JPH0797664B2

JPH0797664B2 - 超流動ヘリウム冷却装置

Info

Publication number: JPH0797664B2
Application number: JP62057061A
Authority: JP
Inventors: 武夫根本; 久直尾形; 善則白楽; 英明森
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-03-12
Filing date: 1987-03-12
Publication date: 1995-10-18
Anticipated expiration: 2010-10-18
Also published as: JPS63224269A

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。

〔従来の技術〕

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。

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。

〔発明が解決しようとする問題点〕

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。

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。

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。

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。

〔問題点を解決するための手段〕

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。

〔作用〕

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。

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。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

〔発明の効果〕

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。

【図面の簡単な説明】

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。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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。