Холодильник с магнитным охлаждением: Магнит против фреона: Ученые изобрели магнитный холодильник, эффективность которого выше обычного на 30-40%

Магнит против фреона: Ученые изобрели магнитный холодильник, эффективность которого выше обычного на 30-40%

18 апреля 2019 годаНаука

Принципиально новый холодильник разработали исследователи из Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» и Тверского государственного университета — в его основе твердотельная магнитная система, по энергоэффективности дающая 30-40% фору газокомпрессорному механизму обычного холодильника.

Один из главных предметов наших квартир — холодильник — потребляет до 20-40% всей электроэнергии. Технологии создания холода в мировом масштабе, то есть промышленные и бытовые холодильники, кондиционеры домашние и автомобильные — весьма дорогостоящее удовольствие, по оценкам экспертов, все эти приборы тратят до 10% всей мировой электроэнергии в целом.

Научный коллектив физиков и инженеров кафедры функциональных наносистем и высокотемпературных НИТУ «МИСиС» и Тверского государственного университета решил проблему эффективной выработки холода, предложив новую систему охлаждения — магнитную.

В обычном холодильнике охлаждение происходит за счет резкого испарения фреона (или другого хладагента), который переходит в газообразное состояние. В изобретении молодых российских ученых работает другой принцип — так называемый магнетокалорический эффект, проще говоря, изменении температуры магнитного материала при его намагничивании или размагничивании.

Технически это выглядит довольно просто — металлический брусок вносится в магнитное поле и нагревается, а при вынесении из поля — охлаждается. Однако делать это нужно быстро и циклически, чтобы разница температур сохранялась. Коллектив ученых сконструировал прототип устройства, которое при небольших размерах способно охлаждать целый холодильник.

«Поскольку плотность металлического сплава гораздо больше, чем у газа, значения запасенной энтропии (мера беспорядка), а следовательно и холодильной мощности, у него больше, —

поясняет один из разработчиков проекта старший научный сотрудник кафедры Функциональных наносистем и высокотемпературных материалов НИТУ „МИСиС“ к. ф-м.н Дмитрий Карпенков, — этим и объясняется энергоэффективность новых твердотельных устройств на 30-40% по сравнению с газокомпрессионными аналогами.

Данные устройства при небольших размерах способны обеспечить максимальную разницу между температурами горячего и холодного теплообменников — 9 градусов Цельсия. Главное отличие разработанного прототипа от всех предшественников заключается в том, что рабочие тела одновременно осуществляют две роли — хладагента и нагнетательного насоса. Данное техническое решение исключает из схемы насосы, которые являются дополнительной тепловой нагрузкой для холодильника».

Вторым уникальным техническим решением стало разграничение потоков теплопередающей жидкости от холодного и горячего теплообменников, при этом обеспечивая возможность рабочему телу, находясь в намагниченном (размагниченном) состоянии, последовательно переходить из одного потока в другой.

«Результаты проведенных нами испытаний показывают, что использование каскадных циклов магнитного охлаждения приводит к увеличению диапазона охлаждения на 80%», — добавил Дмитрий Карпенков.

В ходе эксперимента по оценки эффективности созданного прототипа исследователи выяснили, что максимальное количество теплоты, которое способен отвести тепловой насос за цикл, составляет порядка 405 Дж, что соответствует максимальной мощности охлаждения 45 Вт.

В настоящее время научная группа собрала лабораторный прототип охлаждающего механизма и проводит серию лабораторных тестов.

КАРПЕНКОВХОЛОДИЛЬНИК

Поделиться

• 18 апреля НИТУ «МИСиС» поднялся в рейтинге RUR
• 18 апреля НИТУ «МИСиС» приступил к in vivo тестам клеточно-инженерных имплантатов нового поколения
• 18 апреля Магнит против фреона: Ученые изобрели магнитный холодильник, эффективность которого выше обычного на 30-40%
• 17 апреля Как расстаться с дантистом: новая стоматологическая технология, вдвое продлевающая срок службы пломб
• 16 апреля В НИТУ «МИСиС» вручили первые кандидатские дипломы, выданные собственным Диссертационным советом

НовостиНаука

Свежие

СМИ о нас

Поступающим

5-100

Объявления приемной комиссии

Наука

Образование

Международное сотрудничество

Университетская жизнь

Достижения науки

Научное сообщество

Федеральные целевые программы

Взаимодействие с бизнесом

COVID-19

Объявления для студентов

Объявления Центра подготовки кадров высшей квалификации

НИТУ МИСИС меняет мир

Достижения студентов

Поздравления

Импортозамещение

Мероприятия и выставки

ЦИНТИ

Программа «Приоритет 2030»

