WO2024075424A1 - 熱スイッチおよび熱スイッチ装置 - Google Patents

熱スイッチおよび熱スイッチ装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2024075424A1
WO2024075424A1 PCT/JP2023/030579 JP2023030579W WO2024075424A1 WO 2024075424 A1 WO2024075424 A1 WO 2024075424A1 JP 2023030579 W JP2023030579 W JP 2023030579W WO 2024075424 A1 WO2024075424 A1 WO 2024075424A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
heat transfer
transfer element
temperature side
side heat
thermal switch
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/030579
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
健太 出村
Original Assignee
住友重機械工業株式会社
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
Application filed by 住友重機械工業株式会社 filed Critical 住友重機械工業株式会社
Publication of WO2024075424A1 publication Critical patent/WO2024075424A1/ja

Links

Images

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
    • 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
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a thermal switch and a thermal switch device using the same.
  • cryogenic devices that operate at extremely low temperatures, such as superconducting magnet devices
  • initial cooling is performed when the device is started up, cooling it from an initial temperature, such as room temperature, to a target cooling temperature.
  • the cryogenic device can be used, such as providing a high magnetic field using a superconducting magnet, after initial cooling is complete. Therefore, it is desirable for the time required for initial cooling to be as short as possible.
  • Cryogenic devices often use two-stage cryogenic refrigerators, such as Gifford-McMahon (GM) refrigerators, for cryogenic cooling.
  • the second stage of the cryogenic refrigerator which is cooled to a lower temperature, cools the object to be cooled in the cryogenic device, such as a superconducting coil, and the first stage of the cryogenic refrigerator, which is cooled to a higher temperature, cools the object to be cooled in the first stage, such as a radiation shield to reduce heat input to the object to be cooled in the second stage. Since the refrigeration capacity of the first stage is relatively large, the object to be cooled in the first stage can be initially cooled in a relatively short time.
  • the object to be cooled in the second stage tends to require a longer time than that of the first stage for initial cooling.
  • the time required for initial cooling can be quite long.
  • thermal switch In order to speed up the cooling rate and complete the initial cooling in a short period of time, it has been proposed to interpose a thermal switch between the objects to be cooled in the first and second stages.
  • a thermal switch is one in which two heat transfer surfaces are arranged in a container filled with gas and are not in contact with each other. When the temperature of the heat transfer surfaces is higher than the boiling point of the gas, the two heat transfer surfaces are thermally connected by heat exchange via the gas, and the thermal switch is turned on. When the heat transfer surfaces are cooled and their temperature drops below the boiling point of the gas, the gas condenses and the gap between the two heat transfer surfaces becomes a vacuum, and the thermal connection is released by vacuum insulation, turning the thermal switch off.
  • the thermal switch By providing a thermal switch between the objects to be cooled in the first and second stages, at high temperatures such as room temperature, the objects to be cooled in the first and second stages are thermally connected by the thermal switch, and the object to be cooled in the second stage can be quickly cooled using not only the second stage but also the first stage of the cryogenic refrigerator. In this way, the time required for initial cooling can be shortened. At extremely low temperatures, the thermal switch is switched off, the thermal connection between the first and second stages is severed, and the objects to be cooled in the first and second stages can be cooled to their respective target cooling temperatures.
  • the thermal switch For efficient heat transfer when the thermal switch is in the on state, it is desirable that the areas of the two heat transfer surfaces are as large as possible. Additionally or alternatively, it is desirable that the thermal switch be able to reliably disconnect the thermal connection when in the off state.
  • One exemplary object of an embodiment of the present invention is to provide a novel thermal switch suitable for cryogenic devices and a thermal switch device using the same.
  • the thermal switch comprises a high-temperature side heat transfer element and a low-temperature side heat transfer element disposed opposite the high-temperature side heat transfer element across a gas gap.
  • One of the high-temperature side heat transfer element and the low-temperature side heat transfer element comprises a first base and a column extending from the first base.
  • the other of the high-temperature side heat transfer element and the low-temperature side heat transfer element comprises a second base facing the column and a tube extending from the second base to surround the column.
  • the thermal switch further comprises a connecting tube formed of a thermal insulating material, connecting the tube to the first base so as to isolate the gas gap from the surrounding environment.
  • the thermal switch comprises a high-temperature side heat transfer element, a low-temperature side heat transfer element disposed opposite the high-temperature side heat transfer element across a gas gap, and a getter material that is thermally coupled to the low-temperature side heat transfer element and capable of adsorbing gas from the gas gap.
  • the thermal switch device includes a plurality of thermal switches connected in series.
  • Each of the plurality of thermal switches includes a high-temperature side heat transfer element and a low-temperature side heat transfer element disposed opposite the high-temperature side heat transfer element across a gas gap.
  • the present invention provides a new thermal switch suitable for cryogenic devices and a thermal switch device using the same.
  • FIG. 1(a) is a schematic diagram of a cryogenic device according to an embodiment
  • FIG. 1(b) is a schematic diagram of a cryogenic refrigerator according to an embodiment
  • 2 is a schematic cross-sectional view illustrating an exemplary configuration of a thermal switch according to an embodiment in more detail
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing a thermal switch according to a modified example.
  • 4(a) and 4(b) are schematic diagrams showing thermal switches according to modified examples.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing a thermal switch according to a modified example.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing a thermal switch according to a modified example.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing a thermal switch according to a modified example.
  • 1 is a schematic diagram illustrating a thermal switching device according to an embodiment
  • FIG. 1(a) is a schematic diagram of a cryogenic device 10 according to an embodiment.
  • the cryogenic device 10 is configured to cool a superconducting coil 12, which is an example of an object to be cooled, from room temperature to a cryogenic temperature, and to maintain the superconducting coil 12 at a cryogenic temperature while the superconducting coil 12 is in use.
  • the superconducting coil 12 is mounted in high magnetic field equipment as a magnetic field source for, for example, accelerators such as single crystal pulling devices, NMR systems, MRI systems, and cyclotrons, high energy physics systems such as nuclear fusion systems, or other high magnetic field equipment (not shown), and can generate the high magnetic field required by the equipment.
  • the superconducting coil 12 is configured to generate a strong magnetic field by passing electricity through the superconducting coil 12 while it is cooled to an extremely low temperature below the superconducting transition temperature.
  • the cryogenic device 10 comprises a cryogenic refrigerator 20, a vacuum vessel 30, and a radiation shield 40.
  • the cryogenic device 10 is configured as a conduction cooling type in which the superconducting coil 12 is directly cooled by the cryogenic refrigerator 20, rather than an immersion cooling type in which the superconducting coil 12 is cooled by immersing it in a cryogenic liquid refrigerant such as liquid helium.
  • the cryogenic refrigerator 20 is thermally coupled to the superconducting coil 12 so that the superconducting coil 12 is cooled by conduction cooling.
  • FIG. 1(a) shows one cryogenic refrigerator 20 as an example
  • the cryogenic device 10 may be provided with multiple cryogenic refrigerators 20 for cooling the same object to be cooled as necessary, for example when the superconducting coil 12 is large.
  • the cryogenic refrigerator 20 includes a cooling stage 22 that cools an object by conduction cooling, more specifically, a first cooling stage 22a and a second cooling stage 22b.
  • the cryogenic refrigerator 20 is installed in a vacuum vessel 30, and the first cooling stage 22a and the second cooling stage 22b are disposed within the vacuum vessel 30.
  • the cryogenic refrigerator 20 is a two-stage Gifford McMahon refrigerator.
  • the cryogenic refrigerator 20 includes a compressor (not shown) for a working gas (e.g., helium gas) and an expander also called a cold head.
  • the compressor and expander form the refrigeration cycle of the cryogenic refrigerator 20, whereby the first cooling stage 22a and the second cooling stage 22b are each cooled to a desired cryogenic temperature.
  • the first cooling stage 22a is cooled to a first cooling temperature, e.g., 30K to 80K
  • the second cooling stage 22b is cooled to a second cooling temperature, e.g., 3K to 20K, which is lower than the first cooling temperature.
  • the second cooling temperature is a temperature lower than the superconducting transition temperature of the superconducting coil 12.
  • the first cooling stage 22a and the second cooling stage 22b are formed of a metal material such as copper (e.g., pure copper, the same applies below) or other material with high thermal conductivity.
  • the vacuum vessel 30 is configured to separate the vacuum region 32 from the external environment 14.
  • the vacuum region 32 is defined within the vacuum vessel 30.
  • the vacuum vessel 30 may be, for example, a cryostat.
  • the superconducting coil 12, the cooling stage 22 of the cryocooler 20, and the radiation shield 40 are disposed in the vacuum region 32 and are vacuum insulated from the external environment 14.
  • the radiation shield 40 is thermally coupled to the first cooling stage 22a and cooled to a first cooling temperature.
  • the radiation shield 40 is directly attached to the first cooling stage 22a and thermally coupled to the first cooling stage 22a.
  • the radiation shield 40 may be attached to the first cooling stage 22a via a flexible or rigid heat transfer member.
  • the radiation shield 40 is arranged to surround the superconducting coil 12, which is cooled to a second cooling temperature, the second cooling stage 22b of the cryogenic refrigerator 20, and other low-temperature parts, and can thermally protect these low-temperature parts from external radiant heat.
  • the radiation shield 40 is formed of a metal material such as copper or other material with high thermal conductivity.
  • the superconducting coil 12 is thermally coupled to the second cooling stage 22b via a heat transfer member 50.
  • the heat transfer member 50 is formed of a metallic material such as copper or other material with high thermal conductivity, and connects the superconducting coil 12 to the second cooling stage 22b.
  • the heat transfer member 50 may be flexible and connect the superconducting coil 12 and the second cooling stage 22b to allow relative displacement between them, or it may be a rigid member that rigidly connects the superconducting coil 12 and the second cooling stage 22b.
  • the heat transfer member 50 is formed of a metallic material such as copper or other material with high thermal conductivity.
  • the heat transfer member 50 is fixed to the bottom surface of the second cooling stage 22b, but may be fixed to other locations, such as the side or top surface of the second cooling stage 22b.
  • the heat transfer member 50 is fixed to the bottom surface of the superconducting coil 12, for example, but may be fixed to other locations, such as the side or top surface of the superconducting coil 12.
  • the cryogenic device 10 includes a thermal switch 100 that thermally connects or disconnects the superconducting coil 12 and the radiation shield 40.
  • the thermal switch 100 includes a high-temperature side heat transfer element 110 and a low-temperature side heat transfer element 120 that are arranged opposite each other with a gas gap 130 in between.
  • the thermal switch 100 forms an airtight container that seals a working gas in the gas gap 130.
  • the high-temperature side heat transfer element 110 is attached to the radiation shield 40
  • the low-temperature side heat transfer element 120 is attached to the superconducting coil 12
  • the thermal switch 100 directly connects the superconducting coil 12 and the radiation shield 40.
  • the high-temperature side heat transfer element 110 may be attached to the first cooling stage 22a or the radiation shield 40 via a heat transfer member
  • the low-temperature side heat transfer element 120 may be attached to the second cooling stage 22b, the superconducting coil 12, or the heat transfer member 50 via a heat transfer member.
  • the thermal switch 100 may connect any part that is cooled to the first cooling temperature and any part that is cooled to the second cooling temperature.
  • the high-temperature side and the low-temperature side of the thermal switch 100 can be thermally connected by heat transfer between the heat transfer elements via the working gas in the gas gap 130. This is the on state of the thermal switch 100.
  • the switching temperature of the thermal switch 100 corresponds to the boiling point of the enclosed working gas.
  • the gas gap 130 is a very narrow gap for good heat transfer.
  • the size of the gas gap 130 (the shortest distance between the high-temperature side heat transfer element 110 and the low-temperature side heat transfer element 120) may be, for example, within 5 mm, or within 2 mm.
  • the thermal switch 100 also disconnects the thermal connection between the high-temperature side and the low-temperature side when the temperature of at least one of the high-temperature side heat transfer element 110 and the low-temperature side heat transfer element 120 (usually the low-temperature side heat transfer element 120) is lower than the switching temperature. This is because the working gas in the gas gap 130 condenses on at least the surface of the low-temperature side heat transfer element 120, the gas gap 130 becomes a vacuum, and the high-temperature side heat transfer element 110 and the low-temperature side heat transfer element 120 are vacuum insulated via the gas gap 130. This is the off state of the thermal switch 100.
  • the cryogenic device 10 operates as follows.
  • the first cooling stage 22a of the cryogenic refrigerator 20 is cooled to a first cooling temperature
  • the second cooling stage 22b is cooled to a second cooling temperature.
  • the radiation shield 40 is cooled to the first cooling temperature by the first cooling stage 22a
  • the superconducting coil 12 is cooled to the second cooling temperature by the second cooling stage 22b.
  • the superconducting coil 12 can generate a strong magnetic field. In this manner, the cryogenic device 10 can be operated.
  • the thermal switch 100 Connecting the part with the first cooling temperature, such as the radiation shield 40, and the part with the second cooling temperature, such as the superconducting coil 12, with the thermal switch 100 is advantageous for initial cooling at the start of the cryogenic device 10.
  • the cryogenic refrigerator 20 is cooled from the ambient temperature (e.g., room temperature) to the target cryogenic temperature. Therefore, at the beginning of the initial cooling, the thermal switch 100 is turned on, and the radiation shield 40 and the superconducting coil 12 are thermally connected.
  • the refrigeration capacity of the first cooling stage 22a of the cryogenic refrigerator 20 is greater than the refrigeration capacity of the second cooling stage 22b, so the refrigeration capacity of the first cooling stage 22a can be used to assist the second cooling stage 22b in cooling the superconducting coil 12. This can shorten the time required for initial cooling.
