JP2022071417A - 伝熱構造、極低温装置、および伝熱構造の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】極低温装置に利用可能な伝熱構造における熱抵抗を低減する。【解決手段】伝熱構造５０は、極低温冷凍機２０の冷却ステージであり、または冷却ステージと熱的に結合される第１伝熱部材５１と、被冷却物であり、または被冷却物と熱的に結合される第２伝熱部材５２と、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２との間に介在し、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２それぞれに固着されている軟質金属伝熱層５３と、第１伝熱部材５１から軟質金属伝熱層５３を貫通して第２伝熱部材５２に達するピン穴５５に圧入されている圧入ピン５４と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、伝熱構造、極低温装置、および伝熱構造の製造方法に関する。

極低温冷凍機は、例えば、超伝導コイルなどの超伝導機器、極低温環境で動作するその他の機器、さらにはこうした機器を冷却する極低温冷媒など、様々な被冷却物を冷却するために利用されている。極低温冷凍機から被冷却物への伝熱経路は、互いに接続される２つの伝熱部材を有する伝熱構造を含みうる。これら２つの伝熱部材をつなぎ合わせるために、熱伝導率の大きい金属箔を伝熱部材間に介在させた状態で複数のボルトとナットで締結する構造がしばしば用いられる。

特開平７－１４６０２１号公報

上述の伝熱部材の締結構造では、２つの伝熱部材がそれぞれ堅牢で大型のフランジを有し、密に配置された多数のボルト・ナットによりフランジどうしが結合される。介在する金属箔と２つの伝熱部材それぞれとの間には接触面があり、接触面には接触熱抵抗が存在する。接触熱抵抗の大きさは、接触面で伝熱部材と介在層を互いに押し付ける力の大きさに応じて敏感に変動する。そのため、ボルトの締め付けトルクの管理が不十分である場合には、低減された設計上の接触熱抵抗が実現されないリスクが高まる。これは、伝熱部材間の熱抵抗を増加する要因となりうる。製造上、正確なトルク管理をしながら多数のボルト・ナットを締結する作業には手間がかかる。また、大きなフランジと多数のボルト・ナットを用いるので、伝熱構造には広いスペースを要する。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温装置に利用可能な伝熱構造における熱抵抗を低減することにある。

本発明のある態様によると、伝熱構造は、極低温冷凍機の冷却ステージであり、または冷却ステージと熱的に結合される第１伝熱部材と、被冷却物であり、または被冷却物と熱的に結合される第２伝熱部材と、第１伝熱部材と第２伝熱部材との間に介在し、第１伝熱部材と第２伝熱部材それぞれに固着されている軟質金属伝熱層と、第１伝熱部材から軟質金属伝熱層を貫通して第２伝熱部材に達するピン穴に圧入されている圧入ピンと、を備える。

本発明のある態様によると、極低温装置は、上述の態様の伝熱構造と、極低温冷凍機と、被冷却物とを備える。

本発明のある態様によると、伝熱構造の製造方法は、極低温冷凍機の冷却ステージであり、または冷却ステージと熱的に結合される第１伝熱部材と、被冷却物であり、または被冷却物と熱的に結合される第２伝熱部材と、第１伝熱部材と第２伝熱部材の少なくとも一方に設けられている軟質金属伝熱層とを用意することと、第１伝熱部材と第２伝熱部材との間に軟質金属伝熱層を介在させたとき第１伝熱部材から軟質金属伝熱層を貫通して第２伝熱部材に達するピン穴に、圧入ピンを挿入することによって、第１伝熱部材と第２伝熱部材を仮組みすることと、第１伝熱部材と第２伝熱部材を軟質金属伝熱層によって固着するとともにピン穴に圧入ピンを圧入するように、第１伝熱部材と第２伝熱部材を互いに押し付けることと、を備える。

本発明によれば、極低温装置に利用可能な伝熱構造における熱抵抗を低減することができる。

実施の形態に係る極低温装置を模式的に示す図である。 図２（ａ）から図２（ｅ）は、実施の形態に係る伝熱構造の製造方法を模式的に示す図である。 図３（ａ）および図３（ｂ）は、実施の形態に係る伝熱構造の一例を模式的に示す図である。 実施の形態に係る伝熱構造の他の一例を模式的に示す図である。 図５（ａ）から図５（ｃ）は、実施の形態に係る伝熱構造の他の一例を模式的に示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、実施の形態に係る極低温装置１０を模式的に示す図である。極低温装置１０は、被冷却物の一例としての超伝導コイル１２を室温から極低温に冷却するとともに、超伝導コイル１２の使用中、超伝導コイル１２を極低温に維持するように構成される。

