Глава 1. От твердой воды до жидкого гелия. История холода.

1.1. Понятие термодинамической температуры.

1.2. Способы получения низких температур.

1.3. Достижения в получении низких температур

Глава 2. Холодильная и криогенная техника.

2.1 Типы холодильников и их конструкция.

2.2 Устройство и принцип действия криогенного аппарата.

Глава 3. Сравнительный анализ криогенных охладителей

3.1 Общие факты

3.2 Излучающий криогенный охладитель

3.3 Орбитальный криогенный охладитель

3.4 Криогенный охладитель стирлинга

3.5 сравнительная таблица

Заключение

 

 

1.1 температура определяется интенсивностью теплового движения молекул и атомов. чем быстрее они двигаются в веществе, тем выше его температура. когда вещество охлаждается, тепловое движение его частиц затухает.если же тепловое движение совсем прекратится, то дальнейшее охлаждение станет невозможным. Такую наинизшую температуру называют абсолютным нулем и принимают ее за начало отсчета в абсолютной температурной шкале, носящей имя английского физика Кельвина. Кельвин – единица термодинамической температуры- одна из основных единиц СИ. Кельвин = 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. Для удобства практики взята близкая к ней точка таяния льда273,15К, соответствующая 0 шкалы Цельсия. Поэтому температура в кельвинах(Т) связана с температурой в градусах Цельсия (t) в соотношении

Т= 273,15К+t

Бесконечно малое изменение температуры в градусах шкалы Цельсия и Кельвина одно и то же

dT=dt

Повседневный опыт убеждает нас в том, что при контакте двух тел с разной температурой тепло самопроизвольно переходит от более нагретого тела к менее нагретому и температуры двух тел становятся равными. А передача тепла от менее нагретого тела к более нагретому никогда не происходит самопроизвольно, для этого нужно затратить энергию – механическую, электрическую, химическую или какую либо другую.

Передачу тепла от холодного тела в окружающую среду, имеющую более высокую температуру,можно рассматривать как получение холода. Тогда под холодом нужно подразумевать количество тепла, которое отнимается от охлаждаемого тела. Количество холода не пропорционально затраченной работе: чем ниже температура охлаждаемого тела, тем больше нужно работы,чтобы получить такое же количество холода. Особенно сильно возрастает затрата работы вблизи абсолютного нуля. Например – чтобы получить холод на температурном уровне 3К (-270) нужно затратить в 1000 раз больше работы, чем для получения того же количества холода при температуре 270К(-3). При абсолютном же нуле затрата работы для получения холода должна быть равна бесконечности. Это показывает,что охладить тело точно до 0 К вообще невозможно.

Понижение температуры меняет свойства многих тел. Например мягкая и упругая резина становится при температуре 200К жесткой и от удара молотком раскалывается, как стекло.так же ведут себя многие металлы, например сталь и свинец. Если из свинца сделать колокольчик и охладить его в жидком азоте, он будет издавать мелодичный звон: свинец станет твердым. Но есть металлы и сплавы, в которых понижение температуры ведет к увеличению прочности, при этом оставляя им достаточную пластичность. Например: медь,ее сплавы и алюминий. Именно из этих металлов изготавливают аппараты, которые используются при низких температурах.

1.2 испаряя жидкий гелий в вакууме, можно получить температуру всего на 0,7 к больше абсолютного нуля. Еще более низкую температуру дает сжиженный изотоп гелия. Чтобы охладить какой либо предмет до нужной температуры, достаточно поместить его в ванну с соответствующим сжиженном газом. Таким образом, основная задача при получении низких температур – сжижение газов. Его можно достичь двумя методами: первый способ –дросселирование,то есть расширение сжатого газа в вентиле. при таком расширении молекулы газа преодолевают силу взаимного притяжения, их тепловое движение замедляется,и газ охлаждается.этот метод применяется в простейших установках по сжижению газов. Газ сжимают компрессором, охлаждают в теплообменнике и расширяют в дроссельном вентиле. При таком расширении часть газа сжижается.

