Aktivt kul øger kryokølerens effektivitet

Cryocoolers er ultrakølede køleenheder, der bruges til kirurgi og lægemiddeludvikling, halvlederfremstilling, og rumfartøjer. De kan være rør, pumper, bordstørrelser, eller større kølesystemer.

Den regenerative varmeveksler, eller regenerator, er en kernekomponent i kryokølere. Ved temperaturer under 10 kelvin (-441,67 grader Fahrenheit), ydeevnen falder brat, med maksimalt regeneratortab på mere end 50 %.

I deres papir, udgivet i Anvendt fysik bogstaver , forskere ved University of Chinese Academy of Sciences brugte superaktiverede kulpartikler som et alternativt regeneratormateriale for at øge køleevnen ved temperaturer så lave som 4 kelvin.

I de fleste kryokølere, en kompressor driver rumtemperaturgas gennem regeneratoren. Regeneratoren opsuger varme fra kompressionen, og den afkølede gas udvider sig. Den oscillerende ultrakolde gas absorberer varmen, der er fanget i regeneratoren, og processen gentages.

Nitrogen er den mest almindeligt anvendte gas i kryokølere. Men til applikationer, der kræver temperaturer under 10 kelvin, såsom rumteleskopinstrumenter og magnetiske resonansbilledsystemer, helium bruges, fordi den har det laveste kogepunkt af nogen gas, muliggør de koldest opnåelige temperaturer.

Imidlertid, heliums høje specifikke varme (mængden af ​​varmeoverførsel, der er nødvendig for at ændre temperaturen på et stof) resulterer i store temperatursvingninger under kompressions- og ekspansionscyklussen ved lave temperaturer, hvilket alvorligt påvirker køleeffektiviteten.

For at løse dette problem, forskere erstattede regeneratorens konventionelle sjældne jordarters metaller med aktivt kul, som er kulstofbehandlet med kuldioxid eller overophedet damp ved høje temperaturer. Dette skaber en matrix af porer i mikronstørrelse, der øger kulstoffets overfladeareal, gør det muligt for regeneratoren at holde mere helium ved lave temperaturer og fjerne mere varme.

Forskerne brugte en 4 kelvin Gifford-McMahon kryokøler til at teste heliumadsorptionskapaciteten i superaktiverede carbonpartikler med en porøsitet på 0,65 inden for varierende temperaturområder på 3-10 kelvin.

De fandt, da de fyldte regeneratoren med 5,6 % kulstof med diametre mellem 50 og 100 mikron, den opnåede tomgangstemperatur på 3,6 kelvin var den samme som ved brug af ædelmetaller. Imidlertid, ved 4 kelvin, kølekapacitet steg med mere end 30%.

De bekræftede forbedret ydeevne ved at placere kokosskalaktiveret kul i et eksperimentelt pulserør, de byggede, og ved hjælp af en termodynamisk beregningsmodel.

"Ud over at levere øget kølekapacitet, det aktive kul kan tjene som et billigt alternativ til ædelmetaller og kan også gavne lavtemperaturdetektorer, der er følsomme over for magnetisme, " sagde forfatter Liubiao Chen.