Статья
Моделирование и оптимизация регенеративного теплообменника криоохладителя для систем на базе высокотемпературных сверхпроводников
Н. А. Максимов
Институт физики ФГАОУ ВО КФУ, ул. Кремлевская, 18, 420008, Казань, Россия
e-mail: NikAMaksimov@kpfu.ru
Р. Г. Батулин
Институт физики ФГАОУ ВО КФУ, ул. Кремлевская, 18, 420008, Казань, Россия
А. В. Кутергин
Независимый исследователь, Москва, Россия
УДК 538.945
Аннотация
Регенеративный теплообменник является термодинамическим ядром криоохладителей с импульсными трубками, определяющим их эффективность и холодопроизводительность. В данной работе представлено численное моделирование и параметрическая оптимизация регенератора одноступенчатого криоохладителя на основе пульсационной трубы Гиффорда-МакМагона, работающего в диапазоне температур 50–300 К, адаптированного в том числе и для сверхпроводящих применений. Анализ выполнен на основе конечно-разностной аппроксимации с использованием специализированного программного пакета Regen 3.3, использующего квазиодномерный подход и решающего уравнения сохранения массы, импульса и энергии в пористой матрице при осциллирующем потоке гелия. Ключевыми оптимизируемыми переменными выступили фазовый угол между волной давления имассовым расходом, расход рабочего тела на низкотемпературном конце и удельная площадь поперечного сечения. Установлено, что оптимальный фазовый сдвиг составляет −40°, при массовом расходе 9.53 г/с и удельной площади 0.2021 м²·с/г достигается максимальный коэффициент полезного действия 0.1307, что на 10% выше исходной конфигурации (или 78% от идеального цикла Карно, что на 25% выше исходного значения). Полученные параметры особенно актуальны для криогенных систем на базе высокотемпературных сверхпроводников. Результаты формируют практические рекомендации для проектирования эффективных одноступенчатых криоохладителей для сверхпроводящих магнитов, платформ квантовых вычислений и медицинского диагностического оборудования.
Ключевые слова: криоохладитель на основе пульсационной трубы; регенеративный теплообменник; численное моделирование; оптимизация; коэффициент полезного действия; сверхпроводник MgB₂; сверхпроводящий магнит.
Литература
[1] J. Park, B. Kim, S. Jeong. A review on a 4 K cryogenic refrigeration system for quantum computing. Progress in Superconductivity and Cryogenics 24, (2022). DOI: 10.9714/psac.2022.24.2.001
[2] T.H. Fikkers, N. Balasubramani, J.W.F. van Hofslo, et al. A cold beam of BaOH molecules using a water-vapor seeded neon gas. New Journal of Physics 28, 023202 (2026). DOI: 10.1088/1367-2630/adb1b5
[3] R. Radebaugh. Pulse Tube Cryocoolers for Cooling Infrared Sensors. Proceedings of SPIE, The International Society for Optical Engineering. Infrared Technology and Applications XXVI 4130, 363 (2000). DOI: 10.1117/12.409878
[4] J. Narevicius, Y. Segev, M. Pitzer, E. Narevicius. A fast-switching high-critical-temperature superconducting magnetic trap for atoms and molecules. Review of Scientific Instruments 97, 033201 (2026). DOI: 10.1063/5.0309316
[5] H. Dang, D. Wu, H. Tan, et al. Advances in Cryogenic Systems for the Superconducting Nanowire Single Photon Detector and Superconducting Quantum Computer. IEEE Transactions on Applied Superconductivity 34, 9500604 (2024). DOI: 10.1109/TASC.2024.3350594
[6] H.P. Binney, H.D. Pinckney, K. Azar, et al. Distinguishing types of correlated errors in superconducting qubits. // arXiv.org, 2026. URL: https://arxiv.org/abs/2603.16494. DOI: 10.48550/arXiv.2603.16494
[7] W. Stautner. Cryocoolers for Healthcare // Cryocoolers / Ed. by M.D. Atrey, J.G. Weisend II, S. Jeong. – Cham: Springer, International Cryogenics Monograph Series, 2020, pp. 191–204. DOI: 10.1007/978-3-030-11307-0_9
[8] W.E. Gifford, R.C. Longsworth. Pulse Tube Refrigeration. Journal of Engineering for Industry 86, 164 (1964). DOI: 10.1115/1.3670530
[9] M.D. Atrey. Cryocooler Technology: The Path to Invisible and Reliable Cryogenics. Cham: Springer, 1 (2020). DOI: 10.1007/978-3-030-11307-0_1
[10] J.M. Pfotenhauer, R.Z. Wang, F.K. Miller. Regenerator design optimization: Results from REGEN 3.3. Cryogenics 97, 77 (2019). DOI: 10.1016/j.cryogenics.2018.11.009
[11] Q. Cao, Z.H. Gan, G.J. Liu, Z.P. Li, Y.Z. Wu, L.M. Qiu, J.M. Pfotenhauer. Theoretical and Experimental Study on a Pulse Tube Cryocooler Driven with a Linear Compressor // Cryocoolers 15: Proceedings of the 15th International Cryocooler Conference. Boulder, Colorado, 2009 / Ed. by M.D. Atrey, J.G. Weisend II, S. Jeong. Boulder: ICC Press, 2009, page 149–156.
