(57)【要約】【課題】予冷熱交換器により液体ヘリウムを冷却するものに比べて冷却器の冷却効率を向上させることができるようにした加圧超流動ヘリウムクライオスタットを提供する。【解決手段】４．２Ｋ液体ヘリウム槽２底部の液体ヘリウム取り込み口６と第二の流量調整弁であるＪＴ弁９との間に第一の流量調整弁７と予冷器８を設置する。予冷器を真空ポンプで減圧して冷却する。このとき、４．２Ｋ液体ヘリウム槽から冷却器に液体ヘリウムが流れ込むようにするために、予冷器温度を冷却器温度より僅かに高い温度に保つ。４．２Ｋ液体ヘリウム槽から取り込まれた液体は、第一の流量調整弁７においてＪＴ膨張し予冷器温度まで冷却され、予冷器に溜まる。予冷器にある液体ヘリウムは２．２Ｋよりも低温にすることができるので、ＪＴ弁９でさらにＪＴ膨張させ冷却器に供給することにより、冷却器の効率を予冷熱交換器設置時よりも増加させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体ヘリウムを貯留する第一の液体ヘリウム槽と、前記第一の液体ヘリウム槽中の液体ヘリウムよりも低温の超流動液体ヘリウムを貯留する第二の液体ヘリウム槽と、前記第一の液体ヘリウム槽と前記第二の液体ヘリウム槽とを内包し室温からの熱を遮断する断熱真空容器と、前記第二の液体ヘリウム槽に設置され前記第一の液体ヘリウム槽と通路を介して連通し超流動ヘリウムを発生して前記第二の液体ヘリウム槽を冷却する冷却器とを具備する加圧超流動ヘリウムクライオスタットにおいて、前記第一の液体ヘリウム槽と前記冷却器との間に蒸気圧を下げることにより液体ヘリウムの温度を下げる予冷器を備え、前記予冷器を介して前記第一の液体ヘリウム槽と前記冷却器とが連通していることを特徴とする加圧超流動ヘリウムクライオスタット。
【請求項２】
前記第一の液体ヘリウム槽と前記予冷器とを連通する通路内を流れる液体ヘリウムの流量を調整する第一の流量調整弁と、前記予冷器と前記冷却器とを連通する通路内を流れる液体ヘリウムの流量を調整する第二の流量調整弁を備えたことを特徴とする請求項１記載の加圧超流動ヘリウムクライオスタット。
【請求項３】
前記第一の流量調整弁が液体ヘリウムをＪＴ膨張させる弁よりなることを特徴とする請求項２記載の加圧超流動ヘリウムクライオスタット。
【請求項４】
前記第二の流量調整弁が液体ヘリウムをＪＴ膨張させる弁よりなることを特徴とする請求項２記載の加圧超流動ヘリウムクライオスタット。
【請求項５】
前記予冷器を前記断熱真空容器の外部に設置された真空排気装置により減圧するための予冷器用排気管を備えていることを特徴とする請求項１記載の加圧超流動ヘリウムクライオスタット。
【請求項６】
前記冷却器を前記断熱真空容器の外部に設置された真空排気装置により減圧するための冷却器用排気管を備えていることを特徴とする請求項１記載の加圧超流動ヘリウムクライオスタット。
【請求項７】
前記第一の液体ヘリウム槽と前記第二の液体ヘリウム槽との間に安全弁を備えていることを特徴とする請求項１記載の加圧超流動ヘリウムクライオスタット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高磁場発生用超電導磁石の冷却に用いられる加圧超流動ヘリウムクライオスタットに関する。
【背景技術】
【０００２】
高磁場を必要とする核磁気共鳴装置、加速器、核融合炉、磁気イメージング装置等では、超電導磁石を１．５〜２Ｋ程度の超流動ヘリウムにより冷却する。通常の超電導磁石は４．２Ｋの液体ヘリウムを用いて冷却するが、超流動ヘリウムにより超電導磁石を１．５〜２Ｋ程度まで冷却すると、磁石の特性が向上し、より高い磁場を発生することができる。
【０００３】
