JP2002089984A - 超流動ヘリウム発生装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 初期冷却するときに、或は超流動ヘリウム温
度で定常に保つときに、安定して操業することのできる
制御方法を提供する。 【解決手段】 非飽和超流動ヘリウム槽内に、この槽内
を冷却するための飽和超流動ヘリウム管路を配置し、上
記飽和超流動ヘリウム管路内にジュールトムソン弁を介
して冷却用液体ヘリウムを流通する様にした超流動ヘリ
ウム発生装置を制御するに当たり、前記ジュールトムソ
ン弁入側温度および出側温度と上記非飽和超流動ヘリウ
ム槽内温度から算出される必要熱交換面積が、前記飽和
超流動ヘリウム管路の全内表面積未満となる様にジュー
ルトムソン弁の開度を制御して、上記非飽和ヘリウム槽
内を液体ヘリウム温度から超流動ヘリウム温度まで冷却
し、更に当該温度を保つ様に操業する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば超電導磁石
装置等の様な極低温装置で冷媒として用いる非飽和超流
動ヘリウムを発生させる装置を、効果的に制御する為の
有用な方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＮＭＲ装置等に用いられる超電導
磁石装置では、発生する磁場をより高くすることが要求
されている。また、こうした超電導磁石装置では、冷媒
として液体ヘリウムが用いられるのが一般的である。一
方、例えば超電導材料であるＮｂＴｉを主材料とするい
わゆる合金系材料や、Ｎｂ₃Ｓｎに代表される化合物系
材料では、液体ヘリウムの沸点である約４．２Ｋにおけ
る上部臨界磁場が、夫々約１１．５Ｔ、約２２Ｔであ
る。

【０００３】上記の様な超電導材料を用いて、上記の臨
界磁場よりも更に高い磁場を発生する超電導磁石装置を
実現しようとする場合には、２．１７Ｋ以下の超流動状
態の液体ヘリウムを発生させることによって、超電導材
料の上部臨界磁場を上昇させ、その結果として超電導磁
石装置が発生する磁場を高める方法が採用される。この
様に、超電導磁石装置における性能を向上させる為に
は、冷媒として用いる液体ヘリウムを２．１７Ｋ以下の
超流動状態にする必要がある。

【０００４】図１は従来の超流動ヘリウム発生装置の構
成例を模式的に示した説明図であり、図中１は４．２Ｋ
の液体ヘリウム、２はヘリウム槽、３は非飽和超流動ヘ
リウム槽、４はコミュニケーションチャンネル、５は飽
和超流動ヘリウム管路、６はジュールトムソン弁、７は
熱交換器、８は真空ポンプ、９はコンプレッサー、１０
は冷凍機、１１は非飽和超流動ヘリウムを夫々示す。
尚、上記において、「飽和超流動ヘリウム」とは、圧力
がその領域での温度に対応する飽和蒸気圧である超流動
ヘリウムを意味し、「非飽和超流動ヘリウム」とは、圧
力がその領域での温度に対応する飽和蒸気圧以上である
超流動ヘリウムを意味する。

【０００５】図１に示した装置において、４．２Ｋの液
体ヘリウム１を収納したヘリウム槽２は、コミュニケー
ションチャンネル４を介して非飽和超流動ヘリウム槽３
と接続されている。この非飽和超流動ヘリウム槽３内に
は、その槽３内を冷却する為の飽和超流動ヘリウム管路
５が配置されている。飽和超流動ヘリウム管路５の一端
側は、ジュールトムソン弁（以下、「ＪＴ弁」と略称す
ることがある）６、熱交換器７の一次側７ａを介して前
記ヘリウム槽２に接続され、他端側は上記熱交換器７の
二次側７ｂを介して真空ポンプ８の吸い込み口に接続さ
れている。真空ポンプ８の吐出し口８ａは、コンプレッ
サー９を介して冷凍機１０に接続されている。そして、
上記冷凍機１０で、ヘリウム槽２内に導入する液体ヘリ
ウム１を冷却する様にしている。

