JPH0148477B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は真空容器に内蔵してある液体ヘリウム
容器内の液体ヘリウムを超流動ヘリウムの状態に
保持させる超流動ヘリウム冷凍装置に関するもの
である。

たとえば、超電導磁石を作る場合に超流動ヘリ
ウムにより冷却することが従来より行われてい
る。これは、低温にするほど強力な磁石が作れる
こと、超流動ヘリウムは流動性が高いので局部的
に冷却することがなく、コイル等の狭い間隙に侵
入することができること、磁石の冷却方法として
浸漬冷却型を採用でき、強制流動ヘリウム冷却型
よりコイル形状が単純になること、等から超流動
ヘリウムが応用される。

物質を絶対零度近くまで冷却して行くと、分子
の熱運動が小さくなり、分子の集団としての物質
の巨視的性質が目立たなくなり相対的に個個の分
子の微視的性質が顕著になり物性を支配するよう
になるという現象、すなわち、超流動現象が生じ
る。この超流動は、大気圧下温度2.17゜K以下に冷
却された液体ヘリウム容器（He）中でみられ
る。これはヘリウムが絶対零度でも固化せずなお
液体のままでいるからであり、超流動体には液体
ヘリウム（He）しかないのである。

液体ヘリウム（He）（超流動ヘリウム）は、
液体ヘリウム（He）（常流動ヘリウム）を冷却
することにより得られ、両者の変換は温度
2.17゜K、すなわち、λ点で起ることは知られてい
る。

液体ヘリウム（He）と（He）を比較する
と明らかなように、液体ヘリウム（He）は容
器に入れると盛んに沸騰し壁面から泡が立ち登る
という現象が生じ、又、微小な隙間からは流出し
難いことが実験により確められているが、これに
対し、液体ヘリウム（He）を冷却して（He
）にすると、沸騰は全くみられず、熱をよく伝
えて気泡等がみられないので、温度分布がほとん
どないことがわかる。何故熱をよく伝えるのかと
いう点については、きわめて、強い対流が発生し
ており、きわめて流動し易い（Heは過度に低
粘性な流体）ことにもとづく。このように液体ヘ
リウム（He）は、流動性が高いから僅かな隙
間からでも直ちに勢よく流出し、又、粘性が無視
できるので、器壁表面の液膜（濡れ現象）の発達
が早く、高い位置から低い位置へ壁を乗り越えて
流れるという性質を有している。このため、液体
ヘリウム（He）は、主として超電導磁石の冷
却に応用されている。

超電導磁石の超流動ヘリウム（He）による
冷却方法として、従来の一例を示すと、第１図に
示す如きものがある。すなわち、真空容器ａの内
部に液体ヘリウム容器ｂを設置し、該液体ヘリウ
ム容器ｂの上下方向の途中に、隔壁ｃを設けて、
隔壁ｃの下方に超流動ヘリウム（He）を満た
すと共に、隔壁ｃの上方に常流動ヘリウム（He
）を満たし、隔壁ｃには小さな孔ｄを設けて上
方の常流動ヘリウム槽と下方の超流動ヘリウム槽
の圧力が通じているようにし、常流動ヘリウム
（He）は、大気からの熱が超流動ヘリウム
（He）に伝わるのを防止する断熱作用と、超流
動ヘリウム（He）が足りなくなつたときの補
給用として機能するようにしてあり、超流動ヘリ
ウム（He）の中に超電導磁石ｅを入れ、超流
動ヘリウム（He）で超電導磁石ｅを冷却する
ようにしてある。

上記超流動ヘリウム（He）は外部から侵入
して来る熱によりあたためられるので、何らかの
手段で（He）に保持しておく必要があり、こ
のために超流動ヘリウム（He）の冷却手段が
講じられる。

