JP4074049B2 - 極低温冷却装置 - Google Patents
極低温冷却装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP4074049B2 JP4074049B2 JP2000216273A JP2000216273A JP4074049B2 JP 4074049 B2 JP4074049 B2 JP 4074049B2 JP 2000216273 A JP2000216273 A JP 2000216273A JP 2000216273 A JP2000216273 A JP 2000216273A JP 4074049 B2 JP4074049 B2 JP 4074049B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- container
- cooling
- helium
- liquid helium
- pipe
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、超電導機器を2K程度の超流動ヘリウム温度まで冷却する極低温冷却装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
超電導機器の開発は高温超電導材料の発見により注目を集め、積極的に取り組まれるようになっている。
【0003】
ところで、現時点で工業的に使われている超電導機器は、NbTi、Nb3Sn等の金属系超電導材料を用いたものが主流であり、その材料特性からNbTiは比較的低コストで低磁界の超電導コイルとして、Nb3Snは高価ではあるが高磁界のコイルとして使い分けられている。
【0004】
ところが、NbTiコイルでも2K程度の超流動ヘリウム温度に冷却することで高磁界を発生することが可能であり、特に大型の高磁界コイルでは2K冷却によるコスト増よりもNb3SnコイルからNbTiコイルに変えることによるコスト減が大きいとする考えが出てきている。また加速器に用いられる超電導空洞についても高周波による空洞表面での発熱が4K冷却から2K冷却に下げることで1/10に低減できることから2K冷却の方が全コストを低減できるとの考えもある。
【0005】
このような超電導機器の低コスト化の要請から2K冷却が特に大型機器で注目されて来ている。またこれとは別に超流動ヘリウム(特に加圧超流動ヘリウム)の優れた熱伝達特性から安定性が増すことも知られており、超流動ヘリウムによる2K冷却の開発も進められている。
【0006】
従来、2K冷却システムとして、「超伝導・低温工学ハンドブック」(株式会社 オーム社 平成5年11月30日第1版発行)のp222以下に記述されているものが知られている。図8は、超電導コイルの冷却に用いられる加圧超流動ヘリウムを用いた2K冷却装置の一例を示すものである。この場合、超電導コイル1を納めた第一の容器2は、配管4により第二の容器3に接続されている。この第二の容器3はコミュニケーションチャンネル6を介して4Kの液体ヘリウムの入った第三の容器5に接続されている。コミュニケーションチャンネル6中では、上下の容器の圧力は同じになるが温度は同じにならない程度の微量の液体ヘリウムが流れるようになっている。また第二の容器3には、2K熱交換器8を介して第四の容器7が接続されている。この第四の容器7には、JT弁10よび減圧配管11を有するJT熱交換器9が設けられている。
【0007】
このような構成において、第四の容器7内部の液体ヘリウムは、減圧することにより2Kの飽和超流動ヘリウムになっており、これにより第二の容器3中の液体ヘリウムは2K、1気圧の加圧超流動ヘリウムになる。この加圧超流動ヘリウムは熱の良導体であり、超電導コイル1で発生した熱は、加圧超流動ヘリウムの熱伝導によって第一の容器2から第二の容器3に運ばれ冷却されるようになる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のような加圧超流動ヘリウムを用いた極低温冷却装置は、実際に運転されるまでに予冷により装置自身を所定の温度まで冷却しておく必要がある。このため、このような冷却装置では、4Kまで冷却する時には液体ヘリウムを注液して冷却し、4Kから2Kまでは常流動の液体ヘリウムの伝導で冷却するようにしているが、冷却初期には注液した液体ヘリウムが激しく蒸発するため、第一の容器2側で発生するガスにより液体ヘリウムが入りづらく、また2Kへの冷却では常流動の液体ヘリウムの熱伝導率が超流動ヘリウムの10−6以下であるため冷却速度が遅く、予冷のための時間がかかるという問題があった。
【0009】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、予冷時間を大幅に短縮できる極低温冷却装置を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の発明は、被冷却体を収容した第一の容器と加圧超流動ヘリウムが生成される第二および第五の容器との間をおのおの配管により接続するともに、前記第二および第五の容器は、加圧手段として液体ヘリウムを供給する配管を有する液体ヘリウムを収容した第三および第六の容器が設けられ、前記液体ヘリウムを供給する液体ヘリウム供給配管に、予冷の際に閉じられるバルブを設け、冷却手段として液体ヘリウムを収容した第四の容器と該第四の容器内部を減圧させる減圧手段が設けられ、前記第一の容器、第二および第五の容器および配管を前記超流動ヘリウムで満たすことで前記被冷却体を冷却する極低温冷却装置であって、前記配管は、予冷時に、配管を通して前記第五の容器から前記第一の容器に液体ヘリウムを送るとともに、他の配管を通して前記第一の容器から前記第二の容器に蒸発ヘリウムガスを送り、この第二の容器から第三の容器のガス配管を介して放出することを特徴としている。
