JP2007088146A - クライオスタット - Google Patents

Abstract

【課題】液体ヘリウムの注ぎ足し時に、液体ヘリウム槽に空気や水等の不純物が混入し、長期運転中に不純物が液体ヘリウム槽内の安全弁に滞積する。
【解決手段】安全弁２２が不純物を含んだ液体ヘリウムに曝されないように、第一の改良点は、フィルター２１を通して超流動ヘリウム槽４に液体ヘリウムを供給する。このため、第１の槽２からの液体ヘリウム３を飽和冷却する冷却器１３を第２の槽４と熱接触させ、かつ冷却器１３に接する熱交換器２０にヘリウム取り出し管１８を巻きつけて冷却し、超流動状態の液体ヘリウムをフィルター２１を介して第２の槽４に貯留する。第二の改良点は、圧力放出路として働く第３の槽７を低温安全弁２２を介して第２の槽４と結ぶ。槽７は逆止弁２４により大気からの不純物の侵入を防止するので、安全弁２２に不純物の滞留することを抑止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、超電導磁石の冷却に用いられるクライオスタットに係り、特に加圧超流動ヘリウムクライオスタットの構造に関するものである。

核磁気共鳴装置や核融合炉、加速器で用いられる超電導磁石は、通常、４．２Ｋで液体として存在する液体ヘリウムにより冷却される。近年、核磁気共鳴装置の高感度化に伴い超電導磁石の高磁場化が求められ、超電導磁石の４．２Ｋより低温での運転が必要となってきた。これは、超電導磁石の運転温度が下がれば、より高い磁場を発生させることが可能となるからである。

このような超電導磁石の低温化を可能とする冷却方法として、飽和超流動ヘリウム冷却方式と加圧超流動ヘリウム冷却方式がある。飽和超流動ヘリウム冷却は、４．２Ｋの液体ヘリウムを真空排気装置で排気し、蒸気圧を下げることにより温度を下げる方式である。一方、加圧超流動ヘリウム冷却方式は、加圧超流動ヘリウムと呼ばれる大気圧下の超流動ヘリウムを生成する。飽和超流動ヘリウムに比べて加圧超流動ヘリウムの方が高い熱輸送能力を持つために、超電導磁石の４．２Ｋより低温での運転が必要な場合は、加圧超流動ヘリウム冷却方式を用いることが一般的である。加圧超流動ヘリウム冷却方式により、超電導磁石の運転温度を１．５Ｋ程度まで下げることが出来る。

図３は典型的な加圧超流動ヘリウム冷却クライオスタットの概略図を示す。クライオスタットは断熱真空容器１、４．２Ｋ液体ヘリウム槽（４．２Ｋ）２、超流動ヘリウム槽（１．５〜４．２Ｋ）４から構成され、超流動ヘリウム槽４に被冷却体である超伝導磁石６が設置される。超流動ヘリウム槽４の液体ヘリウムを冷却するために、冷却器１３が設置される。

この冷却器は、液溜型であったり、チューブ形状の熱交換器型であったりする。流量調整弁１２は、４．２Ｋ液体ヘリウム槽から液体ヘリウム取り込み口１１を通して冷却器へ液体ヘリウムを供給する際の流量調整及びジュールートムソン膨張を起こすために設置される。流量調整されて、冷却器に導入された液体ヘリウムは、クライオスタットの外に設置された真空排気装置１５により減圧され、冷却器の温度が液体ヘリウムの超流動転移点以下まで下がる。そして、冷却器１３と超流動ヘリウム槽４とが熱交換し、超流動ヘリウム槽中の液体ヘリウムを１．５〜１．８Ｋ程度の超流動状態にすることができる。

図３には示していないが、冷却効率を上げるために、液体ヘリウム取り込み口１１と流量調整弁１２の間に予冷熱交換器が設置されることが多い。こうすることにより、取り込み口１１から供給される液体ヘリウムは、流量調整弁１２に到達する前に、冷却器１３からの蒸発ガスによって２Ｋ程度まで冷却される。予冷熱交換器があると、圧力損失を考慮しなければ、熱交換器がない場合に比べて冷凍能力が1.4倍程度上がる。

超電導磁石のクエンチ時の圧力放出路として、液体ヘリウム槽２と超流動ヘリウム槽４との間に低温安全弁２２が設置される。安全弁２２の弁と弁座との間には、部品の表面荒さなどのために数ミクロン以上の隙間ができる。この隙間にある液体ヘリウムは、熱輸送能力が大きい超流動状態となっており、４．２Ｋ槽から１．８Ｋ槽への熱流入を引き起こす。また、隙間が大きいほど熱流入量も大きくなる。したがって、空気や水などが固化した不純物が隙間に挟まると、大きな熱侵入を招き、冷凍能力が低下する。この結果、不純物を挟み込む前の冷凍能力を維持しようとすると、余分の液体ヘリウムを消費しなければならない。

