DE10061379A1 - Expander in einer Pulsrohrkühlerstufe - Google Patents

Abstract

Der Expander in einer Pulsrohrkühlerstufe in einer Kühleinrichtung, die aus mindestens einer solchen aufgebaut ist, besteht aus einem Wärmetauscher und einer Rohrverbindung zu einem Puffervolumen. Er ist aus einem kapillaren Strömungskanal oder aus einem Bündel aus mindestens zwei kapillaren Strömungskanälen jeweils gleicher vorgegebener lichter Weite und Länge aus gut Wärme leitendem Material. Er kann aber auch aus einem Stab aus gesintert schwammartigem oder wolle-/filzartigem oder geschichteten, eventuell gepressten Gittern, aus die Wärme gut leitendem Material sein, der von einem gas- und flüssigkeitsdichten Material aus ebenfalls die Wärme gut leitendem Material ummantelt ist. Strömungsrichter wie in herkömmlichen Anlagen können dadurch entfallen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Expander für einer Kühlungsein­ richtung, die aus einer Pulsrohrkühlerstufe oder mindestens zwei zusammenwirkenden Pulsrohrkühlerstufen besteht.

Ein Pulsrohrkühler basiert auf dem bekannten Stirling-Prozeß, bei dem zyklisch Gas komprimiert und expandiert wird. Der Vor­ teil dabei ist, daß sich im kalten Teil keine bewegten Bau­ teile befinden. Das ermöglicht relativ einfache Aufbauten und damit hohe Zuverlässigkeit. Darüber hinaus bleiben mechanische Schwingungen sehr klein. Einstufige Aufbauten werden benutzt, um Temperaturen bis hinab zu 20 K zu erreichen. Tiefere Tempe­ raturen werden über Stufenvervielfachung erreicht. Unter­ schiedliche Typen solcher Kühler sind aus dem Stand der Tech­ nik bekannt. Jeder Pulsrohrkühler-Typ besteht aus einem Kom­ pressor, um einen zyklischen Gasstrom zu erzeugen, der in ei­ nen regenerativen Wärmetauscher gespeist wird - bekannt als Regenerator - von dort durch das Pulsrohr mit der Wärmetau­ scher-Kühlstufe an seinem kalten Ende und mit einem Expander an seinem Ende in Umgebungstemperatur. Der Expander ist die Einrichtung, mit der die mit dem pulsierenden Gasstrom gekop­ pelte akustische Arbeit von dem Pulsrohr abgeführt wird. Die hauptsächliche Kühlleistung ist durch den Arbeitsfluß, der zum pulsierenden Gasstrom gehört, gegeben. Der Expander muß diesen mechanischen Arbeitsfluß vom Pulsrohr, der in ihm durch Rei­ bung in Wärme umgesetzt wird, in die Umgebung abführen.

Es ist bekannt, daß, um einen leistungsfähigen Kühler zu er­ halten, es notwendig ist, daß der Expander so arbeitet, daß am warmen Ende des Pulsrohrs der Phasenwinkel der periodischen Druckwelle dem Phasenwinkel des Volumenstroms vorauseilt.

