(57)【要約】【課題】  測定範囲が分子流領域以外の領域でも測定可能であり、かつ従来の真空計の耐振性や耐久性を改善し、衝撃や振動の加わる低温機器の真空度測定や監視などに好適であり、測定対象の圧力が上昇しても故障し難く、測定範囲の広い低温機器用真空計を提供する。【解決手段】  低温機器用真空計において、真空断熱部内に配置される低温源１と、この低温源１から離隔ｓ，ｍ，Ｌをとって対向するように配置される複数の受熱板２，３，４と、前記低温源１の温度を測定する温度センサ５と、前記複数の受熱板２，３，４のそれぞれの温度を測定する複数の温度計センサ６，７，８と、熱シールド板または隔壁９の温度を測定する温度センサ１０とを具備し、前記低温源１の温度および前記熱シールド板または隔壁９の温度と前記複数の受熱板２，３，４それぞれの温度分布から前記真空断熱部内の圧力域を検出する。【選択図】  図１
2010210302.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空断熱部内に配置される低温源と、該低温源から異なった離隔をとって対向するように配置される複数の受熱板と、前記低温源の温度を測定する温度センサと、前記複数の受熱板のそれぞれの温度を測定する複数の温度センサと、熱シールド板または隔壁の温度を測定する温度センサとを具備し、前記低温源の温度および前記熱シールド板または隔壁の温度と前記複数の受熱板それぞれの温度分布から前記真空断熱部内の圧力域を検出することを特徴とする低温機器用真空計。
【請求項２】
請求項１記載の低温機器用真空計において、前記低温源の温度と前記熱シールド板または隔壁の温度と前記複数の受熱板それぞれの前記低温源からの離隔に対する温度分布の関係から、前記低温源と前記複数の受熱板との離隔が気体分子平均自由行程より小さいときに生じる分子流領域と、前記離隔が気体分子平均自由行程より大きいときに生じる粘性流領域、及びこれらの移行領域である中間流領域のそれぞれの特性のうちどの領域かを判定し、これらの組み合わせに応じて前記真空断熱部内の圧力域を検出することを特徴とする低温機器用真空計。
【請求項３】
請求項１記載の低温機器用真空計において、前記低温源と前記複数の受熱板との離隔、前記低温源と前記複数の受熱板が対向する面の面積、前記受熱板の比熱および質量、前記真空断熱部の隔壁から前記真空断熱部内の前記複数の受熱板への熱侵入量と、前記低温源と前記複数の受熱板の間の熱伝達率に基づいて前記低温源と前記複数の受熱板の間の伝熱量または熱伝達率を求め、該低温源と複数の受熱板の間の伝熱量または熱伝達率の関係から、前記低温源と前記複数の受熱板それぞれの離隔に応じ分子流領域と粘性流領域および中間流領域の特性のうちそれぞれどの領域の特性により熱伝達されるかを判断し、これらの組み合わせに応じて前記真空断熱部内の圧力域を検出することを特徴とする低温機器用真空計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、極低温機器における断熱箇所など真空を必要とする箇所の圧力を、監視できる真空計に係り、特に、測定範囲が分子流領域以外の領域でも測定可能であり、かつ衝撃・振動のある環境下での使用に耐え、耐久性を向上させた真空計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、一般に利用されているピラニ真空計や熱電対真空計などは、衝撃や振動が加わったり測定範囲より高い圧力で測定すると、故障しやすいという問題があった。この中で、熱伝導真空測定装置（下記特許文献１参照）は、細いフィラメントを使用しないため、振動・衝撃や想定外の高い圧力の測定に対する耐久性が確保できると考えられる。しかし、この熱伝導真空測定装置は、気体分子の平均自由工程が離隔以上となる低い圧力域（分子流領域）のみの測定に限定される。
【０００３】
また、伝熱特性を利用しない水晶摩擦方式の耐振性の高い真空計を、開発中であるという事例がある（下記非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公平６−０４００４６号公報
【特許文献２】特願２００８−１１５１７３号
