पल्स ट्यूब रेफ्रिजरेटर

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सपन्द नलिका प्रशीतक (PTR) या सपन्द नलिका क्रायोशीतलक एक विकासशील तकनीक है जो 1980 के दशक के प्रारम्भ में बड़े मापक्रम पर तापध्वनिक के व्यापक क्षेत्र में अन्य नवाचारों की एक श्रृंखला के साथ उभरती है। अन्य क्रायोशीतलक के विपरीत (उदाहरण के लिए स्टर्लिंग इंजन के अनुप्रयोग और क्रायोशीतलक जीएम-प्रशीतक), इस क्रायोशीतलक को उपकरण के कम तापमान वाले हिस्से में भागों को हिलाए बिना बनाया जा सकता है, जिससे शीतलक अनुप्रयोगों की विस्तृत विविधता के लिए उपयुक्त हो जाता है।

उपयोग

सपन्द नलिका क्रायोशीतलक का उपयोग औद्योगिक अनुप्रयोगों जैसे अर्धचालक निर्माण और सैन्य अनुप्रयोगों जैसे अवरक्त संवेदक को ठंडा करने के लिए किया जाता है। [1] खगोलीय संसूचक को ठंडा करने के लिए सपन्द नलिका भी विकसित किए जा रहे हैं जहां सामान्यतः तरल शीतजन का उपयोग किया जाता है, जैसे अटाकामा ब्रह्मांड विज्ञान दूरबीन [2] या क्यूयूबीआईसी प्रयोग [3] (ब्रह्मांड विज्ञान अध्ययन के लिए एक व्यतिकरणमापी) है। पीटीआर का उपयोग शक्तिहीन तनूकरण प्रशीतक के पूर्वशीतलक के रूप में किया जाता है। सपन्द नलिका विशेष रूप से अंतरिक्ष दूरबीन जैसे जेम्स वेब स्पेस दूरबीन में उपयोगी होते हैं [4] जहां शीतजन की कमी के कारण उन्हें फिर से भरना संभव नहीं है। यह भी सुझाव दिया गया है कि सपन्द नलिका का उपयोग मंगल ग्रह पर ऑक्सीजन को तरल बनाने के लिए किया जा सकता है।[5]


संचालन का सिद्धांत

चित्र 1: स्टर्लिंग-प्रकार के एकल-छिद्र PTR का योजनाबद्ध आरेखण। बाएं से दाएं: संपीड़क, ताप विनिमयक (X1), एक पुनर्योजित्र, एक ताप विनिमयक (X2), एक नलिका (जिसे प्रायः सपन्द नलिका कहा जाता है), एक ताप विनिमयक (X3), एक प्रवाह प्रतिरोध (छिद्र), और एक मध्यवर्ती घनफल। शीतलन कम तापमान T पर उत्पन्न होता हैL. कमरे का तापमान टी हैH.

चित्र 1 स्टर्लिंग-प्रकार के ऐकल-विवर स्पंद-नलिका प्रशीतक (PTR) को दर्शाता है, जो 10 से 30 बार के दबाव में गैस, सामान्यतः हीलियम से भरा होता है। बाएं से दाएं निम्नलिखित घटक हैं:

  • संपीड़क, एक मुसली के साथ कमरे के तापमान TH पर आगे और पीछे चल रहा है।
  • ताप विनिमयक X1 जहां कमरे के तापमान पर परिवेश को ऊष्मा जारी की जाती है।
  • एक पुनर्योजी बड़े विशिष्ट ताप के साथ छिद्रित माध्यम (जो जंगरोधी इस्पात तार मेष, कॉपर तार मेष, फॉस्फोर ब्रॉन्ज़ तार मेष, लेड बॉल्स, लेड शॉट, या दुर्लभ पृथ्वी पदार्थ हो सकता है) जिसमें गैस आगे और पीछे बहती है।
  • ताप विनिमयक X2, गैस द्वारा ठंडा किया जाता है, जहां उपयोगी शीतलन शक्ति कम तापमान TL पर ठंडा करने के लिए वस्तु से लिया गया है।
  • एक नलिका जिसमें गैस को धकेल कर खींचा जाता है
  • ताप विनिमयक X3 कमरे के तापमान के पास जहां आसपास के लिए ऊष्मा जारी की जाती है
  • एक प्रवाह प्रतिरोध (प्रायः छिद्र कहा जाता है)
  • एक मध्यवर्ती घनफल (व्यावहारिक रूप से स्थिर दबाव पर एक बड़ी बंद मात्रा)
चित्र 2: बाएँ: (X के पास2): एक गैस तत्व नलिका में तापमान T के साथ प्रवेश करता हैL और इसे कम तापमान के साथ छोड़ देता है। दाएँ: (एक्स के पास3): एक गैस तत्व नलिका में तापमान T के साथ प्रवेश करता हैH और इसे उच्च तापमान के साथ छोड़ देता है।

