JPS6339618A - 液体ヘリウム自動供給装置 - 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 この発明は液体ヘリウムを冷却媒体として用いて各種極
低温試験を行なうために、極低温試験用冷却装置（クラ
イオスタット）内へ液体ヘリウム貯蔵容器内から液体ヘ
リウムを自動供給する装置に関するものでおる。

従来の技術 近年の極低温工学の発展は目覚ましいものがあり、そこ
で最近では各種極低温試験を行なう償金が著しく増加し
ている。極低温試験は、冷却媒体として液体ヘリウムを
使用することが多く、その場合クライオスタットと称さ
れる冷却容器内に液体ヘリウムを注入し、試験対象物や
試験装置などを液体ヘリウムにより直接もしくは間接的
に冷却して極低温試験を行なうのが通常でおる。したが
って極低温試験においては、液体ヘリウム貯蔵容器（デ
ユワ−と称される）からクライオスタット内に液体ヘリ
ウムを供給する必要がおる。

一般にこのような液体ヘリウムの供給のためには、トラ
ンスファーチューブと称される断熱二重管溝造の移送管
を用いるのが通常であって、第２図に示すようにその移
送管１の一端を液体ヘリウム貯蔵容器２内の液体ヘリウ
ム３中に浸漬させるとともに、移送管１の他端をクライ
オスタット４内に挿入し、液体ヘリウム貯蔵容器２の内
部を加圧して、その貯蔵容器２内の液体ヘリウムを前記
移送管１を介してクライオスタット４内に圧送するのｈ
ζ通常である。ここで、液体ヘリウム圧送のための加圧
は、液体ヘリウム貯蔵容器２内の上部空間にヘリウムガ
スを加圧供給することによって行なうか、あるいは液体
ヘリウム貯蔵容器内の液体ヘリウム中にヒータを浸漬さ
せ、そのヒータにより加温して圧力上昇させることによ
って行なう。

なお、移送管１のクライオスタット４内の先端はクライ
オスタット４内の底面に近接した状態で開口させておく
のが通常である。すなわち、クライオスタット４内に最
初に液体ヘリウムの供給を開始する際には、移送管１の
先端の開口端で液体ヘリウムが気化してしまうのが通常
でおり、この場合移送管１の先端の開口端がクライオス
タット４内の底面に近接していればその底面が気化した
ヘリウムガスの顕熱によってすみやかに温度降下し、こ
れによってやがて液体ヘリウムの気化が阻止されるよう
になって液体ヘリウムの状態でクライオスタット内に注
入されるようになるが、移送管１の先端がクライオスタ
ット底面から離れていれば、移送管先端での液体ヘリウ
ムの気化がいつまでも阻止されず、液体ヘリウムをクラ
イオスタット内に注入させることができないことが多い
からである。

ところで極低温試験中においては、クライオスタット内
の液体ヘリウムはガス化により徐々に減少して行くから
、極低温試験を続行させるためには、ある程度液体ヘリ
ウムが減った時点で新たに補給する必要がある。そのた
め従来は第２図中に示すようにクライオスタット内に液
体ヘリウムの液面を検出するためのレベルセンサ５を配
設しておき、そのレベルセンサ５を監視して液体へリウ
ムの液位が予め定めた位置付近まで下がった時点で、最
初の供給作業と同様にして補給作業を行なっている。な
お移送管は最初の供給作業後もクライオスタット内に挿
入したままにすることもあるし、また最初の供給作業後
にクライオスタットから扱去して、次の補給作業におい
て再度挿入することもある。

しかしながら実際の極低温試験中においては、冷却媒体
である液体ヘリウム液位の監視や液体ヘリウム補給作業
は試験担当員にとって副次的な作業であって試験担当員
は本体の実験操作や本来の実験データの監視に追われて
いることが多く、そのため液体ヘリウムがなくなるまで
液体ヘリウムの減少に気が付かずに極低温試験が中断し
たり、あるいは補給作業の不手際により液体ヘリウムの
無駄なロスが生じたりすることが多かった。そこで液体
ヘリウムの補給を自動的に行ない得るようにした装置の
開発が望まれている。このような装置が開発されれば、
上述の不都合が解消されるばかりでなく、液位の監視や
補給作業に要していた試験員の負担を軽減して、本来の
極低温試験に専念でき、その利益は大きいものと考えら
れる。

