JPS63201466A - 超流動ヘリウム装置 - 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〕 本発明は超流動ヘリウム装置に係り、特に被冷却物体を
超流動ヘリウムに浸漬して冷却する場合に、冷却効果を
著しく向上させるに好適な超流動ヘリウム装置に関する
。

〔従来の技術〕

従来の装置は、特開昭５９−１１９７８９号に記載のよ
うな方法によって生成された超流動ヘリウム中に被冷却
物質（例えば起電導マグネットなど）を浸漬するのみで
冷却していた。これについては、第６回インターナショ
ナル・クライオジエニク・エンジニアリング・コンファ
レンス（１９７６）　Ｐ　Ｐ２Ｓ５−１６２．　　（Ｐ
ｒｏｃ、　６ｔｈ　Ｉｎｔ、　Ｃｒｙｏｇ、　Ｅｎｇ、
　Ｃｏｎｆ。

（１９７６）　ｐ　ｐ　１５９−１６２）においても論
じられている。しかし、これらは単に被冷却物質を超流
動へリウム中に浸漬するのみで、すなわち超流動ヘリウ
ムの内部熱伝導のみで冷却していた。

さて、超流動ヘリウムを輸送するポンプとしては、クラ
イオジエニクス　２６　（１９８６）　ｐ　ｐ１０３−
１０６　（Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ＋ｓ　２６　（１９８６
）　ｐ　ｐ　１０３−１０６）において論じられている
ように、通常の機械式遠心ポンプや超流動ヘリウム特有
の「熱機械効果」を応用したファンティンポンプがある
。このファンティンポンプは、可動部がなく簡単である
が駆動用の熱源を必要し、この熱源は超流動ヘリウムに
とって大きな熱負荷となるという点については配慮され
ていなかった。また、遠心ポンプは可動部分があり、超
流動ヘリウム温度域の極低温では信頼性に欠けるという
問題があった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、超流動ヘリウム中に被冷却物質を浸漬
し、超流動ヘリウムの内部熱伝導のみにより冷却してお
り、特に被冷却物質内に設けた小さな冷却チャンネル中
の超流動ヘリウムにおいてその中を流れる熱流束が増大
した場合、その内部熱伝導が著しく劣化する点について
は配慮されておらず、その結果被冷却物質の内部の温度
が超流動ヘリウム浴の温度よりかなり高くなってしまう
という問題があった。また、超流動ヘリウムをファンテ
ィンポンプによって強制流を形成し、これを冷却チャン
ネル中に導き、チャンネル中の超流動ヘリウムによる冷
却効果を向上させるようにしても、ファンティンポンプ
を駆動するための熱源による超流動ヘリウムの熱負荷の
増大については配慮されていなかった。

本発明の目的は、装置へ侵入する熱を駆動熱源とするフ
ァンティンポンプを用いて積極的に冷却することにある
。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、超流動ヘリウムに浸漬した被冷却物質に、
１つあるいは複数の冷却チャンネルを設け、この冷却チ
ャンネル中の超流動ヘリウムに。

前記超流動ヘリウム浴に連通される部分に設けたファン
ティンポンプにより強制流を形成し、そしてこのファン
ティンポンプの駆動用熱源として、前記超流動ヘリウム
浴へ外部より流入する熱あるいは、前記被冷却物質の発
熱、あるいは前記超流動ヘリウム浴中にあるその他の付
属装置の発熱を利用することにより、達成される。

〔作用〕

被冷却物質の冷却チャンネル中の超流動ヘリウムに強制
流が形成できるので、被冷却物質の冷却効果が高まり、
また前記強制流の発生手法として前記超流動ヘリウムへ
必要的に流入する熱を駆動源としたファンティンポンプ
を利用する。それによって、超流動ヘリウムの熱負荷を
増加させることなく、超流動ヘリウム中に強制流を発生
させるので、熱損失なく被冷却物質の冷却効果を著しく
向上できる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。

まず全体構成を説明する。通常の液体ヘリウム容器１の
上部分にはガスヘリウム２（〜ｌａｔｍ。

４．２　　Ｋ）　、その下部分には通常の液体ヘリウム
（〜１ａｔ＋＋、４．２Ｋ）３が収納されている。前記
ガスヘリウム２は、管４を通して、常温部に設けた弁５
へつながっている。超流動ヘリウム容器６は、超流動ヘ
リウム７で満されている。被冷却物質８は、前記超流動
ヘリウム７の中に浸漬される。

前記液体ヘリウム容器１及び超流動ヘリウム容器６は、
管４．荷重支持体９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ及び図示しな
いその他の構造体により支持されている。被冷却物質８
は、超流動ヘリウム容器に接続される支持具１０により
支持される。被冷却物質８は、被数の冷却チャンネル１
１を有し、これにつながるファンティンポンプ１２ａ、
１２ｂにより、前記冷却チャンネル１１中の超流動ヘリ
ウムに強制流が発生できるようになっている。前記液体
ヘリウム容器１及び前記超流動ヘリウム容器への液体ヘ
リウムの注入は、弁１３に接続される図示しない別の液
体ヘリウム容器により管１４゜管１５及び２方向流弁１
６を介在して行なわれる。

