JPH0596028U - 加圧超流動ヘリウムの生成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 セパレータの貫通穴と弁との隙間を削減し、
かつセパレータ及び弁の熱伝導率を低く維持することに
より、セパレータを境とする断熱性を高める。 【構成】 容器１０内をセパレータ１２で上下に仕切
り、このセパレータ１２の貫通穴１３を安全弁１６で開
閉する装置。安全弁１６の外周部３６及びセパレータ１
２の貫通穴周縁部３８のみをステンレス鋼等の金属材料
で形成し、その他の部分、すなわち安全弁１６本体及び
セパレータ１２本体を熱伝導率の低い非金属材料で形成
する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、超電導マグネットの冷却等に用いられる加圧超流動ヘリウムの生成 方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

ｉ）加圧超流動ヘリウムについて 図６は、ヘリウムの状態図を示したものである。

【０００３】 大気圧下におけるヘリウム（常流動ヘリウム；以下ＨｅＩと称する）は、沸点 が４.２Ｋであるが、その蒸発ガスを排気して減圧していくと、ヘリウムの温度 は図６に示す液ガス共存曲線Ｌに沿って下降する。そして、この温度が２.１７ Ｋ以下になると（例えば図の点Ｐ₁）、ＨｅＩは相転移して飽和超流動ヘリウム （以下、飽和ＨｅIIと称する。）となる。この飽和ＨｅIIは、ＨｅＩに比して熱 伝導率が高く、また比熱も大きいため、超電導マグネット等を冷却するための寒 剤として優れた性質を有している。

【０００４】 さらに、この飽和ＨｅIIを低温にしたまま（図例では１.８Ｋ）、何らかの方 法によってほぼ大気圧まで加圧すると（図の点Ｐ₂）、過冷却ＨｅII、一般には 加圧ＨｅIIと呼ばれる状態に変わる。この加圧ＨｅIIは、上記液ガス共存曲線Ｌ 上の飽和ＨｅIIに比べ、より冷却性能に優れているため、この生成方法の開発が 活発に進められている。

【０００５】 ii）従来の加圧ＨｅIIの生成方法 上記加圧ＨｅIIを生成する装置としては、特開平４−８４０７５号公報に示さ れるものが知られている。この装置を図７に示す。

【０００６】 同図の容器８０は、断熱材で覆われ、かつその内部が断熱材からなるセパレー タ（仕切り部材）８２で上下に仕切られており、このセパレータ８２の下方に保 冷領域である下部槽８４が形成されている。セパレータ８２には貫通穴８３が設 けられ、これを開閉する位置に安全弁８６が配されている。上記下部槽８４内に は、図略の超電導マグネットと、その周囲を取り巻く飽和ＨｅII容器９０が配設 され、この飽和ＨｅII容器９０の入口はニードルバルブからなるＪＴ弁９２を介 してセパレータ１２の上方の空間に連通され、出口は排気管９４を介して図外の 真空ポンプに接続されている。容器８０の上部には容器内外を連通するＨｅガス 管９６が設けられ、このＨｅガス管９６には、排気用の真空ポンプ及びＨｅガス 圧入用の圧縮機が選択的に接続されるようになっている。

【０００７】 加圧ＨｅIIの生成は例えば次のようにして行われる。まず、図７二点鎖線に示 すように安全弁８６を開くとともに、容器内にＨｅＩを入れる。この時のＨｅＩ の液面レベル９８はセパレータ８２の上面よりも高くする。次に、真空ポンプを 作動させて容器８０内の蒸発ＨｅガスをＨｅガス管９６を通じて排気し、容器８ ０内を減圧していくと、液体Ｈｅの一部が蒸発潜熱を奪って蒸発することにより 、残りのＨｅＩの温度及び圧力が前記図６の液ガス共存曲線Ｌに沿って次第に下 降し、やがて飽和ＨｅIIとなるが、この時点で安全弁８６を閉じる。これにより 、飽和ＨｅIIの上部と下部とがセパレータ８２を境として断熱状態となるが、安 全弁８６とセパレータ８２との間には若干の隙間があるため、セパレータ８２の 上下の圧力は互いに均等に保たれる。従って、この状態から図外の圧縮機により Ｈｅガス管９６を通じて容器８０内にＨｅガスを供給し、容器８０内を略大気圧 まで加圧すれば、保冷領域である下部槽８４内にある飽和ＨｅIIは低温状態に保 たれたままほぼ大気圧まで加圧されることとなり、これにより、加圧Ｈｅ槽８４ 内に加圧ＨｅIIが生成される。

