Pulzní lednice - Pulse tube refrigerator

Termodynamika
Klasický tepelný motor Carnot
Pobočky Klasický Statistický Chemikálie Kvantová termodynamika Rovnováha  / Nerovnováha
Zákony Zeroth za prvé Druhý Třetí
Systémy Uzavřený systém Izolovaný systém Stát Stavová rovnice Ideální plyn Skutečný plyn Stav hmoty Fáze (hmota) Rovnováha Ovládání hlasitosti Nástroje Procesy Izobarický Isochoric Izotermický Adiabatický Izentropický Isenthalpic Kvazistatický Polytropické Rozšíření zdarma Reverzibilita Nezvratnost Endoreversibility Cykly Tepelné motory Tepelná čerpadla Tepelná účinnost
Systémové vlastnosti Poznámka: konjugované proměnné v kurzívou Schémata vlastností Intenzivní a rozsáhlé nemovitosti Procesní funkce Práce Teplo Funkce státu Teplota  / entropie  ( úvod ) Tlak  / objem Chemický potenciál  / Číslo částic Kvalita páry Zmenšené vlastnosti
Vlastnosti materiálu Databáze nemovitostí Specifická tepelná kapacita  ${\ displaystyle c =}$ ${\ displaystyle T}$ ${\ displaystyle \ partial S}$ ${\ displaystyle N}$ ${\ displaystyle \ partial T}$ Stlačitelnost  ${\ displaystyle \ beta =-}$ ${\ displaystyle 1}$ ${\ displaystyle \ partial V}$ ${\ displaystyle V}$ ${\ Displaystyle \ partial p}$ Teplotní roztažnost  ${\ displaystyle \ alpha =}$ ${\ displaystyle 1}$ ${\ displaystyle \ partial V}$ ${\ displaystyle V}$ ${\ displaystyle \ partial T}$
Rovnice Carnotova věta Clausiova věta Základní vztah Ideální plynový zákon Maxwellovy vztahy Vzájemné vztahy Onsageru Bridgmanovy rovnice Tabulka termodynamických rovnic
Potenciály Energie zdarma Volná entropie
Dějiny Kultura Dějiny Všeobecné Entropie Plynové zákony Stroje „s věčným pohybem“ Filozofie Entropie a čas Entropie a život Brownova ráčna Maxwellův démon Paradox smrti smrti Loschmidtův paradox Synergetika Teorie Kalorická teorie Vis viva („živá síla“) Mechanický ekvivalent tepla Hnací síla Klíčové publikace „ Experimentální šetření týkající se ... tepla “ „ O rovnováze heterogenních látek “ „ Úvahy o hybné síle ohně “ Časové osy Termodynamika Tepelné motory Umění Vzdělávání Maxwellův termodynamický povrch Entropie jako rozptýlení energie
Vědci Bernoulli Boltzmann Carnot Clapeyron Clausius Carathéodory Duhem Gibbsi von Helmholtz Joule Maxwell von Mayer Onsager Rankine Smeaton Stahl Thompson Thomson van der Waals Waterston
jiný Nukleace Vlastní montáž Samoorganizace Pořádek a nepořádek
Kategorie
proti t E

Chladnička pulzní trubice (PTR) nebo pulsní trubice kryochladiče je vyvíjet technologie, které se objevily ve velké míře v časných 1980 s řadou dalších inovací v širší oblasti thermoacoustics . Na rozdíl od jiných kryochladičů (např. Stirlingův chladič krystalů a GM-chladničky ) může být tento chladič krystalů vyroben bez pohyblivých částí v nízkoteplotní části zařízení, díky čemuž je chladič vhodný pro širokou škálu aplikací.

Využití

Pulzní trubkové kryokonzolovače se používají v průmyslových aplikacích, jako je výroba polovodičů, a ve vojenských aplikacích, například pro chlazení infračervených senzorů . Pulzní elektronky se vyvíjejí také pro chlazení astronomických detektorů, kde se obvykle používají kapalné kryogeny, jako je Atacama Cosmology Telescope nebo Qubic experiment (interferometr pro kosmologické studie). PTR se používají jako předchladiče ředicích chladniček . Pulzní trubice jsou zvláště užitečné v kosmických dalekohledech , jako je James Webb Space Telescope, kde není možné doplňovat kryogeny, když jsou vyčerpány. Bylo také navrženo, že pulzní trubice by mohly být použity ke zkapalnění kyslíku na Marsu .

