JPS60101455A - Method of controlling superfluid helium generator - Google Patents

Method of controlling superfluid helium generator

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JPS60101455A
JPS60101455A JP58208585A JP20858583A JPS60101455A JP S60101455 A JPS60101455 A JP S60101455A JP 58208585 A JP58208585 A JP 58208585A JP 20858583 A JP20858583 A JP 20858583A JP S60101455 A JPS60101455 A JP S60101455A
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JP
Japan
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superfluid helium
temperature
helium tank
superfluid
unsaturated
Prior art date
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JP58208585A
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Japanese (ja)
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明男 佐藤
啓嗣 大熊
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Toshiba Corp
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Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、極低温装置、特に、超電導磁石装置の冷媒と
しての非飽和超流動ヘリウムを発生する装置の制御方法
に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Technical Field of the Invention] The present invention relates to a method for controlling a cryogenic device, and in particular, a device for generating unsaturated superfluid helium as a coolant for a superconducting magnet device.

〔発明の技術的背景とその問題点〕[Technical background of the invention and its problems]

周知のように、超電導磁石装置は、冷媒として液体ヘリ
ウムを用いるようにしており7、このよう/ な装置のなかには、2.17に以下の超流動ヘリしかし
て、上述した超流動ヘリウムを生成づ°る、いわゆる超
流動ヘリウム発生装置は、一般に第1図に示すように構
成されている。すなわち、4゜2にの液体ヘリウム1を
収容したヘリウム槽2と非飽和超流動ヘリウム槽3とを
コミニケーションチャンネル4を介して接続している。
As is well known, superconducting magnet devices use liquid helium as a refrigerant. Generally, a so-called superfluid helium generator is constructed as shown in FIG. That is, a helium tank 2 containing liquid helium 1 at a temperature of 4°2 and an unsaturated superfluid helium tank 3 are connected via a communication channel 4.

そして、非飽和超流動ヘリウム槽3内に、この槽3内を
冷却するための飽和超流動ヘリウム槽5を配置し、上記
ヘリウム槽5の一端側をジュール1〜ムソン弁〈以後J
T弁と略称する。)6、JT熱交換器7の一次側を介し
て前記ヘリウム槽2に接続し、また、他端側を上記JT
熱交換器7の二次側を介して真空ポンプ8の吸込み口に
接続している。真空ポンプ8の吐出し口は、コンプレッ
サー9を介して冷凍機10に接続されている。そして、
上記冷凍mioでヘリウム槽1内を冷却するようにして
いる。
A saturated superfluid helium tank 5 for cooling the inside of the tank 3 is arranged in the unsaturated superfluid helium tank 3, and one end side of the helium tank 5 is connected to a Joule 1 to Mouson valve (hereinafter referred to as J).
It is abbreviated as T-valve. ) 6. Connect to the helium tank 2 through the primary side of the JT heat exchanger 7, and connect the other end to the JT heat exchanger 7.
It is connected to the suction port of the vacuum pump 8 via the secondary side of the heat exchanger 7. A discharge port of the vacuum pump 8 is connected to a refrigerator 10 via a compressor 9. and,
The inside of the helium tank 1 is cooled by the above-mentioned freezing MIO.

