DE10160417C2 - Pulsröhrenkühler - Google Patents

Abstract

Es wird ein Pulsröhrenkühler bereitgestellt. Ein Pulsrohr wird in einen Regenerator eingeschoben, so dass die Mittelachse des Pulsrohres parallel zur Mittelachse des Regenerators liegt und so dass ein U-förmiger Arbeitsgaskanal von Pulsrohr und Regenerator gebildet wird. Es ist möglich, mehrere Elemente durch Vergrößern der zur Verfügung stehenden Fläche eines Kaltkopfes, der in einem Kaltwärmetauscher ausgebildet wird, zu kühlen. Es ist möglich, Randbedingungen in Bezug auf den Einbauraum einer Kühlereinheit durch Verringern der Länge der Kühlereinheit zu reduzieren. Es ist möglich, die Herstellungskosten durch Verringern der Anzahl der Dichtungselemente für das Zusammenfügen einer abgedichteten Zelle zu senken.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Pulsröhrenkühler und insbesondere einen Pulsröhrenkühler, der in der Lage ist, die verfügbare Fläche eines Kaltwärmetauschers zu vergrößern und die Größe des Kühlgeräts zu verringern.

Im Allgemeinen ist ein Tiefsttemperaturkühler ein Kühler mit niederer Schwingung und hoher Verlässlichkeit, der für das Kühlen kleiner elektronischer Bauteile oder eines Supraleiters eingesetzt wird. Sterling-Kühler, Giford- Mcmahon(GM)-Kühler und Joule-Thomson-Kühler sind gut be­ kannt.

Jedoch verschlechtert sich die Verlässlichkeit solcher Kühlgeräte, wenn die Kühlgeräte mit hoher Geschwindigkeit betrieben werden. Auch müssen zusätzliche Schmiermittel für den Abrieb an Abschnitten, die während des Betriebs des Kühlers der Reibung unterliegen, vorgesehen sein. Da­ her hat sich ein Bedarf an einem Tiefsttemperaturkühler ergeben, dessen Verlässlichkeit sich während des Hochge­ schwindigkeitsbetriebs aufrechterhalten lässt und der ü­ ber lange Zeit nicht repariert werden muss, da zusätzliche Schmierung nicht notwendig ist. Ein Pulsröhrenkühler ist ein solcher Tiefsttemperaturkühler.

Aus Jungnickel, Agsten, Kraus; Grundlagen der Kältetechnik; Berlin 1990; S. 240-243 ist das Prinzip des Pulsröhrenkühlers bekannt. Im Inneren eines Pulsrohres schwingt eine Gassäule mit innerem Wärmetransport, so dass an den Enden des Pulsrohres eine Wärmeabführung an die Umgebung bzw. Wärmezufuhr möglich ist.

Aus der DE 42 20 840 C2 ist eine Kältemaschine bekannt, die unter Anwendung des Pulsröhrenkühlerverfahrens arbeitet. Dabei weist die Kältemaschine einen Verdichter, einen ersten Wärmetauscher, einen Regenerator, einen zweiten Wärmetauscher, ein Pulsationsrohr, einen dritten Wärmetauscher und eine Expansionsmaschine auf, wobei die Elemente in dieser Reihenfolge hintereinander angeordnet sind. Die Expansionsmaschine kann dabei mit einer wählbaren Phasenvoreilung relativ zum Verdichter betrieben werden.

Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ei­ nen Pulsröhrenkühler bereitzustellen, der in der Lage ist, den zur Verfügung stehenden Bereich eines Kaltwärme­ tauschers mit einer gleichförmigen Fläche zu vergrößern.

Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Pulsröhrenkühler bereitzustellen, der in der Lage ist, die Randbedingungen an dem Einbauraum zu reduzieren, indem die Länge einer Kühlereinheit verringert wird.

Noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Pulsröhrenkühler bereitzustellen, der in der Lage ist, die Herstellungskosten durch Verringerung der Anzahl der Dichtungselemente für das Vakuum, das die Küh­ lereinheit isoliert, zu senken.