Princip činnosti

Obrázek 1: Schematický nákres jednootvorového PTR Stirlingova typu. Zleva doprava: kompresor, výměník tepla (X ₁ ), regenerátor, výměník tepla (X ₂ ), trubice (často nazývaná „pulzní trubice“), výměník tepla (X ₃ ), průtokový odpor (ústí) a objem pufru. Chlazení je generován na nízké teplotě T _L . Pokojová teplota je T _H .

Obrázek 1 představuje jednootvorovou pulzní zkumavku Stirlingova typu (PTR), která je naplněna plynem, obvykle heliem, při tlaku pohybujícím se od 10 do 30 barů. Zleva doprava jsou tyto komponenty:

• kompresor s pístem pohybujícím se tam a zpět při pokojové teplotě T _H
• výměník tepla X ₁ , kde se teplo uvolňované do okolí při teplotě místnosti
• regenerátor sestávající z porézního média s velkým měrným teplem (což může být pletivo z nerezové oceli, pletivo z měděného drátu, drátěné pletivo z fosforového bronzu nebo olověné kuličky nebo olověné broky nebo materiály ze vzácných zemin k výrobě velmi nízké teploty), ve kterém plyn proudí sem a tam
• výměník tepla X ₂ , chlazený plynem, kde je užitečný chladicí výkon dodáván při nízké teplotě T _L , odebíraný z chlazeného předmětu${\ displaystyle {\ dot {Q}} _ {L}}$
• trubice, ve které je plyn tlačen a tažen
• výměník tepla X ₃ při pokojové teplotě, kde se teplo uvolňuje do okolí
• odpor toku (často nazývaný clona)
• objem pufru (velký uzavřený objem při prakticky konstantním tlaku)

Obrázek 2: Vlevo: (poblíž X ₂ ): plynový prvek vstupuje do trubice s teplotou T _L a opouští ji s nižší teplotou. Vpravo: (poblíž X ₃ ): plynový prvek vstupuje do trubice s teplotou T _H a opouští ji s vyšší teplotou.

Část mezi X ₁ a X ₃ je tepelně izolována od okolí, obvykle vakuem. Tlak se postupně mění a rychlosti plynu jsou nízké. Takže název „pulzní“ trubkový chladič je zavádějící, protože v systému nejsou žádné impulsy.

Píst se pravidelně pohybuje zleva doprava a zpět. V důsledku toho se plyn také pohybuje zleva doprava a zpět, zatímco tlak v systému se zvyšuje a snižuje. Pokud se plyn z prostoru kompresoru přesune doprava, vstupuje do regenerátoru s teplotou T _H a opouští regenerátor na studeném konci s teplotou T _L , proto je teplo přenášeno do materiálu regenerátoru. Po jeho návratu je teplo uložené v regenerátoru převedeno zpět do plynu.

V trubici je plyn tepelně izolován (adiabaticky), takže teplota plynu v trubici se mění s tlakem.

Na studeném konci trubky vstupuje plyn do trubice přes X _2, když je tlak vysoký s teplotou T _L, a vrací se zpět, když je tlak nízký s teplotou nižší než T _L , tedy odebírá teplo z X ₂  : to dává požadovaný chladicí účinek při X ₂ .

Abyste pochopili, proč se nízkotlaký plyn vrací při nižší teplotě, podívejte se na obrázek 1 a zvažte molekuly plynu blízko X ₃ (na horkém konci), které se pohybují dovnitř a ven z trubice otvorem. Molekuly proudí do trubice, když je tlak v trubici nízký (je nasáván do trubice přes X ₃ přicházející z otvoru a pufru). V okamžiku vstupu do trubice má teplotu T _H . Později v cyklu je stejná hmotnost plynu vytlačována z trubice znovu, když je tlak uvnitř trubice vysoký. V důsledku jeho teplota bude vyšší než T _H . Ve výměníku tepla X ₃ , uvolňuje teplo a ochlazuje na teplotu okolí T _H .