しかして、この装置は次のようにして非飽和超流動ヘリ
ウム槽3内のヘリウムを超流動化させるようにしている
。すなわち、非飽和超流動ヘリウム槽3内を一気圧に保
つとともに真空ポンプ8、コンプレッサー9、冷凍t1
10を動作させる。真空ポンプ8の動作によって、ヘリ
ウム槽2内の4゜2にのヘリウムの一部がJT熱交換器
7の一次側、JT弁6、飽和超流動ヘリウム(番5、J
T熱交換器7の二次側の経路で流れる。飽和超流動ヘリ
ウム槽5内が真空ポンプ8によって、非飽和超流動ヘリ
ウム槽3内の温度Tbよりも低い温度に対応する飽和蒸
気圧に排気されているものとすると、ヘリウム槽2を出
たヘリウムは、JT熱交換器7の一次側を通る間に、た
とえば2.2Kまで予冷され、続いてJT弁6でJT膨
張して、温度TSのガスと液とになる。この液が飽和超
流動ヘリウム槽5内を通る間に蒸発し、これによって、
非飽和超流動ヘリウム槽3内のヘリウムを冷却するよう
にしている。
Therefore, this device makes the helium in the unsaturated superfluid helium tank 3 superfluid in the following manner. That is, while maintaining the inside of the unsaturated superfluid helium tank 3 at one pressure, the vacuum pump 8, compressor 9, and refrigeration t1
Operate 10. By the operation of the vacuum pump 8, a portion of the helium at 4°2 in the helium tank 2 is transferred to the primary side of the JT heat exchanger 7, the JT valve 6, and the saturated superfluid helium (No. 5, J
It flows through the secondary side path of the T heat exchanger 7. Assuming that the inside of the saturated superfluid helium tank 5 is evacuated by the vacuum pump 8 to a saturated vapor pressure corresponding to a temperature lower than the temperature Tb inside the unsaturated superfluid helium tank 3, the helium leaving the helium tank 2 is precooled to, for example, 2.2 K while passing through the primary side of the JT heat exchanger 7, and is then expanded by the JT valve 6 to become a gas and a liquid at a temperature TS. This liquid evaporates while passing through the saturated superfluid helium tank 5, and as a result,
The helium in the unsaturated superfluid helium tank 3 is cooled.

ところで、このような装置にあって、特に、初期冷凍時
にJT弁6をどのように制御するかと言う点が問題とな
っている。すなわち、JT弁6を調整するための確かな
指針が今まで無かった。このため、いわゆる勘を頼りに
調整しているのが実情であり、たとえば、JT弁6の絞
り過ぎで冷凍能)〕を低下させたり、あるいはJT弁6
の間き過ぎににってJT熱交換器7のなかにミス1へ状
のヘリウムが入り込み、これが原因してJT弁6の上流
側の温度が激しく変化すると言った不安定現象を発生さ
せるなどの問題があった。
By the way, in such a device, there is a particular problem in how to control the JT valve 6 during initial freezing. That is, until now there has been no reliable guideline for adjusting the JT valve 6. For this reason, the reality is that adjustments are made based on so-called intuition.
Helium enters the JT heat exchanger 7 due to the excessive gap, which causes an unstable phenomenon in which the temperature on the upstream side of the JT valve 6 changes drastically. There was a problem.

(発明の目的) 本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、そ
の目的とするところは、非飽和超流動ヘリウム槽の温度
を効率的に、かつ安定に目的の超流動ヘリウム温度まで
初期瀝凍することができる超流動ヘリウム発生装置の制
御方法を提供することにある。
(Object of the Invention) The present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is to efficiently and stably reduce the temperature of an unsaturated superfluid helium tank to a target superfluid helium temperature. An object of the present invention is to provide a method for controlling a superfluid helium generator capable of initial freezing up to

〔発明の概要〕[Summary of the invention]

本発明は、非飽和超流動ヘリウム槽内に、この槽内を冷
却するための飽和超流動ヘリウム槽を配置し、上記飽和
超流動ヘリウム槽内にジュールトムソン弁を介して冷却
用ヘリウムを通流させるようにした超流動ヘリウム発生
装置において、上記非飽和超流動ヘリウム槽内を4.2
Kから2.17に以下の超流動ヘリウム温度まで初期冷
凍するに当り、上記非飽和超流動ヘリウム槽の温度Tb
と、上記飽和超流動ヘリウム槽の温度Tsとを監視し、
上記TbどTSとの関係が冷凍能力最大となるように上
記TSを前記ジュールトムソン弁で制御し、目的の温度
に達した段階で熱侵入量と冷凍能力とが等ししくなるよ
うに上記Tsをジュールトムソン弁で制御して平衡状態
を得るようにしたことを特徴としている。
In the present invention, a saturated superfluid helium tank for cooling the inside of the unsaturated superfluid helium tank is arranged, and cooling helium is passed through a Joule-Thomson valve into the saturated superfluid helium tank. In the superfluid helium generator configured to
During initial freezing from K to 2.17 below superfluid helium temperature, the temperature Tb of the unsaturated superfluid helium bath
and the temperature Ts of the saturated superfluid helium tank,
The TS is controlled by the Joule-Thomson valve so that the relationship between the Tb and the TS is the maximum refrigerating capacity, and the Ts is controlled so that the amount of heat input and the refrigerating capacity become equal when the target temperature is reached. It is characterized in that it is controlled by a Joule-Thomson valve to obtain an equilibrium state.

