2023 Fiscal Year Research-status Report
Development and proof of a 4 K cryocooler that achieves both low power consumption and high efficiency
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22K04058
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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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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 低消費電力 / 4 K小型冷凍機 / 低速動作 |
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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極低温 (4 K) 小型冷凍機の低消費電力・高効率の両立を目指し，電気エネルギーの利用効率を高めることを目的とする。目的を達成するため，小型冷凍機の主要構成要素の最適化を図るとともに，その心臓部の一部である「蓄冷器」部に，独自開発している構造や材料を適用させる。本研究成果より，(1) 小型冷凍機の低消費電力化 --> 電気エネルギー利用効率向上，応用分野の拡大，(2) 小型冷凍機の最適化 --> 高効率冷凍機実現への設計指針，の二項目を達成する。これらは超電導機器の応用の拡大，極低温における理工学エネルギー分野のさらなる発展へつながると考えられる。なお，本研究の対象温度は，ヘリウム液化温度の4.2 Kである。研究課題の達成は，近年大きな問題となっているヘリウム不足を補う効果も含まれており，本研究の実施意義は大きい。
本研究で定義している「低消費電力」とは，冷凍機を駆動するための電気入力 (ヘリウム圧縮機で95%以上消費される) が2 kWレベル以下としている。この意味は，三相200 Vを使用する場合，必要な電流が10 A以下となる。したがって，大規模な電力設備を必要としないため，多くのユーザが手軽に利用することができる。また，「高効率」の意味は，冷凍機の熱力学効率であるパーセントカルノー (%カルノー) において，2%以上 (通常の4 K冷凍機は1%レベル) を目指すことである。現在までの研究実績として，2 kWの入力電力に対して，4.2 Kで0.95 Wを達成している。
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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
大きさが異なる3台の2段型ギフォード・マクマホン (GM) 冷凍機 (膨張部と蓄冷器部，以下，コールドヘッドと呼ぶ) に2 kWクラスの圧縮機をそれぞれ接続して動作させ，実験的に4.2 Kの冷凍能力の評価を行った (以下，コールドヘッドの大きさから，S, M, Lのクラス分けで呼ぶ)。本コールドヘッドは，二つの冷却ステージを持ち2段目が約50～4 Kの温度範囲を担当している。4 Kレベルの冷却性能に大きな影響を及ぼすのは2段目蓄冷器であり，特に内部に充填される球状蓄冷材（高温側からPb, HoCu2, Gd2OS2球が，われわれ独自の充填割合で充填してある）と，それと熱交換を行う高圧ヘリウムガスとの振る舞いが重要である。研究結果から，4.2 Kの冷凍能力は，コールドヘッドの大きさS→M→Lの順番に依存し，その最大値は0.95 Wを発揮した。コールドヘッド Lの大きさは，予想される圧縮機の吐出流量と比較して大きいため，4.2 Kの冷凍能力は小さいと考えていたが，予想外の結果であった。
本年度では，上記の研究に引き続き，通常使用される圧縮機 (7 kWクラス) をそれぞれのコールドヘッドに接続し，冷凍能力評価も行った。その結果も，2 kWクラスの圧縮機と同様に，S→M→Lの順番で冷凍能力が大きくなり，その最大値は2.06 Wであることを確認した。以上から考察すると，コールドヘッドの大きさも冷凍能力に重要であるが，圧縮機のヘリウムガス吐出流量 (入力電力が大きくなると吐出流量も多くなる) も，その性能に大きな影響を与えていると予測できる。来年度は，この点の定量的評価も実施する予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
今までの研究成果では，3台のコールドヘッドを2 kWクラスと7 kWクラスの二種類の圧縮機の組み合わせを調査した。冷凍能力結果は，いずれもコールドヘッドの大きさに依存している。今年度は，これら二つの圧縮機のほぼ中間である5 kWクラスの圧縮機を使用し，性能評価を試みる。したがって，冷凍能力特性の圧縮機の大きさ異存による詳細な評価を行なえる。
さらに，圧縮機のヘリウム吐出流量の測定も行う。ここで，GM冷凍機を駆動するために，圧縮機とコールドヘッドは，内径：約20 mmΦ，長さ：10 mの2本のフレキシブルホースで接続される。流量測定では，その内の1本に流量計の配管を挿入することとなる。この配管は，2 kW圧縮機ではフレキシブルホースの大きさに合わせることができるため問題とならない。しかし，5, 7 kWクラス圧縮機の流量を通常の方法で測定する場合，直径が約5倍も太い配管が必要となり，流量計を設置する状態と，しない状態のが大き過ぎると考えられる。そこで現在，配管を太くせず，冷凍能力にも影響を与えない新規の方法を考案しており，本年度，この測定方法を実施する。
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| Causes of Carryover |
当該年度，冷凍機の冷媒に使用している高純度ヘリウムガスを消耗品として計上していたが，その消費が当初の予定より少なかった。このため残金が生じた。
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