Bevorzugte Phasenverschiebungen liegen im Bereich von 30 bis 60°. Dazu sind verschiedene Methoden bekannt. Die wichtigsten drei sollen auf die weiter unten beschriebene Erfindung hin­ führen und deshalb in ihrer Wirkungsweise und Leistungsfähig­ keit kurz geschildert werden:
In Fig. 9 ist das Schema des Pulsrohrkühlers, beruhend auf der bekanntesten Technik, dem sogenannten Doppel-Einlaß-System, dargestellt. Der Druckwellengenerator 2, er kann ein Hubkol­ benkompressor oder irgend ein Kompressor mit getrennt gesteu­ erten Eingangs- und Ausgangsventilen sein. Der oszillierende Gasfluß wird durch die Verbindungsleitung 3 zum Kältegenerator 1, hauptsächlich zum Regenerator 4, der in Reihe mit dem Puls­ rohr 6 mit dem Tieftemperatur-Wärmetauscher 5 dazwischen und dem Hochtemperatur-Wärmetauscher 7 am andern Ende des Puls­ rohrs liegt. Eine zweite Leitung 10 mit einem Strömungswider­ stand 11, der Drosselimpedanz, verbindet den Wärmetauscher am warmen Ende mit dem Gastank 12. Ein Teil des vom Druckwellen­ generator 2 erzeugten Gasstroms wird aus der Verbindungslei­ tung abgezweigt und durch die Umleitung 8 mit ihrem Strömungs­ widerstand 9 in die Verbindungsleitung 10 geführt, wo sie zwi­ schen dem Wärmetauscher 7 und dem Strömungswiderstand 11 ange­ schlossen ist. Der Gasstrom am warmen Ende des Pulsrohrs kann derart betrachtet werden, als ob er aus zwei Anteilen zusam­ mengesetzt wäre, dem sogenannten Umleitungsstrom, Bypass- Strom, durch die Umleitung 8 und dem sogenannten Drosselstrom durch die Zuleitung 11. Beide Gasströme unterscheiden sich in ihrer Amplitude, und ihre Phasenlagen können, um optimale Strömungsbedingen am warmen Ende des Pulsrohrs zu erhalten, eingestellt werden, und die Ausdehnungsarbeit wird in der Drosselimpedanz, gegeben durch die Verengung 11, dissipiert.

Das Verfahren leidet an der Tatsache, daß es sehr schwierig ist, einen schädlichen, zeitgemittelten Strom, den sogenannten Gleichstrom-(DC-)Strom, im Bypass-Zweig 8 zu unterdrücken. Die gestrichelte Linie, auf die die Bezugszahl 13 deutet, sym­ bolisiert den Vakuumteil. Die Komponenten innerhalb dieses Kastens sind auf niedriger Temperatur, wohingegen die andern auf Umgebungstemperatur sind.

Fig. 10 zeigt das Schema eines andern bekannten Pulsrohrküh­ lers. Hier ist der Expander in Form eines sogenannten Träg­ heitsrohr-Phasenschiebers realisiert. Dieses Teil besteht aus der Leitung 10a mit kreisförmigem Querschnitt, die zwischen dem Pulsrohr 6 und dem Puffertank 12a liegt. Seine Funktion beruht auf der Trägheit der Gassäule, die in der Leitung 10a oszilliert. Aber, entsprechend der kleinen Masse des Gases, ist es notwendig, solche Baugruppen entweder bei relativ hoher Frequenz oder aber mit unpraktisch langen Leitungen für nie­ derfrequente Systeme zu betreiben, wie es der Fall ist, wenn sehr tiefe Kühltemperaturen erreicht werden sollen.

Fig. 11 zeigt ein drittes Schema eines herkömmlichen Puls­ rohrkühlers. Hier wird der oszillierende Gasstrom durch einen Drehkolbenkompressor 2a mit Ventilen 16a bis 16d zum Schließen und Öffnen erzeugt, die an die Saugleitung 14 und die Zulei­ tung 15 angeschlossen sind. Der Gasstrom, der durch die Ver­ bindungsleitung 3 in den Regenerator 4 geht, wird durch die Ventile 16a und 16b gesteuert, und der Strom durch die Zulei­ tung 10a in das Pulsrohr 4 wird durch die Ventile 10c und 16d gesteuert. Hier ist es wiederum sehr schwierig, die Ventil­ schaltzeiten so einzustellen, daß optimale Bedingungen für den Kühler bestehen.

Die bekannten Pulsrohrkühler leiden unter der Tatsache, daß sie nicht genügend Phasenverschiebung zustande bringen, bzw. gesteuerte Gasströme durch Vier-Ventil-Pulsrohrkühler benöti­ gen oder sie brauchen eine gut eingestellte Überlagerung zweier Gasströme (Zwei-Eingang-Pulsrohrkühler) oder sie arbei­ ten bei niedrigen Frequenzen nicht (Trägheits-Phasenschieber). Außerdem benötigen sie Bauteile, die einen stetigen Übergang von dem im Pulsrohr vorliegenden großen Strömungsquerschnitt auf den kleinen Querschnitt der angeschlossenen Verbindung ge­ währleisten. Diese Funktion ist in dem Wärmeaustauscher 7 ent­ halten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile an den herkömmlichen Systemen zu beheben.

