JP3265139B2 - 極低温装置 - Google Patents

極低温装置

Info

Publication number
JP3265139B2
JP3265139B2 JP26540994A JP26540994A JP3265139B2 JP 3265139 B2 JP3265139 B2 JP 3265139B2 JP 26540994 A JP26540994 A JP 26540994A JP 26540994 A JP26540994 A JP 26540994A JP 3265139 B2 JP3265139 B2 JP 3265139B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
temperature
heat transfer
low
cooling stage
side heat
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP26540994A
Other languages
English (en)
Other versions
JPH08128742A (ja
Inventor
智美 金子
ローハナ・チャンドラ
透 栗山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=17416772&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=JP3265139(B2) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP26540994A priority Critical patent/JP3265139B2/ja
Priority to GB9521877A priority patent/GB2294534B/en
Priority to NL1001506A priority patent/NL1001506C2/nl
Priority to KR1019950037755A priority patent/KR0175113B1/ko
Priority to CN95119021A priority patent/CN1083563C/zh
Publication of JPH08128742A publication Critical patent/JPH08128742A/ja
Priority to US08/835,430 priority patent/US5842348A/en
Publication of JP3265139B2 publication Critical patent/JP3265139B2/ja
Application granted granted Critical
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D19/00—Arrangement or mounting of refrigeration units with respect to devices or objects to be refrigerated, e.g. infrared detectors
    • F25D19/006—Thermal coupling structure or interface
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/12—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point using 3He-4He dilution
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F6/04—Cooling

