JPH02104988A - クライオポンプとその再生方法 - Google Patents

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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は液体ヘリウムのような低温の液化気体を冷却媒
体として用いるクライオポンプとその再生方法に関する
。

（従来の技術） 気体排気面の冷却に液体ヘリウムを用いる場合について
説明する。

クライオポンプは気体排気面を液体ヘリウムで４．２に
程度の極低温に冷却することにより、気体を凝縮・吸着
させて真空容器を排気するポンプである。このようなり
ライオポンプの例として文献（Ｗｅｒｎｅｒ　Ｇ　Ｂａ
ｅｃｈｌｅｒ、　Ｖａｃｕｕｍ、　Ｖｏｌ　３７．　Ｎ
ｏ、　１／２゜ｐａｇｅｓ　２１　ｔｏ　２９．１９８
７）のＰ２５にＦｉｇ、１１として記載されている例が
ある。上記文献のＦｉｇ、１１に示されているクライオ
ポンプの縦断面図を第７図に模式化して示し、第７図の
Ａ−Ａ線に沿う矢視断面図を第８図に示す。第７図およ
び第８図において（１）は排気面、（２）は排気面（１
）を冷却する液体ヘリウム溜、（３）は液体ヘリウム溜
（２）の気液分離器、（４）は液体ヘリウム溜（２）と
気液分離器（３）を相互に連通ずる接続管である。液体
ヘリウム溜（２）は波板を突き合せたような縦方向に複
数個のパイプ状に分割され相互に連通している。（５）
および（６）は各々気液分離器（３）の液体ヘリウム入
口および気体ヘリウム出口で、図示しない外部の液体ヘ
リウム供給装置、気体ヘリウム回収装置に接続される。

（２１）は液体ヘリウム（２ａ）で冷却される部分の熱
負荷を低減するシェブロン形バッフル、（２２）はシェ
ブロン形バッフル（２１）を冷却する液体窒素溜であっ
て、液体窒素（２２ｂ）を下部連通管（２２ａ）で連通
している。　（２３）は液体窒素溜（２２）の気液分離
器、（２４）は液体窒素入口、（２５）は気体窒素出口
、（２６）は真空容器壁、（２７）は液体窒素（２２ｂ
）で冷却される輻射シールドである。この従来のクライ
オポンプでは熱負荷により液体ヘリウム溜（２）で気化
したヘリウムは接続管（４）を経由して気液分離器（３
）に移送され、一方気液分離器（３）から接続管（４）
を経由して液体ヘリウム（２ａ）が液体ヘリウム溜（２
）に移送される。

（発明が解決しようとする課題） クライオポンプは極低温に冷却した排気面に気体を凝縮
・吸着させて真空排気するポンプである。

しかし一般に、その吸着量には限界があるため、ある時
間排気動作を行った後吸着した気体を離脱させ、別の真
空ポンプを用いてその気体を取除く必要がある。これを
クライオポンプの再生と呼んでいる。

クライオポンプを再生するには排気面を排気気体の種類
によるが例えば３０〜１００に程度に加熱する必要があ
る。このため液体ヘリウムなどの冷却媒体の供給を停止
し、一方排気面をヒータなどの加熱手段で加熱する必要
がある。しかし第７図および第８図に示す従来のクライ
オポンプは排気面（１）を加熱すると液体ヘリウム溜（
２）内の粘体ヘリウムが気化するが、気化した液体ヘリ
ウムは気液分離器（３）内の液体ヘリウムによって補な
われる。

このように気液分離器（３）から液体ヘリウムが補給さ
れる間は気体排気面を加熱することはできない。従って
、排気面（１）を加熱するには液体ヘリウム溜（２）や
気液分離器（３）などの液体ヘリウム冷却部の内部に溜
っている液体ヘリウムを全て蒸発・気化させる必要があ
った。このため大量の液体ヘリウムを無駄に蒸発・気化
させるという欠点があった。また液体ヘリウム冷却郡全
体から液体ヘリウムが気化するため、液体ヘリウム冷却
郡全体が加熱され、再生終了後再び排気面（１）を冷却
するために大量の液体ヘリウムを消費するという欠点も
あった。さらに気化させる冷却媒体の量が多く加熱・再
冷却する構造部材の重量が大きいので、再生に要する時
間が長いという問題があった。