вчера

Студенты НИТУ МИСИС — в финале международного кейс-чемпионата

27 апреля

В Университете МИСИС обновлены названия институтов

26 апреля

Инновационное лекарство от рака двойного действия предложено российскими учеными

Читать все новости

Будущее домашних холодильников: магнитное охлаждение

Технологический прогресс не стоит на месте, и в будущем холодильник с магнитным охлаждением будет у каждой семьи, причем не в каком-то далеком будущем, а в ближайшем. Уже сегодня они созданы и проходят испытания. Такая техника будет работать не на базе промышленных охладителей и химических компонентов, а на основе магнитных систем охлаждения.

Как мы помним из детства, при воздействии магнитов на металл, он притягивался. Таким образом мы не только притягивали металлические предметы, но и неосознанно нагревали их. И не от того,  что держали металл и магнит своими теплыми руками, а из-за воздействия магнитных полей на металлические предметы. Это явление физики называют магнетокалорическим эффектом.

Принцип работы магнитных холодильников

Когда металл находится в спокойном состоянии и на него не оказывается никакого влияния, то электронные связи двигаются хаотически, но как только на него начинают воздействовать внешние раздражители, такие как магнит, то электроны металлического предмета выстраиваются в ряд в одном и том же направлении из-за воздействия магнитного поля. Это явление называется изменением энтропии, то есть электроны ограничиваются в возможности свободно двигаться по любой траектории.

Но такое ограничение непостоянно. Электроны продолжают движение в определенном порядке, благодаря повышению энергии вибрации атомов, выделяя тепло.  Поэтому, когда к металлическому объекту поднести магнит, то он нагревается. При этом нагревательный эффект у большинства металлов очень незначительный, но существует группы металлов, которые при таких условиях очень существенно нагреваются. К примеру, к таким металлам относится гадолиний.

 

Вам может показаться, что этот эффект лучше подходит для разогревания продуктов, а не для их замораживания и охлаждения. Но на самом деле магнетокалорический эффект можно заставить работать в обратную сторону, если металл сначала подвергнуть воздействию магнитного поля, а затем убрать внешний раздражитель. Тогда металлический предмет начинает процесс охлаждения. Теперь вы поняли принцип работы холодильного оборудования в будущем.

Чего уже удалось достичь?

Большинство холодильников будущего, которые в настоящий момент проходит ряд испытаний в научных лабораториях, пока что могут охлаждать при помощи магнетокалорического эффекта лишь небольшие объекты. На металл, на который воздействует магнитное поле, наносится специальная субстанция, в большинстве случаев, – гелий. Это вещество забирает у металлического предмета лишнее тепло, охлаждая металл, а затем прекращается воздействие магнитного поля, и металл становится очень холодным.

Получаемой температуры достаточно, чтобы металл можно было использовать, как охладитель. Принцип такого охлаждения известен был довольно давно, но пока что его широкое применение не получило широкого распространения в домашних условиях. Однако в конечном итоге широкие возможности магнитных систем охлаждения такие, как высокая эффективность, бесшумность и отсутствие потребности  в применении химических хладагентов в будущем смогут вывести холодильники с магнитным охлаждением на потребительский рынок.

Магнитное охлаждение

В настоящее время крайне актуально создание компактного, экологически чистого, энергоэффективного и высоконадежного холодильника, работающего в диапазоне комнатных температур. Эта задача обусловлена ​​рядом серьезных претензий к существующим системам охлаждения. Известно, что при эксплуатации эксплуатируемых в настоящее время холодильников возможны утечки рабочих газов (хладагентов), вызывающие такие серьезные экологические проблемы, как разрушение озонового слоя и глобальное потепление. Среди множества альтернативных технологий, которые можно было бы использовать в охлаждающих устройствах, все большее внимание исследователей всего мира привлекает технология магнитного охлаждения. Интенсивная работа по магнитному охлаждению ведется во многих лабораториях и университетах Европы, США, Канады, Китая и России.

Магнитный холодильник является экологически чистым устройством и позволяет значительно снизить энергопотребление. Последнее обстоятельство крайне важно, учитывая поистине огромное количество холодильных установок, используемых человеком в различных сферах его деятельности. Технология магнитного охлаждения основана на способности любого магнитного материала изменять свою температуру и энтропию под действием магнитного поля.

