加圧超流動ヘリウムクライオスタット及びその制御方法
【課題】第１槽内の圧力低下を防ぐことが可能な加圧超流動ヘリウムクライオスタット及びその制御方法を提供する。
【解決手段】加圧超流動ヘリウムクライオスタット１は、液体ヘリウムを貯留する第１槽１１と、第１槽１１内に連通路１３を介して連通し、加圧超流動ヘリウムを貯留する第２槽１２と、連通路１３を開閉する弁体１４と、第１槽１１内の液体ヘリウムを絞り膨張させてその絞り膨張により発生する冷熱により第２槽１２内を冷却する超流動ヘリウム冷却手段１５〜１９と、第１槽１１内に設けられ、当該第１槽１１内の液体ヘリウムを加熱可能な加熱手段２１と、を備えている。
【解決手段】加圧超流動ヘリウムクライオスタット１は、液体ヘリウムを貯留する第１槽１１と、第１槽１１内に連通路１３を介して連通し、加圧超流動ヘリウムを貯留する第２槽１２と、連通路１３を開閉する弁体１４と、第１槽１１内の液体ヘリウムを絞り膨張させてその絞り膨張により発生する冷熱により第２槽１２内を冷却する超流動ヘリウム冷却手段１５〜１９と、第１槽１１内に設けられ、当該第１槽１１内の液体ヘリウムを加熱可能な加熱手段２１と、を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加圧超流動ヘリウムを用いて超電導磁石装置等を冷却するための加圧超流動ヘリウムクライオスタット及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＮＭＲ装置等に用いられる超電導磁石装置では、発生する磁場を高くすることが求められている。
一般的に高磁場化するためには、超電導線に流す電流密度を増やすこと、つまり、一定磁場の下で、超電導マグネットを構成する超電導線の臨界電流値を大きくする必要がある。
しかし、これまでに商用化された超電導線は、おおよそＮｂＴｉおよびＮｂ３Ｓｎの２種に留まっており、材料開発による手法では、これ以上の臨界電流値の増大を望めない状況にある。
そこで、超電導線をより低温に冷却して、臨界電流値を大きくする手法がとられるようになってきている。
そのための冷却方法の一つが加圧超流動ヘリウムを用いた冷却方法であり、特許文献１及び特許文献２などに開示されている。
【０００３】
特許文献１及び特許文献２に記載の冷却方法は、液体ヘリウムを貯留する液体ヘリウム槽（以下、「第１槽」という）と、前記第１槽内に連通路を介して連通し、加圧超流動ヘリウムを貯留する超流動ヘリウム槽（以下、「第２槽」という）と、前記連通路を開閉する弁と、前記第２槽内の液体ヘリウムを冷却するための主熱交換器と、前記第１槽内の液体ヘリウムを前記主熱交換器にジュールトムソン弁を介して絞り膨張させて流通させる冷却機構と、を備えるクライオスタットを用いて、前記第２槽内に冷却対象である超電導マグネットを浸漬するものである。
【０００４】
このような冷却方法のメリットを以下に示す。
液体ヘリウムは、大気圧下では２．１６３Ｋ（ラムダ点）以下で超流動転移を起こす。液体ヘリウムは、超流動転移を起こすと、ラムダ点よりも高い温度のときに比べて、１０００万倍の有効熱伝導率をもつようになる。このような超流動ヘリウムの熱伝導特性により、超電導マグネットを急速に冷却することが可能である。
加えて、大気圧下にある超流動ヘリウム（加圧超流動ヘリウム）は、約４．２Ｋまで沸騰しないため、沸騰に至るまでに温度余裕が生まれる。そのため、超電導マグネットの一部がなんらかの原因で過度に発熱したとしても、沸騰しにくく、冷却効率が落ちることはない。これにより、飽和超流動ヘリウム（気液共存曲線上にある液体ヘリウム）中に超電導マグネットを浸漬した場合に比べ、大きな冷却能力を発揮することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１０９０３５号公報
【特許文献２】特許第３４１７７９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、こうした構成の装置を実際に稼動させてみると、時折、前記第１槽内の圧力がクライオスタット外部の圧力に比べて陰圧になることが本願発明者により観測されていた。
【０００７】
第１槽内の圧力が外部の圧力に比べて陰圧になる原因は、本願発明者の検証により以下のように推測される。
図６に従来のクライオスタット１００および当該クライオスタット１００内の液体ヘリウムの高さ方向における温度分布を模式的に示す。
図６に示すように、第２槽１１２に設けられた主熱交換器１１５による冷却により第２槽１１２内の液体ヘリウムは一定温度（約１．６Ｋ）に保たれている。
一方、連通路１１３と弁体１１４との僅かな隙間を介して第１槽１１１から第２槽１１２への熱流が生じるため、第１槽１１１内において、下部から上部に向けて徐々に温度が上昇するような温度勾配が発生する。尚、上述のように、ラムダ点以下の温度では、液体ヘリウムの熱伝導率が非常に高いため、第１槽１１１内における底近傍の領域では、温度勾配はほとんど生じず、ラムダ点温度で一定となる。
また、図６に示すように、初期の状態（第１槽１１１内の冷却が進んでいない状態）では、第１槽１１１内における液面から所定の深さまでの液体ヘリウムは飽和状態にあり、温度は約４．２Ｋでほぼ一定である。そのため、液面近傍において高さ方向における温度勾配はほとんど存在していない。
しかしながら、この状態で放置すると、第２槽１１２からの冷却により、最終的には、図７に示すように、第１槽１１１内の液体ヘリウムの液面の直下にまで、温度勾配が到達することになる。
この場合、液面における蒸発速度が、図６に示す状態に比べて減少するため、結果として液面では気相のヘリウムガスが液化再凝縮する現象が発生し、第１槽１１１内の圧力がクライオスタット１００の外部の圧力に対し陰圧となってしまう。
【０００８】
第１槽１１１内が陰圧になると、主熱交換器１１５に第１槽１１１内の液体ヘリウムを流通させるための弁機構１１７の両端の圧力差が小さくなり、当該弁機構１１７の開度が同じ場合でも流通速度が小さくなってしまうという問題を生じてしまう。
更に、第１槽１１１内の圧力が低下することで、これに連通する第２槽１１２内の圧力が低下し、本来の冷却能力が発揮できなくなるという問題を生じてしまう。
【０００９】
本発明は、上記実情に鑑みることにより、第１槽内の圧力低下を防ぐことが可能な加圧超流動ヘリウムクライオスタット及びその制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る加圧超流動ヘリウムクライオスタット及びその制御方法は、上記目的を達成するために以下のようないくつかの特徴を有している。すなわち、本発明の加圧超流動ヘリウムクライオスタット及びその制御方法は、以下の特徴を単独で、若しくは、適宜組み合わせて備えている。
【００１１】
本発明に係る加圧超流動ヘリウムクライオスタットにおける第１の特徴は、液体ヘリウムを貯留する第１槽と、前記第１槽内に連通路を介して連通し、加圧超流動ヘリウムを貯留する第２槽と、前記連通路を開閉する弁と、前記第１槽内の液体ヘリウムを絞り膨張させてその絞り膨張により発生する冷熱により前記第２槽内を冷却する超流動ヘリウム冷却手段と、前記第１槽内に設けられ、当該第１槽内の液体ヘリウムを加熱可能な加熱手段と、を備えたことである。
【００１２】
本願発明者は、第１槽内に気体として存在するヘリウムが、冷却されて液化することにより、第１槽内の圧力が低下することを知見した。
そして、当該ヘリウムの液化量は、第１槽内に貯留された液体ヘリウムの高さ方向における温度勾配に関連付けられることを知見した。即ち、液体ヘリウムの液面近傍の当該温度勾配が、急激であるほど、液化が促進され、第１槽内の圧力が低下しやすいことを知見した。
上記第１の特徴を有する構成によると、加熱手段により第１槽内の液体ヘリウムを加熱することで、液面近傍の温度勾配を緩やかにすることができ、第１槽内の圧力の低下を防ぐことができる。
【００１３】
また、本発明に係る加圧超流動ヘリウムクライオスタットにおける第２の特徴は、前記第１槽内に設けられ、当該第１槽内の高さ方向における温度分布を検知可能な温度分布検知手段を備えることである。
【００１４】
この構成によると、温度分布検知手段で検知された温度分布に基づいて、液面近傍の温度勾配が急な場合は、加熱手段により第１槽内の液体ヘリウムを加熱することで、第１槽内の圧力の低下を防ぐことができる。
【００１５】
また、本発明に係る加圧超流動ヘリウムクライオスタットにおける第３の特徴は、前記温度分布検知手段で検知された温度分布に基づいて、前記第１槽内の液体ヘリウムの超流動転移温度点位置を高さ方向における所定の位置に保持するように、前記加熱手段を制御する制御手段を更に備えることである。
【００１６】
「超流動転移温度点位置」とは、超流動状態の液体ヘリウムと非超流動状態の液体ヘリウムとの境界の位置である。即ち、ラムダ点にある液体ヘリウムと、ラムダ点よりも高い温度の液体ヘリウムと、の境界の位置である。
上記第３の特徴を有する構成によると、制御手段により、超流動転移温度点位置よりも上部の温度勾配の変動を抑制することができる。これにより、第１槽内の気体のヘリウムが過度に液化することが防止される。結果として、第１槽内が陰圧になることを防ぐことができる。
また、上述のような制御手段により自動的に加熱手段が制御されるため、加熱手段を手動で操作する手間を省くことができる。
【００１７】
また、本発明に係る加圧超流動ヘリウムクライオスタットにおける第４の特徴は、前記第１槽内の液体ヘリウムの液面の高さを検知する液面検知手段を備え、前記温度分布検知手段は、高さ方向において異なる位置にそれぞれ固定された複数の温度計を有することである。
【００１８】
この構成によると、液面検知手段で液面の高さを検知することで、液面よりも下に配置された温度計を抽出し、液体ヘリウム内の高さ方向における温度分布を知ることができる。
これにより、第１槽内の液体ヘリウムの液面が低下し、一部の温度計が液体ヘリウムの外に出た場合でも、液体ヘリウム内に位置する他の温度計のみの検知結果に基づいて、当該液体ヘリウムの高さ方向における温度分布を検知することができる。この場合、液体ヘリウム内における液面近傍の温度勾配をより正確に知ることができ、当該温度勾配に基づいて加熱手段を制御できるので、第１槽内の圧力低下をより確実に抑制することができる。
【００１９】
また、本発明に係る加圧超流動ヘリウムクライオスタットにおける第５の特徴は、前記液面検知手段により検知された液面の高さに基づいて、前記液面の高さよりも低い位置にある前記温度計を抽出し、抽出された前記温度計で検知された温度分布に基づいて、高さ方向の温度勾配が所定の温度勾配になるように、前記加熱手段を制御する制御手段を備えることである。
【００２０】
この構成によると、制御手段により、第１槽内の液体ヘリウムの高さ方向の温度勾配が所定の温度勾配になるように、自動的に加熱手段が制御され、第１槽内の圧力の低下が防止される。これにより、加熱手段を手動で操作する手間を省くことができる。