У каждого газа есть свою температурная точка - инверсионная температура. При дросселировании газа, находящегося выше инверсионной температуры, он уже не охлаждается,а нагревается. Поэтому применять дросселирование можно только предварительно охладив газ ниже его инверсионной температуры. Для большинства газов инверсионная температура выше комнатной, но у водорода она = 193К (-80), а у гелия 33К (-240)

 

При другом способе получения холода газ заставляют не только расширяться,но и совершать механическую работу в цилиндре с поршнем или в турбине. Молекулы газа,ударяясь о поршень или о лопатки турбины, передают им свою энергию, скорость молекул сильно снижается,и газ интенсивно охлаждается. Расширительны машины, применяемые при этом способе называются детандерами. Они могут быть поршневого или турбинного типа.

В аппарат из компрессора поступает гелий, сжитый при комнатной температуре давлением 20 атмосфер. Сжатый гелий предварительно охлаждается в теплообменнике и в ванне с жидким азотом. большая часть сжатого гелия расширяется в поршневом детандере,а гелий, оставшийся сжатым, охлаждается холодным газом до 11-12 К и после теплообменника расширяется в дроссельном вентиле. При этом часть газа превращается в жидкость и скапливается в сборнике. Гелий, оставшийся в газообразном состоянии, подается в теплообменник для охлаждения следующий порций газа, нагревается до комнатной температуры и вновь сжимается компрессором. При этом сжижается примерно 10% подаваемого в аппарат гелия. Для теплоизоляции от окружающей среды, все холодные узлы аппарата помещены в герметичный кожух- своеобразный термос, в котором поддерживается высокий вакуум.

Исследование низких температур привело к открытию двух удивительных явлений- сверхпроводимости и сверхтекучести. оба эти явления отличаются от свойств,которыми обладают вещества при обычных температурах и могут быть объяснены только с помощью квантовой механики.

 

 

1.3 Получение сверхнизких температур.

При низких температурах прекращается почти всякое движение атомов – поступательное и вращательное. Однако даже при температурах ниже 1К, спины атомов продолжают вести себя как атомы идеального газа- они обмениваются энергией,и их положение в пространстве может изменяться почти свободно. В таких элементах, как редкоземельные, электроны заполняют внутренние оболочки атомов, и их спины не чувствуют других электронов. следовательно и магнитные моменты ведут себя,как свободные. На этом свойстве электронов и основан способ получения сверхнизких температур- магнитное охлаждение этим методом были достигнуты температуры примерно 0,0003К. всем известно, что при растворении соли температура раствора понижается. Этот простой эффект помог физикам. оказалось, если растворять гелий с атомной массой 3 в обычном жидком гелии, то температура раствора понижается. так получают температуру до 0,001 К

Охлаждение – процесс необходимый как в технике, так и в повседневной жизни. Как правило, дляохлаждения и кондиционированияиспользуются громоздкие системы, занимающие пространство и расходующие энергию. Ученые из Наньянского технологического университета в Сингапуре утверждают, что, возможно, неудобные и шумные компрессоры и холодильники вскоре уйдут в прошлое. Исследователи совершили прорыв в технологии лазерного охлаждения, впервые остудив таким способом полупроводник на 40 градусов Цельсия.

В своей работе доцент Сюнь Кихуа (Xiong Qihua) из Школы физико-математических наук, электротехники и электроники использовал полупроводниковый материал сульфид кадмия, который охладил, используя лазер с температуры +20^оС до -20^оС. Сульфид кадмия – неорганическое соединение, относящееся к группе полупроводников и широко использующееся в пигментах, солнечных батареях и электронных датчиках.

Возможность охлаждения полупроводников лазером может оказаться весьма востребованной и вызвать настоящий переворот в охладительных технологиях. Современные электронные приборы часто требуют отвода лишнего тепла и даже экстремального охлаждения, для чего используется жидкий азот и жидкий гелий. Кроме того, что они занимают много места и расходуют много энергии, емкости и трубопроводы с хладагентами несут в себе потенциальную опасность выбросов в атмосферу вредных парниковых газов. По мнению профессора Сюнь, громоздкие системы с хладагентами могут быть заменены оптическими устройствами, не содержащими жидких теплоносителей и не опасными для природы.

