デュワー真空・冷却テスト ２

June 15-19, 2002  Tokoku

June 27, 2002 HST  update
June 20, 2002 HST


 実験


第２回目の真空・冷却実験を行った。
主な改善箇所は、（１）冷却のための熱パスを製作したこと、（２）前回リークが
見つかった直線導入器のとりつけ部分に新しいメタルシールを入れたこと、の２点。
そのほか、カルッセル内にはマスクターレットの軸を組み込んだ。
実験内容は第１回目とほとんど同じ。

      
                図１  改良した熱パス
                     （写真は、まだベンチがついていない状態）


                図２  改良した熱パスの概念図

新しい熱パスは、無酸素銅（OFHC）のシート（幅38.1mm×厚0.15mm×長150mm）を
20枚重ねたもので、伝熱能力は約64Wである（パスの両端が293K、77Kのとき）。



 結果


１、真空引きテスト

    １回目(2002年6月15-16日)  真空引き開始後1時間半で 7.5×10-2Torr
                              まで引いたが、その後21時間半たっても、
                              7.5×10-2Torr までしか到達せず。
                              続いてヘリウムを使ったリークテストを行った。
                              リーク量の多かったのは以下の箇所。
                              Ａ）スロート部真空ポート
                              Ｂ）スロート部冷却ポート
                              Ｃ）CTI冷凍機用エクステンションとカルッセルのあいだ
                              Ｄ）CTI冷凍機用エクステンションと冷凍機のあいだ
                              Ｅ）カルッセルのゼネバギアの導入口

                              真空引きを停止し、上記のリーク箇所をチェック。
                              カルッセルの下のエクステンションにＯリングが
                              入っていなかった！

                              Ａ）以外の全てについて、シールをやり直した。
                              Ｂ）については、後記のメモ１を参照。

                              ニューマティック式のゲートバルブは、ガス圧を
                              かけていないときは開閉どちらにもロックされない
                              で、手で開閉できるほどブラブラしている。それを
                              忘れていたので、バルブがほとんど閉った状態に
                              なっていた。真空は引けていたので、コンダクタンス
                              がとても小さくなっていた程度だと思う。
                              マスクカセットをゲートに挟みこんでコンダクタンス
                              がほぼ１００％になるようにした。

     ２回目(2002年6月17日)    真空引き開始後1時間半で2.8×10-2Torr
                              まで引いたが、その後22時間半たっても2.6×10-2Torr
                              までしか到達せず。劇的な改善はされていないよう。
                              ヘリウムリークテストを行う。大きなリークがある
                              のは主に以下の箇所。
                              イ）スロート部真空ポート
                              ロ）スロート部冷却ポート
                              ハ）CTI冷凍機用エクステンションの上の根元

                              前回5月の真空実験の際に大きなリークがあった
                              直線導入器の根元部分は、大きなリークはなく
                              改善はうまくいったようである。

                              もう一度、真空引きを中止し、チェック。
                              イ）は１回目にリークがあったが何も対処しなかった
                              箇所だが、リークがひどいので、シールをしなおした。
                              ゴミがかなりたくさんついていた。
                              このフランジはネジ８本でスロート部についている
                              が、ネジ締めの最後で、ネジ先がわずかに壁に当たって
                              いるような感じがするので、短いネジに変えた。
                              短いネジでも締め長さは十分にある。

     ３回目(2002年6月18-19日) 再び真空引きを行うが、スロート部の真空ポートは
                              依然として大きなリークがあるようだ。なぜ...？

                              今回は非常に時間が限られている中で冷却テストも
                              行いたいので、真空度が悪いままでもとりあえず冷却
                              テストにはいった。リークの大きかった箇所は気休め
                              にビニールテープでふさぎ、ヘリウムリークテスト
                              一式を取り外してから真空を引き直し、2.6×10-2Torr
                              まで引いたところで冷却を開始。