従来の上記冷却手段としては、第１図に示す如
く、超電導磁石ｅのまわりをパイプｆで囲むこと
により熱交換器ｇを形成すると共に、常流動ヘリ
ウム（He）の取出口に接続したパイプｈを、
真空ポンプへ通じる排気管ｉ内で螺旋状に巻い
て、熱交換器ｊを形成し、該パイプｈをJT弁
（Joul Thomson Valve）ｋを介して上記パイプ
ｆに接続し、パイプｆの他端は熱交換器ｊの中へ
開口させた構成のものが考えられている。この構
成のものでは、常流動ヘリウム（He）を熱交
換器ｊを形成するパイプｈ内に導き、真空ポンプ
で排気管ｉ内を排気することにより常流動ヘリウ
ム（He）を冷却し、これを更にJT弁ｋで冷却
した後、熱交換器ｊへ導き、超流動ヘリウム
（He）と熱交換させることにより、超流動ヘリ
ウムの性質により直ちに隔壁ｃ下の液体ヘリウム
に及んで（He）に保持させるようにしている。

ところが、従来の熱交換器はパイプを巻いて形
成したものであり、熱交換効率に限界があつた。

本発明は、かかる問題をなくすと共に常流動ヘ
リウムをできるだけ低い温度に保てるようにしよ
うとしてなした超流動ヘリウム冷凍機に係るもの
である。

以下、本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。

第２図は本発明の冷凍機を備えた真空断熱容器
の概略を示すもので、１は真空ポンプで引かれる
よう真空排気口２を有している真空容器、３は真
空容器１の内部に設けた液体窒素（LN₂）シール
ド板、４は液体窒素シールド板３の内側上部に設
けたLN₂タンクである。このLN₂タンク４は液体
窒素シールド板３の下まで設けてもよいが、下ま
で設ければそれだけLN₂が多く必要となること、
LN₂タンク４内に液体窒素（LN₂）の熱がシール
ド板３に伝播されて充分な冷却作用をしているこ
と、から下までLN₂タンク４を設けていない。５
は真空容器１及び液体窒素シールド板３の中に収
納した液体ヘリウム容器、６は液体ヘリウム容器
５を常流動ヘリウム槽８と加圧超流動ヘリウム槽
９に区画する隔壁で、各槽８，９の圧力が通じる
ように小さな孔７を有している。上方の常流動ヘ
リウム槽８には、常流動ヘリウム（He）
（4.2゜K、1atm）を収納し、下方の加圧超流動ヘ
リウム槽９には、加圧超流動ヘリウム（He）
（1.8゜K、1atm）を収納し、この下方の槽９の中
に超電導磁石等を入れて1.8゜K位の低い温度で運
転できるようにする。

本発明は上記真空断熱容器における加圧超流動
ヘリウム（He）が外部からの熱で加熱される
ことを防止するために、加圧超流動ヘリウム
（He）を冷却しようとするもので、超流動ヘリ
ウム熱交換器１０と、プリクーラ１１と、超流動
薄膜の延長筒１２と、冷却ジヤケツト１３とを備
える。

上記超流動ヘリウム熱交換器１０は、その詳細
を第３図に示す如く、上端が閉塞してある上向き
の穴１４と下端が閉塞してある下向きの穴１５を
交互に多数形成してある構成を有し、加圧超流動
ヘリウム槽９の下端部と常流動ヘリウム槽８の上
部に設けた冷却ジヤケツト１３とをつなぐ配管１
６の下端部に設けてあり、下側は加圧超流動ヘリ
ウム槽９に通じ、且つ上側に、加圧超流動ヘリウ
ム（He）よりも低温にした飽和超流動ヘリウ
ム（He′）を所定量入れておき、下向きの穴１
５に入つている飽和超流動ヘリウムと上向きの穴
１４に入つている加圧超流動ヘリウムとを熱交換
させて加圧超流動ヘリウムを冷却するようにし、
熱交換で加熱されたものは蒸気として上昇させる
ようにしてある。

プリクーラ１１は、熱交換器１０の上側にある
飽和超流動ヘリウム（He′）を冷却し且つ該飽
和超流動ヘリウムの液面を常時一定にしておくた
めヘリウムを補給するためのもので、中央部分に
互に位置をずらして孔１７をあけた多数のプレー
ト１８を一定の間隔で多段式に配管１６上部に配
設すると共に、各プレート１８間の中央部分に仕
切壁１９を設け、各プレート１８の孔１７を通し
て液体が上方から下方へ流れるようにし、又、最
上部にも多数の孔１７を有するプレート２０を設
け、且つプレート２０の中央部上面に、常流動ヘ
リウム槽８の上部から取り出した常流動ヘリウム
（He）を導く管路２１を開口させ、一方、最下
段のプレート１８の中央部下面に排出管路２２を
開口させ、更に、該排出管路２２を、熱交換器１
０の上側へ冷却された液体ヘリウムを注入する注
入管２４にJT弁２３を介して接続し、上昇した
蒸発ガスは仕切壁１９の外側を通つて上方へ抜け
るようにしてある。

