JPH0517166B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、超電導マグネツトに使用される冷
媒の如く、極低温に冷却するための冷却媒体に最
適な加圧超流動ヘリウムの製造方法に関するもの
である。

従来の技術 従来から超電導マグネツト等の冷却媒体として
は液体ヘリウムが使用されている。通常の液体ヘ
リウムは質量数が４の⁴Heからなるものであり、
その⁴Heの状態図（相図）を第４図に示す。⁴He
の液相としては、液体ヘリウムＩと称される液相
（以下これをHeと記す）と液体ヘリウムと称
される液相（以下これをHeと記す）との２種
の相があり、特に後者のHeは、粘性が実質的
に零であつて所謂超流動現象を示す特異な液相と
して知られており、そこでこのHeは一般に超
流動ヘリウムとも称されている。そしてこのHe
は、Heと比較して格段に熱伝導が良好であ
り、そのためHeを超電導マグネツト等の冷却
媒体として使用すれば、Heを用いた場合より
も格段に冷却効率が良好となる。そこで最近では
Heを超電導マグネツト等の冷却媒体として使
用することが検討され、一部では実用化も開始さ
れている。

ところでHeのうちでも、第４図の状態図に
おけるHeと気相との気液境界線（飽和蒸気圧
線）Ａ−Ｂ上にあるHe（一般にこれを飽和超
流動ヘリウムと称し、以下He_sと記す）は、比
較的容易に得ることができる。すなわち、状態図
上におけるHeと気相との気液境界線（飽和蒸
気圧線）Ｂ−Ｃ上の飽和蒸気圧下にあるHe
（以下これをHe_sと記す）を減圧すれば、飽和
蒸気圧線Ｂ−Ｃに沿つて温度降下し、飽和蒸気圧
下の遷移温度Tλ（≒2.172K）の点Ｂの越えれば
液相部分がHe_sとなる。具体的には、例えば
Heを収容した容器内の気相（Heガス）を真空
ポンプにより吸引して減圧するか、あるいはHe
を断熱膨張させればHe_sを得ることができ
る。

しかしながらこのようにして得られるHe_s
は、温度が若干でも上昇すればその分ガス化が進
行してしまうから、これを実際に超伝導マグネツ
ト等の冷却媒体に使用するには安定性に欠ける問
題があり、そこで実際の冷却媒体としては、飽和
蒸気圧よりも高い圧力下（例えば大気圧下＝
1atm）にあるHe、すなわち所謂加圧超流動ヘ
リウム（以下これをHe_pと記す）を使用する必
要がある。例えば第４図の状態図上における
1atmのＤ点のHe_pについてみれば、等圧下で
は温度が△t₁だけ上昇するまではHeの状態を
維持し、さらにHeとなつてから温度が△t₂上
昇するまでは液相を維持するから、ガス化までの
温度上昇に余裕（△t₁＋△t₂）があり、したがつ
て冷却媒体として使用した場合に若干の温度上昇
があつてもガス化することなく安定して冷却する
ことができると言える。

上気のようなHe_p（加圧超流動ヘリウム）の
従来の製造方法としては次のような方法が知られ
ている。

すなわち最も一般的な方法は、大気圧の如き加
圧下のHeをHe_sと熱交換してその圧力下で
温度降下させ、He_pを得る方法である。この方
法は、原理的には例えば第５図に示すような装置
で実施される。

第５図において、容器１の上下方向の中間には
隔壁２が設けられており、この隔壁２によつて容
器１内は上室１Ａ、下室１Ｂに区分されており、
かつ隔壁２には連通孔３が形成されており、この
連通孔３は栓４によつて開閉可能とされている。
また上室１Ａ内に先端が開口する管路５は断熱膨
張弁６を介して下室１Ｂ内の熱交換器７に連絡し
ており、この熱交換器７の先端側は真空ポンプ８
に連結されている。このような装置を用いてHe
_pを製造するにあたつては、先ず前記連通孔３
を開放した状態で例えば1atmの圧力下において
容器１の上室１Ａ、下室１Ｂ内にHeを注入す
る。そして前記1atmの圧力を保持したまま、栓
４によつて連通孔３を閉じた状態で前記真空ポン
プ８を作動させることにより、上室１Ａ内のHe
を断熱膨張弁６に導き、そのHeを断熱自由
膨張（JT膨張）させることによりHe_sに変え、
そのHe_sを下室１Ｂ内のHe中に浸漬されて
いる熱交換器７に導いて下室１Ｂ内のHeと熱
交換させることにより、そのHeを1atmの圧力
下で温度降下させ、He_pに変化させる。したが
つて下室１ＢにはHe_pが得られることになる。
なお連通孔３は栓４によつて一応は閉じられてい
るが、実際には、下室１Ｂ内のHe_pの体積が減
少すれば栓４と連通孔３の内面との間の間隙を介
して上室１Ａ内のHeが下室１Ｂ内に流入して
温度降下し、He_pに変化するから、常時補給が
なされることになる。

