Development and proof of a 4 K cryocooler that achieves both low power consumption and high efficiency

实现低功耗和高效率的 4K 制冷机的开发和验证

• 批准号: 22K04058
• 负责人: 増山 新二
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: National Institute of Technology(KOSEN), Oshima College
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K04058/
• 关键词: 低消費電力; 4 K小型冷凍機; 低速動作; 小型4 K冷凍機

本研究では，超電導機器などの低温システムに必須な道具である極低温 (4 K) 小型冷凍機の低消費電力・高効率の両立を目指し，電気エネルギーの利用効率を高めることを目的とする。目的を達成するため，小型冷凍機の主要構成要素の最適化を図るとともに，その心臓部の一部である「蓄冷器」部に，独自開発している構造や材料を適用させる。本研究成果より，(1) 小型冷凍機の低消費電力化 --> 電気エネルギー利用効率向上，応用分野の拡大，(2) 小型冷凍機の最適化 --> 高効率冷凍機実現への設計指針，の二項目を達成する。これらは超電導機器の応用の拡大，極低温における理工学エネルギー分野のさらなる発展へつながると考えられる。なお，本研究の対象温度は，ヘリウム液化温度の4.2 Kである。研究課題の達成は，近年大きな問題となっているヘリウム不足を補う効果も含まれており，本研究の実施意義は大きい。本研究で定義している「低消費電力」とは，冷凍機を駆動するための電気入力 (ヘリウム圧縮機で95%以上消費される) が2 kWレベル以下としている。この意味は，三相200 Vを使用する場合，必要な電流が10 A以下となる。したがって，大規模な電力設備を必要としないため，多くのユーザが手軽に利用することができる。また，「高効率」の意味は，冷凍機の熱力学効率であるパーセントカルノー (%カルノー) において，2%以上 (通常の4 K冷凍機は1%レベル) を目指すことである。

This study aims to improve the efficiency and low power consumption of ultra-low temperature (4 K) small refrigerator, and to improve the efficiency of electric power generation. To achieve this goal, the main components of the small refrigerator are optimized, and one part of the core is developed independently. The results of this research include: (1) low power consumption of small refrigerator--> high efficiency of electricity generation--> high efficiency of refrigeration--> optimization of small refrigerator--> high efficiency of refrigeration--> high efficiency of refrigeration---> high efficiency of refrigeration----> high efficiency of refrigeration---> high efficiency of refrigeration---> high efficiency of refrigeration----> high efficiency of refrigeration---> high efficiency of refrigeration---> high efficiency of refrigeration> high efficiency. This is because of the high temperature of the superconducting machine, the high temperature of the engineering field, and the high temperature of the engineering field. The temperature of the object in this study is 4.2 K. The achievement of the research topic is that in recent years, there have been many problems and deficiencies, and the practical significance of this study is great. This study defines "low power consumption" as the electric power input (i.e. 95% or more of the power consumption of a refrigerator) of 2 kW or less. This means that when three-phase 200 V is used, the necessary current is less than 10 A. For example, large-scale electric power equipment is necessary, and many users are required to use it. "High efficiency" means that the thermodynamic efficiency of the refrigerator is more than 2%(usually 4K refrigerator is less than 1%).

项目成果

2 kWクラスの圧縮機で駆動する4 K-GM冷凍機の可能性

由 2 kW 级压缩机驱动的 4 K-GM 冰箱的可能性

• 发表时间: 2022
• 作者: Soma Takeda;Shinichiro Yamamoto;Satoru Aikawa;Teruhiro Kasagi;増山新二，神谷宏治，沼澤健則;増山新二，神谷宏治，沼澤健則;増山新二，神谷宏治，沼澤健則
• 通讯作者: 増山新二，神谷宏治，沼澤健則

A Method of High Cooling Capacity at 4 K of a Gifford-McMahon Cryocooler with Low Electrical Input

低电输入吉福德-麦克马洪制冷机4K高冷却能力的方法

• 发表时间: 2023
• 作者: Soma Takeda;Shinichiro Yamamoto;Satoru Aikawa;Teruhiro Kasagi;増山新二，神谷宏治，沼澤健則;増山新二，神谷宏治，沼澤健則
• 通讯作者: 増山新二，神谷宏治，沼澤健則

Cooling Capacity Characteristics of Low Power Consumption （2 kW Class） 4 K-GM Cryocoolers

低功耗（2kW级）4K-GM低温冷却器的冷却能力特性

• DOI: 10.2221/jcsj.58.69
• 发表时间: 2023
• 期刊: TEION KOGAKU (Journal of Cryogenics and Superconductivity Society of Japan)
• 作者: Soma Takeda;Shinichiro Yamamoto;Satoru Aikawa;Teruhiro Kasagi;増山新二，神谷宏治，沼澤健則
• 通讯作者: 増山新二，神谷宏治，沼澤健則