Lodówka z rurką pulsacyjną
| Termodynamika |
|---|
|
Lodówka z rurką pulsacyjną (PTR) lub chłodnica kriogeniczna z rurką pulsacyjną to rozwijająca się technologia, która pojawiła się głównie na początku lat 80. XX wieku wraz z szeregiem innych innowacji w szerszej dziedzinie termoakustyki . W przeciwieństwie do innych chłodnic kriogenicznych (np. chłodnicy kriogenicznej Stirlinga i lodówek GM ), ta chłodnica kriogeniczna może być wykonana bez ruchomych części w części niskotemperaturowej urządzenia, dzięki czemu nadaje się do szerokiej gamy zastosowań.
Używa
Chłodnice kriogeniczne z rurką pulsacyjną są używane w zastosowaniach przemysłowych, takich jak produkcja półprzewodników , oraz w zastosowaniach wojskowych , takich jak chłodzenie czujników podczerwieni . Rury pulsacyjne są również opracowywane do chłodzenia detektorów astronomicznych , w których zwykle stosuje się ciekłe kriogeny, takich jak Atacama Cosmology Telescope czy eksperyment Qubic (interferometr do badań kosmologicznych). PTR są używane jako chłodnice wstępne lodówek rozcieńczających . Rurki pulsacyjne są szczególnie przydatne w teleskopy kosmiczne, takie jak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, gdzie nie jest możliwe uzupełnienie kriogenów, ponieważ są one wyczerpane. Sugerowano również, że rurki pulsacyjne mogą być używane do skraplania tlenu na Marsie .
Zasada działania
Rysunek 1 przedstawia jednootworową lodówkę pulsacyjną typu Stirlinga (PTR), która jest wypełniona gazem, zazwyczaj helem , pod ciśnieniem zmieniającym się od 10 do 30 barów. Od lewej do prawej komponenty to:
- sprężarka z tłokiem poruszającym się tam iz powrotem w temperaturze pokojowej T H
- wymiennik ciepła X 1 , w którym ciepło jest oddawane do otoczenia w temperaturze pokojowej
- regenerator składający się z porowatego ośrodka o dużym cieple właściwym (którym może być siatka druciana ze stali nierdzewnej, siatka druciana miedziana, siatka druciana z brązu fosforowego, ołowiane kulki, śrut ołowiany lub materiały ziem rzadkich), w którym gaz przepływa tam iz powrotem
- wymiennik ciepła X 2 , chłodzony gazem, w którym użyteczna moc chłodzenia dostarczana w niskiej temperaturze L z obiekt do schłodzenia
- rurka, w której gaz jest popychany i ciągnięty
- wymiennik ciepła X 3 zbliżony do temperatury pokojowej, w którym ciepło jest oddawane do otoczenia
- opór przepływu (często nazywany otworem)
- objętość buforowa (duża objętość zamknięta przy praktycznie stałym ciśnieniu)
Część pomiędzy X 1 a X 3 jest izolowana termicznie od otoczenia, zwykle za pomocą próżni. Ciśnienie zmienia się stopniowo, a prędkości gazu są niskie. Tak więc nazwa chłodnicy rurowej „impulsowej” jest myląca, ponieważ w układzie nie ma impulsów.
Tłok porusza się okresowo od lewej do prawej iz powrotem. W rezultacie gaz porusza się również z lewej strony na prawą iz powrotem, podczas gdy ciśnienie w układzie wzrasta i maleje. Jeśli gaz z komory sprężarki porusza się w prawo, wpływa do regeneratora o temperaturze T H i opuszcza regenerator na zimnym końcu o temperaturze T L , stąd ciepło jest przekazywane do materiału regeneratora. Po powrocie ciepło zmagazynowane w regeneratorze jest ponownie przekazywane do gazu.
W rurze gaz jest izolowany termicznie (adiabatyczny), więc temperatura gazu w rurze zmienia się wraz z ciśnieniem.
Na zimnym końcu rury gaz wchodzi do rury przez X 2 , gdy ciśnienie jest wysokie przy temperaturze T L i powraca, gdy ciśnienie jest niskie przy temperaturze poniżej T L , stąd odbiera ciepło z X 2 : daje to pożądany efekt chłodzenia przy X 2 .
