Oldószeres hűtőszekrény
Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2020. február 12-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 2 szerkesztést igényelnek .A hígító hűtő a Heinz London által úttörő kriogén eszköz . A hűtési folyamat két hélium izotóp keverékét használja : 3 He és 4 He . 700 mK alá hűtve a keverék spontán fázisszétválást tapasztal , és fázisok képződnek: 3 He-ben és 4 He- ben gazdag .
Akárcsak a párolgásos hűtésnél, a 3 He atomnak a 3 He-ben gazdag fázisból a 4 He-ben gazdag fázisba való átviteléhez energiára van szükség. Ha a 3 He- atomot arra kényszerítik, hogy folyamatosan átlépjék a fázishatárt, akkor a keverék hatékonyan lehűl. Mivel a 4 He-ben gazdag fázis nem tartalmazhat 6% 3 He-nél kevesebbet, még abszolút nulla hőmérsékleten sem , a hígítóhűtő nagyon alacsony hőmérsékleten is hatékony lehet. Azt a tartályt, amelyben ez a folyamat zajlik, keverőkamrának nevezzük .
A legegyszerűbb alkalmazás egy "eldobható" hígítású hűtőszekrény. Az egyszeri üzemmódban egy nagy mennyiségű 3 He fokozatosan átlép a fázishatáron egy 4 He-ben gazdag fázisba. Amikor a teljes 3 He készlet a 4 He dús fázisban van, a hűtőszekrény nem tud tovább működni.
Sokkal gyakrabban a hígító hűtők folyamatos ciklusban működnek. A 3 He/ 4 He keveréket egy kondenzátorban cseppfolyósítják , amely fojtón keresztül csatlakozik a keverőkamra 3 He-ben gazdag területéhez. A fázishatáron áthaladó 3 He atomok energiát vesznek fel a rendszerből. Ezenkívül különbséget kell tenni a külső és belső szivattyúzású hígító hűtők között. Az első esetben a 3 He gőzöket egy nagyvákuumszivattyú ( turbomolekuláris vagy diffúziós ) pumpálja ki. A másodikban egy szorpciós szivattyú. A külső szivattyúzású hígítós hűtőszekrények nagyobb hűtési kapacitást biztosítanak, de több 3 He-t igényelnek. A kiszivattyúzott 3 He, néha megtisztítva, visszakerül a kondenzátorba .
A folyamatos ciklusú hígítású hűtőszekrényeket általában alacsony hőmérsékletű fizikai kísérletekben használják.
Hűtőteljesítmény
A keverőkamra hűtőteljesítménye ( wattban ) megközelítőleg kiszámítható a következő képlettel:
![{\displaystyle {\dot {Q}}_{m}\ \mathrm {[W]} =({\pont {n}}_{3}\ \mathrm {[mol/s]} )\left[95 (T_{m}\ \mathrm {[K]} )^{2}-11(T_{i}\ \mathrm {[K]} )^{2}\jobbra]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3b1b012ee5c6b6ae6838dfedf2736aa54daf9e3d)
ahol a 3 He keringési sebesség , T m a keverőkamra hőmérséklete, és T i a keverőkamrába belépő 3 He hőmérséklete . [1] Abban az esetben, ha a hőterhelés nulla, a két hőmérséklet között rögzített kapcsolat van:
Ebből az összefüggésből látható, hogy alacsony T m csak akkor érhető el, ha T i is kicsi. A hígítóhűtőben ez utóbbit hőcserélők segítségével redukálják. Azonban nagyon alacsony hőmérsékleten ez meglehetősen nehézzé válik az úgynevezett Kapitsa-ellenállás miatt . Ez a hőellenállás a folyékony hélium és a hőcserélő felülete közötti határfelületen. Ez fordítottan arányos T 4 -el és az A hőcserélő felülettel . Más szóval: a hőellenállás a felület 10 000-szeres növelése esetén változatlan marad, ha a hőmérsékletet 10-szeresére csökkentjük. Így az alacsony hőellenállás eléréséhez alacsony hőmérsékleten (30 mK alatt) nagyon nagy felületre van szükség a hőcserélőnek. A gyakorlatban erre a célra nagyon finoman diszpergált ezüstport használnak. Ezt először J. Frossati professzor javasolta 1970-ben. [2] Az általa alapított cég ma már a hígítós hűtőszekrények és más csúcskategóriás hűtőtermékek vezető gyártója. [3]
Korlátozások
A hígítóhűtőszekrényekben elérhető minimális hőmérsékletre nincs alapvető korlátozás. A hőmérséklet-tartomány azonban gyakorlati okokból körülbelül 2 mK-ra korlátozódik: minél alacsonyabb a keringető folyadék hőmérséklete, annál nagyobb a viszkozitása és a hővezető képessége . A viszkózus folyadék belső súrlódási hőjének csökkentése érdekében a keverőkamra bemeneti és kimeneti fúvókáinak átmérője T m -3 legyen, a hőátadás csökkentése érdekében pedig a csőhossz T m -8 legyen . Ez azt jelenti, hogy a hőmérséklet 2-szeres csökkentéséhez az átmérőt 8-szorosra, a hosszt pedig 256-szor kell növelni. Ezért a térfogatot 2 14 =16384-szeresére kell növelni . Más szóval: minden cm 3 2 mK mellett 16,384 litert igényel 1 mK-onként. Ennek eredményeként a hűtőszekrény nagyon nagy és nagyon drága lesz. 2 mK alatti hőmérsékletre való hűtésre van egy alternatíva: a nukleáris adiabatikus lemágnesezés .
Lásd még
Jegyzetek
- ↑ Pobell, Frank. Anyagok és módszerek alacsony hőmérsékleten. // Berlin: Springer-Verlag.. - 2007. - S. 461 .
- ↑ A Leiden Cryogenics-ről (elérhetetlen link) . Letöltve: 2014. december 9. Az eredetiből archiválva : 2014. december 20.
- ↑ A Leiden Cryogenics-ről (oroszul) . Hozzáférés időpontja: 2014. december 9. Az eredetiből archiválva : 2014. december 14.