JP2006292319A - クライオスタット - Google Patents

Abstract

【課題】 液体ヘリウム槽内の液体ヘリウムの過冷却を抑えながら、超流動ヘリウムの生成及び冷却のために吸引されるヘリウムの冷熱を効率良く回収する。
【解決手段】 液体ヘリウム槽１２内の液体ヘリウム２を吸引配管２０を通じて槽外に吸引し、ＪＴ弁２６で絞り膨張させてその絞り膨張により発生する冷熱により超流動ヘリウム槽１４内のヘリウムを冷却して超流動ヘリウムを生成するクライオスタットにおいて、吸引配管２０の下流側部分を液体ヘリウム槽１２内に通すことにより吸引ヘリウムの冷熱を回収する。液体ヘリウム槽１２内には、吸引ヘリウムの冷熱で槽内の液体ヘリウム２を冷却する冷却用熱交換器３０及び槽内のヘリウムガスを再凝縮させる凝縮用熱交換器３２とを設け、両熱交換器３０，３２の間の部分を液体ヘリウム２から断熱する。
【選択図】 図１

Description

加圧超流動ヘリウムの生成及び貯留が行われるクライオスタットに関するものである。

近年、極低温技術の発達に伴い、加圧超流動ヘリウムの利用が活発に進められている。この加圧超流動ヘリウムは、大気圧飽和液体ヘリウムに比して熱伝導率が高く、また比熱も大きくて、冷却性能が高いため、超電導マグネット等を冷却するための寒剤として注目を集めている。

このような加圧超流動ヘリウムの生成及び貯留を行うためのクライオスタットとして、
特許文献１に記載されたものが知られている。その概要を図３に示す。

図示のクライオスタットは、真空容器１０を備え、その内部に液体ヘリウム槽１２及び超流動ヘリウム槽１４がそれぞれ上下に配置されている。前記液体ヘリウム槽１２は、大気圧飽和常流動ヘリウム（以下、単に液体ヘリウムと称する。）２を貯留するものであり、連通管１１によって外気に連通されている。前記超流動ヘリウム槽１４は加圧超流動ヘリウム（以下、単に超流動ヘリウムと称する。）４を貯留するものであり、この超流動ヘリウム槽１４内には前記加圧超流動ヘリウム４に浸漬される図略の超電導マグネットが収納されている。

前記液体ヘリウム槽１２は、前記超流動ヘリウム槽１４の直上方に配置され、この液体ヘリウム槽１２の底面全体と超流動ヘリウム槽１４との間にセパレータ１３が介在している。このセパレータ１３には、両槽１２，１４を連通する連通路として安全弁通路１５及び供給弁通路１６が設けられ、前記安全弁通路１５には当該通路を開閉する安全弁１７が、前記供給弁通路１６にも当該通路を開閉する供給弁１８が、それぞれ設けられている。

前記液体ヘリウム槽１２の下部は吸引配管２０を介して真空容器１０の外部に設けられた排気ポンプ２２に接続されている。吸引配管２０の途中には、熱交換器２４が設けられ、この熱交換器２４と液体ヘリウム槽１２との間の位置にＪＴ（ジュールトムソン）弁２６が設けられている。前記熱交換器２４は、その内部を流れるヘリウムと加圧超流動ヘリウム槽１４との間で熱交換を行わせるように構成されている。

このクライオスタットにおいて、加圧超流動ヘリウム４を生成するには、まず、供給弁１８を開いた状態で液体ヘリウム槽１２から供給弁通路１６を通じて超流動ヘリウム槽１４内に液体ヘリウムを入れ、その液面レベルをセパレータ１３よりも十分高い位置に至らせる。次に、排気ポンプ２２の作動により液体ヘリウム槽１２内の液体ヘリウム２を吸引配管２０を通じて吸引し、その途中のＪＴ弁２６により絞り膨張させて、これにより発生した冷熱を熱交換器２４を通じて超流動ヘリウム槽１４に与える。このようにして、初期に大気圧飽和液体ヘリウムで満たされていた超流動ヘリウム槽１４が前記熱交換器２４によって冷却されることにより、大気圧を保持したまま同槽１４内に加圧超流動ヘリウム４が生成される。
特開２００１−３３０３２８号公報