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】栗原純一，村田功，佐藤薫，冨川喜弘，阿部琢美，「水晶気圧計の性能実証試験」, 宇宙航空研究開発機構  平成１９年度大気球シンポジウム  Ｖ．地球物理，４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記したように、従来の真空計は、測定範囲が分子流領域以外の領域では測定ができず、かつ耐振性や耐久性の面で解決すべき種々の問題があった。
【０００７】
本発明は、上記状況に鑑みて、測定範囲が分子流領域以外の領域でも測定可能であり、かつ従来の真空計の耐振性や耐久性を改善し、衝撃や振動の加わる低温機器の真空度測定や監視などに好適であり、測定範囲以上の圧力に上昇しても故障し難く、測定範囲の広い低温機器用真空計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕低温機器用真空計において、真空断熱部内に配置される低温源と、この低温源から異なった離隔をとって対向するように配置される複数の受熱板と、前記低温源の温度を測定する温度センサと、前記複数の受熱板のそれぞれの温度を測定する複数の温度センサと、熱シールド板または隔壁の温度を測定する温度センサとを具備し、前記低温源の温度および前記熱シールド板または隔壁の温度と前記複数の各受熱板それぞれの温度分布から前記真空断熱部内の圧力域を検出することを特徴とする。
【０００９】
〔２〕上記〔１〕記載の低温機器用真空計において、前記低温源の温度と前記熱シールド板または隔壁の温度と前記複数の受熱板それぞれの前記低温源からの離隔に対する温度分布の関係から、前記低温源と前記複数の受熱板との離隔が気体分子平均自由行程より小さいときに生じる分子流領域と、前記離隔が気体分子平均自由行程より大きいときに生じる粘性流領域、及びこれらの移行領域である中間流領域のそれぞれの特性のうちどの領域かを判定し、これらの組み合わせに応じて前記真空断熱部内の圧力域を検出することを特徴とする。
【００１０】
〔３〕上記〔１〕記載の低温機器用真空計において、前記低温源と前記複数の受熱板との離隔、前記低温源と前記複数の受熱板が対向する面の面積、前記受熱板の比熱および質量、前記真空断熱部の隔壁から前記真空断熱部内の前記複数の受熱板への熱侵入量と、前記低温源と前記複数の受熱板の間の熱伝達率に基づいて前記低温源と前記複数の受熱板の間の伝熱量または熱伝達率を求め、この低温源と複数の受熱板の間の伝熱量または熱伝達率の関係から、前記低温源と前記複数の受熱板それぞれの離隔に応じ分子流領域と粘性流領域および中間流領域の特性のうちそれぞれどの領域の特性により熱伝達されるかを判断し、これらの組み合わせに応じて前記真空断熱部内の圧力域を検出することを特徴とする。
【００１１】
すなわち、低温機器への適用を前提として低温機器の持つ低温源を熱源とし、従来技術で断線し易かったフィラメントを利用せずに圧力を測定する。低温源は温度が固定されている液体ヘリウム系、冷凍機コールドヘッドなどを利用する。低温源にはある離隔を変えた複数の受熱板を対向させて配置することにより、受熱板から低温源への熱伝達率は距離に応じて異なるが、それぞれの熱伝達特性は圧力に応じて変化する。これらの特性の違いを利用することにより、各受熱板の温度を測定し、それぞれの関係から圧力を換算する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、低温源を持つ低温機器に対し、耐振性・耐久性を向上させた、測定範囲外の圧力でも破損し難く、より測定範囲を拡大させた真空計を提供することができ、衝撃や振動を受ける低温機器の真空度測定、監視、制御を可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の原理を示す低温機器用真空計の模式図である。
【図２】本発明の原理を示す伝熱距離に伴う伝熱特性の変化を示す図である。
【図３】本発明の実施例を示す低温機器用真空計の模式図である。
【図４】本発明の実施例における伝熱距離と伝熱量の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の低温機器用真空計は、真空断熱部内に配置される低温源と、この低温源から異なった離隔をとって対向するように配置される複数の受熱板と、前記低温源の温度を測定する温度センサと、前記複数の受熱板のそれぞれの温度を測定する複数の温度センサと、熱シールド板または隔壁の温度を測定する温度センサとを具備し、前記低温源の温度および前記熱シールド板または隔壁の温度と前記複数の受熱板それぞれの温度分布から前記真空断熱部内の圧力域を検出する。
