極低温業務 便利グッズ 4 種の紹介
○高山 敬史、 浅田 瑞枝
分子科学研究所 機器センター

0.はじめに極低温の業務を遂行する上で、便利なグッズを製77K 以下の昇温作業

乾燥空気作したので報告する。何れもネット通販などで容易に手に入るパーツを生かして作っているのが特徴となっている。本報告では、下記 4 種類のグッズの紹温調器介をする。
1. 液体 He 容器ベーキング装置

He ガス回収2. 蒸発 He ガス加温器
3. 初期予冷時 He ガス回収装置

77K 以上の昇温作業

4. ガスホルダー（ガスバッグ）レベル監視装置

写真 1 ベーキング手順
この装置の操作手順として、液体ヘリウム容器に1.液体 He 容器ベーキング装置
この装置は 2021 年 3 月東北大学総合技術研究会に液が残っている状態で、希望温度に設定した銅パイ

おいて、東大物性研の清水氏らが発表した内容を参プをトランスファーチューブ差込口よりゆっくりと挿入して、その際に蒸発したヘリウムガスは容器ヘ[1]考に製作した。

熱伝導のよい銅パイプの内部にカートリッジヒーッドにあるガス回収口より回収配管に送られる。次ターと温度測定用の熱電対を内蔵し、上部にはスウに、デジタル指示調節計の温度表示が 80K 付近になェジロックユニオンティーを接続して、分岐した配ったところで、上部ユニオンティーの乾燥空気送風管はリード線の導入口とパージ用ガスとしての乾燥口よりエアーを送り込み、送られた空気は銅パイプ空気送風口を兼ねている。使用した継ぎ手から取りを通ってヒーターで加熱され、さらに液体ヘリウム出すヒーター用電線と熱電対用リード線導入部は、容器を昇温しながら容器ヘッドのガス回収口より、樹脂接着剤で固めて密閉されている。熱電対を使用今度は、大気側へ放出し設定した希望温度になるました温度制御には、（株）チノーのデジタル指示調節で放置することで完璧なベーキングが終了する。写計を選択して、銅パイプを希望の温度に変更できる。

真 1 は実際の作業の様子である。

銅パイプ内部に内蔵した昇温用カートリッジヒータ

通常は、液体ヘリウム容器を昇温するには、容器ーは AC 電源で加熱され、交流の電源部にスライダ内部に残った液体ヘリウムを逆トランスファーで容ックを用いることで加熱パワーを自在に変化できる器が空になるまで回収配管へ全量回収して、次に、のが特徴だ。図 1 にベーキング装置システム構成図

自然に昇温するまである程度放置して、最終段階とと表 1 に機器パーツリストを載せる。

して室温状態の乾燥空気で容器内部をパージする方法が主流となる。しかし、この旧来のやり方では容器の昇温再生が終了するまで最低でも 3～4 日の工エアー導入口スウェジロック
ユニオンティー

温度調節器

程を要してしまう。ところが、今回製作した装置を使用することで最短で 1～1.5 日という驚異的なスピードで容器の昇温再生ができてしまう。この装置は、

銅パイプ
Φ1/2 インチ

表 1
ヒーター

AC100V 500W
10φ L : 150mm

熱電対

K タイプ

温調器

（株）チノー DB670

カートリッジ

熱電対
スライダックカートリッジヒータ

図 1 ヘリウム容器ベーキング装置

機器パーツ構成表

業務の効率化に大いに貢献するものであり、今ではテンレス管を使用して、蒸発ガス回収量の大小によ手放せないグッズとなっている。

りフィンチューブの使用本数と長さが決まる。同様

今回、このベーキング装置を運用してから気が付の熱交換器で市販されているものに窒素ガス蒸発器いた思わぬ副産物について紹介する。稀ではあるががあるが、これまたスマートとは言いにくく値段も年に数回あるかどうかという頻度で、液体ヘリウム高い。部品構成として、今回、フィンチューブ全体容器を固体空気でブロックさせるミスが起きる。ブをアングルで囲って架台とした。架台の下部には、ロックを開放するには従来、温めた銅パイプを容器移動用のキャスターもある。更に液体ヘリウム充填注入口より挿入して閉塞物を溶かす方法が一般的だ

