TW202415897A - 熱開關及熱開關裝置 - Google Patents

Abstract

熱開關(100)具備高溫側傳熱要素(110)和隔著氣隙(130)而與高溫側傳熱要素(110)相對向配置之低溫側傳熱要素(120)。高溫側傳熱要素(110)及低溫側傳熱要素(120)中的一者具備第1基部(111)和從第1基部(111)延伸之柱部(112)。高溫側傳熱要素(110)及低溫側傳熱要素(120)中的另一者具備與柱部(112)相對向之第2基部(121)和以包圍柱部(112)之方式從第2基部(121)延伸之筒部(122)。熱開關(100)進一步具備：連接筒(140)，係以使氣隙(130)與周圍環境隔離之方式將筒部(122)連接於第1基部(111)，並且由隔熱材料形成。

Description

熱開關及熱開關裝置

本發明係有關一種熱開關及使用其之熱開關裝置。

例如，在超導磁鐵裝置等以極低溫進行動作之極低溫裝置中，在裝置啟動時進行從室溫等初始溫度冷卻至目標冷卻溫度之初始冷卻。在初始冷卻完成後，能夠進行基於超導磁鐵之高磁場的提供等極低溫裝置的利用。因此，期望初始冷卻的所需時間盡可能短。

為了進行極低溫冷卻，極低溫裝置通常使用吉福特-麥克馬洪(Gifford-McMahon；GM)冷凍機等二段式的極低溫冷凍機。冷卻至更低溫之極低溫冷凍機的第2段對超導線圈等極低溫裝置的被冷卻物進行冷卻，冷卻至比其更高溫之極低溫冷凍機的第1段對用於減少向第2段的被冷卻物中之輸入熱之輻射屏蔽件等第1段的被冷卻物進行冷卻。由於第1段的冷凍能力較大，因此能夠在較短時間內進行第1段的被冷卻物的初始冷卻。然而，第2段的冷凍能力一般遠小於第1段，因此第2段的被冷卻物的初始冷卻中往往需要比第1段長的時間。尤其，例如在具有大型的超導線圈之極低溫裝置中，有時初始冷卻的所需時間會變得相當長。

為了加快冷卻速度並在短時間內完成初始冷卻，提出有將熱開關介於第1段和第2段各自的被冷卻物之間。作為例示性的熱開關，已知有在封入有氣體之容器內設置相互非接觸地配置之兩個傳熱面者。當傳熱面的溫度高於氣體的沸點時，藉由透過氣體之熱交換而兩個傳熱面被熱連接，熱開關接通。若傳熱面被冷卻而其溫度成為低於氣體的沸點，則由於氣體的凝結而兩個傳熱面之間的空隙成為真空，由於真空隔熱而熱連接被解除，熱開關斷開。

藉由在第1段和第2段的被冷卻物之間設置熱開關，在如室溫那樣的高溫下，第1段和第2段的被冷卻物由熱開關熱連接，不僅能夠利用極低溫冷凍機的第2段，還能夠利用第1段來對第2段的被冷卻物迅速地進行冷卻。如此，能夠縮短初始冷卻的所需時間。在極低溫下，熱開關切換為斷開，第1段與第2段的熱連接被切斷，能夠將第1段和第2段的被冷卻物分別冷卻至目標冷卻溫度。 [先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1] 日本特開平9-166365號公報

[發明所欲解決之問題]

為了接通狀態下的高效率的傳熱，期望熱開關的兩個傳熱面的面積分別盡可能寬。與此同時或取而代之，期望熱開關在斷開時能夠確實地切斷熱連接。

本發明的一樣態的例示性目的之一為，提供一種適合於極低溫裝置之新型的熱開關及使用其之熱開關裝置。 [解決問題之技術手段]

依據本發明的一樣態，熱開關具備高溫側傳熱要素和隔著氣隙而與高溫側傳熱要素相對向配置之低溫側傳熱要素。高溫側傳熱要素及低溫側傳熱要素中的一者具備第1基部和從第1基部延伸之柱部。高溫側傳熱要素及低溫側傳熱要素中的另一者具備與柱部相對向之第2基部和以包圍柱部之方式從第2基部延伸之筒部。熱開關進一步具備以使氣隙與周圍環境隔離之方式將筒部連接於第1基部，並且由隔熱材料形成之連接筒。

依據本發明的一樣態，熱開關具備高溫側傳熱要素、隔著氣隙而與高溫側傳熱要素相對向配置之低溫側傳熱要素及與低溫側傳熱要素熱耦合並且能夠從氣隙吸附氣體之吸氣(getter)材。

依據本發明的一樣態，熱開關裝置具備串列連接之複數個熱開關。複數個熱開關的每一個具備高溫側傳熱要素和隔著氣隙而與高溫側傳熱要素相對向配置之低溫側傳熱要素。 [發明之效果]

依據本發明，能夠提供一種適合於極低溫裝置之新型的熱開關及使用其之熱開關裝置。

以下，參照圖式對用於實施本發明之方式進行詳細說明。在說明及圖式中，對相同或等同的構成要素、構件、處理標註相同符號，並適當省略重複說明。圖示之各部的縮尺或形狀是為了便於說明而方便地設定，只要沒有特別提及，則不應限定性地進行解釋。實施方式僅為例示，並不對本發明的範圍進行任何限定。實施方式中所描述之所有特徵或其組合並不一定是發明的本質。

圖1(a)係概略地表示實施方式之極低溫裝置10之圖。極低溫裝置10構成為，將作為被冷卻物的一例的超導線圈12由室溫冷卻至極低溫，並且在超導線圈12的使用中，將超導線圈12維持為極低溫。