超流動ヘリウム７の生成及び維持は、フィルター１７、
ＪＴ熱交換器１８．ＪＴ弁１９．Ｈｅ１Ｉ熱交換器２０
．極低温排気ポンプ２１．熱交換器２２、圧力調整弁２
３．常温排気ポンプ２４などよりなる冷凍ラインによっ
て行われる。前記冷凍ラインのＨａｌＩ熱交換器２０に
より、超流動ヘリウム７は冷却される。液体ヘリウム容
器１と超流動ヘリウム容器６の間は、微少な断熱面の通
路をもつ弁２５より連結されている。その結果、特開昭
５０−１１９７８９号に記載されているように、超流動
ヘリウム７はサブクールされた超流動ヘリウム（〜ｌａ
ｔｍ、２．１６に以下）とすることができる。

２６は、電気リード用コネクタで、電気導線２７は、接
続子２８を介して超流動ヘリウム７中へ導かれ、被冷却
物質８へ電気導線２９として接続される。液体ヘリウム
容器１や超流動ヘリウム容器６などの極低温部分は、真
空断熱層３０．輻射シールド板３１．３２及び常温の真
空容器３３によって包囲されている。

次に動作原理を記述する。超流動ヘリウム７の中に浸漬
した被冷却物質８に、冷却チャンネル１１を設ける。こ
の冷却チャンネル１１の一端へ連結されるファンティン
ポンプ１２により、前記冷却チャンネル中の超流動ヘリ
ウムに強制流を発生させ、被冷却物質の内部に発生する
熱を大幅に前記超流動ヘリウム７の浴へ排出する。前記
ファンティンポンプ１２の駆動源となる熱は、前記超流
動ヘリウム７へ外部から荷重支持体９あるいは電気導線
接続子２８などを介して流入する熱、あるいは被冷却物
質の発熱、あるいは超流動ヘリウム７浴中にある図示し
ないその他の付属装置の発熱などの、システム構成上必
然的に超流動ヘリウムへ流入する熱を利用する。

例えば、第２図及び第３図で示すようにすることによっ
て実現できる。第２図では、荷重支持体を介して、高温
部より侵入する熱を利用する方法を示す、３４．３５は
ガラス繊維あるいはカーボン繊維などで強化されたエポ
キシ樹脂（ＦＲＰ）である、３６．３７は荷重支持体９
の取付金具である。３８は、超流動ヘリウム容器６へ荷
重支持体９を取付るための突起部分である。ファンティ
ンポンプ３９は１図示のように取付け、その入口側は４
０．出口側４１となる。出口側４１部分に、荷重支持体
を取付ける突起部分３８と接続される良熱伝導体４２を
設ける。これによって、荷重支持体９を介して前記突起
部分へ流入する熱は、前記良熱伝導体４２によって、フ
ァンティンポンプ３９の出口側へ導かれ、ファンティン
ポンプの駆動熱源として働く、ファンティンポンプ３９
によって、超流動ヘリウムは管４３を介して被冷却物質
８の冷却チャンネル１１中へ流れる。また、第８図は電
気導線接続子２８を介して超流動ヘリウム７へ流入する
熱によってファンティンポンプ３９は駆動される。

第４図により他の実施例を説明する。被冷却物質８は、
超流動ヘリウム容器６と別の容器４４に収納し、容器４
４はファンティンポンプ４５ａ。

４５ｂ、４５ｃにつながる管４６ａ、４６ｂ。

４６ｃと超流動ヘリウム容器６につながる管４７ａ。

４７ｂ、４７ｃを介して、超流動ヘリウム容器６八連結
され、さらに連通管４８によっても連結されている。容
器４４内の超流動ヘリウム４９に、被冷却物質８は浸漬
されている。上述の構造でファンティンポンプを駆動す
ることによって、被冷却物質８の複数の冷却チャンネル
５１ａ、５１ｂ。

５１ｃに超流動ヘリウムの強制流を形成できる。

また、ファンティンポンプによる強制流の形成は。

サブクールされた超流動ヘリウムに限らず、飽和蒸気圧
下にある超流動ヘリウム５２中にも可能である。すなわ
ち、サブクールド超流動ヘリウム７と飽和超流動ヘリウ
ム５２との間の熱交換器５３の中の飽和超流動ヘリウム
をファンティンポンプ５４で循環するようにした。また
、この熱交換器５３の構造は、第５図に示すように、飽
和超流動ヘリウム５２中へ熱交換器５５が浸漬され、こ
の熱交換器５５の管中にはサブクールド超流動ヘリウム
７をファンティンポンプ５６で循環するようにして熱交
換効率を向上させることもできる。

