JPH0550674B2 - - Google Patents

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JPH0550674B2
JPH0550674B2 JP61190700A JP19070086A JPH0550674B2 JP H0550674 B2 JPH0550674 B2 JP H0550674B2 JP 61190700 A JP61190700 A JP 61190700A JP 19070086 A JP19070086 A JP 19070086A JP H0550674 B2 JPH0550674 B2 JP H0550674B2
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JP
Japan
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cooling
heat exchanger
tank
helium
heat
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JP61190700A
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Hofuman Aruberuto
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Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
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Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/12—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point using 3He-4He dilution

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、超流動ヘリウム（He）を使用し
物体を冷却する方法および該方法を実施する装置
に関する。
従来の技術 Heの1.7K〜2.1Kの温度範囲における異常に
良好な熱伝導性および超流動性は、超伝導電磁コ
イルを冷却するための抜群の特性である。従来よ
り、1.8Kに冷却されるこのようなコイルは、原
理的に浴中冷却されたコイルにより実現されるこ
とができたにすぎない。この常用の技術は以下の
欠点を有することが公知である：気密なコイルケ
ーシングを必要とし、導電体の機械的固定が不良
であり、かつ耐高電圧性が不良である。これらの
欠点は、導電体の外部冷却を使用するこのような
浴中冷却から、強制ヘリウム環流を使用する導電
体内部冷却へ移行することにより克服されること
ができる。従来よりこの構造は、適当なポンプが
なく、超流動ヘリウム（He）を使用し冷却し
たところで実現されることができなかつた。
オランダ国特許公開明細書第7902438号に記載
されているように、3He−4He冷却装置中のHe
の対流を励起するフアウンテンポンプ
（Fountainpumpen）が公知である。
公知の全ての用途において、ポンプ作用は、ス
ーパーフイルタの熱終端部を付加的に電気的に加
熱することにより得られる。このようなポンプの
熱力学的効率が実際に極めて低い（供給された熱
の10％以下が動作に変換されることができる）の
で、この方法は、とりわけ循環すべきヘリウム流
量が大きい場合不経済に大きい冷却装置の負荷を
生じる。
発明が解決しようとする問題点 本発明の根底をなす課題は、例えば超伝導大形
マグネツトのような物体の冷却を、液体ヘリウム
を使用し有効かつ経済的に実現することである。
問題点を解決するための手段 本発明によれば前記課題の解決は、微細多孔質
フイルタ流動入口と流動出口との間に搬送圧力を
得るために必要な温度差が存在していて、これに
よつて前記フイルタ中を流動する超流動ヘリウム
（He）のためにフアウンテンポンプが形成され
る限り、前記フイルタ中を強制的に流動する該ヘ
リウムを使用して物体を冷却する方法において、
超流動ヘリウムの前記強制流動が、冷却すべき物
体から導出される熱によつて励起され、この際こ