Эта способность проявляется при сжатии или расширении газа или пара в традиционных холодильниках. Такое изменение температуры или энтропии магнитного материала за счет изменения напряженности магнитного поля называется магнитокалорическим эффектом (далее МКЭ).

Изменение температуры магнетика является результатом перераспределения внутренней энергии магнетика между системой магнитных моментов его атомов и кристаллической решеткой. Максимальное значение МКЭ получается в магнитоупорядоченных материалах, таких как ферромагнетики, антиферромагнетики и др., находящихся при температурах магнитных фазовых переходов (температурах магнитного упорядочения — Кюри, Нееля и др.).

Основное преимущество устройств для магнитного охлаждения связано с высокой плотностью теплоносителя — твердого тела по сравнению с плотностью пара или газа. Изменение энтропии на единицу объема в твердых магнитных материалах в семь раз больше, чем в газе. Это позволяет создавать более компактные холодильники.

Само магнитное рабочее тело служит аналогом хладагентов, используемых в традиционных парогазовых холодильных установках. При этом процесс размагничивания-намагничивания аналогичен циклам сжатия-расширения. КПД любого холодильника в основном определяется количеством необратимой работы, совершаемой за цикл – для эффективных устройств он должен быть как можно меньше. В холодильнике с газовым обогревом есть устройства, производящие значительное количество необратимой работы – регенератор, компрессор и теплообменники.

Большая часть необратимой работы выполняется в теплообменниках. Она прямо пропорциональна адиабатическому изменению температуры рабочего тела. В газе оно намного больше, чем в магнитном материале. Благодаря этому наиболее эффективный отвод тепла осуществляется с магнитным, особенно в регенеративном, холодильном цикле. Специальная конструкция теплообменника и использование регенератора с большой площадью поверхности позволяют добиться малой доли необратимой работы при магнитном охлаждении.

Эффективность цикла магнитного регенеративного охлаждения в диапазоне температур от 4,5 до 300 ⁰ К может составлять от 38 до 60 % цикла Карно (около 52 % эффективности в диапазоне температур от 20 до 150 ⁰ К и около 85 % в диапазоне от 150 до 300 ⁰ К). При этом на всех стадиях цикла условия теплообмена будут самыми известными на сегодняшний день. Кроме того, магнитные холодильники включают в себя небольшое количество движущихся частей, работают на низких частотах, что позволяет свести к минимуму износ холодильника и увеличить время его работы.

Хронология этой проблемы. Основные принципы магнитного охлаждения

1881. Варбург открыл МКЭ относительно давно, в 1881 г. Он наблюдал, как под действием магнитного поля образец железа нагревался или охлаждался. Этот ученый пришел к выводу, что изменение температуры образца является следствием изменения внутренней энергии вещества, имеющего магнитную структуру, под действием магнитного поля.

Однако до практического использования этого явления было еще далеко. Ланжевен (в 1905) впервые показал, что изменение намагниченности парамагнетика приводит к обратимому изменению температуры образца. Само магнитное охлаждение было предложено почти через 50 лет после открытия МКЭ двумя американскими учеными, Питером Дебаем (в 1926 г.) и Уильямом Джиоком (в 1927 г.), независимо друг от друга, как способ достижения температур ниже точки кипения жидкого гелия. Джиок и Макдугал первыми продемонстрировали простейший эксперимент по магнитному охлаждению в 1919 году.33. Чуть позже это сделали также де Хаас (в 1933 г.) и Курти (в 1934 г.). В ходе этого эксперимента удалось достичь температуры 0,25

0 К. Кроме того, в качестве теплоносителя использовался перекачиваемый жидкий гелий при температуре 1,5 ⁰ К.

