JPH0797664B2 - Superfluid helium cooling device - Google Patents
Superfluid helium cooling deviceInfo
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- JPH0797664B2 JPH0797664B2 JP62057061A JP5706187A JPH0797664B2 JP H0797664 B2 JPH0797664 B2 JP H0797664B2 JP 62057061 A JP62057061 A JP 62057061A JP 5706187 A JP5706187 A JP 5706187A JP H0797664 B2 JPH0797664 B2 JP H0797664B2
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- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、超流動ヘリウムにより被冷却体を冷却する超
流動ヘリウム冷却装置に係り、例えば超電導コイルの冷
却に好適なものに関する。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a superfluid helium cooling device that cools an object to be cooled with superfluid helium, and is suitable for cooling a superconducting coil, for example.
ヘリウムは1.8K〜2.1K以下の温度において通常のヘリウ
ムとは特性の異なる超流動と称される状態を呈すること
が知られている。このような超流動ヘリウムは粘性が殆
んど零に近く熱伝達特性に優れていることから、超電導
コイルなどの冷却に特に有効とされている。It is known that helium exhibits a state called superfluidity, which has different properties from ordinary helium at temperatures below 1.8K to 2.1K. Since such superfluid helium has a viscosity almost close to zero and excellent heat transfer characteristics, it is particularly effective for cooling superconducting coils.
従来、ヘリウムの超流動状態を生成或いは維持する方法
として、例えば被冷却体が浸漬されたヘリウムを収容す
る容器内を減圧し、これにより蒸発するヘリウムの蒸発
潜熱を冷却源とすることが行なわれていた。Conventionally, as a method of generating or maintaining a superfluid state of helium, for example, depressurizing the inside of a container containing helium in which the object to be cooled is immersed, and using the latent heat of evaporation of helium as a cooling source is performed. Was there.
しかし、この方法によると、容器内の超流動ヘリウムが
減少することから連続的な使用が制限されるという問題
があった。また。この場合においてヘリウムを連続的に
補給することも考えられるが、補給のためのヘリウム供
給管路からの熱浸入による蒸発分が多いこと、減圧状態
を維持する減圧ポンプの容量が大きくなること等から、
特に小形の装置では冷却効率、能力が著しく低くなると
いう問題がある。However, this method has a problem that continuous use is limited because the amount of superfluid helium in the container is reduced. Also. In this case, continuous supply of helium may be considered, but due to the large amount of evaporation due to heat intrusion from the helium supply pipeline for supply, the capacity of the pressure reducing pump for maintaining a reduced pressure state increases, etc. ,
Especially, in a small-sized device, there is a problem that the cooling efficiency and the capacity are significantly lowered.
なお、上記の方法によらず、大気圧下で超流動ヘリウム
を生成する方法が特公昭60−4121号公報に記載されてい
る。しかし、超電導コイルなどの冷却に用いる場合にお
いて、超電導コイルをクライオスタットから出し入れ可
能とするには、同公報第6図(d)又は(c)に示され
た構造のものとしなければならない。すなわち、一つの
容器を仕切板を介して上下に区画し、上部を通常の液体
ヘリウム室とし下部を超流動ヘリウム室とし、下部の超
流動ヘリウムを別の冷却源で冷却するとともに、仕切板
と容器との間隙に形成されるヘリウム通路の温度勾配を
十分なものとすべく、その間隙を微小(例えば10〜50μ
m)にした構造のものとなる。Incidentally, a method of producing superfluid helium under atmospheric pressure, regardless of the above method, is described in Japanese Patent Publication No. 60-4121. However, when it is used for cooling a superconducting coil or the like, the structure shown in FIG. 6 (d) or (c) of the publication must be adopted in order to be able to take the superconducting coil in and out of the cryostat. That is, one container is divided into upper and lower parts through a partition plate, the upper part is a normal liquid helium chamber, the lower part is a superfluid helium chamber, and the lower superfluid helium is cooled by another cooling source. To ensure a sufficient temperature gradient in the helium passage formed in the gap with the container, make the gap very small (for example, 10 to 50 μm).
m).
しかしながら、このような微小間隙を形成することは、
容器の内径が小さければ可能であるが、内径が数10cm〜
1m以上のものの場合には加工技術上から困難であるとい
う問題がある。However, forming such a minute gap is
It is possible if the inner diameter of the container is small, but the inner diameter is several 10 cm ~
If the length is more than 1 m, there is a problem that it is difficult due to processing technology.
本発明の目的は、上記従来の問題点を解決すること、言
い換えれば、連続使用を可能としかつ加工技術を問題に
することなく大形化を可能にするとともに、冷却能力を
向上できる超流動ヘリウム冷却装置を提供することにあ
る。An object of the present invention is to solve the above-mentioned conventional problems, in other words, to enable continuous use and to increase the size without making the processing technique a problem, and to improve the cooling capacity of superfluid helium. It is to provide a cooling device.
