JPH08510525A - 改修型低温拡散ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 低温拡散ポンプと熱勾配障壁拡散ポンプを組み合わせてなり、低温で混合ガスを排気するのに適した排気装置。特に、この排気装置は、低温に耐えることができ,かつ使用時の軸方向の温度勾配を維持することができる材料からなり、混合ガスのための入口と,排気されるべき１つまたはそれ以上のガスのための出口とを有する細長い本体を備えるとともに、上記出口には、ガスが排気装置を出るために通らなければならない多孔質の障壁が取り付けられ、この多孔質の障壁は、出口側に配置された加熱手段を有する。

Description

【発明の詳細な説明】 改修型低温拡散ポンプ 本発明は、低温ポンプに関し、より詳しくは排気作用が熱勾配障壁の拡散ポン プによって増大される低温拡散型のポンプ装置に関する。 低温拡散ポンプは、低温で排気することができ、混合ガスをある程度分離する ことができる装置である。 真空科学技術第A8（1）巻1／2月（1990）141〜144頁および核融合技術第21巻3 月（1992）276〜281頁に述べられたような公知のポンプは、通常、内壁がフィン ガーの頂部（熱い）と底部（冷たい）の間で軸方向の熱勾配を有する鉛直の「デ ィップスティック」または「フィンガー」冷却トラップを備える。しかし、この ポンプの他の形状および配置も可能である。 このポンプの原理は、混合ガスが冷却トラップに入ってくると、この混合ガス が、ポンプ壁に熱的に適応するということである。このことが起こると、混合ガ スの濃度が増加し、これに応じて個々のガス分子の平均自由行程が減少し、混合 ガスの成分が、凝結、即ち温度と各ガスの蒸気圧特性に依存して冷却壁上に霜層 が形成されることによって実質上排気されるのである。 しかし、上記ポンプを用いて、混合ガスの１つまたはそれ以上の成分がポンプ 壁上に凍り付かずに気相に留どまるように冷却壁の温度を設定することによって 、混合ガス中の他のガスから１つまたはそれ以上のガスを分離させることが可能 である。気相に留どまったガスは、ポンプの入口における混合ガスの全圧に近い （80％までの）圧力で、戻り管または他の出口を経てポンプを出ていくことがで きる。 低温拡散ポンプの特別の利点は、このポンプが、非常に低い圧力でも排気でき るということである。 この低温拡散ポンプが有用だと分かった１つの適用例は、熱核融合炉からの排 ガスを排気することである。この排ガスは、ＨＴとＤＴとヘリウムの同位体であ る⁴Ｈeと³Ｈeなどの異分子種を含む水素の同位体Ｈ₂,Ｄ₂（デュウテリウム）お よびＴ₂（トリチウム）の混合物を含む。⁴Ｈeは、核融合反応の反応生成物であ り、燃焼プラズマ中のα粒子の濃度を5〜10％以下に維持するために除去されな けれ ばならない。この除去は、流出するガス中のヘリウム分圧の2〜4％になる。 もし、核融合炉からの排ガスの排気に低温拡散ポンプが用いられるなら、熱勾 配の冷端は略４Ｋ,温端は77Ｋでなければならない。このような温度で、水素同 位体と他の不純物はポンプ壁上に凝結するが、ヘリウムは気相中に留どまって、 ポンプの出口に送られることになる。 既述のように、ポンプ出口でのガスの圧力は、入口圧力に依存し、入口と出口 との間には、通常略20％の圧力降下がある。核融合炉からの排ガスを排気する際 に出くわす特別な問題は、排ガスの圧力が比較的に低く、同時に排ガスの流量が 高いことであり（例えば典型的には、圧力0.1Ｐa,体積流量1000m³／s）、その結 果、低温拡散ポンプの出口から出ていくガスは、現在商業的に用いうる慣用のポ ンプ（ターボ分子ポンプおよび／または容積移送式ポンプなど）によって、もは や排気または圧縮することができないのである。かかる低圧かつ高質量流量を処 理するための大型のポンプは、本当なら特別の構造になっていなければならない 。 そこで、本発明の発明者らは、出口圧力を増大するように働く付加的ポンプ手 段を備えた改修低温拡散ポンプを開発したのである。低温拡散ポンプの出口圧力 は、このポンプを熱勾配障壁拡散ポンプと組み合わせれば、十分に増大できると いうことが見い出された。この構成は、商業的に用いうるポンプ型式がガスの大 気圧へのさらなる圧縮に十分であるようなレベルに、ガス圧力を上昇させる。 熱勾配障壁拡散ポンプは、真空科学技術第A6（1）巻1／2月（1988）148〜149 頁により知られている。このようなポンプの作動原理は、熱蒸散または「クヌー セン」効果に基づいている。