【０００６】上記の様な装置において、非超流動ヘリウ
ム槽３内の非超流動ヘリウム１１を超流動化させる原理
は、次の通りである。まず非飽和超流動ヘリウム槽３内
をコミュニケーションチャンネル４の微小な隙間を通じ
て１気圧に保つと共に、真空ポンプ８、コンプレッサー
９および冷凍機１０を動作させる。このときの真空ポン
プ８の動作によって、ヘリウム槽２内における４．２Ｋ
の液体ヘリウム１の一部が、熱交換器７の一次側７ａ、
ＪＴ弁６、飽和超流動ヘリウム管路５、および熱交換器
７の二次側７ｂの経路で流れることになる。

【０００７】そして、飽和超流動ヘリウム管路５内が、
真空ポンプ８によって非飽和超流動ヘリウム槽３内の温
度に対応する飽和蒸気圧よりも低い圧力に減圧されてい
るものとすると、ヘリウム槽２から吸い込まれた液体ヘ
リウムは、熱交換器７の一次側７ａを通る間に、例えば
２．２Ｋ程度にまで冷却される。この冷却された液体ヘ
リウムは、ＪＴ弁６で膨張冷却されて、温度がＴｓまで
低下したガスと液になる。そして、この液が飽和超流動
ヘリウム管路５内を通る間に蒸発することによって、非
飽和超流動ヘリウム槽３内の液体ヘリウムが冷却される
ことになる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この様な装
置にあっては、特に初期冷却するときに、或は超流動ヘ
リウム温度で定常に保つときに、ＪＴ弁６をどの様に制
御すれば良いかという点が問題になる。例えば、ＪＴ弁
６を絞り過ぎると、飽和超流動ヘリウム管路５内を通過
する冷媒量が減って冷凍能力が低下することになる。逆
に、ＪＴ弁６を開け過ぎると、飽和超流動ヘリウム管路
５内で液体ヘリウムが全て蒸発しきれず、飽和超流動ヘ
リウム管路５の中が液で溢れ、熱交換器７の二次側７ｂ
に液体ヘリウムが入り込み、非飽和超流動ヘリウム槽３
の冷却に直接関与しない熱交換器７、或は真空ポンプ８
との間を接続する排気管内で液体ヘリウムが蒸発し、冷
凍能力が著しく低下することになる。

【０００９】上記の様な不都合を回避する方法として、
超電導線材を使用した液面計で非飽和超流動ヘリウムを
流通させる槽の液面を検知し、それを指針としてＪＴ弁
６を制御する方法も考えられる。しかしながら、飽和超
流動ヘリウム管路５内では、重力に逆らって路壁を液膜
が這い上がるフィルムフローという特異現象があるの
で、特に冷却条件がＪＴ弁６の開度によって大きく変わ
る環境条件下では、液体ヘリウムに浸かっていない部分
を常電導化する為に、超電導液面計に流す電流値を最適
化することは困難であるという事情がある。また飽和超
流動ヘリウムを流通させる槽の形状を、図１に示した様
にコイル状（管路状）にして熱交換表面積を増加させて
いる場合には、こうした技術は適用できないという問題
がある。

【００１０】上記の様な問題を解決するという観点か
ら、例えば特開昭６０−１０１４５５号の様な技術も提
案されている。この技術は、非飽和超流動ヘリウム槽３
の温度Ｔｂと飽和超流動ヘリウム管路５の温度Ｔｓを監
視し、これらの温度ＴｂとＴｓの関係が冷凍能力最大と
なる様に、上記ＴｓをＪＴ弁６の開度で制御するもので
ある。

【００１１】しかしながら、図１に示した様な装置を運
転する際には、上記ヘリウム槽２には消費された液体ヘ
リウム量を度々補填する必要があり、これによってヘリ
ウム槽２の底やそれに通じたＪＴ弁６の入口温度が変化
するという懸念がある。従って、この方法では最大冷凍
能力を常時発揮させることは殆ど困難であり、また飽和
超流動ヘリウム管路内温度が目標温度に到達した後も、
その温度を一定に保持することは難しくなる。即ち、飽
和超流動ヘリウム管路５による冷凍能力は、主にＪＴ弁
６を通過した後の液体ヘリウム部分の蒸発潜熱で賄われ
るものであるが、この液体部分の比率がＪＴ弁６の入口
温度によって大きく変化するため、上記冷却能力を正確
に算定することは困難である。