上記のような方法のほか、He_pを得る方法と
してはGGG（ガリウムガトリニウムガーネツト）
結晶を用いた磁気冷凍機により圧力下でHeを
温度降下させてHe_pを得る方法も提案されてお
り、また、そのほか、³Heを例えば4.2Kで圧縮し
て、これを断熱自由膨張させて4.2Kよりも充分
に低い温度として圧力下のHeと熱交換させ、
HeをHe_pに変化させる方法も提案されてい
る。

発明が解決すべき問題点 前述のようなHe_p（加圧超流動ヘリウム）を
得る方法のうち、最も一般的な圧力下のHeを
He_sと熱交換してHe_pを得る方法では、熱交
換器が絶対的に必要な条件である。ところがこの
場合には、熱交換器として表面積が著しく大きい
ものを使用する必要がある。すなわち、一般に伝
熱壁の境界熱抵抗はKapitzaの式で表わされるよ
うに絶対温度の３乗に反比例することが知られて
おり、したがつて絶対零度近くの極低温では境界
熱抵抗が著しく大きくなり、そのため極低温の熱
交換にあたつては、極低温流体とそれに接する熱
交換器伝熱壁との間の境界熱抵抗による温度差が
著しく大きくなつてしまうから、熱交換効率を上
げるためには熱交換器伝熱壁の表面を著しく大き
くする必要が生じる。したがつて前記のような熱
交換による熱交換器全体も大型化せざるを得ず、
またその結果装置全体も大型化せざるを得なかつ
たのである。

一方前記の磁気冷凍機を用いた方式は、技術面
およびコスト面などから未だ実用化には至つてお
らず、また³Heを用いる方式も、³Heが天然には
存在せず、著しく高価であることから、実用化に
は至つていないのが実情である。

この発明は以上の事情を背景としてなされたも
ので、大型の熱交換器を用いることなく、加圧超
流動ヘリウム（He_p）を効率良く低コストで製
造し得る方法を提供することを目的とするもので
ある。

問題点を解決するための手段 上記の目的を達成するべく、本発明者等は種々
検討を重ねた結果、本発明者等が既に「低温工
学」Vol.20、（1985）p35〜p41において発表して
いるようなベローズ式液体ヘリウムポンプを応用
することによつて、熱交換器を用いることなく加
圧超流動ヘリウムを効率良く製造し得ることを見
出し、この発明をなすに至つたのである。

すなわちこの発明の加圧超流動ヘリウムの製造
方法は、容器内に収容された飽和超流動ヘリウム
中にベローズ式ホンプを浸漬させておき、そのベ
ローズ式ポンプにより容器内の飽和超流動ヘリウ
ムを吸引して加圧することによつて、飽和超流動
ヘリウムを、その温度を実質的に維持したまま圧
力上昇させることにより加圧超流動ヘリウムとす
ることを特徴とするものである。

作 用 この発明では、任意の方法によつて得た飽和超
流動ヘリウム（He_s）を容器内に収容してお
き、しかもその容器内のHe_s中にベローズ式ポ
ンプを浸漬させておく。そしてベローズ式ポンプ
を作動させて、容器内のHe_sをベローズ式ポン
プ内に吸引し、その温度を維持したまま加圧して
圧力上昇させることにより、加圧流動ヘリウム
（He_p）を製造する。すなわち、第１図の⁴He
の状態図に示すように、例えば1.8KのHeの飽
和蒸気圧は12Torrであり、したがつてその温度
におけるHe_sの蒸気圧も12Torrであるから、こ
のHe_sを矢印で示すように等温で加圧すること
によつて例えば1atm、1.8KのHe_pを得ること
ができる。したがつてこの発明の方法では原理的
に熱交換は不要となるのである。すなわち、従来
の熱交換器方式では極低温の熱交換効率を高める
ために伝熱面積を大きくした大型の熱交換器を必
要としていたが、この発明では熱交換器自体が不
要となるため、装置全体の小型化を図ることが可
能となつた。