第６図（ａ）により他の実施例を説明する。サブクール
ド超流動ヘリウム５７に浸漬される超電導ヘリカルコイ
ル５８は、ヘリカル形状の容器５９中に収納される。Ｘ
−Ｙ間は、超電導ヘリカルコイル５８の１周期を示す、
６０は、超電導ヘリカルコイル５８の容器５９中の冷却
チャンネルを１周期Ｘ−Ｙごとに仕切る部材である。６
１は、超電導ヘリカルコイル５８がその１周期Ｘ−Ｙご
とに分割、接続する場合の接続部である。ファンティン
ポンプ６２は、図示のように１周期Ｘ−Ｙごとに配置さ
れ、サブクールド超流動ヘリウム５７を吸込み、サブク
ールド超流動ヘリウムの流れ６３を形成し、出口６４へ
と流れ、循環される。

第６図（ｂ）は、超電導ヘリカルコイル５８を１７２周
期ごとに循環路を形成するようにしたものである。

第７図により他の実施例を説明する。６５は、アルミナ
（ＡＱｚＯａ）やステンレススチールなどの微小の焼結
体よりなるスーパーフィルターで、これがファンティン
ボンポンプの基本要素となるものである。弁６６は、ス
ーパーフィルター６５をバイパスするために設けた弁で
ある。スーパーフィルター６５は、上記のように焼結体
で形成されているので、通常の液体ヘリウムや冷却され
たヘリウムガスを管６７及び６８を介して流す場合には
、非常に大きな圧力損失を発生することになる。そのた
め、このような場合には、スーパーフィルター６５を通
してでなく、バイパス弁６６を通すようにする。第８図
は、スーパーフィルター６５とバイパス弁６６を一体化
したものである。

６９がスーパーフィルタであり、７０がバイパス弁であ
る。超流動ヘリウム以外の流体を流す必要がある場合に
は、駆動棒７１により７２，７３のベローズを介して、
弁７０を開け、隙間７４を大きく開けて、流体７５はス
ーパーフィルター吟Ｊ９でなくこの隙間７４を通して流
すようにする。

」方、流体７５が超流動ヘリウムとなると、バイパス弁
７０を閉じ、スーパーフィルターの機能が作動するよう
にする。

（発明の効果〕 本発明によれば、外部より超流動ヘリウムへ侵入する熱
や、超流動ヘリウム中で必然的に発生する熱を駆動源と
して、ファンテンポンプを駆動し、これにより、超流動
ヘリウムに循環流を形成できるので、冷却効率を著しく
高める効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を含む超流動ヘリウム装置の
縦断面図である。第２図及び第３図は、第１図の一部の
詳細を示す縦断面図である。第４図は本発明の他の実施
例を示す縦断面図である。 第５図は、第４図とは異なる構造を示す縦断面図である
。第６図（ａ）（ｂ）は、夫々本発明の超電導ヘリカル
コイルの実施例を示す展開断面図である。第７図、第８
図は、夫々本発明のファンテンポンプの実施例を示す縦
断面図である。 ３・・・液体ヘリウム、７・・・超流動ヘリウム、８・
・・被冷却物質、１１・・・冷却チャンネル、１２・・
・ファンｆ４図 ５４　ファンテンｒンフ゛ 冨　５　図 ５５熱交挾器 ５６　ファ）テ）ホ０シフ０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、被冷却物質を超流動ヘリウムに浸漬して冷却する超
   流動ヘリウム装置において、前記超流動ヘリウムへ侵入
   する熱と駆動熱源として、動作するファンティンポンプ
   を備え、前記超流動ヘリウムに流れを生成することを特
   徴とする超流動ヘリウム装置。 ２、前記駆動熱源として、荷重支持体あるいは電気導線
   を介して超流動ヘリウムへ侵入する熱を利用する特許請
   求の範囲第１項記載の超流動ヘリウム装置。 ３、前記駆動熱源として、超流動ヘリウム中の被冷却物
   質の発熱を利用する特許請求の範囲第１項記載の超流動
   ヘリウム装置。 ４、前記駆動熱源として、超流動ヘリウム中の被冷却物
   質以外の付属装置の自発的発熱を利用する特許請求の範
   囲第１項記載の超流動ヘリウム装置。 ５、超流動ヘリウム中に浸漬した被冷却物体に、単数あ
   るいは複数の冷却チャンネルを設け、この冷却チャンネ
   ル中にファンテンポンプにより形成した超流動ヘリウム
   の循環流を流し、被冷却物体を冷却する特許請求の範囲
   第１項記載の超流動ヘリウム装置。 ６、複数の冷却チャンネルを有する被冷却物質において
   、これらの冷却チャンネルを複数のユニットに分け、こ
   れらユニットごとにファンティンポンプにより超流動ヘ
   リウムの循環ループを形成する特許請求の範囲第５項記
   載の超流動ヘリウム装置。 ７、超流動ヘリウム中に浸漬された被冷却物体が超電導
   ヘリカルコイルである場合、前記超電導ヘリカルコイル
   の１周期あるいは１／２周期ごとに、複数に分割し、個
   々の部分で１つの冷却チャンネルループを形成し、ここ
   にファンティンポンプにより超流動ヘリウムの循環流を
   形成する特許請求の範囲第５項記載の超流動ヘリウム装
   置。 ８、ファンティンポンプに並列にバイパス弁を設けた特
   許請求の範囲第１項記載の超流動ヘリウム装置。