Chiller de diluare

Diagrama de fază a amestecului ³ He - ⁴ He, pe axa absciselor există procentul de heliu-3

Schema unui răcitor clasic de diluare continuă

Schema unui răcitor de diluare criogenic fără lichid cu criocooler în două trepte, de tip tub cu impuls , indicat de dreptunghiul punctat

Un răcitor de diluție ³ He / ⁴ He este un dispozitiv criogen care permite răcirea la temperaturi de până la 2 mK , fără piese mobile la temperaturi scăzute. Puterea de răcire este asigurată de entalpia de separare a fazelor izotopilor heliu-3 și heliu-4 . Este singura metodă posibilă de a atinge continuu temperaturi sub 0,3 K. ^[1]

Răcitorul de diluție este un dispozitiv propus pentru prima dată de Londra la începutul anilor 1950 și a fost fabricat în 1964 în laboratoarele Kamerlingh Onnes de la Universitatea din Leiden ^[2] .

Principiul de funcționare

Procesul de refrigerare utilizează un amestec de doi heliu izotopi : heliu 3 si heliu - 4 . Când este răcit sub 870 mK, amestecul suferă o separare spontană a fazelor printr- un efect cuantic formând o fază bogată în ³ He și o fază joasă de ³ He. Așa cum se arată în diagrama de fază, la temperaturi foarte scăzute, faza concentrată este în esență pură ³ He, în timp ce faza diluată conține aproximativ 6,6% ³ He și 93,4% ⁴ He. Ca ³ El este mai ușor decât ⁴ He, ³ He plutește pe faza diluată. Dacă ³ He este pompat din faza diluată, procesul este endoterm și, prin urmare, căldura este eliminată din camera de demixare. Observați cum ⁴ He la temperatura camerei de demixare se comportă ca vidul absolut având o presiune de vapori neglijabilă la temperatura respectivă ^[3] . Fluidul de proces este de numai ³ He, deoarece ⁴ He la temperaturi sub 0,7 K are o presiune de vapori de mai multe ordine de mărime mai mică decât cea de ³ He. Deci, este din toate punctele de vedere similar cu vidul, nici măcar entropia fiind într-o stare condensată . Există trei tipuri de criostate de diluare.

Răcitor de diluare cu ciclu unic ^[2]

În acest caz, amestecul ⁴ He și ³ He (la aproximativ 50%) este preparat la cea mai scăzută temperatură posibilă (aproximativ 1 K). Cu singurul capilar care aspiră fluidul în partea inferioară a camerei de diluare. ³ El este pompat departe de acest capilar. În acest prim proces, căldura latentă de evaporare a ³ He este exploatată în amestecul uniform, până când se atinge temperatura de demixare, în care cele două faze se separă. Deoarece capilarul se află în punctul cel mai de jos, ³ He este scăzut din faza diluată și, prin urmare, ³ He (care plutește deasupra vârfului răcitorului) trece prin interfața dintre cele două faze în faza diluată. Acesta este procesul care răcește și mai mult camera de demixare. Capacitatea de refrigerare se epuizează când toate cele ³ He se epuizează. Cu acest tip de răcitor de lichid, care nu are intrări de lichid, este posibil să se atingă cele mai scăzute temperaturi cu un singur ciclu de refrigerare (până la 2 mK). Problema cu acest răcitor este că durata procesului de temperatură scăzută este limitată de cantitatea de ³ He. Răcitoarele cu ciclu continuu pot funcționa aproximativ în acest mod dacă supapa care introduce ³ He în criostat este închisă (dar există două capilare în camera de demixare).

Răcitor clasic de diluare continuă

În acest caz, refrigerarea are loc datorită circulației de ³ He care pătrunde în partea superioară a camerei de demixare și este pompată din partea inferioară unde amestecul este diluat. Urmărim procesul de la temperatura camerei. Cei ³ El intră în criostat la o presiune de câteva mii de pascali . Este pre-răcit și purificat mai întâi într-o capcană de azot lichid rece (77 K) și apoi într-o capcană de ⁴ He (4,2 K). Ulterior, ³ He intră într-o cameră de vid, unde este răcită în continuare la aproximativ 1 K: această temperatură este obținută cu o pompă de vid care menține presiunea băii de ⁴ He la o presiune de câțiva pascali . Baia de 1 K lichefiază ³ He și îndepărtează căldura de condens. În acest moment ³ El intră în partea cu conductanță mai mică, un capilar care are o rezistență ridicată la curgere, acest capilar este răcit de contracurentul descris mai jos la o temperatură de aproximativ 500-700 mK. Pur ³ El intră în camera de demixare în cel mai rece punct. Apoi, o pompă de vid la temperatura camerei, care menține un vid de aproximativ zece Pa, extrage ³ He din faza diluată și o pune din nou în circulație la presiunea inițială de câteva mii de pascali, finalizând ciclul. Gazul de ieșire este încă rece și prin schimbătoarele de căldură răcește fluidul de intrare. La răcitoarele de acest tip este teoretic posibil să se atingă temperaturi de 5 mK, dar în realitate temperaturile de 20 mK sunt mai normale.