なお従来一般のピストン−シリンダ方式のポン
プではシリンダとピストンとの摩擦部分があるた
めに発熱が大きく、そのため実際上He_sの加圧
に応用すれば、発熱による温度上昇によつてHe
_sがガス化するだけでHe_pを得ることはでき
ず、また回転式のポンプもあるが回転式ポンプで
は加圧力が小さく、圧力の低い例えば12Torr程
度のHe_sを1atmまで充分に加圧して、充分に
圧力の高いHe_pを得ることは困難であつた。こ
れに対し本発明者等が先に開発したベローズ式ポ
ンプによれば、摩擦部分が原理的に存在しないた
め発熱がなく、しかも大きな圧力上昇を得ること
ができるため、ガス化を招くことなくHe_sを加
圧して充分に圧力の高いHe_pを得ることが可能
となつたのである。そしてこの発明では、上述の
ようなベローズ式ポンプを容器内のHe_s内に浸
漬させておいてそのHe_sを吸引して加圧するた
め、吸引・加圧時にベローズ式ポンプ内の液体
（He_s→He_p）を周囲のHe_sの温度に維持す
ることができ、したがつて前述のような等温加圧
によつて効率的にHe_pを得ることができるので
ある。

実施例 第２図にこの発明の方法を実施する装置を原理
的に示す。

第２図において、容器１０内にはHe_sが収容
されている。このHe_sは例えば容器１０内の
Heを真空ポンプ１１によつて減圧することな
どによつて得られる。容器１０内のHe_s中には
ベローズ式ポンプ１３が浸漬されており、このベ
ローズ式ポンプは容器１０内のHe_sを取り入れ
て加圧することによりHe_pを作成し、吐出管１
４からそのHe_pを吐出させる。

前記ベローズ式ポンプ１２の最も基本的な構成
例を第３図に示す。このベローズ式ポンプ１３
は、内側の作動室１３Ａの内容積が、ステンレス
鋼等からなるベローズ１３Ｂの伸縮により変化す
るように構成されており、かつその作動室１３Ａ
と外部との間には一方向弁からなる吸入弁１３Ｃ
が設けられ、また作動室１３Ａと吐出管１４との
間には一方向弁からなる吐出弁１３Ｄが設けられ
ている。したがつてベローズ１３Ｂの伸長時には
外部のHe_sが吸入弁１３Ｃを介して作動室１３
Ａ内に吸入され、ベローズ１３Ｂの縮小時には作
動室１３Ａ内のHe_sに圧力が加えられてHe_p
に変化するとともにそのHe_pが吐出弁１３Ｂを
介して吐出管１４へ吐出される。

発明の効果 この発明の製造方法によれば、原理的に熱交換
を行なうことなく加圧超流動ヘリウム（He_p）
を得ることができ、そのため従来の熱交換方式の
如く極低温での境界熱抵抗を考慮して充分な熱交
換効率を達成するために大表面・大型の熱交換器
を使用する必要がなくなつたから、製造装置を小
型化することが可能となるとともに、効率良く
He_pを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の方法を原理的に説明するた
めの⁴Heの状態図、第２図はこの発明の方法を実
施する装置の一例を原理的に示す略解図、第３図
はこの発明の方法に使用されるベローズ式ポンプ
の一例を示す略解図、第４図は従来の方法を説明
するための⁴Heの状態図、第５図は従来の熱交換
方式による加圧超流動ヘリウムの製造方法の一例
を実施する装置を原理的に示す略解図である。 １０……容器、１３……ベローズ式ポンプ、
He_s……飽和超流動ヘリウム、He_p……加圧
超流動ヘリウム。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 容器内に収容された飽和超流動ヘリウム中に
   ベローズ式ホンプを浸漬させておき、そのベロー
   ズ式ポンプにより容器内の飽和超流動ヘリウムを
   吸引して加圧することによつて、飽和超流動ヘリ
   ウムを、その温度を実質的に維持したまま圧力上
   昇させることにより加圧超流動ヘリウムとするこ
   とを特徴とする加圧超流動ヘリウムの製造方法。