時に付着した霜が解けた時用に、落下した水滴を受がこの方法では、固形物が溶け出した瞬間液体ヘリけるステンレスバットも備わっている。この装置のウム容器の内圧上昇分が一気に開放され、大量のヘ最大の利点は、簡単にパーツの最小単位までばらすリウムガスが大気に昇天してしまう。この放出ガスことができ実験室の仕様に応じて変幻自在に作り変は非常に冷たいため、皮膚に晒されると凍傷を負っえることができる点だ。写真 2 は製作した小型の加てしまう危険がある。しかし、当該装置を使うこと温器となる。これは、実際にある研究室に設置されで、閉塞物除去から容器再生という一連の作業におた超電導マグネットへの液体ヘリウム充填用に使用いて、容器を回収配管に接続しガスを回収した状態されている。

で行うことができ再生完了までは一切、外部にヘリウムガスを漏洩させずにすむ。凍傷といったリスク回避もできるのは嬉しい誤算だ。

3.初期予冷時 He ガス回収装置
NMR など超電導マグネットを使用する実験装置
はヘリウム冷凍機がついていない限り、数か月に 1

2.蒸発 He ガス加温器

度は定期的に液体ヘリウムを補充しなければならな

ネットを検索すると様々な商品を目の当たりにすい。充填の際に使用するトランスファーチューブは、る。熱交換器用の部材も例外ではない。従来、液体液体ヘリウムの移送初期、室温状態にあるためそのヘリウムトランスファー時に蒸発したガスの加温用ままでは温かいヘリウムガスが実験装置内に送られとして、水を貯めたバケツの中をコイル状の銅パイてしまうため、最悪マグネットがクエンチすることプを通してガスを温める手法が主流であった。このも考えられる。そこで、チューブを完全に冷却する方法だと、いつの間にかバケツの水が蒸発していたまで液体ヘリウムを流し続けなければならないが、り銅パイプの太さに制限があったりして、とてもス

以前は、その予冷に使用して蒸発したヘリウムガスマートな方法とはいい難い面があった。今でも現役を大気に放出しており、抜本的な改善が必要であっで使用しているユーザーの方には頭が下がる。

た。そこで、今回、冷却に使用したヘリウムガスを今回使用した熱交換器はネット検索で見つけた昇天させずに回収する装置を製作した。

商品で、外径 1in のステンレス管に同じくステンレ

図 2 は回収装置のイメージ図となり、部品構成はス製のフィンがらせん状に巻き付けられた部材とな以下となる。トランスファーチューブ先端より排出る。加工オプションとしてステンレス管の端部は真されるガスの状態を目視できるよう装置本体には透空機器で標準の NW25 フランジを採用した。このフ明なアクリルパイプを用いた。パイプ上部には各種ランジを採用した理由は単に簡単に接続できるからトランスファーチューブの外径に合わせるためダイである。フィンチューブ同士の接続には、U 型のスダイナミックシール
Φ1/2 インチ
Φ12mm
Φ10mm
Φ3/8 インチ

高さ950mm

透明アクリルパイプ
加温器（小）

樹脂製逆止弁
チェックバルブ
樹脂製タケノコ

水滴の受け皿写真 2 ヘリウムガス回収加温器

図 2

初期予冷時回収装置

ナミックシール[2] を設置して、本体との接続にはシの電気信号ではラズパイは認識しないため電流を電リコンチューブを用いた。トランスファーチューブ

圧へ変換して、さらに AD コンバーターを介して I2Cのサイズによってダイナミックシールを簡単に交換

インターフェイスにて必要な信号をインプットする。

できるのが特徴だ。アクリルパイプ下部には樹脂製入力信号の処理は、ラズパイにプリインストールさの逆止弁が接続され、パイプ内部の圧力が発生した

れている Python と呼ばれるプログラミング言語を時のみヘリウムガスが回収配管へ流れる。逆止弁を用いてモニターへの出力を行った。表示されるモニ使用することで、トランスファーチューブの抜き差

