| 研究概要 |
電子機器の小型化,高密度化に伴い,内部素子の発熱が大きな問題となっている.そこで,本研究では,このような素子の冷却を可能にする,直径1mm程度のジュール・トムソン膨張を利用したワイヤー型のマイクロ冷凍機の開発と最適設計を目的とする.ワイヤー型マイクロ冷凍機は長さ500mmの二重円筒管構造となっており,内管を流れた冷媒は,ワイヤー先端に取り付けられている内径0.1mm,長さ50mmの円管状の絞り部を通過し,このときのジュール・トムソン膨張を利用して冷却効果を得る.絞り部を通過した冷媒は外管を内管とは逆方向に流れ,向流による熱交換によって,流入する内管の冷媒を予冷する.
本研究では,これまでに内管の内径0.3mm,外径0.4mm,外管の内径0.6mm,外径0.8mm,絞り部の内径0.1mm,外径0.2mmの寸法でマイクロ冷凍機を製作した.外管および絞り部の材質はPEEK(poly-ether-ether-ketone)であり,内管の材質はSUSとPEEKの2通りで製作した.二酸化炭素を冷媒として入口圧0.5MPaから2MPaまでの範囲で実験を行った.この結果,真空中における実験で,SUSタイプでは2MPaで63.5K,PEEKタイプでは63.0Kの温度降下が得られた.また,大気圧中における実験では,それぞれ44.4K,41.9Kの温度降下が得られた.これらの実験を基に,これまでに明らかになっていなかったワイヤー型マイクロ冷凍機における熱収支モデルを作成した.冷媒の物性計算には,PROPATHを用いて正確に算出した.モデルでは冷媒の入口温度,圧力から,ジュール・トムソン膨張後の温度降下のみならず,質量流量や管内の温度分布まで計算することが可能であり,実験値との比較から,質量流量で10%,温度降下で20%以内で予測可能である.このモデルの作成により,冷媒の種類,管の寸法をパラメータとして変化させることで,最適設計が可能になった.
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