(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空室からの排気路の下流端にクライオポンプを接続すると共に該排気路の中間部に、開度調整可能な第１第２弁板を有しこれら第１第２弁板間に中間室が形成されているコンダクタンス調整弁を介在し、前記第１弁板の上流側の前記排気路に第１ねじ溝真空ポンプを、前記中間室に第２ねじ溝真空ポンプを、前記第２弁板の下流側に第３ねじ溝真空ポンプをそれぞれ連通接続した核融合装置の真空排気システムにおいて、前記コンダクタンス調整弁は弁筐体の後方部の一側面の開口部に前記クライオポンプを装着すると共に他側面の開口部に前記第３ねじ溝真空ポンプを装着し、前記弁筐体の前方部に、前方端に形成の流入口に連る縮小断面の流路状の前記中間室を形成し、前記流入口の周縁部の弁座に接離可能な第１弁板と前記中間室の後端周縁部の弁座に接離可能な第２弁板を、前記弁筐体の後面に設けた駆動装置に連動させたことを特徴とする核融合装置の真空排気システム。
【請求項２】
前記駆動装置の駆動により進退する駆動軸は前記第２弁板の中間透孔に移動自在に挿通すると共に先端において前記第１弁板に固着し、これら第１弁板と第２弁板との間に第１スプリングを介在すると共に、該第２弁板と該第２弁板の後方位置の前記駆動軸に形成の突条との間に第２スプリングを介在したことを特徴とする請求項１に記載の核融合装置の真空排気システム。
【請求項３】
前記駆動装置の駆動によりそれぞれ進退する第１駆動軸と第２駆動軸を具備し、該第１駆動軸は前記第２弁板の透孔を挿通して先端において前記第１弁板に固着すると共に前記第２駆動軸は先端において前記第２弁板に固着したことを特徴とする請求項１に記載の核融合装置の真空排気システム。
【請求項４】
前記コンダクタンス調整弁は、前記中間室の一側面に第１駆動装置と第２駆動装置を装着し、該第１駆動装置に連動して進退する第１駆動軸の先端部を、前記中間室の流入開口の周縁部の弁座に摺接可能な第１弁板に連結すると共に、前記第２駆動軸の先端部を、前記中間室の排出口に周縁部の弁座に摺接可能な第２弁板に連結して構成したことを特徴とする請求項１に記載の核融合装置の真空排気システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、大型核融合装置の大容量真空排気システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
大型核融合装置の真空排気システムの運転モードとしては、主として次の４つがある。
Ａ：初期排気モード、Ｂ：ヘリウムリークテストモード、Ｃ：放電洗浄モード、Ｄ：プラズマ燃焼モード。
【０００３】
モードＡは大型真空容器を大気圧から短時間で高真空に排気する必要があり、また、モードＢはリーク箇所を通して真空容器内に流入するプローブガスとしての極微量のヘリウム以外の大気ガスを効率良く排気する必要がある。モードＡとモードＢにおいては、高真空領域で大排気速度を有する真空ポンプが必要となる。
【０００４】
さらにモードＣは、各種放電形態で生成した低温プラズマを用いて真空容器内の壁面を効率良く清浄化するためのものであり、真空容器内にヘリウム等を０．１Ｐａ程度導入しながら長時間にわたって放電ガスを排気する必要がある。
【０００５】
一方モードＤは、重水素とトリチウムの核融合反応で生成するヘリウムと、未反応の重水素およびトリチウムを速やかに排気する必要がある。モードＤでは、壁に入射するプラズマの温度を下げるためにプラズマ燃焼中、特定のガスを真空容器内に導入する場合（ガスブランケット）があり、この時排気口では１０Ｐａ程度になる。モードＣとＤにおいては、中真空領域で大排気速度を有する真空ポンプが必要となる。
【０００６】
このように、大型核融合装置の真空排気システムは中真空から高真空の広い圧力範囲にわたって大排気速度を有するものが必要となっている。これに対して従来の大型核融合装置の真空排気システムは、図８に示す機械式ポンプ系、あるいは図９に示すクライオポンプ系のいずれかで構成されていた。
【０００７】