Um diese und andere Vorteile zu erzielen und in Überein­ stimmung mit den Zwecken der vorliegenden Erfindung, wie sie hierin ausgeführt und weitgehend beschrieben sind, wird ein Pulsröhrenkühler bereitgestellt, umfassend einen Nachkühler, der mit einem Zylinder zum Ansaugen/Ausstoßen eines Arbeitsgases verbunden ist, wobei der Nachkühler zum Entziehen der Wärme dient, die durch das Verdichten des Arbeitsgases, das in den Zylinder eingesaugt bezie­ hungsweise von diesem ausgestoßen wird, entsteht, einen Regenerator, der mit dem Nachkühler verbunden ist, wobei der Regenerator zum Speichern der fühlbaren Wärme des Ar­ beitsgases, das durch den Regenerator hindurchgeht, und zum Zurückgeben der fühlbaren Wärme, wenn das Arbeitsgas in umgekehrter Richtung durch den Regenerator hindurch­ fließt, dient, ein Pulsrohr, das mit einem Ende des Rege­ nerators verbunden ist, wobei das Pulsrohr zum Verdich­ ten/Ausdehnen des Arbeitsgases dient, das durch den Rege­ nerator hindurchströmt und einen Wärmestrom bildet, ein Inertanzrohr und einen Speicherbehälter, die mit dem Pulsrohr verbunden sind, wobei das Inertanzrohr und der Speicherbehälter dazu dienen, eine Phasenverschiebung zwischen einem Druckpuls und einem Massenstrom zu verur­ sachen und einen Wärmestrom im Pulsrohr zu erzeugen, ei­ nen Heißwärmetauscher zum Verbinden des Pulsrohrs mit dem Inertanzrohr und zum Abgeben der transportierten Wärme und einen Kaltwärmetauscher geben zum gemeinsamen Bede­ cken des Regenerators und des Pulsrohrs, so dass Verbin­ dungskanäle im Kaltwärmetauscher gebildet werden, um den Regenerator mit einem Ende des Pulsrohrs zu verbinden, das in den Regenerator eingeschoben ist. Der Kaltwärme­ tauscher umfasst einen hohlen zylindrischen Körper, der mit dem äußeren Umfang des Regenerators verbunden ist, einen in etwa hohlen, zylindrischen Zentralkörper, der Absätze aufweist und mit dem vorderen Ende des Pulsrohrs, das in der Mitte des Körpers angeordnet ist, und dem in­ neren Umfang des Regenerators in Kontakt tritt und damit verbunden ist, und eine Abdeckung auf dem Körper, die in den inneren Umfang des Körpers eingeschoben und mit die­ sem verbunden ist.

Die vorangehenden und andere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende genaue Beschreibung der vorliegenden Erfindung deutlicher werden, wenn diese in Verbindung mit den ange­ fügten Zeichnungen gelesen wird.

Die begleitenden Zeichnungen, die angefügt sind, um ein tieferes Verständnis der Erfindung zu vermitteln, und in diese Beschreibung mitaufgenommen sind und einen Teil derselben bilden, stellen Ausführungsformen der Erfindung dar und dienen gemeinsam mit der Beschreibung dazu, das Prinzip der Erfindung zu erläutern.

Fig. 1 ist ein vertikaler Schnitt, der ein Beispiel ei­ nes herkömmlichen Pulsröhrenkühlers zeigt;

Fig. 2 ist ein vertikaler Schnitt, der ein Beispiel ei­ nes Pulsröhrenkühlers nach der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 3 ist ein Schnitt, der die Kühlereinheit des Puls­ röhrenkühlers nach der vorliegenden Erfindung zeigt; und

Fig. 4 ist ein Schnitt, der entlang der Linie I-I aus Fig. 3 aufgenommen wurde.

Ein Pulsröhrenkühler nach der vorliegenden Erfindung wird nun genau mit Bezug auf eine Ausführungsform, die in den begleitenden Zeichnungen dargestellt ist, beschrieben.

Fig. 1 ist eine schematische Schnittansicht, die ein Beispiel eines herkömmlichen Pulsröhrenkühlers zeigt. Wie in Fig. 1 gezeigt, umfasst ein herkömmlicher Pulsröhrenkühler eine Antriebseinheit 10 zum Erzeugen der Hin- und Herbewegung eines Arbeitsgases und eine Kühlereinheit 20 mit einem Kaltkopf auf Grund des thermodynamischen Kreisprozesses des Arbeitsgases, das in die Antriebseinheit 10 eingesaugt, beziehungsweise von dieser ausgestoßen wird und sich in einer Hin- und Herbewegung in einer Rohrleitung befindet.