【００２１】
また、本発明に係る加圧超流動ヘリウムクライオスタットにおける第６の特徴は、前記温度分布検知手段は、前記第１槽内の前記液体ヘリウムの液面の高さに応じて上下に移動することである。
【００２２】
この構成によると、第１槽内の液体ヘリウムの液面の高さが変動した場合でも、温度分布検知手段の液面に対する位置が変化しない。
これにより、液面の位置を判断することなく、簡単に、第１槽内の液体ヘリウムの高さ方向における温度分布を検知することができる。この場合、液体ヘリウム内における液面近傍の温度勾配をより正確に知ることができ、当該温度勾配に基づいて加熱手段を制御できるので、第１槽内の圧力低下をより確実に抑制することができる。
【００２３】
また、本発明に係る加圧超流動ヘリウムクライオスタットにおける第７の特徴は、前記第１槽内の圧力を検知する圧力検知手段を備えることである。
【００２４】
この構成によると、第１槽内の圧力が所定の圧力よりも低下した場合は、加熱手段により第１槽内の液体ヘリウムを加熱し、簡単に、第１槽内の圧力を所定の圧力まで上昇させることができる。
【００２５】
また、本発明に係る加圧超流動ヘリウムクライオスタットにおける第８の特徴は、前記圧力検知手段により検知された圧力に基づいて、当該圧力が所定の圧力になるように、前記加熱手段を制御する制御手段を備えることである。
【００２６】
この構成によると、第１槽内の圧力が所定の圧力よりも低下した場合は、制御手段により、自動的に加熱手段が制御され、第１槽内の圧力が所定の圧力まで上昇する。これにより、加熱手段を手動で操作する手間を省くことができる。
【００２７】
また、本発明に係る加圧超流動ヘリウムクライオスタットにおける第９の特徴は、前記加熱手段は、周囲の液体ヘリウムの温度がラムダ点以下の温度となる位置に設けられていることである。
【００２８】
「ラムダ点」とは、液体ヘリウムが超流動転移を起こす温度である。
この構成によると、加熱手段による加熱により第１槽内の液体ヘリウムが沸騰することをより確実に防ぐことができる。
即ち、加熱手段がラムダ点よりも高い温度となる位置に設けられると、当該加熱手段の周囲の液体ヘリウムが非超流動状態であることにより、局所的な温度上昇が起こりやすく、周囲で沸騰が発生しやすくなる。
一方、加熱手段の周囲の液体ヘリウムがラムダ点以下の温度であれば、当該液体ヘリウムは加圧超流動状態にあるため局所的な温度上昇が起こりにくく、結果として沸騰が起こりにくい。
【００２９】
本発明に係る加圧超流動ヘリウムクライオスタットの制御方法における第１の特徴は、前記温度分布検知手段で検知された温度分布に基づいて、前記第１槽内の液体ヘリウムの超流動転移温度点位置を高さ方向における所定の位置に保持するように、前記加熱手段を制御することである。
【００３０】
この構成によると、超流動転移温度点位置よりも上部の温度勾配の変動を抑制することができる。これにより、第１槽内の気体のヘリウムが過度に液化することが防止される。結果として、第１槽内が陰圧になることを防ぐことができる。
【００３１】
また、本発明に係る加圧超流動ヘリウムクライオスタットの制御方法における第２の特徴は、前記液面検知手段により検知された液面の高さに基づいて、前記液面の高さよりも低い位置にある前記温度計を抽出し、抽出された前記温度計で検知された温度分布に基づいて、高さ方向の温度勾配が所定の温度勾配になるように、前記加熱手段を制御することである。
【００３２】
この構成によると、第１槽内の液体ヘリウムの温度勾配を、当該第１槽内のヘリウムの過剰な液化が生じない所定の温度勾配とすることで、液化過多による第１槽内の圧力の低下を防止することができる。
【００３３】
また、本発明に係る加圧超流動ヘリウムクライオスタットの制御方法における第３の特徴は、前記圧力検知手段により検知された圧力に基づいて、当該圧力が所定の圧力になるように、前記加熱手段を制御することである。
【００３４】
この構成によると、簡単に、第１槽内の圧力を所定の圧力まで上昇させることができる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、加熱手段により第１槽内の液体ヘリウムを加熱することで、第１槽内の圧力の低下を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る加圧超流動ヘリウムクライオスタットを示す概略図。
【図２】図１に示すクライオスタット内部の圧力と電熱ヒータの出力との関係を示す図。
【図３】本発明の第２実施形態に係る加圧超流動ヘリウムクライオスタットを示す概略図。
【図４】本発明の第３実施形態に係る加圧超流動ヘリウムクライオスタットを示す概略図。
【図５】本発明の第４実施形態に係る加圧超流動ヘリウムクライオスタットを示す概略図。
【図６】従来の加圧超流動ヘリウムクライオスタットを示す概略図。
【図７】従来の加圧超流動ヘリウムクライオスタットを示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しつつ説明する。
【００３８】
（第１実施形態）
＜全体構成＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る加圧超流動ヘリウムクライオスタット（以下、クライオスタット１という）を示す概略図である。
クライオスタット１は、液体ヘリウムを貯留する第１槽１１と、加圧超流動ヘリウムを貯留する第２槽１２と、第１槽１１と第２槽１２とを連通する連通路１３と、連通路１３を開閉する弁体１４と、第２槽１２内に設けられた主熱交換器１５と、第１槽１１内の液体ヘリウムを主熱交換器１５に送るための供給導管１６と、供給導管１６に介設されたジュールトムソン弁１７と、主熱交換器１５に送られた液体ヘリウムが排出される排出導管１８と、排出導管１８に設けられたポンプ１９と、を備えている。
尚、上記主熱交換器１５と、供給導管１６と、ジュールトムソン弁１７と、排出導管１８と、ポンプ１９とにより、第２槽１２内を冷却する超流動ヘリウム冷却手段が構成される。
更に、第１槽１１内には、当該第１槽１１内の液体ヘリウムを加熱可能な電熱ヒータ２１（加熱手段）と、６つの温度計２２ａ〜２２ｆ（温度分布検知手段）とが設けられている。
【００３９】
＜各部の構成＞
第１槽１１には、約４．２Ｋ（沸点）以下の温度の液体ヘリウムが貯留されている。当該第１槽１１には、その上部に、外部と連通する排気管路１１ａが設けられている。
【００４０】
排気管路１１ａには、第１槽１１内から外部への流体の流れを許容し、その逆の流れを遮断する逆止弁１１ｂが設けられている。これにより、第１槽１１内で蒸発したヘリウムを外部に排出することができ、第１槽１１内の圧力が大気圧に比べて過度に高くなることを防止できる。
【００４１】
また、外部から第１槽１１内に連通する注液管路１１ｃが第１槽１１に接続されており、当該注液管路１１ｃを介して液体ヘリウムを第１槽１１内に供給することができる。
尚、当該注液管路１１ｃには、開閉弁１１ｄが設けられており、液体ヘリウムを第１槽１１内に供給するとき以外は、開閉弁１１ｄは閉状態とされる。
【００４２】
第２槽１２は、連通路１３を介して、第１槽１１の下方に設けられている。当該第２槽１２には、約１．６Ｋの温度まで冷却された液体ヘリウムが貯留され、この第２槽１２に、冷却対象となる超電導磁石３０が設けられている。
【００４３】
連通路１３は、下方に向かうにつれ開口面積が小さくなるテーパ状に形成されている。この連通路１３内には、これとほぼ同形状の弁体１４が設けられている。
第２槽１２内の液体ヘリウムの圧力が増加すると、弁体１４が第１槽１１側に押し上げられて、連通路１３が開く。これにより、第２槽１２内の圧力が過度に高くなることを防ぐことができる。
【００４４】
尚、通常状態では、弁体１４の外周面と連通路１３の内周面との微小隙間を通じて、第１槽１１内の液体ヘリウムが第２槽１２内に流入可能となっている。そのため、第１槽１１内とともに第２槽１２内が大気圧と略同等の圧力に保たれる。
【００４５】
電熱ヒータ２１は、第１槽１１内において、周囲の液体ヘリウムの温度が２．１６３Ｋ（ラムダ点）以下となる位置に設けられている。本実施形態においては、供給導管１６の入り口とほぼ同じ高さとなる位置に設けられている。
【００４６】
温度計２２ａ〜２２ｆとしては、例えば、薄膜抵抗センサーを用いることができる。６つの温度計２２ａ〜２２ｆは、第１槽１１内の高さ方向にほぼ一直線上に、等間隔で並んで設けられている。
尚、これらの温度計２２ａ〜２２ｆは、第１槽１１に対する相対位置が変化しないように、固定されている。
また、温度計２２ａ〜２２ｆは、少なくとも最下部に位置する温度計がラムダ点以下の液体ヘリウム内に位置するように設けられている。
そして、これら６つの温度計２２ａ〜２２ｆで測定された温度データから、第１槽１１内の高さ方向における温度分布を確認することができる。
【００４７】
＜クライオスタット１の作動＞
クライオスタット１は以下のように作動する。
第１槽１１及び第２槽１２内に液体ヘリウムが収容されている状態で、ポンプ１９が作動すると、主熱交換器１５側が減圧され、第１槽１１内の液体ヘリウムが、供給導管１６及びジュールトムソン弁１７を通って主熱交換器１５に流れ込み、当該主熱交換器１５から排出導管１８を通って排出される。
このとき、第１槽１１からの液体ヘリウムは、ジュールトムソン弁１７での絞り膨張によるジュール−トムソン効果によって低温化されて主熱交換器１５に流れ込む。第２槽１２内の液体ヘリウムは、主熱交換器１５で、ラムダ点（超流動転移温度）以下の温度（約１．６Ｋ）まで冷却され、超流動状態に転移する。すなわち、第２槽１２内に、飽和蒸気圧よりも高い圧力の加圧超流動ヘリウムが発生する。
【００４８】
尚、第１槽１１内の液体ヘリウムが所定量減少した場合は、注液管路１１ｃを通じて第１槽１１内に液体ヘリウムが補充される。
【００４９】
＜クライオスタット１の制御方法＞
上記のように作動するクライオスタット１は以下のように制御される。
まず、温度計２２ａ〜２２ｆで測定された温度分布に基づいて、超流動転移温度点位置αが判断される。
尚、超流動転移温度点位置αとは、第１槽１１における超流動状態の液体ヘリウムと非超流動状態の液体ヘリウムとの境界の位置である。即ち、第１槽１１においてラムダ点にある液体ヘリウムと、ラムダ点よりも高い温度の液体ヘリウムと、の境界の位置（図１において破線αで示す位置）である。
【００５０】
そして、当該超流動転移温度点位置αが、第１槽１１の高さ方向における所定の位置にあるか否かが判断される。
前記所定の位置は、例えば、第１槽１１の底に最も近い位置にある温度計２２ｆと、２番目に近い位置にある温度計２２ｅと、の間の位置とすることができる。