【実施例】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１６】
図１は本発明の原理を示す低温機器用真空計の模式図、図２はその伝熱距離に伴う伝熱特性の変化を示す図である。
【００１７】
これらの図において、１は低温源、２，３，４は低温源１に対して異なる距離（離隔）をとった複数の受熱板、５は低温源１の温度を測定する第１の温度センサ、６は受熱板２の温度を測定する第２の温度センサ、７は受熱板３の温度を測定する第３の温度センサ、８は受熱板４の温度を測定する第４の温度センサ、９は隔壁または熱シールド板、１０は隔壁または熱シールド板９の温度を測定する第５の温度センサ、１１，１２，１３は複数の受熱板２，３，４をそれぞれ隔壁または熱シールド板９に固定するための受熱板固定部材である。
【００１８】
図１に示すように、低温源１に対し異なる距離の離隔を持った受熱板２，３，４を対向させて設置する。低温源１は第１の温度センサ５で、受熱板２，３，４は第２の温度センサ６，第３の温度センサ７及び第４の温度センサ８で、隔壁または熱シールド板９は第５の温度センサ１０でそれぞれ温度を測定する。あらかじめ把握している低温源１と各受熱板２，３，４との距離（離隔）ｓ，ｍ，Ｌ、低温源１と受熱板２，３，４が対向する面の面積、受熱板２，３，４の比熱及び質量、隔壁または熱シールド板９から受熱板２，３，４への熱侵入量と、圧力に応じて変化する低温源１と各受熱源２，３，４の間の熱伝達率から、低温源１と各受熱板２，３，４の間の伝熱量を求めることができる。このため、低温源１と各受熱板２，３，４および隔壁または熱シールド板９の平衡温度を測定し、この測定結果およびそれらの関係から測定対象の圧力に換算することができる。
【００１９】
希薄ガス（真空）中における圧力に応じた伝熱量と距離の関係は、一般に図２のような特性を持っている。伝熱特性には、伝熱距離（離隔）が気体分子平均自由行程より小さいときに生じる分子流領域の特性と、伝熱距離が気体分子平均自由行程より大きいときに生じる粘性流領域、およびこれらの移行領域である中間流領域の特性がある。これらの特性は、圧力が一定の場合、伝熱距離が短いときは分子流領域の特性に応じて伝熱距離が長くなるにつれ熱伝達率は低下していくが、ある距離からその低下率が減少する中間流領域の特性に移行する。さらに伝熱距離を長くしていくと、再び熱伝達率の低下率が大きな粘性流領域の特性に移行する。この伝熱特性における領域特性の移行は圧力に応じて異なり、圧力が高いほど短い伝熱距離で、圧力が低くなるにつれて長い伝熱距離で移行する。
【００２０】
本発明では、低温源１からそれぞれ異なる距離をもって離隔した各受熱板２，３，４の温度の測定結果から、各受熱板２，３，４と低温源１の離隔に対応する伝熱の領域特性を照合し、これらの組み合わせに応じて圧力域を段階的に特定することができる。低温源からそれぞれの受熱板への伝熱特性の組み合わせと圧力域の関係は、例えば受熱板が３枚の構成の場合、表１の通りとなる。
【００２１】
【表１】
2010210302.tif 000003
図２および表１に示した分子流領域、中間流領域、粘性流領域それぞれにおける熱伝達率は大きく異なるため、それぞれの領域における受熱板の平衡温度は大きく異なることになる。このため、各受熱板の平衡温度からそれぞれの受熱板がどの領域の特性で伝熱されているかを容易に判断することができ、各受熱板の伝熱の領域特性の組み合わせを把握することによって、測定対象の圧力を求めることができる。
【００２２】
図３は本発明の実施例を示す低温機器用真空計の模式図、図４はこの実施例における伝熱距離と伝熱量の関係を示す図である。
【００２３】
図３において、２１は低温源、２２，２３，２４は低温源２１に対して異なる距離（離隔）をとって配置された複数の受熱板、２５は低温源２１の温度を測定する第１の温度センサ、２６は受熱板２２の温度を測定する第２の温度センサ、２７は受熱板２３の温度を測定する第３の温度センサ、２８は受熱板２４の温度を測定する第４の温度センサ、２９は熱シールド板、３０，３１，３２は受熱板固定部材、３３は熱シールド板２９の温度を測定する第５の温度センサ、３４は真空断熱容器、３５は真空断熱容器３４と熱シールド板２９間に配置される断熱部材、３６は低温源２１を冷却する冷凍機である。
