JP2019004028A - クライオスタット - Google Patents

Abstract

【課題】液体ヘリウムへの侵入熱を過度に低減しなくても、液体ヘリウムの蒸発を抑制することができるクライオスタットを提供する。【解決手段】クライオスタットは、液体ヘリウムを収容する液体ヘリウム槽と、液体ヘリウム槽を保冷しながら収容する保冷容器と、液体ヘリウム槽に接続されて、液体ヘリウム槽内を減圧することにより、液体ヘリウムの温度を大気圧下での温度よりも低くする減圧装置とを備え、減圧装置は、液体ヘリウム槽に接続された配管と、配管に接続されて、液体ヘリウム槽内を減圧する真空ポンプと、液体ヘリウム槽内の圧力を検出する圧力センサと、圧力センサによって検出された液体ヘリウム槽内の圧力に基づいて、真空ポンプによる減圧動作を制御することにより、液体ヘリウムの温度を２．５〜３．０Ｋに維持する制御装置とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、液体ヘリウムを収容するクライオスタットに関し、詳しくは、開放型のクライオスタットが収容する液体ヘリウムの蒸発を抑制する技術に関する。

液体ヘリウムを収容するクライオスタットとして、蒸発した液体ヘリウムを再利用しない開放型のクライオスタットが知られている。このようなクライオスタットは、例えば、液体ヘリウムを収容する液体ヘリウム槽と、液体ヘリウム槽を囲むように配置された輻射シールドと、液体ヘリウム槽及び輻射シールドを収容する真空断熱槽とを備える。

クライオスタットが収容する液体ヘリウムは、僅かな侵入熱でも蒸発する。そこで、上記開放型のクライオスタットでは、液体ヘリウムの蒸発を抑制するために、様々な工夫が施されている。

例えば、下記特許文献１に記載のクライオスタットでは、輻射シールドとして、液体窒素で冷却される第１輻射シールドと、液体ヘリウムが蒸発することによって生成されるヘリウムガスで冷却される第２輻射シールドとを備えている。

また、下記特許文献２に記載の極低温容器では、冷凍機を用いて輻射シールドを冷却している。

特開平１−２０５５７６号公報 特開２００８−９１８０２号公報

特許文献１及び特許文献２では、液体ヘリウムの蒸発を抑制するために、液体ヘリウムへの侵入熱を低減している。そのため、複雑な構造の輻射シールドが必要になったり、輻射シールドを冷却するための冷凍機が別途必要になるという問題がある。

本発明の目的は、液体ヘリウムへの侵入熱を過度に低減しなくても、液体ヘリウムの蒸発を抑制することができるクライオスタットを提供することである。

本願の発明者は、上記の目的を達成するために、熱侵入の抑制以外に液体ヘリウムの蒸発量を低減する方策として、液体ヘリウムの蒸発潜熱が温度によって著しく変化する点に着目した。具体的には、液体ヘリウムの蒸発潜熱は、液体ヘリウムの温度が２．５〜３．０Ｋであるときに、略最大値となるので、この範囲に液体ヘリウムの温度を制御することにより、液体ヘリウムの蒸発を効果的に抑制することができる。本発明は、このような知見に基づいて完成されたものである。

本発明によるクライオスタットは、液体ヘリウムを収容する液体ヘリウム槽と、前記液体ヘリウム槽を保冷しながら収容する保冷容器と、前記液体ヘリウム槽に接続されて、前記液体ヘリウム槽内を減圧することにより、前記液体ヘリウムの温度を大気圧下での温度よりも低くする減圧装置とを備え、前記減圧装置は、前記液体ヘリウム槽に接続された配管と、前記配管に接続されて、前記液体ヘリウム槽内を減圧する真空ポンプと、前記液体ヘリウム槽内の圧力を検出する圧力センサと、前記圧力センサによって検出された前記液体ヘリウム槽内の圧力に基づいて、前記真空ポンプによる減圧動作を制御することにより、前記液体ヘリウムの温度を２．５〜３．０Ｋに維持する制御装置とを備える。

上記クライオスタットでは、液体ヘリウムの温度を２．５〜３．０Ｋに維持するので、液体ヘリウムの蒸発潜熱を大きくすることができる。そのため、液体ヘリウムへの侵入熱を過度に低減しなくても、液体ヘリウムの蒸発を抑制することができる。

