Ein Kryokühler ist ein Gerät, das verwendet wird, um die Umgebung und alles, was sich darin befindet, auf extrem kalte Temperaturen zu kühlen. Es wird normalerweise in wissenschaftlichen und technischen Anwendungen verwendet und ist so konzipiert, dass es Temperaturen erreicht, die weit unter denen von Standardgeräten liegen. Es gibt keine offiziell definierte Temperaturanforderung für einen Kryokühler. Ein Gerät, das auf etwa -238 Grad Fahrenheit (oder etwa -150 Grad Celsius) oder kälter abkühlen kann, wird jedoch normalerweise als Kryokühler bezeichnet.
Obwohl es mehrere Arten von Kryokühlern gibt, arbeiten die meisten mit einer Variation eines üblichen Prozesses. Gas wird typischerweise durch einen geschlossenen Kreislauf zirkuliert, um Wärme aus dem Inneren der Vorrichtung zu absorbieren und an die äußere Umgebung abzugeben. Dieses Gas kann Wasserstoff, Helium oder ein anderes Gas oder ein Gasgemisch sein. Die Fähigkeit der Vorrichtung, ihre innere Umgebung zu kühlen, hängt weitgehend von den thermodynamischen Eigenschaften des durch das System zirkulierenden Gases ab.
Kühlzyklen in diesen Geräten beginnen typischerweise damit, dass Gas in einem Kompressor komprimiert wird. Wenn das komprimierte Gas durch einen Wärmetauscher strömt, nimmt es Wärme aus dem Inneren des Kryokühlers auf und kühlt dadurch alles darin. Wenn dieses Gas im Wärmetauscher bei konstantem Volumen Wärme aufnimmt, erhöht sich sein Druck. Es dehnt sich im Volumen aus und sein Druck nimmt im nächsten Abschnitt des Zyklus ab. Schließlich kehrt es zum Kompressor zurück, der eine geschlossene Schleife durch den Kreislauf vervollständigt und wieder durch den Kreislauf zu zirkulieren beginnt.
Ein Kryokühler kann manchmal fälschlicherweise als Kryostat bezeichnet werden. Es gibt jedoch einen kleinen, aber deutlichen Unterschied zwischen den beiden. Ein Kryostat wird verwendet, um bereits vorhandene kryogene Temperaturen aufrechtzuerhalten, normalerweise passiv, z. B. mit Isolierung. Andererseits arbeitet ein Kryokühler aktiv, um die Umgebung auf kryogene Temperaturen abzukühlen, anstatt lediglich die bereits bestehenden Umgebungsbedingungen aufrechtzuerhalten. Dieser Unterschied kann als ähnlich dem Unterschied zwischen einer Thermoskanne und einem Kühlschrank angesehen werden.
Es gibt viele Arten von Kryokühlern mit unterschiedlichen Vorteilen und Eigenschaften, die für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet sind. Gängige Arten von Kryokühlern umfassen den Joule-Thomson-Kühler, den Gifford-McMahon-Kühler, den Stirling-Kühler, den Pulsrohrkühler und den adiabatischen Entmagnetisierungskühler. Joule-Thomson-Kryokühler sind zwar deutlich weniger effizient als viele andere Geräte, bieten jedoch Vorteile in Bezug auf Zuverlässigkeit und niedrige elektrische und mechanische Geräuschpegel. Gifford-McMahon-Kühler hingegen erzeugen aufgrund eines Kolbens, der das Gas durch das System drückt, einige Vibrationen. Sie bieten dem Benutzer jedoch Flexibilität, da sie in jeder Ausrichtung bedient werden können.
Besondere Aufmerksamkeit wird typischerweise der Auswahl eines Kryokühlers für den Einsatz im Weltraum geschenkt. Bei solchen Anwendungen muss der Strom typischerweise effizient genutzt werden und eine Reparatur ist extrem teuer oder sogar unmöglich – etwa bei Missionen zu anderen Planeten. Stirling-Kühler, die sowohl für Zuverlässigkeit als auch Effizienz bekannt sind, sind die ersten, die erfolgreich im Weltraum eingesetzt wurden. Mit noch höherer Zuverlässigkeit als Stirling-Kühler werden Pulsrohrkühler oft aus Platzgründen gewählt, obwohl sie normalerweise etwas weniger effizient sind. Ein Kühlschrank mit adiabatischer Entmagnetisierung kann auch wegen seiner ausgezeichneten Effizienz und seiner Fähigkeit, in einer Schwerelosigkeitsumgebung zu arbeiten, gewählt werden.
Es gibt zahlreiche Bereiche, in denen Kryokühler eine wichtige Rolle spielen. Dazu gehören medizinische, Automobil- und Luft- und Raumfahrtanwendungen, der Einsatz in der wissenschaftlichen Forschung und bei militärischen Operationen und mehr. Beispielsweise kann das kryogene Härten von Metallkomponenten deren physikalische Eigenschaften verändern, wodurch Festigkeit, Härte und Verschleißfestigkeit erhöht werden. Infrarotsensoren, die in der satellitengestützten Überwachung und Raketenlenkung sowie bei atmosphärischen Studien und mehr verwendet werden, erfordern typischerweise eine kryogene Kühlung.