JPS6357712B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、ヘリウム液化機クライオスタツト
などの低温装置の冷却、加温の伝熱要素として用
いられるサーマルスイツチに関する。

第１図ａおよび第１図ｂは従来のサーマルスイ
ツチの構造を示す断面図であり、第１図ａは熱遮
断時、第１図ｂは伝熱時の状態を示すものであ
る。この第１図ａ、第１図ｂの両図において、１
は第１の被伝熱体（高温側とする）、２は第２の
被伝熱体、３は軸方向に伸縮可能なベローズであ
る。

ベローズ３の一端には、第１フランジ４１が設
けられている。この第１フランジ４１はベローズ
３の一端を封止し、外面から第１の被伝熱体１に
面接するように設けられている。また、ベローズ
３の他端にも第２フランジ４２が設けられてい
る。

この第２フランジ４２はベローズ３の他端を封
止し、他端を第２の被伝熱体２に固着され、第１
フランジ４１、第２フランジ４２、ベローズ３と
により密閉容器が形成されている。また、第２フ
ランジ４２には伝熱フイン５２が植設され、ベロ
ーズ２内において第１フランジ４１の方向に向い
ている。同様にして、第１フランジ４１にも伝熱
フイン５１が植設されている。この伝熱フイン５
１は第２フランジ４２の方向に向いている。

ベローズ３内には、冷媒ガス６が一定量封入さ
れており、この冷媒ガス６としては、たとえば、
水素ガスなどが使用されている。

かくして、ベローズ３、第１フランジ４１、第
２フランジ４２、伝熱フイン５１，５２、冷媒ガ
ス６によりサーマルスイツチ７が構成されてい
る。

第２図はこのように構成されたサーマルスイツ
チ７をクライオスタツトに適用した場合の構成を
示す断面図である。この第２図において、第１図
ａ、第１図ｂと同一部分には同一符号が付されて
おり、第１の被伝熱体１、第２の被伝熱体２およ
びサーマルスイツチ７は上述した通りである。

また、８は断熱真空空間を形成する外槽であ
る。この外槽８内に第１の被伝熱体１、第２の被
伝熱体２、サーマルスイツチ７が収納されてい
る。この第２の被伝熱体２内には、超電導マグネ
ツト１２が収納されており、この超電導マグネツ
ト１２は液体ヘリウム１１に浸漬されている。

第１の被伝熱体１の外周面にはシールド冷却管
１０が配設されている。このシールド冷却管１０
には、液体窒素槽９から液体窒素が供給されるよ
うになつており、この液体窒素を供給することに
より、シールド冷却管１０は第１の被伝熱体１を
約80Kに冷却するようになつている。

液体窒素槽９は外槽８内において、第１の被伝
熱体上に配設されている。

このように構成されたクライオスタツトは液体
ヘリウム１１の消費量を少なくするため、液体窒
素の寒冷を用いて超電導マグネツト１２を約80K
まで冷却した後、液体ヘリウム１１を注入して、
4.2Kまで冷却する。

すなわち、液体窒素により約80Kに冷却された
第１の被伝熱体１からサーマルスイツチ７を介し
て液体ヘリウム槽、つまり、第２の被伝熱体２お
よび超伝導マグネツト１２に寒冷が伝達され、所
定の温度に冷却される。

この場合、サーマルスイツチ７内に封入された
冷媒ガス６は80Kまでは、第１の被伝熱体１から
第１フランジ４１−伝熱フイン５１−冷媒ガス６
−伝熱フイン５２−第２フランジ４２を経て、第
２の被伝熱体２が冷却される。

次に、第２の被伝熱体２に流体ヘリウム１１が
注入されると、第２フランジ４２を介して伝熱フ
イン５２が冷却され、これに接する冷媒ガス６が
所定の温度T_C以下になると、その圧力低下のた
めにベローズ３が縮み、第１の被伝熱体１との接
触が離れ（第１図ａ）、熱の伝達を遮断する。

このように構成されたサーマルスイツチ７の作
動温度はベローズ３材質および寸法、冷媒ガス６
の種類その圧力、第１の被伝熱体１と第２の被伝
熱体２との間隙などを適当に設計することによ
り、所望の温度に設定することができる。

しかし、上記のように構成された従来のサーマ
ルスイツチ７はその動作温度の低下により、封入
された冷媒ガス６の圧力が低下するため、第１の
被伝熱体と第１フランジ４１の接触面の面圧低下
を伴ない、接触熱抵抗の漸増を生じ、特に、低温
度域で熱コンダクタンスが小さくなり、著しく熱
伝導率を低下させる。

