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技術 多段式冷凍機及びそれに用いられる熱スイッチ

出願人 株式会社神戸製鋼所
発明者 濱田衛神門剛
出願日 2001年7月9日 (19年7ヶ月経過) 出願番号 2001-207894
公開日 2003年1月24日 (18年0ヶ月経過) 公開番号 2003-021413
状態 特許登録済
技術分野 低沸騰点冷媒を用いた圧縮式冷凍機械
主要キーワード 接続オフ 冷却端 冷却初期 冷却試験 最低到達温度 利用空間 熱伝導媒体 熱スイッチ
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (10)

課題

被冷却物が第2冷却端の上部に設けられても、効率よく、早く冷却できるようにする。

解決手段

最低到達温度が高く且つ冷却能力が高い第1冷却端4aと、熱的に被冷却物が取付けられた最低到達温度が低く且つ冷却能力が低い第2冷却端5aと、熱的に第1冷却端4aと第2冷却端5aとを接続する熱伝導媒体封入された熱スイッチ3とを備え、媒体沸点が第1冷却端4aと第2冷却端5aの最低到達温度の間に設定された多段式冷凍機1であって、第2冷却端5aの上部に被冷却物8が、下部に熱スイッチ3が配置して接続され、熱スイッチ3内部に媒体保持手段を有する熱交換部材が設けられている多段式冷凍機1。

概要

背景

一般に、被冷却物極低温に冷却する多段式冷凍機は、複数個冷却端を有している。従来、多段式冷凍機は、最低到達温度が高く且つ冷却能力が高い第1冷却端と、最低到達温度が低く且つ冷却能力が低い第2冷却端とを直列つなぐ構造により、被冷却物を極低温に冷却するものである。被冷却物は、第2冷却端に接触するように配設され、極低温まで冷却される。

上記の構造の多段式冷凍機として、第1冷却端と第2冷却端との間に熱スイッチを配設し、第1冷却端と被冷却物を熱的につなぐものが提案されている。熱スイッチの役割は以下のとおりである。冷却初期段階では、被冷却物は第1冷却端と熱スイッチにより接続され、冷却能力の高い第1冷却端により早く冷却される。次に、第1冷却端の最低到達温度に近づくと、熱スイッチはオン状態からオフ状態となり、被冷却物は最低到達温度の低い第2冷却端のみにより極低温まで冷却される。

特開平9-166365に、第1冷却端の最低到達温度と第2冷却端の最低到達温度との間に沸点を有する媒体が熱スイッチに封入された多段式冷凍機とすることで、冷却能力の高い第1冷却端の冷却能力を十分に活用し、被冷却物を効率よく、より早く冷却することができる多段式冷却機が示されている。

上記の構成によると、熱スイッチの高温側が概鉛直上方にあり低温側が概鉛直下方にある場合には効果が得られた。しかし、磁場を利用するための被検査物保持機構を短くして保持機構の剛性を高めて被検査物の振動を少なくする、或いは保持機構で発生する抵抗を少なくする等の目的で、超伝導磁場の主たる利用空間である被冷却物の上端と、多段式冷凍機の上端部である上部構造体との距離をできるだけ近づけたい場合がある。

かかる状況では、第1冷却端と第2冷却端との距離をそれらが接触しない範囲でできるだけ小さくする必要があり、第1冷却端と第2冷却端との間に熱スイッチを取付けることが困難となる。そこで、第2冷却端の上部に被冷却物を、下部に熱スイッチを配置し、熱スイッチの上端を第2冷却端と、下端を第1冷却端とを接続する方法が考えられる。

しかしながら、このような熱スイッチの配置では、媒体の沸点よりも高い領域では熱スイッチがオン状態となり第1冷却端の冷却能力が活用されるが、媒体の沸点よりも低い温度領域においては、液化または固化した媒体が高温側に落下して気化するサイクルにより熱伝導が存在してしまい、熱スイッチが完全にはオフ状態にはならないとう問題がある。かかる状況では熱スイッチが最低到達温度を高くする原因となってしまう。

