Hispanopedia Wiki
Articulo de referencia

refrigerador de tubo de pulso

El refrigerador de tubo de pulsos ( PTR ) o criorefrigerador de tubo de pulsos es una tecnología en desarrollo que surgió principalmente a principios de la década de 1980 junto ...

Hispanopedia WikiContenido en espanolLectura gratuita

El refrigerador de tubo de pulsos ( PTR ) o criorefrigerador de tubo de pulsos es una tecnología en desarrollo que surgió principalmente a principios de la década de 1980 junto con una serie de otras innovaciones en el campo más amplio de la termoacústica . A diferencia de otros criorefrigeradores (por ejemplo, el criorefrigerador Stirling y los refrigeradores GM ), este criorefrigerador se puede fabricar sin partes móviles en la sección de baja temperatura del dispositivo, lo que lo hace adecuado para una amplia variedad de aplicaciones.

Usos

Los criorefrigeradores de tubo de pulso se utilizan en aplicaciones industriales específicas, como la fabricación de semiconductores y los circuitos de radiofrecuencia superconductores . [ 1 ] También se utilizan en aplicaciones militares , como para la refrigeración de sensores infrarrojos . [ 2 ]

En investigación, los tubos de pulsos se utilizan a menudo como preenfriadores de refrigeradores de dilución . También se están desarrollando para la refrigeración de detectores astronómicos donde se suelen utilizar criógenos líquidos, como el Telescopio Cosmológico de Atacama [ 3 ] o el experimento Qubic [ 4 ] (un interferómetro para estudios cosmológicos). Los tubos de pulsos son particularmente útiles en telescopios espaciales como el Telescopio Espacial James Webb [ 5 ], donde no es posible reponer los criógenos a medida que se agotan. También se ha sugerido que los tubos de pulsos podrían utilizarse para licuar oxígeno en Marte [ 6 ] .

Principio de funcionamiento

Figura 1: Dibujo esquemático de un PTR de orificio único tipo Stirling. De izquierda a derecha: un compresor, un intercambiador de calor (X 1 ), un regenerador, un intercambiador de calor (X 2 ), un tubo (a menudo llamado tubo de pulso ), un intercambiador de calor (X 3 ), una resistencia al flujo (orificio) y un volumen de amortiguación. El enfriamiento se genera a la baja temperatura T L . La temperatura ambiente es T H .

La figura 1 representa el refrigerador de tubo de pulsos de orificio único tipo Stirling (PTR), que se llena con un gas, generalmente helio, a una presión que varía de 10 a 30 bar. De izquierda a derecha, los componentes son:

  • un compresor, con un pistón que se mueve hacia adelante y hacia atrás a temperatura ambiente T H
  • un intercambiador de calor X 1 donde el calor se libera al entorno a temperatura ambiente.
  • un regenerador que consiste en un medio poroso con un alto calor específico (que puede ser malla de alambre de acero inoxidable, malla de alambre de cobre, malla de alambre de bronce fosforoso, bolas de plomo, perdigones de plomo o materiales de tierras raras) en el que el gas fluye de un lado a otro.
  • un intercambiador de calor X 2 , enfriado por el gas, donde la potencia de enfriamiento útilQ˙L{\displaystyle {\dot {Q}}_{\text{L}}}se suministra a la baja temperatura T L , tomada del objeto que se va a enfriar
  • un tubo en el que se empuja y se tira del gas
  • un intercambiador de calor X 3 cerca de la temperatura ambiente donde se libera calor al entorno
  • una resistencia al flujo (a menudo llamada orificio)
  • un volumen amortiguador (un gran volumen cerrado a presión prácticamente constante)
Figura 2: Izquierda : (cerca de X 2 ): un elemento de gas entra en el tubo con una temperatura T L y sale con una temperatura menor. Derecha : (cerca de X 3 ): un elemento de gas entra en el tubo con una temperatura T H y sale con una temperatura mayor.

La sección entre X1 y X3 está aislada térmicamente del entorno, generalmente mediante vacío. La presión varía gradualmente y la velocidad del gas es baja. Por lo tanto, el nombre de enfriador de tubo "pulsante" es engañoso, ya que no hay pulsaciones en el sistema.

El pistón se mueve periódicamente de izquierda a derecha y viceversa. Como resultado, el gas también se mueve de izquierda a derecha y viceversa, mientras que la presión dentro del sistema aumenta y disminuye. Si el gas del compresor se mueve hacia la derecha, entra al regenerador con una temperatura T H y sale del regenerador por el extremo frío con una temperatura T L , transfiriéndose así calor al material del regenerador. En su retorno, el calor almacenado en el regenerador se transfiere de nuevo al gas.

