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公開番号2024058079
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-04-25
出願番号2022165219
出願日2022-10-14
発明の名称極低温装置の伝熱部材接続構造及び極低温装置
出願人株式会社東芝,東芝エネルギーシステムズ株式会社
代理人弁理士法人東京国際特許事務所
主分類F25B 9/00 20060101AFI20240418BHJP(冷凍または冷却;加熱と冷凍との組み合わせシステム;ヒートポンプシステム;氷の製造または貯蔵;気体の液化または固体化)
要約【課題】伝熱部材の接続部の接触熱抵抗を低減できること。
【解決手段】極低温冷凍機12により超電導コイル11を、第2伝熱部材16を介して極低温に伝導冷却する極低温装置の伝熱部材接続構造において、第2伝熱部材16が、極低温冷凍機に接続される低温側伝熱部材17と、超電導コイルに接続される高温側伝熱部材18とを有してなり、高温側伝熱部材と低温側伝熱部材の一方に凸部23が、他方の端部27に、凸部の形状に沿う形状の孔24がそれぞれ形成され、製造時における高温側伝熱部材18と低温側伝熱部材17の同一温度条件下で、孔24の内径が凸部23の外径以下に設定され、凸部を孔に加熱または冷却により嵌合させることで、高温側伝熱部材18と低温側伝熱部材17とを接続させる。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
極低温冷凍機により被冷却物を、伝熱部材を介して極低温に伝導冷却する極低温装置の伝熱部材接続構造において、
前記伝熱部材が、前記極低温冷凍機に接続される低温側伝熱部材と、前記被冷却物に接続される高温側伝熱部材とを有してなり、
前記高温側伝熱部材と前記低温側伝熱部材の一方に凸部が、他方の端部に、前記凸部の形状に沿う形状の凹部がそれぞれ形成され、
製造時における前記高温側伝熱部材と前記低温側伝熱部材の同一温度条件下で、前記凹部の内径が前記凸部の外径以下に設定され、
前記凸部を前記凹部に加熱または冷却により嵌合させることで、前記高温側伝熱部材と前記低温側伝熱部材とを接続させるよう構成されたことを特徴とする極低温装置の伝熱部材接続構造。
続きを表示（約 440 文字）【請求項２】
前記凸部と、前記凹部が形成された端部との少なくとも一方が、純アルミニウムまたは純銅にて構成されたことを特徴とする請求項１に記載の極低温装置の伝熱部材接続構造。
【請求項３】
前記凸部の外周面と前記凹部の内周面との少なくとも一部に、モース硬度２．９未満の金属のメッキ層が設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載の極低温装置の伝熱部材接続構造。
【請求項４】
前記凸部が純銅にて構成され、前記凹部が形成された端部が純アルミニウムにて構成されたことを特徴とする請求項１に記載の極低温装置の伝熱部材接続構造。
【請求項５】
極低温冷凍機と、
請求項１または４に記載の極低温装置の伝熱部材接続構造が適用されて構成されて、前記極低温冷凍機と被冷却物とを熱的に接続する伝熱部材と、
前記極低温冷凍機、前記被冷却物及び前記伝熱部材を格納する真空容器と、を有して構成されたことを特徴とする極低温装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、極低温冷凍機により超電導コイルをはじめとする被冷却物を、伝熱部材を介して極低温に伝導冷却する極低温装置の伝熱部材接続構造、及びその接続構造が適用された伝熱部材を有する極低温装置に関する。
続きを表示（約 1,600 文字）【背景技術】
【０００２】
従来、７７Ｋ以下の極低温まで冷却可能な極低温冷凍機を利用して、超電導コイルなどの被冷却物を、良熱伝導体からなる伝熱部材の固体熱伝導により伝導冷却する伝導冷却方式の極低温装置が開発されている。
【０００３】
この冷却方式では、極低温冷凍機のシリンダと構造材の熱収縮差により生じる熱応力の緩和のために、可撓性を有する伝熱部材を一部に用いており、複数の伝熱部材をボルト締結や溶接等で接続して、被冷却物から極低温冷凍機の冷却ステージまでの熱経路を形成している。
【０００４】
伝熱部材間の接続箇所では、図６に示すように、伝熱部材１００における低温側伝熱部材１０１と高温側伝熱部材１０２の接続部の表面には微細な凹凸が存在するため、低温側伝熱部材１０１と高温側伝熱部材１０２の接触面に微細な空隙１０３が生じ、この空隙１０３が熱伝導の妨げとなる。このため、伝熱部材１００の接続部には、伝熱部材１００の熱抵抗よりも大きな接触熱抵抗が生する場合がある。
【０００５】
一般的に接触熱抵抗は、実接触面積または押し付け圧力に反比例して小さくなる傾向がある。従って、接触熱抵抗の低減方法としては、空隙１０３を小さくして実接触面積を増加させることが有効である。このためには、表面の微細な凹凸を塑性変形させるに十分な面圧を加えるか、または、図７に示すように、接触面に熱伝導グリースや伝熱促進用の柔らかい金属シート等の接触伝熱媒体１０４を配置することで、空隙１０３を埋めて実接触面積を増加させる手法がとられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
特開２０１０－１９２２５３号公報
特許第５５２０７４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
伝熱部材における接続方法としては、ボルト締結が一般的に広く用いられる。そのほか、特許文献１では、熱収縮率の異なる２つの部材を嵌合構造により接続する構造が、特許文献２では、嵌合構造の更に外側に、熱収縮率の大きな熱収縮リングを配置して接続する構造がそれぞれ開示されている。
【０００８】
伝熱部材１００における低温側伝熱部材１０１と高温側伝熱部材１０２の接続部の熱伝導では、上述のように、接触面の微細な凹凸によって生じる空隙１０３で熱流が制限されることにより接触熱抵抗が生ずる。この接触熱抵抗の低減のために、熱伝導グリースや柔らかい金属シートなどの接触伝熱媒体１０４を接触面に設置して、空隙１０３を埋めることで、接触熱抵抗の低減を図ることができる。しかしながら、接触伝熱媒体１０４は、極低温の温度領域では、その熱伝導率が高純度のアルミニウムや銅からなる伝熱部材１００と比較して極端に小さくなるため、接触伝熱媒体１０４として十分な効果を発揮することができない。
【０００９】
接触熱抵抗のもう一つの低減方法としては、接触面の微細な凹凸の変形を促して空隙１０３を小さくするために、強い面圧を加えることが考えられる。しかしながら、通常行われるボルト締結による加圧では、レッチェルの影響円錐と呼ばれるボルト穴の周辺部にのみに押し付け圧力が加わる。この結果、図８に示すように、アルミニウムや銅を基材とする低温側伝熱部材１０１、高温側伝熱部材１０２にうねりが発生し、結果的にボルト１０５の周辺部のみしか接触面が生まれず、接触熱抵抗が低減されない課題が生じていた。
【００１０】
また、特許文献１の嵌合構造では、室温時に接合箇所に面圧が加わっておらず、熱抵抗が高くなることに加え、場合によっては脱落の危険がある。特許文献２の嵌合構造では、熱収縮リングを使用した締結としているが、同様に、室温時にはクリアランスが生じており、接触熱抵抗が大きくなっている。
（【００１１】以降は省略されています）

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