Охладитель на пульсирующих трубках
Охладитель на пульсирующих трубках — тепловая машина работающая на принципе двигателя Стирлинга. По сравнению с мотором Стирлинга имеет преимущество в том, что в области холодной точки теплообмена отсутствуют движущиеся детали. За счёт этого минимальная достижимая температура не ограничивается теплом, возникающим за счёт трения скольжения и, кроме того, возможно получить очень компактные размеры охладителя. В настоящее время достигнуты температуры на 1.3 градуса выше абсолютного нуля.
История
правитьВ 1963 году американским учёным Гиффорду и Лонгсворту удалось достичь температуры в 124 К при помощи устройства построенного по принципу, названному BPTR (англ. Basic Pulse Tube Refrigerator — обычный холодильник на пульсирующей трубке)[1][2]. Впоследствии другие исследовательские группы опубликовали результаты различных улучшений, позволившие увеличить кпд и достичь более низких температур. В 1984 году удалось получить температуру 60 К в устройстве типа OPTR (Orifice Pulse-Tube Refrigerator — холодильник на пульсирующей трубке с отверстием)[3][4]. Затем в 1990 году при использовании варианта DIPTR (Double-Inlet Pulse-Tube Refrigerator — холодильник на пульсирующей трубке с двойным впуском) была получена температура сжижения гелия (меньше 4 К)[5][6]. В работах 2004, 2005 годов были получены температуры 1,3 и 1,2 К[7][8].
Принцип действия
правитьМотор Стирлинга
правитьОхладитель на пульсирующих трубках работает по принципу двигателя Стирлинга. В режиме теплового насоса рабочий газ последовательно сжимается и расширяется, что приводит к периодическому изменению его температуры. Для получения направленного теплового потока газ перекачивается в принимающий цилиндр с целью пространственного разделения областей сжатия и расширения. Кроме того газ проходит через т. н. регенератор — газопроницаемый материал с большой теплоёмкостью. Регенератор охлаждает газ в процессе сжатия и нагревается сам. В процессе расширения регенератор нагревает газ и охлаждается сам. В среднем в результате работы возникает разница температур. Если поддерживать более тёплую точку при комнатной температуре, то более холодная может использоваться для охлаждения.
Охладитель на пульсирующих трубках
правитьВ охладителе на пульсирующих трубках избегают применения каких-либо движущихся частей. Периодическое изменение давления создаётся обычно удалённым компрессором. Газ, который входит и выходит в охладитель, после регенератора поступает в т. н. пульсирующую трубку, заменяющую собой часть двигателя Стирлинга. Из этой трубки газ либо не может уйти (BPTR), либо может уходить очень медленно (OPTR). Если рассматривать малый объём газа в середине пульсирующей трубки, то он периодически удаляется и приближается к регенератору. Т.о. пульсирующая трубка действует как цилиндр и заменяет второй движущийся поршень (либо движущийся регенератор) двигателя Стирлинга. Перенос тепла возможен только при наличии временной задержки в движении газа по отношению в давлению (или температуре). В двигателе Стирлинга такая задержка реализуется механически. В пульсирующей трубке (BPTR) задержка создаётся за счёт нагревания/охлаждения стенок трубки. В разновидности с отверстием (OPTR) гораздо большая задержка создаётся при помощи буферного объёма. Таким образом реализуется механизм Стирлинга без движущихся деталей и связанного с ними выделения тепла в процессах трения. Между регенератором и трубкой возникает место с минимальной температурой.
Области применения
правитьОбласти применения простираются от промышленности, науки, медицины до военной области: сжижение газов, охлаждение сенсоров, охлаждение сверхпроводящих магнитов. Применяются в качестве первичной ступени в многоступенчатых системах охлаждения, позволяющих достигать температур 4,3 мК при дополнительном использовании рефрижератора растворения[9].
Примечания
править- ↑ 1 2 W. E. Gifford, R. C. Longsworth: Pulse-tube refrigeration. In: Trans ASME. 1964, S. 264–268.
- ↑ 1 2 W. E. Gifford, R. C. Longsworth: Surface heat pumping. In: Adv Cryo Eng. 11, 1966, S. 171–179.
- ↑ 1 2 E. I. Mikulin, A. A.Tarasov, M. P. Shkrebyonock,: Low-temperature expansion pulse tubes. In: Adv Cryo Eng. 29, 1984, S. 629–637.
- ↑ 1 2 R. Radebaugh, J. Zimmerman, D. R. Smith, B. Louie: Comparison of three types of pulse tube refrigerators; New methods for reaching 60 K. In: Adv Cryo Eng. 31, 1986, S. 779–789.
- ↑ 1 2 S. Zhu, P. Wu, Z. Chen: Double inlet pulse tube refrigerator: an important improvement. In: Cryogenics. 30, Nr. 4, 1990, S. 514-520. doi:10.1016/0011-2275(90)90051-D.
- ↑ 1 2 Y. Matsubara, J. L. Gao: Novel configuration of three-stage pulse tube refrigerator for temperatures below 4 K. In: Cryogenics. 34, Nr. 4, 1994, S. 259–262. doi:10.1016/0011-2275(94)90104-X.
- ↑ 1 2 N. Jiang, U. Lindemann, F. Giebeler, G. Thummes: A ^3He pulse tube cooler operating down to 1.3 K. In: Cryogenics. 44, Nr. 11, 2004, S. 809–816. doi:10.1016/j.cryogenics.2004.05.003.
- ↑ 1 2 I. A. Tanaeva, U. Lindemann, N. Jiang, A. T. A. M. de Waele, G. Thummes: Novel concepts or devices-Superfluid vortex cooler. In: Advances in Cryogenic Engineering. 49B, 2004, S. 1906–13.
- ↑ 1 2 Kurt Uhlig: “Dry” dilution refrigerator with pulse-tube precooling. In: Cryogenics. 44, Nr. 1, Januar 2004, S. 53–57. doi:10.1016/j.cryogenics.2003.07.007