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[править | править код]
В 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 (англ.: Orifice Pulse-Tube Refrigerator — холодильник на пульсирующей трубке с отверстием)[3][4]. Затем в 1990 году при использовании варианта DIPTR (англ.: 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[править | править код]
Мотор Стирлинга[править | править код]
Охладитель 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[править | править код]
В 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[править | править код]
Области 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 | править код]
- ↑ 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