JP2001085220A - 熱的スイッチ及び熱的スイッチの作動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】２段階冷却の過程の切り離しの際に外部からの
熱侵入を回避する。 【解決手段】冷却対象（超伝導コイル）３の温度変化に
物理的に対応して機械的に動作する部分１１，２４から
なり、その部分１１，２４の動作により熱的接続状態と
熱的断続状態とが切り替わる。冷却対象３の温度変化に
物理的に対応して機械的に動作する部分１１，２４の動
作により２つの熱的接合状態が切り替わるので、その温
度状態に即応した自己動作的スイッチングが可能になっ
ていて、冷却系が外界から影響を受けない。その部分
は、熱的変動により膨張収縮する気体、固体である。外
界の影響を特に嫌う冷却対象は、冷却されて超伝導状態
に変わる超伝導体、特に、超伝導コイルである。このよ
うな自己動作的部分は、冷却対象を囲み外界から閉じら
れた系の部分である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱（的）スイッチ
及び熱的スイッチの作動方法に関し、特に、超伝導コイ
ルを２段階で冷却する際の冷却状態の切り換えを行うた
めの熱的スイッチ及び熱的スイッチの作動方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】超伝導コイルの冷却は、２段階で行われ
る。１段階目は高温冷却であり、２段階目は目標冷却値
に届く低温冷却である。このような１段階目と２段階目
の区切りのために、２つの冷却用伝熱体が切り換えられ
て使用される。特に、熱的スイッチは、自己作動型であ
ることが重要である。図７は、そのような切り換えを行
う公知の熱的スイッチを抽象的に図解している。参考の
ためなら、特開平０９−１７８１４６号が引用され得
る。

【０００３】このような公知の熱的スイッチは、図７に
示されるように、真空容器１０１の中に収納されている
超伝導コイル１０２を冷凍機１０３により冷却するため
に、２様の冷却面体が設けられている。その２様の冷却
面体は、高温側冷却面体１０４と低温側冷却面体１０５
とから形成されている。冷却初期には高温側冷却面体１
０４は熱的に直接に超伝導コイル１０２に接続して、冷
凍能力が大きい高温側冷却面体１０４により超伝導コイ
ル１０２を約８０゜Ｋまで冷却する。この冷却段階で
は、その冷却能力が有効に利用される。コイル温度が８
０゜Ｋ〜５０゜Ｋに冷却されると、低温側冷却面体１０
５により超伝導コイル１０２を更に低い温度まで直接冷
却する。このように第１段階から第２段階への冷却の切
り換えを行う際に、真空容器１０１の外側に配置されて
いる駆動機構（図示されず）により駆動される切離機構
１０６により強制的に、高温側冷却面体１０４を直接に
超伝導コイル１０２に熱的に接続する切り離し自在な接
続面１０７を超伝導コイル１０２から切り離す必要があ
る。

【０００４】このような切り離しの過程で、駆動機構、
切離機構１０６を介して超伝導コイル１０２に外部から
熱が侵入するという熱侵入の問題が派生する。このよう
な外部からの熱侵入を回避することが望まれる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、２段
階冷却の過程の切り離しの際に外部からの熱侵入を回避
することができる熱的スイッチ及び熱的スイッチの作動
方法を提供することにある。本発明の他の課題は、２段
階冷却の過程の切り離しの際に外部からの熱侵入を回避
することができ、その回避が合理的に行われ得る熱的ス
イッチ及び熱的スイッチの作動方法を提供することにあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】その課題を解決するため
の手段が、下記のように表現される。その表現中に現れ
る技術的事項には、括弧（）つきで、番号、記号等が添
記されている。その番号、記号等は、本発明の実施の複
数・形態又は複数の実施例のうちの少なくとも１つの実
施の形態又は複数の実施例を構成する技術的事項、特
に、その実施の形態又は実施例に対応する図面に表現さ
れている技術的事項に付せられている参照番号、参照記
号等に一致している。このような参照番号、参照記号
は、請求項記載の技術的事項と実施の形態又は実施例の
技術的事項との対応・橋渡しを明確にしている。このよ
うな対応・橋渡しは、請求項記載の技術的事項が実施の
形態又は実施例の技術的事項に限定されて解釈されるこ
とを意味しない。

【０００７】本発明による熱的スイッチは、冷却対象
（３）の温度変化に物理的に対応して機械的に動作する
部分（１１，２４）からなり、部分（１１，２４）の動
作により熱的接続状態と熱的断続状態とが切り替わる。
冷却対象（３）の温度変化に物理的に対応して機械的に
動作する部分（１１，２４）の動作により２つの熱的接
合状態が切り替わるので、その温度状態に即応した自己
動作的スイッチングが可能になっていて、冷却系が外界
から影響を受けない。外界の影響を特に嫌う冷却対象
は、冷却されて超伝導状態に変わる超伝導体、特に、超
伝導コイル（３）である。このような自己動作的部分
は、冷却対象を囲み外界から閉じられた系の部分であ
る。