Die Antriebseinheit 10 umfasst ein geschlossenes Gehäuse 11, das einen inneren Raum aufweist, der ein mittleres Gehäuse 11b und ein unteres Gehäuse 11c abschirmt, ein oberes Gehäuse 11a, das fest mit der oberen Umfangskante des geschlossenen Gehäuses 11 gekoppelt ist und in dessen Mitte ein Zylinder 10a ausgebildet ist, einen Kolben 14, der im geschlossenen Gehäuse 11 angeordnet ist, dessen obere Fläche ihrerseits fest mit dem Boden des oberen Gehäuses 11a gekoppelt ist, in dessen innerem Raum eine elastische Abstützung 15 angebracht ist und die in den Zylinder 10a eingeschoben ist, das mittlere Gehäuse 11b, in dem sich ein Antriebsmotor 12 mit einer Antriebsachse 13 fest eingebaut befindet, die mit dem Kolben 14 verbunden ist, das untere Gehäuse 11c, das im geschlossenen Gehäuse 11 angeordnet ist und dessen obere Fläche fest mit der unteren Fläche des mittleren Gehäuses verschraubt ist, wobei in dessen innerem Raum eine elastische Abstützung 16 angebracht ist, und eine Abdeckung 11d, deren obere Fläche fest mit dem Boden des unteren Gehäuses 11c ver­ schraubt ist.

Die Kühlereinheit 20 umfasst einen Nachkühler 21, der fest mit dem oberen Gehäuse 11a der Antriebseinheit 10 verschraubt und mit dem Zylinder 10a verbunden ist, einen Regenerator 22, der mit dem anderen Ende des Nachkühlers 21 verbunden ist, einen Kaltwärmetauscher 23A, der mit dem anderen Ende des Regenerators 22 verbunden ist, ein Pulsrohr 23, das mit dem anderen Ende des Kaltwärmetau­ schers 23A (d. h. dem Einlass des Pulsrohres) verbunden ist, einen Heißwärmetauscher 23B, der mit dem anderen En­ de des Pulsrohres 23 (d. h. dem Auslass des Pulsrohres) verbunden ist, ein Inertanzrohr 24, das mit dem anderen Ende des Heißwärmetauschers 23B verbunden ist, einen Be­ hälter 25, der mit dem anderen Ende des Inertanzrohrs 24 verbunden ist, und eine abgedichtete Zelle 26, die den Regenerator 22 und das Pulsrohr 23 in sich aufgenommen hat und deren untere Fläche fest mit der oberen Fläche des Nachkühlers 21 verbunden ist, wobei in deren mittle­ rem Bereich ein Durchgangsloch ausgebildet ist, das dem äußeren Umfang des Pulsrohres 23 entspricht, und wobei der mittlere Bereich deren oberer Fläche fest mit dem Au­ ßenumfang des Pulsrohres 23 verbunden ist.

Der Nachkühler 21 ist aus Metall ausgebildet und führt die Funktion eines Wärmetauschers aus, um Wärme abzufüh­ ren, die in dem Arbeitsgas erzeugt wird, wenn die An­ triebseinheit 10 das Arbeitsgas verdichtet.

Der Regenerator 22 ist eine Art Wärmetauscher zum Bereit­ stellen eines Mittels, um die größtmögliche Menge an potentieller Energie (Kühlleistung) einen Niedertemperatur­ bereich erreichen zu lassen, wobei das Arbeitsgas nicht viel Wärme aufweist. Der Regenerator 22 stellt nicht nur einfach Wärme für ein System bereit oder entzieht dem System Wärme. Der Regenerator 22 absorbiert Wärme aus dem Arbeitsgas in einem Teil eines Druckkreislaufs und führt die Wärme dem Druckkreislauf in einem anderen Teil wieder zu.

Der Kaltwärmetauscher 23A absorbiert Wärme von einem Ele­ ment, das gekühlt werden soll, und bildet den Kaltkopf.

Das Pulsrohr 23 bewegt die Wärme vom Kaltwärmetauscher 23A zum Heißwärmetauscher 23B, wenn eine geeignete Pha­ senbeziehung zwischen einem Druckpuls und dem Massenstrom des Arbeitsgases im Pulsrohr 23 aufgebaut ist.

