KR0175113B1 - 피냉각물을 극저온으로 냉각하는 극저온 냉각장치 - Google Patents

피냉각물을 극저온으로 냉각하는 극저온 냉각장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초전도 코일등으로 대표되는 피냉각물의 냉각에 냉매를 사용하지 않고 상온으로부터 극저온까지의 냉각을 효율좋게 행할수 있는 열스위치를 갖는 극저온냉각장치를 제공한다.
피냉각물을 수용하는 진공용기와 저온측 실린더를 거쳐서 서로 소정간격을 두고서 고온측냉각스테이지와 저온측냉각스테이지가 부착되고, 상기 피냉각물을 냉각하는 적어도 한대의 냉동기를 구비한 극저온냉각장치에 있어서,
상기 냉동기의 고온측냉각스테이지에 부착된 적어도 하나의 고온측전열체와 상기 냉동기의 저온측냉각스테이지에 부착되고, 또 상기 고온측전열체와 미소간격을 두고서 대향배치된 적어도 하나의 저온측전열체와, 상기 고온측전열체와, 상기 저온측전열체의 사이의 전열을 행하는 가스가 내부에 충전되고, 상기 고온측 전열체와 저온측 전열체를 밀폐수용하는 밀폐용기로 된 열스위치를 부가하는 것을 특징으로 한다.

Description

피 냉각물을 극저온으로 냉각하는 극저온 냉각장치
제1도는 종래의 극저온 냉각장치의 구성도.
제2도는 본 발명의 제1실시예에 의한 극저온 냉각장치의 구성도.
제3도는 본 발명의 제1실시예에 있어서의 열스위치의 구성도.
제4도는 열스위치의 열 저항과 온도의 관계를 나타낸 도면.
제5도는 본 발명의 제2실시예에 의한 극저온 냉각장치의 구성도.
제6도는 고온측전열부재와 저온측전열부재의 사이에 접촉 방지구(31)를 설비한 열스위치의 구성도.
제7도는 원통형상의 열스위치에 있어서 판상의 전열부재를 방사상으로 배치한 경우의 배치구성을 설명하기 위한 도면.
제8도는 각통형상의 열스위치에 있어서, 판상의 전열부재를 방사상으로 배치한 경우의 배치구성을 설명하기 위한 도면.
제9a도는 각통형상의 열스위치에 있어서, 판상의 전열부재를 병렬로 배치한 경우의 구성을 나타낸 사시도.
제9b도는 각통체의 열스위치에 있어서 판상의 전열부재를 병렬로 배치한 경우의 배치구성을 설명하기 위한 도면.
제10a도는 각통형상의 열스위치에 있어서, 빗형상의 전열부재를 병렬로 배치한 경우의 구성을 나타낸 사시도.
제10b도는 각통형상의 열스위치에 있어서, 빗형상의 전열부재를 병렬로 배치한 경우의 배치구성을 설명하기 위한 도면.
제11a도는 원통형상의 열스위치에 있어서, 빗형상의 전열부재를 동축상으로 배치한 경우의 구성을 나타낸 사시도.
제11b도는 원통형상의 열스위치에 있어서 빗형상의 전열부재를 병렬로 배치한 경우의 배치구성을 설명하기 위한 도면.
제12a도는 각통형상의 열스위치에 있어서, 봉형상의 전열부재를 병렬로 배치한 경우의 구성을 나타낸 사시도.
제12b도는 각통형상의 열스위치에 있어서, 봉형상의 전열부재를 병렬로 배치한 경우의 배치구성을 설명하기 위한 도면.
제13a도는 원통형상의 열스위치에 있어서, 봉형상의 전열부재를 동축상으로 배치한 경우의 구성을 나타낸 사시도.
제13b도는 원통형상의 스위치에 있어서, 봉형상의 전열부재를 동축상으로 배치한 경우의 배치구성을 설명하기 위한 도면.
제14a도는 원통형상의 열스위치에 있어서, 나선형상의 전열부재를 배치한 경우의 배치구성을 나타낸 사시도.
제14b도는 원통형상의 열스위치에 있어서 나선형상의 전열부재를 배치한 경우의 배치구성을 설명하기 위한 도면.
본 발명은 초전도 자석장치 등으로 대표되는 피냉각물을 극저온으로 냉각하는 극저온 냉각장치에 관한 것이다.
