JP4950392B2 - 多段式冷凍機及びそれに用いられる熱スイッチ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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とそれに用いられる熱スイッチに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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いる。従来、多段式冷凍機は、最低到達温度が高く且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冷却端とを直列につなぐ構造により、被冷却物を極低温に冷却するものである。被冷却物は、第２冷却端に接触するように配設され、極低温まで冷却される。
【０００３】
上記の構造の多段式冷凍機として、第１冷却端と第２冷却端との間に熱スイッチを配設し、第１冷却端と被冷却物を熱的につなぐものが提案されている。熱スイッチの役割は以下のとおりである。冷却初期段階では、被冷却物は第１冷却端と熱スイッチにより接続され、冷却能力の高い第１冷却端により早く冷却される。次に、第１冷却端の最低到達温度に近づくと、熱スイッチはオン状態からオフ状態となり、被冷却物は最低到達温度の低い第２冷却端のみにより極低温まで冷却される。
【０００４】
特開平９-１６６３６５に、第１冷却端の最低到達温度と第２冷却端の最低到達温度との間に沸点を有する媒体が熱スイッチに封入された多段式冷凍機とすることで、冷却能力の高い第１冷却端の冷却能力を十分に活用し、被冷却物を効率よく、より早く冷却することができる多段式冷却機が示されている。
【０００５】
上記の構成によると、熱スイッチの高温側が概鉛直上方にあり低温側が概鉛直下方にある場合には効果が得られた。しかし、磁場を利用するための被検査物の保持機構を短くして保持機構の剛性を高めて被検査物の振動を少なくする、或いは保持機構で発生する抵抗を少なくする等の目的で、超伝導磁場の主たる利用空間である被冷却物の上端と、多段式冷凍機の上端部である上部構造体との距離をできるだけ近づけたい場合がある。
【０００６】
かかる状況では、第１冷却端と第２冷却端との距離をそれらが接触しない範囲でできるだけ小さくする必要があり、第１冷却端と第２冷却端との間に熱スイッチを取付けることが困難となる。そこで、第2冷却端の上部に被冷却物を、下部に熱スイッチを配置し、熱スイッチの上端を第２冷却端と、下端を第１冷却端とを接続する方法が考えられる。
【０００７】
しかしながら、このような熱スイッチの配置では、媒体の沸点よりも高い領域では熱スイッチがオン状態となり第１冷却端の冷却能力が活用されるが、媒体の沸点よりも低い温度領域においては、液化または固化した媒体が高温側に落下して気化するサイクルにより熱伝導が存在してしまい、熱スイッチが完全にはオフ状態にはならないとう問題がある。かかる状況では熱スイッチが最低到達温度を高くする原因となってしまう。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記課題に鑑みなされたものであり、被冷却物の上端と多段式冷凍機の上部端との距離をできるだけ近づけても、被冷却物を効率よく早く冷却することができる多段式冷凍機と、それに用いられる熱スイッチとを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための本発明の多段式冷凍機は、最低到達温度が高く且つ冷却能力が高い第１冷却端と、熱的に被冷却物が取付けられた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、前記熱スイッチは、その内部に封入された熱伝達媒体の気化で熱的接続オンになり、前記媒体の液化または固化で熱的接続オフになるものであり、前記媒体は、前記第１冷却端の最低到達温度と前記第２冷却端の最低到達温度との間に沸点を有するように前記熱スイッチに封入され、前記間に前記所定温度が設定されている多段式冷凍機において、前記第１冷却端が前記第２冷却端の下部まで連続して設けられており、内部に媒体保持手段を有する熱交換部材が設けられた前記熱スイッチが、前記第１冷却端を下方に、前記第２冷却端を上方にして配設されることを第１の特徴とする。
【００１０】
上記の構成によると、熱スイッチを第２冷却端の下方に設けることになるので、第２冷却端の上部に利用空間を設けることができる。しかも、熱スイッチ内部の熱交換部材に媒体保持手段を有するため、熱スイッチの下端を高温である第１冷却端側に、上端を低温である第２冷却端側に設置しても、熱スイッチの上端付近で液化または固化した媒体は、落下の途中で媒体保持手段の上部に保持され、高温部である下端まで到達することが妨げられ、再度気化することが抑制されるため、接続オフの状態での熱伝導が少なく保たれ、冷却能力の高い第１冷却端の冷却能力を十分に活用し、被冷却物を効率よく、早く冷却することができる。
【００１１】
また、本発明の多段式冷凍機は、前記被冷却物が、前記第２冷却端の上部に設けられていることを第２の特徴とする。この構成によると、超伝導磁場の主たる利用空間である被冷却物の上端と、多段式冷凍機の上端部である上部構造体との距離をできるだけ近づけることができる。
【００１２】
前記課題を解決するための本発明の熱スイッチは、多段式冷凍機の、最低到達温度が高く且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冷却端との間を熱的に接続可能に設けられ、内部に封入された熱伝達媒体の気化で熱的接続オンになり、前記媒体の液化または固化で熱的接続オフになる熱スイッチにおいて、前記熱スイッチ内部の前記第１冷却端側と前記第２冷却端側に、それぞれ熱交換部材が取付けられており、少なくとも前記第２冷却端側の前記熱交換部材に、媒体保持手段が設けられていることを第１の特徴とする。
【００１３】
上記の構成によると、熱スイッチの上端が最低到達温度の低い第２冷却端に接続され、下端が最低到達温度の高い第１冷却端に接続された場合にも、熱スイッチの上端付近で液化または固化した媒体が、落下の途中で媒体保持手段の上部に保持され、高温部である下端まで到達することが妨げられ、再度気化することが抑制されるため、接続オフの状態での熱伝導が少なく保たれる。
【００１４】
また、本発明の熱スイッチは、前記第２冷却端側の前記熱交換部材に、前記媒体保持手段が設けられていることを第２の特徴とする。この構成によると、最低到達温度の低い第２冷却端に取付けられた熱交換部材付近で媒体は液化または固化するので、この熱交換部材に媒体保持手段が設けられることで、効率よく液化または固化した媒体を保持することができる。
【００１５】
また、本発明の熱スイッチは、前記第１冷却端側及び第２冷却端側の前記熱交換部材に、前記媒体保持手段が設けられていることを第３の特徴とする。この構成によると、第１冷却端及び第２冷却端に取付けられた熱交換部材に媒体保持手段が設けられているため、両者の共同作業で効率よく液化または固化した媒体を保持することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態の一例を説明する。図１は、本発明に係る多段式冷凍機１における熱スイッチ３の配置図であり、図２は、本発明に係る熱スイッチ３の構造を示す断面図である。