Der Heißwärmetauscher 23B entzieht die Wärme, die durch das Pulsrohr 23 vom Kaltwärmetauscher 23A fließt.

Das Inertanzrohr 24 und der Speicherbehälter 25 sorgen für eine Phasenverschiebung, so dass der Wärmefluss in einem geeigneten Aufbau maximiert werden kann.

Der herkömmliche Pulsröhrenkühler arbeitet wie folgt.

Wenn Strom an den Antriebsmotor 12 angelegt wird, befin­ det sich die Antriebsachse 13 in einer linearen Hin- und Herbewegung gemeinsam mit den elastischen Abstützungen 15 und 16. Der Kolben 14, der einstückig mit der Antriebs­ achse 13 verbunden ist, befindet sich in linearer Hin- und Herbewegung im Zylinder 10a und saugt das Arbeitsgas der Kühlereinheit 20 an beziehungsweise stößt es aus, um auf diese Weise den Kaltkopf in dem Kaltwärmetauscher 23A auszubilden.

Das heißt, das Arbeitsgas, das im Zylinder 10a verdichtet und aus dem Zylinder 10a herausgepresst wird, wenn der Kolben 14 das Arbeitsgas zusammendrückt, wird durch den Nachkühler 21 auf eine geeignete Temperatur gekühlt und zum Regenerator 22 geleitet. Das Arbeitsgas, das durch den Regenerator 22 hindurchgeht, wird zum Kaltwärmetau­ scher 23A des Pulsrohrs 23 geleitet und schiebt das Ar­ beitsgas, das in das Pulsrohr 23 eingefüllt ist, in Rich­ tung des Heißwärmetauschers 23B. Das Arbeitsgas gibt Wär­ me ab, während es durch den Heißwärmetauscher 23B hin­ durchströmt, und wird dem Speicherbehälter 25 durch das Inertanzrohr 24 zugeführt.

Da der Massenstrom des Arbeitsgases, das durch das Iner­ tanzrohr 24 strömt, vergleichsweise geringer ist als der Massenstrom des Arbeitsgases, das dem Pulsrohr 23 zuge­ führt wird, bildet sich zu diesem Zeitpunkt im Inneren des Pulsrohrs 23 ein thermisches Gleichgewicht bei einem hohen Druck.

Wenn das Arbeitsgas, das dem Pulsrohr 23 während des An­ saugens des Arbeitsgases durch den Kolben 14 zugeführt wird, dem Zylinder 10a zurückgeführt wird, während es durch den Regenerator 22 hindurchgeleitet wird, ist der Massenstrom des Arbeitsgases, das zum Pulsrohr 23 durch das Inertanzrohr 24 zurückgeführt wird, vergleichsweise geringer als der Massenstrom des Arbeitsgases, das vom Pulsrohr 23 rückgeführt wird. Daher dehnt sich das Arbeitsgas im Pulsrohr 23 adiabatisch aus. Im Allgemeinen dehnt sich das Arbeitsgas im Kaltwärmetauscher 23A schnell adiabatisch aus. Daher wird ein Kaltkopf im Kalt­ wärmetauscher 23A ausgebildet.

Daher bildet sich im Inneren des Pulsrohrs 23 das thermi­ sche Gleichgewicht bei einem niedrigen Druck aus. Das Ar­ beitsgas bewegt sich kontinuierlich vom Speicherbehälter 25 zum Pulsrohr 23 durch das Inertanzrohr 24 und erhöht den Druck des Arbeitsgases im Pulsrohr 23, um so die Aus­ gangstemperatur wiederzuerlangen. Eine Reihe solcher Vor­ gänge wird wiederholt.

Jedoch ist in der Kühlereinheit des herkömmlichen Puls­ röhrenkühlers der Bereich des Kaltwärmetauschers 23A sehr klein, auf dem ein Element, das tatsächlich gekühlt wer­ den soll, angebracht wird. Daher ergibt sich eine Be­ schränkung beim Kühlen einer großen Anzahl von Elementen.

Das heißt, der Regenerator 22 wird mit einer Seite des Kaltwärmetauschers 23A und das Pulsrohr mit der anderen Seite des Kaltwärmetauschers 23A verbunden. Daher ist der zur Verfügung stehende Bereich, auf dem Elemente, die ge­ kühlt werden sollen, angebracht werden können, auf den äußeren Umfang des Kaltwärmetauschers 23A beschränkt.

