蓄冷式冷凍機における積層型蓄冷器の特性評価とその高性能化

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蓄冷式冷凍機ではピストンやディスプーレーサーなどの可動部が行う膨張仕事と引き換えに熱を外界から吸収すると説明されてきた.しかしながら,低温部分に全く可動部を持たない蓄冷式冷凍機であるパルス管冷凍機が従来の蓄冷式冷凍機と同様の性能を示す事実は,蓄冷式冷凍機の冷却のメカニズムをより深く理解する必要があることを示している.本研究では熱音響現象の視点から蓄冷式冷凍機を眺め,その冷凍能力の向上を目指してきた.熱音響現象では振動する流体と流路壁の間の熱交換により熱輸送が生じる.この際に,この熱交換が準静的に行われるか,不可逆的に行われるかが重要な問題となる.当然,準静的な熱交換が行われる時,熱機関としては最も効率が高くなる.ギフォードマクマホン式冷凍機は,すでに実用化もされている蓄冷式冷凍機であるが,蓄冷器内部で行われる蓄冷材と作動流体であるヘリウムガスの間の熱交換過程に関しては未だに十分に分かっていない.そこで本研究では,異なる材料,および粒径の蓄冷材に関してその熱交換能力を調べた.その結果,現在もっとも良く使われている粒径である0.2mmの球状粉では10Kレベルの温度では十分に熱交換できないことが分かってきた.これは蓄冷材が鉛でも磁性蓄冷材でも同様であった.この点を解決するために我々はヘリウムガスの圧力変動と周期的な位置変動の間の位相差をパラメータとして運転する方法を提案した.この方法を用いれば,不可逆的な熱交換過程が顕著になる温度領域でも比較的大きな冷凍能力が得られる.