Pulse tube refrigerator
પલ્સ ટ્યુબ રેફ્રિજરેટર (પી. ટી. આર.) અથવા પલ્સ ટ્યુબ ક્રાયોકુલર એ એક વિકાસશીલ તકનીક છે જે મોટાભાગે 1980ના દાયકાની શરૂઆતમાં થર્મોએકૉસ્ટિક્સના વ્યાપક ક્ષેત્રમાં અન્ય નવીનતાઓની શ્રેણી સાથે ઉભરી આવી હતી. અન્ય ક્રાયોકૂલર્સથી વિપરીત (દા. ત. સ્ટર્લિંગ ક્રાયોકૂલર અને જી. એમ.-રેફ્રિજરેટર્સ), આ ક્રાયોકૂલર ઉપકરણના નીચા તાપમાનના ભાગમાં ભાગો ખસેડ્યા વિના બનાવી શકાય છે, જે ઠંડકને વિવિધ પ્રકારની એપ્લિકેશનો માટે યોગ્ય બનાવે છે. ઉપયોગ પલ્સ ટ્યુબ ક્રાયોકૂલર્સનો ઉપયોગ સેમિકન્ડક્ટર ફેબ્રિકેશન જેવા ઔદ્યોગિક ઉપયોગોમાં અને ઇન્ફ્રારેડ સેન્સરને ઠંડુ કરવા જેવા લશ્કરી ઉપયોગોમાં થાય છે. પલ્સ ટ્યુબ્સ ખગોળશાસ્ત્રીય ડિટેક્ટર્સને ઠંડુ કરવા માટે પણ વિકસાવવામાં આવી રહી છે જ્યાં પ્રવાહી ક્રાયોજેન્સનો સામાન્ય રીતે ઉપયોગ થાય છે, જેમ કે અટાકામા કોસ્મોલોજી ટેલિસ્કોપ અથવા ક્યુબિક પ્રયોગ (બ્રહ્માંડશાસ્ત્રના અભ્યાસ માટે ઇન્ટરફેરોમીટર). પી. ટી. આર. નો ઉપયોગ ડાયલ્યુશન રેફ્રિજરેટર્સના પ્રીકૂલર્સ તરીકે થાય છે. પલ્સ ટ્યુબ ખાસ કરીને જેમ્સ વેબ સ્પેસ ટેલિસ્કોપ જેવા અવકાશ-આધારિત ટેલીસ્કોપમાં ઉપયોગી છે જ્યાં ક્રાયોજેન્સને ફરીથી ભરવાનું શક્ય નથી કારણ કે તે ક્ષીણ થઈ ગયા છે. એવું પણ સૂચવવામાં આવ્યું છે કે મંગળ પર ઓક્સિજનને પ્રવાહી બનાવવા માટે પલ્સ ટ્યુબનો ઉપયોગ કરી શકાય છે. ઓપરેશનનો સિદ્ધાંત આકૃતિ 1 સ્ટર્લિંગ-પ્રકારનાં સિંગલ-ઓરિફિસ પલ્સ-ટ્યુબ રેફ્રિજરેટર (પી. ટી. આર.) નું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે, જે ગેસથી ભરેલું હોય છે, સામાન્ય રીતે 10 થી 30 બાર સુધીના દબાણ પર હિલીયમ હોય છે. ડાબેથી જમણે ઘટકો છેઃ એક કોમ્પ્રેસર, જેમાં પિસ્ટન ઓરડાના તાપમાને આગળ અને પાછળ ફરે છે, એક હીટ એક્સ્ચેન્જર X1 જ્યાં ઓરડાના તાપમાને આસપાસના વિસ્તારોમાં ગરમી છોડવામાં આવે છે, એક રિજનરેટર જેમાં મોટી ચોક્કસ ગરમી સાથે છિદ્રાળુ માધ્યમ હોય છે (જે સ્ટેઈનલેસ સ્ટીલ વાયર મેશ, કોપર વાયર મેશ, ફોસ્ફર બ્રોન્ઝ વાયર મેશ, લીડ બોલ્સ, લીડ શોટ અથવા દુર્લભ પૃથ્વી સામગ્રી હોઈ શકે છે) જેમાં ગેસ દ્વારા ઠંડુ કરાયેલ હીટ એક્સ્ચેન્જર X2 આગળ અને પાછળ વહે છે, જ્યાં ઉપયોગી ઠંડક શક્તિ નીચા તાપમાન TL પર પહોંચાડવામાં આવે છે, જે વસ્તુમાંથી એક ટ્યુબને ઠંડુ કરવા માટે લેવામાં આવે છે જેમાં ગેસને દબાણ કરવામાં આવે છે અને ઓરડાના તાપમાને