Современные компьютерные процессоры становятся все мощнее и быстрее, но также генерируют все больше тепла, которое необходимо отводить. По мнению некоторых экспертов, если не будут найдены и внедрены новые эффективные способы для поддержания более низкой температуры рабочей среды, это может привести к замедлению темпов увеличения быстродействия компьютеров.

Внедрение технологий лазерного охлаждения может привести к появлению компактных и экономичных устройств для различных приложений. Уменьшится зависимость процессоров от внешних охладителей, таких как вентиляторы и криогенные системы, вместо которых будут использоваться встроенные лазеры.

«Если мы научимся использовать возможности лазерного охлаждения, это будет означать, что медицинские устройства, требующие экстремального охлаждения, такие как МРТ, где используется жидкий гелий, смогут отказаться от громоздких систем с хладагентом, заменив их встроенными оптическими охладителями», - считает профессор Сюн.

Термином «криогеника» пользуются последние два-три десятилетия для обозначения области более низких температур (70—0,3 К), широко применяемой в технике. До Второй мировой войны (1941—1945 гг.) редко применялись температуры ниже 70 К (жидкий азот под вакуумом). Более низкие температуры, достигаемые сжижением неона, водорода, гелия, применялись в единичных лабораториях мира для научных исследований, которые оказались исключительно плодотворными.

Развитие ракетной техники, выполнение программы космических исследований способствовали быстрому прогрессу криогенной техники, которая вышла за пределы лабораторий и превратилась в новую область индустрии. В
1959 г. начато строительство крупных установок жидкого водорода и за короткий срок создано много тоннажное производство жидкого водорода (масса
1 м3 жидкого Н2 равна 70 кг).

Функционируют ожижители Н2 производительностью 30—60 т в сутки. За период 1961—1968 гг. производство жидкого Н2 в США возросло с 14 т до 151 т в сутки. Созданы большие хранилища жидкого Н2; так, на полигоне для испытании ракет в штате Невада (США) сооружено хранилище жидкого Н2 емкостью 209 м3 (потери от испарения не превышают 0,2% в сутки). Создано сферическое хранилище жидкого Н2 из алюминия емкостью 378,5 м3.

Применяются транспортные СОСУДЫ жидкого водорода емкостью

5-6 м3 с суточной испаряемостью 1,5%, а в последние годы сооружены транспортные цистерны емкостью 107 м3 жидкого Н2. Емкость самого крупного хранилища шарообразной формы для жидкого Н2 достигает 2850 м3 при диаметре внутренней алюминиевой сферы 17,4 м. Еще совсем недавно получение, хранение, транспортирование и применение таких больших количеств взрывоопасного жидкого водорода, кипящего при —253 °С, казалось немыслимым; ныне жидкий водород применяется в качестве топлива верхних ступеней ракет, в пузырьковых камерах. Изучается проблема применения жидкого водорода в качестве авиационного топлива.

Не менее стремительное развитие получила техника ожижения гелия. До 1946 г. в мире насчитывалось всего 15 лабораторных ожижителей гелия, а ныне в различных странах функционирует свыше тысячи более крупных гелиевых ожижителей.

Фирмой Артур Д. Литл (США) за последние десять лет изготовлено свыше
300 ожижителей гелия различной производительности, включая ожижители на 500 л/ч жидкого гелия. Фирма Линде (США) выпускает ожижители гелия производительностью 650 и 720 л/ч. Фирма Гарднер Крайодженикс (США) изготовила ожижители гелия на 850 л/ч. Ведется разработка ожижителя гелия на 1000 л/ч. Различные фирмы Европы, Японии выпускают разные модели ожижителей гелия и рефрижераторов на уровне температур 2—15 К. В России производятся и разрабатываются ожижители гелия и рефрижераторные установки различной холодопроизводительности. Общее количество жидкого гелия, получаемое в США, оценивается в 12000 м3 в год. В ряде случаев признано целесообразным сжижать гелий в целях уменьшения затрат на его дальнее транспортирование к потребителям (по аналогии с транспортом жидкого кислорода). Жидкий гелий транспортируется в автоцистернах, вмещающих до
20000—40000 л жидкого гелия В США практикуется также перевозка жидкого гелия воздушным путем в специальных подвесных сосудах емкостью 500, 1000 и
8800 л. Заправка автоцистерн производится из стационарных хранилищ жидкого гелия; так, для хранения жидкого гелия, вырабатываемого ожижителем производительностью 850 л/ч, изготовлена стационарная емкость на 121 000 л, снабженная высоковакуумной изоляцией и экранированная жидким азотом.
Транспортные цистерны различной емкости рассчитаны на рабочее давление до
0,8 МПа, что позволяет перевозить жидкий гелий без потерь в течение 8 суток; на месте потребления испарившийся гелий закачивается в баллоны под давлением до 20 МПа. Сжижение больших количеств гелия, его хранение и перевозка в сосудах различной емкости с испаряемостью 0,5—1% в сутки подтверждает большой прогресс, достигнутый за последние два-три десятилетия криогенной техникой, ведь речь идет о жидкости с нормальной температурой кипения —269 °С и обладающей крайне низкой скрытой теплотой испарения — всего 2,5 кДж/л (0,6 ккал/л) жидкого гелия.

