JP2005233296A - 液体ヘリウムトランスファーライン - Google Patents

Abstract

【課題】取り扱いが容易でクエンチを起こしにくいトランスファーチューブを提供すること
【解決手段】液体ヘリウム貯留槽に、液体ヘリウムを補充供給するためのトランスファーラインであって
(1)垂直部、水平部、及び垂直部コの字形の２重管からなるトランスファーチューブ、
(2)該トランスファーチューブ出口側垂直部の管の外面を覆っている伸縮可能なホース、
(3)トランスファーチューブの出口端部を覆い、上記伸縮可能ホースに連結して設けられたガイドノズル
とからなる液体ヘリウムトランスファーライン。
【選択図】図２

Description

本発明は、液体ヘリウムを安定した状態で移送できるトランスファーラインに関するものである。

近年、大学、病院、研究所等では、ＮＭＲ、ＳＱＵＩＤ（超電導量子干渉素子）、ＭＲＩ等の超伝導マグネットを用いた装置が使用されている。このような超伝導マグネットは断熱された槽内に貯留されている液体ヘリウムに浸漬され、冷却された状態で用いられる。

これらの機器のほとんどは、長時間使用するため、超伝導マグネットを励磁した状態で、装置内に減少する液体ヘリウムを時々移送（トランスファー）し、補充する必要がある。

従来使用されているトランスファーチューブを図１に示す。図１において、１はトランスファーチューブで、垂直上昇部４、水平部５、垂直下降部６からなる上にコの字の形状をしている。このトランスファーチューブ１は内管と外管とからなる二重管で内管と外管の間を真空とすることにより断熱されている。

このトランスファーチューブ１を用いて液体ヘリウムをトランスファーするには、まず、チューブの入口２を液体ヘリウム供給容器の蓋の装入口の液体ヘリウム中に差し込む。この操作によりヘリウム供給容器中の液体ヘリウムの一部がガス化して容器の内部が加圧状態になり、その圧力により容器内の液体ヘリウムがトランスファーチューブの垂直上昇部４、水平部５、垂直下降部６の管内を流れ、チューブ出口３から低温保持器中に排出される。以後は供給容器の内圧により液体ヘリウムは低温保持器中に供給され続ける。

液体ヘリウムトランスファー作業においては、作業者は、上記トランスファーラインの入口２を供給容器に挿入するという操作と、ライン出口３から最初ヘリウムガスが、次に液体ヘリウムが排出され始めたら、ラインの出口端部を低温保持器に差し込むという操作を行う。

液体ヘリウムトランスファー作業では供給されるヘリウムが液体であり、かつトランスファーラインが充分に冷却されていることが必要で、暖かい状態のトランスファーチューブやヘリウムガスを入れると低温保持器中の液体ヘリウムの突沸を招き、その結果超伝導状態が破られ、装置が破壊する「クエンチ」という現象が発生する潜在危険が存在する。吐出する液体ヘリウムによりトランスファーチューブの出口端部は空気の水分が冷却されることによって氷が付着しやすい。氷が付着していると低温保持器挿入口はトランスファーチューブが入る余裕だけしかなく、出口端部をその状態で低温保持器中に挿入することができず、トランスファーを中止して氷を取除かねばならない。

このような氷の付着やクエンチを防止するため、現在作業者は、トランスファーチューブの出口をポリエチレンの袋などで覆い、液体ヘリウムが出口端部から出始めたら素早く機器のポートに差し込むという操作を行なっている。このような操作は熟練であればさほど困難なことではないが、操作を行う者は、熟練者ばかりでなく、操作に不慣れな者も存在する。更に氷が付着する前に挿入できてもトランスファーチューブ出口にはポリエチレンの袋を取った段階で必ず霜が付着しており低温保持器内に混入し蓄積される。この氷がヘリウムガス蒸発経路やトランスファーチューブ挿入口を閉塞させる原因となり、最悪の場合は安全弁も作動できない状態となる。ヘリウムは蒸発すると体積は７００倍にもなる。開口部が閉塞されると行き場を失ったヘリウムガスは容器内の圧力を高め、容器の爆発的破壊につながりかねない。

