JPH06346847A

JPH06346847A - 小型ヘリウム冷凍機付水素排気用クライオポンプ

Info

Publication number: JPH06346847A
Application number: JP13478293A
Authority: JP
Inventors: Hidetoshi Morimoto; 秀敏森本
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 1993-06-04
Filing date: 1993-06-04
Publication date: 1994-12-20

Abstract

(57)【要約】【目的】液体ヘリウムを使用することなく、排気速度
と排気効率が大きく、しかも小型化を可能にすること。【構成】真空容器１内に設置されるクライオポンプ２
は、８０Ｋシールド１１の中に垂直方向に複数列のクラ
イオパネル２２を配置し、その周囲を垂直方向のルーバ
ー型バッフル１３で取り囲んでいる。上記クライオパネ
ル２２は、熱伝導率の大きい板状の金属で作られ、２段
式ヘリウム冷凍機２３の２段ステージ２３ｂに直接取付
けられ、その表面に、活性炭のような１０Ｋ〜２０Ｋ程
度の温度領域で水素を大量に吸着できる吸着剤２４が取
付けられ、周囲を囲む８０Ｋシールド１１と８０Ｋバッ
フル１３は冷凍機２３の１段ステージ２３ａで冷却され
る。【効果】従来の液体ヘリウムを使用しないのでヘリウ
ム液化設備が不要となる。クライオパネル２２は金属の
熱伝導のみで冷却されるので、該パネルを薄くでき、排
気に寄与する部分を大きくとれるので、排気効率が大き
くなり、小型化できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、核融合実験装置やプラ
ズマ科学実験装置の中性粒子注入装置（ＮＢＩ）に使用
される水素に対して大きな排気速度を有するクライオポ
ンプに関する。

【０００２】

【従来の技術】中性粒子注入装置用の水素に対して数十
万ｌ／ｓ〜数百万ｌ／ｓの大排気速度を有するクライオ
ポンプでは、排気速度を大きくとるために大型のクライ
オパネルが必要である。該クライオパネルは、通常、外
部から放射される輻射熱（熱線）により加熱されないよ
うに外側シールド板で蔽われ、また気体分子は通過でき
るがガス流入口から入射する輻射熱を遮ぎる構造の複数
のルーバーブラインド型バッフルを備えている。

【０００３】従来は、大排気速度を得るために大きな面
積のクライオパネルで水素を凝縮により排気を行ってい
た。大面積のクライオパネルの冷却には、水素が凝縮す
るのに必要な低温が必要であるために液体ヘリウムが使
用されてきた。また、クライオパネルの輻射シールドや
バッフルの冷却には、液体窒素が使用されている。この
液体ヘリウムは、図９に示すように、中性粒子注入装置
（ＮＢＩ）１内に設置されるクライオポンプ２の近くに
ヘリウム液化機３を設置し、ここで製造された液体ヘリ
ウムを使用しており、クライオポンプ１から蒸発、気化
したヘリウムは、該液化機２で液化され再使用されるよ
うになっている。なお、図中、４はプラズマ真空容器で
あり、矢印５は水素ビームを示している。水素に対する
排気速度を大きくする手段としては、水素の通過確率の
大きなルーバーブラインド型のバッフルが知られてい
る。（一例として、特開昭６１−１６９６８２号公報参
照）。

【０００４】図５は、ルーバーブラインド型クライオポ
ンプの概略構造図を示したもので、（ａ）は正面図、
（ｂ）は横断面図、（ｃ）は要部斜視図である。このク
ライオポンプは、液体窒素で冷却された８０Ｋシールド
１１の中に、垂直方向に通常複数列のクライオパネル１
２を配置し、その周囲を、液体窒素で冷却された垂直方
向のルーバー型のバッフル１３で取り囲む構造となって
いる。上記クライオパネル１２は中空になっており、内
部に液体ヘリウム１４が充填または循環しており、この
液体ヘリウム１４によって３．２〜４．２Ｋ程度に冷却
されている。

【０００５】クライオパネル１２の形状には、図７に示
すように、種々の形状のものがあり、垂直に配置された
中空のパイプ１２ａと銅やアルミニュウム等の熱伝導率
の高い材質のパネル１２ｂとで構成されており、中空パ
イプ内に液体ヘリウム１４が充填または循環させて冷却
する方式なども知られている。水素を凝縮によって１０
^-6〜１０^-7Ｔｏｒｒに排気する場合は、水素の蒸気圧が
液体ヘリウム温度の４．２Ｋで約７×１０^-7Ｔｏｒｒで
あるため、液体ヘリウムのみが実用的な冷媒である。