これをさらに詳しく説明すると以下の通りである。This will be explained in more detail as follows.

すなわち、今、JT弁における質量流開山と、真空ポン
プによる排気質量流聞出pどが等しい定常状態を考えて
みる。真空ポンプの引き口の温度が300Kになってい
るとすると、温度Taの増加に従つ・て山、すなわち、
冷凍能力が増加する。
That is, let us now consider a steady state in which the mass flow peak in the JT valve and the exhaust mass flow peak p by the vacuum pump are equal. Assuming that the temperature at the outlet of the vacuum pump is 300K, as the temperature Ta increases, the temperature increases, i.e.,
Refrigeration capacity increases.

しかし、温度Tsが非飽和超流動ヘリウム槽の<f%度
Tbに近付くと、飽和超流動ヘリウム槽を構成している
金属と液体ヘリウムとの間のカビツツ7抵抗のために冷
凍能力Qは、 Q=aKAcTb3 (Tb Ts) の式にしたがって減少する。ここで、ACは、飽和超流
動l\リウム槽の伝熱面積を、a l(は)」ピッ ”
ツァ抵抗をhK=ah TSとしたときの係数である。
However, when the temperature Ts approaches <f% degrees Tb of an unsaturated superfluid helium bath, the refrigeration capacity Q becomes It decreases according to the formula Q=aKAcTb3 (Tb Ts). Here, AC is the heat transfer area of the saturated superfluid tank.
This is a coefficient when the TS resistance is hK=ah TS.

今、真空ポンプの排気容量が70001/’min 、
Tb=2. OK、 a K Ac =200WK →
 の場合について冷凍能力Qを計算でめてみると第2図
に示すようになる。この図から判るように、熱侵入量Q
ir+に対して平衡点がA、Bの2箇所ある。Bの状態
は、飽和超流動ヘリウム槽内の液聞が増えている状態で
あるから定常状態とはなり得ない。一方、Aの状態では
、JT膨張して液化したヘリウムのすべてが蒸発し、そ
の潜熱が熱侵入量とつりあっている。ここで、最大冷凍
能力が得られる温度Tmと温度Tbとの間の温度領域は
JT熱交換器内に液が入り込むおそれがある不安定な領
域である。したがって、冷凍能力最大で初期冷凍するに
は、常に、温度Tsを温度Tbより低いTmに近い温度
に設定して運転すればよいことになる。この関係を、温
度Tsと温度Tbとで表わすと、第3図のようになる。
Now, the exhaust capacity of the vacuum pump is 70001/'min,
Tb=2. OK, aK Ac =200WK →
Fig. 2 shows the calculation of the refrigerating capacity Q in the case of . As can be seen from this figure, the amount of heat input Q
There are two equilibrium points, A and B, for ir+. State B cannot be a steady state because the liquid volume in the saturated superfluid helium tank is increasing. On the other hand, in state A, all of the helium that expanded and liquefied JT evaporates, and its latent heat balances the amount of heat input. Here, the temperature range between temperature Tm and temperature Tb where the maximum refrigerating capacity is obtained is an unstable range where liquid may enter the JT heat exchanger. Therefore, in order to perform initial freezing at the maximum refrigerating capacity, it is sufficient to always operate with the temperature Ts set close to Tm, which is lower than the temperature Tb. This relationship is expressed in terms of temperature Ts and temperature Tb as shown in FIG. 3.

この第3図中、斜線で示す領域が有効冷凍能力の正とな
る領域である。そして、実線部分で冷凍能力が最大とな
る。
In FIG. 3, the shaded area is the area where the effective refrigerating capacity is positive. The refrigerating capacity is maximum at the solid line portion.

また、点線部分は安定平衡の状態である。Moreover, the dotted line portion is a state of stable equilibrium.

本発明に係る制御方法は、このような関係を巧みに利用
したもので、まず、4.2Kからの初期冷凍においては
、温度Tb、Tsを監視しながらJT弁の開度を調節し
、温度Tsが第3図中の斜線部分内で、できるだけ最大
冷凍能力の得られる実線に近い値になるように制御して
いるのである。
The control method according to the present invention skillfully utilizes such a relationship. First, in the initial freezing from 4.2K, the opening degree of the JT valve is adjusted while monitoring the temperatures Tb and Ts, and the temperature Control is performed so that Ts is within the shaded area in FIG. 3 and as close as possible to the solid line where the maximum refrigerating capacity is obtained.

