JPH0382175A - 超電導装置用クライオスタツト - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、液体ヘリウムにより被冷却体を冷却する超電
導装置に係り、特に、超電導コイルの冷却に好適なりラ
イオスタットに関する。

〔従来の技術〕

液体ヘリウムは、通常の大気圧下の条件では、４．２　
Ｋの温度にあるが、たとえば、減圧ポンプ等で圧力を大
気圧より徐々に低くしていくと、液体ヘリウムの蒸発が
盛んに発生し、その蒸発潜熱により液体ヘリウムの温度
は４．２により下がる。

その温度がラムダ温度（約２．１７Ｋ）以下になると、
液体ヘリウムは、粘性がなくなり、優れた熱除去能力を
持つ超流動ヘリウム状態になる。この超流動ヘリウムは
、特に、通常の超電導マグネットの発生磁場よりも強力
な磁場が必要な物性値測定用の高磁界超電導マグネット
の冷媒として利用されてきた。その生成法として、特開
昭６３−２２４６２９公報に、大気圧よりも減圧された
状態にある超流動ヘリウムの生成装置について記載され
ている。すなわち、容器内の超流動ヘリウム」二方に挿
入された気液分離器付きの液体ヘリウム供給管の開口部
に膨張弁を取り付け、容器内の気体ヘリウムを排気管を
通して減圧ポンプにて容器外部へ排気して超流動ヘリウ
ムを連続して生成する。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記従来技術は、大気圧よりも減圧され
た超流動ヘリウムを生成する装置においては、この超流
動ヘリウムの圧力又は温度及び液位を所定の値に設点、
保持する点について配慮がなされておらず、圧力又は温
度及び液位が変動することによる超流動ヘリウムの熱除
去能力及び超電導マグネット自身の臨界磁場及び電流が
大きく変動し、安定した超電導マグネットの運転が出来
ないという問題があった。

本発明は、超電導マグネットの冷媒である液体ヘリウム
の圧力を大気圧から大気圧以下の所定の値に設定保持し
、かつ、その液位も所定値に設定保持することにより安
定して動作する超電導マグネッ１−を提供することを目
的としており、さらに超電導マグネットの冷媒として、
通常゛の液体ヘリウムでも超流動ヘリウムでも使用でき
る大型のクライオスタットを提供することを目的とする
。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、液体ヘリウムにより冷却される被冷却体を
有し、蒸発したヘリウムガスを外部へ排気する排気管を
有する密閉された第１槽と、外部から０（給される液体
ヘリウムを貯留する第２槽と、前記第２槽の液体ヘリウ
ムを第１槽へと導く液体ヘリウム供給管と、前記液体ヘ
リウム供給管幅を流れる液体ヘリウムを膨張させ、かつ
、流量を制御できる機能を有する膨張弁と、前記排気管
に取りつけた前記第１槽のヘリウムガスを排気し、前記
第１槽の液体ヘリウムを前記第２槽の液体ヘリウムの圧
力以下に減圧する減圧装置と、前記第１槽内圧力と前記
第２槽内圧力がほぼ等しいときに前記減圧装置を介すこ
となしに前記排気管を流れるヘリウムガスを外部へ放出
し得る開閉弁を有したバイパス配管と、前記膨張弁の開
度及び前記減圧装置の排気速度を、前記第１槽の置に設
定、保持し、かつ、前記第１槽内の圧力又は温度を前記
第１槽の液体ヘリウムの圧力又は温度を前記第２槽の液
体ヘリウムの圧力又は温度以下の所定の値に設定保持す
るように制御する制御装置を設けることにより達成され
る。

〔作用〕

前記第１及び２槽は、液体ヘリウムを貯留するが、前記
第１槽は、被冷却体を有し、その液体ヘリウムは、状況
に応じて前記減圧装置及び前記バイパス配管の開閉弁に
より、前記第２槽の圧力又はそれ以下に減圧された状態
に保持される。第２槽は、外部から供給された液体ヘリ
ウムを一時貯留するためのもので、二相状態で供給され
る液体ヘリウムの気液分離も行う、気液分離された液体
ヘリウムは、前記膨張弁において、前記第１槽内の圧力
が前記第２４！の圧力とほぼ等しいときには、流量調節
をされた後に第工槽に供給され、前記第１槽内の圧力が
前記第２槽の圧力よりも減圧された状態にあるときには
、流量調節及び等エンタルピ膨張をした後に第１槽に供
給される。

第１槽の液体ヘリウムの圧力又は温度及び液位は、前記
膨張弁の開度及び減圧装置の排気速度を制御する制御装
置によって所定の値になるように連続して調節するよう
にする。前記排気速度の調節は、第１槽の液体ヘリウム
がほぼ飽和状態にあるため、圧力が温度を制御装置の入
力対象とすればよい。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。第１
図は、本発明を適用したクライオスタットの概念構造図
である。

