(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ねじ溝真空ポンプからなる主ポンプ又はターボ分子ポンプ部とねじ溝真空ポンプ部とを一体のロータ上に配置した複合分子ポンプからなる主ポンプの排気側に２箇所の排気口を設けると共に、これらの排気口に各々３段のねじ溝真空ポンプと１段のドライ真空ポンプとからなる補助ポンプ系を接続し、該補助ポンプ系は第１段目を中形ねじ溝真空ポンプ、第２段目及び第３段目を小形ねじ溝真空ポンプ、又、第４段目を小形のドライ真空ポンプとして、これら４段の真空ポンプからなる補助ポンプ系を２系列備え、前記主ポンプは回転軸中心線の向きを垂直に配置し、前記補助ポンプ系の内の前記第１段目の中形ねじ溝真空ポンプは各回転軸中心線の向きを水平として前記主ポンプの回転軸中心線に対して互いに軸対称に前記主ポンプの下方に配置し、又、前記第２段目の小形ねじ溝真空ポンプは各回転軸中心線の向きを垂直として前記主ポンプの回転軸中心線に対して互いに軸対称に前記第１段目の中形ねじ溝真空ポンプの上方に配置し、更に又、前記第３段目の小形ねじ溝真空ポンプは各回転軸中心線の向きを垂直として前記主ポンプの回転軸中心線に対して互いに軸対称に前記第２段目の小形ねじ溝真空ポンプに隣接して配置し、更に又、前記第４段目の小形ドライ真空ポンプは各回転軸中心線の向きを水平として前記主ポンプの回転軸中心線に対して互いに軸対称に前記第３段目の小形ねじ溝真空ポンプの下方に配置したことを特徴とする核融合炉の排気装置。
【請求項２】
ねじ溝真空ポンプからなる主ポンプ又はターボ分子ポンプ部とねじ溝真空ポンプ部とを一体のロータ上に配置した複合分子ポンプからなる主ポンプの排気側に２箇所の排気口を設けると共に、これらの排気口に各々３段のねじ溝真空ポンプと１段のドライ真空ポンプとからなる補助ポンプ系を接続し、該補助ポンプ系は第１段目を中形ねじ溝真空ポンプ、第２段目及び第３段目を小形ねじ溝真空ポンプ、又、第４段目を小形のドライ真空ポンプとして、これら４段の真空ポンプからなる補助ポンプ系を２系列備え、前記主ポンプは回転軸中心線の向きを垂直に配置し、前記補助ポンプ系の内の前記第１段目の中形ねじ溝真空ポンプは各回転軸中心線の向きを垂直として前記主ポンプの回転軸中心線に対して互いに軸対称に前記主ポンプの下方に配置し、又、第２段目の小形ねじ溝真空ポンプは各回転軸中心線の向きを垂直として前記主ポンプの回転軸中心線に対して互いに軸対称に前記第１段目の中形ねじ溝真空ポンプの上方に配置し、更に又、前記第３段目の小形ねじ溝真空ポンプは各回転軸中心線の向きを垂直として前記主ポンプの回転軸中心線に対して互いに軸対称に前記第２段目の小形ねじ溝真空ポンプに隣接して配置し、更に又、前記第４段目の小形ドライ真空ポンプは各回転軸中心線の向きを垂直として前記主ポンプの回転軸中心線に対して互いに軸対称に前記第３段目の小形ねじ溝真空ポンプの下方に配置したことを特徴とする核融合炉の排気装置。
【請求項３】
前記主ポンプは、吸入圧２Ｐａにおける吸気口の排気速度を水素ガスＨ２に対しては少なくとも２ｍ３／ｓ、又、水素同位体のガスＤ２、ＤＴ、Ｔ２及びヘリウムガスＨｅに対しては少なくとも２．５ｍ３／ｓ、更に又、窒素ガスＮ２に対しては少なくとも３ｍ３／ｓとなるように形成したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の核融合炉の排気装置。
【請求項４】
前記排気装置の複数ユニットを１基の核融合炉の排気用ポートに接続したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の核融合炉の排気装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気閉じ込め型核融合炉の真空排気に最適な排気装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
核融合炉は未だ研究段階にあるが、既に完成している磁気閉じ込め型核融合プラズマ実験装置では、ターボ分子ポンプやクライオポンプが排気装置として使用されている。
【０００３】