Die Aufgabe wird durch den Aufbau eines Pulsrohrkühlers gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei bildet konstruk­ tiv mindestens der Wärmetauscher und die Verbindung zwischen dem Pulsrohr 6 und dem Puffervolumen 21 eine bauliche Einheit 20. Die Verbindung besteht dabei aus mindestens einem kapilla­ ren Strömungskanal oder aus einem Bündel solcher kapillaren Strömungskanälen jeweils gleicher vorgegebener lichter Weite und Länge aus gut Wärme leitendem Material, um die Wärme leicht in die Umgebung abzuführen.

Die Erfindung basiert auf der Tatsache, daß eine oszillierende Gasströmung bei einer konstanten Temperatur aufrecht erhalten wird. Das hat den Effekt, daß während der Kompression Wärme an das umgebende Medium zurückgegeben wird und während der Expan­ sion des Gases in der Leitung von der Umgebung Wärme aufgenom­ men wird. Dieser Prozeß verursacht eine Phasenverschiebung zwischen dem oszillierenden Druck und dem Volumenstrom.

Die parallelen Leitungen müssen so dimensioniert sein, also eine solche Länge und eine solche lichte Weite haben, daß die vom Pulsrohr entnommene Expansionsarbeit - der verantwortliche Anteil für die Kühlung - über Reibung in den an die Umgebung abzugebenden Wärmestrom umgewandelt wird. Die Strömung inner­ halb jeder Kapillaren muß deshalb isotherm sein, demzufolge muß der Durchmesser der Kapillaren klein gegen die thermische Eindringtiefe im Gas sein.

Der isothermale, pulsierende Gasstrom in engen Leitungen kann durch Differentialgleichungen desselben Typs beschrieben wer­ den, wie sie für verlustbehaftete elektrische Übertragungslei­ tungen benutzt werden. Daher kann eine Anordnung paralleler Leitungen derart gemacht werden, daß sie sich wie Übertra­ gungsleitungen verhalten, bei denen die induktive Wirkung die kapazitive dominieren. Mit der Kapillaren oder dem Bündel aus Kapillaren und dem Gaspuffervolumen als Abschlußimpedanz wird die Eingangsimpedanz einer solchen Anordnung so, daß die Druckwelle dem Volumenstrom vorauseilt, wie es für die Ent­ nahme der Ausdehnungsarbeit aus dem Pulsrohr verlangt wird.

Die Impedanzanpassung wird dadurch erreicht, daß in jeder Ka­ pillaren ein hinreichend großer Reibungswiderstand für das Gas und ein hinreichend großer Wärmeaustausch durch die Kapilla­ renwand hindurch besteht. Dazu muß die innere und äußere Ober­ fläche der Kapillaren groß genug sein, um diese Wärme abführen zu können.

Eine Modifikation der Erfindung ist in dem nebengeordneten An­ spruch 2 gekennzeichnet. Bei einer notwendigen sehr großen An­ zahl an parallelen Kapillaren ist es prinzipiell auch möglich ein solches Bündel durch einen Stab aus derart porigem, gesin­ tertem Material oder aus einem Filz oder aus einem Stapel Netzscheiben, eventuell gepresst, jeweils mit guter Wärmeleit­ fähigkeit, der mit einer ebenfalls die Wärme gut leitenden Haut/Wand ummantelt ist. Er muß über die Querschnittsfläche und seine Länge einen tauglichen Strömungswiderstand und den geforderten Wärmestrom an die Umgebung abgeben können. Ein solcher Stab kann bei für eine Anlage hinreichender Qualität zur Dimensionierung ersatzweise durch ein äquivalentes Kapil­ larenbündel beschrieben werden. Um einen stetigen Übergang am Pulsrohrausgang zu haben, wäre der Querschnitt des Stabes gleich diesem, zumindest aber muß der Übergang konisch sein.

Die Unteransprüche 3 bis 8 geben Einrichtungen wieder, mit de­ nen der Betrieb des Pulsrohrkühlers gemäß Anspruch 1 oder An­ spruch 2 weiter optimiert werden kann. Der Druckerzeuger oder Kompressor ist gemäß Anspruch 2 über eine von der Eingangsöff­ nung des Regenerators kommenden Zuleitung, die in zwei, im Druckerzeuger endenden, mit je einem steuerbaren Ventil und versehenen Zweig und an den Pulsrohrkühler angeschlossen (Fig. 2).

