Research on ultra-low temperature refrigeration using novel heat exchanger

新型换热器超低温制冷研究

• 批准号: 21H01267
• 负责人: 齋藤 明子
• 金额: $ 10.4万
• 依托单位: National Institute for Materials Science
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01267/
• 关键词: 超低温; 冷凍; フォノン光学モード; へリウム量子液体; 自由度; 熱交換器; ナノ多孔体; 希釈冷凍機; 熱抵抗; 量子コンピュータ; ヘリウム量子液体; 冷凍機

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。

In the fourth year of this year, the ultra-low temperature refrigerator innovation and new regulations for heat exchanger design and element technology research were carried out, and the following achievements were obtained. The specific heat characteristics of Ag2O and liquid He at ultra-low temperatures below 100mK are evaluated. The temperature of 3 ° C is lowered. The degree of freedom of the acoustic system is explained. The temperature dependence of the temperature is different. The specific heat characteristics are measured. The results of the first principles calculation and the first principles calculation of the specific heat and evolution of the optical system were presented at the International Conference on Cryophysics. In addition, the advantages of Ag2O, Pb and Bi(origin of very low temperature specific heat), a non-magnetic heat storage material, were confirmed by adjusting the influence of Ag2O, Pb and Bi on the refrigeration performance of the heat storage material in the case of application. In addition, in the refrigerator loading test, the preparation of particles with a true density ratio of 90% or more was successfully carried out. Research on the application of heat exchanger with fine pore structure and the development of small refrigerator with 4K refrigerator at temperature below 10mK This year, the miniaturization of porous heat exchangers has been realized independently, and the results have been presented at the International Conference on Cryophysics. Optimization of heat exchanger manufacturing conditions is possible, and quantitative performance evaluation is performed. The preliminary evaluation results show that the 70nm sintered silver heat exchanger is smaller than 1/10. From now on, the precision of the project will be improved. Liquid Freon is used in the operation of porous heat exchangers. The new development of small Tube-in-Tube heat exchangers is used in the operation of small refrigerators. The continuous circulation is 13.8mK.

项目成果

Indication of Dimer Bound State in 3He Film Adsorbed in 3D Nanopore

3D 纳米孔中吸附的 3He 薄膜中二聚体结合态的指示

• 发表时间: 2021
• 作者: T. Matsushita;R. Inagaki;K. Amaike;Y. Shimizu;Y. Kobayashi;M. Itoh;M. Hieda;and N. Wada
• 通讯作者: and N. Wada

Large phonon contribution to thermal property of cuprite Ag2O at low temperatures

大声子对低温下赤铜矿 Ag2O 热性能的贡献

• 发表时间: 2022
• 作者: 佐藤彰斗，足立健人，児玉高志;Yuki Oishi and Chihiro Inoue;小宮敦樹;A. T. Saito and S. Nishioka
• 通讯作者: A. T. Saito and S. Nishioka

Heat Flow Resistance of Compact Nanopore Heat Exchanger

紧凑型纳米孔换热器的热流阻力

• 发表时间: 2022
• 作者: N. Wada;T. Matsushita and M. Hieda
• 通讯作者: T. Matsushita and M. Hieda

光学フォノンモードに由来する極低温における比熱の増大

由于光学声子模式，在极低温度下比热增加

• 发表时间: 2023
• 作者: 西岡 颯太郎;齋藤 明子
• 通讯作者: 齋藤 明子

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