前記クライオスタットにおいて、吸引配管２０内を流れるヘリウムはかなり低温となっており、その保有する冷熱を系内で回収することがクライオスタット全体の熱効率を向上させる有効な手段となる。具体的には、例えば特開平１０−３１１６１７号公報に示されるような伝熱板等のヘリウム攪拌抑制部材を前記供給弁通路１６の直上方の位置に配するとともに、このヘリウム攪拌抑制部材と前記吸引配管２０内のヘリウムとの間で熱交換を行わせる冷却用熱交換器を設けて前記ヘリウム攪拌抑制部材を冷却することが考えられる。このような構成にすれば、液体ヘリウム槽１２内への液体ヘリウム２の注液時に前記通路１５，１６の近傍での液体ヘリウム２の攪拌、特に熱的な攪拌を有効に抑えることができ、その直下の超流動ヘリウム槽１４内の温度を安定化することができるとともに、前記吸引配管２０を通じて吸引排気されるヘリウムの保有する冷熱を有効に活用することが可能になる。

しかしながら、このような手段を採用した場合には、前記冷却用熱交換器による熱交換により液体ヘリウム槽１２内の液体ヘリウム２が過冷却状態となり易い。このような液体ヘリウム２の過冷却は、例えば次のような弊害を招くおそれがある。

・前記過冷却が生ずると、液体ヘリウム槽１２内の圧力が大気圧より低い陰圧になり、外気との間に圧力差が生ずる。従って、この液体ヘリウム槽１２と大気とが連通する可能性のある箇所でのシール性能が比較的低いと、その箇所から槽１２内に外気が入り込んでしまうおそれがある。

・前記陰圧の程度が大きいほど、定期的な液体ヘリウム補充の際に液体ヘリウム槽１２内を大気圧に戻す作業が面倒となり、またその大気圧に戻すために室温のヘリウムガスを液体ヘリウム槽１２内に導入する量が増える分、エネルギーロスが大きくなる。

・液体ヘリウム槽１２内の液体ヘリウム２が過冷却状態になると、その分当該ヘリウムの密度が上昇し、当該ヘリウムの見かけ上の減少速度が大きくなるため、その分だけ液体ヘリウム補充の間隔が短くなる（すなわちメンテナンス頻度が高くなる）ことになる。

以上のような理由から、前記冷却用熱交換器による熱交換量を小さく抑えて液体ヘリウムの過冷却を極力回避することが望まれるが、当該過冷却抑制のために前記熱交換量を抑える（すなわち冷却用熱交換器の容量を小さくする）と、その分だけ吸引配管２０内のヘリウムからの冷熱回収量が減り、熱効率が低下することになる。

本発明は、このような事情に鑑み、液体ヘリウム槽内の液体ヘリウムの過冷却を抑えながら冷熱回収効率を高く維持することができるクライオスタットを提供することを目的とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、液体ヘリウムを貯留する液体ヘリウム槽と、この液体ヘリウム槽内に連通路を介して連通し、加圧超流動ヘリウムを貯留する超流動ヘリウム槽と、前記連通路を開閉する弁と、前記液体ヘリウム槽内の液体ヘリウムを液体ヘリウム槽外に吸引するための吸引配管と、この吸引配管の途中に設けられ、その吸引される液体ヘリウムを絞り膨張させてその絞り膨張により発生する冷熱により前記超流動ヘリウム槽内を冷却する超流動ヘリウム冷却手段とを備えたクライオスタットにおいて、前記吸引配管のうち前記超流動ヘリウム冷却手段よりも下流側の部分が前記液体ヘリウム槽内に通されるとともに、この液体ヘリウム槽内に、前記液体ヘリウム槽内の液体ヘリウムと前記吸引配管内のヘリウムとを熱交換させて当該液体ヘリウムを冷却する冷却用熱交換器と、この冷却用熱交換器から上方に離間した位置で前記液体ヘリウム槽内のヘリウムガスと前記吸引配管内のヘリウムとを熱交換させて当該ヘリウムガスを再凝縮させる凝縮用熱交換器とが設けられ、かつ、前記吸引配管は、前記冷却用熱交換器と前記凝縮用熱交換器との間の位置にこの吸引配管内のヘリウムと前記液体ヘリウム槽内の液体ヘリウムとの間を断熱する断熱部を有するものである。

