Холодильник, предназначенный для достижения криогенных температур (ниже 120 К, -153 °C, -243,4 °F), часто называют криокулер . Этот термин чаще всего используется для небольших систем, как правило, настольного размера, с входной мощностью менее 20 кВт. Некоторые могут иметь входную мощность всего 2–3 Вт. Большие системы, такие как те, которые используются для охлаждения сверхпроводящих магнитов в ускорителях частиц, чаще называют криогенными холодильниками. Их входная мощность может достигать 1 МВт. В большинстве случаев криокулеры 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, затем расширяется при некоторой низкой температуре. Возвращающаяся жидкость низкого давления проходит через теплообменник для предварительного охлаждения жидкости высокого давления перед поступлением во впускной патрубок компрессора. Затем цикл повторяется.
Теплообменники являются важными компонентами всех криокулеров. Идеальные теплообменники не имеют сопротивления потоку, а температура выходящего газа совпадает с (фиксированной) температурой тела T X теплообменника. Обратите внимание, что даже идеальный теплообменник не повлияет на входную температуру T i газа. 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 вперед и назад. Периодически материал сохраняет и выделяет тепло. Тепловой контакт с газом должен быть хорошим, а сопротивление потоку 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 криоохладителей за последние десятилетия во многом обусловлен разработкой новых материалов с высокой теплоемкостью ниже 10 К. [1]
Базовый тип охладителя типа Стирлинга изображен на рис. 1. Он состоит из (слева направо):
Слева и справа тепловой контакт с окружающей средой при температурах T a и T L предполагается идеальным, так что сжатие и расширение являются изотермическими . Работа, выполняемая при расширении, используется для уменьшения общей входной мощности. Обычно рабочим телом является гелий .
Цикл охлаждения разделен на 4 этапа, как показано на рис. 2. Цикл начинается, когда два поршня находятся в своих самых левых положениях:
На диаграмме pV (рис. 3) соответствующий цикл состоит из двух изотерм и двух изохор. Объем V — это объем между двумя поршнями. На практике цикл не делится на дискретные шаги, как описано выше. Обычно движения обоих поршней приводятся в действие общей вращательной осью, что делает движения гармоническими. Разность фаз между движениями двух поршней составляет около 90°. В идеальном случае цикл обратим, поэтому КПД (отношение мощности охлаждения к входной мощности) равен КПД Карно , определяемому как T L /( T a − T L ).
Не так практично иметь холодный поршень, как описано выше, поэтому во многих случаях вместо холодного поршня используется вытеснитель. Вытеснитель — это твердое тело, которое движется вперед и назад в холодной головке, перемещая газ вперед и назад между теплым и холодным концом холодной головки через регенератор. Для перемещения вытеснителя не требуется никакой работы, поскольку в идеале на нем нет перепада давления. Обычно его движение на 90 градусов не совпадает по фазе с поршнем. В идеальном случае КПД также равен КПД Карно.
Другой тип охладителя Стирлинга — это сплит-парный тип (рис. 4), состоящий из компрессора, сплит-трубы и холодного пальца. Обычно есть два поршня, движущихся в противоположных направлениях, приводимых в движение переменными магнитными полями (как в громкоговорителях). Поршни могут быть подвешены так называемыми изгибными подшипниками. Они обеспечивают жесткость в радиальном направлении и гибкость в осевом направлении. Поршни и корпус компрессора не соприкасаются, поэтому смазка не нужна, и износ отсутствует. Регенератор в холодном пальце подвешен пружиной. Охладитель работает на частоте, близкой к резонансной частоте системы масса-пружина холодного пальца.
