Hur fungerar pulsrörskylare och vilka är deras begränsningar?

En pulsrörskylare fungerar genom cyklisk rörelse av gas inom ett slutet system som innefattar en kolv, ett pulsrör, en eller flera orificer samt ett reservoar. Processen startar med att gasen pressas in i röret, följt av dess tvingade flöde genom orificen till reservoaren på grund av det förhöjda trycket. Den varma gasen förlorar energi genom värmeväxlaren när den passerar orificen, och när trycket jämnas ut, upphör gasflödet genom orificen. Därefter expanderar gasen adiabatisk med hjälp av kolven, och i den sista fasen återvänder den avkylda gasen från reservoaren genom orificen och absorberar värme från lasten. Gasflödet upphör igen när trycket återigen är jämnt, och processen upprepas kontinuerligt.

Dimensioneringen av pulsröret är avgörande för att isolera kalla och varma sektioner inom röret. Endast en del av gasen flödar från röret till reservoaren, medan gasen i mittsektionen av pulsröret fungerar som en isolator och därigenom ersätter en mekanisk förskjutare. För att förbättra isoleringen måste turbulens inom pulsröret minimeras. Detta uppnås genom att använda flödesriktande skärmar vid bägge ändarna av röret, vilka hjälper till att hålla gasflödet stabilt och minimera energiförluster.

Historiskt sett uppnådde de första pulsrörskylare temperaturer kring 124 K utan orific. Med införandet av orific 1984 förbättrades kylprestandan avsevärt till 105 K, och ytterligare tekniska framsteg möjliggjorde temperaturer så låga som 20 K i enkelstegsmodeller och ända ner till 2 K i tvåstegsmodeller under 2000-talet. Det finns flera vanliga geometrier för pulsrörskylare, inklusive U-rör, koaxial och inline-konfigurationer. Inline-konfigurationen är mest effektiv tack vare att gasflödet är rakt och därmed skapas mindre turbulens än i de andra konfigurationerna där gasens riktning förändras och effektiviteten därför minskar.

Koaxialgeometrin är mer kompakt, men på grund av värmeutbyte mellan regeneratorsystemet och pulsröret är dess verkningsgrad något lägre. Trots detta har teknologiska framsteg resulterat i koaxiala pulsrörskylare med upp till 20 % Carnot-verkningsgrad vid 90 K, vilket gör dem användbara i praktiska applikationer som rymdteknik. En hybrid Stirling-pulsrörskylare utvecklades 2015 med en verkningsgrad på 24,2 % av Carnot vid 80 K, vilket visar att tekniken ständigt förbättras.

Det är också viktigt att förstå att verkningsgraden hos en ideal pulsrörskylare är temperaturberoende. Vid 77 K är den maximala teoretiska effektiviteten cirka 74 % av Carnots ideal, vilket understryker att även de mest avancerade systemen har tydliga termodynamiska begränsningar. Att uppskatta och förstå dessa begränsningar är avgörande för att kunna optimera kylsystemens design och användning i praktiska tillämpningar där extremt låga temperaturer krävs.

För att fullt ut uppskatta tekniken bakom pulsrörskylare måste läsaren också beakta den bredare kontexten av kryogeniska system. De kan delas in i passiva och aktiva kylsystem. Passiva system, som ofta baseras på Dewarteknologi, är tillförlitliga och tysta men kräver regelbundet påfyllande av kryogena vätskor. Aktiva system, där pulsrörskylare hör hemma, kan arbeta autonomt och erbjuda lägre driftskostnader och större flexibilitet, men kräver samtidigt noggrann optimering vad gäller kostnad, effektivitet och storlek. För att förstå och designa dessa system krävs en djup insikt i termodynamik, gasdynamik och materialvetenskap, samt en förståelse för de kompromisser som alltid måste göras mellan effektivitet, prestanda och praktiska begränsningar.

Vid vilken temperatur och frekvens blir dynamisk logik fördelaktig jämfört med statisk logik?

