JP3906343B2 - 超流動ヘリウム発生装置の制御方法 - Google Patents

Description

【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３１，３２，３３，３４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４１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、Ｔjt 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２１，２２，２３，２４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 gas）、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 Subcooler”,J．M．Pfotenhauer p33,HTD-Vol.211,Heat Transfer 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 International Cryogenics Monograph Series:Herim Cryogenics」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Ｔjt 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 suction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Ｔｂ−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

Claims (1)

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。

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