本発明の目的は、上記従来技術の欠点を解消することにあり、取り扱いが容易でクエンチを起こしにくいトランスファーラインを提供することにある。

すなわち本発明は、液体ヘリウム貯留槽に、液体ヘリウムを補充供給するためのトランスファーラインであって
(1)
垂直部、水平部、及び垂直部コの字形の２重管からなるトランスファーチューブ、
(2) 該トランスファーチューブ出口側垂直部の管の外面を覆っている伸縮可能なホース、
(3)トランスファーチューブの出口端部を覆い、上記伸縮可能ホースに連結して設けられたガイドノズル
とからなる液体ヘリウムトランスファーラインである。

２重管は、ステンレス鋼を素材としていることが好ましい。

伸縮可能ホースは、蛇腹ホースであることが好ましい。

本発明によれば、従来のトランスファーラインのように特別の操作を必要とせず、取り扱いが容易で、水滴による接触することを無くすことによりクエンチを起こしにくく、安全な状態で移送しうるトランスファーラインを提供することができる。ニードル弁付きトランスファーチューブに本発明を利用すると液体ヘリウムのトランスファーが更に容易に行える。

以下図面を参照して本発明に係わるトランスファーラインを説明する。図２は本発明のトランスファーラインを示した概要図である。図２において、１１はトランスファーチューブである。トランスファーチューブ１１は、入口１２、出口１３、垂直上昇部１４、水平部１５、垂直下降部１６からなるコの字の形状からなっている。トランスファーチューブ垂直下降部１６の一部は、伸縮可能ホース１７で覆われている。この伸縮可能ホース１７は、トランスファーチューブ１１にシールリング１９とスライドリング２０で固定されている。１８はガイドノズル、２１はガイドノズル端部カバーである。

本発明のトランスファーラインにおいて、トランスファーチューブ１１は、液体ヘリウムを断熱的に移送する働きをする。このトランスファーチューブ１１は２重管構造からなっており、内部に液体ヘリウムを流すための内管と、持ち運び、操作を行うための外管とからなっている。内管と外管との間は断熱のため、真空となっている。

トランスファーチューブ１１は、垂直上昇部１４、水平部１５、及び垂直下降部１６からなるコ字形を形成している。垂直上昇部１４の長さをＬ１、水平部１５の長さをＬ２、垂直下降部１６の長さをＬ３とすると、Ｌ１とＬ３は特に限定されないが、チューブを取扱いやすい長さであり、Ｌ２はヘリウム供給容器と低温保持器との距離であり、液体ヘリウムを供給しやすい長さとすることが好ましい。

トランスファーチューブの材質は、高剛性、機密性、耐低温性、低熱伝導性が必要なことから、低熱伝導性の金属、例えばステンレス製であることが好ましい。

トランスファーチューブ垂直下降部１６の一部もしくは全部（以下総括して「一部」という）は、伸縮可能ホース１７で覆われている。伸縮可能ホースとは、ホースの長さが伸縮調整可能なホースで、本発明のトランスファーラインでは、一端がトランスファーチューブの垂直下降部１６に固定され、他端が上下方向に移動可能とされている。

この伸縮可能ホース１７とトランスファーチューブ垂直下降部１６とで形成される空間は、液体ヘリウムを移送開始時にチューブを流れるヘリウムガスが充満され、空気と置換される。このため、本発明の装置においては、トランスファーチューブの外側に氷が付着することはない。伸縮可能ホースは内部に充満したヘリウムガスが抜けにくいことが必要である。

伸縮可能ホースは、好ましくは蛇腹ホースであってよい。このような伸縮可能ホースは、断熱性、耐低温性、柔軟性、機密性、形状保持性を有することが必要であり、その材質としては、ポリエチレン、シリコン、ポリテトラクロロエチレン、各種エラストマー等を挙げることができる。これらの中では、耐寒性が優れ、かつ自己形状保持性があるポリエチレンが好ましい。なお、伸縮可能ホースが蛇腹ホースである場合、その蛇腹の凹凸の形状を保持するため、内部に金属線からなる骨格が形成されていてもよい。

