JPH0317058B2 - - Google Patents
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- Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の技術分野〕
本発明は、極定温装置、特に、超電導磁石装置
の冷媒としての非飽和超流動ヘリウムを発生する
装置の制御方法に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Technical Field of the Invention] The present invention relates to a method of controlling a cryogenic temperature device, particularly a device that generates unsaturated superfluid helium as a coolant for a superconducting magnet device.
周知のように、超電導磁石装置は、冷媒として
液体ヘリウムを用いるようにしており、このよう
な装置のなかには、2.17K以下の超流動ヘリウム
を必要とするものがある。
As is well known, superconducting magnet devices use liquid helium as a coolant, and some of these devices require superfluid helium at a temperature of 2.17 K or lower.
しかして、上述した超流動ヘリウムを生成す
る、いわゆる超流動ヘリウム発生装置は、一般に
第１図に示すように構成されている。すなわち、
4.2Kの液体ヘリウム１を収容したヘリウム槽２
と非飽和超流動ヘリウム槽３とをコミニケーシヨ
ンチヤンネル４を介して接続している。そして、
非飽和超流動ヘリウム槽３内に、この槽３内を冷
却するための飽和超流動ヘリウム槽５を配置し、
上記ヘリウム槽５の一端側をジユールトムソン弁
（以後JT弁と略称する。）６、JT熱交換器７の一
次側を介して前記ヘリウム槽２に接続し、また、
他端側を上記JT熱交換器７の二次側を介して真
空ポンプ８の吸込み口に接続している。真空ポン
プ８の吐出し口は、コンプレツサー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内を冷却するようにしてい
る。 The so-called superfluid helium generator that generates the above-mentioned superfluid helium is generally constructed as shown in FIG. That is,
Helium tank 2 containing 4.2K liquid helium 1
and an unsaturated superfluid helium tank 3 are connected via a communication channel 4. and,
A saturated superfluid helium tank 5 for cooling the inside of the unsaturated superfluid helium tank 3 is arranged in the unsaturated superfluid helium tank 3,
One end side of the helium tank 5 is connected to the helium tank 2 via a Joel-Thomson valve (hereinafter abbreviated as JT valve) 6 and the primary side of a JT heat exchanger 7, and
The other end is connected to the suction port of the vacuum pump 8 via the secondary side of the JT heat exchanger 7. A discharge port of the vacuum pump 8 is connected to a refrigerator 10 via a compressor 9. The inside of the helium tank 2 is cooled by the refrigerator 10.
しかして、この装置は次のようにして非飽和超
流動ヘリウム槽３内のヘリウムを超流動化させる
ようにしている。すなわち、非飽和超流動ヘリウ
ム槽３内を一気圧に保つとともに真空ポンプ８、
コンプレツサー９、冷凍機１０を動作させる。真
空ポンプ８の動作によつて、ヘリウム槽２内の
4.2Kのヘリウムの一部がJT熱交換器７の一次側、
JT弁６、飽和超流動ヘリウム槽５、JT熱交換器
７の二次側の経路で流れる。飽和超流動ヘリウム
槽５内が真空ポンプ８によつて、非飽和超流動ヘ
リウム槽３内の温度Tbよりも低い温度に対応す
る飽和蒸気圧に排気されているものとすると、ヘ
リウム槽２を出たヘリウムは、JT熱交換器７の
一次側を通る間に、たとえば2.2Kまで予冷され、
続いてJT弁６でJT膨張して、温度Tsのガスと液
とになる。この液が飽和超流動ヘリウム槽５内を
通る間に蒸発し、これによつて、非飽和超流動ヘ
リウム槽３内のヘリウムを冷却するようにしてい
る。 Therefore, this device makes the helium in the unsaturated superfluid helium tank 3 superfluid in the following manner. That is, while maintaining the inside of the unsaturated superfluid helium tank 3 at one pressure, the vacuum pump 8,
The compressor 9 and refrigerator 10 are operated. By the operation of the vacuum pump 8, the inside of the helium tank 2 is
Part of the 4.2K helium is on the primary side of JT heat exchanger 7,
It flows through the secondary side path of the JT valve 6, the saturated superfluid helium tank 5, and the JT heat exchanger 7. Assuming that the inside of the saturated superfluid helium tank 5 is evacuated by the vacuum pump 8 to a saturated vapor pressure corresponding to a temperature lower than the temperature Tb inside the unsaturated superfluid helium tank 3, The helium is pre-cooled to, for example, 2.2K while passing through the primary side of the JT heat exchanger 7.