  • the thermal switch 100 switches off and the thermal connection between the radiation shield 40 and the superconducting coil 12 is cut off.
  • the radiation shield 40 is maintained at the first cooling temperature by the first cooling stage 22a, while the superconducting coil 12 is further cooled by the second cooling stage 22b, and is finally cooled to the second cooling temperature.
  • FIG. 1(b) is a schematic diagram of a cryogenic refrigerator 20 according to one embodiment.
  • FIG. 1(a) illustrates an example in which a thermal switch 100 connects a radiation shield 40 and a superconducting coil 12.
  • the thermal switch 100 may connect a first cooling stage 22a and a second cooling stage 22b of the cryogenic refrigerator 20.
  • the cryogenic device 10 may include multiple thermal switches 100, and each of these thermal switches 100 may connect a part of a first cooling temperature, such as the radiation shield 40, to a part of a second cooling temperature, such as the superconducting coil 12.
  • the cryogenic refrigerator 20 may include multiple thermal switches 100, and each of these thermal switches 100 may connect a first cooling stage 22a to a second cooling stage 22b.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing in more detail an exemplary configuration of the thermal switch 100 shown in FIG. 1(a) and FIG. 1(b).
  • FIG. 2 shows a longitudinal cross-section including the central axis of the thermal switch 100.
  • the thermal switch 100 includes a high-temperature side heat transfer element 110 and a low-temperature side heat transfer element 120 arranged opposite the high-temperature side heat transfer element 110 with a gas gap 130 therebetween.
  • the thermal switch 100 may have a generally cylindrical shape extending along its central axis.
  • the high-temperature side heat transfer element 110 comprises a first base 111 and a column portion 112 extending from the first base 111.
  • the first base 111 is thermally coupled to a first member 61 (e.g., the radiation shield 40 or the first cooling stage 22a shown in FIG. 1(a)) that is cooled to a first cooling temperature.
  • the first base 111 may have, for example, a roughly disk-like shape, and is fixed to the first member 61 with its circular end face in contact with the surface of the first member 61.
  • the column portion 112 is disposed inside the thermal switch 100.
  • the column portion 112 has, for example, a cylindrical shape.
  • the column portion 112 extends coaxially with the first base 111 from the first base 111 along the central axis of the thermal switch 100 on the opposite side to the first member 61.
  • the pillar portion 112 may be formed integrally with the first base portion 111, or may be prepared separately from the first base portion 111 and joined to the first base portion 111.
  • the low-temperature side heat transfer element 120 includes a second base 121 and a tube portion 122 extending from the second base 121.
  • the second base 121 is thermally coupled to a second member 62 (e.g., the superconducting coil 12 or the second cooling stage 22b shown in FIG. 1(a)) that is cooled to a second cooling temperature.
  • the second base 121 may have, for example, a roughly disk-like shape, and is fixed to the second member 62 with its circular end face in contact with the surface of the second member 62.
  • the tube portion 122 has, for example, a cylindrical shape.
  • the tube portion 122 extends from the second base 121 coaxially with the second base 121 along the central axis of the thermal switch 100 on the side opposite to the second member 62.
  • the tube portion 122 may be formed integrally with the second base 121, or may be prepared separately from the second base 121 and joined to the second base 121.
  • the low-temperature side heat transfer element 120 is configured to receive the high-temperature side heat transfer element 110 inside.
  • the pillar portion 112 of the high-temperature side heat transfer element 110 is inserted into a cavity in the tubular portion 122 of the low-temperature side heat transfer element 120.
  • the second base portion 121 of the low-temperature side heat transfer element 120 faces the pillar portion 112 of the high-temperature side heat transfer element 110, and the tubular portion 122 of the low-temperature side heat transfer element 120 surrounds the pillar portion 112 of the high-temperature side heat transfer element 110.
  • the pillar portion 112 of the high-temperature side heat transfer element 110 and the second base portion 121 and tubular portion 122 of the low-temperature side heat transfer element 120 are separated by a gas gap 130 and are not in physical contact.
  • the tubular portion 122 of the low-temperature side heat transfer element 120 is disposed adjacent to the first base portion 111 of the high-temperature side heat transfer element 110 on the opposite side to the second base portion 121.
  • the volume of the low-temperature side heat transfer element 120 can be smaller than that of the high-temperature side heat transfer element 110.
  • the fact that the low-temperature side heat transfer element 120 has a relatively small volume can be advantageous (compared to the example of FIG. 3, for example) because it leads to a smaller heat load on the second cooling stage 22b of the cryogenic refrigerator 20.
  • the thermal switch 100 also includes a connecting tube 140 that, together with the high-temperature side heat transfer element 110 and the low-temperature side heat transfer element 120, forms an airtight container for sealing the working gas of the thermal switch 100 inside.
  • the connecting tube 140 connects the high-temperature side heat transfer element 110 and the low-temperature side heat transfer element 120, and more specifically, connects the tube portion 122 to the first base portion 111 so as to isolate the gas gap 130 from the surrounding environment (e.g., the vacuum region 32 shown in FIG. 1(a)).
  • the connecting tube 140 has, for example, a cylindrical shape and extends coaxially with the first base portion 111 and the tube portion 122 along the central axis of the thermal switch 100.
  • the connecting tube 140 may be joined to the high-temperature side heat transfer element 110 and the low-temperature side heat transfer element 120 by, for example, brazing, gluing, or other appropriate joining methods.
  • the axial length of the connecting tube 140 may be significantly shorter than the overall axial length of the thermal switch 100, for example, less than half or less than one-third of the overall axial length of the thermal switch 100.
  • the connecting tube 140 may have a ring shape (e.g., annular shape) whose axial length is shorter than its diameter.
  • a cylindrical member that forms the outer shell of the thermal switch extends over almost the entire axial length of the thermal switch, and connects two heat transfer bodies that are spaced apart from each other.
  • a radial gap is formed between the cylindrical member and the heat transfer body inside it (e.g., radial gap 162 shown in FIG. 5).
  • the diameter of the heat transfer body is smaller than the diameter of the cylindrical member by the amount of this radial gap, and as a result, the surface area of the heat transfer body is also reduced according to the diameter, which can lead to a decrease in the heat transfer performance of the thermal switch.
  • the connecting tube 140 is connected in series with the tube portion 122 of the low-temperature side heat transfer element 120 in the axial direction. There is no radial gap between the connecting tube 140 and the tube portion 122.
  • the diameter of the tube portion 122 is equal to the diameter of the thermal switch 100, allowing the surface area of the tube portion 122 to be relatively large. This can improve the heat transfer performance of the thermal switch 100 compared to existing designs.
  • the high-temperature side heat transfer element 110 and the low-temperature side heat transfer element 120 are formed of a metal material such as copper or other material with high thermal conductivity, similar to the other heat transfer members in the cryogenic device 10 described above. Note that the high-temperature side heat transfer element 110 and the low-temperature side heat transfer element 120 are typically formed of the same material, but may be formed of different materials.
  • the connecting tube 140 is formed of a material with a lower thermal conductivity than the high-temperature side heat transfer element 110 and the low-temperature side heat transfer element 120, for example, an insulating material.
  • the insulating material may be a material with a thermal conductivity of, for example, 1/10 or less than that of the high-thermal-conductivity material forming the high-temperature side heat transfer element 110 (or the low-temperature side heat transfer element 120).
  • the connecting tube 140 may be formed of, for example, stainless steel, or glass fiber reinforced plastic (GFRP) or other plastic materials. This makes it possible to prevent or minimize the intrusion of heat from the high-temperature side heat transfer element 110 to the low-temperature side heat transfer element 120 through the connecting tube 140 when the thermal switch 100 is off.
  • GFRP glass fiber reinforced plastic
  • the thickness of the connecting tube 140 may be thinner than the thickness of the tube portion 122 of the heat transfer element, as shown in the figure. Making the connecting tube 140 thinner in this way helps to prevent heat from entering the low-temperature side heat transfer element 120 from the high-temperature side heat transfer element 110 through the connecting tube 140.
  • the working gas sealed in the thermal switch 100 is selected so that the switching temperature of the thermal switch 100 is lower than the first cooling temperature of the cryogenic refrigerator 20 and higher than the second cooling temperature.
  • the switching temperature of the thermal switch 100 corresponds to the boiling point of the sealed working gas. Therefore, the working gas sealed in the thermal switch 100 may be, for example, neon (about 27.1 K). Alternatively, the working gas may be hydrogen (about 20.4 K) or helium (about 4.2 K).
  • the boiling points of each gas type at atmospheric pressure are written in parentheses next to the gas type.
  • the switching temperature of the thermal switch 100 can be about 27.1 K.
  • the working gas may be sealed in the thermal switch 100 at a pressure higher than atmospheric pressure (for example, within 5 atmospheres or within 10 atmospheres). The switching temperature of the thermal switch 100 may be adjusted by adjusting the sealing pressure of the working gas.
  • the working gas may be a mixed gas, for example a mixed gas containing at least one of neon, hydrogen, and helium.
  • the mixed gas may include a diluent gas, for example, nitrogen, argon, or air.
  • the switching temperature of the thermal switch 100 may be adjusted by adjusting the composition of the mixed gas.
  • the thermal switch 100 may include a getter material 150 that is thermally coupled to the cold-side heat transfer element 120 and capable of adsorbing gas from the gas gap 130.
  • the getter material 150 may be, for example, activated carbon, or other porous material, or other adsorbent material that has the ability to adsorb the operating gas of the thermal switch 100 at cryogenic temperatures (i.e., at a temperature below the switching temperature of the thermal switch 100, e.g., a second cooling temperature).
  • the getter material 150 is disposed on the surface of the cold-side heat transfer element 120 in an appropriate manner so that it can be cooled by the cold-side heat transfer element 120.
  • the thermal switch 100 when the thermal switch 100 is cooled to a temperature lower than its switching temperature, the working gas condenses in the thermal switch 100 as described above, the gas gap 130 becomes a vacuum, and the thermal switch 100 turns off. However, in reality, some working gas may remain in the gas gap 130. Such residual gas may cause heat transfer between the high-temperature side heat transfer element 110 and the low-temperature side heat transfer element 120. Unfortunately, there is a possibility that heat intrusion from the high-temperature side heat transfer element 110 to the low-temperature side heat transfer element 120 through the thermal switch 100, which should be off, cannot be ignored.
  • the thermal connection can be more reliably cut off when the thermal switch 100 is in the OFF state.
  • the getter material 150 is disposed on the low-temperature side heat transfer element 120 facing the gas gap 130. This exposes the getter material 150 to residual gas that may be present in the gas gap 130, and allows the getter material 150 to efficiently adsorb the residual gas. In addition, by directly cooling the getter material 150 with the low-temperature side heat transfer element 120, the temperature of the getter material 150 can be quickly lowered. This allows the thermal switch 100 to be quickly switched off, providing a thermal switch 100 with excellent responsiveness.
  • the getter material 150 is provided on the surface of the second base 121 of the low-temperature side heat transfer element 120 that faces the column portion 112 of the high-temperature side heat transfer element 110.
  • the getter material 150 can be arranged in other ways on the low-temperature side heat transfer element 120.
  • the getter material 150 may be provided on the inner surface of the tube portion 122 that faces the circumferential surface of the column portion 112.
  • Thermal switch 100 is a so-called one-gap type thermal switch. That is, since thermal switch 100 has only one pair of column portion 112 and tube portion 122, gas gap 130 is the only gas gap of thermal switch 100 formed between column portion 112 and tube portion 122.
  • One-gap type thermal switches have the advantage of being easier to manufacture and assemble than the multi-gap type described below.
  • the hot side heat transfer element 110 has a convex shape and the cold side heat transfer element 120 has a concave shape that receives the hot side heat transfer element 110.
  • the hot side heat transfer element 110 may have a concave shape and the cold side heat transfer element 120 may have a corresponding convex shape, as described below with reference to FIG. 3.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a thermal switch 100 according to a modified example.
  • the thermal switch 100 includes a high-temperature side heat transfer element 110 and a low-temperature side heat transfer element 120 arranged opposite the high-temperature side heat transfer element 110 with a gas gap 130 in between.
  • the high-temperature side heat transfer element 110 and the low-temperature side heat transfer element 120 are connected by a connecting tube 140.
  • the low-temperature side heat transfer element 120 may include a first base 123 and a pillar portion 124 extending from the first base 123.
  • the high-temperature side heat transfer element 110 may include a second base 113 facing the pillar portion 124 and a tube portion 114 extending from the second base 113 so as to surround the pillar portion 124.
  • the tube portion 114 is connected to the first base 123 by a connecting tube 140. This also makes it possible to provide a one-gap type thermal switch.
  • a getter material 150 may be provided in the thermal switch 100.
  • the getter material 150 may be provided, for example, on the tip surface of the column portion 124 of the low-temperature side heat transfer element 120.
  • the getter material 150 may be provided on the peripheral surface of the column portion 124 of the low-temperature side heat transfer element 120.
  • FIGS. 4(a) and 4(b) are schematic diagrams showing a thermal switch 100 according to a modified example.
  • the thermal switch 100 comprises a high-temperature side heat transfer element 110 and a low-temperature side heat transfer element 120 arranged opposite the high-temperature side heat transfer element 110 with a gas gap 130 in between.
  • the high-temperature side heat transfer element 110 has a convex shape
  • the low-temperature side heat transfer element 120 has a concave shape that receives the high-temperature side heat transfer element 110.
  • the high-temperature side heat transfer element 110 and the low-temperature side heat transfer element 120 are connected by a connecting tube 140.
  • the thermal switch 100 is a one-gap type thermal switch.
  • the thermal switch 100 has a getter chamber 152 having a getter material 150 therein.
  • the getter chamber 152 is housed within the low-temperature side heat transfer element 120, for example, within the second base 121 of the low-temperature side heat transfer element 120.