Таблетка с магнитной солью находилась в состоянии теплового равновесия с теплоотводящим материалом, а в соленоиде было сильное магнитное поле. Всякий раз, когда соленоид разряжается, магнитная таблетка становится теплоизолированной, и ее температура снижается. Такой метод, называемый охлаждением адиабатическим размагничиванием, является стандартным лабораторным методом, используемым для получения сверхнизких температур. Однако мощность такого холодильника и диапазон его рабочих температур слишком малы для промышленного применения. Более сложные методы, с термической регенерацией и циклическими изменениями магнитного поля, были предложены в 60-х годах прошлого века. В 1976, Дж. Браун (из НАСА) продемонстрировал регенеративный магнитный холодильник, работающий в диапазоне рабочих температур 50 ⁰ К уже в диапазоне комнатной температуры. Однако мощность холодильника и его КПД в этом случае были еще малы, так как градиент температуры необходимо было поддерживать за счет перемешивания жидкого теплоотвода, а время, необходимое для зарядки и разрядки магнита, было слишком велико.
Небольшие маломощные холодильные установки были построены в 80-х и 9-х годах XX века. 0 в нескольких исследовательских центрах: Лос-Аламосская национальная лаборатория, военно-морская лаборатория в Аннаполисе, национальная лаборатория Ок-Ридж, астронавтика (все США), Toshiba (Япония). В настоящее время несколько исследовательских центров НАСА финансируют работы по созданию компактных магнитных холодильников для космических применений по принципу операций адиабатического размагничивания. Astronautics Corporation of America (США, Висконсин) и Университет Виктории (Канада) проводят исследования возможностей магнитных холодильников для коммерческого применения. Исследования материалов для рабочего твердого тела магнитных холодильников с прикладной точки зрения интенсивно ведутся в настоящее время «Лабораторией Эймса» (Эймс, Айова), «Университетом Трех рек» в Квебеке (Канада), NIST ( Gaithersburg, MD) и компании «Advanced Magnetic Technologies and Consulting» (AMT&C).
В 1997 году «Американская астронавтическая корпорация» продемонстрировала относительно мощный (600 Вт) магнитный холодильник, работающий при температуре, близкой к комнатной. Эффективность этого холодильника уже была сравнима с эффективностью обычных фреоновых холодильников. Это устройство с использованием активного магнитного регенератора (в котором совмещены функции теплового регенератора и рабочего тела) проработало более 1500 часов в диапазоне комнатных температур мощностью 600 Вт. КПД составил около 35% по отношению к циклу Карно при магнитном поле в пять Тесла. В этом устройстве в качестве сверхпроводящего соленоида и в качестве рабочего твердого тела использовался редкоземельный металл гадолиний (Gd). Чистый гадолиний использовался в этом качестве не только астронавтикой, но и НАСА, ВМФ и другими лабораториями, что обусловлено его магнитными свойствами, а именно — подходящей температурой Кюри (около 293 ⁰ К) и наличие весьма значительного магнитокалорического эффекта. Величина МКЭ, а следовательно, и эффективность процесса охлаждения в магнитном холодильнике определяются свойствами магнитных рабочих тел.
В 1997 году Исследовательский центр Эймса сообщил об открытии четырех гигантских магнитокалорических эффектов в соединениях Gd5 (Si2Ge1-X). Температура магнитного упорядочения этих материалов может изменяться в широком диапазоне от 20 ⁰ К до комнатной температуры за счет изменения соотношения кремния (Si) и германия (Ge). Наиболее перспективными для использования в качестве рабочих твердых тел в настоящее время являются металлический гадолиний, ряд интерметаллидов на основе редкоземельных элементов, система силицидно-германидных соединений Gd5(Ge-Si)4, а также La(Fe-Si ) 13. Использование этих материалов позволяет расширить диапазон рабочих температур холодильника и значительно улучшить его экономические показатели. Следует отметить, что пионерские работы по поиску эффективных сплавов для магнитных рефрижераторов рабочих твердых тел были проведены несколькими годами ранее на физическом факультете Московского университета. Наиболее полные результаты этих исследователей изложены в докторской диссертации ведущего научного сотрудника физического факультета МГУ А.М. Тишина, в 1994.
В ходе работы были проанализированы многочисленные возможные комбинации редкоземельных и магнитных металлов и других материалов с точки зрения поиска оптимальных сплавов для реализации магнитного охлаждения в различных диапазонах температур. Установлено, в частности, что среди материалов с высокими магнитокалорическими свойствами соединение Fe49Rh51 (железо-родиевый сплав) обладает наибольшим удельным (т.е. на единицу магнитного поля) магнитокалорическим эффектом. Удельный МКЭ для этого соединения в несколько раз больше, чем для соединений силицидов-германидов. Этот сплав не может быть использован на практике из-за его высокой стоимости и отсутствия в нем значительных эффектов гистерезиса. Однако он может служить своеобразным эталоном для сравнения магнитокалорических свойств изучаемых материалов. Наконец, Science News (т.161, н.1, с.4, 2002) сообщило о создании первого в мире холодильника (пригодного не только для научных, но и для бытовых целей). Рабочий образец такого холодильника был изготовлен совместно Американской астронавтической корпорацией и Лабораторией Эймса и впервые продемонстрирован на конференции G8 в Детройте в мае 2002 г. Рабочий прототип предлагаемого бытового магнитного холодильника работает в диапазоне комнатных температур и использует постоянный магнит как источник поля. Это устройство получило высокую оценку экспертов и министра энергетики США. Расчеты показывают, что использование магнитных холодильников снизит общее потребление энергии в США на 5%. Планируется, что магнитное охлаждение можно будет использовать в различных сферах человеческой деятельности, например, в:

• ожижители водорода,
• Устройства охлаждения быстродействующих компьютеров и устройств на базе СКВИДов,
• кондиционеры для жилых и производственных помещений,
• системы охлаждения для автомобилей,
• бытовые и промышленные холодильники и др.

Следует отметить, что работы по магнитным холодильникам финансируются Министерством энергетики США уже 20 лет.

Конструкция холодильника

В созданном прототипе магнитного холодильника использована конструкция вращающегося колеса. Он состоит из колеса, содержащего сегменты с порошком гадолиния, а также мощного постоянного магнита.

  

Данная конструкция устроена таким образом, что колесо прокручивается через рабочий зазор магнита, в котором сосредоточено магнитное поле. При попадании сегмента с гадолинием в магнитное поле гадолиния возникает магнитокалорический эффект — он нагревается. Это тепло отводится теплообменником с водяным охлаждением. При выходе гадолиния из зоны магнитного поля возникает магнитокалорический эффект противоположного знака и материал дополнительно охлаждается, охлаждая теплообменник с циркулирующим в нем вторым потоком воды. Этот поток, собственно, и используется для замораживания холодильной камеры магнитного холодильника. Такое устройство компактно и работает практически бесшумно и без вибраций, что выгодно отличает его от используемых в настоящее время холодильников с парогазовым циклом. Впервые данная технология была апробирована еще в сентябре 2001 года. В настоящее время ведутся работы по дальнейшему расширению ее возможностей: совершенствуется технологический процесс промышленного получения чистого гадолиния и его необходимых соединений, что позволит достичь большего значения МК по более низкой цене. Одновременно сотрудники лаборатории Эймса сконструировали постоянный магнит, способный создавать сильное магнитное поле. Новый магнит создает поле в два раза сильнее, чем магнит в предыдущей конструкции магнитного холодильника (2001 г.). Это очень важно, поскольку величина магнитного поля определяет такие параметры, как КПД и выходная мощность холодильника. Поданы заявки на патенты на приготовление компаунда рабочего тела Gd5 (Si2Ge2) и конструкцию постоянного магнита.

Преимущества, недостатки и области применения

Все магнитные холодильники можно разделить на два класса по типу используемых магнитов:

• системы, использующие сверхпроводящие магниты;
Системы
• на постоянных магнитах.

Первые из них имеют широкий диапазон рабочих температур и относительно высокую выходную мощность. Их можно использовать, например, в системах кондиционирования воздуха в больших помещениях и для оборудования для хранения пищевых продуктов. Системы охлаждения с постоянными магнитами имеют относительно ограниченный температурный диапазон (не более 303 °К за цикл) и, в принципе, могут применяться в устройствах средней мощности (до 100 Вт). Например, автомобильный холодильник или портативный холодильник для пикника. Однако обе они имеют ряд преимуществ перед традиционными холодильными установками комбинированного цикла:

• Низкая опасность для окружающей среды. Рабочий орган прочный и легко изолируется от окружающей среды. Металлы-лантаниды, используемые в качестве рабочих тел, малотоксичны и могут быть использованы повторно после утилизации устройства. Теплоотводящая среда должна иметь лишь малую вязкость и достаточную теплопроводность, что хорошо соответствует свойствам воды, гелия или воздуха. Они хорошо совместимы с окружающей средой.

• Высокая эффективность. Магнитокалорический нагрев и охлаждение являются практически обратимыми термодинамическими процессами, в отличие от процесса сжатия пара в рабочем цикле парогазового холодильника. Теоретические расчеты и экспериментальные исследования показывают, что магнитные холодильные агрегаты характеризуются более высокой эффективностью и, в частности, в области комнатных температур магнитные холодильники потенциально на 20-30 % эффективнее, чем работающие в парогазовом цикле. Технология магнитного охлаждения в будущем может стать очень эффективной, что значительно удешевит такие установки.

