(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
供試体を収納する真空容器の内部にコンタミネーションパネルを備え、上記真空容器内を真空にする高真空ポンプを備えた真空環境試験装置において、
上記コンタミネーションパネルは独立した気相パネルと液相パネルから構成され、さらに、
液体窒素を供給する手段と、
供給された窒素を気相と液相に分離する気液分離手段と、
分離された気相と液相の窒素を各々上記独立した気相パネルと液相パネルに供給する手段と、
上記各コンタミネーションパネル内で温度上昇してガス化された高温窒素ガスを大気へ放出する手段を備え、
前記液相パネルによる液体窒素の潜熱と前記気相パネルによる窒素ガスの顕熱により、上記コンタミネーションパネルを冷却するように構成されたことを特徴とする真空環境試験装置。
【請求項２】
請求項１に記載の真空環境試験装置において、前記コンタミネーションパネルは、下方に前記液相パネルが配置され、上方に前記気相パネルが配置されることにより、全体として上方が高温になるように構成されたことを特徴とする真空環境試験装置。
【請求項３】
請求項２に記載の真空環境試験装置において、前記液相パネルは、液体窒素を前記液相パネルの下方から導入して上方から導出するように縦向きに配置され、前記気相パネルは、前記液相パネルの上方に横向きに配置されたことを特徴とする真空環境試験装置。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかに記載の真空環境試験装置において、液相窒素が供給されるコンタミネーションパネルは複数個並列に連通した並列パネルからなり、各並列パネルの入口と出口はそれぞれ入口ヘッダーと出口ヘッダーにより接続されていることを特徴とする真空環境試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空環境下で使用される各種機器の試験を行う真空環境試験装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の真空環境装置は、真空容器の内部を各種真空ポンプで真空排気するともに、真空容器内部に収納する供試体などから放出されるアウトガスを吸収することと、前記真空ポンプを補助することを目的としたコンタミネーションパネルにより、真空容器内部を高真空とする構成となっている。アウトガスとなる各種気体は、到達真空度と凝縮可能なパネル温度の関係が低温蒸気圧曲線により決まっており、２０Ｋ以下の極低温領域の微量気体はクライオポンプなどの高真空排気ポンプで排気され、Ｈ２Ｏなどの１００Ｋ以下の領域の気体はコンタミネーションパネルで吸収排気される。コンタミネーションパネルの寒冷源としては、一般的に液体窒素が用いられる。液体窒素の消費量はコンタミネーションパネル面とその他内部機器との伝熱量に比例するため、窒素消費量の削減が困難である。
【０００３】
このような、コンタミネーションパネルに関する従来の技術として、特開平５−６５１００号公報において、供試体を収納する真空容器の内部にコンタミネーションパネルを供えた宇宙環境試験装置において、前記供試体とコンタミネーションパネルとの間に、コンタミネーションパネル用シールドを着脱自在に設ける例が開示されている。本従来技術によれば、該シールド板を装着することで、シュラウド常温戻しと供試体枯らし運転の際の、供試体の放熱を防止するとともに、温度調整用シュラウドとの熱移動を制限して、コンタミネーション用液体窒素や、温度調整用窒素ガスの使用量を低減できると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−６５１００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
然しながら、本従来技術は、シールド板により供試体等の輻射熱を一時的に遮断して窒素消費量を低減させているため、文献記載のシュラウド常温戻しと、供試体枯らし運転の時などの短時間の作業では効果があると予想されるが、より多量の液体窒素を使用する試験期間中の液体窒素消費量の削減に関しては、抜本的な方策ではない。