上記クライオスタットにおいて、好ましくは、前記圧力センサは、前記配管の途中に設けられて、前記配管内の圧力を検出することにより、前記液体ヘリウム槽内の圧力を検出する。

この場合、圧力センサを容易に配置することができる。

本発明によるクライオスタットによれば、液体ヘリウムへの侵入熱を過度に低減しなくても、液体ヘリウムの蒸発を抑制することができる。

本発明の実施の形態によるクライオスタットの概略構成を示す模式図である。 制御装置の概略構成を示すブロック図である。 制御装置が実行する減圧制御を示すフローチャートである。 ヘリウムの飽和蒸気圧での蒸発潜熱の温度依存性を示すグラフである。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳述する。

図１を参照しながら、本発明の実施の形態によるクライオスタット１０について説明する。図１は、クライオスタット１０の概略構成を示す模式図である。

クライオスタット１０は、保冷容器としての真空容器１１及び液体窒素槽１４と、液体ヘリウム槽１２と、減圧装置２０とを備える。以下、これらについて説明する。

真空容器１１は、液体ヘリウム槽１２及び液体窒素槽１４を収容する。

液体ヘリウム槽１２は、液体ヘリウム１６を収容する。液体ヘリウム槽１２は、真空断熱層によって囲まれている。

液体ヘリウム槽１２は、冷却対象３０を収容する。冷却対象３０は、液体ヘリウム１６に浸漬されて、液体ヘリウム１６によって冷却されるものであれば、特に限定されない。冷却対象３０は、例えば、超電導コイルである。

液体ヘリウム槽１２は、首管１２１を有する。首管１２１の一端は、液体ヘリウム槽１２に接続されている。首管１２１の他端は、真空容器１１の外側に位置している。液体ヘリウム槽１２への液体ヘリウムの補充は、首管１２１を介して行われる。

首管１２１には、バルブ１２２が設けられており、必要に応じて開閉される。バルブ１２２は、少なくとも減圧装置２０による減圧制御が行われているときに閉じられる。

液体窒素槽１４は、液体ヘリウム槽１２を保冷するように、液体ヘリウム槽１２を囲んでいる。液体窒素槽１４は、液体窒素１８を収容し、当該液体窒素１８の冷熱を利用して保冷する。液体窒素槽１４は、真空断熱層によって囲まれている。

液体窒素槽１４は、首管１４１を有する。首管１４１の一端は、液体窒素槽１４に接続されている。首管１４１の他端は、真空容器１１の外側に位置する。これにより、液体窒素槽１４の内部空間が真空容器１１の外側の空間に繋がっている。液体窒素槽１４内への液体窒素の補充は、例えば、首管１４１を介して行われる。

減圧装置２０は、液体ヘリウム槽１２に接続されている。減圧装置２０は、液体ヘリウム槽１２内を減圧することにより、液体ヘリウム１６の温度を大気圧下での温度よりも低くする。

減圧装置２０は、配管２１と、真空ポンプ２２と、圧力センサ２３と、バルブ２４と、制御装置２５とを備える。以下、これらについて説明する。

配管２１は、液体ヘリウム槽１２内のヘリウム等を排出する。配管２１は、液体ヘリウム槽１２が有する首管１２１に接続されている。配管２１の首管１２１への接続位置は、バルブ１２２よりも液体ヘリウム槽１２に近い。

配管２１の途中には、バルブ２１１が設けられており、必要に応じて開閉される。バルブ２１１は、少なくとも真空ポンプ２２による減圧動作が行われているときに開かれる。

真空ポンプ２２は、液体ヘリウム槽１２内のヘリウムガス等を排出する。真空ポンプ２２は、例えば、ロータリーポンプである。真空ポンプ２２は、配管２１に接続されている。真空ポンプ２２は、配管２１及び首管１２１を通じて、液体ヘリウム槽１２内のヘリウムガス等を吸引し、系外へ排出する。これにより、液体ヘリウム槽１２内が減圧される。なお、真空ポンプ２２が排出するヘリウムガスは、液体ヘリウム１６が蒸発することで生成されたものである。