概要

被冷却物が第2冷却端の上部に設けられても、効率よく、早く冷却できるようにする。

最低到達温度が高く且つ冷却能力が高い第1冷却端4aと、熱的に被冷却物が取付けられた最低到達温度が低く且つ冷却能力が低い第2冷却端5aと、熱的に第1冷却端4aと第2冷却端5aとを接続する熱伝導媒体が封入された熱スイッチ3とを備え、媒体の沸点が第1冷却端4aと第2冷却端5aの最低到達温度の間に設定された多段式冷凍機1であって、第2冷却端5aの上部に被冷却物8が、下部に熱スイッチ3が配置して接続され、熱スイッチ3内部に媒体保持手段を有する熱交換部材が設けられている多段式冷凍機1。

目的

本発明は、前記課題に鑑みなされたものであり、被冷却物の上端と多段式冷凍機の上部端との距離をできるだけ近づけても、被冷却物を効率よく早く冷却することができる多段式冷凍機と、それに用いられる熱スイッチとを提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

最低到達温度が高く且つ冷却能力が高い第1冷却端と、熱的に被冷却物取付けられた最低到達温度が低く且つ冷却能力が低い第2冷却端と、前記第1冷却端と前記第2冷却端との間を熱的に接続可能に設けられ、所定温度熱的接続オンから熱的接続オフ切り換わる熱スイッチとを備え、前記熱スイッチは、その内部に封入された熱伝達媒体気化または固化で熱的接続オンになり、前記媒体液化で熱的接続オフになるものであり、前記媒体は、前記第1冷却端の最低到達温度と前記第2冷却端の最低到達温度との間に沸点を有するように前記熱スイッチに封入され、前記間に前記所定温度が設定されている多段式冷凍機において、前記第1冷却端が前記第2冷却端の下部まで連続して設けられており、内部に媒体保持手段を有する熱交換部材が設けられた前記熱スイッチが、前記第1冷却端を下方に、前記第2冷却端を上方にして配設されることを特徴とする多段式冷凍機。

請求項2

前記被冷却物が、前記第2冷却端の上部に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の多段式冷凍機。

請求項3

多段式冷凍機の、最低到達温度が高く且つ冷却能力が高い第1冷却端と、最低到達温度が低く且つ冷却能力が低い第2冷却端との間を熱的に接続可能に設けられ、内部に封入された熱伝達媒体の気化で熱的接続オンになり、前記媒体の液化で熱的接続オフになる熱スイッチにおいて、前記熱スイッチ内部の前記第1冷却端側と前記第2冷却端側に、それぞれ熱交換部材が取付けられており、少なくとも前記第2冷却端側の前記熱交換部材に、媒体保持手段が設けられていることを特徴とする熱スイッチ。

請求項4

前記媒体保持手段は、前記第2冷却端側の前記熱交換部材に設けられ、前記第1冷却端側の前記熱交換部材に向かうフィンであることを特徴とする請求項3に記載の熱スイッチ。

請求項5

前記媒体保持手段は、前記第1冷却端側の前記熱交換部材に設けられ、前記第2冷却端側の前記熱交換部材に向かう螺旋状の第1フィンと、前記第2冷却端側の前記熱交換部材に設けられ、前記第1冷却端側の前記熱交換部材に向かう螺旋状の第2フィンとを、互いに噛み合うように配設してなることを特徴とする請求項3に記載の熱スイッチ。

技術分野

0001

本発明は、被冷却物極低温に冷却する多段式冷凍機、特に、超電導磁石を極低温に冷却する多段式冷凍機とそれに用いられる熱スイッチに関するものである。

背景技術

0002

一般に、被冷却物を極低温に冷却する多段式冷凍機は、複数個冷却端を有している。従来、多段式冷凍機は、最低到達温度が高く且つ冷却能力が高い第1冷却端と、最低到達温度が低く且つ冷却能力が低い第2冷却端とを直列つなぐ構造により、被冷却物を極低温に冷却するものである。被冷却物は、第2冷却端に接触するように配設され、極低温まで冷却される。

0003

上記の構造の多段式冷凍機として、第1冷却端と第2冷却端との間に熱スイッチを配設し、第1冷却端と被冷却物を熱的につなぐものが提案されている。熱スイッチの役割は以下のとおりである。冷却初期段階では、被冷却物は第1冷却端と熱スイッチにより接続され、冷却能力の高い第1冷却端により早く冷却される。次に、第1冷却端の最低到達温度に近づくと、熱スイッチはオン状態からオフ状態となり、被冷却物は最低到達温度の低い第2冷却端のみにより極低温まで冷却される。