【００１７】
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内の冷却機本体１ａは、下面に第１冷却端４ａを有する第１冷却部４と、下面に第２冷却端５ａを有する第２冷却部５とを備えてなる。第１冷却板６は、円形板状の上面部６ａと、円筒形状の側面部６ｂと、板状の下面部６ｃとで構成されており、第１冷却板６内が冷却空間９を形成する。第１冷却端４ａは第１冷却板６ａに、第２冷却端５ａは冷却空間９内の第２冷却板７にネジ止めされる。第２冷却端５ａの下部に第２冷却板７が配設され、第２冷却板７の上部に被冷却物８が接続される。熱スイッチ３は、第１冷却板の下面部６ｃを下部に、第２冷却板７を上部に接続して配設される。第２冷却板７の上部には冷凍機本体１ａが、下部には熱スイッチ３が、オフセットで接続されているため、熱スイッチ３の上部の第２冷却板７の上部にはスペースができ、被冷却物８を設置することが可能である。熱スイッチ３内に、第１冷却端４ａの最低到達温度と第２冷却端５ａとの最低到達温度との間の沸点を有する、ガス（熱伝達媒体）が封入されている。
【００１８】
多段式冷凍機１に配設された熱スイッチ３は、図２に示すように、第１部材１７と、第２部材１８とを備えている。
【００１９】
第１部材１７は、円柱形状の第１純銅ブロック１１と、純銅製の円筒状のフィン１３ａ〜１３ｄ（熱交換部材）とを備えている。第１純銅ブロック１１上に、径の小さい順にフィン１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ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。
【００２０】
第２部材１８は、円柱形状の第２純銅ブロック１２と、凸部１６（媒体保持手段）を有する純銅製の円筒状のフィン１４ａ〜１４ｄ（熱交換部材）と、円筒状のステンレス鋼管１５とを備えている。第２純銅ブロック１２上に、径の小さい順にフィン１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ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。フィン１４ａ〜１４ｄの外側の面には、概水平方向の凸部１６が複数列設けられている。更に、第２純銅ブロック１２上に、第２フィン１４の外側に薄肉のステンレス鋼管１５が同心円状に接合されており、このステンレス鋼管１５の長さは第１フィン１３及び第２フィン１４の長さよりも長い。
【００２１】
上記の熱スイッチ３は、この上下の２つの第１部材１７と第２部材１８とが重ね合わされて、第１純銅ブロック１１とステンレス鋼管１５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１５と第１純銅ブロック１１と第２純銅ブロック１２により、密閉した空間を形成する。この空間内で、フィン１３ａ〜１３ｄとフィン１４ａ〜１４ｄとが同心円状・交互に配置される構造である。第１フィン１３と第２純銅ブロック１２との間及び第２フィン１４と第１純銅ブロック１１との間に隙間を有するように対向させた構造となる。
【００２２】
熱スイッチ３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１１が鉛直方向下の高温側の第１冷却板６の下面部６ｃに、第２純銅ブロック１２が鉛直方向上の低温側の第２冷却板７に接続されることになる。
【００２３】
次に、熱スイッチ３の動作について説明する。本発明に係る熱スイッチ３は、ステンレス鋼管１５により密閉した空間内部に、第１冷却端４ａの最低到達温度と第２冷却冷却端５ａの最低到達温度との間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、第１フィン１３と第２フィン１４との隙間を通じて行われている。最外層のステンレス鋼管１５は、熱スイッチ３のオフ状態には無視できるほどに熱伝導度が低くなっている。熱スイッチ３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。ガスは沸点以下となり鉛直方向上にある第２純銅ブロック１２に接続された第２フィン１４付近で液化または固化されても、凸部１６の上部に溜まり、ガスが気化する温度を有する第１純銅ブロック１１上には落下しない。
【００２４】
第１冷却端４ａの最低到達温度が３０Ｋで、第２冷却端５ａの最低到達温度が４Ｋである場合において、４Ｋ〜３０Ｋの間に、沸点を有するガス、例えば常温で４気圧のネオンガス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３は熱を伝えることができ（熱スイッチ３がオン状態）、被冷却物８は第１冷却端４ａ及び第２冷却端５ａで冷却される。第１冷却端４ａは、第２冷却端５ａよりも冷却能力が高いため、熱スイッチ３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へと変化するが、４Ｋ〜３０Ｋの間にある。
【００２５】
更に、冷却が進行し、熱スイッチ３の温度が第１冷却端４ａ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３内部が真空となり、熱を伝えなくなるので（熱スイッチ４がオフ状態）、これ以降は第２冷却端５ａのみで被冷却物８を極低温まで冷却する。液化または固化したガスは、凸部１６により、熱スイッチ３内部の下端まで達することはなく、熱スイッチ３は完全にオフ状態を保つことができる。
【００２６】
本発明別形態例として、熱スイッチ３´の分解図の断面図を、図３に示す。熱スイッチ３´は、第１部材２７と、第２部材２８とを備えている。
【００２７】
第１部材２７は、円柱形状の第１純銅ブロック２１と、純銅製の円筒状の凸部２６ａ（媒体保持手段）を有する第１フィン２３（熱交換部材）と、円筒状のステンレス鋼管２５とを備えている。第１純銅ブロック２１上に、第１フィン２３が溶着等により接合されている。第１フィン２３の外側の面には、螺旋状の凸部２６ａが設けられている。更に、第１純銅ブロック２１上に、第１フィン２３の外側に薄肉のステンレス鋼管２５が同心円状に接合されており、このステンレス鋼管２５の長さは第１フィン２３及び第２フィン２４の長さよりも長い。
【００２８】
第２部材２８は、円柱形状の第２純銅ブロック２２と、凸部２６ｂ（媒体保持手段）を有する純銅製の円筒状の第２フィン２４（熱交換部材）とを備えている。第２純銅ブロック２２上に第２フィン２４が溶着等により接合されている。第２フィン２４の内側の面には、螺旋状の凸部２６ｂが設けられている。
【００２９】
上記の熱スイッチ３´は、この上下の２つの第１部材２７と第２部材２８とが、螺旋状の凸部２６ａと凸部２６ｂとが交互に重なるように、回転しつつ捻じ込まれ、第２純銅ブロック２２とステンレス鋼管２５が溶着等により固定されることで、図４に示す熱スイッチ３´となる。外側のステンレス鋼管２５と第１純銅ブロック２１と第２純銅ブロック２２により、密閉した空間を形成する。この空間内で、第１フィン２３と第２フィン２４とが同心円状・交互に配置される構造である。第１フィン２３と第２純銅ブロック２２との間及び第２フィン２４と第１純銅ブロック２１との間に隙間を有するように対向させた構造となる。
【００３０】