Obrázek 3: Koaxiální pulzní trubice s posunovačem

Obrázek 3 ukazuje koaxiální pulzní trubici, což je užitečnější konfigurace, ve které regenerátor obklopuje centrální pulzní trubici. Je kompaktní a umístí chladnou hlavu na konec, takže se snadno integruje s čímkoli, co má být chlazeno. Vyměňovač může být pasivně poháněn a tím se obnoví práce, která by se jinak rozptýlila v otvoru.

Výkon

Výkon chladiče je dán především kvalitou regenerátoru. Musí splňovat protichůdné požadavky: musí mít nízký odpor proudění (musí být tedy krátký u širokých kanálů), ale také by měla být dobrá výměna tepla (takže musí být dlouhá s úzkými kanály). Materiál musí mít velkou tepelnou kapacitu. Při teplotách nad 50 K jsou vhodné prakticky všechny materiály. Často se používá bronz nebo nerezová ocel. Pro teploty mezi 10 a 50 K je nejvhodnější olovo. Pod 10 K se používají magnetické materiály, které jsou speciálně vyvinuty pro tuto aplikaci.

Tzv koeficient výkonu (COP) chladičů je definována jako poměr mezi chladicího výkonu a výkonu kompresoru P . Ve vzorci: . Pro dokonale reverzibilní chladič je dána Carnotovou větou  : ${\ displaystyle \ xi}$${\ displaystyle {\ dot {Q}} _ {L}}$${\ displaystyle \ xi = {\ dot {Q}} _ {L}/P}$${\ displaystyle \ xi}$

${\ displaystyle \ xi _ {C} = {\ frac {T_ {L}} {T_ {H} -T_ {L}}}}$

( 1 )

Pulzní lednice však není dokonale reverzibilní kvůli přítomnosti otvoru, který má průtokový odpor. Místo toho je COP ideálního PTR dána vztahem

${\ displaystyle \ xi _ {PTR} = {\ frac {T_ {L}} {T_ {H}}}}$

( 2 )

což je nižší než u ideálních chladičů.

Srovnání s jinými chladiči

Ve většině chladičů je plyn pravidelně stlačován a expandován. Známé chladiče, jako jsou chladiče Stirlingova motoru a oblíbené chladiče Gifford-McMahon, mají přemísťovač, který zajišťuje, že chlazení (v důsledku expanze) probíhá v jiné oblasti stroje než v topení (v důsledku komprese). Díky své chytré konstrukci nemá PTR takový přemísťovač. To znamená, že konstrukce PTR je jednodušší, levnější a spolehlivější. Kromě toho neexistují žádné mechanické vibrace a žádné elektromagnetické interference. Základní provoz kryocoolerů a souvisejících tepelných strojů popisuje De Waele

Dějiny

Obrázek 4: Teplota PTR v průběhu let. Teploty 1,2 K bylo dosaženo ve spolupráci mezi skupinami Giessen a Eindhoven. Jako dodatečný chladicí stupeň k PTR použili superfluidní vířivý chladič.

Joseph Waldo v 60. letech vynalezl takzvanou základní pulzní trubkovou ledničku. Moderní PTR vynalezl Mikulin zavedením clony do základní pulzní trubice v roce 1984. Dosáhl teploty 105 K. Brzy poté se PTR zlepšily díky vynálezu nových variací. To je znázorněno na obrázku 4, kde je nejnižší teplota pro PTR vynesena jako funkce času.

V tuto chvíli je nejnižší teplota pod bodem varu helia (4,2 K). Původně to bylo považováno za nemožné. Nějakou dobu to vypadalo, že by bylo nemožné ochladit pod bod lambda ⁴ He (2,17 K), ale nízkoteplotní skupině Eindhovenské technické univerzity se podařilo vychladnout na teplotu 1,73 K nahrazením obvyklého ⁴ Jako chladivo svým vzácným izotopem ³ He. Později byl tento rekord překonán skupinou Giessen, která se dokázala dostat dokonce pod 1,3 K. Ve spolupráci mezi skupinami z Giessenu a Eindhovenu bylo dosaženo teploty 1,2 K kombinací PTR a superfluidního vírového chladiče.