この構成によれば、吸引配管に、同管を流れるヘリウムの冷熱を液体ヘリウム槽内の液体ヘリウムの冷却に用いるための冷却用熱交換器と、前記冷熱を液体ヘリウム槽内のヘリウムガスの凝縮に用いるための凝縮用熱交換器とが併設され、かつ、前記冷却用熱交換器と凝縮用熱交換器との間の位置に前記吸引配管内のヘリウムと液体ヘリウム槽内の液体ヘリウムとの間を断熱する断熱部が設けられているので、前記冷熱による液体ヘリウム槽内の液体ヘリウムの過冷却を抑えながら、その余剰の冷熱を液体ヘリウム槽内のヘリウムガスの凝縮に利用することにより、冷熱回収効率を高く維持することができる。また、液体ヘリウム槽内のヘリウムガスの凝縮によって、そのヘリウムガスの槽外への放散を抑えて当該槽内への液体ヘリウムの必要補充量も低減させることができる。

前記冷却用熱交換器は、前記液体ヘリウム槽内の液体ヘリウムと吸引配管内のヘリウムとを直接熱交換させるものでもよいが、前記液体ヘリウム槽内に、前記連通路の入口を上方から覆って当該入口近傍での液体ヘリウムの攪拌を抑制するヘリウム攪拌抑制部材が設けられ、このヘリウム攪拌抑制部材と前記吸引配管内のヘリウムとを熱交換させるように当該ヘリウム攪拌抑制部材と前記冷却用熱交換器とが接続されている構成とすれば、液体ヘリウム槽内への液体ヘリウムの注入時に同槽底部での液体ヘリウムの攪拌を抑制してその温度を安定化させることが可能となる。

また、前記断熱部としては、前記冷却用熱交換器と前記凝縮用熱交換器との間の配管部分が前記液体ヘリウム槽内で断熱層により外側から覆われたものが、好適である。

具体的に、前記冷却用熱交換器と前記凝縮用熱交換器との間に断熱管が介設され、この断熱管の内側に前記吸引配管が挿通されるとともに、この吸引配管の外周面と前記断熱管の内周面との空間に真空断熱層が形成されている構成とすれば、簡単な構造で断熱効果の高い断熱部を構築することができる。

また、前記断熱部は、前記冷却用熱交換器と前記凝縮用熱交換器との間で前記吸引配管が部分的に前記液体ヘリウム槽の外部に導出されたものでもよい。この構成によれば、前記吸引配管の一部を液体ヘリウム槽外へ導出するだけの簡単な構造で液体ヘリウム槽内の液体ヘリウムと吸引配管内のヘリウムとの熱交換を抑止できる。

以上のように、本発明によれば、吸引配管に冷却用熱交換器と凝縮用熱交換器とを併設して両熱交換器間に前記吸引配管内のヘリウムと液体ヘリウム槽内の液体ヘリウムとの間を断熱する断熱部を設けることにより、前記冷却用熱交換器による液体ヘリウム槽内の液体ヘリウムの過冷却を抑えながら冷熱回収効率を高く維持することができる効果がある。また、前記ヘリウムガスの凝縮によって液体ヘリウム槽内への液体ヘリウムの必要補充量を低減させることができる。

本発明の第１の実施の形態に係るクライオスタットを図１に示す。なお、同図において前記図３に示した構成要素と同等のものには同一の参照符を付してその説明を省略する。

図１に示すクライオスタットでは、液体ヘリウム槽１２内に複数枚のヘリウム攪拌抑制板２７が設けられている。これらのヘリウム攪拌抑制板２７は、互いに上下方向に間隔をおいて略水平状態で積層され、液体ヘリウム槽１２の底部における供給弁通路１６の上端開口（入口）を上から覆う位置に設けられており、その配設位置での液体ヘリウム２の攪拌を抑制する構造となっている。

なお、本発明においてヘリウム攪拌抑制部材の具体的な構造は特に問わず、その存在により液体ヘリウム２の攪拌を抑制できるものであればよい。例えば、比較的板厚の大きい単一の格子板を設けるようにしてもよい。

一方、前記吸引配管２０では、超流動ヘリウム冷却手段である熱交換器２４及びＪＴ弁２６よりも下流側の部分が液体ヘリウム槽１２内を上下方向に貫くようにして真空容器１０の頂部からその容器外へ導出され、その端部に図略の排気ポンプが接続されている。そして、このクライオスタットの特徴として、前記吸引配管２０が前記液体ヘリウム槽１２内を通過する部分の下側（上流側）位置及び上側（下流側）位置にそれぞれ冷却用熱交換器３０及び凝縮用熱交換器３２が設けられるとともに、両熱交換器３２の間に断熱部が形成されている。