X1 और X3 के बीच का भाग सामान्यतः निर्वात द्वारा, परिवेश से ऊष्मीय रूप से अछूता रहता है। दबाव धीरे-धीरे बदलता है और गैस का वेग कम होता है। इसलिए सपन्द नलिका शीतलक नाम भ्रामक है, क्योंकि प्रणाली में कोई सपन्द नहीं है।

मुसली समय-समय पर बाएं से दाएं और पीछे चलता रहता है। नतीजतन, गैस भी बाएं से दाएं और पीछे चलती है जबकि प्रणाली के भीतर दबाव बढ़ता और घटता है। यदि संपीड़क स्थान से गैस दाहिनी ओर चलती है, तो यह पुनर्योजी में तापमान TH के साथ प्रवेश करती है और तापमान TL के साथ पुनर्योजी को ठंडे सिरे पर छोड़ देता है, इसलिए ऊष्मा को पुनर्योजी पदार्थ में स्थानांतरित किया जाता है। इसके वापस आने पर, पुनर्योजी के भीतर संग्रहीत ऊष्मा को वापस गैस में स्थानांतरित कर दिया जाता है।

नलिका में, गैस ऊष्मीय रूप से पृथक (स्थिरोष्म) होती है, इसलिए नलिका में गैस का तापमान दबाव के साथ बदलता रहता है।

नलिका के ठंडे सिरे पर, गैस X2 के माध्यम से नलिका में प्रवेश करती है जब तापमान TL के साथ दबाव अधिक होता है और 'TL' से नीचे के तापमान के साथ दबाव कम होने पर वापस आ जाता है, इसलिए X2 से ऊष्मा ले रहा है: यह X2 पर वांछित शीतलन प्रभाव देता है।

यह समझने के लिए कि कम दबाव वाली गैस कम तापमान पर क्यों लौटती है, चित्र 1 को देखें और X3 के निकट गैस के अणुओं पर विचार करें (गर्म छोर पर), जो छिद्र के माध्यम से नलिका के अंदर और बाहर जाते हैं। अणु नलिका में (बाईं ओर) प्रवाहित होते हैं जब नलिका में दबाव कम होता है (इसे X3 के माध्यम से नलिका में चूषण किया जाता है), छिद्र और मध्यवर्ती से आ रहा है)। नलिका में प्रवेश करने पर इसका तापमान TH होता है। बाद में चक्र में, नलिका के अंदर दबाव अधिक होने पर गैस के समान द्रव्यमान को फिर से नलिका से बाहर धकेल दिया जाता है। नतीजतन, इसका तापमान TH से अधिक होगा। ताप विनिमयक में X3, यह ऊष्मा छोड़ता है और परिवेश के तापमान TH तक ठंडा हो जाता है। [6]

चित्रा 3: एक विस्थापक के साथ समाक्षीय सपन्द नलिका

चित्रा 3 एक समाक्षीय सपन्द नलिका दिखाता है, जो एक अधिक उपयोगी समाकृति है जिसमें पुनर्योजी केंद्रीय सपन्द नलिका को घेरता है। यह सघन है और ठंडे सिर को अंत में रखता है, इसलिए जो कुछ भी ठंडा किया जाना है, उसके साथ एकीकृत करना आसान है। विस्थापक को निष्क्रिय रूप से संचालित किया जा सकता है, और यह उस कार्य को पुनः प्राप्त करता है जो अन्यथा छिद्र में नष्ट हो जाएगा।

