JP3881675B2 - 多段式冷凍機 - Google Patents
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Description
本発明は、被冷却物を極低温に冷却する多段式冷凍機、特に、超電導磁石を極低温に冷却する多段式冷凍機に関するものである。
一般に、被冷却物を極低温に冷却する多段式冷凍機は複数個の冷却端を有しており、例えば、最低到達温度の高い第１冷却端と、最低到達温度が低い第２冷却端とを直列につなぐ構造により、第２冷却端に熱的に接触させた被冷却物を極低温に冷却するものである。しかし、この最低到達温度が低い第２冷却端は、冷却能力が低いので、第２冷却端に熱的に接触させた被冷却物を冷却するのに時間がかかるという問題があった。なお、第１冷却端は、冷却能力は高いが最低到達温度が高く、極低温を得ることが困難なものである。
このため、下記特許文献１に開示されるように、上述した多段式冷凍機の第１冷却端と第２冷却端との間に熱スイッチを配置するものが提案されている。この熱スイッチは以下のような機能を有する。冷却初期段階では、被冷却物と第１冷却端とを熱スイッチを介して熱的に接続し、冷却能力の高い第１冷却端により、被冷却物をより早く冷却することができる。また、第１冷却端の最低到達温度に近付いた段階では、熱スイッチが自動的にオン状態からオフ状態となり、被冷却物と第１冷却端との熱的接続を断ち、最低到達温度の低い第２冷却端のみにより極低温までの冷却を行うことができる。
特許２８３５３０５号公報
しかし、特許文献１のものは、熱スイッチがオフ状態となっても、熱スイッチ内部のガスが液化さらに固化し、この固化したガス成分が第１冷却端側の伝熱面と第２冷却端側の伝熱面との間を埋めるように残留した場合、この固化したガス成分を介して熱伝導が発生し、熱スイッチ内での熱的接続を断つことができないことがあった。特に、熱スイッチの軸方向を水平配置とした場合、伝熱面間の隙間が小さい所で固化したガスが残留するため、熱スイッチ内での熱的接続を断てないことが起こり易かった。また、この熱スイッチは、円筒型のものであるから、その軸方向が鉛直方向でないと、十分な対流伝熱効果を得ることができなかった。
そこで、本発明の目的は、熱スイッチの軸方向が任意の配置でも、熱スイッチがオフ状態となった際に、熱スイッチ内での熱的接続を確実に断ち、また、熱スイッチがオン状態では十分な対流伝熱効果を得ることができる多段式冷凍機を提供することである。
本発明の多段式冷凍機は、最低到達温度が高くかつ冷却能力が高い第１冷却端と、最低到達温度が低く且つ冷却能力が低い第２冷却端と、前記第１冷却端と前記第２冷却端との間を熱的に接続可能に設けられ、所定温度で熱的接続オンから熱的接続オフに切り換わる熱スイッチとを備え、前記第２冷却端に被冷却物を熱的に接続するように取り付けて前記被冷却物を極低温まで冷却する多段式冷凍機であって、前記熱スイッチの前記第２冷却端側、好ましくは、前記第２冷却端側端部の側面部で管を介して前記熱スイッチ内部と連通するガス固化室をさらに備え、前記ガス固化室の少なくとも一部を前記第２冷却端と熱的に接触させてなるものである。
上記構成により、熱スイッチが鉛直方向配置、水平方向配置又は傾斜配置であっても、熱スイッチがオフ状態となった際に、熱スイッチ内での熱的接続を確実に断つ多段式冷凍機を提供することができる。
上記構成により、熱スイッチが鉛直方向配置、水平方向配置又は傾斜配置であっても、熱スイッチがオフ状態となった際に、熱スイッチ内での熱的接続を確実に断つ多段式冷凍機を提供することができる。
上記本発明の多段式冷凍機は、前記熱スイッチが鉛直方向の伝熱面を持つ平板の伝熱フィンを備えるものであることが好ましい。
上記構成により、上記多段式冷凍機の効果だけでなく、熱スイッチの伝熱面が鉛直方向に配置されてさえいれば、熱スイッチの設置姿勢が鉛直、水平あるいはその中間など傾斜させられていたとしても、熱スイッチがオン状態となった際に、十分な対流伝熱効果を得ることができる。
上記構成により、上記多段式冷凍機の効果だけでなく、熱スイッチの伝熱面が鉛直方向に配置されてさえいれば、熱スイッチの設置姿勢が鉛直、水平あるいはその中間など傾斜させられていたとしても、熱スイッチがオン状態となった際に、十分な対流伝熱効果を得ることができる。
