| 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
本年度は，大きさが異なる3台の2段型冷凍機 (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されてある）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。また，冷凍サイクルを構築する上では，圧縮機が吐出するヘリウムガス質量流量 (以下，圧縮機流量とする) と，膨張空間へ出入りするヘリウムガス質量流量 (以下，膨張流量とする) のバランスも重要となる。一般的には，両者はほぼ同様な大きさを持つ。
本研究で準備した3台のコールドヘッドは，いずれも膨張流量が圧縮機流量よりもとても大きいため，通常の運転条件では，4.2 Kでの冷凍能力はほぼ発揮されないと予測できる。そこで，コールドヘッド内のディスプレーサの動作速度が通常は60または72 rpmで固定されているのに対し，それを新たに設けたインバータで低速動作させることで，1サイクル当たりの膨張流量を見かけ上増やす方法を取り入れた。実験結果から，3台のコールドヘッドとも36 rpmのときに，4.2 Kの冷凍能力がもっとも大きな値を示した。その大きさは，S→M→Lの順番でコールドヘッドサイズの大きさに依存した。Lサイズの冷凍能力の最大値は0.95 W，このときの%カルノーは3.5%であると計算された。これは2 kWクラスの圧縮機で動作する4 K冷凍機の世界最高値である。
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