નજીક હીટ એક્સ્ચેન્જર X3 ખેંચવામાં આવે છે જ્યાં ગરમી છોડવામાં આવે છે. દબાણ ધીમે ધીમે બદલાય છે અને ગેસનો વેગ ઓછો હોય છે. તેથી "પલ્સ" ટ્યુબ કુલર નામ ભ્રામક છે, કારણ કે સિસ્ટમમાં કોઈ પલ્સ નથી. પિસ્ટન સમયાંતરે ડાબેથી જમણે અને પાછળ ફરે છે. પરિણામે, ગેસ પણ ડાબેથી જમણે અને પાછળ જાય છે જ્યારે સિસ્ટમની અંદર દબાણ વધે છે અને ઘટે છે. જો કોમ્પ્રેસર જગ્યામાંથી ગેસ જમણી તરફ જાય છે, તો તે તાપમાન ટી. એચ. સાથે રિજનરેટરમાં પ્રવેશ કરે છે અને તાપમાન ટી. એલ. સાથે ઠંડા છેડે રિજનરેટરને છોડી દે છે, તેથી ગરમી રિજનરેટર સામગ્રીમાં સ્થાનાંતરિત થાય છે. તેના પરત ફર્યા પછી, રિજનરેટરની અંદર સંગ્રહિત ગરમી ફરીથી ગેસમાં સ્થાનાંતરિત થાય છે. ટ્યુબમાં, ગેસ ઉષ્મીય રીતે અલગ (એડિયાબેટિક) હોય છે, તેથી ટ્યુબમાં ગેસનું તાપમાન દબાણ સાથે બદલાય છે. ટ્યુબના ઠંડા છેડે, ગેસ X2 મારફતે ટ્યુબમાં પ્રવેશ કરે છે જ્યારે દબાણ TL તાપમાન સાથે ઊંચું હોય છે અને જ્યારે દબાણ TL નીચે તાપમાન સાથે ઓછું હોય ત્યારે પરત આવે છે, તેથી X2 માંથી ગરમી લે છેઃ આ X2 પર ઇચ્છિત ઠંડક અસર આપે છે. નીચા દબાણવાળા વાયુ નીચા તાપમાને કેમ પાછા આવે છે તે સમજવા માટે, આકૃતિ 1 જુઓ અને X3 (ગરમ છેડે) ની નજીકના વાયુ પરમાણુઓને ધ્યાનમાં લો, જે છિદ્ર દ્વારા નળીની અંદર અને બહાર જાય છે. જ્યારે ટ્યુબમાં દબાણ ઓછું હોય ત્યારે અણુઓ ટ્યુબમાં (ડાબી બાજુએ) વહે છે (તે X3 દ્વારા ટ્યુબમાં ખેંચાય છે, જે છિદ્ર અને બફરમાંથી આવે છે). ટ્યુબમાં પ્રવેશ્યા પછી, તેનું તાપમાન ટીએચ હોય છે. પાછળથી ચક્રમાં, જ્યારે ટ્યુબની અંદરનું દબાણ વધારે હોય ત્યારે ફરીથી ટ્યુબમાંથી ગેસના સમાન જથ્થાને બહાર ધકેલી દેવામાં આવે છે. પરિણામે, તેનું તાપમાન ટી. એચ. કરતા વધારે રહેશે. હીટ એક્સ્ચેન્જર X3 માં, તે ગરમી છોડે છે અને આસપાસના તાપમાન TH સુધી ઠંડુ થાય છે. આકૃતિ 3 કોએક્સિયલ પલ્સ ટ્યુબને દર્શાવે છે, જે વધુ ઉપયોગી રૂપરેખાંકન છે જેમાં રિજનરેટર કેન્દ્રીય પલ્સ ટ્યુબને ઘેરી લે છે. આ કોમ્પેક્ટ છે અને ઠંડા માથાને અંતમાં મૂકે છે, તેથી જે પણ ઠંડુ કરવું હોય તેની સાથે સંકલન કરવું સરળ છે. વિસ્થાપકને નિષ્ક્રિય રીતે ચલાવી શકાય છે, અને આ તે કાર્યને પુનઃપ્રાપ્ત કરે છે જે અન્યથા છિદ્રમાં વિખેરાઈ જશે. પરફોર્મન્સ કુલરનું પરફોર્મન્સ મુખ્યત્વે રિજનરેટરની ગુણવત્તા દ્વારા નક્કી થાય છે. તેણે વિરોધાભાસી જરૂરિયાતોને સંતોષવી પડશેઃ તેમાં ઓછો પ્રવાહ પ્રતિકાર હોવો જોઈએ (તેથી તે વિશાળ ચેનલો સાથે ટૂંકો હોવો જોઈએ), પરંતુ ગરમીનું વિનિમય પણ સારું હોવું જોઈએ (તેથી તે સાંકડી ચેનલો સાથે લાંબુ હોવું જોઈએ). સામગ્રીમાં મોટી ગરમી ક્ષમતા હોવી જોઈએ. 50K થી વધુ તાપમાન પર વ્યવહારીક રીતે તમામ સામગ્રી યોગ્ય છે. બ્રોન્ઝ અથવા સ્ટેઈનલેસ સ્ટીલનો ઘણીવાર ઉપયોગ થાય છે. 10 અને 50 કે વચ્ચેના તાપમાન માટે લીડ સૌથી યોગ્ય છે. 10K ની નીચે ચુંબકીય સામગ્રીનો ઉપયોગ થાય છે જે ખાસ કરીને આ એપ્લિકેશન માટે વિકસાવવામાં આવે છે. કુલર્સના પ્રદર્શનના કહેવાતા ગુણાંક (COP; સૂચિત) ને ઠંડક શક્તિ અને કોમ્પ્રેસર શક્તિ વચ્ચેના ગુણોત્તર તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવે છે. સૂત્રમાંઃ સંપૂર્ણ રીતે ઉલટાવી શકાય તેવા શીતક માટે, કાર્નોટના પ્રમેય દ્વારા આપવામાં આવે છેઃ જો કે, પલ્સ-ટ્યુબ રેફ્રિજરેટર છિદ્રની હાજરીને કારણે સંપૂર્ણપણે ઉલટાવી શકાય તેવું નથી, જે પ્રવાહ પ્રતિકાર ધરાવે છે. તેના બદલે, આદર્શ પી. ટી. આર. નું સી. ઓ. પી. આપવામાં આવે છે, જે આદર્શ શીતક કરતા ઓછું હોય છે. અન્ય શીતક સાથે સરખામણી મોટાભાગના શીતકમાં ગેસ સમયાંતરે સંકુચિત અને વિસ્તૃત થાય છે. સ્ટર્લિંગ એન્જિન કૂલર્સ અને લોકપ્રિય ગિફોર્ડ-મેકમોહન કૂલર્સ જેવા જાણીતા કૂલર્સમાં ડિસ્પ્લેસર હોય છે જે સુનિશ્ચિત કરે છે કે ઠંડક (વિસ્તરણને કારણે) મશીનના ગરમી (સંકોચનને કારણે) કરતાં અલગ વિસ્તારમાં થાય છે. તેની ચપળ ડિઝાઇનને કારણે, પી. ટી. આર. માં આવા વિસ્થાપક નથી, જે પી. ટી. આર. નું બાંધકામ સરળ, સસ્તું અને વધુ વિશ્વસનીય બનાવે છે. વધુમાં, ત્યાં કોઈ યાંત્રિક સ્પંદનો નથી અને કોઈ વિદ્યુત-ચુંબકીય દખલગીરી નથી. ક્રાયોકૂલર્સ અને સંબંધિત થર્મલ મશીનોની મૂળભૂત કામગીરીનું વર્ણન ડી વેલે હિસ્ટ્રી ડબ્લ્યુ. ઇ. ગિફોર્ડ અને આર. સી. લોંગસ્વર્થ દ્વારા 1960ના દાયકામાં કરવામાં આવ્યું છે, જેમણે કહેવાતા બેઝિક પલ્સ ટ્યુબ રેફ્રિજરેટરની શોધ કરી હતી. આધુનિક પી. ટી. આર. ની શોધ 1984માં મિકુલિન દ્વારા કરવામાં આવી હતી, જેમણે મૂળભૂત પલ્સ ટ્યુબમાં છિદ્ર રજૂ કર્યું હતું. તેનું તાપમાન 105 ડિગ્રી સુધી પહોંચી ગયું હતું. તે પછી તરત જ, નવી વિવિધતાઓની શોધને કારણે પી. ટી. આર. વધુ સારા બન્યા. આ આકૃતિ 4 માં દર્શાવવામાં આવ્યું છે, જ્યાં પી. ટી. આર. માટે સૌથી ઓછું તાપમાન સમયના કાર્ય તરીકે દર્શાવવામાં આવ્યું છે. આ ક્ષણે, સૌથી