超流動ヘリウムを用いて超電導磁石を冷却する方式には、飽和超流動ヘリウム冷却方式と加圧超流動ヘリウム冷却方式がある。加圧超流動ヘリウムは、飽和超流動ヘリウムに比べて熱輸送特性が優れている。飽和超流動ヘリウム冷却方式では、低蒸気圧中での放電やクライオスタット外部からの真空漏れの可能性がある。
【０００４】
このようなことから、最近では加圧超流動ヘリウム冷却方式を用いるのが一般的である。また、核磁気共鳴装置での高磁場発生用含浸密巻型の超電導磁石では、運転温度が低いほどよいと考えられている。
【０００５】
加圧超流動ヘリウムクライオスタットとしては、４．２Ｋ液体ヘリウム槽と、超電導磁石が設置される超流動ヘリウム槽よりなる二つのヘリウム槽を低温槽に設置し、超流動ヘリウム槽に冷却器を設置し、冷却器から低温槽の外部へ排気されるヘリウム蒸気との熱交換によって、４．２Ｋ液体ヘリウム槽から冷却器に供給される液体ヘリウムを冷却するものが知られている(例えば、特許文献１、非特許文献１参照)。
【０００６】
【特許文献１】特公昭６０−４１２１号公報(第５図とその説明))
【非特許文献１】G. Claudet、A. Lacaze、P. Roubeau、and J、Verdier、The design and operation of a refrigerator system using superfluid helium. Proc. Fifth International Cryogenic Engineering Conf. Kyoto(1974)、pp. 265-267.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来型の加圧超流動ヘリウムクライオスタットは、冷却器から低温槽の外部へ排気されるヘリウム蒸気との熱交換によって、冷却器に供給される液体ヘリウムを冷却するものであり、このために予冷熱交換器が備えられる。予冷熱交換器には、一般に向流型の熱交換器が用いられる。しかし、予冷熱交換器は蒸発ガスで冷却しているために、２．２Ｋ程度までの予冷が限界である。
【０００８】
液体ヘリウムは高価であるため、その消費量を抑えることが必要である。液体ヘリウム消費量は室温部から４．２Ｋ液体ヘリウム槽への熱侵入量や、４．２Ｋ液体ヘリウム槽から超流動ヘリウム槽への熱侵入量と、この熱侵入量を取り去るための冷却器の冷却効率で決まる。したがって、低熱侵入のクライオスタット構造と高い冷却効率を持つ冷却器が必要である。冷却器の効率を決めるのは、予冷熱交換器出口の液体ヘリウムの温度であるが、予冷熱交換器は蒸発ガスで液体ヘリウムを冷却するために到達温度に限界がある。
【０００９】
本発明の目的は、予冷熱交換器により液体ヘリウムを冷却するものに比べて冷却器の冷却効率を向上させることができるようにした加圧超流動ヘリウムクライオスタットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、従来型の加圧超流動ヘリウムクライオスタットにおける予冷熱交換器に代えて、蒸気圧を下げることにより液体ヘリウム温度を下げる方式の予冷器を備えたものである。具体的には、液体ヘリウムを貯留する第一の液体ヘリウム槽と、前記第一の液体ヘリウム槽中の液体ヘリウムよりも低温の超流動液体ヘリウムを貯留する第二の液体ヘリウム槽と、前記第一の液体ヘリウム槽と前記第二の液体ヘリウム槽とを内包し室温からの熱を遮断する断熱真空容器と、前記第二の液体ヘリウム槽に設置され前記第一の液体ヘリウム槽と通路を介して連通し超流動ヘリウムを発生して前記第二の液体ヘリウム槽を冷却する冷却器とを具備する加圧超流動ヘリウムクライオスタットにおいて、前記第一の液体ヘリウム槽と前記冷却器との間に蒸気圧を下げて液体ヘリウムの温度を下げる予冷器を備え、前記予冷器を介して前記第一の液体ヘリウム槽と前記冷却器とが連通していることを特徴とする加圧超流動ヘリウムクライオスタットにある。