stringtranslate.com

Холодильник с импульсной трубкой

Импульсный трубчатый холодильник ( PTR ) или импульсный трубчатый криоохладитель — это развивающаяся технология, которая в значительной степени появилась в начале 1980-х годов вместе с серией других инноваций в более широкой области термоакустики . В отличие от других криоохладителей (например, криоохладителя Стирлинга и холодильников GM ), этот криоохладитель может быть изготовлен без движущихся частей в низкотемпературной части устройства, что делает охладитель подходящим для широкого спектра применений.

Использует

Криоохладители с импульсной трубкой используются в таких промышленных приложениях, как производство полупроводников и сверхпроводящих радиочастотных схем. [1] Они также используются в военных приложениях, например, для охлаждения инфракрасных датчиков . [2]

В исследованиях PTR часто используются в качестве предварительных охладителей рефрижераторов растворения . Они также разрабатываются для охлаждения астрономических детекторов , где обычно используются жидкие криогены, например, космический телескоп Атакама [3] или эксперимент Qubic [4] (интерферометр для космологических исследований). Импульсные трубки особенно полезны в космических телескопах, таких как космический телескоп Джеймса Уэбба [5] , где невозможно пополнять криогены по мере их истощения. Также было высказано предположение, что импульсные трубки могут использоваться для сжижения кислорода на Марсе . [6]

Принцип действия

Рисунок 1: Схематический чертеж односоплового PTR типа Стирлинга. Слева направо: компрессор, теплообменник (X 1 ), регенератор, теплообменник (X 2 ), трубка (часто называемая импульсной трубкой ), теплообменник (X 3 ), сопротивление потоку (сопло) и буферный объем. Охлаждение происходит при низкой температуре T L . Комнатная температура T H .

Рисунок 1 представляет собой одноканальный импульсный трубчатый холодильник типа Стирлинга (PTR), который заполнен газом, обычно гелием , при давлении от 10 до 30 бар. Слева направо компоненты:

Рисунок 2: Слева : (около X 2 ): газовый элемент входит в трубку с температурой T L и выходит из нее с более низкой температурой. Справа : (около X 3 ): газовый элемент входит в трубку с температурой T H и выходит из нее с более высокой температурой.

Часть между X 1 и X 3 термически изолирована от окружающей среды, обычно вакуумом. Давление меняется постепенно, а скорости газа низкие. Поэтому название «импульсный» трубчатый охладитель вводит в заблуждение, поскольку в системе нет импульсов.

Поршень периодически движется слева направо и обратно. В результате газ также движется слева направо и обратно, в то время как давление внутри системы увеличивается и уменьшается. Если газ из компрессорного пространства движется вправо, он входит в регенератор с температурой T H и выходит из регенератора на холодном конце с температурой T L , следовательно, тепло передается в материал регенератора. По возвращении тепло, сохраненное в регенераторе, передается обратно в газ.

В трубке газ термически изолирован (адиабатичен), поэтому температура газа в трубке меняется в зависимости от давления.

На холодном конце трубки газ поступает в трубку через X 2 , когда давление высокое, а температура T L , и возвращается, когда давление низкое, а температура ниже T L , тем самым забирая тепло из X 2 : это дает желаемый эффект охлаждения в X 2 .

Чтобы понять, почему газ низкого давления возвращается при более низкой температуре, посмотрите на рисунок 1 и рассмотрите молекулы газа вблизи X 3 (на горячем конце), которые движутся в трубку и из нее через отверстие. Молекулы втекают в трубку (слева), когда давление в трубке низкое (они всасываются в трубку через X 3 , поступая из отверстия и буфера). При входе в трубку они имеют температуру T H . Позже в цикле та же масса газа снова выталкивается из трубки, когда давление внутри трубки высокое. Как следствие, его температура будет выше, чем T H . В теплообменнике X 3 они выделяют тепло и охлаждаются до температуры окружающей среды T H . [7]

Рисунок 3: Коаксиальная импульсная трубка с вытеснителем

На рисунке 3 показана коаксиальная импульсная трубка, которая является более полезной конфигурацией, в которой регенератор окружает центральную импульсную трубку. Это компактно и размещает холодную головку на конце, поэтому ее легко интегрировать с тем, что должно охлаждаться. Вытеснитель может быть пассивно приведен в действие, и это восстанавливает работу, которая в противном случае рассеивалась бы в отверстии.

