(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被冷却体を収容した第一の容器と加圧超流動ヘリウムが生成される第二および第五の容器との間をおのおの配管により接続するともに、前記第二および第五の容器は、加圧手段として液体ヘリウムを供給する配管を有する液体ヘリウムを収容した第三および第六の容器が設けられ、前記液体ヘリウムを供給する液体ヘリウム供給配管に、予冷の際に閉じられるバルブを設け、冷却手段として液体ヘリウムを収容した第四の容器と該第四の容器内部を減圧させる減圧手段が設けられ、前記第一の容器、第二および第五の容器および配管を前記超流動ヘリウムで満たすことで前記被冷却体を冷却する極低温冷却装置であって、
前記配管は、予冷時に、配管を通して前記第五の容器から前記第一の容器に液体ヘリウムを送るとともに、他の配管を通して前記第一の容器から前記第二の容器に蒸発ヘリウムガスを送り、この第二の容器から第三の容器のガス配管を介して放出することを特徴とする極低温冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超電導機器を２Ｋ程度の超流動ヘリウム温度まで冷却する極低温冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超電導機器の開発は高温超電導材料の発見により注目を集め、積極的に取り組まれるようになっている。
【０００３】
ところで、現時点で工業的に使われている超電導機器は、NbTi、Nb3Sn等の金属系超電導材料を用いたものが主流であり、その材料特性からNbTiは比較的低コストで低磁界の超電導コイルとして、Nb3Snは高価ではあるが高磁界のコイルとして使い分けられている。
【０００４】
ところが、NbTiコイルでも２Ｋ程度の超流動ヘリウム温度に冷却することで高磁界を発生することが可能であり、特に大型の高磁界コイルでは２Ｋ冷却によるコスト増よりもNb3SnコイルからNbTiコイルに変えることによるコスト減が大きいとする考えが出てきている。また加速器に用いられる超電導空洞についても高周波による空洞表面での発熱が４Ｋ冷却から２Ｋ冷却に下げることで１／１０に低減できることから２Ｋ冷却の方が全コストを低減できるとの考えもある。
【０００５】
このような超電導機器の低コスト化の要請から２Ｋ冷却が特に大型機器で注目されて来ている。またこれとは別に超流動ヘリウム（特に加圧超流動ヘリウム）の優れた熱伝達特性から安定性が増すことも知られており、超流動ヘリウムによる２Ｋ冷却の開発も進められている。
【０００６】
従来、２Ｋ冷却システムとして、「超伝導・低温工学ハンドブック」（株式会社  オーム社    平成５年１１月３０日第１版発行）のｐ２２２以下に記述されているものが知られている。図８は、超電導コイルの冷却に用いられる加圧超流動ヘリウムを用いた２Ｋ冷却装置の一例を示すものである。この場合、超電導コイル１を納めた第一の容器２は、配管４により第二の容器３に接続されている。この第二の容器３はコミュニケーションチャンネル６を介して４Ｋの液体ヘリウムの入った第三の容器５に接続されている。コミュニケーションチャンネル６中では、上下の容器の圧力は同じになるが温度は同じにならない程度の微量の液体ヘリウムが流れるようになっている。また第二の容器３には、２Ｋ熱交換器８を介して第四の容器７が接続されている。この第四の容器７には、ＪＴ弁１０よび減圧配管１１を有するＪＴ熱交換器９が設けられている。
【０００７】
このような構成において、第四の容器７内部の液体ヘリウムは、減圧することにより２Ｋの飽和超流動ヘリウムになっており、これにより第二の容器３中の液体ヘリウムは２Ｋ、1気圧の加圧超流動ヘリウムになる。この加圧超流動ヘリウムは熱の良導体であり、超電導コイル１で発生した熱は、加圧超流動ヘリウムの熱伝導によって第一の容器２から第二の容器３に運ばれ冷却されるようになる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のような加圧超流動ヘリウムを用いた極低温冷却装置は、実際に運転されるまでに予冷により装置自身を所定の温度まで冷却しておく必要がある。このため、このような冷却装置では、４Ｋまで冷却する時には液体ヘリウムを注液して冷却し、４Ｋから２Ｋまでは常流動の液体ヘリウムの伝導で冷却するようにしているが、冷却初期には注液した液体ヘリウムが激しく蒸発するため、第一の容器２側で発生するガスにより液体ヘリウムが入りづらく、また２Ｋへの冷却では常流動の液体ヘリウムの熱伝導率が超流動ヘリウムの１０−６以下であるため冷却速度が遅く、予冷のための時間がかかるという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、予冷時間を大幅に短縮できる極低温冷却装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、被冷却体を収容した第一の容器と加圧超流動ヘリウムが生成される第二および第五の容器との間をおのおの配管により接続するともに、前記第二および第五の容器は、加圧手段として液体ヘリウムを供給する配管を有する液体ヘリウムを収容した第三および第六の容器が設けられ、前記液体ヘリウムを供給する液体ヘリウム供給配管に、予冷の際に閉じられるバルブを設け、冷却手段として液体ヘリウムを収容した第四の容器と該第四の容器内部を減圧させる減圧手段が設けられ、前記第一の容器、第二および第五の容器および配管を前記超流動ヘリウムで満たすことで前記被冷却体を冷却する極低温冷却装置であって、前記配管は、予冷時に、配管を通して前記第五の容器から前記第一の容器に液体ヘリウムを送るとともに、他の配管を通して前記第一の容器から前記第二の容器に蒸発ヘリウムガスを送り、この第二の容器から第三の容器のガス配管を介して放出することを特徴としている。
