(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷凍機および前記冷凍機に接続され前記冷凍機を覆う熱シールドを含みヘリウムガスを液化するヘリウム液化装置と、液体ヘリウムを貯留する液体ヘリウム貯留槽と、を有するヘリウム液化システムにおいて、前記ヘリウム液化装置から外部に突出し、前記ヘリウム液化装置からの液体ヘリウムを液体ヘリウム貯留槽へ輸送するトランスファーチューブであって、
前記トランスファーチューブは、
液体ヘリウムを輸送する液体ヘリウム輸送パイプと、
この液体ヘリウム輸送パイプを周囲から断熱する熱シールドパイプと、
を含み、
前記熱シールドパイプの外周上には、可撓性の伝熱材が設けられ、前記可撓性の伝熱材は、一端が前記冷凍機の外部において前記トランスファーチューブの前記熱シールドパイプの外周部に接続され、他端が前記ヘリウム液化装置の内部で前記熱シールドに接続されていることを特徴とするトランスファーチューブ。
【請求項２】
請求項１に記載のトランスファーチューブにおいて、
前記伝熱材は、金属製の網紐材で構成されていることを特徴とするトランスファーチューブ。
【請求項３】
請求項１または２に記載のトランスファーチューブにおいて、
さらに、
液体ヘリウム貯留槽の液面付近の空間に存在する低温ヘリウムガスを前記冷凍機に向けて輸送する低温ヘリウム輸送パイプと、
前記冷凍機で得られた前記低温ヘリウムガスより高温の冷却ヘリウムガスを前記液体ヘリウム貯留槽の上部空間に輸送する冷却ヘリウム輸送パイプと、
を含むと共に、
前記熱シールドパイプが、液体ヘリウム輸送パイプ、低温ヘリウム輸送パイプおよび冷却ヘリウム輸送パイプを覆って、周囲から断熱することを特徴とするトランスファーチューブ。
【請求項４】
請求項３に記載のトランスファーチューブにおいて、
前記冷凍機に近い部分は、前記３本のパイプは、独立したパイプとして、前記冷凍機に接続され、
前記伝熱材は、この部分の熱シールドパイプの外周に接続されていることを特徴とするトランスファーチューブ。
【請求項５】
請求項４に記載のトランスファーチューブにおいて、
独立した３本のパイプとして形成された、前記液体ヘリウム輸送パイプと、低温ヘリウム輸送パイプと、冷却ヘリウム輸送パイプとに対し、
前記液体ヘリウム輸送パイプと、低温ヘリウム輸送パイプと、冷却ヘリウム輸送パイプと、熱シールドパイプと、をこの順番で内側から配置した多重パイプが接続されることを特徴とするトランスファーチューブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍機からの液体ヘリウムを液体ヘリウム貯留槽へ輸送する液体ヘリウムを輸送するトランスファーチューブに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ＭＥＧ（脳磁計）や、ＮＭＲ（超電導核磁気共鳴装置）、ＭＲＩ（磁気共鳴画像法）装置等では、超電導を起こさせるために極低温状態に維持する必要があり、この冷却に、極低温（およそ４Ｋ）の液体ヘリウムが用いられている。この液体ヘリウムは、希少な資源であると共に比較的高価なものであることから、冷却過程で気化したヘリウムガスを大気に開放してしまうのは好ましくない。このため、極低温の液体ヘリウムを貯留する貯留槽で気化したヘリウムガスを回収し、再液化させて貯留槽に返送するヘリウム再液化システムが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。
【０００３】
このヘリウム再液化システムは、ヘリウムガスをおよそ４Ｋにまで冷却可能なギフォードマクマホンサイクル冷凍機（以下、「ＧＭ冷凍機」という）と、このＧＭ冷凍機に接続された凝縮器と、貯留槽から回収されたヘリウムガス中の不純物を冷却・固化させて捕捉する精製器とを含んでいる。貯留槽で発生した（およそ４〜１０Ｋの）ヘリウムガスは、凝縮器に送られ、極低温の液体ヘリウムへと再液化させられる。また、貯留槽で発生した比較的高温（およそ３００Ｋ）のヘリウムガスは、精製器で窒素や酸素といった不純物が除去され、ＧＭ冷凍機によって冷却された後、凝縮器に送られ、液体ヘリウムへと再液化させられる。
