JPH06185844A

JPH06185844A - 予冷装置一体型超電導マグネット用クライオスタット

Info

Publication number: JPH06185844A
Application number: JP4220427A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kato; 崇加藤; Katsumi Kono; 勝巳河野; Tadao Hiyama; 忠雄桧山; Jun Yoshida; 純吉田; Kozo Matsumoto; 孝三松本
Original assignee: Hitachi Ltd; Japan Atomic Energy Research Institute
Current assignee: Hitachi Ltd; Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 1992-08-19
Filing date: 1992-08-19
Publication date: 1994-07-08

Abstract

(57)【要約】【目的】省スペース化とともに、配管等系からの侵入熱
を抑止し、冷却効率を向上させる。【構成】低温のヘリウムガスを循環させることによって
予冷を行う超電導マグネット予冷装置において、予冷装
置１３，１４，１７を超電導マグネット用クライオスタ
ット１０内に内蔵させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、予冷装置一体型超電
導マグネット用クライオスタットに関するものである。
さらに詳しくは、この発明は、省スペース化とともに、
配管等系からの侵入熱を抑止し、冷却効率を向上させる
ことのできる、新しい予冷装置一体型の超電導マグネッ
ト用クライオスタットに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、実験室規模で日常的に使用さ
れてきている超電導マグネットは、一般的に、液体窒素
断熱槽を有するクライオスタット内に納められており、
予冷、液体ヘリウム注入、励磁試験などが行われる。こ
のうちの予冷作業においては、液体窒素を直接クライオ
スタット内に注入し、超電導マグネットを約８０Ｋまで
冷却・冷凍する。この後に、注入された液体窒素をクラ
イオスタット内に窒素を残留させないように真空引き等
を行う。窒素が残留している状態で液体ヘリウムを注入
すると、窒素が固化し、マグネット等に損傷を与えるお
それがある。したがって、予冷を低温ヘリウムガスで行
うことは、上記作業におけるマグネット損傷を防ぐとと
もに、予冷に係る労力および時間を軽減することにつな
がっている。

【０００３】最近、低温のヘリウムガスをクライオスタ
ット内へ供給し、予冷を与える超電導マグネット予冷装
置と呼ばれる装置が開発され、これをクライオスタット
に接続し、上記したような予冷作業を自動的に行う方法
が提案されてもいる。この超電導マグネット予冷装置
は、一般に、液体窒素デュワと熱交換器およびヘリウム
ブロワー等からなる構成を有している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来の超電導マグネット予冷装置においては、超電導マグ
ネットが収納されたクライオスタットに、これにほぼ同
等もしくはそれ以上の大きさを有する予冷装置を外部よ
り接続する必要があり、しかも、これらの両者を接続
し、低温予冷ガスを供給・回収するためには、真空断熱
された２本の低温移送配管（トランスファーチューブ）
を使用しなければならない。このため、システム全体が
大がかりなものとなってしまうという欠点があった。
また、超電導マグネット予冷装置では、システム的に、
予冷ガスに対して独立したループを組まなければならな
いため、予冷装置内部にバイパスライン、バイパス弁、
ライン安全弁、液体窒素注入・排出ライン等をクライオ
スタット側とは個別に設ける必要もある。以上の点は、
予冷装置としての経済的問題を内在している。

【０００５】さらに、クライオスタットと予冷装置を接
続するトランスファーチューブ部における侵入熱は、予
冷装置の予冷効率の低下につながっている。一方、ガス
駆動源である低温ヘリウムブロワは、ヘリウムガスを圧
縮する機器であるが、ヘリウムは、一般のガスより分子
量が小さいため、圧縮比を余り高く確保することができ
ない。したがって、予冷ガスを循環させるラインは、圧
力損失的に厳しい設計を強いられることになり、特に、
回収側のトランスファーチュブの内管径を大きくする必
要がある。

【０００６】この発明は、以上の通りの事情に鑑みてな
されたものであり、従来の超電導マグネット予冷装置の
欠点を解消し、省スペース化とともに、配管系等からの
侵入熱を抑止し、冷却効率を向上させることのできる、
新しい予冷装置一体型の超電導マグネット用クライオス
タットを提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するものとして、低温のヘリウムガスを循環させ
ることによって予冷を行う超電導マグネット予冷装置に
おいて、予冷装置を超電導マグネット用クライオスタッ
ト内に内蔵させてなることを特徴とする予冷装置一体型
超電導マグネット用クライオスタットを提供する。