熱スイッチ３´は、熱スイッチ３と同様に、図１に示す多段式冷凍機１に配置される。第１純銅ブロック２１が鉛直方向下の高温側の第１冷却板６の下面部６ｃに、第２純銅ブロック２２が鉛直方向上の低温側の第２冷却板７に接続されることになる。
【００３１】
なお、図１の多段式冷凍機１では、熱スイッチ３の第１純銅ブロック１１を第１冷却板６の下面部６ｃに、第２純銅ブロック１２を第２冷却板７に直接接続させたように表現したが、これら接続部分は熱的に良好に接続されていればよく、第１冷却端６は上面部６ａのみとし、熱伝導のよい部材が、第１純銅ブロック１１と第１冷却板６ａとの間、または、第２純銅ブロックと第２冷却板７との間に存在しても、効果は同等である。
【００３２】
また、冷凍機本体１ａと、熱スイッチ３とを、第２冷却板７を挟んで上下になるように接続してもよい。この場合、片持ちの第２冷却板７の上部にスペースができ、被冷却物８を設置することが可能である。
【００３３】
また、熱スイッチ３において、媒体保持手段としての凸部１６は、液化または固化したガスが第１純銅ブロック１１付近まで落下するのを防ぐものであればよく、例えば、凸部１６のフィンに接合されていない方の端部を斜め上方に傾斜させたり、フィンに接続されていない方の端部に上方への折り曲げ部を設けたりすることも可能である。
【００３４】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
【００３５】
（実施例１）
多段式冷凍機１に熱スイッチ３を配設したものを用いて冷却試験を行った。使用した多段式冷凍機１の最低到達温度は第１冷却端４ａが３０Ｋ、第２冷却端５ａが４Ｋで、冷却能力は第１冷却端４ａが５０Ｋで２５Ｗであり、第２冷却端５ａが４．３Ｋで１Ｗである。被冷却物８は、概略外径４００ｍｍ、概略内径１７０ｍｍ、概略高さ４００ｍｍ、概略重量１７０ｋｇの超伝導磁石とした。この超伝導磁石はＮｂＴｉ線及びＮｂ3Ｓｎ線が使用されている。被冷却物８を、厚さ約１５ｍｍの純銅製の第２冷却板７を介して、第２冷却端５ａに取付けた。前記第２冷却端５ａと前記第２冷却板７との間には、インジュウムシートを挟み、熱伝達を改善した。更に、前記超伝導磁石と前記第２冷却板７、熱スイッチ３と前記第２冷却板７との間にも、インジュウムシートを挟んだ。
【００３６】
使用した熱スイッチ３は、図２に示す構造である。図２の熱スイッチ３において、第１純銅ブロック１１及び第２純銅ブロック１２の厚さを２０ｍｍ、径を７０．２ｍｍとし、ステンレス鋼管１５の長さを１００ｍｍ、内径を５７．２ｍｍ、外径を５８ｍｍ、肉厚を０．４ｍｍとした。そして、第１フィン１３の内径を、フィン１３ａは６ｍｍ、フィン１３ｂは１５ｍｍ、フィン１３ｃは２４ｍｍ、フィン１３ｄは３３ｍｍとし、それぞれの長さを８０ｍｍとし、厚さを１ｍｍとした。また、第２フィン１４の内径を、フィン１４ａは１２ｍｍ、フィン１４ｂは２１ｍｍ、フィン１４ｃは３０ｍｍ、フィン１４ｄは３９ｍｍとし、それぞれの長さを８０ｍｍとし、厚さを１ｍｍとした。このように、各フィンの間隔は２．０ｍｍとした。凸部１６の幅は１．５ｍｍとし、上下に２０ｍｍ間隔で、３列設けた。第１純銅ブロック１１と第１フィン１３との接続、第２純銅ブロック１２と第２フィン１４との接続、及び第２フィン１４と凸部１６との接続は、Ｔｉｇ溶接により接続した。第１純銅ブロック１１ステンレス鋼管１５との接続、及び第２純銅ブロック１２とステンレス鋼管１５との接続はステンレス鋼半田を使用して接続した。
【００３７】
熱スイッチ３の第１純銅ブロック１１及び第２純銅ブロック１２の対向面積は、２．８×１０-2ｍ2とした。内部ガスが窒素ガスの場合、熱スイッチ４がオンの時の熱伝導分は、第１純銅ブロック１１と第２純銅ブロック１２の温度差を３０Ｋとすると、約３０Ｗとなる。また、熱スイッチ４がオフの時は第１純銅ブロック１１と第２純銅ブロック１２との間の熱伝導分について、ステンレス鋼管１５の熱伝導分は３６ｍＷ、第１フィン１３及び第２フィン１４の間の輻射分は０．０５４ｍＷと見積もられる。この結果、熱スイッチ４のオフ状態での熱伝導は無視できるほど、低い熱伝導度になっている。多段式冷凍機１の容器２は、ターボ分子ポンプにより室温で１０-3Ｔｏｒｒ以下まで真空排気される。冷却最終段階では、容器２内の真空度は１０-6Ｔｏｒｒ台に達する。
【００３８】
上記の冷却試験結果を図５に示す。室温で４気圧のネオンガスを内部ガスとして封入した。
【００３９】
（実施例２）
実施例１において、熱スイッチ３の替わりに熱スイッチ３´を用いて冷却試験を行った。
【００４０】
使用した熱スイッチ３´は、図３に示す構造である。図３の熱スイッチ３´において、第１純銅ブロック２１及び第２純銅ブロック２２の厚さを２０ｍｍ、径を７０．２ｍｍとし、ステンレス鋼管２５の長さを１００ｍｍ、内径を５７．２ｍｍ、外径を５８ｍｍ、肉厚を０．４ｍｍとした。そして、第１フィン２３の内径を、５２ｍｍとし、長さを８０ｍｍとし、厚さを１ｍｍとした。また、第２フィン２４の内径を、６ｍｍとし、長さを８０ｍｍとし、厚さを１ｍｍとした。凸部２６ａ及び凸部２６ｂの幅は２１ｍｍとし、ピッチを３ｍｍ、巻回数を２６回とした。第１純銅ブロック１１と第１フィン１３との接続、第２純銅ブロック１２と第２フィン１４との接続、及び第２フィン１４と凸部１６との接続は、Ｔｉｇ溶接により接続した。第１純銅ブロック１１ステンレス鋼管１５との接続、及び第２純銅ブロック１２とステンレス鋼管１５との接続はステンレス鋼半田を使用して接続した。
【００４１】
熱スイッチ３´の第１純銅ブロック２１及び第２純銅ブロック２２の対向面積は、１．６×１０-2ｍ2である。内部ガスが窒素ガスの場合、熱スイッチ３´がオンの時の熱伝導分は、第１純銅ブロック２１と第２純銅ブロック２２との温度差を３０Ｋとすると、約１７Ｗとなる。
【００４２】
上記の冷却試験結果を図６に示す。室温で４気圧のネオンガスを内部ガスとして封入した。
【００４３】
（比較例）
比較例として、図７に示す従来の多段式冷凍機３１を用いて、実施例と同様に冷却試験を行った。
【００４４】
多段式冷凍機３１は、容器３２内に冷凍機本体３１ａの大部分を突出させてなっている。この容器３２は普通、真空容器として形成されている。容器３２内の冷却機本体３１ａは、下面に第１冷却端３５ａを有する第１冷却部３５と、下面に第２冷却端５ａを有する第２冷却部５とを備えてなる。第１冷却端３５ａの下部に第１冷却板３７が、第２冷却端３６ａの下部に第２冷却板３８が、ネジ止めされている。第１冷却板３７は輻射シールド３３と接続され、冷却空間３９を形成される。熱スイッチ３４は、第１冷却板３７と第２冷却板３８とを接続して配設される。熱スイッチ３４内に、第１冷却端３５ａの最低到達温度と第２冷却端３６ａの最低到達温度との間の沸点を有するガス（媒体）が封入されている。
【００４５】
多段式冷凍機３１に配設された熱スイッチ３４は、図８に示すように、第１部材４７と、第２部材４８とを備えている。
【００４６】
第１部材４７は、円柱形状の第１純銅ブロック４１と、純銅製の円筒状のフィン４３ａ〜４３ｄ（熱交換部材）とを備えている。第１純銅ブロック４１上に、径の小さい順にフィン４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ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。
【００４７】