本発明は、上記目的を達成するため、被冷却体が浸漬さ
れる超流動ヘリウムを貯留する密閉容器と、この容器内
の超流動ヘリウム液面の上方に挿入開口された液体ヘリ
ウム供給管と、この供給管の開口端に設けられた気液分
離器と、この気液分離器の底部に連通され他端部が前記
容器内に開放されてなる膨張弁と、前記気液分離器内の
気体ヘリウムを外部に送出する排気管路と、前記容器内
の気体ヘリウムを排気して所定の圧力に減圧保持する減
圧ポンプと、を含んでなる超流動ヘリウム冷却装置とし
たことにある。The present invention, in order to achieve the above object, a closed container for storing superfluid helium in which the object to be cooled is immersed, a liquid helium supply pipe inserted and opened above the superfluid helium liquid level in the container, A gas-liquid separator provided at the open end of the supply pipe, an expansion valve communicating with the bottom of the gas-liquid separator and having the other end opened into the container, and a gas in the gas-liquid separator. The superfluid helium cooling device includes an exhaust pipe line that sends helium to the outside, and a decompression pump that evacuates the gaseous helium in the container and holds the decompression at a predetermined pressure.
このように構成することにより、液体ヘリウム供給管か
ら補給される液体ヘリウムは熱侵入などにより気液混合
相となっているが、気液分離器により気相と液相とに完
全に分離される。そして、気体ヘリウムは排気管路を通
って容器外へ送出されるので減圧ポンプの負荷とはなら
ない。一方、分離されて気液分離器の底部に溜った液体
ヘリウムは膨張弁を通って容器内に流出される。このと
き、容器内は減圧ポンプにより所定の低圧、即ち容器底
部に溜った液体ヘリウムが超流動状態を呈する圧力に保
持されているので、膨張弁を介して容器内に流出される
液体ヘリウムは等エンタルピー膨張し、効率よく冷却さ
れて超流動ヘリウムとなり、被冷却体を冷却する。With this structure, the liquid helium replenished from the liquid helium supply pipe is in a gas-liquid mixed phase due to heat entry or the like, but is completely separated into a gas phase and a liquid phase by the gas-liquid separator. . Further, since the gaseous helium is sent out of the container through the exhaust pipe line, it does not become a load on the decompression pump. On the other hand, the liquid helium separated and accumulated at the bottom of the gas-liquid separator flows through the expansion valve into the container. At this time, since the inside of the container is kept at a predetermined low pressure by the decompression pump, that is, the liquid helium accumulated at the bottom of the container is maintained at a pressure in a superfluid state, the liquid helium discharged into the container through the expansion valve is It undergoes enthalpy expansion and is cooled efficiently to become superfluid helium, which cools the object to be cooled.
すなわち、液体ヘリウムを補給することにより連続使用
が可能となり、また補給の管路等における熱侵入分は気
液分離器により分離して系外へ排出されるので、冷却効
率が高く保持されることになる。また、気液分離器は簡
単な構成であるとともに、減圧により超流動ヘリウムを
生成するようにしていることから大形化には何ら問題を
生ずることがない。That is, replenishment of liquid helium enables continuous use, and the heat intrusion in the replenishment pipeline, etc. is separated by the gas-liquid separator and discharged to the outside of the system, so high cooling efficiency is maintained. become. Further, since the gas-liquid separator has a simple structure and is designed to generate superfluid helium by decompression, there is no problem in upsizing.
以下、本発明を実施例に基づいて説明する。 Hereinafter, the present invention will be described based on examples.
(第1実施例) 第1図に本発明の一実施例の模式構成図を示す。第1図
に示すように、被冷却体としての超電動コイル1は縦形
円筒状の容器2内の底部に収納可能とされている。容器
2の底部には超流動ヘリウム3が超電導コイル1を浸す
ように貯留される。容器2の外皮は図示しない積層断熱
材で覆われ、さらに全体が真空容器4内に収められ、高
い断熱性が維持されている。(First Embodiment) FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the super-electric coil 1 as the cooled object can be housed in the bottom of a vertical cylindrical container 2. Superfluid helium 3 is stored at the bottom of the container 2 so as to immerse the superconducting coil 1. The outer skin of the container 2 is covered with a laminated heat insulating material (not shown), and the whole is housed in the vacuum container 4 to maintain high heat insulating properties.
