.
Matalia lämpötiloja tarvitaan nykyään lukuisissa sovelluksissa ja niiden käyttö on jatkuvasti lisääntymään päin. Eräs virstanpylväs saavutettiin vuonna 1908, jolloin Heike Kamerlingh Onnes ensimmäisen kerran onnistui nesteyttämään heliumia. Ensimmäiset heliumin nesteytyslaitteet olivat yksinkertaisia ja kömpelöitä ja toimivat vain kertaalleen, jonka jälkeen laitteisto oli asetettava uudelleen alkutilaan. Läpi 1900-luvun laitteistoja kehitettiin jatkuvasti ja vuosisadan puolivälissä tekniikka oli kypsää sarjavalmistukseen. Nykyään ollaan menty yhä monimutkaisempiin laitteisiin ja parempiin hyötysuhteisiin, mutta perustekniikka heliumin nesteytyksessä ja kryojäähdyttimissä on säilynyt miltei muuttumattomana vuosien saatossa.
Heliumin nesteytystekniikat perustuvat lähes poikkeuksetta kiertoprosesseihin. Prosessissa olennaisena osana olevan työnesteen annetaan vuoron perään puristua, laajentua sekä vaihtaa lämpöä ympäristön kanssa. Yksinkertaisin tällaisista sykleistä on isotermisistä ja isentropisista (adiabaattisista) vaiheista koostuva Carnot'n kierto, jolla saavutetaan termodynaamisesti edullisin lopputulos. Käytännössä ideaalista kiertoa on vaikea saavuttaa, mutta perusperiaate on sama.
Reealimaailman jäähdytyslaitteistot perustuvat kaasun laajenemiseen. Isentropisessa laajenemisessa saavutetaan suurin lämpötilan muutos paineen muuttuessa, sillä kaasu joutuu laajentuessaan tekemään työtä. Isentalpisessa laajenemisessa kaasu ei tee työtä ja prosessi on irreversiibeli. Näin ollen sen termodynaaminen tehokkuus on pienempi kuin adiabaattisessa laajenemisessa.
Tarkastellaan ensiksi ideaalista Carnot'n kiertoon perustuvaa jäähdytysjärjestelmää. Järjestelmän ajatellaan koostuvan suuresta kokoelmasta infinetesimaalisia Carnot'n kiertoja, jotka toimivat pienten lämpötilaerojen välillä. Jatkuvuusrajalla kokoelma näitä prosesseja vastaa yhtä jatkuvaa Carnot'n kiertoprosessia, joka tapahtuu matalan lämpötilan TC ja korkean lämpötilan TH lämpökylpyjen välillä. Lämpömäärän dQ siirtämiseksi lämpötilasta T lämpötilaan TH joudutaan tekemään työ
.
Jotta jäähdytettävä kaasu saataisiin nesteytymään, tarvitsee laskuissa ottaa huomioon työ, joka tarvitaan kaasun jäähdyttämiseksi sen kiehumispisteeseen Tbp ja työ, joka kuluu kaasun muuntamiseen nesteeksi. Kutsutaan näitä suureita nimillä wg ja wl. Koska tiedämme, että
,
voimme laskea ensimmäisen kontribuution kaavalla
.
Integrointi on valittu niin, että tehty työ on positiivinen. Nesteyttämiseen tarvittava työ eli latentti lämpö on dQ = λ, jolloin saadaan
.
Nesteyttämiseen tarvittava kokonaistyö on wl:n ja wg:n summa. Järjestelemällä termejä uudelleen saadaan
.
Ensimmäinen termi kuvastaa alkulämpötilassa T olevan kaasun ja loppulämpötilassa Tbp olevan nesteen välillä tapahtunutta entropian muutosta ja jälkimmäinen termi entalpian (lämmön) muutosta.
Kokonaistyö massayksikköä kohden voidaan esittää myös tilanfunktioiden avulla nesteytys"polun" alku- ja loppupisteiden välillä:
Arvot si ja hi on taulukoitu ja ylläolevaa kaavaa voidaan käyttää helposti nesteytystyön laskemiseen.
