Kryokühler - Wikipedia

Ein Cryocooler ist ein eigenständiger Kühler, der normalerweise Tischplattengröße hat. Es wird verwendet, um bestimmte Anwendungen auf Tiefsttemperaturen abzukühlen. Eine Übersicht gibt Radebaugh. ^[1] Der vorliegende Artikel befasst sich mit verschiedenen Arten von Kryokühlern und basiert zum Teil auf einem Artikel von De Waele. ^[2]

Ideale Wärmetauscher und Regeneratoren [ edit ] 19659005] Wärmetauscher sind wichtige Bestandteile aller Kryokühler. Ideale Wärmetauscher haben keinen Strömungswiderstand und die Austrittsgastemperatur entspricht der (festen) Körpertemperatur T _X des Wärmetauschers. Man beachte, dass selbst ein perfekter Wärmetauscher die Eintrittstemperatur des Gases nicht beeinflusst T _i . Dies führt zu Verlusten.

Ein wichtiger Bestandteil von Kühlschränken, die mit oszillierenden Strömungen arbeiten, ist der Regenerator. Ein Regenerator besteht aus einer Matrix aus einem festen porösen Material, wie körnigen Partikeln oder Metallsieben, durch die Gas hin und her strömt. In regelmäßigen Abständen wird Wärme gespeichert und vom Material abgegeben. Der Wärmekontakt mit dem Gas muss gut sein und der Strömungswiderstand der Matrix muss niedrig sein. Dies sind widersprüchliche Anforderungen. Die thermodynamischen und hydrodynamischen Eigenschaften von Regeneratoren sind sehr kompliziert, daher macht man gewöhnlich vereinfachende Modelle. In seiner extremsten Form hat ein Regenerator ideal die folgenden Eigenschaften:

• große volumetrische Wärmekapazität des Materials;


• perfekter Wärmekontakt zwischen Gas und Matrix;


• Nulldurchflusswiderstand der Matrix;


• Nullporosität (dies ist der Volumenanteil des Gases);


• ] Null Wärmeleitfähigkeit in Fließrichtung;


• das Gas ist ideal.

Der jüngste Fortschritt auf dem Gebiet der Kryokühler ist zum großen Teil auf die Entwicklung neuer Materialien mit einer hohen Wärmekapazität unter 10 K zurückzuführen. ^[3]

Stirling-Kühlschränke [ edit ]

Abb.1 Schematische Darstellung eines Stirling-Kühlers. Das System hat einen Kolben bei Umgebungstemperatur T _a und einen Kolben bei niedriger Temperatur T _L .

Der Basistyp eines Stirling-Kühlers ist dargestellt in Fig.1. Von links nach rechts besteht es aus einem Kolben, einem Kompressionsraum und einem Wärmetauscher (alle bei Umgebungstemperatur T _a ), einem Regenerator und einem Wärmetauscher, einem Expansionsraum und einem Kolben ( alles bei niedriger Temperatur T _L ). Links und rechts soll der thermische Kontakt mit der Umgebung bei den Temperaturen T _a und T _L perfekt sein, so dass Kompression und Expansion isotherm sind. Die während der Erweiterung geleistete Arbeit wird verwendet, um die gesamte Eingangsleistung zu reduzieren. Normalerweise ist Helium die Arbeitsflüssigkeit.

Abb.2 Vier Zustände im Stirling-Zyklus.

Der Kühlzyklus wird in 4 Stufen aufgeteilt, wie in Abb. 2 dargestellt. Der Zyklus beginnt, wenn sich die beiden Kolben in ihrer am weitesten linken Position befinden:

• Von a nach b. Der warme Kolben bewegt sich nach rechts, während der kalte Kolben fixiert ist. Die Kompression am heißen Ende ist isotherm (per Definition), so dass Wärme Q _a bei Umgebungstemperatur an Umgebung abgegeben wird T _a . Von b bis c. Die beiden Kolben bewegen sich nach rechts. Das Volumen zwischen den beiden Kolben wird konstant gehalten. Das heiße Gas tritt mit der Temperatur in den Regenerator T _a ein und verlässt es mit der Temperatur T _L . Das Gas gibt Wärme an das Regeneratormaterial ab.