【０００８】

【考案が解決しようとする課題】

上記装置では、セパレータ８２を境として断熱状態を形成する必要があるため 、このセパレータ８２及び安全弁８６の材料としては、熱伝導率の小さなＦＲＰ 等の非金属材料が一般に使用される（例えば低温工学 Vol.16 No.1(1981)「加圧 超流動ヘリウム・クライオスタットの試作」参照）。

【０００９】 一方、上記下部槽８４内への熱侵入を抑えるには、貫通穴８３の内周面と安全 弁８６外周面との隙間から下部槽８４内に流入する液体ヘリウムをなるべく微量 に抑えることが肝要である。このためには、安全弁８６の外周表面及びセパレー タ８２における貫通穴８３の内表面に機械加工を施し、両面の隙間を極力小さく する必要がある。

【００１０】 しかしながら、上記のように、断熱の観点からセパレータ８２及び安全弁８６ としてＦＲＰ等の非金属材料を選択した場合には、安全弁８６の外周面及び貫通 穴８３の内表面の機械加工精度に限界があり、隙間の低減は困難である。

【００１１】 また近年は、セパレータ８２を機械加工が容易なステンレスで形成するととも に、このセパレータ８２を真空容器として断熱を図るようにしたものも知られて いるが、このような構造では、セパレータ８２内を真空にしなければならないた めに製作に多大の手間を要し、また、万が一真空が破れた場合には膨張、破裂を 招くおそれがある。

【００１２】 本考案は、このような事情に鑑み、仕切り部材及び弁自身の熱伝導を抑え、か つ仕切り部材の貫通穴と弁との隙間を通じての液体ヘリウムの流通を抑えること により、良好な断熱状態を形成することができる加圧ＨｅIIの生成装置を提供す ることを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】

本考案は、液体ヘリウムを収容する容器と、この容器内をほぼ断熱状態で上下 に仕切り、かつ上下に貫通する貫通穴をもつ仕切り部材と、この仕切り部材に対 して接離することにより上記貫通穴を開閉する弁とを備えた加圧超流動ヘリウム の精製装置において、上記仕切り部材において弁が接触する表面部分、上記弁に おいて上記仕切り部材と接触する表面部分の少なくとも一方を金属材料で形成し 、それ以外の上記仕切り部材及び弁の部分を上記金属材料よりも熱伝導率の低い 非金属材料で形成したものである。

【００１４】 なお、「上記仕切り部材において弁が接触する表面部分、上記弁において上記 仕切り部材と接触する表面部分の少なくとも一方を金属材料で形成し、」とある のは、厳密にこれらの部分のみを金属材料で形成しなければならないことを必ず しも意味せず、これらの部分以外の部分に若干金属材料による領域がはみ出して いてもよい。

【００１５】

【作用】

上記構成によれば、仕切り部材及び弁が相互接触する表面部分の少なくとも片 側を金属材料で形成することにより、この表面、すなわち相手方と接触する面を 高精度で機械加工することができる。これにより、両面の隙間が削減され、この 隙間を通じての液体ヘリウムの流通が抑制される。しかも、仕切り部材本体及び 弁本体は従来と同様に金属材料よりも熱伝導率の低い非金属材料で形成すること により、仕切り部材及び弁本体自身による熱伝導を抑制できる。

