JPH0349023B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、超流動ヘリウム発生装置に係わり、
特に常流動ヘリウム槽から超流動ヘリウム槽へ液
体ヘリウムを供給する方式の超流動ヘリウム発生
装置の改良に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

周知のように、液体ヘリウムはラムダ点
（2.17K）以下の温度で超流動状態に転移する。
このような超流動ヘリウムは、超電導コイルの冷
却や各種実験等の冷媒として用いられている。

ところで、超流動ヘリウムを発生させるには、
一般には、液体ヘリウムが収容された容器の内部
を真空ポンプで排気して、その際の蒸発潜熱によ
り容器内部の液体ヘリウムを冷却する方法が用い
られる。容器内部に収容されている液体ヘリウム
の量は限られているため、長時間運転することは
できず、一定時間毎に液体ヘリウムを補給しなけ
ればならない。この場合、外部から超流動ヘリウ
ム槽へ液体ヘリウムを度々補給するのは繁雑であ
る。特に、超流動ヘリウム発生装置に、超電導磁
石装置等を冷却するための4.2Kの常流動ヘリウ
ム槽が付加されている場合には、この常流動ヘリ
ウム槽から液体ヘリウムを供給する方が能率的で
ある。

このような要求を満たす超流動ヘリウム発生装
置として、たとえば第８図に示すものがある。

すなわち、第８図において１は、外面が真空断
熱槽２を介して熱シールド部材３で覆われ、内部
に4.2Kの常流動ヘリウムＰを収容してなる常流
動ヘリウム槽である。この常流動ヘリウム槽１の
内部には、その底面近傍に被冷却対象である超電
導コイル４が、また、この超電導コイル４の上方
に真空容器５が、それぞれ上記常流動ヘリウムＰ
に浸漬される関係に収容されている。真空容器５
は、その底面から下方へ前記超電導コイル４の中
心孔に嵌入するように突出した有底筒状部６と、
その上面から常流動ヘリウムＰの液面上に延出す
る筒状の上部突周壁７を一体的に形成したものと
なつている。この真空容器５の内部には、超流動
ヘリウム槽８が収容されており、この超流動ヘリ
ウム槽８と上記真空容器５との間には、真空断熱
槽９が形成されている。超流動ヘリウム槽８は、
その底面下方から真空断熱槽５の有底筒状部６の
内部に嵌入する有底筒状部１０を有し、内部に超
流動ヘリウムＱを収容したものである。

また図中１１は、超流動ヘリウム槽８の上部壁
から真空容器５の上部突周壁７内部を貫通し、常
流動ヘリウム槽１の上部壁を気密に貫通して設け
られたヘリウムガスの排気管である。この排気管
１１の上端部は、配管１２を介して真空ポンプ１
３に接続されている。

しかして、真空断熱槽９の内部には、常流動ヘ
リウム槽１と、超流動ヘリウム槽８との間を接続
する連絡管１６が設けられている。連絡管１６に
は、連絡管１６を選択的に開閉するための弁１７
が介挿されている。この弁１７は、常流動ヘリウ
ム槽１の上部壁まで導かれた操作棒１８によつて
開閉操作が可能なものとなつている。

このように構成された超流動ヘリウム発生装置
は、超流動ヘリウム槽８の有底筒状部１０内に測
定用のプローブを設置して、超電導コイル４の試
験装置として使用される。超流動ヘリウムＱの収
容量が少なくなつた時には、操作棒１８の操作に
よつて弁１７を開放し、常流動ヘリウム槽１内部
に収容された常流動ヘリウムＰを超流動ヘリウム
槽８の内部に供給する。超流動ヘリウム槽８の内
部に4.2Kの常流動ヘリウムを導入したら、上記
弁１７を閉塞し、真空ポンプ１３を稼働して超流
動ヘリウム槽８の内部を減圧する。減圧が進行す
ると、液体ヘリウムは、飽和蒸気圧に対応する温
度まで冷却され、ラムダ点に達すると超流動状態
に転移する。この装置は、このようにして超流動
ヘリウムを発生させるようにしている。