En el tubo, el gas está aislado térmicamente (es adiabático), por lo que la temperatura del gas en el tubo varía con la presión.

En el extremo frío del tubo, el gas entra al tubo a través de X 2 cuando la presión es alta con una temperatura T L y regresa cuando la presión es baja con una temperatura inferior a T L , absorbiendo así el calor de X 2 : esto produce el efecto de enfriamiento deseado en X 2 .

Para comprender por qué el gas a baja presión regresa a una temperatura más baja, observe la figura 1 y considere las moléculas de gas cerca de X 3 (en el extremo caliente), que entran y salen del tubo a través del orificio. Las moléculas fluyen hacia el tubo (hacia la izquierda) cuando la presión en el tubo es baja (son aspiradas hacia el tubo a través de X 3 , provenientes del orificio y del amortiguador). Al entrar en el tubo, tienen la temperatura T H . Más adelante en el ciclo, la misma masa de gas es expulsada del tubo nuevamente cuando la presión dentro del tubo es alta. Como consecuencia, su temperatura será mayor que T H . En el intercambiador de calor X 3 , libera calor y se enfría hasta la temperatura ambiente T H . [ 7 ]

Figura 3: Tubo de pulso coaxial con un desplazador

La figura 3 muestra un tubo de pulsos coaxial, una configuración más práctica en la que el regenerador rodea el tubo central. Esta configuración es compacta y sitúa el cabezal frío en un extremo, lo que facilita su integración con el componente que se va a refrigerar. El desplazador puede accionarse pasivamente, recuperando así la energía que de otro modo se disiparía en el orificio.

Actuación

El rendimiento del enfriador depende principalmente de la calidad del regenerador. Este debe cumplir requisitos contradictorios: debe tener una baja resistencia al flujo (por lo que debe ser corto con canales anchos), pero también debe ofrecer un buen intercambio de calor (por lo que debe ser largo con canales estrechos). El material debe tener una gran capacidad calorífica. A temperaturas superiores a 50  K, prácticamente todos los materiales son adecuados. Se suele utilizar bronce o acero inoxidable. Para temperaturas entre 10 y 50  K, el plomo es el más apropiado. Por debajo de 10  K se utilizan materiales magnéticos desarrollados específicamente para esta aplicación.

El denominado coeficiente de rendimiento (COP; denotadoξ{\displaystyle \xi }) de enfriadores se define como la relación entre la potencia de enfriamientoQ˙L{\displaystyle {\dot {Q}}_{\text{L}}}y la potencia del compresor P. En la fórmula:ξ=Q˙L/PAG{\displaystyle \xi ={\dot {Q}}_{\text{L}}/P}Para un refrigerador perfectamente reversible,ξ{\displaystyle \xi }viene dado por el teorema de Carnot :

Sin embargo, un refrigerador de tubo de pulso no es perfectamente reversible debido a la presencia del orificio, que tiene resistencia al flujo. En cambio, el COP de un PTR ideal viene dado por

lo cual es inferior a la de los enfriadores ideales.

Comparación con otros refrigeradores

En la mayoría de los enfriadores, el gas se comprime y expande periódicamente. Los enfriadores más conocidos, como los de motor Stirling y los populares enfriadores Gifford-McMahon, cuentan con un desplazador que garantiza que el enfriamiento (debido a la expansión) se produzca en una región diferente de la máquina que el calentamiento (debido a la compresión). Gracias a su ingenioso diseño, el PTR no dispone de dicho desplazador, lo que simplifica, abarata y mejora la fiabilidad de su construcción. Además, no presenta vibraciones mecánicas ni interferencias electromagnéticas. El funcionamiento básico de los criorefrigeradores y máquinas térmicas relacionadas se describe en De Waele [ 8 ].

Historia

Figura 4: Temperatura de los PTR a lo largo de los años. La temperatura de 1,2  K se alcanzó gracias a la colaboración entre los grupos de Giessen y Eindhoven. Utilizaron un enfriador de vórtice superfluido como etapa de enfriamiento adicional para el PTR.

WE Gifford y RC Longsworth, en la década de 1960, inventaron el llamado refrigerador de tubo de pulso básico. [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] El PTR moderno fue inventado en 1984 por Mikulin, quien introdujo un orificio en el tubo de pulso básico. [ 13 ] Alcanzó una temperatura de 105  K. Poco después, los PTR mejoraron debido a la invención de nuevas variaciones. [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] Esto se muestra en la figura 4, donde la temperatura más baja para los PTR se grafica en función del tiempo.