Chillere de diluare fără lichide criogenice

Răcitoarele de diluție încep să fie răspândite, în care ³ He este răcit de un criocooler ^[4] , ^[5] în loc de azot lichid și heliu lichid. În acest caz, operațiunile sunt mult simplificate. Deși trebuie adăugat că, din moment ce coeficientul de performanță este foarte mic, aparatele de acest tip consumă o cantitate mare de energie electrică și sunt supuse vibrațiilor mecanice, care duc la o intrare termică ridicată. Cu aceste criostate este dificil să se atingă temperaturi sub 50 mK.

Puterea de răcire

Puterea de răcire (în wați) din camera de demixare este dată aproximativ de ^[6] :

{\dot {Q}}_{m}={\dot {n}}_{3}\left[95(T_{m})^{2}-11(T_{i})^{2}\right]

{\ displaystyle {\ dot {Q}} _ {m} = {\ dot {n}} _ {3} \ left [95 (T_ {m}) ^ {2} -11 (T_ {i}) ^ { 2} \ dreapta]}

{\ displaystyle {\ dot {Q}} _ {m} = {\ dot {n}} _ {3} \ left [95 (T_ {m}) ^ {2} -11 (T_ {i}) ^ { 2} \ dreapta]}

unde este ${\dot {n}}_{3}$ ${\ displaystyle {\ dot {n}} _ {3}}$ ${\ displaystyle {\ dot {n}} _ {3}}$ este cantitatea molară circulantă de ³ He, T _m este temperatura camerei de demixare și T _i temperatura celor ³ He care intră în camera de demixare ^[1] . În prezența unei intrări termice zero, există o relație fixă între cele două temperaturi:

T_{m}={\frac {T_{i}}{2,8}}

{\ displaystyle T_ {m} = {\ frac {T_ {i}} {2,8}}}

{\ displaystyle T_ {m} = {\ frac {T_ {i}} {2,8}}}

Din această relație, este clar că un T _m scăzut poate fi atins dacă T _i este scăzut. În răcitoarele de diluare, T _i este redus prin utilizarea de schimbătoare de căldură cu gazul de ieșire. Cu toate acestea, la temperaturi foarte scăzute, așa-numita rezistență Kapitza face foarte dificil schimbul de căldură între suprafața heliului lichid și partea solidă a schimbătorului de căldură. Rezistența Kapitza se datorează diferenței dintre fononii lichidului și solidului și este invers proporțională cu T ⁴ și direct proporțională cu suprafața schimbătorului. Pe scurt: pentru a avea aceeași rezistență termică, dacă temperatura scade cu un factor de 10, suprafața schimbătorului de căldură trebuie mărită cu un factor de 10 000. Deci suprafețele schimbătorilor sunt suprafețe foarte mari, obținute cu pulberi foarte fine.de argint.

Limitări

Nu există o limită fundamentală la temperatura minimă a unui răcitor de diluare, chiar dacă temperatura minimă atinsă este de aproximativ 2mK din motive practice. La temperaturi scăzute crește atât vâscozitatea, cât și conductivitatea termică de ³ He. Căldura produsă de vâscozitatea fluidului este redusă prin creșterea diametrului conductelor de intrare: pentru a vă face o idee de reducere a temperaturii cu un factor de 2, diametrul capilarului de intrare trebuie să crească cu un factor de 8 și pentru a menține debitul nemodificat lungimea trebuie să crească cu un factor de 256 pentru legea lui Poiseuille . Aceasta corespunde creșterii volumului cu 2 ¹⁴ = 16 384. Cu alte cuvinte: fiecare cm³ la 2 mK ar trebui să devină 16 384 cm³ la 1 mK. Criostatele ar deveni foarte mari și extrem de scumpe, având în vedere costul de ³ He, la temperaturi atât de scăzute sunt utilizate criostate de demagnetizare nucleară .