종래 초전도코일을 사용한 초전도 자석장치에 있어서는 초전도코일을 초전도전이 온도이하로 냉각하는 수단으로써 액체헬륨등의 냉매에 직접 침지하는 방법 또는 냉동기를 구비한 극저온장치를 사용하여 냉각하는 방법등을 이용하였다.
제1도는 종래의 극저온 냉각장치의 구성을 나타낸 도면이다.
이 극저온냉각장치는 진공용기(2)와, 이 진공용기(2)내에 설비되고 중심축부근에 필요한 자장을 발생시키는 초전도 코일(1)과 이 초전도코일(1)을 냉각하기 위한 냉동기(4)로 되어 있다. 냉동기(4)는 구동부(4a), 고온측 실린더(9), 고온측냉각스테이지(7), 저온측실린더(6), 저온측냉각스테이지(5), 전열판(3)을 구비하고 있다.
초전도코일(1)은 진공용기(2)의 중앙부 부근에 전열판(3)을 거쳐서 냉동기(4)의 저온측냉각 스테이지(5)에 고정되어 있고, 이 저온측냉각 스테이지(5)에 의해서 4K정도로 냉각되어 있다.
저온측 냉각 스테이지(5)는 냉동기(4)의 저온측실린더(6)를 거쳐서 고온측냉각 스테이지(7)에 소정간격을 두고 부착되어 있다. 또 진공용기(2)의 내부측에는 열차폐, 단열을 위한 열쉴드판(shield Plate)(8)이 설비되는 동시에 이 열 쉴드판(8)에는 다층단열재가 둘러싸여져 있다.
이 열쉴드판(8)은 냉동기(4)의 고온측냉각스테이지(7)에 의해서 소정온도로 냉각되어 있다 고온측냉각스테이지(7)는 고온측실린더(9)를 거쳐서 냉동기(4)의 구동부(4a)에 접속되어 있다.
초전도 코일(1)의 외주 및 열쉴드판(8)의 외주에는 초전도코일(1) 및 열쉴드판(8)의 예비냉각을 행하기 위한 질소예비냉각관(10)이 접촉되도록 배치설비되어 있다.
다음에 상술한 바와같이 구성된 극저온냉각장치를 사용한 초전도 자석장치의 냉각 방법에 대해서 설명하겠다.
우선 초전도자석장치의 초전도코일(1)은 냉동기(4)의 저온측 냉각스테이지(5)에 의해서 냉각된다.
이때 냉동기(4)의 저온측냉각스테이지(5)는 냉동능력이 적기때문에 초전도코일(1)을 상온에서부터 극저온으로 효율좋게 냉각하기 위해서는 통상 액체질소의 냉매가 병용된다.
즉 초전도코일(1)은 질소예비냉각관(10)을 흐르는 액체질소에 의해서 상온에서부터 액체 질소온도 77K정도까지 냉각되고, 그후에는 냉동기(4)의 저온측 냉각 스테이지(5)만으로 극저온 4K까지 냉각된다.
또, 열쉴드판(8)은 냉동기(4)의 고온측냉각스테이지(7)에 의해서 상온에서부터 소정온도까지 냉각되고 상온에서 초전도코일(1)로의 열복사량을 약화시킨다.
그리고 초전도코일(1), 열쉴드판(8)이 소정 온도가 된 후에 전류리드로 전류가 공급되고, 초전도코일(1)에 필요한 자장을 발생시킨다.
질소예비냉각관(10)에 주입되는 액체질소는 열쉴드판(8)과 초전도코일(1)의 예비냉각시에만 사용되고, 초전도자석의 정상운전시에는 진공상태이고, 초전도코일(1)의 초전도상태는 냉동기(4)만의 냉각으로 유지되어 있다.
상기 구성의 극저온 냉각장치에 의한 초전도코일(1)의 냉각방법에서는 예비냉각마다 액체질소등의 냉매가 필요하기 때문에 1회의 자장발생시간이 비교적 짧은 경우나 빈번하게 자장을 발생시킬 필요가 있는 경우등은 자석장치의 취급이 번거롭게 된다.
또 냉동기(4)만으로 초전도코일(1)을 상온에서부터 냉각하는 경우에 냉동능력이 적기때문에 장시간의 냉각시간이 필요하다는 문제가 있었다.