本発明の多段式冷凍機は、最低到達温度が高くかつ冷却能力が高い第１冷却端と、最低到達温度が低く且つ冷却能力が低い第２冷却端と、前記第１冷却端と前記第２冷却端との間を熱的に接続可能に設けられ、所定温度で熱的接続オンから熱的接続オフに切り換わる熱スイッチとを備え、前記第２冷却端に被冷却物を熱的に接続するように取り付けて前記被冷却物を極低温まで冷却する多段式冷凍機であって、前記熱スイッチは、内部に鉛直方向の伝熱面を持つ平板の伝熱フィンを有し、かつ、内部に封入されたガスの気化で熱的接続オンになり、前記ガスの液化で熱的接続オフになるものである。
上記構成により、熱スイッチの伝熱面が鉛直方向に配置されてさえいれば、熱スイッチの設置姿勢が鉛直、水平あるいはその中間など傾斜させられていたとしても、熱スイッチがオン状態となった際に、十分な対流伝熱効果を得ることができる。
上記構成により、熱スイッチの伝熱面が鉛直方向に配置されてさえいれば、熱スイッチの設置姿勢が鉛直、水平あるいはその中間など傾斜させられていたとしても、熱スイッチがオン状態となった際に、十分な対流伝熱効果を得ることができる。
本発明の多段式冷凍機は、前記ガスが、窒素ガス、ネオンガス又は水素ガスであることが好ましい。
これらのガスは、第１冷却端の最低到達温度近傍の沸点を有するガスであるため、確実に熱スイッチを作動させることができる。なお、ネオンガス又は水素ガスは、被冷却物の冷却速度を早めるのに好ましいものである。
これらのガスは、第１冷却端の最低到達温度近傍の沸点を有するガスであるため、確実に熱スイッチを作動させることができる。なお、ネオンガス又は水素ガスは、被冷却物の冷却速度を早めるのに好ましいものである。
以下、図面を参照しながら本発明に係る実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態の多段式冷凍機における熱スイッチの配置断面図、図２は、図１の多段式冷凍機における熱スイッチの構造を示す透過斜視図、図３は、図１の多段式冷凍機における熱スイッチの構造を示す断面図である。
多段式冷凍機１は、容器２内に冷凍機本体１ａの大部分を突出させてなっている。この容器２は普通、真空容器として形成されている。容器２内の冷凍機本体１ａは、下面に第１冷却端３ａを有する第１冷却部３と、下面に第２冷却端４ａを有する第２冷却部４とを備えてなる。第１冷却端３ａの下部には第１冷却板５が、第２冷却端４ａの下部には第２冷却板６が、ネジ止めされている。また、第１冷却板５には輻射シールド７を接続して、冷却空間８を形成し、第２冷却板６の第２冷却端４ａにおける冷凍機本体１ａと反対側の面に被冷却物９が接続されるものである。熱スイッチ１０は、第１冷却板５と第２冷却板６とを接続して配設される。また、この熱スイッチ１０には、熱スイッチ１０内部と第２冷却端４ａ側付近で管１１ａを介して連通するガス固化室１１が配設されている。なお、このガス固化室１１の外周の一部は、伝熱経路１１ｂにより第２冷却端４ａと熱的に接触させられている。また、熱スイッチ１０及びガス固化室１１内には、第１冷却端３ａの最低到達温度近傍の沸点を有するガス（媒体）が封入されている。
熱スイッチ１０は、図２に示すように、第１部材１２と、第２部材１３とを備えている。
第１部材１２は、円柱形状の第１純銅ブロック１４と、純銅製の円筒状のフィン１５ａ〜１５ｃ（熱交換部材）とを備えている。第１純銅ブロック１４上に、径の小さい順にフィン１５ａ、１５ｂ、１５ｃと同心円上に重ねて並べられ、溶着等により接合されている。
第２部材１３は、円柱形状の第２純銅ブロック１６と、純銅製の円筒状のフィン１７ａ〜１７ｃ（熱交換部材）と、円筒状のステンレス鋼管２３とを備えている。第２純銅ブロック１６上に、径の小さい順にフィン１７ａ、１７ｂ、１７ｃと同心円上に重ねて並べられ、溶着等により接合されている。更に、第２純銅ブロック１６上に、フィン１７ｃの外側に薄肉のステンレス鋼管２３が同心円状に接合されており、このステンレス鋼管２３の長さはフィン１５ａ〜１５ｃ及びフィン１７ａ〜１７ｃの長さよりも長い。また、第２純銅ブロック１６は、その熱スイッチ１０内部側表面において径方向に一部をくり貫いて設けられた凹部１６ａを有するものである。この凹部１６ａは外部と連通するように第２純銅ブロック１６の外周に設けられた穴１６ｂと連通している。