【０００６】
本発明の目的は、コンタミネーションパネルを供えた真空装置の液体窒素消費量を効果的に削減できる真空環境装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、供試体を収納する真空容器の内部にコンタミネーションパネルを備え、上記真空容器内を真空にする高真空ポンプを備えた真空環境試験装置において、
上記コンタミネーションパネルは独立した気相パネルと液相パネルから構成され、さらに、
液体窒素を供給する手段と、
供給された窒素を気相と液相に分離する気液分離手段と、
分離された気相と液相の窒素を各々上記独立した気相パネルと液相パネルに供給する手段と、
上記各コンタミネーションパネル内で温度上昇してガス化された高温窒素ガスを大気へ放出する手段を備え、
前記液相パネルによる液体窒素の潜熱と前記気相パネルによる窒素ガスの顕熱により、上記コンタミネーションパネルを冷却するように構成されたことを特徴とする。
【０００８】
また、上記に記載の真空環境試験装置において、前記コンタミネーションパネルは、下方に前記液相パネルが配置され、上方に前記気相パネルが配置されることにより、全体として上方が高温になるように構成されたことを特徴とする。また、上記に記載の真空環境試験装置において、前記液相パネルは、液体窒素を前記液相パネルの下方から導入して上方から導出するように縦向きに配置され、前記気相パネルは、前記液相パネルの上方に横向きに配置されたことを特徴とする。また、上記に記載の真空環境試験装置において、液相窒素が供給されるコンタミネーションパネルは複数個並列に連通した並列パネルからなり、各並列パネルの入口と出口はそれぞれ入口ヘッダーと出口ヘッダーにより接続されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の真空環境装置によれば、コンタミネーションパネルによるアウトガスの吸収排気性能を損なうことなく、より効率的に液体窒素消費量を削減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例１の真空環境装置を模式した図である。
【図２】本発明の真空排気特性の一例を示した図である。
【図３】本発明の実施例２のコンタミネーションパネルを模式した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施例を図を用いて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１２】
本発明の実施例１を図１を用いて説明する。図１は本発明の実施例である真空環境装置を模式した図で、１は真空容器、２は真空容器１に収納される供試体、３は真空容器１内部を低真空状態にする粗引真空ポンプである。一般的に粗引真空ポンプ３とは、油回転真空ポンプに油拡散ポンプやメカニカルブースタポンプを組合わせたものを指し、低真空状態とは大気圧から０．１Ｐａ程度とする。４は真空容器１内部を低真空状態から高真空状態にする高真空ポンプである。一般的に高真空ポンプとはターボ分子ポンプやクライオソープションポンプ、またはその両者を組合わせたものなどを指し、高真空状態とは０．１Ｐａ程度以下の状態とする。
【００１３】
５（５ａ１、５ａ２、５ｂ）は、液体窒素と気体窒素で冷却されることにより、真空容器１内部に収納する供試体２などから放出されるアウトガスを表面に吸収すると共に、前記高真空ポンプ４を補助することを目的としたコンタミネーションパネルで、５ａ１、５ａ２は直列に連通して液体窒素（液相）が媒体として流れる液相パネル、５ｂは液体窒素のミストなどを含んだ低温窒素ガス（気体窒素）が媒体として流れる気相パネルである。両パネルは独立構成となっており、液相パネル５ａ１、５ａ２は縦向きに配置され、気相パネル５ｂは液相パネルの上方に横向きに配置されている。
【００１４】