第２部材４８は、円柱形状の第２純銅ブロック４２と、純銅製の円筒状のフィン４４ａ〜４４ｄ（熱交換部材）と、円筒状のステンレス鋼管４５とを備えている。第２純銅ブロック４２上に、径の小さい順にフィン４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄ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４２上に、第２フィン４４の外側に薄肉のステンレス鋼管４５が同心円状に接合されており、このステンレス鋼管４５の長さは第１フィン４３及び第２フィン４４の長さよりも長い。
【００４８】
上記のスイッチ３４は、この上下の２つの第１部材４７と第２部材４８とが重ね合わされて、第１純銅ブロック４１とステンレス鋼管４５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４５と第１純銅ブロック４１と第２純銅ブロック４２により、密閉した空間を形成する。この空間内で、フィン１４３ａ〜４３ｄとフィン４４ａ〜４４ｄとが同心円状・交互に配置される構造である。第１フィン４３と第２純銅ブロック４２との間及び第２フィン４４と第１純銅ブロック４１との間に隙間を有するように対向させた構造となる。
【００４９】
熱スイッチ３４は、図７の多段式冷凍機３１に示すように、第１純銅ブロック４１が鉛直方向上の高温側の第１冷却板３５ａに、第２純銅ブロック４２が鉛直方向下の低温側の第２冷却板３６ａに接続されることになる。
【００５０】
上記の冷却試験結果を図９に示す。室温で４気圧のネオンガスを内部ガスとして封入した。
【００５１】
試験結果を参照すると、以下のことが言える。
（１）実施例１の試験結果では、被冷却物である超伝導磁石を常温から最低到達温度まで冷却するのに約９５時間を要し、超伝導磁石の最低到達温度は約４Ｋであった。また、比較例の試験結果では、被冷却物である超伝導磁石を常温から最低到達温度まで冷却するのに約１００時間を要し、超伝導磁石の最低到達温度は約６Ｋであった。よって、本発明に係る多段式冷凍機は、熱スイッチを逆にしても、被冷却物の冷却時間を短縮し、しかも最低到達温度を下げることができることが分かる。
【００５２】
（２）実施例２の試験結果では、被冷却物である超伝導磁石を常温から最低到達温度まで冷却するのに約１２０時間を要し、超伝導磁石の最低到達温度は約３．５Ｋであった。これは、熱スイッチの純銅性フィンの対向面積が、実施例１に比べて少なくなっているために、常温から最低温度まで冷却するのに時間を要したが、熱スイッチ内部での液化したガスの移動が更に妨げられたために、熱スイッチがオフの状態での熱伝導が少なくなったことを示している。よって、熱スイッチを逆にしても同等の効果が得られるため、実施例１の構造にするか、実施例２の構造にするかは、最終的に時間短縮を優先するか、最低到達温度を優先するかで選択することができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る多段式冷凍機の第１の特徴によると、第２冷却端の上部に利用空間を設けることができ、しかも、熱スイッチの下端を高温である第１冷却端側に、上端を低温である第２冷却端側に設置しても、熱スイッチの上端付近で液化または固化した媒体は、落下の途中で媒体保持手段の上部に保持され、高温部である下端まで到達することが妨げられ、再度気化することが抑制されるため、接続オフの状態での熱伝導が少なく保たれ、冷却能力の高い第１冷却端の冷却能力を十分に活用し、被冷却物を効率よく、早く冷却することができる。
【００５４】
また、本発明に係る多段式冷凍機の第２の特徴によると、超伝導磁場の主たる利用空間である被冷却物の上端と、多段式冷凍機の上端部である上部構造体との距離をできるだけ近づけることができる。
【００５５】
また、本発明に係る熱スイッチによると、熱スイッチの上端が最低到達温度の低い第２冷却端に接続され、下端が最低到達温度の高い第１冷却端に接続された場合にも、熱スイッチの上端付近で液化または固化した媒体が、落下の途中で媒体保持手段の上部に保持され、高温部である下端まで到達することが妨げられ、再度気化することが抑制されるため、接続オフの状態での熱伝導が少なく保たれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る多段式冷凍機の熱スイッチの配置断面図である。
【図２】本発明に係る熱スイッチの分解図の断面図である。
【図３】本発明に係る熱スイッチの分解図の断面図である。
【図４】本発明に係る熱スイッチの断面図である。
【図５】実施例１の冷却試験結果を示すグラフである。
【図６】実施例２の冷却試験結果を示すグラフである。
【図７】従来の多段式冷凍機の熱スイッチの配置断面図である。
【図８】従来の熱スイッチの分解図の断面図である。
【図９】比較例の冷却試験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 多段式冷凍機
１ａ 冷凍機本体
２ 容器（真空容器）
３ 熱スイッチ
４ 第１冷却部
４ａ 第１冷却端
５ 第２冷却部
５ａ 第２冷却端
６ 第１冷却端
６ａ 上面部
６ｂ 側面部
６ｃ 下面部
７ 第２冷却板
８ 被冷却物
９ 冷却空間
１１ 第１純銅ブロック
１２ 第２純銅ブロック
１５ ステンレス鋼管
【発明の属する技術分野】
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とそれに用いられる熱スイッチに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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いる。従来、多段式冷凍機は、最低到達温度が高く且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冷却端とを直列につなぐ構造により、被冷却物を極低温に冷却するものである。被冷却物は、第２冷却端に接触するように配設され、極低温まで冷却される。
【０００３】
上記の構造の多段式冷凍機として、第１冷却端と第２冷却端との間に熱スイッチを配設し、第１冷却端と被冷却物を熱的につなぐものが提案されている。熱スイッチの役割は以下のとおりである。冷却初期段階では、被冷却物は第１冷却端と熱スイッチにより接続され、冷却能力の高い第１冷却端により早く冷却される。次に、第１冷却端の最低到達温度に近づくと、熱スイッチはオン状態からオフ状態となり、被冷却物は最低到達温度の低い第２冷却端のみにより極低温まで冷却される。
【０００４】
特開平９-１６６３６５に、第１冷却端の最低到達温度と第２冷却端の最低到達温度との間に沸点を有する媒体が熱スイッチに封入された多段式冷凍機とすることで、冷却能力の高い第１冷却端の冷却能力を十分に活用し、被冷却物を効率よく、より早く冷却することができる多段式冷却機が示されている。
【０００５】
上記の構成によると、熱スイッチの高温側が概鉛直上方にあり低温側が概鉛直下方にある場合には効果が得られた。しかし、磁場を利用するための被検査物の保持機構を短くして保持機構の剛性を高めて被検査物の振動を少なくする、或いは保持機構で発生する抵抗を少なくする等の目的で、超伝導磁場の主たる利用空間である被冷却物の上端と、多段式冷凍機の上端部である上部構造体との距離をできるだけ近づけたい場合がある。
【０００６】
