JPS6354567A - 超流動ヘリウム冷凍装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は％超流動ヘリウムを冷却剤として使う冷凍装置
に係υ、特に比較的小形の装置に好適な冷凍装置に関す
る。

〔従来の技術〕

従来、超流動ヘリウムを冷却剤として生成する装置とし
て、特公昭６０−４１２１号に記載のよりな方式がある
。しかしながら、温度１．８にで冷凍能力ＩＷを得るに
は、吸込圧力１０’、ｆ’ｏｒｒで毎時９０ｍ３の常温
動作の排気ポンプを要する。そこで、大形の冷凍装置で
は、グロシーデイングス・オブ・ザ・テンプ・インター
ナショナル・クライオジェニック・エンジニアリング・
コンファランス・バターワース社、（１９８４年）、２
８８頁から２１９頁（ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　
ｔｈｅ　１０ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｔＣｒｊｏ
ｇｅｎｉｃ　ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｎｆｅｒｅｎ
ｃｅ　、　Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ　、　（１９８４）
、ＰＰ２８８−２９１）に記載されているような極低温
ポンプ（ｃｏｔｄｐｕｍｐ　）が使われ、常温の減圧ポ
ンプの容量を低減している。しかしながら、この極低温
ポンプには、遠心式羽根車や電磁軸受が使われ極めて高
価である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術では、小形冷凍装置に雰した極低温ポンプ
は記載されておらず、したがって、上記先行技術を小形
装置に適用すれば効率の悪い運転をせざるを得ない。

本発明の目的は、小形の冷凍装置、特に冷凍能力１０Ｗ
級以下の装置に適した安価な超流動ヘリウム冷凍装置を
提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、冷媒として外部の貯槽の液体ヘリウムを使
用し、膨張弁を介在して、上記貯槽の液体ヘリウムを、
冷却物体を冷却する超流動ヘリウム容器に導びき、超流
動ヘリウム容器には排気ポンプて減圧ポンプを弁を介在
して接続する排気管と、この排気管に並列に弁を介在し
た大気開放管を設け、排気ポンプを小形化したことによ
り達成される。また実施例によれば、この排気ポンプは
、常温部と低温部との間に断熱部を設け、他の冷媒また
はポンプの排出ガスで中間冷却を行なうことによシ達成
される。

〔作用〕

排気管には弁を介在して排気ポンプと減圧ポンプを設け
たから、排気ポンプは小形化が可能となり、またこの実
施例によれば、排気ポンプのモータ及び軸受部分を常温
雰囲気に置いた為、低コストポンプの技術が使用でき、
また、大気開放管は、起動時の吸込圧の高い状態におい
て使用される。

更に上記ポンプは、常温部と低減部の間に設けた断熱部
を中間冷却することにより、ポンプへの侵入熱を減らし
ポンプ性能の劣化を防止する。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図を参照して説明する。

断熱性の高いクライオスタット１内には、超流動ヘリウ
ムを入れる容器２が収納されている。

３は該容器２内に入れられた超流動ヘリウムで、このヘ
リウム内に冷却すべき物体４が浸漬されている。５は通
常の液体ヘリウムを貯溜している外部の貯槽で、この貯
槽は膨張弁６を介在したトランスファーチューブ７にて
容器２に接続されている。８は容器２忙接続された大気
開放管で、弁９を設けている。通常は弁９は閉じておき
、異常時または初期予冷時に開路する。１０は容器２に
接続された排気管で、排気ポンプ１１、弁１２を介在し
て減圧ポンプ１３に接続され、更に放出管１４に接続さ
れ、容器２内で蒸発した気体ヘリウムが排気ポンプ１１
を介し取出され、更に減圧ポンプエ３を経て、放出管１
４から大気に放出またはヘリウムガス回収系に放出され
る。また上記排気ポンプ１１と弁１２には弁１５を介在
した減圧管１６が並列接続されている。