【０００８】

【作用】この発明の予冷装置一体型超電導マグネット
用クライオスタットにおいては、予冷装置を超電導マグ
ネット用クライオスタット内に内蔵させることによっ
て、装置全体をコンパクトなものとすることができ、省
スペース化が図れる。また、従来の予冷装置との外部配
管系や予冷ガスと独立した配管系を省略することがで
き、装置構成が簡便となる。外部配管系を必要としない
ことから、予冷ガスを常温部にさらさずにすみ、侵入熱
を抑止することができる。装置の冷却効率が向上する。

【０００９】

【実施例】以下、図面に沿って実施例を示し、この発明
の予冷装置一体型超電導マグネット用クライオスタット
についてさらに詳しく説明する。図１は、この発明の予
冷装置一体型超電導マグネット用クライオスタットの一
実施例を示した断面図である。

【００１０】この図１の例においては、クライオスタッ
ト（１０）の内部に、液体窒素断熱槽（１７）を配備
し、その内部空間（２１）に超電導マグネット（１１）
を配置することができるようにしている。液体窒素断熱
槽（１７）には、その内部に、供給側熱交換器（１４）
と吸入側熱交換器（１３）を設けており、これらの各々
に、低温ヘリウムブロワ（１２）を接続している。低温
ヘリウムブロワ（１２）は、吸入ガスの状態が約８０Ｋ
の大気圧ヘリウムガスを約1.2atmまで昇圧する機器であ
り、この例においては、駆動部を常温部に設計した常温
モータタイプのものとしている。

【００１１】低温ヘリウムブロワ（１２）で大気圧から
約1.2atmまで昇圧されたヘリウムガスは、液体窒素槽
（１７）内部の供給側熱交換機（１４）において、管外
の液体窒素と熱交換し、約８０Ｋまで冷却された後、直
接予冷ガスとして超電導マグネット（１１）が納められ
ているクライオスタット内部空間（２１）の底部へ供給
される。クライオスタット内部空間（２１）で超電導マ
グネット（１１）と熱交換し、温度が上昇したヘリウム
ガスは、空間上部から回収されて液体窒素槽（１７）内
の吸熱側交換器（１３）で再び約８０Ｋまで冷却された
後、低温ヘリウムブロワ（１２）の吸入側へ戻る。

【００１２】クライオスタット内部空間（２１）と予冷
ガス供給配管は直接接続されており、外部の低温移送配
管（トランスファーチューブ）等の接続作業は、一切不
要としている。予冷用ヘリウムガスと熱交換し、蒸発し
た窒素ガスは、クライオスタット（１０）の上部から直
接機器外に放出される。

【００１３】従来では、吸入と排出ラインを結ぶバイパ
ス弁（１５）ラインが必要となっていたが、この発明で
は、クライオスタット内部空間（２１）が適切なガスバ
ッファの役目を兼ねるため、バイパス弁（１５）ライン
は一切不要となる。またこの例において、装置のハード
上の保護として、液体窒素が枯渇し、内部のヘリウムガ
スが上昇した場合を考慮し、安全弁（１６）を取り付け
てもいる。超電導マグネット（１１）の予冷が完了し、
励磁試験に入る時に、内部空間（２１）には液体ヘリウ
ムが充填された状態となるが、この安全弁（１６）は、
超電導マグネット（１１）のクエンチ時における内部空
間（２１）の急激な圧力上昇を防止する機能をも兼ねた
ものである。

【００１４】また、その他のハード構成機器として、予
冷運転開始時にヘリウムガスを内部に充填するためのヘ
リウムガスボンベ（２０）と大気圧まで減圧するための
減圧弁（２２）を配設している。次に、具体的な予冷手
順を以下に述べる。超電導マグネット（１１）を予冷す
る前段階として、まず、クライオスタット（１０）内部
に超電導マグネット（１１）を配置し、トップフランジ
（１８）のセンター部に取り付け、内部の真空排気を行
う。真空排気終了後、ガスボンベ（２０）から減圧弁
（２２）を通してヘリウムガスを内部空間（２１）およ
び低温ヘリウムブロワ（１２）に至るヘリウムガスライ
ンへ導入し、系のヘリウム置換を行う。