Typy pulzních trubkových chladniček

Pro získání chlazení není zdroj změn tlaku důležitý. PTR pro teploty pod 20 K obvykle pracují při frekvencích 1 až 2 Hz a s kolísáním tlaku od 10 do 25 barů. Vymetený objem kompresoru by byl velmi vysoký (až jeden litr a více). Proto je kompresor odpojen od chladiče. Systém ventilů (obvykle rotující ventil) střídavě spojuje vysokotlakou a nízkotlakou stranu kompresoru s horkým koncem regenerátoru. Protože vysokoteplotní část tohoto typu PTR je stejná jako u GM chladičů, tento typ PTR se nazývá PTR typu GM. Plyny procházející ventily jsou doprovázeny ztrátami, které v PTR Stirlingova typu chybí.

PTR lze klasifikovat podle jejich tvaru. Pokud jsou regenerátor a trubice v jedné linii (jako na obr. 1), hovoříme o lineárním PTR. Nevýhodou lineárního PTR je, že studené místo je uprostřed chladiče. Pro mnoho aplikací je výhodné, aby se chlazení vyrábělo na konci chladiče. Ohnutím PTR získáme chladič ve tvaru písmene U. Oba horké konce lze namontovat na přírubu vakuové komory při pokojové teplotě. Toto je nejběžnější tvar PTR. U některých aplikací je výhodnější mít válcovou geometrii. V takovém případě může být PTR konstruován koaxiálním způsobem, takže z regenerátoru se stane prstencový prostor obklopující trubku.

Nejnižší teplota dosažená u jednostupňových PTR je těsně nad 10 K. Jeden PTR však lze použít k předchlazení druhého. Horký konec druhé trubice je připojen k pokojové teplotě a ne ke studenému konci prvního stupně. Tímto chytrým způsobem je zabráněno tomu, aby teplo, uvolňované na horkém konci druhé trubice, bylo zátěží na prvním stupni. V aplikacích první stupeň funguje také jako platforma pro ukotvení teploty například pro štítové chlazení kryostatů supravodivých magnetů. Matsubara a Gao byli první, kdo se ochladil pod 4K s třístupňovým PTR. S dvoustupňovými PTR byly získány teploty 2,1 K, tedy těsně nad bodem λ helia. S třístupňovým PTR bylo dosaženo 1,73 K s použitím ³ He jako pracovní tekutiny.

Vyhlídky

Koeficient výkonu PTR při pokojové teplotě je nízký, takže není pravděpodobné, že budou hrát roli v domácím chlazení. Pod přibližně 80 K je však koeficient výkonu srovnatelný s jinými chladiči (porovnejte rovnice ( 1 ) a ( 2 )) a v oblasti nízkých teplot mají výhody navrch. Pro teplotní oblasti 70K a 4K jsou PTR komerčně dostupné. Jsou použity v infračervené detekční systémy, pro snížení tepelného šumu v zařízení na bázi (high-T _c ) supravodivost, jako jsou olihní a filtry pro telekomunikace. PTR jsou také vhodné pro chlazení systémů MRI a systémů souvisejících s energií pomocí supravodivých magnetů. U takzvaných suchých magnetů se chladiče používají tak, že není potřeba vůbec žádná kryo-kapalina nebo pro rekondici odpařeného helia. Atraktivní je také kombinace kryocoolerů s ředicími chladničkami ³ He- ⁴ He pro teplotní oblast do 2 mK, protože tímto způsobem je snadněji přístupný celý teplotní rozsah od pokojové teploty do 2 mK.

Viz také

• Kryocooler
• Regenerační chlazení
• Časová osa nízkoteplotní technologie

Reference

externí odkazy

• Krátká historie pulzních zkumavek (NASA)
• Domovská skupina SHI Cryogenics Group
• Cryomech Home
• Pulzní elektronka (Thales Cryogenics)
• Kryocoolátor vesmírného teleskopu Jamese Webba (JWST/NASA)