Actualmente, la temperatura más baja está por debajo del punto de ebullición del helio (4,2  K). Originalmente, esto se consideraba imposible. Durante un tiempo, parecía imposible enfriar por debajo del punto lambda del ⁴He (2,17  K), pero el grupo de bajas temperaturas de la Universidad Tecnológica de Eindhoven logró enfriar hasta una temperatura de 1,73  K reemplazando el ⁴He habitual como refrigerante por su isótopo raro, el ³He . Posteriormente, este récord fue superado por el Grupo de Giessen, que logró incluso bajar de 1,3  K. En una colaboración entre los grupos de Giessen y Eindhoven,  se alcanzó una temperatura de 1,2 K combinando un PTR con un enfriador de vórtice superfluido. [ 19 ]

Tipos

Para la refrigeración, la fuente de las variaciones de presión no es importante. Los PTR para temperaturas inferiores a 20  K suelen operar a frecuencias de 1 a 2  Hz y con variaciones de presión de 10 a 25 bar. El volumen de desplazamiento del compresor sería muy elevado (hasta un litro o más). Por lo tanto, el compresor está desacoplado del enfriador. Un sistema de válvulas (generalmente una válvula rotativa) conecta alternativamente el lado de alta presión y el de baja presión del compresor al extremo caliente del regenerador. Dado que la parte de alta temperatura de este tipo de PTR es la misma que la de los enfriadores GM, este tipo de PTR se denomina PTR tipo GM. Los flujos de gas a través de las válvulas conllevan pérdidas que no se presentan en el PTR tipo Stirling.

Los PTR se pueden clasificar según su forma. Si el regenerador y el tubo están alineados (como en la figura 1), hablamos de un PTR lineal. La desventaja del PTR lineal es que el punto frío se encuentra en el centro del enfriador. Para muchas aplicaciones, es preferible que el enfriamiento se produzca en el extremo del enfriador. Al doblar el PTR, obtenemos un enfriador en forma de U. Ambos extremos calientes se pueden montar en la brida de la cámara de vacío a temperatura ambiente. Esta es la forma más común de los PTR. Para algunas aplicaciones, es preferible tener una geometría cilíndrica. En ese caso, el PTR se puede construir de forma coaxial, de modo que el regenerador se convierte en un espacio anular que rodea el tubo.

La temperatura más baja alcanzada con PTR de una sola etapa es ligeramente superior a 10  K. [ 20 ] Sin embargo, un PTR puede utilizarse para preenfriar el otro. El extremo caliente del segundo tubo está conectado a temperatura ambiente y no al extremo frío de la primera etapa. De esta ingeniosa manera se evita que el calor liberado en el extremo caliente del segundo tubo sea una carga para la primera etapa. En aplicaciones, la primera etapa también funciona como plataforma de anclaje de temperatura, por ejemplo, para el enfriamiento del escudo de criostatos de imanes superconductores. Matsubara y Gao fueron los primeros en enfriar por debajo de 4  K con un PTR de tres etapas. [ 21 ] Con PTR de dos etapas  se han obtenido temperaturas de 2,1 K, justo por encima del punto λ del helio. Con un PTR de tres etapas  se ha alcanzado 1,73 K utilizando 3He como fluido de trabajo. [ 22 ]

Perspectivas

El coeficiente de rendimiento de los PTR a temperatura ambiente es bajo, por lo que es improbable que desempeñen un papel en la refrigeración doméstica. Sin embargo, por debajo de unos 80  K, el coeficiente de rendimiento es comparable con el de otros enfriadores (compárense las ecuaciones ( 1 ) y ( 2 )) y en la región de bajas temperaturas las ventajas se vuelven superiores. Los PTR están disponibles comercialmente para temperaturas en la región de 70  K y 4  K. Se aplican en sistemas de detección infrarroja, para la reducción del ruido térmico en dispositivos basados ​​en superconductividad (alta Tc ) , como los SQUID , y filtros para telecomunicaciones. Los PTR también son adecuados para refrigerar sistemas de resonancia magnética y sistemas relacionados con la energía que utilizan imanes superconductores. En los llamados imanes secos, los enfriadores se utilizan para que no se necesite ningún criolíquido o para la recondensación del helio evaporado. También resulta atractiva la combinación de criorefrigeradores con refrigeradores de dilución de 3He-4He [ 23 ] para la región de temperatura hasta 2 mK, ya que de esta manera es más fácil acceder a todo el rango de temperatura desde la temperatura ambiente hasta 2 mK.  