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
  • Devices That Are Associated With Refrigeration Equipment (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、超電導磁石装置等に代
表される被冷却物の冷却に使用される、熱スイッチを有
する極低温装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、超電導コイルを用いた超電導磁石
装置は、超電導コイルを超電導転移温度以下に冷却する
手段として、液体ヘリウム等の冷媒に直接浸す、或いは
冷凍機を備えた極低温装置を使用して冷却する等の方法
を用いていた。
【０００３】図５に、従来の極低温装置の構成を示す。
この極低温装置は、真空容器２と、この真空容器２内に
設けられ、中心軸付近に必要磁場を発生させる超電導コ
イル１及び、この超電導コイル１を冷却するための冷凍
機４からなり、この冷凍機４は、コールドヘッド４ａ、
高温側シリンダ９、高温側冷却ステージ７、低温側シリ
ンダ６、低温側冷却ステージ５、伝熱板３を備えてい
る。
【０００４】超電導コイル１は、真空容器２の中央部付
近に、伝熱板３を介して、冷凍機４の低温側冷却ステー
ジ５により固定されており、この低温側冷却ステージ５
によって４Ｋ程度に冷却されている。
【０００５】低温側冷却ステージ５は、低温側シリンダ
６を介して高温側冷却ステージ７に垂直方向に互いに所
定間隔を存して取り付けられている。真空容器２の内部
側には、熱遮蔽、断熱のための熱シールド板８が設けら
れるとともに、多層断熱板が巻かれている。
【０００６】この熱シールド板８は、冷凍機４の高温側
冷却ステージ７によって、必要温度に冷却されている。
高温側冷却ステージ７は、高温側シリンダ９を介して冷
凍機４のコールドヘッド４ａに接続されている。
【０００７】超電導コイル１の外周及び熱シールド板８
の外周には、超電導コイル１及び熱シールド板８の予冷
を行なうための窒素予冷管１０が接触するように配設さ
れている。
【０００８】次に、上述の如く構成された極低温装置を
用いた超電導磁石装置の冷却方法について説明する。ま
ず、超電導磁石装置の超電導コイル１が冷凍機４の低温
側冷却ステージ５によって冷却される。
【０００９】この時、冷凍機４の低温側冷却ステージ５
は冷凍能力が小さいため、超電導コイル１を常温から極
低温へ効率よく冷却するために、通常液体窒素の冷媒が
併用される。超電導コイル１は、窒素予冷管１０を流れ
る液体窒素によって、常温から液体窒素温度７７Ｋ程度
まで冷却され、その後は、冷凍機４の低温側冷却ステー
ジ５のみで極低温４Ｋまで冷却される。
【００１０】また、熱シールド板８は、冷凍機４の高温
側冷却ステージ７により常温から必要温度に冷却され、
常温から超電導コイル１への熱輻射量を弱めている。そ
して、超電導コイル１、熱シールド板８が必要温度にな
った後、電流リードより電流が供給され、超電導コイル
１に必要磁場を発生させる。
【００１１】窒素予冷管１０に注入される液体窒素は、
熱シールド板８及び超電導コイル１の予冷時のみ使用さ
れ、超電導磁石の定常運転時では真空引きされており、
超電導コイル１の超電導状態は、冷凍機４のみの冷却で
維持されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】上記構成の極低温装置
による超電導コイル１の冷却方法では、冷却予冷毎に液
体窒素などの冷媒が必要となるために、１回の磁場発生
時間が比較的短い場合や、頻繁に磁場を発生させる必要
がある場合等は、磁石装置の取扱いが面倒となる。
【００１３】また、冷凍機４の低温側冷却ステージ５
は、冷凍能力が小さいため長時間の冷却時間が必要とな
り、冷媒併用時大幅な時間増となる。本発明は、上記実
情に鑑みてなされたものであり、超電導コイル等に代表
される被冷却物の冷却に冷媒を用いることなく、常温か
ら極低温までの冷却を効率よく行なうことができる熱ス
イッチを有する極低温装置を提供することを目的とす
る。
【００１４】従って、まず、上記目的を達成するために
請求項１に係る発明によれば、被冷却物を収容する真空
容器と、低温側シリンダを介して略垂直方向に互いに所
定間隔を存して高温側冷却ステージと低温側冷却ステー
ジが取り付けられ、前記被冷却物を冷却する少なくとも
１台の冷凍機とから構成される極低温装置において、前
記冷凍機の高温側冷却ステージに略直角方向に取り付け
られた少なくとも１つの高温側伝熱体と、前記冷凍機の
低温側冷却ステージに略直角方向に取り付けられ、かつ
前記高温側伝熱体と微小間隔を存して対向配置された少
なくとも１つの低温側伝熱体と、極低温に沸点を有し前
記高温側伝熱体と前記低温側伝熱体との間の伝熱を行な
う液化ガスが内部に充填され、前記高温側伝熱体及び低
温側伝熱体を密閉収容する密閉容器と、から成る熱スイ
ッチを具備したことを特徴とする。
【００１５】また、請求項２に係る発明によれば、請求
項１記載の極低温装置において、前記高温側伝熱体及び
低温側伝熱体は筒状のものであることを特徴とする。さ
らに、請求項３に係る発明によれば、請求項２記載の極
低温装置において、前記筒状の各伝熱体は、円筒状のも
のであることを特徴とする。
【００１６】さらに、請求項４に係る発明によれば、請
求項２記載の極低温装置において、前記高温側伝熱体及
び低温側伝熱体はそれぞれ互いに異なる径を有すること
を特徴とする。
【００１７】さらに、請求項５に係る発明によれば、請
求項１記載の極低温装置において、前記高温側伝熱体及
び低温側伝熱体は板状のものであることを特徴とする。
さらに、請求項６に係る発明によれば、請求項５記載の
極低温装置において、前記高温側の板状伝熱体及び前記
低温側の板状伝熱体は互いに略平行に配置したことを特
徴とする。
【００１８】さらに、請求項７に係る発明によれば、請
求項５記載の極低温装置において、前記板状の高温側伝
熱体及び低温側伝熱体は放射状に配置したことを特徴と
する。
【００１９】さらに、請求項８に係る発明によれば、請