超導線圈12例如作為單晶提拉裝置、NMR系統、MRI系統、迴旋加速器等加速器、核融合系統等高能量物理系統或其他高磁場利用機器(未圖示)的磁場源而搭載於高磁場利用機器中，能夠產生該機器所需要之高磁場。超導線圈12構成為藉由在冷卻至超導轉變溫度以下的極低溫之狀態下向超導線圈12通電而產生強力的磁場。

極低溫裝置10具備極低溫冷凍機20、真空容器30及輻射屏蔽件40。在該實施方式中，極低溫裝置10構成為，用極低溫冷凍機20對超導線圈12直接進行冷卻之傳導冷卻式，而不是將超導線圈12浸泡於液體氦等極低溫液體冷媒中進行冷卻之浸漬冷卻式。極低溫冷凍機20與超導線圈12熱耦合，以便藉由傳導冷卻對超導線圈12進行冷卻。

另外，在圖1(a)中，作為例子，示出了1台極低溫冷凍機20，但例如超導線圈12為大型的情況等，極低溫裝置10根據需要可以具備對一個相同的被冷卻物進行冷卻之複數台極低溫冷凍機20。

極低溫冷凍機20具備藉由傳導冷卻對物體進行冷卻之冷卻台22，更具體而言，具備第1冷卻台22a和第2冷卻台22b。極低溫冷凍機20設置於真空容器30，第1冷卻台22a和第2冷卻台22b配置於真空容器30中。作為一例，極低溫冷凍機20為二段式的吉福特-麥克馬洪冷凍機。

極低溫冷凍機20具備工作氣體(例如，氦氣)的壓縮機(未圖示)和亦被稱為冷頭之膨脹機，由壓縮機和膨脹機構成極低溫冷凍機20的冷凍循環，藉此第1冷卻台22a及第2冷卻台22b分別被冷卻至所期望的極低溫。第1冷卻台22a被冷卻至第1冷卻溫度，例如30K～80K，第2冷卻台22b被冷卻至低於第1冷卻溫度的第2冷卻溫度，例如3K～20K。第2冷卻溫度為低於超導線圈12的超導轉變溫度的溫度。第1冷卻台22a及第2冷卻台22b例如由銅(例如純銅，以下相同)等金屬材料或其他具有高導熱率之材料形成。

真空容器30構成為使真空區域32與外部環境14隔開。真空區域32被限定在真空容器30內。真空容器30例如可以為低溫恆溫器。超導線圈12、極低溫冷凍機20的冷卻台22、輻射屏蔽件40配置於真空區域32，並且與外部環境14真空隔熱。

輻射屏蔽件40與第1冷卻台22a熱耦合並被冷卻至第1冷卻溫度。輻射屏蔽件40直接安裝於第1冷卻台22a並與第1冷卻台22a熱耦合。或者，輻射屏蔽件40亦可以透過具有可撓性或剛性之傳熱構件而安裝於第1冷卻台22a。輻射屏蔽件40以包圍被冷卻至第2冷卻溫度之超導線圈12、極低溫冷凍機20的第2冷卻台22b及其他低溫部之方式配置，能夠從來自外部之輻射熱對該等低溫部進行熱保護。輻射屏蔽件40例如由銅等金屬材料或其他具有高導熱率之材料形成。

超導線圈12透過傳熱構件50而與第2冷卻台22b熱耦合。傳熱構件50例如由銅等金屬材料或其他具有高導熱率之材料形成，並且將超導線圈12連接於第2冷卻台22b。傳熱構件50可以具有可撓性並且以容許超導線圈12與第2冷卻台22b的相對移位之方式連接該等，或者，亦可以為剛性地連接超導線圈12和第2冷卻台22b之剛性構件。傳熱構件50例如由銅等金屬材料或其他具有高導熱率之材料形成。

在圖示的例子中，傳熱構件50固定於第2冷卻台22b的底面，但亦可以固定於第2冷卻台22b的側面或上表面等其他部位。同樣地，傳熱構件50例如固定於超導線圈12的底面，但亦可以固定於超導線圈12的側面或上表面等其他部位。

在該實施方式中，極低溫裝置10具備將超導線圈12和輻射屏蔽件40熱連接或解除熱連接之熱開關100。詳細內容待留後述，熱開關100具備隔著氣隙130而相對向配置之高溫側傳熱要素110及低溫側傳熱要素120。熱開關100構成將工作氣體封入氣隙130中之氣密容器。

作為一例，如圖所示，高溫側傳熱要素110安裝於輻射屏蔽件40，低溫側傳熱要素120安裝於超導線圈12，熱開關100將超導線圈12和輻射屏蔽件40直接連接。或者，高溫側傳熱要素110可以透過傳熱構件而安裝於第1冷卻台22a或輻射屏蔽件40，低溫側傳熱要素120可以透過傳熱構件而安裝於第2冷卻台22b、超導線圈12或傳熱構件50。熱開關100可以連接被冷卻至第1冷卻溫度之任意部位和被冷卻至第2冷卻溫度之任意部位。

當高溫側傳熱要素110及低溫側傳熱要素120的溫度高於切換溫度時，熱開關100能夠藉由透過氣隙130的工作氣體之傳熱要素之間的熱傳遞來將高溫側和低溫側熱連接。這是熱開關100的接通狀態。熱開關100的切換溫度相當於被封入之工作氣體的沸點。氣隙130是用於良好的熱傳遞之極其狹窄的間隙。氣隙130的大小(高溫側傳熱要素110與低溫側傳熱要素120的最短距離)例如可以在5mm以內或2mm以內。