0004

特開平9-166365に、第1冷却端の最低到達温度と第2冷却端の最低到達温度との間に沸点を有する媒体が熱スイッチに封入された多段式冷凍機とすることで、冷却能力の高い第1冷却端の冷却能力を十分に活用し、被冷却物を効率よく、より早く冷却することができる多段式冷却機が示されている。

0005

上記の構成によると、熱スイッチの高温側が概鉛直上方にあり低温側が概鉛直下方にある場合には効果が得られた。しかし、磁場を利用するための被検査物保持機構を短くして保持機構の剛性を高めて被検査物の振動を少なくする、或いは保持機構で発生する抵抗を少なくする等の目的で、超伝導磁場の主たる利用空間である被冷却物の上端と、多段式冷凍機の上端部である上部構造体との距離をできるだけ近づけたい場合がある。

0006

かかる状況では、第1冷却端と第2冷却端との距離をそれらが接触しない範囲でできるだけ小さくする必要があり、第1冷却端と第2冷却端との間に熱スイッチを取付けることが困難となる。そこで、第2冷却端の上部に被冷却物を、下部に熱スイッチを配置し、熱スイッチの上端を第2冷却端と、下端を第1冷却端とを接続する方法が考えられる。

0007

しかしながら、このような熱スイッチの配置では、媒体の沸点よりも高い領域では熱スイッチがオン状態となり第1冷却端の冷却能力が活用されるが、媒体の沸点よりも低い温度領域においては、液化または固化した媒体が高温側に落下して気化するサイクルにより熱伝導が存在してしまい、熱スイッチが完全にはオフ状態にはならないとう問題がある。かかる状況では熱スイッチが最低到達温度を高くする原因となってしまう。

発明が解決しようとする課題

0008

本発明は、前記課題に鑑みなされたものであり、被冷却物の上端と多段式冷凍機の上部端との距離をできるだけ近づけても、被冷却物を効率よく早く冷却することができる多段式冷凍機と、それに用いられる熱スイッチとを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0009

前記課題を解決するための本発明の請求項1に記載の多段式冷凍機は、最低到達温度が高く且つ冷却能力が高い第1冷却端と、熱的に被冷却物が取付けられた最低到達温度が低く且つ冷却能力が低い第2冷却端と、前記第1冷却端と前記第2冷却端との間を熱的に接続可能に設けられ、所定温度熱的接続オンから熱的接続オフ切り換わる熱スイッチとを備え、前記熱スイッチは、その内部に封入された熱伝達媒体の気化で熱的接続オンになり、前記媒体の液化または固化で熱的接続オフになるものであり、前記媒体は、前記第1冷却端の最低到達温度と前記第2冷却端の最低到達温度との間に沸点を有するように前記熱スイッチに封入され、前記間に前記所定温度が設定されている多段式冷凍機において、前記第1冷却端が前記第2冷却端の下部まで連続して設けられており、内部に媒体保持手段を有する熱交換部材が設けられた前記熱スイッチが、前記第1冷却端を下方に、前記第2冷却端を上方にして配設される。

0010

上記の構成によると、熱スイッチを第2冷却端の下方に設けることになるので、第2冷却端の上部に利用空間を設けることができる。しかも、熱スイッチ内部の熱交換部材に媒体保持手段を有するため、熱スイッチの下端を高温である第1冷却端側に、上端を低温である第2冷却端側に設置しても、熱スイッチの上端付近で液化または固化した媒体は、落下の途中で媒体保持手段の上部に保持され、高温部である下端まで到達することが妨げられ、再度気化することが抑制されるため、接続オフの状態での熱伝導が少なく保たれ、冷却能力の高い第1冷却端の冷却能力を十分に活用し、被冷却物を効率よく、早く冷却することができる。

0011

請求項2に記載の多段式冷凍機は、請求項1において、前記被冷却物が、前記第2冷却端の上部に設けられている。上記の構成によると、超伝導磁場の主たる利用空間である被冷却物の上端と、多段式冷凍機の上端部である上部構造体との距離をできるだけ近づけることができる。

0012

請求項3に記載の熱スイッチは、多段式冷凍機の、最低到達温度が高く且つ冷却能力が高い第1冷却端と、最低到達温度が低く且つ冷却能力が低い第2冷却端との間を熱的に接続可能に設けられ、内部に封入された熱伝達媒体の気化で熱的接続オンになり、前記媒体の液化または固化で熱的接続オフになる熱スイッチにおいて、前記熱スイッチ内部の前記第1冷却端側と前記第2冷却端側に、それぞれ熱交換部材が取付けられており、少なくとも前記第2冷却端側の前記熱交換部材に、媒体保持手段が設けられている。