【０００４】
【特許文献１】特許第３４４６８８３号公報
【特許文献２】特許第３５２３０８５号公報
【特許文献３】特開２００５−２９１６２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このようなヘリウム再液化システムでは、凝縮器で得られた液体ヘリウムを貯留槽に輸送するためにトランスファーチューブを用いるが、液体ヘリウムの状態のままでの確実な輸送を行うためには、トランスファーチューブにおける熱吸収をできるだけ小さくすることが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、冷凍機および前記冷凍機に接続され前記冷凍機を覆う熱シールドを含みヘリウムガスを液化するヘリウム液化装置と、液体ヘリウムを貯留する液体ヘリウム貯留槽と、を有するヘリウム液化システムにおいて、前記ヘリウム液化装置から外部に突出し、前記ヘリウム液化装置からの液体ヘリウムを液体ヘリウム貯留槽へ輸送するトランスファーチューブであって、前記トランスファーチューブは、液体ヘリウムを輸送する液体ヘリウム輸送パイプと、この液体ヘリウム輸送パイプを周囲から断熱する熱シールドパイプと、を含み、前記熱シールドパイプの外周上には、可撓性の伝熱材が設けられ、前記可撓性の伝熱材は、一端が前記冷凍機の外部において前記トランスファーチューブの前記熱シールドパイプの外周部に接続され、他端が前記ヘリウム液化装置の内部で前記熱シールドに接続されていることを特徴とする。
【０００７】
また、前記伝熱材は、金属製の網紐材で構成されていることが好適である。
【０００８】
さらに、液体ヘリウム貯留槽の液面付近の空間に存在する低温ヘリウムガスを前記冷凍機に向けて輸送する低温ヘリウム輸送パイプと、前記冷凍機で得られた前記低温ヘリウムガスより高温の冷却ヘリウムガスを前記液体ヘリウム貯留槽の上部空間に輸送する冷却ヘリウム輸送パイプと、を含むと共に、前記熱シールドパイプが、液体ヘリウム輸送パイプ、低温ヘリウム輸送パイプおよび冷却ヘリウム輸送パイプを覆って、周囲から断熱することが好適である。
【０００９】
また、前記冷凍機に近い部分は、前記３本のパイプは、独立したパイプとして、前記冷凍機に接続され、前記伝熱材は、この部分の熱シールドパイプの外周に接続されていることが好適である。
【００１０】
また、独立した３本のパイプとして形成された、前記液体ヘリウム輸送パイプと、低温ヘリウム輸送パイプと、冷却ヘリウム輸送パイプとに対し、前記液体ヘリウム輸送パイプと、低温ヘリウム輸送パイプと、冷却ヘリウム輸送パイプと、熱シールドパイプと、をこの順番で内側から配置した多重パイプが接続されることが好適である。
【発明の効果】
【００１１】
このように、本発明によれば、トランスファーチューブの熱シールドパイプを可撓性の伝熱材で、冷凍機の熱シールドに接続する。冷凍機の熱シールドは低温の冷凍機に接続されているため、低温であり、伝熱材を設けることによって熱シールドパイプの輻射による温度上昇を効果的に抑えることができる。
【００１２】
また、伝熱材を金属製の網紐材とすることで、熱伝導を維持しつつ取り付けなどが容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
【００１４】
「システム構成」
図１は、実施形態に係るトランスファーチューブを用いたヘリウム再液化システムの概略構成を示す図である。
【００１５】
貯留槽１０は、液体ヘリウムを貯留するデュワーを内蔵し、その周囲を断熱材によって覆うと共に、内部を真空に維持することで、周囲から断熱している。ＭＥＧなどの生体磁気計測システムであれば、超電導量子干渉計（ＳＱＵＩＤ）がデュワー内に設置され、磁気シールドによって周囲から隔離される。なお、貯留槽１０は、液体ヘリウムを貯留するものであればよく、超電導モータの冷却など各種の用途に用いることができる。