６は液体窒素を供給する手段としての液体窒素貯槽、７は液体窒素貯槽６から供給される窒素を気相と液相に分離する気液分離筒（気液分離手段）、７ａ、７ｂはそれぞれ、前記液相パネル５ａ１、５ａ２と気相パネル５ｂに、液体窒素と気体窒素を供給する手段としての配管、８はコンタミネーションパネル５内部にて温度上昇してガス化された高温の窒素ガスを大気へ放出する手段としての放散塔である。
【００１５】
上記液相パネル５ａ１、５ａ２はそれぞれ縦向きに置いた状態で横に並べて配置され、液体窒素が、高真空ポンプ４側に配置されたパネル５ａ１の下方から、配管７ａを経由して導入されて上方から導出され、さらにパネル５ａ２の下方から導入されてその上方から導出され、上記放散塔８に導かれる。従って各液相パネルは下方が低温で上方が高温となる。上記のように、上方に気相パネル５ｂを下方に液相パネル５ａを配置し、しかも、上記したように液相パネル５ａの下方より上方を高温に設定して、コンタミネーションパネル５全体として上方を高温にして、収納される供試体２が冷却されるのを防止している。
【００１６】
また、９は液体窒素貯槽６の高圧液体窒素の供給量を制御する高圧供給弁、１０は気液分離筒７の低圧液体窒素の供給量を制御する低圧供給弁、１１は気液分離筒７の液面を指示する液面計、１２はコンタミネーションパネル５ａの高温側の液相パネル５ａ２の温度を測定する温度計、１３は真空容器１の真空度を測定する真空計、１４は液面計１１・温度計１２・真空計１３を入力として、高圧供給弁９及び低圧供給弁１０の開度を制御する制御装置である。
【００１７】
以下、本発明の操作方法を説明する。供試体２を装着した真空容器１内部を、まず、粗引真空ポンプ３で低真空状態にする。次に、粗引真空ポンプ３と高真空ポンプ４を切替るとともに、コンタミネーションパネル５に気体と液体の窒素を供給し、真空容器１内部を高真空状態にする。真空排気特性の一例は図２に示す通りで、粗引真空ポンプ３、ターボ分子ポンプ（高真空ポンプ４）、コンタミネーションパネル５、クライオソープションポンプ（高真空ポンプ４）の順で起動（真空引き）し、真空容器１を高真空状態とする。
【００１８】
真空容器１内の排気計算の基礎式は（式１）で示される。
【００１９】
【数１】
0005583437.tif 000002
ここで、Ｖは被排気容量、Ｐは圧力、Ｓｅは有効排気速度、Ｑ（ｔ）はアウトガス量である。コンタミネーションパネル５は上式のＱ（ｔ）成分を吸収し、クライオソープションポンプの負荷を軽減させる役割を有する。
【００２０】
コンタミネーションパネル５の操作方法は、まず、高圧下にある液体窒素貯槽６から、高圧供給弁９を介して、気液分離筒７に液体窒素が供給される。この際の供給量は気液分離筒７に設置された液面計１１の信号を入力として制御装置１４により高圧供給弁９を制御し、液面計１１の信号が所定範囲になるように気液分離筒７の液面を制御する。気液分離筒７に供給された高圧液体窒素の一部は、略大気圧下にある気液分離筒７でフラッシュガスとなる。ここで、液体窒素貯槽６の飽和液エンタルピをｈＬＣＥ、気液分離筒７内の飽和液エンタルピをｈＬＴ、飽和ガスエンタルピをｈＶＴとすると、液化量ｈＬと全潜熱Ｈｆｇは（式２）となる。
【００２１】
【数２】
0005583437.tif 000003
気液分離筒７で分離された液相の液体窒素は、配管７ａと低圧供給弁１０を介して、コンタミネーションパネル５ａの下部から供給され、パネル内を上方に向かい流通し、上部から窒素ガスとして排出される。この際の供給量はコンタミネーションパネル５ａの上方に設置された温度計１２、及び真空容器１に設置された真空計１３の信号を入力として、制御装置１４により低圧供給弁１０を制御し、温度計１２及び真空計１３の信号が所定範囲になるようにする。
【００２２】
一方、気液分離筒７で分離された気相の低温窒素ガスは、気液分離筒７の圧力と大気圧の差圧により、配管７ｂを経由してコンタミネーションパネルの気相パネル５ｂに流れ、ここを経由して、コンタミネーションパネルの液相パネル５ａの窒素ガスと合流混合され、放散塔８により大気放出される。
【００２３】
ここで、コンタミネーションパネル５ａで消費される窒素消費量をＦＮＣとすると、フラッシュガスによる液体窒素ロス量（フラッシュロス量）ＦＬｏｓｓは（式３）となる。