Wie in Fig. 1 gezeigt, erhöht sich die Gesamtlänge des Kühlers, da der Regenerator 22, das Pulsrohr 23, das I­ nertanzrohr 24 und der Speicherbehälter 25 in einer Reihe eingebaut sind. Daher ist ein größerer Einbauraum erfor­ derlich.

Obwohl auch der Regenerator 22 und das Pulsrohr 23 von­ einander durch Vakuum isoliert sein müssen und der Heiß­ wärmetauscher 23B, das Inertanzrohr 24 und der Speicher­ behälter 25 der Umgebung ausgesetzt sein müssen, sind die oben angeführten Elemente in Reihe eingebaut. Dementspre­ chend sind zumindest zwei Dichtungsabschnitte und - elemente erforderlich, um die abgedichtete Zelle 26 mit dem Pulsrohr 23 zu verbinden. Daher steigt die Anzahl an Teilen außerordentlich.

Fig. 2 ist ein vertikaler Schnitt, der einen Pulsröhren­ kühler nach der vorliegenden Erfindung zeigt. Fig. 3 ist ein vertikaler Schnitt, der die Kühlereinheit des Puls­ röhrenkühlers nach der vorliegenden Erfindung zeigt. Fig. 4 ist ein Schnitt, der entlang der Linie I-I aus Fig. 3 aufgenommen wurde.

Wie in Fig. 2, 3 und 4 gezeigt, umfasst der Pulsröhren­ kühler nach der vorliegenden Erfindung eine Antriebsein­ heit 100 zum Aufsaugen/Ausstoßen eines Arbeitsgases und eine Kühlereinheit 200, die mit der Antriebseinheit 100 verbunden ist und in der ein Kühlkopf ausgebildet wird.

Die Kühlereinheit 200 ist mit der Antriebseinheit 100 zu­ sammengefügt, indem ein Nachkühler 210 zum Kühlen des Ar­ beitsgases, das in den Zylinder 100a der Antriebseinheit 100 eingesogen beziehungsweise von diesem ausgestoßen wird, so dass das Arbeitsgas eine bestimmte Temperatur aufweist, mit dem Zylinder 100a verbunden wird. Ein Rege­ nerator 220 zum Aufnehmen der fühlbaren Wärme des Ar­ beitsgases, wenn die Antriebseinheit 100 das Arbeitsgas ausstößt, und zum Übertragen der Wärme des Arbeitsgases, wenn die Antriebseinheit 100 das Arbeitsgas aufsaugt, wird mit dem Nachkühler 210 verbunden und zusammengefügt. Ein Pulsrohr 230 zum Ausbilden des Kaltkopfes gemäß der Phasendifferenz zwischen einem Druckpuls und dem Massen­ strom des Arbeitsgases wird mit dem Regenerator 220 in­ nerhalb des Regenerators 220 zusammengefügt. Ein Iner­ tanzrohr 240 und ein Speicherbehälter 250 zum Erzeugen der Phasendifferenz des Arbeitsgases sind mit dem Puls­ rohr 230 verbunden. Eine kappenförmige, abgedichtete Zel­ le 260, die zur Vakuumisolierung des Regenerators 220 und des Pulsrohrs 230 von einander dient, wird mit einer Sei­ te des Nachkühlers 210 zusammengefügt.

Der Regenerator 220 ist ein Netzsystem, das aus Kupfer­ draht gewebt ist und die Form eines Zylinders hat, in dessen Mitte ein Durchgangsloch 221 ausgebildet ist und dessen Querschnitt ringförmig ist. Das Pulsrohr 230 wird eingeschoben und mit dem Durchgangsloch 221 des Regenera­ tors 220 zusammengefügt.

Der Regenerator 220 wird mit dem Pulsrohr 230 durch Abde­ cken des Regenerators 220 und des Pulsrohrs 230 mit einem Kaltwärmetauscher 270 verbunden. Der Kaltwärmetauscher 270, an dessen äußerem Umfang solche Bauteile wie Supra­ leiter angebracht sind, wird mit dem Regenerator 220 und dem Pulsrohr 230 zusammengefügt.