【００１２】本発明はこうした状況の下でなされたもの
であって、その目的は、初期冷却するときに、或は超流
動ヘリウム温度で定常に保つときに、安定して操業する
ことのできる超流動ヘリウム発生装置の制御方法を提供
することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成し得た本
発明の制御方法とは、非飽和超流動ヘリウム槽内に、こ
の槽内を冷却するための飽和超流動ヘリウム管路を配置
し、上記飽和超流動ヘリウム管路内にジュールトムソン
弁を介して冷却用液体ヘリウムを流通する様にした超流
動ヘリウム発生装置を制御するに当たり、前記ジュール
トムソン弁入側温度および出側温度と上記非飽和流動ヘ
リウム槽内温度から算出される必要熱交換面積が、前記
飽和超流動ヘリウム管路の全内表面積未満となる様にジ
ュールトムソン弁の開度を制御して、上記非飽和ヘリウ
ム槽内を液体ヘリウム温度から超流動ヘリウム温度まで
冷却し、更に当該温度を保つ様に操業する点に要旨を有
するものである。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下図面に基づき、本発明方法の
構成および作用効果についてより具体的に説明するが、
本発明は図示した構成に限定されるものではなく、前・
後記の趣旨に徴して設計変更することはいずれも本発明
の技術的範囲に含まれるものである。例えば、図２に示
した冷凍機１０の部分は、通常の液体ヘリウム貯槽から
の液体ヘリウム移送で置き換えることも可能である。

【００１５】図２は、本発明を実施する為の装置構成例
を模式的に示した説明図であり、その基本的な構成は前
記図１に示した装置に類似し、対応する部分には同一の
参照符号を付すことによって重複説明を回避する。尚、
図２中、１２は液体ヘリウム槽２内における液体ヘリウ
ム１の対流を抑える為の邪魔板である。

【００１６】図２に示した装置において、２１はＪＴ弁
６を通過する直前の液体ヘリウム温度Ｔjt in（ＪＴ弁
入側温度）を測定する為の温度センサー、２２はＪＴ弁
出側温度Ｔjt out(即ち、飽和超流動ヘリウム管路５の
入口温度)を検出する為の温度センサー、２３は飽和超
流動ヘリウム管路５の出口温度を測定する為の温度セン
サー、２４は非飽和超流動ヘリウム槽３内の温度Ｔｂを
測定する為の温度センサー、２５はヘリウム槽２の底の
温度Ｔjt suctionを測定する為の温度センサーである。

【００１７】また、温度センサー２１，２２，２３およ
び２４の出力は、夫々インターフェイス３１，３２，３
３，３４を介してコントローラ４２に入力される。そし
て、ＪＴ弁６の駆動軸はステッピングモータ４１に連結
されており、またステッピングモータ４１はコントロー
ラ４２によって制御されており、ステッピングモータ４
１を制御することによって、ＪＴ弁６の開度が調整され
る様に構成されている。また、前記真空ポンプ８は、コ
ントローラ４２によって制御される様に構成っされてい
る。

【００１８】本発明では、上記の様な装置を用い、ＪＴ
弁６の入側および出側の夫々における液体ヘリウム温度
（Ｔjt inおよびＴjt out）を温度センサー２１、２２
によって計測すると共に、温度センサー２４によって上
記非飽和超流動ヘリウム槽３内温度Ｔｂを計測し、これ
らの温度（Ｔjt in、Ｔjt outおよびＴｂ）を用いて算
出される必要熱交換面積が、前記飽和超流動ヘリウム管
路５の内面積未満となる様にしたものである。

【００１９】本発明の制御における原理は、次の通りで
ある。まず、初期冷却過程では、前記温度Ｔjt in、Ｔj
t outおよびＴｂを監視しながらＪＴ弁６の開度を調整
し、温度Ｔjt outが温度Ｔｂよりも低くなる様にする。
ここで、ＪＴ弁６の開度が大き過ぎると、温度Ｔjt out
とＴｂの温度差が小さ過ぎ、飽和超流動ヘリウム管路５
内の蒸発量が減少して飽和超流動ヘリウム管路５に液が
溢れるという問題がある。そこで本発明では、飽和超流
動ヘリウム管路５内に貯留している液体ヘリウムが、飽
和超流動ヘリウム管路５の内壁と接している面積Ａ（前
記必要熱交換面積）を、飽和超流動ヘリウム管路５の全
内面積未満になる様にＪＴ弁６の開度を制御する。