Tavanomaisten kylmälaitteiden jäähdytys perustuu isentalpiseen laajenemiseen, joka on myös yksi käytetyimmistä ja yksinkertaisimmista menetelmistä kaasujen nesteyttämisessä. Laitteessa on suuripaineinen puoli, josta kaasu laajenee vapaasti pienempään paineeseen venttiilin tai jonkin huokoisen materiaalin kautta. Kaasu ei tee laajetessaan työtä ja prosessi on adiabaattinen, mutta irreversiibeli. Koska lämpöä ei vaihdu, täytyy laajenneen kaasun entalpian olla sama kuin ennen laajenemista. Jotta saataisiin aikaan lämpötilan aleneminen, Joulen-Thomsonin ilmiö, täytyy vakioentalpiakäyrällä p-T avaruudessa olla positiivinen kulmakerroin. Yleisesti puhutaan Joulen-Thomsonin kertoimesta µj:
.
Tämä voidaan pienillä laskutoimituksilla muuntaa käyttökelpoisempaan muotoon:
.
Nyt Joulen-Thomsonin kertoimen tarkka muoto on helppo saada selville, jos tunnetaan käsiteltävän kaasun tilanyhtälö ja ominaislämpökapasiteetti vakiopaineessa Cp. Tärkeintä on löytää se rajoitettu p-T avaruuden osa, jonka määrittää käyrä µj = 0. Kyseistä käyrää kutsutaan inversiokäyräksi ja sen sisäpuolella voidaan Joulen-Thomsonin ilmiön avulla saavuttaa lämpötilan aleneminen kaasussa.
Sijoitettaessa ideaalikaasun tilanyhtälö pv = RT edelliseen yhtälöön havaitaan, että µj on aina nolla. Ideaalikaasu ei siis sen enempää lämpene kuin kylmene isentalpisessa laajenemisessa. Reaalikaasujen molekyylien välillä on aina vuorovaikuttavia voimia, jotka muuttavat tilanyhtälöä. Parhaiten reaalikaasujen termodynaamisia ominaisuuksia voidaan mallintaa empiirisesti saatujen tilanyhtälöiden avulla. Toimivimmat mallit ovat kuitenkin laskuteknisesti hankalia nesteytyksen fysiikkaa tarkastellessa. Yksinkertaisella klassisella lähestymistavalla päästään kuitenkin monessa tapauksessa hyviin tuloksiin. Kohtuullisia arvioita saadaan esimerkiksi van der Waalsin tilanyhtälön
avulla, missä a ja b ovat kaasulle ominaisia vakioita. Yhtälön avulla saadaan Joulen-Thomsonin kertoimelle muoto
.
Inversiolämpötila Tinv, jota matalammissa lämpötiloissa kaasun jäähdytys on mahdollista, voidaan laskea asettamalla µj = 0, jolloin saadaan
.
Piirrettäessä yhtälöstä kuvaaja p-T avaruuteen nähdään, että inversiolle on olemassa maksimilämpötila Tminv. Heliumille saadaan van der Waalsin tilanyhtälöä käyttämällä Tminv = 35.2 K rajalla p → 0. Kokeellisten tulosten mukaan Tminv ≈ 45 K. Helium on siis pystyttävä jäähdyttämään alle 45 kelvinin, jotta isentalpista laajenemista voidaan käyttää sen lämpötilan laskemiseen entisestään. Vety ja neon ovat ainoat alkuaineet, joiden (normaalit) kiehumispisteet ovat alle 45 K.
Istentalpista laajenemista hyödyntävissä kryonesteiden jäähdyttämisessä on sekä hyviä että huonoja puolia. Hyviä puolia ovat muun muassa, että liikkuvia osia laitteessa ei (välttämättä) tarvita ja kaasun laajentuminen kaasu-nestefaasiin ei tuota ongelmia. Menetelmän huonoihin puoliin lukeutuvat sisääntulevan kaasun esijäähdyttämisen tarve ja irreversiibelistä laajentumisesta aiheutuva pienempi kuin optimaalinen termodynaaminen tehokkuus.
