저온 냉각기

Cryocooler

극저온 온도(120K, -153°C 미만)에 도달하도록 설계된 냉장고를 흔히 극저온 냉각기라고 합니다.이 용어는 입력 전력이 약 20kW 미만인 소형 시스템(일반적으로 테이블 상판 크기)에 가장 많이 사용됩니다.입자가속기에서 초전도 자석을 냉각하는 데 사용되는 것과 같은 대형 시스템은 종종 극저온 냉장고라고 불립니다.입력전력은 1MW까지 높아집니다.대부분의 경우 극저온 냉각기는 작동물질로서 극저온 유체를 사용하며, 열역학 사이클을 중심으로 유체를 순환시키기 위해 가동 부품을 사용합니다.유체는 일반적으로 실온에서 압축되어 열교환기에서 사전 냉각된 후 낮은 온도에서 팽창됩니다.되돌아온 저압 오일은 컴프레서 흡입구로 들어가기 전에 열 교환기를 통과하여 고압 오일을 예열합니다.그런 다음 사이클이 반복됩니다.

이상적인 열교환기 및 재생기

열교환기는 모든 저온 냉각기의 중요한 구성요소입니다.이상적인 열교환기는 흐름 저항이 없으며 출구 가스 온도는 열교환기의 (고정) 체온X T와 동일합니다.완벽한 열 교환기라도 가스의 입구 온도i T에 영향을 미치지 않습니다.이것은 손실로 이어진다.

진동 흐름과 함께 작동하는 냉장고의 중요한 구성 요소는 재생기입니다.재생기는 입상 입자 또는 금속 체와 같은 고체 다공질 물질의 매트릭스로 구성되어 있으며, 이 매트릭스를 통해 가스가 앞뒤로 흐릅니다.재료에 의해 정기적으로 열이 저장되고 방출됩니다.기체와의 열 접촉이 양호해야 하며 매트릭스의 흐름 저항이 낮아야 합니다.이것들은 상충하는 요건입니다.재생기의 열역학 및 유체역학 특성은 복잡하기 때문에 보통 단순화된 모델을 만듭니다.가장 극단적인 형태에서 이상적인 재생기는 다음과 같은 특성을 가집니다.

  • 재료의 대용량 열 용량
  • 가스와 매트릭스 사이의 완벽한 열 접촉
  • 매트릭스의 제로 흐름 저항
  • 제로 다공성(이것은 기체의 부피 비율);
  • 흐름 방향의 열전도율 제로
  • 가스는 이상적입니다.

최근 수십 년 동안 극저온 냉각기 분야의 발전은 10 [1]K 미만의 높은 열용량을 가진 신소재의 개발로 인해 상당 부분 이루어졌다.

스털링 냉장고

구성 요소들

그림 1 스털링 냉각기의 개략도이 시스템에는 외부 온도a T에서 피스톤 1개와 저온L T에서 피스톤 1개가 있습니다.

스털링형 쿨러의 기본 유형은 그림 1과 같다.구성 요소는 다음과 같습니다(왼쪽에서 오른쪽으로).

  • 피스톤
  • 압축 공간과 열교환기(모두 주위 온도 Ta)
  • 재생기
  • 열교환기
  • 확장 공간
  • 피스톤(모두 저온L T)

좌우 온도 T와aL T에서 주위와의 열 접촉이 완벽해야 압축과 팽창이 등온입니다.이 작업은 확장 중에 수행되며 총 입력 전력을 줄이기 위해 사용됩니다.보통 헬륨은 작동 유체입니다.

냉각 사이클

다음 항목도 참조하십시오.스털링 사이클
그림 2 스털링 사이클의 4가지 상태
그림 3 스털링 사이클의 pV 다이어그램.
그림 4 분할 페어 스털링 냉장고의 개략도냉각 전력은 차가운 손가락의 열 교환기에 공급됩니다.일반적으로 열 흐름은 매우 작기 때문에 분할 파이프 주위에 물리적 열 교환기를 설치할 필요가 없습니다.

