JPS63129280A - ヘリウム冷却装置 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、クライオスタット内で蒸発したヘリウムガス
を冷却して再凝縮させるヘリウム冷却装置に係り、特に
、クライオスタットと凝縮熱交換の内蔵された凝縮容器
とを結ぶトランスファーチューブを二重管構造にして性
能の向上を図ったヘリウム冷却装置に関する。

（従来の技術） 従来、超電導コイルと液体ヘリウムとを収容したクライ
オスタット内のヘリウムガスを冷却して再凝縮させるヘ
リウム冷却装置としては、クライオスタットと一体に設
けられたものと、クライオスタットとは別に設けられク
ライオスタンドに対して取り外し可能なものとがある。

クライオスタットに対して取り外し可能なものには、凝
縮熱交換器をクライオスタット内に挿入するようにした
ものと、凝縮熱交換器を内蔵した凝縮容器を有し、この
凝縮容器とクライオスタット内とをトランスファーチュ
ーブで結ぶようにしたものとがある。

後者のヘリウム冷却装置は、通常、第３図に示すように
構成されている。この図はクライオスタットへの接続状
態を示すもので、図中Ａはクライオスタットを示し、Ｂ
はヘリウム冷却装置を示している。クライオスタットＡ
は、内部に液体ヘリウム１および図示しない超電導コイ
ル等を直接収容する液体ヘリウム容器２と、この容器２
を覆うに設けられた熱シールド板３と、この熱シールド
板３を囲むように設けられた外槽４とで構成されている
。そして、液体ヘリウム容器２と熱シールド板３との間
の空間および熱シールド板３と外槽４との間の空間は真
空引きされて真空断熱層に形成されている。

一方、ヘリウム冷却装置Ｂは、冷凍ｌ１１１と、コンプ
レッサ１２と、冷凍ｌＲ１１に接続された凝縮熱交換器
１３と、この凝縮熱交換器１３を収容した凝縮容器１４
と、一端側が凝縮容器１４内の下部に通じたトランスフ
ァーチューブ１５と、これら要素を真空断熱層を介して
覆う真空容器１６とで構成されている。

ヘリウム冷却８［８では、コンプレッサ１２によって圧
縮されたヘリウムガスが冷凍橙１１によって膨張し、冷
却されてヘリウム温度となる。そして、ヘリウム温度の
ヘリウムガスが凝縮熱交換器１３に流れて熱交換した後
に冷凍機１１に戻り、再びコンプレッサ１２で圧縮され
る。トランスファーチューブ１５の他端は解放されてお
り、その外面は真空容器１６によって真空断熱されてい
る。

そして、このトランスファーチューブ１５は、外部から
クライオスタットＡの液体ヘリウム！！！２につながる
部分、たとえば液体ヘリウム注入管・回収管、パワーリ
ード用配管、専用ボート等のボートＰから液体ヘリウム
容器２内に挿入される。

液体ヘリウム容器２内の液体ヘリウム１は、液体ヘリウ
ム容器２への熱侵入によって徐々に蒸発する。蒸発した
ヘリウムガスはトランスファーチューブ１５を通って凝
縮容器１４内に入り、凝縮熱交換器１３によって再凝縮
し、液体ヘリウムとなって再びトランスファーチューブ
１５内を重力で降下して液体ヘリウム容器２へと戻る。