上述のように極低温試験中における液体ヘリウムの補給
を自動化するためには、前述の移送管の先端部を極低温
試験中も常時クライオスタット内に浸漬させておき、ク
ライオスタット内における液体ヘリウムの液位を自動検
知し、その検知信号に応答して液体ヘリウム貯蔵容器内
の加圧（例えば前述のようなヒータによる加温加圧また
はヘリウムガスによる加圧）を自動的に開始させ、かつ
移送管のバルブ６を自動的に開くことにより、液体ヘリ
ウムを貯蔵容器内から前記移送管を介してクライオスタ
ット内へ自動的に補給するようにすることが考えられる
。しかしながらこのような補給方式では、実際には次項
で述べるような問題がおり、実用化は困難であった。

発明が解決すべき問題点 実際の極低温実験においては、液体ヘリウム貯蔵容器か
らクライオスタットまで液体ヘリウムを移送するための
移送管はその長さが数ｍに及ぶのが通常であり、また最
初の液体ヘリウム供給作業から次の補給作業までの間、
おるいは前回の補給作業と次回の補給作業との間には相
当な時間が経過しているのが通常でおる。一方、移送管
は断熱二重管構造とは言えども、完全な断熱が可能なわ
けではなく、そのため前述のように最初の液体ヘリウム
供給作業もしくは前回の液体ヘリウム供給作業からの時
間が経過すれば、移送管の中間部分では液体ヘリウムが
ガス化し、しかもそのガス化したヘリウムおよび移送管
の内壁が室温近くまで温度上昇してしまう。このような
状態で補給作業を開始すれば、移送管の内部の室温に近
いヘリウムガスおよび移送管内壁で暖められたガスがク
ライオスタット内に送り込まれてしまうことになり、し
かもその渚は前述のように移送管の長さが相当におるこ
とから、かなりの最に達する。

このように室温に近い相当量のヘリウムガスがクライオ
スタット内に送り込まれれば、そのガスによってタライ
オススタット内に残留していた液体ヘリウムが昇温・ガ
ス化し、液体ヘリウムが無駄に消費されてしまうことに
なる。すなわち、クライオスタット内においては、既に
述べたように移送管の先端の開口端をクライオスタット
内底面に近接するようにしておくのが通常でおり、この
状態で移送管の先端から室温に近い相当量のヘリウムガ
スが吹き込まれれば、クライオスタット内の前回の残貿
液体ヘリウムの相当量がすみやかに気化してしまう。し
たがってこのような方式では液体ヘリウムのロス量が著
しく多く、高価な液体ヘリウムの消費量が増大して極低
温試験のコストが著しく高くなってしまう問題があり、
実用化は困難であった。

この発明は以上の事情を背景としてなされたもので、補
給作業時におけるタライオスタット内残沼液体ヘリウム
の気化によるロスを招くことなく、クライオスタットに
対する液体ヘリウム補給作業を自動的に行ない得るよう
にした装置を提供することを目的とするものである。

問題点を解決するための手段 この発明は、液体ヘリウム貯蔵容器からクライオスタッ
ト内に液体ヘリウムを供給するための装置において、一
端が液体ヘリウム貯蔵容器内の液体ヘリウム中に浸漬さ
れるとともに他端がクライオスタット内に挿入される断
熱構造の移送管と、液体ヘリウム貯蔵容器内の圧力を上
昇させる圧力上昇手段と、クライオスタット内の液体ヘ
リウムの液位を検出する液位検出器と、前記移送管にお
けるクライオスタットに近い部位において移送管から分
岐されて外部へ連通する放出管路と、その放出管路を開
閉する放出弁と、放出管路内の温度を検出する温度検出
器と、前記放出管路の分岐位置よりもクライオスタット
に近い位置で移送管を開閉する開閉弁と、前記液位検出
器および温度検出器からの信号に応じて前記放出弁、開
閉弁および圧力上昇手段を制御する制御部とを有してな
ることを特徴とするものである。