En muchos experimentos a bajas temperaturas, las vibraciones mecánicas causadas por los PTR pueden provocar microfonías en las líneas de medición, lo que supone una gran desventaja de los PTR. En particular, para aplicaciones de microscopía de sonda de barrido, los microscopios de efecto túnel (STM) basados ​​en PTR han presentado dificultades históricas debido a su extrema sensibilidad a las vibraciones. El uso de un gas de intercambio sobre el cabezal de barrido, sensible a las vibraciones, permitió el desarrollo de los primeros STM de baja temperatura basados ​​en PTR. [ 24 ] Actualmente, existen sistemas de sonda de barrido basados ​​en PTR, libres de criógenos, disponibles comercialmente. [ 25 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ Riabzev, SV; Pundak, N.; Leshets, A.; Meromi, A.; Veprik, AM (2001). "Crioenfriador Stirling para filtros de RF superconductores de alta temperatura". Journal of Superconductivity: Incorporating Novel Magnetism . 14 (1): 35– 39. doi : 10.1023/A:1007876004471 .
  2. ↑ Radebough, Ray (1999). Desarrollo del refrigerador de tubo de pulso como un criorefrigerador eficiente y confiable (PDF) . Actas del Instituto de Refrigeración (Londres) 1999–2000. Instituto de Refrigeración.
  3. ↑ Acerca de ACT (sitio web oficial)
  4. ↑ Interferometría bolométrica de QUBIC: el concepto (sitio web oficial)
  5. ↑ El criorefrigerador del telescopio espacial James Webb (JWST/NASA)
  6. ↑ Marquardt, ED; Radebaugh, Ray (2000). Pulse Tube Oxygen Liquefier (PDF) . Actas de la Conferencia de Ingeniería Criogénica. Avances en Ingeniería Criogénica . Vol. 45A. Montreal, Quebec, Canadá. págs. 457–464 . ISBN   978-0-306-46443-0Archivado del original (PDF) el 18 de noviembre de 2017.
  7. ↑ David, M.; Maréchal, J.-C.; Simon, Y.; Guilpin, C. (1993). "Teoría del refrigerador de tubo de pulso de orificio ideal". Cryogenics . 33 (2). Elsevier BV: 154– 161. Bibcode : 1993Cryo...33..154D . doi : 10.1016/0011-2275(93)90129-c . ISSN 0011-2275 . 
  8. ↑ de Waele, ATAM (10 de junio de 2011). "Funcionamiento básico de criorefrigeradores y máquinas térmicas relacionadas" . Journal of Low Temperature Physics . 164 ( 5–6 ). Springer Science and Business Media LLC: 179–236 . Bibcode : 2011JLTP..164..179D . doi : 10.1007/s10909-011-0373-x . ISSN 0022-2291 . 
  9. ↑ Gifford, WE; Longsworth, RC (1964). "Avances en la refrigeración por tubo de pulsos" (PDF) . Conferencia de Ingeniería Criogénica . Universidad de Pensilvania.
  10. ↑ Gifford, WE; Longsworth, RC (1965). "Surface Heat Pumping". Advances in Cryogenic Engineering . Vol. 11. pp. 171–179 . doi : 10.1007/978-1-4757-0522-5_18 . ISBN   978-1-4757-0524-9.
  11. ↑ Longsworth, RC (1967). "Una investigación experimental de las tasas de bombeo de calor en refrigeración por tubo pulsante". Avances en ingeniería criogénica . Vol. 12. págs. 608–618 . doi : 10.1007/978-1-4757-0489-1_63 . ISBN   978-1-4757-0491-4.
  12. ↑ Matsubara, Yoichi (1994). "Refrigerador de tubo de pulso" . Transacciones de la Sociedad Japonesa de Ingenieros de Refrigeración y Aire Acondicionado . 11 (2). Transacciones de la Sociedad Japonesa de Ingenieros de Refrigeración y Aire Acondicionado, Volumen 11, Número 2, págs. 89-99: 89– 99. Bibcode : 2011TRACE..11...89M .
  13. ↑ Mikulin, EI; Tarasov, AA; Shkrebyonock, MP (1984). «Tubos de pulso de expansión a baja temperatura». Avances en ingeniería criogénica . Vol. 29. Boston, MA: Springer US. págs. 629–637 . doi : 10.1007/978-1-4613-9865-3_72 . ISBN   978-1-4613-9867-7.