安全弁の隙間は、加圧超流動ヘリウム冷却システムにおいて、大きな熱侵入源となるが、圧力伝達路になるという重要な役割を担う。この圧力伝達路があるために、１．８Ｋ槽中の液体ヘリウムは、４．２Ｋ槽中の大気圧下の液体ヘリウムと等しい圧力を保つ事が出来る。特許文献１には、この安全弁の開閉状態を点検する装置の記載がある。

特開2002−372321号公報

液体ヘリウムの注ぎ足し時に、液体ヘリウム槽に空気や水等の不純物が混入する恐れがあり、長期運転において空気や水の固体が液体ヘリウム槽内に蓄積する可能性がある。この不純物が安全弁の弁と弁座の隙間に噛み込むと隙間が大きくなり、４．２Ｋ槽から１．８Ｋ槽への熱侵入が大きくなる。この結果、１．８Ｋを維持するために、大量の液体ヘリウムを消費してしまうという問題がある。

本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、安全弁の弁と弁座との隙間に不純物が入らない構造をもつ加圧超流動ヘリウムのクライオスタットを提供することを目的とする。

上記課題の解決のためには、安全弁が空気や水などの不純物を含んだ液体ヘリウムに曝されないようにする必要がある。このために、従来技術に対して、二つの改良点を施す。第一の改良点は、第一の液体ヘリウム槽から供給される液体ヘリウムが、第二の液体ヘリウム槽（１．８Ｋ槽）に入る前に超流動状態となり、さらに、微粒子から成る超流動成分のみを通過させるフィルターを介して第二の液体ヘリウム槽へ供給される構造を備えることである。これにより、不純物を含まない液体ヘリウムを第二の液体ヘリウム槽（超流動ヘリウム槽）に貯留する事が可能となる。

第二の改良点は、第二の液体ヘリウム槽（超流動ヘリウム槽）の上方に低温安全弁を介して第三の液体ヘリウム槽を設けることである。第三の液体ヘリウム槽と大気との間には、逆止弁を設置する。第二の液体ヘリウム槽中のヘリウム蒸気は、逆止弁を通して大気へ放出される。逆止弁があるために、第三の液体ヘリウム槽の圧力は、大気圧より高くすることが可能となり、空気などの混入の恐れがなくなる。このため、安全弁の弁と弁座との隙間に不純物が入り込む可能性を極めて低減できる。

上述したように、フィルターを通して超流動ヘリウム槽に液体ヘリウムを供給する構造と、圧力放出路として働く第三の液体ヘリウム槽を用意することで、上記課題が解決される。

本発明のクライオスタットによれば、長期運転を行っても安全弁の弁と弁座の隙間に不純物が入り込まないので、液体ヘリウムの余分な浪費なしに、ランニングコストの低い安定した運転を継続することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の実施例１による加圧超流動ヘリウムクライオスタットの概略図である。断熱真空容器１内に、三つの液体ヘリウム槽２、４、７を設置する。液体ヘリウム槽２は、外部からトランスファーにより供給された４．２Ｋ液体ヘリウム３を貯留するための槽である。第二の液体ヘリウム槽４には、１．５〜４．２Ｋの液体ヘリウム５が貯留される。この槽には、被冷却体である超電導磁石６が設置される。超電導磁石６としては、高磁場を必要とする高感度ＮＭＲ装置、ＭＲＩ、加速器、核融合炉用が考えられる。

液体ヘリウム槽４の温度が２．１７Ｋより低いときは、槽の中の液体ヘリウムは加圧超流動状態となる。液体ヘリウム槽７にある液体ヘリウム８の自由表面付近の温度は、４．２Ｋである。断熱真空容器や液体ヘリウム槽の材質は、低温で強度があるステンレス鋼が適している。ただし、液体ヘリウム槽４は、超流動状態の液体ヘリウムが貯まるので、溶接部などの接合部でのスーパーリークに注意を要する。

液体ヘリウム槽４は、輻射による熱侵入を低減するために、液体ヘリウム槽２、７内の液体ヘリウムにより冷却された４Ｋシールド９に囲まれる。同様の理由から、液体ヘリウム槽２、７は、液体窒素により冷却される８０Ｋシールド１０に囲まれている。さらに熱侵入を減らすために、液体ヘリウム槽やシールドのまわりにスーパーインシュレーション等の断熱材が巻いてあると良い。また、４Ｋシールド及び８０Ｋシールドは、シールド全体が均一に冷やされていた方がよいので、熱伝導率が高い材料で作る必要がある。また、重量を抑えるために、軽い材料である方がよい。このようなことから、シールドの材質としてアルミニウムが適している。