容器2の上端は超電導コイル1を出入れ可能な開口とさ
れ、その開口はフランジ5により密閉されるようになっ
ている。このフランジ5から垂下させて二重管構造の気
液分離器6が取付けられている。なお、気液分離器6は
外部からの熱侵入を防止するため、熱伝導率の小さいス
テンレス鋼等により形成されている。気液分離器6は第
2図(A)に示すように、それぞれ有底の外管6aに内管
6bを同心状に挿入し、内管6bの下部管壁の周方向に吹出
し孔6cを適宜穿設した構造となっている。また、吹出し
孔6cは同図(B)に示す同図(A)矢視II B−II Bにお
ける断面図のように、吹出し流が旋回流となるように接
線方向に傾けて形成されている。一方、外管6aの底には
管路7を介して膨張弁8が連通され、この膨張弁8の他
端は超流動ヘリウム3の液面近傍に開口されている。管
路7には弁9を有する初期注入管10が分岐して設けら
れ、その先端は容器2の底部に位置されている。なお、
気液分離器6によって分離されたヘリウムガスの排気
は、外管6aに連通された排気管11を介して大気へ放出す
るようになっている。The upper end of the container 2 is an opening through which the superconducting coil 1 can be inserted and withdrawn, and the opening is sealed by a flange 5. A gas-liquid separator 6 having a double pipe structure is attached so as to hang down from the flange 5. The gas-liquid separator 6 is formed of stainless steel or the like having a low thermal conductivity in order to prevent heat from entering from the outside. As shown in FIG. 2 (A), the gas-liquid separator 6 has an inner tube and an outer tube 6a each having a bottom.
6b is inserted concentrically, and a blowout hole 6c is appropriately formed in the circumferential direction of the lower pipe wall of the inner pipe 6b. Further, as shown in the sectional view taken along the line IIB-IIB in the figure (A) shown in FIG. 9B, the blowout hole 6c is formed so as to be inclined in the tangential direction so that the blowout flow becomes a swirl flow. . On the other hand, an expansion valve 8 is connected to the bottom of the outer pipe 6a via a pipe line 7, and the other end of the expansion valve 8 is opened near the liquid surface of the superfluid helium 3. An initial injection pipe 10 having a valve 9 is provided in a branched manner in the pipe line 7, and its tip is located at the bottom of the container 2. In addition,
The exhaust gas of the helium gas separated by the gas-liquid separator 6 is discharged to the atmosphere via the exhaust pipe 11 which is in communication with the outer pipe 6a.
容器2内の超流動ヘリウム3の液面上方に位置させて気
化ガスにより冷却されるように、熱伝導性の高い多孔板
12が多層に配設されており、この多孔板12は管路7と熱
的に接触させて設けられている。A porous plate having high thermal conductivity so that it is positioned above the liquid surface of the superfluid helium 3 in the container 2 and cooled by vaporized gas.
12 are arranged in multiple layers, and the perforated plate 12 is provided in thermal contact with the pipe 7.
また、容器2内の上部には減圧ポンプ13が設けられてお
り、この減圧ポンプ13はフランジ5に取付けられた可変
速モータ14により駆動される。減圧ポンプ13の吸込管15
の先端は容器4内に開口され、吹出管16は外部に引出さ
れている。A decompression pump 13 is provided in the upper part of the container 2, and the decompression pump 13 is driven by a variable speed motor 14 attached to the flange 5. Vacuum pump 13 suction pipe 15
Is opened at the inside of the container 4, and the blow-out pipe 16 is drawn out to the outside.
一方、ヘリウムの補給は液体ヘリウムデュワ20から液体
ヘリウム供給管21を介してなされるようになっている。
液体ヘリウム供給管21の一端はデェワ20の底部近傍まで
挿入され、他端は気液分離器6の内管6bに連通されてい
る。また、デェワ20の口元には仕切弁22を介して加圧ガ
スを供給する加圧ガス系が連通されている。液体ヘリウ
ム供給管21の外周には熱侵入を低減するため二重の熱遮
へい板23,24が同心状に設けられ、それらの間隙は真空
にされている。また、熱遮へい板23には気液分離器6の
排気管11が、熱遮へい板24には減圧ポンプ13の吐出管16
が、それぞれ長手方向に沿って熱的に接触させて設けら
れている。On the other hand, helium is supplied from the liquid helium dewar 20 through the liquid helium supply pipe 21.
One end of the liquid helium supply pipe 21 is inserted up to near the bottom of the dewa 20, and the other end is connected to the inner pipe 6b of the gas-liquid separator 6. Further, a pressurized gas system for supplying a pressurized gas through a sluice valve 22 is connected to the mouth of the dewa 20. Double heat shield plates 23 and 24 are concentrically provided on the outer periphery of the liquid helium supply pipe 21 to reduce heat intrusion, and a gap between them is evacuated. The heat shield plate 23 is provided with the exhaust pipe 11 of the gas-liquid separator 6, and the heat shield plate 24 is provided with the discharge pipe 16 of the decompression pump 13.