  • the second base 121 has a recess in the end surface facing the outside of the thermal switch 100, which is the side opposite the high-temperature side heat transfer element 110, and the getter chamber 152 is disposed within this recess.
  • the getter chamber 152 does not interfere with the second member 62.
  • the getter chamber 152 is connected to the gas gap 130 through an internal passage 154 in the thermal switch 100.
  • the internal passage 154 is formed in the low-temperature side heat transfer element 120.
  • the internal passage 154 may be a through hole that penetrates the second base 121 on the central axis of the thermal switch 100.
  • residual gas in the gas gap 130 can enter the getter chamber 152 through the internal passage 154 and be adsorbed by the getter material 150.
  • the thermal switch 100 includes a getter chamber 152 having a getter material 150 therein.
  • the getter chamber 152 is disposed outside the thermal switch 100 and is connected to the gas gap 130 through an external passage 156.
  • the getter chamber 152 is contained within the axial range of the thermal switch 100, so that when the thermal switch 100 is attached to the first member 61 and the second member 62, the getter chamber 152 is prevented from interfering with these members.
  • the getter chamber 152 is a container that contains the getter material 150, and the external passage 156 may be a pipe that connects the getter chamber 152 to the thermal switch 100.
  • the getter chamber 152 is thermally coupled to the low-temperature side heat transfer element 120 via the external passage 156.
  • the getter chamber 152 and the external passage 156 are formed of a metal material such as copper or other material with high thermal conductivity.
  • the external passage 156 is attached at one end to the getter chamber 152 and at the other end to the tube portion 122 of the low-temperature side heat transfer element 120. Residual gas in the gas gap 130 can enter the getter chamber 152 through the external passage 156 and be adsorbed by the getter material 150.
  • a heater or other temperature regulator 158 may be attached to the getter chamber 152.
  • the temperature regulator 158 is operated to heat the getter material 150, thereby releasing the adsorbed working gas from the getter material 150 to the gas gap 130.
  • the getter chamber 152 and the external passage 156 may be formed of a metal material having a relatively low thermal conductivity, such as stainless steel.
  • the temperature regulator 158 is stopped and the getter material 150 is cooled by the low-temperature side heat transfer element 120, so that the working gas can be adsorbed to the getter material 150 again. In this way, the thermal switch 100 can be switched on and off independently of the cooling operation of the cryogenic refrigerator 20.
  • a predetermined installation area 160 may be set for the thermal switch 100.
  • Thermal switch 100 incorporating getter material 150 can have a larger diameter of the high-temperature side heat transfer element 110 and the low-temperature side heat transfer element 120 than the thermal switch 100 having an external getter chamber 152 according to the embodiment of FIG. 4(b).
  • the diameters of the high-temperature side heat transfer element 110 and the low-temperature side heat transfer element 120 must be reduced by the amount of the external getter chamber 152.
  • the heat transfer areas of the high-temperature side heat transfer element 110 and the low-temperature side heat transfer element 120 of the thermal switch 100 increase or decrease according to the diameter. Therefore, the thermal switch 100 incorporating getter material 150 has the advantage that the area of the heat transfer element that can be secured within the high-temperature side heat transfer element 110 can be relatively large for a certain size (volume) of the installation area 160.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a thermal switch 100 according to a modified example.
  • the thermal switch 100 comprises a high-temperature side heat transfer element 110 and a low-temperature side heat transfer element 120 arranged opposite the high-temperature side heat transfer element 110 with a gas gap 130 in between.
  • the high-temperature side heat transfer element 110 has a convex shape
  • the low-temperature side heat transfer element 120 has a concave shape that receives the high-temperature side heat transfer element 110.
  • the high-temperature side heat transfer element 110 and the low-temperature side heat transfer element 120 are connected by a connecting tube 140.
  • the thermal switch 100 is a one-gap type thermal switch.
  • the connecting tube 140 is relatively long and extends over almost the entire axial length of the thermal switch.
  • the connecting tube 140 connects the first base 111 of the high-temperature side heat transfer element 110 to the second base 121 of the low-temperature side heat transfer element 120.
  • the tube portion 122 of the low-temperature side heat transfer element 120 is disposed radially inward relative to the connecting tube 140, and a radial gap 162 is formed between the connecting tube 140 and the tube portion 122.
  • the pillar portion 112 of the high-temperature side heat transfer element 110 is inserted into the tube portion 122 of the low-temperature side heat transfer element 120, and a gas gap 130 is formed between the pillar portion 112 and the tube portion 122.
  • the thermal switch 100 may include a getter material 150 that is thermally coupled to the low-temperature side heat transfer element 120 and is capable of absorbing gas from the gas gap 130.
  • the getter material 150 is disposed on the low-temperature side heat transfer element 120 facing the gas gap 130.
  • the getter material 150 may be provided on a surface facing the column portion 112 of the high-temperature side heat transfer element 110 on the second base portion 121 of the low-temperature side heat transfer element 120.
  • the getter material 150 may be provided on another surface of the low-temperature side heat transfer element 120, for example, on the tip portion of the tube portion 122 of the low-temperature side heat transfer element 120.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a thermal switch 100 according to a modified example.
  • the thermal switch 100 includes a high-temperature side heat transfer element 110 and a low-temperature side heat transfer element 120 arranged opposite the high-temperature side heat transfer element 110 with a gas gap 130 in between.
  • the thermal switch 100 shown in FIG. 6 is a multi-gap type thermal switch having multiple gas gaps 130.
  • a multi-gap type thermal switch is advantageous in that it is easier to provide a wider heat transfer area than a one-gap type thermal switch.
  • the high-temperature side heat transfer element 110 comprises a first base 111 and a column portion 112 extending from the first base 111.
  • the column portion 112 is hollow.
  • the low-temperature side heat transfer element 120 comprises a second base 121 and a tubular portion 122 extending from the second base 121.
  • an axial portion 126 extending from the second base 121 coaxially with the tubular portion 122 is formed within the tubular portion 122.
  • the connecting tube 140 connects the tubular portion 122 to the first base 111.
  • the low-temperature side heat transfer element 120 is configured to receive the high-temperature side heat transfer element 110 inside.
  • the column portion 112 of the high-temperature side heat transfer element 110 is inserted into a cavity in the tube portion 122 of the low-temperature side heat transfer element 120.
  • the shaft portion 126 of the low-temperature side heat transfer element 120 is inserted into the hollow portion of the column portion 112.
  • one gas gap 130 is formed inside the column portion 112 of the high-temperature side heat transfer element 110, and another gas gap 130 is formed outside the column portion 112.
  • the high-temperature side heat transfer element 110 and the low-temperature side heat transfer element 120 are separated by these gas gaps 130 and are not in physical contact with each other.
  • the thermal switch 100 may include a getter material 150 that is thermally coupled to the low-temperature side heat transfer element 120 and is capable of absorbing gas from the gas gap 130.
  • the getter material 150 is disposed on the low-temperature side heat transfer element 120 facing the gas gap 130.
  • the getter material 150 may be provided on a surface facing the first base 111 of the high-temperature side heat transfer element 110 on the shaft portion 126 of the low-temperature side heat transfer element 120.
  • the getter material 150 may be provided on a surface facing the column portion 112 of the high-temperature side heat transfer element 110 on the second base portion 121 of the low-temperature side heat transfer element 120.
  • the getter material 150 may be provided on another surface of the low-temperature side heat transfer element 120.
  • the pillars 112 of the high-temperature heat transfer element 110 can be considered as cylindrical heat transfer fins.
  • the high-temperature heat transfer element 110 may have cylindrical heat transfer fins extending toward the low-temperature heat transfer element 120.
  • the high-temperature heat transfer element 110 may also have multiple cylindrical fins arranged coaxially.
  • the low-temperature heat transfer element 120 may have at least one cylindrical fin arranged to alternate with the multiple cylindrical fins of the high-temperature heat transfer element 110. In this manner, a multi-gap type thermal switch having more gas gaps 130 may be configured.
  • the hot side heat transfer element 110 may have at least one heat transfer fin of a flat or other shape extending toward the cold side heat transfer element 120, and the cold side heat transfer element 120 may have at least one heat transfer fin extending toward the hot side heat transfer element 110.
  • the at least one heat transfer fin of the hot side heat transfer element 110 and the at least one heat transfer fin of the cold side heat transfer element 120 may be staggered to form multiple gas gaps 130 within the thermal switch 100.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a thermal switch 100 according to a modified example.
  • the thermal switch 100 comprises a high-temperature side heat transfer element 110 and a low-temperature side heat transfer element 120 arranged opposite the high-temperature side heat transfer element 110 with a gas gap 130 in between.
  • the high-temperature side heat transfer element 110 has a convex shape
  • the low-temperature side heat transfer element 120 has a concave shape that receives the high-temperature side heat transfer element 110.
  • the high-temperature side heat transfer element 110 and the low-temperature side heat transfer element 120 are connected by a connecting tube 140.
  • the thermal switch 100 is a one-gap type thermal switch.
  • the thermal switch 100 has a coating material 170 that coats its outer periphery.
  • the coating material 170 coats the outer periphery of the tube portion 122 of the low-temperature side heat transfer element 120 and the connecting tube 140.
  • the coating material 170 can help reinforce the thermal switch 100 against such loads.
  • the coating material 170 may be made of a heat insulating material.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing a thermal switch device 200 according to an embodiment.
  • the thermal switch device 200 includes a plurality of thermal switches (two thermal switches 100a, 100b in this example) connected in series.
  • Each of the plurality of thermal switches includes a high-temperature side heat transfer element 110 and a low-temperature side heat transfer element 120 arranged opposite the high-temperature side heat transfer element 110 with a gas gap 130 in between.
  • the high-temperature side heat transfer element 110 has a convex shape
  • the low-temperature side heat transfer element 120 has a concave shape that receives the high-temperature side heat transfer element 110.
  • the high-temperature side heat transfer element 110 and the low-temperature side heat transfer element 120 are connected by a connecting tube 140.
  • the high-temperature side heat transfer element 110 of one of the two adjacent heat switches, heat switch 100a is thermally coupled to the first member 61.
  • the low-temperature side heat transfer element 120 of the other of the two adjacent heat switches, heat switch 100b is thermally coupled to the second member 62.
  • the low-temperature side heat transfer element 120 of the high-temperature side thermal switch 100a and the high-temperature side heat transfer element 110 of the low-temperature side thermal switch 100b may be integrated. This integrated heat transfer element is thermally coupled to the second member 62, for example, via a heat transfer member 180.
  • the low-temperature side heat transfer element 120 of the high-temperature side thermal switch 100a and the high-temperature side heat transfer element 110 of the low-temperature side thermal switch 100b may be thermally coupled to each other.
  • each of the multiple thermal switches may be a thermal switch 100 according to any of the above-mentioned embodiments, and such thermal switches 100 may simply be stacked in the axial direction.
  • the low-temperature side heat transfer element 120 of each thermal switch 100 is thermally coupled to the second member 62 together with the high-temperature side heat transfer element 110 of the adjacent thermal switch 100 to which it is coupled.
  • the thermal switch device 200 When the thermal switch device 200 has multiple thermal switches connected in series, the thermal connection between the first member 61 and the second member 62 is cut off when any of the multiple thermal switches is turned off. Even if any of the multiple thermal switches does not turn off due to some defect (e.g., physical contact between the high-temperature side heat transfer element 110 and the low-temperature side heat transfer element 120, the presence of excessive residual gas, etc.), the thermal switch device 200 can cut off the thermal connection between the first member 61 and the second member 62 when any of the other thermal switches is normally turned off. Thus, the thermal switch device 200 is advantageous in that it is more robust against defects than the single thermal switch 100.
  • some defect e.g., physical contact between the high-temperature side heat transfer element 110 and the low-temperature side heat transfer element 120, the presence of excessive residual gas, etc.
  • a getter material 150 may be provided in each thermal switch, as shown by the dashed lines.
  • each thermal switch constituting the thermal switch device 200 will be smaller in size than the single thermal switch 100, but the total heat transfer area will be approximately the same. Therefore, the heat transfer performance of the single thermal switch 100 and the thermal switch device 200 is expected to be approximately equal. Also, the total axial length of the connecting tubes 140 of each thermal switch in the thermal switch device 200 will be approximately equal to the axial length of the connecting tubes 140 of the single thermal switch 100. Therefore, the insulation performance of the single thermal switch 100 and the thermal switch device 200 is expected to be approximately equal.
  • cryocooler 20 is described as a multi-stage Gifford-McMahon refrigerator, but the present invention is not limited to this.
  • the cryocooler 20 may be a pulse tube refrigerator, a Stirling refrigerator, or any other type of multi-stage cryocooler.
  • the thermal switch 100 and thermal switch device 200 according to the embodiment can be applied to various cryocoolers 20 or to a cryocooler device 10 equipped with a cryocooler 20.
  • the thermal switch 100 and thermal switch device 200 are applied to a conduction-cooled cryogenic device 10 in which the object to be cooled is directly cooled by a cryogenic refrigerator 20.
  • the thermal switch 100 and thermal switch device 200 can also be applied to an immersion-cooled cryogenic device in which the object to be cooled is immersed in a cryogenic refrigerant such as liquid helium to cool it.
  • the present invention can be used in the field of thermal switches and thermal switch devices using the same.
  • 100 heat switch; 110: high temperature side heat transfer element; 111: first base; 112: column portion; 120: low temperature side heat transfer element; 121: second base; 122: tube portion; 130: gas gap; 140: connecting tube; 150: getter material; 152: getter chamber; 170: coating material; 200: heat switch device.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electron Tubes For Measurement (AREA)
  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)

