Pulse tube refrigerator
पल्स ट्यूब रेफ्रिजरेटर (पीटीआर) या पल्स ट्यूब क्रायोकूलर एक विकासशील तकनीक है जो बड़े पैमाने पर 1980 के दशक की शुरुआत में थर्मोएकॉस्टिक्स के व्यापक क्षेत्र में अन्य नवाचारों की एक श्रृंखला के साथ उभरी है। अन्य क्रायोकूलर्स के विपरीत (जैसे। स्टर्लिंग क्रायोकूलर और जी. एम.-रेफ्रिजरेटर), इस क्रायोकूलर को उपकरण के कम तापमान वाले हिस्से में भागों को स्थानांतरित किए बिना बनाया जा सकता है, जिससे कूलर विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त हो जाता है। उपयोग पल्स ट्यूब क्रायोकूलर्स का उपयोग अर्धचालक निर्माण जैसे औद्योगिक अनुप्रयोगों और अवरक्त संवेदक के शीतलन जैसे सैन्य अनुप्रयोगों में किया जाता है। खगोलीय डिटेक्टरों को ठंडा करने के लिए पल्स ट्यूब भी विकसित किए जा रहे हैं जहां तरल क्रायोजेन का उपयोग किया जाता है, जैसे कि अटाकामा कॉस्मोलॉजी टेलीस्कोप या क्यूबिक प्रयोग (कॉस्मोलॉजी अध्ययन के लिए एक इंटरफेरोमीटर)। पी. टी. आर. का उपयोग डाइलूशन रेफ्रिजरेटर के प्रीकूलर के रूप में किया जाता है। पल्स ट्यूब विशेष रूप से जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप जैसे अंतरिक्ष-आधारित दूरबीनों में उपयोगी हैं जहां क्रायोजेन को फिर से भरना संभव नहीं है क्योंकि वे समाप्त हो गए हैं। यह भी सुझाव दिया गया है कि पल्स ट्यूबों का उपयोग मंगल ग्रह पर ऑक्सीजन को द्रवीकृत करने के लिए किया जा सकता है। ऑपरेशन का सिद्धांत चित्र 1 स्टर्लिंग-प्रकार के एकल-ओरिफिस पल्स-ट्यूब रेफ्रिजरेटर (पीटीआर) का प्रतिनिधित्व करता है, जो एक गैस से भरा होता है, आमतौर पर 10 से 30 बार तक के दबाव पर हीलियम। बाएँ से दाएँ घटक हैंः एक कंप्रेसर, जिसमें एक पिस्टन कमरे के तापमान टी. एच. पर आगे और पीछे चलता है, एक हीट एक्सचेंजर एक्स1 जहां कमरे के तापमान पर आसपास गर्मी छोड़ी जाती है, एक पुनर्योजी जिसमें एक बड़े विशिष्ट गर्मी के साथ एक झरझरा माध्यम होता है (जो कि स्टेनलेस स्टील के तार जाल, तांबे के तार जाल, फॉस्फोर कांस्य तार जाल, सीसा गेंद, सीसा शॉट, या दुर्लभ पृथ्वी सामग्री हो सकती है) जिसमें गैस एक हीट एक्सचेंजर एक्स2 के साथ आगे-पीछे बहती है, जिसे गैस द्वारा ठंडा किया जाता है, जहां उपयोगी शीतलन शक्ति को कम तापमान टी. एल. पर वितरित किया जाता है, एक ट्यूब को ठंडा करने के लिए वस्तु से लिया जाता है जिसमें गैस को धक्का दिया जाता है और कमरे के तापमान के पास एक हीट एक्सचेंजर एक्स3 को खींचा जाता है जहां गर्मी छोड़ी जाती है। दबाव धीरे-धीरे बदलता है और गैस का वेग कम होता है। इसलिए "पल्स" ट्यूब कूलर नाम भ्रामक है, क्योंकि सिस्टम में कोई पल्स नहीं हैं। पिस्टन समय-समय पर बाएँ से दाएँ और पीछे की ओर चलता है। नतीजतन, गैस भी बाएँ से दाएँ और पीछे की ओर चलती है जबकि प्रणाली के भीतर दबाव बढ़ता और घटता है। यदि संपीडक स्थान से गैस दाईं ओर जाती है, तो यह तापमान टी. एच. के साथ पुनर्योजी में प्रवेश करती है और पुनर्योजी को तापमान टी. एल. के साथ ठंडे छोर पर छोड़ देती है, इसलिए