温度勾配に晒される多孔質障壁において、分子流状 態にあるガス分子は、上記障壁の加熱側に向かって優先的に拡散し、その結果、 加熱，非加熱側の圧力が異なる、即ち次式が成立するのである。 ここで、ＰcoldとＴcoldは、上記障壁の冷側の圧力と温度、ＰhotとＴhotは、 上記障壁の温側の圧力と温度である。上記等式から、Ｔcoldが非常に低い場合、 とくに高い圧縮比が得られることが分かる。 液体ヘリウム冷凍機を用いることによって、Ｔcold＝４Ｋのような低温を達成 することが可能である。かくて、上記障壁が一方側でＴcold＝４Ｋ、他方側でＴ hot＝100Ｋの温度に晒される場合、５の圧縮比を達成することができる。 熱勾配障壁拡散ポンプは、これまで高い温度（300〜1200Ｋ）でも十分に試験 されてきたが、このポンプと低温拡散型の他のポンプとの組み合わせは、考慮さ れなかった。 こうして、低温で混合ガスを排気するための本発明による装置は、使用時の軸 方向の温度勾配を維持し,かつ低温に耐えることができる材料からなる細長い本 体であって、混合ガスのための入口と，排気されるべき１つまたはそれ以上のガ スのための出口とを有する本体を備えるとともに、上記出口が、ガスが装置を出 るために通らなければならない多孔質の障壁を備え、この多孔質の障壁が、その 出口側に配置された加熱手段を有することを特徴とする。 低温とは、室温以下の温度を意味するが、より詳細には200Ｋ以下の温度を意 味する。 上記細長い本体は、管状の形状であり、より好ましくは「フィンガー」または 「ディップスティック」を形成すべく一端が閉鎖されている。この場合、ガスが 装置の出口へ運ばれうるように、上記フィンガーに戻り管が設けられる。好まし くは、上記細長い本体は、閉鎖端を下にして鉛直に配置される。 上記装置の運転において、細長い本体の内面は冷却されなければならず、軸方 向の温度勾配が生ぜしめられ、この温度勾配の冷端は、通常、上記本体の底部端 にある。この目的のために、上記装置には、冷却手段が設けられる。好ましい実 施例では、上記細長い本体は、内面に嵌装された冷却コイルをもつ二重壁からな る。 低温に耐えうる細長い本体のために適切な材料は、オーステナイト系ステンレ ス鋼のような低熱伝導率の金属、セラミック材料およびポリエチレンやポリテト ラフルオロエチレンのようなプラスティック材料である。 上記熱勾配障壁拡散ポンプの一部をなす上記多孔質の障壁は、好ましくは管状 の形状であって、ガス戻り管が設けられるとともに、管の下端部に加熱手段が上 記障壁の内面に接して設けられている。 障壁の正しい材料と寸法と構造の選択が、装置の最大の効率のために重要であ る。障壁中の孔または溝は、特有の分子流状態の要求に調和するような寸法でな ければならない。特に、最適の孔寸法は、任意の与えられた処理の操業圧力に依 存する。孔寸法は、ガスの平均自由行程よりも小さくなければならず、平均自由 行程は、圧力に逆比例する。従って、圧力が高ければ高いほど、より小さい孔寸 法が要求される。例えば大気圧では、0.1μm以下の孔寸法の障壁が適している。 多孔質のセラミック材料は、この要求を満たす。これと択一的に、圧縮されたケ イソウ土などの粉にした充填物を含むワイヤかごを用いることもできる。 中間圧（例えば略１ＫＰａ）においては、調和したメッシュサイズの織った, または不織のセラミック布は、最適の処理量のための中間の孔寸法（例えば10μ m）を提供できるので、障壁のために適した材料である。 例えば１Ｐａ以下の非常に低い圧力では、１mmまでに大きい孔寸法が要求され るだろう。この場合、適切な材料を機械的に加工することによって障壁を作るこ とができる。このような障壁は、平らな模様と波打った模様が交互になった縦筒 または盤のような溝または毛管の不連続なアセンブリからなる。これらの溝,毛 管または波型は、障壁の温側から冷側への直接の光学的視線が放射熱伝達による パワーロスを最小化すべく避けられるように配置されるのが好ましい。 上述の総ての例における与えられた適切な孔寸法は、室温でガスを排気するた めに要求される孔寸法である。しかし、ガス分子の平均自由行程は、一定圧力で は温度に比例するので、低温での排気に対する適切な孔寸法は、計算することが できる。例えば４Ｋでは、300Ｋでの孔寸法の略1／75の孔寸法が必要になる。 本発明のさらなる実施例において、障壁の排気速度は、孔寸法を冷側から温側 へ向かって次第にまたは段階的に増加させることによって最適化することができ 、この場合、ガス分子の平均自由行程に対する孔寸法の比は、略一定に保たれる 。 例えば、１Ｐaで4Ｋと１または５Ｐaで100Ｋとの間で働く障壁は、「冷側」で 略13μm,「温側」で略325μmまたは65μmの孔寸法を有するのが理想的である。 