Abstract

熱スイッチ（１００）は、高温側伝熱要素（１１０）と、ガスギャップ（１３０）を挟んで高温側伝熱要素（１１０）と対向配置される低温側伝熱要素（１２０）と、を備える。高温側伝熱要素（１１０）および低温側伝熱要素（１２０）のうち一方が、第１基部（１１１）と、第１基部（１１１）から延在する柱部（１１２）とを備える。高温側伝熱要素（１１０）および低温側伝熱要素（１２０）のうち他方が、柱部（１１２）に対向する第２基部（１２１）と、柱部（１１２）を囲むように第２基部（１２１）から延在する筒部（１２２）とを備える。熱スイッチ（１００）は、周囲環境からガスギャップ（１３０）を隔離するように筒部（１２２）を第１基部（１１１）に接続し、断熱材料で形成された接続筒（１４０）をさらに備える。

Description

熱スイッチおよび熱スイッチ装置
　本発明は、熱スイッチおよびそれを用いた熱スイッチ装置に関する。
　例えば超伝導磁石装置など極低温で動作する極低温装置においては、装置の起動に際して室温など初期温度から目標冷却温度に冷却する初期冷却が行われる。超伝導磁石による高磁場の提供など、極低温装置の利用は、初期冷却の完了後に可能となる。したがって、初期冷却の所要時間はなるべく短いことが望まれる。
　極低温装置には、極低温冷却のために、ギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機などの二段式の極低温冷凍機がよく用いられている。より低温に冷却される極低温冷凍機の第２段が超伝導コイルなどの極低温装置の被冷却物を冷却し、それよりも高温に冷却される極低温冷凍機の第１段が第２段の被冷却物への入熱を低減するための輻射シールドなど第１段の被冷却物を冷却する。第１段の冷凍能力は比較的大きいため、第１段の被冷却物の初期冷却は、比較的短い時間で行える。しかしながら、第２段の冷凍能力は一般に、第１段に比べてかなり小さいため、第２段の被冷却物の初期冷却には第１段に比べて長い時間を要しがちである。とくに、例えば大型の超伝導コイルを有する極低温装置では、初期冷却の所要時間がかなり長くなる場合がある。
　冷却速度を速め初期冷却を短時間で済ませるために、第１段と第２段それぞれの被冷却物の間に熱スイッチを介在させることが提案されている。例示的な熱スイッチとして、ガスを封入した容器内に、互いに非接触に配置された２つの伝熱面を設けたものが知られている。伝熱面の温度がガスの沸点よりも高いときには、ガスを介した熱交換により２つの伝熱面は熱接続され、熱スイッチはオンとなる。伝熱面が冷却されその温度がガスの沸点よりも低くなると、ガスの凝縮により２つの伝熱面間の空隙は真空となり、真空断熱により熱接続は解除され、熱スイッチはオフとなる。
　第１段と第２段の被冷却物の間に熱スイッチを設けることによって、室温のような高温下では第１段と第２段の被冷却物が熱スイッチにより熱接続され、第２段の被冷却物を極低温冷凍機の第２段だけでなく第１段も利用してすみやかに冷却することができる。こうして、初期冷却の所要時間を短くすることができる。極低温下では熱スイッチがオフに切り替わり、第１段と第２段の熱接続は切断され、第１段と第２段の被冷却物をそれぞれ目標冷却温度に冷却することができる。
特開平９－１６６３６５号公報
　熱スイッチは、オンの状態における効率的な伝熱のために、２つの伝熱面の面積はそれぞれできるだけ広いことが望まれる。それとともに、またはそれに代えて、熱スイッチは、オフのとき、熱接続を確実に切断できることが望まれる。
　本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温装置に適する新規の熱スイッチおよびそれを用いた熱スイッチ装置を提供することにある。
　本発明のある態様によると、熱スイッチは、高温側伝熱要素と、ガスギャップを挟んで高温側伝熱要素と対向配置される低温側伝熱要素と、を備える。高温側伝熱要素および低温側伝熱要素のうち一方が、第１基部と、第１基部から延在する柱部とを備える。高温側伝熱要素および低温側伝熱要素のうち他方が、柱部に対向する第２基部と、柱部を囲むように第２基部から延在する筒部とを備える。熱スイッチは、周囲環境からガスギャップを隔離するように筒部を第１基部に接続し、断熱材料で形成された接続筒をさらに備える。
　本発明のある態様によると、熱スイッチは、高温側伝熱要素と、ガスギャップを挟んで高温側伝熱要素と対向配置される低温側伝熱要素と、低温側伝熱要素と熱的に結合され、ガスギャップからガスを吸着可能なゲッター材と、を備える。
　本発明のある態様によると、熱スイッチ装置は、直列接続された複数の熱スイッチを備える。複数の熱スイッチの各々が、高温側伝熱要素と、ガスギャップを挟んで高温側伝熱要素と対向配置される低温側伝熱要素と、を備える。
　本発明によれば、極低温装置に適する新規の熱スイッチおよびそれを用いた熱スイッチ装置を提供することができる。
図１（ａ）は、ある実施の形態に係る極低温装置を概略的に示す図であり、図１（ｂ）は、ある実施の形態に係る極低温冷凍機を概略的に示す図である。 実施の形態に係る熱スイッチの例示的な構成をより詳細に示す概略断面図である。 変形例に係る熱スイッチを示す概略図である。 図４（ａ）および図４（ｂ）は、変形例に係る熱スイッチを示す概略図である。 変形例に係る熱スイッチを示す概略図である。 変形例に係る熱スイッチを示す概略図である。 変形例に係る熱スイッチを示す概略図である。 ある実施の形態に係る熱スイッチ装置を示す概略図である。
　以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
　図１（ａ）は、実施の形態に係る極低温装置１０を概略的に示す図である。極低温装置１０は、被冷却物の一例としての超伝導コイル１２を室温から極低温に冷却するとともに、超伝導コイル１２の使用中、超伝導コイル１２を極低温に維持するように構成される。
　超伝導コイル１２は、例えば単結晶引き上げ装置、ＮＭＲシステム、ＭＲＩシステム、サイクロトロンなどの加速器、核融合システムなどの高エネルギー物理システム、またはその他の高磁場利用機器（図示せず）の磁場源として高磁場利用機器に搭載され、その機器に必要とされる高磁場を発生させることができる。超伝導コイル１２は、超伝導転移温度以下の極低温に冷却された状態で超伝導コイル１２に通電することにより強力な磁場を発生するように構成される。
　極低温装置１０は、極低温冷凍機２０と、真空容器３０と、輻射シールド４０とを備える。この実施の形態では、極低温装置１０は、超伝導コイル１２を液体ヘリウムなどの極低温液体冷媒に浸して冷却する浸漬冷却式ではなく、超伝導コイル１２を極低温冷凍機２０で直接冷却する伝導冷却式として構成される。極低温冷凍機２０は、超伝導コイル１２を伝導冷却により冷却するように超伝導コイル１２と熱的に結合されている。
　なお、図１（ａ）では例として、１台の極低温冷凍機２０を示しているが、例えば超伝導コイル１２が大型の場合など、必要に応じて、極低温装置１０は、一つの同じ被冷却物を冷却する複数台の極低温冷凍機２０を備えてもよい。
　極低温冷凍機２０は、物体を伝導冷却により冷却する冷却ステージ２２、より具体的には、第１冷却ステージ２２ａと第２冷却ステージ２２ｂを備える。極低温冷凍機２０は、真空容器３０に設置され、第１冷却ステージ２２ａと第２冷却ステージ２２ｂは、真空容器３０の中に配置される。極低温冷凍機２０は、一例として、二段式のギフォード・マクマホン冷凍機である。
　極低温冷凍機２０は、作動ガス（たとえばヘリウムガス）の圧縮機（図示せず）と、コールドヘッドとも呼ばれる膨張機とを備え、圧縮機と膨張機により極低温冷凍機２０の冷凍サイクルが構成され、それにより第１冷却ステージ２２ａおよび第２冷却ステージ２２ｂがそれぞれ所望の極低温に冷却される。第１冷却ステージ２２ａは、第１冷却温度、例えば３０Ｋ～８０Ｋに冷却され、第２冷却ステージ２２ｂは、第１冷却温度よりも低い第２冷却温度、例えば３Ｋ～２０Ｋに冷却される。第２冷却温度は、超伝導コイル１２の超伝導転移温度より低い温度である。第１冷却ステージ２２ａおよび第２冷却ステージ２２ｂは、例えば銅（例えば純銅、以下同様）などの金属材料またはその他の高い熱伝導率をもつ材料で形成される。
　真空容器３０は、真空領域３２を外部環境１４から隔てるように構成される。真空領域３２は、真空容器３０内に定められる。真空容器３０は、例えばクライオスタットであってもよい。超伝導コイル１２、極低温冷凍機２０の冷却ステージ２２、輻射シールド４０は、真空領域３２に配置され、外部環境１４から真空断熱される。
　輻射シールド４０は、第１冷却ステージ２２ａと熱的に結合され第１冷却温度に冷却される。輻射シールド４０は、第１冷却ステージ２２ａに直接取り付けられ、第１冷却ステージ２２ａと熱的に結合される。あるいは、輻射シールド４０は、可撓性または剛性をもつ伝熱部材を介して第１冷却ステージ２２ａに取り付けられてもよい。輻射シールド４０は、第２冷却温度に冷却される超伝導コイル１２、極低温冷凍機２０の第２冷却ステージ２２ｂ、およびその他の低温部を囲むように配置され、外部からの輻射熱からこれら低温部を熱的に保護することができる。輻射シールド４０は、例えば銅などの金属材料またはその他の高い熱伝導率をもつ材料で形成される。
　超伝導コイル１２は、伝熱部材５０を介して第２冷却ステージ２２ｂと熱的に結合される。伝熱部材５０は、例えば銅などの金属材料またはその他の高い熱伝導率をもつ材料で形成され、超伝導コイル１２を第２冷却ステージ２２ｂに接続する。伝熱部材５０は、可撓性を有し超伝導コイル１２と第２冷却ステージ２２ｂの相対変位を許容するようにこれらを接続してもよく、または、超伝導コイル１２と第２冷却ステージ２２ｂを剛に接続する剛性部材であってもよい。伝熱部材５０は、例えば銅などの金属材料またはその他の高い熱伝導率をもつ材料で形成される。
　図示の例では、伝熱部材５０は、第２冷却ステージ２２ｂの底面に固定されるが、第２冷却ステージ２２ｂの側面または上面など他の部位に固定されてもよい。同様に、伝熱部材５０は、例えば、超伝導コイル１２の底面に固定されるが、超伝導コイル１２の側面または上面など他の部位に固定されてもよい。
　この実施の形態では、極低温装置１０は、超伝導コイル１２と輻射シールド４０を熱接続し、または熱接続を解除する熱スイッチ１００を備える。詳細は後述するが、熱スイッチ１００は、ガスギャップ１３０を挟んで対向配置される高温側伝熱要素１１０および低温側伝熱要素１２０を備える。熱スイッチ１００は、ガスギャップ１３０に作動ガスを封入する気密容器を構成する。