【0014】
この結果、本発明によれば、複数の配管を設けることにより、液体ヘリウムの自然循環系を構成することができ、予冷のための冷却を効率よく行うことができる。
【0015】
また、本発明によれば、第二の容器の内部を減圧して飽和超流動ヘリウムを発生させることにより、さらに効率のよい冷却を行うことができる。
【0016】
さらに、本発明によれば、第二の容器の機能を有する容器を複数個設設け、液体ヘリウムを加圧液送できるので、安定して液体ヘリウムを流すことができ、予冷のための冷却を効率よく行うことができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。
【0018】
(第1の実施の形態)
図1は、本発明を適用した極低温冷却装置の概略構成を示している。図において、11は、被冷却体である超電導コイルで、この超電導コイル11は、第一の容器12に収められている。この第一の容器12は、2本の配管14a、14bにより第二の容器13に接続されている。これら2本の配管14a、14bは、予冷時に液体ヘリウムの自然循環路を構成するものである。
【0019】
第二の容器13にはコミュニケーションチャンネル16を介して加圧手段として4Kの液体ヘリウムの入った第三の容器15が接続されている。第三の容器15には、液体ヘリウム供給配管22とガス配管23が設けられ、その内部には、常に所定圧力の液体ヘリウムが供給されている。また、コミュニケーションチャンネル16中には、第二の容器13と第三の容器15の内部圧力は同じになるが温度は同じにならない程度の微量の液体ヘリウムが流れるようになっている。
【0020】
第二の容器13には、2K熱交換器18を介して冷却手段として第四の容器17が接続されている。この第四の容器17には、JT弁20および減圧配管21を有するJT熱交換器19が設けられている。
【0021】
このような構成にれば、第一の容器12と第二の容器13の間を2本の配管14a、14bにより接続したので、装置全体を所定の温度まで予め冷却する予冷時には、図2に示すような液体ヘリウムの自然循環系を構成することができる。つまり、この場合、第二の容器13の液体ヘリウムが一方の配管14bを通して第一の容器12に送られ、超電導コイル11を冷却して蒸発し、その後、もう一方の配管14aを通してから蒸発ヘリウムガスが第二の容器13に戻ることにより超電導コイル11を冷却する。
【0022】
このようにすると、従来では、配管が一本であるため超電導コイルの冷却時に発生するガスにより液体ヘリウムが超電導コイル側に流れにくく、予冷に時間がかかっていたが、この第1の実施の形態の構成では、液体ヘリウムと蒸発ヘリウムガスが、それぞれ独立の配管14a、14bを流れるため、これらの流れがスムーズになり、予冷のための冷却を効率よく行うことができ、冷却時間を大幅に短縮することができる。
【0023】
そして、このような予冷の後、通常運転になって、図1に示すように第四の容器17内部の液体ヘリウムをJT熱交換器19を介して減圧し2Kの飽和超流動ヘリウムにすると、2K熱交換器18を介して第二の容器13中の液体ヘリウムは、2K、1気圧の加圧超流動ヘリウムとなり、この加圧超流動ヘリウムが配管14a、14bを介して第一の容器2に送られる。この場合の加圧超流動ヘリウムは熱の良導体であり、超電導コイル11で発生した熱は、加圧超流動ヘリウムの熱伝導によって第一の容器12から第二の容器13まで運ばれて冷却されるようになる。
【0024】
(第2の実施の形態)
図3は、本発明の第2の実施の形態の概略構成を示すもので、図1と同一部分には、同符号を付している。
【0025】
この場合、第三の容器15の液体ヘリウム供給配管22に、バルブ22aを設け、予冷の際に、このバルブ22aを閉じることで、第三の容器15を介して第二の容器13内部を減圧状態にして飽和超流動ヘリウムを発生させるようにしている。勿論、通常運転時にバルブ22aを開けた場合には、第二の容器13内部に加圧超流動ヘリウムを発生させることができる。
【0026】
なお、23aは、ガス配管23用のバルブである。
【0027】
このようにすれば、第1の実施の形態では、第二の容器13中の液体ヘリウムにより2Kの予冷しかできなかったが、予冷の際に、バルブ22aを閉じ液体ヘリウムの供給を断って第二の容器13の内部を減圧状態にして飽和超流動ヘリウムを発生させることにより、2K近くまで冷却することが可能になり、予冷時間をさらに短縮することができる。
【0028】
(第3の実施の形態)
図4は、本発明の第3の実施の形態の概略構成を示すもので、図3と同一部分には、同符号を付している。
【0029】
この場合、第三の容器15のガス配管23と第四の容器17の減圧配管21との間をバルブ25を介して接続し、第三の容器15内部を積極的に減圧することを可能にしている。
【0030】
このようにすれば、第三の容器15および第二の容器13内部を積極的に減圧状態にできるので、2Kまでの冷却が熱交換器18を介して第四の容器17からの冷却であったものが、直接蒸発潜熱によっても冷却されるため予冷時間をさらに短縮することができる。
【0031】
(第4の実施の形態)
ところで、上述した第1乃至第3の実施の形態では、配管14a、14bが直管である場合を述べたが、実際は、図5(a)に示すように配管14a、14bの途中に曲がり部14a1、14b1ができる場合があり、この場合には図5(b)に示すように液体ヘリウムが流れる配管14bの途中にガス溜まり14b2ができて液体ヘリウムの流れが阻害されることがあり、液体ヘリウムの自然循環系を構成するのが難しくなる。