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、冷却器での冷却効率を高めることが可能になり、長期運転を必要とする超流動ヘリウム冷却を用いた超電導磁石クライオスタットでの液体ヘリウム消費量を低減することが可能になった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明による加圧超流動ヘリウムクライオスタットは、第一の液体ヘリウム槽である４．２Ｋ液体ヘリウム槽と、第二の液体ヘリウム槽である超流動ヘリウム槽中に設置された冷却器との間に、蒸気圧を下げて温度を下げる方式の予冷器を設けたものである。本発明では、４．２Ｋ液体ヘリウム槽からの液体ヘリウム取り込み口と予冷器とを連通する通路にＪＴ（ジュール−トムソン）膨張させる第一の流量調整弁を備え、予冷器と超流動ヘリウム槽内に設置された冷却器とを連通する通路にＪＴ膨張させる第二の流量調整弁を備えることが望ましい。
【００１３】
予冷器を真空ポンプで減圧し、予冷器を冷却する。このとき予冷器の温度を冷却器温度より僅かに高い温度に保つ。これは、液体ヘリウムが４．２Ｋ液体ヘリウム槽から冷却器に流れ込むようにするためである。４．２Ｋ液体ヘリウム槽から取り込まれた液体は第一の流量調整弁でＪＴ膨張し予冷器温度まで冷却され、予冷器に溜まる。この予冷器にある液体ヘリウムは２．２Ｋよりも低温にすることができるので、さらに第二の流量調整弁でＪＴ膨張させ冷却器に供給する。これにより、冷却器の効率を、予冷熱交換器を設置した場合よりも増加させることができる。特に低温を必要とする超電導磁石の冷却に有利と考えられる。
【００１４】
従来型の予冷熱交換器を用いたクライオスタットにおける加圧超流動ヘリウム冷却方式を、図３に示したクライオスタットの概念図と図４に示した温度−エンタルピー線図に基づいて説明する。
【００１５】
クライオスタットでは、４．２Ｋ液体ヘリウム槽２と超電導磁石４が設置される超流動ヘリウム槽３とが断熱真空容器１に配置される。また、超流動ヘリウム槽３には冷却器１０が設置される。冷却器１０は冷却器用排気管１１を通じて真空ポンプ等の真空排気装置１５により減圧され冷却される。４．２Ｋ液体ヘリウム槽２の液体ヘリウムは液体ヘリウム取り込み口６から冷却器１０に取り込まれる。液体ヘリウム取り込み口６と冷却器１０との間には、冷却器用排気管１１と熱接触するように予冷熱交換器１８が備えられている。この予冷熱交換器１１により、液体ヘリウム取り込み口６にて取り込まれた液体ヘリウムが冷却される。予冷熱交換器１８で冷却された液体ヘリウムは、ＪＴ弁（ジュール−トムソン弁）９でＪＴ膨張させて温度をさらに下げて冷却器１０に供給する。
【００１６】
図３には示していないが、断熱真空容器には後述する図１に示すように熱輻射や熱伝導による熱侵入を防ぐために液体窒素で冷却される８０Ｋシールドや、液体ヘリウムで冷却される４Ｋシールドが設置されるのが一般的である。４．２Ｋ液体ヘリウム槽２と超流動ヘリウム槽３との間には低温安全弁５が設置される。この低温安全弁５には、４．２Ｋ液体ヘリウム槽２から超流動ヘリウム槽３への液体ヘリウム供給路として働き、超流動ヘリウム槽３の圧力が大気圧となることを保障する役割がある。また、低温安全弁５は超電導磁石４のクエンチ時の圧力放出路となる。
【００１７】
