断熱消磁冷凍機向け ヒートスイッチの開発
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断熱消磁冷凍機向け ヒートスイッチの開発. 宇宙物理実験研究室 高岡 朗. 本研究の目的. 断熱消磁冷凍機( Adiabatic Demagnetization Refrigeration =ADR ) にて ・目標到達温度: 50mK ・目標保持時間: 24 時間 の達成 ↓ ヒートスイッチに着目し、 ON/OFF 時の 熱流入の改善を図る. ヒートスイッチ( Heat Switch =HS ) について. HS の役割 : 試料の温度をコントロールするため、試料と熱浴とを 熱伝導 (ON) 、熱絶縁 (OFF) させる装置 - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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断熱消磁冷凍機向けヒートスイッチの開発
宇宙物理実験研究室高岡 朗
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本研究の目的
断熱消磁冷凍機( Adiabatic Demagnetization Refrigeration=ADR) にて
・目標到達温度: 50mK ・目標保持時間: 24 時間 の達成
↓ヒートスイッチに着目し、 ON/OFF 時の
熱流入の改善を図る
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ヒートスイッチ( Heat Switch=HS) について
HS の役割:試料の温度をコントロールするため、試料と熱浴と
を熱伝導 (ON) 、熱絶縁 (OFF) させる装置
HS の種類:① 機械式・・・・機構的に部品を動作させ接触 / 非接触にて ON/OFF を行う
スイッチング部
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ヒートスイッチ( Heat Switch=HS) について
HS の役割:試料の温度をコントロールするため、試料と熱浴と
を熱伝導 (ON) 、熱絶縁 (OFF) させる装置
HS の種類:① 機械式・・・・機構的に部品を動作させ接触 / 非接触にて ON/OFF を行う
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② 超伝導式・・・超伝導体に対して、磁場を印加して ON/OFF を行う
③ ガスギャップ( Gas Gap=GG )式・・
試料・熱浴間に幅の狭いギャップを設定し、ギャップ部への熱交換ガスの出し入れにより ON/OFF を行う
超伝導体
マグネット
画像引用:「第 25 回 宇宙ステーション利用計画ワークショップ」独立行政法人物質・材料研究機構 沼澤氏講演資料より抜粋
http://idb.exst.jaxa.jp/jdata/02483/200312J02483210/data/14_numazawa.pdf
ヒートスイッチ( Heat Switch=HS) について
ギャップ
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首都大 ADR の構造
He タ ン ク
ソルトピル
超伝導コイルヒートスイッチ
液体 He 注入口
Detector Stage
473mm
φ385mm
首都大ADR概観
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首都大 ADR 用 HS の課題と目標性能
現状機械式 HS の課題ON/OFF 動作にケブラーワイヤーを使用→ 動作の安定性、熱流入に難あり
製作するガスギャップヒートスイッチ (GGHS) の目標性能ON 時熱伝導度 @2K : 6 mW/K 以上 (現状 2 mW/K )OFF 時流入熱量 @2K0.05K : 0.7 W 以下 (現状 1 W )首都大 ADR に設置可能な大きさ(全長 ~120 mm )
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GGHS の構造検討
従来構造 新規構造
熱浴側
試料側
ギャップ
ガス
シリンダー
ON 時熱伝導度の決定因子:・ギャップ幅・ギャップに面する部分の面積・ガス (4He) の熱伝導率
OFF 時流入熱量の決定因子: ・長さシリンダーの ・断面積 ・熱伝導率→ 従来構造では ON/OFF の熱伝導度を 独立に決められない→ シリンダーとギャップを構造的に切
り離す
吸着材
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GGHS の熱設計ON 時熱伝導度: [W/K] 10)(
1
42 4
2 T
g
bGON κ
π
温度 T[K] 2
熱交換部直径 b[mm] 20
ギャップ g[mm] 0.5
熱伝導率 [mW/K/cm]
0.033xT0.67
熱伝導度 GON[mW/K] 6.6(>6,OK)
ON 時熱計算数値一覧
仕様 1SUS
仕様 2
Vespel-SP1
SUS フォイル
total
温度 T[K] 2-0.05 ← ←
シリンダー
長さL[mm]
100 ← ←
直直 a[mm] 9.55 9.5 ←
直直 t[mm] 0.08 0.45 0.008
熱伝導率 [mW/K/cm] 0.74xT 1.8x10-
2T1.2
0.74xT
流入熱量 QOFF[W] 3.6(>0.7,NG)
0.5 0.2 0.7(=0.7,OK)
OFF 時熱計算数値一覧
OFF 時流入熱量: [W] 10 )( 42
05.0
dTTL
atQOFF κ
π
b
g
La
t
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構造設計のポイントギャップの精度を確保がポイント・溶接後に確認可能な構造・寸法を管理できる構造→ インジウムシールで閉じる構造採用 123 mm
Cu
Cu
Vespel or SUS
活性炭ヒーター
Cu
SUS
熱浴側
試料側
● :溶接箇所
●●
● ●
●
●●
●
●
●
インジウムシール
ここの隙で ギャップ寸法を
管理ギャッ
プ
GGHS の構造設計
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まとめガスギャップヒートスイッチの新構造を提案目標性能を満たす構造設計を行なったSUS シリンダーを用いた試作品製作
仕様 1 ( SUS シリンダー)で ON 時熱伝導度を確認仕様 2 ( Vespel シリンダー)の組み立て および OFF 時流入熱の確認Vespel 、 SUS 試料の単品熱伝導率測定活性炭の吸着量測定
今後の予定
仕様 1完成品
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お終い
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各 HS の熱的な得失温度帯
2K~50mK熱伝導からの設計自由度
作動時の熱発生
機械式 ○ △ ×
超伝導式 × ○ ○
ガス式 ○ × ○
より低い温度帯で有効
ON/OFF コンダクタンスを決定する構造要素が重複し、両立しない
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ハンドルデュワー蓋
ケブラーワイヤー
ソルトピル
スイッチング部
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Vespel:
デュポン社が開発したプラスチック(全芳香族ポリイミド樹脂) で、特に耐熱性に優れ、用途により熱・電気絶縁特性、耐摩耗・低摩擦が優れたものを選べる。熱収縮などの機械特性が金属に近い。
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これまでの最低到達温度は?→昨年250mKその保持時間は?Heタンクでの保持時間は?→26h今回の改良でどれだけ、最低温度が下がり、保持時間が延びるのか?→ON改善で最低温度、OFF改善で保持時間なぜPGGHSではなくAGGHSなのか?超伝導HSでOFFに必要な磁場の大きさは?→7,8TL=100mm,a=10 の vespel で 6mW/K を達成するギャップは 2mOFF コンダクタンスを成立させつつ 1K-0.05Kだとすると φ40 でよくなるので従来構造でOK