無人航空機観測用超小型高能率大気サンプリングシステムの開発

1995 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 07558076
• Research Category: Grant-in-Aid for Developmental Scientific Research (B)
• Research Institution: National Institute of Polar Research
• Principal Investigator: 山内 恭 国立極地研究所, 北極圏環境研究センター, 教授 (00141995)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 石川 標 日酸商事(株), 企画部ATプロジェクト, 部長 ; 矢島 信之 宇宙科学研究所, システム研究系, 教授 (30200489) ; 青木 周司 東北大学, 理学部, 助教授 (00183129) ; 和田 誠 国立極地研究所, 研究系, 助教授 (40132716)
• Keywords: 無人航空機 / サンプリングシステム / 成層圏 / クライオポンプ / ジュール・トムソン効果 / 液体ネオン

Research Abstract

無人航空機に搭載を目標とした、上層大気の採集を行うための小型高能率自動大気サンプリングシステムを開発することを目的として研究を進めた。サンプリングシステムは、限られたスペース(上下、左右約50cm、長さ1m程度)に搭載し、気圧の低い成層圏(目標高度約30km、気圧10hPa)で、多点のサンプリングを行うことを目指す。このため、極低温に空気を冷やすことで空気をサンプリング容器に凝固させる冷却装置、すなわち“クライオポンプ"の開発を、本年度の中心の研究とした。
クライオポンプ用の冷却素子は超高圧ネオンガス(400kgcm^<-2>)を大気に放出することによってジュール・トムソン効果により表面を液体ネオン温度(-246℃)まで冷却するものである。ネオンは水素とヘリウムを除いた大気成分の中で最も沸点が低いため、大気の全成分を捕集するための冷媒として有望な物質である。さらに、その蒸発熱は405cal mol^<-1>であり、25cal mol^<-1>のヘリウムに比べて圧倒的に大きい。
まず、ネオンガスボンベ、予冷管(液体窒素による)、冷却素子、大気採集容器からなる原理的な装置を考案、作製した。このシステムにより発生させられる寒冷量は、ネオンボンベ初期圧力200気圧とすると、約9,000Jとなった。この資料をもとに、凝固採集できる気体量を概算したところ、窒素気体と考えて約1gが得られるとの結果になり、実現の見通しが得られた。ただし、これは冷却素子と気体との熱伝導が100%として計算したもので現実の効率は低下する。今後、液体ネオンと冷却パネル、パネルと試料気体間の熱伝導効率を最大にすべく材質、形状、質量の検討が必要である。これらをクリア-した後、実際に観測に使用するシステムを作り上げる。

Research Products

• [Publications] Yamanouchi,T.: "Report of atmospheric science observations at Ny-Ålesund,Svalbard" Mem.Natl Inst.Polar Res.,Spec.Issue. 51(未定). (1996)