JP4537270B2

JP4537270B2 - 超電導磁石用クライオスタット

Info

Publication number: JP4537270B2
Application number: JP2005183613A
Authority: JP
Inventors: 俊之椎野; ミンソク朴; 芳英和田山; 道哉岡田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-06-23
Filing date: 2005-06-23
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2025-06-23
Also published as: JP2007005552A

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、特に飽和超流動ヘリウムクライオスタットに関する。

大気圧下で４．２Ｋの液体ヘリウムは超電導磁石の冷却用冷媒として用いられる。この液体ヘリウムを排気装置により減圧すると、蒸気圧の降下とともに温度が下がり２．１７Ｋ以下で超流動状態になる。この状態の液体ヘリウムは飽和超流動ヘリウムと呼ばれる。

超電導磁石は運転温度が下がる程高磁界を発生させることがでる。また、超流動状態では４．２Ｋの時よりも熱輸送能力が高くなる。このような理由から、飽和超流動ヘリウムは高磁界発生用超電導磁石の冷媒として用いられてきた。

飽和超流動ヘリウムの生成装置は、特許文献１の記載のように、断熱真空容器内に４．２Ｋの液体ヘリウムを貯留する槽と飽和超流動ヘリウム槽が設置されていて、その二つの槽がＪＴ弁を介して連結している。４．２Ｋ液体ヘリウム槽から飽和超流動ヘリウム槽へＪＴ弁を介して液体ヘリウムを供給して、それを排気装置で減圧することにより飽和超流動ヘリウムを生成する。また、液面、温度を制御する制御装置を備えている。

特許第２７６０８５８号公報

従来技術による装置には、超電導磁石の電流リードが１．８Ｋ程度の液体ヘリウム飽和蒸気にさらされるために、放電の可能性があり、電流リード自身に放電対策を施さなければならなかった。

本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、超電導磁石の電流リードが飽和蒸気にさらされない構造により、前記放電の可能性を著しく低減した超電導磁石用クライオスタットを提供することにある。

上記課題の解決は、液体ヘリウムを貯留する第一の液体ヘリウム槽と、前記第一の液体ヘリウム槽と断熱真空により仕切られる第二の液体ヘリウム槽と、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を内包する断熱真空容器と、前記第二の液体ヘリウム槽内に設置される超電導磁石と、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通路と、前記通路を通過する液体ヘリウムの流量を調節する流量調整弁と、前記第二の液体ヘリウム槽内の蒸発ヘリウムガスを排気する排気管と、前記排気管を通過する前記蒸発ヘリウムガスの流量を調節する排気管弁と、前記蒸発ヘリウムガスを排気する排気装置と、前記超電導磁石に電流を供給するための電流リードと、を有する超電導磁石用クライオスタットにおいて、前記電流リードが前記第二の液体ヘリウム槽に導入される位置が、前記第二の液体ヘリウム槽内にある液体ヘリウム液面よりも低い位置に設けられることを特徴として、達成される。

本発明によれば、電流リードが飽和超流動ヘリウム槽に導入される位置よりも飽和超流動ヘリウム液面を高くすることが可能となるので、電流リードが飽和蒸気にさらされなくなり、放電の可能性を著しく低減でき、放電を起こすことなく高磁界を発生できる。

以下、超電導磁石用クライオスタットにおいて、飽和蒸気圧下の超流動ヘリウムの蒸気中に電流リードがさらされない複数の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は実施例１による超電導磁石用クライオスタットの構成図で、飽和超流動ヘリウムクライオスタットを示している。断熱真空容器１の中に、４．２Ｋの液体ヘリウム２を貯留する第一の液体ヘリウム槽３(常流動ヘリウム槽)と、温度が４．２〜１．５Ｋ程度に保たれる飽和蒸気圧下の液体ヘリウム４を貯留する第二の液体ヘリウム槽５が設置されている。第二の液体ヘリウム槽５内に超電導磁石１４が設けられている。

液体ヘリウム槽３，５は輻射等による熱侵入を低減するために、液体窒素容器６に貯留した液体窒素により７７Ｋ程度まで冷却される７７Ｋシールド７に囲まれている。さらに、第一の液体ヘリウム槽３から第二の液体ヘリウム槽５への輻射等による熱侵入を低減するために４．２Ｋに冷却された４．２Ｋシールド８が第二の液体ヘリウム槽５を囲んでいる。さらに熱侵入を減らすために、液体ヘリウム槽３，５や７７Ｋシールド７に断熱材を巻いていることが好ましい。