又，當高溫側傳熱要素110及低溫側傳熱要素120中的至少一者(通常為低溫側傳熱要素120)的溫度低於切換溫度時，熱開關100解除高溫側與低溫側的熱連接。這是因為，氣隙130的工作氣體至少凝結於低溫側傳熱要素120的表面，氣隙130成為真空，高溫側傳熱要素110和低溫側傳熱要素120透過氣隙130而被真空隔熱。這是熱開關100的斷開狀態。

實施方式之極低溫裝置10如下進行動作。若極低溫冷凍機20被啟動，則極低溫冷凍機20的第1冷卻台22a被冷卻至第1冷卻溫度，第2冷卻台22b被冷卻至第2冷卻溫度。輻射屏蔽件40藉由第1冷卻台22a被冷卻至第1冷卻溫度，超導線圈12藉由第2冷卻台22b被冷卻至第2冷卻溫度。藉由從未圖示的電源向超導線圈12通電，超導線圈12能夠產生強力的磁場。藉此，能夠運轉極低溫裝置10。

將如輻射屏蔽件40那樣的第1冷卻溫度的部位和如超導線圈12那樣的第2冷卻溫度的部位由熱開關100連接，這有利於極低溫裝置10啟動時的初始冷卻。在初始冷卻中，極低溫冷凍機20由周圍溫度(例如，室溫)被冷卻至目標的極低溫。因此，在初始冷卻當初，熱開關100接通，輻射屏蔽件40與超導線圈12被熱連接。一般而言，極低溫冷凍機20的第1冷卻台22a中的冷凍能力大於第2冷卻台22b中的冷凍能力，因此能夠在基於第2冷卻台22b的超導線圈12的冷卻輔助中利用第1冷卻台22a的冷凍能力。藉此，能夠縮短初始冷卻的所需時間。

然後，進行冷卻，若超導線圈12被冷卻至低於熱開關100的切換溫度的溫度，則熱開關100切換為斷開，輻射屏蔽件40與超導線圈12的熱連接被切斷。輻射屏蔽件40藉由第1冷卻台22a維持在第1冷卻溫度，另一方面，超導線圈12藉由第2冷卻台22b被進一步冷卻，最終被冷卻至第2冷卻溫度。

圖1(b)係概略地表示一實施方式之極低溫冷凍機20之圖。在圖1(a)中，將熱開關100連接輻射屏蔽件40和超導線圈12之情況作為例子進行了說明。取而代之或與此同時，如圖1(b)所示，熱開關100亦可以連接極低溫冷凍機20的第1冷卻台22a和第2冷卻台22b。

又，在圖1(a)及圖1(b)中，將設置一個熱開關100之情況作為例子進行了說明，但本發明並不限於此。例如，極低溫裝置10可以具備複數個熱開關100，該等熱開關100的每一個可以連接輻射屏蔽件40等第1冷卻溫度的部位和超導線圈12等第2冷卻溫度的部位。又，極低溫冷凍機20可以具備複數個熱開關100，該等熱開關100的每一個可以連接第1冷卻台22a和第2冷卻台22b。

圖2係更詳細地表示圖1(a)及圖1(b)所示之熱開關100的例示性構成之概略剖面圖。在圖2中示出包含熱開關100的中心軸之縱截面。如上所述，熱開關100具備高溫側傳熱要素110和隔著氣隙130而與高溫側傳熱要素110相對向配置之低溫側傳熱要素120。例如，熱開關100可以具有沿著其中心軸延伸之大致圓柱狀的形狀。

高溫側傳熱要素110具備第1基部111和從第1基部111延伸之柱部112。第1基部111與被冷卻至第1冷卻溫度之第1構件61(例如，圖1(a)所示之輻射屏蔽件40或第1冷卻台22a)熱耦合。第1基部111例如可以具有大致圓板狀的形狀，藉由使其圓形狀的端面與第1構件61的表面接觸來固定於第1構件61。柱部112配置於熱開關100的內部。柱部112例如具有圓柱狀的形狀。柱部112在與第1構件61相反的一側從第1基部111沿著熱開關100的中心軸與第1基部111同軸地延伸。柱部112可以與第1基部111一體形成，或者，亦可以與第1基部111分體準備並接合於第1基部111。

低溫側傳熱要素120具備第2基部121和從第2基部121延伸之筒部122。第2基部121與被冷卻至第2冷卻溫度之第2構件62(例如，圖1(a)所示之超導線圈12或第2冷卻台22b)熱耦合。第2基部121例如可以具有大致圓板狀的形狀，藉由使其圓形狀的端面與第2構件62的表面接觸來固定於第2構件62。筒部122例如具有圓筒狀的形狀。筒部122在與第2構件62相反的一側從第2基部121沿著熱開關100的中心軸與第2基部121同軸地延伸。筒部122可以與第2基部121一體形成，或者，亦可以與第2基部121分體準備並接合於第2基部121。

低溫側傳熱要素120構成為在其內側接受高溫側傳熱要素110。高溫側傳熱要素110的柱部112插入到低溫側傳熱要素120的筒部122內的空腔。低溫側傳熱要素120的第2基部121與高溫側傳熱要素110的柱部112相對向，低溫側傳熱要素120的筒部122包圍高溫側傳熱要素110的柱部112。高溫側傳熱要素110的柱部112和低溫側傳熱要素120的第2基部121及筒部122被氣隙130隔開，並沒有物理接觸。低溫側傳熱要素120的筒部122在與第2基部121相反的一側靠近高溫側傳熱要素110的第1基部111而配置。