본 발명은 상기 실정을 감안하여 된 것으로 초전도코일 등으로 대표되는 피냉각물의 냉각에 냉매를 이용하는 것이 아니고 상온에서부터 극저온까지의 냉각을 효율좋게 행할 수 있는 열스위치를 갖는 극저온 냉각장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명 의 제1태양에 의하면 피냉각물을 수용하는 진공용기와 저온측 실린더를 거쳐서 서로 소정간격을 두고 고온측냉각스테이지와 저온측냉각스테이지가 부착되고 상기 피냉각물을 냉각하는 적어도 1대의 냉동기를 구비한 극저온 냉각장치에 있어서 상기 냉동기의 고온측냉각스테이지에 부착된 적어도 하나의 고온측전열부재와 상기 냉동기의 저온측냉각스테이지에 부착되고 또 상기 고온측전열부재와 미소간격을 두고서 대향배치된 적어도 하나의 저온측전열부재와 상기 고온측전열부재와 상기 저온측전열부재 사이의 전열을 행하는 가스가 내부에 충전되고, 상기 고온측전열부재 및 저온측전열부재를 밀폐수용하는 밀폐용기로 된 열스위치를 부가한 것을 특징으로 한다.
따라서 본 발명의 극저온냉각장치에 의하면 각 전열부재의 간극에 충전된 가스의 열전도에 의해서 열스위치가 온(ON)으로 된다. 또 가스가 비점에 도달하고 다시 응고점에 도달하면 가스가 고화되어 각 전열부재 상호간의 전열이 복사에 의한 미소한 전열만으로 되고, 그 결과 열스위치가 오프(OFF)되므로 극저온냉각장치의 냉동기만으로 피냉각물을 냉각할 수 있게 된다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 관한 극저온냉각장치에 대해서 설명하겠다.
[실시예 1]
제2도는 본 발명의 제1실시예에 관한 극저온냉각장치의 구성을 나타낸 도면이다. 또 제1도와 동일한 부분에는 동일부호를 붙여 설명하겠다.
동도면에 나타낸 바와같이 본 실시예의 극저온 냉각장치의 특징은 초전도코일(1)을 냉각하는 냉동기(4)의 저온측냉각스테이지(5)와 열쉴드판(8)을 냉각하는 고온측냉각스테이지(7)의 사이에 열스위치(20)를 설치한 것이다.
제3도는 냉동기(4)의 저온측실리더(6)와 동축으로 설치된 열스위치(20)의 상세한 구성을 나타낸 도면이다.
동도면에 나타낸 바와같이 냉동기(4)의 고온측냉각스테이지(7)에는 단판(21)이 부착되어 있고 저온측냉각스테이지(5)에는 단판(22)이 저온측 실린더(6)를 중심으로 부착되어 있다.
단판(21)의 단판(22)측의 측면에는 저온측실린더(6)를 중심으로하여 원통체(23)가 대략수직으로 부착되어 있다. 또 단판(22)의 단판(21)측의 측면에는 직경이 다른 복수의 원통체(23)가 대략 수직으로 부착되어 있다.
이 원통체(23)의 표면은 고온측냉각스테이지(7)에 부착되어 있는 원통체(23)로부터 저온측냉각스테이지(5)에 부착되어 있는 원통체(23)의 열 복사를 저감하기 위해서 연마면으로 구성되어 있다.
저온측 냉각스테이지(5) 및 고온측냉각스테이지(7)에 부착된 각 원통체(23)는 서로 미소간극을 두고 대향배치되어 있다. 또 이들 원통체(23)가 배열된 공간은 내벽(24)과 외벽(25)으로 둘러싸임으로서 기밀하게 보지된 밀폐용기(26)로 되어 있다.
그런데 열스위치는 동축상의 얇은 원통체로 구성된 밀폐용기로 되어 있고, 이 밀폐용기의 내벽(24)과 외벽(25)은 냉동기(4)의 고온측냉각스테이지(7)와 저온측냉각스테이지(5)에 부착되어 있다.
따라서 고온측냉각스위치(7)가 저온측냉각스테이지(5)보다 온도가 낮게 된 경우에 고온측냉각스테이지(7)측에서 저온측냉각스테이지(5)측으로의 열침입을 방지할 필요가 있다.
이 때문에 열스위치의 내벽(24)과 외벽(25)은 열전도율이 낮은 재료를 사용하고 가능한한 고온측냉각스테이지(7)측과 저온측냉각스테이지(5)측까지의 열전도의 거리를 떨어뜨릴 필요가 있다.