【００１５】系内にヘリウムガスが充填された後、液体
窒素槽（１７）に液体窒素の充填を開始する。液体窒素
は、予冷運転中に消費される量だけは常に自動的に補給
されるものとする。液体窒素の液位が十分な高さに達し
た時点で、低温ヘリウムブロワ（１２）を起動させ、予
冷ガスの循環を開始する。供給側熱交換器（１４）によ
り、クライオスタット内部空間（２１）へ供給された予
冷ガス温度は常に８０Ｋに保たれる。そのため、超電導
マグネット（１１）の予冷時間制御は、予冷ガスの流
量、すなわち低温ヘリウムブロワ（１２）の回転数を制
御することにより簡単に行うことができる。

【００１６】超電導マグネット（１１）の予冷当初で
は、マグネットおよび支持構造体の温度が常温（約300
Ｋ）であるため、回収ガス（吸入側熱交換器（１３）の
入口ガス）温度は常温に近い。しかしながら、予冷が進
むにしたがい、マグネット温度は300 Ｋから８０Ｋまで
徐々に降下する。また、回収ガスの温度も徐々に降下し
ていくが、吸熱側熱交換器（１３）は、最大負荷（約30
0 Ｋのヘリウムガス）に対して設計することにより、低
温ヘリウムブロワ（１２）の吸熱温度は常に一定とする
ことができるため、安定した運転が可能となる。

【００１７】超電導マグネット（１１）の代表温度が約
100 Ｋまで降下した時点で、低温ヘリウムブロワ（１
２）を停止し、予冷ガスの供給を止める。その後、最終
的にクライオスタット内部空間（２１）を液体ヘリウム
で満たし、超電導マグネット（１１）を４Ｋレベルにプ
ール冷却状態にして予冷作業を終了する。

【００１８】図２は、低温モータ採用の低温ヘリウムブ
ロワを採用した、この発明の装置の別の例を示した断面
図である。この図２の例においては、窒素蒸発ガスをブ
ロワモータ（５２）部に導き、モータ駆動の冷却を行う
ものである。したがって、低温モータタイプでは、駆動
部からの侵入熱が大幅に低減されるため、ブロワ（５
２）の断熱圧縮効率が上昇し、排出ガスのエンタルピを
低下させることができる。その結果として、液体窒素の
消費量が、図１に例示した常温モータタイプに対し、低
減されることとなる。

【００１９】もちろんこの発明は、以上の例によって限
定されるものではない。細部については様々な態様が可
能であることはいうまでもない。

【００２０】

【発明の効果】以上詳しく説明した通り、この発明によ
って、予冷装置用液体槽、トランスファーチューブ、バ
イパスライン、個別のリリーフ弁の廃止などの省スペー
ス化とともに、フロー上の簡略化等が実現される。ま
た、低温予冷ガスは、系外の常温部を流れず、すべてク
ライオスタット内部で循環されるため、プロセス上の侵
入熱が大幅に低減され、液体窒素の消費量を減少させる
ことができる。システムの冷却効率が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の予冷装置一体型超電導マグネット用
クライオスタットの一実施例を示した断面図である。

【図２】この発明の別の例を示した断面図である。

【符号の説明】

１０，５０クライオスタット１１，５１超電導マグネット１２，５２低温ヘリウムブロワ１３，５３吸入側熱交換器１４，５４供給側熱交換器１５バイパス弁１６，５５安全弁１７，５７液体窒素断熱槽１８，５８トップフランジ１９，５９バッフル板２０，６０ヘリウムガスボンベ２１，６１内部空間２２，６２減圧弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者桧山忠雄茨城県那珂郡那珂町大字向山801番地の１日本原子力研究所那珂研究所内 (72)発明者吉田純山口県下松市東豊井794番地株式会社日立製作所笠戸工場内 (72)発明者松本孝三山口県下松市東豊井794番地株式会社日立製作所笠戸工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】低温のヘリウムガスを循環させることに
よって予冷を行う超電導マグネット予冷装置において、
予冷装置を超電導マグネット用クライオスタット内に内
蔵させてなることを特徴とする予冷装置一体型超電導マ
グネット用クライオスタット。
【請求項２】クライオスタット内部に液体窒素断熱槽
を配設し、かつこの液体窒素断熱層を介して、ヘリウム
ガス供給源と超電導マグネットが配置される内部空間と
を接続する予冷ヘリウムガス循環ラインをクライオスタ
ット内部に設けてなる請求項１の予冷装置一体型超電導
マグネット用クライオスタット。