如此，當高溫側傳熱要素110具有柱部112且低溫側傳熱要素120具有筒部122時，與高溫側傳熱要素110相比，低溫側傳熱要素120的體積能夠變小。低溫側傳熱要素120具有較小的體積，使得向極低溫冷凍機20的第2冷卻台22b的熱負荷減小，因此(例如與圖3的例子相比)可能有利。

又，熱開關100具備連接筒140，該連接筒140與高溫側傳熱要素110及低溫側傳熱要素120一同形成用於將熱開關100的工作氣體封入內部之氣密容器。連接筒140連接高溫側傳熱要素110和低溫側傳熱要素120，更具體而言，以使氣隙130與周圍環境(例如，圖1(a)所示之真空區域32)隔離之方式將筒部122連接於第1基部111。連接筒140例如具有圓筒狀的形狀，並且沿著熱開關100的中心軸與第1基部111及筒部122同軸地延伸。連接筒140與高溫側傳熱要素110及低溫側傳熱要素120例如可以藉由焊接、接著或其他適當的接合方法來接合。

連接筒140的軸方向上的長度可以比熱開關100的軸方向上的總長度短很多，例如可以為熱開關100的軸方向上的總長度的一半以下或1/3以下。作為一例，連接筒140可以具有軸方向上的長度短於直徑的環形狀(例如，圓環狀的形狀)，而不是筒。

在一現有的熱開關的設計中，成為熱開關的外殼之筒構件在熱開關的軸方向上的大致總長度上延伸，兩個相互分離之傳熱體藉由該筒構件而連接。因此，在這樣的現有的熱開關中，在筒構件與其內側的傳熱體之間(例如，圖5所示之徑方向上的間隙162那樣)形成徑方向上的間隙。傳熱體的直徑比筒構件的直徑小與該徑方向上的間隙相當的量，其結果，傳熱體的表面積亦與直徑相應地變小，這可能導致熱開關的傳熱性能下降。

與此相對，在該實施方式中，連接筒140與低溫側傳熱要素120的筒部122在軸方向上串列連接。在連接筒140與筒部122之間不存在徑方向上的間隙。筒部122的直徑與熱開關100的直徑相同，能夠使筒部122的表面積變得較寬。與現有的設計相比，這能夠提高熱開關100的傳熱性能。

高溫側傳熱要素110及低溫側傳熱要素120與上述的極低溫裝置10內的其他傳熱構件同樣地，例如由銅等金屬材料或其他具有高導熱率之材料形成。另外，高溫側傳熱要素110和低溫側傳熱要素120通常由相同的材料形成，但亦可以由不同的材料形成。

連接筒140由與高溫側傳熱要素110及低溫側傳熱要素120相比導熱率低的材料，例如隔熱材料形成。在此，隔熱材料可以為具有形成高溫側傳熱要素110(或低溫側傳熱要素120)之高熱傳導材料的導熱率的例如1/10以下的導熱率之材料。連接筒140例如亦可以由不銹鋼或玻璃纖維強化塑膠(GFRP)或其他塑膠材料形成。藉此，能夠防止熱開關100斷開時通過連接筒140之從高溫側傳熱要素110向低溫側傳熱要素120的熱侵入或將其抑制在最小限度。

與形成傳熱要素之高熱傳導材料相比，形成連接筒140之材料通常為高強度，因此如圖所示，連接筒140的壁厚可以薄於傳熱要素的筒部122的壁厚。如此減薄連接筒140，這有助於抑制通過連接筒140之從高溫側傳熱要素110向低溫側傳熱要素120的熱侵入。

以使熱開關100的切換溫度低於極低溫冷凍機20的第1冷卻溫度且高於第2冷卻溫度之方式選擇封入熱開關100中之工作氣體。如上所述，熱開關100的切換溫度相當於被封入之工作氣體的沸點。因此，封入熱開關100中之工作氣體例如可以為氖(約27.1K)。或者，工作氣體亦可以為氫(約20.4K)或氦(約4.2K)。在此，對氣體種類加上括號附記的是各氣體種類在大氣壓中的沸點。例如，當在大氣壓中向熱開關100中封入了氖作為工作氣體時，能夠使熱開關100的切換溫度成為約27.1K。工作氣體亦可以在比大氣壓高的壓力(例如，5個大氣壓以內或10個大氣壓以內)中封入熱開關100中。藉由調整工作氣體的封入壓力，可以調整熱開關100的切換溫度。

另外，工作氣體亦可以為混合氣體，例如含有氖、氫及氦中的至少一個之混合氣體。該混合氣體例如可以含有氮、氬或空氣等稀釋氣體。藉由調整混合氣體的組成，可以調整熱開關100的切換溫度。

任選地，熱開關100可以具備與低溫側傳熱要素120熱耦合，並且能夠從氣隙130吸附氣體之吸氣材150。吸氣材150可以為在極低溫下(亦即，熱開關100的切換溫度以下的溫度，例如第2冷卻溫度)具有熱開關100的工作氣體的吸附能力之例如活性碳或其他多孔材料或其他吸附材料。吸氣材150以適當的方法設置於低溫側傳熱要素120的表面，以便能夠藉由低溫側傳熱要素120而被冷卻。

理想地，當熱開關100被冷卻至低於其切換溫度的溫度時，如上所述，工作氣體在熱開關100內凝結，氣隙130成為真空，熱開關100斷開。然而，實際上，一些工作氣體可能殘留於氣隙130中。如此的殘留氣體可能產生高溫側傳熱要素110與低溫側傳熱要素120之間的熱傳遞。不理想地，有可能無法忽略通過應斷開之熱開關100之從高溫側傳熱要素110向低溫側傳熱要素120的熱侵入。