冷却過程を図４に基づいて説明する。この図４では、超流動ヘリウム槽３の温度を１．８Ｋと仮定している。４．２Ｋ液体ヘリウム槽２に設置された液体ヘリウム取り込み口６から取り込まれた液体ヘリウムは、冷却器用排気管１１と熱接触している予冷熱交換器１８において、冷却器１０からの強制排気された蒸発ヘリウムガスにより２．２Ｋ程度まで冷却される。これは、図４における（１）→（２）の過程である。冷却された液体ヘリウムは、ＪＴ弁９におけるＪＴ膨張により１．８Ｋまで冷却され、冷却器１０内に溜まる。これは、図４における（２）→（３）の過程である。冷却器１０に溜まった液体ヘリウムを、真空排気装置１５により蒸気圧を０．００１７ＭＰａまで減圧排気し強制蒸発させることにより、図４中の（３）→（４）のエンタルピー差だけまわりから熱を取り去る。強制蒸発したヘリウムガスは、取り込まれた液体ヘリウムを冷却し、室温部に戻った後に真空排気装置１５外へ排出される。これは、図４中の（４）→（５）の過程になる。
【００１８】
図４には、（１）→（３ｂ）の過程になるが、４．２ＫからＪＴ膨張する場合と、理想的な１．８Ｋまで予冷された場合（３ａ）も示した。この図４から、ＪＴ膨張前の温度が低いほど、大きなエンタルピー差となり、大きな熱を取り去ることが分かる。したがって、予冷熱交換器１８の効率が高いほど、冷却器１０で取り去ることのできる熱は大きくなる。これは、冷却器１０の温度と超流動ヘリウム槽３への熱侵入量が同じであっても、より少ない冷却器１０での液体ヘリウム消費量で熱を取り去るということを意味するので、冷却器１０の効率は増加するといえる。しかし、従来型の加圧超流動クライオスタットは、４．２Ｋ液体ヘリウム槽２から取り込んだ液体ヘリウムを冷却器１０の蒸発ガスとの熱交換により冷却しているため、２．２Ｋ程度までの予冷が限界である。
【００１９】
次に、本発明の実施例を、図１、図２を参照して説明する。
【実施例】
【００２０】
図１に、本発明の実施例による加圧超流動ヘリウムクライオスタットの概略図を示す。このクライオスタットは、第一の液体ヘリウム槽である４．２Ｋの液体ヘリウムが溜まる４．２Ｋ液体ヘリウム槽２と、高磁場を発生する超電導磁石４が設置され、１．５〜４．２Ｋの液体ヘリウムが溜まる第二の液体ヘリウム槽である超流動ヘリウム槽３とを断熱真空容器１内に設置した構造を有する。超流動ヘリウム槽３に設置される超電導磁石４としては、高感度ＮＭＲ装置、ＭＲＩ、加速器、核融合炉用がある。
【００２１】
断熱真空容器１外部の室温部からの熱輻射を低減するために、断熱真空容器１と４．２Ｋ液体ヘリウム槽２との間には、液体窒素により冷却される８０Ｋシールド１４が設置されている。８０Ｋシールド１４は、液体窒素槽１３に溜められた液体窒素により冷却される。さらに、４．２Ｋ液体ヘリウム槽２と超流動ヘリウム槽３との間には、４．２Ｋの液体ヘリウムにより冷却される４Ｋシールド１７が設置されている。排気管、計測線等からの熱伝導による熱侵入を低減するために、排気管、計測線等を８０Ｋシールド１４と４．２Ｋシールド１７に熱接触させることが好ましい。さらに、輻射による熱侵入量を低減するために、８０Ｋシールド１４の外側を積層断熱材で覆うとよい。
【００２２】
４．２Ｋ液体ヘリウム槽２と超流動ヘリウム槽３との間には低温安全弁５が設置されている。この低温安全弁５の弁と弁座の隙間にある超流動ヘリウムの熱伝導率は非常に大きいため、熱侵入量を小さく抑えるために隙間は１０μｍ以内となるようにすることが好ましい。機械加工後にアルミナ粉等を用いて研磨することにより、安全弁隙間を１０μｍ以内にすることが可能である。
【００２３】
