Un criorefrigeratore è un dispositivo utilizzato per raffreddare l’ambiente e qualsiasi cosa al suo interno a temperature estremamente basse. Tipicamente utilizzato in applicazioni scientifiche e ingegneristiche, è progettato per raggiungere temperature ben al di sotto di quelle raggiunte dagli apparecchi standard. Non esiste un requisito di temperatura ufficialmente definito per quello che è considerato un criorefrigeratore. Un dispositivo che può raffreddare fino a circa -238 gradi Fahrenheit (o circa -150 gradi Celsius) o più freddo, tuttavia, viene solitamente definito criorefrigeratore.
Sebbene esistano diversi tipi di criorefrigeratori, la maggior parte opera su alcune varianti di un processo comune. Il gas viene in genere fatto circolare attraverso un ciclo chiuso per assorbire il calore dall’interno del dispositivo e trasferirlo all’ambiente esterno. Questo gas può essere idrogeno, elio o qualche altro gas o miscela di gas. La capacità del dispositivo di raffreddare l’ambiente interno dipende in gran parte dalle proprietà termodinamiche del gas che circola nel sistema.
I cicli di raffreddamento in questi dispositivi iniziano tipicamente con la compressione del gas in un compressore. Quando il gas compresso passa attraverso uno scambiatore di calore, assorbe calore dall’interno del criorefrigeratore, raffreddando così tutto ciò che è al suo interno. Quando questo gas assorbe calore a volume costante nello scambiatore di calore, la sua pressione aumenta. Si espande di volume e la sua pressione diminuisce nella parte successiva del ciclo. Infine, ritorna al compressore, che completa un ciclo chiuso attraverso il ciclo, e ricomincia a circolare attraverso il ciclo.
Un criorefrigeratore può talvolta essere erroneamente indicato come criostato. C’è una piccola ma netta differenza, tuttavia, tra i due. Un criostato viene utilizzato per mantenere le temperature criogeniche già in atto, di solito in modo passivo come con l’isolamento. D’altra parte, un criorefrigeratore opera attivamente per raffreddare l’ambiente a temperature criogeniche piuttosto che limitarsi a mantenere le condizioni ambientali già esistenti. Questa differenza può essere pensata come simile alla differenza tra un thermos e un frigorifero.
Sono disponibili molti tipi di criorefrigeratori con diversi vantaggi e caratteristiche adatte a un’ampia varietà di applicazioni. I tipi comuni di criorefrigeratori includono il dispositivo di raffreddamento Joule–Thomson, il dispositivo di raffreddamento Gifford–McMahon, il dispositivo di raffreddamento Stirling, il frigorifero a tubo a impulsi e il frigorifero a smagnetizzazione adiabatica. Sebbene notevolmente meno efficienti di molti altri dispositivi, i criorefrigeratori Joule-Thomson offrono vantaggi in termini di affidabilità e bassi livelli di rumore elettrico e meccanico. I refrigeratori Gifford-McMahon, invece, generano delle vibrazioni dovute a un pistone che spinge il gas attraverso il sistema. Tuttavia, offrono flessibilità all’utente in quanto possono essere utilizzati in qualsiasi orientamento.
In genere, viene data particolare attenzione alla scelta di un criorefrigeratore per l’uso nello spazio. In tali applicazioni, l’energia in genere deve essere utilizzata in modo efficiente e la riparazione è estremamente costosa o addirittura impossibile, come per le missioni su altri pianeti. Famosi sia per l’affidabilità che per l’efficienza, i refrigeratori Stirling sono i primi ad essere stati utilizzati con successo nello spazio. Con un’affidabilità ancora maggiore rispetto ai refrigeratori Stirling, i refrigeratori a tubo a impulsi sono spesso scelti per lo spazio anche se in genere sono leggermente meno efficienti. Si può scegliere anche un frigorifero a smagnetizzazione adiabatica per la sua eccellente efficienza e capacità di operare in ambienti a gravità zero.
Sono numerosi i campi in cui i criorefrigeratori svolgono un ruolo fondamentale. Questi includono applicazioni mediche, automobilistiche e aerospaziali, l’uso nella ricerca scientifica e nelle operazioni militari e altro ancora. Ad esempio, l’indurimento criogenico dei componenti metallici può modificarne le proprietà fisiche, aumentando la forza, la durezza e la resistenza all’usura. I sensori a infrarossi utilizzati nella sorveglianza satellitare e nella guida missilistica, così come negli studi atmosferici e altro, richiedono in genere il raffreddamento criogenico.