超伝導コイル１２は、例えば単結晶引き上げ装置、ＮＭＲシステム、ＭＲＩシステム、サイクロトロンなどの加速器、核融合システムなどの高エネルギー物理システム、またはその他の高磁場利用機器（図示せず）の磁場源として高磁場利用機器に搭載され、その機器に必要とされる高磁場を発生させることができる。超伝導コイル１２は、超伝導転移温度以下の極低温に冷却された状態で超伝導コイル１２に通電することにより強力な磁場を発生するように構成される。

極低温装置１０は、極低温冷凍機２０と、真空容器３０と、輻射熱シールド４０とを備える。この実施の形態では、極低温装置１０は、超伝導コイル１２を液体ヘリウムなどの極低温液体冷媒に浸して冷却する浸漬冷却式ではなく、超伝導コイル１２を極低温冷凍機２０で直接冷却する伝導冷却式として構成される。極低温冷凍機２０は、超伝導コイル１２を伝導冷却により冷却するように超伝導コイル１２と熱的に結合されている。なお、図１では例として、１台の極低温冷凍機２０を示しているが、例えば超伝導コイル１２が大型の場合など、必要に応じて、極低温装置１０は、一つの同じ被冷却物を冷却する複数台の極低温冷凍機２０を備えてもよい。

極低温冷凍機２０は、物体を伝導冷却により冷却する冷却ステージ２２、より具体的には、第１冷却ステージ２２ａと第２冷却ステージ２２ｂを備える。極低温冷凍機２０は、真空容器３０に設置され、第１冷却ステージ２２ａと第２冷却ステージ２２ｂは、真空容器３０の中に配置される。この実施の形態では、詳細は後述するが、極低温装置１０は、冷却ステージ２２から被冷却物への伝熱経路（例えば第２冷却ステージ２２ｂから超伝導コイル１２への伝熱経路）の少なくとも一部を形成する伝熱構造５０を備える。

極低温冷凍機２０は、作動ガス（たとえばヘリウムガス）の圧縮機（図示せず）と、コールドヘッドとも呼ばれる膨張機とを備え、圧縮機と膨張機により極低温冷凍機２０の冷凍サイクルが構成され、それにより第１冷却ステージ２２ａおよび第２冷却ステージ２２ｂがそれぞれ所望の極低温に冷却される。第１冷却ステージ２２ａは、第１冷却温度、例えば３０Ｋ～８０Ｋに冷却され、第２冷却ステージ２２ｂは、第１冷却温度よりも低い第２冷却温度、例えば３Ｋ～２０Ｋに冷却される。第２冷却温度は、超伝導コイル１２の超伝導転移温度より低い温度である。第１冷却ステージ２２ａおよび第２冷却ステージ２２ｂは、例えば銅などの金属材料またはその他の高い熱伝導率をもつ材料で形成される。

極低温冷凍機２０は、一例として、二段式のギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機であるが、パルス管冷凍機、スターリング冷凍機、またはそのほかのタイプの極低温冷凍機であってもよい。所望の冷却温度を提供できるのであれば、極低温冷凍機２０は、単段式のＧＭ冷凍機またはそのほかのタイプの極低温冷凍機であってもよい。

真空容器３０は、真空領域３２を外部環境１４から隔てるように構成される。真空領域３２は、真空容器３０内に定められる。真空容器３０は、例えばクライオスタットであってもよい。超伝導コイル１２、極低温冷凍機２０の冷却ステージ２２、輻射熱シールド４０は、真空領域３２に配置され、外部環境１４から真空断熱される。

輻射熱シールド４０は、第１冷却ステージ２２ａと熱的に結合され第１冷却温度に冷却される。輻射熱シールド４０は、第１冷却ステージ２２ａに直接取り付けられ、第１冷却ステージ２２ａと熱的に結合される。あるいは、輻射熱シールド４０は、可撓性または剛性をもつ伝熱部材を介して第１冷却ステージ２２ａに取り付けられてもよい。輻射熱シールド４０は、第２冷却温度に冷却される超伝導コイル１２、極低温冷凍機２０の第２冷却ステージ２２ｂ、およびその他の低温部を囲むように配置され、外部からの輻射熱からこれら低温部を熱的に保護することができる。輻射熱シールド４０は、例えば銅などの金属材料またはその他の高い熱伝導率をもつ材料で形成される。