गर्मी को पुनर्योजी सामग्री में स्थानांतरित किया जाता है। इसके वापस आने पर, पुनर्योजी के भीतर संग्रहीत गर्मी को गैस में वापस स्थानांतरित कर दिया जाता है। नली में, गैस ऊष्मीय रूप से पृथक (एडियाबेटिक) होती है, इसलिए नली में गैस का तापमान दबाव के साथ बदलता रहता है। नली के ठंडे छोर पर, गैस X2 के माध्यम से नली में प्रवेश करती है जब तापमान TL के साथ दबाव अधिक होता है और TL से नीचे तापमान के साथ दबाव कम होने पर लौटता है, इसलिए X2 से गर्मी लेता हैः 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 (गर्म छोर पर) के करीब गैस अणुओं पर विचार करें, जो छिद्र के माध्यम से नली के अंदर और बाहर जाते हैं। जब नली में दबाव कम होता है तो अणु नली में (बाईं ओर) बहते हैं (इसे एक्स3 के माध्यम से नली में चूसा जाता है, जो छिद्र और बफर से आता है)। नली में प्रवेश करने पर, इसका तापमान टीएच होता है। बाद में चक्र में, नली के अंदर दबाव अधिक होने पर उसी द्रव्यमान की गैस को फिर से नली से बाहर निकाल दिया जाता है। नतीजतन, इसका तापमान टीएच से अधिक होगा। ऊष्मा विनिमायक एक्स3 में, यह ऊष्मा छोड़ता है और परिवेश के तापमान टीएच तक ठंडा हो जाता है। चित्र 3 एक समाक्षीय पल्स ट्यूब दिखाता है, जो एक अधिक उपयोगी विन्यास है जिसमें पुनर्योजी केंद्रीय पल्स ट्यूब को घेरता है। यह कॉम्पैक्ट है और ठंडे सिर को एक छोर पर 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 ठीक करता है जो अन्यथा छिद्र में नष्ट हो जाता। प्रदर्शन कुलर का प्रदर्शन मुख्य रूप से पुनर्योजी की गुणवत्ता से निर्धारित होता है। इसे परस्पर विरोधी आवश्यकताओं को पूरा करना होता हैः इसमें कम प्रवाह प्रतिरोध होना चाहिए (इसलिए यह व्यापक चैनलों के साथ छोटा होना चाहिए), लेकिन गर्मी का आदान-प्रदान भी अच्छा होना चाहिए (इसलिए यह संकीर्ण चैनलों के साथ लंबा होना चाहिए)। सामग्री में बड़ी ताप क्षमता होनी चाहिए। 50K से ऊपर के तापमान पर व्यावहारिक रूप से सभी सामग्री उपयुक्त हैं। कांस्य या स्टेनलेस स्टील का अक्सर उपयोग किया जाता है। 10 और 50के के बीच के तापमान के लिए सीसा सबसे उपयुक्त है। 10के के नीचे चुंबकीय सामग्री का उपयोग किया जाता है जो विशेष रूप से इस अनुप्रयोग के लिए विकसित किए जाते हैं। कुलर के प्रदर्शन के तथाकथित गुणांक (सीओपी; निरूपित) को शीतलन शक्ति और संपीडक शक्ति पी के बीच के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है। एक पूरी तरह से प्रतिवर्ती शीतलक के लिए, कार्नोट के प्रमेय द्वारा दिया गया हैः हालांकि, एक पल्स-ट्यूब रेफ्रिजरेटर छिद्र की उपस्थिति के कारण पूरी तरह से प्रतिवर्ती नहीं है, जिसमें प्रवाह प्रतिरोध है। इसके बजाय, एक आदर्श पी. टी. आर. का सी. ओ. पी. दिया जाता है जिसके द्वारा आदर्श शीतलक की तुलना में कम होता है। अन्य शीतलकक सङ्ग तुलना अधिकांश शीतलकमे गैसकेँ समय-समय पर संकुचित आ विस्तारित कयल जाइत अछि। स्टर्लिंग इंजन कूलर और लोकप्रिय गिफोर्ड-मैकमोहन कूलर जैसे प्रसिद्ध कूलरों में एक विस्थापक होता है जो