JP4917291B2 - Cryostat - Google Patents
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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、特に加圧超流動ヘリウムクライオスタットの構造に関するものである。 The present invention relates to a cryostat used for cooling a superconducting magnet, and more particularly to a structure of a pressurized superfluid helium cryostat.
核磁気共鳴装置や核融合炉、加速器で用いられる超電導磁石は、通常、4.2Kで液体として存在する液体ヘリウムにより冷却される。近年、核磁気共鳴装置の高感度化に伴い超電導磁石の高磁場化が求められ、超電導磁石の4.2Kより低温での運転が必要となってきた。これは、超電導磁石の運転温度が下がれば、より高い磁場を発生させることが可能となるからである。 Superconducting magnets used in nuclear magnetic resonance apparatuses, fusion reactors, and accelerators are usually cooled by liquid helium that exists as a liquid at 4.2K. In recent years, with the increase in sensitivity of nuclear magnetic resonance apparatus, it has been required to increase the magnetic field of superconducting magnets, and it has become necessary to operate superconducting magnets at temperatures lower than 4.2K. This is because a higher magnetic field can be generated if the operating temperature of the superconducting magnet decreases.
このような超電導磁石の低温化を可能とする冷却方法として、飽和超流動ヘリウム冷却方式と加圧超流動ヘリウム冷却方式がある。飽和超流動ヘリウム冷却は、4.2Kの液体ヘリウムを真空排気装置で排気し、蒸気圧を下げることにより温度を下げる方式である。一方、加圧超流動ヘリウム冷却方式は、加圧超流動ヘリウムと呼ばれる大気圧下の超流動ヘリウムを生成する。飽和超流動ヘリウムに比べて加圧超流動ヘリウムの方が高い熱輸送能力を持つために、超電導磁石の4.2Kより低温での運転が必要な場合は、加圧超流動ヘリウム冷却方式を用いることが一般的である。加圧超流動ヘリウム冷却方式により、超電導磁石の運転温度を1.5K程度まで下げることが出来る。 There are a saturated superfluid helium cooling system and a pressurized superfluid helium cooling system as cooling methods that enable the temperature of such a superconducting magnet to be lowered. Saturated superfluid helium cooling is a system in which 4.2K liquid helium is evacuated by a vacuum evacuation device and the temperature is lowered by lowering the vapor pressure. On the other hand, the pressurized superfluid helium cooling system generates superfluid helium under atmospheric pressure called pressurized superfluid helium. Pressurized superfluid helium has a higher heat transport capacity than saturated superfluid helium, so if a superconducting magnet needs to be operated at a temperature lower than 4.2K, the pressurized superfluid helium cooling method is used. It is common. The operating temperature of the superconducting magnet can be lowered to about 1.5K by the pressurized superfluid helium cooling method.
図3は典型的な加圧超流動ヘリウム冷却クライオスタットの概略図を示す。クライオスタットは断熱真空容器1、4.2K液体ヘリウム槽(4.2K)2、超流動ヘリウム槽(1.5〜4.2K)4から構成され、超流動ヘリウム槽4に被冷却体である超伝導磁石6が設置される。超流動ヘリウム槽4の液体ヘリウムを冷却するために、冷却器13が設置される。
FIG. 3 shows a schematic diagram of a typical pressurized superfluid helium cooled cryostat. The cryostat is composed of an adiabatic vacuum vessel 1, a 4.2K liquid helium tank (4.2K) 2 and a superfluid helium tank (1.5 to 4.2K) 4, and the
この冷却器は、液溜型であったり、チューブ形状の熱交換器型であったりする。流量調整弁12は、4.2K液体ヘリウム槽から液体ヘリウム取り込み口11を通して冷却器へ液体ヘリウムを供給する際の流量調整及びジュールートムソン膨張を起こすために設置される。流量調整されて、冷却器に導入された液体ヘリウムは、クライオスタットの外に設置された真空排気装置15により減圧され、冷却器の温度が液体ヘリウムの超流動転移点以下まで下がる。そして、冷却器13と超流動ヘリウム槽4とが熱交換し、超流動ヘリウム槽中の液体ヘリウムを1.5〜1.8K程度の超流動状態にすることができる。
This cooler may be a liquid reservoir type or a tube-shaped heat exchanger type. The flow
図3には示していないが、冷却効率を上げるために、液体ヘリウム取り込み口11と流量調整弁12の間に予冷熱交換器が設置されることが多い。こうすることにより、取り込み口11から供給される液体ヘリウムは、流量調整弁12に到達する前に、冷却器13からの蒸発ガスによって2K程度まで冷却される。予冷熱交換器があると、圧力損失を考慮しなければ、熱交換器がない場合に比べて冷凍能力が1.4倍程度上がる。
Although not shown in FIG. 3, a precooling heat exchanger is often installed between the liquid