求項１記載の極低温装置において、前記高温側伝熱体及
び前記低温側伝熱体は、その表面が研摩されていること
を特徴とする。
【００２０】さらに、請求項９に係る発明によれば、請
求項１記載の極低温装置において、前記密閉容器は、そ
の側面が熱伝導率の低い材料からなり、且つ蛇復形状の
ものとしていることを特徴とする。
【００２１】さらに、請求項１０に係る発明によれば、
請求項１記載の極低温装置において、前記熱スイッチ
は、前記冷凍機の低温側シリンダと同軸に配置されてい
ることを特徴とする。
【００２２】さらに、請求項１１にかかる発明によれ
ば、請求項１記載の極低温装置において、前記熱スイッ
チを複数個備え、各々の熱スイッチ毎に互いに異なる種
類の液化ガスを充填していることを特徴とする。さら
に、請求項１２に係る発明によれば、請求項１記載の極
低温装置において、前記被冷却物は超電導コイルである
ことを特徴とする。 さらに、請求項１３に係る発明によ
れば、請求項１記載の極低温装置において、前記液化ガ
スは、常温以下に沸点を有する少なくとも１種類の液化
ガス、又は前記液化ガスを主成分とする混合ガスである
ことを特徴とする。 さらに、請求項１４に係る発明によ
れば、請求項１３記載の極低温装置において、前記液化
ガスは、元素記号又は分子式で、ｎ−Ｈ ２ 、Ｎｅ、Ｎ、
ＣＯ、Ａｒ、ＣＨ ４ 、ＮＯ、ＣＦ ４ 、Ｏ ３ 、ＣＣｌ
Ｆ ３ 、ＣＨ ３ Ｃｌ及びＣＨ ３ Ｂｒのいずれか１つで記載
される液化ガスであることを特徴とする。さらに、請求
項１５に係る発明によれば、請求項１記載の極低温装置
において、前記液化ガスは、前記低温側冷却ステージの
到達温度より高い温度で凝固し、これにより前記熱スイ
ッチをオフ状態にすることを特徴とする。
【００２３】
【作用】請求項１乃至請求項７いずれか１項記載の発明
によれば、各伝熱体の隙間に充填された極低温で沸点を
有する液化ガスの熱伝導によって、熱スイッチがオンと
なる。また、液化ガスが沸点に達し、さらに凝固点に達
すると、液化ガスが固化されて、各伝熱体相互間の伝熱
が輻射による微小な伝熱のみとなることにより熱スイッ
チがオフとなるので、極低温装置の冷凍機のみで被冷却
物を冷却することができる。
【００２４】請求項８に係る発明によれば、請求項１記
載の発明において、伝熱体の表面を研磨しているので、
伝熱体相互間の熱輻射を低減することができる。請求項
９に係る発明によれば、請求項１記載の発明において、
密閉容器の側面が熱伝導率の低い材料で構成し、且つ蛇
復形状とすることにより高温側冷却ステージと低温側冷
却ステージ間の熱伝導距離を稼ぐことができるので、高
温側冷却ステージから低温側冷却ステージへの熱侵入を
防ぐことができる。
【００２５】請求項１０に係る発明によれば、請求項１
記載の発明において、熱スイッチを冷凍機の低温側シリ
ンダと同軸に設置することにより、極低温装置のコンパ
クト化を図ることができる。
【００２６】請求項１１に係る発明によれば、各々の熱
スイッチ毎に互いに異なる種類の液化ガスを充填するこ
とにより、冷凍機の高温側冷却ステージと低温側冷却ス
テージ間の伝熱の行なわれる温度領域を広げることがで
きる。
【００２７】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例につい
て説明する。 ＜第１の実施例＞図１に、本発明の第１の実施例にかか
る極低温装置の構成を示す。
【００２８】なお、図５と同一部分には、同一符号を付
し、その説明を省略する。同図に示すように、本実施例
の極低温装置は、超電導コイル１を冷却する冷凍機４の
低温側冷却ステージ５と、熱シールド板８を冷却する高
温側冷却ステージ７の間に熱スイッチ２０を設置してい
る。
【００２９】図２に、冷凍機４の低温側シリンダ６と同
軸に設置された熱スイッチ２０の詳細な構成を示す。同
図に示すように、冷凍機４の高温側冷却ステージ７に
は、端板２１が取り付けられており、低温側冷却ステー
ジ５には、端板２２が低温側シリンダ６を中心に取り付
けられている。
【００３０】端板２１の端板２２側の側面には、径の異
なる複数の円筒体２３ａが略垂直に取り付けられてい
る。また、端板２２の端板２１側の側面にも径の異なる
複数の円筒体２３ｂが略垂直に取り付けられている。
【００３１】この円筒体２３ａ、２３ｂの表面は、高温
側冷却ステージ７に取り付けられている円筒体２３ａか
ら低温側冷却ステージ５に取り付けられている円筒体２
３ｂの熱輻射を低減するため研磨面で構成されている。
【００３２】そして、円筒体２３ａ，２３ｂは、互いに
微小間隔を存して対向配置されており、さらに、その内
側、外側をそれぞれ内壁２４、外壁２５で囲み、円筒体
２３ａ，２３ｂが配列された空間は気密に保持された密
閉容器２６となっている。
【００３３】ところで、熱スイッチは同軸状の薄い円筒
体で構成された密閉容器となっているため、内壁２４、
外壁２５は、冷凍機４の高温側冷却ステージ７及び低温
側冷却ステージ５に取り付けられている。従って、高温
側冷却ステージ７側が低温側冷却ステージ５より温度が
低くなった場合、高温側冷却ステージ７側から低温側冷
却ステージ５側への熱侵入を防ぐ必要があり、そのた
め、熱スイッチの内壁２４と外壁２５は、熱伝導率の低
い材料を用い、出来るだけ高温側冷却ステージ７側と低
温側冷却ステージ５側までの熱伝導の距離を離す必要が
ある。
【００３４】本実施例の熱スイッチの内壁２４と外壁２
５は、その材質にステンレス或いはチタンを用い、更
に、高温側冷却ステージ７側と低温側冷却ステージ５側
との熱伝導の距離を稼ぐために、厚さが１ｍｍ程度の薄
い蛇腹構造としている。
【００３５】密閉容器２６の中には、窒素などの液化ガ
ス２７が充填されている。また、端板２１，２２、円筒
体２３ａ，２３ｂには、無酸素銅等の熱伝導率の高い金
属性の板を使用しているため、高温側冷却ステージ７に
取り付けられている端板２１及び円筒体２３ａは、高温
側冷却ステージ７と同程度の温度、低温側冷却ステージ
５に取り付けられている端板２２及び円筒体２３ｂは、
低温側冷却ステージ５と同程度の温度になるようになっ
ている。
【００３６】次に、上述の如く構成された極低温装置を