かかる状況では、第１冷却端と第２冷却端との距離をそれらが接触しない範囲でできるだけ小さくする必要があり、第１冷却端と第２冷却端との間に熱スイッチを取付けることが困難となる。そこで、第2冷却端の上部に被冷却物を、下部に熱スイッチを配置し、熱スイッチの上端を第２冷却端と、下端を第１冷却端とを接続する方法が考えられる。
【０００７】
しかしながら、このような熱スイッチの配置では、媒体の沸点よりも高い領域では熱スイッチがオン状態となり第１冷却端の冷却能力が活用されるが、媒体の沸点よりも低い温度領域においては、液化または固化した媒体が高温側に落下して気化するサイクルにより熱伝導が存在してしまい、熱スイッチが完全にはオフ状態にはならないとう問題がある。かかる状況では熱スイッチが最低到達温度を高くする原因となってしまう。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記課題に鑑みなされたものであり、被冷却物の上端と多段式冷凍機の上部端との距離をできるだけ近づけても、被冷却物を効率よく早く冷却することができる多段式冷凍機と、それに用いられる熱スイッチとを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための本発明の多段式冷凍機は、最低到達温度が高く且つ冷却能力が高い第１冷却端と、熱的に被冷却物が取付けられた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、前記熱スイッチは、その内部に封入された熱伝達媒体の気化で熱的接続オンになり、前記媒体の液化または固化で熱的接続オフになるものであり、前記媒体は、前記第１冷却端の最低到達温度と前記第２冷却端の最低到達温度との間に沸点を有するように前記熱スイッチに封入され、前記間に前記所定温度が設定されている多段式冷凍機において、前記第１冷却端が前記第２冷却端の下部まで連続して設けられており、内部に媒体保持手段を有する熱交換部材が設けられた前記熱スイッチが、前記第１冷却端を下方に、前記第２冷却端を上方にして配設されることを第１の特徴とする。
【００１０】
上記の構成によると、熱スイッチを第２冷却端の下方に設けることになるので、第２冷却端の上部に利用空間を設けることができる。しかも、熱スイッチ内部の熱交換部材に媒体保持手段を有するため、熱スイッチの下端を高温である第１冷却端側に、上端を低温である第２冷却端側に設置しても、熱スイッチの上端付近で液化または固化した媒体は、落下の途中で媒体保持手段の上部に保持され、高温部である下端まで到達することが妨げられ、再度気化することが抑制されるため、接続オフの状態での熱伝導が少なく保たれ、冷却能力の高い第１冷却端の冷却能力を十分に活用し、被冷却物を効率よく、早く冷却することができる。
【００１１】
また、本発明の多段式冷凍機は、前記被冷却物が、前記第２冷却端の上部に設けられていることを第２の特徴とする。この構成によると、超伝導磁場の主たる利用空間である被冷却物の上端と、多段式冷凍機の上端部である上部構造体との距離をできるだけ近づけることができる。
【００１２】
前記課題を解決するための本発明の熱スイッチは、多段式冷凍機の、最低到達温度が高く且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冷却端との間を熱的に接続可能に設けられ、内部に封入された熱伝達媒体の気化で熱的接続オンになり、前記媒体の液化または固化で熱的接続オフになる熱スイッチにおいて、前記熱スイッチ内部の前記第１冷却端側と前記第２冷却端側に、それぞれ熱交換部材が取付けられており、少なくとも前記第２冷却端側の前記熱交換部材に、媒体保持手段が設けられていることを第１の特徴とする。
【００１３】
上記の構成によると、熱スイッチの上端が最低到達温度の低い第２冷却端に接続され、下端が最低到達温度の高い第１冷却端に接続された場合にも、熱スイッチの上端付近で液化または固化した媒体が、落下の途中で媒体保持手段の上部に保持され、高温部である下端まで到達することが妨げられ、再度気化することが抑制されるため、接続オフの状態での熱伝導が少なく保たれる。
【００１４】
また、本発明の熱スイッチは、前記第２冷却端側の前記熱交換部材に、前記媒体保持手段が設けられていることを第２の特徴とする。この構成によると、最低到達温度の低い第２冷却端に取付けられた熱交換部材付近で媒体は液化または固化するので、この熱交換部材に媒体保持手段が設けられることで、効率よく液化または固化した媒体を保持することができる。
【００１５】
また、本発明の熱スイッチは、前記第１冷却端側及び第２冷却端側の前記熱交換部材に、前記媒体保持手段が設けられていることを第３の特徴とする。この構成によると、第１冷却端及び第２冷却端に取付けられた熱交換部材に媒体保持手段が設けられているため、両者の共同作業で効率よく液化または固化した媒体を保持することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態の一例を説明する。図１は、本発明に係る多段式冷凍機１における熱スイッチ３の配置図であり、図２は、本発明に係る熱スイッチ３の構造を示す断面図である。
【００１７】
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内の冷却機本体１ａは、下面に第１冷却端４ａを有する第１冷却部４と、下面に第２冷却端５ａを有する第２冷却部５とを備えてなる。第１冷却板６は、円形板状の上面部６ａと、円筒形状の側面部６ｂと、板状の下面部６ｃとで構成されており、第１冷却板６内が冷却空間９を形成する。第１冷却端４ａは第１冷却板６ａに、第２冷却端５ａは冷却空間９内の第２冷却板７にネジ止めされる。第２冷却端５ａの下部に第２冷却板７が配設され、第２冷却板７の上部に被冷却物８が接続される。熱スイッチ３は、第１冷却板の下面部６ｃを下部に、第２冷却板７を上部に接続して配設される。第２冷却板７の上部には冷凍機本体１ａが、下部には熱スイッチ３が、オフセットで接続されているため、熱スイッチ３の上部の第２冷却板７の上部にはスペースができ、被冷却物８を設置することが可能である。熱スイッチ３内に、第１冷却端４ａの最低到達温度と第２冷却端５ａとの最低到達温度との間の沸点を有する、ガス（熱伝達媒体）が封入されている。
【００１８】
多段式冷凍機１に配設された熱スイッチ３は、図２に示すように、第１部材１７と、第２部材１８とを備えている。
【００１９】
第１部材１７は、円柱形状の第１純銅ブロック１１と、純銅製の円筒状のフィン１３ａ〜１３ｄ（熱交換部材）とを備えている。第１純銅ブロック１１上に、径の小さい順にフィン１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ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。
【００２０】
第２部材１８は、円柱形状の第２純銅ブロック１２と、凸部１６（媒体保持手段）を有する純銅製の円筒状のフィン１４ａ〜１４ｄ（熱交換部材）と、円筒状のステンレス鋼管１５とを備えている。第２純銅ブロック１２上に、径の小さい順にフィン１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ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。フィン１４ａ〜１４ｄの外側の面には、概水平方向の凸部１６が複数列設けられている。更に、第２純銅ブロック１２上に、第２フィン１４の外側に薄肉のステンレス鋼管１５が同心円状に接合されており、このステンレス鋼管１５の長さは第１フィン１３及び第２フィン１４の長さよりも長い。