Der Kaltwärmetauscher 270 umfasst einen hohlen zylindri­ schen Körper 271, der mit dem äußeren Umfang des Regene­ rators 220 zusammengefügt ist, einen hohlen, in etwa zy­ lindrischen Zentralkörper 272, der mit dem forderen Ende des Pulsrohrs 230 und dem inneren Umfang des Regenerators 220 in Kontakt tritt und damit verbunden ist, und eine Abdeckung 273 auf dem Körper 271, die in den inneren Um­ fang des Körpers 271 eingeschoben ist und mit diesem ver­ bunden ist.

Eine Vielzahl von ersten Verbindungskanälen 271a ist ra­ dial auf demselben Umfang in einem Raum ausgebildet, der zwischen einer Vertiefung (keine Bezugszahl), die am in­ neren Umfang des Körpers 271 gebildet ist, dem äußeren Umfang des Zentralkörpers 272 und der inneren Oberfläche der Abdeckung 273 ausgebildet ist, und diese Kanäle sind mit dem Regenerator 220 verbunden. Die ersten Verbin­ dungskanäle 271a können durch einen inneren Umfang ohne die Vertiefungen (keine Bezugszahl) ausgebildet werden, die im inneren Umfang des Körpers 271 gebildet sind.

Eine Vielzahl von zweiten Verbindungskanälen 271b, die radial in einem Raum zwischen der oberen Oberfläche des Zentralkörpers 272 und der unteren Oberfläche der Abde­ ckung 273 ausgebildet sind, sind mit der Vielzahl der ersten Verbindungskanäle 271a verbunden.

Ferner sind dritte Verbindungskanäle 271c ausgebildet, in deren Mitte Absätze gebildet sind, wobei die dritten Ver­ bindungskanäle 271c zum Verbinden der zweiten Verbin­ dungskanäle 271b mit dem Pulsrohr 230 auf der Innenseite des Zentralkörpers 272 ausgebildet sind.

Ein Wärmetauscher 274, der das Netzsystem umfasst, das aus Kupferdraht gewebt ist, so dass das Arbeitsgas in dem Pulsrohr 230 leicht die Wärme von der Außenseite absor­ bieren kann, belastet die dritten Verbindungskanäle 271c des Zentralkörpers 272.

Ein Fortsatz 273a mit trapezförmigem Querschnitt berührt eng die Innenseite der Abdeckung 273 auf der oberen Ober­ fläche des Wärmetauschers 274 zum Zwecke eines ausrei­ chenden Wärmeübergangs.

Der äußere Umfang des Körpers 271, der äußere Umfang des Regenerators 220, eine Seite des Körpers 271 und eine Seite der Abdeckung 273 sind zum Zwecke der Abdichtung verschweißt.

Die Bezugszahlen 110, 120, 130, 140, 150 und 160, 280 und W bezeichnen ein Gehäuse, einen Antriebsmotor, eine An­ triebsachse, einen Kolben, elastische Abstützungen, ein Heißwärmetauscher und Schweißabschnitte.

Ein Pulsröhrenkühler nach der vorliegenden Erfindung, der den obigen Aufbau aufweist, arbeitet wie folgt.

Das heißt, wenn Strom an die Antriebseinheit 100 angelegt wird, befinden sich die Antriebsachse 130 des Antriebsmo­ tors 120 der Antriebseinheit 100 und der Kolben 140, der mit der Antriebsachse 130 verbunden ist, in einer linea­ ren Hin- und Herbewegung durch die elastischen Abstützun­ gen 150 und 160. Wenn der Kolben 140 das Arbeitsgas aus­ stößt, wird das Arbeitsgas im Zylinder 100a zum Nachküh­ ler 210 geleitet, auf eine bestimmte Temperatur gekühlt und dem Regenerator 220 zugeführt. Das Arbeitsgas, das dem Regenerator 220 zuströmt, kehrt im Kaltwärmetauscher 270 vollständig um und strömt dem Pulsrohr 230 zu, wobei es die fühlbare Wärme gespeichert hat. Das Arbeitsgas, das vorher in das Pulsrohr 230 eingeleitet worden ist, wird in Richtung zum Heißwärmetauscher 280 durch das neu dem Pulsrohr 230 zuströmende Arbeitsgas weitergeschoben und dem Speicherbehälter 250 durch das Inertanzrohr 240 zugeführt.