與此相對，藉由在熱開關100內設置吸氣材150來吸附殘留氣體，能夠進一步提高氣隙130的真空度。因此，能夠更確實地實現熱開關100的斷開狀態下的熱連接的切斷。

吸氣材150在低溫側傳熱要素120上面向氣隙130而配置。藉此，吸氣材150會暴露於氣隙130中可能存在之殘留氣體中，能夠高效率地吸附殘留氣體。又，藉由用低溫側傳熱要素120對吸氣材150直接進行冷卻，能夠快速降低吸氣材150的溫度。藉此，能夠將熱開關100迅速切換為斷開，能夠提供響應性優異的熱開關100。

在圖示的例子中，吸氣材150設置於低溫側傳熱要素120的第2基部121上的與高溫側傳熱要素110的柱部112相對向之表面。取而代之或與此同時，吸氣材150亦可以在低溫側傳熱要素120上採用其他配置。例如，吸氣材150可以設置於與柱部112的周面相對向之筒部122的內側表面。

熱開關100為所謂的單間隙(one gap)(1間隙)型的熱開關。亦即，熱開關100僅具備一組柱部112與筒部122的組，因此氣隙130為形成於柱部112與筒部122之間之熱開關100的唯一氣隙。單間隙型的熱開關與後述的多間隙型相比，具有製作及組裝容易的優點。

在參照圖2說明之例示性熱開關100中，高溫側傳熱要素110具有凸形狀，低溫側傳熱要素120具有接受高溫側傳熱要素110之凹形狀。但是，作為代替方案，在本說明書中敘述之任一實施方式中，如參照圖3後述的那樣，高溫側傳熱要素110亦可以具有凹形狀，低溫側傳熱要素120亦可以具有對應之凸形狀。

圖3係表示變形例之熱開關100之概略圖。熱開關100具備高溫側傳熱要素110和隔著氣隙130而與高溫側傳熱要素110相對向配置之低溫側傳熱要素120。高溫側傳熱要素110和低溫側傳熱要素120由連接筒140連接。

如圖3所示，低溫側傳熱要素120可以具備第1基部123和從第1基部123延伸之柱部124。高溫側傳熱要素110可以具有與柱部124相對向之第2基部113和以包圍柱部124之方式從第2基部113延伸之筒部114。筒部114藉由連接筒140連接於第1基部123。即便如此，亦能夠提供單間隙型的熱開關。

任選地，吸氣材150可以設置於熱開關100。吸氣材150例如設置於低溫側傳熱要素120的柱部124的前端面。吸氣材150可以設置於低溫側傳熱要素120的柱部124的周面。

圖4(a)及圖4(b)係表示變形例之熱開關100之概略圖。熱開關100具備高溫側傳熱要素110和隔著氣隙130而與高溫側傳熱要素110相對向配置之低溫側傳熱要素120。高溫側傳熱要素110具有凸形狀，低溫側傳熱要素120具有接受高溫側傳熱要素110之凹形狀。高溫側傳熱要素110和低溫側傳熱要素120由連接筒140連接。熱開關100為單間隙型的熱開關。

如圖4(a)所示，熱開關100具備在內部具有吸氣材150之吸氣室152。吸氣室152容納於低溫側傳熱要素120內，例如低溫側傳熱要素120的第2基部121內。第2基部121在朝向成為與高溫側傳熱要素110相反的一側的熱開關100的外側之端面具有凹部，在該凹部內配置有吸氣室152。當低溫側傳熱要素120安裝於第2構件62時，吸氣室152不會與第2構件62發生干擾，因此有利。

吸氣室152通過熱開關100內的內部通路154而連接於氣隙130。內部通路154形成於低溫側傳熱要素120。作為一例，內部通路154可以為在熱開關100的中心軸上貫穿第2基部121之貫穿孔。因此，氣隙130的殘留氣體能夠通過內部通路154進入吸氣室152中並吸附於吸氣材150。

如圖4(b)所示，熱開關100具備在內部具有吸氣材150之吸氣室152。吸氣室152配置於熱開關100的外側，通過外部通路156而連接於氣隙130。吸氣室152容納於熱開關100的軸方向範圍內，因此當熱開關100安裝於第1構件61及第2構件62時，吸氣室152可避免與該等構件的干擾。

吸氣室152為收納吸氣材150之容器，外部通路156可以為將吸氣室152連接於熱開關100之配管。吸氣室152透過外部通路156而與低溫側傳熱要素120熱耦合。為了高效率地對吸氣材150進行冷卻，吸氣室152及外部通路156例如由銅等金屬材料或其他具有高導熱率之材料形成。作為一例，外部通路156的一端安裝於吸氣室152，另一端安裝於低溫側傳熱要素120的筒部122。氣隙130的殘留氣體能夠通過外部通路156而進入吸氣室152中並吸附於吸氣材150。

加熱器或其他調溫器158可以附加設置於吸氣室152。此時，藉由使調溫器158進行工作來對吸氣材150進行加熱，能夠將所吸附之工作氣體從吸氣材150釋放到氣隙130中。為了利用調溫器158高效率地對吸氣材150進行加熱，吸氣室152及外部通路156例如可以由不銹鋼等具有較低的導熱率之金屬材料形成。又，藉由停止調溫器158並利用低溫側傳熱要素120對吸氣材150進行冷卻，能夠使工作氣體再度吸附於吸氣材150。藉此，能夠與極低溫冷凍機20的冷卻動作獨立地切換熱開關100的接通斷開。

當熱開關100設置於極低溫裝置10時，實際上可以在熱開關100的周圍設置各種其他機器類。因此，如圖4(b)中的虛線示意性所示，在熱開關100中可以設定既定的可設置區域160。