尚、この場合に限らず、前記所定の位置は、超流動転移温度点位置αが当該所定の位置にあるときに、液面近傍の液体ヘリウムの温度勾配が所定の温度勾配よりも緩やかになるように設定することができる。つまり、前記所定の位置は、第１槽１１における液体ヘリウムの液面にて、液化過多にならぬように設定される。
【００５１】
そして、高さ方向の温度分布から特定された超流動転移温度点位置αが、前記所定の位置よりも上方にある場合は、電熱ヒータ２１を作動させ、第１槽１１内の液体ヘリウムを加熱する。これにより、超流動転移温度点位置αは下方に移動する。
一方、当該超流動転移温度点位置αが前記所定の位置よりも下方にある場合は、電熱ヒータ２１の作動を停止する。
【００５２】
上記のように電熱ヒータ２１を制御することにより、第１槽１１内における超流動転移温度点位置αを高さ方向における所定の位置に保持することができる。
【００５３】
尚、温度計２２ａ〜２２ｆで測定される高さ方向の温度分布から超流動転移温度点位置αを特定する場合に限らず、単に、温度計２２ｅで測定される温度がラムダ点以下の場合は、電熱ヒータ２１を作動させ、温度計２２ｅで測定される温度がラムダ点よりも高い場合は、電熱ヒータ２１の作動を停止するように、電熱ヒータ２１を制御してもよい。
これにより、超流動転移温度点位置αを温度計２２ｅの近傍に保持することができる。
【００５４】
また、電熱ヒータ２１をＯＮ／ＯＦＦする場合に限らず、電熱ヒータ２１による発熱量を連続的に調整しながら、超流動転移温度点位置αを調整してもよい。
例えば、超流動転移温度点位置αが、より高い位置にあるときほど電熱ヒータ２１の発熱量が大きくなるように、電熱ヒータ２１を調整してもよい。この場合、速やかに、超流動転移温度点位置αを所定の位置に戻すことができる。
【００５５】
また、電熱ヒータ２１及び６つの温度計２２ａ〜２２ｆが、図示しない制御手段に対して電気的に接続された構成としてもよい。当該制御手段は、例えば、コンピュータやＰＣＬ（プログラマブルコントローラ）等からなり、６つの温度計２２ａ〜２２ｆからの出力に基づいて、超流動転移温度点位置αが所定の位置になるように、電熱ヒータ２１の発熱量を制御するように構成される。
具体的には、制御手段は、上述した方法と同様に、超流動転移温度点位置αが、所定の位置よりも上方にある場合に、電熱ヒータ２１をＯＮとするように構成される。
この構成によれば、自動的に電熱ヒータ２１が制御されるため、電熱ヒータ２１を操作する手間を省くことができる。
【００５６】
＜実験結果＞
図２は、クライオスタット１を連続的に作動させる実験を行ったときの、クライオスタット１内部の圧力と、電熱ヒータ２１の出力との関係を示す図である。
横軸は実験開始からの期間（週）を示しており、この実験においては、２週間毎に第１槽１１に液体ヘリウムを補充した。
また、実験開始から２４週間は、電熱ヒータ２１を使用せず、２４週間後から上述した制御方法に基づいて（即ち、超流動転移温度点位置αを所定の位置に保持するように）、電熱ヒータ２１を作動させた。尚、電熱ヒータ２１の発熱量は適宜調整した。
また、図１に示すように、第１槽１１の上部に第１圧力計２３を設置するとともに、第２槽１２内に第２圧力計２４を設置して各槽の圧力測定を行った。
図２で実線Ｐ１で示す圧力は、第１圧力計２３で検知された圧力であり、破線Ｐ２で示す圧力は、第２圧力計２４で検知された圧力である。
また、図２で実線Ｈで示す出力は、電熱ヒータ２１の出力である。
【００５７】
図２に示すように、実験開始から２４週間は、第１槽１１及び第２槽１２内の圧力の低下が２週間毎に観測された。一方、電熱ヒータ２１の作動を開始した２６週目以降は、第１槽１１及び第２槽１２内の圧力の低下は少なくなっている。
尚、圧力の低下の様子が、実験開始から１４週目までと、１４週目から２４週目までとで異なるのは、第１槽１１内に外部から侵入する熱量が外部の状況等により変化したためと考えられる。
【００５８】
＜第１実施形態の効果＞
以上説明したように、第１実施形態に係るクライオスタット１は、液体ヘリウムを貯留する第１槽１１と、第１槽１１内に連通路を介して連通し、加圧超流動ヘリウムを貯留する第２槽１２と、連通路１３を開閉する弁体１４と、第１槽１１内の液体ヘリウムを絞り膨張させてその絞り膨張により発生する冷熱により第２槽１２内を冷却する超流動ヘリウム冷却手段（上記主熱交換器１５、供給導管１６、ジュールトムソン弁１７、排出導管１８、及びポンプ１９）と、第１槽１１内に設けられ、当該第１槽１１内の液体ヘリウムを加熱可能な電熱ヒータ２１と、を備えている。
【００５９】
この構成によると、電熱ヒータ２１により第１槽１１内の液体ヘリウムを加熱することで、超流動転移温度点位置αが過度に液面に近づくことを防止できる。そのため、液面近傍の温度勾配を緩やかにすることができる。結果として、第１槽１１内の圧力の低下を防ぐことができる。
【００６０】
また、クライオスタット１は、第１槽１１内に設けられ、当該第１槽１１内の高さ方向における温度分布を測定可能な温度計２２ａ〜２２ｆを備えている。
そして、温度計２２ａ〜２２ｆで測定された温度分布に基づいて、第１槽１１内における超流動転移温度点位置αを高さ方向における所定の位置に保持するように、電熱ヒータ２１の発熱量を調整することで、超流動転移温度点位置αよりも上部の温度勾配をほぼ一定に保つことができる。これにより、第１槽１１内の気体のヘリウムが過度に液化することが防止される。結果として、第１槽１１内の圧力の低下を防ぐことができる。
【００６１】
また、クライオスタット１において、電熱ヒータ２１は、超流動転移温度点位置αよりも下方に（即ち、周囲の液体ヘリウムの温度がラムダ点以下の温度となる位置に）、設けられている。
【００６２】
この構成によると、電熱ヒータ２１による加熱で第１槽１１内の液体ヘリウムが沸騰することを、より確実に防ぐことができる。
即ち、電熱ヒータ２１がラムダ点よりも高い温度となる位置に設けられると、当該電熱ヒータ２１の周囲の液体ヘリウムが非超流動状態であることにより、局所的な温度上昇が起こりやすく、周囲で沸騰が発生しやすくなる。
一方、電熱ヒータ２１の周囲の液体ヘリウムがラムダ点以下の温度であれば、当該液体ヘリウムは加圧超流動状態にあるため局所的な温度上昇が起こりにくく、結果として沸騰が起こりにくい。
【００６３】
（第２実施形態）
第２実施形態に係るクライオスタット１Ａについて説明する。
図３は、第２実施形態に係るクライオスタット１Ａを示す図である。
図３に示すように、クライオスタット１Ａは、第１槽１１内の液体ヘリウムの液面の高さを検知する液面検知センサ２５（液面検知手段）を備える点で、第１実施形態に係るクライオスタット１と異なっている。その他の構成は第１実施形態と同様であるため、同一部材には同一符号を付し説明を省略する。
【００６４】
ここで、液面検知センサ２５としては、例えば、液体ヘリウムに浸された部分の電気抵抗が略０になる超電導線を利用したものを用いることができる。当該超電導線を利用した液面検知センサ２５は、一端側のみが液体ヘリウム内に浸るように設けられた超電導線を備え、当該超電導線の電気抵抗に基づいて液面の高さを導出する。
【００６５】
＜クライオスタット１Ａの制御方法＞
クライオスタット１Ａは、以下のように制御することができる。
液面検知センサ２５により検知された液面の高さに基づいて、温度計２２ａ〜２２ｆのうち、液面よりも下方に位置するものを抽出することができる。また、液面よりも下方に位置する温度計のうち、液面近傍にある温度計を抽出することもできる。
図３に示す状態においては、温度計２２ａ〜２２ｆは全て液面よりも下方に位置するため、温度計２２ａ〜２２ｆで検知される温度分布に基づいて、電熱ヒータ２１の作動の要否が決定される。
【００６６】
本実施形態においては、液面よりも下方に位置する温度計２２ａ〜２２ｆのうち液面に最も近い位置にある温度計２２ａにより検知された温度と、２番目に近い位置にある温度計２２ｂにより検知された温度との差（液面近傍の温度勾配）に基づいて、電熱ヒータ２１の作動の要否が決定される。
つまり、第１槽１１内の液体ヘリウムが排出導管１８から排出されることで、第１槽１１内の液体ヘリウムの量が減少して、液面が低下した場合には、当該低下した液面の下方にある温度計の中から、液面に最も近い位置にある温度計と２番目に近い位置にある温度計とが抽出され、当該２つの温度計で検知された温度に基づいて電熱ヒータの作動の要否が決定される。
【００６７】
具体的には、当該液面近傍の温度勾配が、所定の温度勾配よりも大きい場合は、電熱ヒータ２１により液体ヘリウムが加熱される。一方、当該液面近傍の温度勾配が、所定の温度勾配よりも小さい場合は、電熱ヒータ２１の作動は停止される。
尚、前記所定の温度勾配は、当該所定の温度勾配および液体ヘリウムの熱伝導率から推定される熱流束が、ある設定値以下となるように設定される。つまり、前記所定の温度勾配は、第１槽１１における液体ヘリウムの液面近傍部が当該所定の温度勾配を有している場合でも、液化過多にならないように設定される。
【００６８】
ここで、図３に示す状態においては、温度計２２ａ及び温度計２２ｂの検知温度は略等しく、当該液面近傍の温度勾配はほとんどないため、電熱ヒータ２１は作動させない。
一方、クライオスタット１Ａの作動時間が経過するにつれて、第１槽１１内が冷却され、当該液面近傍の温度勾配が、所定の温度勾配よりも大きくなった場合（例えば、図７に示すように液面近傍に温度勾配が生じた場合）は、電熱ヒータ２１による加熱を行う。
【００６９】
尚、液面検知センサ２５、温度計２２ａ〜２２ｆ及び電熱ヒータ２１をコンピュータ等の制御手段に対して通信可能に接続し、当該制御手段が、液面検知センサ２５の検知結果から液面近傍の温度計を抽出し、抽出した温度計の検知結果に基づいて、液面近傍の温度勾配が所定の温度勾配よりも大きくなったときに電熱ヒータ２１を作動し、液面近傍の温度勾配が所定の温度勾配よりも小さくなったときに電熱ヒータ２１の作動を停止するように構成してもよい。この場合、自動的に電熱ヒータ２１が制御されるので、電熱ヒータ２１を操作する手間を省くことができる。
【００７０】
また、温度勾配を液面近傍の２つの温度計により検知された温度から求める場合に限らず、温度勾配を求めるために、液面近傍の３つ以上の温度計を利用してもよい。
【００７１】
また、液面近傍の温度計（例えば、液面に最も近い温度計２２ａ）で検知される温度が大気圧下での沸点（約４．２Ｋ）よりも低くなった場合に、電熱ヒータ２１を作動させる構成とすることもできる。この場合、簡易な構成で実現できる。
【００７２】
＜第２実施形態の効果＞
以上説明したように、第２実施形態に係るクライオスタット１Ａは、第１槽１１内に設けられ、当該第１槽１１内の高さ方向における温度分布を測定可能な温度計２２ａ〜２２ｆを備えている。
【００７３】
この構成によると、温度計２２ａ〜２２ｆで測定された温度分布に基づいて、液面近傍の温度勾配が急な場合は、電熱ヒータ２１により第１槽１１内の液体ヘリウムを加熱することで、第１槽１１内の圧力の低下を防ぐことができる。
