水素透過装置
【課題】Ｐｄがβ相となる温度領域で長時間安定した水素透過を維持できる水素透過装置を提供する。
【解決手段】パラジウムまたはパラジウム合金、あるいは、パラジウム以外の水素吸蔵金属またはパラジウム合金以外の水素吸蔵合金と、これらに対して相対的に仕事関数が低い物質とを有する構造体と、核種変換物質層とからなる水素透過膜と、導入チャンバ及び透過チャンバと、前記導入チャンバに重水素ガスを導入する重水素ガス導入部と、前記導入チャンバに接続された導入チャンバ排気配管と、該導入チャンバ排気配管に設置された導入チャンバ排気バルブとを備える導入チャンバ排気部と、前記透過チャンバに接続された真空ポンプと前記真空ポンプに設置された真空ゲージとを備える透過量計測部、とを備える水素透過装置であって、前記導入チャンバ排気配管及び前記導入チャンバ排気バルブの内径が、５０ｍｍ以上であることを特徴とする水素透過装置。
【解決手段】パラジウムまたはパラジウム合金、あるいは、パラジウム以外の水素吸蔵金属またはパラジウム合金以外の水素吸蔵合金と、これらに対して相対的に仕事関数が低い物質とを有する構造体と、核種変換物質層とからなる水素透過膜と、導入チャンバ及び透過チャンバと、前記導入チャンバに重水素ガスを導入する重水素ガス導入部と、前記導入チャンバに接続された導入チャンバ排気配管と、該導入チャンバ排気配管に設置された導入チャンバ排気バルブとを備える導入チャンバ排気部と、前記透過チャンバに接続された真空ポンプと前記真空ポンプに設置された真空ゲージとを備える透過量計測部、とを備える水素透過装置であって、前記導入チャンバ排気配管及び前記導入チャンバ排気バルブの内径が、５０ｍｍ以上であることを特徴とする水素透過装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、凝集系核反応実験で使用される水素透過装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
凝集系核反応では、例えば特許文献１に記載されるように、セシウム（Ｃｓ）などの核種変換物質が核種崩壊（ベータ崩壊）する際に荷電粒子が放出される。
【０００３】
特許文献１に開示される核種変換（凝集系核反応）装置は、内部が気密保持可能とされた吸蔵室と、核種変換物質層が形成されたパラジウム（Ｐｄ）を含む多層構造体を介して吸蔵室内部に気密保持可能に設けられた放出室と、吸蔵室に重水素ガスを供給する重水素供給手段と、放出室を真空状態にする排気手段と、多層構造体を透過する重水素透過量を評価する質量分析器とを備える。核種変換の実験を行うには、まず吸蔵室及び放出室を排気して真空とした後、吸蔵室の排気を停止し、重水素供給手段から吸蔵室に重水素ガスを供給する。放出室は常時排気されるため、吸蔵室内の重水素ガスが多層構造体を透過する。この際、多層構造体に形成された核種変換物質層で核種変換（凝集系核反応）が発生する。未反応の重水素ガスは多層構造体を透過して放出室に流入し、質量分析器で検出される。
【特許文献１】特開２００２−２０２３９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
核種変換実験は、一般に２００℃から５００℃の温度領域で行われていた。吸蔵室内には、真空引きの際に排気しきれなかった吸着性ガス（水蒸気、炭化水素など）が残留しているが、２００℃から５００℃の温度領域では、吸着性ガスは吸蔵室壁面や多層構造体表面へ吸着しにくく、重水素ガスの透過に影響を与えない。しかし、２００℃以上では、多層構造体を構成するＰｄが重水素を含有しないα相となり、格子歪がなく脆化が発生しないため、凝集系核反応は発生しない。
【０００５】
一方、室温から１００℃の温度領域（例えば特許文献１では約７０℃）においては、Ｐｄが重水素を多量に含有するβ相となり、格子歪により材料が脆化して凝集系核反応が発生する。しかし、室温から１００℃の温度領域では、構造体表面に水蒸気や炭化水素などが吸着しやすくなる。吸着したガスにより、重水素ガスの透過が阻害されるので、長時間にわたって安定した重水素ガス透過を維持することが難しいという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、Ｐｄがβ相となる温度領域で長時間にわたり安定した水素透過を維持可能にする水素透過装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の水素透過装置は、パラジウムまたはパラジウム合金、あるいは、パラジウム以外の水素吸蔵金属またはパラジウム合金以外の水素吸蔵合金と、これらに対して相対的に仕事関数が低い物質とを有する構造体と、核種変換を施す物質を含む核種変換物質層とからなる水素透過膜と、前記水素透過膜を両側から挟み込むようにして配置され、前記水素透過膜により密封可能な閉空間をなす導入チャンバ及び透過チャンバと、前記導入チャンバに重水素ガスを導入する重水素ガス導入管を備える重水素ガス導入部と、前記導入チャンバに接続された導入チャンバ排気配管と、該導入チャンバ排気配管に設置された導入チャンバ排気バルブとを備える導入チャンバ排気部と、前記透過チャンバに接続された真空ポンプと、該真空ポンプに設置された真空ゲージとを備える透過量計測部、とを備える水素透過装置であって、前記導入チャンバ排気配管及び前記導入チャンバ排気バルブの内径が、５０ｍｍ以上であることを特徴とする。
【０００８】
従来の水素透過装置では、導入チャンバ内を排気するための配管として、例えば１／４インチ（内径約６．３ｍｍ）ＳＵＳ管など、内径の小さい配管を用いることが一般的であった。しかし、配管の内径が小さい場合、水蒸気や炭化水素といった吸着性ガスを十分に排気することが難しい。このため、凝集系核反応が起こる室温から１００℃の温度では、導入チャンバ内に残留した吸着性ガスが水素透過膜表面に吸着してしまい、重水素ガス透過が阻害された。
一方、本発明の水素透過装置は、導入チャンバを排気するための配管及びバルブの内径が５０ｍｍ以上であり、従来の水素透過装置の配管及びバルブの内径よりも大幅に大きい。本発明によれば、導入チャンバ内の吸着性ガスの排気能力が向上して、導入チャンバ内に残留する吸着性ガス量を大幅に減少させることができる。従って、水素透過膜表面の吸着性ガスの影響が小さくなるので、長時間にわたり安定した重水素ガス透過を維持することが可能となる。
【０００９】
また、本発明の水素透過装置は、パラジウムまたはパラジウム合金、あるいは、パラジウム以外の水素吸蔵金属またはパラジウム合金以外の水素吸蔵合金と、これらに対して相対的に仕事関数が低い物質とを有する構造体と、核種変換を施す物質を含む核種変換物質層とからなる水素透過膜と、前記水素透過膜を両側から挟み込むようにして配置され、前記水素透過膜により密封可能な閉空間をなす導入チャンバ及び透過チャンバと、前記導入チャンバに重水素ガスを導入する重水素ガス導入管を備える重水素ガス導入部と、前記導入チャンバに接続された導入チャンバ排気配管と、該導入チャンバ排気配管に設置された導入チャンバ排気バルブとを備える導入チャンバ排気部と、前記透過チャンバに接続された真空ポンプと、該真空ポンプに設置された真空ゲージとを備える透過量計測部、とを備える水素透過装置であって、前記重水素ガス導入管の先端が、前記水素透過膜の表面近傍に配置され、前記導入チャンバ内のガスを前記導入チャンバの外に排出するとともに前記導入チャンバ内の重水素ガスを循環させる重水素ガス循環部が、前記導入チャンバに接続されることを特徴とする。