Subsequently, the JT is expanded by the JT valve 6, and becomes gas and liquid at the temperature Ts. This liquid evaporates while passing through the saturated superfluid helium tank 5, thereby cooling the helium in the unsaturated superfluid helium tank 3.
ところで、このような装置にあつて、特に、初
期冷凍時にJT弁６をどのように制御するかと言
う点が問題となつている。すなわち、JT弁６を
調整するための確かな指針が今まで無かつた。こ
のため、いわゆる勘を頼りに調整しているのが実
情であり、たとえば、JT弁６の絞り過ぎで冷凍
能力を低下させたり、あるいはJT弁６の開き過
ぎによつてJT熱交換器７のなかにミスト状のヘ
リウムが入り込み、これが原因してJT弁６の上
流側の温度が激しく変化すると言つた不安定現象
を発生させるなどの問題があつた。 By the way, with such a device, there is a particular problem in how to control the JT valve 6 during initial freezing. That is, until now there has been no reliable guideline for adjusting the JT valve 6. For this reason, the reality is that adjustments are made based on intuition. For example, if the JT valve 6 is too narrow, the refrigeration capacity may be reduced, or if the JT valve 6 is opened too much, the JT heat exchanger 7 may be There was a problem in that mist-like helium entered the inside of the valve, causing an unstable phenomenon in which the temperature on the upstream side of the JT valve 6 changed drastically.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたも
ので、その目的とするところは、非飽和超流動ヘ
リウム槽の温度を効率的に、かつ安定に目的の超
流動ヘリウム温度まで初期冷凍することができる
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。
The present invention was made in view of the above circumstances, and its purpose is to efficiently and stably initialize the temperature of an unsaturated superfluid helium tank to a target superfluid helium temperature. The object of the present invention is to provide a method for controlling a superfluid helium generator that can perform the following steps.
本発明は、非飽和超流動ヘリウム槽内に、この
槽内のヘリウムを冷却する熱交換器としての飽和
超流動ヘリウム槽を配置し、上記飽和超流動ヘリ
ウム槽内にジユールトムソン弁を介して冷却用ヘ
リウムを通流させるようにした超流動ヘリウム発
生装置において、上記非飽和超流動ヘリウム槽内
を4.2Kから2.17K以下の超流動ヘリウム温度まで
初期冷凍するに当り。上記非飽和超流動ヘリウム
槽内の温度Tbと、上記飽和超流動ヘリウム槽の
温度Tsとを監視し、上記温度Tbと上記温度Tsと
の関係が冷凍能力最大となるように上記温度Ts
を前記ジユールトムソン弁で制御し、上記非飽和
超流動ヘリウム槽内の温度Tbが2.17K以下の目的
温度に達した段階で熱侵入量と冷凍能力とが等し
くなるように上記温度Tsを上記ジユールトムソ
ン弁で制御して平衡状態を得るようにしたことを
特徴としている。
In the present invention, a saturated superfluid helium tank is arranged in a non-saturated superfluid helium tank as a heat exchanger for cooling the helium in this tank, and a saturated superfluid helium tank is connected to the saturated superfluid helium tank via a Joel-Thomson valve. In a superfluid helium generator in which cooling helium is passed through, the inside of the unsaturated superfluid helium tank is initially frozen from 4.2K to a superfluid helium temperature of 2.17K or less. The temperature Tb in the unsaturated superfluid helium tank and the temperature Ts in the saturated superfluid helium tank are monitored, and the temperature Ts is adjusted so that the relationship between the temperature Tb and the temperature Ts is the maximum refrigerating capacity.
is controlled by the Joel-Thomson valve, and when the temperature Tb in the unsaturated superfluid helium tank reaches the target temperature of 2.17K or less, the temperature Ts is adjusted to the above level so that the amount of heat input and the refrigeration capacity are equal. It is characterized by being controlled by a Joel-Thomson valve to achieve an equilibrium state.
これをさらに詳しく説明すると以下の通りであ
る。 This will be explained in more detail as follows.
