JPH06331253A

JPH06331253A - 超電導冷却装置

Info

Publication number: JPH06331253A
Application number: JP5123767A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Mori; 英明森; Takeo Nemoto; 武夫根本; Kazuo Kuroishi; 一夫黒石; Takashi Tamaki; 隆志環
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-05-26
Filing date: 1993-05-26
Publication date: 1994-11-29

Abstract

(57)【要約】（修正有）【構成】液体ヘリウム貯槽１の内圧を大気圧に対して常
に僅かに正の圧力に保持する加圧手段を設け、また、液
体ヘリウム２の膨脹手段と、この膨脹手段で膨脹したヘ
リウムと液体ヘリウム貯槽１の液体ヘリウム２との熱交
換器５ならびに膨脹したヘリウムの排気装置６からなる
配管系統と液体ヘリウム貯槽１とを分離する。【効果】液体ヘリウム貯槽の内圧が大気圧に対して常に
正なので、空気などのクライオスタットへの混入はな
い。さらに、このサブクール液体ヘリウムの温度分布を
乱すことがないので超電導機器を安定に運転することが
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、液体ヘリウムにより超
電導マグネットなどの超電導機器を冷却する超電導冷却
装置に係り、特に、液体ヘリウムをサブクール状態する
のに好適な超電導冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、超電導マグネットは大気圧下の
４.２Ｋの液体ヘリウムで冷却される場合が多いが、強
力な磁場を得たい場合や蓄積エネルギを大幅に高めたい
場合には、温度が２.１７Ｋ以下の超流動ヘリウムが好
んで使用されてきた。これは、臨界電流や臨界磁場など
の超電導特性は温度が低くなるほど向上すること、およ
び、超流動ヘリウムの冷却特性が４.２Ｋの液体ヘリウ
ム（常流動ヘリウム）のそれと比較して極めて高いため
である。この超流動ヘリウムには、その圧力に応じて飽
和超流動ヘリウムと加圧超流動ヘリウムと呼ばれるもの
がある。前者は液体ヘリウムの貯液されたクライオスタ
ットを真空ポンプなどで三十数Torr以下に減圧すれば簡
単に得ることができる。後者は、特公昭60−4121号公報
に記載されているように、細管などで液中にて連通させ
た二つの液体ヘリウム槽を設けることによって得ること
ができる。しかし、実際の使用に当たっては、前者はク
ライオスタット内部が大気圧に対して負圧になるため、
クライオスタット内部への空気の混入防止に対して十分
な配慮が必要となり、後者は超電導マグネットのクエン
チによる超流動ヘリウム槽内圧上昇に対する考慮、たと
えば、低温安全弁などが必要となるため、使い勝手が損
なわれていた。

【０００３】そこで、簡単なクライオスタット構造で大
気圧下で２.１７Ｋ近傍のサブクール液体ヘリウムを得
る方法が、特公昭60−4121号公報の公知例として記載さ
れている。サブクール液体ヘリウムの冷却特性は、飽和
および加圧超流動ヘリウムよりも劣るが、大気圧で４.
２Ｋの液体ヘリウムと比べると良好で（サブクール度
に依存。たとえば、２.１７Ｋのサブクール液体ヘリウ
ムの限界熱流束は、４.２Ｋの液体ヘリウムに比べ１.８
倍ほどよい）、かなりの冷却安定性の向上が期待でき
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来技術
は、得られた超流動ヘリウムまたはサブクール液体ヘリ
ウムは、熱平衡に達していないためわずかな時間で液表
面の温度が大気圧の飽和温度４.２Ｋから低下し、ヘリ
ウムガスの凝縮によるクライオスタット内部の圧力が大
気圧に対して負圧になることについて考慮しておらず、
その対策法については全く触れていない。

【０００５】また、極低温冷媒貯槽内の液体ヘリウムの
補給時に、超流動及び液体ヘリウムの温度を上昇させ、
超電導マグネットの運転を不安定または不可能にする点
について考慮されておらず、その対策法についても全く
触れていない。

