JPH0579600A

JPH0579600A - 極低温液体汲出し方法および装置

Info

Publication number: JPH0579600A
Application number: JP6281192A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Nakayama; 茂雄中山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1991-03-30
Filing date: 1992-03-19
Publication date: 1993-03-30
Anticipated expiration: 2013-02-10
Also published as: JP2712096B2

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、作業性を損なうことなく、しかも
極低温液体の消費を少なくでき、そのうえ汎用性に富ん
だ極低温液体汲出し方法および装置を提供する。【構成】液体ヘリウム３を収容しているデュアー４の
内圧を上昇させ、この内圧上昇を利用して液体ヘリウム
３をデュアー４から汲出すに当り、デュアー４に収容さ
れている液体ヘリウム３の蒸発によって生成されたガス
を圧縮機２４に導いて加圧し、この加圧されたガスを電
気ヒータ２７で加温した後にデュアー４内に戻すことに
よってデュアー４の内圧を上昇させるようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、極低温液体を収容して
いる断熱容器の内圧を上昇させ、この内圧上昇を利用し
て極低温液体を断熱容器内から送り出す極低温液体汲出
し方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】超電導磁石装置の主要部は、通常、断熱
容器（クライオスタット）内に超電導コイルと冷却用の
液体ヘリウムとを収容したものとなっている。断熱容器
は、良好な断熱機能が得られるように工夫されている
が、外部からの熱侵入を完全に防止できるものではな
い。また、断熱容器内には超電導コイルと外部電源とを
接続するパワーリードを介して外部から熱が侵入した
り、パワーリードで発生したジュール熱が侵入する。こ
のため、断熱容器内に収容されている液体ヘリウムは、
徐々に蒸発し、ついには全部がガス化する。したがっ
て、超電導コイルに超電導状態を維持させるには、ガス
化によって減少した液分を補充する必要がある。

【０００３】この補充には、断熱容器内に漂っているヘ
リウムガスを熱交換器で再液化する方式と、外部から断
熱容器内に液体ヘリウムを新たに注入する方式とがあ
る。前者はヘリウム冷凍機を必要とするので、恒久的な
設備などにおいて採用されている。一方、後者は実験設
備などにおいて広く採用されている。

【０００４】ところで、断熱容器内に液体ヘリウムを新
たに注入するに当っては、通常、図２０あるいは図２１
に示す方法が採用されている。すなわち、図２０に示す
方法では、超電導コイル１を収容した断熱容器２の近く
に液体ヘリウム３を収容した断熱容器、つまりデュアー
４を配置する。そして、デュアー４内と断熱容器２内と
を断熱構造のトランスファーチューブ５で連通される。

【０００５】断熱容器２内に液体ヘリウムを注入するに
際して、まずトランスファーチューブ５の途中に挿設さ
れたバルブ７を開にする。この状態で、デュアー４内の
上部空間およびこの空間に通じたシールド槽８へ高圧ヘ
リウムガスボンベ９から高圧ヘリウムガスを導入する。
この導入によってディアー４内の圧力Ｐ₁と断熱容器２
内の圧力Ｐ₂とに差（Ｐ₁＞Ｐ₂）を設け、この圧力差
でデュアー４内の液体ヘリウム３の一部をトランスファ
ーチューブ５を介して断熱容器２内へ注入するようにし
ている。

【０００６】しかし、このような方法では次のような問
題があった。すなわち、高圧ヘリウムガスボンベ９は、
規格等の制約から通常、６０Kg以上の重さを有してい
る。このため、据付、交換等の取扱いに多大の労力と時
間を必要とする問題があった。また、デュアー４内から
液体ヘリウム３を汲上げる度に高価なヘリウムガスを消
費する問題もあった。

【０００７】一方、図２１に示す方法では、デュアー４
内で液体ヘリウム３中に没する位置に電気ヒータ１０を
設置し、この電気ヒータ１０を付勢することによって液
体ヘリウム３の一部を強制的にガス化させ、このガス圧
でデュアー４内の圧力を上昇させるようにしている。

【０００８】しかし、この方法にあっても、次のような
問題があった。すなわち、今、電気ヒータ１０の容量が
１５ワットであるとすると、この電気ヒータ１０に１時
間通電することによって２１リットルの液体ヘリウムが
蒸発する。１８０Kgの超電導コイルを浸漬冷却する場
合、室温から注入開始すると、注入終了までに４時間か
かり、約３２０リットルの液体ヘリウムが使用される。
一方、電気ヒータ１０への４時間の通電で８４リットル
の液体ヘリウムが蒸発する。これから判るように、実際
に必要な量の１／４近くの液体ヘリウムが汲出しだけの
ために消費されてしまうことになる。このように、この
方法では液体ヘリウムの消費量が多いと言う問題があっ
た。

【０００９】なお、デュアー４の上部空間に１００ボル
ト、２００ワット程度の電気ヒータを設置し、この電気
ヒータでデュアー４の上部空間に存在しているヘリウム
ガスを加熱して密度を減少させ、これによって必要な内
圧を得る方法も考えられている。しかし、ヘリウムガス
の絶縁耐圧は１ミリ当り５００ボルトと極めて低いの
で、デュアー４内に位置する部分の絶縁を強化する必要
がある。また、２００ワット級の電気ヒータは、発熱体
の直径が２ミリ以上と太く、しかも長いので、トランス
ファーチューブ５を挿入するための孔等を使ってデュア
ー４内に設置することが困難である。このためデュアー
毎に電気ヒータを設置固定しなければならない不便さが
ある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来のい
わゆる極低温液体汲出し方法および装置にあっては、作
業性が悪く、しかも制限事項が多いばかりか、液体ヘリ
ウム、つまり高価な極低温液体の無駄な消費が多いと言
う問題があった。そこで本発明は、上述した不具合を解
消できる極低温液体汲出し方法および装置を提供するこ
とを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、極低温液体を収容している断熱容器の内
圧を上昇させ、この内圧上昇を利用して前記極低温液体
を前記断熱容器内から汲出すに当り、前記断熱容器に収
容されている前記極低温液体の蒸発によって生成された
ガスを圧縮手段に導いて加圧し、この加圧されたガスを
前記断熱容器内に戻すことによって前記断熱容器の内圧
を上昇させるようにしている。