【０００８】自己動作的なその部分（１１，２４）は、
熱変動により膨張収縮するという物理的動作系であり、
信号系ではなく、温度測定と測定温度に対応する電気信
号を出力する測定系を要しない。その部分（７”）は冷
却対象に熱を伝達する熱媒体機能を兼ねることは好まし
い。

【０００９】部分は動作ガスであることがある。動作ガ
スの膨張収縮に機械的に連動する部分として、ベローズ
（１１）、ピストン（２４）が用いられ得る。その部分
（７”）は、弾性を有する金属であり、且つ、冷却対象
に熱を伝達する熱媒体機能を兼ねるものであることがで
きる。実施の形態で示される可撓端子（７）も、熱変化
に対応して変位・変形して、熱的スイッチ機能を持つこ
とができる。この場合、ベローズ、動作ガスは不要であ
る。

【００１０】本発明による熱的スイッチの作動方法は、
冷却対象（３）を第１温度状態まで冷却すること、冷却
対象（３）が第１温度状態まで冷却された時に冷却用熱
伝達を断絶すること、その断絶の状態で第１温度状態よ
りも温度が低い第２温度状態まで冷却対象（３）を冷却
することとからなり、その断絶は第１温度状態の温度に
物理的に対応して機械的に行われる。その機械的動作
は、既述の通りである。

【００１１】

【発明の実施の形態】図に一致対応して、本発明による
熱的スイッチの実施の形態は、真空容器の中に超伝導コ
イルが収納されている。その真空容器１の外側に、図１
に示されるように、冷凍機２が設けられている。冷凍機
２は、２様の冷却面体を介してその超伝導コイル３に熱
的に接続している。その２様の冷却面体は、高温側冷却
面体４と低温側冷却面体５とから形成されている。低温
側冷却面体５は、直接に超伝導コイル３に熱的に接続す
る低温側接続面６を有している。

【００１２】高温側冷却面体４は、可撓端子７を介して
間接的に超伝導コイル３に熱的に接続している。可撓端
子７の一端面は高温側冷却面体４に熱的に直接に接続す
ることが可能であり、可撓端子７の他端面は超伝導コイ
ル３に熱的に直接に接続している。可撓端子７の一端面
が熱的に直接に接続する高温側冷却面体４の接続面は、
その一端面から切り離し自在である切離面８として形成
されている。可撓端子７は、可撓性がある熱伝導体で作
製されている。

【００１３】可撓端子７の高温側冷却面体４に接続する
接続部分９の裏面（切離面８に直接に接続する面と反対
側の面）と低温側冷却面体５との間にベローズ１１が介
設されている。ベローズ１１は、高温側冷却面体４と低
温側冷却面体５の間でそれらが向かい合う方向１２に伸
縮することができる慣用のデバイスである。ベローズ１
１は、内部に密閉空間を形成し、その密閉空間にはスイ
ッチ動作ガスが密封されている。ベローズ１１は、高温
側冷却面体４又は（及び）低温側冷却面体５に熱的に接
続している。可撓端子７とベローズ１１とにより当該熱
的スイッチが形成されている。

【００１４】冷却初期には、ベローズ１１は伸びた状態
にあり、可撓端子７は高温側冷却面体４に熱的に直接に
接合しており、超伝導コイル３は、冷凍機２により高温
側冷却面体４と可撓端子７とを介してその冷凍能力が有
効に利用されて冷却される。冷却が進み可撓端子７に接
合しているベローズ１１がより冷却されてベローズ１１
の中のスイッチ動作ガスが冷却されてその圧力が降下す
ると、ベローズ１１は自己の復元力である収縮力により
その長さが縮小する。その縮小により、可撓端子７の接
続部分９の上面が切離面８から離れ、高温側冷却面体４
と超伝導コイル３との間の熱的接触が絶たれて、当該熱
的スイッチはＯＮ状態からＯＦＦ状態に移行する。この
移行は、自己動作型移行である。

【００１５】このような熱的断絶状態のベローズ１１
は、依然として低温側冷却面体５に熱的に接合し、低温
側冷却面体５は冷凍機２に熱的に結合しているので、ベ
ローズ１１は更に冷却されて、その内圧は更に低下し
て、そのＯＦＦ状態は確実に保持される。このようなＯ
ＦＦ状態で、超伝導コイル３は冷凍機２により低温側冷
却面体５を介して更に冷却され、５０゜Ｋ〜８０゜Ｋの
温度状態から４゜Ｋの極低温状態まで更に冷却される。