Охладители Gifford- McMahon (GM) [2] нашли широкое применение во многих низкотемпературных системах, например, в МРТ и крионасосах. Рис. 5 представляет собой принципиальную схему. Рабочей жидкостью является гелий при давлении в диапазоне 10–30 бар (150–440 фунтов на кв. дюйм). Холодная головка содержит пространство сжатия и расширения, регенератор и вытеснитель. Обычно регенератор и вытеснитель объединены в одном корпусе. Изменения давления в холодной головке достигаются путем ее периодического подключения к сторонам высокого и низкого давления компрессора с помощью вращающегося клапана. Его положение синхронизировано с движением вытеснителя. Во время открытия и закрытия клапанов происходят необратимые процессы, поэтому охладители GM имеют внутренние потери. Это явный недостаток этого типа охладителя. Преимущество заключается в том, что частоты цикла компрессора и вытеснителя не связаны, так что компрессор может работать на частоте сети (50 или 60 Гц), в то время как цикл холодной головки составляет 1 Гц. Таким образом, рабочий объем компрессора может быть в 50 или 60 раз меньше, чем у охладителя. В принципе, можно использовать (дешевые) компрессоры бытовых холодильников, но необходимо предотвратить перегрев компрессора, так как он не рассчитан на гелий. Также необходимо предотвратить попадание паров масла в регенератор с помощью высококачественных очистных ловушек.
Цикл можно разделить на четыре этапа, как показано на рис. 6, следующим образом:
Цикл начинается с закрытого клапана низкого давления (LP), открытого клапана высокого давления (HP) и вытеснителя, сдвинутого до упора вправо (то есть в холодную область). Весь газ имеет комнатную температуру.
Так называемый односопловой PTR типа Стирлинга схематически представлен на рис. 7. Слева направо он состоит из: поршня, который движется вперед и назад; теплообменника X 1 (доохладителя), где тепло отдается при комнатной температуре ( T a ) в окружающую среду; регенератора; теплообменника X L при низкой температуре ( T L ), где тепло поглощается из приложения; трубки, часто называемой импульсной трубкой; теплообменника X 3 до комнатной температуры ( T a ); сопротивления потоку (сопла); буферного объема, в котором давление p B практически постоянно.
Охладитель 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 криоохладителя или (конечной стадии) хладагентов. Его можно легко миниатюризировать, но он также используется в очень больших масштабах при сжижении природного газа. Принципиальная схема ожижителя JT приведена на рис. 8. Он состоит из компрессора, противоточного теплообменника, клапана JT и резервуара.
На рис. 8 давления и температуры относятся к случаю сжижителя азота. На входе в компрессор газ имеет комнатную температуру (300 К) и давление 1 бар (точка a). Тепло сжатия отводится охлаждающей водой. После сжатия температура газа равна температуре окружающей среды (300 К), а давление составляет 200 бар (2900 фунтов на кв. дюйм) (точка b). Затем он поступает на теплую (высокого давления) сторону противоточного теплообменника, где предварительно охлаждается. Он покидает теплообменник в точке c. После расширения Джоуля-Томсона, точка d, он имеет температуру 77,36 К (−195,79 °C; −320,42 °F) и давление 1 бар. Жидкая фракция равна x . Жидкость покидает систему в нижней части резервуара (точка e), а газ (фракция 1 − x ) поступает в холодную (низконапорную) сторону противоточного теплообменника (точка f). Он покидает теплообменник при комнатной температуре (точка a). Для поддержания системы в устойчивом состоянии подается газ для компенсации удаленной жидкой фракции x .
При использовании в качестве криоохладителя предпочтительнее использовать газовые смеси вместо чистого азота. Таким образом повышается эффективность, а высокое давление значительно ниже 200 бар.
Более подробное описание охладителей Джоуля-Томсона и холодильников Джоуля-Томсона можно найти в [3] .
Криокулеры являются ключевой технологией, позволяющей использовать инфракрасное обнаружение и прикладную сверхпроводимость . [4] Приложения включают сверхпроводящую электронику и квантовые вычисления . Компактные криокулеры были разработаны для сверхпроводящих фотонных детекторов . [5]
В статье использованы материалы, являющиеся общественным достоянием Национального института стандартов и технологий.