【００１２】

【作用】たとえば、極低温液体が液体ヘリウムである場
合、断熱容器内に存在しているヘリウムガスが圧縮手段
に導かれて加圧された後、断熱容器内に戻され、これに
よって断熱容器内が必要な圧力に維持される。したがっ
て、この方法ではヘリウムガスや液体ヘリウムの消費を
極めて僅かに抑えた状態で断熱容器の内圧を上昇させる
ことが可能となる。また、断熱容器内に電気ヒータを設
置する必要もない。さらに、圧縮手段としては小型、軽
量のもので十分であり、作業性を悪化させる虞もない。

【００１３】

【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。

【００１４】図１には本発明を適用して超電導コイルの
収容されている断熱容器内へ液体ヘリウムを注入してい
る例が示されている。そして、この図では図２０と同一
部分が同一符号で示されている。したがって、重複する
部分の詳しい説明は省略する。

【００１５】本発明を実施するために、デュアー４内の
上部空間およびこの空間に通じたシールド槽８が配管２
１，２２，２３を介して圧縮機２４の吸込口接続されて
いる。そして、圧縮機２４の吐出し口は、配管２５を介
してデュアー４の上壁に形成されたガス吐出し口２６に
接続されている。配管２５の途中位置で外周には配管２
５内を流れるヘリウムガスを加温するための電気ヒータ
２７が設けられている。また、デュアー４には内圧を検
出するための圧力センサ２８が取付けられている。そし
て、バルブ７、圧縮機２４および電気ヒータ２７は、制
御装置２９によって次のように制御される。

【００１６】制御装置２９は、注入開始指令が与えられ
ると、まず、バルブ７を開に制御し、続いて圧縮機２４
の駆動開始制御および電気ヒータ２７の付勢開始制御を
実行する。そして、圧力センサ２８で検出されるデュア
ー４内の圧力が上限０．１４Kg／cm² 、下限０．０９Kg
／cm² の範囲に入るように圧縮機２４および電気ヒータ
２７をオン、オフ制御する。また、図示しない液位セン
サによって検出された断熱容器２内の液位が定められた
レベルに達した時点でバルブ７を閉に制御するとともに
圧縮機２４の動作を停止させ、さらに電気ヒータ２７の
付勢を停止させる。

【００１７】したがって、制御装置２９に注入開始指令
が与えられると、圧縮機２４が動作を開始し、デュアー
４内の上部空間に存在しているヘリウムガスおよびシー
ル槽８内に存在しているヘリウムガスが圧縮機２４の吸
込口へと流れ、圧縮機２４によって加圧される。加圧さ
れたヘリウムガスは、配管２５を通流する間に電気ヒー
タ２７によって加温される。そして、加圧、加温された
ヘリウムガスがガス吐出し口２６からデュアー４内の上
部空間へと戻される。このため、デュアー４内の圧力が
上昇する。

【００１８】この場合、デュアー４内の上部空間へと戻
されるヘリウムガスは、電気ヒータ２７で加温されてい
るため、上部空間に漂っているガスを加温し、上部空間
に漂っている低温のヘリウムガスを急激に膨脹させる。
したがって、内圧が急速に上昇する。このとき、バルブ
７が開に保持されているので、デュアー４内と断熱容器
２内とに圧力差が生じ、この圧力差によってデュアー４
内の液体ヘリウムがトランスファーチューブ５を介して
断熱容器２内に注入される。そして、制御装置２９は、
断熱容器２内の液位が定められたレベルに達するまで、
デュアー４内の圧力を前述した上限と下限との間に保持
すべく圧縮機２４と電気ヒータ２７とを制御する。

【００１９】このような汲出し方法では、ヘリウムガス
や液体ヘリウムの消費が少量のままでデュアー４の内圧
を上昇させることができる。また、デュアー４内に電気
ヒータを設置する必要もないので、制御事項を大幅に少
なくできる。また、使用する圧縮機２４も全重量が５Kg
程度の小型のもので十分であり、作業性の向上にも寄与
できる。実験によると、容量が５００リットルの液体ヘ
リウムデュアーの内圧を０．１４Kg／cm² まで上昇させ
るのに要した時間は２分であり、０．０９Kg／cm² から
０．１４Kg／cm² まで上昇させるのに要した時間は４０
秒であった。したがって、汲出しの立上げ時間も短縮す
ることができる。

【００２０】ここで、液体ヘリウムの蒸発潜熱は、１グ
ラム当り、５カロリーと小さいので、ガス吐出し口２６
の位置を図２に示すように液体ヘリウム層内に位置させ
れば、吐出されたヘリウムガスで液体ヘリウムの一部を
蒸発させることができ、内圧をさらに急速に上昇させる
ことができる。

【００２１】図３には本発明を適用して超電導コイルの
収容されている断熱容器内へ液体ヘリウムを注入してい
る変形例が示されている。そして、この図では図１と同
一部分が同一符号で示されている。したがって、重複す
る部分の詳しい説明は省略する。

【００２２】この例が図１に示した例と異なる点は、制
御装置２９ａにおける制御形態と、デュアー４内からヘ
リウムガスを吸上げた後に、これを加圧してデュアー４
内に戻す経路の構造とにある。

【００２３】この例においては、デュアー４内の上部空
間およびシールド層８に通じた配管２１，２２が配管２
３に接続されるとともに電磁弁１０１を介して図示しな
いガス回路系に接続されている。