본 실시예의 열스위치의 내벽(24)과 외벽(25)은 그 재질로 스텐레스 또는 티탄을 사용하고 또 고온측냉각스테이지(7)측과 저온측냉각스테이지(5)측의 열전도의 거리를 두기 때문에 두께가 1mm정도의 얇은 벨로우즈 구조로 되어 있다.
밀폐용기(26)중에는 질소등의 가스(27)가 충전되어 있다. 또 단판(21, 22) 원통체(23)에는 무산소동등의 열전도율이 높은 금속성 판을 사용하기 때문에 고온측냉각스테이지(7)에 부착되어 있는 단판(21)과 원통체(23)는 고온측냉각스테이지(7)와 같은 정도의 온도로 된다.
또 저온측냉각스테이지(5)에 부착되어 있는 단판(22)과 원통체(23)는 저온측냉각스테이지(5)와 같은 정도의 온도로 된다.
다음에 상술한 바와같이 구성된 극저온 냉각장치를 이용한 초전도 자석장치의 냉각방법에 대해서 설명하겠다.
냉동기(4)에 의해서 초전도코일(1)의 냉각을 개시하면 우선 냉동능력이 높은 고온측냉각스테이지(7)에 접촉되어 있는 열쉴드판(8)에서부터 냉각이 개시된다. 그리고 고온측냉각스테이지(7)에 부착되어 있는 열스위치의 원통체(23)의 온도가 낮아지게 된다.
한편, 냉동능력이 낮은 저온측냉각스테이지(5)에 접촉되어 있는 초전도코일(1)측의 온도는 아직 상온상태로 되어 있다. 따라서 냉동기(4)의 고온측냉각스테이지(7)에 부착되어 있는 열스위치(20)의 원통체(23)는 저온으로 냉동기(4)의 저온측냉각스테이지(5)에 부착되어 있는 열스위치(20)의 원통체(23)는 고온측냉각스테이지(7)에 부착되어 있는 원통체(23)의 온도보다 높은 온도상태로 되어 있다.
이와같은 온도상태의 경우에 저온측냉각스테이지(5)의 원통체(23)로부터 고온측냉각스테이지(7)의 원통체(23)로 가스를 거쳐서 열이 이동되어 간다. 이 가스를 거친 전열은 충전되어 있는 가스가 액화되고 또 고화되어 고체상태가 될 때까지 계속된다.
이하 이 가스를 거친 전열에 대해서 설명하겠다.
고온측냉각스테이지(7)에 부착되어 있는 원통체(23)의 온도가 낮아지고 충전되어 있는 가스의 비점과 같은 온도로 되면 가스의 액화가 개시된다. 여기서 비점으로 될 때까지의 전열의 대부분을 지배하고 있는 것은 가스를 거친 열전도이다.
그리고 가스의 액화가 개시되면 액체방울을 거친 전열이 행해진다. 즉 액화가스의 액체방울이 저온측냉각스테이지(5)에 부착되어 있는 단판(22)으로 떨어지고, 저온측냉각스테이지(5)측의 온도(고온측냉각스테이지(7)측보다 고온임)에 의해서 증발하여 재차 가스상태로 된다.
액화가스가 증발할 때 저온측냉각스테이지(5)의 고온 원통체(23)로부터 잠열로서 열을 빼았는다.
증발된 가스는 또 고온측냉각스테이지(7)에 부착되어 있는 저온의 원통체(23)에 의해서 재차 액화되어 열을 저온측냉각스테이지(5)에 부착된 원통체(23)로 전달한다.
이와같이 액화된 가스의 액체방울을 거친 저온측냉각스테이지(5)의 원통체(3)로부터 고온측냉각스테이지(7)의 원통체(23)로의 열의 이동은 충전된 가스가 고체로 될 때까지 계속된다. 여기서 응고점이 될 때까지의 열이동의 대부분을 지배하고 있는 것은 가스가 액화와 증발을 반복함으로써 얻어지는 액체방울을 거친 전열이다.
밀폐용기(26)중에 충전되어 있는 가스(27)를 거친 열이동은 고온측냉각스테이지(7)에 부착되어 있는 원통체(23)의 온도가 비점과 동일한 온도로 되고, 더 온도가 내려가 3중점, 그리고 응고점과 동일한 온도로 되어 가스(27)가 기체상태로부터 액체상태로 되고, 고체상태로 된 시점에서 전열(傳熱)이 종료한다.