作　　用 この発明の装置において、クライオスタット内に最初に
液体ヘリウムを供給する際には、移送管の一端を液体ヘ
リウム貯蔵容器内の液体ヘリウム中に、他端をクライオ
スタット内に挿入した状態で圧力上昇手段を作動させて
貯蔵容器内を圧力上昇ざぜるとともに開閉弁を開く。但
し放出弁は閉じた状態としておく。このようにすれば液
体ヘリウム貯蔵容器内の液体ヘリウムが前記圧力によっ
て移送管を介しクライオスタット内へ移送供給される。

クライオスタット内の液体ヘリウムの液面が予め定めた
レベルに達すれば、これを液位検出器が検出し、その検
出信号に応答して制御部からの制御信号により開閉弁が
閉じられるとともに、圧力上昇手段の作動が停止され、
これによってクライオスタットへの液体ヘリウムの供給
が停止される。

このようにしてクライオスタット内に所定量の液体のヘ
リウムが収容された後には、通常は各種の極低温試験が
開始されるが、その間には次第にクライオスタット内の
）皮体ヘリウムが気化して徐々にその鑞が減少して行く
。またその間、大気中にざらされている移送管内の液体
ヘリウムは気化し、かつその気化したヘリウムカスおよ
び移送管内壁は室温近くまで温度上昇してしまう。

前述のようにクライオスタット内の液体ヘリウム量が減
少し、そのレベルが予め定めたあるレベルまで減少した
時にはこれを液位検出器が検出し、その検出信号に応答
して制御部からの制御信号により圧力上昇手段の作動が
開始されるとともに、放出弁が開放される。但しこの状
態では開閉弁は閉じられている。このため前回の供給後
に移送管内で気化しかつ室温近くまで温度上昇したヘリ
ウムガスは、圧力上昇手段による加圧力によって放出管
路、放出弁を介して外部へ放出される。そしてその放出
されるガスの温度が予め定めた温度まで下降したことを
温度検出器が検出した時、換言すれば移送管内に存在し
ていた室温近くのヘリウムガスがほぼ完全に排出されか
つ移送管内壁が完全に冷却されたことが確認された時に
、温度検出器からの信号に応答して制御部からの制御信
号により放出弁が閉じられるとともに開閉弁が開放され
る。なお圧力上昇手段はそのまま作動を継続する。した
がって最初の供給時と同様に、貯蔵容器内の液体ヘリウ
ムがクライオスタット内へ移送管を介して補給される状
態となる。そしてクライオスタット内の液体ヘリウムの
レベルがあるレベルに達すれば、液位検出器からの信号
に応答して制御部からの指令により開閉弁が閉じられる
とともに圧力上昇手段の作動が停止せしめられ、液体ヘ
リウムの補給が停止される。

この後、再びクライオスタット内の液体ヘリウムがおる
レベルまで減少すれば、前記同様にして再度液体ヘリウ
ムの補給がなされる。

以上述べたように、補給時には、当初移送管内に存在し
ていた室温近くのヘリウムガスは、放出管路、放出弁を
介して外部へ放出され、その後、放出されるガスの温度
がある温度まで下降したことを温度検出器が検出したと
きにはじめてクライオスタット内への液体ヘリウムガス
の供給が開始される。したがって移送管内で気化しかつ
室温近くまで温度上昇したヘリウムガスおよび移送管内
壁で室温近くまで暖められヘリウムガスはクライオスタ
ット内には吹込まれないことになる。そのため上記の室
温近くのヘリウムガスのクライオスタット内への吹き込
みによりクライオスタット内に残留していた液体ヘリウ
ムが気化してロスすることが有効に防止される。

このように、この発明の装置では、補給時にクライオス
タット内に残留していた液体ヘリウムがロスすることな
く、自動的に液体ヘリウムの補給を行なうことができる
のである。