又、超流動薄膜の延長筒１２は、熱交換器１０
とプリクーラ１１との間に設けてあり、二重管構
造としてある。二重管構造としたのは、次の理由
による。すなわち、超流動は前記したように流動
性がよく粘性を無視できるので、壁表面に沿う液
膜（濡れ現象）の発達が早く壁面に沿い液膜２５
が張り、熱はこの液膜に沿い逆に侵入して来て飽
和超流動ヘリウム（He′）をあたためることに
なる。これを防止するためには壁を縦方向に長く
すればよいが、上方に至れば高温となること、余
り長くすると設備が大型化すること、等の問題が
あり、余り長くすることができない。そこで、本
発明では、管壁を長くしないで且つ液膜２５を切
り熱の侵入を防止するため、二重管とし、液膜が
迂回して発達するようにして液膜が発達する道程
を長くするようにしたものである。

冷却ジヤケツト１３は、液体ヘリウム容器５の
上部を取り囲むように設置してあり、第４図に一
例を示す如く、１個所に隔壁２６を有して、該隔
壁２６の一側に前記配管１６の上端を接続し、隔
壁２６の他側に真空ポンプに接続されている配管
２７を接続し、プリクーラ１１で冷却された蒸発
ガスを冷却ジヤケツト１３に導入して液体ヘリウ
ム容器５を冷却し液体ヘリウム容器５の壁を伝わ
つて入つて来る熱を極力低く抑えることができる
ようにして常流動ヘリウム（He）を低温に保
つ役目をするようにする。第４図中２８は蒸発ガ
スが均一に流れるようにするために設けてある邪
魔板、２９はベローズである。

上記構成としてあるので、真空容器１により外
部からの熱の侵入が抑えられ、更に液体窒素シー
ルド板３で冷却されていることにより加圧超流動
ヘリウム槽９内の加圧超流動ヘリウム（He）
は冷却されているが、液体ヘリウム容器５の壁等
を伝わつて入つて来る熱が加圧超流動ヘリウム
（He）に及ぶことがあるため、該加圧超流動ヘ
リウム（He）を冷却して温度が上らないよう
にすることができる。

加圧超流動ヘリウム（He）の冷却は、熱交
換器１０で行う。該熱交換器１０は、下側が加圧
超流動ヘリウム槽９と通じているため、常時加圧
超流動ヘリウム（He）の一部が熱交換器１０
の下側に来ており、熱交換器１０の上側に注入し
てある飽和超流動ヘリウム（He′）と熱交換を
して加圧超流動ヘリウム（He）は冷却される。
加圧超流動ヘリウム（He）は、超流動である
ため、熱交換されて冷却されると即時に加圧超流
動ヘリウム槽９内へ及び、該槽９内のヘリウムを
全体的に冷却させることができる。一方、加圧超
流動ヘリウム（He）との熱交換であたためら
れたものは蒸気となつて直ちに上昇する。この
際、熱交換は、交互に穴１４，１５を設け各穴１
４，１５の側壁を通して行うようにしてあるの
で、熱交換効率を高めることができて小型化する
ことができる。

熱交換器１０の上側に注入されている飽和超流
動ヘリウム（He′）は、熱交換器１０の上方へ
壁表面に沿い薄い膜となつて上昇するが、この部
分は二重管構造にしてあるので、液膜は二重管の
うち、内側の管内壁に沿つて形成され、上端で逆
に下向きの液膜を形成することになる。これによ
り液膜をプリクーラ１１まで達するまでに切るこ
とができ、液膜に沿つて逆に侵入しようとする熱
の侵入を抑えることができる。

