JP2732538B2 - 極低温ヘリウム用流量調節バルブ - Google Patents
極低温ヘリウム用流量調節バルブInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は極低温ヘリウム用流量調節バルブに関する。
本明細書において、極低温とは10K（−263℃）以下の温
度をいう。
本明細書において、極低温とは10K（−263℃）以下の温
度をいう。
従来の技術 超臨界圧ヘリウムすなわち極低温ヘリウムを冷媒とす
る強制冷却型超伝導コイル装置においては、超伝導線と
一体化した複数の流路からなる並列型流路が配設され、
超伝導コイルを所定の極低温に維持すべく、流量を適切
に調節しながら流路の中にヘリウムを通す必要がある。
従来においては、ヘリウムの流量調節は通常の作動弁の
弁開度の変化によってなされていた。
る強制冷却型超伝導コイル装置においては、超伝導線と
一体化した複数の流路からなる並列型流路が配設され、
超伝導コイルを所定の極低温に維持すべく、流量を適切
に調節しながら流路の中にヘリウムを通す必要がある。
従来においては、ヘリウムの流量調節は通常の作動弁の
弁開度の変化によってなされていた。
しかし、かかる従来のヘリウム流量調節弁は、使用温
度条件に起因する様々な問題を避けるべく、構造が複雑
で、かつ設置占有空間が大きく、それによって装置自体
が複雑かつ大きなものとなっていた。
度条件に起因する様々な問題を避けるべく、構造が複雑
で、かつ設置占有空間が大きく、それによって装置自体
が複雑かつ大きなものとなっていた。
発明が解決しようとする課題 本発明は、かかる従来のヘリウム流量調節用作動弁に
おける問題点を解消した、極めて簡便なヘリウム用流量
調節バルブを提供することを目的とする。
おける問題点を解消した、極めて簡便なヘリウム用流量
調節バルブ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 上記目的を達成すべく、本発明のヘリウム用流量調節
バルブにおいて、極低温ヘリウムを流すための管の内部
に流量計の出力に応じてON、OFF自在になされた加熱ヒ
ーターが配設されている。
バルブにおいて、極低温ヘリウムを流すための管の内部
に流量計の出力に応じてON、OFF自在になされた加熱ヒ
ーターが配設されている。
本発明のバルブは、ヘリウムを流通させる管の内部に
配設されたヒーターによってヘリウムを加熱膨張させ、
これによって生じる加速圧損の大きさを調節することに
よってヘリウムの流量を調節するという考え方によるも
のである。すなわち本発明のバルブは、従来の流量調節
弁のように弁開度の変化のような形状因子の変更の度合
いによって流量調節を行うのではなく、冷媒であるヘリ
ウムを直接加熱することによってヘリウムの密度を変化
させて流量調節を行うものである。
配設されたヒーターによってヘリウムを加熱膨張させ、
これによって生じる加速圧損の大きさを調節することに
よってヘリウムの流量を調節するという考え方によるも
のである。すなわち本発明のバルブは、従来の流量調節
弁のように弁開度の変化のような形状因子の変更の度合
いによって流量調節を行うのではなく、冷媒であるヘリ
ウムを直接加熱することによってヘリウムの密度を変化
させて流量調節を行うものである。
次に、本発明において利用する加速圧損の原理につい
て簡単に説明する。第１図および第２図は、各々、本発
明の流量調節バルブのOFF状態およびON状態を示す概念
図である。図中、はヘリウムの質量流量（kg/s）、ρ
はヘリウム密度（kg/m3）、Ｐは圧力（Pa）、Ｔは温度
（Ｋ）、Ｌは流路の長さ（ｍ）を示す。また、サフィッ
クス１および２は各々流路内でのヘリウムの状態変化前
と変化後を表し、ONおよびOFFはバルブのON状態およびO
FF状態を表し、ａ、ｂ、ｃは流路内でのヒーターの前、
中、後の位置を表す。従って、Laはヘリウム流路の入口
から流量調節バルブの入口までの流路長を表し、Lbは流
量調節バルブの入口から出口までの流路長を表し、Lcは
流量調節バルブの出口から流路出口までの流路長を表
す。なお、複数の平行流路が１つの共通流路に併合する
ような流路系においては、Lcは流量調節バルブの出口か
ら共通流路の入口までの長さを表す。
て簡単に説明する。第１図および第２図は、各々、本発
明の流量調節バルブのOFF状態およびON状態を示す概念
図である。図中、はヘリウムの質量流量（kg/s）、ρ
はヘリウム密度（kg/m3）、Ｐは圧力（Pa）、Ｔは温度
（Ｋ）、Ｌは流路の長さ（ｍ）を示す。また、サフィッ
クス１および２は各々流路内でのヘリウムの状態変化前
と変化後を表し、ONおよびOFFはバルブのON状態およびO