0013

上記の構成によると、熱スイッチの上端が最低到達温度の低い第2冷却端に接続され、下端が最低到達温度の高い第1冷却端に接続された場合にも、熱スイッチの上端付近で液化または固化した媒体が、落下の途中で媒体保持手段の上部に保持され、高温部である下端まで到達することが妨げられ、再度気化することが抑制されるため、接続オフの状態での熱伝導が少なく保たれる。

0014

請求項4に記載の熱スイッチは、請求項3において、前記第2冷却端側の前記熱交換部材に、前記媒体保持手段が設けられている。上記の構成によると、最低到達温度の低い第2冷却端に取付けられた熱交換部材付近で媒体は液化または固化するので、この熱交換部材に媒体保持手段が設けられることで、効率よく液化または固化した媒体を保持することができる。

0015

請求項5に記載の熱スイッチは、請求項3又は4において、前記第1冷却端側及び第2冷却端側の前記熱交換部材に、前記媒体保持手段が設けられている。上記の構成によると、第1冷却端及び第2冷却端に取付けられた熱交換部材に媒体保持手段が設けられているため、両者の共同作業で効率よく液化または固化した媒体を保持することができる。

発明を実施するための最良の形態

0016

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態の一例を説明する。図1は、本発明に係る多段式冷凍機1における熱スイッチ3の配置図であり、図2は、本発明に係る熱スイッチ3の構造を示す断面図である。

0017

多段式冷凍機1は、容器2内に冷凍機本体1aの大部分を突出させてなっている。この容器2は普通、真空容器として形成されている。容器2内の冷却機本体1aは、下面に第1冷却端4aを有する第1冷却部4と、下面に第2冷却端5aを有する第2冷却部5とを備えてなる。第1冷却板6は、円形板状の上面部6aと、円筒形状の側面部6bと、板状の下面部6cとで構成されており、第1冷却板6内が冷却空間9を形成する。第1冷却端4aは第1冷却板6aに、第2冷却端5aは冷却空間9内の第2冷却板7にネジ止めされる。第2冷却端5aの下部に第2冷却板7が配設され、第2冷却板7の上部に被冷却物8が接続される。熱スイッチ3は、第1冷却板の下面部6cを下部に、第2冷却板7を上部に接続して配設される。第2冷却板7の上部には冷凍機本体1aが、下部には熱スイッチ3が、オフセットで接続されているため、熱スイッチ3の上部の第2冷却板7の上部にはスペースができ、被冷却物8を設置することが可能である。熱スイッチ3内に、第1冷却端4aの最低到達温度と第2冷却端5aとの最低到達温度との間の沸点を有する、ガス(熱伝達媒体)が封入されている。

0018

多段式冷凍機1に配設された熱スイッチ3は、図2に示すように、第1部材17と、第2部材18とを備えている。

0019

第1部材17は、円柱形状の第1純銅ブロック11と、純銅製の円筒状のフィン13a〜13d(熱交換部材)とを備えている。第1純銅ブロック11上に、径の小さい順にフィン13a、13b、13c、13dと同心円上に重ねて並べられ、溶着等により接合されている。

0020

第2部材18は、円柱形状の第2純銅ブロック12と、凸部16(媒体保持手段)を有する純銅製の円筒状のフィン14a〜14d(熱交換部材)と、円筒状のステンレス鋼管15とを備えている。第2純銅ブロック12上に、径の小さい順にフィン14a、14b、14c、14dと同心円上に重ねて並べられ、溶着等により接合されている。フィン14a〜14dの外側の面には、概水平方向の凸部16が複数列設けられている。更に、第2純銅ブロック12上に、第2フィン14の外側に薄肉のステンレス鋼管15が同心円状に接合されており、このステンレス鋼管15の長さは第1フィン13及び第2フィン14の長さよりも長い。

