| 研究課題/領域番号 |
18K04095
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| 研究機関 | 大島商船高等専門学校 |
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研究代表者 |
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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| 研究分担者 |
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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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | 極低温 / 小型冷凍機 / 蓄冷器 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では，超電導機器などにおける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，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に，極低温小型冷凍機の心臓部とも言える「蓄冷器」部に，独自に開発中である「同軸パイプ蓄冷器構造」を適用し，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レベルでの高効率化を目指している。
この同軸パイプ構造は，球径 0.2～0.3 mmの蓄冷材が充填してある2段目蓄冷器 (約50～4.2 Kの温度勾配を有する) の同軸方向に断熱性のパイプ (現在はステンレスパイプ) が挿入されたものである。代表者らの蓄冷器の数値解析によると，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。現在，鉛 (Pb) とHoCu2球の二種類の蓄冷材がレイヤー状に充填された2段目蓄冷器に同軸パイプ構造を適用することで，4.2 Kにおける冷凍能力が7%向上する結果が得られている。冷凍能力向上の要因は，蓄冷器内のヘリウムガスが整流されたことで，膨張空間へ流れ込むガス流量が増え，仕事量が増加したためと考えられる。つまり，4 Kレベルでの高効率化を実現するためには，より多くのガスを膨張空間へ送り込むことが解決策の一つであろうと考えられる。
上記の研究結果と考察から，本年度では，冷凍機本体にガスを供給する圧縮機に注目し研究を行った。電気入力が同等で，圧縮方式の異なる2台の圧縮機 (ロータリ型とスクロール型) を準備し，それらの単体による性能試験，ならびに冷凍機に接続したときの冷凍能力の比較を行った。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
膨張空間の空間体積 (V) と圧力 (P) の積から成るPV仕事の大きさは，冷凍能力に影響するパラメータの一つである。本研究で使用しているGM冷凍機では，ディスプレーサが，室温部に置かれているモータにより上下運動するため，Vの大きさは温度によらず一定値を持つ。一方，Pは圧縮機から供給されるガス流量 (質量流量) と密接に関係するとともに，冷凍機本体内の圧力損失にも依存する。ここで，Pを大きくするための手法としては，供給される質量流量を大きくすることが考えられる。
そこで，今年度新たに準備したスクロール式圧縮機と，従来から使用しているロータリ式圧縮機の性能比較を行った。試験方法は，室温部に置かれたニードルバルブを通過するガス流量測定と，その時の電気効率を測定するものである。結果から，スクロール型のガス流量が約40%，電気効率が約30%大きいことが実証された。
つぎに，これらの圧縮機を4 K冷凍機に，それぞれ接続したときの冷凍能力の比較を行った。なお，2段目蓄冷器構造は，従来から使用されているレイヤー構造である。結果は，スクロール型を使用することで，1.6 Wから1.7 Wへ6%改善できた。したがって，より多くのガスを2段目膨張空間へ送り込むこという手法は，性能向上の解決策の一つであるということが証明された。
今年度の成果は，今後の高性能4 K冷凍機の開発につながるものであると考えられる。したがって，進捗状況は「おおむね順調に進展している」と判断された。
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| 今後の研究の推進方策 |
圧縮機をスクロール型に変更したことで，2段目膨張空間へ流入するガス流量が増え，4.2 Kの冷凍能力の向上につながった。この2段目蓄冷器内の蓄冷材には，三種類の材料がレイヤー状に充填されてある。それは高温側から，Pb，HoCu2，Gd2O2S球であり，その充填割合は今までの研究結果を参考に50, 20, 30%である。今後は，それぞれの層に同軸パイプ構造を適用し，その時の性能評価を行う。先行研究の数値解析結果から，Pb部のヘリウムガス密度の大きさが，その他より1/10程度であることから，Pb部のガスの乱れが大きいことが予測されている。したがって，Pb部に同軸パイプ構造を適用することで，冷凍能力の向上が期待される。
本実験結果は，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をさらに進展できるものであると考えている。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
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。
次年度は，高純度ヘリウムガスを購入する予定である。
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