Yksinkertaista isentalpista laajenemista hyödyntävä nesteytyslaitteisto on nimeltään Joulen-Thomsonin (Linden-Hampsonin) nesteytin. Laite on periaatteeltaan jääkaappia vastaava. Kompressori puristaa sisääntulevan heliumin (pseudo-)isotermisesti suureen paineeseen ja kaasu johdetaan lämmönvaihtimen kautta Joulen-Thomsonin venttiilille, jossa se pääsee laajenemaan isentalpisesti. Sopivasti mitoitetussa laitteistossa osa kaasusta muuttaa faasia nestemäiseksi ja jää keräysastiaan. Nesteestä haihtuva kaasu poistaa siitä hukkalämpöä ja yhdessä jäännöskaasun kanssa se palaa lämmönvaihtimen kautta kompressorille. Ennen kompressoria heliumia lisätään kiertoon prosessissa nesteytyneen heliumin korvaamiseksi.
Jos oletetaan, että nesteytin on termisesti eristetty ja lämmönvaihdin toimii ideaalisesti on nestetuoton y lauseke
,
missä h1 ja h2 ovat systeemissä liikkuvan nesteen ominaislämpöjä vastaavissa kohdissa laitetta (katso kuva). Nesteytettyyn kylmäaineeseen jäänyttä lämpömäärää merkitään hl:llä. Yhtälö kuvaa siis nesteytetyn massan suhdetta alkuperäiseen massavirtaan.
Laitteistoa suunniteltaessa parhaimman nestetuoton saamiseksi täytyy h2 minimoida paineen suhteen. Paras paikka aloittaa isentalpinen laajentuminen on inversiokäyrällä, missä µj = 0. Lisäksi on tärkeää saada aikana termodynaamisesti tehokas prosessi. Laitteen nestetuoton ja ideaalisen prosessin nestetuoton suhdetta kutsutaan nimellä FOM (figure of merit).
Isentropinen laajeneminen on termodynaamisesti paljon tehokkaampaa kuin isentalpinen laajeneminen, sillä siinä kaasu joutuu tekemään työtä laajetessaan. Prosessi on myös ideaalisessa tapauksessa reversiibeli. Määritellään prosessille Joulen-Thomsonin kerrointa vastaava vakioentropian käyrä p-T avaruudessa µs seuraavasti
Yhtälö voidaan muuntaa muotoon
Vertaamalla tätä Joulen-Thomsonin kertoimeen saadaan yksinkertainen relaatio
,
josta selvästi nähdään isentropisen laajenemisen olevan tehokkaampi prosessi kuin isentalpisen laajenemisen, sillä v/Cp on aina positiivinen. Ideaalikaasulle µs on aina positiivinen, sillä µj = 0. Reaalikaasuille sen sijaan µs voi olla suurempi tai pienempi kuin kuin arvo ideaalikaasulle. Esimerkiksi van der Waalsin kaasulle saadaan
.
Isentropista laajenemista käytetään nesteytyslaitteistoissa esijäähdyttämään helium ennen isentalpista laajenemista ja samalla parantamaan laitteiston hyötysuhdetta. Eräs tällainen laitteisto on nimeltään Clauden nesteytin.
Clauden nesteyttimessä on myös Joulen-Thomsonin nesteytintä enemmän säätövaraa, sillä laajentimen kautta kulkevaa massavirtaa voidaan säädellä ja näin vaikuttaa esijäähdytyksen määrään.