Aby zrozumieć, dlaczego gaz o niskim ciśnieniu powraca w niższej temperaturze, spójrz na rysunek 1 i rozważ cząsteczki gazu w pobliżu X 3 (na gorącym końcu), które wchodzą i wychodzą z rurki przez otwór. Cząsteczki wpływają do rurki (po lewej), gdy ciśnienie w rurce jest niskie (jest zasysane do rurki przez X 3 , wychodząc z otworu i bufora). Po wejściu do rury ma temperaturę T H . W dalszej części cyklu ta sama masa gazu jest ponownie wypychana z rury, gdy ciśnienie wewnątrz rury jest wysokie. W konsekwencji jego temperatura będzie wyższa niż T H. _ W wymienniku ciepła X 3 oddaje ciepło i schładza się do temperatury otoczenia T H .
Rysunek 3 przedstawia współosiową rurkę impulsową, która jest bardziej użyteczną konfiguracją, w której regenerator otacza centralną rurkę impulsową. Jest to kompaktowe i umieszcza zimną głowicę na końcu, dzięki czemu można ją łatwo zintegrować z czymkolwiek, co ma być chłodzone. Pływak może być napędzany pasywnie, a to odzyskuje pracę, która w przeciwnym razie zostałaby rozproszona w otworze.
Wydajność
Wydajność chłodnicy zależy głównie od jakości regeneratora. Musi spełniać sprzeczne wymagania: musi mieć mały opór przepływu (a więc musi być krótki przy szerokich kanałach), ale musi też zapewniać dobrą wymianę ciepła (więc musi być długi przy wąskich kanałach). Materiał musi mieć dużą pojemność cieplną. W temperaturach powyżej 50 K odpowiednie są praktycznie wszystkie materiały. Często używany jest brąz lub stal nierdzewna. Dla temperatur od 10 do 50 K najbardziej odpowiedni jest ołów. Poniżej 10 K używa się materiałów magnetycznych, które są specjalnie opracowane do tego zastosowania.
Tak zwany współczynnik wydajności ( COP ; oznaczony jest definiowany jako stosunek mocy chłodzenia i moc sprężarki P . We wzorze: . Dla doskonale odwracalnej chłodnicy twierdzenie Carnota :
-
()
Jednak lodówka z rurką pulsacyjną nie jest całkowicie odwracalna ze względu na obecność otworu, który ma opór przepływu. Zamiast tego COP idealnego PTR jest podawany przez
-
()
który jest niższy niż w przypadku idealnych chłodnic.
Porównanie z innymi chłodnicami
W większości chłodnic gaz jest okresowo sprężany i rozprężany. Dobrze znane chłodnice, takie jak silnika Stirlinga i popularne chłodnice Gifford-McMahon, mają wypornik, który zapewnia, że chłodzenie (w wyniku rozszerzania) odbywa się w innym obszarze maszyny niż ogrzewanie (w wyniku sprężania). Dzięki przemyślanej konstrukcji PTR nie posiada takiego wypornika, dzięki czemu budowa PTR jest prostsza, tańsza i bardziej niezawodna. Ponadto nie występują wibracje mechaniczne ani zakłócenia elektromagnetyczne. Podstawowe działanie chłodnic kriogenicznych i związanych z nimi urządzeń termicznych opisuje De Waele
Historia
WE Gifford i RC Longsworth w latach 60-tych wynaleźli tak zwaną podstawową lodówkę z rurką pulsacyjną. Współczesny PTR został wynaleziony w 1984 roku przez Mikulina, który wprowadził otwór do podstawowej rurki pulsacyjnej. Osiągnął temperaturę 105 K. Wkrótce potem PTR stały się lepsze dzięki wynalezieniu nowych odmian. Pokazano to na rysunku 4, gdzie najniższa temperatura dla PTR jest wykreślona w funkcji czasu.
W tej chwili najniższa temperatura jest poniżej temperatury wrzenia helu (4,2 K). Pierwotnie uważano to za niemożliwe. 4 He (2,17 K) będzie niemożliwe , ale grupie niskotemperaturowej Politechniki w Eindhoven udało się schłodzić do temperatury 1,73 K, zastępując zwykłe 4 He jako czynnik chłodniczy dzięki rzadkiemu izotopowi 3 He. Później rekord ten pobiła Grupa Giessen, która zdołała zejść nawet poniżej 1,3 osiągnięto temperaturę 1,2 K poprzez połączenie PTR z chłodnicą wirową nadciekłą.