伝熱構造５０は、第２冷却ステージ２２ｂと熱的に結合される第１伝熱部材５１と、超伝導コイル１２と熱的に結合される第２伝熱部材５２とを備える。また、伝熱構造５０は、軟質金属伝熱層５３と圧入ピン５４を備え、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２は、軟質金属伝熱層５３と圧入ピン５４によって互いに接合されている。第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２は互いに熱的に結合され、従って、超伝導コイル１２は、伝熱構造５０を介して第２冷却ステージ２２ｂと熱的に結合される。

第１伝熱部材５１は、図１に示されるように、例えば、第２冷却ステージ２２ｂの底面に固定されるが、第２冷却ステージ２２ｂの側面または上面など他の部位に固定されてもよい。同様に、第２伝熱部材５２は、例えば、超伝導コイル１２の底面に固定されるが、超伝導コイル１２の側面または上面など他の部位に固定されてもよい。第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２は、例えば銅などの金属材料またはその他の高い熱伝導率をもつ材料で形成される。第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２は、たいていの場合、同じ材料で形成されるが、異なる材料で形成されてもよい。

第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２は、例えば剛性部材であるが、それに限られず、第１伝熱部材５１（または第２伝熱部材５２）の少なくとも一部が可撓性をもつように例えば細線の束または箔の積層として形成されてもよい。あるいは、第２冷却ステージ２２ｂと第１伝熱部材５１、または超伝導コイル１２と第２伝熱部材５２が、可撓性伝熱部材またはその他の追加伝熱部材を介して接続されてもよい。

軟質金属伝熱層５３は、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２との間に介在し、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２それぞれに固着されている。軟質金属伝熱層５３は、第１伝熱部材５１（または第２伝熱部材５２）を形成する材料に比べて軟質の金属で形成された層であり、例えばインジウム、または共晶はんだ等のはんだで形成されてもよい。軟質金属伝熱層５３は、この実施の形態では、インジウムめっき層である。第１伝熱部材５１と軟質金属伝熱層５３は、直接接合され一体化されているため、両者間に接触熱抵抗をもたらす接触面は存在しない。第１伝熱部材５１と軟質金属伝熱層５３の間には、接着剤などの接着層またはその他の中間層は存在しない。同様に、第２伝熱部材５２と軟質金属伝熱層５３は、直接接合され、両者間に接触熱抵抗は存在しない。

圧入ピン５４は、ピン穴５５に圧入され、圧入構造を形成する。圧入ピン５４はピン穴５５に嵌合され、圧入ピン５４の側面とピン穴５５の内面が密着される。これら両面間に働く摩擦力によって、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２に軟質金属伝熱層５３を挟み込んだ状態で第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２が互いにしっかりと固定される。

ピン穴５５は、第１伝熱部材５１から軟質金属伝熱層５３を貫通して第２伝熱部材５２に達する。この実施の形態では、ピン穴５５は、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２の両方の全体をこれらの厚さ方向（図１における上下方向）に貫通している。圧入ピン５４とピン穴５５の形状は特に問わないが、例えば、圧入ピン５４は丸棒であり、ピン穴５５はこの丸棒に相当する円形の形状を有する。圧入ピン５４は、例えば、第１伝熱部材５１（または第２伝熱部材５２）を形成する材料に比べて高強度、高剛性の材料、例えばステンレス鋼で形成される。

圧入ピン５４の全体がピン穴５５に収められている。圧入ピン５４の両端がそれぞれ第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２から突き出すことなく、圧入ピン５４の両端面はそれぞれ第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２の表面と面一になっている。仮に、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２がボルトとナットで締結される場合には、ボルトとナットがそれぞれ第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２から出っ張ることになり、その分スペースを要する。しかし、実施の形態によれば、圧入ピン５４がピン穴５５に収められているので、省スペースである。