【００７４】
また、クライオスタット１Ａは、第１槽１１内の液体ヘリウムの液面の高さを検知する液面検知センサ２５を備えている。また、温度計２２ａ〜２２ｆは、高さ方向において異なる位置にそれぞれ固定されている。
【００７５】
この構成によると、液面検知センサ２５で液面の高さを検知することで、温度計２２ａ〜２２ｆの中から、液面よりも下に配置された温度計を抽出し、液体ヘリウム内における液面近傍の温度分布を知ることができる。
そして、長時間の運転により、第１槽１１内の液体ヘリウムの液面が低下し、一部の温度計が液体ヘリウムの外に出た場合でも、液体ヘリウム内に位置する他の温度計のみの検知結果に基づいて、当該液体ヘリウムの高さ方向における温度分布を検知することができる。これにより、液体ヘリウム内における液面近傍の温度分布をより正確に知ることができる。
そして、当該温度分布に基づいて電熱ヒータ２１の発熱量を調整し、第１槽１１内の液体ヘリウムの液面近傍の温度勾配を、穏やかにすることで、液化過多による第１槽１１内の圧力の低下を防止することができる。
【００７６】
（第３実施形態）
第３実施形態に係るクライオスタット１Ｂについて説明する。
図４は、第３実施形態に係るクライオスタット１Ｂを示す図である。
図４に示すように、クライオスタット１Ｂは、フロート式の温度分布検知手段を備える点で、第１実施形態に係るクライオスタット１と異なっている。その他の構成は第１実施形態と同様であるため、同一部材には同一符号を付し説明を省略する。
【００７７】
クライオスタット１Ｂは、液面上に浮かぶ浮き部２６と、当該浮き部２６から吊り下げられて高さ方向に等間隔で並ぶ６つの温度計２７ａ〜２７ｆとを備えている。第３実施形態の温度分布検知手段は、当該浮き部２６と、温度計２７ａ〜２７ｆとを有して構成される。
【００７８】
クライオスタット１Ｂにおいては、第１槽１１の液体ヘリウムの液面が低下するのに伴って、浮き部２６及び温度計２７ａ〜２７ｆも第１槽１１の底に近づくように移動する。これにより、液面の高さが変動しても、温度計２７ａ〜２７ｆと液面との間隔は一定に保たれる。
【００７９】
＜クライオスタット１Ｂの制御方法＞
クライオスタット１Ｂは、以下の（１）または（２）に示すように制御することができる。
【００８０】
（１）
クライオスタット１Ｂにおいては、第１実施形態として記載した制御方法と同様に、例えば、温度計２７ｅと温度計２７ｆとの間の位置に、超流動転移温度点位置αが位置するように電熱ヒータ２１の発熱量を調整することができる。
このように電熱ヒータ２１の発熱量を調整すれば、液面の位置が上下に変動しても、当該液面から超流動転移温度点位置αまでの間隔が過度に変動することを防止できる。これにより、より確実に第１槽１１内の圧力低下を防ぐことができる。
【００８１】
（２）
クライオスタット１Ｂにおいては、第２実施形態として記載した制御方法と同様に、例えば、液体ヘリウム内にある液面近傍の温度計２７ａと温度計２７ｂとが検知した温度の温度差（温度勾配）に基づいて、当該温度差が所定の温度差よりも大きい場合に、電熱ヒータ２１で液体ヘリウムを加熱するように制御することができる。尚、温度勾配を求めるために液面近傍の３つ以上の温度計を利用してもよい。
【００８２】
クライオスタット１Ｂにおいては、液面の変動に伴って温度計２７ａ〜２７ｆが上下に移動するため、液面の位置が上下に変動しても、液面に最も近い位置にある温度計及び２番目に近い位置にある温度計は、必ず、温度計２７ａ及び温度計２７ｂとなり、変化することはない。
これにより、液面検知センサ２５を設置しなくても、液面近傍の温度勾配を確実に検知することができる。
【００８３】
尚、温度計２７ａ〜２７ｆ及び電熱ヒータ２１をコンピュータ等の制御手段に対して通信可能に接続し、当該制御手段が、温度計２７ａ〜２７ｆの検知結果に基づいて、電熱ヒータ２１を上述の制御方法と同様に制御する構成としてもよい。この場合、自動的に電熱ヒータ２１が制御されるので、電熱ヒータ２１を操作する手間を省くことができる。
【００８４】
＜第３実施形態の効果＞
以上説明したように、第２実施形態に係るクライオスタット１Ｂにおいては、第１槽１１内に高さ方向に等間隔で並んで設けられた温度計２７ａ〜２７ｆは、第１槽１１内の液体ヘリウムの液面に浮かぶ浮き部２６から吊り下げられている。そのため、当該温度計２７ａ〜２７ｆは、第１槽１１内の液体ヘリウムの液面の高さに応じて上下に移動する。
【００８５】
この構成によると、第１槽１１内の液体ヘリウムの液面の高さが変動した場合でも、温度計２７ａ〜２７ｆは液体ヘリウム内に位置するとともに、温度計２７ａ〜２７ｆの液面に対する位置が変化しない。
これにより、液面の位置を判断することなく、簡単に、液体ヘリウム内に位置する温度計のみの検知結果に基づいて、当該液体ヘリウムの高さ方向における温度分布を検知することができる。
この場合、液体ヘリウム内における液面近傍の温度分布をより正確に知ることができ、当該温度分布に基づいて電熱ヒータ２１の制御ができるので、第１槽１１内の圧力低下をより確実に抑制することができる。
【００８６】
（第４実施形態）
第４実施形態に係るクライオスタット１Ｃについて説明する。
図５は、第４実施形態に係るクライオスタット１Ｃを示す図である。
図５に示すように、クライオスタット１Ｃは、温度計２２ａ〜２２ｆを備えておらず、第１槽１１の上部（ヘリウムガスで満たされた部分）の圧力を検知する圧力計２８（圧力検知手段）を備えている点で、第１実施形態に係るクライオスタット１と異なっている。その他の構成は第１実施形態と同様であるため、同一部材には同一符号を付し説明を省略する。
【００８７】
＜クライオスタット１Ｃの制御方法＞
クライオスタット１Ｃは、以下のように制御することができる。
圧力計２８で検知された圧力が所定の圧力よりも小さい場合は、電熱ヒータ２１を作動させ、液体ヘリウムを加熱する。そして、第１槽１１内の圧力が所定の圧力以上になった後、電熱ヒータ２１の作動を停止する。
当該所定の圧力は、例えば、大気圧に相当する圧力とすることができる。これにより、第１槽１１内の圧力が大気圧よりも低くなっても、速やかに、第１槽１１内の圧力を上昇させることができるため、過度に第１槽１１内の圧力が低下することを防止できる。
【００８８】
尚、圧力計２８及び電熱ヒータ２１をコンピュータ等の制御手段に対して通信可能に接続し、当該制御手段が、圧力計２８の検知結果に基づいて、電熱ヒータ２１を上述の制御方法と同様に制御する構成としてもよい。この場合、自動的に電熱ヒータ２１が制御されるので、電熱ヒータ２１を操作する手間を省くことができる。
【００８９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することができるものである。
【００９０】
＜変形例＞
温度計または圧力計で計測された温度または圧力に基づいて電熱ヒータ２１の作動を制御する場合に限らず、温度計及び圧力計の双方の測定値に基づいて電熱ヒータ２１の作動を制御してもよい。即ち、第１実施形態に示す制御方法において、第１槽内の圧力が大気圧よりも小さくなったときにも、電熱ヒータ２１を作動する制御方法であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明は、加圧超流動ヘリウムを用いて超電導磁石装置等を冷却するために利用される。
【符号の説明】
【００９２】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ クライオスタット
１１ 第１槽
１２ 第２槽
１３ 連通路
１４ 弁体
１５ 主熱交換器（超流動ヘリウム冷却手段）
２１ 電熱ヒータ（加熱手段）
２２ａ〜２２ｆ 温度計（温度分布検知手段）
２５ 液面検知センサ（液面検知手段）
２６ 浮き部
２７ａ〜２７ｆ 温度計（温度分布検知手段）
２８ 圧力計（圧力検知手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加圧超流動ヘリウムを用いて超電導磁石装置等を冷却するための加圧超流動ヘリウムクライオスタット及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＮＭＲ装置等に用いられる超電導磁石装置では、発生する磁場を高くすることが求められている。
一般的に高磁場化するためには、超電導線に流す電流密度を増やすこと、つまり、一定磁場の下で、超電導マグネットを構成する超電導線の臨界電流値を大きくする必要がある。
しかし、これまでに商用化された超電導線は、おおよそＮｂＴｉおよびＮｂ３Ｓｎの２種に留まっており、材料開発による手法では、これ以上の臨界電流値の増大を望めない状況にある。
そこで、超電導線をより低温に冷却して、臨界電流値を大きくする手法がとられるようになってきている。
そのための冷却方法の一つが加圧超流動ヘリウムを用いた冷却方法であり、特許文献１及び特許文献２などに開示されている。
【０００３】
特許文献１及び特許文献２に記載の冷却方法は、液体ヘリウムを貯留する液体ヘリウム槽（以下、「第１槽」という）と、前記第１槽内に連通路を介して連通し、加圧超流動ヘリウムを貯留する超流動ヘリウム槽（以下、「第２槽」という）と、前記連通路を開閉する弁と、前記第２槽内の液体ヘリウムを冷却するための主熱交換器と、前記第１槽内の液体ヘリウムを前記主熱交換器にジュールトムソン弁を介して絞り膨張させて流通させる冷却機構と、を備えるクライオスタットを用いて、前記第２槽内に冷却対象である超電導マグネットを浸漬するものである。
【０００４】
このような冷却方法のメリットを以下に示す。
液体ヘリウムは、大気圧下では２．１６３Ｋ（ラムダ点）以下で超流動転移を起こす。液体ヘリウムは、超流動転移を起こすと、ラムダ点よりも高い温度のときに比べて、１０００万倍の有効熱伝導率をもつようになる。このような超流動ヘリウムの熱伝導特性により、超電導マグネットを急速に冷却することが可能である。
加えて、大気圧下にある超流動ヘリウム（加圧超流動ヘリウム）は、約４．２Ｋまで沸騰しないため、沸騰に至るまでに温度余裕が生まれる。そのため、超電導マグネットの一部がなんらかの原因で過度に発熱したとしても、沸騰しにくく、冷却効率が落ちることはない。これにより、飽和超流動ヘリウム（気液共存曲線上にある液体ヘリウム）中に超電導マグネットを浸漬した場合に比べ、大きな冷却能力を発揮することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１０９０３５号公報
【特許文献２】特許第３４１７７９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、こうした構成の装置を実際に稼動させてみると、時折、前記第１槽内の圧力がクライオスタット外部の圧力に比べて陰圧になることが本願発明者により観測されていた。
【０００７】