ター画面はガスホルダーの容量が直感的に分かるよしが簡素化され、煩わしいバルブ操作をすることなう、グラフィカルな表示形式を採用した。通常の業

く予冷時の蒸発ガスを自動的に回収配管へ送ること務をこなしながら、全くの Python 初心者でも約半年ができる。逆止弁の先は樹脂製のタケノコを使用しほどで完成に至った。て簡単に回収チューブとつなぐことができる。今回、今回製作した装置は、液体ヘリウムを充填する作樹脂製の逆止弁とタケノコを用いた理由として、こ業場に設置した。通常のガス回収、ヘリウム液化運の装置は NMR 近傍で使うため超電導マグネットの転、ヘリウム充填作業等が全て重なると回収圧縮機強磁場に影響されないよう配慮した結果である。唯のガス処理能力がガス回収量に追い付かず、ガスホ一、逆止弁内部のスプリングだけは金属製となるがルダーのレベルが満量に近づくという事態に見舞わ

スプリングによる磁場への影響は皆無といっていいれたことが何度かあった。その際、今までは屋外にだろう。

設置されたガスホルダーのレベルを目視しながら作

実際この装置を製作して何回かテスト運転を行業を行っていたが、この装置を使用することで、レっているが、今まで大気に放出していたヘリウムガベルの確認作業が現場でできるようになり業務の効

スはほぼ 100%で回収ができるようになった。
また、率が劇的に改善された。写真 3 は実際にレベル監視

旧来の移送管予冷方法では冷却の最終段階でトランを行っている液体ヘリウム充填場所の風景である。

スファーチューブの先端に霜が付着して相手側装置50m3 のガスホルダーに対して、現在何 m3 のガスがの液注入口にチューブが差し込めないという事態にあるのか視認しやすくなっている。

陥ったが、この回収装置を使うことによりチューブ先端部への霜の付着は一切起きていない。透明なアクリルパイプ越しに冷却状態も確認でき、何回か使用するうちに予冷完了のタイミングも分かりやすくなり、当初懸念された、アクリルパイプの凍結による破損も起きていない。
4.ガスホルダー（ガスバッグ）レベル監視装置
最近はラズパイを利用して回収ヘリウムガスの純度監視を行う大学が増えてきた。本技術研究会にお写真 3 ガスホルダーのレベル監視
5.まとめ

いても、分子研浅田がラズパイを使ったヘリウムガ

本報告では、極低温業務に携わる中で仕事の効率ス純度監視について発表する。そこで、ラズパイを化を目指して種々な便利グッズを開発した。今回、使って何かできないかを考えた末に、こうなれば便製作で使用した各々のパーツはネット通販で比較的利だと思いついたのが、今回製作したガスホルダー

手に入りやすく、しかも安価に製作できるのが特徴のレベル監視装置である。以前は、秋月電子より販である。

売されている PICNIC と呼ばれるワンボードマイコンを使用して、LabVIEW によるヘリウム回収純度の最後に、この技術研究会は技術の共有の場として大いに役立って欲しい。

監視を行ったスキルがあったため、上記発案に至るまでの時間はそう長くはなかった。

参考文献

元々ガスホルダーのレベルは、ヘリウム液化シス[1] 清水（野村）未来 他 液体ヘリウム容器用自動テムの制御監視装置にリアルタイムで表示されていしたレベルセンサーの出力は DC4-20mA で、シリア昇温装置の製作 東北大学技術研究会 2021 報告集(2021).
[2] 加藤清則 他 ダイナミックシール 高エネル

ルに配線を追加してラズパイへ入力した。そのまま

ギー物理学研究所 1986 報告集 (1986).

る。当研究所で使われているレーザー距離計を代用