したがって、液体ヘリウム容器２内の液体ヘリウム１の
量は一定に保たれる。

しかしながら、このように構成された従来のヘリウム冷
却装置にあっては次のような問題があった。すなわち、
トランスファーチューブ１５内では液体ヘリウム容器２
で蒸発したヘリウムガスが凝縮容器１４へ向って上昇し
、凝縮容器１４からは再凝縮した液体ヘリウムが液体ヘ
リウム容器２へ向って下降する。したがって、液体ヘリ
ウム容Ｈ２への熱侵入量が増えて蒸発するヘリウムガス
の量が増加すると、トランスファーチューブ１５内のヘ
リウムガスの流速が大きくなり、下降する液体ヘリウム
を巻上げ液体ヘリウムによってトランスファーチューブ
１５を閉塞させるフラッディング現象を起こすことにな
る。フラッディング現象が起こり、液体ヘリウムによっ
てトランスファーチューブが閉塞されると、液体ヘリウ
ム容器２内の液体ヘリウム１を一定に保つことはできな
くなる。フラッディングは、トランスファーチューブ１
５の内径と液体ヘリウム、ヘリウムガスの流量、すなわ
ち液体ヘリウム容器２への熱侵入量とによって決まる。

第４図は内径５　ｍｔｎのトランスファーチューブに対
して、液体ヘリウム容器に０．５Ｗおよび０，７Ｗの熱
侵入があったときの液体ヘリウム容器と凝縮容器の液面
を示す図である。熱侵入が０．５Ｗのときは液体ヘリウ
ム容器の液面は一定に保たれているが、０．７Ｗの熱侵
入では液体ヘリウムによってトランスファーチューブが
閉塞し、液体ヘリウム容器内の液体ヘリウムのほとんど
が凝縮容器内に移行する。したがって、たとえば４Ｗの
冷凍能力を持った冷凍機を備え、再凝縮させる能力が４
Ｗ程度あっても、内径５　ｍｒｒのトランスファーチュ
ーブでは０，７Ｗ以下の冷凍能力しか持たないヘリウム
冷却装置となる。この種のヘリウム冷却装置では、通常
ヘリウム温度で４〜５Ｗ程度の冷凍能力を持った冷凍機
が用いられるが、冷凍機単体の冷凍能力までシステムと
しての冷凍能力を高めるためにはトランスファーチュー
ブの内径を非常に大きくしなければならないことになる
。

しかしながら、トランスファーチューブの内径を大きく
すると、このチューブを介しての熱侵入量が増加し、し
かもクライオスタットのボートも新たに大きなものが必
要となるので、このボートからクライオスタットへ侵入
する熱量も増加することになる。このため、トランスフ
ァーチューブの内径を小さくして冷凍機の能力以下で用
いるか、または熱侵入量の増加に目をつむって径の大き
なトランスファーチューブを用いて冷凍機の能力を十分
に発揮させるかの何れかを選択しなければならないこと
になる。

（発明が解決しようとする問題点）　　°　□゛このよ
うに従来装置では、トランスファーデユープ内でのフラ
ッディング現象を防止してシステムの冷凍能力を高める
ためには、トランスファーチューブの内径を大きくしな
ければならず、これがシステムの小型化を妨げる原因と
なっていた。

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的
とするところは、トランスファーチューブの内径を変え
ずにフランディング現象をなくすことができ、もって大
型化を招くことなくシステムの冷凍能力を高めることが
できるヘリウム冷却Ｖ装置を提供することにある。

〔発明の構成１ （問題点を解決するための手段） 本発明の骨子は、トランスファーチューブを二重管構造
とし、液体ヘリウムとヘリウムガスの流路を分けること
によって、トランスファーチューブ内におけるフラッデ
ィング現象をなくしたことにある。

（作用） 上記の構成であれば、上昇するヘリウムガスの流路と下
降する液体ヘリウムの流路とが分離される。これは、ト
ランスファーチューブ内でのフランディング現象を起こ
し難くする効果があり、したがってトランスファーチュ
ーブの径を変えることなくシステムの冷凍能力を高める
ことが可能となる。

（実施例） 以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図は本発明の一実施例に係るヘリウム冷却波［Ｂａ
をクライオスタットＡに取り付けた例を示す図で、第３
図と同一部分は同一符号で示しである。したがって、重
複する部分の詳しい説明は省略する。

