JPH0281966A - クライオポンプ - 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） 本発明は核融合装置の真空容器等に接続され気体凝縮層
の吸着作用又はクライオトラッピング作用で排気するク
ライオポンプに関する。

（従来の技術） 極低温面上に形成し吸着媒体として作用する気体凝縮層
としてアルゴンを用いる場合について説明する。

従来液体ヘリウムによって冷却した金属表面にアルゴン
を凝縮し、このアルゴン凝縮層の吸着作用又はクライオ
トラッピング作用により排気対象である気体中のヘリウ
ムを排気するクライオポンプとして、文献（Ｔ、　Ｈ，
Ｂａｔｚｅｒ、　Ｒ，Ｅ、　Ｐａｒｔ　ｒ　ｉｃｋ、　
ａｎｄＷ、Ｒ，Ｃａ１ｌ　　Ｖａｃｕｕｍ　　５ｃｉｅ
ｎｃｅ　　ａｎｄ　　ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＶｏｌ　１
ＢＮｏ、３　、Ｐ１１２５．Ａｐｒｉｌ１９８１）のＰ
１１２６上段にＦｉｇｌとして示されている例がある。

前記Ｆｉｇ１の縦断面図を第６図に模式化して示す。

第６図において、１はアルゴンの凝縮層からなりヘリウ
ムを排気する排気面、２は排気面１を冷却する液体ヘリ
ウム溜、４は液体ヘリウム溜２の液体ヘリウム入口であ
る。液体ヘリウム溜２から蒸発した気体ヘリウムの出口
は図示していない。

１２は排気面１にアルゴンを吹付けるアルゴン吹出管（
アルゴンの吹出孔は図示せり”）、１３はアルゴン吹出
管１２のマニホールド、１４はクライオポンプ外からマ
ニホールド１３にアルゴンを供給するアルゴンの導入管
、１７はアルゴンの導入装置（図示せず）と接続される
アルゴンの入口である。２１は液体ヘリウム溜２によっ
て冷却されるシェブロン形バッフル、２３は液体ヘリウ
ム溜の気液分離器、２５は気液分離器２３の液体ヘリウ
ム入口（出口は図示せず）。３２はルーバーブラインド
形バッフル、３３は輻射シールド、３４は液体窒素溜Ｃ
ある。前記ルーバーブライド形バッフル３２、輻射シー
ルド３３、および液体窒素溜３４は熱的に接触が良好な
ように結合されていて各々液体窒素の沸点温度近傍に冷
却される。４１はクライオポンプ容器、４２はクライオ
ポンプ全体を吊り下げている益、４３はクライオポンプ
の補助真空排気口（補助真空排気装置は図示せず）、４
５は排気すべき真空容器を接続するクライオポンプの吸
気口（真空容器は図示せず）、４６はクライオポンプの
被排気気体の入Ｑ４０である。

第６図に示す従来のクライオポンプはＩ＼リウムを含む
気体を次のように排気する。図示しない真空容器から吸
気口４５を通り入射口４６からクライオポンプ内部に入
射した気体は、ルーバーブライド形バッフル３２および
シェブロン形バッフル２１を通り排気面１に達する。

この過程でヘリウム以外の水素などの成分は液体ヘリウ
ム温度におりる飽和蒸気圧が低いので主にシェブロン形
バッフル２１の表面に凝縮して排気される。ヘリウムは
液体ヘリウム温度における蒸気圧が高いでシェブロン形
バッフル２１では排気されず主に排気面１で吸着作用又
はクライオトラッピング作用で排気される。

吸着作用とクライオトラッピング作用を区別したのは、
クライオトラッピング作用を気体’ｔ’；１　ｔｍ　Ｉ
＝による単なる吸着作用の一種として説明する場合と、
凝縮作用でもなく吸着作用でもない独特の作用として説
明する場合とがあり、排気面１上に吸着媒体の気体凝縮
層を連続的には形成しないで排気対象とする気体を吸着
覆る場合を吸着作用と呼び、気体凝縮層を連続的に形成
して排気対象とする気体を吸着する場合をクライオトラ
ッピング作用と呼ぶ習慣があるからである。

（発明が解決しようとする課題） 上記第６図に示す従来技術においては、気体排気面は、
液体ヘリウムで冷却されたシェブロン形パンフル２１と
、液体ヘリウムで冷却され吸着作用又はクライオトラッ
ピング作用を利用する排気面１とが入射口４６に対して
直列に配列して構成されている。入射口４６からクライ
オポンプ内部に入射した気体が最初に通過するシェブロ
ン形バッフル２１でヘリウムを除く成分が凝縮作用で排
気され、排気面１でヘリウムが吸着作用又はクライオト
ラッピング作用で排気される。