すなわち、今、JT弁における質量流量m〓と、
真空ポンプによる排気質量流量m〓pとが等しい定
常状態を考えてみる。真空ポンプの引き口の温度
が300Kになつているとすると、温度Tsの増加に
従つてm〓、すなわち、冷凍能力が増加する。しか
し、温度Tsが非飽和超流動ヘリウム槽の温度Tb
に近付くと、飽和超流動ヘリウム槽を構成してい
る金属と液体ヘリウムとの間のカピツツア抵抗の
ために冷凍能力Q〓は、
Q〓＝aKAcTb3（Tb−Ts）
の式にしたがつて減少する。ここで、Acは、飽
和超流動ヘリウム槽の伝熱面積を、aKはカピツツ
ア抵抗をhK＝aKT3としたときの係数である。今、
真空ポンプの排気容量が70001／min、Tb＝
2.0K、aKAc＝200WK4の場合について冷凍能力Q〓
を計算で求めてみると第２図に示すようになる。
この図から判るように、熱侵入量Qinに対して平
衡点がＡ、Ｂの２箇所ある。Ｂの状態は、飽和超
流動ヘリウム槽内の液量が増えている状態である
から定常状態とはなり得ない。一方、Ａの状態で
は、JT膨張して液化したヘリウムのすべてが蒸
発し、その潜熱が熱侵入量とつりあつている。こ
こで、最大冷凍能力が得られる温度Tmと温度
Tbとの間の温度領域はJT熱交換器内に液が入り
込むおそれがある不安定な領域である。したがつ
て、冷凍能力最大で初期冷凍するには、常に、温
度Tsを温度Tbより低いTmに近い温度に設定し
て運転すればよいことになる。この関係を、温度
Tsと温度Tbとで表わすと、第３図のようにな
る。この第３図中、斜線で示す領域が有効冷凍能
力の正となる領域である。そして、実線部分で冷
凍能力が最大となる。また、点線部分は安定平衡
の状態である。 That is, now, the mass flow rate m〓 in the JT valve is
Let us consider a steady state in which the exhaust mass flow rate m〓p by the vacuum pump is equal. Assuming that the temperature at the outlet of the vacuum pump is 300K, as the temperature Ts increases, m〓, that is, the refrigeration capacity increases. However, the temperature Ts is the temperature Tb of the unsaturated superfluid helium bath
When approaching , the refrigerating capacity Q〓 is calculated by the formula Q〓=a K AcTb 3 (Tb−Ts) due to the Kapitzer resistance between the metal and liquid helium that constitute the saturated superfluid helium bath. It decreases. Here, Ac is the heat transfer area of the saturated superfluid helium tank, and a K is the coefficient when the Capitzer resistance is h K = a K T 3 . now,
The exhaust capacity of the vacuum pump is 70001/min, Tb=
Refrigeration capacity Q for the case of 2.0K, a K Ac=200WK 4
When calculated, it is shown in Figure 2.
As can be seen from this figure, there are two equilibrium points, A and B, for the amount of heat penetration Qin. State B cannot be a steady state because the amount of liquid in the saturated superfluid helium tank is increasing. On the other hand, in state A, all of the helium that expanded and liquefied JT evaporates, and its latent heat balances the amount of heat input. Here, the temperature Tm and temperature at which maximum refrigeration capacity is obtained
The temperature region between Tb and Tb is an unstable region where liquid may enter the JT heat exchanger. Therefore, in order to perform initial freezing at the maximum refrigerating capacity, it is necessary to always set the temperature Ts to a temperature close to Tm, which is lower than the temperature Tb, and operate. This relationship can be expressed as temperature
When expressed in terms of Ts and temperature Tb, it becomes as shown in Figure 3. In FIG. 3, the shaded area is the area where the effective refrigerating capacity is positive. The refrigerating capacity is maximum at the solid line portion. Moreover, the dotted line portion is a state of stable equilibrium.
本発明に係る制御方法は、このような関係を巧
みに利用したもので、まず、4.2Kからの初期冷
凍においては、温度Tb、Tsを監視しながらJT弁
の開度を調節し、温度Tsが第３図中の斜線部分
内で、できるだけ最大冷凍能力の得られる実線に
近い値になるように制御しているのである。そし
て、非飽和超流動ヘリウム槽の温度低下に対応さ
せて、JT弁を絞り込み、不安定領域に入り込ま
なうようにしている。また、目的の温度に達した
時点で、JT弁をさらに絞り込んで熱侵入量に見
合つた冷凍能力となるように温度Tsを制御して
安定平衡の状態に移行させるようにしているので
ある。 The control method according to the present invention skillfully utilizes such a relationship. First, during initial freezing from 4.2K, the opening degree of the JT valve is adjusted while monitoring the temperatures Tb and Ts, and the temperature Ts is controlled so that the value within the shaded area in FIG. 3 is as close as possible to the solid line where the maximum refrigerating capacity is obtained. Then, in response to the temperature drop in the unsaturated superfluid helium bath, the JT valve is throttled to prevent it from entering the unstable region. Furthermore, when the target temperature is reached, the JT valve is further throttled to control the temperature Ts so that the refrigerating capacity is commensurate with the amount of heat input, and the system shifts to a stable equilibrium state.
