Refrigerador de tubo de pulso

Termodinámica
La clásica máquina térmica de Carnot
Sucursales Clásico Estadístico Químico Termodinámica cuántica Equilibrio  / No equilibrio
Leyes Cero Primero Segundo Tercero
Sistemas Sistema cerrado Sistema abierto Sistema aislado Estado Ecuación de estado Gas ideal Gas real Estado de la materia Fase (materia) Equilibrio Controlar el volumen Instruments Processes Isobaric Isochoric Isothermal Adiabatic Isentropic Isenthalpic Quasistatic Polytropic Free expansion Reversibility Irreversibility Endoreversibility Cycles Heat engines Heat pumps Thermal efficiency
System properties Note: Conjugate variables in italics Property diagrams Intensive and extensive properties Process functions Work Heat Functions of state Temperature / Entropy (introduction) Pressure / Volume Chemical potential / Particle number Vapor quality Reduced properties
Material properties Property databases Specific heat capacity  ${\displaystyle c=}$ ${\displaystyle T}$ ${\displaystyle \partial S}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle \partial T}$ Compressibility  ${\displaystyle \beta =-}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle \partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \partial p}$ Thermal expansion  ${\displaystyle \alpha =}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle \partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \partial T}$
Equations Carnot's theorem Clausius theorem Fundamental relation Ideal gas law Maxwell relations Onsager reciprocal relations Bridgman's equations Table of thermodynamic equations
Potentials Free energy Free entropy Internal energy ${\displaystyle U(S,V)}$ Enthalpy ${\displaystyle H(S,p)=U+pV}$ Helmholtz free energy ${\displaystyle A(T,V)=U-TS}$ Gibbs free energy ${\displaystyle G(T,p)=H-TS}$
History Culture History General Entropy Gas laws "Perpetual motion" machines Philosophy Entropy and time Entropy and life Brownian ratchet Maxwell's demon Heat death paradox Loschmidt's paradox Synergetics Theories Caloric theory Vis viva ("living force") Mechanical equivalent of heat Motive power Key publications An Inquiry Concerning the Source ... Friction On the Equilibrium of Heterogeneous Substances Reflections on the Motive Power of Fire Timelines Thermodynamics Heat engines Art Education Maxwell's thermodynamic surface Entropy as energy dispersal
Scientists Bernoulli Boltzmann Bridgman Carathéodory Carnot Clapeyron Clausius de Donder Duhem Gibbs von Helmholtz Joule Kelvin Lewis Massieu Maxwell von Mayer Nernst Onsager Planck Rankine Smeaton Stahl Tait Thompson van der Waals Waterston
Other Nucleation Self-assembly Self-organization Order and disorder
Category
v t e

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

Los refrigeradores criogénicos de tubo de pulso se utilizan en aplicaciones industriales específicas, como la fabricación de semiconductores y circuitos de radiofrecuencia superconductores . ^[1] También se utilizan en aplicaciones militares , como para el enfriamiento de sensores infrarrojos . ^[2]

En la investigación, los PTR se utilizan a menudo como preenfriadores de refrigeradores de dilución . También se están desarrollando para enfriar detectores astronómicos donde se utilizan típicamente criógenos líquidos, como el Telescopio de Cosmología de Atacama ^[3] o el experimento Qubic ^[4] (un interferómetro para estudios cosmológicos). Los tubos de pulso 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 pulso podrían usarse para licuar el oxígeno en Marte . ^[6]

La figura 1 representa el refrigerador de tubo pulsatorio de orificio único tipo Stirling (PTR), que se llena con un gas, normalmente helio , a una presión que varía entre 10 y 30 bares. 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 se libera calor al entorno a temperatura ambiente
• un regenerador que consiste en un medio poroso con un gran calor específico (que puede ser una malla de alambre de acero inoxidable, una malla de alambre de cobre, una 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 útil se entrega a la baja temperatura T _L , tomada del objeto a enfriar${\displaystyle {\dot {Q}}_{\text{L}}}$
• 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 tampón (un gran volumen cerrado a presión prácticamente constante)

La parte entre X ₁ y X ₃ está aislada térmicamente del entorno, normalmente por vacío. La presión varía gradualmente y las velocidades del gas son bajas. Por eso, el nombre de enfriador de tubo de "pulsos" es engañoso, ya que no hay pulsos 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 la presión dentro del sistema aumenta y disminuye. Si el gas del espacio del compresor se mueve hacia la derecha, ingresa al regenerador con temperatura T _H y sale del regenerador por el extremo frío con temperatura T _L , por lo que el calor se transfiere al material del regenerador. A su regreso, el calor almacenado dentro del regenerador se transfiere nuevamente al gas.

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

En el extremo frío del tubo, el gas ingresa 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 por debajo de T _L , absorbiendo así calor de X ₂ : esto produce el efecto de enfriamiento deseado en X ₂ .

Para entender por qué el gas de baja presión regresa a una temperatura más baja, observe la figura 1 y considere las moléculas de gas cercanas a X ₃ (en el extremo caliente), que entran y salen del tubo a través del orificio. Las moléculas fluyen hacia el tubo (a la izquierda) cuando la presión en el tubo es baja (son succionadas hacia el tubo a través de X ₃ , que proviene del orificio y el tampón). Al ingresar al tubo, tiene la temperatura T _H . Más adelante en el ciclo, la misma masa de gas es expulsada nuevamente del tubo cuando la presión dentro del tubo es alta. Como consecuencia, su temperatura será más alta que T _H . En el intercambiador de calor X ₃ , libera calor y se enfría a la temperatura ambiente T _H . ^[7]

La figura 3 muestra un tubo de pulso coaxial, que es una configuración más útil en la que el regenerador rodea el tubo de pulso central. Es compacto y coloca el cabezal frío en un extremo, por lo que es fácil de integrar con lo que se va a enfriar. El desplazador puede accionarse de forma pasiva, y esto recupera el trabajo que de otro modo se disiparía en el orificio.