超電導磁石のクエンチ時の圧力放出路として、液体ヘリウム槽2と超流動ヘリウム槽4との間に低温安全弁22が設置される。安全弁22の弁と弁座との間には、部品の表面荒さなどのために数ミクロン以上の隙間ができる。この隙間にある液体ヘリウムは、熱輸送能力が大きい超流動状態となっており、4.2K槽から1.8K槽への熱流入を引き起こす。また、隙間が大きいほど熱流入量も大きくなる。したがって、空気や水などが固化した不純物が隙間に挟まると、大きな熱侵入を招き、冷凍能力が低下する。この結果、不純物を挟み込む前の冷凍能力を維持しようとすると、余分の液体ヘリウムを消費しなければならない。
A low-
安全弁の隙間は、加圧超流動ヘリウム冷却システムにおいて、大きな熱侵入源となるが、圧力伝達路になるという重要な役割を担う。この圧力伝達路があるために、1.8K槽中の液体ヘリウムは、4.2K槽中の大気圧下の液体ヘリウムと等しい圧力を保つ事が出来る。特許文献1には、この安全弁の開閉状態を点検する装置の記載がある。 The clearance of the safety valve is a large heat intrusion source in the pressurized superfluid helium cooling system, but plays an important role of becoming a pressure transmission path. Because of this pressure transmission path, the liquid helium in the 1.8K tank can maintain the same pressure as the liquid helium under atmospheric pressure in the 4.2K tank. Patent Document 1 describes a device for checking the open / close state of the safety valve.
液体ヘリウムの注ぎ足し時に、液体ヘリウム槽に空気や水等の不純物が混入する恐れがあり、長期運転において空気や水の固体が液体ヘリウム槽内に蓄積する可能性がある。この不純物が安全弁の弁と弁座の隙間に噛み込むと隙間が大きくなり、4.2K槽から1.8K槽への熱侵入が大きくなる。この結果、1.8Kを維持するために、大量の液体ヘリウムを消費してしまうという問題がある。 When liquid helium is added, impurities such as air and water may be mixed in the liquid helium tank, and solids of air and water may accumulate in the liquid helium tank during long-term operation. When this impurity bites into the clearance between the valve of the safety valve and the valve seat, the clearance increases and heat penetration from the 4.2K tank to the 1.8K tank increases. As a result, there is a problem that a large amount of liquid helium is consumed to maintain 1.8K.
本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、安全弁の弁と弁座との隙間に不純物が入らない構造をもつ加圧超流動ヘリウムのクライオスタットを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a pressurized superfluid helium cryostat having a structure in which impurities do not enter a gap between a valve of a safety valve and a valve seat in view of the above-described problems of the prior art.
本発明のクライオスタットは、断熱真空により内部への熱を遮断する断熱真空容器と、前記断熱真空容器内に設置され外部から供給された液体ヘリウムを貯留する第一の液体ヘリウム槽と、前記断熱真空容器内に設置され前記第一の液体ヘリウム槽から供給され、前記第一の液体ヘリウム槽よりも低温の液体ヘリウムを貯留する第二の液体ヘリウム槽と、前記断熱真空容器内に設置され前記第二の液体ヘリウム槽と安全弁を介して結ばれて液体ヘリウムを貯留する第三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とを連通する第一の通路と、前記第一の通路を流れる液体ヘリウムの流量を調整する第一の流量調整弁とを有し、前記第一の通路の出口側に、超流動ヘリウムの超流動成分のみを通過させるフィルターを有することを特徴とする。 The cryostat of the present invention includes a heat insulating vacuum container that blocks heat to the inside by a heat insulating vacuum, a first liquid helium tank that is installed in the heat insulating vacuum container and stores liquid helium supplied from the outside, and the heat insulating vacuum. A second liquid helium tank that is installed in a container and is supplied from the first liquid helium tank and stores liquid helium at a temperature lower than that of the first liquid helium tank; and the second liquid helium tank that is installed in the adiabatic vacuum container. A third liquid helium tank that is connected to the second liquid helium tank via a safety valve and stores liquid helium; a first passage that communicates the first liquid helium tank and the second liquid helium tank; A first flow rate adjusting valve for adjusting the flow rate of liquid helium flowing through the first passage, and a filter that allows only the superfluid component of superfluid helium to pass through the outlet side of the first passage. It characterized by having a chromatography.