第一の液体ヘリウム槽３には、液体ヘリウム２を供給したり、蒸発ガスを放出するための管９を連通させている。第二の液体ヘリウム槽５は排気管１０に連通しており、断熱真空容器１の大気圧側で排気装置１１に接続される。第二の液体ヘリウム槽５内の蒸発ヘリウムガスを排気装置１１で減圧排気することにより、第二の液体ヘリウム槽５及び槽内の液体ヘリウム４の温度が１．５Ｋ程度まで下がる。温度が下がり約２．２Ｋ以下では、第二の液体ヘリウム槽５内の液体ヘリウム４は超流動状態になる。この超流動ヘリウムの圧力は飽和蒸気圧であり、飽和超流動ヘリウムと呼ばれる。

室温部から排気管１０を伝わっての第二の液体ヘリウム槽５への熱侵入を低減するために、排気管１０は７７Ｋシールド７と４．２Ｋシールド８に熱接触させる。排気装置１１としては、飽和超流動ヘリウム１．８Ｋ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。排気装置１１の排気量は排気管弁１２で調整する。この弁１２としては、流量調整が可能であり、かつ、弁閉止時のシール性のよいベローズシールバルブが好ましい。

第一の液体ヘリウム槽３から第二の液体ヘリウム槽５への液体ヘリウムの供給は流量調整弁１３を介して行われる。流量調整弁１３は、微流量を調整できるニードル弁が好適である。流量調整弁１３は微流量を調整するので通路が狭く、第一の液体ヘリウム槽３内に混入した空気の固体化したものなどの不純物が弁１３を詰まらせる可能性がある。供給口（取り込み口）に、銅粉をプレスしたものや、あるいは、焼結金属をフィルターとして用いることで詰まりを防ぐことができる。この他、流量調整弁１３の最も狭い隙間のまわりにヒーターを巻き、詰まった場合に加熱してもよい。初期冷却時には大量のヘリウムを第二の液体ヘリウム槽５に供給する必要があるので、微流量調整用弁１３と並列に大流量を流せる弁を設置しておけば好ましい。設置が困難な場合は排気管１０から液体ヘリウムを供給することも可能である。

断熱真空容器１外から第二の液体ヘリウム槽５内で冷却される超電導磁石１４へ電流を供給する電流リード１５が断熱真空容器１、第一の液体ヘリウム槽３を貫いて、第二の液体ヘリウム槽５内に設置された超電導磁石１４に接続される。それぞれの槽を電流リード１５が貫く場所は気密を保つ必要があり、特に、第二の液体ヘリウム槽５へ導入される場所は、第二の液体ヘリウム槽５内の液体ヘリウム４が超流動状態となることから、耐スーパーリークとならなければならない。

超電導磁石１４としてはＮＭＲ、加速器、核融合炉などに用いる冷却チャネルがない高磁場発生用が適している。

図１に示したように、第二の液体ヘリウム槽５の上部の一部が上方に突出しているために、突出部でない部分から電流リード１５が第二の液体ヘリウム槽５に導入される位置は、第二の液体ヘリウム槽５内の液体ヘリウム液面より下部となることが可能となる。これにより、電流リード１５が超流動ヘリウム４の飽和蒸気にさらされることがなくなり、放電の可能性がなくなる。

電流リード１５が第二の液体ヘリウム槽５に導入される位置は、超電導磁石１４のクエンチ時に大量の液体ヘリウム４が蒸発してしまうので、第二の液体ヘリウム槽５内にある液面と離れていた方がよい。また、安全への配慮から、第二の液体ヘリウム槽５の突出部にある液面の上方に、第二の液体ヘリウム槽５の容積の１０％以上の容積を持つこととする。

この場合、超電導磁石１４が液体ヘリウム４から露出しないように液面計１６での監視と液面制御が必要である。液面の高さを制御するには、液面計１６により液面の高さを検知し、液面計モニター１９に液面の高さを表示する。そして、液面の高さが所定の高さに位置するように、排気管弁１２と流量調整弁１３を弁制御装置２０により制御する。所定の高さより液面が下がった時には、流量調整弁１３の開度を大きくし、排気管弁１２の開度を小さくする。逆に所定の位置より液面が上がった場合には、流量調整弁１３の開度を小さくし、排気管弁１２の開度を大きくする。流量調整弁１３や排気管弁１２を電磁弁とすれば遠隔操作が可能となる。