液体ヘリウム槽２の液体ヘリウムは、液体ヘリウムの取り込み口１１から流量調整弁１２を通過し冷却器１３に供給される。流量調整弁１２は、微流量が調整可能なニードル弁である。冷却器１３は、液溜め型であり、例えば、円筒状の容器などでよい。冷却器の材料としては、熱伝導率が高く加工性の優れた銅が適しているが、電気抵抗が小さいために超電導磁石クエンチ時の電磁力により、破壊される恐れがある。したがって、冷却器の設置場所はなるべく超電導磁石から離れていた方がよい。ステンレス等の電気抵抗の高い材料を用いれば、耐電磁力が大きくなるが、熱設計が難しくなるという弱点がある。

冷却器１３に溜まった液体ヘリウムの蒸発ガスを排気管１４を通して、外部から真空排気装置１５で排気すると、蒸気圧の降下とともに冷却器内の液体ヘリウムの温度が下がり、冷却器１３の温度も下がる。２．１７Ｋより低温では、冷却器１３内の液体ヘリウム１６は飽和超流動ヘリウムとなる。冷却器１３の中には超流動状態の液体ヘリウムが貯まるので、耐スーパーリークとなるような加工が必要である。また、冷却器１３は液体ヘリウム槽４と熱接触させる。こうすることにより、冷却器１３が液体ヘリウム槽４とその中にある液体ヘリウム５を冷却することができる。

室温部から排気管１４を伝わっての熱伝導による液体ヘリウム槽４への熱侵入を低減するために、排気管１４と８０Ｋシールド及び４Ｋシールドとを熱接触させる。排気管以外の温度計などの電線も、シールドで熱接触を取ることが好ましい。

排気装置１５としては、１．８Ｋにおける飽和超流動ヘリウムの蒸気圧１．６ｋＰａ程度で大きな排気速度を期待できる油回転ポンプやメカニカルブースターポンプが適当である。蒸気圧が下がる１．５Ｋ程度以下で超電導磁石を運転する場合には、負荷により回転数を可変することができるターボ分子ポンプを用いることも可能である。

液体ヘリウム槽２には、取り込み口１７があり、取り込み管１８は流量調整弁１９を介して冷却器１３と熱交換するための熱交換器２０に接続している。取り込み管１８の出口には、フィルター２１が取り付けられている。取り込み口１７から取り込まれた液体ヘリウムは、熱交換器２０で冷却器温度近くまで冷却される。

図２に熱交換器２０及びフィルター２１付近の詳細図面を示す。流量調整弁１９は、流量調整弁１２と同様のニードル弁でよい。熱交換器２０の構造は、円筒状、あるいは、板状の材料に取り込み管１８を巻きつけ、そのまわりに、熱接触を向上させるためにハンダ、銀ロウ、スタイキャストのいずれかを施したものである。熱交換器の材質は、熱伝導性のよい銅が適している。熱交換器２０は冷却器１３にネジか、銀ロウで取り付けられる。冷却器１３の液体ヘリウムが熱交換器２０に入らない構造の方が製造は容易である。

フィルター２１は、超流動ヘリウムの超流動成分のみを通過させるものでなければならない。フィルター２１としては、例えば、粒径の小さいアルミナの粉を焼結したものが適している。あるいは、粒径の小さな焼結金属であってもよい。フィルター２１は、第２の液体ヘリウム槽４にあって、フィルターホルダー２６内に取り付けられる。フィルターホルダー２６が短いと超流動ヘリウムの常流動成分とともに不純物も通過してしまうおそれがあるので、フィルターホルダー２６の長さはできるだけ長い（フィルターと同等）方がよい。

冷却された液体ヘリウムは、フィルター２１を通過する際、超流動成分のみが通過できるので、水や空気の固化した不純物は通過できずフィルター２１内に留まる。フィルター２１に不純物が堆積しても、超流動成分は通過できるので閉塞の心配はない。こうして、液体ヘリウム槽４は、非常に清浄な液体ヘリウムで満たされる。

第三の液体ヘリウム槽７は、低温安全弁２２を介して第二の液体ヘリウム槽４の上方に設置される。この槽は、超電導磁石クエンチ時の圧力放出路となればよいので、槽ではなく管であってもよい。第三の液体ヘリウム槽７の蒸発ガスは、放出管２３中を流れ、逆止弁２４から大気へ放出される。逆止弁２４の動作圧力を大気圧よりわずかに高くしておけば、大気側から第三の液体ヘリウム槽７への空気の混入はなく、低温安全弁２２の弁と弁座の隙間にある液体ヘリウムは空気、水の固化した不純物を含まない。