【００２４】制御装置２９ａは、プッシュスイッチ１０
２の操作等によって注入開始指令が与えられると、ま
ず、バルブ７を開に、電磁弁１０１を閉に制御し、続い
て圧縮機２４を駆動開始させる。この例においては、デ
ュアー４内の上部空間圧力を監視し、圧縮機２４の駆動
開始時点からタイマ１０３で設定された時限の間はデュ
アー４内の圧力が０．０６〜０．１０Kg／cm² の範囲に
なるように圧縮機２４の回転数あるいは電圧を制御す
る。そして、タイマ１０３で設定された時限が経過した
後はデュアー４内の圧力が０．１４Kg／cm² に維持され
るように圧縮機２４の回転数あるいは電圧を制御する。
すなわち、制御装置２９ａは、汲出し開始初期にはデュ
アー４内の圧力を比較的低い値に保ち、一定期間経過後
はそれより高い値に保つように２段階の制御を行ってい
る。また、制御装置２９ａは、図示しない液位センサに
よって検出された断熱容器２内の液位が定められたレベ
ルに達した時点でバルブ７を閉に、電磁弁１０１を開に
制御するとともに圧縮機２４の動作を停止させるように
している。一方、デュアー４内からヘリウムガスを吸上
げた後に加圧してデュアー４内に戻す経路は、図４に示
すように構成されている。

【００２５】図中１０４は、デュアー４の上壁に設けら
れた吸上げ口を示している。この吸上げ口１０４を通し
てトランスファーチューブ５の一端側がデュアー４内に
差込まれている。吸上げ口１０４の周縁部には、上方へ
延びる関係に筒体１０５が接続されている。筒体１０５
の上端部外周面にはねじ山１０６が形成されており、ま
た上端部内周面には段部１０７が形成されている。

【００２６】筒体１０５の軸方向中途位置周壁には、ヘ
リウムガスの吸上げに供される管１０８の一端側が筒体
１０５内に通じる関係に接続されている。そして、管１
０８の他端側はジョイント機構１０９、１１０を介して
配管２１に接続されている。なお、ジョイント機構１１
０は、ジョイント機構１０９に接続されたとき配管２１
の接続口を自動的に解放させ、ジョイント機構１０９か
ら離脱したとき配管２１の接続口を自動的に閉塞するよ
うに構成されている。

【００２７】筒体１０５内の上部には内径がトランスフ
ァーチューブ５の外径より所定だけ大きい接続管１１１
がトランスファーチューブ５と同心的に差込まれてい
る。この接続管１１１の下部外周面と筒体１０５に形成
された段部１０７との間にはＯリング１１２が装着され
ており、このＯリング１１２の上面には押えリング１１
３が当てがわれている。そして、筒体１０５に形成され
たねじ山１０６には止め輪１１４が装着されており、こ
の止め輪１１４の締め付けで押えリング１１３を介して
Ｏリング１１２が押圧され、この押圧に伴うＯリング１
１２の変形によって接続管１１１と筒体１０５との間の
気密性の保持および筒体１０５への接続管１１１の固定
が行われている。

【００２８】接続管１１１の下端部内周面には、段部１
１５が形成されており、この段部１１５には内径が接続
管１１１のそれとほぼ等しく、薄肉に形成された案内管
１１６の一端側が嵌入固定されている。この案内管１１
６の他端側は、筒体１０５内でデュアー４内から吸上げ
られるガスの流れとデュアー４内に吐出されるガスの流
れとが相対流を起こさないようにするために、管１０８
の入口より２０cm以上離れた下方まで延びている。

【００２９】なお、トランスファーチューブ５は内管５
ａと外管５ｂとの間に真空断熱層５ｃを設けた二重管構
造に形成されているため、案内管１１６内において、デ
ュアー４内に吐出されるガスとトランスファーチューブ
５内を流れる液体ヘリウムとの間では、ほとんど熱交換
は行われない。このため、案内管１１６とトランスファ
ーチューブ５との隙間を流れるヘリウムガスが冷却され
てしまう虞はない。

【００３０】接続管１１１の軸方向中途位置周壁には、
管１１７，１１８の一端側が接続管１１１内に通じる関
係に接続されている。そして、管１１７の他端側はジョ
イント機構１１９、１２０を介して配管２５に接続され
ている。また、管１１８の他端側はジョイント機構１２
１、１２２を介して圧力計測用の配管１２３に接続され
ている。この配管１２３の他端側は、前述した制御装置
２９ａ内の圧力センサに通じている。なお、ジョイント
機構１２０、１２２は、ジョイント機構１１９，１２１
に接続されたとき対応する配管の接続口を自動的に解放
させ、ジョイント機構１１９，１２１から離脱したとき
対応する配管の接続口を自動的に閉塞するように構成さ
れている。

【００３１】接続管１１１の上端部外周面にはねじ山１
２４が形成されており、また上端部内周面には段部１２
５が形成されている。トランスファーチューブ５の外周
面と接続管１１１に形成された段部１２５との間にはＯ
リング１２６が装着されており、このＯリング１２６の
上面には押えリング１２７が当てがわれている。そし
て、ねじ山１２４には止め輪１２８が装着されており、
この止め輪１２８の締め付けで押えリング１２７を介し
てＯリング１２６が押圧され、この押圧に伴うＯリング
１２６の変形によってトランスファーチューブ５と接続
管１１１との間の気密性の保持および接続管１１１への
トランスファーチューブ５の固定が行われている。

