した変形例（２）のクライオポンプは、円柱状の心棒３３０Ｂとらせん形状のカッター部材３３２Ｂを備えている。カッター部材３３２Ｂは心棒３３０Ｂの表面の各部位に垂直に接触するように固定されている。図７（ｂ）では、カッター部材３３２Ｂは、心棒３３０Ｂの軸方向全体にわたって設置されている例を示したが、一部にとどめても良い。この状態で、駆動機構によって心棒３３０Ｂを図示するように中心軸周りに回転させると、カッター部材３３２Ｂによって固体水素が掻き落とされ、実施例と同様、クライオポンプを継続的に運転することが可能となる。
かかる態様では、らせん形状のカッター部材３３２Ｂは心棒３３０Ｂの表面で、心棒３３０Ｂの中心軸に対して斜めに接触している。こうすることによって、心棒３３０Ｂを回転させると、局所的には心棒３３０Ｂの表面は図中のＶ方向の速度を持つことになるが、これはカッター部材３３２Ｂに対して法線方向の速度Ｖｎと接線方向の速度Ｖｔに分解でき、同様に、固体水素を掻き落とす際にカッター部材３３２Ｂにかかる荷重も法線方向Ｖｎと接線方向Ｖｔに分解される。この結果、カッター部材３３２Ｂにかかる荷重が低減され、剛性の要求を低減することができる。カッター部材３３２Ｂを、図７（ｂ）で示した形状の一部を切り取った状態、即ち、心棒の表面に沿った円弧部分を有する三日月状の形状としても、同様の効果を得ることができる。

図７（ｃ）に示した変形例（３）のクライオポンプは、円柱状の冷却棒３３０Ｃおよびその周囲にはめ込まれた円筒状のスリーブ３３１Ｃからなる心棒と、平板状のカッター部材３３２Ｃを備えている。カッター部材３３２Ｃはスリーブ３３１Ｃの表面に接触するように固定されている。冷却棒３３０ＣはＧＭ冷凍機（図示せず）に固定されており、極低温に冷却されている。スリーブ３３１Ｃは冷却棒３３０Ｃを中心として回転できるよう、微小な間隙を設けてはめ込まれているが、冷却棒３３０Ｃが極低温に冷却されると、輻射によってスリーブ３３１Ｃも極低温に冷却され、表面に固体水素が付着する。この状態で、駆動機構によってスリーブ３３１Ｃを図示するように中心軸周りに回転させると、カッター部材３３２Ｃによって固体水素が掻き落とされ、実施例と同様、クライオポンプを継続的に運転することが可能となる。カッター部材３３２Ｃは、図７（ａ）の例で説明したように斜めに配置してもよいし、また、図７（ｂ）の例のようにらせん形状等としてもよい。また、カッター部材３３２Ｃの幅は、冷却棒３３０Ｃの全長よりも短くしてもよい。
上記態様では、心棒を冷却棒３３０Ｃとスリーブ３３１Ｃからなる構成とすることにより、冷却棒３３０ＣはＧＭ冷凍機に固定させておくことができ、簡易な構造とすることができる利点がある。また、こうして固定された冷却棒３３０Ｃは、スリーブ３３１Ｃの回転軸を兼用することができる点でも、構造上の利点がある。

以上で説明した図７（ａ）〜図７（ｃ）で説明した変形例において、回転動作は間欠的に行うものとしてもよいが、連続的に行うことがより好ましい。これらの変形例では、心棒とカッター部材とが常時、接して配置されているため、心棒とカッター部材との間に固体水素が付着するおそれがあるが、回転動作を連続的に行うことにより、こうした付着を抑制することができる利点がある。また、間欠動作を行わせるよりも、連続的に回転動作させることにより、駆動機構の構成が簡略化できる利点もある。
また、図７（ａ）〜図７（ｃ）では、カッター部材を固定し、心棒を回転させる例を示したが、逆に、心棒を固定し、カッター部材を回転させるようにしてもよい。両者を逆方向、または異なる速度で同方向に回転させるようにしてもよい。
心棒およびカッター部材については、さらに種々の変形例をとることが可能である。

（２）その他の変形例
本発明のクライオポンプは、水素とヘリウム以外にも種々の気体の排気に適用可能である。
実施例では、核融合炉への適用例を示したが、本発明のクライオポンプは、この他、半導体ウェハ製造、電子顕微鏡など種々の装置に適用可能である。
実施例のクライオポンプは、単に排気目的だけでなく、凝縮点の異なる２種類の気体を分離する用途にも使用可能である。当然、排気の対象は、水素とヘリウムに限られるものではない。