Wenn der Kolben 140 das Arbeitsgas ansaugt, wird das Ar­ beitsgas, das den Speicherbehälter 250 füllt, dem Puls­ rohr 230 wieder durch das Inertanzrohr 240 zugeführt. Das Arbeitsgas, das wieder in das Pulsrohr 230 zurückkehrt, schiebt das Arbeitsgas heraus, das vorher in das Pulsrohr 230 eingeleitet worden ist, und führt das Arbeitsgas zum Zylinder 100a zurück. Dementsprechend wird der Kaltwärme­ tauscher 270 auf Kryotemperatur gekühlt. In dieser Weise wird eine Serie von Durchläufen wiederholt.

Das Arbeitsgas, das dem Regenerator 220 durch den Nach­ kühler 210 zuströmt, diffundiert im Regenerator 220 und geht durch den Regenerator 220 hindurch. Das Arbeitsgas kehrt durch die ersten Verbindungskanäle 271a des Körpers 271 und durch die zweiten Verbindungskanäle 271b, die mit den ersten Verbindungskanälen 271a verbunden sind, um und fließt dem Pulsrohr 230 zu. Das Arbeitsgas geht durch den Kaltwärmetauscher 270 hindurch, bewegt sich zum Heißwär­ metauscher 280, der dem Kaltwärmetauscher 270 gegenüber liegt, und strömt dem Inertanzrohr 240 und dem Speicher­ behälter 250 zu. Das Arbeitsgas zirkuliert in der umge­ kehrten Richtung, wenn der Kolben 140 das Arbeitsgas an­ saugt und es wird dem Zylinder 100a der Antriebseinheit 100 wieder zugeführt.

Zu diesem Zeitpunkt bewegt sich die Wärme, die vom Kalt­ wärmetauscher 270 absorbiert worden ist, zum Heißwärmetauscher 280 und wird entsprechend dem obigen Fluss des Arbeitgases abgegeben, um so den Kaltwärmetauscher 270 zu kühlen. Dementsprechend bilden der Körper 271 und die Ab­ deckung 273 die Kaltköpfe.

Wenn das Pulsrohr 230 in den Regenerator 220 eingeschoben wird, bilden der Regenerator 220 und das Pulsrohr 230 ei­ nen U-förmigen Arbeitsgaskanal und der Kaltkopf, auf dem die Supraleiterbauteile angebracht werden müssen, wird an dem U-förmigen Kanal gebildet. Dementsprechend erstreckt sich die zur Verfügung stehende Fläche des Kältekopfes bis zum äußeren Umfang des Körpers 271 und auf die Ober­ seite der Abdeckung 273.

Da das Pulsrohr 230 in den Regenerator 220 eingeschoben ist, wird auch die Länge der Kühlereinheit 200 verrin­ gert. Dementsprechend sind die Randbedingungen in Bezug auf den Einbauraum des Pulsröhrenkühlers reduziert.

Da das Inertanzrohr 240 in Richtung des Nachkühlers 210 eindringend eingebaut ist, kann auch die abgedichtete Zelle 260 kappenförmig gestaltet werden. Da dementspre­ chend die Vakuumisolierung der Kühlereinheit 200 nur durch Zusammenfügen der Öffnung der abgedichteten Zelle 260 mit dem Nachkühler 210 durchgeführt werden kann, ist nur ein Dichtungselement für das Zusammenfügen der abge­ dichteten Zelle mit dem Nachkühler 210 erforderlich. Da­ her werden die Anzahl der Teile sowie der Herstellungs­ schritte verringert.

Die Wirkung des Pulsröhrenkühlers nach der vorliegenden Erfindung wird nun wie folgt beschrieben.

Im Pulsröhrenkühler nach der vorliegenden Erfindung wer­ den, wenn das Pulsrohr in den Regenerator eingeschoben wird, der Regenerator und das Pulsrohr mit dem Kaltwärme­ tauscher verbunden, der aus dem Körper und der Abdeckung besteht. Dementsprechend ist es möglich, mehr Bauteile am Kaltkopf anzubringen, und so mehr Bauteile zu kühlen, da die zur Verfügung stehende Fläche des sich ergebenden Kaltkopfes sich vergrößert. Die Randbedingungen in Bezug auf den Einbauraum sind reduziert, da die Länge der Küh­ lereinheit verringert wird. Die Herstellungskosten werden verringert, da die Anzahl der Dichtungselemente, die für das Zusammenfügen der abgedichteten Zelle verwendet wer­ den, verringert wird.