これは、現在の磁気閉じ込め型核融合プラズマ実験装置では、燃料として注入される水素同位体の流量が少なく、しかも燃焼試験も極く短時間であるので、このような排気装置でも使用が可能であった。
【０００４】
核融合実験炉や原型炉等では、従来の磁気閉じ込め型核融合プラズマ実験装置と比較して、水素同位体の必要注入量が遥かに大流量となり、しかも連続的に供給する必要がある。
【０００５】
核融合炉のこれらの要求に対して、クライオポンプやターボ分子ポンプを主真空ポンプとし、補助真空ポンプにはルーツ真空ポンプとその補助真空ポンプとを組合せたものが提案されている。
【０００６】
クライオポンプの作動は、一定量の気体を吸入してクライオ面に凝結させた後、一旦吸気を止めてクライオ面の温度を昇温させ、凝結した気体分子を蒸発させて排出してから再びクライオ面を低温に冷却して気体を吸入するという、間歇的な動作を行なっている。
【０００７】
このため、クライオポンプを核融合炉の主真空ポンプとして使用する場合は、多数のクライオポンプを並列に設置し、これらを順に切り替えて運転する必要がある。
【０００８】
一方、ターボ分子ポンプは連続して排気を行うことができるが、この種のポンプの排気性能は、吸入圧力が０．１Ｐａ以下で有効に働くという特徴がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
クライオポンプを主真空ポンプとする排気系では、多数のクライオポンプを核融合炉の真空機器の排気口に接続する必要があるが、クライオポンプの吸気口の口径が大きいことと相俟って、これらのクライオポンプを短時間で切り替えながら作動させることは事実上困難であるという問題がある。
【００１０】
又、ターボ分子ポンプを主真空ポンプとして使用する場合は、ターボ分子ポンプの吸入側の有効作動圧力範囲が０．１Ｐａ以下であるのに対し、核融合炉の排気口側では０．１乃至２Ｐａの圧力においても大きな排気速度が要求されるので、ターボ分子ポンプは有効な吸入圧力領域が適合しないという問題がある。
【００１１】
又、主真空ポンプの補助ポンプとして、ルーツ真空ポンプとその補助真空ポンプを使用した場合には、ルーツ真空ポンプに使用されている潤滑油の蒸気の分子が吸気口側に逆拡散し、主真空ポンプを汚染するという問題がある。
【００１２】
更に又、ルーツ真空ポンプ内に吸入された水素同位体の分子がシリンダ内で接触した潤滑油の中の水素分子と置換して、該ルーツ真空ポンプ内にトリチウムが蓄積するという問題がある。
【００１３】
本発明はこれらの問題点を解消し、水素Ｈ２及び水素同位体のＤ２、ＤＴ、Ｔ２及びＨｅ以上の分子量の気体に対して、２Ｐａ以下の吸入圧力範囲において充分な排気が行なえるような核融合炉の排気装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【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るべくねじ溝真空ポンプからなる主ポンプ又はターボ分子ポンプ部とねじ溝真空ポンプ部とを一体のロータ上に配置した複合分子ポンプからなる主ポンプの排気側に２箇所の排気口を設けると共に、これらの排気口に各々３段のねじ溝真空ポンプと１段のドライ真空ポンプとからなる補助ポンプ系を接続し、該補助ポンプ系は第１段目を中形ねじ溝真空ポンプ、第２段目及び第３段目を小形ねじ溝真空ポンプ、又、第４弾目を小形のドライ真空ポンプとして、これら４段の真空ポンプからなる補助ポンプ系を２系列備え、前記主ポンプは回転軸中心線の向きを垂直に配置し、前記補助ポンプ系の内の前記第１段目の中形ねじ溝真空ポンプは各回転軸中心線の向きを水平として前記主ポンプの回転軸中心線に対して互いに軸対称に前記主ポンプの下方に配置し、又、前記第２段目の小形ねじ溝真空ポンプは各回転軸中心線の向きを垂直として前記主ポンプの回転軸中心線に対して互いに軸対称に前記第１段目の中形ねじ溝真空ポンプの上方に配置し、更に又、前記第３段目の小形ねじ溝真空ポンプは各回転軸中心線の向きを垂直として前記主ポンプの回転軸中心線に対して互いに軸対称に前記第２段目の小形ねじ溝真空ポンプに隣接して配置し、更に又、前記第４段目の小形ドライ真空ポンプは各回転軸中心線の向きを水平として前記主ポンプの回転軸中心線に対して互いに軸対称に前記第３段目の小形ねじ溝真空ポンプの下方に配置したことを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態を図１乃至図６により説明する。