　一例として、図示のように、高温側伝熱要素１１０は、輻射シールド４０に取り付けられ、低温側伝熱要素１２０は、超伝導コイル１２に取り付けられ、熱スイッチ１００は、超伝導コイル１２と輻射シールド４０を直接接続する。あるいは、高温側伝熱要素１１０は、第１冷却ステージ２２ａまたは輻射シールド４０に伝熱部材を介して取り付けられ、低温側伝熱要素１２０は、第２冷却ステージ２２ｂ、超伝導コイル１２、または伝熱部材５０に伝熱部材を介して取り付けられてもよい。熱スイッチ１００は、第１冷却温度に冷却される任意の部位と第２冷却温度に冷却される任意の部位とを接続してもよい。
　熱スイッチ１００は、切替温度よりも高温側伝熱要素１１０および低温側伝熱要素１２０の温度が高いとき、ガスギャップ１３０の作動ガスを介した伝熱要素間の熱伝達により高温側と低温側とを熱接続することができる。これが熱スイッチ１００のオン状態である。熱スイッチ１００の切替温度は、封入された作動ガスの沸点に相当する。ガスギャップ１３０は、良好な熱伝達のために、ごく狭い隙間である。ガスギャップ１３０の大きさ（高温側伝熱要素１１０と低温側伝熱要素１２０の最短距離）は、例えば５ｍｍ以内、または２ｍｍ以内であってもよい。
　また、熱スイッチ１００は、高温側伝熱要素１１０および低温側伝熱要素１２０の少なくとも一方（ふつうは低温側伝熱要素１２０）の温度が切替温度よりも低いとき、高温側と低温側の熱接続を解除する。ガスギャップ１３０の作動ガスが少なくとも低温側伝熱要素１２０の表面に凝縮し、ガスギャップ１３０が真空となり、高温側伝熱要素１１０と低温側伝熱要素１２０がガスギャップ１３０を介して真空断熱されるからである。これが熱スイッチ１００のオフ状態である。
　実施の形態に係る極低温装置１０は、次のように動作する。極低温冷凍機２０が起動されると、極低温冷凍機２０の第１冷却ステージ２２ａは第１冷却温度に冷却され、第２冷却ステージ２２ｂは第２冷却温度に冷却される。輻射シールド４０は、第１冷却ステージ２２ａによって第１冷却温度に冷却され、超伝導コイル１２は、第２冷却ステージ２２ｂによって、第２冷却温度に冷却される。図示されない電源から超伝導コイル１２に通電することにより、超伝導コイル１２は、強力な磁場を発生することができる。このようにして、極低温装置１０を運転することができる。
　輻射シールド４０のような第１冷却温度の部位と超伝導コイル１２のような第２冷却温度の部位とを熱スイッチ１００で接続することは、極低温装置１０の起動時における初期冷却に有利である。初期冷却では、極低温冷凍機２０が周囲温度（例えば室温）から目標の極低温まで冷却される。したがって、初期冷却の当初、熱スイッチ１００はオンとなり、輻射シールド４０と超伝導コイル１２が熱接続される。一般的に、極低温冷凍機２０の第１冷却ステージ２２ａでの冷凍能力は第２冷却ステージ２２ｂでの冷凍能力よりも大きいため、第１冷却ステージ２２ａの冷凍能力を第２冷却ステージ２２ｂによる超伝導コイル１２の冷却の補助に利用することができる。これにより、初期冷却の所要時間を短縮することができる。
　その後冷却が進み、熱スイッチ１００の切替温度よりも低い温度に超伝導コイル１２が冷却されると、熱スイッチ１００はオフに切り替わり、輻射シールド４０と超伝導コイル１２の熱接続は切れる。輻射シールド４０は第１冷却ステージ２２ａによって第１冷却温度に維持される一方、超伝導コイル１２は第２冷却ステージ２２ｂによってさらに冷却され、最終的には第２冷却温度へと冷却される。
　図１（ｂ）は、ある実施の形態に係る極低温冷凍機２０を概略的に示す図である。図１（ａ）では熱スイッチ１００が輻射シールド４０と超伝導コイル１２を接続する場合を例として説明している。これに代えて、またはこれとともに、図１（ｂ）に示されるように、熱スイッチ１００は、極低温冷凍機２０の第１冷却ステージ２２ａと第２冷却ステージ２２ｂを接続してもよい。
　また、図１（ａ）および図１（ｂ）では、一つの熱スイッチ１００が設置される場合を例として説明しているが、本発明はこれに限られない。例えば、極低温装置１０は、複数の熱スイッチ１００を備えてもよく、これら熱スイッチ１００のそれぞれが、輻射シールド４０などの第１冷却温度の部位と超伝導コイル１２などの第２冷却温度の部位とを接続してもよい。また、極低温冷凍機２０は、複数の熱スイッチ１００を備えてもよく、これら熱スイッチ１００のそれぞれが、第１冷却ステージ２２ａと第２冷却ステージ２２ｂを接続してもよい。
　図２は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示される熱スイッチ１００の例示的な構成をより詳細に示す概略断面図である。図２には、熱スイッチ１００の中心軸を含む縦断面が示されている。上述のように、熱スイッチ１００は、高温側伝熱要素１１０と、ガスギャップ１３０を挟んで高温側伝熱要素１１０と対向配置される低温側伝熱要素１２０とを備える。例えば、熱スイッチ１００は、その中心軸に沿って延在する概ね円柱状の形状を有してもよい。
　高温側伝熱要素１１０は、第１基部１１１と、第１基部１１１から延在する柱部１１２とを備える。第１基部１１１は、第１冷却温度に冷却される第１部材６１（例えば、図１（ａ）に示される輻射シールド４０または第１冷却ステージ２２ａ）に熱的に結合される。第１基部１１１は、例えば概ね円板状の形状を有してもよく、その円形状の端面を第１部材６１の表面に接触させて、第１部材６１に固定されている。柱部１１２は、熱スイッチ１００の内部に配置されている。柱部１１２は、例えば円柱状の形状を有する。柱部１１２は、第１部材６１とは反対側で第１基部１１１から熱スイッチ１００の中心軸に沿って第１基部１１１と同軸に延在する。柱部１１２は、第１基部１１１と一体形成されてもよく、または第１基部１１１とは別体として用意されて第１基部１１１に接合されてもよい。
　低温側伝熱要素１２０は、第２基部１２１と、第２基部１２１から延在する筒部１２２とを備える。第２基部１２１は、第２冷却温度に冷却される第２部材６２（例えば、図１（ａ）に示される超伝導コイル１２または第２冷却ステージ２２ｂ）に熱的に結合される。第２基部１２１は、例えば概ね円板状の形状を有してもよく、その円形状の端面を第２部材６２の表面に接触させて、第２部材６２に固定されている。筒部１２２は、例えば円筒状の形状を有する。筒部１２２は、第２部材６２とは反対側で第２基部１２１から熱スイッチ１００の中心軸に沿って第２基部１２１と同軸に延在する。筒部１２２は、第２基部１２１と一体形成されてもよく、または第２基部１２１とは別体として用意されて第２基部１２１に接合されてもよい。
　低温側伝熱要素１２０は、その内側に高温側伝熱要素１１０を受け入れるように構成されている。高温側伝熱要素１１０の柱部１１２は、低温側伝熱要素１２０の筒部１２２内の空洞に挿入されている。低温側伝熱要素１２０の第２基部１２１は、高温側伝熱要素１１０の柱部１１２と対向し、低温側伝熱要素１２０の筒部１２２は、高温側伝熱要素１１０の柱部１１２を囲んでいる。高温側伝熱要素１１０の柱部１１２と低温側伝熱要素１２０の第２基部１２１および筒部１２２とは、ガスギャップ１３０により隔てられ、物理的に接触していない。低温側伝熱要素１２０の筒部１２２は、第２基部１２１とは反対側で高温側伝熱要素１１０の第１基部１１１に近接して配置されている。
　このように、高温側伝熱要素１１０が柱部１１２を有し、低温側伝熱要素１２０が筒部１２２を有する場合、高温側伝熱要素１１０に比べて低温側伝熱要素１２０の体積が小さくなりうる。低温側伝熱要素１２０が比較的小さい体積をもつことは、極低温冷凍機２０の第２冷却ステージ２２ｂへの熱負荷を小さくすることにつながるため、（例えば図３の例と比べて）有利でありうる。
　また、熱スイッチ１００は、熱スイッチ１００の作動ガスを内部に封入するための気密容器を高温側伝熱要素１１０および低温側伝熱要素１２０とともに形成する接続筒１４０を備える。接続筒１４０は、高温側伝熱要素１１０と低温側伝熱要素１２０とを接続し、より具体的には、周囲環境（例えば、図１（ａ）に示す真空領域３２）からガスギャップ１３０を隔離するように筒部１２２を第１基部１１１に接続する。接続筒１４０は、例えば円筒状の形状を有し、熱スイッチ１００の中心軸に沿って第１基部１１１および筒部１２２と同軸に延在する。接続筒１４０は、高温側伝熱要素１１０および低温側伝熱要素１２０と例えばろう付け、接着、またはその他適宜の接合方法により接合されてもよい。
　接続筒１４０の軸方向長さは、熱スイッチ１００の軸方向全長に比べてかなり短くてもよく、例えば、熱スイッチ１００の軸方向全長の半分以下または１／３以下であってもよい。一例として、接続筒１４０は、筒というよりも、軸方向長さが直径よりも短いリング形状（例えば円環状の形状）を有してもよい。
　ある既存の熱スイッチの設計では、熱スイッチの外殻となる筒部材が熱スイッチの軸方向のほぼ全長にわたって延在し、この筒部材によって２つの互いに離間した伝熱体が接続される。そのため、こうした既存の熱スイッチでは、筒部材とその内側の伝熱体との間に（例えば、図５に示される径方向隙間１６２のように）径方向隙間が形成される。この径方向隙間の分だけ、伝熱体の直径は筒部材の直径よりも小さくなり、その結果、伝熱体の表面積も直径に応じて小さくなり、これは熱スイッチの伝熱性能の低下につながりうる。
　これに対して、この実施の形態では、接続筒１４０は、低温側伝熱要素１２０の筒部１２２と軸方向に直列に接続されている。接続筒１４０と筒部１２２との間に径方向の隙間は存在しない。筒部１２２の直径は熱スイッチ１００の直径に等しく、筒部１２２の表面積を比較的広くとることができる。これは、既存設計に比べて、熱スイッチ１００の伝熱性能の向上をもたしうる。
　高温側伝熱要素１１０および低温側伝熱要素１２０は、上述の極低温装置１０内の他の伝熱部材と同様に、例えば銅などの金属材料またはその他の高い熱伝導率をもつ材料で形成される。なお、高温側伝熱要素１１０と低温側伝熱要素１２０は通例同じ材料で形成されるが、異なる材料で形成されてもよい。
　接続筒１４０は、高温側伝熱要素１１０および低温側伝熱要素１２０に比べて熱伝導率の低い材料、例えば断熱材料で形成される。ここで、断熱材料は、高温側伝熱要素１１０（または低温側伝熱要素１２０）を形成する高熱伝導材料の熱伝導率の例えば１／１０以下の熱伝導率を持つ材料であってもよい。接続筒１４０は、例えば、ステンレス鋼、または、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）またはその他のプラスチック材料で形成されてもよい。これにより、熱スイッチ１００がオフのとき接続筒１４０を通じた高温側伝熱要素１１０から低温側伝熱要素１２０への熱侵入を防止しまたは最小限に抑えることができる。