【０００６】図６は、ルーバーブラインド型クライオポ
ンプが水素を排気する過程を示した説明図で、図中、図
５、図９に記載した符号と同一の符号は同一ないし同類
部分を示すものとする。図６において、真空装置に導入
された水素は真空容器１内を通過し、他の真空装置（例
えばトーラス型の核融合プラズマ実験装置）へと注入さ
れる。真空容器１内を通過中に散乱された水素は、図６
に示すようにクライオポンプ２に入射し、図のようにシ
ールド１１やバッフル１３に衝突後、液体ヘリウムで冷
却されたクライオパネル１２で凝縮排気される。しか
し、クライオポンプ２に入射した總ての水素がクライオ
パネル１１に捕捉、排気されるわけではない。

【０００７】上記のようなクライオポンプは数メートル
単位の大きさであり、クライオパネル１２やシールド１
１、バッフル１３を冷却するためには、大量の液体窒素
と液体ヘリウムが必要である。液体窒素は比較的安価で
あるので使い捨てされるが、液体ヘリウムは非常に高価
であるため、蒸発気化したヘリウムガスは回収され、再
液化して使用される。液体ヘリウムの製造設備は、一般
に大掛かりで液化機自体の価格も高価である。また、液
体ヘリウムは非常に蒸発しやすく取扱が困難であるた
め、液化機の運転、運用には専門の人間が必要である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来のルーバ
ーブラインド型クライオポンプには、次のような問題点
があった。

【０００９】（ｉ）排気速度が大きく、排気効率が大き
いため、同一排気速度の他の方式のクライオポンプより
も小型化が可能である。ところが、このクライオポンプ
の排気効率を決定する一つの要因は、クライオポンプの
形状である。クライオポンプが水素を排気するのは、図
７のＢの部分であり、水素の排気に寄与しないＡの部分
は、クライオパネル１２の厚さと、バッフル１３の厚さ
とで決定され、できるだけ水素の排気に寄与しないＡを
小さくなるように設計される。しかし、液体ヘリウム１
４を使用したクライオパネル１２では、図８に示すよう
に液体ヘリウムの充填、循環のために、クライオパネル
１２の厚さを厚くせざるを得なかった。

【００１０】（ii）また、クライオパネル１２の外側は
真空で、中側は１気圧程度の圧力のかかっている液体ヘ
リウム１４であるため、クライオパネル１２自身の強度
が必要であるし、ヘリウムが漏れてこないような構造と
製作方法が要求され、クライオポンプの構造が複雑にな
り、また、製作費がかかり高価にならざるを得なかっ
た。

【００１１】(iii) 液体ヘリウムの製造設備は大掛かり
であり、設備が高額になり、また、運転コストも高額で
ある。さらに、この設備の運転には、技術、技能、経験
が要求され人員の確保にも困難が伴う。

【００１２】（iv）液体ヘリウムを使用したクライオポ
ンプでは、中性粒子注入装置の真空容器に急激な大気の
流入等の事故により真空がやぶられると、液体ヘリウム
の急激な蒸発が起こり、クライオポンプの破壊やその他
の設備の破壊の恐れもある。室内に急激に大量のヘリウ
ムガスが放出されると酸欠状態になり、人命の危険すら
発生するなど、種々の危険が発生しうる。

【００１３】本発明は、上記した従来技術の問題点を解
決するもので、液体ヘリウムを使用することなく、排気
速度並びに排気効率が大きく、しかも小型化が可能な水
素排気用クライオポンプを提供することを目的としてい
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記の目的を解決するた
めに、本発明は気体分子は通過できるがガス流入口から
入射する輻射熱を遮ぎるルーバーブライド型バッフルを
備えたクライオパネルによって、流入した水素分子を吸
着するようにしたクライオポンプにおいて、上記クライ
オパネルを２段式ヘリウム冷凍機により直接冷却するよ
うにしたことを特徴としている。

【００１５】また、上記クライオパネルを熱伝導率の大
きい金属製パネルで構成し、該パネルの表面に吸着剤を
取付け、パネルを介し該吸着剤を２段式ヘリウム冷凍機
の２段ステージで１０Ｋ〜２０Ｋに冷却し、水素を吸着
により排気するようにしたことを特徴とし、また、該ク
ライオパネルを板状の形状とし、該パネルの厚みを薄く
したことを特徴としている。

【００１６】また、前記ルーバーブライド型バッフルに
８０Ｋバッフルを使用し、該バッフルを小型ヘリウム冷
凍機又は液体窒素で冷却するようにしたことを特徴とし
ている。

【００１７】

【作用】本発明は、上記のように構成されているので、
クライオパネルは、２段式ヘリウム冷凍機によって直接
冷却され、液体ヘリウム温度（４．２Ｋ）以上の温度、
通常は１０Ｋ〜２０Ｋ程度に冷却される。