この実施例に係るヘリウム冷却装置Ｂａでは、トランス
ファーチューブ１５内に、チューブ１５の内面との間に
所定の隙間を設けて内管２１が挿設されている。この内
管２１の下部はトランスファーチューブ１５の下端部よ
り下方に突出しており、この突出部分の外周にはスカー
ト２２が開口部を下方に向けて装着されている。また、
内管２１の上端はトランスファーチューブ１５を貫通し
て凝縮容器１４内に突出している。そして、上記突出部
の外面と凝縮容器１４の内面との間には内管２１を支持
するための支持材２３が複数取付けられている。

このような構成であると、液体ヘリウム容器２内で蒸発
したヘリウムガスは、安定的に内管２１内を通って凝縮
容器１４内に入り凝縮熱交換器１３によって再凝縮する
。凝縮した液体ヘリウムは凝縮容器１４の底壁内面に落
下した後、内管２１とトランスファーチューブ１５の内
面との間を通って液体ヘリウム容器２へと戻る。トラン
スファーチューブ１５内では、液体ヘリウムの流路とヘ
リウムガスの流路とが分離されているので、フラッディ
ング現象が起こるようなことはない。

すなわち、内径５Ｍのパイプのみで構成された従来のト
ランスファーチューブの場合、液体ヘリラムとヘリウム
ガスの流路が同じため、笛４図に示したように０．７Ｗ
程度以上の熱浸入量でフラッディング現象が起き、液体
ヘリウム容器２内の液体ヘリウム１を一定に保持するこ
とはできなくなる。しかし、この実施例のような構造の
場合には、ガス流路と液流路とが分離されるため、０．
７Ｗ以上の熱侵入量があってもフラッディング現象がお
き難く、冷凍機単体の冷凍能力までシステムとしての冷
凍能力を高めることができ、液体ヘリウム容器２内の液
体ヘリウム１を一定に保つことができる。また、この実
施例の場合には内管２１の下端部をトランスファーチュ
ーブ１５の下端部より下方へ突出させ、この突出部分の
外周にスカート２２を設けているので、落下してくる液
体ヘリウムが上昇するガス流で内管２１内に巻き込まれ
るのを確実に防止できる。

このように、トランスファーチューブを二重管構造とし
て液体ヘリウムとヘリウムガスとの流路を分け、しかも
トランスファーチューブ１５の両端でヘリウムガスの流
路に液体ヘリウムが入ったり、巻込まれるたりするのを
防止しているので、従来よりも高い冷凍能力を持ち、し
かも径の小さいトランスファーチューブを持つヘリウム
冷却装置を得ることができる。

第２図は本発明の別の実施例に係るヘリウム冷却装置を
示すもので、第１図と同一部分は同一符号で示しである
。

この実施例では、トランスファーチューブ１５内に内管
２１ａを挿設し、この内管２１ａの下端をトランスファ
ーチューブ１５の下端より下方へ突出させるとともに突
出部の先端に傾斜切断部２４を形成し、さらに内管２１
ａの上端を凝縮容器１４内へ突出させ、この突出部に凝
縮熱交換器１３の下部を覆う関係に配置された漏斗状の
受は皿２５を接続したものどなっている。

このような構成であると、液体ヘリウム容器２内で生じ
たヘリウムガスは、前記実施例とは違って内管２１ａと
トランスファーチューブ１５の内面との間の隙間を通っ
て凝縮容器１４内へと上昇する。そして、凝縮容器１４
内に流れ込んだヘリウムガスは凝縮熱交換器１３によっ
て再凝縮して液体ヘリウムとなり、この液体ヘリウムが
受は皿２５上に落下する。そして、落下した液体ヘリウ
ムは内管２Ｉａ内を通って液体ヘリウム容器２内へと戻
る。したがって、前記実施例と同様の効果を発揮するこ
とになる。なお、この実施例においても、内管２１ａの
下端部がトランスファーチューブ１５の下端より下方に
突出していることと下端部に傾斜切断部２４が形成され
ていることとが有効に作用してヘリウムガスの巻上げで
、内管２１ａが液体ヘリウムで閉塞さるようなことはな
い。