第１槽内の圧力が外部の圧力に比べて陰圧になる原因は、本願発明者の検証により以下のように推測される。
図６に従来のクライオスタット１００および当該クライオスタット１００内の液体ヘリウムの高さ方向における温度分布を模式的に示す。
図６に示すように、第２槽１１２に設けられた主熱交換器１１５による冷却により第２槽１１２内の液体ヘリウムは一定温度（約１．６Ｋ）に保たれている。
一方、連通路１１３と弁体１１４との僅かな隙間を介して第１槽１１１から第２槽１１２への熱流が生じるため、第１槽１１１内において、下部から上部に向けて徐々に温度が上昇するような温度勾配が発生する。尚、上述のように、ラムダ点以下の温度では、液体ヘリウムの熱伝導率が非常に高いため、第１槽１１１内における底近傍の領域では、温度勾配はほとんど生じず、ラムダ点温度で一定となる。
また、図６に示すように、初期の状態（第１槽１１１内の冷却が進んでいない状態）では、第１槽１１１内における液面から所定の深さまでの液体ヘリウムは飽和状態にあり、温度は約４．２Ｋでほぼ一定である。そのため、液面近傍において高さ方向における温度勾配はほとんど存在していない。
しかしながら、この状態で放置すると、第２槽１１２からの冷却により、最終的には、図７に示すように、第１槽１１１内の液体ヘリウムの液面の直下にまで、温度勾配が到達することになる。
この場合、液面における蒸発速度が、図６に示す状態に比べて減少するため、結果として液面では気相のヘリウムガスが液化再凝縮する現象が発生し、第１槽１１１内の圧力がクライオスタット１００の外部の圧力に対し陰圧となってしまう。
【０００８】
第１槽１１１内が陰圧になると、主熱交換器１１５に第１槽１１１内の液体ヘリウムを流通させるための弁機構１１７の両端の圧力差が小さくなり、当該弁機構１１７の開度が同じ場合でも流通速度が小さくなってしまうという問題を生じてしまう。
更に、第１槽１１１内の圧力が低下することで、これに連通する第２槽１１２内の圧力が低下し、本来の冷却能力が発揮できなくなるという問題を生じてしまう。
【０００９】
本発明は、上記実情に鑑みることにより、第１槽内の圧力低下を防ぐことが可能な加圧超流動ヘリウムクライオスタット及びその制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る加圧超流動ヘリウムクライオスタット及びその制御方法は、上記目的を達成するために以下のようないくつかの特徴を有している。すなわち、本発明の加圧超流動ヘリウムクライオスタット及びその制御方法は、以下の特徴を単独で、若しくは、適宜組み合わせて備えている。
【００１１】
本発明に係る加圧超流動ヘリウムクライオスタットにおける第１の特徴は、液体ヘリウムを貯留する第１槽と、前記第１槽内に連通路を介して連通し、加圧超流動ヘリウムを貯留する第２槽と、前記連通路を開閉する弁と、前記第１槽内の液体ヘリウムを絞り膨張させてその絞り膨張により発生する冷熱により前記第２槽内を冷却する超流動ヘリウム冷却手段と、前記第１槽内に設けられ、当該第１槽内の液体ヘリウムを加熱可能な加熱手段と、を備えたことである。
【００１２】
本願発明者は、第１槽内に気体として存在するヘリウムが、冷却されて液化することにより、第１槽内の圧力が低下することを知見した。
そして、当該ヘリウムの液化量は、第１槽内に貯留された液体ヘリウムの高さ方向における温度勾配に関連付けられることを知見した。即ち、液体ヘリウムの液面近傍の当該温度勾配が、急激であるほど、液化が促進され、第１槽内の圧力が低下しやすいことを知見した。
上記第１の特徴を有する構成によると、加熱手段により第１槽内の液体ヘリウムを加熱することで、液面近傍の温度勾配を緩やかにすることができ、第１槽内の圧力の低下を防ぐことができる。
【００１３】
また、本発明に係る加圧超流動ヘリウムクライオスタットにおける第２の特徴は、前記第１槽内に設けられ、当該第１槽内の高さ方向における温度分布を検知可能な温度分布検知手段を備えることである。
【００１４】
この構成によると、温度分布検知手段で検知された温度分布に基づいて、液面近傍の温度勾配が急な場合は、加熱手段により第１槽内の液体ヘリウムを加熱することで、第１槽内の圧力の低下を防ぐことができる。
【００１５】
また、本発明に係る加圧超流動ヘリウムクライオスタットにおける第３の特徴は、前記温度分布検知手段で検知された温度分布に基づいて、前記第１槽内の液体ヘリウムの超流動転移温度点位置を高さ方向における所定の位置に保持するように、前記加熱手段を制御する制御手段を更に備えることである。
【００１６】
「超流動転移温度点位置」とは、超流動状態の液体ヘリウムと非超流動状態の液体ヘリウムとの境界の位置である。即ち、ラムダ点にある液体ヘリウムと、ラムダ点よりも高い温度の液体ヘリウムと、の境界の位置である。
上記第３の特徴を有する構成によると、制御手段により、超流動転移温度点位置よりも上部の温度勾配の変動を抑制することができる。これにより、第１槽内の気体のヘリウムが過度に液化することが防止される。結果として、第１槽内が陰圧になることを防ぐことができる。
また、上述のような制御手段により自動的に加熱手段が制御されるため、加熱手段を手動で操作する手間を省くことができる。
【００１７】
また、本発明に係る加圧超流動ヘリウムクライオスタットにおける第４の特徴は、前記第１槽内の液体ヘリウムの液面の高さを検知する液面検知手段を備え、前記温度分布検知手段は、高さ方向において異なる位置にそれぞれ固定された複数の温度計を有することである。
【００１８】
この構成によると、液面検知手段で液面の高さを検知することで、液面よりも下に配置された温度計を抽出し、液体ヘリウム内の高さ方向における温度分布を知ることができる。
これにより、第１槽内の液体ヘリウムの液面が低下し、一部の温度計が液体ヘリウムの外に出た場合でも、液体ヘリウム内に位置する他の温度計のみの検知結果に基づいて、当該液体ヘリウムの高さ方向における温度分布を検知することができる。この場合、液体ヘリウム内における液面近傍の温度勾配をより正確に知ることができ、当該温度勾配に基づいて加熱手段を制御できるので、第１槽内の圧力低下をより確実に抑制することができる。
【００１９】
また、本発明に係る加圧超流動ヘリウムクライオスタットにおける第５の特徴は、前記液面検知手段により検知された液面の高さに基づいて、前記液面の高さよりも低い位置にある前記温度計を抽出し、抽出された前記温度計で検知された温度分布に基づいて、高さ方向の温度勾配が所定の温度勾配になるように、前記加熱手段を制御する制御手段を備えることである。
【００２０】
この構成によると、制御手段により、第１槽内の液体ヘリウムの高さ方向の温度勾配が所定の温度勾配になるように、自動的に加熱手段が制御され、第１槽内の圧力の低下が防止される。これにより、加熱手段を手動で操作する手間を省くことができる。
【００２１】
また、本発明に係る加圧超流動ヘリウムクライオスタットにおける第６の特徴は、前記温度分布検知手段は、前記第１槽内の前記液体ヘリウムの液面の高さに応じて上下に移動することである。
【００２２】
この構成によると、第１槽内の液体ヘリウムの液面の高さが変動した場合でも、温度分布検知手段の液面に対する位置が変化しない。
これにより、液面の位置を判断することなく、簡単に、第１槽内の液体ヘリウムの高さ方向における温度分布を検知することができる。この場合、液体ヘリウム内における液面近傍の温度勾配をより正確に知ることができ、当該温度勾配に基づいて加熱手段を制御できるので、第１槽内の圧力低下をより確実に抑制することができる。
【００２３】
また、本発明に係る加圧超流動ヘリウムクライオスタットにおける第７の特徴は、前記第１槽内の圧力を検知する圧力検知手段を備えることである。
【００２４】
この構成によると、第１槽内の圧力が所定の圧力よりも低下した場合は、加熱手段により第１槽内の液体ヘリウムを加熱し、簡単に、第１槽内の圧力を所定の圧力まで上昇させることができる。
【００２５】
また、本発明に係る加圧超流動ヘリウムクライオスタットにおける第８の特徴は、前記圧力検知手段により検知された圧力に基づいて、当該圧力が所定の圧力になるように、前記加熱手段を制御する制御手段を備えることである。
【００２６】
この構成によると、第１槽内の圧力が所定の圧力よりも低下した場合は、制御手段により、自動的に加熱手段が制御され、第１槽内の圧力が所定の圧力まで上昇する。これにより、加熱手段を手動で操作する手間を省くことができる。
【００２７】
また、本発明に係る加圧超流動ヘリウムクライオスタットにおける第９の特徴は、前記加熱手段は、周囲の液体ヘリウムの温度がラムダ点以下の温度となる位置に設けられていることである。
【００２８】
「ラムダ点」とは、液体ヘリウムが超流動転移を起こす温度である。
この構成によると、加熱手段による加熱により第１槽内の液体ヘリウムが沸騰することをより確実に防ぐことができる。
即ち、加熱手段がラムダ点よりも高い温度となる位置に設けられると、当該加熱手段の周囲の液体ヘリウムが非超流動状態であることにより、局所的な温度上昇が起こりやすく、周囲で沸騰が発生しやすくなる。
一方、加熱手段の周囲の液体ヘリウムがラムダ点以下の温度であれば、当該液体ヘリウムは加圧超流動状態にあるため局所的な温度上昇が起こりにくく、結果として沸騰が起こりにくい。
【００２９】
本発明に係る加圧超流動ヘリウムクライオスタットの制御方法における第１の特徴は、前記温度分布検知手段で検知された温度分布に基づいて、前記第１槽内の液体ヘリウムの超流動転移温度点位置を高さ方向における所定の位置に保持するように、前記加熱手段を制御することである。
【００３０】
この構成によると、超流動転移温度点位置よりも上部の温度勾配の変動を抑制することができる。これにより、第１槽内の気体のヘリウムが過度に液化することが防止される。結果として、第１槽内が陰圧になることを防ぐことができる。
【００３１】
また、本発明に係る加圧超流動ヘリウムクライオスタットの制御方法における第２の特徴は、前記液面検知手段により検知された液面の高さに基づいて、前記液面の高さよりも低い位置にある前記温度計を抽出し、抽出された前記温度計で検知された温度分布に基づいて、高さ方向の温度勾配が所定の温度勾配になるように、前記加熱手段を制御することである。
【００３２】
この構成によると、第１槽内の液体ヘリウムの温度勾配を、当該第１槽内のヘリウムの過剰な液化が生じない所定の温度勾配とすることで、液化過多による第１槽内の圧力の低下を防止することができる。
【００３３】
また、本発明に係る加圧超流動ヘリウムクライオスタットの制御方法における第３の特徴は、前記圧力検知手段により検知された圧力に基づいて、当該圧力が所定の圧力になるように、前記加熱手段を制御することである。
【００３４】