• Von c bis d. Der kalte Kolben bewegt sich nach rechts, während der warme Kolben fixiert ist. Die Expansion ist isotherm und Wärme Q _L wird aufgenommen. Dies ist die nützliche Kühlleistung.


• Von d bis a. Die beiden Kolben bewegen sich nach links, während das Gesamtvolumen konstant bleibt. Das Gas tritt mit niedriger Temperatur in den Regenerator ein T _L und verlässt es mit hoher Temperatur T _a so dass Wärme vom Regeneratormaterial aufgenommen wird. Am Ende dieses Schritts ist der Zustand des Kühlers derselbe wie am Anfang.

Fig. 3 pV-Diagramm des idealen Stirling-Zyklus.

Im pV-Diagramm (Fig. 3) besteht der entsprechende Zyklus von zwei Isothermen und zwei Isochoren. Das Volumen V ist das Volumen zwischen den beiden Kolben. In der Praxis ist der Zyklus nicht wie oben beschrieben in diskrete Schritte unterteilt. Normalerweise werden die Bewegungen beider Kolben durch gemeinsame Drehachsen angetrieben, wodurch die Bewegungen harmonisch werden. Die Phasendifferenz zwischen den Bewegungen der beiden Kolben beträgt etwa 90 °. Im Idealfall ist der Zyklus reversibel, so dass der COP (das Verhältnis der Kühlleistung und der Eingangsleistung) gleich dem Carnot-COP ist, der durch T _L / ( T [19659006)angegebenwird] a - T _L ).

Es ist nicht so praktisch, einen kalten Kolben zu haben, wie oben beschrieben, so dass in vielen Fällen ein Verdränger anstelle des kalten Kolbens verwendet wird. Ein Verdränger ist ein fester Körper, der sich im kalten Kopf hin und her bewegt und das Gas zwischen dem warmen und dem kalten Ende des kalten Kopfes über den Regenerator hin und her bewegt. Es ist keine Arbeit zum Bewegen des Verdrängers erforderlich, da im Idealfall kein Druckabfall darüber auftritt. Normalerweise ist seine Bewegung um 90 Grad mit dem Kolben außer Phase. Im Idealfall entspricht der COP auch dem Carnot-COP.

Abb.4 Schematische Darstellung eines Stirling-Kühlschranks mit zwei Paaren. Die Kühlleistung wird dem Wärmetauscher des Kaltfingers zugeführt. Normalerweise sind die Wärmeströme so gering, dass keine physischen Wärmetauscher um das Splitrohr erforderlich sind.

Ein anderer Stirling-Kühler ist der Split-Pair-Typ (Abb. 4), bestehend aus einem Kompressor, einem Splitrohr, und ein kalter Finger. Normalerweise bewegen sich zwei Kolben in entgegengesetzte Richtungen, die durch Wechselstrom-Magnetfelder angetrieben werden (wie in Lautsprechern). Die Kolben können durch sogenannte Flexur-Lager aufgehängt werden. Sie sorgen für Steifigkeit in radialer Richtung und Flexibilität in axialer Richtung. Die Kolben und das Verdichtergehäuse berühren sich nicht, so dass keine Schmiermittel benötigt werden und es keinen Verschleiß gibt. Der Regenerator im kalten Finger ist an einer Feder aufgehängt. Der Kühler arbeitet bei einer Frequenz nahe der Resonanzfrequenz des Masse-Feder-Systems des Kaltfingers.

GM-Kühlschränke [ edit ]

. Abb. 5 Schematische Darstellung eines GM-Kühlers. V _l und V _h sind Puffervolumen des Kompressors. Die Kompressionswärme wird über einen Wärmetauscher vom Kühlwasser des Kompressors abgeführt. Die Drehschieber verbinden den Kühler abwechselnd mit der Hoch- und der Niederdruckseite des Verdichters und laufen synchron mit dem Verdränger.