[12] J. Nagamatsu, N. Nakagawa, T. Muranaka, Y. Zenitani, J. Akimitsu. Superconductivity at 39 K in magnesium diboride. Nature 410, 63 (2001). DOI: 10.1038/35065039
[13] В.С. Высоцкий. Крупномасштабные применения сверхпроводимости спустя столетие после ее открытия. Электричество 11, 4 (2014).
[14] I.A. Rudnev, R.G. Batulin, S.A. Khokhorin, S.V. Veselova. The measurement and analysis of the hysteresis loss in a multifilament MgB2 superconducting wire. Elektrichestvo 6, 14 (2023). DOI: 10.24160/0013-5380-2023-6-14-22
[15] T.P. Krinitsina, E.I. Kuznetsova, M.V. Degtyarev, Y.V. Blinova. MgB2-based superconductors: structure and properties. Physics of Metals and Metallography 122, 1183 (2021). DOI: 10.1134/S0031918X2112005X.
[16] I.V. Yanilkin et al. Superconductor Science and Technology 37, 085015 (2024). DOI: 10.1088/1361-6668/ad5c09
[17] Н. Кедам, Д.В. Сармин, А.Л. Лопатин, С.О. Некрасова, Е.В. Благин. Проектирование и оптимизация регенератора криогенного пульсационного охладителя. Вестник Международной академии холода 4, 51 (2023). DOI: 10.17586/1606–4313–2022-22-4-51-59
[18] C. Wang. Numerical analysis of 4 K pulse tube coolers: Part I Numerical simulation. Cryogenics 37, 207 (1997). DOI: 10.1016/s0011-2275(97)00013-1
[19] C. Wang. Numerical analysis of 4 K pulse tube coolers: Part II. Performance and internal processes. Cryogenics 37, 215 (1997). DOI: 10.1016/s0011-2275(97)00014-3
[20] G. Thummes, S. Bender, C. Heiden. Approaching the 4He lambda line with a liquid nitrogen precooled two-stage pulse tube refrigerator. Cryogenics 36, 709 (1996). DOI: 10.1016/0011-2275(96)00060-4
[21] J.M. Pfotenhauer, S. Jeong. REGEN 3.3 User Manual // Madison: University of Wisconsin-Madison, 2021. URL: https://math.nist.gov/archive/regen/
[22] R. Radebaugh. A review of pulse tube refrigeration. Advances in Cryogenic Engineering 35, 1191 (1990). DOI: 10.1007/978-1-4613-0639-9_143
[23] C. Wang, G. Thummes, C. Heiden. A two-stage pulse tube cooler operating below 4 K. Cryogenics 37, 159 (1997). DOI: 10.1016/S0011-2275(96)00112-9
[24] J. Zhou, X. Zhi, Z. Ni, et al. High-frequency two-stage gas-bearing pulse tube cryocoolers at 20 K for space applications. Thermal Science and Engineering Progress 46, 102187 (2023). DOI:
10.1016/j.tsep.2023.102216