　伝熱要素を形成する高熱伝導材料に比べて、接続筒１４０を形成する材料は通例、高強度であるため、接続筒１４０の肉厚は、図示されるように、伝熱要素の筒部１２２の肉厚よりも薄くてもよい。このように接続筒１４０を薄肉にすることは、接続筒１４０を通じた高温側伝熱要素１１０から低温側伝熱要素１２０への熱侵入の抑制に役立つ。
　熱スイッチ１００に封入される作動ガスは、熱スイッチ１００の切替温度が極低温冷凍機２０の第１冷却温度よりも低くなりかつ第２冷却温度よりも高くなるように選択される。上述のように、熱スイッチ１００の切替温度は、封入された作動ガスの沸点に相当する。よって、熱スイッチ１００に封入される作動ガスは、例えば、ネオン（約２７．１Ｋ）であってもよい。あるいは、作動ガスは、水素（約２０．４Ｋ）、またはヘリウム（約４．２Ｋ）であってもよい。ここで、ガス種に括弧書きで付記したのは各ガス種の大気圧での沸点である。例えば、熱スイッチ１００に作動ガスとしてネオンを大気圧で封入した場合には、熱スイッチ１００の切替温度を約２７．１Ｋとすることができる。作動ガスは、大気圧よりも高い圧力（例えば５気圧以内、または１０気圧以内）で熱スイッチ１００に封入されてもよい。作動ガスの封入圧を調整することにより、熱スイッチ１００の切替温度が調整されてもよい。
　なお、作動ガスは、混合ガス、例えば、ネオン、水素、およびヘリウムのうち少なくとも１つを含む混合ガスであってもよい。この混合ガスは、例えば、窒素、アルゴン、または空気などの希釈ガスを含んでもよい。混合ガスの組成を調整することにより、熱スイッチ１００の切替温度が調整されてもよい。
　任意選択として、熱スイッチ１００は、低温側伝熱要素１２０と熱的に結合され、ガスギャップ１３０からガスを吸着可能なゲッター材１５０を備えてもよい。ゲッター材１５０は、極低温下（すなわち熱スイッチ１００の切替温度以下の温度、例えば第２冷却温度）で熱スイッチ１００の作動ガスの吸着能力を有する例えば活性炭、またはその他の多孔質材料、またはその他の吸着材料であってもよい。ゲッター材１５０は、低温側伝熱要素１２０によって冷却されることができるように、低温側伝熱要素１２０の表面に適宜の方法で設置されている。
　理想的には、熱スイッチ１００がその切替温度よりも低い温度に冷却されるとき、上述のように作動ガスは熱スイッチ１００内で凝縮し、ガスギャップ１３０が真空となり、熱スイッチ１００はオフとなる。しかしながら、実際には、いくらかの作動ガスがガスギャップ１３０に残留しうる。このような残留ガスは高温側伝熱要素１１０と低温側伝熱要素１２０との間の熱伝達を生じさせうる。好ましくないことに、オフであるべき熱スイッチ１００を通じた高温側伝熱要素１１０から低温側伝熱要素１２０への熱侵入が無視できなくなる可能性がある。
　これに対して、熱スイッチ１００内にゲッター材１５０を設けることにより、残留ガスを吸着し、ガスギャップ１３０の真空度をいっそう高めることができる。したがって、熱スイッチ１００のオフ状態における熱接続の切断をより確実に実現することができる。
　ゲッター材１５０は、低温側伝熱要素１２０上でガスギャップ１３０に面して配置されている。これにより、ゲッター材１５０は、ガスギャップ１３０に存在しうる残留ガスにさらされることになり、残留ガスを効率的に吸着することができる。また、ゲッター材１５０を低温側伝熱要素１２０で直接冷やすことで、ゲッター材１５０の温度をすばやく下げることができる。これにより、熱スイッチ１００を速やかにオフに切り替えることができ、応答性に優れる熱スイッチ１００を提供することができる。
　図示の例では、ゲッター材１５０は、低温側伝熱要素１２０の第２基部１２１上で高温側伝熱要素１１０の柱部１１２に対向する表面に設けられている。これに代えて、またはこれとともに、ゲッター材１５０は、低温側伝熱要素１２０上で他の配置も可能である。例えば、ゲッター材１５０は、柱部１１２の周面に対向する筒部１２２の内側表面に設置されてもよい。
　熱スイッチ１００は、いわゆるワンギャップ（１ギャップ）型の熱スイッチである。すなわち、熱スイッチ１００は、柱部１１２と筒部１２２との組を１組だけ備えるから、ガスギャップ１３０は、柱部１１２と筒部１２２との間に形成された熱スイッチ１００の唯一のガスギャップである。ワンギャップ型の熱スイッチは、後述のマルチギャップ型に比べて製作および組立が容易であるという利点がある。
　図２を参照して説明した例示的な熱スイッチ１００では、高温側伝熱要素１１０が凸形状を有し、低温側伝熱要素１２０が高温側伝熱要素１１０を受け入れる凹形状を有する。しかし、代案として、本書に述べるいずれかの実施の形態では、図３を参照して後述するように、高温側伝熱要素１１０が凹形状を有し、低温側伝熱要素１２０が対応する凸形状を有してもよい。
　図３は、変形例に係る熱スイッチ１００を示す概略図である。熱スイッチ１００は、高温側伝熱要素１１０と、ガスギャップ１３０を挟んで高温側伝熱要素１１０と対向配置される低温側伝熱要素１２０と、を備える。高温側伝熱要素１１０と低温側伝熱要素１２０は接続筒１４０で接続されている。
　図３に示されるように、低温側伝熱要素１２０が、第１基部１２３と、第１基部１２３から延在する柱部１２４とを備えてもよい。高温側伝熱要素１１０が、柱部１２４に対向する第２基部１１３と、柱部１２４を囲むように第２基部１１３から延在する筒部１１４とを備えてもよい。筒部１１４は、接続筒１４０により第１基部１２３に接続されている。このようにしても、ワンギャップ型の熱スイッチを提供することができる。
　任意選択として、ゲッター材１５０が熱スイッチ１００に設けられてもよい。ゲッター材１５０は、例えば、低温側伝熱要素１２０の柱部１２４の先端面に設置されてもよい。ゲッター材１５０は、低温側伝熱要素１２０の柱部１２４の周面に設置されてもよい。
　図４（ａ）および図４（ｂ）は、変形例に係る熱スイッチ１００を示す概略図である。熱スイッチ１００は、高温側伝熱要素１１０と、ガスギャップ１３０を挟んで高温側伝熱要素１１０と対向配置される低温側伝熱要素１２０と、を備える。高温側伝熱要素１１０が凸形状を有し、低温側伝熱要素１２０が高温側伝熱要素１１０を受け入れる凹形状を有する。高温側伝熱要素１１０と低温側伝熱要素１２０は接続筒１４０で接続されている。熱スイッチ１００は、ワンギャップ型の熱スイッチである。
　図４（ａ）に示されるように、熱スイッチ１００は、内部にゲッター材１５０を有するゲッター室１５２を備える。ゲッター室１５２は、低温側伝熱要素１２０内、例えば、低温側伝熱要素１２０の第２基部１２１内に収められている。第２基部１２１は、高温側伝熱要素１１０とは反対側となる熱スイッチ１００の外側を向く端面に凹部を有し、この凹部内にゲッター室１５２が配置されている。低温側伝熱要素１２０が第２部材６２に取り付けられるとき、ゲッター室１５２は第２部材６２と干渉しないので、有利である。
　ゲッター室１５２は、熱スイッチ１００内の内部通路１５４を通じて、ガスギャップ１３０に接続されている。内部通路１５４は、低温側伝熱要素１２０に形成されている。一例として、内部通路１５４は、熱スイッチ１００の中心軸上で第２基部１２１を貫通する貫通穴であってもよい。よって、ガスギャップ１３０の残留ガスは、内部通路１５４を通じてゲッター室１５２に進入し、ゲッター材１５０に吸着されることができる。
　図４（ｂ）に示されるように、熱スイッチ１００は、内部にゲッター材１５０を有するゲッター室１５２を備える。ゲッター室１５２は、熱スイッチ１００の外側に配置され、外部通路１５６を通じてガスギャップ１３０に接続されている。ゲッター室１５２は、熱スイッチ１００の軸方向範囲に収まっているので、熱スイッチ１００が第１部材６１および第２部材６２に取り付けられるとき、ゲッター室１５２はこれら部材との干渉を避けられる。
　ゲッター室１５２は、ゲッター材１５０を収容する容器であり、外部通路１５６は、ゲッター室１５２を熱スイッチ１００に接続する配管であってもよい。ゲッター室１５２は、外部通路１５６を介して低温側伝熱要素１２０と熱的に結合される。ゲッター材１５０を効率的に冷却するために、ゲッター室１５２および外部通路１５６は、例えば銅などの金属材料またはその他の高い熱伝導率をもつ材料で形成される。一例として、外部通路１５６は、一端がゲッター室１５２に、他端が低温側伝熱要素１２０の筒部１２２に取り付けられる。ガスギャップ１３０の残留ガスは、外部通路１５６を通じてゲッター室１５２に進入し、ゲッター材１５０に吸着されることができる。
　ヒーターまたはその他の温調器１５８がゲッター室１５２に付設されてもよい。この場合、温調器１５８を作動させてゲッター材１５０を加熱することで、吸着されていた作動ガスをゲッター材１５０からガスギャップ１３０へと放出することができる。温調器１５８によりゲッター材１５０を効率的に加熱するために、ゲッター室１５２および外部通路１５６は、例えばステンレスなどの比較的低い熱伝導率をもつ金属材料で形成されてもよい。また、温調器１５８を停止しゲッター材１５０を低温側伝熱要素１２０により冷却することで、再びゲッター材１５０に作動ガスを吸着することができる。このようにして、極低温冷凍機２０の冷却動作から独立して、熱スイッチ１００のオンオフを切り替えることができる。
　熱スイッチ１００が極低温装置１０に設置される場合、実際には、熱スイッチ１００のまわりにさまざまな他の機器類が設置されうる。そのため、図４（ｂ）に破線で模式的に示されるように、熱スイッチ１００には所定の設置可能エリア１６０が設定されうる。
　図２および図４（ａ）の実施の形態に係るゲッター材１５０を内蔵した熱スイッチ１００は、図４（ｂ）の実施の形態に係る外付けのゲッター室１５２をもつ熱スイッチ１００に比べて、高温側伝熱要素１１０および低温側伝熱要素１２０の直径を大きくすることができる。言い換えれば、図４（ｂ）の実施の形態では、設置可能エリア１６０に熱スイッチ１００を収めるためには、外付けのゲッター室１５２の分だけ、高温側伝熱要素１１０および低温側伝熱要素１２０の直径を小さくせざるを得ない。熱スイッチ１００の高温側伝熱要素１１０および低温側伝熱要素１２０の伝熱面積は直径に応じて増減する。したがって、ゲッター材１５０を内蔵した熱スイッチ１００は、ある決められた設置可能エリア１６０の大きさ（容積）に対して、高温側伝熱要素１１０内に確保しうる伝熱要素の面積を比較的広くとることができるという利点がある。
　図５は、変形例に係る熱スイッチ１００を示す概略図である。熱スイッチ１００は、高温側伝熱要素１１０と、ガスギャップ１３０を挟んで高温側伝熱要素１１０と対向配置される低温側伝熱要素１２０と、を備える。高温側伝熱要素１１０が凸形状を有し、低温側伝熱要素１２０が高温側伝熱要素１１０を受け入れる凹形状を有する。高温側伝熱要素１１０と低温側伝熱要素１２０は接続筒１４０で接続されている。熱スイッチ１００は、ワンギャップ型の熱スイッチである。