Claims (5)

1. Pulsröhrenkühler, umfassend:
einen Nachkühler (210), der mit einem Zylinder (100a) zum Ansaugen/Ausstoßen eines Arbeitsgases verbunden ist, wobei der Nachkühler (210) zum Ent­ ziehen der Wärme dient, die durch die Verdichtung des Arbeitsgases, das in den Zylinder eingesaugt be­ ziehungsweise von diesem ausgestoßen wird, entsteht;
einen Regenerator (220), der mit dem Nachkühler (210) verbunden ist, wobei der Regenerator (220) zum Speichern der fühlbaren Wärme des Arbeitsgases, das durch den Regenerator (220) hindurchgeht, und zum Zurückgeben der fühlbaren Wärme, wenn das Arbeitsgas in umgekehrter Richtung durch den Regenerator (220) hindurchfließt, dient;
ein Pulsrohr (230), das mit einem Ende des Regenera­ tors (220) verbunden ist, wobei das Pulsrohr (230) zum Verdichten/Ausdehnen des Arbeitsgases dient, das durch den Regenerator hindurchfließt und einen Wär­ mestrom bildet;
ein Inertanzrohr (240) und einen Speicherbehälter (250), die mit dem Pulsrohr (230) verbunden sind, wobei das Inertanzrohr (240) und der Speicherbehäl­ ter (250) dazu dienen, eine Phasenverschiebung zwischen einem Druckpuls und Massenstrom zu verursachen und den Wärmestrom im Pulsrohr (230) zu erzeugen;
einen Heißwärmetauscher (280) zum Verbinden des Pulsrohrs (230) mit dem Inertanzrohr (240) und zum Abgeben der transportierten Wärme; und
einen Kaltwärmetauscher (270) zum gemeinsamen Bede­ cken des Regenerators und des Pulsrohrs, so dass Verbindungskanäle (271a), (271b) und (271c) im Kalt­ wärmetauscher (270) gebildet werden, um den Regene­ rator (220) mit einem Ende des Pulsrohrs (230) zu verbinden, das in den Regenerator (220) eingeschoben ist,
wobei der Kaltwärmetauscher (270) umfasst:
einen hohlen zylindrischen Körper (271), der mit dem äußeren Umfang des Regenerators (220) verbunden ist;
einen hohlen, in etwa zylindrischen Zentralkörper (272), der Absätze aufweist und mit dem forderen En­ de des Pulsrohrs (230), das in der Mitte des Körpers (271) angeordnet ist, und dem inneren Umfang des Re­ generators (220) in Kontakt tritt und damit zusam­ mengefügt ist; und
eine Abdeckung (273) auf dem Körper (271), die in den inneren Umfang des Körpers (271) eingeschoben ist und mit diesem zusammengefügt ist.

2. Pulsröhrenkühler nach Anspruch 1, wobei eine Viel­ zahl von ersten Verbindungskanälen (271a) radial in einem Raum ausgebildet ist, der zwischen dem inneren Umfang des Körpers (271), dem äußeren Umfang des Zentralkörpers (272) und der inneren Oberfläche der Abdeckung (273) ausgebildet ist, und mit dem Regene­ rator (220) verbunden ist.

3. Pulsröhrenkühler nach Anspruch 2, wobei zweite Ver­ bindungskanäle (271b) in einem Raum zwischen der o­ beren Oberfläche des Zentralkörpers (272) und der unteren Oberfläche der Abdeckung (273) ausgebildet sind und jeweils entsprechend mit der Vielzahl der ersten Verbindungskanäle (271a) verbunden sind.

4. Pulsröhrenkühler nach Anspruch 1, wobei dritte Ver­ bindungskanäle (271c) im Zentralkörper (272) ausge­ bildet sind, wobei die dritten Verbindungskanäle (271c) zum Verbinden der zweiten Verbindungskanäle (271b) mit dem Pulsrohr 230 dienen.

5. Pulsröhrenkühler nach Anspruch 4, wobei ein Wärme­ tauscher (274), eingesetzt in und zusammengefügt ist mit den dritten Verbindungskanälen (271c), die im Zentralkörpers (272) ausgebildet und mit dem Puls­ rohr (230) verbunden sind, wobei der Wärmetauscher (274) zum Austausch von Wärme mit einem sich hin und her bewegenden Gas dient.