가스(27)가 가스상태일 때는 고온측냉각스테이지(7)와 저온측냉각스테이지(5)는 스테이지 사이에 설치되어 있는 열스위치내의 가스(27)를 거쳐서 열적으로 연결되는 상태 즉 「온(ON)」 상태로 되어있다.
또 가스가 고화된 시점에서는 스테이지 사이에 존재하고 있는 가스가 없어지게 되고 진공상태로 되기 때문에 고온측냉각스테이지(7)와 저온측냉각스테이지(5) 사이는 열적으로 단절된 상태 즉 「오프(OFF)」상태로 된다.
그후 열쉴드판(8)은 고온측냉각스테이지(7)로, 초전도코일(1)은 저온측냉각스테이지(5)만으로 냉각되어 소정온도까지 냉각된다.
열전도는 각각의 온도가 고온 t1, 저온t2에서 거리 △x만큼 떨어진 물체 A, B 사이에서 이동하는 열량을 Q라하면 A에서 B로 이동하는 열량은
Q= λ · S · (t1-t2)/△X ‥‥‥(1)
의 식으로 표시된다. 단 열을 방출하는 면적은 S, 열전도율은 λ 로 했다.
본 실시예에 적용하면 저온측냉각스테이지(5)측에 접속되어 있는 원통체(23)의 온도가 t1, 고온측냉각스테이지(7)측에 접속되어 있는 원통체(23)의 온도가 t2, 인접한 원통체(23)사이의 거리가 △x, 원통체(23)의 면적이 S, 가스의 열전도율이 λ 로 된다.
여기서,
K=△X/(λ · S) ‥‥‥· (2)
(K : 열저항)
라 하면(1)식은,
Q=(t1-t2)/K ‥‥‥·(3)이 된다.
(3)식에서 K가 작을수록 이동하는 열량(Q)이 커지게 되고, K가 클수록 이동하는 열량(Q)이 적어지는 것을 알 수 있다.
제4도에 질소가스를 사용한 경우의 열스위치의 열저항과 온도의 관계를 나타냈다. 동도면에 나타낸 바와같이 상온(300K)에서부터 질소의 비점인 70K 정도까지는 서서히 열저항이 커지게되고 열의 이동이 적어지게 된다. 70K 정도까지는 질소 가스의 열전도가 지배하고 있다. 70K 온도부근에서 열저항이 급격하게 적어지게 된다. 이것은 열스위치가 히트파이프로서 기능을 시작하기 때문에 즉 액화된 질소를 거친 열의 이동이 일어나기 때문이다.
스위치의 온도가 더 낮아지게 되면 액체가 서서히 얻기 시작하기 때문에 히트파이프로서의 기능이 저하하고 열저항이 급격하게 커지게 된다. 그리고 액화가스가 완전히 언때에 스위치가 「오프」 상태로 된다.
또 보다 신속하게 냉동기(4)의 저온측냉각스테이지(5)측을 냉각시키기 위해서는 (2)식에서, 인접한 열스위치의 원통체(23) 사이가 가능한한 좁은쪽이 바람직함을 알 수 있다. 제작상 이유에서 제2도에 나타낸 실시예의 열스위치의 원통사이의 간격은 1mm정도의 간격으로 되어 있다.
또 제3도에 나타낸 거리(C)는 가스가 액화되고, 또 고화된 때에 이 고화된 가스가 아래쪽에 고인 원통체(23) 사이를 연결해서 열이 이동하지 않도록 충분한 간격이 취해져 있다.
다음에 이 열전도율에 관여하는 가스의 선정에 대해서 설명하겠다.
열스위치가 오프상태온도 즉 저온측냉각스테이지(5)측의 원통체(23)로부터 고온측냉각스테이지(7)측의 원통체(23)로의 열이동이 종료하는 온도는 가스(27)의 비점온도에서 조정하는 것이 가능하다.
즉 어느온도에서 열스위치를 오프로하느냐는 선정한 가스에 따라 결 정한다.
표 1에는 상온이하에서 비점을 갖는 주요가스와 그 비점 및 3중점을 나타냈다.
냉동기(4)의 저온측냉각스테이지(5)은 고온측냉각스테이지(7)에 비해서 온도는 낮으나 냉동능력이 낮다.
따라서 효율좋게 신속히 초전도코일(1)의 냉각을 행하기 위해서는 저온측냉각스테이지(5)의 온도가 가능 한한 저온이 될때까지 고온측 냉각스테이지(7)의 냉동능력으로 보조할 필요가 있다.
