(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
常温での蒸気圧が１０-12 Ｐａ以下の、金属単体またはその合金からなる作動物質を加熱して高温蒸気を発生するボイラと、前記高温蒸気を噴射するノズルとを備えたことを特徴とする蒸気噴射ポンプ。
【請求項２】
作動物質は、鉛，ビスマス，インジウム，ガリウム，錫，アルミニュームのうちの１つからなる金属単体またはこれらの金属単体を１つ以上含む合金であることを特徴とする請求項１記載の蒸気噴射ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、真空ポンプに関し、特に蒸気噴射ポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
真空ポンプは、作動原理から機械式と蒸気噴射式に大別される。機械式には容積形とターボ形があり、蒸気噴射式には拡散ポンプ，エゼクタポンプ等がある。
【０００３】
歴史的には、先ず１９１５年ＧＡＥＤＥが水銀を使った拡散ポンプを発明し、その１０数年後ＢＵＲＣＨが水銀を油に替えた新しい拡散ポンプを製作した。その後、種々の変遷はあったが、とにかく現在はこの２種類の作動液を使った拡散ポンプが使われている。
【０００４】
しかし水銀拡散ポンプについては、水銀による環境汚染，人体に対する悪影響のためその使用は殆ど認められなくなった。また、製造も中止されているようである。
【０００５】
従って、拡散ポンプでは油を使うことが主流となっている。しかし、油を使ったポンプは、機能を満足させることはできるが、近代の真空環境では油蒸気により真空雰囲気を汚染することで次第に遠ざけられている。それに代わって機械的ポンプが見直され、機構上の改善等により過去の性能よりも一段と向上したポンプが開発され利用されている。しかし気体の量を多く流したり、大型化したポンプともなると、機械的ポンプには性能的に限界があり、それを克服するのは大変厄介であり、その製作は不可能に近いと思われる。これらの点について次の表１に両者の比較を挙げた。
【０００６】
【表１】
0003654916.tif 000002
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、核融合の設備では、大容量の排気，高度の信頼性，高度の真空内クリーン度，容易なメインテナンス等が要求される。しかし、表１から明らかなように、この要求を全て満たす真空ポンプはない。従来の拡散ポンプは、真空内のクリーン度の点を除いて前述の要求をほぼ満たすものであるが、吸気口と真空容器の間にバッフル，トラップ等を設けても油，水銀の真空容器側への逆流を完全に防ぐことが不可能である。本発明は、このような状況のもとでなされたもので、大容量の排気，高度の信頼性，高度の真空内クリーン度，容易なメインテナンスの得られる真空ポンプを提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明では、蒸気噴射ポンプを次の（１），（２）のとおりに構成する。
【０００９】
（１）常温での蒸気圧が１０-12 Ｐａ以下の、金属単体またはその合金からなる作動物質を加熱して高温蒸気を発生するボイラと、前記高温蒸気を噴射するノズルとを備える蒸気噴射ポンプ。
【００１０】
（２）作動物質は、鉛，ビスマス，インジウム，ガリウム，錫，アルミニュームのうちの１つからなる金属単体またはこれらの金属単体を１つ以上含む合金である前記（１）記載の蒸気噴射ポンプ。
【００１１】
【作用】
前記（１），（２）の構成により、金属単体またはその合金からなる作動物質がボイラで加熱され、高温蒸気となってノズルから噴射され、吸気側からの排気気体に流れの方向の運動量を与え排気側へ送る。
【００１２】
【実施例】
以下本発明を実施例により詳しく説明する。
【００１３】
（実施例１）
図１は実施例１である“拡散ポンプ”の断面図である。本実施例は、作動物質として鉛単体を用いるものであり、図において、この鉛の蒸気の流れを実線の矢印で示し、排気気体の流れを破線の矢印で示す。排気口９には不図示のＬ字形配管を介して真空容器が接続される。始動の際、排気口１１に接続された不図示のクリーンポンプ等の補助ポンプで粗引きしてからポンプは動作する。粗引きポンプの到達真空度は１Ｐａ（パスカル）のオーダでよい。
【００１４】
ポンプ動作中、溶融鉛１は、高温に温められた金属貯蔵室２から注入コントロールバルブ３を介してボイラ４に流れる。注入コントロールバルブ３はボイラ４内温度に応じて溶融鉛の注入量をコントロールする。ボイラ４内で溶融鉛１は蒸発し、高温蒸気となって高温槽５を満たす。この高温蒸気はノズル６ａ〜６ｃから噴射し高温に保たれたまま気体混合室７へ超音速で流れる。高温槽５に比較してやや温度の低いシリンダ壁面８で鉛蒸気は液体化し金属貯蔵室２に戻る。このように作動物質である鉛は、液体から気体、気体から液体と相変化しながらサイクルを繰り返す。
【００１５】