前記冷却用熱交換器３０は、前記液体ヘリウム槽１２内の液体ヘリウム２内に浸漬され、前記各ヘリウム攪拌抑制板２７と熱伝導可能となる状態で接続されている。そして、これらヘリウム攪拌抑制板２７と前記吸引配管２０内のヘリウムとの間で熱交換させることにより前記各ヘリウム攪拌抑制板２７を冷却するように構成されている。

前記凝縮用熱交換器３２は、前記冷却用熱交換器３０から上方に離間する位置であって、前記液体ヘリウム槽１２内の液体ヘリウム２の液面よりも上方の位置に設けられ、当該液体ヘリウム槽１２内のヘリウムガスを前記吸引配管２０内のヘリウムとの間で熱交換させることにより当該ヘリウムガスを再凝縮させるように構成されている。

前記断熱部は、前記液体ヘリウム槽１２内の液体ヘリウム２と前記吸引配管２０内のヘリウムとの熱交換を遮断するものであり、図例では、両熱交換器３０，３２の間に断熱管３４が介設されて当該断熱管３４内に前記吸引配管２０の中間部分２８が挿通されるとともに、この中間部分２８と前記断熱管３４の内周面との間に真空断熱層３６が形成されることにより構築されている。

次に、このクライオスタットの作用を説明する。

前記図３に示したクライオスタットと同様に、超流動ヘリウム槽１４内さらには液体ヘリウム槽１２内の適当な位置まで液体ヘリウムが注入された状態で、図略の排気ポンプを作動させて液体ヘリウム槽１２内の液体ヘリウム２を吸引配管２０を通じて吸引すると、この液体ヘリウムが途中のＪＴ弁２６により絞り膨張し、これにより発生した冷熱が熱交換器２４を通じて超流動ヘリウム槽１４の大気圧飽和液体ヘリウムに定圧状態で与えられることにより、当該大気圧飽和液体ヘリウムが超流動ヘリウムに変態する。すなわち、超流動ヘリウム槽１４内には大気圧を保持したまま同槽１４内に加圧超流動ヘリウム４が生成される。

このとき、吸引配管２０内を流れるヘリウムは冷却用熱交換器３０を通じて液体ヘリウム槽１２内のヘリウム攪拌抑制板２７と熱交換し、これにより当該ヘリウム攪拌抑制板２７ひいては液体ヘリウム２を冷却する。ただし、この熱交換は前記液体ヘリウム２をその沸点よりも大きく下回る温度まで過冷却しないように抑制されるべく前記冷却用熱交換器３０が設計されており、この冷却用熱交換器３０よりも上側の部分、すなわち、前記吸引配管２０の中間部分２８と断熱管３４とで構築された断熱部では当該吸引配管２０内のヘリウムと液体ヘリウム２との熱交換が抑止される。そして、余剰の冷熱は、前記断熱部よりもさらに上側の凝縮用熱交換器３２で液体ヘリウム槽１２内のヘリウムガスを再凝縮させるために活用される。

この構成によれば、前記吸引配管２０を流れるヘリウムの冷熱を両熱交換器３０，３２によって液体ヘリウム槽１２内のヘリウム攪拌抑制板２７の冷却ひいては液体ヘリウム２の冷却とヘリウムガスの凝縮とに分散活用することができ、かつ、両熱交換器３０，３２の間に位置する断熱部の存在により前記液体ヘリウム２の過冷却を回避することができる。すなわち、両熱交換器３０，３２での熱交換により冷熱回収効率は高く維持しながら、前記断熱部の設計（特に領域長さの設定）により液体ヘリウム２の過冷却を抑えることができる。また、前記凝縮用熱交換器３２によるヘリウムガスの凝縮により、液体ヘリウム槽１２内への液体ヘリウムの必要補充量を低減させることができる。

なお、前記断熱部の具体的な構造は特に問わず、例えば前記吸引配管２０の中間部分（両熱交換器３０，３２同士の間の部分）２８の周囲に断熱材を巻いたものでもよい。

あるいは、第２の実施の形態として図２に示すように、前記中間部分２８を部分的に液体ヘリウム槽１２の外部に導出するようにすれば、特別な断熱材等を用いない簡素な構造で液体ヘリウム２の過冷却を回避することが可能である。