FF状態を表し、ａ、ｂ、ｃは流路内でのヒーターの前、
中、後の位置を表す。従って、Laはヘリウム流路の入口
から流量調節バルブの入口までの流路長を表し、Lbは流
量調節バルブの入口から出口までの流路長を表し、Lcは
流量調節バルブの出口から流路出口までの流路長を表
す。なお、複数の平行流路が１つの共通流路に併合する
ような流路系においては、Lcは流量調節バルブの出口か
ら共通流路の入口までの長さを表す。
状態１と２との間において次の関係が成り立つ。
ρ１＞ρ2,P1＞P2,T1＜T2 Ｌ＝La＋Lb＋Lc さらに、状態１と２との圧力差は、摩擦圧損計数を
ｆ、質量流速をＧ（kg/m2・ｓ）、流路の直径をＤ
（ｍ）、流路の断面積をＳ（m2）とすると、バルブOFF
状態では、 で表すことができ、 バルブONの状態では、 と表され、ここで、 ρ１＞ρｂ（ｌ）＞ρ２→ｂ＝（ρ１＋ρ２）/2＝
const. と仮定すると、結局 と表される。
ｆ、質量流速をＧ（kg/m2・ｓ）、流路の直径をＤ
（ｍ）、流路の断面積をＳ（m2）とすると、バルブOFF
状態では、 で表すことができ、 バルブONの状態では、 と表され、ここで、 ρ１＞ρｂ（ｌ）＞ρ２→ｂ＝（ρ１＋ρ２）/2＝
const. と仮定すると、結局 と表される。
従って、ｆ＝fa＝fb＝fcとすれば、（１）および
（２）式より、 となる。（３）式が流量調節バルブによる流量変化を表
す。
（２）式より、 となる。（３）式が流量調節バルブによる流量変化を表
す。
また、加熱ヒーターにおける所要加熱量Ｑ（Ｗ）は、 Ｑ＝OFF｛h2（P2,T2）−h1（P1,T1）｝ ≒OFF［CPΔＴ＋｛（１−βT1）ΔP/ρ１｝］
（４） で与えられる。
（４） で与えられる。
ここで、ΔＴ＝T2−T1、ΔＰ＝P2−P1と表す。また、
式中、ｈはヘリウムのエンタルピー（J/kg）、CPはヘリ
ウムの定圧比熱（J/kg・Ｋ）、βはヘリウムの膨張係数
（1/K）を表す。
式中、ｈはヘリウムのエンタルピー（J/kg）、CPはヘリ
ウムの定圧比熱（J/kg・Ｋ）、βはヘリウムの膨張係数
（1/K）を表す。
第３図は、バルブのON状態とOFF状態におけるヘリウ
ムの状態変化を示すグラフである。
ムの状態変化を示すグラフである。
以上から明らかなように、所定の流量調節バルブの長
さと加熱ヒーターの長さに対して、加熱の程度を適宜調
節することによってヘリウムの流量を調節することがで
きる。実際的な流量制御としては、循環流路の一部に流
量計を配設し、流量計の出力を適当な制御装置（FIC（F
low indicating Controller））を介して加熱ヒーター
の電源に接続して、加熱ヒーターをヘリウムの流量に応
じてON/OFF制御することによって自動的に流量を調節す
ることができる。
さと加熱ヒーターの長さに対して、加熱の程度を適宜調
節することによってヘリウムの流量を調節することがで
きる。実際的な流量制御としては、循環流路の一部に流
量計を配設し、流量計の出力を適当な制御装置（FIC（F
low indicating Controller））を介して加熱ヒーター
の電源に接続して、加熱ヒーターをヘリウムの流量に応
じてON/OFF制御することによって自動的に流量を調節す
ることができる。
次に、本発明の流量調節バルブの実施例を図面を参照
して詳しく説明する。
して詳しく説明する。
実施例 第４図は、本発明のヘリウム用流量調節バルブの実施
例を示す。図中、１はヘリウムが中を流れる流路管であ
り、内径が1.775mm、外径が3.175mmのステンレス管によ
って構成されている。管の内部には加熱ヒーター２が1m
の長さにわたって配設されている。加熱ヒーター２は、
線径0.2mmのクロメル線（23Ω/m（室温））からなるコ
イルによって形成されている。流路管１から加熱ヒータ
ー２を取り出す場所は低温ハーメチックシールによって
シールされている。また、流路管１の外側は熱輻射シー
ルド４によって熱的に遮蔽されている。加熱ヒーター２
はヒーター電源に接続されていて、これから電流を供給
される。ヒーター電源には制御装置が接続されていて、
制御装置には流量計が接続されている。このように接続
することによって、流量計の出力に応じて加熱ヒーター
２を自在にON、OFFできるようになっている。
例を示す。図中、１はヘリウムが中を流れる流路管であ
り、内径が1.775mm、外径が3.175mmのステンレス管によ
って構成されている。管の内部には加熱ヒーター２が1m
の長さにわたって配設されている。加熱ヒーター２は、
線径0.2mmのクロメル線（23Ω/m（室温））からなるコ
イルによって形成されている。流路管１から加熱ヒータ