【００２０】そして上記面積Ａは、次の様にして算出さ
れる。前記図２に示した装置において、ＪＴ弁６の開度
がある開度になり、十分な時間を経て温度センサー２
１，２２，２３，２４の温度指示値が一定値を示したと
き、ＪＴ弁６を通過した後の液体の質量比率ｙは、温度
Ｔjt inに対応したエンタルピー（Ｈjt in）、上記Ｔjt
outに対応した液体ヘリウムのガスエンタルピー（Ｈs g
as）、および潜熱σを用いて下記（１）式の様に表わせ
る。 ｙ＝（Ｈs gas−Ｈjt in）／σ ……（１）

【００２１】次に、ＪＴ弁６を通過する液体ヘリウムの
質量流量をｍと表すと、飽和超流動ヘリウム管路５の冷
凍能力（即ち、非飽和超流動ヘリウム槽３から飽和超流
動ヘリウム管路５の壁面を介して、その内部の飽和超流
動ヘリウムに吸収される熱量Ｑ）は、下記（２）式の様
に表される。 Ｑ＝ｍ・ｙ・σ ……（２）

【００２２】一方、前述の如く、飽和超流動ヘリウム管
路５内に貯留する飽和液体ヘリウムが内壁と接する面積
をＡとすると、Ｑは下記（３）式の様にも表現できる
(例えば“Design Issues For a Superfluid Helium Sub
cooler”,J．M．Pfotenhauerp33,HTD-Vol.211,Heat Tra
nsfer and Superconducting Magnetic Energy Storage,
ASME, １９９２)。尚下記（３）式において、定数ａ，
ｎは飽和超流動ヘリウム管路５の壁面の材質と表面状態
で決まる定数であり、飽和超流動ヘリウム管路５の壁面
が銅の場合には、前記定数ａ，ｎは夫々０．０５，３．
５付近の値を取ることが知られている（例えば「The In
ternational Cryogenics Monograph Series:Herim Cryo
genics」Table5.2）。 Ｑ＝０．５・ａ・Ａ・（Ｔｂⁿ−Ｔjt outⁿ） ……（３） 従って、上記（１）式〜（３）式により、面積Ａは下記
（４）式で算出されることになる。 Ａ＝ｍ・ｙ・σ／［０．５・ａ・（Ｔｂⁿ−Ｔjt outⁿ）］……（４）

【００２３】上記（４）式において、質量流量ｍの値は
ＪＴ弁６の開度のみで決まる量であり、一方Ｔjt outも
ＪＴ弁６の開度によって決まる量であるので、ｍはＴjt
outの関数と考えて良い。同様に、σもＴjt outのみの
関数であり、ｙはＴjt inとＴjt outのみの関数であ
る。従って、上記面積Ａは、Ｔjt in、Ｔjt outおよび
Ｔｂが与えられれば求めることができる。

【００２４】逆に、飽和超流動ヘリウム管路５の全内表
面積がＡ_coolerである様な図２で示された装置を運転
中、前記温度センサー２１，２４で温度Ｔjt in、Ｔｂ
が夫々観測されたとき、下記（５）式で示される様なＴ
jt outの範囲は一意的に求められるから、ＪＴ弁６の開
度を調整して、温度Ｔjt outを下記（５）式で求められ
る範囲となる様に制御すれば、前述した様な問題を回避
しながら効率的に装置を運転することが可能となる。 Ａ（Ｔjt in，Ｔjt out，Ｔｂ）＜Ａ_cooler ……（５）

【００２５】尚、温度Ｔjt outが大きいほど、ポンプ８
によって排気される液体ヘリウムの流量が大きく、飽和
超流動ヘリウム管路５による冷凍能力が大きくなるの
で、特に初期冷却過程においては、ＴｂとＴjt outの温
度差が小さいほど、つまりＴjt outが大きいほど、非飽
和超流動ヘリウム槽３を速く冷却することができる。従
って、上記（５）式を満足する範囲内で、Ｔjt outがで
きるだけ高い値となる条件で操業することが、飽和超流
動ヘリウム管路５における冷却能力を最大限に発揮させ
るという観点から好ましい。