यह सुनिश्चित करता है कि शीतलन (विस्तार के कारण) हीटिंग (संपीड़न के कारण) की तुलना में मशीन के एक अलग क्षेत्र में होता है। अपने चतुर डिजाइन के कारण, पी. टी. आर. में ऐसा विस्थापक नहीं है, जिससे पी. टी. आर. का निर्माण सरल, सस्ता और अधिक विश्वसनीय हो जाता है। इसके अलावा, कोई यांत्रिक कंपन और कोई विद्युत-चुंबकीय हस्तक्षेप नहीं हैं। क्रायोकूलर्स और संबंधित थर्मल मशीनों के बुनियादी संचालन का वर्णन डी वेल हिस्ट्री डब्ल्यू. ई. गिफोर्ड और आर. सी. लॉन्ग्सवर्थ ने 1960 के दशक में तथाकथित बेसिक पल्स ट्यूब रेफ्रिजरेटर का आविष्कार किया था। आधुनिक पी. टी. आर. का आविष्कार 1984 में मिकुलिन द्वारा किया गया था जिन्होंने मूल पल्स ट्यूब में एक छिद्र पेश किया था। उनका तापमान 105 डिग्री सेल्सियस तक पहुंच गया। उसके तुरंत बाद, नई विविधताओं के आविष्कार के कारण पी. टी. आर. बेहतर हो गए। यह चित्र 4 में दिखाया गया है, जहाँ पी. टी. आर. के लिए सबसे कम तापमान को समय के कार्य के रूप में दर्शाया गया है। इस समय सबसे कम तापमान हीलियम के क्वथनांक (4.2K) से नीचे है। शुरू में इसे असंभव माना जाता था। कुछ समय के लिए ऐसा लग रहा था कि 4He (2.17K) के लैम्ब्डा बिंदु से नीचे ठंडा करना असंभव होगा, लेकिन आइंडहोवन यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी के कम तापमान वाले समूह ने सामान्य 4He को अपने दुर्लभ समस्थानिक 3He द्वारा प्रशीतक के रूप में बदलकर 1.73K के तापमान तक ठंडा करने में कामयाबी हासिल की। बाद में इस रिकॉर्ड को गीसेन समूह ने तोड़ दिया जो 1.30 लाख से भी नीचे आने में कामयाब रहा। गीसेन और आइंडहोवेन के समूहों के बीच एक सहयोग में एक पी. टी. आर. को एक सुपरफ्लुइड वोर्टेक्स कूलर के साथ मिलाकर 1.2K का तापमान प्राप्त किया गया था। पल्स-ट्यूब रेफ्रिजरेटर के प्रकार शीतलन प्राप्त करने के लिए, दबाव भिन्नताओं का स्रोत महत्वहीन है। 20K से कम तापमान के लिए पी. टी. आर. आमतौर पर 1 से 2 हर्ट्ज की आवृत्तियों पर और 10 से 25 बार तक दबाव भिन्नताओं के साथ काम करते हैं। कम्प्रेसर की बहती मात्रा बहुत अधिक (एक लीटर और उससे अधिक) होगी। इसलिए, कंप्रेसर को कूलर से अलग कर दिया जाता है। वाल्व की एक प्रणाली (आमतौर पर एक घूर्णन वाल्व) बारी-बारी से कंप्रेसर के उच्च दबाव और कम दबाव वाले हिस्से को पुनर्योजी के गर्म छोर से जोड़ती है। चूँकि इस प्रकार के पी. टी. आर. का उच्च तापमान वाला भाग जी. एम.-शीतलक के समान होता है, इस प्रकार के पी. टी. आर. को जी. एम.-प्रकार का पी. टी. आर. कहा जाता है। वाल्व के माध्यम से गैस का प्रवाह नुकसान के साथ होता है जो स्टर्लिंग-प्रकार पीटीआर में अनुपस्थित होते हैं। पी. टी. आर. को उनके आकार के अनुसार वर्गीकृत किया जा सकता है। यदि पुनर्योजी और नली कतार में हैं (जैसे अंजीर में। 