• Долгий срок службы. Технология предполагает использование небольшого количества движущихся частей и нескольких рабочих частот в охлаждающих устройствах, что значительно снижает их износ.

• Гибкость технологии. Возможно использование различных конструкций магнитных холодильников в зависимости от назначения.

• Полезные свойства заморозки. Магнитная технология позволяет охлаждать и замораживать различные вещества (вода, воздух, химические вещества) с небольшими изменениями в каждом конкретном случае. Напротив, эффективный цикл охлаждения с комбинированным циклом требует множества отдельных стадий или смеси различных рабочих хладагентов для одной и той же процедуры.

• Быстрый прогресс в развитии сверхпроводимости и улучшении магнитных свойств постоянных магнитов. В настоящее время целый ряд известных коммерческих фирм успешно занимается улучшением свойств магнитов NdFeB (наиболее эффективных постоянных магнитов) и работает над их конструкциями. Наряду с известным прогрессом в области сверхпроводимости это позволяет надеяться на улучшение качества магнитных холодильников и одновременное их удешевление.

Недостатки магнитного охлаждения

• Необходимость экранирования источника магнитного поля;
• Относительно высокая текущая цена источников магнитного поля;
• Ограниченный диапазон температур в одном цикле охлаждения в системах с постоянными магнитами (не более 303 °К).

Пожалуйста, поделитесь статьей

22621

Технология – ДОПОГ и ДОПОГ

Технология

Технология

Магнитное охлаждение

Почти столетие размагничивающего охлаждения

Магнитное охлаждение — хорошо зарекомендовавшая себя технология, которая была предложена и впервые реализована еще в 1930-х годах. Его можно использовать для создания температур ниже Кельвина, используя зависимость энтропии спиновой системы от магнитного поля. Это показано на следующем графике, который показывает зависимость энтропии от температуры для идеальной системы со спином ½.

При высоких температурах спины ориентированы случайным образом, а их энтропия постоянна. Напротив, при низких температурах энтропия спиновой системы является функцией магнитного поля B и температуры T. В этом режиме уменьшение магнитного поля от точки (B) до точки (C) в адиабатических условиях, т.е. при сохранении постоянной энтропии – приведет к понижению температуры. По этой причине магнитное охлаждение также известно как «охлаждение с адиабатическим размагничиванием» или сокращенно ADR.

ADR – охлаждение с адиабатическим размагничиванием

Как работает магнитное охлаждение

Типичная конфигурация ADR состоит из блока предварительного охлаждения, обычно криокулера замкнутого цикла, переключателя тепла, сверхпроводящего магнита, окружающего твердотельную охлаждающую среду, и примерная платформа.

В начале процесса ADR тепловой выключатель, соединяющий ADR с блоком предварительного охлаждения, замыкается, а охлаждающая среда и прикрепленный предметный столик охлаждаются до базовой температуры криокулера около 4 K.

Пока тепловой выключатель все еще замкнут, охлаждающая среда намагничивается за счет подачи тока в сверхпроводящую катушку. Теплота намагничивания выделяется и рассеивается в основной тепловой ванне, обеспечиваемой криокуллером.

Таким образом, после достижения максимального магнитного поля охлаждающая среда вернется к своей базовой температуре. Энтропия системы теперь в основном определяется магнитным вкладом спиновой подсистемы охлаждающей среды.

Затем тепловой выключатель размыкается, чтобы разорвать тепловую связь между блоком предварительного охлаждения и охлаждающей средой. За счет адиабатического уменьшения магнитного поля температура охлаждающей среды падает, тем самым охлаждая присоединенный предметный столик.

Обычно носитель не полностью размагничен. Вместо этого магнитное поле настраивается для установления целевой температуры, а оставшееся магнитное поле используется для компенсации утечек тепла от излучения, опорной конструкции и проводки, а также тепла, выделяемого экспериментальной установкой. Таким образом, путем дальнейшего уменьшения магнитного поля температуру образца можно стабилизировать с высокой точностью в течение ограниченного периода времени, «времени выдержки», которое обычно составляет несколько часов.

Как только магнитное поле уменьшится до нуля, процесс ADR можно повторить. Время регенерации, т. е. повторного намагничивания и релаксации охлаждающей среды, обычно составляет 1-2 часа, что приводит к типичным рабочим циклам от 70 до 95%.

cADR – охлаждение с адиабатическим размагничиванием непрерывного действия

Как обеспечить длительные температуры ниже Кельвина без криогенов

Для обеспечения непрерывного охлаждения без криогенов мы рассматриваем систему с двумя блоками ADR, где, аналогично обычной «одноразовой» В конфигурации ADR первый блок подключается к основной термальной ванне через термовыключатель. Но на этот раз добавляется вторая единица ADR. Он подключен одним концом к первому блоку ADR с помощью другого переключателя нагрева, а другим концом — к предметному столику.

