Um cryocooler é um dispositivo usado para resfriar o ambiente e qualquer coisa dentro dele a temperaturas extremamente frias. Normalmente usado em aplicações científicas e de engenharia, é projetado para atingir temperaturas bem abaixo daquelas alcançadas por aparelhos padrão. Não há exigência de temperatura definida oficialmente para o que é considerado um refrigerador criogênico. No entanto, um dispositivo que pode esfriar até aproximadamente -238 graus Fahrenheit (ou aproximadamente -150 graus Celsius) ou mais frio é geralmente chamado de refrigerador criogênico.
Embora existam vários tipos de resfriadores criogênicos, a maioria opera com alguma variação de um processo comum. Normalmente, o gás circula por um circuito fechado para absorver o calor de dentro do dispositivo e transferi-lo para o ambiente externo. Este gás pode ser hidrogênio, hélio ou algum outro gás ou mistura de gases. A capacidade do dispositivo de resfriar seu ambiente interno é altamente dependente das propriedades termodinâmicas do gás que flui através do sistema.
Os ciclos de resfriamento nesses dispositivos geralmente começam com a compressão do gás em um compressor. À medida que o gás comprimido passa por um trocador de calor, ele absorve o calor de dentro do resfriador criogênico, resfriando todo o interior. Quando esse gás absorve calor a um volume constante no trocador de calor, sua pressão aumenta. Ele se expande em volume e sua pressão diminui na próxima parte do ciclo. Por fim, ele retorna ao compressor, que completa um loop fechado pelo loop e começa a circular pelo loop novamente.
Às vezes, um resfriador criogênico pode ser chamado erroneamente de criostato. No entanto, há uma pequena, mas clara diferença entre os dois. Um criostato é usado para manter temperaturas criogênicas já existentes, geralmente de forma passiva, como com isolamento. Por outro lado, um resfriador criogênico opera ativamente para resfriar o ambiente a temperaturas criogênicas, em vez de simplesmente manter as condições ambientais já existentes. Essa diferença pode ser considerada semelhante à diferença entre uma garrafa térmica e uma geladeira.
Existem muitos tipos de resfriadores criogênicos disponíveis com diferentes vantagens e recursos adequados para uma ampla variedade de aplicações. Tipos comuns de resfriadores criogênicos incluem o resfriador Joule-Thomson, o resfriador Gifford-McMahon, o resfriador Stirling, o resfriador de tubo de pulso e o resfriador de desmagnetização adiabático. Embora notavelmente menos eficientes do que muitos outros dispositivos, os crioresfriadores da Joule-Thomson oferecem vantagens em termos de confiabilidade e baixos níveis de ruído elétrico e mecânico. Os refrigeradores Gifford-McMahon, por outro lado, geram alguma vibração devido a um pistão empurrando o gás através do sistema. No entanto, eles oferecem flexibilidade ao usuário, pois podem ser operados em qualquer orientação.
Geralmente, é dada atenção especial à seleção de um refrigerador criogênico para uso no espaço. Em tais aplicações, a energia geralmente deve ser usada de forma eficiente e o reparo é extremamente caro ou mesmo impossível, como missões para outros planetas. Conhecidos por sua confiabilidade e eficiência, os refrigeradores Stirling são os primeiros a serem usados com sucesso no espaço. Com confiabilidade ainda maior do que os chillers Stirling, os chillers de tubo de pulso são frequentemente escolhidos para espaço, embora geralmente sejam um pouco menos eficientes. Um refrigerador de desmagnetização adiabática também pode ser escolhido por sua excelente eficiência e capacidade de operar em ambientes de gravidade zero.
Existem inúmeros campos nos quais os crioresfriadores desempenham um papel fundamental. Isso inclui aplicações médicas, automotivas e aeroespaciais, uso em pesquisa científica e operações militares e muito mais. Por exemplo, o endurecimento por congelamento de componentes metálicos pode alterar suas propriedades físicas, aumentando a resistência, dureza e resistência ao desgaste. Sensores infravermelhos usados em vigilância por satélite e orientação de mísseis, bem como levantamentos atmosféricos e outros, geralmente requerem resfriamento criogênico.