2021 Fiscal Year Annual Research Report

Development of a heat exchanger utilizing the properties of the polyimide mixture for highly efficient ultra-low-temperature cooling

Research Project

Project/Area Number	19K04251
Research Institution	National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
Principal Investigator	中川久司国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 主任研究員 (90392638)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2022-03-31
Keywords	熱交換器 / 多孔質体 / 微粒子 / ポリイミド / 銀焼結体 / Kapitza抵抗 / 熱スイッチ / 希釈冷凍機
Outline of Annual Research Achievements	本研究の目的は、新規材料を用いた超低温冷却を高効率化する熱交換器材の開発である。高温圧縮法で作成したポリイミド焼結体についてSEMによる構造観察、ガス吸着法による評価を行った。本研究で準備した設備の仕様範囲において、利用実績のある銀焼結体熱交換器材のように十分にネックが成長したポリイミド多孔質体の作成は難しいことを明らかにした既存無冷媒希釈冷凍機の予冷機構について、開発したガス熱スイッチおよび超伝導熱スイッチの冷却試験を行った。希釈冷凍機を確実に予冷、メーカー仕様を超えて最低温度を10 mK以下に低下させることに成功した。最終年度は、研究対象の視点を変え、研究代表者が開発した銀焼結体熱交換器材の超流動ヘリウム4とのKapitza抵抗測定実験を行うことに注力した。粒径が70 nm、130 nmおよび10.6 umの銀微粒子を用いて、厚さ1 mm以下の薄い銀焼結体サンプルを作成した。銀焼結体サンプルと超流動ヘリウム4との温度差を測定するカーボン抵抗温度センサを作成、予め温度校正されている温度センサにて温度校正した。70 nm、130 nmの銀焼結体サンプルのKapitza抵抗を40 mKまで測定した。Kapitza抵抗の温度依存性がそれぞれ－２乗、－３乗であった。これは、先行研究から予想される低温側の温度依存性が－３乗であるということに反している。超流動ヘリウム4のKapitza抵抗に関する過去の研究例は100 mK以上の高温側に限られている。今回観測されたkapitza抵抗の温度依存性の起源を解明するため、厚みを変えた新しい銀焼結体サンプルを用いた追試実験を進めている。これらの成果は今年度内の学会、査読付論文誌での報告を予定している。銀焼結体熱交換器材およびKapitza抵抗計測システムの開発の成果について、日刊工業新聞および弊所成果発表会にて報告した。