また本発明のクライオスタットは、断熱真空により内部への熱を遮断する断熱真空容器内に設置され、外部から供給された液体ヘリウムを貯留する第一の液体ヘリウム槽と、第一の液体ヘリウム槽から供給され、それより低温の液体ヘリウムを貯留する第二の液体ヘリウム槽と、前記第二の液体ヘリウム槽から安全弁を介して流れる液体ヘリウムを貯留する第三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とを連通する第一の通路と、前記第一の通路を流れる液体ヘリウムの流量を調整する第一の流量調整弁とを有し、前記第一の通路の出口側に、超流動ヘリウムの超流動成分のみを通過させるフィルターを有し、前記第三の液体ヘリウム槽の蒸発ガスが前記断熱真空容器の外側に設置される逆止弁を通して、前記断熱真空容器の外部へ放出されることを特徴とする。 Further, the cryostat of the present invention is installed in a heat insulating vacuum vessel that blocks heat to the inside by a heat insulating vacuum, and includes a first liquid helium tank that stores liquid helium supplied from the outside, and a first liquid helium tank. A second liquid helium tank that stores liquid helium at a temperature lower than that supplied, a third liquid helium tank that stores liquid helium flowing from the second liquid helium tank through a safety valve, and the first liquid helium tank. A first passage communicating the liquid helium tank and the second liquid helium tank; and a first flow rate adjusting valve for adjusting a flow rate of liquid helium flowing through the first passage, There is a filter that allows only the superfluid component of superfluid helium to pass on the outlet side of the passage, and the evaporated gas of the third liquid helium tank passes through a check valve installed outside the adiabatic vacuum vessel Characterized in that it is discharged to the outside of the heat insulating vacuum vessel.
本発明のクライオスタットによれば、長期運転を行っても安全弁の弁と弁座の隙間に不純物が入り込まないので、液体ヘリウムの余分な浪費なしに、ランニングコストの低い安定した運転を継続することが可能となる。 According to the cryostat of the present invention, since impurities do not enter the clearance between the valve and the valve seat even after long-term operation, stable operation with low running cost can be continued without excessive waste of liquid helium. It becomes possible.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図1は本発明の実施例1による加圧超流動ヘリウムクライオスタットの概略図である。断熱真空容器1内に、三つの液体ヘリウム槽2、4、7を設置する。液体ヘリウム槽2は、外部からトランスファーにより供給された4.2K液体ヘリウム3を貯留するための槽である。第二の液体ヘリウム槽4には、1.5〜4.2Kの液体ヘリウム5が貯留される。この槽には、被冷却体である超電導磁石6が設置される。超電導磁石6としては、高磁場を必要とする高感度NMR装置、MRI、加速器、核融合炉用が考えられる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic view of a pressurized superfluid helium cryostat according to Embodiment 1 of the present invention. Three