Производительность

Производительность охладителя определяется в основном качеством регенератора. Он должен удовлетворять противоречивым требованиям: он должен иметь низкое сопротивление потоку (поэтому он должен быть коротким с широкими каналами), но теплообмен также должен быть хорошим (поэтому он должен быть длинным с узкими каналами). Материал должен иметь большую теплоемкость. При температурах выше 50  К подходят практически все материалы. Часто используются бронза или нержавеющая сталь. Для температур от 10 до 50  К наиболее подходит свинец. Ниже 10  К используются магнитные материалы, которые специально разработаны для этого применения.

Так называемый коэффициент полезного действия (КПД; обозначается ) охладителей определяется как отношение мощности охлаждения к мощности компрессора P . В формуле: . Для полностью обратимого охладителя определяется теоремой Карно :

Однако импульсный трубчатый холодильник не является полностью обратимым из-за наличия отверстия, которое имеет сопротивление потоку. Вместо этого КПД идеального PTR определяется как

что ниже, чем у идеальных охладителей.

Сравнение с другими кулерами

В большинстве охладителей газ периодически сжимается и расширяется. Известные охладители, такие как охладители двигателя Стирлинга и популярные охладители Гиффорда-Мак-Магона, имеют вытеснитель, который обеспечивает, что охлаждение (за счет расширения) происходит в другой области машины, чем нагрев (за счет сжатия). Благодаря своей продуманной конструкции, PTR не имеет такого вытеснителя, что делает конструкцию PTR более простой, дешевой и надежной. Кроме того, отсутствуют механические вибрации и электромагнитные помехи. Основная работа криокулеров и связанных с ними тепловых машин описана Де Ваэлем [8]

История

Рисунок 4: Температура PTR с течением лет. Температура 1,2  К была достигнута в результате сотрудничества групп Гиссена и Эйндховена. Они использовали сверхтекучий вихревой охладитель в качестве дополнительной ступени охлаждения PTR.

В 1960-х годах У. Э. Гиффорд и Р. К. Лонгсворт изобрели так называемый базовый холодильник на импульсной трубке. [9] [10] [11] [12] Современный PTR был изобретен в 1984 году Микулиным, который ввел отверстие в базовую импульсную трубку. [13] Он достиг температуры 105  К. Вскоре после этого PTR стали лучше благодаря изобретению новых вариаций. [14] [15] [16] [17] [18] Это показано на рисунке 4, где самая низкая температура для PTR отображена как функция времени.

На данный момент самая низкая температура ниже точки кипения гелия (4,2  К). Первоначально это считалось невозможным. Некоторое время казалось, что охладиться ниже точки лямбда 4 He (2,17  К) невозможно, но низкотемпературная группа Эйндховенского технологического университета сумела охладиться до температуры 1,73  К, заменив обычный 4 He в качестве хладагента его редким изотопом 3 He. Позже этот рекорд был побит Гиссенской группой, которая сумела опуститься даже ниже 1,3  К. В сотрудничестве между группами из Гиссена и Эйндховена была достигнута температура 1,2  К путем объединения PTR со сверхтекучим вихревым охладителем. [19]

Типы

Для охлаждения источник колебаний давления не имеет значения. ПТР для температур ниже 20  К обычно работают на частотах от 1 до 2 Гц и с колебаниями давления от 10 до 25 бар. Рабочий объем компрессора будет очень большим (до одного литра и более). Поэтому компрессор отсоединяется от охладителя. Система клапанов (обычно вращающийся клапан) попеременно соединяет сторону высокого и низкого давления компрессора с горячим концом регенератора. Поскольку высокотемпературная часть этого типа ПТР такая же, как у охладителей GM, этот тип ПТР называется ПТР типа GM. Потоки газа через клапаны сопровождаются потерями, которые отсутствуют в ПТР типа Стирлинга.