Are provided in thermal contact with each other along the longitudinal direction.
ここで、減圧ポンプ13と可変速モータ14の詳細を第3図
〜第5図を用いて説明する。第3図に示すように、モー
タ14はモータフランジ40を介して容器2のフランジ5に
設けられた開口部にモータ軸41を容器2内に突出させて
取付けられている。一方、減圧ポンプ13はアルミ合金な
どの金属からなる羽根車31とこれと協働してポンプ室を
形成するポンプケース32を有してなり、ポンプケース32
は断熱材からなる支持ケース33を介してモータフランジ
40に固定され、羽根車31はモータ軸41の先端に固着され
ている。Here, details of the decompression pump 13 and the variable speed motor 14 will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 3, the motor 14 is attached through a motor flange 40 to an opening provided in the flange 5 of the container 2 with a motor shaft 41 protruding into the container 2. On the other hand, the decompression pump 13 includes an impeller 31 made of a metal such as aluminum alloy and a pump case 32 that cooperates with the impeller 31 to form a pump chamber.
Is a motor flange through a support case 33 made of heat insulating material.
It is fixed to 40 and the impeller 31 is fixed to the tip of the motor shaft 41.
モータ14は、モータ軸41に取付けられたロータ42と、こ
のロータ42に対向するステータ43と、ステータ43を支持
するハウジング44と、エンドプレート45と、モータを冷
却する冷却ファン46と、冷却ファン46の気流47をハウジ
ング44の外面に沿って還流させるガイドとして機能する
ケース48を含んで構成されている。モータ軸41はモータ
フランジ40とエンドプレート45に玉軸受49を介して軸支
されている。また、エンドプレート45の外側にはハウジ
ング44の内外を気密にシールするシール円板50が、Oリ
ング、インジュウムシールおよび金属ガスケットなどを
介してハウジング44に密着されている。同様にハウジン
グ44とモータフランジ40間、ポンプケース32と支持ケー
ス33間、支持ケース33とモータフランジ40間も気密にシ
ールされている。The motor 14 includes a rotor 42 attached to a motor shaft 41, a stator 43 facing the rotor 42, a housing 44 supporting the stator 43, an end plate 45, a cooling fan 46 for cooling the motor, and a cooling fan. The case 48 is configured to include a case 48 that functions as a guide for circulating the air flow 47 of the 46 along the outer surface of the housing 44. The motor shaft 41 is axially supported by the motor flange 40 and the end plate 45 via a ball bearing 49. A seal disk 50 that hermetically seals the inside and outside of the housing 44 is attached to the outside of the end plate 45, and is in close contact with the housing 44 via an O-ring, an indium seal, a metal gasket, and the like. Similarly, the housing 44 and the motor flange 40, the pump case 32 and the support case 33, and the support case 33 and the motor flange 40 are also hermetically sealed.
減圧ポンプ13の羽根車31は、第5図に示すように、下面
周縁部に放射状の多数の羽根(例えば50〜60枚)31aを
有し、アルミ合金などの軽金属で形成されており、ポン
プケース32とで第4図に示すように円環状のヘリウムガ
ス流路34が形成され、この流路34に臨ませて吸入口35と
吐出口36が配設されている。なお、第4図は第3図の減
圧ポンプ13を下方から見た図を示す。また、羽根車31は
高速(例えば200〜400Hz)で回転されることから、回転
体の危険速度を考慮して羽根車31と玉軸受49間の軸長を
3〜6cmにおさえている。また、羽根車31の温度は約4K
であり玉軸受49の温度は300Kであるから、モータ軸41を
伝わって羽根車に入る侵入熱を極力おさえるため、モー
タ軸41は低熱伝導材料のチタン合金を用いてなる、な
お、本実施例の減圧ポンプ13は容器内に設置しているこ
とから、低温(約4K)のヘリウムガスを低圧にて排気で
き、室温のガスを排気するものに比べ、小形でしかも少
ない動力で容器2内を減圧することができる。また、ポ
ンプ内外のヘリウムガスの圧力差が殆どないので、ポン
プ自体のシール性の要求も緩和される。As shown in FIG. 5, the impeller 31 of the decompression pump 13 has a large number of radial blades (for example, 50 to 60) 31a on the peripheral edge of the lower surface and is made of a light metal such as an aluminum alloy. As shown in FIG. 4, an annular helium gas flow path 34 is formed with the case 32, and a suction port 35 and a discharge port 36 are arranged so as to face the flow path 34. Incidentally, FIG. 4 shows a view of the pressure reducing pump 13 of FIG. 3 as seen from below. Since the impeller 31 is rotated at a high speed (for example, 200 to 400 Hz), the axial length between the impeller 31 and the ball bearing 49 is set to 3 to 6 cm in consideration of the critical speed of the rotating body. The temperature of the impeller 31 is about 4K.