【００１０】
重水素ガス導入管の先端を水素透過膜の表面近傍に配置することで、重水素ガスが水素透過膜表面に直接当たるように供給される。また、重水素ガス循環部を導入チャンバに接続することにより、導入チャンバ内のガスを導入チャンバの外に排出するとともに、導入チャンバ内にガスの流れを発生させて導入チャンバ内の重水素ガスを循環させる。これにより、重水素ガスを、導入チャンバに供給された直後に効率良く水素透過膜を透過させることができる。また、吸着性ガスが水素透過膜近傍に接近しにくくなり、さらに重水素ガス供給中に重水素ガスと共に導入チャンバに残留した吸着性ガスも導入チャンバから排気することができるので、水素透過膜近傍の吸着性ガス濃度が低下する。この結果、吸着性ガスの影響が小さくなり、重水素ガス透過を安定させることができる。
【００１１】
この場合、前記重水素ガス循環部が、前記重水素ガス導入部に接続されることが好ましい。導入チャンバの外に排出された未反応の重水素ガスを、重水素ガス導入部から導入チャンバ内に再び供給することができるので、重水素ガスの使用効率を向上させることができる。
【００１２】
この場合、前記導入チャンバ排気部が前記透過量計測部の前記真空ポンプに接続され、かつ、前記導入チャンバ排気配管の長さが、前記透過チャンバと前記真空ポンプとを接続する透過チャンバ排気配管の長さよりも短いことが好ましい。
【００１３】
このように、導入チャンバ排気部を透過量計測部の真空ポンプに接続して、導入チャンバの排気及び透過チャンバの排気と重水素ガス透過量の計測とを同一の真空ポンプを用いておこなうので、装置を簡略化することができる。この場合、導入チャンバ排気配管の長さ（導入チャンバから真空ポンプまでの距離）を、透過チャンバと真空ポンプとを接続する透過チャンバ排気配管の長さよりも短くする。これにより、圧損を低減し、導入チャンバの排気を十分に行うことができる。
【００１４】
上記発明において、前記重水素ガス導入管に、重水素ガス精製フィルタが設置されることが好ましい。重水素ガス導入管に重水素ガス精製フィルタを設置することにより、導入チャンバに供給される重水素ガス中の吸着性ガスを除去し、導入チャンバ内の吸着性ガス濃度上昇を防止することができる。
【００１５】
上記発明において、前記重水素ガスが前記水素透過膜を透過する間に、前記水素透過膜が室温以上１００℃以下に保持されることが好ましい。これにより、重水素ガスが水素透過膜を透過する間に、水素透過膜において凝集系核反応を発生させることができる。
【００１６】
上記発明において、前記真空ゲージが、前記透過チャンバ内の重水素ガスの量を計測することが好ましい。これにより、透過チャンバ内に流入する重水素ガス量が微少量であっても、リアルタイムで重水素ガス透過量を計測することが可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
以上のように、本発明の水素透過装置は、Ｐｄがβ相となる室温から１００℃の温度範囲において、水素透過膜への水蒸気や炭化水素などの吸着を抑制し、安定した重水素ガス透過を維持して正確な水素透過量を計測することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明に係る水素透過装置の実施形態を、図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る水素透過装置の概略図である。第１実施形態の水素透過装置１０は、導入チャンバ１１と透過チャンバ１２とを備える。導入チャンバ１１と透過チャンバ１２は、水素透過膜１３により分離され、内部が気密保持可能とされる。
【００１９】
水素透過膜１３は、パラジウム（Ｐｄ）またはパラジウム合金、あるいは、パラジウム以外の水素吸蔵金属またはパラジウム合金以外の水素吸蔵合金と、これらに対して相対的に仕事関数が低い物質とを有する構造体と、核種変換を施す物質を含む核種変換物質層とから構成されている。構造体は、例えば、透過チャンバ側から導入チャンバ側に向かって、順に、Ｐｄ基板の表面上に、Ｐｄに対して相対的に仕事関数が低い物質（例えば、ＣａＯ）とＰｄとの混合層が形成され、この混合層の表面上にＰｄ表面層が積層されている。混合層は、例えば、Ｐｄ層とＣａＯ層とが交互に積層されたものでも良い。核種変換物質層は、Ｐｄ表面層上に形成される。核種変換を施す物質としては、セシウム（Ｃｓ）、炭素（Ｃ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、ナトリウム（Ｎａ）などが挙げられる。水素透過膜１３は、室温以上１００℃以下に保持される。
【００２０】
導入チャンバ１１に、導入チャンバ１１に接続する導入チャンバ排気配管１８と、導入チャンバ排気配管１８に設置された導入チャンバ排気バルブ１９とからなる導入チャンバ排気部１４が接続される。導入チャンバ排気配管１８及び導入チャンバ排気バルブ１９の内径は、５０ｍｍ以上とされる。例えば、導入チャンバの容量が３０Ｌ以下の場合、導入チャンバ排気配管１８及び導入チャンバ排気バルブ１９として、ＩＣＦ１１４（６０．２ｍｍ）以上の配管及びバルブを使用する。あるいは、導入チャンバの容量が１００Ｌ程度の場合は、ＩＣＦ１５２（９５．６ｍｍ）以上の配管及びバルブを使用する。このように、導入チャンバの容量に応じて、使用する配管及びバルブの内径を適宜選択すると良い。
【００２１】
室温から１００℃の温度領域では、水蒸気や炭化水素などの吸着性ガスが導入チャンバ壁面や水素透過膜表面に吸着しやすい。従来の水素透過装置のように、細い導入チャンバ排気管（例えば内径が１／４インチ）を用いて導入チャンバ内部を排気しても、吸着性ガスは排気されにくく、導入チャンバ内に吸着性ガスが残留する。本実施形態の水素透過装置１０のように、導入チャンバ排気部１４の導入チャンバ排気配管１８及び導入チャンバ排気バルブ１９の内径を５０ｍｍ以上とすると、吸着性ガスの排気効率が向上して、導入チャンバ１１内に残留する吸着性ガス量を大幅に減少させることができる。この結果、水素透過膜１３に吸着するガスの影響が小さくなるので、長時間にわたり安定した重水素ガス透過を維持することが可能となる。
【００２２】