즉, 가능한한 저온에서 열스위치가 오프상태로 되는 것이 바람직하다.
표 1에서 충전하는 가스로 n-H를 사용하면 20K정도까지 고온측냉각스테이지(7)에서 저온측냉각스테이지(5)측의 냉각을 보조할 수 있다. 20K이하에서 열스위치가 오프상태로 된 이 후에는 초전도코일(1)은 저온측냉각스테이지(5)만으로 4K까지 냉각된다.
여기서 n-H(노멀(normal)수소)는 75%o-H(올쏘(ortho)수소)와 25% p-H(파라(Para)수소)의 혼합물이다.
본 실시예의 극저온냉각장치의 충전가스로는 저가격으로 취급이 용이한 이유때문에 예비냉각에 통상 널리 사용되는 질소가스를 사용하고 있다. 이 질소가스를 사용한 경우에는 제4도에 나타낸 바와같이 50K정도에서 열스위치가 오프상태로 되고, 50K보다 저온에서는 초전도코일(1)은 냉동기(4)의 저온측냉각스테이지(5)의 냉동능력만으로 4K까지 냉각된다.
따라서 초전도코일(1)은 냉각할때에 예비냉각으로 액체질소등의 냉매를 사용하지 않고, 냉동기(4)만으로 효율좋게 냉각할 수 있는 열스위치를 갖는 극저온냉각장치를 제공할 수 있다.
또 열스위치(20)와 냉동기(4)가 일체로 설치되어 있으므로 극저온냉각장치의 콤팩트화를 도모할 수 있다.
[실시예 2]
제5도에는 본 발명의 제2실시예에 의한 극저온냉각장치의 구성을 나타냈다.
동도면에 나타낸 바와같이 본 실시예의 극저온냉각장치에 있어서는 열스위치(20)가 냉동기(4)의 고온측냉각스테이지(7)와 저온측 냉각스테이지(5)의 사이에 3개 설치되어 있다.
또 본 실시예에 있어서는 1종류의 가스에 의해서 효율좋게 초전도코일(1)을 냉각하는 대신에 다른 비점과 3중점을 갖는 2종류 이상의 가스를 사용하여 액체방울을 거친 전열이 행해지는 온도범위를 확장하고, 또 가능한한 저온에서 열스위치가 작동하도록 한 것이다.
다른 비점과 3중점을 갖는 2종류 이상의 가스를 잘 선정하면 가스가 액화된 액체방울을 거친 전열의 온도영역을 확장할 수 있다.
본 실시예에 있어서는 3개의 열스위치에 서로 다른 1종류의 가스, 예를들어 O. CO, Ne 가스를 각각 충전한 경우의 열이동에 대해서 설명하겠다.
고온측냉각스테이지(7)에 부착되어 있는 원통체의 온도가 O의 비점온도 161.3K로 된때에 고온측냉각스테이지(7)측으로부터 액체방울을 거친 전열이 개시된다.
이 이동은 O의 3중점온도 80.5K 정도될 때까지 계속된다. O의 히트파이프 기능의 전열이 종료할 때 CO가 충전되어 있는 열스위치의 히트파이프 기능으로서의 전열이 개시되고, 그후에 Ne의 열스위치의 히트파이프 기능의 전열이 개시된다.
이와같이 본 실시예에서는 3종류의 가스를 사용함으로써 냉동기(4)의 고온측냉각스테이지(7)와 저온측냉각스테이지(5)사이의 액체방울을 거친 전열이 행해지는 온도영역을 161K정도에서 26K정도까지 확장할 수 있다.
[실시예 3]
제6도는 고온측전열부재와 저온측전열부재 사이에 접촉방지구(31)를 설비한 열스위치의 구성을 나타낸 도면이다.
도면에 나타낸 바와같이 이 접촉방지구(31)는 각 전열부재의 선단 근방에 부착되어 있고 그 선단은 핀과 같이 뾰족하게 되어 있다. 이와같이 접촉방지구(31)의 선단을 핀과 같이 뽀죽하게 하는 것은 접촉방지구(31)의 선단이 전열부재에 접촉한 경우에 접촉방지구(31)를 거쳐서 열전도가 행해지는 것을 방지하기 위해서이다.
이때문에 접촉방지구(31)를 구성하는 재료로는 열전도율이 낮은 재료 예를들어 스텐레스 또는 티탄이 사용된다.