0021

上記の熱スイッチ3は、この上下の2つの第1部材17と第2部材18とが重ね合わされて、第1純銅ブロック11とステンレス鋼管15とが、溶着等により固定されることで、外側のステンレス鋼管15と第1純銅ブロック11と第2純銅ブロック12により、密閉した空間を形成する。この空間内で、フィン13a〜13dとフィン14a〜14dとが同心円状・交互に配置される構造である。第1フィン13と第2純銅ブロック12との間及び第2フィン14と第1純銅ブロック11との間に隙間を有するように対向させた構造となる。

0022

熱スイッチ3は、図1の多段式冷凍機1に示すように、第1純銅ブロック11が鉛直方向下の高温側の第1冷却板6の下面部6cに、第2純銅ブロック12が鉛直方向上の低温側の第2冷却板7に接続されることになる。

0023

次に、熱スイッチ3の動作について説明する。本発明に係る熱スイッチ3は、ステンレス鋼管15により密閉した空間内部に、第1冷却端4aの最低到達温度と第2冷却冷却端5aとの最低到達温度との間の沸点を有するガスを封入したガス伝導型のスイッチである。上下の熱伝導は、内部ガス熱伝導媒体として、第1フィン13と第2フィン14との隙間を通じて行われている。最外層のステンレス鋼管15は、熱スイッチ3のオフ状態には無視できるほどに熱伝導度が低くなっている。熱スイッチ3のオン・オフ状態の切換えは、ガスの沸点で起こる。熱スイッチの温度がガスの沸点以上であれば、ガスを熱媒体とした熱伝導がオン状態となり、沸点以下ではガスが凝縮し内部が真空となるのでオフ状態となる。ガスは沸点以下となり鉛直方向上にある第2純銅ブロック12に接続された第2フィン14付近で液化または固化されても、凸部16の上部に溜まり、ガスが気化する温度を有する第1純銅ブロック11上には落下しない。

0024

第1冷却端5の最低到達温度が30Kで、第2冷却端6の最低到達温度が4Kである場合において、4K〜30Kの間に、沸点を有するガス、例えば常温で4気圧ネオンガスを用いた例を説明する。冷却初期段階では、ネオンガスは気体の状態であり、熱スイッチ4は熱を伝えることができ(熱スイッチ4がオン状態)、被冷却物8は第1冷却端4a及び第2冷却端5aで冷却される。第1冷却端4aは、第2冷却端5aよりも冷却能力が高いため、熱スイッチ3を用いない場合より早く冷却ができる。常温で4気圧のネオンガスは、第1冷却端4aの最低到達温度(30K)では0.4気圧となり、ネオンガスの沸点は27Kから24Kへと変化するが、4K〜30Kの間にある。

0025

更に、冷却が進行し、熱スイッチ3の温度が第1冷却端4aの最低到達温度(30K)以下となり、ネオンガスの沸点に達すると、ガスは液化し、熱スイッチ3内部が真空となり、熱を伝えなくなるので(熱スイッチ4がオフ状態)、これ以降は第2冷却端5aのみで被冷却物8を極低温まで冷却する。液化または固化したガスは、凸部16により、熱スイッチ3内部の下端まで達することはなく、熱スイッチ3は完全にオフ状態を保つことができる。

0026

本発明別形態例として、熱スイッチ3´の分解図の断面図を、図3に示す。熱スイッチ3´は、第1部材27と、第2部材28とを備えている。

0027

第1部材27は、円柱形状の第1純銅ブロック21と、純銅製の円筒状の凸部26a(媒体保持手段)を有する第1フィン23(熱交換部材)とを備えている。第1純銅ブロック11上に、第1フィン23が溶着等により接合されている。第1フィン23の内側の面には、螺旋状の凸部26aが設けられている。

0028

第2部材28は、円柱形状の第2純銅ブロック22と、凸部26b(媒体保持手段)を有する純銅製の円筒状の第2フィン24(熱交換部材)と、円筒状のステンレス鋼管25とを備えている。第2純銅ブロック22上に第2フィン24が溶着等により接合されている。第2フィン24の外側の面には、螺旋状の凸部26bが設けられている。更に、第2純銅ブロック22上に、第2フィン24の外側に薄肉のステンレス鋼管25が同心円状に接合されており、このステンレス鋼管25の長さは第1フィン23及び第2フィン24の長さよりも長い。

0029

上記の熱スイッチ3´は、この上下の2つの第1部材27と第2部材28とが、螺旋状の凸部26aと凸部26bとが交互に重なるように、回転しつつじ込まれ、第1純銅ブロック21とステンレス鋼管25が溶着等により固定されることで、図4に示す熱スイッチ3´となる。外側のステンレス鋼管25と第1純銅ブロック21と第2純銅ブロック22により、密閉した空間を形成する。この空間内で、第1フィン23と第2フィン24とが同心円状・交互に配置される構造である。第1フィン23と第2純銅ブロック22との間及び第2フィン24と第1純銅ブロック21との間に隙間を有するように対向させた構造となる。

0030

熱スイッチ3´は、熱スイッチ3と同様に、図1に示す多段式冷凍機1に配置される。第1純銅ブロック21が鉛直方向下の高温側の第1冷却板6の下面部6cに、第2純銅ブロック22が鉛直方向上の低温側の第2冷却板7に接続されることになる。

0031

なお、図1の多段式冷凍機1では、熱スイッチ3の第1純銅ブロック11を第1冷却板6の下面部6cに、第2純銅ブロック12を第2冷却板7に直接接続させたように表現したが、これら接続部分は熱的に良好に接続されていればよく、第1冷却端6は上面部6aのみとし、熱伝導のよい部材が、第1純銅ブロック11と第1冷却板6aとの間、または、第2純銅ブロックと第2冷却板7との間に存在しても、効果は同等である。

0032

また、冷凍機本体1aと、熱スイッチ3とを、第2冷却板7を挟んで上下になるように接続してもよい。この場合、片持ちの第2冷却板7の上部にスペースができ、被冷却物8を設置することが可能である。

0033

また、熱スイッチ3において、媒体保持手段としての凸部16は、液化または固化したガスが第1純銅ブロック11付近まで落下するのを防ぐものであればよく、例えば、凸部16のフィンに接合されていない方の端部を斜め上方に傾斜させたり、フィンに接続されていない方の端部に上方への折り曲げ部を設けたりすることも可能である。

0034

以下、実施例により本発明を具体的に説明する。

0035

(実施例1)多段式冷凍機1に熱スイッチ3を配設したものを用いて冷却試験を行った。使用した多段式冷凍機1の最低到達温度は第1冷却端4aが30K、第2冷却端5aが4Kで、冷却能力は第1冷却端4aが50Kで25Wであり、第2冷却端5aが4.3Kで1Wである。被冷却物8は、概略外径400mm、概略内径170mm、概略高さ400mm、概略重量170kgの超伝導磁石とした。この超伝導磁石はNbTi線及びNb3Sn線が使用されている。被冷却物8を、厚さ約15mmの純銅製の第2冷却板7を介して、第2冷却端7に取付けた。前記第2冷却端5aと前記第2冷却板7との間には、インジュウムシートを挟み、熱伝達を改善した。更に、前記超伝導磁石と前記第2冷却板7、熱スイッチ3と前記第2冷却板7との間にも、インジュウムシートを挟んだ。

0036

使用した熱スイッチ3は、図2に示す構造である。図2の熱スイッチ3において、第1純銅ブロック11及び第2純銅ブロック12の厚さを20mm、径を70.2mmとし、ステンレス鋼管15の長さを100mm、内径を57.2mm、外径を58mm、肉厚を0.4mmとした。そして、第1フィン13の内径を、フィン13aは6mm、フィン13bは15mm、フィン13cは24mm、フィン13dは33mmとし、それぞれの長さを80mmとし、厚さを1mmとした。また、第2フィン14の内径を、フィン14aは12mm、フィン14bは21mm、フィン14cは30mm、フィン14dは39mmとし、それぞれの長さを80mmとし、厚さを1mmとした。このように、各フィンの間隔は2.0mmとした。凸部16の幅は1.5mmとし、上下に20mm間隔で、3列設けた。第1純銅ブロック11と第1フィン13との接続、第2純銅ブロック12と第2フィン14との接続、及び第2フィン14と凸部16との接続は、Tig溶接により接続した。第1純銅ブロック11ステンレス鋼管15との接続、及び第2純銅ブロック12とステンレス鋼管15との接続はステンレス鋼半田を使用して接続した。