【００２１】
上記の熱スイッチ３は、この上下の２つの第１部材１７と第２部材１８とが重ね合わされて、第１純銅ブロック１１とステンレス鋼管１５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１５と第１純銅ブロック１１と第２純銅ブロック１２により、密閉した空間を形成する。この空間内で、フィン１３ａ〜１３ｄとフィン１４ａ〜１４ｄとが同心円状・交互に配置される構造である。第１フィン１３と第２純銅ブロック１２との間及び第２フィン１４と第１純銅ブロック１１との間に隙間を有するように対向させた構造となる。
【００２２】
熱スイッチ３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１１が鉛直方向下の高温側の第１冷却板６の下面部６ｃに、第２純銅ブロック１２が鉛直方向上の低温側の第２冷却板７に接続されることになる。
【００２３】
次に、熱スイッチ３の動作について説明する。本発明に係る熱スイッチ３は、ステンレス鋼管１５により密閉した空間内部に、第１冷却端４ａの最低到達温度と第２冷却冷却端５ａの最低到達温度との間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、第１フィン１３と第２フィン１４との隙間を通じて行われている。最外層のステンレス鋼管１５は、熱スイッチ３のオフ状態には無視できるほどに熱伝導度が低くなっている。熱スイッチ３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。ガスは沸点以下となり鉛直方向上にある第２純銅ブロック１２に接続された第２フィン１４付近で液化または固化されても、凸部１６の上部に溜まり、ガスが気化する温度を有する第１純銅ブロック１１上には落下しない。
【００２４】
第１冷却端４ａの最低到達温度が３０Ｋで、第２冷却端５ａの最低到達温度が４Ｋである場合において、４Ｋ〜３０Ｋの間に、沸点を有するガス、例えば常温で４気圧のネオンガス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３は熱を伝えることができ（熱スイッチ３がオン状態）、被冷却物８は第１冷却端４ａ及び第２冷却端５ａで冷却される。第１冷却端４ａは、第２冷却端５ａよりも冷却能力が高いため、熱スイッチ３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へと変化するが、４Ｋ〜３０Ｋの間にある。
【００２５】
更に、冷却が進行し、熱スイッチ３の温度が第１冷却端４ａ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３内部が真空となり、熱を伝えなくなるので（熱スイッチ４がオフ状態）、これ以降は第２冷却端５ａのみで被冷却物８を極低温まで冷却する。液化または固化したガスは、凸部１６により、熱スイッチ３内部の下端まで達することはなく、熱スイッチ３は完全にオフ状態を保つことができる。
【００２６】
本発明別形態例として、熱スイッチ３´の分解図の断面図を、図３に示す。熱スイッチ３´は、第１部材２７と、第２部材２８とを備えている。
【００２７】
第１部材２７は、円柱形状の第１純銅ブロック２１と、純銅製の円筒状の凸部２６ａ（媒体保持手段）を有する第１フィン２３（熱交換部材）と、円筒状のステンレス鋼管２５とを備えている。第１純銅ブロック２１上に、第１フィン２３が溶着等により接合されている。第１フィン２３の外側の面には、螺旋状の凸部２６ａが設けられている。更に、第１純銅ブロック２１上に、第１フィン２３の外側に薄肉のステンレス鋼管２５が同心円状に接合されており、このステンレス鋼管２５の長さは第１フィン２３及び第２フィン２４の長さよりも長い。
【００２８】
第２部材２８は、円柱形状の第２純銅ブロック２２と、凸部２６ｂ（媒体保持手段）を有する純銅製の円筒状の第２フィン２４（熱交換部材）とを備えている。第２純銅ブロック２２上に第２フィン２４が溶着等により接合されている。第２フィン２４の内側の面には、螺旋状の凸部２６ｂが設けられている。
【００２９】
上記の熱スイッチ３´は、この上下の２つの第１部材２７と第２部材２８とが、螺旋状の凸部２６ａと凸部２６ｂとが交互に重なるように、回転しつつ捻じ込まれ、第２純銅ブロック２２とステンレス鋼管２５が溶着等により固定されることで、図４に示す熱スイッチ３´となる。外側のステンレス鋼管２５と第１純銅ブロック２１と第２純銅ブロック２２により、密閉した空間を形成する。この空間内で、第１フィン２３と第２フィン２４とが同心円状・交互に配置される構造である。第１フィン２３と第２純銅ブロック２２との間及び第２フィン２４と第１純銅ブロック２１との間に隙間を有するように対向させた構造となる。
【００３０】
熱スイッチ３´は、熱スイッチ３と同様に、図１に示す多段式冷凍機１に配置される。第１純銅ブロック２１が鉛直方向下の高温側の第１冷却板６の下面部６ｃに、第２純銅ブロック２２が鉛直方向上の低温側の第２冷却板７に接続されることになる。
【００３１】
なお、図１の多段式冷凍機１では、熱スイッチ３の第１純銅ブロック１１を第１冷却板６の下面部６ｃに、第２純銅ブロック１２を第２冷却板７に直接接続させたように表現したが、これら接続部分は熱的に良好に接続されていればよく、第１冷却端６は上面部６ａのみとし、熱伝導のよい部材が、第１純銅ブロック１１と第１冷却板６ａとの間、または、第２純銅ブロックと第２冷却板７との間に存在しても、効果は同等である。
【００３２】
また、冷凍機本体１ａと、熱スイッチ３とを、第２冷却板７を挟んで上下になるように接続してもよい。この場合、片持ちの第２冷却板７の上部にスペースができ、被冷却物８を設置することが可能である。
【００３３】
また、熱スイッチ３において、媒体保持手段としての凸部１６は、液化または固化したガスが第１純銅ブロック１１付近まで落下するのを防ぐものであればよく、例えば、凸部１６のフィンに接合されていない方の端部を斜め上方に傾斜させたり、フィンに接続されていない方の端部に上方への折り曲げ部を設けたりすることも可能である。
【００３４】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
【００３５】
（実施例１）
多段式冷凍機１に熱スイッチ３を配設したものを用いて冷却試験を行った。使用した多段式冷凍機１の最低到達温度は第１冷却端４ａが３０Ｋ、第２冷却端５ａが４Ｋで、冷却能力は第１冷却端４ａが５０Ｋで２５Ｗであり、第２冷却端５ａが４．３Ｋで１Ｗである。被冷却物８は、概略外径４００ｍｍ、概略内径１７０ｍｍ、概略高さ４００ｍｍ、概略重量１７０ｋｇの超伝導磁石とした。この超伝導磁石はＮｂＴｉ線及びＮｂ3Ｓｎ線が使用されている。被冷却物８を、厚さ約１５ｍｍの純銅製の第２冷却板７を介して、第２冷却端５ａに取付けた。前記第２冷却端５ａと前記第２冷却板７との間には、インジュウムシートを挟み、熱伝達を改善した。更に、前記超伝導磁石と前記第２冷却板７、熱スイッチ３と前記第２冷却板７との間にも、インジュウムシートを挟んだ。
【００３６】