  14. ↑ Zhu, Shaowei; Wu, Peiyi; Chen, Zhongqi (1990). "Refrigeradores de tubo de pulso de doble entrada: una mejora importante". Cryogenics . 30 (6). Elsevier BV: 514– 520. Bibcode : 1990Cryo...30..514S . doi : 10.1016/0011-2275(90)90051-d . ISSN 0011-2275 . 
  15. ↑ Matsubara, Y.; Gao, JL (1994). "Nueva configuración de refrigerador de tubo de pulso de tres etapas para temperaturas inferiores a 4 K". Cryogenics . 34 (4). Elsevier BV: 259– 262. doi : 10.1016/0011-2275(94)90104-x . ISSN 0011-2275 . S2CID 122086143 .  
  16. ^ Thummes, G.; Wang, C.; Bender, S.; Heiden, C. (1996). Pulsröhrenkühler zur Erzeugung von Temperaturen im Bereich des flüssigen Heliums [ Enfriador de tubo por impulsos para generar temperaturas en el rango del helio líquido ] . DKV-Tagungsbericht (en alemán). vol. 23. págs. 147-159 .  
  17. ^ Xu, MI; De Waele, ATAM; Ju, YL (1999). "Un frigorífico de tubo de pulso por debajo de 2 K". Criogenia . 39 (10). Elsevier BV: 865– 869. Código bibliográfico : 1999Cryo...39..865X . doi : 10.1016/s0011-2275(99)00101-0 . ISSN 0011-2275 . 
  18. ↑ Matsubara, Y. (1998). Clasificación de criorefrigeradores de tubo de pulso . Actas de la 17.ª Conferencia Internacional de Ingeniería Criogénica. Institute of Physics Publishing. págs. 11–16 . ISBN  0-7503-0597-5.
  19. ↑ Tanaeva, IA; Lindemann, U.; Jiang, N.; de Waele, ATAM; Thummes, G. (2004). Enfriador de vórtice superfluido . Avances en ingeniería criogénica: Transacciones de la Conferencia de Ingeniería Criogénica. Problemas sin resolver de ruido y fluctuaciones . Vol. 49B. AIP. págs. 1906–1913 . doi : 10.1063/1.1774894 . ISSN 0094-243X .   
  20. ↑ Gan, ZH; Dong, WQ; Qiu, LM; Zhang, XB; Sun, H.; He, YL; Radebaugh, R. (2009). "Un criorefrigerador de tubo de pulso tipo GM de una sola etapa que opera a 10,6 K". Cryogenics . 49 (5). Elsevier BV: 198– 201. Bibcode : 2009Cryo...49..198G . doi : 10.1016/j.cryogenics.2009.01.004 . ISSN 0011-2275 . 
  21. ↑ Matsubara, Y.; Gao, JL (1994). "Nueva configuración de refrigerador de tubo de pulso de tres etapas para temperaturas inferiores a 4 K". Cryogenics . 34 (4). Elsevier BV: 259– 262. doi : 10.1016/0011-2275(94)90104-x . ISSN 0011-2275 . S2CID 122086143 .  
  22. ^ Xu, MI; De Waele, ATAM; Ju, YL (1999). "Un frigorífico de tubo de pulso por debajo de 2 K". Criogenia . 39 (10). Elsevier BV: 865– 869. Código bibliográfico : 1999Cryo...39..865X . doi : 10.1016/s0011-2275(99)00101-0 . ISSN 0011-2275 . 
  23. ↑ Zu, H.; Dai, W.; de Waele, ATAM (2022). "Desarrollo de refrigeradores de dilución: una revisión". Cryogenics . 121. doi : 10.1016 /j.cryogenics.2021.103390 . ISSN 0011-2275 . S2CID 244005391 .  
  24. ↑ Kasai, Jun; Koyama, Tomoki; Yokota, Munenori; Iwaya, Katsuya (2022-04-01). "Desarrollo de un microscopio de sonda de barrido basado en refrigerador de tubo de pulso, sin criógenos y cercano a 5 Kelvin" . Review of Scientific Instruments . 93 (4): 043711. arXiv : 2204.01195 . Bibcode : 2022RScI...93d3711K . doi : 10.1063/5.0084888 . ISSN 0034-6748 . PMID 35489903 .  
  25. ↑ Kasai, Jun; Koyama, Tomoki; Yokota, Munenori; Iwaya, Katsuya (2022). "Desarrollo de un microscopio de sonda de barrido basado en refrigerador de tubo de pulso, sin criógenos y cercano a 5 Kelvin" . Review of Scientific Instruments . 93 (4): 043711. arXiv : 2204.01195 . Bibcode : 2022RScI...93d3711K . doi : 10.1063/5.0084888 . PMID 35489903. Recuperado el 3 de abril de 2024 . 
  • Breve historia de los refrigeradores de tubo de impulsos (NASA)
  • Página principal del Grupo SHI Cryogenics
  • Página principal de Cryomech
  • Animación por tubo de pulsos (Thales Cryogenics)
  • El criorefrigerador del Telescopio Espacial James Webb (JWST/NASA)