Nestetuotoksi saadaan Clauden nesteyttimessä
,
missä he on laajentimen läpi kulkevan massan entalpiavirta ja x laajentimen läpi kulkevan massavirran osuus. Jälkimmäinen termi on aina positiivinen ja näin ollen on mahdollista saada aikaan nestetuottoa jopa inversiokäyrän yläpuolella. Käytännön laskuissa täytyy ottaa huomioon, että massavirta säilyy ( y + x ≤ 1 ) ja tilanne y+x=1 ei olisi termodynaamisesti edullisin, sillä tällöin laitteiston matalan paineen puoleisessa osassa ei olisi massavirtaa ollenkaan.
Jo näin yksinkertaisessa koneessa (ja ideaalisilla prosesseilla!) tuoton maksimointi laskennallisesti osoittautuu hankalaksi ja on tehtävä numeerisesti. Käytännössä tällaisella laitteella saavutetaan nestetuotoksi korkeintaan muutama kymmenen prosenttia. Nykyiset heliumin nesteytyslaitteet käyttävät pääasiassa Clauden nesteyttimen perusperiaatteisiin pohjautuvia ratkaisuja.
Monimutkaisemmissa laitteissa hyödynnetään useita isentropisia laajentimia ja lämmönvaihtimia erilaisissa konfiguraatioissa. Yhteistä lähes kaikille nesteyttimille on kuitenkin isentalpisen Joulen-Thomsonin ilmiön hyödyntäminen viimeisessä vaiheessa.
Monivaiheiset laitteet (cascade system)
Todellinen monivaiheinen nesteytyslaitteisto käyttää hyväkseen eri kaasujen toisistaan poikkeavia kiehumispisteitä siten, että eri kylmäaineiden neste/kaasufaasien alueet ovat osittain toistensa päällä. Jokainen laitteiston osa paitsi viimeinen toimii suljetusti. Tällaisella laitteella on korkea termodynaaminen tehokkuus, mutta haittapuolena on sen monimutkaisuus.
Heliumin (tai vedyn) nesteyttämiseen ei käytännössä voida käyttää aivan kuvatun kaltaista järjestelyä, sillä LH2:n ja neonin kriittiset lämpötilat ovat ketjussa suuremmassa lämpötilassa olevan nesteen kolmoispisteen alapuolella. Heliumin nesteytyslaitteistoissa käytetäänkin viimeisissä vaiheissa Clauden nesteyttimen tyyppistä ratkaisua, jota jäähdyttää tyypillisesti LH2 kylpy ja tätä edelleen LN2.
Collinsin heliumin nesteytyslaitteisto
Tämä järjestelmä on periaatteessa vain monivaiheinen Clauden nesteytin, johon on lisätty useita isentropisia laajentimia ja lämmönvaihtimia.
Lisäksi muita nesteytyslaitteistoja on toteutettu esimerkiksi Stirlingin kierrolla, jossa regeneraattoriin kerääntyvä neste otetaan talteen.
Kryojäähdyttimiä, jotka toimivat alle 100 kelvinin lämpötiloissa, käytetään nykypäivänä lukuisissa sovelluksissa niin tieteen kuin teollisuudenkin parissa. Jatkuva kehitys on mahdollistanut paremmat hyötysuhteet, suuremman jäähdytystehon yhä alhaisemmissa lämpötiloissa ja laitteiden fyysisen koon pienentämisen.
Tärkeimpiä sovelluksia ovat
Tässä lähinnä käsiteltävillä pienikokoisilla kryojäähdyttimillä jäähdytysteho vaihtelee tyypillisesti noin 0.1 - 0.5 watista 4 K lämpötilassa muutamaan kymmeneen wattiin 80 K lämpötilassa. Sen sijaan suurilla nesteytyslaitteistoilla on moninkertaiset jäähdytystehot. Nesteytyslaitteistot perustuvat yleisesti ottaen Linde-Hampsonin tai Clauden prosesseihin tai niiden muunnelmiin. Varsinkin Clauden prosessi kuitenkin toimii huonosti kun laitteiden fyysista koko pienennetään ja näin ollen pienet mekaaniset kryojäähdyttimet perustuvat useimmiten Stirlingin, Ericssonin (Giffordin-McMahonin) tai kompressorittomaan Joulen-Thomsonin prosessiin.