このような制御方法であると、JT弁の絞り過
ぎや、開き過ぎによつて起こる前述した不具合の
発生を確実に防止することができ、効率的に目的
の温度まで初期冷凍することができる。
With such a control method, it is possible to reliably prevent the above-mentioned problems caused by over-throttling or opening the JT valve, and it is possible to efficiently perform initial freezing to the target temperature.
以下、本発明の実施例を説明する。 Examples of the present invention will be described below.
第４図は、本発明に係る制御方法を実施する装
置の一例を示すもので、第１図と同一部分は同一
符号で示してある。したがつて、重複する部分の
説明は省略する。 FIG. 4 shows an example of an apparatus for implementing the control method according to the present invention, and the same parts as in FIG. 1 are designated by the same reference numerals. Therefore, the explanation of the overlapping parts will be omitted.
同図において、２１は飽和超流動ヘリウム槽５
の温度Tsを検出する温度センサーであり、また、
２２は非飽和超流動ヘリウム槽３の温度Tbを検
出する温度センサーである。これら温度センサー
２１，２２の出力は、それぞれインターフエース
回路２３，２４を介してコントローラ２５に入力
される。一方、JT弁６の駆動軸は、ステツピン
グモータ２６に連結されている。そして、ステツ
ピングモータ２６は、コントローラ２５によつて
制御される。 In the same figure, 21 is a saturated superfluid helium tank 5
It is a temperature sensor that detects the temperature Ts of
22 is a temperature sensor that detects the temperature Tb of the unsaturated superfluid helium tank 3. The outputs of these temperature sensors 21 and 22 are input to the controller 25 via interface circuits 23 and 24, respectively. On the other hand, the drive shaft of the JT valve 6 is connected to a stepping motor 26. The stepping motor 26 is controlled by the controller 25.
しかして、コントローラ２５は、例えば計算機
を主体にして構成されたもので、内部の記憶装置
に、飽和超流動ヘリウム槽５の伝熱面積、非飽和
超流動ヘリウム槽３への熱侵入量から求めた第３
図に示したような冷却ダイヤグラムを予め記憶し
ている。そして、所定の時間間隔で温度Ts、Tb
を読み込み、この温度Ts、Tbと記憶されている
冷却ダイヤグラムとの関係から、上記温度Tsが
第３図中の斜線部分内で、かつ冷凍能力が高まる
方向となるようにステツピングモータ２６を介し
て、JT弁６の開度を制御するようにしている。
すなわち、温度Tsが第３図中実線Ｚで示すよう
に徐々に低下する関係にJT弁６の開度を制御し
ている。そして、このような制御の繰返しによつ
て、温度Tbが目的の温度まで低下した時点で、
JT弁６を絞り込んで温度Tsが丁度第３図中点線
部分に至るように制御している。したがつて、不
安定現象などを全く招くことなく目的とする温
度、つまり目的とする超流動ヘリウム温度まで初
期冷凍することができるとともにその状態で安定
させることができる。結局、前述した効果が得ら
れることになる。 Therefore, the controller 25 is composed mainly of a computer, for example, and stores information in an internal storage device based on the heat transfer area of the saturated superfluid helium tank 5 and the amount of heat intrusion into the unsaturated superfluid helium tank 3. The third
A cooling diagram as shown in the figure is stored in advance. Then, at predetermined time intervals, the temperatures Ts, Tb
is read, and based on the relationship between these temperatures Ts and Tb and the stored cooling diagram, the temperature is adjusted via the stepping motor 26 so that the temperature Ts is within the shaded area in Fig. 3 and in the direction of increasing the cooling capacity. Thus, the opening degree of the JT valve 6 is controlled.
