2017 Fiscal Year Annual Research Report
Adaptation of a new regenerator structure aiming at the high performance and efficiency for cryocoolers
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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, その他研究員 (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，超電導機器などの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。目的達成のために，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，4 K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。その蓄冷器は，断面が一様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断面が一様の必要がないと考えられる。GM冷凍機は，ステンレス製の肉薄シリンダー内に蓄冷器が挿入され，それが室温部に設けられたモータと同期することで上下運動する構造となっている。したがって，蓄冷器形状を変化させると，それに伴う多数の部品の形状変化も余儀なくされる。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方法が考案された。
研究結果から，GM冷凍機の2段目蓄冷器の高温側を等価的に細くした場合，ヘリウムの液化温度である4.2 Kでの冷凍能力が改善できることが実証された。これは，蓄冷器損失の要因の一つであるヘリウムガス流量が，蓄冷器を等価的に細くすることによって抑制されたことが理由と考えられる。また，冷凍能力は2段目蓄冷器高温端温度に大きく依存することも見出された。この温度依存性を解明するため，蓄冷器の数値解析が実施された。その結果，蓄冷器の高温側と低温側において，ヘリウムガスの密度が大きく異なることが見出された。
以上の研究成果から，高性能な冷凍機を実現するために必要な蓄冷器特性の解明が進んだ。
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