2020 Fiscal Year Annual Research Report
Challenge to improve the high efficiency cryocooler with a coaxial pipe regenerator
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18K04095
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| Research Institution | National Institute of Technology(KOSEN), Oshima College |
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Principal Investigator |
増山 新二 大島商船高等専門学校, 電子機械工学科, 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, 技術開発・共用部門, NIMS特別研究員 (30354319)
松本 宏一 金沢大学, 数物科学系, 教授 (10219496)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 小型冷凍機 / 極低温 / 蓄冷器 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，超電導機器などの低温システムに必須な道具である4K小型冷凍機の高性能化を目指し，電気エネルギーの利用効率を高めることを目的としている。目的を達成するため，小型冷凍機の心臓部とも言える「蓄冷器」部に，独自開発の「同軸パイプ蓄冷器構造」を適用し，評価を行った。対象冷凍機は，ギフォード・マクマホン (GM) 冷凍機である。
同軸パイプ構造は，球径約0.2mmの蓄冷材が充填してある2段目蓄冷器 (約50～4.2Kの温度勾配を有する) の同軸方向に肉薄ステンレスパイプが挿入されたものである。代表者らの数値解析から，蓄冷器内の温度分布が起因するヘリウムガス物性のため，蓄冷器内のヘリウム流は，理想的な一次元流れではないと考えられている。そのヘリウムを整流する役割として，同軸パイプ構造が考案された。
2段目蓄冷器の蓄冷材に，高温側からPb，HoCu2，Gd2O2S球を三層構造として50, 20, 30%の割合で充填することで4Kレベルの冷凍能力が改善することが実証されている。使用された冷凍機は，コールドヘッドが1W at 4Kモデル，圧縮機は7.5kW at 60Hzの定格を持つ。この冷凍機において，三層構造での冷凍能力を測定すると1.70W at 4.2Kが得られた。
つぎに，各層へそれぞれ独立して同軸パイプ構造を適用した結果，Pb層では冷凍能力が1.70から1.79Wへ，5%向上した。一方，HoCu2層，Gd2O2S層に適用したところ能力改善効果は見られなかった。この理由は，三層構造における蓄冷器内の残留ヘリウムガス量が，Pb部が最も少なくなっており，そのためヘリウムガスの運動エネルギーが大きくなり，Pb部のヘリウム流れに大きな乱れが生じていると数値解析から予測された。同軸パイプ構造は，その乱れを抑制し，結果的に冷凍能力の改善につながったと結論付けられた。
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