また、この実施の形態では、一本の圧入ピン５４が対応するピン穴５５に圧入され、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２が固定されている。構造がシンプルであり、製造が容易である。場合によっては、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２に複数のピン穴が設けられ、複数本の圧入ピンがそれぞれ対応する複数のピン穴に圧入され、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２が固定されてもよい。

一例として、第１伝熱部材５１は、板状の本体５１ａと、板状の本体５１ａからその厚さ方向に垂直な方向（図１における左右方向）に突出する接合部５１ｂとを有する。同様に、第２伝熱部材５２は、板状の本体５２ａと、板状の本体５２ａからその厚さ方向に垂直な方向に突出する接合部５２ｂとを有する。第１伝熱部材５１の接合部５１ｂと第２伝熱部材５２の接合部５２ｂが軟質金属伝熱層５３と圧入ピン５４によって厚さ方向に互いに接合されている。

第１伝熱部材５１の接合部５１ｂは、厚さ方向に垂直な方向に第２伝熱部材５２の板状の本体５２ａと面一に隣接し、第２伝熱部材５２の接合部５２ｂは、厚さ方向に垂直な方向に第１伝熱部材５１の板状の本体５１ａと面一に隣接する。第１伝熱部材５１の接合部５１ｂは、本体５１ａよりも厚さが小さく（例えば半分であり）、第２伝熱部材５２の接合部５２ｂは、本体５２ａよりも厚さが小さい（例えば半分である）。第１伝熱部材５１の接合部５１ｂと第２伝熱部材５２の接合部５２ｂの合計の厚さが、第１伝熱部材５１の本体５１ａ（または第２伝熱部材５２の本体５２ａ）の厚さに等しくなっている。

このようにして、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２は、図１に示されるように、あたかも一枚の伝熱板であるかのように接合されている。よって、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２の接合構造は、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２がボルトとナットで締結される場合に比べて省スペースである。

図２（ａ）から図２（ｅ）は、実施の形態に係る伝熱構造５０の製造方法を模式的に示す図である。まず、図２（ａ）に示されるように、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２が用意される。第１伝熱部材５１の接合部５１ｂと第２伝熱部材５２の接合部５２ｂにはそれぞれ軟質金属伝熱層５３が設けられている。軟質金属伝熱層５３は、例えば溶融めっきまたは他の適宜の方法により伝熱部材の接合部に形成される。各軟質金属伝熱層５３の厚さは任意であるが、例えば０．１ｍｍ～１ｍｍであってもよい。また、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２の厚さも任意であるが、軟質金属伝熱層５３よりも厚く、例えば数ｍｍから数ｃｍであってもよい。

第１伝熱部材５１の接合部５１ｂと第２伝熱部材５２の接合部５２ｂにはそれぞれ、圧入ピン５４を挿入するためのピン穴５５が形成される。ピン穴５５は、伝熱部材の接合部とこれに形成された軟質金属伝熱層５３を厚さ方向に貫通して形成される。ピン穴５５（すなわち圧入ピン５４）の径は適宜定められうるが、例えば１ｃｍ以内、例えば２ｍｍ～３ｍｍ程度であってもよい。

第１伝熱部材５１側の軟質金属伝熱層５３と第２伝熱部材５２側の軟質金属伝熱層５３を向かい合わせるようにして第１伝熱部材５１の接合部５１ｂと第２伝熱部材５２の接合部５２ｂを近づけ隣接させると、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２との間に軟質金属伝熱層５３を介在させることができる。第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２それぞれのピン穴５５を１つにつなげるように第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２を位置合わせすると、ピン穴５５が第１伝熱部材５１から軟質金属伝熱層５３を貫通して第２伝熱部材５２に達することになる。このピン穴５５に圧入ピン５４を挿入することによって、図２（ｂ）に示されるように、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２が仮組みされる。

次に、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２を軟質金属伝熱層５３によって固着するとともにピン穴５５に圧入ピン５４を圧入するように、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２が互いに押し付けられる。図２（ｃ）に示されるように、第１伝熱部材５１の接合部５１ｂと第２伝熱部材５２の接合部５２ｂを互いに押し付けるために、例えば油圧クランプジグなどの圧入工具６０が使用されてもよい。図２（ｄ）には、この圧入工程の上面図が模式的に示され、図２（ｅ）には、圧入工具６０を取り外した後の伝熱構造５０の上面図が模式的に示される。