次に、上記構造の超流動ヘリウム冷凍装置の作用につき
説明する。

まず冷却物体４が収納された容器２に液体窒素または低
温ヘリウム等を封入し、冷却物体４を予冷した後、容器
２の内部をヘリウムガスに置換し、貯槽５よシ液体ヘリ
ウムを、トランスファーチュ−プ７、膨張弁６を介し容
器２中に送りこむ。このとき、弁９を開き蒸発した気体
ヘリウムは大気開放管８を介し大気中又はガス回収系に
送る。所定の液量の液体ヘリウムが容器２内に溜まった
ら、弁９．弁１２を閉じ、減圧管１６の弁１５を開いて
減圧ポンプ１３を起動する。容器２の内部圧力は徐々に
降下し、温度も下がる。圧力約４　Ｑ’［’ｏｒｒ、温
度約２．２にで液体ヘリウムは超流動ヘリウムに転移す
る。ここで、弁１２を開き、排気ポンプ１１を起動し、
減圧管の弁１５を閉じると、容器２の圧力は更に低下し
圧力約１２　’ｆ’ｏｒｒで温度１．８にとなめ。膨張
弁６は液体の補給量を調整する。排気ポンプ１１が圧縮
比２の性能を持つとき、減圧ポンプ１３のみの時の２倍
の冷凍能力発生が可能である。言い換えれば、必要な冷
凍能力を得るには減圧ポンプ１３の容量は１／２でよい
。吸いこむガスの温度が排気ポンプ１１では約４Ｋ、減
圧ポンプ１３では約３００にであるから、ヘリウムは容
積比にして約７５倍に膨張するわけで、ポンプを低温部
に置くとそれだけでポンプは小形化が可能となる。

第２図は他の実施例を示し、この実施例は容器を、液体
ヘリウムの貯溜容器２ａ、超流動ヘリウムに転移する容
器２ｂ、冷却物体を収納する容器２Ｃと三つの容器を設
けたものである。尚、第１図と同一部分は同一符号を付
して説明する。

貯槽５の液体ヘリウムは、膨張弁６を介在したトランス
ファーチューブにて貯溜容器２ａへ送られ、液体ヘリウ
ム２０は該容器２ａに一旦溜められる。液体ヘリウム２
０の一部は熱交換器２１、弁２２を経て、管路２９ａに
て容器２ｂに供給され、該容器２ｂ内で超流動ヘリウム
３に転移される。上記容器２ｂ内で蒸発した気体ヘリウ
ムは熱交換器２１を経て排気管１０にて排気ポンプ１１
に吸入され、更に、弁１２を経て減圧ポンプ１３に吸入
され、放出管１４よシ放出される。上記熱交換器２１は
管路２９ａの流路と排気管１０の流路と互いに熱交換し
、容器２ａから容器２ｂに流入する液体ヘリウムを、容
器２ｂより排気される気体ヘリウムにて冷却する。また
、容器２Ｃにも弁２３を経て、管路２９ｂにて液体ヘリ
ウムが供給され、この容器２ｃは、容器２ｂ内に設けた
熱交換器２４に接続されておシ、該容器２ｃへ流入した
液体ヘリウムは、容器２ｂ内の超低温の超流動ヘリウム
３と上記熱交換器２４を介して熱交換され超流動ヘリウ
ム２５に転移して貯溜される。

この容器２Ｃ内には冷却物体４が収納されておシ、冷却
物体４は容器内の超流動ヘリウム２５で冷却される。こ
の実施例によれば、冷却物体４が収容されている雰囲気
圧力は、容器２ａと同じ大気圧であるため、大気を容器
２Ｃ中に吸い込んだシする危険性はない。