Since the temperature of the ball bearing 49 is 300 K, the motor shaft 41 is made of a titanium alloy, which is a low heat conductive material, in order to minimize the heat entering the impeller through the motor shaft 41. Since the decompression pump 13 is installed in the container, low temperature (about 4K) helium gas can be exhausted at a low pressure, and it is small in size and requires less power than the one that exhausts the gas at room temperature. The pressure can be reduced. Further, since there is almost no pressure difference between the helium gas inside and outside the pump, the requirement for the sealing property of the pump itself is relaxed.
このように構成される第1図実施例の動作を次に説明す
る。The operation of the embodiment shown in FIG. 1 having such a configuration will be described below.
液体ヘリウムデュワ20内の通常状態の液体ヘリウム25
は、仕切弁22を介して圧入される加圧ガスにより押出さ
れ、液体ヘリウム供給管21を通って気液分離器6の内管
6b内に吐出される。このとき、液体ヘリウム25は熱侵入
などにより一部が気化した気液2相流26となっている。
この2層流26は吹出し孔6cから外管6a内に吹き出されて
外管6aの内壁に衝突し、それらの密度差によりヘリウム
ガス27と液体ヘリウム25に分離される。ヘリウムガス27
は外管6a内を上昇して排気管11を通り大気中へ放出され
る。この過程で熱遮へい板23を冷却することにより、液
体ヘリウム供給管21への熱侵入防止に寄与する。他方、
液体ヘリウム25は内壁を伝って回転しながら流下し、気
液分離器6の底部に溜まる。この溜った液体ヘリウム25
は膨張弁8を通って容器4の底部に流下される。このと
き容器2内の圧力は減圧ポンプ13により減圧され、貯留
された液体ヘリウムが超流動状態を維持する値に保持さ
れている。したがって、膨張弁8を通った液体ヘリウム
25は等エンタルピ膨張して一部が気化し、その潜熱によ
ってさらに温度が下がり、超流動ヘリウム3となって容
器2の底部に溜まる。このことを第6図を用いてさらに
説明する。Liquid helium in normal condition Liquid helium in Dewa 20 25
Is extruded by the pressurized gas that is press-fitted through the gate valve 22, passes through the liquid helium supply pipe 21, and is the inner pipe of the gas-liquid separator 6.
It is discharged into 6b. At this time, the liquid helium 25 is a gas-liquid two-phase flow 26 that is partially vaporized due to heat penetration.
The two-layer flow 26 is blown into the outer pipe 6a from the blowout hole 6c and collides with the inner wall of the outer pipe 6a, and is separated into a helium gas 27 and a liquid helium 25 due to the difference in density between them. Helium gas 27
Is released into the atmosphere through the exhaust pipe 11 as it rises in the outer pipe 6a. By cooling the heat shield plate 23 in this process, it contributes to preventing heat from entering the liquid helium supply pipe 21. On the other hand,
The liquid helium 25 flows down along the inner wall while rotating, and collects at the bottom of the gas-liquid separator 6. This accumulated liquid helium 25
Through the expansion valve 8 to the bottom of the container 4. At this time, the pressure in the container 2 is reduced by the decompression pump 13, and the stored liquid helium is maintained at a value that maintains the superfluid state. Therefore, liquid helium that has passed through the expansion valve 8
25 is isenthalpic expanded and a part thereof is vaporized, and its latent heat further lowers the temperature to form superfluid helium 3 which accumulates at the bottom of the container 2. This will be further described with reference to FIG.
第6図に液体ヘリウムのエンタルピHと温度Tの関係を
示す。第6図にて図示A領域は気相(100%)を、B領
域は液相(100%)であり、(A+B)領域は気液混合
相である。気液分離器6により気相が分離された液体ヘ
リウム25は、液相Bの境界線と温度4.2Kの交点aの状態
にある。そして膨張弁8から吐出される液体ヘリウム25
は等エンタルピ膨張し、第6図a′点の状態の温度(1.
8K)に低下して超流動ヘリウム3が生成される。このよ
うにして生成された超流動ヘリウム3の冷却能力は、
a′点から等温状態で完全に気化するまでの熱量Qaとな
り、液体ヘリウムの質量流量をmとし、エンタルピ差を
△Haとする次式で表わすものとなる。FIG. 6 shows the relationship between the enthalpy H of liquid helium and the temperature T. In FIG. 6, the A region shown in FIG. 6 is the gas phase (100%), the B region is the liquid phase (100%), and the (A + B) region is the gas-liquid mixed phase. The liquid helium 25 whose gas phase has been separated by the gas-liquid separator 6 is in the state of the intersection a of the boundary line of the liquid phase B and the temperature of 4.2K. And liquid helium 25 discharged from the expansion valve 8
Is isenthalpic expansion, and the temperature (1.