【００１６】
図１は核融合炉の排気装置の第１の実施の形態の正面図であり、図２はそれを下面より見た底面図である。
【００１７】
１は大形ねじ溝真空ポンプからなる主ポンプで、回転軸中心線の向きを垂直に配置し、吸気口フランジ６と、２つの排気口フランジ７、７´を備えている。
【００１８】
２及び２´は各々補助ポンプ系の第１段目の中形ねじ溝真空ポンプで、各回転軸中心線の向きを水平として前記主ポンプ１の回転軸中心線に対して互いに軸対称に主ポンプ１の下方に配置されている。又、前記排気口フランジ７、７´からこれら中形ねじ溝真空ポンプ２、２´の吸気側へ、それぞれ配管１０、１０´が接続している。
【００１９】
３及び３´は各々補助ポンプ系の第２段目の小形ねじ溝真空ポンプで、各回転軸中心線の向きを垂直として前記主ポンプ１の回転軸中心線に対して互いに軸対称に前記第１段目の中形ねじ溝真空ポンプ２、２´のそれぞれ上方に配置されている。又、前記第１段目の中形ねじ溝真空ポンプ２、２´の排気側からこれら第２段目の小形ねじ溝真空ポンプ３、３´の吸気側へ、それぞれ配管１１、１１´が接続している。
【００２０】
４及び４´は各々補助ポンプ系の第３段目の小形ねじ溝真空ポンプで、各回転軸中心線の向きを垂直として前記主ポンプ１の回転軸中心線に対して互いに軸対称に前記第２段目の小形ねじ溝真空ポンプ３、３´にそれぞれ隣接して配置されている。又、前記第２段目の小形ねじ溝真空ポンプ３、３´の排気側からこれら第３段目の小形ねじ溝真空ポンプ４、４´の吸気側へ、それぞれ配管１２、１２´が接続している。
【００２１】
５及び５´は各々補助ポンプ系の第４段目の小形のスクロール型ドライ真空ポンプで、各回転軸中心線の向きを水平として前記主ポンプ１の回転軸中心線に対して互いに軸対称に前記第３段目の小形ねじ溝真空ポンプ４、４´のそれぞれ下方に配置されている。又、前記第３段目の小形ねじ溝真空ポンプ４、４´の排気側からこれら第４段目のスクロール型ドライ真空ポンプ５、５´の吸気側へ、それぞれ配管１３、１３´が接続している。更に又、これら第４段目のスクロール型ドライ真空ポンプ５、５´の排気側には各々配管１４、１４´が接続し、一箇所に合流して排出口８へ接続している。
【００２２】
尚、これら補助ポンプ系の各真空ポンプは、各々の吸排気のための配管によって支承される構造となっており、更にこれら配管が前記各真空ポンプと接続する部分には相互の位置の調整機構（図示せず）を設けている。
【００２３】
図３に前記ねじ溝真空ポンプからなる主ポンプ１の縦断面図を示した。該図３において、２１はケーシング、２２はロータ、２３は回転軸、２４は駆動モータ、２５、２５´は磁気軸受、２６は吸気口、又、２７は排気口を示し、主ポンプ１には２個の排気口２７が設けられている。
【００２４】
該ロータ２２は円筒形で外周にねじ溝が形成されており、ねじ山部の外周面と前記ケーシング２１の内周面とは１ｍｍ以内の隙間で対向している。
【００２５】
又、回転軸２３は、５軸制御型磁気軸受で支承され、無潤滑で運転が可能である。
【００２６】
尚、前記補助ポンプ系の各ねじ溝真空ポンプ２、２´、３、３´、４及び４´も図３に示したものと略同様の構造を有しているが、これらのねじ溝真空ポンプの排気口は各１個宛で、各回転軸中心線に対して横向きに開口した排気口としている。
【００２７】
又、前記補助ポンプ系の第４段目のスクロール型ドライ真空ポンプ５、５´は吸入室にシール油を用いないドライ真空ポンプとして知られており、固定した円板上に形成された固定側スクロールと、搖動する円板上に形成された搖動側スクロールとからなっている（図示せず）。
【００２８】
次に本実施の形態の排気装置の作動及び効果について説明する。
【００２９】
本排気装置を核融合炉の排気口側に接続して排気を行なう。
