Характеристики криорефрижератора Гиффорда–Мак-Магона до 4 К с регенератором второй ступени на ценосферах

Abstract

Разработка эффективно работающих криорефрижераторов Гиффорда–Мак-Магона (GM), позволяющих обеспечивать охлаждение до температур ниже 4,2 К, рассматривается как важный этап в развитии техники получения гелиевых температур. В современных двухступенчатых машинах GM обеспечивается производство холода до 4,2 К, но с относительно небольшой производительностью. Основная причина — низкая теплоемкость материала, который применяется для насадок регенераторов вторых ступеней машин GM. Для создания криорефрижераторов GM на уровне 4 К решены две актуальные задачи: описание нестационарных процессов теплообмена в регенераторах машин GM; определение показателей эффективного регенератора для второй ступени машины GM на основе ценосфер, заполняемых гелием. Приводится сравнительный анализ различных видов насадок регенераторов, позволяющих получать температуры ниже 4,2 К. Обоснованы преимущества насадок из ценосфер, заполненных гелием. С использованием волнового подхода к моделированию регенератора проведен анализ работы двухступенчатого криорефрижератора GM, имеющего холодопроизводительность 0,2 Вт на температурном уровне 4,2 К. Показана возможность улучшения показателей машины GM при использовании во второй ее ступени регенератора, заполненного ценосферами.

Розробка ефективних кріорефрижераторів Гіффорда–МакМагона (GM), які дозволяють забезпечувати охолодження при температурі нижче 4,2 К, розглядається як важливий етап у розвитку техніки отримання гелієвих температур. В сучасних двоступеневих машинах GM забезпечується виробництво холоду на рівні 4,2 К, але з відносно невеликою продуктивністю. Основна причина — низька теплоємність матеріалу, який застосовується для насадок регенераторів других ступенів машин GM. Для створення кріорефрижераторів GM на рівні 4 К вирішено дві актуальні задачи: опис нестаціонарних процесів теплообміну в регенераторах машин GM; визначення показників ефективного регенератора для другого ступеня машини GM на основі ценосфер, що заповнюються гелієм. Наведено порівняльний аналіз різних видів насадок регенераторів, які дозволяють отримувати температури нижче 4,2 К. Обґрунтовано переваги насадок з ценосфер, заповнених гелієм. З використанням хвильового підходу до моделювання регенератора проведено аналіз роботи двоступеневого кріорефрижератора GM, що має холодопродуктивність 0,2 Вт на температурному рівні 4,2 К. Показано можливість поліпшення показників машини GM при використанні в другому її ступені регенератора, заповненого ценосферами.

Development of efficiently working Gifford-McMahon cryocoolers (GM), which allow cooling at temperatures below 4.2 K is considered as an important stage in the development of technology for obtaining helium temperatures. In modern two-stage GM machines the production of cold is provided at 4.2 K, but with a relatively low productivity. The main reason is the low heat capacity of the material, which is used for the nozzles of the regenerators of the second stages of GM machines. For the creation of GM cryocoolers at the level of 4 K two actual tasks have been solved: description of non-stationary processes of heat exchange in regenerators of GM machines; determination of the efficiency of the regenerator for the second stage of the GM machine on the basis of cenospheres filled with helium. Comparative analysis of various types of regenerator nozzles allowing to obtain temperatures below 4.2 K. The advantages of nozzles from cenospheres filled with helium are substantiated. Using the wave approach to regenerator modeling, the analysis of the operation of a two-stage GM cryocooler having a cooling capacity of 0.2 W at a temperature level of 4.2 K is carried out. It is shown that the GM machine can be improved when used in its second stage of a regenerator filled with cenospheres.