第３図は上記排気ポンプ１１の詳細を示す。クライオス
タット１（第１図、第２図参照）の７ランジ４９にはポ
ンプ用のフランジ３９が取付けられている。上記７ラン
ジ４９の上部は室温大気側、下部は真空またはヘリウム
ガス槽である。ポンプ用のフランジ３９にはヒータの外
筒３７が立設され、この外筒３７の内方にモータの固定
子３６が固嵌されている。モータの回転子３０は回転軸
３１に固定され、この回転軸３１は下部は上記７ランジ
３９に設けられた下部玉軸受３２ｂに、上部は外筒３７
の上部に取付けられた軸受板３８の中心部に設けられた
上部玉軸受３２ａに支承されている。外筒３７の上端部
は７ランジ４０で覆い、気密にシールしている。また、
外筒３７の外壁部には縦板状の複数個のフィン４３が放
射状に突設され、更に、その外周は筒状のカバー４４で
覆い、７ランジ４０の上部にはフィン４５が配設され、
該フィン４５にて各フィン４３の間の流路に送風し、カ
バ−４４下部の開口４４ａより排出する通風路４６を形
成し、外筒３７及び内部のモータを冷却する。また、上
記回転軸３１は下方に細長く伸びた断熱軸部３３を形成
し、その先端に渦流形の羽根車３４が押えナツト３５を
介し固定されている。羽根車３４が内装されたポンプケ
ース４２は断熱ケース４１で覆われ、この断熱ケースは
断熱軸部３３の外周を覆った筒状部を連投し、他端はフ
ランジ３９に固定されている。

モータが内装された外筒３７の内室は上述のようにフラ
ンジ４０で気密にシールし、下部は７ランジ３９、断熱
ケース４１、ポンプケース４２によ少気密に保持されて
いる。５０はポンプケース４２に接続された吸込（吐出
）管の一部を示し、４７．４８はファン４５及びモータ
回転子３０の電流導線を示す。羽根車３４が内装された
ポンプ本体の構造を第４図、第５図に示す。第４図にお
いて、ポンプケース４２には吸込管５０、吐出管５２が
接続され、羽根車３４で形成されたポンプケース内の流
路５３でガスの圧縮が行なわれる。

羽根車３４は第５図に示す如く１円板上に多数の羽根５
４が放射状に形成されている。モータは２００〜４００
Ｈ２の高周波で駆動される。断熱軸３３は熱収縮率及び
熱伝導率の小さいチタン合金などが使われる。断熱軸部
３３の長さは２〜５創で、断熱ケース４１も軸３１と同
一素材を用いる。羽根車３４は軽量化の為にアルミニウ
ム合金としてもよい。各部の気密シールの為には、低温
部分は金属ガスケットやインジウム細線部を常温部分は
ゴムＯリングを用いてもよい。

第６図及び第７図は断熱ケース４１の中間に突出し、突
起部６１にシールド５１を接続する構造を示す。シール
ド５１の一端を屈曲部６２と弾性を有する屈曲板６３と
組みあわせて、突起部６１を挾み込むようになっている
。また、シールド５１は第７図に示すように２分割され
て、組み立てを容易にしている。このシールド５１は図
示していない液体窒素又はこのポンプの吐出管５２から
出たガスヘリウムで冷却される。断熱ケース４１と断熱
軸部３３とは気体層を介して熱伝導がなされるので、７
−ルド５１を接続して中間冷却を行うことによシ、常温
部から羽根車のある低温部への侵入熱を減らし、ポンプ
の性能劣化を防いでいろう 上記構造のポンプは吸込管５０からヘリウムガスを吸入
し、吐出管５２よシ排出する。しかして。

このポンプはモータ部分はファン４５による送風にて冷
却され、筐だ、ポンプ本体部は、シールド５１内は常温
とヘリウムガスの温度の中間温度で冷却され、ポンプ本
体へ常温部からの侵入熱は低減され、ポンプ性能を維持
する。

このポンプの特性の一例を示すと、羽根車の直径が１０
０ｍ、回転数が１８，０００ｒｌ）ｍ％吸込口の圧力が
１２　ＴＯｒｒｌ　温度４．２にのとき、吐出圧２４’
Ｉ”ｏｒｒ、流量０．３ｇ／ｓ（冷凍容量約５Ｗ）が可
能である。

