Канал Hyperspace Pirate показав один із найамбітніших DIY-проектів на YouTube — побудувати рідкий азот вдома. Перша версія пульсаційного кулера ледве знижувала температуру на кілька градусів. Друга версія дісталася до -75°C. Вуглекислий газ замерзає при -78°C. Різниця — три градуси і ще дуже багато роботи попереду, але стрибок вражає.
Перша версія пристрою працювала на лінійному моторі. Концептуально гарно, але на практиці — занадто вузька оптимальна частота і недостатня потужність стиснення. Звичайний обертовий мотор дає набагато більше варіантів: вибір редукції, можливість підібрати характеристики під задачу і, головне, маховик. А маховик тут критично важливий — адіабатичне стиснення дає різкий стрибок тиску, і без маховика мотор просто не впорається з навантаженням.
Маховик знайшовся одразу — від гігантського іграшкового гіроскопа, знятого з попереднього відео. Вісь восьмиміліметрова, саме те що треба. Мотор — безщітковий 1100KV на 12 вольтах із редукцією 5:1 через шківи GT2.
Перш ніж збирати щось далі, автор сів і порахував теплофізику. І виявив неочевидну річ,
яку більшість людей не враховує.
При компресійному відношенні 1,4 температура стисненого газу піднімається лише до +68°C. Тобто різниця між гарячим кінцем і навколишнім середовищем — лише 42 градуси. Щоб вивести 59 Вт тепла за 50 мілісекунд через такий перепад — потрібна величезна площа контакту газу зі стінками трубки. Але стандартна трубка з гарної теплопровідної міді в цьому завданні майже марна: теплова пробка не в матеріалі стінки, а в тому, як погано газ у фазі передає тепло цій стінці.
Рішення — розбити один великий канал на 100 маленьких трубок діаметром 2 мм із тою самою загальною площею перерізу. Площа контакту зростає в 10 разів, а середня відстань від газу до стінки скорочується з 2,9 мм до 0,29 мм. Результат — тепловіддача зростає в 100 разів. З 0,47 Вт до 47 Вт. Уже близько до потрібних 59.
Теплообмінник зробили з алюмінієвого блоку 40×40 мм із 51 просвердленим отвором і 3D-друкованими адаптерами на силіконі.
Перші тести з мотором розчарували. Температура падала несуттєво. Виявилося — провина інертансної трубки. Двохметрова мідна трубка діаметром 2 мм давала занадто великий гідравлічний опір.
Опір потоку зростає обернено пропорційно п’ятому ступеню діаметра — це не жарт, це фізика. Автор поступово скорочував трубку, і щоразу результат покращувався. Але навіть коротка 2-міліметрова трубка програвала варіанту взагалі без неї.
Тоді він замінив її на три метри чвертьдюймової мідної трубки з внутрішнім діаметром 4,4 мм. Довша, але набагато ширша. Гідравлічний опір упав різко, а інертанс залишився прийнятним. Максимальне падіння температури стрибнуло до 40 градусів і -16°C на холодному кінці.
Далі почався справжній параметричний пошук. Довжина пульсаційної трубки — 50, 100, 140, 200 мм. Переможець: 100 мм. Саме ця довжина дала максимальне падіння в 53 градуси. Не випадково — об’єм цієї трубки приблизно дорівнює витісненому об’єму поршня.
Регенератор — сталева вата в трубці з ПВХ. Тип вати (середньогруба проти ультратонкої) майже не мав значення. А от довжина — дуже важлива. Коротший регенератор дає менший опір і кращий результат — аж до певної межі. З варіантів 30, 50, 80 і 120 мм найкраще показав найкоротший, 30 мм. І схоже, що ще коротший був би ще кращим — але перевірити не встигли.
У підсумку після всіх ітерацій поршень 25 мм із регенератором 30 мм і 100-міліметровою пульсаційною трубкою дав падіння температури на 89 градусів. Мінімальна температура: -75°C. На холодному кінці навіть намерз лід — вологість із повітря не встигли видалити повністю, але це скоріше доказ того, наскільки там холодно.
Логічний наступний крок — збільшити поршень з 25 до 40 мм. Об’єм, що витискається, зростає з 23 до 58 куб. см, компресійне відношення — з 1,4 до 2,0, теоретична температура стиснення — з 66°C до 118°C. Набагато кращі умови для відведення тепла.
Але тут 3D-друковані деталі кривошипа буквально розплавилися від тертя. Довелося фрезерувати металеві. Потім виявилося, що мотор 1100KV не тягне більший поршень — замінили на 750KV із вищим крутним моментом.
Результат після всіх замін — несподіваний. Більший поршень до 9 Гц давав кращий результат, але після цієї частоти починав відставати від меншого. Підозра: або регенератор задихається від надто великого потоку, або намерзання льоду при низьких температурах блокує прохід. Або матеріал регенератора — звичайна сталева вата — просто надто добре проводить тепло вздовж осі і руйнує температурний градієнт.
Перехід на нержавіючу вату з меншою теплопровідністю може це виправити.
Автор окреслює кілька напрямків для наступних кроків. Підвищення середнього тиску в системі при відносно скромному перепаді тиску — саме так працюють промислові кріокулери, зазвичай при 10–20 атмосфер. Заміна робочого газу: аргон як дешевша альтернатива гелію — монатомний газ із вищим показником адіабати, що дає більший температурний перепад при тому самому стисненні. І порівняння з альфа-Стірлінгом, де фазовий зсув задається геометрією кривошипа, а не інертансною трубкою — потенційно вище компресійне відношення при тих самих компонентах.
До рідкого азоту при -196°C ще далеко. Але від «кількох градусів» до -75°C за одну ітерацію — це вже не просто хобі-проект.
Запис Ентузіаст створив кріокулер, який досяг -75°C: на крок від сухого льоду спершу з'явиться на ProstoMob.