Gifford-McMahon (GM) -Kühler ^[4] haben in vielen Niedertemperatursystemen, z.B. in MRI und Kryopumpen. Fig. 5 ist ein schematisches Diagramm. Helium bei Drücken im Bereich von 10 bis 30 bar ist das Arbeitsfluid. Der Kaltkopf enthält einen Kompressions- und Expansionsraum, einen Regenerator und einen Verdränger. Normalerweise sind der Regenerator und der Verdränger in einem Körper vereint. Die Druckschwankungen im Kaltkopf werden durch periodisches Anschließen an die Hoch- und Niederdruckseite eines Kompressors durch ein Drehventil erhalten. Seine Position ist mit der Bewegung des Verdrängers synchronisiert. Während des Öffnens und Schließens der Ventile finden irreversible Prozesse statt, so dass GM-Kühler intrinsische Verluste haben. Dies ist ein klarer Nachteil dieses Kühlertyps. Der Vorteil ist, dass die Taktfrequenzen des Kompressors und des Verdrängers entkoppelt sind, so dass der Kompressor mit einer Netzfrequenz (50 oder 60 Hz) laufen kann, während der Zyklus des Kaltkopfs 1 Hz beträgt. Auf diese Weise kann das Hubvolumen des Kompressors 50 (60) mal kleiner sein als der des Kühlers. Grundsätzlich können (billige) Kompressoren für Haushaltskühlgeräte verwendet werden, jedoch muss eine Überhitzung des Kompressors verhindert werden, da er nicht für Helium ausgelegt ist. Es muss auch verhindert werden, dass Öldampf durch hochwertige Reinigungsfallen in den Regenerator gelangt.

Fig. 6 Die vier Stufen des Kühlkreislaufs des GM-Kühlers.

Der Kreislauf kann in vier Stufen mit Bild 6 wie folgt unterteilt werden:

Der Zyklus beginnt mit dem Niederdruckventil (Lp), dem Hochdruckventil (HP) und dem Verdränger ganz nach rechts (also im kalten Bereich). Das gesamte Gas ist auf Raumtemperatur.

• Von a nach b. Der Verdränger bewegt sich nach links, während der kalte Kopf mit der HD-Seite des Kompressors verbunden ist. Das Gas passiert den Regenerator, der bei Umgebungstemperatur in den Regenerator eintritt T _a und verlässt es mit Temperatur T _L . Wärme wird durch das Gas an das Regeneratormaterial abgegeben.


• Von b bis c. Das HP-Ventil wird geschlossen und das LP-Ventil bei fester Position des Verdrängers geöffnet. Ein Teil des Gases strömt durch den Regenerator zur LP-Seite des Kompressors. Das Gas dehnt sich aus. Die Expansion ist isotherm, so dass Wärme aus der Anwendung aufgenommen wird. Dies ist die nutzbare Kühlleistung.


• Von c bis d. Der Verdränger bewegt sich nach rechts, wobei der kalte Kopf mit der LP-Seite des Verdichters verbunden ist, wodurch das kalte Gas den Regenerator durchströmt und dabei Wärme vom Regenerator aufgenommen wird.


• Von d nach a. Das LP-Ventil wird geschlossen und das HP-Ventil bei fester Position des Verdrängers geöffnet. Das Gas, das sich jetzt am heißen Ende des kalten Kopfes befindet, wird komprimiert und Wärme wird an die Umgebung abgegeben. Am Ende dieses Schritts sind wir wieder in Position a.

Pulsröhren-Kühlschränke [ edit ]

. Fig. 7 Schematische Darstellung eines PTR mit einer einzigen Öffnung vom Stirling-Typ.

Der Pulsrohrkühler wird in einem separaten Artikel behandelt. Der Vollständigkeit halber ist ein sogenannter Stirling-Typ-PTR mit einer Öffnung in 7 schematisch dargestellt. Von links nach rechts besteht es aus: einem Kolben, der sich vor und zurück bewegt; einen Wärmetauscher X₁ (nachkühler), bei dem Wärme bei Raumtemperatur ( T _a ) an Kühlwasser oder in die Umgebung abgegeben wird; einen Regenerator; einen Wärmetauscher X _L bei niedriger Temperatur ( T _L ), wo Wärme von der Anwendung aufgenommen wird; eine Röhre, oft als Pulsröhre bezeichnet; einen Wärmetauscher X₃ auf Raumtemperatur ( T _a ); einen Strömungswiderstand (Öffnung); ein Puffervolumen, bei dem der Druck p _B praktisch konstant ist.