El rendimiento del enfriador depende principalmente de la calidad del regenerador. Debe cumplir con requisitos contrapuestos: debe tener una baja resistencia al flujo (por lo que debe ser corto con canales anchos), pero el intercambio de calor también debe ser bueno (por lo que debe ser largo con canales estrechos). El material debe tener una gran capacidad térmica. A temperaturas superiores a 50  K prácticamente todos los materiales son adecuados. A menudo se utiliza bronce o acero inoxidable. Para temperaturas entre 10 y 50  K, el plomo es el más adecuado. Por debajo de 10  K se utilizan materiales magnéticos que están desarrollados especialmente para esta aplicación.

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

${\displaystyle \xi _{\text{C}}={\frac {T_{\text{L}}}{T_{\text{H}}-T_{\text{L}}}}}$

( 1 )

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 está dado por

${\displaystyle \xi _{\text{PTR}}={\frac {T_{\text{L}}}{T_{\text{H}}}}}$

( 2 )

que es inferior al de los refrigeradores ideales.

En la mayoría de los refrigeradores, el gas se comprime y se expande periódicamente. Los refrigeradores más conocidos, como los refrigeradores de motor Stirling y los populares refrigeradores Gifford-McMahon, tienen un desplazador que garantiza que el enfriamiento (debido a la expansión) tenga lugar en una región diferente de la máquina que el calentamiento (debido a la compresión). Debido a su diseño inteligente, el PTR no tiene un desplazador de este tipo, lo que hace que la construcción de un PTR sea más sencilla, más barata y más fiable. Además, no hay vibraciones mecánicas ni interferencias electromagnéticas. El funcionamiento básico de los refrigeradores criogénicos y las máquinas térmicas relacionadas está descrito por De Waele ^[8].

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 de eso, 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.

En la actualidad, la temperatura más baja se encuentra por debajo del punto de ebullición del helio (4,2  K). En un principio, esto se consideraba imposible. Durante algún tiempo parecía que sería imposible enfriar por debajo del punto lambda de ⁴ He (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 ⁴ He habitual como refrigerante por su raro isótopo ³ He. Más tarde, este récord fue batido por el Grupo de Giessen, que logró llegar incluso por debajo 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]

Para la refrigeración, la fuente de las variaciones de presión no es importante. Los PTR para temperaturas inferiores a 20  K suelen funcionar a frecuencias de 1 a 2 Hz y con variaciones de presión de 10 a 25 bar. El volumen barrido del compresor sería muy alto (hasta un litro y más). Por lo tanto, el compresor está desacoplado del enfriador. Un sistema de válvulas (normalmente una válvula rotatoria) conecta alternativamente el lado de alta presión y el de baja presión del compresor con el extremo caliente del regenerador. Como la parte de alta temperatura de este tipo de PTR es la misma que la de los enfriadores GM, este tipo de PTR se llama PTR de tipo GM. El flujo de gas a través de las válvulas va acompañado de pérdidas que no existen en el PTR de tipo Stirling.

Los PTR se pueden clasificar según su forma. Si el regenerador y el tubo están en línea (como en la fig. 1) hablamos de un PTR lineal. La desventaja del PTR lineal es que el punto frío está en medio 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 manera que el regenerador se convierta en un espacio en forma de anillo que rodea el tubo.

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

El coeficiente de rendimiento de los PTR a temperatura ambiente es bajo, por lo que no es probable que desempeñen un papel en la refrigeración doméstica. Sin embargo, por debajo de aproximadamente 80  K, el coeficiente de rendimiento es comparable con otros refrigeradores (compárense las ecuaciones ( 1 ) y ( 2 )) y en la región de baja temperatura las ventajas son las que predominan. Los PTR están disponibles comercialmente para temperaturas en la región de 70  K y 4  K. Se aplican en sistemas de detección de infrarrojos, para la reducción del ruido térmico en dispositivos basados ​​en superconductividad (alta Tc ₎ como los SQUID , y en filtros para telecomunicaciones. Los PTR también son adecuados para enfriar sistemas de resonancia magnética y sistemas relacionados con la energía utilizando imanes superconductores. En los llamados imanes secos, los refrigeradores se utilizan de modo que no se necesita criolíquido en absoluto o para la recondensación del helio evaporado. También es atractiva la combinación de crioenfriadores con refrigeradores de dilución de ³ He- ⁴ He ^[23] para el rango de temperatura de 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 baja temperatura, las vibraciones mecánicas provocadas por los PTR pueden provocar microfonía en las líneas de medición, lo que constituye una gran desventaja de los PTR. En particular, para los usos de microscopía de sonda de barrido, los microscopios de efecto túnel de barrido basados ​​en PTR (STM) han tenido históricamente dificultades debido a la extrema sensibilidad a la vibración de los STM. El uso de un gas de intercambio por encima del cabezal de barrido sensible a la vibración permitió la creación de los primeros STM de baja temperatura basados ​​en PTR. ^[24] Ahora, existen sistemas de sonda de barrido sin criógeno basados ​​en PTR disponibles comercialmente. ^[25]

• Refrigerador criogénico
• Refrigeración regenerativa
• Cronología de la tecnología de baja temperatura

• Breve historia de los refrigeradores de tubos pulsantes (NASA)
• Página de inicio del grupo de criogenia SHI
• Página de inicio de Cryomech
• Animación del tubo de pulso (Thales Cryogenics)
• El crioenfriador del telescopio espacial James Webb (JWST/NASA)