本発明の目的は、このような欠点を除去し、液化気体溜
や気液分離器などの液化気体をクライオポンプの再生時
にも無駄に気化せず、再生および再生後に再び排気面を
冷却する加熱−冷却サイクルに要する時間の短縮を図っ
たクライオポンプとその再生方法を提供することにある
。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するためにヘリウムを例にとって説明す
ると１本発明は排気面を冷却する液体ヘリウム溜の上部
とこの液体ヘリウム溜の気液分離器の下部を相互に連通
ずる液体ヘリウムの配管経路に相互の連通を開閉する手
段を具備し、且つ液体ヘリウム溜の下部と気液分離器の
上部を連通ずる配管を具備してなることを特徴とするク
ライオポンプを提供し、さらに気体を凝縮・吸着して排
気したクライオポンプの排気面を加熱手段により加熱し
て排気面の温度を上昇させ、同時に液体ヘリウム溜と気
液分離器の間の接続管経路に設けた開閉手段を閉じて液
体ヘリウム溜上部と気液分離器下部の間の相互の連通を
閉止し、温度上昇により気化したヘリウムの圧力上昇に
より、液体ヘリウム溜内の液体ヘリウムを液体ヘリウム
溜下部と気液分離器上部を相互に連通ずる接続管を通じ
て気液分離器内に移送・回収して排気面の温度上昇を促
進すると共に、排気面加熱中も気液分離器に液体ヘリウ
ムを保持することを特徴とするクライオポンプとその再
生方法を提供する。

（作　用） このように構成されたものは液体ヘリウム溜の上部と気
液分離器の下部を相互に連通ずる接続管経路内に設けた
開閉手段により前記相互の連通を閉止すると、液体ヘリ
ウム溜に対する液体ヘリウムの供給が停止する。一方熱
負荷により気化したヘリウムの気液分離器への移送も停
止し液体ヘリウム溜内に溜るので、液体ヘリウム溜内の
圧力が上昇する。この圧力上昇により液体ヘリウム溜内
の液体ヘリウムは、液体ヘリウム溜下部と気液分離器上
部とを相互に連通ずる接続管を通じて気液分離器内に移
送される。液体ヘリウム溜内は、液体ヘリウムが気液分
離器に排出されて空になるので、冷却媒体の蒸発潜熱を
供給する必要がなく排気面の加熱が容易になる。液体ヘ
リウムは液体ヘリウム溜内と気液分離器内とで分離され
、相互の連通が閉止されるので液体ヘリウム溜内の液体
ヘリウムを気化しても、気液分離器内の液体ヘリウムは
気化せず保持される。このため再生中も気液分離器はほ
ぼ液体ヘリウム温度に保たれる。したがってクライオポ
ンプを再生しても液体ヘリウム冷却部の内部の液体ヘリ
ウムを一部分気化させるだけでよく、気液分離器内に液
体ヘリウムを溜めたまま排気面を加熱することが可能と
なる。

（実施例） 実施例１ 以下１本発明の第１の実施例について第１図を参照して
説明する。

第１図において第７図と同一の機能の部材は同一の符号
を付して説明を省略する。（１１）は液体ヘリウム溜（
２）の上部と気液分離器（３）の下部を相互に連通ずる
接続管（４）に設けた配管経路の開閉手段である弁、（
１２）は液体ヘリウム溜（２）の下部と気液分離器（３
）の上部とを相互に連通ずる接続管である。弁（１１）
は接続管（４）を開閉することが可能で、液体ヘリウム
溜（２）と気液分離器（３）の液体ヘリウムおよび気体
ヘリウムの相互の移送を調節するものである。接続管（
１２）は液体ヘリウム溜（２）内の液体ヘリウム（２ａ
）が、液体ヘリウム溜（２）の上部から圧力を印加した
場合には、気液分離器（３）に移送されることが可能な
配管経路を形成している。

