पल्स ट्यूब रेफ्रिजरेटर

पल्स ट्यूब रेफ्रिजरेटर (PTR) या पल्स ट्यूब क्रायोकूलर एक विकासशील तकनीक है जो 1980 के दशक की शुरुआत में बड़े पैमाने पर THERMOACOUSTICS के व्यापक क्षेत्र में अन्य नवाचारों की एक श्रृंखला के साथ उभरी। अन्य क्रायोकूलर के विपरीत (उदाहरण के लिए स्टर्लिंग इंजन के अनुप्रयोग#स्टर्लिंग क्रायोकूलर और क्रायोकूलर#जीएम-रेफ्रिजरेटर|जीएम-रेफ्रिजरेटर), इस क्रायोकूलर को डिवाइस के कम तापमान वाले हिस्से में भागों को हिलाए बिना बनाया जा सकता है, जिससे कूलर एक के लिए उपयुक्त हो जाता है। अनुप्रयोगों की विस्तृत विविधता।

उपयोग
पल्स ट्यूब क्रायोकूलर का उपयोग औद्योगिक अनुप्रयोगों जैसे अर्धचालक निर्माण और सैन्य अनुप्रयोगों जैसे इन्फ्रारेड सेंसरों को ठंडा करने के लिए किया जाता है। खगोलीय डिटेक्टरों को ठंडा करने के लिए पल्स ट्यूब भी विकसित किए जा रहे हैं जहां आमतौर पर तरल क्रायोजेन्स का उपयोग किया जाता है, जैसे अटाकामा ब्रह्मांड विज्ञान टेलीस्कोप  या क्यूबिक प्रयोग (ब्रह्मांड विज्ञान अध्ययन के लिए एक इंटरफेरोमीटर)। पीटीआर का उपयोग कमजोर पड़ने कमजोर पड़ने रेफ्रिजरेटर के प्रीकूलर के रूप में किया जाता है। पल्स ट्यूब विशेष रूप से  अंतरिक्ष दूरबीन  | स्पेस-आधारित टेलीस्कोप जैसे जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप में उपयोगी होते हैं जहां क्रायोजेन्स की कमी के कारण उन्हें फिर से भरना संभव नहीं है। यह भी सुझाव दिया गया है कि पल्स ट्यूब का उपयोग मंगल ग्रह पर ऑक्सीजन को तरल बनाने के लिए किया जा सकता है।

संचालन का सिद्धांत
चित्र 1 स्टर्लिंग-प्रकार के सिंगल-ओरिफिस पल्स-ट्यूब रेफ्रिजरेटर (PTR) को दर्शाता है, जो 10 से 30 बार के दबाव में गैस, आमतौर पर हीलियम से भरा होता है। बाएं से दाएं घटक हैं:
 * एक कंप्रेसर, एक पिस्टन के साथ कमरे के तापमान टी पर आगे और पीछे चल रहा हैH
 * उष्मा का आदान प्रदान करने वाला एक्स1 जहां कमरे के तापमान पर परिवेश को गर्मी जारी की जाती है
 * एक पुनर्योजी एक बड़े विशिष्ट ताप के साथ झरझरा माध्यम (जो स्टेनलेस स्टील वायर मेष, कॉपर वायर मेष, फॉस्फोर ब्रॉन्ज़ वायर मेष, लेड बॉल्स, लेड शॉट, या दुर्लभ पृथ्वी सामग्री हो सकता है) जिसमें गैस आगे और पीछे बहती है
 * हीट एक्सचेंजर एक्स2, गैस से ठंडा, जहां उपयोगी शीतलन शक्ति $$\dot{Q}_\text{L}$$ कम तापमान T पर दिया जाता हैLठंडा करने के लिए वस्तु से लिया गया
 * एक नली जिसमें गैस को धकेल कर खींचा जाता है
 * हीट एक्सचेंजर एक्स3 कमरे के तापमान के पास जहां आसपास के लिए गर्मी जारी की जाती है
 * एक प्रवाह प्रतिरोध (अक्सर छिद्र कहा जाता है)
 * एक बफर वॉल्यूम (व्यावहारिक रूप से स्थिर दबाव पर एक बड़ी बंद मात्रा)

X के बीच का भाग1 और एक्स3 आमतौर पर निर्वात द्वारा, परिवेश से ऊष्मीय रूप से अछूता रहता है। दबाव धीरे-धीरे बदलता है और गैस का वेग कम होता है। इसलिए पल्स ट्यूब कूलर नाम भ्रामक है, क्योंकि सिस्टम में कोई दाल नहीं है।