В 1950 г. продукция криогенной техники США оценивалась в 400 млн. долл., а к концу 1970 г. она превысила 1 млрд. долл. Основные научные и инженерные проблемы современности: управляемый термоядерный синтез, физика высоких энергий, магнитогидродинамический способ преобразования энергии. космонавтика, электроника, электротехника требуют применения холода на уровне 4—70 К.

Интенсивное развитие интегральной криоэлектроники тесно связано с созданием криостатов с жидким и твердым хладоагентом и микрокриогенных систем с замкнутым циклом, не требующих периодического пололнения жидким или газообразным хладоагентом. Создание криостатов с охладителями типа Макмагона—Джиффорда позволило надежно освоить диапазон на стыке водородных и гелиевых температур, появились микрокриогенные системы гелиевого уровня. Криостаты с дроссельными микроохладителями после применения в них газовых смесей становятся конкурентоспособными по сравнению с другими системами. Начинается внедрение гибридных электронных охладителей на основе эффектов Пельтье, Эттингсгаузена. Существенной особенностью этих охладителей является слабая зависимость относительного термодинамического к. п. д. от холодопроизводительности, в то время как соответствующий коэффициент газовых машинных охладителей резко снижается при уменьшении холодопроизводительности. Таким образом, можно будет снять ограничение с минимально достижимой холодопроизводительности, что, в свою очередь, уменьшает размеры всей охлаждающей системы. Именно в области криогенных систем малой холодопроизводительности электронное криостатирование, в задачи которого входит создание криогенных твердотельных электронных микроохладителей на различные уровни температур вплоть до сверхнизких, будет, по-видимому, наиболее конкурентоспособным. Интегральная криоэлектроника позволит в дальнейшем объединить в одном твердотельном модуле электронную охлаждаемую схему с электронным охладителем, что является способом создания полностью твердотельных криоэлектронных интегральных схем. В такой необычной схеме охладительная часть также может быть выполнена методами интегральной технологии и иметь один и тот же источник питания. При этом предварительное охлаждение может осуществляться не электронными методами, что важно для разработки микроэлектронных систем с большой степенью интеграции, например антенных фазированных решеток. Развитие интегральной криоэлектроники как новой отрасли микроэлектронной техники непрерывно ставит перед исследователями новые задачи:

— создание электронных приборов с принципиально новыми свойствами на основе открытых физических низкотемпературных явлений путем использования технологии интегральных полупроводниковых схем;

— изменение физических свойств структур за счет глубокого охлаждения для получения принципиально нового прибора;

— создание новых конструктивных и технологических методов с целью сочетания в одном электронном функциональном модуле свойств криоэлектронного прибора и микроохладителя;

— комплексная микроминиатюризация охлаждаемых многофункциональных узлов аппаратуры с одновременным улучшением ее электрических параметров.

 

2.1 Холодильники - это сооружения, предназначенные для охлаждения, замораживания и хранения скоропортящихся продуктов. В помещениях (камерах) холодильника поддерживаются постоянные довольно низкие температуры (+12-40° С) при большой относительной влажности (85-95%). К помещениям холодильника предъявляются повышенные санитарные требования.