上記の熱スイッチ１０は、図３に示すように、上下の２つの第１部材１２と第２部材１３とが重ね合わされて、第１純銅ブロック１４とステンレス鋼管２３とが、溶着等により固定されることで、外側のステンレス鋼管２３と第１純銅ブロック１４と第２純銅ブロック１６とにより、密閉した空間を形成する。この空間内で、フィン１５ａ〜１５ｃとフィン１７ａ〜１７ｃとが同心円状・交互に配置される構造である。フィン１５ａ〜１５ｃと第２純銅ブロック１６との間及びフィン１７ａ〜１７ｃと第１純銅ブロック１４との間に隙間を有するように対向させた構造となる。
熱スイッチ１０は、図１の多段式冷凍機１に示すように、第１純銅ブロック１４が鉛直方向上の高温側の第１冷却板５に、第２純銅ブロック１６が鉛直方向下の低温側の第２冷却板６に接続されることになる。
ガス固化室１１は、図３に示すように、第２純銅ブロック１６の穴１６ｂにおいて凹部１６ａに接続された管１１ａを介して熱スイッチ１０内部と連通するものである。また、ガス固化室１１の外周の一部は、伝熱経路１１ｂ（例えば、純銅板や純銅線等）により第２冷却端４ａと熱的に接触させられている。なお、図３における１８は固化したガスを示している。
次に、熱スイッチ１０の動作について説明する。本発明に係る熱スイッチ１０は、ステンレス鋼管２３により密閉した空間内部に、第１冷却端３ａの最低到達温度近傍の沸点を有するガスを封入したガス伝導型のスイッチである。上下の熱伝導は、内部ガスを熱伝導媒体として、フィン１５ａ〜１５ｃとフィン１７ａ〜１７ｃとの隙間を通じて行われている。熱スイッチ１０のオン・オフ状態の切換えは、ガスの沸点で起こる。熱スイッチの温度がガスの沸点以上であれば、ガスを熱媒体とした熱伝導がオン状態となり、沸点以下ではガスが凝縮し内部が真空となるのでオフ状態となる。なお、最外層のステンレス鋼管２３の熱伝導度は小さいため、これを介しての伝熱は無視できる。特に、本装置では、まず、ガスが沸点以下となる場所は、一部が第２冷却板６に接続されたガス固化室１１であるため、液化又は固化したガスがこのガス固化室１１に溜まり、フィン１５ａ〜１５ｃとフィン１７ａ〜１７ｃとの隙間や、フィン１７ｃとステンレス鋼管２３との隙間等でガスが液化又は固化することはない。
ここで、第１冷却端３ａの最低到達温度が３０Ｋで、第２冷却端４ａの最低到達温度が４Ｋである場合において、常圧における沸点が約３０Ｋのネオンガスが、常温及び４気圧の状態で内部に封入された熱スイッチを用いた例を説明する。冷却初期段階では、ネオンガスは気体の状態であり、熱スイッチ１０は熱を伝えることができ（熱スイッチ１０がオン状態）、被冷却物９は第１冷却端３ａ及び第２冷却端４ａで冷却される。第１冷却端３ａは、第２冷却端４ａよりも冷却能力が高いため、熱スイッチ１０を用いない場合より早く冷却ができる。常温で４気圧のネオンガスは、第１冷却端４ａの最低到達温度（３０Ｋ）では０．４気圧となり、ネオンガスの沸点は２７Ｋから２４Ｋへと変化する。
更に、冷却が進行し、熱スイッチ１０内の温度が第１冷却端３ａの最低到達温度（３０Ｋ）以下となり、ネオンガスの沸点に達すると、ガスは液化し、熱スイッチ１０内部が真空となり、熱を伝えなくなるので（熱スイッチ１０がオフ状態）、これ以降は第２冷却端４ａのみで被冷却物９を極低温まで冷却する。液化または固化したガスは、ガス固化室１１に留まることになり、熱スイッチ１０は完全にオフ状態を保つことができる。
なお、図示しないが、上記実施形態の熱スイッチの軸方向を水平にしたり、熱スイッチの軸方向を任意の角度傾斜させたりした多段式冷凍機でもよい。これらのような多段式冷凍機であっても、上記実施形態と同様に、熱スイッチは完全にオフ状態を保つことができる。
次に、本発明別実施形態の多段式冷凍機について説明する。図４は、本発明別実施形態の多段式冷凍機の熱スイッチにおいて、鉛直方向の伝熱面を持つ伝熱フィン及びステンレス鋼管を示す図であって、（ａ）は透過斜視図、（ｂ）は断面図である。なお、上記実施形態の多段式冷凍機１と同様の部分は説明を省略することがある。
本発明別実施形態の多段式冷凍機は、熱スイッチ１０の円筒型のフィン１５ａ〜１５ｃ、１７ａ〜１７ｃの代わりに、図４に示す、鉛直（地面に対し垂直）方向の面を有する平板型のフィン２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂを有し、上記実施形態の多段式冷凍機１を水平配置とすることにより、軸方向が水平配置となる熱スイッチとする以外、多段式冷凍機１と同様の構成である。