用いた超電導磁石装置の冷却方法について説明する。冷
凍機４で超電導コイル１の冷却を始めると、まず、冷凍
能力の高い高温側冷却ステージ７に接触している熱シー
ルド板８から冷え始める。そして、高温側冷却ステージ
７に取り付けられている熱スイッチの円筒体２３ａの温
度が低くなっていく。
【００３７】一方、冷凍能力が低い低温側冷却ステージ
５に接触している超電導コイル１側の温度は、まだ常温
のままとなっている。したがって、冷凍機４の高温側冷
却ステージ７に取り付けられている熱スイッチの円筒体
２３ａは低温に、冷凍機４の低温側冷却ステージ５に取
り付けられている熱スイッチの円筒体２３ｂは、高温側
冷却ステージ７に取り付けられている円筒体２３ａの温
度より高い温度状態となっている。このような温度状態
の場合、低温側冷却ステージ５の常温円筒体２３ｂから
高温側冷却ステージ７の常温円筒体２３ａへと液化ガス
を介して熱が移動していく。
【００３８】この液化ガスを介した伝熱は、充填されて
いるガスが液化され、更に固化されて固体状態になるま
で続く。高温側冷却ステージ７に取り付けられている円
筒体２３ａの温度が充填されているガスの沸点と同じ温
度になると液化ガスの液化が始まる。ここで、沸点にな
るまでの伝熱の大半を支配しているのはガスを介した熱
伝導である。
【００３９】そして、ガスの液化が始まるとヒートパイ
プの機能によって伝熱が行なわれる。すなわち、液体と
なった液化ガスの液滴が低温側冷却ステージ５に取り付
けられている端板２２に落ち、低温側冷却ステージ５側
の温度（高温側冷却ステージ７側より高温）によって蒸
発し、再びガス状態となる。
【００４０】液化ガスが蒸発する際、低温側冷却ステー
ジ５の高温円筒体２３ｂより潜熱として熱を奪う。ガス
状態となった液化ガスは、更に、高温側冷却ステージ７
の低温円筒体２３ａの温度によって再び液化され、熱を
低温円筒体２３ａへ与える。
【００４１】このように、液化された液化ガスの液滴を
介した低温側冷却ステージ５の円筒体２３ｂから高温側
冷却ステージ７の円筒体２３ａへの熱の移動は、充填さ
れた液化ガスが固体となるまで続く。ここで、凝固点に
なるまでの熱移動の大半を支配しているのは、液化ガス
が液化と蒸発を繰り返すことにより得られる液摘を介し
た伝熱である。
【００４２】したがって、密閉容器２６に中に充填され
ている液化ガス２７を介した熱移動は、高温側冷却ステ
ージ７に取り付けられている円筒体２３ａの温度が沸点
と同じ温度になり、更に温度が下がり三重点、そして凝
固点と同じ温度となって、液化ガス２７が気体状態から
液体状態となり、そして固体状態となった時点で伝熱が
終了する。
【００４３】液化ガス２７がガス状態の時は、高温側冷
却ステージ７及び低温側冷却ステージ５は、ステージ間
に設置されている熱スイッチ内の液化ガス２７を介して
熱的につながった状態、すなわち「オン」状態となって
いるが、ガスが固化した時点では、ステージ間に存在し
ていたガスが無くなり、真空状態となるため、高温側冷
却ステージ７及び低温側冷却ステージ５間は、熱的に切
れた状態、すなわち「オフ」状態となる。
【００４４】その後、熱シールド板８は、高温側冷却ス
テージ７に、超電導コイル１は低温側冷却ステージ５の
みで冷却され、必要温度まで冷やされる。熱伝導は、そ
れぞれの温度が高温ｔ１、低温ｔ２で、距離Δｘ離れた
物体Ａ，Ｂ間に移動する熱量Ｑとすると、ＡからＢへ移
動する熱量は、 Ｑ＝λ・Ｓ・（ｔ１−ｔ２）／Δｘ …（１） の式で表される。
【００４５】但し、熱の放出する面積Ｓ、熱伝導率λと
した。この実施例に当てはめると、低温側冷却ステージ
５側に接続している円筒体２３ｂの温度ｔ１、高温側冷
却ステージ７側に接続している円筒体２３ａの温度ｔ
２、隣合った円筒体２３ａ，２３ｂ間の距離Δｘ、円筒
体の面積Ｓ、液化ガスの熱伝導率λとなる。
【００４６】ここで、 Ｋ＝Δｘ／（λ・Ｓ） …（２） （Ｋ；熱抵抗）とすると、（１）式は、 Ｑ＝（ｔ１−ｔ２）／Ｋ …（３） となる。
【００４７】（３）式より、Ｋが小さい程、移動する熱
量Ｑは大きくなり、Ｋが大きい程移動する熱量Ｑは小さ
くなることがわかる。図３に、液化ガスに窒素を使用し
た場合の熱スイッチの熱抵抗と温度との関係を示す。
【００４８】同図に示すように、常温（３００Ｋ）から
窒素の沸点である７０Ｋ程度までは、徐々に熱抵抗が大
きくなり、熱の移動が少なくなっていく。７０Ｋ程度ま
では、窒素ガスの熱伝導が支配していることがわかる。
７０Ｋ温度付近で熱抵抗が急激に小さくなっている。こ
れは、熱スイッチがヒートパイプとして機能し始めたた
めで、つまり、液化した窒素を介した熱の移動が起こっ
たためである。
【００４９】スイッチの温度がさらに低くなると、液が
徐々に凍り始めるため、ヒートパイプとしての機能が低
下し、熱抵抗が急激に大きくなる。そして、液が完全に
凍った時に、スイッチが「オフ」状態となる。
【００５０】また、より早く冷凍機４の低温側冷却ステ
ージ５側を冷やすためには、（２）式より、隣合った熱
スイッチの円筒体２３ａ，２３ｂ間は出来るだけ狭い方
が良いことがわかる。製造上の理由で、図２に示した実
施例の熱スイッチの円筒間の間隔は、１ｍｍ程度の間隔
となっている。
【００５１】また、図２に示した距離Ｃは、液化ガスが
液化され、更に固化した際に、下方で溜まり円筒体２３
ａ，２３ｂ間をつないで熱が移動することのないよう、
十分な間隔が取られている。
【００５２】次に、この熱伝導率に関与する液化ガスの
選定について述べる。熱スイッチのオフ状態温度、すな
わち、低温側冷却ステージ５側の円筒体２３ｂから高温
側冷却ステージ７側の円筒体２３ａへの熱の移動が終了
する温度は、液化ガス２７の沸点の温度で調整すること
が出来る。
【００５３】つまり、どの温度で熱スイッチをオフにす
るかは、選定した液化ガスで決まる。表１に、超電導コ
イル１気圧のときの常温以下で沸点をもつ主な液化ガス
と、その沸点を示す。
【００５４】
【表１】
【００５５】冷凍機４の低温側冷却ステージ５は、高温
側冷却ステージ７に比べ温度は下がるが、冷凍能力は低
い。従って、効率よく、迅速に超電導コイル１の冷却を
行うためには、低温側冷却ステージ５の温度が出来るだ