【００１４】
この結果、本発明によれば、複数の配管を設けることにより、液体ヘリウムの自然循環系を構成することができ、予冷のための冷却を効率よく行うことができる。
【００１５】
また、本発明によれば、第二の容器の内部を減圧して飽和超流動ヘリウムを発生させることにより、さらに効率のよい冷却を行うことができる。
【００１６】
さらに、本発明によれば、第二の容器の機能を有する容器を複数個設設け、液体ヘリウムを加圧液送できるので、安定して液体ヘリウムを流すことができ、予冷のための冷却を効率よく行うことができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。
【００１８】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明を適用した極低温冷却装置の概略構成を示している。図において、１１は、被冷却体である超電導コイルで、この超電導コイル１１は、第一の容器１２に収められている。この第一の容器１２は、２本の配管１４ａ、１４ｂにより第二の容器１３に接続されている。これら２本の配管１４ａ、１４ｂは、予冷時に液体ヘリウムの自然循環路を構成するものである。
【００１９】
第二の容器１３にはコミュニケーションチャンネル１６を介して加圧手段として４Ｋの液体ヘリウムの入った第三の容器１５が接続されている。第三の容器１５には、液体ヘリウム供給配管２２とガス配管２３が設けられ、その内部には、常に所定圧力の液体ヘリウムが供給されている。また、コミュニケーションチャンネル１６中には、第二の容器１３と第三の容器１５の内部圧力は同じになるが温度は同じにならない程度の微量の液体ヘリウムが流れるようになっている。
【００２０】
第二の容器１３には、２Ｋ熱交換器１８を介して冷却手段として第四の容器１７が接続されている。この第四の容器１７には、ＪＴ弁２０および減圧配管２１を有するＪＴ熱交換器１９が設けられている。
【００２１】
このような構成にれば、第一の容器１２と第二の容器１３の間を２本の配管１４ａ、１４ｂにより接続したので、装置全体を所定の温度まで予め冷却する予冷時には、図２に示すような液体ヘリウムの自然循環系を構成することができる。つまり、この場合、第二の容器１３の液体ヘリウムが一方の配管１４ｂを通して第一の容器１２に送られ、超電導コイル１１を冷却して蒸発し、その後、もう一方の配管１４ａを通してから蒸発ヘリウムガスが第二の容器１３に戻ることにより超電導コイル１１を冷却する。
【００２２】
このようにすると、従来では、配管が一本であるため超電導コイルの冷却時に発生するガスにより液体ヘリウムが超電導コイル側に流れにくく、予冷に時間がかかっていたが、この第１の実施の形態の構成では、液体ヘリウムと蒸発ヘリウムガスが、それぞれ独立の配管１４ａ、１４ｂを流れるため、これらの流れがスムーズになり、予冷のための冷却を効率よく行うことができ、冷却時間を大幅に短縮することができる。
【００２３】
そして、このような予冷の後、通常運転になって、図１に示すように第四の容器１７内部の液体ヘリウムをＪＴ熱交換器１９を介して減圧し２Ｋの飽和超流動ヘリウムにすると、２Ｋ熱交換器１８を介して第二の容器１３中の液体ヘリウムは、２Ｋ、１気圧の加圧超流動ヘリウムとなり、この加圧超流動ヘリウムが配管１４ａ、１４ｂを介して第一の容器２に送られる。この場合の加圧超流動ヘリウムは熱の良導体であり、超電導コイル１１で発生した熱は、加圧超流動ヘリウムの熱伝導によって第一の容器１２から第二の容器１３まで運ばれて冷却されるようになる。
【００２４】
（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施の形態の概略構成を示すもので、図１と同一部分には、同符号を付している。
【００２５】
この場合、第三の容器１５の液体ヘリウム供給配管２２に、バルブ２２ａを設け、予冷の際に、このバルブ２２ａを閉じることで、第三の容器１５を介して第二の容器１３内部を減圧状態にして飽和超流動ヘリウムを発生させるようにしている。勿論、通常運転時にバルブ２２ａを開けた場合には、第二の容器１３内部に加圧超流動ヘリウムを発生させることができる。
【００２６】
なお、２３ａは、ガス配管２３用のバルブである。
【００２７】
このようにすれば、第１の実施の形態では、第二の容器１３中の液体ヘリウムにより２Ｋの予冷しかできなかったが、予冷の際に、バルブ２２ａを閉じ液体ヘリウムの供給を断って第二の容器１３の内部を減圧状態にして飽和超流動ヘリウムを発生させることにより、２Ｋ近くまで冷却することが可能になり、予冷時間をさらに短縮することができる。
