低温実験の準備・寒剤取扱い
平成29年度 低温技術講習会
極低温研究支援センター( http://www.rcltp.titech.ac.jp/ )技術職員(技術部電気電子部門)

目次
1 希少資源としてのヘリウム
2 寒剤の性質3 容器・トランスファー
4 ヘリウム回収・液化システム
5 ヘリウム注文・供給
6 まとめ

藤澤真士

◇元素記号 He。原子番号 2。原子量 4.003◇水素についで軽い。理想気体にきわめて近い。

◇不活性(化学的に安定。他の元素と化合物をつくらない)
ヘリウムとは？

◇大気中に微量に含まれる(体積比 5.2×10-6)◇太陽大気のスペクトル線中から発見。
ギリシア語の太陽(helios)にちなんで命名◇無色，無臭 ◇沸点が最も低い( 4.2 K = -269 ℃)◇分子径が小さい

1 希少資源としてのヘリウム
1.1 ヘリウムの用途
1.2 ヘリウムの生産と価格
1.3 ヘリウム価格と回収の重要性
1.4 寒剤使用者が持つべき知識2

1.1 ヘリウムの用途

出典：｢ヘリウム事業｣(岩谷産業株式会社)
http://www.iwatani.co.jp/jpn/ir/pdf/helium.pdf

ヘリウムの用途は多岐・代替の利かない戦略物質3

1.2 ヘリウムの生産と価格
主要産出地

価格推移
◇天然ガス田から産出◇希少資源◇調達難により価格高騰
出典：｢ヘリウム事業｣(岩谷産業株式会社)
http://www.iwatani.co.jp/jpn/ir/pdf/helium.pdf

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1.3 ヘリウム価格・回収の重要性
液体ヘリウム価格◇業者から購入する場合 (2015年3月)
2500 円/L前後◇学内供給価格 (85～90% ヘリウムガスを回収する場合)2015年度は 約300 円/L(補足：センター供給の液体ヘリウム価格は、回収率により変わります)

回収の重要性
ヘリウムユーザーに求められることは？

◇液体ヘリウムを効率的に使う◇ガスヘリウムをできるだけ回収する
そのために、必要な知識は？
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1.4 寒剤ユーザーが持つべき知識
ヘリウムを効率的に使うためには？
◇寒剤の物性を知る
一般的かつ重要事項については、「2 寒剤の性質」で解説◇実験器具・装置について知る｢3 容器・トランスファー」で共通事項については解説
各研究室で異なる事は、各個人が研究室で学ぶ◇研究対象について知る
各個人が研究室で学ぶ☆研究生活で大事な事☆
◇マニュアルをきちんと見る。◇マニュアルがない場合は作る。◇教職員・先輩に教えてもらう。◇同学年同士で教えあう。◇後輩に教える。 (←義務！)6

2 寒剤の性質
2.1 基本的な物性値と危険性
2.2 寒剤の密度
2.3 比熱と冷却
2.4 蒸発潜熱とエンタルピー
2.5 効率的に寒剤を使うためには？
低温関係の参考書が研究室にあることが望ましい
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2.1 基本的な物性値と危険性
寒剤の性質

寒剤の危険性

出典: 小林俊一・大塚洋一『物理工学実験7 低温技術』◇凍傷の危険◇爆発の危険：液体状態と、0℃での体積比は He 700倍、N2 646倍
◇窒息の危険詳しくは「高圧ガスの取扱い」で説明します。

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2.2 寒剤の密度
沸点における密度(液体): ρL(気体): ρG

100 L 容器に入った液体ヘリウム(4.2K)

4He

N2

沸点(K)

4.222

77.35

ρL(g/L)

124.8

808.4

ρG(g/L)

16.7

4.604

ρL/ρG

7.47

175.6

(ρL-ρG)/ρL

0.866

0.994

◇液体の密度: ヘリウム ＜ 窒素
→液体ヘリウムの密度はとても小さい◇ρL/ρG : ヘリウム ＜ 窒素→[沸点において] ヘリウムは、ガスと液体との密度比が小さい。窒素に比べて、ガス化による体積の膨張が小さい。

100 L 容器に入ったヘリウムガス(4.2K)

100 ρg100 ρL

トランスファー後13.4L(4.2K)の液体ヘリウムに相当

理想的に液体を取り出しても、86.6 Lしか取り出せない(100(L)×(ρL-ρG)/ρL)(100(L)×ρG/ρL)

液体がなくなっても、中のガスを大気放出しない
9比熱の温度変化

物体を温度T1からT2まで冷却する時に取り去る熱量Qはcを比熱とすると･･･

𝑇2

𝑄 = න 𝑐 𝑑𝑇比熱(J/g･K)

2.3 比熱と冷却

𝑇1
定積比熱

𝜕𝑆𝜕𝑈
𝑐𝑉 = 𝑇=
𝜕𝑇 𝑉
𝜕𝑇 𝑉

定圧比熱

𝜕𝑆
𝜕𝐻𝑐𝑝 = 𝑇=
𝜕𝑇 𝑝
𝜕𝑇 𝑝

U:内部エネルギー、S:エントロピー
H:エンタルピー「装置の材質や構造」+「寒剤のエンタルピー変化」→必要な寒剤の量が推定可能

温度(K)
出典: 小林俊一・大塚洋一『物理工学実験7 低温技術』

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2.4 蒸発潜熱とエンタルピー
エンタルピーの温度変化

4He

N2

沸点(K)