ところが、従来の超流動ヘリウム発生装置にお
いては、次のような問題があつた。

すなわち、超流動ヘリウム槽８の内部に収容さ
れた液体ヘリウムの温度Tsがラムダ点以下にな
ると、超流動ヘリウムの熱伝導率は、非常に大き
くなる。したがつて、超流動ヘリウム槽８から弁
１７に至る連絡管１６の内部の温度勾配が略零と
なるので、弁１７の超流動ヘリウム槽側の温度も
Tsとなる。弁１７の締切り部の距離も極短いの
で、締切り部の両端で発生する温度差δTも非常
に小さい。従つて、超流動ヘリウム槽８内部に収
容された液体ヘリウムの温度Tsが（2.18−δT）
Ｋ以下になると、弁１７の常流動ヘリウム槽１側
の温度もラムダ点を切ることになる。前述したよ
うにラムダ点以下での液体ヘリウムの熱伝導率
は、非常に大きいので、このように弁１７の常流
動ヘリウム槽１側の温度がラムダ点を切ると、連
絡管１６の内部の温度勾配がなくなり、結局、常
流動ヘリウム槽１のヘリウム供給口の温度までも
がラムダ点以下になつてしまう。

通常、液体ヘリウムの比重は、ラムダ点で最大
になるので、常流動ヘリウム槽１のヘリウム供給
口に発生したラムダ点の超流動ヘリウムは、つぎ
つぎに常流動ヘリウム槽１の底に落ちることにな
る。このため、常流動ヘリウム槽１内の前記ヘリ
ウム供給口の上面より下に位置するヘリウムの全
部が超流動ヘリウムになるまで定常状態になるこ
とはない。つまり、ラムダ点以下まで冷却したい
のは超流動ヘリウム槽８内の液体ヘリウムである
が、従来の装置にあつては、常流動ヘリウム槽１
の内部の液体ヘリウムまで超流動状態にしなけれ
ばならず、このため、冷却コストがかさむばかり
か、初期冷却に長時間を必要とするという問題が
あつた。

〔発明の目的〕

本発明は、このような問題点に鑑みなされたも
のであり、その目的とするところは、常流動ヘリ
ウム槽と超流動ヘリウム槽との間の熱流入を抑
え、もつて超流動ヘリウムの初期冷却を短時間に
効率良く行なうことができる超流動ヘリウム発生
装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、超流動ヘリウム槽と常流動ヘリウム
槽とを接続する連絡管の前記超流動ヘリウム槽側
に第１の弁を介挿するとともに、前記連絡管の前
記常流動ヘリウム槽側に第２の弁を介挿し、超流
動ヘリウム槽内部の液体ヘリウムのラムダ点以下
への冷却時に、前記第１および第２の弁を閉にし
た状態で前記連絡管の内部でかつ前記両弁間に存
在する液体ヘリウムを気化または排出させる手段
を備えたことを特徴としている。

〔発明の効果〕

上記のような構成を採用すれば、超流動ヘリウ
ム槽と常流動ヘリウム槽とを連絡する連絡管内部
に熱伝導率の小さなヘリウムガスまたは真空層を
介在させることにができる。したがつて、超流動
ヘリウム槽内部の液体ヘリウムを冷却する場合に
は、上記ヘリウムガスまたは真空層によつて超流
動ヘリウム槽と常流動ヘリウム槽との間の温度勾
配を付与することができるので、常流動ヘリウム
槽と超流動ヘリウム槽との間の熱流入を大幅に低
減させることができる。したがつて、この場合に
は、常流動ヘリウム槽内部の液体ヘリウムをラム
ダ点以下まで冷却する必要は全くなくなるので、
超流動ヘリウム槽内部の液体ヘリウムを効率良く
冷却することができる。

〔発明の実施例〕

以下、図面を参照し、本発明の実施例について
説明する。

第１図および第２図は、本発明を前述した試験
装置に適用した例を示すもので、第８図と同一部
分には同一符号を付してある。したがつて重複す
る部分の説明は省略するものとする。