Zur Feinabstimmung ist im Puffervolumen ein durch das Gas im Puffervolumen nicht komprimierbares, kleineres, veränderbares Volumen eingebracht ist, mit dem das Puffervolumen in vorgege­ benen Grenzen von außen her kontinuierlich verändert werden kann (Fig. 3). Das ein hydraulisch betriebener Stempel oder ein in das Puffervolumen hineinschiebbarer und herausziehbarer Festkörperstempel sein kann.

Bei nicht ausreichend vorhandener Oberfläche kann die Wärmeab­ gabe an die Umgebung dadurch forciert werden, daß der Wärme­ tauscher von einer gas- und flüssigkeitsdichten Hülle mit Zu- und Ablauf und umgeben ist, die an einen Kühlkreislauf ange­ schlossen ist (Fig. 4).

Ragt der kapillare Strömungskanal oder ragen die kapillaren Strömungskanäle oder der ummantelte und gesinterte Stab in das Puffervolumen, dann muß für die Ausbildungsmöglichkeit des ausreichenden Wärmestroms in die Umgebung die Wand des Puffer­ volumens aus gut Wärme leitendem Material sein (Fig. 5). Die Abschlußimpedanz, der Expander, besteht dann aus der prinzi­ piellen Einheit, die den Wärmetauscher am Pulsrohrausgang und gleichzeitig die Zuleitung zum Puffervolumen bildet, und dem Puffervolumen selber.

Das Puffervolumen kann über eine Leitung mit einem Dosierven­ til mit dem Druckerzeuger verbunden sein (Fig. 7). Damit kann darüber ein zeitgemittelte Netto-Massen-Strom durch das Puls­ rohr eingestellt werden.

Die Einheit für die Wärmeabgabe an die Umgebung und gleichzei­ tig für die Gasführung zwischen dem Pulsrohr und dem Puffervo­ lumen besteht aus parallelen Kapillaren oder den in Anspruch 2 aufgeführten Mitteln. Wenn die Kapillaren gleichverteilt über den Querschnitt am warmen Ende des Pulsrohrs sind oder die mittel gemäß Anspruch 2 dort den gleichen Querschnitt haben, werden zusätzliche Stromrichter, wie sie noch nach dem Stande der Technik notwendig sind, überflüssig. Hier ist der Strom­ richter die Einrichtung zur Gewährleistung einer über die Querschnittsfläche verteilten, gleichmäßigen Strömungsge­ schwindigkeit. Der Wärmetauscher am warmen Ende bewirkt die Stromrichtung.

Solche Aufbauten sind sehr kompakt, selbst bei Frequenzen im Bereich von 2 Hz. Trotz der insgesamten Kompaktheit hat die Einrichtung gemäß Anspruch 1 und/oder 2 einen großen Bereich für den Wärmeübergang. Darüber hinaus ist der zeitgemittelte Netto-Massen-Strom durch das Pulsrohr unterbunden, wenn ge­ wollt, aber auch dosierbar.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung besteht aus den Fig. 1 bis 8 und den Fig. 9 bis 11, wobei letzterer zum raschen Einlesen die prinzipiellen Bauweisen nochmals erinnern.

Es zeigt:

Fig. 1 die in den Pulsrohrkühler eingebauten kapillaren Strö­ mungskanäle,

Fig. 2 die ventilgesteuerte Zuleitung vom Druckerzeuger zum Regenerator,

Fig. 3 das Puffervolumen mit eingebautem, steuerbarem Expan­ der,

Fig. 4 die forcierte Wärmeentnahme am Expander,

Fig. 5 der in das Puffervolumen ragende Expander,

Fig. 6 der gesinterte Stab als Expander,

Fig. 7 das mit dem Druckerzeuger gekoppelte Puffervolumen,

Fig. 8 der zweistufige Aufbau einer aus Pulsrohrkühlern auf­ gebauten Kühleinrichtung,

Fig. 9 der bekannte Pulsrohrkühler mit eingebautem Strömungs­ widerstand in der Zuleitung zum Puffervolumen und in der By­ pass-Leitung,

Fig. 10 der bekannte Pulsrohrkühler in seinem einfachsten Aufbau und

Fig. 11 der bekannte Pulsrohrkühler mit einer jeweils mit zwei Ventilen gesteuerten Zuleitung vom Druckerzeuger zum Re­ generator und einer zum Wärmetauscher am warmen Ende des Puls­ rohrs.