各フィンは図４（ａ）の紙面手前側から、フィン２１ｂ、フィン２２ｂ、フィン２１ａ、フィン２２ａの順に紙面奥側に向って配置されている。また、図示しないが、フィン２１ａ、２１ｂは高温側（第１冷却板５側）の第１純銅ブロック１４に取り付けられたフィンであり、フィン２２ａ、２２ｂは低温側（第２冷却板６側）の第２純銅ブロック１６に取り付けられたフィンである。また、フィン２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂの熱スイッチ軸方向の長さは、ステンレス鋼管２３より短いものである。
次に、本発明別実施形態の熱スイッチの動作について説明する。基本動作は上記実施形態と同様であるが、フィン２１ａ、２１ｂはフィン２２ａ、２２ｂに比べ高温であり、各フィンは地面に対し垂直な平面を有するフィンであるため、図４（ｂ）に示すようなガスの対流が発生し、この対流が十分に行われる点が異なる。
上記構成により、上記実施形態と同様の効果だけでなく、熱スイッチの伝熱面が鉛直方向に配置されてさえいれば、熱スイッチの設置姿勢が鉛直、水平あるいはその中間など傾斜させられていたとしても、熱スイッチがオン状態となった際に、十分な対流伝熱効果を得ることができる。
なお、本発明別実施形態の多段式冷凍機の変形例として、ガス固化室を有しないものとしてもよい。例えば、固化したガスがフィン間を埋めないようにフィンの間隔を大きくとるなどしてもよい。
次に、実施例を用いて本発明を具体的に説明する。なお、以下に示す実施例１、２及び比較例１の超電導電磁石装置の各部分の大きさや形状は、相違点のある部分以外は同構成のものである。
（実施例１）
実施例１に係る超電導電磁石装置は、上記実施形態の多段式冷凍機（図１）と同構成であって、この多段式冷凍機を水平配置とすることにより、熱スイッチを水平配置した多段式冷凍機を用いたものである。なお、ガス固化室は図１と同配置であれば任意の位置でよい。
実施例１に係る超電導電磁石装置は、上記実施形態の多段式冷凍機（図１）と同構成であって、この多段式冷凍機を水平配置とすることにより、熱スイッチを水平配置した多段式冷凍機を用いたものである。なお、ガス固化室は図１と同配置であれば任意の位置でよい。
（実施例２）
実施例１に係る超電導電磁石装置は、上記別実施形態と同構成の多段式冷凍機（図４の熱スイッチを使用）を用いたものである。
実施例１に係る超電導電磁石装置は、上記別実施形態と同構成の多段式冷凍機（図４の熱スイッチを使用）を用いたものである。
（比較例１）
比較例１に係る超電導電磁石装置は、ガス固化室を有しない従来の熱スイッチを水平配置した多段式冷凍機（不図示）を用いたものである。
比較例１に係る超電導電磁石装置は、ガス固化室を有しない従来の熱スイッチを水平配置した多段式冷凍機（不図示）を用いたものである。
上記実施例１、２及び比較例１の超電導電磁石装置内の被冷却物（第２冷却板に接続されている超電導電磁石、以下の実施例２及び比較例１でも同様）及び輻射シールド（第１冷却板に接続、以下の実施例２及び比較例１でも同様）の冷却時の温度を、被冷却物に埋め込んだ酸化ルテニウムセンサーおよび輻射シールドに埋め込んだ白金抵抗センサーの抵抗値を超電導電磁石装置外部に設置したモニターにて温度換算することにより測定した。その結果を上記実施例１、２及び比較例１の順に図５〜７のグラフに示す。なお、図５〜７において、それぞれ（ａ）は冷却開始時から最終到達温度までの全データ、（ｂ）は最終到達温度近傍の拡大データを示し、実線は被冷却物の温度、点線は輻射シールドの温度を示すものである。
図５より、実施例１に係る超電導電磁石装置を用いた場合、最終到達温度は約４Ｋであることがわかる。これに対し、比較例１の超電導電磁石装置を用いた場合では、図６に示されるように、最終到達温度が約７Ｋにとどまっている。これは固化した作動ガスが伝熱面間を埋めるように残留したため、これを介した熱伝導により第１冷却端から第２冷却端への熱浸入があったためである。実施例１に係る多段式冷凍機を用いた場合には、このような問題は発生せず、熱スイッチは完全にオフ状態となっていることがわかる。