本実施例が従来例と異なるのは次の点にある。
すなわち、真空断熱槽９の内部に設けられ、常流
動ヘリウム槽１と超流動ヘリウム槽８とを連絡す
る連絡管２１には、２つの弁、すなわち超流動ヘ
リウム槽８側には第１の弁２２が、また常流動ヘ
リウム槽１側には第２の弁２３がそれぞれ介挿さ
れている。これら両弁２２，２３は、常流動ヘリ
ウム槽１の上部壁まで延びる操作棒２４，２５に
よつてそれぞれ開閉操作が可能なものとなつてい
る。連絡管２１の上記両弁２２，２３間には、真
空容器５の上部壁および常流動ヘリウム槽１の上
部壁をそれぞれ気密に貫通して常流動ヘリウム槽
１の上部に延びる配管２６の一端側が接続されて
いる。この配管２６の他端側は、排気弁２７、配
管２８を介してヘリウムガスの排気管１１の上端
部に接続されている。排気弁２７は、操作棒２９
によつて開閉操作が可能な構造となつている。な
お、上記排気管１１の上端部で、かつ上記配管２
８が接続された部分と、超流動ヘリウム槽８に至
る部分との間には、排気管１１を選択的に開閉す
るバタフライバルブ３０が設けられている。

しかして、このように構成された本実施例に係
る装置の作用を、第１図および同図中Ａ部を詳細
に示した第２図を用いて説明する。

まず、超流動ヘリウム槽８の内部に液体ヘリウ
ムを供給する場合には、操作棒２４，２５を操作
して、第１および第２の弁２２，２３を開ける。
これによつて、常流動ヘリウム槽１から超流動ヘ
リウム槽８に液体ヘリウムが供給される。液体ヘ
リウムが移送されたら、第１および第２の弁２
２，２３と、バタフライバルブ３０を閉じ、排気
弁２７を開ける。このとき、連絡管２１の内部
は、液体ヘリウムで満たされている。この状態
で、真空ポンプ１３を稼働すると、連絡管２１内
部の液体ヘリウムは気化し、これによつて生じた
ヘリウムガスは、配管２６〜排気弁２７〜配管２
８〜排気管１１〜配管１２〜真空ポンプ１３の経
路で真空排気される。連絡管２１内部のヘリウム
ガスが排出され、真空度が向上したら、排気弁２
７を閉じる。

次に、超流動ヘリウム槽８の内部に収容された
4.2Kの液体ヘリウムを2.18Kまで冷却する場合に
は、排気弁２７を閉じ、バタフライバルブ３０を
開けるとともに真空ポンプ１３を稼働して、超流
動ヘリウム槽８内部を減圧する。これによつて、
上記超流動ヘリウム槽８の内部に収容された液体
ヘリウムは、飽和蒸気圧に対応する温度まで冷却
され、ついには超流動状態となる。

そして、この場合には、超流動ヘリウム槽８
と、常流動ヘリウム槽１とを接続する連絡管２１
の内部は、真空状態となつているので、超流動ヘ
リウムによる熱伝導は、この真空部分で遮断され
る。つまり、この真空部分に温度勾配を持たせる
ことができる。

なお、第３図に示すように連絡管２１にヒータ
３６を設けるとともに、このヒータ３６にスイツ
チ３７を介して電源３８を接続し、連絡管２１内
部のヘリウム排気時に、上記スイツチ３７を投入
するようにすれば、ヒータ３６によつてヘリウム
の蒸発が促進され、連絡管２１内部の排気速度を
高めることができる。

第４図および第５図は、連絡管２２内部を真空
排気させることなしに本発明の効果を得るように
した装置の構成例を示すものである。

すなわち、この場合には、第１の弁２２を第２
の弁２３よりも下方に配置するようにしている。
このため、連絡管２１は垂直方向に比較的長く延
びる部分２１ａを有する。この部分２１ａの内部
には、第５図に示すように、内方に突出する突周
壁４１が設けられている。