【００２４】
冷凍機３６で冷却される低温源２１を利用した真空計は図３に示すように構成される。４０［Ｋ］程度の低温源２１を持った低温機器において、真空断熱容器３４内は希薄ヘリウムガスの雰囲気となっており、１［Ｐａ］程度の内部圧力を測定・監視する。この条件において、３枚の受熱板２２，２３，２４を低温源２１に対し３ｍｍ、１０ｍｍ、３０ｍｍの離隔を持って対向させて配置する。各受熱板２２，２３，２４は０．０１［ｍ2 ］の正方形で、７７［Ｋ］の熱シールド板２９に受熱板固定部材３０，３１，３２を介して固定されている。
【００２５】
低温源２１と受熱板２２，２３，２４の間の伝熱距離とその時の伝熱量の関係を、上記特許文献２に記述した理論〔式（１）〜（４）〕と実験結果に基づいて解析した。解析の結果、各圧力における伝熱量と低温源−受熱板間の距離の関係は、図４のようになった。なお、この特性を解析した際の条件は表２の通りである。
【００２６】
【表２】
2010210302.tif 000004
図４の伝熱量と圧力の関係を基に、図３に示す実施例における３枚の受熱板の平衡温度を、以下のように解析的に求めた。
【００２７】
受熱板から低温源への伝熱量は下記式（１）となる。
【００２８】
Ｑ1 ＝ηＡ（Ｔ−４０）                                                …（１）
ここで、Ｔは受熱板温度、ηは受熱板面積、伝熱距離と圧力、ガス種等より決定される。
【００２９】
熱シールド板から受熱板への伝熱量は下記式（２）となる。
【００３０】
Ｑ2 ＝（ｋ0 Ａ0 ／ｌ）・（７７−Ｔ）                                  …（２）
（ｋ0 ：受熱板固定部材の熱伝達率、Ａ0 ：受熱板固定部材の断面積、ｌ：受熱板固定部材の長さ）
受熱板の温度変化に必要な熱量は下記式（３）となる。
【００３１】
Ｑ＝Ｃｍ（ｄＴ／ｄｔ）                                                …（３）
（Ｃ：受熱板比熱、ｍ：受熱板質量、Ｔ：受熱板温度）
受熱板の短時間での温度変化は下記式（４）で表される。
【００３２】
【数１】
2010210302.tif 000005
この式（４）を解くことにより、本実施例の条件における各受熱板平衡温度を計算することができ、圧力に応じてηが変化するため、圧力に応じた平衡温度を算出することができる。実施例の諸条件のうち、表２で示した以外については表３に示す。
【００３３】
【表３】
2010210302.tif 000006
また、求めた各受熱板の平衡温度は、表４のようになる。
【００３４】
【表４】
2010210302.tif 000007
圧力が極めて低いときは３枚の受熱板とも低い温度で平衡し、圧力の上昇に応じても平衡温度はほとんど上昇しないが、さらに圧力が高くなると離隔の大きな受熱板から平衡温度が上昇し、離隔の小さな受熱板の平衡温度も順次上昇し始める。また、さらに圧力が高くなると、離隔の大きな受熱板から高い温度で平衡し、離隔の小さな受熱板も順次高い温度で平衡する。その後は、圧力が上昇しても受熱板の平衡温度はほとんど上昇しなくなる。よって、各受熱板の温度測定結果を表４の特性と比較対照することで、測定対象の圧力を把握することができる。
【００３５】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明の低温機器用真空計は、測定範囲が分子流領域以外の領域でも測定可能であり、衝撃・振動の加わる環境下でも低温機器の真空度を測定することができ、かつ測定範囲の広い真空計として利用可能である。
【符号の説明】
【００３７】
１，２１    低温源
２，３，４，２２，２３，２４    受熱板
５，２５    第１の温度センサ
６，２６    第２の温度センサ
７，２７    第３の温度センサ
８，２８    第４の温度センサ
９    隔壁または熱シールド板
１０，３３    第５の温度センサ
１１，１２，１３，３０，３１，３２    受熱板固定部材
２９    熱シールド板
３４    真空断熱容器
３５    断熱部材
３６    冷凍機
【図１】
2010210302.tif 000008
【図２】
2010210302.tif 000009
【図３】
2010210302.tif 000010
【図４】
2010210302.tif 000011