導入チャンバ排気部１４の導入チャンバと反対側に、ターボ分子ポンプ１５が接続され、ターボ分子ポンプ１５の排気側にドライポンプ１６が接続される。ターボ分子ポンプ１５及びドライポンプ１６により導入チャンバ１１内部を排気する。ターボ分子ポンプ１５の排気速度は、５０Ｌ／ｓｅｃ以上であることが好ましい。本実施形態のドライポンプの代わりにロータリーポンプを使用しても良い。ロータリーポンプを用いた場合は、フォアライントラップを併用して、炭化水素が導入チャンバ内に流入するのを防止する。
【００２３】
また、導入チャンバ１１に、重水素ガス導入管２７及び重水素ガス導入バルブ２６を備える重水素ガス導入部２５が接続される。
【００２４】
透過量計測部２０として、透過チャンバ１２に透過チャンバ排気配管２４が接続され、更に透過チャンバ排気配管２４にターボ分子ポンプ２１及びドライポンプ２２が接続される。ターボ分子ポンプ２１に真空ゲージ２３が設置される。水素透過膜を透過する重水素ガス量は数ｓｃｃｍ／ｃｍ２であるので、例えば１ｃｍ２から１０ｃｍ２程度の水素透過膜を用いた場合は、透過重水素ガス量は微少量となる。ターボ分子ポンプ２１に設置された真空ゲージ２３を予め既知の水素透過量で校正しておけば、重水素ガス透過中の圧力変化から、水素透過膜を透過して透過チャンバに流入する微少量の重水素ガス量をリアルタイムで計測することができる。
【００２５】
重水素透過実験は、以下の手順にて実施する。
導入チャンバ１１内部を、導入チャンバ排気部１４を介してターボ分子ポンプ１５及びドライポンプ１６で排気する。具体的に、導入チャンバ１１内の圧力が１．３３×１０−５Ｐａ程度となるまで排気する。透過チャンバ１２内部を、透過量計測部２０のターボ分子ポンプ２１及びドライポンプ２２で排気する。水素透過膜１３を、室温から１００℃の範囲（例えば約７０℃）に保持する。
【００２６】
導入チャンバ１１内部が十分に排気された後、導入チャンバ排気バルブ１９を閉じる。重水素ガス導入バルブ２６を開け、導入チャンバ１１内の圧力が約１３３Ｐａ（１気圧）となるように、重水素ガス導入部２５から導入チャンバ１１内に重水素ガスを供給する。透過チャンバ１２内部は、常時排気されるため、導入チャンバ１１に供給された重水素ガスが、水素透過膜１３を通って透過チャンバ１２へと流入する。このとき、水素透過膜１３において、重水素ガスと核種変換を施す物質との間で凝集系核反応が発生する。
【００２７】
水素透過膜１３を通って透過チャンバ１２に流入した重水素ガス量を、透過量計測部２０の真空ゲージ２３を用いて計測する。
【００２８】
所定時間経過後、重水素ガス導入バルブ２６を閉じて重水素ガスの供給を停止し、実験を終了する。
【００２９】
（第２実施形態）
図２は、本発明の第２実施形態に係る水素透過装置の概略図である。第１実施形態と一致する部分については、同一の符号を付した。第２実施形態の水素透過装置３０において、導入チャンバ排気部１４が、透過量計測部２０のターボ分子ポンプ２１に接続される。上記構成とすることにより、同一の排気系を用いて、導入チャンバ１１内部及び透過チャンバ１２内部を排気し、かつ、重水素ガス透過量を計測できるので、装置を簡略化することができる。
【００３０】
この場合、導入チャンバ１１からターボ分子ポンプ２１までの導入チャンバ排気配管１８の長さを、透過チャンバ１２とターボ分子ポンプ２１とを接続する透過チャンバ排気配管２４の長さよりも短くする。こうすることで、導入チャンバ排気部１４での圧損を低減させて導入チャンバ１１内部を優先的に排気できるので、導入チャンバ１１内の吸着性ガスを効率よく排気することができる。
【００３１】
（第３実施形態）
図３は、本発明の第３実施形態に係る水素透過装置の概略図である。本実施形態の水素透過装置４０は、第１実施形態の水素透過装置における重水素ガス導入管２７に、重水素ガス精製フィルタ４１が設置される。重水素ガスボンベや重水素ガス導入管にも、微量の水蒸気や炭化水素が付着しているため、導入チャンバ１１に供給される重水素ガスに水蒸気や炭化水素が含まれる。重水素ガス導入管２７に設置された重水素ガス精製フィルタ４０により、重水素ガスに含まれる水蒸気や炭化水素を確実に除去し、導入チャンバ１１内の吸着性ガス濃度上昇を防止する。
【００３２】
図４は、第３実施形態の水素透過装置を用いて、上記の重水素透過実験を行った場合の重水素ガス透過量の時間経過を表すグラフである。同図において、横軸は時間、縦軸は透過量計測部で計測した重水素ガス透過量である。導入チャンバの容量を３０Ｌ，導入チャンバ排気管の配管及びバルブは、ＩＣＦ１１４（内径６０．２ｍｍ）の配管及びバルブを使用した。重水素導入バルブを開けて導入チャンバへの重水素ガス供給を開始すると、重水素ガスが水素透過膜を通過して透過チャンバに流入し、透過量計測部で計測された。その後、４０時間を超える長時間にわたってほぼ一定の重水素ガス透過量が維持することができた。
【００３３】
図５は、導入チャンバ排気管に内径１／４インチ（約６．３ｍｍ）の配管及びバルブを用いた以外は第３実施形態と同様の水素透過装置を用いて、上記の重水素透過実験を行った場合の重水素ガス透過量の時間経過を表すグラフである。同図において、横軸は時間、縦軸は透過量計測部で計測した重水素ガス透過量である。重水素導入バルブ開放後の重水素透過量は図４よりも小さく、時間経過に従い透過量が減少した。
【００３４】
内径の大きい導入チャンバ排気管を用いて導入チャンバ内を排気したことにより、重水素ガス供給前の導入チャンバ内に残留する吸着性ガス量を大幅に減少させることができた。その結果、水素透過膜表面の吸着ガスの影響が小さくなり、重水素ガスの透過量を長時間安定させることができた。一方、内径が小さい導入チャンバ排気管を用いた場合は、吸着性ガスの排気が不十分であった。そのため、時間経過とともに導入チャンバ内に残留した吸着性ガスが水素透過膜表面に吸着し、重水素ガス透過量が減少した。
【００３５】
以上のように、導入チャンバ排気管の配管及びバルブの内径を５０ｍｍ以上と大きくすることによって、導入チャンバ内に残留する吸着性ガス量を大幅に減少させ、長時間にわたり安定した重水素ガス透過を維持し、正確な水素透過量を計測することが可能となる。
【００３６】
（第４実施形態）
図６は、本発明の第３実施形態に係る水素透過装置の概略図である。第４実施形態の水素透過装置５０では、重水素ガス導入管６２の先端が水素透過膜１３の表面近傍に配置される。重水素ガス導入部６０の重水素ガス導入バルブ６２を開くと重水素ガスが供給され、水素透過膜１３表面に重水素ガスが直接吹き付けられる。
【００３７】
導入チャンバ１１に、導入チャンバ内のガスを排出するとともに導入チャンバ内の重水素ガスを循環させるための重水素ガス循環部６４が接続される。図６において、重水素ガス循環部６４は、真空ポンプ６５とマスフローコントローラ６６とバルブ６７とを備える。マスフローコントローラ６６により、導入チャンバ１１から排気されるガス量を調整し、重水素ガス供給中の導入チャンバ内の圧力を約１３３Ｐａ（１気圧）に維持する。
【００３８】