第三の液体ヘリウム槽７の圧力が大気圧に近いことから、第三の液体ヘリウム槽７の液体ヘリウムの表面温度は４．２Ｋであると考えてよい。また、第三の液体ヘリウム槽７と第二の液体ヘリウム槽４は安全弁２２の弁と弁座の隙間で連通しているため、第二の液体ヘリウム槽４の圧力も大気圧に近く、第二の液体ヘリウム槽４にある液体ヘリウムが超流動状態であるとき、加圧超流動ヘリウムとなる。

安全のために、第三の液体ヘリウム槽７の液体ヘリウム液面より上の容積が第三の液体ヘリウム槽７全体の１０％以上であることが望ましい。第三の液体ヘリウム槽７の液面を制御するために、槽７の中に液面計を設置する。そして、所定の場所に液面が位置するように、流量調整弁１９を調整する。

図１には示していないが、超電導磁石クエンチ時の圧力上昇により容器が破壊される恐れがあるため、逆止弁２４と併せて放出管２３の付近などに破裂板、安全弁の設置が必要である。

本実施例による加圧超流動ヘリウムクライオスタットは、高磁場を必要とする高感度ＮＭＲ装置、ＭＲＩ、加速器、核融合炉用の超電導磁石の冷却システムに利用できる。

本発明の一実施例による加圧超流動ヘリウムクライオスタットの概略構成図。 熱交換器及びフィルター付近の構成図。 従来の加圧超流動ヘリウム冷却クライオスタットの概略構成図。

符号の説明

１…断熱真空容器、２…第一の液体ヘリウム槽、３…第一の液体ヘリウム、４…第二の液体ヘリウム槽、５…第二の液体ヘリウム、６…超電導磁石、７…第三の液体ヘリウム槽、８…第三の液体ヘリウム、９…４Ｋシールド、１０…８０Ｋシールド、１１…第一の液体ヘリウム取り込み口、１２…第一の流量調整弁、１３…冷却器、１４…排気管、１５…真空排気装置、１６…飽和超流動ヘリウム、１７…第二の液体ヘリウム取り込み口、１８…取り込み管、１９…第二の流量調整弁、２０…熱交換器、２１…フィルター、２２…低温安全弁、２３…放出管、２４…逆止弁、２６…フィルターホルダー。

Claims (8)

1. 断熱真空により内部への熱を遮断する断熱真空容器と、前記断熱真空容器内に設置され外部から供給された液体ヘリウムを貯留する第一の液体ヘリウム槽と、前記断熱真空容器内に設置され前記第一の液体ヘリウム槽から供給され、前記第一の液体ヘリウム槽よりも低温の液体ヘリウムを貯留する第二の液体ヘリウム槽と、前記断熱真空容器内に設置され前記第二の液体ヘリウム槽と安全弁を介して結ばれて液体ヘリウムを貯留する第三の液体ヘリウム槽と、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において、前記第一の液体ヘリウム槽と前記第二の液体ヘリウム槽とを連通する第一の通路と、前記第一の通路を流れる液体ヘリウムの流量を調整する第一の流量調整弁と、を有することを特徴とするクライオスタット。
3. 請求項２において、前記第一の通路の出口側に、超流動ヘリウムの超流動成分のみを通過させるフィルターを有することを特徴とするクライオスタット。
4. 請求項1において、飽和超流動ヘリウムを発生し、前記第二の液体ヘリウム槽を冷却する冷却器と、前記第一の液体ヘリウム槽と前記冷却器とを連通する第二の通路と、前記第二の通路内を流れる液体ヘリウムの流量を調整する第二の流量調整弁と、を有することを特徴とするクライオスタット。
5. 請求項４において、前記断熱真空容器の外側に設置され、前記冷却器で発生する液体ヘリウム蒸気を外部へ排気する排気装置と、前記冷却器と前記排気装置とを連通する排気管と、を有することを特徴とするクライオスタット。
6. 請求項４において、前記冷却器と前記第一の通路に設置される熱交換器とを接続し、前記熱交換器は前記第一の通路を流れる液体ヘリウムと熱交換することにより、前記第一の通路を流れる液体ヘリウムを超流動状態にすることを特徴とするクライオスタット。
7. 請求項１において、前記断熱真空容器の外側に設置される逆止弁と、前記逆止弁と前記第三の液体ヘリウム槽とを連通する放出管と、を有することを特徴とするクライオスタット。
8. 断熱真空により内部への熱を遮断する断熱真空容器内に設置され、外部から供給された液体ヘリウムを貯留する第一の液体ヘリウム槽と、第一の液体ヘリウム槽から供給され、それより低温の液体ヘリウムを貯留する第二の液体ヘリウム槽と、前記第二の液体ヘリウム槽から安全弁を介して流れる液体ヘリウムを貯留する第三の液体ヘリウム槽と、前記第三の液体ヘリウム槽の蒸発ガスが前記断熱真空容器の外側に設置される逆止弁を通して、前記断熱真空容器の外部へ放出されることを特徴とするクライオスタット。

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