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

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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。