【００３２】このような構成であると、制御装置２９ａ
に注入開始指令が与えられると、バルブ７が開に、電磁
弁１０１が閉に制御され、同時に圧縮機２４が動作を開
始してデュアー４内の上部空間に存在しているヘリウム
ガスおよびシール層８内に存在しているヘリウムガスが
圧縮機２４の吸込口へと流れ、圧縮機２４によって加圧
される。すなわち、デュアー４の上部空間に漂っている
ヘリウムガスは、図３中に実線矢印１２９で示すよう
に、案内管１１６と筒体１０５との間に入り込んだ後、
管１０８を通って配管２１へと流れる。そして、圧縮機
２４で加圧されたヘリウムガスは、図３に示すように配
管２５、管１１７を通った後に接続管１１１とトランス
ファーチューブ５との間に形成されたと環状空間に流れ
込み、その後、トランスファーチューブ５と案内管１１
６との間を流れ、吐出し口１３０からデュアー４内に流
れ込む。このため、デュアー４内の圧力が上昇を開始す
る。このように、デュアー４内の圧力が上昇すると、こ
の圧力でデュアー４内の液体ヘリウム３の一部がトラン
スファーテューブ５を通して断熱容器２内へ移送され
る。したがって、前記実施例と同様の効果を発揮させる
ことができる。

【００３３】この例においては、筒体１０５内にデュア
ー４内から吸上げられるガスの流れとデュアー４内に吐
出される加圧ガスの流れとが相対流を起こさないように
するために、管１０８の入口と吐出し口１３０が同一の
筒体１０５内に存在せず、かつ、管１０８の入口と吐出
し口１３０との間の距離Ｈを２０cm以上離している。Ｈ
が短いと圧力上昇を起こさせるのに時間がかかるが、こ
の例のようの筒体１０５の長さよりも長く、たとえば、
２０cm以上離しておくと、短時間で上昇を開始させるこ
とができる。

【００３４】また、この例において、制御装置２９ａ
は、配管１２３を開してデュアー４内の上部空間圧力を
監視し、圧力機２４の駆動開始時点からタイマ１０３で
設定された時限の間はデュアー４内の圧力が０．０６〜
０．１０Kg／cm² の範囲となるように圧縮機２４の回転
数あるいは電圧を制御し、タイマ１０３で設定された時
限が経過した後はデュアー４内の圧力が０．１４Kg／cm
² に保持されるように圧縮機２４の回転数あるいは電圧
を制御している。したがって、断熱容器２内へ移送され
る液体ヘリウムの流量は、汲出し開始時には少なく、一
定時間経過した時点から多くなる。このため、液体ヘリ
ウムの消費量を抑えた状態で断熱容器２内に液体ヘリウ
ムを注入することができる。すなわち、当初、超電導コ
イル１は室温近くまで温度上昇している。液体ヘリウム
の蒸発潜熱は前述の如く、１グラム当たり、５カロリー
と小さいので、超電導コイル１に触れた液体ヘリウムは
瞬時に蒸発する。特に、超電導コイル１の一部を構成し
ている銅材は、１００Ｋ以下にならない限り熱伝導率が
大きくはならない。したがって、初期段階から液体ヘリ
ウムの注入量を増やしても、そのほとんどが蒸発してし
まう。液体ヘリウムの消費量を最も抑えた状態で超電導
コイル１を流し込むには、徐々に冷却することが得策で
ある。この例のように、初期には流量を少なくし、一定
時間経過した時点から流量を多くすることによって、効
率よく注入することができる。

【００３５】また、この例では、接続したときには自動
的に解放し、離脱させたときには自動的に閉じる機能を
有したジョイント機構１１０，１２０，１２２を使って
配管２１，２５，１２３との接続を行うようにしている
ので、別のデュアーに切換えるために分解したような場
合であっても、配管２１，２５，１２３内はヘリウムガ
スで満たされており、空気が入り込むのを防止できる。
このため、空気が混入したときに起こり易い不具合、つ
まりヘリウムガスの汚染を防止できるとともに、混入空
気中の水分が吐出し口１３０等に氷結して加圧不良が発
生したり、配管が閉塞したりするのを防止できる。

【００３６】なお、所期の目的を達成するためのジョイ
ント機構１１０，１２０，１２２としては、日東工器株
式会社製のＳＰ−Ｖ型カプラ（２ＳＰ−Ｖ型，３ＳＰ−
Ｖ型，４ＳＰ−Ｖ型）等を用いると良い。

【００３７】また、この例では、制御装置２９ａを動作
させると、この制御装置２９ａでガス回収系に通じる電
磁弁１０１を閉じるようにしているので、汲出しを遠隔
制御で完全に自動化することもでき、超電導コイル１に
近付くことなく安全に汲出し作業を遂行することができ
る。

【００３８】さらに、この例では、接続管１１１の下端
部に薄肉の案内管１１６が同軸的に接続されており、こ
の案内管１１６の外径は接続管１１１の外径よりも小さ
い。したがって、接続管１１１と筒体１０５との間に介
挿されたＯリング１１２は、極低温に冷却された案内管
１１６に接触しない。このため、案内管１１６からの熱
伝達でＯリング１１２の塑性変形を防止でき、この結
果、分解時に接続管１１１の抜出しが困難になるのを防
止できる。

【００３９】図５は、図４に示す構造において、ヘリウ
ムガスの流動過程を逆転させた場合の変形例である。す
なわち、図４において吸上げ口１０４であったところが
図５では吐出し口に、同様にして、吐出し口１３０であ
ったところは吸上げ口になっている。また、この変更に
ともない、制御装置２９ａ内の圧力センサに通じる圧力
測定用の配管１２３、ジョイント機構１２１、１２２お
よび管１１８の位置が変更され、管１１８は筒体１０５
の軸方向中途位置周壁に接続されている。ただし、これ
らの位置は図中の位置に限定されず、デュアー４の内圧
が正確に測定できる位置であればどこに設けてもかまわ
ない。なお、図５では図４と同一部分が同一符号で示さ
れている。したがって、重複する部分の詳しい説明は省
略する。図６には本発明の実施に供される構造部分の変
形例、ここには図４に対応した部分が示されている。こ
の図では、図４に示されている要素に対応する要素が同
一符号で示されている。したがって、重複する部分の詳
しい説明は省略する。