圖2及圖4(a)的實施方式之內置有吸氣材150之熱開關100與圖4(b)的實施方式之具有外置的吸氣室152之熱開關100相比，能夠加大高溫側傳熱要素110及低溫側傳熱要素120的直徑。換言之，在圖4(b)的實施方式中，為了在可設置區域160中容納熱開關100，不得不將高溫側傳熱要素110及低溫側傳熱要素120的直徑減小與外置的吸氣室152相當的量。熱開關100的高溫側傳熱要素110及低溫側傳熱要素120的傳熱面積與直徑相應地增減。因此，內置有吸氣材150之熱開關100具有如下優點：相對於一已確定之可設置區域160的大小(容積)，能夠使可在高溫側傳熱要素110內確保之傳熱要素的面積變得較寬。

圖5係表示變形例之熱開關100之概略圖。熱開關100具備高溫側傳熱要素110和隔著氣隙130而與高溫側傳熱要素110相對向配置之低溫側傳熱要素120。高溫側傳熱要素110具有凸形狀，低溫側傳熱要素120具有接受高溫側傳熱要素110之凹形狀。高溫側傳熱要素110和低溫側傳熱要素120由連接筒140連接。熱開關100為單間隙型的熱開關。

在圖5所示之熱開關100中，連接筒140較長，在熱開關的軸方向上的大致總長度上延伸。連接筒140將高溫側傳熱要素110的第1基部111連接於低溫側傳熱要素120的第2基部121。低溫側傳熱要素120的筒部122相對於連接筒140配置於徑方向內側，在連接筒140與筒部122之間形成徑方向上的間隙162。高溫側傳熱要素110的柱部112插入到低溫側傳熱要素120的筒部122，在柱部112與筒部122之間形成氣隙130。

與上述的實施方式同樣地，熱開關100可以具備與低溫側傳熱要素120熱耦合，並且能夠從氣隙130吸附氣體之吸氣材150。吸氣材150在低溫側傳熱要素120上面向氣隙130而配置。例如，吸氣材150可以設置於低溫側傳熱要素120的第2基部121上的與高溫側傳熱要素110的柱部112相對向之表面。取而代之或與此同時，吸氣材150亦可以設置於低溫側傳熱要素120的其他表面，例如，低溫側傳熱要素120的筒部122的前端部。

圖6係表示變形例之熱開關100之概略圖。熱開關100具備高溫側傳熱要素110和隔著氣隙130而與高溫側傳熱要素110相對向配置之低溫側傳熱要素120。圖6所示之熱開關100為具有複數個氣隙130之多間隙型的熱開關。與單間隙型的熱開關相比，多間隙型的熱開關在容易使傳熱面積變寬的方面有利。

高溫側傳熱要素110具備第1基部111和從第1基部111延伸之柱部112。但是，與圖2所示之實施方式不同，柱部112為中空。低溫側傳熱要素120具備第2基部121和從第2基部121延伸之筒部122。但是，與圖2所示之實施方式不同，與筒部122同軸地從第2基部121延伸之軸部126形成於筒部122中。連接筒140將筒部122連接於第1基部111。

低溫側傳熱要素120構成為在其內側接受高溫側傳熱要素110。高溫側傳熱要素110的柱部112插入到低溫側傳熱要素120的筒部122內的空腔。此時，低溫側傳熱要素120的軸部126插入到柱部112的中空部。藉此，在高溫側傳熱要素110的柱部112的內側形成一個氣隙130，在柱部112的外側形成另一個氣隙130。高溫側傳熱要素110和低溫側傳熱要素120被該等氣隙130隔開，並沒有物理接觸。

與上述的實施方式同樣地，熱開關100可以具備與低溫側傳熱要素120熱耦合，並且能夠從氣隙130吸附氣體之吸氣材150。吸氣材150在低溫側傳熱要素120上面向氣隙130而配置。例如，可以設置於低溫側傳熱要素120的軸部126上的與高溫側傳熱要素110的第1基部111相對向之表面。取而代之或與此同時，吸氣材150亦可以設置於低溫側傳熱要素120的第2基部121上的與高溫側傳熱要素110的柱部112相對向之表面。取而代之或與此同時，吸氣材150亦可以設置於低溫側傳熱要素120的其他表面。

在圖6的實施方式中，高溫側傳熱要素110的柱部112亦可以視為圓筒狀的傳熱鰭片。因此，高溫側傳熱要素110可以具有朝向低溫側傳熱要素120延伸之圓筒狀的傳熱鰭片。又，高溫側傳熱要素110亦可以具有同軸設置之複數個圓筒狀鰭片。低溫側傳熱要素120可以具有與高溫側傳熱要素110的複數個圓筒狀鰭片互不相同地設置之至少一個圓筒狀鰭片。藉此，可以構成具有更多的氣隙130之多間隙型的熱開關。

或者，高溫側傳熱要素110可以具備朝向低溫側傳熱要素120延伸之平板狀或其他形狀的至少一個傳熱鰭片，低溫側傳熱要素120可以具備朝向高溫側傳熱要素110延伸之至少一個傳熱鰭片。高溫側傳熱要素110的至少一個傳熱鰭片和低溫側傳熱要素120的至少一個傳熱鰭片可以互不相同地配置，以便在熱開關100內形成複數個氣隙130。

圖7係表示變形例之熱開關100之概略圖。熱開關100具備高溫側傳熱要素110和隔著氣隙130而與高溫側傳熱要素110相對向配置之低溫側傳熱要素120。高溫側傳熱要素110具有凸形狀，低溫側傳熱要素120具有接受高溫側傳熱要素110之凹形狀。高溫側傳熱要素110和低溫側傳熱要素120由連接筒140連接。熱開關100為單間隙型的熱開關。