本発明のトランスファーラインにおいては、上記伸縮可能ホース１７は、好ましくはシールリング１９でトランスファーラインの垂直下降部１６に固定されるとともに、その内部のガスが外に漏れないよう機密が保てるようになっている。

シールリングは、１個のみでなく幾つかの複数のシールリングの列から構成されていてもよい。シールリングの伸縮可能ホース固定部の外面には、伸縮可能ホースとシールリングとの間の漏れを防ぎ、かつ伸縮可能ホースのシールリングへの固定を確実にするため、締付具で伸縮可能ホースを外側から締付けるようにしていてもよい。

シールリングの材質としては、柔軟性と形状保持性、耐寒強度等の特性を備えたプラスチック、例えばポリテトラクロロエチレン、超高分子量ポリエチレン等を使用することができる。

上記シールリング列では、ヘリウムガスの漏洩を防ぐために、シールリングの間にＯ−リングを設けていてもよい。このようなＯ−リングの材質としては、耐寒性に優れたシリコンゴム、ポリブタジエンゴム等を挙げることができる。

本発明のトランスファーラインにおけるスライドリング２０は、伸縮可能ホース１７の下端部に固定されており、トランスファーチューブの垂直下降部１６の外周を上下方向にスライドすることにより、上下方向に伸縮可能ホース１７を伸縮させるとともに、ガイドノズル１８を上下方向に移動させる働きをする。スライドリング２０にはガスが通過できる寛通孔が設けられており、トランスファーチューブからのヘリウムガスがこのスライドリングの貫通孔を経由して伸縮可能ホース１７の内部に流入できるようになっている。

このようなスライドリングの材質としては、耐寒柔軟性があり、かつ摺動性が優れていることが必要であり、例えば、ポリテトラクロロエチレン、ポリオキシメチレン、超高分子量ポリエチレン等を使用することができる。

上記伸縮可能ホース１７の下部には、伸縮可能ホース１７に連結してガイドノズル１８が設けられている。ガイドノズルは、トランスファーチューブの出口端部１３を覆っている。このガイドノズル１８は、トランスファーチューブ出口１３に氷や霜が付着させることなく液体ヘリウムをトランスファーチューブから低温保持器内に導入する役割をする。

ガイドノズルの材質は、高剛性、耐低温性、低熱伝導性が必要なことから、低熱伝導性の金属、例えばステンレス製であることが好ましい。

ガイドノズル端部には、トランスファー時、液体ヘリウムが直接当たるため、外気にさらされている表面は空気中の水分等が付着し革の手袋等が貼り付くのを防ぐため、ガイドノズル端部カバーを装着しておく。このようなガイドノズル端部カバーとしては、保温耐寒柔軟性が優れている素材、例えば、ポリテトラクロロエチレン、ポリオキシメチレン、ポリエチレン、発泡ポリエチレン、発泡ポリプロピレン、発泡スチロール等を使用することができる。これらの中では発泡スチロールが最も好ましい。

次に、本発明のトランスファーラインを用いて液体ヘリウムに移送する手順について図３、および図４を用いて説明する。図３と図４は、本発明のトランスファーラインを用いてヘリウムを供給容器から低温保持器に移送している状況を示した概略図である。液体ヘリウムは、液体ヘリウム供給容器３２から本発明のトランスファーライン３１を通して低温保持器３３内の液体ヘリウムへと移送する。

具体的には、まずトランスファーチューブの入口端部３４を液体ヘリウム供給容器中の液体ヘリウム中に徐々に挿入する。トランスファーチューブの入口端部３４は、最初は液体ヘリウムの沸点より高い温度であるため、トランスファーラインに接触した液体ヘリウムの一部は気化し、その結果、液体ヘリウム供給容器内の圧力が増加する。この圧力により液体ヘリウムはトランスファーライン内を上昇し、移動し、垂下させたトランスファーチューブ出口端部３５から流下する。