この構成によると、簡単に、第１槽内の圧力を所定の圧力まで上昇させることができる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、加熱手段により第１槽内の液体ヘリウムを加熱することで、第１槽内の圧力の低下を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る加圧超流動ヘリウムクライオスタットを示す概略図。
【図２】図１に示すクライオスタット内部の圧力と電熱ヒータの出力との関係を示す図。
【図３】本発明の第２実施形態に係る加圧超流動ヘリウムクライオスタットを示す概略図。
【図４】本発明の第３実施形態に係る加圧超流動ヘリウムクライオスタットを示す概略図。
【図５】本発明の第４実施形態に係る加圧超流動ヘリウムクライオスタットを示す概略図。
【図６】従来の加圧超流動ヘリウムクライオスタットを示す概略図。
【図７】従来の加圧超流動ヘリウムクライオスタットを示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しつつ説明する。
【００３８】
（第１実施形態）
＜全体構成＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る加圧超流動ヘリウムクライオスタット（以下、クライオスタット１という）を示す概略図である。
クライオスタット１は、液体ヘリウムを貯留する第１槽１１と、加圧超流動ヘリウムを貯留する第２槽１２と、第１槽１１と第２槽１２とを連通する連通路１３と、連通路１３を開閉する弁体１４と、第２槽１２内に設けられた主熱交換器１５と、第１槽１１内の液体ヘリウムを主熱交換器１５に送るための供給導管１６と、供給導管１６に介設されたジュールトムソン弁１７と、主熱交換器１５に送られた液体ヘリウムが排出される排出導管１８と、排出導管１８に設けられたポンプ１９と、を備えている。
尚、上記主熱交換器１５と、供給導管１６と、ジュールトムソン弁１７と、排出導管１８と、ポンプ１９とにより、第２槽１２内を冷却する超流動ヘリウム冷却手段が構成される。
更に、第１槽１１内には、当該第１槽１１内の液体ヘリウムを加熱可能な電熱ヒータ２１（加熱手段）と、６つの温度計２２ａ〜２２ｆ（温度分布検知手段）とが設けられている。
【００３９】
＜各部の構成＞
第１槽１１には、約４．２Ｋ（沸点）以下の温度の液体ヘリウムが貯留されている。当該第１槽１１には、その上部に、外部と連通する排気管路１１ａが設けられている。
【００４０】
排気管路１１ａには、第１槽１１内から外部への流体の流れを許容し、その逆の流れを遮断する逆止弁１１ｂが設けられている。これにより、第１槽１１内で蒸発したヘリウムを外部に排出することができ、第１槽１１内の圧力が大気圧に比べて過度に高くなることを防止できる。
【００４１】
また、外部から第１槽１１内に連通する注液管路１１ｃが第１槽１１に接続されており、当該注液管路１１ｃを介して液体ヘリウムを第１槽１１内に供給することができる。
尚、当該注液管路１１ｃには、開閉弁１１ｄが設けられており、液体ヘリウムを第１槽１１内に供給するとき以外は、開閉弁１１ｄは閉状態とされる。
【００４２】
第２槽１２は、連通路１３を介して、第１槽１１の下方に設けられている。当該第２槽１２には、約１．６Ｋの温度まで冷却された液体ヘリウムが貯留され、この第２槽１２に、冷却対象となる超電導磁石３０が設けられている。
【００４３】
連通路１３は、下方に向かうにつれ開口面積が小さくなるテーパ状に形成されている。この連通路１３内には、これとほぼ同形状の弁体１４が設けられている。
第２槽１２内の液体ヘリウムの圧力が増加すると、弁体１４が第１槽１１側に押し上げられて、連通路１３が開く。これにより、第２槽１２内の圧力が過度に高くなることを防ぐことができる。
【００４４】
尚、通常状態では、弁体１４の外周面と連通路１３の内周面との微小隙間を通じて、第１槽１１内の液体ヘリウムが第２槽１２内に流入可能となっている。そのため、第１槽１１内とともに第２槽１２内が大気圧と略同等の圧力に保たれる。
【００４５】
電熱ヒータ２１は、第１槽１１内において、周囲の液体ヘリウムの温度が２．１６３Ｋ（ラムダ点）以下となる位置に設けられている。本実施形態においては、供給導管１６の入り口とほぼ同じ高さとなる位置に設けられている。
【００４６】
温度計２２ａ〜２２ｆとしては、例えば、薄膜抵抗センサーを用いることができる。６つの温度計２２ａ〜２２ｆは、第１槽１１内の高さ方向にほぼ一直線上に、等間隔で並んで設けられている。
尚、これらの温度計２２ａ〜２２ｆは、第１槽１１に対する相対位置が変化しないように、固定されている。
また、温度計２２ａ〜２２ｆは、少なくとも最下部に位置する温度計がラムダ点以下の液体ヘリウム内に位置するように設けられている。
そして、これら６つの温度計２２ａ〜２２ｆで測定された温度データから、第１槽１１内の高さ方向における温度分布を確認することができる。
【００４７】
＜クライオスタット１の作動＞
クライオスタット１は以下のように作動する。
第１槽１１及び第２槽１２内に液体ヘリウムが収容されている状態で、ポンプ１９が作動すると、主熱交換器１５側が減圧され、第１槽１１内の液体ヘリウムが、供給導管１６及びジュールトムソン弁１７を通って主熱交換器１５に流れ込み、当該主熱交換器１５から排出導管１８を通って排出される。
このとき、第１槽１１からの液体ヘリウムは、ジュールトムソン弁１７での絞り膨張によるジュール−トムソン効果によって低温化されて主熱交換器１５に流れ込む。第２槽１２内の液体ヘリウムは、主熱交換器１５で、ラムダ点（超流動転移温度）以下の温度（約１．６Ｋ）まで冷却され、超流動状態に転移する。すなわち、第２槽１２内に、飽和蒸気圧よりも高い圧力の加圧超流動ヘリウムが発生する。
【００４８】
尚、第１槽１１内の液体ヘリウムが所定量減少した場合は、注液管路１１ｃを通じて第１槽１１内に液体ヘリウムが補充される。
【００４９】
＜クライオスタット１の制御方法＞
上記のように作動するクライオスタット１は以下のように制御される。
まず、温度計２２ａ〜２２ｆで測定された温度分布に基づいて、超流動転移温度点位置αが判断される。
尚、超流動転移温度点位置αとは、第１槽１１における超流動状態の液体ヘリウムと非超流動状態の液体ヘリウムとの境界の位置である。即ち、第１槽１１においてラムダ点にある液体ヘリウムと、ラムダ点よりも高い温度の液体ヘリウムと、の境界の位置（図１において破線αで示す位置）である。
【００５０】
そして、当該超流動転移温度点位置αが、第１槽１１の高さ方向における所定の位置にあるか否かが判断される。
前記所定の位置は、例えば、第１槽１１の底に最も近い位置にある温度計２２ｆと、２番目に近い位置にある温度計２２ｅと、の間の位置とすることができる。
尚、この場合に限らず、前記所定の位置は、超流動転移温度点位置αが当該所定の位置にあるときに、液面近傍の液体ヘリウムの温度勾配が所定の温度勾配よりも緩やかになるように設定することができる。つまり、前記所定の位置は、第１槽１１における液体ヘリウムの液面にて、液化過多にならぬように設定される。
【００５１】
そして、高さ方向の温度分布から特定された超流動転移温度点位置αが、前記所定の位置よりも上方にある場合は、電熱ヒータ２１を作動させ、第１槽１１内の液体ヘリウムを加熱する。これにより、超流動転移温度点位置αは下方に移動する。
一方、当該超流動転移温度点位置αが前記所定の位置よりも下方にある場合は、電熱ヒータ２１の作動を停止する。
【００５２】
上記のように電熱ヒータ２１を制御することにより、第１槽１１内における超流動転移温度点位置αを高さ方向における所定の位置に保持することができる。
【００５３】
尚、温度計２２ａ〜２２ｆで測定される高さ方向の温度分布から超流動転移温度点位置αを特定する場合に限らず、単に、温度計２２ｅで測定される温度がラムダ点以下の場合は、電熱ヒータ２１を作動させ、温度計２２ｅで測定される温度がラムダ点よりも高い場合は、電熱ヒータ２１の作動を停止するように、電熱ヒータ２１を制御してもよい。
これにより、超流動転移温度点位置αを温度計２２ｅの近傍に保持することができる。
【００５４】
また、電熱ヒータ２１をＯＮ／ＯＦＦする場合に限らず、電熱ヒータ２１による発熱量を連続的に調整しながら、超流動転移温度点位置αを調整してもよい。
例えば、超流動転移温度点位置αが、より高い位置にあるときほど電熱ヒータ２１の発熱量が大きくなるように、電熱ヒータ２１を調整してもよい。この場合、速やかに、超流動転移温度点位置αを所定の位置に戻すことができる。
【００５５】
また、電熱ヒータ２１及び６つの温度計２２ａ〜２２ｆが、図示しない制御手段に対して電気的に接続された構成としてもよい。当該制御手段は、例えば、コンピュータやＰＣＬ（プログラマブルコントローラ）等からなり、６つの温度計２２ａ〜２２ｆからの出力に基づいて、超流動転移温度点位置αが所定の位置になるように、電熱ヒータ２１の発熱量を制御するように構成される。
具体的には、制御手段は、上述した方法と同様に、超流動転移温度点位置αが、所定の位置よりも上方にある場合に、電熱ヒータ２１をＯＮとするように構成される。
この構成によれば、自動的に電熱ヒータ２１が制御されるため、電熱ヒータ２１を操作する手間を省くことができる。
【００５６】
＜実験結果＞
図２は、クライオスタット１を連続的に作動させる実験を行ったときの、クライオスタット１内部の圧力と、電熱ヒータ２１の出力との関係を示す図である。
横軸は実験開始からの期間（週）を示しており、この実験においては、２週間毎に第１槽１１に液体ヘリウムを補充した。
また、実験開始から２４週間は、電熱ヒータ２１を使用せず、２４週間後から上述した制御方法に基づいて（即ち、超流動転移温度点位置αを所定の位置に保持するように）、電熱ヒータ２１を作動させた。尚、電熱ヒータ２１の発熱量は適宜調整した。
また、図１に示すように、第１槽１１の上部に第１圧力計２３を設置するとともに、第２槽１２内に第２圧力計２４を設置して各槽の圧力測定を行った。
図２で実線Ｐ１で示す圧力は、第１圧力計２３で検知された圧力であり、破線Ｐ２で示す圧力は、第２圧力計２４で検知された圧力である。
また、図２で実線Ｈで示す出力は、電熱ヒータ２１の出力である。
【００５７】
図２に示すように、実験開始から２４週間は、第１槽１１及び第２槽１２内の圧力の低下が２週間毎に観測された。一方、電熱ヒータ２１の作動を開始した２６週目以降は、第１槽１１及び第２槽１２内の圧力の低下は少なくなっている。
尚、圧力の低下の様子が、実験開始から１４週目までと、１４週目から２４週目までとで異なるのは、第１槽１１内に外部から侵入する熱量が外部の状況等により変化したためと考えられる。
【００５８】
＜第１実施形態の効果＞
以上説明したように、第１実施形態に係るクライオスタット１は、液体ヘリウムを貯留する第１槽１１と、第１槽１１内に連通路を介して連通し、加圧超流動ヘリウムを貯留する第２槽１２と、連通路１３を開閉する弁体１４と、第１槽１１内の液体ヘリウムを絞り膨張させてその絞り膨張により発生する冷熱により第２槽１２内を冷却する超流動ヘリウム冷却手段（上記主熱交換器１５、供給導管１６、ジュールトムソン弁１７、排出導管１８、及びポンプ１９）と、第１槽１１内に設けられ、当該第１槽１１内の液体ヘリウムを加熱可能な電熱ヒータ２１と、を備えている。
