JPH06101946A - 極低温容器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】液体ヘリウム注入時の液体ヘリウムの蒸発量を
大幅に低減し、液体ヘリウム注入後にも注入管からの伝
導伝熱による熱侵入を低減する極低温容器を提供する。 【構成】液体ヘリウム注入管と中間温度体のサーマルア
ンカー部を冷却手段にサーマルダイオードの機能をもっ
た伝熱体で接続する。 【効果】液体ヘリウム注入時の液体ヘリウムの蒸発量を
大幅に低減し、かつ、液体ヘリウム注入後に注入管から
の伝導伝熱による熱の侵入を大幅に低減することがで
き、液体ヘリウムの蒸発量が少ない極低温容器を提供す
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、極低温容器に係り、特
に、極低温冷媒の補給損失を少なくし、かつ貯蔵極低温
冷媒の蒸発量を少なくした極低温容器に関する。

【０００２】

【従来の技術】超伝導マグネットを使用した核磁気共鳴
診断装置，ジョセフソン素子や各種センサ等の各種電子
機器や、高真空，高排気速度のクライオポンプ，超伝導
マグネットを使用した電子加速器や放射光発生装置の冷
媒には、極低温の液体ヘリウム１ａを使用し、被冷却体
は一般に液体ヘリウム容器内に収納されている。液体ヘ
リウム容器１は図２に示すように、真空断熱容器２内に
納められており、かつ、真空断熱容器２内の真空空間３
に配置した中間温度に冷却した中間温度体、例えば、熱
シールド板や中間温度冷媒容器４で液体ヘリウム容器１
を取り囲み、真空断熱容器内壁の室温部からの輻射熱が
直接液体ヘリウム容器に侵入するのを防いでいる。この
中間温度は室温と液体ヘリウム温度との間の温度で、一
般には液体窒素４ａの温度７７.４Ｋ である。一方、液
体ヘリウム容器には液体ヘリウム注入管および蒸発ガス
排気管が必要で、両管を同一の配管５で構成したものも
ある。配管５の一端は真空断熱容器壁に固定されている
ため、これらの配管を通じて伝導伝熱により室温部から
液体ヘリウム容器１に熱が侵入する。このため、この配
管の適切な位置に、すなわち、真空断熱容器壁に固定し
た位置と、液体ヘリウム容器に結合した位置との間で、
かつ配管温度が中間温度よりも高い位置に、中間温度体
で冷却される冷却手段、例えば、銅網束６を取り付けた
サーマルアンカーを設ける。これによって、配管を通じ
て侵入する伝導熱はサーマルアンカー部で熱シールド板
に吸熱され、液体ヘリウム容器への熱侵入量を大幅に低
減できる。しかし、液体ヘリウム注入時に液体ヘリウム
が、液体ヘリウム注入管のサーマルアンカー部の注入管
内壁に接触する場合、この部分で液体ヘリウムは大量に
蒸発し、注入効率が大幅に低下し液体ヘリウム容器内に
液体ヘリウムを補給できないと言う問題があった。

【０００３】また、本公知例では中間温度の冷却に液体
窒素を使用した場合について述べたが、ギフォード・マ
クマホン（Ｇ・Ｍ）式往復動形膨張機のような機械式の
寒冷発生器で熱シールド板を冷却している場合でも同様
な問題が生じる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明で解決する課題
は、液体ヘリウム注入時の液体ヘリウムの蒸発量を低減
する極低温容器の新しい構造提供にある。

【０００５】本発明の目的は、液体ヘリウム注入時の液
体ヘリウムの蒸発量を大幅に低減し、液体ヘリウム注入
後に於いても注入管からの伝導伝熱による熱侵入を低減
する極低温容器を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的は、サーマルア
ンカー部の冷却手段にサーマルダイオードの機能を有し
た伝熱体を配置することにより達成される。

