Kryokylare är ultrakalla kylenheter som används vid kirurgi och läkemedelsutveckling, halvledartillverkning, och rymdfarkoster. De kan vara rör, pumps, storlekar på bordsskivor, eller större kylsystem.

Den regenerativa värmeväxlaren, eller regenerator, är en kärnkomponent i kryokylare. Vid temperaturer under 10 kelvin (-441,67 grader Fahrenheit), prestandan sjunker hastigt, med maximal regeneratorförlust på mer än 50 %.

I deras papper, publicerad i Bokstäver i tillämpad fysik , forskare vid University of Chinese Academy of Sciences använde superaktiverade kolpartiklar som ett alternativt regeneratormaterial för att öka kylförmågan vid temperaturer så låga som 4 kelvin.

I de flesta kryokylare, en kompressor driver rumstemperaturgas genom regeneratorn. Regeneratorn suger upp värme från kompressionen, och den kylda gasen expanderar. Den oscillerande ultrakalla gasen absorberar värmen som fångas i regeneratorn, och processen upprepas.

Kväve är den vanligaste gasen i kryokylare. Men för applikationer som kräver temperaturer under 10 kelvin, såsom rymdteleskopinstrument och magnetiska resonansbildsystem, helium används, eftersom den har den lägsta kokpunkten av någon gas, möjliggör de kallaste möjliga temperaturerna.

Dock, heliums höga specifika värme (mängden värmeöverföring som behövs för att ändra temperaturen på ett ämne) resulterar i stora temperaturfluktuationer under kompressions- och expansionscykeln vid låga temperaturer, vilket allvarligt påverkar kylningseffektiviteten.

För att lösa detta problem, forskare ersatte regeneratorns konventionella sällsynta jordartsmetaller med aktivt kol, som är kolbehandlad med koldioxid eller överhettad ånga vid höga temperaturer. Detta skapar en matris av mikronstora porer som ökar kolets yta, gör det möjligt för regeneratorn att hålla mer helium vid låga temperaturer och ta bort mer värme.

Forskarna använde en 4 kelvins Gifford-McMahon kryokylare för att testa heliumadsorptionskapaciteten i superaktiverade kolpartiklar med en porositet på 0,65 inom varierande temperaturområden på 3-10 kelvin.

De upptäckte när de fyllde regeneratorn med 5,6 % kol med diametrar mellan 50 och 100 mikron, den erhållna tomgångstemperaturen på 3,6 kelvin var samma som vid användning av ädelmetaller. Dock, vid 4 kelvin, kylkapaciteten ökade med mer än 30 %.

De bekräftade förbättrad prestanda genom att placera kokosnötsskal-aktiverat kol i ett experimentellt pulsrör de byggde och använda en termodynamisk beräkningsmodell.

"Förutom att ge ökad kylkapacitet, det aktiva kolet kan fungera som ett billigt alternativ till ädelmetaller och kan också gynna lågtemperaturdetektorer som är känsliga för magnetism, " sa författaren Liubiao Chen.