また、冷却用熱交換器３０は、液体ヘリウム２と直接熱交換するものでもよく、その場合にも吸引配管２０内のヘリウムの冷熱を有効に回収することが可能である。ただし、図示のように液体ヘリウム槽１２内に供給弁通路１６の入口を覆うようにヘリウム攪拌抑制板２７を設けてこのヘリウム攪拌抑制板２７を熱伝導可能な状態で前記冷却用熱交換器３０に接続するようにすれば、液体ヘリウム槽１２内への液体ヘリウムの注入時に前記入口近傍で液体ヘリウム２が攪拌されるのを抑制して当該入口近傍での液体ヘリウム２の温度を安定化させることが可能となる。

本発明の第１の実施の形態に係るクライオスタットの断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係るクライオスタットの断面図である。 従来のクライオスタットの一例を示す断面図である。

符号の説明

２ 液体ヘリウム
４ 超流動ヘリウム
１２ 液体ヘリウム槽
１４ 超流動ヘリウム槽
１６ 供給弁通路
２０ 吸引配管
２４ 熱交換器（超流動ヘリウム冷却手段）
２６ ＪＴ弁（超流動ヘリウム冷却手段）
２８ 吸引配管の中間部分
３０ 冷却用熱交換器
３２ 凝縮用熱交換器
３４ 断熱管
３６ 真空断熱層

Claims (5)

1. 液体ヘリウムを貯留する液体ヘリウム槽と、この液体ヘリウム槽内に連通路を介して連通し、加圧超流動ヘリウムを貯留する超流動ヘリウム槽と、前記連通路を開閉する弁と、前記液体ヘリウム槽内の液体ヘリウムを液体ヘリウム槽外に吸引するための吸引配管と、この吸引配管の途中に設けられ、その吸引される液体ヘリウムを絞り膨張させてその絞り膨張により発生する冷熱により前記超流動ヘリウム槽内を冷却する超流動ヘリウム冷却手段とを備えたクライオスタットにおいて、前記吸引配管のうち前記超流動ヘリウム冷却手段よりも下流側の部分が前記液体ヘリウム槽内に通されるとともに、この液体ヘリウム槽内に、前記液体ヘリウム槽内の液体ヘリウムと前記吸引配管内のヘリウムとを熱交換させて当該液体ヘリウムを冷却する冷却用熱交換器と、この冷却用熱交換器から上方に離間した位置で前記液体ヘリウム槽内のヘリウムガスと前記吸引配管内のヘリウムとを熱交換させて当該ヘリウムガスを再凝縮させる凝縮用熱交換器とが設けられ、かつ、前記吸引配管は、前記冷却用熱交換器と前記凝縮用熱交換器との間の位置にこの吸引配管内のヘリウムと前記液体ヘリウム槽内の液体ヘリウムとの間を断熱する断熱部を有することを特徴とするクライオスタット。
2. 請求項１記載のクライオスタットにおいて、前記液体ヘリウム槽内に、前記連通路の入口を上方から覆って当該入口近傍での液体ヘリウムの攪拌を抑制するヘリウム攪拌抑制部材が設けられ、このヘリウム攪拌抑制部材と前記吸引配管内のヘリウムとを熱交換させるように当該ヘリウム攪拌抑制部材と前記冷却用熱交換器とが接続されていることを特徴とするクライオスタット。
3. 請求項１または２記載のクライオスタットにおいて、前記断熱部は、前記冷却用熱交換器と前記凝縮用熱交換器との間の配管部分が前記液体ヘリウム槽内で断熱層により外側から覆われたものであることを特徴とするクライオスタット。
4. 請求項３記載のクライオスタットにおいて、前記冷却用熱交換器と前記凝縮用熱交換器との間に断熱管が介設され、この断熱管の内側に前記吸引配管が挿通されるとともに、この吸引配管の外周面と前記断熱管の内周面との空間に真空断熱層が形成されていることを特徴とするクライオスタット。
5. 請求項１または２記載のクライオスタットにおいて、前記断熱部は、前記冷却用熱交換器と前記凝縮用熱交換器との間で前記吸引配管が部分的に前記液体ヘリウム槽の外部に導出されたものであることを特徴とするクライオスタット。

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