JP2018021724A - 熱スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】被冷却体が超電導状態となるまでの当該被冷却体の冷却期間を短縮することが可能な熱スイッチを提供すること。【解決手段】熱スイッチ（１０）であって、上側熱伝導部（１２）と、下側熱伝導部（１４）と、包囲部（１６）と、作動媒体と、媒体ヒータ（Ｈ１）と、作動媒体固化室（２０）と、連通流路（３０）と、制御部（４０）と、を備え、作動媒体の量は、作動媒体が固相の状態において上側熱伝導部（１２）及び下側熱伝導部（１４）の双方に接触可能な量に設定されており、制御部（４０）は、第１冷却ステージ（６）、上側熱伝導部（１２）、第２冷却ステージ（７）及び下側熱伝導部（１４）のいずれかの温度が、第１最低到達温度以上でかつ第１冷却ステージ（６）の冷凍能力と第２冷却ステージ（７）の冷凍能力とが互いに等しくなる温度以下になったときに、媒体ヒータ（Ｈ１）を駆動すること。【選択図】図２

Description

本発明は、冷凍機に接続される熱スイッチに関する。

従来、超電導コイル等の被冷却体を冷凍機で冷却することによって当該被冷却体を超電導状態とすることが可能な超電導装置が知られている。このような超電導装置では、被冷却体を例えば室温から冷却し始めてからこの被冷却体が超電導状態に至るまでの期間を短縮するために、作動媒体を含む熱スイッチが用いられることがある。

例えば、特許文献１には、被冷却体としての超電導コイルと、超電導コイルを冷却する冷凍機と、冷凍機に熱的に接続された熱スイッチと、を備える極低温装置が開示されている。冷凍機は、最低到達温度が約４Ｋの低温側冷却ステージと、最低到達温度が低温側冷却ステージのそれよりも高い高温側冷却ステージと、を有している。超電導コイルは、低温側冷却ステージに熱的に接続されている。

熱スイッチは、低温側冷却ステージ及び高温側冷却ステージ間に熱的に接続されており、低温側冷却ステージ及び高温側冷却ステージ間の熱の伝達及び遮断を切り替える。具体的に、熱スイッチは、高温側冷却ステージに熱的に接続された上端板と、低温側冷却ステージに熱的に接続された下端板と、上端板及び下端板に接続されており冷凍機の冷温側シリンダを取り囲む内壁と、上端板及び下端板に接続されており内壁よりも一回り大きな外壁と、内壁と外壁との間において上端板に接続された上円筒体と、内壁と外壁との間において下端板に接続された下円筒体と、各端板及び各壁で囲まれた封入空間に封入された窒素等の液化ガス（以下、「作動媒体」と称する。）と、を有している。上円筒体と下円筒体とは互いに径方向に離間している。また、作動媒体の封入量は、作動媒体が固相となった状態における当該作動媒体の表面が上円筒体の下端部よりも下方に位置する量に設定されている。

次に、超電導コイルの室温程度からの冷却開始から当該超電導コイルが超電導状態に至るまでの操作について説明する。冷却初期は、高温側冷却ステージの冷凍能力の方が低温側冷却ステージのそれよりも大きいため、冷却初期は、主に高温側冷却ステージによって超電導コイルを冷却するとともに、冷却後期は、低温側冷却ステージによって超電導コイルを冷却することが、超電導コイルの超電導状態に至るまでの時間の短縮に効果的である。上記熱スイッチは、このような操作を可能とするものである。具体的に、超電導コイルが室温程度から冷却される際、前記封入空間内の作動媒体は、気相として存在しており、この気相の作動媒体が上円筒体及び下円筒体間の熱伝達を担う。このため、冷却初期において、超電導コイルの熱は、下円筒体、気相の作動媒体及び上円筒体を介して高温側冷却ステージに流れる。この状態が、熱スイッチがオンの状態である。その後、超電導コイルの温度が低下するとともに作動媒体の温度も低下すると、封入空間において作動媒体が凝固する。これにより、作動媒体と上円筒体との接触、つまり、下円筒体（低温側冷却ステージ）から上円筒体（高温側冷却ステージ）への熱伝達が遮断されるので、超電導コイルは、低温側冷却ステージのみによって冷却される。この状態が、熱スイッチがオフの状態である。

特開平０８−１２８７４２号公報

特許文献１に記載の熱スイッチでは、超電導コイルの冷却を開始してから当該超電導コイルが超電導状態になるまでの期間の短縮に改善の余地がある。具体的に、特許文献１に記載の熱スイッチでは、低価格で取り扱いが容易という理由により作動媒体として窒素が用いられているが、通常、窒素は、高温側冷却ステージの最低到達温度（約３０Ｋ）よりも高い温度（約６３Ｋ）で凝固する。よって、作動媒体が凝固してから（熱スイッチがオフになってから）、高温側冷却ステージが最低到達温度になるまでの期間は、高温側冷却ステージの冷凍能力が有効に活用されていない。

本発明の目的は、被冷却体が超電導状態となるまでの当該被冷却体の冷却期間を短縮することが可能な熱スイッチを提供することである。

前記課題を解決するために、前記封入空間に、作動媒体が固相の状態において上円筒体及び下円筒体の双方に接触可能な量の作動媒体を封入することにより、作動媒体が凝固するまで期間に加えて、作動媒体の凝固後から被冷却体の温度が高温側冷却ステージが最低到達温度に達するまでの期間についても、主に高温側冷却ステージによって超電導コイルを冷却することが考えられる。

しかしながら、そのようにすると、高温側冷却ステージが最低到達温度に達した後も熱スイッチがオフにならないため、低温側冷却ステージの冷熱が下円筒体、固相の作動媒体及び上円筒体を介して高温側冷却ステージに流入し続ける。よって、被冷却体の最低到達温度が高くなる。

そこで、鋭意検討した結果、本発明者らは、各冷却ステージの冷凍能力がほぼ等しくなったときに、前記封入空間内の作動媒体を外部に移送させること（熱スイッチをオフにすること）により、作動媒体の凝固後における高温側冷却ステージの冷凍能力の有効活用と、低温側冷却ステージから高温側冷却ステージへの冷熱の流入の抑制と、の双方を達成可能であることに想到した。本発明は、このような観点に基づいてなされたものである。

具体的に、本発明は、第１最低到達温度に達することが可能な第１冷却ステージと、第１最低到達温度よりも低い第２最低到達温度に達することが可能であるとともに前記第１冷却ステージの下方に配置された第２冷却ステージと、を有する冷凍機の前記第１冷却ステージ及び前記第２冷却ステージ間に熱的に接触するように当該冷凍機に接続されることが可能で、かつ、前記冷凍機に熱的に接続された状態で前記第１冷却ステージ及び前記第２冷却ステージ間の熱の伝達及び遮断を切り替え可能な熱スイッチであって、前記第１冷却ステージに熱的に接続された上側熱伝導部と、前記第２冷却ステージに熱的に接続されており、前記上側熱伝導部から離間した位置に配置された下側熱伝導部と、前記上側熱伝導部及び前記下側熱伝導部を包囲する包囲部と、前記包囲部内に封入されており、前記第１最低到達温度よりも高い凝固温度を有する作動媒体と、前記包囲部内に設けられており、前記作動媒体の温度が当該作動媒体の凝固温度以上となるように前記作動媒体を加熱可能な媒体ヒータと、前記包囲部の外側において前記第１冷却ステージに熱的に接続された作動媒体固化室と、前記包囲部内と前記作動媒体固化室内とを連通する連通流路と、制御部と、を備え、前記包囲部内に封入される前記作動媒体の量は、前記作動媒体が固相の状態において前記上側熱伝導部及び前記下側熱伝導部の双方に接触可能な量に設定されており、前記連通流路のうち前記包囲部内に位置する端部は、前記上側熱伝導部の下端部よりも下方に位置しており、前記制御部は、前記第１冷却ステージ、前記上側熱伝導部、前記第２冷却ステージ及び前記下側熱伝導部のいずれかの温度が、前記第１最低到達温度以上でかつ前記第１冷却ステージの冷凍能力と前記第２冷却ステージの冷凍能力とが互いに等しくなる温度以下になったときに、前記媒体ヒータを駆動する、熱スイッチを提供する。

本熱スイッチでは、包囲部内に封入される作動媒体の量が、作動媒体が固相の状態において上側熱伝導部及び下側熱伝導部の双方に接触可能な量に設定されているので、包囲部内における作動媒体の凝固後も第１冷却ステージの冷凍能力が有効に活用され、しかも、第１冷却ステージ、上側熱伝導部、第２冷却ステージ及び下側熱伝導部のいずれかの温度が、第１最低到達温度以上でかつ第１冷却ステージの冷凍能力と第２冷却ステージの冷凍能力とが互いに等しくなる温度以下になったときに媒体ヒータを駆動するので、第２冷却ステージから第１冷却ステージへの冷熱の流入が抑制される。具体的に、媒体ヒータを駆動すると、包囲部内の固相の作動媒体が液化し、この液相の作動媒体が連通流路を通じて作動媒体固化室に流入する。ここで、連通流路のうち包囲部内に位置する端部は、上側熱伝導部の下端部よりも下方に位置しているので、液相の作動媒体の作動媒体固化室への流入の完了後、上側熱伝導部及び下側熱伝導部間の熱伝達が遮断される（熱スイッチがオフになる）。よって、第２冷却ステージから第１冷却ステージへの冷熱の流入が抑制される。したがって、第２冷却ステージに熱的に接続される超電導コイル等の被冷却体が超電導状態となるまでの期間が短縮される。

具体的に、前記媒体ヒータは、前記上側熱伝導部と前記下側熱伝導部との間において固相の前記作動媒体に接触する位置に設けられていることが好ましい。

このようにすれば、媒体ヒータの熱がより有効に作動媒体に伝達されるので、作動媒体が早期に液化する。

また、前記熱スイッチにおいて、前記作動媒体固化室の温度が前記包囲部内の温度以上となるように前記作動媒体固化室を加熱可能な固化室ヒータをさらに備え、前記制御部は、前記包囲部内の温度が前記作動媒体の凝固温度になるまでの間、前記固化室ヒータを駆動することが好ましい。

このようにすれば、冷却開始から包囲部内の温度が作動媒体の凝固温度になるまでの間、固化室ヒータの駆動によって作動媒体固化室内の作動媒体が気相の状態で連通流路を通じて包囲部内に流入する。よって、包囲部内で凝固する作動媒体の量、すなわち、上側熱伝導部及び下側熱伝導部と固相の作動媒体との接触面積が増える（熱伝達率が高まる）ので、被冷却体が超電導状態となるまでの時間がより短縮される。

この場合において、前記制御部は、前記包囲部内の温度が前記作動媒体の凝固温度以下であるときに、前記固化室ヒータを停止することが好ましい。

このようにすれば、作動媒体の作動媒体固化室から包囲部内への移送の終了後における固化室ヒータの熱の第１冷却ステージへの伝達が抑制される。具体的に、包囲部内の温度が作動媒体の凝固温度以下である場合、作動媒体の作動媒体固化室から包囲部内への移送が完了し、作動媒体のほぼ全量が包囲部内で凝固したと考えられる。よって、作動媒体の包囲部内への移送後における固化室ヒータの熱の第１冷却ステージへの伝達が抑制される。

また、前記熱スイッチにおいて、前記作動媒体固化室と前記第１冷却ステージとの間に設けられており、前記作動媒体固化室の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有するスペーサをさらに備えることが好ましい。

このようにすれば、作動媒体固化室内の作動媒体を気化させるための固化室ヒータの熱が第１冷却ステージに伝達されることが抑制される。

また、前記熱スイッチにおいて、前記連通流路に設けられた流路ヒータをさらに備え、前記制御部は、前記連通流路の温度が前記作動媒体の凝固温度以上に維持されるように前記流路ヒータを駆動することが好ましい。

このようにすれば、作動媒体が包囲部内から作動媒体固化室に向かって連通流路内を通過する過程で当該作動媒体が連通流路内で凝固すること（当該作動媒体が連通流路の少なくとも一部を閉塞すること）に起因して作動媒体の作動媒体固化室への移送が滞ることが抑制される。

また、前記熱スイッチにおいて、前記制御部は、前記媒体ヒータを駆動した後、前記作動媒体固化室の温度が低下し始めたときに前記媒体ヒータを停止することが好ましい。

このようにすれば、被冷却体が超電導状態となるまでの時間が一層短縮される。具体的に、作動媒体固化室内に移動した作動媒体が作動媒体固化室内において凝固し始めると、その凝固熱により作動媒体固化室の温度が上昇する。その後、作動媒体の凝固が完了すると、作動媒体固化室は第１冷却ステージによって冷却されるので、当該作動媒体固化室の温度は低下し始める。つまり、作動媒体固化室の温度が低下し始めると、包囲部内から作動媒体固化室への作動媒体の移送が実質的に完了したとみなすことができる。よって、その時点で媒体ヒータを停止することにより、被冷却体が超電導状態となるまでの時間が有効に短縮される。

以上のように、本発明によれば、被冷却体が超電導状態となるまでの当該被冷却体の冷却期間を短縮することが可能な熱スイッチを提供することができる。

本発明の一実施形態の超電導装置の構成の概略を示す図である。 図１に示される超電導装置の熱スイッチの拡大図である。 包囲部内において作動媒体が固相として存在する状態を示す図である。 液相の作動媒体の包囲部内から作動媒体固化室への移動中の状態を示す図である。 作動媒体の作動媒体固化室への移動が完了した状態を示す図である。 制御部の制御内容を示すフローチャートである。 作動媒体が凝固してからの冷却時間と温度との関係を示すグラフである。

本発明の一実施形態の超電導装置について、図１〜図６を参照しながら説明する。

図１に示されるように、本超電導装置は、被冷却体である超電導コイル１と、超電導コイル１を収容する熱シールド２及び真空容器３と、超電導コイル１を冷却する冷凍機４と、熱スイッチ１０と、を備えている。

超電導コイル１は、超電導体（超電導物質）からなる線材を巻回して得られるコイルである。超電導コイル１は、当該超電導コイル１に電流を供給する外部の電源部（図示略）に接続可能に構成されている。超電導コイル１の温度が超電導転移温度（臨界温度）以下の状態であるときに当該超電導コイル１に電流が供給されると、その電流は、いわゆる永久電流として電気抵抗がほぼゼロとなった超電導コイル１を流れ続ける。超電導コイル１は、この永久電流が引き起こす電磁誘導によって磁場を発生させる。

熱シールド２は、超電導コイル１を収容している。熱シールド２は、アルミニウム等からなり、外部から当該熱シールド２内への熱の侵入を抑制する。

真空容器３は、熱シールド２を被覆する形状を有している。真空容器３内は真空に保たれる。これにより真空容器３内への熱の侵入が抑制される。

冷凍機４は、ロータリーバルブ等を含む駆動部５と、第１冷却ステージ６と、第２冷却ステージ７と、を有している。

第１冷却ステージ６は、高温側シリンダ６ａを介して駆動部５に接続されている。第１冷却ステージ６は、熱シールド２に熱的に接続されている。第１冷却ステージ６は、第１最低到達温度（約３０Ｋ）に達することが可能である。

第２冷却ステージ７は、低温側シリンダ７ａを介して第１冷却ステージ６に接続されている。この第２冷却ステージ７に超電導コイル１が接続されている。第２冷却ステージ７は、第最低到達温度よりも低い第２最低到達温度（約４Ｋ）に達することが可能である。

熱スイッチ１０は、第１冷却ステージ６及び第２冷却ステージ７間に熱的に接触するように冷凍機４に接続されることが可能で、かつ、冷凍機４に熱的に接続された状態で第１冷却ステージ６及び第２冷却ステージ７間の熱の伝達及び遮断を切り替え可能である。熱スイッチ１０は、低温側シリンダ７ａに隣接する位置で各冷却ステージ６，７に接続されている。具体的に、図２に示されるように、熱スイッチ１０は、上側熱伝導部１２と、下側熱伝導部１４と、包囲部１６と、作動媒体Ｗ（図３〜図５を参照）と、媒体ヒータＨ１と、作動媒体固化室２０と、連通流路３０と、制御部４０と、を有している。本実施形態の熱スイッチ１０は、超電導コイル１の冷却の開始（冷凍機４の駆動）後において、作動媒体Ｗの凝固後も第１冷却ステージ６の冷凍能力が超電導コイル１の冷却に有効に活用されることを可能にし、かつ、各冷却ステージ６，７の冷凍能力がほぼ等しくなった後における第２冷却ステージ７から第１冷却ステージ６への冷熱の流入を抑制可能にするものである。以下、熱スイッチ１０の詳細について説明する。

上側熱伝導部１２は、第１冷却ステージ６に熱的に接続されている。すなわち、上側熱伝導部１２の最低到達温度は、前記第１最低到達温度と実質的に同じ温度である。上側熱伝導部１２は、銅等の熱伝導性の高い金属からなる。上側熱伝導部１２は、第１冷却ステージ６の下面に接続された上板部１２ａと、上板部１２ａから下方に突出する突出部１２ｂと、を有する。突出部１２ｂは、円柱状に形成されている。

下側熱伝導部１４は、第２冷却ステージ７に熱的に接続されている。すなわち、下側熱伝導部１４の最低到達温度は、前記第２最低到達温度と実質的に同じ温度である。下側熱伝導部１４は、銅等の熱伝導性の高い金属からなる。下側熱伝導部１４は、第２冷却ステージ７の上面に接続された下板部１４ａと、下板部１４ａから起立する起立部１４ｂと、を有する。起立部１４ｂは、突出部１２ｂを取り囲む円筒状に形成されている。

包囲部１６は、上側熱伝導部１２及び下側熱伝導部１４を包囲する形状を有する。包囲部１６は、ステンレスやチタン等の熱伝導性の低い金属からなる。この包囲部１６内に、前記作動媒体Ｗが封入されている。作動媒体Ｗの凝固温度は、第１最低到達温度よりも高い。本実施形態では、作動媒体Ｗとして、窒素が用いられている。包囲部１６内に封入される作動媒体Ｗの量は、作動媒体Ｗが固相の状態において上側熱伝導部１２及び下側熱伝導部１４の双方に接触可能な量に設定されている。

媒体ヒータＨ１は、作動媒体Ｗの温度が当該作動媒体Ｗの凝固温度以上となるように作動媒体Ｗを加熱可能である。本実施形態では、媒体ヒータＨ１は、包囲部１６内に設けられている。より具体的には、媒体ヒータＨ１は、上側熱伝導部１２と下側熱伝導部１４との間において固相の作動媒体Ｗに接触する位置に設けられている。

作動媒体固化室２０は、包囲部１６の外側において第１冷却ステージ６に熱的に接続されている。作動媒体固化室２０は、ステンレスやチタン等の熱伝導性の低い金属からなる。作動媒体固化室２０内において、作動媒体Ｗは固化する（捕捉される）ことが可能である。作動媒体固化室２０と第１冷却ステージ７との間には、作動媒体固化室２０の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有するスペーサ２２が設けられている。

作動媒体固化室２０の周囲には、固化室ヒータＨ２が設けられている。固化室ヒータＨ２は、作動媒体固化室２０の温度が包囲部１６内の温度以上となるように作動媒体固化室２０を加熱可能である。

連通流路３０は、包囲部１６内と作動媒体固化室２０内とを連通する。連通流路３０のうち包囲部１６内に位置する端部は、上側熱伝導部１２の突出部１２ｂの下端部よりも下方に位置している。連通流路３０のうち作動媒体固化室２０内に位置する端部は、作動媒体固化室２０内に作動媒体Ｗの略全量が存在する場合の当該作動媒体Ｗの表面よりも上方に位置している。

連通流路３０には、流路ヒータＨ３が設けられている。具体的に、流路ヒータＨ３は、連通流路３０のうち包囲部１６と作動媒体固化室２０との間の部位に設けられている。流路ヒータＨ３は、連通流路３０の温度が作動媒体Ｗの凝固温度以上となるように連通流路３０を加熱可能である。

制御部４０は、各ヒータＨ１〜Ｈ３の駆動及び停止を制御する。具体的に、制御部４０は、冷却の開始（冷凍機４の駆動）後において、包囲部１６内における作動媒体Ｗの凝固後も第１冷却ステージ６の冷凍能力が超電導コイル１の冷却に有効に活用され、かつ、各冷却ステージ６，７の冷凍能力がほぼ等しくなった後における第２冷却ステージ７から第１冷却ステージ６への冷熱の流入（超電導コイル１の最低到達温度が高くなること）が抑制されるように、各ヒータＨ１〜Ｈ３の駆動及び停止を制御する。以下、図６を参照しながら、超電導コイル１が室温程度から冷却される際の具体的な制御部４０の制御内容を説明する。

超電導コイル１の冷却が開始されると、制御部４０は、まず、固化室ヒータＨ２を駆動する（ステップＳ１１）。これにより、作動媒体固化室２０の第２温度Ｔ２は、包囲部１６内の第１温度Ｔ１よりも高くなる。なお、包囲部１６内の作動媒体Ｗは飽和状態で存在しているので、その飽和温度よりも高い温度の作動媒体固化室２０内では、作動媒体Ｗは気相として存在する。本実施形態では、制御部４０は、前記第２温度Ｔ２が１００Ｋ程度となるように、固化室ヒータＨ２に給電する。その結果、作動媒体固化室２０内の作動媒体Ｗは気化し、この気相の作動媒体Ｗは、連通流路３０を通じて包囲部１６内に流入する。なお、前記第１温度Ｔ１は、下側熱伝導部１４の下板部１４ａに設けられた温度センサ５１により検出される。前記第２温度Ｔ２は、作動媒体固化室２０に設けられた温度センサ５２により検出される。

この時点では、第１冷却ステージ６の冷凍能力が第２冷却ステージ７の冷凍能力よりも大きいので、この後、主に第１冷却ステージ６によって、上側熱伝導部１２、気相の作動媒体Ｗ及び下側熱伝導部１４を介して超電導コイル１が冷却される。

次に、制御部４０は、前記第１温度Ｔ１が作動媒体Ｗの三重点における第１基準温度Ｔα以下であるか否か、すなわち、作動媒体Ｗが固相の状態であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。この結果、前記第１温度Ｔ１が前記第１基準温度Ｔα（本実施形態では、６３Ｋ）よりも高い場合、制御部４０は、再度ステップＳ１２に戻る。一方、前記第１温度Ｔ１が第１基準温度Ｔα以下である場合、包囲部１６内で作動媒体Ｗの凝固が始まっており、それ以上作動媒体固化室２０を加熱する必要がないので、制御部４０は、固化室ヒータＨ２を停止する（ステップＳ１３）。

本実施系形態では、包囲部１６内における作動媒体Ｗの凝固後（図３の状態）においても、その時点で第２冷却ステージ７の冷凍能力よりも大きな冷凍能力を有する第１冷却ステージ６による超電導コイル１の冷却が継続される。そして、各冷却ステージ６，７の冷凍能力（温度）がほぼ等しくなると、その後は、第２冷却ステージ７の冷熱が下側熱伝導部１４、固相の作動媒体Ｗ及び上側熱伝導部１２を介して第１冷却ステージ６に流入するので、この状態では超電導コイル１の効率的な冷却が阻害される。そこで、本実施形態では、各冷却ステージ６，７の冷凍能力（温度）がほぼ等しくなった時点で作動媒体Ｗを介した各冷却ステージ６，７間の熱伝達を遮断する。具体的には、制御部４０は、前記第１温度Ｔ１が、第１冷却ステージ６の冷凍能力と第２冷却ステージ７の冷凍能力とが互いに等しくなる第２基準温度Ｔβ（本実施形態では、３０Ｋ）以下か否かを判定する（ステップＳ１４）。そして、第１温度Ｔ１が第２基準温度Ｔβよりも高い場合、制御部４０は、再度ステップＳ１４に戻る一方、第１温度Ｔ１が第２基準温度Ｔβ以下である場合、制御部４０は、媒体ヒータＨ１を駆動する（ステップＳ１５）。これにより、包囲部１６内の作動媒体Ｗは液化し始める。

ここで、本実施形態では、固相の窒素（作動媒体Ｗ）が液化し始めるのは約６３Ｋであり、そのときの飽和蒸気圧は約１００００Ｐａである。一方、作動媒体固化室２０の温度は第１冷却ステージ６の温度とほぼ等しいため、当該作動媒体固化室２０内の圧力は数Ｐａ程度である。よって、図４に示されるように、包囲部１６内で液化した作動媒体Ｗは、連通流路３０を通じて作動媒体固化室２０に移動する。したがって、作動媒体Ｗを介した各冷却ステージ６，７間の熱伝達が遮断される。

そして、本実施形態では、液相の作動媒体Ｗが包囲部１６内から作動媒体固化室２０に向かって連通流路３０内を通過する過程で当該作動媒体Ｗが連通流路３０内で凝固すること（作動媒体Ｗが連通流路３０の少なくとも一部を閉塞すること）を抑制するために、制御部４０は、流路ヒータＨ３を駆動する（ステップＳ１６）。本実施形態では、制御部４０は、連通流路３０の温度が作動媒体Ｗの三重点における温度よりも僅かに高い温度（本実施形態では、６４Ｋ）となるように、流路ヒータＨ３に給電する。なお、連通流路３０の温度は、連通流路３０に設けられた温度センサ５３により検出される。

液相の作動媒体Ｗの作動媒体固化室２０への移動が完了した後、作動媒体固化室２０で作動媒体Ｗの凝固が始まると、その凝固熱によって作動媒体固化室２０の温度（温度センサ５２の検出値）は上昇する。そして、作動媒体Ｗの凝固が完了すると（図５の状態）、作動媒体固化室２０の温度は再び低下し始める。つまり、作動媒体固化室２０の温度が低下し始めると、包囲部１６内から作動媒体固化室２０への作動媒体Ｗの移送が実質的に完了したとみなすことができる。よって、流路ヒータＨ３の駆動後、制御部４０は、作動媒体固化室２０の温度である前記第２温度Ｔ２が低下したか否かを判定する（ステップＳ１７）。この結果、第２温度Ｔ２が低下していなければ、制御部４０は、再度ステップＳ１７に戻る一方、第２温度Ｔ２が低下していれば、制御部４０は、媒体ヒータＨ１及び流路ヒータＨ３を停止する（ステップＳ１８）。これにより、超電導コイル１の冷却開始からの制御部４０による制御が完了する。

その後、超電導コイル１は、第２冷却ステージ７のみによって冷却され、これにより超電導状態（約４Ｋに保たれた状態）に至る。

以上に説明したように、本実施形態の熱スイッチでは、包囲部１６内に封入される作動媒体Ｗの量が、作動媒体Ｗが固相の状態において上側熱伝導部１２及び下側熱伝導部１４の双方に接触可能な量に設定されているので、包囲部１６内における作動媒体Ｗの凝固後も第１冷却ステージ６の冷凍能力が有効に活用され、しかも、下側熱伝導部１４の第１温度Ｔ１が、第１冷却ステージ６の冷凍能力と第２冷却ステージ７の冷凍能力とが互いに等しくなる第２基準温度Ｔβ以下になったときに媒体ヒータＨ１を駆動するので、第２冷却ステージ７から第１冷却ステージ６への冷熱の流入が抑制される。具体的に、媒体ヒータＨ１を駆動すると、包囲部１６内の固相の作動媒体Ｗが液化し、この液相の作動媒体Ｗが連通流路３０を通じて作動媒体固化室２０に流入する。ここで、連通流路３０のうち包囲部１６内に位置する端部は、上側熱伝導部１２の下端部よりも下方に位置しているので、液相の作動媒体Ｗの作動媒体固化室２０への流入の完了後、上側熱伝導部１２及び下側熱伝導部１４間の熱伝達が遮断される（熱スイッチがオフになる）。よって、第２冷却ステージ７から第１冷却ステージ６への冷熱の流入が抑制される。したがって、第２冷却ステージ７に熱的に接続される超電導コイル１等の被冷却体が超電導状態となるまでの期間が短縮される。

また、本実施形態では、媒体ヒータＨ１は、上側熱伝導部１２と下側熱伝導部１４との間において固相の作動媒体Ｗに接触する位置に設けられている。このため、媒体ヒータＨ１の熱がより有効に作動媒体Ｗに伝達されるので、作動媒体Ｗが早期に液化する。

また、本実施形態では、制御部４０は、包囲部１６内の温度が作動媒体Ｗの凝固温度になるまでの間、固化室ヒータＨ２を駆動する。このため、冷却開始から包囲部１６内の温度が作動媒体Ｗの凝固温度になるまでの間、固化室ヒータＨ２の駆動によって作動媒体固化室２０内の作動媒体Ｗが気相の状態で連通流路３０を通じて包囲部１６内に流入する。よって、包囲部１６内で凝固する作動媒体Ｗの量、すなわち、上側熱伝導部１２及び下側熱伝導部１４と固相の作動媒体Ｗとの接触面積が増える（熱伝達率が高まる）ので、被冷却体が超電導状態となるまでの時間がより短縮される。

そして、制御部４０は、包囲部１６内の温度が作動媒体Ｗの凝固温度以下であるときに、固化室ヒータＨ２を停止する。このため、作動媒体Ｗの作動媒体固化室２０から包囲部１６内への移送の終了後における固化室ヒータの熱の第１冷却ステージへの伝達が抑制される。具体的に、包囲部１６内の温度が作動媒体Ｗの凝固温度以下である場合、作動媒体Ｗの作動媒体固化室２０から包囲部１６内への移送が完了し、作動媒体Ｗのほぼ全量が包囲部１６内で凝固したと考えられる。よって、作動媒体Ｗの包囲部１６内への移送後における固化室ヒータＨ２の熱の第１冷却ステージ６への伝達が抑制される。

また、本実施形態では、作動媒体固化室２０と第１冷却ステージ６との間には、作動媒体固化室２０の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有するスペーサ２２が設けられている。このため、作動媒体固化室２０内の作動媒体Ｗを気化させるための固化室ヒータＨ２の熱が第１冷却ステージ６に伝達されることがより確実に抑制される。

また、制御部４０は、連通流路３０の温度が作動媒体Ｗの凝固温度以上に維持されるように流路ヒータＨ３を駆動する。このため、液相の作動媒体Ｗが包囲部１６内から作動媒体固化室２０に向かって連通流路３０内を通過する過程で当該作動媒体Ｗが連通流路３０内で凝固すること（作動媒体Ｗが連通流路３０の少なくとも一部を閉塞すること）に起因して作動媒体Ｗの作動媒体固化室２０への移送が滞ることが抑制される。

また、制御部４０は、媒体ヒータＨ１を駆動した後、作動媒体固化室２０の温度が低下し始めたときに媒体ヒータＨ１を停止する。このため、被冷却体が超電導状態となるまでの時間が一層短縮される。具体的に、作動媒体固化室２０内に移動した作動媒体Ｗが作動媒体固化室２０内において凝固し始めると、その凝固熱により作動媒体固化室２０の温度が上昇する。その後、作動媒体Ｗの凝固が完了すると、作動媒体固化室２０は第１冷却ステージ６によって冷却されるので、当該作動媒体固化室２０の温度は低下し始める。つまり、作動媒体固化室２０の温度が低下し始めると、包囲部１６内から作動媒体固化室２０への作動媒体Ｗの移送が実質的に完了したとみなすことができる。よって、その時点で媒体ヒータＨ１を停止することにより、被冷却体が超電導状態となるまでの時間が有効に短縮される。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

例えば、ステップＳ１４において、制御部４０は、第１冷却ステージ６、上側熱伝導部１２、第２冷却ステージ７及び下側熱伝導部１４のいずれかの温度が、第１最低到達温度以上でかつ第１冷却ステージ６の冷凍能力と第２冷却ステージ７の冷凍能力とが互いに等しくなる第２基準温度Ｔβ以下になったときに、媒体ヒータＨ１を駆動してもよい。なお、第１冷却ステージ６又は上側熱伝導部１２の温度は、第１冷却ステージ６に設けられた温度センサ４１により検出される。

次に、以下に示されるように、上記実施形態についての実施例及びこれに対する比較例を作成し、これら実施例及び比較例の各熱スイッチを用いて、５００ｋｇの超電導コイル１の初期予冷時間についての試験を行った。

＜実施例＞
媒体ヒータＨ１：コンスタンタン線（φ１２ｍｍ、１５Ω／ｍ、全長１５ｍ、抵抗値２２５Ω）
作動媒体：窒素（３００Ｋにおける初期封入圧が５気圧）
上側熱伝導部１２：無酸素銅（直径３２ｍｍ、長さ９０ｍｍ）
下側熱伝導部１４：無酸素銅（内径３８ｍｍ）
作動媒体固化室２０：ステンレス（内容積３リットル）
＜比較例＞
上記実施例に対し、媒体ヒータＨ１を有していない点のみが異なる。

図７は、試験結果を示している。なお、図７は、作動媒体Ｗである窒素が三重点における温度（約６３Ｋ）に到達した後（包囲部１６内において窒素が凝固し始めた後）の第１冷却ステージ６、第２冷却ステージ７及び窒素の各温度の推移を示している。この図７に示されるように、窒素が凝固し始めた後、実施例では、固相の窒素を介して第２冷却ステージ７が第１冷却ステージ６によって冷却されるため、比較例に比べて第２冷却ステージ７の温度が早期に低下する。そして、実施例では、各冷却ステージ６，７の冷凍能力がほぼ等しくなったときに媒体ヒータＨ１が駆動されることに起因して、一時的に第２冷却ステージ７の温度が上昇するものの、媒体ヒータＨ１の停止後、第２冷却ステージ７の温度は速やかに低下し、第２最低到達温度（約４Ｋ）に至る。一方、比較例では、窒素が凝固し始めた後（熱スイッチがオフになった後）、第２冷却ステージ７の温度は、当該第２冷却ステージ７の冷凍能力のみに依存するので、実施例に比べて緩やかに低下し、第２最低到達温度に至る。

以上より、実施例では、窒素が凝固し始めてから第２冷却ステージ７の温度（超電導コイル１の温度）が第２最低到達温度（約４Ｋ）に到達するまでの時間が、比較例のそれに比べて約２７０分短縮されていることが確認された。

１ 超電導コイル（被冷却体）
４ 冷凍機
６ 第１冷却ステージ
７ 第２冷却ステージ
１０ 熱スイッチ
１２ 上側熱伝導部
１４ 下側熱伝導部
１６ 包囲部
２０ 作動媒体固化室
２２ スペーサ
３０ 連通流路
４０ 制御部
Ｈ１ 媒体ヒータ
Ｈ２ 固化室ヒータ
Ｈ３ 流路ヒータ
Ｗ 作動媒体

Claims (7)

1. 第１最低到達温度に達することが可能な第１冷却ステージと、第１最低到達温度よりも低い第２最低到達温度に達することが可能であるとともに前記第１冷却ステージの下方に配置された第２冷却ステージと、を有する冷凍機の前記第１冷却ステージ及び前記第２冷却ステージ間に熱的に接触するように当該冷凍機に接続されることが可能で、かつ、前記冷凍機に熱的に接続された状態で前記第１冷却ステージ及び前記第２冷却ステージ間の熱の伝達及び遮断を切り替え可能な熱スイッチであって、
   前記第１冷却ステージに熱的に接続された上側熱伝導部と、
   前記第２冷却ステージに熱的に接続されており、前記上側熱伝導部から離間した位置に配置された下側熱伝導部と、
   前記上側熱伝導部及び前記下側熱伝導部を包囲する包囲部と、
   前記包囲部内に封入されており、前記第１最低到達温度よりも高い凝固温度を有する作動媒体と、
   前記包囲部内に設けられており、前記作動媒体の温度が当該作動媒体の凝固温度以上となるように前記作動媒体を加熱可能な媒体ヒータと、
   前記包囲部の外側において前記第１冷却ステージに熱的に接続された作動媒体固化室と、
   前記包囲部内と前記作動媒体固化室内とを連通する連通流路と、
   制御部と、を備え、
   前記包囲部内に封入される前記作動媒体の量は、前記作動媒体が固相の状態において前記上側熱伝導部及び前記下側熱伝導部の双方に接触可能な量に設定されており、
   前記連通流路のうち前記包囲部内に位置する端部は、前記上側熱伝導部の下端部よりも下方に位置しており、
   前記制御部は、前記第１冷却ステージ、前記上側熱伝導部、前記第２冷却ステージ及び前記下側熱伝導部のいずれかの温度が、前記第１最低到達温度以上でかつ前記第１冷却ステージの冷凍能力と前記第２冷却ステージの冷凍能力とが互いに等しくなる温度以下になったときに、前記媒体ヒータを駆動する、熱スイッチ。
2. 請求項１に記載の熱スイッチにおいて、
   前記媒体ヒータは、前記上側熱伝導部と前記下側熱伝導部との間において固相の前記作動媒体に接触する位置に設けられている、熱スイッチ。
3. 請求項１又は２に記載の熱スイッチにおいて、
   前記作動媒体固化室の温度が前記包囲部内の温度以上となるように前記作動媒体固化室を加熱可能な固化室ヒータをさらに備え、
   前記制御部は、前記包囲部内の温度が前記作動媒体の凝固温度になるまでの間、前記固化室ヒータを駆動する、熱スイッチ。
4. 請求項３に記載の熱スイッチにおいて、
   前記制御部は、前記包囲部内の温度が前記作動媒体の凝固温度以下であるときに、前記固化室ヒータを停止する、熱スイッチ。
5. 請求項３又は４に記載の熱スイッチにおいて、
   前記作動媒体固化室と前記第１冷却ステージとの間に設けられており、前記作動媒体固化室の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有するスペーサをさらに備える、熱スイッチ。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の熱スイッチにおいて、
   前記連通流路に設けられた流路ヒータをさらに備え、
   前記制御部は、前記連通流路の温度が前記作動媒体の凝固温度以上に維持されるように前記流路ヒータを駆動する、熱スイッチ。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の熱スイッチにおいて、
   前記制御部は、前記媒体ヒータを駆動した後、前記作動媒体固化室の温度が低下し始めたときに前記媒体ヒータを停止する、熱スイッチ。

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