第４実施形態の水素透過装置５０では、導入チャンバ１１に供給された直後の重水素ガスが水素透過膜１３を透過するので、供給した重水素ガスを効率良く透過させることができる。また、重水素ガス導入管６２から重水素ガスを供給している間、導入チャンバ１１内の未反応の重水素ガス及び吸着性ガスを重水素ガス循環部６４から排気するので、吸着性ガスが水素透過膜１３近傍に接近しにくくなり、水素透過膜１３表面近傍の吸着性ガス濃度を低下する。さらに、重水素ガス供給中にも吸着性ガスを導入チャンバから排気する。このため、吸着性ガスが水素透過膜１３に吸着しにくくなり、重水素ガス透過を安定させることが可能となる。
【００３９】
なお、第４実施形態では、水素透過膜１３表面の重水素ガス濃度を低下させ、更に、重水素ガス供給の間も導入チャンバ１１内のガスを排気するため、第１実施形態乃至第３実施形態のように、導入チャンバ排気部５４の導入チャンバ排気配管５８及び導入チャンバ排気バルブ５９の内径を、５０ｍｍ以上と大きくする必要はない。例えば１／４インチ管のような細管を適用することもできる。
【００４０】
（第５実施形態）
図７は、本発明の第５実施形態に係る水素透過装置の概略図である。本実施形態の水素透過装置７０において、重水素ガス循環部７１は、バルブ６７とマスフローコントローラ６６と循環ポンプ７５とを備える。循環ポンプ７５の排出側に、重水素ガス導入部６０のリザーバ７４が接続される。リザーバ７４は、例えば水素吸蔵合金やボンベなどとされる。リザーバ７４は重水素ガス導入管６２に接続される。すなわち、本実施形態において、重水素ガス循環部７１が重水素ガス導入部６０に接続される。
【００４１】
水素透過膜１３を透過しなかった未反応の重水素ガスは、重水素ガス循環部７１により導入チャンバ１１から排気される。排気された重水素ガスは、リザーバ７４に蓄積される。導入チャンバ１１内の重水素ガス圧力が一定となるように、レギュレータ７３及びバルブ６１，７２で調節しながら、リザーバ７４から重水素ガス導入管６２を通じて導入チャンバ１１内に重水素ガスを供給する。このように、第５実施形態の水素透過装置７０では、水素透過膜１３を透過しなかった重水素ガスを循環させて再び導入チャンバ１１内に供給できるので、重水素ガスの利用効率を向上させることができる。この場合、重水素ガス導入管６２に重水素ガス精製フィルタ４１を設置することにより、重水素ガス循環部７１及び重水素ガス導入部６４内の吸着性ガスを除去し、導入チャンバ内の吸着性ガス濃度を低下させることができる。
【００４２】
第５実施形態においても、導入チャンバ排気部５４の導入チャンバ排気配管５８及び導入チャンバ排気バルブ５９の内径を、第１実施形態乃至第３実施形態のように、５０ｍｍ以上と大きくする必要はない。
【００４３】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る水素透過装置の概略図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る水素透過装置の概略図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係る水素透過装置の概略図である。
【図４】第３実施形態の水素透過装置（ＩＣＦ１１４の配管及びバルブ）を用いて重水素透過実験を行った場合の重水素ガス透過量の時間経過を表すグラフである。
【図５】内径１／４インチの配管及びバルブを設置した水素透過装置を用いて重水素透過実験を行った場合の重水素ガス透過量の時間経過を表すグラフです。
【図６】本発明の第４実施形態に係る水素透過装置の概略図である。
【図７】本発明の第５実施形態に係る水素透過装置の概略図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０ 水素透過装置
１１ 導入チャンバ
１２ 透過チャンバ
１３ 水素透過膜
１４ 導入チャンバ排気管
１５，２１ ターボ分子ポンプ
１６，２２ ドライポンプ
１７，２３ 真空ゲージ
１８ 配管
１９ バルブ
２０ 透過量計測部
２４ 配管
２５ 重水素供給部
２６ バルブ
２７ 重水素ガス供給管
【技術分野】
【０００１】
本発明は、凝集系核反応実験で使用される水素透過装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
凝集系核反応では、例えば特許文献１に記載されるように、セシウム（Ｃｓ）などの核種変換物質が核種崩壊（ベータ崩壊）する際に荷電粒子が放出される。
【０００３】
特許文献１に開示される核種変換（凝集系核反応）装置は、内部が気密保持可能とされた吸蔵室と、核種変換物質層が形成されたパラジウム（Ｐｄ）を含む多層構造体を介して吸蔵室内部に気密保持可能に設けられた放出室と、吸蔵室に重水素ガスを供給する重水素供給手段と、放出室を真空状態にする排気手段と、多層構造体を透過する重水素透過量を評価する質量分析器とを備える。核種変換の実験を行うには、まず吸蔵室及び放出室を排気して真空とした後、吸蔵室の排気を停止し、重水素供給手段から吸蔵室に重水素ガスを供給する。放出室は常時排気されるため、吸蔵室内の重水素ガスが多層構造体を透過する。この際、多層構造体に形成された核種変換物質層で核種変換（凝集系核反応）が発生する。未反応の重水素ガスは多層構造体を透過して放出室に流入し、質量分析器で検出される。
【特許文献１】特開２００２−２０２３９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
核種変換実験は、一般に２００℃から５００℃の温度領域で行われていた。吸蔵室内には、真空引きの際に排気しきれなかった吸着性ガス（水蒸気、炭化水素など）が残留しているが、２００℃から５００℃の温度領域では、吸着性ガスは吸蔵室壁面や多層構造体表面へ吸着しにくく、重水素ガスの透過に影響を与えない。しかし、２００℃以上では、多層構造体を構成するＰｄが重水素を含有しないα相となり、格子歪がなく脆化が発生しないため、凝集系核反応は発生しない。
【０００５】
一方、室温から１００℃の温度領域（例えば特許文献１では約７０℃）においては、Ｐｄが重水素を多量に含有するβ相となり、格子歪により材料が脆化して凝集系核反応が発生する。しかし、室温から１００℃の温度領域では、構造体表面に水蒸気や炭化水素などが吸着しやすくなる。吸着したガスにより、重水素ガスの透過が阻害されるので、長時間にわたって安定した重水素ガス透過を維持することが難しいという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、Ｐｄがβ相となる温度領域で長時間にわたり安定した水素透過を維持可能にする水素透過装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の水素透過装置は、パラジウムまたはパラジウム合金、あるいは、パラジウム以外の水素吸蔵金属またはパラジウム合金以外の水素吸蔵合金と、これらに対して相対的に仕事関数が低い物質とを有する構造体と、核種変換を施す物質を含む核種変換物質層とからなる水素透過膜と、前記水素透過膜を両側から挟み込むようにして配置され、前記水素透過膜により密封可能な閉空間をなす導入チャンバ及び透過チャンバと、前記導入チャンバに重水素ガスを導入する重水素ガス導入管を備える重水素ガス導入部と、前記導入チャンバに接続された導入チャンバ排気配管と、該導入チャンバ排気配管に設置された導入チャンバ排気バルブとを備える導入チャンバ排気部と、前記透過チャンバに接続された真空ポンプと、該真空ポンプに設置された真空ゲージとを備える透過量計測部、とを備える水素透過装置であって、前記導入チャンバ排気配管及び前記導入チャンバ排気バルブの内径が、５０ｍｍ以上であることを特徴とする。
