Холодильник, предназначенный для достижения криогенных температур (ниже 120 К, -153 °C, -243,4 °F), часто называют криокулером . Этот термин чаще всего используется для небольших систем, обычно настольных, с входной мощностью менее 20 кВт. Некоторые из них могут иметь входную мощность всего 2–3 Вт. Большие системы, например те, которые используются для охлаждения сверхпроводящих магнитов в ускорителях частиц, чаще называют криогенными холодильниками. Их входная мощность может достигать 1 МВт. В большинстве случаев криохладители используют криогенную жидкость в качестве рабочего вещества и используют движущиеся части для циркуляции жидкости по термодинамическому циклу. Жидкость обычно сжимается при комнатной температуре, предварительно охлаждается в теплообменнике, а затем расширяется при некоторой низкой температуре. Возвращающаяся жидкость низкого давления проходит через теплообменник для предварительного охлаждения жидкости высокого давления перед поступлением на впуск компрессора. Затем цикл повторяется.
Теплообменники являются важными компонентами всех криорефрижераторов. Идеальные теплообменники не имеют гидравлического сопротивления, а температура выходящего газа равна (фиксированной) температуре корпуса теплообменника T X. Обратите внимание, что даже идеальный теплообменник не повлияет на температуру газа на входе Ti . Это приводит к потерям.
Важным компонентом холодильников, работающих с колебательными потоками, является регенератор. Регенератор состоит из матрицы из твердого пористого материала, например гранулированных частиц или металлических сит, через которые газ течет туда и обратно. Периодически тепло накапливается и выделяется материалом. Термический контакт с газом должен быть хорошим, а гидравлическое сопротивление матрицы должно быть низким. Это противоречивые требования. Термодинамические и гидродинамические свойства регенераторов сложны, поэтому обычно строят упрощающие модели. В своей самой крайней форме идеальный регенератор обладает следующими свойствами:
Прогресс в области криорефрижераторов в последние десятилетия во многом обусловлен разработкой новых материалов с высокой теплоемкостью ниже 10 К. [1]
Базовый тип охладителя Стирлинга изображен на рис.1. Он состоит из (слева направо):
Слева и справа термический контакт с окружающей средой при температурах T a и T L предполагается идеальным, так что сжатие и расширение являются изотермическими . Работа, совершаемая при расширении, используется для уменьшения общей входной мощности. Обычно гелий является рабочим телом.
Цикл охлаждения разделен на 4 этапа, как показано на рис.2. Цикл начинается, когда два поршня находятся в крайнем левом положении:
На pV-диаграмме (рис.3) соответствующий цикл состоит из двух изотерм и двух изохор. Объем V — это объем между двумя поршнями. На практике цикл не делится на отдельные этапы, как описано выше. Обычно движения обоих поршней приводятся в действие общими осями вращения, что делает движения гармоничными. Разность фаз между движениями двух поршней составляет около 90°. В идеальном случае цикл обратим, поэтому COP (отношение охлаждающей мощности и входной мощности) равен COP Карно, определяемому формулой T L /( T a - T L ).
Иметь холодный поршень, как описано выше, не так практично, поэтому во многих случаях вместо холодного поршня используют вытеснитель. Вытеснитель представляет собой твердое тело, которое перемещается вперед и назад в холодной головке, перемещая газ туда и обратно между теплым и холодным концами холодной головки через регенератор. Для перемещения буйка не требуется никаких действий, поскольку в идеале над ним не происходит падения давления. Обычно его движение сдвинуто по фазе с поршнем на 90 градусов. В идеальном случае COP также равен COP Карно.
Другой тип охладителя Стирлинга — разъемно-парный (рис.4), состоящий из компрессора, разъемной трубы и холодного пальца. Обычно имеется два поршня, движущихся в противоположных направлениях под воздействием магнитных полей переменного тока (как в громкоговорителях). Поршни могут быть подвешены на так называемых подшипниках изгиба. Они обеспечивают жесткость в радиальном направлении и гибкость в осевом направлении. Поршни и корпус компрессора не соприкасаются, поэтому смазка не требуется и износ отсутствует. Регенератор в холодном пальце подвешивается на пружине. Охладитель работает на частоте, близкой к резонансной частоте системы масса-пружина холодного пальца.
