２相CO2を用いた測定器冷却システムの開発
H22年度成果と今後
CO2 Group
KEK素核研長崎総合科学大学
佐賀大学

笠見勝祐、杉本康博、坪山透、春山富義（コンサルタント）、藤井恵介（代表）、松田武、与那嶺亮
房安貴弘
杉山晃
Belle VTX
LC-TPCLC FPCCD VTX……………

2011/5/17+ KEK低温グループ

http://w3-res.kek.jp/group/rd/project/co2/index.html
1

話の内容•H22年度成果– 開放型（Blow System）の構築– ダミーロードによる冷却試験• 冷却試験
• ハイパワー試験• 常温冷却試験•

H23年度計画– Blow System を使った冷却試験– 循環システム構築2

H22年度成果

33

H２２年度成果（概要）•H22年度目標（予算状況に対応し修正）– 開放型システム（Blow System）の構築– ダミーロードによる冷却試験： −40℃˜常温– 経験蓄積•資金：〜１３０万円（測定器開発室）＋〜３０万円（ILC他）•

H22年度計画実施状況– 年度前半：情報収集／仕様検討– ９月：NIKHEF 視察– １０月〜１１月：設計– １１月〜２月：環境整備＋物品調達– ３月〜４月：Blow System 構築（地震による中断）– ４月〜現在：冷却試験

4

開放型システムの構築

55

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6

Safety	  valve

CO2	  Bo'leNeedle	  valve

Dummy	  Load	  with	  thermocouples

Mass	  ﬂow	  meter	  at	  outlet
Pressure	  valve

Data	  Logger

Heat	  Exchanger
CO2	  Monitor(for	  safety)

Heat	  Bath	  Heroic	  eﬀort	  by	  Kasami-­‐san	  who	  built	  the	  whole	  system	  all	  alone!
7

8

４／２２：冷却試験
システム試験

99

1010

Data Logger Display

1111

- 0C
-20C
-40C
2MPa
1.5MPa1MPa

28L/min

12L/min 12
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1515

1616第１回冷却試験成果•

圧力制御のみで理論通りに温度コントロールが出来ることを確認•

流量：１２L／分でヒートロード（＜３０W）ならば、冷却ループの場所によらず、同じ温度が保たれることを確認•

圧力計などで一部、伝導冷却による結露が認められた– 試験後、測定部までの配管を長くする、断熱材をまくなどの改良をほどこした1717

４／２５：ハイパワー試験
ドライアウト試験

1818

1919

20
20

-15C
2MPa

2121

100W
70W

100W

50W
10L/min

20L/min
2222

2323

ハイパワー試験結果•流量を絞り、ヒートロードの出力を上げドライアウト現象を観測– ドライアウト箇所の上流では一定温度、下流では温度上昇– ドライアウトが始まる熱量は、流量で決まる冷却能力とコンシ
ステント

24
24

５／９：常温冷却試験
１５度での冷却運転

2525

2626

16C
5MPa

2727

5MPa

2828

2929

常温冷却テスト結果•

圧力を５MPa に上げ１５度での冷却運転を試みる•

再度、温度は圧力でコントロールできることを確認•

流量を20L/分に絞り、ヒートロードの出力１００Wでドライアウト現象を観測– ドライアウト箇所の上流では一定温度、下流では温度上昇•

運転圧力とCO2ボトルの一次圧が近く圧力差がなかったため、流量／圧力調整が、低温運転の場合と比べ難しいことが判明した•

常温運転のためには圧力弁などの耐圧にさらに余裕があることが望
ましい

30
30

H23年度計画– Blow System の改善– Blow System を使った開発研究• LC-TPC：パワーパルシング＋冷却試験• ILC VTX（基礎研究）：圧力損失測定– 循環システム開発研究• コンプレッサー方式のための基礎研究

3131H23年度計画
Blow System による測定器開発（１）•LC-TPC– 冷却試験対象：ダミーボード– パワーパルシング：<100W– 冷却温度 ~ 常温付近
– 温度の一様性が重要– チェンバーガスに熱が伝わらないことが望ましい

32H23年度計画
Blow System による測定器開発（２）• ILC VTX
– Blow System による圧力損失試験– 冷却温度：〜­４０度– ある程度の長さを持った細いチューブにCO2を流した場合の圧力損失の、流量、圧力、乾き度等への依存性を調べる– ヒーターのかわりにラダーを付ければ、ラダーの冷却試験ができる– 全体を乾燥窒素を通した透明アクリルパイプの中に入れチューブへの結露が防げるかを見るP

赤外窓

透明アクリルパイプ

N2 outCO2 out
Heater!P
CO2 inN2 in

2mm チューブ

Heater2m
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H23年度計画
循環システムの構築• コンプレッサー式– １システムで全ての温度をカバーできるシステム– 開発項目：オイルフリーコンプレッサー– システム構築はマンパワーによる（特別推進による）• Belle II– ポンプシステム：別途調達• LC TPC– ポンプシステム：別途調達

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H23年度計画：必要経費•Blow System 関連– Blow System 自身の改善– 耐圧強化のための部品改善：３０万円– 測定系改善– ワットメータ等：５０万円– 流量計（コリオリ式）：３０万円– ボンベ用のヒーター／温度コントロール：２５万円– テスト用装置– 断熱ボックス：５万円– 圧力損失測定用セットアップ：３０万円•コンプレッサー型開発関連– オイルフリーコンプレッサー開発：１００万円（要素試験）
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Backup36

CO2 p-H37