Tällä hetkellä innokkaan kehityksen alla on niin sanottu pulse-tube sykli, jossa ei tarvita ollenkaan isentropisia laajentimia eikä muitakaan liikkuvia osia.
Kryojäähdyttimet - toisin kuin nesteyttimet - toimivat yleensä suljetulla kierrolla eli kylmäaine kiertää tietyn syklin läpi ja palaa aina alkutilaansa. Verrattuna avoimeen jäähdytykseen tällä saavutetaan parempi hyötysuhde, heliumin tapauksessa parhaimmillaan jopa viisi kertaa parempi. Kryojäähdyttimiä on periaatteessa kahta eri tyyppiä: isotermisiä ja isobaarisia. Isotermisissä jäähdyttimissä nesteytetyn kylmäaineen kiehuminen saa aikaan jäähdytyksen vakiolämpötilassa kun taas isobaarisissa jäähdyttimissä ei yleensä nestefaasia esiinny vaan kaasun entalpian muutokset kuljettavat lämpöä pois jäähdytettävästä kohteesta. Jälkimmäinen ei ole isoterminen prosessi.
Ideaalisella reversiibelillä Carnot'n kierrolla saavutettava hyötysuhde on
COPmax = Tc / (Ta - Tc)
missä Tc ja Ta ovat lämpökylpyjen (cold, ambient) lämpötilat, joiden välillä sykli toimii. Käytännössä on vaikea toteuttaa Carnot'n kierrolla toimivia mekaanisia kryojäähdyttimiä. Sen sijaan muuttamalla Carnot'n kierron adiabaattiset osuudet esimerkiksi isokooriseksi (Stirling) tai isobaariseksi (Ericsson) tehtävä helpottuu. Näillä kierroilla saavutetaan sama tehokkuus kuin Carnot'n kierrolla. Molemmissa tapauksissa vaaditaan lämmön siirtymistä vaihtelevissa lämpötiloissa (eli lämpötilojen Tc ja Ta välillä) kylmäaineen ja ympäristön välillä.
Suunniteltaessa Stirlingin tai Ericssonin kiertoon perustuvaa jäähdytintä voidaan käyttää joko vastavirtauslämmönvaihdinta (counterflow heat exchanger) jatkuvavirtauksisessa jäähdyttimessä tai regeneraattoria vuorotellen eri suuntiin toimivassa jäähdyttimessä. Ensimmäisessä tapauksessa lämpöä vaihdetaan suoraan huoneenlämpötilasta tulevan ja alhaisesta lämpötilasta tulevan nesteen välillä ja jälkimmäisessä epäsuorasti regeneraattorin kautta. Pienet kryojäähdyttimet perustuvat pääosin regeneratiivisiin lämmönvaihtimiin.
Giffordin-McMahonin kryojäähdytin perustuu isobaariseen/Ericssonin sykliin. Korkea- ja matalapaineiset puolet kompressorista on vuorotellen kytketty sylinteriin, jossa regeneraattorina toimiva syrjäyttäjä (engl. displacer) liikkuu. Prosessin vaiheet ovat seuraavat
1. Syrjäyttäjä on ala-asennossa, poistoventtiili on kiinni, tuloventtiili on auki. Korkeapaineinen kaasu täyttää regeneraattorin ja sen yläpuolelle jäävän tilan normaalilämpötilassa.
2. Syrjäyttäjä siirtyy yläasentoon. Korkeapaineinen kaasu liikkuu regeneraattorin läpi, jäähtyy isobaarisesti ja täyttää sen alapuolella olevan tilan matalassa lämpötilassa.
3. Syrjäyttäjä pysyy ylä-asennossa. Tuloventtiili suljetaan ja poistoventtiili avataan. Regeneraattorissa ja sen toisella puolella oleva kaasu laajenee (teoriassa) isotermisesti. Kaasun laajeneminen vie lämpöä pois jäähdytettävästä kohteesta.