前者の機械式の高真空ポンプ系は、図８の如く真空容器ａの排気口に軸流圧縮機と類似構造のターボ分子ポンプｂ、及びロータの外周面又はステータの内周面のいずれか一方にねじ溝を有し、僅少の間隙をもってロータがステータ内で回転する式のねじ溝真空ポンプｃが並列に接続されており、後者のクライオポンプ系は、図９の如く真空容器ａの排気口に極低温に冷却された面（クライオパネル面）を持ち、そこに気相から入射した気体分子を凝縮捕獲して容器ａ内の排気を行う方式のクライオポンプｄ及びねじ溝真空ポンプｃが直列に接続されている。
【０００８】
尚、図８及び図９において、ｅは補助ポンプ、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、はバルブを示す。又矢印Ｔはトリチウム処理系への流れの方向を示す。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前記大型核融合装置の排気システムを前者の機械式ポンプ系で構成する場合は、モードＡ、Ｂ用として大型ターボ分子ポンプｂ（排気速度が数万Ｌ／ｓ級）が、モードＣ、Ｄ用としては大型ねじ溝真空ポンプｃ（排気速度が数千Ｌ／ｓ級）が使われる。
【００１０】
ターボ分子ポンプやねじ溝真空ポンプを使う長所としては、放射性ガスであるトリチウムの滞留量がきわめて少ないため安全上有利であること、連続排気が可能であること、単位排気速度当たりのポンプ据え付け面積が比較的小さいことである。
【００１１】
問題点としては、大型ターボ分子ポンプや大型ねじ溝真空ポンプの単位排気速度あたりの価格が非常に高くなることである。
【００１２】
又、核融合装置の真空排気システムでは、前記モードＤでの運転形態が最も多いので、使用頻度の少ないモードＡやモードＢのために高価な大型ターボ分子ポンプを設置しておくことは不経済である。
【００１３】
後者のクライオポンプ系で大型核融合装置の排気システムを構成する場合は、図９に示すように金属製で大口径のバルブＶ３と大型クライオポンプｄ（排気速度が数万Ｌ／ｓ級）と大型ねじ溝真空ポンプｃ（排気速度が数千Ｌ／ｓ級）とを直列に組み合わせ、前記モードＡでは最初にバルブＶ３を閉とし、バルブＶ４を開として大型ねじ溝真空ポンプｃで排気をし始め、その後バルブＶ３を開、バルブＶ４を閉として大型クライオポンプｄで排気を行う。
【００１４】
モードＢ、Ｃ及びモードＤでは、バルブＶ３を開として大型クライオポンプｄで排気を行う。
【００１５】
クライオポンプ系の長所としては、高真空で比較的ガス流量や熱負荷の小さいモードＡ及びモードＢにおいて大排気速度が得られ、高効率の運転が可能となることである。
【００１６】
一方クライオポンプ系の問題点としては、モードＡやモードＢでの使用には適するが、モードＣやモードＤではヘリウムを排気するためにクライオパネル面を４Ｋ以下の極低温に冷却しなければならず、従って大容量のヘリウム冷凍機を使うので、単位排気速度あたりのポンプ据え付け面積が増大し、又、クライオパネル面の冷却に長時間を要するために運転操作が複雑となる。
【００１７】
又、モードＣやモードＤでは、大流量のガスを排気するので、クライオポンプの排気能力がすぐに低下し、頻繁にクライオパネル面の再生（リフレッシュ）を行う必要がある。
【００１８】
このため予備の大型クライオポンプを用意して交互に運転・再生を繰り返すので、運転コストが高くなってしまい、又、大型クライオポンプにおいて再生を行うために高価な大口径の金属製バルブを設置しなければならない。
【００１９】
更に、モードＤにおいて多量のトリチウムをクライオパネル面に吸蔵し、該クライオパネル面の再生時には可燃性を有する放射性のトリチウムガスが多量に該クライオパネル面から離脱するので、急激な圧力上昇により装置が破損する危険性があり、更にクライオパネル面の再生作業を短時間で行う必要があるため、この装置の危険性は一層高まり、クライオパネル面の再生作業には厳重な安全対策が求められる。
【００２０】