の物体中で加熱された液体が一つの熱交換器を通
つてフアウンテンポンプの流動出口へと導かれる
方法により行なわれる。
さらに本発明は、前述の方法を実施する装置に
おいて、以下の部材：冷却すべき物体の冷却チヤ
ンネルに接続された、再冷却槽中の第１の熱交換
器；冷却チヤンネルの出口に接続された、フアウ
ンテンポンプの加熱槽用の第２の熱交換器；その
入口が第２の熱交換器に接続され、フアウンテン
ポンプのスーパーフイルタにHeを供給する供
給槽中に開口する、再冷却槽中の第３の熱交換
器：が直列に閉鎖ヘリウム循環系に配置されてい
る装置に関する。
従属請求項記載の方法および装置は、前記本発
明をさらに発展させた実施例である。
本発明の特別な利点は、冷却すべき物体の損失
熱が、強制流動を形成するため固有の冷却循環系
中で使用され、その場合損失熱が、付加的駆動電
力を必要とせずかつそれぞれの負荷に相応する流
量が自動的に得られるようフアウンテンポンプ中
へ吸収されることである。殊に有利な方法で、こ
れらポンプは機械的な可動部材を有しない。
本発明によれば、液体ヘリウムのλ線を下廻る
極低温で、すなわち超流動ヘリウム（He）を
使用し内部冷却形導電体構造を実現する可能性が
得られ、その場合強制流動による冷却の明白な利
点と、大形の超伝導コイル構造におけるHeの
極めて良好な冷却特性の利点とが一緒になつてい
る。
現在一般に常用の温度約4Kにおける冷却と比
べ必然的に増大した、冷却性能を得るための費用
が、しばしば安価な材料（Nb3Snに代るNbTi）
を使用することによるか、ないしは1.8Kで得ら
れることのできる大きい磁界および電流密度によ
り補償される。
実施例 以下に、本発明を図面実施例につき詳説する。
第１図は本発明による冷却循環系の系統図であ
る。この図面は、理解を助けるため、1.8K作動
温度が得られる現技術水準による冷却装置をも包
含する。この場合、貯蔵容器１中で例えば１バー
ルの圧力下に沸騰する液体ヘリウムが、熱交換器
として形成された第２を経てリリーフ弁３に供給
される。圧力約15ミリバールにフラツシユさせる
ことにより、再冷却槽４中で約1.8Kの作動温度
が得られる。この蒸気が導管５を経て吸引されか
つ液体に戻される。再冷却槽４が、熱交換装置と
して形成された壁６を介し供給槽７と十分熱的に
接触して配置されるが、この供給槽は圧力平衡管
１ａを経て貯蔵容器１中と同じ圧力となつてい
る。従つて供給槽７中に、温度1.8Kおよび、貯
蔵容器１中と同じ例えば１バールの圧力を有する
過冷却Heが得られる。圧力平衡管１ａがいわ
ゆる熱バリヤーとして形成され、こうして貯蔵容
器１から供給槽７への熱流動が許容可能な程度に
低減する。
供給槽７からの超流動ヘリウム（He）が、
微細多孔質のフイルター（スーパーフイルタ）８
と後接続された加熱槽９とより成る熱力学的ポン
プ（フアウンテンポンプ）を使用し、第１の交換
器１０中で再冷却槽４の温度に再冷却された後、
冷却すべき物体１６、例えば超伝導コイルの冷却
チヤンネル１１中へ導かれる。この冷却区間１１
中で、Heが、その位置から導出すべき熱を吸
収する。その後に、発生する熱Heが第２の熱交
換器１２を貫流し、その場合吸収された熱を加熱
槽９へ放出する。
加熱槽９中に供給槽におけるよりも高い温度が
存在する場合、熱力学的効果、He中に生じる
特殊効果により、超流動Heが十分散逸せずに貯
蔵槽７から加熱槽９中へ流動する。直接にこのこ
とは、冷却区間１１中で吸収された熱がフアウン
テンポンプの加熱槽９中へ吸収されることにより
怠起される。
スーパーフイルタ８がエントロピーフイルタと
して使用する。図面につき説明すると、このフイ
ルタを貫流する際にHeから熱が除去される。
このことは結果として、供給槽７中で流動する際
に熱が生じ、この熱が熱交換器６を経て再冷却槽
４へ放出されることになる。これに対し、スーパ
ーフイルタ８の出口に冷却作用が生じる。これに
より、熱交換器１２を経て加熱槽９に供給された
熱の１部分が導出される。その後に、第２の熱交
換器１２から生じるヘリウムが、後接続された第
３の熱交換器１３中で出発温度に再冷却されかつ
再び供給槽７に供給される。
第１ａ図は第１図による装置を発展させた１実
施例を示し、その場合熱交換器１０および１３に
第４の熱交換器１４および第５の熱交換器１５が
前接続され、これら熱交換器は冷却のため排気管
５中を導かれ、再冷却槽４の熱負荷を低減させ