如圖7所示，熱開關100具備被覆其外周面之被覆構件170。被覆構件170被覆低溫側傳熱要素120的筒部122及連接筒140的外周面。由於極低溫冷卻中所伴隨之熱收縮，在第1構件61與第2構件62之間發生相對移位，其結果，擔心負載(例如，橫向負載)可能作用於熱開關100。被覆構件170能夠有助於針對這樣的負載而增強熱開關100。為了減少通過被覆構件170之從高溫側傳熱要素110向低溫側傳熱要素120之熱侵入，被覆構件170可以由隔熱材料形成。

圖8係表示一實施方式之熱開關裝置200之概略圖。熱開關裝置200具備串列連接之複數個熱開關(在該例子中為兩個熱開關100a、100b)。複數個熱開關的每一個具備高溫側傳熱要素110和隔著氣隙130而與高溫側傳熱要素110相對向配置之低溫側傳熱要素120。高溫側傳熱要素110具有凸形狀，低溫側傳熱要素120具有接受高溫側傳熱要素110之凹形狀。高溫側傳熱要素110和低溫側傳熱要素120由連接筒140連接。

如圖8所示，鄰接之兩個熱開關中的一個熱開關100a的高溫側傳熱要素110與第1構件61熱耦合。鄰接之兩個熱開關中的另一個熱開關100b的低溫側傳熱要素120與第2構件62熱耦合。

高溫側的熱開關100a的低溫側傳熱要素120與低溫側的熱開關100b的高溫側傳熱要素110可以一體化。該一體化之傳熱要素例如透過傳熱構件180而與第2構件62熱耦合。

或者，高溫側的熱開關100a的低溫側傳熱要素120和低溫側的熱開關100b的高溫側傳熱要素110可以相互熱耦合。換言之，複數個熱開關的每一個可以為上述之任一實施方式之熱開關100，這樣的熱開關100可以在軸方向上簡單地堆疊。各熱開關100的低溫側傳熱要素120和耦合之鄰接之熱開關100的高溫側傳熱要素110一同與第2構件62熱耦合。

當熱開關裝置200具有串列連接之複數個熱開關時，藉由斷開任一熱開關，第1構件61與第2構件62之間的熱連接被切斷。即使在複數個熱開關中的任一熱開關中存在某些不良(例如，高溫側傳熱要素110與低溫側傳熱要素120的物理接觸、殘留氣體的過量存在等)而該熱開關被切換為斷開之情況下，藉由其他任一熱開關正常切換為斷開，熱開關裝置200亦能夠切斷第1構件61與第2構件62之間的熱連接。因此，與單個熱開關100相比，熱開關裝置200在對不良具有穩健性方面有利。

因此，無需對熱開關裝置200的各熱開關設置吸氣材150。然而，與上述的實施方式同樣地，如虛線所示，亦可以對各熱開關設置吸氣材150。

考慮熱開關裝置200接通的狀況。若將在一定大小的可設置區域設置單個熱開關100之情況和設置熱開關裝置200之情況進行比較，則與單個熱開關100相比，構成熱開關裝置200之各熱開關的尺寸小，但合計傳熱面積變得大致相同。因此，可期待在單個熱開關100和熱開關裝置200中傳熱性能大致相同。又，在熱開關裝置200中，各熱開關的連接筒140的合計的軸方向上的長度與單個熱開關100的連接筒140的軸方向上的長度大致相同。因此，可期待在單個熱開關100和熱開關裝置200中隔熱性能大致相同。

以上，根據實施例對本發明進行了說明。本發明並不限定於上述實施方式，本領域技術人員應理解：能夠進行各種設計變更，能夠進行各種變形例，並且，這樣的變形例亦在本發明的範圍內。關於一實施方式而說明之各種特徵亦能夠運用於其他實施方式。藉由組合而產生之新的實施方式兼具所組合之實施方式各自的效果。

在上述的實施方式中，將極低溫冷凍機20為多段式的吉福特-麥克馬洪冷凍機的情況為例子進行了說明，但本發明並不限於此。極低溫冷凍機20亦可以為脈衝管冷凍機、斯特林冷凍機或其他類型的多段式的極低溫冷凍機。實施方式之熱開關100及熱開關裝置200能夠運用於各種極低溫冷凍機20或搭載有極低溫冷凍機20之極低溫裝置10。

在上述的實施方式中，熱開關100及熱開關裝置200運用於用極低溫冷凍機20對被冷卻物直接進行冷卻之傳導冷卻式的極低溫裝置10。但是，在一實施方式中，熱開關100及熱開關裝置200亦可以運用於將被冷卻物浸泡於液體氦等極低溫冷媒中進行冷卻之浸漬冷卻式的極低溫裝置。

根據實施方式，使用具體的語句對本發明進行了說明，但實施方式只不過是示出本發明的原理、應用的一側面，在實施方式中，在不脫離申請專利範圍中所規定之本發明的思想之範圍內，允許進行多種變形例或配置的變更。 [產業上之可利用性]

本發明可以在熱開關及使用其之熱開關裝置的領域中利用。 本申請案係主張基於2022年10月6日申請之日本專利申請第2022-161611號的優先權。該日本申請案的全部內容係藉由參閱而援用於本說明書中。

100:熱開關 110:高溫側傳熱要素 111:第1基部 112:柱部 120:低溫側傳熱要素 121:第2基部 122:筒部 130:氣隙 140:連接筒 150:吸氣材 152:吸氣室 170:被覆構件 200:熱開關裝置