本発明はこれらの問題点を解消し、効率的、経済的かつ安全性に優れた大型核融合装置のための大容量真空排気システムを構築することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成すべく、真空室からの排気路の下流端にクライオポンプを接続すると共に該排気路の中間部に、開度調整可能な第１第２弁板を有しこれら第１第２弁板間に中間室が形成されているコンダクタンス調整弁を介在し、前記第１弁板の上流側の前記排気路に第１ねじ溝真空ポンプを、前記中間室に第２ねじ溝真空ポンプを、前記第２弁板の下流側に第３ねじ溝真空ポンプをそれぞれ連通接続した核融合装置の真空排気システムにおいて、前記コンダクタンス調整弁は弁筐体の後方部の一側面の開口部に前記クライオポンプを装着すると共に他側面の開口部に前記第３ねじ溝真空ポンプを装着し、前記弁筐体の前方部に、前方端に形成の流入口に連る縮小断面の流路状の前記中間室を形成し、前記流入口の周縁部の弁座に接離可能な第１弁板と前記中間室の後端周縁部の弁座に接離可能な第２弁板を、前記弁筐体の後面に設けた駆動装置に連動させたことを特徴とする。
【００２２】
【作用】
請求項１の核融合装置の真空排気システムにおいて、クライオポンプと第１第２第３ねじ溝真空ポンプとコンダクタンス調整弁を組み合わせたので、各々クライオポンプとねじ溝真空ポンプに適した作業条件で運転することができ、効率の良い運転が行える。
【００２３】
又、前記コンダクタンス調整弁は第１弁板と第２弁板を有する中間室に第２ねじ溝真空ポンプを接続して中間室の排気を行うようにしたので、該コンダクタンス調整弁を安価な締切り弁として機能させることができる。
【００２４】
更に、該コンダクタンス調整弁の中間室を形成する第１弁板と第２弁板を弁筐体の後部に設けた駆動装置に連動させたので、前記クライオポンプへの排気路のコンダクタンスの調整及び締切りを容易に行うことができる。
【００２９】
請求項２の核融合装置の真空排気システムにおいて、前記第２弁板の中心透孔に前記駆動軸を移動自在に挿通すると共に該駆動軸の先端を前記第１弁板に固着し、これら第１弁板と第２弁板との間に第１スプリングを介在すると共に、該駆動軸上の突条と該第２弁板との間に第２スプリングを介在させたので、該駆動軸を後退させた場合、先ず第１弁板が開弁し、次いで第２弁板が開弁するように作用する。
【００３０】
請求項３の核融合装置の真空排気システムにおいて、前記第１弁板を進退する第１駆動軸と第２弁板を進退する第２駆動軸とを設けたので、該第１弁板と第２弁板とを独立に進退させることができる。
【００３１】
請求項４の核融合装置の真空排気システムにおいて、前記中間室の一側面に第１駆動装置と第２駆動装置を装着し、中間室の流入開口と排出口の弁座に摺接する第１弁板と第２弁板を該第１第２駆動装置に各々連結したので、該第１弁板と第２弁板を独立に進退させることができると共に、両弁板には駆動軸を挿通する前記透孔が不要となる。
【００３２】
【実施例】
本発明の核融合装置の真空排気システムの第１実施例を図１乃至図４により説明する。
【００３３】
１は排気が行なわれる真空室、２は排気速度が数万Ｌ／ｓ級の大型クライオポンプ、３は排気速度が数千Ｌ／ｓ級の大型の第１ねじ溝真空ポンプ、４は排気速度が数百Ｌ／ｓ級の中間室排気用中型の第２ねじ溝真空ポンプ、５はクライオポンプ再生用の排気速度が数千Ｌ／ｓ級の大型第３ねじ溝真空ポンプ、Ｖｃは２重シール機構を持った中間室排気型コンダクタンス調整弁を示し、該コンダクタンス調整弁Ｖｃは弁筐体６と弁体７からなり、該弁筐体６は中間室６ａと後部室６ｂとからなり、又、弁体７は第１弁板７ａと、第２弁板７ｂと、先端において該第１弁板７ａに固定し該第２弁板７ｂの中心透孔に移動自在に嵌挿する駆動軸７ｃと、該駆動軸７ｃを進退する駆動装置７ｈと、これら第１第２弁板７ａ、７ｂ間に張設した第１ベローズ７ｄと、該第２弁板７ｂと後部室６ｂの内側面間に張設した第２ベローズ７ｅと、前記第１第２弁板７ａ、７ｂ間に介入した第１スプリング７ｆと、該第２弁板７ｂと前記駆動軸７ｃの中間部の突条７ｈとの間に介入した第２スプリング７ｇとからなる。
【００３４】
そして前記中間室６ａの流入口を前記真空室１の排出管１ａに接続すると共に該排出管１ａの中間の分岐部に前記第１ねじ溝真空ポンプ３を接続し、又前記中間室６ａの排出口に前記第２ねじ溝真空ポンプ４を接続すると共に前記後部室６ｂの排出口に前記第３ねじ溝真空ポンプ５を接続した。７ｐ及び７ｑは弁座を示す。