【０００７】

【作用】中間温度冷媒が液体窒素である場合、伝熱体
に、例えば、伝熱媒体封入型ヒートパイプを使用し、ヒ
ートパイプに封入する伝熱媒体にアルゴンガスを使用す
る。

【０００８】液体ヘリウム注入時には、液体ヘリウム注
入管のサーマルアンカー部の温度は、液体ヘリウム温度
約４.２Ｋ の極低温となるためヒートパイプ内のアルゴ
ンガスは、液体ヘリウム注入管と熱的に接続したヒート
パイプの内壁面に凝固する。ヒートパイプ内の圧力はア
ルゴンガスの４.２Ｋ の飽和圧力に一致し、１０~¹⁰Ｐ
ａ以下となる。したがって、アルゴンガスによる熱伝導
の効果は消滅し、ヒートパイプの他端を熱的に接続した
中間温度体から液体ヘリウム注入管に侵入する熱は、ヒ
ートパイプ壁の伝導伝熱、およびヒートパイプ内部に於
ける輻射伝熱のみである。この輻射伝熱量はヒートパイ
プ内径が小さいので無視できる値となる。ヒートパイプ
壁の伝導伝熱量はヒートパイプ壁の材質，熱流れ方向の
壁断面積，熱流れ方向のヒートパイプ長さで決まる。こ
こで、ヒートパイプ壁の材質に極低温域で熱伝導率が極
めて小さくなるステンレス鋼を使用すれば、ヒートパイ
プ壁の伝導伝熱量を十分小さくできる。したがって、液
体ヘリウム注入時には、中間温度体から液体ヘリウム注
入管のサーマルアンカー部への熱侵入は遮断され、液体
ヘリウムはサーマルアンカー部でほとんど蒸発せず液体
ヘリウム容器に注入できる。

【０００９】一方、注入後は液体ヘリウムの補給が止ま
り、液体ヘリウム注入管のサーマルアンカー部の温度は
徐々に上昇し、中間温度を越える。この時、ヒートパイ
プの内壁面に凝固していたアルゴンガスは、融解して蒸
発し、液体ヘリウム注入管のサーマルアンカー部を冷却
し始める。このヒートパイプの内で蒸発したアルゴンガ
スは、他端に接続した中間温度体で冷却されて凝縮し、
この凝縮液は再び液体ヘリウム注入管のサーマルアンカ
ー部に移動し、サーマルアンカー部を冷却する。したが
って、液体ヘリウム注入管を通じて侵入する室温からの
伝導熱はサーマルアンカー部で中間温度体で吸熱され、
液体ヘリウム容器への熱侵入量を大幅に低減できる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１により説明す
る。液体ヘリウム容器１は図１に示すように、真空断熱
容器２内に納められており、かつ、真空断熱容器２内の
真空空間３に配置した中間温度冷媒容器の液体窒素容器
４で液体ヘリウム容器１を取り囲み、真空断熱容器内壁
の室温部からの輻射熱が直接液体ヘリウム容器１に侵入
するのを防いでいる。液体ヘリウム容器１には蒸発ガス
排気管を共用した液体ヘリウム注入管５を取り付け、こ
の一端は真空断熱容器壁に固定されている。

【００１１】液体ヘリウム注入管５において、真空断熱
容器壁に固定した位置と液体ヘリウム容器結合位置との
間で、かつ配管温度が液体窒素４ａの温度よりも高い位
置にサーマルアンカー用のヒートステーション７を設
け、そこにヒートパイプ８の一端を熱的に接続する。ヒ
ートパイプ８の他端は液体窒素容器４で冷却するヒート
ステーション９に柔軟性を有した冷却手段、例えば、銅
網束６を等を介して熱的に接続する。ヒートパイプ８内
には、伝熱媒体としてアルゴンガスを封入している。液
体窒素容器４には液体窒素注入管４ｂを設けている。

【００１２】液体ヘリウム注入時には、液体ヘリウム注
入管のサーマルアンカー部のヒートステーション７の温
度は、液体ヘリウム温度約４.２Ｋ に達する。このた
め、ヒートパイプ内のアルゴンガスは、ヒートステーシ
ョン７に接続したヒートパイプの内壁面に凝固する。ヒ
ートパイプ内の圧力はアルゴンガスの４.２Ｋ の飽和圧
力に達し、１０~¹⁰Ｐａ 以下の高真空状態になる。した
がって、アルゴンガスによる熱伝導の効果は消滅し、ヒ
ートパイプの他端を熱的に接続した液体窒素温度のヒー
トステーション９から液体ヘリウム注入管に侵入する熱
のほとんどは、ヒートパイプ壁の伝導伝熱となる。ヒー
トパイプの材質をステンレス鋼とし、ヒートパイプの内
径を１cm，板厚を１mm，長さを５cmとすると、伝導伝熱
量Ｑはステンレス鋼の熱伝導率をｋ，流れ方向の壁断面
積をＳ，熱流れ方向のヒートパイプ長さをＬ，ヒートパ
イプの両端温度差をＴとすると、次式で表される。

【００１３】 〔数１〕 Ｑ＝ｋＳＴ／Ｌ …（数１） ここで、この寸法によりＳ＝０.０１６cm²，Ｌ＝５cm，
Ｔ＝(７７.４−４.２)＝７３.２Ｋ，ｋ＝０.０４３Ｗcm
~¹Ｋ~¹ を数１に代入すると、Ｑ＝０.０１Ｗとなる。よ
って、この熱量で蒸発する液体ヘリウムの量は液体ヘリ
ウムの蒸発潜熱を２４Ｊ／ｇとして、０.０００４ｇ／
ｓ＝０.００２cc／ｓとなる。この蒸発量は一般的な液
体ヘリウム注入速度数リットル／分に比べて極めて小さ
な値であり、注入効率を大幅に向上させることができ
る。したがって、注入管５を流動する液体ヘリウムのほ
とんどを液体ヘリウム容器１にためることができる。