以上のように構成されたクライオポンプで排気面の再生
を行うには次のようにする。まず図示しない加熱装置で
排気面（１）および液体ヘリウム溜（２）を加熱する。

加熱装置は排気面（１）又は液体ヘリウム溜（２）に取
付けた抵抗性ヒータや誘導性ヒータ、および赤外線ヒー
タなどが考えられるが、図示を省略する。この加熱と共
に開閉手段である弁（１１）を閉じ、液体ヘリウム溜（
２）内と気液分離器（３）内の液体ヘリウムおよび気体
ヘリウムの相互の移送を阻止する。そうすると、加熱装
置の熱負荷により液体ヘリウム溜（２）内の液体ヘリウ
ム（２ａ）が気化して液体ヘリウム溜（２）の上部に溜
るが弁（１１）が閉じているので気液分離器（３）内に
流入することはない。この気化ヘリウムにより液体ヘリ
ウム溜（２）内の圧力が上昇し、液体ヘリウム溜（２）
の下部と気液分離器（３）の上部を連通ずる接続管（１
２）を通じて、液体ヘリウム溜（２）内の液体ヘリウム
（２ａ）は気液分離器（３）内に移送される。

移送された液体ヘリウム（２ａ）は気液分離器（３）内
で液体ヘリウムと気体ヘリウムに分離され、再生終了後
再び排気面（１）および液体ヘリウム溜（２）を冷却す
るために用いられる。再生終了後、排気面（１）および
液体ヘリウム溜（２）を再び冷却するには弁（１１）を
開き気液分離器（３）から液体ヘリウム（２ａ）を液体
ヘリウム溜（２）に供給する。

以上のようなりライオポンプの構成および再生方法とす
るので、従来のように気液分離器（３）内の液体ヘリウ
ム（２ａ）を全て蒸発させずとも、再生が可能になった
のみならず、液体ヘリウム溜（２）内の液体ヘリウム（
２ａ）を気液分離器内に回収することが可能になったの
で、再生に伴う液体ヘリウムの消費厘が低減される。液
体ヘリウム溜（２）内の液体ヘリウム（２ａ）を気液分
離器（３）へ移送することが可能となったので、排気面
の加熱のための熱負荷が少なくてすむようになり、再生
のための加熱装置の小形化が可能になると共に再生時間
が短縮される。気液分離器（３）内に液体ヘリウムを溜
めたまま再生することが可能となったので、液体ヘリウ
ム冷却郡全体の温度が再生に伴って上昇することを防止
することが可能になり、再生終了後の再冷却時の液体ヘ
リウムの消費量が低減されるのみならず再冷却時間が短
縮される。

実施例２ 次に第２図を参照して第２の実施例を説明する。

第２図は液体ヘリウム溜（２）の下部と気液分離器（３
）の連通は、液体ヘリウム溜（２）内部および気液分離
器（３）内部に配管され液体ヘリウム溜（２）の下部と
気液分離器（３）の上部に各々開口部を（１４）。

（１５）を有する接続管（１３）により行っている。他
は実施例１と同様である。

このように配管すれば接続管（１３）は内部を通すので
狭隘な空間においても設置することができる利点がある
他、実施例１と同様な作用効果を有する。

実施例３ 次に第３図を参照して第３の実施例を説明する。

第３図においては、液体ヘリウム溜（２）の下部と気液
分離器（３）の上部を連通ずる接続管（１２）にヘリウ
ム回収装置（図示せず）と接続する分岐配管（１６）を
設けた例である。　（１７）、（１８）は各々液体ヘリ
ウム溜（２）と気液分離器（３）、液体ヘリウム溜（２
）と図示しないヘリウム回収装置の配管経路内に設けた
開閉手段としての弁であり、他は実施例１と同様である
。

この第３図に示す例は液体ヘリウム溜（２）の内容積が
気液分離器（３）の内容積に対して比較的大きく液体ヘ
リウム溜（２）内の液体ヘリウムを気液分離器（３）に
移送したとき気液分離器（３）が満杯になる場合に好都
合な例である。再生時気液分離器（３）が液体ヘリウム
で満杯になるときは、開閉手段としての弁（１７）　、
　（１８）を操作して図示しないヘリウム回収装置へ分
岐配管（１６）を通してヘリウムを移送できる他、実施
例１と同様な作用効果を有する。

実施例４ 次に第４図を参照して第４の実施例を説明する。

第４図はアルゴン凝縮層のクライオトラッピング作用で
ヘリウムを排気する排気面を有する複合クライオポンプ
に本発明を適用した例である。第４図において第１図と
同一の機能の部材は同じ符号を付したが形状が異なるた
め、もう−度説明する。