【０００８】
従来の水素透過装置では、導入チャンバ内を排気するための配管として、例えば１／４インチ（内径約６．３ｍｍ）ＳＵＳ管など、内径の小さい配管を用いることが一般的であった。しかし、配管の内径が小さい場合、水蒸気や炭化水素といった吸着性ガスを十分に排気することが難しい。このため、凝集系核反応が起こる室温から１００℃の温度では、導入チャンバ内に残留した吸着性ガスが水素透過膜表面に吸着してしまい、重水素ガス透過が阻害された。
一方、本発明の水素透過装置は、導入チャンバを排気するための配管及びバルブの内径が５０ｍｍ以上であり、従来の水素透過装置の配管及びバルブの内径よりも大幅に大きい。本発明によれば、導入チャンバ内の吸着性ガスの排気能力が向上して、導入チャンバ内に残留する吸着性ガス量を大幅に減少させることができる。従って、水素透過膜表面の吸着性ガスの影響が小さくなるので、長時間にわたり安定した重水素ガス透過を維持することが可能となる。
【０００９】
また、本発明の水素透過装置は、パラジウムまたはパラジウム合金、あるいは、パラジウム以外の水素吸蔵金属またはパラジウム合金以外の水素吸蔵合金と、これらに対して相対的に仕事関数が低い物質とを有する構造体と、核種変換を施す物質を含む核種変換物質層とからなる水素透過膜と、前記水素透過膜を両側から挟み込むようにして配置され、前記水素透過膜により密封可能な閉空間をなす導入チャンバ及び透過チャンバと、前記導入チャンバに重水素ガスを導入する重水素ガス導入管を備える重水素ガス導入部と、前記導入チャンバに接続された導入チャンバ排気配管と、該導入チャンバ排気配管に設置された導入チャンバ排気バルブとを備える導入チャンバ排気部と、前記透過チャンバに接続された真空ポンプと、該真空ポンプに設置された真空ゲージとを備える透過量計測部、とを備える水素透過装置であって、前記重水素ガス導入管の先端が、前記水素透過膜の表面近傍に配置され、前記導入チャンバ内のガスを前記導入チャンバの外に排出するとともに前記導入チャンバ内の重水素ガスを循環させる重水素ガス循環部が、前記導入チャンバに接続されることを特徴とする。
【００１０】
重水素ガス導入管の先端を水素透過膜の表面近傍に配置することで、重水素ガスが水素透過膜表面に直接当たるように供給される。また、重水素ガス循環部を導入チャンバに接続することにより、導入チャンバ内のガスを導入チャンバの外に排出するとともに、導入チャンバ内にガスの流れを発生させて導入チャンバ内の重水素ガスを循環させる。これにより、重水素ガスを、導入チャンバに供給された直後に効率良く水素透過膜を透過させることができる。また、吸着性ガスが水素透過膜近傍に接近しにくくなり、さらに重水素ガス供給中に重水素ガスと共に導入チャンバに残留した吸着性ガスも導入チャンバから排気することができるので、水素透過膜近傍の吸着性ガス濃度が低下する。この結果、吸着性ガスの影響が小さくなり、重水素ガス透過を安定させることができる。
【００１１】
この場合、前記重水素ガス循環部が、前記重水素ガス導入部に接続されることが好ましい。導入チャンバの外に排出された未反応の重水素ガスを、重水素ガス導入部から導入チャンバ内に再び供給することができるので、重水素ガスの使用効率を向上させることができる。
【００１２】
この場合、前記導入チャンバ排気部が前記透過量計測部の前記真空ポンプに接続され、かつ、前記導入チャンバ排気配管の長さが、前記透過チャンバと前記真空ポンプとを接続する透過チャンバ排気配管の長さよりも短いことが好ましい。
【００１３】
このように、導入チャンバ排気部を透過量計測部の真空ポンプに接続して、導入チャンバの排気及び透過チャンバの排気と重水素ガス透過量の計測とを同一の真空ポンプを用いておこなうので、装置を簡略化することができる。この場合、導入チャンバ排気配管の長さ（導入チャンバから真空ポンプまでの距離）を、透過チャンバと真空ポンプとを接続する透過チャンバ排気配管の長さよりも短くする。これにより、圧損を低減し、導入チャンバの排気を十分に行うことができる。
【００１４】
上記発明において、前記重水素ガス導入管に、重水素ガス精製フィルタが設置されることが好ましい。重水素ガス導入管に重水素ガス精製フィルタを設置することにより、導入チャンバに供給される重水素ガス中の吸着性ガスを除去し、導入チャンバ内の吸着性ガス濃度上昇を防止することができる。
【００１５】
上記発明において、前記重水素ガスが前記水素透過膜を透過する間に、前記水素透過膜が室温以上１００℃以下に保持されることが好ましい。これにより、重水素ガスが水素透過膜を透過する間に、水素透過膜において凝集系核反応を発生させることができる。
【００１６】
上記発明において、前記真空ゲージが、前記透過チャンバ内の重水素ガスの量を計測することが好ましい。これにより、透過チャンバ内に流入する重水素ガス量が微少量であっても、リアルタイムで重水素ガス透過量を計測することが可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
以上のように、本発明の水素透過装置は、Ｐｄがβ相となる室温から１００℃の温度範囲において、水素透過膜への水蒸気や炭化水素などの吸着を抑制し、安定した重水素ガス透過を維持して正確な水素透過量を計測することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明に係る水素透過装置の実施形態を、図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る水素透過装置の概略図である。第１実施形態の水素透過装置１０は、導入チャンバ１１と透過チャンバ１２とを備える。導入チャンバ１１と透過チャンバ１２は、水素透過膜１３により分離され、内部が気密保持可能とされる。
【００１９】
水素透過膜１３は、パラジウム（Ｐｄ）またはパラジウム合金、あるいは、パラジウム以外の水素吸蔵金属またはパラジウム合金以外の水素吸蔵合金と、これらに対して相対的に仕事関数が低い物質とを有する構造体と、核種変換を施す物質を含む核種変換物質層とから構成されている。構造体は、例えば、透過チャンバ側から導入チャンバ側に向かって、順に、Ｐｄ基板の表面上に、Ｐｄに対して相対的に仕事関数が低い物質（例えば、ＣａＯ）とＰｄとの混合層が形成され、この混合層の表面上にＰｄ表面層が積層されている。混合層は、例えば、Ｐｄ層とＣａＯ層とが交互に積層されたものでも良い。核種変換物質層は、Ｐｄ表面層上に形成される。核種変換を施す物質としては、セシウム（Ｃｓ）、炭素（Ｃ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、ナトリウム（Ｎａ）などが挙げられる。水素透過膜１３は、室温以上１００℃以下に保持される。