Den operativa brytpunkten – temperaturen vid vilken dynamisk logik blir att föredra framför statisk logik – är inte konstant utan beror på den specifika driftsfrekvensen. I praktiken fungerar dynamisk logik endast på frekvenser där den förlorade laddningen, orsakad av läckströmmar, inte sjunker under den kritiska logiska nivån under en klockcykel. Vid rumstemperatur innebär detta att dynamisk logik kräver frekvenser över cirka 1,3 GHz för att fungera korrekt, annars måste statisk logik användas. När temperaturen sänks minskar läckströmmen exponentiellt, vilket i sin tur sänker den minimifrekvens där dynamisk logik kan användas. Vid flytande kvävetemperatur (LNT, ca 77 K) kan dynamisk logik användas från cirka 30 MHz och neråt, medan vid flytande heliumtemperatur är dynamisk logik möjlig att driva även vid DC, det vill säga vid mycket låga eller inga frekvenser alls.

Brytpunkten mellan dynamisk och statisk logik har en tydligt exponentiell karaktär vid temperaturer under 100 K, där temperatur och frekvens samspelar för att definiera om kretsen kan bibehålla sin logiska nivå utan att laddningen läcker bort för snabbt. Det innebär att när systemet arbetar vid låga frekvenser och högre temperaturer är statisk logik att föredra, medan vid låga temperaturer kan dynamisk logik bibehålla sina fördelar även vid mycket låga frekvenser.

Vidare är kretsens “applikationsålder” en viktig parameter – hur länge en krets måste behålla sin laddning för att fungera korrekt. Vid 5,5 K är detta ungefär en månad, vid 4,6 K ett år, och vid 4,5 K kan en krets bibehålla sin laddning i upp till tre år. Detta innebär att för långvariga tillämpningar krävs drift vid temperaturer kring eller under 4,5 K för att dynamisk logik ska kunna bibehålla sin funktion över tid utan att förlora data.

De simulerade och analytiska resultaten från 160 nm CMOS-teknologi visar att även om exakta brytpunkter kan variera något med teknologisk nod, så kan principerna appliceras på modernare, tunnoxids-CMOS-teknik, eftersom temperaturberoendet hos transistorer är likartat.

Det är avgörande att förstå att dynamisk logik, trots sina fördelar vid kryogeniska temperaturer, kräver noggrann hantering av laddningsläckage och klockfrekvens för att fungera tillförlitligt. Systemdesigners måste ta hänsyn till de temperaturberoende egenskaperna hos transistorer och det exponentiella beteendet hos subtröskelläckströmmar för att optimera prestanda och energiförbrukning. Även om dynamisk logik möjliggör högre hastigheter och lägre effektförbrukning, kräver detta ofta drift i extrema temperaturmiljöer och noggrant anpassade frekvenser.

Dessutom bör man förstå att dynamisk logikens fördelar vid kryogeniska temperaturer gör den särskilt intressant för framtida applikationer inom energi- och beräkningsintensiva områden, som exempelvis molntjänster och kvantdatorer, där energibesparing och hög prestanda är avgörande. För dessa tillämpningar kan den exponentiella minskningen av läckströmmar vid låga temperaturer möjliggöra både ökad driftshastighet och långsiktig datahållning, vilket är svårt att uppnå med traditionell statisk logik vid högre temperaturer.

Hur hanteras komplexiteten i optimering av kylsystem med flera temperaturzoner?

Den föreslagna algoritmen för att optimera flertemperaturs kylsystem inom beräkningsteknik bygger på flera komplexa faktorer som starkt påverkar dess prestanda och tillämpbarhet. Algoritmens komplexitet bestäms av tre huvudsakliga komponenter: antalet möjliga grupperingars kombinationer, permutationer av dessa grupper samt effektiviteten i sökningen efter den kortaste kanten i grafen.

Antalet grupperingskombinationer ökar exponentiellt i enlighet med Bells tal, vilket gör att antalet potentiella lösningar snabbt blir orimligt stort vid ett ökat antal enheter. Detta begränsar praktiskt tillämpbara scenarier, då beräkningstiden snabbt blir oförsvarbart hög. Samtidigt finns en praktisk begränsning i antalet kylsteg eller kammare i kylsystemet, då en ökning utöver ett visst antal kan försämra den totala energieffektiviteten. Tidigare studier visar att upp till sju steg kan vara optimalt, men för flexibilitet i analysen tillåts upp till tio steg i den föreslagna metoden.