【０００６】本発明の目的は、大気圧下でかつλ点近傍
の低温サブクール液体を得ると同時に、クライオスタッ
ト内部の圧力が常に大気圧に対して正になるようにする
ことにより、また、液体ヘリウム補給の有無に関わらず
超流動ヘリウムまたはサブクール液体ヘリウムの温度を
一定に保持できるようにすることにより、安定して使用
できる超電導冷却装置を得ることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的は、前記極低温
冷媒貯槽の内圧を大気圧に対して常に僅かに正の圧力に
保持する加圧手段を設けることにより、また、極低温冷
媒を極低温冷媒貯槽外から直接膨脹手段に供給し、膨脹
手段とこの膨脹手段で膨脹したヘリウムと極低温冷媒貯
槽の極低温冷媒との熱交換器ならびに膨脹したヘリウム
の排気手段からなる配管系統と極低温冷媒貯槽とを分離
することにより達成される。また、極低温冷媒貯槽と連
通しない第二の極低温冷媒貯槽と、前記貯槽に極低温冷
媒入口を有する膨脹手段と、前記第二の極低温冷媒貯槽
に冷却端を有し、かつ、第二の極低温冷媒貯槽内で発生
した蒸発ガスの冷却流路を有するガス冷却パワーリード
とを用いることで達成できる。

【０００８】

【作用】上記加圧装置は、クライオスタット内部の圧力
が大気圧に対して負圧になった場合は、外部から極低温
冷媒と同種のガスを供給することにより圧力を高め、圧
力が過度に高くなりすぎた場合はクライオスタット内部
のガスを極低温冷媒貯槽外に放出するように作用する。

【０００９】また、第二の極低温冷媒貯槽は、膨脹装置
およびガス冷却パワーリード冷却流路と連通し、それぞ
れ、極低温冷媒およびその極低温冷媒の蒸発ガスを供給
を行い、かつ、ガス冷却パワーリードからの侵入熱を吸
収する極低温冷媒にて冷却された低温端を提供する。こ
れらは、極低温冷媒貯槽内の極低温冷媒の液位の減少を
防ぎ、超電導マグネットの運転時に極低温冷媒貯槽への
冷媒の供給を不要にする。したがって、超電導マグネッ
トを冷却する極低温冷媒の温度上昇および温度分布を乱
すことがない。

【００１０】

【実施例】図１に本発明を超電導マグネットの冷却装置
に適用した一実施例を示す。液体ヘリウム貯槽１には液
体ヘリウム２を貯液し、超電導マグネット３はこの液体
ヘリウム２で浸漬冷却する。液体ヘリウム２は熱交換器
５を介して排気装置６に接続した膨脹弁４に吸引膨脹さ
せ寒冷を発生させる。発生した寒冷は、熱交換器６で液
体ヘリウム２と熱交換するので、液体ヘリウム２の温度
は液体ヘリウム貯槽の内圧に相当する飽和温度（たとえ
ば、大気圧の場合で４.２Ｋ）から低下しサブクール状
態または超流動状態になる。熱交換器５は、図１に示し
たように超電導マグネットの上方に設置する方が好まし
いが、必ずしもこの必要は無く、図２に示すように超電
導マグネットの側方、または、場合によっては下方でも
よい。対流により液体ヘリウム２の液面近傍までλ温度
付近になる。液体ヘリウム貯槽１は、真空断熱容器７中
に保持し液体窒素槽８に貯液した液体窒素９によって冷
却された輻射シールド１０によって囲み、侵入熱が極力
少なくなるようにする。超電導マグネット３に電力を供
給するガス冷却パワーリード１１は、液体ヘリウム２の
蒸発ガスの冷却流路を有しており、蒸発ガスの寒冷でパ
ワーリードの発熱および室温部からの侵入熱を吸収す
る。暖められた蒸発ガス１２は外部に放出するかまたは
冷凍機系に回収する。液体ヘリウム２は、パワーリード
１１の冷却および膨脹弁４での寒冷の発生のために消費
されるので、外部の液体ヘリウム容器１３から定期的ま
たは連続的に補給してやる必要がある。供給される液体
ヘリウム１４は、大気圧で４.２Ｋであるので、バッフ
ル１５で液体ヘリウム２を極力撹拌しないようにすると
よい。図３に示すように、４.２Ｋからλ温度までの温
度勾配はほとんど液面下数mmでつくため、バッフル１５
を設ける位置はなるべく液面の近くが好ましい。超電導
マグネット３を運転中にバッフル１５の位置を変更する
のは容易でないので、液体ヘリウム２の液面を制御し液
面がなるべく定位置にくるようにした方がよい。液体ヘ
リウム１４の供給量の調整は流量調整弁１６で行う。ま
た、この供給量は、ヘリウムガス１７による液体ヘリウ
ム容器１３の加圧量を調整することによってもある程度
可能である。