実施例 第１図にこの発明の装置の一例を示す。

第１図において、液体ヘリウム貯蔵容器２内には液体ヘ
リウム３が貯留されており、この液体ヘリウム３中には
移送管１の一端部１Ａが浸漬されている。移送管１は一
般にトランスファーチューブと称されるものであって、
通常は断熱二重管構造とされる。その移送管１の他端部
１Ｂは、クライオスタット４の冷却至４Ａ内に挿入され
、その先端は冷却至４Ａの底面に近接している。

前記移送管１におけるクライオスタット４に可及的に近
い位置には、その移送管１の管路を開閉するための開閉
弁１０が設けられており、この開閉弁１０はマイクロプ
ロセッサ等からなる制御部１１によって制御されるよう
になっている。ざらに移送管１における前記開閉弁１０
に近接した位置（但しこの開閉弁１０よりも液体ヘリウ
ム貯蔵容器２の側の位置）からは外部へ連通する放出管
路１２が分岐されており、その放出管路１２にはその管
路を開閉するための放出弁１３および温度検出器１４が
設けられている。放出弁１３は前記制御部１１によって
制御されるようになっており、また温度検出器１４はそ
の検出信号が制御部１１に与えられるようになっている
。

さらに前記液体ヘリウム貯蔵容器２内には、液体ヘリウ
ム３の液位を検出するための液位検出器１５が配設され
るとともに、貯蔵容器２内の圧力を上昇させるための圧
力上昇手段としてヒータ１６が配設されている。このヒ
ータ１６は前記制御部１１によって制御され、また液位
検出器１５の検出信号は制御部１１に与えられるように
なっている。また液体ヘリウム貯蔵容器２には、貯蔵容
器２の内圧（気化したヘリウムガスの圧力）を検出する
ための圧力検出器１７およびガス放出弁１８が連結され
ている。一方タライオスタット４内には供給された液体
ヘリウムの液位を検出するための液位検出器１９が配設
されてあり、この液位検出器１９の検出信号は制御部１
１に与えられるようになっている。

以上の実施例の動作について次に説明する。

先ず最初に空のクライオスタット４に液体ヘリウムを供
給する際には、ヒータ１６を作動させて液体ヘリウム貯
蔵容器２内の液体ヘリウム３を加温し、貯蔵容器２内の
蒸気圧を高める。また放出弁１３は閉じた状態を保つ一
方、開閉弁１０を開放する。斯くすれば貯蔵容器２内の
圧力上昇によってその貯蔵容器２内の液体ヘリウム３が
移送管１内に送り込まれ、ざらに第１図中の実線矢印Ａ
で示すように開閉弁１０を通過してクライオスタット４
内へ流入する。なおこの時、貯蔵容器２に連結されてい
る圧力検出器１７によって貯蔵容器２内の圧力が検出さ
れ、その信号が制御部１１に与えられてヒータ１６の発
熱をフィードバック制御し、貯蔵容器２の内圧を一定に
保持する。このようにしてクライオスタット４内に液体
ヘリウムか供給されてそのレベルが予め定めたレベルに
達すれば、それが液位検出器１つによって検出され、そ
の検出信号が制御部１１に与えられて、制御部１１から
の制御信号によりヒータ１６の作動が停止せしめられる
とともに開閉弁１０が閉じられ、放出弁１８が開かれる
。これによって最初の液体ヘリウム供給作業が終了する
。

