Research on ultra-low temperature refrigeration using novel heat exchanger

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令和４年度は、超低温冷凍機革新のための新規熱交換器の仕様設計や要素技術の研究を行い、以下の成果が得られた。・Ag2Oについて、液体He温度以下100ｍKまでの超低温での比熱特性を評価し、温度の３乗で低下するフォノン音響モードの自由度では説明できない異なる温度依存性を持つ大きな比熱を観測した。この特異な比熱は、進化的アルゴリズムおよび第一原理計算の２つの手法によるフォノンDOSの計算から、10meV以下の低エネルギーの光学フォノンに起源するものであることを明らかにし、この結果を低温物理学国際会議で発表した。・さらに、上記の比熱を用いて、冷凍機シミュレーションによりAg2Oを蓄冷材として用いた場合の冷凍性能への影響を調べたところ、従来の非磁性蓄冷材PbやBi(極低温比熱の起源はフォノン音響モード)に対する優位性が確認された。また、冷凍機搭載試験に向けて、Ag2O球状多孔体の高密度化に取り組み、真密度比90％以上の粒子作製に成功した。・ナノ細孔構造を有する熱交換器を用いた研究では、4K冷凍機に取り付けて10mK以下の温度を実現する小型希釈冷凍機の開発を進めている。本年度は、小型化を実現するために独自に開発したナノ多孔体熱交換器について、性能の鍵となる熱流抵抗を測定し、この結果を低温物理学国際会議で発表した。・さらに熱交換器製作条件の最適化を可能にするため、Ladder modelによるシミュレーションで定量的な性能評価を進めた。予備的評価結果では、従来の70nm焼結銀熱交換器よりも1/10以下に小型化できることが示された。今後、さらにシミュレーションの精密化を進めていく予定である。・液体ヘリウム冷媒を用いた状況で行っている、ナノ多孔体熱交換器と新たに開発中の小型Tube-in-Tube熱交換器を用いた小型冷凍機のテスト運転では、連続循環において13.8mKを実現した。