【００３０】
本実施の形態の排気装置の排気性能の一例を図４及び図５に示した。
【００３１】
即ち、図４は本排気装置のＮ２、Ｈｅ及びＨ２ガスに対する排気速度と吸入圧力との関係を示すグラフであり、吸入圧力２ＰａにおいてＨ２に対して２ｍ３／ｓ、Ｈｅに対して２．５ｍ３／ｓ、Ｎ２に対して３ｍ３／ｓの排気速度となっている。尚、水素同位体のＤ２、ＤＴ、Ｔ２に対してもＨｅに対する値の２．５ｍ３／ｓとほぼ等しい排気速度が得られるので、核融合炉において要求される０．１乃至２Ｐａにおける大きな排気速度が確保されていることが判る。
【００３２】
又、図５は本排気装置を構成している各真空ポンプの吸気口における排気速度と吸入圧力との関係を示すグラフで、Ｈ２ガス排気の場合を示す。
【００３３】
本排気装置１ユニット当りの流量の限界が４．７Ｐａｍ３／ｓであることを示す４５度傾斜の直線が示されている。
【００３４】
本排気装置は、図１及び図２に示す如く、排気装置を構成する各真空ポンプの回転軸中心線の向きを互いに垂直或いは平行として軸対称に配置することにより吸排気の配管を簡単な構造とし、又、全体を小形コンパクトに形成することができた。このため装置のメンテナンスが容易であり、又、本排気装置を磁気シールドで覆う場合も小形で加工し易い構造の磁気シールドとすることができる。
【００３５】
尚、本実施の形態では主ポンプ１を大形のねじ溝真空ポンプよりなるものとしたが、これはねじ溝真空ポンプの代りに図６に示す如き複合分子ポンプを主ポンプ１として採用してもよい。同図６において３１はケーシング、３２はターボ分子ポンプ部の動翼、３３はターボ分子ポンプ部の静翼、３４はねじ溝真空ポンプ部のロータ、３５はねじ溝真空ポンプ部のステータ、３６は吸気口、３７、３７´は排気口、３８は回転軸、３９は駆動モータを示す。
【００３６】
尚、これら主ポンプ及び補助ポンプ系の各ポンプはいずれも磁気軸受式としたので、潤滑油のミスト等が核融合炉へ逆流したり、又は真空ポンプ内にトリチウムが蓄積したりする心配がないと共に、連続して運転できる能力を有している。
【００３７】
本発明の第２の実施の形態を図７及び図８により説明する。
【００３８】
図７は核融合炉の排気装置の第２の実施の形態の正面図であり、図８はそれを下面より見た底面図である。
【００３９】
４１は主ポンプで大形のねじ溝真空ポンプ又は複合分子ポンプからなり、回転軸中心線の向きを垂直に配置し、吸気口フランジ４６と２つの排気口フランジ４７、４７´（図示せず）を備えている。
【００４０】
４２及び４２´は各々補助ポンプ系の第１段目の中形ねじ溝真空ポンプで、各回転軸中心線の向きを垂直として前記主ポンプ４１の回転軸中心線に対して互いに軸対称に主ポンプ１の下方に配置されている。又、前記排気口フランジ４７、４７´からこれら中形ねじ溝真空ポンプ４２、４２´の吸気側へ、それぞれ配管５０、５０´（図示せず）が接続している。
【００４１】
４３及び４３´は各々補助ポンプ系の第２段目の小形ねじ溝真空ポンプで、各回転軸中心線の向きを垂直として前記主ポンプ４１の回転軸中心線に対して互いに軸対称に前記第１段目の真空ポンプ４２、４２´のそれぞれ上方に配置されている。又、前記第１段目の中形ねじ溝真空ポンプ４２、４２´の排気側からこれら第２段目の小形ねじ溝真空ポンプ４３、４３´の吸気側へ、それぞれ配管５１、５１´が接続している。
【００４２】
４４及び４４´は各々補助ポンプ系の第３段目の小形ねじ溝真空ポンプで、各回転軸中心線の向きを垂直として前記主ポンプ４１の回転軸中心線に対して互いに軸対称に前記第２段目の小形ねじ溝真空ポンプ４３、４３´にそれぞれ隣接して配置されている。又、前記第２段目の小形ねじ溝真空ポンプ４３、４３´の排気側からこれら第３段目の小形ねじ溝真空ポンプ４４、４４´の吸気側へ、それぞれ配管５２、５２´が接続している。
【００４３】