け低温に冷えるまで高温側冷却ステージ７の冷凍能力で
補助する必要がある。
【００５６】すなわち、できるだけ低温で熱スイッチが
オフ状態となることが望ましい。表１より、充填する液
化ガスにｎ−Ｈ2 を使用すれば、２０Ｋ程度まで高温側
冷却ステージ７で低温側冷却ステージ５側の冷却を補助
することができ、２０Ｋ以下で熱スイッチがオフ状態に
なった以降は、超電導コイル１は低温側冷却ステージ５
のみで４Ｋまで冷やされる。
【００５７】ここで、ｎ−Ｈ2 （ノーマル水素）は、７
５％ｏ−Ｈ2 （オルソ水素）と２５％ｐ−Ｈ2 （パラ水
素）の混合物である。本実施例では、充填ガスに低価格
で取扱い易いという理由で、予冷に通常良く使用される
窒素ガスを用いている。この窒素ガスを用いた場合は、
図３で示される様に、５０Ｋ程度で熱スイッチがオフ状
態となり、５０Ｋより低温では超電導コイル１は、冷凍
機４の低温側冷却ステージ５の冷凍能力のみで４Ｋまで
冷却される。
【００５８】従って、本実施例の発明によれば、超電導
コイル１を冷却する際に、予冷に液体窒素等の冷媒を用
いず、冷凍機４のみで効率よく冷却することが出来る熱
スイッチを有する極低温装置を提供することができる。
【００５９】また、熱スイッチ２０と冷凍機４が一体に
設置されているので、極低温装置のコンパクト化を図る
ことが出来る。 ＜第２の実施例＞図４に、本発明の第２の実施例に係る
極低温装置の構成を示す。
【００６０】同図に示すように、本実施例においては、
熱スイッチを冷凍機４の高温側冷却ステージ７と低温側
冷却ステージ５の間に３つ設置している。さらに、本実
施例においては、図１に示した１種類の液化ガスによっ
て効率よく超電導コイル１を冷却する代わりに、異なる
沸点及び三重点をもつ２種類以上の液化ガスを用いて伝
熱の行なわれる温度範囲を広げ、且つ、出来るだけ低温
で熱スイッチが働くようにしたものである。
【００６１】異なる沸点及び三重点をもつ２種類以上の
液化ガスを上手に選定すれば、液化ガスが液化した液滴
を介した伝熱の温度領域を広げることが出来る。本実施
例においては、Ｏ3 、ＣＯ、Ｎｅのガスをそれぞれ充填
した熱スイッチを設置した場合の熱移動について説明す
る。
【００６２】高温側冷却ステージ７に取り付けられてい
る円筒体の温度がＯ ３ の沸点温度１６１．３Ｋとなった
ときに高温側冷却ステージ７側から液滴を介した伝熱が
始まる。
【００６３】この移動は、Ｏ3 の三重点温度８０．５Ｋ
程度になるまで続く。Ｏ3 のヒートパイプ機能の伝熱が
終わる頃、ＣＯが充填されている熱スイッチのヒートパ
イプ機能としての伝熱が開始され、その後、Ｎｅの熱ス
イッチのヒートパイプ機能の伝熱がが始まる。
【００６４】このように、本実施例では、３種類の液化
ガスを使用することで、冷凍機４の高温側冷却ステージ
７と低温側冷却ステージ５間の伝熱の行なわれる温度領
域を１６１Ｋ程度から２６Ｋ程度まで広げることが出来
る。
【００６５】なお、本発明は、上述した実施例に限定さ
れるものではない。例えば、図２に示すように、本実施
例は、冷凍機４が熱スイッチと同軸に組み込まれた構造
となっているが、冷凍機４と熱スイッチが別々に設置さ
れていても構わない。
【００６６】つまり、冷凍機４の各冷却ステージに接触
する箇所に設置されていれば、上述実施例の場合と同様
の効果を得ることが出来る。さらに、本実施例で示した
熱スイッチの円筒体の形状は、角筒体、平行に並べた薄
いプレート板、或いは放射状に配置した薄いプレート
板、或いは円筒体は棒体であっても良い。さらに、被冷
却体は、超電導コイル１に限らず、極低温に冷却する必
要のあるものに適用することも可能である。
【００６７】
【発明の効果】請求項１乃至請求項７いずれか１項記載
の発明によれば、液化ガスの熱伝導によって、熱スイッ
チがオンとなり、また、液化ガスが沸点に達し、さらに
凝固点に達すると、液化ガスが固化されて、熱スイッチ
がオフとなるので、極低温装置の冷凍機のみで被冷却物
を冷却することができる。
【００６８】請求項８に係る発明によれば、請求項１記
載の発明において、伝熱体の表面を研磨しているので、
伝熱体相互間の熱輻射を低減することができる。請求項
９に係る発明によれば、密閉容器の側面が熱伝導率の低
い材料で構成し、且つ蛇復形状とすることにより高温側
冷却ステージと低温側冷却ステージ間の熱伝導距離を稼
ぐことができるので、高温側冷却ステージから低温側冷
却ステージへの熱侵入を防ぐことができる。
【００６９】請求項１０に係る発明によれば、熱スイッ
チを冷凍機の低温側シリンダと同軸に設置することによ
り、極低温装置のコンパクト化を図ることができる。請
求項１１に係る発明によれば、各々の熱スイッチ毎に互
いに異なる種類の液化ガスを充填することにより、冷凍
機の高温側冷却ステージと低温側冷却ステージ間の伝熱
の行なわれる温度領域を広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例にかかる極低温装置の構
成を示す図。
【図２】同実施例における冷凍機の低温側シリンダと同
軸に設置された熱スイッチの詳細な構成を示す図。
【図３】同実施例における液化ガスに窒素を使用した場
合の熱スイッチの熱抵抗と温度との関係を示す図。
【図４】本発明の第２の実施例に係る極低温装置の構成
を示す図。
【図５】従来の極低温装置の構成を示す図。
【符号の説明】
１…超電導コイル、２…真空容器、３…伝熱板、４…冷
凍機、４ａ…コールドヘッド、５…低温側冷却ステー
ジ、６…低温側シリンダ、７…高温側冷却ステージ、８
…熱シールド板、９…高温側シリンダ、１０…窒素予冷
管、２０…熱スイッチ、２１，２２…端板、２３ａ，２
３ｂ…円筒体、２４…内壁、２５…外壁、２６…密閉容
器、２７…液化。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−70053（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−90910（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F25B 9/00