【００２０】
導入チャンバ１１に、導入チャンバ１１に接続する導入チャンバ排気配管１８と、導入チャンバ排気配管１８に設置された導入チャンバ排気バルブ１９とからなる導入チャンバ排気部１４が接続される。導入チャンバ排気配管１８及び導入チャンバ排気バルブ１９の内径は、５０ｍｍ以上とされる。例えば、導入チャンバの容量が３０Ｌ以下の場合、導入チャンバ排気配管１８及び導入チャンバ排気バルブ１９として、ＩＣＦ１１４（６０．２ｍｍ）以上の配管及びバルブを使用する。あるいは、導入チャンバの容量が１００Ｌ程度の場合は、ＩＣＦ１５２（９５．６ｍｍ）以上の配管及びバルブを使用する。このように、導入チャンバの容量に応じて、使用する配管及びバルブの内径を適宜選択すると良い。
【００２１】
室温から１００℃の温度領域では、水蒸気や炭化水素などの吸着性ガスが導入チャンバ壁面や水素透過膜表面に吸着しやすい。従来の水素透過装置のように、細い導入チャンバ排気管（例えば内径が１／４インチ）を用いて導入チャンバ内部を排気しても、吸着性ガスは排気されにくく、導入チャンバ内に吸着性ガスが残留する。本実施形態の水素透過装置１０のように、導入チャンバ排気部１４の導入チャンバ排気配管１８及び導入チャンバ排気バルブ１９の内径を５０ｍｍ以上とすると、吸着性ガスの排気効率が向上して、導入チャンバ１１内に残留する吸着性ガス量を大幅に減少させることができる。この結果、水素透過膜１３に吸着するガスの影響が小さくなるので、長時間にわたり安定した重水素ガス透過を維持することが可能となる。
【００２２】
導入チャンバ排気部１４の導入チャンバと反対側に、ターボ分子ポンプ１５が接続され、ターボ分子ポンプ１５の排気側にドライポンプ１６が接続される。ターボ分子ポンプ１５及びドライポンプ１６により導入チャンバ１１内部を排気する。ターボ分子ポンプ１５の排気速度は、５０Ｌ／ｓｅｃ以上であることが好ましい。本実施形態のドライポンプの代わりにロータリーポンプを使用しても良い。ロータリーポンプを用いた場合は、フォアライントラップを併用して、炭化水素が導入チャンバ内に流入するのを防止する。
【００２３】
また、導入チャンバ１１に、重水素ガス導入管２７及び重水素ガス導入バルブ２６を備える重水素ガス導入部２５が接続される。
【００２４】
透過量計測部２０として、透過チャンバ１２に透過チャンバ排気配管２４が接続され、更に透過チャンバ排気配管２４にターボ分子ポンプ２１及びドライポンプ２２が接続される。ターボ分子ポンプ２１に真空ゲージ２３が設置される。水素透過膜を透過する重水素ガス量は数ｓｃｃｍ／ｃｍ２であるので、例えば１ｃｍ２から１０ｃｍ２程度の水素透過膜を用いた場合は、透過重水素ガス量は微少量となる。ターボ分子ポンプ２１に設置された真空ゲージ２３を予め既知の水素透過量で校正しておけば、重水素ガス透過中の圧力変化から、水素透過膜を透過して透過チャンバに流入する微少量の重水素ガス量をリアルタイムで計測することができる。
【００２５】
重水素透過実験は、以下の手順にて実施する。
導入チャンバ１１内部を、導入チャンバ排気部１４を介してターボ分子ポンプ１５及びドライポンプ１６で排気する。具体的に、導入チャンバ１１内の圧力が１．３３×１０−５Ｐａ程度となるまで排気する。透過チャンバ１２内部を、透過量計測部２０のターボ分子ポンプ２１及びドライポンプ２２で排気する。水素透過膜１３を、室温から１００℃の範囲（例えば約７０℃）に保持する。
【００２６】
導入チャンバ１１内部が十分に排気された後、導入チャンバ排気バルブ１９を閉じる。重水素ガス導入バルブ２６を開け、導入チャンバ１１内の圧力が約１３３Ｐａ（１気圧）となるように、重水素ガス導入部２５から導入チャンバ１１内に重水素ガスを供給する。透過チャンバ１２内部は、常時排気されるため、導入チャンバ１１に供給された重水素ガスが、水素透過膜１３を通って透過チャンバ１２へと流入する。このとき、水素透過膜１３において、重水素ガスと核種変換を施す物質との間で凝集系核反応が発生する。
【００２７】
水素透過膜１３を通って透過チャンバ１２に流入した重水素ガス量を、透過量計測部２０の真空ゲージ２３を用いて計測する。
【００２８】
所定時間経過後、重水素ガス導入バルブ２６を閉じて重水素ガスの供給を停止し、実験を終了する。
【００２９】
（第２実施形態）
図２は、本発明の第２実施形態に係る水素透過装置の概略図である。第１実施形態と一致する部分については、同一の符号を付した。第２実施形態の水素透過装置３０において、導入チャンバ排気部１４が、透過量計測部２０のターボ分子ポンプ２１に接続される。上記構成とすることにより、同一の排気系を用いて、導入チャンバ１１内部及び透過チャンバ１２内部を排気し、かつ、重水素ガス透過量を計測できるので、装置を簡略化することができる。
【００３０】
この場合、導入チャンバ１１からターボ分子ポンプ２１までの導入チャンバ排気配管１８の長さを、透過チャンバ１２とターボ分子ポンプ２１とを接続する透過チャンバ排気配管２４の長さよりも短くする。こうすることで、導入チャンバ排気部１４での圧損を低減させて導入チャンバ１１内部を優先的に排気できるので、導入チャンバ１１内の吸着性ガスを効率よく排気することができる。
【００３１】
（第３実施形態）
図３は、本発明の第３実施形態に係る水素透過装置の概略図である。本実施形態の水素透過装置４０は、第１実施形態の水素透過装置における重水素ガス導入管２７に、重水素ガス精製フィルタ４１が設置される。重水素ガスボンベや重水素ガス導入管にも、微量の水蒸気や炭化水素が付着しているため、導入チャンバ１１に供給される重水素ガスに水蒸気や炭化水素が含まれる。重水素ガス導入管２７に設置された重水素ガス精製フィルタ４０により、重水素ガスに含まれる水蒸気や炭化水素を確実に除去し、導入チャンバ１１内の吸着性ガス濃度上昇を防止する。
【００３２】
図４は、第３実施形態の水素透過装置を用いて、上記の重水素透過実験を行った場合の重水素ガス透過量の時間経過を表すグラフである。同図において、横軸は時間、縦軸は透過量計測部で計測した重水素ガス透過量である。導入チャンバの容量を３０Ｌ，導入チャンバ排気管の配管及びバルブは、ＩＣＦ１１４（内径６０．２ｍｍ）の配管及びバルブを使用した。重水素導入バルブを開けて導入チャンバへの重水素ガス供給を開始すると、重水素ガスが水素透過膜を通過して透過チャンバに流入し、透過量計測部で計測された。その後、４０時間を超える長時間にわたってほぼ一定の重水素ガス透過量が維持することができた。
【００３３】