प्रदर्शन

शीतलक का प्रदर्शन मुख्य रूप से पुनर्योजी की गुणवत्ता से निर्धारित होता है। इसे परस्पर विरोधी आवश्यकताओं को पूरा करना होगा: इसमें कम प्रवाह प्रतिरोध होना चाहिए (इसलिए यह व्यापक प्रणाल के साथ छोटा होना चाहिए), लेकिन ऊष्मा विनिमयक भी अच्छा होना चाहिए (इसलिए यह संकीर्ण प्रणाल के साथ लंबा होना चाहिए)। पदार्थ में बड़ी ताप क्षमता होनी चाहिए। 50 से ऊपर के तापमान पर K व्यावहारिक रूप से सभी पदार्थ उपयुक्त हैं। प्रायः कांस्य या जंगरोधी इस्पात का उपयोग किया जाता है। 10 से 50 के बीच तापमान के लि K लेड सबसे उपयुक्त है। नीचे 10 के एक चुंबकीय पदार्थ का उपयोग करता है जिसे विशेष रूप से इस अनुप्रयोग के लिए विकसित किया गया है।

प्रदर्शन के तथाकथित गुणांक (COP; निरूपित ) शीतलक की शीतलन शक्ति के बीच के अनुपात के रूप में और संपीड़क शक्ति P परिभाषित किया गया है । सूत्र में: एक पूरी तरह से प्रतिवर्ती शीतलक के लिए, कार्नोट के प्रमेय (थर्मोडायनामिक्स) द्वारा दिया गया है:

 

 

 

 

(1)

हालांकि, छिद्र की उपस्थिति के कारण स्पंद-नलिका प्रशीतक पूरी तरह से उलटा नहीं होता है, जिसमें प्रवाह प्रतिरोध होता है। इसके स्थान पर, एक आदर्श पीटीआर का सीओपी दिया जाता है

 

 

 

 

(2)

जो आदर्श शीतलक से कम है।

अन्य शीतलक के साथ तुलना

अधिकांश शीतलकों में गैस को समय-समय पर संकुचित और विस्तारित किया जाता है। प्रसिद्ध शीतलक जैसे स्टर्लिंग इंजन शीतलक और लोकप्रिय गिफोर्ड-मैकमोहन शीतलक में एक विस्थापक होता है जो यह सुनिश्चित करता है कि हीटिंग (संपीड़न के कारण) की तुलना में मशीन के एक अलग क्षेत्र में कूलिंग (विस्तार के कारण) होती है। अपने चतुर डिजाइन के कारण, पीटीआर के पास ऐसा विस्थापक नहीं होता है, जिससे पीटीआर का निर्माण सरल, सस्ता और अधिक विश्वसनीय हो जाता है। इसके अतिरिक्त, कोई यांत्रिक कंपन और कोई विद्युत-चुंबकीय हस्तक्षेप नहीं हैं। क्रायोशीतलक और संबंधित थर्मल मशीनों के बुनियादी संचालन का वर्णन डी वेले द्वारा किया गया है[7]


इतिहास

[[File:ontwikkelingkoeler.jpg|thumb|400px|चित्र 4: वर्षों में पीटीआर का तापमान। 1.2 का तापमान गिसेन और आइंटहॉवन के समूहों के बीच सहयोग से K तक पहुँचा। उन्होंने पीटीआर के लिए एक अतिरिक्त कूलिंग चरण के रूप में एक सुपरफ्लुइड भंवर शीतलक का इस्तेमाल किया।]

डब्ल्यू ई गिफोर्ड और आर सी लोंग्सवर्थ ने 1960 के दशक में, तथाकथित बेसिक सपन्द नलिका प्रशीतक का आविष्कार किया। [8][9][10][11] आधुनिक पीटीआर का आविष्कार 1984 में मिकुलिन द्वारा किया गया था, जिन्होंने मूल सपन्द नलिका के लिए एक छिद्र प्रस्तुत किया था। [12] वह 105 के तापमान पर पहुंच गया। उसके तुरंत बाद, नई विविधताओं के आविष्कार के कारण PTR बेहतर हो गए। [13][14][15][16][17] यह चित्र 4 में दिखाया गया है, जहां पीटीआर के लिए सबसे कम तापमान समय के कार्य के रूप में आलेख किया जाता है।