Claims (15)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 被冷却物を収容する真空容器と、低温側
    シリンダを介して略垂直方向に互いに所定間隔を存して
    高温側冷却ステージと低温側冷却ステージが取り付けら
    れ、前記被冷却物を冷却する少なくとも１台の冷凍機と
    から構成される極低温装置において、 前記冷凍機の高温側冷却ステージに略直角方向に取り付
    けられた少なくとも１つの側伝熱体と、 前記冷凍機の低温側冷却ステージに略直角方向に取り付
    けられ、かつ前記高温側伝熱体と微小間隔を存して対向
    配置された少なくとも１つの低温側伝熱体と、 極低温に沸点を有し前記高温側伝熱体と前記低温側伝熱
    体との間の伝熱を行なう液化ガスが内部に充填され、前
    記高温側伝熱体及び低温側伝熱体を密閉収容する密閉容
    器と、 から成る熱スイッチを具備したことを特徴とする極低温
    装置。
  2. 【請求項２】 前記高温側伝熱体及び低温側伝熱体は筒
    状のものであることを特徴とする請求項１記載の極低温
    装置。
  3. 【請求項３】 前記筒状の各伝熱体は、円筒状のもので
    あることを特徴とする請求項２記載の極低温装置。
  4. 【請求項４】 前記高温側伝熱体及び低温側伝熱体はそ
    れぞれ互いに異なる径を有することを特徴とする請求項
    ２記載の極低温装置。
  5. 【請求項５】 前記高温側伝熱体及び低温側伝熱体は板
    状のものであることを特徴とする請求項１記載の極低温
    装置。
  6. 【請求項６】 前記高温側の板状伝熱体及び前記低温側
    の板状伝熱体は互いに略平行に配置したことを特徴とす
    る請求項５記載の極低温装置。
  7. 【請求項７】 前記板状の高温側伝熱体及び低温側伝熱
    体は放射状に配置したことを特徴とする請求項５記載の
    極低温装置。
  8. 【請求項８】 前記高温側伝熱体及び前記低温側伝熱体
    は、その表面が研摩されていることを特徴とする請求項
    １記載の極低温装置。
  9. 【請求項９】 前記密閉容器は、その側面が熱伝導率の
    低い材料からなり、且つ蛇復形状のものとしていること
    を特徴とする請求項１記載の極低温装置。
  10. 【請求項１０】 前記熱スイッチは、前記冷凍機の低温
    側シリンダと同軸に配置されていることを特徴とする請
    求項１記載の極低温装置。
  11. 【請求項１１】 前記熱スイッチを複数個備え、各々の
    熱スイッチ毎に互いに異なる種類の液化ガスを充填して
    いることを特徴とする請求項１記載の極低温装置。
  12. 【請求項１２】 前記被冷却物は超電導コイルであるこ
    とを特徴とする請求項１記載の極低温装置。
  13. 【請求項１３】 前記液化ガスは、常温以下に沸点を有
    する少なくとも１種類の液化ガス、又は前記液化ガスを
    主成分とする混合ガスであることを特徴とする請求項１
    記載の極低温装置。
  14. 【請求項１４】 前記液化ガスは、元素記号又は分子式
    で、ｎ−Ｈ ２ 、Ｎｅ、Ｎ、ＣＯ、Ａｒ、ＣＨ ４ 、ＮＯ、
    ＣＦ ４ 、Ｏ ３ 、ＣＣｌＦ ３ 、ＣＨ ３ Ｃｌ及びＣＨ ３ Ｂｒ
    のいずれか１つで記載される液化ガスであることを特徴
    とする請求項１３記載の極低温装置。
  15. 【請求項１５】 前記液化ガスは、前記低温側冷却ステ
    ージの到達温度より高い温度で凝固し、これにより前記
    熱スイッチをオフ状態にすることを特徴とする請求項１
    記載の極低温装置。
JP26540994A 1994-10-28 1994-10-28 極低温装置 Expired - Fee Related JP3265139B2 (ja)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP26540994A JP3265139B2 (ja) 1994-10-28 1994-10-28 極低温装置
GB9521877A GB2294534B (en) 1994-10-28 1995-10-25 Cryogenic cooling apparatus for cooling an object to very low temperature
NL1001506A NL1001506C2 (nl) 1994-10-28 1995-10-26 Koeler voor het verkrijgen van cryogene temperaturen.
KR1019950037755A KR0175113B1 (ko) 1994-10-28 1995-10-28 피냉각물을 극저온으로 냉각하는 극저온 냉각장치
CN95119021A CN1083563C (zh) 1994-10-28 1995-10-30 极低温冷却被冷却物体的极低温冷却装置
US08/835,430 US5842348A (en) 1994-10-28 1997-04-09 Self-contained cooling apparatus for achieving cyrogenic temperatures