また、同一温条件下で多数個並列に配置して使
用するとき、個々の「接」、「断」の動作をそれぞ
れ揃えることが非常に難しくなるなどの欠点があ
つた。

この発明は、上記従来の欠点を除去するために
なされたもので、特に、低温動作域での伝熱性を
改善して、「接」、「断」を人為的に確実に行える
サーマルスイツチを提供することを目的とする。

以下、この発明のサーマルスイツチの実施例に
ついて図面に基づき説明する。第３図はその一実
施例の構成を示す断面図である。この第３図にお
いて、第１図ａ、第１図ｂおよび第２図と同一部
分には同一符号を付してその説明を省略し、第１
図、第２図とは異なる部分を主体的に述べる。

この第３図において、第１の被伝熱体１、第２
の被伝熱体２、サーマルスイツチ７は従来と同様
であり、特に、サーマルスイツチ７における主
体、主要構造は従来と同じであるが、第２フラン
ジ４２の部分の構造が異なるものである。

すなわち、サーマルスイツチ７における第２フ
ランジ４２には通気孔１３が設けられている。こ
の通気孔１３は第２フランジ４２の側壁からベロ
ーズ３、気密容器内に貫通するように設けたもの
であり、この通気孔１３に冷媒管路１４の一端が
連結されている。

冷媒管路１４は冷媒ガス６をベローズ３内に供
給し、また、ベローズ３から排気するために設け
られたもので、冷媒ガス供給側には締切弁１５が
設けられ、また、冷媒ガス６の放出側にも締切弁
１６が設けられている。

このように構成されたサーマルスイツチ７で
は、締切弁１６を閉じた状態で、締切弁１５を開
いて冷媒ガス６をベローズ３内に導き、一定の圧
力に保持しておくと、第１フランジ４１の外面が
第１の被伝熱体１に押し当てられて熱を伝達す
る。

また、締切弁１５を閉じ、締切弁１６を開放し
てベローズ３内の冷媒ガス６を放出し、減圧する
ことにより、ベローズ３が縮み、第１フランジ４
１の第１の被伝熱体１に対する接触を離すことが
できる。

「接」、「断」の状態は締切弁１５および１６を
操作して、冷媒ガス６の供給、放出により、動作
温度に関係なく人為的に制御できる。

第４図はこの発明によるサーマルスイツチ７を
クライオスタツトに並列に配置して使用する場合
の一例を示す断面図である。この第４図において
は、複数個のサーマルスイツチ７の冷媒管路１４
を並列に接続し、一つに集結した冷媒管路１４の
管端に締切弁１５，１６を上記の場合と同様に接
続し、複数個のそれぞれのサーマルスイツチ７を
同時に「接」、「断」の制御をできるようにしたも
のである。

このようにして、複数個のサーマルスイツチ７
を同一条件の冷媒ガス６で駆動できるので、従来
の個々に独立したものに比べて動作の不揃いを解
消できる。なお、第４図において、第２図と同一
符号は同一部分を示すものであり、ここではその
説明を省略する。

第５図はこの発明のサーマルスイツチの他の実
施例を示す断面図である。この第５図において、
第１の被伝熱体１、第２の被伝熱体２、ベローズ
３、第１フランジ４１、第２フランジ４２は第３
図と同様であるが、新たに伝熱部材８がベローズ
３内において、第１フランジ４１と第２フランジ
４２間に設けられている。

すなわち、この伝熱部材８は可撓性を有し、伝
熱性に富む銅線の編組線のようなものが使用さ
れ、その両端は第１フランジ４１と第２フランジ
４２に冶金的に接合され、ベローズ３内におい
て、蛇行状になつている。

このように構成することにより、第１フランジ
４１と第２フランジ４２間の伝熱は冷媒ガス６よ
り熱抵抗の小さい伝熱部材８を介して行われるこ
とになる。

第６図はこの発明のサーマルスイツチのさらに
異なる他の実施例の構成を示す断面図である。こ
の第６図の場合は、第５図の実施例における伝熱
部材８を形成する銅線の編組線に代えて、ピスト
ン状伝熱体８１とシリンダ状伝熱体８２とを摺動
可能に嵌合され、ピストン状伝熱体８１の一端は
第１フランジ４１に固着されている。また、シリ
ンダ状伝熱部８２の一端は第２フランジ４２に固
着されている。

さらに、シリンダ状伝熱体８２には通気孔８３
が形成され、ベローズ３内の冷媒ガス６がこの通
気孔８３を通してシリンダ状伝熱体８２に注入さ
れるようになつている。それによつて、シリンダ
状伝熱体８２内のピストンン状伝熱体８１が押し
上げられたり、下降したりするようになつてい
る。