第４図において（１）はアルゴンが凝縮し吸着媒体とし
て作用する排気面、（２）は排気面（１）を冷却するた
めの液体ヘリウム溜、（３）は液体ヘリウム溜の気液分
離器、（５）は液体ヘリウム入口、（６）は蒸発した液
体ヘリウムの出口である。　（２１）は黒化処理を施し
、液体窒素で冷却したシェブロン形バッフル、（２７）
は排気面（１）など液体ヘリウムで冷却される部分の熱
輻射を低減するための輻射シールド、　（２２）は液体
窒素溜、（２４）は液体窒素入口、（２５）は蒸発した
気体窒素出口である。（３１）は排気面（１）の前面に
配置したアルゴン吹出管（３２）に設けた排気面（１）
上にアルゴンを指向性をつけて吹付けるためのアルゴン
吹出孔、（３３）はアルゴン導入装置ｆ（３４）からア
ルゴン吹出管までアルゴンを導くアルゴン導入管である
。（４１）はクライオポンプ容器（４２）を真空排気す
るための補助真空排気装置、（４３）はクライオポンプ
全体を支持しているクライオポンプ容器の蓋、（４４）
はクライオポンプが真空排気を行うための吸気口フラン
ジ、（４５）はクライオポンプで真空排気する被排気真
空容器である。

（５１）は排気面（１）の前面に配置したシェブロン形
バッフル、　（５２）はバッフル（５１）を液体ヘリウ
ム温度に冷却するための冷却管、（５３）は冷却管（５
２）の気液分離器、　（５４）は気液分離器（５３）の
液体ヘリウム入口、（５５）は蒸発した液体ヘリウムの
出口である。　（ｌｌａ）は液体ヘリウム溜（２）と気
液分離器（３）を相互に連通ずる接続管（４ａ）に設け
た開閉手段。

（１２ａ）は液体ヘリウム溜（２）の下部と気液分離器
（３）の上部を連通ずる接続管である。（ｌｌｂ）は液
体ヘリウム冷却管（５２）の上部と気液分離器（５３）
の下部を相互に連通ずる接続管（４ｂ）に設けた開閉手
段、（１２ｂ）は液体ヘリウム冷却管（５２）の下部と
気液分煎器（５３）の上部を連通ずる接続管である。

次にこの実施例４の再生方法について説明する。

排気面（１）およびシェブロン形バッフル（５１）に熱
負荷を加えるとともに開閉手段（ｌｌａ）および（ｆｌ
ｂ）を閉止し、液体ヘリウム溜（１）と気液分離器（３
）。

液体ヘリウム冷却管（５２）と気液分離器の各々の液体
ヘリウムと気体ヘリウムの相互の移送を防止する。熱負
荷を加える手段は図示しない。液体ヘリウム溜（１）と
液体ヘリウム冷却管（５２）内の圧力が気化ヘリウムに
より上昇し、各々接続管（１２ａ）。

（１２ｂ）を経由して気液分離器（３）、気液分離器（
５３）に液体ヘリウムが移送される。液体ヘリウム溜（
２）、液体ヘリウム冷却管（５２）内の液体ヘリウムを
各々気液分離器（３）　、　（５３）へ移送することが
可能となったので、排気面（１）およびシェブロン形バ
ッフル（５１）の加熱のための熱負荷が少なくてすむよ
うになり、再生のために熱負荷を加える装置の小形化が
可能になると共に再生時間が短縮される。

このようにすると、気液分離器内に液体ヘリウムを溜め
たまま再生することが可能となったので、液体ヘリウム
冷却郡全体の温度が再生に伴って上昇することを防止す
ることが可能になり、再生終了後の再冷却時の液体ヘリ
ウムの消費量が低減されるのみならず再冷却時間が短縮
される。

実施例５ 次に第５図を参照して第５の実施例について説明する。

第５図は活性炭でヘリウムを吸着排気する排気面を有す
る複合クライオポンプに本発明を適用した例である。第
５図において第４図と同一の機能の部材は同一の符号を
付して説明を省略する。　（６１）は活性炭を固着した
パネルで、液体ヘリウム溜（２）に熱的に良好に接触す
るように取付けられ排気面（１）を形成する。他は実施
例４と同様である。本実施例５を適用した再生方法は第
４図の実施例４と同様なので省略する。