４．２Ｋ液体ヘリウム槽２の液体ヘリウム取り込み口６から取り込まれた液体ヘリウムは、第二の流量調整弁にあたるＪＴ弁９においてＪＴ膨張し、冷却器１０温度まで下がる。液体ヘリウム取り込み口６の設置位置は、液体ヘリウムの補液間隔を長くするために４．２Ｋ液体ヘリウム槽２のなるべく底部に近い場所がよい。しかし、初期冷却時に置換が不十分であり空気、液体窒素、水等がクライオスタットに残留していると、それらが固化し、４．２Ｋ液体ヘリウム槽２の底部に滞留してしまう。これらの不純物が液体ヘリウム取り込み口６に入り込むと、冷却器１０へ通じる通路内で閉塞を起こし、冷却不可能となる。このため、液体ヘリウム取り込み口６には、微粒子の焼結体からなるフィルターを設置することが好ましい。
【００２４】
超流動ヘリウム槽３内を冷却するために、その貯槽内に冷却器１０が設置される。冷却器１０は液体ヘリウムを溜めることができる容器であり、容器内を室温部に設置された真空排気装置１５で減圧することにより、飽和蒸気圧が下がり温度が降下することになる。真空排気装置１５としては、例えば１．８Ｋの超流動ヘリウムの飽和蒸気圧である０．００１７ＭＰａ程度で排気速度が大きい油回転ポンプが適している。大排気量が必要な場合は、ルーツポンプを用いてもよい。また、１Ｋ程度の低温が必要な場合は、負荷により回転数を可変することができるターボ分子ポンプを用いることも可能である。
【００２５】
冷却器１０はまわりの液体ヘリウムから熱を奪い取る必要があるために、材料には熱伝導率が高いものを使用することが望ましい。しかし、熱伝導率が高い材料は一般的に電気抵抗が小さいために、超電導磁石４のクエンチ時に渦電流が流れ破損するおそれがある。このため、なるべく超電導磁石４から離れた場所に設置することが望ましい。冷却器１０の形状としては、液溜め型とチューブ型がよく知られているが、蒸発面積を稼げることや、液面位置を検知しやすく制御が容易であることから、液溜め型が好ましい。冷却器１０と真空排気装置１５とを連通する冷却器用排気管１１は、室温部まで到達するため、熱伝導率の低い、例えばステンレスが適している。ＪＴ弁９としては、流量調整が容易なニードル弁が適している。
【００２６】
前述したように、ＪＴ膨張前の供給液体ヘリウムの温度が低いほど冷却器１０での冷却効率が増加する。このため、ＪＴ弁９の手前に第一の流量調整弁７と予冷器８を設置する。予冷器８付近の詳細図を図２に示す。予冷器８は、液体ヘリウムが溜まる容器であり、容器に接続された予冷器用排気管１２を通じて、容器内を室温部に設置された真空排気装置１６により減圧排気することより、容器内温度を下げる。真空排気装置１６や予冷器用排気管１２は、冷却器１０を排気するものと同様でよいが、予冷器８で取り去らなければならない熱は、まわりから予冷器８へ侵入する熱侵入量であり、非常に小さいと考えられるので、小型の排気装置でよい。冷却器１０の減圧用としてルーツポンプやターボ分子ポンプを用いる場合、その後段の油回転ポンプを予冷器８の減圧用として用いればよい。予冷器８は室温部から予冷器用排気管１２により支えられるか、４Ｋシールド１７から予冷器用排気管１２により支えればよい。
【００２７】
予冷器８と液体ヘリウム取り込み口６の間に設置された第一の流量調整弁７の役割は、４．２Ｋ液体ヘリウム槽２から取り込む液体ヘリウムの量を調整することと、取り込んだ液体ヘリウムをＪＴ膨張させることである。第一の流量調整弁７はＪＴ弁９と同様に、流量調整が容易なニードル弁を用いることが好ましい。
【００２８】
加圧超流動ヘリウムクライオスタットの運転方法について説明する。
【００２９】
加圧超流動ヘリウムクライオスタットを運転するために、超流動ヘリウム槽３と４．２Ｋ液体ヘリウム槽２を液体窒素により予冷し、その後に、超流動ヘリウム槽３と４．２Ｋ液体ヘリウム槽２に液体ヘリウムを貯液する。
【００３０】