【００１８】これにより、水素は、クライオパネルの表
面に取付けられた活性炭やモレキュラシーブのような１
０Ｋ〜２０Ｋ程度の温度領域で水素を大量に吸着できる
吸着剤により、吸着され排気される。８０Ｋシールドや
８０Ｋバッフルは、液体窒素、小型ヘリウム冷凍機で冷
却される。

【００１９】

【実施例】次に、本発明の実施例を図面と共に説明す
る。図１は、本発明の一実施例を示す小型ヘリウム冷凍
機付クライオポンプを示し、（ａ）は内部平面図、
（ｂ）は縦断面図であって、図中、図５〜図９に記載し
た符号と同一の符号は、同一ないし同類部分を示すもの
とする。

【００２０】図において、真空容器１内に設置されたク
ライオポンプ２は、８０Ｋシールド１１の中に、垂直方
向に通常複数列のクライオパネル２２を配置し、その周
囲を、垂直方向のルーバー型のバッフル１３で取り囲む
ように構成されている点は従来例（図５）と変りはない
が、本実施例（本発明）では、上記クライオパネル２２
は、真空室１の外側に設置された２段式小型ヘリウム冷
凍機２３の２段ステージ２３ｂに、インジュウム等の柔
らかい金属を介して直接ねじ止めされて取付けられ、金
属の熱伝導のみによって直接冷却される銅やアルミニュ
ウム等の大きな熱伝導率をもつ金属で製作されており、
該クライオパネル２２の両面に、図２の要部拡大斜視図
にも示すように、活性炭やモレキュラシーブのように１
０Ｋ〜２０Ｋ程度の温度領域で水素を大量に吸着できる
吸着剤２４が取付けられており、またその周囲を取り囲
む８０Ｋシールド１１は、冷凍機２３の１段ステージ２
３ａにクライオパネル２２と同様にして接続されてお
り、該冷凍機２３によって冷却されるようになってい
る。また、８０Ｋバッフル１３も、上記シールド１１を
介して冷凍機２３によって冷却されるようになってい
る。

【００２１】また、この実施例では、クライオポンプ２
は対向して２台取付けられており、水素ビームは矢印５
に示すように、２台のクライオポンプ２の間を通過する
ようになっている。

【００２２】次に、作用について説明すると、上記のよ
うにクライオパネル２２は冷凍機２３の２段ステージ２
３ｂに取りつけられ、該冷凍機２３によって直接冷却さ
れる。クライオパネル２２の表面には、吸着剤２４が取
りつけられており、１０Ｋ〜２０Ｋ程度の低温に冷却さ
れる。クライオパネル２２は板状をなしているので、厚
さが０．３ｍｍ〜３．０ｍｍ程度と薄くでき、吸着剤２
４の厚み（２〜４ｍｍ）をいれても、厚さは１０ｍｍ程
度と薄くできる。また、８０Ｋシールド１１と８０Ｋバ
ッフル１３は冷凍機の１段ステージ２３ａに取りつけら
れて、５０〜１３０Ｋ程度の温度に冷却される。

【００２３】真空室１に相当する中性粒子注入装置（Ｎ
ＢＩ）に入射してきた水素ビームの内、ＮＢＩ内部で散
乱された水素は、８０Ｋバッフル１３や８０Ｋシールド
１１に衝突し、８０Ｋ程度まで冷却後、クライオパネル
２２の表面の吸着剤２４に到達し、吸着され排気され
る。

【００２４】図３は、本発明の他の実施例を示すクライ
オポンプの縦断面図であって、図中、図１に記載した符
号と同一の符号は同一ないし同類部分とする。この実施
例では、８０Ｋシールド１１、バッフル１３は、液体窒
素容器２３に収容された液体窒素によって冷却され、ク
ライオパネル３２は相互に連結されており、該クライオ
パネル３２を複数台の冷凍機２３で冷却されるようにな
っている。この実施例は、８０Ｋシールド１１や８０Ｋ
バッフル１３への熱負荷が大きく、小型ヘリウム冷凍機
２３のみでの冷却では、冷凍機の使用台数が多くなり過
ぎる場合に適用される。

【００２５】この実施例において、冷凍機の使用台数に
１台程度の余裕をもたせておけば、仮に、１台の冷凍機
が故障により停止してもクライオパネルが相互に連結さ
れているため、クライオパネルは必要温度まで冷却でき
る。

【００２６】上記した二つの実施例において述べたよう
に、８０Ｋシールドや８０Ｋバッフル等の液体窒素で冷
却していた部分は、同じように液体窒素で冷却する場合
もあるし、２段式小型ヘリウム冷凍機の１段目で冷却す
る場合もある。また、１段式小型ヘリウム冷凍機で冷却
することもできる。液体窒素と小型ヘリウム冷凍機との
併用も可能である。

