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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