液体ヘリウム貯液後、第一の流量調整弁７を全開、真空排気装置１６の吸気口に取り付けられた弁２１を全閉とし、冷却器１０内に設置された液面計と温度計を監視しながらＪＴ弁９と真空排気装置１５の吸気口に取り付けられた弁２２を調整し、液面が冷却器１０内に存在するようにし、かつ所望の冷却器温度にする。このとき超流動ヘリウム槽３の温度も冷却温度まで冷却される。続いて、予冷器７に設置された液面計２０と温度計１９を監視しながら第一の流量調整弁７と真空排気装置１６の吸気口に取り付けられた弁２１を調整して、液面が予冷器７内に存在するようにし、かつ所望の予冷器温度とする。
【００３１】
このとき、予冷器８の温度は冷却器１０の温度より僅かに高くする必要がある。これは、液体ヘリウムが４．２Ｋ液体ヘリウム槽２から冷却器１０に流れ込むようにするためである。また、冷却器１０の液面が冷却器用排気管１１内に来ることを防ぐ狙いもある。冷却器１０の液面が冷却器用排気管１１内に到達すると、フィルムフローにより排気量を奪われてしまうからである。温度調整は、超流動ヘリウム槽３にヒーターを設置しても実施できるが、蒸気圧が高いため、排気口に設置した弁２１を電磁弁にするなどしてバルブ開度を調整することにより実施する方が有利と考えられる。また、４．２Ｋ液体ヘリウム槽２の液体ヘリウム液面が、液体ヘリウム取り込み口６より下がらないように注意する必要がある。液体ヘリウム液面が液体ヘリウム取り込み口６よりも下がると冷却が停止し、超流動ヘリウム槽３の急激な温度上昇とともに超電導磁石４がクエンチを発生しやすくなるからである。
【００３２】
予冷器７から冷却器１０へ供給する液体ヘリウムの温度が変化すればＪＴ弁９を通過する液体ヘリウム量も変化するので、ＪＴ弁９と真空排気装置１５の吸気口に取り付けられた弁２２を再調整して、液面が冷却器１０内に存在するようにし所望の温度とする。以後は定常状態となる。定常状態での弁の開度は、超流動ヘリウム槽３への熱侵入量により変わる。
【００３３】
超流動ヘリウム槽３への熱侵入量が大きい場合は、冷却器１０内に液面が存在するようにすることと冷凍能力を稼ぐために、すべての弁の開度を大きめに設定する。逆に熱侵入量が小さい場合は、冷却器１０の液面が冷却器用排気管１１に到達するのを防ぐためにＪＴ弁９および第一の流量調整７の開度を小さくする。このとき、真空排気装置１５，１６の吸気口に取り付けられた弁２１，２２は、液面計を監視しながら調整する。
【００３４】
本実施例に示すように、予冷器８を真空排気装置１６により減圧して冷却する方式のものにし、好ましくはさらに予冷器の前後で液体ヘリウムをＪＴ膨張させることにより、冷却器１０の冷却効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施例による加圧超流動ヘリウムクライオスタットの概念図。
【図２】予冷器付近の詳細図。
【図３】予冷熱交換器により冷却器を冷却する方式の加圧超流動ヘリウムクライオスタットの概念図。
【図４】加圧超流動ヘリウム冷却の温度−エンタルピー線図。
【符号の説明】
【００３６】
１…断熱真空容器、２…４．２Ｋ液体ヘリウム槽、３…超流動ヘリウム槽、４…超電導磁石、５…低温安全弁、６…液体ヘリウム取り込み口、７…第一の流量調整弁、８…予冷器、９…ＪＴ弁、１０…冷却器、１１…冷却器用排気管、１２…予冷器用排気管、１３…液体窒素槽、１４…８０Ｋシールド、１５…真空排気装置、１６…真空排気装置、１７…４Ｋシールド、１８…予冷熱交換器、１９…温度計、２０…液面計、２１…弁、２２…弁。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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