【００１６】このように第１段階から第２段階への冷却
の切り換えが、超伝導コイル３の温度変化に対応して変
化するベローズ１１の内圧により自己動作的に又は自己
整合的に行われる。その切り換えは、５０゜Ｋの前後で
行われることが好ましい。このような切り換えの過程
で、当該熱的スイッチは、真空容器１の外側の大気・物
体に熱的に接合していないので、真空容器１の外部から
の熱侵入が回避されている。

【００１７】このように、当該熱的スイッチは、冷却対
象の温度変化に物理的に（圧力として）対応して動作す
る機械的部分がベローズにより実現している。ベローズ
は、それ自体の熱的変化により伸縮するが、その伸縮を
補助するために内部に動作ガスを有することが好まし
い。機械的部分の機械的動作は、熱的接続状態と熱的断
続状態とを有効に切り換えることができる。冷却対象
は、超伝導体に限られないが、本発明による熱的スイッ
チは極低温冷却に好適であり、１段階冷却にも有効に用
いられ得る。

【００１８】図２は、本発明による熱的スイッチの実施
の他の形態を示している。本実施の形態は、可撓端子の
一部の形状と、切離面の形状とが異なる点を除き、既述
の実施の形態に実質的に同じである。高温側冷却面体４
の一部の下面に楔形凸側接点１３が結合して形成されて
いる。可撓端子７’の接続部分９の上面に楔形凹側接点
１４が結合して形成されている。ベローズ１１の物性、
ベローズ１１の超伝導コイル３と高温側冷却面体４に対
する熱的接合関係は既述の実施の形態に全く同じであ
る。

【００１９】ベローズ１１の伸縮に応じて、楔形凸側接
点１３と楔形凹側接点１４とは結合し又は離脱する。そ
の結合時の楔形凸側接点１３と楔形凹側接点１４とは、
それらの楔結合による嵌め合い時の楔面接触が確実であ
り、切離面８’での密着性がよくその部分での熱伝達率
がより向上する。

【００２０】図３は、図１のベローズ１１の内圧の変化
を敏感にするための改良を示している。ベローズ１１が
形成する密閉空間中にフィン構造１４が形成されてい
る。フィン構造１４は、低温側冷却面体５に熱的に接合
し、且つ、密閉空間の中の動作ガスに接触する面積が大
きくなるように形成されている。フィン構造１５は、超
伝導コイル３の温度変化を敏感にベローズ１１の内部の
動作ガスに伝達し、当該熱的スイッチは超伝導コイル３
の温度変化に敏感に物理的に反応してそのスイッチング
動作を行い、その結果、ガス冷却を促進してそのスイッ
チング動作が円滑になる。

【００２１】図４は、本発明による熱的スイッチの実施
の更に他の形態を示している。本実施の形態は、可撓端
子として適用するデバイスが異なる点を除き、既述の実
施の形態に実質的に同じである。そのデバイスとして、
ベローズに代えられてコイルスプリング７”が用いられ
ている。コイルスプリング７”は、より低温に冷却され
るとその弾力が弱くなってその長さが縮小する。その長
さの縮小と伸長とにより、熱的接合と熱的断絶の２状態
を変更する。

【００２２】本実施の形態では、縮小し伸長する部材
７”が、熱伝達媒体である可撓端子７の機能を兼ねてい
る。コイルスプリング７”に代えられて、板ばね、形状
記憶合金が用いられる得る。スプリングの温度依存ばね
定数を適正に採択することにより、３００゜Ｋ〜８０゜
Ｋの間で高温側冷却面体４と低温側冷却面体５とをコイ
ルスプリング７”により熱的に架橋することができる。
コイルスプリング７”は、室温時の長さに対して熱収縮
して、高温側冷却面体４に対する接触面圧が低下してい
くが、３００゜Ｋ〜８０゜Ｋの間では十分な面圧が得ら
れるようにそのばね定数が調整されている。８０゜Ｋ以
下になって、コイルスプリング７”は完全に高温側冷却
面体４から離脱する。

【００２３】図５は、本発明による熱的スイッチの実施
の更に他の形態を示している。本実施の形態は、可撓端
子に代えられて、スライダー機構２１が用いられてい
る。高温側冷却面体４の端部の下面に固定面体２２が取
り付けられている。スライダー機構２１は、シリンダ２
３と可動側熱媒体２４とから形成されている。可動側熱
媒体２４の上面が固定面体２２の下面に熱的に接合して
摺動する。シリンダ２３のシリンダ室には動作ガスが封
入されている。超伝導コイル３に熱的に接合して固定側
熱媒体２５が固定されている。可動側熱媒体２４は、そ
のシリンダ室に収納されている引張スプリング２６によ
り常時に固定側熱媒体２５に向かう方向に付勢されてい
る。可動側熱媒体２４と固定側熱媒体２５とは、斜面で
ある切離面８’で面接合する。