【００１６】

【実施例】

本考案の第１実施例を図１〜図３に基づいて説明する。

【００１７】 図２は、本実施例における加圧ＨｅII生成装置を示した図であり、図３はその 模式図である。この装置は、断熱材で覆われた容器１０を備え、この容器１０内 は断熱材からなるセパレータ（仕切り部材）１２によって上下に仕切られており 、このセパレータ１２の下方に保冷領域である下部槽１４が形成されている。セ パレータ１２の中央には、下方に向かうに従って縮径するテーパー状の貫通穴１ ３が設けられ、この貫通穴１３を開閉する位置に、同じくテーパー状の安全弁１ ６が配設されている。

【００１８】 上記下部槽１４内には、図２に示すような超電導マグネット１８が収容され、 その周囲にドーナツ状の飽和ＨｅII容器２０が配設されている。このＨｅII容器 ２０の入口は、ニードルバルブからなるＪＴ弁２２を介して上記セパレータ１２ の上方の空間に連通されており、出口は、排気管２４を介して図外の真空ポンプ に接続されている。

【００１９】 容器１０の上端部には、その内外を連通するＨｅガス管２６が設けられている 。このＨｅガス管２６により、後述のようにセパレータ１２よりも上方の領域の 圧力は常にほぼ大気圧に維持されている。

【００２０】 図１に示すように、上記セパレータ１２の上面には、ハウジング３０が固定さ れている。このハウジング３０の上壁には、上記安全弁１６に連結されたロッド １７を通す貫通穴３１が設けられ、側壁にも液体Ｈｅ流通用の貫通穴３２が設け られている。そして、上記上壁と安全弁１６との間にスプリング３４が圧入され ることにより、その弾発力で安全弁１６が閉位置まで押し下げられている。

【００２１】 さらに、この装置の特徴として、上記安全弁１６の外周部３６及びセパレータ １２の貫通穴周縁部３８がステンレス鋼からなる円錐状筒部材で構成されており 、その表面、すなわち安全弁外周部３６と貫通穴周縁部３８が相互接触する面に 機械加工が施されている。

【００２２】 これに対し、安全弁１６及びセパレータ１２のその他の部分（以下、安全弁１ ６本体及びセパレータ１２本体と称する。）は、従来と同様にＦＲＰで形成され ており、セパレータ１２本体に上記貫通穴周縁部３８が、上記安全弁１６本体に 上記外周部３６が、それぞれ接着剤で固定されている。

【００２３】 なお、図２において４２は、予冷後の液体窒素を排出し、もしくは初期の液体 ヘリウムを注入するための液体Ｈｅ移送弁であり、その下方には、セパレータ１ ２から下部槽１４底部にまで至る案内管５０が設けられている。

【００２４】 このような装置においても、例えば前記図７で示した従来方法と同様の方法で 、下部槽１４に加圧ＨｅIIを発生させることができる。すなわち、安全弁１６を 開いた状態で容器１０内にＨｅＩを入れた後、真空ポンプにより容器１０内の蒸 発ＨｅガスをＨｅガス管２６を通じて排気し、容器１０内を減圧して容器内に飽 和ＨｅIIを発生させた後、安全弁１６を閉じてセパレータ１２を境とする断熱状 態を形成し、この状態から図外の圧縮機によりＨｅガス管２６を通じて容器１０ 内にＨｅガスを供給し、容器１０内を略大気圧まで加圧することにより、保冷領 域である下部槽１４内に加圧ＨｅIIを発生させることができる。