फिलहाल, सबसे कम तापमान हीलियम (4.2.2) के क्वथनांक से नीचे है)। मूल रूप से इसे असंभव माना जाता था। कुछ समय के लिए ऐसा लग रहा था कि लैम्ब्डा बिंदु के नीचे ठंडा करना असंभव होगा वह (2.17 K), लेकिन आइंडहोवन प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय का निम्न-तापमान समूह 1.73 के तापमान तक ठंडा होने में कामयाब रहा K4 सामान्य की जगह वह अपने दुर्लभ समस्थानिक द्वारा प्रशीतक के रूप में 3He तापमान एक पीटीआर को एक सुपरफ्लुइड वोर्टेक्स शीतलक के साथ जोड़कर के तक पहुंचा गया था।[18]


स्पंद-नलिका प्रशीतक के प्रकार

शीतलन प्राप्त करने के लिए, दबाव भिन्नता का स्रोत महत्वहीन है। 20 से कम तापमान के लिए पीटीआर K सामान्यतः 1 से 2 हर्ट्ज की आवृत्ति पर और 10 से 25 बार के दबाव में बदलाव के साथ काम करता है। संपीड़क की स्वेप्ट घनफल बहुत अधिक (एक लीटर और अधिक तक) होगी। इसलिए, संपीड़क को शीतलक से अलग किया जाता है। वाल्वों की एक प्रणाली (सामान्यतः एक घूर्णन वाल्व) वैकल्पिक रूप से पुनर्योजी के गर्म अंत में संपीड़क के उच्च दबाव और निम्न दबाव पक्ष को जोड़ती है। चूंकि इस प्रकार के पीटीआर का उच्च तापमान वाला हिस्सा जीएम-शीतलक के समान होता है, इसलिए इस प्रकार के पीटीआर को जीएम-प्रकार पीटीआर कहा जाता है। वाल्वों के माध्यम से गैस का प्रवाह हानि के साथ होता है जो स्टर्लिंग-प्रकार पीटीआर में अनुपस्थित हैं।

PTR को उनके आकार के अनुसार वर्गीकृत किया जा सकता है। यदि पुनर्योजित्र और नलिका रेखा में हैं (जैसा कि चित्र 1 में है) तो हम एक रैखिक पीटीआर के बारे में बात करते हैं। रैखिक पीटीआर का हानि यह है कि ठंडा स्थान शीतलक के बीच में होता है। कई अनुप्रयोगों के लिए यह बेहतर है कि शीतलक के अंत में शीतलन का उत्पादन किया जाए। पीटीआर को मोड़ने से हमें u-आकार का शीतलक मिलता है। दोनों गर्म सिरों को कमरे के तापमान पर निर्वात कक्ष के निकला हुआ किनारा पर रखा जा सकता है। यह पीटीआर का सबसे सामान्य आकार है। कुछ अनुप्रयोगों के लिए बेलनाकार ज्यामिति होना बेहतर होता है। उस मामले में पीटीआर को एक समाक्षीय तरीके से बनाया जा सकता है ताकि पुनर्योजित्र नलिका के चारों ओर अंगूठी के आकार का स्थान बन जाए।

सिंगल-स्टेज पीटीआर के साथ पहुंचा न्यूनतम तापमान 10 K से थोड़ा ऊपर है। [19] हालाँकि, एक PTR का उपयोग दूसरे को पूर्वशीतलित करने के लिए किया जा सकता है। दूसरी नलिका का गर्म सिरा कमरे के तापमान से जुड़ा होता है न कि पहले चरण के ठंडे सिरे से जुड़ा होता है। इस चतुर तरीके से यह टाला जाता है कि दूसरी नलिका के गर्म सिरे पर छोड़ी गई ऊष्मा, पहले चरण का भार है। अनुप्रयोगों में पहला चरण तापमान-संलागी पटल के रूप में भी काम करता है, उदाहरण के लिए अतिचालक-चुंबक निम्‍नतापस्थायी की आवरण शीतलन है। मात्सुबारा और गाओ 4 से नीचे ठंडा होने वाले पहले व्यक्ति K तीन-चरण PTR के साथ थे ।[20] 2.1 के दो चरण के पीटीआर तापमान के साथ K, इसलिए हीलियम के λ-बिंदु के ठीक ऊपर प्राप्त किया गया है। तीन-चरण PTR 1.73 के साथ तीन चरण के PTR 1.73 K के साथ तक 3He काम कर रहे द्रव के रूप में उपयोग करके पहुँचा जा सकता है। [21]