पिस्टन समय-समय पर बाएं से दाएं और पीछे चलता रहता है। नतीजतन, गैस भी बाएं से दाएं और पीछे चलती है जबकि सिस्टम के भीतर दबाव बढ़ता और घटता है। यदि कंप्रेसर स्थान से गैस दाहिनी ओर चलती है, तो यह पुनर्योजी में तापमान T के साथ प्रवेश करती हैH और तापमान टी के साथ पुनर्योजी को ठंडे सिरे पर छोड़ देता हैL, इसलिए गर्मी को पुनर्योजी सामग्री में स्थानांतरित किया जाता है। इसके वापस आने पर, पुनर्योजी के भीतर संग्रहीत गर्मी को वापस गैस में स्थानांतरित कर दिया जाता है।

ट्यूब में, गैस ऊष्मीय रूप से पृथक (एडियाबेटिक) होती है, इसलिए ट्यूब में गैस का तापमान दबाव के साथ बदलता रहता है।

ट्यूब के ठंडे सिरे पर, गैस X के माध्यम से ट्यूब में प्रवेश करती है2 जब तापमान T के साथ दबाव अधिक होता हैL और 'T' से नीचे के तापमान के साथ दबाव कम होने पर वापस आ जाता हैL, इसलिए X से ऊष्मा ले रहा है2: यह X पर वांछित शीतलन प्रभाव देता है2.

यह समझने के लिए कि कम दबाव वाली गैस कम तापमान पर क्यों लौटती है, चित्र 1 को देखें और X के करीब गैस के अणुओं पर विचार करें3 (गर्म छोर पर), जो छिद्र के माध्यम से ट्यूब के अंदर और बाहर जाते हैं। अणु ट्यूब में (बाईं ओर) प्रवाहित होते हैं जब ट्यूब में दबाव कम होता है (इसे एक्स के माध्यम से ट्यूब में चूसा जाता है)3, छिद्र और बफर से आ रहा है)। ट्यूब में प्रवेश करने पर इसका तापमान T होता हैH. बाद में चक्र में, ट्यूब के अंदर दबाव अधिक होने पर गैस के समान द्रव्यमान को फिर से ट्यूब से बाहर धकेल दिया जाता है। नतीजतन, इसका तापमान टी से अधिक होगाH. हीट एक्सचेंजर में X3, यह गर्मी छोड़ता है और परिवेश के तापमान T तक ठंडा हो जाता हैH.

चित्रा 3 एक समाक्षीय पल्स ट्यूब दिखाता है, जो एक अधिक उपयोगी कॉन्फ़िगरेशन है जिसमें पुनर्योजी केंद्रीय पल्स ट्यूब को घेरता है। यह कॉम्पैक्ट है और ठंडे सिर को अंत में 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 पुनः प्राप्त करता है जो अन्यथा छिद्र में नष्ट हो जाएगा।

प्रदर्शन
कूलर का प्रदर्शन मुख्य रूप से पुनर्योजी की गुणवत्ता से निर्धारित होता है। इसे परस्पर विरोधी आवश्यकताओं को पूरा करना होगा: इसमें कम प्रवाह प्रतिरोध होना चाहिए (इसलिए यह व्यापक चैनलों के साथ छोटा होना चाहिए), लेकिन हीट एक्सचेंज भी अच्छा होना चाहिए (इसलिए यह संकीर्ण चैनलों के साथ लंबा होना चाहिए)। सामग्री में बड़ी ताप क्षमता होनी चाहिए। 50 से ऊपर के तापमान पर{{nbsp}K व्यावहारिक रूप से सभी सामग्रियां उपयुक्त हैं। अक्सर कांस्य या स्टेनलेस स्टील का उपयोग किया जाता है। 10 से 50 के बीच तापमान के लिएK लेड सबसे उपयुक्त है। नीचे 10के एक चुंबकीय सामग्री का उपयोग करता है जिसे विशेष रूप से इस एप्लिकेशन के लिए विकसित किया गया है।

प्रदर्शन के तथाकथित गुणांक (COP; निरूपित $$\xi$$) कूलर की शीतलन शक्ति के बीच के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है $$\dot{Q}_\text{L}$$ और कंप्रेसर पावर पी। सूत्र में: $$\xi = \dot{Q}_\text{L}/P$$. एक पूरी तरह से प्रतिवर्ती कूलर के लिए, $$\xi$$ कार्नोट के प्रमेय (थर्मोडायनामिक्स) द्वारा दिया गया है। कार्नोट का प्रमेय:

हालांकि, छिद्र की उपस्थिति के कारण पल्स-ट्यूब रेफ्रिजरेटर पूरी तरह से उलटा नहीं होता है, जिसमें प्रवाह प्रतिरोध होता है। इसके बजाय, एक आदर्श पीटीआर का सीओपी दिया जाता है

जो आदर्श कूलर से कम है।

अन्य कूलर के साथ तुलना
अधिकांश कूलरों में गैस को समय-समय पर संकुचित और विस्तारित किया जाता है। प्रसिद्ध कूलर जैसे स्टर्लिंग इंजन कूलर और लोकप्रिय Gifford-McMahon कूलर में एक डिसप्लेसर होता है जो यह सुनिश्चित करता है कि हीटिंग (संपीड़न के कारण) की तुलना में मशीन के एक अलग क्षेत्र में कूलिंग (विस्तार के कारण) होती है। अपने चतुर डिजाइन के कारण, पीटीआर के पास ऐसा विस्थापक नहीं होता है, जिससे पीटीआर का निर्माण सरल, सस्ता और अधिक विश्वसनीय हो जाता है। इसके अलावा, कोई यांत्रिक कंपन और कोई विद्युत-चुंबकीय हस्तक्षेप नहीं हैं। क्रायोकूलर और संबंधित थर्मल मशीनों के बुनियादी संचालन का वर्णन डी वेले द्वारा किया गया है

इतिहास
W. E. Gifford और R. C. Longsworth, ने 1960 के दशक में, तथाकथित बेसिक पल्स ट्यूब रेफ्रिजरेटर का आविष्कार किया।   आधुनिक पीटीआर का आविष्कार 1984 में मिकुलिन द्वारा किया गया था, जिन्होंने मूल पल्स ट्यूब के लिए एक छिद्र पेश किया था। वह 105 के तापमान पर पहुंच गयाक। उसके तुरंत बाद, नई विविधताओं के आविष्कार के कारण PTR बेहतर हो गए।     यह चित्रा 4 में दिखाया गया है, जहां पीटीआर के लिए सबसे कम तापमान समय के कार्य के रूप में प्लॉट किया जाता है।

फिलहाल, सबसे कम तापमान हीलियम (4.2.2) के क्वथनांक से नीचे हैक)। मूल रूप से इसे असंभव माना जाता था। कुछ समय के लिए ऐसा लग रहा था कि लैम्ब्डा बिंदु के नीचे ठंडा करना असंभव होगा 4वह (2.17के), लेकिन आइंडहोवन प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय का निम्न-तापमान समूह 1.73 के तापमान तक ठंडा होने में कामयाब रहाK सामान्य की जगह 4वह अपने दुर्लभ आइसोटोप द्वारा प्रशीतक के रूप में 3वह। बाद में इस रिकॉर्ड को गिसेन ग्रुप ने तोड़ा जो 1.3 से भी नीचे जाने में कामयाब रहाक। Giessen और Eindhoven के समूहों के बीच सहयोग में 1.2 का तापमान{{nbsp}एक पीटीआर को एक सुपरफ्लुइड वोर्टेक्स कूलर के साथ जोड़कर के तक पहुंचा गया था।

पल्स-ट्यूब रेफ्रिजरेटर के प्रकार
शीतलन प्राप्त करने के लिए, दबाव भिन्नता का स्रोत महत्वहीन है। 20 से कम तापमान के लिए पीटीआरK आमतौर पर 1 से 2 हर्ट्ज की आवृत्ति पर और 10 से 25 बार के दबाव में बदलाव के साथ काम करता है। कंप्रेसर की स्वेप्ट वॉल्यूम बहुत अधिक (एक लीटर और अधिक तक) होगी। इसलिए, कंप्रेसर को कूलर से अलग किया जाता है। वाल्वों की एक प्रणाली (आमतौर पर एक घूर्णन वाल्व) वैकल्पिक रूप से पुनर्योजी के गर्म अंत में कंप्रेसर के उच्च दबाव और निम्न दबाव पक्ष को जोड़ती है। चूंकि इस प्रकार के पीटीआर का उच्च तापमान वाला हिस्सा जीएम-कूलर के समान होता है, इसलिए इस प्रकार के पीटीआर को जीएम-टाइप पीटीआर कहा जाता है। वाल्वों के माध्यम से गैस का प्रवाह नुकसान के साथ होता है जो स्टर्लिंग-टाइप पीटीआर में अनुपस्थित हैं।