ઓછું તાપમાન હીલિયમના ઉત્કલન બિંદુ (4.2K) થી નીચે છે. શરૂઆતમાં આ અશક્ય માનવામાં આવતું હતું. થોડા સમય માટે એવું લાગતું હતું કે 4He (2.17K) ના લેમ્બડા બિંદુથી નીચે ઠંડું કરવું અશક્ય હશે, પરંતુ આઇન્ડહોવન યુનિવર્સિટી ઓફ ટેક્નોલોજીના નીચા તાપમાન જૂથ તેના દુર્લભ આઇસોટોપ 3He દ્વારા રેફ્રિજન્ટ તરીકે સામાન્ય 4He ને બદલીને 1.73K ના તાપમાન સુધી ઠંડું કરવામાં સફળ રહ્યું. પાછળથી આ વિક્રમ ગીસેન ગ્રૂપ દ્વારા તોડવામાં આવ્યો હતો, જે 1.300થી પણ નીચે પહોંચવામાં સફળ રહ્યું હતું. ગીસેન અને આઇન્ડહોવનના જૂથો વચ્ચેના સહયોગમાં પી. ટી. આર. ને સુપરફ્લુઇડ વોર્ટેક્સ કુલર સાથે જોડીને 1.2K તાપમાન સુધી પહોંચવામાં આવ્યું હતું. પલ્સ-ટ્યુબ રેફ્રિજરેટર્સના પ્રકારો ઠંડક મેળવવા માટે, દબાણની વિવિધતાનો સ્રોત બિનમહત્વપૂર્ણ છે. 20 કે નીચે તાપમાન માટે પી. ટી. આર. સામાન્ય રીતે 1 થી 2 હર્ટ્ઝની આવર્તન પર અને 10 થી 25 બારના દબાણના ફેરફારો સાથે કામ કરે છે. કોમ્પ્રેસરનું સ્વેપ્ટ વોલ્યુમ ખૂબ ઊંચું હશે (એક લિટર અને વધુ સુધી). તેથી, કોમ્પ્રેસરને કુલરથી અલગ કરવામાં આવે છે. વાલ્વની પ્રણાલી (સામાન્ય રીતે ફરતી વાલ્વ) વારાફરતી કોમ્પ્રેસરની ઉચ્ચ દબાણ અને નીચા દબાણની બાજુને રિજનરેટરના ગરમ છેડા સાથે જોડે છે. આ પ્રકારના પી. ટી. આર. નો ઉચ્ચ તાપમાનનો ભાગ જી. એમ.-કૂલર્સ જેવો જ હોવાથી આ પ્રકારના પી. ટી. આર. ને જી. એમ.-પ્રકારનો પી. ટી. આર. કહેવામાં આવે છે. વાલ્વમાંથી ગેસનો પ્રવાહ એવા નુકસાન સાથે આવે છે જે સ્ટર્લિંગ-પ્રકારના પીટીઆરમાં ગેરહાજર હોય છે. પી. ટી. આર. ને તેમના આકાર અનુસાર વર્ગીકૃત કરી શકાય છે. જો રિજનરેટર અને ટ્યુબ લીટીમાં હોય (અંજીરની જેમ. 1) આપણે રેખીય પીટીઆર વિશે વાત કરીએ છીએ. રેખીય પી. ટી. આર. નો ગેરલાભ એ છે કે ઠંડુ સ્થાન શીતકની મધ્યમાં હોય છે. ઘણી એપ્લિકેશનો માટે તે વધુ સારું છે કે ઠંડક ઠંડકના અંતે ઉત્પન્ન થાય. પી. ટી. આર. ને વાળવાથી આપણને યુ આકારનું શીતક મળે છે. ઓરડાના તાપમાને વેક્યૂમ ચેમ્બરની ફ્લેંજ પર બંને ગરમ છેડા ગોઠવી શકાય છે. આ પી. ટી. આર. નો સૌથી સામાન્ય આકાર છે. કેટલીક એપ્લિકેશનો માટે નળાકાર ભૂમિતિ હોવી વધુ સારી છે. તે કિસ્સામાં પી. ટી. આર. ને કોએક્સિયલ રીતે બનાવી શકાય છે જેથી રિજનરેટર ટ્યુબની આસપાસ રિંગ આકારની જગ્યા બની જાય. સિંગલ-સ્ટેજ પી. ટી. આર. સાથે પહોંચેલું સૌથી ઓછું તાપમાન 10 કે. થી ઉપર છે. જો