図示されるように、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２が仮組みされたときには、第１伝熱部材５１側の軟質金属伝熱層５３と第２伝熱部材５２側の軟質金属伝熱層５３は接触面５６で互いに接触している。圧入工具６０を用いて第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２が互いに押し付けられることによって、第１伝熱部材５１側の軟質金属伝熱層５３と第２伝熱部材５２側の軟質金属伝熱層５３第１伝熱部材５１側の軟質金属伝熱層５３と第２伝熱部材５２側の軟質金属伝熱層５３が圧接により密着される。当初分かれていた２つの伝熱部材それぞれの軟質金属伝熱層５３は一体化され、両者間に接触熱抵抗をもたらす接触面５６は存在しなくなる。

実施の形態に係る極低温装置１０は、次のように動作する。極低温冷凍機２０が起動されると、極低温冷凍機２０の第１冷却ステージ２２ａは第１冷却温度に冷却され、第２冷却ステージ２２ｂは第２冷却温度に冷却される。超伝導コイル１２は、第２冷却ステージ２２ｂを冷却源として伝熱構造５０を介して、第２冷却温度に冷却される。図示されない電源から超伝導コイル１２に通電することにより、超伝導コイル１２は、強力な磁場を発生することができる。このようにして、極低温装置１０を運転することができる。

典型的な伝熱部材の締結構造では、本書の冒頭で述べたように、異部材の接触面に接触熱抵抗が存在する。こうした熱抵抗は被冷却物と冷却源の間に温度差をもたらす。熱抵抗が大きく、被冷却物の冷却が不十分となることが想定される場合には、被冷却物を十分に冷却するために、極低温冷凍機を増設したり、より高い冷凍能力をもつ極低温冷凍機を採用することが必要になるかもしれない。これは、極低温装置１０の大型化やコストアップをもたらしうるので、望ましくない。

ところが、実施の形態に係る伝熱構造５０によると、軟質金属伝熱層５３が、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２との間に介在し、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２それぞれに固着されている。第１伝熱部材５１と軟質金属伝熱層５３は一体化されているため、理想的には両者間に接触熱抵抗は無く、または両者間の熱抵抗は極めて小さい。同様に、第２伝熱部材５２と軟質金属伝熱層５３の間の熱抵抗は無いか、極めて小さい。したがって、伝熱構造５０を用いることによって、冷却源から被冷却物への伝熱経路における熱抵抗を低減することができる。これにより、被冷却物を目標の極低温に冷却することが容易となり、極低温装置１０は、こうした極低温冷却を、より少ない台数の極低温冷凍機２０、またはより低い冷凍能力の極低温冷凍機２０で実現することができる。

伝熱部材間の熱抵抗低減は、熱伝導性に優れるグリスを伝熱部材間に塗布することによっても実現されうる。しかし、この場合、極低温装置１０を長期にわたって運用するなかで、グリスが経時的に劣化し、熱抵抗が増大することが懸念される。これに対し、実施の形態では、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２の間にグリスを使用する必要が無いので、こうした問題も起こらない。

また、実施の形態に係る伝熱構造５０によると、圧入ピン５４によって第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２が互いにしっかりと固定される。こうした圧入構造は、伝熱構造５０の製造に際して、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２を圧入工具６０に設計上指定されたジャッキ圧で挟み込むだけで形成することができる。よって、伝熱構造５０は、多数のボルト・ナットで締結する場合のように、ボルト・ナットごとに１つ１つ適正な締付トルクに管理するのとは異なり、製造が容易である。

第１伝熱部材５１（または第２伝熱部材５２）と軟質金属伝熱層５３を圧接することに代えて、溶接やろう付けなど加熱を要する接合方法を適用することも考えられる。しかし、この場合、極低温装置１０の組立手順によっては、第１伝熱部材５１（または第２伝熱部材５２）と軟質金属伝熱層５３だけでなく、その周囲の関連機器（例えば極低温冷凍機２０、超伝導コイル１２など）も一緒に加熱されなければならない場合も想定される。このような加熱作業は、関連機器の耐熱温度を超えないように温度管理を要する等、簡便でない。これに対して、実施の形態では、圧入工具６０を用いるだけでよく、加熱を要しないので、取り扱いが容易である。