[圖1]圖1(a)係概略地表示一實施方式之極低溫裝置之圖，圖1(b)係概略地表示一實施方式之極低溫冷凍機之圖。 [圖2]係更詳細地表示實施方式之熱開關的例示性構成之概略剖面圖。 [圖3]係表示變形例之熱開關之概略圖。 [圖4]圖4(a)及圖4(b)係表示變形例之熱開關之概略圖。 [圖5]係表示變形例之熱開關之概略圖。 [圖6]係表示變形例之熱開關之概略圖。 [圖7]係表示變形例之熱開關之概略圖。 [圖8]係表示一實施方式之熱開關裝置之概略圖。

61:第1構件

62:第2構件

100:熱開關

110:高溫側傳熱要素

111:第1基部

112:柱部

120:低溫側傳熱要素

121:第2基部

122:筒部

130:氣隙

140:連接筒

150:吸氣材

Claims (19)

1. 一種熱開關，其特徵為，具備： 高溫側傳熱要素；及 低溫側傳熱要素，係隔著氣隙而與前述高溫側傳熱要素相對向配置， 前述高溫側傳熱要素及前述低溫側傳熱要素中的其中一者具備第1基部和從前述第1基部延伸之柱部， 前述高溫側傳熱要素及前述低溫側傳熱要素中的另一者具備與前述柱部相對向之第2基部和以包圍前述柱部之方式從前述第2基部延伸之筒部， 前述熱開關進一步具備：連接筒，係以使前述氣隙與周圍環境隔離之方式將前述筒部連接於前述第1基部，並且由隔熱材料形成。
2. 如請求項1的熱開關，其中，進一步具備：吸氣材，係與前述低溫側傳熱要素熱耦合，並且能夠從前述氣隙吸附氣體。
3. 如請求項2的熱開關，其中， 前述吸氣材在前述低溫側傳熱要素上面向前述氣隙而配置。
4. 如請求項2的熱開關，其中，具備：吸氣室，係連接於前述氣隙，並且在內部具有前述吸氣材。
5. 如請求項4的熱開關，其中， 前述吸氣室容納於前述低溫側傳熱要素內。
6. 如請求項1的熱開關，其中，前述熱開關僅具備一組前述柱部與前述筒部的組， 前述氣隙為形成於前述柱部與前述筒部之間之前述熱開關的唯一氣隙。
7. 如請求項1至6中任一項的熱開關，其中，進一步具備：被覆構件，係被覆前述熱開關的外周面。
8. 如請求項1的熱開關，其中， 前述連接筒的軸方向上的長度為前述熱開關的軸方向上的總長度的一半以下。
9. 一種熱開關，其特徵為，具備： 高溫側傳熱要素； 低溫側傳熱要素，係隔著氣隙而與前述高溫側傳熱要素相對向配置；及 吸氣材，係與前述低溫側傳熱要素熱耦合，並且能夠從前述氣隙吸附氣體。
10. 如請求項9的熱開關，其中， 前述吸氣材在前述低溫側傳熱要素上面向前述氣隙而配置。
11. 如請求項9的熱開關，其中，具備：吸氣室，係連接於前述氣隙，並且在內部具有前述吸氣材。
12. 如請求項11的熱開關，其中， 前述吸氣室容納於前述低溫側傳熱要素內。
13. 如請求項9的熱開關，其中， 前述高溫側傳熱要素及前述低溫側傳熱要素中的其中一者具備第1基部和從前述第1基部延伸之柱部， 前述高溫側傳熱要素及前述低溫側傳熱要素中的另一者具備與前述柱部相對向之第2基部和以包圍前述柱部之方式從前述第2基部延伸之筒部， 前述熱開關僅具備一組前述柱部與前述筒部的組， 前述氣隙為形成於前述柱部與前述筒部之間之前述熱開關的唯一氣隙。
14. 如請求項13的熱開關，其中，進一步具備：連接筒，係以使前述氣隙與周圍環境隔離之方式將前述筒部連接於前述第1基部，並且由隔熱材料形成。
15. 如請求項9至14中任一項的熱開關，其中，進一步具備：被覆構件，係被覆前述熱開關的外周面。
16. 一種熱開關裝置，其特徵為，具備串列連接之複數個熱開關， 前述複數個熱開關的每一個具備： 高溫側傳熱要素；及 低溫側傳熱要素，係隔著氣隙而與前述高溫側傳熱要素相對向配置。
17. 如請求項16的熱開關裝置，其中， 前述複數個熱開關包括鄰接之兩個熱開關， 前述鄰接之兩個熱開關中高溫側的熱開關的低溫側傳熱要素與前述鄰接之兩個熱開關中低溫側的熱開關的高溫側傳熱要素一體化。
18. 如請求項16的熱開關裝置，其中， 在前述複數個熱開關的每一個中， 前述高溫側傳熱要素及前述低溫側傳熱要素中的其中一者具備第1基部和從前述第1基部延伸之柱部， 前述高溫側傳熱要素及前述低溫側傳熱要素中的另一者具備與前述柱部相對向之第2基部和以包圍前述柱部之方式從前述第2基部延伸之筒部， 前述複數個熱開關的每一個進一步具備：連接筒，係以使前述氣隙與周圍環境隔離之方式將前述筒部連接於前述第1基部，並且由隔熱材料形成。
19. 如請求項16至18中任一項的熱開關裝置，其中， 前述複數個熱開關的每一個具備：吸氣材，係與前述低溫側傳熱要素熱耦合，並且能夠從前述氣隙吸附氣體。

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