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP26540994A JP3265139B2 (ja) 1994-10-28 1994-10-28 極低温装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH08128742A JPH08128742A (ja) 1996-05-21
JP3265139B2 true JP3265139B2 (ja) 2002-03-11

Family

ID=17416772

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP26540994A Expired - Fee Related JP3265139B2 (ja) 1994-10-28 1994-10-28 極低温装置

Country Status (6)

Country Link
US (1) US5842348A (ja)
JP (1) JP3265139B2 (ja)
KR (1) KR0175113B1 (ja)
CN (1) CN1083563C (ja)
GB (1) GB2294534B (ja)
NL (1) NL1001506C2 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10297837B4 (de) 2002-12-16 2019-05-09 Sumitomo Heavy Industries, Ltd. Verfahren zum Befestigen einer Kühlmaschine und Befestigungsvorrichtung dafür

Families Citing this family (42)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6173761B1 (en) * 1996-05-16 2001-01-16 Kabushiki Kaisha Toshiba Cryogenic heat pipe
JP3702063B2 (ja) * 1997-02-25 2005-10-05 株式会社東芝 断熱容器、断熱装置および断熱方法
US6332324B1 (en) * 1998-06-12 2001-12-25 Hitachi, Ltd. Cryostat and magnetism measurement apparatus using the cryostat
DE19835305A1 (de) * 1998-08-05 2000-02-10 Inst Luft Kaeltetech Gem Gmbh Selbstauslösender Kryo-Wärmestromschalter
US6276144B1 (en) * 1999-08-26 2001-08-21 Swales Aerospace Cryogenic thermal switch employing materials having differing coefficients of thermal expansion
DE19954077C1 (de) * 1999-11-10 2001-03-22 Csp Cryogenic Spectrometers Gm Tieftemperaturkühlvorrichtung
US6396377B1 (en) * 2000-08-25 2002-05-28 Everson Electric Company Liquid cryogen-free superconducting magnet system
JP4950392B2 (ja) * 2001-07-09 2012-06-13 株式会社神戸製鋼所 多段式冷凍機及びそれに用いられる熱スイッチ
US6959554B1 (en) 2001-07-10 2005-11-01 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Passive gas-gap heat switch for adiabatic demagnetization refrigerator
EP1509972A1 (en) 2002-05-31 2005-03-02 Pirelli & C. S.p.A. Current lead for superconducting apparatus
JP4494027B2 (ja) * 2004-01-26 2010-06-30 株式会社神戸製鋼所 極低温装置
US7154369B2 (en) * 2004-06-10 2006-12-26 Raytheon Company Passive thermal switch
WO2007084070A1 (en) * 2006-01-18 2007-07-26 Åstc Aerospace Ab Miniaturized high conductivity thermal/electrical switch
GB0605353D0 (en) * 2006-03-17 2006-04-26 Siemens Magnet Technology Ltd Apparatus For Cooling
US20100242500A1 (en) * 2006-09-08 2010-09-30 Laskaris Evangelos T Thermal switch for superconducting magnet cooling system
DE102006046688B3 (de) 2006-09-29 2008-01-24 Siemens Ag Kälteanlage mit einem warmen und einem kalten Verbindungselement und einem mit den Verbindungselementen verbundenen Wärmerohr
EP2090850B1 (en) * 2006-11-30 2016-10-05 Ulvac, Inc. Refrigerating machine
JP4468388B2 (ja) * 2007-02-05 2010-05-26 株式会社日立製作所 磁場発生器
US20080209919A1 (en) * 2007-03-01 2008-09-04 Philips Medical Systems Mr, Inc. System including a heat exchanger with different cryogenic fluids therein and method of using the same
JP5028142B2 (ja) * 2007-05-17 2012-09-19 キヤノンアネルバ株式会社 クライオトラップ
US7752866B2 (en) * 2007-12-07 2010-07-13 University Of Central Florida Research Foundation, Inc. Shape memory thermal conduction switch
EP2318779A2 (en) * 2008-07-10 2011-05-11 Infinia Corporation Thermal energy storage device
US8477500B2 (en) * 2010-05-25 2013-07-02 General Electric Company Locking device and method for making the same
US8676282B2 (en) * 2010-10-29 2014-03-18 General Electric Company Superconducting magnet coil support with cooling and method for coil-cooling
WO2012066312A2 (en) * 2010-11-18 2012-05-24 Oxford Instruments Nanotechnology Tools Limited Cooling apparatus and method
US8374663B2 (en) * 2011-01-31 2013-02-12 General Electric Company Cooling system and method for cooling superconducting magnet devices
JP2012193926A (ja) * 2011-03-17 2012-10-11 Sumitomo Heavy Ind Ltd 極低温冷凍機
KR101362772B1 (ko) * 2012-02-06 2014-02-13 삼성전자주식회사 냉동 시스템 및 이를 채용한 초전도 자석 장치
GB201212800D0 (en) * 2012-07-19 2012-09-05 Oxford Instr Nanotechnology Tools Ltd Cryogenic cooloing apparatus and method
JP6420768B2 (ja) * 2012-12-17 2018-11-07 コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェＫｏｎｉｎｋｌｉｊｋｅ Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｎ．Ｖ． 熱伝達装置を用いた低損失な永久電流スイッチ
JP6276033B2 (ja) * 2013-01-15 2018-02-07 株式会社神戸製鋼所 極低温装置及び被冷却体に対する冷凍機の接続及び切り離し方法
US10145602B2 (en) * 2015-09-02 2018-12-04 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Active gas-gap heat switch with fast thermal response
CN105304409A (zh) * 2015-09-11 2016-02-03 中国科学院理化技术研究所 一种基于负热膨胀的热开关
FR3048770B1 (fr) * 2016-03-10 2018-03-23 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Dispositif de refroidissement thermique d'un objet a partir d'une source froide telle qu'un bain de fluide cryogenique
CN106016803A (zh) * 2016-06-29 2016-10-12 安徽万瑞冷电科技有限公司 低温制冷机冷头
US20180151280A1 (en) * 2016-11-25 2018-05-31 Shahin Pourrahimi Pre-cooling and increasing thermal heat capacity of cryogen-free magnets
CN106847463A (zh) * 2016-12-26 2017-06-13 中国电子科技集团公司第十六研究所 一种超导磁体用热开关
CN109828621B (zh) * 2019-02-26 2020-03-27 中国科学院高能物理研究所 一种超低温低能探测器的热控结构
CN109870050B (zh) * 2019-02-26 2020-02-21 中国科学院高能物理研究所 一种低温深冷热管的安装方法及低能探测器的装配方法
JP6945771B1 (ja) * 2020-03-12 2021-10-06 三菱電機株式会社 超電導マグネット
CN111947348B (zh) * 2020-07-17 2022-02-18 同济大学 一种复合筒热开关
CN114560493B (zh) * 2022-03-11 2024-02-02 广东长信精密设备有限公司 一种金属氧化物粉末生产系统