8K) and superfluid helium-3 is produced. The cooling capacity of the superfluid helium 3 thus generated is
The heat quantity Qa from point a'to the complete vaporization in the isothermal state is Qa, and the mass flow rate of liquid helium is m, and the enthalpy difference is ΔHa.
Qa=m△Ha ………(1) 一方、気液分離器6により液体ヘリウム25からヘリウム
ガスを分離除去しないで膨張弁8を通した場合は、上記
a,a′点はそれぞれb,b′点となり、冷却能力Qbは次式と
なる。Qa = mΔHa (1) On the other hand, when the expansion valve 8 is passed without separating and removing the helium gas from the liquid helium 25 by the gas-liquid separator 6,
The points a and a'are points b and b ', respectively, and the cooling capacity Qb is given by the following equation.
Qb=m△Hb ………(2) すなわち、同一の性能を有するポンプを用いて超流動ヘ
リウム3を生成した場合であっても、気液分離器6の有
無により、第6図から明らかなように、△Haは△Hbに対
応した冷却能力の差が生ずることになる。一例を挙げる
と、侵入熱が1wの液体ヘリウム供給管21を用い、デュワ
20から2.8/時で液体ヘリウム25を供給して超流動ヘ
リウム3を生成した場合、△Hbは△Haの約29%になる。
なお、気液分離をした場合は流量mが低下することにな
るが、これを考慮に入れても冷凍能力が80%近く増加す
る。Qb = mΔHb (2) That is, even if the superfluid helium 3 is produced using a pump having the same performance, it is clear from FIG. 6 depending on the presence or absence of the gas-liquid separator 6. As described above, ΔHa has a difference in cooling capacity corresponding to ΔHb. As an example, using a liquid helium supply pipe 21 with an invasion heat of 1 w,
When liquid helium 25 is supplied at 20 to 2.8 / hour to generate superfluid helium 3, ΔHb becomes about 29% of ΔHa.
When gas-liquid separation is performed, the flow rate m decreases, but even if this is taken into consideration, the refrigerating capacity increases by nearly 80%.
さらに、容器2の底部に溜まった超流動ヘリウム3の液
面から蒸発したヘリウムガス(温度1.8K)は多孔板12を
介して管路7を冷却していることから、管路7を流下す
る液体ヘリウム25は冷却され、第6図のa点は同図c点
の状態になる。したがって、膨張弁8から吐出生成され
る超流動ヘリウムはc′点のエンタルピを有することに
なり、一層冷却能力が向上される。Furthermore, since the helium gas (temperature 1.8K) evaporated from the liquid surface of the superfluid helium 3 accumulated at the bottom of the container 2 cools the pipeline 7 through the porous plate 12, it flows down the pipeline 7. The liquid helium 25 is cooled, and the point a in FIG. 6 becomes the state of point c in FIG. Therefore, the superfluid helium discharged and generated from the expansion valve 8 has the enthalpy at the point c ', and the cooling capacity is further improved.
また、減圧ポンプ13により吸引されたヘリウムガスは吐
出管16を通って図示しない室温減圧ポンプに導びかれる
が、この過程で液体ヘリウム供給管21の熱遮へい板24を
顕熱により冷却し、これによって熱侵入が低減される。
一方、室温減圧ポンプの側からみれば、ヘリウムガスが
加温されることになり都合がよい。したがって、液体ヘ
リウム供給管21を二重管とし、外管に減圧ポンプ13の吐
出ガスを通して、積極的に加温することも可能である。Further, the helium gas sucked by the decompression pump 13 is guided to a room temperature decompression pump (not shown) through the discharge pipe 16, but in this process, the heat shield plate 24 of the liquid helium supply pipe 21 is cooled by sensible heat, Reduces heat penetration.
On the other hand, when viewed from the room temperature decompression pump side, the helium gas is heated, which is convenient. Therefore, the liquid helium supply pipe 21 may be a double pipe, and the discharge gas of the decompression pump 13 may be passed through the outer pipe to positively heat.
なお、初期注入管10は運転の初期に用いるものであり、
超電導コイル1を最初に冷却するときは膨張弁8を閉
じ、弁9を開にして全部の液体ヘリウム25を初期注入管
10を通して供給するようにし、ヘリウムの顕熱を超電導
コイル1の冷却に十分に利用するようにしているのであ
る。The initial injection pipe 10 is used at the beginning of operation,
When cooling the superconducting coil 1 for the first time, the expansion valve 8 is closed, the valve 9 is opened, and the entire liquid helium 25 is initially injected.
