2Kヘリウム冷凍システム
2Kヘリウム冷凍システム
高エネルギー加速器研究機構
加速器研究施設
仲井 浩孝

2HIGH ENERGY ACCELERATOR RESEARCH ORGANIZATION概要KEKヘリウム冷凍機
液化の熱力学ヘリウムの液化
冷凍機と液化機
ヘリウム冷凍システム

超流動ヘリウムと2K冷凍システム
超流動ヘリウム超流動ヘリウム冷凍システム
ERL用2K冷凍システム
OHO '08/20080905

NAKAI Hirotakaヘリウム冷凍機

4

HIGH ENERGY ACCELERATOR RESEARCH ORGANIZATIONKEK

可逆機関
可逆機関

参考文献 [19]OHO '08/20080905

NAKAI Hirotaka

5

HIGH ENERGY ACCELERATOR RESEARCH ORGANIZATION

冷凍サイクルKEK

QH = QL + WR
Q H QL≥TH TH⎛ TH⎞
WR ≥ QL ⎜− 1⎟⎝ TL⎠QLQLCOP ==WR QH − QL

参考文献 [16]OHO '08/20080905

TL=TH − TL
NAKAI Hirotaka

6

HIGH ENERGY ACCELERATOR RESEARCH ORGANIZATIONKEK

温度-エントロピー線図
温度-エントロピー線図

参考文献 [2]OHO '08/20080905

NAKAI Hirotaka

7

HIGH ENERGY ACCELERATOR RESEARCH ORGANIZATION

KEK

カルノーサイクルによるヘリウムの液化
カルノーサイクルによるヘリウムの液化

参考文献 [16]OHO '08/20080905

NAKAI Hirotaka

8

HIGH ENERGY ACCELERATOR RESEARCH ORGANIZATION

エンタルピー

KEK

ジュール-トムソンの細孔栓の実験

参考文献 [14]外部からなされた仕事：W = p AV A − pBVB

熱力学第一法則：

Q = UB −UA −W()

Q=0内部エネルギーの増加： U B − U A = p AV A − pBVB
断熱条件：

エンタルピー：OHO '08/20080905

U + pV = const. = H
NAKAI Hirotaka

9

HIGH ENERGY ACCELERATOR RESEARCH ORGANIZATION

KEK

ヘリウムのT-S線図
ヘリウムのT-S線図

参考文献 [2]OHO '08/20080905

NAKAI Hirotaka

10

HIGH ENERGY ACCELERATOR RESEARCH ORGANIZATION

ジュール-トムソン効果
ジュール-トムソン効果

KEK

ジュール-トムソン係数
温度変化

体積

体積膨張率

⎛ dT ⎞Vμ=⎜ ⎟ =αT − 1⎝ dP ⎠ h c p
圧力変化

()

定圧比熱

温度

等エンタルピー変化
OHO '08/20080905

NAKAI Hirotaka

11

HIGH ENERGY ACCELERATOR RESEARCH ORGANIZATION

KEK

ヘリウムの逆転曲線

参考文献 [3]OHO '08/20080905

NAKAI Hirotaka

12

HIGH ENERGY ACCELERATOR RESEARCH ORGANIZATIONKEK

種々の熱力学過程

参考文献 [16]OHO '08/20080905

NAKAI Hirotaka

13

HIGH ENERGY ACCELERATOR RESEARCH ORGANIZATIONKEK

ジュール-トムソン液化機
ジュール-トムソン液化機

参考文献 [6]OHO '08/20080905

NAKAI Hirotaka

14

HIGH ENERGY ACCELERATOR RESEARCH ORGANIZATIONKEK

クロード液化機

参考文献 [6]OHO '08/20080905

NAKAI Hirotaka

15

HIGH ENERGY ACCELERATOR RESEARCH ORGANIZATIONKEK

液化機と冷凍機

参考文献 [6]OHO '08/20080905

NAKAI Hirotaka

16

HIGH ENERGY ACCELERATOR RESEARCH ORGANIZATIONKEK

蒸発潜熱と顕熱

参考文献 [3]OHO '08/20080905

NAKAI Hirotaka

17

HIGH ENERGY ACCELERATOR RESEARCH ORGANIZATIONKEK

液化機と冷凍機の熱収支

参考文献 [16]OHO '08/20080905

NAKAI Hirotaka

18

HIGH ENERGY ACCELERATOR RESEARCH ORGANIZATIONKEKOHO '08/20080905

KEKB 6.5kW
ヘリウム冷凍システム (1)6.5kWヘリウム冷凍システム

NAKAI Hirotaka

19

HIGH ENERGY ACCELERATOR RESEARCH ORGANIZATIONKEKOHO '08/20080905

KEKB 6.5kW
ヘリウム冷凍システム (2)6.5kWヘリウム冷凍システム

NAKAI Hirotaka

20

HIGH ENERGY ACCELERATOR RESEARCH ORGANIZATIONKEKOHO '08/20080905

KEKB
超伝導加速空洞
KEKB超伝導加速空洞

NAKAI Hirotaka

21

HIGH ENERGY ACCELERATOR RESEARCH ORGANIZATIONKEKOHO '08/20080905

KEKB
超伝導クラブ空洞
KEKB超伝導クラブ空洞

NAKAI Hirotaka

22

HIGH ENERGY ACCELERATOR RESEARCH ORGANIZATIONKEKOHO '08/20080905

高性能トランスファーライン (1)NAKAI Hirotaka

23

HIGH ENERGY ACCELERATOR RESEARCH ORGANIZATIONKEK

高性能トランスファーライン (2)