【００２５】 ここで、上記安全弁外周部３６及び貫通穴周縁部３８はステンレス鋼で形成さ れているので、従来のようにセパレータ１２及び安全弁１６全体がＦＲＰで形成 されているものに比べ、安全弁外周面及び貫通穴内周面の機械加工精度が大幅に 向上し、これによって両面間の隙間を大幅に削減することが可能となっている。 従って、上記加圧工程時に上記隙間を通じて下部槽１４内に流入する液体ヘリウ ムの量を極めて僅かに抑えることができ、この流入による熱侵入量を大幅に削減 することができる。しかも、セパレータ１２本体及び安全弁１６本体は従来と同 様に熱伝導率の低いＦＲＰで形成されているので、セパレータ１２及び安全弁１ ６自体を媒体とする熱伝導量も従来とほぼ同じレベルに抑えることができる。従 って、従来装置に比べてセパレータ１２を境とする断熱度合いをより高めること ができ、これによって下部槽１４内の冷却、保冷効率をより高めることができる 。

【００２６】 なお、この実施例では、安全弁外周部３６及び貫通穴周縁部３８の全域をステ ンレス鋼で形成しているため、このステンレス鋼による形成領域が、厳密には安 全弁１６とセパレータ１２との相互接触部分からはみ出した状態となっているが 、このようなはみ出し領域は、セパレータ１２及び安全弁１６による断熱性能を 損なわないかぎりで存在していてもよい。また、ステンレス鋼形成部分の厚みは 、熱伝導率の低減の観点から可能な限り薄くすることが望ましい。

【００２７】 第２実施例を図４に示す。ここでは、セパレータ１２の貫通穴周縁部３８のみ をステンレス鋼で形成し、セパレータ１２本体及び安全弁１６全体をＦＲＰで形 成している。このように、本考案では、セパレータ１２の貫通穴周縁部３８、安 全弁外周部３６の少なくとも一方をステンレス鋼で形成することにより、従来と 比べて隙間の削減を図ることが可能である。

【００２８】 次に、第３実施例を図５に基づいて説明する。この実施例では、上記安全弁１ ６でなく、前記図２に示した液体Ｈｅ移送用弁４２について、本考案の特徴とな る構造が適用されている。

【００２９】 図において、セパレータ１２には、これを上下に貫通する貫通穴４０が設けら れ、その下部は下方に向かうに従って拡径するテーパー状とされている。この貫 通穴４０内に、上記液体Ｈｅ移送用弁４２が挿入されており、この液体Ｈｅ移送 用弁４２の下部は、上記貫通穴４０の下部と合致するテーパー状に形成されてい る。セパレータ１２の上面と、液体Ｈｅ移送用弁４２に形成された段部４４との 間にはスプリング４３が圧入され、その弾発力で液体Ｈｅ移送用弁４２が押し上 げられることにより、この液体Ｈｅ移送用弁４２下部のテーパー部分と貫通穴４ ０下部のテーパー部分とが接触した状態、すなわち貫通穴４０が閉じた状態が保 持されている。そして、この状態から上記液体Ｈｅ移送用弁４２が図外のロッド で強制的に押し下げられることにより、上記貫通穴４０が開き、下部槽１４に対 する液体Ｈｅの出入りが行われるようになっている。

【００３０】 さらに、この装置の特徴として、この液体Ｈｅ移送用弁４２の下部の外周部４ ６と、上記貫通穴４０の下部の周縁部４８とがステンレス鋼製の筒状部材で形成 され、セパレータ１２本体及び液体Ｈｅ移送用弁４２本体とがＦＲＰで形成され ており、セパレータ１２本体に上記貫通穴下部周縁部４８が、液体Ｈｅ移送用弁 ４２本体に上記弁下部外周部４６がそれぞれ接着剤で固定されている。

【００３１】 この実施例に示すように、本考案の特徴となる構造は、セパレータ１２におい て弁により開閉される部分に広く適用することができる。

【００３２】 なお、本考案は以上の実施例に限定されるものではなく、例として次のような 態様を採ることも可能である。

【００３３】 (1) 前記第１実施例では、セパレータ１２の貫通穴周縁部３８全体、及び安全 弁１６の外周部３６全体をステンレス鋼で形成したものを示したが、これら貫通 穴周縁部３８及び安全弁外周部３６において、少なくとも両者が相互接触する領 域をステンレス鋼で形成すれば、本考案の効果を得ることができる。