Der Expander 20 gemäß Fig. 1 ist derart aufgebaut, daß sich eine für den Kreisprozeß optimale Phasenschiebung zwischen dem Druck und Volumenstrom am warmen Ende des Pulsrohrs 6 einstel­ len kann. Damit wird ein Pulsrohrkühler hoher Effizienz und einfacher Bauart herstellbar. Das neue Teil ist die Anordnung enger Strömungskanäle 20 oder Kapillarleitungen 20 zwischen dem Ausgang des Pulsrohrs 6, dem warmen Ende, und dem für die Leistung des Pulsrohrkühlers notwendig dimensionierten Gas­ tank, dem Puffervolumen 21. Dabei ist wichtig, daß die Strö­ mungskanäle 20 aus gut Wärme leitendem Material sind und zu der Umgebung, dem Kühlmedium, ein guter Wärmekontakt besteht.

Das Aufbauschema gemäß Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Realisie­ rung des einstufigen Pulsrohrkühlers. Die physikalischen Ab­ läufe sollen anhand dieses Aufbaus detaillierter beschrieben werden:
Dieser einstufige Pulsrohrkühler wird von einem Drehkolbengas­ kompressor mit dem Ansaugstutzen 14 und dem Auspuffstutzen 15 angetrieben. Beide Rohrstutzen sind einerseits mit je einem Ventil 16a und 16b zum Schließen und Öffnen abgeschlossen. Andrerseits verbindet das T-Stück beide Ventile 16a und 16b und ist über die Leitung 3 an den Kältekopf 1 oder den Kälte­ finger der Kühleinrichtung, genauer an den Eingang des Regene­ rators 4 angeschlossen.

Der Kältefinger 1 des Pulsrohr-Kältegenerators besteht aus dem Regenerator 4, dem Wärmetauscher 5 am kalten Ende, dem Puls­ rohr 6 und der am Ausgang des Pulsrohrs angeschlossenen, in die Umgebung ragenden Abschlußimpedanz. Diese besteht aus ei­ ner großen Anzahl am Ausgang des Pulsrohres abgehenden Kapil­ laren 20 und dem am andern Ende angesetzten Puffervolumen 21 in Form des Gastanks 21.

Der Regenerator 4 besteht aus einem Stapel porösen Materials mit hoher spezifischer Wärme, vorzugsweise aus gefaßten Edel­ stahlgitterscheiben, die in einem zylindrischen Gehäuse gesta­ pelt sind. Das Pulsrohr 6 ist ein zylindrisches, mit Kältemit­ tel, typischerweise mit Helium gefülltes Rohr, das bei Drucken, die um mehrere Bar um einen mittleren Druck von etwa 20 bar oszillieren, gehalten wird. Der Wärmetauscher 5 ist die Baukomponente zum Übertrag der Kälte, die durch den oszillie­ renden inneren Gasstrom erzeugt wird, an den außen anliegen­ den, hier nicht angedeuteten Nutzer. Zusätzlich muß dieser Wärmetauscher derart als Stromrichter wirken, daß da eine gleiche Fließrate über den Querschnitt am Eingangsbereich des Pulsrohrs 6 verteilt ist.

Die Kühlwirkung entsteht aus dem zyklischen Prozeß mit folgen­ den Schritten für das Gas innerhalb des Pulsrohrs:

A. Kompression

Durch das Öffnen des Auspuffventils 16a wird Gas durch den Re­ generator 4, wo es herunter gekühlt wird, geblasen und fließt durch den Wärmetauscher 5 in das Pulsrohr 6. Ein zusätzlicher Gasstrom in entgegengesetzter Richtung tritt vom Puffertank 21 her durch die Kapillaren 20 am warmen Ende in das Pulsrohr 6 ein. Für diesen Vorgang ist es notwendig, daß das Puffervolu­ men 21 und die Kapillaren 20 so bemessen sind, daß eine Reso­ nanz mit der entsprechenden Phasenverschiebung zwischen den beiden Gasströmen, der in das Pulsrohr ein- bzw. daraus aus­ tritt.