使用した熱スイッチ３は、図２に示す構造である。図２の熱スイッチ３において、第１純銅ブロック１１及び第２純銅ブロック１２の厚さを２０ｍｍ、径を７０．２ｍｍとし、ステンレス鋼管１５の長さを１００ｍｍ、内径を５７．２ｍｍ、外径を５８ｍｍ、肉厚を０．４ｍｍとした。そして、第１フィン１３の内径を、フィン１３ａは６ｍｍ、フィン１３ｂは１５ｍｍ、フィン１３ｃは２４ｍｍ、フィン１３ｄは３３ｍｍとし、それぞれの長さを８０ｍｍとし、厚さを１ｍｍとした。また、第２フィン１４の内径を、フィン１４ａは１２ｍｍ、フィン１４ｂは２１ｍｍ、フィン１４ｃは３０ｍｍ、フィン１４ｄは３９ｍｍとし、それぞれの長さを８０ｍｍとし、厚さを１ｍｍとした。このように、各フィンの間隔は２．０ｍｍとした。凸部１６の幅は１．５ｍｍとし、上下に２０ｍｍ間隔で、３列設けた。第１純銅ブロック１１と第１フィン１３との接続、第２純銅ブロック１２と第２フィン１４との接続、及び第２フィン１４と凸部１６との接続は、Ｔｉｇ溶接により接続した。第１純銅ブロック１１ステンレス鋼管１５との接続、及び第２純銅ブロック１２とステンレス鋼管１５との接続はステンレス鋼半田を使用して接続した。
【００３７】
熱スイッチ３の第１純銅ブロック１１及び第２純銅ブロック１２の対向面積は、２．８×１０-2ｍ2とした。内部ガスが窒素ガスの場合、熱スイッチ４がオンの時の熱伝導分は、第１純銅ブロック１１と第２純銅ブロック１２の温度差を３０Ｋとすると、約３０Ｗとなる。また、熱スイッチ４がオフの時は第１純銅ブロック１１と第２純銅ブロック１２との間の熱伝導分について、ステンレス鋼管１５の熱伝導分は３６ｍＷ、第１フィン１３及び第２フィン１４の間の輻射分は０．０５４ｍＷと見積もられる。この結果、熱スイッチ４のオフ状態での熱伝導は無視できるほど、低い熱伝導度になっている。多段式冷凍機１の容器２は、ターボ分子ポンプにより室温で１０-3Ｔｏｒｒ以下まで真空排気される。冷却最終段階では、容器２内の真空度は１０-6Ｔｏｒｒ台に達する。
【００３８】
上記の冷却試験結果を図５に示す。室温で４気圧のネオンガスを内部ガスとして封入した。
【００３９】
（実施例２）
実施例１において、熱スイッチ３の替わりに熱スイッチ３´を用いて冷却試験を行った。
【００４０】
使用した熱スイッチ３´は、図３に示す構造である。図３の熱スイッチ３´において、第１純銅ブロック２１及び第２純銅ブロック２２の厚さを２０ｍｍ、径を７０．２ｍｍとし、ステンレス鋼管２５の長さを１００ｍｍ、内径を５７．２ｍｍ、外径を５８ｍｍ、肉厚を０．４ｍｍとした。そして、第１フィン２３の内径を、５２ｍｍとし、長さを８０ｍｍとし、厚さを１ｍｍとした。また、第２フィン２４の内径を、６ｍｍとし、長さを８０ｍｍとし、厚さを１ｍｍとした。凸部２６ａ及び凸部２６ｂの幅は２１ｍｍとし、ピッチを３ｍｍ、巻回数を２６回とした。第１純銅ブロック１１と第１フィン１３との接続、第２純銅ブロック１２と第２フィン１４との接続、及び第２フィン１４と凸部１６との接続は、Ｔｉｇ溶接により接続した。第１純銅ブロック１１ステンレス鋼管１５との接続、及び第２純銅ブロック１２とステンレス鋼管１５との接続はステンレス鋼半田を使用して接続した。
【００４１】
熱スイッチ３´の第１純銅ブロック２１及び第２純銅ブロック２２の対向面積は、１．６×１０-2ｍ2である。内部ガスが窒素ガスの場合、熱スイッチ３´がオンの時の熱伝導分は、第１純銅ブロック２１と第２純銅ブロック２２との温度差を３０Ｋとすると、約１７Ｗとなる。
【００４２】
上記の冷却試験結果を図６に示す。室温で４気圧のネオンガスを内部ガスとして封入した。
【００４３】
（比較例）
比較例として、図７に示す従来の多段式冷凍機３１を用いて、実施例と同様に冷却試験を行った。
【００４４】
多段式冷凍機３１は、容器３２内に冷凍機本体３１ａの大部分を突出させてなっている。この容器３２は普通、真空容器として形成されている。容器３２内の冷却機本体３１ａは、下面に第１冷却端３５ａを有する第１冷却部３５と、下面に第２冷却端５ａを有する第２冷却部５とを備えてなる。第１冷却端３５ａの下部に第１冷却板３７が、第２冷却端３６ａの下部に第２冷却板３８が、ネジ止めされている。第１冷却板３７は輻射シールド３３と接続され、冷却空間３９を形成される。熱スイッチ３４は、第１冷却板３７と第２冷却板３８とを接続して配設される。熱スイッチ３４内に、第１冷却端３５ａの最低到達温度と第２冷却端３６ａの最低到達温度との間の沸点を有するガス（媒体）が封入されている。
【００４５】
多段式冷凍機３１に配設された熱スイッチ３４は、図８に示すように、第１部材４７と、第２部材４８とを備えている。
【００４６】
第１部材４７は、円柱形状の第１純銅ブロック４１と、純銅製の円筒状のフィン４３ａ〜４３ｄ（熱交換部材）とを備えている。第１純銅ブロック４１上に、径の小さい順にフィン４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ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。
【００４７】
第２部材４８は、円柱形状の第２純銅ブロック４２と、純銅製の円筒状のフィン４４ａ〜４４ｄ（熱交換部材）と、円筒状のステンレス鋼管４５とを備えている。第２純銅ブロック４２上に、径の小さい順にフィン４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄ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４２上に、第２フィン４４の外側に薄肉のステンレス鋼管４５が同心円状に接合されており、このステンレス鋼管４５の長さは第１フィン４３及び第２フィン４４の長さよりも長い。
【００４８】
上記のスイッチ３４は、この上下の２つの第１部材４７と第２部材４８とが重ね合わされて、第１純銅ブロック４１とステンレス鋼管４５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４５と第１純銅ブロック４１と第２純銅ブロック４２により、密閉した空間を形成する。この空間内で、フィン１４３ａ〜４３ｄとフィン４４ａ〜４４ｄとが同心円状・交互に配置される構造である。第１フィン４３と第２純銅ブロック４２との間及び第２フィン４４と第１純銅ブロック４１との間に隙間を有するように対向させた構造となる。
【００４９】
熱スイッチ３４は、図７の多段式冷凍機３１に示すように、第１純銅ブロック４１が鉛直方向上の高温側の第１冷却板３５ａに、第２純銅ブロック４２が鉛直方向下の低温側の第２冷却板３６ａに接続されることになる。
【００５０】
上記の冷却試験結果を図９に示す。室温で４気圧のネオンガスを内部ガスとして封入した。
【００５１】
試験結果を参照すると、以下のことが言える。
（１）実施例１の試験結果では、被冷却物である超伝導磁石を常温から最低到達温度まで冷却するのに約９５時間を要し、超伝導磁石の最低到達温度は約４Ｋであった。また、比較例の試験結果では、被冷却物である超伝導磁石を常温から最低到達温度まで冷却するのに約１００時間を要し、超伝導磁石の最低到達温度は約６Ｋであった。よって、本発明に係る多段式冷凍機は、熱スイッチを逆にしても、被冷却物の冷却時間を短縮し、しかも最低到達温度を下げることができることが分かる。
【００５２】