4.222

77.35

蒸発潜熱(J/g)

20.9

198

エンタルピー◇寒剤が装置等から熱を奪うのは…
＊蒸発時(液体→気体)＊気体(低温)→気体(高温)N2のエンタルピー変化◇Heの蒸発に伴うエンタルピー変化(潜熱)は極めて小さい。
◇4Heはガス相でのエンタルピーの増加が大きい。

潜熱だけではなく、気化したガスのエンタルピーもできるだけ利用する

N2の蒸発潜熱
Heの蒸発潜熱

温度(K)

Heのエンタルピー
変化

出典: 小林俊一・大塚洋一『物理工学実験7 低温技術』

112.5 効率的に寒剤を使うためには？
冷却に必要な寒剤の量

出典: 小林俊一・大塚洋一『物理工学実験7 低温技術』
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2.5 効率的に寒剤を使うためには？
トランスファーの例

1kgの銅を寒剤の温度まで冷やすのに必要な液体の量(単位 L/kg)
4He

4He

N2

銅の初めの温度

300K 77K

300K

蒸発潜熱だけを使う

31.1

2.16

0.46

潜熱とガスのエンタルピーを使う

0.79

0.15

0.29

良い例
液体悪い例
液体回収

回収

「ヘリウムだけで冷やす」「蒸発潜熱だけで冷やす」のは非効率

液体ヘリウムを無駄にしないためには？
◇液体窒素を使った予冷◇ガスのエンタルピーを効率よく利用。 注意1：各装置により、詳細は異なる。(「窒素凍結による詰まりを避けるため窒素予冷をトランスファーの時にしない」「装置が既に冷えている(～4.2 K)場→下の方から入れる
合はチューブを奥まで挿さない」等)→ゆっくり入れる
注意2：トランスファーについては後述 13

出典: 蛇蔵『決してマネしないでください。 1』3 容器、トランスファー
3.1 液体ヘリウム容器の構造
3.2 取扱い上の注意
3.3 バルブ操作
3.4 取り出し口
3.5 空にしない
3.6 トランスファー

液体ヘリウム容器

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3.1 液体ヘリウム容器の構造
容器の構造

容器の切断写真◇大きな魔法瓶◇1日1%程度蒸発

アルミなどを蒸着したフィルム

出典: 『丸善 実験物理学講座2 基礎技術 II 実験環境技術』

値段：100 L容器で80万～150万円程度(北海道大学にて撮影)
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3.2 取扱い上の注意
容器は大事に扱う→アルミ容器は軽いが、衝撃に弱い。
衝撃により歪み、真空が破れる危険。
真空が破れた容器は修復不能。
真空が破れると爆発の危険も！

He残量をゼロにしない→理由は後述出典:『高圧ガスボンベの取扱い、液化ガスの性質・危険性について』(北海道大学)
http://phys.sci.hokudai.ac.jp/SCLNLH/data/koushuu2011-1.pdf

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3.3 バルブ操作
バルブ操作
回収系に接続

移動中

トランスファー

安全弁
安全弁(閉)
回収系のバルブ(開)その他(閉)

安全弁(開)
その他(閉)

安全弁(閉)
回収系のバルブ(閉)加圧風船側のバルブ(開)
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断面図

3.4 取り出し口ウィルソンシール
取り出し口はウィルソンシールによりシールされる。

袋ナット

栓
袋ナット全部外す

金具とOリング
金具
Oリング

栓
袋ナットを締めることにより、Oリングが潰れてシールされる

Q:袋ナットをきつく締めても、ガスが漏れる！何故？
A:◇金具の向きを間違える ◇金具とOリングの順番間違え ◇Oリング入れ忘れ ◇Oリングに損傷 (傷、伸び、切断) ◇Oリングのサイズ間違え

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3.5 空にしない残量を0にしてはいけない理由
断熱真空槽にガスが入る

液体ヘリウム残量が0→内部の温度が上昇→すると････

魔法瓶としての機能低下
真空引きが必要

真空引きの引口

冷ガス
暖ガス(He)
浸透しない 浸透する

暖ガス(N2)
浸透しない
真空ポンプで引く

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3.5 空にしない
容器を暖めた場合の対処(注：借りている容器の場合は、事前に連絡をしてください)

各研究室が行う◇断熱真空槽の真空引き (数日～1週間)◇液体窒素による予冷 (数日～1週間)◇(ヘリウム供給日に)液体窒素を抜き出し (30分～60分)→液化室へ運ぶ
液化室で行う◇窒素ガスの真空引き◇液体ヘリウムを追加(通常のHe汲みだしの2～3倍の時間がかかる)◇一度空にしてしまうと手間がかかり、余分な液体ヘリウムが必要。

できるだけ容器を空にしない(100L容器であれば、液体を5Lリットル程度は残す)◇長期で使用しない容器は、液化室へ返却する。
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3.6トランスファー
トランスファー