B. Verschiebung zum warmen Ende hin

Nach einiger Zeit, entsprechend des Gasstromes, der am kalten Ende eintritt, wird der Druck im Pulsrohr 6 höher als er im Puffervolumen 21 ist, und das Gas, mit einer Temperatur die höher ist als die der umgebenden am warmen Ende des Pulsrohrs 6, wird durch die Kapillaren 20 zurück in das Puffervolumen 21 gedrängt. Während dieses Prozesses wird Wärme von den Kapilla­ ren in die umgebende Atmosphäre abgegeben.

C. Ausdehnung

Jetzt ist das Auspuffventil 16a geschlossen und das Ansaugven­ til 16b geöffnet. Zu Beginn dieses Schrittes wird Gas an bei­ den Enden des Pulsrohrs ausgestoßen. Der Druck und die Tempe­ ratur werden abnehmen.

D. Verschiebung zum kalten Ende hin

Schließlich tritt ein Gasstrom vom Puffervolumen 21 in das warme Ende des Pulsrohrs 6 und gleichzeitig ein kalter Gas­ strom zurück zum Regenerator 4, dabei wird Wärme im Wärmetau­ scher 5 aufgenommen.

Anders ausgedrückt, kann der kontinuierliche Zyklus als ein Prozeß beschrieben werden, bei dem das Gas im Pulsrohr als ein Kolben wirkt, der einen mechanischen Arbeitsfluß, die Ausdeh­ nungsarbeit, vom kalten Ende des Pulsrohrs zum warmen Ende überträgt, wo er in einen Wärmefluß dissipiert, der an die Umgebung des Kapillarenbündels abgegeben wird. Zu diesem Zweck muß das warme Ende des Pulsrohrs mit einer gut angepaßten Gas­ stromimpedanz abgeschlossen werden, einem Bauteil, das haupt­ sächlich drei Bedingungen erfüllen muß:

• - eingestellte Resonanz,
• - angepaßter Strömungswiderstand,
• - um Arbeit in Wärmefluß umzusetzen und
• - weicher Fluß im Pulsrohr einrichten.

Entsprechend solcher unterschiedlicher Funktionen können un­ terschiedliche Benennungen für die Einrichtung ausgewählt wer­ den, wie
Pulsrohrexpander oder
thermischer Phasenschieber oder
induktiv wirkende Pulsrohr-Abschluß-Impedanz.

Die numerische Behandlung solcher Pulsrohr-Abschluß-Systeme zeigt, daß dieser Typ Phasenschieber am vorteilhaftesten für Kühler ist, die bei niedrigen Frequenzen arbeiten. Als Bei­ spiel wird ein Pulsrohr-Kühler analysiert, um 50 W von 50 K auf 300 K anzuheben. Das entsprechende Pulsrohr hat einen Durchmesser von etwa 45 mm und ist 200 mm lang. Der dazu gehö­ rige Expander besteht aus ungefähr 40 Kapillaren mit jeweils einem lichten Durchmesser von 0,3 mm und einer jeweiligen Länge von 150 mm und der Gastank des Puffervolumens muß etwa 200 cm³ haben.

Weitere mögliche Einrichtungen sind:
Der Gastank 21 oder das Puffervolumen 21 in Fig. 3 ist mit dem in Grenzen kontinuierlich veränderbaren Volumen 22, bei­ spielsweise in Form eines hydraulischen oder massiven Stem­ pels, mit von außen herangeführter Zuleitung 23 versehen. Da­ mit läßt sich das Puffervolumen in Grenzen verändern und ge­ zielt einstellen, womit die Impedanzabstimmung sehr fein an das System angepaßt werden kann.

Fig. 4 zeigt den zwangsgekühlten Expander 20, der hierzu von einem Rohr 25 mit den beiden Stutzen 26a und 26b für die Zu- und Ableitung des durchgeströmten Kühlmittels ummantelt ist.