一方、吸気口９からポンプ内に流れた気体は気体混合室７で鉛蒸気と混じり合い、超音速流で圧縮され、排気枝管１０を経由して、排気口１１へ流され、不図示の補助ポンプで大気中へ放出される。
【００１６】
ここで、鉛の液体，気体の相変化のサイクルには変わりはないが、作動蒸気として使用する金属固有の特性によって、ポンプの各局所における温度を選定しなければならない。
【００１７】
本実施例ポンプは、シリンダ壁８，排気枝管１０，ボイラ側壁１２，電源導入部１３等を含めて全てこれらを取り巻くヒータ１４により加熱され高温に保たれている。
【００１８】
シリンダ壁８には、壁温を調節するための、Ｎ2 ，Ａｒ，Ｈｅ等を流す蛇管１５が巻かれている。またシリンダ壁８，ボイラ側壁１２，ボイラ底部１６，ヒータ１４，蛇管１５等は、外壁１７に囲まれて１０-1Ｐａの真空空間１８、すなわち、ポンプの温度的動作条件を一定に保つ定常環境に配置される。ポンプ各部には測温部があり、導出部１９を介して温度監視測定室２０に接続されている。
【００１９】
シリンダ径２吋の例では、金属貯蔵室２，ボイラ側壁１２は５００℃、ボイラ４，高温槽５は１０００℃、シリンダ壁面８は４００℃と測温され、１０-5Ｐａの真空が得られた。また吸気口９側へ逆流した鉛蒸気は、吸気口９およびＬ字形配管の壁面で凝縮しコーティングされ、真空容器まで到達することがなかった。
【００２０】
本実施例では、前述のように吸気口側に逆流した鉛蒸気は吸気口およびＬ字形配管の壁面で凝縮するのでバッフル等が不要で、高度の真空内クリーン度と大容量の排気の可能性が実証できた。ちなみに、水銀蒸気噴射ポンプでは液体窒素温度の冷却バッフルを設けても高度の真空内クリーン度を確保することができない。
【００２１】
（実施例２）
図２は、実施例２である“エゼクタポンプ”の断面図である。図示のように、シリンダ部分は実施例１と同様の構成であるが、排気枝管の一部１０ａには、その内側に鉛蒸気を噴射する末広ノズル３０が設けられ、その外側には壁温調節のためＮ2 ，Ａｒ，Ｈｅ等を流す蛇管１５ａが巻かれて吸引室を構成している。排気枝管１０ａにつながる排気枝管１０ｂには、その内側に、鉛蒸気が排気口１１へ流れ出るのを阻止するトラップ３１が設けられ、その外側には排気口１１近くまでヒータ１４ａが巻かれている。また排気枝管１０ｂの底部からボイラ４ａにつながる配管３２が設けられ、トラップ３１でとらえられた溶融鉛がボイラ４ａに戻る。
【００２２】
この構成により、シリンダ部分を経た排気気体は、末広ノズル３０から噴射する鉛蒸気の随伴流として排気口１１側へ吸引される。
【００２３】
以上の各実施例では、作動物質として鉛単体を用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、常温での蒸気圧が１０-12 Ｐａ以下の、金属単体またはその合金からなる作動物質を用いることができる。
【００２４】
すなわち、常温での蒸気圧が極めて低ければ、特にバッフル，トラップ等を用いる必要がなくなり、大容量の排気が可能となる。最近の極高真空の研究では１０-12 Ｐａ程度の極めて高い真空を得る技術が開発されつつあり、これらの観点から本発明では常温での蒸気圧を１０-12 Ｐａ以下に選定している。また、蒸気噴射ポンプでは、側壁に凝縮した作動物質を液体の状態でボイラに還流させる必要があり、この際、作動物質からの蒸発が十分少ないことが要求されるが、その目安は融点での蒸気圧を１０-5Ｐａ以下にすることである。
【００２５】
図３は、本発明に関連する各種金属の温度−蒸気圧特性図である。図示のように、前述の要件を満たす金属としては鉛，ビスマス，インジウム，ガリウム，錫，アルミニュームがある。この他、リチウム，タリウム，ランタン等があるが、リチウムとタリウムは化学的活性や毒性が強く危険で作動物質としては使用困難であり、ランタン等の高融点の金属では使用温度が高くなり過ぎて実用的ではない。
【００２６】
結局、鉛，ビスマス，インジウム，ガリウム，錫，アルミニュームのうちの１つの金属単体またはこれらの金属単体を１つ以上含む合金を作動物質として用いることができる。金属蒸気の利用圧力領域は１〜６００Ｐａ程度で、一般には鉛，ガリウム，インジウム等をベースとした合金を利用する。合金の場合には、合金による溶融点の低下を期待し、その一方のあるいは双方の蒸気圧の高い金属蒸気を取り出し、それを噴射蒸気として使用する。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、大容量の排気，高度の信頼性，高度の真空内クリーン度，容易なメインテナンスが得られる、真空ポンプが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施例１の断面図
【図２】  実施例２の断面図
【図３】  各種金属の温度−蒸気圧特性図
【符号の説明】
１  溶融鉛
４  ボイラ
６ａ，６ｂ，６ｃ  ノズル
【図１】
0003654916.tif 000003
【図２】
0003654916.tif 000004
【図３】
0003654916.tif 000005