【００５９】
この構成によると、電熱ヒータ２１により第１槽１１内の液体ヘリウムを加熱することで、超流動転移温度点位置αが過度に液面に近づくことを防止できる。そのため、液面近傍の温度勾配を緩やかにすることができる。結果として、第１槽１１内の圧力の低下を防ぐことができる。
【００６０】
また、クライオスタット１は、第１槽１１内に設けられ、当該第１槽１１内の高さ方向における温度分布を測定可能な温度計２２ａ〜２２ｆを備えている。
そして、温度計２２ａ〜２２ｆで測定された温度分布に基づいて、第１槽１１内における超流動転移温度点位置αを高さ方向における所定の位置に保持するように、電熱ヒータ２１の発熱量を調整することで、超流動転移温度点位置αよりも上部の温度勾配をほぼ一定に保つことができる。これにより、第１槽１１内の気体のヘリウムが過度に液化することが防止される。結果として、第１槽１１内の圧力の低下を防ぐことができる。
【００６１】
また、クライオスタット１において、電熱ヒータ２１は、超流動転移温度点位置αよりも下方に（即ち、周囲の液体ヘリウムの温度がラムダ点以下の温度となる位置に）、設けられている。
【００６２】
この構成によると、電熱ヒータ２１による加熱で第１槽１１内の液体ヘリウムが沸騰することを、より確実に防ぐことができる。
即ち、電熱ヒータ２１がラムダ点よりも高い温度となる位置に設けられると、当該電熱ヒータ２１の周囲の液体ヘリウムが非超流動状態であることにより、局所的な温度上昇が起こりやすく、周囲で沸騰が発生しやすくなる。
一方、電熱ヒータ２１の周囲の液体ヘリウムがラムダ点以下の温度であれば、当該液体ヘリウムは加圧超流動状態にあるため局所的な温度上昇が起こりにくく、結果として沸騰が起こりにくい。
【００６３】
（第２実施形態）
第２実施形態に係るクライオスタット１Ａについて説明する。
図３は、第２実施形態に係るクライオスタット１Ａを示す図である。
図３に示すように、クライオスタット１Ａは、第１槽１１内の液体ヘリウムの液面の高さを検知する液面検知センサ２５（液面検知手段）を備える点で、第１実施形態に係るクライオスタット１と異なっている。その他の構成は第１実施形態と同様であるため、同一部材には同一符号を付し説明を省略する。
【００６４】
ここで、液面検知センサ２５としては、例えば、液体ヘリウムに浸された部分の電気抵抗が略０になる超電導線を利用したものを用いることができる。当該超電導線を利用した液面検知センサ２５は、一端側のみが液体ヘリウム内に浸るように設けられた超電導線を備え、当該超電導線の電気抵抗に基づいて液面の高さを導出する。
【００６５】
＜クライオスタット１Ａの制御方法＞
クライオスタット１Ａは、以下のように制御することができる。
液面検知センサ２５により検知された液面の高さに基づいて、温度計２２ａ〜２２ｆのうち、液面よりも下方に位置するものを抽出することができる。また、液面よりも下方に位置する温度計のうち、液面近傍にある温度計を抽出することもできる。
図３に示す状態においては、温度計２２ａ〜２２ｆは全て液面よりも下方に位置するため、温度計２２ａ〜２２ｆで検知される温度分布に基づいて、電熱ヒータ２１の作動の要否が決定される。
【００６６】
本実施形態においては、液面よりも下方に位置する温度計２２ａ〜２２ｆのうち液面に最も近い位置にある温度計２２ａにより検知された温度と、２番目に近い位置にある温度計２２ｂにより検知された温度との差（液面近傍の温度勾配）に基づいて、電熱ヒータ２１の作動の要否が決定される。
つまり、第１槽１１内の液体ヘリウムが排出導管１８から排出されることで、第１槽１１内の液体ヘリウムの量が減少して、液面が低下した場合には、当該低下した液面の下方にある温度計の中から、液面に最も近い位置にある温度計と２番目に近い位置にある温度計とが抽出され、当該２つの温度計で検知された温度に基づいて電熱ヒータの作動の要否が決定される。
【００６７】
具体的には、当該液面近傍の温度勾配が、所定の温度勾配よりも大きい場合は、電熱ヒータ２１により液体ヘリウムが加熱される。一方、当該液面近傍の温度勾配が、所定の温度勾配よりも小さい場合は、電熱ヒータ２１の作動は停止される。
尚、前記所定の温度勾配は、当該所定の温度勾配および液体ヘリウムの熱伝導率から推定される熱流束が、ある設定値以下となるように設定される。つまり、前記所定の温度勾配は、第１槽１１における液体ヘリウムの液面近傍部が当該所定の温度勾配を有している場合でも、液化過多にならないように設定される。
【００６８】
ここで、図３に示す状態においては、温度計２２ａ及び温度計２２ｂの検知温度は略等しく、当該液面近傍の温度勾配はほとんどないため、電熱ヒータ２１は作動させない。
一方、クライオスタット１Ａの作動時間が経過するにつれて、第１槽１１内が冷却され、当該液面近傍の温度勾配が、所定の温度勾配よりも大きくなった場合（例えば、図７に示すように液面近傍に温度勾配が生じた場合）は、電熱ヒータ２１による加熱を行う。
【００６９】
尚、液面検知センサ２５、温度計２２ａ〜２２ｆ及び電熱ヒータ２１をコンピュータ等の制御手段に対して通信可能に接続し、当該制御手段が、液面検知センサ２５の検知結果から液面近傍の温度計を抽出し、抽出した温度計の検知結果に基づいて、液面近傍の温度勾配が所定の温度勾配よりも大きくなったときに電熱ヒータ２１を作動し、液面近傍の温度勾配が所定の温度勾配よりも小さくなったときに電熱ヒータ２１の作動を停止するように構成してもよい。この場合、自動的に電熱ヒータ２１が制御されるので、電熱ヒータ２１を操作する手間を省くことができる。
【００７０】
また、温度勾配を液面近傍の２つの温度計により検知された温度から求める場合に限らず、温度勾配を求めるために、液面近傍の３つ以上の温度計を利用してもよい。
【００７１】
また、液面近傍の温度計（例えば、液面に最も近い温度計２２ａ）で検知される温度が大気圧下での沸点（約４．２Ｋ）よりも低くなった場合に、電熱ヒータ２１を作動させる構成とすることもできる。この場合、簡易な構成で実現できる。
【００７２】
＜第２実施形態の効果＞
以上説明したように、第２実施形態に係るクライオスタット１Ａは、第１槽１１内に設けられ、当該第１槽１１内の高さ方向における温度分布を測定可能な温度計２２ａ〜２２ｆを備えている。
【００７３】
この構成によると、温度計２２ａ〜２２ｆで測定された温度分布に基づいて、液面近傍の温度勾配が急な場合は、電熱ヒータ２１により第１槽１１内の液体ヘリウムを加熱することで、第１槽１１内の圧力の低下を防ぐことができる。
【００７４】
また、クライオスタット１Ａは、第１槽１１内の液体ヘリウムの液面の高さを検知する液面検知センサ２５を備えている。また、温度計２２ａ〜２２ｆは、高さ方向において異なる位置にそれぞれ固定されている。
【００７５】
この構成によると、液面検知センサ２５で液面の高さを検知することで、温度計２２ａ〜２２ｆの中から、液面よりも下に配置された温度計を抽出し、液体ヘリウム内における液面近傍の温度分布を知ることができる。
そして、長時間の運転により、第１槽１１内の液体ヘリウムの液面が低下し、一部の温度計が液体ヘリウムの外に出た場合でも、液体ヘリウム内に位置する他の温度計のみの検知結果に基づいて、当該液体ヘリウムの高さ方向における温度分布を検知することができる。これにより、液体ヘリウム内における液面近傍の温度分布をより正確に知ることができる。
そして、当該温度分布に基づいて電熱ヒータ２１の発熱量を調整し、第１槽１１内の液体ヘリウムの液面近傍の温度勾配を、穏やかにすることで、液化過多による第１槽１１内の圧力の低下を防止することができる。
【００７６】
（第３実施形態）
第３実施形態に係るクライオスタット１Ｂについて説明する。
図４は、第３実施形態に係るクライオスタット１Ｂを示す図である。
図４に示すように、クライオスタット１Ｂは、フロート式の温度分布検知手段を備える点で、第１実施形態に係るクライオスタット１と異なっている。その他の構成は第１実施形態と同様であるため、同一部材には同一符号を付し説明を省略する。
【００７７】
クライオスタット１Ｂは、液面上に浮かぶ浮き部２６と、当該浮き部２６から吊り下げられて高さ方向に等間隔で並ぶ６つの温度計２７ａ〜２７ｆとを備えている。第３実施形態の温度分布検知手段は、当該浮き部２６と、温度計２７ａ〜２７ｆとを有して構成される。
【００７８】
クライオスタット１Ｂにおいては、第１槽１１の液体ヘリウムの液面が低下するのに伴って、浮き部２６及び温度計２７ａ〜２７ｆも第１槽１１の底に近づくように移動する。これにより、液面の高さが変動しても、温度計２７ａ〜２７ｆと液面との間隔は一定に保たれる。
【００７９】
＜クライオスタット１Ｂの制御方法＞
クライオスタット１Ｂは、以下の（１）または（２）に示すように制御することができる。
【００８０】
（１）
クライオスタット１Ｂにおいては、第１実施形態として記載した制御方法と同様に、例えば、温度計２７ｅと温度計２７ｆとの間の位置に、超流動転移温度点位置αが位置するように電熱ヒータ２１の発熱量を調整することができる。
このように電熱ヒータ２１の発熱量を調整すれば、液面の位置が上下に変動しても、当該液面から超流動転移温度点位置αまでの間隔が過度に変動することを防止できる。これにより、より確実に第１槽１１内の圧力低下を防ぐことができる。
【００８１】
（２）
クライオスタット１Ｂにおいては、第２実施形態として記載した制御方法と同様に、例えば、液体ヘリウム内にある液面近傍の温度計２７ａと温度計２７ｂとが検知した温度の温度差（温度勾配）に基づいて、当該温度差が所定の温度差よりも大きい場合に、電熱ヒータ２１で液体ヘリウムを加熱するように制御することができる。尚、温度勾配を求めるために液面近傍の３つ以上の温度計を利用してもよい。
【００８２】
クライオスタット１Ｂにおいては、液面の変動に伴って温度計２７ａ〜２７ｆが上下に移動するため、液面の位置が上下に変動しても、液面に最も近い位置にある温度計及び２番目に近い位置にある温度計は、必ず、温度計２７ａ及び温度計２７ｂとなり、変化することはない。
これにより、液面検知センサ２５を設置しなくても、液面近傍の温度勾配を確実に検知することができる。
【００８３】
尚、温度計２７ａ〜２７ｆ及び電熱ヒータ２１をコンピュータ等の制御手段に対して通信可能に接続し、当該制御手段が、温度計２７ａ〜２７ｆの検知結果に基づいて、電熱ヒータ２１を上述の制御方法と同様に制御する構成としてもよい。この場合、自動的に電熱ヒータ２１が制御されるので、電熱ヒータ２１を操作する手間を省くことができる。
【００８４】
＜第３実施形態の効果＞
