JPS6138178A - 真空排気装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は真空排気装置に係シ、特に核装置用真空チャン
バの真空排気に好適な複合クライオポンプを主排気ポン
プとする真空排気装置に関する。

〔発明の背景〕

核装置（核融合装置）では、高温プラズマ作成の段階で
重水素り、やトリチウムＴ、などの水素同位体ガス、ヘ
リウムガス等が発生する。この中で、水素同位体ガスは
、燃料として再利用される。

このため、核装置用真空チャンバを排気する真空ポンプ
としては、ガスの種類によって選択排気できる機能を有
している複合クライオポンプが有効であり、この複合ク
ライオポンプは、一般に第４図に示す如くなっている。

第４図において複合クライオポンプ１０は、ポンプケー
ス１２の内部にシェブロンあるいはルーパ形状の凝縮板
１４と、活性炭等の吸着剤を表面に接着した吸着板１６
とが装着してある。ポンプケース１２の一側、即ち、真
空チャンバに接続される側にはゲートパルプ１８が設け
てあシ、ポンプケース１２の他側、即ち、粗引き排気系
に接続される側には、フォアバルブ２０が設けである。

なお、第４図に示した符号２２は、吸着板１６を冷却す
る冷却材部である。

凝縮板１４と吸着板１６とは、共に液体ヘリウムによっ
て冷却されておシ、凝縮板１４に蒸気圧の低い水素同位
体を凝縮させ、吸着板１６にヘリウムガスを吸着させる
ことによシ、真空チャンバを真空排気する４、シかしな
がら、凝縮あるいは吸着量が一定量を越えると、排気機
能が低下するため、定期的に排気運転を停止して吸着板
１６と凝縮板１４との脱ガス、即ち再生運転を行う必要
がある。このため、核装置用の真空排気装置としては、
ＩＥＥＥ　（１９７９年）におけるＤｏｎＱ、Ｃｏｆｆ
１ｎ。

Ｃｈａｒｌｅｓ　ＲｏＷａＨｈｃｒｓ等による”Ｖａｃ
ｕｕｍｐｕｍｐｉｎｇ　　ｏｆ　Ｔｒｉｔｉｕｍ　　ｉ
ｎ　Ｆｕｓｉｏｎ　ｐｏｗｅｒＲｅａｃｔｏｒｓ　”と
題する文献に示されているように、真空チャンバと粗引
き排気系の中間に２台の複合クライオポンプを並列に配
置し、両ポンプを排気と再生の交互に運転する、いわゆ
るバッチ運転を行うよう構成してある。複合クライオポ
ンプ１０の再生は、吸着板１６の加熱→ヘリウムガスの
排気→凝縮板１４の加熱→水素同位体の排気→凝縮板１
４及び吸着板１６の冷却、の順に行われ、水素同位体と
ヘリウムガスが分離して排気される。

即ち、再生手順は、まずゲートバルブ１８を閉じてフォ
アパルプ２０を開き、吸着板１６の冷却を行っている液
体ヘリウムを排除すると同時に、吸着板１６と冷却材部
２２との間に配設したヒータで吸着板１６を３０に程度
に加熱し、吸着板１６から脱離するヘリウムガスを粗引
き排気系によって排気することにょ９、吸着板１６を再
生する。次に、凝縮板１４を加熱し、凝縮板１４がら蒸
発する水素同位体ガスをヘリウムガスと同じ経路で粗引
き排気系によって排気する。第５図はこの再生過程にお
ける凝縮板１４、吸着板１６の温度及び複合クライオポ
ンプ／’０内の圧力変化の一例を示したものである。

第５図に示すように、吸着板１６の再生過程においては
、吸着板１６の加熱に伴うヘリウムガスの脱離によシ、
温度上昇とともにポンプケース１２内の圧力も上昇する
。吸着板１６が温度Ｔ。