　図５に示される熱スイッチ１００では、接続筒１４０が比較的長く、熱スイッチの軸方向のほぼ全長にわたって延在している。接続筒１４０は、高温側伝熱要素１１０の第１基部１１１を低温側伝熱要素１２０の第２基部１２１に接続する。低温側伝熱要素１２０の筒部１２２は、接続筒１４０に対して径方向内側に配置され、接続筒１４０と筒部１２２との間に径方向隙間１６２が形成される。高温側伝熱要素１１０の柱部１１２は、低温側伝熱要素１２０の筒部１２２に挿入され、柱部１１２と筒部１２２との間にガスギャップ１３０が形成される。
　上述の実施の形態と同様に、熱スイッチ１００は、低温側伝熱要素１２０と熱的に結合され、ガスギャップ１３０からガスを吸着可能なゲッター材１５０を備えてもよい。ゲッター材１５０は、低温側伝熱要素１２０上でガスギャップ１３０に面して配置されている。例えば、ゲッター材１５０は、低温側伝熱要素１２０の第２基部１２１上で高温側伝熱要素１１０の柱部１１２に対向する表面に設けられてもよい。これに代えて、またはこれとともに、ゲッター材１５０は、低温側伝熱要素１２０の他の表面、例えば、低温側伝熱要素１２０の筒部１２２の先端部に設けられてもよい。
　図６は、変形例に係る熱スイッチ１００を示す概略図である。熱スイッチ１００は、高温側伝熱要素１１０と、ガスギャップ１３０を挟んで高温側伝熱要素１１０と対向配置される低温側伝熱要素１２０と、を備える。図６に示される熱スイッチ１００は、複数のガスギャップ１３０を有するマルチギャップ型の熱スイッチである。マルチギャップ型の熱スイッチは、ワンギャップ型の熱スイッチに比べて、伝熱面積を広くとりやすい点で有利である。
　高温側伝熱要素１１０は、第１基部１１１と、第１基部１１１から延在する柱部１１２とを備える。ただし、図２に示される実施の形態と異なり、柱部１１２は、中空とされている。低温側伝熱要素１２０は、第２基部１２１と、第２基部１２１から延在する筒部１２２とを備える。ただし、図２に示される実施の形態と異なり、筒部１２２と同軸に第２基部１２１から延在する軸部１２６が筒部１２２の中に形成されている。接続筒１４０は、筒部１２２を第１基部１１１に接続する。
　低温側伝熱要素１２０は、その内側に高温側伝熱要素１１０を受け入れるように構成されている。高温側伝熱要素１１０の柱部１１２は、低温側伝熱要素１２０の筒部１２２内の空洞に挿入されている。このとき、低温側伝熱要素１２０の軸部１２６は、柱部１１２の中空部に挿入されている。このようにして、高温側伝熱要素１１０の柱部１１２の内側に一つのガスギャップ１３０が形成され、柱部１１２の外側にもう一つのガスギャップ１３０が形成される。高温側伝熱要素１１０と低温側伝熱要素１２０とは、これらガスギャップ１３０により隔てられ、物理的に接触していない。
　上述の実施の形態と同様に、熱スイッチ１００は、低温側伝熱要素１２０と熱的に結合され、ガスギャップ１３０からガスを吸着可能なゲッター材１５０を備えてもよい。ゲッター材１５０は、低温側伝熱要素１２０上でガスギャップ１３０に面して配置されている。例えば、低温側伝熱要素１２０の軸部１２６上で高温側伝熱要素１１０の第１基部１１１に対向する表面に設けられてもよい。これに代えて、またはこれとともに、ゲッター材１５０は、低温側伝熱要素１２０の第２基部１２１上で高温側伝熱要素１１０の柱部１１２に対向する表面に設けられてもよい。これに代えて、またはこれとともに、ゲッター材１５０は、低温側伝熱要素１２０の他の表面に設けられてもよい。
　図６の実施の形態では、高温側伝熱要素１１０の柱部１１２は、円筒状の伝熱フィンとみなすこともできる。よって、高温側伝熱要素１１０は、低温側伝熱要素１２０に向かって延在する円筒状の伝熱フィンを有してもよい。また、高温側伝熱要素１１０は、同軸に設けられた複数の円筒状フィンを有してもよい。低温側伝熱要素１２０は、高温側伝熱要素１１０の複数の円筒状フィンと互い違いとなるように設けられた少なくとも１つの円筒状フィンを有してもよい。このようにして、より多くのガスギャップ１３０を有するマルチギャップ型の熱スイッチが構成されてもよい。
　あるいは、高温側伝熱要素１１０は、低温側伝熱要素１２０に向かって延びる平板状またはその他の形状の少なくとも１つの伝熱フィンを備え、低温側伝熱要素１２０は、高温側伝熱要素１１０に向かって延びる少なくとも１つの伝熱フィンを備えてもよい。高温側伝熱要素１１０の少なくとも１つの伝熱フィンと低温側伝熱要素１２０の少なくとも１つの伝熱フィンは、熱スイッチ１００内に複数のガスギャップ１３０を形成するように、互い違いに配置されてもよい。
　図７は、変形例に係る熱スイッチ１００を示す概略図である。熱スイッチ１００は、高温側伝熱要素１１０と、ガスギャップ１３０を挟んで高温側伝熱要素１１０と対向配置される低温側伝熱要素１２０と、を備える。高温側伝熱要素１１０が凸形状を有し、低温側伝熱要素１２０が高温側伝熱要素１１０を受け入れる凹形状を有する。高温側伝熱要素１１０と低温側伝熱要素１２０は接続筒１４０で接続されている。熱スイッチ１００は、ワンギャップ型の熱スイッチである。
　図７に示されるように、熱スイッチ１００は、その外周面を被覆する被覆材１７０を備える。被覆材１７０は、低温側伝熱要素１２０の筒部１２２および接続筒１４０の外周面を被覆している。極低温冷却に伴う熱収縮によって、第１部材６１と第２部材６２との間に相対変位が生じ、その結果、熱スイッチ１００に荷重（例えば横荷重）が働きうることが懸念される。被覆材１７０は、こうした荷重に対する熱スイッチ１００の補強に役立ちうる。被覆材１７０を通じた高温側伝熱要素１１０から低温側伝熱要素１２０への熱侵入を低減するために、被覆材１７０は、断熱材料で形成されていてもよい。
　図８は、ある実施の形態に係る熱スイッチ装置２００を示す概略図である。熱スイッチ装置２００は、直列接続された複数の熱スイッチ（この例では、２つの熱スイッチ１００ａ、１００ｂ）を備える。複数の熱スイッチの各々は、高温側伝熱要素１１０と、ガスギャップ１３０を挟んで高温側伝熱要素１１０と対向配置される低温側伝熱要素１２０と、を備える。高温側伝熱要素１１０が凸形状を有し、低温側伝熱要素１２０が高温側伝熱要素１１０を受け入れる凹形状を有する。高温側伝熱要素１１０と低温側伝熱要素１２０は接続筒１４０で接続されている。
　図８に示されるように、隣接する２つの熱スイッチのうち一方の熱スイッチ１００ａの高温側伝熱要素１１０は、第１部材６１に熱的に結合される。隣接する２つの熱スイッチのうち他方の熱スイッチ１００ｂの低温側伝熱要素１２０は、第２部材６２に熱的に結合される。
　高温側の熱スイッチ１００ａの低温側伝熱要素１２０と、低温側の熱スイッチ１００ｂの高温側伝熱要素１１０とが一体化されてもよい。この一体化された伝熱要素は、例えば伝熱部材１８０を介して、第２部材６２に熱的に結合される。
　あるいは、高温側の熱スイッチ１００ａの低温側伝熱要素１２０と低温側の熱スイッチ１００ｂの高温側伝熱要素１１０とが互いに熱的に結合されてもよい。言い換えれば、複数の熱スイッチの各々は、上述したいずれかの実施の形態に係る熱スイッチ１００であってもよく、そうした熱スイッチ１００が軸方向に単純に積み重ねられていてもよい。各熱スイッチ１００の低温側伝熱要素１２０は、結合された隣接の熱スイッチ１００の高温側伝熱要素１１０とともに、第２部材６２に熱的に結合される。
　熱スイッチ装置２００が直列接続された複数の熱スイッチを有する場合、いずれかの熱スイッチがオフとなることで、第１部材６１と第２部材６２との間の熱接続は切断される。仮に、複数の熱スイッチのうちいずれかの熱スイッチに何らかの不良（例えば、高温側伝熱要素１１０と低温側伝熱要素１２０の物理的接触、過剰な残留ガスの存在など）があるためにこの熱スイッチがオフに切り替わらなかった場合であっても、他のいずれかの熱スイッチが正常にオフに切り替わることで、熱スイッチ装置２００は、第１部材６１と第２部材６２との間の熱接続を切断することができる。よって、熱スイッチ装置２００は、単一の熱スイッチ１００に比べて、不良に対してロバストである点で、有利である。
　そのため、熱スイッチ装置２００の各熱スイッチには、ゲッター材１５０を設ける必要はない。しかしながら、上述の実施の形態と同様に、破線で示すように、各熱スイッチにゲッター材１５０が設けられてもよい。
　熱スイッチ装置２００がオンの状況を考える。ある大きさの設置可能エリアに単一の熱スイッチ１００が設置される場合と熱スイッチ装置２００が設置される場合を比べると、熱スイッチ装置２００を構成する各熱スイッチは、単一の熱スイッチ１００に比べてサイズが小さくなるが、合計の伝熱面積はほぼ同じになる。よって、単一の熱スイッチ１００と熱スイッチ装置２００とで伝熱性能はほぼ等しくなると期待される。また、熱スイッチ装置２００で各熱スイッチの接続筒１４０の合計の軸方向長さは、単一の熱スイッチ１００の接続筒１４０の軸方向長さとほぼ等しくなる。よって、単一の熱スイッチ１００と熱スイッチ装置２００とで断熱性能はほぼ等しくなると期待される。
　以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。
　上述の実施の形態では、極低温冷凍機２０が多段式のギフォード・マクマホン冷凍機である場合を例として説明しているが、本発明はこれに限られない。極低温冷凍機２０は、パルス管冷凍機、スターリング冷凍機、またはそのほかのタイプの多段式の極低温冷凍機であってもよい。実施の形態に係る熱スイッチ１００および熱スイッチ装置２００は、さまざまな極低温冷凍機２０に、または極低温冷凍機２０を搭載した極低温装置１０に適用可能である。
　上述の実施の形態では、熱スイッチ１００および熱スイッチ装置２００は、被冷却物を極低温冷凍機２０で直接冷却する伝導冷却式の極低温装置１０に適用されている。しかし、ある実施の形態においては、熱スイッチ１００および熱スイッチ装置２００は、被冷却物を液体ヘリウムなどの極低温冷媒に浸して冷却する浸漬冷却式の極低温装置にも適用可能である。
　実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
　本発明は、熱スイッチおよびそれを用いた熱スイッチ装置の分野における利用が可能である。
　１００　熱スイッチ、　１１０　高温側伝熱要素、　１１１　第１基部、　１１２　柱部、　１２０　低温側伝熱要素、　１２１　第２基部、　１２２　筒部、　１３０　ガスギャップ、　１４０　接続筒、　１５０　ゲッター材、　１５２　ゲッター室、　１７０　被覆材、　２００　熱スイッチ装置。