そして、非飽和超流動ヘリウム槽の温度低下に対応させ
て、JT弁を絞り込み、不安定領域に入り込まないよう
にしている。また、目的の温度に達した時点で、JT弁
をさらに絞り込んて熱侵入量に見合った冷凍能力となる
ように温度TSを制御して安定平衡の状態に移行させる
ようにしているのである。
Then, in response to the temperature drop in the unsaturated superfluid helium tank, the JT valve is throttled to prevent it from entering the unstable region. Furthermore, when the target temperature is reached, the JT valve is further narrowed down to control the temperature TS so that the refrigerating capacity is commensurate with the amount of heat input, thereby shifting to a stable equilibrium state.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

このような制御方法であると、JT弁の絞り過ぎや、開
き過ぎによって起こる前述した不具合の発生を確実に防
止することができ、効率的に目的の温度まで初期冷凍す
ることができる。
With such a control method, it is possible to reliably prevent the above-mentioned problems caused by over-throttling or opening the JT valve, and it is possible to efficiently perform initial freezing to a target temperature.

〔発明の実施例〕[Embodiments of the invention]

以下、本発明の詳細な説明する。 The present invention will be explained in detail below.

第4図は、本発明に係る制御方法を実施する装置の一例
を示すもので、第1図と同一部分は同一符号で示しであ
る。したがって、重複する部分の説明は省略する。
FIG. 4 shows an example of an apparatus for implementing the control method according to the present invention, and the same parts as in FIG. 1 are designated by the same reference numerals. Therefore, the explanation of the overlapping parts will be omitted.

同図において、21は飽和超流動ヘリウム槽5の温度T
Sを検出する温度センサーであり、また、22は非飽和
超流動ヘリウム槽3の温度Tbを検出する温度センサー
である。これら調度センサー2L 22の出力は、それ
ぞれインターフェース回路23.24を介してコントロ
ーラ25に入力される。一方、JT弁6の駆動軸は、ス
テッピングモータ26に連結されている。そして、ステ
ッピングモータ26は、コントローラ25によって制御
される。
In the figure, 21 is the temperature T of the saturated superfluid helium tank 5.
22 is a temperature sensor that detects the temperature Tb of the unsaturated superfluid helium bath 3. The outputs of these furniture sensors 2L 22 are input to the controller 25 via interface circuits 23 and 24, respectively. On the other hand, the drive shaft of the JT valve 6 is connected to a stepping motor 26. Further, the stepping motor 26 is controlled by the controller 25.

しかして、コントローラ25は、例えば計算機を主体に
して構成されたもので、内部の記憶装置に、飽和超流動
ヘリウム槽5の伝熱面積、非飽和超流動ヘリウム槽3へ
の熱侵入量からめた第3図に示したような冷却ダイヤグ
ラムを予め記憶している。そして、所定の時間間隔で温
度TS、Tbを読み込み、この温度Ts、Tbと記憶さ
れている冷却ダイヤグラムとの関係から、上記温度TS
が第3図中の斜線部分内で、かつ冷凍能力が高まる方向
となるようにステッピングモータ26を介して、JT弁
6の開度を制御するようにしている。すなわち、温度T
Sが第3図中実線Zで示すように徐々に低下する関係に
JT弁6の開度を制御している。そして、このような制
御の繰返しによって、温度Tbが目的の温度まで低下し
た時点で、JT弁6を絞り込んで温度TSが丁度第3図
中点線部分に至るように制御している。したがって、不
安定現象などを全く招くことなく目的とする温度、つま
り目的とする超流動ヘリウム温度まで初期冷凍すること
ができるとともにその状態で安定させることができ、結
局、前述した効果が得られることになる。
The controller 25 is composed mainly of, for example, a computer, and stores information in an internal storage device based on the heat transfer area of the saturated superfluid helium tank 5 and the amount of heat intrusion into the unsaturated superfluid helium tank 3. A cooling diagram as shown in FIG. 3 is stored in advance. Then, the temperatures TS and Tb are read at predetermined time intervals, and from the relationship between these temperatures Ts and Tb and the stored cooling diagram, the temperature TS
The opening degree of the JT valve 6 is controlled via the stepping motor 26 so that the opening is within the shaded area in FIG. 3 and in a direction that increases the refrigerating capacity. That is, temperature T
The opening degree of the JT valve 6 is controlled so that S gradually decreases as shown by the solid line Z in FIG. By repeating such control, when the temperature Tb drops to the target temperature, the JT valve 6 is throttled down to control the temperature TS so that it reaches exactly the dotted line in FIG. 3. Therefore, it is possible to initially freeze to the target temperature, that is, the target superfluid helium temperature, without causing any instability phenomena, and to stabilize it in that state, resulting in the above-mentioned effect being obtained. become.

なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものでは
なく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形できること
は勿論である。
It should be noted that the present invention is not limited to the embodiments described above, and it goes without saying that various modifications can be made without departing from the spirit of the invention.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は超流動ヘリウム発生装置の模式的構成図、第2
図および第3図は本発明制御方法の原理を説明するため
の図、第4図は本発明の制御方法を実施する装置の模式
的構成図である。 2・・・ヘリウム槽、3・・・非飽和超流動ヘリウム槽
、5・・・飽和超流動ヘリウム槽、6・・・ジュール1
〜ムソン弁LJT弁)、7・・・JT熱交換器、8・・
・真空ポンプ、21.22・・・温度センサー、25・
・・コン1へローラ、26・・・ステッピングモータ。 出願人代理人 弁理士 鈴江武彦 第1図 第2図 第3図 Tb(に〕
Figure 1 is a schematic diagram of the superfluid helium generator, Figure 2
3 and 3 are diagrams for explaining the principle of the control method of the present invention, and FIG. 4 is a schematic configuration diagram of an apparatus implementing the control method of the present invention. 2... Helium tank, 3... Unsaturated superfluid helium tank, 5... Saturated superfluid helium tank, 6... Joule 1
~ Musson valve LJT valve), 7... JT heat exchanger, 8...
・Vacuum pump, 21.22...Temperature sensor, 25・
...Roller to controller 1, 26...Stepping motor. Applicant's agent Patent attorney Takehiko Suzue Figure 1 Figure 2 Figure 3 Tb (on)

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 非飽和超流動ヘリウム槽内に、この槽内を冷却するため
の飽和超流動ヘリウム槽を配置し、上記飽和超流動ヘリ
ウム槽内にジュールトムソン弁を介して冷却用ヘリウム
を通流させるようにした超流動ヘリウム発生装置におい
て、上記非飽和超流動ヘリウム槽内を4.2Kから2.
17に以下の超流動ヘリウム温度まで初期冷凍するに当
り、上記非飽和超流動ヘリウム槽の温度Tbと、上記飽
和超流動ヘリウム槽の温度TSとを監視し、上記Tbと
TSとの関係が冷凍能力最大となるように上記TSを前
記ジュールトムソン弁で制御し、目的の温度に達した段
階で熱侵入量と冷凍能力とが等ししくなるように上記T
Sをジュールトムソン弁で制御して平衡状態を得るよう
にしたことを特徴とする超流動ヘリウム発生装置の制御
方法。
A saturated superfluid helium tank for cooling the inside of the unsaturated superfluid helium tank was placed inside the unsaturated superfluid helium tank, and helium for cooling was made to flow through the saturated superfluid helium tank through a Joule-Thomson valve. In the superfluid helium generator, the inside of the unsaturated superfluid helium tank is heated from 4.2K to 2.0K.
In step 17, during initial freezing to the following superfluid helium temperature, the temperature Tb of the unsaturated superfluid helium tank and the temperature TS of the saturated superfluid helium tank are monitored, and the relationship between the above Tb and TS is determined by freezing. The above-mentioned TS is controlled by the Joule-Thomson valve so that the capacity is maximized, and the above-mentioned T is controlled so that the amount of heat input becomes equal to the refrigerating capacity when the target temperature is reached.
A method for controlling a superfluid helium generator, characterized in that S is controlled by a Joule-Thomson valve to obtain an equilibrium state.
JP58208585A 1983-11-07 1983-11-07 Method of controlling superfluid helium generator Granted JPS60101455A (en)

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