Как показано схематически, два взаимосвязанных блока ADR будут работать вместе для извлечения тепла из предметного столика и подачи его в основную термальную ванну с температурой 4 К.

Помимо этой последовательной двухэтапной конфигурации, могут быть реализованы различные схемы cADR с несколькими блоками ADR, включая последовательные или параллельные конфигурации и даже их комбинации.

Оптимальная конфигурация зависит от требований экспериментатора и конкретных экспериментальных условий — наша техническая команда будет рада помочь вам в выборе наилучшего решения для вашей цели.

Как первый, так и второй блок ADR полностью намагничены и подключены через соответствующие термовыключатели. Поэтому охлаждающая среда и предметный столик изначально имеют температуру, обеспечиваемую криокулер.

Блок 2 отсоединяется от блока 1 и размагничивается, тем самым охлаждая предметный столик до заданной температуры.

Блок 1 отключен от ванны и тоже размагничен. Он стабилизирует температуру значительно ниже заданной температуры блока 2. Теперь тепловой переключатель между двумя блоками ADR закрыт, и блок 2 может быть регенерирован, в то же время температура столика проб поддерживается постоянной.

После истощения блока 1 соединение между двумя блоками снова открывается путем размыкания соответствующего термовыключателя, и блок 1 регенерируется при температуре криокулера.

Эту процедуру можно повторять бесконечно, чтобы обеспечить непрерывное охлаждение столика образца.

Демонстрационное видео, показывающее, как работать с шайбами ​​и устройством смены образцов

Автоматическое управление

Холодильники под ключ

Мы в kiutra считаем, что инновации и удобный дизайн должны быть неотъемлемой частью криогеники. Мы занимаемся производством высокоавтоматизированных систем криостатов, которыми можно управлять без специальных знаний.

Поскольку в процессе охлаждения не требуется жидкая охлаждающая среда, наши криостаты очень надежны и полностью автоматизированы.

Всеми системами можно управлять с помощью современного удобного графического программного обеспечения на основе среды Python с открытым исходным кодом, которую можно легко адаптировать к предпочитаемому вами измерительному оборудованию и настройкам.

Автоматическое устройство смены образцов

Отличительной чертой, разработанной нашими криоинженерами, является Автоматическое устройство смены образцов, механизм загрузки с верхней загрузкой, поставляемый как часть нашего криостата L-Type Rapid. Этот механизм позволяет устанавливать шайбы для образцов и охлаждать их до базовой температуры менее чем за три часа.

Автоматический сменщик образцов имеет несколько преимуществ: При использовании нескольких наборов для образцов несколько пользователей могут параллельно готовить свои эксперименты. Это полезно, если подготовка сложна и может заблокировать работу обычных систем и вызвать значительное время простоя.

Процесс загрузки образца очень быстрый.

Требуется всего несколько секунд, чтобы вставить шайбу с образцом в транспортировочную клетку и зафиксировать ее внутри вакуумного замка, и пару минут, чтобы автоматически загрузить шайбу на низкотемпературную стадию, где она охлаждается до базовой температуры менее чем за три часа. Быстроохлаждающие шайбы особенно полезны для высокопроизводительного скрининга образцов материалов и ускорения разработки криогенных устройств.

Поскольку подготовка и загрузка пробы не требует ручной работы с криостатом или хрупкими палочками зонда. Использование устройства смены образцов и шайб для образцов — идеальное решение для менее опытных пользователей, общих помещений и промышленных сред.

Глоссарий

Тепловой выключатель

Тепловой выключатель представляет собой настраиваемую тепловую связь. Тепловые выключатели широко используются в криогенике и являются ключевым компонентом каждого магнитного холодильника.

В магнитном холодильнике тепловой выключатель используется для отделения охлаждающей среды ADR от стадии предварительного охлаждения во время размагничивающего охлаждения. Переключатель нагрева замкнут, чтобы передать тепло намагничивания, которое вырабатывается в процессе регенерации, на этап предварительного охлаждения.