【００４０】この例が図４に示す例と異なる点は、デュ
アー４内の上部空間に漂っているヘリウムガスを吸い上
げるのに必要な要素、圧縮されたヘリウムガスをデュア
ー４内の上部空間に戻すのに必要な要素および圧力測定
に必要な要素の全てを接続管１１１ａ側に設けたことに
ある。

【００４１】すなわち、トランスファーチューブ５は、
接続管１１１ａ内の偏心位置を貫通している。接続管１
１１ａの周壁で、その内面とトランスファーチューブ５
との間の距離が短い位置部分には、この接続管１１１ａ
内に通じる関係に管１１７，１１８の一端側が接続され
ている。また、接続管１１１ａの周壁で、その内面とト
ランスファーチューブ５との間の距離が長い位置部分に
は斜め貫通孔１３１が形成されている。この貫通孔１３
１には管１３２の一端側が気密に接続されている。この
管１３２の他端側はジョイント機構１０９に接続されて
いる。そして、管１３２内には、一端側がジョイント機
構１０９に接続され、他端側が接続管１１１ａの内面と
トランスファーチューブ５との間に存在する空間を下方
に延びて、その先端部１３３をデュアー４の上部空間に
位置させた４弗化エチレン製のチューブ１３４が設けら
れている。なお、チューブ１３４は、加圧（吐出）ガス
の流れと吸上げガスの流れとが筒体１０５ａ内あるいは
接続管１１１ａ内で相対流とならないようにするため
に、先端部１３３と管１１７の吐出口との間の距離を２
０cm以上離し得る長さに設定されている。また、この例
では、接続管１１１ａに対してトランスファーチューブ
５を偏心配置しているので、段部１２５とＯリング１２
６との間にＯリング１３５と中間リング１３６を介在さ
せている。

【００４２】このように構成すると、加圧のために必要
な要素を筒体１０５ａに設ける必要がないので、各種の
デュアーに即対応でき、扱い易さを向上させることがで
きる。

【００４３】図７は、図６に示す構造において、ヘリウ
ムガスの流動過程を逆転させた場合の変形例である。す
なわち、図６において吸上げ口１３３であったところが
図７では吐出し口に、同様にして、吐出し口１０４であ
ったところは吸上げ口になっている。また、この変更に
ともない、制御装置２９ａ内の圧力センサに通じる圧力
測定用の配管１２３、ジョイント機構１２１、１２２お
よび管１１８の位置が変更され、管１０８はデュアー４
の上壁に接続されている。ただし、これらの位置は図中
の位置に限定されず、デュアー４の内圧が正確に測定で
きる位置であればどこに設けてもかまわない。なお、図
７では図６と同一部分が同一符号で示されている。した
がって、重複する部分の詳しい説明は省略する。

【００４４】次に、図４および図６に示す構造を用いた
場合のデュアー内の圧力上昇と加圧時間との関係につい
て説明する。図８は、デュアー内の圧力上昇と加圧時間
との関係についての実験結果を示したグラフである。実
験は、容量が５００リットルの液体ヘリウムデュアーに
ついて行った。図中でＡは図４に示す構造を用いた場
合、Ｂは図６に示す構造を用いた場合の結果である。

【００４５】図４に示す構造によれば、デュアー４内の
圧力が液体ヘリウム３を移送可能な０．１４Kg／cm² に
達するまでに約１分で済むのに対し、図６に示す構造で
は、約１０分を要している。これは、以下に示す理由に
よるものと考えられる。

【００４６】図６に示す構造では、デュアー４内におけ
る液体ヘリウム３の液面直上付近の吸上げ口１３３から
極低温ヘリウムガスが吸入され、室温程度にまで圧縮さ
れたのち、吐出し口１０４から比較的ヘリウムガス密度
の小さいデュアー４内の上部空間に放出される。このた
め、ヘリウムガスのデュアー内での大幅な密度変化（圧
力上昇）が生じにくいものと考えられる。

【００４７】これに対して、図４に示す構造によれば、
デュアー４内の上部空間から吸上げ口１０４を介してヘ
リウムガスが吸入され、液体ヘリウム液面直上に設けら
れた吐出し口１３０から極低温ヘリウムガス空間へ加圧
されたヘリウムガスが放出される。これにより、蒸発潜
熱の小さい液体ヘリウムが液体表面上から急速に蒸発す
るため大幅な密度変化（圧力上昇）が生じるものと考え
られる。

【００４８】したがって、より大幅な密度変化を生じさ
せるには、蒸発潜熱の小さい液体ヘリウムの液中に加圧
したヘリウムガスを放出させるのが最も効果的であると
思われる。

【００４９】図９乃至図１１は、図４および図６に示す
構造をもとに、加圧したヘリウムガスを液体ヘリウムの
液中に放出するようにした構造を示すものである。ここ
で、それぞれの吐出し口１３０，１３３は、デュアー４
底面近傍まで延びている。これにより、液体ヘリウムが
消費されて液面が低下した場合でも、液体ヘリウムの蒸
発による密度変化を効果的に利用することができる。つ
まり、液体ヘリウムの汲出しに当たっては、図９乃至１
１に示す例が最も効率の良い構造であると考えられる。

【００５０】しかし、実用上は、図３あるいは図７に示
す構造のように液体ヘリウム３の液面直上の極低温ヘリ
ウムガス空間へ加圧されたヘリウムガスを放出させるこ
とにより生じる圧力上昇でも十分所期の目的を達成する
ことができる。