【００３５】
更に前記第１ねじ溝真空ポンプ３と第２ねじ溝真空ポンプ４及び第３ねじ溝真空ポンプ５の下流側には、それぞれバルブ８、９、１０が接続され、更にこれらバルブ８、９、１０の下流側はそれぞれ補助ポンプ１１を経てトリチウム処理系Ｔへと接続している。
【００３６】
尚、ねじ溝真空ポンプ３、４、５は、潤滑油による汚染を防ぐため、無潤滑の磁気軸受形を採用している。
【００３７】
次に、本発明の第１実施例の作用について説明する。
【００３８】
初期排気モードＡでは、図１に示すように駆動軸７ｃを進出させて第１第２弁板７ａ、７ｂ共全閉状態とし、初めに第１第２第３の各ねじ溝真空ポンプ３、４、５により排気を行う。ねじ溝真空ポンプは中真空領域で大流量のガスの排気に適しているので、初期排気モードＡでは効率よく排気が行われる。
【００３９】
真空室１内の圧力が１０−３Ｐａ程度に低下したら、駆動装置７ｈを操作して駆動軸７ｃを後退させて図２の如く弁７ａ及び７ｂを全開とし、大型クライオポンプ２を作動させ、初期排気で必要される圧力１０−６Ｐａ程度まで排気を行う。
【００４０】
この圧力領域では真空室１からの放出ガスは壁面からの水が大部分を占めており、水に対するクライオポンプ２の排気速度は、同一口径のターボ分子ポンプと比較するとその３倍以上である。
【００４１】
又、前記クライオパネル面の温度も、水を凝縮させるための温度である数十Ｋ程度に冷却するだけでよいので、装置の運転効率が高く、又、高価なヘリウム冷凍機も不要である。
【００４２】
ヘリウムリークテストモードＢでは、バルブ８とバルブ９を全閉とするだけでよく、リークに起因する大気ガス中の水分を大型クライオポンプ２で排気し、プローブガスであるヘリウムを含む残留ガスを第３ねじ溝真空ポンプ５で排気する。リークディテクター（図示せず）は該第３ねじ溝真空ポンプ５の後段に接続する。これによりリークディテクターの感度や応答性が向上する。
【００４３】
クライオポンプ２は排気を続けると前記クライオパネル面の気体分子捕捉能力が低下するので、時々該クライオパネル面の再生を行う必要がある。このクライオパネル面の再生時には、前記コンダクタンス調整弁Ｖｃの弁体７の第１第２弁板７ａ、７ｂを全閉とする。
【００４４】
しかし、該コンダクタンス調整弁Ｖｃは、これら弁板７ａ、７ｂを完全気密とする必要はなく、第２ねじ溝真空ポンプ４により中間室６ａの排気を行えばよい。
【００４５】
従来のクライオポンプ系で大型核融合装置の排気システムを構成した図９の例では高価な大口径のバルブＶ３が必要だったが、本発明では第１第２弁板７ａ、７ｂによる二重シール部を閉とすると共に中間室６ａを該第２ねじ溝真空ポンプ４で排気することにより、密閉度の高い安価な大口径バルブの効果が得られる。
【００４６】
前記の放電洗浄モードＣやプラズマ燃焼モードＤでは、重水素やトリチウム、ヘリウム等を第１ねじ溝真空ポンプ３で排気し、Ｔ矢印方向のトリチウム処理系へ移送する。この時クライオポンプ２は運転を止めておくが、第２ねじ溝真空ポンプ４及び第３ねじ溝真空ポンプ５は排気可能な状態にしておく。
【００４７】
そして駆動装置７ｂにより弁板７ａ、７ｂを駆動して図３或いは図４の如くコンダクタンス調整弁Ｖｃのコンダクタンスを変化させ、排気システムとしての排気速度を調整して真空室１内の圧力を所定の値にする。
【００４８】
このようにねじ溝真空ポンプ３、４、５を使った真空排気システムにより排気速度の調整範囲が大きく拡がり、モードＣやモードＤにおいて最適な排気速度が得られる。
【００４９】
本発明の第２実施例を図５により説明する。
【００５０】
本第２実施例では、第１実施例における駆動軸７ｃ及び駆動装置７ｈの代りに弁板７ａ及び７ｂの操作を独立に行うことができるようにした駆動軸７ｉ、７ｊ及び駆動装置７ｋ、７ｍを設けた。
【００５１】
このように弁板７ａ及び７ｂを独立に動かすことにより、より精密な排気速度の調整が可能となる。
【００５２】
本発明の第３実施例を図６により説明する。
【００５３】
本第３実施例では、ゲート弁型の中間排気型コンダクタンス調整弁１２を使用し、第１第２弁板１２ａ、１２ｂ及びこれら弁板１２ａ、１２ｂのそれぞれの駆動装置１２ｃ、１２ｄを有している。尚、１２ｅ及び１２ｆは、それぞれ第１弁板１２ａ及び第２弁板１２ｂを駆動する第１駆動軸及び第２駆動軸である。