Claims (19)

  1. 　高温側伝熱要素と、
    　ガスギャップを挟んで前記高温側伝熱要素と対向配置される低温側伝熱要素と、を備え、
    　前記高温側伝熱要素および前記低温側伝熱要素のうち一方が、第１基部と、前記第１基部から延在する柱部とを備え、
    　前記高温側伝熱要素および前記低温側伝熱要素のうち他方が、前記柱部に対向する第２基部と、前記柱部を囲むように前記第２基部から延在する筒部とを備え、
    　周囲環境から前記ガスギャップを隔離するように前記筒部を前記第１基部に接続し、断熱材料で形成された接続筒をさらに備えることを特徴とする熱スイッチ。
  2. 　前記低温側伝熱要素と熱的に結合され、前記ガスギャップからガスを吸着可能なゲッター材をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の熱スイッチ。
  3. 　前記ゲッター材は、前記低温側伝熱要素上で前記ガスギャップに面して配置されていることを特徴とする請求項２に記載の熱スイッチ。
  4. 　前記ガスギャップに接続され、内部に前記ゲッター材を有するゲッター室を備えることを特徴とする請求項２に記載の熱スイッチ。
  5. 　前記ゲッター室は、前記低温側伝熱要素内に収められていることを特徴とする請求項４に記載の熱スイッチ。
  6. 　前記熱スイッチは、前記柱部と前記筒部との組を１組だけ備え、
    　前記ガスギャップは、前記柱部と前記筒部との間に形成された前記熱スイッチの唯一のガスギャップであることを特徴とする請求項１に記載の熱スイッチ。
  7. 　前記熱スイッチの外周面を被覆する被覆材をさらに備えることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の熱スイッチ。
  8. 　前記接続筒の軸方向長さは、前記熱スイッチの軸方向全長の半分以下であることを特徴とする請求項１に記載の熱スイッチ。
  9. 　高温側伝熱要素と、
    　ガスギャップを挟んで前記高温側伝熱要素と対向配置される低温側伝熱要素と、
    　前記低温側伝熱要素と熱的に結合され、前記ガスギャップからガスを吸着可能なゲッター材と、を備えることを特徴とする熱スイッチ。
  10. 　前記ゲッター材は、前記低温側伝熱要素上で前記ガスギャップに面して配置されていることを特徴とする請求項９に記載の熱スイッチ。
  11. 　前記ガスギャップに接続され、内部に前記ゲッター材を有するゲッター室を備えることを特徴とする請求項９に記載の熱スイッチ。
  12. 　前記ゲッター室は、前記低温側伝熱要素内に収められていることを特徴とする請求項１１に記載の熱スイッチ。
  13. 　前記高温側伝熱要素および前記低温側伝熱要素のうち一方が、第１基部と、前記第１基部から延在する柱部とを備え、
    　前記高温側伝熱要素および前記低温側伝熱要素のうち他方が、前記柱部に対向する第２基部と、前記柱部を囲むように前記第２基部から延在する筒部とを備え、
    　前記熱スイッチは、前記柱部と前記筒部との組を１組だけ備え、
    　前記ガスギャップは、前記柱部と前記筒部との間に形成された前記熱スイッチの唯一のガスギャップであることを特徴とする請求項９に記載の熱スイッチ。
  14. 　周囲環境から前記ガスギャップを隔離するように前記筒部を前記第１基部に接続し、断熱材料で形成された接続筒をさらに備えることを特徴とする請求項１３に記載の熱スイッチ。
  15. 　前記熱スイッチの外周面を被覆する被覆材をさらに備えることを特徴とする請求項９から１４のいずれかに記載の熱スイッチ。
  16. 　直列接続された複数の熱スイッチを備え、
    　前記複数の熱スイッチの各々が、
    　　高温側伝熱要素と、
    　　ガスギャップを挟んで前記高温側伝熱要素と対向配置される低温側伝熱要素と、を備えることを特徴とする熱スイッチ装置。
  17. 　前記複数の熱スイッチは、隣接する２つの熱スイッチを含み、
    　前記隣接する２つの熱スイッチのうち高温側の熱スイッチの低温側伝熱要素と、前記隣接する２つの熱スイッチのうち低温側の熱スイッチの高温側伝熱要素とが一体化されていることを特徴とする請求項１６に記載の熱スイッチ装置。
  18. 　前記複数の熱スイッチの各々において、
    　前記高温側伝熱要素および前記低温側伝熱要素のうち一方が、第１基部と、前記第１基部から延在する柱部とを備え、
    　前記高温側伝熱要素および前記低温側伝熱要素のうち他方が、前記柱部に対向する第２基部と、前記柱部を囲むように前記第２基部から延在する筒部とを備え、
    　前記複数の熱スイッチの各々が、周囲環境から前記ガスギャップを隔離するように前記筒部を前記第１基部に接続し、断熱材料で形成された接続筒をさらに備えることを特徴とする請求項１６に記載の熱スイッチ装置。
  19. 　前記複数の熱スイッチの各々が、前記低温側伝熱要素と熱的に結合され、前記ガスギャップからガスを吸着可能なゲッター材を備えることを特徴とする請求項１６から１８のいずれかに記載の熱スイッチ装置。
PCT/JP2023/030579 2022-10-06 2023-08-24 熱スイッチおよび熱スイッチ装置 WO2024075424A1 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2022-161611 2022-10-06
JP2022161611 2022-10-06

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2024075424A1 true WO2024075424A1 (ja) 2024-04-11

Family

ID=90607968

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2023/030579 WO2024075424A1 (ja) 2022-10-06 2023-08-24 熱スイッチおよび熱スイッチ装置

Country Status (2)

Country Link
TW (1) TW202415897A (ja)
WO (1) WO2024075424A1 (ja)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104654692A (zh) * 2013-11-22 2015-05-27 中国科学院理化技术研究所 应用于极低温制冷机的气隙式热开关及其导热方法
KR20150105778A (ko) * 2014-03-10 2015-09-18 한국과학기술원 활성탄을 이용한 열 스위치, 이러한 열 스위치를 이용하는 극저온 냉각 시스템 및 그 방법
WO2021170975A1 (en) * 2020-02-25 2021-09-02 Oxford Instruments Nanotechnology Tools Limited Gas gap heat switch configuration
CN114636262A (zh) * 2020-12-16 2022-06-17 中国科学院理化技术研究所 一种热开关

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104654692A (zh) * 2013-11-22 2015-05-27 中国科学院理化技术研究所 应用于极低温制冷机的气隙式热开关及其导热方法
KR20150105778A (ko) * 2014-03-10 2015-09-18 한국과학기술원 활성탄을 이용한 열 스위치, 이러한 열 스위치를 이용하는 극저온 냉각 시스템 및 그 방법
WO2021170975A1 (en) * 2020-02-25 2021-09-02 Oxford Instruments Nanotechnology Tools Limited Gas gap heat switch configuration
CN114636262A (zh) * 2020-12-16 2022-06-17 中国科学院理化技术研究所 一种热开关

Also Published As

Publication number Publication date
TW202415897A (zh) 2024-04-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4617251B2 (ja) ヘリウム再凝縮用の同軸多段パルス管
JP4613025B2 (ja) 磁気共鳴超伝導マグネット向けのパルス管クライオクーラ・システム
US4986077A (en) Cryostat with cryo-cooler
JP4892328B2 (ja) 磁気シールド付き冷凍機
US10731914B2 (en) Cryocooler and magnetic shield structure of cryocooler
EP3163222B1 (en) Cryogen-free cooling apparatus
JPH0340475A (ja) 超伝導磁石
JP3629725B2 (ja) 超電導マグネット
US20170059214A1 (en) Compact adiabatic demagnetization refrigeration stage with integral gas-gap heat switch
US7350363B2 (en) Pulse tube refrigerator sleeve
CN114151989B (zh) 一种超导磁体
JP2008538856A (ja) クライオスタットアセンブリ
WO2024075424A1 (ja) 熱スイッチおよび熱スイッチ装置
JP2004235653A (ja) 超電導マグネット
WO2003036190A1 (en) A pulse tube refrigerator with an insulating sleeve
JP2006093723A (ja) 超電導磁石装置
Marland et al. Development and testing of advanced cryogenic thermal switch concepts
JP2007078310A (ja) 極低温冷却装置
JPH11182959A (ja) クライオスタット・システムの耐力手段
JPH0936442A (ja) 超電導磁石装置
JP2004233047A (ja) 超電導マグネット
WO2023145302A1 (ja) 極低温冷却装置
US20220068529A1 (en) Apparatus and System to Enhance Thermal Gradients in Cryogenic Devices
JP2004140411A (ja) 超電導マグネット
WO2024111338A1 (ja) ジュール・トムソン冷凍機

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 23874556

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1