〔発明の効果〕

本発明によれば排気ポンプをｌＪＳ形化することができ
、また、この実施例によれば、排気ポンプのモータ及び
軸受部分を常温雰囲気においた為、玉軸受と構造の簡単
な渦流式羽根車を用いた安価なポンプを使用し、システ
ムは簡略化され、経済性の高い超流動ヘリウム冷凍装置
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す冷凍装置の系統図、第
２図は他の実施例を示す冷凍装置の系統図、第３図は本
発明の一実施例を示す排気ポンプの縦断面図、第４図は
第３図のＩＶ−Ｍ線矢視断面図、第５図は第３図の羽根
車の平面図、第６図は第３図のシールド接合部を示す部
分断面図、第７図は第３図の■−■線矢視断面図である
。 ｌ・・・クライオスタット、２．”　２’ａ、２ｂ、２
ｃ・・・容器、３・・・超流動ヘリウム、４・・・冷却
物体、５・・・貯槽、６・・・膨張弁、７・・・トラン
スファーチューブ。 ８・・・大気開放管％１０・・・排気管、１１・・・排
気ポンプ、１３・・・減圧ポンプ、１６・・・減圧管、
２０・・・液体ヘリウム、２１・・・熱交換器、２４・
・・熱交換器、２５・・・超流動ヘリウム、３１・・・
回転軸、３２ａ。 ３２ｂ・・・玉軸受５３７・・・外回、３８・・・軸受
板、４５・・・ファン、３３・・・断熱軸部、３４・・
・羽根車、４２・・・ポンプケース、４１・・・断熱ケ
ース、５１・・・シールド、５３・・・流路、５４・・
・羽根。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、極低温を発生し冷却物体を冷却する超流動ヘリウム
   容器と、外部の液体ヘリウム貯槽と、上記超流動ヘリウ
   ム容器と液体ヘリウム貯槽を膨張弁を介在して接続する
   経路と、超流動ヘリウム容器の上部に接続された排気ポ
   ンプと減圧ポンプを弁を介在して接続する排気管と、上
   記排気ポンプと弁をバイパスする減圧管と、上記排気管
   に並設される弁を介在した大気開放管を設け、排気ポン
   プを小形化したことを特徴とする超流動ヘリウム冷凍装
   置。 ２、超流動ヘリウム容器に冷却物体を収納している特許
   請求の範囲第１項記載の超流動ヘリウム冷凍装置。 ３、超流動ヘリウム容器が、貯溜容器、超流動ヘリウム
   に転移する容器、冷却物体を収納する容器に三分割され
   ている特許請求の範囲第１項記載の超流動ヘリウム冷凍
   装置。 ４、貯溜容器に、超流動ヘリウム転移容器と、冷却物体
   収納容器を接続し、超流動ヘリウム転移容器と冷却物体
   収納容器を熱交換状態に接続する手段を設け、貯溜容器
   に大気開放管を、超流動ヘリウム転移容器に排気管を接
   続している特許請求の範囲第３項記載の超流動ヘリウム
   冷凍装置。 ５、排気ポンプが、モータ回転子に直結した断熱軸部と
   、この軸部の先端に取り付けられた渦流式羽根車、上記
   断熱軸部及び羽根車を気密に包囲するケースにて形成さ
   れている特許請求の範囲第１項記載の超流動ヘリウム冷
   凍装置。 ６、断熱軸部を包囲するケースに中間冷却部を設け、こ
   の冷却部に、他の冷媒またはポンプの排出ガスで冷却す
   るシールドを接続している特許請求の範囲第５項記載の
   超流動ヘリウム冷凍装置。 ７、モータ回転子が玉軸受で支承されている特許請求の
   範囲第５項または第６項に記載の超流動ヘリウム冷凍装
   置。