4. Syrjäyttäjä siirtyy ala-asentoon. Matalapaineinen regeneraattorin läpi kulkeva kaasu lämpenee isobaarisesti ja täyttää sen yläpuolisen tilan normaalilämpötilassa.
Stirlingin kiertoon perustuva kryojäähdytin käyttää hyväkseen isokoorista-isotermistä sykliä. Eräs järjestely on esitetty kuvassa 6. Sylinterissä on kaksi mäntää ja niiden välinen tila on jaettu kahteen osaan regeneraattorin avulla. Puristusmäntää voidaan liikuttaa puristustilassa, joka pidetään huoneenlämpöisenä lämmönvaihtimen avulla ja laajennusmäntää voidaan liikuttaa laajentumistilassa, joka pysyy jäähdytyslämpötilassa. Ideaalisesti Stirlingin kierto toimii seuraavasti.
1. Isoterminen puristus. Laajennusmäntä on regeneraattorissa kiinni. Puristusmäntä puristaa kaasun isotermisesti. Puristustyö siirtyy kaasuun ja ylimääräinen lämpö siirtyy lämmönvaihtimen kautta pois.
2. Isokoorinen esijäähdytys. Molemmat männät liikkuvat samanaikaisesti siirtäen kaasua isokoorisesti regeneraattorin läpi. Kaasu jäähtyy jäähdytyslämpötilaan luovuttaen lämpöä regeneraattoriin.
3. Isoterminen laajeneminen. Puristusmäntä pidetään regeneraattorissa kiinni. Toinen mäntä liikkuu antaen kaasun laajentua ja tehdä työtä. Seurauksena oleva jäähdytys tapahtuu (teoriassa) isotermisesti.
4. Isokoorinen lämpeneminen. Molemmat männät liikkuvat nyt toiseen suuntaan siirtäen laajentuneen kaasun regeneraattorin läpi takaisin puristustilaan. Kaasu lämpenee takaisin huoneenlämpöön. Regeneraattorista takaisin kaasuun siirtyvä lämpö on teoriassa sama kuin aikaisemmin siihen luovutettu lämpö.
Kryojäähdyttimien tehokkuus jää melko kauaksi teoreettisesta tehokkuudesta lukuisista häviöistä ja ei-ideaalisista prosesseista johtuen. Tyypillisesti muutaman 80 K lämpötilassa energiaa kuluu 30 watin teholla jokaista jäähdytyswattia kohden. Tämä merkitsee noin 10% tehokkuutta optimaaliseen Carnot'n prosessiin verrattuna.
Miniatyrisoituja Joulen-Thomsonin laajentumiseen perustuvia kryojäähdyttimiä käytetään usein aseteollisuudessa ohjusten infrapunaohjausjärjestelmän sensoreiden jäähdyttämiseen. Ne ovat käyttökelpoisia tässä tarkoituksessa, sillä ne on helppo pienentää tarkoitukseen sopivaan kokoon, ne kestävät suuria kiihtyvyyksiä ja viilentävät kohteen nopeasti. Näissä sovelluksissa jäähdyttimet toimivat avoimena eli haihtuvaa heliumia ei oteta talteen.
Jatkuvatoimisuus saadaan aikaan suljetulla systeemillä, jossa haihtuva kryoneste otetaan talteen ja paineistetaan uudelleen kompressorilla. Kompressoreilla on yleensä suuri puristussuhde (200 - 400:1) ja ne ovat monivaiheisia ja välijäähdytyksellä varustettuja isotermisen prosessin matkimiseksi.