PTR को उनके आकार के अनुसार वर्गीकृत किया जा सकता है। यदि रीजेनरेटर और ट्यूब लाइन में हैं (जैसा कि चित्र 1 में है) तो 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 कूलर के अंत में शीतलन का उत्पादन किया जाए। पीटीआर को मोड़ने से हमें यू-आकार का कूलर मिलता है। दोनों गर्म सिरों को कमरे के तापमान पर निर्वात कक्ष के निकला हुआ किनारा पर रखा जा सकता है। यह पीटीआर का सबसे आम आकार है। कुछ अनुप्रयोगों के लिए बेलनाकार ज्यामिति होना बेहतर होता है। उस मामले में पीटीआर को एक समाक्षीय तरीके से बनाया जा सकता है ताकि रीजेनरेटर ट्यूब के चारों ओर अंगूठी के आकार का स्थान बन जाए।

सिंगल-स्टेज पीटीआर के साथ पहुंचा न्यूनतम तापमान 10 से थोड़ा ऊपर हैक। हालाँकि, एक PTR का उपयोग दूसरे को प्रीकूल करने के लिए किया जा सकता है। दूसरी ट्यूब का गर्म सिरा कमरे के तापमान से जुड़ा होता है न कि पहले चरण के ठंडे सिरे से। इस चतुर तरीके से यह टाला जाता है कि दूसरी ट्यूब के गर्म सिरे पर छोड़ी गई गर्मी, पहले चरण का भार है। अनुप्रयोगों में पहला चरण तापमान-एंकरिंग प्लेटफॉर्म के रूप में भी काम करता है, उदाहरण के लिए। सुपरकंडक्टिंग-चुंबक क्रायोस्टैट्स की शील्ड कूलिंग। मात्सुबारा और गाओ 4 से नीचे ठंडा होने वाले पहले व्यक्ति थे K तीन-चरण PTR के साथ। 2.1 के दो चरण के पीटीआर तापमान के साथK, इसलिए हीलियम के λ-बिंदु के ठीक ऊपर प्राप्त किया गया है। तीन-चरण PTR 1.73 के साथK का उपयोग करके पहुंच गया है 3वह कार्यशील द्रव के रूप में।

संभावनाएं
कमरे के तापमान पर पीटीआर के प्रदर्शन का गुणांक कम है, इसलिए यह संभावना नहीं है कि वे घरेलू शीतलन में भूमिका निभाएंगे। हालांकि, लगभग 80 से नीचेK प्रदर्शन का गुणांक अन्य कूलर के साथ तुलनीय है (समीकरणों की तुलना करें ($$) और ($$)) और निम्न-तापमान क्षेत्र में लाभ प्रबल होता है। पीटीआर 70 के क्षेत्र में तापमान के लिए व्यावसायिक रूप से उपलब्ध हैंके और 4क। (उच्च-टीc) अतिचालकता जैसे SQUIDs, और दूरसंचार के लिए फ़िल्टर। पीटीआर सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट का उपयोग करके एमआरआई-सिस्टम और ऊर्जा से संबंधित सिस्टम को ठंडा करने के लिए भी उपयुक्त हैं। तथाकथित सूखे चुम्बकों में, कूलर का उपयोग किया जाता है ताकि क्रायोलिक्विड की बिल्कुल भी आवश्यकता न हो या वाष्पित हीलियम के पुनर्संयोजन के लिए। साथ ही क्रायोकूलर का संयोजन 3वह-4वह रेफ्रिजरेटर को पतला करता है तापमान क्षेत्र के लिए 2 से नीचे{{nbsp}एमके आकर्षक है क्योंकि इस तरह पूरे तापमान की सीमा कमरे के तापमान से 2 तक होती है{{nbsp}एमके तक पहुंचना आसान है।

यह भी देखें

 * क्रायोकूलर
 * पुनर्योजी शीतलन
 * कम तापमान वाली तकनीक की समयरेखा

बाहरी संबंध

 * A Short History of Pulse Tube Refrigerators (NASA)
 * SHI Cryogenics Group Home
 * Cryomech Home
 * Pulse-tube animation (Thales Cryogenics)
 * The James Webb Space Telescope Cryocooler (JWST/NASA)