Канал Hyperspace Pirate знову зробив те, що більшість людей вважала б надто складним. Цього разу — зібрав кріокулер Гіффорда-МакМагона з 3D-надрукованих деталей, кількох неодимових магнітів і шматка прозорої ПВХ-труби. І все це заради однієї мети: навчитися виробляти рідкий азот вдома.
Що таке цикл Гіффорда-МакМагонаЯкщо коротко: це один із найпростіших способів отримати дуже низькі температури без каскадів компресорів і кілометрів трубок. В основі — поршень-витискач, який ганяє газ між гарячою і холодною зонами, і регенератор — пориста матриця з великою теплоємністю, що «запам’ятовує» холод між циклами. Саме завдяки регенератору система може поступово «сходити сходами» до все нижчих температур, а не просто трохи охолонути і зупинитись.
Комерційні GM-кріокулери зазвичай працюють на гелії в замкненому контурі і коштують як невеликий автомобіль. Автор вирішив перевірити, чи можна зробити щось подібне за копійки — і на звичайному повітрі з компресора.
Перша версія: прозора труба, магніти і трохи везінняПерший прототип — прозора ПВХ-труба діаметром 1 дюйм. Матеріал жахливий з точки зору теплопередачі,
але зате видно все, що відбувається всередині. Поршень рухався ззовні за допомогою неодимових магнітів — жодних ущільнень, жодних ризиків витоку. Спочатку автор крутив усе руками і перемикав клапани кнопками. Результат — вже на рівні 2°C зовні і активне обмерзання всередині.
Далі — автоматизація. Кроковий двигун, Arduino, соленоїдні клапани. Система за кілька хвилин пробивала нульову позначку. Потім кроковий двигун замінили на редукторний — він надійніший під навантаженням. Для зворотного зв’язку спочатку використовували кінцеві вимикачі від 3D-принтера, потім перейшли на датчики Холла.
Найкращий результат першої версії — -84°C приблизно за півтори години роботи. Після цього система починала замерзати зсередини: волога з компресорного повітря кристалізувалася, забивала регенератор і намертво клинила поршень.
Регенератор: дріб’яні деталі, які вирішують усеОдин із найцікавіших моментів відео — експерименти з матеріалом регенератора. Спочатку автор хотів використати сталеву вату. Але зважив її — і виявив, що навіть при щільному укладанні вона дає лише 5–6% заповнення об’єму.
Мало поверхні, мало теплоємності, багато «мертвого» простору — погано.
Ідеальний регенератор має щільність заповнення від 40 до 50%. Цього можна досягти або ультратонкими сітками, або кульками. Перший тест — дробовий свинцевий дріб. Дрібні кулі, гарна щільність, велика площа поверхні. Результат: мінус 71°C просто вручну перемикаючи поршень. Вражає.
Потім автор спробував нержавіючі кульки — теплоємність у них майже втричі вища за свинець. Але на практиці суттєвої різниці не виявилось: обидва варіанти клинило від льоду приблизно в той самий момент. Висновок — проблема не в регенераторі, а у відкритому контурі з вологим повітрям.
Друга версія: більше — значить холодніше?Логіка проста: якщо збільшити діаметр труби з 1 до 1,5 дюйма, об’єм зросте в 2,6 рази, а площа поверхні — лише в 1,6. Тобто холодопродуктивність росте швидше за теплові втрати. Автор побудував другий прототип — з 18 магнітами в поршні замість шести і датчиками Холла замість механічних вимикачів.
Результат неоднозначний. Охолоджувалась система справді швидше — до -52°C йшло зовсім небагато часу. Але компресор тепер працював на 63% завантаженості проти 27% раніше.
Волога накопичувалася втричі швидше. Поршень клинило значно раніше, ніж у меншій версії. Перемога за швидкістю обернулася поразкою за витривалістю.
Що даліВідкритий контур на повітрі — глухий кут. Це зрозуміло. Комерційні GM-кріокулери завжди працюють на гелії в замкненому контурі — і не просто так. Автор планує взяти компресор від кондиціонера, додати водяне охолодження і кілька ступенів фільтрації олії — і перетворити його на гелієвий компресор. Плюс нова холодна головка з міді та нержавійки з тим самим 3D-надрукованим поршнем-витискачем.
Мета — замкнений GM-кріокулер, який досягне -196°C і дозволить виробляти рідке повітря з одним компресором без балонів із газом. А якщо не спрацює — автор обіцяє кинути YouTube і повернутися на азбестову шахту.
Незалежно від фіналу — це вже чудовий доказ концепції. Система з 3D-надрукованих деталей і магнітів, що пробиває -84°C на звичайному повітрі, виглядає як щось між навчальним стендом і справжньою інженерною розробкою. Саме таке і люблять на Hyperspace Pirate.
Запис Надрукував кріокулер на 3D-принтері і охолодив повітря до -84°C на звичайному компресорі спершу з'явиться на ProstoMob.