Охладители Гиффорда- МакМагона (GM) [2] нашли широкое применение во многих низкотемпературных системах, например, в МРТ и крионасосах. Фиг.5 представляет собой принципиальную схему. Гелий при давлениях в диапазоне 10–30 бар (150–440 фунтов на квадратный дюйм) является рабочей жидкостью. Холодная головка содержит пространство сжатия и расширения, регенератор и вытеснитель. Обычно регенератор и вытеснитель совмещаются в одном корпусе. Изменения давления в холодной головке достигаются путем периодического подключения ее к сторонам высокого и низкого давления компрессора с помощью вращающегося клапана. Его положение синхронизировано с движением вытеснителя. При открытии и закрытии клапанов происходят необратимые процессы, поэтому GM-охладители имеют собственные потери. Это явный недостаток данного типа кулера. Преимущество состоит в том, что частоты цикла компрессора и буйка не связаны, так что компрессор может работать с частотой сети (50 или 60 Гц), в то время как цикл холодной головки составляет 1 Гц. Таким образом, рабочий объем компрессора может быть в 50–60 раз меньше, чем у охладителя. В принципе можно использовать (дешевые) компрессоры бытовых холодильников, но надо не допускать перегрева компрессора, так как он не рассчитан на гелий. Также необходимо предотвратить попадание паров масла в регенератор с помощью качественных очистных ловушек.
Цикл можно разделить на четыре этапа, как показано на рис.6, следующим образом:
Цикл начинается с закрытого клапана низкого давления (НД), открытого клапана высокого давления (ВД) и смещения буйка до упора вправо (т. е. в холодном регионе). Весь газ имеет комнатную температуру.
Так называемый однодиафрагменный ПТР типа Стирлинга схематически представлен на рис.7. Слева направо он состоит из: поршня, который движется вперед и назад; теплообменник Х 1 (после охладителя), в котором тепло при комнатной температуре ( Т а ) передается в окружающую среду; регенератор; теплообменник X L с низкой температурой ( T L ), где тепло поглощается из приложения; трубка, часто называемая импульсной трубкой; теплообменник Х 3 до комнатной температуры ( Т а ); сопротивление потоку (отверстие); буферный объем, в котором давление p B практически постоянно.
Холодильник Джоуля-Томсона (JT) был изобретен Карлом фон Линде и Уильямом Хэмпсоном, поэтому его также называют охладителем Линде-Хэмпсона. Это простой тип охладителя, который широко применяется в качестве криогенного охладителя или (последней ступени) охлаждающих жидкостей. Его легко можно миниатюризировать, но он также широко используется при сжижении природного газа. Принципиальная схема ожижителя JT представлена на рис.8. Он состоит из компрессора, противоточного теплообменника, дроссельного клапана и резервуара.
На рис.8 давления и температуры относятся к случаю сжижения азота. На входе в компрессор газ имеет комнатную температуру (300 К) и давление 1 бар (точка а). Тепло сжатия отводится охлаждающей водой. После сжатия температура газа равна температуре окружающей среды (300 К), а давление составляет 200 бар (2900 фунтов на квадратный дюйм) (точка b). Затем он поступает на теплую сторону (высокого давления) противоточного теплообменника, где предварительно охлаждается. Он покидает обменник в точке c. После расширения JT, точка d, она имеет температуру 77,36 К (-195,79 ° C; -320,42 ° F) и давление 1 бар. Жидкая фракция равна x . Жидкость покидает систему на дне резервуара (точка е), а газ (фракция 1- х ) поступает в холодную (низкого давления) сторону противоточного теплообменника (точка е). Он выходит из теплообменника при комнатной температуре (точка а). Для поддержания системы в устойчивом состоянии подается газ для компенсации удаленной жидкой фракции x .
При использовании в качестве криохладителя вместо чистого азота предпочтительно использовать газовые смеси. Таким образом, эффективность повышается, а высокое давление значительно ниже 200 бар.
Более подробное описание охладителей Джоуля-Томсона и холодильников Джоуля-Томсона можно найти в [3] .
Криокуллеры являются ключевой технологией для приложений инфракрасного обнаружения и прикладной сверхпроводимости . [4] Приложения включают сверхпроводящую электронику и квантовые вычисления . Для сверхпроводящих детекторов фотонов разработаны компактные криорефрижераторы . [5]
Эта статья включает общедоступные материалы Национального института стандартов и технологий.