（２）実施例２の試験結果では、被冷却物である超伝導磁石を常温から最低到達温度まで冷却するのに約１２０時間を要し、超伝導磁石の最低到達温度は約３．５Ｋであった。これは、熱スイッチの純銅性フィンの対向面積が、実施例１に比べて少なくなっているために、常温から最低温度まで冷却するのに時間を要したが、熱スイッチ内部での液化したガスの移動が更に妨げられたために、熱スイッチがオフの状態での熱伝導が少なくなったことを示している。よって、熱スイッチを逆にしても同等の効果が得られるため、実施例１の構造にするか、実施例２の構造にするかは、最終的に時間短縮を優先するか、最低到達温度を優先するかで選択することができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る多段式冷凍機の第１の特徴によると、第２冷却端の上部に利用空間を設けることができ、しかも、熱スイッチの下端を高温である第１冷却端側に、上端を低温である第２冷却端側に設置しても、熱スイッチの上端付近で液化または固化した媒体は、落下の途中で媒体保持手段の上部に保持され、高温部である下端まで到達することが妨げられ、再度気化することが抑制されるため、接続オフの状態での熱伝導が少なく保たれ、冷却能力の高い第１冷却端の冷却能力を十分に活用し、被冷却物を効率よく、早く冷却することができる。
【００５４】
また、本発明に係る多段式冷凍機の第２の特徴によると、超伝導磁場の主たる利用空間である被冷却物の上端と、多段式冷凍機の上端部である上部構造体との距離をできるだけ近づけることができる。
【００５５】
また、本発明に係る熱スイッチによると、熱スイッチの上端が最低到達温度の低い第２冷却端に接続され、下端が最低到達温度の高い第１冷却端に接続された場合にも、熱スイッチの上端付近で液化または固化した媒体が、落下の途中で媒体保持手段の上部に保持され、高温部である下端まで到達することが妨げられ、再度気化することが抑制されるため、接続オフの状態での熱伝導が少なく保たれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る多段式冷凍機の熱スイッチの配置断面図である。
【図２】本発明に係る熱スイッチの分解図の断面図である。
【図３】本発明に係る熱スイッチの分解図の断面図である。
【図４】本発明に係る熱スイッチの断面図である。
【図５】実施例１の冷却試験結果を示すグラフである。
【図６】実施例２の冷却試験結果を示すグラフである。
【図７】従来の多段式冷凍機の熱スイッチの配置断面図である。
【図８】従来の熱スイッチの分解図の断面図である。
【図９】比較例の冷却試験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 多段式冷凍機
１ａ 冷凍機本体
２ 容器（真空容器）
３ 熱スイッチ
４ 第１冷却部
４ａ 第１冷却端
５ 第２冷却部
５ａ 第２冷却端
６ 第１冷却端
６ａ 上面部
６ｂ 側面部
６ｃ 下面部
７ 第２冷却板
８ 被冷却物
９ 冷却空間
１１ 第１純銅ブロック
１２ 第２純銅ブロック
１５ ステンレス鋼管
Claims (5)
- 最低到達温度が高く且つ冷却能力が高い第１冷却端と、
熱的に被冷却物が取付けられた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、
前記熱スイッチは、その内部に封入された熱伝達媒体の気化で熱的接続オンになり、前記媒体の液化で熱的接続オフになるものであり、前記媒体は、前記第１冷却端の最低到達温度と前記第２冷却端の最低到達温度との間に沸点を有するように前記熱スイッチに封入され、前記間に前記所定温度が設定されている多段式冷凍機において、
前記第１冷却端が前記第２冷却端の下部まで連続して設けられており、
前記第１冷却端を下方に、前記第２冷却端を上方にして、前記熱スイッチが配設されており、
前記熱スイッチは、前記第１冷却端に熱的に接続された第１ブロックと、前記第２冷却端に熱的に接続され当該第１ブロックよりも上方に位置する第２ブロックと、を有し、
前記熱スイッチには、液化または固化した前記媒体が前記第１ブロックの上に落下するのを防ぐ媒体保持手段を有する熱交換部材が内部に設けられていることを特徴とする多段式冷凍機。 - 前記被冷却物が、前記第２冷却端の上部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の多段式冷凍機。
- 多段式冷凍機の、最低到達温度が高く且つ冷却能力が高い下方に位置する第１冷却端と、当該第１冷却端よりも上方に位置し最低到達温度が低く且つ冷却能力が低い第２冷却端との間を熱的に接続可能に設けられ、内部に封入された熱伝達媒体の気化で熱的接続オンになり、前記媒体の液化で熱的接続オフになる熱スイッチにおいて、
前記第１冷却端に熱的に接続された第１ブロックと、
前記第２冷却端に熱的に接続され当該第１ブロックよりも上方に位置する第２ブロックと、
内部の前記第１冷却端側の前記第１ブロック、および内部の前記第２冷却端側の前記第２ブロックに、それぞれ取付けられた熱交換部材と、
少なくとも前記第２冷却端側の前記熱交換部材に設けられ、液化または固化した前記媒体が前記第１ブロックの上に落下するのを防ぐ媒体保持手段と、
を備えることを特徴とする熱スイッチ。 - 前記熱交換部材はフィンであり、
前記媒体保持手段は、前記第２冷却端側の前記フィンに設けられ、当該フィンから水平方向に延在するように形成された凸部であることを特徴とする請求項３に記載の熱スイッチ。 - 前記熱交換部材はフィンであり、
前記媒体保持手段は、前記第１冷却端側の前記フィンに設けられた螺旋状の凸部と、前記第２冷却端側の前記フィンに設けられた螺旋状の凸部とを、互いに噛み合うように配設してなることを特徴とする請求項３に記載の熱スイッチ。
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|---|---|---|---|---|
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| JPH0325270A (ja) * | 1989-06-23 | 1991-02-04 | Toshiba Corp | 熱スイッチ |
| JP3036601B2 (ja) * | 1990-08-15 | 2000-04-24 | エヌ・ティ・ティ・リース株式会社 | 冷却方法及び冷却装置 |
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| JP2835305B2 (ja) * | 1995-12-15 | 1998-12-14 | 株式会社神戸製鋼所 | 多段式冷凍機 |
| JP3418949B2 (ja) * | 1997-08-28 | 2003-06-23 | 住友重機械工業株式会社 | クライオスタットの熱スイッチ装置 |
| JP2001085220A (ja) * | 1999-09-16 | 2001-03-30 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 熱的スイッチ及び熱的スイッチの作動方法 |
-
2001
- 2001-07-09 JP JP2001207894A patent/JP4950392B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104848718A (zh) * | 2015-04-28 | 2015-08-19 | 中国科学院理化技术研究所 | 一种低温脉动热管的预冷装置及包含该装置的测试系统 |
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