                              今回の温度測定点は３つ。
                              １）冷凍機第１段にとりつけたコールドプレートの上
                              ２）コールドプレートと光学ベンチをつなぐ銅の熱
                                  パスの光学ベンチ側の根元付近
                              ３）光学ベンチの一番上（コリメータ第１レンズの
                                  あたり
                              各部の温度推移は以下のようになった。


                                    図３  各部の温度変化



                              温度変化を見る限り、冷却能力はまったく足りて
                              いないことがわかる。以下、考察１を参照。

                              Ｇ１０サポート板が冷えるような温度までは冷却
                              できなかったが、今回の実験はここまでで終了。



 考察

１、伝熱に関する簡単な考察
    -- 光学ベンチがぜんぜん冷えないことの簡単な検証 --
    

    冷却用の熱パスからの伝導による伝熱量と、常温のデュワー壁から入射する輻射
    による伝熱量を求め、今回の実験の結果と比較する。

    まず、今回のテスト時にデュワーの中にはいっていたものの熱容量。
    中に入っていたのは「光学ベンチ」＋「サポートプレート」のみ。

    熱容量（体積 × 密度 × 比熱）＝ 8.6×104 [J/K]
    温度差 ＝ 293-77 ＝ 216 [K]

    よって、これらを77Kまで冷やすのに必要な熱量は、

    熱容量 × 温度差 ＝ 1.86 × 107 [J]

    熱パスの伝熱量は64Wだから（上述）、伝導だけ考えると、この冷凍機と熱パス
    を使ってこの中身を冷やすのにかかる時間は、約3.5日となる。

    次に、常温のデュワー壁からの輻射熱量を見積もる。
    ものすごく簡略して、デュワー内壁面積を求め、光学ベンチとサポートプレート
    もほぼ同じ面積をもち、お互いに向き合っている平面と仮定する（形状関数とか
    は無視する）。単位面積あたりの伝熱量は以下の式で近似される。

        

    デュワー内壁の表面積は約8m2で、デュワー壁の温度を T1＝293K、サポート
    プレートの温度を T2＝77K として輻射伝熱量を求めると、約177Wにもなる。
    実際には光学ベンチは冷えていないので輻射伝熱量はもっと小さい。例えば、
    T2＝100Kとすると175W、T2＝250Kとすると83Wとなる。
    いずれにしても、かなりの熱流入がある。
    今、デュワー内壁と光学ベンチは、アルミの加工面なので、放射率ε1、ε2
    はどちらも0.1（0.1-0.3？）を想定している※。
    放射率がもう少し大きいと、熱流入量はさらに大きくなる。

    輻射による熱移動には、放射率εもかなり効いている。たとえばεを変えて
    みると、以下のように伝熱量が大きく変わることがわかる。
    （この計算ではT1とT2の２面だけだが、これに温度Tnのシールドを挟んでいく
    と、熱量はシールドの枚数nに反比例して減少する。）

           ε        全体の伝熱量
        -----------------------------------------
          0.3           5.7         590W
          0.2           9.0         374W
          0.05         39.0          87W
          （T1＝293K、T2＝77Kのとき）

 

    G10ストラップからの伝導による熱流出量は、ストラップ10本で約1.5W。
    全体として無視できる程度である（と思っている）。
    （これは後に実験的に確認できるはず。）
    G10の熱電導率は0.32[W/m/K]@60K、0.8@300K（GNIRSデータ）、または
    0.56@77K、0.78@293K（NISTデータ）。

    住重冷凍機の冷却能力は77Kで約70W（第１段）である。

    これより、今回の冷却実験で光学ベンチがうまく冷えなかったのは、伝熱
    ストラップによる伝導冷却に比べて、常温のデュワー壁面からの熱輻射が
    大きすぎたことが原因と思われる。
    もあくすは熱容量も大きいため、やはりラジエーションシールド（スーパー
    インシュレーション）が必須だと言える。