このように構成された本実施例の作用について
説明する。

まず、超流動ヘリウム槽８へ液体ヘリウムを供
給する場合には、第１および第２の弁２２，２３
を開き、常流動ヘリウム槽１の内部に収容された
液体ヘリウムを超流動ヘリウム槽８の内部に移送
させる。超流動ヘリウム槽８への液体ヘリウムの
供給が終了したら、第１および第２の弁２２，２
３を閉じ、さらにバタフライバルブ３０を開けて
真空ポンプ１３を稼働する。この状態では、連絡
管２１内部は液体ヘリウムで満たされている。超
流動ヘリウム槽８内部の減圧が進むと、超流動ヘ
リウム槽８内部の液体ヘリウムが飽和蒸気圧に対
応する温度まで冷却さる。これに伴つて、連絡管
２１内部の液体ヘリウムＰも冷却され、その密度
が徐々に高くなる。したがつて、連絡管２１の内
部で弁２２，２３間の部分には気相が生じる。第
１の弁２２は、第２の弁２３よりも下方に位置し
ているので、液体ヘリウムＰは第１の弁２２側に
溜り、気相は、第２の弁２３側に溜る。冷却がさ
らに進んで、超流動ヘリウム槽８の内部の液体ヘ
リウムがラムダ点以下になると、上記気相部分は
さらに増え、連絡管２１の内部は、ほとんどがヘ
リウムガスで満たされることになる。

このように連絡管内部がヘリウムガスで満たさ
れれば、このヘリウムガスに温度勾配を付与でき
るので、前述した効果を得ることができる。

なお、超流動ヘリウムは、配管内面を這上がる
性質を有している。このため、本実施例では、連
絡管２１の気相形成部分に突周壁４１を設け、こ
の突周壁４１で超流動ヘリウムの這上がりを阻止
するようにしている。このような突周壁４１は、
多段に設けることによつて、その効果をさらに高
めることができる。この結果、管壁内面に形成さ
れる超流動ヘリウムの液膜を通じた熱流入も低減
できる。

また、このような突周壁４１に代えて、たとえ
ば、第６図に示すように、第１の弁２２と第２の
弁２３との間に中間弁４２を設け、連絡管２１内
部に収容された液体ヘリウムＰの自由液面が、中
間弁４２と第１の弁２２との間まで下がつた段階
で、操作棒４３によつて中間弁４２を締切り、超
流動ヘリウムの這上がりを阻止するようにしても
よい。

第７図は、本発明を加圧超流動ヘリウム発生装
置に適用した例を示す図である。

すなわち、図中５１は、4.2Kの常流動液体ヘ
リウムＰを収容した常流動ヘリウム槽であり、ま
た５２は、非飽和超流動ヘリウムを収容する非飽
和超流動ヘリウム槽である。非飽和超流動ヘリウ
ム槽５２の内部には、この槽５２内を冷却するた
めの飽和超流動ヘリウム槽５３が収容されてい
る。この飽和超流動ヘリウム槽５３の一端側は、
ジユールトムソン（以下、「JT」と呼ぶ。）弁５
４、JT熱交換器５５の一次側を介して前記常流
動ヘリウム槽５１に接続されている。また、飽和
超流動ヘリウム槽５３の他端側は、上記JT熱交
換器５５の二次側を介して真空ポンプ５６の吸込
み口に接続されている。真空ポンプ５６の吐出し
口は、コンプレツサ５７を介して冷凍器５８に接
続されている。そして、この冷凍機５８によつ
て、常流動ヘリウム槽５１の内部を冷却するよう
にしている。

常流動ヘリウム槽５１と非飽和超流動ヘリウム
槽５２とは、連結管６１によつて接続されてい
る。この連結管６１の非飽和超流動ヘリウム槽５
２側に位置する部分には、第１の弁６２が介挿さ
れている。また、上記連絡管６１の常流動ヘリウ
ム槽５１側に位置する部分には、第２の弁６３が
介挿されている。上記連絡管６１の上記両弁６
２，６３間には、配管６４が接続されており、こ
の配管６４は、排気弁６５を介して真空ポンプ６
６に接続されている。連絡管６１には、ヒータ６
７が設置されている。

一方、冷凍機５８と非飽和超流動ヘリウム槽５
２とは、連絡管７１によつて接続されている。こ
の連結管７１の非飽和超流動ヘリウム槽５２側に
位置する部分には、第３の弁７２が介挿されてい
る。また、上記連絡管７１の冷凍機５８側に位置
する部分には、第４の弁７３が介挿されている。
上記連絡管７１の上記両弁７２，７３間には、配
管７４が接続されており、この配管７４は、排気
弁７５を介して真空ポンプ６６に接続されてい
る。連絡管７１には、ヒータ７６が設置されてい
る。なお、配管６４には、配管６４内部の過圧時
に開放する安全弁７７が接続されている。そし
て、両ヘリウム槽５１，５２、JT熱交換器５５、
JT弁５４、各弁６２，６３，６５，７２，７３
および各管６１，６４，７１，７４などは、熱シ
ールド部材７８で覆われて、外部からの熱侵入を
防止するようにしている。