【００２６】上記のことを考慮しながら、前記図２に示
した装置を用いて本発明者らが実験を行なったところ、
Ｔjt in，Ｔjt out，Ｔｂ，Ｔjt suctionの時間経過と
して、図３に示す結果が得られた。また、前記図３にお
ける各時点のＴjt in，Ｔｂを前記（５）式に代入し、
最大冷却能力に対応するＴｂ−Ｔjt outの値を求めた結
果、図４の実線に示す結果が得られた。即ち、前記図３
のＴjt outの値は、図４の実線の値となる様にＪＴ弁６
の開度を制御して得られたものである。

【００２７】従来方法の様に、Ｔjt inを計測しない制
御方法では、Ｔjt inを暗黙のうちにＴjt suctionと等
しいと仮定することが多かったが、実際は前記図３から
明らかな様に、初期冷却においてＴjt inは大きく変化
しており、飽和超流動ヘリウム管路５の冷却能力を算出
するには、Ｔjt inの計測が不可欠であることが分か
る。仮に、ＪＴ弁６の入側温度Ｔjt inが常にＴjt suct
ionに等しいと仮定した場合、上記（５）式を満足する
Ｔｂ−Ｔjt outの最小値は、図４の破線の様になるが、
計測されたＴjt inを用いた計算結果よりも小さくなっ
ている。即ち、不必要にＪＴ弁６を開け、飽和超流動ヘ
リウム管路５内の温度を高める結果、前述した不具合を
招いたことが想像される。

【００２８】本発明では、上記の様にして制御すること
によって、飽和超流動ヘリウム管路５内に内部の液面を
計測する為の手段を講じなくても、また液体ヘリウム補
填作業中においても、ＪＴ弁６の絞り過ぎや、開き過ぎ
によって起こる前述した不都合を確実に防止することが
でき、目的の温度まで装置が持つ最大の速度で初期冷却
し、且つ目的の温度を容易に維持することができるので
ある。

【００２９】

【発明の効果】本発明は以上の様に構成されており、初
期冷却するときに、或は超流動ヘリウム温度で定常に保
つときに、安定して操業することのできる超流動ヘリウ
ム発生装置の制御方法が実現できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の超流動ヘリウム発生装置の構成例を模式
的に示した説明図である。

【図２】本発明を実施する為の装置構成例を模式的に示
した説明図である。

【図３】Ｔjt in，Ｔjt out，Ｔｂ，Ｔjt suctionの時
間経過の例を示すグラフである。

【図４】前記図３の各時点で最大冷凍能力に対応するＴ
ｂ−Ｔjt outの値を求めた結果を示したグラフである。

【符号の説明】

１ ４．２Ｋの液体ヘリウム ２ ヘリウム槽 ３ 非飽和超流動ヘリウム槽 ４ コミュニケーションチャンネル ５ 飽和超流動ヘリウム槽 ６ ジュールトムソン弁 ７ 熱交換器 ８ 真空ポンプ ９ コンプレッサー １０ 冷凍機 ２１，２２，２３，２４，２５ 温度センサー ３１，３２，３３，３４ インターフェイス ４１ ステッピングモータ ４２ コントローラ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三木 孝史 神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会 社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 (72)発明者 伊藤 聡 神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会 社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 (72)発明者 吉川 正敏 神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会 社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 非飽和超流動ヘリウム槽内に、この槽内
   を冷却するための飽和超流動ヘリウム管路を配置し、上
   記飽和超流動ヘリウム管路内にジュールトムソン弁を介
   して冷却用液体ヘリウムを流通する様にした超流動ヘリ
   ウム発生装置を制御するに当たり、前記ジュールトムソ
   ン弁入側温度および出側温度と上記非飽和超流動ヘリウ
   ム槽内温度から算出される必要熱交換面積が、前記飽和
   超流動ヘリウム管路の全内表面積未満となる様にジュー
   ルトムソン弁の開度を制御して、上記非飽和ヘリウム槽
   内を液体ヘリウム温度から超流動ヘリウム温度まで冷却
   し、更に当該温度を保つ様に操業することを特徴とする
   超流動ヘリウム発生装置の制御方法。