このような障壁の設計は、全体に亘って13μmの孔寸法をもつ障壁に比べて、単 位面積当たり略２倍の排気速度を達成する。従って、上記設計は、半分の寸法し か必 要としない。 障壁の温側から冷側へ伝わる伝熱によるパワー消費を最小化するためには、例 えば５Ｗ／mＫ以下の相当に低い熱伝導率をもつ材料で障壁を作ることが好まし い。上述の種々の材料は、この要求に合致する。 さて、本発明は、本発明によるポンプ装置の鉛直方向の断面図である図１を参 照しつつ、実施例によって説明される。 このポンプ装置は、鉛直に配置された細長い本体（１）からなり、この本体は 、底部端（２）が閉鎖されている。戻り管（３）が、上記本体（１）の中に垂れ 下がり、その端部に管状の多孔質の障壁（４）が取り付けられている。この障壁 （４）の内面には、加熱コイル（５）が巻かれ、障壁／戻り管アセンブリ全体の 頂部と底部は、熱絶縁部材（６）によって閉鎖されている。フード（７）が、障 壁（４）との連結点の上方の戻り管（３）に取り付けられ、下方へ延びて障壁（ ４）を囲み、ガスが障壁の入口側に近づくための環状通路（８）を提供している 。 上記ポンプ装置が核融合炉からのヘリウムを含む混合排ガスを排気するために 用いられる場合、本体（４）の外面,フード（７）,外側の管（１）および戻り管 （３）は、（図示しない）冷却手段によって、下端で４Ｋ,上端（図示せず）で 略77Ｋに冷却される。 混合ガスは、本体（１）の頂部に流入し、底部に向かって通過する。この処理 において、水素同位体および他の不純物は、本体（１）および管（３）の冷たい 表面に適応してこの表面に凝固し、ヘリウムだけを気相に残す。ヘリウムは、本 体（１）の底部へ流れ、矢印で示すように環状通路（８）を通って上昇する。多 孔質の障壁（４）の内面のヒータ（５）は、内外面の間に温度勾配を発生させ、 この温度勾配が、ヘリウムを、クヌーセン効果によって障壁（４）を通って加熱 側へ優先的に拡散させる。従って、クヌーセン効果は、ヘリウムを本体（１）か ら優先的に排気して、ヘリウムの圧力を慣用の装置で処理することができるまで に増加させるのである。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９５年５月５日 【補正内容】 請求の範囲 １．低温で混合ガスを排気するための装置であって、低温に耐えることができ、 かつ使用時の軸方向の温度勾配を維持することができる材料からなり、上記混合 ガスのための入口と、排気されるべき１つまたはそれ以上のガスのための出口（ ３）とを有する細長い本体を備えた装置（１）において、 上記出口（３）は、ガスが上記装置を出るために通らなければならない多孔質 の障壁（４）を取り付けられ、この多孔質の障壁（４）は、出口側に配置された 加熱手段（５）を有することを特徴とする低温で混合ガスを排気するための装置 。 ２．上記細長い本体（１）は、管状の形状であることを特徴とする請求項１に記 載の低温で混合ガスを排気するための装置。 ３．上記細長い本体（１）は、上記ガス入口と反対の端部が閉鎖されているとと もに、上記１つまたはそれ以上のガスを上記ポンプ出口に導くための戻り管（３ ）を備えることを特徴とする請求項２に記載の低温で混合ガスを排気するための 装置。 ４．上記細長い本体（１）は、上記閉鎖された端部（２）を下にして鉛直に配置 されていることを特徴とする請求項３に記載の低温で混合ガスを排気するための 装置。 ５．上記細長い本体の内面を冷却して、長手方向の軸に沿う温度勾配を発生させ るための手段を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の 低温で混合ガスを排気するための装置。 ６．上記多孔質の障壁（４）は、管状の形状であることを特徴とする請求項１乃 至５のいずれか１つに記載の低温で混合ガスを排気するための装置。 ７．上記多孔質の障壁（４）は、上記戻り管（３）の下端に取り付けられている ことを特徴とする請求項４に記載の低温で混合ガスを排気するための装置。 ８．上記障壁（４）は、５Ｗ／mＫ以下の熱伝導率をもつ材料から作られている ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１つに記載の低温で混合ガスを排気 するための装置。 ９．上記多孔質の障壁（４）は、セラミック材料から作られていることを特徴と する請求項８に記載の低温で混合ガスを排気するための装置。 １０．