Les cryoréfrigérateurs sont des unités de réfrigération ultrafroides utilisées dans la chirurgie et le développement de médicaments, fabrication de semi-conducteurs, et engins spatiaux. Ils peuvent être des tubes, pompes, tailles de table, ou des systèmes de réfrigération plus grands.

L'échangeur de chaleur régénératif, ou régénérateur, est un composant essentiel des cryoréfrigérateurs. À des températures inférieures à 10 kelvins (-441,67 degrés Fahrenheit), les performances chutent brutalement, avec une perte maximale du régénérateur de plus de 50 %.

Dans leur papier, Publié dans Lettres de physique appliquée , des chercheurs de l'Académie des sciences de l'Université de Chine ont utilisé des particules de charbon suractivé comme matériau de régénération alternatif pour augmenter la capacité de refroidissement à des températures aussi basses que 4 kelvins.

Dans la plupart des cryoréfrigérateurs, un compresseur entraîne le gaz à température ambiante à travers le régénérateur. Le régénérateur absorbe la chaleur de la compression, et le gaz refroidi se dilate. Le gaz ultrafroid oscillant absorbe la chaleur piégée dans le régénérateur, et le processus se répète.

L'azote est le gaz le plus couramment utilisé dans les cryoréfrigérants. Mais pour les applications nécessitant des températures inférieures à 10 kelvins, tels que les instruments des télescopes spatiaux et les systèmes d'imagerie par résonance magnétique, l'hélium est utilisé, parce qu'il a le point d'ébullition le plus bas de tous les gaz, permettant les températures les plus froides possibles.

Cependant, la chaleur spécifique élevée de l'hélium (la quantité de transfert de chaleur nécessaire pour changer la température d'une substance) entraîne de grandes fluctuations de température pendant le cycle de compression et de détente à basse température, ce qui affecte sérieusement l'efficacité du refroidissement.

Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont remplacé les métaux des terres rares classiques du régénérateur par du charbon actif, qui est traité avec du dioxyde de carbone ou de la vapeur surchauffée à haute température. Cela crée une matrice de pores de la taille du micron qui augmente la surface du carbone, permettant au régénérateur de retenir plus d'hélium à basse température et d'évacuer plus de chaleur.

Les chercheurs ont utilisé un cryoréfrigérateur Gifford-McMahon de 4 kelvins pour tester la capacité d'adsorption d'hélium dans des particules de charbon suractivé avec une porosité de 0,65 dans des plages de température variables de 3 à 10 kelvins.

Ils ont trouvé en remplissant le régénérateur avec 5,6% de carbone avec des diamètres compris entre 50 et 100 microns, la température à vide obtenue de 3,6 kelvins était la même qu'avec des métaux précieux. Cependant, à 4 kelvins, capacité de refroidissement augmentée de plus de 30 %.

Ils ont confirmé l'amélioration des performances en plaçant du charbon actif de noix de coco dans un tube à impulsions expérimental qu'ils ont construit et en utilisant un modèle de calcul thermodynamique.

« En plus de fournir une capacité de refroidissement accrue, le charbon actif peut servir d'alternative peu coûteuse aux métaux précieux et pourrait également bénéficier aux détecteurs basse température sensibles au magnétisme, ", a déclaré l'auteur Liubiao Chen.