ー２を取り出す場所は低温ハーメチックシールによって
シールされている。また、流路管１の外側は熱輻射シー
ルド４によって熱的に遮蔽されている。加熱ヒーター２
はヒーター電源に接続されていて、これから電流を供給
される。ヒーター電源には制御装置が接続されていて、
制御装置には流量計が接続されている。このように接続
することによって、流量計の出力に応じて加熱ヒーター
２を自在にON、OFFできるようになっている。
このように構成された本発明の流量調節バルブを超伝
導コイル装置のヘリウム流通管の一部に配設すると、上
述した原理によってヘリウムの流量を適切かつ簡便に調
節することができる。ヒーターをヘリウム流路内に直接
設置しているので伝熱効率が大きく、少量の入力でヘリ
ウムの物性を変化させやすい。また、流路管壁への伝熱
量が少なく、無駄のない加熱が行われる。ヘリウム流路
内におけるヒーターの容積はわずかであるため、ヘリウ
ムに対するヒーターによる圧力損失はほぼ無視できる。
導コイル装置のヘリウム流通管の一部に配設すると、上
述した原理によってヘリウムの流量を適切かつ簡便に調
節することができる。ヒーターをヘリウム流路内に直接
設置しているので伝熱効率が大きく、少量の入力でヘリ
ウムの物性を変化させやすい。また、流路管壁への伝熱
量が少なく、無駄のない加熱が行われる。ヘリウム流路
内におけるヒーターの容積はわずかであるため、ヘリウ
ムに対するヒーターによる圧力損失はほぼ無視できる。
第５図に、本発明の流量調節バルブと流路の構成を便
宜上簡略化して示す。図中、T1とT2は温度計測部、P1〜
P3は圧力計測部、ΔＰは差圧による流量計測部を表す。
宜上簡略化して示す。図中、T1とT2は温度計測部、P1〜
P3は圧力計測部、ΔＰは差圧による流量計測部を表す。
また、第６図はバルブの応答特性を示すグラフであ
り、約15秒で流量調節が完了できることがわかる。
り、約15秒で流量調節が完了できることがわかる。
第７図は本発明の流量調節バルブを有する強制循環型
超伝導コイル装置の構成例を示すブロック図である。超
伝導コイル装置は３つのヘリウム流路一体型超伝導体か
らなり、従って、３つの超伝導コイル３は各々別個の流
路７内に配設され、これらの流路が合流して装置全体の
循環流路をなしている。循環流路内には冷媒としての超
臨界圧ヘリウムが還流される。各流路７の一部には本発
明のヘリウム用流量調節バルブ５および流量計６が配設
されている。流量調節バルブ５の加熱ヒーターの電源は
前記FICを介して流量計６の出力に接続され、流量調節
バルブ５の加熱ヒーターが流量計の出力に応じてON/OFF
制御される。この結果、流量調節バルブ５の上流と下流
との間に圧力損失が起こり、超伝導コイル３に供給され
る超臨界圧ヘリウムの流量が調節される。
超伝導コイル装置の構成例を示すブロック図である。超
伝導コイル装置は３つのヘリウム流路一体型超伝導体か
らなり、従って、３つの超伝導コイル３は各々別個の流
路７内に配設され、これらの流路が合流して装置全体の
循環流路をなしている。循環流路内には冷媒としての超
臨界圧ヘリウムが還流される。各流路７の一部には本発
明のヘリウム用流量調節バルブ５および流量計６が配設
されている。流量調節バルブ５の加熱ヒーターの電源は
前記FICを介して流量計６の出力に接続され、流量調節
バルブ５の加熱ヒーターが流量計の出力に応じてON/OFF
制御される。この結果、流量調節バルブ５の上流と下流
との間に圧力損失が起こり、超伝導コイル３に供給され
る超臨界圧ヘリウムの流量が調節される。
発明の効果 以上説明したように、本発明によるヘリウム用流量調
節バルブは、極低温ヘリウムを流すための管の内部に流
量計の出力に応じてON、OFF自在になされた加熱ヒータ
ーを配設した構成を有するので、構造が極めて簡単であ
り、システムの設計、施工上の自由度が大きく、利用価
値が極めて大きい。
節バルブは、極低温ヘリウムを流すための管の内部に流
量計の出力に応じてON、OFF自在になされた加熱ヒータ
ーを配設した構成を有するので、構造が極めて簡単であ
り、システムの設計、施工上の自由度が大きく、利用価
値が極めて大きい。
第１図および第２図は本発明の流量調節バルブのOFF状
態とON状態を各々簡略的に示す概念図であり、 第３図は本発明の流量調節バルブ内でのヘリウムの状態
変化を示すグラフであり、 第４図は本発明の流量調節バルブの実施例を示す断面図
であり、 第５図は第４図に示す本発明の流量調節バルブと流路の
構成を簡略的に示す概念図であり、 第６図は本発明の流量調節バルブの応答特性を示すグラ
フであり、 第７図は本発明の流量調節バルブを有する強制循環型超
伝導コイル装置の構成例を示すブロック図である。