本発明の被冷却体である超電導マグネットｌは、大気圧
又は大気圧より減圧された状態にある液体ヘリウム２に
より浸漬冷却する。液体ヘリウム２は真空断熱された第
１槽３内に満され、この槽内で蒸発したヘリウムガスを
外部へ排気する排気管４を介して室温部に設置され排気
管４出口部に吸込口を持つ減圧装置５により大気圧以下
に減圧保持する。なお、このときにはバイパス配管６に
設置された開閉弁７は閉じておく。減圧装置５により排
気されたヘリウムガスはヘリウムガス回収系へと送る。

この減圧装置５としては、吸込圧力が約Ｉ　Ｔｏｒｒ以
上で大きな排気速度を持つ真空ポンプ例えば、メカニカ
ルブースタポンプ又はロータリポンプ等を用いるとよい
。第１槽３の液体ヘリウム２を大気圧以下に減圧しない
ときは、減圧装置５を動作させず、バイパス配管６に設
置された開閉弁７を開放し、ヘリウムガスが減圧装置５
を介することなくヘリウムガス回収系に至るようにする
。

第１槽３への輻射侵入熱は、第２槽８によって冷却保持
された輻射シールド９によって囲むようにし、極力小さ
くなるようにする。できれば、排気管４の室温部から第
１槽３への輻射侵入熱も、排気管４の排気コンダクタン
スの減少を最小限にする形で排気管４の内部に輻射シー
ルドを設けるとよい。第１槽３への液体ヘリウムの供給
は、膨張弁１０ａを有し、第↓槽３と第２槽８の液体ヘ
リウム部を連通ずる液体ヘリウム供給配管１０ｂにより
行われる。なお、膨張弁１０ａをバイパスするこれより
流路径の大きい弁を付加してもかまわない。

第１槽３へ供給される第２槽の液体ヘリウム１１は、膨
張弁１０ａにおいて、第１槽３の圧力と第２槽８の圧力
がほぼ等しいときには、流量調節のみ行い、第１槽３の
圧力が第２槽８の圧力よりも低いときには、流量調整と
等エンタルピ膨張を行い、第１槽３へと供給する。第２
槽８の液体ヘリウム■１は、液体ヘリウム供給配管１２
を介して外部のヘリウム冷凍機又は液体ヘリウムデユワ
より供給する。

第２槽８の液体ヘリウム１ｔの蒸発したヘリウムガスは
、超電導マグネット■に電流を送るパワーリード（室温
部と第２槽８の間）１３の冷却流路を形成するヘリウム
ガス排気管１４を介してヘリウムガス回収系へと送られ
る。パワーリード１３は、超電導マグネット１に電気的
に接続されたパワーリード（第２槽と第１槽の間）１５
と、電気伝導性の良好な応力緩和機能を有するパワーワ
ード１６により電気的に接続する。

パワーリード１６は、パワーリード１３及び１５で熱収
縮に起因する熱応力を全て吸収する。

その材料としては、銅又はアルミ等でもよいが。

ＮｂＴｉなどの超電導導体を用いれば、ジュール発熱を
押えることができ、第２槽８の液体ヘリウム１１の蒸発
を低減することができる。またパワーリード１５にも、
安定化材を備えた超電導導体を用いれば、同様な理由で
液体ヘリウム２及び１１の蒸発を低減することができる
。ただし、その設計に当っては、クエンチが生じてもそ
の最大上昇温度が超電導体の臨界温度を越えないように
液体ヘリウム２及び１１による伝導冷却を行う一方、第
２４１！から第１槽への熱伝導による熱侵入を極力抑え
るように配慮する必要がある。

液体窒素槽１７は液体窒素１８を満し、輻射シルト１９
を液体窒素温度レベルに保つ。この輻射シールド１９は
、室温にある真空容器２０から第２槽８及び液体ヘリウ
ム温度レベルにある輻射シールド１９への輻射侵入熱を
防ぐ。真空容器２０は、内部を高真空状態に保つことに
より、第１槽３．第２槽８並びに液体窒素槽１７等を断
熱状態にする。なお、輻射シールド９及び１９、第２槽
８並びに液体窒素槽１７外皮を積層断熱材で多重に覆う
ことにより、更に高い断熱状態を保持することができる
。

第２図は、本発明の他の実施例を示したもので第１図と
は、第２槽８が第１槽内部にある点と制御装置を示した
点とが異なっている。第２槽８は、第工槽３に貯留した
液体ヘリウム２の蒸発したヘリウムガスに対して、ヘリ
ウムガスの顕熱が小さいため特別な断熱措置は施こす必
要はなく、むしろ、ヘリウムガスが第２槽８の液体ヘリ
ウムの温度以下のため、第２槽８がそのヘリウムガスに
より冷却されたとしても、結果として、第２槽８の液体
ヘリウム１１の蒸発量を低減することになる。