る。
第２図は、本発明による冷却装置の計算された
冷却特性を示す。この場合、長さＬ、流動断面積
Ｆおよび動水直径Ｄを有し、エネルギＱで加熱さ
れた冷却チヤンネル１１から流出する際の“標準
的”な熱交効率に対する流体温度T2を記載した。
計算は、２つの異なる系内圧力（Po＝1.0および
7.5バール）で行つた。
第２ａ図は、直径Ｄ＝４mmを有するチヤンネル
中で、これから熱流Ｑが導出される場合に生じる
ヘリウム流量である。この図面から、本発明によ
る冷却装置により、長いチヤンネルからでも著大
な熱負荷量が導出されうることが明白である。冷
却は、出口温度T2がHe領域を外れた場合でも
中断することがない。
第２ｂ図に示すように、搬送圧力（フアウンテ
ン圧力ΔpF）が出口温度T2nax3.5Kにまでも増
大する。従つて、このような冷却装置中でHe
から強制的He冷却への連続的移行が行なわれ
ると期待できる。またこのことは、He浴内冷
却と比べて利点と見做されることができる。
第３図は、わずかな圧力降下で最高搬送速度約
10ｇ／秒およびわずかな流量で最高搬送圧力約
0.3バールの代表的フアウンテンポンプの１実施
例を示す。このようなユニツトを使用し例えば、
直径５mmおよび長さ100mmの冷却チヤンネルから、
入口T11.8Kおよび出口温度T52.16Kである場合
にエネルギ約３ワツトが導出されることができ
る。この場合スーパーフイルタ８は、例えば、平
均粒径1.5μｍを有するAl2O3粉末より成り、この
粉末が充填率約50％で長さ約100mmおよび直径35
mmの管中へ圧縮されている。また明白に、類似の
多孔度を有する他の材料が使用されてもよい。フ
イルタユニツトの断面積および長さは、質量流量
および搬送圧力に関する特定の条件に適合する必
要がある。
このような装置を、導出すべき熱並びに冷却チ
ヤンネルの断面積および長さに関するそれぞれの
実態に適合させるため、多数の冷却チヤンネル１
１または多数のポンプユニツトが適当な方法で相
互に組合せられることができる。
このような組合せにおいて、このようなフアウ
ンテンポンプで達成可能な物理的作用による搬送
圧力がそれも相対的に低い約0.5バール以下の価
に制限されるという事実が配慮されなければなら
ない。しかしながら達成可能な流動はフイルタ材
料が一定である場合、給熱およびフイルタ断面積
に依存する。従つて、長い冷却チヤンネルが任意
に作動されることはできないが、これに対し多数
の平行チヤンネルへの分割には物理的制限がな
い。
第４図は、熱負荷が大であるかないしは冷却チ
ヤンネル断面がせまい場合に可能である、並列接
続の冷却チヤンネル１１を有する冷却系統図であ
る。この冷却装置が第１図に示した装置と異なる
のは、たんに、冷却すべき物体（例えば超伝導コ
イル）中でHe流動が多数の分流に分割されて
いることである。この場合、冷却チヤンネル１１
の断面積、スーパーフイルタ８並びに熱交換器１
０，１２，１３，１４および１５が増大せる流量
に適合されている必要がある。このような装置
は、全ての平行分岐流が同じ流動抵抗および同じ
熱負荷量を有する場合に有利であると思われる。
第５図は、平行な冷却チヤンネル１１および１
１ａが不等に負荷されかつ不等な流動抵抗を有す
る場合の冷却装置を示す。それぞれの冷却チヤン
ネル１１および１１ａが固有のポンプを有し、そ
れにより、それぞれの冷却がチヤンネル１１およ
び１１ａにそれぞれの負荷に相応する流量が得ら
れることが保証される。
コイル１６の中央（あるいは任意の中間位置）
から導出される加熱されたHeが、差当り第２の
熱交換器１２を経て導かれかつそれにより第１の
質量流１７を励起し、この質量流が熱交換器１５
および１０中で再冷却された後コイル１６の冷却
チヤンネル１１を貫流する。熱交換器１２から流
出した後、このHeが第２のフアウンテンポンプ
の第６の熱交換器１２ａへ導かれる。この第２の
ポンプへ流入した際、冷媒の温度がすでに部分的
に降下していることにより、その位置で第１のポ
ンプにおけるよりも比較的わずかな第２の質量流
１７ａが励起されうるにすぎない。このヘリウム
流が、熱交換器１５ａおよび１０ａ中で再冷却さ
れた後コイル１６の第２の冷却チヤンネル１１ａ
を経て導かれる。
これにより、２つのコイル部材中で異なる冷媒
流１７および１７ａが形成される自己励起形の冷
却装置が得られる。また同じ原理により、２つ以
