Design and testing of a 5 K Joule-Thomson cooler

A Joule-Thomson (J-T) refrigerator precooled by a commercial Gifford-McMahon (G-M) cryocooler is developed and built by repurposing commercial compressors for use with 4He. The complete system is composed of the G-M auxiliary cryocooler to refrigerate the radiation shields and precool the helium gas; the J-T refrigerator heat exchangers and expansion orifice to obtain cooling power at 5 K; and the compressors with an oil removal system (ORS) to provide oil-free compressed helium at room temperature. The performance of this type of system is first analyzed theoretically and optimized. The commercial compressors, coupled with a simple ORS, proved suitable in providing an enduring flow of oil-free helium. The whole system achieved a cooling power of 30 mW at 5.2 K. The proposed system validated the use of inexpensive off-the-shelf compressors for low-temperature, low-power coolers.

Un refrigeratore Joule-Thomson (J-T) preraffreddato da un crioraffreddatore commerciale Gifford-McMahon (G-M) viene sviluppato e costruito riadattando compressori commerciali per l'uso con 4He. Il sistema completo è composto dal crioraffreddatore ausiliario G-M per refrigerare gli schermi antiradiazione e preraffreddare l'elio; dagli scambiatori di calore e dall'orifizio di espansione del refrigeratore J-T per ottenere una capacità di raffreddamento a 5 K; e dal compressore con un sistema di rimozione dell'olio (ORS) per fornire elio pressurizzato senza contaminanti a temperatura ambiente. Le prestazioni di questo tipo di sistema vengono inizialmente analizzate da un punto di vista teorico ed ottimizzate. I compressori commerciali, abbinati a un semplice ORS, si sono dimostrati idonei a fornire un flusso costante di elio. L'intero sistema ha raggiunto una capacità di raffreddamento di 30 mW a 5,2 K. Il sistema proposto ha convalidato l'uso di compressori commerciali economici per refrigeratori a bassa temperatura e basso consumo energetico.