【００５１】なお、上記実施例では、極低温液体として
液体ヘリウムを扱っているが、液体窒素や液体酸素等の
他の極低温液体の汲出しにも適用できることは勿論であ
る。図１２には極低温液体の移送に好適なトランスファ
ーチューブ３１が示されている。トランスファーチュー
ブ３１は、デュアー３２に収容されている極低温液体、
たとえば液体ヘリウム３３を別の断熱容器、たとえば超
電導コイル３４を収容した断熱容器３４内へ移送すると
きなどにおいて使用される。

【００５２】液体ヘリウムの蒸発潜熱は、１グラム当
り、５カロリーと小さいので、移送中に外部から熱が侵
入すると容易に蒸発する。このため、この種のトランス
ファーチューブでは、通常、液体ヘリウムを通流させる
内管と、その外側に配置された外管とからなる二重管構
造とし、内管と外管との間に真空断熱層を設けている。
真空断熱層の存在によって液体ヘリウムの蒸発が抑制さ
れる。

【００５３】しかし、外管からの熱伝導による熱侵入で
起こる液体ヘリウムの蒸発を無視できず、移送効率の低
いのが一般的である。特に、この種のトランスファーチ
ューブにあっては、途中に嵌め合い方式の接続部が設け
られるが、この接続部において外管からの熱伝導で液体
ヘリウムに伝わる熱量が多い。この伝熱量を少なくする
には、接続部の軸方向の長さを長く設定する必要があ
り、全体の長尺化を免れ得ないものとなる。また、トラ
ンスファーチューブを使って一方の断熱容器から他方の
断熱容器内へ液体ヘリウムを移送するときには、通常、
トランスファーチューブの一端を一方の断熱容器内の液
体ヘリウム中に差込む必要がある。このため、外熱がト
ランスファーチューブの外管を通して液体ヘリウムに伝
わり、液体ヘリウムの蒸発量が必然的に多くなると言う
問題もあった。

【００５４】図１２に示されるトランスファーチューブ
３１は、上述した問題の解消に寄与できるものである。
このトランスファーチューブ３１は、第１のチューブ３
７と第２のチューブ３８とを接続部３９で接続したもの
となっている。

【００５５】チューブ３７は、ステンレス鋼で形成され
た内管４０と、この内管４０を覆うように配置された外
管４１と、これら内管４０と外管４１との間に形成され
た真空断熱層４２とで構成されている。同様に、チュー
ブ３８もステンレス鋼で形成された内管４３と、この内
管４３を覆うように配置された外管４４と、これら内管
４３と外管４４との間に形成された真空断熱層４５とで
構成されている。チューブ３７は、その一端側の先端開
口部４６がデュアー３２内の液体ヘリウム３３中に位置
するようにデュアー３２の上壁を気密に貫通して設けら
れている。また、チューブ３８は、その一端側の先端開
口部４７が断熱容器３５内に位置するように断熱容器３
５の上壁を気密に貫通して設けられている。そして、チ
ューブ３７の他端側とチューブ３８の他端側とが嵌め合
い方式の接続部３９で接続されている。

【００５６】接続部３９は、チューブ３７の他端部外径
を小径にして形成された雄部４８と、チューブ３８の他
端部内径を大径にして形成された雌部４９と、この雌部
４９に雄部４９を嵌合させたときに両者間に存在する環
状の隙間をシールするシールリング５０とで構成されて
いる。

【００５７】一方、チューブ３７を構成している外管４
１は、雄部４８に近い部分およびデュアー３２内の上部
空間に位置している部分が、図１３に示すように、熱伝
導率の小さいアルミナ等のセラミック管５１，５２で形
成されている。同様に、チューブ３８を構成している内
管４３は、雌部４９を構成している部分の一部がセラミ
ック管５３で形成されている。さらに、チューブ３８を
構成している外管４４は断熱容器３５内に位置している
部分の一部がセラミック管５４で形成されている。な
お、図１２中、５５はバルブを示している。

【００５８】このように、トランスファーチューブ３１
の途中、特に外部から熱侵入が起こり易い部分にセラミ
ック管を介在させておくと、ステンレス鋼の熱伝導度８
４Ｗ／ｍ・ｋに対してセラミックのそれは２１Ｗ／ｍ・
ｋと小さいことからして、外部からの熱侵入を抑えるこ
とができ、移送効率を向上させることができる。

【００５９】実験によると、図１２に示されているトラ
ンスファーチューブ３１を用い、デュアー３２の内圧を
０．１４Kg／cm² に設定して液体ヘリウム３３を断熱容
器３５内に移送したところ、断熱容器３５内に５０リッ
トル溜めるのに、図１４中に実線で示すように、１２分
要した。したがって、移送効率は８５％となる。一方、
アルミナ等のセラミック管のみが存在せず、他の条件は
等しいトランスファーチューブを使って同一条件で移送
したところ、図１４中に破線で示すように２０分要し
た。このときの移送効率は６５％となる。このように、
セラミック管を介在させることによって移送効率を向上
させることができる。また、接続部３９の軸方向の長さ
も既存のものに比べて短くでき、トランスファーチュー
ブの短尺化にも寄与できる。

【００６０】図１５には断熱容器内に侵入しようとする
空気に含まれている水分、窒素、酸素等の凝固によって
断熱容器に通じる配管が閉塞されるのを防止する手段が
示されている。

【００６１】超電導コイルを収容する断熱容器には、通
常、超電導コイルへ通電するためのパワーリードを保護
するための配管、圧力、温度、歪等の計測線を保護する
ための配管、ヘリウムガスを回収するための配管、シー
ルド冷却用の配管等の多くの配管が設けられている。配
管の材質はステンレス鋼が主で、アルミニウムも用いら
れている。これらの配管には、状況によって空気が流れ
ることがある。流入する空気（水分、窒素、酸素）は、
極低温ヘリウムガスで冷却された配管に触れて凝固し易
い。