Notă

^ ^a ^b Frank Pobell, Materia și metodele la temperaturi scăzute , Berlin, Springer-Verlag, 2007, p. 461, ISBN 978-3-540-46360-3 .
^ ^a ^b OV Lounasmaa, Principii și metode experimentale sub 1 K , Londra, Academic Press, 1974, p. 316, ISBN 978-0-12-455950-9 .
^ A.Th.AM de Waele și JGM Kuerten, Thermodynamics and hydrodynamics of ³ He– ⁴ He mixtures , în DF Brewer (ed.), Progress in Low Temperature Physics, Volumul 13 , Elsevier, 1991, pp. 167-218, ISBN 978-0-08-087308-4 .
^ R. Radebaugh, J. Phys.: Condens. Matter, Vol. 21, 164219 (2009)
^ ATAM Waele, Basic Operation of Cryocoolers and Related Thermal Machines , în Journal of Low Temperature Physics , vol. 164, 5-6, 2011, p. 179, DOI : 10.1007 / s10909-011-0373-x .
^ GJ Frossati, Tehnici experimentale: metode de răcire sub 300 mK , în Journal of Low Temperature Physics , vol. 87, 1992, pp. 595-633, DOI : 10.1007 / bf00114918 .

HE Hall, PJ Ford și K. Thomson, Un frigider cu diluție cu heliu-3 , în Cryogenics , vol. 6, 1966, pp. 80-88, DOI : 10.1016 / 0011-2275 (66) 90034-8 .
JC Wheatley, OE Vilches și WR Abel, Principii și metode de refrigerare prin diluare , în Journal of Low Temperature Physics , vol. 4, 1968, pp. 1-64.
TO Niinikoski, Un frigider cu diluare orizontală cu putere de răcire foarte mare , în Instrumente și metode nucleare , vol. 97, 1971, pp. 95-101, DOI : 10.1016 / 0029-554X (71) 90518-0 .

Elemente conexe

Demagnetizare adiabatică care poate fi utilizată pentru temperaturi cuprinse între 4 kelvin și microkelvin față de refrigerarea magnetică
Superfluid heliu-4
Criogenica

linkuri externe

( EN ) https://web.archive.org/web/20070227025741/http://cdms.berkeley.edu/UCB/75fridge/inxsrc/dilution/
( EN ) Universitatea Lancaster, Fizica temperaturilor foarte scăzute - Descrierea experimentelor la temperaturi foarte scăzute.
( EN ) Frigider de diluare - Laboratorul național cu câmp magnetic înalt

Portal cuantic

Portalul Termodinamicii

[pobell-1] Frank Pobell, Materia și metodele la temperaturi scăzute , Berlin, Springer-Verlag, 2007, p. 461, ISBN 978-3-540-46360-3 .

[Lounasmaa-2] OV Lounasmaa, Principii și metode experimentale sub 1 K , Londra, Academic Press, 1974, p. 316, ISBN 978-0-12-455950-9 .

[3] A.Th.AM de Waele și JGM Kuerten, Thermodynamics and hydrodynamics of ³ He– ⁴ He mixtures , în DF Brewer (ed.), Progress in Low Temperature Physics, Volumul 13 , Elsevier, 1991, pp. 167-218, ISBN 978-0-08-087308-4 .

[4] R. Radebaugh, J. Phys.: Condens. Matter, Vol. 21, 164219 (2009)

[5] ATAM Waele, Basic Operation of Cryocoolers and Related Thermal Machines , în Journal of Low Temperature Physics , vol. 164, 5-6, 2011, p. 179, DOI : 10.1007 / s10909-011-0373-x .

[6] GJ Frossati, Tehnici experimentale: metode de răcire sub 300 mK , în Journal of Low Temperature Physics , vol. 87, 1992, pp. 595-633, DOI : 10.1007 / bf00114918 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

V · D · M Schimb de caldura
Mod	Conducție · Convecție · Radiații
Schimbătoare de căldură	Schimbător bloc · Tub schimbător și manta · schimbator înotătoare · Placa schimbator de caldura · Schimbător spirala · schimbator tub dublu · echipamente cu manta · suprafete imersate · Cuptor · Turn de răcire · Schimbător de flacara scufundată · schimbătoarelor Ljungström · regeneratoarele Cowper · panouri solare · marine Saline · Evaporator · Condensator · Aripioare vii · Regenerator Frankl
Criogenica	Azot lichid · Criochirurgie · Demagnetizare adiabatică · Azot lichid Economie · Diluare chiller · balon vid
Variat	Aducție (fizic) · Coeficient de schimb termic · Conductivitate termică · difuzivitatea termică · ecuatie termica · termica Radiation · Rezistenta termica · TERMOTECNICA