【００１１】逆止弁１８およびヘリウムガス１９は液体
ヘリウム貯槽１の内圧を大気の液体ヘリウム貯槽１内部
への混入を防ぐ程度に僅かに大気圧に対して正に保つ。
逆止弁１８は貯槽１から大気側しかガスを流さない。ま
た、ヘリウムガス１９の供給量を節約するために、微少
な圧力差に対しては動作しないものが好ましい。圧力計
２０は液体ヘリウム貯槽１の内圧を測定し、その測定信
号２１を制御装置２３に入力する。この制御装置２３
は、電磁式などの遠隔操作が可能なヘリウムガス１９の
流量調節弁２２に駆動信号２４を出力し、ヘリウムガス
の供給ガス圧を逆止弁１８の動作不感帯の範囲内になる
ように制御する。

【００１２】また、図４に示すように、液体ヘリウム２
の液位を液面計２５により電気的に検出し、その液位信
号２６を制御装置２３に入力してその出力信号２７で調
節弁１６を駆動できるようにすると、容器３内部の加圧
に液体ヘリウム１４を併用できヘリウムガス１９の消費
量の低減の観点から効果的である。

【００１３】なお、本発明では、超流動状態と言っても
得られる最低温度はせいぜい2.17Ｋのλ点止まりであ
る。被冷却体で何らかの発熱があった場合には超流動状
態は容易に壊れサブクール状態となる。したがって、超
流動ヘリウムを生成する目的からは本発明は適切でな
く、従来の飽和または加圧超流動ヘリウム発生装置の方
が適している。しかし、飽和超流動ヘリウム発生装置の
場合は、液体ヘリウム貯槽の内部が大気圧にたいして負
圧になることは本質的に避けられず、空気の混入に対し
ての厳重な対策が必要となる。また、加圧超流動ヘリウ
ム発生装置は、クライオスタットを超流動ヘリウム槽と
温度がλ温度以上の常流動ヘリウム槽の二槽に分け、両
者を細い流路で連通させるもので、小規模な超電導冷却
装置であれば製作も用意であるが、大規模で複雑な構造
のクライオスタットになると製作が困難になってくる。
また、この構造では、超電導装置のクエンチに基づく超
流動ヘリウム槽の内圧上昇を防ぐために低温で動作させ
る安全弁が必要となるが十分な信頼性を有する安全弁を
製作することは非常に困難なため、特に大形の超電導装
置などには採用しにくい問題があった。本発明は、超流
動ヘリウムほどの冷却性能は必要としないかわりに、簡
便な方法で超電導機器の性能を上げたい場合に有効で、
クライオスタット内部に膨脹弁４と熱交換器５を設置す
るスペースさえあればよい。したがって、非常に複雑な
構造を有するクライオスタットや、既存のクライオスタ
ットを流用する場合などに有効である。

【００１４】図５に、本発明の他の実施例を示す。本発
明は、第一実施例の膨脹弁４への液体ヘリウムの供給を
外部の液体ヘリウム容器１３から行うようにしたもの
で、寒冷の発生に液体ヘリウム２を消費しないため、液
体ヘリウム貯槽１への液体ヘリウム１４の補給量を低減
でき、これにともなう液体ヘリウム２の温度分布の乱れ
も低減できる。さらに、図６に示すように、液体ヘリウ
ム貯槽１の内部に第二の液体ヘリウム冷媒貯槽２８を設
置できる場合は、液体ヘリウム２の消費をほぼ完全にな
くすことができる。すなわち、膨脹弁４への液体ヘリウ
ムの供給をこの第二の液体ヘリウム貯槽２８から行い、
パワーリードの低温端およびその冷却ガス流路入り口を
この第二の液体ヘリウム貯槽２８に設ける。パワーリー
ドの冷却は第二の液体ヘリウム貯槽２８内部の蒸発ガス
２９でおこなう。寒冷の発生量と超電導マグネット３の
発熱量及び液体ヘリウム冷媒貯槽１への総侵入熱量がバ
ランスすれば、液体ヘリウム２の補給を行わずにすむ。
実際は液体ヘリウム２の温度を監視し、温度が一定にな
るように膨脹弁の開度を調節し寒冷発生量を制御するこ
とが好ましい。