냉각 사이클은 그림 2와 같이 4단계로 분할된다.주기는 두 피스톤이 가장 왼쪽 위치에 있을 때 시작됩니다.

  • a부터 b까지.웜 피스톤은 콜드 피스톤이 고정된 동안 오른쪽으로 이동합니다.핫 엔드의 압축 가스의 온도는 (정의상) 등온이므로 열 Q는a 주위 온도a T에서 주변으로 방출됩니다.
  • b부터 c까지두 피스톤이 오른쪽으로 이동합니다.두 피스톤 사이의 부피는 일정하게 유지됩니다.뜨거운 가스는 온도a T에서 재생기로 들어가 온도 T로L 남습니다.가스는 재생기 재료에 열을 방출합니다.
  • c부터 d까지웜 피스톤이 고정된 동안 콜드 피스톤이 오른쪽으로 이동합니다.팽창은 등온이며 열L Q가 사용됩니다.이것이 유용한 냉각 전력입니다.
  • d부터 a까지총 부피가 일정한 상태에서 두 피스톤이 왼쪽으로 이동합니다.가스는 저온L T와 함께 재생기로 들어가 고온 T를a 유지하므로 재생기 재료에서 열이 흡수됩니다.이 단계가 끝나면 쿨러의 상태는 처음과 동일합니다.

pV도(그림3)에서 해당 사이클은 2개의 등온도와 2개의 등온도로 구성되어 있다.부피 V는 두 피스톤 사이의 부피입니다.실제로 사이클은 위에서 설명한 것처럼 개별 단계로 분할되지 않습니다.일반적으로 두 피스톤의 운동은 운동을 조화롭게 만드는 공통 회전 축에 의해 구동됩니다.두 피스톤의 운동 간 위상차는 약 90°입니다.이상적인 경우 사이클이 가역적이므로 COP(냉각 전력과 입력 전력의 비율)는 T/(Ta - TL)에L 의해 주어진 Carnot COP와 동일합니다.

위에서 설명한 바와 같이 콜드 피스톤은 실용적이지 않기 때문에 많은 경우 콜드 피스톤 대신 디스플레이서가 사용됩니다.디스플레이서는 냉간 헤드에서 재생기를 통해 냉간 헤드의 온간단과 냉간단 사이에서 가스를 앞뒤로 구동하는 고체입니다.이상적으로는 디스플레이서 위로 압력이 떨어지지 않으므로 디스플레이서를 이동하기 위해 작업이 필요하지 않습니다.일반적으로 그 움직임은 피스톤과 90도 어긋납니다.이상적인 경우 COP는 Carnot COP와도 동일합니다.

스털링 냉각기의 또 다른 유형은 압축기, 분할 파이프 및 콜드 핑거로 구성된 분할 페어 유형(그림 4).일반적으로 AC 자기장에 의해 구동되는 반대 방향으로 움직이는 피스톤이 2개 있습니다(라우드스피커에서처럼).피스톤은 이른바 플렉셔 베어링에 의해 매달릴 수 있습니다.반지름 방향의 강성과 축 방향의 유연성을 제공합니다.피스톤과 컴프레서 케이스가 접촉하지 않으므로 윤활유가 필요하지 않으며 마모도 없습니다.차가운 손가락의 재생기는 스프링에 의해 매달려 있습니다.쿨러는 콜드 핑거 매스 스프링 시스템의 공진 주파수 부근에서 작동합니다.

GM냉장고

그림 5 GM 냉각기의 개략도V와lh V는 컴프레서의 버퍼 볼륨입니다.압축 열은 열 교환기를 통해 컴프레서의 냉각수에 의해 제거됩니다.회전 밸브는 냉각기를 컴프레서의 고압 및 저압 측에 번갈아 연결하고 디스플레이서와 동기화하여 작동합니다.