上の並列冷却循環系が形成されることができる。
とくに、段階的な冷却効率を有するこのような
冷却循環系は、不均等な熱負荷を有するコイルで
重要なことがある。このような場合の存在するの
が、例えばトカマク（TOKAMAK）核融合リア
クタの環状磁場コイルである。この場合、プラズ
マに最近接するコイル位置で、中性子の吸収によ
り、さらに外側よりも著るしく大きい負荷が生じ
る。この場合、第５図に表わした冷却装置につい
て示せば、大きい質量流１７が内側の巻きを経て
導かれる。
第６図は冷却装置のもう１つの構造を示し、そ
の場合循環が、被冷却物体からフアウンテンポン
プに再吸収された熱により励起されるだけでな
く、また付加的に全冷却装置の他の位置でHe
貯蔵容器１およびHe加熱槽９の温度レベル間
に流れる他の熱流によつても励起される。この実
施例で挙げられるのが以下の２つの成分である： (a) HeおよびHeの装置間の熱バリヤーとし
て形成すべき圧力平衡接続管１ａを通る第１の
熱流１８、および (b) He貯蔵容器１から第８の熱交換器２ａを
経て再冷却槽４に流入するHeに伴なわれた第
２の熱流１９。
２つの熱流１８および１９が加熱槽９を負荷し
かつ従つて対流の増強に寄与する。この方法によ
り、再冷却浴４の熱負荷が低減される。熱交換器
２０を介し貯蔵槽１と熱的に結合された圧力管２
１が、圧力平衡管１ａの代りに液圧的に貯蔵槽１
と遮断されている場合、Heの装置４にこの圧
力管２１を経て任意の圧力が加えられることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
第１図および第１ａ図は本発明による装置のそ
れぞれ１実施例を略示する系統図であり、それぞ
れ第２図、第２ａ図および第２ｂ図は、出口温度
T2と種々の装置内圧力Poにおける標準的負荷と
の関係を示す図表、冷却チヤンネル中のヘリウム
流量と熱負荷Ｑとの関係を示す図表、およびフア
ウンテン圧力Δpと出口温度T2との関係を示す図
表であり、第３図は本発明において使用されるフ
アウンテンポンプの１実施例の構造を示す縦断面
図であり、並びに第４図〜第６図は本発明による
装置のそれぞれさらに他の１実施例を略示する系
統図である。 １……ヘリウム貯蔵容器、１ａ……圧力平衡
管、２……熱交換器として形成された管、２ａ…
…第８の熱交換器、３……リリーフ弁、４……再
冷却槽、５……排気管、６……熱交換壁、７……
供給槽、８，８ａ……スーパーフイルタ、９，９
ａ……加熱槽、１０……第１の熱交換器、１１，
１１ａ……冷却チヤンネル（冷却区間）、１２…
…第２の熱交換器、１２ａ……第６の熱交換器、
１３……第３の熱交換器、１４……第４の熱交換
器、１５……第５の熱交換器、１６……冷却すべ
き物体（コイル）、１７……第１の質量流、１７
ａ……第２の質量流、１８……第１の熱流、１９
……第２の熱流、２０……第７の熱交換器、２１
……圧力管。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 微細多孔質フイルタ８の流動入口と流動出口
    との間に搬送圧力を得るために必要な温度差が存
    在していて、これによつてフイルタ８中を流動す
    る超流動ヘリウム（He）のためにフアウンテ
    ンポンプが形成される限り、フイルタ８中を強制
    的に流動する該ヘリウムを使用し物体を冷却する
    方法において、超流動ヘリウムの前記強制流動
    が、冷却すべき物体１６から導出される熱によつ
    て励起され、この際この物体１６中で加熱された
    液体が１個の熱交換器１２を通つてフアウンテン
    ポンプの流動出口へと導かれることを特徴とする
    超流動ヘリウムを使用し物体を冷却する方法。 ２ (a) 冷却すべき物体１６中で入口温度T1か
    ら出口温度T2に加熱されたヘリウムがフアウ
    ンテンポンプの加熱槽９中で除熱され、その後
    に再冷却槽４中でさらに再冷却されかつフアウ
    ンテンポンプの供給槽７に供給され、かつ (b) このようなフアウンテンポンプの加熱槽９中
    で加熱されかつ圧力下にあるヘリウムが、取出
    されかつ、再冷却槽４中で入口温度T1に再冷
    却された後、冷却すべき物体１６に供給される
    ことを特徴とする、特許請求の範囲第１項記載
    の超流動ヘリウムを使用し物体を冷却する方