窒素戻り
窒素戻り
ヘリウム戻りヘリウム戻りヘリウム往きヘリウム往き窒素往き窒素往き

OHO '08/20080905

NAKAI Hirotaka

超流動ヘリウムと2K冷凍システム
超流動ヘリウムと2K冷凍システム

25

HIGH ENERGY ACCELERATOR RESEARCH ORGANIZATION

KEK

通常の物質の状態図（相図）
通常の物質の状態図（相図）

参考文献 [19]OHO '08/20080905

NAKAI Hirotaka

26

HIGH ENERGY ACCELERATOR RESEARCH ORGANIZATION

ヘリウムの状態図

KEK

参考文献 [2]OHO '08/20080905

参考文献 [4]NAKAI Hirotaka

27

HIGH ENERGY ACCELERATOR RESEARCH ORGANIZATION

超流動ヘリウム

KEK超流動毛細管中を抵抗なしに流れる超熱伝導
見かけの熱伝導率は高純度銅の約100倍

薄膜流吸着膜中を流れる

OHO '08/20080905

NAKAI Hirotaka

28

HIGH ENERGY ACCELERATOR RESEARCH ORGANIZATIONKEK

薄膜流

参考文献 [9]OHO '08/20080905

NAKAI Hirotaka

29

HIGH ENERGY ACCELERATOR RESEARCH ORGANIZATION

KEK

二流体モデル (1)参考文献 [4]超流動成分（超流体）と常流動成分（常流体）２成分の密度の和が全体の密度： ρ = ρs + ρn
２成分の割合は温度の関数
お互いに独立した流れ場
OHO '08/20080905

NAKAI Hirotaka

30

HIGH ENERGY ACCELERATOR RESEARCH ORGANIZATION

二流体モデル (2)KEK

常流動成分（常流体）密度 ρn粘性 μエントロピー S を輸送する
圧力差で駆動

OHO '08/20080905

超流動成分（超流体）密度 ρs粘性なしエントロピーを輸送しない温度差（密度差）で駆動

NAKAI Hirotaka

31

HIGH ENERGY ACCELERATOR RESEARCH ORGANIZATION

KEK

超流動ヘリウムの熱輸送

参考文献 [13] 超流動成分（超流体）は高温側へ流れる 正味の流れはない
 常流動成分（常流体）の流れは超流動成分の流れと反対方向（対向流）
 常流動成分によるエントロピー（熱）の移動
 見かけ上の大きな熱伝導（内部対流）
OHO '08/20080905

NAKAI Hirotaka

32

HIGH ENERGY ACCELERATOR RESEARCH ORGANIZATION

KEK

熱機械効果

参考文献 [9]OHO '08/20080905

NAKAI Hirotaka

33

HIGH ENERGY ACCELERATOR RESEARCH ORGANIZATION

KEK

機械熱効果
機械熱効果

参考文献 [13]OHO '08/20080905

NAKAI Hirotaka

34

HIGH ENERGY ACCELERATOR RESEARCH ORGANIZATIONKEK

超流動ヘリウム冷凍機

参考文献 [6]OHO '08/20080905

NAKAI Hirotaka

35

HIGH ENERGY ACCELERATOR RESEARCH ORGANIZATIONKEKJJ-T弁入口温度と液化率-T弁入口温度と液化率

参考文献 [6]OHO '08/20080905

NAKAI Hirotaka

36

HIGH ENERGY ACCELERATOR RESEARCH ORGANIZATIONKEKOHO '08/20080905

2K
冷凍システム
2K冷凍システム

NAKAI Hirotaka

37

HIGH ENERGY ACCELERATOR RESEARCH ORGANIZATIONKEK

OHO '08/20080905

ヘリウム液化・冷凍機

NAKAI Hirotaka

38

HIGH ENERGY ACCELERATOR RESEARCH ORGANIZATIONKEK

2K
コールドボックス
2Kコールドボックス
熱交換器
熱交換器

4.5Kタンク
4.5Kタンク
J-T
J-T弁弁

2Kタンク
2Kタンク

OHO '08/20080905

NAKAI Hirotaka

39

HIGH ENERGY ACCELERATOR RESEARCH ORGANIZATIONKEK

排気ユニット
排気ユニットメカニカルブースター
メカニカルブースターポンプ
ポンプ33/hr)(1195m(1195 m /hr)

油回転油回転ポンプ
ポンプ

OHO '08/20080905

NAKAI Hirotaka

40

HIGH ENERGY ACCELERATOR RESEARCH ORGANIZATIONKEK

OHO '08/20080905

コンパクト
ERL
コンパクトERL
2K ヘリウム冷凍システム
機器配置図
ヘリウム冷凍システム機器配置図

NAKAI Hirotaka

41

HIGH ENERGY ACCELERATOR RESEARCH ORGANIZATIONKEK

OHO '08/20080905

コンパクト
ERL
コンパクトERL
2K ヘリウム冷凍システムフロー図

NAKAI Hirotaka

42

HIGH ENERGY ACCELERATOR RESEARCH ORGANIZATION

まとめKEK

ヘリウムの液化
ジュール-トムソン効果
逆転温度

超流動ヘリウム
二流体モデルJ-T弁と熱交換器

2Kヘリウム冷凍機
ERL用2Kヘリウム冷凍システム

OHO '08/20080905NAKAI Hirotaka