【００２４】
【数３】
0005583437.tif 000004
また、コンタミネーションパネル５ａの伝熱面積Ａは（式４）で概算できる。
【００２５】
【数４】
0005583437.tif 000005
但し、Ｑはコンタミネーションパネル５ａが必要とする伝熱量、αは輻射伝熱量とパネル面への凝縮確率の積を温度差で除した等価熱伝達率、ΔＴは温度差（雰囲気温度−パネル温度）である。さらに、前述したコンタミネーションパネル５ａで消費される窒素消費量ＦＮＣは前記Ｑを窒素の温度変化に相当するエンタルピ落差Ｊで除すことで概算できる。
【００２６】
尚、液相パネルは下方から導入されて上方から導出されるので、下方が低温で上方が高温となるが、これは、前記したように供試体２の冷却されるのを防止するのに役立つ。また、パネル５ａ１がパネル５ａ２より低温となって、表面での吸収能力が高くなり、高真空ポンプ４の負担を少なくしている。
【００２７】
本実施例によれば、供試体２や試験インターバルによる真空容器１内面の暴露時間などによるアウトガスの変動がある場合でも、コンタミネーションパネル５を制御することで高真空を維持でき、窒素消費量の好適化が図れる。また、アウトガスの成分の大半は水分であるため、パネル温度を１５０Ｋ程度で制御することで、パネル５ａによる液体窒素の潜熱、パネル５ｂによる窒素ガスの顕熱の両方を用いて窒素を有効に利用できるので、窒素消費量の削減が可能となる。
【００２８】
また、液体窒素貯槽６が本装置の専有機である場合は、供給圧力を自由に下げることで、フラッシュガス量を抑制して液相窒素をパネルに供給して吸収の効率を上げられるが、他の施設へも用いる共有機である場合は、圧力調整が他施設依存となり、高圧運転を余儀なくされる場合がある。この場合においても、フラッシュガス分の気相の顕熱をコンタミネーションパネルの気相パネル５ｂで消費することが出来るため、効率的に窒素を消費出来る。
【実施例２】
【００２９】
本発明の実施例２を、図３を用いて説明する。図３は本発明のコンタミネーションパネルの実施例を模式した図である。
【００３０】
実施例１との相違点はコンタミネーションパネル５ａが複数のパネル５０〜５３と複数のヘッダー５００〜５０３により構成されたことで、その他の構成、動作及び効果は実施例１と同等である。
【００３１】
パネル５０と５１は複数並列に連通した並列パネルを構成しており、各並列パネルの入口は入口ヘッダー５００で接続され、出口は出口ヘッダー５０１で接続されている。ヘッダー５００はパネル５０、５１の下方位置の入口に接続され、ヘッダー５０１はパネル５０、５１の上方位置の出口に接続されている。これは、パネル５２、５３、ヘッダー５０２、５０３についても同じ構成である。そして、ヘッダー５０１と５０２は連通するように配管で接続されており、全体として、パネル５０、５１の並列パネルと、パネル５２、５３の並列パネル同士が直列に接続されている。
【００３２】
本実施例特有の効果としては、パネルの個数が多く表面積が増加するので、アウトガス吸収に最低限必要な潜熱、顕熱を効率良く活用できるとともに、窒素の流れる経路が長くなるので窒素温度を常温付近まで回復させ放散塔へ排出できるため、窒素消費量の更なる好適化が図れる。また、窒素量の制御により有効伝熱面の制御が広範囲化できるため、アウトガスの広範囲な変動にも対応可能となる。
【符号の説明】
【００３３】
１…真空容器、２…供試体、３…粗引真空ポンプ、４…高真空ポンプ、５…コンタミネーションパネル、５ａ、５ａ１、５ａ２…液相パネル、５ｂ…気相パネル、６…液体窒素貯槽（液体窒素を供給する手段）、７…気液分離筒（気液分離手段）、７ａ、７ｂ…窒素を供給する手段、８…放散塔（窒素ガスを大気へ放出する手段）、９…高圧供給弁、１０…低圧供給弁、１１…液面計、１２…温度計、１３…真空計、１４…制御装置、５０漢３…並列パネル、５００、５０２…入口ヘッダー、５０１、５０３…出口ヘッダー。
【図１】
0005583437.tif 000006
【図２】
0005583437.tif 000007
【図３】
0005583437.tif 000008