PTR можно классифицировать по форме. Если регенератор и трубка находятся на одной линии (как на рис. 1), мы говорим о линейном PTR. Недостатком линейного PTR является то, что холодное пятно находится в середине охладителя. Для многих применений предпочтительнее, чтобы охлаждение производилось на конце охладителя. Изгибая PTR, мы получаем U-образный охладитель. Оба горячих конца могут быть установлены на фланце вакуумной камеры при комнатной температуре. Это наиболее распространенная форма PTR. Для некоторых применений предпочтительнее иметь цилиндрическую геометрию. В этом случае PTR может быть сконструирован коаксиальным способом, так что регенератор становится кольцевым пространством, окружающим трубку.

Самая низкая температура, достигаемая с помощью одноступенчатого PTR, составляет чуть выше 10  К. [20] Однако один PTR может использоваться для предварительного охлаждения другого. Горячий конец второй трубки соединен с комнатной температурой, а не с холодным концом первой ступени. Таким умным способом избегается, чтобы тепло, выделяемое на горячем конце второй трубки, было нагрузкой на первую ступень. В приложениях первая ступень также работает как платформа температурной фиксации, например, для экранного охлаждения криостатов со сверхпроводящими магнитами. Мацубара и Гао были первыми, кто охладил ниже 4  К с помощью трехступенчатого PTR. [21] С помощью двухступенчатого PTR  были получены температуры 2,1 К, то есть чуть выше λ-точки гелия. С помощью трехступенчатого PTR  было достигнуто 1,73 К с использованием 3 Не в качестве рабочей жидкости. [22]

Перспективы

Коэффициент полезного действия PTR при комнатной температуре низок, поэтому маловероятно, что они будут играть роль в бытовом охлаждении. Однако ниже примерно 80  К коэффициент полезного действия сопоставим с другими охладителями (сравните уравнения ( 1 ) и ( 2 )), а в области низких температур преимущества берут верх. PTR коммерчески доступны для температур в области 70  К и 4  К. Они применяются в системах инфракрасного обнаружения, для снижения теплового шума в устройствах на основе сверхпроводимости (высокотемпературной ) , таких как СКВИДы , и фильтрах для телекоммуникаций. PTR также подходят для охлаждения систем МРТ и энергетических систем, использующих сверхпроводящие магниты. В так называемых сухих магнитах охладители используются таким образом, что криожидкость вообще не нужна или для повторной конденсации испаренного гелия. Также привлекательным является сочетание криокулеров с рефрижераторами растворения 3 He- 4 He [23] для температурного диапазона до 2 мК, поскольку в этом случае легче получить доступ ко всему диапазону температур от комнатной температуры до 2 мК.  

