JPS6172896A - 高速回転ポンプ - 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】 （１）産業上の利用分野 本発明は、強力な磁場発生装置を有する真空装置、例え
ば磁場閉じ込め型核融合装置などに使用する高速回転ポ
ンプに関し、特に回転部分の渦電流損失を低減したこと
を特徴とする高速回転ポンプに関する。

（２）従来の技術 磁場閉じ込め型核融合炉では、炉心プラズマでＤ−Ｔ反
応の結果多量のヘリウムが生成される。例えば、熱出力
６０万キロワツトの炉の場合には毎秒およそ２ｘｌＯ”
個のヘリウムが生成される。プラズマ中のヘリウムが増
加すると、プラズマの放射損失が増大するほか、相対的
に燃料密度が低下するので、炉心プラズマから連続的に
外部へヘリウムを排出することが必要である。トカマク
型核融合炉の場合、炉心プラズマからのヘリウムの排出
は磁気ダイバータやポンプリミタと呼ばれる装置により
高温のプラズマ粒子を冷却すると共に中性化し、これら
に接続した真空排気装置によって行われる。磁気ダイバ
ータやポンプリミタと真空排気装置の接続部における燃
料ガス（重水素、トリチウム）、ヘリウム等の混合ガス
の圧力は、最近の理論的検討や実験により１Ｏ−３〜１
０−”　トルまで高められることが判明している。必要
な排気速度はこの圧力で１０’〜１０ゝｌ　／ｓｅｃで
ある。一方、トリチウムは半減期１２．３年でβ崩壊す
る放射性物質であるため大気への漏洩を極めて低い値に
抑えなければならない。又、トリチウムの有機物への影
響が大きいので、真空排気装置には原則として潤滑油等
の有機高分子材料は使用できない。真空排気装置におけ
るトリチウムの滞留量をできるだけ少なくすることも要
請される。更に真空排気装置を炉心に近接させて配設す
る場合には、プラズマからの高温気体を吸入し、又その
上に放射光がその排気装置に入射するから、使用する真
空ポンプはこれらによりもたらされる熱負荷に十分耐え
るものであることが望まれる。

このような要求を完全に満たす真空排気装置は現在のと
ころ実現していないが、可能性イ のあるものとして、クライオポンプを主体としたもの、
水銀拡散ポンプを主体としたもの、及び分子ポンプを主
体としたものが検討されている。

（３）発明が解決しようとする問題点 クライオポンプ方式は、系が清浄であることや大排気速
度のものが製作できることなどの利点がある反面、ヘリ
ウム排気に関して難点があり、又頻繁に再生処理を行わ
なければならない欠点を有している。水銀拡散ポンプ方
式では、かなり厳密なトラップを設置しても水銀蒸気が
炉心プラズマや後段のトリチウム処理系に混入するとい
う問題がある０分子ポンプ方式は、ｌｏ−３〜ｌ　Ｏ−
２トルで作動すれば装置が小型になりトリチウムの滞留
量も僅少なためこの目的にもっとも適しているが、従来
の分子ポンプは数百ないし数千ガウスの高磁場中では渦
電流損失が大きくなり使用できないという問題があった
。炉心から十分離れた位置にポンプを設置する場合には
磁場は比較的弱くなるが、前記の磁気ダイバータやポン
プリミタからポンプまでの配管が長くなるためコンダク
タンスが制限され望ましくない。また従来の多くの分子
ポンプは、回転軸に潤滑油を用いているため、トリチウ
ムの排気には使用できなかった。

このような状況に鑑み、本発明１士数百ガウス以上の高
磁場中で使用できる、気体の排気移送を目的とした高速
回転ポンプを提供することを目的とする。

（４）問題点を解決するための手段 この目的を達成すべく本発明による高速回転ポンプは回
転部分すなわちロータ、動翼、回転軸、軸受、軸シール
、駆動モータ等を電気絶縁性の良い正しくは固有抵抗ｌ
ＯΩ情景上の材料により構成したことに特徴がある。

（５）作用 高速ポンプの回転部分を固有抵抗１０　Ω鑞以上の材料
で構成されているので、配管のコンダクタンスによる損
失を小さくするために強力な磁場を発生する核融合実験
炉及び実用炉の近くに前記高速ポンプを設置しても前記
回転部分に渦電流を生ずることがなく長時間の円滑な高
速回転を確保できる。

