JPH0719399A - 極低温液体注入装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】安全性および信頼性に勝れた極低温液体注入装
置を提供する。 【構成】一方の断熱容器４内に収容されている極低温液
体５を他方の断熱容器８内へ注入する極低温液体注入装
置において、他方の断熱容器８内に漂っているガスをこ
の断熱容器８から離れた場所へ向けて強制排気する排気
系１１を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一方の断熱容器内に収
容されている極低温液体、たとえば液体ヘリウム，液体
窒素，液体水素等を他方の断熱容器へ注入する際に用い
られる注入装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】超電導磁石の主要部は、通常、クライオ
スタット（断熱容器）内に超電導コイルと液体ヘリウム
や液体窒素で代表される極低温液体とを収容したものと
なっている。

【０００３】ところで、クライオスタット内の超電導コ
イルを超電導状態に転移させるには、クライオスタット
内に、たとえば液体窒素を所定レベルまで注入する必要
がある。また、クライオスタット内の液体窒素のレベル
が超電導コイルの冷却に支障を来す値まで低下したとき
には、液体窒素を追加注入する必要がある。

【０００４】このような注入に際して、通常、図４に示
す注入装置が使用されている。

【０００５】この注入装置は、ボンベ１に貯えられてい
る高圧窒素ガスを案内管２および弁装置３を介してデュ
ワ−４に導き、このデュワ−４内を加圧する。デュワ−
４内には液体窒素５が収容されており、加圧された液体
窒素５はトランスファーチューブ６および注入制御弁７
を介してクライオスタット８内に導かれる。クライオス
タット８内には超電導コイル９が収容されており、この
超電導コイル９が没する所定のレベルに液位が達した時
点で注入制御弁７および弁装置３が閉じられて注入が停
止される。なお、図４中、１０は窒素ガスを回収するた
めの回収管を示している。

【０００６】このような注入装置は、液体窒素に限ら
ず、液体ヘリウムの注入時や水素自動車への液体水素燃
料注入時においても用いられる。

【０００７】しかしながら、このように構成された極低
温液体注入装置にあっても次のような問題があった。

【０００８】すなわち、図４を例にとると、注入開始時
のように、注入する極低温液体の沸点とクライオスタッ
ト８の温度との差が大きいときには、クライオスタット
８内に注入された極低温液体が急激に蒸発し、この蒸発
ガスがトランスファーチューブ６の挿入口等の隙間から
噴出してクライオスタット８の周辺に充満し、一時的で
はあるがクライオスタット８の周辺が酸素欠乏状態とな
る。このため、作業雰囲気を悪化させる問題があった。
また、注入液体が液体水素のような場合には、酸素欠乏
状態が起こるとともにクライオスタット８から漏れた水
素ガスが空気と混合することにより爆発の危険性もあっ
た。

【０００９】一方、この種の極低温液体注入装置では、
注入制御弁７として、通常、弁口を備えた弁座および上
記弁口を選択的に閉じる弁体からなる弁本体と、前記弁
体に対して前記弁口を閉じる向きの力を常に付与するバ
ネ部材と、このバネ部材の力に抗して前記弁体を移動さ
せて前記弁口を解放させるガスアクチュエータと、この
ガスアクチェータを駆動するガス制御系とを備えたもの
が多用されている。

【００１０】このような注入制御弁を備えた極低温液体
注入装置にあっては、弁座および弁体が極低温液体に接
触して熱収縮すると、この熱収縮が原因して閉弁性能が
低下したり、また何等かの原因で漏れ出した極低温ガス
がガスアクチェータに触れたとき、ガスアクチェータの
動作不良が発生するなどの問題があった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来の極
低温液体注入装置においては、特に安全性の面および動
作の信頼性の面において問題があった。

【００１２】そこで本発明は、上述した不具合の少なく
とも１つを解消できる極低温液体注入装置を提供するこ
とを目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る装置の一例では、一方の断熱容器内に
収容されている極低温液体を他方の断熱容器内へ注入す
るための極低温液体注入装置において、前記他方の断熱
容器内に漂っているガスを上記他方の断熱容器から離れ
た場所へ向けて強制排気する排気系を備えている。

【００１４】なお、他方の断熱容器内へ注入する極低温
液体が液体水素のような場合には、他方の断熱容器内に
漂っているガスを取り出し、これに不活性ガスを混ぜ、
濃度を下げて放出する排気系であることが望ましい。

【００１５】

【作用】他方の断熱容器の周辺、つまり作業環境が酸素
欠乏状態になるのを防止でき、安全性を向上させること
ができる。

【００１６】取り出されたガスに不活性ガスを混ぜ、濃
度を下げて放出する排気系の場合には、爆発の危険性を
回避することができる。

【００１７】

【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。

【００１８】図１には本発明の一実施例に係る極低温液
体注入装置が示されている。なお、この図では図４と同
一部分が同一符号で示されている。

【００１９】この注入装置は、ボンベ１に貯えられてい
る高圧窒素ガスを案内管２および弁装置３を介してデュ
ワ−４に導き、このデュワ−４内を加圧する。デュワ−
４内には液体窒素５が収容されており、加圧された液体
窒素５はトランスファーチューブ６および注入制御弁７
を介してクライオスタット８内に導かれる。クライオス
タット８内には超電導コイル９が収容されており、この
超電導コイル９が没する所定のレベルに液位が達した時
点で注入制御弁７および弁装置３が閉じられて注入が停
止される。

【００２０】クライオスタット８には、上部空間に漂っ
ている窒素ガスを回収するための回収管１０の一端が接
続されており、この回収管１０の他端側は排気系１１に
接続されている。

【００２１】排気系１１は、回収管１０の他端に接続さ
れたタンク１２と、このタンク１２に吸込口を接続した
２台の真空ポンプ１３ａ，１３ｂとで構成されている。
この例の場合、真空ポンプ１３ａ，１３ｂは、それぞれ
１分間当り400 リットルの排気量を有したものであり、
その排気口１４ａ，１４ｂとクライオスタット８との間
の距離Ｌはたとえば 8 mに設定されている。

【００２２】このような構成であると、クライオスタッ
ト８内へ液体窒素を注入開始したとき、温度に起因して
クライオスタット８内に多量の窒素ガスが発生しても、
この窒素ガスは回収管１０、タンク１２、真空ポンプ１
３ａ，１３ｂの経路でクライオスタット８より 8 m 離
れた大気中へ向けて強制排気されることになる。したが
って、作業空間であるクライオスタット８の周辺が酸素
欠乏状態になるのを防止できる。

【００２３】図２には本発明の別の実施例に係る極低温
液体注入装置が示されている。

【００２４】この注入装置は、ボンベ１に貯えられてい
る高圧水素ガスを案内管２および弁装置３を介してデュ
ワ−４に導き、このデュワ−４内を加圧する。デュワ−
４内には液体水素５ａが収容されており、加圧された液
体水素５ａはトランスファーチューブ６および注入制御
弁７を介してクライオスタット８内に導かれる。クライ
オスタット８内の液位が所定レベルに達した時点で注入
制御弁７および弁装置３が閉じられて注入が停止され
る。

【００２５】クライオスタット８には、上部空間に漂っ
ている水素ガスを回収するための回収管１０の一端が接
続されており、この回収管１０の他端側は排気系１１ａ
に接続されている。

【００２６】排気系１１ａは、回収管１０の他端に接続
された容積60リットルのタンク１５と、このタンク１５
に直列に接続された、たとえば容積60リットルのタンク
１６と、このタンク１６に直列に接続された容積60リッ
トルのタンク１７と、このタンク１７に吸込口を接続し
た２台の真空ポンプ１８ａ，１８ｂと、各タンク１５，
１６，１７内へアルゴンガスを導入して水素濃度をそれ
ぞれ60％まで低下させる不活性ガス供給系１９とで構成
されている。なお、この例の場合、真空ポンプ１８ａ，
１８ｂは、それぞれ１分間当り400 リットルの排気量を
有したもので、その排気口２０ａ，２０ｂとクライオス
タット８との間の距離Ｌはたとえば 8 mに設定されてい
る。

【００２７】このような構成であると、クライオスタッ
ト８内で発生した水素ガスは、真空ポンプ１８ａ，１８
ｂによって排気される過程において、各タンク１５，１
６，１７に移行してよどんでいる間にアルゴンガスによ
って徐々に薄められ、最終的に排気口２０ａ，２０ｂ付
近の濃度が爆発限界の4 ％以下に抑えられて大気中に放
出される。したがって、安全性を確保できることにな
る。

【００２８】図３には本発明のさらに別の実施例に係る
極低温液体注入装置における要部だけが示されている。

【００２９】先に、図４を参照しながら説明したよう
に、従来の極低温液体注入装置では、トランスファーチ
ューブ６の途中位置にガスアクチュエータによって駆動
される注入制御弁７を介在させ、この注入制御弁７の開
閉によって注入開始および注入停止を行うようにしてい
る。注入制御弁７は、バネの復元力を弁体に与えて弁口
を常時閉塞させておき、開弁時にはバネの復元力に抗す
る向きにガス圧力を弁体に与えて開弁させる方式を採用
している。

【００３０】このような注入制御弁を備えた極低温液体
注入装置にあっては、弁座および弁体が極低温液体に接
触して熱収縮すると、これらを構成している部材の熱収
縮の違いが原因して閉弁性能が低下したり、また何等か
の原因で漏れ出した極低温ガスがガスアクチェータに触
れたとき、ガスアクチェータに動作不良が発生するなど
の問題があった。

【００３１】この問題を解決したのが、この実施例に係
る極低温液体注入装置である。

【００３２】すなわち、図中９２はトランスファーチュ
ーブを示している。このトランスファーチューブ９２
は、外部からの熱侵入を抑えるために内管と外管との間
に真空断熱層を設けた二重管構造に形成されている。そ
して、トランスファーチューブ９２に直列に注入制御弁
９３が介挿されている。

【００３３】図中９２ａはデュワーに接続される側のト
ランスファーチューブを示し、９２ｂはクライオスタッ
トに接続される側のトランスファーチューブを示してい
る。トランスファーチューブ９２ｂは、内管９４と、外
管９５と、内管９４と外管９５との間に形成された真空
断熱層９６とで構成されている。

【００３４】内管９４および外管９５の図中下端部は環
状の閉塞壁９７によって気密に接続されている。この閉
塞壁９７は、注入制御弁９３の弁座を兼ねており、図中
上方に向かうにしたがって小径となるテーパ状に設けら
れている。

【００３５】トランスファーチューブ９２ｂも内管９８
と、外管９９と、内管９８と外管９９との間に形成され
た真空断熱層１００とで形成されている。なお、内管９
８の内径は、トランスファーチューブ９２ａにおける外
管９５の外径より所定だけ大径に形成されている。そし
て、内管９８および外管９９の図中上端部は環状の閉塞
壁１０１によって気密に接続されている。

【００３６】トランスファーチューブ９２ａの下端部、
つまり閉塞壁９７の設けられている側は、トランスファ
ーチューブ９２ｂの上端部内へ差込まれている。トラン
スファーチューブ９２ａの外管９５とトランスファーチ
ューブ９２ｂの内管９８との間には筒体１０２が配設さ
れている。

【００３７】筒体１０２の上端側は露出しており、この
露出している部分には半径方向外側に向かう鍔部１０３
が形成されている。一方、筒体１０２の図中下端部に
は、前述した閉塞壁９７によって構成された弁座の弁口
を選択的に開閉する弁体１０４が取付けられている。な
お、弁体１０４の周縁部には、弁口が開いたとき極低温
液体をトランスファチューブ９２ｂ側へ案内するための
孔１０５が複数形成されている。また、筒体１０２の外
周面と閉塞壁１０１とは気密性を保つためにベローズ１
０６によって接続されている。

【００３８】筒体１０２の外周にはプレート１０７が軸
方向に移動自在に挿着されており、このプレート１０７
と鍔部１０３との間にはコイルバネ１０８が装着されて
いる。プレート１０７は位置調整ボルト１１１を介して
トランスファーチューブ９２ａ側の外被１１２に固定さ
れている。

【００３９】外被１１２にはガスアクチュエータ１１３
が取付けられている。このガスアクチュエータ１１３
は、シリンダ１１４と、このシリンダ１１４内をＯリン
グにシールされて図中上下方向に往復動するピストン１
１５と、このピストン１１５の下面に一端側が固定され
たピストンロッド１１６とで構成されている。そして、
ピストンロッド１１６の他端側は鍔部１０３にネジ止め
されている。ここで、閉塞壁９７に形成された弁口を弁
体１０４が閉塞している状態下において、シリンダ１１
４のヘッド壁とピストン１１５との間に0.5 〜1.5 mmの
隙間Ｘが形成されるように組立てられている。

【００４０】シリンダ１１４のヘッド壁とピストン１１
５との間の空間は、一方においては電磁バルブ１１７を
介してガス排出系に接続され、他方においては電磁バル
ブ１１８を介して駆動ガス供給系１１９に接続されてい
る。この駆動ガス供給系１１９では、低温下において凝
固する成分、つまり水分の含まない純度の高いヘリムガ
スを駆動ガスとして用いている。

【００４１】このように構成された注入制御弁９３は、
ガスアクチュエータ１１３が動作していない状態下で
は、コイルバネ１０８の復元力Ｆ₂ が鍔部１０３、つま
り筒体１０２に作用するので、筒体１０２に図中上向き
の力が作用し、この結果、弁体１０４が弁口を閉じた状
態となる。この場合、シリンダ１１４のヘッド壁とピス
トン１１５との間には隙間Ｘを形成するようにしている
ので、ピストンロッド１１６を鍔部１０７へネジ止めす
るときにヘッド壁とピストン１１５とが接触して弁体１
０４の閉じ具合に影響を与えるようなことはない。した
がって、弁座や弁体１０４およびこれらに繋がる部分が
極低温液体に触れて熱収縮しても良好な閉塞状態が形成
される。

【００４２】また、弁を開く場合には、駆動ガス供給系
１１９から電磁バルブ１１８を介してガスアクチュエー
タ１１３に高圧ヘリウムガスを供給すると、これによっ
てピストン１１５が押し下げられて力Ｆ₂ より大きい力
Ｆ₁ が鍔部１０３に加えられる。この結果、筒体１０２
が図中下方に移動し、弁体１０４が閉塞壁９７で構成さ
れた弁座から離れて開弁状態が形成される。

【００４３】この場合、駆動ガスとして水分の含まない
純度の高いヘリウムガスを用いているので、万一漏れた
極低温ガスによってシリンダ１１４が冷やされた場合で
あっても、氷結による動作不良が発生するようなことは
なく、ピストン１１５を確実に動作させることができ
る。

【００４４】なお、図３に示す実施例では、シリンダ１
１４のヘッド壁とピストン１１５との間に隙間Ｘを設け
ることによって、組立て時にヘッド壁とピストン１１５
とが接触し、これが原因して熱収縮時に弁本体の閉塞不
良が起こるのを防止しているが、シリンダ１１４のヘッ
ド壁とピストン１１５との間に、図３中に破線で示すよ
うに、閉塞時に弁体１０４が弁座に衝突するのを緩衝す
るゴム材やコイルバネ１２０を介在させ、これらの部材
の弾性で実質的な隙間Ｘを形成するようにしてもよい。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
信頼性、安全性のいずれをも向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る極低温液体注入装
置の概略構成図

【図２】本発明の第２の実施例に係る極低温液体注入装
置の概略構成図

【図３】本発明の第３の実施例に係る極低温液体注入装
置の要部構成図

【図４】従来の極低温液体注入装置の概略構成図

【符号の説明】 １，１ａ…ボンベ ２…案内管 ３…弁装置 ４…デュワー ５…液体窒素 ５ａ…液体水素 ６…トランスファーチューブ ７…注入制御弁 ８…クライオスタット １０…ガス回収
管 １１，１１ａ…排気系 ９２…トランス
ファーチューブ ９３…注入制御弁 ９７…弁座を兼
ねた閉塞壁 １０４…弁体 １０８…コイル
バネ １１３…ガスアクチュエータ １１４…シリン
ダ １１５…ピストン １１６…ピスト
ンロッド １１７，１１８…電磁弁 １１９…駆動ガ
ス供給系 Ｘ…隙間

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一方の断熱容器内に収容されている極低温
   液体を他方の断熱容器内へ注入するための極低温液体注
   入装置において、前記他方の断熱容器内に漂っているガ
   スを上記他方の断熱容器から離れた場所へ向けて強制排
   気する排気系を備えてなることを特徴とする極低温液体
   注入装置。
2. 【請求項２】一方の断熱容器内に収容されている極低温
   液体を他方の断熱容器内へ注入するためのものであっ
   て、注入経路の途中に、弁口を備えた弁座および上記弁
   口を選択的に閉じる弁体からなる弁本体と、前記弁体に
   対して前記弁口を閉じる向きの力を常に付与するバネ部
   材と、このバネ部材の力に抗して前記弁体を移動させて
   前記弁口を解放させるガスアクチュエータとを含む注入
   制御弁を設けてなる極低温液体注入装置において、前記
   ガスアクチュエータは、シリンダとピストンとを備え、
   かつ前記弁体が前記弁口を閉じている状態下において上
   記シリンダのヘッド壁と前記ピストンとの間に実質的な
   隙間を有していることを特徴とする極低温液体注入装
   置。
3. 【請求項３】一方の断熱容器内に収容されている極低温
   液体を他方の断熱容器内へ注入するためのものであっ
   て、注入経路の途中に、弁口を備えた弁座および上記弁
   口を選択的に閉じる弁体からなる弁本体と、前記弁体に
   対して前記弁口を閉じる向きの力を常に付与するバネ部
   材と、このバネ部材の力に抗して前記弁体を移動させて
   前記弁口を解放させるガスアクチュエータと、このガス
   アクチェータを駆動する駆動ガス供給系とを含む注入制
   御弁を設けてなる極低温液体注入装置において、前記駆
   動ガス供給系は低温下において凝固する成分を含まない
   ガスを用いていることを特徴とする極低温液体注入装
   置。