【００２８】
（第３の実施の形態）
図４は、本発明の第３の実施の形態の概略構成を示すもので、図３と同一部分には、同符号を付している。
【００２９】
この場合、第三の容器１５のガス配管２３と第四の容器１７の減圧配管２１との間をバルブ２５を介して接続し、第三の容器１５内部を積極的に減圧することを可能にしている。
【００３０】
このようにすれば、第三の容器１５および第二の容器１３内部を積極的に減圧状態にできるので、２Ｋまでの冷却が熱交換器１８を介して第四の容器１７からの冷却であったものが、直接蒸発潜熱によっても冷却されるため予冷時間をさらに短縮することができる。
【００３１】
（第４の実施の形態）
ところで、上述した第１乃至第３の実施の形態では、配管１４ａ、１４ｂが直管である場合を述べたが、実際は、図５（ａ）に示すように配管１４ａ、１４ｂの途中に曲がり部１４ａ１、１４ｂ１ができる場合があり、この場合には図５（ｂ）に示すように液体ヘリウムが流れる配管１４ｂの途中にガス溜まり１４ｂ２ができて液体ヘリウムの流れが阻害されることがあり、液体ヘリウムの自然循環系を構成するのが難しくなる。
【００３２】
図６は、本発明の第４の実施の形態の概略構成を示すもので、図１と同一部分には、同符号を付している。
【００３３】
この場合、第一の容器１２には、配管１４ａを介して第二の容器１３が接続され、この第二の容器１３にはコミュニケーションチャンネル１６を介して４Ｋの液体ヘリウムの入った第三の容器１５が接続されている。この第三の容器１５には、ガス配管２３が設けられている。
【００３４】
また、第一の容器１２には、配管１４ｂを介して第五の容器２５が接続され、この第五の容器２５にはコミュニケーションチャンネル２６を介して４Ｋの液体ヘリウムの入った第六の容器２７が接続されている。この第六の容器２７には、液体ヘリウム供給配管２２が設けられている。また、第五の容器２５には、２Ｋ熱交換器１８１を介して第四の容器１７が接続されている。つまり、ここでの第五の容器２５、コミュニケーションチャンネル２６および第六の容器２７からなる構成は、第二の容器１３、コミュニケーションチャンネル１６および第三の容器１５からなるの構成と全く同じになっている。
【００３５】
このような構成によれば、超電導コイル１１の予冷時には、図７に示すように第五の容器２５からの液体ヘリウムが配管１４ｂを通って第一の容器１２に送り込まれ、超電導コイル１１を冷却して蒸発し、今度は、蒸発ヘリウムガスとして、もう一方の配管１４ａを通して第二の容器１３に戻り、第三の容器１５のガス配管２３を介して放出することにより液体ヘリウムを強制的に流すことができ、仮に、図５（ａ）に示すように配管１４ａ、１４ｂの途中に曲がり部１４ａ１、１４ｂ１が存在していても、安定して液体ヘリウムを流すことができ、予冷のための冷却を効率よく行うことができる。
【００３６】
また、このような予冷の後、超電導コイル１１からの発熱を冷却する場合は、第四の容器１７内部の液体ヘリウムを２Ｋの飽和超流動ヘリウムにすると、２Ｋ熱交換器１８、１８１を介して第二の容器１３および第五の容器２５中の液体ヘリウムは、２Ｋ、１気圧の加圧超流動ヘリウムとなり、これらの加圧超流動ヘリウムが配管１４ａ、１４ｂを介して第一の容器１２に送られる。これにより、超電導コイル１１で発生した熱は、加圧超流動ヘリウムの熱伝導によって第一の容器１２から第二の容器１３および第五の容器２５に運ばれて冷却されるようになり、加圧超流動ヘリウムの良好な冷却特性を損なうことなく、超電導コイル１１の発熱を冷却することができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、加圧超流動ヘリウムの良好な冷却特性を損なうことなく予冷時間を短縮することができる極低温冷却装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の概略構成を示す図。
【図２】第１の実施の形態を説明するための図。
【図３】本発明の第２の実施の形態の概略構成を示す図。
【図４】本発明の第２の実施の形態の概略構成を示す図。
【図５】配管の曲がりが及ぼす影響を説明するための図。
【図６】本発明の第４の実施の形態の概略構成を示す図。
【図７】第４の実施の形態を説明するための図。
【図８】従来の極低温冷却装置の一例の概略構成を示す図。
【符号の説明】
１１…超電導コイル
１２…第一の容器
１３…第二の容器
１４ａ、１４ｂ…配管
１４ａ１、１４ｂ１…曲がり部
１４ｂ２…ガス溜まり
１５…第三の容器
１６…コミュニケーションチャンネル
１７…第四の容器
１８、１８１…２Ｋ熱交換器
１９…ＪＴ熱交換器
２０…ＪＴ弁
２１…減圧配管
２２…液体ヘリウム供給配管
２３…ガス配管
２５…第五の容器
２６…コミュニケーションチャンネル
２７…第五の容器
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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