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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 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