圧力センサ２３は、配管２１内の圧力を検出する。圧力センサ２３は、配管２１の途中に設けられている。圧力センサ２３は、真空ポンプ２２よりも首管１２１の近くに位置している。圧力センサ２３は、検出した圧力に関する信号（圧力信号）を制御装置２５に出力する。圧力センサ２３は、大気圧よりも低い圧力を検出することができるものであれば、特に限定されない。

バルブ２４は、真空ポンプ２２によって排出されるヘリウムガス等の流量を調整する。バルブ２４は、配管２１の途中に設けられている。バルブ２４は、圧力センサ２３と真空ポンプ２２との間に位置している。バルブ２４の開度は、制御装置２５によって調整される。

制御装置２５は、圧力センサ２３によって検出された配管２１内の圧力に基づいて、真空ポンプ２２による減圧動作を制御する。これにより、液体ヘリウム槽１２が収容する液体ヘリウム１６の温度を２．５〜３．０Ｋに維持する。

図２を参照しながら、制御装置２５について説明する。図２は、制御装置２５の概略構成を示すブロック図である。

制御装置２５は、圧力判定部２５１と、減圧制御部２５２とを備える。以下、これらについて説明する。

圧力判定部２５１は、圧力センサ２３によって検出された圧力が所定の範囲内にあるか否かを判定する。ここで、所定の範囲とは、液体ヘリウム槽１２に収容されている液体ヘリウム１６の温度が２．５〜３．０Ｋであるときの圧力の範囲である。

減圧制御部２５２は、圧力判定部２５１による判定結果に応じて、バルブ２４及び真空ポンプ２２の少なくとも一方の動作を制御する。

具体的には、圧力センサ２３によって検出された圧力が所定の範囲外にある場合には、当該所定の範囲内の圧力になるように、バルブ２４及び真空ポンプ２２の少なくとも一方の動作を制御する。

一方、圧力センサ２３によって検出された圧力が所定の範囲内にある場合には、当該所定の範囲内の圧力を維持するように、バルブ２４及び真空ポンプ２２の少なくとも一方の動作を制御する。

上記のように、バルブ２４及び真空ポンプ２２の少なくとも一方の動作を制御し、圧力センサ２３によって検出される圧力が所定の範囲内にあるようにすれば、液体ヘリウム槽１２に収容されている液体ヘリウム１６の温度を２．５〜３．０Ｋの範囲内に維持することができる。

図３を参照しながら、制御装置２５が実行する減圧制御について説明する。図３は、制御装置２５が実行する減圧制御を示すフローチャートである。

先ず、制御装置２５は、ステップＳ１１において、圧力センサ２３によって検出された圧力が所定の範囲内にあるか否かを判定する。

圧力センサ２３によって検出された圧力が所定の範囲内にない場合（ステップＳ１１：ＮＯ）、制御装置２５は、ステップＳ１２において、減圧変動制御を実行する。減圧変動制御は、バルブ２４及び真空ポンプ２２の少なくとも一方の動作を制御して、上記所定の範囲内の圧力になるように、圧力を変動させる。その後、制御装置２５は、減圧制御を終了する。

圧力センサ２３によって検出された圧力が所定の範囲内にある場合（ステップＳ１１：ＹＥＳ）、制御装置２５は、ステップＳ１３において、減圧維持制御を実行する。減圧維持制御は、上記所定の範囲内の圧力を維持するように、バルブ２４及び真空ポンプ２２の少なくとも一方の動作を制御する。その後、制御装置２５は、減圧制御を終了する。

このようなクライオスタット１０においては、液体ヘリウム槽１２内を減圧して、液体ヘリウム槽１２が収容する液体ヘリウム１６の温度を２．５〜３．０Ｋに維持することにより、液体ヘリウム１６の蒸発を抑制することができる。

図４及び表１を参照しながら、液体ヘリウム槽１２が収容する液体ヘリウム１６の温度を２．５〜３．０Ｋの範囲内に維持することで、液体ヘリウム槽１２が収容する液体ヘリウム１６の蒸発を抑制することができる理由について説明する。