The sensible heat of helium is sufficiently utilized for cooling the superconducting coil 1.
上述したように、本実施例によれば、容器内を減圧して
超流動ヘリウムを生成するものにおいて、補給する液体
ヘリウムを気液分離器を通して液相分のみを供給するよ
うにしていることから、生成される超流動ヘリウムのエ
ンタルピが著しく増大し、冷却能力を大幅に向上するこ
とができるという効果があり、これによって連続使用を
可能にするとともに、大形化における加工技術が問題と
なる部品がないことから、容易に大形することができる
という効果がある。As described above, according to the present embodiment, in the case where the pressure inside the container is reduced to generate superfluid helium, the liquid helium to be replenished is supplied only in the liquid phase through the gas-liquid separator. The enthalpy of the superfluid helium produced is significantly increased, which has the effect of significantly improving the cooling capacity. This makes it possible to use it continuously, and the processing technology for large-sized parts becomes a problem. Since it does not have any, there is an effect that it can be easily enlarged.
また、本実施例によれば、気液分離器と減圧ポンプから
排出されるヘリウムガスの顕熱により、液体ヘリウム供
給管の熱遮へい板を冷却していることから、熱侵入を低
減することができ、これによって冷却能力を一層高める
ことができる。Further, according to the present embodiment, since the heat shield plate of the liquid helium supply pipe is cooled by the sensible heat of the helium gas discharged from the gas-liquid separator and the pressure reducing pump, it is possible to reduce heat intrusion. Therefore, the cooling capacity can be further enhanced.
また、多孔板により超流動ヘリウム液面から蒸発するヘ
リウムガスの顕熱で、膨張弁に至る液体ヘリウムの管路
を冷却していることから、一層冷却能力を向上させるこ
とができる。Further, the sensible heat of the helium gas evaporated from the superfluid helium liquid surface by the perforated plate cools the liquid helium pipeline reaching the expansion valve, so that the cooling capacity can be further improved.
(第2実施例) 第7図に本発明の他の実施例の模式構成図を示す。本実
施例が第1図実施例と異なる点は、液体ヘリウム供給管
21とのその熱遮へい板23とから形成される二重管部に、
気液分離器6から排出されるヘリウムガスを通流させる
べく、熱遮へい板23を当該供給等21に沿わせて気液分離
器6内に延長させて設け、ヘリウムガスの排気を2系統
で行なうようにしたこと、超電導コイル1のリード線1a
を気液分離器6の側壁に沿わせて熱的接触を保って配設
することにより、リード線1aによる熱侵入を低減してい
ることと、減圧ポンプ13とモータ14を容器2内の多孔板
12の上部位置にまで挿入し、減圧ポンプ13にできるだけ
低温のヘリウムガスを吸込ませることにより排気効率を
高めたことにある。(Second Embodiment) FIG. 7 shows a schematic block diagram of another embodiment of the present invention. This embodiment differs from the embodiment shown in FIG. 1 in that a liquid helium supply pipe
In the double pipe part formed from 21 and its heat shield plate 23,
In order to allow the helium gas discharged from the gas-liquid separator 6 to flow, a heat shield plate 23 is provided extending in the gas-liquid separator 6 along the supply line 21 and the helium gas is exhausted by two systems. What to do, lead wire 1a of superconducting coil 1
Is arranged along the side wall of the gas-liquid separator 6 so as to maintain thermal contact therewith to reduce heat intrusion by the lead wire 1a, and to reduce the decompression pump 13 and the motor 14 in the container 2 Board
The reason is that the exhaust efficiency was improved by inserting the decompression pump 13 to the upper position of 12 and letting the decompression pump 13 as much as possible absorb helium gas.
リード線1aの熱的接触法としては、電気絶縁を保持した
接着法による方法と、気液分離器6により分離されたヘ
リウムガスをリード線1a中に流す方法などが考えられ
る。As the thermal contact method of the lead wire 1a, a method by an adhesive method that maintains electrical insulation, a method of flowing the helium gas separated by the gas-liquid separator 6 into the lead wire 1a, and the like can be considered.
減圧ポンプ13とモータ14は、断熱材などからなる筒体17
内に収納してフランジ5から垂下して設けられている筒
体17は真空空間を介して筒体18により覆われており、モ
ータ14と玉軸受49等が低温になるのを防いでいる。The decompression pump 13 and the motor 14 have a cylindrical body 17 made of a heat insulating material or the like.
A cylindrical body 17 housed inside and provided so as to hang down from the flange 5 is covered with a cylindrical body 18 via a vacuum space, and prevents the motor 14 and the ball bearings 49 and the like from becoming cold.