1) हम एक रैखिक पीटीआर के बारे में बात करते हैं। रैखिक पीटीआर का नुकसान यह है कि ठंडा स्थान कूलर के बीच में होता है। कई अनुप्रयोगों के लिए यह बेहतर है कि शीतलक के अंत में शीतलन का उत्पादन किया जाए। पी. टी. आर. को मोड़ने से हमें यू-आकार का कूलर मिलता है। दोनों गर्म सिरों को कमरे के तापमान पर वैक्यूम चैम्बर के फ्लेंज पर लगाया जा सकता है। यह पी. टी. आर. का सबसे आम आकार है। कुछ अनुप्रयोगों के लिए बेलनाकार ज्यामिति होना बेहतर है। उस स्थिति में पी. टी. आर. का निर्माण समाक्षीय तरीके से किया जा सकता है ताकि पुनर्योजी नलिका के चारों ओर एक वलय के आकार का स्थान बन जाए। एकल-चरण पी. टी. आर. के साथ पहुँचा गया सबसे कम तापमान 10के. से थोड़ा ऊपर है। हालांकि, एक पी. टी. आर. का उपयोग दूसरे को प्री-कूल करने के लिए किया जा सकता है। दूसरी नली का गर्म छोर कमरे के तापमान से जुड़ा होता है न कि पहले चरण के ठंडे छोर से। इस चतुराई से इस बात से बचा जाता है कि दूसरी नली के गर्म छोर पर निकलने वाली गर्मी, पहले चरण में एक भार है। अनुप्रयोगों में पहला चरण उदाहरण के लिए तापमान-लंगर मंच के रूप में भी काम करता है। सुपरकंडक्टिंग-मैग्नेट क्रायोस्टैट्स का शील्ड कूलिंग। मात्सुबारा और गाओ तीन-चरणीय पीटीआर के साथ 4के से नीचे ठंडा होने वाले पहले व्यक्ति थे। 2. 1K के दो-चरण वाले पी. टी. आर. तापमान के साथ, हीलियम के λ-बिंदु से ठीक ऊपर, प्राप्त किया गया है। तीन-चरणीय पीटीआर 1.73K के साथ काम करने वाले तरल पदार्थ के रूप में 3एचई का उपयोग करके पहुँचा गया है। संभावनाएँ कमरे के तापमान पर पी. टी. आर. के प्रदर्शन का गुणांक कम है, इसलिए यह संभावना नहीं है कि वे घरेलू शीतलन में भूमिका निभाएंगे। हालांकि, लगभग 80K से नीचे प्रदर्शन का गुणांक अन्य शीतलकों के साथ तुलनीय है (समीकरणों () और () की तुलना करें) और कम तापमान वाले क्षेत्र में लाभ अधिक होते हैं। पी. टी. आर. 70 डिग्री सेल्सियस और 4 डिग्री सेल्सियस के क्षेत्र में तापमान के लिए व्यावसायिक रूप से उपलब्ध हैं। (उच्च-टी. सी.) अतिचालकता जैसे एस. क्यू. यू. आई. डी. और दूरसंचार के लिए फिल्टर पर आधारित उपकरणों में तापीय शोर को कम करने के लिए उन्हें अवरक्त पहचान प्रणालियों में लागू किया जाता है। पी. टी. आर. सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट का उपयोग करके एम. आर. आई.-प्रणालियों और ऊर्जा से संबंधित प्रणालियों को ठंडा करने के लिए भी उपयुक्त हैं। तथाकथित शुष्क चुंबक में, शीतलक का उपयोग किया जाता है ताकि किसी भी क्रायोलिक्विड की आवश्यकता न हो या वाष्पित हीलियम के पुनः संघनन के लिए। इसके अलावा 2mK तक के तापमान क्षेत्र के लिए 3He-4He डाइल्यूशन रेफ्रिजरेटर के साथ क्रायोकूलर्स का संयोजन आकर्षक है क्योंकि इस तरह से कमरे के तापमान से लेकर 2mK तक के पूरे तापमान तक पहुंचना आसान है। क्रायोकूलर पुनर्योजी शीतलन कम तापमान प्रौद्योगिकी की समयरेखा भी देखें संदर्भ बाहरी लिंक पल्स ट्यूब रेफ्रिजरेटर का एक संक्षिप्त इतिहास (नासा) एसएचआई क्रायोजेनिक्स ग्रुप होम क्रायोमैक होम पल्स-ट्यूब एनीमेशन (थेल्स क्रायोजेनिक्स) जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप क्रायोकूलर (जेडब्ल्यूएसटी/नासा) शीतलन प्रौद्योगिकी क्रायोजेनिक्स थर्मोडायनामिक चक्र