För att minska komplexiteten och samtidigt bibehålla mångfalden i lösningsutrymmet används en teknik kallad ε-dominans. Genom att dela upp målfunktionen i hyperkuber av storlek ε skapas en form av arkivering där endast representativa lösningar inom varje hyperkub behålls. Detta leder till en reducerad mängd av fördröjningsvärden och därmed en snabbare konvergens mot optimala eller nära optimala lösningar. Metoden balanserar mellan beräkningskostnad och noggrannhet; en mindre ε ger bättre lösningar men högre kostnad, medan en större ε ökar effektiviteten på bekostnad av optimalitet. I praktiken har en ε på 10 % använts för att hålla resultaten inom 10 % av de bästa möjliga.

Alternativa metoder, såsom gradientbaserade algoritmer, kan potentiellt användas för acceleration. Dessa kräver dock att objektivfunktionen är konvex för att garantera global minimisering. Den föreslagna objektivfunktionen, som beskriver effektförbrukningen i kylkammare, är komplex och dess konvexitet har inte bevisats, vilket förhindrar användning av sådana metoder i dagsläget.

En relevant tillämpning av metoden presenteras genom en fallstudie som analyserar två abstrakta system – ett kvantdatorsystem och ett molndatorsystem. Båda systemen innehåller flera enheter som opererar vid temperaturer från rumstemperatur (300 K) ner till 3 K. Effekt och fördröjning för varje enhet modelleras exponentiellt beroende på temperaturen, vilket speglar observerade fenomen i praktiska mätningar. Den förenklade modellen för effekt och fördröjning fångar den ungefärliga temperaturberoendet och möjliggör simuleringar av systemets prestanda över temperaturskalan.

Vidare bör läsaren vara medveten om att valet av ε i ε-dominans inte bara påverkar algoritmens hastighet utan också den slutgiltiga lösningens kvalitet. Detta kräver noggrann anpassning beroende på applikationens krav på precision och tillgängliga beräkningsresurser. Metodens generalitet innebär också att den kan appliceras på andra flertemperatursystem med liknande komplexitetsutmaningar, vilket gör den till ett värdefullt verktyg för avancerad systemoptimering inom kylnings- och beräkningsfältet.

Hur kan kyla och supraledande teknik revolutionera molntjänster och kvantdatorer?

När elektroniska komponenter kyls till mycket låga temperaturer, som 77 K (cirka -196 °C), kan DRAM-minnen arbeta nästan fyra gånger snabbare samtidigt som energiförbrukningen sjunker till mindre än tio procent jämfört med rumstemperatur. Ännu mer drastiska förbättringar uppnås när man utnyttjar supraledande logik vid cirka 4 K (-269 °C), där energiförlusten i passiva supraledande kopplingar är sex storleksordningar mindre än i traditionella CMOS-kretsar. Detta gör det möjligt att drastiskt höja energieffektiviteten i molndatasystem.

Idag står datacenter för en betydande del av världens elförbrukning, med en uppskattad användning på över 200 terawattimmar, vilket motsvarar mer än två procent av hela USA:s elkonsumtion. Med den exponentiella ökningen av behovet av beräkningskapacitet förväntas denna siffra fyrdubblas fram till 2030. Luftkylning, som används i de flesta större datacenter, blir snart ineffektiv för system som drar mer än tio kilowatt, vilket driver på utvecklingen av kryogenisk kylning som en lösning för framtidens energikrävande datacenter.

I en supraledande molndator arbetar olika komponenter, som ROM, RAM, cacheminnen, processorer och programmerbara grindmatriser, inom olika temperaturområden, från några kelvin upp till rumstemperatur. Att optimera temperaturzonerna för varje komponent är avgörande för att maximera hela systemets energieffektivitet. På så sätt kan den begränsade kylkapaciteten utnyttjas effektivt samtidigt som beräkningshastigheten bibehålls eller ökas.