このような気体排気面の構成はヘリウムとヘリウム以外
の成分特に水素を各々別の排気面で分別して排気しよう
とするものである。しかし水素は液体ヘリウム温度にお
いても飽和蒸気圧が高いために、シェブロン形バッフル
２１では完全には排気されず、一部分は排気面１におい
てヘリウムと一緒に排気されるので、分別排気という所
期の目的が十分に達成されない欠点があった。さらにヘ
リウムはシェブロン形バッフル２１を通過しなければ排
気面１に到達できないので、ヘリウムに対排気υ［度が
小さいという欠点があった。

そこでシェブロン形バッフル２１を取除くことが考えら
れるが、このようにするとアルゴン凝縮層においてヘリ
ウムだけでなく仙の被排気気体成分も排気されるため、
アルゴン凝縮層のヘリウム排気能力が低下するという欠
点があった。

（目　的） 本発明の目的はこのような欠点に鑑み、ヘリウムに対す
る排気速度の大きいクライオポンプおよびその排気方法
を提供することにおる。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は、真空中ｃ１個又は複数個隣接並置した中空円
筒形状又は中空多角形状の極低温冷却体と、この冷却体
の中空部中心線に沿ってこの中空部内に挿入して配置し
た第１気体の吹出し管と、前記中心線に垂直方向の気体
入射面を有する熱幅射軽減のためのバッフルとから成り
、前記（本低温冷却体の内側の面に第１気体の凝縮層を
形成するクライオポンプとする。

（作　用） 本発明のクライオポンプにおいてはアルコン凝縮層は被
排気気体排気経路上前側においてバッフルに概略垂直に
なる面が存在するように構成し且つ前側に配置したバッ
フルは概略窒素温度に冷却される熱輻射シールドのみと
し、被排気気体成分中ヘリウム以外の水素などもアルゴ
ン凝縮層に到達させ排気する。

本発明ではこのようにするのでクライオポンプ吸気口か
らアルゴン凝縮層に対するヘリウムの通過確率は被排気
気体排気経路上吸気口からアルゴン凝縮層間においてバ
ッフルが１個減少するので増加する。シェブロン形ハッ
ノルを取り除く場合、この形のバッフルの通過確率は原
理的に２０パ一セント程度なので、ヘリウムに対する通
過確率は従来の構成に比較し約５倍に増加する。

またアルゴン凝縮層は排気経路上前側に配置したバッフ
ルに対し概略垂直に配置したので、アルゴン凝縮層の部
分によりバッフルを通過した被排気気体成分中水素など
に対しコンダクタンスが異なるのでアルゴン凝縮層上又
はアルゴン凝縮層中の温度が異なりヘリウムに対して充
分な排気能力を有する部分が保たれる。

このように本発明によれば通過確率が増大し排気能力も
保たれるのでクライオポンプ全体のヘリウムに対する排
気速度は従来の構成に比較し約５倍増加する。

（実施例） （実施例の構成） 次に本発明を実施例によって説明する。

第１図は本発明のクライオポンプの一実施例の縦断面図
によって示す概略図である。第１図において第６図と同
一の機能の部材は同一の符号を付したが念のため繰返し
て説明する。

第１図において５１は複数個隣接並置した中空円筒形状
の中空部内面、２は面５１を冷却する液体ヘリウム溜で
ある。面５１は液体ヘリウム溜２と一体に形成され液体
ヘリウム溜２の一部を成している。

４．５は各々液体ヘリウム溜２の液体ヘリウム入口、気
体ヘリウム出口である。５２は前記中空円筒形状の中空
部中心線に概略沿って前記中空部内に挿入して配置して
なる而５１にアルゴンを吹付けるアルゴン吹出管（アル
ゴンの吹出口は図示せず）、１３はアルゴンのマニホー
ルド、５３はアルゴン吹出管５２とマニホールド１３の
接続管、１４は真空容器外からマニホールド１３にアル
ゴンを供給するアルゴン導入管、１７はアルゴン導入装
置（図示せず）に接続されるアルゴン入口でおる。３２
は而５１の中空部中心線に概略垂直方向の気体入射面を
有する熱輻射低減のためのルーバーブラインド形バッフ
ル、３３は輻射シールド、３４は液体窒素溜である。前
記ルーバーブラインド形バッフル３２、輻射シールド３
３および液体窒素溜３４は熱的に接触が良好なように結
合されており各々概略液体窒素沸点温度近傍に冷却され
る。４１はクライオポンプ容器、４２はクライオポンプ
全体を吊り下げている蓋、４３はクライオポンプの補助
真空排気口（補助真空排気装置は図示せず）、４５は排
気対象とする真空容器を接続するクライオポンプの吸気
口（真空容器は図示せず）、４６はクライオポンプに排
気される被排気気体の入射口である。