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3430455A (en) * 1967-04-17 1969-03-04 500 Inc Thermal switch for cryogenic apparatus
US3525229A (en) * 1969-02-06 1970-08-25 Atomic Energy Commission On-off thermal switch for a cryopump
US4689970A (en) * 1985-06-29 1987-09-01 Kabushiki Kaisha Toshiba Cryogenic apparatus
US5113165A (en) * 1990-08-03 1992-05-12 General Electric Company Superconductive magnet with thermal diode
US5379601A (en) * 1993-09-15 1995-01-10 International Business Machines Corporation Temperature actuated switch for cryo-coolers

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10297837B4 (de) 2002-12-16 2019-05-09 Sumitomo Heavy Industries, Ltd. Verfahren zum Befestigen einer Kühlmaschine und Befestigungsvorrichtung dafür

Also Published As

Publication number Publication date
CN1083563C (zh) 2002-04-24
JPH08128742A (ja) 1996-05-21
US5842348A (en) 1998-12-01
NL1001506C2 (nl) 1997-05-13
GB2294534B (en) 1996-12-18
NL1001506A1 (nl) 1996-05-01
GB9521877D0 (en) 1996-01-03
KR0175113B1 (ko) 1999-03-20
CN1130250A (zh) 1996-09-04
GB2294534A (en) 1996-05-01
KR960014840A (ko) 1996-05-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3265139B2 (ja) 極低温装置
US6332324B1 (en) Cryostat and magnetism measurement apparatus using the cryostat
US3430455A (en) Thermal switch for cryogenic apparatus
JP4417247B2 (ja) 超伝導磁石と冷凍ユニットとを備えたｍｒｉ装置
Mito et al. Achievement of high heat removal characteristics of superconducting magnets with imbedded oscillating heat pipes
CN110617650B (zh) 低温冷却系统
JP2005210015A (ja) 極低温装置
JPH11288809A (ja) 超電導マグネット装置
US6023934A (en) Methods and apparatus for cooling systems for cryogenic power conversion electronics
CN1997851B (zh) 具有热界面的冷却设备以及用于再冷凝低温气体的方法
JPWO2004055452A1 (ja) 冷凍機の取付方法及び装置
GB2542667A (en) Method and device for precooling a cryostat
JPH10213357A (ja) 冷凍剤再凝縮システム
JPH04350906A (ja) 酸化物超電導コイルの冷却方法および冷却装置
JP5017640B2 (ja) 極低温冷凍方法および極低温冷凍システム
JPH0878737A (ja) 超電導マグネット
JPH09232640A (ja) 永久磁石システム
JP3285751B2 (ja) 磁気冷凍機
JP3180856B2 (ja) 超電導臨界電流測定装置
JP4799757B2 (ja) 超電導磁石
JP2010121835A (ja) 減圧超流動ヘリウム冷却熱交換器
JPS6290910A (ja) 極低温装置
Jirmanus Introduction to laboratory cryogenics
JP3310872B2 (ja) 磁気冷凍機
JP3233811B2 (ja) 磁気冷凍機

Legal Events

Date Code Title Description
FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20071228

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20081228

Year of fee payment: 7

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20091228

Year of fee payment: 8

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees