JPH08512398A - 極低温生成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ０．２Ｋ以下の温度は、約２Ｋに維持されている包囲体（３）内に設置された混合器（５）へ３Ｈｅ及び４Ｈｅを供給することにより得られる。上記により生じた混合物（Ｍ）は混合器及び包囲体を通過して、交換器（１、１２、４）により流入してくる流体を冷却する。熱損失を補償するために、前記混合物は、好ましくは１．５Ｋ〜２．５Ｋの領域で、ジュールトムソン膨張し、蒸発する。それにより得られる冷却は、４Ｋ以上の流入流体を１．５Ｋ〜２．５Ｋまで冷却するのに使われ、回路中の最低温部（６）を内包する包囲体（１３）内の雰囲気温度に近づける。

Description

【発明の詳細な説明】極低温生成方法 本発明は約１Ｋ以下０．１Ｋ以上の極低温を生成する方法及び装置に関する。 文献ＥＰ−Ａ−０，３２７，４５７は、ＵＳ−Ａ−４，９９１，４０１に相当 し、本発明の創作者の一人が発明者であって、液体４Ｈｅ中の３Ｈｅ溶液相と純 粋３Ｈｅで形成された液相とからなる２相システムを維持する混合器を具備した 低温槽について記述している。液状３Ｈｅ及び４Ｈｅは分離して混合器へ連続的 に導入され、前記溶液が４Ｈｅ中の３Ｈｅを増加せしめて、３Ｈｅが逆流しない ような割合で混合器から抽出され、そして、導入された３Ｈｅの溶解の可能性を 減少せしめている。混合器は少なくとも０．２Ｋに冷却されている包囲体内に設 置されている。 より正確に述べると、混合器において、２流体は混合して３Ｈｅの濃相と薄相 とからなる２相システムを生成し、希釈又は溶解のエネルギは冷却に用いられ、 混合物の出口管における２相の発達は、溶解した３Ｈｅがシステムの低温部へ逆 流して拡散するのを防止しているが、より高温時（約０．５Ｋ）には，４Ｈｅに おける３Ｈｅの溶解度が増加し、混合物は単相流のみを含み、その割合は３Ｈｅ が拡散しない値となるであろう。 この低温槽は蒸溜器を含まないため無重力下で作動でき、特に宇宙船での使用 に便宜である。無重力下における使用の場合、低温槽はそれ自身が生成する僅か な量の４Ｈｅと３Ｈｅとの混合物を排出すれば作動する。宇宙船が地球に戻る場 合、地上で放出するために混合物は貯蔵器に蓄積することも可能である。低温槽 が地上で用いられる場合は、蒸留装置と結合し、密閉回路で作動する組立体と結 合することができる。 この低温槽が遭遇する一つの困難性は、２Ｋ以下に包囲体を維持する超流動体 ヘリウムの貯蔵器を具備する必要があることに起因し、厄介な問題を構成する。 このような貯蔵は、特に宇宙船上において実現困難な特別の制約を課すものであ る。 本発明の目的は、ＥＰ−Ａ−０，３２７，４５７に記載された低温槽を供給す ることであり、また簡単な構造とし、コンパクトで、消費エネルギを僅かなもの とし、更には、特に、包囲体を０．２Ｋ以下に冷却するための超流動体の生成或 いは貯蔵の必要がないものとすることである。 この結果を達成するために、本発明は、熱交換により約０．２Ｋ以下の温度ま で冷却した４Ｈｅ及び３Ｈｅが、４Ｈｅ中の３Ｈｅの希釈によって熱を吸収し、 ２相混合体のを冷却するために混合される混合器に連続的に供給され、この混合 物が、３Ｈｅが逆流して拡散しないように、また３Ｈｅの溶解濃度を減じるよう に設計された導管を通じて抽出され、混合器に隣接した熱交換器が、最低温部へ 流れる３Ｈｅ，４Ｈｅの混合流体をこの混合流体とは逆の方向に循環させる抽出 混合物によって冷却するように構成されてなる極低温生成方法において、混合さ せるために導入される４Ｈｅ及び３Ｈｅが、前記抽出混合物との交換によって、 供給温度から２．