0037

熱スイッチ3の第1純銅ブロック11及び第2純銅ブロック12の対向面積は、2.8×10-2m2とした。内部ガスが窒素ガスの場合、熱スイッチ4がオンの時の熱伝導分は、第1純銅ブロック11と第2純銅ブロック12の温度差を30Kとすると、約30Wとなる。また、熱スイッチ4がオフの時は第1純銅ブロック11と第2純銅ブロック12との間の熱伝導分について、ステンレス鋼管15の熱伝導分は36mW、第1フィン13及び第2フィン14の間の輻射分は0.054mWと見積もられる。この結果、熱スイッチ4のオフ状態での熱伝導は無視できるほど、低い熱伝導度になっている。多段式冷凍機1の容器2は、ターボ分子ポンプにより室温で10-3Torr以下まで真空排気される。冷却最終段階では、容器2内の真空度は10-6Torr台に達する。

0038

上記の冷却試験結果を図5に示す。室温で4気圧のネオンガスを内部ガスとして封入した。

0039

(実施例2)実施例1において、熱スイッチ3の替わりに熱スイッチ3´を用いて冷却試験を行った。

0040

使用した熱スイッチ3´は、図3に示す構造である。図3の熱スイッチ3´において、第1純銅ブロック21及び第2純銅ブロック22の厚さを20mm、径を70.2mmとし、ステンレス鋼管25の長さを100mm、内径を57.2mm、外径を58mm、肉厚を0.4mmとした。そして、第1フィン23の内径を、52mmとし、長さを80mmとし、厚さを1mmとした。また、第2フィン24の内径を、6mmとし、長さを80mmとし、厚さを1mmとした。凸部26a及び凸部26bの幅は21mmとし、ピッチを3mm、巻回数を26回とした。第1純銅ブロック11と第1フィン13との接続、第2純銅ブロック12と第2フィン14との接続、及び第2フィン14と凸部16との接続は、Tig溶接により接続した。第1純銅ブロック11ステンレス鋼管15との接続、及び第2純銅ブロック12とステンレス鋼管15との接続はステンレス鋼半田を使用して接続した。

0041

熱スイッチ3´の第1純銅ブロック21及び第2純銅ブロック22の対向面積は、1.6×10-2m2である。内部ガスが窒素ガスの場合、熱スイッチ3´がオンの時の熱伝導分は、第1純銅ブロック21と第2純銅ブロック22との温度差を30Kとすると、約17Wとなる。

0042

上記の冷却試験結果を図6に示す。室温で4気圧のネオンガスを内部ガスとして封入した。

0043

(比較例)比較例として、図7に示す従来の多段式冷凍機31を用いて、実施例と同様に冷却試験を行った。

0044

多段式冷凍機31は、容器32内に冷凍機本体31aの大部分を突出させてなっている。この容器32は普通、真空容器として形成されている。容器32内の冷却機本体31aは、下面に第1冷却端35aを有する第1冷却部35と、下面に第2冷却端5aを有する第2冷却部5とを備えてなる。第1冷却端35aの下部に第1冷却板37が、第2冷却端36aの下部に第2冷却板38が、ネジ止めされている。第1冷却板37は輻射シールド33と接続され、冷却空間39を形成される。熱スイッチ34は、第1冷却板37と第2冷却板38とを接続して配設される。熱スイッチ34内に、第1冷却端35aの最低到達温度と第2冷却端36aの最低到達温度との間の沸点を有するガス(媒体)が封入されている。

0045

多段式冷凍機31に配設された熱スイッチ34は、図8に示すように、第1部材47と、第2部材48とを備えている。

0046

第1部材47は、円柱形状の第1純銅ブロック41と、純銅製の円筒状のフィン43a〜43d(熱交換部材)とを備えている。第1純銅ブロック41上に、径の小さい順にフィン43a、43b、43c、43dと同心円上に重ねて並べられ、溶着等により接合されている。

0047

第2部材48は、円柱形状の第2純銅ブロック42と、純銅製の円筒状のフィン44a〜44d(熱交換部材)と、円筒状のステンレス鋼管45とを備えている。第2純銅ブロック42上に、径の小さい順にフィン44a、44b、44c、44dと同心円上に重ねて並べられ、溶着等により接合されている。更に、第2純銅ブロック42上に、第2フィン44の外側に薄肉のステンレス鋼管45が同心円状に接合されており、このステンレス鋼管45の長さは第1フィン43及び第2フィン44の長さよりも長い。

0048

上記のスイッチ34は、この上下の2つの第1部材47と第2部材48とが重ね合わされて、第1純銅ブロック41とステンレス鋼管45とが、溶着等により固定されることで、外側のステンレス鋼管45と第1純銅ブロック41と第2純銅ブロック42により、密閉した空間を形成する。この空間内で、フィン143a〜43dとフィン44a〜44dとが同心円状・交互に配置される構造である。第1フィン43と第2純銅ブロック42との間及び第2フィン44と第1純銅ブロック41との間に隙間を有するように対向させた構造となる。

0049

熱スイッチ34は、図7の多段式冷凍機31に示すように、第1純銅ブロック41が鉛直方向上の高温側の第1冷却板35aに、第2純銅ブロック42が鉛直方向下の低温側の第2冷却板36aに接続されることになる。

0050

上記の冷却試験結果を図9に示す。室温で4気圧のネオンガスを内部ガスとして封入した。

0051

試験結果を参照すると、以下のことが言える。
(1)実施例1の試験結果では、被冷却物である超伝導磁石を常温から最低到達温度まで冷却するのに約95時間を要し、超伝導磁石の最低到達温度は約4Kであった。また、比較例の試験結果では、被冷却物である超伝導磁石を常温から最低到達温度まで冷却するのに約100時間を要し、超伝導磁石の最低到達温度は約6Kであった。よって、本発明に係る多段式冷凍機は、熱スイッチを逆にしても、被冷却物の冷却時間を短縮し、しかも最低到達温度を下げることができることが分かる。

0052

(2)実施例2の試験結果では、被冷却物である超伝導磁石を常温から最低到達温度まで冷却するのに約120時間を要し、超伝導磁石の最低到達温度は約3.5Kであった。これは、熱スイッチの純銅性フィンの対向面積が、実施例1に比べて少なくなっているために、常温から最低温度まで冷却するのに時間を要したが、熱スイッチ内部での液化したガスの移動が更に妨げられたために、熱スイッチがオフの状態での熱伝導が少なくなったことを示している。よって、熱スイッチを逆にしても同等の効果が得られるため、実施例1の構造にするか、実施例2の構造にするかは、最終的に時間短縮優先するか、最低到達温度を優先するかで選択することができる。

発明の効果

0053

以上説明したように、請求項1の多段式冷凍機によると、第2冷却端の上部に利用空間を設けることができ、しかも、熱スイッチの下端を高温である第1冷却端側に、上端を低温である第2冷却端側に設置しても、熱スイッチの上端付近で液化または固化した媒体は、落下の途中で媒体保持手段の上部に保持され、高温部である下端まで到達することが妨げられ、再度気化することが抑制されるため、接続オフの状態での熱伝導が少なく保たれ、冷却能力の高い第1冷却端の冷却能力を十分に活用し、被冷却物を効率よく、早く冷却することができる。

0054

請求項2の多段式冷凍機によると、超伝導磁場の主たる利用空間である被冷却物の上端と、多段式冷凍機の上端部である上部構造体との距離をできるだけ近づけることができる。

0055

請求項3〜5の熱スイッチによると、熱スイッチの上端が最低到達温度の低い第2冷却端に接続され、下端が最低到達温度の高い第1冷却端に接続された場合にも、熱スイッチの上端付近で液化または固化した媒体が、落下の途中で媒体保持手段の上部に保持され、高温部である下端まで到達することが妨げられ、再度気化することが抑制されるため、接続オフの状態での熱伝導が少なく保たれる。

図面の簡単な説明

0056

図1本発明に係る多段式冷凍機の熱スイッチの配置断面図である。
図2本発明に係る熱スイッチの分解図の断面図である。
図3本発明に係る熱スイッチの分解図の断面図である。
図4本発明に係る熱スイッチの断面図である。
図5実施例1の冷却試験結果を示すグラフである。
図6実施例2の冷却試験結果を示すグラフである。
図7従来の多段式冷凍機の熱スイッチの配置断面図である。
図8従来の熱スイッチの分解図の断面図である。
図9比較例の冷却試験結果を示すグラフである。

--

0057

1多段式冷凍機
1a冷凍機本体
2容器(真空容器)
3熱スイッチ
4 第1冷却部
4a 第1冷却端
5 第2冷却部
5a 第2冷却端
6 第1冷却端
6a 上面部
6b 側面部
6c 下面部
7 第2冷却板
8被冷却物
9冷却空間
11 第1純銅ブロック
12 第2純銅ブロック
15 ステンレス鋼管

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