Quantum computing, eller kvantdatorer, bygger på fundamentalt annorlunda principer än klassiska datorer. Istället för klassiska bitar som är antingen 0 eller 1, använder kvantdatorer kvantbitar, eller qubits, som kan befinna sig i superposition – samtidigt 0 och 1. Detta möjliggör en exponentiell parallellism där ett register med n qubits kan representera 2^n olika tillstånd samtidigt, vilket kraftigt kan minska beräkningstiden för vissa komplexa problem.

Tillämpningarna för kvantdatorer sträcker sig över många områden: inom kemi kan de lösa elektronstruktursproblem och simulera molekylers egenskaper; inom biologi möjliggörs avancerad sekvensanpassning och proteinvikningsprediktion; inom finans förbättras riskanalys och portföljoptimering; och inom cybersäkerhet kan kvantdatorer ge nya metoder för kryptering och informationssäkerhet. Den stora utmaningen är dock den tekniska komplexiteten – kvantdatorns processor måste hållas vid extremt låga temperaturer, ofta i millikelvinområdet, och qubits är mycket instabila och kräver konstant återställning och noggrann styrning.

Kontrollsystemet i en kvantdator är därför lika viktigt som själva kvantprocessorn. En klassisk styrenhet, som också fungerar vid låga temperaturer nära kvantprocessorn, genererar precisionsmikrovågor för att manipulera qubits och läser av deras tillstånd. Denna nära integrering av klassiska och kvantmekaniska kretsar inom samma kylmiljö är avgörande för att kunna skala upp kvantdatorer till miljontals qubits, något som dagens system ännu inte klarar.

Teknologin kring supraledande elektronik och kryogenisk kylning har potential att fundamentalt förändra både molndatacenters energianvändning och framtidens beräkningsparadigm genom kvantdatorer. Effektiv användning av temperaturzoner, integration av klassiska styrkretsar nära kvantprocessorer, och övergång från luftkylning till kryogenisk kylning är avgörande steg i denna utveckling.

Viktigt är att förstå den komplexa balansen mellan kylkapacitet, prestanda och energiförbrukning i dessa avancerade system. Systemdesign måste anpassas för att optimera varje komponent vid dess mest gynnsamma temperatur, och att utveckla nya material och kretsarkitekturer som fungerar effektivt vid kryogena temperaturer är centralt för framgång. Den snabba teknologiska utvecklingen kräver också innovation inom läs- och styrsystem för qubits, vilket är en flaska i systemets skalbarhet.

Hur fungerar återvinnande kryokylare och vilka är deras tillämpningar?

De tre mest använda konfigurationerna är Joule–Thomson-, Brayton- och Claude-kylare. Trots att de bygger på olika fysiska principer, förenas de av möjligheten att placera kompressorn långt från den kalla änden, vilket minskar vibrationer och akustisk störning – ett betydande krav i många precisionsapplikationer.

En utveckling inom detta område är användningen av blandade kylmedier. Genom att kombinera gaser med olika kokpunkter, exempelvis metan, etan eller propan med kväve, skapas en kylprofil som bättre utnyttjar förändringar i entalpi över ett bredare temperaturområde. Detta har lett till konstruktioner som arbetar vid lägre tryck (runt 2,5 MPa) och med betydligt längre livslängd – upp till ett decennium vid 80 K. Sådana system används till exempel för att kyla instrument på rymdteleskop som James Webb till temperaturer nära 7 K.

Brayton-kylare bygger på arbetsgasens expansion genom en turbin eller kolv, ofta med aerodynamiska lager för att minimera friktion. Den producerade mekaniska energin motsvarar, i idealfallet, den absorberade värmen. Turbiner ger en tyst och vibrationsfri drift, vilket gör dem attraktiva för rymdapplikationer. Dock innebär kravet på småskaliga, höghastighetsturbiner – ofta roterande upp till 5000 Hz och med diametrar under 10 mm – betydande tekniska utmaningar i tillverkningen. Ett exempel är Hubble-teleskopet, som använder ett Brayton-system för att leverera 8 W kylning vid 70 K med en verkningsgrad på 8 % av den teoretiska Carnotgränsen. Neon används vanligtvis för temperaturer över 35 K och helium för lägre temperaturintervall.

Claude-kretsen kombinerar de tidigare nämnda principerna i en flerstegsprocess. Den inledande kylningen sker ofta via Brayton-cykeln, va