Gifford-McMahon(GM) 냉각기는[2] MRI 및 크라이오펌프와 같은 많은 저온 시스템에서 널리 사용되고 있습니다.그림 5는 개략도이다.10~30bar(150~440psi) 범위의 압력에서 헬륨이 작동 유체입니다.콜드 헤드에는 압축 및 확장 공간, 재생기 및 디스플레이서가 포함되어 있습니다.일반적으로 재생기와 디스플레이서는 한 몸체에 결합됩니다.콜드 헤드의 압력 변화는 회전 밸브에 의해 컴프레서의 고압 및 저압 측에 주기적으로 연결함으로써 얻어집니다.이 위치는 디스플레이서의 움직임과 동기화됩니다.밸브가 열리고 닫히는 동안 되돌릴 수 없는 프로세스가 발생하므로 GM 냉각기는 본질적인 손실이 발생합니다.이것은 이 타입의 쿨러의 명백한 단점입니다.장점은 컴프레서와 디스플레이서의 사이클 주파수가 분리되어 콜드 헤드의 사이클이 1Hz인 동안 컴프레서가 전원 라인 주파수(50 또는 60Hz)로 작동할 수 있다는 것입니다.이러한 방식으로 컴프레서의 스윕 부피는 쿨러보다 50배 또는 60배 작을 수 있습니다.기본적으로 가정용 냉장고의 (저렴한) 압축기를 사용할 수 있지만, 헬륨용으로 설계되지 않았기 때문에 압축기의 과열을 방지해야 합니다.또한 고품질 정화 트랩을 통해 유증기가 재생기로 유입되는 것을 방지해야 합니다.

냉각 사이클

그림 6 GM 쿨러의 냉각 사이클의 4단계

주기는 그림 6과 같이 4단계로 나눌 수 있다.

사이클은 저압(LP) 밸브가 닫히고 고압(HP) 밸브가 열리며 디스플레이서가 오른쪽(콜드 영역)까지 이어지는 상태에서 시작됩니다.모든 가스가 실온에 있습니다.

  • a부터 b까지.콜드 헤드가 컴프레서의 HP 측에 연결되어 있는 동안 디스플레이서는 왼쪽으로 이동합니다.가스는 외부 온도a T에서 재생기 안으로 들어가 온도L T를 유지합니다.가스에 의해 열이 재생기 재료에 방출된다.
  • b부터 c까지HP 밸브가 닫히고 LP 밸브가 디스플레이서의 고정 위치로 열립니다.가스의 일부는 재생기를 통해 컴프레서의 LP 쪽으로 흐릅니다.가스가 팽창하다.팽창은 등온이기 때문에 응용 프로그램에서 열을 흡수합니다.여기서 유용한 냉각 전력이 생산됩니다.
  • c부터 d까지디스플레이서는 컴프레서의 LP 측에 콜드 헤드가 연결된 상태에서 오른쪽으로 이동하며 차가운 가스가 재생기를 통과하도록 강제하면서 재생기의 열을 흡수합니다.
  • d부터 a까지LP 밸브가 닫히고 HP 밸브가 디스플레이서의 고정 위치로 열립니다.이제 차가운 머리의 뜨거운 끝에 있는 가스는 압축되어 주변으로 열이 방출됩니다.이 순서의 마지막에, 다시 a의 위치로 돌아옵니다.

펄스관 냉장고

그림 7 스털링형 단일 오리피스 PTR의 개략도
주요 기사 : 펄스 튜브 냉장고

그림 7에는 스털링형 단일 오리피스 PTR이 도식적으로 나타나 있다.부터 그것이 앞뒤로 움직이는 피스톤:구성되어 있어 왼쪽에서 오른쪽으로, 열은 환경에 방 온도(강타)에서 방영되고 있는 열 교환기 X1(아프터 쿨러);열 교환기; 낮은 온도(TL)에 열이 응용 프로그램에서 흡수되는 것은 열 교환기 XL, 튜브, 종종 맥동관 부르던;열 교환기 X3방을 성질이 남지 않았다.ature(Ta), 흐름 저항(오리피스), 압력B p가 실질적으로 일정한 버퍼 부피.