【００２４】可動側熱媒体２４は、高温側冷却面体４と
低温側冷却面体５とが対向する対向方向に直交する方向
に移動可能である。高温状態時には、引張スプリング２
６の引張力よりも優勢であるシリンダ室の内圧が可動側
熱媒体２４と固定側熱媒体２５との間に働いて、可動側
熱媒体２４は固定側熱媒体２５に切離面８’で熱的に接
合する。

【００２５】低温状態時にはシリンダ室の内圧が低下し
て、シリンダ室の内圧よりも優勢になる引張スプリング
２６の引張力により可動側熱媒体２４が後退して固定側
熱媒体２５から離脱する。互いに接合する可動側熱媒体
２４と固定側熱媒体２５が、超伝導コイル３と高温側冷
却面体４との間で熱を伝達するための熱伝達部材を形成
している。シリンダ室に封入される動作ガスの凝縮温度
により、スイッチングの動作温度が定まる。多種類の動
作ガスから適正な動作ガスを選択することにより、動作
温度を任意に設定することができる。

【００２６】図６は、本発明による熱的スイッチの実施
の更に他の形態を示している。本実施の形態は、可撓端
子に代えられて、伝熱ブロック機構３１が用いられてい
る。伝熱ブロック機構３１は、高温側冷却面体４の端部
の下面に固定されている第１伝熱ブロック３２と、超伝
導コイル３の上面に固定されている第２伝熱ブロック３
３とから形成されている。第１伝熱ブロック３２と第２
伝熱ブロック３３は、高温時には凹凸嵌合し切離面８”
で熱的に接合しているが、低温時には第２伝熱ブロック
３３の収縮により、第２伝熱ブロック３２の切離面８”
が第１伝熱ブロック３２の内面から離れる。８０゜Ｋ〜
５０゜Ｋに冷却された時点でその切り離しが起こるよう
に、第２伝熱ブロック３３の材質が選択されている。

【００２７】

【発明の効果】本発明による熱的スイッチ及び熱的スイ
ッチの作動方法は、自己動作的にスイッチ動作し、外界
から断絶した状態でスイッチングが行われ、外界からの
熱的影響を受けにくく、熱的切離しの際の外部からの熱
侵入を回避することができる。自己動作スイッチの形成
は、部品点数を少なくすることができ、極低温状態での
スイッチング動作の信頼性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明による熱的スイッチの実施の形
態を示す断面図である。

【図２】図２は、本発明による熱的スイッチの実施の他
の形態を示す断面図である。

【図３】図３は、本発明による熱的スイッチの実施の更
に他の形態を示す断面図である。

【図４】図４は、本発明による熱的スイッチの実施の更
に他の形態を示す断面図である。

【図５】図５は、本発明による熱的スイッチの実施の更
に他の形態を示す断面図である。

【図６】図６は、本発明による熱的スイッチの実施の更
に他の形態を示す断面図である。

【図７】図７は、公知熱的スイッチを示す断面図であ
る。

【符号の説明】

３…冷却対象（超伝導コイル） ７”，１１，２５…部分 ７，７”…可撓端子 ７”…可撓端子又はコイルスプリング １１…ベローズ ２４…可動側熱媒体（ピストン） ２５…固定側熱媒体

フロントページの続き (72)発明者 大川 智宏 兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１ 号 三菱重工業株式会社神戸造船所内 (72)発明者 中野 俊秀 兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１ 号 三菱重工業株式会社神戸造船所内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】冷却対象の温度変化に物理的に対応して機
   械的に動作する部分からなり、 前記部分の前記動作により熱的接続状態と熱的断続状態
   とが切り替わる熱的スイッチ。
2. 【請求項２】請求項１において、 前記冷却対象は冷却されて超伝導状態に変わる超伝導体
   である熱的スイッチ。
3. 【請求項３】請求項１において、 前記部分は、前記熱変動により膨張収縮する熱的スイッ
   チ。
4. 【請求項４】請求項３において、 前記部分は前記冷却対象に熱を伝達する熱媒体機能を兼
   ねる熱的スイッチ。
5. 【請求項５】請求項３において、 前記部分はガスである熱的スイッチ。
6. 【請求項６】請求項３において、 前記部分は弾性を有する金属であり、且つ、前記冷却対
   象に熱を伝達する熱媒体機能を兼ねる熱的スイッチ。
7. 【請求項７】冷却対象を第１温度状態まで冷却するこ
   と、 前記冷却対象が前記第１温度状態まで冷却された時に冷
   却用熱伝達を断絶すること、 前記断絶の状態で前記第１温度状態よりも温度が低い第
   ２温度状態まで前記冷却対象を冷却することとからな
   り、 前記断絶は前記第１温度状態の温度に物理的に対応して
   機械的に行われる熱的スイッチの作動方法。