【００１５】

【発明の効果】本発明によれば、液体ヘリウム貯槽の内
圧を大気圧に対して常に正に保つことができ、さらに、
この液体ヘリウム貯槽内部の液体ヘリウム内部の温度分
布を乱すことがないので超電導マグネットなどの超電導
機器を安定に運転することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す超電導冷却装置構成の
系統図。

【図２】本発明の第一実施例の熱交換器の位置が任意で
あることの説明図。

【図３】本発明により得られる液体ヘリウム貯槽内の液
体ヘリウム温度分布の説明図。

【図４】本発明の第一実施例の制御系統の一例の説明
図。

【図５】本発明の第二実施例を示す超電導冷却装置の系
統図。

【図６】本発明の第三実施例を示す超電導冷却装置の系
統図。

【符号の説明】

１…液体ヘリウム貯槽、２…液体ヘリウム、３…超電導
マグネット、４…膨脹弁、５…熱交換器、６…排気装
置、１５…バッフル、１８…逆止弁、１９…ヘリウムガ
ス、２０…圧力検出計。

フロントページの続き (72)発明者環隆志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

【特許請求の範囲】

【請求項１】液体ヘリウムなどの極低温冷媒により冷却
される超電導被冷却体と、前記極低温冷媒の貯槽と、前
記極低温冷媒貯槽に貯液した前記極低温冷媒を供給源と
した膨脹手段と、前記膨脹手段で膨脹した前記極低温冷
媒と前記極低温冷媒貯槽内の前記極低温冷媒との熱交換
手段と、前記膨脹した極低温冷媒の極低温冷媒貯槽外へ
の排気手段と、前記極低温冷媒貯槽の内圧を大気圧に対
して常に僅かばかり正の圧力に保持する加圧手段とから
なることを特徴とする超電導冷却装置。
【請求項２】請求項１において、前記極低温冷媒貯槽と
大気側を連通し、流動方向は前記極低温冷媒貯槽側から
大気圧側の一方向のみであってかつ微小な圧力差に対し
ては動作しない動作不感帯領域を有する逆止弁と、大気
圧に対して常に正圧でかつ動作不感帯の範囲内の圧力で
前記極低温冷媒の気体を供給する気体供給手段を有する
超電導冷却装置。
【請求項３】液体ヘリウムなどの極低温冷媒により冷却
される超電導被冷却体と、前記極低温冷媒の貯槽と、前
記極低温冷媒貯槽とは異なる供給源からの膨脹手段と、
前記膨脹手段で膨脹した前記極低温冷媒と前記極低温冷
媒貯槽内の前記極低温冷媒との熱交換手段と、前記膨脹
した極低温冷媒を前記極低温冷媒貯槽外に排気する排気
手段と、前記極低温冷媒貯槽の内圧を大気圧に対して常
に僅かばかり正の圧力に保持する加圧手段とからなる超
電導冷却装置。
【請求項４】請求項１において、膨脹後の前記極低温冷
媒の温度が常にラムダ温度以下になるように膨脹手段通
過後の前記極低温冷媒の圧力を制御する超電導冷却装置
の運転方法。
【請求項５】請求項３において、前記極低温冷媒貯槽と
連通しない第二の極低温冷媒貯槽と、前記第二の極低温
冷媒貯槽に極低温冷媒入口を有する前記膨脹手段と、前
記第二の極低温冷媒貯槽に冷却端を有し、前記、第二の
極低温冷媒貯槽内で発生した蒸発ガスの冷却流路を有す
るガス冷却パワーリードとを有する超電導冷却装置。