줄-톰슨 냉각기

그림 8 JT 액상화기의 개략도압축가스의 일부 x를 액체로서 제거한다.실온에서는 1bar의 가스로 공급되어 시스템이 안정된 상태입니다.

줄-톰슨 쿨러는 칼 폰 린데와 윌리엄 햄슨에 의해 발명되었기 때문에 린드-햄슨 쿨러라고도 불립니다.이것은 냉매 또는 (최종 단계) 냉매로 널리 사용되는 단순한 유형의 냉매입니다.쉽게 소형화할 수 있지만, 천연가스의 액화에도 매우 큰 규모로 사용되고 있습니다.JT 액상화기의 개략도는 그림 8에 나타나 있다.압축기, 역류 열교환기, JT 밸브 및 탱크로 구성됩니다.

냉각 사이클

그림 8에서 압력과 온도는 질소 액상화기의 경우를 나타낸다.컴프레서 입구에서는 가스가 실온(300K)에 압력 1bar(a 지점)에 있습니다.압축열은 냉각수에 의해 제거된다.압축 후 가스 온도는 주변 온도(300K)가 되고 압력은 200bar(2,900psi)(포인트 b)가 됩니다.그런 다음 역류 열 교환기의 따뜻한(고압) 쪽으로 들어가 사전 냉각됩니다.JT 확장 지점인 지점 d에서 교환기를 빠져나갑니다.점 d 이후, 온도 77.36 K(-195.79 °C; -320.42 °F)와 압력 1 bar가 됩니다.액분율은 x입니다.액체는 탱크의 바닥(e 지점)에서 시스템을 떠나고 가스(분열 1 - x)는 역류 열 교환기(f 지점)의 차가운(저압) 쪽으로 흐릅니다.열교환기는 실온(a점)에서 나옵니다.시스템을 정상 상태로 유지하기 위해 제거된 액분율 x를 보상하기 위해 가스가 공급된다.

저온 냉각기로 사용할 때는 순수한 질소 대신 가스 혼합물을 사용하는 것이 좋습니다.이렇게 하면 효율이 향상되고 고압이 200bar보다 훨씬 낮아집니다.

Joule-Thomson 쿨러 및 Joule-Thomson 냉장고에 대한 자세한 설명은 [3]에서 확인할 수 있습니다.

최신 개발 및 응용 프로그램

저온 냉각기는 적외선 검출과 응용 초전도 [4]기술을 가능하게 하는 핵심 기술입니다.응용 분야에는 초전도 전자 공학 및 양자 컴퓨팅이 포함됩니다.소형 저온 냉각기는 [5]초전도 광자 검출기를 위해 개발되었다.

레퍼런스

  1. ^ T.쿠리야마, R.하카마다, H.나카고메, Y.토카이, M. 사하시, R. 리, O.요시다, K. 마츠모토, T.하시모토, 극저온 엔지니어링 35B, 1261(1990년)
  2. ^ W.E. Gifford 및 R.C. Longsworth, 극저온 엔지니어링 11, 171(1966)
  3. ^ A.T.A.M. 드 와엘의 기본 -Thomson 액상화 및 저온물리 JT 냉각저널, Vol.186 (2017) pp.385-403, DOI 10.1007/s10909-016-1733-3, https://link.springer.com/article/10.1007/s10909-016-1733-3
  4. ^ Radebaugh, Ray (2009-03-31). "Cryocoolers: the state of the art and recent developments". Journal of Physics: Condensed Matter. 21 (16): 164219. doi:10.1088/0953-8984/21/16/164219. ISSN 0953-8984.
  5. ^ Cooper, Bernard E; Hadfield, Robert H (2022-06-28). "Viewpoint: Compact cryogenics for superconducting photon detectors". Superconductor Science and Technology. 35 (8): 080501. doi:10.1088/1361-6668/ac76e9. ISSN 0953-2048.

「 」를 참조해 주세요.

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