次に、このように構成された装置の作用につい
て説明する。

まず、非飽和超流動ヘリウム槽５２への初期注
液に際しては、排気弁６５，７５を共に閉じると
ともに、弁６２，６３，７２，７３を開けて液体
ヘリウムを注液する。4.2Kの液体ヘリウムが、
常流動液体ヘリウム槽５１および非飽和超流動ヘ
リウム槽５２の内部に十分溜まつたら、弁７２，
７３を閉じきり、弁７５を開け、かつ真空ポンプ
６６を稼働して、連絡管７１内部を真空排気す
る。この時、ヒータ７６を付勢して、排気の速度
を高めるようにしても良い。

次に、弁６２，６３を液体ヘリウムが多少漏れ
る程度に緩く閉じて冷却を開始する。冷却は、非
飽和超流動ヘリウム槽５２の内部を一気圧に保つ
とともに、真空ポンプ５６、コンプレツサ５７、
冷凍機５８を稼働させることによつてなされる。
つまり、真空ポンプ５６の動作によつて、常流動
ヘリウム槽５１内の4.2Kのヘリウムの一部がJT
熱交換器５５の一次側〜JT弁５４〜飽和超流動
ヘリウム槽５３〜JT熱交換器５５の二次側の経
路で流れる。飽和超流動ヘリウム槽５３内が真空
ポンプ５６によつて、非飽和超流動ヘリウム槽５
２内の温度よりも低い温度に対応する飽和蒸気圧
に排気されているものとすると、常流動ヘリウム
槽５１を出たヘリウムは、JT熱交換器５５の一
次側を通る間に、たとえば2.2Kまで予冷され、
続いてJT弁でJT膨張して、ガスと液とになる。
この液が飽和超流動ヘリウム槽５３内を通る間に
蒸発し、これによつて、非飽和超流動ヘリウム槽
５２内のヘリウムを冷却するようにしている。

非飽和超流動ヘリウム槽５２内の液体ヘリウム
の密度は、ラムダ点に冷却されるまでの間に変化
するが、弁６２，６３が僅かに開いているので、
非飽和超流動ヘリウム槽５２内の圧力は、一気圧
に保たれている。

非飽和ヘリウム槽５２内部の液体ヘリウムがラ
ムダ点に達したら、弁６２，６３を閉じ、弁６５
を開けて真空ポンプ６６を駆動する。これによつ
て、連絡管６１内部が排気される。この時、ヒー
タ６７を付勢して排気速度を高めるようにしても
よい。この結果、連絡管６１内部を通じた常流動
ヘリウム槽５１と非飽和超流動ヘリウム槽５２と
の間の熱流入が著しく減少するので、非飽和超流
動ヘリウム槽５２内部に収容された液体ヘリウム
の冷却を効率良く行なうことができる。

ところで、このような加圧超流動ヘリウム発生
装置は、通常、超電導磁石装置の冷却等に用いら
れる。したがつて、この場合超電導破壊時の対策
についても十分に考慮する必要がある。この装置
では弁６２，６５を電磁弁で構成し、これら弁６
２，６５を、超電導破壊時の非飽和超流動ヘリウ
ム槽５２内の圧力振動を検出した際に全開にする
ようにしている。弁６２，６５の開放時の非飽和
ヘリウム槽５２内のヘリウムガスは、安全弁７７
を通じて大気に放出されるようになつている。

