Cryokoelers zijn ultrakoude koeleenheden die worden gebruikt bij chirurgie en de ontwikkeling van geneesmiddelen, halfgeleider fabricage, en ruimtevaartuig. Het kunnen buizen zijn, pompen, tafelblad maten, of grotere koelsystemen.

De regeneratieve warmtewisselaar, of regenerator, is een kerncomponent van cryokoelers. Bij temperaturen onder 10 kelvin (-441,67 graden Fahrenheit), prestatie daalt snel, met een maximaal regeneratorverlies van meer dan 50%.

In hun krant gepubliceerd in Technische Natuurkunde Brieven , onderzoekers van de University of Chinese Academy of Sciences gebruikten superactieve koolstofdeeltjes als alternatief regeneratormateriaal om het koelvermogen te vergroten bij temperaturen zo laag als 4 kelvin.

In de meeste cryokoelers, een compressor drijft gas op kamertemperatuur door de regenerator. De regenerator neemt warmte op van de compressie, en het afgekoelde gas zet uit. Het oscillerende ultrakoude gas absorbeert de warmte die vastzit in de regenerator, en het proces herhaalt zich.

Stikstof is het meest gebruikte gas in cryokoelers. Maar voor toepassingen die temperaturen onder de 10 kelvin vereisen, zoals ruimtetelescoopinstrumenten en magnetische resonantiebeeldvormingssystemen, helium wordt gebruikt, omdat het het laagste kookpunt heeft van alle gassen, waardoor de koudst haalbare temperaturen mogelijk zijn.

Echter, de hoge soortelijke warmte van helium (de hoeveelheid warmteoverdracht die nodig is om de temperatuur van een stof te veranderen) resulteert in grote temperatuurschommelingen tijdens de compressie- en expansiecyclus bij lage temperaturen, wat de koelingsefficiëntie ernstig aantast.

Om dit probleem aan te pakken, onderzoekers vervingen de conventionele zeldzame aardmetalen van de regenerator door actieve kool, dat is koolstof behandeld met koolstofdioxide of oververhitte stoom bij hoge temperaturen. Dit creëert een matrix van poriën van microngrootte die het koolstofoppervlak vergroot, waardoor de regenerator meer helium kan vasthouden bij lage temperaturen en meer warmte kan afvoeren.

De onderzoekers gebruikten een 4 kelvins Gifford-McMahon cryokoeler om de heliumadsorptiecapaciteit te testen in supergeactiveerde koolstofdeeltjes met een porositeit van 0,65 binnen variërende temperatuurbereiken van 3-10 kelvin.

Ze ontdekten toen ze de regenerator vulden met 5,6% koolstof met een diameter tussen 50 en 100 micron, de verkregen onbelaste temperatuur van 3,6 kelvin was hetzelfde als bij het gebruik van edele metalen. Echter, bij 4 Kelvin, koelcapaciteit met meer dan 30% toegenomen.

Ze bevestigden verbeterde prestaties door kokosnoot-geactiveerde koolstof in een experimentele pulsbuis te plaatsen die ze bouwden en een thermodynamisch rekenmodel te gebruiken.

"Naast een grotere koelcapaciteit, de actieve kool kan dienen als een goedkoop alternatief voor edele metalen en kan ook gunstig zijn voor lage-temperatuurdetectoren die gevoelig zijn voor magnetisme, ' zei auteur Liubiao Chen.