図５は、導入チャンバ排気管に内径１／４インチ（約６．３ｍｍ）の配管及びバルブを用いた以外は第３実施形態と同様の水素透過装置を用いて、上記の重水素透過実験を行った場合の重水素ガス透過量の時間経過を表すグラフである。同図において、横軸は時間、縦軸は透過量計測部で計測した重水素ガス透過量である。重水素導入バルブ開放後の重水素透過量は図４よりも小さく、時間経過に従い透過量が減少した。
【００３４】
内径の大きい導入チャンバ排気管を用いて導入チャンバ内を排気したことにより、重水素ガス供給前の導入チャンバ内に残留する吸着性ガス量を大幅に減少させることができた。その結果、水素透過膜表面の吸着ガスの影響が小さくなり、重水素ガスの透過量を長時間安定させることができた。一方、内径が小さい導入チャンバ排気管を用いた場合は、吸着性ガスの排気が不十分であった。そのため、時間経過とともに導入チャンバ内に残留した吸着性ガスが水素透過膜表面に吸着し、重水素ガス透過量が減少した。
【００３５】
以上のように、導入チャンバ排気管の配管及びバルブの内径を５０ｍｍ以上と大きくすることによって、導入チャンバ内に残留する吸着性ガス量を大幅に減少させ、長時間にわたり安定した重水素ガス透過を維持し、正確な水素透過量を計測することが可能となる。
【００３６】
（第４実施形態）
図６は、本発明の第３実施形態に係る水素透過装置の概略図である。第４実施形態の水素透過装置５０では、重水素ガス導入管６２の先端が水素透過膜１３の表面近傍に配置される。重水素ガス導入部６０の重水素ガス導入バルブ６２を開くと重水素ガスが供給され、水素透過膜１３表面に重水素ガスが直接吹き付けられる。
【００３７】
導入チャンバ１１に、導入チャンバ内のガスを排出するとともに導入チャンバ内の重水素ガスを循環させるための重水素ガス循環部６４が接続される。図６において、重水素ガス循環部６４は、真空ポンプ６５とマスフローコントローラ６６とバルブ６７とを備える。マスフローコントローラ６６により、導入チャンバ１１から排気されるガス量を調整し、重水素ガス供給中の導入チャンバ内の圧力を約１３３Ｐａ（１気圧）に維持する。
【００３８】
第４実施形態の水素透過装置５０では、導入チャンバ１１に供給された直後の重水素ガスが水素透過膜１３を透過するので、供給した重水素ガスを効率良く透過させることができる。また、重水素ガス導入管６２から重水素ガスを供給している間、導入チャンバ１１内の未反応の重水素ガス及び吸着性ガスを重水素ガス循環部６４から排気するので、吸着性ガスが水素透過膜１３近傍に接近しにくくなり、水素透過膜１３表面近傍の吸着性ガス濃度を低下する。さらに、重水素ガス供給中にも吸着性ガスを導入チャンバから排気する。このため、吸着性ガスが水素透過膜１３に吸着しにくくなり、重水素ガス透過を安定させることが可能となる。
【００３９】
なお、第４実施形態では、水素透過膜１３表面の重水素ガス濃度を低下させ、更に、重水素ガス供給の間も導入チャンバ１１内のガスを排気するため、第１実施形態乃至第３実施形態のように、導入チャンバ排気部５４の導入チャンバ排気配管５８及び導入チャンバ排気バルブ５９の内径を、５０ｍｍ以上と大きくする必要はない。例えば１／４インチ管のような細管を適用することもできる。
【００４０】
（第５実施形態）
図７は、本発明の第５実施形態に係る水素透過装置の概略図である。本実施形態の水素透過装置７０において、重水素ガス循環部７１は、バルブ６７とマスフローコントローラ６６と循環ポンプ７５とを備える。循環ポンプ７５の排出側に、重水素ガス導入部６０のリザーバ７４が接続される。リザーバ７４は、例えば水素吸蔵合金やボンベなどとされる。リザーバ７４は重水素ガス導入管６２に接続される。すなわち、本実施形態において、重水素ガス循環部７１が重水素ガス導入部６０に接続される。
【００４１】
水素透過膜１３を透過しなかった未反応の重水素ガスは、重水素ガス循環部７１により導入チャンバ１１から排気される。排気された重水素ガスは、リザーバ７４に蓄積される。導入チャンバ１１内の重水素ガス圧力が一定となるように、レギュレータ７３及びバルブ６１，７２で調節しながら、リザーバ７４から重水素ガス導入管６２を通じて導入チャンバ１１内に重水素ガスを供給する。このように、第５実施形態の水素透過装置７０では、水素透過膜１３を透過しなかった重水素ガスを循環させて再び導入チャンバ１１内に供給できるので、重水素ガスの利用効率を向上させることができる。この場合、重水素ガス導入管６２に重水素ガス精製フィルタ４１を設置することにより、重水素ガス循環部７１及び重水素ガス導入部６４内の吸着性ガスを除去し、導入チャンバ内の吸着性ガス濃度を低下させることができる。
【００４２】
第５実施形態においても、導入チャンバ排気部５４の導入チャンバ排気配管５８及び導入チャンバ排気バルブ５９の内径を、第１実施形態乃至第３実施形態のように、５０ｍｍ以上と大きくする必要はない。
【００４３】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る水素透過装置の概略図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る水素透過装置の概略図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係る水素透過装置の概略図である。
【図４】第３実施形態の水素透過装置（ＩＣＦ１１４の配管及びバルブ）を用いて重水素透過実験を行った場合の重水素ガス透過量の時間経過を表すグラフである。
【図５】内径１／４インチの配管及びバルブを設置した水素透過装置を用いて重水素透過実験を行った場合の重水素ガス透過量の時間経過を表すグラフです。
【図６】本発明の第４実施形態に係る水素透過装置の概略図である。
【図７】本発明の第５実施形態に係る水素透過装置の概略図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０ 水素透過装置
１１ 導入チャンバ
１２ 透過チャンバ
１３ 水素透過膜
１４ 導入チャンバ排気管
１５，２１ ターボ分子ポンプ
１６，２２ ドライポンプ
１７，２３ 真空ゲージ
１８ 配管
１９ バルブ
２０ 透過量計測部
２４ 配管
２５ 重水素供給部
２６ バルブ
２７ 重水素ガス供給管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パラジウムまたはパラジウム合金、あるいは、パラジウム以外の水素吸蔵金属またはパラジウム合金以外の水素吸蔵合金と、これらに対して相対的に仕事関数が低い物質とを有する構造体と、核種変換を施す物質を含む核種変換物質層とからなる水素透過膜と、
前記水素透過膜を両側から挟み込むようにして配置され、前記水素透過膜により密封可能な閉空間をなす導入チャンバ及び透過チャンバと、
前記導入チャンバに重水素ガスを導入する重水素ガス導入管を備える重水素ガス導入部と、
前記導入チャンバに接続された導入チャンバ排気配管と、該導入チャンバ排気配管に設置された導入チャンバ排気バルブとを備える導入チャンバ排気部と、