上記多孔質の障壁（４）は、調和したメッシュサイズの織ったセラミック 布 または不織のセラミック布であることを特徴とする請求項９に記載の低温で混合 ガスを排気するための装置。 １１．上記多孔質の障壁（４）は、溝または毛管の不連続なアセンブリからなる ことを特徴とする請求項８または９に記載の低温で混合ガスを排気するための装 置。 １２．上記不連続なアセンブリは、平らな模様と波打った模様が交互になるとと もに、上記障壁（４）の温側から冷側への直接の光学的な視線が避けられるよう に配置された盤からなることを特徴とする請求項１１に記載の低温で混合ガスを 排気するための装置。 １３．上記障壁（４）における孔寸法は、冷側から温側に向かって次第に増加し ていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１つに記載の低温で混合ガ スを排気するための装置。 １４．低温拡散ポンプの効率を増大させるために熱勾配障壁拡散ポンプを使用す ることを特徴とする方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ミルヴァートン、ポール イギリス、オーエックス11・０イーエル、 オックスフォードシャー、ハーウェル、 ザ・クリーヴ 16番

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．低温で混合ガスを排気するための装置であって、低温に耐えることができ、 かつ使用時の軸方向の温度勾配を維持することができる材料からなり、上記混合 ガスのための入口と、排気されるべき１つまたはそれ以上のガスのための出口と を有する細長い本体を備えた装置において、 上記出口は、ガスが上記装置を出るために通らなければならない多孔質の障壁 を取り付けられ、この多孔質の障壁は、出口側に配置された加熱手段を有するこ とを特徴とする低温で混合ガスを排気するための装置。 ２．上記細長い本体は、管状の形状であることを特徴とする請求項１に記載の低 温で混合ガスを排気するための装置。 ３．上記細長い本体は、上記ガス入口と反対の端部が閉鎖されているとともに、 上記１つまたはそれ以上のガスを上記ポンプ出口に導くための戻り管を備えるこ とを特徴とする請求項２に記載の低温で混合ガスを排気するための装置。 ４．上記細長い本体は、上記閉鎖された端部を下にして鉛直に配置されているこ とを特徴とする請求項３に記載の低温で混合ガスを排気するための装置。 ５．上記細長い本体の内面を冷却して、長手方向の軸に沿う温度勾配を発生させ るための手段を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の 低温で混合ガスを排気するための装置。 ６．上記多孔質の障壁は、管状の形状であることを特徴とする請求項１乃至５の いずれか１つに記載の低温で混合ガスを排気するための装置。 ７．上記多孔質の障壁は、上記戻り管の下端に取り付けられていることを特徴と する請求項４に記載の低温で混合ガスを排気するための装置。 ８．上記障壁は、５Ｗ／mＫ以下の熱伝導率をもつ材料から作られていることを 特徴とする請求項１乃至７のいずれか１つに記載の低温で混合ガスを排気するた めの装置。 ９．上記多孔質の障壁は、セラミック材料から作られていることを特徴とする請 求項８に記載の低温で混合ガスを排気するための装置。 １０．上記多孔質の障壁は、調和したメッシュサイズの織ったセラミック布また は不織のセラミック布であることを特徴とする請求項９に記載の低温で混合ガス を排気するための装置。 １１．上記多孔質の障壁は、溝または毛管の不連続なアセンブリからなることを 特徴とする請求項８または９に記載の低温で混合ガスを排気するための装置。 １２．上記不連続なアセンブリは、平らな模様と波打った模様が交互になるとと もに、上記障壁の温側から冷側への直接の光学的な視線が避けられるように配置 された盤からなることを特徴とする請求項１１に記載の低温で混合ガスを排気す るための装置。 １３．上記障壁における孔寸法は、冷側から温側に向かって次第に増加している ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１つに記載の低温で混合ガスを排 気するための装置。 １４．請求項１に記載の装置において、添付の図を参照に明細書中で述べたと実 質上同じであることを特徴とする低温で混合ガスを排気するための装置。 １５．低温拡散ポンプの効率を増大させるために熱勾配障壁拡散ポンプを使用す ることを特徴とする方法。 １６．熱勾配障壁拡散ポンプと組み合わせたときに、明細書中で述べたと実質上 同じであることを特徴とする低温拡散ポンプ。