４５及び４５´は各々補助ポンプ系の第４段目の小形のスクロール型ドライ真空ポンプで、各回転軸中心線の向きを垂直として前記主ポンプ４１の回転軸中心線に対して互いに軸対称に前記第３段目の小形ねじ溝真空ポンプ４４、４４´のそれぞれ下方に配置されている。又、前記第３段目の小形ねじ溝真空ポンプ４４、４４´の排気側からこれら第４段目のスクロール型ドライ真空ポンプ４５、４５´の吸気側へ、それぞれ配管５３、５３´が接続している。更に又、これら第４段目のスクロール型ドライ真空ポンプ４５、４５´の排気側には各々配管５４、５４´が接続し、一箇所に合流して排出口４８へ接続している。
【００４４】
次に本実施の形態の排気装置の作動及び効果について説明する。
【００４５】
本排気装置も核融合炉の排気側に作動して排気を行なう。
【００４６】
本排気装置も前記第１の実施の形態におけると同様、小形コンパクトに形成することができ、装置のメンテナンスが容易である。
【００４７】
又、本実施の形態を構成する各真空ポンプの回転軸中心線の向きはすべて平行となるように配置したので、これら回転軸中心線の方向を設置箇所の磁力線方向とほぼ一致させることにより、本排気装置に使用する磁気シールドは格段に小型軽量の加工し易い構造の磁気シールドとすることができる。
【００４８】
本発明の第３の実施の形態を図９により説明する。
【００４９】
図９は核融合炉のトーラス６０に複数個設けた真空排気用ポート６１の１つに対して、本発明の第１の実施の形態の排気装置を４ユニット並列に接続した場合の接続系統図を示す。
【００５０】
即ち、１が主ポンプであり、２、３、４、５及び２´、３´、４´、５´がそれぞれ補助ポンプ系である。又、６２は排出口である。
【００５１】
尚、熱出力１．５ＧＷの核融合炉では炉からの負荷ガス流量が３００Ｐａ・ｍ３／ｓとなる計画だが、前記第１の実施の形態の排気装置１ユニット当りの流量が４．７Ｐａ・ｍ３／ｓであるので、各々の真空排気用ポート６１に各４ユニットの本発明の排気装置を設置するとすれば、１６箇所の真空排気用ポートで十分計画を達成できることがわかる。
【００５２】
尚、本第３の実施の形態では、１つの真空排気用ポート６１に対して第１の実施の形態の排気装置を４ユニット並列に接続するとしたが、これは４ユニット以外のユニット数としてもよい。又、第１の実施の形態の排気装置の代りに第２の実施の形態の排気装置を使用するようにしてもよい。
【００５３】
【発明の効果】
このように本発明によれば、核融合炉に必要な少なくとも２Ｐａ迄の圧力で排気を行えると共に、ユニット化した排気装置を複数組並列に組合せて核融合炉に必要な大量の排気を行うことができ、更に各排気装置のユニット毎に磁気シールドで覆うことができるので磁気シールドが簡単軽量で加工し易くなる等のメリットを有するので、核融合炉用として実用可能で安全な排気装置を提供できる効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】排気装置の第１の実施の形態の正面図である。
【図２】同上の底面図である。
【図３】ねじ溝真空ポンプからなる主ポンプの縦断面図である。
【図４】
【図５】図１に示す排気装置の排気性能のグラフである。
【図６】複合分子ポンプからなる主ポンプの縦断面図である。
【図７】排気装置の第２の実施の形態の正面図である。
【図８】同上第２の実施の形態の底面図である。
【図９】排気装置の第３の実施の形態の接続系統図である。
【符号の説明】
１、４１                  主ポンプ
２、２´、３、３´、４、４´、４２、４２´、４３、４３´、４４、４４´補助ポンプ系のねじ溝真空ポンプ
５、５´、４５、４５´    補助ポンプ系のドライ真空ポンプ
２５、２５´              磁気軸受
２７、３７、３７´        排気口
６１                      核融合炉の排気用ポート
【図１】
0003856576.tif 000002
【図２】
0003856576.tif 000003
【図３】
0003856576.tif 000004
【図４】
0003856576.tif 000005
【図５】
0003856576.tif 000006
【図６】
0003856576.tif 000007
【図７】
0003856576.tif 000008
【図８】
0003856576.tif 000009
【図９】
0003856576.tif 000010