また、上記実施例のうち、内管の通流断面積はトランス
ファーチューブの通流断面積の０．１５〜０．８５程度
であれば良い。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものでなく
、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施するこ
とができる。たとえば、トランスファーチューブの形状
は必ずしもバイブ状に限るものではない。また、受は皿
の形状も凝縮熱交換器の下部をＭ（１、落下してくる液
体ヘリウムを受けて内管に集めることができる形状であ
ればよい。

また、冷凍機の冷凍能力も４Ｗ程度のものに限らず、１
Ｗから１０Ｗ程度のものまで適宜変更可能である。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、トランスファーチ
ューブ内を二重管構造として流体ヘリウムとヘリウムガ
スの流路とを分けるｔＩ４造を採用しているので、トラ
ンスファーチューブ内でフラッディングが起こるのを防
止できる。したがって、トランスファーチューブの内径
を変えずにヘリウム冷却装置としての冷凍能力の向上を
図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係るヘリウム冷却装置をク
ライオスタットに接続したときの概略断面、第２図は本
発明の他の実施例に係るヘリウム冷却装置をクライオス
タットに接続したときの概略断面、第３図は従来のヘリ
ウム冷却装置をクライオスタットに接続したときの概略
断面、第４図はトランスファーチューブ内でフラッディ
ングが発生して液体ヘリウム容器内の液体ヘリウムが凝
縮容器に移行した実験結果を示す図である。 Ａ・・・クライオスタット、Ｂ、Ｂａ、Ｂｂ・・・ヘリ
ウム冷却装置、１・・・液体ヘリウム、２・・・液体ヘ
リウム容器、３・・・熱シールド板、４・・・外槽、１
１・・・冷凍機、１２・・・コンプレッサ、１３・・・
凝縮熱交換器、１４・・・凝縮容器、１５・・・トラン
スファーチューブ、１６・・・真空容器、２１．２１ａ
・・・内管、２２・・・スカート、２４・・・傾斜切断
部、２５・・・受は皿。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 図面の、Ｔ−こ−・′、２ニー′：こ：更なし）第１図 第２図 第３図 トーｏ、ｓｗ入力ａキ　　−−１−一−−ｏ、ｍ入力時
　　−一第４図 手続補正書 昭和６１年１２月２３日 特許庁長官　黒　１）明　ｊ！ｔ　　殿１、事件の表示 特願昭６１−２７４８９１号 ２、発明の名称 ヘリウム冷却装置 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 （３０７）株式会社　東芝 ４、代理人

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）凝縮交換器の内蔵された凝縮容器に一端側が通じ
   たトランスファーチューブを備え、上記トランスファー
   チューブの他端側をクライオスタット内の上部空間に挿
   入して上記クライオスタット内のヘリウムガスを上記ト
   ランスファーチューブを介して上記凝縮容器内に導いて
   凝縮させ、この凝縮によって生じた液体ヘリウムを上記
   トランスファーチューブを通して上記クライオスタット
   内へ戻すようにしたヘリウム冷却装置において、上記ト
   ランスファーチューブ内に、このチューブ内をガス通路
   と液通路とに分離する内管が設けられてなることを特徴
   とするヘリウム冷却装置。
2. （２）前記トランスファーチューブと前記内管との断面
   積比は、０．１５から０．８５の間であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載のヘリウム冷却装置。
3. （３）前記内管の上端部は、前記凝縮容器の内部まで延
   びて前記凝縮熱交換器の下部を覆うように配置された液
   受け皿に接続されていることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載のヘリウム冷却装置。
4. （４）前記内管の下端部は、前記トランスファーチュー
   ブの下端より下方に突出するとともに先端部が斜めに切
   断されたものであることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載のヘリウム冷却装置。