Pulsrörskylskåp

Pulsrörskylskåpet (PTR) eller pulsrörskryokylaren är en teknologi under utveckling som till stor del uppstod i början av 1980-talet med en rad andra innovationer inom det bredare området termakustik . Till skillnad från andra kryokylare (t.ex. Stirling kryokylare och GM-kylskåp ) kan denna kryokylare tillverkas utan rörliga delar i enhetens lågtemperaturdel, vilket gör kylaren lämplig för en mängd olika applikationer.

Används

Pulsrörskryokylare används i industriella tillämpningar som halvledartillverkning och i militära tillämpningar som för kylning av infraröda sensorer . Pulsrör utvecklas också för kylning av astronomiska detektorer där flytande kryogener vanligtvis används, såsom Atacama Cosmology Telescope eller Qubic-experimentet (en interferometer för kosmologistudier). PTR används som förkylare till utspädningskylskåp . Pulsrör är särskilt användbara i rymdbaserade teleskop som James Webb Space Telescope där det inte är möjligt att fylla på kryogenerna eftersom de är utarmade. Det har också föreslagits att pulsrör skulle kunna användas för att göra syre flytande på Mars .

Funktionsprincip

Figur 1: Schematisk ritning av en PTR med en öppning av Stirling-typ. Från vänster till höger: en kompressor, en värmeväxlare (X ₁ ), en regenerator, en värmeväxlare (X ₂ ), ett rör (ofta kallat pulsröret ), en värmeväxlare (X ₃ ), ett flödesmotstånd (munstycke). ) och en buffertvolym. Kylningen genereras vid den låga _temperaturen TL . Rumstemperaturen är T _H .

Figur 1 representerar ett pulsrörskylskåp av Stirling-typ (PTR), som är fyllt med en gas, typiskt helium vid ett tryck som varierar från 10 till 30 bar. Från vänster till höger är komponenterna:

en kompressor, med en kolv som rör _sig fram och tillbaka vid rumstemperatur TH
en värmeväxlare X ₁ där värme avges till omgivningen vid rumstemperatur
en regenerator som består av ett poröst medium med stor specifik värme (som kan vara rostfritt ståltrådsnät, koppartrådsnät, fosforbrons trådnät, blykulor, blyhagel eller sällsynta jordartsmetaller) i vilket gasen strömmar fram och tillbaka
en värmeväxlare X ₂ , kyld av gasen, där den användbara kyleffekten ${\dot {Q}}_{\text{L}}$ _levereras vid den låga temperaturen TL , hämtad från föremål som ska kylas
ett rör där gasen trycks och dras
en värmeväxlare X ₃ nära rumstemperatur där värme avges till omgivningen
ett flödesmotstånd (ofta kallat öppning)
en buffertvolym (en stor sluten volym vid praktiskt taget konstant tryck)

Figur 2: _Vänster : (nära X ₂ ): ett gaselement kommer in i röret med temperatur TL och lämnar det med en lägre temperatur. Höger : (nära X ₃ ): ett gaselement kommer in i röret med temperatur _TH och lämnar det med en högre temperatur.

Delen mellan X ₁ och X ₃ är värmeisolerad från omgivningen, vanligtvis med vakuum. Trycket varierar gradvis och gasens hastigheter är låga. Så namnet "puls" rörkylare är missvisande, eftersom det inte finns några pulser i systemet.

Kolven rör sig periodiskt från vänster till höger och tillbaka. Som ett resultat rör sig gasen också från vänster till höger och tillbaka medan trycket i systemet ökar och minskar. _från kompressorutrymmet rör sig åt höger, kommer den in i regeneratorn med temperaturen TH och lämnar regeneratorn i den kalla änden med temperaturen TL , varvid värme överförs _till regeneratormaterialet. När den återvänder överförs värmen som lagras i regeneratorn tillbaka till gasen.

I röret är gasen termiskt isolerad (adiabatisk), så temperaturen på gasen i röret varierar med trycket.