５Ｋ以下の温度まで冷却され、この混合物のジュールトムソン 膨張の利用による熱吸収力によって、４Ｋ以上の供給温度でシステムを作動させ ることを特徴とする極低温生成装置を提供するものである。 ジュールトムソン膨張の際の冷却能力は混合物の入口圧力と出口圧力とによっ てのみ定まる。最高効率は入口圧力２〜１５ｂａｒ、出口圧力１〜１５ミリｂａ ｒの圧力下得られる。 本発明は、極低温の冷却を得る方法として、ジュールトムソン効果を適切に使 用することにより、従来技術において、特に超流動ヘリウム槽において必要とし ていた補助のプレクーリング装置を使用する事なく、４〜１０Ｋの高温からシス テムに流入する流体をプレクール可能ならしめるとの所見に基づくものである。 本発明は、より詳細には、図示の実施態様に基づき説明される。 図１は従来装置の理論図、図２は本発明装置の理論図、図３はヘリウム４のエ ンタルピ線図で、図３中には図２における重要ポイントが印されている。 図１は上記文献ＥＰ−Ａ−０，３２７，４５７に記載された実施態様の略図で ある。 純粋４Ｈｅガス及び３Ｈｅガスは、約３ｂａｒの圧力、大気温の下、低温槽の 包囲体３に連結された超流動ヘリウム貯蔵器２と接触しつつ熱交換器１へそれぞ れ導入され、そして、約２Ｋまで冷却される。この二つの流体は、温度交換器４ において冷却され、、混合器５内での混合による熱吸収により支持物６を約０． １Ｋまで冷却する。混合物Ｍは約２ｂａｒに維持された低温槽出口に達するまで に交換器４で熱を吸収する。この入口と出口との圧力差は前記二つの交換器にお ける圧力降下によるものである。 この実施態様において、交換器４は二つの部分、即ち、高温（０．５〜２Ｋ） 部分と低温（０．１〜０．５Ｋ）部分からなる。高温部分は内径０．０３ｍｍ、 長さ１ｍの３本のチューブを溶接して構成され、低温部分は内径０．０２ｍｍ、 長さ３ｍの３本のチューブを溶接して構成されている。 図２は、図１の装置を本発明により改変したものの略図である。図１及び図２ において同一の符号は同一の要素を示す。 純粋の４Ｈｅ及び３Ｈｅガスは２〜２０ｂａｒの圧力、大気温の下放出される 。これらガスは補助プレクール装置１１に連結された交換器１０によって４Ｋ〜 １０Ｋに冷却されている。そして、これら流体は、外側包囲体１３に入ると、内 側包囲体３に連結している交換器１２によって２Ｋの温度まで冷却される。内側 包囲体の内部は図１のものと同一である。 前記流体は、交換器４の出口においては圧力降下しており、交換器１４におい ては低圧力となっていて、液が蒸発して、高冷凍能力を発揮する。この高冷凍能 力は交換器１２を通して入ってくる前記流体のみならず外側包囲体１３との仕切 りをも冷却する。前記混合物11は低圧力（１〜５０ミリｂａｒ）となって管１５ を通じ低温槽を出る。 図３は、装置内で起こる現象の物理的側面の理解を可能とする。この線図は、 純粋のヘリウム４に関するものであるが、実際にはヘリウム４とヘリウム３とは 分離して或いは混合状態で用いられており、実際上、ヘリウム４に対するヘリウ ム３の割合はかなり小さく約２０％であるので、図３の線図は、ほぼ正確に現象 の概念を示しているといえる。 例えば、入口（Ａ点）においては、圧力は９ｂａｒ、温度は４Ｋであって、エ ンタルピは５０Ｊ／ｍｏｌｅとなる。