संभावनाएं

कमरे के तापमान पर पीटीआर के प्रदर्शन का गुणांक कम है, इसलिए यह संभावना नहीं है कि वे घरेलू शीतलन में भूमिका निभाएंगे। हालांकि, लगभग 80 से नीचे K प्रदर्शन का गुणांक अन्य शीतलक के साथ तुलनीय है (समीकरणों की तुलना करें (1) और (2)) और निम्न-तापमान क्षेत्र में लाभ प्रबल होता है। पीटीआर 70 के क्षेत्र में तापमान के लिए व्यावसायिक रूप से K और 4K उपलब्ध हैं। (उच्च-Tc) अतिचालकता जैसे स्क्विड, और दूरसंचार के लिए निस्यन्दक है। पीटीआर अतिचालक चुंबक का उपयोग करके एमआरआई-प्रणाली और ऊर्जा से संबंधित प्रणाली को ठंडा करने के लिए भी उपयुक्त हैं। तथाकथित सूखे चुम्बकों में, शीतलक का उपयोग किया जाता है ताकि क्रायोलिक्विड की बिल्कुल भी आवश्यकता न हो या वाष्पित हीलियम के पुनर्संयोजन के लिए। साथ ही क्रायोशीतलक का संयोजन 3He-4He प्रशीतक को पतला करता है [22] तापमान क्षेत्र के लिए 2 से नीचे mK आकर्षक है क्योंकि इस तरह कमरे के तापमान से लेकर 2 mK तक की पूरी तापमान सीमा तक पहुंचना आसान है।