実施例６ 次に第６図を参照して第６の実施例を説明する。

この第６図の実施例６は液体窒素冷却部に対して本発明
を適用した例である。第６図において第１図と同一の機
能の部材は同一の符号を付して説明を省略する。第６図
において（７１）は液体窒素溜（２２）と気液分離器（
２３）の接続管（７２）に設けた開閉手段（開閉動作の
ための駆動部は図示せず）、（７３）は液体窒素溜（２
２）の下部と気液分離器（２３）の上部とを連通する接
続管である。　（７４）は液体窒素溜（２２）により冷
却され、液体窒素溜（２２）、輻射シールド（２７）と
共同して気液分離器（３）に対する熱輻射を低減する輻
射シールドである。

以上のように構成したクライオポンプにおいて、排気面
として作用したシェブロン形バッフル（２１）を再生す
るには次のようにする。まず加熱装置でシェブロン形バ
ッフル（２１）および液体窒素溜（２２）を加熱（加熱
装置は図示せず）する、これと共に開閉手段（７１）を
閉じ液体窒素溜（２２）内と気液分離器（２３）内の液
体窒素および気体窒素の相互の移送を阻止する。そうす
ると、気化窒素により液体窒素溜（２２）内の圧力が上
昇し、液体窒素溜（２２）下部と気液分離器（２３）の
上部を連通ずる接続管（７３）を通じて、液体窒素溜（
２２）内の液体窒素は気液分離器煎器（２３）内で気液
分離され、再生終了後再冷却のため用いられる０本構成
および方法は水蒸気や六弗化硫黄などのように概略液体
窒素温度に冷却されるシェブロン形バッフル上に排気さ
れる気体を排気する場合に特に有効である。

以上排気面の冷却媒体として液体ヘリウムと液体窒素を
用いる場合について説明したが、他の冷却媒体を用いる
場合であっても本発明の構成および方法が有効なことは
言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、再生時の液化気体溜と気
液分離器の間の液化気体と気化気体の相互の移送を防止
し、一方液化気体溜下部と気液分離器の上部を連通させ
るので、液化気体溜内の液化気体を少量気化するだけで
、気液分離器内に液化気体を溜めたまま排気面を加熱す
ることが可能となった。したがって液化気体の消費量が
少なく再生−再冷却時間の短いクライオポンプとその再
生方法を提供することが可能となった。

第１図ないし第６図は本発明のクライオポンプの第１な
いし第６の実施例を示す縦断面図、第７図は従来のクラ
イオポンプを示す縦断面図、第８図は第７図のＡ−Ａ線
に沿う矢視断面図である。

１・・・気体排気面である排気面 ２・・・液化気体溜である液体ヘリウム溜３・・・気液
分離器　　　　４・・・接続管１１・・・開閉手段であ
る弁　１２・・・接続管代理人　弁理士　大　胡　典　
夫 第　　１　　図 第　　２　　図 第　　４　　図 第５図 第　　６１Ａ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）気体排気面と、この気体排気面を冷却する液化気
   体溜と、この液化気体溜の気液分離器とを備えたクライ
   オポンプにおいて、液化気体溜の上部と気液分離器の下
   部を相互に連通する接続管と、この接続管を開閉する開
   閉手段と、前記液化気体溜の下部と前記気液分離器の上
   部を連通する接続管とを具備してなることを特徴とする
   クライオポンプ。
2. （２）気体排気面と、この気体排気面を冷却する液化気
   体溜と、この液化気体溜の気液分離器と、前記液化気体
   溜の上部と気液分離器の下部を連通する接続管と、この
   接続管を開閉する開閉手段と、前記液化気体溜の下部と
   気液分離器の上部を連通する接続管とを具備し、前記開
   閉手段を閉じ液化気体と液化気体を気化した気化気体の
   相互の移送を停止し、加熱手段により前記液化気体溜を
   加熱し、液化気体の気化した気化気体の圧力により前記
   液化気体溜内の液化気体を液化気体溜の下部と気液分離
   器の上部を連通する接続管により気液分離器内に回収す
   ることを特徴とするクライオポンプの再生方法。