その冷却量は小さいため、パワーリード１３がらの侵入
熱量を考慮すると、第２槽８の液体ヘリウム１１の温度
が４．２に以下に下がり第２槽内圧力が大気圧以下にな
り、空気の第２槽８への侵入を招く心配はない。

この実施例においては、全体の構造が従来のクライオス
タット構造と酷似しており１組立等は。

従来と同様な手法で行うことが可能である。さらに、従
来より用いていた液体ヘリウムクライオスタットがあれ
ば、本発明を適応する場合にそのまま流用することもで
きる。なお、サーマルアンカ２／９は、第１槽３と第２
槽８を熱的に接触し、第１槽３の壁面の熱伝導による室
温からの液体ヘリウム２への侵入熱を低減する。輻射シ
ールド２１ｂは、室温部から第１及び第２槽３及び８へ
の輻射侵入熱量を低減する。

第２図において、３１は第２槽内圧力センサ、３２は第
２槽内液体ヘリウムの液位センサ、３３は温度センサ、
３４は液位発信器、３５は液位発信器３４の信号に基づ
き、所定の液位を保持するよう膨張弁１０ａの開度を制
御する制御装置。

３６は圧力発信器、３７は圧力発信器３６の信号に基づ
き所定の圧力になるよう減圧装置５の回転数又は内蔵弁
開度を制御する制御装置である。減圧装置５の制御装置
３７は温度センサ３３の出力に基づき、設定温度を維持
するように制御してもよい。

以上本発明の第１．第２の実施例によれば、以上説明し
たように構成されているので以下に記載されるような効
果を奏する。

液体ヘリウムにより冷却される被冷却体を有し、蒸発し
たヘリウムガスを外部へ排気する排気管も有する密閉さ
れた液体ヘリウム容器（第１槽）と外部から供給される
液体ヘリウムを貯留する容器（第２槽）と、第１槽から
第２槽へ液体ヘリウムを供給する膨張弁付きの液体ヘリ
ウム供給管と、上記排気管に出口に入口を有する減圧装
置と、この減圧装置をバイパスしヘリウムガスを外部へ
放出し得る開閉弁付きのバイパス配管と上記膨張弁開度
及び減圧装置の排気速度を調節する制御装置とを設ける
ことにより、上記第１槽の液体ヘリウムの圧力又は温度
を上記第２槽の圧力及び温度以下の所定の値に設定保持
し、がっ、上記第１槽の置に設定、保持し、かつ、所定
の値に設定保持できる。

また、上記第１槽内に上記第２ＪｆＪを設けた構造にす
ることにより、装置全体の構造を簡単にし、組立を容易
にできる。さらに、従来用いた液体ヘリウム容器を流用
して本発明を実施できるという利点もある。

〔発明の効果〕

以上の如く、本発明によれば超電導マグネットの冷媒で
ある液体ヘリウムの圧力を大気圧から大気圧以下の所定
の値に設定保持して、かつその液位も所定値に設定保持
可能であり、これによって超電導マグネットの安定動作
が達成可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は夫々本発明の実施例に係るクライオス
タットの概念構造を示す装置断面図である。 ｌ・・・被冷却体、２．１１・・・液体ヘリウム、３・
・・第１槽、４・・・排気管、５・・・減圧装置、１０
ａ・・・膨張弁、ｉｏｂ・・液体ヘリウム供給管、９，
１９・・・輻８ （２） カ 囚 ３ ン益慶セ、ンサ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、液体ヘリウムにより冷却される被冷却体を有し、蒸
   発したヘリウムガスを外部へ排気する排気管を有する密
   閉された第１槽と、外部から供給される液体ヘリウムを
   貯留する第２槽と、前記第２槽の液体ヘリウムを第１槽
   へ導く液体ヘリウム供給管と、前記液体ヘリウム供給管
   中を流れる液体ヘリウムを膨張させ、かつ、流量を制御
   できる機能を有する膨張弁と、前記排気管に取り付けた
   前記第１槽のヘリウムガスを排気し前記第１槽の液体ヘ
   リウムを前記第２槽の液体ヘリウムの圧力以下に減圧す
   る減圧装置と、前記第１槽内圧力と前記第２槽内圧力が
   ほぼ等しいときに減圧装置を介すことなしに前記排気管
   を流れるヘリウムガスを外部へ放出し得る開閉弁を有し
   たバイパス配管と、前記膨張弁の開度及び前記減圧装置
   の排気速度を前記第１槽の置に設定、保持し、かつ、前
   記第１槽の液体ヘリウムの圧力又は温度を前記第２槽の
   液体ヘリウムの圧力又は温度以下の所定の値に設定、保
   持するように制御する制御装置からなることを特徴とす
   る超電導装置用クライオスタット。