（３０に程度）まで上昇すると、吸着したヘリウムガス
の大部分が脱離して、圧力がＰ、をピークに降下する。

加熱時間ｔ、は、ヒータ容量によって制御しうるが、急
速な加熱は吸着剤内部でガスが急激に膨張し、気孔が崩
壊する。また、ポンプケース１２の圧力が高くなるため
、蒸発したヘリウムガスによる熱伝達が促進され、凝縮
板１４上の水素同位体も蒸発してヘリウムガスに混入す
る恐れがある。このため、加熱時間には余裕をもたせる
必要がある。一方、圧力の降下時間ｔ、は粗引き排気系
の排気能力による。粗引き排気系は、一般にターボ分子
ポンプを含めて構成されておシ、同ポンプの排気速度が
大きいため、短時間で初期圧力までの排気を完了し得る
。

吸着板１６の排気が完了したことを確認すると同時に凝
縮板１４の再生に入シ、凝縮板１４を温度Ｔ、（２０〜
３０Ｋ）まで加熱し、蒸発した水素同位体ガスを排気す
る。この凝縮板１４の再生時間は、吸着板１６の場合と
それほど大きな相違はない。圧力Ｐ２は、核反応によっ
て生成される水素同位体ガス量がヘリウムガス量に比べ
て多いため、圧力Ｐ、よりも高くなっている。凝縮板１
４の再生過程において吸着板１６の温度をＴ。

からＴｓ　　（約１００Ｋ）まで加熱しているのは、凝
縮板１４から蒸発した水素同位体ガスが、吸着板１６に
吸着されるのを防止するためである。

再生完了後、次の真空チャンバの排気に備えて凝縮板１
４と吸着板１６とを液体ヘリウムによシ冷却する。しか
し、前述したように、吸着板１６の温度が１００にと高
いため、かなシの冷却時間を必要となる。この冷却時間
を含め、複合クライオポンプ１０の再生時間を総合する
と約９０分を要し、その大部分が凝縮板１４と吸着板１
６との加熱及び冷却に要する時間となっている。

このように、第４図に示した複合クライオポンプにおい
ては、凝縮板１４と吸着板１６とを同時に加熱再生する
ことができガいため、再生プロセスにかなりの時間を要
し、充分な再生が得られず、また再生運転の手順を誤る
と、選択排気したガスが混合する虞れがある。この問題
を解決する手段として、同文献には、仕切弁によってポ
ンプケース１２を凝縮板側と吸着板側の２室に分離する
ことによシ、凝縮板１４と吸着板１６との加熱過程を同
時に行う方法が提案されている。

第６図は、ポンプケース１２を凝縮板側と吸着板側とに
分離できる複合クライオポンプを示したものである。第
６図に示した複合クライオポンプ２４は、ポンプケース
１２に仕切弁２６が設けてあシ、凝縮板１４が配設して
ある上流側真空室２８と、吸着板１６が配設してある下
流側真空室３０とに分割できるようになっている。この
ような複合タライオポンプ２４の再生手段は、グー、ト
バルプ１８と仕切弁２６とを閉じ、フォアパルプ２０を
開いた状態で、凝縮板１４と吸着板１６とをほぼ同時に
加熱し、吸着板１６から下流側真空室３０に脱離したヘ
リウムガスの排気を完了する。

その後、仕切弁２６を開いて凝縮板１４から上流側真空
室２８に蒸発した水素同位体ガスをヘリウムガスと同一
経路で排気する。この場合の凝縮板１４、吸着板１６の
温度及び上、下流側真空室２８．３０の圧力の経時変化
を第７図に示す。

第６図に示した複合クライオポンプ２４にあって、は、
ヘリウムガスの排気完了後、直ちに水素同位体ガスの排
気を行うことができるため、第７図に示されるように凝
縮板１４を加熱する時間ｔ。

たけ再生時間を短縮することができる。しかしながら、
吸着板１６を短時間で温度Ｔ、からＴ、まで加熱する必
要があシ、前述の場合よシもヒータ容量を大きくする必
要がある。また吸着板１６の冷却時間は短縮されない。

更に、蒸発した水素同位体ガスは、ヘリウムガスを排気
する間排気しないで上流側真空室内に貯溜しておくため
、圧力がＰ、まで上昇する。この圧力は、水素同位体ガ
スが貯溜される上流側真空室２８の容積が、仕切りによ
って縮小されているため、仕切弁２６がない場合の貯溜
圧力よりも高くなる。また、第８図に示しだ水素ガスの
圧力と温度の爆発範囲との関係から、水素ガスの爆発限
界は圧力が低くなるほど爆発温度も下がシ、上流側真空
室２８の大きさによっては万一上流側真空室２８にリー
クがあった場合、爆発範囲内に入シ、上述のヒータ等を
点火源として爆発する危険性を含んでいる。