次に、ヒーターによる温度制御について説明する。飽和超流動ヘリウム槽である第二の液体ヘリウム槽５内には、抵抗温度計１７とヒーター１８が設置されている。第二の液体ヘリウム槽５内の温度は、温度計１７と温度計測器２１により測定される。槽内の温度が所定の温度より低い場合は、温度制御装置２２がヒーター１８を制御することにより、所定の温度まで昇温する。槽内の温度が所定の温度より高い場合は、温度制御装置２２と弁制御装置２０により排気管弁１２の開度が大きくなるように制御し、所定の温度となるように制御する。

温度制御はこの外にも、特許第２７６０８５８号に記載された圧力の入力による制御の方法などがある。

図２は実施例２による超電導磁石用クライオスタットの構成図で、制御装置については実施例１と同じになるので省略してある。本実施例では、第二の液体ヘリウム槽５の上部の一部が凹部形状を有し、この凹部の底部から電流リード１５を導入している。その他の点は実施例１と同等の構成である。

第二の液体ヘリウム槽５の凹部では他の位置よりも液面が低くなり、液面が凹部の内面位置より下がらないので、電流リード１５が超流動ヘリウム４の飽和蒸気にさらされることがなくなり、放電の可能性が著しく低減される。

図３は図２の変形例である。断熱真空容器１内の電流リード１５を冷却するためには、断熱真空容器１内（液体ヘリウム槽３，５外）での電流リード１５の長さが短い方がよい。図３では、第二の液体ヘリウム槽５の凹部に対応して第一の液体ヘリウム槽３の下部に凸部を設け、この凸部から電流リード１５を取り出すようにして、電流リード１５の冷却を確保している。

図４は実施例３による超電導磁石用クライオスタットの構成図である。図示したように第二の液体ヘリウム槽５に突出部がなく、第一の液体ヘリウム槽３の下部に下方への突出部を設け、この突出部を経て電流リード１５が第二の液体ヘリウム槽５へ導入される。その他の点は実施例１と同等の構成である。

電流リード１５の導入位置が第二の液体ヘリウム槽５の液面よりも低くなるように液面を設定するので、放電の可能性がなくなる。この場合、超電導磁石１４が液体ヘリウム４から露出しないように液面計１６での監視と液面制御が必要である。

以上のように、本発明の複数の実施例を示したが、本発明の超電導磁石用クライオスタットは高磁場が必要な高感度ＮＭＲ、ＭＲＩ用超電導磁石の冷却システムに利用できる。

本発明の実施例１による超電導磁石用クライオスタットの構成図。実施例２による超電導磁石用クライオスタットの構成図。実施例２の変形例による超電導磁石用クライオスタットの構成図。実施例３による超電導磁石用クライオスタットの構成図。

符号の説明

１…断熱真空容器、２…４．２Ｋ液体ヘリウム、３…第一の液体ヘリウム槽（４．２Ｋ）、４…液体ヘリウム（１．５〜４．２Ｋ）、５…第二の液体ヘリウム槽（１．５〜４．２Ｋ）、６…液体窒素容器、７…７７Ｋシールド、８…４．２Ｋシールド、９…４．２Ｋ液体ヘリウム供給管及び蒸気放出管、１０…排気管、１１…排気装置、１２…排気管弁、１３…流量調整弁、１４…超電導磁石、１５…電流リード、１６…液面計、１７…温度計、１８…ヒーター、１９…液面モニタ、２０…弁制御装置、２１…温度計測器、２２…温度制御装置。