【００３４】 (2) 本考案における「金属材料」及び「非金属材料」は、上記ステンレス鋼及 びＦＲＰに限定されるものではなく、金属材料としては、高い機械加工精度が得 られて熱伝導率が比較的低い材料、非金属材料としては熱伝導率が金属材料より も十分低い材料を好適に使用することができる。例えば、上記金属材料としては 、上記ステンレス鋼の他、ニオブ、チタン、マンガニン（銅合金）等が好適であ り、非金属材料としては、ナイロン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエステ ル等に代表される樹脂や、ベークライト、硝子、グラファイト等を適用すること ができる。

【００３５】 (3) 本考案装置において、加圧ＨｅIIを生成するための具体的な方法は問わな い。例えば、前記実施例に示した装置において、減圧を行うことなく大気圧状態 で安全弁１６を閉じ、飽和Ｈｅ容器２０内のヘリウムの蒸発で下部槽１４内の液 体Ｈｅのまま加圧状態で冷却し、直接加圧ＨｅIIを生成する場合にも、本考案は 有効に作用することとなる。

【００３６】

【考案の効果】

以上のように本考案は、液体ヘリウムの容器内を断熱状態で上下に仕切るため の仕切り部材の貫通穴周縁部分、上記貫通穴を開閉する弁の外周部分の少なくと も一方を金属材料で形成し、それ以外の上記仕切り部材及び弁の部分を金属材料 よりも熱伝導率の低い材料で形成したものであるので、従来のように仕切り部材 及び弁全体がＦＲＰ等の非金属材料で形成されているものに比べ、弁外周面及び 貫通穴内周面の機械加工精度が大幅に向上し、これによって両面間の隙間を大幅 に削減することが可能である。このため、上記隙間における液体ヘリウムの流通 量を極めて僅かに抑えることができ、この流通による熱侵入量を大幅に削減する ことができる。しかも、仕切り部材本体及び弁本体は従来と同様に熱伝導率の低 い非金属材料で形成されているので、仕切り部材及び弁自体を媒体とする熱伝導 量も従来とほぼ同じレベルに抑えることができる。従って、従来装置に比べて仕 切り部材を境とする断熱度合いをより高めることができ、これによって液体ヘリ ウムの冷却、保冷効率をより高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の第１実施例における加圧ＨｅII装置の
要部を示す断面図である。

【図２】上記加圧ＨｅII生成装置の全体断面図である。

【図３】上記加圧ＨｅII生成装置の模式図である。

【図４】本考案の第２実施例における加圧ＨｅII装置の
要部を示す断面図である。

【図５】本考案の第３実施例における加圧ＨｅII装置の
要部を示す断面図である。

【図６】Ｈｅの状態図である。

【図７】従来の加圧ＨｅII発生装置の模式図である。

【符号の説明】

１０ 容器 １２ セパレータ（仕切り部材） １３ 貫通穴 １６ 安全弁 ３６ 安全弁外周部 ３８ セパレータの貫通穴周縁部 ４０ 貫通穴 ４２ 液体Ｈｅ移送用弁 ４６ 液体Ｈｅ移送用弁外周部 ４８ セパレータの貫通穴周縁部

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 液体ヘリウムを収容する容器と、この容
   器内をほぼ断熱状態で上下に仕切り、かつ上下に貫通す
   る貫通穴をもつ仕切り部材と、この仕切り部材に対して
   接離することにより上記貫通穴を開閉する弁とを備えた
   加圧超流動ヘリウムの精製装置において、上記仕切り部
   材において弁が接触する表面部分、上記弁において上記
   仕切り部材と接触する表面部分の少なくとも一方を金属
   材料で形成し、それ以外の上記仕切り部材及び弁の部分
   を上記金属材料よりも熱伝導率の低い非金属材料で形成
   したことを特徴とする加圧超流動ヘリウムの生成装置。