出口圧力が３０ミリｂａｒに固定されると すると、前記流体はそのエンタルピを保持したまま、一部蒸気、一部液の２相混 合物の状態でＢ点に来る。有効冷却能力はＡ点とＢ点エンタルピ差に基づき、こ の場合は約５０Ｊ／ｍｏｌｅとなる。従って、標準流量１０μｍｏｌｅ／ｓの場 合、包囲体３における有効エネルギは０．５ｍＷとなる。同じ理屈から入口温度 が７Ｋ以上の場合は有効エネルギはゼロとなる。また、交換器１０及び１２に接 続されている入口管と出口管との間では連続的に熱交換を行うことが必要である 。ジュールトムソン膨張に連結しているこのような交換器を用いることは、より 高温度下（１０Ｋ或いは２０Ｋまで）この膨張を作動させる周知の方法である。 ３Ｈｅが１．５μｍｏｌｅ、４Ｈｅが６μｍｏｌｅの流量とすると、その年間 消費量は、３Ｈｅが１０００リットル、４Ｈｅが４０００リットルとなる。標準 圧力缶（容積５リットル、圧力２００ｂａｒ、重量６．７ｋｇ）を使用の場合、 ヘリウム３が１缶、ヘリウム４が４缶必要となり、この量は３３．５ｋｇとなる 。これらの量はより強力な材料を使用した高圧缶を使用すれば容易に減少する。 全ての流体は小さな配管に封入され、ベースセパレーションに必要な自由表面積 がないので、このシステムは重力と無関係になる。 このシステムの簡便性は、低温槽の入口側の２流体の流量を調節するという単 純なコントロールにある。これは、希釈の停止、再開によりガスの消費量を最適 化することができる。 この構成によれば、０．５Ｋの温度で数ミリワットの力を吸収する小さな極低 温源を使用することにより、例えば、宇宙船において検波器を０．１Ｋまで冷却 することが可能である。この方法は機械部品を含んでいないので、極めて信頼性 が高くまた、年間のガス消費量が５０００リットルである。従って、本装置は、 特に宇宙における長期実験に適している。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 熱交換により約０．２Ｋ以下の温度まで冷却された４Ｈｅ及び３Ｈｅは、 ４Ｈｅにおける３Ｈｅの希釈によって熱を吸収し、閉鎖２相混合物を冷却するた めに混合される混合器（５）へ導入され、この混合物（Ｍ）は、３Ｈｅが逆流し て拡散しないように、また、３Ｈｅの溶解濃度を減じるように設計された導管を 通じて抽出され、混合器（５）隣接の熱交換器（４）は、最低温部へ流れる３Ｈ ｅ，４Ｈｅの混合流体をこの混合流体とは逆の方向に循環させる抽出混合物（Ｍ ）によって冷却するように構成されてなる極低温生成方法において、混合させる ために導入される４Ｈｅ及び３Ｈｅが、前記抽出混合物との交換によって、供給 温度から２．５Ｋ以下の温度まで冷却され、この混合物のジュールトムソン膨張 の利用による熱吸収力によって、４Ｋ以上の供給温度でシステムを作動可能なら しめたことを特徴とする極低温生成方法。 ２． ジュールトムソン膨張による圧力降下が１から５０ｍｂであって、４Ｈｅ 及び３Ｈｅの供給圧力が２から１５ｂａｒであることを特徴とする請求項１に記 載した極低温生成方法。 ３． 前記混合物の膨張及びその後に続いて生起される蒸発が約１．５Ｋから２ ．５Ｋの間で行われることを特徴とする請求項１に記載の極低温生成方法。 ４． 前記混合器（５）及び前記隣接熱交換器（４）が２．５Ｋの温度に維持さ れる包囲体（１３）内に設置されたことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記 載の極低温生成方法。