2021 Fiscal Year Research-status Report
Investigation of distributed Joule-Thomson effect and improvement of the cooling characteristics of Joule-Thomson cryocooler
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20K04319
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
島崎 毅 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 (90357202)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 分散ジュール・トムソン効果 / 極低温冷凍機 / 対向流熱交換器 / ヘリウム4 / ヘリウム3 / 機械式冷凍機 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
分散JT効果を利用してJT冷凍機の特性を向上させるためには、長尺の細管を組み込んだ対向流熱交換器を適切な仕様で製作し、条件を整えた上で冷凍機を運転する必要がある。長尺細管は単純な構造ではあるが、内部の流れは管径やヘリカル形状、流体の物性、流量などの影響を受け変化しそれ自体でも興味深い。レイノルズ数や抵抗係数を用いた流れに関する様々な相関式が提案されているが、適用範囲や補正の必要性の確認などのためにある程度の実測が望ましい。そこで、本年度は、流量インピーダンス測定系を構築し、分散JT効果を備えた対向流熱交換器試作のためのインピーダンス測定を行った。また、エンタルピーバランスに基づく対向流熱交換器の特性解析や熱交換器試験装置の製作を進めた。
流量インピーダンス測定系には、圧力計とバルブを配し、流量計やリザーバータンクを組み込み、管径、流体の種類や流量などの条件を変えてインピーダンスを測定した。窒素とヘリウム4を試験流体に用いた。窒素では室温近傍で、ヘリウム4では室温近傍及び、液体窒素デュワーを用いて約77 Kでも測定し、設計に必要なインピーダンス変化を把握した。解析結果を反映させた対向流熱交換器の試作を行った。熱交換器試験装置には、試作した対向流熱交換器を供試体として装着する。機械式冷凍機を用いて試験流体を予冷し、液体窒素温度に限らず、更に低温域の温度環境下においても温度・圧力測定治具を介して供試体前後の温度と圧力を計測し、特性を評価する。
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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
分散JT効果を備えた対向流熱交換器試作に向けた流量インピーダンス測定のために、測定系を構築した。そして、試験流体種や温度など条件を変えたインピーダンス測定を行い、レイノルズ数など無次元数も用いて整理することで、その変化の傾向を把握した。温度と圧力を測定するための治具を組み込んだ熱交換器試験装置の製作を進めた。また、熱交換器供試体に試験流体を供給する循環系について、供給圧力と流量の関係などの特性試験を行い、試験時の操作パラメータを把握した。熱交換器供試体の製作については、設計や材料の入手、そして組み立てに想定よりも時間がかかることが分かった。
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| Strategy for Future Research Activity |
管径など構造を変えた対向流熱交換器供試体を複数台製作し、室温状態での予備特性試験を行った上で、熱交換器試験装置に装着し低温環境での特性を評価する。分散JT効果の大きさや特性、構造による違いを調べる。供試体については、一つ一つの製作に想定以上に時間と作業を要することが分かった。そこで、供試体の構造の変え方や試験装置への取り付け、交換方法なども慎重に検討し、効率的な測定と特性把握が可能になるよう工夫する。
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| Causes of Carryover |
対向流熱交換器供試体を複数製作し評価する予定であったが、流量インピーダンス測定と解析をより詳細に行い検討を深めたため、供試体の設計、製作などが想定よりも遅くなった。また、機器保守に関連して、作業スケジュールの調整が難しい期間などがあり、本年度内の実施での調整がつかなかった。それらの結果、次年度使用額が生じた。次年度使用額は、次年度分として請求した助成金と合わせて供試体、治具作成、評価のための実験、解析に使用する。また、機器保守は、次年度早々に実施することで調整できている。
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