【0032】
図6は、本発明の第4の実施の形態の概略構成を示すもので、図1と同一部分には、同符号を付している。
【0033】
この場合、第一の容器12には、配管14aを介して第二の容器13が接続され、この第二の容器13にはコミュニケーションチャンネル16を介して4Kの液体ヘリウムの入った第三の容器15が接続されている。この第三の容器15には、ガス配管23が設けられている。
【0034】
また、第一の容器12には、配管14bを介して第五の容器25が接続され、この第五の容器25にはコミュニケーションチャンネル26を介して4Kの液体ヘリウムの入った第六の容器27が接続されている。この第六の容器27には、液体ヘリウム供給配管22が設けられている。また、第五の容器25には、2K熱交換器181を介して第四の容器17が接続されている。つまり、ここでの第五の容器25、コミュニケーションチャンネル26および第六の容器27からなる構成は、第二の容器13、コミュニケーションチャンネル16および第三の容器15からなるの構成と全く同じになっている。
【0035】
このような構成によれば、超電導コイル11の予冷時には、図7に示すように第五の容器25からの液体ヘリウムが配管14bを通って第一の容器12に送り込まれ、超電導コイル11を冷却して蒸発し、今度は、蒸発ヘリウムガスとして、もう一方の配管14aを通して第二の容器13に戻り、第三の容器15のガス配管23を介して放出することにより液体ヘリウムを強制的に流すことができ、仮に、図5(a)に示すように配管14a、14bの途中に曲がり部14a1、14b1が存在していても、安定して液体ヘリウムを流すことができ、予冷のための冷却を効率よく行うことができる。
【0036】
また、このような予冷の後、超電導コイル11からの発熱を冷却する場合は、第四の容器17内部の液体ヘリウムを2Kの飽和超流動ヘリウムにすると、2K熱交換器18、181を介して第二の容器13および第五の容器25中の液体ヘリウムは、2K、1気圧の加圧超流動ヘリウムとなり、これらの加圧超流動ヘリウムが配管14a、14bを介して第一の容器12に送られる。これにより、超電導コイル11で発生した熱は、加圧超流動ヘリウムの熱伝導によって第一の容器12から第二の容器13および第五の容器25に運ばれて冷却されるようになり、加圧超流動ヘリウムの良好な冷却特性を損なうことなく、超電導コイル11の発熱を冷却することができる。
【0037】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、加圧超流動ヘリウムの良好な冷却特性を損なうことなく予冷時間を短縮することができる極低温冷却装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態の概略構成を示す図。
【図2】第1の実施の形態を説明するための図。
【図3】本発明の第2の実施の形態の概略構成を示す図。
【図4】本発明の第2の実施の形態の概略構成を示す図。
【図5】配管の曲がりが及ぼす影響を説明するための図。
【図6】本発明の第4の実施の形態の概略構成を示す図。
【図7】第4の実施の形態を説明するための図。
【図8】従来の極低温冷却装置の一例の概略構成を示す図。
【符号の説明】
11…超電導コイル
12…第一の容器
13…第二の容器
14a、14b…配管
14a1、14b1…曲がり部
14b2…ガス溜まり
15…第三の容器
16…コミュニケーションチャンネル
17…第四の容器
18、181…2K熱交換器
19…JT熱交換器
20…JT弁
21…減圧配管
22…液体ヘリウム供給配管
23…ガス配管
25…第五の容器
26…コミュニケーションチャンネル
27…第五の容器
Claims (1)
- 被冷却体を収容した第一の容器と加圧超流動ヘリウムが生成される第二および第五の容器との間をおのおの配管により接続するともに、前記第二および第五の容器は、加圧手段として液体ヘリウムを供給する配管を有する液体ヘリウムを収容した第三および第六の容器が設けられ、前記液体ヘリウムを供給する液体ヘリウム供給配管に、予冷の際に閉じられるバルブを設け、冷却手段として液体ヘリウムを収容した第四の容器と該第四の容器内部を減圧させる減圧手段が設けられ、前記第一の容器、第二および第五の容器および配管を前記超流動ヘリウムで満たすことで前記被冷却体を冷却する極低温冷却装置であって、
前記配管は、予冷時に、配管を通して前記第五の容器から前記第一の容器に液体ヘリウムを送るとともに、他の配管を通して前記第一の容器から前記第二の容器に蒸発ヘリウムガスを送り、この第二の容器から第三の容器のガス配管を介して放出することを特徴とする極低温冷却装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000216273A JP4074049B2 (ja) | 2000-07-17 | 2000-07-17 | 極低温冷却装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000216273A JP4074049B2 (ja) | 2000-07-17 | 2000-07-17 | 極低温冷却装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2002031449A JP2002031449A (ja) | 2002-01-31 |
JP4074049B2 true JP4074049B2 (ja) | 2008-04-09 |
Family
ID=18711560