    法。 ３ フアウンテンポンプの加熱槽９から取出され
    たHeが、物体１６の種々の位置に供給すべき
    多数のHe分流１７，１７ａに分割されること
    を特徴とする、特許請求の範囲第１項または第２
    項記載の超流動ヘリウムを使用し物体を冷却する
    方法。 ４ (a) ２つまたはそれ以上のHe分流１７，
    １７ａが異なる熱負荷を有する場合、それぞれ
    の分流１７，１７ａが、それぞれの熱負荷に適
    合する固有のフアウンテンポンプから取出され
    かつ冷却すべき物体１６に供給され、かつ (b) He分流１７，１７ａが、冷却すべき物体１
    ６中で吸熱した後１つのHe集合流１７，１７
    ａに合わせられ、この集合流がフアウンテンポ
    ンプの複数の加熱槽９に順次に対応分流の熱負
    荷に相応に供給されて強制流動が励起され、そ
    の場合その都度より大きい熱負荷を有する分流
    のフアウンテンポンプが優先位置にあることを
    特徴とする、特許請求の範囲第３項記載の超流
    動ヘリウムを使用し物体を冷却する方法。 ５ フアウンテンポンプの加熱槽９に、冷却すべ
    き物体から除去され強制流動を増強する熱ととも
    に、He貯蔵容器１からの熱が吸収されること
    を特徴とする、特許請求の範囲第１項から第４項
    までのいずれか１項記載の超流動ヘリウムを使用
    し物体を冷却する方法。 ６ 超流動ヘリウム（He）を使用し物体を冷
    却するため、フアウンテンポンプがHeの強制
    流動の形成に使用され、この強制流動が、冷却す
    べき物体１６から除去すべき熱がフアウンテンポ
    ンプ中へ吸収されることにより励起される方法を
    実施する装置において、以下の部材：冷却すべき
    物体１６の冷却チヤンネル１１に接続された、再
    冷却槽４中の第１の熱交換器１０；冷却チヤンネ
    ル１１の出口に接続された、フアンウンテンポン
    プの加熱槽９用の第２の熱交換器１２；その入口
    が第２の熱交換器１２に接続され、フアウンテン
    ポンプのスーパーフイルタ８にHeを供給する
    供給槽７中に開口する、再冷却槽４中の第３の熱
    交換器１３：が直列に閉鎖ヘリウム循環系に配置
    されていることを特徴とする超流動ヘリウムを使
    用し物体を冷却する装置。 ７ 第２の熱交換器１２および第３の熱交換器１
    ３間に、再冷却槽４の排気管５と熱交換関係にあ
    る第４の熱交換器１４が取り付けられていること
    を特徴とする、特許請求の範囲第６項記載の超流
    動ヘリウムを使用し物体を冷却する装置。 ８ 加熱槽９および第１の熱交換機１０間に、排
    気管５と熱交換関係にある第５の熱交換器１５が
    取り付けられていることを特徴とする、特許請求
    の範囲第６項または第７項記載の超流動ヘリウム
    を使用し物体を冷却する装置。 ９ 貯蔵容器１が第６の熱交換器２ａを介してフ
    アウンテンポンプの加熱槽９と熱的に結合され、
    この熱交換器の入口および出口が、排気管５と熱
    交換関係にあるそれぞれ１つの管２ｂおよび２ｃ
    に接続され、この管の終端部が再冷却槽４中のリ
    リーフ弁３に接続されていることを特徴とする特
    許請求の範囲第６項から第８項までのいずれか１
    項記載の超流動ヘリウムを使用し物体を冷却する
    装置。 １０ 一般に貯蔵容器１および供給槽７間に配置
    される圧力平衡接続管１ａが、直接に加熱槽９中
    に開口することを特徴とする特許請求の範囲第６
    項から第９項までのいずれか１項記載の超流動ヘ
    リウムを使用し物体を冷却する装置。 １１ 圧力平衡接続管１ａの代りに、貯蔵容器１
    中の第７の熱交換器２０を経て、圧力管２１が加
    熱槽９中に開口することを特徴とする、特許請求
    の範囲第６項から第１０項までのいずれか１項記
    載の超流動ヘリウムを使用し物体を冷却する装
    置。
JP61190700A 1985-08-16 1986-08-15 超流動ヘリウムを使用し物体を冷却する方法および装置 Granted JPS6241567A (ja)

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