यह भी देखें

संदर्भ

  1. ↑ Radebough, Ray (1999). एक कुशल और विश्वसनीय क्रायोकूलर के रूप में पल्स ट्यूब रेफ्रिजरेटर का विकास (PDF). Proceedings of the Institute of Refrigeration (London) 1999–2000. Institute of Refrigeration.
  2. ↑ About ACT (official site)
  3. ↑ QUBIC Bolometric interferometry: the concept (official site)
  4. ↑ The James Webb Space Telescope Cryocooler (JWST/NASA)
  5. ↑ Marquardt, E.D.; Radebaugh, Ray (2000). पल्स ट्यूब ऑक्सीजन लिक्विफ़ायर (PDF). Proceedings of the Cryogenic Engineering Conference. Advances in Cryogenic Engineering. Vol. 45A. Montreal, Quebec, Canada. pp. 457–464. ISBN 978-0-306-46443-0. Archived from the original (PDF) on 18 November 2017.
  6. ↑ David, M.; Maréchal, J.-C.; Simon, Y.; Guilpin, C. (1993). "आदर्श छिद्र पल्स ट्यूब रेफ्रिजरेटर का सिद्धांत". Cryogenics. Elsevier BV. 33 (2): 154–161. Bibcode:1993Cryo...33..154D. doi:10.1016/0011-2275(93)90129-c. ISSN 0011-2275.
  7. ↑ de Waele, A. T. A. M. (10 June 2011). "क्रायोकूलर और संबंधित थर्मल मशीनों का मूल संचालन". Journal of Low Temperature Physics. Springer Science and Business Media LLC. 164 (5–6): 179–236. Bibcode:2011JLTP..164..179D. doi:10.1007/s10909-011-0373-x. ISSN 0022-2291.
  8. ↑ Gifford, W. E.; Longsworth, R. C. (1964). "पल्स ट्यूब प्रशीतन प्रगति" (PDF). Cryogenic Engineering Conference. University of Pennsylvania.
  9. ↑ Gifford, W. E.; Longsworth, R. C. (1965). "भूतल ताप पम्पिंग". Advances in Cryogenic Engineering. 11: 171–179. doi:10.1007/978-1-4757-0522-5_18. ISBN 978-1-4757-0524-9.
  10. ↑ Longsworth, R. C. (1967). "पल्स ट्यूब रेफ्रिजरेशन हीट पम्पिंग दरों की एक प्रायोगिक जांच". Advances in Cryogenic Engineering. 12: 608–618. doi:10.1007/978-1-4757-0489-1_63. ISBN 978-1-4757-0491-4.
  11. ↑ Matsubara, Yoichi (1994). "पल्स ट्यूब रेफ्रिजरेटर". Transactions of the Japan Society of Refrigerating and Air Conditioning Engineers. Transactions of the Japan Society of Refrigerating and Air Conditioning Engineers, Volume 11, Issue 2, pp. 89-99. 11 (2): 89–99. Bibcode:2011TRACE..11...89M.
  12. ↑ Mikulin, E. I.; Tarasov, A. A.; Shkrebyonock, M. P. (1984). कम तापमान विस्तार पल्स ट्यूब. pp. 629–637. doi:10.1007/978-1-4613-9865-3_72. ISBN 978-1-4613-9867-7. {{cite book}}: |journal= ignored (help)
  13. ↑ Shaowei, Zhu; Peiyi, Wu; Zhongqi, Chen (1990). "Double inlet pulse tube refrigerators: an important improvement". Cryogenics. Elsevier BV. 30 (6): 514–520. Bibcode:1990Cryo...30..514S. doi:10.1016/0011-2275(90)90051-d. ISSN 0011-2275.
  14. ↑ Matsubara, Y.; Gao, J.L. (1994). "Novel configuration of three-stage pulse tube refrigerator for temperatures below 4 K". Cryogenics. Elsevier BV. 34 (4): 259–262. doi:10.1016/0011-2275(94)90104-x. ISSN 0011-2275. S2CID 122086143.
  15. ↑ Thummes, G.; Wang, C.; Bender, S.; Heiden, C. (1996). Pulsröhrenkühler zur Erzeugung von Temperaturen im Bereich des flüssigen Heliums [Pulse tube cooler for generating temperatures in the range of liquid helium]. DKV-Tagungsbericht (in Deutsch). Vol. 23. pp. 147–159.
  16. ↑ Xu, M.Y.; De Waele, A.T.A.M.; Ju, Y.L. (1999). "A pulse tube refrigerator below 2 K". Cryogenics. Elsevier BV. 39 (10): 865–869. Bibcode:1999Cryo...39..865X. doi:10.1016/s0011-2275(99)00101-0. ISSN 0011-2275.
  17. ↑ Matsubara, Y. (1998). पल्स ट्यूब क्रायोकूलर का वर्गीकरण. Proceedings of the 17th International Cryogenic Engineering Conference. Institute of Physics Publishing. pp. 11–16. ISBN 0-7503-0597-5.
  18. ↑ Tanaeva, I. A.; Lindemann, U.; Jiang, N.; de Waele, A.T.A.M.; Thummes, G. (2004). सुपरफ्लुइड भंवर कूलर. Advances in Cryogenic Engineering: Transactions of the Cryogenic Engineering Conference. Unsolved Problems of Noise and Fluctuations. Vol. 49B. AIP. pp. 1906–1913. doi:10.1063/1.1774894. ISSN 0094-243X.
  19. ↑ Gan, Z.H.; Dong, W.Q.; Qiu, L.M.; Zhang, X.B.; Sun, H.; He, Y.L.; Radebaugh, R. (2009). "A single-stage GM-type pulse tube cryocooler operating at 10.6K". Cryogenics. Elsevier BV. 49 (5): 198–201. Bibcode:2009Cryo...49..198G. doi:10.1016/j.cryogenics.2009.01.004. ISSN 0011-2275.
  20. ↑ Matsubara, Y.; Gao, J.L. (1994). "Novel configuration of three-stage pulse tube refrigerator for temperatures below 4 K". Cryogenics. Elsevier BV. 34 (4): 259–262. doi:10.1016/0011-2275(94)90104-x. ISSN 0011-2275. S2CID 122086143.
  21. ↑ Xu, M.Y.; De Waele, A.T.A.M.; Ju, Y.L. (1999). "A pulse tube refrigerator below 2 K". Cryogenics. Elsevier BV. 39 (10): 865–869. Bibcode:1999Cryo...39..865X. doi:10.1016/s0011-2275(99)00101-0. ISSN 0011-2275.
  22. ↑ Zu, H.; Dai, W.; de Waele, A.T.A.M. (2022). "Development of dilution refrigerators – A review". Cryogenics. 121. Bibcode:2022Cryo..121....1Z. doi:10.1016/j.cryogenics.2021.103390. ISSN 0011-2275. S2CID 244005391.


बाहरी संबंध

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