In Fig. 5 sitzt die Kapillarenanordnung innerhalb des Puffer­ volumens 21. Um hierbei einen ausreichend guten Wärmeweg zu der Umgebung hin aufrecht zu erhalten, muß die Wand des Puf­ fervolumens zumindest aus einem Material sein, das die Wärme gut leitet.

Die nicht so gute Alternative zu dem Bündel paralleler Kapil­ laren ist der gesinterte Stab aus gut Wärme leitendem Material und geeigneter Porengröße oder aber Metall-/Edelstahlwolle mit eventuell gepreßt filzartiger Struktur. Da die Poren oder Durchtrittsmöglichkeiten über die gesamte Oberfläche verteilt sind und im Stab damit irgendwelche statistisch gleichmäßig verteilten Strömungskanäle bestehen, muß der Stab zwischen dem Ausgang des Pulsrohrs und dem Eingang zum Puffervolumen gas­ dicht aber gut wärmeleitend ummantelt sein, so daß nur Strö­ mungskanäle von der Eintrittsfläche am Pulsrohrausgang zur Austrittsfläche zum Puffervolumen zustande kommen. Es sollte wie beim Kapillarenbündel die Eintrittsfläche gleich der Aus­ trittsfläche sein und stetig an die Austrittsfläche am Puls­ rohrausgang ansetzen (Fig. 6).

Sollte ein von Null verschiedener Nettomassenstrom eingestellt werden müssen, wird zwischen dem Puffervolumen 21 und dem Druckerzeuger eine Leitung 24 eingebaut, deren Strömungsquer­ schnitt örtlich durch das kontinuierlich verstellbares Ventil 25, einem Dosierventil, eingestellt werden kann. (Fig. 7) (Die Leitung 24 sollte dann, wenn sie nicht unmittelbar am Druckerzeuger anschließt, an der Saugleitung 15 zwischen dem Druckerzeuger 2a und dem zugehörigen Ventil 16b anschließen.)

Die bisherigen Schemata zeigen alle einen einstufigen Puls­ rohrkühler. Für sehr tiefe Temperaturen kann eine Mehrstufig­ keit erforderlich sein.

Zweistufig ist sie beispielhaft in Fig. 8 dargestellt. Die eine Stufe, die Vorstufe besteht im Vakuumbereich 13 aus dem Regenerator 4a, dem Pulsrohr 6a und dem dazwischen liegenden Wärmetauscher 5a. Der zugehörige Expander 20a aus Wärmetau­ scher, Kapillarenbündel und Puffervolumen ragt in die Umgebung und ist über die Leitung 24 mit dem Dosierventil 25a zur spe­ zifischen Netto-Volumenstrom-Einstellung mit dem Druckerzeuger 2a verbunden. Die zweite Stufe besteht im Vakuumkessel 13 aus dem Regenerator 4b, dem Pulsrohr 6b und dem zugehörigen Wärme­ tauscher 5b. Der zugehörige Expander 20b ist vom Prinzip her hier gleich aufgebaut wie der der Vorstufe und ragt ebenfalls in die Umgebung. Er ist ebenfalls über das zugehörige Dosier­ ventil 25b zur spezifische Volumenstrom-Einstellung für die zweite Stufe an das Druckerzeuger 2a gekoppelt. Das Drucker­ zeuger der zweiten Stufe bildet gewissermaßen die Verbindung vom Regenerator 4a der ersten Stufe zum Pulsrohr 6a der ersten Stufe. Diese Verbindung und die entsprechende der zweiten Stufe zusammen mit den Wärmeübertragern 5a und 5b bilden im Vakuumkessel 13 die genutzten Wärmesenken.