【００１６】
貯留槽１０の上部には、内部で気化し温度上昇した３００Ｋ程度のヘリウムガスが生じる。この高温ヘリウムガスは、循環ポンプ２０を有する回収ライン２２によってヘリウム液化装置３０に供給される。
【００１７】
ヘリウム液化装置３０は、内部が真空で周囲から断熱されるコールドチャンバ３２を有しており、その内部に２台のＧＭ冷凍機３４，３６が収容されている。ＧＭ冷凍機３４，３６は、第１冷凍部３４ａ，３６ａと、第２冷凍部３４ｂ，３６ｂを含み、第１冷凍部３４ａ，３６ａが、３００Ｋ程度のヘリウムガスを４０Ｋ程度のヘリウムガスに冷却し、第２冷凍部３４ｂ，３６ｂが、４０Ｋ程度のヘリウムガスを４Ｋまで冷却する。
【００１８】
回収ライン２２には、コールドチャンバ３２内の伝熱管３８が接続されており、この伝熱管３８は、第１冷凍部３４ａによってその内部が４０Ｋ程度まで冷却され、第２冷凍部３４ｂによって４Ｋまで冷却され、４Ｋに冷却されたヘリウムを凝縮器４０に供給する。そして、この凝縮器４０は第２冷凍部３４ｂ、３６ｂにより４Ｋ以下の低温に維持されており、ここにおいて４Ｋ以下の液体ヘリウムが得られる。
【００１９】
また、回収ライン２２には、コールドチャンバ３２内の伝熱管４２が接続されており、この伝熱管４２は、第１冷凍部３６ａによってその内部が４０Ｋ程度まで冷却され、冷却ヘリウムガスが得られる。
【００２０】
そして、ヘリウム液化装置３０と、貯留槽１０は、液体ヘリウムを輸送するためのトランスファーチューブ５０によって接続されている。ここで、このトランスファーチューブ５０は、多重管構造となっており、凝縮器４０からの液体ヘリウムを貯留槽１０に輸送する液体ヘリウム輸送パイプ５２と、貯留槽１０の液体ヘリウムの液面付近の４〜１０Ｋ程度の低温液体ヘリウムを凝縮器４０に輸送する低温ヘリウム輸送パイプ５４と、伝熱管４２において得られる４０Ｋ程度の冷却ヘリウムガスを貯留槽１０の中間部分に輸送する冷却ヘリウム輸送パイプ５６と、が含まれる。
【００２１】
特に、トランスファーチューブ５０は、常温（３００Ｋ程度）の雰囲気内に配置されるため、内側ほど低温となるように、構成することが好適であり、液体ヘリウム輸送パイプ５２、低温ヘリウム輸送パイプ５４、冷却ヘリウム輸送パイプ５６とが、この順で順次外側に位置する多重管構造とすることが好適である。なお、この構成については後述する。
【００２２】
「ヘリウム液化装置３０側の構造」
図２には、トランスファーチューブ５０のヘリウム液化装置３０に接続する部分の構成が示されている。
【００２３】
ヘリウム液化装置３０は、外壁６０で周囲から隔離されており、その内部は真空に維持されている。すなわち、この外壁６０内がコールドチャンバ３２となっている。外壁６０の内部には、冷凍機３４，３６に接続され、これらを覆う熱シールド６２が設けられている。この熱シールド６２は、例えば４０Ｋ程度に維持される。熱シールド６２の一部には孔があいており、熱シールド６２の内部も真空に維持されている。また、この孔から、凝縮器に接続された液体ヘリウム輸送パイプ５２、低温ヘリウム輸送パイプ５４、冷却ヘリウム輸送パイプ５６が出ている。
【００２４】
また、熱シールド６２の孔に対応する外壁６０の一部が外方に突出し、そこにトランスファーチューブ５０と接続するフランジ６０ａが形成されている。そして、このフランジ６０ａと、トランスファーチューブ５０の最も外側のパイプとなるケーシングパイプ６４のフランジ６４ａとが接続されており、ケーシングパイプ６４の内部が外壁６０の内部と連通し、ここも真空に維持される。なお、フランジ６０ａ、６４ａの接続は、溶接でもよいが、シールドルーム内に設定するＭＥＧ用などの場合、ボルト締めなど取り外し可能な方が好適である。
【００２５】