【００５４】
このゲート弁型の中間排気型コンダクタンス調整弁１２でも、前記第２実施例と同様に、弁板１２ａ、１２ｂを独立に動かすことにより、より精密な排気速度の調整を可能としている。
【００５５】
尚、本第３実施例の中間排気型コンダクタンス調整弁１２では、１枚の弁板を有する通常のゲート弁を２台用い、該ゲート弁を背中合わせに直列に連結し、その下部を第２ねじ溝真空ポンプ４に接続するようにしてもよい。
【００５６】
本発明の第４実施例を図７により説明する。
【００５７】
本第４実施例は、第１実施例における第１ねじ溝真空ポンプ３の下流側に排気速度が数十Ｌ／ｓ級の小型の第４ねじ溝真空ポンプ１３を取り付けた。該第４ねじ溝真空ポンプ１３の追加により、より高い圧力での排気が可能となった。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、ターボ分子ポンプよりも構造簡単で大型化し易いねじ溝真空ポンプを使用したので、大容量の核融合装置用真空排気システムを構築し易い効果を有する。
【００５９】
又、本発明によれば、中間室排気用中型ねじ溝真空ポンプ及びクライオポンプ再生用大型ねじ溝真空ポンプを、モードＣ、Ｄの際に排気速度の調整用として利用しているので、装置に無駄が無い効果を有する。
【００６０】
又、本発明によれば、クライオパネル面の温度は数十Ｋと高いので、装置の運転は比較的小さい電力量で済み、エネルギー消費量の面からも経済的である効果を有する。
【００６１】
又、本発明によれば、二重シール型のバルブを用いると共にその中間室を排気する構造により、安価なバルブの利用が可能となる効果を有する。
【００６２】
本発明においては、大型クライオポンプはモードＡ、Ｂにおいて主として水の排気に用いられ、又モードＣ、Ｄでは該クライオポンプは停止しており、前記トリチウムが滞留したり大量に放出されたりしないので、装置破損の危険性がなく、安全性が高い効果を有する。
【００６３】
更に、本発明によれば、核融合装置の真空排気システムにおいて、モードＡ、Ｂに従来用いられていた高価な大型ターボ分子ポンプを使用しないですみ、又、モードＡ、Ｂの時に作動させる大型クライオポンプにとって該モードＡ、Ｂは好適な作業環境であり、経済的、効率的である上、高い安全性を保つ効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１乃至図４】  本発明の第１実施例のシステム図である。
【図５】  本発明の第２実施例のシステム図である。
【図６】  本発明の第３実施例のシステム図である。
【図７】  本発明の第４実施例のシステム図である。
【図８】  機械式ポンプ系の従来例のシステム図である。
【図９】  クライオポンプ系の従来例のシステム図である。
【符号の説明】
１            真空室
２            クライオポンプ
３            第１ねじ溝真空ポンプ
４            第２ねじ溝真空ポンプ
５            第３ねじ溝真空ポンプ
６            弁筐体
６ａ          中間室
７ａ、１２ａ  第１弁板
７ｂ、１２ｂ  第２弁板
７ｃ          駆動軸
７ｆ          第１スプリング
７ｇ          第２スプリング
７ｈ          駆動装置
７ｉ、１２ｅ  第１駆動軸
７ｊ、１２ｆ  第２駆動軸
７ｋ、１２ｃ  第１駆動装置
７ｎ          突条
７ｍ、１２ｄ  第２駆動装置
７ｐ、７ｑ    弁座
１３          第４ねじ溝真空ポンプ
Ｖｃ            コンダクタンス調整弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003699159.tif 000008
【図８】
0003699159.tif 000009
【図９】
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