態とON状態を各々簡略的に示す概念図であり、 第３図は本発明の流量調節バルブ内でのヘリウムの状態
変化を示すグラフであり、 第４図は本発明の流量調節バルブの実施例を示す断面図
であり、 第５図は第４図に示す本発明の流量調節バルブと流路の
構成を簡略的に示す概念図であり、 第６図は本発明の流量調節バルブの応答特性を示すグラ
フであり、 第７図は本発明の流量調節バルブを有する強制循環型超
伝導コイル装置の構成例を示すブロック図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 多田 栄介 茨城県那珂郡那珂町向山字中原801番地 の１ 日本原子力研究所那珂研究所内 (72)発明者 島本 進 茨城県那珂郡那珂町向山字中原801番地 の１ 日本原子力研究所那珂研究所内 (72)発明者 中川 茂友 兵庫県神戸市中央区東川崎町３丁目１番 １号 川崎重工業株式会社神戸工場内 (72)発明者 岩田 章 兵庫県神戸市中央区東川崎町３丁目１番 １号 川崎重工業株式会社神戸工場内 (72)発明者 吉和 雅雄 兵庫県神戸市中央区東川崎町３丁目１番 １号 川崎重工業株式会社神戸工場内 (56)参考文献 特開 昭63−220048（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−102226（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−65318（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−121660（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−72927（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項１】超伝導コイルを冷却する冷媒としての極低
温ヘリウムを流すための管の内部に流量計の出力に応じ
てON、OFF自在になされた加熱ヒーターが配設されてな
る、極低温ヘリウム用流量調節バルブ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1222269A JP2732538B2 (ja) | 1989-08-29 | 1989-08-29 | 極低温ヘリウム用流量調節バルブ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1222269A JP2732538B2 (ja) | 1989-08-29 | 1989-08-29 | 極低温ヘリウム用流量調節バルブ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0384606A JPH0384606A (ja) | 1991-04-10 |
| JP2732538B2 true JP2732538B2 (ja) | 1998-03-30 |
Family
ID=16779739
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1222269A Expired - Lifetime JP2732538B2 (ja) | 1989-08-29 | 1989-08-29 | 極低温ヘリウム用流量調節バルブ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2732538B2 (ja) |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5917320B2 (ja) * | 1975-03-06 | 1984-04-20 | 住友電気工業株式会社 | 流量調節装置 |
| JPS5965318A (ja) * | 1982-10-05 | 1984-04-13 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | 液体金属ナトリウムの流量制御方法 |
| JPS6472927A (en) * | 1987-09-11 | 1989-03-17 | Hoya Corp | Flow controller for molten glass |
-
1989
- 1989-08-29 JP JP1222269A patent/JP2732538B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0384606A (ja) | 1991-04-10 |
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