I den kalla änden av röret kommer gasen in i röret via X ₂ när trycket är högt med temperatur TL och återvänder när trycket är lågt med en temperatur under TL , _och_tar därför upp värme från X ₂ : detta ger önskad kyleffekt vid _X2 .

För att förstå varför lågtrycksgasen återvänder vid en lägre temperatur, titta på figur 1 och överväg gasmolekyler nära X ₃ (vid den varma änden), som rör sig in och ut ur röret genom öppningen. Molekyler strömmar in i röret (till vänster) när trycket i röret är lågt (det sugs in i röret via X ₃ , som kommer från öppningen och bufferten). När den går in i röret har den temperaturen TH _. Senare i cykeln trycks samma gasmassa ut ur röret igen när trycket inuti röret är högt. Som en konsekvens kommer dess temperatur att vara högre än TH _. I värmeväxlaren X 3 _avger den värme och kyls ner till omgivningstemperaturen TH _.

Figur 3: Koaxialt pulsrör med en förskjutare

Figur 3 visar ett koaxiellt pulsrör, vilket är en mer användbar konfiguration i vilken regeneratorn omger det centrala pulsröret. Denna är kompakt och placerar det kalla huvudet i slutet, så det är lätt att integrera med det som ska kylas. Förskjutaren kan drivas passivt, och detta återvinner arbete som annars skulle försvinna i öppningen.

Prestanda

Kylarens prestanda bestäms huvudsakligen av regeneratorns kvalitet. Den måste uppfylla motstridiga krav: den måste ha ett lågt flödesmotstånd (så det måste vara kort med breda kanaler), men värmeväxlingen ska också vara bra (så den måste vara lång med smala kanaler). Materialet måste ha stor värmekapacitet. Vid temperaturer över 50 K är praktiskt taget alla material lämpliga. Brons eller rostfritt stål används ofta. För temperaturer mellan 10 och 50 K är bly mest lämpligt. Under 10 K använder man magnetiska material som är speciellt utvecklade för denna applikation.

Den så kallade prestandakoefficienten (COP; betecknad $\xi$ ) för kylare definieras som förhållandet mellan kyleffekten ${\dot {Q}}_{\text{L} }$ och kompressoreffekten P . I formeln: $\xi ={\dot {Q}}_{\text{L}}/P$ . För en perfekt reversibel kylare ges ${\displaystyle \xi } av$ Carnots teorem :

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

()

Ett pulsrörskylskåp är dock inte perfekt reversibelt på grund av närvaron av öppningen, som har flödesmotstånd. Istället ges COP för en ideal PTR av

\xi _{\text{PTR}}={\frac {T_{\text{L}}}{T_{\text{H}}}}

()

vilket är lägre än för idealiska kylare.

Jämförelse med andra kylare

I de flesta kylare komprimeras och expanderas gasen periodiskt. Välkända kylare som Stirling-motorkylarna och de populära Gifford-McMahon-kylarna har en deplacerare som ser till att kylningen (på grund av expansion) sker i en annan region av maskinen än uppvärmningen (på grund av kompression). På grund av sin smarta design har PTR inte en sådan förskjutning, vilket gör konstruktionen av en PTR enklare, billigare och mer pålitlig. Dessutom finns det inga mekaniska vibrationer och inga elektromagnetiska störningar. Den grundläggande driften av kryokylare och relaterade termiska maskiner beskrivs av De Waele

Historia

Figur 4: Temperaturen på PTR under åren. Temperaturen på 1,2 K nåddes i ett samarbete mellan grupperna Giessen och Eindhoven. De använde en superfluid vortexkylare som ett extra kylsteg till PTR.

WE Gifford och RC Longsworth, på 1960-talet, uppfann det så kallade Basic Pulse Tube Refrigerator. Den moderna PTR uppfanns 1984 av Mikulin som introducerade en öppning till det grundläggande pulsröret. Han nådde en temperatur på 105 K. Strax efter det blev PTR bättre på grund av uppfinnandet av nya varianter. Detta visas i figur 4, där den lägsta temperaturen för PTR är plottad som en funktion av tiden.