Claims

断熱真空容器内の上部に常流動状態の液体ヘリウムを貯留する第一の液体ヘリウム槽と、前記第一の液体ヘリウム槽と断熱真空により仕切られ、前記第一の液体ヘリウム槽の下部に液体ヘリウムの温度が約２．２Ｋ以下で飽和超流動状態となる液体ヘリウムを貯留する第二の液体ヘリウム槽と、前記第一の液体ヘリウム槽と前記第二の液体ヘリウム槽を内包する前記断熱真空容器と、前記第二の液体ヘリウム槽内に設置される超電導磁石と、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通路と、前記通路を通過する液体ヘリウムの流量を調節する流量調整弁と、前記第二の液体ヘリウム槽内の蒸発ヘリウムガスを排気する排気管と、前記排気管を通過する前記蒸発ヘリウムガスの流量を調節する排気管弁と、前記蒸発ヘリウムガスを排気する排気装置と、前記超電導磁石に電流を供給するため、前記第１の液体ヘリウム槽を貫いて前記第二の液体ヘリウム槽の前記超電導磁石に接続される電流リードと、を有する超電導磁石用クライオスタットであって、
前記第二の液体ヘリウム槽の一部分が上方に突出している突出部を有し、前記電流リードが前記第二の液体ヘリウム槽に導入される位置は、前記突出部以外の前記第二の液体ヘリウム槽の上部で、前記第二の液体ヘリウム槽内にある液体ヘリウム液面よりも低い位置に設けられることを特徴とする超電導磁石用クライオスタット。
前記流量調整弁と前記排気管弁とによって、前記第二の液体ヘリウム槽の突出部に液体ヘリウムの液面が位置するように制御することを特徴とする請求項１記載の超電導磁石用クライオスタット。
前記第二の液体ヘリウム槽の突出部に液体ヘリウムの液面の位置を測定する液面計を有することを特徴とする請求項２記載の超電導磁石用クライオスタット。
前記第二の液体ヘリウム槽の突出部にある液体ヘリウムの液面より上方の突出部の空間の容積が、前記第二の液体ヘリウム槽の容積の１０％以上であることを特徴とする請求項１記載の超電導磁石用クライオスタット。
前記第二の液体ヘリウム槽の上部の一部分が凹形状を有し、前記電流リードが導入される位置は前記凹形状の部分であり、前記第二の液体ヘリウム槽内にある液体ヘリウム液面よりも低いことを特徴とする請求項１記載の超電導磁石用クライオスタット。
前記流量調整弁と前記排気管弁とによって、前記第二の液体ヘリウム槽の前記凹形状部分よりも高い位置に液体ヘリウムの液面が位置するように制御することを特徴とする請求項５記載の超電導磁石用クライオスタット。
前記第二の液体ヘリウム槽内にある液体ヘリウムの液面より上方の空間の容積が、前記第二の液体ヘリウム槽の容積の１０％以上であることを特徴とする請求項５記載の超電導磁石用クライオスタット。
断熱真空容器内の上部に常流動状態の液体ヘリウムを貯留する第一の液体ヘリウム槽と、前記第一の液体ヘリウム槽と断熱真空により仕切られ、前記第一の液体ヘリウム槽の下部に液体ヘリウムの温度が約２．２Ｋ以下で飽和超流動状態となる液体ヘリウムを貯留する第二の液体ヘリウム槽と、前記第一の液体ヘリウム槽と前記第二の液体ヘリウム槽を内包する前記断熱真空容器と、前記第二の液体ヘリウム槽内に設置される超電導磁石と、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通路と、前記通路を通過する液体ヘリウムの流量を調節する流量調整弁と、前記第二の液体ヘリウム槽内の蒸発ヘリウムガスを排気する排気管と、前記排気管を通過する前記蒸発ヘリウムガスの流量を調節する排気管弁と、前記蒸発ヘリウムガスを排気する排気装置と、前記超電導磁石に電流を供給するため、前記第１の液体ヘリウム槽を貫いて前記第二の液体ヘリウム槽の前記超電導磁石に接続される電流リードと、を有する超電導磁石用クライオスタットであって、
前記第一の液体ヘリウム槽の底部の一部が下方に突き出している突出部を有し、前記突出部の下端は前記第二の液体ヘリウム槽の液体ヘリウムの液面より低い位置にあり、前記電流リードが前記第二の液体ヘリウム槽に導入される位置は、前記突出部を経て前記第二の液体ヘリウム槽内にある液体ヘリウム液面よりも低いことを特徴とする超電導磁石用クライオスタット。
前記流量調整弁と前記排気管弁とによって、前記第二の液体ヘリウム槽に前記電流リードが導入される位置よりも高い位置に液体ヘリウム液面が位置するように制御することを特徴とする請求項８記載の超電導磁石用クライオスタット。