상기 구성의 극저온냉각장치에 의하면, 초전도코일의 켄치(quench)시에 전열부재 표면에 와전류가 발생하고 전열부재가 초전도코일로 인장되어 그 결과 전열부재 상호간에 접촉되지 않으므로 켄치후에도 열스위치로서 사용할 수 있다.
또, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
예를들어 본 실시예는 냉동기(4)가 열스위치와 동축으로 조립된 구조로 되어 있으나, 냉동기(4)와 열스위치가 별도로 설치되어 있어도 상관없다.
즉, 냉동기(4)의 각 냉각스테이지에 접촉하는 장소에 열스위치가 설치되어 있으면 상술한 실시예의 경우와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또 상술한 실시예에 있어서는 원통형상의 열스위치에 대해서 설명했으나 열스위치의 형상이 각통형상이어도 좋다. 또 전열부재의 형상은 통형상의 것에 한하지 않고, 얇은플레이트판 각통체, 봉체, 빗형상, 나선형상이어도 좋다.
제7도는 원통형상의 열스위치에 있어서, 판상의 전열부재를 방사상으로 배치한 경우의 배치구성을 설명하기 위한 도면이고, 제8도는 각통형상의 열스위치에 있어서, 판상의 전열부재를 방사상으로 배치한 경우의 배치구성을 설명하기 위한 도면이다.
제9a도는 각통형상의 열스위치에 있어서, 판상의 전열부재를 병렬로 배치한 경우의 구성을 나타낸 사시도이고, 제9b도는 각통체의 열스위치에 있어서 판상의 전열부재를 병렬로 배치한 경우의 배치구성을 설명하기 위한 도면이다.
제10a도는 각통형상의 열스위치에 있어서, 빗형상의 전열부재를 병렬로 배치한 경우의 구성을 나타낸 사시도이고, 제10b도는 각통형상의 열스위치에 있어서, 빗형상의 전열부재를 병렬로 배치한 경우의 배치구조를 설명하기 위한 도면이다.
제11a도는 원통형상의 열스위치에 있어서, 빗형상의 전열부재를 병렬로 배치한 경우의 구성을 나타낸 사시도이고, 제11b도는 원통형상의 열스위치에 있어서, 빗형상의 전열부재를 병렬로 배치한 경우의 배치구성을 설명하기 위한 도면이다.
제12a도는 각통형상의 열스위치에 있어서, 봉형상의 전열부재를 병렬로 배치한 경우의 구성을 나타낸 사시도이고, 제12b도는 각통형상의 열스위치에 있어서 봉형상의 전열부재를 병렬로 배치한 경우의 배치구성을 설명하기 위한 도면이다.
제13a도는 원통형상의 열스위치에 있어서, 봉형상의 전열부재를 동축상으로 배치한 경우의 구성을 나타낸 사시도이고, 제13b도는 원통형상의 열스위치에 있어서, 봉형상의 전열부재를 동축상으로 배치한 경우의 배치구성을 설명하기 위한 도면이다.
제14a도는 원통형상의 열스위치에 있어서, 나선형상의 전열부재를 배치한 경우의 구성을 나타낸 사시도이고, 제14b도는 원통형상의 열스위치에 있어서, 나선형상의 전열부재를 배치한 경우의 배치구성을 설명하기 위한 도면이다.
상술한 제3실시예에 있어서, 기술한 접촉방지구(31)는 열스위치가 평행하게 나란히 얇은 플레이트 판으로 구성된 때에 가장 효과가 있으나 전열부재가 다른 형상의 경우에도 적용할 수 있다는 것은 말할 나위없다.
또 피냉각체는 초전도코일(1)에 한정되지 않고, 극저온으로 냉각할 필요가 있는 것에도 적용할 수 있다.
또, 상술한 실시예에 있어서는 복수의 열스위치에 서로 다른 1종류의 가스를 충전하는 경우에 대해서 설명했으나 하나의 열스위치에 복수 종류의 가스를 충전해도 좋다.
따라서 상술한 극저온냉각장치에 의하면 가스의 열전도에 의해서 열스위치가 온으로 되고, 또 가스가 비점에 도달하고, 다시 응고점에 도달하면,가스가 고화되어 열스위치가 오프로 되므로 피냉각물의 냉각에 냉매를 사용하지 않고 극저온 냉각장치의 냉동기만으로 피냉각물을 냉각할 수 있다.