કે, એક પી. ટી. આર. નો ઉપયોગ બીજાને પ્રીકોલ કરવા માટે કરી શકાય છે. બીજી ટ્યુબનો ગરમ છેડો ઓરડાના તાપમાન સાથે જોડાયેલો હોય છે, પ્રથમ તબક્કાના ઠંડા છેડા સાથે નહીં. આ ચતુરાઈથી એ ટાળવામાં આવે છે કે બીજી નળીના ગરમ છેડે છોડવામાં આવતી ગરમી એ પ્રથમ તબક્કા પરનો ભાર છે. એપ્લિકેશન્સમાં પ્રથમ તબક્કો તાપમાન-લંગર પ્લેટફોર્મ તરીકે પણ કામ કરે છે, દા. ત. સુપરકન્ડક્ટિંગ-મેગ્નેટ ક્રાયોસ્ટેટ્સનું શીલ્ડ કૂલિંગ. માત્સુબારા અને ગાઓ ત્રણ તબક્કાના પી. ટી. આર. સાથે 4K થી નીચે ઠંડક મેળવનારા પ્રથમ હતા. 2. 1K ના બે તબક્કાના પી. ટી. આર. તાપમાન સાથે, તેથી હિલીયમના λ-બિંદુથી ઉપર, મેળવવામાં આવ્યા છે. ત્રણ તબક્કાના PTR 1.73K સાથે કાર્યરત પ્રવાહી તરીકે 3He નો ઉપયોગ કરીને પહોંચી શકાય છે. સંભાવનાઓ ઓરડાના તાપમાને પી. ટી. આર. ની કામગીરીનો ગુણાંક ઓછો છે, તેથી તે સંભવિત નથી કે તેઓ ઘરેલું ઠંડકમાં ભૂમિકા ભજવશે. જો કે, લગભગ 80K ની નીચે કામગીરીનો ગુણાંક અન્ય કૂલર્સ સાથે તુલનાત્મક છે (સમીકરણો () અને () ની સરખામણી કરો) અને નીચા તાપમાનના પ્રદેશમાં ફાયદા ઉપર હાથ મેળવે છે. પી. ટી. આર. 70 કે અને 4 કે વિસ્તારમાં તાપમાન માટે વ્યાવસાયિક રીતે ઉપલબ્ધ છે. તેઓ ઇન્ફ્રારેડ ડિટેક્શન સિસ્ટમ્સમાં લાગુ કરવામાં આવે છે, જે SQUIDs જેવા (ઉચ્ચ-Tc) સુપરકન્ડક્ટિવિટી પર આધારિત ઉપકરણોમાં થર્મલ અવાજને ઘટાડવા માટે અને ટેલિકોમ્યુનિકેશન માટે ફિલ્ટર્સ છે. પી. ટી. આર. સુપરકન્ડક્ટિંગ ચુંબકનો ઉપયોગ કરીને એમ. આર. આઈ.-પ્રણાલીઓ અને ઊર્જા-સંબંધિત પ્રણાલીઓને ઠંડુ કરવા માટે પણ યોગ્ય છે. કહેવાતા શુષ્ક ચુંબકમાં, કૂલર્સનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે જેથી કોઈ ક્રાયોલિક્વિડની જરૂર ન પડે અથવા બાષ્પીભવન થયેલ હિલીયમના પુનઃસંક્રમણ માટે. 2mK સુધીના તાપમાન વિસ્તાર માટે 3He-4He મંદન રેફ્રિજરેટર્સ સાથે ક્રાયોકૂલર્સનું સંયોજન પણ આકર્ષક છે કારણ કે આ રીતે ઓરડાના તાપમાનથી 2mK સુધીની સમગ્ર તાપમાન શ્રેણી સુધી પહોંચવું સરળ છે. ક્રાયોકુલર પુનર્યોજી ઠંડક ઓછી તાપમાનની ટેકનોલોજીની સમયરેખા પણ જુઓ સંદર્ભો બાહ્ય કડીઓ પલ્સ ટ્યુબ રેફ્રિજરેટર્સનો ટૂંકો ઇતિહાસ (નાસા) એસએચઆઈ ક્રાયોજેનિક્સ ગ્રુપ હોમ ક્રાયોમેક હોમ પલ્સ-ટ્યુબ એનિમેશન (થેલ્સ ક્રાયોજેનિક્સ) જેમ્સ વેબ સ્પેસ ટેલિસ્કોપ ક્રાયોકુલર (જેડબ્લ્યુએસટી/નાસા) કૂલિંગ ટેકનોલોજી ક્રાયોજેનિક્સ થર્મોડાયનેમિક ચક્ર