超流動ヘリウム混相流を用いた極低温高速冷却システムに関する研究

ラムダ点近傍における超流動ヘリウム混相流の効果的活用による高速冷却システム開発および高性能化ための基礎研究として,鉛直ベンチュリ流路内における液体ヘリウムキャビテーション流れに関し,多流体モデルとEulerian-Lagrangianモデルに基づく超流動性を考慮に入れた基礎方程式系の定式化と数値解析を行うとともに,可視化画像処理を用いた実証実験を行い以下の知見を得た.・常流体にキャビテーションが発生すると,特に気相生成が活発な高ボイド率領域においては,蒸気相生成の際に液相から蒸発潜熱が奪われることにより液相温度がλ点以下まで降下し,He IからHe II(超流体)への相転移が発生し超流動冷却効果が発生すること明らかにした.・キャビテーション生成に基づくHe IIへの相転移時に生ずる超流体の対向流と,超流体温度こう配に起因する気泡運動を効果的に制御することにより,従来より高い冷却効率を有する極低温冷却システムの構築が期待できることを明らかにした.・液体ヘリウム高速キャビテーション流の可視化計測装置を設計・試作し,PIV法を用いた流動場の観測と管内圧力・温度分布の測定を行った.その結果,He Iのキャビテーション発生時に温度降下が生じHe IIの超流動成分の流動に起因する流速分布・圧力変動を示すことを確認した.

ラムダ点近傍における超流動ヘリウム混相流の効果的活用による高速冷却システム開発および高性能化ための基礎研究として,鉛直ベンチュリ流路内における液体ヘリウムキャビテーション流れに関し,多流体モデルとEulerian-Lagrangianモデルに基づく超流動性を考慮に入れた基礎方程式系の定式化と数値解析を行うとともに,可視化画像処理を用いた実証実験を行い以下の知見を得た.・常流体にキャビテーションが発生すると,特に気相生成が活発な高ボイド率領域においては,蒸気相生成の際に液相から蒸発潜熱が奪われることにより液相温度がλ点以下まで降下し,He IからHe II(超流体)への相転移が発生し超流動冷却効果が発生すること明らかにした.・キャビテーション生成に基づくHe IIへの相転移時に生ずる超流体の対向流と,超流体温度こう配に起因する気泡運動を効果的に制御することにより,従来より高い冷却効率を有する極低温冷却システムの構築が期待できることを明らかにした.・液体ヘリウム高速キャビテーション流の可視化計測装置を設計・試作し,PIV法を用いた流動場の観測と管内圧力・温度分布の測定を行った.その結果,He Iのキャビテーション発生時に温度降下が生じHe IIの超流動成分の流動に起因する流速分布・圧力変動を示すことを確認した.