また、従来のサーマルスイツチでは、原理的に
低温側の伝熱面は常に固着させることが原則とな
るが、この発明を実施するに際してはこの制約が
なく、低温側の伝熱面「接」、「断」を行えるの
で、高温側を固着端とすることにより、低温側、
すなわち、第２の被伝熱体２側の定常時の熱負荷
を軽減することが可能となる。

なお、上記の実施例では、クライオスタツトに
適用した場合について述べたが、この例に限られ
るものではなく、ヘリウム液化機やコンテナなど
の低温装置に適用できることは云うまでもない。

以上詳述したように、この発明のサーマルスイ
ツチによれば、伸縮可能なベローズの両開口端を
それぞれ伝熱材で形成されたフランジで気密に封
止し、いずれかのフランジ側面よりベローズ内に
開口する通気孔を設け、この通気孔に冷媒管路を
接続し、この冷媒管路を２つに分岐してそれぞれ
の管端に締切弁を設け、この締切弁の人為的な切
換操作によりベローズ内への冷媒ガスの供給、排
気を行わせて、サーマルスイツチの「接」「断」
を行わせるようにしたので、被伝熱体への接触状
態下では動作温度に関係なく、一定の接触面を保
持させて熱コンダクタンスの低下をさせることな
く、熱の伝達を行うことがきる。

また、冷却ガスの供給を止めてベローズ容器内
の冷媒ガスを排気すれば、被伝熱体への接触を離
せるので、動作温度に関係なく所望の温度で
「接」、「断」の操作が簡単に行える。

さらに、多数個を並列に配置して使用する場
合、各サーマルスイツチの冷媒管路をそれぞれ連
結し、一組の弁操作で全部を同時に作動でき、し
かも、個々のベローズのばね強さなどの多少のア
イバランスがあつても、動作温度に関係なく正確
に作動させることができるなどの有用な効果を奏
する。

【図面の簡単な説明】

第１図ａは従来のサーマルスイツチの被伝熱体
との熱遮断時の状態の断面図、第１図ｂは従来の
サーマルスイツチの被伝熱体との伝熱遮断時の状
態を示す断面図、第２図は従来のサーマルスイツ
チをクライオスタツトに適用した状態を示す断面
図、第３図はこの発明のサーマルスイツチの一実
施例の構成を示す断面図、第４図はこの発明のサ
ーマルスイツチをクライオスタツトに装着した状
態を示す断面図、第５図および第６図はそれぞれ
この発明のサーマルスイツチの他の実施例の構造
を示す断面図である。 １……第１の被伝熱体、２……第２の被伝熱
体、３……ベローズ、４１……第１フランジ、４
２……第２フランジ、５１，５２……伝熱フイ
ン、６……冷媒ガス、７……サーマルスイツチ、
８……伝熱部材、８１……ピストン状伝熱体、８
２……シリンダ状伝熱体、１３，８３……通気
孔、１４……冷媒管路、１５，１６……締切弁。
なお、図中同一符号は同一または相当部分を示
す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ベローズと、このベローズの両開口端をそれ
   ぞれ封止してこのベローズとともに軸方向に伸縮
   し得る気密容器を形成する第１および第２フラン
   ジと、この第１および第２フランジのいずれか一
   方の側面より上記気密容器内に貫通する通気孔を
   介して接続されこの気密容器内に冷媒ガスを送る
   ための冷媒管路と、この冷媒管路を介して上記気
   密容器内に上記冷媒ガスを供給する第１の締切弁
   と、上記冷媒管路に設けられ上記気密容器内の冷
   媒ガスを冷媒管路を通して排気させる第２の締切
   弁とを備えてなり、上記第１および第２フランジ
   の外面をそれぞれ第１の被伝熱体と第２の被伝熱
   体間に対向するように配置し、上記第１および第
   ２の被伝熱体間の熱伝達を行わせるときは気密容
   器内に第１の締切弁により冷媒ガスを供給して第
   １および第２の被伝熱体に第１および第２フラン
   ジを当接させて伝熱路とし、かつ熱伝達を行わせ
   ないときは上記気密容器内の冷媒ガスを第２の締
   切弁の作動により排気して第１または第２フラン
   ジと第１または第２の被伝熱体間の熱伝達を断つ
   ようにしたことを特徴とするサーマルスイツチ。 ２ 第１および第２フランジを熱伝達可能に結ぶ
   伸縮可能に構成された伝熱部材をこの第１および
   第２フランジに設けたことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載のサーマルスイツチ。 ３ 複数個を並列に配置しそれぞれの冷媒管路を
   相互に連結して一つにまとめ、冷媒ガスの供給用
   と排気用の１組の締切弁を制御してそれぞれを同
   時に作動させるようにしたことを特徴とする特許
   請求範囲第１項又は第２項記載のサーマルスイツ
   チ。