【００１４】一方、注入後は液体ヘリウムの補給を止め
るため、液体ヘリウム注入管５のサーマルアンカー部の
温度は徐々に上昇し、中間温度７７.４Ｋ を越え、さら
にアルゴンガスの飽和温度を越える。この時、ヒートパ
イプの内壁面に凝固していたアルゴンガスは、融解して
蒸発し、この蒸発潜熱で液体ヘリウム注入管のサーマル
アンカー部を冷却し始める。このヒートパイプの内で蒸
発したアルゴンガスは、他端に接続した温度７７.４Ｋ
のヒートステーション９で冷却されて凝縮し、この凝縮
液は再び液体ヘリウム注入管のサーマルアンカー部に移
動し、サーマルアンカー部をアルゴンガスの飽和温度約
８０Ｋに冷却する。したがって、液体ヘリウム注入管を
通じて侵入する室温からの伝導熱はサーマルアンカー部
でヒートステーション９で吸熱され、液体ヘリウム注入
管５の室温端から液体ヘリウム容器１への伝導伝熱によ
る熱侵入量を大幅に低減できる。

【００１５】また、本実施例では、中間温度の冷却に液
体窒素を使用した液体窒素容器を中間温度体とした場合
について述べたが、ギフォード・マクマホン（Ｇ・Ｍ）
式往復動形膨張機のような機械式の寒冷発生器で冷却す
る熱シールド板を中間温度体とした場合にも同様な構造
で、同様な効果が生じる。

【００１６】また、本実施例では、ヒートパイプの下端
側を液体ヘリウム注入管に接続したが、ヒートパイプの
下端側を中間温度体に接続し、ヒートパイプの上端側を
液体ヘリウム注入管に接続し、表面張力で凝縮液が移動
できる毛細管やウィックをヒートパイプ内に設けても同
様な効果が生じる。

【００１７】また、本実施例では、ヒートパイプにアル
ゴンガスを封入したヒートパイプを使用したが、アルゴ
ンガスを真空容器外よりキャピラリーチューブ等でパイ
プ内に供給できるようにしても同様な効果が生じる。ま
た、ガス液体ヘリウム温度で凝縮，凝縮・凝固するガス
であれば良く、例えば、窒素ガス，酸素ガス、これらの
混合ガスでも良い。

【００１８】本発明の他の実施例を図３に示す。本図
は、サーマルダイオードの機能を有した伝熱体として熱
膨張差を利用した熱伝導体を使用した場合について示
す。液体ヘリウム注入管５のサーマルアンカー用のヒー
トステーション７に、熱膨張率が異なる熱伝導体１０，
熱伝導体１１を熱的に一体化して設け、かつ両熱伝導体
を一体化する。熱伝導体１１は液体ヘリウム温度を越え
ると、液体窒素容器４で冷却するヒートステーション９
に接触し、サーマルアンカー用のヒートステーション７
を液体窒素で冷却する。液体ヘリウム注入管５内に液体
ヘリウムが流動している場合には、熱伝導体１０が縮
み、熱伝導体１１がヒートステーション９から離脱し、
ヒートステーション９からの熱の流入を防ぐことができ
る。

【００１９】

【発明の効果】本発明によれば、サーマルアンカー部の
冷却手段にサーマルダイオードの機能を有した伝熱体を
配置することにより、液体ヘリウム注入時の液体ヘリウ
ムの蒸発量を大幅に低減し、かつ液体ヘリウム注入後に
注入管からの伝導伝熱による熱侵入を大幅に低減するこ
とができ、液体ヘリウムの蒸発量が少ない極低温容器を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の極低温容器の説明図。

【図２】従来例の極低温容器の説明図。

【図３】本発明になる他の実施例の極低温容器の部分断
面図。

【符号の説明】

１…液体ヘリウム容器、２…真空断熱容器、４…液体窒
素容器、８…ヒートパイプ。

フロントページの続き (72)発明者 吉田 史 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】極低温冷媒を収容する冷媒収容容器と、前
   記冷媒収容容器を覆うとともに前記冷媒収容容器との間
   に真空断熱空間を形成する真空容器と、前記冷媒収容容
   器を覆うとともに前記真空断熱空間に配置し前記冷媒の
   温度と常温との間の温度にある中間温度体と、一端側が
   前記冷媒収容容器に通じるとともに他端側が前記真空空
   間および真空容器壁を貫通して常温部に位置する配管と
   を備えてなる極低温容器において、前記配管の一部をサ
   ーマルダイオード機能をもった冷却手段で前記中間温度
   体と接続したことを特徴とする極低温容器。