【００６２】この場合、金属製の配管は濡れ性が悪い。
このため、付着した水は、水玉のような半球状の形で凝
固する。これら凝固物が集まって配管を閉塞してしまう
ことが多い。もし、ヘリウムガス回収管が閉塞される
と、断熱容器の内圧が上り、断熱容器を破損させてしま
う虞がある。また、断熱容器の回りに、たとえば液体窒
素のシールド槽を設けている場合には、断熱容器に液体
ヘリウムを導入したとき、シールド槽内の液体窒素の一
部が凝固し、この凝固した分だけシールド槽内が減圧さ
れる。この減圧によってシールド槽に接続された配管を
通して空気が流入し易い。空気が流入しようとすると、
その中に含まれている水分等が配管の内面に凝固する。
このため、配管が塞がれ、以後、シールド槽へ液体窒素
を流すことができなくなり、これが原因して断熱容器内
の液体ヘリウムの蒸発を増加させてしまうことがある。

【００６３】そこで、図１５に示す例では、空気の流入
によって起こり易い配管の閉塞を防止する手段を設けて
いる。図１５に示す例は、超電導コイル６１と液体ヘリ
ウム６２とを収容した断熱容器６３の外側に、真空断熱
層６４を介して配置される液体窒素シールド槽６５に接
続される配管６６が閉塞されるのを防止している。

【００６４】配管６６の内側には、図１６に示すよう
に、４弗化エチレン管６７が装着されている。すなわ
ち、配管６６の部分は二重管構造になっており、内側に
４弗化エチレン管６７が位置している。そして、これら
二重管は活性炭やモレキュラシーブ等の吸着材を収容し
た吸着槽６８を介してガス回収管６９に接続されてお
り、これら回収管６９はそれぞれバルブ７０を介して大
気に解放されている。

【００６５】このような構成であると、シールド槽６５
内に液体窒素７１が収容され、バルブ７０が閉じられて
いる状態で断熱容器６３内に液体ヘリウム６２を導入す
ると、伝達等によってシールド槽６５内の液体窒素７１
が冷却されて一部が凝固する。この凝固によってシール
ド槽６５内の圧力が低下し、これが原因してバルブ７０
の接続部等から空気が流入する。この流入した空気は吸
着槽６８を通るときに含まれている水分の一部が除去さ
れ、続いて４弗化エチレン管６７へと流れる。このと
き、４弗化エチレン管６７の内面は極低温に冷却されて
いる。したがって、流れ込んだ空気に含まれている水分
は、４弗化エチレン管６７の内面に付着して凝固する。
この場合、４弗化エチレン管６７は、濡れ性がよいの
で、付着した水分は薄い膜状に広がって付着し、この状
態で凝固する。したがって、水分の凝固によって４弗化
エチレン管６７、つまり配管６６が閉塞するようなこと
はない。

【００６６】上記はシールド槽の配管に適用した例であ
るが、主断熱容器に通じる配管にも適用できることは勿
論である。また、４弗化エチレン管を用いる代わりに、
４弗化エチレンのコーティング層を施すようにしてもよ
い。また、図中７２で示すように、冷却管で吸着槽６８
を７７Ｋ程度に冷却し、吸着槽６８での水分、窒素、酸
素等の吸着効率を向上させるようにしてもよい。

【００６７】図１７には、超電導コイル８１と液体ヘリ
ウム８２とをそれぞれ収容した複数の断熱容器８３ａ，
８３ｂのガス回収管８４ａ，８４ｂを共通にガスバック
やヘリウム冷凍機８５に接続したとき起こる不具合を解
消する手段が示されている。超電導コイルと液体ヘリウ
ムとをそれぞれ収容した複数の断熱容器のガス回収管を
共通にガスバックやヘリウム冷凍機に接続した場合、あ
る超電導コイルがクエンチすると、その影響で他の超電
導コイルもクエンチすることがある。すなわち、ある超
電導コイルがクエンチすると、この超電導コイルは、
（電流の２乗）×（常電導状態の抵抗値）で発熱する。
この発熱によって、回りの液体ヘリウムが蒸発し、断熱
容器内に高圧ヘリウムガスが充満した状態となる。この
高圧ヘリウムガスは、ガス回収管を通って他の断熱容器
内へと移行する。このため、他の断熱容器内の温度が上
昇し、この他の断熱容器内の液体ヘリウムが蒸発し、結
局、この他の断熱容器内の超電導コイルも連鎖反応的に
クエンチする。

【００６８】そこで、図１７に示されている例では、ガ
ス回収管８４ａ，８４ｂを共通管８６を介してヘリウム
冷凍機８５に接続するとともに、各ガス回収管８４ａ，
８４ｂに電磁弁やスプリングリターン式の電磁弁等から
なるバルブ８７ａ，８７ｂを介在させている。そして、
各断熱容器８３ａ，８３ｂに安全弁８８ａ，８８ｂを取
付けるとともに圧力センサ８９ａ，８９ｂを取付け、こ
の圧力センサ８９ａ，８９ｂの検出値が一定値を越えよ
うとしたときに制御器９０ａ，９０ｂで対応するバルブ
８７ａ，８７ｂを閉に制御するようにしている。

【００６９】したがって、今、断熱容器８３ａ内の超電
導コイル８１がクエンチし、このクエンチによって断熱
容器８３ａ内の圧力が一定値以上に上昇すると、制御器
９０ａが動作してバルブ８７ａが閉に制御される。この
ため、高温、高圧のヘリウムガスが断熱容器８３ｂ内へ
移行するのを防止でき、この断熱容器８３ｂ内の超電導
コイル８１のクエンチが防止される。そして、断熱容器
８３ａ内の圧力がさらに上昇すると、安全弁８８ａが動
作し、断熱容器８３ａ内の高温、高圧のヘリウムガスが
大気中へ放出されて断熱容器８３ａの破損が防止され
る。上述のように、連鎖反応的にクエンチが発生するの
を防止できる。