以上、各実施例で説明したように、本発明によ
れば、前述した効果を十分に奏することができ
る。さらに、本発明は、その要旨を逸脱しない範
囲で種々変更して実施することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に係る超流動ヘ
リウム発生装置の概略構成を示す縦断面図、第２
図は同図におけるＡ部を詳細に示す一部切欠拡大
側面図、第３図は同装置の変形例の主要部を示す
一部切欠拡大側面図、第４図は本発明の第２の実
施例に係る超流動ヘリウム発生装置の概略構成を
示す縦断面図、第５図は同図におけるＢ部を詳細
に示す一部切欠拡大側面図、第６図は同装置の変
形例の主要部を示す一部切欠拡大側面図、第７図
は本発明の第３の実施例に係る超流動ヘリウム発
生装置の概略構成を示すフロー図、第８図は従来
の超流動ヘリウム発生装置の概略構成を示す縦断
面図である。 １，５１……常流動ヘリウム槽、４……超電導
コイル、８……超流動ヘリウム槽、１１……排気
管、１３，５６，６６……真空ポンプ、１６，２
１，６１，７１……連絡管、１７，２２，２３，
６２，６３，７２，７３……弁、１８，２４，２
５，４３……操作棒、２７，６５，７５……排気
弁、３６，６７，７６……ヒータ、４１……突周
壁、４２……中間弁、５２……非飽和超流動ヘリ
ウム槽、５３……飽和超流動ヘリウム槽、５４…
…JT弁、５５……JT熱交換器、５７……コンプ
レツサ、５８……冷凍機、７７……安全弁、Ｐ…
…常流動ヘリウム、Ｑ……超流動ヘリウム。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内部に常流動液体ヘリウムを収容した常流動
   ヘリウム槽と、内部に超流動液体ヘリウムを収容
   する超流動ヘリウム槽と、これら両ヘリウム槽を
   接続する連絡管と、この連絡管を介して前記常流
   動ヘリウム槽から前記超流動ヘリウム槽へ供給さ
   れた常流動液体ヘリウムをラムダ点以下の温度ま
   で冷却する冷却手段とを備えた超流動ヘリウム発
   生装置において、前記連絡管の前記超流動ヘリウ
   ム槽側および前記常流動ヘリウム槽側にそれぞれ
   介挿され、前記冷却手段を動作させるに先立つて
   閉じられる第１および第２の弁と、これらの弁が
   閉じられた状態下で前記連絡管内の上記両弁間に
   位置する部分に存在する液体ヘリウムを排出する
   排出手段とを備えてなることを特徴とする超流動
   ヘリウム発生装置。 ２ 前記排出手段は、前記連絡管内の前記両弁間
   に位置する部分を排気する真空ポンプを備えたも
   のであることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の超流動ヘリウム発生装置。 ３ 前記排出手段は、前記連絡管内の前記両弁間
   に位置する部分を加熱するヒータを備えているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の超流
   動ヘリウム発生装置。 ４ 内部に常流動液体ヘリウムを収容した常流動
   ヘリウム槽と、内部に超流動液体ヘリウムを収容
   する超流動ヘリウム槽と、これら両ヘリウム槽を
   接続する連絡管と、この連絡管を介して前記常流
   動ヘリウム槽から前記超流動ヘリウム槽へ供給さ
   れた常流動液体ヘリウムをラムダ点以下の温度ま
   で冷却する冷却手段とを備えた超流動ヘリウム発
   生装置において、前記連絡管に前記超流動ヘリウ
   ム槽側に位置するものが前記常流動ヘリウム槽側
   に位置するものより下方に位置する関係にそれぞ
   れ介挿され、前記冷却手段を動作させるに先立つ
   て閉じられる第１および第２の弁を備え、これら
   の弁が閉じられた状態下で下方に位置する弁の構
   成部材を介して前記超流動ヘリウム槽内の液体ヘ
   リウムで前記連絡管内の前記両弁間に存在する液
   体ヘリウムを冷却して気相を生じさせるようにし
   ていることを特徴とする超流動ヘリウム発生装
   置。 ５ 前記連絡管は、前記第１の弁と前記第２の弁
   との間で、上下方向に延びる部分の内側に突周壁
   を備えていることを特徴とする特許請求の範囲第
   ４項記載の超流動ヘリウム発生装置。 ６ 前記連絡管には、前記第１の弁と前記第２の
   弁との間に中間弁が設けられていることを特徴と
   する特許請求の範囲第４項記載の超流動ヘリウム
   発生装置。