液体ヘリウム槽4の温度が2.17Kより低いときは、槽の中の液体ヘリウムは加圧超流動状態となる。液体ヘリウム槽7にある液体ヘリウム8の自由表面付近の温度は、4.2Kである。断熱真空容器や液体ヘリウム槽の材質は、低温で強度があるステンレス鋼が適している。ただし、液体ヘリウム槽4は、超流動状態の液体ヘリウムが貯まるので、溶接部などの接合部でのスーパーリークに注意を要する。
When the temperature of the
液体ヘリウム槽4は、輻射による熱侵入を低減するために、液体ヘリウム槽2、7内の液体ヘリウムにより冷却された4Kシールド9に囲まれる。同様の理由から、液体ヘリウム槽2、7は、液体窒素により冷却される80Kシールド10に囲まれている。さらに熱侵入を減らすために、液体ヘリウム槽やシールドのまわりにスーパーインシュレーション等の断熱材が巻いてあると良い。また、4Kシールド及び80Kシールドは、シールド全体が均一に冷やされていた方がよいので、熱伝導率が高い材料で作る必要がある。また、重量を抑えるために、軽い材料である方がよい。このようなことから、シールドの材質としてアルミニウムが適している。
The
液体ヘリウム槽2の液体ヘリウムは、液体ヘリウムの取り込み口11から流量調整弁12を通過し冷却器13に供給される。流量調整弁12は、微流量が調整可能なニードル弁である。冷却器13は、液溜め型であり、例えば、円筒状の容器などでよい。冷却器の材料としては、熱伝導率が高く加工性の優れた銅が適しているが、電気抵抗が小さいために超電導磁石クエンチ時の電磁力により、破壊される恐れがある。したがって、冷却器の設置場所はなるべく超電導磁石から離れていた方がよい。ステンレス等の電気抵抗の高い材料を用いれば、耐電磁力が大きくなるが、熱設計が難しくなるという弱点がある。
The liquid helium in the
冷却器13に溜まった液体ヘリウムの蒸発ガスを排気管14を通して、外部から真空排気装置15で排気すると、蒸気圧の降下とともに冷却器内の液体ヘリウムの温度が下がり、冷却器13の温度も下がる。2.17Kより低温では、冷却器13内の液体ヘリウム16は飽和超流動ヘリウムとなる。冷却器13の中には超流動状態の液体ヘリウムが貯まるので、耐スーパーリークとなるような加工が必要である。また、冷却器13は液体ヘリウム槽4と熱接触させる。こうすることにより、冷却器13が液体ヘリウム槽4とその中にある液体ヘリウム5を冷却することができる。
When the liquid helium evaporative gas accumulated in the cooler 13 is exhausted from the outside by the
室温部から排気管14を伝わっての熱伝導による液体ヘリウム槽4への熱侵入を低減するために、排気管14と80Kシールド及び4Kシールドとを熱接触させる。排気管以外の温度計などの電線も、シールドで熱接触を取ることが好ましい。
In order to reduce heat intrusion into the
排気装置15としては、1.8Kにおける飽和超流動ヘリウムの蒸気圧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。蒸気圧が下がる1.5K程度以下で超電導磁石を運転する場合には、負荷により回転数を可変することができるターボ分子ポンプを用いることも可能である。
As the
液体ヘリウム槽2には、取り込み口17があり、取り込み管18は流量調整弁19を介して冷却器13と熱交換するための熱交換器20に接続している。取り込み管18の出口には、フィルター21が取り付けられている。取り込み口17から取り込まれた液体ヘリウムは、熱交換器20で冷却器温度近くまで冷却される。
The
図2に熱交換器20及びフィルター21付近の詳細図面を示す。流量調整弁19は、流量調整弁12と同様のニードル弁でよい。熱交換器20の構造は、円筒状、あるいは、板状の材料に取り込み管18を巻きつけ、そのまわりに、熱接触を向上させるためにハンダ、銀ロウ、スタイキャストのいずれかを施したものである。熱交換器の材質は、熱伝導性のよい銅が適している。熱交換器20は冷却器13にネジか、銀ロウで取り付けられる。冷却器13の液体ヘリウムが熱交換器20に入らない構造の方が製造は容易である。
FIG. 2 shows a detailed drawing of the vicinity of the
フィルター21は、超流動ヘリウムの超流動成分のみを通過させるものでなければならない。フィルター21としては、例えば、粒径の小さいアルミナの粉を焼結したものが適している。あるいは、粒径の小さな焼結金属であってもよい。フィルター21は、第2の液体ヘリウム槽4にあって、フィルターホルダー26内に取り付けられる。フィルターホルダー26が短いと超流動ヘリウムの常流動成分とともに不純物も通過してしまうおそれがあるので、フィルターホルダー26の長さはできるだけ長い(フィルターと同等)方がよい。
The
冷却された液体ヘリウムは、フィルター21を通過する際、超流動成分のみが通過できるので、水や空気の固化した不純物は通過できずフィルター21内に留まる。フィルター21に不純物が堆積しても、超流動成分は通過できるので閉塞の心配はない。こうして、液体ヘリウム槽4は、非常に清浄な液体ヘリウムで満たされる。
Since the cooled liquid helium can pass only the superfluid component when passing through the