ケーシングパイプ６４の内側には、熱シールドパイプ６６が同心状に配置されている。この熱シールドパイプ６６のヘリウム液化装置３０側は解放されており、その内部は、ケーシングパイプ６４の内側および外壁６０の内側空間に連通している。また、熱シールド６２の孔から出ている液体ヘリウム輸送パイプ５２、低温ヘリウム輸送パイプ５４、冷却ヘリウム輸送パイプ５６が熱シールドパイプ６６の内部に収容されている。なお、熱シールドパイプ６６は、半割のパイプをボルト締めして形成されている。従って、熱シールドパイプ６６を、液体ヘリウム輸送パイプ５２、低温ヘリウム輸送パイプ５４、冷却ヘリウム輸送パイプ５６を設置した後に設置することができる。
【００２６】
なお、この例において、ケーシングパイプ６４は、両端が取り外し可能であると共に、軸方向に伸縮自在なベローズで形成されている。従って、ケーシングパイプ６４の少なくとも一端を取り外して片側に寄せることで、その内部を露出することができる。また、液体ヘリウム輸送パイプ５２、低温ヘリウム輸送パイプ５４、冷却ヘリウム輸送パイプ５６は、その中間部分に接続部（ＶＣＲ）が設けられている。従って、液体ヘリウム輸送パイプ５２，低温ヘリウム輸送パイプ５４，冷却ヘリウム輸送パイプ５６を接続部で接続した後、半割の熱シールドパイプ６６をボルト締めし、ケーシングパイプ６４を閉じることで、トランスファーチューブ５０と冷凍機との接続が行える。
【００２７】
この液体ヘリウム輸送パイプ５２、低温ヘリウム輸送パイプ５４、冷却ヘリウム輸送パイプ５６は、ヘリウム液化装置３０側の熱シールドパイプ６６の内部において、３本の独立した管となっているが、その後多重管構造になっている。
【００２８】
そして、熱シールドパイプ６６の外周上には、紐状であって銅製の網紐材６８が伝熱材として設けられている。この網紐材６８の一端は、熱シールドパイプ６６の外周部にボルト締めされ、他端は熱シールド６２にボルト締めされている。従って、網紐材６８の伝熱によって、熱シールドパイプ６６は、熱シールド６２と同等の低温状態になっており、熱シールドパイプ６６への輻射熱の侵入を冷凍能力が大きな冷凍機第１ステージで吸収している。また、網紐材６８は可撓性があり、熱シールド６２に対する固定も容易に行え、かつ十分な熱伝導を確保できる。
【００２９】
さらに、熱シールドパイプ６６の外周面は、バフ仕上げなど表面を鏡面状とする仕上げ処理がなされており、これによって外側からの輻射熱の侵入が低減されている。また、ニッケルメッキなどを施すことも好適である。
【００３０】
なお、網紐材６８として、熱伝達がよい材料として銅を使用しているが、十分な熱伝達ができれば、他の金属や非金属でもよい。また、可撓性があれば、網紐材でなくてもよい。また、ボルト締めする部分は、圧着端子などが設けられていることが好適である。
【００３１】
「多重管構造」
図２の右側部分には、多重管構造部分の構成が示されている。凝縮器４０からの液体ヘリウムを輸送する独立した液体ヘリウム輸送パイプ５２には、外周に真空室が形成された二重管構造の液体ヘリウム輸送パイプ７０に接続されている。
【００３２】
この液体ヘリウム輸送パイプ７０の外周側には、これを取り囲むように、貯留槽１０からの低温ヘリウムガスを輸送する低温ヘリウム輸送パイプ５４に接続される低温ヘリウム輸送パイプ７２が同心状に設けられている。低温ヘリウム輸送パイプ７２の周囲には、冷却ヘリウムガスを輸送する冷却ヘリウム輸送パイプ５６に接続される冷却ヘリウム輸送パイプ７４が同心状に設けられている。この冷却ヘリウム輸送パイプ７４は、周囲に真空室を有する二重管構造である。また、冷却ヘリウム輸送パイプ７４は、低温ヘリウム輸送パイプ７２の外側に同心状に間隔を空けて設けられている。従って、低温ヘリウム輸送パイプ７２の外側空間は、熱シールドパイプ６６の内部と連通した真空室になっている。
【００３３】
冷却ヘリウム輸送パイプ７４の端部は、熱シールドパイプ６６の内側に接続される。ケーシングパイプ６４は、そのまま伸びており、二重管構造の冷却ヘリウム輸送パイプ７４の外側に間隔をおいて同心状に配置されている。従って、二重管構造の冷却ヘリウム輸送パイプ７４の外側に真空室を介しケーシングパイプ６４が位置することになる。