Для многих низкотемпературных экспериментов механические вибрации, вызванные PTR, могут вызывать микрофонный эффект на измерительных линиях, что является большим недостатком PTR. В частности, для использования в сканирующей зондовой микроскопии, сканирующие туннельные микроскопы (СТМ) на основе PTR исторически были трудны из-за чрезвычайной чувствительности СТМ к вибрации. Использование обменного газа над чувствительной к вибрации сканирующей головкой позволило создать первые низкотемпературные СТМ на основе PTR. [24] Теперь существуют коммерчески доступные системы сканирующих зондов на основе PTR, не содержащие криогена. [25]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Рябзев, СВ; Пундак, Н.; Лешец, А.; Мероми, А.; Веприк, А.М. (2001). "[Название не найдено]". Журнал сверхпроводимости: внедрение нового магнетизма . 14 (1): 35–39. doi :10.1023/A:1007876004471.
  2. ^ Радебо, Рэй (1999). Разработка холодильника с импульсной трубкой как эффективного и надежного криоохладителя (PDF) . Труды Института холода (Лондон) 1999–2000. Институт холода.
  3. ^ О ACT (официальный сайт)
  4. ^ QUBIC Болометрическая интерферометрия: концепция (официальный сайт)
  5. ^ Криоохладитель космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST/NASA)
  6. ^ Marquardt, ED; Radebaugh, Ray (2000). Импульсный трубчатый кислородный ожижитель (PDF) . Труды конференции по криогенной технике. Достижения в криогенной технике . Том 45A. Монреаль, Квебек, Канада. С. 457–464. ISBN 978-0-306-46443-0. Архивировано из оригинала (PDF) 18 ноября 2017 года.
  7. ^ Дэвид, М.; Марешаль, Ж.-К.; Саймон, И.; Гильпен, К. (1993). «Теория идеального отверстия импульсного рефрижератора». Криогеника . 33 (2). Elsevier BV: 154–161. Bibcode : 1993Cryo...33..154D. doi : 10.1016/0011-2275(93)90129-c. ISSN  0011-2275.
  8. ^ de Waele, ATAM (10 июня 2011 г.). «Основные принципы работы криокулеров и связанных с ними тепловых машин». Журнал физики низких температур . 164 (5–6). Springer Science and Business Media LLC: 179–236. Bibcode : 2011JLTP..164..179D. doi : 10.1007/s10909-011-0373-x . ISSN  0022-2291.
  9. ^ Гиффорд, У. Э.; Лонгсворт, Р. К. (1964). "Прогресс в области охлаждения импульсными трубками" (PDF) . Конференция по криогенной технике . Университет Пенсильвании.
  10. ^ Гиффорд, У. Э.; Лонгсворт, Р. К. (1965). «Поверхностная тепловая накачка». Достижения в криогенной технике . Том 11. С. 171–179. doi :10.1007/978-1-4757-0522-5_18. ISBN 978-1-4757-0524-9.
  11. ^ Лонгсворт, Р. К. (1967). «Экспериментальное исследование скоростей теплового насоса с импульсной трубкой охлаждения». Достижения в криогенной технике . Том 12. С. 608–618. doi :10.1007/978-1-4757-0489-1_63. ISBN 978-1-4757-0491-4.
  12. ^ Мацубара, Ёити (1994). «Рефрижератор с импульсной трубкой». Труды Японского общества инженеров по холодильной технике и кондиционированию воздуха . 11 (2). Труды Японского общества инженеров по холодильной технике и кондиционированию воздуха, том 11, выпуск 2, стр. 89-99: 89–99. Bibcode :2011TRACE..11...89M.
  13. ^ Микулин, Е.И.; Тарасов, А.А.; Шкребёнок, М.П. (1984). «Низкотемпературные расширительные импульсные трубки». Достижения в криогенной технике . Т. 29. Бостон, Массачусетс: Springer US. С. 629–637. doi :10.1007/978-1-4613-9865-3_72. ISBN 978-1-4613-9867-7.