För tillfället är den lägsta temperaturen under kokpunkten för helium (4,2 K). Ursprungligen ansågs detta vara omöjligt. Under en tid såg det ut som om det skulle vara omöjligt att kyla under lambdapunkten ⁴ He (2,17 K), men lågtemperaturgruppen vid Eindhoven University of Technology lyckades svalna till en temperatur på 1,73 K genom att ersätta den vanliga ⁴ He som köldmedium genom sin sällsynta isotop ³ He. Senare slogs detta rekord av Giessen-gruppen som lyckades komma även under 1,3 K. I ett samarbete mellan grupperna från Giessen och Eindhoven nåddes en temperatur på 1,2 K genom att kombinera en PTR med en superfluid vortexkylare.

Typer av pulsrörskylskåp

För att få kylningen är källan till tryckvariationerna oviktig. PTR för temperaturer under 20 K fungerar vanligtvis vid frekvenser på 1 till 2 Hz och med tryckvariationer från 10 till 25 bar. Kompressorns svepvolym skulle vara mycket hög (upp till en liter och mer). Därför kopplas kompressorn från kylaren. Ett system av ventiler (vanligtvis en roterande ventil) kopplar växelvis högtrycks- och lågtryckssidan av kompressorn till den heta änden av regeneratorn. Eftersom högtemperaturdelen av denna typ av PTR är densamma som för GM-kylare kallas denna typ av PTR en GM-typ PTR. Gasflödena genom ventilerna åtföljs av förluster som saknas i PTR av Stirling-typ.

PTR kan klassificeras efter deras form. Om regeneratorn och röret är i linje (som i fig. 1) talar vi om en linjär PTR. Nackdelen med den linjära PTR är att den kalla punkten är i mitten av kylaren. För många applikationer är det att föredra att kylningen produceras i slutet av kylaren. Genom att böja PTR får vi en U-formad kylare. Båda heta ändarna kan monteras på vakuumkammarens fläns vid rumstemperatur. Detta är den vanligaste formen av PTR. För vissa tillämpningar är det att föredra att ha en cylindrisk geometri. I så fall kan PTR konstrueras på ett koaxiellt sätt så att regeneratorn blir ett ringformat utrymme som omger röret.

Den lägsta temperaturen som uppnås med enstegs PTR är strax över 10 K. Den ena PTR kan dock användas för att förkyla den andra. Den varma änden av det andra röret är ansluten till rumstemperatur och inte till den kalla änden av det första steget. På detta smarta sätt undviks att värmen, som frigörs vid den varma änden av det andra röret, är en belastning på det första steget. I applikationer fungerar det första steget även som en temperaturförankringsplattform för t.ex. skärmkylning av supraledande magnetkryostater. Matsubara och Gao var de första att kyla under 4 K med en trestegs PTR. Med tvåstegs PTR har temperaturer på 2,1 K, alltså strax över λ-punkten för helium, erhållits. Med en trestegs PTR har 1,73 K uppnåtts med ³ He som arbetsvätska.

Utsikter

Prestandakoefficienten för PTR:er vid rumstemperatur är låg, så det är inte troligt att de kommer att spela en roll i hushållskylning. Men under cirka 80 K är prestandakoefficienten jämförbar med andra kylare (jämför ekvationerna ( 1 ) och ( 2 )) och i lågtemperaturområdet får fördelarna övertaget. PTR:er är kommersiellt tillgängliga för temperaturer i området 70 K och 4 K. De används i infraröda detekteringssystem, för att reducera termiskt brus i enheter baserade på (hög- _Tc ) supraledning såsom SQUID, och filter för telekommunikation. PTR:er är också lämpliga för kylning av MRI-system och energirelaterade system med supraledande magneter. I så kallade torrmagneter används kylare så att ingen kryovätska behövs alls eller för återkondensering av det förångade heliumet. Även kombinationen av kryokylare med ³ He- ⁴ He utspädningskylskåp för temperaturregionen ner till 2 mK är attraktiv eftersom hela temperaturområdet från rumstemperatur till 2 mK på så sätt är lättare att komma åt.

Se även

externa länkar