【００３４】
このように、この例において、トランスファーチューブ５０は、液体ヘリウム輸送パイプ７０、低温ヘリウム輸送パイプ７２、冷却ヘリウム輸送パイプ７４をそれぞれ真空室を周囲に有する二重管構造として、これを多重とし、その周囲に熱シールドパイプ６６およびケーシングパイプ６４を配置した７重管構造となっている。そして、一番内側から、４Ｋの液体ヘリウム、４〜１０Ｋの低温ヘリウムガス、４０Ｋ程度の冷却ヘリウムガスが真空室を介して位置するため、液体ヘリウムへの熱の移動を低減して効果的な液体ヘリウムの輸送が行える。さらに、ケーシングパイプ６４の内側に配置した熱シールドパイプ６６により輻射熱の侵入を低減できる。
【００３５】
そして、図３に示されるように、７重管を構成する各パイプの間には、スペーサ７６が配置されている。このスペーサ７６は、半径方向において円柱状であって、その外方先端部分は、先細り状になっている。従って、外側のパイプとの接触面積を小さくして、パイプの位置決めを行うことができる。また、このスペーサ７６は、テフロン樹脂などの低熱伝導性のものであることが好ましく、これによってパイプの支持を確実に行い、かつ熱伝導を抑えることができる。
【００３６】
ここで、図５にスペーサ７６の軸方向から見た構成を示す。このように、スペーサ７６は、リング状の基部７６ａと、内側方向に向く台形状の突起部７６ｂと、外側方向に向く台形状の突起部７６ｃとからなっている。従って、スペーサ７６と内側および外側のパイプとの接触は、突起部７６ｂ、７６ｃのみとなり、その接触面積が小さく、熱伝導を小さくなっている。また、この例では、内側方向の突起部７６ｂと、外側方向の突起部７６ｃの位置がシフトしており（この例では、互いに４５度シフトしている）、外側パイプと内側パイプのスペーサ７６を介する熱伝導の経路の距離が長くなっている。
【００３７】
このように、本実施形態によれば、スペーサ７６によれば、パイプを保持する圧力を十分に受けられると同時に、パイプとの接触面積を小さくすると共に、熱伝達経路を大きくして熱伝導を小さくすることができる。
【００３８】
さらに、図３から明らかなように、スペーサ７６を配置する位置は、隣接するもの同士で軸方向にシフトして千鳥配置されている。これによって、熱伝達経路を長くすることができ、内部への熱伝導を小さくすることができる。
【００３９】
なお、突起部７６ｂ、７６ｃは、球面状、円錐台形状、多角錐台形状など各種形状とすることができ、また中心部分に縦穴をあけた構造としてもよい。
【００４０】
また、本実施形態におけるスペーサは、上述したように、樹脂製であることが好適である。そして、全体として、リング状であって、その外周表面および内周表面に突起部７６ｂ，ｃを有しており、中心を基準として点対称である。このようなスペーサは、レーザや加圧水を用いて加工製造することで、比較的安価に製造することができる。例えば、所定厚みの樹脂板をレーザや加圧水を用いて、切断することで、製造することができる。また、この加工方法によれば、径の異なるスペーサを１枚の樹脂板から製造することができる。
【００４１】
また、冷却ヘリウム輸送パイプ７４の外周には、スーパーインシュレータ（ＳＩ）を巻き付けることも好適であり、これによって外部からの熱侵入を低減することができる。なお、スーパーインシュレータＳＩは、通常ポリエステルなどの合成繊維にアルミを蒸着したものである。
【００４２】
「貯留槽１０側の構造」
図４には、貯留槽１０に接続される部分のトランスファーチューブ５０の構造を示している。ケーシングパイプ６４の端部は、Ｌ字状に下方に向けて曲がっており、その部分の上部にパイプ状の突出部８０が設けられ、この部分に取り外し可能な蓋８２がボルト締め固定されている。従って、蓋８２を取り外すことで、この部分が点検口として機能する。
【００４３】