【００２７】冷凍機の使用台数は、クライオパネルへの
熱負荷や、クライオパネルの大きさにより、使用台数が
決定される。また、予め、後から冷凍機を増設できるよ
うな構造にしておけば、後から熱負荷が増大した場合で
も、必要に応じて冷凍機を増設することができる。

【００２８】また、上記した実施例において、クライオ
パネル２２を図４（ａ）に示すように、平面形状に形成
した構造について説明したが、同図（ｂ）及び（ｃ）に
示すように、図７のＡの部分の厚さが許容できる大きさ
まで、クライオパネル２２を直角に交互に折れ曲るよう
に形成し（図４（ｂ））、又はジグザグ状に折れ曲るよ
うに形成して（図４（ｃ））、立体的に形成することも
可能である。このように立体的に形成すれば、幅２２ｄ
が少し厚くなるが、吸着剤２４の量が増え、排気できる
水素の量が増加する利点がある。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ルーバーブライド型バッフルを備えたクライオパネルに
よって、流入したガス分子を吸着するようにしたクライ
オポンプにおいて、上記クライオパネルを２段式ヘリウ
ム冷凍機により直接冷却するようにしたことにより、従
来使用されていた液体ヘリウムを使用しないのでヘリウ
ムの液化設備が不要になり、設備費が安価になるばかり
でなく、事故時の液体ヘリウムの急激な蒸発による爆発
や酸欠の危険がない。

【００３０】また、従来使用されてきた液体ヘリウムの
代りに小型ヘリウム冷凍機を使用するため、運転が簡単
であり、運転操作、人員が不要となるばかりでなく、ヘ
リウムは完全循環で消耗がないため、ランニングコスト
が安い。

【００３１】他方、上記クライオパネルを熱伝導性の大
きい板状のパネルで構成し、該パネルの表面に吸着剤を
取付けたことにより、クライオパネルの冷却は冷凍機で
直接冷却し、金属の熱伝導のみで冷却するため、クライ
オパネルの厚さが板厚と吸着剤の厚さのみとなり、その
ため約１０ｍｍ程度に薄くできる。そのため、排気に寄
与する部分を大きくとることができるので、排気効率を
大きくすることができ、クライオポンプを小型化するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すクライオポンプであっ
て、（ａ）は内部を示す平面図、（ｂ）は縦断面図であ
る。

【図２】図１の要部拡大斜視図である。

【図３】本発明の他の実施例を示す縦断面図である。

【図４】（ａ）（ｂ）（ｃ）は本発明のクライオパネル
の異った実施例の断面図である。

【図５】従来のルーバーブラインド型クライオポンプの
（ａ）は要部平面図、（ｂ）は要部横断図、（ｃ）は要
部斜視図である。

【図６】従来のルーバーブラインド型クライオポンプの
水素排気過程を示す説明図である。

【図７】従来例の要部説明図である。

【図８】（ａ）（ｂ）は従来のクライオパネルの異なっ
た要部断面図である。

【図９】従来の核融合プラズマ実験装置の説明図であ
る。

【符号の説明】

１真空容器２クライオポンプ１１シールド１３バッフル２２クライオパネル２３小型ヘリウム冷凍機２４吸着剤３２クライオパネル３３液体窒素容器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】気体分子は通過できるがガス流入口から
入射する輻射熱を遮ぎるルーバーブライド型バッフルを
備えたクライオパネルによって、流入した水素分子を吸
着するようにしたクライオポンプにおいて、上記クライ
オパネルを２段式ヘリウム冷凍機により直接冷却するよ
うにしたことを特徴とする小型ヘリウム冷凍機付水素排
気用クライオポンプ。
【請求項２】クライオパネルを熱伝導率の大きい金属
製パネルで構成し、該パネルの表面に吸着剤を取付け、
パネルを介し該吸着剤を２段式ヘリウム冷凍機の２段ス
テージで１０Ｋ〜２０Ｋに冷却し、水素を吸着により排
気するようにしたことを特徴とする請求項１記載の小型
ヘリウム冷凍機付水素排気用クライオポンプ。
【請求項３】クライオパネルを板状の形状とし、該パ
ネルの厚みを薄くしたことを特徴とする請求項２記載の
小型ヘリウム冷凍機付水素排気用クライオポンプ。
【請求項４】ルーバーブライド型バッフルに８０Ｋバ
ッフルを使用し、該バッフルを小型ヘリウム冷凍機又は
液体窒素で冷却するようにしたことを特徴とする請求項
１又は２記載の小型ヘリウム冷凍機付水素排気用クライ
オポンプ。