Joule-Thomson-Kühler [ edit

Abb. 8 Schematische Darstellung eines JT-Verflüssigers. Eine Fraktion x des komprimierten Gases wird als Flüssigkeit entfernt. Bei Raumtemperatur wird es als Gas mit einem Druck von 1 bar geliefert, so dass sich das System im stationären Zustand befindet.

Der Joule-Thomson (JT) -Kühler wurde von Carl von Linde und William Hampson erfunden, daher wird er auch als Linde- Hampson-Kühler. Grundsätzlich handelt es sich um einen sehr einfachen Kühler, der häufig als Kryokühler oder als (Endstufe) von Liquefaktoren eingesetzt wird. Es lässt sich leicht miniaturisieren, wird aber auch in großem Umfang bei der Verflüssigung von Erdgas eingesetzt. Ein schematisches Diagramm eines JT-Verflüssigers ist in 8 dargestellt. Es besteht aus einem Kompressor, einem Gegenstromwärmetauscher, einem JT-Ventil und einem Reservoir. In 8 beziehen sich die Drücke und Temperaturen auf den Fall eines Stickstoffverflüssigers. Am Einlass des Kompressors hat das Gas Raumtemperatur (300 K) und einen Druck von 1 bar (Punkt a). Die Kompressionswärme wird durch Kühlwasser abgeführt. Nach der Kompression beträgt die Gastemperatur Umgebungstemperatur (300 K) und der Druck beträgt 200 bar (Punkt b). Als nächstes tritt es in die warme (Hochdruck-) Seite des Gegenstromwärmetauschers ein, wo es vorgekühlt wird. Sie verlässt den Wärmetauscher bei Punkt c. Nach der JT-Expansion, Punkt d, hat es eine Temperatur von 77,36 K und einen Druck von 1 bar. Die flüssige Fraktion ist x . Die Flüssigkeit verlässt das System am Boden des Reservoirs (Punkt e) und das Gas (Fraktion 1 x ) strömt in die kalte (Niederdruck-) Seite des Gegenstromwärmetauschers (Punkt f). Es verlässt den Wärmetauscher bei Raumtemperatur (Punkt a). Um das System im stationären Zustand zu halten, wird Gas zugeführt, um die flüssige Fraktion x die entfernt wurde, zu kompensieren.

Bei Verwendung als Kryokühler werden bevorzugt Gasgemische anstelle von reinem Stickstoff verwendet. Auf diese Weise wird der Wirkungsgrad verbessert und der Hochdruck ist viel niedriger als 200 bar.

Eine detailliertere Beschreibung von Joule-Thomson-Kühlern und Joule-Thomson-Kühlschränken kann in ^[5] gefunden werden.

1. ^ R. Radebaugh, J. Phys .: Condens. Matter, Band 21, 164219 (2009)
   


2. ^ A. T. A. M. de Waele, Grundbetrieb von Kryokühlern und verwandten thermischen Maschinen, Übersichtsartikel, Journal of Low Temperature Physics, Vol.164, S. 179-236, (2011), DOI: 10.1007 / s10909-011-0373-x.
   


3. ^ T. Kuriyama, R. Hakamada, H. Nakagome, Y. Tokai, M. Sahashi, R. Li, O. Yoshida, K. Matsumoto und T. Hashimoto, Advances in Cryogenic Engineering 35B, 1261 (1990)
   


4. ^ 19659077] WE Gifford und R.C. Longsworth, Advances in Cryogenic Engineering 11, 171 (1966)
   


5. ^ A.T.A.M. de Waele Grundlagen der Joule-Thomson-Verflüssigung und JT Cooling Journal of Low Temperature Physics, Bd. 186 (2017), S. 385-403, DOI 10.1007 / S10909-016-1733-3, https://link.springer.com/ article / 10.1007 / s10909-016-1733-3
   

Siehe auch [ edit