Применение термоакустического принципа охлаждения объектов в системе «Миллиметрон»

Проект «Миллиметрон» предусматривает создание многоспектрального телескопа для исследования глубокого космоса, который является уникальным, поскольку аналогов этого устройства в мире не существует. В проекте «Миллиметрон» необходимо реализовать режим охлаждения на 4 уровнях температур: 100 К, 20 К, 4 К и 1.8 К. Термоакустическое охлаждение, как особый способ охлаждения, основан на известных методиках для расчёта криогенных газовых машин Стирлинга [1]. В этих машинах процесс выталкивания рассматривался как холодоиспользующий (при холодопроизводящем изотермическом расширении), и было установлено, что данный процесс можно реализовать не только с помощью физических вытеснителей или иных механических устройств, подобных им, но и с помощью акустического принципа, т.е. на эффекте стоячей волны.

Для расчёта термоакустического охлаждения используются две ос-новные диаграммы — Шмидта и Рэдебоу [2]. Обе они имеют значение с точки зрения понимания корректного формирования цикла Стирлинга [3]. КГМ с пульсационной трубой состоит из компрессора, холодного аппарата внешнего теплообмена, горячего аппарата внешнего теплообмена, регенератора, инерционной трубы и ресивера. Компрессор производит альтернацию рабочего тела, гелия газообразного марки «А». К холодному аппарату внешнего теплообмена производится стыковка криостатируемого объекта. Горячий аппарат внешнего теплообмена производит отвод паразитной теплоты сжатия, которая возникает при работе компрессора. Регенератор – ключевое устройство КГМ, представляющий собой пористую структуру, материал и тип которой определяется температурным уровнем криостатирования, который необходимо получить. Для получения и реализации холода необходим фазовый сдвиг, как и в любом другом замкнутом цикле. Для этого в КГМ предусмотрены инерционная труба и ресивер, по физическому смыслу представляющие собой резонатор, который выполняет вытеснение образовавшегося холода в результате влияния импеданса инерционной трубы.

В цикле Стирлинга с пульсационной трубой процессы расширения и выталкивания, как уже было сказано, являются термоакустическими. В результате пористая структура регенератора охлаждается, вследствие чего каждый следующий цикл позволяет получить более низкую входную температуру. КГМ с пульсационной трубой имеет следующие достоинства:

1 – массогабаритные характеристики с точки зрения приведенных значений холодопроизводительности выше по сравнению с классическими КГМ и дроссельными рефрижераторами;

2 – ресурс КГМ с пульсационной трубой на 20 % выше классических КГМ;

3 – примерно на порядок меньше уровень вибраций по сравнению с классическими КГМ;

4 – возможность достижения состояния, более близкого к состоянию идеальной машины, за счет эффективной замены физического вытеснителя на газовый. К недостаткам КГМ с пульсационной трубой следует отнести сложность методики расчёта вследствие наличия в термоакустических процессов.

В результате была создана модель расслоения газа, на которую получено авторское свидетельство в «Роспатенте» [4], данная модель напи-сана на языке Octave. В настоящее время Астрокосмический центр ФИАН проводит работы по созданию лаборатории микрокриогенной техники, где будут проводиться разработки криомашин и их испытания. Следует отметить, что космические оптические системы — далеко не единственное направление, где применяется термоакустическое охлаждение. К таковым относятся: получение жидких криоагентов, термостатирование СВЧ-элементов, хранение биоматериалов и другое.

Литература

1) Dang H. Z., Wang L. B., Wu Y. N., et al. Development of SITP’s large capacity high frequency coaxial pulse tube cryocoolers // Cryocoolers 16, International Cryocooler Conference, Inc., Boulder, CO, 2011 / edited by S. D. Miller, R. G. Ross, Jr. 2011.

2) Banjare Y. P. Theoretical and experimental studies on pulse tube refrigerator // Department of Mechanical Engineering, National Institute of Technology, Rourkela, 769008. 2009.

3) Архаров А. М. Основы криологии. Энтропийно-статистический анализ низкотемпературных систем. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. 507 с.

4) Чехович В. А. Программа для расчёта термодинамических процессов в криогенных газовых машинах замкнутого цикла с пульсационной трубой «МРГС». // Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RU 2023615109, 10.03.2023. Заявка № 2023613415 от 21.02.2023.