図４は、飽和状態における液体ヘリウム１６の温度と蒸発潜熱との関係を示すグラフである。表１には、液体ヘリウム１６の温度と、当該温度での蒸発潜熱及び入熱量とを示す。なお、表１では、各温度での入熱量を、温度が４．２Ｋのときの入熱量を１としたときの比率（熱量比）で示している。また、表１では、各温度での潜熱比も示している。潜熱比は、温度が４．２Ｋのときの蒸発潜熱を１としたときの比率である。

液体ヘリウム１６の蒸発潜熱は、大気圧下の飽和蒸気圧温度（４．２Ｋ）において、２５７７ｋＪ／ｍ３である。液体ヘリウム１６の蒸発潜熱は、４．２Ｋよりも低い温度では、温度が４．２Ｋのときの蒸発潜よりも大きい。つまり、液体ヘリウム１６の蒸発潜熱は、温度が２．５〜３．０Ｋの範囲内にあるときには、温度が４．２Ｋのときよりも大きい。液体ヘリウム１６の蒸発潜熱は、温度が２．７Ｋのときに、最も大きくなる。温度が２．７Ｋのときの蒸発潜熱は、３２８４ｋＪ／ｍ３である。

ここで、液体ヘリウム１６の温度が下がると、液体ヘリウム１６への入熱量が大きくなる。そのため、温度が２．５〜３．０Ｋの範囲内にあるときに、温度が４．２Ｋのときよりも、液体ヘリウム１６の蒸発量を少なくすることができるか否かは、液体ヘリウム１６への入熱量も考慮する必要がある。

表１に示すように、液体ヘリウム１６の温度が２．５〜３．０Ｋの範囲内にあるとき、輻射による入熱量比は、伝熱による入熱量比よりも小さい。また、輻射による入熱量比は、伝熱による入熱量比と比べて、液体ヘリウム１６の温度が変化しても、変化し難い。加えて、液体ヘリウム１６への入熱は、輻射による入熱のほうが、伝熱による入熱よりも支配的である。これらのことから明らかなように、液体ヘリウム１６への入熱量は、液体ヘリウム１６の温度が２．５〜３．０Ｋの範囲内にあるとしても、液体ヘリウム１６の温度が４．２Ｋであるときと比べて、大きく変化することはない。これに対して、液体ヘリウム１６の温度が２．５〜３．０Ｋの範囲内にあるとき、液体ヘリウム１６の蒸発潜熱は、温度が４．２Ｋのときよりも大きくなる。
したがって、液体ヘリウム１６の温度を２．５〜３．０Ｋにすれば、液体ヘリウム１６の蒸発を抑制することができる。

以上、本発明の実施の形態について詳述してきたが、これらはあくまでも例示であって、本発明は、上述の実施の形態の記載によって、何等、限定的に解釈されるものではない。

本発明において、保冷容器は、液体ヘリウム槽を保冷しながら収容するものであれば、特に限定されない。保冷容器は、例えば、液体ヘリウム槽を囲む輻射シールドを含んでいてもよい。

１０ クライオスタット
１２ 液体ヘリウム槽
１４ 液体窒素槽
２０ 減圧装置
２１ 配管
２２ 真空ポンプ
２３ 圧力センサ
２５ 制御装置

Claims (2)

1. 液体ヘリウムを収容する液体ヘリウム槽と、
   前記液体ヘリウム槽を保冷しながら収容する保冷容器と、
   前記液体ヘリウム槽に接続されて、前記液体ヘリウム槽内を減圧することにより、前記液体ヘリウムの温度を大気圧下での温度よりも低くする減圧装置とを備え、
   前記減圧装置は、
   前記液体ヘリウム槽に接続された配管と、
   前記配管に接続されて、前記液体ヘリウム槽内を減圧する真空ポンプと、
   前記液体ヘリウム槽内の圧力を検出する圧力センサと、
   前記圧力センサによって検出された前記液体ヘリウム槽内の圧力に基づいて、前記真空ポンプによる減圧動作を制御することにより、前記液体ヘリウムの温度を２．５〜３．０Ｋに維持する制御装置とを備える、クライオスタット。
2. 請求項１に記載のクライオスタットであって、
   前記圧力センサは、前記配管の途中に設けられて、前記配管内の圧力を検出することにより、前記液体ヘリウム槽内の圧力を検出する、クライオスタット。

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