또, 전열체의 표면이 연마되어 있으므로, 전열체 상호간의 열복사를 저감할 수 있다.
또, 밀폐용기의 측면을 열전도율이 낮은 재료로 구성하고, 또 벨로우즈 형상으로 함으로써 고온측냉각스테이지와 저온측냉각스테이지의 사이의 열전도 거리를 둠으로써 고온측냉각스테이지로부터 저온측냉각스테이지로의 열침입을 방지할 수 있다.
또, 열스위치를 냉동기의 저온측실린더와 동축으로 설치함으로서 극저온장치의 콤팩트화를 도모할 수 있다.
또, 각각의 열스위치 마다 서로 다른 종류의 가스를 충전함으로서 냉동기의 고온측냉각스테이지와 저온측냉각스테이지 사이의 전열이 행해지는 온도영역을 확장할 수 있다.

Claims (16)

  1. 피냉각물을 수용하는 진공용기와 저온측실린더를 거처서 서로 소정간격을 두고 고온측 냉각스테이지와 저온측 냉각스테이지가 부착되어 상기 피냉각물을 냉각하는 적어도 1대의 냉동기를 구비한 극저온냉각장치에 있어서, 상기 냉동기의 고온측 냉각스테이지에 부착되고 소정간격을 거쳐서 배치된 고온측 단판 및 저온측 단판과 상기 고온측 단판에 부착된 적어도 1개의 고온측 전열부재와, 상기 냉동기의 저온측 냉각스테이지에 부착되어 상기 저온측 단판에 부착되면서 상기 고온측 전열부재와 미소간격을 두고 대향배치된 적어도 1개의 저온측 전열부재와, 상기 고온측 전열부재와 상기 저온측 전열부재 사이에 전열을 행하는 가스가 내부에 충전되고 상기 고온측 전열부재 및 저온측 전열부재를 밀폐 수용하고 또한 상기 고온측 단판과 저온측 단판의 일부가 외부에 나오도록 한 밀폐 용기로 된 열스위치를 부가하고 상기 냉동기의 고온측 냉각스테이지와 상기 열스위치의 고온측 단판을 열적으로 접속하고 상기 냉동기의 저온측 냉각스테이지와 상기 열스위치의 저온측 단판을 열적으로 접속한 것을 특징으로 하는 극저온 냉각장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고온측 전열부재 및 저온측 전열부재의 형상이 통형상인 것을 특징으로 하는 극저온 냉각장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 고온측 전열부재의 직경과 상기 저온측 전열부재의 직경이 서로 다른 것을 특징으로 하는 극저온 냉각장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 고온측 전열부재 및 저온측 전열부재의 형상이판 형상인 것을 특징으로 하는 극저온 냉각장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 고온측 전열부재및 저온측 전열부재가 서로 대략 평행하게 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 극저온 냉각장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 고온측 전열부재 및 저온측 전열부재가 방사상으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 극저온 냉각장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 고온측 전열부재 및 저온측 전열부재의 표면이 연마되어 있는 것을 특징으로 하는 극저온 냉각장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 밀폐용기의 측벽이 열전도율이 낮은 재료로 되고 또한 벨로우즈 형상인 것을 특징으로 하는 극저온 냉각장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 열스위치가 상기 냉동기의 저온측실린더와 동축으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 극저온 냉각장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 열스위치를 복수개 구비하고, 상기 각 열스위치에는 서로 다른 1종류의 가스가 충전되어 있는 것을 특징으로 하는 극저온 냉각장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 고온측 전열부재 및 저온측 전열부재의 형상이 나선형상인 것을 특징으로 하는 극저온 냉각장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 고온측 전열부재 및 저온측 전열부재에는 상기 고온측 전열부재와 상기 저온측 전열부재와의 접촉을 방지하기 위한 접촉방지구를 설치한 것을 특징으로 하는 극저온 냉각장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 접촉방지구를 형성하는 재료가 티탄인 것을 특징으로 하는 극저온 냉각장치.
  14. 제12항에 있어서, 상기 접촉방지구를 형성하는 재료가 스텐레스인 것을 특징으로 하는 극저온 냉각장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 고온측 전열부재 및 저온측 전열부재의 형상이 빗형상인 것을 특징으로 하는 극저온 냉각장치.
  16. 제1항에 있어서, 상기 고온측 전열부재 및 저온측 전열부재의 형상이 봉형상인 것을 특징으로 하는 극저온 냉각장치.
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