Il cuore del sistema è una piccola camera a forma di spirale, in cui entra tangenzialmente un getto di aria compressa. Ai due lati della camera sono collegati due tubi di lunghezza opportunamente calcolata, uno dei quali termina con un rubinetto. L'altro tubo è separato dalla camera a vortice da un diaframma con un foro di diametro pari a circa la metà di quello del tubo. Fornendo aria compressa ad una pressione fino a 1000-1200 KPa e regolando il rubinetto si ottiene la fuoriuscita di aria fredda da un tubo e calda dall'altro. La differenza di temperatura può arrivare a 50 °C.
Il principio di funzionamento non è molto chiaro ma implica probabilmente un effetto "Diavoletto di Maxwell"; lo strisciamento ad alta velocità delle molecole di aria sulle pareti della camera comporta forse la separazione di quelle meno energetiche, che si raccolgono al centro e sfuggono attraverso il foro del diaframma.
L'impiego pratico di questo dispositivo è molto limitato a causa della necessità di una fonte continua e cospicua di aria compressa ed al basso rendimento (è richiesta molta più energia per comprimere l'aria rispetto all'uso di altri metodi di refrigerazione).
Metodi acustici
Nel 2002, lo studioso di acustica Steven Garrett della Penn Stat University[1] ha presentato il progetto di un sistema di raffreddamento basato su onde acustiche. In un tubo di opportuna forma riempito con un gas inerte, vengono introdotte onde sonore di eccezionale intensità, che producono zone di compressione e zone di rarefazione del gas. Facendo in modo di concentrare le diverse zone alle due estremità del tubo è possibile trasferire calore.
Questa tecnologia è candidata a diventare standard nei frigoriferi del futuro, ma non prima della risoluzione di diversi problemi, tra cui l'eccessiva rumorosità.
Raffreddamento Laser
Normalmente si è abituali a pensare alla luce come portatrice di calore raggiante. La luce coerente del laser è sorprendentemente in grado anche di raffreddare un gas. L'apparato teorico alla base è decisamente complesso, ma in linea di principio, il fascio laser è utilizzato per perturbare il sistema inducendo le particelle a risuonare su stati energetici progressivamente inferiori, cedendo la loro energia cinetica in forma di emissione stimolata. Si può immaginare che un atomo assorba un fotone e ne emetta subito un secondo di energia pari all'energia del primo fotone più l'energia cinetica perduta dall'atomo. Associando il laser ad un campo magnetico in grado di trattenere gli atomi, si realizza una trappola magneto-ottica.
Il Premio Nobel per la fisica del 1997 fu assegnato per importanti studi sul raffreddamento laser, che hanno condotto alla realizzazione pratica del primo Condensato di Bose-Einstein.
Fenomeni termoelettrici
Accoppiando due conduttori metallici (termocoppia) si produce tra di essi una differenza di potenziale proporzionale alla temperatura della giunzione. Se inoltre si realizza un circuito chiuso costituito da due conduttori metallici diversi uniti alle estremità, si può osservare la circolazione di una corrente elettrica proporzionale alla differenza di temperatura tra le due giunzioni. Il fenomeno è noto come Effetto Seebeck. Se viceversa si induce una corrente continua nel circuito, si osserva una produzione di calore ad una giunzione e il raffreddamento dell'altra. Il fenomeno, chiamato effetto Peltier, è stato scoperto da Charles Peltier all'inizio del XIX secolo.
In tempi successivi si è osservato che il fenomeno è molto più intenso all'interfaccia tra un materiale semiconduttore e un metallo, permettendo la realizzazione di dispositivi di pratica utilità. Attualmente sono disponibili in commercio piastrine refrigeranti, dette celle di Peltier, realizzate collegando in serie molte giunzioni Peltier.
I vantaggi del raffreddamento termoelettrico risiedono nell'estrema compattezza ed affidabilità dovuta all'assenza di parti in movimento. Per contro si ha un elevato costo per unità di potenza refrigerante, che ne limita l'impiego ad applicazioni ad alto valore (congelamento di campioni biologici, refrigerazione di sensori CCD in telescopi e termocamere ecc) oppure dove la potenza richiesta è limitata, per esempio nei frigoriferi portatili da auto alimentati a batteria.
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