また、ケーシングパイプ６４の端部は別体のＬ字部８４として構成されており、このＬ字部８４がケーシングパイプ６４にボルト締めで接続されている。また、このＬ字部８４は、貯留槽１０に挿入されるトランスファーチューブの外壁８６に固定されている。なお、Ｌ字部８４を外壁８６から取り外し可能とすることも好適である。
【００４４】
ケーシングパイプ６４内には７重管の冷却ヘリウム輸送パイプ７４の外周に接続された熱シールドパイプ８８が配置されており、この熱シールドパイプ８８の角部８８ａがＬ字状に下方に向けて曲がっている。なお、この熱シールドパイプ６６のＬ字状に曲がった角部８８ａは直管部分に対し取り外しになっている。特に分割可能にすることで、蓋８２を外した後、角部８８ａを取り外しその内部を露出することができる。また、熱シールドパイプ８８の周囲にはスーパーインシュレータを設けることが好適である。
【００４５】
熱シールドパイプ６６の内部には、液体ヘリウム輸送パイプ９０、低温ヘリウム輸送パイプ９２、冷却ヘリウム輸送パイプ９４が独立した管として配置されており、これらもＬ字状に曲がっている。
【００４６】
そして、外壁８６は、その中央部分が下方に伸び、この部分がケーシングパイプとなっており、その部分が液体ヘリウム輸送パイプ、低温ヘリウム輸送パイプ、冷却ヘリウム輸送パイプを含む６重管構造になっている。この６重管構造は、冷却ヘリウムガスを流す冷却ヘリウム輸送パイプの外側に１つの真空室のみを設ける点で、図２，３に示したものと異なっているが基本的には同じ構造である。また、この部分についても７重管構造としてもよい。そして、６重管への接続部分もそれぞれ取り外し可能となっている。
【００４７】
また、Ｌ字部８４の側部の端壁には、ケーブル用の開口が設けられ、そこにケーブル用ハーメチックコネクタ９６がはめ込まれている。このケーブル用ハーメチックコネクタ９６は、内部を真空状態に維持しつつ、内部に設けられた温度センサ９８からのケーブルを外部に導出するためのものである。
【００４８】
本実施形態では、蓋８２を取り外し、熱シールドパイプ８８を部分的に取り外すことで、温度センサ９８の保守点検、取り替えなどを行うことができる。なお、温度センサ９８は、シリコンダイオードなどで形成することができ、貯留槽１０の近くにおける、液体ヘリウム、低温ヘリウムガス、冷却ヘリウムガスなど、各種の温度を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】システムの全体構成を示す図である。
【図２】ヘリウム液化装置側のトランスファーチューブの構成を示す図である。
【図３】多重管構造のトランスファーチューブの構成を示す図である。
【図４】貯留槽側のトランスファーチューブの構成を示す図である。
【図５】スペーサの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０  貯留槽、２０  循環ポンプ、２２  回収ライン、３０  ヘリウム液化装置、３２  コールドチャンバ、３４，３６  冷凍機、３４ａ，３６ａ  第１冷凍部、３４ｂ，３６ｂ  第２冷凍部、３８，４２  伝熱管、４０  凝縮器、５０  トランスファーチューブ、５２，７０，９０  液体ヘリウム輸送パイプ、５４，７２，９２  低温ヘリウム輸送パイプ、５６，７４，９４  冷却ヘリウム輸送パイプ、６０  外壁、６０ａ  フランジ、６２  熱シールド、６４  ケーシングパイプ、６４ａ  フランジ、６６  熱シールドパイプ、６８  網紐材、７６  スペーサ、７８  スーパーインシュレータ、８０  突出部、８２  蓋、８４  Ｌ字部、８６  外壁、８８  熱シールドパイプ、８８ａ  角部、９６  ケーブル用ハーメチックコネクタ、９８  温度センサ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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