第三の液体ヘリウム槽7は、低温安全弁22を介して第二の液体ヘリウム槽4の上方に設置される。この槽は、超電導磁石クエンチ時の圧力放出路となればよいので、槽ではなく管であってもよい。第三の液体ヘリウム槽7の蒸発ガスは、放出管23中を流れ、逆止弁24から大気へ放出される。逆止弁24の動作圧力を大気圧よりわずかに高くしておけば、大気側から第三の液体ヘリウム槽7への空気の混入はなく、低温安全弁22の弁と弁座の隙間にある液体ヘリウムは空気、水の固化した不純物を含まない。
The third
第三の液体ヘリウム槽7の圧力が大気圧に近いことから、第三の液体ヘリウム槽7の液体ヘリウムの表面温度は4.2Kであると考えてよい。また、第三の液体ヘリウム槽7と第二の液体ヘリウム槽4は安全弁22の弁と弁座の隙間で連通しているため、第二の液体ヘリウム槽4の圧力も大気圧に近く、第二の液体ヘリウム槽4にある液体ヘリウムが超流動状態であるとき、加圧超流動ヘリウムとなる。
Since the pressure in the third
安全のために、第三の液体ヘリウム槽7の液体ヘリウム液面より上の容積が第三の液体ヘリウム槽7全体の10%以上であることが望ましい。第三の液体ヘリウム槽7の液面を制御するために、槽7の中に液面計を設置する。そして、所定の場所に液面が位置するように、流量調整弁19を調整する。
For safety, it is desirable that the volume above the liquid helium surface of the third
図1には示していないが、超電導磁石クエンチ時の圧力上昇により容器が破壊される恐れがあるため、逆止弁24と併せて放出管23の付近などに破裂板、安全弁の設置が必要である。
Although not shown in FIG. 1, a container may be destroyed due to an increase in pressure during quenching of the superconducting magnet. Therefore, it is necessary to install a rupture disk and safety valve in the vicinity of the
本実施例による加圧超流動ヘリウムクライオスタットは、高磁場を必要とする高感度NMR装置、MRI、加速器、核融合炉用の超電導磁石の冷却システムに利用できる。 The pressurized superfluid helium cryostat according to this embodiment can be used for a supersensitive magnet cooling system for a high-sensitivity NMR apparatus, MRI, accelerator, and fusion reactor that requires a high magnetic field.
1…断熱真空容器、2…第一の液体ヘリウム槽、3…第一の液体ヘリウム、4…第二の液体ヘリウム槽、5…第二の液体ヘリウム、6…超電導磁石、7…第三の液体ヘリウム槽、8…第三の液体ヘリウム、9…4Kシールド、10…80Kシールド、11…第一の液体ヘリウム取り込み口、12…第一の流量調整弁、13…冷却器、14…排気管、15…真空排気装置、16…飽和超流動ヘリウム、17…第二の液体ヘリウム取り込み口、18…取り込み管、19…第二の流量調整弁、20…熱交換器、21…フィルター、22…低温安全弁、23…放出管、24…逆止弁、26…フィルターホルダー。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Adiabatic vacuum vessel, 2 ... 1st liquid helium tank, 3 ... 1st liquid helium, 4 ... 2nd liquid helium tank, 5 ... 2nd liquid helium, 6 ... Superconducting magnet, 7 ... 3rd Liquid helium tank, 8 ... third liquid helium, 9 ... 4K shield, 10 ... 80K shield, 11 ... first liquid helium intake port, 12 ... first flow rate adjusting valve, 13 ... cooler, 14 ... exhaust pipe , 15 ... vacuum exhaust device, 16 ... saturated superfluid helium, 17 ... second liquid helium intake port, 18 ... intake pipe, 19 ... second flow rate adjusting valve, 20 ... heat exchanger, 21 ... filter, 22 ... Low temperature safety valve, 23 ... discharge pipe, 24 ... check valve, 26 ... filter holder.
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