Giffordin-McMahonin Ericssonin kiertoon perustuvat kryojäähdyttimet ovat suosittuja niiden luotettavuuden, pienen huoltotarpeen ja matalan toimintataajuuden (1-2 Hz) ansiosta. Laitteet ovat usein käytettyjä kryopumpuissa ja näytteiden jäähdytykseen kryostaateissa ja ne ovat monissa sovelluksissa korvanneet kryonesteet. Laitteen kylmäaineena toimii yleensä helium. Kokoonpanossa on hyödynnetty tavallisia kaupallisia jääkaappien ja pakastimien kompressoreita, mikä tekee laitteesta suhteellisen halvan valmistaa. Käyttökelpoisen jäähdytyslämpötilan rajoittaa 10 kelviniin laitteen huono hyötysuhde, joka johtuu siitä, ettei kaasun laajentuessa tekemää työtä oteta talteen.
Stirlingin kryojäähdyttimiä käytettiin aluksi ilman nesteytykseen. Nykyään tekniikkaa käytetään usein myös kaksivaiheiseen vedyn nesteytykseen ja monisylinterisenä versiona saavuttamaan jopa muutaman kilowatin jäähdytystehoja. Tärkeimmät uudet sovellukset ovat infrapunailmaisimien ja korkean lämpötilan suprajohteiden jäähdytys. Tyypillisesti pienellä Stirlingin jäähdyttimellä päästään parin watin jäähdytystehoon 50-80 K alueella. Hyvä puoli laitteessa on sen muita ratkaisuja parempi hyötysuhde, mutta korkea toimintataajuus voi aiheuttaa ongelmia tärinän tai sähkömagneettisten häiriöiden muodossa.
Entistä tehokkaammin matalissa (nesteheliumin lämpötiloissa) toimivia kryojäähdyttimiä kehitetään ahkerasti. Regeneraattoreita käyttävät jäähdytyssyklit eivät toimi enää tehokkaasti alle 10 K lämpötiloissa, sillä regeneraattorimateriaalien lämpökapasiteetti pienenee mitä alhaisempiin lämpötiloihin mennään ja toisaalta samalla kylmänesteen lämpökapasiteetti ja tiheys kasvaa. Matalissa lämpötiloissa magneettisesti järjestyvät materiaalit ovat uusi ehdokas regeneraattorien valmistusaineeksi. Tällä hetkellä ongelmana on niiden kestävyys. Lisäksi tutkitaan uusia muotoja jäähdyttimille lämpöhävikin ja hukkatilan minimoimiseksi.
Kehityksen alla on myös uusia kaasuseoksia, joilla voidaan nostaa hyötysuhdetta ja jäähdytystehoa. Esimerkiksi typen ja hiilivetyjen seokset ovat osoittautuneet lupaaviksi. Kaasuseosjäähdyttimet pyrkivät lähinnä lisäämään jäähdytystehoa 80-100K alueella pienemmillä painevaatimuksilla, ei niinkään pyrkimään alhaisempiin lämpötiloihin.
Yksi uutuus on niin sanottu pulssiputkijäähdytin (pulse-tube refrigerator). Jäähdyttimessä ei ole lainkaan liikkuvia osia vaan kylmänesteen liike laitteessa regeneraattorin ja pulssi- putken läpi saadaan aikaan paineoskillaattorilla tai kompressorilla. Jos menetelmä saadaan toimimaan luotettavasti, se mahdollisesti korvaa Stirlingin ja Giffordin-McMahonin jäähdyttimet tulevaisuudessa. Adsorptiojäähdyttimet taas käyttävät hyväkseen huokoisen materiaalin kykyä adsorboida ja vapauttaa kaasuja kun niitä lämmitetään tai viilennetään. Nämä jäähdyttimet toimivat tyypillisesti alle 10 K lämpötiloissa
[1] F. Mandl, Statistical Physics, John Wiley & Sons, 1997, s. 115-138
[2] S. W. van Sciver, Helium Cryogenics, Plenum Press, 1986, s. 273-323
[3] J. G. Weisend, Handbook of Cryogenic Engineering, Taylor & Francis, 1998, s. 287-320
[4] G. K. White, Experimental Techniques in Low Temperature Physics, Clarendon Press, 1961, s. 1-35