（実施例の作用） クライオポンプに排気される被排気気体は入射口４６か
らクライオポンプ内に入り、熱輻射低減のため液体窒素
で冷却されたルーバーブラインド形バッフル３２を通過
し、アルゴン凝縮層が形成される排気面１に到達する排
気経路で排気される。面５１で被排気気体成分中ヘリウ
ムもヘリウム以外もバッフル３２を通過する成分は全て
排気される。

（実施例の効果〉 第１図に示す実施例は、入射口４６から排気面５１に到
達する排気経路に被排気気体の通過するバッフルは熱輻
射低減のためのルーバーブラインド形バッフルのみで構
成されているので、排気経路内にヘリウム以外の成分を
凝縮排気するシェブロン形バッフルを具備している従来
のクライオポンプよりも、ヘリウムの排気経路の通過確
率を増加させることができる。本実施例の如くシェブロ
ン形バッフルを取り除く場合、この形のバッフルの通過
確率は原理的に２０パ一セント程度なので、ヘリウムに
対する通過確率は従来の構成に比較し約５倍に増加する
。

またアルゴン凝縮層は排気経路上前側に配置したバッフ
ルに対し概略垂直方向の面に形成したので、バッフルを
通過した被排気気体成分中水素などに対しアルゴン凝縮
層の部分によりコンダクタンスが異なるのでアルゴン凝
縮層上又はアルゴン凝縮層中の濃度が異なりヘリウムに
対して充分な排気能力を有する部分が保たれる。

このように本発明によれば通過確率が増大し排気能力も
保たれるのでタライオボンプ全体のヘリウムに対する排
気速度は従来の構成に比較し約５倍増加する。

（他の実施例） 第２図に本発明の第２の実施例を示す。第２図において
第１図と同一の機能を有する部材は同一の符号を付した
が、形状が異なるので要部を再度説明する。第２図では
５１は概略円筒形状中空部内面の排気面、２は排気口５
１を冷却する液体ヘリウム溜、３は液体ヘリウム溜の気
液分離器、４は気液分離器３の液体ヘリウム入口、５は
気液分離器３内の蒸発した気体ヘリウム出口である。排
気口５１は液体ヘリウム溜２と一体化され液体ヘリウム
溜２の一部を成している。５２はアルゴン吹出管（アル
ゴン吹出口は図示せず）、５３はアルゴン吹出管５２と
アルゴン導入管１４の接続管、１９はマニホールド１３
とアルゴン導入管１４の接続管である。３１は液体窒素
で冷却され排気面５１を成す中空円筒の中心線に概略垂
直方向の気体入射面を持つシェブロン形バッフル、３３
は液体窒素で冷却される輻射シールド、３４は液体窒素
溜、３５は液体窒素入口、３６は気体窒素出口、４１は
クライオポンプ容器、４２は蓋、４３は補助真空排気口
、４４は補助真空排気装置、４５はクライオポンプの吸
気口、４６は被排気気体入射口、４７は真空排気される
真空容器である。

２０は接続管１９が輻射シールド３３を貫通する部分の
断熱支持部材である。

この実施例は本発明が排気面５１を冷却する液体ヘリウ
ム溜の形状やバッフルの構成形状によらないことを示す
例である。

第３図は本発明の第３の実施例を示す。第３図は気体排
気口５１の冷却にヘリウム冷凍機を用いる場合である。

第３図においては第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３図においては７１はヘリウム冷凍機、７２は概略液
窒素の沸点温度に冷却されるヘリウム冷凍機の第１段冷
却部、７３はは概略２０Ｋに冷却されるヘリウム冷凍機
の第２段冷却部、７４は概略液体ヘリウムの沸点温度に
冷却されるヘリウム冷凍機の第３段冷却部である。（コ
ンプレッサー、熱交換器、ＪＴ弁等は図示せず）。５４
は第３段冷却部に熱的に良好に接触させて固着した冷却
体、５１は第３段冷却部で冷却される排気面、８０は第
１段冷却部で冷却されるシェブロン形バッフルでおる。