常流動ヘリウム槽８の上部からは、温度の高い
常流動ヘリウム（He）が取り出されてプリク
ーラ１１に導かれており、該常流動ヘリウムは、
プリクーラ１１の各プレートの孔１７を通りなが
ら下降し、この間に熱交換されて蒸発したガスと
熱交換されて冷却され、更にJT弁２３で冷却さ
れ、熱交換器１０の上側へ飽和超流動ヘリウムと
して補給される。これにより飽和超流動ヘリウム
（He′）の液面を常に一定に保つことができる。
プリクーラ１１の中央部を下降する常流動ヘリウ
ムは、各プレートの孔１７を１つ１つ通過するの
で、流速が速い性質を有するヘリウムの流れを阻
害でき、熱交換効率を上げることができる。

プリクーラ１１を通過するとき、常流動ヘリウ
ムを冷却させた蒸発ガスは、そのまま真空ポンプ
により排気することなく、冷却ジヤケツト１３へ
導く。冷却ジヤケツト１３内の隔壁２６の一側へ
入つた蒸発ガスは液体ヘリウム容器５を一周した
後、配管２７を経て真空ポンプへ吸引される。こ
の冷却ジヤケツト１３により液体ヘリウム容器５
の上部を冷却することができ、該容器５の壁を伝
わり入つて来る熱をできるだけ低い温度にするこ
とができる。これにより常流動ヘリウム槽８内の
温度を上げるのを抑えることができる。

本発明の超流動ヘリウム冷凍装置は以上の如き
構成、作用を有しているので、次の如き優れた効
果を奏し得る。

(i) 超流動ヘリウム熱交換器を液体ヘリウム容器
の外に設け、上下方向から延びる穴を交互に並
べた構成としてあるので、超電導磁石等を冷却
する加圧超流動ヘリウムと該ヘリウムを冷却す
る飽和超流動ヘリウムとの熱交換効率を上げる
ことができて外部からの入熱で上記加圧超流動
ヘリウムの温度が上るのを防止することがで
き、又、熱交換効率が従来のパイプを巻く形式
に比してよいことから小型化することができ、
全体をコンパクト化できる。

(ii) プリクーラは孔あきのプレートを多段に配し
て液体ヘリウムが急速に流れないようにし、熱
交換で蒸発したガスで液体ヘリウムを冷却し、
更にJT弁で冷却するようにしてあるので、温
度の高い液体ヘリウムを効果的に冷却でき、熱
交換のための飽和超流動ヘリウムの補給が容易
にできる。

(iii) プリクーラを通過した蒸発ガスを、液体ヘリ
ウム容器上部を取り囲む冷却ジヤケツトに導く
ようにしてあるので、液体ヘリウム容器の上部
を冷却することができて外部から侵入する熱を
極力低温にすることができる。

(iv) 熱交換器の上方を２重管として超流動ヘリウ
ムの薄い膜が壁面に沿い発達する道程を長くし
た構成としてあるので、液膜が所定の高さまで
しか移行せず、該液膜に沿つて逆に熱が侵入し
ようとするのを防止でき、且つ液膜形成部の高
さを低くできてコンパクトにできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の一例を示す概略図、第２図は本
発明の装置を採用した真空断熱容器の概略図、第
３図は本発明の装置の断面図、第４図は本発明の
装置における冷却ジヤケツトの斜視図である。 １……真空容器、３……液体窒素シールド板、
５……液体ヘリウム容器、６……隔壁、８……常
流動ヘリウム槽、９……加圧超流動ヘリウム槽、
１０……超流動ヘリウム熱交換器、１１……プリ
クーラ、１２……超流動薄膜の延長筒、１３……
冷却ジヤケツト、１４，１５……穴、１７……
孔、１８，２０……プレート、２３……JT弁。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 加圧超流動ヘリウムを入れた液体ヘリウム容
   器を真空容器に内蔵し、上記液体ヘリウム容器の
   上部に冷却ジヤケツトを設け、且つ液体ヘリウム
   容器の加圧超流動ヘリウム収納部と上記冷却ジヤ
   ケツトとを連通する配管の下部に、上向き及び下
   向きの穴を交互に並べて形成してなる熱交換器を
   設けると共に、該熱交換器の上方に、液体ヘリウ
   ムを徐々に流下させるよう孔あきプレートを多段
   に配してなるプリクーラを設け、更にプリクーラ
   と熱交換器との間の管壁を二重にしてなることを
   特徴とする超流動ヘリウム冷凍装置。