Криокулер — это устройство, используемое для охлаждения окружающей среды и всего, что внутри нее, до чрезвычайно низких температур. Обычно используемый в научных и инженерных приложениях, он предназначен для достижения температур значительно ниже тех, которые достигаются стандартными приборами. Официально установленных требований к температуре для того, что считается криокулерами, не существует. Однако устройство, которое может охлаждаться примерно до -238 градусов по Фаренгейту (или около -150 градусов по Цельсию) или ниже, обычно называют криокулером.
Несмотря на то, что существует несколько типов криокулеров, большинство из них работают на некоторых вариациях общего процесса. Газ обычно циркулирует по замкнутому циклу, чтобы поглощать тепло из внутренней части устройства и передавать его во внешнюю среду. Этот газ может быть водородом, гелий или какой-либо другой газ или смесь газов. Способность устройства охлаждать внутреннюю среду во многом зависит от термодинамических свойств газа, циркулирующего в системе.
Циклы охлаждения в этих устройствах обычно начинаются со сжатия газа в компрессоре. Когда сжатый газ проходит через теплообменник, он поглощает тепло изнутри криокулера, тем самым охлаждая все, что находится внутри него. Когда этот газ поглощает тепло при постоянном объеме в теплообменнике, его давление увеличивается. Он расширяется в объеме, и его давление уменьшается в следующей части цикла. Наконец, он возвращается в компрессор, который завершает замкнутый контур цикла и снова начинает циркулировать по циклу.
Иногда криокулер ошибочно называют криостатом. Однако между ними есть небольшая, но отчетливая разница. Криостат используется для поддержания уже имеющейся криогенной температуры, обычно пассивно, например, с изоляцией. С другой стороны, криокулер активно работает для охлаждения окружающей среды до криогенных температур, а не просто для поддержания уже существующих условий окружающей среды. Эту разницу можно представить как разницу между термосом и холодильником.
Доступны многие типы криокулеров с различными преимуществами и функциями, подходящими для самых разных областей применения. Общие типы криокуллеров включают охладитель Джоуля-Томсона, охладитель Гиффорда-Мак-Магона, охладитель Стирлинга, холодильник с импульсной трубкой и холодильник с адиабатическим размагничиванием. Хотя криокуллеры Джоуля-Томсона заметно менее эффективны, чем многие другие устройства, они обеспечивают преимущества в надежности и низком уровне электрического и механического шума. С другой стороны, охладители Gifford-McMahon создают некоторую вибрацию из-за поршня, который проталкивает газ через систему. Однако они предлагают пользователю гибкость, поскольку могут работать в любом положении.
Особое внимание обычно уделяется выбору криокулера для использования в космосе. В таких приложениях энергия обычно должна использоваться эффективно, а ремонт чрезвычайно дорог или даже невозможен — например, для миссий на другие планеты. Охладители Стирлинга, известные своей надежностью и эффективностью, первыми успешно использовались в космосе. Обладая еще более высокой надежностью, чем охладители Стирлинга, охладители с импульсными трубками часто выбирают для экономии места, хотя обычно они немного менее эффективны. Холодильник с адиабатическим размагничиванием также может быть выбран из-за его превосходной эффективности и способности работать в условиях нулевой гравитации.
Существует множество областей, в которых криокулер играет жизненно важную роль. К ним относятся медицинские, автомобильные и аэрокосмические приложения, использование в научных исследованиях и военных операциях и многое другое. Например, криогенное упрочнение металлических деталей может изменить их физические свойства, повысив прочность, твердость и износостойкость. Инфракрасные датчики, используемые в спутниковое наблюдение и наведение ракет, а также исследования атмосферы и многое другое обычно требуют криогенного охлаждения.