  14. ^ Чжу, Шаовэй; У, Пэйи; Чэнь, Чжунци (1990). «Двойные впускные импульсные трубчатые холодильники: важное улучшение». Криогеника . 30 (6). Elsevier BV: 514–520. Bibcode : 1990Cryo...30..514S. doi : 10.1016/0011-2275(90)90051-d. ISSN  0011-2275.
  15. ^ Мацубара, Y.; Гао, JL (1994). «Новая конфигурация трехступенчатого импульсного трубчатого холодильника для температур ниже 4 К». Криогеника . 34 (4). Elsevier BV: 259–262. doi :10.1016/0011-2275(94)90104-x. ISSN  0011-2275. S2CID  122086143.
  16. ^ Таммес, Г.; Ван, К.; Бендер, С.; Хайден, К. (1996). Pulsröhrenkühler zur Erzeugung von Templen im Bereich des flüssigen Heliums [ Импульсный трубчатый охладитель для создания температур в диапазоне жидкого гелия ]. DKV-Tagungsbericht (на немецком языке). Том. 23. С. 147–159.
  17. ^ Сюй, МОЙ; Де Ваэле, АТАМ; Джу, Ю.Л. (1999). «Холодильник с импульсной трубкой ниже 2 К». Криогеника . 39 (10). Эльзевир Б.В.: 865–869. Бибкод : 1999Крио...39..865X. дои : 10.1016/s0011-2275(99)00101-0. ISSN  0011-2275.
  18. ^ Мацубара, Y. (1998). Классификация криохолодильников с импульсными трубками. Труды 17-й Международной конференции по криогенной технике. Издательство Института физики. С. 11–16. ISBN 0-7503-0597-5.
  19. ^ Танаева, ИА; Линдеманн, У.; Цзян, Н.; де Ваеле, ATAM; Туммес, Г. (2004). Сверхтекучий вихревой охладитель . Достижения в криогенной технике: Труды конференции по криогенной технике. Нерешенные проблемы шума и флуктуаций . Т. 49B. AIP. С. 1906–1913. doi :10.1063/1.1774894. ISSN  0094-243X.
  20. ^ Gan, ZH; Dong, WQ; Qiu, LM; Zhang, XB; Sun, H.; He, YL; Radebaugh, R. (2009). «Одноступенчатый криоохладитель с импульсной трубкой типа GM, работающий при температуре 10,6 К». Криогеника . 49 (5). Elsevier BV: 198–201. Bibcode : 2009Cryo...49..198G. doi : 10.1016/j.cryogenics.2009.01.004. ISSN  0011-2275.
  21. ^ Мацубара, Y.; Гао, JL (1994). «Новая конфигурация трехступенчатого импульсного трубчатого холодильника для температур ниже 4 К». Криогеника . 34 (4). Elsevier BV: 259–262. doi :10.1016/0011-2275(94)90104-x. ISSN  0011-2275. S2CID  122086143.
  22. ^ Сюй, МОЙ; Де Ваэле, АТАМ; Джу, Ю.Л. (1999). «Холодильник с импульсной трубкой ниже 2 К». Криогеника . 39 (10). Эльзевир Б.В.: 865–869. Бибкод : 1999Крио...39..865X. дои : 10.1016/s0011-2275(99)00101-0. ISSN  0011-2275.
  23. ^ Zu, H.; Dai, W.; de Waele, ATAM (2022). «Разработка рефрижераторов растворения – обзор». Криогеника . 121. doi :10.1016/j.cryogenics.2021.103390. ISSN  0011-2275. S2CID  244005391.
  24. ^ Касаи, Джун; Кояма, Томоки; Ёкота, Муненори; Ивая, Кацуя (2022-04-01). «Разработка сканирующего зондового микроскопа с температурой около 5 Кельвинов, без криогена, на основе импульсной трубки-холодильника». Обзор научных инструментов . 93 (4): 043711. arXiv : 2204.01195 . Bibcode : 2022RScI...93d3711K. doi : 10.1063/5.0084888. ISSN  0034-6748. PMID  35489903.
  25. ^ Касаи, Джун; Кояма, Томоки; Ёкота, Муненори; Ивая, Кацуя (2022). «Разработка сканирующего зондового микроскопа с температурой около 5 Кельвинов, без криогена, на основе импульсной трубки-холодильника». Обзор научных инструментов . 93 (4): 043711. arXiv : 2204.01195 . Bibcode : 2022RScI...93d3711K. doi : 10.1063/5.0084888. PMID  35489903. Получено 03.04.2024 .

Внешние ссылки