ppt

Report
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
1
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
2
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
3
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
4
ヒートスイッチ(Heat Switch=HS)について
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
超伝導体
マグネット
ギャップ
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
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
5
首都大ADRの構造
液体He注入口
473mm
He
タ
ン
ク
ヒートスイッチ
首都大ADR概観
超伝導コイル
ソルトピル
Detector Stage
φ385mm
6
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@2K-0.05K:
0.7 mW以下 (現状 1 mW)
首都大ADRに設置可能な大きさ(全長~120 mm)
7
GGHSの構造検討
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
熱浴側
ガス
吸着材
シリンダー
ギャップ
試料側
従来構造
新規構造
→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
8
GGHSの熱設計
ON時熱伝導度:
ON時熱計算数値一覧
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
k[mW/K/cm]
熱伝導度 GON[mW/K]
πb 2 1
GON  2 
 κ(T ) 10-4 [W/K]
4 g
0.033xT0.67
t
6.6(>6,OK)
OFF時流入熱量:
πat
Q OFF 
  κ(T ) dT 10-4 [W]
0.05
L
L
a
2
OFF時熱計算数値一覧
仕様1
SUS
Vespel-SP1
SUSフォイル
2-0.05
←
←
長さL[mm]
100
←
←
直径 a[mm]
9.55
9.5
←
板厚 t[mm]
0.08
0.45
0.008
0.74xT
1.8x10-2T1.2
0.74xT
3.6(>0.7,NG)
0.5
0.2
温度 T[K]
シリンダー
熱伝導率 k[mW/K/cm]
流入熱量 QOFF[mW]
仕様2
total
g
b
0.7(=0.7,OK)
9
GGHSの構造設計
Cu
構造設計のポイント
熱浴側
●
●
●
●
●
●
ギャップの精度を確保がポイント
SUS
活性炭ヒーター
・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
●
●
123mm
Vespel or SUS
インジウムシール
●:溶接箇所
Cu
ここの隙で
ギャップ寸法を管理
ギャップ
●
●
Cu
試料側
10
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
今後の予定
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
仕様1完成品
11
お終い
12
13
14
各HSの熱的な得失
温度帯
機械式
○
熱伝導からの
設計自由度
△
超伝導式
×
○
○
ガス式
○
×
○
2K~50mK
作動時の
熱発生
×
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
15
ハンドル
デュワー蓋
ケブラーワイ
ヤー
スイッチング部
ソルトピル
16
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。
17
18
19
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?→O
N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?→7,8T
L=100mm,a=10のvespelで6mW/Kを達成するギャップは2mm
OFF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
20

similar documents