（６）実施例 本発明の高速回転ポンプの一実施例として複合分子ポン
プの例を第１図に従って説明する。

（１）はポンプ筐体を示し、該ポンプ筐体（１）内には
その上部にターボ分子ポンプ部（２）と下部にねじ溝ポ
ンプ部（３）を形成した。そして該ターボ分子ポンプ部
（２）は多段に積層結合した回転円板（４）・・・（４
）の周囲に付設した動翼（２ａ）・・・（２ａ）と前記
ポンプ筐体（１）の内周面に設けた静翼（２ｂ）・・・
（２ｂ）とから成り、又前記ねじ溝ポンプ部（３）はロ
ータ（３ａ）と前記ポンプ筐体（１）の内周面に嵌着し
たシリンダー（５）の内周面に形成したねじ溝（３ｂ）
とから成る。尚、これとは逆にねじ溝 （３ｂ）をロータ（３ａ）の周囲に形成してもよい、こ
こで前記静翼（２ｂ）・・・（２ｂ）とシリンダー（５
）と後述する内部筒体（ｌａ）がポンプ筐体（１）と一
体の静止体となる。

（６）は回転軸を示し、該回転軸（６）は前記ポンプ筐
体（１）の内部筒体（ｌａ）に軸受（７ａ）　　（７ｂ
）により支持されており、前記多数の回転円板（４）・
・・（４）と一体接合した前記ロータ（３ａ）に上端部
において固定されている。

（８）は該回転軸（６）の下端部に設けた駆動モータで
、第１図では一例として流体タービンモータを示してあ
り、圧縮空気あるいは窒素ガスその他の流体で駆動され
回転軸（６）を介して前記回転円板（４）・・・（４）
及びロータ（３ａ）を一体的に回転させる。

（９）は軸封部を示し、該軸封部（９）はガスシール型
軸封、ねじ溝型軸封、ラビリンスシール等の非接触型軸
封から成り、該軸封１　　　　　部（９）を軸受（７ａ
）（７ｂ）（７）中間に設けているが、軸受（７ｂ）の
外側の大気圧側に設けてもよい。なお、図中（１０）は
吸気口、（１１）は配管により補助真空ポンプに接続さ
れる排気口を示す。

かくて、タービンモータ（８）の駆動により動翼（２ａ
）・・・（２ａ）及びロータ（３ａ）が共に回転し、吸
気口（１０）から流入した気体はターボ分子ポンプ部（
２）において回転する動翼（２ａ）・・・（２ａ）と静
止する静翼（２ｂ）・・・（２ｂ）とにより圧縮され、
更にねじ溝ポンプ部（３）において回転するロータ（３
ａ）と静止するねじ溝（３ｂ）とにより圧縮されて排気
口（１１）から補助真空ポンプにより排出される。

ここで、前記複合分子ポンプの回転部分即ちターボ分子
ポンプ部（２）の回転円板（４）・・・（４）及び動翼
（２ａ）、ねじ溝ポンプ部（３）のロータ（３ａ）、回
転軸（６）、軸受（７ａ）（７ｂ）、軸封部（９）及び
駆動モータ（８）を固有抵抗がＩ　Ｏ”ＱｆＬ’Ｌ以上
の材料である窒化硅素により構成し軸受に無機潤滑剤を
使用した。

次に第２図に本実施例の複合分子ポンプの高磁場中例え
ばＩＫＧの磁場中での吸入圧−排気速度曲線を示す。こ
こで横軸は該ポンプの吸入圧（Ｐａ）を、縦軸は排気速
度（１／ｓ）を示す。

即ち、窒素ガスについての排気速度は曲線Ａの如く超高
真空から７．５ＸｌＯ−３トル（Ｉ　Ｐａ）まで低下せ
ずに最大値を示し、１．５ｘｌＯ−２）ル（２Ｐａ）テ
最大値の７３％、Ｏ０ｌトル（１３Ｐａ）テも最大値の
２２％であり、又水素ガスについての排気速度は曲線Ｂ
の如く超高真空から２．２Ｘｔｏ−”トル（０，３Ｐａ
）まで略最大値を示し、７．５ｘｌＯ−’　トル（ｌＰ
ａ）テ最大値の６０％、０．０３）ル（４Ｐａ）テも最
大値の２２％である。なお、上記曲線はロータ外径゛が
１９０ｍｍの複合分子ポンプの実測結果であり、これは
磁場がない場合と同じ特性を示している。窒素ガスの最
大排気速度は５５０　ｎ　／ｓ、水素ガスの最大排気速
度は３７０見／Ｓであるが、ロータ外径が４００　ｍｍ
の大型の複合分子ポンプになると、最大排気速度が窒素
ガスに対して２５００１　／ｓ、水素ガスに対して１７
００父／Ｓであり、１０−３〜１Ｏ−２トルにおいて１
０４〜１０’文／Ｓの排気速度の真空ポンプが必要な実
験炉では約２０倍の複合分子ポンプで十分であり、高磁
場中での長時間の運転が可能である。