【００７０】図１８には変形例が示されている。この例
では、ガス回収管８４ａ，８４ｂと、共通管８６との間
に三方弁９１を介在させるとともに圧力センサ８９ａ，
８９ｂの出力を判断回路９２に導入している。そして、
判断回路９２でどの断熱容器内の圧力が上昇したかを判
断し、この出力を制御器９３に導入し、この制御器９３
で圧力の上昇した断熱容器を切り離し、圧力の正常な断
熱容器だけをヘリウム冷凍機８５に接続するように三方
弁９１を切換制御している。したがって、たとえば断熱
容器８３ａ内の超電導コイル８１がクエンチし、このク
エンチによって断熱容器８３ａ内の圧力が上昇したとき
には、図１９に示すように三方弁９１が切換えられ、断
熱容器８３ａが断熱容器８３ｂおよびヘリウム冷凍機８
５から切り離される。これによって、クエンチの連鎖反
応的な発生が防止される。上記例は、断熱容器が２つの
例であるが、３つを越える場合において、図１８に示す
方法を採用するには２系統ずつに分けることによって容
易に実現できる。

【００７１】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、極
低温液体やそのガスの消費を伴わずに、また内部に電気
ヒータを設けることなく、極低温液体を収容した断熱容
器の内圧を上昇させることができ、しかも小型、軽量の
圧縮機で内圧を上昇させることができるので、作業性の
向上にも寄与できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る極低温液体汲出し方法の一実施形
態を説明するための図。

【図２】本発明に係る極低温液体汲出し方法の一実施形
態の変形例を説明するための図。

【図３】本発明に係る極低温液体汲出し方法の別の実施
形態を説明するための図。

【図４】上記実施を実現する具体的構成例を示す図。

【図５】上記実施を実現する具体的構成の変形例を示す
図。

【図６】上記実施を実現する別の具体的構成例を示す
図。

【図７】上記実施を実現する別の具体的構成の変形例を
示す図。

【図８】液体ヘリウム容器の内圧と加圧時間との関係を
示す図。

【図９】本発明に係る極低温液体汲出し方法の別の実施
形態の変形例を説明するための図。

【図１０】上記実施を実現する具体的構成の他の変形例
を示す図。

【図１１】上記実施を実現する別の具体的構成の他の変
形例を示す図。

【図１２】トランスファーチューブの概略構成図。

【図１３】同トランスファーチューブを局部的に取り出
して示す断面図。

【図１４】同トランスファーチューブの輸送特性を公知
のトランスファーチューブのそれと比較して示す図。

【図１５】断熱容器に接続される配管の閉塞防止手段を
示す図。

【図１６】配管を局部的に取り出して示す断面図。

【図１７】クエンチが連鎖反応的に発生するものを防止
する手段を示す図。

【図１８】クエンチが連鎖反応的に発生するものを防止
する別の手段を示す図。

【図１９】図８に示される手段の動作を説明するための
図。

【図２０】極低温液体汲出し方法の公知例を示す図。

【図２１】極低温液体汲出し方法の別の公知例を示す
図。

【符号の説明】

１…超電導コイル、２…断熱容器、３…液体ヘリウム、
４…デュアー、５…トランスファーチューブ、７…バル
ブ、８…シールド槽、２４…圧縮機、２６…ガス導入
口、２７…電気ヒータ、２８…圧力センサ、２９、２９
ａ…制御装置。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】極低温液体を収容している断熱容器の内圧
を上昇させ、この内圧上昇を利用して前記極低温液体を
前記断熱容器内から汲出すに当り、前記断熱容器に収容
されている前記極低温液体の蒸発によって生成されたガ
スを圧縮手段に導いて加圧し、この加圧されたガスを前
記断熱容器内に戻すことによって前記断熱容器の内圧を
上昇させるようにしたことを特徴とする極低温液体汲出
し方法。
【請求項２】前記圧縮手段で加圧されたガスに熱を加え
て温度上昇させた後に前記断熱容器内へ戻すようにした
ことを特徴とする請求項１に記載の極低温液体汲出し方
法。
【請求項３】前記圧縮手段で加圧されたガスを前記断熱
容器内の前記極低温液体層中へ戻すようにしたことを特
徴とする請求項１に記載の極低温液体汲出し方法。
【請求項４】前記断熱容器の内圧を目標圧力に向けて段
階的に上昇させるようにしたことを特徴とする請求項１
に記載の極低温液体汲出し方法。
【請求項５】前記断熱容器と前記圧縮手段とが着脱自在
であるとし、前記断熱容器と前記圧縮手段とを着脱する
際に、前記圧縮手段全体を前記極低温液体の蒸発によっ
て生成されたガスで満たすようにすることを特徴とする
請求項１に記載の極低温液体汲出し方法。
【請求項６】極低温液体を収容している断熱容器から前
記極低温液体を汲出す極低温液体汲出し装置において、
前記断熱容器内で前記極低温液体の蒸発によって生成さ
れるガスを加圧する圧縮手段と、この圧縮手段に前記ガ
スを導くために設けられる汲上げ口と、前記圧縮手段に
より加圧された前記極低温液体ガスを前記断熱容器に戻
すために設けられる吐出し口とを有することを特徴とす
る極低温液体汲出し装置。
【請求項７】前記断熱容器内から前記吸上げ口に導かれ
る前記ガスと前記吐出し口から前記断熱容器内に戻され
る加圧された前記ガスとが相対流を起こさないような位
置に、前記吸上げ口と前記吐出し口とが設けられている
ことを特徴とする請求項５に記載の極低温液体汲出し装
置。