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2000216273A Expired - Fee Related JP4074049B2 (ja) | 2000-07-17 | 2000-07-17 | 極低温冷却装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4074049B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008109035A (ja) * | 2006-10-27 | 2008-05-08 | Hitachi Ltd | 加圧超流動ヘリウムクライオスタット |
CN103985499B (zh) * | 2014-04-19 | 2016-06-08 | 云南电力试验研究院(集团)有限公司电力研究院 | 高温超导磁体液氮零蒸发冷却系统 |
DE102014225481A1 (de) * | 2014-12-10 | 2016-06-16 | Bruker Biospin Gmbh | Kryostat mit einem ersten und einem zweiten Heliumtank, die zumindest in einem unteren Bereich flüssigkeitsdicht voneinander abgetrennt sind |
CN108800641A (zh) * | 2018-06-08 | 2018-11-13 | 上海理工大学 | 回热节流板、组件、锯齿形微通道节流制冷器及制冷装置 |
-
2000
- 2000-07-17 JP JP2000216273A patent/JP4074049B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2002031449A (ja) | 2002-01-31 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3446883B2 (ja) | 液体ヘリウム再凝縮装置およびその装置に使用するトランスファーライン | |
AU746563B2 (en) | Method and device for cooling superconductor | |
CN1787341B (zh) | 用于冷却超导旋转电机的系统和方法 | |
US11275136B2 (en) | Passive flow direction biasing of cryogenic thermosiphon | |
US20070006598A1 (en) | System and method for cooling superconducting devices | |
JP2006100275A (ja) | バックアップ極低温冷却装置 | |
JP4074049B2 (ja) | 極低温冷却装置 | |
JPH0550674B2 (ja) | ||
EP1825485A1 (en) | Magnetic apparatus and method | |
JP2007271254A (ja) | 冷却装置 | |
US5339649A (en) | Cryogenic refrigerator | |
CN103782353A (zh) | 用于冷却装置的设备和方法 | |
Green | Cooling the MICE magnets using small cryogenic coolers | |
JPH11248326A (ja) | 冷凍機 | |
JP3668919B2 (ja) | ヘリウムガス凝縮液化装置 | |
Benda et al. | Conceptual design of the cryogenic system for the Large Hadron Collider (LHC) | |
JP2001066029A (ja) | 極低温冷却システム | |
JPS6290910A (ja) | 極低温装置 | |
JPH0341704A (ja) | 超伝導磁石用の低温予冷器 | |
CN101105358B (zh) | 用于冷却的装置 | |
JP3523085B2 (ja) | トランスファーライン | |
JP3530040B2 (ja) | 多重循環式液体ヘリウム再凝縮装置および方法 | |
CN106688059A (zh) | 用于低温冷却的装置 | |
JP3908975B2 (ja) | 冷却装置及び冷却方法 | |
JP2005012043A (ja) | 高熱効率デュワー |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20050818 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20070829 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20071002 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20071128 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20080122 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20080124 |
|
FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110201 Year of fee payment: 3 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |