JPH038463B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、超流動ヘリウム発生装置に係り、特
に、常流動液体ヘリウム中に超流動用ヘリウム槽
を浸漬した構造の超流動ヘリウム発生装置の改良
に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

周知のように、液体ヘリウムはラムダ点
（2.17K）以下の温度で通常の液体、つまり常流
体の液体から超流動を示す液体に転移する。この
ような、超流動ヘリウムは、超電導コイルの冷媒
や各種実験等の冷媒として広く用いられている。

ところで、このような超流動ヘリウムを作り出
す、いわゆる超流動ヘリウム発生装置は、構造的
に分類すると、予冷源である常流動液体ヘリウム
から超流動用ヘリウム槽を分離させたものと、常
流動液体ヘリウム中に超流動用ヘリウム槽を浸漬
させたものとに大別される。このうち、常流動液
体ヘリウム中に超流動用ヘリウム槽を浸漬させた
超流動ヘリウム発生装置は、一般に第１図のよう
に構成されている。

すなわち、この装置は大きく分けると、図示し
ない断熱容器内に収容されるとともに内部に
4.2Kの常流動液体ヘリウムＨを収容してなる第
１のヘリウム槽、つまり常流動ヘリウム槽１と、
この第１のヘリウム槽１内に常流動液体ヘリウム
Ｈ中に浸漬される関係に収容された第２のヘリウ
ム槽、つまり超流動ヘリウム槽２と、常流動液体
ヘリウムＨを冷媒源として超流動ヘリウム槽２内
のヘリウムのラムダ点以下の温度に冷却する冷却
機構３とで構成されている。

超流動ヘリウム槽２は、外槽１１と、この外槽
１１内に収容された内槽１２とで構成されてい
る。そして、内槽１２と外槽１１との間に存在す
る空間は真空引きされて真空断熱層に形成されて
いる。外槽１１の上壁１３の中央部には孔１４が
形成されており、上記孔１４の上縁部には、この
孔１４を実質的に上方に向けて所定距離だけ延長
させる筒体１５が接続されている。そして、上記
筒体１５内には、この筒体１５より小径に形成さ
れたガス案内管１６の下端側が嵌合している。ガ
ス案内管１６に下端部は内槽１２の上壁１２ａの
外面に気密に接続されており、その上端側は常流
動ヘリウム槽１の上壁ならびに図示しない断熱容
器を気密に貫通して図示しない真空ポンプに接続
されている。ガス案内筒１６の外周には鍔１７が
設けてあり、この鍔１７と筒体１５の上端とが気
密に接続されて内・外槽間の気密が保持されてい
る。

しかして、前記ガス案内筒１６内及び内槽１２
内に冷却機構３を主要部が次のように設けられて
いる。すなわち、ガス案内筒１６内にコイルスプ
リング状に形成された熱交換用配管（ジユール・
トムソン熱交換器）１８を配置し、この配管１８
の上端側をガス案内筒１６の壁を気密に貫通さ
せ、その開口部１９を常流動ヘリウム槽１内に位
置させ、また、下端をジユール・トムソン弁（以
後JT弁と略称する。）２０の入口に接続してい
る。そして、JT弁２０の出口を接続管２１の上
端に接続している。接続管２１は内槽１２の上壁
１２ａを気密に貫通している。そして、接続管２
１の下端を内槽１２内の上方に配置された熱交換
用配管２２の一端に接続し、この配管２２の他端
を接続管２３に接続してる。接続管２３は上壁１
２ａを気密に貫通し、その上端がJT弁２０より
下方に位置するように設けられている。

一方、超流動ヘリウム槽２における外槽１１の
上壁１３および内槽１２の上壁１２ａの対向する
２箇所の位置にはそれぞれ孔２５ａ，２５ｂおよ
び２６ａ，２６ｂが設けて有り、これら孔２５ａ
と２５ｂおよび孔２６ａと２６ｂはそれぞれ連絡
管２７，２８によつて気密に接続されている。そ
して、孔２６ｂの上端縁には案内管２９の下端部
が気密に接続されており、この案内管２９の上端
側は常流動ヘリウム槽１の上壁および図示しない
断熱容器を気密に貫通して図示しない液体ヘリウ
ム供給源に接続されている。また、前記連絡管２
７，２８内で上壁１２ａ側に位置する部分にはそ
れぞれバルブ３０，３１が設けられている。これ
らバルブ３０，３１は内槽１２内に液体ヘリウム
を導入するときに用いられ、また、バルブ３０は
運転時における安全弁も兼用している。なお、図
中３２は内槽１２内に収容された超電導コイルを
示し、３３はその支持材を示し、３４はバルブ制
御用のロツドを示し、３５はJT弁制御用のロツ
ドを示している。また、バルブ３０の制御機構お
よび常流動ヘリウム槽１に設けられる液体ヘリウ
ム注入口、ヘリウムガス回収口が省略されてい
る。

しかして、この装置は、次のようにして内槽１
２内の液体ヘリウムＡを超流動化させるようにし
ている。まず、バルブ３１，３０を開にし、超流
動ヘリウム槽２内および常流動ヘリウム槽１内に
4.2Kの常流動液体ヘリウムＨを導入した後、バ
ルブ３０，３１を閉にする。このような状態で真
空ポンプを動作させる。真空ポンプが動作する
と、常流動ヘリウム槽１内の液体ヘリウムの一部
が開口部１９から熱交換用の配管１８内に取り込
まれる。この取り込まれた液体ヘリウムは配管１
８内を通流する間に真空ポンプの排気作用によつ
てガス案内筒１６内を上昇する低温のヘリウムガ
スと熱交換して予冷された後、JT弁２０でジユ
ール・トムソン膨張し、ラムダ点以下のガスと液
とになる。そして、生成した液が熱交換用配管２
２内を通る間に蒸発し、この蒸発によつて超流動
ヘリウム槽２内の液体ヘリウムＡをラムダ点以下
の温度に冷すようにしている。なお、熱交換用配
管２２から出たヘリウムガスは接続管２３を通つ
てガス案内筒１６内へ導かれる。

しかしながら、上記のように構成された従来の
超流動ヘリウム発生装置にあつては次のような問
題があつた。すなわち、超流動ヘリウム槽２内は
連絡管２７，２８内の液体ヘリウムを介して常流
動ヘリウム槽１内と熱的に接続されている。この
場合バルブ３０，３１における隙間はごく僅かで
ある。したがつて、バルブ３０，３１の部分で大
きな温度差がついている。そして、バルブ３０，
３１の上端部は通常、ラムダ点より僅かに低い温
度となつている。今、仮に外槽１１の上壁１３の
上面が4.2Kであり、上記上面から連絡管２７，
２８内に深さＬだけ入つたところで超流動転移が
起こつているものとする。このときバルブ３０，
３１を通して超流動ヘリウム槽２に侵入する熱量
をＱ、連絡管２７，２８の合計面積をＳとし、熱
の流れを一次元的に考えると、熱量Ｑは、 Ｑ＝ES／Ｌ …(1) ここで、Ｅは Ｅ＝∫^4.2 _2.17λdT …(2) である。ただし、λは１気圧液体ヘリウムの熱伝
導率、Ｔは温度である。Ｅを計算すると、 Ｅ＝3.76×10^-4［Ｗ／cm］ である。

したがつて、今、仮に、Ｑ＝0.2［Ｗ］とする
と、 Ｓ／Ｌ＝532［cm］ …(3) となり、Ｓ＝１［cm²］の場合には、 Ｌ＝1.9×10^-3［cm］となる。

上記計算結果から明らかなように、計算上では
上壁１３の上面直下で超流動転移が起きているこ
とになる。しかし、実際上は連絡管２７，２８の
管口における熱の流れは３次元的であるから、上
記のようには成らず、上壁１３の上面上にもラム
ダ点の超流動ヘリウムが、いわゆる染み出す。

ラムダ点のヘリウムの密度は4.2Kのヘリウム
より大きいので、上壁１３の上面の縁部まで進行
したラムダ点の超流動ヘリウムはつぎつぎに常流
動ヘリウム槽１の底に落ちることになる。このた
め、常流動ヘリウム槽１内の前記上壁１３の上面
より下に位置するヘリウムの全部が超流動ヘリウ
ムになるまで定常状態になることはない。すなわ
ち、ラムダ点以下まで冷したいのは超流動ヘリウ
ム槽２内の液体ヘリウムであるが、従来の装置に
あつては超流動ヘリウム槽２の外側のヘリウムま
で超流動にしなければならず、このため、冷却コ
ストがかさむばかりか、初期冷却に長時間を必要
とする問題があつた。

〔発明の目的〕

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、超流動ヘリウム
槽の初期冷却を短時間に効率よく行なうことがで
きる超流動ヘリウム発生装置を提供することにあ
る。

〔発明の概要〕

本発明は、内部に常流動液体ヘリウムを収容し
た第１のヘリウム槽と、この第１のヘリウム槽内
の液体ヘリウム中に浸漬されるように上記第１の
ヘリウム槽内に収容された断熱機能を有する第２
のヘリウム槽と、前記第１のヘリウム槽内の液体
ヘリウムを使つて前記第２のヘリウム槽内のヘリ
ウムをラムダ点以下の温度まで冷し込む手段と、
前記第２のヘリウム槽の上壁に設けられ上記第２
のヘリウム槽内と前記第１のヘリウム槽内とを接
続する連絡管とを備えてなる超流動ヘリウム発生
装置において、前記第２のヘリウム槽の上壁に前
記連絡管の前記第１のヘリウム槽側に位置する開
口を堤防状に取り囲む断熱突周壁を設けてなるこ
とを特徴としている。

また、本発明は、前記断熱突周壁で囲まれた範
囲内にその下端部が位置し、その上端が液面近傍
に位置するように良熱伝導体を前記常流動液体ヘ
リウム中に挿設したことを特徴としている。

〔発明の効果〕

本発明装置のように、断熱突周壁が前記関係に
設けてあると、この断熱突周壁で囲まれる面積が
広いので、前記(3)式と同じ条件でも、超流動転移
点までの深さＬを大きくできる。たとえば、断熱
突周壁で囲まれる面積ＳをＳ＝500［cm²］とする
と、(3)式より、Ｌ＝0.94［cm］となる。このため、
超流動ヘリウムが常流動ヘリウム槽内にこぼれ出
すことはなくなる。したがつて、余分のヘリウム
を冷し込む必要がないので初期冷却を効率よく行
なうことができ、初期冷却に要する時間の短縮化
を図ることができる。

また、その下端部が前記断熱突周壁で囲まれた
範囲に位置するように良熱伝導体を常流動液体ヘ
リウム中に挿設しているので、もし、構造的に超
流動転移点が超流動ヘリウム槽より上方に位置す
るものであつても上記良熱伝導体の作用で上記超
流動転移点を強制的に断熱突周壁で囲まれた範囲
に移動させることができる。すなわち、超流動ヘ
リウム槽への熱侵入が非常に多い場合には超流動
転移点が超流動ヘリウム槽より上方に位置する場
合が起り得る。しかし上記のように良熱伝導体を
設けておくと、この良熱伝導体の下端部近傍のヘ
リウム温度、つまり、断熱突周壁で囲まれた範囲
で、かつ良熱伝導体の下端部近傍に位置するヘリ
ウム温度を強制的に、たとえば4K程度の温度に
保ことができる。したがつて、超流動転移点を断
熱突周壁で囲まれた範囲内に確実に位置させるこ
とができるので、上述した構造の場合でも初期冷
却に要する時間を確実に短縮させることができ
る。

〔発明の実施例〕 以下本発明の実施例を図面を参照しながら説明
する。

第２図は本発明の一実施例に係る超流動ヘリウ
ム発生装置の要部を示すものであり、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。

この実施例が第１図に示すものと異なる点は、
超流動ヘリウム槽２の上壁の構造、時に外槽１１
の上壁１３ａの構造にある。

すなわち、上壁１３ａの周縁部には上方に向け
て所定長さ延びる薄肉の突周壁３７が形成されて
いる。そして、突周壁３７の上端縁には、外向き
に延びるフランジ部３８が固着されており、この
フランジ部３８がボルト３９を介して外槽胴部の
上端開口縁に気密に締付け固定されている。

このような構成であると、突周壁３７が薄肉に
形成されているので、この突周壁３７は深さ方向
に断熱機能を有していることになる。したがつ
て、超流動転移点の位置が連絡管２７，２８の上
部開口端より僅かに上方であつても、連絡管２
７，２８の断面積より広い囲い面積を有する突周
壁３７の存在によつて、上記転移点位置を下方へ
移動させることができる。したがつて、超流動ヘ
リウムの常流動ヘリウム槽底部へのこぼれ落ちが
阻止されることになる。このため、こぼれ落ちに
よつて起こる初期冷却の長時間化を防止すること
ができ、結局、前述した効果が得られることにな
る。

第３図は本発明の別の実施例を示すものであ
る。この実施例は冷却機構３ａとして磁気熱量効
果を利用したものを組込んでなる超流動ヘリウム
発生装置に本発明を適用した例を示すものであ
る。一般に、ガドリニウム・ガリウム・ガーネツ
ト等の磁性体で代表される作業物質は断熱磁化状
態で発熱し、断熱消磁状態で吸熱する。したがつ
て、この現象を利用すると冷却機構を構成するこ
とができる。この実施例に係る装置はこのような
冷却機構３ａを組込んでいるのである。すなわ
ち、外槽１１の上壁１３ａと内槽１２の上壁１２
ａの対向する２箇所にそれぞれ孔４１ａ，４１ｂ
および４２ａ，４２ｂを設け、これら対向する孔
相互を筒体４３および４４でそれぞれ気密に接続
している。そして、上記筒体４３，４４内に図示
しないシール機構を介してロツド４５，４６を昇
降自在に挿設している。ロツド４５，４６は断熱
部材で上記筒体４５，４６の内径より僅かに小さ
い外径に形成されたもので、その下部には前述し
た作業物質４７，４８が直列に介挿されている。
そして、各ロツド４５，４６の上端側はこれらロ
ツド４５，４６を図中実線矢印P₁，P₂で示すよ
うに交互に昇降させる駆動機構４９に連結されて
いる。一方、外槽１１の上壁１３ａの上方には各
ロツド４５，４６を囲繞するように磁場発生装置
としての超電源コイル５０，５１が設けられてい
る。そして、この実施例においても外槽１１の上
壁１３ａの周縁部に第２図に示した実施例と同様
に断熱機能を発揮する突周壁３７が設けられてい
る。

しかして、この実施例に係る装置では、駆動機
構４９を動作させると、ロツド４５，４６が昇降
し、これに伴つて各作業物質４７，４８が、丁
度、作業物質４８のように超電導コイル５０，５
１で発生した磁場内に位置した状態と、丁度、作
業物質４７のように磁場外でかつ内槽１２内に位
置した状態とに交互に切り変わる。作業物質４
７，４８は磁場内に位置すると断熱磁化状態とな
つて発熱する。この発熱は、常流動液体ヘリウム
Ｈによつて奪われ、結局、この状態では常流動液
体ヘリウムＨの温度とほぼ等しい温度に保たれ
る。一方、作業物質４７，４８は磁場外に位置す
ると断熱消磁状態になつて吸熱する。このため、
内槽１２内の液体ヘリウムＡは超流動転移点以下
に冷却されることになり、ここに超流動ヘリウム
発生装置としての機能が発揮される。

そして、この実施例の場合にも、超流動ヘリウ
ム槽２の上壁周縁に上方に向けて断熱機能を有し
た突周壁３７が設けられているので、この突周壁
３７の存在によつて超流動ヘリウムが常流動ヘリ
ウム槽１の底部に向けてこぼれ落ちるようなこと
はない。したがつて、前記実施例と同様な効果を
奏する。

第４図は本発明のさらに別の実施例に係る超流
動ヘリウム発生装置の要部を示す図であり、第２
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。

この実施例では、銅、アルミニウム、銀、金、
ガドリニウム・ガリウム・ガーネツト単結晶等で
突周壁３７の内径より小さい外径の筒状の形成さ
れた良熱伝導体６１を上壁１３ａの上方の常流動
液体ヘリウムＨ中に差込み、その下端部を突周壁
３７で囲まれた範囲に位置させるとともに上端部
を液面上に位置させ、この液面上に位置している
部分を支持材６２を介して常流動ヘリウム槽１の
内面に固定したものとなつている。

このような構成であると、良熱伝導体６１の存
在によつて、良熱伝導体６１の下端部近傍の液体
ヘリウムは常に、液面近傍に位置する液体ヘリウ
ムの温度とほぼ等しい温度、たとえば4Kに保た
れる。このため、どのような場合でも、超流動転
移点の位置は強制的に良熱伝導体６１の下端部よ
り下方に移される。上記下端部より下方に位置は
突周壁３７で囲まれている。したがつて、この実
施例の場合には侵入熱量がどのような値でも超流
動ヘリウムが突周壁３７を乗り越えてこぼれ出る
のを防止することができ、しかも初期冷却に要す
る時間の短縮化も図ることができる。

なお、良熱伝導体は筒状のものに限られるもの
ではなく、たとえば、第５図に示すように複数の
良熱伝導パイプ７１を環状に配列して形成された
もの、第６図に示すように複数の良熱伝導棒７２
を環状に配列して形成されたも、第７図および第
８図に示すように良熱伝導材で周方向にジグザグ
構造の筒状体に形成されたものを用いてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の超流動ヘリウム発生装置の主要
部縦断面図、第２図は本発明の一実施例に係る超
流動ヘリウム発生装置の縦断面図、第３図は本発
明の別の実施例に係る超流動ヘリウム発生装置の
模式的縦断面図、第４図は本発明のさらに別の実
施例に係る超流動ヘリウム発生装置の縦断面図、
第５図から第８図は良熱伝導体の変形例を説明す
るための図である。 １……常流動ヘリウム槽（第１のヘリウム槽）、
２……超流動ヘリウム槽（第２のヘリウム槽）、
３，３ａ……冷却機構、２７，２８……連絡管、
３０，３１……バルブ、３７……突周壁、６１，
６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄ……良熱伝導
体、Ｈ……常流動液体ヘリウム。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内部に常流動液体ヘリウムを収容した第１の
   ヘリウム槽と、この第１のヘリウム槽内の液体ヘ
   リウム中に浸漬されるように上記第１のヘリウム
   槽内に収容された断熱機能を有する第２のヘリウ
   ム槽と、前記第１のヘリウム槽内の液体ヘリウム
   を使つて前記第２のヘリウム槽内のヘリウムをラ
   ムダ点以下の温度まで冷し込む手段と、前記第２
   のヘリウム槽の上壁に設けられ上記第２のヘリウ
   ム槽内と前記第１のヘリウム槽内とを接続する連
   絡管とを備えてなる超流動ヘリウム発生装置にお
   いて、前記第２のヘリウム槽の上壁に前記連絡管
   の前記第１のヘリウム槽側に位置する開口を堤防
   状に取り囲む断熱突周壁を設けてなることを特徴
   とする超流動ヘリウム発生装置。 ２ 前記断熱突周壁は、前記第２のヘリウム槽の
   上壁外周縁に添つて設けられたものであることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の超流動ヘ
   リウム発生装置。 ３ 前記ラムダ点以下の温度まで冷し込む手段
   は、ジユール・トムソン膨張効果を利用したもの
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の超流動ヘリウム発生装置。 ４ 前記ラムダ点以下の温度まで冷し込む手段
   は、磁気熱量効果を利用したものであることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の超流動ヘリ
   ウム発生装置。 ５ 内部に常流動液体ヘリウムを収容した第１の
   ヘリウム槽と、この第１のヘリウム槽内の液体ヘ
   リウム中に浸漬されるように上記第１のヘリウム
   槽内に収容された断熱機能を有する第２のヘリウ
   ム槽と、前記第１のヘリウム槽内の液体ヘリウム
   を使つて前記第２のヘリウム槽内のヘリウムをラ
   ムダ点以下の温度まで冷し込む手段と、前記第２
   のヘリウム槽の上壁に設けられ上記第２のヘリウ
   ム槽内と前記第１のヘリウム槽内とを接続する連
   絡管とを備えてなる超流動ヘリウム発生装置にお
   いて、前記第２のヘリウム槽の上壁に前記連絡管
   の前記第１のヘリウム槽側に位置する開口を堤防
   状に取り囲むように設けられた断熱突周壁と、こ
   の断熱突周壁で囲まれた範囲内にその下端部が位
   置し、その上端部が液面近傍に位置するように前
   記常流動液体ヘリウム中に挿設された良熱伝導体
   とを具備してなることを特徴とする超流動ヘリウ
   ム発生装置。 ６ 前記断熱突周壁は、前記第２のヘリウム槽の
   上壁外周縁に添つて設けられたものであるること
   を特徴とする特許請求の範囲第５項記載の超流動
   ヘリウム発生装置。 ７ 前記ラムダ点以下の温度まで冷し込む手段
   は、ジユール・トムソン膨張効果を利用したもの
   であることを特徴とする特許請求の範囲第５項記
   載の超流動ヘリウム発生装置。 ８ 前記ラムダ点以下の温度まで冷し込む手段
   は、磁気熱量効果を利用したものであることを特
   徴とする特許請求の範囲第５項記載の超流動ヘリ
   ウム発生装置。