That is, the opening degree of the JT valve 6 is controlled so that the temperature Ts gradually decreases as shown by the solid line Z in FIG. By repeating such control, when the temperature Tb has decreased to the target temperature,
The JT valve 6 is controlled so that the temperature Ts reaches exactly the dotted line in FIG. 3. Therefore, it is possible to initially freeze the helium to the target temperature, that is, the target superfluid helium temperature, without causing any instability phenomena, and to stabilize it in that state. As a result, the above-mentioned effects can be obtained.
なお、本発明は、上述した実施例に限定される
ものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々
変形できることは勿論である。 It should be noted that the present invention is not limited to the embodiments described above, and it goes without saying that various modifications can be made without departing from the spirit of the invention.
第１図は超流動ヘリウム発生装置の模式的構成
図、第２図および第３図は本発明制御方法の原理
を説明するための図、第４図は本発明の制御方法
を実施する装置の模式的構成図である。
２……ヘリウム槽、３……非飽和超流動ヘリウ
ム槽、５……飽和超流動ヘリウム槽、６……ジユ
ールトムソン弁（JT弁）、７……JT熱交換器、
８……真空ポンプ、２１，２２……温度センサ
ー、２５……コントローラ、２６……ステツピン
グモータ。
FIG. 1 is a schematic diagram of a superfluid helium generator, FIGS. 2 and 3 are diagrams for explaining the principle of the control method of the present invention, and FIG. 4 is a diagram of a device implementing the control method of the present invention. It is a schematic block diagram. 2... Helium tank, 3... Unsaturated superfluid helium tank, 5... Saturated superfluid helium tank, 6... Joel Thomson valve (JT valve), 7... JT heat exchanger,
8... Vacuum pump, 21, 22... Temperature sensor, 25... Controller, 26... Stepping motor.
Claims (1)
リウムを冷却する熱交換器としての飽和超流動ヘ
リウム槽を配置し、上記飽和超流動ヘリウム槽内
にジユールトムソン弁を介して冷却用ヘリウムを
通流させるようにした超流動ヘリウム発生装置に
おいて、上記非飽和超流動ヘリウム槽内を4.2K
から2.17K以下の超流動ヘリウム温度まで初期冷
凍するに当り、上記非飽和超流動ヘリウム槽内の
温度Tbと、上記飽和超流動ヘリウム槽の温度Ts
とを監視し、上記温度Tbと上記温度Tsとの関係
が冷凍能力最大となるように上記温度Tsを前記
ジユールトムソン弁で制御し、上記非飽和超流動
ヘリウム槽内の温度Tbが2.17K以下の目的温度に
達した段階で熱侵入量と冷凍能力とが等しくなる
ように上記温度Tsを上記ジユールトムソン弁で
制御して平衡状態を得るようにしたことを特徴と
する超流動ヘリウム発生装置の制御方法。1. A saturated superfluid helium tank as a heat exchanger for cooling the helium in this tank is placed in the unsaturated superfluid helium tank, and cooling helium is introduced into the saturated superfluid helium tank via a Joel-Thomson valve. In a superfluid helium generator that allows current to flow, the temperature inside the unsaturated superfluid helium tank is 4.2K.
During initial freezing from 2.17K to a superfluid helium temperature of 2.17K or less, the temperature Tb in the unsaturated superfluid helium tank and the temperature Ts in the saturated superfluid helium tank
The above temperature Ts is controlled by the Joule-Thomson valve so that the relationship between the above temperature Tb and the above temperature Ts is the maximum refrigerating capacity, and the temperature Tb in the unsaturated superfluid helium bath is 2.17K. Superfluid helium generation characterized in that the temperature Ts is controlled by the Joule-Thomson valve to obtain an equilibrium state so that the amount of heat input and the refrigeration capacity become equal when the following target temperature is reached: How to control the device.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58208585A JPS60101455A (en) | 1983-11-07 | 1983-11-07 | Method of controlling superfluid helium generator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58208585A JPS60101455A (en) | 1983-11-07 | 1983-11-07 | Method of controlling superfluid helium generator |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60101455A JPS60101455A (en) | 1985-06-05 |
| JPH0317058B2 true JPH0317058B2 (en) | 1991-03-07 |
Family
ID=16558621
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58208585A Granted JPS60101455A (en) | 1983-11-07 | 1983-11-07 | Method of controlling superfluid helium generator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60101455A (en) |
-
1983
- 1983-11-07 JP JP58208585A patent/JPS60101455A/en active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS60101455A (en) | 1985-06-05 |
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