Существует несколько типов тепловых выключателей, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Наиболее распространенными типами являются механические выключатели, газовые выключатели и сверхпроводящие выключатели. Еще одно различие между активными и пассивными тепловыми выключателями. При использовании активных тепловых выключателей процесс переключения может контролироваться оператором. В пассивных тепловых выключателях процесс переключения всегда происходит при определенной, заранее заданной температуре.

Время выдержки

В «однократном» криостате ADR охлаждающая среда может обеспечивать охлаждение только в течение ограниченного периода времени, «время выдержки», которое определяется охлаждающей способностью среды.

После намагничивания охлаждающей среды и рассеивания тепла намагничивания на стадии предварительного охлаждения тепловой выключатель размыкается, и охлаждающая среда частично размагничивается. При размагничивании охлаждающей среды ее температура падает. После достижения заданной температуры размагничивание охлаждающей среды продолжается с меньшей скоростью изменения поля, которая устанавливается для компенсации тепловых утечек через опорную конструкцию, тепловое излучение или установки заказчика. Общее время, доступное при заданной температуре, называется «время выдержки». Он заканчивается, когда магнитное поле уменьшается до нуля, т. е. когда охлаждающая среда полностью размагничивается и процесс охлаждения прекращается.

Время выдержки зависит от температуры, поэтому обычно, когда система работает при самой низкой температуре, система может работать и при более высоких температурах за счет повторного намагничивания охлаждающей среды.

Основным преимуществом магнитного контроля температуры является то, что температуру можно стабилизировать с высокой точностью, поскольку не используются клапаны, капилляры или нагреватели.

One-Shot

«Однократный» режим относится к тому факту, что обычные криостаты ADR могут обеспечивать охлаждение только в течение ограниченного периода времени, «время выдержки», после которого охлаждающая среда должна быть регенерирована. Процесс регенерации занимает, в зависимости от охлаждающей среды, 1-2 часа.

При регенерации охлаждающая среда обычно нагревается до температуры, немного превышающей температуру стадии предварительного охлаждения. Поскольку «время удержания» «однократных» криостатов ADR составляет несколько часов, рабочие циклы могут достигать от 70 до 95%.

Наши многоступенчатые криостаты cADR впервые представляют собой коммерчески доступное решение для непрерывного магнитного охлаждения.

Поля рассеяния

Обычной проблемой, связанной с магнитными холодильниками, является наличие магнитных полей рассеяния в месте расположения образца при работающем криостате. В kiutra мы уделяем особое внимание этим магнитным полям, чтобы проводить измерения очень чувствительных материалов и устройств.

Во всех наших криостатах мы используем компенсированные сверхпроводящие магниты, чтобы уменьшить поля рассеяния в месте расположения образца и свести к минимуму магнитные помехи между соседними охлаждающими устройствами в многоступенчатых системах.

В нашем L-типе Rapid мы максимально увеличили расстояние между магнитами ADR и столиком для образцов, чтобы свести к минимуму поле рассеяния. Вместе с нашими компенсированными магнитными катушками это обеспечивает поля рассеяния менее 50 мкТл в положении образца, что аналогично к магнитному полю Земли. Как и в любом другом криостате, для дальнейшего уменьшения этих небольших остаточных полей можно использовать экранирование из мю-металла. Это делает L-Type Rapid подходящим инструментом для исследования чувствительных материалов и устройств, таких как сверхпроводники или квантовая электроника.

Следует также отметить, что поля рассеяния, указанные в наших спецификациях, всегда относятся к максимальному магнитному полю в охлаждающем устройстве. Однако в однократных криостатах ADR измерения обычно выполняются с магнитом, работающим при 0-30% его максимального поля, что приводит к соответствующему уменьшению полей рассеяния. Точно так же в системах cADR большинство магнитов работают на уровне 10-30% от их максимального заряда, что опять же приводит к снижению эффективных остаточных полей в месте расположения образца.

Наши научно-исследовательские проекты

Мы вносим активный вклад в растущее число исследовательских проектов в области криогенных и квантовых технологий

MUNIQC-SC

Мы являемся частью консорциума MUNIQC-SC, инициативы по созданию демонстратора квантового компьютера на основе сверхпроводящих схем.

SPROUT

Вместе с Delft Circuits компания kiutra получила финансирование от европейской программы Eurostars для разработки масштабируемой платформы для Quantum Technologies.

MATQu

Мы являемся частью консорциума «Материалы для квантовых вычислений» (MATQu), созданного для создания европейской цепочки создания стоимости сверхпроводящих кубитов.