トランスファーチューブの出口端部３５からは、まずヘリウムガスが、次いでヘリウムガスと液体ヘリウムとの混合物が流下し始め、次第に液体ヘリウムのみが流下し始める。

この工程で、ガイドノズル内に充満したヘリウムガスは空気より比重が軽いため、ガイドノズルの上方に設けられた伸縮可能チューブ内の空気を置換し、伸縮可能チューブ内はヘリウムガスで満たされる。このように、トランスファーチューブの出口付近は、純粋なヘリウムガスで満たされ、ヘリウムガス内には湿気は含まれていないのでチューブ外面に水滴が付着することがない。また、伸縮可能チューブ内は常温のヘリウムガスで充満されているため、伸縮可能チューブ表面にも水滴が付着しない。

トランスファーチューブ出口端部３５からの流出物がヘリウムガスから液体ヘリウムに置換されたら、液が出ている状態では作業が困難であるため液体ヘリウム供給容器側のトランスファーチューブの入口端部３４を液面より上げ、一時的にガスの状態にしておく。トランスファーチューブの出口端部３５からの流出物が液体ヘリウムからヘリウムガスに変わったのが確認できたら、トランスファーチューブの出口端部３５を低温保持器３３の液体ヘリウム中に数センチ程度挿入し、再びトランスファーチューブの入口端部３４を液面までゆっくり下げる。

再び液体ヘリウムが流れ出し、液体ヘリウム供給容器３２からトランスファーライン３１を経由して低温保持器３３に移送される。トランスファーチューブ出口端部３５を低温保持器３３の液体ヘリウム中に規定の深さまでゆっくり挿入する。挿入するにつれてガイドノズルも上昇し、伸縮可能チューブが縮んでその長さが次第に短くなる。

本発明のトランスファーラインは、脳磁気計測システム、心磁図、ＭＲＩ測定装置等のトランスファーラインに利用可能である。

図１は、従来使用されているトランスファーラインの概要を図示した概要図である。 図２は、本発明のトランスファーラインの概要を図示した概要図である。 図３は、本発明のトランスファーラインを用いてヘリウムを供給容器から低温保持器に移送している状況を示した概略図である。 図４は、本発明のトランスファーラインを用いてヘリウムを供給容器から低温保持器に移送している状況を示した概略図である。

符号の説明

１ トランスファーチューブ
２ チューブの入口
３ チューブの出口
４ トランスファーチューブ垂直上昇部
５ トランスファーチューブ水平部
６ トランスファーチューブ垂直下降部
１１ トランスファーチューブ
１２ チューブの入口
１３ チューブの出口
１４ トランスファーチューブ垂直上昇部
１５ トランスファーチューブ水平部
１６ トランスファーチューブ垂直下降部
１７ 伸縮可能ホース
１８ ガイドノズル
１９ シールリング
２０ スライドリング
２１ ガイドノズル端部カバー
３１ トランスファーライン
３２ 液体ヘリウム供給容器
３３ 低温保持器（クライオスタット）
３４ トランスファーチューブ入口端部
３５ トランスファーチューブ出口端部

Claims (3)

1. 液体ヘリウム貯留槽に、液体ヘリウムを補充供給するためのトランスファーラインであって
   (1)垂直部、水平部、及び垂直部からなるコの字形の２重管からなるトランスファーチューブ、
   (2)該トランスファーチューブ出口側垂直部の管の外面を覆っている伸縮可能なホース、
   (3)トランスファーチューブの出口端部を覆い、上記伸縮可能ホースに連結して設けられたガイドノズル
   とからなる液体ヘリウムトランスファーライン。
2. ２重管が、ステンレス鋼を素材としていることを特徴とする請求項１に記載の液体ヘリウムトランスファーライン。
3. 伸縮可能ホースが、蛇腹ホースであることを特徴とする請求項１〜２記載の液体ヘリウムトランスファーライン。