液体ヘリウムを、液体ヘリウム容器から、トランスファーチューブを使って実験装置に移すこと

トランスファー
チューブの断熱

出典: 「Heの汲み出し」(千葉大学) http://physics.s.chiba-u.ac.jp/cryo2/hekumidasi.html

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3.6 トランスファー
トランスファーの基本 (注意：実験装置内部が4.2Kより十分高い温度の場合)④

トランスファーチューブ

①加圧

③②
実験装置

液体ヘリウム容器①チューブはゆっくりいれる②底まで挿入しない (液体ヘリウムを残す)③奥まで挿入する (ガスのエンタルピーを利用するため)④きちんと回収する。(不純ガスの混入は避ける)
出典: 『丸善 実験物理学講座2 基礎技術 II 実験環境技術』

補足：うまく行かない理由◇回収側の圧力が高い(→排気の問題)◇トランスファーチューブの長さが足りない(→延長管をつける)
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4 ヘリウム回収・液化システム
本館

西地区

極低温研究支援センター

東地区

4.1 ヘリウム回収・液化システム
4.2 ヘリウム回収

南地区

ヘリウムガス回収配管23

4.1 ヘリウム回収・液化システム
ガス回収圧縮プロセス

研究室A研究室B
研究室C・・・バ
ルーン

回収用圧
縮機

長尺
容器

精製・液化プロセス

不純物の除去液化液体
ヘリ
ウ
ム
貯槽

小容器

各研究室へ
He純度計

貯槽(5000 L)

不純物が多い場合、液化効率が悪くなる・故障の原因にも◇回収率は80%前後◇足りない分は、外部からガスや液体を購入◇不純ガスをできるだけ回収しない事も大事

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4.1 ヘリウム回収・液化システム
回収ガスフォルダー

長尺容器

ヘリウムガスを高圧状態で保存

最大14.7MPa
ガス総量2700m^3
北海道大学で撮影

ヘリウム液化機
回収圧縮機

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4.2 ヘリウムの回収回収率の計算液体ヘリウムヘリウムガス(常温・常圧)

1 L ≒ 0.7 m3と、換算する。

回収率(%) = 回収量/利用量×100
積算流量計

計算例：
・液体ヘリウム利用量 50 L
・回収ガス 28 m3→液体ヘリウム換算 28/0.7 = 40 L・回収率 = 40/50 × 100 = 80 %26

4.2 ヘリウムの回収
ヘリウム回収率をあげなくてはいけない理由は？
• 初期量: 𝑎、回収率: 𝑟 0 ≤ 𝑟 < 1 、利用可能量：𝑉、∞𝑉 = 𝑎 + 𝑎𝑟 + 𝑎𝑟 2 + ⋯ = 𝑎 1 + 𝑟 + 𝑟 2 + ⋯=෍

(等比数列の和)𝑛=0

𝑎𝑟 𝑛 =𝑎1−𝑟

𝑎 = 100 Lとすると･･･
𝑟
0.95
0.9
0.8
0.5

𝑉 [𝐿]
2000
1000
500
200

回収率の変化により、利用可能量が劇的に変化回収率を上げることは重要！
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4.2 ヘリウムの回収
ヘリウム回収率アップのためヘリウム回収用風船◇トランスファー時に、できるだけガスを回収◇回収配管がない→ヘリウムガス専用バルーンで回収◇実験室への入室・退室時にバルブ・栓・ホース等の確認(特に休日前後の確認は大事)
ヘリウムリークディテクタ◇回収率を定期的に計算する◇回収率が悪い場合→リークディテクタで漏れを探す(ホースをつなぐ場所からよく漏れる)(リークディテクタの貸し出しもしています)28

5 ヘリウム注文・供給
ヘリウム注文について
詳しくは、極低温研究支援センターのウェブサイト参照
http://www.rcltp.titech.ac.jp/◇月曜日供給 (前の金曜日までに注文)
木曜日供給 (前の火曜日までに注文)(補足：祝日等がある場合は前倒しで注文)◇「ネットでの注文」＋「電話での確認(センターに来るのも可)」が必要◇注文のキャンセル
→ 当日の午前中までに連絡

容器について容器を新たに借りる場合注文日に液化室に連絡する。

借りている(or 所有している)容器にヘリウムを追加する場合午前中に容器を液化室へ。
補足◇午前中に容器を持ってこない場合→当日に供給できない場合がある◇容器のヘリウム残量が0の時→液化室のスタッフに相談◇容器が温まっている場合→当日の供給はできない29

6 まとめ
経済的(金、時間、労力等)な面、及び安全面から次のことに気をつける。

◇寒剤の物性を知る。
◇ヘリウムは貴重な資源。大事に使う。きちんと回収。
◇容器の仕組みを知り、丁寧に扱う。
◇容器には液体ヘリウムを常に5L程度残す(100L容器の場合)。
◇トランスファーは的確に行う。
発表資料の一部は下記URLへアクセスして、ダウンロードすることが可能。

極低温研究支援センター( http://www.rcltp.titech.ac.jp/ )30