排気口５１は複数個隣接並置した中空円筒形状又は中空
多角形状の冷却体５４の内面で、シェブロン形バッフル
８０は前記中空部中心軸に概略垂直な方向に気体入射面
が配置されている。この実施例によれば液化ガスを冷媒
として用いないでクライオポンプを構成することが可能
になるので、取り扱いが容易になる利点がある。

第４図に第４の実施例を示す。第４図において第１図と
同一の機能を有する部材は同一の符号を付して説明は省
略する。第４図において５４はその中空部内面が排気面
５１として作用１−る円筒又は多角形のフィンが複数個
隣接して形成した冷却体で、液体ヘリウム溜２に熱的に
良好に接触するように固着され、概略液体ヘリウム温度
に冷却される。

この実施例では円筒形又は多角形の中空部を液体ヘリウ
ム溜２の一部を成すよう一体化して形成しないので、液
体ヘリウム溜２の製作が容易になる利点がある。

第５図に第５の実施例を示す。第５図において第２図と
同一の機能を有する部材は同一の符号を付して説明は省
略する。第５図において排気面５１は液体ヘリウム溜２
と一体に形成されその一部を成し、一方の面から他方の
面まで貫通した円筒形状又は多角形状の中空部内面であ
る。アルゴン吹出管５２はシェブロン形バッフル３１の
ある側の反対側から中空部中心線に概略沿って挿入され
ている。

アルゴン吹出管５２にアルゴンを分配する接続管５３も
シェブロン形バッフル３１のある側の反対側に位置さぼ
る。この実施例ではシェブロン形バッフル３１と排気面
５１の間にアルゴンの配管を配置しなくてもよいので、
排気経路内に気体分子の通過を妨げる障害物がなく、排
気効率を向上させることが可能である。

（発明の効果） 以上のように本発明によれば、被排気気体の排気経路内
から液体ヘリウム温度に冷却されたバッフルを取除くこ
とができるので、ヘリウム成分に対して排気経路の通過
確率が約５倍増加する。

また熱輻射低減のためのバッフルの気体入射面に対し中
心軸が１［［垂直方向となる中空円筒内面にアルゴン凝
縮層を形成するので、内面の部分により被排気気体のコ
ンダクタンスが異なり、アルゴン凝縮層がヘリウム以外
の成分で飽和しないのでヘリウム排気能力を保つことが
できる。

したがって被排気気体中のヘリウム成分に対して排気速
度が約５倍増加する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のクライオポンプを示ず縦断
面図、第２図ないし第５図はそれぞれ本発明の他の実施
例を示す縦断面図、第６図は従来のクライオポンプを示
す縦断面図でおる。 １・・・排気面　　　　　　２・・・液体ヘリウム溜３
・・・気液分離器　　　　４・・・液体ヘリウム人口５
・・・気体ヘリウム出口　１２．５２・・・吹出管１３
・・・マニホールド　　　１４・・・導入管１７・・・
アルゴン入口　　　１９．５３・・・接続管２０・・・
支持部材 ２１・・・シェブロン形バッフル ２３・・・気液分離器　　　　２５・・・液体ヘリウム
人口３１・・・シェブロン形バッフル ３２・・・ルーバーブラインド形バッフル３３．７９・
・・輻射シールド　３４−・・液体窒素溜３５・・・液
体窒素人口　　３６・・・気体窒素出口４１・・・タラ
イオボンプ容器 ４２０１．蓋　　　　　　　４３・・・補助真空排気口
４４・・・補助真空排気装置 ４５・・・吸気口 ４７・・・真空容器 ５４・・・冷却体 ７２・・・第１段冷却部 ７４・・・第３段冷却部 ４６・・・被排気気体入射口 ５１・・・排気面 ７１・・・ヘリウム冷凍機 ７３・・・第２段冷却部 ８０・・・バッフル 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　第子丸　健 第１図 第 図 ／９ 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 真空中に配置した極低温冷却体の表面に第１気体の凝縮
   層を形成し、この凝縮層中又は凝縮層上において排気対
   象である第２気体を吸着作用又はクライオトラツピング
   作用で排気するクライオポンプにおいて、前記極低温冷
   却体は１個又は複数個隣接並置した中空の筒形体又は多
   角形体からなり、前記冷却体の中空部中心線に沿つてこ
   の中空部内に挿入して配置した第１気体の吹出し管と、
   前記中心線に垂直方向の気体入射面を有する熱輻射軽減
   のためのバッフルとを有することを特徴とするクライオ
   ポンプ。