以上説明したように、本発明によれば、容器内を減圧し
て超流動ヘリウムを生成するものにおいて、容器内に液
体ヘリウム供給管を挿入し、その先端部に気液分離器を
設け、連続的に供給される液体ヘリウムの気相分を分離
して容器外部に排気し、液相分のみを膨張弁を通して補
給するようにしたことから、冷却能力を大幅に向上する
ことができ、かつ連続使用が可能になるとともに、大形
化における加工技術上の問題がないので容易に大形化す
ることができるという効果がある。As described above, according to the present invention, in which the pressure inside the container is reduced to generate superfluid helium, a liquid helium supply pipe is inserted into the container, and a gas-liquid separator is provided at the tip of the pipe, and continuous. The liquid phase of liquid helium that is supplied is separated and exhausted to the outside of the container, and only the liquid phase is replenished through the expansion valve, so the cooling capacity can be greatly improved and continuous. In addition to being usable, there is no problem in processing technology in upsizing, so there is an effect that upsizing can be performed easily.
第1図は本発明の一実施例の構成図、第2図(A),
(B)は第1図実施例の気液分離器の部分断面図、第3
図は第1図実施例の減圧ポンプと可変速モータの詳細断
面図、第4図は減圧ポンプを下面からみた図、第5図は
減圧ポンプの羽根車を示す図、第6図は本発明の動作を
説明するためのヘリウムのエンタルピ対温度の関係を示
す線図、第7図は本発明の他の実施例の構成図である。 1……超電動コイル、2……容器、 6……気液分離器、8……膨張弁、 11……排気管、12……多孔板、 13……減圧ポンプ、16……吐出管、 21……液体ヘリウム供給管、 23,24……熱遮へい板。FIG. 1 is a block diagram of an embodiment of the present invention, FIG. 2 (A),
FIG. 3B is a partial sectional view of the gas-liquid separator of FIG.
1 is a detailed sectional view of a pressure reducing pump and a variable speed motor according to the embodiment of FIG. 1, FIG. 4 is a view of the pressure reducing pump as seen from below, FIG. 5 is a view showing an impeller of the pressure reducing pump, and FIG. 6 is the present invention. FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the enthalpy of helium and temperature for explaining the operation of FIG. 7, and FIG. 7 is a configuration diagram of another embodiment of the present invention. 1 ... Super-electric coil, 2 ... Container, 6 ... Gas-liquid separator, 8 ... Expansion valve, 11 ... Exhaust pipe, 12 ... Perforated plate, 13 ... Decompression pump, 16 ... Discharge pipe, 21 …… Liquid helium supply pipe, 23, 24 …… Heat shield plate.
Claims (1)
留する密閉容器と、この容器内の超流動ヘリウム液面の
上方に挿入開口された液体ヘリウム供給管と、この供給
管の開口端に設けられた気液分離器と、この気液分離器
の底部に連通され他端部が前記容器内に開放されてなる
膨張弁と、前記気液分離器内の気体ヘリウムを外部に送
出する排気管路と、前記容器内の気体ヘリウムを排出し
て所定の圧力に減圧保持する減圧ポンプと、を含んでな
る超流動ヘリウム冷却装置。1. A closed container for storing superfluid helium in which an object to be cooled is immersed, a liquid helium supply pipe inserted and opened above a liquid surface of superfluid helium in the container, and an open end of the supply pipe. A gas-liquid separator, an expansion valve communicating with the bottom of the gas-liquid separator and having the other end opened into the container, and helium gas in the gas-liquid separator is delivered to the outside. A superfluid helium cooling device comprising: an exhaust pipe line; and a decompression pump that decompresses gaseous helium in the container and holds the decompression at a predetermined pressure.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62057061A JPH0797664B2 (en) | 1987-03-12 | 1987-03-12 | Superfluid helium cooling device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62057061A JPH0797664B2 (en) | 1987-03-12 | 1987-03-12 | Superfluid helium cooling device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63224269A JPS63224269A (en) | 1988-09-19 |
| JPH0797664B2 true JPH0797664B2 (en) | 1995-10-18 |
Family
ID=13044928
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62057061A Expired - Lifetime JPH0797664B2 (en) | 1987-03-12 | 1987-03-12 | Superfluid helium cooling device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0797664B2 (en) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2760858B2 (en) * | 1989-08-25 | 1998-06-04 | 科学技術庁金属材料技術研究所長 | Cryostat for superconducting device |
| JPH04350906A (en) * | 1991-05-28 | 1992-12-04 | Nippon Steel Corp | Method and apparatus for cooling oxide superconducting coil |
| CN114739032B (en) * | 2022-05-07 | 2022-11-22 | 中国科学院理化技术研究所 | A superfluid helium refrigerator |
-
1987
- 1987-03-12 JP JP62057061A patent/JPH0797664B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63224269A (en) | 1988-09-19 |
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