その後、クライオスタット４内の液体ヘリウムが減少し
ておるレベルまで下降した時には、それを液位検出器１
９が検出し、その検出信号が制御部１１に与えられ、制
御部１１からの制御信号によってヒータ１６の作動が開
始されるとともに、放出弁１３が開放される。ヒータ１
６の作動によって前述のように液体ヘリウム貯蔵容器２
内の圧力が上昇して、移送管１における貯蔵容器２の位
置から放出管路１２の分岐位置までの間の気化した室温
に近いヘリウムガスが第１図の破線矢印Ｂで示すように
前記放出管路１２および放出弁１３を経て外部へ放出さ
れる。この放出されるヘリウムガスの温度は、温度検出
器１４により検出される。この検出温度は、移送管１内
に滞留していた室温付近のヘリウムガスがほぼ完全に排
出され、かつ移送管１の内壁が充分に冷却された時点で
急激に低下する。そこでその温度が予め定めた液体ヘリ
ウム温度もしくはそれに近い温度まで低下した時にその
温度検出器１４の信号によって制御部１１が放出弁１３
を閉じる制御信号を発生し、それと同時またはそれに続
いて開閉弁１０を開放させる制御信号を発生する。これ
によって放出弁１３が閉じられる一方、開閉弁１０が開
放されるから、前記圧力により液体ヘリウム貯蔵容器２
から移送管１内へ送り込まれた液体ヘリウムは、第１図
の実線矢印Ａで示すように開閉弁１０を通ってクライオ
スタット４内に流入する。このようにしてクライオスタ
ット４内に液体ヘリウムが補給されておるレベルに遅し
た時には、既に述べた最初の供給時と同様にして液位検
出器１９からの検出信号により開閉弁１０が閉じられる
とともにヒータ１６の作動が停止せしめられ、放出弁１
８が開放される。

なお以上の実施例においては、圧力上昇手段としてヒー
タを用いた構成としているが、場合によってはヒータを
用いず、外部から貯蔵容器２内へヘリウムガスを加圧供
給して圧力上昇させるように構成しても良い。

発明の効果 以上の説明で明らかなようにこの発明の装置によれば、
液体ヘリウム貯蔵容器から移送管を介してタライオスタ
ッｌ〜内に液体ヘリウムを補給するに必たって、最初の
供給時と補給時との間、必るいは前回の補給時と次回の
補給時との間において移送管内で気化しかつ室温近くま
で温度上昇したヘリウムガスおよび室温近くまで温度上
昇した移送管内壁により暖められたヘリウムガスをクラ
イオスタット内に吹込んでしまうことを有効に防止でき
、したがってその吹込みによってクライオスタット内の
残留液体ヘリウムがロスすることが防止されるから、液
体ヘリウム消費量をいたずらに増大させることなく自動
的に液体ヘリウムの補給を行なうことができる。そして
この結果、タライオスタットに対する液体ヘリウムの自
動的な補給を低コストで実際的に行なうことが可能とな
り、極低温試験において液体ヘリウムの補給を失念して
試験の遂行に支障を来たしたりすることが防止されると
ともに、試験担当員の負担も軽減される等、種々の効果
を秦することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の液体ヘリウム自動供給装置の一例を
示す略解図、第２図は従来の液体ヘリウム供給方式の一
例を示す略解図である。 １・・・移送管、　２・・・液体ヘリウム貯蔵容器、３
・・・液体ヘリウム、　４・・・タライオスタット、１
０・・・開閉弁、　１１・・・制御部、　１２・・・放
出管路、　１３・・・放出弁、　１４・・・温度検出器
、１６・・・圧力上昇手段としてのヒータ、　１９・・
・液位検出器。 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 液体ヘリウム貯蔵容器からクライオスタット内へ液体ヘ
   リウムを供給するための装置において、一端が液体ヘリ
   ウム貯蔵容器内の液体ヘリウム中に浸漬されるとともに
   他端がクライオスタット内に挿入される断熱構造の移送
   管と、液体ヘリウム貯蔵容器内の圧力を上昇させる圧力
   上昇手段と、クライオスタット内の液体ヘリウムの液位
   を検出する液位検出器と、前記移送管におけるクライオ
   スタットに近い部位において移送管から分岐されて外部
   へ連通する放出管路と、その放出管路を開閉する放出弁
   と、放出管路内の温度を検出する温度検出器と、前記放
   出管路の分岐位置よりもクライオスタットに近い位置で
   移送管を開閉する開閉弁と、前記液位検出器および温度
   検出器からの信号に応じて前記放出弁、開閉弁および圧
   力上昇手段を制御する制御部とを有してなることを特徴
   とする液体ヘリウム自動供給装置。