2015 Fiscal Year Research-status Report
極低温冷凍機の高性能・高効率化を目指した新しい蓄冷器構造の適応
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15K06693
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| Research Institution | Oshima National College of Maritime Technology |
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Principal Investigator |
増山 新二 大島商船高等専門学校, その他部局等, 教授 (00287591)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
沼澤 健則 国立研究開発法人物質・材料研究機構, その他部局等, その他 (30354319)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 極低温 / 小型冷凍機 / 蓄冷器 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は，超電導機器などにおける低温システムに必須な道具である極低温小型冷凍機の高性能化を目指し，エネルギーの利用効率を高めることである。目標達成のために，小型冷凍機に，独自に開発中である等価的蓄冷器形状変化の手法を適応し，その評価を行う。対象とする冷凍機は，普及している小型冷凍機の一つである，ギフォード・マクマホン（GM）冷凍機であり，4Kレベルでの高効率を目指している。
冷凍機の効率に直接，影響を与える構成部品として，冷熱を蓄える「蓄冷器」が挙げられる。一般的に，蓄冷器は断面が一定な円筒形状をしている。冷媒であるヘリウムガスや，蓄冷器内に充填される蓄冷材の物性の温度依存性を考慮すると，その形状は必ずしも円筒形状の必要がないと考えられる。しかしながら，GM冷凍機では，ステンレス製の肉薄シリンダー内に蓄冷器が挿入され，それが上下運動することで冷凍サイクルが構成されているため，蓄冷器形状を変化させると，それに伴う多数の部品等の形状も変化させる必要がある。そこで，蓄冷器内に，蓄冷に寄与しない断熱性の物質を挿入することで，等価的に蓄冷器形状を変化させる手法が，著者により考案された。
研究結果から，GM冷凍機の2段目蓄冷器の低温側を等価的に細くした場合は，ヘリウムの液化温度である4.2Kでの冷凍能力に大きく影響することがわかった。逆に，高温側を細くした場合は，4.2Kの冷凍能力が，若干ではあるものの改善される条件が見出された。それは，蓄冷器内に挿入する断熱物質の最適体積が，蓄冷器容積の1/20程度であるということである。
今回挿入された物質の形状は，円筒と円錐の2種類であり，いずれの形状においても，同様な性能を発揮することも確認されている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究成果から，等価的に蓄冷器形状を変化させた場合に，4.2Kの冷凍能力が改善される条件を見出すことができている。蓄冷器形状の変化は，その容積の減少につながり，蓄冷器全体として熱容量が低下する。従来は，熱容量の低下は，冷凍性能の悪化を招くとされていた。しかしながら，本研究結果は，その考えを覆すものとなっている。
現状の結果では，研究目的に挙げている，高性能化には達していないものの，その可能性が十分あると考える成果が得られており，おおむね順調であると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
現在の研究方法は，GM冷凍機の2段目蓄冷器の高温端を40K，低温端を4.2K一定として行っていた。蓄冷器内の温度勾配によるヘリウムの物性を数値解析から判断すると，高温側の温度を変化させることで，蓄冷器内の状態が大きく変化することがわかってきている。
したがって，今後は，高温端温度を変化させたときの冷凍性能を調査しながら，蓄冷器の最適形状を検討する予定である。
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| Causes of Carryover |
研究成果を受けて，蓄冷器の等価的形状変化に使用する物質の材料や設計見直しを年度末に行った。また，ヘリウムガスの消費が，当初の予定より少なかった。これらの理由により，残金が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
蓄冷器の等価的形状変化に使用する物質の製作，ならびにヘリウムガスに使用する。
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