Rodzaje lodówek pulsacyjnych
Dla uzyskania chłodzenia źródło wahań ciśnienia nie ma znaczenia. PTR dla temperatur poniżej 20 K zwykle działają przy częstotliwościach od 1 do 2 Hz i przy zmianach ciśnienia od 10 do 25 barów. Objętość skokowa sprężarki byłaby bardzo duża (do jednego litra i więcej). Dlatego sprężarka jest odłączona od chłodnicy. System zaworów (zwykle zawór obrotowy) naprzemiennie łączy stronę wysokiego i niskiego ciśnienia sprężarki z gorącym końcem regeneratora. Ponieważ część wysokotemperaturowa tego typu PTR jest taka sama jak chłodnic GM, ten typ PTR nazywany jest PTR typu GM. Przepływowi gazu przez zawory towarzyszą straty, których nie ma w PTR typu Stirlinga.
PTR można sklasyfikować według ich kształtu. Jeśli regenerator i rura są w jednej linii (jak na rys. 1), mówimy o liniowym PTR. Wadą liniowego PTR jest to, że zimny punkt znajduje się pośrodku chłodnicy. W przypadku wielu zastosowań preferowane jest chłodzenie na końcu chłodnicy. Wyginając PTR otrzymujemy chłodnicę w kształcie litery U. Oba gorące końce można zamontować na kołnierzu komory próżniowej w temperaturze pokojowej. Jest to najczęstszy kształt PTR. W przypadku niektórych zastosowań preferowana jest geometria cylindryczna. W takim przypadku PTR można zbudować współosiowo, tak aby regenerator stał się pierścieniową przestrzenią otaczającą rurę.
Najniższa temperatura osiągnięta w przypadku jednostopniowych PTR wynosi nieco powyżej 10 K. Jednak jeden PTR można wykorzystać do wstępnego schłodzenia drugiego. Gorący koniec drugiej rury jest podłączony do temperatury pokojowej, a nie do zimnego końca pierwszego stopnia. W ten sprytny sposób unika się sytuacji, w której ciepło wydzielane na gorącym końcu drugiej rury jest obciążeniem pierwszego stopnia. W zastosowaniach pierwszy stopień działa również jako platforma zakotwiczająca temperaturę, np. do chłodzenia osłon kriostatów z magnesami nadprzewodzącymi. Matsubara i Gao jako pierwsi schłodzili poniżej 4 K dzięki trzystopniowemu PTR. Przy dwustopniowych temperaturach PTR 2,1 K, czyli tuż powyżej punktu λ helu. Dzięki trzystopniowemu PTR osiągnięto 1,73 K przy użyciu 3 He jako płynu roboczego.
Horyzont
Współczynnik wydajności PTR w temperaturze pokojowej jest niski, więc jest mało prawdopodobne, aby odgrywały rolę w chłodzeniu domów. Jednak poniżej około 80 K współczynnik wydajności jest porównywalny z innymi chłodnicami (porównaj równania ( 1 ) i ( 2 )), aw obszarze niskich temperatur zalety przeważają. PTR są dostępne na rynku dla temperatur z zakresu 70 K i 4 K. Stosowane są w systemach detekcji podczerwieni, do redukcji szumów termicznych w urządzeniach opartych na (wysokiej T c ) nadprzewodnictwo, takie jak SQUID i filtry dla telekomunikacji. PTR nadają się również do chłodzenia systemów MRI i systemów związanych z energią za pomocą magnesów nadprzewodzących. W tak zwanych suchych magnesach stosuje się chłodnice, dzięki czemu w ogóle nie jest potrzebny kriociecz lub rekondensacja odparowanego helu. Również połączenie chłodnic kriogenicznych z chłodziarkami do rozcieńczania 3 He- 4 He dla zakresu temperatur do 2 mK jest atrakcyjne, ponieważ w ten sposób łatwiej jest uzyskać dostęp do całego zakresu temperatur od temperatury pokojowej do 2 mK.