前記透過チャンバに接続された真空ポンプと、該真空ポンプに設置された真空ゲージとを備える透過量計測部、とを備える水素透過装置であって、
前記導入チャンバ排気配管及び前記導入チャンバ排気バルブの内径が、５０ｍｍ以上であることを特徴とする水素透過装置。
【請求項２】
パラジウムまたはパラジウム合金、あるいは、パラジウム以外の水素吸蔵金属またはパラジウム合金以外の水素吸蔵合金と、これらに対して相対的に仕事関数が低い物質とを有する構造体と、核種変換を施す物質を含む核種変換物質層とからなる水素透過膜と、
前記水素透過膜を両側から挟み込むようにして配置され、前記水素透過膜により密封可能な閉空間をなす導入チャンバ及び透過チャンバと、
前記導入チャンバに重水素ガスを導入する重水素ガス導入管を備える重水素ガス導入部と、
前記導入チャンバに接続された導入チャンバ排気配管と、該導入チャンバ排気配管に設置された導入チャンバ排気バルブとを備える導入チャンバ排気部と、
前記透過チャンバに接続された真空ポンプと、該真空ポンプに設置された真空ゲージとを備える透過量計測部、とを備える水素透過装置であって、
前記重水素ガス導入管の先端が、前記水素透過膜の表面近傍に配置され、
前記導入チャンバ内のガスを前記導入チャンバの外に排出するとともに前記導入チャンバ内の重水素ガスを循環させる重水素ガス循環部が、前記導入チャンバに接続されることを特徴とする水素透過装置。
【請求項３】
前記重水素ガス循環部が、前記重水素ガス導入部に接続されることを特徴とする請求項２に記載の水素透過装置。
【請求項４】
前記導入チャンバ排気部が前記透過量計測部の前記真空ポンプに接続され、かつ、前記導入チャンバ排気配管の長さが、前記透過チャンバと前記真空ポンプとを接続する透過チャンバ排気配管の長さよりも短いことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の水素透過装置。
【請求項５】
前記重水素ガス導入管に、重水素ガス精製フィルタが設置されることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の水素透過装置。
【請求項６】
前記重水素ガスが前記水素透過膜を透過する間に、前記水素透過膜が室温以上１００℃以下に保持されることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の水素透過装置。
【請求項７】
前記真空ゲージが、前記透過チャンバ内の重水素ガスの量を計測することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の水素透過装置。
【請求項１】
パラジウムまたはパラジウム合金、あるいは、パラジウム以外の水素吸蔵金属またはパラジウム合金以外の水素吸蔵合金と、これらに対して相対的に仕事関数が低い物質とを有する構造体と、核種変換を施す物質を含む核種変換物質層とからなる水素透過膜と、
前記水素透過膜を両側から挟み込むようにして配置され、前記水素透過膜により密封可能な閉空間をなす導入チャンバ及び透過チャンバと、
前記導入チャンバに重水素ガスを導入する重水素ガス導入管を備える重水素ガス導入部と、
前記導入チャンバに接続された導入チャンバ排気配管と、該導入チャンバ排気配管に設置された導入チャンバ排気バルブとを備える導入チャンバ排気部と、
前記透過チャンバに接続された真空ポンプと、該真空ポンプに設置された真空ゲージとを備える透過量計測部、とを備える水素透過装置であって、
前記導入チャンバ排気配管及び前記導入チャンバ排気バルブの内径が、５０ｍｍ以上であることを特徴とする水素透過装置。
【請求項２】
パラジウムまたはパラジウム合金、あるいは、パラジウム以外の水素吸蔵金属またはパラジウム合金以外の水素吸蔵合金と、これらに対して相対的に仕事関数が低い物質とを有する構造体と、核種変換を施す物質を含む核種変換物質層とからなる水素透過膜と、
前記水素透過膜を両側から挟み込むようにして配置され、前記水素透過膜により密封可能な閉空間をなす導入チャンバ及び透過チャンバと、
前記導入チャンバに重水素ガスを導入する重水素ガス導入管を備える重水素ガス導入部と、
前記導入チャンバに接続された導入チャンバ排気配管と、該導入チャンバ排気配管に設置された導入チャンバ排気バルブとを備える導入チャンバ排気部と、
前記透過チャンバに接続された真空ポンプと、該真空ポンプに設置された真空ゲージとを備える透過量計測部、とを備える水素透過装置であって、
前記重水素ガス導入管の先端が、前記水素透過膜の表面近傍に配置され、
前記導入チャンバ内のガスを前記導入チャンバの外に排出するとともに前記導入チャンバ内の重水素ガスを循環させる重水素ガス循環部が、前記導入チャンバに接続されることを特徴とする水素透過装置。
【請求項３】
前記重水素ガス循環部が、前記重水素ガス導入部に接続されることを特徴とする請求項２に記載の水素透過装置。
【請求項４】
前記導入チャンバ排気部が前記透過量計測部の前記真空ポンプに接続され、かつ、前記導入チャンバ排気配管の長さが、前記透過チャンバと前記真空ポンプとを接続する透過チャンバ排気配管の長さよりも短いことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の水素透過装置。
【請求項５】
前記重水素ガス導入管に、重水素ガス精製フィルタが設置されることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の水素透過装置。
【請求項６】
前記重水素ガスが前記水素透過膜を透過する間に、前記水素透過膜が室温以上１００℃以下に保持されることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の水素透過装置。
【請求項７】
前記真空ゲージが、前記透過チャンバ内の重水素ガスの量を計測することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の水素透過装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−１７９４９５（Ｐ２００９−１７９４９５Ａ）
【公開日】平成２１年８月１３日（２００９．８．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１８２０１（Ｐ２００８−１８２０１）
【出願日】平成２０年１月２９日（２００８．１．２９）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月１３日（２００９．８．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月２９日（２００８．１．２９）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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