本発明は、気体を凝縮させて排出するクライオポンプにおいて連続での稼働時間を長くするために利用することができる。

１０…核融合炉
１１…磁場閉じ込めプラズマ装置
１２…中性粒子入射加熱装置
１４、１５、１６…配管
１００、２００…クライオポンプ
１０１、２０１…ＧＭ冷凍機
１０２…支柱
１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ…フランジ部
１０４、１０５、２０４、２０５…排気管
１１０、２１０…外容器
１２０、２２０…内容器
１２１Ｕ，１２１Ｍ，１２１Ｌ…シェルフ
１２２Ｕ，１２２Ｍ，１２２Ｌ…支柱
１２３Ｕ，１２３Ｍ，１２３Ｌ…ノズル部材
１２４…支持壁
１２５…突部
１３０、２３０、３３０Ａ、３３０Ｂ…心棒
１３２、２３２、３３２Ａ、３３２Ｂ、３３２Ｃ…カッター部材
１３４、２３４…駆動機構
１４０…受部
１４１、１４２…排出管
１４３…凹部
１５０、２５０…貯気室
１５１、２５１…ガイド
２００…水素ペレット入射装置
２１１…隔離板
２１２…孔
２３１…段部
２３２…細径部
２５２…シェルフ
２４０…圧縮機
２４１…ノズル
２４２…スライド機構
２６０…制御装置
３３０Ｃ…冷却棒
３３１Ｃ…スリーブ

Claims (9)

1. 気体を排気するためのクライオポンプであって、
   心棒と、
   前記心棒を前記気体の凝縮点以下に冷却する冷却機構と、
   前記心棒の周囲に固体として付着した前記気体を掻き落とすカッター部材と、
   前記カッター部材を前記心棒に対して相対的に移動させる駆動機構と、
   前記心棒に前記気体を超音速で噴射する噴射機構を備えるクライオポンプ。
2. 請求項１記載のクライオポンプであって、
   前記心棒は、
   前記冷却機構に連結された円柱状の冷却棒と、
   前記冷却棒の外周を覆い、該冷却棒を中心軸として回転可能に保持された円筒状のスリーブとを有し、
   前記駆動機構は、前記スリーブを回転させる機構であるクライオポンプ。
3. 請求項１記載のクライオポンプであって、
   前記カッター部材は、前記心棒の断面形状とほぼ同形状の孔を有する環状または筒状の部材であり、
   前記駆動機構は、前記カッター部材を前記心棒の軸方向に相対的に移動させる機構であるクライオポンプ。
4. 請求項１〜３いずれか記載のクライオポンプであって、
   前記心棒と前記カッター部材とは異なる材質で形成されているクライオポンプ。
5. 請求項１記載のクライオポンプであって、
   前記排気する気体を該クライオポンプ内に吸気する吸気管を有し、
   前記噴射機構は、
   前記吸気管と隔離され、前記カッター部材で掻き落とされた固体を貯留する貯留室と、
   該貯留室内の気体を噴射するためのノズルとを備えるクライオポンプ。
6. 請求項１または５記載のクライオポンプであって、
   前記気体には、前記冷却機構によって凝縮する第１気体と、凝縮しない第２気体とが混在しており、
   前記噴射機構の下流側に、前記第２気体を排気するための排気機構が設けられているクライオポンプ。
7. 請求項１〜６いずれか記載のクライオポンプであって、
   該クライオポンプは、核融合炉に連結されており、
   前記排出される気体は、該核融合炉から排出される水素同位体を含む気体であり、
   前記冷却機構は、前記水素同位体の凝縮点以下に前記心棒を冷却する機構であるクライオポンプ。
8. 請求項７記載のクライオポンプであって、
   前記カッター部材によって掻き落とされた前記固体を、前記核融合炉内に射出する射出機構を備えるクライオポンプ。
9. 気体を凝縮させて排出する排気方法であって、
   前記気体と接触する位置に設置された心棒を、前記気体の凝縮点以下に冷却する工程と、
   前記心棒に前記気体を超音速で噴射する工程と、
   カッター部材を、前記心棒に対して相対的に移動させることによって、該心棒の周囲に固体として付着した前記気体を掻き落とす工程とを備える排気方法。
   

Images