以上の実施例における複合分子ポンプではターボ分子ポ
ンプ部とにじ溝分子ポンプ部とを一体化しているが、タ
ーボ分子ポンプ部とらせん溝分子ポンプ部とを一体化し
た複合分子ポンプでもよく、更に高磁場発生装置には複
合分子ポンプのみならず単なるターボ分子ポンプ、ねじ
溝分子ポンプまたはらせん溝分子ポンプが適合する場合
もあり、かかる場合にはこれらのターボ分子ポンプ、ね
じ溝分子ポンプ及びらせん溝分子ポンプを本発明により
回転部分を固有抵抗１０−４Ω重以上の材料で構成し得
る。また回転部分材料として窒化硅素の他に炭化硅素、
酸化アルミニウム、ジルコニアなどのセラミックス、引
っ張り強度の高い材料を含む複合材料例えばＦＲＰ、ま
たは多層材料であって総合して固有抵抗が１０−４Ω祖
以−にである材料を用いてもよい。なお、駆動モータと
しては例えば固有抵抗が１０−４Ω雀の材料で回転部分
を構成したベーン型流体モータを用いてもよい。

（７）効果 このように本発明による高速回転ポンプは回転部分を固
有抵抗１０”Ｑｙ以上の材料で構成したので、強力な磁
場を発生する核融合実験炉及び実用炉の真空排気用に適
用して配管のコンダクタンスによる損失を小さくするた
めに真空容器の近くに設置しても、渦電流を生ずること
がなく長時間の円滑な高速回転を確保できて、適宜の台
数を並列接続することによって要望される排気機能を実
現し、大きな配管はマニホールドによってかｙばった容
積を占有せず、真空排気ポンプ系としての制御制 御系も簡単化でき、さらに一般的にトリチウム等の放射
性気体の排気にも適用できるなどの著しい効果を有する
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の複合分子ポンプの一実施例の断面図、
第２図は複合分子ポンプの吸入圧・排気速度特性のグラ
フである。 （１）・・・ポンプ筐体、 （２）・・・ターボ分子ポンプ部、 （２ａ）・・・動翼、 （３）・・・ねじ溝ポンプ部、 （３ａ）・・・ロータ、（３ｂ）・・・ねじ溝、（４）
・・・回転円板、（５）・・・シリンダー、（６）・・
・回転軸、 （７ａ）、（７ｂ）・・・軸受、 （８）・・・タービンモータ、 （９）・・・軸封部、（１０）・・・吸入口、（１１）
・・・排気口 手続補ｊＥ書（自発） ｌ　事件の表示 昭和５９年特許願１９４２９１号 ２　発明の名称 高速回転ポンプ ３　補正をする者 事件との関係　　　特許出願人 住所　東京都千代田区内幸町２−２−２名称　　　日本
原子力研究所 ４　代理人　　〒１０３ 住所　　東京都中央区日本橋小伝馬町１６番８号５　補
正の対象 明細書の発明の詳細な説明の欄 １　　６　補正の内容 （１）　明細書第１０頁第７行目の「約２０倍」を「約
２０台」に補正する。 手続補正書印発） 昭和５９年１１月７２−口 １　事件の表示 昭和５９年特許願１９４２９１号 ２　発明の名称 高速回転ポンプ ３　補正をする者 事件との関係　　　特許出願人 住所　東京都千代田区内幸町２−２−２名称　　　日本
原子力研究所 ４　代理人　　〒１０３ 住所　　東京都中央区日本橋小伝馬町１６番８号５　補
正の対象 明細書の発明の詳細な説明の欄 ６　補正の内容

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ポンプ筐体と一体になった静止体と、固有抵抗１
   ０＾−＾４Ωｍ以上の材料で構成された回転体と、該回
   転体と軸を介して接続され固有抵抗１０＾−＾４Ωｍ以
   上の材料で構成された駆動モータとから構成したことを
   特徴とする高速回転ポンプ。
2. （２）該駆動モータが流体タービンモータであることを
   特徴とする特許請求範囲第１項の高速回転ポンプ。