また、実施例２に係る超電導電磁石装置を用いた場合では、鉛直方向の伝熱面を持つ平板の伝熱フィンを備えることにより、熱スイッチのオン状態では、十分な対流伝熱効果が得られる。これにより、最終到達温度に達するまでの時間は実施例１及び比較例１の超電導電磁石装置では約５０時間であるが、実施例２の超電導電磁石装置では、約４３時間に短縮された。なお、最終到達温度は、実施例1の多段式冷凍機を用いた場合と同様の効果により約４Ｋに達した。
なお、本発明は、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で設計変更できるものであり、上記実施形態や実施例に限定されるものではない。
１ 多段式冷凍機
１ａ 冷凍機本体
２ 容器
３ 第１冷却部
３ａ 第１冷却端
４ 第２冷却部
４ａ 第２冷却端
５ 第１冷却板
６ 第２冷却板
７ 輻射シールド
８ 冷却空間
９ 被冷却物
１０ 熱スイッチ
１１ ガス固化室
１１ａ 管
１１ｂ 伝熱経路
１２ 第１部材
１３ 第２部材
１４ 第１純銅ブロック
１５ａ〜１５ｃ、１７ａ〜１７ｃ、２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ フィン
１６ 第２純銅ブロック
１６ａ 凹部
１８ 固化したガス
２３ ステンレス鋼管
１ａ 冷凍機本体
２ 容器
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３ａ 第１冷却端
４ 第２冷却部
４ａ 第２冷却端
５ 第１冷却板
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８ 冷却空間
９ 被冷却物
１０ 熱スイッチ
１１ ガス固化室
１１ａ 管
１１ｂ 伝熱経路
１２ 第１部材
１３ 第２部材
１４ 第１純銅ブロック
１５ａ〜１５ｃ、１７ａ〜１７ｃ、２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ フィン
１６ 第２純銅ブロック
１６ａ 凹部
１８ 固化したガス
２３ ステンレス鋼管
Claims (4)
- 最低到達温度が高くかつ冷却能力が高い第１冷却端と、最低到達温度が低く且つ冷却能力が低い第２冷却端と、
前記第１冷却端と前記第２冷却端との間を熱的に接続可能に設けられ、所定温度で熱的接続オンから熱的接続オフに切り換わる熱スイッチとを備え、
前記第２冷却端に被冷却物を熱的に接続するように取り付けて前記被冷却物を極低温まで冷却する多段式冷凍機であって、
前記熱スイッチの前記第２冷却端側で管を介して前記熱スイッチ内部と連通するガス固化室をさらに備え、前記ガス固化室の少なくとも一部を前記第２冷却端と熱的に接触させてなる多段式冷凍機。 - 前記熱スイッチが鉛直方向の伝熱面を持つ平板の伝熱フィンを備える請求項１記載の多段式冷凍機。
- 最低到達温度が高くかつ冷却能力が高い第１冷却端と、最低到達温度が低く且つ冷却能力が低い第２冷却端と、
前記第１冷却端と前記第２冷却端との間を熱的に接続可能に設けられ、所定温度で熱的接続オンから熱的接続オフに切り換わる熱スイッチとを備え、
前記第２冷却端に被冷却物を熱的に接続するように取り付けて前記被冷却物を極低温まで冷却する多段式冷凍機であって、
前記熱スイッチは、内部に鉛直方向の伝熱面を持つ平板の伝熱フィンを有し、かつ、内部に封入されたガスの気化で熱的接続オンになり、前記ガスの液化で熱的接続オフになる多段式冷凍機。 - 前記ガスが、ネオンガス、水素ガス又は窒素ガスである請求項１〜３のいずれかに記載の多段式冷凍機。
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2004
- 2004-05-20 JP JP2004150634A patent/JP3881675B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| US20150338151A1 (en) * | 2013-01-15 | 2015-11-26 | Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho (Kobe Steel,Ltd.) | Ultra-low-temperature device and method for refrigerating object to be refrigerated using the same |
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