なお、上記の製造方法では、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２の両方に軟質金属伝熱層５３が設けられ、それら軟質金属伝熱層５３どうしが圧接されているが、軟質金属伝熱層５３は、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２のいずれか一方に設けられてもよい。一方の伝熱部材に設けられた軟質金属伝熱層５３に他方の伝熱部材が押し付けられ、両者が接合されてもよい。十分な圧力（例えば１０ＭＰａ程度）で互いに押圧された場合には、軟質金属伝熱層５３と伝熱部材は密着され、圧力が除去された後もそれらの間には十分に低い接触熱抵抗が生じるにすぎない。こうして得られた伝熱構造５０も極低温装置１０に利用可能である。

図３（ａ）および図３（ｂ）は、実施の形態に係る伝熱構造５０の一例を模式的に示す図である。図３（ａ）に示されるように、伝熱構造５０は、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２の固定を補強する補強材７０をさらに備えてもよい。補強材７０は、第１伝熱部材５１および第２伝熱部材５２にピン穴５５を塞ぐように装着されていてもよい。補強材７０は例えば、第１伝熱部材５１および第２伝熱部材５２に巻き付けられる例えば金属製のバンドであってもよい。小型のボルト、小ねじ、ビスなど適宜の固定部材７１が補強材７０を伝熱構造５０に装着するために用いられてもよい。このようにすれば、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２の固定を補強材７０で補強するとともに、圧入ピン５４の万一の抜けを防ぐことができる。

図３（ｂ）に示されるように、補強材７０は、一端で第１伝熱部材５１に固定され、他端で第２伝熱部材５２に固定される例えば金属製の棒材または板材であってもよい。この場合にも適宜の固定部材７１（例えば低頭ボルト）が補強材７０を伝熱構造５０に装着するために用いられてもよい。このようにして、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２の固定を補強材７０で補強することができる。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。

上述の実施の形態では、ピン穴５５が第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２の両方の全体を厚さ方向に貫通している。しかし、ある実施の形態においては、図４に示されるように、ピン穴５５は、軟質金属伝熱層５３を貫通するが、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２を完全に貫通していなくてもよい。この場合、圧入ピン５４は、伝熱構造５０の内部に配置され、周囲から見えなくなる。

実施の形態に係る伝熱構造５０は、板状の伝熱部材どうしの結合には限られず、他の形状の伝熱部材の結合にも利用することができる。例えば、図５（ａ）に示されるように、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２はそれぞれ棒状の部材であってもよく、その端面どうしが軟質金属伝熱層５３と圧入ピン５４によって接合されてもよい。この場合、図５（ｂ）に示されるように、圧入工具６０による加圧作業を容易にするために、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２の端面の外周には、圧入工具６０で挟み込まれるフランジ７３が形成されてもよい。また、図５（ｃ）に示されるように、第１伝熱部材５１と第２伝熱部材５２は、端面の一部のみで軟質金属伝熱層５３と圧入ピン５４によって接合されてもよい。

実施の形態に係る伝熱構造５０は、薄板その他の形状の部材の結合にも適用されうる。

上述の実施の形態では、第１伝熱部材５１は、第２冷却ステージ２２ｂに結合される第２冷却ステージ２２ｂとは別の部材とされ、第２伝熱部材５２は、超伝導コイル１２に結合される超伝導コイル１２とは別の部材とされている。しかし、ある実施の形態においては、第１伝熱部材５１は、第２冷却ステージ２２ｂそれ自体であってもよい。また、第２伝熱部材５２は、超伝導コイル１２それ自体であってもよい。

上述の実施の形態では、伝熱構造５０は、極低温冷凍機２０の第２冷却ステージ２２ｂに適用されているが、第１冷却ステージ２２ａに適用することも可能である。よって、第１伝熱部材５１は、第１冷却ステージ２２ａであり、または第１冷却ステージ２２ａと熱的に結合される伝熱部材であってもよい。第２伝熱部材５２は、被冷却物（例えば輻射熱シールド４０）であり、または輻射熱シールド４０と熱的に結合される伝熱部材であってもよい。

実施の形態に係る伝熱構造５０は、極低温冷却される電流経路（例えば、真空容器３０の外に配置された電源を超伝導コイル１２に接続する電流リード）に用いられてもよい。

上述の実施の形態では、伝熱構造５０は、被冷却物を極低温冷凍機２０で直接冷却する伝導冷却式の極低温装置１０に適用されている。しかし、ある実施の形態においては、伝熱構造５０は、被冷却物を液体ヘリウムなどの極低温冷媒に浸して冷却する浸漬冷却式の極低温装置１０において、極低温冷凍機２０から被冷却物への伝熱経路の少なくとも一部、または極低温冷凍機２０から極低温冷媒への伝熱経路の少なくとも一部を構成してもよい。あるいは、伝熱構造５０は、被冷却物を経由する極低温冷媒の循環経路を設け、この循環経路を流れる極低温冷媒と被冷却物との熱交換によって被冷却物を冷却する方式の極低温装置１０において、極低温冷凍機２０から被冷却物または極低温冷媒の循環経路への伝熱経路の少なくとも一部を構成してもよい。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１０ 極低温装置、 ２０ 極低温冷凍機、 ２２ 冷却ステージ、 ５０ 伝熱構造、 ５１ 第１伝熱部材、 ５１ａ 本体、 ５１ｂ 接合部、 ５２ 第２伝熱部材、 ５２ａ 本体、 ５２ｂ 接合部、 ５３ 軟質金属伝熱層、 ５４ 圧入ピン、 ５５ ピン穴、 ７０ 補強材。

Claims (8)

1. 極低温冷凍機の冷却ステージであり、または前記冷却ステージと熱的に結合される第１伝熱部材と、
   被冷却物であり、または前記被冷却物と熱的に結合される第２伝熱部材と、
   前記第１伝熱部材と前記第２伝熱部材との間に介在し、前記第１伝熱部材と前記第２伝熱部材それぞれに固着されている軟質金属伝熱層と、
   前記第１伝熱部材から前記軟質金属伝熱層を貫通して前記第２伝熱部材に達するピン穴に圧入されている圧入ピンと、を備えることを特徴とする伝熱構造。
2. 前記圧入ピンの全体が前記ピン穴に収められていることを特徴とする請求項１に記載の伝熱構造。
3. 前記軟質金属伝熱層は、軟質金属のめっき層であることを特徴とする請求項１または２に記載の伝熱構造。
4. 第１伝熱部材は、板状の本体と、前記板状の本体からその厚さ方向に垂直な方向に突出する接合部とを有し、第２伝熱部材は、板状の本体と、前記板状の本体からその厚さ方向に垂直な方向に突出する接合部とを有し、前記第１伝熱部材の接合部と前記第２伝熱部材の接合部が前記軟質金属伝熱層と前記圧入ピンによって前記厚さ方向に互いに接合され、
   前記第１伝熱部材の接合部は、前記厚さ方向に垂直な前記方向に前記第２伝熱部材の前記板状の本体と面一に隣接し、前記第２伝熱部材の接合部は、前記厚さ方向に垂直な前記方向に前記第１伝熱部材の前記板状の本体と面一に隣接することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の伝熱構造。
5. 前記第１伝熱部材と前記第２伝熱部材の固定を補強する補強材をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の伝熱構造。
6. 前記補強材は、前記第１伝熱部材および前記第２伝熱部材に前記ピン穴を塞ぐように装着されていることを特徴とする請求項５に記載の伝熱構造。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の伝熱構造と、前記極低温冷凍機と、前記被冷却物とを備えることを特徴とする極低温装置。
8. 極低温冷凍機の冷却ステージであり、または前記冷却ステージと熱的に結合される第１伝熱部材と、被冷却物であり、または前記被冷却物と熱的に結合される第２伝熱部材と、前記第１伝熱部材と前記第２伝熱部材の少なくとも一方に設けられている軟質金属伝熱層とを用意することと、
   前記第１伝熱部材と前記第２伝熱部材との間に前記軟質金属伝熱層を介在させたとき前記第１伝熱部材から前記軟質金属伝熱層を貫通して前記第２伝熱部材に達するピン穴に、圧入ピンを挿入することによって、前記第１伝熱部材と前記第２伝熱部材を仮組みすることと、
   前記第１伝熱部材と前記第２伝熱部材を前記軟質金属伝熱層によって固着するとともに前記ピン穴に前記圧入ピンを圧入するように、前記第１伝熱部材と前記第２伝熱部材を互いに押し付けることと、を備えることを特徴とする伝熱構造の製造方法。

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