以上説明したように、第２実施形態に係るクライオスタット１Ｂにおいては、第１槽１１内に高さ方向に等間隔で並んで設けられた温度計２７ａ〜２７ｆは、第１槽１１内の液体ヘリウムの液面に浮かぶ浮き部２６から吊り下げられている。そのため、当該温度計２７ａ〜２７ｆは、第１槽１１内の液体ヘリウムの液面の高さに応じて上下に移動する。
【００８５】
この構成によると、第１槽１１内の液体ヘリウムの液面の高さが変動した場合でも、温度計２７ａ〜２７ｆは液体ヘリウム内に位置するとともに、温度計２７ａ〜２７ｆの液面に対する位置が変化しない。
これにより、液面の位置を判断することなく、簡単に、液体ヘリウム内に位置する温度計のみの検知結果に基づいて、当該液体ヘリウムの高さ方向における温度分布を検知することができる。
この場合、液体ヘリウム内における液面近傍の温度分布をより正確に知ることができ、当該温度分布に基づいて電熱ヒータ２１の制御ができるので、第１槽１１内の圧力低下をより確実に抑制することができる。
【００８６】
（第４実施形態）
第４実施形態に係るクライオスタット１Ｃについて説明する。
図５は、第４実施形態に係るクライオスタット１Ｃを示す図である。
図５に示すように、クライオスタット１Ｃは、温度計２２ａ〜２２ｆを備えておらず、第１槽１１の上部（ヘリウムガスで満たされた部分）の圧力を検知する圧力計２８（圧力検知手段）を備えている点で、第１実施形態に係るクライオスタット１と異なっている。その他の構成は第１実施形態と同様であるため、同一部材には同一符号を付し説明を省略する。
【００８７】
＜クライオスタット１Ｃの制御方法＞
クライオスタット１Ｃは、以下のように制御することができる。
圧力計２８で検知された圧力が所定の圧力よりも小さい場合は、電熱ヒータ２１を作動させ、液体ヘリウムを加熱する。そして、第１槽１１内の圧力が所定の圧力以上になった後、電熱ヒータ２１の作動を停止する。
当該所定の圧力は、例えば、大気圧に相当する圧力とすることができる。これにより、第１槽１１内の圧力が大気圧よりも低くなっても、速やかに、第１槽１１内の圧力を上昇させることができるため、過度に第１槽１１内の圧力が低下することを防止できる。
【００８８】
尚、圧力計２８及び電熱ヒータ２１をコンピュータ等の制御手段に対して通信可能に接続し、当該制御手段が、圧力計２８の検知結果に基づいて、電熱ヒータ２１を上述の制御方法と同様に制御する構成としてもよい。この場合、自動的に電熱ヒータ２１が制御されるので、電熱ヒータ２１を操作する手間を省くことができる。
【００８９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することができるものである。
【００９０】
＜変形例＞
温度計または圧力計で計測された温度または圧力に基づいて電熱ヒータ２１の作動を制御する場合に限らず、温度計及び圧力計の双方の測定値に基づいて電熱ヒータ２１の作動を制御してもよい。即ち、第１実施形態に示す制御方法において、第１槽内の圧力が大気圧よりも小さくなったときにも、電熱ヒータ２１を作動する制御方法であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明は、加圧超流動ヘリウムを用いて超電導磁石装置等を冷却するために利用される。
【符号の説明】
【００９２】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ クライオスタット
１１ 第１槽
１２ 第２槽
１３ 連通路
１４ 弁体
１５ 主熱交換器（超流動ヘリウム冷却手段）
２１ 電熱ヒータ（加熱手段）
２２ａ〜２２ｆ 温度計（温度分布検知手段）
２５ 液面検知センサ（液面検知手段）
２６ 浮き部
２７ａ〜２７ｆ 温度計（温度分布検知手段）
２８ 圧力計（圧力検知手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体ヘリウムを貯留する第１槽と、
前記第１槽内に連通路を介して連通し、加圧超流動ヘリウムを貯留する第２槽と、
前記連通路を開閉する弁と、
前記第１槽内の液体ヘリウムを絞り膨張させてその絞り膨張により発生する冷熱により前記第２槽内を冷却する超流動ヘリウム冷却手段と、
前記第１槽内に設けられ、当該第１槽内の液体ヘリウムを加熱可能な加熱手段と、
を備えた加圧超流動ヘリウムクライオスタット。
【請求項２】
前記第１槽内に設けられ、当該第１槽内の高さ方向における温度分布を検知可能な温度分布検知手段を備える
請求項１に記載の加圧超流動ヘリウムクライオスタット。
【請求項３】
前記温度分布検知手段で検知された温度分布に基づいて、前記第１槽内の液体ヘリウムの超流動転移温度点位置を高さ方向における所定の位置に保持するように、前記加熱手段を制御する制御手段を更に備える
請求項２に記載の加圧超流動ヘリウムクライオスタット。
【請求項４】
前記第１槽内の液体ヘリウムの液面の高さを検知する液面検知手段を備え、
前記温度分布検知手段は、高さ方向において異なる位置にそれぞれ固定された複数の温度計を有する
請求項２又は請求項３に記載の加圧超流動ヘリウムクライオスタット。
【請求項５】
前記液面検知手段により検知された液面の高さに基づいて、前記液面の高さよりも低い位置にある前記温度計を抽出し、抽出された前記温度計で検知された温度分布に基づいて、高さ方向の温度勾配が所定の温度勾配になるように、前記加熱手段を制御する制御手段を備える請求項４に記載の加圧超流動ヘリウムクライオスタット。
【請求項６】
前記温度分布検知手段は、前記第１槽内の前記液体ヘリウムの液面の高さに応じて上下に移動する請求項２又は請求項３に記載の加圧超流動ヘリウムクライオスタット。
【請求項７】
前記第１槽内の圧力を検知する圧力検知手段を備える
請求項１〜６のいずれか一項に記載の加圧超流動ヘリウムクライオスタット。
【請求項８】
前記圧力検知手段により検知された圧力に基づいて、当該圧力が所定の圧力になるように、前記加熱手段を制御する制御手段を備える
請求項７に記載の加圧超流動ヘリウムクライオスタット。
【請求項９】
前記加熱手段は、周囲の液体ヘリウムの温度がラムダ点以下の温度となる位置に設けられている
請求項１〜８のいずれか一項に記載の加圧超流動ヘリウムクライオスタット。
【請求項１０】
前記温度分布検知手段で検知された温度分布に基づいて、前記第１槽内の液体ヘリウムの超流動転移温度点位置を高さ方向における所定の位置に保持するように、前記加熱手段を制御する請求項２に記載の加圧超流動ヘリウムクライオスタットの制御方法。
【請求項１１】
前記液面検知手段により検知された液面の高さに基づいて、前記液面の高さよりも低い位置にある前記温度計を抽出し、抽出された前記温度計で検知された温度分布に基づいて、高さ方向の温度勾配が所定の温度勾配になるように、前記加熱手段を制御する請求項４に記載の加圧超流動ヘリウムクライオスタットの制御方法。
【請求項１２】
前記圧力検知手段により検知された圧力に基づいて、当該圧力が所定の圧力になるように、前記加熱手段を制御する請求項７に記載の加圧超流動ヘリウムクライオスタットの制御方法。
【請求項１】
液体ヘリウムを貯留する第１槽と、
前記第１槽内に連通路を介して連通し、加圧超流動ヘリウムを貯留する第２槽と、
前記連通路を開閉する弁と、
前記第１槽内の液体ヘリウムを絞り膨張させてその絞り膨張により発生する冷熱により前記第２槽内を冷却する超流動ヘリウム冷却手段と、
前記第１槽内に設けられ、当該第１槽内の液体ヘリウムを加熱可能な加熱手段と、
を備えた加圧超流動ヘリウムクライオスタット。
【請求項２】
前記第１槽内に設けられ、当該第１槽内の高さ方向における温度分布を検知可能な温度分布検知手段を備える
請求項１に記載の加圧超流動ヘリウムクライオスタット。
【請求項３】
前記温度分布検知手段で検知された温度分布に基づいて、前記第１槽内の液体ヘリウムの超流動転移温度点位置を高さ方向における所定の位置に保持するように、前記加熱手段を制御する制御手段を更に備える
請求項２に記載の加圧超流動ヘリウムクライオスタット。
【請求項４】
前記第１槽内の液体ヘリウムの液面の高さを検知する液面検知手段を備え、
前記温度分布検知手段は、高さ方向において異なる位置にそれぞれ固定された複数の温度計を有する
請求項２又は請求項３に記載の加圧超流動ヘリウムクライオスタット。
【請求項５】
前記液面検知手段により検知された液面の高さに基づいて、前記液面の高さよりも低い位置にある前記温度計を抽出し、抽出された前記温度計で検知された温度分布に基づいて、高さ方向の温度勾配が所定の温度勾配になるように、前記加熱手段を制御する制御手段を備える請求項４に記載の加圧超流動ヘリウムクライオスタット。
【請求項６】
前記温度分布検知手段は、前記第１槽内の前記液体ヘリウムの液面の高さに応じて上下に移動する請求項２又は請求項３に記載の加圧超流動ヘリウムクライオスタット。
【請求項７】
前記第１槽内の圧力を検知する圧力検知手段を備える
請求項１〜６のいずれか一項に記載の加圧超流動ヘリウムクライオスタット。
【請求項８】
前記圧力検知手段により検知された圧力に基づいて、当該圧力が所定の圧力になるように、前記加熱手段を制御する制御手段を備える
請求項７に記載の加圧超流動ヘリウムクライオスタット。
【請求項９】
前記加熱手段は、周囲の液体ヘリウムの温度がラムダ点以下の温度となる位置に設けられている
請求項１〜８のいずれか一項に記載の加圧超流動ヘリウムクライオスタット。
【請求項１０】
前記温度分布検知手段で検知された温度分布に基づいて、前記第１槽内の液体ヘリウムの超流動転移温度点位置を高さ方向における所定の位置に保持するように、前記加熱手段を制御する請求項２に記載の加圧超流動ヘリウムクライオスタットの制御方法。
【請求項１１】
前記液面検知手段により検知された液面の高さに基づいて、前記液面の高さよりも低い位置にある前記温度計を抽出し、抽出された前記温度計で検知された温度分布に基づいて、高さ方向の温度勾配が所定の温度勾配になるように、前記加熱手段を制御する請求項４に記載の加圧超流動ヘリウムクライオスタットの制御方法。
【請求項１２】
前記圧力検知手段により検知された圧力に基づいて、当該圧力が所定の圧力になるように、前記加熱手段を制御する請求項７に記載の加圧超流動ヘリウムクライオスタットの制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−１８５６４１（Ｐ２０１０−１８５６４１Ａ）
【公開日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−３１６２８（Ｐ２００９−３１６２８）
【出願日】平成２１年２月１３日（２００９．２．１３）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月１３日（２００９．２．１３）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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