このように、第６図に示した複合クライオポンプ２４を
用いた場合においても、上流側真空室２８と下流側真空
室３０との粗引き排気系が共通であるため、仕切弁２６
を開いて水素同位体ガスを排気する過程で、吸着板１６
に同ガスが吸着されるのを防止するだめ、吸着板１６を
１００に程度に加熱する必要がちシ、大幅な再生時間の
短縮は期待できない。また、下流側真空室３０内のヘリ
ウムガスを排気する間、水素同位体ガスを上流側真空室
２８内において１０Ｔｏｒｒ前後の高圧状態で混在する
中で爆発の危険性を含んでいる。

〔発明の目的〕

本発明は、再生ガスの排気路路を工夫することによシ、
再生能率が良く安全性に優れた核装置用真空排気装置を
提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明は、複合クライオポンプの再生プロセスにおいて
、ポンプ内の圧力及び温度の経時変化について検討した
結果、凝縮板と吸着板とを加熱した際に発生するガスの
排気時間に比して、吸着板と凝縮板の加熱及び冷却時間
が数倍もかがゑことに着目し、加熱、冷却時間を短縮す
る手段として凝縮板から蒸発するガス専用のバイパス排
気経路を設けることによシ、凝縮板から蒸発したガスが
吸着板で吸着されるのを防ぐために従来設けていた吸着
板の再加熱過程を削除できるように構成したものである
。

〔発明の実施例〕

本発明に係る真空排気装置の好ましい実施例左、添付図
面に従って詳説する。なお、前記従来技術において説明
した部分に対応する部分については、同−の符号を付し
、その説明は省略する。

第１図は、本発明に係る真空排気装置の実施例の概略構
成図である。第１図において真空排気装置は、一対の複
合クライオポンプ２４．３２が配設されている。複合ク
ライオポンプ３２は、′複合クライオポンプ２４と同一
の構造をしておシ、仕切弁３４により凝縮板３６が配設
された上流側真空室３８と、吸着板４０が配設された下
流側真空室４２とに分割される。複合クライオポンプ２
４゜３２は、それぞれ上流側真空室２８．３８がゲート
パルプ１８．４４を介して配管４６，４８によシ真空チ
ャ／バ５０に接続されている。また、下流側真空室３０
．４２は、フォアパルプ２０゜５２を介して配管５４．
５６によシ粗引き排気系５８に接続してある。

上流側真空室２８．３８には、それぞれバイパス排気口
６０．６２が形成してあシ、このバイパス排気口６０．
６２がバイパスパルプ６４．６６を介してバイパス管６
８．７０に接続され、粗引き排気系５８に連通される。

なお、吸着板１６゜４０は、冷却材部２２．７２内の液
体ヘリウムによ、９４．２　Ｋに冷却されており、凝縮
板１４．３６も液体ヘリウムによ！Ｄ４２Ｋに冷却され
ている。

本実施例による真空排気装置と従来の真空排気装置との
相違は、複合クジイオポンプ２４．３２の再生時に上流
側真空室２８．３８の排気用として、それぞれバイパス
排気管６８．７０を新設したことにある。即ち、複合ク
ライオポンプ２４を再生する場合、ゲートパルプ１８、
仕切弁２６、及びフォアパルプ２０を閉じ、バイパスパ
ルプ６４を開いて凝縮板１４と吸着板１６をほぼ同時に
加熱を開始する。そして、まず、凝縮板１４から蒸発す
る水素同位体ガスを上流側真空室２８から排気する。そ
の後、バイパスパルプ６４を閉じ、フォアパルプ２０を
開となるようにパルプを切シ換え、下流側真空室３０内
の吸着板１６からのヘリウム脱離ガスを下部排気口から
排気する。