Claims (9)

1. Expander in einer Pulsrohrkühlerstufe, aus der oder aus mindestens zwei solcher zusammenwirkenden Pulsrohrkühler­ stufen eine Kühleinrichtung aufgebaut ist, wobei die oder jede Pulsrohrkühlerstufe prinzipiell aus einem Druckerzeu­ ger (2/2a), einer daran angeschlossenen Einheit (1), dem eigentlichen Pulsrohrkühler aus Regenerator (4) und Puls­ rohr (6) mit dazwischen liegendem Wärmetauscher (5), einem Wärmetauscher (7) am Ausgang des Pulsrohrs (6) und einem daran angeschlossenen Ausdehnungsgefäß, dem Gastank oder Puffervolumen, aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (7) und die Rohrverbindung (10/10a) zum Puffervolumen (21) eine bauliche Einheit (20), den Expan­ der, bilden, die zugleich Leitungsverbindung (10/10a) und Wärmetauscher (7) ist, und aus einem kapillaren Strömungs­ kanal oder aus einem Bündel aus mindestens zwei kapillaren Strömungskanälen jeweils gleicher vorgegebener lichter Weite und Länge aus gut Wärme leitendem Material besteht.

2. Expander in einer Pulsrohrkühlerstufe, aus der oder aus mindestens zwei solcher zusammenwirkenden Pulsrohrkühler­ stufen eine Kühleinrichtung aufgebaut ist, wobei eine Puls­ rohrkühlerstufe prinzipiell aus einem Druckerzeuger (2/2a), einer daran angeschlossenen Einheit (1), dem eigentlichen Pulsrohrkühler, aus Regenerator (4) und Pulsrohr (6) mit dazwischen liegendem Wärmetauscher (5), einem Wärmetauscher (7) am Ausgang des Pulsrohrs (6) und einem daran ange­ schlossenen Ausdehnungsgefäß (12/12a), dem Gastank oder Puffervolumen, aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (7) und die Rohrverbindung (10/10a) zum Puffervolumen (21) eine bauliche Einheit (20), den Expan­ der, bilden, zugleich Leitungsverbindung (10/10a) und Wär­ metauscher (7) ist, und aus einem Stab (20a) aus gesintert schwammartigem oder wolle-/filzartigem, die Wärme gut lei­ tendem Material ist, der von einem gas- und flüssigkeits­ dichten Mantel (20b) aus ebenfalls die Wärme gut leitendem Material ummantelt ist.

3. Expander nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckerzeuger (2a) über eine von der Eingangsöff­ nung des Regenerators (4) kommenden Zuleitung (3), die sich in zwei, im Druckerzeuger endenden, mit je einem steuerba­ ren Ventil (16a) und (16b) versehenen Zweig (14) und (15)aufteilt, an den Pulsrohrkühler (1) angeschlossen ist (Fig. 2).

4. Expander nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Puffervolumen (21) ein davon gas- und flüssigkeitsdicht ab­ getrenntes, kleineres einstellbares Volumen (22) einge­ bracht ist, das durch das Gas im Puffervolumen nicht kom­ primierbar ist und mit dem das Puffervolumen (21) in vorge­ gebenen Grenzen von außen (kontinuierlich?) verändert wer­ den kann (Fig. 3).

5. Expander nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit (20) von einer gas- und flüssigkeitsdichten Hülle (25) mit Zu- und Ablauf (26a) und (26b) ummantelt ist, die an einen Kühlkreislauf angeschlossen werden kann (Fig. 4).

6. Expander nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zu­ mindest die Wand des Puffervolumens (21) aus gut Wärme lei­ tendem Material ist und die Einheit (20) mindestens teil­ weise dort hinein ragt (Fig. 5).

7. Expander nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeich­ net, daß das Puffervolumen (21) über eine Leitung(24) mit einem Dosierventil (25) mit dem Druckerzeuger (2/2a) ver­ bunden ist (Fig. 7).

8. Expander nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur besseren Wärmeabgabe an die Umgebung und/oder zur besseren Wärmeaufnahme im Puffervolumen (21) oberflächenvergrößernde Einrichtungen, wie Fahnen, Bänder oder Lamellen, aus gut wärmeleitendem Material gut wärme­ leitend auf der Wand des Puffervolumens angebracht sind.

9. Expander nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur besseren Wärmeabgabe an die Umgebung oberflächenvergrößern­ de Einrichtungen, wie Fahnen, Bänder oder Lamellen, aus gut wärmeleitendem Material gut wärmeleitend auf der äußeren Oberfläche des Mantel (20b) angebracht sind.