以上の再生過程における圧力及び温度と経過時間の関係
を示すと第２図のようになる。本実施例では、凝縮板１
４と吸着板１６との再生が完了するまで仕切弁２６を閉
じているため、水素同位体ガスとヘリウムガスが混合す
る心配がなく、従来必要であった凝縮板１４の再生時の
吸着板１６の再加熱動作を省略することができる。従っ
て、排気を完了するまでの時間は、従来とほぼ変わらな
いが、吸着板１６はＴＩ　（３ｏＫ程度）までしか加熱
されていないので冷却に要する時間が大幅に短縮され、
複合クライオポンプの再生時間を第４図に示した複合ク
ライオポンプの約半分に短縮することができる。

核装置の真空チャンバ５０は、容積が大きいため、実際
の排気には第１図に示した排気装置を一つのユニットと
して多数のユニットで構成された排気システムによるよ
うになる。このため、再生時間の短縮は、真空排気装置
の小形化、おるいは排気システムのポンプ数削減につな
がシ極めて有効である。また、上述の吸着板の再加熱過
程の削除によって、加熱に要する電力及び冷却用液体ヘ
リウムの消費量を大幅に削減できる。更に、水素同位体
ガスから先に排気することによって、同ガスの上流側真
空室２８内の圧力Ｐ４は、第４図に示した従来の複合ク
ライオポンプ１０の圧力Ｐ。

よりわずかに高くなる程度ですみ、同ガスによる爆発を
防止することができる。

第３図は、本発明に係る排気装置の他の実施例を示した
ものである。第３図において上流側真空室２８．３８に
設けたバイパス管６８．７０は、下流側真空室３０．４
２が接続される粗引き排気系５８とは異なる粗引き排気
系７４に接続されている。このように構成することによ
シ、上流側真空室と下流側真空室とを同時に再生するこ
とができ、複合クライオポンプの再生時間を大幅に短縮
することができる。

なお、前記実施例では、複合クライオポンプが２ヶ並列
に設けられた場合について説明したが、３ヶ以上を並列
に設けてもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、再生時間の短縮
及び吸着板の再加熱過程の削除によシ再生能率が良好で
運転経費が少なく、また爆発の危陰性がなく安全性に優
れた真空排気装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る真空排気装置の実施例の概略構成
図、第２図は第１図に示した真空排気装置の再生時間と
再生時の圧力変化とを示す図、第３図は本発明に係る真
空排気装置の他の実施例の概略構成図、第４図は従来の
複合クライオポンプの構造図、第５図は第４図に示した
複合クライオポンプの再生時間と再生時の圧力変化とを
示す図、第６図は真空室を仕切弁によシ分割でざる複合
クライオポンプの構造図、第７図は第６図に示した複合
クシイオポンプの再生時間と再生時の圧力変化とを示す
図、第８図は水素ガスの爆発限界を示す図である。 １０．２４．３２・・・複合クライオポンプ、１２・・
・ポンプケース、１４．３６・・・凝縮板、１６．４０
・・・吸着板、１８．４４・・・ゲートバルブ、２ｏ。 ５２・・・フォアバルブ、２２．７２・・・冷却材部、
２６．３４・・・仕切弁、２８．３８・・・上流側真空
室、３０．４２・・・下流側真空室、５０・・・真空チ
ャンバ、５８．７４・・・粗引き排気系、６０．６２・
・・バイパスｍ気口、６４．　ｓ　６・・・バイパスバ
ルブ、６８゜７０・・・バイパス管。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、凝縮板が配設してある上流側真空室と、吸着板が配
   設してある下流側真空室と、この下流側真空室と前記上
   流側真空室とを連通・遮断する仕切弁とを有する複数の
   複合クライオポンプと、これら各複合クライオポンプの
   上流側真空室に接続する真空容器と前記上流側真空室と
   を連通・遮断するゲートバルブと、 前記各複合クライオポンプの前記下流側真空室にフオア
   バルブを介して接続した排気装置と、前記凝縮板と前記
   吸着板とを冷却している冷媒と、を有する真空排気装置
   において、 前記各複合クライオポンプの上流側真空室に形成したバ
   イパス排気口と、 これら各複合クライオポンプのバイパス排気口に設けた
   バイパスバルブと、 このバイパスバルブを介して前記各バイパス排気口と排
   気手段とを連結するバイパス管と、を設けたことを特徴
   とする真空排気装置。 ２、前記排気手段は、前記各下流側真空室が接続してあ
   る排気装置であることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項に記載の真空排気装置。